JP2018189517A - 計測装置、および物品製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの点で有利な計測装置を提供する。【解決手段】光源からの光で被検面を照明する照明部を有し、照明部により照明された被検面からの反射光に基づいて被検面の反射特性を計測する計測装置であって、照明部は、第１反射面を有する第１ミラー部と、第２反射面を有する第２ミラー部と、を有し、第２反射面は、被検面上の点を焦点とする楕円または放物線上にあり、第１反射面は、光が、第２反射面を介して、点に、互いに異なる複数の入射角度のうちのいずれかで選択的に入射するように可動である。【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置、および物品製造方法に関する。

被検面の反射特性（光沢度、ヘイズ値など）を計測する計測装置が知られている。特許文献１は、被検面の光沢度を計測する装置を開示している。

特許第３３４７８１８号公報

被検面に対する光の入射角度ごとに反射特性を計測するのに、光源および反射光を検出するセンサを複数組設けたり、光源およびセンサを移動させる機構を設けたりするのでは、計測装置のサイズの点で不利となりうる。

本発明は、例えば、サイズの点で有利な計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光源からの光で被検面を照明する照明部を有し、照明部により照明された被検面からの反射光に基づいて被検面の反射特性を計測する計測装置であって、照明部は、第１反射面を有する第１ミラー部と、第２反射面を有する第２ミラー部と、を有し、第２反射面は、被検面上の点を焦点とする楕円または放物線上にあり、第１反射面は、光が、第２反射面を介して、点に、互いに異なる複数の入射角度のうちのいずれかで選択的に入射するように可動である、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、サイズの点で有利な計測装置を提供することができる。

第１実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。 第２実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。 第３実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。 第５実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。 迷光の影響を抑える光学系の構成を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。なお、各図面において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
［第１実施形態］

＜計測装置＞
図１は、本実施形態に係る計測装置１００の構成を示す図である。計測装置１００は、被検物Ｗの被検面に対して複数の角度で光を照射し、被検面から複数の反射角度で反射された反射光を受光する。計測装置１００は、照射角度、受光角度および受光した光の光強度に関する情報に基づいて反射特性を求める。本実施形態において、照射角度および受光角度の基準は、被検面の垂線とする。

反射特性は、例えば、光沢度、ヘイズ値、写像性、ＢＲＤＦ（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：双方向反射率分布関数）を含む。計測装置１００は、照明部１１０、受光部１２０、検出部１３０および、処理部１４０を有する。

（照明部）
照明部１１０は、電源１１１と、光源１１２と、レンズ１１３と、第1ミラー部１１４と、第２ミラー部１１５と、を含む。照明部１１０は、被検物Ｗの被検面を複数の角度で照明する。電源１１１は、光源１１２に駆動電流を出力する。

本実施形態では、光源１１２として、白色ＬＥＤを用いる。その他、白熱ランプ、ファイバレーザまたは半導体レーザ等を用いてもよい。特定の色に関する情報を得たい場合は、特定の波長を有する半導体レーザ等を用いうる。複数の異なる単一波長を有する光源を切替えて使用してもよい。

光源１１２から出力された光は、レンズ１１３により平行ビームにされ、第１ミラー部１１４に入射する。第１ミラー部１１４に入射した光は、第１ミラー部１１４の反射面（第１反射面という。）で反射され、第2ミラー部１１５の反射面（第２反射面）に入射する。第２反射面で反射された光は、被検面に照射される。

第１反射面は、光源から出力された光が、第２反射面を介して、被検面上の点ｆ_２に、互いに異なる複数の入射角度のうちのいずれかで選択的に入射するように可動である。第１ミラー部１１４は、例えば、ガルバノミラーであり、第１反射面を有する平面ミラーと、第１反射面を移動させる照明側駆動部１１４１と、を有する。照明側駆動部１１４１は、第１反射面を第１反射面に平行な軸を中心に回転させる。照明側駆動部１１４１により反射面を移動させることで、照射角度が調整される。

