(57)【要約】【課題】粗面を含む部品の傾き角度を測定することができる角度測定装置及び角度測定方法を提供する。【解決手段】  測定対象物２００の測定対象面２１０へ測定用光を出射する光源１１０と、測定対象面２１０から反射された反射光をイメージセンサ１５０の受光面に集光するコリメータレンズ１４０と、コリメータレンズ１４０から出射された反射光を受光するイメージセンサ１５０と、受光面に集光された反射光の集光スポットから０次光の集光スポットを抽出する抽出処理部１６１と、０次光の集光スポットの位置に基づいて測定対象物２００の傾き角度を算出する算出処理部１６２と、を備える、オプティカルコリメータ１００。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の測定対象面へ測定用光を出射する光源と、
前記測定対象面から反射された反射光を受光光学系の受光面に集光する集光光学系と、
前記集光光学系から出射された前記反射光を受光する前記受光光学系と、
前記受光面に集光された前記反射光の集光スポットから０次光の集光スポットを抽出する抽出処理部と、
前記受光面における前記０次光の集光スポットの位置に基づいて前記測定対象物の傾き角度を算出する算出処理部と、
を備える、角度測定装置。
【請求項２】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に、又は、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に、出射する、請求項１に記載の角度測定装置。
【請求項３】
前記光源から出射される測定用光の前記測定対象面における光束は０．２ミリルーメン以上である、請求項２に記載の角度測定装置。
【請求項４】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、
前記受光光学系は、前記受光面に集光された前記反射光に含まれる前記単色光のうち２以上を区別して検出可能であり、
前記抽出処理部は、前記受光光学系の検出結果に基づいて、前記０次光の集光スポットを抽出する、請求項２又は３に記載の角度測定装置。
【請求項５】
前記抽出処理部は、前記受光光学系によって取得された前記反射光の画像の各画素が０次光を検出する画素かｎ次光（ｎは１以上の整数）を検出する画素かを判別するための判別問題を解くことにより、前記０次光の集光スポットを抽出する、請求項４に記載の角度測定装置。
【請求項６】
前記抽出処理部は、前記判別問題を、線形判別法、サポートベクターマシン、カーネル法、ニューラルネットワーク、ｋ近傍法、判別木、アンサンブル法、判別分析法、ロジスティック回帰分析、ナイーブベイズ法の何れかを用いて解く、請求項５に記載の角度測定装置。
【請求項７】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、
前記受光光学系は、２以上の受光素子を備え、
前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して一の単色光を一の前記受光素子の前記受光面に集光し、他の単色光を他の前記受光素子の前記受光面に集光し、
前記抽出処理部は、前記２以上の受光素子の前記受光面のそれぞれに形成された複数の集光スポットのうち、前記一の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置と、前記他の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置とが一致する集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出する、請求項２又は３に記載の角度測定装置。
【請求項８】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、
前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して異なるタイミングで交替に前記受光光学系の前記受光面に集光し、
前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出する、請求項２又は３に記載の角度測定装置。
【請求項９】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射し、
前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出する、請求項２又は３に記載の角度測定装置。
【請求項１０】
前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの０．５％以上１０％以下である、請求項１乃至９の何れか一項に記載の角度測定装置。
【請求項１１】
前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの２．０％以上８．０％以下である、請求項１乃至９の何れか一項に記載の角度測定装置。
【請求項１２】
前記測定対象物の前記測定対象面は、切削加工、研削加工、特殊加工、金属皮膜処理、非金属皮膜処理、化学処理、鋼の表面処理、キリンス、化学研磨、ラミネート加工、シボ加工のうち１以上の処理が施されている、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の角度測定装置。
【請求項１３】
光源が測定対象物の測定対象面へ測定用光を出射し、
集光光学系が、前記測定対象面から反射された反射光を受光光学系の受光面に集光し、
前記受光光学系が、前記集光光学系から出射された前記反射光を受光し、
抽出処理部が、前記受光面に集光された前記反射光の集光スポットから０次光の集光スポットを抽出し、
算出処理部が、前記受光面における前記０次光の集光スポットの位置に基づいて前記測定対象物の傾き角度を算出する、角度測定方法。
【請求項１４】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に、又は、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に、出射する、請求項１３に記載の角度測定方法。
【請求項１５】
前記光源から出射される測定用光の前記測定対象面における光束は０．２ミリルーメン以上である、請求項１４に記載の角度測定方法。
【請求項１６】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、
前記受光光学系は、前記受光面に集光された前記反射光に含まれる前記単色光のうち２以上を区別してを検出可能であり、
前記抽出処理部は、前記受光光学系の検出結果に基づいて、０次光の集光スポットを抽出する、請求項１４又は１５に記載の角度測定方法。
【請求項１７】
前記抽出処理部は、前記受光光学系によって取得された前記反射光の画像の各画素が０次光を検出する画素かｎ次光（ｎは１以上の整数）を検出する画素かを判別するための判別問題を解くことにより、前記０次光の集光スポットを抽出する、請求項１６に記載の角度測定方法。
【請求項１８】
前記抽出処理部は、前記判別問題を、線形判別法、サポートベクターマシン、カーネル法、ニューラルネットワーク、ｋ近傍法、判別木、アンサンブル法、判別分析法、ロジスティック回帰分析、ナイーブベイズ法の何れかを用いて解く、請求項１７に記載の角度測定方法。
【請求項１９】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、
前記受光光学系は、２以上の受光素子を備え、
前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して一の単色光を一の前記受光素子の前記受光面に集光し、他の単色光を他の前記受光素子の前記受光面に集光し、
前記抽出処理部は、前記２以上の受光素子の前記受光面のそれぞれに形成された複数の集光スポットのうち、前記一の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置と、前記他の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置とが一致する集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出する、請求項１４又は１５に記載の角度測定方法。
【請求項２０】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、
前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して異なるタイミングで交替に前記受光光学系の前記受光面に集光し、
前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出する、請求項１４又は１５に記載の角度測定方法。
【請求項２１】
前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射し、
前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出する、請求項１４又は１５に記載の角度測定方法。
【請求項２２】
前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの０．５％以上１０％以下である、請求項１３乃至２１の何れか一項に記載の角度測定方法。
【請求項２３】
前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの２．０％以上８．０％以下である、請求項１３乃至２１の何れか一項に記載の角度測定方法。
