JP7064404B2 - 光学式変位計 - Google Patents

Description

本発明は、三角測距方式により測定対象物の変位を検出する光学式変位計に関する。

光切断方式の光学式変位計においては、線状の断面を有する帯状の光が測定対象物（以下、ワークと呼ぶ。）上に照射され、その反射光が２次元の受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布のピークの位置に基づいて、ワークのプロファイルが測定される。ここで、ワークに照射された光がワークの表面で多重反射することがある。この場合、多重反射した光が受光素子に入射することにより受光量分布に複数のピークが現れるため、ワークの正確なプロファイルを測定することができない。投光部以外からの光（外乱光）が受光素子に入射した場合、またはワークの測定対象部分以外の部分により反射された光が受光素子に入射した場合等にも、同様の問題が発生する。

特許文献１には、表示部に表示された受光量分布に遮蔽枠を設定することが可能な光学式変位計が記載されている。この光学式変位計においては、設定された遮蔽枠内の受光量分布の部分を除いたピークの位置に基づいてプロファイルの測定が行われる。そこで、受光量分布において不要なピークが発生する部分が既知である場合には、使用者は、その部分に遮蔽枠を設定する。これにより、受光量分布に不要なピークが発生する場合でも、ワークに位置ずれが発生しない限りワークの正確なプロファイルを測定することができる。

特開２０１３－１７０８４１号公報

特許文献１に記載されているように、ワークに位置ずれが発生した場合、遮蔽枠をワークの位置ずれに追従して移動させることができない。そのため、ワークの位置ずれにより、不要なピークが発生する受光量分布の部分が遮蔽枠外に移動した場合、または不要なピークが発生しない受光量分布の部分が遮蔽枠内に移動した場合、ワークの正確なプロファイルを測定することができない。

本発明の目的は、測定対象物のプロファイルを正確に測定することが可能な光学式変位計を提供することである。

（１）本発明に係る光学式変位計は、測定対象物のプロファイルを測定する光切断方式の光学式変位計であって、第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向に走査されるスポット光を測定対象物に照射する投光部と、第１の方向と、第１の方向に交差する第２の方向とに並ぶ複数の画素を含み、測定対象物の第１の方向の各位置からの反射光を受光し、受光量分布を出力する受光部と、設定時に、測定対象物のプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データを登録する登録部と、設定時に、受光部により出力される受光量分布において受光量を無視すべき部分を示すためのマスク領域を基準データに設定する設定部と、測定時に、第１の方向に並ぶ複数の画素列によりそれぞれ出力される複数の受光量分布に基づいて画素列ごとに第２の方向における受光量のピークの位置を検出するピーク検出部と、測定時に、ピーク検出部により検出された複数の受光量分布の各々におけるピークの位置に基づいて測定対象物の仮のプロファイルデータを生成するプロファイル生成部と、測定時に、基準プロファイルと仮のプロファイルデータに基づく仮のプロファイルとの位置ずれ量を特定し、特定された位置ずれ量に基づいて仮のプロファイルに対するマスク領域の位置を補正する補正部とを備え、ピーク検出部は、測定時に、複数の画素列にそれぞれ対応する複数の受光量分布の各々から補正部により補正されたマスク領域内の受光量を除いて第２の方向におけるピークの位置を再度検出し、プロファイル生成部は、測定時に、ピーク検出部により再度検出されたピークの位置に基づいて測定対象物の真のプロファイルデータを生成する。

この光学式変位計においては、設定時に、測定対象物のプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データが登録部により登録される。また、受光部により出力される受光量分布において受光量を無視すべき部分を示すためのマスク領域が設定部により基準データに設定される。

測定時に、投光部により第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向にスポット光が走査されて測定対象物に照射される。受光部において第１の方向に並ぶ複数の画素列により測定対象物からの反射光が受光され、受光量分布が出力される。各画素列において、複数の画素が第２の方向に並ぶ。複数の画素列によりそれぞれ出力される複数の受光量分布に基づいて画素列ごとに第２の方向における受光量のピークの位置がピーク検出部により検出される。検出された複数の受光量分布の各々におけるピークの位置に基づいて測定対象物の仮のプロファイルデータがプロファイル生成部により生成される。

その後、基準プロファイルと仮のプロファイルデータに基づく仮のプロファイルとの位置ずれ量が補正部により特定され、特定された位置ずれ量に基づいて仮のプロファイルに対するマスク領域の位置が補正される。複数の画素列にそれぞれ対応する複数の受光量分布の各々から補正されたマスク領域内の受光量を除いて第２の方向におけるピークの位置がピーク検出部により再度検出される。再度検出されたピークの位置に基づいて測定対象物の真のプロファイルデータがプロファイル生成部により生成される。

この構成によれば、受光量分布に不要なピークが発生する場合、その受光量分布の部分に対応する基準プロファイルの部分にマスク領域を設定することにより、マスク領域内の受光量を無視して測定対象物の真のプロファイルを示す真のプロファイルデータを生成することができる。ここで、真のプロファイルデータが生成される前に、測定対象物の仮のプロファイルを示す仮のプロファイルデータが生成される。そのため、基準プロファイルに対して測定対象物に位置ずれが発生した場合でも、基準プロファイルと仮のプロファイルとの位置ずれに基づいてマスク領域の位置が補正され、測定対象物の位置ずれに追従してマスク領域が移動する。

