| 【発明の名称】 |
画像計測装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】中村 泰三
【氏名】岡部 憲嗣
【氏名】松宮 貞行
【氏名】門脇 聰一
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| 【要約】 |
【課題】高精度な画像計測が可能な画像計測装置を提供する。
【解決手段】テーブルに載置された測定対象物Ｗの画像を取り込む画像計測ヘッドを備える。画像計測ヘッドは、レーザ光源２１と、ＣＣＤカメラ２７と、光源からの光を平行光として測定対象物に照射するコリメータレンズ２４と、このコリメータレンズと測定対象物との間でコリメータレンズの光軸に対して平行に配置された参照ミラー２６と、コリメータレンズと測定対象物との間に配置され前記平行光を測定対象物の測定面への測定光と前記参照ミラーへの参照光とに分けるとともに、これらからの反射光を前記コリメータレンズを介して前記ＣＣＤカメラ２７へ導くビームスプリッタ２５とを有する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 測定対象物を載置するテーブルと、このテーブルに載置された測定対象物の画像を取り込む画像計測ヘッドと、前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段によって前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させながら、前記画像計測ヘッドから取り込んだ画像情報および前記相対移動手段による相対移動量を基に測定対象物の形状や座標を計測する画像計測装置であって、前記画像計測ヘッドは、光源と、観察光学系と、前記光源からの光を前記測定対象物の測定面および参照面に導くとともに、これらからの反射光を前記観察光学系へ導くビームスプリッタとを有する干渉計によって構成されていることを特徴とする画像計測装置。
【請求項２】 測定対象物を載置するテーブルと、このテーブルに載置された測定対象物の画像を取り込む画像計測ヘッドと、前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段によって前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させながら、前記画像計測ヘッドから取り込んだ画像情報および前記相対移動手段による相対移動量を基に測定対象物の形状や座標を計測する画像計測装置であって、前記画像計測ヘッドは、光源と、観察光学系と、前記光源からの光を平行光として測定対象物の測定面に照射するコリメータレンズと、このコリメータレンズと測定対象物との間でコリメータレンズの光軸に対して直交して配置された参照ミラーと、前記コリメータレンズと測定対象物との間に配置され前記平行光を測定対象物の測定面への測定光と前記参照ミラーへの参照光とに分けるとともに、これらからの反射光を前記コリメータレンズを介して前記観察光学系へ導くビームスプリッタとを有する干渉計によって構成されていることを特徴とする画像計測装置。
【請求項３】 請求項２に記載の画像計測装置において、前記ビームスプリッタによって分光された参照光の光路側には、シャッタが設けられていることを特徴とする画像計測装置。
【請求項４】 請求項２または請求項３に記載の画像計測装置において、前記ビームスプリッタによって分光された参照光の光路側には、光量減衰フィルタが交換可能に設けられていることを特徴とする画像計測装置。
【請求項５】 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の画像計測装置において、前記画像計測ヘッドには、前記測定対象物の測定面に対して前記干渉計のピントを合わせるためのフォーカス検出手段が設けられていることを特徴とする画像計測装置。
【請求項６】 請求項５に記載の画像計測装置において、前記フォーカス検出手段は、パターン画像を干渉計の一部の光学素子を通して前記測定対象物の測定面に投影するパターン投影手段によって構成されていることを特徴とする画像計測装置。
【請求項７】 請求項５に記載の画像計測装置において、前記フォーカス検出手段は、干渉縞観測位置と共役な位置に対応する測定対象物の中央に斜めに光ビームを照射する光ビーム照射手段によって構成されていることを特徴とする画像計測装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象物を載置するテーブルと画像計測ヘッドとを相対移動させながら、画像計測ヘッドから取り込んだ画像情報および相対移動量を基に測定対象物の形状や座標を計測する画像計測装置に関する。詳しくは、画像計測ヘッドを干渉計によって構成した画像計測装置に関する。