【請求項２４】
前記測定対象物の前記測定対象面は、切削加工、研削加工、特殊加工、金属皮膜処理、非金属皮膜処理、化学処理、鋼の表面処理、キリンス、化学研磨、ラミネート加工、シボ加工のうち１以上の処理が施されている、請求項１３乃至２３の何れか一項に記載の角度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度測定装置、及び、角度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品、電子部品にかかわる製造分野において、部品の特定の面の傾き角度を精度よく測定することが重要である。部品の特定の面の傾き角度の測定方法として、非接触で高精度の測定が行えるレーザーオプティカルコリメーター（ＬＯＣ：Ｌａｓｅｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）がよく利用される。この装置はオートコリメーターやチルトセンサーとも呼ばれる。特許文献１には、受光面が複数の受光領域に分割された受光素子によって測定対象物からの戻り光を受光するチルトセンサーが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２１４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ＬＯＣによって測定対象物の傾き角度を測定するためには、測定対象物の測定対象面が滑らかな鏡面であることが原理上求められる。具体的には、当該測定対象面が鏡面ではない場合、当該測定対象面からの反射光には、正反射光（０次光（「０次回折光」とも称する。））だけでなく、散乱反射光（ｎ次光（「ｎ次回折光」とも称する。）（ｎは１以上の整数））が含まれる。そのため、受光光学系の受光面には複数の集光スポットが形成されてしまい、何れの集光スポットの位置に基づいて測定対象物の傾き角度を算出すればよいのか分からず、測定対象物の傾き角度を正確に算出することができない。一方で、フライス等による機械加工面、エッチング等の化学処理面等の粗面をもつ部品の傾き角度を測定する要求が高い。例えば、テーパー加工部、エンジン等の機械部品、刃物、電子部品コネクタ、ＩＣフリップチップの裏面等の粗面の傾き角度を精度よく非接触で測定する手法の確立が望まれている。
【０００５】
本発明は、粗面を含む部品の傾き角度を測定することができる角度測定装置及び角度測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に係る角度測定装置は、測定対象物の測定対象面に測定用光を出射する光源と、前記測定対象面から反射された反射光を受光光学系の受光面に集光する集光光学系と、前記集光光学系から出射された前記反射光を受光する前記受光光学系と、前記受光面に集光された前記反射光の集光スポットから０次光の集光スポットを抽出する抽出処理部と、前記受光面における前記０次光の集光スポットの位置に基づいて前記測定対象物の傾き角度を算出する算出処理部と、を備えるものである。
【０００７】
本発明の第１の態様に係る角度測定装置よれば、抽出処理部によって、集光スポットから正反射光（０次光）の集光スポットが抽出され、算出処理部によって、受光面における当該０次光の集光スポットの位置に基づいて測定対象物の傾き角度が算出される。そのため、算出処理部は、測定対象物の測定対象面が粗面であっても、当該測定対象物の傾き角度を算出することができる。よって、粗面を含む部品の傾き角度を測定することができる角度測定装置を提供することができる。
【０００８】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に、又は、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に、出射することが好ましい。
光源が２以上の波長の異なる単色光を同時に出射する場合、受光光学系の受光面において、反射光に含まれるそれぞれの単色光の正反射光（０次光）は同じ位置に集光し、反射光に含まれるそれぞれの単色光の散乱反射光（ｎ次光）は測定対象面における回折現象のため波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部は、反射光に含まれるそれぞれの単色光の０次光が受光面の同じ位置に集光する性質を利用して、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
光源が２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射する場合、受光光学系の受光面において、異なる単色光の正反射光（０次光）は常に同じ位置に集光し、散乱反射光（ｎ次光）は波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部は、受光面に形成される集光スポットの経時変化に基づいて、受光面において集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出することにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【０００９】
さらに、前記光源から出射される測定用光の前記測定対象面における光束は０．２ミリルーメン以上であることが好ましい。
光源が出射する測定用光の測定対象面における光束が０．２ミリルーメン以上である場合、環境光の影響が少なくなり、安定した測定を行うことができる。
【００１０】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、前記受光光学系は、前記受光面に集光された前記反射光に含まれる前記単色光のうち２以上を区別して検出可能であり、前記抽出処理部は、前記受光光学系の検出結果に基づいて、前記０次光の集光スポットを抽出することが更に好ましい。
受光光学系は、受光面に集光された反射光に含まれる単色光のうち２以上を区別して検出可能であるため、抽出処理部は、反射光に含まれるそれぞれの単色光の０次光が受光面の同じ位置に集光する性質を利用して、受光光学系の検出結果に基づいて、受光面に形成された複数の集光スポットから正反射光（０次光）の集光スポットを容易に判別することができる。
【００１１】
さらに、前記抽出処理部は、前記受光光学系によって取得された前記反射光の画像の各画素が０次光を検出する画素かｎ次光（ｎは１以上の整数）を検出する画素かを判別するための判別問題を解くことにより、前記０次光の集光スポットを抽出することが好ましい。
これにより、抽出処理部は、判別問題を解くことによって、受光光学系によって取得された反射光の画像に含まれる各画素が０次光を検出する画素かｎ次光を検出する画素かを判別することができ、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００１２】
また、抽出処理部は、前記判別問題を、線形判別法、サポートベクターマシン、カーネル法、ニューラルネットワーク、ｋ近傍法、判別木、アンサンブル法、判別分析法、ロジスティック回帰分析、ナイーブベイズ法の何れかを用いて解くことが更に好ましい。
これにより、抽出処理部は、一般的な手法を用いて当該判別問題を解くことができる。
【００１３】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、前記受光光学系は、２以上の受光素子を備え、前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して一の単色光を一の前記受光素子の前記受光面に集光し、他の単色光を他の前記受光素子の前記受光面に集光し、前記抽出処理部は、前記２以上の受光素子の前記受光面のそれぞれに形成された複数の集光スポットのうち、前記一の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置と、前記他の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置とが一致する集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出することが更に好ましい。
集光光学系によって、反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光が波長毎に分光されて、一の単色光が一の前記受光素子の前記受光面に集光され、他の単色光が他の前記受光素子の前記受光面に集光されるため、抽出処理部は、一の受光素子の受光面における集光スポットの位置と他の受光素子の受光面における集光スポットの位置を比較するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００１４】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して異なるタイミングで交替に前記受光光学系の前記受光面に集光し、前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出することが更に好ましい。
集光光学系によって、反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光が波長毎に分光されて異なるタイミングで交替に受光光学系の受光面に集光されるため、抽出処理部は、受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００１５】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射し、前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出することが更に好ましい。
