测量方法和测量程序与流程

本发明涉及测量方法和测量程序，更详细地说，涉及对包含最佳测量条件的不同区域的目标物体的表面能够以短时间且高精度地测量形状的测量方法和测量程序。

背景技术：

作为测量目标物体的表面高度、表面粗糙度、三维形状等的测量方法之一，已知利用由光的干涉产生的干涉条纹的亮度信息的光干涉法。在光干涉法中，参照光路的光路长度和测量光路的光路长度一致的焦点位置中各波长的干涉条纹的峰值被重叠合成，利用干涉条纹的亮度变大。因此，在光干涉法中，一面使参照光路或测量光路的光路长度变化，一面由ccd摄像机等的摄像元件拍摄表示干涉光强度的二维分布的干涉图像。然后，通过在拍摄视野内的各测量位置检测干涉光的强度为峰值的焦点位置，测量在各测量位置中的测量面的高度，对测量目标物体的三维形状等进行测量(例如，参照日本特开2011-191118号公报、日本特开2015-045575号公报、以及日本特开2015-118076号公报)。

技术实现要素：

这里，在测量的目标物体的表面上包含最佳测量条件的不同区域的情况下，不能以一个测量条件高精度地测量整体。例如，在表面上包含凹部(坑、槽等的阶梯的表面)的目标物体中，若对表面部以最佳的光量进行测量，则由于光到达不了凹部内、或到达的光量少，所以难以检测凹部的形状。另一方面，如果光量增多，尽管能够检测凹部的形状，但在表面部反射的光会饱和，不能正确地测量表面的形状。

在对这样的目标物体进行测量的情况下，在以往，对表面部以最佳的条件进行测量，同时对凹部以最佳的条件进行测量，进行将两个测量结果合成的、所谓多重扫描测量。但是，在该方法中，为了对目标物体得到一个测量结果而因2次测量需要较多的时间。

本发明的目的在于，提供能够对包含最佳测量条件的不同区域的目标物体的表面以短时间测量形状的测量方法和测量程序。

为了解决上述课题，本发明是从测量头对目标物体的表面照射光并基于反射光测量形状的方法，特征在于包括以下步骤：设定为适合于测量目标物体的第1区域的测量条件，对表面以第1扫描范围和第1扫描间距进行测量，得到第1测量结果的步骤；从第1测量结果求表面之中的第2区域的步骤；以及设定为适合于测量第2区域的测量条件，对表面以比第1扫描范围窄的第2扫描范围和比第1扫描间距细的第2扫描间距进行测量，得到第2测量结果的步骤。

根据这样的结构，在第1扫描范围和第1扫描间距的测量中，对目标物体的表面进行粗略的数据获取，进行主要适合于第1区域的测量。此外，在第2扫描范围和第2扫描间距的测量中，对目标物体的表面在比第1扫描范围窄的范围中进行详细的数据获取，进行主要适合于第2区域的测量。由此，能够在第1区域和第2区域的两方中进行足够的精度并且短时间的测量。再有，第2区域能够设为所述表面之中所述第1区域以外的区域。

在本发明的测量方法中，求第2区域的步骤也可以包含从第1测量结果仅基于第2区域的测量数据来假定表面基准位置，得到第2测量结果的步骤也可以包括设定第2扫描范围，第2扫描范围包含假定的表面基准位置、不包含比表面基准位置的最低位置凹陷的凹部的至少底部。由此，能够有效地设定需要较长的测量时间的第2扫描范围中的测量范围。

在本发明的测量方法中，第1区域也可以有对于表面凹陷的凹部。由此，对第1区域的凹部和第2区域的表面部的两方能够进行短时间并且足够的精度的测量。

在本发明的测量方法中，也可以还包括将从第1测量结果得到的第1区域的数据和从第2测量结果得到的第2区域的数据进行合成的步骤。由此，能够得到目标物体的表面的整体的形状数据。

本发明是从测量头对目标物体的表面照射光并基于反射光测量形状的测量程序，是使计算机具有作为以下装置的功能的测量程序：设定为适合于测量目标物体的第1区域的测量条件，对表面以第1扫描范围和第1扫描间距进行测量，得到第1测量结果的装置；从第1测量结果求表面之中的第2区域的装置；以及设定为适合于测量第2区域的测量条件，对表面以比第1扫描范围窄的第2扫描范围和比第1扫描间距细的第2扫描间距进行测量，得到第2测量结果的装置。

