JP6362058B2

JP6362058B2 - 被検物の計測装置および物品の製造方法

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Publication number: JP6362058B2
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Inventors: 卓典植村
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Description

本発明は、被検物を測定して、被検物の寸法、公差や角度などの形状情報を算出する計
測装置および物品の製造方法に関する。

被検物の寸法を計測する装置のひとつに画像計測装置がある。画像計測装置は被検物を撮像して被検物の画像を取得し、画像の強度変化データから被検物のエッジ（縁、端）を検出し、検出した複数のエッジの間の距離を算出することによって、被検物の寸法を計測する。被検物全体の画像の強度変化データからエッジを検出する方法では、被検物の面取り部の内側や表面テクスチャ（表面凹凸）をエッジであると誤検出する可能性がある。このため、画像の強度変化データからエッジの検出を行う範囲（エッジ検出範囲）を真のエッジ周辺の狭い範囲に設定することによって、誤検出の可能性を低くすることができる。従来の計測装置では、被検物のエッジを正確に検出するために、エッジであると思われる部分を作業者が画像から判断し、エッジ検出範囲を手動で設定する必要があった。

そこで、このような作業者の手間を少なくするために、特許文献１乃至２の方法が提案されている。特許文献１では、被検物全体の２次元画像を２値化して輪郭線（仮エッジ）を抽出し、輪郭線の周辺にエッジ検出範囲を自動で設定して、その範囲内でより正確にエッジの位置を検出する計測装置が提案されている。特許文献２では、被検物の３次元測定を行い、被検物の３次元点群データから被検物のエッジを抽出する計測装置が提案されている。

特開２０１２−４２３２４号公報特許第４４００８９４号公報

先に述べたように、画像全体の強度変化データからエッジを検出する方法ではエッジ以外の部分をエッジとして誤検出する可能性がある。そのため、特許文献１に記載の方法では、被検物に表面テクスチャがある場合に被検物全体の２次元画像を２値化しても、表面テクスチャの部分で輪郭線（仮エッジ）の誤検出の可能性があり、その後のエッジ検出範囲の設定を正しくできない。

また、特許文献２に記載の方法では、３次元データを用いるため、表面テクスチャがエッジ検出に及ぼす影響は小さい。しかし、３次元点群データのデータ量と計測時間にトレードオフの関係があるため、実用上は高解像度（高密度）の３次元点群データを取得することは困難である。仮に高解像度の３次元点群データが得られたとしても、膨大な３次元点群データについて画像処理を実行するには長時間を要するからである。一方、低解像度の３次元点群データを取得した場合には精度が低くなり、高精度にエッジの位置を検出することができなかった。

そこで本発明は、被検物のエッジを高精度に検出することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一側面としての計測装置は、被検物を計測する計測装置であって、前記被検物を撮像する撮像素子と、前記被検物からの光を前記撮像素子へ導く光学系とを用いて、前記被検物の第１画像を取得する２次元測定部と、前記被検物へ光を投影し、前記被検物で反射された光を前記光学系によって撮像素子へ導いて検出される第２画像から前記被検物の３次元データを取得する３次元測定部と、前記３次元データを用いて前記被検物の仮エッジを検出し、検出された仮エッジを前記第１画像に重ね合わせることにより前記第１画像におけるエッジ検出範囲を設定し、前記第１画像を用いて前記エッジ検出範囲において前記被検物のエッジを検出することにより前記被検物の形状情報を算出する算出部とを有しており、前記第１画像は前記３次元データより解像度が高いことを特徴とする。

本発明によれば、被検物のエッジを高精度に検出することができる。

第１実施形態における計測装置の概略図である。算出部１４０による算出プロセスを示したフロー図である。測定データ、算出データおよびエッジ検出範囲を示す図である。第２実施形態における計測装置の概略図である。第３実施形態における計測装置の概略図である。第４実施形態における計測装置の概略図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態における被検物１７０を計測する計測装置１０の概略図である。計測装置１０は、被検物１７０の３次元測定を行い、高さ（ｚ）データと縦横（ｘ、ｙ）の２次元データとを含む３次元データを出力する３次元測定部１２０を有する。計測装置１０の３次元測定部１２０は光切断法の原理を利用する測定ユニットである。３次元測定部１２０は、ライン状に被検物１７０を照明するライン照明ユニット１０１、撮像部（光検出部）１０２と算出部１０８で構成される。ライン照明ユニット１０１によりライン状に被検物１７０を照明し、被検物１７０の形状によって生じた照明ラインの歪みを撮像部１０２で測定して、算出部１０８が、測定データから被検物１７０の３次元形状を算出する。

