JPH10185534A - 形状測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】透明体の形状測定において、表面の反射と裏面
の反射があっても形状を精度よく計測できる形状測定装
置を提供する。 【解決手段】透明体４の形状を測定するための形状測定
装置であって、透明体４に光を照射するための光源１
と、光源１からの光を所定のパターン形状に成形するた
めのスリット２と、スリット２を通過した光を集光する
ためのレンズ３と、レンズ３を透過して透明体４の表面
で反射した光と透明体４の裏面で反射した光の少なくと
も一方を撮像するテレビカメラ６と、テレビカメラ６で
得られた画像を画像処理する画像処理装置９とを具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラスチックやガラ
スなどの透明な材料やそれを用いた製品の形状を求める
形状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、成形やレーザ加工などの製造技術
が向上し、サブミクロンの形状精度で様々な形状の樹脂
製品の量産が可能になった。そのため加工した製品の形
状評価に必要な測定精度も上がってきている。従来この
ような微少な形状の測定には、顕微鏡で拡大投影し、画
像処理で形状を測定する寸法測定機を用いるのが一般的
であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の寸法測定器の光学系では、一般的に、照明として
同軸落射照明やファイバー照明を用いる。図７に示す同
軸落射照明３４での照明光は測定対象の表面でも反射光
があるし、裏面からの反射光もある。これでは透明体の
形状測定で、測定対象の表面での反射光と裏面での反射
光が重なった画像が得られてしまうため、表面の形状を
測定したいときには裏面の反射光の不均一が測定誤差の
要因になり、逆に裏面の形状を測定したいときには表面
の反射光の不均一が誤差として重畳されてしまうという
問題点があった。

【０００４】そこで本発明は、上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、透明体の形状測定にお
いて、表面の反射と裏面の反射があっても形状を精度よ
く計測できるとともに、測定対象の表面と裏面を同時に
計測できる形状測定装置及び方法を提供することであ
る。

【０００５】また、本発明の他の目的は、表面での反射
光と、裏面での反射光の分離を容易にすることにより、
裏面の形状測定精度を向上させることができる形状測定
装置及び方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明に係わる形状測定装置
は、透明体の形状を測定するための形状測定装置であっ
て、前記透明体に光を照射するための光源と、該光源か
らの光を所定のパターン形状に成形するための遮光手段
と、該遮光手段を通過した光を集光するための光学系
と、該光学系を透過して前記透明体の表面で反射した光
と前記透明体の裏面で反射した光の少なくとも一方を撮
像するテレビカメラと、該テレビカメラで得られた画像
を画像処理する画像処理手段とを具備することを特徴と
している。

【０００７】また、この発明に係わる形状測定装置にお
いて、前記遮光手段を通過した光が前記透明体の表面に
対して所定の角度をもって入射するように、前記光源の
位置と前記遮光手段の位置が設定されていることを特徴
としている。

【０００８】また、この発明に係わる形状測定装置にお
いて、前記遮光手段は、前記光学系の焦点と共役な位置
に配置されていることを特徴としている。

【０００９】また、この発明に係わる形状測定装置にお
いて、前記透明体は、前記光学系の焦点位置近傍に前記
表面と前記裏面とが位置するように配置されることを特
徴としている。

【００１０】また、この発明に係わる形状測定装置にお
いて、前記光学系の被写界深度は、前記透明体の表面と
裏面の間隔よりも深く設定されていることを特徴として
いる。

【００１１】また、この発明に係わる形状測定装置にお
いて、前記遮光手段は、スリット状の開口を有する遮光
板であることを特徴としている。

【００１２】また、この発明に係わる形状測定装置にお
いて、前記遮光手段は、ナイフエッジであることを特徴
としている。

【００１３】また、この発明に係わる形状測定装置にお
いて、前記透明体を前記光学系に対して移動させる移動
手段を更に具備することを特徴としている。

【００１４】また、本発明に係わる形状測定方法は、透
明体の形状を測定するための形状測定方法であって、光
源から照射された光を遮光手段により所定のパターン形
状に成形し、該成形された光を光学系により集光させて
前記透明体に照射し、前記透明体の表面で反射された光
と前記透明体の裏面で反射された光のうちの少なくとも
一方をテレビカメラで撮像し、該テレビカメラで得られ
た画像を画像処理することにより前記透明体の形状を測
定することを特徴としている。

