JP2005337921A - ３次元形状測定方法及び３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な３次元形状測定を行う３次元形状測定方法を提供する。
【解決手段】回転機構の回転角度を測定する第１の測定工程と、被測定物の形状を、プローブにより測定する第２の測定工程と、複数の基準面の形状を、プローブにより測定する第３の測定工程と、第２の測定工程で得た測定データを、第３の測定工程で得た測定データを用いて補正する工程とを有する３次元形状測定方法であって、複数の基準面は、いずれも回転機構の回転軸に対して略軸対称な形状を有しており、複数の基準面のうち、第１の基準面は、回転軸に対して所定の角度をなす面であって、第２の基準面は、回転軸に対して第１の基準面とは異なる所定の角度をなす面であり、第３の測定工程は、第１の基準面を測定する第１の基準面測定工程と、第２の基準面を測定する第２の基準面測定工程とを、少なくとも有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、３次元形状測定方法及び３次元形状測定装置に関するものである。

光学部品や金型等の被測定物の形状を高精度に測定する３次元形状測定方法が知られている。この３次元形状測定方法では、概して、非接触式もしくは接触式のプローブを被測定物の形状に沿って走査して、被測定物の形状を測定する。プローブの走査方式の一例としては、被測定物をθ方向に回転させながら、プローブをＸ方向に走査する方式（以下「Ｒθ走査方式」）がある。

例えば特開２０００−２６６５２４号公報には、Ｒθ走査方式の３次元形状測定方法が開示されている。図８は、Ｒθ走査方式の３次元形状測定装置の基本構成を概略的に示している。

図８において、３次元形状測定装置１０１は、光プローブ１０２と、Ｚステージ１０３と、Ｘステージ１０４と、θステージ１０５と、Ｚレーザ測長器１０６と、Ｘレーザ測長器１０７と、スラストレーザ測長器１０８ａ、１０８ｂと、ラジアルレーザ測長器１０９ａ、１０９ｂと、Ｚ基準ミラー１１０と、Ｘ基準ミラー１１１ａ、１１１ｂと、θロータリエンコーダ１１２から構成される。

被測定物１１３は、非球面レンズであり、被測定物１１３の光軸とθステージ１０５の回転軸を略一致させて配置される。

光プローブ１０２は被測定物１１３に沿って非接触で走査される。Ｚステージ１０３は、光プローブ１０２をＺ軸方向に移動させる。Ｘステージ１０４は光プローブ１０２とＺステージ１０３をＸ軸方向に移動させる。θステージ１０５は被測定物１１３をθ方向に回転させる。

また、Ｚレーザ測長器１０６はＺ基準ミラー１１０に対する光プローブ１０２のＺ軸方向の位置を測長する。Ｘレーザ測長器１０７はＸ基準ミラー１１１ａに対する光プローブ１０２のＸ軸方向の位置を測長する。θロータリエンコーダ１１２は、θステージ１０５のθ方向の回転角を測定する。

スラストレーザ測長器１０８ａ，１０８ｂはＺ基準ミラー１１０に対するθステージ１０５のスラスト方向の回転振れを測定する。ラジアルレーザ測長器１０９ａ，１０９ｂはＸ基準ミラー１１１ａ、１１１ｂに対するθステージ１０５のラジアル方向の回転振れを測定する。

パーソナルコンピュータ（図示せず）は、Ｚレーザ測長器１０６と、Ｘレーザ測長器１０７と、θロータリエンコーダ１１２と、スラストレーザ測長器１０８ａ，１０８ｂと、ラジアルレーザ測長器１０９ａ，１０９ｂの測定値を取り込み、それぞれＺＬｉ、ＸＬｉ、θＬｉ、Ｔａｉ、Ｔｂｉ、Ｒａｉ、Ｒｂｉとして記憶する。そして例えば、以下の演算を行って、θステージの回転振れによる測定誤差を補正した測定データ（Ｘｉ、Ｚｉ、θｉ）を得る。

θｉ＝θＬｉ
Ｚｉ＝ＺＬｉ＋（Ｔａｉ−Ｔｂｉ）×ｆ（ＸＬｉ）
Ｘｉ＝ＸＬｉ＋（Ｒａｉ＋Ｒｂｉ）／２
ただし、ｆ（ＸＬｉ）は、被測定物１１３の形状とＸＬｉの関係から算出される関数
このようにして、被測定物１１３の３次元形状を測定する。
特開２０００−２６６５２４号公報

以下に、上記した従来技術の課題を説明する。従来技術では、θステージのスラスト方向とラジアル方向の回転振れを補正するためにレーザ測長器を用いている。このため、装置構成が複雑になり、装置が高価になるという欠点がある。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、簡易な構成でありながらθステージの回転振れによる測定誤差を補正可能であり、高精度な３次元形状測定を行う３次元形状測定方法及び３次元形状測定装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、回転機構の回転角度を測定する第１の測定工程と、被測定物の形状を、プローブにより測定する第２の測定工程と、複数の基準面の形状を、前記プローブにより測定する第３の測定工程と、前記第２の測定工程で得た測定データを、前記第３の測定工程で得た測定データを用いて補正する工程とを有する３次元形状測定方法であって、前記複数の基準面は、いずれも前記回転機構の回転軸に対して略軸対称な形状を有しており、前記複数の基準面のうち、前記第１の基準面は、前記回転軸に対して所定の角度をなす面であって、前記第２の基準面は、前記回転軸に対して前記第１の基準面とは異なる所定の角度をなす面であり、前記第３の測定工程は、前記第１の基準面を測定する第１の基準面測定工程と、前記第２の基準面を測定する第２の基準面測定工程とを、少なくとも有する。

