特許 6367041 外形寸法測定装置及び外形寸法測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6367041

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】外形寸法測定装置及び外形寸法測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/02 20060101AFI20180723BHJP

   G01B 11/08 20060101ALI20180723BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/02 Z

   G01B11/08 Z

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-159681(P2014-159681)

(22)【出願日】2014年8月5日

(65)【公開番号】特開2016-38213(P2016-38213A)

(43)【公開日】2016年3月22日

【審査請求日】2017年7月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100166545

【弁理士】

【氏名又は名称】折坂 茂樹

(72)【発明者】

【氏名】三木 豊

【審査官】 三好 貴大

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１６３３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３２９４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−０７０５５７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００７−２８５８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７３１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０５５９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００９２２９５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を出射する光源と、
前記光源から出射された光を光軸上に集束する光学系と、
前記光学系により集束した光を反射する反射部と、
前記光学系を通過した光の前記光軸上での集束位置に応じた反射光の強度を検出する検出部と、
測定対象物の前記光学系側の表面である第１面で反射した光について前記検出部で反射光強度のピークを検出した前記光軸上での第１集束位置と、前記反射部で反射して前記測定対象物の前記反射部側の表面である第２面に照射され、前記第２面で反射した光について前記検出部で反射光強度のピークを検出した前記光軸上での第２集束位置と、前記反射部の前記光軸上での位置と、を用いて前記測定対象物の外形寸法を演算する演算部と、
を備えたことを特徴とする外形寸法測定装置。

【請求項2】

前記反射部は、前記光軸と前記反射部との交差位置を中心とした中央領域と、前記中央領域の回りに設けられた周辺領域と、を有し、
前記中央領域の前記光の反射率は、前記周辺領域の前記光の反射率よりも低いことを特徴とする請求項１記載の外形寸法測定装置。

【請求項3】

前記光学系は、前記光軸上において軸上色収差を有し、
前記検出部は、前記光学系の共焦点位置に配置されたピンホールを通過した反射光を波長ごとに分光する分光器と、前記分光器で分光された反射光の強度を検出する受光部と、を有し、
前記演算部は、前記受光部で検出した反射光の波長に対応した前記光軸上での集束位置を演算することを特徴とする請求項１または２に記載の外形寸法測定装置。

【請求項4】

前記光源から出射される光は、広帯域光であることを特徴とする請求項３記載の外形寸法測定装置。

【請求項5】

前記光源は、白色光源であることを特徴とする請求項３または４に記載の外形寸法測定装置。

【請求項6】

前記第１集束位置をＰ１、前記第２集束位置をＰ２、前記反射部の反射表面の前記光軸上での位置をＰ３、前記測定対象物の外形寸法をＤとした場合、前記演算部は、
Ｄ＝Ｐ１−Ｐ２−２（Ｐ３−Ｐ２）
によって前記測定対象物の外形寸法Ｄを演算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の外形寸法測定装置。

【請求項7】

光ファイバの端面のコア部分を前記ピンホールとみなし、前記光ファイバを介して前記反射光を伝達することを特徴とする請求項３記載の外形寸法測定装置。

【請求項8】

光源から出射した光を光学系で光軸上に集束し、測定対象物に直接照射するとともに反射部で反射して照射する工程と、
前記測定対象物の前記光学系側の表面である第１面で反射した光について反射光強度のピークとなる前記光軸上での第１集束位置を検出する工程と、
前記反射部で反射して前記測定対象物の前記反射部側の表面である第２面に照射され、前記第２面で反射した光について反射光強度のピークとなる前記光軸上での第２集束位置を検出する工程と、
前記第１集束位置と、前記第２集束位置と、前記反射部の前記光軸上での位置と、を用いて前記測定対象物の外形寸法を演算する工程と、
を備えたことを特徴とする外形寸法測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外形寸法測定装置及び外形寸法測定方法に関し、特に細い線材の外形寸法を測定するのに適した外形寸法測定装置及び外形寸法測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

非接触で線材等の測定対象物の外形寸法を測定する装置として、レーザスキャン式マイクロメータ、イメージセンサ式マイクロメータ、光切断式２次元形状測定センサなどが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、レーザスキャン式マイクロメータが開示される。このレーザスキャン式マイクロメータは、レーザビームを出力する発光部と、測定領域にてレーザビームを走査する走査部と、測定領域を通過したレーザビームを受光する受光部と、受光信号から測定対象物の寸法を算出するプログラムとを備える。ここでは、走査レーザビームが測定対象物によって遮光されている状態を受光部で検出し、その遮光時間を計測し、時間に速度を乗じて、測定対象物の寸法を算出している。

