表面形状の特徴形状抽出演算方法、及び表面形状補正演算方法
【課題】 様々な表面形状に対して比較的に容易に適用可能な特徴形状抽出演算方法及び表面形状補正演算方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 この方法は、表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、前記表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面に接触可能な二次元もしくは三次元の形状を有する仮想接触子を想定し、前記仮想表面における複数の異なる位置において該仮想接触子を該仮想表面に接触させたことを仮想したときに、各位置において該仮想接触子が接触する前記仮想表面上の１以上の接触点における前記表面形状測定データ点群の中のデータ点を抽出して前記特徴形状データ点群とする特徴形状抽出演算方法である。
【解決手段】 この方法は、表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、前記表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面に接触可能な二次元もしくは三次元の形状を有する仮想接触子を想定し、前記仮想表面における複数の異なる位置において該仮想接触子を該仮想表面に接触させたことを仮想したときに、各位置において該仮想接触子が接触する前記仮想表面上の１以上の接触点における前記表面形状測定データ点群の中のデータ点を抽出して前記特徴形状データ点群とする特徴形状抽出演算方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定装置で測定して得られた表面形状測定データ点群から所要の特徴形状データ点群を抽出する演算方法、及び抽出された特徴形状データ点群により表面形状測定データ点群を補正する演算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の幾何学的な形状を測定する表面形状測定装置（輪郭形状測定機、真円度測定機、空間座標測定機、歯車測定機、白色干渉計、レンズ形状測定機、表面性状測定機、ＡＦＭ、ＳＴＭ、共焦点顕微鏡、ＳＥＭなど）により測定された２次元または３次元の表面形状測定データ点群から、測定表面の形状精度や表面に形成されたパターン形状のばらつきなどを評価することが行なわれている。このような例として、機能性フィルムの表面に所定の形状のパターンが複数形成されているときの各パターンの形状のばらつきを評価する場合が挙げられる。機能性フィルムは薄くて大きな柔軟性を有するので、測定時にはフィルム全体が歪んでいる虞がある。このような歪みがある状態で測定された測定データは、当然にその歪みを含んだデータとなり、歪み成分を除去しないままではその表面上に形成されたパターンの正確な評価は難しい。従って、歪み成分を除去するような演算処理が必要となる。また別の例としては、球体表面にディンプルが形成されたゴルフボールのような形状の物体の真球度を評価する場合が挙げられる。このような物体において、ディンプル部のデータを含む測定データにより評価を行なうとディンプル部の影響により、真球度の正確な評価ができなくなるので、測定データからディンプル部を除くような演算処理が必要となる。
【０００３】
上述のような、ある表面を表面形状測定装置で測定して得られた表面形状測定データ点群から所望の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する演算方法としては、以下のようなものが知られている。
【０００４】
人手による判別により表面形状測定データ点群から特徴形状データ点群を抽出する方法。この方法では、データ点数が多いときには非常に煩雑な作業となり、また人による判断であるためその判断基準に個人差があり、評価が安定しないという問題がある。
【０００５】
一定の閾値を設定して、この閾値により特徴形状データ点群を抽出する方法。この方法では、例えば先の機能性フィルムの例の場合で、フィルムの歪みの大きさが形成されたパターンの深さよりも大きいような場合には、単純な閾値の設定では特徴形状データ点群をうまく分離できないという問題がある。
【０００６】
表面形状測定データ点群を二次微分演算して、その結果として現れるピークの位置及び大きさから表面に形成されたパターンのエッジを検出する方法（特許文献１）。この方法では、表面部とパターン部との境界が緩やかに変化しているような場合には、その境界を適切に判別することが困難となり、適用できる表面形状が限られる。
【０００７】
表面形状測定データ点群に対してデジタルフィルタ処理を施して特徴形状データ点群を抽出する方法。適用されるこの種のデジタルフィルタとしては、ガウシアンフィルタがよく知られている（特許文献２）。この方法では、演算が複雑となり、また演算回数が比較的に多くなる傾向があり、特に３次元の表面形状測定データ点群に対してフィルタ処理を行なう場合には演算時間が非常に長くなり計算負荷が大きくなってしまうという問題がある。また、様々な表面形状を表わす表面形状測定データ点群に対して最適なフィルタを選択することは容易でない場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２９２７３２号
【特許文献２】特開２００６−６４６１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本願発明は、上述の種々の問題を解決し、様々な表面形状を表わす表面形状測定データ点群に対して比較的に容易に適用可能な特徴形状抽出演算方法及び表面形状補正演算方法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】
【００１０】
すなわち本発明は、
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
前記表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面に接触可能な二次元もしくは三次元の形状を有する仮想接触子を想定し、前記仮想表面における複数の異なる位置において該仮想接触子を該仮想表面に接触させたことを仮想したときに、各位置において該仮想接触子が接触する前記仮想表面上の１以上の接触点における前記表面形状測定データ点群の中のデータ点を抽出して前記特徴形状データ点群とする特徴形状抽出演算方法を提供する。
【００１１】
この方法では、例えば円や球などの二次元又は三次元の仮想接触子を、表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面にその複数の異なる位置で接触させて、そのときの接触点が仮想表面の特徴形状を表わしているとして、その接触点におけるデータ点を抽出するものであり、仮想接触子を、特徴形状としては抽出したくない、例えば仮想表面の凹みなどに接触しないようなものとすることにより、所要の特徴形状を表す特徴形状データ点群を抽出するものである。従来技術におけるデジタルフィルタに対応する役割を果たすこの仮想接触子は、仮想表面の形状との関係で、視覚的又は直感的な判断によりその形状寸法を設定することができ、その設定が従来のデジタルフィルタのパラメータ設定に比べて容易となる。
【００１２】
上記本発明に係る方法は、以下のように規定することもできる。
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
（ａ）前記表面形状測定データ点群によって構成される前記仮想表面に接触させたときに、前記仮想表面内の前記特徴形状に関係しない部分とは接触しないような寸法形状とされた仮想接触子を設定するステップと、
（ｂ）前記表面形状測定データ点群の中から任意のデータ点を選択し、該データ点を接触中心データ点として設定するステップと、
（ｃ）前記接触中心データ点に対して前記仮想接触子の仮想接触方向を設定するステップと、
（ｄ）前記仮想接触子が前記仮想接触方向に延びる軸線上に位置付けされるように、前記表面形状測定データ点群に対する前記仮想接触子の相対位置を設定するステップと、
（ｅ）前記仮想表面に前記仮想接触子が接触した状態となるように前記仮想接触子を前記仮想接触方向で移動させたときに、前記仮想接触子が接触することになる前記仮想表面の接触部分を表わしているデータ点を接触点データ点として前記表面形状測定データ点群から抽出するステップと、
（ｆ）前記接触中心データ点を前記表面形状測定データ点群の中の別のデータ点に順次置き換えて前記（ｃ）乃至（ｅ）の各ステップを所定回数繰り返し、複数の前記接触点データ点を前記表面形状測定データ点群から抽出して前記特徴形状データ点群とするステップと、
を含む、特徴形状抽出演算方法。
【００１３】
ここで「仮想接触方向」とは、上記から分かるように、仮想表面から離れた位置に想定する仮想接触子を仮想表面に接触させるための当該仮想接触子の移動方向を意味する。この点については、後述する実施例の説明でも述べる。
【００１４】
より具体的には、前記（ｅ）のステップは、前記仮想接触子を前記相対位置に配置したときの、前記表面形状測定データ点群の前記接触中心データ点及びその周囲のデータ点の各点から前記仮想接触子までの前記仮想接触方向とは逆方向での各距離を求め、該各距離のうちの最小距離を構成するデータ点を接触点データ点として抽出するステップであるようにすることができる。
