KR20090091218A - 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 관한 측정장치는, 상기 중공 형상의 깊이 방향인 제1 방향으로 빛을 송광하는 송광부와, 상기 제1 방향과 대략 직교하는 원둘레 방향으로 상기 빛의 방향을 변환하는 변환부와, 상기 변환부에서 방향이 변환된 빛 중의 상기 피측정물의 안쪽에서 반사한 빛을 검출하는 검출부와, 상기 검출부의 검출 결과에 기초하여, 소정 기준 위치로부터의 차를 구하는 것에 의해 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 형상 측정부를 설치했다. 이에 따라서, 물체나 광원을 회전시킬 필요가 없고, 물체의 중공 형상을 한 번에 얻을 수 있어, 간단한 장치로 정밀도가 높은 측정을 할 수 있다.

Description

측정장치 및 측정방법{MEASUREMENT DEVICE AND MEASUREMENT METHOD}

본 발명은, 물체의 중공 형상을 측정하는 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

종래, 물체의 중공 형상을 비접촉으로 측정하는 방법으로서, 거리센서법이나 경사입사광학계법 등이 알려져 있다. 예를 들면, 거리센서법은, 중공(中空) 안쪽에 레이저광을 투광하여 물체를 회전시키면서 반사광의 변위를 측정하여, 물체의 중공 형상을 측정하는 방법이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

또한, 금속 등에 형성된 중공 형상의 측정은, 촉침식의 삼차원 형상 측정기로 촉침을 중공 형상의 내면에 닿게 하면서 촉침대를 회전 및 상하 이동시키는 것에 의해 행하고 있었다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).

혹은, 비접촉으로 중공 형상을 계측하는 장치로서는, 슬릿광투영 방식으로, 직경의 양단에 해당하는 에지를 검출하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 2006-38820호

특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 평성6-337215호

특허문헌 3 : 일본 공개특허공보 평성8-233545호

[발명이 해결하고자 하는 과제]

종래 기술에 의한 거리 센서법은, 물체의 중공 형상의 전체둘레 형상 정보를 한 번에 얻을 수 없고, 물체나 광원을 회전시킬 필요가 있어, 장치가 복잡해질 뿐만 아니라, 정밀도 면에서의 문제도 있었다.

또한, 촉침대를 작동시키는 방법에서는, 중공 전체의 형상을 측정하는데 촉침의 회전 및 상하 이동을 행할 필요가 있기 때문에 측정에 시간이 든다고 하는 문제와, 촉침대의 회전의 편심이나 치우침의 영향을 받아 오차가 발생할 가능성이 있다고 하는 문제점이 있다.

또한, 슬릿 광투영 방식에서는, 측정하는 방위에 직교하도록 슬릿을 배치할 필요가 있어, 하나의 방위로밖에 한 번에 측정할 수 없기 때문에 많은 방위에 대해 측정하여 형상을 구하는 데에는 적합하지 않다고 하는 문제점이 있다. 또한, 피측정물인 중공 형상은 관통구멍이 아니면 안된다고 하는 제약도 있다.

본 발명의 목적은, 간단하고 쉬운 구성으로 복잡한 연산을 행하지 않고, 오차가 적은 정밀도 높은 중공 형상의 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명에 관한 측정장치는, 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 측정장치로서, 상기 중공 형상의 깊이 방향인 제1 방향에 빛을 송광하는 송광부와, 상기 제1 방향과 대략 직교하는 방향으로 상기 빛의 방향을 변환하는 변환부와, 상기 변환부로 방향이 변환된 빛중의 상기 피측정물의 안쪽에서 반사한 빛을 검출하는 검출부와, 상기 검출부의 검출 결과에 기초하여, 소정 기준 위치로부터의 어긋남을 구하는 것에 의해 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 형상 측정부를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 송광부와 상기 변환부와 상기 검출부로 이루어진 측정 광학계와 상기 피측정물을 상기 제1 방향으로 상대 이동시키는 이동부를 더 구비하고, 상기 형상 측정부는, 상기 피측정물과 상기 변환부의 상대 위치를 변화시켰을 때의 상기 검출부의 검출 결과에 기초하여, 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변환부는 상기 송광부가 송광하는 상기 빛을 상기 제1 방향과 대략 직교하는 방향의 전체 둘레를 향하여 변환하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 송광부는, 상기 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 유도하여 기준 위치에 초점을 가진 제1 광학계와, 상기 초점보다도 상기 광원측이며 상기 제1 광학계의 상기 초점과 공역인 위치에 배치되어 소정 형상의 개구를 가진 제1 광제한 부재와, 상기 피측정물로부터 되돌아온 빛을 결상시키는 제2 광학계를 구비하고, 상기 검출부는 상기 제2 광학계에 의해 상기 기준 위치에 있는 피측정물의 상이 결상하는 결상면에 배치되어 상기 광원으로부터의 빛을 수광하는 상기 기준 위치와 공역 관계에 있는 수광부를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 제1 광제한 부재로부터 상기 피측정물에 조사되는 광속의 일부를 차광하는 소정 형상의 개구를 가진 제2 광제한 부재를 더 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 광제한 부재를 원형 슬릿으로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 송광부는, 상기 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 유도하여 기준 위치에 초점을 가진 제1 광학계와, 상기 광원으로부터의 빛을 윤대(輪帶)형상으로 변환하고, 소정 위치에 집광시키는 광학 부재를 포함하고, 상기 윤대 광속의 윤대폭의 중점 위치에서의 광선이, 상기 광학 부재로 이루어진 광학계의 광축과는 평행이 되지 않도록 하는 윤대 광속 생성 광학계와, 상기 피측정물로부터 되돌아온 빛을 결상시키는 제2 광학계를 구비하고, 상기 검출부는 상기 제2 광학계에 의해 상기 기준 위치에 있는 피측정물의 상이 결상하는 결상면에 배치되어 상기 광원으로부터의 빛을 수광하는 상기 기준 위치와 공역 관계에 있는 수광부를 구비한 것을 특징으로 한다.

혹은, 상기 송광부는, 상기 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 유도하여 기준 위치에 초점을 가진 제1 광학계와, 상기 광원으로부터의 빛을 윤대 형상으로 변환하여, 소정 위치에 집광시키는 광학 부재를 포함하고, 상기 윤대광속의 윤대폭의 중점 위치에서의 광선이, 상기 광학 부재로 이루어진 광학계의 광축과는 평행이 되지 않도록 하는 윤대 광속 생성 광학계와, 상기 피측정물로부터 되돌아온 빛을 결상시키는 제2 광학계를 구비하고, 상기 검출부는 상기 제2 광학계에 의해 상기 기준 위치에 있는 피측정물의 상이 상기 기준 위치와 공역 관계에 있는 윤대 형상 슬릿을 통하여 상기 광원으로부터의 빛을 수광하는 수광부와, 상기 변환부를 고정한 상태에서, 상기 변환부와 다른 광학계의 간격을 변화시키는 동시에 그 간격을 측정할 수 있는 이동 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 윤대 광속 생성 광학계가, 상기 광원으로부터의 빛을 평행광으로 하는 컬렉터 렌즈와, 상기 평행광을, 상기 윤대 형상 광속으로 변환하는 엑시콘 렌즈를 가진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 송광부를 상기 제1 방향과는 다른 방향으로부터 빛을 송광하는 위치에 배치하고, 상기 피측정물과 상기 송광부의 사이에서, 상기 송광부가 송광하는 상기 빛을 상기 제1 방향으로 반사하는 동시에, 상기 피측정물로부터의 되돌아오는 빛을 상기 수광부측에 투과하는 하프 미러를 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변환부를 원추 형상의 미러로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 변환부는, 전반사에 의해 반사를 행하는 것을 특징으로 한다.

