JP2022149877A - 光回転プローブの校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光回転プローブから出射される測定光の出射方向を高精度に校正できる光回転プローブの校正方法を提供する。【解決手段】光回転プローブから出射される測定光の出射方向を、事前に設定した基準方向から微小角度Δｓだけ変更する変更ステップと、変更ステップが行われた後、測定光の出射方向をＳ軸周りに回転しつつ、光回転プローブと基準物との相対位置を変化させながら、光回転プローブから基準物に向かって測定光を出射することにより、基準物の形状誤差を取得する取得ステップと、測定光の出射方向が基準方向に一致している場合に得られる基準物の形状誤差の理論値と、取得ステップで得られた基準物の形状誤差の測定値とに基づき、基準方向に対する測定光の出射方向の調整誤差を算出する調整誤差算出ステップと、を含む。【選択図】図１４

Description

本発明は、光回転プローブから出射される測定光の出射方向を校正するための技術に関する。

測定対象物の形状を測定する形状測定装置として、例えば、光プローブを用いて測定対象物の様々な測定ポイントの三次元座標値を非接触で検出することにより測定対象物の形状を得る三次元座標測定装置が知られている。光プローブは、測定対象物の測定ポイントに向けて光源からの測定光を照射し、且つこの測定ポイントにて反射された測定光の反射光を受光する。そして、形状測定装置は、干渉計を用いた公知の測定方法により光プローブから測定ポイントまでの距離を検出した結果に基づき、測定対象物の形状を測定する。

このような光プローブとして、特許文献１のようなプローブの長手軸の軸周りに回転走査を行うことができる光回転プローブが知られている。光回転プローブを搭載した三次元座標測定装置では、光回転プローブの回転走査を行うことで、例えば円筒状の測定対象物の内面形状を測定したり、表面形状を同時測定したりすることができる。

特開２０２０－０９８１８０号公報

近年、測定対象物の形状測定において局所的部分の大きな曲率の形状を測定するというニーズがある。しかし、特許文献１に記載の三次元測定装置では、校正時に光回転プローブの測定光の出射方向を基準方向に対して正確に設定することが困難であり、このような局所的部分の大きな曲率の形状を測定する場合には測定誤差が大きくなるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光回転プローブから出射される測定光の出射方向を高精度に校正できる光回転プローブの校正方法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、本発明の一態様に係るプローブ軸に対して垂直な方向に測定光を出射可能であり且つ測定光の出射方向をプローブ軸を中心に回転自在な光回転プローブの校正方法は、測定光の出射方向を、事前に設定した基準方向から微小角度だけ変更する変更ステップと、変更ステップが行われた後、測定光の出射方向をプローブ軸を中心に回転しつつ、光回転プローブと基準物との相対位置を変化させながら、光回転プローブから基準物に向かって測定光を出射することにより、基準物の形状誤差を取得する取得ステップと、測定光の出射方向が基準方向に一致している場合に得られる基準物の形状誤差の理論値と、取得ステップで得られた基準物の形状誤差の測定値とに基づき、基準方向に対する測定光の出射方向の調整誤差を算出する調整誤差算出ステップと、を含む。

上記態様に係る光回転プローブの校正方法によれば、基準方向に対する測定光の出射方向の調整誤差を算出することができるため、出射方向の校正後に残った調整誤差があった場合でも、算出された調整誤差に基づいて出射方向を再校正することができる。これにより、光回転プローブの出射方向の校正精度を向上させ、延いては、光回転プローブを搭載した三次元座標測定装置の測定誤差を低減させることが可能になる。

好ましくは、微小角度を変えて変更ステップ及び取得ステップをそれぞれ複数回行い、調整誤差算出ステップは、微小角度ごとに取得した基準物の形状誤差に基づき、基準方向に対する測定光の出射方向の調整誤差を算出する。

好ましくは、取得ステップは、光回転プローブと基準物との距離が一定となるように光回転プローブと基準物との相対位置を変化させる。

好ましくは、取得ステップは、測定光の焦点位置±焦点深度の範囲に基準物の測定面が位置するように光回転プローブと基準物との相対位置を変化させる。

好ましくは、基準物は、プローブ軸に対して平行に配置されたピンゲージである。

好ましくは、取得ステップは、基準物の形状誤差としてピンゲージの半径誤差を取得する。

本発明によれば、光回転プローブから出射される測定光の出射方向について基準方向に対する調整誤差を算出することができるので、光回転プローブの校正を高精度に行うことが可能となる。

三次元座標測定装置の概略図である。 光回転プローブの断面図の一例である。 光回転プローブを用いたワークの測定面の形状測定を説明するための説明図である。 光回転プローブの測定光の出射方向の校正方法の概要を示すフローチャートである。 基準方向の設定手順を示すフローチャートである。 ビームプロファイラを用いた基準方向の設定を説明する図である。 リングゲージを用いた光路長の設定を説明する図である。 相対角度を校正する手順を示すフローチャートである。 校正球を用いた相対角度の校正において、回転角度が０°及び９０°である場合の光回転プローブと校正球との位置関係を示す図である。 校正球を用いた相対角度の校正において算出される、回転角度に対するＳ角誤差を示すグラフと、回転角度に対する仰角誤差を示すグラフである。 出射方向の調整誤差を測定する際の光回転プローブとピンゲージとの位置関係を示す斜視図である。 。出射方向の調整誤差を測定する際のＸＹ平面上における光回転プローブとピンゲージとの位置関係を示す図である。 光回転プローブのＳ角の基準角度誤差に対する、ピンゲージの半径の測定誤差の理論値を示すグラフである。 第１実施形態に係る出射方向の再校正方法を示すフローチャートである。 第１実施形態における光回転プローブの回転の微小角度に対する誤差の理論値と誤差の測定値とを示すグラフである。 ビーム径の違いによって生じる測定光の強度分布の違いを説明する図である。 第２実施形態に係る出射方向の再校正方法を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る調整誤差の校正方法を説明する図である。 第２実施形態における光回転プローブの回転の微小角度に対する形状誤差を示すグラフである。 第３実施形態に係る治具の斜視図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る実施形態について説明する。なお、光回転プローブの校正方法についての説明に先立ち、三次元座標測定装置の構成について説明する。

［三次元座標測定装置の構成］
図１は、三次元座標測定装置１０の概略図である。図１中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、三次元座標測定装置１０に固有の機械座標原点に基づいて定められる機械座標系である。

図１に示すように、三次元座標測定装置１０は、光回転プローブ２６を用いて、ワークＷの形状測定、例えば円筒状のワークＷの内周面の形状測定を行う。なお、ここでいうワークＷの形状には、ワークＷの三次元形状、二次元形状、表面形状、輪郭形状、及び長さ又は径などの各種の寸法形状などが含まれる。また、測定対象のワークＷの形状及び種類は特に限定はされない。

三次元座標測定装置１０は、架台１２と、架台１２上に設けられたテーブル１４（定盤）と、テーブル１４の両端部に立設された右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌと、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌの上部を連結するＸガイド１８と、を備える。右Ｙキャリッジ１６Ｒと左Ｙキャリッジ１６ＬとＸガイド１８とにより門型フレーム１９が構成される。

テーブル１４のＸ軸方向の両端部の上面と側面には、Ｙ軸方向に沿って右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌが摺動する摺動面が形成されている。なお、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌには、テーブル１４の摺動面に対向する位置にエアベアリング（図示は省略）が設けられている。これにより、右Ｙキャリッジ１６Ｒ及び左Ｙキャリッジ１６Ｌは、Ｘガイド１８と共にＹ軸方向に移動自在となる。