ライン照明ユニット１０１は不図示のガルバノミラーによってライン状の照明位置を走査できるようになっており、これによって、逐次的に被検物１７０全体とその周辺を照明することが可能となっている。また、被検物１７０を支える搭載台１０６は不図示の回転ステージによって回転可能となっている。回転ステージによって、被検物１７０をライン照明ユニット１０１および撮像部１０２に対して相対的に回転させて、逐次的に撮像部１０２で画像を取得する。これによって、全ての方位から被検物１７０を測定することができる。撮像部１０２によって撮像された画像のデータは算出部１０８へ送信される。算出部１０８は、送信された画像を用いて演算処理する演算部を有する。演算部は、取得した画像からラインの歪み量を算出し、ライン照明ユニット１０１と撮像部１０２の配置に関する既知の情報を用いて、被検物１７０の３次元点群データを算出する。３次元点群データは、被検物１７０の高さ（図１のｚ方向）のデータと縦横（ｘ、ｙ方向）の２次元データとを含む。

計測装置１０は、ｘ、ｙ方向において被検物１７０の２次元測定を行い、ｘ、ｙ方向の２次元画像データを出力する２次元測定部１３０を有する。２次元測定部１３０は、インコヒーレント光源１０３、光学系１０４、撮像部１１０を有する。

インコヒーレント光源１０３は複数の光源素子から構成されており、複数の光源素子は、被検物１７０が配置される場所を囲むようにリング状に配置されている。各光源素子は個別に点灯を制御することができ、これによって所望の方向から被検物１７０を照明することが可能である。

インコヒーレント光源１０３から被検物１７０に照明された光は、被検物１７０によって反射または散乱され、光学系１０４によって集光される。光学系１０４によって被検物１７０と撮像部１１０の受光面は共役関係で結ばれており、撮像部１１０は被検物１７０を撮像して被検物１７０の２次元画像データを出力する。２次元画像データは、被検物１７０やその周辺からの光が投影された撮像部１１０の撮影面における光強度分布を数値で表したデータである。２次元画像データはモノクロデータであってもカラーデータであってもよい。光学系１０４はレンズ１０４ａとレンズ１０４ｂ、レンズ１０４ａとレンズ１０４ｂの間に配置された虹彩絞り１０５を有する。そのため、虹彩絞り１０５の開口径を変えることで、光学系１０４の解像力を調整可能となっている。横方向（ｘ、ｙ方向）の寸法測定精度は撮像部１１０の解像度に依存するため、撮像部１１０の画素数は多い方が望ましい。撮像部１１０によって出力された２次元画像のデータは算出部１４０へ送信される。

３次元点群データと２次元画像データとの解像度の差に制約はないが、３次元点群データの解像度が高いと演算処理の時間が長くなるため、３次元点群データの解像度をなるべく低くして、より高い精度でのエッジの検出には２次元画像を用いる方が望ましい。また、３次元測定において、予め想定されるエッジ周辺領域では解像度を相対的に高くして測定し、エッジから離れた領域では解像度を相対的に低くして測定しても構わない。ここで、解像度（密度）は、単位長さ（例えば１インチ）の中に画素やピクセルデータがどのくらい並ぶかで表現され、例えばｐｐｉ（ｐｉｘｅｌｓｐｅｒｉｎｃｈ）という単位で表される。

計測装置１０は、３次元点群データと２次元画像データを用いて被検物１７０のエッジ位置を高精度に自動で計測し、計測したエッジ位置から被検物１７０の寸法、公差や角度などの形状情報を算出する算出部（算出装置）１４０を有する。図２および図３を用いてこの算出プロセスを説明する。図２は算出部１４０による算出プロセスを示したフロー図である。算出プロセスはＳ１０１乃至Ｓ１０９のステップから成る。図３は、測定データ、この算出プロセスを適用して得られた算出データおよびエッジ検出範囲を示した図である。