【０００２】
【背景技術】従来の画像計測装置として、測定対象物を載置するテーブルと、このテーブルに載置された測定対象物の画像を取り込む画像計測ヘッドと、前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させる相対移動手段と、前記テーブルおよび画像計測ヘッドの相対移動量を検出する変位検出手段とを備えた画像計測装置が知られている。この画像計測装置では、相対移動手段によってテーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させながら、画像計測ヘッドから測定対象物の画像を取り込み、この取り込んだ画像情報から測定対象物のエッジ像を検出し、これと変位検出手段によって検出された相対移動量を基に測定対象物の形状や座標を求める。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の画像測定装置において、測定対象物の大きな範囲を計測するには低倍率の画像計測ヘッドが用いられる。しかし、低倍率の画像計測ヘッドでは、高さ方向（Ｚ軸方向）の計測に使う画像によるフォーカス検出精度が平面方向（ＸＹ軸方向）の検出精度に比べて低いため、高精度な計測が行えないという問題がある。
【０００４】本発明の目的は、このような従来の問題を解消し、高精度な画像計測が可能な画像計測装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の画像計測装置は、上記目的を達成するために、次の構成を採用している。請求項１に記載の画像計測装置は、測定対象物を載置するテーブルと、このテーブルに載置された測定対象物の画像を取り込む画像計測ヘッドと、前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段によって前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させながら、前記画像計測ヘッドから取り込んだ画像情報および前記相対移動手段による相対移動量を基に測定対象物の形状や座標を計測する画像計測装置であって、前記画像計測ヘッドは、光源と、観察光学系と、前記光源からの光を前記測定対象物の測定面および参照面に導くとともに、これらからの反射光を前記観察光学系へ導くビームスプリッタとを有する干渉計によって構成されていることを特徴とする。この構成によれば、画像計測ヘッドがトワイマン・グリーン型、あるいは、フィゾー型干渉計によって構成され、高さ方向（Ｚ軸方向）の検出精度が高いから、寸法計測と同時に微小形状計測を高精度に行うことができる。
【０００６】請求項２に記載の画像計測装置は、測定対象物を載置するテーブルと、このテーブルに載置された測定対象物の画像を取り込む画像計測ヘッドと、前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記相対移動手段によって前記テーブルおよび画像計測ヘッドを相対移動させながら、前記画像計測ヘッドから取り込んだ画像情報および前記相対移動手段による相対移動量を基に測定対象物の形状や座標を計測する画像計測装置であって、前記画像計測ヘッドは、光源と、観察光学系と、前記光源からの光を平行光として測定対象物の測定面に照射するコリメータレンズと、このコリメータレンズと測定対象物との間でコリメータレンズの光軸に対して直交して配置された参照ミラーと、前記コリメータレンズと測定対象物との間に配置され前記平行光を測定対象物の測定面への測定光と前記参照ミラーへの参照光とに分けるとともに、これらからの反射光を前記コリメータレンズを介して前記観察光学系へ導くビームスプリッタとを有する干渉計によって構成されていることを特徴とする。この構成によれば、コリメータレンズが結像レンズを兼用しているから、部品点数の削減およびコンパクト化が達成できる。とくに、干渉計がトワイマン・グリーン型であるから、光の種別を問わず使いやすい。ちなみに、白色光では、参照光の光路と測定光の光路とを等距離にする必要があるため、フィゾー型では使い難い。
【０００７】請求項３に記載の画像計測装置は、請求項２に記載の画像計測装置において、前記ビームスプリッタによって分光された参照光の光路側には、シャッタが設けられていることを特徴とする。この構成によれば、シャッタによって参照光の光路側を遮断すれば、測定対象物を観察する場合に干渉縞が発生しなくなるため、観察しやすい。