したがって、当該測定対象物に位置ずれが発生した場合でも、不要なピークが発生する部分がマスク領域外に移動することが防止される。同様に、不要なピークが発生しない部分がマスク領域内に移動することが防止される。これにより、基準プロファイルに重ならない範囲で基準プロファイルの直近にまでマスク領域を設定することができる。その結果、受光量分布に不要なピークが発生した場合でも測定対象物のプロファイルを正確に測定することができる。

（２）設定部は、設定時に、基準プロファイルに対する仮のプロファイルの部分の位置ずれを検出するための検出領域を基準データにさらに設定し、補正部は、測定時に、検出領域内における基準プロファイルの部分と、仮のプロファイルにおいて基準プロファイルの当該部分に対応する部分との位置ずれ量を特定してもよい。この場合、基準プロファイルと仮のプロファイルとの位置ずれ量を容易にかつ高速に特定することができる。

（３）プロファイル生成部は、測定時に、ピーク検出部によりいずれかの画素列に対応する受光量分布について複数のピークの位置が検出された場合、予め設定された条件に基づいて当該受光量分布における複数のピークの位置から一のピークの位置を決定し、決定されたピークの位置に基づいて仮のプロファイルデータを生成してもよい。この場合、仮のプロファイルデータを容易に生成することができる。

（４）予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピークの位置から最大の受光量を有するピークの位置を一のピークの位置として決定することを含んでもよい。測定対象物の形状によっては、最大の受光量を有するピークの位置が測定対象物の表面の位置に合致することがある。このような場合、測定対象物の仮のプロファイルを比較的正確に示す仮のプロファイルデータを容易に生成することができる。

（５）予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピークの位置から第２の方向における一端または他端に最も近いピークの位置を一のピークの位置として決定することをさらに含んでもよい。測定対象物の形状によっては、第２の方向における一端または他端に最も近いピークの位置が測定対象物の表面の位置に合致することがある。このような場合、測定対象物の仮のプロファイルを比較的正確に示す仮のプロファイルデータを容易に生成することができる。

（６）光学式変位計は、プロファイル生成部により生成された真のプロファイルデータの各部分において、値の変化が小さいほど平滑効果が大きくなるように真のプロファイルデータにフィルタ処理を行うフィルタ処理部をさらに備えてもよい。この場合、真のプロファイルにおける段差部分およびエッジ部分の形状を維持しつつ、測定対象物の平坦な部分に対応する真のプロファイルの部分を平滑化することができる。

本発明によれば、測定対象物のプロファイルを正確に測定することができる。

本発明の一実施の形態に係る光学式変位計の構成を示すブロック図である。 撮像ヘッドおよびワークの外観斜視図である。 ワーク表面における光の照射位置と受光部における光の入射位置との関係を示す図である。 ワーク表面における光の照射位置と受光部における光の入射位置との関係を示す図である。 受光部の受光面における受光量分布を示す図である。 図５の１つの画素列における受光量分布を示す図である。 図５の受光量分布における全てのピーク位置を示す図である。 図７のピーク位置に基づいて取得されたプロファイルデータを示す図である。 ワークの表面での反射について説明するための図である。 受光部における受光量分布の他の例を示す図である。 図１０の１つの画素列における受光量分布を示す図である。 プロファイル取得部の構成を示すブロック図である。 プロファイル取得部の動作例を説明するための図である。 プロファイル取得部の動作例を説明するための図である。 プロファイル取得部の動作例を説明するための図である。 プロファイル取得部の動作例を説明するための図である。 プロファイル取得部の動作例を説明するための図である。 プロファイル取得部の動作例を説明するための図である。 図１２のフィルタ処理部の動作を説明するための図である。

（１）光学式変位計の構成
以下、本発明の実施の形態に係る光学式変位計として、光切断方式の光学式変位計について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る光学式変位計の構成を示すブロック図である。図１に示すように、光学式変位計５００は、撮像ヘッド１００、処理装置２００、入力部３００および表示部４００を備える。光学式変位計５００は、複数の撮像ヘッド１００を備えてもよい。撮像ヘッド１００は、処理装置２００に対して着脱可能に構成される。撮像ヘッド１００と処理装置２００とは一体的に構成されてもよい。

撮像ヘッド１００は、投光部１１０および撮像部１２０を含む。投光部１１０は、一方向（後述するＸ１方向）に広がる帯状の光を測定対象物（以下、ワークＷと呼ぶ。）に照射可能に構成される。投光部１１０は、一方向に広がる帯状の光に代えて、一方向に走査される光をワークＷに照射可能に構成されてもよい。

撮像部１２０は、受光部１２１および受光レンズ１２２を含む。ワークＷからの反射光が、受光レンズ１２２を通して受光部１２１に入射する。受光部１２１は例えばＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサを含み、２次元に配置された複数の画素を有する。受光部１２１の受光量分布は、デジタルのデータとして出力される。

処理装置２００は、記憶部２１０および制御部２２０を含む。また、処理装置２００は、機能部として、投光制御部２２１、受光制御部２２２、入力設定部２２３、プロファイル取得部２２４、計測処理部２２５および表示処理部２２６を含む。

記憶部２１０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ハードディスクまたは半導体メモリ等により構成され、測定プログラムを記憶する。制御部２２０は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）である。制御部２２０が記憶部２１０に記憶された測定プログラムを実行することにより処理装置２００の機能部が実現される。処理装置２００の機能部の一部または全てが電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。