算出部１４０の取得部は、まず３次元測定部１２０から出力された被検物１７０の３次元点群データを取得する（Ｓ１０１）。図３（ａ）に、形状が直方体の被検物について測定して得られた３次元点群データ１８１を示す。被検物の各点における３次元測定データは黒または灰色で示されている。点線は見易さの観点から補助的に示した被検物のエッジである。この点線のデータは３次元点群データには含まれていない。本実施形態の計測装置１０の場合、被検物１７０を撮像部１０２に対して相対的に回転させることにより、被検物１７０の４つの側面についても３次元点群データが得られる構成となっている。なお、被検物の側面についても３次元点群データがあれば、データ量が増える分、エッジを正確に検出することができる。ただし、被検物の側面についての３次元点群データが必ずしも必要なわけではなく、本発明を適用できる計測装置はこのような条件に限定されるものではない。

算出部１４０では３次元点群データを用いて被検物１７０の仮エッジを検出する（Ｓ１０２）。図３（ｂ）に、図３（ａ）の３次元点群データ１８１から検出された仮エッジ１８２（実線および点線）を示す。３次元点群データ１８１から仮エッジ１８２を検出する方法は任意のアルゴリズムを用いることができる。例えば、３次元点群データの深さ（高さ）と法線の変化に基づいてエッジを検出する方法や、３次元点群データから三角ポリゴンを生成して、隣接するポリゴンの連続性や法線の方向、距離に基づいてエッジを検出する方法が知られている。これらの方法は被検物の深さ（高さ）の情報を用いるため、表面テクスチャの識別が可能であり、表面テクスチャの影響を受けにくく、真のエッジを高精度に検出することが可能である。ただし、３次元点群データ１８１のうち、光学系１０４の光軸と直交する横方向（ｘ、ｙ方向）のデータの密度が２次元画像データよりも低いために、エッジ位置の検出精度は高くはない。そのため、後述のように、２次元画像データを用いてより高い精度でエッジ位置を求める。

次に、算出部１４０は、３次元点群データ１８１から、２次元測定部による測定において最適なフォーカス位置を算出する（Ｓ１０３）。そして、不図示の制御部により、搭載台１０６を保持して移動するＺ軸ステージ１５０をＺ方向に移動することでフォーカス位置を調整する。フォーカス位置は撮像部１１０で被検物１７０のエッジが最も鮮明に撮像されるように決定される。算出部１４０は、３次元点群データ１８１から仮エッジのそれぞれについて、高さの情報を算出する。そして、各仮エッジの高さの情報から、ピントが合うようなフォーカス位置を各仮エッジについて算出する。Ｚ軸ステージ１５０で被検物１７０を最適なフォーカス位置に移動させて撮像部１１０で逐次的に被検物１７０を撮像することにより、それぞれの仮エッジについての鮮明な画像を取得することができる。フォーカス調整部としてＺ軸ステージ１５０を用いたが、光学系１０４の焦点位置を変更することによってフォーカス位置を調整してもよい。このステップは光学系１０４がテレセントリックで焦点深度が広い場合は省略することができる。一方、光学系１０４の解像力を高めるために虹彩絞り１０５の開口径を大きくする場合には、焦点深度が浅くなるので、フォーカスを調整することが望ましい。

次に、算出部１４０の取得部は、撮像部１１０によって撮像された被検物１７０の２次元画像データを取得する（Ｓ１０４）。図３（ｃ）は上述した直方体の被検物についての２次元画像１８３である。２次元画像１８３の光の強弱が色の濃淡で表されている。この被検物は表面に縞状のテクスチャを有しているため、２値化など単純な方法では、縞をエッジと誤検出する可能性がある。

次に、算出部１４０は２次元画像データと３次元点群データとの位置合わせを行う（Ｓ１０５）。予め既知の基準物体を両方の撮像部で撮像するなどして、２つの画像の向きや倍率の対応関係を把握しておき、その対応関係に基づいて位置合わせは実行される。撮像部や光学系を正確にアライメントするなど、ハードウェアによって３次元点群データと２次元画像データとの位置を対応付けられれば、このステップを省略することができる。