第１ミラー部１１４としては、ガルバノミラーに限らず、モータの回転軸にミラーを取りつけたものや、手動で角度を調整するミラーも用いうる。照明側駆動部１１４１と後述の受光側駆動部１２２１とを同期させて各反射面を回転させうる。

本実施形態では、第２ミラー部１１５は、平面ミラー１１５Ａ、平面ミラー１１５Ｂおよび平面ミラー１１５Ｃを有する。第２ミラー部１１５が有する複数の平面ミラーのそれぞれの反射面（第２反射面）は、第１反射面上の点ｆ_１および、被検面上の点ｆ_２を焦点とする第１楕円Ｅ_１の楕円上に配置される。

本実施形態では、平面ミラー１１５Ａは、２０度で被検面を照明し、平面ミラー１１５Ｂは、６０度で被検面を照明し、平面ミラー１１５Ｃは、８５度で被検面を照明する。

（受光部）
受光部１２０は、第３ミラー部１２１と、第４ミラー部１２２と、レンズ１２３と、を含む。レンズ１２３は、第４ミラー部１２２で反射された反射光の波面を調整し、検出部１３０へ調整した反射光を導く。

本実施形態では、第３ミラー部１２１は、平面ミラー１２１Ａ、平面ミラー１２１Ｂおよび平面ミラー１２１Ｃを有する。第３ミラー部１２１が有する複数の平面ミラーのそれぞれの反射面（第３反射面という。）は、第４ミラー部１２２の反射面（第４反射面）上の点ｆ_３および、被検面上の点ｆ_２を焦点とする第２楕円Ｅ_２の楕円上に配置される。なお、第２楕円Ｅ_２と第１楕円Ｅ_１とは、同じ大きさに限られない。同じ大きさの場合は、設計が同じ平面ミラーの光学部品を利用することが可能となる。異なる大きさの場合は、測定対象に応じた装置の形状に設計することが可能となる。

本実施形態では、平面ミラー１２１Ａは、２０度の反射光を受け、平面ミラー１２１Ｂは、６０度の反射光を受け、平面ミラー１１５Ｃは、８５度の反射光を受ける。なお、照射角度と受光角度とは一致していなくとも良い。例えば、６０度の照射角度で被検面を照明した光の反射光を８５度の受光角度で受光してもよい。

第４ミラー部１２２は、反射光を、第３反射面を介して、被検面上の点ｆ_２から、互いに異なる複数の反射角度のうちのいずれかで選択的に受けるように、第４反射面を回転させる。第４ミラー部１２２は、例えば、ガルバノミラーであり、第４反射面を有する平面ミラーと、第４反射面を移動させる受光側駆動部１２２１と、を有する。受光側駆動部１２２１は、第４反射面を第４反射面に平行な軸を中心に回転させる。受光側駆動部１２２１により反射面を移動させることで、受光角度が調整される。第４ミラー部１２２も、ガルバノミラー以外の駆動部を備えたミラーを用いうる。

（検出部および処理部）
検出部１３０は、反射光を受ける検出面を備え、検出面における光強度を検出する。検出部１３０としては、例えば、ラインセンサやフォトディテクタなどの二次元センサを用いうる。検出部１３０によって検出された光強度に関する信号は処理部１４０へ出力される。

処理部１４０は、照明側駆動部１１４１および受光側駆動部１２２１の制御情報を保持し、各駆動部を制御しうる。制御情報は、不図示の入力部により外部から入力されうる。処理部１４０は、受信した信号、照射角度および受光角度に基づいて被検面の反射特性を求める。

以上の通り、本実施形態の計測装置１００は、光源または検出部（センサ）を増やしたり、移動させたりすることなく、複数の照射角度および受光角度で被検面の反射特性を計測できる。つまり、本実施形態の計測装置１００は、例えば、装置サイズの点で有利である。
［第２実施形態］

