JP6241061B2 - 形状計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、被計測物の形状や寸法を計測する形状計測装置に関するものである。

光学的な手段によって被計測物の形状や寸法を計測する装置は、一般に、被計測物が配置される計測範囲に平行光を投光する投光部と、投光部によって投光された光のうち被計測物によって遮光されなかった光を受光する受光部を備えており、受光部は、投光部が投光した光をテレセントリック受光レンズにて集光して、焦点位置に配置する絞りを通過した光をイメージセンサで受光して被測定物の形状や寸法を測定するものである（下記特許文献１参照）。

特開２０００−１５５０１３号公報

このような従来技術は、投光部に光源が出射した光を平行光にするコリメータレンズなどの投光レンズが用いられているが、光源が完全な点光源でないことと、光学系の分解能は（波長／開口数）に比例するので実用的な分解能を得るには平行光以外の光を使わざるを得ないことなどの理由によって光源からの光を全て平行光にすることができないことから、受光部側にテレセントリック光学系を用いて、被計測物の光軸方向への位置ずれによる計測精度の低下を抑制している。しかしながら、テレセントリック光学系を利用しても開口数を大きくすることは難しく、光源が出射した光の一部しか受光できないため、所定の受光量を確保するためには光源出力を高めることになり省エネルギの観点で問題がある。

また、光源から出射される光には光量むらがあり、この光量むらがイメージセンサの出力に現れると計測精度を低下させることになるので、前述した従来技術では、光源の前に拡散板を配置して光量むらをなくすことがなされている。しかしながら、拡散板を用いると、平行光にならない光が更に増えて投光強度の低下につながり、受光量を低下させることになり、また、拡散光によって多量の迷光が発生するので、受光部における絞りを通過した迷光がイメージセンサに入射して、イメージセンサ出力のコントラストを低下させ、計測精度に悪影響を及ぼす問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、光源光の利用効率を高めることで、光源出力を高めることなく所望の受光量を確保すること、光源光の光量むらを無くすと同時に迷光の計測精度への悪影響を排除すること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による形状計測装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

被計測物の設置面に投光する投光部と、前記投光部が投光した光を受光する受光部を備え、前記受光部の出力によって被計測物の形状や寸法を計測する形状計測装置であって、前記投光部は、光源と、前記光源から出射された光が入射するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータの光出射面から出射した全光束を取り込むことができる開口数と視野を有し、少なくとも前記被計測物側でテレセントリックな投光光学系とを備え、前記受光部は、被計測物の投影像を受光する撮像素子と、前記設置面と前記撮像素子の受光面とを共役な関係にする物体側テレセントリックな受光光学系とを備え、前記投光光学系内部の開口絞りと前記受光光学系内部の開口絞りが共役の関係にあり、前記投光光学系は、前記ロッドインテグレータの光出射面と、前記設置面とを共役な関係にすることを特徴とする形状測定装置。

このような特徴を備えた形状計測装置は、光源光の利用効率を高めることで、光源出力を高めることなく所望の受光量を確保することができる。また、光源光の光量むらを無くすと同時に迷光の計測精度への悪影響を効果的に排除することができる。

本発明の一実施形態に係る形状計測装置の概略構成を説明する説明図である。 本発明の一実施形態に係る形状計測装置における投光光学系の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る形状計測装置における受光光学系の一例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る形状計測装置における光学系の他の構成例を示した説明図である。（ａ）が光学系のＹＺ断面図、（ｂ）が光学系のＸＺ断面図、（ｃ）が各光学要素のＸＹ断面図を示している。 フレネルレンズの影について説明する説明図である。 照度平滑化フィルタの機能を示した説明図である。（ａ）が中心部の透過率を５０％にした例であり、（ｂ）が中心部の透過率を８０％にした例である。 照度平滑化フィルタの挿入効果を示した説明図である。（ａ）が非挿入の場合の照度分布を示しており、（ｂ）が挿入した場合の照度分布を示している。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る形状計測装置を説明する説明図である。図２は、本発明の一実施形態に係る形状計測装置における投光光学系の一例を示す説明図である。図３は、本発明の一実施形態に係る形状計測装置における受光光学系の一例を示した説明図である。

形状計測装置１は、被計測物Ｗの設置面２に投光する投光部３と、投光部３が投光した光を受光する受光部４を備える。また、受光部４の出力によって被計測物Ｗの形状や寸法を計測する形状計測部５を備える。