次に、２次元画像データと３次元点群データとが位置合わせされた状態において、Ｓ１０２で検出された仮エッジを２次元画像において重ね合わせる（Ｓ１０６）。上述のように、エッジの誤検出の可能性を低減して２次元画像データから真のエッジを高精度に検出するためには、２次元画像におけるエッジ検出範囲（ウィンドウ領域）を設定する必要がある。そのため、次に、２次元画像におけるエッジ検出範囲を設定する。

算出部１４０は、２次元画像データにおいて投影された仮エッジの周辺にエッジ検出範囲が設定されるように、エッジ検出範囲を自動で設定する（Ｓ１０７）。このように、エッジ検出範囲を、仮エッジの周辺の限られた狭い範囲に設定することにより、エッジの誤検出の可能性を低下させ、エッジ位置を高精度に検出する。図３（ｄ）は、直方体の被検物の２次元画像１８３について、重ね合わされた仮エッジ１８４（黒実線）と、その周辺に設定されたエッジ検出範囲１８５（黒点線）を示した図である。

次に、算出部１４０は、設定されたエッジ検出範囲１８５の内部の２次元画像からエッジを検出する（Ｓ１０８）。図３（ｅ）は、直方体の被検物の２次元画像１８３について、検出したエッジ１８６（黒実線）を示した図である。エッジ検出範囲が限定されているため、２次元画像全体においてエッジを検出するよりは、被検物のテクスチャによってエッジを誤検出する可能性が小さくなっている。したがって、計測装置１０は、測定対象とする被検物のエッジの真の位置をより高精度に計測することができる。また、エッジ検出範囲が限定されているため、エッジ検出のための演算時間が短縮されている。

また、被検物に面取り部がある場合には、エッジ検出範囲を面取り部に限って設定することで、面取り部の角面や丸面をより詳細な位置で検出でき、測定対象とする面取り部におけるエッジの真の位置を高精度に特定することができる。

次に、算出部１４０は、２次元画像データを用いて、高精度に計測された複数のエッジの位置から、被検物１７０の寸法、幾何公差、角度、直交度や真円度などの形状情報を算出する（Ｓ１０９）。形状情報は２次元画像データから得られるため、２次元の情報に関する。計測装置１０ではエッジ位置が高精度に計測されているため、被検物１７０の寸法や幾何公差等の値をより正確に求めることができる。

このように、本実施形態の計測装置１０によれば、３次元測定部によって得られた３次元データに含まれる被検物の深さ（高さ）の情報を用いるため、表面テクスチャの影響を受けずに真のエッジを検出でき、エッジの誤検出を防止することができる。さらに、その真のエッジの位置を含む周囲の限定された範囲にエッジ検出範囲を設定することにより、被検物のエッジの位置を高精度に特定することができる。

なお、本実施形態では、インコヒーレント光源１０３によって被検物１７０が照射され、その反射光または散乱光を撮像部１１０によって測定する構成になっているが、本発明はこのような構成には限定されない。例えば、搭載台１０６をガラス板など透明な材質として背後（下側）から被検物１７０を照明し、被検物１７０によって減光または遮光されて形成される影を撮像部１１０で撮像するような構成にしても良い。

また、撮像部には、ＣＣＤなどの撮像素子を用いることもでき、ラインセンサやフォトセンサを用いることもできる。ラインセンサやフォトセンサの場合には、それらを走査することで画像を取得する。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態の計測装置２０の概略図である。第１実施形態と重複する部材については説明を省略する。

計測装置２０の３次元測定部２２０は、撮像部としてＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−ＯＦ−ＦＬＩＧＨＴ：タイム・オブ・フライト）カメラ２１０を有する。ＴＯＦカメラは、光源から射出された光が被検物に到達して、被検物で反射された後、カメラに到達するまでの光の飛行時間（Ｔｉｍｅ−ＯＦ−ＦＬＩＧＨＴ）を測定して距離が算出するタイム・オブ・フライト法を用いるカメラである。

ＴＯＦカメラには、いくつかの方式がある。ＬＥＤなどのパルス光源で被検物を照明し、カメラで光パルスがカメラに到達するまでの時間を測定し、その時間から距離を算出するのが光パルス法である。光強度を正弦波状に変調し、カメラに到達した光の位相の変化をカメラで測定し、位相の変化から距離を算出するのが位相差法である。本実施形態の３次元測定部２２０は光パルス法を用いているが、ＴＯＦカメラの方式は限定されない。