혹은, 상기 변환부는, 빛을 투과하는 물질에 반사부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 측정방법은, 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 측정방법으로서, 송광부가 제1 방향으로 송광하는 빛의 방향을 변환부로 상기 제1 방향과 대략 직교하는 원둘레 방향으로 변환하여 상기 피측정물의 안쪽에 조사하고, 상기 피측정물의 안쪽에서 반사하는 빛을 검출부에서 검출한 결과에 기초하여, 소정 기준 위치로부터의 어긋남을 구하는 것에 의해 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피측정물과 상기 변환부를 상기 제1 방향으로 상대 이동시키면서 상기 검출을 행하는 것에 의해 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 측정방법으로서, 송광부가 제1 방향으로 송광하는 윤대 형상의 광속을 상기 피측정물에 삽입한 변환부로 상기 제1 방향과 대략 직교하는 원둘레 방향으로 변환하여 상기 피측정물의 안쪽에 조사하여, 그 측면으로부터의 반사광을 상기 변환부를 통하여, 수광 광학계에 의해 상기 기준 위치와 공역인 위치에 배치한 윤대 형상 슬릿에 결상시켜, 상기 윤대 형상 슬릿을 통과한 빛을, 상기 변환부를 고정한 상태에서 상기 변환부와 다른 광학계의 간격을 변화시키면서 수광부로 수광하고, 상기 수광부의 출력치와 상기 간격의 값과의 관계로부터 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

[발명의 효과]

본 발명에 의하면, 간단하고 쉬운 구성으로, 복잡한 연산을 행하지 않고, 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정할 수 있다.

[도 1] 제1 실시형태에 관한 중공 형상 측정장치(101)의 구성도이다.

[도 2] 중공 형상 측정장치(101)의 원형 슬릿(103) 및 광제한 슬릿(104)의 구성도이다.

[도 3] 중공 형상 측정장치(101)의 원추형 미러(108)의 구성도이다.

[도 4] 중공 형상 측정장치(101)의 광학계를 도시한 보조도이다.

[도 5] 중공 형상 측정장치(101)의 원리를 설명하기 위한 보조도이다.

[도 6] 중공 형상 측정장치(101)의 원리를 설명하기 위한 보조도이다.

[도 7] 측정 원리를 설명하기 위한 보조도이다.

[도 8] 피측정물의 중공 형상의 구멍지름을 설명하기 위한 보조도이다.

[도 9] 중공 형상 측정장치(101)의 측정 순서를 도시한 플로차트이다.

[도 10] 중공 형상의 구축을 설명하기 위한 보조도이다.

[도 11] 본 발명의 제2 실시형태인 중공 형상 측정장치(30)의 광학계의 개요를 도시한 도면이다.

[도 12] 본 발명의 제2 실시형태에서의 중공 형상 측정의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

[도 13] 본 발명의 실시형태인 중공 형상 측정장치(30)에 적합한 촬상 소자의 일례를 도시한 도면이다.

[도 14] 본 발명의 실시형태인 중공 형상 측정장치(30)에 적합한 촬상부의 일례를 도시한 도면이다.

[도 15] 본 발명의 실시형태에서 이용하는 광투과 부재의 일례를 도시한 도면이다.

[도 16] 본 발명의 제3 실시형태인 중공 형상 측정장치(31)의 광학계의 개요를 도시한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.

(제1 실시형태)

도 1은 제1 실시형태에 관한 중공 형상 측정장치(101)의 블록도이다. 중공 형상 측정장치(101)는, 중공 형상의 물체의 안쪽의 형상을 소정 높이마다 측정하여 단면 형상을 구하고, 구한 단면 형상을 높이 방향으로 합성하는 것에 의해서, 물체 의 중공 형상을 입체적으로 구축하는 장치이다.

중공 형상 측정장치(101)는, 송광부(102)와, 원형 슬릿(103)과, 광제한 슬릿 (104)과, 조명 렌즈(105)와, 하프 미러(106)와, 대물 렌즈(107)와, 원추형 미러 (108)와, 결상 렌즈(110)와, 촬상부(111)와, 화상 처리부(112)와, Z축 구동부 본체 (113)와, 이동부(114)와, 퍼스널 컴퓨터(115)로 구성된다.

이동부(114)는, 하프 미러(106), 대물 렌즈(107), 원추형 미러(108), 결상 렌즈(110), 촬상부(111)를 일체적으로 지지하는 부재이며, 하프 미러(106)에 송광부(102)의 빛이 입사하는 부분과, 원추형 미러(108)의 원둘레 방향에서 피측정물 (109) 안쪽에 삽입되는 이동부(114)의 선단부분(114a)은 유리 등의 투명한 부재로 되어 있다. 또한, 이동부(114)는, 토대(도시하지 않음)에 고정된 Z축 구동부 본체 (113)에 의해서, 중심축 C1의 방향으로 상하로 구동되어, 피측정물(109)의 중공 부분에 이동부(114)의 선단부분(114a)이 출입하여 피측정물(109)의 안쪽 형상을 측정한다. 한편, 송광부(102), 원형 슬릿(103), 광제한 슬릿(104), 조명 렌즈(105), 하프 미러(106), 대물 렌즈(107), 원추형 미러(108), 결상 렌즈(110) 및 촬상부(111)는, 이동부(114)와 일체가 되어 측정광학계를 구성하며 상하로 이동한다.

송광부(102)로부터 조사된 빛은, 시야 조리개에 해당하는 원형 슬릿(103)의 슬릿(103a)을 통과하여 광제한 슬릿(104)에 입사된다. 광제한 슬릿(104)을 광속이 통과할 때에, 광속의 반{광속의 중심을 나타내는 일점 쇄선(154)을 중심으로 하는 예를 들면 안쪽 부분의 광속(151)}이 차폐되어, 조명 렌즈(105)측에는 출력되지 않는다.

여기서, 원형 슬릿(103) 및 광제한 슬릿(104)의 형상에 대해서, 도 2를 이용하여 상세하게 설명한다. 도 2(a)에 도시한 원형 슬릿(103)은, 송광부(102)로부터 조사되는 빛을 링형상으로 투과하는 슬릿(103a)이 마련되어 있다. 여기서, 도 1의 광속의 중심을 나타내는 일점 쇄선(154)이 원형 슬릿(103)의 중앙에 위치하도록 링형상의 슬릿(103a)이 배치되어 있다.

한편, 도 2(b)에 도시한 광제한 슬릿(104)은, 원형 슬릿(103)을 투과한 광속의 반을 차폐하여 나머지 반을 투과하는 링형상의 슬릿(104a)이 마련되어 있다. 광제한 슬릿(104)의 특징은, 일점 쇄선(C2) 및 (C3)로 나타낸 바와 같이, 링형상의 슬릿(104a)의 안지름이 광속의 중심을 나타내는 일점 쇄선(154)의 위치에 대응하고 있기 때문에, 링형상의 슬릿(104a)은 광속의 바깥쪽 반밖에 투과하지 않는다. 한편, 원형 슬릿(103) 및 광제한 슬릿(104)은, 예를 들면, 액정판을 이용하여 링형상으로 빛을 투과하도록 액정을 제어함으로써 실현할 수 있다. 혹은, 유리판 등에 차광부분을 증착하거나, 투과 부분을 에칭하는 등의 방법에 따라도 상관없다. 또한, 차폐율에 의해 촬상부(111)의 감도가 변한다.