【００１５】また、この発明に係わる形状測定方法にお
いて、前記遮光手段を通過した光が前記透明体の表面に
対して所定の角度をもって入射するように、前記光源の
位置と前記遮光手段の位置を設定することを特徴として
いる。

【００１６】また、この発明に係わる形状測定方法にお
いて、前記遮光手段を前記光学系の焦点と共役な位置に
配置することを特徴としている。

【００１７】また、この発明に係わる形状測定方法にお
いて、前記透明体を、前記光学系の焦点位置近傍に前記
表面と前記裏面とが位置するように配置することを特徴
としている。

【００１８】また、この発明に係わる形状測定方法にお
いて、前記光学系の被写界深度を、前記透明体の表面と
裏面の間隔よりも深く設定することを特徴としている。

【００１９】また、この発明に係わる形状測定方法にお
いて、前記遮光手段に、スリット状の開口を有する遮光
板を用いることを特徴とする請求項９に記載の形状測定
方法。

【００２０】また、この発明に係わる形状測定方法にお
いて、前記遮光手段に、ナイフエッジを用いることを特
徴としている。

【００２１】また、この発明に係わる形状測定方法にお
いて、前記透明体を前記光学系に対して移動させること
により前記透明体の形状を連続的に測定することを特徴
としている。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００２３】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わる形状測定装置の構成を示すブロック
図である。

【００２４】図１において１は光源であるところのラン
プ、２は光源１からの光を縦長形状に成形するスリッ
ト、３はスリット２を透過した光を集光させる光学レン
ズ、４は測定すべき透明試料、５は投影光の正反射方向
に光軸を設定した結像用光学レンズ、６はレンズ５によ
って結像された像を撮影するテレビカメラ、７は試料４
を矢印Ｂ方向に移動するステージ、８はテレビカメラ６
からのテレビ信号をデジタル化するＡＤ変換装置、９は
ＡＤ変換装置８が出力するデジタルデータから試料４の
形状を求める画像処理装置、１０は画像処理装置９から
の測定結果を出力する表示装置、１１は画像処理装置９
で処理された画像を目視する画像モニタである。

【００２５】図１においてスリット２を集光用のレンズ
３の焦点と共役な位置に配置し、スリット２の像を測定
対象４に投影する。このときの正反射像をテレビカメラ
６で撮像する。なお、レンズ３には、測定対象４の表面
と裏面の間隔に比べ、十分な深さの被写界深度をもつも
のを用いる。測定対象４が透明体であることから、反射
光は図２のように表面反射光１２と裏面反射光１３とに
別れる。照明光が角度αで入射した場合、正反射光（表
面反射光）は同じく角度αで反射するが、表面で屈折し
た光線は、屈折率ｎの透明体４の内部に進み、スネルの
法則にしたがって、 ｎ・ｓｉｎβ＝ｓｉｎα の関係が成り立つ角度βで屈折する。この光線は厚みｄ
の透明体４の裏面で反射し、再び表面で屈折し、裏面で
の反射光となる。このとき、表面で反射した光線と、裏
面で反射した光線とには図２のようにずれが生じる。そ
のずれ量ｘは、 ｘ＝２ｄ・ｃｏｓα・ｔａｎβ で表わされる。このときのテレビカメラ６の画像は図３
のようになる。表面からの反射光１２１と裏面からの反
射光１３１は、上記のずれ量ｘだけずれた位置にスリッ
ト光の像を生じさせる。このとき表面反射光と裏面反射
光が分離できるように、言い換えれば、表面反射光の像
１２１の幅と裏面反射光の像１３１の幅に比較してずれ
量ｘが十分大きくなるように、測定対象４の厚みｄに対
して照明光の入射角を上記の式にしたがって設定する。
角度を大きくすればずれ量ｘは大きくなる。また、スリ
ット２の幅を十分小さくし、像１２１と１３１の幅が大
きくならないようにしておく。こうすることにより、透
明体の裏面測定において、表面からの反射光と裏面から
の反射光を分離して検出することができるので、コント
ラストの高い映像信号が得られる。また、表面反射の不
均一によらず裏面からの反射光のみを安定して捉えるこ
とが可能となる。

