JP4031124B2

JP4031124B2 - 光学式孔形状測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP4031124B2
Application number: JP29061798A
Authority: JP
Inventors: 暢久西沖
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: JP2000121331A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば、微小径孔の内径測定などに適用される光学式孔形状測定方法および測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
孔の内面を接触手段により直接測定するには、測定子の大きさにより測定可能な孔径に大きな制約がある。
そのため、小径孔の内径測定には、光学式測定顕微鏡や投影機による非接触式測定方法が広く用いられている。しかし、この場合、測定対象となるのは孔端面の形状で孔形状を代表できるような薄い板状の被測定物にあけられたアスペクト比（孔の長さ／内径）の低い小径孔に限られる。
【０００３】
これに対して、アスペクト比の高い微小径孔を測定するために、特開平８−４３０３２号公報（長野県精密工業試験所）、あるいは、特願平９−１０５９１７号（株式会社ミツトヨ）などが提案されている。
これらの方法はいずれも、図１に示すように、所定の拡大率ｍで得られた観察像の径ｒから、リング状光束の開き角αおよび光学系配置寸法ｆを用いて、被測定物１の孔２の径Ｒを求める方法である。すなわち、この測定方法は、孔２の内部を光が通過するときの孔２内面での正反射光を利用したものであり、反射光により形成した像の形状から、反射位置の光軸中心からの距離Ｒを孔２の半径方向寸法とみなして孔径を導くことで、非常にアスペクト比の高い微小径孔の測定を可能にしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の方法では、入射光の角度（入射角）と反射光の角度（反射角）とが同じでなければならず、図２に示すように、光学系の光軸中心に対して孔２の内面が傾いていると誤差を生ずる。
微小に傾くことによる径の変化はわずかでも、反射光軸の角度変動からくる光てこ効果により、図（観察像の図）の破線で示す実際の断面形状に対して、実線で示す観察像の変動が顕著となる。
【０００５】
たとえば、被測定物１の光軸に対する姿勢は、オフセット、ピッチ角、ヨー角で規定されるが、紙面に垂直な軸向りの傾きをピッチングとすると、図２はヨー角０°でピッチ角が生じた場合を示している。もし、ヨー角が０°でなければ、図２における観察像形状にはさらに歪みが加わる。
【０００６】
実際の測定においては、孔２のテーパや曲がりなど、孔内面は孔径の変化に伴って必ず傾きの変化を有する。また、孔形状の詳細が元々不明であるのに、被測定物１の軸心のずれ量を既知量以下に抑えるというのは不可能である。それゆえ、光学的手法を小径孔の内径測定に適用するには注意が必要であり、たとえば、テーパ孔を測定するときは同じテーパ角を有する標準試料での校正を行うなどの処置が必要である。
【０００７】
本発明の目的は、光路長の異なる二つの像を用いて測定することにより、軸ずれに伴う画像歪みを除去して正確な孔形状を測定できるようにした光学式孔形状測定方法および測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光学式孔形状測定方法は、照射光学系から、該照射光学系の光軸中心に対して開き角度を有するリング状光束を測定対象孔の内周壁面に照射し、この壁面における反射光を観察光学系で観察像として捉え、この観察像の像面における位置情報から前記測定対象孔の形状を測定する光学式孔形状測定方法において、前記反射光の光路長が異なる各位置で、それぞれ前記壁面における反射光を観察像として捉え、この各観察像のそれぞれの像面における像位置Ｒ１，Ｒ２、前記照射光学系の基準位置から前記各像面までの距離Ｌ１，Ｌ２、これらから求めた前記反射光の前記照射光学系の光軸中心に対する傾き角度β、前記リング状光束の開き角度α、前記照射光学系の基準位置において該照射光学系の光軸中心から前記リング状光束までの半径Ｒ０から、前記壁面における反射点の空間位置を求め、この空間位置情報により前記測定対象孔の形状を測定することを特徴とする。
