JP2020139848A - 三次元計測機の校正器具 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成のレーザ変位計を用いる三次元計測機において、精度の良い校正が可能な校正器具を提供する。【解決手段】校正器具は、第１治具３１と第２治具４１とを備える。第１治具３１は回転ステージ１２に面する第１の底面３２、及び、第１の底面３２に直交する中心軸Ｃ１の周りに設けられると共に第１の頂角３４を成す複数対の第１平面３３、３３を含む。第２治具４１は、回転ステージ１２に面する第２の底面４２、及び、 第２の底面４２と平行な基準軸（Ｘ軸）に沿って延伸すると共に第２の頂角４４を成す一対の第２平面４３、４３を含む。第１の頂角３４（第２の頂角４４）は、レーザ変位計１３を用いて一対の第１平面３３、３３（第２平面４３、４３）の各延長面の交線３６の座標を算出する際の誤差を減少させる角度範囲内に設定される。【選択図】図４

Description

本開示は、レーザ変位計を用いた非接触型三次元計測機の校正器具に関する。

三次元計測機（座標計測機）は、計測対象の表面形状を示す空間座標を取得する装置である。取得される表面形状の空間座標はプローブの空間座標に関連付けられており、プローブはリニアガイド等の移動機構によって走査される。このため、基本的には、表面形状の空間座標は、移動機構に入力されるプローブの移動量（制御値）に基づいて算出される。

三次元計測機の校正（即ち、計測空間内の座標（三次元）とプローブの移動量（三次元）との高精度な対応付け）を実施する際には、計測対象として、厳密に規定された形状及び寸法を有する校正器具（標準器）が用いられる。このような校正器具は、例えば、ボールプレートやブロックゲージとして知られている。座標の校正に関連する文献として、特許文献１は、標準ワークを用いた三次元計測機の光学式センサの校正方法を開示している。

特開２０１６−１９１６６３号公報

三次元計測機に搭載される光学式センサの一つとして、レーザ光を用いた三角測量を行う所謂レーザ変位計がある。レーザ変位計は、レーザ光の発光素子と、レーザ光の検出器と、これらに関連するレンズ等の光学系を備えている。レーザ光源から出射したレーザ光は、計測対象によって反射され、光検出器に入射する。このときの、光検出器におけるレーザ光の位置から、レーザ変位計と計測対象との間の距離が算出される。

上述の通り、レーザ変位計は、計測対象によって反射されたレーザ光を検出する。従って、レーザ変位計からの出射光と、計測対象の面とが成す角度の増加に伴って、反射光の強度は減少し、両者間の距離の計測誤差が増加する。レーザ変位計を用いた三次元計測機の校正に球状の標準器を用いた場合は、計測空間の各点において計測誤差が変化することになり、校正時の処理が複雑になる。これに対して、種々のレーザ変位計の中には、計測誤差を低減させる装備を有するものもある。しかしながら、このようなレーザ変位計は構成が複雑になり、簡便な構成のレーザ変位計よりも非常に高価である。また、一般的な標準器は、接触型三次元計測機を考慮しているため、レーザ変位計を用いた三次元計測機には適さない。

本開示はこのような事情を鑑みて成されたものである。即ち、本開示は、簡便な構成のレーザ変位計を用いる三次元計測機において、精度の良い校正が可能な校正器具の提供を目的とする。

本開示の一態様はレーザ変位計、前記レーザ変位計を移動可能に支持する３軸ステージ、及び、計測対象が設置される回転ステージを備える三次元計測機の校正器具であって、前記回転ステージに面する第１の底面、及び、前記第１の底面に直交する中心軸の周りに設けられる複数対の第１平面であって、各対の第１平面は前記中心軸に沿って延伸すると共に第１の頂角を成し、前記中心軸を含む参照面に対して対称に傾斜する複数対の第１平面を含む第１治具と、前記回転ステージに面する第２の底面、及び、前記第２の底面と平行な基準軸に沿って延伸すると共に第２の頂角を成す一対の第２平面を含む第２治具とを備え、前記第１の頂角は、前記レーザ変位計を用いて前記一対の第１平面の各延長面の交線の座標を算出する際の誤差をその最大値から減少させる角度範囲内に設定され、前記第２の頂角は、前記レーザ変位計を用いて前記一対の第２平面の各延長面の交線の座標を算出する際の誤差をその最大値から減少させる角度範囲内に設定されていることを要旨とする。

