形状測定装置及びこれを用いた工作機械
【課題】数値処理可能な鮮明且つ正確なエッジ画像を撮像しつつ、測定する工具の両端のエッジの位置関係を正確に測定する形状測定装置を提供する。
【解決手段】本発明の形状測定装置９は、平行光を発する光源モジュール１１と、光源モジュール１１の発する平行光の光軸１６に沿って配置された対物レンズ２３と、対物レンズと共焦点を有する投影レンズ２４と、この共焦点に配置され入射光のうちの０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタ２５とを備えた投影光学系を備えたレンズ鏡筒１３と、光軸１６を含む基準面に対して対称に、光束の方向を変えずに平行移動させて離間させる光線分離器３３と、結合させる光線結合器３４とを備えた光路シフト手段と、投影光学系により投影された映像を撮像するように撮像素子を備え、大型のワーク１７であっても正確な形状を測定することができる。
【解決手段】本発明の形状測定装置９は、平行光を発する光源モジュール１１と、光源モジュール１１の発する平行光の光軸１６に沿って配置された対物レンズ２３と、対物レンズと共焦点を有する投影レンズ２４と、この共焦点に配置され入射光のうちの０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタ２５とを備えた投影光学系を備えたレンズ鏡筒１３と、光軸１６を含む基準面に対して対称に、光束の方向を変えずに平行移動させて離間させる光線分離器３３と、結合させる光線結合器３４とを備えた光路シフト手段と、投影光学系により投影された映像を撮像するように撮像素子を備え、大型のワーク１７であっても正確な形状を測定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置及びこれを用いた工作機械、形状計測方法に係り、詳しくは、比較的大きく、且つ高い精度の要求される例えば、使用途中のスローアウェイチップなどを、非接触で、そのエッジ位置を検出し、そのエッジ間の距離から、リアルタイムに外形形状を数値的に精度高く測定可能とする光学的な形状測定装置及びこれを用いた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで精密な加工をする場合は、たとえば拡大投影機を設けた所謂倣い研削盤など、ワークの加工部分を光学的に拡大投影して加工するようなものが用いられてきた。
ところで、近年、いわゆるナノ工学が多方面に活用されるようになり、高い工作精度がますます要求され、μｍオーダーや、いわゆるサブμｍオーダーの加工が要求されている。例えば、ディンプルと呼ばれる微小なくぼみを規則的に配置したディンプルテクスチャが、光学やトライボロジー等の広範囲の分野で用いられている。また、マイクロチャンネルを用いて、ナノリッター（ｎＬ）からフェムトリッター（ｆＬ）の微小流体をハンドリングするマイクロ流体工学もバイオ関係などで活用されている。これらの場合、数十μｍのディンプルやマイクロチャンネルを形成するには、直接ワークを、またはプレス若しくは成形のための型を正確に３次元的に造形する必要があった。
【０００３】
このような場合、露光装置を用いてリソグラフィで加工する方法も考えられるが、きわめてコストが高いばかりか、幅方向の精度は高くても深さ方向の精度は保証できないため、正確な３次元的造形ができない。また、放電加工などもコストは低いがやはり正確な３次元的造形ができない。この点、研削加工・切削加工などの機械加工によれば、理論的には正確な３次元的造形が可能であり、比較的コストも低く、多品種少量生産にも適している。このような超精密加工をするには、極小径のボールエンドミルのような高速回転する回転工具を用いた精密機械加工が一般的であるが、そのためには、まず精度の高い回転工具が不可欠の前提である。
【０００４】
このようなボールエンドミルなどの工具を製造するためには、その前提として正確な工作機械と正確な加工工具が必要になる。たとえば、一例として加工工具としてスローアウェイチップを用いる場合、スローアウェイチップを製造したり、再研磨する際このスローアウェイチップ自体の正確な外形形状をリアルタイムで知る必要がある。
【０００５】
この場合、スローアウェイチップ自体の脱着によっても、絶対位置が変化するため、スローアウェイチップを工作機械に装着したまま、加工中に機上で測定できることが望ましい。
【０００６】
従来のように光学的に外形形状を単純に２０〜５０倍程度に拡大して投影する倣い研削盤のようなものでは、研削盤等の精度がいくら高くても、その外形形状が高い精度では確認できず、上述のような精密な加工は達成できなかった。
【０００７】
一方、レーザを光源として拡大投影光学系で加工対象である回転工具の像を拡大投影し、これを撮像するような方法も用いられるようになった。たとえば、従来の輪郭を投影するための投影光学系では、レーザ発振器から照射された光線はコリメータレンズにより平行光とされワークを照射する。この光線は対物レンズ、投影レンズにより、ＣＣＤなどの撮像素子で撮像されたりした。
【０００８】
ところが、レーザなどの光源を測定物に当て拡大画像を取得する際、測定物のエッジ部で回折光により回折縞を生じ、波源となった透過光と干渉することなどから、いくら倍率を上げたところで図１９に示すように映し出された像のエッジがぼやけるという問題があり、高い精度が得られにくかった。
【０００９】
そこで、本発明者らは、特許文献１に係るエッジ検出方法を提案した。すなわち、図２１に示すような平行光を発する光源モジュール１１と、この光源モジュール１１側に配置された対物レンズ２３と、この対物レンズ２３と共焦点（２８，２８´）を有するように光源モジュール１１と反対側に配置された投影レンズ２４とからなるレンズ鏡筒１３を備える。そして、このレンズ鏡筒１３において共焦点（２８，２８´）に配置され入射光のうちの透過光３０を含む０次光の光量を遮光するアンチピンホールフィルタ２５を備えた投影光学系を特徴とする。これを前提に、平行光の光軸１６と軸心を共通にするように配置されたレンズ鏡筒１３と、レンズ鏡筒１３により投影された映像を撮像するように光軸１６と直交するように配置された撮像素子２６を備えた検出モジュール１４と、この検出モジュール１４からの信号を演算処理するコンピュータとを用いる。平行光を遮るように対物レンズ２３の光源モジュール１１側の焦点位置２７´に置かれたワーク１７の投影画像を撮像素子２６で撮像する。アンチピンホールフィルタ２５は、対物レンズ２３を平行に通過する光線をすべて遮光する。図では遮光された光線の光路を破線で示す。一方、測定対象物の１７のエッジ２７部分を通過した平行光は、回折光や散乱光を発生させて光軸１６とは平行でない実線で示す光線を発生させる（ここでは、それらを便宜上「回折光２９」と呼ぶ。）。この回折光２９は、撮像素子２６上の撮像面で図２０に示すような本来のエッジ部分を挟むような２本の輝線となる。コンピュータは、撮像素子２６からの信号強度により輝度を判定し２本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分をエッジと判定するエッジ判定の手順を実行することを要旨とするエッジ検出方法を提案した。（以下、この方法を本願では「アンチピンホール法」ということにする。）
このアンチピンホール法を用いた光学的なエッジ検出装置により、回折光の影響を受けることなく、非接触かつ、リアルタイムで、加工後及び加工途中のワークなどをμｍオーダ若しくはサブμｍオーダで、鮮明な輪郭形状を数値的に測定可能とすることができるようになった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１５０８６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このアンチピンホール法は、非接触で、極めて高速に回転する超極細のボールエンドミルのような回転工具においてもエッジに対応する画像を撮像し、その加工工具のエッジ位置を１μｍ以下の公差で極めて高精度に検出することができた。
【００１２】
しかしながら、このようなボールエンドミルを加工するスローアウェイチップのような加工工具では、全体の外寸が２０〜４０ｍｍと大きく、全体の形状をＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子の一画面で撮像しようとすれば、画面サイズが決まっていることから、いきおい低倍率にせざるを得ない。そうすると、撮像素子の分解能から正確なエッジ位置を検出することは困難であった。
【００１３】
一方、エッジ部分を高倍率で拡大して撮像すれば、アンチピンホール法で得られた高倍率の鮮明なエッジ画像からそれぞれのエッジの位置は正確に特定できる。しかしながら、輪郭を形成する対向するそれぞれのエッジを撮像するためには必然的に移動が伴い、本発明のようなμｍオーダーでの精度を追求する発明では、その誤差が無視できない。つまり、測定対象物の両端のエッジを、それぞれ別々に単独でいくら高倍率で拡大して撮像して鮮明なエッジ像が得られたとしても、移動による誤差が入り込む余地があるため両者の相対位置関係が不明となり、結局工具全体の幅を正確に測定することができなかった。
【００１４】
本発明は、数値処理可能な鮮明且つ正確なエッジ画像を撮像しつつ、測定する工具の両端のエッジの位置関係を正確に測定することができる形状測定装置、及びこれを用いた工作機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る形状測定装置では、平行光を発する光源モジュールと、該光源モジュールの発する平行光の光軸に沿って配置された、該光源モジュール側に配置された対物レンズと、該対物レンズと共焦点を有するように前記光源モジュールと反対側に配置された投影レンズと、前記共焦点に配置され入射光のうちの０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタとを備えた投影光学系と、前記光軸を含む基準面に対して対称に、光束を、その方向を変えずに近接若しくは離間するように平行移動させる光路シフト手段と、該投影光学系により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子とを備えたことを要旨とする。
【００１６】
本発明によれば、本発明の前提構成であるアンチピンホール法によるエッジ検出は、アンチピンホールフィルタを備えた投影光学系で、光源モジュールから測定対象物に照射された平行光は、アンチピンホールによりゼロ次光を遮断される。一方、測定対象物のエッジ部分（便宜上「エッジ」と称するが、正確には本願では所謂「エッジ」が立たない円筒面等も含む。言い換えれば、光軸方向に見たときの輪郭を形成する部分である。）で生じた回折光（厳密には０次光である「散乱光」も含むが、本願では、単に「回折光」という。言い換えれば、エッジ透過後に光軸とは平行でなくなった光線である。）は、もとの平行光とは平行にならないためアンチピンホールによっては遮光されない。このため、この回折光のみが撮像素子に投影される。
【００１７】
つまり、アンチピンホール法を用いたエッジ検出方法は、エッジ以外の平行光はすべて遮光され、エッジ部分でも平行光はすべて遮光されて、光軸に平行ではない回折光のみにより輪郭として検出される。測定対象物の形状の測定は、このエッジ部分のみを撮像素子で検出して測定する。
【００１８】
この場合、測定対象物の投影光学系の光軸に近い輪郭内部の部分の映像は、いずれにしても遮光されているため形状の測定に寄与していない。そこで、本発明では、このような回折光のみを利用するアンチピンホール法の特徴を生かした形状測定装置を提供するものである。
【００１９】
つまり、形状の測定に寄与する光線を適所でシフトすることで、本来の光源モジュールの射出できる光束の幅や、対物レンズ・投影レンズで投影できる光束の幅や、撮像素子が受光できる光束の幅にかかわらず、大きな測定対象物でも、高倍率で精度の高いエッジ検出を行い、かつ一対のエッジ間の距離を正確に測定し、もって測定対象物の外形形状を正確に測定することができるものである。
【００２０】
なお、本願において、「光軸」とは、光源モジュールから照射される円形若しくは楕円形の光線（光束）の概ね中央部分をいい、光束が反射または屈折された場合は、これに伴って屈曲する。
【００２１】
「アンチピンホール」は、その名称にかかわらず、対物レンズと投影レンズの共焦点での遮光を行なえる手段であればその具体的手段が限定されるものではない。
測定対象物やアンチピンホールフィルタ、共焦点の位置関係は、厳密なものではなく実質的に等価の位置のものを含むことは言うまでもない。また、レンズ構成も単レンズに限定されるものでなく、複数で構成されるレンズ群を含むことももちろんである。また、レンズ群が可変焦点であっても発明を妨げるものではない。さらに、リレーレンズ、補正レンズ、フィルタ、プリズム、ミラー、絞り、シャッタなど、本発明を本質的に変更しない光学要素を含むものも本発明と等価であり、本発明に含まれる。
【００２２】
また、「基準面」は実施形態のような水平面に限らず垂直面や他の角度の面でもよい。
また、「撮像素子」は直接焦点であっても実像を撮影する撮影レンズを備えたものであってもよい。また、以下の本願に開示された発明においても同様である。
【００２３】
請求項２に係る形状測定装置では、請求項１に記載の発明において、前記光路シフト手段は、前記アンチピンホールと前記撮像素子との間に配置され、前記光軸を含む基準面に対して対称に近接するように光束を、その方向を変えずに平行移動させる光線結合器として構成されたことを要旨とする。
【００２４】
本発明によれば、アンチピンホールフィルタを備えた光学系で、光源モジュールから測定対象物に照射された平行光のうち、アンチピンホールによりゼロ次光を遮断するとともに、測定対象物のエッジ部分で生じた回折光のみによりエッジ像を撮像素子に投影する。
【００２５】
このアンチピンホール法を用いたエッジ検出方法は、撮像素子を配置した撮像面の物理的な大きさにより検出できる測定対象物の大きさが制限される。
本発明によれば、アンチピンホールと撮像素子との間に配置された光線結合器により、撮像素子に投影される像を光軸を含む基準面に対して対称に近接するように光束をシフトする。このため像の周縁部にある対向するエッジ部分の位置を撮像素子の中心部に引き寄せることができる。アンチピンホール法によれば、撮像した画像の光軸に近い中央部分にはエッジ部分が投影されないので、エッジ部分の位置を撮像素子の中心部に引き寄せることによる不都合は生じることがない。撮像素子に投影される像のエッジ部分が光線結合器により基準面に引き寄せられるため、撮像倍率を小さくすることなく、より大きな測定対象物のエッジ部分を同一の撮像面で撮像できる。
【００２６】
さらに、この画像のエッジ部分間の距離を測定するとともに引き寄せた距離を演算して加算すれば、測定対象物のエッジ間の実測値が演算できる。
なお、本発明で、「光線結合器」といっているのは、単に基準面に向けてそれぞれ光線を引き寄せることを「結合」といっており、特に一旦分離されたものを「再結合」するという意味に限定するものではない。つまり、もともと１面の連続した映像を上下で分割して、中央部分を省略され、上下の部分が近接するようにするものも本願で言う「結合」である。
【００２７】
このような装置を用いることで、一例として、精密機械加工に用いる工具を切削する外寸が大きくても刃先の公差が極めて厳しいスローアウェイチップの外形形状の測定が、その加工中に、その機上でも、光学的な非接触の方法で、リアルタイムででき、かつ、きわめて精度が高い測定ができる。そのため、このスローアウェイチップを用いて、マイクロ加工を行なうドリルやボールエンドミルなどの工具を高精度に製造することも可能となる。
【００２８】
請求項３に係る形状測定装置では、請求項２に記載の発明において、前記光線結合器は、アンチピンホールフィルタと前記投影レンズとの間に配置されたことを要旨とする。
本発明によれば、投影レンズに導入される光束の幅を光線結合器により小さくすることで、撮像素子のみならず投影レンズの径をそれぞれ小さくすることが可能になる。
【００２９】
請求項４に係る形状測定装置では、請求項２に記載の発明において、前記光線結合器は、測定対象物と前記対物レンズとの間に配置されたことを要旨とする。
本発明によれば、測定対象物を通過した平行な光束の幅を光線結合器により平行なまま小さくすることで、撮像素子のみならず、対物レンズ及び投影レンズを小さくすることができる。従って、投影光学系全体を小さくすることが可能となる。また、平行な光を維持したまま光束の幅を小さくするため、アンチピンホール法を損なうこともない。
【００３０】
請求項５に係る形状測定装置では、請求項２に記載の発明において、前記光線結合器は、前記投影レンズと前記撮像素子との間に配置されたことを要旨とする。
本発明によれば、投影レンズを通過した光束の幅を光線結合器により小さくすることで、投影光学系をそのままで撮像素子に投影される光束の幅を小さくすることができる。したがって、小さな撮像素子であっても、より大きな測定対象物の形状測定が可能となる。
【００３１】
特にレンズ鏡筒の外側に設置できるため、既成のレンズ鏡筒に外付けができ、交換も容易である。あるいは撮像素子側に組み付けたアッセンブリとして一体化してもよい。
請求項６に係る形状測定装置では、請求項１に記載の発明において、前記光路シフト手段は、前記光源モジュールと測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成されたことを要旨とする。
【００３２】
本発明によれば、光源モジュールから照射された平行光の光束の幅が、測定しようとする測定対象物の外寸より小さい場合に、光線分離器により光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させて、測定対象物の対向する両方のエッジ部分を平行光を照射することが可能となる。この場合、アンチピンホール法においては、測定対象物の輪郭内部に平行光が照射されなくても形状測定には何ら影響を与えることがない。
【００３３】
したがって、所定の測定対象物の外寸より狭い光束の平行光しか照射することができない光源モジュールでも、この測定対象物の形状を測定できるようになる。
請求項７に係る形状測定装置では、請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記光源モジュールと前記測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成された光路シフト手段をさらに備えたことを要旨とする。
【００３４】
本発明によれば、光源モジュールから照射された平行光の光束の幅が、測定しようとする測定対象物の外寸より小さい場合に、光線分離器により光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させて、測定対象物の対向する両方のエッジ部分を照射することが可能となる。
【００３５】
したがって、所定の測定対象物の外寸より狭い光束の平行光しか照射することができない光源モジュールでも、この測定対象物の形状を測定できるようになる。
請求項８に係る形状測定装置では、請求項７に記載の発明において、前記光線分離器と、前記光線結合器とが、同一の構成となっていることを要旨とする。
【００３６】
本発明によれば、前記光線分離器と、前記光線結合器とが、同一の構成とすることで、調整が容易になる。
請求項９に係る形状測定装置では、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発明において、前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光に対して透明な材質からなり、両面が平行な板状に形成され、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される屈折部材を備えたことを要旨とする。
【００３７】
本発明によれば、平行な光線をそのままの状態で、位置のみをシフトできる。また、屈折により光路をシフトさせるため、露出した反射面を持たないので、反射面の劣化という問題が生じにくい。
【００３８】
請求項１０に係る形状測定装置では、請求項９に記載の発明において、前記基準面について面対称に配置された屈折部材が、断面がくの字状に一体に形成されていることを要旨とする。
【００３９】
本発明によれば、屈折部材が一体に設けられているため、基準面を挟んだ屈折部材の位置について変動誤差が生じない。そのため、誤差は固定誤差として処理でき測定値から実寸を演算することができる。
【００４０】
請求項１１に係る形状測定装置では、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発明において、前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光を反射可能な平面を備え、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される反射部材を備えたことを要旨とする。
【００４１】
なお、屈折部材と反射部材とは、排他的なものではなく、これらを組み合わせても光学系を構成できる。さらに、一つの光学シフト手段において、プリズム内の全反射を利用するような屈折と反射を同時に利用する部材でもよい。
【００４２】
本発明によれば、反射面においては入射角と反射角の関係が一定で、傾きによる変化が生じない。特に、屈折を伴わない反射では、色収差を生じることがない。また、屈折に比較してより大きな偏角で光路を大きくシフトすることができる。
【００４３】
請求項１２に係る形状測定装置では、請求項１１に記載の発明において、前記基準面について面対称に配置された反射部材が、一体に形成されていることを要旨とする。
本発明によれば、反射部材が一体に設けられているため、基準面を挟んだ反射部材相互の位置について変動誤差が生じない。そのため、測定値から実寸を演算することができる。
【００４４】
請求項１３に係る形状測定装置では、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の発明において、前記光路シフト手段を構成する要素のうち、少なくとも一部が可動とされ、前記光線の光路を前記光軸と直交する方向に変更可能に構成されていることを要旨とする。