３次元測定部２２０は、パルス光源２０３と、パルス光源２０３およびＴＯＦカメラ２１０を同期するドライバ２０４を有する。パルス光源２０３によって被検物１７０に光パルスが照射され、被検物１７０によって反射および散乱された光パルスが光学系１０４によって集光される。パルス光源２０３は近赤外領域の波長の光パルスを射出するため、近赤外光を透過し、可視光を反射する波長フィルター２１１を設けることで、ＴＯＦカメラ２１０に近赤外光だけを導くことができる。

光学系１０４によって被検物１７０とＴＯＦカメラ２１０は共役関係にある。ＴＯＦカメラ２１０は、被検物１７０によって反射または散乱された光パルスを撮像し、パルスの時間差（出射から到達までの時間）から距離を算出する。ＴＯＦカメラ２１０は、被検物の各位置について算出された距離のデータを、被検物１７０の３次元点群データとして算出部１４０に出力する。

ＴＯＦカメラは複雑なセンサーから構成されているため、現在は高画素化に限界がある。このため、ＴＯＦカメラで取得される３次元点群データは密度が２次元測定部による２次元画像データよりも低いために、エッジ位置の検出精度は高くはない。そのため、後述のように、２次元画像を用いてより高い精度でエッジ位置を求める。

計測装置２０の２次元測定部２３０は、インコヒーレント光源１０３の他に、被検物１７０を背後（下側）から透過照明する照明手段２００を有する。照明手段２００は、照明用の光源２０１と、レンズ２０２ａ、２０２ｂを含むビームエキスパンダー２０２を有する。光源２０１は、例えば緑色や赤色のＬＥＤである。光源２０１から射出された光は、ビームエキスパンダー２０２によってビーム径が拡大され、搭載台２０５を透過して被検物１７０を照明する。搭載台２０５は、ガラスやサファイアなどの透明な材料で製作されているため光を透過する。被検物１７０が遮光性の材料である場合、被検物１７０が光を遮ることによって形成された影は、光学系１０４によって撮像部１１０に結像される。透過照明は、反射照明より高いコントラストの画像が得られるため、特に、被検物の輪郭部の測定に適している。

２次元測定部２３０は、反射照明を実現するために、第１実施形態と同様にインコヒーレント光源１０３も有している。２次元測定部２３０は反射照明と透過照明のいずれかを選択して、切り替えて使用することができる。

２次元測定部２３０の撮像部１１０によって撮像された２次元画像のデータは、算出部１４０へ出力される。算出部１４０は、第１実施形態と同様に、図２の算出フローに従って、３次元点群データと２次元画像データを用いて、被検物のエッジを検出して、被検物の形状情報を算出する。

本実施形態の計測装置によれば、被検物のエッジを高精度に検出することができる。

なお、第２実施形態の計測装置２０の場合、ＴＯＦカメラ２１０と撮像部１１０は、図４の１点鎖線で示す光学系１０４の光軸を通る直線を共有しているため、被検物１７０の側面についての３次元点群データは取得されない。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態の計測装置３０の概略図である。前述の実施形態と重複する部材については説明を省略する。

計測装置３０の３次元測定部は、パターン投影法による測定ユニットである。パターン投影法による測定ユニットは、光のパターンを投影するためのプロジェクタと光検出器などから構成される。既知の光パターンを被検物に投影し、被検物の形状によって生じた光パターンの歪みを光検出器で検出して、検出データから被検物の３次元点群データを算出するのがパターン投影法の原理である。

パターン投影法には、いくつかの方法がある。多数の格子パターンを被検物に投影して多数の画像を取得し、縞を解析することによって３次元点群データを算出するのが、格子パターン投影法である。既知のランダムなパターンを投影して撮像した１枚の画像について、パターンの歪みを解析して３次元点群データを算出するのが、ランダムパターン投影法である。格子パターン投影法の場合、多数の画像を取得する必要があるので、短時間で測定するためには高速撮影が可能なカメラが必要である。しかし、カメラの画素数とフレームレートの間にはトレードオフの関係があるため、測定時間を短くしようとすると、撮像素子の測定に用いる画素数を少なくしなければならない。この場合、取得される３次元点群データの密度は低下する。ランダムパターン投影法では、パターンがある位置のみしか座標データが得られないため、低密度な３次元点群データしか得られない。第３実施形態の計測装置３０はランダムパターン投影法の原理に基づくものだが、パターン投影法の方式は限定されない。

