WO2019212042A1 - ねじ形状の測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

ねじ形状の測定装置（１００）は、ねじ軸Ａを含む断面Ｍに直交する方向の光軸を有し、平行光を出射してねじ部を照明する第１照明部（１）と、断面に直交する方向に対してねじ部のリード角γより大きな角度θを成す方向に光軸を有し、平行光を出射してねじ部を照明する第２照明部（２）と、第１照明部（１）の光軸と平行な視軸を有し、テレセントリックレンズ（３２）を具備し、且つ、断面がその合焦位置に合致し、第１照明部（１）又は第２照明部（２）から出射された平行光のうち、ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する撮像部（３）と、撮像部（３）によって撮像された撮像画像に基づき、ねじ部の形状を演算する演算部（４）と、を備える。

Description

ねじ形状の測定装置および測定方法

　本発明は、ねじ部のねじ形状を測定する測定装置及び測定方法に関する。特に、本発明は、油井管など、端部にねじが形成されたねじ付き管のねじ形状を測定する場合に好適である。また、本発明は、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、光投影法、接触プローブを用いる方法、三角測距方式のレーザ変位計では測定が困難であるねじ形状（フランク面の角度、特に、フランク面のうちフック状フランク面の角度や、ねじ底の端部の曲率半径など）を測定する場合に好適である。

　従来、油井管などの管の端部同士を連結する場合、管の端部の外周面にねじ部（雄ねじ部）を形成した２つのねじ付き管の間に、内周面にねじ部（雌ねじ部）が形成された継手をそれぞれ締結する方法が用いられている。
　管の端部に形成されたねじ部の寸法精度が低いと、継手との締結状態が緩み、管同士の連結が解除されて脱落したり、管内部に流れる流体が外部に漏洩したりするおそれがある。特に、油井管の場合には、近年の油井環境の過酷化に伴い、ねじ部の寸法精度や品質保証レベルに対する要求が年々厳格化している。

　図１Ａおよび図１Ｂは、油井管の端部形状の一例を模式的に示す端面図である。図１Ａは、油井管の端部の径方向片側の端面図（ねじ軸Ａを含む面で切断した端面図）である。図１Ｂは、図１Ａに示す符号Ｃの破線で囲った領域の拡大端面図である。
　図１Ａに示すように、油井管Ｐの端部は、ねじ山Ｐ１及びねじ溝Ｐ２が設けられたねじ部と、ねじ部に隣接してねじ部よりも管端面側に設けられたベベル部と、ベベル部に隣接してベベル部よりも管端面側に設けられたシール等を含むリップ部とから構成されている。
　近年、油井管Ｐは、ねじ部の各ねじ山Ｐ１を区画する一対のフランク面Ｐ３（ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１とねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１との間にある面）のうち、例えば、管端面側と反対側に位置するフランク面Ｐ３が、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１からねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に向かうに従って管端面側に近づくように傾斜しているものが用いられている。また、逆に、管端面側に位置するフランク面Ｐ３が、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１からねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に向かうに従って管端面と反対側に近づくように傾斜している油井管が用いられる場合もある。
　このように、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１からねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に向かうに従ってフランク面Ｐ３が位置する側とは反対側に近づくフランク面を適宜「フック状フランク面Ｐ３ｈ」という。図１Ａ、図１Ｂに示す油井管Ｐは、管端面側と反対側に位置するフランク面Ｐ３がフック状フランク面Ｐ３ｈである。

　従来、フランク面Ｐ３の角度（フランク面Ｐ３とねじ軸Ａの垂線Ｎとの成す角度）βや、ねじ底の端部（フランク面Ｐ３とねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１とが交差する部分）Ｐ４の曲率半径は、公知の手法を用いてオフラインで評価され、許容範囲との比較によって合否判定される。
　上記のような評価は多大な時間と手間を要する。したがって、油井管Ｐの検査は、全数を行うのは困難であり、同一製造ロットの最初と最後の油井管Ｐを検査するなどの抜き取り検査になってしまう。
　また、許容範囲との比較によって合否判定しているに過ぎないため、ねじ形状の定量的な評価が困難である。

　このような問題を解決するため、例えば、特許文献１～３には、ねじ軸Ａを含む断面に直交する方向から又はねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に沿って平行光を出射して、ねじ部に遮られずに通過した光を検出することで、ねじ部の外形（表面の凹凸形状。ねじプロファイル）を測定する方法（光投影法）が提案されている。この光投影法によってねじ部のねじプロファイルが精度良く測定できれば、そのねじプロファイルからフランク面Ｐ３の角度やねじ底の端部Ｐ４の曲率半径も精度良く算出できると考えられる。
　しかしながら、透過光を検出する光投影法では、フランク面Ｐ３がねじ山Ｐ１の稜線の影に隠れることで、フランク面Ｐ３を正確に検出できない場合がある。特に、フランク面Ｐ３がフック状フランク面Ｐ３ｈである場合には、光投影法では検出できない。また、フランク面Ｐ３とねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１とが交差する部分に位置するねじ底の端部Ｐ４についても同様である。

　そこで、本発明者らは、特許文献４に記載のように、光投影法による測定に加えて、接触プローブを用いてねじ部のフランク面Ｐ３に関わる測定を行う方法を提案している。
　しかしながら、接触プローブを順次移動させ、先端に取り付けられた球状の接触子をフランク面Ｐ３に接触させて測定を行うため、必然的に測定時間が長くなる。油井管Ｐの製造ラインで測定するためには測定時間を一定以下に短くする必要があるため、必然的に十分な測定点数が得られない。このため、測定装置を設置した雰囲気中に浮遊する粉塵等の微細なパーティクルが何れかの測定点に付着すると、少ない測定点数で直線近似したのでは誤差が大きくなり、フランク面Ｐ３の角度を精度良く測定できない場合がある。接触子にパーティクルが付着する場合も同様である。油井管Ｐのねじ部や接触プローブの接触子へのパーティクルの付着を抑制するには、測定装置を設置した雰囲気の浄化、ねじ部の洗浄、接触子の洗浄等が必要であり、場合によっては接触子の交換や校正も必要となるため、手間が掛かるという問題がある。また、接触子は繰り返し使用することで摩耗するため、摩耗に起因して測定精度が劣化する問題もある。
　また、接触子の直径が０．１ｍｍ以上（特許文献４の段落００６７）であるため、数百μｍ程度のねじ底の端部Ｐ４の曲率半径を測定することは困難である。

　更に、例えば、特許文献５、６には、三角測距方式のレーザ変位計を用いてねじ形状を測定する方法が提案されている。
　しかしながら、油井管等のねじ付き管の端部の表面は、切削加工後の金属面である。このため、ねじ付き管の端部の表面での反射光の正反射光成分が過度に強いと、レーザ変位計で反射光（散乱光成分）を十分に検出することができず、測定精度が低下したり、測定できなくなる場合もある。また、レーザ変位計が本来の測定箇所以外の箇所からの反射光（多重反射光）を検出することで、測定精度が低下する場合もある。したがって、レーザ変位計を用いたねじ形状測定方法では、安定した測定をすることが困難である。

特許第３５５２４４０号公報 特開昭６３－２１２８０８号公報 特開２０１０－３８５５４号公報 特許第４４８６７００号公報 特許第５９５２２６９号公報 特開２０１６－７５５０２号公報

　本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、従来の光投影法、接触プローブを用いる方法、三角測距方式のレーザ変位計では測定が困難であるねじ形状を測定できるねじ形状の測定装置等を提供することを課題とする。