【００４５】
本発明によれば、光源モジュールや、ワーク、撮像素子、投影光学系などの変更により、容易に光線を所望の位置にシフトすることができる。
請求項１４に係る形状測定装置では、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発明において、前記形状測定装置は、前記撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータを備え、前記コンピュータは、前記光源モジュールから照射された平行光を遮るように前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた測定対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、前記光軸を含み前記基準面と直交する測定面上の前記測定対象物の一対の端部のそれぞれの２本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分を前記測定対象物の両端部のエッジと判定するエッジ判定手段と、前記測定対象物の両端部のエッジの前記測定面上の距離から当該測定対象物の幅を測定するエッジ幅測定手段とを備えたことを要旨とする。
【００４６】
本発明によれば、検出したエッジ像から数値処理可能なデータとして形状を測定できる。
請求項１５に係る形状測定装置では、請求項１４に記載の形状測定装置が工作機械に搭載されるとともに、入力された測定対象物の設計データに基づき、前記表示装置には、エッジ画像と重畳して該設計データに基づいた設計画像が表示されることを要旨とする。
【００４７】
本発明の工作機械によれば、測定対象物の加工途中で、機上でリアルタイムで形状測定した結果を、設計データと比較・確認しながら加工をすることができる。
請求項１６に係る形状測定装置では、請求項１４に記載の形状測定装置がＮＣ制御可能な工作機械に搭載されるとともに、前記コンピュータは、当該工作機械の加工対象である工作物を測定対象物として前記撮像素子から入力された信号に基づき測定対象物のエッジをエッジデータとして検出するとともに、入力された測定対象物の設計データに基づき、前記エッジデータと前記設計データとの差分を演算し、この差分をフィードバックすることで工作機械をＮＣ制御により自動制御して測定対象物を加工することを要旨とする。
【００４８】
本発明の工作機械によれば、工具の磨耗による変形に応じて、加工を進めることができるので、自動で極めて高い精度を保ちながら加工ができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明の形状測定装置、及びこれを用いた工作機械によれば、数値処理可能な鮮明且つ正確なエッジ画像を撮像しつつ、測定する工具の両端のエッジの位置関係を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施形態の形状計測装置の構成を示す模式図。
【図２】本実施形態の光線結合器を示す斜視図。
【図３】本実施形態の光線結合器の機能を説明する模式図。
【図４】本実施形態の光線結合器の機能を説明する撮像素子の模式図。（ａ）は、光線結合器を用いなかった場合に撮像素子に投影される映像を示す模式図。（ｂ）は、光線結合器を用いた場合に撮像素子に投影される映像を示す模式図。
【図５】光線分離器を省略した構成を示す実施形態の模式図。
【図６】光線結合器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図７】光線結合器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図８】別の構成の光線結合器の機能を説明する模式図。
【図９】光線結合器の別の構成を示す模式図。（ａ）は、シフトしない状態を示す図。（ｂ）は、シフトした状態を示す図。
【図１０】光線分離器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１１】光線分離器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１２】光線分離器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１３】光線結合器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１４】本実施形態の形状測定装置の一実施例を示す斜視図。
【図１５】本実施形態の形状測定装置を搭載した工作機械の一例である成形研削盤を示す斜視図。
【図１６】パソコン（コンピュータ）の構成を示すブロック図。
【図１７】本実施形態のエッジ検出の手順等を示すフローチャート。
【図１８】（ａ）は、図７の画像の横方向のエッジ近傍の輝度の変化を示すグラフ。（ｂ）は、図９の画像の横方向のエッジ近傍の輝度の変化を示すグラフ。
【図１９】従来の形状測定装置によるエッジを示す写真画像。
【図２０】アンチピンホールフィルタを用いた形状測定装置によるエッジを示す写真画像。
【図２１】従来のアンチピンホール法を用いた形状計測装置を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した形状測定装置の一実施例を図１〜４、図１８〜２０を用いて説明する。
【００５２】
（形状計測装置）
図１は、本発明の形状測定装置の測定原理を説明するための形状計測装置９を模式的に配置した光学系である。一点鎖線は光軸１６、破線は遮光されたため光が通ってないことを示す。なお、図１は、説明のため模式的に示すものであり、レンズは単レンズとして表示してあるが、各レンズは収差を補正するため複数のレンズからなるレンズ群として構成されているのがむしろ通常である。また、後述するように可変焦点の物でもよい。本実施形態の形状測定システム５（図４参照）は、入射光学系である光源モジュール１１から発射された平行光の中にワーク１７のエッジ２７を配置する。投影光学系であるレンズ鏡筒１３に０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタ２５を挿入して、光源から発した透過光（０次光）が直接撮像素子２６に到達しないように制限し、投影された画像は回折光（主に１次光）からなるワーク１７のフラウンフォファ像のみが得られるようにしている。これにより、ワーク１７の境界の判別精度が著しく向上でき、高精度に輪郭形状を求めることができるものである。なお、回折光に限らず散乱光として発生した光線も利用できる。
【００５３】
光源モジュール１１、レンズ鏡筒１３に対物レンズ２３、アンチピンホールフィルタ２５および投影レンズ２４、検出モジュール１４の一端に内蔵された撮像素子２６がこの順序に、レーザ発振器２１から出射されたレーザ光と共通な光軸１６上に、配置されている。
【００５４】
（光源モジュール）
本実施形態の光源モジュール１１には、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ発振器からなるレーザ発振器２１が内蔵される。ここから照射された波長λ＝６３２．８のレーザ光は、ビームエキスパンダや拡散レンズ（図示せず）により拡散され、この拡散された光線を減光する光量調整手段としてのＮＤフィルタ（Neutral Density Filter）１９が配置される。また、調光されたレーザ光線はコリメータレンズ２２により光軸と平行な平行光に変換される。このレーザ光３１は、コヒーレントな状態が維持されている。したがって、光源モジュール１１からは、均質で回折光を生じやすいコヒーレントな平行光が照射される。
【００５５】
（光線分離器）
この光源モジュール１１から射出された平行光を、エッジ２７部分まで含めワーク１７の形状全体に照射する必要がある。しかしながら、光源モジュール１１から照射された平行光の範囲が、そのままではワーク１７をカバーできない場合がある。そこで、本実施形態では光路シフト手段としての光線分離器３３を光源モジュール１１のコリメータレンズ２２とワーク１７の間に配置する。
【００５６】
ここで、図２は、光線結合器３４を示す斜視図であるが、光線分離器３３も基本的に同様な構成であるため、この図面を参照して説明する。
光線分離器３３は、レーザ光３１に対して透明な材質により形成されており、レーザ光３１に対して高い屈折率と、色収差を生じ難い低分散性と、低い温度膨張係数を備えた光学ガラス、光学プラスチックスなどから形成された板状のプリズムとして構成されている。全体として、表面と裏面は、相互に光学的に平行が保たれた平坦な面を形成し、望ましくは表面に透過率を高めるコーティングを施す。
【００５７】
図２に示す光線結合器３４とは傾きの方向が反対となるが、光線分離器３３は、光軸１６を含み図１の紙面に対して垂直な面（以下「基準面」という。）を基準としたとき、基準面の上側（図１の上側）は光軸１６と直交する平面に対してその上部が光源モジュール１１側に傾いて形成されている。また、この上部と基準面について面対象となるように、基準面の下側（図１の下側）は光軸１６と直交する平面に対してその下部が光源モジュール１１側に傾いて形成されている。そして、全体としてみると、その光軸１６を含み基準面と直交する面における断面形状は、図１に示す側から見れば逆「く」の字形状に一体に形成されている。
【００５８】
このため、光線分離器３３は、光源モジュール１１から光軸１６に平行な平行光を受けると、基準面を基準として、上半分に照射された平行光は上側に、下半分に照射された平行光は下側に、それぞれ相互に光線を分離させる方向に、光線の方向を変えることなく平行な状態を保ったままでシフトさせる。このとき、光線分離器３３を通過した平行光の中央部は、光線のない部分ができるが、この部分にはワーク１７のエッジ２７がない部分であるので、形状測定には影響がない。
【００５９】
（レンズ鏡筒）
レンズ鏡筒１３には、光源モジュール１１側から順に、対物レンズ２３、アンチピンホールフィルタ２５、投影レンズ２４が光源の光軸１６に沿って配置される。対物レンズ２３は平行光を収束させるレンズで、光源モジュール１１側に前側焦点２７´を形成するとともに、検出モジュール１４側に、後側焦点２８を形成する。
【００６０】
また、投影レンズ２４は光源モジュール側に前側焦点２８´を備えており、この前側焦点２８´は対物レンズの後側焦点２８と一致しており、これを本願では「共焦点」と呼ぶ。
【００６１】
この共焦点である後側焦点２８，前側焦点２８´の位置には、対物レンズ２３を通って後側焦点２８に集光された透過光（０次光）３０を遮光するフィルタ機能をもったアンチピンホールフィルタ２５が配置されている。ここで、「アンチピンホール」とは、光軸１６上の対物レンズ２３の後側焦点２８位置に配置され、透過光（０次光）のみを遮光してその通過を妨げ、回折光２９は通過を妨げないように構成されているものである。アンチピンホールフィルタ２５は、そのようなアンチピンホールを有したフィルタである。なお、このアンチピンホールフィルタ２５は、光軸１６方向に微調整可能な位置調整手段（不図示）を備えている。
【００６２】
投影レンズ２４の後側焦点２６´は、検出モジュール１４の撮像素子２６の検出面（撮像面）と一致している。また、対物レンズ２３の前側焦点２７´を含む光軸１６と直交する面に、被検出対象であるワーク１７のエッジ２７を一致させている。
【００６３】
（等倍・拡大投影）
本実施形態の形状測定システム５では、投影レンズ２４の焦点距離ｆ２，ｆ２と、対物レンズの焦点距離ｆ１、ｆ１との関係は、一例として、ｆ１＝ｆ２となっており、ｆ１とｆ２の焦点距離は等しい。この場合は、等倍の投影となる。なお、ｆ１＜ｆ２とした場合は、拡大投影とすることができる。測定対象物であるワークと、撮像素子２６の画面の大きさにより、この拡大倍率が決定される。なお、縮小投影も可能であるが、本発明のようなエッジ検出により形状測定を行なうものでは一般に好ましくない。なお、焦点距離をズームレンズとして可変焦点とすることもできるが、単焦点として可動部分を少なくすることでより精度が高い測定が可能になるとともに、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００６４】
（光線結合器）
アンチピンホールフィルタ２５と投影レンズ２４との間に光線結合器３４が配置されている。光線結合器３４は、前述の光線分離器３３と同様にレーザ光３１に対して透明な材質により形成されており、レーザ光３１に対して高い屈折率と、色収差を生じ難い低分散性と、低い温度膨張係数を備えた光学ガラス、光学プラスチックスなどから形成されたプリズムとして構成されている。全体として、表面と裏面とが光学的に平行が保たれた平坦な面を形成し、望ましくは表面に透過率を高めるコーティングを施す。
【００６５】
光線結合器３４は、図２に示すように、光軸１６を含み図１の紙面に対して垂直な面（以下「基準面」という。）を基準としたとき、基準面の上側（図１の上側）は光軸１６と直交する平面に対してその上部が撮像素子２６側に傾いて形成されている。また、この上部と基準面について面対象となるように、基準面の下側（図１の下側）は光軸１６と直交する平面に対してその下部が撮像素子２６側に傾いて形成されている。そして、全体としてみると、その光軸１６を含み基準面と直交する面における断面形状は、図１に示す面から見れば「く」の字形状に一体に形成されている。
【００６６】
このため、光線結合器３４は、光源モジュール１１から光軸１６に平行な平行光を受けると、基準面を基準として、上半分に照射された平行光は下側に、下半分に照射された平行光は上側に、それぞれ相互に光線を結合させる方向に、光線の方向を変えることなく平行な状態を保ったままでシフトさせる。このとき、光線分離器３３を通過した平行光の中央部は、光線が重なったり、乱れたりするが、そもそもこの部分にはワーク１７のエッジがない、つまり基本的に光線がない部分であるので、形状測定には影響がない。
【００６７】
（検出モジュール）
検出モジュール１４は、ここで受信した光を電気信号に変換して、パソコン２０で例えばドットマトリクスのデータとして画像処理させる。
【００６８】
検出モジュール１４を構成する撮像素子２６としては、例えば、マトリクス状にＣＣＤをアレイ配置したＣＣＤカメラであり、エリアイメージが、縦１１．８４［ｍｍ］×横８．８８［ｍｍ］（１６００ｐｉｘｅｌ×１２００ｐｉｘｅｌ）の１．９２Ｍｅｇａ ｐｉｘｅｌのＣＣＤカメラである。
【００６９】
撮像素子としては、ＣＣＤのほか、ＣＭＯＳなどのアレイ状の撮像素子が適用でき、一般に市販されているＣＣＤ、ＣＭＯＳによる撮像素子の画面サイズは、１／３サイズの４．８×３．６ｍｍのものから３５ｍｍフィルムフルサイズの３６×２４ｍｍのものまで各種あるが、用途により大きさが選択できる。
【００７０】
ここで大きな撮像素子２６は、エッジ２７を高倍率で拡大投影してエッジの検出をするには有利であるが、撮像素子２６を大型化するには、光源モジュール１１や投影光学系全体、レンズ鏡筒１３などの大型化にともない装置全体が大型化し、且つ撮像素子２６自体のコストも画面サイズに比例して大きくなるので、その点からは小型のものがこのましい。
【００７１】
（ワーク）
測定対象物としてのワークの一例としては、特に限定されるものではないが、光源モジュール１１により照射される平行光にその輪郭が包み込まれなければ、その輪郭のエッジ像は得られない。例えば、直径が０．３ｍｍ程度の極細ドリルなどであれば、光線分離器３３や光線結合器３４なしでも、等倍の投影はもちろん、２０〜３０倍に拡大投影しても十分に撮像素子２６の画面内に収まる。
【００７２】
他の例として、スローアウェイチップが挙げられるが、全体の長さが４０ｍｍのものもあり、これまでのエッジ検出装置による投影では、光路シフト手段である光線分離器３３がなく、等倍であっても到底撮像素子２６の撮像面には形状全体が入らない。
【００７３】
（形状計測装置の作用）
以下本実施形態の形状計測装置の作用を説明する。
レーザ発振器２１から出射されたレーザ光３１が、コリメータレンズ２２を通って光軸１６に平行な平行光に変換され、光線分離器３３を通過すると、光線分離器３３は、基準面より上の平行なレーザ光３１を上方に平行にシフトさせる。同様に、基準面より下の平行なレーザ光３１を下方に平行にシフトさせる。そうして、このようにシフトされた平行なレーザ光３１は、それぞれワーク１７の上端と下端のエッジ２７の部分を通過する。
【００７４】
ワーク１７のエッジ２７に平行なレーザ光３１が照射されると、エッジ２７から０次光である透過光３０と、それ以外にも回折が生じて一次回折光を主とする色々な次数の回折光２９が発生する。また、同時に散乱光を発生させる。
【００７５】
このレーザ光３１のうちエッジ２７から離れた箇所を通過する０次光成分の透過光３０は、平行光として対物レンズ２３に入射する。ワーク１７を照射しているレーザ光３１は、ワーク１７に遮光される。
【００７６】
エッジ２７は、対物レンズ２３の前側焦点２７´に一致しているので、エッジ２７の周辺を通る透過光３０や回折光２９は、対物レンズ２３のフーリエ変換作用により、対物レンズ２３の後側焦点２８で、空間周波数に分解された透過光３０を集光するが、回折光２９を集光しない。この対物レンズ２３の後側焦点２８の位置に、０次光成分のみを遮るフィルタ機能をするアンチピンホールフィルタ２５が設置されているので、集光された透過光３０は完全に遮断される。
【００７７】
一方、アンチピンホールフィルタ２５を透過した高周波成分の回折光２９は、光線結合器３４を通過すると、光線結合器３４は、基準面より上の平行な回折光２９を下方に平行にシフトさせる。同様に、基準面より下の平行な回折光２９を上方に平行にシフトさせる。そうして、このようにシフトされた平行なレーザ光３１は、それぞれ投影レンズ２４に入射される。そのため、対向する上下端のエッジ像は、光線結合器３４がない場合より近接される。
【００７８】
そして、このように近接され投影レンズ２４に入射された回折光２９は、投影レンズ２４の逆フーリエ変換作用によって、投影レンズ２４の後側焦点２６´に配置された撮像素子２６の検出面上に結像する。このとき、エッジ２７により生じた同心円状の干渉像のうち、アンチピンホールフィルタ２５により、干渉像の１次回折光すなわちエッジ２７の形状を与えるエッジ像のみが抽出される。このような光学系の構成としたことにより、ワーク１７のエッジ２７のシャープなエッジ像を、干渉像の影響を受けることがなく高精度に識別できる。
【００７９】
ここで、図３を参照して、本実施形態の光線結合器の作用について、詳述する。図３に示す回折光２９は、本実施形態で撮像素子２６の撮像面に実際にエッジ像を形成する光線である。また、アンチピンホールフィルタ２５で遮光された０次光が、仮にアンチピンホールフィルタ２５で遮光されなかったとした場合の０次光の光路３０´を破線で示す。さらに、仮に本実施形態の光線結合器３４がなかったとしたら、この０次光が辿るであろう光路２９´を二点鎖線で示す。
【００８０】
まず、本実施形態における撮像素子２６におけるエッジ像は、回折光２９が集光する位置、つまり、アンチピンホールフィルタで遮光された０次光が撮像素子２６に入射するべき位置に結像する。このときの上下両端のエッジ像間の距離は、Ｄ１となる。
【００８１】
一方、仮に本実施形態の光線結合器３４がなかったとしたら、０次光が辿る光路２９´が撮像素子２６に入射するべき位置に結像する。このときの上下両端のエッジ像間の距離は、Ｄ２となる。
【００８２】
ここで、それぞれの入射位置の差は、図３の撮像素子２６に示す偏差ｅとなり、画面上での距離の差［Ｄ２−Ｄ１］だけ、撮像素子２６を小さくしても、上下両端のエッジ像を同時に同じ高倍率で同一の撮像素子で撮像できる。
【００８３】
次に、図４を参照して、撮像素子２６に結像されるエッジ画像を模式的に示す。なお、図は明暗反転して示している。図４の（ａ）は、本実施形態の光線結合器３４がなかったとしたときの状態で、このときの上下両端部のエッジ間の距離がＤ２であると、上下両端部のエッジは撮像素子２６の撮像面外にあり、エッジ間の距離が測定できない。一方、（ｂ）では、両端のエッジを含む映像がそのままの形状で、光軸１６を含む基準面を境に、それぞれが近接するようにシフトしている。このときの距離Ｄ１を計測して、それぞれのシフト量２ｅを加算すれば、両エッジ間の距離が算出できる。
【００８４】
ここで、図１８、１９を参照して、本実施形態の前提となるアンチピンホールフィルタ２５を用いない投影光学系と本実施形態の形状測定システム５における投影画像の違いを簡単に説明する。
【００８５】
図１８（ａ）は、従来の投影光学系（図２１参照）を用いた図１９に示すような投影画像のエッジ部分の輝度を示すグラフである。グラフ右側が投影した映像のワーク１７の輪郭内側で、左側が外側である。グラフは上方に向けて輝度が高いことを示す。
【００８６】
図１８（ａ）に示すグラフのように、従来は、実際のエッジの位置で、輝度がはっきりと変化せず、高輝度の部分と低輝度の部分は、なだらかに変化しており、この傾斜したグラフのいずれかにエッジが存在する。視覚的には、輪郭がぼけた映像となってしまった。このような変化であると、しきい値の取り方により大きくエッジ部分がずれてしまうことになり、正確なエッジの位置は検出できない。
【００８７】
その理由を説明すると、レーザ光が被測定物のエッジ部分に照射されると、スリットでなくても回折が生じ、直進する０次光の他、ワーク１７のエッジで回折する１次光、２次光、３次光…の回折光が発生する。このうち、２次光以降は、比較的光量が少ないので影響が小さい。従来のように、アンチピンホールフィルタ２５がない従来の構成では、この０次光と、回折光のうち主に１次光がＣＣＤ画面上で像を結び、干渉縞ができる。これらが原因となりエッジ部の画像がボヤけ、エッジ部の判別が困難となり、測定精度が低下する。この問題を解決するため、アンチピンホールを用いたフーリエ変換光学系とした。
【００８８】
ここで、図１８（ｂ）は、本実施形態の投影画像のエッジ部分の輝度を示すグラフである。本実施形態の形状計測装置９では、全体が低輝度になっている部分に２つの高輝度のピークがあり、その中間がはっきりした低輝度の下向きのピーク（ボトム）がある。この高輝度の２つのピークは、回折光のうちの１次光により形成されたものである。アンチピンホールフィルタ２５により０次光を遮光したため、０次光と１次光とが干渉することなく、また１次光同士も間隔が空いているので、それぞれ１次光がはっきりと表れたものである。そして、この間の低輝度のボトムは、本来０次光が到達する位置であり、言い換えれば正確なエッジの位置を示している。