根据这样的结构，在计算机的测量中，在第1扫描范围和第1扫描间距的测量中，对目标物体的表面进行粗略的数据获取，进行主要适合于第1区域的测量。此外，在第2扫描范围和第2扫描间距的测量中，对目标物体的表面在比第1扫描范围窄的范围中进行详细的数据获取，进行主要适合于第2区域的测量。由此，能够在第1区域和第2区域的两方中进行足够的精度并且短时间的测量。

附图说明

图1是表示本实施方式的图像测量装置的整体结构的图。

图2是例示光干涉光学头的结构的示意图。

图3是物镜单元的主要部分放大图。

图4的(a)是表示有弯曲形状的目标物体w的例子的示意立体图，图4的(b)是例示测量区域的示意图，图4的(c)是表示三维数据和剖面的例子的示意图。

图5是例示计算机的结构的框图。

图6是例示本实施方式的测量程序的流程的流程图。

图7的(a)示意地表示圆筒内壁的测量区域r，图7的(b)示意地表示圆筒内壁中的测量区域r和多个局部数据之间的对应。

图8的(a)和(b)是例示第1扫描和区域判定的示意图。

图9的(a)和(b)是例示区域判定和第2扫描的示意图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式。再有，在以下的说明中，对同一构件附加同一标号，对说明过一次的构件适当省略其说明。

〔测量装置的整体结构〕

图1是表示本实施方式的测量装置、更具体地为图像测量装置的整体结构的图。

如图1所示，本实施方式的图像测量装置1包括：测量目标物体w的形状的装置本体10；以及控制装置本体10，同时执行必要的数据处理的计算机系统20。再有，图像测量装置1除了这些以外，也可以适当包括将测量结果等打印输出的打印机等。本实施方式的图像测量装置1适用于例如汽缸的内壁那样的、有弯曲形状的目标物体w的测量。

装置本体10包括架台11、载物台12、x轴导轨14和摄像单元15。在本实施方式中，x轴方向(沿x轴的方向)是沿载物台12的表面的一方向。y轴方向(沿y轴的方向)是在沿载物台12的表面的方向与x轴方向正交的方向。z轴方向(沿z轴的方向)是与x轴方向和y轴方向正交的方向。z轴方向也称为上下方向。此外，x轴方向和y轴方向也称为水平方向。

架台11例如配置在防振台3之上，抑制外部的振动向架台11之上的载物台12和摄像单元15传送。载物台12配置在架台11之上。载物台12是放置测量的目标物体w的台。载物台12设为通过未图示的y轴驱动机构相对架台11在y轴方向可移动。

在架台11的两侧部设有支承部13a和13b。支承部13a和13b各自设为从架台11的侧部向上方延伸。x轴导轨14设在该支承部13a和13b之上，以便横跨它们。在x轴导轨14上安装摄像单元15。

摄像单元15设为通过未图示的x轴驱动机构沿x轴导轨14在x轴方向上可移动，并设为通过z轴驱动机构在z轴方向上可移动。通过这样的驱动机构，可设定载物台12上的目标物体w与沿摄像单元15的x轴、y轴及z轴各自的相对位置关系。即，通过调整该位置关系，能够使摄像单元15的拍摄区域与目标物体w的测量区域匹配。

摄像单元15可拆装地包括拍摄目标物体w的二维图像的图像光学头151和通过光干涉测量来测量目标物体w的三维形状的光干涉光学头152，使用其中一个头，在计算机系统20设定的测量位置测量目标物体w。

图像光学头151的测量视野通常设定得比光干涉光学头152的测量视野宽，通过计算机系统20的控制，能够切换两头来使用。图像光学头151和光干涉光学头152由共同的支承板支承，使得保持固定的位置关系，并被预先校准，使得在切换的前后测量的坐标轴不变化。