投光制御部２２１は、投光部１１０の光の照射タイミングおよび光の強度等を制御する。受光制御部２２２は、受光部１２１の受光タイミング等を制御する。入力設定部２２３は、入力部３００により与えられる指令信号に基づいて、その指令信号をプロファイル取得部２２４および計測処理部２２５に与える。

プロファイル取得部２２４は、受光部１２１により出力された受光量分布および入力設定部２２３から与えられる指令信号に基づいてワークＷのプロファイルを示すプロファイルデータを取得する。プロファイル取得部２２４の詳細については後述する。

計測処理部２２５は、入力設定部２２３から与えられる指令信号に基づいてプロファイル取得部２２４により取得されたプロファイルデータに対する計測処理を行う。ここで、計測処理とは、プロファイルデータに基づいてワークＷの表面の任意の部分の寸法（変位）を算出する処理である。表示処理部２２６は、プロファイルデータに基づくワークＷの形状および計測処理により算出された寸法（変位）を示す画像データを生成し、生成された画像データを表示部４００に与える。

入力部３００は、キーボードおよびポインティングデバイスを含み、使用者により操作可能に構成される。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。また、入力部３００として専用のコンソールを用いてもよい。使用者により入力部３００が操作されることにより、入力部３００から処理装置２００の入力設定部２２３に指令信号が与えられる。

表示部４００は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。表示部４００は、処理装置２００の表示処理部２２６により与えられる画像データに基づいてワークＷのプロファイルおよび計測処理部２２５による計測結果を表示する。

（２）動作の概要
図２は、撮像ヘッド１００およびワークＷの外観斜視図である。図３および図４は、ワークＷの表面における光の照射位置と受光部１２１における光の入射位置との関係を示す図である。図２～図４においては、水平面内で互いに直交する２方向をＸ１方向およびＹ１方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ１，Ｙ１で示す。また、鉛直方向をＺ１方向と定義し、矢印Ｚ１で示す。また、図３および図４においては、受光部１２１の受光面上で互いに直交する２方向をＸ２方向およびＺ２方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ２，Ｚ２で示す。ここで、受光面とは、受光部１２１の複数の画素により形成される面である。

図２の例では、ワークＷの表面にＹ１方向に延びる断面Ｖ字状の溝が形成される。撮像ヘッド１００は、Ｘ１方向に沿った帯状の光をワークＷの表面に照射する。以下、帯状の光が照射されるワークＷの表面の線状の領域を照射領域Ｔ１と呼ぶ。図３に示すように、照射領域Ｔ１で反射される光が、受光レンズ１２２を通して受光部１２１に入射する。この場合、照射領域Ｔ１における光の反射位置がＺ１方向に異なると、受光部１２１への反射光の入射位置がＺ２方向に異なる。

また、図４に示すように、照射領域Ｔ１における光の反射位置がＸ１方向に異なると、受光部１２１への反射光の入射位置がＸ２方向に異なる。これにより、受光部１２１のＺ２方向における光の入射位置が、照射領域Ｔ１のＺ１方向における位置（高さ）を表し、受光部１２１のＸ２方向における光の入射位置が、照射領域Ｔ１におけるＸ１方向の位置を表す。

図５は、受光部１２１の受光面における受光量分布を示す図である。図５の受光部１２１の各画素ｐの受光量に基づいて受光量分布が生成される。受光部１２１の複数の画素ｐは、Ｘ２方向およびＺ２方向に沿うように２次元に配置される。Ｚ２方向に沿った複数の画素ｐの列の各々を画素列ＳＳと呼ぶ。したがって、受光部１２１の受光面には、複数の画素列ＳＳがＸ２方向に配列され、各画素列ＳＳはＺ２方向に沿った複数の画素ｐを含む。

なお、本発明における各画素ｐは、ＣＭＯＳセンサ等の撮像装置の１個のピクセル（ピクセルの最小単位）により構成されることに限定されず、複数個のピクセルにより構成されてもよい。例えば、２×２に配列された４個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよいし、３×３に配列された９個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよい。したがって、複数個のピクセルを１個の単位としてビニング処理が行われている場合には、当該１個の単位に含まれる複数個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよい。

図２の照射領域Ｔ１で反射された光は、図５に示される受光領域Ｒ１に入射する。それにより、受光領域Ｒ１の受光量が大きくなる。図５の受光量分布が、画素列ＳＳごとにデジタルのデータとして出力される。

図６は、図５の１つの画素列ＳＳにおける受光量分布を示す図である。図６において、横軸はＺ２方向の位置を示し、縦軸は受光量を示す。図６に示すように、１つの画素列ＳＳにおける受光量分布には、図５の受光領域Ｒ１に対応するピークＰ（極大値）が現れる。ピークＰのＺ２方向における位置（以下、ピーク位置ＰＰと呼ぶ。）は、照射領域Ｔ１におけるワークＷの表面（反射面）の高さを示す。

複数の画素列ＳＳに対応する複数の受光量分布の各々において１つ以上（図６の例では１つ）のピーク位置ＰＰが図１のプロファイル取得部２２４により検出される。複数のピーク位置ＰＰに基づいて、ワークＷのプロファイル（照射領域Ｔ１の形状）を示すプロファイルデータがプロファイル取得部２２４により取得される。

図７は、図５の受光量分布における全てのピーク位置ＰＰを示す図である。図８は、図７のピーク位置ＰＰに基づいて取得されたプロファイルデータを示す図である。図７および図８に示すように、検出された全てのピーク位置ＰＰが、連続的な線として示されることにより、ワークＷのプロファイルを示すプロファイルデータが得られる。