【００１５】
または、
前記相対位置は、前記仮想接触子と前記仮想表面が重なり合わずに離れている位置であり、
前記（ｅ）のステップは、
（ｅ−１）前記仮想接触子を前記相対位置に配置し、該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を所定の第１間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
（ｅ−２）前記仮想接触子の位置を前記第１間隔分だけ前記仮想接触方向とは逆方向に移動するステップと、
（ｅ−３）該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を前記第１間隔よりも短い第２間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
を含み、前記仮想接触子が前記仮想接触方向で越えているデータ点を接触点データ点として抽出するステップであるようにすることもできる。
【００１６】
これらの演算は、比較的に単純な演算であるので、演算負荷を小さくすることができ、従って演算時間を短くすることができる。また、コンピュータや回路への実装も容易となる。
【００１７】
また、前記仮想接触方向は一定の方向であるようにすることができる。
【００１８】
接触中心データ点を決める毎に仮想接触方向を設定する必要がないので、測定点データ点の抽出に係る演算負荷をさらに低減することができ、より高速な演算を実現することが可能となる。
【００１９】
さらには、前記仮想接触方向は前記接触中心データ点とその周囲のデータ点とで構成される接触対象面の前記接触中心データ点における法線方向であるようにすることができる。
【００２０】
特に表面の概形が複雑に変化している場合には、接触対象面の接触中心データ点における法線方向を仮想接触方向に設定するようにすることで、各接触中心データ点に対する仮想接触方向をより適切に設定することができるので、接触点データ点の抽出をより安定して行なうことが可能となる。
【００２１】
具体的には、前記その周囲のデータ点は、前記仮想接触子を前記仮想接触方向の向きで前記表面形状測定データ点群上に投影したときに、該投影された面内に含まれるデータ点であるようにすることができる。
【００２２】
このように仮想接触子との距離を求めるデータ点の範囲を決めることで、接触点の候補となるデータ点を過不足なく選択することができるので、不必要な演算が低減されると共に、誤った接触点が抽出される可能性が低減される。
【００２３】
好ましくは、前記仮想接触子は円形又は球形とすることができる。
【００２４】
より好ましくは、前記特徴形状データ点群に基づいて特徴形状を生成するステップをさらに含むようにすることができる。
【００２５】
さらに具体的には、前記特徴形状を生成するステップは、前記特徴形状データ点群に対して曲線当てはめ処理を行なうことによってなされるようにすることができる。
【００２６】
このような処理を行なうことで通常は不規則な間隔となる特徴形状データ点群のデータ間を補間して特徴形状を連続した曲線又は曲面とすることができるので、特徴形状の評価をより正確に行なうことができるようになる。
【００２７】
また本発明は、上述の特徴形状抽出演算方法によって生成した前記特徴形状に基づいて前記表面形状測定データ点群を補正処理して表面形状補正データ点群を導出するステップを含むようにすることができる。
【００２８】
より具体的には、前記補正処理は、前記表面形状測定データ点群から前記特徴形状を減算する処理であるようにすることができる。
【００２９】
このような処理により、例えば、仮想表面の歪みやうねりの成分等を取り除くことができるので、表面に形成された特定のパターンなどをうねりの影響を受けないかたちでより正確に評価することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る方法のフローチャートである。
【図２ａ】本発明の第１の実施例の仮想表面を示す図である。
【図２ｂ】本発明の第１の実施例の仮想接触子を示す図である。
【図２ｃ】本発明の第１の実施例の特徴形状データ点群を示す図である。
【図２ｄ】本発明の第１の実施例の特徴形状を示す図である。
【図２ｅ】本発明の第１の実施例の補正後の表面形状測定データ点群を示す図である。
【図３ａ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第１の図である。
【図３ｂ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第２の図である。
【図３ｃ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第３の図である。
【図３ｄ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第４の図である。
【図４ａ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第１の図である。
【図４ｂ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第２の図である。
【図４ｃ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第３の図である。
【図４ｄ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第４の図である。
【図４ｅ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第５の図である。
【図４ｆ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第６の図である。
【図４ｇ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第７の図である。
【図４ｈ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第８の図である。
【図５ａ】本発明の第２の実施例の仮想表面を示す図である。
【図５ｂ】本発明の第２の実施例の特徴形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明に係る特徴形状抽出演算方法および表面形状補正演算方法について、図１に示すフローチャートに基づいて説明する。本明細書における表面形状測定装置とは、測定対象物の２次元、３次元の形状を測定することができる装置を意味し、例えば、輪郭形状測定機、真円度測定機、空間座標測定機、歯車測定機、白色干渉計、レンズ形状測定機、表面性状測定機、ＡＦＭ、ＳＴＭ、共焦点顕微鏡、ＳＥＭなどの種々の装置が含まれる。従って、測定された表面形状測定データ点群も２次元（平面座標）又は３次元（空間座標）のデータである。まずは、表面形状測定データ点群により表わされる仮想表面の形状に合わせて二次元もしくは三次元の適切な形状を有する仮想接触子を設定する（Ｓ１）。ここで仮想表面とは、表面形状測定データ点群に基づいて表わされる仮想上の表面であり、データ点間を平面で繋いで表わしても良いし、最適にフィットする曲面を当てはめたて表わしても良い。仮想接触子の形状を選択するに際に、例えば表面形状測定データ点群又は該表面形状測定データ点群により表わされる仮想表面を画像としてモニタ上に表示し、該画像を参考に適当な寸法の形状を選択するようにしてもよい。また、仮想接触子も同時にモニタ上に表示して、モニタ上で仮想表面と形状を比較しながら最適な仮想接触子の寸法・形状を決めるようにしてもよい。仮想接触子の形状としては、典型的には円形又は球形が選択されるが、後に述べるように状況に応じて他のいかなる形状を選択しても良い。どのような寸法・形状の仮想接触子を設定するかは、表面形状測定データ点群が表す表面形状と、その中からどのような特徴形状を抽出するかによって異なる。
【００３２】
次に、表面形状測定データ点群の中から任意のデータ点を選択し、このデータ点を接触中心データ点として設定する（Ｓ２）。
【００３３】
さらに、設定された接触中心データ点に対して仮想接触子の仮想接触方向を設定する（Ｓ３）。ここで仮想接触方向とは、仮想接触子を仮想表面に接触させることを想定したときに、該仮想接触子をどの方向から仮想表面に向かって近づけて接触させるのかを規定している方向を意味する。仮想接触方向をどのような方向とするかは任意であるが、典型的には仮想表面のおおよその概形を表す表面の法線方向とする。例えば、被測定物が平板である場合には、その平板に垂直な方向とし、その方向を接触中心データ点の位置に関わらず、どの点でも一定とすることができる。また被測定物が円筒形の場合には、仮想接触方向は円筒の中心軸に垂直に交わる方向（放射方向）となるように接触中心データ点の位置に合わせて変化させるように設定することができる。被測定物の概形が複雑である場合には、接触中心データ点とその周囲のデータ点とで構成される部分表面に対する法線方向を接触中心データ点毎に求めて、その法線方向を仮想接触方向とすることができる。
【００３４】
仮想接触子が仮想接触方向に延びる軸線状に位置づけられるように、表面形状測定データ点群に対する仮想接触子の相対位置を設定する（Ｓ４）。
【００３５】