【００８９】
このようなグラフからわかるように、アンチピンホール法では、エッジ検出の閾値の設定が容易で、かつ極めて正確な位置にはっきりとした暗線でエッジが示される。そのため、画像処理が容易で且つロバストなデータを得られるため、数値化が容易で、そのためＮＣ制御も容易にできることになる。
【００９０】
本実施形態は以上のような構成を備えるため、以下のような効果がある。
（１） 本発明の前提構成であるアンチピンホール法によるエッジ検出は、２本の輝線に囲まれたはっきりした暗線としてエッジが現れるため、画像の位置が変位しても画像処理が極めて容易である。
【００９１】
この場合、測定対象物の投影光学系の光軸に近い輪郭内部の部分は、形状の測定に寄与していない。そこで、本実施形態では、形状の測定に寄与する光線を適所でシフトする。そのことで、本来の光源モジュールの光束の幅や、対物レンズ・投影レンズで投影できる光束の幅や、撮像素子が受光できる光束の幅にかかわらず、大きな測定対象物でも、高倍率で精度の高いエッジ検出を行い、かつ一対のエッジ間の距離を正確に測定し、もって測定対象物の外形形状を正確に測定することができる。
【００９２】
（２） 光線結合器３４により、光束の幅をより小さくすることで、エッジ像をそのままの倍率で、撮像素子２６に投影される映像を小さくすることができ撮像素子２６を小型のものとすることができる。
【００９３】
（３） さらに、投影レンズ２４に導入される前に光束の幅をより小さくすることで、投影レンズ２４に導入される光束の幅をより小さくして、投影レンズ２４の径を小さくすることも可能になる。
【００９４】
（４） 光源モジュール１１から照射された平行光の光束の幅が、測定しようとするワーク１７の外寸より小さい場合に、光線分離器３３により光軸１６を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させて、ワーク１７の対向する両方のエッジ２７，２７部分を平行光を照射することが可能となる。したがって、ワーク１７の外寸より狭い光束の平行光しか照射することができない光源モジュール１１でも、このワーク１７の形状を測定できるようになる。
【００９５】
（５） 光線分離器３３と、光線結合器３４とを、同一の構成とすることで、調整が容易になる。また、同一の若しくは近似の構成のものを前後逆に使うことで収差が比較的抑えられる。
【００９６】
（第２の実施形態）
次に、図５を参照して第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、光線分離器３３を備えない点で相違する。
【００９７】
以下、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、光源モジュール１１から、光線分離器３３を介さず、直接ワーク１７を平行光で照射している。測定対象物であるワークが大きさが小さいものに限られる場合、若しくは光源モジュール１１が幅広いレーザ光により平行光が照射可能なものであれば、光線分離器３３はなくても、光線結合器３４の効果を発揮しうる。第１の実施形態よりも構成が簡易になる。
【００９８】
本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果（１）〜（３）に加え、以下のような効果がある。
（６） 簡易な構成とすることができる。
【００９９】
（第３の実施形態）
次に、図６を参照して第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態と比較して、複数の光線結合器３４ａ、３４ｂを備えた点で相違する。
【０１００】
以下、第１、第２の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、第２の実施形態の構成に加え、光線結合器３４ｂを、測定対象物であるワーク１７と対物レンズ２３との間にも配置した。
【０１０１】
図６に示すように、ワーク１７が比較的大型で、かつ光源モジュール１１も大型で、大型のワーク１７に十分平行光を照射できる場合は、第２の実施形態と同様に光線分離器３３は必要がない。一方、検出モジュール１４の撮像素子２６の撮像面が十分に大きくない場合は、第２の実施形態のように唯一の光線結合器３４では、エッジ画像が撮像面に収まりきらない場合も生じる。
【０１０２】
このような場合には、本実施形態のように複数の光線結合器３４ａ、３４ｂを備えてもよい。
本実施形態では、アンチピンホールフィルタ２５と投影レンズ２４の間の光線結合器３４ａに加え、ワーク１７と対物レンズ２３の間にも光線結合器３４ｂを配設した。
【０１０３】
本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果（１）〜（３）に加え、以下のような効果がある。
（７） ワーク１７を通過した平行な光束の幅を光線結合器３４ｂにより平行なまま小さくすることで、撮像素子２６のみならず、対物レンズ２３及び投影レンズ２４を小さくすることができる。従って、投影光学系全体を小さくすることが可能となる。
【０１０４】
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 光線結合器３４なしで、光線結合器３４ｂのみで構成してもよい。
このように構成することで、より簡易な構成で、ワーク１７を通過した平行な光束の幅を光線結合器３４ｂにより平行なまま小さくすることで、撮像素子２６のみならず、対物レンズ２３及び投影レンズ２４を小さくすることができる。
【０１０５】
（第４の実施形態）
次に、図７を参照して第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、第２、第３の実施形態と比較して、光線結合器３４の配置が異なる点で相違する。
【０１０６】
以下、第２，３の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、光線結合器３４ｃを、投影レンズ２４と撮像素子２６との間に配置した。
【０１０７】
また、複数の撮像素子２６ａ、２６ｂを一体に備えた。
図７に示すように、光線結合器３４ｃを、投影レンズ２４と撮像素子２６との間に配置し、投影レンズ２４により撮像素子２６に投影される光線を、基準面を基準として、上半分に照射された光は下側に、下半分に照射された光は上側に、それぞれ相互に光線を近接させる方向に、光線の方向を変えることなく平行な状態を保ったままでシフトさせる。このとき、光線結合器３４ｃを通過した平行光の中央部は、光線が重なったり、乱れたりするが、そもそもこの部分にはワーク１７のエッジ２７がない、つまり基本的に光線がない部分であるので、形状測定には影響がない。
【０１０８】
このようにして、光線結合器３４ｃにより、撮像素子２６で結像する直前で光路をシフトすることで、同じワークであればより小さな撮像素子２６とすることができる。
なお、光線結合器３４ｃによっても、１つの撮像素子２６の撮像面に収まりきらない場合は、複数の検出モジュール１４ａ、１４ｂを用いることもできる。図７に示すように、２つの検出モジュール１４ａ、１４ｂは、光軸１６に対して直交する方向に並べて配置される。このとき、撮像素子２６ａ、２６ｂは光軸１６に直交する同一平面上となるようにする。２つの撮像素子２６ａ、２６ｂは、相対位置が変化しないように固定される。このとき２つの撮像素子２６ａ、２６ｂの間には、隙間ができるが、この部分にエッジ像が来ることがないので、形状計測には問題がない。
【０１０９】
この場合、それぞれの検出モジュール１４ａ、１４ｂによりそれぞれ対向する位置のエッジが検出されることになるが、エッジ間の距離が予め正確に分かっている基準ワークを測定して、その計測結果をキャリブレーションを行うことで、２つの撮像素子２６ａ、２６ｂの相対位置が変化しないので、その後は正確な形状測定ができる。
【０１１０】
本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果（１）〜（３）に加え、以下のような効果がある。
（８） 投影レンズ２４を通過した対向する両端部のエッジ像を撮像素子２６ａ、２６ｂに投影するための光を、光線結合器３４ｃにより結像を損なわないで相互に近接させることができる。そのため、撮像素子２６ａ、２６ｂを小さくすることができる。従って、投影光学系全体を小さくすることが可能となる。
【０１１１】
（９） また、光線結合器３４ｃは、投影光学系のレンズ鏡筒１３の外部にあるため、いわゆる外付けが容易にでき、既成のレンズ鏡筒１３に追加したり、ワークの種類により交換することもできる。さらに、検出モジュール１４ａ、１４ｂと一体のアセンブリとして、ユニット化してもよい。
【０１１２】
（１０） 本実施形態では、検出モジュール１４を、を備えた２つの検出モジュール１４ａ、１４ｂとして構成した。そのため、２つの２つの撮像素子２６ａ、２６ｂにより大きなイメージエリアを得ることができ、より大型のワークの形状計測もできる。
【０１１３】
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 撮像素子２６ａ、２６ｂを基準面から離間した位置に配置してもよい。そうすることで、より大きなワークをより小さな撮像素子で形状を計測することができる。
【０１１４】
○ さらに、２つの撮像素子を近接させまたは離間させる構成としてもよい。このように変位させても、形状計測の前に、基準ワークによりキャリブレーションすれば、その間隔が未知であってもよい。
【０１１５】
（第５の実施形態）
次に、図８、図９を参照して第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、第４の実施形態と比較して、光線結合器３４ｃの構成が異なる点で相違する。
【０１１６】
以下、第２〜４の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の光線結合器３５では、投影レンズ２４と撮像素子２６との間に配置した光線結合器３４ｃを、くの字形のプリズムではなく、ミラーを用いた構成とした。
【０１１７】
光線結合器３５を構成するミラーは、ガラス、金属などの表面または裏面に金属膜などを形成し、ほぼ光線を１００％反射する平面鏡から構成されている。ここでは底面が直角二等辺三角形の三角柱状のガラスブロックの所定の面に反射膜を施したものである。
【０１１８】
光線結合器３５の第１ミラー３５ａは、直角を挟む等しい二辺（以下「二等辺」という。）側の面をそれぞれ反射面として、直角側の頂点を光源モジュール１１側に向けて基準面上に配置される。このとき直角に対向する斜辺（以下「斜辺」という。）は基準面と垂直に配置されている。したがって光軸１６方向からの光線を、基準面を基準として、上半分に照射された光は下側に、下半分に照射された光は上側に、それぞれ相互に光線を近接させる方向に、直交方向に反射させるように構成されている。
【０１１９】
１対の第２ミラー３５ｂ、３５ｃは、斜辺側を反射面とし、二等辺のうち、一辺を基準面と直交する方向に、他の一辺を直角の頂点を挟んで検出モジュール１４側に延びるように基準面と平行に配置される。したがって、第１ミラー３５ａにより反射された光線をそれぞれ光軸１６と平行で、検出モジュール１４側に直交するように反射するように構成されている。なお、第２ミラー３５ｂ、３５ｃは検出モジュール１４側にシフト可能に構成されている。
【０１２０】
一対の第３ミラー３５ｄ、３５ｅは、二等辺のうち、一辺を基準面と平行かつ、第２ミラー３５ｂ、３５ｃの一辺と同一面上になるように配置される。他の一辺は直角の頂点を挟んで基準面側に延びるように基準面と直交して配置される。そして、斜辺側が反射鏡となっている。したがって、第２ミラー３５ｂ、３５ｃにより反射された光軸１６と平行な光線をそれぞれ光軸１６に向かうように光軸１６と直交する方向に再び反射するように構成されている。
【０１２１】
第４ミラー３５ｆは、二等辺側の面をそれぞれ反射面として、直角側の頂点を検出モジュール１４側に向けて基準面上に配置される。このとき斜辺は基準面と垂直に配置されている。したがって光軸１６と直交する方向からの光線を、基準面を基準として、上から照射された光線を上半分に、下から照射された光は下半分に、それぞれ相互に平行に検出モジュール１４側の方向に、直交方向に反射させるように構成されている。
【０１２２】
以上のように第１〜４ミラー３５ａ〜ｆが構成されているため、光線結合器３５は、全体として基準面と面対称な構成となっている。
次に、このように構成された光線結合器の作用について図９を参照して説明する。まず、図９（ａ）の状態では第２ミラー３５ｂ、３５ｃの反射面は、光軸１６と直交する方向において、第１ミラー３５ａのそれぞれの反射面と同一の位置に配置されている。このため、第１ミラー３５ａで反射した光は、光軸１６から比較的離れた光線の場合、その光線は、第２ミラー３５ｂ、３５ｃの外側の部分で反射し、光軸１６と平行に検出モジュール１４側に進み、第３ミラー３５ｄ、３５ｅで反射する。この光線は、第１ミラー３５ａで反射した位置と同じ位置である、第４ミラー３５ｆの光軸１６から比較的離れた位置で反射する。そして、撮像素子２６の所定位置に結像する。すなわち、元の光路に復帰する。
【０１２３】
図９（ｂ）は、第２ミラー３５ｂ、３５ｃを検出モジュール１４側にシフトした状態を示す図である。この場合、比較的光軸１６から離れた位置の光線が第１ミラー３５ａの同じ場所で反射する。そして、第２ミラー３５ｂ、３５ｃに向かって光線が進むが、第２ミラー３５ｂ、３５ｃを検出モジュール１４側にシフトした状態であるので、この光線は第２ミラー３５ｂ、３５ｃの比較的光軸１６に近いほうの位置で反射する。この光線は光軸１６と平行に検出モジュール１４側に進み、第３ミラー３５ｄ、３５ｅで反射する。この光線は、第２ミラー３５ａで反射した位置と同じ比較的光軸１６に近い位置である、
そして、このため、第４ミラー３５ｆの光軸１６から比較的近い位置で反射する。そして、撮像素子２６の基準面側にシフトして結像する。
【０１２４】
この場合、もし投影光学系から光軸１６に近い光線が入射すると、第２ミラー３５ｂ、３５ｃがシフトしているので、この光軸１６に近い光線は、第２ミラー３５ｂ、３５ｃでは、反射されない。
【０１２５】
しかしながら、図９において示すエッジ像は、光軸１６から比較的離れた位置にあるものであり、光軸１６に近い部分の光線がカットされても形状測定には影響がない。
また、光線がどの程度基準面側に近接するかは、第２ミラー３５ｂ、３５ｃのシフトの程度で変更できることになる。
【０１２６】
図９（ｂ）に示す図において、第２ミラー３５ｂ、３５ｃがシフトすることで、第１ミラー３５ａと第２ミラー３５ｂとの間の光路長が[ｌ］だけ短くなる。そのため、撮像素子２６を第２ミラー３５ｂ、３５ｃと連動させて同一の方向に同じ[ｌ]だけシフトする。すなわち、第２ミラー３５ｂ、３５ｃと検出モジュール１４は物理的に連動してシフトすればよく、簡易な構成で、常に投影レンズ２４と撮像素子２６の光路長を一定して、シフトに伴うピントのずれを防ぐことができる。
【０１２７】
本実施形態によれば、上記（１）〜（３）、（８）〜（９）の効果に加え以下のような効果がある。
（１１） 本実施形態によれば、光路シフト手段の光学要素の一部をシフトすることで光線結合器３５のシフト量が可変にすることができる。
【０１２８】
（１２） 光軸１６の幅方向に光路をシフトさせているため、光軸１６方向の長さを短くし、装置全体の長さをコンパクトにすることができる。
（１３） 反射部材のみで光線結合器を構成しているため、色収差や、入射角度による屈折角の変化などの影響が原理的にない。また、屈折部材を用いるのに比べて、はるかに大きなシフト量を容易に生じさせることができる。
【０１２９】
（１４） 各構成要素が単なる反射鏡であるので、製造が容易で生産コストも低い。
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 本実施形態では、三角柱形状のガラスブロックとしたが、単なるガラス盤や金属板からなる平面鏡から構成してもよい。
【０１３０】
○ 直角二等辺三角形のプリズムを用いて、その内部に光線を導入し、斜辺側の内面を全反射による反射板として用いてもよい。
○ 第２ミラー３５ｂ、３５ｃのシフトに替えて、第１ミラー３５ａ、若しくは第３ミラー３５ｄ、３５ｅ、若しくは第４ミラー３５ｆのいずれか、又は、第２ミラーを含むすべてのミラーの中から複数のミラーをシフトするように構成することも可能である。
【０１３１】
（第６の実施形態）
次に、図１０を参照して第６の実施形態を説明する。
第１〜４の実施形態の光線分離器３３、光線結合器３４においては、単体の「く」の字形のプリズムにより、光路のシフトを行っている。第６の実施形態は、このような単体の「く」の字形のプリズムでは、十分に光路がシフトできない場合は、図１０に示すように「く」の字形のプリズム３４１〜３４４を複数用いて光路のシフトをおこなってもよい。
【０１３２】
なお、本実施形態の光線結合器３４１〜３４４は、基準面の上部と下部は別体のガラスを基準面で貼り合わせた構成となっている。
本実施形態によれば以下のような効果がある。
【０１３３】
（１５） 本実施形態のように構成することで、光路のシフト量を大きくすることができる。
（１６） なお、単体の「く」の字形のプリズムの厚みを厚くすることで、同様の効果を得られるが、そのような厚いプリズムは、コストが極めて高いものとなり好ましくない。したがって、本実施形態のように薄いプリズムを多数使用することで製造を容易としてコストを低減できる。
【０１３４】
（１７） また、本実施形態の光線結合器３４１〜３４４は、基準面の上部と下部は別体のガラスを基準面で貼り合わせた構成となっているため、通常の市販のガラス板を加工するだけで簡単に、かつ低コストで製造することができる。
【０１３５】
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 厚みの厚い「く」の字形のプリズムとしてもよい。コストを度外視すれば、単体のほうが光線の透過率などで有利となる。
【０１３６】
（第７の実施形態）
次に、図１１を参照して第７の実施形態を説明する。
第１の実施形態において、光路シフト手段として屈折部材を用いた光線分離器３３と光線結合器３４を備えるが、第７の実施形態においては、反射部材により構成された光線分離器／結合器３６を備える点と、その配置の点で相違する。以下、第１〜６の実施形態と相違する点のみを中心に説明し、共通する構成は同一の符号を付しその説明を省略する。
【０１３７】
図１１に示すように、光線分離器／結合器３６を備える。本実施形態の光線分離器／結合器３６は、屈折部材ではなく反射部材で構成されている。第１のミラー３６ａ，３６ｂは、コリメータレンズ２２により平行とされたレーザ光３１を基準面から分離する方向に直角に反射する。第２のミラー３６ｃ、３６ｄは、第１のミラー３６ａ，３６ｂにより分離する方向に偏向された光線を再び光軸１６と平行にするとともに、ワーク１７のエッジ２７にレーザ光を照射する。なお、ここでは、回折光についての説明は省略し、光路の中心方向のみを図示して説明する。この第１のミラー３６ａ，３６ｂ、及び第２のミラー３６ｃ、３６ｄが、光線分離器として機能する。
【０１３８】
第３のミラー３６ｅ、３６ｆは、エッジ２７部分を通過したレーザ光を再び結合する方向に反射し、第４のミラー３６ｇ、３６ｈは、この光線を再び光軸１６に平行に偏向するように反射する。この第３のミラー３６ｅ、３６ｆ、及び第４のミラー３６ｇ、３６ｈが光線結合器として機能する。
【０１３９】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（１８） 本実施形態では、すべての光路シフト手段を反射部材で構成しているため、シフト量が大きくでき、色収差の問題も生じにくい。
【０１４０】
（１９） また、光線結合器を構成するミラー３６ｅ〜ｈを、ワーク１７と対物レンズ２３との間に配設したため、撮像素子２６のみならず、対物レンズ２３、投影レンズ２４の小型が達成でき、装置全体の小型ができる。
【０１４１】
（２０） さらに、レンズ鏡筒１３の外部に設置できるので、既存のレンズ鏡筒に外付けも容易である。
（第８の実施形態）
次に、図１２を参照して第８の実施形態を説明する。
【０１４２】
第３、第７の実施形態において、光路シフト手段としてワーク１７と対物レンズ２３の間に屈折部材や反射部材を用いた光線結合器を備えるが、第８の実施形態においては、その構成がいずれとも異なる構成である点で相違する。
【０１４３】
以下、第３、７の実施形態と相違する点のみを中心に説明し、共通する構成は同一の符号を付しその説明を省略する。
図１２に示すように、光線分離器を構成するミラー３６ａ〜３６ｄを備えるが、第７の実施形態と共通するため、説明を省略する。
【０１４４】
本実施形態の光線結合器３７は、平行板状の矩形の光学ガラスからなるプリズムである。その端面の一方をワーク１７のエッジ２７の検出モジュール１４側であって、その一辺が光軸１６と直交する平面上に位置するように配置する。そして、他の端面が、基準面に近接するように傾けて配置する。
【０１４５】
なお、ここでは、回折光についての説明は省略し、光路の中心方向のみを説明する。
ワーク１７のエッジ２７を通過したレーザ光は、板状のプリズム３７の端面からプリズム３７の内部に進入する。進入したレーザ光は、プリズム３７の上側内壁面で全反射し、再度下側内壁面で全反射し、他の端面から射出される。したがって、エッジ２７を通過した光線は、その方向を変えず基準面に近接するようにシフトされる。
【０１４６】
なお、本実施形態では、ワーク１７側および検出モジュール１４側の端面はその位置を変位可能で、ワーク１７や検出モジュール１４に合わせて、光線を案内することができる。
【０１４７】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（２１） 板状のプリズムを用いることで、主に内部反射を利用して、光線を任意の位置から別の任意の位置に案内することができる。
