JP5439218B2

JP5439218B2 - 画像測定機

Info

Publication number: JP5439218B2
Application number: JP2010032018A
Authority: JP
Inventors: 龍也長濱; 秀光浅野; 憲嗣岡部
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP2011169661A

Description

本発明は、テレセントリック光学系を備えた画像測定機に関する。

図５に示すように、前側レンズ１２、後側レンズ１３およびテレセントリック絞り１４から構成されたテレセントリック光学系が知られている。
テレセントリック光学系は、物体視野が広く、焦点深度が深く、結像倍率が物体の位置に関係なく前側レンズと後側レンズの焦点距離によって決まるという特徴を備えている。そのため、刃工具類や機械部品、アッセンブリされた電子部品等、段差を有する被測定物の広視野一括測定に、テレセントリック光学系が広く利用されている（特許文献１参照）。

例えば、図６（Ａ）に示すように、上下方向（Ｚ軸方向）に段差を有する被測定物を、テレセントリック光学系でない非テレセントリック光学系を搭載した画像測定機で画像測定（真上から画像測定）した場合、同図（Ｂ）に示すように、Ｚ軸方向に対して直交するＸ，Ｙ軸方向の寸法変化が大きい画像となってしまう。
これに対して、テレセントリック光学系を搭載した画像測定機で画像測定すると、同図（Ｃ）に示すように、Ｚ軸方向に対して直交するＸ，Ｙ軸方向の寸法変化が少ない画像が得られる。つまり、段差を有する被測定物でもＸ，Ｙ軸方向の形状を精度よく測定できることから、テレセントリック光学系が広く利用されている。

特開２００３−２３２９９９号公報

ところで、テレセントリック光学系では、開口数（Ｎ．Ａ．）を小さくして焦点深度を深くすることが一般的に行われているが、焦点深度を深くすると、フォーカス位置を正確に検出することが困難になる。そのため、Ｚ軸方向の寸法測定ができず、結果的に三次元形状測定が不可能になるといった問題が発生する。

本発明の目的は、テレセントリック光学系の特長を維持しつつ、その課題を解決し、被測定物の三次元形状測定を可能とする画像測定機を提供することにある。

本発明の画像測定機は、被測定物を載置したテーブルと撮像光学部とを相対移動機構により相対移動させるとともに、前記撮像光学部によって撮像した前記被測定物の画像から前記被測定物の形状を測定する画像測定機において、前記撮像光学部は、前側レンズ、後側レンズおよびテレセントリック絞りを有するテレセントリック光学系と、このテレセントリック光学系によって結像された前記被測定物の画像を撮像する撮像手段とを含んで構成され、レーザ光を用いて、前記テレセントリック光学系の光軸上における前記被測定物表面の前記光軸方向の位置を非接触で測定する非接触位置測定手段を備え、前記非接触位置測定手段は、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光を前記テレセントリック光学系の前側レンズを通して前記被測定物に照射するレーザ光照射光学系と、前記被測定物表面で反射したレーザ光を処理して前記前側レンズの焦点位置に対する前記被測定物表面のずれ量を検出するずれ量検出部と、このずれ量検出部によって検出されたずれ量がなくなるように、前記相対移動機構を動作させる相対移動指令手段と、前記光軸方向における前記テーブルと前記テレセントリック光学系との相対移動量を検出する位置検出手段と、を備え、前記前側レンズは、物体側より配置された第１前側レンズ、第２前側レンズ、第３前側レンズを有し、前記第１前側レンズおよび第２前側レンズはアフォーカル光学系を構成し、前記レーザ光照射光学系は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズと、前記コリメータレンズからのレーザ光を前記第１前側レンズに向けて反射させるビームスプリッタとを含んで構成され、前記テレセントリック絞りは、前記第３前側レンズの後側焦点位置と前記後側レンズの前側焦点位置とが一致する位置に配置され、前記ビームスプリッタは、前記第１前側レンズの後側焦点位置と前記第２前側レンズの前側焦点位置とが一致する位置に配置されていることを特徴とする。