　前記課題を解決するため、本発明者らは、光投影法を実施するための光学系を利用して、フランク面やねじ底の端部を検出できないかを鋭意検討した。本発明者らは、ねじ部のねじ軸を含む測定すべき断面に直交する方向の光軸を有し、平行光を出射してねじ部を照明する照明部を用いることを検討した。また、本発明者らは、照明部の光軸と平行な視軸を有し、テレセントリックレンズを具備し、且つ、前記断面がその合焦位置に合致し、照明部から出射された平行光のうち、ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する撮像部を備えた光学系を用いることを検討した。ここで、合焦位置とは、前記測定すべき断面における、ねじ山の頂面やねじ溝の底面に相当する外縁のコントラストの値がピークとなる位置、すなわち、前記外縁を挟んだ両側での濃淡（明暗）の差又は比が最も大きな状態となる位置である。
　その結果、本発明者らは、撮像部をそのままの状態にする一方、照明部の光軸をねじ部のリード角よりも傾けることで、フランク面やねじ底の端部に相当する画素領域に干渉縞のような濃淡模様が生じた撮像画像が得られることを見出した。本発明者らは、この撮像画像における濃淡模様が生じた画素領域を抽出することで、フランク面やねじ底の端部の形状を算出可能であることを見出した。

　したがって、本発明者らは、光投影法を実施するための通常の光学系（照明部の光軸と撮像部の視軸とが平行な光学系）を用いて得られる撮像画像を用いて、ねじ山の頂面やねじ溝の底面の形状を算出し、照明部の光軸を傾けた光学系を用いて得られる撮像画像を用いて、フランク面やねじ底の端部の形状を算出できることが分かった。また、両光学系の撮像部が共通する（撮像領域が共通する）ため、両光学系で得られた形状を容易に合成することができることから、本発明者らは、合成した形状を用いてねじ形状を容易に演算できることが分かった。

　本発明は、上記の本発明者らの知見に基づき完成したものである。
　すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、ねじ形状の測定装置であって、ねじ部のねじ軸を含む断面に直交する方向の光軸を有し、平行光を出射して前記ねじ部を照明する第１照明部と、前記断面に直交する方向に対して前記ねじ部のリード角より大きな角度を成す方向に光軸を有し、平行光を出射して前記ねじ部を照明する第２照明部と、前記第１照明部の光軸と平行な視軸を有し、テレセントリックレンズを具備し、且つ、前記断面がその合焦位置に合致し、前記第１照明部又は前記第２照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する撮像部と、前記撮像部によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ部のねじ形状を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記第１照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像された第１撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第１外形を算出し、前記第２照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像された第２撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第２外形を算出し、前記算出した第１外形及び第２外形に基づき、前記ねじ部のねじ形状を演算するねじ形状の測定装置を提供する。

　本発明に係るねじ形状の測定装置が備える第１照明部でねじ部を照明し、撮像部でねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像することで、得られる第１撮像画像は、ねじ部で遮られた画素領域が暗くなり、遮られなかった画素領域が明るくなる。このため、演算部が第１撮像画像に例えば２値化等の画像処理を施すことで、ねじ軸を含む断面におけるねじ軸の軸方向に沿った、ねじ部の部分的な外形である第１外形を算出することが可能である。この第１外形には、ねじ山の頂面やねじ溝の底面が含まれるが、フランク面やねじ底の端部は含まれない。

　一方、本発明に係るねじ形状測定装置が備える第２照明部でねじ部を照明し、撮像部でねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像することで、得られる第２撮像画像は、フランク面やねじ底の端部に相当する画素領域に干渉縞のような濃淡模様が生じた画像になる。このため、演算部が第２撮像画像に干渉縞のような濃淡模様が生じた画素領域を抽出する画像処理を施すことで、前記断面におけるねじ軸の軸方向に沿った、ねじ部の部分的な外形である第２外形を算出することが可能である。この第２外形には、フランク面やねじ底の端部が含まれる。すなわち、演算部は、ねじ部のフランク面及びねじ底の端部の外形を含む第２外形を算出することが可能である。

　そして、演算部は、算出した第１外形及び第２外形に基づき、ねじ部の形状を演算する。例えば、演算部は、第１外形に基づき、ねじ軸の軸方向のねじ山の位置に相当するねじ山の位相、管端面からねじ軸の軸方向の所定位置におけるねじ山の外径であるねじ径、ねじ軸の軸方向に沿ったねじ溝の底面の径変化であるテーパ等を演算可能である。また、例えば、演算部は、第２外形に基づき、フランク面の角度やねじ底の端部の曲率半径を演算可能である。更に、演算部は、第１外形及び第２外形が合成された合成外形を算出し、算出した合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算可能である。

　以上のように、本発明に係るねじ形状の測定装置によれば、第１撮像画像を用いて従来の光投影法で測定できるねじ形状を、第２撮像画像を用いて従来の光投影法、接触プローブを用いる方法、三角測距方式のレーザ変位計では測定が困難であるねじ形状を測定可能である。

　なお、本発明に係るねじ形状の測定装置が備える撮像部は、その合焦位置がねじ軸を含む断面（ねじ形状を測定すべき断面）に合致している。すなわち、撮像部の合焦位置が、測定すべき断面におけるねじ山の頂面及びねじ溝の底面に位置している。なお、撮像部の合焦位置が、ねじ軸を含む断面に合致していない場合には、撮像部を視軸方向に移動させて調整する。
　また、本発明に係るねじ形状の測定装置が備える第１照明部及び第２照明部は、完全に別個の照明部とすることも可能であるが、これに限るものではない。例えば、第１照明部および第２照明部は、同じ照明部を構成する部材の位置や傾きを変更すること等により、第１照明部としての機能と、第２照明部としての機能を切り替える構成を採用してもよい。

　好ましくは、前記演算部は、前記第２撮像画像に画像処理を施すことで、前記第２撮像画像を構成する画素の合焦測度を算出し、該算出した合焦測度に基づき、前記第２外形を算出する。

　前述のように、第２撮像画像は、フランク面やねじ底の端部に相当する画素領域に干渉縞のような濃淡模様が生じた画像になる。この干渉縞のような濃淡模様が生じた領域を抽出する方法として、合焦測度を利用することが考えられる。ここで、合焦測度とは、焦点が合っている度合いを表す量である。具体的には、合焦測度として、例えば、周囲の画素間のコントラストや濃度偏差を用いることができる。演算部は、第２撮像画像を構成する画素のうち合焦測度の高い画素を第２外形として算出することが可能である。
　例えば、第２撮像画像において、算出すべき第２外形（フランク面など）に略垂直な方向（この方向の軸を「画素方向軸」という）は、事前に算出した第１外形や設計図面によって、幾何学的に推定可能である。演算部は、横軸を画素方向軸とし、縦軸を合焦測度とする合焦測度分布を算出し、この合焦測度分布の近似曲線（上に凸の曲線）を求め、その近似曲線の頂点を第２外形を構成する点として採用することも可能である。これにより、画素分解能よりも高い分解能で、最も合焦測度の高い点から構成される第２外形が算出される。

　また、前記課題を解決するため、本発明は、以下の各工程を含むねじ形状の測定方法を提供する。
　（１）第１照明工程：ねじ部のねじ軸を含む断面に直交する方向の光軸を有し、平行光を出射する第１照明部によって、前記ねじ部を照明する。
　（２）第１撮像工程：前記第１照明部の光軸と平行な視軸を有し、テレセントリックレンズを具備し、且つ、前記断面がその合焦位置に合致する撮像部によって、前記第１照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する。
　（３）第２照明工程：前記断面に直交する方向に対して前記ねじ部のリード角より大きな角度を成す方向に光軸を有し、平行光を出射する第２照明部によって、前記ねじ部を照明する。
　（４）第２撮像工程：前記撮像部によって、前記第２照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する。
　（５）第１外形算出工程：前記第１撮像工程によって撮像された第１撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第１外形を算出する。
　（６）第２外形算出工程：前記第２撮像工程によって撮像された第２撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第２外形を算出する。
　（７）ねじ形状演算工程：前記第１外形算出工程によって算出された第１外形及び前記第２外形算出工程によって算出された第２外形に基づき、前記ねじ部のねじ形状を演算する。