また、第２の発明は、第１の発明に係る３次元形状測定方法において、前記複数の基準面の各々は、測定治具の一面である。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る３次元形状測定方法において、前記第１の基準面測定工程は、前記第１の基準面を複数の位置で測定する工程を含む。

また、第４の発明は、第３の発明に係る３次元形状測定方法において、前記複数の位置は、前記第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置である。

また、第５の発明は、３次元形状測定装置であって、被測定物を回転させる回転機構と、前記回転機構の回転角度を測定する回転角測定器と、前記被測定物に対向配置されたプローブと、前記プローブにより、前記被測定物と、前記回転機構の回転軸に対して略軸対象な複数の基準面とを測定して測定データを取り込む制御部と、前記被測定物の測定データを、前記複数の基準面の測定データを用いて補正する演算部とを有し、前記複数の基準面は、前記回転軸に対して所定の角度をなす第１の基準面と、前記回転軸に対して前記第１の基準面とは異なる所定の角度をなす第２の基準面とを含む。

また、第６の発明は、第５の発明に係る３次元形状測定装置において、前記複数の基準面の各々は、前記被測定部に関して配置される測定治具の一面である。

また、第７の発明は、第５または第６の発明に係る３次元形状測定装置において、前記第１の基準面測定工程は、前記第１の基準面を複数の位置で測定する工程を含む。

また、第８の発明は、第７の発明に係る３次元形状測定装置において、前記複数の位置は、前記第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置である。

本発明によれば、簡易な構成でありながらθステージの回転振れによる測定誤差の補正が可能となり、高精度な３次元形状測定を行えるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
（構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定装置の構成を示す図である。図１に示すように、本３次元形状測定装置１は、プローブ２と、先端球３と、静圧空気軸受４と、板ばね５と、板ばね保持部６と、マイクロリニアスケール７と、Ｚステージ８と、Ｘステージ９と、Ｚレーザ測長器１０（１０ａ、１０ｂ）と、Ｘレーザ測長器１１と、Ｚ基準ミラー１２と、Ｘ基準ミラー１３と、θステージ１４と、θロータリエンコーダ１５と、測定機のフレーム１６と、ステージ制御部１７と、パーソナルコンピュータ１８と、直角反射プリズム１９，２０，２１と、測定治具２３とから構成される。

プローブ２は、被測定物２２の形状に沿って走査される。先端球３は、プローブ２と一体に構成され、被測定物２２の表面に接触する。静圧空気軸受４は、プローブ２をＺ軸方向に移動可能に保持する。板ばね５は、プローブ２をＺ軸方向に弾性支持する。板ばね保持部６は、板ばね５を静圧空気軸受４に固定する。

Ｚステージ８は、静圧空気軸受４をＺ軸方向に駆動する。Ｘステージ９は、Ｚステージ８をＺ軸に略直交するＸ軸方向に駆動する。マイクロリニアスケール７は、プローブ２に固定されたスケール部７ａと、Ｚステージ８に固定された読み取り部７ｂからなる。マイクロリニアスケール７（７ａ、７ｂ）は、プローブ２の静圧空気軸受４に対するＺ軸方向の変位を測長する。Ｚ基準ミラー１２およびＸ基準ミラー１３は、フレーム１６に固定されている。

Ｚレーザ測長器１０は、フレーム１６に固定された測長部１０ａとプローブ２に固定されたプリズム部１０ｂからなる。Ｚレーザ測長器１０は、Ｚ基準ミラー１２に対するプローブ２のＺ軸方向の位置を測長する。Ｘレーザ測長器１１は、フレーム１６に固定された測長部１１ａと、Ｚステージ８に固定されたプリズム部１１ｂからなる。Ｘレーザ測長器１１は、Ｘ基準ミラー１３に対するプローブ２のＸ軸方向の位置を測長する。

測定治具２３は、Ｚ軸に略直交する平面からなる平面部２３ａと、Ｘ軸とのなす角度が４５°である直線からなるテーパ面部２３ｂとを有し、各々は、測定において用いられる複数の基準面の１つとなる。平面部２３ａ及びテーパ面部２３ｂはいずれも略軸対称形状である。測定治具２３は、当該測定治具２３の回転対称軸とθステージ１４の回転軸を略一致させて、θステージ１４に固定する。

測定治具２３の回転対称軸とθステージ１４の回転軸を略一致させて固定するには、例えば、以下の方法を用いる。測定治具２３をθステージ１４に固定し、θステージ１４を回転させる。測定治具２３のテーパ面部２３ｂに、ダイヤルゲージを面に直交する方向から接触させ、θステージ１４を回転させた際のテーパ面の変位量を測定する。テーパ面の変位量が０になるように、測定治具２３の位置を調整し、θステージ１４に固定する。

