(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工装置に保持されて加工工具によって加工される被加工物の光学的な干渉計測を行う光干渉式測定装置であって、
加工工具を貫通して設けられた測定窓と、
加工工具を挟んで被加工物と反対側から加工工具に向けて測定光を照射して、前記測定窓を含む範囲の光干渉画像であって、それぞれ被加工物と測定窓の位置関係が異なる複数の光干渉画像を取得する干渉画像生成手段と、
前記複数の光干渉画像の測定窓部分で得られる被加工物の縞画像を合成して、所定計測範囲で干渉縞が連続する合成干渉縞画像を生成する画像処理手段と、
を含み、この画像処理手段は、光干渉画像中の工具部分たる工具影の光学的強度の基準の大きさである基準工具影強度に基づいて、光干渉画像から工具影を排除して前記合成干渉縞画像を生成することを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、
前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からずれた光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用することを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の測定装置において、
前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からの隔たりが最も大きい光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用することを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項４】
請求項２または３のいずれかに記載の測定装置において、
前記基準工具影強度は光干渉画像の全体で一定に設定されており、
標準影強度範囲として、工具影の光学的強度のとり得る値の標準的な範囲が設定されており、
前記画像処理手段は、複数の光干渉画像の同一部分の画像要素がいずれも前記標準影強度範囲に含まれる場合には、複数の光干渉画像のうちの一の基本画像の画像要素を、前記合成干渉画像を構成する画像要素として採用することを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項５】
請求項２または３のいずれかに記載の測定装置において、
前記基準工具影強度は光干渉画像の各部分で個別に設定されており、光干渉画像の各部分の画像要素を前記合成干渉画像用に採用するか否かの判断は、その画像要素に対応する基準工具影強度に基づいて行われることを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置において、
前記基準工具影強度は、予め計測によって求められた値であることを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の測定装置において、
前記画像処理手段は、前記合成干渉縞画像を２値化し、２値化画像に基づいて被加工物の表面形状を算出することを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の光干渉式測定装置を備え、被加工物と加工工具の相対移動によって被加工物を加工する測定機能付き加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工中に被加工物の計測を行うインプロセス式の光干渉式測定装置に関し、特に、干渉縞が広範囲で連続する良好な干渉縞画像を得られる装置に関する。本発明は、ラッピングやポリッシング加工法などの砥粒加工中の測定に好適に適用される。また、本発明は、上記測定装置を備えた加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ゲージブロック等の精密仕上げのために、ラッピングあるいはポリッシングなどといわれ、砥粒を利用した加工が行われている。この加工法では、基準になる加工工具（ラップ盤など）と被加工物が互いに押しつけられ、両者に相対運動が与えられる。これにより、被加工物と加工工具が擦り合わされる。このときに、被加工物と加工工具の間に砥粒を介在させる。砥粒を介在させる方式には、遊離砥粒方式や固定砥粒方式がある。遊離砥粒方式では、液体と砥粒を混合した加工液が用いられ、この加工液が、加工工具と被加工物の間に供給される。また、固定砥粒方式では、加工工具側の摺り合わせ面に砥粒が埋め込まれる。このような加工法は、表面の精密仕上げに適しており、例えば、上記のゲージブロックをはじめとするゲージや精密部品の加工、レンズやミラー等の光学部品の加工、半導体ウエハの精密加工等に利用されている。
【０００３】
砥粒加工された被加工物の表面精度や寸法精度を測定するために、光学的な干渉縞検出を行う測定装置が用いられる。この種の測定装置としては、フィゾー式干渉計などが知られており、加工物の表面形状に応じて生成される干渉縞の像を利用した計測が行われる。光干渉測定技術については、例えば、「干渉計による表面形状の絶対測定」（長浜、第１６回光学シンポジウム講演予稿（１９９１）講演番号３、第５５〜５８頁）に記載されている。また、「光干渉計測法の最近の進歩」（谷田貝、精密機械５１／４／１９８５、第６５〜７２頁）には、干渉縞の画像処理によって、表面形状としての平坦度を自動的に求める装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、砥粒加工機に被加工物をセットした状態では被加工物が加工工具に覆われており、そのため、加工中の測定（インプロセス測定）を行うことはできない。そこで、通常、被加工物は加工機から取り外され、洗浄された後に測定装置にセットされ、それから測定が行われる。
