(57)【要約】      （修正有）【課題】反射照明により高精度に被検物のエッジの位置を求めることができる計測装置及び製造方法を提供する。【解決手段】被検物のエッジの仮位置の情報を取得し、仮位置を境界として仮位置の片側にある面に照明領域を設定して、結像光学系の焦点位置からデフォーカスした状態で被検物の面を照明する照明状態において被検物の画像を取得し、取得した画像から被検物のエッジの位置を求める。【選択図】図５
2016038292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物を計測する計測装置であって、
前記被検物を照明する光を出射する照明光領域が変更可能な照明部と、
前記照明部により照明された前記被検物で反射された光を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系により結像された前記被検物の画像を取得する取得部と、
演算部とを有し、
前記演算部は、前記被検物のエッジの仮位置の情報を取得し、
前記照明部の照明光領域において前記仮位置に対応する位置を前記照明光領域の境界として、前記仮位置に対応する位置の片側の一部分に前記照明光領域を設定して、前記結像光学系の焦点位置からデフォーカスした前記被検物の面を照明する照明状態において、前記取得部が前記被検物の画像を取得し、
前記演算部は、前記照明状態において前記取得部が取得した前記被検物の画像から前記被検物のエッジの位置を求めることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記照明部は、前記仮位置の一方の側にある被検物の面と他方の側にある被検物の面のうち前記結像光学系の焦点位置から遠い面の一部分を照明するように前記照明光領域を設定することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記取得部が取得した前記被検物の画像から、前記被検物のエッジの仮位置を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記被検物は高さが異なる第１面と第２面を有し、
前記演算部は、前記被検物の第１面を前記結像光学系の焦点位置に合わせた状態で前記第１面と前記第２面を照明して前記取得部が取得した前記被検物の画像から、前記被検物のエッジの仮位置を求め、
前記照明状態において、前記被検物の第１面を前記結像光学系の焦点位置に合わせた状態で前記第２面の一部分を該設定された照明光領域で照明する、ことを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記演算部は、被検物の位置の情報と、前記被検物の既知の形状情報と、から被検物のエッジの仮位置を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項６】
前記照明部は、前記照明光領域の幅を、被検物のエッジにおける段差、被検物のエッジにおける角の曲率半径又は面取りの大きさ、及び、算出されるエッジの位置の許容誤差に基づいて設定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記照明部は、前記照明光領域からの光で前記被検物の面上に形成される照明領域の幅をｄ（ｍｍ）、被検物のエッジにおける段差をｈ（ｍｍ）、被検物のエッジにおける角の曲率半径又は面取りの大きさをｒ（ｍｍ）、算出されるエッジの位置の許容誤差をΔｘ（ｍｍ）とすると、ｄ＜２５００×ｈ×ｒ×Δｘを満たすように前記照明領域の幅を設定することを特徴とする請求項６に記載の計測装置。
【請求項８】
前記演算部は、被検物の複数のエッジの位置を求め、複数のエッジの間の距離から被検物の形状情報を算出することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の計測装置を用いて物品の形状を計測する計測工程と、
前記計測工程による計測結果を用いて前記物品を加工する工程とを有することを特徴とする物品の製造方法。
【請求項１０】
被検物を計測する計測方法であって、
前記被検物のエッジの仮位置の情報を取得する工程と、
前記被検物を照明する光を出射する照明部の照明光領域において前記仮位置に対応する位置を前記照明光領域の境界として、前記仮位置に対応する位置の片側の一部分に前記照明光領域を設定して、結像光学系の焦点位置からデフォーカスした前記被検物の面を照明する照明状態において、前記被検物を照明する工程と、
前記照明状態において該照明された前記被検物で反射された光を前記結像光学系により結像させる工程と、
