特許 6800529 測定方法および測定プログラム

(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】6800529

(24)【登録日】2020年11月27日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】測定方法および測定プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01B 9/02 20060101AFI20201207BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20201207BHJP

【ＦＩ】

   G01B9/02

   G01B11/24 D

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-246801(P2016-246801)

(22)【出願日】2016年12月20日

(65)【公開番号】特開2017-151085(P2017-151085A)

(43)【公開日】2017年8月31日

【審査請求日】2019年11月11日

(31)【優先権主張番号】特願2016-34825(P2016-34825)

(32)【優先日】2016年2月25日

(33)【優先権主張国】JP

(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】酒井 裕志

(72)【発明者】

【氏名】後藤 智徳

【審査官】 山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３１７１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７０５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／００８０３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１７４０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７４６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５４７１３０３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−９／１０

１１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｎ ２１／８４−２１／９５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定ヘッドから対象物の表面に光を照射して反射光に基づき形状を測定する方法であって、
前記対象物の第１領域の測定に適した測定条件に設定し、前記表面について深さ方向についての第１スキャン範囲および深さ方向についての第１スキャンピッチで測定を行い、第１測定結果を得る工程と、
前記第１測定結果から前記表面のうちの第２領域を求める工程と、
前記第２領域の測定に適した測定条件に設定し、前記表面について前記第１スキャン範囲よりも狭い深さ方向についての第２スキャン範囲および前記第１スキャンピッチよりも細かい深さ方向についての第２スキャンピッチで測定を行い、第２測定結果を得る工程と、
を備えたことを特徴とする測定方法。

【請求項2】

前記第２領域を求める工程は、前記第１測定結果から前記第２領域のみの測定データに基づく表面基準位置を想定することを含み、
前記第２測定結果を得る工程は、想定された前記表面基準位置を含む前記第２スキャン範囲を設定することを含む、請求項１記載の測定方法。

【請求項3】

前記第１領域は、前記表面に対して凹んだ凹部を有する、請求項１または２に記載の測定方法。

【請求項4】

前記第２領域を求める工程は、前記第１測定結果から前記第２領域のみの測定データに基づく表面基準位置を想定することを含み、
前記第２測定結果を得る工程は、想定された前記表面基準位置を含み、前記表面基準位置の最も低い位置よりも凹む前記凹部の少なくとも底を含まない前記第２スキャン範囲を設定することを含む、請求項３記載の測定方法。

【請求項5】

前記第２スキャン範囲は前記第１スキャン範囲に含まれ、
前記第１測定結果から得た前記第１領域のデータと、前記第２測定結果から得た前記第２領域のデータとを合成する工程をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１つに記載の測定方法。

【請求項6】

前記測定ヘッドは、光干渉法によって前記第１測定結果および前記第２測定結果を得る、請求項１〜５のいずれか１つに記載の測定方法。

【請求項7】

前記第２領域は、前記表面のうち前記第１領域以外の領域である、請求項１〜６のいずれか１つに記載の測定方法。

【請求項8】

測定ヘッドから対象物の表面に光を照射して反射光に基づき形状を測定する測定プログラムであって、
コンピュータを、
前記対象物の第１領域の測定に適した測定条件に設定し、前記表面について深さ方向についての第１スキャン範囲および深さ方向についての第１スキャンピッチで測定を行い、第１測定結果を得る手段、
前記第１測定結果から前記表面のうちの第２領域を求める手段、
前記第２領域の測定に適した測定条件に設定し、前記表面について前記第１スキャン範囲よりも狭い深さ方向についての第２スキャン範囲および前記第１スキャンピッチよりも細かい深さ方向についての第２スキャンピッチで測定を行い、第２測定結果を得る手段、
として機能させる測定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は測定方法および測定プログラムに関し、より詳しくは、最適な測定条件の異なる領域を含む対象物の表面について短時間で精度良く形状を測定することができる測定方法および測定プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象物の表面高さ、表面粗さ、３次元形状などを測定する測定方法の一つとして、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を利用する光干渉法が知られている。光干渉法においては、参照光路の光路長と測定光路の光路長とが一致するピント位置において各波長の干渉縞のピークが重なり合い合成され、干渉縞の輝度が大きくなることを利用している。したがって、光干渉法では、参照光路または測定光路の光路長を変化させながら干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像をＣＣＤカメラ等の撮像素子により撮影する。そして、撮影視野内の各測定位置で干渉光の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定面の高さを測定し、測定対象物の三次元形状などを測定する（例えば、特許文献１〜３参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１９１１１８号公報