上記のように、照射領域Ｔ１で反射された光が受光部１２１に入射することにより、照射領域Ｔ１の高さを表すピークが受光量分布に表れる。しかしながら、照射領域Ｔ１以外の部分で反射された光が受光部１２１に入射することがある。この場合、照射領域Ｔ１の高さを示すピーク（以下、真ピークと呼ぶ。）とは異なるピーク（以下、偽ピークと呼ぶ。）が受光量分布に現れる。図９（ａ），（ｂ）は、ワークＷの表面での反射について説明するための図である。図１０は、受光部１２１における受光量分布の他の例を示す図である。図１１は、図１０の１つの画素列ＳＳにおける受光量分布を示す図である。

図９（ａ）に示すように、ワークＷに照射される光は、照射領域Ｔ１で正反射および拡散反射される。ここで、正反射とは、入射角と反射角とが等しい反射をいい、拡散反射とは、入射角と反射角とが異なる反射をいう。通常、照射領域Ｔ１で正反射された光は受光部１２１に入射せず、照射領域Ｔ１で拡散反射された一部の光Ｌ１が受光部１２１に入射する。一方、図９（ｂ）に示すように、照射領域Ｔ１で拡散反射された他の一部の光Ｌ２が、ワークＷの表面の照射領域Ｔ１以外の他の領域（以下、偽照射領域Ｔ２と呼ぶ。）で正反射され、受光部１２１に入射することがある。

光が正反射された場合、反射前後で光の強度が大きく変化しない。そのため、照射領域Ｔ１から受光部１２１に入射する光Ｌ１の強度と、偽照射領域Ｔ２から受光部１２１に入射する光Ｌ２の強度との間に大きな差が生じない。なお、本実施の形態は一例であり、このような多重反射（複数回反射）は様々な状況下で起こりうる。例えば、正反射光がワークＷからの反射光として受光部１２１に受光されるようにワークＷおよび撮像ヘッド１００が配置されている場合、正反射光以外の拡散反射光が他の領域でさらに反射され、受光部１２１に受光されることもある。

この場合、図１０に示すように、受光部１２１の受光面において、受光領域Ｒ１以外に、他の領域（以下、偽受光領域Ｒ２と呼ぶ。）の受光量が大きくなる。そのため、図１１に示すように、受光量分布において、受光領域Ｒ１に対応するピークＰである真ピークＰ１の他に、偽受光領域Ｒ２に対応するピークＰである偽ピークＰ２が現れる。真ピークＰ１の位置ではなく偽ピークＰ２の位置がピーク位置ＰＰとして決定された場合、正確なプロファイルデータを取得することができない。

また、投光部１１０以外からの光（外乱光）が受光部１２１に入射することがある。あるいは、ワークＷの照射領域Ｔ１以外の部分に照射された光が反射されて受光部１２１に入射することがある。これらの場合にも、受光量分布において、真ピークＰ１の他に偽ピークＰ２が現れることとなり、同様の問題が発生する。

そこで、プロファイル取得部２２４は、設定時と測定時とで選択的に動作する。プロファイル取得部２２４は、設定時に、ワークＷのプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データの登録を受け付ける。基準データには、受光量分布において受光量を無視すべき部分を示すためのマスク領域が設定される。プロファイル取得部２２４は、測定時に、設定されたマスク領域に基づいて偽ピークＰ２の位置ではなく真ピークＰ１の位置をピーク位置ＰＰとして決定する。

以下、プロファイル取得部２２４の動作の詳細について説明する。また、以下の説明では、画素列ＳＳに対応する受光量分布におけるピーク位置ＰＰを単に画素列ＳＳのピーク位置ＰＰと呼ぶ。

（３）プロファイル取得部の構成
図１２は、プロファイル取得部２２４の構成を示すブロック図である。図１２に示すように、プロファイル取得部２２４は、機能部として、登録部１、設定部２、ピーク検出部３、プロファイル生成部４、補正部５およびフィルタ処理部６を含む。図１の制御部２２０が記憶部２１０に記憶された測定プログラムを実行することによりプロファイル取得部２２４の機能部が実現される。プロファイル取得部２２４の機能部の一部または全てが電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。

登録部１は、設定時に、入力設定部２２３から与えられる指令信号に基づいて、基準データを登録する。使用者は、入力部３００を操作することにより、入力設定部２２３を通して登録部１に基準データの登録を指示することができる。基準データは、ワークＷのＣＡＤ（computer-aided design）データ等の設計データであってもよいし、ワークＷと同形状の測定対象物が予め測定されることにより生成されたマスタプロファイルデータであってもよい。登録された基準データに基づく基準プロファイルは、表示処理部２２６を通して表示部４００に表示される。

設定部２は、設定時に、入力設定部２２３から与えられる指令信号に基づいて、マスク領域を登録部１により登録された基準データに設定する。使用者は、表示部４００に表示された基準プロファイルを視認しつつ、入力部３００を操作することにより、入力設定部２２３を通して設定部２にマスク領域の設定を指示することができる。

ピーク検出部３は、測定時に、受光部１２１により出力される受光量分布に基づいて、各画素列ＳＳのピーク位置ＰＰを検出する。プロファイル生成部４は、測定時に、入力設定部２２３から与えられる指令信号およびピーク検出部３により検出される各画素列ＳＳのピーク位置ＰＰに基づいてワークＷの断面形を示すプロファイルデータを生成する。このときに生成されるプロファイルデータを仮のプロファイルデータと呼び、仮のプロファイルデータに基づいて示されるプロファイルを仮のプロファイルと呼ぶ。