광제한 슬릿(104)에서 광속의 반이 차폐된 빛은, 조명 렌즈(105)를 통과하여 하프 미러(106)에 입사된다. 하프 미러(106)는 입사하는 빛의 방향을 변환하여, 대물 렌즈(107)측에 반사한다. 여기서, 하프 미러(106)가 반사하는 빛의 방향은 피검물의 깊이 방향(통형상에서는 축방향)이 되어 있으며, 이것을 제1 방향으로 정의하면, 하프 미러(106)로 제1 방향으로 반사된 빛은, 대물 렌즈(107)를 통하여 원추형 미러(108)에 송광되고, 원추형 미러(108)에서 제1 방향으로 대략 직교하는 전체둘 레 방향으로 피측정물(109)의 안쪽을 향해서 수평으로 조사된다. 수평으로 조사된 빛은, 피측정물(109)의 안쪽에서 반사하여 다시 원추형 미러(108)로 다시 입사되어, 대물 렌즈(107)측에 반사된 후, 하프 미러(106) 및 결상 렌즈(110)를 통과하여 촬상부(111)의 수광면에 결상된다. 한편, 촬상부(111)의 수광면과, 시야 조리개를 구성하는 원형 슬릿(103)과, 피측정물(109)을 설치하는 기준 위치는 광학적으로 공역의 위치에 있으며, 이들 3개소에서 초점이 맞는 상태로 되어 있다. 또한, 하프 미러(106)에서 반사한 링형상의 광속의 링 중심과 원추형 미러(108)의 중심은 일치하고 있다.

여기서, 원추형 미러(108)의 형상에 대하여, 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3(a)는 원추형 미러(108)의 사시도, 동 도면(b)는 상면도, 동 도면(c)는 측면도를 각각 도시하고 있다. 하프 미러(106)를 통하여 제1 방향으로 반사된 광속의 중심을 나타내는 일점 쇄선(154)은, 원추형 미러(108)의 바깥쪽으로 경사진 미러 부분 (108a)에서 제1 방향과 대략 직교하는 방향으로 반사되어, 피측정물(109)의 안쪽에 조사된다. 이 모습을 상세하게 묘사한 것이 도 1(a)이다. 광제한 슬릿(104)으로 차광되지 않고 투과한 광속은, 예를 들면, 광속의 중심을 나타내는 일점 쇄선(154)으로부터 광속의 바깥쪽을 도시한 점선(152)의 사이에서, 원추형 미러(108)의 미러 부분(108a)에서 반사된다. 또한, 광속의 바깥쪽을 나타내는 점선(152)은 피측정물(109)에서 반사하여, 실선(153)으로 도시한 바와 같이, 다시 원추형 미러(108)에서 대물 렌즈(107)의 방향으로 반사된다. 즉, 피측정물(109)의 안쪽에서 반사하여 되돌아오는 광속도 반이 차폐된 채이고, 광속의 중심을 도시한 일점 쇄선(154)으로 부터 광속의 바깥쪽을 도시한 실선(153)의 사이에 있다.

이 모습을 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4는, 도 1의 중공 형상 측정장치 (101)의 광학적인 구성을 묘사한 도면으로서, 도 1과 동일 부호인 것은 동일한 것을 나타내고 있다. 송광부(102)는, 광원(120), 조명의 NA를 결정하는 개구 조리개 (121), 광원(120)의 빛을 집광하고, 광축과 평행한 광선으로 하는 렌즈(122), 수광측의 NA를 결정하는 결상 조리개(123)로 구성된다. 한편, 앞서 설명한 바와 같이, 촬상부(111)의 수광면과, 시야 조리개를 구성하는 원형 슬릿(103)과, 기준 위치에서의 피측정물(109)의 에어리어는 광학적으로 공역의 위치에 있으며, 이들 3개소에서 초점이 맞는 상태가 되고 있음을 알 수 있다. 도 4에서, 광제한 슬릿(104)로 광속의 반이 차폐되고 있으므로, 피측정물(109)로부터 되돌아오는 광속도 반이 차폐되고, 사선으로 도시한 광속의 반(160)은 촬상부(111)에는 입사되지 않는다.

이어서, 촬상부(111)의 수광면에 결상되는 화상을 구성하는 점의 상(像)에 대하여 도 5를 이용하여 설명한다. 동 도면(a)는, 광제한 슬릿(104)이 없는 경우에, 피측정물(109)의 안쪽의 어느 점을 촬상부(111)로 촬영했을 때의 모습을 도시한 도면으로서, 측정 위치에서 구멍지름이 다른 경우의 광속의 확대, 즉 촬상부 (111)에서의 핀트의 어긋남(화상의 퍼짐)의 변화를 묘사하고 있다. 여기서, 피측정물(109)의 안지름에 따라서 핀트가 어긋나지만, 핀트가 딱 맞는 위치의 안지름을 기준 구멍지름으로 정의하고, 중공 형상 측정장치(101)의 광학계는, 이 기준 구멍지름으로 핀트가 딱 맞도록 미리 교정되어 있는 것으로 한다.

동 도면(a)의 451 및 451a로부터 451f는 촬상부(111)로 촬상되는 상을 도시 하고 있으며, 직선 401로 나타낸 부분이 기준 구멍지름의 경우를 도시하고, 직선 401으로부터 지면 위쪽을 향하여 구멍지름이 커지고, 반대로 지면 아래쪽을 향하여 구멍지름이 작아진다. 예를 들면, 기준구멍지름을 촬영한 경우는, 광속(451)과 같이 화상의 퍼짐은 없지만, 구멍지름이 기준구멍지름보다 커짐에 따라서, 광속 (451a,451b) 및 (451c)와 같이 광속이 확대해 나간다. 마찬가지로, 구멍지름이 기준구멍지름보다 작아짐에 따라서, 광속(451d,451e) 및 (451f)와 같이 광속이 확대해 나간다. 즉, 광속의 확대량으로부터 기준구멍지름으로부터의 어긋남의 크기를 계측할 수 있다. 그런데, 이 때의 광속의 확대하는 모양은, 구멍지름이 커져도 작아져도 기준구멍지름의 합초 위치를 지나는 축(C4)의 양측에 동일하게 광속이 확대하므로, 이대로는 구멍지름이 커졌는지 작아졌는지를 판별할 수 없다.

이에 대해서, 본 실시형태의 경우는 광제한 슬릿(104)에 의해서 피측정물 (109)에 조사하는 광속의 반을 차광하고 있으므로, 구멍지름이 다른 경우의 광속의 확대의 변화는 도 5(b)와 같아진다. 동 도면에서, 기준구멍지름을 촬영한 경우에는, 광속(452)과 같이 화상의 퍼짐은 없지만, 구멍지름이 기준구멍지름보다 커짐에 따라서, 광속(452a,452b) 및 (452c)와 같이 광속이 확대해 나간다. 마찬가지로, 구멍지름이 기준구멍지름보다 작아짐에 따라서, 광속(452d,452e) 및 (452f)와 같이 광속이 확대해 나간다. 그런데, 도 5(a)의 경우와는 달리, 광속(452a,452b) 및 (452c)의 광속이 확대하는 모양은 축(C4)의 지면 우측 방향뿐이며, 마찬가지로, 광속(452d,452e) 및 (452f)의 광속이 확대하는 모양은 축(C4)의 지면 좌측 방향뿐이다. 즉, 축(C4)의 지면 우측 방향으로 어긋나 있는지 좌측 방향으로 어긋나 있는지 에 따라서, 피측정물(109)의 구멍지름이 기준구멍지름보다 커졌는지 작아졌는지를 판별할 수 있다. 화상 처리부(112)는, 이 판별 결과와 광속의 확대량으로부터 기준구멍지름으로부터의 어긋남의 크기를 계측하여, 피측정물(109)의 안쪽 형상이 기준구멍지름에 대해서 얼마나 큰지 혹은 작은지를 구할 수 있다.