仮想接触子を仮想接触方向で接触中心データ点に向かって移動させていったときに、仮想接触子が接触することになる仮想表面の接触部分を表わしているデータ点を接触点データ点として表面形状測定データ点群から抽出する（Ｓ５）。この処理としては、例えば後に述べるような最短距離計算法や求根法などの種々の計算アルゴリズムがある。
【００３６】
次の接触点データ点を求めるために、接触中心データ点を表面形状測定データ点の中の別のデータ点に置き換えて（Ｓ６）、Ｓ２乃至Ｓ５の処理を再び行なう。以降、順次接触中心データ点を置き換えていって、上記演算を繰り返し複数の接触点データ点を得る。このようにして得られた複数の接触点データ点を特徴形状データ点群として抽出する（Ｓ７）。
【００３７】
抽出された特徴形状データ点群に基づいて、例えば曲線当てはめ処理を行なって特徴形状を生成する（Ｓ８）。
【００３８】
また、表面に形成されたパターン形状を抽出したい場合などは、生成した特徴形状によって表面形状測定データ点群の補正を行ない、表面形状補正データ点群を得る（Ｓ９）。
【００３９】
上述の特徴形状抽出演算方法及び表面形状補正演算方法について、具体的な実施例に基づいて更に詳細に説明する。
【００４０】
図２ａには、表面に微細な断面が矩形状の溝が周期的に形成されている機能性フィルムの表面形状を表面形状測定装置で測定したときの表面形状測定データ点群から構成される当該フィルムの仮想表面１００が画像として示されている。ここでは説明を簡単にするために表面形状測定データ点群を二次元データとしているが、三次元データであってもよい。画像上の仮想表面１００の溝１０２の大きさは、深さが約５μmで幅が約４００μmとなっている。図から分かるようにこの機能性フィルムの仮想表面１００は全体としてうねりを生じている。このうねりを機能性フィルムが有する特徴形状として抽出するために、機能性フィルムの表面形状測定データ点群に対して特徴形状抽出演算を行う場合について、以下に説明する。
【００４１】
まず、事前に表面形状測定装置で測定されている機能性フィルムの表面形状測定データ点群をコンピュータに入力し、当該機能性フィルムの仮想表面１００をモニタ上に表示する。
【００４２】
次に、図２ｂに示すように、該仮想表面１００に接触させながら移動させる仮想接触子１１０をモニタ上に設定する。どのような形状の可能接触子を設定するかによって演算結果は異なるので、所要の特徴形状に合わせて適切な形状の仮想接触子を設定する必要がある。例えば、本実施例では、機能性フィルム全体のうねりを特徴形状として抽出したいので、溝１０２部分の測定データを取り除くことができるように仮想接触子１１０は溝１０２の内部にまで侵入しない大きさとしている。すなわち直径が各溝１０２の幅よりも大きい円を仮想接触子１１０として設定している（図２ｂ）。
【００４３】
次に、表面形状測定データ点群から構成される仮想表面１００の複数の異なる位置において仮想接触子１１０を仮想表面１００に接触させたときに、仮想接触子１１０が接触する各接触点データ点を表面形状測定データ点群の中から抽出する。この抽出方法の具体的な例については後に詳細に説明する。このようにして求められた複数の接触点データ点が、この機能性フィルムの表面形状測定データ点群に含まれる特徴形状を表わす特徴形状データ点群１２０である。図２ｃから分かるように、表面形状測定データ点群から溝１０２部分のデータ点が除かれて上面の部分だけが特徴形状データ点群１２０として抽出されている。
【００４４】
特徴形状データ点群１２０に基づいて表面形状測定データ点群に含まれる特徴形状の評価を行なうことが可能となるが、特徴形状データ点群１２０に曲線当てはめ処理を施すことにより特徴形状１３０を生成することもできる。曲線当てはめ処理により求められた特徴形状１３０は図２ｄに示すように、周期的に形成された溝１０２の影響を受けることなく、フィルム表面全体のうねりだけを的確に表現するものとなっており、この特徴形状１３０によりフィルムのうねりをより正確に評価することができる。さらには、上述のようにして求めた特徴形状１３０により表面形状測定データ点群を補正することで、溝１０２部分のうねりも補正することができ、表面に形成されたパターン形状などをより正確に評価することが可能となる。例えば、本実施例では、表面形状測定データ点群から特徴形状１３０を減算する補正処理を行なっている。これによって、表面形状測定データ点群から特徴形状１３０として抽出されたうねり成分を除去した表面形状補正データ点群を得ることができる。図３ｅに該表面形状補正データ点群により表わされる補正仮想表面１４０を示す。これによって、補正された溝１０６は溝自身の形状をより的確に表わすものとなり、溝の深さ分布、バラツキ、最大値、最小値等の評価がより容易且つ正確に行えるようになる。
【００４５】
ここで、特徴形状データ点群を抽出する具体的な２つの計算アルゴリズムについて説明する。
【００４６】
計算アルゴリズムの一実施例である最短距離計算法を用いた演算方法について図３ａ−ｄに基づいて説明する。図３ａに示すように、仮想表面２００を構成する表面形状測定データ点群２０４の中から任意の１点を選択し、そのデータ点を接触中心データ点Ｐ１として設定し、該接触中心データ点Ｐ１に対する仮想接触方向２１２を設定する（図３ａ）。次に図３ｂに示すように、選択された接触中心データ点Ｐ１から仮想接触方向２１２に延びる軸線２５０上に仮想接触子２１０を配置する。このとき、仮想接触子２１０は、表面形状測定データ点群２０４と仮想接触子２１０とが交わることがないように配置されているのが望ましい。次に図３ｃに示すように、仮想接触子２１０が仮想接触方向２１２で接触中心データ点Ｐ１に近づいてきたときに仮想接触子２１０と接触する可能性のあるデータ点Ｐ１−Ｐ５を表面形状測定データ点群２０４の中から選択し、選択された各データ点から仮想接触子２１０までの仮想接触方向２１２とは逆方向での各距離Ｌ１−Ｌ５を求める。接触する可能性のあるデータ点Ｐ１−Ｐ５は、仮想接触子２１０を仮想接触方向２１２で表面形状測定データ点群２０４上に投影したときの投影面内に含まれるデータ点としている。求めた各距離Ｌ１−Ｌ５を比較して、その中で最小距離を構成しているデータ点を求めて、その点を接触点として抽出する。この例ではＬ２が最小距離となるのでデータ点Ｐ２が接触点２２２となる。通常は、最小距離を構成するデータ点は一つのみとなるのでその一つのデータ点のみが接触点として抽出されることになるが、データ上複数の点が同時に最小距離を構成する場合には、それら全てのデータ点が接触点として抽出される。以上が接触点２２２を求める一連のステップであり、以降は接触中心データ点Ｐ１を別のデータ点に置き換えて上記一連のステップを繰り返して特徴形状データ点群を抽出する。図３ｄにおいては、最初の接触中心データ点Ｐ１の右隣のデータ点Ｐ２を次の接触中心データ点としているが、必ずしも接触中心データ点を一つずつずらしていく必要はなく、データ量及び計算量を抑えるために所定の間隔を開けて、例えば２点ずつとばして接触中心データ点を選択するようにしてもよい。また、表面形状測定データ点全体ではなく所定の範囲内のデータ点に対してだけ接触点を求める演算をするようにしてもよい。
【００４７】
次に図４ａ−ｈに示す別の計算アルゴリズムである求根法について説明する。当該計算アルゴリズムにおいても、まずは図３に示す最短距離法と同様に接触中心データ点Ｐ１の設定、仮想接触方向３１２の設定、及び仮想接触子３１０の配置を行なう（図４ａ）。次に所定の第１間隔Ｄ１で仮想接触子３１０の位置を仮想接触方向３１２で仮想表面３００に近づけ（図４ｂ）、表面形状測定データ点群３０４のいずれのデータ点においても仮想接触子３１０が仮想接触方向３１２で越えていなければさらに第１間隔Ｄ１だけ仮想接触子３１０を仮想接触方向３１２に進める。仮想接触子３１０が表面形状測定データ点群３０４のいずれかのデータ点で超えたら（図４ｃ）、一旦第１間隔Ｄ１分だけ仮想接触子３１０を戻して（図４ｄ）、次に第１間隔Ｄ１よりも短い第２間隔Ｄ２で仮想接触子３１０を仮想接触方向３１２に進める（図４ｅ）。ここでも先程と同様に仮想接触子３１０を第２間隔Ｄ２分ずつ表面形状測定データ点群３０４のいずれかの点を超えるまで進める。仮想接触子３１０が表面形状測定データ点群３０４のいずれかのデータ点を超えた時点で（図４ｆ）、一旦第２間隔Ｄ２分だけ戻して（図４ｇ）、さらに第２間隔Ｄ２よりも小さい第３間隔Ｄ３で仮想接触子３１０を仮想接触方向３１２に進める（図４ｈ）。このような演算を繰り返して、表面形状測定データ点群３０４のいずれかの点と仮想接触子３１０の距離が所定値以下になった時点で、そのデータ点は仮想接触子３１０と接触している状態であるとみなして接触点３２２として抽出する。以上が接触点を求める一連のステップであり、以降は最短距離計算法と同様に接触中心データ点を別のデータ点に置き換えて上記一連のステップを繰り返して特徴形状データ点群を抽出する。
【００４８】
図２に示す実施例では、評価対象となる表面がおおよそ平面であるので、仮想接触子１１０の仮想接触方向１１２は、場所によらず測定表面に対して垂直な方向、すなわち全ての接触中心データ点において図で見て下向きの方向で一定としている。本実施例のように全体的な形状が単純な形状の場合には、仮想接触方向を接触中心データ点ごとにその都度求める必要は必ずしもなく、所定の方向に事前に設定しておいても良い。
【００４９】