前記第１治具は、前記第１平面を一辺とした正八角形の断面を有してもよい。

前記一対の第２平面は、その二等分線が、前記レーザ変位計からの出射光の光軸と前記レーザ変位計への入射光の光軸との間に位置するように傾斜していてもよい。

前記第１治具と前記第２治具は、前記第１の底面と前記第２の底面を１つの底面として一体化されていてもよい。

本開示によれば、簡便な構成のレーザ変位計を用いる三次元計測機において、精度の良い校正が可能な校正器具を提供することができる。

本開示の一実施形態に係る三次元計測機の概略構成図である。 本開示の一実施形態に係る三次元計測機の構成を示すブロック図である。 レーザ変位計の構成を示す図である。 本開示の一実施形態に係る第１治具の構成を示す図であり、（ａ）は第１治具の斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 本開示の一実施形態に係る第２治具の構成を示す斜視図である。 図６は、第１治具又は第２治具に対するレーザ変位計の計測を説明するための図である。 第２治具に対する測定結果を説明するための図である。 第１治具に対する測定結果を説明するための図である。 各設定角における第１治具の、レーザ変位計に対する向きと算出される交点の例を示す図であり、（ａ）は設定角がφ１のときの状態を示す図、（ｂ）は設定角がφ２のときの状態を示す図である。 各交点の座標を用いた、回転ステージにおける回転中心軸の座標の算出を説明するための図である。 レーザ変位計による計測面の形状計測時に生じる誤差を説明するための図である。

以下、本開示の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る三次元計測機１０の概略構成図である。この図に示すように、三次元計測機１０は、３軸ステージ１１と、回転ステージ１２と、レーザ変位計１３とを備える。３軸ステージ１１及び回転ステージ１２は、定盤１４上に設置されている。三次元計測機１０は、回転ステージ１２上に設置された計測対象１９の表面形状を計測する。換言すれば、三次元計測機１０は、計測対象１９の表面形状を示す三次元座標を取得する。なお、計測対象１９は、レーザ変位計１３による計測が可能で、且つ、後述の計測可能範囲Ｍ内に位置決めできる表面をもつ構造体であれば、特に制限は無い。

３軸ステージ１１は、レーザ変位計１３を移動可能に支持する。３軸ステージ１１は、直交座標系を規定するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の（Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の）各リニアガイドで構成され、各軸に沿って（各方向に）レーザ変位計１３を移動させ、所望の位置にレーザ変位計１３を位置決めする。なお、本実施形態において、Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交する２つの水平方向に延伸する軸である。Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸に直交し、鉛直に延伸する軸である。以下の説明において、Ｘ軸の延伸方向としてＸ方向、Ｙ軸の延伸方向としてＹ方向、Ｚ軸の延伸方向としてＺ方向と称する場合がある。

回転ステージ１２は、計測対象１９が設置される載置面１２ａを有する。回転ステージ１２はモータ（図示せず）に連結しており、回転中心軸Ｒを中心として回転する。つまり、本実施形態に係る三次元計測機１０によって操作される計測対象１９の自由度は４（並進の自由度３＋回転の自由度１）である。回転ステージ１２の回転中心軸ＲはＺ軸と略平行である。ただし、Ｚ軸に対する回転中心軸Ｒの平行度は、後述の校正によって補償される。

上述の通り、三次元計測機１０は、レーザ変位計１３の移動機構として、３つのリニアガイドと、これらに独立した回転ステージ１２とを採用している。つまり、三次元計測機１０における自由度は４であるため、関節を備えることで自由度が４を超える他の移動機構に比べ、移動操作によって生じる機械的誤差が小さく、構成も簡便である。

図３は、レーザ変位計１３の構成を示す図である。レーザ変位計１３は、レーザ光２０を利用した三角測量によって距離を計測するセンサである。図３に示すように、レーザ変位計１３は、レーザ光２０の発光素子２１と、レーザ光２０の検出器２２と、これらに関連する光学系２３とを有する。発光素子２１は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）である。また、検出器２２は、例えば、位置敏感検出器（ＰＳＤ）、電荷結合素子（ＣＣＤ）、リニアアレイである。レーザ変位計１３の構成は周知であり、市販品を適用できる。

本実施形態のレーザ変位計１３は、単一波長のレーザ光２０を出射し、その反射光を検出する。つまり、レーザ変位計１３は、白色レーザなどの複数波長のレーザ光を用いず、分光器も不要である。従って、多種多様なレーザ変位計の中でも、本実施形態のレーザ変位計１３は比較的簡便な構成であり、且つ安価である。