Ｘガイド１８には、Ｘキャリッジ２０が取り付けられている。このＸガイド１８には、Ｘキャリッジ２０が摺動する摺動面がＸ軸方向に沿って形成されている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｘガイド１８の摺動面に対向する位置にエアベアリング（図示は省略）が設けられている。これにより、Ｘキャリッジ２０はＸ軸方向に移動自在となる。

Ｘキャリッジ２０には、Ｚキャリッジ２２（Ｚスピンドルともいう）が取り付けられている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｚキャリッジ２２をＺ軸方向に案内するＺ軸方向案内用のエアベアリング（図示せず）が設けられている。これにより、Ｚキャリッジ２２は、Ｘキャリッジ２０によってＺ軸方向に移動可能に保持されている。このＺキャリッジ２２の下端には、光回転プローブ２６を含む公知の各種プローブを選択的に着脱自在に保持する測定ヘッド２４が設けられている。

なお、三次元座標測定装置１０には、図示は省略するが、門型フレーム１９をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動部と、Ｘキャリッジ２０をＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動部と、Ｚキャリッジ２２をＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動部と、が設けられている。これにより、測定ヘッド２４（光回転プローブ２６）を、互いに直交する３軸方向（ＸＹＺ軸方向）に移動させることができる。

テーブル１４の右Ｙキャリッジ１６Ｒ側の端部には、Ｙ軸リニアスケール（図示せず）が設けられている。また、Ｘガイド１８にはＸ軸リニアスケール（図示せず）が設けられ、Ｚキャリッジ２２にはＺ軸リニアスケール（図示せず）が設けられている。

一方、右Ｙキャリッジ１６Ｒには、Ｙ軸リニアスケールを読み取るＹ軸検出部（図示せず）が設けられている。また、Ｘキャリッジ２０には、Ｘ軸リニアスケール及びＺ軸リニアスケールをそれぞれ読み取るＸ軸検出部（図示せず）とＺ軸検出部（図示せず）とが設けられている。各検出部の検出結果は、コントローラ７０を介して制御装置７２へ出力される。

測定ヘッド２４には、光回転プローブ２６を、Ｚ軸方向に平行な回転軸の軸周り方向及びＺ軸に垂直な回転軸の軸周り方向にそれぞれ回転させるモータなどのヘッド駆動部（図示は省略）が設けられている。これにより、測定ヘッド２４は、２つの回転軸の軸周り方向において、光回転プローブ２６の回転角度を無段階に調整することができる。その結果、光回転プローブ２６の姿勢を任意に変位（回転）させることができる。

なお、測定ヘッド２４には、光回転プローブ２６の回転角度をそれぞれ検出するロータリエンコーダ等のプローブ回転角度検出部（図示せず）が設けられている。このプローブ回転角度検出部による検出結果は、コントローラ７０を介して制御装置７２へ出力される。

光回転プローブ２６は、測定ヘッド２４に着脱自在に取り付けられている。光回転プローブ２６は、波長掃引光源２８から光ファイバーケーブル３０及びファイバーサーキュレータ３２を介して入力された測定光ＬＡをワークＷの測定面（ここでは内周面）に向けて出射する。また、光回転プローブ２６は、ワークＷの測定面で反射された反射光ＬＢを受光し、この反射光ＬＢ及び後述の参照光ＬＣ（図３参照）を、ファイバーサーキュレータ３２及び光ファイバーケーブル３４を介して光検出器３６へ出力する。

また、詳しくは後述するが、光回転プローブ２６は、その先端部分（回転光学系４２、図２参照）が後述の長手軸６２ａ（本発明のプローブ軸に相当。図２参照）の軸周り方向に回転可能に構成されている。これにより、光回転プローブ２６は、その先端部分を回転させることで、ワークＷの測定面に沿って測定光ＬＡを回転走査することができる。

図２は、光回転プローブ２６の断面図である。図２に示すように、光回転プローブ２６は、測定ヘッド２４に固定される固定光学系４０と、固定光学系４０によって光回転プローブ２６の長手軸６２ａの軸周り方向に回転される回転光学系４２と、を備える。

固定光学系４０は、光ファイバーケーブル４４と、ヘッド取付部４６と、コリメータレンズ４８と、中空モータ５０と、を備える。

この光ファイバーケーブル４４（他の光ファイバーケーブル３０，３４も同様）としては、シングルモード光ファイバーケーブル及び偏波保持光ファイバーケーブル等の公知の各種の光ファイバーケーブルが用いられる。

光ファイバーケーブル４４の一端側は、測定ヘッド２４内及びＺキャリッジ２２内等を挿通してファイバーサーキュレータ３２に接続されている。また、光ファイバーケーブル４４の他端側はヘッド取付部４６に接続される。この光ファイバーケーブル４４の他端側の端面は、波長掃引光源２８から光ファイバーケーブル３０等を介して入力された測定光ＬＡを出射し且つワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢ等が入射する出入射端４４ａとなる。なお、図中の符号Ｐは測定光ＬＡ及び反射光ＬＢの光路である。

また、波長掃引光源２８等から光ファイバーケーブル４４に入力された測定光ＬＡの一部は、出入射端４４ａにて参照光ＬＣ（図３参照）として反射される。

ヘッド取付部４６は、光路Ｐ（長手軸６２ａ）に平行な方向に延びた中空の筒体である。ヘッド取付部４６の一端側は既述の測定ヘッド２４に着脱自在に取り付けられる。また、ヘッド取付部４６の他端側には中空モータ５０が固定されている。さらに、ヘッド取付部４６の一端側には、光ファイバーケーブル４４の他端側が接続されるケーブル接続部４６ａが設けられている。ケーブル接続部４６ａは、光ファイバーケーブル４４の出入射端４４ａをヘッド取付部４６の内部で且つヘッド取付部４６の中心軸と一致（略一致を含む、以下同じ）する位置に保持する。

コリメータレンズ４８は、ヘッド取付部４６の内部であって且つ出入射端４４ａと中空モータ５０との間の位置に設けられている。このコリメータレンズ４８の光軸は、光路Ｐの中心線に一致している。コリメータレンズ４８は、出入射端４４ａから出射された測定光ＬＡを平行光に変換した後、この測定光ＬＡを後述のシャフト６２内の結像レンズ６４に向けて出射する。これにより、固定光学系４０と回転光学系４２とのアライメントずれに起因する反射光ＬＢの受光感度低下を防止することができる。また、コリメータレンズ４８は、結像レンズ６４から入射した反射光ＬＢを出入射端４４ａに向けて出射する。

中空モータ５０は、後述のシャフト６２をその長手軸６２ａを中心とする軸周り方向（以下、単に長手軸周り方向と略す）に回転させる。この中空モータ５０は、不図示のコイルを巻き回してなる中空のステータ５２（固定子ともいう）と、このステータ５２の内部で長手軸周り方向に回転する中空のロータ５４（回転子ともいう）と、を備える。なお、中空モータ５０の詳細構造については公知技術であるので、その詳細についての説明は省略する。

ロータ５４には、光路Ｐが通る中空部５４ａであって且つこの光路Ｐ（長手軸６２ａ）に平行な方向に延びた中空部５４ａが形成されている。これにより、コリメータレンズ４８から出射された測定光ＬＡが中空部５４ａ内を通って後述の結像レンズ６４に入射し、且つ結像レンズ６４から出射した反射光ＬＢが中空部５４ａ内を通ってコリメータレンズ４８に入射する。