投光部３は、光源１０と、ロッドインテグレータ１１と、投光光学系２０とを備えており、光源１０から出射された光がロッドインテグレータ１１に入射し、ロッドインテグレータ１１から出射した光が投光光学系２０を介して被計測物Ｗが設定される設置面２に投光される。

光源１０は、例えば、発光ダイオードの単体で構成することができる。ロッドインテグレータ１１は、入射した光を内部で多重反射させることで光量分布を均一化するものであり、光源１０から出射される光を拡散させることなく光量むらを無くす機能を有する。

投光光学系２０は、両側テレセントリック光学系を構成している。具体的には、図２に示すように、ロッドインテグレータ１１側から第１レンズ群２１と開口絞り２２と光路屈折用ミラー２３と第２レンズ群２４を備えており、ロッドインテグレータ１１の光出射面１１Ａから出射した全光束を取り込むことができる開口数と視野を有している。また、開口絞り２２内の一点を通過した光は、平行光になって設置面２に照射されるようになっており、ロッドインテグレータ１１の光出射面１１Ａ上の光の強度分布が均一でない場合には、これを均一化する機能を有する。光路屈折用ミラー２３は、投光部３の各要素の配置スペースをコンパクト化するために設けられるものである。

受光部４は、被計測物Ｗの投影像を受光する撮像素子１２と、設置面２と撮像素子１２の受光面１２Ａとを共役な関係にする物体側テレセントリックな受光光学系３０とを備える。受光光学系３０は、具体的には、図３に示すように、第３レンズ群３１と第４レンズ群３２とを備え、第４レンズ群３２の内部に開口絞り３３が配置されている。この受光光学系３０は、設置面２上の一点を通過して開口絞り３３を通過する光は全て受光面１２Ａの一点に集光するようになっている。すなわち、設置面２上の被計測物Ｗの輪郭の一点を通過した光は撮像素子１２の受光面１２Ａに集光することになり、被計測物Ｗの輪郭が設定された倍率で縮小されて受光面１２Ａ上に結像して投影像を形成する。投光光学系２０と受光光学系３０との関係は、投光光学系２０内における開口絞り２２と受光光学系３０における開口絞り３３との関係が共役な関係になっている。

また、前記投光光学系によって、前記ロッドインテグレータの光出射面と、前記設置面とが共役な関係になっている。

形状計測部５は、受光部４からの出力に基づいて被計測物Ｗの形状を計測するものであり、被計測物Ｗの輪郭の投影像によって得られるコントラスト情報に基づいて、被計測物Ｗの輪郭形状の座標データや投影幅等の寸法データを出力するものである。

このような構成を有する形状計測装置１によると、光源１０から出射された光はロッドインテグレータ１１に入射して均一化されるので、ロッドインテグレータ１１の光出射面１１Ａはほぼ均一な面光源になる。これによると、光源１０を発光ダイオードで形成した場合にも、光量分布を平均化した均一面光源を得ることができる。そして、設置面２の近傍では、設置面２に垂直な均一平行光が被計測物Ｗに投光されることになる。更には、設置面２の投光部３側に両側テレセントリック光学系を配置し、受光部４側に物体側テレセントリック光学系を配置しているので、被計測物Ｗの輪郭を通過した光をほぼ全て受光面１２Ａに結像させることができ、エッジ分解能を高めて計測精度を向上させることができる。

また、投光光学系２０と受光光学系３０との関係は、投光光学系２０内における開口絞り２２と受光光学系３０における開口絞り３３との関係が共役な関係になっているため、開口絞り３３を開口絞り２２の像と同じ大きさか、それよりも小さくすることで、迷光を効果的に抑制することができる。さらに、受光光学系３０の分解能と焦点深度は投光光学系の開口数と受光光学系の開口数によって決まるため、開口絞り２２と開口絞り３３の一方又は両方を可変絞りとすることで、受光光学系３０の分解能及び焦点深度を可変にすることができる。

この際、ロッドインテグレータ１１の光出射面１１Ａの外周形状は、被計測物Ｗが設置される設置面２の外周形状と相似形であることが好ましい。また、設置面２に形成される光出射面１１Ａの像が設置面２の外周形状と同一形状かそれよりも大きいことが好ましい。このように設定することで、設置面２の全面に均一な平行光を投光することができ、被計測物Ｗを設置面の何処に置いてもエッジ分解能の高い計測を行うことができる。また、ロッドインテグレータ１１の光出射面１１Ａと設置面２の外周形状を同じにして、両者の外周を一致させることで、前述したように、設置面の全面に均一な平行光が投光されると共に、設置面２から外れる迷光の発生を抑制することができる。

