WO2011142021A1 - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

形状測定装置および形状測定方法 Download PDF

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shape
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三郎 丸地
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エフエー・ビジョン株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2433—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring outlines by shadow casting

Definitions

  • the present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method for measuring the shape of an article, in particular, the shape of a minute cutting tool.
  • a cutting tool such as a micro drill has been used for drilling a printed circuit board or a semiconductor package.
  • machining precision in units of microns has been required for such machining as hole machining.
  • the depth of field is at most about several tens of microns to several microns depending on the magnification, so that the contour of the tool is composed of a cubic curve.
  • a clear image can be obtained for some in-focus portions in the imaging range, but only a blurred image can be obtained for other portions exceeding the depth of field.
  • the present invention has been made in view of such problems, and can perform highly accurate shape measurement efficiently in a short time without moving or rotating the object to be measured or a microscope.
  • a shape measuring device and a shape measuring method are to be provided.
  • the present invention provides an illumination device that irradiates parallel light toward the object to be measured, and a position where the optical axis of the parallel light coincides with the optical device at a position facing the illumination device across the object to be measured.
  • a microscope that is arranged in a microscope, a camera that captures an image of the object to be measured magnified by the microscope with a resolution of 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m, and the parallel light reflects the outer peripheral shape of the measurement part of the object to be measured
  • a holding device that arranges the measurement part of the object to be measured in the parallel light, and measures the three-dimensional shape of the object to be measured that exceeds the depth of field of the microscope. It is a measuring device.
  • the present invention is also characterized in that in the shape measuring apparatus of the above means, an imaging range of the object to be measured corresponding to one pixel of the camera is set to 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the present invention is also characterized in that, in the shape measuring apparatus of the above means, the object to be measured is rod-shaped, and the outer diameter of the measurement part is 0.01 mm to 0.2 mm.
  • the object to be measured has a spiral groove formed on an outer peripheral surface, and the holding device has an optical axis of the parallel light and the spiral groove.
  • the object to be measured is arranged so that a part thereof is parallel.
  • the present invention is also characterized in that in the shape measuring apparatus of the above means, the object to be measured is a cutting tool.
  • the present invention is also characterized in that in the shape measuring apparatus of the above means, the object to be measured is a drill.
  • the present invention also provides a measuring portion of an object to be measured between the illuminating device that irradiates parallel light and a microscope that is arranged so that the optical axis of the parallel light coincides with the optical axis of the parallel light.
  • An image of the measurement part of the measurement object that is arranged in the parallel light and magnified by the microscope is captured with a resolution of 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m so that the outer peripheral shape of the measurement part of the measurement object is projected.
  • the shape measuring apparatus and the shape measuring method according to the present invention there is an excellent effect that highly accurate shape measurement can be performed efficiently in a short time without moving the object to be measured or a microscope. obtain.
  • FIG. 1 It is a top view of the shape measuring apparatus which concerns on carrying of this invention. It is a front view of a shape measuring apparatus.
  • A It is the figure which showed the external appearance of the to-be-measured object.
  • B It is the figure which expanded and showed the body part of the to-be-measured object. It is the figure which showed the cross section of the body part of (a) and (b) to-be-measured object. It is the figure which showed the imaging direction in the case of measuring the web thickness and the inclination of a web taper. It is the figure which showed the course of the parallel light irradiated from an illuminating device. It is the image of the to-be-measured object actually imaged with the shape measuring apparatus.
  • A) to (d) are schematic views showing a path of light passing through a lens and an image generated by the lens.
  • FIG. 1 is a plan view of the shape measuring apparatus 1
  • FIG. 2 is a front view of the shape measuring apparatus 1.
  • the shape measuring apparatus 1 is disposed on the base 10, the holding device 20 disposed slightly from the center left of the upper surface of the base 10, and the upper surface of the base 10 on the left side of the holding device 20.
  • an image processing device 60 electrically connected to the camera 50.
  • the base 10 is a substantially rectangular parallelepiped surface plate, and is a part that becomes the base of the shape measuring apparatus 1.
  • the holding device 20, the illumination device 30, the microscope 40, and the camera 50 are integrally disposed on the upper surface of one base 10.
  • the holding device 20, the illumination device 30, and the microscope 40 are provided.
  • the camera 50 may be arranged separately on a plurality of bases.
  • the holding device 20 is a device that holds the object to be measured 100, and is provided on the rotating stage 22 disposed on the upper surface of the base 10, the holding stand 24 disposed on the upper surface of the rotating stage 22, and the upper portion of the holding stand 24.
  • the chuck 26 is provided.
  • the rotary stage 22 is a substantially disk-shaped member, and is disposed on the upper surface of the base 10 so as to be rotatable about its own central axis in a substantially horizontal plane.
  • the rotary stage 22 is configured to be rotated by a motor (not shown) or manually, and can be kept stationary at an arbitrary rotation angle. In the present embodiment, by rotating the rotary stage 22, the direction of the device under test 100 is inclined at a predetermined angle with respect to the optical axis of the parallel light R emitted from the illumination device 30.
  • the upper surface of the rotary stage 22 is configured such that the holding stand 24 can be disposed at an arbitrary position.
  • the holding stand 24 is disposed on the upper surface of the rotary stage 22 at an appropriate position according to the dimension of the measurement object 100 so that the measurement part of the measurement object 100 is within the observation range of the microscope 40.