上記したＺレーザ測長器１０とＸレーザ測長器１１は、例えば図２に示すシングルパスの干渉計の構成を有している。図２において、レーザ測長器５０は、平面ミラー５１の測長軸５０ｃ上の移動量を測長する。レーザ測長器５０は、測長部５０ａとプリズム５０ｂからなる。

測長部５０ａは、偏光方向が互いに直交するＰ偏光とＳ偏光からなる光束を射出するレーザ光源５２と、平面ミラー５１とプリズム部５０ｂからの戻り光束を受光するレシーバ５３と、１方向の直線偏光のみを透過する偏光板５４からなる。

プリズム部５０ｂは、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタ５５と、λ／４板５６，５７と、平面ミラー５８と、直角反射プリズム５９からなる。

レーザ光源５２からの光束は偏光ビームスプリッタ５５でＰ偏光が透過し、Ｓ偏光が反射する。偏光ビームスプリッタ５５で反射した光束は測定光束となり、透過した光束は参照光束となる。偏光ビームスプリッタ５５で反射した測定光束は、λ／４板５６を透過して円偏光となり、平面ミラー５１で反射する。平面ミラー５１で反射した円偏光は、再度λ／４板５６を透過してＰ偏光となり、今度は偏光ビームスプリッタ５５を透過する。

一方、偏光ビームスプリッタ５５を透過した参照光束は、λ／４板５７を透過して円偏光となり、平面ミラー５８で反射し、再度λ／４板５７を透過してＳ偏光となり、今度は偏光ビームスプリッタ５５で反射し、偏光ビームスプリッタ５５を透過した測定光束と重なり合う。

重なりあった測定光束と参照光束は直角反射プリズム５９で反射し、１方向の直線偏光成分だけが偏光板５４を透過して、干渉が生じる。干渉した測定光束と参照光束は、レシーバ５３で受光される。レシーバ５３では、測定光束と参照光束の位相差の変動が、干渉信号により検出される。

レシーバ５３で受光された干渉信号は、図示しない演算部に入力されて測長値に換算され、測長値を出力する。ここで、参照光束の光路長は常に一定である。一方、測定光束の光路長は、平面ミラー５１の変位に伴って変化する。よって、レーザ測長器５０は、測長軸５０ｃ上の平面ミラー５１の移動量を測長する。

なお、Ｚレーザー測長器１０とＸレーザ測長器１１は図２に示すシングルパスの干渉計の構成に限定されるものではなく、基準ミラー１２，１３に対する移動量を測長できればよく、例えばダブルパスの干渉計でもよい。

Ｚステージ８とＸステージ９は、例えば、静圧空気軸受やリニアガイドなどからなるガイドと、ボールねじとステッピングモータの組み合わせやリニアモータなどからなる駆動手段から構成されている。θステージ１４は、例えば、静圧空気軸受とモータから構成されている。

本実施形態では被測定物２２は非球面レンズである。しかし、被測定物２２は非球面レンズに限定されるものではない。例えば、被測定物２２は、球面レンズや自由曲面、及びそれらの金型などでもよい。

（作用）
次に、この３次元形状測定装置１の作用について説明する。被測定物２２は、被測定物２２の光軸とθステージ１４の回転軸を略一致させて、θステージ１４に固定される。次に、Ｘステージ９を駆動して、プローブ２とθステージ１４の回転軸を略一致させる。そして、Ｚステージ８を駆動して、先端球３を被測定物２２に接触させる。θステージ１４を回転させると、被測定物２２が回転する。また、Ｘステージ９を駆動すると、Ｚステージ８と静圧空気軸受４とプローブ２が一体にＸ軸方向に移動する。

このとき、被測定物２２の回転もしくはプローブ２のＸ軸方向の移動により、プローブ２の位置における被測定物２２の形状（Ｚ軸方向の高さ）が変化する。そして、被測定物２２の形状に応じて板ばね５がたわんで、プローブ２が静圧空気軸受４に対してＺ軸方向に移動する。これと同時に、マイクロリニアスケール７のスケール部７ａが読み取り部７ｂに対して変位し、読み取り部７ｂが変位を測長する。

ステージ制御部１７が、マイクロリニアスケール７の測長値に応じて、プローブ２の静圧空気軸受４に対する位置が常に一定（すなわち、板ばね５のたわみが一定）になるようにＺステージ８を駆動する。このように、被測定物２２の形状に沿ってプローブ２を走査する。

Ｚレーザ測長器１０の測長部１０ａから射出した光束は、Ｘステージ９に固定された直角反射プリズム１９で反射し、プローブ２に固定された直角反射プリズム２０で反射し、プリズム部１０ｂに入射する。プリズム部１０ｂに入射した光束は、プリズム部１０ｂの内部で参照光束と測定光束に分かれる。

プリズム部１０ｂから射出した測定光束は、Ｚ基準ミラー１２で反射し、再度プリズム部１０ｂに入射する。プリズム部１０ｂの内部で参照光束と測定光束が重ね合わされて、プリズム部１０ｂから射出する。プリズム部１０ｂから射出した光束は、直角反射プリズム２０で反射し、直角反射プリズム１９で反射して、測長部１０ａに入射する。

測長部１０ａと直角反射プリズム１９の光路長はＸステージ９の移動に伴って変化するが、測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＺレーザ測長器１０では検出されない。また、直角反射プリズム１９と直角反射プリズム２０間の光路長はＺステージ８の移動とプローブ２の静圧空気軸受４に対する変位に伴って変化するが、測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＺレーザ測長器１０では検出されない。更に、直角反射プリズム２０とプリズム部１０ｂ間の光路長は常に一定である。