これによると、光源１０から出射されてロッドインテグレータ１１に入射した光のほぼ全ては均一な平行光となって設置面２に投射されることになり、これがほぼ全て受光面１２Ａに結像されることになるので、光源光の利用効率を高めることができ、光源１０の出力を高めることなく所定の受光量を確保することができる。また、光源光を散乱させないので迷光の発生を抑制することができると共に、光源１０の光量むらによる計測精度の低下を排除することが可能になる。

図４は、本発明の実施形態に係る形状計測装置における光学系の他の構成例を示した説明図である。（ａ）が光学系のＹＺ断面図、（ｂ）が光学系のＸＺ断面図、（ｃ）が各光学要素のＸＹ断面図を示している。前述した説明と共通する箇所は同一符号を付して重複説明を省略する。

図４に示した例では、ロッドインテグレータ１１として、板状ロッドプリズムを用い、光源１０としてＬＥＤ縦列光源を用いている。また、投光光学系２０における第２レンズ群２４にフレネルレンズ２４ｆを用いている。フレネルレンズ２４ｆは、ガラスレンズに比べて低価格で薄型化が容易であり、さらに非球面化も容易なので収差の除去ができる利点がある。

フレネルレンズ２４ｆは、図５に示すように、断面形状が鋸歯状なので影２４ｓができ、これが光量分布に影響するため、開口絞り２２と第２レンズ群２４の間に照度平滑化フィルタ（アポダイジングフィルタ）２５を入れて光量分布の不均一を改善している。照度平滑化フィルタ２５は、図６に示すような光透過率の特性を有するもので、フレネルレンズ２４ｆの影によってレンズの中心部分に対して周辺部分で透過光量が低下する影響を抑止するために、中心部分の透過率を周辺部分の透過率に対して低下させるフィルターパターンを有している。図６（ａ）が中心部分の透過率を周辺部分に対して５０％にした例であり、図６（ｂ）が中心部分の透過率を周辺部分に対して８０％にした例である。このような照度平滑化フィルタ２５を挿入することで、図７（ａ）に示すような照度ムラを図７（ｂ）に示すような平滑化した照度分布に改善することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る形状計測装置１は、投光部３のロッドインテグレータ１１による均一面光源の形成と、投光光学系２０に採用した両側テレセントリック光学系及び受光光学系３０に採用した物体側テレセントリック光学系の組み合わせによって、光源光の利用効率を高め、光源１０の出力を高めることなく所望の受光量を確保することができると共に、光源光の光量むらを無くすと同時に迷光の計測精度への悪影響を効果的に排除することができる。

１：形状計測装置，２：設置面，３：投光部，４：受光部，５：形状計測部，
１０：光源，１１：ロッドインテグレータ，１１Ａ：光出射面，
１２：撮像素子，１２Ａ：受光面，
２０：投光光学系，
２１：第１レンズ群，２２：開口絞り，
２３：光路屈折ミラー，２４：第２レンズ群，２４ｆ：フレネルレンズ，
２５：照度平滑化フィルタ，
３０：受光光学系，
３１：第３レンズ群，３２：第４レンズ群，３３：開口絞り，
Ｗ：被計測物

Claims (5)

1. 被計測物の設置面に投光する投光部と、前記投光部が投光した光を受光する受光部を備え、前記受光部の出力によって被計測物の形状や寸法を計測する形状計測装置であって、
   前記投光部は、光源と、前記光源から出射された光が入射するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータの光出射面から出射した全光束を取り込むことができる開口数と視野を有し、少なくとも前記被計測物側でテレセントリックな投光光学系とを備え、
   前記受光部は、被計測物の投影像を受光する撮像素子と、前記設置面と前記撮像素子の受光面とを共役な関係にする物体側テレセントリックな受光光学系とを備え、
   前記投光光学系内部の開口絞りと前記受光光学系内部の開口絞りが共役の関係にあり、
   前記投光光学系は、前記ロッドインテグレータの光出射面と、前記設置面とを共役な関係にすることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記投光光学系は、前記ロッドインテグレータ側から第１レンズ群と開口絞りと光路屈折用ミラーと第２レンズ群を備えることを特徴とする請求項１記載の形状計測装置。
3. 前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載された形状計測装置。
4. 前記光出射面の外周形状が前記設置面の外周形状と相似形であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された形状計測装置。
5. 前記設置面に形成される前記光出射面の像が前記設置面の外周形状と同一形状かそれよりも大きいことを特徴とする請求項４記載の形状計測装置。