  • the holding stand 24 is provided with an elevating mechanism capable of changing the holding height of the DUT 100 by raising and lowering the chuck 26.
  • the chuck 26 is configured to hold the device under test 100 by a plurality of members. Further, the chuck 26 is configured to be able to rotate the held measurement object 100 around the axis by a motor (not shown) or manually. In other words, in the present embodiment, the device under test 100 held by the chuck 26 can be rotated around the axis of the device under test 100 to maintain a stationary state at an arbitrary rotation angle.
  • the illumination device 30 is a device that emits parallel light R toward the DUT 100, and includes a light source such as an LED and a parallel light generation unit such as a collimator lens. When viewed from the microscope 40, the illumination device 30 is disposed so as to irradiate the parallel light R from behind the object to be measured 100 into the observation range of the microscope 40.
  • the microscope 40 is configured by combining a plurality of lenses, and is for obtaining an enlarged image of the DUT 100.
  • the microscope 40 is arranged so that the optical axis (traveling direction) of the parallel light R emitted by the illumination device 30 coincides with its own optical axis (imaging direction).
  • the magnification of the microscope 40 can be changed to an appropriate magnification according to the dimensions of the DUT 100 using a zoom function and an additional lens.
  • the camera 50 is a CCD camera in the present embodiment, and captures an image of the measurement object 100 magnified by the microscope 40.
  • the camera 50 of the present embodiment includes an image pickup device (CCD) having a size of 1 / 1.8 inches (7.18 mm ⁇ 5.32 mm) and a number of pixels of 1.92 million pixels (1600 ⁇ 1200). Accordingly, since the size of one pixel is about 4.4 ⁇ m ⁇ 4.4 ⁇ m, for example, when the zoom magnification of the microscope 40 is set to 3.3 times, it is possible to perform imaging of about 1.3 ⁇ m per pixel. It has become. Thereby, a resolution of about 1.3 ⁇ m is obtained.
  • the camera 50 takes an enlarged silhouette image of the object 100 to be measured. Image data captured by the camera 50 is output to the image processing device 60 via the cable 52.
  • the image processing device 60 is a device that derives measurement data of the DUT 100 by executing various image processing and arithmetic processing based on the image data output from the camera 50. The details of the image processing and the arithmetic processing are not described, but various known methods can be employed.
  • the image data captured by the camera 50 and the measurement data derived by the image processing device 60 are stored in a storage medium such as a hard disk (not shown) and, if necessary, a display device, a printer, etc. Is output.
  • FIG. 3A is a diagram showing the appearance of the DUT 100.
  • the DUT 100 is a micro drill, and is composed of a small-diameter body portion 110 and a large-diameter shank portion 120 as shown in FIG.
  • FIG. 3B is an enlarged view of the body part 110 of the DUT 100.
  • the body part 110 is a so-called twist drill in which two cutting edges 112 are formed at the tip and two spiral grooves 114 are formed on the outer peripheral surface.
  • the outer diameter D of the body part 110 is 0.1 mm
  • the groove length L is 1.2 mm
  • the twist angle ⁇ is 37 degrees.
  • the shape measuring apparatus 1 which concerns on this embodiment can also measure a shape also about the micro drill of other dimensions.
  • FIG. 4A and 4B are views showing a cross section of the body portion 110 of the DUT 100
  • FIG. 4A is a view showing a cross section of an intermediate portion of the body portion 110
  • FIG. 2B is a view showing a cross section of the base end portion of the body portion 110.
  • the web thickness T thickness between the bottoms of the two grooves 114 gradually increases from the distal end toward the proximal end. A so-called web taper is provided.
  • the web thickness in each part of the body part and the slope of the web taper are important shape parameters directly related to the performance and quality of the micro drill, and are important inspection items of the micro drill.
  • FIG. 5 is a diagram showing an imaging direction when the web thickness T and the web taper inclination are measured.
  • the imaging direction is indicated by a left-pointing arrow. Since the DUT 100 is a twist drill, the groove 114 is formed in a spiral shape. Therefore, in order to image the cross-sectional shape of the groove 114, it is necessary to image from a direction parallel to a part of the groove 114, that is, a direction inclined by the twist angle ⁇ from the axis of the DUT 100.
  • the shape measuring apparatus 1 first, the workpiece 100 is fixed to the chuck 26, and then the rotary stage 22 is rotated by the twist angle ⁇ , so that the groove 114 on the upper side of the workpiece 100 becomes the optical axis of the microscope 40. It should be parallel to (imaging direction). Thereby, the upper groove 114 of the DUT 100 is also parallel to the optical axis of the parallel light R emitted from the illumination device 30. Then, the parallel light R is irradiated onto the device under test 100 by the illumination device 30, and an image of the device under test 100 magnified by the microscope 40 is captured by the camera 50. Next, the device under test 100 is rotated 180 degrees, and the device under test 100 in an upside down state is imaged.
  • FIG. 6 is a diagram showing the path of the parallel light R emitted from the illumination device 30.
  • the parallel light R emitted from the illumination device 30 travels linearly from the illumination device 30 toward the microscope 40 and finally enters the microscope 40.
  • the image magnified by the microscope 40 becomes a silhouette image in which the outer peripheral shape of the object to be measured 100 is projected.
