JP2023131005A - 形状測定装置及び形状測定方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定面の測定形状の誤差を低減可能な形状測定装置及び形状測定方法を提供する。【解決手段】プローブ２４を被測定面Ｗに沿って相対移動させて被測定面Ｗを測定光ＬＡで走査する相対移動部１４と、相対移動が行われている間、測定光ＬＡが入射する被測定面Ｗの複数の測定点Ｐｍごとに、合波部（ビームスプリッタ２２）が生成した合波光ＬＣを繰り返し検出する検出部（光検出器２８）と、測定点Ｐｍごとに、検出部が検出した合波光ＬＣの検出信号２９からビート周波数を検出し、ビート周波数に基づきプローブ２４から測定点Ｐｍまでの距離を演算する距離演算部３２と、測定点Ｐｍごとの位置を演算する位置演算部３４と、測定点Ｐｍごとに、測定点Ｐｍで反射された測定光ＬＡのドップラーシフト量ｆｄに基づき、測定点Ｐｍの位置を補正する位置補正部３８と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、波長掃引光源を用いて被測定面の形状測定する形状測定装置及び形状測定方法に関する。

測定対象物の被測定面の形状（表面形状、輪郭形状等）を非接触で測定する形状測定装置として、倣い測定を行う倣い測定装置が知られている（特許文献１参照）。この倣い測定装置は、非接触距離計のプローブを被測定面に対して間隔をあけた状態で被測定面に沿って相対移動させながら、この被測定面の複数の測定点ごとに、プローブから測定点までの距離検出と、この距離検出結果に基づいた測定点の位置検出と、を繰り返し実行することで、被測定面の形状を測定する。

非接触距離計として、波長掃引光源を用いる波長掃引型非接触距離計が知られている（特許文献２参照）。波長掃引型非接触距離計は、波長掃引光源から出射された波長掃引光を測定光と参照光とに分割し、測定光をプローブから被測定面に向けて出射し、且つ参照光を参照面に向けて出射する。また、波長掃引型非接触距離計は、被測定面にて反射されてプローブに入射した測定光と、参照面で反射された参照光と、の合波光を光検出器で検出する。この際に、波長掃引光源から光検出器までの測定光及び参照光の到達時間差により、光検出器上での測定光と参照光の波長（周波数）に差が生じ、光検出器において測定光及び参照光の周波数差がビート周波数として検出される。そして、波長掃引型非接触距離計は、光検出器で検出した検出信号を周波数解析してビート周波数を検出し、このビート周波数に基づきプローブから被測定面までの距離を演算する。

特開２０２０－５６６３７号公報 特開２０２１－３２７３４号公報

特許文献２に記載の波長掃引型非接触距離計を用いて特許文献１に記載の倣い測定を行う場合に、被測定面が例えば曲面のような非水平面であると、プローブから被測定面に対して測定光が垂直に入射せずに斜め方向に入射する。この状態でプローブを被測定面に沿って相対移動させると、被測定面の測定点で反射された測定光の周波数がドップラー効果によりずれるドップラーシフトが発生する。波長掃引型非接触距離計では、各測定点とプローブとの間の距離以外の要因で測定光の周波数が独立して変化すると、プローブから各測定点までの距離測定結果に誤差が生じるため、各測定点の位置検出結果にも誤差が生じる。このため、波長掃引型非接触距離計を用いた被測定面の倣い測定では、被測定面の測定形状に誤差が生じるおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ドップラーシフトによる被測定面の測定形状の誤差を低減可能な形状測定装置及び形状測定方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成するための形状測定装置は、波長掃引光源と、波長掃引光源から出射された光を、測定光と参照光とに分割する光分割部と、光分割部で分割された測定光を被測定面に向けて出射し、且つ被測定面にて反射された測定光が入射するプローブと、光分割部で分割された参照光を反射する参照面と、被測定面にて反射されてプローブに入射した測定光と、参照面で反射された参照光と、の合波光を生成する合波部と、プローブを、被測定面に対して間隔をあけた状態で被測定面に沿って相対移動させて、被測定面を測定光で走査する相対移動部と、相対移動が行われている間、測定光が入射する被測定面の複数の測定点ごとに、合波部が生成した合波光を繰り返し検出する検出部と、測定点ごとに、検出部が検出した合波光の検出信号からビート周波数を検出し、ビート周波数に基づきプローブから測定点までの距離を演算する距離演算部と、測定点ごとに、測定点に対応する距離演算部の演算結果に基づき測定点の位置を演算する位置演算部と、測定点ごとに、測定点で反射された測定光のドップラーシフト量に基づき、位置演算部が演算した測定点の位置を補正する位置補正部と、を備える。