前記照明状態において該結像された前記被検物の画像を取得する工程と、
前記照明状態において該取得した前記被検物の画像から前記被検物のエッジの位置を求める工程と、を備えることを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検物を計測する計測装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検物を測定して、被検物の寸法、公差や角度などの形状情報を算出する計測装置のひとつに画像測定機がある。画像測定機は、被検物を照明する照明装置と、照明された被検物からの光を結像させる結像光学系と被検物の画像を取得する取得部を有する。画像測定機は被検物を撮像して被検物の画像を取得し、画像の強度分布のデータから被検物のエッジを検出し、検出した複数のエッジの間の距離を算出することによって、被検物の寸法を計測する。
【０００３】
照明装置による照明方式として、結像光学系や取得部に対して、被検物を後方から照明する透過照明や、被検物を前方から照明する反射照明がある。反射照明には、被検物を被検面に対して垂直方向から照明する同軸落射照明や、被検物を取り囲むリング状の光を被検物に斜入射させるリング照明などの方式がある。
【０００４】
このような照明方式の中で、反射照明では透過照明よりも高精度にエッジの位置を測定できないという問題がある。この理由の一つは、反射照明の場合、被検物の表面の加工痕や粗さによって、被検物の画像の強度に大きなバラつきが発生し、画像処理によるエッジ位置の算出誤差が大きくなるからである。被検物内の凸部や非貫通穴など、透過照明で照明することができない部分を測定する場合は反射照明を使用せざるを得ず、反射照明により高精度に測定することができないことは問題である。
【０００５】
この問題を解決するための技術が特許文献１又は２に開示されている。特許文献１の画像測定機では、被検物のエッジと交差するようにストライプ状に被検物を照明して、焦点位置にある表面では狭い幅で照明し、デフォーカスした位置にある表面では広い幅で照明している。特許文献２では、透過照明と反射照明で測定したエッジ位置を比較して補正係数を決定し、反射照明で測定したエッジ位置を補正する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１３２９１０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９８２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
反射照明でエッジ位置を精度よく測定できない理由として、被検物のエッジ以外の領域（表面）で散乱された光のうち、エッジにおける面取りや角Ｒ（アール）の部分で反射される光の影響があることが分かった。このような光が結像光学系に取り込まれると、取得部により取得された画像においてエッジ近傍の光強度分布が変化し、画像処理によって算出されるエッジ位置がシフトしてしまう。
【０００８】
特許文献１に記載の画像測定機では、焦点位置にある表面とデフォーカスした位置にある表面を同時に照明している。そのため、デフォーカスした位置にある表面で散乱された光のうちエッジにおける面取りや角Ｒの部分で反射される光の影響がある。特許文献２に記載の反射照明でも同様の問題が生じうる。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術では、被検物の性質（素材や色など）や、被検物の状態（表面粗さや加工痕、被検物の厚みなど）によって、補正係数を変える必要があるため、補正係数の調整作業が大きな負担である。
【００１０】
そこで、本発明は、反射照明により高精度に被検物のエッジの位置を求めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の一側面としての被検物を計測する計測装置は、前記被検物を照明する光を出射する照明光領域が変更可能な照明部と、前記照明部により照明された前記被検物で反射された光を結像させる結像光学系と、前記結像光学系により結像された前記被検物の画像を取得する取得部と、演算部とを有し、前記演算部は、前記被検物のエッジの仮位置の情報を取得し、前記照明部の照明光領域において前記仮位置に対応する位置を前記照明光領域の境界として、前記仮位置に対応する位置の片側の一部分に前記照明光領域を設定して、前記結像光学系の焦点位置からデフォーカスした前記被検物の面を照明する照明状態において、前記取得部が前記被検物の画像を取得し、前記演算部は、前記照明状態において前記取得部が取得した前記被検物の画像から前記被検物のエッジの位置を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、反射照明により高精度に被検物のエッジの位置を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】計測装置の概略図を示す図である。
