(57)【要約】【課題】  観察装置において、観察物である加工物の観察部位を確実にかつ正確に観察および計測することができるようにする。【解決の手段】  絞り５０に複数の開口部を設け、それぞれの開口部にフィルターを設け、複数の画像を得る事により、３次元座標を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察物における所定の観察部位を観察する観察装置であって、
前記観察部位に対応する光学像を得るための光学系と、
前記光学系の像側の焦点を通り当該光学系の光軸に対して垂直な平面である焦平面上に
配置されるとともに開口部の中心が前記光学系の光軸から離心され、
開口部に前記光学像を特徴づける光学素子を備える、
前記開口部を複数有すること、
を特徴とする観測装置。
【請求項２】
前記光学系の像側の焦点と像面との間に
観察部位に対応する光学像を複数の画像に分離する光学素子と
開口部に備えた光学像を特徴づける光学素子の特徴を再現させる光学素子を有すること
を特徴とする観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工作機械により加工された加工物等である観察物における所定の観察および計測する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
深さ÷直径が１以上のアスペクト比が高い穴の内壁を観察・計測する為の方法としては、観察される穴の中心軸とレンズの光軸を交差する様に配置し、計測誤差の少ない投影検査機用レンズを用いる事により実現できるが、アスペクト比が高くなれば交差させる角度が小さくなり角度計測精度の再現性を確保するのが困難であった。
【０００３】
上記問題を解決する為、本発明の出願人は、光学系の焦平面に光軸から離心させた位置に開口部を設け、離芯量を自在に調整し、離芯量と光学系の諸特性との関係から観察される穴の中心軸とレンズの光軸を交差せることなく、観察される穴の中心軸と光軸を交差させる角度の再現性を高めた光学系の出願を済ませた。ただし、まだ未公開である。
【０００４】
この様な光学系でも光軸をＺ軸とする方向を計測するには、計測原点を定め原点から光学系全体の移動量を求める必要がある。
【０００５】
光学系の移動量を計測することなくＺ軸の方向を計測する方法として、対物レンズの焦平面の対称な位置に第２、第３のレンズを対物レンズの光軸と平行に配置し、３次元座標を求める光学系があった（特許文献１参照。）
【特許文献１】公告平４−５０５２１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、光学系の焦平面に光軸から離心させた位置に開口部を設け、離芯量を自在に調整し、離芯量と光学系の諸特性との関係から観察される穴の中心軸とレンズの光軸を交差せることなく、観察される穴の中心軸と光軸を交差させる角度の再現性を高めた光学系では光軸をＺ軸とする方向を計測するために、計測原点を定め原点から光学系全体の移動量を求める機械的な誤差要因を含む手段を必要とした。
【０００７】
また、対物レンズの焦平面の対称な位置に第２、第３のレンズを対物レンズの光軸と平行に配置し、３次元座標を求める光学系でも、第２、第３の光学系の保持に機械的な誤差要因を含んでいた
【０００８】
本発明では、機械的な精度に影響されることなく、光軸などの光学的な基準を辿れる様に光学素子を配置とした観察および計測装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題を解決するために、請求項１に記載の本発明の観察装置は、観察物における所定の観察部位を観察する観察装置であって、
前記観察部位に対応する光学像を得るための光学系と、
前記光学系の像側の焦点を通り当該光学系の光軸に対して垂直な平面である焦平面上に
配置されるとともに開口部の中心が前記光学系の光軸から離心され、
開口部に前記光学像を特徴づける光学素子を備える、
前記開口部を複数有すること、
を特徴とする
【００１０】
これにより、観察物における所定の観察部位を複数の方向から同時に観察できる
