JP5251218B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents
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Description
また、前記形状測定部は、前記第1の方向に対する前記被測定物の内側の測定位置における傾きと、前記所定基準位置からのずれとに基づいて前記測定位置を補正することを特徴とする。
また、前記第1の方向に対する前記被測定物の内側の測定位置における傾きと、前記所定基準位置からのずれとに基づいて前記測定位置を補正することを特徴とする。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る中空形状測定装置101のブロック図である。中空形状測定装置101は、中空筒状の物体の内側形状を所定の高さ毎に測定して断面形状を求め、求めた断面形状を高さ方向に合成することによって、物体の中空形状を立体的に構築する装置である。
O2=(L−ΔL)・tan(2θ) ・・・式1
また、O3の値は式2により求めることができる。
O3=L・tan(α+2θ)+L・tan(α) ・・・式2
ここで、ΔZは式3で表すことができ、ΔLは式3を用いて式4で表すことができる。
ΔZ=L・tan(α) ・・・式3
ΔL=ΔZ・tan(θ)= L・tan(θ)・tan(α) ・・・式4
また、式2からLの値は、式5のように求めることができる。
上記の式1,式4,式5において、先に述べたように、O2の値とO3の値と角度αとは既知なので、式1と式4と式5の連立方程式を解けば、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔLの3つの変数を求めることができる。また、ずれ量Lが分かれば、式3より実際の垂線方向(Z軸方向)の測定位置のずれ量ΔZが求まる。尚、照明NA値の算出は、基準寸法からの水平方向のずれ量Lが既知で、且つ被測定物109として内面の傾きがない校正用被測定物を用いることにより、式5から角度αとして求めることができる。また、先に説明したように、上記の各式は等倍のテレセントリック光学系の場合を示し、実際の撮像部111に投影される像は等倍とは限らないため、拡大率または縮小率に応じた係数を掛ける必要がある。
(ステップS201)先ず、被測定物109を移動部114の下にセットする。
(ステップS202)次に、移動部114のZ軸方向の測定レンジ(移動範囲)やZ軸方向の測定ピッチ(移動ピッチ)などの測定仕様をパソコン115から入力する。パソコン115で入力された測定仕様は、ケーブル118を介して画像処理部112に出力され、画像処理部112はケーブル117を介してZ軸駆動部本体113に移動部114を測定開始位置に移動するよう指令する。
(ステップS203)移動部114の現在位置で光源系102から光を照射し、撮像部111で画像を撮影する。
(ステップS204)撮像部111で受光した画像をケーブル116を介して画像処理部112に出力する。
(ステップS205)画像処理部112は、被測定物109の内径(形状)を求める。この時、図5および図6で説明したように、被測定物109の内面の傾きθによる誤差を補正した内径を求める。
(ステップS206)測定仕様に従って、測定が完了したか否かを判断する。例えば、移動部114が設定されたZ軸方向の移動範囲の終了位置に達していない場合はステップS207に進み、終了位置に達している場合はステップS208に進む。
(ステップS207)移動部114を設定されたZ軸方向の測定ピッチに従って、次の測定位置までZ軸方向に移動してステップS203に戻り、当該位置での測定を行う。
(ステップS208)移動部114が設定されたZ軸方向の移動範囲の終了位置に達して測定を終了した場合は、被測定物109の内側の高さ(測定光学系との相対位置)毎の形状を求め、これらの形状を合成して中空形状データを作成する。
(ステップS209)画像処理部112で作成された中空形状データは、ケーブル118を介してパソコン115に出力され、パソコン115の画面に表示される。
(ステップS210)必要に応じて、パソコン115では、キーボードやマウスを操作して、画面に表示されている被測定物109の任意の位置を指定して、画像処理部112から受け取った被測定物109の中空形状データから指定された各部の大きさや長さを表示する。