【0004】

また、特許文献２には、イメージセンサ式マイクロメータが開示される。このイメージセンサ式マイクロメータは、スリット状の平行光を出射する投光器と、寸法測定エリアを通過したスリット状の平行光を受光する受光素子と、受光素子に入射される光のうち測定対象物により遮光される遮光領域を検出する遮光領域検出手段と、遮光領域に基づき測定対象物の寸法を算出する寸法算出手段とを備える。ここでは、測定対象物によってできる影の大きさを受光素子（ＣＣＤ等のイメージセンサ）で検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−１０６８１７号公報

【特許文献2】特許第５５０７８９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来の外形寸法測定装置及び外形寸法測定方法では、例えば、外径１０μｍ未満といった細い線材を測定対象物として外形寸法を測定することは困難である。すなわち、レーザスキャン式マイクロメータでは、スキャンレーザビーム径よりも線材径の方が細くなり、レーザビームは測定対象物によって一部しか遮光されないため、遮光されている状態の検出が困難になる。また、イメージセンサ式マイクロメータでは、測定対象物からの光の回折（回り込み）による影のコントラスト低下、イメージセンサの画素サイズで決まる分解能の制限などにより、遮光領域の検出が困難になる。

【0007】

本発明の目的は、細い線材などの測定対象物の外形寸法を高い精度で測定することができる外形寸法測定装置及び外形寸法測定方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、本発明の外形寸法測定装置は、光を出射する光源と、光源から出射された光を光軸上に集束する光学系と、光学系により集束した光を反射する反射部と、光学系を通過した光の光軸上での集束位置に応じた反射光の強度を検出する検出部と、測定対象物の光学系側の表面である第１面で反射した光について検出部で反射光強度のピークを検出した光軸上での第１集束位置と、反射部で反射して測定対象物の反射部側の表面である第２面に照射され、この第２面で反射した光について検出部で反射光強度のピークを検出した光軸上での第２集束位置と、反射部の光軸上での位置と、を用いて測定対象物の外形寸法を算出する演算部と、を備えたことを特徴とする。

【0009】

このような構成によれば、測定対象物の光学系側の表面である第１面で反射した光と、測定対象物の反射部側の表面である第２面で反射した光とに基づき、第１面及び第２面のそれぞれ位置を検出するため、例えば非常に細い外径を有する測定対象物であっても、その外径の細さによる影響を受けにくい。これにより、演算部は、第１集束位置、第２集束位置及び反射部の位置に基づき測定対象物の外形寸法を高精度に演算することができる。また、第１面で反射した光と、第２面で反射した光とを検出部で検出するため、第１集束位置と第２集束位置とを一度の測定で同時に求めることができる。

【0010】

本発明の外形寸法測定装置において、反射部は、光軸と反射部との交差位置を中心とした中央領域と、中央領域の回りに設けられた周辺領域と、を有し、中央領域の光の反射率が、周辺領域の光の反射率よりも低くなっていてもよい。

【0011】

このような構成によれば、光軸と反射部との交差位置に設けられた中央領域で焦点を結ぶ光の反射光の強度を低くすることができ、第１面で反射した光と、第２面で反射光とを的確に抽出することができる。

【0012】

本発明の外形寸法測定装置において、光学系は、光軸上において軸上色収差を有し、検出部は、光学系の共焦点位置に配置されたピンホールを通過した反射光を波長ごとに分光する分光器と、分光器で分光された反射光の強度を検出する受光部と、を有し、演算部は、検出部で検出した反射光強度のピークに対応した光軸上での集束位置を演算してもよい。このような構成によれば、光学系の軸上色収差を利用して、ピンホールを通過する光の波長における集束位置に基づき、第１集束位置及び第２集束位置を求めることができる。また、第１面で反射した光と、第２面で反射した光とについて、分光器及び受光部で検出する光の波長は比較的離れているため、第１集束位置と第２集束位置とを一度の測定で同時に求めることができる。

【0013】

本発明の外形寸法測定装置において、光源から出射される光は、広帯域光であってもよい。このような構成によれば、広帯域光に含まれる波長の範囲内において測定対象物の外形寸法を測定することができる。

【0014】

本発明の外形寸法測定装置において、光源は、白色光源であってもよい。このような構成によれば、白色光源から出射される白色光に含まれる波長の範囲内において測定対象物の外形寸法を測定することができる。