　なお、本発明に係るねじ形状の測定方法に含まれる各工程は、必ずしも記載の順に実行する必要がない。ただし、他の工程の実行結果を利用する工程については、実行結果が利用される工程よりも後に実行する必要がある。
　例えば、第２照明工程及び第２撮像工程をこの順に実行した後に、第１照明工程及び第１撮像工程をこの順に実行することも可能である。また、第１照明工程、第１撮像工程及び第１外形算出工程をこの順に実行した後、第２照明工程、第２撮像工程及び第２外形算出工程をこの順に実行することも可能である。更に、第２照明工程、第２撮像工程及び第２外形算出工程をこの順に実行した後、第１照明工程、第１撮像工程及び第１外形算出工程をこの順に実行することも可能である。

　本発明によれば、従来の光投影法で測定できるねじ形状に加え、従来の光投影法、接触プローブを用いる方法、三角測距方式のレーザ変位計では測定が困難であるねじ形状を測定可能である。

図１Ａは、油井管の端部形状の一例を示す端面図である。 図１Ｂは、図１Ａの一部を拡大した拡大図である。 図２Ａは、本実施形態のねじ形状の測定装置の一例を示す正面図である。 図２Ｂは、本実施形態のねじ形状の測定装置の一例を示す側面図である。 図３Ａは、照明部２００Ａの構成例を示す側面図である。 図３Ｂは、照明部２００Ｂの構成例を示す側面図である。 図３Ｃは、照明部２００Ｃの構成例を示す側面図である。 図３Ｄは、照明部２００Ｄの構成例を示す側面図である。 図４は、演算部４の構成の一例を示す図である。 図５は、本実施形態に係るねじ形状の測定方法の一例を示すフローチャートである。 図６Ａは、第１撮像画像の一例を示す図である。 図６Ｂは、図６Ａの一部を拡大した拡大図である。 図７Ａは、第２撮像画像の一例を示す図である。 図７Ｂは、図７Ａの一部を拡大した拡大図である。 図７Ｃは、図７Ａの一部を拡大した拡大図である。 図７Ｄは、図７Ａの一部を拡大した拡大図である。 図８Ａは、第２撮像画像において濃淡模様が生じる原因を説明するための図である。 図８Ｂは、第２撮像画像において濃淡模様が生じる原因を説明するための図である。 図９は、画素間濃度偏差を算出する方法を説明するための図である。 図１０は、第２撮像画像に合焦測度の重心位置を重ね書きした図である。 図１１は、第１外形及び第２外形の合成外形の一例を示す図である。 図１２は、本実施例の測定方法と接触式の測定方法とでねじ形状を測定した結果を示す図である。 図１３Ａは、図１２に示す測定結果のうちフック状フランク面Ｐ３ｈ近傍の拡大図を示す図である。 図１３Ｂは、図１２に示す測定結果のうちフック状フランク面Ｐ３ｈ近傍の拡大図を示す図である。 図１４は、図１２に示す測定結果のうち、ねじ底の端部Ｐ４及びねじ山の端部に相当する部位の測定結果を示す図である。

　以下、添付図面を適宜参照して、本発明の一実施形態に係るねじ形状の測定装置及び測定方法について説明する。なお、本実施形態では、ねじ付き管の端部に形成されるねじ部のねじ形状を測定する場合について説明するが、その他のねじ形状を測定する場合でも適用できる。

＜ねじ形状の測定装置＞
　図２Ａおよび図２Ｂは、本実施形態に係るねじ形状の測定装置の概略構成を模式的に示す図である。図２Ａは、ねじ軸Ａの軸方向（Ｘ方向）から見た正面図である。図２Ｂは、ねじ軸Ａに直交し、ねじ軸Ａを含む断面（本実施形態では水平面）Ｍに平行な方向（Ｙ方向）から見た側面図である。なお、図２Ｂは、図２Ａの右側に位置する光学系が図示されている。
　図２Ａに示すように、本実施形態に係るねじ形状の測定装置１００は、ねじ付き管Ｐの端部に形成されたねじ部のねじ形状を測定する装置である。ねじ形状の測定装置１００は、第１照明部１と、第２照明部２と、撮像部３と、演算部４と、を備えている。
　第１照明部１、第２照明部２及び撮像部３は、上下方向（Ｚ方向）に延びるビーム５に対して上下方向に一体的に移動可能に取り付けられている。また、第１照明部１及び第２照明部２は、照明部２００から構成される。照明部２００は、照明部２００を構成する部材の位置や傾きを変更すること等により、第１照明部１としての機能と、第２照明部２としての機能とが切り替えられる。更に、本実施形態の測定装置１００は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを挟んでＹ方向に対向する部位を照明・撮像するために、同一の光学系（第１照明部１、第２照明部２及び撮像部３）を２組、備えている。

　なお、図２Ａ、図２Ｂでは、ねじ形状の一部（一部のねじ山Ｐ１及び一部のねじ溝Ｐ２）のみが図示されている。また、図２Ｂでは、ねじ付き管Ｐのハッチングを施していない部分が、ねじ付き管Ｐの端部である。ねじ付け管Ｐの端部に、ねじ部、ベベル部及びリップ部が形成される（図１Ａを参照）。ねじ付き管Ｐは、ねじ形状の測定装置１００によってねじ形状を測定する際に、チャック（図示しない）等によって固定されている。

　以下、ねじ形状の測定装置１００が備える各構成部について順に説明する。
［第１照明部１及び第２照明部２］
　第１照明部１は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）の光軸を有し、平行光Ｌ１（図２Ｂに示す実線の矢印）を出射してねじ付き管Ｐの端部を照明する。

　第２照明部２は、断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）に対してねじ部のリード角γより大きな角度θを成す方向に光軸を有し、平行光Ｌ２（図２Ｂに示す破線の矢印）を出射してねじ付き管Ｐの端部を照明する。平行光Ｌ２がフランク面Ｐ３で反射し、その反射光の正反射成分を撮像部３で検出して撮像する必要があるため、角度θは約２γに設定することが好ましい。
　実際には、ねじの種類によってリード角γはバラツキ（以下、最大リード角をγ_ｍａｘ、最小リード角をγ_ｍｉｎとする）等を有するため、測定対象であるねじ部のリード角γに応じて、第２照明部２の光軸の角度θがθ＝２γとなるように、光軸を調整することが好ましい。実用上、２（γ_ｍａｘ－γ_ｍｉｎ）はあまり大きくないので、第２照明部２から、２（γ_ｍａｘ－γ_ｍｉｎ）と同程度の広がりのある平行光Ｌ２を、光軸の角度θ≒（γ_ｍａｘ＋γ_ｍｉｎ）に設定して出射しても良い。
　具体的には、設備的な制約や、ねじ付き管Ｐの曲がり等を考慮し、余裕を持たせることで、第２照明部２の光軸の角度θはθ≦４°に設定することが好ましい。
　なお、ねじ軸Ａに直交し、断面Ｍに平行な方向（Ｙ方向）から見て、角度θはＺ方向に対して、リード角γと同じ側（図２Ｂに示す例では反時計回り）の角度である。

　以下、第１照明部１及び第２照明部２（本実施形態では、照明部２００）の具体的な構成例について図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄを参照して説明する。なお、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄでは、ねじ付き管Ｐの図示を省略している。