このような構成によれば、撮像光学部がテレセントリック光学系を含んで構成されているから、段差を有する被測定物でも、テレセントリック光学系の光軸に対して直交する方
向の形状を精度よく、かつ、広視野測定することができる。
また、レーザ光を用いて、テレセントリック光学系の光軸上における被測定物表面の光軸方向の位置を非接触で測定する非接触位置測定手段を備えているから、テレセントリック光学系の光軸方向における被測定物の位置も正確に測定することができる。
従って、通常のテレセントリック光学系の特徴を維持しつつ、そのテレセントリック光学系の課題を解決し、被測定物の三次元形状測定を実現することができる。
さらに、オートフォーカスレーザ変位計を利用して、光軸方向における被測定物表面の位置を検出することができるから、被測定物表面の位置を高精度に検出することができる。
加えて、第１前側レンズを光のコリメートに利用し、残る第２前側レンズおよび第３前側レンズを光学系の結像による収差を補正するために使用できる。これにより、レーザ光の口径を大きくしても、レンズ表面からのレーザ光や照明光のフレアを低減できる。また、レーザ光の口径を大きくすると、フォーカス位置の検出精度が向上するため、より高精度な測定を実現できる。

本発明の画像測定機において、前記非接触位置測定手段によって測定される前記被測定物表面の位置が、前記テレセントリック光学系の焦点深度内でかつ焦点深度から外れる近傍位置に達したことを判定する焦点深度判定手段と、この焦点深度判定手段によって、前記被測定物表面の位置が、前記テレセントリック光学系の焦点深度から外れる近傍位置に達したことが判定されたときに、前記被測定物表面の位置が前記テレセントリック光学系の焦点深度略中央位置にくるように、前記相対移動機構を動作させて前記テーブルと前記テレセントリック光学系とを前記光軸方向に相対移動させる焦点深度調整指令手段と、を備えることが好ましい。

通常のテレセントリック光学系を搭載した画像測定機により、上下方向にうねり（起伏）がある被測定物を測定する際、図７に示すように、テレセントリック光学系を一定の高さ位置で被測定物に沿って移動（図７（ａ）〜（ｃ））させていくと、被測定物の表面位置がテレセントリック光学系の焦点深度から外れる場合（図７（ｃ）の場合）がある。このような場合、被測定物を測定することができないため、測定を一旦中断し、テレセントリック光学系を被測定物の表面に対して上下させて、被測定物の表面がテレセントリック光学系の焦点深度内に入るように調整したのち、測定作業を再開しなければならない。

本発明によれば、上下方向にうねり（起伏）がある被測定物を測定する際、図３に示すように、焦点深度判定手段によって、被測定物表面の位置が、テレセントリック光学系の焦点深度内でかつ焦点深度から外れる近傍位置（判定設定値HSU,HSD）に達したことが判定されると、焦点深度調整指令手段によって、被測定物表面位置がテレセントリック光学系の焦点深度略中央位置にくるように、相対移動機構が動作されてテーブルとテレセントリック光学系とが光軸方向に相対移動される。
従って、被測定物表面位置が、常に、テレセントリック光学系の焦点深度内に保たれた状態に維持されるから、連続した測定を実現することができる。

本発明の画像測定機において、前記第１前側レンズは単レンズまたは貼り合わせレンズにより構成されていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る画像測定機を示す模式図。本発明の第２実施形態に係る画像測定機を示す模式図。同上第２実施形態に係る画像測定機を用いた連続測定例を示す図。本発明の第３実施形態に係る画像測定機を示す模式図。テレセントリック光学系を示す模式図。非テレセントリック光学系およびテレセントリック光学系の特徴を示す図。テレセントリック光学系で被測定物を測定したときの問題点を示す図。