【0015】

本発明の外形寸法測定装置において、第１集束位置をＰ１、第２集束位置をＰ２、反射部の反射表面の光軸上での位置をＰ３、測定対象物の外形寸法（例えば、外径）をＤとした場合、演算部は、Ｄ＝Ｐ１−Ｐ２−２（Ｐ３−Ｐ２）によって測定対象物の外形寸法Ｄを演算してもよい。このような構成によれば、演算部による演算によって測定対象物の外形寸法Ｄを高精度に演算することができる。

【0016】

本発明の外形寸法測定装置において、光ファイバの端面のコア部分をピンホールとみなし、光ファイバを介して反射光を伝達してもよい。このような構成によれば、光ファイバの端面のコア部分をピンホールとみなして、共焦点であるコア部分に集光した反射光を光ファイバを介して取り込むことができる。

【0017】

本発明の外形寸法測定方法は、光源から出射した光を光学系で光軸上に集束し、測定対象物に直接照射するとともに反射部で反射して照射する工程と、測定対象物の光学系側の表面である第１面で反射した光について反射光強度のピークとなる光軸上での第１集束位置を検出する工程と、測定対象物の反射部側の表面である第２面で反射した光について反射光強度のピークとなる光軸上での第２集束位置を検出する工程と、第１位置と、第２位置と、反射部の光軸上での位置と、を用いて測定対象物の外形寸法を演算する工程と、を備えたことを特徴とする。

【0018】

このような構成によれば、測定対象物の光学系側の表面である第１面で反射した光と、測定対象物の反射部側の表面である第２面で反射した光とに基づき、第１面及び第２面の位置をそれぞれ検出し、その測定ビームスポット径を数μｍ以下にすることができるため、外径１０μｍ以下の細い線材を測定対象物とする場合でも、従来技術において不可避の測定原理に係る問題（遮光状態や遮光領域の検出が困難であること）を回避することができる。これにより、第１集束位置、第２集束位置及び反射部の位置に基づき測定対象物の外形寸法を高い精度で求めることができる。また、第１面で反射した光と、第２面で反射した光とを検出するため、第１集束位置と第２集束位置とを一度の測定で同時に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態に係る外形寸法測定装置を例示する模式図である。

【図2】（ａ）は、第１実施形態に係る外形寸法測定装置の構成を例示するブロック図、（ｂ）は、共焦点で光ファイバが受ける光の波長分布を例示する図である。

【図3】ワーク（測定対象物）及びミラーの検出位置を例示する模式図である。

【図4】外形寸法測定方法の流れを例示するフローチャートである。

【図5】（ａ）は、第２実施形態に係る外形寸法測定装置を例示する模式図、（ｂ）は、共焦点で光ファイバが受ける光の波長分布を例示する図である。

【図6】外形寸法測定方法の流れを例示するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

【0021】

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る外形寸法測定装置を例示する模式図である。
図１に表したように、本実施形態に係る外形寸法測定装置１は、センサヘッド１００と、コンソール２００とを備え、測定対象物であるワークＷの外形寸法を光学的に非接触で測定する装置である。

【0022】

センサヘッド１００とコンソール２００とは光ファイバ４０によって接続される。外形寸法測定装置１は、センサヘッド１００から出射された光の反射光を用いてワークＷの外形寸法を測定する。本実施形態においてワークＷは、センサヘッド１００から出射される光を反射する材料によって形成される。ワークＷは、例えば線材（ワイヤー等）である。

【0023】

ワークＷの下側（ワークＷの、センサヘッド１００とは反対側）には反射部であるミラー３０が設けられる。ミラー３０は平面ミラーである。ミラー３０は、中央領域３１と周辺領域３２とを有する。中央領域３１は、光学系２０の光軸とミラー３０との交差位置を中心とした所定範囲の領域である。中央領域３１は、例えば円形の領域である。

【0024】

周辺領域３２は、中央領域３１の回りに設けられた領域である。中央領域３１の光の反射率は、周辺領域３２の光の反射率よりも低い。本実施形態では、中央領域３１はミラー３０に設けられた孔の領域である。周辺領域３２は、ミラー３０の孔以外の領域である。この構成によって、細い線材から成るワークＷであっても高精度に外径（外形寸法）が測定される。

【0025】

なお、中央領域３１は、孔以外の構成であってもよい。例えば、中央領域３１に光の反射を抑制する色（例えば、黒色）を形成したり、光を拡散させる微小な凹凸を設けたりしてもよい。