  • the optical axis of the parallel light R is parallel to the upper groove 114 of the DUT 100 as described above, a part of the parallel light R passes through the groove 114 along the upper groove 114. To enter the microscope 40.
  • a silhouette image expressing the cross-sectional shape of the upper groove 114 is obtained.
  • the entire range of the groove 114 is reduced by irradiating the entire range of the body portion 110 of the DUT 100 with the parallel light R (the body portion 110 is disposed within the irradiation range of the parallel light R). Images are taken at once.
  • FIG. 7 is an image of the DUT 100 actually captured by the shape measuring apparatus 1. As shown in the figure, according to the shape measuring apparatus 1, it is possible to capture the entire range from the distal end to the proximal end of the groove 114 at a time and obtain a clear image.
  • the image processing device 60 executes various image processing and arithmetic processing, and calculates the distance from the bottom of the upper groove 114 to the axis center for each of the two captured image data. And the web thickness T of each part from the front end side edge part of the groove
  • the entire range from the distal end to the proximal end of the groove 114 can be imaged at a time, and the web thickness T and the web can be efficiently captured with two imaging operations.
  • the inclination of the taper can be measured.
  • a depth of field of 0.96 mm or more is required.
  • the microscope 40 employed in the present embodiment is a long focus type, but the depth of field is about 0.35 mm. That is, if the microscope 40 is used as usual, a clear image can be obtained only in the region of about 1/3 of the groove 114.
  • the entire range can be imaged at once.
  • FIGS. 8A to 8D are schematic views showing the path of light passing through the lens and the image generated by the lens.
  • the actual microscope 40 has a structure in which a plurality of lenses are combined. However, since the basic principle is the same as that in the case of one lens, it is simplified here when one convex lens is used. explain.
  • FIGS. A) and (b) are diagrams showing a case where a normal lighting device is used. From a normal lighting device, light is irradiated randomly in various directions. Among these lights, for example, the parallel light R1 traveling parallel to the optical axis of the lens 42 is refracted by the lens 42 and passes through the opposite focal point F, and the light R2 passing through the center of the lens 42 travels straight as it is, The light R3 that has passed through the focal point F in front of the lens 42 is refracted by the lens 42 and travels in a direction parallel to the optical axis of the lens 42.
  • the light passing through one point on the surface of the object 200 arranged at the focal point A converges to one point on the CCD plane C of the camera 50. To do. That is, a clear image 200a in focus is generated on the CCD surface C of the camera 50.
  • the light that has passed through one point on the surface of the object 202 arranged at the other position B away from the focal position A is 1 at the position D before the CCD surface C. It converges to a point and is dispersed in a relatively large width W range on the CCD plane C. Therefore, an unclear image 202a whose outline is blurred in the range of the width W is generated on the CCD surface C. As described above, it is difficult to specify the contour of the object 202 by image processing from the blurred image 202a having a relatively large width, and shape measurement is impossible.
  • FIG. C) and (d) are diagrams showing a case where the illumination device 30 according to the present embodiment is used.
  • the illuminating device 30 is for irradiating the parallel light R traveling parallel to the optical axis of the lens 42, but a part of the light is slightly diffused and diffused light R 4 traveling in a direction having an angle with respect to the parallel light R It becomes.
  • the diffused light R4 from which the angle with respect to the parallel light R becomes the maximum is illustrated.
  • the parallel light R and the diffused light R4 that have passed through one point on the surface of the object 200 arranged at the focal point A are the same as in the case of FIG.
  • the CCD surface C converges to one point, and a sharp image 200a in focus is generated on the CCD surface C.
  • the light passing through one point on the surface of the object 202 arranged at the other position B is in front of the CCD surface C as in the case of FIG. It converges to one point at the position D and is dispersed in the range of the width W on the CCD surface C.
  • the diffused light R4 irradiated from the illumination device 30 has a much smaller spread than the random light irradiated from the normal illumination device, that is, the angle of the diffused light R4 with respect to the parallel light R is very small. Therefore, the width W in which the light is dispersed on the CCD surface C is smaller than that in the case of FIG. Therefore, in the case of FIG. 6D, an image 202a is generated on the CCD surface C, although the outline is slightly blurred, but the shape can be measured with sufficient accuracy.
  • the illumination device 30 that irradiates the parallel light R is used, so that the shape measuring device 1 is disposed at the other position B away from the focal point A of the lens 42 of the microscope 40. It is possible to capture a sufficiently clear image of the object 202. That is, the shape measuring apparatus 1 can image the object 100 to be measured with a depth of field larger than the depth of field of the microscope 40 (lens 42).
  • the shape measuring apparatus 1 is parallel to the illumination device 30 that irradiates parallel light toward the device under test 100 and the position facing the illumination device 30 across the device under test 100.
  • Parallel to the microscope 40 arranged so that the optical axis of the light coincides with the optical axis of the light, and the camera 50 that captures an image of the measurement object 100 magnified by the microscope 40 with a resolution of 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • a holding device 20 that arranges the measurement part of the measurement object 100 in parallel light so that the light reflects the outer peripheral shape of the measurement part of the measurement object 100, and the measurement object exceeds the depth of field of the microscope 40. 100 solid shapes are measured.
  • the shape measuring method includes an object to be measured between the illumination device 30 that irradiates parallel light and the microscope 40 that is arranged so that the optical axis of the parallel light and its own optical axis coincide.