【特許文献2】特開２０１５−０４５５７５号公報

【特許文献3】特開２０１５−１１８０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、測定の対象物の表面に最適な測定条件の異なる領域が含まれている場合、１つの測定条件では全体を精度良く測定することができない。例えば、表面に凹部（ピット、溝などの段差を有する表面）が含まれている対象物では、表面部に最適な光量で測定を行うと、凹部内に光が届かないか、届く光量が少ないため、凹部の形状を検出しにくくなる。一方、光量を多くすれば凹部の形状は検出できるものの、表面部で反射する光が飽和してしまい、表面の形状を正確に測定することができなくなる。

【0005】

このような対象物について測定を行う場合、従来では、表面部に最適な条件で測定を行うとともに、凹部に最適な条件で測定を行い、両測定結果を合成する、いわゆるマルチスキャン測定が行われている。しかし、この方法では、対象物について１つの測定結果を得るために２回の測定で多大な時間を要することになる。

【0006】

本発明は、最適な測定条件の異なる領域を含む対象物の表面について短時間で形状を測定することができる測定方法および測定プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明は、測定ヘッドから対象物の表面に光を照射して反射光に基づき形状を測定する方法であって、対象物の第１領域の測定に適した測定条件に設定し、表面について第１スキャン範囲および第１スキャンピッチで測定を行い、第１測定結果を得る工程と、第１測定結果から表面のうちの第２領域を求める工程と、第２領域の測定に適した測定条件に設定し、表面について第１スキャン範囲よりも狭い第２スキャン範囲および第１スキャンピッチよりも細かい第２スキャンピッチで測定を行い、第２測定結果を得る工程と、を備えたことを特徴とする。

【0008】

このような構成によれば、第１スキャン範囲および第１スキャンピッチによる測定では、対象物の表面について粗いデータ取得を行い、主として第１領域に適した測定を行う。また、第２スキャン範囲および第２スキャンピッチによる測定では、対象物の表面について第１スキャン範囲よりも狭い範囲で詳細なデータ取得を行い、主として第２領域に適した測定を行う。これにより、第１領域および第２領域の両方について十分な精度かつ短時間での測定を行うことができる。なお、第２の領域は、前記表面のうち前記第１の領域以外の領域とすることができる。

【0009】

本発明の測定方法において、第２領域を求める工程は、第１測定結果から第２領域のみの測定データに基づく表面基準位置を想定することを含み、第２測定結果を得る工程は、想定された表面基準位置を含み、表面基準位置の最も低い位置よりも凹んだ凹部の少なくとも底を含まない第２スキャン範囲を設定することを含んでいてもよい。これにより、長い測定時間を必要とする第２スキャン範囲での測定範囲を効果的に設定することができる。

【0010】

本発明の測定方法において、第１領域は、表面に対して凹んだ凹部を有していてもよい。これにより、第１領域の凹部と第２領域の表面部との両方について短時間かつ十分な精度での測定を行うことができる。

【0011】

本発明の測定方法において、第１測定結果から得た第１領域のデータと、第２測定結果から得た第２領域のデータとを合成する工程をさらに備えていてもよい。これにより、対象物の表面の全体の形状データを得ることができる。

【0012】

本発明は、測定ヘッドから対象物の表面に光を照射して反射光に基づき形状を測定する測定プログラムであって、コンピュータを、対象物の第１領域の測定に適した測定条件に設定し、表面について第１スキャン範囲および第１スキャンピッチで測定を行い、第１測定結果を得る手段、第１測定結果から表面のうちの第２領域を求める手段、第２領域の測定に適した測定条件に設定し、表面について第１スキャン範囲よりも狭い第２スキャン範囲および第１スキャンピッチよりも細かい第２スキャンピッチで測定を行い、第２測定結果を得る手段、として機能させる測定プログラムである。

【0013】

このような構成によれば、コンピュータによる測定において、第１スキャン範囲および第１スキャンピッチによる測定では、対象物の表面について粗いデータ取得を行い、主として第１領域に適した測定を行う。また、第２スキャン範囲および第２スキャンピッチによる測定では、対象物の表面について第１スキャン範囲よりも狭い範囲で詳細なデータ取得を行い、主として第２領域に適した測定を行う。これにより、第１領域および第２領域の両方について十分な精度かつ短時間での測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態に係る画像測定装置の全体構成を示す図である。