【0026】

図２（ａ）は、第１実施形態に係る外形寸法測定装置の構成を例示するブロック図である。
図２（ａ）に表したように、コンソール２００には、光源１０、検出部５０（分光器５１、受光部５２）及び演算部６０が設けられる。また、コンソール２００には、これらのほか、ファイバカプラ４１が設けられる。

【0027】

光源１０から出射される光は広帯域光である。光源１０としては、例えば白色光源（白色ＬＥＤなど）が用いられる。光源１０から出射される光は、ファイバカプラ４１及び光ファイバ４０を介してセンサヘッド１００に伝達される。

【0028】

センサヘッド１００には光学系２０が組み込まれる。光学系２０は、光源１０から出射された光を光軸上に集束させる。光学系２０は、コリメートレンズ２１及び対物レンズ２２を有する。

【0029】

コリメートレンズ２１は、光源１０から出射され光ファイバ４０から放射された光を平行光にする。コリメートレンズ２１は、軸上色収差の小さなレンズである。軸上色収差の小さなコリメートレンズ２１では、対物レンズ２２側からコリメートレンズ２１に向かう光軸に沿った平行光を、波長にかかわらず光軸上の一点（共焦点ＦＰ）に集束させる。なお、コリメートレンズ２１は必要に応じて設けられていればよい。コリメートレンズ２１が設けられていない場合には、光ファイバ４０から放射された光を、そのまま対物レンズ２２に入射すればよい。

【0030】

対物レンズ２２は、コリメートレンズ２１よりもワークＷ側、すなわち、センサヘッド１００の先端側に配置される。対物レンズ２２は、軸上色収差の大きなレンズである。対物レンズ２２は、コリメートレンズ２１で平行にされた光をワークＷ側の光軸上に集束させる。

【0031】

コリメートレンズ２１から対物レンズ２２に入射される平行光は、軸上色収差の大きな対物レンズ２２を通過すると、光の波長に応じて光軸上の異なる位置に焦点を結ぶ。すなわち、対物レンズ２２を通過した光の光軸上の焦点距離は、光の波長に応じて異なっている。対物レンズ２２では、波長が短いほど焦点距離が短く、波長が長いほど焦点距離が長くなる。例えば、青色光、緑色光、赤色光では、焦点距離は、青色光、緑色光、赤色光の順に長くなる。

【0032】

ワークＷの対物レンズ２２とは反対側にはミラー３０が配置される。ミラー３０で反射した光は、ワークＷのミラー３０側の表面に照射される。本実施形態では、ワークＷの外側からミラー３０の周辺領域３２の表面で反射した光がワークＷのミラー３０側の表面に照射される。

【0033】

ワークＷに照射される光のうち、ワークＷの対物レンズ２２側の表面（第１面）で焦点を結ぶ波長成分の光は、ワークＷの第１面で反射して対物レンズ２２を介してコリメートレンズ２１により共焦点ＦＰに集束する。また、ワークＷのミラー３０側の表面（第２面）で焦点を結ぶ波長成分の光は、再度ミラー３０で反射して対物レンズ２２を介してコリメートレンズ２１により共焦点ＦＰに集束する。一方、ワークＷの第１面及び第２面のいずれでも焦点を結ばない大部分の波長成分の光は、共焦点ＦＰに集束せず散逸する。

【0034】

光ファイバ４０は、センサヘッド１００とコンソール２００との間に設けられる。光ファイバ４０のセンサヘッド１００側の端面は、共焦点ＦＰに配置される。光ファイバ４０の端面のコア部分は共焦点ＦＰに配置されたピンホールとみなすことができる。光ファイバ４０は、共焦点ＦＰに配置されたピンホールを通過した反射光を受けてコンソール２００側へ伝達する。

【0035】

光ファイバ４０のコンソール２００側の端面は、ファイバカプラ４１に接続される。光ファイバ４０は、光源１０から出射された光をセンサヘッド１００に伝達し、コリメートレンズ２１に向けて出射する。一方、光ファイバ４０は、ワークＷやミラー３０で反射した光を共焦点ＦＰで受けてコンソール２００に伝達する。

【0036】

コンソール２００のファイバカプラ４１は、一方側に少なくとも２ポート、他方側に少なくとも１ポートを有する。一方側のポートの一つである第１ポートＰＴ１には光源１０が接続され、他の一つである第２ポートＰＴ２には検出部５０の分光器５１が接続される。他方側のポートである第３ポートＰＴ３には光ファイバ４０が接続される。