【図２】第１実施形態における計測フローを示す図である。
【図３】第１の照明状態と第１の画像を説明するための図である。
【図４】エッジ位置の誤差が発生する原因を説明するための図である。
【図５】第２の照明状態と第２の画像を説明するための図である。
【図６】エッジ位置の誤差が低減される理由を説明するための図である。
【図７】照明領域の幅とエッジ位置のずれ量の関係を表す図である。
【図８】第２実施形態における計測フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態）
図１に、画像測定機１０の概略図を示す。画像測定機１０は、被検物１０１を照明する照明装置１１０、被検物１０１の画像を取得するための受光部１２０、演算部１３１、制御部１３２、ステージ制御部１３３、ステージ１３４を有する。
【００１５】
照明装置１１０（照明部）は、光源１１１、空間光変調器１１２、レンズ１１３を有する。光源１１１は、例えばＬＥＤやランプ、蛍光灯である。空間光変調器１１２は、例えば、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）、又はＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）であり、光源１１１からの光の空間的な光強度分布、つまり、被検物を照明する光を出射する照明光領域を変更することができる。空間光変調器１１２は制御部１３２によって動作が制御される。空間光変調器１１２によって空間的に光強度が調整された光はレンズ１１３によってコリメートされ、受光部１２０のハーフミラー１２３に入射する。照明装置１１０から導入された光はハーフミラー１２３によって反射され、第１のレンズ群１２２ａによって集光されて被検物１０１を照明する。レンズ１１３と第１のレンズ群１２２ａにより結像光学系が構成され、その結像光学系により照明光領域からの光が焦点位置に結像される。結像光学系の焦点面には照明光領域と同様の照明領域が形成され、被検物１０１は照明光領域から出射した光で照明される。受光部１２０は、被検物１０１によって反射または散乱された光を受光する光検出器１２１（画像取得部）と、被検物１０１の像を光検出器１２１に結像するための結像光学系１２２を有する。光検出器１２１には例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳを用いることができる。結像光学系１２２は、第１のレンズ群１２２ａと第２のレンズ群１２２ｂから成り、第１のレンズ群１２２ａと第２のレンズ群１２２ｂの間にはハーフミラー１２３が配置されている。図１では、第１のレンズ群１２２ａと第２のレンズ群１２２ｂを簡略的に１つのレンズで示している。なお、第１のレンズ群１２２ａと第２のレンズ群１２２ｂは、全てがレンズであるものに限らず、部分的に、あるいは全ての光学素子がミラーから構成されていても良い。
【００１６】
被検物１０１によって反射された光は、結像光学系１２２に取り込まれ、ハーフミラー１２３を透過して、被検物１０１の像が光検出器１２１に結像される。空間光変調器１１２の照明光領域から出射された光はレンズ１１３と第１のレンズ群１２２ａからなる結像光学系の焦点面に結像し、その焦点面にある被検面で反射した光は光検出器１２１の受光面上に結像する。したがって、空間光変調器１１２の照明光領域（画素）の位置と光検出器１２１の受光面上の画素の位置との対応関係は予め定められている。
【００１７】
被検物１０１はステージ１３４上に載置される。ステージ１３４は、ステージ制御部１３３の指令に基づいて制御され、アクチュエータによって３軸方向に駆動可能である。ステージ１３４が結像光学系１２２の光軸１２４に平行な方向に移動することにより、被検物１０１の表面を結像光学系１２２の焦点位置に合わせられるようになっている。また、ステージ１３４が結像光学系１２２の光軸１２４に垂直な方向に移動することにより、結像光学系１２２の視野よりも大きな被検物を移動させながら、被検物の複数の箇所を測定することができる。
【００１８】