別の実施例として、図５ａに示す、円形の表面に複数の溝が形成された部材の表面形状測定データ点群に対する特徴形状抽出演算方法について説明する。このような形状の測定対象物に対しても、基本的には先の実施例と同様な方法で特徴形状の抽出演算を行なうことが可能である。ただし、仮想接触子４１０の仮想接触方向４１２は、選択された接触中心データ点に合わせて変える必要がある。すなわち、仮想接触方向４１２は、円形の仮想表面４００上の接触中心データ点を通る法線方向としている。ただし、本実施例の測定対象物の概形は円形であるので、仮想接触方向４１２を、各接触中心データ点を通る法線方向、すなわち半径方向として予め設定しておいて、法線方向を求める演算処理を省略するようにしてもよい。図５ｂは、図５ａに示す表面形状測定データ点群に対する特徴形状抽出演算により求められた特徴形状データ点群４２０及び特徴形状４３０を示している。
【００５０】
なお上述の図２及び図５示した実施例では、測定対象物の仮想表面１００、４００の上面または外側に配置される仮想接触子１１０、４１０との関係で特徴形状を求めるようにしているが、仮想接触子１１０、４１０を測定対象物の仮想表面１００、４００の内側、すなわち図２ａの仮想表面１００の下側や図５ａの円形状の仮想表面４００の内側に配置して、特徴形状１３０、４３０の抽出演算を行なっても良い。
【００５１】
また、上述の実施例ではいずれも円形の仮想接触子１１０，４１０を設定したが、用途に合わせて他の形状の仮想接触子を設定してもよい。例えば、測定対象物の使用状態においてその表面上を直方体の物体が摺動するような場合には、仮想接触子を実際に摺動する物体の形状に合わせて直方体に設定して演算を行ない、その物体が摺動する際に影響する当該表面における特徴形状を抽出することも考えられる。
【００５２】
本発明に係る方法における仮想接触子の選択は、測定対象物の表面形状を表す表面形状測定データ点群が表わす仮想表面の形状に合わせて、比較的に直感的に行なうことができる。例えば上述の２つ実施例では外表面のみを特徴形状として抽出するために溝１０２，４０２よりも大きな形状を仮想接触子と選択しているし、先の例では実際に摺動する物体の形状に合わせた直方体の形状を選択するようにしている。このように、本発明に係る方法では従来技術におけるデジタルフィルタに相当する仮想接触子の選択を比較的に容易に行なうことができる。しかしながら、評価対象となる表面形状が複雑な場合には、選択した仮想接触子による演算により求められた特徴形状が必ずしも満足のいくものでない場合がある。このようなときには、演算結果としての特徴形状を参考にしながら仮想接触子の形状を適宜変更して、最適な結果が得られる仮想接触子の形状を設定するようにする。
【００５３】
以上、本発明に係る特徴形状抽出演算方法について、実施例に基づいて説明してきたが、本発明は実施例において説明した方法に限定されるものではない。例えば、目的とする特徴形状を抽出するのに上述の特徴形状抽出演算を必ずしも一回だけ適用しなければならないわけではなく、１回目の特徴形状抽出演算により特徴形状データ点群を求めておいて、該特徴形状データ点群を表面形状測定データ点群に置き換えて１回目とは異なる形状の仮想接触子を選択して２回目の特徴形状抽出演算をし、最終的な特徴形状データ点群を抽出するようにしてもよい。また、仮想表面を場所毎に区切って、各場所に異なる形状の仮想接触子を設定して特徴形状抽出演算をそれぞれの場所毎に行なうようにしても良い。さらには、特徴形状データ点群から特徴形状を生成する処理は、最小二乗当てはめ処理、関数当てはめ処理、非線形当てはめ処理、補間処理、フィルタ処理、数値解析などであっても良い。
【符号の説明】
【００５４】
１００，２００，３００、４００ 仮想表面
１０２、４０２ 溝
２０４、３０４ 表面形状測定データ点群
１０６ 補正された溝
１１０、２１０、３１０、４１０ 仮想接触子
１２０、４２０ 特徴形状データ点群
１３０、４３０ 特徴形状
１４０ 補正表面形状
１１２、２１２、３１２、４１２ 仮想接触方向
２２２、３２２ 接触点
２５０ 軸線
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５ データ点
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５ 距離
Ｄ１ 第１間隔
Ｄ２ 第２間隔
Ｄ３ 第３間隔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定装置で測定して得られた表面形状測定データ点群から所要の特徴形状データ点群を抽出する演算方法、及び抽出された特徴形状データ点群により表面形状測定データ点群を補正する演算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の幾何学的な形状を測定する表面形状測定装置（輪郭形状測定機、真円度測定機、空間座標測定機、歯車測定機、白色干渉計、レンズ形状測定機、表面性状測定機、ＡＦＭ、ＳＴＭ、共焦点顕微鏡、ＳＥＭなど）により測定された２次元または３次元の表面形状測定データ点群から、測定表面の形状精度や表面に形成されたパターン形状のばらつきなどを評価することが行なわれている。このような例として、機能性フィルムの表面に所定の形状のパターンが複数形成されているときの各パターンの形状のばらつきを評価する場合が挙げられる。機能性フィルムは薄くて大きな柔軟性を有するので、測定時にはフィルム全体が歪んでいる虞がある。このような歪みがある状態で測定された測定データは、当然にその歪みを含んだデータとなり、歪み成分を除去しないままではその表面上に形成されたパターンの正確な評価は難しい。従って、歪み成分を除去するような演算処理が必要となる。また別の例としては、球体表面にディンプルが形成されたゴルフボールのような形状の物体の真球度を評価する場合が挙げられる。このような物体において、ディンプル部のデータを含む測定データにより評価を行なうとディンプル部の影響により、真球度の正確な評価ができなくなるので、測定データからディンプル部を除くような演算処理が必要となる。
【０００３】
上述のような、ある表面を表面形状測定装置で測定して得られた表面形状測定データ点群から所望の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する演算方法としては、以下のようなものが知られている。
【０００４】
人手による判別により表面形状測定データ点群から特徴形状データ点群を抽出する方法。この方法では、データ点数が多いときには非常に煩雑な作業となり、また人による判断であるためその判断基準に個人差があり、評価が安定しないという問題がある。
【０００５】
一定の閾値を設定して、この閾値により特徴形状データ点群を抽出する方法。この方法では、例えば先の機能性フィルムの例の場合で、フィルムの歪みの大きさが形成されたパターンの深さよりも大きいような場合には、単純な閾値の設定では特徴形状データ点群をうまく分離できないという問題がある。
【０００６】
表面形状測定データ点群を二次微分演算して、その結果として現れるピークの位置及び大きさから表面に形成されたパターンのエッジを検出する方法（特許文献１）。この方法では、表面部とパターン部との境界が緩やかに変化しているような場合には、その境界を適切に判別することが困難となり、適用できる表面形状が限られる。
【０００７】
表面形状測定データ点群に対してデジタルフィルタ処理を施して特徴形状データ点群を抽出する方法。適用されるこの種のデジタルフィルタとしては、ガウシアンフィルタがよく知られている（特許文献２）。この方法では、演算が複雑となり、また演算回数が比較的に多くなる傾向があり、特に３次元の表面形状測定データ点群に対してフィルタ処理を行なう場合には演算時間が非常に長くなり計算負荷が大きくなってしまうという問題がある。また、様々な表面形状を表わす表面形状測定データ点群に対して最適なフィルタを選択することは容易でない場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２９２７３２号
【特許文献２】特開２００６−６４６１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本願発明は、上述の種々の問題を解決し、様々な表面形状を表わす表面形状測定データ点群に対して比較的に容易に適用可能な特徴形状抽出演算方法及び表面形状補正演算方法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】
【００１０】
すなわち本発明は、
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
前記表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面に接触可能な二次元もしくは三次元の形状を有する仮想接触子を想定し、前記仮想表面における複数の異なる位置において該仮想接触子を該仮想表面に接触させたことを仮想したときに、各位置において該仮想接触子が接触する前記仮想表面上の１以上の接触点における前記表面形状測定データ点群の中のデータ点を抽出して前記特徴形状データ点群とする特徴形状抽出演算方法を提供する。
【００１１】