도 5에서는 촬상부(111)의 수광면에 결상된 광속의 모습에 대하여 설명했지만, 피측정물(109)의 중공 형상에 따라서, 촬영 화상이 어떻게 변화하는지에 대하여 도 6을 이용하여 설명한다. 동 도면은 촬상부(111)의 수광면(501)에 결상된 화상의 전체의 모습을 도시하고 있으며, 동 도면(a)은 기준구멍지름을 측정했을 때의 화상으로, 기준 구멍지름위치(C6) 부분에 결상된다. 한편, 동 도면에서는 알기 쉽게 기준 구멍지름위치(C6)의 양측에 넓은 폭으로 묘사되어 있지만, 실제로는 기준구멍지름위치(C6)부분과 겹친다. 동 도면(b)은 기준구멍지름보다 큰 중공 형상을 측정했을 때의 화상으로, 기준구멍지름위치(C6)의 바깥쪽으로 퍼진 화상을 얻을 수 있다. 반대로, 동 도면(c)는 기준 구멍지름보다 작은 중공 형상을 측정했을 때의 화상으로, 기준구멍지름위치(C6)의 안쪽으로 퍼진 화상을 얻을 수 있다. 예를 들면, 기준구멍지름위치(C6)보다 크거나 작거나 하는 네모진 안쪽 형상을 가진 피측정물(109)을 측정한 경우는, 동 도면(d)에서 도시한 바와 같은 화상을 얻을 수 있다.

이와 같이, 화상 처리부(112)는, 촬상부(111)의 수광면에 결상된 화상 데이터를 받으면, 광속이 확대하는 방향으로부터 피측정물(109)의 안쪽 형상이 기준구멍지름보다 큰지 작은지를 판별하여, 확대한 광속의 중심 또는 피크 위치와 기준구 멍지름위치(C6)의 거리로부터 피측정물(109)의 안쪽의 지름(형상)을 더 구할 수 있다. 예를 들면, 도 6(b)의 경우는 확대한 광속의 피크 위치와 기준구멍지름위치 (C6)의 거리 Δx1를 측정하고, 도 6 (c)의 경우는 거리 Δx2를 측정하여, 피측정물 (109)의 구멍지름을 구한다. 또한, 전체둘레 범위를 세분화(예를 들면 1°×2°마다)하여 각각 지름(형상)을 구하여 합성하는 것에 의해 복잡한 형상의 측정이 가능해진다. 한편, 실제의 측정에서는, 기준구멍지름과 크기가 다른 구멍지름을 나누고 있는 교정용의 공구를 이용하여, 확대한 광속의 피크 위치와 기준구멍지름위치(C6)의 거리 Δx와 실제의 구멍지름의 차를 미리 측정해 두고, 거리 Δx와 실제의 구멍지름의 차의 변환 테이블을 준비해 두는 것이 바람직하다.

다음에, 단면 측정방법에 대하여 설명한다. 도 7(a)는 수광면에 결상하고 있는 광 링을 도시하고 있다. 먼저, 수광면의 중심에 가중심을 설정한다. 다음에, 그 가중심으로부터, 설정 각도마다 방사 방향의 광강도를 측정해 나간다. 광링이 결상하고 있는 부분에서는 광강도가 강해지고 있다. 이 링 상(像)의 광량 분포로부터 링의 원둘레로 정의하는 부분을 산출한다.

정의의 방법은 몇가지가 있고, 예를 들면 이하의 방법을 이용할 수 있다.

1) 광량 피크법:링 프로파일의 피크 위치 주변의 광량 분포의 이산적인 데이터를 근사식에 피팅을 행하고, 그 피크 위치를 산출하는 방법.

2) 광량 중심법:링 프로파일의 피크 위치 주변의 광량 분포의 중심 위치를 산출하는 방법.

3) 역치법:링 프로파일의 피크 위치로부터 예를 들면 30% 어두운 위치에 역 치를 설정하고, 프로파일과 교차한 위치의 중간 위치를 산출하는 방법.

예를 들면 상기의 광중심법으로 각각의 방향에서의 원둘레 위치를 구해 나간다.

도 7(a)에서는 45도마다 산출한 경우를 도시하고 있고, 도 7(b)에 도시한 광링의 원주점이 포인트 8점 구해진다. 그 후, 이들 포인트로부터 최소 자승법 등의 수학적 수법을 이용하여, 광링의 크기나 링의 중심을 구한다. 또한, 광링의 크기로부터 직접 피측정물의 안지름을 산출할 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 기준 링 치수로부터의 차분을 산출할 수도 있다.

또한, 미리 설정한 가중심과 실제의 광링 중심이 크게 어긋나 있는 경우는, 이 공정에서 산출된 광링 중심으로부터 방사 방향으로 재차 원둘레 위치를 다시 산출하면, 보다 정밀도가 높게 광링의 크기를 측정할 수 있다.

또한, 화상 처리부(112)는, 케이블(117)을 통하여 접속되어 있는 Z축 구동부 본체(113)에 지령을 보내어, 원추형 미러(108)를 유지하는 이동부(114)를 촬상부 (111) 방향으로 소정 피치로 상하시킨다. 즉, 측정 광학계와 원추형 미러(108)의 상대 위치를 변화시킨다. 그리고, 이동부(114)의 소정 위치마다 촬상부(111)로부터 화상 데이터를 입력하여, 입력한 화상 데이터를 처리하고, 앞서 설명한 바와 같이, 소정 위치에서의 피측정물의 안쪽의 형상을 구한다.

여기서, 피측정물의 구멍지름에 맞추어 본 장치를 최적화하는 방법을 설명한다.

원형 슬릿(103)의 피측정물(109)에의 투영 배율, 피측정물(109)로부터 촬상 부(111)에의 투영 배율, 및, 촬상부(111)의 사이즈에 따라, 본 장치의 측정 범위가 정해진다. 예를 들면, 촬상부(111)에 결상하는 기준이 되는 링 상의 크기가 정해져 있고, 피측정물(109)의 안지름에 의해서, 링상은 퍼지면서, 크기가 변화한다. 작아지면 원으로서 판별할 수 없게 되고, 또한, 커지면 촬상부(111)의 사이즈를 넘어 버리게 된다. 예를 들면, 원추 미러(108)가 도 8에 도시한 위의 위치에 있을 때 피측정물(109)을 측정하고자 해도 측정이 불가능하게 된다.

여기서, 도 8에 도시하는 바와 같이 원추 미러(108)의 위치를 도 8에 도시한 아래의 위치로 이동하는 것에 의해, 대물 렌즈(107)와 원추 미러(108)의 간격을 바꿀 수 있고, 측정 범위를 바꿀 수 있다. 이와 같이, 원추 미러(108)의 위치를 조정하는 것만으로 측정 범위를 변경할 수 있어, 본 장치의 측정 범위를 최대한으로 살릴 수 있다.

도 8에서는 대물 렌즈(107)에 의해서 물체에 투영되는 광링의 지름은 Ø10이며, 상기 간격을 넓히는 것에 의해, Ø30의 구멍지름을 측정할 수 있다. 또한, 상기 간격을 좁게 함으로써, Ø100의 구멍지름을 측정할 수 있다. 즉, 동 도면의 피측정물(109')과 같이 큰 구멍지름에도 대응할 수 있다.

한편, 원추 미러(108)의 위치를 변경하면 촬상부(111)로 얻어지는 링 상의 크기와 피측정물(109)의 안지름의 관계가 바뀌기 때문에, 원추 미러(108)의 위치를 바꾸었을 때에는 기준이 되는 피측정물에 의해 캘리브레이션이 필요하다. 또한, 원추 미러(108)의 조정 범위는 광학계의 배율, NA 등으로 구할 수 있다.

다음에, 중공 형상 측정장치(101)의 측정의 흐름에 대해서, 도 9의 플로챠트 를 이용하여 설명한다.

(스텝 S201) 먼저, 피측정물(109)을 이동부(114)의 아래에 세트한다.

(스텝 S202) 다음에, 이동부(114)의 측정 레인지(이동 범위)나 측정 피치(이동 피치) 등의 측정 사양을 퍼스널 컴퓨터(115)로부터 입력한다. 퍼스널 컴퓨터 (115)로 입력된 측정 사양은, 케이블(118)을 통하여 화상 처리부(112)에 출력되고, 화상 처리부(112)는 케이블(117)을 통하여 Z축 구동부 본체(113)에 이동부(114)를 송광부(120) 등과 함께 측정 개시 위치로 이동하도록 지령한다.

