JP5276803B2 - 形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、任意の形状をした被測定物の３次元形状を高精度に測定する形状測定方法に関するものである。

スタイラスを鉛直方向から任意の方向に傾ける事により、被測定物の側面形状を測定する事を可能とする３次元形状測定技術が特許文献１に開示されている。

図１３に特許文献１に記載の３次元測定装置の構成を示す。測定装置１００において、被測定物２００の側面にプローブ１０２の先端に取付けられるスタイラスを概略一定の測定力となるように接触させるための追従制御及び、測定方向への走査を行うための位置決め制御をＸ軸ステージ１１２、Ｙ軸ステージ１１３及びＺ軸ステージ１１４により行う。また、レーザ光源１０１より発生される測定用レーザ光と参照ミラー１１５（Ｚ軸参照ミラーを示している。ＸＹ軸についても同様。）を用いて、スタイラスの相対的な位置座標を測長する。

図１４に前記測定装置１００の測定点情報決定部の構成を示す。プローブ１０２には、鉛直方向から任意の方向に傾く事が可能なスタイラス１０３が取付けられており、スタイラス１０３の先端（図１４では下端）には真球度の高い球体（スタイラス先端球）１０４が取付けられている。レーザ光源１０１より発生する測定用レーザ光Ｌ_１を、反射ミラー９１や半透過ミラー９２で構成される光学系９０を使用して、スタイラス１０３の基端（図１４では上端）に取付けられたミラー１０５に照射し、反射光Ｌ_２を光学系９０を使用して位置座標測定部１０８でスタイラス１０３の相対位置を測長して、スタイラス位置座標データを取得する。また、スタイラス１０３は外力により支点（回転中心を意味する）を中心として任意方向に傾く事が可能であり、前述の反射光Ｌ_２の一部を光学系９０の半透過ミラー９２によりスタイラス傾き角度検出部１０６に入射させ、スタイラス傾き角度検出部１０６の表面におけるレーザ光のスポット位置の変位（変位量）からスタイラスの傾きの変化（変化量）を検出する。前記スタイラス傾き角度検出部１０６に接続されたスタイラス先端変位演算部１０７においては、スタイラス傾き角度検出部１０６で検出されたスタイラス１０３の傾きを用いて、スタイラス１０３の傾きにより発生するスタイラス先端球１０４の変位すなわちスタイラス変位量を算出する。前記位置座標測定部１０８と前記スタイラス先端変位演算部１０７とに接続された加算部１０９においては、前記位置座標測定部１０８で取得された前記スタイラス位置座標データと、前記スタイラス変位演算部１０７で算出された前記スタイラス変位量を加える事により、スタイラス１０３の先端の相対位置座標を取得する。

スタイラス１０３を被測定物２００の側面に接触させた際の角度検出方法について図１５を参照して以下に示す。図１５では理解を容易とするために図１４の光学系９０の構成にミラー１１６を追加している。図１５は煩雑な表記を避けるためレーザ光軸のみを記述している。スタイラス１０３が傾いていない場合には、反射光Ｌ_２の光スポット中心が角度検出部１０６の中心位置３００ａに一致する。これに対し、スタイラス１０３の先端がＸ軸＋方向（図１５の右方向）に押された場合は、反射光Ｌ_２の光スポット中心である反射光Ｌ_２の照射位置が、中心位置３００ａから左側に外れた、位置３００ｂに移動する。

同様に、スタイラス１０３が任意の方向に傾く事により、図１６に示すように、その傾きの方向及び大きさに合わせて、反射光Ｌ_２の光スポット位置が２次元的に変化する。位置３０１ｂはＸ軸＋側に向けてスタイラス１０３を接触させた状態、位置３０１ｃはＸ軸−側に向けてスタイラス１０３を接触させた状態、位置３０１ｄはＹ軸＋側に向けてスタイラス１０３を接触させた状態、位置３０１ｅはＹ軸−側に向けてスタイラス１０３を接触させた状態をそれぞれ示している。角度検出部１０６において、前記光スポット位置の変位量を検出する事により、スタイラス１０３の傾きを取得する事ができる。角度検出部１０６には、例えば４分割フォトダイオードや２次元ＰＳＤなど、光スポット位置を２次元で検出できるものであれば適用可能である。以降では、角度検出部１０６に適用されるセンサを総称して「角度検出器」と呼ぶ。