この方法では、例えば円や球などの二次元又は三次元の仮想接触子を、表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面にその複数の異なる位置で接触させて、そのときの接触点が仮想表面の特徴形状を表わしているとして、その接触点におけるデータ点を抽出するものであり、仮想接触子を、特徴形状としては抽出したくない、例えば仮想表面の凹みなどに接触しないようなものとすることにより、所要の特徴形状を表す特徴形状データ点群を抽出するものである。従来技術におけるデジタルフィルタに対応する役割を果たすこの仮想接触子は、仮想表面の形状との関係で、視覚的又は直感的な判断によりその形状寸法を設定することができ、その設定が従来のデジタルフィルタのパラメータ設定に比べて容易となる。
【００１２】
上記本発明に係る方法は、以下のように規定することもできる。
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
（ａ）前記表面形状測定データ点群によって構成される前記仮想表面に接触させたときに、前記仮想表面内の前記特徴形状に関係しない部分とは接触しないような寸法形状とされた仮想接触子を設定するステップと、
（ｂ）前記表面形状測定データ点群の中から任意のデータ点を選択し、該データ点を接触中心データ点として設定するステップと、
（ｃ）前記接触中心データ点に対して前記仮想接触子の仮想接触方向を設定するステップと、
（ｄ）前記仮想接触子が前記仮想接触方向に延びる軸線上に位置付けされるように、前記表面形状測定データ点群に対する前記仮想接触子の相対位置を設定するステップと、
（ｅ）前記仮想表面に前記仮想接触子が接触した状態となるように前記仮想接触子を前記仮想接触方向で移動させたときに、前記仮想接触子が接触することになる前記仮想表面の接触部分を表わしているデータ点を接触点データ点として前記表面形状測定データ点群から抽出するステップと、
（ｆ）前記接触中心データ点を前記表面形状測定データ点群の中の別のデータ点に順次置き換えて前記（ｃ）乃至（ｅ）の各ステップを所定回数繰り返し、複数の前記接触点データ点を前記表面形状測定データ点群から抽出して前記特徴形状データ点群とするステップと、
を含む、特徴形状抽出演算方法。
【００１３】
ここで「仮想接触方向」とは、上記から分かるように、仮想表面から離れた位置に想定する仮想接触子を仮想表面に接触させるための当該仮想接触子の移動方向を意味する。この点については、後述する実施例の説明でも述べる。
【００１４】
より具体的には、前記（ｅ）のステップは、前記仮想接触子を前記相対位置に配置したときの、前記表面形状測定データ点群の前記接触中心データ点及びその周囲のデータ点の各点から前記仮想接触子までの前記仮想接触方向とは逆方向での各距離を求め、該各距離のうちの最小距離を構成するデータ点を接触点データ点として抽出するステップであるようにすることができる。
【００１５】
または、
前記相対位置は、前記仮想接触子と前記仮想表面が重なり合わずに離れている位置であり、
前記（ｅ）のステップは、
（ｅ−１）前記仮想接触子を前記相対位置に配置し、該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を所定の第１間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
（ｅ−２）前記仮想接触子の位置を前記第１間隔分だけ前記仮想接触方向とは逆方向に移動するステップと、
（ｅ−３）該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を前記第１間隔よりも短い第２間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
を含み、前記仮想接触子が前記仮想接触方向で越えているデータ点を接触点データ点として抽出するステップであるようにすることもできる。
【００１６】
これらの演算は、比較的に単純な演算であるので、演算負荷を小さくすることができ、従って演算時間を短くすることができる。また、コンピュータや回路への実装も容易となる。
【００１７】
また、前記仮想接触方向は一定の方向であるようにすることができる。
【００１８】
接触中心データ点を決める毎に仮想接触方向を設定する必要がないので、測定点データ点の抽出に係る演算負荷をさらに低減することができ、より高速な演算を実現することが可能となる。
【００１９】
さらには、前記仮想接触方向は前記接触中心データ点とその周囲のデータ点とで構成される接触対象面の前記接触中心データ点における法線方向であるようにすることができる。
【００２０】
特に表面の概形が複雑に変化している場合には、接触対象面の接触中心データ点における法線方向を仮想接触方向に設定するようにすることで、各接触中心データ点に対する仮想接触方向をより適切に設定することができるので、接触点データ点の抽出をより安定して行なうことが可能となる。
【００２１】
具体的には、前記その周囲のデータ点は、前記仮想接触子を前記仮想接触方向の向きで前記表面形状測定データ点群上に投影したときに、該投影された面内に含まれるデータ点であるようにすることができる。
【００２２】
このように仮想接触子との距離を求めるデータ点の範囲を決めることで、接触点の候補となるデータ点を過不足なく選択することができるので、不必要な演算が低減されると共に、誤った接触点が抽出される可能性が低減される。
【００２３】
好ましくは、前記仮想接触子は円形又は球形とすることができる。
【００２４】
より好ましくは、前記特徴形状データ点群に基づいて特徴形状を生成するステップをさらに含むようにすることができる。
【００２５】
さらに具体的には、前記特徴形状を生成するステップは、前記特徴形状データ点群に対して曲線当てはめ処理を行なうことによってなされるようにすることができる。
【００２６】
このような処理を行なうことで通常は不規則な間隔となる特徴形状データ点群のデータ間を補間して特徴形状を連続した曲線又は曲面とすることができるので、特徴形状の評価をより正確に行なうことができるようになる。
【００２７】
また本発明は、上述の特徴形状抽出演算方法によって生成した前記特徴形状に基づいて前記表面形状測定データ点群を補正処理して表面形状補正データ点群を導出するステップを含むようにすることができる。
【００２８】
より具体的には、前記補正処理は、前記表面形状測定データ点群から前記特徴形状を減算する処理であるようにすることができる。
【００２９】
このような処理により、例えば、仮想表面の歪みやうねりの成分等を取り除くことができるので、表面に形成された特定のパターンなどをうねりの影響を受けないかたちでより正確に評価することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る方法のフローチャートである。
【図２ａ】本発明の第１の実施例の仮想表面を示す図である。
【図２ｂ】本発明の第１の実施例の仮想接触子を示す図である。
【図２ｃ】本発明の第１の実施例の特徴形状データ点群を示す図である。
【図２ｄ】本発明の第１の実施例の特徴形状を示す図である。
【図２ｅ】本発明の第１の実施例の補正後の表面形状測定データ点群を示す図である。
【図３ａ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第１の図である。
【図３ｂ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第２の図である。
【図３ｃ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第３の図である。
【図３ｄ】特徴形状データ点群を抽出する第１の計算アルゴリズムを示す第４の図である。
【図４ａ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第１の図である。
【図４ｂ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第２の図である。
【図４ｃ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第３の図である。
【図４ｄ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第４の図である。
【図４ｅ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第５の図である。
【図４ｆ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第６の図である。
【図４ｇ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第７の図である。
【図４ｈ】特徴形状データ点群を抽出する第２の計算アルゴリズムを示す第８の図である。
【図５ａ】本発明の第２の実施例の仮想表面を示す図である。