【００２６】ここで測定対象４の裏面の連続している部
分が図１のように手前側にしかない場合、その根元部分
５０の矢印Ｂ方向に沿った形状を測定する場合を考え
る。このとき裏面からの反射光を撮像すると、図３のよ
うに裏面からの反射光の像１３１が途中（根元部分５０
の位置）で途切れる。このとき裏面の反射光の輝線Ａに
そって輝度をグラフ表示すると図４のようになる。この
波形から所定の閾値で２値化しエッジ位置を求めること
により、裏面のエッジ位置（根元部分５０の位置）が精
度よく測定できる。このエッジ位置測定をステージ７を
矢印Ｂ方向に移動させながら連続して行うことにより、
透明体裏面のエッジ（根元部分５０）の形状を精度よく
測定できる。

【００２７】また同様に表面の形状を測定したい場合に
は、裏面の反射光ではなく、表面からの反射光に対し、
同様に表面反射光の像１２１のエッジ位置を求める処理
を行えばよい。この場合、例えば図１に示す測定対象４
の５２で示すエッジの形状が測定できる。

【００２８】次に、測定対象４の形状とそのエッジ位置
の検出の仕方についてもう少し詳しく説明する。

【００２９】図５（ａ）は測定対象４の側面図であり、
図５（ｂ）は図５（ａ）を右側から見た正面図であり、
図５（ｃ）は図５（ａ）を下側から見た下面図である。
図５において、エッジ位置５０は、本来直線状である
が、成形による製造誤差により、図５（ｃ）のように反
りを有している。この反りは実際上は極めて小さい量で
あるが、図５ではそれを強調して示している。本実施形
態では、このエッジ位置５０の反りの形状を測定する。

【００３０】図６のように測定したい部分にスリット光
が当たるように投影光を入射させる。このとき既に述べ
たように、測定対象４の表面と裏面で光が反射される。
斜めの入射光であることから、表面での反射位置と裏面
での反射位置がずれ、受光側のテレビカメラ６で測定対
象４を見た場合に、スリット光が反射されている部分
が、表面からの反射光と裏面からの反射光の２本の明る
いラインとして見える。そして測定対象４の裏面は、エ
ッジ位置５０までしかないので、裏面からの反射光は途
中で途切れたラインとなる。これが、図１の１１及び図
３のように映ることとなる。

【００３１】図３のスリットの画像において、スリット
像１３１が、裏面からの反射光を撮像したものである
が、スリット像１３１の終端部分の位置が測定対象４の
エッジ位置５０を表わしている。まず、全画像の水平方
向の光の強度分布を見ると、図７のようにスリット像１
２１,１３１のある２ヶ所の位置で光強度が大きくなる
データが得られる。この光強度が所定の閾値より大きい
か小さいかで２値化判定する。処理は、水平方向の１番
目の画素から５１２番目の画素に向かって１画素ずつ処
理を繰り返す。１番目の画素からスタートし、注目して
いる画素の左隣の画素の光強度が閾値より小さく、注目
している画素の光強度が閾値より大きいとき、スリット
像の左検出点としてメモリ上のテーブルに登録する。次
に、注目している画素の光強度が閾値より大きく、注目
している画素の右隣の画素の光強度が閾値より小さいと
き、スリット像の右検出点としてメモリ上のテーブルに
登録する。図３のようにスリット光の像が画面に２本あ
る場合は、メモリ上にこのスリット像の左検出点と右検
出点の組が２組できる。そして裏面からの反射光は右側
に存在することが本実施形態の装置の構成上予め分かっ
ているので、２組の左検出点と右検出点のうち、２つめ
の組を用い、左検出点と右検出点の中央の位置がスリッ
ト光の裏面での反射像の中心位置Ａであると判定する。

【００３２】次に、スリット像の中心位置Ａに沿って、
画面の垂直方向に各画素の光強度の分布を調べると、図
４に示すようなデータが得られる。エッジ位置は、この
画素の光強度を所定の閾値で２値化して求める。垂直方
向に１番目の画素から４８０番目の画素に向かって処理
を繰り返し、画素の光強度が所定の閾値を越えた場合、
その画素の位置をエッジ位置とする。