(ステップS211)全ての計測を終了する。
次に、第2の実施形態について説明する。本実施形態に係る中空形状測定装置101は、図1に示した第1の実施形態に係る中空形状測定装置101と基本的には同じ構造であるが、光制限スリット104が異なる。本実施形態では、第1の実施形態の図2の光制限スリット104の代わりに、例えば、図12(b)および(c)に示した光制限スリット104’を用いる。尚、図12(a)は図2(a)と同じ円形スリット103を示している。ここで、図1および図12の一点鎖線154は、リング状の光束の中央位置を示す。
次に、第3の実施形態について図13を用いて説明する。本実施形態に係る中空形状測定装置101は、図1に示した第1の実施形態に係る中空形状測定装置101と基本的には同じ構造であるが、撮像部111の配置が異なる。第1の実施形態の撮像部111は、被測定物109を設置する基準位置とは光学的に共役の位置にあったが、本実施形態に係る中空形状測定装置101’の撮像部111’は被測定物109を設置する基準位置と光学的な共役位置よりも上方に平行移動した位置に配置してある。
O2’=(L−ΔL+ΔX)・tan(2θ) ・・・式6
また、O3’の値は式7により求めることができる。
O3’=(L+ΔX)・tan(α+2θ)+(L+ΔX)・tan(α) ・・・式7
ここで、ΔZは式8で表すことができ、ΔLは式8を用いて式9で表すことができる。
ΔZ=L・tan(α) ・・・式8
ΔL=ΔZ・tan(θ)= L・tan(θ)・tan(α) ・・・式9
また、式7からLの値は、式10のように求めることができる。
L=O3’/(tan(α+2θ)+tan(α)) ・・・式10
上記の式6,式9,式10において、O2’の値とO3’の値と角度αとは既知なので、式6と式9と式10の連立方程式を解けば、被測定物109の基準位置からのずれ量L,披測定物109の内面の傾きθ,変位ΔLの3つの変数を求めることができる。また、ずれ量Lが分かれば、式8より実際の垂線方向(Z軸方向)の測定位置のずれ量ΔZが求まる。尚、照明NAの値の算出は、基準寸法からの水平方向のずれ量Lが既知で、且つ被測定物109として内面の傾きがない校正用被測定物を用いることにより、式10より角度αとして求めることができる。また、上記の各式は等倍のテレセントリック光学系の場合を示し、実際の撮像部111’に投影される像は等倍とは限らないため、拡大率または縮小率に応じた係数を掛ける必要がある。
O2’=ΔX・tan(2θ)
O3’=ΔX・tan(2θ+α)+ΔX・tan(α)
となり、O2’の値とO3’の値を算出できる。
O3’=0
O2’=−ΔL・tan(2θ)
=L・tan(θ)・tan(α)・L・tan(2θ)
=ΔX・tan(θ)・tan(α)・L・tan(2θ)
となり、O2’の値とO3’の値を算出できる。
Claims (16)
- 中空筒状の被測定物の内側形状を測定する測定装置であって、
前記中空筒状の軸方向である第1の方向に光を送光する送光部と、
前記光を前記第1の方向と略直交する方向に前記光の進行方向を変換する変換部と、
前記変換部で変換され前記被測定物の内側に向かう前記光の一方の外縁と他方の外縁とが前記第1の方向に沿って区別可能になるように物理的変調を与える変調部と、
前記変換部で方向が変換された前記光のうち前記被測定物の内側で反射した前記光の合焦情報と前記物理的変調の情報とを検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記第1の方向に対する前記被測定物の内側の測定位置における傾きと所定基準位置からのずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定する形状測定部と
を備えることを特徴とする測定装置。 - 請求項1に記載の測定装置において、
前記検出部は、前記物理的変調を受けた前記光の前記一方の外縁と前記他方の外縁とを検出すること
を特徴とする測定装置。 - 請求項1または請求項2に記載の測定装置において、
前記変換部と前記被測定物とを前記第1の方向に相対移動させる移動部をさらに備え、
前記形状測定部は、前記変換部と前記被測定物と複数の相対位置において前記被測定物の内側形状を測定すること