【０００５】
ここで、一般にラッピングやポリッシング加工では、ミクロンからサブミクロン以上の高い加工精度が要求されることが多い。特に高精度が要求されるとき、被加工物が洗浄後に計測され、再度、被加工物が加工機にセットされて加工される。このようにして、要求精度が得られるまで加工・洗浄・測定を繰り返さなければならず、作業が非常に煩雑である。そのため、高精度の加工部品、特に、光学部品やゲージ類などの加工コストは非常に高くなりがちであった。
【０００６】
このように、従来は、ラッピングあるいはポリッシング加工を途中で止め、被加工物を加工機から取り外して形状測定を行う必要があり、このことが生産性や加工精度の向上を妨げる要因となる。そこで、被加工物が加工機にセットされ、加工されている最中でも、表面形状の干渉縞検出を可能にすることが望まれる。
【０００７】
特に、単に加工中の干渉縞検出を可能にするだけでなく、さらに、適当に広い範囲で連続した干渉縞を得られるようにすることが望まれる。狭い範囲の干渉縞を使っても、目視による表面形状の判定はできる。しかし、画像処理などによって面精度を算出するためには、十分に広い範囲で連続する干渉縞が必要である。
【０００８】
なお、以上では、従来技術の問題を、砥粒加工を例にして説明した。しかし、上記の問題は、砥粒加工に限られるものではない。砥粒加工以外の加工でも、加工面の光学的な干渉縞検出を加工中に行うことはできなかった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工中に、すなわちインプロセスにて、被加工物の表面形状を精密測定することができる光干渉式測定装置であって、十分に広い範囲で連続する干渉縞を得られる測定装置を提供することにある。また本発明の別の目的は、上記の測定装置を備えた好適な加工装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明は、加工装置に保持されて加工工具によって加工される被加工物の光学的な干渉計測を行う光干渉式測定装置であって、加工工具を貫通して設けられた測定窓と、加工工具を挟んで被加工物と反対側から加工工具に向けて測定光を照射して、前記測定窓を含む範囲の光干渉画像であって、それぞれ被加工物と測定窓の位置関係が異なる複数の光干渉画像を取得する干渉画像生成手段と、前記複数の光干渉画像の測定窓部分で得られる被加工物の縞画像を合成して、所定計測範囲で干渉縞が連続する合成干渉縞画像を生成する画像処理手段と、を含み、この画像処理手段は、光干渉画像中の工具部分たる工具影の光学的強度の基準の大きさである基準工具影強度に基づいて、光干渉画像から工具影を排除して前記合成干渉縞画像を生成することを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からずれた光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用する。ここで、画像要素は例えば画素である。その他、複数の画素の集まりなど、任意の単位の要素を本発明の画像要素に適用できる。
【００１２】
また好ましくは、前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からの隔たりが最も大きい光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用する。
【００１３】
上記の本発明によれば、加工工具の測定窓を通して被加工物が見えるので、干渉画像生成手段は、加工工具に向けて測定光を照射して干渉計の原理で光干渉画像を取得する。この光干渉画像には、測定窓部分で得られる被加工物の縞画像だけでなく、測定窓部分以外すなわち工具部分の画像（工具影）が含まれている。しかし、工具影は特有の光学的強度をもつので、この特有の光学的強度に対応する基準工具影強度をもつ部分を光干渉画像から排除することによって、縞画像を抽出できる。従って、基準工具影強度に基づいて、それぞれ被加工物と測定窓の位置関係が異なる複数の光干渉画像から、測定窓部分の縞画像を合成した合成干渉縞画像を得ることができる。
【００１４】
なお、特開平９−２７３９０８号公報には、複数の計測データをつなぎ合わせて広い範囲の計測データを得る光学的計測装置が記載されている。しかし、同公報の装置では、基本的にそれぞれの計測データは全領域で有効であり、このような計測データを隣合わせに並べているにすぎない。一方、本発明では、それぞれの光干渉画像に、有効な部分（縞画像）と有効でない部分（工具影）が含まれている。このような場合でも、本発明によれば広い範囲の干渉縞画像を形成することができる。
【００１５】
（２）好ましくは、前記基準工具影強度は光干渉画像の全体で一定に設定されており、標準影強度範囲として、工具影の光学的強度のとり得る値の標準的な範囲が設定されており、前記画像処理手段は、複数の光干渉画像の同一部分の画像要素がいずれも前記標準影強度範囲に含まれる場合には、複数の光干渉画像のうちの一の基本画像の画像要素を、前記合成干渉画像を構成する画像要素として採用する。
【００１６】
この態様では、基準工具影強度が光干渉画像の全体で一定に設定されているので、画像処理手段での合成処理が容易である。ただし、実際には、工具影強度は、分布や傾斜をもっており、光干渉画像の全体で均一ではない。この影響で、一定の基準工具影強度を単純に用いると、自然な合成干渉画像が得られないことがあり得る。しかし、上述のように本態様では、複数の光干渉画像の同一部分の画像要素がいずれも標準影強度範囲に含まれる場合には、その部分については、一の基本画像の画像要素を用いて合成干渉画像を構成する。これにより、自然な合成干渉画像を確実に得ることができる。