この形状測定装置によれば、ドップラーシフトによる各測定点の位置の誤差を補正することができる。

本発明の他の態様に係る形状測定装置において、相対移動部が、予め作成された被測定面の形状データに基づき、プローブを、形状データで想定される被測定面に対して一定の間隔をあけた状態で被測定面に沿って相対移動させる。これにより、形状データで想定される理想の被測定面の形状と、実際の被測定面の形状との誤差を検出することができる。

本発明の他の態様に係る形状測定装置において、本発明の他の態様に係る形状測定装置において、プローブが、測定光を被測定面に斜め方向から入射させる。これにより、ドップラーシフトによる各測定点の位置の誤差を補正することができる。

本発明の他の態様に係る形状測定装置において、測定点ごとに、被測定面を走査する測定光の走査方向ベクトルであって且つ測定点における被測定面の接線方向に平行な走査方向ベクトルの大きさを演算する走査方向ベクトル演算部を備え、プローブと測定点との間の測定光の方向を測定光方向とした場合に、位置補正部が、測定点ごとに、走査方向ベクトル演算部が演算した走査方向ベクトルの測定光方向に平行な成分と、測定光の波長又は周波数と、に基づきドップラーシフト量を演算する。

本発明の目的を達成するための形状測定方法は、波長掃引光源から出射された光を測定光と参照光とに分割して、測定光をプローブから被測定面に向けて出射し、参照光を参照面に向けて出射する光分割ステップと、被測定面にて反射されてプローブに入射した測定光と、参照面で反射された参照光と、の合波光を生成する合波ステップと、プローブを、被測定面に対して間隔をあけた状態で被測定面に沿って相対移動させて、被測定面を測定光で走査する相対移動ステップと、相対移動ステップの間、測定光が入射する被測定面の複数の測定点ごとに、合波ステップで生成した合波光を繰り返し検出する検出ステップと、測定点ごとに、検出ステップで検出した合波光の検出信号からビート周波数を検出し、ビート周波数に基づきプローブから測定点までの距離を演算する距離演算ステップと、測定点ごとに、測定点に対応する距離演算ステップの演算結果に基づき測定点の位置を演算する位置演算ステップと、測定点ごとに、測定点で反射された測定光のドップラーシフト量に基づき、位置演算ステップで演算した測定点の位置を補正する位置補正ステップと、を有する。

本発明は、ドップラーシフトによる被測定面の測定形状の誤差を低減することができる。

被測定物の曲面状の被測定面の倣い測定を非接触で行う倣い測定装置の概略図である。 波長掃引型干渉計の光学構成を示した概略図である。 制御装置の機能ブロック図である。 非接触で曲面状の被測定面の倣い測定を行う場合の課題を説明するための説明図である。 走査方向ベクトル演算部による走査方向ベクトルの演算を説明するための説明図である。 倣い測定装置による被測定面の倣い測定処理の流れを示すフローチャートである。 倣い測定装置により倣い測定を行った被測定面の一例を示した図である。 図７に示した被測定面の測定範囲内を倣い測定装置により倣い測定して得られた各測定点及び各補正測定点の位置と、各測定点を接触型距離計で測定した得られた各測定点の位置と、を比較したグラフである。

図１は、被測定物の曲面状（非水平面状）の被測定面Ｗの倣い測定を非接触で行う倣い測定装置１０の概略図である。なお、本実施形態では被測定面Ｗとして翼面を例に挙げて説明を行う。図１に示すように、倣い測定装置１０は、本発明の形状測定装置に相当するものであり、波長掃引型干渉計１２と、相対移動部１４と、制御装置１６と、を備える。

図２は、波長掃引型干渉計１２の光学構成を示した概略図である。図２及び既述の図１に示すように、波長掃引型干渉計１２は、後述の制御装置１６と共に、被測定面Ｗ上の複数の測定点Ｐｍまでの距離を非接触で測定する波長掃引型非接触距離計を構成する。この波長掃引型干渉計１２は、波長掃引光源２０と、ビームスプリッタ２２と、プローブ２４と、参照面２６と、光検出器２８と、を備える。

波長掃引光源２０は、制御装置１６の制御の下、ビームスプリッタ２２に向けて波長掃引光Ｌを出射する。波長掃引光Ｌは、例えば、時間の経過と共に一定の波長掃引周期（一定の波長掃引周波数）で且つ一定波長帯で波長が正弦波状に変化する光である。

ビームスプリッタ２２は、例えばハーフミラーが用いられる。ビームスプリッタ２２は、波長掃引光源２０から入力された波長掃引光Ｌを測定光ＬＡと参照光ＬＢとに分割し、測定光ＬＡをプローブ２４の入出射端２４ａに向けて出射すると共に、参照光ＬＢを参照面２６に向けて出射する。この場合には、ビームスプリッタ２２は本発明の光分割部として機能する。

