(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系と観察光学系とを被測定物を介して反対の位置でかつ同一の光軸上に設け、被測定物の壁面に投影光学系により所定の投影光を投影し、壁面で反射した反射像を観察光学系で観察して壁面位置を検出する光学測定装置において、前記所定の投影光が被測定円形壁面の接線方向の幅が前記壁面の直径方向の幅よりも広い楕円投影光であって、前記接線方向の幅（長径）と前記直径方向の幅（短径）の楕円比（長径／短径）が１よりも大きく２より小さい範囲の楕円であり、且つ前記直径方向の幅（短径）を前記円形壁面の半径より小さい幅とする楕円投影光として、この楕円投影光が前記光軸上に位置する前記被測定円形壁面で反射して観察される反射像は、変形が生じずに前記楕円投影光と同一な楕円反射像となるように構成したことを特徴とする楕円光による光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定円形壁面に投影した所定の投影光の反射像により、被測定壁面の位置を検出する光学測定装置に関し、特に壁面による反射像の変形による前記壁面位置検出の誤差を少なくする投影光の形状に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
微少径の光を発生させる光源部３と投影レンズ６とよりなる投影光学系７と、観察レンズ９とＣＣＤカメラ10よりなる観察光学系11とを図１，２のように被測定物８（以後ワークと言う）を介して同一の光軸Ｚ１−Ｚ２上に配置してなる光学測定装置が知られている。
【０００３】
例えば、図１の特願平６−１８２５４９の如く１ケの所定形状の微少のスリツト４を有するレチクル２をランプ１等で照明した光源部３と投影レンズ６よりなる投影光学系７を設け、前記の光軸（Ｚ１−Ｚ２）上にほぼ一致する様に被測定壁面を設定し、前記壁面に前記投影光学系より微少な投影光Ｐを投影し、前記壁面による反射像Ｆにより被測定円形壁面の位置を検出する装置が知られている。
【０００４】
また別な例として、図２の特願平５−１６１２０１の如く複数ケの微少のスリット４'を光軸に対称な位置に設けたレチクル２'により微少な複数投影光Ｐ'を発生させるように投影光学系７を設け、前記の光軸（Ｚ１−Ｚ２）より離れた位置にある複数の被測定円形壁面Ｗ'に一致する位置に前記の複数の投影光を同時に投影し、前記壁面の複数反射像Ｆ'により被測定壁面の位置を検出する装置が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の装置での円形壁面位置検出精度は、壁面の直径が大きな時は前記反射像の形状が投影光の所定の形状に近く、反射像の中心位置が正確に把握でき高い精度で壁面位置の検出ができた。
【０００６】
しかるに、前記投影光は前記壁面の垂線方向の対称な位置に反射像として結像するので、前記壁面の直径が小さくなると前記垂線の傾き変化が大きくなる為に対称な位置に結像する反射像の変形が生じ、反射像の中心位置の把握が困難となり検出誤差を誘発する欠点があった。
【０００７】
例えば、図３（Ａ）のような小さな半径Ｒの円形壁面Ｗに矩形の投影光Ｐを投影した場合は、反射像Ｆは曲った壁面により図３のように湾曲した変形形状になる。即ち、壁面の（ホ）の位置では垂線方向にある（イ）の投影光Ｐは対称な位置（ロ）に、（ハ）の位置にある投影光Ｐは対称な位置の（ニ）に反射像Ｆとして結像する。
【０００８】
この場合は壁面の半径Ｒが小さいので、垂線（壁面ホと壁面の中心Ｓを結んだ線）の傾き変化が大きい為に矩形形状の投影光Ｐは湾曲した変形反射像Ｆとなってしまう。
【０００９】