上記の仮のプロファイルデータの生成時において、不要な光が受光部１２１に入射した場合、いずれかの画素列ＳＳについて複数のピーク位置ＰＰがピーク検出部３により検出される。この場合、プロファイル生成部４は、予め設定された条件に基づいて当該画素列ＳＳの複数のピーク位置ＰＰから一のピーク位置ＰＰを決定し、決定されたピーク位置ＰＰに基づいて仮のプロファイルデータを生成する。

予め設定された条件は、「標準（最大ピーク）」、「ＮＥＡＲ」および「ＦＡＲ」を含む。使用者は、入力部３００を操作することにより、「標準（最大ピーク）」、「ＮＥＡＲ」および「ＦＡＲ」のいずれかを入力設定部２２３に設定することができる。「標準（最大ピーク）」においては、各受光量分布における複数のピークから最大の受光量を有するピークの位置がピーク位置ＰＰとして決定される。図１１の例では、２つのピークＰのうち、最大の受光量を有する真ピークＰ１の位置がピーク位置ＰＰとして決定される。

「ＮＥＡＲ」においては、各受光量分布における複数のピークからＺ２方向における一端（例えば左端）に最も近いピークの位置がピーク位置ＰＰとして決定される。図１１の例では、２つのピークＰのうち、最も左に現れる偽ピークＰ２の位置がピーク位置ＰＰとして決定される。「ＦＡＲ」においては、各受光量分布における複数のピークからＺ２方向における他端（例えば右端）に最も近いピークがピーク位置ＰＰとして決定される。図１１の例では、２つのピークＰのうち、最も右に現れる真ピークＰ１の位置がピーク位置ＰＰとして決定される。

ワークＷの形状によっては、いずれかの条件に基づいて決定されるピーク位置ＰＰがワークＷの表面の位置に合致することがある。したがって、使用者がワークＷの形状に対応する適切な条件を認識している場合には、その条件を設定することにより、ワークＷの仮のプロファイルを比較的正確に示す仮のプロファイルデータを容易に生成することができる。

補正部５は、測定時に、登録部１により登録された基準データに基づく基準プロファイルと、プロファイル生成部４により生成された仮のプロファイルデータに基づく仮のプロファイルとの位置ずれ量を特定する。また、補正部５は、特定された位置ずれ量に基づいて仮のプロファイルに対するマスク領域の位置を補正する。

ここで、設定部２は、設定時に、基準プロファイルに対する仮のプロファイルの部分の位置ずれを検出するための検出領域を基準データに設定することができる。使用者は、表示部４００に表示された基準プロファイルを視認しつつ、入力部３００を操作することにより、入力設定部２２３を通して設定部２に検出領域の設定を指示することができる。基準データに検出領域が設定されている場合には、補正部５は、位置ずれ量の特定時に、検出領域内における基準プロファイルの部分と仮のプロファイルにおいて基準プロファイルの当該部分に対応する部分との位置ずれ量を特定する。この場合、基準プロファイルと仮のプロファイルとの位置ずれ量を容易にかつ高速に特定することができる。

ピーク検出部３は、測定時に、補正部５により位置が補正されたマスク領域内の受光量を除いた状態で、各画素列ＳＳのピーク位置ＰＰを再度検出する。プロファイル生成部４は、測定時に、ピーク検出部３により再度検出されたピーク位置ＰＰに基づいてワークＷのプロファイルを示すプロファイルデータを再度生成する。このときに生成されるプロファイルデータを真のプロファイルデータと呼び、真のプロファイルデータに基づいて示されるプロファイルを真のプロファイルと呼ぶ。

フィルタ処理部６は、プロファイル生成部４により生成された真のプロファイルデータの各部分において、値の変化が小さいほど平滑効果が大きくなるように真のプロファイルデータにフィルタ処理を行う。フィルタ処理部６の詳細については後述する。プロファイル生成部４により生成された真のプロファイルデータに基づく真のプロファイルは、表示処理部２２６を通して表示部４００に表示される。

（４）プロファイル取得部の動作
図１３～図１８は、プロファイル取得部２２４の動作例を説明するための図である。図１３に示すように、設定時に、図１２の登録部１に登録された基準データに基づく基準プロファイルＰａが表示部４００に表示される。図１３においては、基準プロファイルＰａが太い実線により図示されている。図１５においても同様である。

使用者は、表示部４００に表示された基準プロファイルＰａを視認しつつ、図１２の入力部３００を用いてマスク領域を設定するための操作を行う。これにより、図１２の設定部２により基準データにマスク領域が設定される。マスク領域は複数設定することが可能であり、本例では、２つのマスク領域Ｍ１，Ｍ２が設定される。図１３においては、マスク領域Ｍ１，Ｍ２が点線およびハッチングパターンにより図示されている。図１６および図１７においても同様である。

なお、マスク領域Ｍ１，Ｍ２の設定手順の具体例として、使用者は、マスク領域Ｍ１，Ｍ２を設定する際に、「上マスク領域」または「下マスク領域」のいずれかを選択することができる。マスク領域Ｍ１は、「上マスク領域」に該当する。マスク領域Ｍ２は、「下マスク領域」に該当する。