光検出器１２１によって撮像された被検物１０１の画像のデータは、演算部１３１に転送される。演算部１３１は被検物の画像から画像処理によって被検物の面のエッジ（端、縁、輪郭）を検出し、エッジの位置を算出する。そして、演算部１３１はエッジの位置から寸法、幾何公差、角度、直交度や真円度などの被検物の形状情報を算出する。演算部１３１は液晶モニタやブラウン管などの表示手段を備えており、ユーザーが結果を確認できるように算出した形状情報を表示する。また、演算部１３１はさらにハードディスクやＳＳＤなどの記憶手段を備えており、算出した形状情報の記憶・読み出しができるようになっている。
【００１９】
被検物１０１として、ここでは図１に示されるような角Ｒ１０１ｅを有する凸部を有する凸型形状の部品を測定する場合について説明する。ただし、このような単純な形状の部品の測定に限定されるものではなく、より複雑な形状の部品の測定にも適用することができる。被検物１０１は異なる高さの表面１０１ａ（第１面）と表面１０１ｂ（第２面）を有しており、ここでは側面１０１ｃと側面１０１ｄの間、つまり、表面１０１ａと角Ｒ１０１ｅを含む幅の寸法を測定する場合について詳細に説明する。被検物１０１の下側から照明しても、被検物自体で光が遮られて表面１０１ａの部分は照明されないので、表面１０１ａを透過照明により測定できない。そのため、被検物１０１を、上方、つまり、結像光学系の側から照明して測定する必要がある。
【００２０】
図２乃至図７を用いて、第１実施形態において、被検物１０１の形状情報が測定されるプロセスについて説明する。図２は第１実施形態における測定のフローを示した図である。測定を開始するとまず、被検物を第１の照明状態で照明するように制御部１３２によって空間光変調器１１２を制御する（Ｓ１０１）。具体的には、図３（ａ）に示されるように、空間光変調器１１２を構成する画素１１２ａが全て光を透過する状態になるように空間光変調器１１２を制御する。そして、その状態の空間光変調器１１２により、被検物の表面１０１ａおよび１０１ｂおよび角Ｒ１０１ｅのすべての領域を照明する。この照明状態を第１の照明状態とする。
【００２１】
次に、ステージ制御部１３３によってステージ１３４が上下に駆動制御され、測定機のオートフォーカス機能によって被検物１０１の表面へのピント合わせが行われる（Ｓ１０２）。側面１０１ｃと側面１０１ｄの間の幅の寸法を測定する場合、図３（ｂ）に示されるように受光部１２０の結像光学系のフォーカス面（焦点位置）１２５と被検物の表面１０１ａが一致するようにピントが合わせられる。
【００２２】
次に、照明装置１１０により第１の照明状態で照明された被検物やステージ１３４で反射された光を結像光学系１２２で光検出器１２１の受光面に結像させて、光検出器１２１によって第１の画像１４０を取得する（Ｓ１０３）。図３（ｃ）は第１の照明状態で取得した第１の画像１４０を表す図である。図３（ｃ）で示される領域１４１は被検物１０１に対応する画像領域である。領域１４２はステージ１３４に対応する画像領域である。領域１４１ａは被検物の表面１０１ａおよび角Ｒ１０１ｅに対応する画像領域であり、領域１４１ｂは被検物の表面１０１ｂに対応する画像領域である。
【００２３】
図３（ｄ）は、図３（ｃ）で示される破線Ａにおける画像の断面強度プロファイルである。範囲１４３ａのプロファイルは被検物の表面１０１ａおよび角Ｒ１０１ｅで反射された光の強度分布に対応し、範囲１４３ｂのプロファイルは被検物の表面１０１ｂで反射された光の強度分布に対応する。範囲１４３ａでは、強度の変動（バラつき）が大きい。これは被検物の表面１０１ａの粗さや加工痕などのテクスチャの影響により、表面上の場所によって反射される光の強度が大きく変わるためである。被検物の表面１０１ｂについても同様に、テクスチャの影響により場所によって、反射される光の強度が変動する。しかし、表面１０１ｂに対応する断面強度プロファイルの範囲１４３ｂでは、強度の変動は比較的小さい。これは、表面１０１ｂは表面１０１ａに比べて、結像光学系のフォーカス面１２５に対して遠い位置にあるので、ピントが外れることにより画像がぼやけてテクスチャの影響が平滑化されるためである。
【００２４】
図３（ｄ）に示される破線の近傍は、被検物１０１のエッジ、つまり、側面１０１ｃと側面１０１ｄに対応する位置を表している。このエッジに対応する位置では、画像の強度が小さくなる。これは、角Ｒ１０１ｅにおける反射や散乱や側面１０１ｃ、１０１ｄによって形成される影によって、結像光学系１２２に取り込まれる光の強度が小さくなるためである。エッジに対応する位置の画像強度は、角Ｒ１０１ｅの大きさ、又は、エッジにおける段差、つまり、表面１０１ａと表面１０１ｂの高さの差に依存する。