これにより、抽出処理部は、受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００１６】
さらに、前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの０．５％以上１０％以下であることが好ましい。
０次光の集光スポットのスポット径が当該範囲にある場合、抽出処理部は、受光光学系の受光面に形成された複数の集光スポットから、正反射光（０次光）の集光スポットを安定して抽出することができる。
また、前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの２．０％以上８．０％以下であることが更に好ましい。
０次光の集光スポットのスポット径が当該範囲にある場合、抽出処理部は、受光光学系の受光面に形成された複数の集光スポットから、正反射光（０次光）の集光スポットを更に安定して抽出することができる。
【００１７】
また、測定対象物の前記測定対象面は、切削加工、研削加工、特殊加工、金属皮膜処理、非金属皮膜処理、化学処理、鋼の表面処理、キリンス、化学研磨、ラミネート加工、シボ加工のうち１以上の処理が施されていてもよい。本発明の第１の態様に係る角度測定装置は、測定対象物の測定対象面に上記加工処理が施された粗面であっても、当該測定対象物の傾き角度を算出することができる。
【００１８】
本発明の第２の態様に係る角度測定方法は、光源が測定対象物の測定対象面へ測定用光を出射し、集光光学系が、前記測定対象面から反射された反射光を受光光学系の受光面に集光し、前記受光光学系が、前記集光光学系から出射された前記反射光を受光し、抽出処理部が、前記受光面に集光された前記反射光の集光スポットから０次光の集光スポットを抽出し、算出処理部が、前記受光面における前記０次光の集光スポットの位置に基づいて前記測定対象物の傾き角度を算出するものである。
【００１９】
本発明の第２の態様に係る角度測定方法よれば、抽出処理部によって、集光スポットから正反射光（０次光）の集光スポットが抽出され、算出処理部によって、受光面における当該０次光の集光スポットの位置に基づいて測定対象物の傾き角度が算出される。そのため、算出処理部は、測定対象物の測定対象面が粗面であっても、当該測定対象物の傾き角度を算出することができる。よって、粗面を含む部品の傾き角度を測定することができる角度測定方法を提供することができる。
【００２０】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に、又は、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に、出射することが好ましい。
光源が２以上の波長の異なる単色光を同時に出射する場合、受光光学系の受光面において、反射光に含まれるそれぞれの単色光の正反射光（０次光）は同じ位置に集光し、反射光に含まれるそれぞれの単色光の散乱反射光（ｎ次光）は測定対象面における回折現象のため波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部は、反射光に含まれるそれぞれの単色光の０次光が受光面の同じ位置に集光する性質を利用して、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
光源が２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射する場合、受光光学系の受光面において、異なる単色光の正反射光（０次光）は常に同じ位置に集光し、散乱反射光（ｎ次光）は波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部は、受光面に形成される集光スポットの経時変化に基づいて、受光面において集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出することにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００２１】
さらに、前記光源から出射される測定用光の前記測定対象面における光束は０．２ミリルーメン以上であることが好ましい。
光源が出射する測定用光の測定対象面における光束が０．２ミリルーメン以上である場合、環境光の影響が少なくなり、安定した測定を行うことができる。
【００２２】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、前記受光光学系は、前記受光面に集光された前記反射光に含まれる前記単色光のうち２以上を区別して検出可能であり、前記抽出処理部は、前記受光光学系の検出結果に基づいて、前記０次光の集光スポットを抽出することが更に好ましい。
受光光学系は、受光面に集光された反射光に含まれる単色光のうち２以上を区別して検出可能であるため、抽出処理部は、反射光に含まれるそれぞれの単色光の０次光が受光面の同じ位置に集光する性質を利用して、受光光学系の検出結果に基づいて、受光面に形成された複数の集光スポットから正反射光（０次光）の集光スポットを容易に判別することができる。
【００２３】
さらに、前記抽出処理部は、前記受光光学系によって取得された前記反射光の画像の各画素が０次光を検出する画素かｎ次光（ｎは１以上の整数）を検出する画素かを判別するための判別問題を解くことにより、前記０次光の集光スポットを抽出することが好ましい。
これにより、抽出処理部は、判別問題を解くことによって、受光光学系によって取得された反射光の画像に含まれる各画素が０次光を検出する画素かｎ次光を検出する画素かを判別することができ、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００２４】
また、抽出処理部は、前記判別問題を、線形判別法、サポートベクターマシン、カーネル法、ニューラルネットワーク、ｋ近傍法、判別木、アンサンブル法、判別分析法、ロジスティック回帰分析、ナイーブベイズ法の何れかを用いて解くことが更に好ましい。
これにより、抽出処理部は、一般的な手法を用いて当該判別問題を解くことができる。
【００２５】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、前記受光光学系は、２以上の受光素子を備え、前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して一の単色光を一の前記受光素子の前記受光面に集光し、他の単色光を他の前記受光素子の前記受光面に集光し、前記抽出処理部は、前記２以上の受光素子の前記受光面のそれぞれに形成された複数の集光スポットのうち、前記一の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置と、前記他の受光素子の前記受光面における集光スポットの位置とが一致する集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出することが更に好ましい。
集光光学系によって、反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光が波長毎に分光されて、一の単色光が一の前記受光素子の前記受光面に集光され、他の単色光が他の前記受光素子の前記受光面に集光されるため、抽出処理部は、一の受光素子の受光面における集光スポットの位置と他の受光素子の受光面における集光スポットの位置を比較するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００２６】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射し、前記集光光学系は、前記反射光に含まれる前記２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して異なるタイミングで交替に前記受光光学系の前記受光面に集光し、前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出することが更に好ましい。
集光光学系によって、反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光が波長毎に分光されて異なるタイミングで交替に受光光学系の受光面に集光されるため、抽出処理部は、受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００２７】
また、前記光源は、前記測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射し、前記抽出処理部は、前記受光光学系の前記受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、前記受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを前記０次光の集光スポットとして抽出することが更に好ましい。
これにより、抽出処理部は、受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００２８】
さらに、前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの０．５％以上１０％以下であることが好ましい。
０次光の集光スポットのスポット径が当該範囲にある場合、抽出処理部は、受光光学系の受光面に形成された複数の集光スポットから、正反射光（０次光）の集光スポットを安定して抽出することができる。