【００３３】このようにして１枚の画像につき１点のエ
ッジ位置が求められる。

【００３４】次に、上記のエッジ位置測定を図１に示す
ステージ７をステップ送りしながら測定対象４の全長に
わたってくり返し測定することにより、測定対象４の図
５に示す反り形状のデータをサンプリングすることが出
来る。

【００３５】なお、上記の説明では裏面のスリット光反
射像だけを画像処理するように説明したが、表面のスリ
ット光反射像に対しても同様のエッジ測定を行なうこと
により、表裏同時にエッジ形状を測定することが出来
る。

【００３６】例えば、測定対象が図８のような形状の場
合、同図に示す範囲でスリット光を照射すれば、図９の
ような反射パターンが得られる。この画像から表面のエ
ッジと裏面のエッジを同時に測定することが出来る。

【００３７】（第２の実施形態）図１０は第２の実施形
態の形状測定装置の構成を示すブロック図であり、第１
の実施形態と同一機能部分には同一符号を付してある。

【００３８】図１０において１は光源であるところのラ
ンプ、２１は光源１の片側の光をカットしたパタンを投
影するナイフエッジ、３はパタン光を集光する光学レン
ズ、４は測定すべき透明試料、５は投影光の正反射方向
に光軸を設定した結像用レンズ、６は結像用レンズ５に
よって結像された像を撮影するテレビカメラ、７は試料
４を矢印Ｃ方向に移動するステージ、８はテレビカメラ
６からのテレビ信号をデジタル化するＡＤ変換装置、９
はＡＤ変換装置８が出力するデジタルデータから試料の
形状を求める画像処理装置、７０は画像処理装置９から
の測定結果を出力する表示装置、１１は画像処理装置９
で処理された画像を目視する画像モニタである。

【００３９】図１０においてナイフエッジ２１を集光用
のレンズ３の焦点と共役な位置に配置し、ナイフエッジ
像を測定対象４に投影する。このとき表面反射光と裏面
反射光は第１の実施形態で述べたようにずれて反射して
くる。ナイフエッジ２１は表面反射光のうち、裏面反射
光に近い側に反射する光線をカットする側に設置する。
反射光を受光するテレビカメラ６は、裏面反射光のみが
結像用光学レンズ５に入射する位置に設定する。

【００４０】このようにすれば、透明な測定対象４の表
面で反射した光線はテレビカメラ６に入射せず、裏面か
らの反射光のみが受光できる。その結果得られる画像は
図１１のようになる。図１０で透明体４の裏面のエッジ
部４１は、図１１ではエッジ像４１１として捉えること
ができる。この画像を所定の閾値で２値化し、エッジ像
の形状を求めることができる。

【００４１】この場合も、表面からの反射光線による裏
面画像の劣化がないことから、精度よく裏面の形状を求
めることができる。

【００４２】また同様に表面の形状を測定したい場合に
は、ナイフエッジの位置を光軸に対して反対側にして裏
面反射光をカットし、表面からの反射光を受光する位置
にテレビカメラを設置すればよい。このとき得られる画
像に対し、同様に形状を求める画像処理を行うことで、
裏面の影響に左右されずに精度よく表面の形状を測定す
ることができる。

【００４３】なお、本発明はその主旨を逸脱しない範囲
で、上記実施形態を修正又は変形したものに適用可能で
ある。

【００４４】例えば、上記の実施形態では、テレビカメ
ラ６に用いる撮像素子の画素数を水平方向５１２画素、
垂直方向４８０画素としたが、これ以外の画素数の撮像
素子を用いてもよいことは言うまでもない。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
形状測定装置において、表面の反射と裏面の反射があっ
ても形状を精度よく計測することができ、測定対象の表
面と裏面を同時に計測することが出来る。