【図2】光干渉光学ヘッドの構成を例示する模式図である。

【図3】対物レンズ部の要部拡大図である。

【図4】（ａ）〜（ｃ）は、対象物および測定領域について説明する模式図である。

【図5】コンピュータの構成を例示するブロック図である。

【図6】本実施形態に係る測定プログラムの流れを例示するフローチャートである。

【図7】（ａ）および（ｂ）は、測定範囲について例示する模式図である。

【図8】（ａ）および（ｂ）は、第１スキャンおよび領域判定について例示する模式図である。

【図9】（ａ）および（ｂ）は、領域判定および第２スキャンについて例示する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

〔測定装置の全体構成〕
図１は、本実施形態に係る測定装置、より具体的には画像測定装置の全体構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る画像測定装置１は、対象物Ｗの形状を測定する装置本体１０と、装置本体１０を制御するとともに、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム２０と、を備える。なお、画像測定装置１は、これらのほかに、測定結果等をプリントアウトするプリンタ等を適宜備えていてもよい。本実施形態に係る画像測定装置１は、例えばシリンダの内壁のような、湾曲形状を有する対象物Ｗの測定に適している。

【0017】

装置本体１０は、架台１１、ステージ１２、Ｘ軸ガイド１４および撮像ユニット１５を含む。本実施形態において、Ｘ軸方向（Ｘ軸に沿った方向）とは、ステージ１２の面に沿った一方向である。Ｙ軸方向（Ｙ軸に沿った方向）とは、ステージ１２の面に沿った方向でＸ軸方向と直交する方向である。Ｚ軸方向（Ｚ軸に沿った方向）とは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向である。Ｚ軸方向は上下方向とも言う。また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は水平方向とも言う。

【0018】

架台１１は、例えば除振台３の上に配置され、外部の震動が架台１１の上のステージ１２や撮像ユニット１５へ伝わることを抑制している。ステージ１２は、架台１１の上に配置される。ステージ１２は、測定の対象物Ｗを載置する台である。ステージ１２は、図示しないＹ軸駆動機構により架台１１に対してＹ軸方向に移動可能に設けられる。

【0019】

架台１１の両側部には支持部１３ａおよび１３ｂが設けられる。支持部１３ａおよび１３ｂのそれぞれは架台１１の側部から上方に延びるよう設けられる。Ｘ軸ガイド１４はこの支持部１３ａおよび１３ｂの上に、これらを跨ぐように設けられる。Ｘ軸ガイド１４には撮像ユニット１５が取り付けられる。

【0020】

撮像ユニット１５は、図示しないＸ軸駆動機構によりＸ軸ガイド１４に沿いＸ軸方向に移動可能に設けられ、Ｚ軸駆動機構によってＺ軸方向に移動可能に設けられる。このような駆動機構により、ステージ１２上の対象物Ｗと、撮像ユニット１５とのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれに沿った相対的な位置関係が設定可能になる。すなわち、この位置関係を調整することで、撮像ユニット１５による撮像領域を対象物Ｗの測定領域に合わせることができる。

【0021】

撮像ユニット１５は、対象物Ｗの二次元画像を撮像する画像光学ヘッド１５１および光干渉測定により対象物Ｗの三次元形状を測定する光干渉光学ヘッド１５２を着脱可能に備え、いずれかのヘッドを用いて、コンピュータシステム２０が設定する測定位置で対象物Ｗを測定する。

【0022】

画像光学ヘッド１５１の測定視野は光干渉光学ヘッド１５２の測定視野よりも通常広く設定し、コンピュータシステム２０による制御により、両ヘッドを切り替えて使用できる。画像光学ヘッド１５１と光干渉光学ヘッド１５２は、一定の位置関係を保つよう、共通の支持板により支持され、切り替えの前後で測定の座標軸が変化しないよう予めキャリブレーションされる。

【0023】

画像光学ヘッド１５１は、撮像素子（ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなど）、照明装置、フォーカシング機構等を備え、対象物Ｗの二次元画像を撮影する。撮影された二次元画像のデータはコンピュータシステム２０に取り込まれる。