【図５ｂ】本発明の第２の実施例の特徴形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明に係る特徴形状抽出演算方法および表面形状補正演算方法について、図１に示すフローチャートに基づいて説明する。本明細書における表面形状測定装置とは、測定対象物の２次元、３次元の形状を測定することができる装置を意味し、例えば、輪郭形状測定機、真円度測定機、空間座標測定機、歯車測定機、白色干渉計、レンズ形状測定機、表面性状測定機、ＡＦＭ、ＳＴＭ、共焦点顕微鏡、ＳＥＭなどの種々の装置が含まれる。従って、測定された表面形状測定データ点群も２次元（平面座標）又は３次元（空間座標）のデータである。まずは、表面形状測定データ点群により表わされる仮想表面の形状に合わせて二次元もしくは三次元の適切な形状を有する仮想接触子を設定する（Ｓ１）。ここで仮想表面とは、表面形状測定データ点群に基づいて表わされる仮想上の表面であり、データ点間を平面で繋いで表わしても良いし、最適にフィットする曲面を当てはめたて表わしても良い。仮想接触子の形状を選択するに際に、例えば表面形状測定データ点群又は該表面形状測定データ点群により表わされる仮想表面を画像としてモニタ上に表示し、該画像を参考に適当な寸法の形状を選択するようにしてもよい。また、仮想接触子も同時にモニタ上に表示して、モニタ上で仮想表面と形状を比較しながら最適な仮想接触子の寸法・形状を決めるようにしてもよい。仮想接触子の形状としては、典型的には円形又は球形が選択されるが、後に述べるように状況に応じて他のいかなる形状を選択しても良い。どのような寸法・形状の仮想接触子を設定するかは、表面形状測定データ点群が表す表面形状と、その中からどのような特徴形状を抽出するかによって異なる。
【００３２】
次に、表面形状測定データ点群の中から任意のデータ点を選択し、このデータ点を接触中心データ点として設定する（Ｓ２）。
【００３３】
さらに、設定された接触中心データ点に対して仮想接触子の仮想接触方向を設定する（Ｓ３）。ここで仮想接触方向とは、仮想接触子を仮想表面に接触させることを想定したときに、該仮想接触子をどの方向から仮想表面に向かって近づけて接触させるのかを規定している方向を意味する。仮想接触方向をどのような方向とするかは任意であるが、典型的には仮想表面のおおよその概形を表す表面の法線方向とする。例えば、被測定物が平板である場合には、その平板に垂直な方向とし、その方向を接触中心データ点の位置に関わらず、どの点でも一定とすることができる。また被測定物が円筒形の場合には、仮想接触方向は円筒の中心軸に垂直に交わる方向（放射方向）となるように接触中心データ点の位置に合わせて変化させるように設定することができる。被測定物の概形が複雑である場合には、接触中心データ点とその周囲のデータ点とで構成される部分表面に対する法線方向を接触中心データ点毎に求めて、その法線方向を仮想接触方向とすることができる。
【００３４】
仮想接触子が仮想接触方向に延びる軸線状に位置づけられるように、表面形状測定データ点群に対する仮想接触子の相対位置を設定する（Ｓ４）。
【００３５】
仮想接触子を仮想接触方向で接触中心データ点に向かって移動させていったときに、仮想接触子が接触することになる仮想表面の接触部分を表わしているデータ点を接触点データ点として表面形状測定データ点群から抽出する（Ｓ５）。この処理としては、例えば後に述べるような最短距離計算法や求根法などの種々の計算アルゴリズムがある。
【００３６】
次の接触点データ点を求めるために、接触中心データ点を表面形状測定データ点の中の別のデータ点に置き換えて（Ｓ６）、Ｓ２乃至Ｓ５の処理を再び行なう。以降、順次接触中心データ点を置き換えていって、上記演算を繰り返し複数の接触点データ点を得る。このようにして得られた複数の接触点データ点を特徴形状データ点群として抽出する（Ｓ７）。
【００３７】
抽出された特徴形状データ点群に基づいて、例えば曲線当てはめ処理を行なって特徴形状を生成する（Ｓ８）。
【００３８】
また、表面に形成されたパターン形状を抽出したい場合などは、生成した特徴形状によって表面形状測定データ点群の補正を行ない、表面形状補正データ点群を得る（Ｓ９）。
【００３９】
上述の特徴形状抽出演算方法及び表面形状補正演算方法について、具体的な実施例に基づいて更に詳細に説明する。
【００４０】
図２ａには、表面に微細な断面が矩形状の溝が周期的に形成されている機能性フィルムの表面形状を表面形状測定装置で測定したときの表面形状測定データ点群から構成される当該フィルムの仮想表面１００が画像として示されている。ここでは説明を簡単にするために表面形状測定データ点群を二次元データとしているが、三次元データであってもよい。画像上の仮想表面１００の溝１０２の大きさは、深さが約５μmで幅が約４００μmとなっている。図から分かるようにこの機能性フィルムの仮想表面１００は全体としてうねりを生じている。このうねりを機能性フィルムが有する特徴形状として抽出するために、機能性フィルムの表面形状測定データ点群に対して特徴形状抽出演算を行う場合について、以下に説明する。
【００４１】
まず、事前に表面形状測定装置で測定されている機能性フィルムの表面形状測定データ点群をコンピュータに入力し、当該機能性フィルムの仮想表面１００をモニタ上に表示する。
【００４２】
次に、図２ｂに示すように、該仮想表面１００に接触させながら移動させる仮想接触子１１０をモニタ上に設定する。どのような形状の可能接触子を設定するかによって演算結果は異なるので、所要の特徴形状に合わせて適切な形状の仮想接触子を設定する必要がある。例えば、本実施例では、機能性フィルム全体のうねりを特徴形状として抽出したいので、溝１０２部分の測定データを取り除くことができるように仮想接触子１１０は溝１０２の内部にまで侵入しない大きさとしている。すなわち直径が各溝１０２の幅よりも大きい円を仮想接触子１１０として設定している（図２ｂ）。
【００４３】
次に、表面形状測定データ点群から構成される仮想表面１００の複数の異なる位置において仮想接触子１１０を仮想表面１００に接触させたときに、仮想接触子１１０が接触する各接触点データ点を表面形状測定データ点群の中から抽出する。この抽出方法の具体的な例については後に詳細に説明する。このようにして求められた複数の接触点データ点が、この機能性フィルムの表面形状測定データ点群に含まれる特徴形状を表わす特徴形状データ点群１２０である。図２ｃから分かるように、表面形状測定データ点群から溝１０２部分のデータ点が除かれて上面の部分だけが特徴形状データ点群１２０として抽出されている。
【００４４】
特徴形状データ点群１２０に基づいて表面形状測定データ点群に含まれる特徴形状の評価を行なうことが可能となるが、特徴形状データ点群１２０に曲線当てはめ処理を施すことにより特徴形状１３０を生成することもできる。曲線当てはめ処理により求められた特徴形状１３０は図２ｄに示すように、周期的に形成された溝１０２の影響を受けることなく、フィルム表面全体のうねりだけを的確に表現するものとなっており、この特徴形状１３０によりフィルムのうねりをより正確に評価することができる。さらには、上述のようにして求めた特徴形状１３０により表面形状測定データ点群を補正することで、溝１０２部分のうねりも補正することができ、表面に形成されたパターン形状などをより正確に評価することが可能となる。例えば、本実施例では、表面形状測定データ点群から特徴形状１３０を減算する補正処理を行なっている。これによって、表面形状測定データ点群から特徴形状１３０として抽出されたうねり成分を除去した表面形状補正データ点群を得ることができる。図３ｅに該表面形状補正データ点群により表わされる補正仮想表面１４０を示す。これによって、補正された溝１０６は溝自身の形状をより的確に表わすものとなり、溝の深さ分布、バラツキ、最大値、最小値等の評価がより容易且つ正確に行えるようになる。
【００４５】
ここで、特徴形状データ点群を抽出する具体的な２つの計算アルゴリズムについて説明する。
【００４６】
計算アルゴリズムの一実施例である最短距離計算法を用いた演算方法について図３ａ−ｄに基づいて説明する。図３ａに示すように、仮想表面２００を構成する表面形状測定データ点群２０４の中から任意の１点を選択し、そのデータ点を接触中心データ点Ｐ１として設定し、該接触中心データ点Ｐ１に対する仮想接触方向２１２を設定する（図３ａ）。次に図３ｂに示すように、選択された接触中心データ点Ｐ１から仮想接触方向２１２に延びる軸線２５０上に仮想接触子２１０を配置する。このとき、仮想接触子２１０は、表面形状測定データ点群２０４と仮想接触子２１０とが交わることがないように配置されているのが望ましい。次に図３ｃに示すように、仮想接触子２１０が仮想接触方向２１２で接触中心データ点Ｐ１に近づいてきたときに仮想接触子２１０と接触する可能性のあるデータ点Ｐ１−Ｐ５を表面形状測定データ点群２０４の中から選択し、選択された各データ点から仮想接触子２１０までの仮想接触方向２１２とは逆方向での各距離Ｌ１−Ｌ５を求める。接触する可能性のあるデータ点Ｐ１−Ｐ５は、仮想接触子２１０を仮想接触方向２１２で表面形状測定データ点群２０４上に投影したときの投影面内に含まれるデータ点としている。求めた各距離Ｌ１−Ｌ５を比較して、その中で最小距離を構成しているデータ点を求めて、その点を接触点として抽出する。この例ではＬ２が最小距離となるのでデータ点Ｐ２が接触点２２２となる。通常は、最小距離を構成するデータ点は一つのみとなるのでその一つのデータ点のみが接触点として抽出されることになるが、データ上複数の点が同時に最小距離を構成する場合には、それら全てのデータ点が接触点として抽出される。以上が接触点２２２を求める一連のステップであり、以降は接触中心データ点Ｐ１を別のデータ点に置き換えて上記一連のステップを繰り返して特徴形状データ点群を抽出する。図３ｄにおいては、最初の接触中心データ点Ｐ１の右隣のデータ点Ｐ２を次の接触中心データ点としているが、必ずしも接触中心データ点を一つずつずらしていく必要はなく、データ量及び計算量を抑えるために所定の間隔を開けて、例えば２点ずつとばして接触中心データ点を選択するようにしてもよい。また、表面形状測定データ点全体ではなく所定の範囲内のデータ点に対してだけ接触点を求める演算をするようにしてもよい。