【００４６】また、表面での反射光と、裏面での反射光
の分離を容易にすることにより、裏面の形状測定精度を
向上させることができる。

【００４７】

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の形状測定装置の構成を示す図
である。。

【図２】照明光が透明体の表面と裏面で反射される様子
を示す図である。

【図３】スリット光の表面反射像と裏面反射像を示した
図である。

【図４】輝度の分布からエッジ位置を求める方法を説明
するための図である。

【図５】測定対象の形状を示す図である。

【図６】測定対象へのスリット光の投影状態を示す図で
ある。

【図７】表面反射光の像と裏面反射光の像の輝度分布を
示す図である。

【図８】他の例の測定対象の形状を示す図である。

【図９】図８に示す測定対象にスリット光を照射したと
きの反射像を示す図である。

【図１０】第２の実施形態の形状測定装置の構成を示す
図である。

【図１１】第２の実施形態の装置で得られる画像の説明
図である。

【図１２】従来の装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ ランプ ２ スリット ３ 光学レンズ ４ 測定対象 ５ 結像レンズ ６ テレビカメラ ７ ステージ ８ Ａ／Ｄ変換装置 ９ 画像処理装置 １０ 表示装置 １１ 画像モニタ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明体の形状を測定するための形状測定
   装置であって、 前記透明体に光を照射するための光源と、 該光源からの光を所定のパターン形状に成形するための
   遮光手段と、 該遮光手段を通過した光を集光するための光学系と、 該光学系を透過して前記透明体の表面で反射した光と前
   記透明体の裏面で反射した光の少なくとも一方を撮像す
   るテレビカメラと、 該テレビカメラで得られた画像を画像処理する画像処理
   手段とを具備することを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記遮光手段を通過した光が前記透明体
   の表面に対して所定の角度をもって入射するように、前
   記光源の位置と前記遮光手段の位置が設定されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記遮光手段は、前記光学系の焦点と共
   役な位置に配置されていることを特徴とする請求項１に
   記載の形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記透明体は、前記光学系の焦点位置近
   傍に前記表面と前記裏面とが位置するように配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
5. 【請求項５】 前記光学系の被写界深度は、前記透明体
   の表面と裏面の間隔よりも深く設定されていることを特
   徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記遮光手段は、スリット状の開口を有
   する遮光板であることを特徴とする請求項１に記載の形
   状測定装置。
7. 【請求項７】 前記遮光手段は、ナイフエッジであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
8. 【請求項８】 前記透明体を前記光学系に対して移動さ
   せる移動手段を更に具備することを特徴とする請求項１
   に記載の形状測定装置。
9. 【請求項９】 透明体の形状を測定するための形状測定
   方法であって、 光源から照射された光を遮光手段により所定のパターン
   形状に成形し、該成形された光を光学系により集光させ
   て前記透明体に照射し、前記透明体の表面で反射された
   光と前記透明体の裏面で反射された光のうちの少なくと
   も一方をテレビカメラで撮像し、該テレビカメラで得ら
   れた画像を画像処理することにより前記透明体の形状を
   測定することを特徴とする形状測定方法。
10. 【請求項１０】 前記遮光手段を通過した光が前記透明
    体の表面に対して所定の角度をもって入射するように、
    前記光源の位置と前記遮光手段の位置を設定することを
    特徴とする請求項９に記載の形状測定方法。
11. 【請求項１１】 前記遮光手段を前記光学系の焦点と共
    役な位置に配置することを特徴とする請求項９に記載の
    形状測定方法。
12. 【請求項１２】 前記透明体を、前記光学系の焦点位置
    近傍に前記表面と前記裏面とが位置するように配置する
    ことを特徴とする請求項９に記載の形状測定方法。
13. 【請求項１３】 前記光学系の被写界深度を、前記透明
    体の表面と裏面の間隔よりも深く設定することを特徴と
    する請求項１２に記載の形状測定方法。
14. 【請求項１４】 前記遮光手段に、スリット状の開口を
    有する遮光板を用いることを特徴とする請求項９に記載
    の形状測定方法。
15. 【請求項１５】 前記遮光手段に、ナイフエッジを用い
    ることを特徴とする請求項９に記載の形状測定方法。
16. 【請求項１６】 前記透明体を前記光学系に対して移動
    させることにより前記透明体の形状を連続的に測定する
    ことを特徴とする請求項９に記載の形状測定方法。