【０００９】
従って、本発明の測定方法では、反射光の光路長が異なる各位置で、それぞれ壁面における反射光を観察像として捉え、この各観察像のそれぞれの像面における像位置Ｒ１，Ｒ２、照射光学系の基準位置から各像面までの距離Ｌ１，Ｌ２、これらから求めた反射光の照射光学系の光軸中心に対する傾き角度β、リング状光束の開き角度α、照射光学系の基準位置において該照射光学系の光軸中心からリング状光束までの半径Ｒ０から、前記壁面における反射点の空間位置を求めて測定対象孔の形状を測定するようにしているから、被測定物の軸線が光軸中心に一致しなくても、２つの像から被測定物の軸方向ずれに伴う画像歪みを除去でき、面倒な位置決めをすることなく精度よく孔形状を測定できる。
【００１０】
以上の測定方法において、前記各観察像の光強度の極大値または受光領域の中央値を前記位置情報とすれば、受像した輪郭の大きさに伴う誤差を極小とすることができる。
また、前記測定対象孔を有する被測定物の前記照射光学系の光軸中心に対するオフセットおよび傾き角を一定に保ちながら、前記照射光学系の光軸方向へ前記被測定物を平行移動させて、前記測定対象孔の軸方向に変化する形状を測定すれば、被測定物の測定対象孔の軸方向全体の孔形状を測定できる。
【００１１】
本発明の光学式孔形状測定装置は、光束を測定対象孔の内周壁面に照射し、この壁面における反射光を観察像として捉え、この観察像の像面における位置情報から前記測定対象孔の形状を測定する光学式孔形状測定装置において、光源からの光を所定の開き角度を有するリング状光束に生成して測定対象孔の内周壁面に照射する照射光学系と、前記反射光の光路長さが異なる各位置に対応してそれぞれ配置された第１位置検出手段および第２位置検出手段を有し、前記壁面における反射光の観察像をそれぞれ二次元の位置情報として捉える観察光学系と、この観察光学系の各位置検出手段で捉えられた各観察像のそれぞれの像面における像位置Ｒ１，Ｒ２、前記照射光学系の基準位置から前記各位置検出手段までの距離Ｌ１，Ｌ２、これらから求めた前記反射光の前記照射光学系の光軸中心に対する傾き角度β、前記リング状光束の開き角度α、前記照射光学系の基準位置において該照射光学系の光軸中心から前記リング状光束までの半径Ｒ０から、前記壁面における反射点の空間位置を求め、この空間位置情報により前記測定対象孔の形状を測定する演算手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
従って、本発明の測定装置によれば、反射光の光路長さが異なる位置に対応して第１位置検出手段および第２位置検出手段をそれぞれ配置し、この各位置検出手段で捉えられた各観察像のそれぞれの像面における像位置Ｒ１，Ｒ２、照射光学系の基準位置から各位置検出手段までの距離Ｌ１，Ｌ２、これらから求めた反射光の照射光学系の光軸中心に対する傾き角度β、リング状光束の開き角度α、照射光学系の基準位置において該照射光学系の光軸中心から前記リング状光束までの半径Ｒ０から、前記壁面における反射点の空間位置を求めて測定対象孔の形状を測定するようにしているから、被測定物の軸線が光軸中心に一致しなくても、２つの像から被測定物の軸方向ずれに伴う画像歪みを除去でき、面倒な位置決めをすることなく精度よく孔形状を測定できる。
【００１３】
以上の測定装置において、前記照射光学系は、たとえば、光源からの光を開き角度を有するリング状平行光に生成するリング状平行光生成手段と、このリング状平行光生成手段からのリング状平行光を所定の開き角度を有するリング状円錐光束に生成して測定対象孔の内周壁面に照射する第１のレンズ手段とを含む構成が望ましい。