＜第１実施形態（図１参照）＞
第１実施形態の画像測定機は、図１に示すように、被測定物Ｗを載置したテーブル１と、このテーブル１の真上に配置された撮像光学部１０、非接触位置測定手段としてのオートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０と、テーブル１と撮像光学部１０、オートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０とを三次元方向、つまり、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）および上下方向（Ｚ軸方向）へ相対移動させる相対移動機構５０と、撮像光学部１０で撮像された画像およびオートフォーカスレーザ変位計部２０によって得られた被測定物表面の高さ（Ｚ軸方向）情報から被測定物の三次元形状を求める形状演算部６０とを含んで構成されている。

撮像光学部１０は、テレセントリック光学系１１と、このテレセントリック光学系１１によって結像された被測定物の画像を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ１５とを含んで構成されている。
テレセントリック光学系１１は、前側レンズ１２と、この前側レンズ１２の後側焦点位置に前側焦点位置が一致するように配置された後側レンズ１３と、前側レンズ１２の後側焦点位置と後側レンズ１３の前側焦点位置とが一致する位置に配置されたテレセントリック絞り１４とを含んで構成されている。ここでは、前側レンズ１２と後側レンズ１３との間が平行光束となっている。前側レンズ１２および後側レンズ１３は、単レンズでもよいが、複数枚のレンズによって構成するのが好ましい。
ＣＣＤカメラ１５は、後側レンズ１３の後側焦点位置（結像位置）に配置されている。

オートフォーカスレーザ変位計部２０は、レーザ光を用いて、テレセントリック光学系１１の光軸上における被測定物表面の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置を非接触で測定するもので、ここでは、ダブルピンホール法のオートフォーカスレーザ変位計によって構成されている。
具体的には、レーザ光源２１と、このレーザ光源２１から出射されたレーザ光をテレセントリック光学系１１の前側レンズ１２を通して被測定物に照射するレーザ光照射光学系２２と、被測定物の表面で反射したレーザ光を処理して前側レンズ１２の焦点位置に対する被測定物表面のずれ量を検出するずれ量検出部３１と、このずれ量検出部３１によって検出されたずれ量がなくなるように、相対移動機構５０を動作させる相対移動指令手段としてのサーボ回路３７と、光軸方向におけるテーブル１とテレセントリック光学系１１との相対移動量を検出する位置検出手段３８とを備える。

レーザ光源２１としては、赤色の半導体レーザが用いられている。
レーザ光照射光学系２２は、レーザ光源２１から出射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズ２３と、このコリメータレンズ２３からの平行光を反射しテレセントリック光学系１１の光軸に直交して入射させる２つのビームスプリッタ２４，２５と、テレセントリック光学系１１の前側レンズ１２とテレセントリック絞り１４との間に配置されビームスプリッタ２５からのレーザ光を前側レンズ１２に向けて反射させるビームスプリッタ２６とを含んで構成されている。

ずれ量検出部３１は、被測定物で反射されかつビームスプリッタ２４を透過した反射光を結像する結像レンズ３２と、この結像レンズ３２を透過した光を分割するビームスプリッタ３３と、このビームスプリッタ３３により分割された各反射光の合焦位置よりも前および後にそれぞれ配置された２つのピンホール３４Ａ，３４Ｂと、各ピンホール３４Ａ，３４Ｂを通過した反射光の光量をそれぞれ検出するホトダイオードなどの受光素子３５Ａ，３５Ｂと、この各受光素子３５Ａ，３５Ｂからの出力を基に前側レンズ１２の前側焦点位置と被測定物表面とのずれ量を検出するずれ量検出回路３６とから構成されている。

サーボ回路３７は、ずれ量検出回路３６によって検出されたずれ量がゼロになるように、相対移動機構５０を動作させる。ここでは、撮像光学部１０、オートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０を一体的にＺ軸方向へ移動させる。
位置検出手段３８は、撮像光学部１０にＺ軸方向に沿って設けられたスケール３８Ａと、このスケール３８Ａに対向し静止側（画像測定機の固定側部材など）に固定された検出ヘッド３８Ｂとを含んで構成されている。位置検出方式は、光電式、静電容量式、磁気式など、公知の方法を利用できる。