【００１７】
（３）また好ましくは、前記基準工具影強度は光干渉画像の各部分で個別に設定されており、光干渉画像の各部分の画像要素を前記合成干渉画像用に採用するか否かの判断は、その画像要素に対応する基準工具影強度に基づいて行われる。各部で個別の基準工具影強度を使用することにより、工具影強度の分布や傾斜の影響を受けずに、合成干渉画像が得られる。
【００１８】
（４）好ましくは、前記画像処理手段は、前記合成干渉縞画像を２値化し、２値化画像に基づいて被加工物の表面形状を算出する。本発明では、十分に広い範囲の干渉縞が得られるので、この干渉縞を使って任意の周知の方法で表面形状を算出できる。
【００１９】
（５）本発明の別の態様は、上記の光干渉式測定装置を備え、被加工物と加工工具の相対移動によって被加工物を加工する測定機能付き加工装置である。この態様によれば、本発明が加工装置というかたちで実現される。
【００２０】
以上に説明したように、本発明によれば、加工中に平面度などの表面形状の測定ができる。従って、信頼度が高く確実な加工（ラッピングやポリッシングなど）が可能となる。さらに、加工装置の加工条件に測定結果を帰還して、加工条件の自動調整を行うことが好適である。これにより、機械オペレータの熟練度のばらつきや環境条件の変動に対応する条件修正を行って、高精度加工を半自動または自動で行うことが可能となる。
【００２１】
特に、本発明によれば、上記のように、測定窓部分の縞画像をつなぎ合わせた広範囲で連続する干渉縞が得られる。十分に広い範囲の干渉縞が得られるので、干渉縞を用いた画像処理による表面形状の算出を容易かつ確実に行うことができる。
【００２２】
なお、本発明の測定装置を適用する加工機は、加工工具側を駆動するタイプでも、被加工物側を駆動するタイプでも、両者を駆動するタイプでもよい。例えば周知のラッピング加工機であって、被加工物を加工工具の回転軸からオフセットさせた状態で両者を回転させるタイプのものでもよい。この場合、加工工具を基準とすると、被加工物は、公転および自転を行う。また、本発明の適用される加工機は、加工工具や被加工物が回転するものに限られず、例えば、加工工具が直線運動を行ってもよい。
【００２３】
また、本発明の測定装置を砥粒加工機に適用する場合は、遊離砥粒方式の加工機にも、固定砥粒方式の加工機にも適用可能である。また、被加工物の片面のみを加工する加工機はもちろん、両面加工等の複数面加工を行う加工機にも適用可能である。
【００２４】
また、本発明において、被加工物は特に限定されず、例えばゲージブロックをはじめとするゲージや精密部品、レンズやミラー等の光学部品、半導体ウエハなどが挙げられる。また、加工面は、平面でも、レンズ製造時のような曲面でもよい。例えば、真球とのずれというかたちで表面形態を特定できる。
【００２５】
また、干渉計を利用する測定であれば、平面度をはじめ、各種の表面形態の測定が可能である。また、測定窓から見える部分であれば、被加工物の加工面以外の測定も可能である。例えば、被加工物がレンズ用ガラス等の透明部材である場合に、加工面の反対側の表面についての干渉縞検出を行い、これにより、被加工物の寸法精度を求めることが考えられる。その他、被加工物の両側のそれぞれに測定窓や干渉計を設けることにより、被加工物の寸法精度を測定することもできる。これは、被加工物が透明でないときにも有効である。
【００２６】
また、加工中と、加工後に被加工物を加工機から取り外したときとで、被加工物の表面形状が異なる場合もある。この理由は、被加工物の性質や加工機の仕様にあり、加工中と加工後の温度差にあり、加工中の押圧力にあり、またそのほかの要因にある。このときは、例えば、加工中と加工後の表面形態の変化を予め求めておき、この変化を見込んだ加工を行えばよい。
【００２７】
また、本発明では、被加工物と干渉計の位置関係が重要な要素となる。両者の位置関係がずれると、このずれに応じて、合成用の画像間で干渉縞が移動してしまい、良好な結果が得られない。後述する実施形態に示すように、被加工物を加工台上に配置し、その上に加工工具を配置することは、被加工物をより確実に支持できる点で有利である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照し説明する。本実施形態では、本発明の測定装置が砥粒加工装置に適用される。図１は、ラッピング加工機の斜視図であり、理解を容易にするために装置の一部については断面が示されている。ラップマスター方式といわれる一般的な加工機との相違点として、加工工具たるラップ盤と、被加工物たるワークとの配置が上下に逆である。本実施形態の測定装置は、加工面の平面度測定用であり、図１の加工機に一体に備えられている。
【００２９】
装置ベース１の上には円柱形の加工機構ベース３が搭載されている。加工機構ベース３の構造は、一般的に使用される上皿式のラップ加工装置のものとほぼ同様である。加工機構ベース３の上側には、円板形のラップ盤５が設けられており、ラップ盤５の中央には回転軸７が固定されている。この回転軸７が、加工機構ベース３の中心部に設けられた垂直方向の穴に嵌められており、回転軸７は、図示しない軸受により、加工機構ベース３に対して回転自在に軸支されている。さらに加工機構ベース３内部にはモータが備えられており、このモータにより回転軸７が反時計方向（矢印Ｘ）に回転駆動される。ラップ盤５の下面（加工基準面）は、加工機構ベース３の上面と平行である。本実施形態の特徴として、図示のように、ラップ盤５には多数の測定窓９が設けられている。各測定窓９は、ラップ盤５を厚さ方向に貫通する円形の開口である。
【００３０】