【００２５】
光検出器１２１によって取得された画像は演算部１３１に転送され、演算部１３１は画像処理によって少なくともひとつのエッジを検出し、エッジの位置を算出する（Ｓ１０４）。エッジ検出にはキャニー法などの、サブピクセル精度が得られるアルゴリズムが用いられる。例えば、ガウシアンフィルターなどによって画像を平滑化した後に、微分演算を行なうことによって、エッジ位置が算出される。図３（ｄ）に示される破線は検出したエッジの位置１４３ｃ、１４３ｄを表す。後述するように、ここで算出されたエッジの位置には誤差があるため、仮の位置とする。
【００２６】
エッジ位置の算出精度は、エッジに対応する位置におけるコントラストとエッジ周辺の画像のノイズ（強度のバラつき）に依存する。第１の照明状態では表面１０１ａと表面１０１ｂおよび角Ｒ１０１ｅのすべての領域が照明されるため、エッジに対応する位置で高い画像のコントラストが得られない。さらに、領域１４１ａでは画像の強度バラつきが大きいため、第１の画像からは、高い精度でエッジ位置を算出することができない。
【００２７】
このように高い精度でエッジ位置を算出することができない原因として、被検物の角Ｒや面取り部分で反射される光の影響がある。図４を用いて、この影響について説明する。被検物１０１は、照明光１６０によって、表面１０１ａと表面１０１ｂおよび角Ｒ１０１ｅ上の照明領域１６１が照明されている。表面１０１ｂの粗さが大きい場合、照明光１６０は表面１０１ｂによって反射され、広い角度範囲に散乱光１６２が発生する。一部の散乱光１６２ａは、角Ｒ１０１ｅに向かい、角Ｒ１０１ｅによって反射されて、結像光学系１２２の取込角１６５の内部に偏向される光線１６３が生成される。角Ｒ１０１ｅで反射された光線１６３が結像光学系１２２に取り込まれると、光検出器１２１によって取得された画像において、エッジに対応する位置の部分の光強度が大きくなってしまう。その結果、第１の画像では、画像処理によって検出されるエッジ位置が真の位置からずれてしまい、高精度に測定することができなくなる。
【００２８】
そこで、本実施形態ではＳ１０５〜Ｓ１０８を行う。
【００２９】
まず、演算部１３１は、算出したエッジの仮の位置を境界として分割される２つの領域のうち、どちらにピントが合っているのか、フォーカスの判定を行う（Ｓ１０５）。図３（ｄ）の画像の断面強度プロファイルから、図３（ｃ）の領域１４１ａはピントが合っており、領域１４１ｂ乃至領域１４２はピントが外れていることが分かる。そのため、エッジの仮位置１４３ｃの右側にある領域１４１ａにピントが合っていて、エッジの仮位置１４３ｃの左側にある領域１４１ｂにピントが合っていないと判定する。また、エッジの仮位置１４３ｄの左側にある領域１４１ａにピントが合っていて、エッジの仮位置１４３ｄの右側にある領域１４１ｂにピントが合っていないと判定する。なお、Ｓ１０２におけるオートフォーカスにより表面１０１ａ（領域１４１ａ）にピントが合っているという情報がメモリに記憶されているなど、その情報が予め存在すれば、このフォーカス判定を行う必要はない。
【００３０】
次に、第１の照明状態とは異なる第２の照明状態で被検物を照明するように制御部１３２によって空間光変調器１１２を制御する（Ｓ１０６）。図５（ａ）に示すように、被検物の側面１０１ｃおよび１０１ｄの近傍の領域に対応する画素１１２ｂ、１１２ｃが光を透過する状態、その領域以外に対応する画素が光を透過しない状態に設定する。光を透過する画素１１２ｂ、１１２ｃが照明光領域である。照明光領域は、被検物１０１のエッジの仮位置に対応する位置を照明光領域の境界として仮位置に対応する位置の片側（デフォーカス側）の一部分に設定される。このように照明光領域を設定することにより、エッジの仮位置に対応する位置を境界として一方の側にある領域と他方の側にある領域のうちフォーカス面１２５から遠い領域の被検物のエッジ近傍の一部分が局所的に照明される照明領域が形成される。フォーカス面１２５から遠い領域かどうかは、Ｓ１０５の判定に基づいて決定される。例えば、画素１１２ｂは、被検物１０１のエッジの仮位置１４３ｃの左側にある領域１４１ｂにある面の一部分を結像光学系の焦点位置からデフォーカスした状態で局所的に照明する。また、画素１１２ｃは、被検物１０１のエッジの仮位置１４３ｄの右側にある領域１４１ｂにある面の一部分を結像光学系の焦点位置からデフォーカスした状態で局所的に照明する。この照明状態を第２の照明状態とする。この照明状態では、照明装置１１０は、図５（ｂ）に示すようにエッジの仮位置を境界として仮位置の片側にある面の一部分を照明するように、照明領域を設定する。