プローブ２４（測定ヘッドともいう）は、被測定面Ｗの倣い測定が行われている間、ビームスプリッタ２２により分割された測定光ＬＡを被測定面Ｗに向けて出射する入出射端２４ａを有する。入出射端２４ａには、被測定面Ｗ上で反射された測定光ＬＡが入射する。なお、プローブ２４の内部に、ビームスプリッタ２２、参照面２６、及び光検出器２８の少なくともいずれか１つが収納されていてもよい。

参照面２６は、例えば反射ミラーが用いられ、ビームスプリッタ２２から入射した参照光ＬＢをビームスプリッタ２２に向けて反射する。

ビームスプリッタ２２は、被測定面Ｗ上で反射された後でプローブ２４の入出射端２４ａに入射した測定光ＬＡと、参照面２６で反射された参照光ＬＢとの合波光ＬＣ（干渉光）を生成し、この合波光ＬＣを光検出器２８へ出射する。この場合には、ビームスプリッタ２２は本発明の合波部として機能する。

光検出器２８は、本発明の検出部に相当するものであり、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）型又はＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）型のイメージセンサ、或いはシリコンフォトダイオード、InGaAs（Indium Gallium Arsenide）フォトダイオード等が用いられる。光検出器２８は、制御装置１６の制御の下、ビームスプリッタ２２から入力された合波光ＬＣを検出、すなわち合波光ＬＣを電気信号に変換及び増幅して、この合波光ＬＣの検出信号２９を制御装置１６へ出力する。

相対移動部１４は、モータ駆動機構等の各種アクチュエータ（例えば５軸動作可能なアクチュエータ）により構成されており、プローブ２４の位置姿勢を変位可能である。この相対移動部１４は、制御装置１６の制御の下、プローブ２４の位置姿勢を変位させることで、被測定面Ｗに対してプローブ２４を、図１に示した測定経路１５に沿って被測定面Ｗに対して略一定の間隔をあけた状態で被測定面Ｗに沿って相対移動させる。これにより、測定光ＬＡにより被測定面Ｗが走査されることで、被測定面Ｗ上の複数の測定点Ｐｍごとに、光検出器２８による合波光ＬＣの検出と、光検出器２８からの干渉信号２９の出力と、が繰り返し実行される。

なお、相対移動部１４は、プローブ２４の位置姿勢を変位させる代わりに、被測定面Ｗ（被測定物）を支持するステージの位置姿勢を変位させることで、プローブ２４を測定経路１５に沿って相対移動させてもよい。

制御装置１６は、波長掃引型干渉計１２及び相対移動部１４による被測定面Ｗの倣い測定と、被測定面Ｗの形状演算と、を統括的に制御する。この制御装置１６は、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１６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。

図３は、制御装置１６の機能ブロック図である。図３に示すように、制御装置１６には、波長掃引型干渉計１２の各部及び相対移動部１４が接続されている他に、記憶部１７が設けられている。この記憶部１７には、制御装置１６用の不図示の制御プログラム及び被測定面Ｗの形状演算結果の他に、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で予め作成された被測定面Ｗ（被測定物）の形状データであるＣＡＤデータ１７ａが格納されている。なお、ＣＡＤデータ１７ａはインターネット上の外部サーバに格納されていてもよい。また、被測定面Ｗの形状を示すデータであれば、ＣＡＤ形式以外の形状データを記憶部１７に記憶させてもよい。

制御装置１６は、記憶部１７内の不図示の制御プログラムを実行することで、測定制御部３０、距離演算部３２、位置演算部３４、走査方向ベクトル演算部３６、位置補正部３８、及び形状演算部４０として機能する。

測定制御部３０は、波長掃引型干渉計１２及び相対移動部１４による被測定面Ｗの倣い測定動作を制御する。具体的には測定制御部３０は、被測定面Ｗの倣い測定の測定開始操作に応じて、波長掃引光源２０による波長掃引光Ｌの出射を開始させると共に、光検出器２８による合波光ＬＣの検出及び検出信号２９の出力を繰り返し実行させる。

また、測定制御部３０は、相対移動部１４を駆動して、プローブ２４を図１に示した測定経路１５に沿って移動、すなわち被測定面Ｗに対して略一定の間隔をあけた状態でこの被測定面Ｗに沿って相対移動させる。

具体的には測定制御部３０は、記憶部１７から取得した被測定面ＷのＣＡＤデータ１７ａに基づき、このＣＡＤデータ１７ａで想定される被測定面Ｗ（理想的な被測定面Ｗ）に対して一定の間隔をあけた状態で被測定面Ｗに沿うような測定経路１５を決定する。

そして、測定制御部３０は、相対移動部１４を駆動して、プローブ２４を決定した測定経路１５の測定開始位置にアライメントした後、この測定経路１５に沿って移動させる。これにより、プローブ２４が実際の被測定面Ｗに対して略一定の間隔をあけた状態で被測定面Ｗに沿って相対移動されることで、被測定面Ｗが測定光ＬＡにより走査される。なお、倣い測定時の被測定面Ｗに対するプローブ２４の相対移動方法は、公知技術であるのでここでは具体的な説明は省略する。