  • 100 measurement portions are arranged in parallel light so that the parallel light reflects the outer peripheral shape of the measurement portion of the measurement object 100, and an image of the measurement portion of the measurement object 100 magnified by the microscope 40 is 1 pixel. An image is captured in the range of 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the holding device 20 arranges the DUT 100 so that the optical axis of the parallel light and a part of the spiral groove 114 are parallel, a clear image of the entire range of the spiral groove can be obtained. It can be obtained with a single imaging.
  • the cross-sectional shape of the groove 114 can be accurately imaged, highly accurate shape measurement can be performed.
  • the present invention Since the present invention has a very wide depth of field and realizes high resolution, it is particularly suitable when the outer diameter of the measurement part of the object 100 is 0.01 mm to 0.2 mm. It is. However, the present invention is not limited to this, and the outer diameter of the measurement portion of the DUT 100 may be larger than 0.2 mm.
  • the present invention can obtain a clear image of a three-dimensional shape over a wide depth measurement range by one imaging, the contour has a complicated shape composed of a cubic curve, and strict shape accuracy is required. This is suitable for measuring the shape of a cutting tool. Moreover, since a clear image of the entire range of the spiral groove can be obtained by one imaging, it is particularly suitable when measuring a drill or an end mill.
  • the magnification of the microscope 40 is preferably 2.2 to 22 times.
  • the present invention is not limited to this, and the magnification ratio of the microscope 40 may be less than 2.2 times or greater than 22 times.
  • the camera 50 is not limited to the CCD camera shown in the above embodiment, and may be a camera of another type such as a CMOS camera.
  • the shape measuring apparatus and shape measuring method of the present invention can be used not only in the shape measurement of cutting tools such as drills and end mills, but also in the field of shape measurement of various articles such as screws, cams and the like.

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Abstract

【課題】顕微鏡の被写界深度を大幅に超えた立体形状を持つ被測定物を、被測定物や顕微鏡等を移動させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができる形状測定装置および形状測定方法を提供する。 【解決手段】本発明に係る形状測定装置１は、被測定物１００に向けて平行光Ｒを照射する照明装置３０と、被測定物１００を挟んで照明装置３０と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される被写界深度の大きな顕微鏡４０と、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラ５０と、平行光Ｒが被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように平行光Ｒ内に被測定物１００の測定部分を配置する保持装置２０と、を備える。

Description

形状測定装置および形状測定方法
　本発明は、物品の形状、特に微小切削工具の形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。
　従来、プリント回路基板や半導体パッケージ等の穴加工には、微小なドリル等の切削工具が使用されている。近年では、電子回路の小型化、集積化に伴い、このような穴加工等の機械加工に対してミクロン単位の加工精度が要求されるようになってきている。