照明光学部４０は、照明光源４１と、この照明光源４１からの光を平行光とするコリメータレンズ４２と、このコリメータレンズ４２を透過した照明光を反射しビームスプリッタ２５を透過させてビームスプリッタ２６に入射させるミラー４３とを含んで構成されている。

相対移動機構５０は、図示省略したが、例えば、テーブル１を前後方向（Ｙ軸方向）へ移動させるＹ軸移動機構と、テーブル１を跨いで設けられた門形フレームと、この門形フレームの水平ビームに左右方向（Ｘ軸方向）へスライド可能に設けられたスライダと、このスライダに上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられ下端に撮像光学部１０、オートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０を搭載（支持）した昇降部材とから構成されている。

形状演算部６０は、撮像光学部１０で撮像された画像を画像処理して被測定物のＸ，Ｙ軸方向寸法や形状を求めるとともに、オートフォーカスレーザ変位計部２０によって得られた被測定物表面の高さ情報から被測定物のＺ軸方向寸法を求める。つまり、被測定物の三次元形状を求める。

このような構成において、照明光源４１から照明光が出射されると、その照明光は、コリメータレンズ４２、ミラー４３、ビームスプリッタ２５，２６、前側レンズ１２を経て、被測定物に照射される。被測定物表面で反射した反射光は、テレセントリック光学系１１を経てＣＣＤカメラ１５で撮像される。従って、被測定物の画像がテレセントリック光学系１１で結像され、それがＣＣＤカメラ１５で撮像されるから、テレセントリック光学系１１の特徴を活かすことができる。つまり、段差を有する被定物でも、テレセントリック光学系１１の光軸に対して直交する方向の形状を精度よくかつ広視野測定することができる。

このとき、被測定物の表面にうねりや凹凸がある場合、オートフォーカスレーザ変位計部２０により、テレセントリック光学系１１の前側レンズ１２の前側焦点位置が被測定物の表面に一致するように、撮像光学部１０、オートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０がテーブル１に対して上下方向（Ｚ軸方向）へ変位され、その変位量が位置検出手段３８によって検出される。従って、テレセントリック光学系１１の光軸方向における被測定物の位置も測定することができる。
その結果、通常のテレセントリック光学系の特徴を活かしつつ、その課題を解決し、被測定物の三次元形状測定を実現することができる。

＜第２実施形態（図２および図３参照）＞
第１実施形態では、オートフォーカスレーザ変位計部２０によって、テレセントリック光学系１１の前側レンズ１２の前側焦点位置に被測定物表面が一致するように、撮像光学部１０、オートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０が一体的にテーブル１に対して上下方向（Ｚ軸方向）へ変位され、その変位量が位置検出手段３８によって検出されることによって、被測定物のＺ軸方向の位置データを検出するようにしたが、第２実施形態では、被測定物の表面位置が、テレセントリック光学系１１の焦点深度内でかつ焦点深度から外れる近傍位置に達したときに、被測定物の表面位置がテレセントリック光学系１１の前側レンズ１２の前側焦点位置にくるように、相対移動機構５０を動作させるようにしたものである。

具体的には、図２に示すように、オートフォーカスレーザ変位計部２０において、焦点深度判定手段としての焦点深度判定回路３９が付加されている。
焦点深度判定回路３９は、オートフォーカスレーザ変位計部２０によって測定される被測定物の表面位置が、テレセントリック光学系１１の焦点深度内でかつ焦点深度から外れる近傍位置に達したことを判定する。具体的には、図３に示すように、テレセントリック光学系１１の焦点深度内でかつ焦点深度から外れる近傍位置、つまり、判定設定値HSU,HSDが、焦点深度判定回路３９内に予め設定されている。焦点深度判定回路３９は、ずれ量検出回路３６によって検出されたずれ量と判定設定値HSU,HSDとを比較し、ずれ量が判定設定値HSU,HSDを超えると、そのずれ量に相当するフォーカスエラー信号を焦点深度調整指令手段としてのサーボ回路３７に与える。