具体的には、使用者は、「上マスク領域」を選択し、表示部４００を用いて描画等の操作を行うことにより、マスク領域Ｍ１の下縁を示す線Ｅ１を指定する。これにより、指定された線Ｅ１の上方の領域がマスク領域Ｍ１として設定される。同様に、使用者は、「下マスク領域」を選択し、表示部４００を用いて描画等の操作を行うことにより、マスク領域Ｍ２の上縁を示す線Ｅ２を指定する。これにより、指定された線Ｅ２の下方の領域がマスク領域Ｍ２として設定される。

また、使用者は、マスク領域の補正の方式として、「Ｘ補正」、「Ｚ補正」、「ＸＺ補正」または「ＺＸ補正」のいずれかを選択する。「Ｘ補正」は、マスク領域の位置をＸ２方向に補正する方式である。「Ｚ補正」は、マスク領域の位置をＺ２方向に補正する方式である。「ＸＺ補正」は、マスク領域の位置をＸ２方向に補正した後、Ｚ２方向に補正する方式である。「ＺＸ補正」は、マスク領域の位置をＺ２方向に補正した後、Ｘ２方向に補正する方式である。本例では、「ＸＺ補正」が選択される。

さらに、使用者は、表示部４００に表示された基準プロファイルＰａを視認しつつ、入力部３００を用いて検出領域を設定するための操作を行う。これにより、設定部２により基準データに検出領域が設定される。本例では、Ｘ２方向における位置ずれを検出するための検出領域Ｄ１およびＺ２方向における位置ずれを検出するための検出領域Ｄ２が設定される。図１３においては、検出領域Ｄ１，Ｄ２が一点鎖線およびドットパターンにより図示されている。図１５においても同様である。

ここで、検出領域Ｄ１内の基準プロファイルＰａに対応する基準データのＸ２方向における代表値、および検出領域Ｄ２内の基準プロファイルＰａに対応する基準データのＺ２方向における代表値が図１２の補正部５により算出される。Ｘ２方向における代表値は、例えばＸ２方向における平均値である。Ｚ２方向における代表値は、例えばＺ２方向における平均値である。検出領域Ｄ２内に基準プロファイルＰａのピーク部分またはボトム部分が含まれる場合には、Ｚ２方向における代表値は、ピーク値またはボトム値であってもよい。

次に、測定時に、図１２の受光部１２１により図１０に示す受光量分布が出力されたことを考える。この場合、図１０の受光量分布に基づいて各画素列ＳＳのピーク位置ＰＰが図１２のピーク検出部３により検出される。また、検出されたピーク位置ＰＰに基づいて図１２のプロファイル生成部４により仮のプロファイルデータが生成される。生成された仮のプロファイルデータに基づく仮のプロファイルＰｂが図１４に示される。

続いて、検出領域Ｄ１内のＸ２方向における代表値に基づいて、検出領域Ｄ１内における基準プロファイルＰａと仮のプロファイルＰｂの対応部分とのＸ２方向における位置ずれ量が補正部５により特定される。また、特定された位置ずれ量に基づいて基準データが補正部５により補正される。これにより、図１５の点線の矢印Ａで示されるように、基準プロファイルＰａがＸ２方向に移動する。

その後、検出領域Ｄ２内のＺ２方向における代表値に基づいて、検出領域Ｄ２内における基準プロファイルＰａと仮のプロファイルＰｂの対応部分とのＺ２方向における位置ずれ量が補正部５により特定される。また、特定された位置ずれ量に基づいて基準データが補正部５により補正される。これにより、図１５の点線の矢印Ｂで示されるように、基準プロファイルＰａがＺ２方向に移動する。

このように、基準プロファイルＰａが仮のプロファイルＰｂに重なるように移動し、マスク領域Ｍ１，Ｍ２は基準プロファイルＰａに追従して移動する。これにより、マスク領域Ｍ１，Ｍ２の位置が補正される。補正後のマスク領域Ｍ１，Ｍ２と仮のプロファイルＰｂとの位置関係が図１６に示される。また、補正後のマスク領域Ｍ１，Ｍ２と受光量分布との位置関係が図１７に示される。なお、上記の例では、基準プロファイルＰａが仮のプロファイルＰｂに重なるように基準データが補正されるが、仮のプロファイルＰｂが基準プロファイルＰａに重なるように仮のプロファイルデータが補正されてもよい。

次に、位置が補正された図１７のマスク領域Ｍ１，Ｍ２内の受光量を除いた状態で、各画素列ＳＳのピーク位置ＰＰがピーク検出部３により再度検出される。続いて、再度検出されたピーク位置ＰＰに基づいてプロファイル生成部４により真のプロファイルデータが生成される。生成された真のプロファイルデータに基づく真のプロファイルＰｃが図１８に示される。

（５）フィルタ処理部
図１９は、図１２のフィルタ処理部６の動作を説明するための図である。図１９（ａ）～（ｃ）においては、ワークＷの真のプロファイルが表示部４００に表示されている。また、表示部４００の画面上には、図１の受光部１２１のＸ２方向およびＺ２方向にそれぞれ対応するＸ３方向およびＺ３方向が定義されている。

ワークＷの部分が平坦である場合でも、ワークＷの表面の状態または色ムラ等によっては、図１９（ａ）に示すように、真のプロファイルデータに基づくワークＷの真のプロファイルの部分が平坦にならず、ギザギザになることがある。また、ワークＷの真のプロファイルの部分を平滑化するためにスムージングフィルタ処理を真のプロファイルデータに行うと、図１９（ｂ）に示すように、真のプロファイルの段差部分またはエッジ部分が消失し、正確な真のプロファイルが得られないことがある。