　加工精度の向上には、微小切削工具の形状精度を向上させることが重要であり、微小切削工具の製造においては、多様な項目の形状測定からなる形状検査が実施されている。工具の大きさが微小になると、マイクロメータやダイヤルゲージ等による形状測定が不可能となるため、微小切削工具の形状検査では、特開２０００－７４６４４号公報に記載されているように、顕微鏡等で拡大した像を撮像して画像処理を行う方法や、特開２００３－２０７３１８号公報に記載されているように、透過型または反射型レーザ装置を用いた方法等が採用されている。
　しかしながら、顕微鏡等で拡大した像を撮像する方法においては、拡大率によっては被写界深度がせいぜい数十ミクロンから数ミクロン程度となるため、工具の輪郭が３次曲線で構成されているような場合、撮像範囲のうち一部の合焦点部分については鮮明な画像が得られるが、その他の被写界深度を超える部分については不鮮明な画像しか得ることができないという問題があった。
　特に、螺旋状の溝が形成されたツイストドリルのウェブ厚を全長にわたって測定する場合や、エンドミルの刃先形状を測定するような場合は、被写界深度を大幅に超える範囲の撮像が必要となるため、一度の撮像で鮮明な画像を得ることができず、工具または顕微鏡を移動させながら複数回の撮像を行い、これにより得られた複数の画像を合成した上で画像処理を行う必要があった。
　同様に、透過型または反射型のレーザ装置を用いた方法においても、上述のような測定を行う場合には工具またはレーザ装置を移動または回転させて測定を行う必要があった。
　従って、上記特許文献に示されるような従来の測定方法によってツイストドリルやエンドミル等の複雑な形状を有する工具の形状を測定する場合、被測定物である工具、または顕微鏡もしくはレーザ装置等を移動または回転させながら測定を行う必要があるため、測定に時間がかかり、効率が悪いという問題があった。また、測定精度が移動または回転の精度に制約されるため、精度の高い測定を行うには、工具や顕微鏡等を高精度に移動させるための移動機構が必要となるため、装置が複雑になると共にコストが上昇するという問題があった。
　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、被測定物や顕微鏡等を移動または回転させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができる形状測定装置および形状測定方法を提供しようとするものである。
　本発明は、被測定物に向けて平行光を照射する照明装置と、前記被測定物を挟んで前記照明装置と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡と、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラと、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように前記平行光内に前記被測定物の測定部分を配置する保持装置と、を備え、前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定装置である。
　本発明はまた、上記手段の形状測定装置において、前記カメラの１画素に対応する前記被測定物の撮像範囲が０．２μｍ乃至２μｍに設定されることを特徴とする。
　本発明はまた、上記手段の形状測定装置において、前記被測定物は、棒状であり、測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍであることを特徴とする。
　本発明はまた、上記手段の形状測定装置において、前記被測定物は、外周面に螺旋状の溝が形成されており、前記保持装置は、前記平行光の光軸と前記螺旋状の溝の一部が平行となるように前記被測定物を配置することを特徴とする。
　本発明はまた、上記手段の形状測定装置において、前記被測定物は、切削工具であることを特徴とする。
　本発明はまた、上記手段の形状測定装置において、前記被測定物は、ドリルであることを特徴とする。
　本発明はまた、平行光を照射する照明装置と、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡との間において、被測定物の測定部分を、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように、前記平行光内に配置し、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の測定部分の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像することで、前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定方法である。
　本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、被測定物や顕微鏡等を移動させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができるという優れた効果を奏し得る。
本発明の実施の携帯に係る形状測定装置の平面図である。 形状測定装置の正面図である。 （ａ）被測定物の外観を示した図である。（ｂ）被測定物のボディ部を拡大して示した図である。 （ａ）および（ｂ）被測定物のボディ部の断面を示した図である。 ウェブ厚およびウェブテーパの傾斜度を測定する場合の撮像方向を示した図である。 照明装置から照射される平行光の進路を示した図である。 形状測定装置によって実際に撮像した被測定物の画像である。 （ａ）～（ｄ）レンズを通過する光の進路、およびレンズにより生成される像を示した概略図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。
　まず、本実施形態に係る形状測定装置１の構成について説明する。図１は形状測定装置１の平面図であり、図２は形状測定装置１の正面図である。これらの図に示されるように、形状測定装置１は、ベース１０と、ベース１０上面の中央やや左よりに配設された保持装置２０と、保持装置２０の左側のベース１０上面に配設された照明装置３０と、保持装置２０の右側のベース１０上面に配設された顕微鏡４０と、顕微鏡４０に配設されたカメラ５０と、カメラ５０と電気的に接続された画像処理装置６０から構成されている。
　ベース１０は、略直方体状の定盤であり、形状測定装置１の基台となる部分である。なお、本実施形態では、保持装置２０、照明装置３０、顕微鏡４０およびカメラ５０を1つのベース１０の上面に一体的に配設しているが、これらの保持装置２０、照明装置３０、顕微鏡４０およびカメラ５０を複数の基台上に分けて配設するようにしてもよい。
　保持装置２０は、被測定物１００を保持する装置であり、ベース１０上面に配設された回転ステージ２２と、回転ステージ２２の上面に配設された保持スタンド２４と、保持スタンド２４の上部に設けられたチャック２６から構成されている。