(스텝 S203) 이동부(114)의 현재 위치에서 송광부(102)로부터 빛을 조사하여, 촬상부(111)로 화상을 촬영한다.

(스텝 S204) 촬상부(111)로 수광한 화상을 케이블(116)을 통하여 화상 처리부(112)에 출력한다.

(스텝 S205) 화상 처리부(112)는, 도 5 및 도 6에서 설명한 바와 같이, 피측정물(109)의 안지름(형상)을 구한다.

(스텝 S206) 측정 사양에 따라서, 측정이 완료했는지의 여부를 판단한다. 예를 들면, 이동부(114)가 이동 범위의 종료 위치에 도달하지 않은 경우는 스텝 S207로 진행되고, 종료 위치에 도달하고 있는 경우는 스텝 S208로 진행된다.

(스텝 S207) 이동부(114)가 설정된 측정 피치에 따라서, 다음의 측정 위치까지 이동하여 스텝 S203으로 되돌아와, 상기 위치에서의 측정을 행한다.

(스텝 S208) 이동부(114)가 이동 범위의 종료 위치에 도달하여 측정을 종료한 경우는, 피측정물(109)의 안쪽의 높이(측정 광학계와의 상대 위치) 마다의 형상 을 구하고, 이들 형상을 합성하여 중공 형상 데이터를 작성한다.

여기서, 중공 형상 데이터의 작성 방법에 대해서, 도 10을 이용하여 설명한다. 동 도면에서, 701에서 706은, Z축 방향(높이 방향)으로 각각 높이 (n)로부터 (n+5)까지 소정 피치마다 가변했을 때의 안쪽 형상을 나타내고 있다. 한편, 도면에서는 알기 쉽게 안쪽 형상은 원으로 도시하고 있지만, 피측정물(109)에 따라서는 반지름이 다른 요철이 있는 형상이 된다. 각 높이마다 안쪽 형상(701)으로부터 (706)을 합성하는 것에 의해서, 피측정물(109)의 중공 형상 데이터를 구할 수 있고, 이 중공 형상 데이터로부터 입체적인 중공 형상(109a)을 구축할 수 있다. 또한, 측정시에 측정광의 중심과 피측정물(109)의 중심이 일치하고 있는 것이 바람직하지만, 어긋나 있는 경우에는 중공 데이터를 구할 때 보정할 수 있다.

그런데, 도 9의 플로차트로 돌아와 설명을 계속한다.

(스텝 S209) 화상 처리부(112)로 작성된 중공 형상 데이터는, 케이블(118)을 통하여 퍼스널 컴퓨터(115)에 출력되고, 퍼스널 컴퓨터(115)의 화면에 표시된다.

(스텝 S210) 필요에 따라서, 퍼스널 컴퓨터(115)에서는, 키보드나 마우스를 조작하여, 화면에 표시되어 있는 피측정물(109)의 임의의 위치를 지정하여, 화상 처리부(112)로부터 받은 피측정물(109)의 중공 형상 데이터로부터 지정된 각 부의 크기나 길이를 표시한다.

(스텝 S211) 모든 계측을 종료한다.

이렇게 해서, 소정 피치로 이동부(114)를 상하로 이동시키면서 피측정물에 빛이 닿고 있는 부분의 안쪽 형상을 추출하고, 이들을 소정 위치 마다의 안쪽 형상 으로서 합성하는 것에 의해서, 피측정물(109)의 중공 형상을 측정할 수 있다. 측정한 피측정물(109)의 중공 형상 데이터는, 케이블(118)을 통하여 퍼스널 컴퓨터 (115)에 보내져, 퍼스널 컴퓨터(115)로 피측정물(109)의 중공 형상을 표시할 수 있다.

한편, 본 실시형태에서는, 화상 처리를 행하는 화상 처리부(112)와, 중공 형상 측정장치(101) 전체의 조작이나 측정 결과의 표시를 실시하는 퍼스널 컴퓨터 (115)를 따로 따로 설치했지만, 퍼스널 컴퓨터(115)에 화상 처리부(112)의 하드웨어 및 소프트웨어를 내장하도록 해도 상관없다. 혹은, 반대로 화상 처리부(112)에 조작부나 표시부를 설치하고, 중공 형상 측정장치(101) 전용의 제어부로 해도 상관없다.

이와 같이, 본 실시형태에 관한 중공 형상 측정장치(101)는, 중공 형상의 물체의 소정 높이마다 기준구멍지름과의 차이로부터 안쪽 형상을 구하여, 높이를 가변하면서 측정한 소정 위치마다의 안쪽 형상을 합성하는 것에 의해서 물체의 중공 형상을 입체적으로 구축할 수 있다. 특히, 기준구멍지름과의 차로부터 안쪽 형상을 구하므로, 간단하고 쉬운 구성으로 복잡한 연산을 행할 필요가 없다. 또한, 한 번에 모든 등고선을 얻는 무아레법은, 물체의 높낮이차에 의해서 오차가 커진다고 하는 문제가 있었지만, 본 실시형태에 의한 중공 형상 측정장치 및 측정방법에서는, 높이마다 안쪽 형상을 구하므로, 물체의 높낮이차에 의하지 않고 고정밀의 측정이 가능하게 된다. 또한, 전체둘레에 걸친 안쪽 형상을 1회의 촬영으로 얻을 수 있기 때문에, 종래의 촉침식의 3차원 계측에 비해 극히 고속으로 3차원 계측을 행할 수 있다.

한편, 본 실시형태에서는, 광제한 슬릿(104)을 이용하여 피측정물(109)에 조사하는 광속의 반을 차폐하도록 했지만, 광제한 슬릿(104)을 이용하지 않고, Z축 구동부 본체(113)가 이동부(114)를 이동시키는 Z축에 직교하는 방향으로 피측정물 (109)과 원추형 미러(108)를 상대적으로 움직이는 구동 스테이지를 설치하여, 소정의 위치에서 측정을 할 때에, 구동 스테이지를 Z축에 직교하는 방향으로 미소 거리만큼 움직여, 구동 스테이지를 움직인 방향과 광속의 확대량(화상의 퍼짐의 크기)과 기준구멍지름에 대한 차로부터 피측정물(109)의 안쪽 형상을 구하도록 해도 상관없다. 예를 들면, 구동 스테이지를 피측정물(109)의 안쪽을 향해서 움직였을 때, 즉 원추형 미러(108)를 피측정물(109)의 일부에 접근했을 때에, 광속의 확대량이 커지는 경우는 그 부분의 피측정물(109)의 구멍지름이 기준구멍지름보다 작은 것을 알 수 있고, 반대로 광속의 확대량이 작아지는 경우는 피측정물(109)의 구멍지름이 기준구멍지름보다 큰 것을 알 수 있다. 혹은, 구동 스테이지를 피측정물(109)의 안쪽으로부터 멀어지는 방향으로 움직여, 광속의 확대량이 커지는 경우는 피측정물 (109)의 구멍지름이 기준구멍지름보다 큰 것을 알 수 있고, 반대로 광속의 확대량이 작아지는 경우는 피측정물(109)의 구멍지름이 기준구멍지름보다 작은 것을 알 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 무색 투명한 이동부(114)로 원추 미러(108)를 지지했지만, 이동부(114)의 바깥둘레에 개구부를 설치하면 이동부(114)는 무색 투명일 필요는 없다. 또한, 원추 미러(108) 및 대물 렌즈(107), 하프 미러(106)의 중심부 분은 광로가 되지 않기 때문에, 이 부분에 지지기둥을 세워 원추 미러(108) 등을 지지할 수도 있다.

(제2 실시형태)

이하에 본 발명의 제2 실시형태의 예를, 도면을 이용하여 설명한다. 도 11은, 본 발명의 제2 실시형태인 중공 형상 측정장치(30)의 광학계의 개요를 도시한 도면이다.