また、前記受光光学系の前記受光面に形成される前記０次光の集光スポットのスポット径は、前記測定対象物の前記測定対象面が鏡面である場合に、前記受光面の受光領域の短辺の長さの２．０％以上８．０％以下であることが更に好ましい。
０次光の集光スポットのスポット径が当該範囲にある場合、抽出処理部は、受光光学系の受光面に形成された複数の集光スポットから、正反射光（０次光）の集光スポットを更に安定して抽出することができる。
【００２９】
また、測定対象物の前記測定対象面は、切削加工、研削加工、特殊加工、金属皮膜処理、非金属皮膜処理、化学処理、鋼の表面処理、キリンス、化学研磨、ラミネート加工、シボ加工のうち１以上の処理が施されていてもよい。本発明の第２の態様に係る角度測定方法は、測定対象物の測定対象面に上記加工処理が施された粗面であっても、当該測定対象物の傾き角度を算出することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、粗面を含む部品の傾き角度を測定することができる角度測定装置及び角度測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るオプティカルコリメータの一例を示す図である。
【図２】測定対象面が粗面である場合にオプティカルコリメータによって取得されるスポット画像の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るオプティカルコリメータの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るオプティカルコリメータによって取得されたスポット画像の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るオプティカルコリメータによって取得されたスポット画像の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るオプティカルコリメータによって、図５に示すスポット画像から抽出された白色光のスポットを示す図である。
【図７】図５のスポット画像と図６のスポット画像とを重畳したスポット画像を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る学習データの一例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る角度測定方法によって取得されたスポット画像の一例及び当該スポット画像から抽出されたスポットを示す画像について説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係るオプティカルコリメータの一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係るオプティカルコリメータの一例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係るオプティカルコリメータの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
まず、本発明の原理について、説明する。図１は、本発明に係る角度測定装置としてのオプティカルコリメータ１００の一例を示す図である。図１に示すように、本発明に係るオプティカルコリメータ１００は、測定用光を出射する光源１１０、集光光学系としてのコリメータレンズ１４０、受光光学系としてのイメージセンサ１５０、画像処理部１６０等を備える。
【００３３】
画像処理部１６０は、抽出処理部１６１、算出処理部１６２を備える。また、画像処理部１６０は、図示しないＣＰＵ及び図示しない記憶部等を備える。そして、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、画像処理部１６０における全ての処理が実現する。
また、画像処理部１６０のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、ＣＰＵに実行されることにより、画像処理部１６０のそれぞれにおける処理を実現するためのコードを含む。なお、記憶部は、例えば、このプログラムや、画像処理部１６０における処理に利用される各種情報を格納することができる任意の記憶装置を含んで構成される。記憶装置は、例えば、メモリ等である。
具体的には、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、画像処理部１６０は、抽出処理部１６１、算出処理部１６２等として機能する。
【００３４】
光源１１０は、測定対象物２００の測定対象面へ測定用光を出射する。光源１１０から出射された測定用光は、初めから平行光であってもよいし、光源１１０と測定対象物２００との間に配置されたコリメータレンズ等によって平行光に変換されてもよい。
コリメータレンズ１４０は、測定対象面２１０から反射された反射光をイメージセンサ１５０の受光面に集光する。コリメータレンズ１４０はｆθレンズであってもよい。
イメージセンサ１５０は、コリメータレンズ１４０から出射された反射光を受光する。そして、イメージセンサ１５０は、取得したスポット画像のデータを画像処理部１６０に入力する。
抽出処理部１６１は、イメージセンサ１５０の受光面に集光された反射光の集光スポットから０次光の集光スポットを抽出する。
算出処理部１６２は、受光面における０次光の集光スポットの位置に基づいて測定対象物２００の傾き角度を算出する。
なお、図１において、破線で示す光束は光源１１０から出射された測定用光であり、一点鎖線で示す光束は測定対象面２１０によって反射された反射光である。
【００３５】
通常、オプティカルコリメータによって測定対象物２００の傾き角度を測定するためには、測定対象物２００の測定対象面２１０が滑らかな鏡面であることが原理上求められる。具体的には、当該測定対象面２１０が鏡面ではない場合、当該測定対象面２１０からの反射光には、正反射光（０次光（「０次回折光」とも称する。））だけでなく、散乱反射光（ｎ次光（「ｎ次回折光」とも称する。））が含まれる。そのため、例えば、図２に示すように、イメージセンサ１５０の受光面には複数の集光スポットが形成されてしまう。そして、何れの集光スポットの位置に基づいて測定対象物２００の傾き角度を算出すればよいのか分からず、測定対象物２００の傾き角度を正確に算出することができない。
【００３６】
しかし、本発明に係るオプティカルコリメータ１００及び角度測定方法よれば、抽出処理部１６１によって、受光面に集光された反射光の集光スポットから０次光の集光スポットが抽出され、算出処理部１６２によって、受光面における当該０次光の集光スポットの位置に基づいて測定対象物２００の傾き角度が算出される。そのため、算出処理部１６２は、測定対象物２００の測定対象面２１０が粗面であっても、当該測定対象物２００の傾き角度を算出することができる。
【００３７】
また、光源１１０は、測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を同時に、又は、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に、出射してもよい。
光源１１０が２以上の波長の異なる単色光を同時に出射する場合、イメージセンサ１５０の受光面において、反射光に含まれるそれぞれの単色光の正反射光（０次光）は同じ位置に集光し、反射光に含まれるそれぞれの単色光の散乱反射光（ｎ次光）は測定対象面２１０における回折現象のため波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部１６１は、反射光に含まれるそれぞれの単色光の０次光が受光面の同じ位置に集光する性質を利用して、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
光源１１０が２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射する場合、イメージセンサ１５０の受光面において、異なる単色光の正反射光（０次光）は常に同じ位置に集光し、散乱反射光（ｎ次光）は波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部１６１は、受光面に形成される集光スポットの経時変化に基づいて、受光面において集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出することにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００３８】
また、光源１１０が出射する測定用光の測定対象面２１０における光束は０．２ミリルーメン以上であることが好ましい。光源１１０が出射する測定用光の測定対象面２１０における光束が０．２ミリルーメン以上である場合、環境光の影響が少なくなり、安定した測定を行うことができる。
具体的には、事務室などの一般的な環境の照度は１００〜５００ルクスと言われている。例えば、このような環境の明るさの下で本発明に係るオプティカルコリメータ１００によって金属加工面である測定対象面２１０の傾き角度を測定する場合、イメージセンサ１５０は、環境光に由来するおおよそ０．１ミリルーメンの光を受光する。したがって、このような環境下において抽出処理部１６１が安定して反射光に含まれる正反射光（０次光）を判別するためには、光源１１０は、測定対象面２１０における光束が少なくとも０．２ミリルーメンとなる測定用光を出射する必要がある。光源１１０から出射された測定用光の測定対象面２１０における光束が０．２ミリルーメン未満である場合、測定誤差が測定レンジの１０％を超えてしまうケースが散見された。
【００３９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