このような構成とすれば、測定対象孔の内面全周に光束を同時に照射できるから、その測定対象孔の形状を能率的に測定できる。
【００１４】
また、前記観察光学系は、たとえば、前記壁面における反射光を受ける第２のレンズ手段と、この第２のレンズ手段を透過した光を複数の光路に分割するビームスプリッタ手段と、このビームスプリッタ手段によって分割された各光路上において光路長さの異なる位置にそれぞれ配置された複数の二次元画像センサとを含む構成が望ましい。
このような構成とすれば、一部の光路を共有できるから、コスト的にも安価に、かつ、全体にコンパクト化できる。
【００１５】
この際、前記二次元画像センサで受像される観察像の光強度の極大値または受光領域の中央値を前記位置情報とすれば、受像した輪郭の大きさに伴う誤差を極小とすることができる。
また、前記被測定物を前記照射光学系の光軸方向へ平行移動させる移動手段と、この移動手段による被測定物の移動量を検出する移動量検出手段とを備える構成とすれば、被測定物の測定対象孔の軸方向各部における孔形状の測定が可能となり、直線状の円孔のほかにテーパ孔の形状も測定できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の測定原理を図３を用いて説明する。同図において、開き角度α（光軸中心とのなす角）が既知であるリング状光束を照射光学系により生成し、被測定物１の測定対象孔２の内面に対して入射させる。
被測定物１が、光軸中心上にある極座標原点から見て、オフセツトＮ、距離Ｍ、最大傾き角γに位置決めされるとき、これらのＮ、Ｍ、γに依存せず測定対象孔２の形状を求めることが本発明の課題である。
【００１７】
ここでは説明を簡単にするため、孔２の内面の１ケ所で反射した光についてのみ着目する。
図に示すように、孔２の内面に当って反射した光線は孔２を通過して反対側に出てくるので、これを観察光学系を用いて像面上に結像させる。このとき、観察学光学系により光学的に所定の拡大率で拡大した像を得ることで測定の分解能が確保される。
【００１８】
照射光学系の基準位置から距離Ｌ1離れた位置に像面１があるとき、像面１上での反射光による像の径方向に対する距離はＲ1となる。同時に、照射光学系の基準位置から距離Ｌ2離れた位置に像面２があれば、像面２上での反射光による像の径方向に対する距離はＲ２となる。
反射点の位置をＰとすると、照射光学系の基準位置を原点とする極座標系を用いて、Ｐ＝（Ｒ，Ｌ，θ）で表現できる。ここで、θは像面上の二次元位置を検出することで直接得ることができるので、残ったＲとＬについて既知量と他の検出量から算出することで、Ｐの位置を幾何学的に特定できる。
【００１９】
光軸上の極座標原点から見て、光軸回りの回転角座標位置θに対応してＲ1とＲ2が２つの像の二次元位置より定まり、このθに対応してtanβも定まる。
このとき、光学系上における上述の被測定物１の位置ずれ量Ｎ、Ｍ、γを細かく考慮する必要はない。
【００２０】
実際の算出については、像面配置ＬlとＬ2の差（Ｌ2−Ｌl）に対応して変化した像位置Ｒ1とＲ2の差（Ｒ1−Ｒ2）から反射光の傾き角度β（光軸中心ｔのなす角度）を導けば、既知量α、Ｌ1、Ｒ0（入射光配置）と、検出量Ｒ1とを用いて、次の式で幾何学的にＲとＬとを求めることができる。
【００２１】
Ｒ＝（Ｒ1・tanα＋Ｌ1・tanα・tanβ＋Ｒ0・tanβ）／（tanα＋tanβ）……（１）
Ｌ＝（Ｒ1−Ｒ0＋Ｌ1・tanβ）／（tanα＋tanβ） ……（２）
ここで、tanβ＝（Ｒ1−Ｒ2）／（Ｌ2−Ｌ1）である。
以上のような反射点の位置測定を孔２の内面に対して全周行うことで、孔形状の座標データ取得による測定を行っていく。
【００２２】
次に、たとえば、Ｎとγを一定のまま、被測定物１を光軸方向へ平行移動してＭを別な値に位置決めし、同一のプロセスで測定を繰返して軸方向の形状測定を行う。これにより、たとえば、テーパ孔のような傾きを有する孔内面の光学的手法による形状測定も可能である。