加工機構ベース３とラップ盤５との間には、被加工物たる円板形状のワーク１１が３個、配置されている。ワーク１１は、ラップ盤５の回転軸７を中心にして１２０度おきに等間隔に位置し、かつ、回転軸７から等距離に位置している。各ワーク１１は、同一外径のワーク台１３に載せられている。ワーク台１３は、加工機構ベース３に埋め込まれたリング形状のベアリングＡ１４によって、加工機構ベース３に対して回転自在に支持されている。また、各ワーク１１は、側方から２個のベアリングＢ１５によって支持されている。２個のベアリングＢ１５の配置は、ワーク１１をワーク台１３と同軸の位置に保持できるように設定されている。回転するラップ盤５とともにワーク１１が移動しようとすると、この移動を２つのベアリングＢ１５が阻止する。このようにして、ワーク１１は、両ベアリングにより、加工機構ベース３上の決まった位置で回転自在に支持されている。なお、本実施形態では、３個のワーク１１が同時に加工されるが、加工個数はこれに限られない。実際の加工に差し支えない範囲で、ワーク１１の配置も自由である。
【００３１】
ラップ盤５は、ワーク１１の上に載せられており、自重によってワーク１１に押しつけられている。必要に応じ、ラップ盤５の中央に重りを載せるなどして、加工加重を付加してもよい。ラップ盤５が反時計方向に回転するとき、これにつれて、ワーク１１は、加工機構ベース３上の同一位置で回転する。ラップ盤５を基準にすると、ワーク１１は、回転軸７を中心にした公転と、ワーク１１自身の中心軸を中心にした自転とを行う。
【００３２】
なお、本実施形態の加工機は、ワーク１１がラップ盤５の回転につられて自転するタイプであり、ワーク１１には特に積極的な回転は与えられない。これに対し、変形例として、遊星歯車機構等を用いてワーク１１の自転を決まった回転数で行わせてもよい。
【００３３】
また、本実施形態では、遊離砥粒方式が採用されている。ラップ盤５が回転している状態で、図示しないラップ液供給装置が、所定位置で、加工液たるラップ液をラップ盤５に滴下する。ラップ液供給装置は、適当な周期毎に自動的に所定量のラップ液を供給する。なお、ラップ液供給装置は、作業者が操作する手動式のものでもよい。ラップ液は、液中に砥粒を混ぜたものである。本実施形態では、ラップ液ごしに干渉縞検出を行うので、測定への影響を極力抑えるために砥粒サイズは小さいほうがよい。粒径１μｍ以下の砥粒を使うことが好ましく、本実施形態では、粒径０．２５μｍのダイヤモンド砥粒を使用している。この砥粒を混ぜた適度な粘度をもつラップ液が、測定窓９を伝わり、ラップ盤５とワーク１１の境界面に侵入する。このようにして、ワーク１１の上面がラッピング加工される。
【００３４】
装置ベース１上には、加工機構ベース３の横に、円柱形状の支持柱１７が設けられ、支持柱１７の上には干渉計本体１９が取り付けられている。干渉計本体１９は、加工機構ベース３の上方へはり出しており、先端部分はワーク１１の上方に位置している。この先端部分に干渉計が収納されており、干渉計が下方のワーク１１の加工面を対象として干渉縞検出を行う。干渉計は、フィゾー式等の周知のものでよい。本実施形態の場合、干渉計は下方へ平行光線を照射し、この光線が測定窓９を通り、ワーク１１の加工面で反射する。反射光を基に干渉計では干渉縞を表す像が生成される。干渉縞は、干渉計本体１９に内蔵されたテレビカメラによって撮影される。
【００３５】
干渉計の検出範囲はワーク１１の大きさにほぼ等しく、これに合わせて干渉計本体１９の下側の開口の大きさも設定されている。従って、干渉計は一度に一つのワーク１１の全範囲についての干渉縞の像を生成する。
【００３６】
また、干渉計本体１９は、図示しないアクチュエータにより、支持柱１７に対して回転され（矢印Ｙ）、かつ、水平長手方向（図示の矢印Ｚ）に伸縮される。従って、干渉計は、２次元方向に移動可能であり、３つのワーク１１の上方に位置して、各ワーク１１を計測可能である。
【００３７】
干渉計による干渉縞の検出を正確に行うためには、測定窓９がワーク１１と対面している部分において、加工面上にラップ液の均一な皮膜が形成されている必要がある。このような均一な皮膜が得られるように、ラップ盤５の回転数が適度に制御される。これにより、加工中において干渉計を用いて加工面の干渉縞を検出することができる。
【００３８】
図２は、干渉計本体１９に内蔵されたテレビカメラ（ＣＣＤ等）によって撮影された光干渉画像の一例である。ワーク１１はゲージ用のステンレス部材であり、ワーク１１の直径は約５０ｍｍ、各測定窓９の直径は８ｍｍであり、ラップ盤５は約３０ｍｍ／ｓｅｃの速度で図の右下方向に移動している。ラップ盤の速度が適切であり、ラップ液の供給から適当な時間が経過している。これにより、ラップ液が、ワーク１１の表面上に薄く塗り広げられるようにして均一の安定した液膜を形成している。そして、測定窓部分で良好な干渉縞が検出されている。
【００３９】
図２の干渉縞は、ワーク１１を加工装置から外して別の従来の干渉計で測定したときの干渉縞と同等である。従って、本実施形態の測定装置には、加工中における表面形状の測定を十分な精度で行う能力があるといえる。
【００４０】
ただし、図２に示されるように、光干渉画像には、測定窓部分の縞画像だけでなく、工具影も映っている。工具影とは、ラップ盤が映っている部分（測定窓以外の部分）のことである。そのため、光干渉画像には、小さな円形の縞画像が離散して存在する。このような光干渉画像を使っても、目視による平面精度の確認は可能である。しかし、干渉縞の画像処理により平面精度を算出するためには、より広い範囲で連続する干渉縞が必要である。このままでは、工具影画像が妨げとなり、平面精度の算出には無理がある。そこで、本実施形態では、以下のようにして、それぞれ測定窓の位置が異なる複数の光干渉画像を合成して、平面精度の算出に十分な広さをもつ干渉縞を生成する。