【0024】

光干渉光学ヘッド１５２は、例えば白色光干渉法によって対象物Ｗの形状測定を行う。本実施形態において光干渉光学ヘッド１５２は測定ヘッドの一例である。光干渉光学ヘッド１５２の詳細については後述する。

【0025】

コンピュータシステム２０は、コンピュータ本体２０１、キーボード２０２、マウス２０４およびディスプレイ２０５を備える。コンピュータ本体２０１は、装置本体１０の動作等を制御する。コンピュータ本体２０１は、制御ボード等の回路（ハードウェア）およびＣＰＵで実行されるプログラム（ソフトウェア）によって装置本体１０の動作を制御する。また、コンピュータ本体２０１は、装置本体１０から出力される信号に基づき対象物Ｗの情報を演算し、演算結果をディスプレイ２０５に表示する。

【0026】

ジョイスティック２０３は、対象物Ｗを撮像する位置を設定する際に用いられる。すなわち、ユーザがジョイスティック２０３を操作することで、対象物Ｗと撮像ユニット１５との相対的な位置関係が変化して、ディスプレイ２０５に表示される撮像領域の位置を調整することができる。

【0027】

図２は、光干渉光学ヘッドの構成を例示する模式図である。
図２に示すように、光干渉光学ヘッド１５２は、光出射部２００と、光干渉光学ヘッド部２１と、対物レンズ部２２と、参照ミラー部２３と、結像レンズ２４と、撮像部２５と、駆動機構部２６とを備える。

【0028】

光出射部２００は、広帯域にわたる多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出力する光源を備え、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの白色光源が用いられる。

【0029】

光干渉光学ヘッド部２１は、ビームスプリッタ２１１と、コリメータレンズ２１２とを備えている。光出射部２００から出射した光は、対物レンズ部２２の光軸と直角の方向から、コリメータレンズ２１２を介してビームスプリッタ２１１に平行に照射され、ビームスプリッタ２１１からは光軸に沿った光が出射されて、対物レンズ部２２に対して上方から平行ビームが照射される。

【0030】

対物レンズ部２２は、対物レンズ２２１、ビームスプリッタ２２２等を備えて構成される。対物レンズ部２２においては、上方から平行ビームが対物レンズ２２１に入射した場合、入射光は対物レンズ２２１で収束光となり、ビームスプリッタ２２２の内部の反射面２２２ａに入射する。ここで、入射光は、参照ミラー２３１を有する参照光路（図中破線）を進む透過光（参照光）と、対象物Ｗを配置した測定光路（図中実線）を進む反射光（測定光）とに分割される。透過光は、収束して参照ミラー２３１で反射され、更にビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａを透過する。一方、反射光は、収束して対象物Ｗで反射され、ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａにより反射される。参照ミラー２３１からの反射光と対象物Ｗからの反射光とはビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａにより合成されて合成波となる。

【0031】

ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａの位置で合成された合成波は、対物レンズ２２１で平行ビームになり上方へ進み、光干渉光学ヘッド部２１を通過して、結像レンズ２４に入射する（図２中一点鎖線）。結像レンズ２４は合成波を収束させ撮像部２５上に干渉画像を結像させる。

【0032】

参照ミラー部２３は、上述のビームスプリッタ２２２により分岐された参照光路を進む透過光（参照光）を反射する参照ミラー２３１を保持する。対象物Ｗがシリンダの内壁の場合、内壁面はステージ１２に対してほぼ垂直に配置される。このため、対物レンズ２２１による収束光をビームスプリッタ２２２で直角に（水平方向に）反射して、垂直に配置されるシリンダの内壁面に測定光を照射する。

【0033】

撮像部２５は、撮像手段を構成するための２次元の撮像素子からなるＣＣＤカメラ等であり、対物レンズ部２２から出力された合成波（対象物Ｗからの反射光と参照ミラー２３１からの反射光）の干渉画像を撮像する。撮像された画像のデータはコンピュータシステム２０に取り込まれる。