このように被測定面Ｗの倣い測定では、測定経路１５に沿ってプローブ２４を相対移動させながら被測定面Ｗを測定光ＬＡで走査すると共に、光検出器２８による合波光ＬＣの検出を繰り返し行うことで、被測定面Ｗ上の複数の測定点Ｐｍごとに光検出器２８による合波光ＬＣの検出及び検出信号２９の出力が実行される。これにより、本実施形態の被測定面Ｗの倣い測定では、ＣＡＤデータ１７ａで想定される理想の被測定面Ｗの形状と、実際の被測定面Ｗの形状との誤差が検出される。

距離演算部３２は、測定経路１５に沿ったプローブ２４の相対移動が行われている間、測定点Ｐｍごとに、光検出器２８から入力される検出信号２９に基づきプローブ２４から測定点Ｐｍまでの距離（以下、測定距離という）を演算する。

具体的には距離演算部３２は、光検出器２８で検出した検出信号２９（ビート信号）を周波数解析して、測定光ＬＡと参照光ＬＢとの周波数差であるビート周波数を検出する。なお、ビート周波数の検出方法は公知技術であるので、ここでは具体的な説明を省略する。ビート周波数と、波長掃引光源２０から光検出器２８までの測定光ＬＡ及び参照光ＬＢの到達時間差とは、測定距離に比例する。このため、距離演算部３２は、ビート周波数の検出結果に基づき、下記の［数１］式を参照して測定距離を演算する。なお、［数１］式の中の「Ｄｆ」は換算係数である。この換算係数Ｄｆは、予め実験又はシミュレーションを行うことで設定される。

［数１］
測定距離＝Ｄｆ×ビート周波数

以下同様に距離演算部３２は、測定点Ｐｍごとに、検出信号２９の周波数解析（ビート周波数の検出）と、上記［数１］式を用いた測定距離の演算と、を行う。

位置演算部３４は、測定点Ｐｍごとに、測定点Ｐｍに対応した距離演算部３２の演算結果と、測定点Ｐｍに対応したプローブ２４の位置（後述の基準点Ｐｈの位置、図４参照）及び姿勢（角度）と、に基づいた測定点Ｐｍの位置の演算を行う。

図４は、非接触で曲面状の被測定面Ｗの倣い測定を行う場合の課題を説明するための説明図である。なお、図中の符号Ｐｈは、プローブ２４内の所定の基準点である。既述の距離演算部３２は、基準点Ｐｈと測定点Ｐｍとの間の距離を測定距離として演算する。図中の符号Ｖｍは、基準点Ｐｈから測定点Ｐｍに向かう測定光ベクトルである。図中の符号Ｎは、測定点Ｐｍにおける被測定面Ｗの法線方向である。図中の符号Ｖｓは、被測定面Ｗ上を走査する測定光ＬＡの走査方向ベクトルであって且つ測定点Ｐｍにおける被測定面Ｗの接線方向に平行な走査方向ベクトル（速度ベクトル）である。

図４に示すように、曲面状の被測定面Ｗの倣い測定を行う場合に、プローブ２４から各測定点Ｐｍ（図中では１個の測定点Ｐｍを代表例として図示）に入射する測定光ＬＡの入射角度は、被測定面Ｗの曲率、及び相対移動部１４によるプローブ２４の保持方法の制約などにより、垂直（法線方向Ｎに平行）にはならない。この場合には走査方向ベクトルＶｓが、測定光ベクトルＶｍの方向（本発明の測定光方向に相当）にも成分（以下、測定光方向成分Ｖｄという）を有する。この測定光方向成分Ｖｄは、走査方向ベクトルＶｓと測定光ベクトルＶｍとのなす角度をθとすると、下記の［数２］式で表される。

［数２］
Ｖｄ＝-Ｖｍ／|Ｖｍ|×|Ｖｓ|×ＣＯＳ（θ）

このように測定光方向成分Ｖｄが発生すると、測定距離｜Ｐｍ－Ｐｈ｜が一定であるのにも関わらず、上記［数２］式で示した測定光方向成分Ｖｄだけ各測定点Ｐｍ（被測定面Ｗ）がプローブ２４に近づいているのと同じ状態になる。これにより、各測定点Ｐｍでそれぞれ反射された測定光ＬＡの周波数がドップラー効果によりずれるドップラーシフトが発生する。その結果、距離演算部３２が演算する測定点Ｐｍごとの測定距離に誤差が生じるため、位置演算部３４が演算する測定点Ｐｍごとの位置にも誤差が生じてしまう。