【０１４８】
（第９の実施形態）
次に、図１３を参照して第９の実施形態を説明する。
第９の実施形態において、光線分離器／結合器３８のうちミラー３９ａ〜３９ｄは、第７、８の実施形態のミラー３６ａ〜３６ｄと基本的に共通するため、説明を省略する。
【０１４９】
また、第９の実施形態において、光線結合器を構成するミラー３９ｅ〜３９ｈは、第５の実施形態の光線結合器３５のうち、第３ミラー３５ｄ、３５ｅおよび第４ミラー３５ｆと取付位置が異なる以外は基本的な構成が共通するため、詳細な説明は省略する。
【０１５０】
本実施形態の光線分離器および光線結合器３８は、それぞれ光軸１６から離れた光線分離器の外側ミラー３９ｂ、３９ｃと光線結合器の外側ミラー３９ｄ、３９ｅとが光軸１６に平行に近接、離間可能にシフトすることができる。
【０１５１】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（２２） 本実施形態によれば、ワーク１７の大きさに合わせて、外側のミラー３９ｃ、３９ｄ、３９ｇ、３９ｈをシフトすることで、多種類のワークに対応することができる。
【０１５２】
（２３） 光線分離器と光線結合器を同一の構成としているため、レンズ鏡筒１３や検出モジュール１４に与える影響がほとんどない。
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
【０１５３】
○ シフト方向は、光軸１６に平行な方向に限らず、光軸１６に直交する方向にシフトされるようにしてもよい。
（第１０の実施形態）
次に、図１４−１７を参照して第１０の実施形態を説明する。
【０１５４】
本実施形態は、本発明の形状測定装置をシステム化して工作機械に搭載した一例である。
図１４には本発明の形状計測システムの一実施例を、図１５には図１４に示した形状計測システムを搭載した成形研削盤を示す。
【０１５５】
（形状計測装置全体） 図１４に示す形状測定システム５は、ワーク１７のエッジ２７（図１参照）を検出する形状計測装置９と、ここにレーザ用の電力を供給する光源用電源１２と、形状計測装置９からのデータを処理するパソコン２０より構成されている。
【０１５６】
（形状計測装置）形状計測装置９は、ベース１０の上に設けられた対象物にレーザ光を発射する光源モジュール１１と、このレーザ光を投影するための光学系を備えたレンズ鏡筒１３と、投影された画像を検出する検出モジュール１４が、共通な光軸１６に沿って、この順に配置されている。
【０１５７】
（ワーク）本実施形態のエッジ検出の対象物であるワーク１７は、スローアウェイチップを例に挙げている。このスローアウェイチップは、極小径のボールエンドミルやドリルを加工するための旋盤などの切削工具の先端につける交換用の刃先で、ここでは砥石１５により正確な外径に形成される。ワーク支持装置２（図１５）のチャックで固定されたスローアウェイチップは、光軸１６を中心に回転可能に支持されている。本実施形態の加工対象物としてワーク１７は、ワークテーブル４のワーク支持装置２で砥石１５に対してＸ軸（前後）方向、Ｙ軸（左右）方向、Ｚ軸（上下）方向のうち必要な範囲で移動・回転可能となっている。もちろんワーク１７は、スローアウェイチップに限るものではなく、各種ゲージ等はもちろん、ボールエンドミルを含む各種ミルなどの刃物など工具、ジグをはじめ、目的・材質を問わず正確な輪郭形状を必要とするものが挙げられる。
【０１５８】
（砥石）本実施形態の工作機械の工具の一例として砥石１５を例に挙げている。砥石１５は、ワーク１７の軸心に平行な軸となるように配置されたスピンドル１８に装着された円盤状の砥石で、ワーク１７に対して接離可能に図示しない砥石支持手段で支持されており、Ｘ軸（前後）方向、Ｙ軸（左右）方向、Ｚ軸（上下）方向のうち必要な範囲で移動・回転可能に支持される。本実施形態の円盤状の砥石１５は工具の一例であって、ボール状など各種の形状の砥石はもちろん、各種切削工具、研削工具、研磨工具等が挙げられ、その支持方法も目的に応じて各種の形態を取り得る。
【０１５９】
（機器の接続）図１４に示すように、光源用電源１２は、光源モジュール１１に電気的に接続され、この光源モジュール１１に電力を供給している。
また、図１６に示すように、光源モジュール１１、検出モジュール１４は、パソコン２０にデータ送受信可能に接続されている。また、ワーク支持装置２、および砥石支持装置（不図示）は、ＮＣ制御装置８を介してパソコン２０に接続されている。そしてパソコン２０は、検出モジュール１４からの画像信号を受信する。また、パソコン２０は、ＮＣ制御装置８を介して、ワーク支持装置２および工具支持装置からのフィードバック信号を受信するとともに、それらに制御信号を送信して研削加工を制御する。
【０１６０】
（成形研削盤）図１５は、成形研削盤４０の全体を示す。いわゆる倣い研削盤で、ワークの形状を確認しながらその形状を形成していく工作機械である。形状測定システム５は、その光軸１６（図１参照）を、成形研削盤４０のＹ軸方向に平行に採った場合を示している。もちろんいずれの方向にセットするかは、工具やワークにより適当な姿勢を選択すればよい。本実施形態では、上述のワーク１７の中心を原点に、形状測定システム５の座標系に対して、成形研削盤４０のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向のＮＣ制御指令を用いて一致させ共通の座標系を用いる。また、実際のワーク１７の動きと、エッジ検出のデータ、ＮＣ制御のデータの一連の設計・解析・製造データが相互に共有・互換・活用しやすいようになっている。同様に、ＣＡＤ（Computer Aided Design）／ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）／ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）の一連の設計・解析・製造データが相互に共有・互換・活用しやすいようになっている。そのため、本実施形態では、収差を補正しつつ、実際のワークの形状を測定しながら正確かつ自動的なＮＣ加工が可能になっている。
【０１６１】
（コンピュータ）図１６に示すように、撮像素子２６からの信号を演算処理するコンピュータであるパソコン２０は、ＣＰＵ２０ａ、ＲＡＭ２０ｂ、ＲＯＭ２０ｃ、外部記憶装置としてのＨＤＤ２０ｄ、外部インターフェイス２０ｅを備える。ＨＤＤ２０ｄには、エッジ判定プログラム、エッジ表示プログラム、収差修正処理プログラムが記憶されており、パソコン２０をエッジ判定、エッジ幅測定（エッジ幅測定手段）エッジ表示、収差処理の各制御装置として機能させている。このパソコン２０は、外部インターフェイス２０ｅを介して、表示装置２０ｆとしての例えばＬＣＤ（液晶ディスプレー）と、入力装置２０ｇとしての例えばキーボード、マウスが接続されている。表示装置２０ｆは、パソコン２０にインストールされた上述の各プログラムを実行するためのモニター画面であるとともに、パソコン２０により画像信号として処理されたエッジ画像を表示することができる。
【０１６２】
（ＮＣ制御装置、ＣＡＤ用コンピュータ）また、パソコン２０は、成形研削盤４０のＮＣ制御装置８、ＣＡＤ用コンピュータ７にもそれぞれ接続されている。ＮＣ制御装置８は、ワーク１７と砥石１５の相対位置をフィードバックしながら、入力された設計データに基づき制御信号をワーク支持装置２、砥石支持装置（図示せず）に送信して研削加工を行う。ＣＡＤ用コンピュータ７は、ワーク１７の設計データが記憶されており、このデータをＮＣ制御装置に送信して、ＣＡＤデータに基づくＮＣ制御をすることができる。
【０１６３】
（形状測定の手順）次に、図１７に示すフローチャートに沿って本実施形態の成形研削盤４０における、形状測定の手順およびその後のパソコン２０の処理を説明する。
まず、予めパソコン２０を立ち上げて、形状測定プログラムを起動する。ワーク１７をワーク支持装置に装着する（Ｓ１）。このとき、ワーク１７の中心とＮＣ制御の座標軸の原点が一致するようにする。そして、距離を測定したい対向する一対のエッジを対物レンズ２３の前側焦点２７´の平行光の範囲内にくるようにワーク支持装置により移動させる。
【０１６４】
続いて、入力装置２０ｇから光源用電源１２をコントロールし適当な出力になるように調整して光源モジュール１１からレーザ光を射出する。次に、表示装置２０ｆを見ながら、距離を測定すべき対向する二つのエッジ２７画面内に表示されるかを確認する。投影倍率が可変の場合には、倍率が最も大きくなるように調節する。一方、第５、第７〜９の実施形態のような光線結合器３５〜３８が可変のものは、それぞれの光学要素をシフトさせて画面内に二つのエッジの距離が測定可能にする。いずれも調節可能な場合は、両者を調節してもっとも倍率が大きくなるように調節する。なお、三角形や四角形のスローアウェイチップの場合は、二つのエッジ間の距離を測って、その形状を測定するため、ワーク１７を回転させたときでも十分に測定の余裕がある倍率、シフト量にする。
【０１６５】
その後、光量調整手段であるＮＤフィルタ１９によりいわゆる白飛びや黒潰れにならないように光量を微調整する（Ｓ２）。また、アンチピンホールフィルタ２５のエッジが明確になるように軸方向の位置を調整する。検出モジュール１４の位置を軸方向に調整し画像のピントの微調整をする（Ｓ３）。また、表示装置２０ｆを見ながら、必要があれば、エッジ画像が帯状の２本の高輝度の部分に挟まれた１本の低輝度の部分となるようにワーク１７、光量、アンチピンホールフィルタ２５、検出モジュール１４の調整を繰り返す（Ｓ４：ＮＯ）。
【０１６６】
調整ができれば、表示装置２０ｆに表示されたワーク１７は、エッジ部分が帯状の２本の高輝度の部分に挟まれた１本の低輝度の部分となって表示される（Ｓ４：ＹＥＳ）。
パソコン２０は、エッジ判定プログラムによりエッジ判定手段として、画像処理により信号強度を判定し、帯状の２本の高輝度の部分に挟まれた低輝度の部分をエッジと判定する（Ｓ５）。具体的には、たとえば、高輝度のドットを選択し、ノイズ処理をした後、連続した帯状の領域を抽出する。さらに、この帯状の部分から低輝度の連続した部分を抽出する。
【０１６７】
エッジが検出されると、パソコン２０は、測定対象物の両端部のエッジの測定面上の距離から当該測定対象物の幅を測定するエッジ幅測定の手順を実行する。エッジ幅測定の手順は、撮像素子２６からの信号により検出された測定対象物の両端部のエッジの測定面上の距離に、光線結合器３４〜３８等によりシフトされた距離を加算して、実際のエッジ間の距離を計算する。
【０１６８】
光軸１６を中心にワーク１７の角度を変えて、他のエッジ間の距離を次々と測定する。回転させながらこれらのデータをプロットして３６０°測定し終わったら、実際の外形形状を演算して測定結果を出す。
【０１６９】
表示装置２０ｆでは、この検出されたエッジの形状を線図としたエッジ画像で表示することもできる。なお、アンチピンホールフィルタ２５を可動式にして光路から待避するように構成すれば、従来の投影機と同様の画像を表示することも可能である。
【０１７０】
なお、パソコン２０は、検出されたエッジを表示装置２０ｆに座標で表示することもできる。もちろん表示装置２０ｆに表示されるワーク１７の拡大された画像と比較しつつこの座標値を見たり、座標値によりワーク１７の見たい部分を表示装置で表示することもできる。
【０１７１】
（キャリブレーション）
パソコン２０は、シフトされた距離を補正するに当たり、予め正確な形状が判明している基準ワークを用い、キャリブレーションを行う。具体的には、基準ワークを測定し、演算して形状を求める。この結果を基準ワークと比較してその差を求める。このときの差を固定誤差として、これをゼロとするような補正値として記憶しておく。
【０１７２】
（マニュアル操作）また、パソコン２０は、ワーク１７を対象物として撮像素子２６から入力された信号に基づきワークのエッジを検出するとともに、エッジデータに基づきエッジ画像を表示装置２０ｆに表示する。このとき、ＣＡＤにより設計した設計データに基づいてエッジ２７を表示装置２０ｆでエッジ画像と重畳して表示させることもできる。このとき成形研削盤４０のオペレータは、この表示された設計画像を参照しつつ、同じ表示装置２０ｆに表示されたエッジ画像に基づいてマニュアル操作で研削加工をすることができる。そのため、ＮＣ制御ではできないような高いスキルの技術を発揮することもできる。
【０１７３】
（ＮＣ自動制御）また、パソコン２０は、ＣＡＤを用いて設計されたワーク１７の設計データを入力して、ＮＣ制御をおこなう。また、撮像素子２６から入力された信号に基づきワーク１７のエッジをエッジデータとして検出する。この設計データとエッジデータは同一の座標系を共有する。この座標系を用いて、現在形状測定システム５によりエッジが検出されている位置と同位置・同角度の設計データから、同位置・同角度で投影された計算上のエッジを演算して抽出する。そして、設計上のエッジの位置を表示装置２０ｆで表示しつつ、実際に検出したエッジ画像を表示する。一方、コンピュータ内部でも、入力された対象物の設計データに基づき、逐次現状のワークの形状を測定して比較し、その差分を演算する（Ｓ６）。この差分をフィードバックすることで成形研削盤４０によりワーク１７の研削加工をＮＣ制御により自動的に行う（Ｓ７）。この差分があれば、加工後のワーク１７の形状を逐次測定し、加工を繰り返す（Ｓ８：ＮＯ）。そして、ＣＡＤデータと抽出されたエッジの形状に差分がなくなれば加工は完了する（Ｓ８：ＹＥＳ）。
【０１７４】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（２４） 形状計測装置９により計測されたエッジ２７間の距離から、これをプロットすることで、正確な輪郭形状が測定できる。
【０１７５】
（２５） さらに、測定した形状に基づいてこれを表示して、加工時に確認ができる。
（２６） さらに、形状をデータ化してフィードバックすることで、ＮＣデータやＣＡＤデータと比較して、自動で精度の高いＮＣ加工が可能となる。
【０１７６】
（２７） その結果、形状計測装置を搭載した工作機械の精度を飛躍的に高めることができる。
（第１１の実施形態）
第１−１０の実施形態実施形では、図示を省略するが、アンチピンホール法を前提とした発明であるが、従来技術として述べた０次光で測定をするアンチピンホール法ではない従来の形状測定装置に適用してもよい。その精度や、０次光のカットによる背景光の消失など、本発明の実施はアンチピンホール法が望ましいものといえるが、その技術的思想は、アンチピンホール法以外の方法への適用を妨げるものではない。
【０１７７】
具体的には、第１−１０の実施形態から、アンチピンホールフィルタ２５を除いた構成で実施できる。
本実施形態によれば以下のような効果がある。
【０１７８】
（２８） 本実施形態は、光路シフト手段により、光源モジュール１１の大きさ、ワーク１７の大きさ、レンズ鏡筒１３の大きさ、検出モジュール１４の大きさなどに合わせることができる。つまり光線分離器や光線結合器など光路シフト手段により、数値処理可能なエッジ画像を撮像しつつ、測定する工具の両端のエッジの位置関係を正確に測定ことで全体の外形形状を測定することができる。アンチピンホール方と比較すると、エッジ検出の精度自体や、背景光が反射・屈折してノイズとなる点では不利であるが、この手の形状測定装置において、大きなワークを正確に形状を測定できる点では欠点を超えたメリットがある。
【０１７９】
以上、本発明を１から１１の実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項を逸脱しない範囲でその構成を付加し削除し変更して実施できる。
【符号の説明】
【０１８０】
２…ワーク支持装置、３…投影光学系（従来技術）、４…ワークテーブル、５…形状計測システム、６…光学収差測定装置、７…ＣＡＤ用コンピュータ、８…ＮＣ制御装置、９…形状計測装置、１０…ベース、１１…光源モジュール、１２…光源用電源、１３…レンズ鏡筒、１４…検出モジュール、１５…砥石、１６…光軸、１７…測定対象物としてのワーク、１８…スピンドル、１９…ＮＤフィルタ（光量調整手段）、２０…パソコン（コンピュータ）、２０ａ…ＣＰＵ、２０ｂ…ＲＡＭ、２０ｃ…ＲＯＭ、２０ｄ…ＨＤＤ、２０ｅ…外部インターフェイス、２０ｆ…表示装置、２０ｇ…入力装置、２１…レーザ発振器、２２…コリメータレンズ、２３…対物レンズ、２４…投影レンズ、２５…アンチピンホールフィルタ、２６…撮像素子、２６´…投影レンズの後側焦点、２７…エッジ、２７´…対物レンズの前側焦点、２８…対物レンズの後側焦点（共焦点）、２８´…投影レンズの前側焦点（共焦点）、２９…回折光、３０…透過光、３１…レーザ光、３３…光線分離器（屈折部材）３４…光線結合器（屈折部材）、３５…光線結合器（反射部材）、３６…光線分離器／結合器（反射部材）、３７…光線結合器（屈折／反射部材）、３９…可動式光線分離／結合器、４０…成形研削盤（工作機械）、ｆ１，ｆ２…焦点距離、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…距離（撮像素子の幅）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置及びこれを用いた工作機械、形状計測方法に係り、詳しくは、比較的大きく、且つ高い精度の要求される例えば、使用途中のスローアウェイチップなどを、非接触で、そのエッジ位置を検出し、そのエッジ間の距離から、リアルタイムに外形形状を数値的に精度高く測定可能とする光学的な形状測定装置及びこれを用いた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで精密な加工をする場合は、たとえば拡大投影機を設けた所謂倣い研削盤など、ワークの加工部分を光学的に拡大投影して加工するようなものが用いられてきた。
ところで、近年、いわゆるナノ工学が多方面に活用されるようになり、高い工作精度がますます要求され、μｍオーダーや、いわゆるサブμｍオーダーの加工が要求されている。例えば、ディンプルと呼ばれる微小なくぼみを規則的に配置したディンプルテクスチャが、光学やトライボロジー等の広範囲の分野で用いられている。また、マイクロチャンネルを用いて、ナノリッター（ｎＬ）からフェムトリッター（ｆＬ）の微小流体をハンドリングするマイクロ流体工学もバイオ関係などで活用されている。これらの場合、数十μｍのディンプルやマイクロチャンネルを形成するには、直接ワークを、またはプレス若しくは成形のための型を正確に３次元的に造形する必要があった。
【０００３】
このような場合、露光装置を用いてリソグラフィで加工する方法も考えられるが、きわめてコストが高いばかりか、幅方向の精度は高くても深さ方向の精度は保証できないため、正確な３次元的造形ができない。また、放電加工などもコストは低いがやはり正確な３次元的造形ができない。この点、研削加工・切削加工などの機械加工によれば、理論的には正確な３次元的造形が可能であり、比較的コストも低く、多品種少量生産にも適している。このような超精密加工をするには、極小径のボールエンドミルのような高速回転する回転工具を用いた精密機械加工が一般的であるが、そのためには、まず精度の高い回転工具が不可欠の前提である。
【０００４】
このようなボールエンドミルなどの工具を製造するためには、その前提として正確な工作機械と正確な加工工具が必要になる。たとえば、一例として加工工具としてスローアウェイチップを用いる場合、スローアウェイチップを製造したり、再研磨する際このスローアウェイチップ自体の正確な外形形状をリアルタイムで知る必要がある。
【０００５】
この場合、スローアウェイチップ自体の脱着によっても、絶対位置が変化するため、スローアウェイチップを工作機械に装着したまま、加工中に機上で測定できることが望ましい。
【０００６】
従来のように光学的に外形形状を単純に２０〜５０倍程度に拡大して投影する倣い研削盤のようなものでは、研削盤等の精度がいくら高くても、その外形形状が高い精度では確認できず、上述のような精密な加工は達成できなかった。
【０００７】
一方、レーザを光源として拡大投影光学系で加工対象である回転工具の像を拡大投影し、これを撮像するような方法も用いられるようになった。たとえば、従来の輪郭を投影するための投影光学系では、レーザ発振器から照射された光線はコリメータレンズにより平行光とされワークを照射する。この光線は対物レンズ、投影レンズにより、ＣＣＤなどの撮像素子で撮像されたりした。
【０００８】
ところが、レーザなどの光源を測定物に当て拡大画像を取得する際、測定物のエッジ部で回折光により回折縞を生じ、波源となった透過光と干渉することなどから、いくら倍率を上げたところで図１９に示すように映し出された像のエッジがぼやけるという問題があり、高い精度が得られにくかった。
【０００９】
そこで、本発明者らは、特許文献１に係るエッジ検出方法を提案した。すなわち、図２１に示すような平行光を発する光源モジュール１１と、この光源モジュール１１側に配置された対物レンズ２３と、この対物レンズ２３と共焦点（２８，２８´）を有するように光源モジュール１１と反対側に配置された投影レンズ２４とからなるレンズ鏡筒１３を備える。そして、このレンズ鏡筒１３において共焦点（２８，２８´）に配置され入射光のうちの透過光３０を含む０次光の光量を遮光するアンチピンホールフィルタ２５を備えた投影光学系を特徴とする。これを前提に、平行光の光軸１６と軸心を共通にするように配置されたレンズ鏡筒１３と、レンズ鏡筒１３により投影された映像を撮像するように光軸１６と直交するように配置された撮像素子２６を備えた検出モジュール１４と、この検出モジュール１４からの信号を演算処理するコンピュータとを用いる。平行光を遮るように対物レンズ２３の光源モジュール１１側の焦点位置２７´に置かれたワーク１７の投影画像を撮像素子２６で撮像する。アンチピンホールフィルタ２５は、対物レンズ２３を平行に通過する光線をすべて遮光する。図では遮光された光線の光路を破線で示す。一方、測定対象物の１７のエッジ２７部分を通過した平行光は、回折光や散乱光を発生させて光軸１６とは平行でない実線で示す光線を発生させる（ここでは、それらを便宜上「回折光２９」と呼ぶ。）。この回折光２９は、撮像素子２６上の撮像面で図２０に示すような本来のエッジ部分を挟むような２本の輝線となる。コンピュータは、撮像素子２６からの信号強度により輝度を判定し２本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分をエッジと判定するエッジ判定の手順を実行することを要旨とするエッジ検出方法を提案した。（以下、この方法を本願では「アンチピンホール法」ということにする。）