【0037】

検出部５０は、分光器５１と受光部５２とを有する。分光器５１は、入射された光を波長に応じて分散させる。分光器５１としては、例えば回折格子が用いられる。受光部５２は、光ファイバ４０で伝達された光に基づき共焦点ＦＰに集束した反射光の波長毎の強度を検出する。受光部５２は、例えばイメージセンサを有する。分光器５１で波長に応じて分散された光を受光部５２で検出することにより、受光部５２で検出した位置に基づき共焦点ＦＰに集束した反射光の波長毎の強度を検出することができる。

【0038】

演算部６０は、受光部５２で検出した反射光の波長毎の強度に基づき、反射光強度にピークが生じる波長に対応した高さを演算する。本実施形態では、後述する処理によって、ワークＷの外形寸法を演算する。

【0039】

このような構成を備える本実施形態の外形寸法測定装置１は、クロマティックコンフォーカル式変位計の測定原理と演算部６０での演算処理によってワークＷの外形寸法を高精度に求める。

【0040】

ここで、クロマティックコンフォーカル式変位計の測定原理を説明する。
先ず、光源１０から光を出射して、センサヘッド１００の対物レンズ２２から測定対象物に向けて光を照射する。対物レンズ２２の軸上色収差により、この照射する光は波長によって異なる位置に焦点を結ぶ。測定対象物で反射した光のうち、測定対象物の表面で合焦していない波長の光は、共焦点ＦＰで集束せず、光ファイバ４０にはわずかしか取り込まれない。一方、測定対象物で反射した光のうち、測定対象物の表面で合焦した波長の光は共焦点ＦＰに集束してその多くが光ファイバ４０を介して分光器５１に伝達される。したがって、光ファイバ４０に取り込まれる光は、測定対象物の表面で合焦する波長成分の強度が強く、それ以外の成分の強度は弱いものとなる。

【0041】

分光器５１には、共焦点ＦＰに集束して光ファイバ４０で伝達された光が送られる。分光器５１に送られた光は、波長に応じて分散して受光部５２に到達する。受光部５２では、分光器５１で分散した光の位置毎に受光強度を検出する。受光部５２における光の検出位置は波長毎に決まっているので、特定の検出位置で受光強度にピークが生じた場合には、その検出位置に対応する波長を求めることができる。演算部６０は、このピークが生じた波長での対物レンズ２２の焦点距離に基づいて、測定対象物の表面（反射面）の位置（高さ）を求める。

【0042】

本実施形態に係る外形寸法測定装置１では、光源１０から出射された光を対物レンズ２２からワークＷに照射し、ワークＷの光学系２０側の表面である第１面で反射した光と、ミラー３０で反射してワークＷのミラー３０側の表面である第２面で反射した光と、を共焦点ＦＰで受けて光ファイバ４０で伝達する。そして、第１面で反射した光について受光部５２で反射光強度のピークを検出した光軸上の位置（第１集束位置）と、第２面で反射した光について受光部５２で反射光強度のピークを検出した光軸上の位置（第２集束位置）と、ミラー３０の光軸上の位置と、を用いて演算部６０による演算でワークＷの外形寸法を求める。

【0043】

次に、本実施形態に係る外形寸法測定装置１による外形寸法の測定原理について説明する。
図２（ｂ）には、共焦点ＦＰで光ファイバ４０が受ける光の波長分布を例示する図が表される。本実施形態に係る外形寸法測定装置１では、対物レンズ２２からワークＷに直接照射される光のうち、ワークＷの第１面に集光点を有する波長λ１の光が反射して、共焦点ＦＰから光ファイバ４０に取り込まれる。また、対物レンズ２２からワークＷの方向に照射されミラー３０で反射した光のうち、ワークＷの第２面に集光点を有する波長λ２の光は、第２面で反射し、さらにミラー３０で反射して共焦点ＦＰから光ファイバ４０に取り込まれる。

【0044】

このように、共焦点ＦＰでは、波長λ１の光と、波長λ２の光とが集束して光ファイバ４０に取り込まれる。したがって、光ファイバ４０に取り込まれ伝達される光の波長分布は、波長λ１及び波長λ２の２つのピークを有する。

【0045】

ここで、ミラー３０の光軸との交差位置を中心とした中央領域３１には孔が設けられているため、対物レンズ２２からワークＷの方向に照射され、ミラー３０の光軸との交差位置に集光点を有する波長の光はミラー３０で反射することはない。したがって、光ファイバ４０で取り込まれる光の波長分布として、ミラー３０で反射してワークＷに当たらず共焦点ＦＰまで到達する光は発生しない。