実施の形態１
図３は、本発明の実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａの一例を示す図である。図３に示すように、実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａは、光源１１０Ａ、コリメータレンズ１２０、ハーフミラー１３０、集光光学系としてのコリメータレンズ１４０、受光光学系としてのカラーイメージセンサ１５０Ａ、画像処理部１６０Ａ等を備える。
なお、図３において、破線で示す光束は光源１１０Ａから出射された測定用光及びコリメータレンズ１２０によって変換された平行光であり、一点鎖線で示す光束は測定対象面２１０によって反射された反射光である。以下の図１０、１１、１２においても同様である。
【００４０】
光源１１０Ａは、白色光源１１１、光ファイバー１１２、出射部１１３等を備える。白色光源１１１は、測定用光としての白色光を出射する。光ファイバー１１２は、白色光源１１１から出射された白色光を出射部１１３へ導光する。出射部１１３は、光ファイバー１１２によって導光された白色光を出射する。換言すれば、光源１１０Ａは、測定用光として、複数の波長の異なる単色光を同時に出射する。なお、光源１１０Ａが出射する測定用光は、白色光に限定されるものではなく、２以上の波長の異なる単色光を同時に出射するものであればよい。
光源１１０Ａは、白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、２以上の波長の異なるＬＥＤ、レーザを蛍光体に照射し白色光を得るもの、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ）等であってもよい。また、光ファイバー１１２は、シングルモードであっても、マルチモードであってもよい。また、光源１１０Ａは、２以上の異なる波長のレーザ光を光ファイバー１１２にカップリングさせるものであってもよい。
【００４１】
コリメータレンズ１２０は、光源１１０から出射された測定用光を平行光に変換する。
ハーフミラー１３０は、コリメータレンズ１２０から出射された平行光を測定対象物２００の測定対象面２１０へ反射するとともに、当該測定対象面２１０から反射された反射光を透過する。
コリメータレンズ１４０は、ハーフミラー１３０から出射された反射光をイメージセンサ１５０の受光面に集光する。コリメータレンズ１４０はｆθレンズであってもよい。
【００４２】
カラーイメージセンサ１５０Ａは、当該カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に入射する反射光に含まれる単色光のうち２以上を区別して検出可能なイメージセンサである。
カラーイメージセンサ１５０Ａは、カラーＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）センサ、カラーＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ＭＯＳ）センサ等であってもよい。また、カラーイメージセンサ１５０Ａは、光軸Ｘに直交する平面上で移動可能に支持されており、コリメータレンズ１４０から出射された反射光を走査して受光してもよい。また、カラーイメージセンサ１５０Ａは、１次元アレイ型のイメージセンサであってもよい。
【００４３】
画像処理部１６０Ａは、抽出処理部１６１Ａ、算出処理部１６２等を備える。
抽出処理部１６１Ａは、反射光に含まれるそれぞれの単色光の０次光が受光面の同じ位置に集光する性質を利用して、カラーイメージセンサ１５０Ａの検出結果に基づいて、受光面に形成された複数の集光スポットから正反射光（０次光）の集光スポットを抽出する。例えば、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａの検出結果に基づいて、光源１１０Ａから出射された測定用光の波長成分と同じ波長成分を有する反射光の集光スポットを０次光の集光スポットとして抽出する。
【００４４】
具体的には、光軸Ｘに対して傾いていない（すなわち、光軸Ｘに直交している）測定対象物２００の測定対象面２１０に２次元の回折格子が形成されており、光源１１０Ａが測定用光として白色光を出射する場合、カラーイメージセンサ１５０Ａは、例えば、図４に示すスポット画像を取得する。図４に示すスポット画像において、白色光に含まれるそれぞれの単色光の正反射光（０次光）は同じ位置に集光する。また、測定対象面２１０は光軸Ｘに対して直交しているため、白色光に含まれるそれぞれの単色光の正反射光（０次光）はカラーイメージセンサ１５０Ａの光軸Ｘとの交点（以下、「原点」と称する。）に集光する。一方、測定対象面２１０における回折現象のため、白色光に含まれるそれぞれの単色光の散乱反射光（ｎ次光）は波長毎に異なる位置（カラーイメージセンサ１５０Ａの原点を中心とする放射線上）に集光する。そのため、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａ上の白色光の集光スポットを抽出することにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００４５】
より具体的には、本実施の形態１では、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａによって取得された反射光のスポット画像の各画素の画素値（ＲＧＢ値）をＨＳＶ値に変換する。そして、抽出処理部１６１Ａは、以下の式（１）及び式（２）を満たす画素値（ＨＳＶ値）を有する画素を、正反射光（０次光）を検出する画素として抽出する。換言すれば、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａによって取得された反射光のスポット画像の各画素の画素値を表す色空間（通常、ＲＧＢ色空間）をＨＳＶ色空間に変換する。ここで、ＨＳＶ色空間とは、Ｈ（Ｈｕｅ：色相）、Ｓ（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ・Ｃｈｒｏｍａ：彩度）、Ｖ（Ｖａｌｕｅ・Ｌｉｇｈｔｎｅｓｓ・Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ：明度）で表される色空間であり、ＨＳＬ色空間（Ｈｕｅ、Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ、Ｌｉｇｈｔｎｅｓｓ）、ＨＳＢ色空間（Ｈｕｅ、Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ、Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）とも呼ばれる。カラーイメージセンサ１５０Ａによって取得された反射光のスポット画像の画素iのＨＳＶ値を (Hi, Si, Vi ) とすると、白色光を検出する画素の画素値は、彩度が０付近であり、明度がある値以上となるため、抽出処理部１６１Ａは、以下の式（１）及び式（２）を満たす画素値（ＨＳＶ値）を有する画素を抽出することにより、正反射光（０次光）を検出する画素を抽出することができる。
【数１】
2018132475.tif 000003
【数２】
2018132475.tif 000004
ここで、S0は彩度の閾値及びV0は明度の閾値である。抽出処理部１６１Ａが白色光を検出する画素を抽出する場合、S0は０付近、V0はある値以上である。当該閾値S0及びV0は、光源１１０Ａが出射する測定用光のＨＳＶ値によって定められる。
【００４６】
算出処理部１６２は、抽出処理部１６１Ａによって抽出された集光スポットの重心又は明度ピークの位置をピクセル座標値として算出する。そして、算出処理部１６２は、算出した座標値（位置）に基づいて測定対象物２００の傾き角度を算出する。具体的には、算出処理部１６２は、例えば、算出した座標値に、カラーイメージセンサ１５０Ａのピクセルサイズ及び集光光学系のコリメータレンズ１４０によって決定される角度−位置変換係数を乗じて正反射光（０次光）の傾き角度を測定対象物２００の傾き角度として算出する。
【００４７】
また、カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に形成される正反射光（０次光）の集光スポットのスポット径は、測定対象物２００の測定対象面２１０が鏡面である場合に、当該受光面の受光領域の短辺の長さの０．５％以上１０％以下であってもよい。
０次光の集光スポットのスポット径が当該範囲にある場合、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に形成された複数の集光スポットから、正反射光（０次光）の集光スポットを安定して抽出することができる。
正反射光（０次光）の集光スポットのスポット径がカラーイメージセンサ１５０Ａの受光領域の短辺の長さの０．５％未満である場合、受光領域に占める正反射光（０次光）の集光スポットの領域は５ピクセル未満となってしまい、抽出処理部１６１Ａが判別処理を行うのに不十分なデータ数となってしまう。また、正反射光（０次光）の集光スポットのスポット径がカラーイメージセンサ１５０Ａの受光領域の短辺の長さの１０％超過である場合、測定誤差が測定レンジの１０％を超えてしまう場合がある。当該集光スポットのスポット径が当該受光領域の短辺の長さの１０％を超えると、例えば、測定レンジが３．８ｄｅｇである場合、約０．４ｄｅｇ程度の大きな測定誤差が生じてしまう場合がある。