광원(1)으로부터의 조명광을 컬렉터 렌즈(2)로 집광하고, 거의 평행하게 된 광속이 원추형상의 출사면을 가진 윤대광 형성용의 엑시콘 렌즈(3)에 저면 방향으로부터 입사한다. 상술한 조명광의 중심은 엑시콘 렌즈(3)의 중심축에 거의 일치하고 원추면에서 굴절하여 윤대 형상으로 확대하는 평행 광속을 형성한다. 이 광속은 송수광 분기 미러(4)(하프 미러, 하프 미러 대신에 하프 프리즘을 이용할 수도 있다)로 반사하여 대물 렌즈(5)로 집광되어 윤대 형상의 가는 빛이 된다.

엑시콘 렌즈(3)는, 그 원추의 정점이, 대물 렌즈(5)의 초점과 일치하도록 배치시킨다. 이렇게 배치하면, 원추의 중심을 투과한 광선은 대물 렌즈(5)의 눈동자의 중심을 통과하고, 대물 렌즈(5)를 투과한 후에는, 대물 렌즈(5)의 광축에 평행하게 진행된다. 또한, 엑시콘 렌즈(3)의 원추면에서 조명광은 굴절되므로, 이 굴절각과 대물 렌즈(5)의 초점거리의 곱을 반지름으로 하는 윤대 형상의 빛이 형성된다. 또한 엑시콘 렌즈(3)의 원추면에 입사한 빛은, 굴절되어도 평행 광속인 채이므로, 대물 렌즈(5)의 물체측 초점 위치에 집광된다.

윤대광은, 단면에 원추형상으로 오목한 반사부(6a)를 가진 원통형의 광학 부 재(6)(광투과 부재)에 입사하지만, 그 때, 그 주광선이, 상기 원추의 중심축(원통의 중심축에 일치)에 평행이 되지 않도록 입사한다. 즉, 윤대 광속의 윤대폭의 중점 위치에서의 광선은, 광축과는 평행이 되지 않는다. 그리고, 원추형상의 반사부 (6a)에서 직각으로 반사되어 원통면으로부터 출사하고, 소정의 거리만큼 떨어진 원둘레 위에서 결상한다. 한편, 광학 부재(6)의 형상은, 반사부(6a)로 반사된 빛이 사출하는 면이 원통형이면, 전체가 원통형일 필요는 없다. 또한, 빛이 입사하는 면은, 상기 원추의 중심축에 수직인 평면이다.

여기서, 반사부(6a)의 형상은, 제1 실시형태의 도 3에서 설명한 원추형 미러 (108)와 동일한 형상이어도 상관없다. 반대로, 제1 실시형태의 원추형 미러(108)는, 본 실시형태의 반사부(6a)와 동일한 형상으로, 원통형의 광학 부재(6)를 가지고 있어도 상관없다.

상술한 윤대광을 형성하는 광속은 피검물체인 중공 형상의 내벽(7)에서 반사되어 다시 반사부(6a)로 반사되고, 원통형의 광학 부재(6) 및 대물 렌즈(5)를 통하여, 송수광 분기 미러(4)를 투과하고, 개구 조리개(8)를 더 투과하여, 결상 렌즈 (9)를 통하여 피검물체(7)로부터의 반사광에 의한 상을 촬상면(10)에 형성한다. 개구 조리개(8)는, 조명 광속의 눈동자와 공역이 되는 위치에, 조명 광속의 눈동자와 공역인 크기의 원형의 개구가 열리고 있다.

중공 형상의 측정의 원리를 도 12를 이용하여 설명한다. 이하의 도면에서는, 원칙으로서, 상술한 도면에 도시된 구성요소와 동일한 구성요소에는, 동일한 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.

알기 쉽게 설명하기 위해서, 윤대광의 한쪽 편만을 도 12에 도시한다. 도 12에서는, 윤대광의 결상 위치에 비해 구멍지름이 큰 경우를 도시한다. 조명 광속은 한 번 윤대광 결상 위치 C에서 극소가 되어 확대하면서 피검물체인 중공 형상의 내벽(7)에 조사된다. 중공 형상의 내벽(7)에 반사된 광속은, 반사부(6a), 광학 부재 (6)를 사이에 두고, 대물 렌즈(5), 송수광 분기 미러(4), 개구 조리개(8), 결상 렌즈(9)로 이루어진 수광 광학계로 유도되지만, 수광 광학계에서 보면 마치 A면으로부터 발한 광속을 수광하게 되어, 이 광속은 촬상면(10)보다 앞의 B면에서 결상한다. 이 때문에 촬상면(10)에서는 광속이 확대되어 관찰된다.

수광 광학계의 배율을 β, 윤대광결상 위치 C로부터 중공 형상의 내벽(7)까지의 거리를 δ로 하면, 촬상 소자(10)로부터 결상면(B)까지의 거리 Δ는 다음과 같이 표시할 수 있다.

Δ=2β2δ …(1)

윤대광상의 방사 방향의 확대량 ε은, 한쪽으로만 확대하므로 촬상 소자(10)로부터 결상면 B까지의 거리 Δ에 결상측의 개구수를 걸친 것이 된다. 조명광의 개구 수를 NA로 하면,

[수식 1]

가 된다.

따라서, 윤대광 상(像)의 방사 방향의 확대량 ε으로부터, 윤대광결상 위치 C로부터 중공 형상의 내벽(7)까지의 거리 δ를 구할 수 있다. 또한, 확대의 방향으로부터 윤대광의 결상 위치에 비하여 구멍지름이 작은지, 큰지를 판단할 수 있다. 즉, 윤대광 결상 위치에 공역인 촬상면(10) 위의 소정 위치로부터 바깥쪽으로 확대하는 경우는, 구멍지름이 윤대광 결상 위치보다 크고, 소정 위치로부터 안쪽으로 확대하는 경우는, 구멍지름이 윤대광 결상 위치보다 작다. 여기서, 윤대광 상(像)의 방사 방향의 확대는, 제1 실시형태의 도 5(b) 및 도 6과 같이 고려할 수 있고, 구멍지름이 윤대광 결상 위치(기준구멍지름)보다 커짐에 따라서 윤대광 상(像)은 바깥쪽으로 확대하고, 구멍지름이 기준구멍지름보다 작아짐에 따라서 윤대광상은 안쪽으로 확대한다. 또한, 상기의 식(2)의 방식은, 제1 실시형태에도 적용할 수 있다.

한편, 본 실시형태에서는, 윤대 광속으로서 연속적인 윤대광속을 이용하여 설명했지만, 불연속인(단속적) 윤대광속이어도 좋다.

윤대광은 중공 형상의 안쪽 전체둘레 방향으로 투영하고 있으므로 촬상면 내에서 윤대 형상의 빛의 상의 확대를 측정함으로써, 각각의 방향으로의 윤대광 결상 위치 C로부터 중공 형상의 내벽(7)까지의 거리를, 전체 원둘레 방향에 대하여 구할 수 있다. 윤대광결상 위치 C로부터, 상기 원추의 중심축(원통의 중심축에 일치)의 거리는, 광학계(1∼6)의 배치를 바꾸지 않는 한 기존과 일정하므로, 이에 따라, 상기 원추의 중심축(원통의 중심축에 일치)으로부터, 중공 형상의 내벽(7)까지의 거리를 전체 원둘레 방향에 대하여 구할 수도 있고, 중공 형상의 형상(상기 원추의 중심축에 수직인 단면 형상)을 구할 수 있다.