【００３１】
次に、照明装置１１０により第２の照明状態で照明された被検物１０１で反射された光を結像光学系１２２で光検出器１２１の受光面に結像させて、光検出器１２１によって第２の画像１５０を取得する（Ｓ１０７）。
【００３２】
図５（ｃ）は第２の照明状態で取得した第２の画像１５０を表す図である。領域１５１は被検物１０１に対応する画像領域である。領域１５１ａは、照明装置１１０によって照明されていない領域であり、画像は暗くなる。一方、被検物の側面１０１ｃおよび１０１ｄの近傍に対応する画像領域１５１ｂ、１５１ｃは、照明装置１１０によって局所的に照明されているため、明るい画像が得られる。
【００３３】
図５（ｄ）は、図５（ｃ）で示される破線Ｂにおける画像の断面強度プロファイルである。範囲１５３ａは、被検物の表面１０１ａに対応し、被検物の表面１０１ａからの光の強度分布である。範囲１５３ｂ、１５３ｃは領域１５１ｂ、１５１ｃに対応し、表面１０１ｂのうち局所的に照明された領域から光の強度分布である。範囲１５３ｄは被検物の表面１０１ｂのうち照明されなかった領域からの光の強度分布である。
【００３４】
範囲１５３ａでは、強度はほぼゼロである。これは照明装置１１０によって被検物の表面１０１ａが照明されていないためである。一方、範囲１５３ｂでは、強度は大きな値となる。これは、被検物の表面１０１ｂのエッジ近傍の領域が照明装置１１０によって局所的に照明されているためである。範囲１５３ｃは、範囲１５３ａと同様に照明装置１１０によって照明されないため、強度がほぼゼロとなる。
【００３５】
光検出器１２１によって取得された第２の画像は演算部１３１に転送され、演算部１３１は画像処理によって少なくともひとつのエッジを検出し、エッジの位置を算出する（Ｓ１０８）。エッジ位置の算出精度は、エッジのコントラストとエッジ周辺の画像のノイズ（強度のバラつき）に依存する。領域１５１ａではほぼ強度がゼロである一方、領域１５１ｂでは強度が大きな値となっているため、第２の画像では非常に高いエッジのコントラストが得られる。このため、第２の画像から算出されたエッジ位置は、第１の画像から算出されたエッジ位置に比べて、誤差が小さい。エッジの位置を算出する方法として、例えば、画像の強度分布について微分演算を行って、微分値のピーク位置をエッジ位置として算出する方法がある。図５（ｄ）に、そのような方法で算出されたエッジの位置１５３ｃ、１５３ｄを示す。
【００３６】
また、エッジ近傍を局所的に照明することによって、角Ｒや面取り部で反射される光の影響を小さくすることができる。この効果について、図６を用いて説明する。第１の照明状態を表す図４とは異なり、第２の照明状態では、被検物の側面１０１ｃおよび１０１ｄの近傍のみを照明する。被検物１０１は、照明光領域からの照明光１７０によって、表面１０１ｂのエッジ近傍の照明領域１７１が照明されている。照明領域１７１は表面１０１ｂの全体面積に比べて小さい。表面１０１ｂの粗さが大きい場合、照明光１７０は表面１０１ｂによって散乱され、広い角度範囲に散乱光１７２が発生する。一部の散乱光は角Ｒ１０１ｅに向かうが、照明領域１７１が小さいため、角Ｒ１０１ｅによって反射されて結像光学系１２２取込角１６５の内部に取り込まれる光は第１の照明状態と比較して少ない。このため、表面１０１ｂ全体の広い領域を照明して得られる第１の画像と比較して、第２の画像では、画像処理によって算出されるエッジ位置の真の位置からのずれが小さく、高精度にエッジの位置を求めることができる。
【００３７】
次に、第２の照明状態において局所的に照明される照明領域１７１の幅について説明する。図７に、被検物のエッジにおける段差ｈと照明領域１７１の幅ｄとの比に対するエッジ位置のずれ量をシミュレーションした結果を示す。計算は、エッジにおける角Ｒの曲率半径を０．２ｍｍとして行った。段差ｈの大きさが一定の場合、照明領域１７１の幅ｄが大きくなるとともに、エッジ位置のずれ量が大きくなることが分かる。エッジ位置のずれ量は、被検物の表面粗さによって異なり、破線は散乱角が５°、一点鎖線は散乱角が１０°、点線は散乱角が１５°の結果を表す。被検物の表面が粗く、散乱角が大きいほど、エッジ位置のずれ量も大きくなる。図７から、表面粗さが大きな場合（例えば、散乱角１５°）でもエッジ位置のずれ量を０．５μｍ以下にしたい場合、ｄ／ｈを０．２５以下にする必要があることが分かる。つまり、被検物のエッジにおける段差ｈが１０ｍｍの場合、照明領域１７１の幅ｄを２．５ｍｍ以下にする必要がある。これらの結果を元に検討したところ、照明領域１７１の幅ｄ（ｍｍ）は、ｄ＜２５００×ｈ×ｒ×Δｘという条件に設定することが好ましいことが分かった。ここで、ｈ（ｍｍ）はエッジにおける段差、ｒ（ｍｍ）は角Ｒまたは面取りの大きさ、Δｘ（ｍｍ）はエッジ位置の許容誤差を表す。角Ｒの大きさは曲率半径、面取りの大きさはＣ面の大きさによって定義される。この式に、角Ｒの曲率半径ｒが０．２ｍｍ、段差ｈが１０ｍｍ、エッジ位置の許容誤差Δｘが０．５μｍという条件を代入すると、ｄ＜２．５ｍｍが得られる。