【００４１】
［光干渉画像の合成］
ラップ盤は回転しているので、測定窓とワーク１１の位置関係は常に変化している。干渉計に内蔵されたテレビカメラは、１秒当たり３０フレームの干渉画像を撮影する。すなわち、サンプリング周期は、１／３０秒である。従って、数秒間の間に、それぞれ測定窓の位置が異なる数十枚の光干渉画像が得られる。これらの多数の光干渉画像の窓部分によってワーク１１の全体がカバーされる。また、数秒間という極短い時間が経過しても、ラッピングやポリッシング加工では、加工面の表面形状は一般に大きく変化しない。そこで、画像処理によって、上記の数十枚の画像データから測定窓部分の縞画像だけを切り出して、干渉画像を再構成すれば、一枚の大きな縞画像が得られる。
【００４２】
図３は、図２の中央水平線に沿った明るさ強度を示している。横軸は、水平線上の位置を画素数で表しており、縦軸は、最高明るさ強度を１．０としたときの各部の明るさ強度である。図示のように、測定窓部分では、縞の明暗に応じて明るさ強度が上下に変化している。一方、工具影部分は、多少の傾きや分布はあるものの、ある特有の明るさ強度をもっている。
【００４３】
そこで、工具影に特有の明るさ強度を別途予め求めておき、これを基準工具影強度とする。そして、撮影画像の各部の明るさ強度を基準工具影強度と比較する。ある部分の明るさ強度が基準工具影強度と同じであれば、その部分は工具影であると判断できる。また、ある部分の明るさ強度が基準工具影強度と異なっていれば、その部分は測定窓部分（縞画像）であると判断できる。従って、基準工具影強度を使って、工具影の排除および縞画像の抽出ができる。
【００４４】
例として、２枚の撮影画像を合成する処理を説明する。図４は、図２の画像を撮影してから０．５秒後に撮影された画像であり、図５は、図４の画像の中央水平線に沿った明るさ強度を示している。さらに、図６は、図３と図５の明るさ強度のグラフを重ね合わせたものである。
【００４５】
図６に示されるように、０．５秒の間に測定窓が移動したので、２つの画像では異なる位置に干渉縞の明暗が現れている。ある部分では一方の画像に干渉縞が現れ、別の部分では両方の画像に干渉縞が現れ、また別の部分には両方の画像に工具影が現れている。
【００４６】
そこで、図６において、横軸上で同じ場所における２つの画像の明るさ強度を比較する。一方の画像が工具影の明るさ強度をもち、他方の画像が干渉縞の明暗の明るさ強度をもっているとする。前者の明るさ強度が基準工具影強度と同じであり、後者の明るさ強度が基準工具影強度と異なる場合である。この場合、前者の明るさ強度を不採用とし、後者の明るさ強度を採用する。この処理を図６の全体について行い、さらに、図２、図４の光干渉画像の全体について行う。図７には、このようにして図２および図４の２枚の撮影画像を合成した画像が示されている。また図８は、図７の画像の中央水平線に沿った明るさ強度を示している。図示の如く、画像合成により縞画像の部分が拡大している。
【００４７】
ここでは２枚の画像を合成したが、さらに、数秒間に得られる数十枚の画像について上記の処理を行う。これにより、工具影の画像を排除して、干渉縞が全域でつながった合成画像を得ることができる。以上が、本実施形態の合成処理の原理である。
【００４８】
次に、図９を参照して、上記の画像合成の原理に従って行われる本実施形態の合成処理をさらに詳細に説明する。図９は、一つの測定窓９の部分の干渉縞の画像である。画像Ｂは、画像Ａを撮影してから、ラップ盤５が少し回転した後に撮影された画像である。画像Ａと画像Ｂとでは、撮影時のラップ盤５の位置が異なり、ワーク１１の位置は同じである。従って、両画像では、ワーク１１上で干渉縞のできる位置は同じであり、また、ワーク１１の異なる部分が測定窓９から見えている。
【００４９】
図９の下側には、画像Ａ、画像Ｂについて、図中のラインＬに沿った明るさ強度の分布が模式的に示されている。横軸はラインＬ上の位置、縦軸は明るさ強度であり、画像Ａ、画像Ｂは２５６階調の画像である。明るさ強度は、画像データ中の画素ごとのデータに含まれている。
【００５０】
図９において、縦軸上のＩRは、ラップ盤部分の平均的な明るさ強度である。ここでは、この平均値ＩRが基準工具影強度として用いられる。ラップ盤は、どの部分もほぼ一定の明るさ強度に映るようにその表面が仕上げられている。また、ラップ盤５の干渉縞が生成されないように、ラップ盤表面は適当な粗さに仕上げられている。そして、ＩRが適当な大きさになるように、ラップ盤の材質や仕上げ、干渉計の調整や画像の適当な前処理が行われている。ＩRの値は光学系ノイズや性能でも多少変化するので、使用前に予め測定を繰り返してＩRを調べておく。
【００５１】
図９に示されるように、画像Ａ、画像Ｂの双方において、ラップ盤がないところ（測定窓部分）では、干渉縞の明暗に応じて周期的に明るさ強度が変化し、ラップ盤のあるところ（工具影）では明るさ強度がほぼ一定になる。
【００５２】
ここでは、画像Ａをベースとして、この画像Ａに画像Ｂを合成する。両画像で同位置（ｍ，ｎ）（ｍ、ｎは画像中の座標）の画素ｐに着目する。画像Ａ、画像Ｂにおける画素ｐ（ｍ，ｎ）の明るさ強度を、それぞれ、ＩA（ｍ，ｎ）、ＩB（ｍ，ｎ）とする。このＩA（ｍ，ｎ）、ＩB（ｍ，ｎ）とＩRの差の絶対値ａｐ、ｂｐを、下式に従って求める。
【００５３】
【数１】
ａｐ＝｜ＩR−ＩA(m,n)｜
ｂｐ＝｜ＩR−ＩB(m,n)｜
ａｐ＜ｂｐであれば、画像Ｂのデータ中の画素ｐの明るさ強度をもって、画像Ａのデータ中の画素ｐの明るさ強度を置き換える。すなわち、画像Ａのデータ中のＩA（ｍ，ｎ）を、ＩB（ｍ，ｎ）に置き換える。ａｐ≧ｂｐであれば、置き換えは行わず、当該画素ｐに関し、画像Ａのデータをそのままとする。
【００５４】