图像光学头151包括摄像元件(ccd摄像机、cmos摄像机等)、照明装置、对焦机构等，拍摄目标物体w的二维图像。拍摄的二维图像的数据被取入到计算机系统20中。

光干涉光学头152通过例如白色光干涉法进行目标物体w的形状测量。在本实施方式中光干涉光学头152是测量头的一例。有关光干涉光学头152的细节，将后述。

计算机系统20包括计算机本体201、键盘202、鼠标204和显示器205。计算机本体201进行装置本体10的动作等的控制。计算机本体201通过控制板等的电路(硬件)和由cpu所执行的程序(软件)进行装置本体10的动作的控制。此外，计算机本体201基于从装置本体10输出的信号运算目标物体w的信息，将运算结果显示在显示器205上。

操纵杆203在设定拍摄目标物体w的位置时被使用。即，用户通过对操纵杆203进行操作，目标物体w和摄像单元15之间的相对位置关系变化，能够调整在显示器205上所显示的拍摄区域的位置。

图2是例示光干涉光学头的结构的示意图。

如图2所示，光干涉光学头152包括光射出单元200、光干涉光学头单元21、物镜单元22、参照反射镜单元23、成像透镜24、拍摄单元25、以及驱动机构单元26。

光射出单元200包括输出在整个宽频带中有多个波长成分的相干性低的宽频带光的光源，例如，使用卤素或led(lightemittingdiode；发光二极管)等的白色光源。

光干涉光学头单元21包括分光镜211和准直透镜212。从光射出单元200射出的光从与物镜单元22的光轴为直角的方向通过准直透镜212平行地照射到分光镜211，从分光镜211沿光轴的光被射出，相对物镜单元22从上方被照射平行光束。

物镜单元22包括物镜221、分光镜222等而构成。在物镜单元22中，平行光束从上方入射到物镜221中的情况下，入射光由物镜221聚光，入射到分光镜222内部的反射面222a中。这里，入射光被分割为在具有参照反射镜231的参照光路(图中虚线)前进的透射光(参照光)和在配置了目标物体w的测量光路(图中实线)前进的反射光(测量光)。透射光会聚并由参照反射镜231反射，进而透射分光镜222的反射面222a。另一方面，反射光会聚并由目标物体w反射，通过分光镜222的反射面222a被反射。来自参照反射镜231的反射光和来自目标物体w的反射光由分光镜222的反射面222a合成而成为合成波。

在分光镜222的反射面222a的位置合成的合成波通过物镜221成为平行光束进入上方，穿过光干涉光学头单元21，入射到成像透镜24中(图2中点划线)。成像透镜24使合成波会聚，在拍摄单元25上成像干涉图像。

参照反射镜单元23保持将由上述分光镜222分支的在参照光路前进的透射光(参照光)反射的参照反射镜231。在目标物体w为汽缸的内壁的情况下，内壁面相对载物台12大致垂直地配置。因此，将物镜221的聚光通过分光镜222直角地(在水平方向)反射，对垂直地配置的汽缸的内壁面照射测量光。

拍摄单元25是用于构成摄像装置的二维的摄像元件组成的ccd摄像机等，拍摄从物镜单元22输出的合成波(来自目标物体w的反射光和来自参照反射镜231的反射光)的干涉图像。拍摄的图像的数据被取入到计算机系统20中。

驱动机构单元26根据来自计算机系统20的移动指令，使光干涉光学头152在光轴方向上移动。这里，在图3所示的物镜单元22的主要部分放大图中，在参照光路(光路1+光路2)和测量光路(光路3+光路4)的光路长度相等时光路长度差为0。因此，驱动机构单元26在测量时，通过使光干涉光学头152在由分光镜222反射的光线的光轴方向上水平地移动，使得光路长度差为0，来调整测量光路的长度。再有，上述中例示说明了使光干涉光学头152移动的情况，但也可以设为通过使载物台12移动来调整测量光路的长度的结构。这样，在光干涉光学头152中，参照光路或测量光路的其中一方的光路长度是可变的。再有，在目标物体w的测量面被配置为水平方向的情况下，也可以适用使分光镜222的参照光和测量光的透射和反射相反，使得测量光在垂直方向上透射的光学系统。

光干涉光学头152在计算机系统20的控制之下，一面通过驱动机构单元26移动扫描光轴方向的位置，一面反复进行拍摄单元25的拍摄。由拍摄单元25拍摄的各移动扫描位置中的干涉图像的图像数据被取入到计算机系统20中，对测量视野内的各位置，检测产生干涉条纹的峰值的移动扫描位置，求目标物体w的测量面的各位置中的高度。