ロータ５４は、コントローラ７０からのステータ５２に対する駆動信号（電圧）の印加に応じて、長手軸６２ａを中心として回転する。なお、中空モータ５０には、ロータ５４の回転角度をそれぞれ検出するロータリエンコーダ等のロータ回転角度検出部（図示せず）が設けられている。このロータ回転角度検出部による検出結果は、コントローラ７０を介して制御装置７２へ出力される。なお、ロータ回転角度検出部を用いる代わりに、例えば公知のサーボ制御によりロータ５４の回転角度等を制御することで、ロータ５４の回転角度を検出可能にしてもよい。

また、ロータ５４の回転光学系４２に対向する側の円環状の先端面５４ｂには、回転光学系４２を構成する後述のシャフト保持板６０が固定されている。

なお、中空モータ５０は、図２に示した構成（構造）に限定されるものではなく、公知の各種中空モータを代わりに用いてもよい。

回転光学系４２は、ロータ５４の回転に応じて長手軸周り方向に回転する。この回転光学系４２は、シャフト保持板６０と、シャフト６２と、結像レンズ６４と、直角プリズムミラー６６と、を備える。

シャフト保持板６０は、ロータ５４の先端面５４ｂと略同形状（円環状）に形成されており、先端面５４ｂに対して平行な姿勢で先端面５４ｂ上に固定されている。シャフト保持板６０には、光路Ｐが通る嵌合穴であって且つこの光路Ｐ（長手軸６２ａ）に平行な方向に延びた嵌合穴が形成されている。この嵌合穴にはシャフト６２の一端部が嵌合する。これにより、シャフト保持板６０は、シャフト６２を、その長手軸６２ａを光路Ｐの中心線に一致させた状態で保持する。

シャフト６２は、光路Ｐに平行方向に延びた中空の円筒であり、光路Ｐに平行な長手軸６２ａを有している。そして、シャフト６２の一端部がシャフト保持板６０に固定されている状態において、長手軸６２ａが光路Ｐの中心線に一致（略一致）し、且つシャフト６２の内面６２ｂが光路Ｐを取り囲む。

また、シャフト６２の内部であって且つシャフト６２の既述の一端部とは反対側の他端部には、結像レンズ６４が設けられている。また、シャフト６２の他端部には、シャフト６２の他端部側の開口部を覆うように直角プリズムミラー６６が設けられている。

結像レンズ６４は、その光軸が光路Ｐの中心線に一致する位置に配置される。結像レンズ６４は、コリメータレンズ４８から入射した測定光ＬＡを、直角プリズムミラー６６を通してワークＷの測定面に結像させる。また、結像レンズ６４は、直角プリズムミラー６６を通して入射した反射光ＬＢをコリメータレンズ４８に向けて出射する。

直角プリズムミラー６６は、シャフト６２の内部及び結像レンズ６４を通して入射した測定光ＬＡをワークＷの測定面に向けて反射させる。具体的に、直角プリズムミラー６６は、結像レンズ６４から入射した測定光ＬＡを９０°（略９０°を含む）屈折させて、直角プリズムミラー６６等の回転平面［長手軸６２ａ（回転軸）に垂直な面］に平行な光束にした後、ワークＷの測定面に向けて出射する。

また、直角プリズムミラー６６は、ワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢを、結像レンズ６４に向けて反射する。これにより、反射光ＬＢが直角プリズムミラー６６からコリメータレンズ４８を経て光ファイバーケーブル４４の出入射端４４ａに入射される。

回転光学系４２を構成するシャフト保持板６０、シャフト６２、結像レンズ６４、及び直角プリズムミラー６６は、ロータ５４の回転に応じて、長手軸周り方向に一体的に回転する。そして、直角プリズムミラー６６が長手軸周り方向に回転されることにより、ワークＷの測定面に沿って測定光ＬＡが回転走査される。

図１に戻って、コントローラ７０は、三次元座標測定装置１０が手動測定モードである場合、不図示の操作部に対する操作入力に応じて、不図示の各駆動部（ＸＹＺ駆動部及びヘッド駆動部）を駆動して光回転プローブ２６の位置及び姿勢を変位させると共に、中空モータ５０を駆動して直角プリズムミラー６６等を長手軸周り方向に回転させる。また、コントローラ７０は、三次元座標測定装置１０が自動測定モードである場合、制御装置７２の制御の下、各駆動部及び中空モータ５０を駆動して、光回転プローブ２６の位置及び姿勢を変位させると共に、直角プリズムミラー６６等を長手軸周り方向に回転させる。

また、コントローラ７０には前述の不図示の各検出部（ＸＹＺ軸検出部、プローブ回転角度検出部、及びロータ回転角度検出部）が接続されており、これら各部から出力された信号等を制御装置７２へ出力する。

図３は、光回転プローブ２６を用いたワークＷの測定面の形状測定を説明するための説明図である。図３と、既述の図１及び図２とに示すように、波長掃引光源２８は、光ファイバーケーブル３０を介してファイバーサーキュレータ３２へ測定光ＬＡを出射する。この測定光ＬＡは、一定の波長掃引周期（一定の波長掃引周波数）ごとに一定波長帯で波長が正弦波状に変化する波長掃引光である。

ファイバーサーキュレータ３２は、光ファイバーケーブル３０を介して波長掃引光源２８に接続し、且つ光ファイバーケーブル３４を介して光検出器３６に接続し、且つ光回転プローブ２６の光ファイバーケーブル４４に接続している。

ファイバーサーキュレータ３２は、例えば非往復方式且つ１方向型デバイスであって３つのポートを有しており、光ファイバーケーブル３０を介して波長掃引光源２８から入力された測定光ＬＡを光ファイバーケーブル４４に出力する。これにより、光回転プローブ２６に波長掃引光源２８からの測定光ＬＡが入力される。その結果、ワークＷの測定面にて反射された反射光ＬＢと、出入射端４４ａにて反射された参照光ＬＣと、が光ファイバーケーブル４４を介してファイバーサーキュレータ３２に入力される。

また、ファイバーサーキュレータ３２は、光回転プローブ２６から入力された反射光ＬＢ及び参照光ＬＣの干渉信号ＳＧを、光ファイバーケーブル３４を介して光検出器３６に出力する。

光検出器３６は、例えばシリコンフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）フォトダイオード、光電管、及び光電子倍増管等が用いられる。光検出器３６は、制御装置７２の制御の下、ファイバーサーキュレータ３２から光ファイバーケーブル３４を介して入力された干渉信号ＳＧを電気信号に変換及び増幅して制御装置７２へ出力する。

制御装置７２は、例えばパーソナルコンピュータのような演算装置により構成され、各種のプロセッサ（Processor）及びメモリ等から構成された演算回路を備える。各種のプロセッサには、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、及びプログラマブル論理デバイス［例えばＳＰＬＤ（Simple Programmable Logic Devices）、ＣＰＬＤ（Complex Programmable Logic Device）、及びＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Arrays）］等が含まれる。なお、制御装置７２の各種機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。

制御装置７２は、例えば自動測定モード時には、予め定められた測定プログラムに従って既述の不図示の各駆動部及び中空モータ５０を駆動して、光回転プローブ２６の位置及び姿勢の変位と、直角プリズムミラー６６等の長手軸周り方向の回転と、を実行する。これにより、ワークＷの測定面に対する光回転プローブ２６の測定光ＬＡの回転走査が実行され、この測定面の複数の測定ポイントごとの干渉信号ＳＧが光検出器３６で検出される。その結果、光検出器３６から制御装置７２に対して測定ポイントごとの干渉信号ＳＧの検出結果が入力される。なお、制御装置７２は、手動測定モード時には、不図示の操作部に対する操作入力に応じて、上述の測定光ＬＡの回転走査を実行させる。