観察光学系の拡大率が無限に大きくできれば、この変形の影響を受けずにＸ方向の反射像幅Ｘ１，Ｘ２よりその中間の反射像の中心位置Ｃを正確に把握できるわけで、画像認識ではＸ軸に沿った１ラインの掃引によりＸ１，Ｘ２の中間Ｃの位置を認識し壁面位置を正しく検出できることになる。ただし、Ｙ方向に掃引位置がわずかでも偏よると湾曲による壁面位置認識誤差を誘発する欠点があった。また、壁面直径に依存し異なる形に変形する反射像で上下の湾曲面積の影響を避け正しい中心位置Ｃを判断するには多くの直径の物の測定を経験熟練することが目視判断では必要となる。
【００１０】
しかし、実際の観察光学系11の拡大率は対物レンズの解像度で制限されるので図３（Ａ）のようにあまり拡大できない、従って観察像は小さな半径の被測定物を検出すると図３（Ｂ）の様に反射像が小さく見えることになる。
【００１１】
よって、前記の湾曲した変形反射像では、壁面位置の検出をしようとすると反射像の中心位置Ｃよりも上下の湾曲面積の影響により、見かけの中心Ｇは湾曲側（図では右側に）に引きずられて認識されてしまい、検出誤りを誘発する欠点があった。
【００１２】
また、被測定壁面の表面粗さが大きいと、壁面での散乱が伴い増大した拡散反射像になる場合がある。またアスペクト比の高い被測定壁面の場合もＮＡ低下に伴い増大した拡散反射像となる場合がある。この場合図３（Ｃ）のように反射像は観察され、見かけの中心Ｇは更に湾曲方向に偏って認識される傾向があり、壁面位置検出誤差や繰り返し精度悪化等を避けることができない欠点があった。
【００１３】
従って、このような壁面位置検出誤差を少なくするためには、被壁面直径に依存する反射像変形が無い装置が求められた。
【００１４】
【課題を解決する手段】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【００１５】
被測定円形壁面の接線方向の幅（ｂ）を前記壁面の直径方向の幅（ａ）よりも広い（ｂ／ａ＞１）楕円の微少投影光ＰＤを前記壁面に投影し、前記投影光ＰＤの反射像ＦＤにより被測定壁面の位置を検出する光学測定装置に係わるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
好適と考える本発明の実施の形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいてその作用効果を説明する。
【００１７】
本発明は投影光学系７と観察光学系11とを被測定物８を介して同一の光軸Ｚ１−Ｚ２上に配置し、前記投影光学系７より投影された微少な投影像ＰＤの反射像ＦＤを前記観察光学系11により検出して、前記壁面位置を検出する光学測定装置において、前記微少投影光ＰＤが被測定物８の円形壁面Ｗの接線方向の幅（ｂ）が前記壁面の直径方向の幅（ａ）よりも広い（ｂ／ａ＞１）楕円光ＰＤとなるように構成する。長径＝ｂ，短径＝ａなる楕円となる（この時の楕円の縦横の比を以後楕円比ｂ／ａという。）。
【００１８】
前記楕円投影光ＰＤは光源部３に、前記楕円比ｂ／ａの楕円スリットのレチクル２Ｄを設けることにより、容易に前記投影光を所望の楕円とすることができる。
【００１９】
更に、前記楕円比ｂ／ａは、１＜（ｂ／ａ）＜２の中で測定対象となる被測定物の最小半径でも変形が起きない値を選定する。ここでは被測定物の最小直径を８０μとした時ｂ／ａ＝１．４としている。
【００２０】
また、更に前記楕円の短径ａは前記直径φ８０μの１／２、すなわち半径４０μよりも小さな幅となるようにａ＝１０μとしている。
【００２１】
このように構成した時は、図５のように直径８０μの壁面Ｗの任意の点（ホ）の垂線上の一方に、短径ａ＝１０μで楕円比（ｂ／ａ）＝１．４の楕円と交わる点（イ）の位置の投影光を見ると、同じ垂線上の他方の対称な位置に点（ロ）に反射像として結像する。この点（ロ）は前記楕円の他の外周の位置に一致する。
【００２２】