第１実施形態では、第２ミラー部１１５および第３ミラー部１２１に、複数の平面ミラーを用いていた。本実施形態では、複数の平面ミラーの代わりに反射面を楕円面とするひとつの楕円ミラーを用いて光学部材の数を第１実施形態に比べて少なくすることができる。図２は、本実施形態の計測装置２００の構成を示す図である。計測装置２００の照明部２１０は、楕円ミラーの第２ミラー部２１５を有する。また、受光部２２０は、楕円ミラーの第３ミラー部２２１を有する。本実施形態の計測装置２００によれば、第１反射面の回転により照明光を回転させることで任意の照射角度および受光角度での計測が可能となり、また、第１実施形態と同様の効果を得られる。なお、照明部および受光部のうち、いずれか一方に楕円ミラーを用いてもよい。また、楕円ミラーと平面ミラーとを併用してもよい。
［第３実施形態］

受光部に、反射面を放物線上に有する放物面ミラーを用いてもよい。この場合、受光部側のミラーを削減できる。図３は、本実施形態の計測装置３００の構成を示す図である。計測装置３００は、放物面ミラーである受光部３２０と、検出部３３０と、を有する。受光部３２０の放物面ミラーの焦点は点ｆ_２と一致している。なお、反射面を放物線上にある複数の平面としてもよい。

検出部３３０は、受光部３２０から反射された平行光を受光する位置に配置される。本実施形態では、検出部３３０として、１ピクセルの大きさが２４μｍ×２４μｍで、ピクセル数が５１２×５１２ピクセルであり、全体のサイズは１２．３×１２．３ｍｍである二次元センサを用いる。照射角度を１０度〜８５度の範囲とする場合、放物面ミラーの形状は以下の説明のとおり決定される。

点ｆ_２を原点とし、被検面に平行な軸をｘ軸、垂直な軸をｙ軸とする。そして、被検面から高さ８．８５ｍｍの位置に検出部３３０の最下辺が来るようにする。被検面から８５度の方向に反射した光が受光部３２０に当たる位置Ｐ_８５のｘ座標ｘ_８５は、位置Ｐ_８５のｙ座標を１０ｍｍとすると、以下の数式（１）で求められる。

数式（１）より、位置Ｐ_８５のｘｙ座標は、（１１４．３、１０）となる。検出部３３０の使用領域を１０ｍｍ×１０ｍｍとして、被検面から１０度の方向に反射した光が受光部３２０に当たる位置Ｐ_１０のｙ座標を２０ｍｍとする。位置Ｐ_１０のｘ座標ｘ_１０は、以下の数式（２）で求められる。

数式（２）より、位置Ｐ_１０のｘｙ座標は、（３．５、２０）となる。以上より、放物面ミラーの形状は、焦点（０、０）、Ｐ_８５、Ｐ_１０の条件を満たす放物線を有する放物面の形状である。ｘ軸に対称な放物線とすると、放物線の式は以下の数式（３）となる。

数式（３）で決定される形状の放物面ミラーを受光部３２０として用いることで、検出部３３０に垂直に光が入射される。なお、反射光の角度（受光角度）をψとすると、角度ψと検出部３３０のｙ座標の関係は次の数式（４）で表わされる。

数式（４）に基づいて、検出部３３０のセンサ上の座標から受光角度に関する情報を得ることができる。なお、本実施形態では放物面ミラーの放物面をｘ軸に対称な放物面としたが、ｘ軸およびｙ軸を回転させた座標系における対照的な放物面でも良い。このような場合、二次元センサと放物面ミラーとの距離を変化させることが可能となる。また、センサの仕様の違いに応じて、大きさや形状の異なる放物線面ミラーを用いても良い。本実施形態の計測装置３００も、第１実施形態と同様の効果を奏する。
［第４実施形態］