　図３Ａは、第１の構成例に係る照明部２００Ａを模式的に示す側面図である。
　照明部２００Ａは、光源１１と、ゴニオステージ１２とを具備する。
　光源１１は、例えば、レンズ付きＬＥＤ照明、レンズ付きハロゲンランプ、レーザ等が用いられる。ただし、光源１１は、平行光を出射するものであればよく、限定されない。
　ゴニオステージ１２は、光源１１の光軸をＹ方向の軸周りに回動させるように駆動する。図３Ａの実線で示す状態の光源１１は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）の光軸を有し、平行光Ｌ１（図３Ａでは平行光Ｌ１の光軸のみを図示）を出射してねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、実線で示す状態の照明部２００Ａは、第１照明部１Ａとして機能する。
　図３Ａの破線で示す状態の光源１１は、断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）に対して角度θを成す方向に光軸を有し、平行光Ｌ２（図３Ａでは平行光Ｌ２の光軸のみを図示）を出射してねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、破線で示す状態の照明部２００Ａは、第２照明部２Ａとして機能する。

　図３Ｂは、第２の構成例に係る照明部２００Ｂを模式的に示す側面図である。
　照明部２００Ｂは、２つのＬＥＤ１３ａ、１３ｂと、レンズ１４とを具備する。
　一方のＬＥＤ１３ａはレンズ１４の光軸上に配置され、他方のＬＥＤ１３ｂはレンズ１４の光軸からＸ方向に外れた位置に配置されている。ＬＥＤ１３ａ、１３ｂとレンズ１４との間のＺ方向の距離は、レンズ１４の焦点距離とほぼ等しい。
　ＬＥＤ１３ａから出射された光は、レンズ１４によって平行光Ｌ１（図３Ｂでは平行光Ｌ１の光軸のみを図示）となり、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）からねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、ＬＥＤ１３ａ及びレンズ１４の組み合わせは、第１照明部１Ｂとして機能する。
　ＬＥＤ１３ｂから出射された光は、レンズ１４によって平行光Ｌ２（図３Ｂでは平行光Ｌ２の光軸のみを図示）となり、断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）に対して角度θを成す方向からねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、ＬＥＤ１３ｂ及びレンズ１４の組み合わせは、第２照明部２Ｂとして機能する。

　図３Ｃは、第３の構成例に係る照明部２００Ｃを模式的に示す側面図である。
　照明部２００Ｃは、光源１１と、拡散板１５とを具備する。
　光源１１は、その光軸がねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）に対して角度θを成す方向となるように配置されている。なお、光源１１は、図３Ａで説明した光源１１と同様の光源を用いることができる。
　拡散板１５は、ビーム５に設けられた回動軸１６に一端が取り付けられ、回動軸１６の周り（Ｙ方向の軸周り）に回動可能である。拡散板１５は、光源１１から出射された平行光が照射される位置（図３Ｃの実線で示す位置）と、光源１１から出射された平行光が照射されない位置（図３Ｃの破線で示す位置）との間で回動可能である。

　図３Ｃにおいて、拡散板１５が実線で示す状態である場合、光源１１から出射された平行光Ｌ２（図３Ｃでは平行光Ｌ２の光軸のみを図示）は、拡散板１５に照射されることで拡散する。この際、拡散光のうち、断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）の光軸を有する平行光Ｌ１（図３Ｃでは平行光Ｌ１の光軸のみを図示）の成分が生じ、この成分によってねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、実線で示す状態の拡散板１５及び光源１１との組み合わせは、第１照明部１Ｃとして機能する。
　また、図３Ｃにおいて、拡散板１５が破線で示す状態である場合、光源１１から出射された平行光Ｌ２は、拡散板１５に照射されずにそのまま直進する。したがって、光源１１は、断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）に対して角度θを成す方向から平行光Ｌ２によってねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、破線で示す状態の拡散板１５及び光源１１との組み合わせは、第２照明部２Ｃとして機能する。
　なお、照明部２００Ｃが具備する拡散板１５に代えて、ウエッジを有するガラス板（表裏面が平行でないガラス板）を用いてもよい。このガラス板のウエッジ角（表面と裏面との成す角度）を角度θにすれば、光源１１から出射された平行光Ｌ２がガラス板の表面又は裏面に照射された場合、平行光Ｌ２は屈折することで平行光Ｌ１となる。

　図３Ｄは、第４の構成例に係る照明部２００Ｄを模式的に示す側面図である。
　照明部２００Ｄは、光源１１と、回動部材１７とを具備する。
　光源１１は、回動部材１７に取り付けられる。なお、光源１１は、図３Ａで説明した光源１１と同様の光源を用いることができる。
　回動部材１７は、ビーム５に設けられた回動軸１８に一端が取り付けられ、回動軸１８の周り（Ｙ方向の軸周り）に回動可能である。
　回動部材１７を回動させることにより、光源１１の光軸がＹ方向の軸周りに回動する。図３Ｄの実線で示す状態の光源１１は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）の光軸を有し、平行光Ｌ１（図３Ｄでは平行光Ｌ１の光軸のみを図示）を出射してねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、実線で示す状態の照明部２００Ｄは、第１照明部１Ｄとして機能する。
　図３Ｄの破線で示す状態の光源１１は、断面Ｍに直交する方向（Ｚ方向）に対して角度θを成す方向に光軸を有し、平行光Ｌ２（図３Ｄでは平行光Ｌ２の光軸のみを図示）を出射してねじ付き管Ｐの端部を照明する。すなわち、破線で示す状態の照明部２００Ｄは、第２照明部２Ｄとして機能する。

　なお、照明部２００（２００Ａ～２００Ｄ）の第１照明部１（１Ａ～１Ｄ）及び第２照明部２（２Ａ～２Ｄ）がそれぞれ出射する平行光Ｌ１及び平行光Ｌ２の光束の光軸に垂直な断面は、撮像部３が検出して撮像する範囲（すなわち、撮像視野）よりも十分に広い面積である。

［撮像部３］
　撮像部３は、第１照明部１から出射された平行光Ｌ１又は第２照明部２から出射された平行光Ｌ２のうち、ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する。
　図２Ａ、図２Ｂに示すように、撮像部３は、撮像本体部３１と、撮像本体部３１に取り付けられたテレセントリックレンズ３２とを具備する。撮像本体部３１は、２次元配置されたＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を具備する。また、撮像部３は、テレセントリックレンズ３２を具備することで、撮像本体部３１の撮像素子において平行光成分を容易に受光可能である。
　撮像部３は、第１照明部１の光軸と平行な視軸（すなわち、Ｚ方向の視軸）を有する。すなわち、撮像部３は、第１照明部１からの光を受光する受光面（撮像素子の撮像面）が第１照明部１の光軸に対して直交している。そして、撮像部３はテレセントリックレンズ３２を具備するため、物面近傍の画角が０°であり、倍率が一定となるため、寸法測定に好適である。また、視軸がＺ方向であることは、光投影法によって第１外形を算出するのに用いる撮像画像に対し、いわゆるサブピクセル処理を施す場合の誤差を抑制し、高分解能化できる利点がある。また、撮像部３は、ねじ付き管Ｐのねじ軸Ａを含む断面Ｍがその合焦位置に合致している。具体的には、前述のように、撮像部３は、ビーム５に対して上下方向（Ｚ方向）に移動可能（照明部２００と一体的に移動可能）であり、撮像部３の合焦位置が断面Ｍに合致するように、その上下方向位置が調整されている。

［演算部４］
　演算部４は、撮像部３によって撮像された撮像画像に基づき、ねじ付き管Ｐの端部に形成されたねじ部のねじ形状を演算する。
　演算部４は、パーソナルコンピュータなどの演算処理装置４０の一部により構成される。図４は、演算処理装置４０の構成の一例を示す図である。演算処理装置４０は、演算部４、操作部４１、表示部４２、記憶部４３、通信部４４等を備える。
　演算部４は、少なくとも１つのプロセッサー（回路も含む）である。演算部４は、プロセッサーが記憶部４３に記憶されたプログラムを実行することで、演算部４の機能が実現される。演算部４は、第１撮像画像取得部４５、第２撮像画像取得部４６、第１外形算出部４７、第２外形算出部４８、ねじ形状演算部４９、推定部５０を有する。また、演算部４は、操作部４１、表示部４２、記憶部４３、通信部４４を制御する。