発光素子２１からのレーザ光２０は光学系（図示せず）によって集光され、計測対象１９に照射される。計測対象１９で反射された（散乱された）レーザ光の一部は光学系（図示せず）を介して検出器２２上にスポットを形成する。

本実施形態において、レーザ変位計１３から出射するレーザ光（出射光）２０の光軸２０ａはＹ軸と平行である。また、レーザ変位計１３から出射するレーザ光２０の光軸とレーザ変位計１３（検出器２２）に入射するレーザ光（入射光）２０の光軸２０ｂを含む平面は、Ｙ−Ｚ平面と平行である。

検出器２２におけるスポットの位置（重心）は、計測対象１９とレーザ変位計１３との間の距離に応じて移動する。レーザ変位計１３は、検出器２２上のスポットの位置に応じた強度をもつ信号を制御部１５に出力する。従って、この出力信号の強度から、計測対象１９とレーザ変位計１３との間の距離が特定される。以下、説明の便宜上、この出力信号を「距離信号」と称する。

検出器２２からスポットが外れるような距離に計測対象１９が位置した場合、当該距離の計測は不可能である。つまり、レーザ変位計１３によって計測可能な距離の範囲は、予め定まっている。以下、説明の便宜上、この範囲を「計測可能範囲Ｍ」と称する（図７参照）。

図２は、三次元計測機１０の構成を示すブロック図である。この図に示すように、三次元計測機１０は制御部１５を備える。制御部１５は、ＣＰＵ等の演算部１６と、データや制御プログラムを記憶する記憶部１７と、３軸ステージ１１、回転ステージ１２、及びレーザ変位計１３などの外部機器との間の信号の入出力を行う入出力部１８を備える。制御部１５は、３軸ステージ１１、回転ステージ１２、及びレーザ変位計１３を制御する。例えば、制御部１５は、３軸ステージ１１の操作によって、所望の座標にレーザ変位計１３を移動させる。

計測対象１９におけるレーザ光２０の照射位置２４（図３参照）が計測可能範囲Ｍ（図７参照）内に位置するとき、レーザ変位計１３は、照射位置２４に応じた距離信号を出力する。制御部１５は、この距離信号を取得する。距離信号の強度から、レーザ変位計１３と照射位置２４との間の距離が特定される。

更に、レーザ変位計１３をＸ軸に沿って（Ｘ方向に）移動させた場合、その移動に伴う距離信号の変化、即ち、レーザ変位計１３と照射位置２４との間の距離の変化が得られる。この距離の変化は、照射位置２４が通過した線上の、計測対象１９の表面形状（輪郭）を示す。

このような操作を、レーザ変位計１３の移動の起点と回転ステージ１２の回転角度とを変える度に実行することで、計測対象１９の表面のうち、レーザ光２０が照射される表面（領域）の形状が得られる。

一方、上述の距離信号から求められる値は、レーザ変位計１３と計測対象１９の照射位置２４との間の距離（換言すればレーザ変位計１３の仕様によって設定された距離からの変位）に過ぎない。従って、照射位置２４の空間座標を算出するには、当該空間座標を規定する座標系の原点を定める必要がある。原点が規定された場合、その座標系におけるレーザ変位計１３の位置（座標）が定まり、その位置から距離信号に対応する距離だけ離れた照射位置２４の空間座標が定まることになる。

本実施形態では、上述の原点を定めるために校正器具３０を使用する。図４及び図５に示すように、本実施形態の校正器具３０は、第１治具３１と、第２治具４１とによって構成される。第１治具３１及び第２治具４１は、何れも回転ステージ１２上に載置され、レーザ変位計１３による形状計測が行われる。

第１治具３１の形状計測によって、回転ステージ１２の回転中心軸ＲのＸ座標とＹ座標、並びに、Ｚ軸に対する回転中心軸Ｒの傾斜角が算出される。また、第２治具４１の形状計測によって、回転中心軸Ｒ上のＺ座標の１つの値が算出される。その結果、回転中心軸Ｒの空間座標が規定され、その原点も規定される。各値の算出過程については後述する。

図４は、第１治具３１の構成を示す図であり、（ａ）は第１治具３１の斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）に示すように、第１治具３１は、多角形の断面を含む柱状の構造体である。第１治具３１は、回転ステージ１２に面する底面（第１の底面）３２と、複数対の平面（第１平面）３３、３３とを備える。各対の平面３３、３３は、底面３２に直交する第１治具３１の中心軸Ｃ１の周りに設けられる。