このアンチピンホール法を用いた光学的なエッジ検出装置により、回折光の影響を受けることなく、非接触かつ、リアルタイムで、加工後及び加工途中のワークなどをμｍオーダ若しくはサブμｍオーダで、鮮明な輪郭形状を数値的に測定可能とすることができるようになった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１５０８６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このアンチピンホール法は、非接触で、極めて高速に回転する超極細のボールエンドミルのような回転工具においてもエッジに対応する画像を撮像し、その加工工具のエッジ位置を１μｍ以下の公差で極めて高精度に検出することができた。
【００１２】
しかしながら、このようなボールエンドミルを加工するスローアウェイチップのような加工工具では、全体の外寸が２０〜４０ｍｍと大きく、全体の形状をＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子の一画面で撮像しようとすれば、画面サイズが決まっていることから、いきおい低倍率にせざるを得ない。そうすると、撮像素子の分解能から正確なエッジ位置を検出することは困難であった。
【００１３】
一方、エッジ部分を高倍率で拡大して撮像すれば、アンチピンホール法で得られた高倍率の鮮明なエッジ画像からそれぞれのエッジの位置は正確に特定できる。しかしながら、輪郭を形成する対向するそれぞれのエッジを撮像するためには必然的に移動が伴い、本発明のようなμｍオーダーでの精度を追求する発明では、その誤差が無視できない。つまり、測定対象物の両端のエッジを、それぞれ別々に単独でいくら高倍率で拡大して撮像して鮮明なエッジ像が得られたとしても、移動による誤差が入り込む余地があるため両者の相対位置関係が不明となり、結局工具全体の幅を正確に測定することができなかった。
【００１４】
本発明は、数値処理可能な鮮明且つ正確なエッジ画像を撮像しつつ、測定する工具の両端のエッジの位置関係を正確に測定することができる形状測定装置、及びこれを用いた工作機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る形状測定装置では、平行光を発する光源モジュールと、該光源モジュールの発する平行光の光軸に沿って配置された、該光源モジュール側に配置された対物レンズと、該対物レンズと共焦点を有するように前記光源モジュールと反対側に配置された投影レンズと、前記共焦点に配置され入射光のうちの０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタとを備えた投影光学系と、前記光軸を含む基準面に対して対称に、光束を、その方向を変えずに近接若しくは離間するように平行移動させる光路シフト手段と、該投影光学系により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子とを備えたことを要旨とする。
【００１６】
本発明によれば、本発明の前提構成であるアンチピンホール法によるエッジ検出は、アンチピンホールフィルタを備えた投影光学系で、光源モジュールから測定対象物に照射された平行光は、アンチピンホールによりゼロ次光を遮断される。一方、測定対象物のエッジ部分（便宜上「エッジ」と称するが、正確には本願では所謂「エッジ」が立たない円筒面等も含む。言い換えれば、光軸方向に見たときの輪郭を形成する部分である。）で生じた回折光（厳密には０次光である「散乱光」も含むが、本願では、単に「回折光」という。言い換えれば、エッジ透過後に光軸とは平行でなくなった光線である。）は、もとの平行光とは平行にならないためアンチピンホールによっては遮光されない。このため、この回折光のみが撮像素子に投影される。
【００１７】
つまり、アンチピンホール法を用いたエッジ検出方法は、エッジ以外の平行光はすべて遮光され、エッジ部分でも平行光はすべて遮光されて、光軸に平行ではない回折光のみにより輪郭として検出される。測定対象物の形状の測定は、このエッジ部分のみを撮像素子で検出して測定する。
【００１８】
この場合、測定対象物の投影光学系の光軸に近い輪郭内部の部分の映像は、いずれにしても遮光されているため形状の測定に寄与していない。そこで、本発明では、このような回折光のみを利用するアンチピンホール法の特徴を生かした形状測定装置を提供するものである。
【００１９】
つまり、形状の測定に寄与する光線を適所でシフトすることで、本来の光源モジュールの射出できる光束の幅や、対物レンズ・投影レンズで投影できる光束の幅や、撮像素子が受光できる光束の幅にかかわらず、大きな測定対象物でも、高倍率で精度の高いエッジ検出を行い、かつ一対のエッジ間の距離を正確に測定し、もって測定対象物の外形形状を正確に測定することができるものである。
【００２０】
なお、本願において、「光軸」とは、光源モジュールから照射される円形若しくは楕円形の光線（光束）の概ね中央部分をいい、光束が反射または屈折された場合は、これに伴って屈曲する。
【００２１】
「アンチピンホール」は、その名称にかかわらず、対物レンズと投影レンズの共焦点での遮光を行なえる手段であればその具体的手段が限定されるものではない。
測定対象物やアンチピンホールフィルタ、共焦点の位置関係は、厳密なものではなく実質的に等価の位置のものを含むことは言うまでもない。また、レンズ構成も単レンズに限定されるものでなく、複数で構成されるレンズ群を含むことももちろんである。また、レンズ群が可変焦点であっても発明を妨げるものではない。さらに、リレーレンズ、補正レンズ、フィルタ、プリズム、ミラー、絞り、シャッタなど、本発明を本質的に変更しない光学要素を含むものも本発明と等価であり、本発明に含まれる。
【００２２】
また、「基準面」は実施形態のような水平面に限らず垂直面や他の角度の面でもよい。
また、「撮像素子」は直接焦点であっても実像を撮影する撮影レンズを備えたものであってもよい。また、以下の本願に開示された発明においても同様である。
【００２３】
請求項２に係る形状測定装置では、請求項１に記載の発明において、前記光路シフト手段は、前記アンチピンホールと前記撮像素子との間に配置され、前記光軸を含む基準面に対して対称に近接するように光束を、その方向を変えずに平行移動させる光線結合器として構成されたことを要旨とする。
【００２４】
本発明によれば、アンチピンホールフィルタを備えた光学系で、光源モジュールから測定対象物に照射された平行光のうち、アンチピンホールによりゼロ次光を遮断するとともに、測定対象物のエッジ部分で生じた回折光のみによりエッジ像を撮像素子に投影する。
【００２５】
このアンチピンホール法を用いたエッジ検出方法は、撮像素子を配置した撮像面の物理的な大きさにより検出できる測定対象物の大きさが制限される。
本発明によれば、アンチピンホールと撮像素子との間に配置された光線結合器により、撮像素子に投影される像を光軸を含む基準面に対して対称に近接するように光束をシフトする。このため像の周縁部にある対向するエッジ部分の位置を撮像素子の中心部に引き寄せることができる。アンチピンホール法によれば、撮像した画像の光軸に近い中央部分にはエッジ部分が投影されないので、エッジ部分の位置を撮像素子の中心部に引き寄せることによる不都合は生じることがない。撮像素子に投影される像のエッジ部分が光線結合器により基準面に引き寄せられるため、撮像倍率を小さくすることなく、より大きな測定対象物のエッジ部分を同一の撮像面で撮像できる。
【００２６】
さらに、この画像のエッジ部分間の距離を測定するとともに引き寄せた距離を演算して加算すれば、測定対象物のエッジ間の実測値が演算できる。
なお、本発明で、「光線結合器」といっているのは、単に基準面に向けてそれぞれ光線を引き寄せることを「結合」といっており、特に一旦分離されたものを「再結合」するという意味に限定するものではない。つまり、もともと１面の連続した映像を上下で分割して、中央部分を省略され、上下の部分が近接するようにするものも本願で言う「結合」である。
【００２７】
このような装置を用いることで、一例として、精密機械加工に用いる工具を切削する外寸が大きくても刃先の公差が極めて厳しいスローアウェイチップの外形形状の測定が、その加工中に、その機上でも、光学的な非接触の方法で、リアルタイムででき、かつ、きわめて精度が高い測定ができる。そのため、このスローアウェイチップを用いて、マイクロ加工を行なうドリルやボールエンドミルなどの工具を高精度に製造することも可能となる。
【００２８】
請求項３に係る形状測定装置では、請求項２に記載の発明において、前記光線結合器は、アンチピンホールフィルタと前記投影レンズとの間に配置されたことを要旨とする。
本発明によれば、投影レンズに導入される光束の幅を光線結合器により小さくすることで、撮像素子のみならず投影レンズの径をそれぞれ小さくすることが可能になる。
【００２９】
請求項４に係る形状測定装置では、請求項２に記載の発明において、前記光線結合器は、測定対象物と前記対物レンズとの間に配置されたことを要旨とする。
本発明によれば、測定対象物を通過した平行な光束の幅を光線結合器により平行なまま小さくすることで、撮像素子のみならず、対物レンズ及び投影レンズを小さくすることができる。従って、投影光学系全体を小さくすることが可能となる。また、平行な光を維持したまま光束の幅を小さくするため、アンチピンホール法を損なうこともない。
【００３０】
請求項５に係る形状測定装置では、請求項２に記載の発明において、前記光線結合器は、前記投影レンズと前記撮像素子との間に配置されたことを要旨とする。
本発明によれば、投影レンズを通過した光束の幅を光線結合器により小さくすることで、投影光学系をそのままで撮像素子に投影される光束の幅を小さくすることができる。したがって、小さな撮像素子であっても、より大きな測定対象物の形状測定が可能となる。
【００３１】
特にレンズ鏡筒の外側に設置できるため、既成のレンズ鏡筒に外付けができ、交換も容易である。あるいは撮像素子側に組み付けたアッセンブリとして一体化してもよい。
請求項６に係る形状測定装置では、請求項１に記載の発明において、前記光路シフト手段は、前記光源モジュールと測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成されたことを要旨とする。
【００３２】
本発明によれば、光源モジュールから照射された平行光の光束の幅が、測定しようとする測定対象物の外寸より小さい場合に、光線分離器により光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させて、測定対象物の対向する両方のエッジ部分を平行光を照射することが可能となる。この場合、アンチピンホール法においては、測定対象物の輪郭内部に平行光が照射されなくても形状測定には何ら影響を与えることがない。
【００３３】
したがって、所定の測定対象物の外寸より狭い光束の平行光しか照射することができない光源モジュールでも、この測定対象物の形状を測定できるようになる。
請求項７に係る形状測定装置では、請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記光源モジュールと前記測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成された光路シフト手段をさらに備えたことを要旨とする。
【００３４】
本発明によれば、光源モジュールから照射された平行光の光束の幅が、測定しようとする測定対象物の外寸より小さい場合に、光線分離器により光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させて、測定対象物の対向する両方のエッジ部分を照射することが可能となる。
【００３５】
したがって、所定の測定対象物の外寸より狭い光束の平行光しか照射することができない光源モジュールでも、この測定対象物の形状を測定できるようになる。
請求項８に係る形状測定装置では、請求項７に記載の発明において、前記光線分離器と、前記光線結合器とが、同一の構成となっていることを要旨とする。
【００３６】
本発明によれば、前記光線分離器と、前記光線結合器とが、同一の構成とすることで、調整が容易になる。
請求項９に係る形状測定装置では、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発明において、前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光に対して透明な材質からなり、両面が平行な板状に形成され、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される屈折部材を備えたことを要旨とする。
【００３７】
本発明によれば、平行な光線をそのままの状態で、位置のみをシフトできる。また、屈折により光路をシフトさせるため、露出した反射面を持たないので、反射面の劣化という問題が生じにくい。
【００３８】
請求項１０に係る形状測定装置では、請求項９に記載の発明において、前記基準面について面対称に配置された屈折部材が、断面がくの字状に一体に形成されていることを要旨とする。
【００３９】
本発明によれば、屈折部材が一体に設けられているため、基準面を挟んだ屈折部材の位置について変動誤差が生じない。そのため、誤差は固定誤差として処理でき測定値から実寸を演算することができる。
【００４０】
請求項１１に係る形状測定装置では、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発明において、前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光を反射可能な平面を備え、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される反射部材を備えたことを要旨とする。
【００４１】
なお、屈折部材と反射部材とは、排他的なものではなく、これらを組み合わせても光学系を構成できる。さらに、一つの光学シフト手段において、プリズム内の全反射を利用するような屈折と反射を同時に利用する部材でもよい。
【００４２】
本発明によれば、反射面においては入射角と反射角の関係が一定で、傾きによる変化が生じない。特に、屈折を伴わない反射では、色収差を生じることがない。また、屈折に比較してより大きな偏角で光路を大きくシフトすることができる。
【００４３】
請求項１２に係る形状測定装置では、請求項１１に記載の発明において、前記基準面について面対称に配置された反射部材が、一体に形成されていることを要旨とする。
本発明によれば、反射部材が一体に設けられているため、基準面を挟んだ反射部材相互の位置について変動誤差が生じない。そのため、測定値から実寸を演算することができる。
【００４４】
請求項１３に係る形状測定装置では、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の発明において、前記光路シフト手段を構成する要素のうち、少なくとも一部が可動とされ、前記光線の光路を前記光軸と直交する方向に変更可能に構成されていることを要旨とする。
【００４５】
本発明によれば、光源モジュールや、ワーク、撮像素子、投影光学系などの変更により、容易に光線を所望の位置にシフトすることができる。
請求項１４に係る形状測定装置では、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発明において、前記形状測定装置は、前記撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータを備え、前記コンピュータは、前記光源モジュールから照射された平行光を遮るように前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた測定対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、前記光軸を含み前記基準面と直交する測定面上の前記測定対象物の一対の端部のそれぞれの２本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分を前記測定対象物の両端部のエッジと判定するエッジ判定手段と、前記測定対象物の両端部のエッジの前記測定面上の距離から当該測定対象物の幅を測定するエッジ幅測定手段とを備えたことを要旨とする。
【００４６】
本発明によれば、検出したエッジ像から数値処理可能なデータとして形状を測定できる。
請求項１５に係る形状測定装置では、請求項１４に記載の形状測定装置が工作機械に搭載されるとともに、入力された測定対象物の設計データに基づき、前記表示装置には、エッジ画像と重畳して該設計データに基づいた設計画像が表示されることを要旨とする。
【００４７】
本発明の工作機械によれば、測定対象物の加工途中で、機上でリアルタイムで形状測定した結果を、設計データと比較・確認しながら加工をすることができる。
請求項１６に係る形状測定装置では、請求項１４に記載の形状測定装置がＮＣ制御可能な工作機械に搭載されるとともに、前記コンピュータは、当該工作機械の加工対象である工作物を測定対象物として前記撮像素子から入力された信号に基づき測定対象物のエッジをエッジデータとして検出するとともに、入力された測定対象物の設計データに基づき、前記エッジデータと前記設計データとの差分を演算し、この差分をフィードバックすることで工作機械をＮＣ制御により自動制御して測定対象物を加工することを要旨とする。
【００４８】
本発明の工作機械によれば、工具の磨耗による変形に応じて、加工を進めることができるので、自動で極めて高い精度を保ちながら加工ができる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明の形状測定装置、及びこれを用いた工作機械によれば、数値処理可能な鮮明且つ正確なエッジ画像を撮像しつつ、測定する工具の両端のエッジの位置関係を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施形態の形状計測装置の構成を示す模式図。
【図２】本実施形態の光線結合器を示す斜視図。
【図３】本実施形態の光線結合器の機能を説明する模式図。
【図４】本実施形態の光線結合器の機能を説明する撮像素子の模式図。（ａ）は、光線結合器を用いなかった場合に撮像素子に投影される映像を示す模式図。（ｂ）は、光線結合器を用いた場合に撮像素子に投影される映像を示す模式図。
【図５】光線分離器を省略した構成を示す実施形態の模式図。
【図６】光線結合器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図７】光線結合器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図８】別の構成の光線結合器の機能を説明する模式図。
【図９】光線結合器の別の構成を示す模式図。（ａ）は、シフトしない状態を示す図。（ｂ）は、シフトした状態を示す図。
【図１０】光線分離器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１１】光線分離器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１２】光線分離器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１３】光線結合器の別の構成を示す実施形態の模式図。
【図１４】本実施形態の形状測定装置の一実施例を示す斜視図。
【図１５】本実施形態の形状測定装置を搭載した工作機械の一例である成形研削盤を示す斜視図。
【図１６】パソコン（コンピュータ）の構成を示すブロック図。
【図１７】本実施形態のエッジ検出の手順等を示すフローチャート。
【図１８】（ａ）は、図７の画像の横方向のエッジ近傍の輝度の変化を示すグラフ。（ｂ）は、図９の画像の横方向のエッジ近傍の輝度の変化を示すグラフ。
【図１９】従来の形状測定装置によるエッジを示す写真画像。
【図２０】アンチピンホールフィルタを用いた形状測定装置によるエッジを示す写真画像。
【図２１】従来のアンチピンホール法を用いた形状計測装置を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した形状測定装置の一実施例を図１〜４、図１８〜２０を用いて説明する。
【００５２】
（形状計測装置）
図１は、本発明の形状測定装置の測定原理を説明するための形状計測装置９を模式的に配置した光学系である。一点鎖線は光軸１６、破線は遮光されたため光が通ってないことを示す。なお、図１は、説明のため模式的に示すものであり、レンズは単レンズとして表示してあるが、各レンズは収差を補正するため複数のレンズからなるレンズ群として構成されているのがむしろ通常である。また、後述するように可変焦点の物でもよい。本実施形態の形状測定システム５（図４参照）は、入射光学系である光源モジュール１１から発射された平行光の中にワーク１７のエッジ２７を配置する。投影光学系であるレンズ鏡筒１３に０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタ２５を挿入して、光源から発した透過光（０次光）が直接撮像素子２６に到達しないように制限し、投影された画像は回折光（主に１次光）からなるワーク１７のフラウンフォファ像のみが得られるようにしている。これにより、ワーク１７の境界の判別精度が著しく向上でき、高精度に輪郭形状を求めることができるものである。なお、回折光に限らず散乱光として発生した光線も利用できる。
【００５３】
光源モジュール１１、レンズ鏡筒１３に対物レンズ２３、アンチピンホールフィルタ２５および投影レンズ２４、検出モジュール１４の一端に内蔵された撮像素子２６がこの順序に、レーザ発振器２１から出射されたレーザ光と共通な光軸１６上に、配置されている。
【００５４】
（光源モジュール）
