形状測定装置および形状測定方法
【課題】顕微鏡の被写界深度を大幅に超えた立体形状を持つ被測定物を、被測定物や顕微鏡等を移動させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができる形状測定装置および形状測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る形状測定装置１は、被測定物１００に向けて平行光Ｒを照射する照明装置３０と、被測定物１００を挟んで照明装置３０と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される被写界深度の大きな顕微鏡４０と、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラ５０と、平行光Ｒが被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように平行光Ｒ内に被測定物１００の測定部分を配置する保持装置２０と、を備える。
【解決手段】本発明に係る形状測定装置１は、被測定物１００に向けて平行光Ｒを照射する照明装置３０と、被測定物１００を挟んで照明装置３０と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される被写界深度の大きな顕微鏡４０と、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラ５０と、平行光Ｒが被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように平行光Ｒ内に被測定物１００の測定部分を配置する保持装置２０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品の形状、特に微小切削工具の形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント回路基板や半導体パッケージ等の穴加工には、微小なドリル等の切削工具が使用されている。近年では、電子回路の小型化、集積化に伴い、このような穴加工等の機械加工に対してミクロン単位の加工精度が要求されるようになってきている。
【０００３】
加工精度の向上には、微小切削工具の形状精度を向上させることが重要であり、微小切削工具の製造においては、多様な項目の形状測定からなる形状検査が実施されている。工具の大きさが微小になると、マイクロメータやダイヤルゲージ等による形状測定が不可能となるため、微小切削工具の形状検査では、顕微鏡等で拡大した像を撮像して画像処理を行う方法（例えば、特許文献１参照）や、透過型または反射型レーザ装置を用いた方法（例えば、特許文献２参照）等が採用されている。
【特許文献１】特開２０００−７４６４４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、顕微鏡等で拡大した像を撮像する方法においては、拡大率によっては被写界深度がせいぜい数十ミクロンから数ミクロン程度となるため、工具の輪郭が３次曲線で構成されているような場合、撮像範囲のうち一部の合焦点部分については鮮明な画像が得られるが、その他の被写界深度を超える部分については不鮮明な画像しか得ることができないという問題があった。
【０００５】
特に、螺旋状の溝が形成されたツイストドリルのウェブ厚を全長にわたって測定する場合や、エンドミルの刃先形状を測定するような場合は、被写界深度を大幅に超える範囲の撮像が必要となるため、一度の撮像で鮮明な画像を得ることができず、工具または顕微鏡を移動させながら複数回の撮像を行い、これにより得られた複数の画像を合成した上で画像処理を行う必要があった。
【０００６】
同様に、透過型または反射型のレーザ装置を用いた方法においても、上述のような測定を行う場合には工具またはレーザ装置を移動または回転させて測定を行う必要があった。
【０００７】
従って、上記特許文献１または２に示されるような従来の測定方法によってツイストドリルやエンドミル等の複雑な形状を有する工具の形状を測定する場合、被測定物である工具、または顕微鏡もしくはレーザ装置等を移動または回転させながら測定を行う必要があるため、測定に時間がかかり、効率が悪いという問題があった。また、測定精度が移動または回転の精度に制約されるため、精度の高い測定を行うには、工具や顕微鏡等を高精度に移動させるための移動機構が必要となるため、装置が複雑になると共にコストが上昇するという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、被測定物や顕微鏡等を移動または回転させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができる形状測定装置および形状測定方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明は、被測定物に向けて平行光を照射する照明装置と、前記被測定物を挟んで前記照明装置と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡と、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラと、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように前記平行光内に前記被測定物の測定部分を配置する保持装置と、を備え、前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定装置である。
【００１０】
（２）本発明はまた、前記カメラの１画素に対応する前記被測定物の撮像範囲が０．２μｍ乃至２μｍに設定されることを特徴とする上記（１）に記載の形状測定装置である。
【００１１】
（３）本発明はまた、前記被測定物は、棒状であり、測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍであることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の形状測定装置である。
【００１２】
（４）本発明はまた、前記被測定物は、外周面に螺旋状の溝が形成されており、前記保持装置は、前記平行光の光軸と前記螺旋状の溝の一部が平行となるように前記被測定物を配置することを特徴とする、上記（１）、（２）または（３）に記載の形状測定装置である。
【００１３】
（５）本発明はまた、前記被測定物は、切削工具であることを特徴とする、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の形状測定装置である。
【００１４】
（６）本発明はまた、前記被測定物は、ドリルであることを特徴とする、上記（５）に記載の形状測定装置である。
【００１５】
（７）本発明はまた、平行光を照射する照明装置と、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡との間において、被測定物の測定部分を、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように、前記平行光内に配置し、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の測定部分の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像することで、前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、被測定物や顕微鏡等を移動させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するためのひとつの形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。