画素ｐが図示の位置にあるとき、画像Ａについては画素ｐがラップ盤部分にあり、ａｐがほぼ０である。画像Ｂでは画素ｐが干渉縞の暗い部分にある。ｂｐがａｐよりも大きいので、ＩA（ｍ，ｎ）がＩB（ｍ，ｎ）に置き換えられる。一方、画素ｑ（ｍ１，ｎ１）についてみると、画像Ａでは画素ｑが干渉縞の明るい部分にある。画像Ｂでは画素ｑがラップ盤部分にあり、ｂｑはほぼ０である。従って、ＩA（ｍ１，ｎ１）は、ＩB（ｍ１，ｎ１）には置き換えられず、そのままとされる。
【００５５】
同様の処理が、画像全体について行われる。図９（上）においては、画像Ｂにしか表されない三日月型の干渉縞部分があるが、この三日月型の部分が上記の処理結果として画像Ａに加わる。さらに複数の画像Ｃ、Ｄ・・を用いて、Ａ＋Ｃ、Ａ＋Ｄという調子で同様の処理を行うことにより、さらに広い範囲の干渉縞が画像Ａに加わる。このようにして、ワーク１１の全体を網羅する干渉縞が得られる。原理的には、例えば、少なくとも図１０のように測定窓を配置しておけば、どの位置にどの大きさのワークが配置されたときでも、ワーク全体の干渉縞を得ることができる。なお、ここでは、各画素の明るさ強度を処理対象としたが、その他のデータであって干渉縞を表すもの（例えば、色値や輝度値）を処理対象としても、同様の処理が可能である。
【００５６】
［合成処理の改良］
上記の合成処理では、工具影の明るさ強度の平均値ＩRが用いられた。しかし実際には、工具影の明るさ強度は、撮影画像内で一定ではなく、ラップ盤の各部で異なっており、分布や傾斜をもっている。従って、各画素についての処理が、その場所の工具影の真の明るさ強度に基づいては行われていない。この影響で、数十枚の画像を合成したときに、干渉縞のコントラストが強く出過ぎることがあり、その結果、合成画像が不自然になることがある。これに対し、下記のように合成処理を改良することで、より自然な画像が得られる。
【００５７】
ここでは、標準影強度範囲として、工具影の明るさ強度のとり得る値の標準的な範囲を設定する。平均値ＩRと同様にして、工具影の明るさ強度の上限値および下限値を予め測定しておくことが好適である。平均値ＩRから上下の限界値までの幅を等しく設定してもよい。
【００５８】
上記の標準影強度範囲は、以下のようにして使われる。図９の処理では、前述のように、基本となる１枚目の画像Ａの画素ｐの明るさ強度と平均値ＩRの差の絶対値ａｐ＝｜ＩR−ＩA(m,n)｜が求められた。比較対象の次の画像Ｂの画素ｐについても同様に、ｂｐ＝｜ＩR−ＩB(m,n)｜が求められた。そして、図９の処理では、ａｐ＜ｂｐであれば、画像Ｂのデータ中の画素ｐの明るさ強度をもって、画像Ａのデータ中の画素ｐの明るさ強度が置き換えられた。しかしながら、ここでは、データの置換えの前に、画像Ｂの画素ｐの明るさ強度ＩB(m,n)が、標準影強度範囲から外れているか否かが判断される。外れていればａｐとｂｐが比較され、そして、ａｐ＜ｂｐであればデータの置換えが実行される。ＩB(m,n)が標準影強度範囲内の値であれば、データの置換えは中止、抑制される。
【００５９】
このように、本実施形態では、標準影強度範囲に含まれる明るさ強度をもつ画素データは、合成干渉縞画像の構成のために利用されない。従って、合成に用いる数十枚の全画像における同一箇所の画素の明るさ強度が、いずれも標準影強度範囲に含まれる場合には、結局一度も画素データの置き換えは行われない。その結果、最初に読み込まれた基本の画像（Ａ）のデータが最後まで残る。このようにして最後まで残った基本画像のデータが、真の干渉縞の一部であるか、工具影の一部であるかは分からない。しかし、上記の処理を行っても、後段で平面度の計算処理を行う上では支障がない。そして、上記の処理によって、コントラストがきつ過ぎない適当な画像を得ることが可能となる。
【００６０】
［画像処理装置とその動作］
図１１は、本実施形態の加工装置のコントローラ内に設けられた画像処理装置の一部の構成であって、上記の合成処理を行う画像合成部の構成を示している。この画像合成部は、図示しない制御部によって制御されている。また、図１２は、図１１の画像合成部の動作を示すフローチャートである。
【００６１】
画像合成が開始すると、画像データが、干渉計のテレビカメラから撮影画像メモリ１００に読み込まれる（Ｓ１０）。本実施形態では、９０フレームの画像データを一度に記憶できる撮影画像メモリ１００が用意されている。ただし、１フレームの画像を記憶するバッファだけを設けておいても、本実施形態の画像合成は実現できる。またＳ１０では、データ処理部１０２が設定ファイル１０４からトリミング範囲を読み込む。トリミング範囲とは、撮影画像中で画像処理を行う範囲である。各画像は、この範囲をトリミングしてから処理される。本実施形態では、トリミング範囲は、ワーク１１とほぼ同じ大きさの円形に設定されている。
【００６２】
次に、データ処理部では、処理対象の画像の番号を示す処理画像カウンタおよび処理対象の画素の番号を示す画素カウンタが０にクリアされる（Ｓ１２）。そして、１枚目の画像が、基本画像としてメインメモリ１０６にロードされ（Ｓ１４）、２枚目の画像が、比較画像として比較用メモリ１０８にロードされる（Ｓ１６）。両メモリ１０６、１０８は、それぞれ１フレーム分の画像を記憶できるサイズをもっていればよい。データ処理部１０２は、比較用メモリ１０８から、画素カウンタの画素番号に対応する画素の明るさ情報を取得する（Ｓ１８）。そして、取得した画素の明るさ強度が、工具の影の明るさ強度の範囲（前述の標準影強度範囲）から外れた値であるか否かが判定される（Ｓ２０）。
【００６３】