【０００８】請求項４に記載の画像計測装置は、請求項２または請求項３に記載の画像計測装置において、前記ビームスプリッタによって分光された参照光の光路側には、光量減衰フィルタが交換可能に設けられていることを特徴とする。この構成によれば、光量減衰フィルタを交換することにより、測定対象物に合わせて、光量を略一定にすることができる。つまり、測定光と参照光の光量を同じにすれば、干渉縞のコントラストは高くなるが、反射率の高い測定対象物に合わせて参照ミラーの反射率を決めると、低反射率の測定対象物ではコントラストが落ちる。そこで、光量減衰フィルタの交換によって、測定対象物が変わっても光量を略一定にすることができるから、干渉縞のコントラストが低下するのを防止できる。
【０００９】請求項５に記載の画像計測装置は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の画像計測装置において、前記画像計測ヘッドには、前記測定対象物の測定面に対して前記干渉計のピントを合わせるためのフォーカス検出手段が設けられていることを特徴とする。この構成によれば、フォーカス検出手段によって、測定対象物に対して干渉計のピントを合わせることができるから、ピント合わせを容易にかつ正確に行うことができる。
【００１０】請求項６に記載の画像計測装置は、請求項５に記載の画像計測装置において、前記フォーカス検出手段は、パターン画像を前記干渉計の一部の光学素子を通して前記測定対象物に投影するパターン投影手段によって構成されていることを特徴とする。この構成によれば、パターン画像が測定対象物の測定面に投影されるから、そのパターン像を観察光学系によって取り込み、コントラストが最大となるように、テーブルと画像計測ヘッドを相対移動（接近または離間する方向へ移動）させれば、簡単にピント合わせを行うことができる。
【００１１】請求項７に記載の画像計測装置は、請求項５に記載の画像計測装置において、前記フォーカス検出手段は、干渉縞観測位置と共役な位置に対応する測定対象物の中央に斜めに光ビームを照射する光ビーム照射手段によって構成されていることを特徴とする。この構成によれば、測定対象物の中央に斜めに光ビームを照射されるから、測定対象物の測定面からピントがずれると、光ビームも画面からずれるので、この光ビームの位置が画面の中央になるようにテーブルと画像計測ヘッドを相対移動（接近または離間する方向へ移動）させれば、簡単にピント合わせを行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）図１は第１実施形態の画像計測装置を示す斜視図である。同図に示すように、第１実施形態の画像計測装置は、測定対象物Ｗを載置するテーブル１と、このテーブル１に載置された測定対象物Ｗの画像を取り込む画像計測ヘッド２と、前記テーブル１および画像計測ヘッド２を三次元方向へ相対移動させる相対移動手段１０と、この相対移動手段１０による前記テーブル１および画像計測ヘッド２の相対移動量を検出する変位検出手段（図示省略）とを備え、前記画像計測ヘッド２から取り込んだ画像情報および前記変位検出手段によって検出された相対移動量Ｗを基に測定対象物の形状や座標を計測する。
【００１３】前記相対移動手段１０は、前記テーブル１を前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に支持したベース１１と、このベース１１の両側に立設された門形フレーム１２と、この門形フレーム１２の水平ビーム１２Ａに左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に支持されたＸスライダ１３と、このＸスライダ１３に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に支持されかつ下端に前記画像計測ヘッド２を有するＹスライダ１４とから構成されている。つまり、相対移動手段１０は、テーブル１および画像計測ヘッド２を三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ相対移動可能に支持している。
【００１４】前記画像計測ヘッド２は、トワイマン・グリーン型干渉計２０によって構成されている。干渉計２０は、図２に示すように、レーザ光源２１と、前記レーザ光源２１から光ファイバ２２を介して光が照射される位置に配置されたビームスプリッタ２３と、このビームスプリッタ２３で反射された光を平行光として測定対象物Ｗの測定面に照射するコリメータレンズ２４と、このコリメータレンズ２４と同軸上でコリメータレンズ２４を挟んで測定対象物Ｗとは反対側に配置された観察光学系としてのＣＣＤカメラ２７と、前記コリメータレンズ２４と測定対象物Ｗとの間でコリメータレンズ２４の光軸に対して直交して配置された参照ミラー２６と、前記コリメータレンズ２４と測定対象物Ｗとの間に配置され前記平行光を測定対象物Ｗの測定面への測定光と前記参照ミラー２６への参照光とに分けるとともに、これらからの反射光を前記コリメータレンズ２４を介して前記ＣＣＤカメラ２７へ導くビームスプリッタ２５とを含んで構成されている。