【００１８】
まず、本実施形態に係る形状測定装置１の構成について説明する。図１は形状測定装置１の平面図であり、図２は形状測定装置１の正面図である。これらの図に示されるように、形状測定装置１は、ベース１０と、ベース１０上面の中央やや左よりに配設された保持装置２０と、保持装置２０の左側のベース１０上面に配設された照明装置３０と、保持装置２０の右側のベース１０上面に配設された顕微鏡４０と、顕微鏡４０に配設されたカメラ５０と、カメラ５０と電気的に接続された画像処理装置６０から構成されている。
【００１９】
ベース１０は、略直方体状の定盤であり、形状測定装置１の基台となる部分である。なお、本実施形態では、保持装置２０、照明装置３０、顕微鏡４０およびカメラ５０を1つのベース１０の上面に一体的に配設しているが、これらの保持装置２０、照明装置３０、顕微鏡４０およびカメラ５０を複数の基台上に分けて配設するようにしてもよい。
【００２０】
保持装置２０は、被測定物１００を保持する装置であり、ベース１０上面に配設された回転ステージ２２と、回転ステージ２２の上面に配設された保持スタンド２４と、保持スタンド２４の上部に設けられたチャック２６から構成されている。
【００２１】
回転ステージ２２は、略円盤状の部材であり、略水平面において自身の中心軸周りに回転自在に、ベース１０上面に配設されている。この回転ステージ２２は、図示を省略したモータまたは手動によって回転すると共に、任意の回転角度で静止状態を維持することが可能に構成されている。本実施形態では、この回転ステージ２２を回転させることによって、被測定物１００の向きを照明装置３０が発する平行光Ｒの光軸に対して所定の角度に傾けるようになっている。また、図示は省略しているが、回転ステージ２２の上面は、保持スタンド２４を任意の位置に配設可能に構成されている。
【００２２】
保持スタンド２４は、被測定物１００の測定部分が顕微鏡４０の観察範囲内となるように、回転ステージ２２の上面において被測定物１００の寸法に応じた適宜の位置に配設されている。また、図示は省略しているが、保持スタンド２４には、チャック２６を昇降させて被測定物１００の保持高さを変更可能な昇降機構が設けられている。
【００２３】
チャック２６は、被測定物１００を複数の部材によって挟持するように構成されている。また、チャック２６は、図示を省略したモータまたは手動によって、保持した被測定物１００を軸心周りに回転可能に構成されている。すなわち、本実施形態では、チャック２６に保持した被測定物１００を被測定物１００の軸心周りに回転させ、任意の回転角度で静止状態を維持させることが可能となっている。
【００２４】
照明装置３０は、被測定物１００に向けて平行光Ｒを照射する装置であり、ＬＥＤ等の光源、およびコリメータレンズ等の平行光生成部から構成されている。この照明装置３０は、顕微鏡４０から見た場合に、被測定物１００の背後から顕微鏡４０の観察範囲内に平行光Ｒを照射するように配設されている。
【００２５】
顕微鏡４０は、複数のレンズを組み合わせて構成されており、被測定物１００の拡大された像を得るためのものである。顕微鏡４０は、照明装置３０が発する平行光Ｒの光軸（進行方向）と自身の光軸（撮像方向）が一致するように配設されている。なお、本実施形態では、顕微鏡４０の拡大率は、ズーム機能および付加レンズ等によって被測定物１００の寸法に応じた適宜の拡大率に変更することが可能となっている。
【００２６】
カメラ５０は、本実施形態ではＣＣＤカメラであり、顕微鏡４０によって拡大された被測定物１００の像を撮像するものである。本実施形態のカメラ５０は、サイズが１／１．８インチ（７．１８ｍｍ×５．３２ｍｍ）、画素数が１９２万画素（１６００×１２００）の撮像素子（ＣＣＤ）を備えている。従って、一画素の寸法が約４．４μｍ×４．４μｍであるため、例えば顕微鏡４０のズーム拡大率を３．３倍とした場合、１画素当たり約１．３μｍの撮像を行うことが可能となっている。これにより、約１．３μｍの分解能を得るようにする。
【００２７】
本実施形態では、上述のように顕微鏡４０の拡大率を変更することによって、被測定物に合わせた分解能を得ることが可能となっている。具体的には、顕微鏡４０の拡大率を２．２倍〜２２倍の範囲で変化させることにより、１画素当たり約２μｍ〜約０．２μｍの範囲の撮像を行うことが可能となっている。これにより、約２μｍ〜約０．２μｍの範囲の分解能を確保することが可能である。なお、カメラ５０の備える撮像素子のサイズまたは画素数の変更によっても分解能を変化させることができる。
【００２８】
上述のように、照明装置３０は被測定物の背後から平行光Ｒを照射するため、カメラ５０は、被測定物１００の拡大されたシルエット像を撮像することとなる。カメラ５０によって撮像された画像データは、ケーブル５２を介して画像処理装置６０に出力される。
【００２９】
画像処理装置６０は、カメラ５０から出力された画像データに基づいて各種画像処理や演算処理を実行することによって、被測定物１００の測定データを導出する装置である。画像処理および演算処理の詳細については説明を省略するが、各種の既知の手法を採用することができる。カメラ５０によって撮像された画像データ、および画像処理装置６０によって導出された測定データは、図示を省略したハードディスク等の記憶媒体に記憶されると共に、必要であれば図示を省略した表示装置やプリンタ等に出力される。
【００３０】
次に、本実施形態に係る被測定物１００について説明する。図３（ａ）は、被測定物１００の外観を示した図である。本実施形態では、被測定物１００はマイクロドリルであり、同図に示されるように、小径のボディ部１１０、および大径のシャンク部１２０から構成されている。
【００３１】
図３（ｂ）は、被測定物１００のボディ部１１０を拡大して示した図である。同図に示されるように、ボディ部１１０は、先端に２つの切れ刃１１２が形成されると共に、外周面に２条の螺旋状の溝１１４が形成された、いわゆるツイストドリルとなっている。本実施形態の被測定物１００は、ボディ部１１０の外径Ｄが０．１ｍｍ、溝長Ｌが１．２ｍｍ、ねじれ角θが３７度となっている。なお、本実施形態に係る形状測定装置１は、その他の寸法のマイクロドリルについても形状測定可能であることは言うまでもない。
【００３２】
図４（ａ）および（ｂ）は、被測定物１００のボディ部１１０の断面を示した図であり、同図（ａ）はボディ部１１０の中間部の断面を示した図であり、同図（ｂ）はボディ部１１０の基端部の断面を示した図である。これらの図に示されるように、本実施形態の被測定物１００では、ウェブ厚Ｔ（２条の溝１１４の底部の間の厚み）が先端から基端に向けて漸次増大するようになっており、いわゆるウェブテーパが設けられている。
【００３３】
ボディ部各部におけるウェブ厚、およびウェブテーパの傾斜度は、マイクロドリルの性能および品質に直結する重要な形状パラメータとなっており、マイクロドリルの重要な検査項目となっている。
【００３４】
次に、形状測定装置１による被測定物１００のウェブ厚Ｔ、およびウェブテーパの傾斜度の測定手順について説明する。
【００３５】
図５は、ウェブ厚Ｔおよびウェブテーパの傾斜度を測定する場合の撮像方向を示した図である。同図では、撮像方向を左向きの矢印で示している。被測定物１００はツイストドリルであるため、溝１１４が螺旋状に形成されている。従って、溝１１４の断面形状を撮像するには、溝１１４の一部と平行となる方向、すなわち被測定物１００の軸心からねじれ角θだけ傾いた方向から撮像する必要がある。
【００３６】