一対の平面３３、３３は、中心軸Ｃ１に沿って延伸する。一対の平面３３、３３は、頂角（第１の頂角）３４を成す。また、一対の平面３３、３３は、中心軸Ｃ１を含む参照面３５に対して対称に傾斜している。換言すれば、頂角３４の二等分線は中心軸Ｃ１と交差する。

頂角３４を成す一対の平面３３、３３の各延長面は交線３６を形成する。後述するように、三次元計測機１０は、Ｘ−Ｙ平面上でレーザ変位計１３を移動させることによって、当該平面と交線３６との交点の座標を算出する。頂角３４は、この算出における誤差を減少させる所定の角度範囲内に設定されている。このような頂角３４の値は、例えば１３５°である。頂角３４の値が１３５°である場合、各平面３３と参照面３５とが成す角度は６２．５°である。なお、頂角３４が取り得る角度範囲については後述する。

一対の平面３３、３３は、中心軸Ｃ１の周りで等角度間隔に設けられてもよい。例えば、図４（ｂ）に示すように、中心軸Ｃ１の周りに４５°の間隔で設けられてもよい。この場合、各平面３３は当該平面３３を一辺とした正八角形の断面を形成する。換言すれば、第１治具３１は、中心軸Ｃ１の延伸方向における一定の範囲で、平面３３を一辺とした正八角形の断面を含むように構成される。

図４（ａ）に示すように、第１治具３１は、中心校正面３７を有してもよい。中心校正面３７は中心軸Ｃ１を中心とした曲面であり、中心軸Ｃ１の延伸方向において、一対の平面３３、３３を挟んで底面３２が設けられる側と反対側に設けられる。中心校正面３７は、例えば、中心軸Ｃ１を中心とした円柱の外周面として形成される。中心校正面３７は、第１治具３１における中心軸Ｃ１の位置（座標）を算出するために用いられる。例えば、本実施形態に係る三次元計測機１０よりも高精度の形状計測器を用いて、中心校正面３７の形状を計測し、この計測結果から中心校正面３７に対する中心軸Ｃ１の位置を算出する。算出された中心軸Ｃ１の位置（座標）は、一対の平面３３、３３の各延長面の交線３６に対する基準として用いることができる。

図５は、第２治具４１の構成を示す斜視図である。この図に示すように、第２治具４１は、回転ステージ１２に面する底面（第２の底面）４２と、一対の平面（第２平面）４３、４３とを備える。

一対の平面４３、４３は、底面４２に直交する中心軸Ｃ２に沿って配置され、底面４２と平行な基準軸に沿って延伸する。ここで言う基準軸とは例えばＸ軸である。また、一対の平面４３、４３は、頂角（第２の頂角）４４を成す。図５に示す例では、頂角４４は１４０°である。また、各平面４３は底面４２と平行な参照面４５に対して、互いに逆向きに傾斜している。一対の平面４３、４３のうち、参照面４５に対して上側の平面を４３ａで表し、参照面４５に対して下側の平面を４３ｂで表すとする。平面４３ａは参照面４５に対して角度４４ａで傾斜している。また、平面４３ｂは参照面４５に対して角度４４ｂで傾斜している。本実施形態では、角度４４ａは６０°、角度４４ｂは８０°にそれぞれ設定されている。なお、頂角４４が取り得る角度範囲については後述する。

なお、第１治具３１については、本実施形態に係る三次元計測機よりも高精度の形状計測器を用いて、一対の平面３３、３３の各延長面の交線３６と第１治具３１の中心軸Ｃ１との間の距離（以下、基準距離Ｌと称する）を予め計測しておく。同様に、第２治具４１についても、上述の形状計測器を用いて、底面４２から、一対の平面４３、４３の各延長面の交線４６と底面４２までのＺ軸に沿った高さ（以下、基準高Ｈと称する）を予め計測しておく。

上述した各交線の位置は、次の処理を実行することで取得できる。即ち、本実施形態に係る三次元計測機１０よりも高精度の形状計測器（例えば接触型三次元計測機）を用いて、一対の平面のうちの一方の平面から他方の平面までプローブを走査する。次に、各平面を示す形状を１次関数で近似し、得られた２つの１次関数の交点の座標を算出する。形状計測器を用いた第１治具３１に対する計測では、中心軸Ｃ１の座標も得られるので、この座標と交点の座標から基準距離Ｌが算出できる。一方、第２治具４１に対する計測では、底面４２の座標が得られるので、この座標と交点の座標から基準高Ｈが算出できる。基準距離Ｌ及び基準高Ｈは、次に述べる空間座標の校正において利用される。