しかも、光学系に対する被測定物のミスアライメントからくる誤差もなく、従来手法のような正碓な取り付けは不要となる。
【００２３】
次に、上述の測定原理を用いて被測定物１の孔２の内径測定を行うための具体的な装置構成について、図４を用いて説明する。
図における孔形状測定装置は、光源（図示省略）からの光を所定の開き角を有するリング状円錐光束に形成して前記被測定物１の孔２の内周壁面に照射する照射光学系１１と、前記測定対象孔２の壁面からの反射光を観察像として捉える観察光学系２１と、被測定物１をこれらの光学系１１，２１の光軸方向へ平行移動させる移動手段３１と、装置全体を統括制御するとともに、観察光学系２１から得られた光学情報を元に前述の計算式を演算処理してその孔形状を算出するパソコンなどの演算制御手段４１とから構成されている。
【００２４】
前記照射光学系１１は、光源からの光を開き角を有するリング状平行光に生成するリング状平行光生成手段１２と、このリング状平行光生成手段１２からのリング状平行光を所定（既知）の開き角を有するリング状円錐光束に生成して被測定物１の孔２の内面に照射する第１のレンズ手段１３とから構成されている。
ここで、リング状平行光生成手段１２のリング状平行光の生成方法については、各種あるので説明を省略するが、光束内部の光強度がなるべく均一なものが望ましい。
【００２５】
前記観察光学系２１は、前記測定対象孔２の内周壁面で正反射した光を受ける第２のレンズ手段２２と、この第２のレンズ手段２２からの光を複数（２つ）の光路に分割するビームスプリッタ手段２３と、このビームスプリッタ手段２３で分割された各光路中にかつ反射光の光路長さが異なる位置にそれぞれ配置された複数（２つ）の位置検出手段としての二次元画像センサ２４，２５と、この各二次元画像センサ２４，２５で得られた二次元の画像情報を処理する画像処理手段２６とから構成されている。
ここで、第２のレンズ手段２２は、その前側焦点面が前記第１のレンズ手段１３の後側焦点面と共有する位置になるように配置されている。その結果、第２のレンズ手段２２からの出射光は、ある開き角をもったリング状平行光として出射される。なお、第１、第２のレンズ手段１３，２２の実現方法は、単レンズだけでもよく、複数のレンズの組合せでもよく、あるいは、非球面なものを用いてもよい。
【００２６】
前記移動手段３１は、前記被測定物１を載置したテーブル３２と、このテーブル３２を光学系１１，２１の光軸方向へ平行移動させる駆動モータ３３とから構成されている。駆動モータ３３の回転角、つまり、テーブル３２の移動量は、ロータリエンコーダなどの移動量検出手段３４によって検出されたのち、演算制御手段４１に入力される。
【００２７】
演算制御手段４１には、予め前述する計算を実行するための計算ソフトが内蔵され、付属キーボードあるいはマウスなどの入力操作によるソフトの立上げにより、照射光学系１１の光源の起動、画像処理手段２６からの画像情報の取入れ、駆動モータ３３の正逆転駆動および移動量検出手段３４から取入れたデータにより移動量を検出し、その位置における幾何計算を実行し、その結果を付属モニタに順次表示する。
【００２８】
以上において、計算ソフトの起動により、次の測定モードが実行される。
まず、照射光学系１１において、リング状平行光生成手段１２からのリング状平行光を第１のレンズ手段１３によって既知の開き角を有するリング状円錐光束を生成し、その生成したリング状円錐光束を被測定物１の測定対象孔２の内周壁面に導く。このとき、リング状円錐光束は孔２の内面の近傍で焦点ｆ1を結ぶようにする。これは、照射される範囲を狭くして測定位置の確度を上げるためであり、孔内面上に必ず集光させる必要はない。
【００２９】
孔２の内面で正反射した光は、第２のレンズ手段２２によって、ある開き角を持つリング状平行光とされ、ビームスプリッタ手段２３に達する。すると、リング状平行光は、ビームスプリッタ手段２３により透過光と反射光とに分割され、それぞれ二次元画像センサ２４，２５により受像される。
【００３０】