従って、形状測定装置１では、まず、チャック２６に被測定物１００を固定した後に、回転ステージ２２をねじれ角θだけ回転させることによって、被測定物１００の上側の溝１１４が顕微鏡４０の光軸（撮像方向）と平行になるようにする。これにより、被測定物１００の上側の溝１１４は、照明装置３０から照射される平行光Ｒの光軸とも平行になる。そして、照明装置３０によって平行光Ｒを被測定物１００に照射し、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像をカメラ５０で撮像する。次に、被測定物１００を１８０度回転させて、先程とは上下を逆にした状態の被測定物１００を撮像する。
【００３７】
図６は、照明装置３０から照射される平行光Ｒの進路を示した図である。同図に示されるように、照明装置３０から照射される平行光Ｒは、照明装置３０から顕微鏡４０に向けて直線的に進行し、最終的に顕微鏡４０内に進入する。このときに、被測定物１００によって遮られた部分は影となるため、顕微鏡４０によって拡大された像は、被測定物１００の外周形状が映し出されたシルエット像となる。また、上述のように平行光Ｒの光軸は被測定物１００の上側の溝１１４と平行となっているため、平行光Ｒの一部は上側の溝１１４に沿って溝１１４内を通過して顕微鏡４０内に進入する。すなわち、本実施形態では、上側の溝１１４の断面形状が表現されたシルエット像が得られるようになっている。また、本実施形態では、被測定物１００のボディ部１１０の全範囲に平行光Ｒを照射する（平行光Ｒの照射範囲内にボディ部１１０を配置する）ことによって、溝１１４の全範囲を一度に撮像するようになっている。
【００３８】
図７は、形状測定装置１によって実際に撮像した被測定物１００の画像である。同図に示されるように、形状測定装置１によれば、溝１１４の先端から基端までの全範囲を一度に撮像し、鮮明な画像を得ることができる。
【００３９】
画像処理装置６０は、各種画像処理および演算処理を実行し、撮像した２つの画像データについて上側の溝１１４の底部から軸心までの距離をそれぞれ算出する。そして、２つの画像データから得られた値を加算することによって溝１１４の先端側端部から基端側端部までの各部分のウェブ厚Ｔを算出する。そして、先端側端部から基端側端部までのウェブ厚Ｔの変化率からウェブテーパの傾斜度を算出する。
【００４０】
このように、本実施形態に係る形状測定装置１では、溝１１４の先端から基端までの全範囲を一度に撮像することが可能であり、２回の撮像で効率的にウェブ厚Ｔおよびウェブテーパの傾斜度を測定することができるようになっている。
【００４１】
なお、被測定物１００を撮像方向からねじれ角θだけ傾けた場合、図５に示されるように、溝の先端側端部から基端側端部までの距離Ｓは、Ｓ＝Ｌ×ｃｏｓθ＝１．２×ｃｏｓ（３７）≒０．９６ｍｍとなる。
【００４２】
被測定物１００の位置のばらつきを考慮すると、測定を行うためには被測定物１００よりも大きな範囲の画像が必要となる。従って、被測定物１００の溝１１４の全範囲を一度に撮像するには、０．９６ｍｍ以上の被写界深度が必要となる。しかしながら、例えば本実施形態で採用している顕微鏡４０は、長焦点タイプではあるものの被写界深度は約０．３５ｍｍとなっている。すなわち、顕微鏡４０を従来通りに使用したのでは、溝１１４の１／３程度の領域しか鮮明な画像を得ることができない。
【００４３】
そこで、本実施形態の形状測定装置１では、長焦点タイプの顕微鏡４０と平行光Ｒを照射する照明装置３０を組み合わせることによって顕微鏡４０の被写界深度を大幅に超える立体形状である溝１１４の全範囲を一度に撮像することを可能としている。以下、図８（ａ）〜（ｄ）を用いて、その原理について説明する。
【００４４】
図８（ａ）〜（ｄ）は、レンズを通過する光の進路、およびレンズにより生成される像を示した概略図である。なお、実際の顕微鏡４０は、複数のレンズが組み合わされた構造となっているが、基本的な原理はレンズが１つの場合と同じなので、ここでは、１つの凸レンズを使用した場合に簡略化して説明する
同図（ａ）および（ｂ）は、通常の照明装置を使用した場合を示した図である。通常の照明装置からは、様々な方向へ光がランダムに照射される。これらの光のうち、例えば、レンズ４２の光軸と平行に進む平行光Ｒ１はレンズ４２で屈折して反対側の焦点Ｆを通過し、レンズ４２の中心を通過する光Ｒ２はそのまま直進し、レンズ４２の手前の焦点Ｆを通過した光Ｒ３はレンズ４２で屈折してレンズ４２の光軸と平行な方向に進む。
【００４５】
このようなレンズの特性により、同図（ａ）に示されるように、合焦点位置Ａに配置された物体２００表面の１点を通過した光は、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃにおいて１点に収束する。すなわち、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃには、ピントの合った鮮明な像２００ａが生成される。
【００４６】
しかし、同図（ｂ）に示されるように、合焦点位置Ａから離れたその他の位置Ｂに配置された物体２０２表面の１点を通過した光は、ＣＣＤ面Ｃの手前の位置Ｄで１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃにおいては比較的大きな幅Ｗの範囲に分散する。従って、ＣＣＤ面Ｃには、輪郭が幅Ｗの範囲でぼやけた不鮮明な像２０２ａが生成されることとなる。このように、輪郭が比較的大きな幅でぼやけた像２０２ａからは、画像処理によって物体２０２の輪郭を特定することは困難であり、形状測定は不可能となる。
【００４７】
同図（ｃ）および（ｄ）は、本実施形態に係る照明装置３０を使用した場合を示した図である。照明装置３０はレンズ４２の光軸と平行に進む平行光Ｒを照射するためのものであるが、一部の光は若干拡散し、平行光Ｒに対して角度を有する方向に進む拡散光Ｒ４となる。なお、同図（ｃ）および（ｄ）では、平行光Ｒに対する角度が最大となる拡散光Ｒ４を図示している。
【００４８】
同図（ｃ）に示されるように、合焦点位置Ａに配置された物体２００表面の１点を通過した平行光Ｒおよび拡散光Ｒ４は、同図（ａ）の場合と同様に、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃにおいて１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃには、ピントの合った鮮明な像２００ａが生成される。一方、同図（ｄ）に示されるように、その他の位置Ｂに配置された物体２０２表面の１点を通過した光は、同図（ｂ）の場合と同様に、ＣＣＤ面Ｃの手前の位置Ｄで１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃにおいて幅Ｗの範囲に分散する。
【００４９】
しかし、照明装置３０から照射される拡散光Ｒ４は、通常の照明装置から照射されるランダムな光と比べて遙かに広がりが小さい、すなわち拡散光Ｒ４の平行光Ｒに対する角度はごく小さいものであるため、ＣＣＤ面Ｃにおいて光が分散する幅Ｗは、同図（ｂ）の場合と比較して小さいものとなる。従って、同図（ｄ）の場合は、ＣＣＤ面Ｃにおいて、輪郭が若干ぼやけてはいるものの十分な精度で形状測定を行うことが可能な像２０２ａが生成されることとなる。
【００５０】
このように、本実施形態に係る形状測定装置１では、平行光Ｒを照射する照明装置３０を使用することによって、顕微鏡４０のレンズ４２の合焦点位置Ａから離れたその他の位置Ｂに配置された物体２０２についても、十分に鮮明な像を撮像することが可能となっている。すなわち、形状測定装置１は、顕微鏡４０（レンズ４２）の持つ被写界深度よりも大きな被写界深度で被測定物１００を撮像することが可能となっている。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置１は、被測定物１００に向けて平行光を照射する照明装置３０と、被測定物１００を挟んで照明装置３０と対向する位置に平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡４０と、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラ５０と、平行光が被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように平行光内に被測定物１００の測定部分を配置する保持装置２０と、を備え、顕微鏡４０の被写界深度を超える被測定物１００の立体形状を測定する。