【0046】

もし、ミラー３０で反射してワークＷに当たらず共焦点ＦＰまで到達する光があると、ミラー３０の光反射率は高いため、図２（ｂ）の破線で示すように非常に大きなピークとして現れることになる。本実施形態では、ミラー３０の中央領域３１に孔を設けて周辺領域３２よりも反射率を低くしているため、このような大きなピークを有する波長成分の光は発生せず、波長λ１及び波長λ２の２つのピークの光を的確に検出することができる。

【0047】

演算部６０は、波長λ１及び波長λ２の２つのピークの光に基づき検出した位置と、ミラー３０の位置とを用いたワークＷの外形寸法を演算する。図３には、ワークＷ及びミラー３０の検出位置が表される。対物レンズ２２とミラー３０との間にワークＷを配置した状態で光を照射すると、ワークＷの対物レンズ２２側の表面（第１面Ｆ１）に光が当たる。この光のうち第１面Ｆ１に集光点を有する波長λ１の光を受光部５２で検出し、演算部６０は、受光部５２で検出した位置に基づき波長λ１に対応した第１集束位置Ｐ１を求める。

【0048】

また、ワークＷのミラー３０側の表面（第２面Ｆ２）には、対物レンズ２２から照射されミラー３０で反射した光が当たることになる。この光のうち第２面Ｆ２に集光点を有する波長λ２の光を受光部５２で検出し、演算部６０は、受光部５２で検出した位置に基づき波長λ２に対応した第２集束位置Ｐ２を求める。

【0049】

ここで、演算部６０で求めた第１集束位置Ｐ１は、ワークＷの第１面Ｆ１の実際の高さ方向の位置Ｚ１と等しい。また、演算部６０で求めたミラー３０の表面の位置Ｐ３は、ミラー３０の表面の実際の高さ方向の位置Ｚ３と等しい。

【0050】

しかし、演算部６０で求めた第２集束位置Ｐ２は、ワークＷの第２面Ｆ２の実際の高さ方向の位置Ｚ２とは異なる。すなわち、演算部６０で求めた第２集束位置Ｐ２は、ミラー３０で反射して第２面Ｆ２に当たった光によって求めた位置であることから、ミラー３０で反射しなかったと仮定した場合にミラー３０よりも遠い光軸上で波長λ２の光が集束する位置Ｚ２’と等しくなる。つまり、演算部６０で求めた第２集束位置Ｐ２の値は、実質的に位置Ｚ２’を求めていることになる。

【0051】

このような関係から、ワークＷの第２面Ｆ２の実際の高さ方向の位置Ｚ２と、演算部６０で求めた第２集束位置Ｐ２（すなわち位置Ｚ２’）との差は、ミラー３０の表面の位置Ｐ３と、演算部６０で求めた第２集束位置Ｐ２（すなわち位置Ｚ２’）との距離の２倍になることが分かる。

【0052】

本実施形態において、演算部６０は、演算によって求めた第１集束位置Ｐ１、第２集束位置Ｐ２及び予め求めたミラー３０の表面の位置Ｐ３を用いて、以下の演算式（１）によりワークＷの外形寸法Ｄを求める。
Ｄ＝Ｐ１−Ｐ２−２（Ｐ３−Ｐ２） …（１）

【0053】

このような演算によって、ワークＷの第１面Ｆ１及び第２面Ｆ２での反射光に基づきワークＷの外形寸法Ｄを高精度に求めることができる。

【0054】

本実施形態に係る外形寸法測定装置１では、ワークＷの第１面Ｆ１及び第２面Ｆ２での反射光を用いてワークＷの外形寸法Ｄを求め、かつ、その測定ビームスポット径を数μｍ以下にすることができるため、外径１０μｍ以下の細い線材をワークＷとする場合でも、従来技術では不可避の測定原理に係る問題（遮光状態や遮光領域の検出が困難であること）を回避し、ワークＷの外径を高精度に求めることができる。

【0055】

また、ワークＷに光を照射することで、第１面Ｆ１で合焦する波長λ１の反射光と、第２面Ｆ２で合焦する波長λ２の反射光とを同時に取り込むことができる。したがって、演算部６０は、１回の光照射によって波長λ１の受光強度のピークと、波長λ２の受光強度のピークとから、第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２を演算することができる。

【0056】

また、本実施形態に係る外形寸法測定装置１では、ポリゴンミラー等によって光を走査したり、光の走査範囲をカバーするような広い受光面積を備えた受光部を設ける必要はない。すなわち、コンパクトなセンサヘッド１００と、簡単なミラー３０によって装置構成を簡素化できるとともに、装置の小型化を達成することができる。