　回転ステージ２２は、略円盤状の部材であり、略水平面において自身の中心軸周りに回転自在に、ベース１０上面に配設されている。この回転ステージ２２は、図示を省略したモータまたは手動によって回転すると共に、任意の回転角度で静止状態を維持することが可能に構成されている。本実施形態では、この回転ステージ２２を回転させることによって、被測定物１００の向きを照明装置３０が発する平行光Ｒの光軸に対して所定の角度に傾けるようになっている。また、図示は省略しているが、回転ステージ２２の上面は、保持スタンド２４を任意の位置に配設可能に構成されている。
　保持スタンド２４は、被測定物１００の測定部分が顕微鏡４０の観察範囲内となるように、回転ステージ２２の上面において被測定物１００の寸法に応じた適宜の位置に配設されている。また、図示は省略しているが、保持スタンド２４には、チャック２６を昇降させて被測定物１００の保持高さを変更可能な昇降機構が設けられている。
　チャック２６は、被測定物１００を複数の部材によって挟持するように構成されている。また、チャック２６は、図示を省略したモータまたは手動によって、保持した被測定物１００を軸心周りに回転可能に構成されている。すなわち、本実施形態では、チャック２６に保持した被測定物１００を被測定物１００の軸心周りに回転させ、任意の回転角度で静止状態を維持させることが可能となっている。
　照明装置３０は、被測定物１００に向けて平行光Ｒを照射する装置であり、ＬＥＤ等の光源、およびコリメータレンズ等の平行光生成部から構成されている。この照明装置３０は、顕微鏡４０から見た場合に、被測定物１００の背後から顕微鏡４０の観察範囲内に平行光Ｒを照射するように配設されている。
　顕微鏡４０は、複数のレンズを組み合わせて構成されており、被測定物１００の拡大された像を得るためのものである。顕微鏡４０は、照明装置３０が発する平行光Ｒの光軸（進行方向）と自身の光軸（撮像方向）が一致するように配設されている。なお、本実施形態では、顕微鏡４０の拡大率は、ズーム機能および付加レンズ等によって被測定物１００の寸法に応じた適宜の拡大率に変更することが可能となっている。
　カメラ５０は、本実施形態ではＣＣＤカメラであり、顕微鏡４０によって拡大された被測定物１００の像を撮像するものである。本実施形態のカメラ５０は、サイズが１／１．８インチ（７．１８ｍｍ×５．３２ｍｍ）、画素数が１９２万画素（１６００×１２００）の撮像素子（ＣＣＤ）を備えている。従って、一画素の寸法が約４．４μｍ×４．４μｍであるため、例えば顕微鏡４０のズーム拡大率を３．３倍とした場合、１画素当たり約１．３μｍの撮像を行うことが可能となっている。これにより、約１．３μｍの分解能を得るようにする。
　本実施形態では、上述のように顕微鏡４０の拡大率を変更することによって、被測定物に合わせた分解能を得ることが可能となっている。具体的には、顕微鏡４０の拡大率を２．２倍～２２倍の範囲で変化させることにより、１画素当たり約２μｍ～約０．２μｍの範囲の撮像を行うことが可能となっている。これにより、約２μｍ～約０．２μｍの範囲の分解能を確保することが可能である。なお、カメラ５０の備える撮像素子のサイズまたは画素数の変更によっても分解能を変化させることができる。
　上述のように、照明装置３０は被測定物の背後から平行光Ｒを照射するため、カメラ５０は、被測定物１００の拡大されたシルエット像を撮像することとなる。カメラ５０によって撮像された画像データは、ケーブル５２を介して画像処理装置６０に出力される。
　画像処理装置６０は、カメラ５０から出力された画像データに基づいて各種画像処理や演算処理を実行することによって、被測定物１００の測定データを導出する装置である。画像処理および演算処理の詳細については説明を省略するが、各種の既知の手法を採用することができる。カメラ５０によって撮像された画像データ、および画像処理装置６０によって導出された測定データは、図示を省略したハードディスク等の記憶媒体に記憶されると共に、必要であれば図示を省略した表示装置やプリンタ等に出力される。
　次に、本実施形態に係る被測定物１００について説明する。図３（ａ）は、被測定物１００の外観を示した図である。本実施形態では、被測定物１００はマイクロドリルであり、同図に示されるように、小径のボディ部１１０、および大径のシャンク部１２０から構成されている。
　図３（ｂ）は、被測定物１００のボディ部１１０を拡大して示した図である。同図に示されるように、ボディ部１１０は、先端に２つの切れ刃１１２が形成されると共に、外周面に２条の螺旋状の溝１１４が形成された、いわゆるツイストドリルとなっている。本実施形態の被測定物１００は、ボディ部１１０の外径Ｄが０．１ｍｍ、溝長Ｌが１．２ｍｍ、ねじれ角θが３７度となっている。なお、本実施形態に係る形状測定装置１は、その他の寸法のマイクロドリルについても形状測定可能であることは言うまでもない。
　図４（ａ）および（ｂ）は、被測定物１００のボディ部１１０の断面を示した図であり、同図（ａ）はボディ部１１０の中間部の断面を示した図であり、同図（ｂ）はボディ部１１０の基端部の断面を示した図である。これらの図に示されるように、本実施形態の被測定物１００では、ウェブ厚Ｔ（２条の溝１１４の底部の間の厚み）が先端から基端に向けて漸次増大するようになっており、いわゆるウェブテーパが設けられている。
　ボディ部各部におけるウェブ厚、およびウェブテーパの傾斜度は、マイクロドリルの性能および品質に直結する重要な形状パラメータとなっており、マイクロドリルの重要な検査項目となっている。
　次に、形状測定装置１による被測定物１００のウェブ厚Ｔ、およびウェブテーパの傾斜度の測定手順について説明する。
　図５は、ウェブ厚Ｔおよびウェブテーパの傾斜度を測定する場合の撮像方向を示した図である。同図では、撮像方向を左向きの矢印で示している。被測定物１００はツイストドリルであるため、溝１１４が螺旋状に形成されている。従って、溝１１４の断面形状を撮像するには、溝１１４の一部と平行となる方向、すなわち被測定物１００の軸心からねじれ角θだけ傾いた方向から撮像する必要がある。
　従って、形状測定装置１では、まず、チャック２６に被測定物１００を固定した後に、回転ステージ２２をねじれ角θだけ回転させることによって、被測定物１００の上側の溝１１４が顕微鏡４０の光軸（撮像方向）と平行になるようにする。これにより、被測定物１００の上側の溝１１４は、照明装置３０から照射される平行光Ｒの光軸とも平行になる。そして、照明装置３０によって平行光Ｒを被測定物１００に照射し、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像をカメラ５０で撮像する。次に、被測定物１００を１８０度回転させて、先程とは上下を逆にした状態の被測定物１００を撮像する。
　図６は、照明装置３０から照射される平行光Ｒの進路を示した図である。同図に示されるように、照明装置３０から照射される平行光Ｒは、照明装置３０から顕微鏡４０に向けて直線的に進行し、最終的に顕微鏡４０内に進入する。このときに、被測定物１００によって遮られた部分は影となるため、顕微鏡４０によって拡大された像は、被測定物１００の外周形状が映し出されたシルエット像となる。また、上述のように平行光Ｒの光軸は被測定物１００の上側の溝１１４と平行となっているため、平行光Ｒの一部は上側の溝１１４に沿って溝１１４内を通過して顕微鏡４０内に進入する。すなわち、本実施形態では、上側の溝１１４の断面形状が表現されたシルエット像が得られるようになっている。また、本実施形態では、被測定物１００のボディ部１１０の全範囲に平行光Ｒを照射する（平行光Ｒの照射範囲内にボディ部１１０を配置する）ことによって、溝１１４の全範囲を一度に撮像するようになっている。