本実施形態の光源モジュール１１には、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ発振器からなるレーザ発振器２１が内蔵される。ここから照射された波長λ＝６３２．８のレーザ光は、ビームエキスパンダや拡散レンズ（図示せず）により拡散され、この拡散された光線を減光する光量調整手段としてのＮＤフィルタ（Neutral Density Filter）１９が配置される。また、調光されたレーザ光線はコリメータレンズ２２により光軸と平行な平行光に変換される。このレーザ光３１は、コヒーレントな状態が維持されている。したがって、光源モジュール１１からは、均質で回折光を生じやすいコヒーレントな平行光が照射される。
【００５５】
（光線分離器）
この光源モジュール１１から射出された平行光を、エッジ２７部分まで含めワーク１７の形状全体に照射する必要がある。しかしながら、光源モジュール１１から照射された平行光の範囲が、そのままではワーク１７をカバーできない場合がある。そこで、本実施形態では光路シフト手段としての光線分離器３３を光源モジュール１１のコリメータレンズ２２とワーク１７の間に配置する。
【００５６】
ここで、図２は、光線結合器３４を示す斜視図であるが、光線分離器３３も基本的に同様な構成であるため、この図面を参照して説明する。
光線分離器３３は、レーザ光３１に対して透明な材質により形成されており、レーザ光３１に対して高い屈折率と、色収差を生じ難い低分散性と、低い温度膨張係数を備えた光学ガラス、光学プラスチックスなどから形成された板状のプリズムとして構成されている。全体として、表面と裏面は、相互に光学的に平行が保たれた平坦な面を形成し、望ましくは表面に透過率を高めるコーティングを施す。
【００５７】
図２に示す光線結合器３４とは傾きの方向が反対となるが、光線分離器３３は、光軸１６を含み図１の紙面に対して垂直な面（以下「基準面」という。）を基準としたとき、基準面の上側（図１の上側）は光軸１６と直交する平面に対してその上部が光源モジュール１１側に傾いて形成されている。また、この上部と基準面について面対象となるように、基準面の下側（図１の下側）は光軸１６と直交する平面に対してその下部が光源モジュール１１側に傾いて形成されている。そして、全体としてみると、その光軸１６を含み基準面と直交する面における断面形状は、図１に示す側から見れば逆「く」の字形状に一体に形成されている。
【００５８】
このため、光線分離器３３は、光源モジュール１１から光軸１６に平行な平行光を受けると、基準面を基準として、上半分に照射された平行光は上側に、下半分に照射された平行光は下側に、それぞれ相互に光線を分離させる方向に、光線の方向を変えることなく平行な状態を保ったままでシフトさせる。このとき、光線分離器３３を通過した平行光の中央部は、光線のない部分ができるが、この部分にはワーク１７のエッジ２７がない部分であるので、形状測定には影響がない。
【００５９】
（レンズ鏡筒）
レンズ鏡筒１３には、光源モジュール１１側から順に、対物レンズ２３、アンチピンホールフィルタ２５、投影レンズ２４が光源の光軸１６に沿って配置される。対物レンズ２３は平行光を収束させるレンズで、光源モジュール１１側に前側焦点２７´を形成するとともに、検出モジュール１４側に、後側焦点２８を形成する。
【００６０】
また、投影レンズ２４は光源モジュール側に前側焦点２８´を備えており、この前側焦点２８´は対物レンズの後側焦点２８と一致しており、これを本願では「共焦点」と呼ぶ。
【００６１】
この共焦点である後側焦点２８，前側焦点２８´の位置には、対物レンズ２３を通って後側焦点２８に集光された透過光（０次光）３０を遮光するフィルタ機能をもったアンチピンホールフィルタ２５が配置されている。ここで、「アンチピンホール」とは、光軸１６上の対物レンズ２３の後側焦点２８位置に配置され、透過光（０次光）のみを遮光してその通過を妨げ、回折光２９は通過を妨げないように構成されているものである。アンチピンホールフィルタ２５は、そのようなアンチピンホールを有したフィルタである。なお、このアンチピンホールフィルタ２５は、光軸１６方向に微調整可能な位置調整手段（不図示）を備えている。
【００６２】
投影レンズ２４の後側焦点２６´は、検出モジュール１４の撮像素子２６の検出面（撮像面）と一致している。また、対物レンズ２３の前側焦点２７´を含む光軸１６と直交する面に、被検出対象であるワーク１７のエッジ２７を一致させている。
【００６３】
（等倍・拡大投影）
本実施形態の形状測定システム５では、投影レンズ２４の焦点距離ｆ２，ｆ２と、対物レンズの焦点距離ｆ１、ｆ１との関係は、一例として、ｆ１＝ｆ２となっており、ｆ１とｆ２の焦点距離は等しい。この場合は、等倍の投影となる。なお、ｆ１＜ｆ２とした場合は、拡大投影とすることができる。測定対象物であるワークと、撮像素子２６の画面の大きさにより、この拡大倍率が決定される。なお、縮小投影も可能であるが、本発明のようなエッジ検出により形状測定を行なうものでは一般に好ましくない。なお、焦点距離をズームレンズとして可変焦点とすることもできるが、単焦点として可動部分を少なくすることでより精度が高い測定が可能になるとともに、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
【００６４】
（光線結合器）
アンチピンホールフィルタ２５と投影レンズ２４との間に光線結合器３４が配置されている。光線結合器３４は、前述の光線分離器３３と同様にレーザ光３１に対して透明な材質により形成されており、レーザ光３１に対して高い屈折率と、色収差を生じ難い低分散性と、低い温度膨張係数を備えた光学ガラス、光学プラスチックスなどから形成されたプリズムとして構成されている。全体として、表面と裏面とが光学的に平行が保たれた平坦な面を形成し、望ましくは表面に透過率を高めるコーティングを施す。
【００６５】
光線結合器３４は、図２に示すように、光軸１６を含み図１の紙面に対して垂直な面（以下「基準面」という。）を基準としたとき、基準面の上側（図１の上側）は光軸１６と直交する平面に対してその上部が撮像素子２６側に傾いて形成されている。また、この上部と基準面について面対象となるように、基準面の下側（図１の下側）は光軸１６と直交する平面に対してその下部が撮像素子２６側に傾いて形成されている。そして、全体としてみると、その光軸１６を含み基準面と直交する面における断面形状は、図１に示す面から見れば「く」の字形状に一体に形成されている。
【００６６】
このため、光線結合器３４は、光源モジュール１１から光軸１６に平行な平行光を受けると、基準面を基準として、上半分に照射された平行光は下側に、下半分に照射された平行光は上側に、それぞれ相互に光線を結合させる方向に、光線の方向を変えることなく平行な状態を保ったままでシフトさせる。このとき、光線分離器３３を通過した平行光の中央部は、光線が重なったり、乱れたりするが、そもそもこの部分にはワーク１７のエッジがない、つまり基本的に光線がない部分であるので、形状測定には影響がない。
【００６７】
（検出モジュール）
検出モジュール１４は、ここで受信した光を電気信号に変換して、パソコン２０で例えばドットマトリクスのデータとして画像処理させる。
【００６８】
検出モジュール１４を構成する撮像素子２６としては、例えば、マトリクス状にＣＣＤをアレイ配置したＣＣＤカメラであり、エリアイメージが、縦１１．８４［ｍｍ］×横８．８８［ｍｍ］（１６００ｐｉｘｅｌ×１２００ｐｉｘｅｌ）の１．９２Ｍｅｇａ ｐｉｘｅｌのＣＣＤカメラである。
【００６９】
撮像素子としては、ＣＣＤのほか、ＣＭＯＳなどのアレイ状の撮像素子が適用でき、一般に市販されているＣＣＤ、ＣＭＯＳによる撮像素子の画面サイズは、１／３サイズの４．８×３．６ｍｍのものから３５ｍｍフィルムフルサイズの３６×２４ｍｍのものまで各種あるが、用途により大きさが選択できる。
【００７０】
ここで大きな撮像素子２６は、エッジ２７を高倍率で拡大投影してエッジの検出をするには有利であるが、撮像素子２６を大型化するには、光源モジュール１１や投影光学系全体、レンズ鏡筒１３などの大型化にともない装置全体が大型化し、且つ撮像素子２６自体のコストも画面サイズに比例して大きくなるので、その点からは小型のものがこのましい。
【００７１】
（ワーク）
測定対象物としてのワークの一例としては、特に限定されるものではないが、光源モジュール１１により照射される平行光にその輪郭が包み込まれなければ、その輪郭のエッジ像は得られない。例えば、直径が０．３ｍｍ程度の極細ドリルなどであれば、光線分離器３３や光線結合器３４なしでも、等倍の投影はもちろん、２０〜３０倍に拡大投影しても十分に撮像素子２６の画面内に収まる。
【００７２】
他の例として、スローアウェイチップが挙げられるが、全体の長さが４０ｍｍのものもあり、これまでのエッジ検出装置による投影では、光路シフト手段である光線分離器３３がなく、等倍であっても到底撮像素子２６の撮像面には形状全体が入らない。
【００７３】
（形状計測装置の作用）
以下本実施形態の形状計測装置の作用を説明する。
レーザ発振器２１から出射されたレーザ光３１が、コリメータレンズ２２を通って光軸１６に平行な平行光に変換され、光線分離器３３を通過すると、光線分離器３３は、基準面より上の平行なレーザ光３１を上方に平行にシフトさせる。同様に、基準面より下の平行なレーザ光３１を下方に平行にシフトさせる。そうして、このようにシフトされた平行なレーザ光３１は、それぞれワーク１７の上端と下端のエッジ２７の部分を通過する。
【００７４】
ワーク１７のエッジ２７に平行なレーザ光３１が照射されると、エッジ２７から０次光である透過光３０と、それ以外にも回折が生じて一次回折光を主とする色々な次数の回折光２９が発生する。また、同時に散乱光を発生させる。
【００７５】
このレーザ光３１のうちエッジ２７から離れた箇所を通過する０次光成分の透過光３０は、平行光として対物レンズ２３に入射する。ワーク１７を照射しているレーザ光３１は、ワーク１７に遮光される。
【００７６】
エッジ２７は、対物レンズ２３の前側焦点２７´に一致しているので、エッジ２７の周辺を通る透過光３０や回折光２９は、対物レンズ２３のフーリエ変換作用により、対物レンズ２３の後側焦点２８で、空間周波数に分解された透過光３０を集光するが、回折光２９を集光しない。この対物レンズ２３の後側焦点２８の位置に、０次光成分のみを遮るフィルタ機能をするアンチピンホールフィルタ２５が設置されているので、集光された透過光３０は完全に遮断される。
【００７７】
一方、アンチピンホールフィルタ２５を透過した高周波成分の回折光２９は、光線結合器３４を通過すると、光線結合器３４は、基準面より上の平行な回折光２９を下方に平行にシフトさせる。同様に、基準面より下の平行な回折光２９を上方に平行にシフトさせる。そうして、このようにシフトされた平行なレーザ光３１は、それぞれ投影レンズ２４に入射される。そのため、対向する上下端のエッジ像は、光線結合器３４がない場合より近接される。
【００７８】
そして、このように近接され投影レンズ２４に入射された回折光２９は、投影レンズ２４の逆フーリエ変換作用によって、投影レンズ２４の後側焦点２６´に配置された撮像素子２６の検出面上に結像する。このとき、エッジ２７により生じた同心円状の干渉像のうち、アンチピンホールフィルタ２５により、干渉像の１次回折光すなわちエッジ２７の形状を与えるエッジ像のみが抽出される。このような光学系の構成としたことにより、ワーク１７のエッジ２７のシャープなエッジ像を、干渉像の影響を受けることがなく高精度に識別できる。
【００７９】
ここで、図３を参照して、本実施形態の光線結合器の作用について、詳述する。図３に示す回折光２９は、本実施形態で撮像素子２６の撮像面に実際にエッジ像を形成する光線である。また、アンチピンホールフィルタ２５で遮光された０次光が、仮にアンチピンホールフィルタ２５で遮光されなかったとした場合の０次光の光路３０´を破線で示す。さらに、仮に本実施形態の光線結合器３４がなかったとしたら、この０次光が辿るであろう光路２９´を二点鎖線で示す。
【００８０】
まず、本実施形態における撮像素子２６におけるエッジ像は、回折光２９が集光する位置、つまり、アンチピンホールフィルタで遮光された０次光が撮像素子２６に入射するべき位置に結像する。このときの上下両端のエッジ像間の距離は、Ｄ１となる。
【００８１】
一方、仮に本実施形態の光線結合器３４がなかったとしたら、０次光が辿る光路２９´が撮像素子２６に入射するべき位置に結像する。このときの上下両端のエッジ像間の距離は、Ｄ２となる。
【００８２】
ここで、それぞれの入射位置の差は、図３の撮像素子２６に示す偏差ｅとなり、画面上での距離の差［Ｄ２−Ｄ１］だけ、撮像素子２６を小さくしても、上下両端のエッジ像を同時に同じ高倍率で同一の撮像素子で撮像できる。
【００８３】
次に、図４を参照して、撮像素子２６に結像されるエッジ画像を模式的に示す。なお、図は明暗反転して示している。図４の（ａ）は、本実施形態の光線結合器３４がなかったとしたときの状態で、このときの上下両端部のエッジ間の距離がＤ２であると、上下両端部のエッジは撮像素子２６の撮像面外にあり、エッジ間の距離が測定できない。一方、（ｂ）では、両端のエッジを含む映像がそのままの形状で、光軸１６を含む基準面を境に、それぞれが近接するようにシフトしている。このときの距離Ｄ１を計測して、それぞれのシフト量２ｅを加算すれば、両エッジ間の距離が算出できる。
【００８４】
ここで、図１８、１９を参照して、本実施形態の前提となるアンチピンホールフィルタ２５を用いない投影光学系と本実施形態の形状測定システム５における投影画像の違いを簡単に説明する。
【００８５】
図１８（ａ）は、従来の投影光学系（図２１参照）を用いた図１９に示すような投影画像のエッジ部分の輝度を示すグラフである。グラフ右側が投影した映像のワーク１７の輪郭内側で、左側が外側である。グラフは上方に向けて輝度が高いことを示す。
【００８６】
図１８（ａ）に示すグラフのように、従来は、実際のエッジの位置で、輝度がはっきりと変化せず、高輝度の部分と低輝度の部分は、なだらかに変化しており、この傾斜したグラフのいずれかにエッジが存在する。視覚的には、輪郭がぼけた映像となってしまった。このような変化であると、しきい値の取り方により大きくエッジ部分がずれてしまうことになり、正確なエッジの位置は検出できない。
【００８７】
その理由を説明すると、レーザ光が被測定物のエッジ部分に照射されると、スリットでなくても回折が生じ、直進する０次光の他、ワーク１７のエッジで回折する１次光、２次光、３次光…の回折光が発生する。このうち、２次光以降は、比較的光量が少ないので影響が小さい。従来のように、アンチピンホールフィルタ２５がない従来の構成では、この０次光と、回折光のうち主に１次光がＣＣＤ画面上で像を結び、干渉縞ができる。これらが原因となりエッジ部の画像がボヤけ、エッジ部の判別が困難となり、測定精度が低下する。この問題を解決するため、アンチピンホールを用いたフーリエ変換光学系とした。
【００８８】
ここで、図１８（ｂ）は、本実施形態の投影画像のエッジ部分の輝度を示すグラフである。本実施形態の形状計測装置９では、全体が低輝度になっている部分に２つの高輝度のピークがあり、その中間がはっきりした低輝度の下向きのピーク（ボトム）がある。この高輝度の２つのピークは、回折光のうちの１次光により形成されたものである。アンチピンホールフィルタ２５により０次光を遮光したため、０次光と１次光とが干渉することなく、また１次光同士も間隔が空いているので、それぞれ１次光がはっきりと表れたものである。そして、この間の低輝度のボトムは、本来０次光が到達する位置であり、言い換えれば正確なエッジの位置を示している。
【００８９】
このようなグラフからわかるように、アンチピンホール法では、エッジ検出の閾値の設定が容易で、かつ極めて正確な位置にはっきりとした暗線でエッジが示される。そのため、画像処理が容易で且つロバストなデータを得られるため、数値化が容易で、そのためＮＣ制御も容易にできることになる。
【００９０】
本実施形態は以上のような構成を備えるため、以下のような効果がある。
（１） 本発明の前提構成であるアンチピンホール法によるエッジ検出は、２本の輝線に囲まれたはっきりした暗線としてエッジが現れるため、画像の位置が変位しても画像処理が極めて容易である。
【００９１】
この場合、測定対象物の投影光学系の光軸に近い輪郭内部の部分は、形状の測定に寄与していない。そこで、本実施形態では、形状の測定に寄与する光線を適所でシフトする。そのことで、本来の光源モジュールの光束の幅や、対物レンズ・投影レンズで投影できる光束の幅や、撮像素子が受光できる光束の幅にかかわらず、大きな測定対象物でも、高倍率で精度の高いエッジ検出を行い、かつ一対のエッジ間の距離を正確に測定し、もって測定対象物の外形形状を正確に測定することができる。
【００９２】
（２） 光線結合器３４により、光束の幅をより小さくすることで、エッジ像をそのままの倍率で、撮像素子２６に投影される映像を小さくすることができ撮像素子２６を小型のものとすることができる。
【００９３】
（３） さらに、投影レンズ２４に導入される前に光束の幅をより小さくすることで、投影レンズ２４に導入される光束の幅をより小さくして、投影レンズ２４の径を小さくすることも可能になる。
【００９４】
（４） 光源モジュール１１から照射された平行光の光束の幅が、測定しようとするワーク１７の外寸より小さい場合に、光線分離器３３により光軸１６を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させて、ワーク１７の対向する両方のエッジ２７，２７部分を平行光を照射することが可能となる。したがって、ワーク１７の外寸より狭い光束の平行光しか照射することができない光源モジュール１１でも、このワーク１７の形状を測定できるようになる。
【００９５】
（５） 光線分離器３３と、光線結合器３４とを、同一の構成とすることで、調整が容易になる。また、同一の若しくは近似の構成のものを前後逆に使うことで収差が比較的抑えられる。
【００９６】
（第２の実施形態）
次に、図５を参照して第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、光線分離器３３を備えない点で相違する。
【００９７】
以下、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、光源モジュール１１から、光線分離器３３を介さず、直接ワーク１７を平行光で照射している。測定対象物であるワークが大きさが小さいものに限られる場合、若しくは光源モジュール１１が幅広いレーザ光により平行光が照射可能なものであれば、光線分離器３３はなくても、光線結合器３４の効果を発揮しうる。第１の実施形態よりも構成が簡易になる。
【００９８】
本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果（１）〜（３）に加え、以下のような効果がある。
（６） 簡易な構成とすることができる。
【００９９】
（第３の実施形態）
次に、図６を参照して第３の実施形態を説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態と比較して、複数の光線結合器３４ａ、３４ｂを備えた点で相違する。
【０１００】
以下、第１、第２の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、第２の実施形態の構成に加え、光線結合器３４ｂを、測定対象物であるワーク１７と対物レンズ２３との間にも配置した。
【０１０１】
図６に示すように、ワーク１７が比較的大型で、かつ光源モジュール１１も大型で、大型のワーク１７に十分平行光を照射できる場合は、第２の実施形態と同様に光線分離器３３は必要がない。一方、検出モジュール１４の撮像素子２６の撮像面が十分に大きくない場合は、第２の実施形態のように唯一の光線結合器３４では、エッジ画像が撮像面に収まりきらない場合も生じる。
【０１０２】
このような場合には、本実施形態のように複数の光線結合器３４ａ、３４ｂを備えてもよい。
本実施形態では、アンチピンホールフィルタ２５と投影レンズ２４の間の光線結合器３４ａに加え、ワーク１７と対物レンズ２３の間にも光線結合器３４ｂを配設した。
【０１０３】
本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果（１）〜（３）に加え、以下のような効果がある。
（７） ワーク１７を通過した平行な光束の幅を光線結合器３４ｂにより平行なまま小さくすることで、撮像素子２６のみならず、対物レンズ２３及び投影レンズ２４を小さくすることができる。従って、投影光学系全体を小さくすることが可能となる。
【０１０４】
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 光線結合器３４なしで、光線結合器３４ｂのみで構成してもよい。
このように構成することで、より簡易な構成で、ワーク１７を通過した平行な光束の幅を光線結合器３４ｂにより平行なまま小さくすることで、撮像素子２６のみならず、対物レンズ２３及び投影レンズ２４を小さくすることができる。
【０１０５】
（第４の実施形態）
次に、図７を参照して第４の実施形態を説明する。第４の実施形態は、第２、第３の実施形態と比較して、光線結合器３４の配置が異なる点で相違する。
【０１０６】
以下、第２，３の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、光線結合器３４ｃを、投影レンズ２４と撮像素子２６との間に配置した。
【０１０７】
また、複数の撮像素子２６ａ、２６ｂを一体に備えた。
図７に示すように、光線結合器３４ｃを、投影レンズ２４と撮像素子２６との間に配置し、投影レンズ２４により撮像素子２６に投影される光線を、基準面を基準として、上半分に照射された光は下側に、下半分に照射された光は上側に、それぞれ相互に光線を近接させる方向に、光線の方向を変えることなく平行な状態を保ったままでシフトさせる。このとき、光線結合器３４ｃを通過した平行光の中央部は、光線が重なったり、乱れたりするが、そもそもこの部分にはワーク１７のエッジ２７がない、つまり基本的に光線がない部分であるので、形状測定には影響がない。
【０１０８】
このようにして、光線結合器３４ｃにより、撮像素子２６で結像する直前で光路をシフトすることで、同じワークであればより小さな撮像素子２６とすることができる。