【００３８】
次に、演算部１３１は、算出したエッジ位置の情報を用いて、被検物１０１の形状情報を算出する（Ｓ１０９）。具体的には、領域１５１ａと領域１５１ｂの境界に対応する複数のエッジ位置の間の距離を算出し、被検物１０１の側面１０１ｃと側面１０１ｄの間の寸法とする。
【００３９】
次に、被検物１０１の別の場所の寸法や形状を測定するか判断する（Ｓ１１０）。これは、演算部１３１のディスプレイ上に表示して対話形式でユーザーが選択できるようにしてもよいし、予め作成したティーチングプログラムから判断しても良い。被検物１０１の別の場所を測定する場合は、再びＳ１０１に戻り第１の照明状態に設定した後、被検物１０１の別の場所でオートフォーカスを行う。別の場所で測定を行わない場合は、測定を終了する。
【００４０】
本実施形態では、被検物１０１の側面１０１ｃと側面１０１ｄの間の寸法のみを測定する場合について説明したが、本発明はこのような測定対象に限定されるものではなく、より多くの寸法を測定したり、より複雑な被検物を測定したりする場合に適用できる。例えば、被検物の複数の場所について寸法を測定する場合は、それぞれの測定したいエッジの近傍を逐次的に局所的に照明することにより、迷光の影響を最小限に抑えて高精度にエッジ位置を測定することができる。また、被検物の測定すべき場所の複数が同一のフォーカス平面上にある場合は、複数の測定したいエッジの近傍を同一の焦点位置で同時に局所的に照明しても良い。この場合、エッジ周辺が局所的に照明されるので迷光の発生は最小限に抑えられるとともに、照明の切り替えおよび画像の取得に要する時間を短縮することができる。また、被検物のエッジの形状にも限定されない。例えば、被検物のエッジは直線的であっても、円弧状であっても、自由形状の曲線であっても良い。
【００４１】
以上のように、本実施形態によれば、面取りや角Ｒがある被検物についても、反射照明により高精度にエッジの位置を求めることができる。
【００４２】
（第２実施形態）
第２実施形態は第１実施形態と比較して、被検物１０１の形状を測定するフローが異なる。第２実施形態は、測定前に被検物１０１の寸法や幾何公差などの形状情報が既知であり、同じ形状の異なる部品（同じ型番の部品）を繰り返し測定する場合に用いられる。図８は第２実施形態における測定のフローを示した図である。
【００４３】
第２実施形態の測定では、まず、画像測定機１０と被検物１０１の位置合わせを行って、ステージ１３４上における被検物１０１の位置や角度を演算部１３１が取得する（Ｓ２０１）。位置合わせには公知の技術が用いられる。例えば、被検物１０１を治具によって保持し、治具を画像測定機１０のステージ１３４上にある不図示の突き当て部に突き当てることによって、画像測定機１０と被検物１０１の位置合わせが行われる。あるいは、不図示の透過照明によって被検物１０１を下側から照明して画像を取得し、被検物の輪郭を算出することにより、画像測定機１０と被検物１０１の相対的な位置と角度の情報が取得される。透過照明を用いて画像を取得する場合は、輪郭部のコントラストが高くなるようにオートフォーカスなどにより予めピントを合わせておくことが好ましい。あるいは、被検物１０１を照明装置１１０によって上方から照明して画像を取得し、既知の形状情報とのパターンマッチングにより画像測定機１０と被検物１０１の相対的な位置と角度を算出しても良い。
【００４４】
次に、演算部１３１は、ハードディスクやＳＳＤなどの記憶手段に記憶された被検物１０１の形状情報を読み出す（Ｓ２０２）。記憶手段に記憶された被検物１０１の形状情報は、ＣＡＤデータなどの設計データや、計測装置で予め低精度に計測された形状などである。読み出された形状情報には、被検物のエッジ位置の情報が含まれる。
【００４５】
次に、演算部１３１は、Ｓ２０１で取得した被検物１０１の位置や角度の情報、および、Ｓ２０２で読み出した被検物の形状情報を参照して、画像測定機１０の視野内における被検物１０１のエッジの仮位置を算出する（Ｓ２０３）。
【００４６】
次に、ステージ制御部１３３によってステージ１３４が上下に駆動制御され、公知のオートフォーカス技術によって測定するエッジ周辺の表面にピント合わせが行われる（Ｓ２０４）。