さらに、カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に形成される正反射光（０次光）の集光スポットのスポット径は、測定対象物２００の測定対象面２１０が鏡面である場合に、当該受光面の受光領域の短辺の長さの２．０％以上８．０％以下であってもよい。
０次光の集光スポットのスポット径が当該範囲にある場合、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に形成された複数の集光スポットから、正反射光（０次光）の集光スポットを更に安定して抽出することができる。
正反射光（０次光）の集光スポットのスポット径がカラーイメージセンサ１５０Ａの受光領域の短辺の長さの２．０％以上である場合、受光領域に占める正反射光（０次光）の集光スポットの領域は２０ピクセル以上となり、抽出処理部１６１Ａが安定して判別処理を行うのに十分な量のデータ数となる。また、正反射光（０次光）の集光スポットのスポット径がカラーイメージセンサ１５０Ａの受光領域の短辺の長さの８％以下である場合、受光領域に占める正反射光（０次光）の集光スポットの領域は２００ピクセル以下に抑えられ、当該領域の重心を算出することにより、安定した測定を行うことができる。
【００４８】
また、測定対象物２００は、鋼鉄材、非鉄金属、プラスチック、ガラス、セラミック、ゴム、木材、繊維強化プラスチック、繊維強化金属、炭素繊維強化材料、液体等の材料から形成されていてもよい。ここで、液体とは、機械加工面に塗布された油、乾燥前の塗料等である。
また、測定対象物２００の測定対象面２１０は、切削加工、研削加工、特殊加工等のうち１以上の処理が施されていてもよい。切削加工としては、旋削、フライス削り、中ぐり、穴あけ、ねじ加工、歯切り、平削り、形削り、立て削り、ブローチ削り等が挙げられる。また、研削加工としては、研削、ホーニング仕上げ、ラップ仕上げ、バレル仕上げ等が挙げられる。また、特殊加工としては、放電加工、電解加工、超音波加工、電子ビーム加工、レーザービーム加工等が挙げられる。
また、測定対象物２００の測定対象面２１０は、金属皮膜処理、非金属皮膜処理、化学処理、鋼の表面処理、キリンス、化学研磨、ラミネート加工、シボ加工等のうち１以上の処理が施されていてもよい。金属皮膜処理としては、電気(電解)メッキ、溶融メッキ、拡散メッキ、蒸着メッキ、無電解メッキ、溶射等が挙げられる。また、非金属皮膜処理としては、プラスチックライニング、コーティング、塗装、ホットスタンピング、熱転写、金属印刷等が挙げられる。また、化学処理としては、煮色仕上げ、陽極酸化、クロメート処理、リン酸塩処理、黒染め、古美処理等が挙げられる。また、鋼の表面処理としては、火炎焼き入れ、高周波焼き入れ、浸炭、窒化、電子ビーム焼入れ、レーザー焼入れ、ショットピーニング、ＴＤ処理（Ｔｏｙｏｔａ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）等が挙げられる。
【００４９】
実施例１
次に、本実施の形態１の実施例１について説明する。実施例１では、測定対象面２１０として粗さＲ＿ｙが約３μｍのフライス加工面を有する測定対象物２００を用いた。光源１１０Ａから出射された白色光をコリメータレンズ１２０によって平行光に変換し、当該平行光をハーフミラー１３０によって当該測定対象面２１０へ反射し、測定対象面２１０から反射された反射光をコリメータレンズ１４０によってカラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に集光させた。焦点距離ｆは２０ｍｍである。カラーイメージセンサ１５０Ａによって取得されたスポット画像を図５に示す。図５に示すように、フライス加工によって形成された測定対象面２１０上の直線状の溝に直交する方向に散乱光が広がっているスポット画像がカラーイメージセンサ１５０Ａによって取得された。また、図５において白色光の集光スポットＳＰ１が観察された。なお、図５に示すスポット画像の大きさは、６４０×４８０ピクセルであり、４８０ピクセル＝３．８ｄｅｇであり、５．５５μｍ／ピクセルである。
【００５０】
図６に、抽出処理部１６１Ａによって、図５に示すスポット画像から抽出された正反射光（０次光）の集光スポット（白色光の集光スポット）ＳＰ１を示すスポット画像を示す。具体的には、抽出処理部１６１Ａは、図５に示すスポット画像の各画素の画素値（ＲＧＢ値）をＨＳＶ値に変換し、上記の式（１）及び式（２）を満たす画素値を有する画素を、正反射光（０次光）の集光スポット（白色光の集光スポット）ＳＰ２として抽出した。
【００５１】
図７に、図５のスポット画像と図６のスポット画像とを重畳したスポット画像を示す。図７に示すように、抽出処理部１６１Ａによって抽出された正反射光（０次光）の集光スポットＳＰ２は、カラーイメージセンサ１５０Ａによってスポット画像の白色光のスポットＳＰ１と重なっており、抽出処理部１６１Ａによって、白色光のスポットＳＰ１が正反射光（０次光）の集光スポットＳＰ２として精度よく抽出されていることがわかる。
【００５２】
そして、算出処理部１６２は、抽出処理部１６１Ａによって抽出された集光スポットＳＰ２の重心又は明度ピークの位置をピクセル座標値として算出する。そして、算出処理部１６２は、算出した座標値に、カラーイメージセンサ１５０Ａのピクセルサイズ及び集光光学系のコリメータレンズ１４０によって決定される角度−位置変換係数３．８ｄｅｇ／４８０ピクセルを乗じて正反射光（０次光）の傾き角度を測定対象物２００の傾き角度として算出する。
【００５３】
以上に説明した本実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａ及び角度測定方法によれば、光源１１０Ａが２以上の波長の異なる単色光を同時に出射する。そして、カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面において、反射光に含まれるそれぞれの単色光の正反射光（０次光）は同じ位置に集光し、反射光に含まれるそれぞれの単色光の散乱反射光（ｎ次光）は測定対象面２１０における回折現象のため波長毎に異なる位置に集光する。
そして、カラーイメージセンサ１５０Ａは、受光面に集光された反射光に含まれる単色光のうち２以上を区別して検出可能であるため、抽出処理部１６１Ａは、反射光に含まれるそれぞれの単色光の０次光が受光面の同じ位置に集光する性質を利用して、カラーイメージセンサ１５０Ａの検出結果に基づいて、受光面に形成された複数の集光スポットから正反射光（０次光）の集光スポットを容易に判別することができる。
【００５４】
また、カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に形成される正反射光（０次光）の集光スポットのスポット径は、測定対象物２００の測定対象面２１０が鏡面である場合に、当該受光面の受光領域の短辺の長さの０．５％以上１０％以下、より好ましくは、２．０％以上８．０％以下であってもよい。これにより、０次光の集光スポットのスポット径が当該範囲にある場合、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａの受光面に形成された複数の集光スポットから、正反射光（０次光）の集光スポットを安定して抽出することができる。
【００５５】
また、測定対象物２００の測定対象面２１０は、切削加工、研削加工、特殊加工、金属皮膜処理、非金属皮膜処理、化学処理、鋼の表面処理、キリンス、化学研磨、ラミネート加工、シボ加工等のうち１以上の処理が施されていてもよい。
本発明の実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａ及び角度測定方法は、測定対象物２００の測定対象面２１０に上記加工処理が施された粗面であっても、当該測定対象物２００の傾き角度を算出することができる。
【００５６】
なお、抽出処理部１６１Ａは、他の方法によって、カラーイメージセンサ１５０Ａの検出結果に基づいて、光源１１０Ａから出射された測定用光の波長成分と同じ波長成分を有する反射光の集光スポットを０次光の集光スポットとして抽出してもよい。
例えば、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａによって取得された反射光のスポット画像の各画素が正反射光（０次光）を検出する画素かｎ次光（ｎは１以上の整数）を検出する画素かを判別するための判別問題を解くことにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出してもよい。ここで、判別問題とは、ある母集団からいくつかのサンプルが抽出され，当該サンプルの値xが以下の式（３）で表され、当該各サンプルが属するクラスyiが以下の式（４）で表され、学習データDが以下の式（５）で表される場合に、将来与えられる未知のサンプルが属するクラスを予測する問題である。
【数３】
2018132475.tif 000005
【数４】
2018132475.tif 000006
【数５】
2018132475.tif 000007
ここで、サンプルの値xはベクトルデータであり、pはベクトルデータxの次元であり、kはクラスの数である。
そして、当該判別問題を、カラーイメージセンサ１５０Ａによって取得された反射光のスポット画像の各画素が正反射光（０次光）を検出する画素かｎ次光（ｎは１以上の整数）を検出する画素かを判別する問題に当てはめる場合、xは各画素のカラー画素値に相当し、xがＲＧＢ値の場合p = 3であり、xは、赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）の三つの原色の光の強度を成分とした３次元データとなる。したがってｘは３次元ベクトルとなるのでp=3となります。また、クラス数kはk = 2となり、クラスc1は正反射光（０次光）を検出する画素、クラスc2はｎ次光を検出する画素となる。また、あらかじめ、測定対象面の傾き角度が既知の粗面に対して白色光を照射して反射光を観測し、カラーイメージセンサ１５０Ａが取得したスポット画像における既知の正反射光を検出する領域から抽出した画素値から学習データを構成することができる。抽出処理部１６１Ａは、このような判別問題を解くことにより、０次光の集光スポットを抽出することができる。