計測装置３０の３次元測定部はプロジェクタ３０１を有する。プロジェクタ３０１は既知のランダムパターンを被検物１７０に投影する。被検物１７０の形状によって歪んだパターンは光学系１０４によって撮像部（光検出器）１１０に結像される。撮像部１１０によって撮像された画像のデータは算出部１４０へ送信される。算出部１４０は、取得した画像データからパターンの歪み量を算出し、既知のランダムパターンの情報を用いて、被検物１７０の３次元点群データを算出する。

計測装置３０は反射照明を実現するために、前述の実施形態と同様にインコヒーレント光源１０３も有している。インコヒーレント光源１０３によって被検物１７０が照明され、被検物１７０によって反射または散乱された光が光学系１０４によって、撮像部１１０に結像される。撮像された２次元画像のデータは算出部１４０へ送信される。算出部１４０は、第１実施形態と同様に、図２の算出フローに従って、３次元点群データと２次元画像データを用いて、被検物のエッジを検出して、被検物の形状情報を算出する。

なお、第３実施形態の計測装置３０の場合、３次元点群データと２次元画像データは同一の撮像部１１０によって得られるため、被検物１７０の側面についての３次元点群データは取得されない。

（第４実施形態）
図６は第４実施形態の計測装置４０の概略図である。前述の実施形態と重複する部材については説明を省略する。

計測装置４０の３次元測定部は周波数走査干渉計を有する。周波数走査干渉計は、コヒーレントな周波数可変光源４０１と、干渉光を生成するための干渉光学系（４０５〜４０９、４１６、４２０）と、干渉光を受光する光検出器４４０などから構成される。光源から射出される周波数を走査しながら、被検光と参照光の干渉光の信号を取得し、干渉信号の位相変化から距離（被検面の位置）を算出するのが、周波数走査干渉計の原理である。

周波数可変光源４０１は、一定の周波数領域で周波数の走査が可能なコヒーレント光源である。周波数可変光源４０１としては、例えば外部共振器を用いた半導体レーザー（ＥＣＤＬ）やフルバンド・チューナブルＤＦＢレーザーを用いることができる。周波数可変光源４０１はデジタル／アナログコンバーター４０２と接続されている。デジタル／アナログコンバーター４０２から周波数可変光源４０１に送られる電流値を調整することによって、光源から射出される光の周波数が制御される。

周波数可変光源４０１から射出された光はビームスプリッタ４０３に導かれる。ビームスプリッタ４０３によって分岐された光の一方は、周波数測定ユニット４０４に導かれる。周波数測定ユニット４０４によって、周波数可変光源４０１から射出される光の周波数を測定することができる。周波数測定ユニット４０４で測定した周波数のデータは制御部４１１に送信される。制御部４１１は、測定される周波数が所定の周波数になるようにデジタル／アナログコンバータ４０２に制御信号を送る。なお、周波数可変光源４０１が高い精度で所定の周波数に設定できるのであれば、周波数測定ユニット４０４を省略することができる。

ビームスプリッタ４０３によって分岐されたもう一方の光は、レンズ４０５乃至４０６によってビーム径が拡大された後、λ／２波長板４０７に導かれる。λ／２波長板４０７は不図示の回転機構によって回転可能である。周波数可変光源４０１からは直線偏光の光が射出される。λ／２波長板４０７の回転角によって、λ／２波長板４０７を透過した光の偏光方向を任意の方向に制御することができる。λ／２波長板４０７の後方には、偏光ビームスプリッタ４０８が配置され、λ／２波長板４０７の回転角によって、偏光ビームスプリッタ４０８による光の分岐比を変えることができる。

偏光ビームスプリッタ４０８に入射した光は、互いに直交する偏光方向を有する参照光４２１および被検光４２２に分岐される。参照光４２１はλ／４波長板４０９ａを通過した後、参照ミラー４１０に導かれる。被検光４２２は、λ／４波長板４０９ｂを通過した後、被検物１７０に導かれる。被検物１７０は搭載台１０６の上に載置されている。