という作用効果を有する。
【００１１】
請求項２に記載の本発明は、前記光学系の像側の焦点と像面との間に
観察部位に対応する光学像を複数の画像に分離する光学素子と
開口部に備えた光学像を特徴づける光学素子の特徴を再現させる光学素子を有すること
を特徴とする
【００１２】
これにより、複数の方向から同時に観察した像を、
観察方向に応じた複数の像を得る事が出来る
という作用効果を有する。
【００１３】
観察物における所定の観察部位を複数の方向から同時に観察し、
観察方向に応じ得られた複数の像の全てに所定の観察部位が含まれている
という作用効果を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、察物における所定の観察部位を複数の方向から、
観察方向に応じた複数の像を得る事が出来る
という有用な効果が得られる。
【００１５】
本発明によれば、観察物における所定の観察部位を複数の方向から同時に観察し、
観察方向に応じ得られた複数の像の全てに所定の観察部位が含まれている事から
所定の観察部位を基準として３次元座標を計算できる
という有用な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の観察装置の原理を説明する図、図２は焦平面に設ける開口部の例を示す図、図３は本発明の観察装置を用い所定の観察部位にピントを合わせ撮影した図、図４は本発明の観察装置を用い所定の観察部位にピントを外し撮影した図、図５は投影検査機用レンズを用いピントを外し撮影した図、図６は絞りの開口部を光軸と一致させ方眼紙を撮影した図、図７は絞りの開口部を光軸から光軸から離心させ方眼紙を撮影した図、図８は図６および図７を得た光学系のレイアウトを示す図、である。
【００１８】
図１に記載の加工物１０の内壁面に物点１２があり、物点１２は対物レンズ４０を通り、
対物レンズ４０の像側焦平面上に設けられた、開口部の中心を光軸からｄ１，およびｄ２だけ離心した、複数の開口部を持つ絞り５０を通り、
ｄ１だけ光軸から離心した開口部を通る場合は、開口部近傍に設けたＡフィルター１０１を通り、
ｄ２だけ光軸から離心した開口部を通る場合は、開口部近傍に設けたＢフィルター１０２を通り、
ビームスプリッター１２０により複数に複写分離され、
開口部近傍に設けたＡフィルター１０１を通過した場合は、Ａ'フィルター１１１を通過し、像面７１に結像する。
開口部近傍に設けたＢフィルター１０２を通過した場合は、Ｂ'フィルター１１２を通過し、像面７２に結像する。
【００１９】
光軸６０から角度θ１だけ傾いた線を仮想光軸６０ａとすると、絞り５０の開口部の中心５１が像側焦平面にあることにより、物体側の仮想光軸６０ａ上の無限大の位置に入射瞳ＥＰ'ができる。 
【００２０】
同様に光軸６０から角度θ２だけ傾いた線を仮想光軸６０ｂとすると、絞り５０の開口部の中心５２が像側焦平面にあることにより、物体側の仮想光軸６０ｂ上の無限大の位置に入射瞳ＥＰ"ができる。
【００２１】
入射瞳ＥＰ'を通る光線である主光線は仮想光軸６０ａと平行になり、投影検査機用レンズと同様に仮想光軸６０ａと直交する平面から、レンズ４０に存在する実用上問題なく使用可能な許容範囲において３次元物体の射影像を２次元の平面である像面に結ぶことが可能であり、３次元物体の寸法を正確に計測することが可能となる。 
【００２２】
同様に入射瞳ＥＰ"を通る光線である主光線は仮想光軸６０ｂと平行になり、投影検査機用レンズと同様に仮想光軸６０ｂと直交する平面から、レンズ４０に存在する実用上問題なく使用可能な許容範囲において３次元物体の射影像を２次元の平面である像面に結ぶことが可能であり、３次元物体の寸法を正確に計測することが可能となる。
【００２３】
このように、本実施の形態によれば、レンズ４０の光軸６０を傾けることなく、光軸６０と角度θ１だけ傾いた仮想光軸６０ａに投影検査機用レンズを配置した光学系と同等の画像を得ることができる。
【００２４】
同様にレンズ４０の光軸６０を傾けることなく、光軸６０と角度θ２だけ傾いた仮想光軸６０ｂに投影検査機用レンズを配置した光学系と同等の画像を得ることができる。