图4的(a)～(c)是说明目标物体和测量区域的示意图。

图4的(a)是表示有弯曲形状的目标物体w的例子的示意立体图，图4的(b)是例示测量区域的示意图，图4的(c)是表示三维数据和剖面的例子的示意图。

在本实施方式中，进行图4的(a)所示的汽缸内壁那样的有弯曲形状的目标物体w的形状测量。光干涉光学头152将内壁面s的规定的区域设为测量区域r，测量相对内壁面s垂直方向的距离。在图4的(b)中示意地表示一个测量区域r。

如图4的(c)所示，在内壁面s的三维数据中，对与测量区域r的拍摄单元25对应的各像素的每一个，包含相对内壁面s垂直方向(深度方向)的距离的数据。若在内壁面s中例如有坑(凹陷)，则相对基准面成为较低的值的数据。在该数据比阈值低的情况下判断为是坑。

〔测量方法和测量程序〕

本实施方式的测量方法，是使用例如上述的图像测量装置1，对图4的(a)所示的目标物体w进行表面的测量的方法。

测量方法有以下的步骤。

(1)设定适合于测量目标物体w的第1区域的测量条件的步骤

(2)对目标物体w的表面以第1扫描范围和第1扫描间距进行测量，得到第1测量结果的步骤

(3)计算目标物体w的第2区域的步骤

(4)设定适合于测量第2区域的测量条件的步骤

(5)以第2扫描范围和第2扫描间距进行测量，得到第2测量结果的步骤

(6)将数据合成的步骤

上述(1)～(6)的各步骤，例如，通过由图像测量装置1的计算机系统20、或由读入了在装置本体10中获取的三维数据的计算机执行的程序(测量程序)来执行。计算机也可以包含在计算机系统20中。

图5是例示计算机的结构的框图。计算机包括：cpu(centralprocessingunit；中央处理单元)311、接口312、输出单元313、输入单元314、主存储单元315及副存储单元316。

cpu311通过执行各种程序来控制各单元。接口312是与外部设备进行信息输入输出的部分。在本实施方式中，将从装置本体10传送的信息通过接口312取入到计算机中。此外，从计算机通过接口312将信息向装置本体10传送。接口312还是将计算机连接到lan(localareanetwork；局域网)或wan(wideareanetwork；广域网)的部分。

输出单元313是将计算机中处理的结果输出的部分。在输出单元313中，例如，使用图1所示的显示器205和打印机等。输入单元314是从用户接受信息的部分。在输入单元314中，使用键盘和鼠标等。此外，输入单元314包含读取在记录介质mm中记录的信息的功能。

在主存储单元315中，例如使用ram(randomaccessmemory；随机存取存储器)。作为主存储单元315的一部分，也可以使用副存储单元316的一部分。在副存储单元316中，例如使用hdd(harddiskdrive；硬盘驱动器)和ssd(solidstatedrive；固态硬盘)。副存储单元316也可以是通过网络连接的外部存储装置。

图6是例示本实施方式的测量程序的流程的流程图。

本实施方式的测量程序使计算机具有作为与上述(1)～(6)的步骤对应的装置的功能。图6所示的步骤s101～s106的处理对应于上述(1)～(6)的步骤。

首先，如步骤s101所示，设定适合于测量目标物体w的第1区域的测量条件。图7的(a)中，示意地表示圆筒内壁的测量区域r。作为圆筒内壁的测量区域r，通过指定圆筒轴的角度和圆筒轴方向的深度的位置来设定。圆筒内壁之中包含凹部(坑)的区域是第1区域r1，除此以外的区域是第2区域r2。在步骤s101中，设定适合于测量第1区域r1的测量条件、即适合于测量凹部(坑)的测量条件(例如，光量)。此外，作为圆筒内壁的凹凸中的阈值的设定，例如设定坑的深度的阈值。

再有，当测量区域r超过测量头(例如光干涉光学头152)的1次扫描中可测量的范围的情况下，为了覆盖测量区域r的整个区域而计算多个局部数据的测量位置。在图7的(b)中，示意地表示圆筒内壁中的测量区域r和多个局部数据之间的对应。