Ｓ２０の判断がＹＥＳであれば、図９で説明した画素データの置き換え処理が行われる（Ｓ２２）。ここでは、Ｓ１８で取得した明るさ強度ＩBと、工具影の明るさ強度の平均値ＩRとの差の絶対値ｂｐが求められる。また、メインメモリ１０６の画素データであって、画素カウンタの画素番号に対応する画素データの明るさ強度ＩAが取得される。取得した明るさ強度ＩAと平均値ＩRの差の絶対値ａｐが求められる。ａｐとｂｐが比較され、ｂｐ＞ａｐであれば、メインメモリ１０６の着目している画素の明るさ情報が、比較用メモリ１０８から取得した同一画素の明るさ情報でもって置き換えられる。
【００６４】
次に、画素カウンタの番号を参照して、比較用メモリ１０８の比較画像の全画素について比較処理を行ったか否かが判定される（Ｓ２４）。Ｓ２４がＮＯであれば、画素カウンタを１増やし（Ｓ２６）、Ｓ１８に戻る。これにより、次の画素番号の画素を対象として、同様の処理が行われる。
【００６５】
一方、Ｓ２０でＮＯと判断された場合には、Ｓ２８に進む。Ｓ２８では、Ｓ２４と同様にして、全画素の比較処理が終了したか否かが判定され、ＮＯであれば画素カウンタを１増やして（Ｓ３０）、Ｓ１８に戻る。このように、本実施形態では、比較用画像の画素の明るさ強度が標準影強度範囲に含まれていれば、画素データの置換えは行われない。
【００６６】
Ｓ２４またはＳ２８での判断がＹＥＳの場合、１フレームの比較画像の処理が終了している。そこで、Ｓ３２にて、処理画像カウンタを参照して、必要枚数の合成処理が終了したか否かが判定される。本実施形態では、必要枚数は９０枚に設定されている。１秒当たり３０フレームの画像を撮影できるので、９０枚の画像は３秒間で撮影される。Ｓ３２がＮＯであれば、処理画像カウンタを１増やして（Ｓ３４）、Ｓ１６に戻る。従って、次の画像が撮影画像メモリ１００から比較用メモリにロードされ、同様の処理が再び行われる。
【００６７】
Ｓ３２の判断がＹＥＳの場合、９０枚のすべての画像の処理が終了している。そこで、合成画像がディスプレイに表示される（Ｓ３６）。表示後は、Ｓ１０に戻り、次の合成画像の処理を行う。図１３は、上記のようにして９０枚の撮影画像から得られた合成画像を示している。図１３に示されるように、トリミング範囲の全域で連続する干渉縞の画像が得られている。
【００６８】
また、合成画像は、平面度算出部１１０に送られ、ここで平面度算出処理が行われる。図１３に示したように、本実施形態で得られる合成画像では、十分に広い範囲で干渉縞が連続する。従ってこの合成画像を使って、公知の解析アルゴリズムを使って平面度を算出することができる。平面度算出部１１０では、干渉縞のコントラスト強調、２値化、細線化、縞次数の割当てなどが行われる。図１４は、干渉縞を２値化した画像を示している。干渉縞の画像処理による平面度算出は、例えば、前出の「光干渉計測法の最近の進歩」（谷田貝、精密機械５１／４／１９８５、第６５〜７２頁）に記載された方法で行えばよい。
【００６９】
［加工装置のシステム構成］
図１５は、本実施形態のラップ加工装置の全体構成を示している。前述のように、ワーク１１の上にラップ盤５が配置され、その上方の干渉計本体１９内に干渉計２１が配置されている。干渉計２１にはカメラ装置が内蔵されており、干渉縞の撮影画像はコントローラ２３へ送られる。コントローラ２３には、測定部２５、アクチュエータ制御部２７、ラップ液供給制御部２９、モータ制御部３１が設けられている。測定部２５は、前述した図１１の画像処理装置を含んでおり、画像合成部２５ａが本実施形態に特徴的な画像合成処理を行う。また平面度判定部２５ｂは、図１１の平面度算出部１１０を含んでおり、公知の平面度算出処理を行う他、算出結果の判定を行う。
【００７０】
アクチュエータ制御部２７は、アクチュエータ３３を制御している。アクチュエータ３３は、干渉計本体１９を支持柱に対して回転させ、また干渉計本体１９を伸縮させる。これにより、干渉計２１は３つのワーク１１のそれぞれの上方に移動する。
【００７１】
ラップ液供給制御部２９は、ラップ液供給装置３５を制御対象として、ラップ液の供給位置、供給時期、供給量を制御している。ラップ液供給装置３５は、前述のように、ラップ盤５にラップ液を滴下する。モータ制御部３１は、ラップ盤５を回転させるモータ３７の回転、停止および回転速度を制御する。
【００７２】
コントローラ２３は、さらに、ラップ盤５の高さ方向の位置を検出する位置センサ３９と接続されている。位置センサ３９の出力を基に、ラップ盤の移動量が分かり、また、ワーク１１の厚さや、ラップ加工によって削られた量が分かる。
【００７３】
また、コントローラ２３には、出力装置としてのディスプレイ４１とキーボード等の入力装置４３が接続されている。ディスプレイ４１には、画像合成部２５ａで生成された合成干渉画像が表示される。入力装置４３は、作業者が、装置の運転、停止やその他の指示を入力するための装置である。ディスプレイ４１は、作業者の操作に必要な画面表示も適宜行う。
【００７４】
図１５のシステムにおいて、加工開始時には、モータ制御部３１がモータ３７を回転させる。ラップ盤が回転しはじめ、ラップ盤５に対しワーク１１が公転および自転を行う。これとともに、ラップ液供給制御部２９がラップ液供給装置３５にラップ液を供給させ、ラップ液は測定窓を通ってラップ盤５とワーク１１の隙間に入る。このようにしてラップ加工が行われる。
【００７５】
アクチュエータ制御部２７は、アクチュエータ３３を制御して、干渉計２１を、３つのワーク１１の上方へ順番に移動させる。各ワーク１１の上方では、干渉計２１が、測定部２５の指示に従い、ワーク１１の干渉縞の像を検出して撮影し、コントローラ２３に送る。アクチュエータ３３および干渉計１９は、この動作を所定周期で繰り返し行う。
【００７６】
ここで、ラップ液供給制御部２９は、所定時間おきにラップ液を供給させる。この供給から一定の時間が経過するまでは、干渉縞の検出は行われない。ラップ液が不均一な状態では、正確な平面度判断が難しいからである。この処理では、例えば干渉計２１での撮影処理が禁止され、あるいは、測定部２５でのデータ処理が禁止される。