また、制御装置７２は、自動測定モード及び手動測定モードの双方において、光検出器３６により検出された測定ポイントごとの干渉信号ＳＧの検出結果に基づき、直角プリズムミラー６６からワークＷの測定面の測定ポイントまでの距離Ｌ２を、測定ポイントごとに演算する。

具体的に制御装置７２は、測定ポイントごとの干渉信号ＳＧの検出結果に基づき、出入射端４４ａから直角プリズムミラー６６までの距離Ｌ１と、既述の測定ポイントごとの距離Ｌ２との距離合計値（Ｌ１＋Ｌ２）を、測定ポイントごとに演算する。なお、距離合計値の演算方法については公知技術（例えば特開２０１６－０２４０８６号公報及び特開２０１８－０８４４３４号公報）であるので、ここでは具体的な説明は省略する。

次いで、制御装置７２は、測定ポイントごと距離合計値の演算結果と既知の距離Ｌ１とに基づき、測定ポイントごとの距離Ｌ２を演算する。そして、制御装置７２は、測定ポイントごとの光回転プローブ２６の位置及び姿勢と、測定ポイントごとの直角プリズムミラー６６等の長手軸周り方向の回転角度と、測定ポイントごとの距離Ｌ２の演算結果と、に基づき、測定ポイントごとの三次元座標を演算する。これにより、制御装置７２は、測定光ＬＡで走査されたワークＷの測定面の形状を演算することができる。

なお、図２及び図３に示す光回転プローブは一例にすぎず、当然ながら、光回転プローブの構成を限定する趣旨ではない。

［第１実施形態に係る光回転プローブの校正方法］
次に、図４から図１６を用いて、第１実施形態に係る光回転プローブ２６の校正方法について説明する。図４は、測定光ＬＡの出射方向の校正方法の概要を示すフローチャートである。以下、Ｘ軸方向を、出射の基準となる基準方向とする場合について説明するが、基準方向を限定する趣旨ではない。

まず、図４に示すように、測定光ＬＡの出射の基準方向を設定する。ここでは、ＸＹ平面におけるＸ軸方向に対する測定光ＬＡの出射の基準方向、言い換えると、光回転プローブ２６のＸ軸方向に対する回転角度ｓがｓ＝０°になる方向を設定する（ステップＳ１０）。

＜出射の基準方向の設定＞
測定光ＬＡの出射の基準方向の設定は、好ましくは、例えばビームプロファイラ８０を用いて設定する。これにより、精度良く測定光ＬＡの出射方向の設定を行うことができる。以下、図５を参照しつつ、ビームプロファイラ８０を用いてＸＹ平面における出射の基準方向を設定する方法について説明する。図６に、ビームプロファイラ８０を用いて測定光ＬＡの強度のピークの位置を検出する様子を示す。

まず、制御装置７２は、不図示の各駆動部（ＸＹＺ駆動部及びヘッド駆動部）を駆動して光回転プローブ２６のシャフト６２がＺ軸方向に平行になるように光回転プローブ２６の姿勢を設定する（ステップＳ１１０）。続いて、図６に示すように、光回転プローブ２６から測定光ＬＡをＸ軸方向にビームプロファイラ８０に向かって出射させる（ステップＳ１１２）。制御装置７２は、ビームプロファイラ８０に対して光回転プローブ２６をＸ軸方向に距離Ｌだけ相対的に移動させながら（図６の矢印の方向）、ビームプロファイラ８０を用いて測定光ＬＡの強度分布を測定し、測定光ＬＡの強度のピークの位置（座標）の変位量を検出する（ステップＳ１１４）。ステップＳ１３０の検出結果に基づいて、ＸＹ平面において測定光ＬＡがＸ軸方向からずれている角度（ずれ角度）を下記の（１）式により算出する（ステップＳ１１６）。

θ＝atan(Ly/L） ・・・（１）
ここで、各記号の意味は以下のとおりである。

θ：Ｘ軸方向に対する測定光ＬＡの出射方向のずれ角度
Ｌ：Ｘ軸方向における、光回転プローブ２６の相対移動量
Ｌｙ：Ｙ軸方向における測定光ＬＡのピークの位置の変位量
制御装置７２は、ステップＳ１１４において算出されたＸ軸方向からのずれ角度に基づいて、メモリ内の制御ソフトウェアの数値を更新し、光回転プローブ２６の回転角度ｓがｓ＝０°になる基準方向を設定する（ステップＳ１１８）。これにより、ＸＹ平面についての基準方向の設定が完了する。ＸＺ平面において測定光ＬＡがＸ軸方向からずれている角度（ずれ角度）については、例えば、ユーザが、機械的調整機構（ゲージ等）を用いて調整する。この設定についての説明は省略する。

なお、上記の説明では、ビームプロファイラ８０を用いて測定光ＬＡの出射の基準方向を設定する方法について説明したが、測定光ＬＡの出射の基準方向を目視で設定してもよい。

＜光路長の校正＞
図４に戻って、このように測定光ＬＡの出射の基準方向を設定した後（ステップＳ１０）、光回転プローブ２６の測定光ＬＡの光路長を校正する（ステップＳ２０）。測定光ＬＡの光路長の校正は、例えば、光回転プローブ２６のシャフト６２の長さＬＳを所定の長さに設定することにより行われる。ここで、図２においてプリズムミラー６６の反射面と光路Ｐとの交点をＰＸとすると、シャフト６２の長さＬＳは光ファイバーケーブル４４の出入射端４４ａから交点ＰＸまでの距離に相当する。

以下、図７を参照して、一例としてリングゲージ８１を用いた測定光ＬＡの光路長の校正について説明する。図７に示すように、制御装置７２は、光回転プローブ２６を長手軸６２ａ周りに回転させて、既知の内径Ｄを持つリングゲージ８１の内径を測定する。なお、校正に用いるリングゲージ８１の直径は、好ましくは、光回転プローブ２６の長手軸６２ａから測定光ＬＡの焦点までの距離の約２倍である。

続いて、リングゲージ８１の内径の測定値がリングゲージ８１の既知の内径Ｄと合うように、以下の式（２）に基づいて光回転プローブ２６のシャフト６２の長さＬＳを設定する。これにより、測定光ＬＡの光路長は校正される。

長さＬＳ＝光回転プローブ２６による実際の測長値－Ｄ／２ ・・・（２）
＜相対角度の校正手順＞
続いて、図４に戻って、測定光ＬＡの光路長を校正した後（ステップＳ２０）、基準角度からの相対角度を校正する（ステップＳ３０）。ここで、光回転プローブ２６の回転角度ｓとは、光回転プローブ２６の長手軸６２ａ（以下、Ｓ軸と称する場合もある）周りの回転方向における回転角度（すなわち、測定光ＬＡの出射方向における長手軸６２ａ周りの回転角度）をいう。また、ステップＳ１０において光回転プローブ２６の測定光ＬＡの出射方向を基準方向（Ｘ方向）にあわせたときの状態を基準角度（ｓ＝０°）とし、その基準角度から光回転プローブ２６が長手軸６２ａ周りに回転したときの回転角度（すなわち、基準角度からの相対角度）を「光回転プローブの回転角度ｓ」として表す。以下、図８及び図９を参照して、一例として、校正球８２を用いた相対角度の校正方法について説明する。図８は、相対角度の校正手順を示すフローチャートであり、図９は、校正球８２を用いた相対角度の校正において、回転角度ｓ＝０°及びｓ＝９０°の場合の光回転プローブ２６と校正球８２との位置関係を示す図である。