被検物１７０によって、反射または散乱された光は再びλ／４波長板４０９ｂを通過した後、偏光ビームスプリッタ４０８に導かれる。同じように、参照ミラー４１０によって反射された光は再びλ／４波長板４０９ａを通過した後、偏光ビームスプリッタ４０８に導かれる。λ／４波長板を２回通過することで、参照光４２１および被検光４２２の偏光方向は共に９０°回転する。参照光４２１は偏光ビームスプリッタ４０８によって反射され、被検光４２２は偏光ビームスプリッタ４０８を透過することによって、参照光および被検光は共に光学系１０４の方向に導かれる。これによって、参照光４２１および被検光４２２は空間的に重ね合わされる。

ビームスプリッタ４０８によって再び重ね合わされた光はレンズ１０４ａによって集光される。レンズ１０４ａの前側焦点は被検物１７０の測定する表面付近となるように設定することが望ましい。これによって、被検物１７０の表面が撮像部１１０と光検出器４４０にぼけることなく結像される。

レンズ１０４ａの後ろ側焦点付近には、虹彩絞り１０５が配置される。虹彩絞り１０５の開口径の大きさによって光量や被写界深度、干渉光におけるスペックルの大きさを調整することができる。

虹彩絞り１０５を通過した光は、レンズ１０４ｂによって集光され、波長フィルタ４２０によって反射されて、偏光子４１６に導かれる。偏光子４１６の透過軸は、参照光および被検光の偏光方向に対して４５°となるように配置される。これによって、参照光と被検光は干渉し、干渉光が生成される。

参照光および被検光は波長フィルター４２０によって反射され、光検出器４４０に導かれ、光検出器４４０で干渉光の光強度（光量）が測定される。光検出器４４０は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳである。光検出器４４０で測定した干渉光の画像（干渉信号）は算出部１４０に送信される。

周波数の全走査量をΔＦ、光の速度をｃ、干渉信号の位相変化量をΔΦとしたとき、参照面４１０と被検物１７０の光路長差は以下の式（１）で表される。

周波数走査干渉計では、光源から射出される光の周波数を走査して干渉信号を測定し、干渉信号の位相の変化量を算出することで、光路長差を求めることができる。計測装置４０では、周波数可変光源４０１から射出される光の周波数を走査しながら光検出器４４０で複数枚の画像を取得する。取得した画像は算出部１４０に送信され、算出部１４０が干渉信号を解析することによって光路長差を計算する。光検出器４４０はエリアセンサなので、各画素について干渉信号を処理することによって、被検物のＸＹＺ方向の３次元点群データを取得することができる。

周波数走査干渉計では、光路長差の情報を得るために、複数枚の画像を取得する必要がある。画像の取得時間を短縮し、測定に要する時間を短くするためには、高速撮影が可能なカメラを用いることが望ましい。しかし、カメラの画素数とフレームレートの間にはトレードオフの関係があるため、測定時間を短くしようとすると、画素数が少ない撮像素子を用いらざるを得ない。この場合、取得される３次元点群データの密度は低下する。

また、被検物１７０の表面粗さが大きい場合、コヒーレント光を照射するとスペックルが発生する。周波数を走査したとき、スペックルの光強度が小さい部分では位相の相関が低下するため、測定誤差が大きくなる。測定の信頼性が低下するのを避けるため、スペックルの光強度が小さい部分については、３次元点群データからデータを除去することで、測定の信頼性を高められる。しかしこの場合、スペックルの光強度の閾値に応じて、３次元点群データの密度が低下する。

このように、測定時間を短くしたり、スペックルが存在すると高解像度な画像を得ることが困難であり、３次元点群データの密度が２次元画像データよりも低いために、エッジ位置の検出精度は高くはない。そのため、２次元測定部によって測定された２次元画像のデータを用いてより高い精度でエッジ位置を求める。

測定装置４０にもインコヒーレント光源１０３が構成されている。被検物の横方向（ｘ、ｙ方向）の寸法は、インコヒーレント光源１０３からの光を被検物に照射して得られる画像を用いて算出される。インコヒーレント光源１０３は複数の光源素子から構成されており、複数の光源素子はリング状に配置されている。各光源素子は個別に点灯を制御可能であり、これによって所望の方向からの照明を実現している。