【００４７】
次に図４ａ−ｈに示す別の計算アルゴリズムである求根法について説明する。当該計算アルゴリズムにおいても、まずは図３に示す最短距離法と同様に接触中心データ点Ｐ１の設定、仮想接触方向３１２の設定、及び仮想接触子３１０の配置を行なう（図４ａ）。次に所定の第１間隔Ｄ１で仮想接触子３１０の位置を仮想接触方向３１２で仮想表面３００に近づけ（図４ｂ）、表面形状測定データ点群３０４のいずれのデータ点においても仮想接触子３１０が仮想接触方向３１２で越えていなければさらに第１間隔Ｄ１だけ仮想接触子３１０を仮想接触方向３１２に進める。仮想接触子３１０が表面形状測定データ点群３０４のいずれかのデータ点で超えたら（図４ｃ）、一旦第１間隔Ｄ１分だけ仮想接触子３１０を戻して（図４ｄ）、次に第１間隔Ｄ１よりも短い第２間隔Ｄ２で仮想接触子３１０を仮想接触方向３１２に進める（図４ｅ）。ここでも先程と同様に仮想接触子３１０を第２間隔Ｄ２分ずつ表面形状測定データ点群３０４のいずれかの点を超えるまで進める。仮想接触子３１０が表面形状測定データ点群３０４のいずれかのデータ点を超えた時点で（図４ｆ）、一旦第２間隔Ｄ２分だけ戻して（図４ｇ）、さらに第２間隔Ｄ２よりも小さい第３間隔Ｄ３で仮想接触子３１０を仮想接触方向３１２に進める（図４ｈ）。このような演算を繰り返して、表面形状測定データ点群３０４のいずれかの点と仮想接触子３１０の距離が所定値以下になった時点で、そのデータ点は仮想接触子３１０と接触している状態であるとみなして接触点３２２として抽出する。以上が接触点を求める一連のステップであり、以降は最短距離計算法と同様に接触中心データ点を別のデータ点に置き換えて上記一連のステップを繰り返して特徴形状データ点群を抽出する。
【００４８】
図２に示す実施例では、評価対象となる表面がおおよそ平面であるので、仮想接触子１１０の仮想接触方向１１２は、場所によらず測定表面に対して垂直な方向、すなわち全ての接触中心データ点において図で見て下向きの方向で一定としている。本実施例のように全体的な形状が単純な形状の場合には、仮想接触方向を接触中心データ点ごとにその都度求める必要は必ずしもなく、所定の方向に事前に設定しておいても良い。
【００４９】
別の実施例として、図５ａに示す、円形の表面に複数の溝が形成された部材の表面形状測定データ点群に対する特徴形状抽出演算方法について説明する。このような形状の測定対象物に対しても、基本的には先の実施例と同様な方法で特徴形状の抽出演算を行なうことが可能である。ただし、仮想接触子４１０の仮想接触方向４１２は、選択された接触中心データ点に合わせて変える必要がある。すなわち、仮想接触方向４１２は、円形の仮想表面４００上の接触中心データ点を通る法線方向としている。ただし、本実施例の測定対象物の概形は円形であるので、仮想接触方向４１２を、各接触中心データ点を通る法線方向、すなわち半径方向として予め設定しておいて、法線方向を求める演算処理を省略するようにしてもよい。図５ｂは、図５ａに示す表面形状測定データ点群に対する特徴形状抽出演算により求められた特徴形状データ点群４２０及び特徴形状４３０を示している。
【００５０】
なお上述の図２及び図５示した実施例では、測定対象物の仮想表面１００、４００の上面または外側に配置される仮想接触子１１０、４１０との関係で特徴形状を求めるようにしているが、仮想接触子１１０、４１０を測定対象物の仮想表面１００、４００の内側、すなわち図２ａの仮想表面１００の下側や図５ａの円形状の仮想表面４００の内側に配置して、特徴形状１３０、４３０の抽出演算を行なっても良い。
【００５１】
また、上述の実施例ではいずれも円形の仮想接触子１１０，４１０を設定したが、用途に合わせて他の形状の仮想接触子を設定してもよい。例えば、測定対象物の使用状態においてその表面上を直方体の物体が摺動するような場合には、仮想接触子を実際に摺動する物体の形状に合わせて直方体に設定して演算を行ない、その物体が摺動する際に影響する当該表面における特徴形状を抽出することも考えられる。
【００５２】
本発明に係る方法における仮想接触子の選択は、測定対象物の表面形状を表す表面形状測定データ点群が表わす仮想表面の形状に合わせて、比較的に直感的に行なうことができる。例えば上述の２つ実施例では外表面のみを特徴形状として抽出するために溝１０２，４０２よりも大きな形状を仮想接触子と選択しているし、先の例では実際に摺動する物体の形状に合わせた直方体の形状を選択するようにしている。このように、本発明に係る方法では従来技術におけるデジタルフィルタに相当する仮想接触子の選択を比較的に容易に行なうことができる。しかしながら、評価対象となる表面形状が複雑な場合には、選択した仮想接触子による演算により求められた特徴形状が必ずしも満足のいくものでない場合がある。このようなときには、演算結果としての特徴形状を参考にしながら仮想接触子の形状を適宜変更して、最適な結果が得られる仮想接触子の形状を設定するようにする。
【００５３】
以上、本発明に係る特徴形状抽出演算方法について、実施例に基づいて説明してきたが、本発明は実施例において説明した方法に限定されるものではない。例えば、目的とする特徴形状を抽出するのに上述の特徴形状抽出演算を必ずしも一回だけ適用しなければならないわけではなく、１回目の特徴形状抽出演算により特徴形状データ点群を求めておいて、該特徴形状データ点群を表面形状測定データ点群に置き換えて１回目とは異なる形状の仮想接触子を選択して２回目の特徴形状抽出演算をし、最終的な特徴形状データ点群を抽出するようにしてもよい。また、仮想表面を場所毎に区切って、各場所に異なる形状の仮想接触子を設定して特徴形状抽出演算をそれぞれの場所毎に行なうようにしても良い。さらには、特徴形状データ点群から特徴形状を生成する処理は、最小二乗当てはめ処理、関数当てはめ処理、非線形当てはめ処理、補間処理、フィルタ処理、数値解析などであっても良い。
【符号の説明】
【００５４】
１００，２００，３００、４００ 仮想表面
１０２、４０２ 溝
２０４、３０４ 表面形状測定データ点群
１０６ 補正された溝
１１０、２１０、３１０、４１０ 仮想接触子
１２０、４２０ 特徴形状データ点群
１３０、４３０ 特徴形状
１４０ 補正表面形状
１１２、２１２、３１２、４１２ 仮想接触方向
２２２、３２２ 接触点
２５０ 軸線
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５ データ点
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５ 距離
Ｄ１ 第１間隔
Ｄ２ 第２間隔
Ｄ３ 第３間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
前記表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面に接触可能な二次元もしくは三次元の形状を有する仮想接触子を想定し、前記仮想表面における複数の異なる位置において該仮想接触子を該仮想表面に接触させたことを仮想したときに、各位置において該仮想接触子が接触する前記仮想表面上の１以上の接触点における前記表面形状測定データ点群の中のデータ点を抽出して前記特徴形状データ点群とする特徴形状抽出演算方法。
【請求項２】
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
（ａ）前記表面形状測定データ点群によって構成される前記仮想表面に接触させたときに、前記仮想表面内の前記特徴形状に関係しない部分とは接触しないような寸法形状とされた仮想接触子を設定するステップと、
（ｂ）前記表面形状測定データ点群の中から任意のデータ点を選択し、該データ点を接触中心データ点として設定するステップと、
（ｃ）前記接触中心データ点に対して前記仮想接触子の仮想接触方向を設定するステップと、
（ｄ）前記仮想接触子が前記仮想接触方向に延びる軸線上に位置付けされるように、前記表面形状測定データ点群に対する前記仮想接触子の相対位置を設定するステップと、
（ｅ）前記仮想表面に前記仮想接触子が接触した状態となるように前記仮想接触子を前記仮想接触方向で移動させたときに、前記仮想接触子が接触することになる前記仮想表面の接触部分を表わしているデータ点を接触点データ点として前記表面形状測定データ点群から抽出するステップと、
（ｆ）前記接触中心データ点を前記表面形状測定データ点群の中の別のデータ点に順次置き換えて前記（ｃ）乃至（ｅ）の各ステップを所定回数繰り返し、複数の前記接触点データ点を前記表面形状測定データ点群から抽出して前記特徴形状データ点群とするステップと、
を含む、特徴形状抽出演算方法。
【請求項３】
前記（ｅ）のステップは、前記仮想接触子を前記相対位置に配置したときの、前記表面形状測定データ点群の前記接触中心データ点及びその周囲のデータ点の各点から前記仮想接触子までの前記仮想接触方向とは逆方向での各距離を求め、該各距離のうちの最小距離を構成するデータ点を接触点データ点として抽出するステップである、請求項２に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項４】
前記相対位置は、前記仮想接触子と前記仮想表面が重なり合わずに離れている位置であり、
前記（ｅ）のステップは、
（ｅ−１）前記仮想接触子を前記相対位置に配置し、該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を所定の第１間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