【００５７】
また、抽出処理部１６１Ａは、当該判別問題を、線形判別法、サポートベクターマシン、カーネル法、ニューラルネットワーク、ｋ近傍法、判別木、アンサンブル法、判別分析法、ロジスティック回帰分析、ナイーブベイズ法等を用いて解いてもよい。
【００５８】
さらに、抽出処理部１６１Ａは、カラーイメージセンサ１５０Ａによって取得された反射光のスポット画像の各画素の画素値xが表される色空間（通常、ＲＧＢ色空間）を、ＨＳＶ色空間、ＸＹＺ色空間、ｘｙＹ色空間、ＣＩＥｘｙ色度、Ｌ＊Ａ＊ｂ＊表色系、ＣＩＥＬＵＶ、マンセル表色系、ＣＭＹ色空間等の他の色空間や色度や表色系に変換してもよい。すなわち、抽出処理部１６１Ａは、当該画素値xをＨＳＶ色空間等の他の色空間や色度や表色系を用いて表すように変換してもよい。これにより、抽出処理部１６１Ａの判別性を向上することができる。
【００５９】
また、学習データは、図８に示すような、縦軸にＶａｌｕｅ（明度）を示し、横軸にＳａｔｕｒａｔｉｏｎ（彩度）を示すグラフ（当該グラフは、ＨＳＶ色空間におけるＳＶ面に相当する。）において、閾値S0及び閾値V0が経験的に設定されたものであってもよい。すなわち、図８におけるハッチングで示す範囲が学習データに相当し、抽出処理部１６１Ａは、図８のハッチングで示す範囲にプロットされる画素の集まりを正反射光（０次光）の集光スポットとして抽出してもよい。
【００６０】
また、あらかじめ、粗面である測定対象面２１０の傾き角度と同じ傾き角度の鏡面を有する測定参照物をオプティカルコリメータ１００Ａで測定して、カラーイメージセンサ１５０Ａによって図９の（３）に示すスポット画像を取得し、図９の（３）のスポット画像における集光スポットの領域に含まれるピクセル座標値を画像処理部１６０Ａの記憶部（図示省略）に記憶しておき、抽出処理部１６１Ａは、当該記憶部に記憶されたピクセル座標値に位置する画素に対して判別処理を行ってもよい。例えば、抽出処理部１６１Ａは、図８に示すＳＶ面に当該ピクセル座標値に位置する画素の画素値（ＨＳＶ値）をプロットし、上述の式（１）及び式（２）を満たす画素値（ＨＳＶ値）を有する画素（図８のハッチングで示す範囲にプロットされる画素）を、正反射光（０次光）の集光スポットとして抽出してもよい。図９の（１）に、実施例１に係る測定対象物２００をオプティカルコリメータ１００Ａによって測定してカラーイメージセンサ１５０Ａによって取得されたスポット画像を示し、図９の（２）に、抽出処理部１６１Ａが、図８のＳＶ面のハッチングで示す範囲にプロットされる画素を抽出することにより抽出された集光スポットＳＰ３を示し、図９の（４）に、図９の（３）のスポット画像と抽出処理部１６１Ａによって抽出された正反射光（０次光）の集光スポットＳＰ３と重畳したスポット画像を示す。このように、あらかじめ、粗面である測定対象面２１０の傾き角度と同じ傾き角度の鏡面を有する測定参照物をオプティカルコリメータ１００Ａによって測定して図９の（３）に示すような正反射光（０次光）のピクセル座標値を取得しておくことにより、オプティカルコリメータ１００Ａによって取得されるデータを校正して測定対象物２００の傾き角度を測定することができる。また、測定対象物２００と測定参照物とを同じ素材で形成することにより、測定対象物２００が色を有する場合であっても、測定対象物２００の傾き角度をより正確に測定することが可能となる。また、光源１１０Ａが白色以外の測定用光を出射する場合であっても、粗面である測定対象面２１０の傾き角度と同じ傾き角度の鏡面を有する測定参照物をオプティカルコリメータ１００Ａによって測定して図９の（３）に示すような正反射光（０次光）のピクセル座標値を取得しておくことにより、適切な閾値S0及び閾値V0並びに正反射光（０次光）のピクセル座標値を設定することができる。
【００６１】
実施の形態２
次に、図１０を参照しながら、本発明の実施の形態２に係るオプティカルコリメータ１００Ｂについて説明する。実施の形態２に係るオプティカルコリメータ１００Ｂは、集光光学系１４０Ｂ、受光光学系１５０Ｂ、画像処理部１６０Ｂの構成が、実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａと異なる。なお、実施の形態２に係るオプティカルコリメータ１００Ｂの光源１１０Ａ、コリメータレンズ１２０、ハーフミラー１３０、算出処理部１６２は、実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａと同様の構成であるため、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００６２】
集光光学系１４０Ｂは、２以上の異なる波長の単色光を透過するダイクロイックミラー１４１，１４２，１４３、及び、コリメータレンズ１４４，１４５，１４６を備える。そして、集光光学系１４０Ｂは、ハーフミラー１３０を透過した反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して一の単色光を、受光光学系１５０Ｂの一のイメージセンサ（受光素子）１５１，１５２，１５３の受光面に集光し、他の単色光を他のイメージセンサ（受光素子）１５１，１５２，１５３の受光面に集光する。例えば、ダイクロイックミラー１４１は、ハーフミラー１３０を透過した反射光に含まれる赤色の単色光のみをコリメータレンズ１４４へ透過し、コリメータレンズ１４４は、当該赤色の単色光をイメージセンサ１５１に集光する。また、ダイクロイックミラー１４２は、ダイクロイックミラー１４１から反射された反射光に含まれる緑色の単色光のみをコリメータレンズ１４５へ反射し、コリメータレンズ１４５は、当該緑色の単色光をイメージセンサ１５２に集光する。また、ダイクロイックミラー１４３は、ダイクロイックミラー１４３を透過した反射光に含まれる青色の単色光のみをコリメータレンズ１４６へ反射し、コリメータレンズ１４６は、当該青色の単色光をイメージセンサ１５３に集光する。なお、集光光学系１４０Ｂは、ダイクロイックミラー１４１，１４２，１４３の代わりに、ハーフミラー１３０を透過した反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光可能な光学プリズムを備えていてもよい。また、光軸Ｘに対して傾いていない（すなわち、光軸Ｘに直交している）、鏡面を有する測定参照物を測定した場合に、正反射光（０次光）の集光スポットがイメージセンサ１５１，１５２，１５３の中央（原点）に集光するように、ダイクロイックミラー１４１，１４２，１４３、コリメータレンズ１４４，１４５，１４６とイメージセンサ１５１，１５２，１５３との光軸Ｘがあらかじめ合されている。
【００６３】
受光光学系１５０Ｂは、２以上のイメージセンサ（受光素子）１５１，１５２，１５３を備える。また、イメージセンサ１５１，１５２，１５３は、コリメータレンズ１４４，１４５，１４６から出射された反射光を受光する。そして、イメージセンサ１５１，１５２，１５３は、取得したスポット画像のデータを画像処理部１６０Ｂに入力する。なお、イメージセンサ１５１，１５２，１５３は、カラーイメージセンサであってもよいし、受光する光の色を区別せずに検出するイメージセンサであってもよい。
【００６４】
画像処理部１６０Ｂは、抽出処理部１６１Ｂ、算出処理部１６２等を備える。
抽出処理部１６１Ｂは、２以上のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面のそれぞれに形成された複数の集光スポットのうち、一のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面における集光スポットの位置と、他のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面における集光スポットの位置とが一致する集光スポットを正反射光（０次光）の集光スポットとして抽出する。
【００６５】
上述のように、光軸Ｘに対して傾いていない（すなわち、光軸Ｘに直交している）、鏡面を有する測定参照物を測定した場合に、正反射光（０次光）の集光スポットがイメージセンサ１５１，１５２，１５３の中央（原点）に集光するように、ダイクロイックミラー１４１，１４２，１４３、コリメータレンズ１４４，１４５，１４６とイメージセンサ１５１，１５２，１５３との光軸Ｘがあらかじめ合されている。そのため、コリメータレンズ１４４によってイメージセンサ１５１の受光面に集光された赤色の単色光の正反射光（０次光）の集光スポットの原点からの変位（位置）は、コリメータレンズ１４５によってイメージセンサ１５２の受光面に集光された緑色の単色光の正反射光（０次光）の集光スポットの原点からの変位（位置）、及び、コリメータレンズ１４６によってイメージセンサ１５３の受光面に集光された青色の単色光の正反射光（０次光）の集光スポットの原点からの変位（位置）と一致する。一方、コリメータレンズ１４４，１４５，１４６によってイメージセンサ１５１，１５２，１５３に集光されるｎ次光（ｎは１以上の整数）の集光スポットの原点からの変位（位置）は、波長毎に異なる。すなわち、コリメータレンズ１４４によってイメージセンサ１５１の受光面に集光された赤色の単色光のｎ次光の集光スポットの原点からの変位（位置）は、コリメータレンズ１４５によってイメージセンサ１５２の受光面に集光された緑色の単色光のｎ次光の集光スポットの原点からの変位（位置）、及び、コリメータレンズ１４６によってイメージセンサ１５３の受光面に集光された青色の単色光のｎ次光の集光スポットの原点からの変位（位置）と異なる。そのため、抽出処理部１６１Ｂは、イメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面のそれぞれに形成された複数の集光スポットのうち、一のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面における集光スポットの位置と、他のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面における集光スポットの位置とが一致する集光スポットを抽出することにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出する。