図９に示すように、制御装置７２は、光回転プローブの長手軸６２ａ周りに光回転プローブ２６を所定の回転角度ｓだけ回転させ、その位置で測定光ＬＡの焦点をできるだけ校正球８２の表面に合わせる（ステップＳ２１０）。例えば、回転角度ｓが９０．０°の位置で校正球８２を測定する場合に、制御装置７２は、光回転プローブ２６を９０．０°だけ長手軸６２ａ周りに回転（後述の自転）させ、更に、光回転プローブ２６を９０．０°だけ光回転プローブ２６を校正球８２周りに回転（後述の公転）させる。この結果、回転角度ｓ＝９０°光回転プローブ２６と校正球８２とは図９に示すような位置関係になる。ここで、好ましくは、校正球８２の表面が、測定光ＬＡの焦点位置から±焦点深度／２程度の位置にある。

続いて、制御装置７２は、測定光ＬＡの出射方向を変えずに（すなわち光回転プローブ２６を長手軸６２ａ周りを回転させずに固定した状態で）、三次元座標測定装置１０のＸ軸駆動部とＹ軸駆動部とＺ軸駆動部とを駆動させて測定光ＬＡで校正球８２の表面上を走査し、その回転角度ｓにおいて校正球８２の表面上の複数の測定点の三次元座標を測定する（ステップＳ２１２）。図９には、例として、回転角度ｓ＝０°及びｓ＝９０°における測定点Ｍを校正球８２上に示す。

続いて、制御装置７２は、その回転角度ｓについて、校正球８２の表面上の測定点の三次元座標値から校正球８２の中心の三次元座標を算出する（ステップＳ２１４）。この算出において、例えば、校正球８２の既知の球径を使って最小二乗法を用いてもよい。

制御装置７２は、ステップＳ２１０からステップＳ２１４を、複数の回転角度ｓについて繰り返す。例えば、光回転プローブ２６の回転角度ｓを、ｓ＝０°、７．５°、１５．０°、・・・３５２．５°のように７．５°間隔で変え、各回転角度ｓにおいてステップＳ２１０からステップＳ２１４を繰り返す（ステップＳ２１６：ＮＯ）。なお、当然ながら、測定時の光回転プローブ２６の回転角度ｓの間隔は７．５度間隔に限定されない。

全ての回転角度ｓについてステップＳ２１０からステップＳ２１４を行った後（ステップＳ２１６：ＹＥＳ）、さらに、各回転角度ｓについて算出した校正球８２の中心の三次元座標が、回転角度ｓ＝０°について算出した校正球８２の中心の三次元座標と一致するように、制御装置７２はメモリ内の制御プログラムの数値を補正する（ステップＳ２１８）。例として、以下に２つの補正方法について説明する。

１つ目は、ステップＳ２１０で得た測定値を用いて補正する方法である。例えば、理想的な場合、回転角度ｓ＝９０°について算出した校正球８２の中心の三次元座標は回転角度ｓ＝０°について算出した校正球８２の中心の三次元座標と一致するため、測定光ＬＡのベクトル成分は（ｘ,ｙ,ｚ）＝（０，１，０）である。

誤差のために回転角度ｓが正しく９０°になっていない場合、回転角度ｓ＝９０°について算出した校正球８２の中心の三次元座標が、回転角度ｓ＝０°について算出した校正球８２の中心の三次元座標と一致するように、例えば、制御装置７２は測定光ＬＡのベクトル成分を（ｘ,ｙ,ｚ）＝（０．０５５，０．９９２，０．１１０）に補正する。なお、測定値がない回転角度ｓについては、測定値が存在する複数の回転角度ｓについて線形補間を行って測定光ＬＡのベクトル成分の補正値を算出する。

２つ目は、三角関数を用いて補正する方法である。この方法では、ＸＹ平面内においてＸ軸方向に対する測定光ＬＡの出射方向の回転角度の誤差Δｓ（以下、単にＳ角誤差と称する）、及び、ＸＹ平面に対する測定光ＬＡの出射方向の誤差角度Δφ（以下、単に仰角誤差と称する）を、以下の式（３）及び式（４）から算出する。

ここで、各記号の意味は以下の通りである。

ｓ：校正球の測定時の回転角度（°）
Δｓ：Ｓ角誤差（°）、
（ＸＹ平面内においてＸ軸方向に対する測定光ＬＡの出射方向の誤差角度）
Δφ：仰角誤差（°）
（ＸＹ平面に対する測定光ＬＡの出射方向の誤差角度）
Ｆ_０：光回転プローブ２６の長手軸６２ａから焦点までの距離
（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ_ｉ）：各回転角度ｓにおいて測定した校正球８２の中心座標
ｉ：ステップＳ２１０での測定時の回転角度
（７．５°，１５°，…，３５２．５°）
図１０の符号１０Ａは、上記の式（３）に基づいて各回転角度ｓについて算出したＳ角誤差Δｓのグラフであり、符号１０Ｂは、上記の式（４）に基づいて各回転角度ｓについて算出した仰角誤差Δφのグラフである。制御装置７２は、算出されたＳ角誤差Δｓ及び仰角誤差Δφに基づいて、メモリに格納されている制御ソフトウェアの数値を更新する。

＜光路長の再校正＞
図４に戻って、ステップＳ３０で相対角度を校正した後、測定光ＬＡの光路長を再校正する（ステップＳ４０）。光路長を再校正する手順はステップＳ２０と同じであるため、説明は省略する。

＜出射の基準方向の再校正＞
更に、ステップＳ１０で設定した出射の基準方向を再校正する（ステップＳ５０）。ステップＳ１０で基準方向の設定を行うが、後述する図１６を用いた説明のように、この設定では、その精度により、意図した出射の基準方向（この例ではＸ軸方向）からずれが発生し、Ｓ角の基準角度に誤差を持ってしまう。この出射方向の再校正が本発明の特徴の１つである。ここで、Ｓ角とは、ＸＹ平面内においてＸ軸方向（基準方向）に対する測定光ＬＡの出射方向の回転角度を意味する。

以下、ステップＳ５０における出射方向の再校正の原理について説明する。本実施形態では、例として、既知の半径Ｒを持つ、円柱形のピンゲージ８３（本発明の基準物に相当）を用いて出射方向の調整誤差を測定し、測定された調整誤差に基づいて出射方向の再校正を行う。図１１及び図１２は、それぞれ、出射方向の調整誤差を測定する際における光回転プローブ２６とピンゲージ８３との位置関係を示す斜視図、及び、ＸＹ平面図である（詳しくは後述する）。図１１に示すように光回転プローブ２６の長手軸６２ａに平行にピンゲージ８３の長手軸を配置する。そして、図１２に示すように、測定光ＬＡの出射方向が、ＸＹ平面において基準方向（この例ではＸ軸方向）に対してＳ角の基準角度誤差Δｓ０を有する状態でピンゲージ８３の半径Ｒを測定すると、測定値には誤差ΔＲが生じる。この誤差ΔＲはＳ角の基準角度誤差Δｓ０の関数として下記の式（５）で示すことができる。