【0034】

駆動機構部２６は、コンピュータシステム２０からの移動指令によって、光干渉光学ヘッド１５２を光軸方向に移動させる。ここで、図３に示した対物レンズ部２２の要部拡大図において、参照光路（光路１＋光路２）と、測定光路（光路３＋光路４）の光路長が等しいときに光路長差が０となる。したがって、駆動機構部２６は、測定に際しては、光路長差０となるように、光干渉光学ヘッド１５２をビームスプリッタ２２２で反射された光線の光軸方向に水平に移動させることで測定光路の長さを調整する。なお、上記では光干渉光学ヘッド１５２を移動させる場合を例示して説明したが、ステージ１２を移動させることで測定光路の長さを調整する構成としてもよい。このように、光干渉光学ヘッド１５２において、参照光路または測定光路の何れか一方の光路長が可変とされる。なお、対象物Ｗの測定面が水平方向に配置されている場合には、ビームスプリッタ２２２による参照光および測定光の透過および反射を逆にして、測定光を垂直方向に透過させるような光学系を適用してもよい。

【0035】

光干渉光学ヘッド１５２は、コンピュータシステム２０による制御の下、駆動機構部２６により光軸方向の位置を移動走査されながら撮像部２５による撮像を繰り返す。撮像部２５により撮像された各移動走査位置での干渉画像の画像データはコンピュータシステム２０に取り込まれ、測定視野内の各位置について、干渉縞のピークが生じる移動走査位置を検出し、対象物Ｗの測定面の各位置における高さが求められる。

【0036】

図４（ａ）〜（ｃ）は、対象物および測定領域について説明する模式図である。
図４（ａ）は、湾曲形状を有する対象物Ｗの例を示す模式斜視図、図４（ｂ）は、測定領域を例示する模式図、図４（ｃ）は、３次元データと断面の例を示す模式図である。
本実施形態では、図４（ａ）に示すシリンダ内壁のような湾曲形状を有する対象物Ｗの形状測定を行う。光干渉光学ヘッド１５２は、内壁面Ｓの所定の領域を測定領域Ｒとして、内壁面Ｓに対して垂直な方向の距離を測定する。図４（ｂ）には測定領域Ｒの１つが模式的に表される。

【0037】

図４（ｃ）に示すように、内壁面Ｓの３次元データには、測定領域Ｒに対応した撮像部２５の各画素ごとに、内壁面Ｓに対して垂直な方向（深さ方向）の距離のデータが含まれる。内壁面Ｓに例えばピット（凹み）があると、基準面に対して低い値のデータとなる。このデータが閾値よりも低い場合にはピットであると判断される。

【0038】

〔測定方法および測定プログラム〕
本実施形態に係る測定方法は、例えば上記のような画像測定装置１を用いて、図４（ａ）に示すような対象物Ｗについて表面の測定を行う方法である。
測定方法は、次のような工程を有する。
（１）対象物Ｗの第１領域の測定に適した測定条件を設定する工程
（２）対象物Ｗの表面について第１スキャン範囲および第１スキャンピッチで測定を行い、第１測定結果を得る工程
（３）対象物Ｗの第２領域を算出する工程
（４）第２領域の測定に適した測定条件を設定する工程
（５）第２スキャン範囲および第２スキャンピッチで測定を行い、第２測定結果を得る工程
（６）データを合成する工程

【0039】

上記（１）〜（６）の各工程は、例えば、画像測定装置１のコンピュータシステム２０や、装置本体１０で取得した３次元データを読み込んだコンピュータによって実行されるプログラム（測定プログラム）によって実行される。コンピュータは、コンピュータシステム２０に含まれていてもよい。

【0040】

図５は、コンピュータの構成を例示するブロック図である。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１１、インタフェース３１２、出力部３１３、入力部３１４、主記憶部３１５及び副記憶部３１６を備える。

【0041】

ＣＰＵ３１１は、各種プログラムの実行によって各部を制御する。インタフェース３１２は、外部機器との情報入出力を行う部分である。本実施形態では、装置本体１０から送られる情報をインタフェース３１２を介してコンピュータに取り込む。また、コンピュータからインタフェース３１２を介して情報を装置本体１０へ送る。インタフェース３１２は、コンピュータをＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）に接続する部分でもある。

【0042】

出力部３１３は、コンピュータで処理した結果を出力する部分である。出力部３１３には、例えば、図１に示すディスプレイ２０５や、プリンタなどが用いられる。入力部３１４は、ユーザから情報を受け付ける部分である。入力部３１４には、キーボードやマウスなどが用いられる。また、入力部３１４は、記録媒体ＭＭに記録された情報を読み取る機能を含む。