そこで本実施形態では、測定点Ｐｍごとに、測定光ＬＡのドップラーシフト量に基づき位置演算部３４が演算した測定点Ｐｍの位置を補正する。具体的には本実施形態では、測定点Ｐｍごとに、走査方向ベクトル演算部３６による走査方向ベクトルＶｓの演算と、位置補正部３８による測定点Ｐｍの位置補正と、を繰り返し行う。なお、本実施形態の最初の測定点Ｐｍの位置測定は被測定面Ｗに対してプローブ２４が停止している状態で行われるため、測定光ＬＡのドップラーシフトは発生しない。このため、上述の走査方向ベクトルＶｓの演算と、測定点Ｐｍの位置補正とは、２番目以降の測定点Ｐｍごとに繰り返し行われる。

図５は、走査方向ベクトル演算部３６による走査方向ベクトルＶｓの演算を説明するための説明図である。図５及び既述の図３に示すように、走査方向ベクトル演算部３６は、２番目以降の測定点Ｐｍごとに走査方向ベクトルＶｓの大きさを演算する。例えば、走査方向ベクトル演算部３６は、最新の測定点ＰｍをＰｍ（ｎ）とし、その一つ前の測定点ＰｍをＰｍ（ｎ－１）とし、Ｐｍ（ｎ－１）からＰｍ（ｎ）までの測定光ＬＡの走査時間を「Ｔ」とした場合に、走査方向ベクトルＶｓを下記の［数３］式により近似的に演算する。そして、走査方向ベクトル演算部３６は、測定点Ｐｍごとに［数３］式の演算処理を行うことで、２番目以降の測定点Ｐｍごとの走査方向ベクトルＶｓを演算する。

［数３］
Ｖｓ（ｍｍ／ｓ）＝［Ｐｍ（ｎ－１）－Ｐｍ（ｎ）］／Ｔ

位置補正部３８は、２番目以降の測定点Ｐｍごとに、測定点Ｐｍで反射された測定光ＬＡの周波数のドップラーシフト量に基づき位置演算部３４が演算した測定点Ｐｍの位置を補正する。具体的には位置補正後の測定点Ｐｍを「補正測定点Ｐｍｃ」とすると、補正測定点Ｐｍｃの位置は、補正前の測定点Ｐｍの位置と、既述の換算係数Ｄｆと、補正前の測定点Ｐｍに対応する測定光方向成分Ｖｄ及びドップラーシフト量［ｆｄ（Ｈｚ）］と、に基づき下記の［数４］式で表される。

［数４］
Ｐｍｃ＝Ｐｍ＋Ｄｆ×ｆｄ×Ｖｄ／｜Ｖｄ｜

ここでドップラーシフト量［ｆｄ（Ｈｚ）］は、測定光ＬＡの波長を「λ（μｍ）」とした場合に下記の［数５］式で表される。このため、上記［数４］式を、［数５］式に基づき下記の［数６］式に変形することができる。なお、［数５］式は、測定光ＬＡの波長λを変数としているが、波長λの代わりに測定光ＬＡの周波数ν（ν＝Ｃ／λ）を変数としてもよい。

［数５］
ｆｄ（Ｈｚ）＝２×｜Ｖｄ｜（ｍｍ／ｓ）／［λ（μｍ）×０．００１］

［数６］
Ｐｍｃ＝Ｐｍ＋Ｄｆ×｛２×｜Ｖｄ｜（ｍｍ／ｓ）／［λ（μｍ）×０．００１］｝×Ｖｄ／｜Ｖｄ｜
＝Ｐｍ＋Ｄｆ×２×Ｖｄ（ｍｍ／ｓ）／［λ（μｍ）×０．００１］

また、上記［数６］式において、測定光方向成分Ｖｄ（ｍｍ／ｓ）は上記［数２］式で表されている。このため、上記［数６］式を、［数２］式に基づき下記の［数７式］に変形することができる。

［数７］
Ｐｍｃ＝Ｐｍ＋Ｄｆ×２×｛-Ｖｍ／|Ｖｍ|×|Ｖｓ|×ＣＯＳ（θ）｝（ｍｍ／ｓ）／［λ（μｍ）×０．００１］

ここで［数７］式のＣＯＳ（θ）は、走査方向ベクトルＶｓと測定光ベクトルＶｍとに基づき、公知のベクトルの内積の定義により下記の［数８］式で表される。なお、測定光ベクトルＶｍは、既知の測定点Ｐｍごとの基準点Ｐｈの位置と、位置演算部３４が測定点Ｐｍごとに演算する測定点Ｐｍの位置と、に基づき測定点Ｐｍごとに演算可能である。