【0057】

次に、外形寸法測定方法について説明する。以下の説明では、本実施形態に係る外形寸法測定装置１による外形寸法の測定方法を例とする。
図４は、外形寸法測定方法の流れを例示するフローチャートである。
先ず、ステップＳ１０１に表したように、光源１０から光を出射し、センサヘッド１００の対物レンズ２２から測定対象物であるワークＷに向けて光を照射する。ワークＷに向けて照射された光は、ワークＷの第１面Ｆ１に照射されるとともに、ミラー３０で反射してワークＷの第２面Ｆ２にも照射される。

【0058】

ワークＷに照射された光のうち、第１面Ｆ１で合焦する波長の光及び第２面Ｆ２で合焦する波長の光の反射光は、共焦点ＦＰから光ファイバ４０に取り込まれる。

【0059】

次に、ステップＳ１０２に表したように、第１面Ｆ１の位置及び第２面Ｆ２の位置を検出する。すなわち、検出部５０の受光部５２は、共焦点ＦＰに焦点を結ぶ第１面Ｆ１での反射光及び第２面Ｆ２での反射光を受けて、波長λ１及び波長λ２の光の強度のピーク位置を検出する。そして、演算部６０によって、波長λ１に基づく光軸上での第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２を演算する。

【0060】

次に、ステップＳ１０３に表したように、測定対象物であるワークＷの外形寸法Ｄを演算する。演算部６０は、予め求めたミラー３０の位置Ｐ３と、先に求めた第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２によって、上記演算式（１）を用いてワークＷの外形寸法Ｄを求める。

【0061】

これにより、クロマティックコンフォーカル式変位計の測定原理を用いて、ワークＷの外形寸法Ｄを求めることができる。

【0062】

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の説明を行う。
図５（ａ）は、第２実施形態に係る外形寸法測定装置１Ｂを例示する模式図である。なお、図５（ａ）には、対物レンズ２２からミラー３０Ｂまでの構成が表される。
本実施形態に係る外形寸法測定装置１Ｂにおいては、ミラー３０Ｂの中央領域に孔が設けられていない。他の構成は第１実施形態に係る外形寸法測定装置１と同様である。

【0063】

ミラー３０Ｂの反射面は一様な反射率を有している。このため、対物レンズ２２からワークＷに向けて照射される光のうち、ワークＷの外側からミラー３０Ｂの表面（反射面）で合焦する波長λ０の光も到達することになる。ミラー３０Ｂの表面で合焦する波長の光は、強い反射光として対物レンズ２２からコンソール２００へ取り込まれる。

【0064】

図５（ｂ）には、共焦点ＦＰで光ファイバ４０が受ける光の波長分布を例示する図が表される。本実施形態では、ワークＷの第１面Ｆ１で合焦して反射した波長λ１の反射光と、ワークＷの第２面Ｆ２で合焦して反射した波長λ２の反射光のほか、ミラー３０Ｂの表面で合焦して反射した波長λ０の反射光が共焦点ＦＰから光ファイバ４０に取り込まれる。

【0065】

本実施形態に係る外形寸法測定装置１Ｂの演算部６０では、検出部５０で検出した反射光強度のピークのうち、波長λ０を中心とした所定範囲の受光信号を外形寸法Ｄの演算から除外する処理を行う。すなわち、信号処理によって波長λ０を中心とした所定範囲の受光信号を除外し、波長λ１及び波長λ２の受光信号を用いて第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２を演算する。これにより、上記演算式（１）を用いてワークＷの外形寸法Ｄを演算によって求める。

【0066】

なお、演算部６０は、測定の際に波長λ１及び波長λ２の受光信号に基づき第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２を求めるとともに、波長λ０の受光信号を用いてミラー３０Ｂの表面の位置Ｐ３を求めてもよい。この第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２とともに求めたミラー３０Ｂの表面の位置Ｐ３は、ワークＷの外形寸法Ｄを演算する際に用いればよい。これにより、予めミラー３０Ｂの表面の位置Ｐ３を求めておく必要がなく、ミラー３０Ｂの位置の経時変化による誤差をなくすことができる。