これに対して、プリズム部１０ｂとＺ基準ミラー１２間は、測定光束だけの光路である。この光路長は、Ｚステージ８の移動とプローブ２の静圧空気軸受４に対する変位に伴って変化し、光路長の変化がＺレーザ測長器１０で検出される。このように、Ｚレーザ測長器１０は、基準ミラー１２に対するプローブ２のＺ軸方向の移動量を測長する。

一方、Ｘレーザ測長器１１の測長部１１ａから射出した光束は、Ｘステージ９に固定された直角反射プリズム２１で反射し、プリズム部１１ｂに入射する。プリズム部１１ｂに入射した光束は、プリズム部１１ｂの内部で参照光束と測定光束に分かれる。プリズム部１１ｂから射出した測定光束は、Ｘ基準ミラー１３で反射し、再度プリズム部１１ｂに入射する。プリズム部１１ｂの内部で参照光束と測定光束が重ね合わされて、プリズム部１１ｂから射出する。プリズム部１１ｂから射出した光束は、直角反射プリズム２１で反射して、測長部１１ａに入射する。

測長部１１ａと直角反射プリズム２１間の光路長はＸステージ９の移動に伴って変化するが、測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＸレーザ測長器１１では検出されない。また、直角反射プリズム２１とプリズム部１１ｂ間の光路長はＺステージ８の移動に伴って変化するが、測定光束と参照光束の共通の光路であるので、光路長の変化はＸレーザ測長器１１では検出されない。

これに対して、プリズム部１１ｂとＸ基準ミラー１３間は、測定光束だけの光路である。この光路長は、Ｘステージ９の移動に伴って変化し、光路長の変化がＸレーザ測長器１１で検出される。このように、Ｘレーザ測長器１１は、Ｘ基準ミラー１３に対するプローブ２のＸ軸方向の移動量を測長する。

θロータリエンコーダ１５は、被測定物２２の回転角θ（０°≦θ＜３６０°）を測定する。

ステージ制御部１７が、プローブ２を被測定物２２の形状に沿って走査しながら、θステージ１４を回転させる。同時に、パーソナルコンピュータ１８が、θロータリエンコーダ１５とＺレーザ測長器１０とＸレーザ測長器１１の測長値を、被測定物２２の測定データ（θＬｉ、ＺＬｉ、ＸＬｉ）として取り込む。

ただし、測定データθＬｉはｉ番目に測定したθロータリエンコーダ１５の測長値を示し、ＺＬｉはｉ番目に測定したＺレーザ測長器１０の測長値を示し、ＸＬｉはｉ番目に測定したＸレーザ測長器１１の測長値を示す。また、θＬｉとＺＬｉとＸＬｉは同時に取り込む。

次に、ステージ制御部１７が、θステージ１４を回転させながら、図３に示すように、Ｘステージ９により、プローブ２を測定治具２３の平面２３ａに移動させ、Ｘステージ９を停止する。同時に、パーソナルコンピュータ１８が、θロータリエンコーダ１５とＺレーザ測長器１０とＸレーザ測長器１１の測長値を、平面部２３ａの測定データ（θＰｉ、ＺＰｉ、ＸＰｉ）として取り込む。θステージ１４が１回転したら、平面部２３ａの測定データの取り込みを完了する。

次に、図４に示すように、Ｘステージ９により、プローブ２を測定治具２３のテーパ面部２３ｂに移動させ、Ｘステージ９を停止する。同時に、パーソナルコンピュータ１８が、θロータリエンコーダ１５とＺレーザ測長器１０とＸレーザ測長器１１の測長値を、テーパ面部２３ｂの測定データ（θＴｉ、ＺＴｉ、ＸＴｉ）として取り込む。θステージ１４が１回転したら、テーパ面部２３ｂの測定データの取り込みを完了する。

ただし、測定データθＰｉはｉ番目に測定したθロータリーエンコーダ１５の測長値を示し、ＺＰｉはｉ番目に測定したＺレーザ測長器１０の測長値を示し、ＸＰｉはｉ番目に測定したＸレーザ測長器１１の測長値を示す。また、θＰｉとＺＰｉとＸＰｉは同時に取り込む。

同様に、測定データθＴｉはｉ番目に測定したθロータリエンコーダ１５の測長値を示し、ＺＴｉはｉ番目に測定したＺレーザ測長器１０の測長値を示し、ＸＴｉはｉ番目に測定したＸレーザ測長器１１の測長値を示す。また、θＴｉとＺＴｉとＸＴｉは同時に取り込む。

次に、パーソナルコンピュータ１８が以下の演算を行う。

θステージ１４の回転角度がθの際の、Ｚ方向の回転振れとＸ方向の回転振れは、θ＝θＰｉ＝θＴｉであるときの平面部２３ａの測定データ（θＰｉ、ＺＰｉ、ＸＰｉ）及びテーパ面部２３ｂの測定データ（θＴｉ、ＺＴｉ、ＸＴｉ）と、θ＝０であるときの平面部２３ａの測定データ（０、ＺＰ０、ＸＰ０）及びテーパ面部２３ｂの測定データ（０、ＺＴ０、ＸＴ０）を用いて、回転角度がθＤｉのときの回転振れデータ（θＤｉ、θＤＺｉ、θＤＸｉ）は以下のように演算できる。なお、θＤＺｉはＺ方向の回転振れを示し、θＤＸｉはＸ方向の回転振れを示す。