インコヒーレント光源１０３と周波数可変光源４０１は、互いに異なる波長の光を射出する。波長フィルター４２０は、インコヒーレント光源１０３からの光を透過し、周波数可変光源４０１からの光を反射するように設計されている。インコヒーレント光源１０３によって照明され、被検物１７０で反射または散乱された光は波長フィルター４２０を透過して撮像部１１０の撮像面に結像される。撮像部１１０は被検物１７０を撮像し、被検物１７０の２次元画像を出力する。被検物の横方向（ｘ、ｙ方向）の寸法計測精度は撮像部１１０の解像度に依存するため、撮像部１１０は高画素数の撮像素子を有することが望ましい。

２次元測定部の撮像部１１０によって撮像された２次元画像のデータは算出部１４０に送信される。算出部１４０は、前述の実施形態と同様に、図２の算出フローに従って、３次元点群データと２次元画像データを用いて、被検物のエッジを検出して、被検物の形状情報を算出する。

なお、第４実施形態の計測装置４０の場合、光検出器４４０と撮像部１１０は、光学系１０４の光軸を通る直線を共有しているため、被検物１７０の側面についての３次元点群データは取得されない。

＜物品の製造方法の実施形態＞
本実施形態における物品の製造方法は、例えば、ギアなどの金属部品や光学素子等の物品を製造するために用いられる。本実施形態の物品の製造方法は、上記の計測装置を用いて、上記物品である被検物の寸法などの形状情報を計測する工程と、かかる工程における計測結果に基づいて被検物を加工する工程とを含む。例えば、被検物の形状を計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて、被検物の形状が設計値など所望の形状になるように当該被検物を加工する。上記計測装置により高精度に被検物の形状を計測できるため、本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、少なくとも物品の加工精度の点で有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims

被検物を計測する計測装置であって、
前記被検物を撮像する撮像素子と、前記被検物からの光を前記撮像素子へ導く光学系とを用いて、前記被検物の第１画像を取得する２次元測定部と、
前記被検物へ光を投影し、前記被検物で反射された光を前記光学系によって撮像素子へ導いて検出される第２画像から前記被検物の３次元データを取得する３次元測定部と、
前記３次元データを用いて前記被検物の仮エッジを検出し、検出された仮エッジを前記第１画像に重ね合わせることにより前記第１画像におけるエッジ検出範囲を設定し、前記第１画像を用いて前記エッジ検出範囲において前記被検物のエッジを検出することにより前記被検物の形状情報を算出する算出部とを有しており、
ここで、前記第１画像は前記３次元データより解像度が高いことを特徴とする計測装置。
前記２次元測定部の撮像素子と前記３次元測定部の撮像素子は同一であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記２次元測定部の撮像素子と前記３次元測定部の撮像素子は異なり、
前記２次元測定部と前記３次元測定部は互いに異なる波長の光を出射し、
波長フィルターによって、前記２次元測定部の波長の光を前記２次元測定部の撮像素子に導き、前記３次元測定部の波長の光を前記３次元測定部の撮像素子に導くことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記３次元測定部は、前記被検物に光のパターンを投影して、前記被検物によって生じた光のパターンの歪みを測定するパターン投影法を用いて前記被検物を測定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の計測装置。
前記算出部は、前記２次元画像データと前記３次元データとを位置合わせした後に、前記被検物の仮エッジを前記２次元画像に重ね合わせることによって、前記２次元画像におけるエッジ検出範囲を設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の計測装置。
前記算出部は、予め得られた前記２次元画像データと前記３次元データとの対応関係に基づいて、前記２次元画像データと前記３次元データとの位置合わせを行うことを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
前記算出部は、前記２次元画像におけるエッジ検出範囲を前記仮エッジを囲むように設定することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の計測装置。
前記２次元測定部による測定におけるフォーカス位置を調整するフォーカス調整部を有し、
前記フォーカス調整部は、前記３次元データを用いて算出されたフォーカス位置を用いて前記フォーカス位置を調整することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の計測装置。
前記被検物の形状情報は、前記被検物の寸法であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の計測装置。
請求項１乃至９に記載の計測装置を用いて物品の形状情報を計測する計測工程と、
前記計測工程による計測結果に基づいて前記物品を加工する工程とを有することを特徴とする物品の製造方法。