　第１撮像画像取得部４５は、通信部４４を介して撮像部３から、後述する第１撮像画像を取得する。第２撮像画像取得部４６は、通信部４４を介して撮像部３から、後述する第２撮像画像を取得する。
　第１外形算出部４７は、第１撮像画像取得部４５が取得した第１撮像画像に基づき、ねじ形状の第１外形を算出する。第２外形算出部４８は、第２撮像画像取得部４６が取得した第２撮像画像に基づき、ねじ形状の第２外形を算出する。
　ねじ形状演算部４９は、第１外形算出部４７が算出した第１外形および第２外形算出部４８が算出した第２外形に基づき、ねじ形状を演算する。
　推定部５０は、第２撮像画像のうち第２外形が位置する範囲を推定する。

　操作部４１は、測定者が演算部４等に対して指示を入力するためのものであり、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等である。表示部４２は、各種情報を表示するものであり、例えば、液晶ディプレイ、有機ＥＬディスプレイ等である。記憶部４３は、各種情報を記憶するものであり、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ等である。記憶部４３には、少なくとも、後述する演算処理（第１外形算出工程Ｓ５、第２外形算出工程Ｓ６及びねじ形状演算工程Ｓ７）を実行するためのプログラムが記憶されている。通信部４４は、撮像部３や外部機器と通信するためのものである。

＜ねじ形状測定方法＞
　次に、上述したねじ形状の測定装置１００を用いたねじ形状測定方法について説明する。図５は、本実施形態に係るねじ形状の測定方法の概略工程を示すフローチャートである。
　本実施形態に係るねじ形状の測定方法は、第１照明工程Ｓ１と、第１撮像工程Ｓ２と、第２照明工程Ｓ３と、第２撮像工程Ｓ４と、第１外形算出工程Ｓ５と、第２外形算出工程Ｓ６と、ねじ形状演算工程Ｓ７と、を含んでいる。
　各工程について順に説明する。

［第１照明工程Ｓ１］
　第１照明工程Ｓ１では、照明部２００の第１照明部１が、ねじ付き管Ｐの端部を照明する。例えば、図３Ｂに示す照明部２００Ｂの場合には、照明部２００Ｂを第１照明部１Ｂとして機能させるために、測定者がＬＥＤ１３ａを点灯（ＬＥＤ１３ｂは消灯）させる。したがって、ＬＥＤ１３ａの平行光Ｌ１が、レンズ１４を介して、ねじ付き管Ｐの端部を照明する。

［第１撮像工程Ｓ２］
　第１撮像工程Ｓ２では、撮像部３は、第１照明部１から出射された平行光Ｌ１のうち、ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する。第１撮像工程Ｓ２で撮像された撮像画像を第１撮像画像という。第１撮像画像は、従来の光投影法によって得られる撮像画像に相当する。撮像部３は、測定者の撮像指示に応じて撮像してもよく、検出された光量に応じて自動的に撮像してもよい。撮像部３は、撮像した第１撮像画像を演算部４に送信する。

　図６Ａ、図６Ｂは、第１撮像工程Ｓ２で撮像された第１撮像画像の一例を示す図である。図６Ａは、第１撮像画像の全体を示す図である。図６Ｂは、フランク面Ｐ３（フック状フランク面Ｐ３ｈ）近傍の拡大図を示す図である。
　図６Ａ、図６Ｂに示すように、第１撮像画像はねじ部で遮られた画素領域が暗くなり、遮られなかった画素領域が明るくなっている。また、第１撮像画像におけるねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１やねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１に相当する画素領域は、コントラストが高くなっている。このため、後述のように、演算部４が第１撮像画像に例えば２値化等の画像処理を施すことで、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１やねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１の外形を算出することが可能である。
　一方、図６Ａ、図６Ｂに示すように、第１撮像画像におけるフランク面Ｐ３に相当する画素領域は、フランク面Ｐ３がねじ山Ｐ１の稜線の影に隠れることで、コントラストが低くなっている。このため、第１撮像画像に２値化等の画像処理を施してもフランク面Ｐ３の外形を算出することができない。また、ねじ底の端部Ｐ４についても外形を算出することができない。

［第２照明工程Ｓ３］
　第２照明工程Ｓ３では、照明部２００の第２照明部２が、ねじ付き管Ｐの端部を照明する。例えば、図３Ｂに示す照明部２００Ｂの場合には、照明部２００Ｂを第２照明部２Ｂとして機能させるために、測定者がＬＥＤ１３ｂを点灯（ＬＥＤ１３ａは消灯）させる。したがって、ＬＥＤ１３ｂの平行光Ｌ２が、レンズ１４を介して、ねじ付き管Ｐの端部を照明する。

［第２撮像工程Ｓ４］
　第２撮像工程Ｓ４では、撮像部３は、第２照明部２から出射された平行光Ｌ２のうち、ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する。このとき、撮像部３は、第１撮像工程Ｓ２での撮像条件を維持した上で、すなわち撮像部３の位置を維持した状態で撮像する。第２撮像工程Ｓ４で撮像された撮像画像を第２撮像画像という。撮像部３は、測定者の撮像指示に応じて撮像してもよく、検出された光量に応じて自動的に撮像してもよい。撮像部３は、撮像した第２撮像画像を演算部４に送信する。

　図７Ａ～７Ｄは、第２撮像工程Ｓ４で撮像された第２撮像画像の一例を示す図である。図７Ａは、第２撮像画像のうち、フランク面Ｐ３（フック状フランク面Ｐ３ｈ）近傍の拡大図である。図７Ｂは、図７Ａに示す拡大図のうち、フランク面（フック状フランク面Ｐ３ｈ）を更に拡大した拡大図である。図７Ｃは、図７Ａに示す拡大図のうち、ねじ底の端部Ｐ４を更に拡大した拡大図である。図７Ｄは、図７Ａに示す拡大図のうち、ねじ山の端部（フランク面Ｐ３とねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１とが交差する部分）を更に拡大した拡大図である。
　図７Ａ～図７Ｄに示すように、第２撮像画像には、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４（更には、ねじ山の端部）に相当する画素領域に干渉縞のような濃淡模様（図７Ａに示す破線Ｄで囲んだ領域を参照）が生じる。一方、従来公知の観察方法で観察しても、実際のねじ表面には、このような濃淡模様を反映する形状、色調、テクスチャは見当たらない。このように第２撮像画像に濃淡模様が生じるため、後述のように、演算部４が画像処理を施すことで第２撮像画像を構成する画素の合焦測度を算出し、算出した合焦測度に基づき、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４の外形を算出することが可能である。

　次に、図８Ａ、図８Ｂを参照して、本発明者らが考えた、上記の干渉縞のような濃淡模様が生じる原因について説明する。
　図８Ａ、図８Ｂは、第２撮像画像において干渉縞のような濃淡模様が生じる原因を模式的に説明する図（Ｙ方向から見た図）である。図８Ａ、図８Ｂに示すように、第２照明部２から出射された平行光Ｌ２のうち、平行光Ｌ２１及び平行光Ｌ２２（及びその間に存在する平行光）がフランク面Ｐ３（フック状フランク面Ｐ３ｈ）で反射し、撮像部３の撮像素子３ａに結像される場合を考える。前述のように、第２照明部２は、Ｚ方向に対してねじ部のリード角γよりも大きな角度θを成す方向に光軸を有するため、平行光Ｌ２１及び平行光Ｌ２２は、フランク面Ｐ３に到達し、フランク面Ｐ３で反射することになる。なお、図８Ａ、図８Ｂでは、説明の便宜上、リード角γ及び角度θは実際の角度よりも大きく図示している。