【００２５】
上記の作用により、本発明ではレンズ４０の光軸６０を傾けることなく、光軸６０と角度θ１および、θ２だけ傾けた投影検査機用レンズを配置した光学系と同等な、複数の画像を同時に得る事が出来る。
【００２６】
上記の作用により、物点１２を含み違う角度から撮影した複数の画像を得る事が出来る。
【００２７】
像面７１および像面７２にＣＣＤカメラなどの光電変換装置を配置する事により、複数の電子画像が得られ、三角測量法を用いた測定が可能になる。
【００２８】
また、ＲＧＢ３ＣＣＤ方式ビデオカメラを使用する場合は、ビームスプリッター１２０、Ａ'フィルター１１１、Ｂ'フィルター１１２を設ける事無く、図２の（ｃ）に示す様に絞り５０に３カ所の開口部を設け、開口部それぞれに赤、緑、青のフィルターを設ける事により、３枚の違う角度から撮影した画像を得る事が出来る。
【００２９】
次に、図３および図４の撮影条件について説明する。
【００３０】
図２（ｂ）に示す様に光軸をＺ軸とする、絞り５０のＸＹ平面上にＸ＝−ｄ，Ｙ＝０および
Ｘ＝０，Ｙ＝−ｄの二カ所に開口部の中心を持つ穴を開け、片方の穴には偏光フィルターを取り付け、他方の穴には先に取り付けたフィルターと重ねると光が遮られる方向に回転した偏光フィルターを取り付けた。
【００３１】
光軸と直交する様に配置したガラス平面に目盛りと、数字が描かれた標版を、物点１２とし背後から照明し、ビームスプリッター１２０、Ａ'フィルター１１１，Ｂ'フィルター１１２をもうける事無く
像面７１にＣＣＤカメラを設け撮影した。
【００３２】
図３は、光学系全体を移動させ標版に描かれた数字にピントが合う様に撮影した物である。
【００３３】
図４は、図３の状態から光学系全体を撮影レンズの実用上問題なく使用可能な許容範囲の中に移動させた画像で、撮影された数字の２が２重になっている状態が確認できる。
【００３４】
図５は、対物レンズ４０の像側焦点に開口部を設けた絞り５０を用い、図３と同様にピントが合う様に調整した後に、光学系全体を移動させ撮影した物である。
【００３５】
図５の状態では、数字の２が２重に写る事は無く、画面全体の鮮明度が低くなるだけである状態が確認できる。
【００３６】
絞り５０に設ける開口部の位置は焦平面で在れば何処でも良いが、穴の内壁や溝の側壁を観察する場合は、同じ物点が複数の画像の全てに写る位置に限られる。例えば図２（ａ）に示す様に
Ｘ＝０、Ｙ＝ｄ１およびＸ＝０、Ｙ＝ｄ２の様にした場合は計算項目が少なくなり、特に有効である。
【実施例２】
【００３７】
次に、図６および図７を得た光学系を構成する観察装置のレイアウトを図８に示す。 
【００３８】
方眼紙９０に目印として黒点Ｐを付け、黒点Ｐをつけた方眼紙９０を光軸６０と約３０度の角度で交わるように配置し、黒点Ｐと光軸６０を一致させ（Ｚ方向を光軸６０とした）、絞り５０を像側焦点Ｆの位置に配置し、開口部の中心５１を光軸６０と一致させ、物点である黒点Ｐが像面７０であるＣＣＤカメラに像を結ぶように方眼紙９０とレンズ４０の間隔を調整し、図６に示す像を得た。 
【００３９】
図６では、レンズ４０に存在する実用上問題なく使用可能な許容範囲では、方眼紙９０の目盛りが鮮明に写っており、許容範囲から外れる所では目盛りが不鮮明にぼやけて写っていることが確認できる。 
【００４０】
絞り５０を像側焦点Ｆの位置に配置し、開口部の中心５１を光軸６０と一致させた状態から、光軸方向（Ｚ軸方向）の位置関係を変えることなく、絞り５０の開口部の中心５１を像側焦平面のＹ軸方向に距離ｄ（例えば５ｍｍ）移動させ、図７に示す像を得た。 
【００４１】
図７では、レンズ４０に存在する実用上問題なく使用可能な許容範囲では、方眼紙９０の目盛りが鮮明に写っており、許容範囲から外れる所では目盛りが不鮮明にぼやけて写っていることが確認できる。 
【００４２】
そして、図６および図７においては、レンズ４０に存在する実用上問題なく使用可能な許容範囲では像の差異は確認できず、目印とした黒点Ｐの移動も認められない。 
【００４３】