サーボ回路３７は、焦点深度判定回路３９からのフォーカスエラー信号に基づいて、相対移動機構５０を動作させてテーブル１とテレセントリック光学系１１とを光軸方向に相対移動させる。つまり、被測定物の表面位置が、テレセントリック光学系１１の前側レンズ１２の前側焦点位置（焦点深度略中央位置）にくるように、テーブル１とテレセントリック光学系１１とを光軸方向に相対移動させる。

第２実施形態によれば、図３に示すように、上下方向にうねり（起伏）がある被測定物を連続測定する際、焦点深度判定回路３９によって、被測定物の表面位置が、テレセントリック光学系１１の焦点深度内でかつ焦点深度から外れる近傍位置（判定設定値HSU,HSD）に達したことが判定されると、サーボ回路３７によって、被測定物の表面位置がテレセントリック光学系１１の焦点深度略中央位置（前側レンズ１２の前側焦点位置）にくるように、相対移動機構５０が動作されてテーブル１とテレセントリック光学系１１とが光軸方向に相対移動される。
従って、被測定物の表面位置が、テレセントリック光学系１１の焦点深度内に保たれた状態に維持されるから、連続して測定することができる。

＜第３実施形態（図４参照）＞
第３実施形態では、図４に示すように、テレセントリック光学系１１の構成が、第１，第２実施形態とは異なる。
第３実施形態のテレセントリック光学系１１は、前側レンズ１２が、物体側より配置された第１前側レンズ１２Ａ、第２前側レンズ１２Ｂ、第３前側レンズ１２Ｃを少なくとも有する構成とされている。ここでは、第１前側レンズ１２Ａと第２前側レンズ１２Ｂとの間、および、第３前側レンズ１２Ｃと後側レンズ１３との間が平行光束になっている。第１前側レンズ１２Ａは、単レンズまたは貼り合わせレンズにより構成されている。また、第１前側レンズ１２Ａおよび第２前側レンズ１２Ｂは、アフォーカル光学系を構成している。

レーザ光照射光学系２２のビームスプリッタ２６は、第１前側レンズ１２Ａと第２前側レンズ１２Ｂとの間に配置されている。従って、第３実施形態のレーザ光照射光学系２２は、コリメータレンズ２３と、ビームスプリッタ２４，２５と、第１前側レンズ１２Ａと第２前側レンズ１２Ｂとの間に配置されビームスプリッタ２５からのレーザ光を第１前側レンズ１２Ａに向けて反射させるビームスプリッタ２６とを含んで構成されている。

第３実施形態によれば、第１前側レンズ１２Ａを光のコリメートに利用し、残る第２前側レンズ１２Ｂおよび第３前側レンズ１２Ｃを光学系の結像による収差を補正するために使用できる。これにより、レーザ光の口径を大きくしても、レンズ表面からのレーザ光や照明光のフレアを低減できる。また、レーザ光の口径を大きくすると、フォーカス位置の検出精度が向上するため、より高精度な測定を実現できる。

＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本考案に含まれる。
前記各実施形態では、レーザ光源２１として赤色半導体レーザを用いたが、赤色半導体レーザの代わりに、不可視レーザを使用すれば、通常の観察画像をさえぎることを防ぐことができる。

前記各実施形態では、非接触位置測定手段として、ダブルピンホール法のオートフォーカスレーザ変位計を用いたが、これに限られない。
例えば、ナイフエッジ法のオートフォーカスレーザ変位計を用いてもよい。
あるいは、レーザ光をビームスプリッタで２つの光に分割し、一方の光を参照ミラーで反射させるとともに、他方の光をテレセントリック光学系の前側レンズ１２を通して被測定物に照射し、この被測定物からの反射光を参照ミラーで反射した参照光と干渉させたのち、検出器で受光させる構造の干渉計（マイケルソン干渉計）などでも利用できる。