また、従来技術では、測定力を概略一定とするために追従制御が行われる。例えば、図１５に示すようにＸ軸方向のスタイラス１０３の傾きが概略一定値θ_ｘとなるようにＸ軸ステージ１１２が制御される。この制御は、測定用レーザ光Ｌ_１が、傾いたスタイラス１０３の基端にあるミラー１０５に反射されて、反射光Ｌ_２が角度検出器１０６の受光面に照射されるときの、その光スポット中心が受光面の中心から距離Ｘ_ｔだけ離れた位置３００ｂの直線上に追従するように制御系を構成する事で実現される。ここで、前記距離Ｘ_ｔに相当する、角度検出器１０６上の目標値Ｘ_ｔは、測長座標系におけるスタイラス１０３の傾き目標値θ_ｘに対応する。

以下では、従来技術を用いて、被測定物２００の測定面を測定する際の、被測定物２００とスタイラス１０３の位置関係及び角度検出器１０６と光スポット位置の関係について説明する。

以降の説明を容易にするため、簡易的な表記を図１９Ａ及び図１９Ｂに示す。図１９Ａは被測定物２００にスタイラス１０３を押込み量が目標値１２０となるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図、図１９Ｂはスタイラス１０３の傾きに対する角度検出器１０６と光スポット中心３０２及び制御目標値１１９を示している。図１９Ａの上面図においては、被測定物２００、スタイラス１０３の支点１１７及び接触点１１８のみを三角形の印及び星印でそれぞれ示し、スタイラス１０３については省略している。以下では、図１９Ａの上面図及び図１９Ｂの表記を用いて説明を行う。

スタイラス１０３を被測定物２００のＸ軸＋側に概略一定の測定力で接触させつつ、Ｙ軸方向に走査するときのスタイラス１０３の支点１１７及び接触点１１８の位置関係を図２０Ａ〜図２０Ｆに示す。図２０Ａ〜図２０Ｃは、スタイラス１０３がＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸＋側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図２０Ｄ〜図２０Ｆはスタイラス１０３がＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。また、図２０Ａ〜図２０Ｆにおいて上側の図は被測定物２００とスタイラス１０３が接触する際のスタイラス１０３の支点１１７と接触点１１８の位置関係を示しており、下側の図は角度検出器１０６における光スポット中心３００ａ〜３０３ｆの位置関係を示している。

スタイラス１０３がＹ軸方向に静止している図２０Ａの状態では、スタイラス１０３の支点１１７と接触点１１８を結ぶベクトルはＸ軸に平行となり、スタイラス１０３にはＹ軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス１０３がＹ軸＋方向に移動し始めた瞬間の状態である図２０Ｂの状態では、被測定物２００からの抗力がスタイラス１０３の接触点１１８に働くため、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス１０３の傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス１０３の接触点１１８がその場に留まろうとするため、スタイラス１０３の支点１１７のみがＹ軸＋方向へ変位する事になる。そして、スタイラス１０３の支点１１７と接触点１１８のＹ軸方向の相対距離が大きくなり、スタイラス１０３の傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス１０３の接触点１１８が移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図２０Ｃに示す。動摩擦力≦静摩擦力となるため、Ｘ軸方向のスタイラス１０３の傾きが一定である場合には、接触点１１８が一度移動し始めた後は、スタイラス１０３の支点１１７と接触点１１８のＹ軸方向の相対距離が一定となるようにスタイラス１０３が傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器１０６と光スポット中心の位置関係が図２０Ｃの下側の図に示すようになる。スタイラス１０３がＹ軸−側に走査するときの状態の推移を示す図２０Ｄ〜図２０Ｆについては、前述の内容と同様に説明できるため省略する。

最後に、被測定物２００の側面にスタイラス１０３を接触させ、スタイラス１０３が任意の方向に傾いた状態において被測定物２００とスタイラス１０３の接触点１１８の座標値を取得する技術について説明する。