接着，如步骤s102所示，获取第1测量结果。即，根据先前设定的适合于测量第1区域r1的条件，对目标物体w的表面以第1扫描范围和第1扫描间距进行测量。在目标物体w为圆筒内壁的情况下，对测量区域r进行测量头(例如光干涉光学头152)的扫描，得到第1测量结果。将该扫描称为“第一扫描”。

这里，第一扫描的扫描范围是测量之时的目标物体w和测量头之间的距离(沿光轴的距离：也称为深度)的移动范围。第一扫描的扫描间距是测量之时的目标物体w和测量头之间的距离的变化的间隔。例如，图8的(a)所示，在目标物体w为圆筒内壁的情况下，作为第1扫描范围w1，设定比测量范围内的弯曲的圆筒内壁的整体深度稍宽的范围。此外，作为第1扫描间距p1，设定至少能够获取凹部的形状的程度的间距。在第一扫描中，若进行直接开启拍摄单元25的快门的拍摄，则为了高速扫描而容易产生图像的迟钝。因此，理想的是提高快门速度和光量来进行拍摄。在第一扫描之时，通过程序处理，快门速度和光量被自动地设定。然后，以该设定的测量条件，进行第1扫描范围w1和第1扫描间距p1中的测量，得到第1测量结果。

接着，如步骤s103所示，进行第2区域的计算。要计算第2区域r2，使用第1测量结果求第1区域r1，将第1区域r1以外的区域作为第2区域r2来求。在第1区域r1包含凹部(坑)的情况下，如图8的(b)所示，从第1测量结果将超过阈值(步骤s101中设定的凹凸的阈值)的数据设为有凹部(坑)的区域(第1区域r1)。

具体而言，在有从第1测量结果的平均值超过阈值的数据的点(图中黑圈)之中，将面方向上闭合的范围(超过阈值的点在面方向上连续的范围)判定作为坑。然后，将被判定为坑的区域设为第1区域r1，将第1区域r1以外的区域设为第2区域r2。

这里，在求第2区域r2时，也可以从第1测量结果的圆筒轴方向(参照图7的(a))平均值将超过阈值的数据除去，将剩余的数据在圆筒轴方向(参照图7的(a))上平均后的值假定作为表面基准位置，将从该表面基准位置超过阈值的数据的区域作为第1区域r1，将除此以外的区域作为第2区域r2。在图9的(a)中，表示表面基准位置lv和使用表面基准位置lv求得的第1区域r1和第2区域r2的例子。表面基准位置lv是假定作为内壁面的表面的基准的深度，在圆筒轴方向中作为直线来表示，在圆筒周方向中作为曲线来表示，在测量区域r中作为曲面来表示。表面基准位置lv也可以被拟合为多项式的曲线(曲面)。此外，表面基准位置lv也可以从圆筒的直径的设计值通过计算来求。此外，在目标物体w的测量范围中的弯曲形状足够平缓的(圆筒的直径足够大)情况下，也可以将测量区域r近似为平面。

接着，如步骤s104所示，设定适合于测量第2区域r2的测量条件。在目标物体w为包含凹部(坑)的圆筒内壁的情况下，圆筒内壁的表面部为第2区域r2。因此，设定设合于测量圆筒内壁的表面部的测量条件(例如，光量)。

接着，如步骤s105所示，获取第2测量结果。即，根据先前设定的适合于测量第2区域r2的条件，对目标物体w的表面进行第2扫描范围和第2扫描间距下的测量。将该扫描称为“第二扫描”。

在图9的(b)中，表示第二扫描中的第2扫描范围w2和第2扫描间距p2的例子。第二扫描的第2扫描范围w2比第一扫描的第1扫描范围w1窄。此外，第二扫描的第2扫描间距p2比第一扫描的第1扫描间距p1细。

在本实施方式中，作为第2扫描范围w2，设定包含表面基准位置lv、不包含比表面基准位置lv的最低的位置凹陷的凹部的至少底部的范围。换句话说，第2扫描范围w2设定比测量范围内的弯曲的表面基准位置lv的整体深度稍宽的范围。由此，作为第2扫描范围w2，尽管包含表面基准位置lv，但至少将比表面基准位置lv最深的(低的)位置凹陷的凹部从测量范围除去。