を特徴とする測定装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記形状測定部は、前記第1の方向に対する前記被測定物の内側の測定位置における傾きと、前記所定基準位置からのずれとに基づいて前記測定位置を補正すること
を特徴とする測定装置。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部は、前記光を発生する光源と、前記光源からの前記光を導き前記所定基準位置に焦点を有する第1の光学系と、前記焦点よりも前記光源側であり前記第1の光学系の前記焦点と共役な位置に配置され所定形状の開口を有する第1の光制限部材と、
前記被測定物から戻ってきた前記光を結像させる第2の光学系と
を備え、
前記検出部は、前記第2の光学系により前記所定基準位置にある前記被測定物の像が結像する結像面に配置される受光部を備えること
を特徴とする測定装置。 - 請求項5に記載の測定装置において、
前記第1の光制限部材を、前記光をリング状に透過するスリットを有する円形スリットで構成したこと
を特徴とする測定装置。 - 請求項6に記載の測定装置において、
前記第1の光制限部材から前記被測定物に照射される前記光からなるリング状の光束のうち、前記リング状の光束の中心位置から片側半分だけを遮光する所定形状の開口を有する第2の光制限部材を設けたこと
を特徴とする測定装置。 - 請求項7に記載の測定装置において、
前記第2の光制限部材を透過する前記リング状の光束の両端の第1の外縁と第2の外縁とで異なる変調をかける色フィルタを設けたこと
を特徴とする測定装置。 - 請求項7に記載の測定装置において、
前記第2の光制限部材を透過する前記リング状の光束の両端の第1の外縁と第2の外縁との少なくとも一方の外縁の位置を同心円状に任意に変更する形状可変機構を設けたこと
を特徴とする測定装置。 - 請求項8に記載の測定装置において、
前記検出部は、前記色フィルタを透過した前記リング状の光束が前記被測定物の内側で反射して投影される前記リング状の光束の色検出を行って前記一方の外縁と前記他方の外縁とを検出すること
を特徴とする測定装置。 - 請求項5から請求項10のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記送光部を前記第1の方向とは異なる方向から前記光を送光する位置に配置し、
前記被測定物と前記送光部との間にあって、前記送光部が送光する前記光を前記第1の方向に反射すると共に、前記被測定物からの戻ってくる前記光を前記受光部側に透過するハーフミラーを設けたこと
を特徴とする測定装置。 - 請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の測定装置において、
前記変換部を円錐形状のミラーで構成したこと
を特徴とする測定装置。 - 中空筒状の被測定物の内側形状を測定する測定方法であって、光を送光部が前記中空筒状の軸方向である第1の方向に送光し、かつ、前記送光部が送光する前記光の進行方向を変換部が前記第1の方向と略直交する方向に変換し、かつ、変調部が前記被測定物の内側に向かう前記光の一方の外縁と他方の外縁とが前記第1の方向に沿って区別可能になるように物理的変調を与え、前記物理的変調が与えられた前記光のうち前記被測定物の内側で反射した前記光の合焦情報と前記物理的変調の情報とを検出部で検出し、前記検出部の検出結果に基づいて、前記第1の方向に対する前記被測定物の内側の測定位置における傾きと所定基準位置からのずれを求めることにより前記被測定物の内側形状を測定すること
を特徴とする測定方法。 - 請求項13に記載の測定方法において、
前記物理的変調を受けた前記光の前記一方の外縁と前記他方の外縁とを検出すること
を特徴とする測定方法。 - 請求項13または請求項14に記載の測定方法において、
前記変換部と前記被測定物とを前記第1の方向に相対移動させながら前記検出を行い、前記変換部と前記被測定物と複数の相対位置において前記被測定物の内側形状を測定すること
を特徴とする測定方法。 - 請求項13から請求項15のいずれか一項に記載の測定方法において、
前記第1の方向に対する前記被測定物の内側の測定位置における傾きと、前記所定基準位置からのずれとに基づいて前記測定位置を補正する
ことを特徴とする測定方法。
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