【００５２】
また、本実施形態に係る形状測定方法は、平行光を照射する照明装置３０と、平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡４０との間において、被測定物１００の測定部分を、平行光が被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように、平行光内に配置し、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の測定部分の像を、１画素あたり０．２μｍ乃至２μｍの範囲で撮像する。
【００５３】
このようにすることで、微小な被測定物を拡大して撮像する場合に、十分な分解能を得ながらも被写界深度を大きくすることが可能となり、被測定物の広い範囲にわたって鮮明な画像を撮像することができる。従って、例えばドリル等の螺旋状の溝のように、被測定物の測定部分の輪郭が３次曲線で構成されているような場合であっても、一度の撮像で測定部分の全範囲の鮮明な画像を得ることが可能となる。これにより、被測定物１００や顕微鏡４０を移動させることなく、短時間で効率的に形状の測定を行うことができる。
【００５４】
また、保持装置２０は、平行光の光軸と螺旋状の溝１１４の一部が平行となるように被測定物１００を配置するため、螺旋状の溝の全範囲についての鮮明な画像を、一度の撮像で得ることができる。また、溝１１４の断面形状を正確に撮像することができるため、高精度な形状測定を行うことができる。
【００５５】
なお、本発明は、極めて広い被写界深度を持ち、且つ、高い分解能を実現しているため、被測定物１００の測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍである場合に特に好適である。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、被測定物１００の測定部分の外径は０．２ｍｍより大きくてもよい。
【００５６】
また、本発明は、一度の撮像で、立体形状を広い奥行き測定範囲にわたって鮮明な画像を得ることができるため、輪郭が３次曲線で構成された複雑な形状を有すると共に厳しい形状精度が要求される切削工具の形状を測定する場合に好適である。また、一度の撮像で螺旋状の溝の全範囲の鮮明な画像を得ることができるため、ドリルまたはエンドミルを測定する場合に特に好適である。
【００５７】
また、カメラの撮像素子の寸法と画素数によって適宜変更は必要となるが、例えば、一画素の寸法が約４．４μｍ×４．４μｍで、画素数が１９２万画素（１６００×１２００）の撮像素子（ＣＣＤ）の場合には、顕微鏡４０の拡大率は２．２倍乃至２２倍であることが望ましい。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、顕微鏡４０の拡大率は２．２倍未満であってもよいし、２２倍より大きくてもよい。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００５９】
例えば、カメラ５０は、上記実施形態で示したＣＣＤカメラに限定されるものではなく、ＣＭＯＳカメラ等その他の方式のカメラであってもよい。
【００６０】
また、上記実施形態ではマイクロドリルを測定する場合の例を示したが、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、ドリル以外にも、エンドミル、リーマ、フライスおよびホブ等の各種切削工具の形状測定を効率的に行うことができる。また、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、例えばネジ、スクリュおよびカム等の切削工具以外の各種物品についても形状測定を効率的に行うことができる。
【００６１】
また、本発明の実施の形態に記載された作用および効果は、本発明から生じるひとつの好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の形状測定装置および形状測定方法は、ドリルやエンドミル等の切削工具の形状測定だけでなく、ネジやカムその他の各種物品の形状測定の分野においても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の携帯に係る形状測定装置の平面図である。
【図２】形状測定装置の正面図である。
【図３】（ａ）被測定物の外観を示した図である。（ｂ）被測定物のボディ部を拡大して示した図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）被測定物のボディ部の断面を示した図である。
【図５】ウェブ厚およびウェブテーパの傾斜度を測定する場合の撮像方向を示した図である。
【図６】照明装置から照射される平行光の進路を示した図である。
【図７】形状測定装置によって実際に撮像した被測定物の画像である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）レンズを通過する光の進路、およびレンズにより生成される像を示した概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 形状測定装置
２０ 保持装置
３０ 照明装置
４０ 顕微鏡
５０ カメラ
１００ 被測定物
１１４ 溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品の形状、特に微小切削工具の形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント回路基板や半導体パッケージ等の穴加工には、微小なドリル等の切削工具が使用されている。近年では、電子回路の小型化、集積化に伴い、このような穴加工等の機械加工に対してミクロン単位の加工精度が要求されるようになってきている。
【０００３】
加工精度の向上には、微小切削工具の形状精度を向上させることが重要であり、微小切削工具の製造においては、多様な項目の形状測定からなる形状検査が実施されている。工具の大きさが微小になると、マイクロメータやダイヤルゲージ等による形状測定が不可能となるため、微小切削工具の形状検査では、顕微鏡等で拡大した像を撮像して画像処理を行う方法（例えば、特許文献１参照）や、透過型または反射型レーザ装置を用いた方法（例えば、特許文献２参照）等が採用されている。
【特許文献１】特開２０００−７４６４４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、顕微鏡等で拡大した像を撮像する方法においては、拡大率によっては被写界深度がせいぜい数十ミクロンから数ミクロン程度となるため、工具の輪郭が３次曲線で構成されているような場合、撮像範囲のうち一部の合焦点部分については鮮明な画像が得られるが、その他の被写界深度を超える部分については不鮮明な画像しか得ることができないという問題があった。
【０００５】
特に、螺旋状の溝が形成されたツイストドリルのウェブ厚を全長にわたって測定する場合や、エンドミルの刃先形状を測定するような場合は、被写界深度を大幅に超える範囲の撮像が必要となるため、一度の撮像で鮮明な画像を得ることができず、工具または顕微鏡を移動させながら複数回の撮像を行い、これにより得られた複数の画像を合成した上で画像処理を行う必要があった。
【０００６】
同様に、透過型または反射型のレーザ装置を用いた方法においても、上述のような測定を行う場合には工具またはレーザ装置を移動または回転させて測定を行う必要があった。