ここで、Ｆは光回転プローブ２６の長手軸６２ａからの焦点距離であり、符号ａ及びｂは以下の式（６）及び（７）で示される。

図１３に、半径Ｒ＝０．２５ｍｍ、且つ、距離Ｆ＝１０．０ｍｍである場合について、式（５）に基づいて算出された半径の誤差のグラフを示す。図１３において、横軸はＳ角の基準角度誤差Δｓ０（°）であり、縦軸は半径の誤差ΔＲ（μｍ）である。

本発明では、校正後の光回転プローブ２６の測定光ＬＡの出射方向を、ステップＳ１０で設定した基準方向に対して故意に微小角度Δｓ１だけずらした角度を、メモリ内の制御ソフトウェアの数値を更新することにより、基準方向の角度を仮に変更する。ステップＳ１０の設定より微小角度Δｓ１ずらした基準角度の状態でピンゲージ８３の半径Ｒを測定し、半径Ｒの誤差ΔＲを算出する。光回転プローブ２６の測定光ＬＡの出射方向にＳ角の基準角度誤差Δｓ０がない状態であれば、算出された誤差ΔＲは理論的なΔＲと一致するはずである。そこで、本発明では、この算出した誤差ΔＲと理論的なΔＲとの差に基づいて、基準方向に対する校正後の光回転プローブ２６の出射方向のＳ角の基準角度誤差Δｓ０を、調整誤差として算出する。算出された調整誤差に基づいて出射方向を再校正することにより、光回転プローブ２６の校正精度を向上させ、延いては、光回転プローブ２６による測定誤差を低減させる。

以下、図１１から図１６を用いて出射方向の再校正方法について説明する。図１４は出射方向の再校正する手順を示すフローチャートである。図１４に示すように、まず、光回転プローブ２６と所定の位置関係になるようにピンゲージ８３を配置する（ステップＳ３１０）。ピンゲージ８３の半径Ｒは、好ましくは、測定光ＬＡのビーム径の十倍から数十倍程度である。図１１及び図１２は、それぞれ、出射方向の調整誤差を測定する際における光回転プローブ２６とピンゲージ８３との位置関係を示す図である。図１１に示すように光回転プローブ２６の長手軸６２ａに平行にピンゲージ８３を配置する。ここで、好ましくは、光回転プローブ２６とピンゲージ８３との距離は一定であり、且つ、ピンゲージ８３の表面がなるべく測定光ＬＡの焦点距離にあるように光回転プローブ２６とピンゲージ８３との距離を設定する。

より具体的には、ピンゲージ８３の表面が、測定光ＬＡの焦点位置から±焦点深度／２程度の位置にあるように、光回転プローブ２６とピンゲージ８３との距離を設定することが好ましい。図１１及び図１２に示す例では、光回転プローブ２６の長手軸６２ａとピンゲージ８３の測定面との距離は焦点距離Ｆに等しくなっている。

また、図１２の例では、光回転プローブ２６の長手軸６２ａをＸＹ平面上の原点に配置し、ピンゲージ８３の断面円の中心ＣをＸ軸上に配置する。

上記のステップＳ１０からステップＳ４０までの校正手順によって、理想的には、光回転プローブ２６は、回転角度ｓ＝０°において測定光ＬＡの出射方向が基準方向であるＸ軸方向に一致するように調整されている。従って、理想的には、光回転プローブ２６の回転角度ｓ＝０°において、ピンゲージ８３の軸方向に垂直に、かつ、ピンゲージ８３の頂点に向かって測定光ＬＡが出射されるはずである。

このような位置関係に光回転プローブ２６及びピンゲージ８３を配置した後、制御装置７２は、測定ヘッド２４のヘッド駆動部（不図示）によって光回転プローブ２６を長手軸６２ａ（Ｓ軸）周りに、ステップＳ１０で設定した基準角度から所定の微小角度Δｓ１だけ変更させた角度を仮の基準角度と設定する（ステップＳ３１２）。この時の光回転プローブ２６の変更は図１２の破線の矢印Ａで示す動きに対応する。

続いて、制御装置７２は、三次元座標測定装置１０のＸＹＺ駆動部を制御してピンゲージ８３を中心とした回転軌跡（図１２において実線で示す矢印Ｂ方向）に沿って光回転プローブ２６を移動させつつ、光回転プローブ２６を長手軸（回転軸）６２ａ周りに連続的に回転させながら（すなわち、光回転プローブ２６の回転角度ｓを連続的に変化させながら）、光回転プローブ２６から測定光ＬＡをピンゲージ８３に向けて出射してピンゲージ８３の半径Ｒを測定する（ステップＳ３１４）。

すなわち、制御装置７２は、ピンゲージ８３を中心とした光回転プローブ２６の回転移動（公転移動）と、光回転プローブ２６の長手軸（回転軸）６２ａ周りの回転移動（自転移動）とを同期させて、ピンゲージ８３の長手軸方向に対して垂直に、且つ光回転プローブ２６とピンゲージ８３との距離を一定に保ちながら、光回転プローブ２６からピンゲージ８３に向けて測定光ＬＡが出射される。この場合、光回転プローブ２６をピンゲージ８３の周りに１周以上（３６０°以上）回転させて測定が行われることが望ましい。また、光回転プローブ２６から出射される測定光ＬＡはピンゲージ８３の頂点に照射されることが望ましい。

続いて、制御装置７２は、ステップＳ３１４で得られた測定結果に基づいて、その所定の微小角度Δｓ１におけるピンゲージ８３の半径Ｒの誤差ΔＲを算出する（ステップＳ３１６）。なお、ピンゲージ８３の半径Ｒは既知であり、誤差ΔＲの算出は単純な差分計算であるため、説明は省略する。

制御装置７２は、光回転プローブ２６の長手軸６２ａ周りの回転の基準角度を微小角度Δｓ１だけ変えて、ピンゲージ８３の半径Ｒの測定及び誤差ΔＲの算出を繰り返す（ステップＳ３１８：ＮＯ）。近似式を得るのに十分な回数だけステップＳ３１２からＳ３１６を繰り返した後（ステップＳ３１８：ＹＥＳ）、更に、制御装置７２は、微小角度Δｓ１と誤差ΔＲとの関係を示す近似式を得る（ステップＳ３２０）。好ましくは、制御装置７２は最小二乗法を用いて二次多項式を得る。

図１５に、ステップＳ３１４において測定値から算出された誤差ΔＲを、微小角度Δｓ１を横軸にし、誤差ΔＲを縦軸にして、図１３のグラフに重ねてプロットしたグラフの一例を示す。図１５において、測定値から算出された誤差ΔＲは菱形で示し、細い実線は最小二乗法で得た近似式を示す。図１５に示す近似式は以下のとおりである。

ΔＲ＝－７６．０４４Δｓ１^２＋３５．８６Δｓ１＋４．４６０８
また、太い実線は理論的な誤差ΔＲを示す。図１５に示すように、理論的な誤差ΔＲのグラフと比べ、測定値から算出された誤差ΔＲのグラフは縦軸方向にずれており、横軸方向の幅が広がっている。ここで、縦軸方向のずれは、主として、測定光ＬＡの波長掃引光源２８に一律な測長誤差に起因する。横軸方向の幅の広がりは、主として、測定位置が測定光ＬＡの焦点位置からずれたことによる測定光ＬＡのビーム径の広がりに起因する。

続いて、制御装置７２は、ステップＳ３２０で得た近似式から、測定光ＬＡの出射方向の調整誤差を算出する（ステップＳ３２２）。例えば、最小二乗法による下記の二次多項式（８）は式（９）のように変形することができる。