［数８］
ＣＯＳ（θ）＝Ｖｓ×（－Ｖｍ）／（｜Ｖｓ｜｜Ｖｍ｜）

従って位置補正部３８は、２番目以降の測定点Ｐｍごとに、走査方向ベクトル演算部３６の走査方向ベクトルＶｓの演算結果と、例えば自身で演算した測定光ベクトルＶｍの演算結果と、波長掃引光源２０から取得した測定光ＬＡの波長と、を上記［数７］式及び［数８］式に代入して補正測定点Ｐｍｃの位置を演算する。

なお、位置補正部３８が、２番目以降の測定点Ｐｍごとに、上記［数５］式等に基づいたドップラーシフト量ｆｄの演算を最初に行ってから上記［数４］式に基づいた補正測定点Ｐｍｃの位置の演算を行ってもよい。この場合に位置補正部３８は、ドップラーシフト量ｆｄの演算を行うドップラーシフト量演算部として機能する。

形状演算部４０は、位置演算部３４が演算した最初の測定点Ｐｍの位置と、位置補正部３８が演算した２番目以降の各補正測定点Ｐｍｃの位置と、に基づき被測定面Ｗの形状（表面形状、輪郭形状等）を演算する。なお、形状演算部４０が、各補正測定点Ｐｍｃの位置のみに基づいて被測定面Ｗの形状を演算してもよい。

［本実施形態の作用］
図６は、本発明の形状測定方法に係る、上記構成の倣い測定装置１０による被測定面Ｗの倣い測定処理の流れを示すフローチャートである。図６に示すように、検者が、倣い測定装置１０に被測定面Ｗ（測定対象物）をセットした後、不図示の操作部にて測定開始操作を行うと、測定制御部３０が、記憶部１７から被測定面ＷのＣＡＤデータ１７ａを取得し、このＣＡＤデータ１７ａに基づき測定経路１５を決定する（ステップＳ１）。

次いで、測定制御部３０が、相対移動部１４を駆動して、プローブ２４を決定した測定経路１５の測定開始位置に移動させるアライメントを行う（ステップＳ２）。また、測定制御部３０は、波長掃引光源２０からの波長掃引光Ｌの出射を開始させる（ステップＳ３）。

波長掃引光Ｌはビームスプリッタ２２にて測定光ＬＡと参照光ＬＢとに光分割され、測定光ＬＡが被測定面Ｗ上の最初の測定点Ｐｍに入射し且つ参照光ＬＢが参照面２６に入射する（ステップＳ４、本発明の光分割ステップに相当）。そして、最初の測定点Ｐｍで反射された測定光ＬＡと参照面２６で反射された参照光ＬＢとがビームスプリッタ２２で合波された後、測定光ＬＡ及び参照光ＬＢの合波光ＬＣが光検出器２８に入射する（ステップＳ４、本発明の合波ステップに相当）。

また、測定制御部３０が、波長掃引光源２０からの波長掃引光Ｌの出射に合わせて、光検出器２８による合波光ＬＣの検出及び検出信号２９の出力を開始させる（ステップＳ５）。

最初の測定点Ｐｍに対応する検出信号２９が光検出器２８から出力されると、距離演算部３２が、この検出信号２９を周波数解析してビート周波数を検出し、このビート周波数の検出結果に基づき上記［数１］式を用いて最初の測定点Ｐｍに対応する測定距離を演算する（ステップＳ６）。また、位置演算部３４が、距離演算部３２による最初の測定点Ｐｍの距離検出結果と、プローブ２４の基準点Ｐｈの位置及び姿勢（角度）と、に基づき最初の測定点Ｐｍの位置を演算する（ステップＳ７）。

次いで、測定制御部３０が、相対移動部１４を駆動して、プローブ２４を測定経路１５に沿って移動させる。これにより、プローブ２４が実際の被測定面Ｗに対して略一定の間隔をあけた状態で被測定面Ｗに沿って相対移動され、被測定面Ｗが測定光ＬＡで走査される（ステップＳ８、本発明の相対移動ステップに相当）。被測定面Ｗ上で測定光ＬＡが最初の測定点Ｐｍから一定距離（走査時間Ｔ）だけ走査されて測定光ＬＡが２番目の測定点Ｐｍに入射すると、測定制御部３０が、光検出器２８による合波光ＬＣの検出及び検出信号２９の出力を実行させる（ステップＳ９、本発明の検出ステップに相当）。

２番目の測定点Ｐｍに対応する検出信号２９が光検出器２８から出力されると、最初の測定点Ｐｍの位置検出時と同様に、距離演算部３２による２番目の測定点Ｐｍに対応する測定距離の演算（ステップＳ１０）と、位置演算部３４による２番目の測定点Ｐｍの位置の演算（ステップＳ１１）と、が実行される。なお、ステップＳ１０は本発明の距離演算ステップに相当し、ステップＳ１１は本発明の位置演算ステップに相当する。