他の壁面の任意の点（ヘ）の垂線と、前記投影光と交わる点を前記と逆の位置（ハ）に設定しても、垂線上の他方の対称な位置になる点（ニ）は同様に前記楕円の他の外周の位置に一致する。この事は前記条件を満足する投影光の場合は投影光と反射像は一致する所に結像し、言い換えると反射像の変形は見られないことを意味している。即ち、前記のように構成した楕円の投影光ＰＤは一番変形の起きやすい小さな直径φ０．１の円形の壁面Ｗに於いてもその反射像ＦＤの変形がないことになる。
【００２３】
従って、観察光学系の倍率の低い装置で壁面位置を検出する時でも、被測定壁面の直径に関係せず常に投影光と同じ左右対称な楕円の反射像が観察されるので、像が小型化しても反射像の中心位置を正しく把握することができる。
【００２４】
また、反射像が左右対称な楕円であるので、壁面による前記拡散像が発生しても左右対称に拡散することになるので見かけの中心Ｇが偏る事も防げる。
【００２５】
以上のように反射像の中心位置を正確に把握できるので、壁面位置検出の誤りを少なくする事ができる装置を容易に提供できる。
【００２６】
【実施例】
本実施例について図４〜図９を参照して説明する。
【００２７】
本発明の装置は図４に示すように、投影側には微少な１ケの楕円のスリット４Ｄを有するレチクル２Ｄによる光源３と、投光レンズ６よりなる投影光学系７を設け、さらに観察レンズ９とＣＣＤカメラ10よりなる観察光学系11を設け、前記投影光学系７の光軸Ｚ１−Ｚ２に一致する位置に前記観察光学系11を設けている。
【００２８】
次に、反射像ＦＤの位置を参照して被測定壁面位置を検出するように、前記壁面Ｗは光軸Ｚ１−Ｚ２に一致した位置に測定時は設定する。
【００２９】
このようにしてなるので、光源部３よりの楕円の光は投影レンズ６にて集光されて、被測定物８の壁面Ｗに微少な楕円の投影像ＰＤとして投影される。
【００３０】
前記楕円投影光ＰＤの形状は前記壁面Ｗの直径方向幅を短径ａとし、前記壁面Ｗの接線方向の幅を長径ｂとする楕円とする。
【００３１】
前記楕円投影光ＰＤの前記壁面Ｗでの楕円反射像ＦＤは、楕円比ｂ／ａに応じた形で観察光学系11にて観察される。
【００３２】
この反射像ＦＤは前記壁面Ｗの直径が十分大きな時は楕円投影光ＰＤと同じ形の楕円反射像ＦＤが得られるが、前記直径が小さくなると楕円比ｂ／ａによっては楕円投影光ＰＤと異なる変形した形状になる。
【００３３】
図６に投影光ＰＤの楕円比ｂ／ａを０．６から２まで変化した時の反射像ＦＤの変形の様子を示す。
【００３４】
楕円比ｂ／ａ＝０．６では楕円反射像ＦＤは左寄りの変形を示し、前述の見かけの中心が壁面Ｗよりも外側（図では左側）に把握される危険がある。
【００３５】
また、楕円比ｂ／ａ＝２では楕円反射像ＦＤが右よりの変形を示し、見かけの中心が壁面Ｗの内側（図では右側）に把握される危険がある。
【００３６】
また、楕円比ｂ／ａ＝１即ち縦横の同じ幅の円形の時は左よりの変形を示し、これも見かけの中心が壁面Ｗの外側（図では左側）に把握される危険がある。
【００３７】
いずれもこのような変形が有ると壁面Ｗの位置の検出誤差を誘発することになる。
【００３８】
一方、楕円比ｂ／ａ＝１．４近傍では、ほぼ楕円投影光ＰＤと同一な楕円反射像ＦＤが得られることになり、見かけの中心の偏りはなくなり壁面位置検出の誤差を防ぐことができることがわかる。
【００３９】
従って、実施例では楕円比ｂ／ａ＝１．４に設定している。
【００４０】
次に、図７に前記楕円比ｂ／ａ＝１．４の楕円投影光ＰＤで、円形壁面Ｗの直径を変化させた時の楕円反射像ＦＤの変形の様子を示す。
【００４１】
楕円投影光ＰＤの短径＝ａが壁面Ｗの半径Ｒの２倍に近い時は、楕円の外周に壁面の中心が近づくので反射像は上下に発散してしまい反射像としてまとまらない。
【００４２】
また、前記短ａが前記半径Ｒの１．３倍時は楕円反射像ＦＤは左よりの変形をする。
【００４３】
前記短径ａが前記半径Ｒに一致する時は、楕円反射像ＦＤの変形は少なくなる。前記短径ａが前記半径Ｒよりも小さくなると変形は見られなくなる。