【0043】

主記憶部３１５には、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）が用いられる。主記憶部３１５の一部として、副記憶部３１６の一部が用いられてもよい。副記憶部３１６には、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）が用いられる。副記憶部３１６は、ネットワークを介して接続された外部記憶装置であってもよい。

【0044】

図６は、本実施形態に係る測定プログラムの流れを例示するフローチャートである。
本実施形態に係る測定プログラムは、コンピュータを上記（１）〜（６）の工程に対応した手段として機能させる。図６に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０６の処理は、上記（１）〜（６）の工程に対応している。

【0045】

先ず、ステップＳ１０１に示すように、対象物Ｗの第１領域の測定に適した測定条件の設定を行う。図７（ａ）には、円筒内壁の測定領域Ｒが模式的に示される。円筒内壁の測定領域Ｒとしては、円筒軸の角度および円筒軸方向の深さの位置を指定することで設定される。円筒内壁のうち凹部（ピット）を含む領域が第１領域Ｒ１、それ以外の領域が第２領域Ｒ２である。ステップＳ１０１では、第１領域Ｒ１の測定に適した測定条件、すなわち凹部（ピット）の測定に適した測定条件（例えば、光量）を設定する。また、円筒内壁の凹凸における閾値の設定として、例えばピットの深さの閾値を設定する。

【0046】

なお、測定領域Ｒが、測定ヘッド（例えば光干渉光学ヘッド１５２）による１回のスキャンで測定可能な範囲を超える場合、測定領域Ｒの全域をカバーするために複数の局所データの測定位置を算出しておく。図７（ｂ）には、円筒内壁における測定領域Ｒと複数の局所データとの対応が模式的に示される。

【0047】

次に、ステップＳ１０２に示すように、第１測定結果の取得を行う。すなわち、先に設定した第１領域Ｒ１の測定に適した条件によって、対象物Ｗの表面について第１スキャン範囲および第１スキャンピッチでの測定を行う。対象物Ｗが円筒内壁の場合、測定領域Ｒについて測定ヘッド（例えば光干渉光学ヘッド１５２）によるスキャンを行い、第１測定結果を得る。このスキャンを「ファーストスキャン」と言う。

【0048】

ここで、ファーストスキャンのスキャン範囲は、測定の際の対象物Ｗと測定ヘッドとの距離（光軸に沿った距離：深さとも言う）の移動範囲のことである。ファーストスキャンのスキャンピッチは、測定の際の対象物Ｗと測定ヘッドとの距離の変化の間隔のことである。例えば、図８（ａ）に示すように、対象物Ｗが円筒内壁であった場合、第１スキャン範囲Ｗ１として、測定範囲内での湾曲している円筒内壁の全体の深さよりも僅かに広い範囲を設定する。また、第１スキャンピッチＰ１として、少なくとも凹部の形状を取得できる程度のピッチを設定する。ファーストスキャンにおいては、撮像部２５のシャッターを開放したまま撮像を行うと、高速スキャンのために画像の鈍りが生じやすい。そこで、シャッター速度および光量を上げて撮影を行うことが望ましい。ファーストスキャンの際には、プログラム処理によってシャッター速度および光量が自動的に設定される。そして、この設定された測定条件で、第１スキャン範囲Ｗ１および第１スキャンピッチＰ１での測定を行い、第１測定結果を得る。

【0049】

次に、ステップＳ１０３に示すように、第２領域の算出を行う。第２領域Ｒ２を算出するには、第１測定結果を用いて第１領域Ｒ１を求め、第１領域Ｒ１以外の領域を第２領域Ｒ２として求める。第１領域Ｒ１が凹部（ピット）を含む場合、図８（ｂ）に示すように、第１測定結果から閾値（ステップＳ１０１で設定した凹凸の閾値）を超えるデータを凹部（ピット）のある領域（第１領域Ｒ１）とする。

【0050】

具体的には、第１測定結果の平均値から閾値を超えるデータを有する点（図中黒丸）のうち、面方向に閉じられる範囲（閾値を超える点が面方向に連続する範囲）をピットとして判定する。そして、ピットであると判定された領域を第１領域Ｒ１、第１領域Ｒ１以外の領域を第２領域Ｒ２とする。