한편, 반드시, 엑시콘 렌즈(3)의 원추 정점을, 대물 렌즈(5)의 초점에 일치시켜 배치할 필요는 없고, 윤대 광속의 윤대폭의 중점 위치에서의 광선은, 광축과는 평행이 되지 않도록 하는 윤대광이 형성되면 좋다. 구멍지름이 윤대 광결상 위치보다 큰 경우는, 윤대광결상 위치에 공역인 촬상면(10)상의 소정 위치로부터 바깥쪽으로도 안쪽으로도 확대하지만, 확대량은, 바깥쪽이 크다. 한편, 구멍지름이 윤대광결상 위치보다 작은 경우는, 윤대광결상 위치에 공역인 촬상면(10)상의 소정 위치로부터 바깥쪽으로도 안쪽으로도 확대하지만, 확대량은, 안쪽이 크다. 따라서, 확대량, 확대 방향의 쌍방으로부터 구멍지름이 윤대광결상 위치보다 큰지, 작은지를 판단할 수 있다.

촬상 소자(10)에는, 통상의 기반의 눈과 같이 화소가 줄선 CCD나 CMOS소자를 이용하여, 신호 처리로 임의의 방위의 윤대광결상 위치로부터 중공 형상의 내벽(7)까지의 거리를 구해도 좋지만, 도 13에 도시한 바와 같은 방사형상으로 화소를 나열한 촬상 소자나, 도 14에 도시한 바와 같이 광파이버를 입사측을 방사형상으로 나열하고 출사측을 2차원 촬상소자의 화소를 나란히 맞추어 다시 나열한 것을 이용하면, 2차원 좌표로부터 원통 좌표계에의 변환을 할 필요가 없기 때문에, 고속으로 정밀도가 높은 측정을 행할 수 있다.

한편, 도 13 및 도 14에 도시한 촬상 소자(10)의 구성예는, 제1 실시형태에 관한 중공 형상 측정장치(101)의 촬상부(111)에도 적용할 수 있다.

또한, 디포커스량이 커지면 광속의 확대량이 커지고, 빔의 에지 부분의 검출이 노이즈에 묻히기 쉽고 오차를 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 광원(1)에 LED 등 을 사용하여 강도 변조하여, 촬상 소자의 각 화소로부터 얻어지는 출력을 동기 검파하도록 해도 좋다.

중공 형상의 내벽(7)의 형상을 구하기 위해서는, 광학계 전체를, 상기 원추의 중심축방향으로 이동하여 윤대광이 닿는 위치를 어긋나게 하면서 전체둘레 방향의 거리를 측정하는 것을 반복하면, 각각의 방위에 대한 중공 형상의 내벽(7)까지의 거리를 구할 수 있으므로 원통좌표로 형상 데이터를 얻을 수 있다.

여기서, 본 실시형태에 관한 중공 형상 측정장치(30)의 측정 처리는, 제1 실시형태의 도 9의 플로차트와 동일한 처리를 화상 처리부(112) 및 퍼스널 컴퓨터 (115)를 이용하여 실현할 수 있다.

도 15에 원통형의 광학 부재(6)를 도시하고, 측정 가능한 조건을 고려한다. 원통부재의 원통부의 반지름을 R로 하고, 윤대광의 주광선의 반지름을 r로 할 때, 도 12에서 도시한 가상적인 발광 중심 A로부터 θ의 각도로 확대되는 빛이 거절되지 않고 대물 렌즈(5)에 입사하기 위해서는, 도 15에 도시한 위쪽의 원통부재(6)의 입사측에서 원통이 광속지름보다 클 필요가 있다. 윤대광결상 위치가 원통의 중심축으로부터 U의 반지름 부분에 있는 경우에, 깊이 D까지 측정할 수 있는 피검물체의 중공 형상의 안지름 Ø은 다음의 조건을 만족할 필요가 있다. 다만, n은 원통부재의 굴절률을 나타낸다.

[수식 2]

측정 길이 D가 100mm이고 원통부의 반지름 R가 20mm, 굴절율이 1.8의 광학 부재(6)를 이용하여 반지름 r=8mm, sin θ=0.1의 윤대광을 사용한 경우, 윤대광 결상 위치를 원통의 중심축으로부터 22mm의 위치로 하면, 안지름 99.7mm까지의 안지름의 계측을 행할 수 있다.

(제3 실시형태)

다음에, 제3 실시형태에 관한 중공 형상 측정장치(31)에 대하여 설명한다. 중공 형상 측정장치(31)는, 반드시 고속화할 수 있는 것은 아니지만, 본 발명의 광학 부재를 이용하여 공초점 관찰을 사용하여 전체둘레 방향의 거리 측정을 행하는 것도 가능하다. 도 16에 제3 실시형태에 관한 중공 형상 측정장치(31)의 구성예를 도시한다. 도 16에서 도시한 구성요소는, 특히 설명을 더하지 않는 한, 도 11, 도 12에 도시된 중공 형상 측정장치(30)의 구성요소와 동일한 구성을 가진 것으로 한다.

광원(11)으로부터 출사한 조명광은, 컬렉터 렌즈(12)를 통하여 핀홀(13)을 조명한다. 핀홀(13)을 투과한 빛은 콘덴서 렌즈(14)로 거의 평행한 광속이 되어 윤대광 형성용의 엑시콘 렌즈(15)에 입사한다. 조명광은 상술한 바와 같이 엑시콘 렌즈(15)에서 평행한 윤대 형상의 광속으로 변환되어, 송수광 분기 미러(16)로 반사하여 대물 렌즈(17)에 유도된다. 대물 렌즈(17)에서는 윤대 형상으로 텔레센트릭에 집광하는 광속으로 변환되어 광학 부재(18)에 입사하여, 대물 렌즈(17)의 광축에 수직인 면내에서 확대하는 광속으로 변환되고, 피검물체인 중공 형상의 내벽(19)에 조사된다.

중공 형상의 내벽(19)에서 반사된 빛은 광학 부재(18)에 다시 입사하고, 대물 렌즈(17), 송수광 분기 미러(16)를 투과하여 수광 광학계로 유도된다. 수광 광학계는, 개구 조리개(20)로 정반사광만 투과하여 결상 렌즈(21)로 중공 형상의 내벽(19)으로부터의 빛을 집광하여, 윤대 슬릿(22) 위에 상을 형성한다. 윤대 슬릿 (22)은 상공역의 위치(즉, 윤대 형상의 광속의 동경 방향의 확대가 최소가 되는 위치와 공역인 위치)에 배치되어 있기 때문에, 중공 형상의 내벽(19)이 조명의 윤대광상의 결상 위치에 일치했을 때에 윤대 슬릿(22)을 투과하는 광량은 최대가 된다.

윤대 슬릿(22)을 투과한 빛은 상릴레이 렌즈(23)로 촬상면(24)에 투영된다. 촬상면(24)에서는, 물체에 투영되는 윤대광의 주광선의 직경에 수광 광학계의 종합 배율을 가한 직경의 부분에 윤대 형상의 상이 생기므로, 도 16(b)에 도시된 바와 같은 촬상 소자(24)를 이용하여, 그 둘레방향의 광량을 모니터한다. 도 16(a)의 점선으로 둘러싼 광학계는 광학 부재(18)에 대해서 독립하여 대물 렌즈(17)의 광축을 따라서 이동 가능하고, 광학 부재(18)와 대물 렌즈(17)의 간격을 바꾸는 것에 의해 조명 윤대광의 결상 위치를 변화시킬 수 있다. 즉, 광학 부재(18)를 고정하여 광학계를 대물 렌즈(17)의 광축을 따라서 이동시키고, 촬상면(24)의 각각의 화소로 수광하는 광량이 최대가 되는 광학 부재(18)와 광학계의 간격으로부터 중공 형상의 내벽(19)의 위치를, 각각의 화소에 대응하는 원둘레 방향 위치마다 검출할 수 있다. 따라서, 중공 형상의 원둘레 방향의 형상을 구할 수 있다. 중공 형상을 구하기 위해서는, 광학 부재(18)를 더 이동한 후, 마찬가지로 광학계를 이동하여 측정 범위를 주사하여 직경 데이터를 구할 필요가 있다.