【００４４】
従って、測定対称とする被測定壁面の最小半径Ｒ以下に楕円投影光ＰＤの直径方向の幅・短径ａを設定することで、変形の無い楕円反射像ＦＤを得られることがわかる。
【００４５】
従って、実施例では測定対称の壁面最小半径を４０μ（直径８０μ）に定めて、投影光ＰＤの短径ａは十分余裕をとって１０μとしている。
【００４６】
実施例では投影光ＰＤはレチクルのスリットよりの光を縮小して投影しているので、投影レンズ６の倍率（Ｑ）が４倍の物を用いた装置では、レチクル２Ｄのスリット４Ｄの壁面直径方向Ｘに対応する短径Ａは前記ａのＱ倍即ちＡ＝ａ＊Ｑ，（Ａ＝１０＊４）より４０μとしている。
【００４７】
前記壁面の接線方向Ｙに対応する長径Ｂは、楕円比ｂ／ａを１．４であるので１．４倍の（Ｂ＝４０＊１．４）５６μとして構成している。
【００４８】
このようにして構成された実施例の装置では、楕円反射像ＦＤは前記壁面の直径に全く影響を受けずに常に変形無く観察され、反射像の中心位置を正確に把握でき、従って壁面位置検出の誤差を無くすことができた。
【００４９】
また、反射像の変形が無いので観察光学系を低い倍率として構成した時でも反射像の中心の把握が容易で、熟練度の低い操作者でも正しく把握でき前記検出の繰り返し精度をあげることができる。
【００５０】
また、被測定壁面の粗さやアスペクト比による分散反射像も対称な形をした楕円反射となるので、容易に正しい反射像の中心を読みとることができ、前記誤差も少なくできる。
【００５１】
更に、画像認識においてもＸ方向に対称でＹ方向に長い楕円反射像であるのでＹ方向のわずかな掃引ズレがあっても、反射像の中心位置の認識誤差も少なくでき、また掃引も複数ラインのＤＡＴＡを取り込み演算ができるのでＳ／Ｎ良く検出できる可能性が得られた。
【００５２】
本発明の実施例の説明では、円の内径壁面の位置を検出することで説明してきたが、前記楕円投影光による反射像は変形が無く、前記壁面に対して左右対称な形であるので、被測定物の外径壁面でも同様に壁面直径に無関係に変形の無い楕円反射像が得られるので外形壁面の位置も正確に検出することもできる。
【００５３】
更に、壁面直径に無関係であるので当然平らな壁面に於いても、変形の無い楕円反射像が得られ前記検出誤差もなくなる。
【００５４】
また、前述の複合として内径，外径でも変形の無い反射像が得られることとあわせ、大小入り交じった複数穴のあいた被測定物の測定でも各穴間のピッチなど正確に検出できる。
【００５５】
観察光学系11に光軸Ｚ１−Ｚ２に対応する中心位置に図８のように２本の標線を設けて、標線と反射像の間の隙間を均等に開けるように反射像を設定することで反射像位置を目視判断で正しくあわせる２本表線方式があるが、円投影光（ｂ／ａ＝１）（Ａ）及び矩形投影光の場合（Ｂ）は図のように変形が起きるので、反射像が偏って設定される傾向があり壁面位置検出誤差が避けられなかった。
【００５６】
しかるに、前記楕円投影光（Ｃ）によると変形が無いので図のように正確にあわせることが容易で２本表線方式でも壁面位置の検出を誤差を防げる。
【００５７】
次に別の実施例として図２に示した複数スリットによる装置にも本発明は適用できる。
【００５８】
装置は図２の如く構成するので全体の構成はここでは省略し、異なる部分として本発明に係わる楕円投影光ＰＤを発生させるレチクル２'の複数ケのスリット部とＣＣＤカメラ10の出力画像について図９を用いて次に説明する。
【００５９】
複数ケのスリット４'を本発明の楕円スリット５Ｄとしたものでかつ偶数ケ（４ケ）のスリットとした例を（Ａ）に示す。
【００６０】
楕円スリット５Ｄは左右対称な位置に縦長の楕円として構成し、上下には対称な位置に横長の楕円としている。
【００６１】
これらのスリット５Ｄの楕円投影像ＰＤは被測定物８の円形壁面Ｗに一致した位置に投影される。