【０００７】
従って、上記特許文献１または２に示されるような従来の測定方法によってツイストドリルやエンドミル等の複雑な形状を有する工具の形状を測定する場合、被測定物である工具、または顕微鏡もしくはレーザ装置等を移動または回転させながら測定を行う必要があるため、測定に時間がかかり、効率が悪いという問題があった。また、測定精度が移動または回転の精度に制約されるため、精度の高い測定を行うには、工具や顕微鏡等を高精度に移動させるための移動機構が必要となるため、装置が複雑になると共にコストが上昇するという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、被測定物や顕微鏡等を移動または回転させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができる形状測定装置および形状測定方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明は、被測定物に向けて平行光を照射する照明装置と、前記被測定物を挟んで前記照明装置と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡と、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラと、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように前記平行光内に前記被測定物の測定部分を配置する保持装置と、を備え、前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定装置である。
【００１０】
（２）本発明はまた、前記カメラの１画素に対応する前記被測定物の撮像範囲が０．２μｍ乃至２μｍに設定されることを特徴とする上記（１）に記載の形状測定装置である。
【００１１】
（３）本発明はまた、前記被測定物は、棒状であり、測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍであることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の形状測定装置である。
【００１２】
（４）本発明はまた、前記被測定物は、外周面に螺旋状の溝が形成されており、前記保持装置は、前記平行光の光軸と前記螺旋状の溝の一部が平行となるように前記被測定物を配置することを特徴とする、上記（１）、（２）または（３）に記載の形状測定装置である。
【００１３】
（５）本発明はまた、前記被測定物は、切削工具であることを特徴とする、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の形状測定装置である。
【００１４】
（６）本発明はまた、前記被測定物は、ドリルであることを特徴とする、上記（５）に記載の形状測定装置である。
【００１５】
（７）本発明はまた、平行光を照射する照明装置と、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡との間において、被測定物の測定部分を、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように、前記平行光内に配置し、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の測定部分の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像することで、前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、被測定物や顕微鏡等を移動させることなく、短時間で効率的に、高精度な形状測定を行うことができるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するためのひとつの形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の例について詳細に説明する。
【００１８】
まず、本実施形態に係る形状測定装置１の構成について説明する。図１は形状測定装置１の平面図であり、図２は形状測定装置１の正面図である。これらの図に示されるように、形状測定装置１は、ベース１０と、ベース１０上面の中央やや左よりに配設された保持装置２０と、保持装置２０の左側のベース１０上面に配設された照明装置３０と、保持装置２０の右側のベース１０上面に配設された顕微鏡４０と、顕微鏡４０に配設されたカメラ５０と、カメラ５０と電気的に接続された画像処理装置６０から構成されている。
【００１９】
ベース１０は、略直方体状の定盤であり、形状測定装置１の基台となる部分である。なお、本実施形態では、保持装置２０、照明装置３０、顕微鏡４０およびカメラ５０を1つのベース１０の上面に一体的に配設しているが、これらの保持装置２０、照明装置３０、顕微鏡４０およびカメラ５０を複数の基台上に分けて配設するようにしてもよい。
【００２０】
保持装置２０は、被測定物１００を保持する装置であり、ベース１０上面に配設された回転ステージ２２と、回転ステージ２２の上面に配設された保持スタンド２４と、保持スタンド２４の上部に設けられたチャック２６から構成されている。
【００２１】
回転ステージ２２は、略円盤状の部材であり、略水平面において自身の中心軸周りに回転自在に、ベース１０上面に配設されている。この回転ステージ２２は、図示を省略したモータまたは手動によって回転すると共に、任意の回転角度で静止状態を維持することが可能に構成されている。本実施形態では、この回転ステージ２２を回転させることによって、被測定物１００の向きを照明装置３０が発する平行光Ｒの光軸に対して所定の角度に傾けるようになっている。また、図示は省略しているが、回転ステージ２２の上面は、保持スタンド２４を任意の位置に配設可能に構成されている。
【００２２】
保持スタンド２４は、被測定物１００の測定部分が顕微鏡４０の観察範囲内となるように、回転ステージ２２の上面において被測定物１００の寸法に応じた適宜の位置に配設されている。また、図示は省略しているが、保持スタンド２４には、チャック２６を昇降させて被測定物１００の保持高さを変更可能な昇降機構が設けられている。
【００２３】
チャック２６は、被測定物１００を複数の部材によって挟持するように構成されている。また、チャック２６は、図示を省略したモータまたは手動によって、保持した被測定物１００を軸心周りに回転可能に構成されている。すなわち、本実施形態では、チャック２６に保持した被測定物１００を被測定物１００の軸心周りに回転させ、任意の回転角度で静止状態を維持させることが可能となっている。
【００２４】
照明装置３０は、被測定物１００に向けて平行光Ｒを照射する装置であり、ＬＥＤ等の光源、およびコリメータレンズ等の平行光生成部から構成されている。この照明装置３０は、顕微鏡４０から見た場合に、被測定物１００の背後から顕微鏡４０の観察範囲内に平行光Ｒを照射するように配設されている。
【００２５】
顕微鏡４０は、複数のレンズを組み合わせて構成されており、被測定物１００の拡大された像を得るためのものである。顕微鏡４０は、照明装置３０が発する平行光Ｒの光軸（進行方向）と自身の光軸（撮像方向）が一致するように配設されている。なお、本実施形態では、顕微鏡４０の拡大率は、ズーム機能および付加レンズ等によって被測定物１００の寸法に応じた適宜の拡大率に変更することが可能となっている。
【００２６】