【0051】

ここで、第２領域Ｒ２を求める際、第１測定結果の円筒軸方向（図７（ａ）参照）の平均値から閾値を超えるデータを除外し、残りのデータを円筒軸方向（図７（ａ）参照）に平均した値を表面基準位置として想定し、この表面基準位置から閾値を超えるデータの領域を第１領域Ｒ１、それ以外の領域を第２領域Ｒ２としてもよい。図９（ａ）には、表面基準位置ＬＶと、表面基準位置ＬＶを用いて求めた第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２の例が示される。表面基準位置ＬＶは、内壁面の表面として想定される基準となる深さであり、円筒軸方向では直線、円筒周方向では曲線、測定領域Ｒにおいては曲面として表される。表面基準位置ＬＶは、多項式による曲線（曲面）にフィッティングされてもよい。また、表面基準位置ＬＶは、円筒の径の設計値から計算によって求められてもよい。また、対象物Ｗの測定範囲における湾曲形状が十分になだらかな（円筒の径が十分に大きい）場合は、測定領域Ｒを平面に近似してもよい。

【0052】

次に、ステップＳ１０４に示すように、第２領域Ｒ２の測定に適した測定条件の設定を行う。対象物Ｗが凹部（ピット）を含む円筒内壁の場合、円筒内壁の表面部が第２領域Ｒ２となる。したがって、円筒内壁の表面部の測定に適した測定条件（例えば、光量）を設定する。
次に、ステップＳ１０５に示すように、第２測定結果の取得を行う。すなわち、先に設定した第２領域Ｒ２の測定に適した条件によって、対象物Ｗの表面について第２スキャン範囲および第２スキャンピッチでの測定を行う。このスキャンを「セカンドスキャン」と言う。

【0053】

図９（ｂ）には、セカンドスキャンにおける第２スキャン範囲Ｗ２および第２スキャンピッチＰ２の例が示される。セカンドスキャンの第２スキャン範囲Ｗ２は、ファーストスキャンの第１スキャン範囲Ｗ１よりも狭い。また、セカンドスキャンの第２スキャンピッチＰ２は、ファーストスキャンの第１スキャンピッチＰ１よりも細かい。

【0054】

本実施形態では、第２スキャン範囲Ｗ２として、表面基準位置ＬＶを含み、表面基準位置ＬＶの最も低い位置よりも凹んだ凹部の少なくとも底を含まない範囲を設定する。言い換えると、第２スキャン範囲Ｗ２は、測定範囲内での湾曲している表面基準位置ＬＶの全体の深さよりも僅かに広い範囲を設定する。これにより、第２スキャン範囲Ｗ２として、表面基準位置ＬＶは含むものの、少なくとも表面基準位置ＬＶの最も深い（低い）位置よりも凹んだ凹部については測定範囲から除外されることになる。

【0055】

また、第２スキャンピッチＰ２として、第２領域Ｒ２である円筒内壁の表面部の形状を第１スキャンピッチＰ１よりも細かく設定して、詳細なデータを取得する。これにより、詳細なデータが必要な範囲を効果的に設定することができる。なお、セカンドスキャンにおいては、撮像部２５のシャッターを開放したまま撮像を行うことができる。セカンドスキャンの際には、プログラム処理によってシャッター速度および光量が自動的に設定される。

【0056】

次に、ステップＳ１０６に示すように、データの合成を行う。ここでは、第１測定結果のうちの第１領域Ｒ１のデータと、第２測定結果のうちの第２領域Ｒ２のデータとの合成を行う。この合成によって、測定領域Ｒについての測定結果として、第１領域Ｒ１については第１領域Ｒ１の測定に適した条件で取得したデータが反映され、第２領域Ｒ２については第２領域Ｒ２の測定に適した条件で取得したデータが反映される。

【0057】

このような測定方向および測定プログラムにおいて、第１領域Ｒ１の測定に適した第１測定結果の取得については、広い範囲を粗くスキャンして短時間で行うことができ、第２領域Ｒ２の測定に適した第２測定結果の取得では、狭い範囲を詳細にスキャンして高精度なデータの取得について必要以上の時間をかけないようにすることができる。したがって、最適な測定条件の異なる領域を含む対象物Ｗの表面を測定する場合、２回のスキャンであっても、短時間で形状測定することができるようになる。