θＤｉ＝θＰｉ
θＤＺｉ＝ＺＰｉ―ＺＰ０
θＤＸｉ＝（（ＺＴｉ―ＺＴ０）―（ＺＰｉ―ＺＰ０））／ｔａｎ４５°
このようにして、回転角度がθＤｉのときの回転振れデータ（θＤｉ、θＤＺｉ、θＤＸｉ）を得る。

よって、被測定物２２の測定データ（θＬｉ、ＺＬｉ、ＸＬｉ）は、回転振れデータ（θＤｉ、θＤＺｉ、θＤＸｉ）を用いることにより、θステージ１４の回転振れによる測定誤差を補正することができる。すなわち、被測定物２２の測定誤差を補正した測定データを、測定値（θｉ、Ｚｉ、Ｘｉ）とすると、θ＝θＬｉ＝θＤｉであるときの回転振れデータを用いて、被測定物２２の測定値（θｉ、Ｚｉ、Ｘｉ）は、
θｉ＝θＬｉ
Ｚｉ＝ＺＬｉ―θＤＺｉ
Ｘｉ＝ＸＬｉ―θＤＸｉ
となる。

このようにして、被測定物２２の３次元形状が測定できる。

（効果）
本実施の形態によれば、測定機に測定治具２３を追加するのみで、θステージ１４の回転振れによる測定誤差を補正できる。

なお、より簡易に、あらかじめ、回転振れを測定しておいて、測定データを補正する方法も存在するが、その場合、被測定物の着脱や環境温度変化等により、回転振れが変動すると測定誤差となる。本実施の形態によれば、被測定物を着脱せずに、被測定物の測定と連続して回転振れの測定を行うので、回転振れの変動による測定誤差が生じにくい。

ゆえに、この実施の形態によれば、簡易な構成で、θステージの回転振れによる測定誤差を補正することが可能であり、高精度な３次元形状測定装置を実現できる。

（変形例）
なお、上記した第１実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。

本実施の形態では、接触式プローブを用いたが、非接触式プローブでも全く同様の効果が得られる。

本実施の形態では、平面部２３ａの測定データ（θＰｉ、ＺＰｉ、ＸＰｉ）とテーパ面部２３ｂの測定データ（θＴｉ、ＺＴｉ、ＸＴｉ）は、θステージ１４が１回転した分のデータであるが、１回転でなくてもよい。複数回回転し、その平均値をデータとして、その後の演算に使用してもよい。例えば、平面部２３ａの測定データ（θＰｉ、ＺＰｉ、ＸＰｉ）の取り込み時に３回転して、θＰｉ１＝θＰｉ２＝θＰｉ３となる測定データ（θＰｉ１、ＺＰｉ１、ＸＰｉ１）、（θＰｉ２、ＺＰｉ２、ＸＰｉ２）、（θＰｉ３、ＺＰｉ３、ＸＰｉ３）を用いて、平均値（ＺＰｉ１＋ＺＰｉ２＋ＺＰｉ３）／３、（ＸＰｉ１＋ＸＰｉ２＋ＸＰｉ３）／３を演算し、それを測定データとしてもよい。

本実施の形態では、測定治具２３の設置誤差（θステージ１４の回転軸に対する測定治具２３の回転対称軸のシフトとチルト）は０としたが、設置誤差を測定データから演算して、設置誤差を補正する構成としてもよい。

設置誤差を演算する方法は、例えば以下の方法がある。平面部２３ａの測定データ（θＰｉ、ＺＰｉ、ＸＰｉ）と平面の理論式の偏差の２乗和が最小となるように、平面の理論式を平面の測定データに対して、フィッティングする。そして、フィッティングした後の、平面の理論式と平面の測定データの偏差を求め、それを設置誤差を補正した平面部２３ａの測定データとして、回転振れの演算に用いる。また同様に、テーパ面部２３ｂの測定データ（θＴｉ、ＺＴｉ、ＸＴｉ）とテーパ面の理論式を用いてフィッティングを行う。次に、設置誤差を補正したテーパ面部２３ｂの測定データを求め、回転振れの演算に用いる。これにより、測定治具２３の設置誤差を補正した回転振れを求めることができ、高精度な３次元形状測定を実現できる。

本実施の形態では、測定治具２３の形状誤差は０としたが、あらかじめ、形状誤差を測定してパーソナルコンピュータ１８に記憶しておき、形状誤差を補正する構成としてもよい。形状誤差を測定する方法は、例えば以下の方法がある。被測定物として、形状誤差が０とみなせるマスターボールを用いる。θステージ１４を回転させながら、ダイヤルゲージにより、マスターボールのＺ方向の回転振れを測定しながら、プローブ２で測定治具２３の平面部２３ａを測定する。マスターボールの形状誤差は０なので、マスターボールの測定結果は、全てθステージ１４のＺ方向の回転振れである。