第１治具３１及び第２治具４１を用いた空間座標の校正方法について説明する。図６は、第１治具３１又は第２治具４１に対するレーザ変位計１３の計測を説明するための図である。図７は、第２治具４１に対する測定結果を説明するための図である。図８は、第１治具３１に対する測定結果を説明するための図である。図９は、各設定角における第１治具３１の、レーザ変位計１３に対する向きと算出される交点の例を示す図であり、（ａ）は設定角がφ１のときの状態を示す図、（ｂ）は設定角がφ２のときの状態を示す図である。また、図１０は、各交点の座標を用いた、回転ステージ１２における回転中心軸Ｒの座標の算出を説明するための図である。

以下の説明から理解されるように、本実施形態の校正方法は、互いに直交する３軸（即ち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の座標を、それぞれの軸に沿って所定の頂角を成す校正器具の一対の平面のうちの一方の平面から他方の平面まで、レーザ変位計１３の照射位置２４を移動（走査）させる。この移動に伴い、各平面の延長面の交線とレーザ変位計１３の移動に沿った軸との交点の座標を算出し、算出した交点の座標と、校正器具の既知の寸法とに基づいて、空間座標の原点を算出する。

校正前の準備として、第２治具４１を回転ステージ１２に設置する。第２治具４１は、底面４２が回転ステージ１２に接した状態で、回転ステージ１２に載置される。このとき、第２治具４１は、ビス等によって回転ステージ１２に固定されてもよい。

まず、第２治具４１の形状計測によって、３軸ステージ１１の設定座標Ｚｎを校正する。即ち、空間座標を規定する座標系の原点と設定座標Ｚｎとを対応付ける。なお、図６において、第２治具４１の計測に関連する構造及び軸等をカッコ内で示す。

次に、回転ステージ１２を回転させて、一対の平面４３、４３をレーザ変位計１３に対向させる（ステップＡ１）。さらに、Ｘ軸及びＹ軸の所定の設定座標までレーザ変位計１３を移動させ、一対の平面４３、４３を計測可能範囲Ｍ内に位置させる（ステップＡ２）。以下、説明の便宜上、一対の平面４３、４３のうちの一方の平面を４３ａで表し、他方の平面を４３ｂで表す。

次に、レーザ変位計１３をＺ軸に沿って（Ｚ方向に）移動させることによって、第２治具４１におけるレーザ光２０の照射位置２４を、一対の平面４３、４３のうちの一方の平面４３ａから他方の平面４３ｂまで移動させる（ステップＡ３）。

このレーザ変位計１３の移動によって、Ｚ軸に沿った各位置における、レーザ変位計１３から４３ａまでの距離６１及びレーザ変位計１３から平面４３ｂまでの距離６２を得る（ステップＡ４）。各距離のデータは制御部１５の記憶部１７に記憶される。

Ｚ軸に沿った各位置における距離５１及び距離５２は、Ｘ軸の所定の設定座標におけるＹ−Ｚ平面に分布した２次元データである。制御部１５は、記憶部１７に記憶された距離６１及び距離６２のそれぞれを１次関数で近似する（ステップＡ５）。さらに、距離６１の１次関数ｆ１と距離６２の１次関数ｆ２との交点４８の座標を算出する（ステップＡ６）。

一方、底面４２から、一対の平面４３、４３の各延長面の交線と底面４２までの高さ（即ち、基準高Ｈ）は予め計測されている。そこで、ステップＡ６の処理によって算出された交点４８のＺ座標と、基準高Ｈとに基づいて、Ｚ軸の原点を算出する（ステップＡ７）。例えば、交点４８のＺ座標に対して基準高Ｈを対応付けることで、空間座標を規定する座標系の原点のＺ座標を算出する。或いは、交点４８のＺ座標に対して基準高Ｈを加算又は減算することで、原点のＺ座標を算出する。なお、この場合の原点は回転ステージ１２の載置面１２ａと回転中心軸Ｒの交点である。

以上の処理により、制御部１５から３軸ステージ１１に入力される（設定される）Ｚ軸の設定座標と、空間のＺ座標とが対応付けられる。従って、回転中心軸Ｒを示す一次関数のＺ座標が確定する。

次に、第２治具４１の形状計測によって、３軸ステージ１１の設定座標Ｘｎを校正する。底面４２が回転ステージ１２に接した状態で、第１治具３１を回転ステージ１２に設置する。第２治具４１の場合と同じく、第１治具３１も、ビス等によって回転ステージ１２に固定されてもよい。