【００７７】
測定部２５では、干渉計２１の出力を基に、加工中のワーク１１の加工面の平面度を求める。平面度が得られるたびに、その平面度が要求精度に達しているか否かが判断される。コントローラ２３では、また、位置センサ３９の出力より、ワーク１１の厚さが加工要求値に達したか否かが判断される。ワーク１１の厚さが加工要求値に達し、かつ、平面度が要求精度に達していると判断されたとき、モータ制御部３１はモータ３７を停止させる。これにより、ワーク１１のラップ加工が完了する。
【００７８】
［合成処理（２）］
前述した合成処理では、工具影画像の明るさ強度の平均値ＩRが用いられた。この平均値ＩRは、光干渉画像の全領域で一つだけ設定されていた。すなわち、単一の平均値ＩRが常に使用された。しかし、実際には、工具影画像の明るさ強度は、ラップ盤の各部で異なっている。そして、不自然な合成画像が生成されないように、合成処理の改良により、標準影強度範囲が合成処理に導入されていた。
【００７９】
これに対し、この第２の合成処理では、上記の単一の平均値ＩRおよび標準影強度範囲は利用しない。代わりに、画像の各部について、工具影が映るときの明るさ強度を予め測定する。測定した各部の明るさ強度は、基準工具影強度として、測定位置（画像中での位置）とともに記憶しておく。
【００８０】
画像合成処理は、以下のように行う。ある画素の処理を行うときに、基本画像および比較画像から、その画素の明るさ強度を取得する。また、その画素の位置に対応する基準工具影強度を記憶情報から取得する。これらのデータを用いて前述の合成処理を行う。標準影強度範囲は必要ない。従って、図１２の処理から、Ｓ２０、Ｓ２８、Ｓ３０のステップが除かれる。
【００８１】
この第２の合成処理によれば、画像の各部で個別の基準工具影強度に基づいた処理を行うので、より正確な合成干渉画像を得ることができる。
【００８２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、加工中に平面度などの表面形状の測定ができる。従って、信頼度が高く確実な加工が可能となる。さらに、加工装置の加工条件に測定結果を帰還して、加工条件の自動調整を行うことが好適である。これにより、機械オペレータの熟練度のばらつきや環境条件の変動に対応する条件修正を行って、高精度加工を半自動または自動で行うことが可能となる。
【００８３】
特に、本発明によれば、上記のように、測定窓部分の縞画像をつなぎ合わせた広範囲で連続する干渉縞が得られる。十分に広い範囲の干渉縞が得られるので、干渉縞を用いた表面形状の算出を容易かつ確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態の測定装置付きのラップ加工装置の斜視図である。
【図２】  図１の装置の干渉計を用いて得られた干渉画像の一例を示す中間調画像の説明写真である。
【図３】  図２の干渉画像の中央水平ラインに沿った明るさ強度を示す図である。
【図４】  ラップ盤の測定窓が図２と異なる位置にあるときの干渉画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図５】  図４の干渉画像の中央水平ラインに沿った明るさ強度を示す図である。
【図６】  図３と図５を重ね合わせた図である。
【図７】  図２と図４の画像を合成することによって得られた合成干渉画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図８】  図７の干渉画像の中央水平ラインに沿った明るさ強度を示す図である。
【図９】  複数の干渉画像の合成処理を示す図である。
【図１０】  図５の処理を用いてワーク全体の干渉縞を得るために必要な測定窓の配置例であって、窓数を少なくしたときの配置を示す、ラップ盤の平面図である。
【図１１】  図９の合成処理を行う画像処理装置の構成を示す図である。
【図１２】  図１１の画像処理装置の動作を示すフローチャートである。
【図１３】  図１２の処理によって得られた最終的な合成画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図１４】  図１３の画像を２値化した画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図１５】  図１のラッピング加工機の全体構成のブロック図である。
【符号の説明】
１  装置ベース、３  加工機構ベース、５  ラップ盤、７  回転軸、９  測定窓、１１  ワーク、１９  干渉計本体、２１  干渉計、２３  コントローラ、２５  測定部、２５ａ  画像合成部、２５ｂ  平面度判定部、１００  撮影画像メモリ、１０２  データ処理部、１０６  メインメモリ、１０８  比較用メモリ、１１０  平面度算出部。
【図１】
0003853972.tif 000002
【図２】
0003853972.tif 000003
【図３】
0003853972.tif 000004
【図４】
0003853972.tif 000005
【図５】
0003853972.tif 000006
【図６】
0003853972.tif 000007
【図７】
0003853972.tif 000008
【図８】
0003853972.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003853972.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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