また、測定治具２３の平面部２３ａの測定結果は、平面部２３ａの形状誤差とθステージ１４のＺ方向の回転振れの和となる。よって、測定治具２３の平面部の測定結果とマスターボールの測定結果から、平面部２３ａの形状誤差を求めることができる。また、同様に、ダイヤルゲージにより、テーパ面部２３ｂの角度（本実施形態の場合は４５°）と同じ面の角度となるマスターボールの位置においてＺ方向の変位を測定し、同時にプローブ２で測定治具２３のテーパ面部２３ｂを測定することにより、テーパ面部２３ｂの形状誤差を求めることができる。

本実施の形態では、被測定物２２を測定した後に測定治具２３の平面部２３ａとテーパ面部２３ｂの測定を行ったが、当然ながら、測定の順番は問わない。

本実施の形態では、測定治具２３は、Ｚ軸に略直交する平面部２３ａとＸ軸とのなす角度が４５°であるテーパ面部２３ｂを有する軸対称形状としたが、測定治具２３の形状はこれに限定されない。テーパ面部２３ｂがＸ軸となす角度は４５°でなくともよい。測定治具２３は、Ｚ軸に略直交する部分とＸ軸と所定の角度を持つ部分があればよい。例えば、図７に示すように、ドーナツ形状を半分にした形状でもよい。ここで、図中のハッチング部は断面図を示す。また、静圧空気軸受４は、プローブ２をＺ軸方向に移動可能に保持できればよいので、例えば、磁気軸受、すべり軸受等の各種ガイドに置き換えが可能である。

マイクロリニアスケール７は、プローブ２の静圧空気軸受に対する変位を検出できればよいので、レーザ側長器等の光学式変位センサや静電容量センサ等の各種変位計に置き換えが可能である。

（第２実施形態）
以下に、本発明の第２実施形態について説明する。

（構成）
第２実施形態の構成は、第１の実施の形態と同じ構成である。

（作用）
被測定物２２の測定データ（θＬｉ、ＺＬｉ、ＸＬｉ）、測定治具２３の平面部２３ａの測定データ（θＰｉ、ＺＰｉ、ＸＰｉ）及びテーパ面２３ｂの測定データ（θＴｉ、ＺＴｉ、ＸＴｉ）を取り込む動作までは、第１の実施の形態と同様である。

次に、図５に示すように、先に平面部２３ａを測定したＸ方向の位置（図３参照）に対して略回転軸対称なＸ方向の位置にプローブ２を移動させる。そして先の平面部２３ａの測定と同様に、平面部２３ａの測定データ２（θＰＧｉ、ＺＰＧｉ、ＸＰＧｉ）を取り込む。

次に、図６に示すように、先にテーパ面２３ｂを測定したＸ方向の位置（図４参照）に対して略回転軸対称なＸ方向の位置にプローブ２を移動させ、テーパ面２３ｂの測定データ２（θＴＧｉ、ＺＴＧｉ、ＸＴＧｉ）を取り込む。次に、パーソナルコンピュータ１８が以下の演算を行う。

θステージ１４の回転角度がθの際の、Ｚ方向の回転振れとＸ方向の回転振れは、θ＝θＬｉ＝θＰｉ＝θＴｉ＝θＰＧｉ＝θＴＧｉであるときの被測定物２２の測定データ（θＬｉ、ＺＬｉ、ＸＬｉ）、平面部２３ａの測定データ（θＰｉ、ＺＰｉ、ＸＰｉ）と平面部２３ａの測定データ２（θＰＧｉ、ＺＰＧｉ、ＸＰＧｉ）、テーパ面部２３ｂの測定データ（θＴｉ、ＺＴｉ、ＸＴｉ）とテーパ面部２３ｂの測定データ２（θＴＧｉ、ＺＴＧｉ、ＸＴＧｉ）、及びθ＝０であるときの平面部２３ａの測定データ（０、ＺＰ０、ＸＰ０）と平面部２３ａの測定データ２（０、ＺＰＧ０、ＸＰＧ０）、テーパ面部２３ｂの測定データ（０、ＺＴ０、ＸＴ０）とテーパ面部２３ｂの測定データ２（０、ＺＴＧ０、ＸＴＧ０）を用いて、回転角度がθＤｉのときの回転振れデータ（θＤｉ、θＤＺｉ、θＤＸｉ）は以下のように演算できる。なお、θＤＺｉはＺ方向の回転振れを示し、θＤＸｉはＸ方向の回転振れを示す。

θＤｉ＝θＰｉ＝θＬｉ
θＤＺｉ＝（（ＺＰｉ−ＺＰ０）−（ＺＰＧｉ−ＺＰＧ０））×（ＸＬｉ−ＸＰＧｉ）／（ＸＰｉ−ＸＰＧｉ）
θＤＸｉ＝（（ＺＴｉ−ＺＴ０＋ＺＴＧｉ−ＺＴＧ０）／２−（（ＺＰｉ−ＺＰ０＋ＺＰＧｉ−ＺＰＧ０）／２）／ｔａｎ４５°
このようにして、回転角度がθＤｉのときの回転振れデータ（θＤｉ、θＤＺｉ、θＤＸｉ）を得る。

従って、θステージ１４の回転振れによる測定誤差を補正した、被測定物２２の測定値（θｉ、Ｚｉ、Ｘｉ）は、
θｉ＝θＬｉ
Ｚｉ＝ＺＬｉ−θＤＺｉ
Ｘｉ＝ＸＬｉ−θＤＸｉ
となる。