【0058】

例えば、「エンジンボア」のような対象物Ｗでは、凹部（ピット）の間口の幅、深さに対してはμｍオーダーの測定精度が要求され、一方、表面性状に対する粗さではｎｍオーダーの測定精度が要求される。このような対象物Ｗについて、従来のマルチスキャン測定を適用する場合は、全ての測定に対して最も分解能の高い要求精度にあわせた測定ピッチで、全形状がカバーできる測定幅の範囲（実際は全体の形状より少し大きなレンジ）を設定し、かつ、表面に適した光量および凹部（ピット）の内部の測定に適した光量の、それぞれの光量で合成した３次元形状を生成する必要がある。このように広い範囲を高分解能で測定する場合、多大な時間を要することになる。

【0059】

一方、本実施形態のように、測定要求精度の違いに着目し、マルチスキャンの最初のスキャン（ファーストスキャン）を、測定対象領域全体において、粗いピッチで高速に測定し（ラフスキャン）、その結果から、細密な測定が必要な位置と、その測定レンジを推定する。そして、次のスキャン（セカンドスキャン）では、細密なスキャン（ファインスキャン）を行い、その３次元形状を合成することで、測定領域Ｒの全体の測定における高速化を図ることができる。

【0060】

エンジンボアを対象物Ｗとした場合、第１スキャン範囲Ｗ１は約１００μｍ程度であり、第１スキャンピッチＰ１は約８０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。また、第２スキャン範囲Ｗ２は約１０μｍ〜２０μｍ程度であり、第２スキャンピッチＰ２は約６０ｎｍ程度である。本実施形態を適用することで、従来のマルチスキャン測定に比べて数日単位での測定時間の短縮化を達成することができる。

【0061】

ここで、上記説明した本実施形態に係る測定プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体ＭＭに記録されていてもよい。すなわち、図６に示すステップＳ１０１〜ステップＳ１０６の一部または全部を、コンピュータに読み取り可能な形式で記録媒体ＭＭに記録してもよい。また、本実施形態に係る測定プログラムは、ネットワークを介して配信されてもよい。

【0062】

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、測定ヘッドとして白色光干渉法による光干渉光学ヘッド１５２を用いているが、画像プローブやレーザプローブであっても適用可能である。また、測定ヘッドとして、画像光学ヘッド１５１を対象物Ｗに照射する光の光軸方向に走査し連続的に取得した画像からＣＣＤの各ピクセルにおけるコントラストのピークを検出することにより対象物Ｗの３次元形状を得るＰＦＦ（Points From Focus）も適用可能である。

【0063】

また、測定の対象物Ｗについて、凹部（ピット）を有する円筒内壁の例を示したが、例えば、段差を有する表面について、段差の低い部分と高い部分とで測定条件が異なるような対象物Ｗであっても本実施形態は有効である。また、例えば、ホーニング加工によりクロスハッチ（網状の溝）が形成されたシリンダの内壁面を対象物Ｗにする場合にも本実施形態は有効である。

【0064】

さらに、上記実施形態では、（６）データを合成する工程（図６のステップＳ１０６の処理）を行って第１領域Ｒ１のデータと第２領域Ｒ２のデータとを合成しているが、第１領域のデータおよび第２領域Ｒ２のデータのいずれか一方のみ必要な場合には、合成を行わずに一方のデータのみを出力するようにしてもよい。

【0065】

また、前述の各実施形態に対して、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、各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】

【0066】

１…画像測定装置
３…除振台
１０…装置本体
１１…架台
１２…ステージ
１３ａ…支持部
１４…Ｘ軸ガイド
１５…撮像ユニット
２０…コンピュータシステム
２１…光干渉光学ヘッド部
２２…対物レンズ部
２３…参照ミラー部
２４…結像レンズ
２５…撮像部
２６…駆動機構部
１５１…画像光学ヘッド
１５２…光干渉光学ヘッド
２００…光出射部
２０１…コンピュータ本体
２０２…キーボード
２０３…ジョイスティック
２０４…マウス
２０５…ディスプレイ
２１１…ビームスプリッタ
２１２…コリメータレンズ
２２１…対物レンズ
２２２…ビームスプリッタ
２２２ａ…反射面
２３１…参照ミラー
３１１…ＣＰＵ
３１２…インタフェース
３１３…出力部
３１４…入力部
３１５…主記憶部
３１６…副記憶部
ＬＶ…表面基準位置
ＭＭ…記録媒体
Ｒ…測定領域
Ｒ１…第１領域
Ｒ２…第２領域
Ｓ…内壁面
Ｗ…対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】