【００１５】前記ビームスプリッタ２５によって分光された参照光の光路側には、ビームスプリッタ２５側から、シャッタ３１、光量減衰フィルタ３２および位相可変くさびガラス３３が順次配設されている。シャッタ３１は、測定対象物Ｗを観察する場合に干渉縞を発生させないために配置されている。光量減衰フィルタ３２は、測定対象物Ｗに合わせて、光量を略一定にするために交換可能に挿入されている。つまり、測定光と参照光の光量を同じにすれば、干渉縞のコントラストは高くなるが、反射率の高い測定対象物Ｗに合わせて参照ミラー２６の反射率を決めると、低反射率の測定対象物Ｗではコントラストが落ちる。そこで、低反射率の測定対象物Ｗを考慮して、光量（測定光の反射光と参照光の反射光の光量）が略一定になるように光量減衰フィルタ３２が交換可能に挿入されている。位相可変くさびガラス３３は、干渉縞解析にあたって、位相シフト法を用いる場合に、参照光の光路を変える手段として用いられる。なお、干渉縞解析には、位相シフト法に限らず、フーリエ変換法を用いてもよい。
【００１６】このような構成において、測定対象物Ｗの形状や座標を求めるには、シャッタ３１を閉じた状態において、ＣＣＤカメラ２７で撮影された画像を見ながら、相対移動手段１０によってテーブル１と画像計測ヘッド２とを三次元方向へ相対移動させ、測定対象物Ｗの測定面をＣＣＤカメラ２７の撮影位置まで移動させる。つまり、測定対象物Ｗの測定面の画像が取り込まれる位置まで、テーブル１と画像計測ヘッド２とをＸおよびＹ軸方向へ相対移動させるとともに、画像のピントが合うように、テーブル１と画像計測ヘッド２とをＺ軸方向へ相対移動させる。
【００１７】ここで、干渉縞による観察を行うには、シャッタ３１を開く。すると、レーザ光源２１から光ファイバ２２を介して出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ２３で反射され、続いて、コリメータレンズ２４によって平行光とされたのち、ビームスプリッタ２５によって測定光と参照光とに分けられる。測定光は、そのまま測定対象物Ｗに照射されたのち、測定対象物Ｗで反射される。一方、参照光は、光量減衰フィルタ３２および位相可変くさびガラス３３を透過したのち、参照ミラー２６で反射され、再び、位相可変くさびガラス３３および光量減衰フィルタ３２を透過して測定光と干渉される。
【００１８】その結果、測定光と参照光との干渉によって生じた干渉縞は、コリメータレンズ２４およびビームスプリッタ２３を介してＣＣＤカメラ２７に取り込まれる。従って、ＣＣＤカメラ２７に取り込まれた干渉縞を解析すれば、測定対象物Ｗの凹凸を高精度に測定することができる。
【００１９】第１実施形態によれば、画像計測ヘッド２が、レーザ光源２１と、ＣＣＤカメラ２７と、レーザ光源２１からの光を測定対象物Ｗの測定面および参照ミラー２６に導くとともに、これらからの反射光をＣＣＤカメラ２７へ導くビームスプリッタ２５とを有する干渉計２０によって構成したので、つまり、高さ方向（Ｚ軸方向）の検出精度が高い干渉計２０を用いて構成したので、寸法計測と同時に微小形状計測を高精度に行うことができる。
【００２０】しかも、干渉計２０は、コリメータレンズ２４が結像レンズを兼用している構造であるから、部品点数の削減およびコンパクト化が達成できる。とくに、干渉計がトワイマン・グリーン型であるから、光の種別を問わず使いやすい。ちなみに、白色光では、参照光の光路と測定光の光路とを等距離にする必要があるため、フィゾー型では使い難い。
【００２１】また、ビームスプリッタ２５によって分光された参照光の光路側にシャッタ３１を配置したので、シャッタ３１によって参照光の光路側を遮断すれば、測定対象物Ｗを観察する場合に干渉縞が発生しなくなるため、観察しやすい。
【００２２】また、ビームスプリッタ２５によって分光された参照光の光路側に、さらに、光量減衰フィルタ３２を設けたので、この光量減衰フィルタ３２を交換することにより、測定対象物Ｗに合わせて光量を略一定にすることができる。つまり、測定光と参照光の光量を同じにすれば、干渉縞のコントラストは高くなるが、反射率の高い測定対象物Ｗに合わせて参照ミラー２６の反射率を決めると、低反射率の測定対象物Ｗではコントラストが落ちる。そこで、光量減衰フィルタ３２の交換によって、測定対象物Ｗに合わせて光量を略一定にすることができるから、干渉縞のコントラストが低下するのを防止できる。
【００２３】さらに、参照光路側に位相可変くさびガラス３３を設けたので、この位相可変くさびガラス３３をスライドさせることによって、とくに、白色光の場合に位相を容易に合わすことができる。しかも、この位相可変くさびガラス３３によって干渉縞解析を行うようにしたので、たとえば、参照ミラー２６を移動させる場合に比べ、参照ミラー２６の倒れの影響も少なくできる。