このようにして、被測定物２２の３次元形状が測定できる。

（効果）
第１実施形態では、θステージ１４の回転振れにより、Ｚ軸に対するθステージ１４の回転軸の角度が変わらずに回転軸が移動する（すなわち、Ｚ軸に対する被測定物２２の角度が変わらずに、被測定物２２が移動する）ことで生じる測定誤差を補正できる。

本実施の形態によれば、第１実施形態の効果に加え、θステージ１４の回転振れにより、Ｚ軸に対するθステージ１４の回転軸の角度が変動する（すなわち、Ｚ軸に対する被測定物２２の角度が変わる）ことで生じるＺ方向の測定誤差もあわせて補正できるので、より高精度にθステージ１４の回転振れによる測定誤差を補正できる。

ゆえに、この実施の形態によれば、簡易な構成で、θステージの回転振れによる測定誤差を補正する高精度な３次元形状測定装置を実現できる。

（変形例）
本実施の形態では、先に平面を測定したＸ方向の位置に対して略回転軸対称なＸ方向の位置で測定を実施し、平面の測定データ２（θＰＧｉ、ＺＰＧｉ、ＸＰＧｉ）を得たが、必ずしも略回転軸対称なＸ方向の位置である必要はなく、先に平面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置であれば同様の効果が得られる。

本実施の形態では、Ｚ軸に対するθステージ１４の回転軸の角度変動は十分小さく、これにより、被測定物２２の測定値にＺ方向の測定誤差のみが生じ、他の測定誤差は無視できるほど小さい、として演算を行った。しかし、θステージ１４の回転軸の角度変動が大きい場合は、被測定物２２の測定値に生じるＸ方向の測定誤差が無視できなくなるし、テーパ面部２３ｂの測定データに生じる測定誤差も無視できなくなる。当然ながら、それらを考慮して、θステージ１４の回転振れを補正してもよい。

（付記）
なお、上記した具体的な実施形態から以下のような構成（１）〜（８）を備える発明を抽出することができる。

（１）回転機構の回転角度を測定する第１の測定工程と、
被測定物の形状を、プローブにより測定する第２の測定工程と、
複数の基準面の形状を、前記プローブにより測定する第３の測定工程と、
前記第２の測定工程で得た測定データを、前記第３の測定工程で得た測定データを用いて補正する工程とを有する３次元形状測定方法であって、
前記複数の基準面は、いずれも前記回転機構の回転軸に対して略軸対称な形状を有しており、前記複数の基準面のうち、前記第１の基準面は、前記回転軸に対して所定の角度をなす面であって、前記第２の基準面は、前記回転軸に対して前記第１の基準面とは異なる所定の角度をなす面であり、
前記第３の測定工程は、前記第１の基準面を測定する第１の基準面測定工程と、前記第２の基準面を測定する第２の基準面測定工程とを、少なくとも有することを特徴とする３次元形状測定方法。

（２）前記複数の基準面の各々は、前記被測定部に関して配置される測定治具の一面であることを特徴とする（１）記載の３次元形状測定方法。

（対応する発明の実施の形態）
この発明に対応する実施の形態は、第１、２の実施の形態が対応する。

（作用効果）
被測定物と、例えば測定治具の第１の基準面と第２の基準面を測定し、第１の基準面と第２の基準面の測定データから回転機構の回転振れを演算する。演算した回転機構の回転振れにより、被測定物の測定データを補正し、最終的な測定データを得る。

よって、簡易な構成で、回転機構の回転振れによる測定誤差を補正する高精度な３次元形状測定が実現できる。第１の基準面と回転軸のなす所定の角度は９０度が望ましいが、９０度に限定されるものではない。第２の基準面と回転軸のなす所定の角度は、３０度〜８０度が望ましいが、前記第１の基準面とは異なる角度であれば何度でもよい。

（３）前記第１の基準面測定工程は、前記第１の基準面を複数の位置で測定する工程を含むことを特徴とする（１）または（２）記載の３次元形状測定方法。

（４）前記複数の位置は、前記第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置であることを特徴とする（３）記載の３次元形状測定方法。

（対応する発明の実施の形態）
この発明に対応する実施の形態は、第２の実施の形態が対応する。

（作用効果）
第１の基準面を複数の位置（例えば、第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置）で測定する。これにより、（１）の効果に加え、回転機構の回転振れにより、プローブに対する回転機構の回転軸の角度が変動する（すなわち、プローブに対する被測定物の角度が変わる）ことで生じる測定誤差も補正できる。

よって、簡易な構成で、回転機構の回転振れによる測定誤差を補正する高精度な３次元形状測定が実現できる。

（５）被測定物を回転させる回転機構と、
前記回転機構の回転角度を測定する回転角測定器と、
前記被測定物に対向配置されたプローブと、
前記プローブにより、前記被測定物と、前記回転機構の回転軸に対して略軸対象な複数の基準面とを測定して測定データを取り込む制御部と、
前記被測定物の測定データを、前記複数の基準面の測定データを用いて補正する演算部とを有し、
前記複数の基準面は、前記回転軸に対して所定の角度をなす第１の基準面と、前記回転軸に対して前記第１の基準面とは異なる所定の角度をなす第２の基準面とを含む、ことを特徴とする３次元形状測定装置。