まず、簡単のため、図１７Ａに示すように被測定物２００にスタイラス１０３を接触させて測定する際に、スタイラス１０３を傾かせないで測定できるものと仮定する。この仮定においては、従来の３次元測定技術によりスタイラス先端位置の相対位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が取得できる。

次に、図１７Ｂ〜図１７Ｄに示すように、スタイラス１０３が、図１７Ａの支点１１７を中心として鉛直方向より傾いて測定された場合を仮定する。ここでは、スタイラス１０３の鉛直方向に対するＸ軸上の傾きθ_ｘとＹ軸上の傾きθ_ｙは、誤差を含むことなく検出できると仮定する。前述と同様に、スタイラス１０３が傾いていないと仮定した場合のスタイラス１０３の先端位置１０４ａの相対位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が、従来の３次元測定技術により取得できる。以下では、スタイラス１０３が傾いていないと仮定した場合のスタイラス１０３の先端球１０４の中心の座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、「相対位置座標データ」と呼ぶ。

実際には、スタイラス１０３が傾いているため、前記相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、被測定物２００とスタイラス１０３の接触点１０４ｂの座標値（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を示すものではない事がわかる。なお、以下では前記接触点の座標値（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を「接触点位置座標データ」と呼ぶ。このため、相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とスタイラス１０３の傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）を用いて、接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を求めることが必要となる。なお、スタイラス１０３と被測定物２００の接触点１１８とは、スタイラス１０３と被測定物２００が接触した状態におけるスタイラス先端球１０４の中心点を指す。スタイラス１０３が鉛直方向に静止していた初期状態より（θ_ｘ，θ_ｙ）だけ傾くと、スタイラス１０３の先端は初期位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）よりも下記の計算式（数１）で得られる（δ_ｘ，δ_ｙ，δ_ｚ）だけ変位することになる。

上式において、変数Ｌはスタイラス１０３の支点１１７からスタイラス先端球１０４の中心までの長さを表す。以上より、相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にスタイラス１０３の傾きによるスタイラス先端の変位量（δ_ｘ，δ_ｙ，δ_ｚ）を加える事により、接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）が求まる。

特開２００６−２８４４１０号公報

特許文献１に開示されている技術は、スタイラス１０３の基端のミラー１０５から反射されたレーザ光Ｌ_２を角度検出器１０６に照射することによりスタイラス１０３の傾きが期待通りに求まる事を前提としたものであるが、サブミクロンの測定精度を実現するためには、測長座標系と角度検出器１０６の成す角度（以下、「取付角度誤差」と呼ぶ）が無視できない課題となる。以降では、この課題について説明する。

前述のとおり、接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を高精度に求める際には、測長座標系における高精度な相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と測長座標系におけるスタイラス１０３の高精度な傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）が必要となる。特許文献１で使用されているように測長座標系におけるスタイラス１０３の傾き（θ_ｘ，θ_ｙ）を角度検出器１０６上で光スポット位置の変位量から算出するためには、図１５に示すように角度検出器１０６の座標軸θ_ｘ、θ_ｙが測長座標系に平行となる事が必要となる。しかし、実際には、図１８に示すように角度検出器１０６の座標軸θ_ｘ、θ_ｙは測長座標系に対して平行になるとは限らず、角度検出器１０６の原点を中心に回転して角度検出器１０６が測長座標系に取付けられることになる。このため、この角度検出器１０６から検出されるスタイラス１０３の傾き（θ_ｘ’，θ_ｙ’）と、本来求めるべき測長座標系におけるスタイラス１０３の傾き（θ_ｘ，θ_ｙ）が一致しない事は明らかである。また、測長座標系が光学的に構成される事を考慮すると、測長座標系に対して角度検出器１０６の取付角度を調整する事は非常に困難となる。

次に、図１７Ｂ〜図１７Ｄを例として被測定物２００とスタイラス１０３との接触点１０４ｂを取得する際の角度検出器１０６の取付角度誤差の影響について説明する。スタイラス１０３が被測定物２００に接触している状態において、測長座標系におけるスタイラス１０３の傾きが（θ_ｘ，θ_ｙ）であるとする。

今、角度検出器１０６が測長座標系に対して角度γだけ誤差（取付角度誤差）を含んで取付られているとする。このとき、角度検出器１０６から検出された傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）は、測長座標系におけるスタイラス１０３の傾き（θ_ｘ，θ_ｙ）に対して下記の（数２）の式の関係となる。