　図７は、形状測定装置１によって実際に撮像した被測定物１００の画像である。同図に示されるように、形状測定装置１によれば、溝１１４の先端から基端までの全範囲を一度に撮像し、鮮明な画像を得ることができる。
　画像処理装置６０は、各種画像処理および演算処理を実行し、撮像した２つの画像データについて上側の溝１１４の底部から軸心までの距離をそれぞれ算出する。そして、２つの画像データから得られた値を加算することによって溝１１４の先端側端部から基端側端部までの各部分のウェブ厚Ｔを算出する。そして、先端側端部から基端側端部までのウェブ厚Ｔの変化率からウェブテーパの傾斜度を算出する。
　このように、本実施形態に係る形状測定装置１では、溝１１４の先端から基端までの全範囲を一度に撮像することが可能であり、２回の撮像で効率的にウェブ厚Ｔおよびウェブテーパの傾斜度を測定することができるようになっている。
　なお、被測定物１００を撮像方向からねじれ角θだけ傾けた場合、図５に示されるように、溝の先端側端部から基端側端部までの距離Ｓは、Ｓ＝Ｌ×ｃｏｓθ＝１．２×ｃｏｓ（３７）≒０．９６ｍｍとなる。
　被測定物１００の位置のばらつきを考慮すると、測定を行うためには被測定物１００よりも大きな範囲の画像が必要となる。従って、被測定物１００の溝１１４の全範囲を一度に撮像するには、０．９６ｍｍ以上の被写界深度が必要となる。しかしながら、例えば本実施形態で採用している顕微鏡４０は、長焦点タイプではあるものの被写界深度は約０．３５ｍｍとなっている。すなわち、顕微鏡４０を従来通りに使用したのでは、溝１１４の１／３程度の領域しか鮮明な画像を得ることができない。
　そこで、本実施形態の形状測定装置１では、長焦点タイプの顕微鏡４０と平行光Ｒを照射する照明装置３０を組み合わせることによって顕微鏡４０の被写界深度を大幅に超える立体形状である溝１１４の全範囲を一度に撮像することを可能としている。以下、図８（ａ）～（ｄ）を用いて、その原理について説明する。
　図８（ａ）～（ｄ）は、レンズを通過する光の進路、およびレンズにより生成される像を示した概略図である。なお、実際の顕微鏡４０は、複数のレンズが組み合わされた構造となっているが、基本的な原理はレンズが１つの場合と同じなので、ここでは、１つの凸レンズを使用した場合に簡略化して説明する。
　同図（ａ）および（ｂ）は、通常の照明装置を使用した場合を示した図である。通常の照明装置からは、様々な方向へ光がランダムに照射される。これらの光のうち、例えば、レンズ４２の光軸と平行に進む平行光Ｒ１はレンズ４２で屈折して反対側の焦点Ｆを通過し、レンズ４２の中心を通過する光Ｒ２はそのまま直進し、レンズ４２の手前の焦点Ｆを通過した光Ｒ３はレンズ４２で屈折してレンズ４２の光軸と平行な方向に進む。
　このようなレンズの特性により、同図（ａ）に示されるように、合焦点位置Ａに配置された物体２００表面の１点を通過した光は、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃにおいて１点に収束する。すなわち、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃには、ピントの合った鮮明な像２００ａが生成される。
　しかし、同図（ｂ）に示されるように、合焦点位置Ａから離れたその他の位置Ｂに配置された物体２０２表面の１点を通過した光は、ＣＣＤ面Ｃの手前の位置Ｄで１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃにおいては比較的大きな幅Ｗの範囲に分散する。従って、ＣＣＤ面Ｃには、輪郭が幅Ｗの範囲でぼやけた不鮮明な像２０２ａが生成されることとなる。このように、輪郭が比較的大きな幅でぼやけた像２０２ａからは、画像処理によって物体２０２の輪郭を特定することは困難であり、形状測定は不可能となる。
　同図（ｃ）および（ｄ）は、本実施形態に係る照明装置３０を使用した場合を示した図である。照明装置３０はレンズ４２の光軸と平行に進む平行光Ｒを照射するためのものであるが、一部の光は若干拡散し、平行光Ｒに対して角度を有する方向に進む拡散光Ｒ４となる。なお、同図（ｃ）および（ｄ）では、平行光Ｒに対する角度が最大となる拡散光Ｒ４を図示している。
　同図（ｃ）に示されるように、合焦点位置Ａに配置された物体２００表面の１点を通過した平行光Ｒおよび拡散光Ｒ４は、同図（ａ）の場合と同様に、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃにおいて１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃには、ピントの合った鮮明な像２００ａが生成される。一方、同図（ｄ）に示されるように、その他の位置Ｂに配置された物体２０２表面の１点を通過した光は、同図（ｂ）の場合と同様に、ＣＣＤ面Ｃの手前の位置Ｄで１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃにおいて幅Ｗの範囲に分散する。
　しかし、照明装置３０から照射される拡散光Ｒ４は、通常の照明装置から照射されるランダムな光と比べて遙かに広がりが小さい、すなわち拡散光Ｒ４の平行光Ｒに対する角度はごく小さいものであるため、ＣＣＤ面Ｃにおいて光が分散する幅Ｗは、同図（ｂ）の場合と比較して小さいものとなる。従って、同図（ｄ）の場合は、ＣＣＤ面Ｃにおいて、輪郭が若干ぼやけてはいるものの十分な精度で形状測定を行うことが可能な像２０２ａが生成されることとなる。
　このように、本実施形態に係る形状測定装置１では、平行光Ｒを照射する照明装置３０を使用することによって、顕微鏡４０のレンズ４２の合焦点位置Ａから離れたその他の位置Ｂに配置された物体２０２についても、十分に鮮明な像を撮像することが可能となっている。すなわち、形状測定装置１は、顕微鏡４０（レンズ４２）の持つ被写界深度よりも大きな被写界深度で被測定物１００を撮像することが可能となっている。
　以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置１は、被測定物１００に向けて平行光を照射する照明装置３０と、被測定物１００を挟んで照明装置３０と対向する位置に平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡４０と、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラ５０と、平行光が被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように平行光内に被測定物１００の測定部分を配置する保持装置２０と、を備え、顕微鏡４０の被写界深度を超える被測定物１００の立体形状を測定する。