此外，作为第2扫描间距p2，将第2区域r2即圆筒内壁的表面部的形状设定得比第1扫描间距p1更细，获取详细的数据。由此，能够有效地设定需要详细的数据的范围。再有，在第二扫描中，能够进行直接开启拍摄单元25的快门的拍摄。在第二扫描之时，通过程序处理，快门速度和光量被自动地设定。

接着，如步骤s106所示，进行数据的合成。这里，进行第1测量结果之中的第1区域r1的数据和第2测量结果之中的第2区域r2的数据的合成。通过该合成，作为对测量区域r的测量结果，对第1区域r1反映了以适合于测量第1区域r1的条件获取的数据，对第2区域r2反映了以适合于测量第2区域r2的条件获取的数据。

在这样的测量方向和测量程序中，对于获取适合于第1区域r1的测量的第1测量结果，能够粗略扫描较宽的范围而在短时间内进行，在获取适合于第2区域r2的测量的第2测量结果中，对于详细地扫描较窄的范围来获取高精度的数据，也可以不花费必要以上的时间。因此，在测量包含最佳测量条件的不同区域的目标物体w的表面的情况下，即使是2次扫描，也能够在短时间进行形状测量。

例如，在“发动机缸孔”那样的目标物体w中，对于凹部(坑)之间口的宽度、深度，要求μm数量级的测量精度，另一方面，在相对表面性状的粗糙度中要求nm数量级的测量精度。对这样的目标物体w，在适用以往的多重扫描测量的情况下，对于全部的测量，需要以符合最高分辨率的较高的要求精度的测量间距，设定能够覆盖全部形状的测量宽度的范围(实际为比整体的形状稍大的范围)，并且生成以适合于表面的光量和适合于凹部(坑)的内部的测量的光量的、各自的光量合成的三维形状。于是，在以高分辨率测量较宽的范围的情况下，需要大量的时间。

另一方面，如本实施方式，着眼于测量要求精度的不同，将多重扫描的最初的扫描(第一扫描)，在测量目标区域整体中以较粗的间距(pitch)高速地测量(粗略扫描)，从其结果，估计需要精密的测量的位置和其测量范围。然后，在接下来的扫描(第二扫描)中，进行精密的扫描(精细的扫描)，通过合成其三维形状，能够实现测量区域r的整体的测量中的高速化。

发动机缸孔作为目标物体w的情况下，第1扫描范围w1为约100μm左右，第1扫描间距p1为约80nm～100nm左右。此外，第2扫描范围w2为约10μm～20μm左右，第2扫描间距p2为约60nm左右。通过适用本实施方式，与以往的多重扫描测量相比，能够实现以数目为单位的测量时间的缩短。

这里，上述说明的本实施方式的测量程序，也可记录在计算机可读取的记录介质mm。即，也可以将图6所示的步骤s101～步骤s106的一部分或全部以在计算机中可读取的形式记录在记录介质mm中。此外，本实施方式的测量程序也可以通过网络发布。

再有，上述中说明了本实施方式，但本发明并不限定于这些例子。例如，作为测量头用利用白色光干涉法的光干涉光学头152，但即使是图像探针或激光探针也可适用。此外，作为测量头，也可适用通过将图像光学头151在对目标物体w照射的光的光轴方向上扫描，从连续地获取的图像检测ccd的各像素中的对比度的峰值，得到目标物体w的三维形状的pff(pointsfromfocus；来自焦点的点)。

此外，对于测量的目标物体w，表示了有凹部(坑)的圆筒内壁的例子，但例如对于有阶梯的表面，即使是在阶梯的较低部分和较高的部分中测量条件不同的目标物体w，本实施方式也有效。此外，例如，在将通过研磨加工形成了网纹(网状的槽)的汽缸的内壁面设为目标物体w的情况下，本实施方式也有效。

而且，在上述实施方式中，(6)进行将数据合成的步骤(图6的步骤s106的处理)来合成第1区域r1的数据和第2区域r2的数据，但在仅需要第1区域的数据和第2区域r2的数据的其中一方的情况下，也可以不进行合成而只输出一方的数据。

此外，对于前述的各实施方式，本领域技术人员进行适当的、构成要素的追加、删除、设计变更的实施方式，或将各实施方式的特征适当组合的实施方式，只要包括本发明的宗旨，就包含在本发明的范围中。