次に、回転ステージ１２の設定角をφｍ（ｍ＝１，２・・・）に設定し、複数対の平面３３、３３のうちの一対をレーザ変位計１３に対向させる（ステップＢ１）。値ｍはレーザ変位計１３に向ける平面３３の対の数に対応する。本実施形態では、第１治具３１が八対の平面３３、３３を備えている。従って、値ｍは１から８までの値をとる。ステップＢ１では、これらのうちの一対の平面３３、３３をレーザ変位計１３に対向させる。例えば、回転ステージ１２の回転によって、一対の平面３３、３３の二等分線（頂角３４の二等分線）をＹ軸と平行にする。換言すれば、二等分線はＹ方向に延伸する。

次に、Ｚ軸の設定座標Ｚｎ（ｎ＝１，２・・・）まで、レーザ変位計１３を移動させる（ステップＢ２）。設定座標Ｚｎは、レーザ変位計１３が一対の平面３３、３３を計測できる高さである。値ｎは例えば１から５までの値をとる。この場合、５点の異なる高さでの計測が行われる。

次に、Ｙ軸の所定の設定座標まで、レーザ変位計１３を移動させ、一対の平面３３、３３を計測可能範囲Ｍ内に位置させる（ステップＢ３）。説明の便宜上、一対の平面３３、３３のうちの一方の平面を３３ａで表し、他方の平面を３３ｂで表す。

次に、Ｘ軸の設定座標を変化させることで、レーザ変位計１３をＸ軸に沿って（Ｘ方向に）移動させる。即ち、第１治具３１におけるレーザ光２０の照射位置２４を、一対の平面３３ａ（３３）、３３ｂ（３３）のうちの一方の平面３３ａから他方の平面３３ｂまで移動（走査）させる（ステップＢ４）。

ステップＢ４におけるレーザ変位計１３の移動によって、レーザ変位計１３の各位置から平面３３ａまでの距離５１及びレーザ変位計１３の各位置から平面３３ｂまでの距離５２を得る（ステップＢ５）。距離５１及び距離５２は共に、３つの軸に沿った設定座標と設定角に対応付けられており、制御部１５の記憶部１７に記憶される。

Ｘ軸に沿った各位置における距離５１及び距離５２は、設定座標ＺｎにおけるＸ−Ｙ平面に分布した２次元データである。制御部１５は、記憶部１７に記憶された距離５１及び距離５２のそれぞれを１次関数で近似する（ステップＢ６）。さらに、距離５１の１次関数ｆ３と距離５２の１次関数ｆ４との交点３８の座標を算出する（ステップＢ７）。換言すれば、一対の平面３３ａ（３３）、３３ｂ（３３）の延長面の交線３６と、設定座標ＺｎにおけるＸ−Ｙ平面との交点を算出する。

一方、一対の平面３３、３３の各延長面の交線３６と中心軸Ｃ１との間の距離（即ち基準距離Ｌ）は予め算出されている。そこで、ステップＢ７の処理によって算出された交点３８の座標と、基準距離Ｌとに基づいて、交点３８に対する第１治具３１の中心軸Ｃ１の座標を算出する（ステップＢ８）。例えば、交点３８のＹ座標に対して基準距離Ｌを加算又は減算することで、中心座標を算出する。

次に複数対の平面３３、３３のうち、上述の計測に供されていないものに対してステップＢ１からステップＢ８までの処理を行う（ステップＢ９）。これにより、１つの高さ（即ち、設定座標Ｚｎ）のＸ−Ｙ平面において、設定角φｍごとに、交点３８と中心軸Ｃ１の各座標が得られる。図１０は、設定角φｍごとの交点３８の座標をＰ（φｍ）で、設定角φｍごとの中心軸Ｃ１の座標をＣ１（φｍ）で表している。

更に、座標Ｃ１（φｍ）の分布の重心ＧＣを、各座標Ｃ１（φｍ）の平均又は円関数などの所定の関数による近似によって算出する（ステップＢ１０）。この重心ＧＣは、設定座標ＺｎにおけるＸ−Ｙ平面と回転ステージ１２の回転中心軸Ｒとの交点である。

更に、設定座標Ｚｎを変えた上で、ステップＢ１からステップＢ１０までの一連の処理を実行する。換言すれば、レーザ変位計１３の高さを変えた上で、ステップＢ１からステップＢ１０までの一連の処理を実行する。つまり、異なる設定座標ＺｎのＸ−Ｙ平面において、回転中心軸Ｒとの交点を算出する。例えば、レーザ変位計１３を５つの高さに変えた上で（即ちｎ＝５）、ステップＢ１からステップＢ１０までの一連の処理を実行する。