ΔＲ＝＝ＡΔｓ１^２＋ＢΔｓ１＋Ｃ ・・・（８）

・・・（９）
このことから、制御装置７２は、光回転プローブ２６の基準角度誤差Δｓ０（調整誤差）は、式（９）のΔＲが極値をもつときの微小角度Δｓ１であり、「－Ｂ／２Ａ」（°）として算出することができる。この調整誤差「－Ｂ／２Ａ」」（°）は、ステップＳ１０からステップＳ４０までの校正後に残った測定光ＬＡの出射方向の誤差に相当する。

具体的には、図１５に示すグラフの場合、制御装置７２は、近似式「ΔＲ＝－７６．０４４Δｓ１^２＋３５．８６Δｓ１＋４．４６０８」から、基準角度誤差Δｓ０（調整誤差）として、35.86/(2×76.044)＝0.236°を得ることができる。制御装置７２は、算出された調整誤差に基づいて、メモリに格納されている制御ソフトウェアの数値を再度更新することにより、出射方向の再校正を行う（ステップＳ３２４）。

このように本実施形態における光回転プローブ２６の校正方法によれば、光回転プローブ２６から出射される測定光ＬＡの出射方向を高精度に校正することができる。したがって、光回転プローブ２６の測定誤差を低減させることができる。延いては、光回転プローブ２６を搭載する三次元座標測定装置１０の測定誤差を低減させることができる。これにより、測定対象の局所的部分の大きな曲率の形状を精度良く測定することが可能になる。

＜本実施形態に係る出射方向の再校正の利点＞
上記のように本実施形態の校正方法は光回転プローブ２６の校正精度を向上させることができるが、本実施形態の校正方法には更に以下のような利点がある。

まず、微細形状を測定するためには、測定光ＬＡのビーム径を小さく絞る必要がある。測定光ＬＡの焦点位置では、数μｍから数十μｍのビーム径を得ることができるが、測定光の焦点位置から外れると測定光ＬＡのビーム径が大きくなる。また、ホワイトノイズ等の影響により測定光ＬＡのビーム径が大きくなることもある。

図１６の符号１６Ａにビーム径が小さい場合に得られる測定光ＬＡの強度分布を示し、符号１６Ｂにビーム径が大きい場合に得られる測定光ＬＡの強度分布を示す。測定光ＬＡを校正する際、測定光ＬＡの強度分布を測定するが、図１６の符号１６Ｂに示すように測定光ＬＡのビーム径が大きい場合、ピーク近傍での強度の勾配が小さくなるために測定光ＬＡの強度のピークの位置を精度よく検出することが困難となる。そのために、従来、光回転プローブ２６の測定光ＬＡの出射の基準方向（光回転プローブの回転角度の基準）を精度良く設定できないという問題があった。

例えば、光回転プローブ２６の結像レンズ６４の焦点距離が１８ｍｍであり、測定光ＬＡのビーム径が１３μｍである場合、０．５ｍｍだけ焦点距離からずれると、ビーム径が１５０μｍとなる。このとき、測定光ＬＡの強度のピークの位置の設定精度が３μｍ程度であり、出射方向の校正精度は、約０．３°となる。光回転プローブ２６の長手軸６２ａ（測定光ＬＡの光軸）から焦点距離までの間が１０ｍｍである場合、測定位置の誤差は、５０μｍにもなる。

従来、このような大きな誤差により、測定対象の局所的部分の大きな曲率の形状を精度良く測定できないという問題があった。一方、本実施形態では、校正後の光回転プローブ２６の測定光ＬＡの出射方向を、ステップＳ１０で設定した基準角度に対して故意に微小角度Δｓ１だけずらした基準角度をずらした状態でピンゲージ８３の半径Ｒを測定して半径Ｒの誤差ΔＲを算出する。

図１５に示すように、測定位置が測定光ＬＡの焦点位置からずれたことにより測定光ＬＡのビーム径が広がっている場合、算出した誤差ΔＲのグラフは横軸方向に広がるが、グラフは横軸方向での対称性を維持する。そのため、グラフの横軸方向の広がりの幅の広がりは、算出した誤差ΔＲの近似式に基づく調整誤差の算出結果に影響を与えない。従って、本実施形態では、たとえ測定光ＬＡのビーム径が広がっている場合であっても、調整誤差の算出結果に基づいて精度良く測定光ＬＡの出射方向を校正することができる。

同様に、たとえ校正後に測定光ＬＡの波長掃引光源２８に一律な測長誤差が残っている場合であっても、図１５に示すように、理論的な誤差ΔＲのグラフと比べ、測定値から算出された誤差ΔＲのグラフは縦軸方向にずれるだけであり、算出した誤差ΔＲの近似式に基づく調整誤差の算出結果に影響を与えない。従って、本実施形態では、たとえ測定光ＬＡの波長掃引光源２８に一律な測長誤差がある場合であっても、精度良く測定光ＬＡの出射方向を校正することができる。

［第２実施形態に係る出射方向の再校正方法］
上記の説明では既知の半径を持つピンゲージ８３の半径Ｒを測定することにより、Ｓ角の基準角度誤差Δｓ０を算出した。しかし、ピンゲージ８３の半径Ｒを測定する代わりに、ピンゲージ８３の表面形状を測定してもよい。図１７に第２実施形態に係る測定光ＬＡの出射方向の再校正方法を示す。図１７に示すように、第２実施形態における出射方向の再校正方法は図１４に示すフローチャートとほぼ同じであるが、ステップＳ３１４とＳ３１６の代わりに、ステップＳ４１０及びＳ４１２を行う点が異なる。以下、相違点について説明する。

第２実施形態では、ステップＳ４１０において光回転プローブ２６を長手軸６２ａ（Ｓ軸）周りにＳ角の基準角度をステップＳ１０の設定から微小角度Δ１ｓだけ変更させた状態で、ピンゲージ８３の半径Ｒの代わりに、ピンゲージ８３の表面形状を測定する。図１８の符号１８Ａに、ある微小角度Δｓ１における表面形状の測定結果を、ＸＹ座標にプロットしたグラフを示す。

続いて、ステップＳ４１２において、制御装置７２は、各微小角度Δｓ１における測定値に基づいて、ピンゲージ８３の半径Ｒの誤差ΔＲの標準偏差σ（ΔＲ）を算出する。以下、図１８に示すグラフを参照しながら、ある微小角度Δｓ１について、標準偏差σ（ΔＲ）を算出する方法の一例について具体的に説明する。まず、制御装置７２は、表面形状の測定結果を最小二乗法で近似することによりピンゲージ８３の半径Ｒの近似値を算出する。符号１８Ａに示すグラフでは半径Ｒの近似値が太い実線の円で示されている。符号１８Ｂに、符号１８Ａに示す各測定点のＸＹ座標のグラフを、ピンゲージ８３の中心Ｃを中心とした回転角度（横軸）に対する半径Ｒの測定値（縦軸）に変換したグラフである。続いて、制御装置７２は、半径Ｒの近似値と半径Ｒの測定値との差分である誤差ΔＲを算出する。符号１８Ｃに、ピンゲージ８３の中心Ｃとした回転角度ｓ（横軸）に対する誤差ΔＲ（縦軸）のグラフを示す。更に、制御装置７２は、得られた誤差ΔＲのバラツキから誤差ΔＲの標準偏差σ（ΔＲ）を算出し、更に、誤差ΔＲの正規分布において、全測定点のうちの約９５％が含まれる範囲である±２σを形状誤差として算出する。図１８の符号１８Ａから１８Ｃに示すグラフの場合、形状誤差（±２σ）は６０μｍとなる。制御装置７２は、このような形状誤差の計算を複数の異なる微小角度Δｓ１について行う。