이상, 각 실시형태에서 설명해 온 바와 같이, 본 발명에 관한 측정장치 및 측정방법은, 간단하고 쉬운 구성으로, 복잡한 연산을 행하지 않고, 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정할 수 있다.

특히, 중공 형상의 전체 둘레 방향의 거리 측정을 동시에 행할 수 있고, 거리 측정은 광속의 주광선의 방향에 대해서 이루어지므로 비스듬하게 보는 방식에 비해 일정한 정밀도로 측정할 수 있기 때문에, 고속으로 고정밀도의 중공 형상 측정을 행할 수 있다.

또한, 중공 형상의 내부에서 광속을 방사 방향으로 구부리는 반사부를 광학 부재의 내면 반사로 행하는 것에 의해, 반사부를 광투과부를 유지할 수 있고 빛을 차단하는 금물부품의 기둥은 불필요하게 된다.

또한, 광투과부는 유리나 플라스틱 등의 광투과성의 재료로 채우는 것에 의해, 금물부품의 가는 기둥으로 지지하는 것보다 견뢰하게 할 수 있다. 이 때문에, 측정시에 피검물체에 충돌 등의 사고에 대해서도 영향을 받기 어렵기 때문에 작업성의 향상으로도 연결된다.

또한, 광투과 부재는 공기보다 굴절률이 높기 때문에, 동일한 개구 수의 빛으로도 동일한 길이의 거리만큼 멀어진 위치에서 굴절률분만큼 광속의 확대가 작아지므로, 보다 깊은 중공 형상의 계측이 가능하다.

Claims (16)

1. 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 측정장치로서,

   상기 중공 형상의 깊이 방향인 제1 방향으로 빛을 송광하는 송광부와,

   상기 제1 방향과 대략 직교하는 방향으로 상기 빛의 방향을 변환하는 변환부와,

   상기 변환부에서 방향이 변환된 빛중의 상기 피측정물의 안쪽에서 반사한 빛을 검출하는 검출부와,

   상기 검출부의 검출 결과에 기초하여, 소정 기준 위치로부터의 차를 구하는 것에 의해 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 형상 측정부를 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 송광부와 상기 변환부와 상기 검출부로 이루어진 측정 광학계와 상기 피측정물을 상기 제1 방향으로 상대 이동시키는 이동부를 더 구비하고,

   상기 형상 측정부는, 상기 피측정물과 상기 변환부의 상대 위치를 변화시켰을 때의 상기 검출부의 검출 결과에 기초하여, 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 변환부는 상기 송광부가 송광하는 상기 빛을 상기 제1 방향과 대략 직교하는 방향의 전체 둘레를 향해 변환하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 송광부는, 상기 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 유도하여 기준 위치에 초점을 가진 제1 광학계와, 상기 초점보다 상기 광원측이며 상기 제1 광학계의 상기 초점과 공역인 위치에 배치되어 소정 형상의 개구를 가진 제1 광제한 부재와,

   상기 피측정물로부터 되돌아온 빛을 결상시키는 제2 광학계를 구비하고,

   상기 검출부는 상기 제2 광학계에 의해 상기 기준 위치에 있는 피측정물의 상이 결상하는 결상면에 배치되어 상기 광원으로부터의 빛을 수광하는 상기 기준 위치와 공역 관계에 있는 수광부를 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 광제한 부재로부터 상기 피측정물에 조사되는 광속의 일부를 차광하는 소정 형상의 개구를 가진 제2 광제한 부재를 설치한 것을 특징으로 하는 측정장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 광제한 부재를 원형 슬릿으로 구성한 것을 특징으로 하는 측정장 치.
7. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 송광부는, 상기 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 유도하여 기준 위치에 초점을 가진 제1 광학계와, 상기 광원으로부터의 빛을 윤대(輪帶)형상으로 변환하여, 소정 위치에 집광시키는 광학 부재를 포함하고, 상기 윤대광속의 윤대폭의 중점 위치에서의 광선이, 상기 광학 부재로 이루어지는 광학계의 광축과는 평행이 되지 않도록 하는 윤대광속 생성 광학계와,

   상기 피측정물로부터 되돌아온 빛을 결상시키는 제2 광학계를 구비하고,

   상기 검출부는 상기 제2 광학계에 의해 상기 기준 위치에 있는 피측정물의 상이 결상하는 결상면에 배치되어 상기 광원으로부터의 빛을 수광하는 상기 기준 위치와 공역 관계에 있는 수광부를 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
8. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 송광부는, 상기 빛을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 빛을 유도하여 기준 위치에 초점을 가진 제1 광학계와, 상기 광원으로부터의 빛을 윤대 형상으로 변환하여, 소정 위치에 집광시키는 광학 부재를 포함하고, 상기 윤대광속의 윤대폭의 중점 위치에서의 광선이, 상기 광학 부재로 이루어진 광학계의 광축과는 평행이 되지 않도록 하는 윤대광속 생성 광학계와,

   상기 피측정물로부터 되돌아온 빛을 결상시키는 제2 광학계를 구비하고,

   상기 검출부는 상기 제2 광학계에 의해 상기 기준 위치에 있는 피측정물의 상이 상기 기준 위치와 공역 관계에 있는 윤대 형상 슬릿을 통하여 상기 광원으로부터의 빛을 수광하는 수광부와,

   상기 변환부를 고정한 상태에서, 상기 변환부와 다른 광학계와의 간격을 변화시킴과 동시에 그 간격을 측정할 수 있는 이동 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 측정장치.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 윤대 광속 생성 광학계가, 상기 광원으로부터의 빛을 평행광으로 하는 컬렉터 렌즈와,

   상기 평행광을, 상기 윤대 형상 광속으로 변환하는 엑시콘 렌즈를 가진 것을 특징으로 하는 측정장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 송광부를 상기 제1 방향과는 다른 방향에서 빛을 송광하는 위치에 배치하고,

    상기 피측정물과 상기 송광부의 사이에서, 상기 송광부가 송광하는 상기 빛을 상기 제1 방향으로 반사하는 동시에, 상기 피측정물로부터의 되돌아온 빛을 상기 수광부측에 투과하는 하프 미러를 설치한 것을 특징으로 하는 측정장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 변환부를 원추 형상의 미러로 구성한 것을 특징으로 하는 측정장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 변환부는, 전반사에 의해 반사를 행하는 것인 것을 특징으로 하는 측정장치.
13. 제 1 항 내지 제 12 항중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 변환부는, 빛을 투과하는 물질에 반사부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 측정장치.
14. 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 측정방법으로서,

    송광부가 제1 방향으로 송광하는 빛의 방향을 변환부에서 상기 제1 방향과 대략 직교하는 원둘레 방향으로 변환하여 상기 피측정물의 안쪽에 조사하고,

    상기 피측정물의 안쪽으로 반사하는 빛을 검출부에서 검출한 결과에 기초하여, 소정 기준 위치로부터의 차를 구하는 것에 의해 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 피측정물과 상기 변환부를 상기 제1 방향으로 상대 이동시키면서 상기 검출을 행하는 것에 의해 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정방법.
16. 중공 형상의 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 측정방법으로서,

    송광부가 제1 방향으로 송광하는 윤대 형상의 광속을 상기 피측정물에 삽입한 변환부에서 상기 제1 방향과 대략 직교하는 원둘레 방향으로 변환하여 상기 피측정물의 안쪽에 조사하고,

    그 측면에서의 반사광을 상기 변환부를 통하여, 수광 광학계에 의해 상기 기준 위치와 공역인 위치에 배치한 윤대 형상 슬릿에 결상시켜, 상기 윤대 형상 슬릿을 통과한 빛을, 상기 변환부를 고정한 상태에서 상기 변환부와 다른 광학계와의 간격을 변화시키면서 수광부에서 수광하고,

    상기 수광부의 출력치와 상기 간격의 값의 관계로부터 상기 피측정물의 안쪽 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 측정방법.

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