（６）前記複数の基準面の各々は、前記被測定部に関して配置される測定治具の一面であることを特徴とする（５）記載の３次元形状測定装置。

（対応する発明の実施の形態）
この発明に対応する実施の形態は、第１、２の実施の形態が対応する。

（作用効果）
制御部が、プローブにより被測定物と例えば測定治具の複数の基準面を測定し、測定データを取り込む。演算部が、複数の基準面の測定データから、回転機構の回転振れを演算し、被測定物の測定データを補正する。

これにより、簡易な構成で、回転機構の回転振れによる測定誤差を補正する高精度な３次元形状測定装置が実現できる。

（７）前記第１の基準面測定工程は、前記第１の基準面を複数の位置で測定する工程を含むことを特徴とする（５）または（６）記載の３次元形状測定装置。

（８）前記複数の位置は、前記第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置であることを特徴とする（７）記載の３次元形状測定装置。

（対応する発明の実施の形態）
この発明に対応する実施の形態は、第２の実施の形態が対応する。

（作用効果）
第１の基準面を複数の位置（例えば、第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置）で測定する。これにより、（５）の効果に加え、回転機構の回転振れにより、プローブに対する回転機構の回転軸の角度が変動する（すなわち、プローブに対する被測定物の角度が変わる）ことで生じる測定誤差も補正できる。

よって、簡易な構成で、回転機構の回転振れによる測定誤差を補正する高精度な３次元形状測定が実現できる。

本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定装置の構成を示す図である。 Ｚレーザ測長器とＸレーザ測長器の構成としてのシングルパスの干渉計を示す図である。 Ｘステージにより、プローブを測定治具の平面に移動させたようすを示す図である。 Ｘステージにより、プローブを測定治具のテーパ面部に移動させたようすを示す図である。 平面を測定したＸ方向の位置に対して略回転軸対称なＸ方向の位置に、プローブを移動させたようすを示す図である。 テーパ面を測定したＸ方向の位置に対して略回転軸対称なＸ方向の位置に、プローブを移動させたようすを示す図である。 測定治具の形状の変形例を示す図である。 Ｒθ走査方式の３次元形状測定装置の基本構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１…３次元形状測定装置、２…プローブ、３…先端球、４…静圧空気軸受、５…板ばね、６…板ばね保持部、７…マイクロリニアスケール、８…Ｚステージ、９…Ｘステージ、１０…Ｚレーザ測長器、１１…Ｘレーザ測長器、１２…Ｚ基準ミラー、１３…Ｘ基準ミラー、１４…θステージ、１５…θロータリエンコーダ、１６…測定機のフレーム、１７…ステージ制御部、１８…パーソナルコンピュータ、１９…直角反射プリズム、２０…直角反射プリズム、２１…直角反射プリズム、２２…被測定物、２３…測定治具。

Claims (8)

1. 回転機構の回転角度を測定する第１の測定工程と、
   被測定物の形状を、プローブにより測定する第２の測定工程と、
   複数の基準面の形状を、前記プローブにより測定する第３の測定工程と、
   前記第２の測定工程で得た測定データを、前記第３の測定工程で得た測定データを用いて補正する工程とを有する３次元形状測定方法であって、
   前記複数の基準面は、いずれも前記回転機構の回転軸に対して略軸対称な形状を有しており、前記複数の基準面のうち、前記第１の基準面は、前記回転軸に対して所定の角度をなす面であって、前記第２の基準面は、前記回転軸に対して前記第１の基準面とは異なる所定の角度をなす面であり、
   前記第３の測定工程は、前記第１の基準面を測定する第１の基準面測定工程と、前記第２の基準面を測定する第２の基準面測定工程とを、少なくとも有することを特徴とする３次元形状測定方法。
2. 前記複数の基準面の各々は、測定治具の一面であることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定方法。
3. 前記第１の基準面測定工程は、前記第１の基準面を複数の位置で測定する工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の３次元形状測定方法。
4. 前記複数の位置は、前記第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置であることを特徴とする請求項３記載の３次元形状測定方法。
5. 被測定物を回転させる回転機構と、
   前記回転機構の回転角度を測定する回転角測定器と、
   前記被測定物に対向配置されたプローブと、
   前記プローブにより、前記被測定物と、前記回転機構の回転軸に対して略軸対象な複数の基準面とを測定して測定データを取り込む制御部と、
   前記被測定物の測定データを、前記複数の基準面の測定データを用いて補正する演算部とを有し、
   前記複数の基準面は、前記回転軸に対して所定の角度をなす第１の基準面と、前記回転軸に対して前記第１の基準面とは異なる所定の角度をなす第２の基準面とを含む、ことを特徴とする３次元形状測定装置。
6. 前記複数の基準面の各々は、前記被測定部に関して配置される測定治具の一面であることを特徴とする請求項５記載の３次元形状測定装置。
7. 前記第１の基準面測定工程は、前記第１の基準面を複数の位置で測定する工程を含むことを特徴とする請求項５または６記載の３次元形状測定装置。
8. 前記複数の位置は、前記第１の基準面を測定したＸ方向の位置と異なるＸ方向の位置であることを特徴とする請求項７記載の３次元形状測定装置。

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