　図８Ａに示すように、フランク面Ｐ３がＹ方向から見て仮に直線であるとすれば、平行光Ｌ２１の光路にある線分ＡＢの長さと、平行光Ｌ２２の光路にある線分ＣＤの長さが等しいため、平行光Ｌ２１と平行光Ｌ２２には光路差が生じない。平行光Ｌ２１と平行光Ｌ２２との間に存在する平行光Ｌ２（フランク面Ｐ３の線分ＢＣに照射される平行光）についても同様に光路差が生じない。また、フランク面Ｐ３の線分ＢＣ以外の部位に照射される平行光Ｌ２（撮像素子３ａ以外の撮像素子に結像される平行光）についても同様に光路差が生じない。したがって、図８Ａに示す場合には、第２撮像画像において、フランク面Ｐ３に相当する画素領域に干渉縞のような濃淡模様は生じない。

　しかしながら、実際のフランク面Ｐ３は、その角度βやリード角γの影響により、図８Ｂに示すように、Ｙ方向から見て緩やかな曲線となる。このため、平行光Ｌ２１の光路にある線分ＡＢの長さと、平行光Ｌ２２の光路にある線分ＣＣ’の長さと線分Ｃ’Ｄ’の長さの和とが異なるものとなり、平行光Ｌ２１と平行光Ｌ２２に光路差が生じる。この光路差は、平行光Ｌ２１と平行光Ｌ２２との間に存在する平行光Ｌ２（フランク面Ｐ３の曲線ＢＣ’に照射される平行光）についても同様に光路差が生じる。また、フランク面Ｐ３の曲線ＢＣ’以外の部位に照射される平行光Ｌ２（撮像素子３ａ以外の撮像素子に結像される平行光）についても同様に光路差が生じる。生じた光路差は一定ではないために、図８Ｂに示す実際のフランク面Ｐ３の場合には、第２撮像画像において、フランク面Ｐ３に相当する画素領域に干渉縞のような濃淡模様が生じると考えられる。

　次に、第１外形算出工程Ｓ５～ねじ形状演算工程Ｓ７について説明する。これらの工程は、演算部４が記憶部４３に記憶されたプログラムを実行することにより実現する。演算部４は、測定者による測定を開始する指示に応じてプログラムの実行を開始する。
［第１外形算出工程Ｓ５］
　第１外形算出工程Ｓ５では、演算部４の第１撮像画像取得部４５は、第１撮像工程Ｓ２において撮像部３が撮像した第１撮像画像を撮像部３から通信部４４を介して取得する。例えば、第１撮像画像取得部４５は、測定の開始（プログラムの実行の開始）から最初に取得する撮像画像を第１撮像画像として処理する。次に、演算部４の第１外形算出部４７は第１撮像画像に画像処理を施すことで、断面Ｍにおけるねじ軸Ａの軸方向に沿ったねじ部の部分的な外形である第１外形を算出する。例えば、第１外形算出部４７は、第１撮像画像を所定のしきい値で２値化することで、明るい画素領域（ねじ部で遮られなかった画素領域）を抽出するか、又は、暗い画素領域（ねじ部で遮られた画素領域）を抽出する画像処理を行い、抽出した画素領域のエッジを検出することで第１外形を算出する。なお、画素領域を抽出するとは、実際に画素領域を抽出する場合に限られず、第１撮像画像から画素領域を分割する処理も含む意味である。
　ここで、第１外形には、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１やねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１が含まれるが、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４は含まれない。第１外形算出部４７は、算出した第１外形を、第１外形であることを示す識別情報と関連付けて記憶部４３に記憶する。なお、第１外形算出部４７は、第１撮像画像と、算出した第１外形とを測定者が確認できるように表示部４２に表示してもよい。

［第２外形算出工程Ｓ６］
　第２外形算出工程Ｓ６では、演算部４の第２撮像画像取得部４６は、第２撮像工程Ｓ４において撮像部３が撮像した第２撮像画像を撮像部３から通信部４４を介して取得する。例えば、第２撮像画像取得部４６は、測定の開始（プログラムの実行の開始）から２番目に取得した撮像画像を第２撮像画像として処理する。次に、演算部４の第２外形算出部４８は第２撮像画像に画像処理を施すことで、断面Ｍにおけるねじ軸Ａの軸方向に沿ったねじ部の部分的な外形である第２外形を算出する。例えば、第２外形算出部４８は、第２撮像画像を構成する画素の合焦測度を算出し、該算出した合焦測度に基づき、第２外形を算出する。より具体的には、第２外形算出部４８は、該算出した合焦測度のＸ方向及びＹ方向の重心位置に基づき、第２外形を算出する。ここで、第２外形には、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４が含まれる。第２外形算出部４８は、算出した第２外形を、第２外形であることを示す識別情報と関連付けて記憶部４３に記憶する。なお、第２外形算出部４８は、第２撮像画像と、算出した第２外形とを測定者が確認できるように表示部４２に表示してもよい。

　合焦測度としては、例えば、周囲の画素間のコントラストや濃度偏差を用いることが可能である。本実施形態では、合焦測度として、周囲の画素間の濃度偏差（以下、「画素間濃度偏差」という）を用いる。ここで、濃度とは、画素値を意味する。第２外形算出部４８は、第２撮像画像を構成する画素のうち画素間濃度偏差の高い画素を第２外形として算出する。

　具体的には、第２撮像画像を構成する各画素の濃度をＩ（ｘ，ｙ）、各画素の画素間濃度偏差をＭＬ（ｘ，ｙ）とする。画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）は、例えば、各画素の濃度とその４近傍の画素の濃度とを用いた以下の式（１）で表わされる。なお、ｘは、ＸＹ平面上で表わされた第２撮像画像（図７Ａ参照）における各画素のＸ座標を意味する。また、ｙは、ＸＹ平面上で表わされた第２撮像画像における各画素のＹ座標を意味する。なお、（ｘ，ｙ）は、撮像部３の撮像素子として用いるＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元撮像素子において、その２次元平面上の位置を画素単位で表わしたベクトルと考えてもよい。

　あるいは、画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）は、各画素の濃度とその８近傍の画素の濃度とを用いた以下の式（２）で表わされる。

　なお、式（１）及び式（２）のｐは、任意の自然数であり、例えば、ｐ＝２である。
　図９は、画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）を算出する方法を説明するための図である。ここでは、５×５画素の中心の画素の画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）を算出する場合を想定する。
　Ｐ＝２として、式（１）により中心の画素の画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）を算出する場合、中心の画素の濃度Ｉ（ｘ，ｙ）と、４つの画素６０ａ～画素６０ｄの濃度とに基づき、画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）が算出される。
　また、Ｐ＝２とし、式（２）により中心の画素の画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）を算出する場合、中心の画素の濃度Ｉ（ｘ，ｙ）と、４つの画素６０ａ～画素６０ｄの濃度と、４つの画素７０ａ～７０ｄの濃度とに基づき、画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）が算出される。

　また、画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ、ｙ）は、第２撮像画像を構成する全ての画素について算出してもよいが、第２撮像画像におけるフランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４に相当する画素領域の位置及び範囲内の画素についてのみ算出してもよい。具体的には、演算部４の推定部５０は、第１撮像画像取得部４５が取得した第１撮像画像あるいは第１外形算出部４７が算出した第１外形から、第２外形が位置する範囲、具体的にはフランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４を含む画素領域の範囲を推定する。例えば、推定部５０は、第１外形のうち、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１の端部と、ねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１の端部とを繋ぐ仮想線から、ｘ方向における管端面側およびその反対側にそれぞれ予め定めた距離だけ離れた範囲を、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４を含む画素領域の範囲として推定する。予め定めた距離として、例えば、第１外形のねじ山の管端面側の端部が現れるＸ方向の間隔の１／８～１／１６の距離等を用いることができる。また、推定部５０は、記憶部４３に記憶されたねじ部の設計図面データを読み出し、設定図面データに基づき、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４を含む画素領域の範囲を推定してもよい。例えば、推定部５０は、図面データと第１外形が略一致するように、図面データを第１撮像画像に対して相対的に平行移動させる。次に、推定部５０は、画面データ上でのフランク面やねじ底の端部を含む周辺領域に対応する、第１撮像画像の領域を、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４を含む画素領域の範囲として推定する。第２外形算出部４８は、推定部５０が推定した画素領域の範囲内にある画素についてのみ画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）を算出することで、処理速度を早めることができる。