なお、光線結合器３４ｃによっても、１つの撮像素子２６の撮像面に収まりきらない場合は、複数の検出モジュール１４ａ、１４ｂを用いることもできる。図７に示すように、２つの検出モジュール１４ａ、１４ｂは、光軸１６に対して直交する方向に並べて配置される。このとき、撮像素子２６ａ、２６ｂは光軸１６に直交する同一平面上となるようにする。２つの撮像素子２６ａ、２６ｂは、相対位置が変化しないように固定される。このとき２つの撮像素子２６ａ、２６ｂの間には、隙間ができるが、この部分にエッジ像が来ることがないので、形状計測には問題がない。
【０１０９】
この場合、それぞれの検出モジュール１４ａ、１４ｂによりそれぞれ対向する位置のエッジが検出されることになるが、エッジ間の距離が予め正確に分かっている基準ワークを測定して、その計測結果をキャリブレーションを行うことで、２つの撮像素子２６ａ、２６ｂの相対位置が変化しないので、その後は正確な形状測定ができる。
【０１１０】
本実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果（１）〜（３）に加え、以下のような効果がある。
（８） 投影レンズ２４を通過した対向する両端部のエッジ像を撮像素子２６ａ、２６ｂに投影するための光を、光線結合器３４ｃにより結像を損なわないで相互に近接させることができる。そのため、撮像素子２６ａ、２６ｂを小さくすることができる。従って、投影光学系全体を小さくすることが可能となる。
【０１１１】
（９） また、光線結合器３４ｃは、投影光学系のレンズ鏡筒１３の外部にあるため、いわゆる外付けが容易にでき、既成のレンズ鏡筒１３に追加したり、ワークの種類により交換することもできる。さらに、検出モジュール１４ａ、１４ｂと一体のアセンブリとして、ユニット化してもよい。
【０１１２】
（１０） 本実施形態では、検出モジュール１４を、を備えた２つの検出モジュール１４ａ、１４ｂとして構成した。そのため、２つの２つの撮像素子２６ａ、２６ｂにより大きなイメージエリアを得ることができ、より大型のワークの形状計測もできる。
【０１１３】
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 撮像素子２６ａ、２６ｂを基準面から離間した位置に配置してもよい。そうすることで、より大きなワークをより小さな撮像素子で形状を計測することができる。
【０１１４】
○ さらに、２つの撮像素子を近接させまたは離間させる構成としてもよい。このように変位させても、形状計測の前に、基準ワークによりキャリブレーションすれば、その間隔が未知であってもよい。
【０１１５】
（第５の実施形態）
次に、図８、図９を参照して第５の実施形態を説明する。第５の実施形態は、第４の実施形態と比較して、光線結合器３４ｃの構成が異なる点で相違する。
【０１１６】
以下、第２〜４の実施形態と異なる点のみを説明し、共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の光線結合器３５では、投影レンズ２４と撮像素子２６との間に配置した光線結合器３４ｃを、くの字形のプリズムではなく、ミラーを用いた構成とした。
【０１１７】
光線結合器３５を構成するミラーは、ガラス、金属などの表面または裏面に金属膜などを形成し、ほぼ光線を１００％反射する平面鏡から構成されている。ここでは底面が直角二等辺三角形の三角柱状のガラスブロックの所定の面に反射膜を施したものである。
【０１１８】
光線結合器３５の第１ミラー３５ａは、直角を挟む等しい二辺（以下「二等辺」という。）側の面をそれぞれ反射面として、直角側の頂点を光源モジュール１１側に向けて基準面上に配置される。このとき直角に対向する斜辺（以下「斜辺」という。）は基準面と垂直に配置されている。したがって光軸１６方向からの光線を、基準面を基準として、上半分に照射された光は下側に、下半分に照射された光は上側に、それぞれ相互に光線を近接させる方向に、直交方向に反射させるように構成されている。
【０１１９】
１対の第２ミラー３５ｂ、３５ｃは、斜辺側を反射面とし、二等辺のうち、一辺を基準面と直交する方向に、他の一辺を直角の頂点を挟んで検出モジュール１４側に延びるように基準面と平行に配置される。したがって、第１ミラー３５ａにより反射された光線をそれぞれ光軸１６と平行で、検出モジュール１４側に直交するように反射するように構成されている。なお、第２ミラー３５ｂ、３５ｃは検出モジュール１４側にシフト可能に構成されている。
【０１２０】
一対の第３ミラー３５ｄ、３５ｅは、二等辺のうち、一辺を基準面と平行かつ、第２ミラー３５ｂ、３５ｃの一辺と同一面上になるように配置される。他の一辺は直角の頂点を挟んで基準面側に延びるように基準面と直交して配置される。そして、斜辺側が反射鏡となっている。したがって、第２ミラー３５ｂ、３５ｃにより反射された光軸１６と平行な光線をそれぞれ光軸１６に向かうように光軸１６と直交する方向に再び反射するように構成されている。
【０１２１】
第４ミラー３５ｆは、二等辺側の面をそれぞれ反射面として、直角側の頂点を検出モジュール１４側に向けて基準面上に配置される。このとき斜辺は基準面と垂直に配置されている。したがって光軸１６と直交する方向からの光線を、基準面を基準として、上から照射された光線を上半分に、下から照射された光は下半分に、それぞれ相互に平行に検出モジュール１４側の方向に、直交方向に反射させるように構成されている。
【０１２２】
以上のように第１〜４ミラー３５ａ〜ｆが構成されているため、光線結合器３５は、全体として基準面と面対称な構成となっている。
次に、このように構成された光線結合器の作用について図９を参照して説明する。まず、図９（ａ）の状態では第２ミラー３５ｂ、３５ｃの反射面は、光軸１６と直交する方向において、第１ミラー３５ａのそれぞれの反射面と同一の位置に配置されている。このため、第１ミラー３５ａで反射した光は、光軸１６から比較的離れた光線の場合、その光線は、第２ミラー３５ｂ、３５ｃの外側の部分で反射し、光軸１６と平行に検出モジュール１４側に進み、第３ミラー３５ｄ、３５ｅで反射する。この光線は、第１ミラー３５ａで反射した位置と同じ位置である、第４ミラー３５ｆの光軸１６から比較的離れた位置で反射する。そして、撮像素子２６の所定位置に結像する。すなわち、元の光路に復帰する。
【０１２３】
図９（ｂ）は、第２ミラー３５ｂ、３５ｃを検出モジュール１４側にシフトした状態を示す図である。この場合、比較的光軸１６から離れた位置の光線が第１ミラー３５ａの同じ場所で反射する。そして、第２ミラー３５ｂ、３５ｃに向かって光線が進むが、第２ミラー３５ｂ、３５ｃを検出モジュール１４側にシフトした状態であるので、この光線は第２ミラー３５ｂ、３５ｃの比較的光軸１６に近いほうの位置で反射する。この光線は光軸１６と平行に検出モジュール１４側に進み、第３ミラー３５ｄ、３５ｅで反射する。この光線は、第２ミラー３５ａで反射した位置と同じ比較的光軸１６に近い位置である、
そして、このため、第４ミラー３５ｆの光軸１６から比較的近い位置で反射する。そして、撮像素子２６の基準面側にシフトして結像する。
【０１２４】
この場合、もし投影光学系から光軸１６に近い光線が入射すると、第２ミラー３５ｂ、３５ｃがシフトしているので、この光軸１６に近い光線は、第２ミラー３５ｂ、３５ｃでは、反射されない。
【０１２５】
しかしながら、図９において示すエッジ像は、光軸１６から比較的離れた位置にあるものであり、光軸１６に近い部分の光線がカットされても形状測定には影響がない。
また、光線がどの程度基準面側に近接するかは、第２ミラー３５ｂ、３５ｃのシフトの程度で変更できることになる。
【０１２６】
図９（ｂ）に示す図において、第２ミラー３５ｂ、３５ｃがシフトすることで、第１ミラー３５ａと第２ミラー３５ｂとの間の光路長が[ｌ］だけ短くなる。そのため、撮像素子２６を第２ミラー３５ｂ、３５ｃと連動させて同一の方向に同じ[ｌ]だけシフトする。すなわち、第２ミラー３５ｂ、３５ｃと検出モジュール１４は物理的に連動してシフトすればよく、簡易な構成で、常に投影レンズ２４と撮像素子２６の光路長を一定して、シフトに伴うピントのずれを防ぐことができる。
【０１２７】
本実施形態によれば、上記（１）〜（３）、（８）〜（９）の効果に加え以下のような効果がある。
（１１） 本実施形態によれば、光路シフト手段の光学要素の一部をシフトすることで光線結合器３５のシフト量が可変にすることができる。
【０１２８】
（１２） 光軸１６の幅方向に光路をシフトさせているため、光軸１６方向の長さを短くし、装置全体の長さをコンパクトにすることができる。
（１３） 反射部材のみで光線結合器を構成しているため、色収差や、入射角度による屈折角の変化などの影響が原理的にない。また、屈折部材を用いるのに比べて、はるかに大きなシフト量を容易に生じさせることができる。
【０１２９】
（１４） 各構成要素が単なる反射鏡であるので、製造が容易で生産コストも低い。
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 本実施形態では、三角柱形状のガラスブロックとしたが、単なるガラス盤や金属板からなる平面鏡から構成してもよい。
【０１３０】
○ 直角二等辺三角形のプリズムを用いて、その内部に光線を導入し、斜辺側の内面を全反射による反射板として用いてもよい。
○ 第２ミラー３５ｂ、３５ｃのシフトに替えて、第１ミラー３５ａ、若しくは第３ミラー３５ｄ、３５ｅ、若しくは第４ミラー３５ｆのいずれか、又は、第２ミラーを含むすべてのミラーの中から複数のミラーをシフトするように構成することも可能である。
【０１３１】
（第６の実施形態）
次に、図１０を参照して第６の実施形態を説明する。
第１〜４の実施形態の光線分離器３３、光線結合器３４においては、単体の「く」の字形のプリズムにより、光路のシフトを行っている。第６の実施形態は、このような単体の「く」の字形のプリズムでは、十分に光路がシフトできない場合は、図１０に示すように「く」の字形のプリズム３４１〜３４４を複数用いて光路のシフトをおこなってもよい。
【０１３２】
なお、本実施形態の光線結合器３４１〜３４４は、基準面の上部と下部は別体のガラスを基準面で貼り合わせた構成となっている。
本実施形態によれば以下のような効果がある。
【０１３３】
（１５） 本実施形態のように構成することで、光路のシフト量を大きくすることができる。
（１６） なお、単体の「く」の字形のプリズムの厚みを厚くすることで、同様の効果を得られるが、そのような厚いプリズムは、コストが極めて高いものとなり好ましくない。したがって、本実施形態のように薄いプリズムを多数使用することで製造を容易としてコストを低減できる。
【０１３４】
（１７） また、本実施形態の光線結合器３４１〜３４４は、基準面の上部と下部は別体のガラスを基準面で貼り合わせた構成となっているため、通常の市販のガラス板を加工するだけで簡単に、かつ低コストで製造することができる。
【０１３５】
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
○ 厚みの厚い「く」の字形のプリズムとしてもよい。コストを度外視すれば、単体のほうが光線の透過率などで有利となる。
【０１３６】
（第７の実施形態）
次に、図１１を参照して第７の実施形態を説明する。
第１の実施形態において、光路シフト手段として屈折部材を用いた光線分離器３３と光線結合器３４を備えるが、第７の実施形態においては、反射部材により構成された光線分離器／結合器３６を備える点と、その配置の点で相違する。以下、第１〜６の実施形態と相違する点のみを中心に説明し、共通する構成は同一の符号を付しその説明を省略する。
【０１３７】
図１１に示すように、光線分離器／結合器３６を備える。本実施形態の光線分離器／結合器３６は、屈折部材ではなく反射部材で構成されている。第１のミラー３６ａ，３６ｂは、コリメータレンズ２２により平行とされたレーザ光３１を基準面から分離する方向に直角に反射する。第２のミラー３６ｃ、３６ｄは、第１のミラー３６ａ，３６ｂにより分離する方向に偏向された光線を再び光軸１６と平行にするとともに、ワーク１７のエッジ２７にレーザ光を照射する。なお、ここでは、回折光についての説明は省略し、光路の中心方向のみを図示して説明する。この第１のミラー３６ａ，３６ｂ、及び第２のミラー３６ｃ、３６ｄが、光線分離器として機能する。
【０１３８】
第３のミラー３６ｅ、３６ｆは、エッジ２７部分を通過したレーザ光を再び結合する方向に反射し、第４のミラー３６ｇ、３６ｈは、この光線を再び光軸１６に平行に偏向するように反射する。この第３のミラー３６ｅ、３６ｆ、及び第４のミラー３６ｇ、３６ｈが光線結合器として機能する。
【０１３９】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（１８） 本実施形態では、すべての光路シフト手段を反射部材で構成しているため、シフト量が大きくでき、色収差の問題も生じにくい。
【０１４０】
（１９） また、光線結合器を構成するミラー３６ｅ〜ｈを、ワーク１７と対物レンズ２３との間に配設したため、撮像素子２６のみならず、対物レンズ２３、投影レンズ２４の小型が達成でき、装置全体の小型ができる。
【０１４１】
（２０） さらに、レンズ鏡筒１３の外部に設置できるので、既存のレンズ鏡筒に外付けも容易である。
（第８の実施形態）
次に、図１２を参照して第８の実施形態を説明する。
【０１４２】
第３、第７の実施形態において、光路シフト手段としてワーク１７と対物レンズ２３の間に屈折部材や反射部材を用いた光線結合器を備えるが、第８の実施形態においては、その構成がいずれとも異なる構成である点で相違する。
【０１４３】
以下、第３、７の実施形態と相違する点のみを中心に説明し、共通する構成は同一の符号を付しその説明を省略する。
図１２に示すように、光線分離器を構成するミラー３６ａ〜３６ｄを備えるが、第７の実施形態と共通するため、説明を省略する。
【０１４４】
本実施形態の光線結合器３７は、平行板状の矩形の光学ガラスからなるプリズムである。その端面の一方をワーク１７のエッジ２７の検出モジュール１４側であって、その一辺が光軸１６と直交する平面上に位置するように配置する。そして、他の端面が、基準面に近接するように傾けて配置する。
【０１４５】
なお、ここでは、回折光についての説明は省略し、光路の中心方向のみを説明する。
ワーク１７のエッジ２７を通過したレーザ光は、板状のプリズム３７の端面からプリズム３７の内部に進入する。進入したレーザ光は、プリズム３７の上側内壁面で全反射し、再度下側内壁面で全反射し、他の端面から射出される。したがって、エッジ２７を通過した光線は、その方向を変えず基準面に近接するようにシフトされる。
【０１４６】
なお、本実施形態では、ワーク１７側および検出モジュール１４側の端面はその位置を変位可能で、ワーク１７や検出モジュール１４に合わせて、光線を案内することができる。
【０１４７】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（２１） 板状のプリズムを用いることで、主に内部反射を利用して、光線を任意の位置から別の任意の位置に案内することができる。
【０１４８】
（第９の実施形態）
次に、図１３を参照して第９の実施形態を説明する。
第９の実施形態において、光線分離器／結合器３８のうちミラー３９ａ〜３９ｄは、第７、８の実施形態のミラー３６ａ〜３６ｄと基本的に共通するため、説明を省略する。
【０１４９】
また、第９の実施形態において、光線結合器を構成するミラー３９ｅ〜３９ｈは、第５の実施形態の光線結合器３５のうち、第３ミラー３５ｄ、３５ｅおよび第４ミラー３５ｆと取付位置が異なる以外は基本的な構成が共通するため、詳細な説明は省略する。
【０１５０】
本実施形態の光線分離器および光線結合器３８は、それぞれ光軸１６から離れた光線分離器の外側ミラー３９ｂ、３９ｃと光線結合器の外側ミラー３９ｄ、３９ｅとが光軸１６に平行に近接、離間可能にシフトすることができる。
【０１５１】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（２２） 本実施形態によれば、ワーク１７の大きさに合わせて、外側のミラー３９ｃ、３９ｄ、３９ｇ、３９ｈをシフトすることで、多種類のワークに対応することができる。
【０１５２】
（２３） 光線分離器と光線結合器を同一の構成としているため、レンズ鏡筒１３や検出モジュール１４に与える影響がほとんどない。
なお、本実施形態において構成を以下のように変更してもよい。
【０１５３】
○ シフト方向は、光軸１６に平行な方向に限らず、光軸１６に直交する方向にシフトされるようにしてもよい。
（第１０の実施形態）
次に、図１４−１７を参照して第１０の実施形態を説明する。
【０１５４】
本実施形態は、本発明の形状測定装置をシステム化して工作機械に搭載した一例である。
図１４には本発明の形状計測システムの一実施例を、図１５には図１４に示した形状計測システムを搭載した成形研削盤を示す。
【０１５５】
（形状計測装置全体） 図１４に示す形状測定システム５は、ワーク１７のエッジ２７（図１参照）を検出する形状計測装置９と、ここにレーザ用の電力を供給する光源用電源１２と、形状計測装置９からのデータを処理するパソコン２０より構成されている。
【０１５６】
（形状計測装置）形状計測装置９は、ベース１０の上に設けられた対象物にレーザ光を発射する光源モジュール１１と、このレーザ光を投影するための光学系を備えたレンズ鏡筒１３と、投影された画像を検出する検出モジュール１４が、共通な光軸１６に沿って、この順に配置されている。
【０１５７】
（ワーク）本実施形態のエッジ検出の対象物であるワーク１７は、スローアウェイチップを例に挙げている。このスローアウェイチップは、極小径のボールエンドミルやドリルを加工するための旋盤などの切削工具の先端につける交換用の刃先で、ここでは砥石１５により正確な外径に形成される。ワーク支持装置２（図１５）のチャックで固定されたスローアウェイチップは、光軸１６を中心に回転可能に支持されている。本実施形態の加工対象物としてワーク１７は、ワークテーブル４のワーク支持装置２で砥石１５に対してＸ軸（前後）方向、Ｙ軸（左右）方向、Ｚ軸（上下）方向のうち必要な範囲で移動・回転可能となっている。もちろんワーク１７は、スローアウェイチップに限るものではなく、各種ゲージ等はもちろん、ボールエンドミルを含む各種ミルなどの刃物など工具、ジグをはじめ、目的・材質を問わず正確な輪郭形状を必要とするものが挙げられる。
【０１５８】
（砥石）本実施形態の工作機械の工具の一例として砥石１５を例に挙げている。砥石１５は、ワーク１７の軸心に平行な軸となるように配置されたスピンドル１８に装着された円盤状の砥石で、ワーク１７に対して接離可能に図示しない砥石支持手段で支持されており、Ｘ軸（前後）方向、Ｙ軸（左右）方向、Ｚ軸（上下）方向のうち必要な範囲で移動・回転可能に支持される。本実施形態の円盤状の砥石１５は工具の一例であって、ボール状など各種の形状の砥石はもちろん、各種切削工具、研削工具、研磨工具等が挙げられ、その支持方法も目的に応じて各種の形態を取り得る。
【０１５９】
（機器の接続）図１４に示すように、光源用電源１２は、光源モジュール１１に電気的に接続され、この光源モジュール１１に電力を供給している。
また、図１６に示すように、光源モジュール１１、検出モジュール１４は、パソコン２０にデータ送受信可能に接続されている。また、ワーク支持装置２、および砥石支持装置（不図示）は、ＮＣ制御装置８を介してパソコン２０に接続されている。そしてパソコン２０は、検出モジュール１４からの画像信号を受信する。また、パソコン２０は、ＮＣ制御装置８を介して、ワーク支持装置２および工具支持装置からのフィードバック信号を受信するとともに、それらに制御信号を送信して研削加工を制御する。
【０１６０】
（成形研削盤）図１５は、成形研削盤４０の全体を示す。いわゆる倣い研削盤で、ワークの形状を確認しながらその形状を形成していく工作機械である。形状測定システム５は、その光軸１６（図１参照）を、成形研削盤４０のＹ軸方向に平行に採った場合を示している。もちろんいずれの方向にセットするかは、工具やワークにより適当な姿勢を選択すればよい。本実施形態では、上述のワーク１７の中心を原点に、形状測定システム５の座標系に対して、成形研削盤４０のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向のＮＣ制御指令を用いて一致させ共通の座標系を用いる。また、実際のワーク１７の動きと、エッジ検出のデータ、ＮＣ制御のデータの一連の設計・解析・製造データが相互に共有・互換・活用しやすいようになっている。同様に、ＣＡＤ（Computer Aided Design）／ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）／ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）の一連の設計・解析・製造データが相互に共有・互換・活用しやすいようになっている。そのため、本実施形態では、収差を補正しつつ、実際のワークの形状を測定しながら正確かつ自動的なＮＣ加工が可能になっている。
【０１６１】
（コンピュータ）図１６に示すように、撮像素子２６からの信号を演算処理するコンピュータであるパソコン２０は、ＣＰＵ２０ａ、ＲＡＭ２０ｂ、ＲＯＭ２０ｃ、外部記憶装置としてのＨＤＤ２０ｄ、外部インターフェイス２０ｅを備える。ＨＤＤ２０ｄには、エッジ判定プログラム、エッジ表示プログラム、収差修正処理プログラムが記憶されており、パソコン２０をエッジ判定、エッジ幅測定（エッジ幅測定手段）エッジ表示、収差処理の各制御装置として機能させている。このパソコン２０は、外部インターフェイス２０ｅを介して、表示装置２０ｆとしての例えばＬＣＤ（液晶ディスプレー）と、入力装置２０ｇとしての例えばキーボード、マウスが接続されている。表示装置２０ｆは、パソコン２０にインストールされた上述の各プログラムを実行するためのモニター画面であるとともに、パソコン２０により画像信号として処理されたエッジ画像を表示することができる。
【０１６２】