二次元画像センサ２４，２５に結像する検出画像は、それぞれ先の図３に示したスクリーンイメージ図形と同様のリング状分布で検出され、画像処理手段２６により、光軸中心からのＸ，Ｙ座標分布を持つ電気信号に変換され、演算制御手段４１に取入られる。
【００３１】
演算制御手段４１は、取込んだ画像データより、原点位置から０〜３６０°の範囲を掃引しながらそれぞれの半径Ｒ1，Ｒ2（図３参照）を計測し、そこから導いたβを用いて前述の幾何計算式に代入し、反射点の極座標位置Ｐ（Ｒ，Ｌ，θ）を求める。つまり、孔２に入射させるリング状円錐光束の開き角は光源側で生成したリング状平行光と第１のレンズ手段１３の特性値より既知であるので、光学系配置寸法より前述の測定原理に基づき孔形状の測定を行える。
【００３２】
なお、二次元画像センサ２４，２５で受像されるリング状光束により検出される情報からＲ１およびＲ２の値を決定するには、センサ２４，２５面上でθを指定したときに検出される受光領域幅に対して、受光領域内の輝度分布から求めた光線の中心位置を用いる。
たとえば、受光領域の輝度分布がガウシアン分布していれば輝度最大となる位置を用いればよいし、受光領域の中央位置を用いても大差はない。もし、受光領域の輝度分布が一様であれば受光領域の中央位置を用いるのが妥当である。
【００３３】
以上の位置を定めるための細線化処理は、画像処理手段２６で行うか、演算制御手段４１側のいずれでも行うことができ、演算制御手段４１は、その細線化された座標データを元に前述の演算を実行する。
また、演算制御手段４１は、テーブル３２をその計測原点位置から駆動モータ３３を駆動しつつ、その移動量を検出し、その移動位置における前記計測および演算を繰返すことにより、孔２の奥行方向における全ての観察像のリング状パターンをモニタしつつ反射点の極座標位置Ｐ（Ｒ，Ｌ，θ）を求め、その演算結果を付属モニタに順次表示する。
【００３４】
以上の測定モードは、テーブル３２が原点位置から限界位置まで平行移動するまで継続し、限界位置、すなわち、孔の後端または最前部側であって、反射パターンがないと判断されると、演算制御手段４１は駆動モータ３３の駆動を停止し、再びテーブル３２を測定原点位置に戻す制御がなされ、テーブル３２が原点位置に復帰した後、モニタに終了が表示される。
【００３５】
なお、以上の演算結果の表示形態としては、計算ソフトのアルゴリズムに応じて、たとえば、被測定物１の孔２が円孔であれば、その平均半径または直径、真円度、最大および最小値、偏差値、孔の奥行あるいは深さなどの数値表示のほかに、二次元ないしは三次元図形なども併せて表示できる。また、テーパ孔であれば、そのテーパ角度なども表示できることは勿論である。
【００３６】
終了表示後は、キーボードまたはマウス操作により終了処理、あるいは必要に応じて保存処理後、終了処理を実行すれば、再び計測モード待機状態となる。
さらに、本実施形態では、演算制御手段４１としてパソコンを用いたが、専用の処理装置に代替えできることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明による光学式孔形状測定方法および測定装置によれば、被測定物の軸線と光軸中心が一致しなくても、二つの像から被測定物の軸方向ずれに伴う画像歪みを除去でき、面倒な位置決めをすることなく精度のよい孔形状の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の概念を示す説明図である。
【図２】同従来技術の不具合を示す説明図である。
【図３】本発明方法の測定原理を示す説明図である。
【図４】本発明の装置構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１被測定物
２測定対象孔
１１照射光学系
１２リング状平行光生成手段
１３第１のレンズ手段
２１観察光学系
２２第２のレンズ手段
２３ビームスプリッタ手段
２４二次元画像センサ（位置検出手段）
２５二次元画像センサ（位置検出手段）
２６画像処理手段
３１相対移動手段
３２テーブル
３３駆動モータ