２番目の測定点Ｐｍの位置演算が完了すると、走査方向ベクトル演算部３６が、一つ前の最初の測定点Ｐｍの位置と、２番の測定点Ｐｍの位置と、両者の間の走査時間Ｔと、に基づき、上記［数３］式を用いて２番目の測定点Ｐｍに対応する走査方向ベクトルＶｓを演算する（ステップＳ１２）。

次いで、位置補正部３８が、２番の測定点Ｐｍに対応する基準点Ｐｈの位置と、位置演算部３４による２番目の測定点Ｐｍの位置と、に基づき、２番の測定点Ｐｍに対応する測定光ベクトルＶｍを演算する。また、位置補正部３８は、波長掃引光源２０から２番の測定点Ｐｍに対応する測定光ＬＡの波長λ（周波数νでも可）を取得する。

そして、位置補正部３８が、２番目の測定点Ｐｍに対応する走査方向ベクトルＶｓの演算結果、測定光ベクトルＶｍの演算結果、及び測定光ＬＡの波長に基づき、上記［数７］式及び［数８］式を用いて補正測定点Ｐｍｃの位置を演算する。これにより、２番目の測定点Ｐｍでの測定光ＬＡのドップラーシフト量に基づき、２番目の測定点Ｐｍの位置を補正することができる（ステップＳ１３、本発明の位置補正ステップに相当）。

以下、測定経路１５に沿ったプローブ２４の相対移動が行われている間（ステップＳ１４でＮＯ）、３番目以降の測定点Ｐｍごとに、前述のステップＳ９からステップＳ１３までの処理が繰り返し実行される。これにより、３番目以降の測定点Ｐｍの位置が補正されることで、３番目以降の各補正測定点Ｐｍｃの位置が演算される。

プローブ２４の相対移動が完了すると（ステップＳ１４でＹＥＳ）、形状演算部４０が、ステップＳ７で演算された最初の測定点Ｐｍの位置と、ステップＳ９で演算された各補正測定点Ｐｍｃの位置と、に基づき被測定面Ｗの形状を演算する（ステップＳ１５）。

［本実施形態の効果］
図７は、本実施形態の倣い測定装置１０により倣い測定を行った被測定面Ｗの一例を示した図である。図８は、図７に示した被測定面Ｗの測定範囲Ｒ内を倣い測定装置１０により倣い測定して得られた各測定点Ｐｍ及び各補正測定点Ｐｍｃの位置と、各測定点Ｐｍを接触型距離計（図示は省略）で測定した得られた各測定点Ｐｍの位置と、を比較したグラフである。

図７に示すように、φ２５ｍｍの校正球の表面の一部を被測定面Ｗとして、この被測定面Ｗの上の測定ラインＣに沿って本実施形態の倣い測定装置１０による倣い測定を行った。また、倣い測定装置１０が測定した各測定点Ｐｍの位置を接触型距離計により測定した。図８に示すように、倣い測定装置１０による倣い測定で得られた各測定点Ｐｍの位置は、ドップラーシフトの影響により、接触型倣い測定装置が測定した各測定点Ｐｍの補間曲線ＭＬに対してズレが生じている。

これに対して、位置補正部３８により補正された各補正測定点Ｐｍｃの位置は、倣い測定の方向（往路、復路）に関係なく上述の補間曲線ＭＬに一致することが確認された。従って、本実施形態のように倣い測定で得られた各測定点Ｐｍの位置をドップラーシフト量に基づき補正することで、ドップラーシフトによる被測定面Ｗの測定形状の誤差を低減することができる。

［その他］
上記実施形態において使用される波長掃引型干渉計１２は、図２に示したものに限定されるものではなく、その種類は特に限定はされない。

上記実施形態では、倣い測定装置１０により被測定面Ｗとして翼面及び球面の倣い測定を行う場合を例に挙げて説明したが、曲面及び傾斜面などの非水平面の倣い測定を行う場合に本発明を適用することができる。

また、本発明は、被測定面Ｗの形状に関係なく、プローブ２４から被測定面Ｗに対して斜め方向から測定光ＬＡを入射させた状態で、被測定面Ｗに対してプローブ２４を相対移動させながら被測定面Ｗの形状測定を行う各種の形状測定装置に適用可能である。

さらに本発明において、プローブ２４から被測定面Ｗに対して測定光ＬＡが垂直に入射する場合には、上記［数２］式のＣＯＳ（θ）がゼロになることで、測定光方向成分Ｖｄ（ドップラーシフト量ｆｄ）もゼロになる。その結果、位置補正部３８により演算される補正測定点Ｐｍｃが補正前の測定点Ｐｍと一致するため、位置補正部３８による補正を行ったとしても被測定面Ｗの形状測定結果には影響を及ぼさない。従って、本発明は、被測定面Ｗに対する測定光ＬＡの入射方向に関係なく、被測定面Ｗに対してプローブ２４を相対移動させながら被測定面Ｗの形状測定を行う各種の形状測定装置に適用可能である。