以降の手順は第１実施形態と同様である。図１９に、光回転プローブ２６の長手軸６２ａ周りの回転の微小角度Δｓ１を横軸にし、ステップＳ３１４で算出した形状誤差（±２σ）を縦軸にしてプロットしたグラフを示す。例えば、図１９のグラフを最小二乗法で二次多項式に近似すると、「±２σ＝－７６．５０８Δｓ１^２＋３６．１４１Δｓ１＋４．６６０７」となる（図１９の実線のグラフ参照）。

このように、表面形状の測定を行う第２実施形態でも、半径Ｒを測定する第１実施形態とほぼ同様の結果が得られることが分かる。なお、光回転プローブ２６の基準角度をステップＳ１０の設定より微小角度Δｓ１だけ変更することによりピンゲージ８３に測定光ＬＡが測定点に垂直に当たらない場合に測定光ＬＡと反射光ＬＢとの干渉信号の幅が広くなる。形状測定を行う第２実施形態の場合、これが誤差の原因になるため、第１実施形態の近似式と第２実施形態の近似式との相違が生じる。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、校正精度を向上させることが可能となり、光回転プローブ２６の測定誤差を低減させることができる。延いては、光回転プローブ２６を搭載する三次元座標測定装置１０の測定誤差を低減させることができる。

［第３実施形態に係る出射方向の再校正方法］
上記の第１及び第２実施形態において円柱形のピンゲージ８３の半径Ｒを用いて出射方向の再校正を行った。ここで、ピンゲージ８３の半径Ｒは、例えば、測定光ＬＡのビーム径の十倍から数十倍程度である。例えばビーム径が１３μｍである場合、ピンゲージ８３の半径Ｒは、１３０μｍから数ｍｍ程度である。このような半径Ｒの小さなピンゲージ８３を測定するための位置合わせをマニュアルで行うことは容易ではない。

そこで、ピンゲージ８３の代わりに、図２０に示すような直方体のブロック８５上にピンゲージ８６を垂直に（Ｚ軸方向に）立設した治具８４を用いてもよい。なお、ピンゲージ８６の垂直度はさほど厳しく要求されない。例えば、半径Ｒが０．２５ｍｍのピンゲージ８６の場合、ＸＹ平面に対する傾斜角度が１°未満であれば、その傾斜角度が半径Ｒの測定誤差に与える影響は０．０３μｍであり、十分に校正に用いることができる。

以下、この治具８４を用いる場合の再校正方法について説明する。まず、図１４に示す再校正を行う前に、治具８４のブロック８５上でのピンゲージ８６の位置を測定する。通常、この測定は治具８４について一度行えば十分であり、それ以後は、再校正においてこの測定で得た数値を繰り返し利用する。

まず、設計上のピンゲージ８６の中心（長手軸）の座標（ｘ０、ｙ０、ｚ０）を仮定する。続いて、治具８４のブロック８５の三面Ｂ１，Ｂ２及びＢ３を測定し、治具８４のブロック８５のワーク座標系（ＸＹＺ直交座標系）を作成し、更に、ピンゲージ８６の直径を測定することにより、ピンゲージ８６の中心の位置を測定する。ピンゲージの位置度の公差により位置測定結果のずれが発生することがあるため、測定結果は、多くの場合設計上の位置と異なる。また、ピンゲージ８６の頂点に垂直に測定光ＬＡが当たらないことにより測定誤差が生じることもある。ここで、測定結果を（ｘ１，ｙ１，ｚ１≒ｚ０）と仮定する。この測定結果と設計上の位置とが異なる場合は、以後、ワーク座標系において測定結果の（ｘ１，ｙ１，ｚ０）にピンゲージ８６の中心が位置するものとして治具８４を、第１及び第２実施形態において図１４に示す再校正に用いる。

第３実施形態によれば、図１４に示す再校正方法を行う前に、ピンゲージ８６の中心の座標はすでにワーク座標系上で特定されているため、治具８４を三次元座標測定装置１０のテーブル１４に載置するだけでピンゲージ８６の位置決めができる。これにより、上記の実施形態の効果に加えて、ピンゲージ８３の位置合わせを容易に行うことができるようになるという効果が得られる。

以上説明したように、第１から第３実施形態によれば、光回転プローブ２６から出射される測定光ＬＡの出射方向を高精度に校正できる。したがって、光回転プローブ２６の測定誤差を低減させることができる。延いては、光回転プローブ２６を搭載する三次元座標測定装置１０の測定誤差を低減させることができる。これにより、例えば、測定対象の局所的部分の大きな曲率の形状を精度良く測定することが可能になる。

以上、本発明の例に関して説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１０…三次元座標測定装置，２６…光回転プローブ，２８…波長掃引光源，３６…光検出器，４０…固定光学系，４２…回転光学系，４４…光ファイバーケーブル，４４ａ…出入射端，４８…コリメータレンズ，５０…中空モータ，５２…ステータ，５２ａ…シャフト保持部，５４…ロータ，５４ａ…中空部，６２…シャフト，６２ａ…長手軸，６２ｂ…内面，６４…結像レンズ，６６…直角プリズムミラー，６６ａ…出入射面，７０…コントローラ，７２…制御装置，８０…ビームプロファイラ，８１…リングゲージ，８２…校正球，８３、８６…ピンゲージ，８４…治具，８５…ブロック

Claims (6)

1. プローブ軸に対して垂直な方向に測定光を出射可能であり且つ前記測定光の出射方向を前記プローブ軸を中心に回転自在な光回転プローブの校正方法であって、
   前記測定光の出射方向を、事前に設定した基準方向から微小角度だけ変更する変更ステップと、
   前記変更ステップが行われた後、前記測定光の出射方向を前記プローブ軸を中心に回転しつつ、前記光回転プローブと基準物との相対位置を変化させながら、前記光回転プローブから前記基準物に向かって前記測定光を出射することにより、前記基準物の形状誤差を取得する取得ステップと、
   前記測定光の出射方向が前記基準方向に一致している場合に得られる前記基準物の形状誤差の理論値と、前記取得ステップで得られた前記基準物の形状誤差の測定値とに基づき、前記基準方向に対する前記測定光の出射方向の調整誤差を算出する調整誤差算出ステップと、
   を含む、光回転プローブの校正方法。
2. 前記微小角度を変えて前記変更ステップ及び前記取得ステップをそれぞれ複数回行い、
   前記調整誤差算出ステップは、前記微小角度ごとに取得した前記基準物の形状誤差に基づき、前記基準方向に対する前記測定光の出射方向の調整誤差を算出する、
   請求項１に記載の光回転プローブの校正方法。
3. 前記取得ステップは、前記光回転プローブと前記基準物との距離が一定となるように前記光回転プローブと前記基準物との相対位置を変化させる、
   請求項１又は２に記載の光回転プローブの校正方法。
4. 前記取得ステップは、前記測定光の焦点位置±焦点深度の範囲に前記基準物の被測定面が位置するように前記光回転プローブと前記基準物との相対位置を変化させる、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の光回転プローブの校正方法。
5. 前記基準物は、前記プローブ軸に対して平行に配置されたピンゲージである、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光回転プローブの校正方法。
6. 前記取得ステップは、前記基準物の形状誤差として前記ピンゲージの半径誤差を取得する、
   請求項５に記載の光回転プローブの校正方法。

Images