３４移動量検出手段
４１演算制御手段（演算手段）

Claims

照射光学系から、該照射光学系の光軸中心に対して開き角度を有するリング状光束を測定対象孔の内周壁面に照射し、この壁面における反射光を観察光学系で観察像として捉え、この観察像の像面における位置情報から前記測定対象孔の形状を測定する光学式孔形状測定方法において、
前記反射光の光路長が異なる各位置で、それぞれ前記壁面における反射光を観察像として捉え、この各観察像のそれぞれの像面における像位置Ｒ１，Ｒ２、前記照射光学系の基準位置から前記各像面までの距離Ｌ１，Ｌ２、これらから求めた前記反射光の前記照射光学系の光軸中心に対する傾き角度β、前記リング状光束の開き角度α、前記照射光学系の基準位置において該照射光学系の光軸中心から前記リング状光束までの半径Ｒ０から、前記壁面における反射点の空間位置を求め、この空間位置情報により前記測定対象孔の形状を測定することを特徴とする光学式孔形状測定方法。
請求項１に記載の光学式孔形状測定方法において、
前記各観察像の光強度の極大値または受光領域の中央値を前記位置情報とすることを特徴とする光学式孔形状測定方法。
請求項１または請求項２に記載の光学式孔形状測定方法において、
前記測定対象孔を有する被測定物の前記照射光学系の光軸中心に対するオフセットおよび傾き角を一定に保ちながら、前記照射光学系の光軸方向へ前記被測定物を平行移動させて、前記測定対象孔の軸方向に変化する形状を測定することを特徴とする光学式孔形状測定方法。
光束を測定対象孔の内周壁面に照射し、この壁面における反射光を観察像として捉え、この観察像の像面における位置情報から前記測定対象孔の形状を測定する光学式孔形状測定装置において、
光源からの光を所定の開き角度を有するリング状光束に生成して測定対象孔の内周壁面に照射する照射光学系と、
前記反射光の光路長さが異なる各位置に対応してそれぞれ配置された第１位置検出手段および第２位置検出手段を有し、前記壁面における反射光の観察像をそれぞれ二次元の位置情報として捉える観察光学系と、
この観察光学系の各位置検出手段で捉えられた各観察像のそれぞれの像面における像位置Ｒ１，Ｒ２、前記照射光学系の基準位置から前記各位置検出手段までの距離Ｌ１，Ｌ２、これらから求めた前記反射光の前記照射光学系の光軸中心に対する傾き角度β、前記リング状光束の開き角度α、前記照射光学系の基準位置において該照射光学系の光軸中心から前記リング状光束までの半径Ｒ０から、前記壁面における反射点の空間位置を求め、この空間位置情報により前記測定対象孔の形状を測定する演算手段とを備えたことを特徴とする光学式孔形状測定装置。
請求項４に記載の光学式孔形状測定装置において、
前記照射光学系は、光源からの光を開き角度を有するリング状平行光に生成するリング状平行光生成手段と、このリング状平行光生成手段からのリング状平行光を所定の開き角度を有するリング状円錐光束に生成して測定対象孔の内周壁面に照射する第１のレンズ手段とから構成されていることを特徴とする光学式孔形状測定装置。
請求項４または請求項５に記載の光学式孔形状測定装置において、
前記観察光学系は、前記壁面における反射光を受ける第２のレンズ手段と、この第２のレンズ手段を透過した光を複数の光路に分割するビームスプリッタ手段と、このビームスプリッタ手段によって分割された各光路上において光路長さの異なる位置にそれぞれ配置された複数の二次元画像センサとから構成されていることを特徴とする光学式孔形状測定装置。
請求項５に記載の光学式孔形状測定装置において、
前記二次元画像センサで受像される観察像の光強度の極大値または受光領域の中央値を前記位置情報とすることを特徴とする光学式孔形状測定装置。
請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の光学式孔形状測定装置において、
前記被測定物を前記照射光学系の光軸方向へ平行移動させる移動手段と、この移動手段による被測定物の移動量を検出する移動量検出手段とが設けられていることを特徴とする光学式孔形状測定装置。