　また、本実施形態に係る形状測定方法は、平行光を照射する照明装置３０と、平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡４０との間において、被測定物１００の測定部分を、平行光が被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように、平行光内に配置し、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の測定部分の像を、１画素あたり０．２μｍ乃至２μｍの範囲で撮像する。
　このようにすることで、微小な被測定物を拡大して撮像する場合に、十分な分解能を得ながらも被写界深度を大きくすることが可能となり、被測定物の広い範囲にわたって鮮明な画像を撮像することができる。従って、例えばドリル等の螺旋状の溝のように、被測定物の測定部分の輪郭が３次曲線で構成されているような場合であっても、一度の撮像で測定部分の全範囲の鮮明な画像を得ることが可能となる。これにより、被測定物１００や顕微鏡４０を移動させることなく、短時間で効率的に形状の測定を行うことができる。
　また、保持装置２０は、平行光の光軸と螺旋状の溝１１４の一部が平行となるように被測定物１００を配置するため、螺旋状の溝の全範囲についての鮮明な画像を、一度の撮像で得ることができる。また、溝１１４の断面形状を正確に撮像することができるため、高精度な形状測定を行うことができる。
　なお、本発明は、極めて広い被写界深度を持ち、且つ、高い分解能を実現しているため、被測定物１００の測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍである場合に特に好適である。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、被測定物１００の測定部分の外径は０．２ｍｍより大きくてもよい。
　また、本発明は、一度の撮像で、立体形状を広い奥行き測定範囲にわたって鮮明な画像を得ることができるため、輪郭が３次曲線で構成された複雑な形状を有すると共に厳しい形状精度が要求される切削工具の形状を測定する場合に好適である。また、一度の撮像で螺旋状の溝の全範囲の鮮明な画像を得ることができるため、ドリルまたはエンドミルを測定する場合に特に好適である。
　また、カメラの撮像素子の寸法と画素数によって適宜変更は必要となるが、例えば、一画素の寸法が約４．４μｍ×４．４μｍで、画素数が１９２万画素（１６００×１２００）の撮像素子（ＣＣＤ）の場合には、顕微鏡４０の拡大率は２．２倍乃至２２倍であることが望ましい。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、顕微鏡４０の拡大率は２．２倍未満であってもよいし、２２倍より大きくてもよい。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
　例えば、カメラ５０は、上記実施形態で示したＣＣＤカメラに限定されるものではなく、ＣＭＯＳカメラ等その他の方式のカメラであってもよい。
　また、上記実施形態ではマイクロドリルを測定する場合の例を示したが、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、ドリル以外にも、エンドミル、リーマ、フライスおよびホブ等の各種切削工具の形状測定を効率的に行うことができる。また、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、例えばネジ、スクリュおよびカム等の切削工具以外の各種物品についても形状測定を効率的に行うことができる。
　また、本発明の実施の形態に記載された作用および効果は、本発明から生じるひとつの好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
　本発明の形状測定装置および形状測定方法は、ドリルやエンドミル等の切削工具の形状測定だけでなく、ネジやカムその他の各種物品の形状測定の分野においても利用することができる。
　１　形状測定装置
　２０　保持装置
　３０　照明装置
　４０　顕微鏡
　５０　カメラ
　１００　被測定物
　１１４　溝

Claims (7)

  1. 　被測定物に向けて平行光を照射する照明装置と、
    　前記被測定物を挟んで前記照明装置と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡と、
    　前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラと、
    　前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように前記平行光内に前記被測定物の測定部分を配置する保持装置と、を備え、
    　前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定装置。
  2. 　前記カメラの１画素に対応する前記被測定物の撮像範囲が０．２μｍ乃至２μｍに設定されることを特徴とする、
    　請求項１に記載の形状測定装置。
  3. 　前記被測定物は、棒状であり、測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍであることを特徴とする、
    　請求項１または２に記載の形状測定装置。
  4. 　前記被測定物は、外周面に螺旋状の溝が形成されており、
    　前記保持装置は、前記平行光の光軸と前記螺旋状の溝の一部が平行となるように前記被測定物を配置することを特徴とする、
    　請求項１、２または３に記載の形状測定装置。
  5. 　前記被測定物は、切削工具であることを特徴とする、
    　請求項１乃至４のいずれかに記載の形状測定装置。
  6. 　前記被測定物は、ドリルであることを特徴とする、
    　請求項５に記載の形状測定装置。
  7. 　平行光を照射する照明装置と、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡との間において、
    　被測定物の測定部分を、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように、前記平行光内に配置し、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の測定部分の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像することで、
    　前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定方法。
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