このように、図６および図７で目印とした黒点Ｐの移動が認められないことから、光軸６０と直角に交わるＸ軸を中心に、光軸６０と角度θだけ傾いた投影検査機用レンズを配置した光学系と同等の画像を得ることができる。 
【００４４】
さらに、絞り５０の開口部の中心５１を像側焦平面のＸ軸方向に移動させることにより、光軸６０と直角に交わるＹ軸を中心に、光軸６０と角度θだけ傾いた投影検査機用レンズを配置した光学系と同等の画像を得ることができる。 
【００４５】
これにより、物体のＸＹ平面と光軸６０が交わる物点８０を中心にレンズ４０を傾けた場合と同等の画像を得ることができる。 
【００４６】
さらに、図６および図７で目印とした黒点Ｐの移動が認められないことから、物点と一致させた軸を持つ光学系の保持機構が不要になる。 
【００４７】
同様に、物体のＸＹ平面と光軸６０が交わる物点８０を中心に物体を傾けた場合と同等の画像を得ることができる。 
【００４８】
これにより、レンズの光軸６０と直交する平面を得るために、物体を傾ける機構が不要になる。 
【００４９】
さらに、レンズ４０に存在する実用上問題なく使用可能な許容範囲で、３次元物体の仮想光軸６０ａと直交する平面の射影像を２次元の像面に結び、得られた像から正確に寸法を計測することができる。 
【００５０】
レンズ４０の諸特性と開口部の中心と光軸の離芯量ｄとの間で所定の関係を有する角度θが求められることにより、像側焦平面に配置された絞り５０の移動量から光軸６０と仮想光軸６０ａとのなす角度θを求めることができ、物点８０を中心に物体を傾けた場合と同等の画像に対し、高精度な角度補正を行うことができる。このことにより、高精度な計測を行うことが可能になる。 
【００５１】
レンズ４０の諸特性と光軸６０と仮想光軸６０ａとのなす角度θとの関係は、レンズの焦点距離をｆ、開口部の中心と光軸の離芯量ｄ、光軸と仮想光軸とのなす角度をθ、とするとｄ＝ｆ・tanθに近似する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、光を用いて物体に触れる事無く複数の画像を得られることから、非接触で形状測定を行う観察装置に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の観察装置の原理を説明する図である。
【図２】焦平面に設ける開口部の例を示す図である。
【図３】本発明の観察装置による観察対象の観察を説明する図である。
【図４】本発明の観察装置における対物レンズ４０の実用上問題なく使用可能な許容範囲の中での観察対象の観察を説明する図である。
【図５】投影検査用レンズと同等の光学系を用い、意図的にピントを合わせない状態の観察対象の観察を説明する図である。
【図６】絞りの開口部を光軸と一致させ方眼紙を撮影した図である。
【図７】絞りの開口部を光軸から光軸から離心させ方眼紙を撮影した図である。
【図８】図６および図７を得た光学系のレイアウトを示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  加工物
１２  物点
４０  対物レンズ（レンズ）
５０  絞り
５１  絞りの開口部の中心Ａ
５２  絞りの開口部の中心Ｂ
６０  光軸
６０ａ  仮想光軸
６０ｂ  仮想光軸
７０  像面
７１  像面
７２  像面
９０  方眼紙
１０１  Ａフィルター
１０２  Ｂフィルター
１１１  Ａ'フィルター
１１２  Ｂ'フィルター
１２０  ビームスプリッター
【図１】
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【図２】
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【図８】
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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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