【００２４】（第２実施形態）図３は第２実施形態の画像計測ヘッドを示す図である。なお、以下の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。第２実施形態では、第１実施形態の画像計測ヘッド２に、測定対象物Ｗの測定面に対して干渉計２０のピントを合わせるためのフォーカス検出手段４０が付加されている。
【００２５】フォーカス検出手段４０は、パターン画像を前記ビームスプリッタ２３，２５およびコリメータレンズ２４を通して測定対象物Ｗの測定面に投影するパターン投影手段５０によって構成されている。具体的には、前記ビームスプリッタ２３とＣＣＤカメラ２７との間に配置されたビームスプリッタ５１と、レーザ光源５２と、このレーザ光源５２からのレーザ光を導く光ファイバ５３と、この光ファイバ５３からの光を集光するレンズ５４と、このレンズ５４と前記ビームスプリッタ５１との間に配置されたパターン５５とを有するパターン投影手段５０によって構成されている。
【００２６】この第２実施形態によれば、第１実施形態で述べた効果に加え、測定対象物Ｗに対して干渉計２０のピントを合わせることができるから、ピント合わせを容易にかつ正確に行うことができる。とくに、パターン５５の画像をコリメータレンズ２４を通して測定対象物Ｗに投影するようにしたから、そのパターン像をＣＣＤカメラ２７によって取り込み、コントラストが最大となるように、テーブル１と画像計測ヘッド２を相対移動（接近または離間する方向へ移動）させればよい。従って、簡単にピント合わせを行うことができる。
【００２７】なお、フォーカス検出手段４０としては、第２実施形態で述べたパターン投影手段５０の構成に限らず、他の構成でもよい。たとえば、図４に示すように、フォーカス検出手段４０を、干渉縞観測位置と共役な位置に対応する測定対象物Ｗの中央に斜めに光ビームを照射する光ビーム照射手段６０によって構成してもよい。具体的には、前記ビームスプリッタ２３とＣＣＤカメラ２７との間に配置されたビームスプリッタ６１と、レーザ光源６２と、このレーザ光源６２からの光を集光して前記ビームスプリッタ６１に入射させるレンズ６３とを有する光ビーム照射手段６０によって構成されている。
【００２８】この構成によれば、測定対象物Ｗの中央に斜めに光ビームを照射されるから、測定対象物Ｗの測定面からピントがずれると、光ビームも画面からずれるので、この光ビームの位置が画面の中央になるようにテーブル１と画像計測ヘッド２を相対移動（接近または離間する方向へ移動）させれば、簡単にピント合わせを行うことができる。
【００２９】また、上記各実施形態では、テーブル１と画像計測ヘッド２と相対移動させる相対移動手段１０として、ベース１１と、門形フレーム１２と、Ｘスライダ１３と、Ｙスライダ１４とから構成したが、これに限られない。たとえば、ＸおよびＹ軸方向へ移動可能なＸＹテーブルの上にＸ軸方向へ昇降可能なテーブルを配置し、この上に前記テーブル１を配置してテーブル１を三次元方向へ移動可能に構成してもよい。あるいは、テーブル１を固定し、画像計測ヘッド２を三次元方向へ移動可能に構成してもよい。この際、これらの相対移動を自動で行ってもよく、あるいは、手動で行ってもよい。
【００３０】また、テーブル１と画像計測ヘッド２との相対移動量を検出する相対変位検出手段としては、光電式変位検出手段、静電容量式変位検出手段、あるいは、磁気式変位検出手段など、いずれの方式でもよい。また、上記実施形態では、トワイマン・グリーン型の干渉計２０を用いたが、フィゾー型の干渉計でもよい。
【００３１】
【発明の効果】本発明の画像計測装置によれば、画像計測ヘッドを干渉計によって構成したので、高精度な画像計測が可能で、寸法計測と同時に微小形状計測を高精度に行うことができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１３７６９４
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２１日（１９９９．１２．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７９０８３
【弁理士】
【氏名又は名称】木下 實三 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１７４２３４（Ｐ２００１−１７４２３４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２９日（２００１．６．２９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３６２６４０ |
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