ステップＢ１からステップＢ１０までの一連の処理を実行することで、異なる設定座標ＺｎにおけるＸ−Ｙ平面のそれぞれにおいて、当該Ｘ−Ｙ平面と回転中心軸Ｒとの交点の座標が算出される。つまり、これらの交点を結ぶ線（三次元空間の直線）は、回転ステージ１２の回転中心軸Ｒを示す一次関数である。従って、上述の一連の処理によって、任意の設定座標Ｚｎにおける回転中心軸ＲのＸ座標とＹ座標が得られる。

一方、ステップＡ１からステップＡ７の処理により、制御部１５から３軸ステージ１１に入力される（設定される）Ｚ軸の設定座標と、空間のＺ座標とが既に対応付けられ、回転中心軸Ｒを示す一次関数のＺ座標が確定している。即ち、３軸ステージ１１に対するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各設定座標と空間のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標がそれぞれ対応付けられ、レーザ光の照射位置２４のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標も確定する。

次に、頂角３４及び頂角４４のそれぞれが取り得る値について説明する。図１１は、レーザ変位計１３による計測面７０の形状計測時に生じる誤差を説明するための図である。計測面７０は、Ｚ軸に沿って延伸すると共にＹ−Ｚ面に対して角度θだけ傾斜している。

レーザ変位計１３から出射されたレーザ光２０の光軸２０ａは、Ｙ軸と平行である。従って、計測面７０に対するレーザ光２０の入射角は、上述の角度θであり、計測面７０とＹ−Ｚ面とが成す角度に等しい。なお、θは０°から９０°までの値を取り得るものとする。

レーザ変位計１３を用いて計測面７０に対する計測を行いながら、レーザ変位計１３をＸ軸に沿って移動（走査）させた場合を想定する。このとき、レーザ変位計１３から得られた距離信号に基づいて、計測面７０の形状を示す一次関数Ｆが得られたとする。本実施形態の三次元計測では、一次関数Ｆ上の各座標に含まれる誤差を考慮する必要がある。

一次関数Ｆにおける各位置のＹ座標には、Ｙ軸に沿った誤差Ｄｙが含まれている。この誤差Ｄｙは、検出器２２におけるレーザ光２０の強度の減少に伴って増加する。即ち、
また、検出器２２におけるレーザ光２０の形状は、レーザ変位計１３の光学系の収差によって歪む。この歪みはレーザ光２０の重心の算定に影響を及ぼす。レーザ光２０の形状の歪みの悪化は、誤差Ｄｙを増加させる。つまり、レーザ光２０の強度の減少及び形状の歪みの悪化は、入射角θの増加に伴って増長され、これに伴い、誤差Ｄｙは増加する。

従って、誤差Ｄｙは、入射角θが９０°のときに最小値をとり、入射角θの減少に従って増加する。一方、これとは逆に、計測可能範囲Ｍは、入射角θが９０°のときに最大値をとり、入射角θの減少に従って減少する。

計測面７０は、レーザ光２０の光軸２０ａに対して入射角θだけ傾斜している。従って、算出した一次関数Ｆの各位置には、Ｘ軸に沿った誤差Ｄｘも含まれる。誤差ＤｘはＴａｎ（θ）に比例する。つまり、誤差Ｄｘは、入射角θが０°のときに０となり、θの増加に従って増加し、入射角θが９０°のときに無限大となる。

上述の通り、誤差Ｄｙは、入射角θが９０°のときに最小値をとり、入射角θが減少するほど増加する。一方、誤差Ｄｘは、入射角θが９０°のときに最大値（即ち無限大）をとり、θが減少するほど減少する。また、計測可能範囲Ｍは、入射角θが９０°のときに最大値をとり、入射角θの減少に従って減少する。

本実施形態に係る頂角３４（４４）は、上述した入射角θに対する誤差の傾向を考慮した上で設定されている。すなわち、レーザ変位計１３を用いて一対の平面３３、３３（４３、４３）の各延長面の交線３６（４６）の座標を算出する際の誤差Ｄｘ、Ｄｙをその最大値から減少させる角度範囲内に設定されている。換言すれば、頂角３４（４４）は、レーザ変位計１３の一回の走査による計測対象１９の計測において、計測対象１９が計測可能範囲Ｍ内に位置し、その計測時の誤差Ｄｘ、Ｄｙが所定の値以下となる角度範囲内に設定されている。