（ＮＣ制御装置、ＣＡＤ用コンピュータ）また、パソコン２０は、成形研削盤４０のＮＣ制御装置８、ＣＡＤ用コンピュータ７にもそれぞれ接続されている。ＮＣ制御装置８は、ワーク１７と砥石１５の相対位置をフィードバックしながら、入力された設計データに基づき制御信号をワーク支持装置２、砥石支持装置（図示せず）に送信して研削加工を行う。ＣＡＤ用コンピュータ７は、ワーク１７の設計データが記憶されており、このデータをＮＣ制御装置に送信して、ＣＡＤデータに基づくＮＣ制御をすることができる。
【０１６３】
（形状測定の手順）次に、図１７に示すフローチャートに沿って本実施形態の成形研削盤４０における、形状測定の手順およびその後のパソコン２０の処理を説明する。
まず、予めパソコン２０を立ち上げて、形状測定プログラムを起動する。ワーク１７をワーク支持装置に装着する（Ｓ１）。このとき、ワーク１７の中心とＮＣ制御の座標軸の原点が一致するようにする。そして、距離を測定したい対向する一対のエッジを対物レンズ２３の前側焦点２７´の平行光の範囲内にくるようにワーク支持装置により移動させる。
【０１６４】
続いて、入力装置２０ｇから光源用電源１２をコントロールし適当な出力になるように調整して光源モジュール１１からレーザ光を射出する。次に、表示装置２０ｆを見ながら、距離を測定すべき対向する二つのエッジ２７画面内に表示されるかを確認する。投影倍率が可変の場合には、倍率が最も大きくなるように調節する。一方、第５、第７〜９の実施形態のような光線結合器３５〜３８が可変のものは、それぞれの光学要素をシフトさせて画面内に二つのエッジの距離が測定可能にする。いずれも調節可能な場合は、両者を調節してもっとも倍率が大きくなるように調節する。なお、三角形や四角形のスローアウェイチップの場合は、二つのエッジ間の距離を測って、その形状を測定するため、ワーク１７を回転させたときでも十分に測定の余裕がある倍率、シフト量にする。
【０１６５】
その後、光量調整手段であるＮＤフィルタ１９によりいわゆる白飛びや黒潰れにならないように光量を微調整する（Ｓ２）。また、アンチピンホールフィルタ２５のエッジが明確になるように軸方向の位置を調整する。検出モジュール１４の位置を軸方向に調整し画像のピントの微調整をする（Ｓ３）。また、表示装置２０ｆを見ながら、必要があれば、エッジ画像が帯状の２本の高輝度の部分に挟まれた１本の低輝度の部分となるようにワーク１７、光量、アンチピンホールフィルタ２５、検出モジュール１４の調整を繰り返す（Ｓ４：ＮＯ）。
【０１６６】
調整ができれば、表示装置２０ｆに表示されたワーク１７は、エッジ部分が帯状の２本の高輝度の部分に挟まれた１本の低輝度の部分となって表示される（Ｓ４：ＹＥＳ）。
パソコン２０は、エッジ判定プログラムによりエッジ判定手段として、画像処理により信号強度を判定し、帯状の２本の高輝度の部分に挟まれた低輝度の部分をエッジと判定する（Ｓ５）。具体的には、たとえば、高輝度のドットを選択し、ノイズ処理をした後、連続した帯状の領域を抽出する。さらに、この帯状の部分から低輝度の連続した部分を抽出する。
【０１６７】
エッジが検出されると、パソコン２０は、測定対象物の両端部のエッジの測定面上の距離から当該測定対象物の幅を測定するエッジ幅測定の手順を実行する。エッジ幅測定の手順は、撮像素子２６からの信号により検出された測定対象物の両端部のエッジの測定面上の距離に、光線結合器３４〜３８等によりシフトされた距離を加算して、実際のエッジ間の距離を計算する。
【０１６８】
光軸１６を中心にワーク１７の角度を変えて、他のエッジ間の距離を次々と測定する。回転させながらこれらのデータをプロットして３６０°測定し終わったら、実際の外形形状を演算して測定結果を出す。
【０１６９】
表示装置２０ｆでは、この検出されたエッジの形状を線図としたエッジ画像で表示することもできる。なお、アンチピンホールフィルタ２５を可動式にして光路から待避するように構成すれば、従来の投影機と同様の画像を表示することも可能である。
【０１７０】
なお、パソコン２０は、検出されたエッジを表示装置２０ｆに座標で表示することもできる。もちろん表示装置２０ｆに表示されるワーク１７の拡大された画像と比較しつつこの座標値を見たり、座標値によりワーク１７の見たい部分を表示装置で表示することもできる。
【０１７１】
（キャリブレーション）
パソコン２０は、シフトされた距離を補正するに当たり、予め正確な形状が判明している基準ワークを用い、キャリブレーションを行う。具体的には、基準ワークを測定し、演算して形状を求める。この結果を基準ワークと比較してその差を求める。このときの差を固定誤差として、これをゼロとするような補正値として記憶しておく。
【０１７２】
（マニュアル操作）また、パソコン２０は、ワーク１７を対象物として撮像素子２６から入力された信号に基づきワークのエッジを検出するとともに、エッジデータに基づきエッジ画像を表示装置２０ｆに表示する。このとき、ＣＡＤにより設計した設計データに基づいてエッジ２７を表示装置２０ｆでエッジ画像と重畳して表示させることもできる。このとき成形研削盤４０のオペレータは、この表示された設計画像を参照しつつ、同じ表示装置２０ｆに表示されたエッジ画像に基づいてマニュアル操作で研削加工をすることができる。そのため、ＮＣ制御ではできないような高いスキルの技術を発揮することもできる。
【０１７３】
（ＮＣ自動制御）また、パソコン２０は、ＣＡＤを用いて設計されたワーク１７の設計データを入力して、ＮＣ制御をおこなう。また、撮像素子２６から入力された信号に基づきワーク１７のエッジをエッジデータとして検出する。この設計データとエッジデータは同一の座標系を共有する。この座標系を用いて、現在形状測定システム５によりエッジが検出されている位置と同位置・同角度の設計データから、同位置・同角度で投影された計算上のエッジを演算して抽出する。そして、設計上のエッジの位置を表示装置２０ｆで表示しつつ、実際に検出したエッジ画像を表示する。一方、コンピュータ内部でも、入力された対象物の設計データに基づき、逐次現状のワークの形状を測定して比較し、その差分を演算する（Ｓ６）。この差分をフィードバックすることで成形研削盤４０によりワーク１７の研削加工をＮＣ制御により自動的に行う（Ｓ７）。この差分があれば、加工後のワーク１７の形状を逐次測定し、加工を繰り返す（Ｓ８：ＮＯ）。そして、ＣＡＤデータと抽出されたエッジの形状に差分がなくなれば加工は完了する（Ｓ８：ＹＥＳ）。
【０１７４】
本実施形態によれば以下のような効果がある。
（２４） 形状計測装置９により計測されたエッジ２７間の距離から、これをプロットすることで、正確な輪郭形状が測定できる。
【０１７５】
（２５） さらに、測定した形状に基づいてこれを表示して、加工時に確認ができる。
（２６） さらに、形状をデータ化してフィードバックすることで、ＮＣデータやＣＡＤデータと比較して、自動で精度の高いＮＣ加工が可能となる。
【０１７６】
（２７） その結果、形状計測装置を搭載した工作機械の精度を飛躍的に高めることができる。
（第１１の実施形態）
第１−１０の実施形態実施形では、図示を省略するが、アンチピンホール法を前提とした発明であるが、従来技術として述べた０次光で測定をするアンチピンホール法ではない従来の形状測定装置に適用してもよい。その精度や、０次光のカットによる背景光の消失など、本発明の実施はアンチピンホール法が望ましいものといえるが、その技術的思想は、アンチピンホール法以外の方法への適用を妨げるものではない。
【０１７７】
具体的には、第１−１０の実施形態から、アンチピンホールフィルタ２５を除いた構成で実施できる。
本実施形態によれば以下のような効果がある。
【０１７８】
（２８） 本実施形態は、光路シフト手段により、光源モジュール１１の大きさ、ワーク１７の大きさ、レンズ鏡筒１３の大きさ、検出モジュール１４の大きさなどに合わせることができる。つまり光線分離器や光線結合器など光路シフト手段により、数値処理可能なエッジ画像を撮像しつつ、測定する工具の両端のエッジの位置関係を正確に測定ことで全体の外形形状を測定することができる。アンチピンホール方と比較すると、エッジ検出の精度自体や、背景光が反射・屈折してノイズとなる点では不利であるが、この手の形状測定装置において、大きなワークを正確に形状を測定できる点では欠点を超えたメリットがある。
【０１７９】
以上、本発明を１から１１の実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項を逸脱しない範囲でその構成を付加し削除し変更して実施できる。
【符号の説明】
【０１８０】
２…ワーク支持装置、３…投影光学系（従来技術）、４…ワークテーブル、５…形状計測システム、６…光学収差測定装置、７…ＣＡＤ用コンピュータ、８…ＮＣ制御装置、９…形状計測装置、１０…ベース、１１…光源モジュール、１２…光源用電源、１３…レンズ鏡筒、１４…検出モジュール、１５…砥石、１６…光軸、１７…測定対象物としてのワーク、１８…スピンドル、１９…ＮＤフィルタ（光量調整手段）、２０…パソコン（コンピュータ）、２０ａ…ＣＰＵ、２０ｂ…ＲＡＭ、２０ｃ…ＲＯＭ、２０ｄ…ＨＤＤ、２０ｅ…外部インターフェイス、２０ｆ…表示装置、２０ｇ…入力装置、２１…レーザ発振器、２２…コリメータレンズ、２３…対物レンズ、２４…投影レンズ、２５…アンチピンホールフィルタ、２６…撮像素子、２６´…投影レンズの後側焦点、２７…エッジ、２７´…対物レンズの前側焦点、２８…対物レンズの後側焦点（共焦点）、２８´…投影レンズの前側焦点（共焦点）、２９…回折光、３０…透過光、３１…レーザ光、３３…光線分離器（屈折部材）３４…光線結合器（屈折部材）、３５…光線結合器（反射部材）、３６…光線分離器／結合器（反射部材）、３７…光線結合器（屈折／反射部材）、３９…可動式光線分離／結合器、４０…成形研削盤（工作機械）、ｆ１，ｆ２…焦点距離、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…距離（撮像素子の幅）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光を発する光源モジュールと、
該光源モジュールの発する平行光の光軸に沿って配置された、該光源モジュール側に配置された対物レンズと、該対物レンズと共焦点を有するように前記光源モジュールと反対側に配置された投影レンズと、前記共焦点に配置され入射光のうちの０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタとを備えた投影光学系と、
前記光軸を含む基準面に対して対称に、光束を、その方向を変えずに近接若しくは離間するように平行移動させる光路シフト手段と、
該投影光学系により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記光路シフト手段は、
前記アンチピンホールと前記撮像素子との間に配置され、前記光軸を含む基準面に対して対称に近接するように光束を、その方向を変えずに平行移動させる光線結合器として構成された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】
前記光線結合器は、アンチピンホールフィルタと前記投影レンズとの間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記光線結合器は、測定対象物と前記対物レンズとの間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光線結合器は、前記投影レンズと前記撮像素子との間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記光路シフト手段は、
前記光源モジュールと測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成された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７】
前記光源モジュールと測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成された光路シフト手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記光線分離器と、前記光線結合器とが、同一の構成となっていることを特徴とする請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光に対して透明な材質からなり、両面が平行な板状に形成され、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される屈折部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記基準面について面対称に配置された屈折部材が、断面がくの字状に一体に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光を反射可能な平面を備え、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される反射部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記基準面について面対称に配置された反射部材が、一体に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の形状測定装置。
【請求項１３】
前記光路シフト手段を構成する要素のうち、少なくとも一部が可動とされ、前記光線の光路を前記光軸と直交する方向に変更可能に構成されていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１４】
前記形状測定装置は、前記撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータを備え、
前記コンピュータは、
前記光源モジュールから照射された平行光を遮るように前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた測定対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、
前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、
前記光軸を含み前記基準面と直交する測定面上の前記測定対象物の一対の端部のそれぞれの２本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分を前記測定対象物の両端部のエッジと判定するエッジ判定手段と、
前記測定対象物の両端部のエッジの前記測定面上の距離から当該測定対象物の幅を測定するエッジ幅測定手段と
を備えたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の形状測定装置が工作機械に搭載されるとともに、
入力された測定対象物の設計データに基づき、表示装置には、エッジ画像と重畳して該設計データに基づいた設計画像が表示されることを特徴とする工作機械。
【請求項１６】
請求項１４に記載の形状測定装置がＮＣ制御可能な工作機械に搭載されるとともに、前記コンピュータは、当該工作機械の加工対象である工作物を測定対象物として前記撮像素子から入力された信号に基づき測定対象物のエッジをエッジデータとして検出するとともに、入力された測定対象物の設計データに基づき、前記エッジデータと前記設計データとの差分を演算し、この差分をフィードバックすることで工作機械をＮＣ制御により自動制御して測定対象物を加工することを特徴とする工作機械。
【請求項１】
平行光を発する光源モジュールと、
該光源モジュールの発する平行光の光軸に沿って配置された、該光源モジュール側に配置された対物レンズと、該対物レンズと共焦点を有するように前記光源モジュールと反対側に配置された投影レンズと、前記共焦点に配置され入射光のうちの０次光の光線を遮光するアンチピンホールフィルタとを備えた投影光学系と、
前記光軸を含む基準面に対して対称に、光束を、その方向を変えずに近接若しくは離間するように平行移動させる光路シフト手段と、
該投影光学系により投影された映像を撮像するように前記光軸と直交するように配置された撮像素子とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記光路シフト手段は、
前記アンチピンホールと前記撮像素子との間に配置され、前記光軸を含む基準面に対して対称に近接するように光束を、その方向を変えずに平行移動させる光線結合器として構成された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】
前記光線結合器は、アンチピンホールフィルタと前記投影レンズとの間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記光線結合器は、測定対象物と前記対物レンズとの間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光線結合器は、前記投影レンズと前記撮像素子との間に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記光路シフト手段は、
前記光源モジュールと測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成された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７】
前記光源モジュールと測定対象物との間に配置され、前記光源モジュールから照射された平行光を、前記光軸を含む基準面に対して対称に離間するように光束をその方向を変えずに平行移動させる光線分離器として構成された光路シフト手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記光線分離器と、前記光線結合器とが、同一の構成となっていることを特徴とする請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光に対して透明な材質からなり、両面が平行な板状に形成され、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される屈折部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記基準面について面対称に配置された屈折部材が、断面がくの字状に一体に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記光路シフト手段を構成する要素として、前記平行光を反射可能な平面を備え、前記光軸に直交する面に対して傾けて、前記基準面について面対称に配置される反射部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記基準面について面対称に配置された反射部材が、一体に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の形状測定装置。
【請求項１３】
前記光路シフト手段を構成する要素のうち、少なくとも一部が可動とされ、前記光線の光路を前記光軸と直交する方向に変更可能に構成されていることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１４】
前記形状測定装置は、前記撮像素子からの信号を演算処理するコンピュータを備え、
前記コンピュータは、
前記光源モジュールから照射された平行光を遮るように前記対物レンズの前記光源モジュール側の焦点位置に置かれた測定対象物の投影画像を前記撮像素子で撮像し、
前記撮像素子からの信号強度により輝度を判定し、
前記光軸を含み前記基準面と直交する測定面上の前記測定対象物の一対の端部のそれぞれの２本の帯状の高輝度の部分に挟まれた低輝度の線状部分を前記測定対象物の両端部のエッジと判定するエッジ判定手段と、
前記測定対象物の両端部のエッジの前記測定面上の距離から当該測定対象物の幅を測定するエッジ幅測定手段と
を備えたことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の形状測定装置が工作機械に搭載されるとともに、
入力された測定対象物の設計データに基づき、表示装置には、エッジ画像と重畳して該設計データに基づいた設計画像が表示されることを特徴とする工作機械。
【請求項１６】
請求項１４に記載の形状測定装置がＮＣ制御可能な工作機械に搭載されるとともに、前記コンピュータは、当該工作機械の加工対象である工作物を測定対象物として前記撮像素子から入力された信号に基づき測定対象物のエッジをエッジデータとして検出するとともに、入力された測定対象物の設計データに基づき、前記エッジデータと前記設計データとの差分を演算し、この差分をフィードバックすることで工作機械をＮＣ制御により自動制御して測定対象物を加工することを特徴とする工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２１】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
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【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２１】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−１７４８８９（Ｐ２０１１−１７４８８９Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４０９３７（Ｐ２０１０−４０９３７）
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（５９０００６３４３）株式会社和井田製作所 (20)
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（５９０００６３４３）株式会社和井田製作所 (20)
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【Ｆターム（参考）】
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