【００６６】
以上に説明した本発明の第２の実施の形態に係るオプティカルコリメータ１００Ｂ及び角度測定方法によれば、第１の実施の形態に係るオプティカルコリメータ１００Ａと同様の効果が得られるのは勿論のこと、集光光学系１４０Ｂによって、反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光が波長毎に分光されて、一の単色光が一のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面に集光され、他の単色光が他のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面に集光されるため、抽出処理部１６１Ｂは、一のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面における集光スポットの位置と他のイメージセンサ１５１，１５２，１５３の受光面における集光スポットの位置を比較するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００６７】
実施の形態３
次に、図１１を参照しながら、本発明の実施の形態３に係るオプティカルコリメータ１００Ｃについて説明する。実施の形態３に係るオプティカルコリメータ１００Ｃは、集光光学系１４０Ｃ、イメージセンサ１５０、画像処理部１６０Ｃの構成が、実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａと異なる。なお、実施の形態３に係るオプティカルコリメータ１００Ｃの光源１１０Ａ、コリメータレンズ１２０、ハーフミラー１３０、コリメータレンズ１４０、算出処理部１６２は、実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａと同様の構成であるため、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。また、イメージセンサ１５０は、受光面に入射する反射光に含まれる単色光のうち２以上を区別して検出可能なカラーイメージセンサであってもよいし、当該反射光に含まれる単色光を区別せずに検出するものであってもよい。
【００６８】
集光光学系１４０Ｃは、コリメータレンズ１４０、バンドパスフィルタ１４７を備える。
バンドパスフィルタ１４７は、例えば、回転型の連続波長可変バンドパスフィルタ等であり、ハーフミラー１３０を透過した反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して異なるタイミングで交替にコリメータレンズ１４０へ出射する。
これにより、集光光学系１４０Ｃは、ハーフミラー１３０を透過した反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光を波長毎に分光して異なるタイミングで交替にイメージセンサ１５０の受光面に集光する。
【００６９】
画像処理部１６０Ｃは、抽出処理部１６１Ｃ、算出処理部１６２等を備える。
抽出処理部１６１Ｃは、イメージセンサ１５０の受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、当該受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを正反射光（０次光）の集光スポットとして抽出する。
【００７０】
上述のように、反射光に含まれるそれぞれの単色光の正反射光（０次光）はイメージセンサ１５０の同じ位置に集光する。一方、反射光に含まれるそれぞれの単色光の散乱反射光（ｎ次光）はイメージセンサ１５０において波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部１６１Ａは、イメージセンサ１５０の受光面において集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出することにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００７１】
以上に説明した本発明の第３の実施の形態に係るオプティカルコリメータ１００Ｃ及び角度測定方法によれば、第１の実施の形態に係るオプティカルコリメータ１００Ａと同様の効果が得られるのは勿論のこと、集光光学系１４０Ｃによって、反射光に含まれる２以上の波長の異なる単色光が波長毎に分光されて異なるタイミングで交替にイメージセンサ１５０の受光面に集光されるため、抽出処理部１６１Ｃは、当該受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００７２】
実施の形態４
次に、図１２を参照しながら、本発明の実施の形態４に係るオプティカルコリメータ１００Ｄについて説明する。実施の形態４に係るオプティカルコリメータ１００Ｄは、光源１１０Ｄ、イメージセンサ１５０、画像処理部１６０Ｄの構成が、実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａと異なる。なお、実施の形態４に係るオプティカルコリメータ１００Ｄのコリメータレンズ１２０、ハーフミラー１３０、コリメータレンズ１４０、算出処理部１６２は、実施の形態１に係るオプティカルコリメータ１００Ａと同様の構成であるため、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。また、イメージセンサ１５０は、受光面に入射する反射光に含まれる単色光のうち２以上を区別して検出可能なカラーイメージセンサであってもよいし、当該反射光に含まれる単色光を区別せずに検出するものであってもよい。
【００７３】
光源１１０Ｄは、測定用光として、２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射する。例えば、光源１１０Ｄは、波長の異なる２以上のＬＥＤ、それぞれのＬＥＤから出射されたレーザ光を交替で遮蔽する遮蔽フィルタ等を備える。
【００７４】
画像処理部１６０Ｄは、抽出処理部１６１Ｄ、算出処理部１６２等を備える。
抽出処理部１６１Ｄは、イメージセンサ１５０の受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、当該受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを正反射光（０次光）の集光スポットとして抽出する。
【００７５】
上述のように、光源１１０Ｄが２以上の波長の異なる単色光を異なるタイミングで交替に出射する場合、イメージセンサ１５０の受光面において、異なる単色光の正反射光（０次光）は常に同じ位置に集光し、散乱反射光（ｎ次光）は波長毎に異なる位置に集光する。そのため、抽出処理部１６１Ｄは、受光面に形成される集光スポットの経時変化に基づいて、受光面において集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出することにより、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【００７６】
以上に説明した本発明の第４の実施の形態に係るオプティカルコリメータ１００Ｃ及び角度測定方法によれば、第１の実施の形態に係るオプティカルコリメータ１００Ａと同様の効果が得られるのは勿論のこと、抽出処理部１６１Ｄは、受光面に形成される集光スポットの位置の経時変化に基づいて、受光面において当該集光スポットの位置が経時的に一定である集光スポットを抽出するだけで、正反射光（０次光）の集光スポットを抽出することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ  オプティカルコリメータ（角度測定装置）
１１０、１１０Ａ、１１０Ｄ  光源
１１１  白色光源
１１２  光ファイバー
１１３  出射部
１２０  コリメータレンズ
１３０  ハーフミラー
１４０  コリメータレンズ（集光光学系）
１４０Ｂ、１４０Ｃ  集光光学系
１４１、１４２、１４３  ダイクロイックミラー
１４４、１４５、１４６  コリメータレンズ
１４７  バンドパスフィルタ
１５０、１５１、１５２、１５３  イメージセンサ（受光光学系）
１５０Ａ  カラーイメージセンサ（受光光学系）
１５０Ｂ  受光光学系
１６０、１６０Ａ、１６０Ｂ、１６０Ｃ、１６０Ｄ  画像処理部
１６１、１６１Ａ、１６１Ｂ、１６１Ｃ、１６１Ｄ  抽出処理部
１６２  算出処理部
２００  測定対象物
２１０  測定対象面
Ｘ  光軸
【図１】
2018132475.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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