カメラ５０は、本実施形態ではＣＣＤカメラであり、顕微鏡４０によって拡大された被測定物１００の像を撮像するものである。本実施形態のカメラ５０は、サイズが１／１．８インチ（７．１８ｍｍ×５．３２ｍｍ）、画素数が１９２万画素（１６００×１２００）の撮像素子（ＣＣＤ）を備えている。従って、一画素の寸法が約４．４μｍ×４．４μｍであるため、例えば顕微鏡４０のズーム拡大率を３．３倍とした場合、１画素当たり約１．３μｍの撮像を行うことが可能となっている。これにより、約１．３μｍの分解能を得るようにする。
【００２７】
本実施形態では、上述のように顕微鏡４０の拡大率を変更することによって、被測定物に合わせた分解能を得ることが可能となっている。具体的には、顕微鏡４０の拡大率を２．２倍〜２２倍の範囲で変化させることにより、１画素当たり約２μｍ〜約０．２μｍの範囲の撮像を行うことが可能となっている。これにより、約２μｍ〜約０．２μｍの範囲の分解能を確保することが可能である。なお、カメラ５０の備える撮像素子のサイズまたは画素数の変更によっても分解能を変化させることができる。
【００２８】
上述のように、照明装置３０は被測定物の背後から平行光Ｒを照射するため、カメラ５０は、被測定物１００の拡大されたシルエット像を撮像することとなる。カメラ５０によって撮像された画像データは、ケーブル５２を介して画像処理装置６０に出力される。
【００２９】
画像処理装置６０は、カメラ５０から出力された画像データに基づいて各種画像処理や演算処理を実行することによって、被測定物１００の測定データを導出する装置である。画像処理および演算処理の詳細については説明を省略するが、各種の既知の手法を採用することができる。カメラ５０によって撮像された画像データ、および画像処理装置６０によって導出された測定データは、図示を省略したハードディスク等の記憶媒体に記憶されると共に、必要であれば図示を省略した表示装置やプリンタ等に出力される。
【００３０】
次に、本実施形態に係る被測定物１００について説明する。図３（ａ）は、被測定物１００の外観を示した図である。本実施形態では、被測定物１００はマイクロドリルであり、同図に示されるように、小径のボディ部１１０、および大径のシャンク部１２０から構成されている。
【００３１】
図３（ｂ）は、被測定物１００のボディ部１１０を拡大して示した図である。同図に示されるように、ボディ部１１０は、先端に２つの切れ刃１１２が形成されると共に、外周面に２条の螺旋状の溝１１４が形成された、いわゆるツイストドリルとなっている。本実施形態の被測定物１００は、ボディ部１１０の外径Ｄが０．１ｍｍ、溝長Ｌが１．２ｍｍ、ねじれ角θが３７度となっている。なお、本実施形態に係る形状測定装置１は、その他の寸法のマイクロドリルについても形状測定可能であることは言うまでもない。
【００３２】
図４（ａ）および（ｂ）は、被測定物１００のボディ部１１０の断面を示した図であり、同図（ａ）はボディ部１１０の中間部の断面を示した図であり、同図（ｂ）はボディ部１１０の基端部の断面を示した図である。これらの図に示されるように、本実施形態の被測定物１００では、ウェブ厚Ｔ（２条の溝１１４の底部の間の厚み）が先端から基端に向けて漸次増大するようになっており、いわゆるウェブテーパが設けられている。
【００３３】
ボディ部各部におけるウェブ厚、およびウェブテーパの傾斜度は、マイクロドリルの性能および品質に直結する重要な形状パラメータとなっており、マイクロドリルの重要な検査項目となっている。
【００３４】
次に、形状測定装置１による被測定物１００のウェブ厚Ｔ、およびウェブテーパの傾斜度の測定手順について説明する。
【００３５】
図５は、ウェブ厚Ｔおよびウェブテーパの傾斜度を測定する場合の撮像方向を示した図である。同図では、撮像方向を左向きの矢印で示している。被測定物１００はツイストドリルであるため、溝１１４が螺旋状に形成されている。従って、溝１１４の断面形状を撮像するには、溝１１４の一部と平行となる方向、すなわち被測定物１００の軸心からねじれ角θだけ傾いた方向から撮像する必要がある。
【００３６】
従って、形状測定装置１では、まず、チャック２６に被測定物１００を固定した後に、回転ステージ２２をねじれ角θだけ回転させることによって、被測定物１００の上側の溝１１４が顕微鏡４０の光軸（撮像方向）と平行になるようにする。これにより、被測定物１００の上側の溝１１４は、照明装置３０から照射される平行光Ｒの光軸とも平行になる。そして、照明装置３０によって平行光Ｒを被測定物１００に照射し、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像をカメラ５０で撮像する。次に、被測定物１００を１８０度回転させて、先程とは上下を逆にした状態の被測定物１００を撮像する。
【００３７】
図６は、照明装置３０から照射される平行光Ｒの進路を示した図である。同図に示されるように、照明装置３０から照射される平行光Ｒは、照明装置３０から顕微鏡４０に向けて直線的に進行し、最終的に顕微鏡４０内に進入する。このときに、被測定物１００によって遮られた部分は影となるため、顕微鏡４０によって拡大された像は、被測定物１００の外周形状が映し出されたシルエット像となる。また、上述のように平行光Ｒの光軸は被測定物１００の上側の溝１１４と平行となっているため、平行光Ｒの一部は上側の溝１１４に沿って溝１１４内を通過して顕微鏡４０内に進入する。すなわち、本実施形態では、上側の溝１１４の断面形状が表現されたシルエット像が得られるようになっている。また、本実施形態では、被測定物１００のボディ部１１０の全範囲に平行光Ｒを照射する（平行光Ｒの照射範囲内にボディ部１１０を配置する）ことによって、溝１１４の全範囲を一度に撮像するようになっている。
【００３８】
図７は、形状測定装置１によって実際に撮像した被測定物１００の画像である。同図に示されるように、形状測定装置１によれば、溝１１４の先端から基端までの全範囲を一度に撮像し、鮮明な画像を得ることができる。
【００３９】
画像処理装置６０は、各種画像処理および演算処理を実行し、撮像した２つの画像データについて上側の溝１１４の底部から軸心までの距離をそれぞれ算出する。そして、２つの画像データから得られた値を加算することによって溝１１４の先端側端部から基端側端部までの各部分のウェブ厚Ｔを算出する。そして、先端側端部から基端側端部までのウェブ厚Ｔの変化率からウェブテーパの傾斜度を算出する。
【００４０】
このように、本実施形態に係る形状測定装置１では、溝１１４の先端から基端までの全範囲を一度に撮像することが可能であり、２回の撮像で効率的にウェブ厚Ｔおよびウェブテーパの傾斜度を測定することができるようになっている。
【００４１】
なお、被測定物１００を撮像方向からねじれ角θだけ傾けた場合、図５に示されるように、溝の先端側端部から基端側端部までの距離Ｓは、Ｓ＝Ｌ×ｃｏｓθ＝１．２×ｃｏｓ（３７）≒０．９６ｍｍとなる。
【００４２】
被測定物１００の位置のばらつきを考慮すると、測定を行うためには被測定物１００よりも大きな範囲の画像が必要となる。従って、被測定物１００の溝１１４の全範囲を一度に撮像するには、０．９６ｍｍ以上の被写界深度が必要となる。しかしながら、例えば本実施形態で採用している顕微鏡４０は、長焦点タイプではあるものの被写界深度は約０．３５ｍｍとなっている。すなわち、顕微鏡４０を従来通りに使用したのでは、溝１１４の１／３程度の領域しか鮮明な画像を得ることができない。
【００４３】
そこで、本実施形態の形状測定装置１では、長焦点タイプの顕微鏡４０と平行光Ｒを照射する照明装置３０を組み合わせることによって顕微鏡４０の被写界深度を大幅に超える立体形状である溝１１４の全範囲を一度に撮像することを可能としている。以下、図８（ａ）〜（ｄ）を用いて、その原理について説明する。
【００４４】
図８（ａ）〜（ｄ）は、レンズを通過する光の進路、およびレンズにより生成される像を示した概略図である。なお、実際の顕微鏡４０は、複数のレンズが組み合わされた構造となっているが、基本的な原理はレンズが１つの場合と同じなので、ここでは、１つの凸レンズを使用した場合に簡略化して説明する