　第２外形算出部４８は、全ての画素（あるいは推定した画素領域の範囲内）の画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ、ｙ）を算出した後、例えば、各画素の周囲（２Ｎ＋１）×（２Ｍ＋１）個の画素の画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）の平均値ＦＭ（ｘ，ｙ）を算出する。この画素間濃度偏差の平均値ＦＭ（ｘ，ｙ）を各画素の合焦測度として用いることが可能である。Ｎ、Ｍは、任意の自然数であり、例えば、Ｎ＝Ｍ＝２である。なお、第２外形算出部４８は、画像に応じてＮ、Ｍの値を変更してもよく、所定値以上の合焦測度が算出されるＮ，Ｍの値を探索して求めたＮ，Ｍの値を用いてもよい。
　ここで、具体的に、Ｎ＝Ｍ＝２とし、図９に示す５×５画素の中心の画素の平均値ＦＭ（ｘ，ｙ）を算出する場合には、２５個の画素の画素間濃度偏差ＭＬを加算して、２５で除算することで、中心の画素の平均値ＦＭ（ｘ，ｙ）が算出される。同様に、全ての画素（あるいは推定した画素領域の範囲内）の画素の平均値ＦＭ（ｘ，ｙ）が算出される。
　なお、画素間濃度偏差の代わりにコントラストを用いる場合には、局所的な画素領域における最大濃度をＩ_ｍａｘとし、最小濃度をＩ_ｍｉｎとしたときに、第２外形算出部４８は、（Ｉ_ｍａｘ－Ｉ_ｍｉｎ）／（Ｉ_ｍａｘ＋Ｉ_ｍｉｎ）や、Ｉ_ｍａｘ／Ｉ_ｍｉｎで表わされる値を合焦測度の算出に用いれば良い。
　また、第２外形算出部４８は、式（１）で表わされる画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）を各画素の濃度及びその４近傍の画素の濃度の平均値で除した値を合焦測度の算出に用いてもよい。また、第２外形算出部４８は、式（２）で表わされる画素間濃度偏差ＭＬ（ｘ，ｙ）を各画素の濃度及びその８近傍の画素の濃度の平均値で除した値を合焦測度の算出に用いてもよい。

　最後に、第２外形算出部４８は、例えば、合焦測度ＦＭ（ｘ，ｙ）のＸ方向の重心位置やＹ方向の重心位置を算出することで、この重心位置を第２外形として算出することができる。具体的に、Ｘ方向の重心位置Ｘｇは以下の式（３）で表わされ、Ｙ方向の重心位置Ｙｇは以下の式（４）で表される。第２外形を算出するには、式（３）または式（４）の何れかを用いることができる。
　第２外形算出部４８は、特定のＹ座標において、Ｘ方向の画素の基準と算出範囲とを定める。例えば、Ｘ方向の画素のうち合焦測度が最大値である画素を基準として定め、基準の画素からＸ方向に沿って予め定めた範囲（例えば、±２０画素）を算出範囲とする。次に、第２外形算出部４８は、式（３）を用いて、算出範囲内のＸ方向の重心位置Ｘｇを算出する。第２外形算出部４８は、合焦測度が算出されている範囲内で特定のＹ座標を変更するごとに、同様にＸ方向の重心位置Ｘｇを算出する処理を繰り返し、算出した重心位置Ｘｇを繋げることで、第２外形を算出する。
　また、第２外形算出部４８は、特定のＸ座標において、Ｙ方向の画素の基準と算出範囲とを定める。例えば、Ｙ方向の画素のうち合焦測度が最大値である画素を基準として定め、基準の画素からＹ方向に沿って予め定めた範囲（例えば、±３０画素）を算出範囲とする。次に、第２外形算出部４８は、式（４）を用いて、算出範囲内のＹ方向の重心位置Ｙｇを算出する。第２外形算出部４８は、合焦測度が算出されている範囲内で特定のＸ座標を変更するごとに、同様にＹ方向の重心位置Ｙｇを算出する処理を繰り返し、算出した重心位置Ｙｇを繋げることで、第２外形を算出する。

　図１０は、前述の図７Ａに示す第２撮像画像に、算出した合焦測度ＦＭ（ｘ，ｙ）の重心位置を重ね書きした図である。図１０に示すように、フランク面Ｐ３やねじ底の端部Ｐ４の外形を精度良く算出できていることが分かる。
　なお、第２外形の算出方法は、上述した方法に限られない。例えば、第２外形算出部４８は、横軸を画素方向軸とし、縦軸を合焦測度とする合焦測度分布を算出する。次に、第２外形算出部４８は、この合焦測度分布の近似曲線（上に凸の曲線）を求め、その近似曲線の頂点を、第２外形を構成する点として採用してもよい（いわゆるサブピクセル処理）。

［ねじ形状演算工程Ｓ７］
　ねじ形状演算工程Ｓ７では、演算部４のねじ形状演算部４９は、第１外形算出工程Ｓ５によって算出された第１外形及び第２外形算出工程Ｓ６によって算出された第２外形に基づき、ねじ部のねじ形状を演算する。
　具体的には、ねじ形状演算部４９は、第１外形に基づき、ねじ軸Ａの軸方向のねじ山Ｐ１の位置に相当するねじ山Ｐ１の位相、管端面からねじ軸Ａの軸方向の所定位置におけるねじ山Ｐ１の外径であるねじ径、ねじ軸Ａの軸方向に沿ったねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１の径や、その径の変化であるテーパ等を演算できる。
　また、例えば、ねじ形状演算部４９は、第２外形に基づき、フランク面Ｐ３の角度やねじ底の端部Ｐ４の曲率半径を演算できる。
　このように、ねじ形状演算部４９がねじ部のねじ形状を演算することで、ねじ形状が測定される。ねじ形状演算部４９は、ねじ部の各測定値を表示部４２に表示したり、記憶部４３に記憶したりしてもよい。

　また、ねじ形状演算部４９は、図１１に示すような第１外形及び第２外形が合成された合成外形を算出することが可能である。図１１に実線で示す外形が第１外形であり、図１１に破線で示す外形が第２外形である。第１外形を算出するのに用いた第１撮像画像と、第２外形を算出するのに用いた第２撮像画像とは、共通する撮像部３を用いて撮像されているため、第１外形及び第２外形を容易に合成することができる。
　ねじ形状演算部４９は、算出した合成外形に基づき、ねじ山幅及びねじ谷幅を演算できる。
　ねじ形状演算部４９は、算出した合成外形を表示部４２に表示したり、記憶部４３に記憶したりしてもよい。このとき、図１１に示すように、ねじ形状演算部４９は、例えば、線種、線の太さ、または線の色等を変えることで第１外形と第２外形とを識別可能に表示することが好ましい。

　このように、本実施形態に係るねじ形状の測定装置１００及び測定方法によれば、第１撮像画像を用いて従来の光投影法で測定できるねじ形状を、第２撮像画像を用いて従来の光投影法、接触プローブを用いる方法、三角測距方式のレーザ変位計では測定が困難であるねじ形状を測定可能である。