１０ 測定装置
１２ 波長掃引型干渉計
１４ 相対移動部
１５ 測定経路
１６ 制御装置
１７ 記憶部
１７ａ ＣＡＤデータ
２０ 波長掃引光源
２２ ビームスプリッタ
２４ プローブ
２４ａ 入出射端
２６ 参照面
２８ 光検出器
２９ 検出信号
３０ 測定制御部
３２ 距離演算部
３４ 位置演算部
３６ 走査方向ベクトル演算部
３８ 位置補正部
４０ 形状演算部
Ｃ 測定ライン
Ｄｆ 換算係数
Ｌ 波長掃引光
ＬＡ 測定光
ＬＢ 参照光
ＬＣ 合波光
ＭＬ 補間曲線
Ｎ 法線方向
Ｐｈ 基準点
Ｐｍ 測定点
Ｐｍｃ 補正測定点
Ｒ 測定範囲
Ｔ 走査時間
Ｖｄ 測定光方向成分
Ｖｍ 測定光ベクトル
Ｖｓ 走査方向ベクトル
Ｗ 被測定面
ｆｄ ドップラーシフト量

Claims (5)

1. 波長掃引光源と、
   前記波長掃引光源から出射された光を、測定光と参照光とに分割する光分割部と、
   前記光分割部で分割された前記測定光を被測定面に向けて出射し、且つ前記被測定面にて反射された前記測定光が入射するプローブと、
   前記光分割部で分割された前記参照光を反射する参照面と、
   前記被測定面にて反射されて前記プローブに入射した前記測定光と、前記参照面で反射された前記参照光と、の合波光を生成する合波部と、
   前記プローブを、前記被測定面に対して間隔をあけた状態で前記被測定面に沿って相対移動させて、前記被測定面を前記測定光で走査する相対移動部と、
   前記相対移動が行われている間、前記測定光が入射する前記被測定面の複数の測定点ごとに、前記合波部が生成した前記合波光を繰り返し検出する検出部と、
   前記測定点ごとに、前記検出部が検出した前記合波光の検出信号からビート周波数を検出し、前記ビート周波数に基づき前記プローブから前記測定点までの距離を演算する距離演算部と、
   前記測定点ごとに、前記測定点に対応する前記距離演算部の演算結果に基づき前記測定点の位置を演算する位置演算部と、
   前記測定点ごとに、前記測定点で反射された前記測定光のドップラーシフト量に基づき、前記位置演算部が演算した前記測定点の位置を補正する位置補正部と、
   を備える形状測定装置。
2. 前記相対移動部が、予め作成された前記被測定面の形状データに基づき、前記プローブを、前記形状データで想定される前記被測定面に対して一定の間隔をあけた状態で前記被測定面に沿って相対移動させる請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記プローブが、前記測定光を前記被測定面に斜め方向から入射させる請求項１又は２に記載の形状測定装置。
4. 前記測定点ごとに、前記被測定面を走査する前記測定光の走査方向ベクトルであって且つ前記測定点における前記被測定面の接線方向に平行な走査方向ベクトルの大きさを演算する走査方向ベクトル演算部を備え、
   前記プローブと前記測定点との間の前記測定光の方向を測定光方向とした場合に、前記位置補正部が、前記測定点ごとに、前記走査方向ベクトル演算部が演算した前記走査方向ベクトルの前記測定光方向に平行な成分と、前記測定光の波長又は周波数と、に基づき前記ドップラーシフト量を演算する請求項１から３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
5. 波長掃引光源から出射された光を測定光と参照光とに分割して、前記測定光をプローブから被測定面に向けて出射し、前記参照光を参照面に向けて出射する光分割ステップと、
   前記被測定面にて反射されて前記プローブに入射した前記測定光と、前記参照面で反射された前記参照光と、の合波光を生成する合波ステップと、
   前記プローブを、前記被測定面に対して間隔をあけた状態で前記被測定面に沿って相対移動させて、前記被測定面を前記測定光で走査する相対移動ステップと、
   前記相対移動ステップの間、前記測定光が入射する前記被測定面の複数の測定点ごとに、前記合波ステップで生成した前記合波光を繰り返し検出する検出ステップと、
   前記測定点ごとに、前記検出ステップで検出した前記合波光の検出信号からビート周波数を検出し、前記ビート周波数に基づき前記プローブから前記測定点までの距離を演算する距離演算ステップと、
   前記測定点ごとに、前記測定点に対応する前記距離演算ステップの演算結果に基づき前記測定点の位置を演算する位置演算ステップと、
   前記測定点ごとに、前記測定点で反射された前記測定光のドップラーシフト量に基づき、前記位置演算ステップで演算した前記測定点の位置を補正する位置補正ステップと、
   を有する形状測定方法。

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