同図（ａ）および（ｂ）は、通常の照明装置を使用した場合を示した図である。通常の照明装置からは、様々な方向へ光がランダムに照射される。これらの光のうち、例えば、レンズ４２の光軸と平行に進む平行光Ｒ１はレンズ４２で屈折して反対側の焦点Ｆを通過し、レンズ４２の中心を通過する光Ｒ２はそのまま直進し、レンズ４２の手前の焦点Ｆを通過した光Ｒ３はレンズ４２で屈折してレンズ４２の光軸と平行な方向に進む。
【００４５】
このようなレンズの特性により、同図（ａ）に示されるように、合焦点位置Ａに配置された物体２００表面の１点を通過した光は、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃにおいて１点に収束する。すなわち、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃには、ピントの合った鮮明な像２００ａが生成される。
【００４６】
しかし、同図（ｂ）に示されるように、合焦点位置Ａから離れたその他の位置Ｂに配置された物体２０２表面の１点を通過した光は、ＣＣＤ面Ｃの手前の位置Ｄで１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃにおいては比較的大きな幅Ｗの範囲に分散する。従って、ＣＣＤ面Ｃには、輪郭が幅Ｗの範囲でぼやけた不鮮明な像２０２ａが生成されることとなる。このように、輪郭が比較的大きな幅でぼやけた像２０２ａからは、画像処理によって物体２０２の輪郭を特定することは困難であり、形状測定は不可能となる。
【００４７】
同図（ｃ）および（ｄ）は、本実施形態に係る照明装置３０を使用した場合を示した図である。照明装置３０はレンズ４２の光軸と平行に進む平行光Ｒを照射するためのものであるが、一部の光は若干拡散し、平行光Ｒに対して角度を有する方向に進む拡散光Ｒ４となる。なお、同図（ｃ）および（ｄ）では、平行光Ｒに対する角度が最大となる拡散光Ｒ４を図示している。
【００４８】
同図（ｃ）に示されるように、合焦点位置Ａに配置された物体２００表面の１点を通過した平行光Ｒおよび拡散光Ｒ４は、同図（ａ）の場合と同様に、カメラ５０のＣＣＤ面Ｃにおいて１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃには、ピントの合った鮮明な像２００ａが生成される。一方、同図（ｄ）に示されるように、その他の位置Ｂに配置された物体２０２表面の１点を通過した光は、同図（ｂ）の場合と同様に、ＣＣＤ面Ｃの手前の位置Ｄで１点に収束し、ＣＣＤ面Ｃにおいて幅Ｗの範囲に分散する。
【００４９】
しかし、照明装置３０から照射される拡散光Ｒ４は、通常の照明装置から照射されるランダムな光と比べて遙かに広がりが小さい、すなわち拡散光Ｒ４の平行光Ｒに対する角度はごく小さいものであるため、ＣＣＤ面Ｃにおいて光が分散する幅Ｗは、同図（ｂ）の場合と比較して小さいものとなる。従って、同図（ｄ）の場合は、ＣＣＤ面Ｃにおいて、輪郭が若干ぼやけてはいるものの十分な精度で形状測定を行うことが可能な像２０２ａが生成されることとなる。
【００５０】
このように、本実施形態に係る形状測定装置１では、平行光Ｒを照射する照明装置３０を使用することによって、顕微鏡４０のレンズ４２の合焦点位置Ａから離れたその他の位置Ｂに配置された物体２０２についても、十分に鮮明な像を撮像することが可能となっている。すなわち、形状測定装置１は、顕微鏡４０（レンズ４２）の持つ被写界深度よりも大きな被写界深度で被測定物１００を撮像することが可能となっている。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置１は、被測定物１００に向けて平行光を照射する照明装置３０と、被測定物１００を挟んで照明装置３０と対向する位置に平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡４０と、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラ５０と、平行光が被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように平行光内に被測定物１００の測定部分を配置する保持装置２０と、を備え、顕微鏡４０の被写界深度を超える被測定物１００の立体形状を測定する。
【００５２】
また、本実施形態に係る形状測定方法は、平行光を照射する照明装置３０と、平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡４０との間において、被測定物１００の測定部分を、平行光が被測定物１００の測定部分の外周形状を映し出すように、平行光内に配置し、顕微鏡４０により拡大された被測定物１００の測定部分の像を、１画素あたり０．２μｍ乃至２μｍの範囲で撮像する。
【００５３】
このようにすることで、微小な被測定物を拡大して撮像する場合に、十分な分解能を得ながらも被写界深度を大きくすることが可能となり、被測定物の広い範囲にわたって鮮明な画像を撮像することができる。従って、例えばドリル等の螺旋状の溝のように、被測定物の測定部分の輪郭が３次曲線で構成されているような場合であっても、一度の撮像で測定部分の全範囲の鮮明な画像を得ることが可能となる。これにより、被測定物１００や顕微鏡４０を移動させることなく、短時間で効率的に形状の測定を行うことができる。
【００５４】
また、保持装置２０は、平行光の光軸と螺旋状の溝１１４の一部が平行となるように被測定物１００を配置するため、螺旋状の溝の全範囲についての鮮明な画像を、一度の撮像で得ることができる。また、溝１１４の断面形状を正確に撮像することができるため、高精度な形状測定を行うことができる。
【００５５】
なお、本発明は、極めて広い被写界深度を持ち、且つ、高い分解能を実現しているため、被測定物１００の測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍである場合に特に好適である。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、被測定物１００の測定部分の外径は０．２ｍｍより大きくてもよい。
【００５６】
また、本発明は、一度の撮像で、立体形状を広い奥行き測定範囲にわたって鮮明な画像を得ることができるため、輪郭が３次曲線で構成された複雑な形状を有すると共に厳しい形状精度が要求される切削工具の形状を測定する場合に好適である。また、一度の撮像で螺旋状の溝の全範囲の鮮明な画像を得ることができるため、ドリルまたはエンドミルを測定する場合に特に好適である。
【００５７】
また、カメラの撮像素子の寸法と画素数によって適宜変更は必要となるが、例えば、一画素の寸法が約４．４μｍ×４．４μｍで、画素数が１９２万画素（１６００×１２００）の撮像素子（ＣＣＤ）の場合には、顕微鏡４０の拡大率は２．２倍乃至２２倍であることが望ましい。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、顕微鏡４０の拡大率は２．２倍未満であってもよいし、２２倍より大きくてもよい。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００５９】
例えば、カメラ５０は、上記実施形態で示したＣＣＤカメラに限定されるものではなく、ＣＭＯＳカメラ等その他の方式のカメラであってもよい。
【００６０】
また、上記実施形態ではマイクロドリルを測定する場合の例を示したが、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、ドリル以外にも、エンドミル、リーマ、フライスおよびホブ等の各種切削工具の形状測定を効率的に行うことができる。また、本発明に係る形状測定装置および形状測定方法によれば、例えばネジ、スクリュおよびカム等の切削工具以外の各種物品についても形状測定を効率的に行うことができる。