頂角３４（４４）は、例えば、入射角θの２倍の値に設定される。頂角３４（４４）は、測定範囲が２０ｍｍ±２ｍｍのレーザ変位計を用いた場合、第１治具の一対の平面３３、３３が成す頂角３４は、例えば１３５°である。これは、上述した正八角形の断面を形成する。

また、第２治具の一対の平面４３、４３が成す頂角４４は、例えば１４０°である。なお、一対の平面４３、４３は、その二等分線が、レーザ変位計１３から出射するレーザ光（出射光）２０の光軸２０ａとレーザ変位計１３に入射するレーザ光（入射光）２０の光軸２０ｂとの間に位置するように傾斜していてもよい。この場合、一対の平面４３、４３がＸ−Ｙ平面に対して対称に傾斜しているときよりも、誤差Ｄｘ、Ｄｙが減少する。

上述した実施形態によれば、簡便な構成のレーザ変位計１３を用いる三次元計測機１０において、精度の良い校正が実行でき、形状計測時の各照射位置２４から実際の形状を正確に取得することができる。校正時に用いる座標は、治具の表面上の座標ではなく、当該表面の延長面上の空間座標である。従って、治具の製造において、当該表面の平面度を所定の値以上に保つだけでよく、当該表面の縁部の形状を精度良く規定する必要はない。つまり、頂角を成す一対の平面の稜線に厳密な加工精度を求める必要はない。

なお、第１治具３１と第２治具４１は、底面３２と底面４２を１つの底面として一体化されていてもよい。例えば、第１治具３１の中心軸Ｃ１を挟んだ一方の側に一対の平面３３、３３を形成し、他方の側に一対の平面４３、４３を形成してもよい。この場合、一対の平面３３、３３の計測と、一対の平面４３、４３の計測との間で冶具の交換作業が不要になる。また、これらの計測を連続して実行できるので、冶具の交換に起因した誤差が無くなる。

本開示は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１０…三次元計測機、１１…３軸ステージ、１２…回転ステージ、１２ａ…載置面、１３…レーザ変位計、１４…定盤、１５…制御部、１６…演算部、１７…記憶部、１８…入出力部、１９…計測対象、２０…レーザ光、２０ａ、２０ｂ…光軸、２１…発光素子、２２…検出器、２３…光学系、２４…照射位置、３０…校正器具、３１…第１治具、３２…底面（第１の底面）、３３…平面（第１平面）、３４…頂角（第１の頂角）、３５…参照面、３６…交線、３７…中心校正面、３８…交点、４１…第２治具、４２…底面（第２の底面）、４３…平面（第２平面）、４４…頂角（第２の頂角）、４５…参照面、４６…交線、４８…交点、５１、５２、６１、６２…距離、７０…計測面、Ｃ１、Ｃ２…中心軸、Ｄｘ…誤差、Ｄｙ…誤差、ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、Ｆ…一次関数、ＧＣ…重心、Ｈ…基準高、Ｌ…基準距離、Ｍ…計測可能範囲、Ｒ…回転中心軸、θ…入射角

Claims (4)

1. レーザ変位計、前記レーザ変位計を移動可能に支持する３軸ステージ、及び、計測対象が設置される回転ステージを備える三次元計測機の校正器具であって、
   前記回転ステージに面する第１の底面、及び、前記第１の底面に直交する中心軸の周りに設けられる複数対の第１平面であって、各対の第１平面は前記中心軸に沿って延伸すると共に第１の頂角を成し、前記中心軸を含む参照面に対して対称に傾斜する複数対の第１平面を含む第１治具と、
   前記回転ステージに面する第２の底面、及び、前記第２の底面と平行な基準軸に沿って延伸すると共に第２の頂角を成す一対の第２平面を含む第２治具と
   を備え、
   前記第１の頂角は、前記レーザ変位計を用いて前記一対の第１平面の各延長面の交線の座標を算出する際の誤差をその最大値から減少させる角度範囲内に設定され、
   前記第２の頂角は、前記レーザ変位計を用いて前記一対の第２平面の各延長面の交線の座標を算出する際の誤差をその最大値から減少させる角度範囲内に設定されている、
   校正器具。
2. 前記第１治具は、前記第１平面を一辺とした正八角形の断面を含む
   請求項１に記載の校正器具。
3. 前記一対の第２平面は、その二等分線が、前記レーザ変位計からの出射光の光軸と前記レーザ変位計への入射光の光軸との間に位置するように傾斜している
   請求項１に記載の校正器具。
4. 前記第１治具と前記第２治具は、前記第１の底面と前記第２の底面を１つの底面として一体化されている
   請求項１に記載の校正器具。
   
   

Images