そこで、本実施の形態においては、フィルタ処理部６は、下記式（１）を演算することにより、出力値ｆ_ｉを算出する。ここで、Ｘ３方向に並ぶ複数の画素列ＳＳを左から順にｉ番目（ｉは１以上の整数）とすると、式（１）において、ｚ_ｉは、真のプロファイルデータにおけるｉ番目の画素列ＳＳに対応する部分のＺ３方向の位置（高さ）である。αは、Ｚ３方向における重み付けパラメータである。ｋは、１以上の整数であり、番数ｉを中心とした演算を行う範囲（カーネル）を示す。

全ての番数ｉについて式（１）の出力値ｆ_ｉが算出されることにより、真のプロファイルにおける高さ変化の小さい部分の平滑効果が高さ変化の大きい部分の平滑効果よりも大きくなるように真のプロファイルデータにフィルタ処理が行われる。これにより、図１９（ｃ）に示すように、段差部分およびエッジ部分の形状が維持されつつ真のプロファイルが平滑化される。

フィルタ処理部６は、式（１）に代えて下記式（２）を演算することにより、出力値ｆ_ｉを算出してもよい。ここで、式（２）において、ｘ_ｉは、真のプロファイルデータにおけるｉ番目の画素列ＳＳに対応する部分のＸ３方向の位置である。βはＸ３方向における重み付けパラメータである。他のパラメータは、式（１）におけるパラメータと同様である。

全ての番数ｉについて式（２）の出力値ｆ_ｉが算出されることにより、真のプロファイルにおける高さ変化の小さい部分の平滑効果が高さ変化の大きい部分の平滑効果よりも大きくなるように真のプロファイルデータにフィルタ処理が行われる。また、真のプロファイルにおけるＸ３方向に近接する部分間の平滑効果がＸ３方向に離間した部分間の平滑効果よりも大きくなるように真のプロファイルデータにフィルタ処理が行われる。

また、使用者は、入力部３００を操作することにより、Ｚ３方向においてフィルタ処理を行う真のプロファイルデータの範囲を指定することができる。フィルタ処理を行う範囲を複数指定することも可能である。図１９（ａ）には、フィルタ処理を行う２つの範囲Ｆ１，Ｆ２が指定される例がドットパターンにより示されている。

なお、式（１）または式（２）において、カーネルｋは、ガウシアンカーネルとして図１の入力設定部２２３に設定されてもよいし、使用者が図１の入力部３００を操作することにより入力設定部２２３に設定されてもよい。あるいは、図１の計測処理部２２５により真のプロファイルの所定の段差部分を計測することが設定される場合、カーネルｋは、当該段差部分の大きさに応じて自動的に入力設定部２２３に設定されてもよい。

（６）効果
本実施の形態に係る光学式変位計５００においては、設定時に、ワークＷのプロファイルの基準となる基準プロファイルＰａを示す基準データが登録部１により登録される。また、受光部１２１により出力される受光量分布において受光量を無視すべき部分を示すためのマスク領域Ｍ１，Ｍ２が設定部２により基準データに設定される。

測定時に、投光部１１０によりＸ１方向に広がる帯状の光がワークＷに照射される。受光部１２１においてＸ２方向に並ぶ複数の画素列ＳＳによりワークＷからの反射光が受光され、受光量分布が出力される。各画素列ＳＳにおいて、複数の画素ｐがＺ２方向に並ぶ。複数の画素列ＳＳによりそれぞれ出力される複数の受光量分布に基づいて画素列ＳＳごとにＺ２方向における受光量のピークの位置がピーク検出部３により検出される。検出された複数の受光量分布の各々におけるピークの位置に基づいてワークＷの仮のプロファイルデータがプロファイル生成部４により生成される。

その後、基準プロファイルＰａと仮のプロファイルＰｂとの位置ずれ量が補正部５により特定され、特定された位置ずれ量に基づいて仮のプロファイルＰｂに対するマスク領域Ｍ１，Ｍ２の位置が補正される。複数の画素列ＳＳにそれぞれ対応する複数の受光量分布の各々から補正されたマスク領域Ｍ１，Ｍ２内の受光量を除いてＺ２方向におけるピークの位置がピーク検出部３により再度検出される。再度検出されたピークの位置に基づいてワークＷの真のプロファイルデータがプロファイル生成部４により生成される。

この構成によれば、受光量分布に不要なピークが発生する場合、その受光量分布の部分に対応する基準プロファイルＰａの部分にマスク領域Ｍ１，Ｍ２を設定することにより、マスク領域内の受光量を無視してワークＷの真のプロファイルＰｃを示す真のプロファイルデータを生成することができる。ここで、真のプロファイルデータが生成される前に、ワークＷの仮のプロファイルＰｂを示す仮のプロファイルデータが生成される。そのため、基準プロファイルＰａに対してワークＷに位置ずれが発生した場合でも、基準プロファイルＰａと仮のプロファイルＰｂとの位置ずれに基づいてマスク領域Ｍ１，Ｍ２の位置が補正され、ワークＷの位置ずれに追従してマスク領域Ｍ１，Ｍ２が移動する。