【００６１】
また、本発明の実施の形態に記載された作用および効果は、本発明から生じるひとつの好適な作用および効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用および効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の形状測定装置および形状測定方法は、ドリルやエンドミル等の切削工具の形状測定だけでなく、ネジやカムその他の各種物品の形状測定の分野においても利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の携帯に係る形状測定装置の平面図である。
【図２】形状測定装置の正面図である。
【図３】（ａ）被測定物の外観を示した図である。（ｂ）被測定物のボディ部を拡大して示した図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）被測定物のボディ部の断面を示した図である。
【図５】ウェブ厚およびウェブテーパの傾斜度を測定する場合の撮像方向を示した図である。
【図６】照明装置から照射される平行光の進路を示した図である。
【図７】形状測定装置によって実際に撮像した被測定物の画像である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）レンズを通過する光の進路、およびレンズにより生成される像を示した概略図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 形状測定装置
２０ 保持装置
３０ 照明装置
４０ 顕微鏡
５０ カメラ
１００ 被測定物
１１４ 溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に向けて平行光を照射する照明装置と、
前記被測定物を挟んで前記照明装置と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡と、
前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラと、
前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように前記平行光内に前記被測定物の測定部分を配置する保持装置と、を備え、
前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定装置。
【請求項２】
前記カメラの１画素に対応する前記被測定物の撮像範囲が０．２μｍ乃至２μｍに設定されることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記被測定物は、棒状であり、測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍであることを特徴とする、
請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記被測定物は、外周面に螺旋状の溝が形成されており、
前記保持装置は、前記平行光の光軸と前記螺旋状の溝の一部が平行となるように前記被測定物を配置することを特徴とする、
請求項１、２または３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記被測定物は、切削工具であることを特徴とする、
請求項１乃至４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記被測定物は、ドリルであることを特徴とする、
請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
平行光を照射する照明装置と、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡との間において、
被測定物の測定部分を、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように、前記平行光内に配置し、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の測定部分の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像することで、
前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定方法。
【請求項１】
被測定物に向けて平行光を照射する照明装置と、
前記被測定物を挟んで前記照明装置と対向する位置に、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置される顕微鏡と、
前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像するカメラと、
前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように前記平行光内に前記被測定物の測定部分を配置する保持装置と、を備え、
前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定装置。
【請求項２】
前記カメラの１画素に対応する前記被測定物の撮像範囲が０．２μｍ乃至２μｍに設定されることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記被測定物は、棒状であり、測定部分の外径が０．０１ｍｍ乃至０．２ｍｍであることを特徴とする、
請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記被測定物は、外周面に螺旋状の溝が形成されており、
前記保持装置は、前記平行光の光軸と前記螺旋状の溝の一部が平行となるように前記被測定物を配置することを特徴とする、
請求項１、２または３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記被測定物は、切削工具であることを特徴とする、
請求項１乃至４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記被測定物は、ドリルであることを特徴とする、
請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
平行光を照射する照明装置と、前記平行光の光軸と自身の光軸が一致するように配置された顕微鏡との間において、
被測定物の測定部分を、前記平行光が前記被測定物の測定部分の外周形状を映し出すように、前記平行光内に配置し、前記顕微鏡により拡大された前記被測定物の測定部分の像を、０．２μｍ乃至２μｍの分解能で撮像することで、
前記顕微鏡の被写界深度を超える前記被測定物の立体形状を測定することを特徴とする、形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１２２０８６（Ｐ２０１０−１２２０８６Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９６３３９（Ｐ２００８−２９６３３９）
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【出願人】（５０８３４５１３９）エフエー・ビジョン株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【出願人】（５０８３４５１３９）エフエー・ビジョン株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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