（ｅ−２）前記仮想接触子の位置を前記第１間隔分だけ前記仮想接触方向とは逆方向に移動するステップと、
（ｅ−３）該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を前記第１間隔よりも短い第２間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
を含み、前記仮想接触子が前記仮想接触方向で越えているデータ点を接触点データ点として抽出するステップである、請求項２に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項５】
前記仮想接触方向は一定の方向である、請求項２乃至４の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項６】
前記仮想接触方向は前記接触中心データ点とその周囲のデータ点とで構成される接触対象面の前記接触中心データ点における法線方向である、請求項２乃至４の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項７】
前記その周囲のデータ点は、前記仮想接触子を前記仮想接触方向の向きで前記表面形状測定データ点群上に投影したときに、該投影された面内に含まれるデータ点である、請求項３に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項８】
前記仮想接触子は円形又は球形である、請求項１乃至６の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項９】
前記特徴形状データ点群に基づいて特徴形状を生成するステップをさらに含む、請求項２乃至８の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項１０】
前記特徴形状を生成するステップは、前記特徴形状データ点群に対して曲線当てはめ処理を行なうことによってなされる、請求項９に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の特徴形状抽出演算方法によって生成した前記特徴形状に基づいて前記表面形状測定データ点群を補正処理して表面形状補正データ点群を導出するステップを含む、表面形状補正演算方法。
【請求項１２】
前記補正処理は、前記表面形状測定データ点群から前記特徴形状を減算する処理である、請求項１１に記載の表面形状補正演算方法。
【請求項１】
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
前記表面形状測定データ点群によって構成される仮想表面に接触可能な二次元もしくは三次元の形状を有する仮想接触子を想定し、前記仮想表面における複数の異なる位置において該仮想接触子を該仮想表面に接触させたことを仮想したときに、各位置において該仮想接触子が接触する前記仮想表面上の１以上の接触点における前記表面形状測定データ点群の中のデータ点を抽出して前記特徴形状データ点群とする特徴形状抽出演算方法。
【請求項２】
表面形状測定装置によって測定された被測定物の表面形状を表わす表面形状測定データ点群から、該被測定物の表面形状の所要の特徴形状を表わす特徴形状データ点群を抽出する特徴形状抽出演算方法であって、
（ａ）前記表面形状測定データ点群によって構成される前記仮想表面に接触させたときに、前記仮想表面内の前記特徴形状に関係しない部分とは接触しないような寸法形状とされた仮想接触子を設定するステップと、
（ｂ）前記表面形状測定データ点群の中から任意のデータ点を選択し、該データ点を接触中心データ点として設定するステップと、
（ｃ）前記接触中心データ点に対して前記仮想接触子の仮想接触方向を設定するステップと、
（ｄ）前記仮想接触子が前記仮想接触方向に延びる軸線上に位置付けされるように、前記表面形状測定データ点群に対する前記仮想接触子の相対位置を設定するステップと、
（ｅ）前記仮想表面に前記仮想接触子が接触した状態となるように前記仮想接触子を前記仮想接触方向で移動させたときに、前記仮想接触子が接触することになる前記仮想表面の接触部分を表わしているデータ点を接触点データ点として前記表面形状測定データ点群から抽出するステップと、
（ｆ）前記接触中心データ点を前記表面形状測定データ点群の中の別のデータ点に順次置き換えて前記（ｃ）乃至（ｅ）の各ステップを所定回数繰り返し、複数の前記接触点データ点を前記表面形状測定データ点群から抽出して前記特徴形状データ点群とするステップと、
を含む、特徴形状抽出演算方法。
【請求項３】
前記（ｅ）のステップは、前記仮想接触子を前記相対位置に配置したときの、前記表面形状測定データ点群の前記接触中心データ点及びその周囲のデータ点の各点から前記仮想接触子までの前記仮想接触方向とは逆方向での各距離を求め、該各距離のうちの最小距離を構成するデータ点を接触点データ点として抽出するステップである、請求項２に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項４】
前記相対位置は、前記仮想接触子と前記仮想表面が重なり合わずに離れている位置であり、
前記（ｅ）のステップは、
（ｅ−１）前記仮想接触子を前記相対位置に配置し、該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を所定の第１間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
（ｅ−２）前記仮想接触子の位置を前記第１間隔分だけ前記仮想接触方向とは逆方向に移動するステップと、
（ｅ−３）該仮想接触子が前記表面形状測定データ点群のいずれかのデータ点を越えるまで前記仮想接触子の位置を前記第１間隔よりも短い第２間隔ずつ前記仮想接触方向に移動させるステップと、
を含み、前記仮想接触子が前記仮想接触方向で越えているデータ点を接触点データ点として抽出するステップである、請求項２に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項５】
前記仮想接触方向は一定の方向である、請求項２乃至４の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項６】
前記仮想接触方向は前記接触中心データ点とその周囲のデータ点とで構成される接触対象面の前記接触中心データ点における法線方向である、請求項２乃至４の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項７】
前記その周囲のデータ点は、前記仮想接触子を前記仮想接触方向の向きで前記表面形状測定データ点群上に投影したときに、該投影された面内に含まれるデータ点である、請求項３に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項８】
前記仮想接触子は円形又は球形である、請求項１乃至６の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項９】
前記特徴形状データ点群に基づいて特徴形状を生成するステップをさらに含む、請求項２乃至８の何れかに記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項１０】
前記特徴形状を生成するステップは、前記特徴形状データ点群に対して曲線当てはめ処理を行なうことによってなされる、請求項９に記載の特徴形状抽出演算方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の特徴形状抽出演算方法によって生成した前記特徴形状に基づいて前記表面形状測定データ点群を補正処理して表面形状補正データ点群を導出するステップを含む、表面形状補正演算方法。
【請求項１２】
前記補正処理は、前記表面形状測定データ点群から前記特徴形状を減算する処理である、請求項１１に記載の表面形状補正演算方法。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図４ｄ】
【図４ｅ】
【図４ｆ】
【図４ｇ】
【図４ｈ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図２ｅ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図４ｄ】
【図４ｅ】
【図４ｆ】
【図４ｇ】
【図４ｈ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【公開番号】特開２０１３−１１３６１３（Ｐ２０１３−１１３６１３Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７７２４（Ｐ２０１１−２５７７２４）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（５０１２９２１４２）株式会社小坂研究所 (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（５０１２９２１４２）株式会社小坂研究所 (16)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]