したがって、当該ワークＷに位置ずれが発生した場合でも、不要なピークが発生する部分がマスク領域Ｍ１，Ｍ２外に移動することが防止される。同様に、不要なピークが発生しない部分がマスク領域Ｍ１，Ｍ２内に移動することが防止される。これにより、基準プロファイルＰａに重ならない範囲で基準プロファイルＰａの直近にまでマスク領域Ｍ１，Ｍ２を設定することができる。その結果、受光量分布に不要なピークが発生した場合でもワークＷのプロファイルを正確に測定することができる。

（７）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

ワークＷが測定対象物の例であり、光学式変位計５００が光学式変位計の例であり、投光部１１０が投光部の例であり、Ｘ２方向が第１の方向の例であり、Ｚ２方向が第２の方向の例である。画素ｐが画素の例であり、画素列ＳＳが画素列の例であり、受光部１２１が受光部の例であり、登録部１が登録部の例であり、マスク領域Ｍ１，Ｍ２がマスク領域の例である。設定部２が設定部の例であり、ピーク検出部３がピーク検出部の例であり、プロファイル生成部４がプロファイル生成部の例であり、補正部５が補正部の例であり、フィルタ処理部６がフィルタ処理部の例である。

１…登録部，２…設定部，３…ピーク検出部，４…プロファイル生成部，５…補正部，６…フィルタ処理部，１００…撮像ヘッド，１１０…投光部，１２０…撮像部，１２１…受光部，１２２…受光レンズ，２００…処理装置，２１０…記憶部，２２０…制御部，２２１…投光制御部，２２２…受光制御部，２２３…入力設定部，２２４…プロファイル取得部，２２５…計測処理部，２２６…表示処理部，３００…入力部，４００…表示部，５００…光学式変位計，Ｄ１，Ｄ２…検出領域，Ｅ１，Ｅ２…線，Ｆ１，Ｆ２…範囲，Ｌ１，Ｌ２…光，Ｍ１，Ｍ２…マスク領域，ｐ…画素，Ｐ…ピーク，Ｐ１…真ピーク，Ｐ２…偽ピーク，Ｐａ…基準形状，Ｐｂ…仮のプロファイル，Ｐｃ…真のプロファイル，ＰＰ…ピーク位置，Ｒ１…受光領域，Ｒ２…偽受光領域，ＳＳ…画素列，Ｔ１…照射領域，Ｔ２…偽照射領域，Ｗ…ワーク

Claims (6)

1. 測定対象物のプロファイルを測定する光切断方式の光学式変位計であって、
   第１の方向に広がりを有するスリット光、または前記第１の方向に走査されるスポット光を測定対象物に照射する投光部と、
   前記第１の方向と、前記第１の方向に交差する第２の方向とに並ぶ複数の画素を含み、測定対象物の前記第１の方向の各位置からの反射光を受光し、受光量分布を出力する受光部と、
   設定時に、測定対象物のプロファイルの基準となる基準プロファイルを示す基準データを登録する登録部と、
   前記設定時に、前記受光部により出力される受光量分布において受光量を無視すべき部分を示すためのマスク領域を前記基準データに設定する設定部と、
   測定時に、前記第１の方向に並ぶ複数の画素列によりそれぞれ出力される複数の受光量分布に基づいて画素列ごとに前記第２の方向における受光量のピークの位置を検出するピーク検出部と、
   前記測定時に、前記ピーク検出部により検出された複数の受光量分布の各々におけるピークの位置に基づいて測定対象物の仮のプロファイルデータを生成するプロファイル生成部と、
   前記測定時に、前記基準プロファイルと前記仮のプロファイルデータに基づく仮のプロファイルとの位置ずれ量を特定し、特定された位置ずれ量に基づいて前記仮のプロファイルに対する前記マスク領域の位置を補正する補正部とを備え、
   前記ピーク検出部は、前記測定時に、前記複数の画素列にそれぞれ対応する複数の受光量分布の各々から前記補正部により補正された前記マスク領域内の受光量を除いて前記第２の方向におけるピークの位置を再度検出し、
   前記プロファイル生成部は、前記測定時に、前記ピーク検出部により再度検出されたピークの位置に基づいて測定対象物の真のプロファイルデータを生成する、光学式変位計。
2. 前記設定部は、前記設定時に、前記基準プロファイルに対する前記仮のプロファイルの部分の位置ずれを検出するための検出領域を前記基準データにさらに設定し、
   前記補正部は、前記測定時に、前記検出領域内における前記基準プロファイルの部分と、前記仮のプロファイルにおいて前記基準プロファイルの当該部分に対応する部分との位置ずれ量を特定する、請求項１記載の光学式変位計。
3. 前記プロファイル生成部は、前記測定時に、前記ピーク検出部によりいずれかの画素列に対応する受光量分布について複数のピークの位置が検出された場合、予め設定された条件に基づいて当該受光量分布における複数のピークの位置から一のピークの位置を決定し、決定されたピークの位置に基づいて前記仮のプロファイルデータを生成する、請求項１または２記載の光学式変位計。
4. 前記予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピークの位置から最大の受光量を有するピークの位置を前記一のピークの位置として決定することを含む、請求項３記載の光学式変位計。
5. 前記予め設定された条件は、各受光量分布における複数のピークの位置から前記第２の方向における一端または他端に最も近いピークの位置を前記一のピークの位置として決定することをさらに含む、請求項３または４記載の光学式変位計。
6. 前記プロファイル生成部により生成された前記真のプロファイルデータの各部分において、値の変化が小さいほど平滑効果が大きくなるように前記真のプロファイルデータにフィルタ処理を行うフィルタ処理部をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の光学式変位計。

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