第３実施形態では、数式（４）に基づいて、検出部３３０のセンサ上の座標から受光角度に関する情報を得ることができた。本実施形態では、第２実施形態のような楕円ミラーを受光部に用い、かつ、検出部を第３実施形態と同様の配置とした場合に、検出部のセンサ上の座標を所定の一次関数に基づいてと受光角度に関する情報を得る。

第３ミラー部２２１の楕円ミラーの焦点の一方を点ｆ_２とし、他方を図３の検出部３３０上の点（ｙ軸上の点）とする。楕円ミラーの反射面は、長径をｂ、短径をａとすると、数式（５）で表される。

また、検出部３３０上の点のｙ座標は、数式（６）で表される。

反射光が検出部３３０のセンサ面に対して垂直に入射すると仮定すると、楕円ミラー上の座標ｘは数式（７）である。φは、第３実施形態と同様の角度である。

これらの式を用いて、ａ、ｂおよびｙの関係を求めると、以下のように表わされる。

上記数式に基づいて、検出部のセンサ上の座標と受光角度に関する情報とを対応付けることができる。
［第５実施形態］

図４は、第５実施形態に係る計測装置５００の構成を示す図である。本実施形態の計測装置５００は、第３実施形態の計測装置３００と比べ、受光部側の構成が異なる。計測装置５００は、受光部５２０と、検出部５３０と、を有する。受光部５２０は、放物面ミラー５２１と、折り返しミラー５２２と、を含む。

折り返しミラー５２２は、検出部５３０と放物面ミラー５２１との間の光路上に配置され、放物面ミラー５２１で反射された光の進む方向を受光部５３０に向かって、例えば、９０度折り返す。なお、本実施形態の放物面ミラー５２１は、点ｆ_２を焦点とするが、第3実施形態とは異なる方向に入射光を反射させる。本実施形態によって、検出部５３０の厚みや配線などによって照射光の光路が妨げられることを回避することが可能となる。
［変形例］

なお、被検物面がコーティングや異物などにより層構造になっている場合や、漏れ光や装置内での多重反射等で迷光が生じる場合がある。この場合、アパーチャを検出部の前に配置することで迷光の影響を抑えうる。図５は、迷光の影響を抑える光学系の構成を示す図である。図５に示す通り、検出部６４０の検出面側に、検出面側から順に平行光レンズ６３０、アパーチャ６２０および集光レンズ６１０が配置される。

迷光は、被検面からの反射光（平行光）が集光レンズ６１０によって集光される点とは異なる点に集光される。そこで、アパーチャ６２０を通し、さらに平行光レンズ６３０を配置することで、迷光を低減することが可能となる。なお、本実施形態では集光レンズ６１０を用いたが、曲面ミラーによる反射レンズを用いてもよい。反射レンズを用いることで、収差の影響も低減できる。

なお、被検物Ｗを囲むように受光部側に放物面ミラーをドーム状に配置してもよい。この配置によれば、全方位への反射光を受光しうる。

また、照明部側に放物面ミラーを用いてもよい。この場合、放物面ミラーに照射される光は、二次元のビームシフタによって光軸の平行性は保たれたまま、放物面ミラー上で走査される。さらに、光の波面を制御する光学系を用いて被検面に照射される光が平行光となるようにする。また、第１反射面の回転により光を並進させてもよい。

被検物Ｗを囲むように照明部側に楕円球面ミラーをドーム状に配置してもよい。楕円球面ミラーに照射される光は、二次元ビームスキャナによって様々な方向へ走査される。さらに、光の波面を制御する光学系を用いて被検面に照射される光が平行光となるようにする。楕円球面の一方の焦点に二次元ビームスキャナが配置され、他方の焦点に被検面が配置される。