【0067】

次に、本実施形態に係る外形寸法測定装置１Ｂを用いた外形寸法測定方法を説明する。
図６は、外形寸法測定方法の流れを例示するフローチャートである。
先ず、ステップＳ２０１に表したように、光源１０から光を出射し、センサヘッド１００の対物レンズ２２から測定対象物であるワークＷに向けて光を照射する。ワークＷに向けて照射された光は、ワークＷの第１面Ｆ１に照射されるとともに、ミラー３０Ｂで反射してワークＷの第２面Ｆ２にも照射される。

【0068】

ワークＷに照射された光のうち、第１面Ｆ１で合焦する波長の光及び第２面Ｆ２で合焦する波長の光の反射光は、共焦点ＦＰから光ファイバ４０に取り込まれる。また、ミラー３０Ｂの表面で合焦した波長の光の反射光も共焦点ＦＰから光ファイバ４０に取り込まれる。

【0069】

次に、ステップＳ２０２に表したように、反射光の受光プロファイルに対する処理を施す。受光プロファイルの処理では、ミラー３０Ｂの表面で合焦した反射光の波長λ０を中心とした所定範囲の受光プロファイルを除外し、第１面Ｆ１で合焦した波長λ１の反射光の受光プロファイル及び第２面Ｆ２で合焦した波長λ２の反射光の受光プロファイルを残すよう処理する。

【0070】

受光プロファイルの処理としては、次のような例が挙げられる。
＜信号処理＞
信号処理では、先ず、ワークＷを配置していない状態で、予めミラー３０Ｂの表面で合焦した反射光の受光プロファイルを登録しておく。そして、外形寸法Ｄを測定する際には、測定で得た受光プロファイルから、予め登録された受光プロファイルを差し引く演算を行う。この信号処理は、演算部６０によって行われる。

【0071】

＜光学フィルタによる処理＞
光学フィルタによる処理では、例えばバンドエリミネートフィルタを用いて、ミラー３０Ｂの表面で合焦した反射光の波長の光を除去し、それ以外の波長の光を透過する処理を行う。

【0072】

＜マスキング処理＞
マスキング処理では、検出部５０に含まれるイメージセンサの受光面に部分的にマスキング（遮光）を施しておく。すなわち、ミラー３０Ｂの表面で合焦する光の波長に対応したイメージセンサの受光位置（受光領域）に予めマスキングを施しておく。これにより、検出部５０から演算部６０に出力される受光信号から、ミラー３０Ｂの表面で合焦する光の波長に対応した位置（領域）の信号が除外される。

【0073】

次に、ステップＳ２０３に表したように、第１面Ｆ１の位置及び第２面Ｆ２の位置を検出する。すなわち、検出部５０で検出した反射光強度のピークの位置に基づき、演算部６０によって、波長λ１に基づく光軸上での第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２を演算する。

【0074】

次に、ステップＳ２０４に表したように、測定対象物であるワークＷの外形寸法Ｄを演算する。演算部６０は、予め求めたミラー３０Ｂの位置Ｐ３と、先に求めた第１集束位置Ｐ１及び第２集束位置Ｐ２によって、上記演算式（１）を用いてワークＷの外形寸法Ｄを求める。

【0075】

本実施形態に係る外形寸法測定装置１Ｂ及び外形寸法測定方法では、ミラー３０Ｂの中央領域に孔を設ける必要なく、ワークＷの外形寸法Ｄを測定することが可能になる。

【0076】

以上説明したように、実施形態によれば、細い線材などの測定対象物の外形寸法を高精度に測定することができる外形寸法測定装置１，１Ｂ及び外形寸法測定方法を提供することが可能になる。

【0077】

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、光源１０から単一波長の光を照射し、対物レンズ２２を音叉などで光軸方向に振動させることで焦点位置を変化させるレーザ共焦点式変位計や、合焦点式変位計など、光の焦点位置によって対象物の位置（高さ）を測定する変位計にも本発明の構成を適用することができる。また、センサヘッド１００とコンソール２００との間に光ファイバ４０を設けた例を説明したが、光ファイバ４０を介さずに光を伝達する構成であってもよい。また、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

【符号の説明】

【0078】

１，１Ｂ…外形寸法測定装置
１０…光源
２０…光学系
２１…コリメートレンズ
２２…対物レンズ
３０，３０Ｂ…ミラー
３１…中央領域
３２…周辺領域
４０…光ファイバ
４１…ファイバカプラ
５０…検出部
５１…分光器
５２…受光部
６０…演算部
１００…センサヘッド
２００…コンソール
Ｄ…外形寸法
Ｆ１…第１面
Ｆ２…第２面
ＦＰ…共焦点
Ｐ１…第１集束位置
Ｐ２…第２集束位置
Ｗ…ワーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】