前記各実施形態では、テーブル１がＹ軸方向へ、撮像光学部１０、オートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０がＸ軸方向（左右方向）およびＺ軸方向（上下方向）へ移動する構成であったが、これに限られない。要するに、テーブル１と撮像光学部１０、オートフォーカスレーザ変位計部２０および照明光学部４０とが三次元方向へ相対移動する構成であれば、どのような構成でも構わない。

本発明は、刃工具類や機械部品、アッセンブリされた電子部品等、段差を有する被測定物の三次元形状測定に利用できる。

１…テーブル、
１０…撮像光学部、
１１…テレセントリック光学系、
１２…前側レンズ、
１２Ａ…第１前側レンズ、
１２Ｂ…第２前側レンズ、
１２Ｃ…第３前側レンズ、
１３…後側レンズ、
１４…テレセントリック絞り、
１５…ＣＣＤカメラ（撮像手段）、
２０…オートフォーカスレーザ変位計部（非接触位置測定手段）、
２１…レーザ光源、
２２…レーザ光照射光学系、
３１…ずれ量検出部、
３６…ずれ量検出回路、
３７…サーボ回路（相対移動指令手段、焦点深度調整指令手段）、
３９…焦点深度判定手段、
５０…相対移動機構。

Claims

被測定物を載置したテーブルと撮像光学部とを相対移動機構により相対移動させるとともに、前記撮像光学部によって撮像した前記被測定物の画像から前記被測定物の形状を測定する画像測定機において、
前記撮像光学部は、前側レンズ、後側レンズおよびテレセントリック絞りを有するテレセントリック光学系と、このテレセントリック光学系によって結像された前記被測定物の画像を撮像する撮像手段とを含んで構成され、
レーザ光を用いて、前記テレセントリック光学系の光軸上における前記被測定物表面の前記光軸方向の位置を非接触で測定する非接触位置測定手段を備え、
前記非接触位置測定手段は、レーザ光源と、このレーザ光源から出射されたレーザ光を前記テレセントリック光学系の前側レンズを通して前記被測定物に照射するレーザ光照射光学系と、前記被測定物表面で反射したレーザ光を処理して前記前側レンズの焦点位置に対する前記被測定物表面のずれ量を検出するずれ量検出部と、このずれ量検出部によって検出されたずれ量がなくなるように、前記相対移動機構を動作させる相対移動指令手段と、前記光軸方向における前記テーブルと前記テレセントリック光学系との相対移動量を検出する位置検出手段と、を備え、
前記前側レンズは、物体側より配置された第１前側レンズ、第２前側レンズ、第３前側レンズを有し、
前記第１前側レンズおよび第２前側レンズはアフォーカル光学系を構成し、
前記レーザ光照射光学系は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズと、前記コリメータレンズからのレーザ光を前記第１前側レンズに向けて反射させるビームスプリッタとを含んで構成され、
前記テレセントリック絞りは、前記第３前側レンズの後側焦点位置と前記後側レンズの前側焦点位置とが一致する位置に配置され、
前記ビームスプリッタは、前記第１前側レンズの後側焦点位置と前記第２前側レンズの前側焦点位置とが一致する位置に配置されていることを特徴とする画像測定機。
請求項１に記載の画像測定機において、
前記非接触位置測定手段によって測定される前記被測定物表面の位置が、前記テレセントリック光学系の焦点深度内でかつ焦点深度から外れる近傍位置に達したことを判定する焦点深度判定手段と、
この焦点深度判定手段によって、前記被測定物表面の位置が、前記テレセントリック光学系の焦点深度から外れる近傍位置に達したことが判定されたときに、前記被測定物表面の位置が前記テレセントリック光学系の焦点深度略中央位置にくるように、前記相対移動機構を動作させて前記テーブルと前記テレセントリック光学系とを前記光軸方向に相対移動させる焦点深度調整指令手段と、を備えることを特徴とする画像測定機。
請求項１または請求項２に記載の画像測定機において、
前記第１前側レンズは単レンズまたは貼り合わせレンズにより構成されている、ことを特徴とする画像測定機。