（物品製造方法に係る実施形態）
以上に説明した実施形態に係る計測装置は、物品製造方法に使用しうる。当該物品製造方法は、当該計測装置を用いて物体の被検面の反射特性を計測する工程と、当該工程で当該反射特性を計測された物体を処理する工程と、を含みうる。当該処理は、例えば、加工、切断、検査、組付、および選別のうちの少なくともいずれか一つを含みうる。より具体的には、例えば、塗装された物体の表面の反射特性を計測し、得られた計測値をその基準値と比較する。当該比較の結果に基づいて、物体の選別を行う（例えば、計測値が許容範囲内に収まっていない場合、当該物体を不良と判断する）。または、当該比較の結果に基づいて、物体の塗装工程に塗装条件に係るフィードバックを行う。本実施形態の物品製造方法は、当該計測装置により物体の表面の反射特性を計測するため、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。

１００ 計測装置
１１０ 照明部
１１４ 第１ミラー部
１１４１ 照明側駆動部
１１５ 第２ミラー部
１２０ 受光部
１２１ 第３ミラー部
１２２ 第４ミラー部
１２２２ 受光側駆動部
１３０ 検出部
１４０ 処理部

Claims (19)

1. 光源からの光で被検面を照明する照明部を有し、前記照明部により照明された前記被検面からの反射光に基づいて前記被検面の反射特性を計測する計測装置であって、
   前記照明部は、第１反射面を有する第１ミラー部と、第２反射面を有する第２ミラー部と、を有し、
   前記第２反射面は、前記被検面上の点を焦点とする楕円上または放物線上にあり、
   前記第１反射面は、前記光が、前記第２反射面を介して、前記点に、互いに異なる複数の入射角度のうちのいずれかで選択的に入射するように可動である、
   ことを特徴とする計測装置。
2. 前記第１反射面は平面であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記第１ミラーは、前記焦点への光の入射角度を切り替えるように前記第１反射面を回転させることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
4. 前記第２反射面は、前記楕円上にある複数の平面であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記第２反射面は、前記楕円を含む楕円面であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記第１反射面の回転により前記光を回転させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の計測装置。
7. 前記第２反射面は、前記放物線上にある複数の平面であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記第２反射面は、前記放物線を含む放物面であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記第１反射面の回転により前記光を並進させることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の計測装置。
10. 前記反射光を受ける検出面を備え、前記検出面における光強度を検出する検出部と、
    前記検出面へ前記反射光を導く受光部と、を有し、
    前記受光部は、第３反射面を有する第３ミラー部と、第４反射面を有する第４ミラー部と、を有し、
    前記第３反射面は、前記点を焦点とする楕円上または放物線上にある、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の計測装置。
11. 前記第４反射面は、平面であることを特徴とする請求項１０に記載の計測装置。
12. 前記第３反射面は、前記楕円上にある複数の平面であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の計測装置。
13. 前記第３反射面は、前記楕円を含む楕円面であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の計測装置。
14. 前記第３反射面は、前記放物線上にある複数の平面であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の計測装置。
15. 前記第３反射面は、前記放物線を含む放物面であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の計測装置。
16. 前記第４ミラー部は、前記反射光を、前記第３反射面を介して、前記点から、互いに異なる複数の反射角度のうちのいずれかで選択的に受けるように、前記第４反射面を回転させることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
17. 前記反射光を受ける検出面を備え、前記検出面における光強度を検出する検出部と、
    前記反射光を前記検出面へ導く受光部と、を有し、
    前記受光部は、第３反射面を有し、前記第３反射面は、前記点を焦点とする放物線上にある、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の計測装置。
18. 前記検出面と前記第３反射面との間に折り返しミラーを有することを特徴とする請求項１７に記載の計測装置。
19. 物品の製造方法であって、
    請求項１乃至１８のうちいずれか１項に記載の計測装置を用いて物体の被検面の反射特性を計測し、
    前記計測を行われた前記物体の処理を行って前記物品を製造する、
    ことを特徴とする製造方法。
    
    

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