【００６２】
従って、この壁面の直径方向の楕円投影光ＰＤの短径ａはスリット５ＤではＡで決められ、壁面の接線方向の長径ｂはＢで決められ、前述のようにＡ，ＢはＡ＝ａ＊Ｑ，Ｂ＝ｂ＊Ｑとなる。
【００６３】
これらＡ，Ｂの値は前述の例に従えばＡ＝４０μ，Ｂ＝５６μで構成できる。このようにして構成してなるので右図の画像出力説明図の様に楕円反射像ＦＤは変形することなく壁面Ｗの画像位置に一致した位置に正しく見ることができる。従って、壁面Ｗの位置検出を誤差無く行うことができる。
【００６４】
図２（Ｂ）は同様に複数ケの楕円スリット５Ｄを奇数ケ（３ケ）とした例で、配置が奇数配分である事以外は前記偶数楕円スリットと類似した構成と作用効果とが得られるのでここでは説明は省略する。
【００６５】
このように本発明による楕円投影光によれば、反射像変形による壁面位置の誤差をなくし、繰り返し精度の良い検出を可能とする光学装置が提供できる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明による楕円投影光による装置は、検出誤差を防ぎ精度良い壁面位置検出ができる。
【００６７】
１）投影光の形状を被測定円形壁面の接線方向を長径ｂとし、前記壁面直径方向を短径ａとする楕円にすることで反射像の変形がなくなる。
【００６８】
２）楕円投影光の短径ａを最小測定壁面の半径Ｒよりも小さい値とすることで、反射像の変形を少なくできる。
【００６９】
３）楕円投影光の楕円比ｂ／ａを１以上２以下で選定することで、反射像の変形を少なくできる。
【００７０】
４）前記２）と３）を満足する楕円投影光とすることで、壁面の直径に無関係に反射像の変形をなくすことができる。
【００７１】
５）前記変形が無いので反射像位置の設定が目視判断でも容易にできる。
【００７２】
６）前記変形が無いので画像認識でもＳ／Ｎ良く容易に判別できる。
【００７３】
７）前記変形が無いことと楕円反射像は左右（Ｘ方向に）対称な形であるので、被測定物の内径，外径の壁面位置を正確に求められる。
【００７４】
８）前記変形が無いので壁面粗さやアスペクト比による拡散が伴った場合でも容易に反射像中心位置が推定できる。
【００７５】
９）前記変形が無いので直径に無関係に壁面位置が正確に求められるので、特に測定条件に応じた格別な誤差補正手段を装置に設ける必要もなくなり、装置の簡素化ができる。
【００７６】
10）スリット形状を所定の楕円にする単純な構成で反射像の変形の無い装置を実現できる。
【００７７】
以上の様に投影光を所定の楕円とする簡単な方法で壁面位置検出を正確にかつ繰り返し精度良く検出できる光学測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １ケの微少投影光による従来装置である。
【図２】  複数の微少投影光による従来装置である。
【図３】  矩形投影光の反射像変形の説明図である。
【図４】  実施例（本発明の装置）の構成図である。
【図５】  変形の無い楕円反射像の説明図である。
【図６】  楕円比ｂ／ａによる反射像の変形の説明図である。
【図７】  被測定壁面直径による反射像の変形説明図である。
【図８】  ２本標線による反射像位置設定の説明図である。
【図９】  他の実施例の（本発明装置）の説明図である。
【図１】
0003746575.tif 000002
【図２】
0003746575.tif 000003
【図３】
0003746575.tif 000004
【図４】
0003746575.tif 000005
【図５】
0003746575.tif 000006
【図６】
0003746575.tif 000007
【図７】
0003746575.tif 000008
【図８】
0003746575.tif 000009
【図９】
0003746575.tif 000010