　次に、本実施形態に係るねじ形状の測定方法と、接触式のねじ形状の測定方法とでそれぞれ同じねじ付き管（油井管）のねじ形状を測定した結果の一例について説明する。
　接触式のねじ形状測定方法としては、ミツトヨ社製のコントレーサ（触針（スタイラス）の先端角度２０°、先端半径２５μｍ）を使用した触針式の測定方法を用いた。
　図１２は、本実施形態に係るねじ形状の測定方法と接触式のねじ形状の測定方法とで、同じねじ付き管のねじ部において、ねじ山Ｐ１からねじ溝Ｐ２に至るまでの約２周期分を測定した結果を示す図である。図１２において、本実施形態に係るねじ形状測定方法（以下、適宜「実施例」という）で測定した結果は太線で、接触式のねじ形状測定方法（以下、適宜「接触式」という）で測定した結果は細線で示している。後述の図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１４についても同様である。図１２から分かるように、実施例による測定結果と、接触式による測定結果とは、ほぼ重なっている。

　図１３Ａ、１３Ｂは、図１２に示す測定結果のうちフック状フランク面Ｐ３ｈ近傍の拡大図を示す。図１３Ａは、フック状フランク面Ｐ３ｈ近傍の拡大図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示す測定結果のうち、実施例による測定結果についてはフック状フランク面Ｐ３ｈに相当する部位の測定結果を抽出した結果を示す図である。
　図１３Ａに示す実施例による測定結果は、図１２に示す実施例による測定結果のうち、ねじ山Ｐ１の頂面Ｐ１１及びねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１を、それぞれの測定結果から略Ｘ方向の直線で近似し、図１２に示す実施例による測定結果から、これらの近似直線に相当する部分を除外している。また、図１３Ｂに示す実施例による測定結果は、図１３Ａに示す実施例による測定結果のうち、ねじ底の端部Ｐ４及びねじ山の端部を、それぞれの測定結果から円近似し、図１３Ａに示す実施例による測定結果から、これらの近似円に相当する部分を除外している。

　図１３Ｂに示すようにして抽出した実施例によるフック状フランク面Ｐ３ｈを直線近似し、同様にして抽出した接触式によるフック状フランク面Ｐ３ｈを直線近似し、これらフック状フランク面Ｐ３ｈの近似直線の傾き（ねじ溝Ｐ２の底面Ｐ２１の近似直線との成す角度）を実施例による測定結果と接触式による測定結果とで比較した。図１２の左側に示す実施例によるフック状フランク面Ｐ３ｈの近似直線の傾きは、連続的に４回測定した平均値では８４．７１°（標準偏差は０．０２４°）であり、接触式によるフック状フランク面Ｐ３ｈの近似直線の傾きは８４．４４°であった。両者の偏差は－０．２７°であった。また、同様に、図１２の右側に示す実施例によるフック状フランク面Ｐ３ｈの近似直線の傾き（連続的に４回測定した平均値）と接触式によるフック状フランク面Ｐ３ｈの近似直線の傾きとの偏差は０．１５°であった。４回測定の標準偏差は０．０１８°であった。すなわち、実施例によるフック状フランク面Ｐ３ｈの測定結果と、接触式によるフック状フランク面Ｐ３ｈの測定結果とは、良く一致する測定結果となった。

　図１４は、図１２に示す測定結果のうち、ねじ底の端部Ｐ４及びねじ山の端部に相当する部位の測定結果を抽出した結果を示す図である。
　図１４の左側に示す実施例によるねじ底の端部Ｐ４の近似円の曲率半径は、連続的に４回測定した平均値では０．３２７ｍｍ（標準偏差は０．０００９６ｍｍ）であり、接触式によるねじ底の端部Ｐ４の近似円の曲率半径は０．３６２ｍｍであった。両者の偏差は０．０３５ｍｍであった。また、図１４の右側に示す実施例によるねじ底の端部Ｐ４の近似円の曲率半径は、連続的に４回測定した平均値では０．３３９ｍｍ（標準偏差は０．０００５２ｍｍ）であり、接触式によるねじ底の端部Ｐ４の近似円の曲率半径は０．３６８ｍｍであった。両者の偏差は０．０２９ｍｍであった。すなわち、実施例によるねじ底の端部Ｐ４の測定結果と、接触式によるねじ底の端部Ｐ４の測定結果とは、良く一致する測定結果となった。ねじ山の端部についても同様であった。

　本発明は、ねじ部のねじ形状を測定する場合に利用することができる。

Claims (7)

1. 　ねじ形状の測定装置であって、
   　ねじ部のねじ軸を含む断面に直交する方向の光軸を有し、平行光を出射して前記ねじ部を照明する第１照明部と、
   　前記断面に直交する方向に対して前記ねじ部のリード角より大きな角度を成す方向に光軸を有し、平行光を出射して前記ねじ部を照明する第２照明部と、
   　前記第１照明部の光軸と平行な視軸を有し、テレセントリックレンズを具備し、且つ、前記断面がその合焦位置に合致し、前記第１照明部又は前記第２照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する撮像部と、
   　前記撮像部によって撮像された撮像画像に基づき、前記ねじ部のねじ形状を演算する演算部と、を備え、
   　前記演算部は、
   　前記第１照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像された第１撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第１外形を算出し、
   　前記第２照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像された第２撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第２外形を算出し、
   　前記算出した第１外形及び第２外形に基づき、前記ねじ部のねじ形状を演算することを特徴とするねじ形状の測定装置。
2. 　前記演算部は、
   　前記第２撮像画像に画像処理を施すことで、前記第２撮像画像を構成する画素の合焦測度を算出し、該算出した合焦測度に基づき、前記第２外形を算出することを特徴とする請求項１に記載のねじ形状の測定装置。
3. 　前記演算部は、
   　合焦測度のＸ方向及びＹ方向の重心位置に基づき、前記第２外形を算出することを特徴とする請求項２に記載のねじ形状の測定装置。
4. 　前記演算部は、
   　前記第２撮像画像のうち、前記第２外形が位置する範囲を推定し、前記推定した範囲の画素の合焦測度を算出することを特徴とする請求項２または３に記載のねじ形状の測定装置。
5. 　前記演算部は、
   　前記ねじ部のフランク面及び前記ねじ部のねじ底の端部の外形を含む前記第２外形を算出することを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載のねじ部の測定装置。
6. 　前記ねじ部は、
   　ねじ付き管の端部に形成されているねじ部であることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載のねじ部の測定装置。
7. 　ねじ形状の測定方法であって、
   　ねじ部のねじ軸を含む断面に直交する方向の光軸を有し、平行光を出射する第１照明部によって、前記ねじ部を照明する第１照明工程と、
   　前記第１照明部の光軸と平行な視軸を有し、テレセントリックレンズを具備し、且つ、前記断面がその合焦位置に合致する撮像部によって、前記第１照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する第１撮像工程と、
   　前記断面に直交する方向に対して前記ねじ部のリード角より大きな角度を成す方向に光軸を有し、平行光を出射する第２照明部によって、前記ねじ部を照明する第２照明工程と、
   　前記撮像部によって、前記第２照明部から出射された平行光のうち、前記ねじ部に遮られずに通過した光を検出して撮像する第２撮像工程と、
   　前記第１撮像工程によって撮像された第１撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第１外形を算出する第１外形算出工程と、
   　前記第２撮像工程によって撮像された第２撮像画像に画像処理を施すことで、前記断面における前記ねじ軸の軸方向に沿った、前記ねじ部の部分的な外形である第２外形を算出する第２外形算出工程と、
   　前記第１外形算出工程によって算出された第１外形及び前記第２外形算出工程によって算出された第２外形に基づき、前記ねじ部のねじ形状を演算するねじ形状演算工程と、を含むことを特徴とするねじ形状の測定方法。

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