【００４７】
次に、演算部１３１は、測定するエッジを境界として一方の側にある領域と他方の側にある領域のうち、どちらにピントが合っているのか、フォーカスの判定を行う（Ｓ２０５）。次に、制御部１３２によって照明装置１１０が局所的照明状態になるように制御される（Ｓ２０６）。第１実施形態と同様に、第２の照明状態となるように制御される。具体的には、図４（ａ）に示されるように、空間光変調器１１２を構成する画素１１２ａのうち、被検物の表面１０１ａに対応する領域にある画素が、光を透過しない状態に設定される。これによって、被検物１０１のエッジを境界として分割される２つの領域のうち、結像光学系１２２のフォーカス面１２５から遠い領域について、エッジ境界と近接する領域が局所的に照明される。つまり、図５（ｂ）に示すように、照明装置１１０はエッジの仮位置を境界として仮位置の片側にある面の一部分を照明する。
【００４８】
次に、局所的照明状態で、光検出器１２１によって画像が取得される（Ｓ２０７）。表面１０１ｂは表面１０１ａに比べて、受光部１２０のフォーカス面１２５に対して遠い位置にあるので、ピントが外れることにより画像がぼやけてテクスチャの影響が平滑化される。
【００４９】
光検出器１２１によって取得された画像は演算部１３１に転送され、演算部１３１は、画像処理によってエッジの位置を算出する（Ｓ２０８）。エッジ位置の算出精度は、第１実施形態と同様に、ピントが合った領域の画像はほぼ強度がゼロである一方、ピントが外れた領域の画像は強度が大きな値となっているため、非常に高いエッジのコントラストが得られる。さらに、角Ｒからの迷光の影響が小さいため、エッジの位置を高精度に算出することができる。
【００５０】
次に、演算部１３１が、算出したエッジ位置の情報を用いて、被検物１０１の形状情報を算出する（Ｓ２０９）。次に、被検物１０１の別の場所の寸法や形状を測定するか判断する（Ｓ２１０）。被検物１０１の別の部分を測定する場合は、再びＳ２０３に戻り測定する別の場所のエッジの仮位置を算出した後、オートフォーカスを行う。別の場所で測定を行わない場合は、測定を終了する。
【００５１】
以上のように、第２実施形態によれば、面取りや角Ｒがある被検物についても、反射照明により高精度にエッジの位置を求めることができる。
【００５２】
高さが異なる複数の場所を焦点位置に合わせて複数回測定する場合、第１実施形態の測定フローでは各場所で第１の照明状態での画像と第２の照明状態での画像を取得する必要がある。一方、第２実施形態の測定フローでは既知の被検物の形状情報を利用することにより、各場所で局所的照明状態のみの画像を取得すれば良い。したがって、形状が複雑で、高さが異なる多数の場所で測定が必要な被検物について繰り返し測定を行う場合は、第２実施形態の測定フローが好適である。
【００５３】
＜物品の製造方法の実施形態＞
本実施形態における物品の製造方法は、例えば、ギアなどの金属部品や光学素子等の物品を製造するために用いられる。本実施形態の物品の製造方法は、上記の計測装置を用いて、上記物品である被検物の寸法などの形状を計測する工程と、かかる工程における計測結果に基づいて被検物を加工する工程とを含む。例えば、被検物の形状を計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて、被検物の形状が設計値など所望の形状になるように当該被検物を加工する。上記計測装置により高精度に被検物の形状を計測できるため、本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、少なくとも物品の加工精度の点で有利である。また、上記計測装置により高精度に計測された被検物の形状情報を用いて製造装置が物品を製造することもできる。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、ステージやステージ制御部を画像測定機とは別の装置として構成してもよい。オートフォーカスは、ステージ上下移動だけに限らず、結像光学系と光検出器とを一体的に上下動することにより行っても、結像光学系の焦点距離を変えることにより行ってもよい。
【図１】
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【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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