また、（θ_ｘ’，θ_ｙ’）から推定されるスタイラス１０３の先端の変位量（δ_ｘ’，δ_ｙ’，δ_ｚ’）は下式（（数３）の式）となる。

つまり、相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を求める際に、本来のスタイラス１０３の傾き（θ_ｘ，θ_ｙ）を用いる場合と角度検出器１０６から検出された傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）を用いる場合において、（δ_ｘ’−δ_ｘ，δ_ｙ−δ_ｙ’，δ_ｚ−δ_ｚ’）の誤差が、生じる事がわかる。

前述の誤差は、例えば、スタイラス１０３の長さＬ＝２０ｍｍ、角度検出器１０６の取付角度誤差γ＝１°とし、被測定物２００にスタイラス１０３を押込む量をδ_ｘ＝１０μｍとし、δ_ｙ＝０μｍとするときには、δ_ｘ’＝９．９９８μｍ，δ_ｙ’＝０．１７５μｍとなり、サブミクロンの測定精度を得るためには無視できない事が明らかである。

次に、角度検出器１０６が取付角度誤差γを持つ場合において、従来技術を用いて、測定力を概略一定にする追従制御について説明する。

図１８は、角度検出器１０６が取付角度誤差γのズレを含んでいる状態を示している。前述と同様に、角度検出器１０６の目標位置１１９に光スポット中心３００ｃを位置合わせするようにＸ軸ステージ１１２を制御する。このとき、角度検出器１０６が取付角度誤差γだけ傾いているため、スタイラス１０３の傾きは本来の目標角度θ_ｘではなく、少しずれた角度θ_ｘ’で概略一定となるような制御結果となる。

この追従制御を行いつつ、スタイラス１０３を被測定物２００に対して相対的にＹ軸上を走査するときの、スタイラス１０３の支点１１７と接触点１１８の位置関係及び、角度検出器１０６と光スポット中心３０４ａ〜３０４ｈの位置関係を図２１Ａ〜図２１Ｈに示す。

図２１Ａ〜図２１Ｄは、スタイラス１０３がＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸＋側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図２１Ｅ〜図２１Ｈはスタイラス１０３がＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。スタイラス１０３がＹ軸方向に静止している図２１Ａの状態では、スタイラス１０３の支点１１７と接触点１１８を結ぶベクトルはＸ軸に平行となり、スタイラス１０３にＹ軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス１０３がＹ軸＋方向に移動し始めた瞬間の状態を図２１Ｂに示す。被測定物２００からの抗力がスタイラス１０３の接触点１１８に働き、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス１０３の傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス１０３の接触点１１８がその場に留まろうとするため、スタイラス１０３の支点１１７のみがＹ軸＋方向へ変位し、結果的にスタイラス１０３がＹ軸方向にも傾くことになる。このとき、Ｙ軸方向の光スポットが変位する。ところが、角度検出器１０６の取付角度誤差が含まれる事により、角度検出器１０６上のＸ軸方向の制御目標位置１１９からの誤差が発生する。このとき、図２１Ｃに示すように、Ｘ軸方向の追従制御により、角度検出器１０６の目標位置へ追従するため、Ｘ軸方向のスタイラス１０３の支点１１７が、スタイラス１０３の押込みを減らす方向に移動する。スタイラス１０３の傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス１０３の接触点１１８が移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図２１Ｄに示す。接触点１１８が一度移動し始めた後は、スタイラス１０３の支点１１７と接触点１１８のＹ軸方向の相対距離が一定となるように、傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器１０６と光スポット中心の位置関係が図２１Ｄの下側の図に示すようになる。スタイラス１０３がＹ軸方向に静止している状態からＹ軸−側に走査するときの状態の推移を示す図２１Ｅ〜図２１Ｈについては、前述の内容と基本的に同様であるが、Ｙ軸方向の走査による摩擦力の発生方向が逆転するため、スタイラス１０３の支点１１７が、スタイラス１０３をより押込ませる方向に変位する事になる。

前述の現象が測定結果に与える影響を説明する。被測定物２００の測定面をスタイラス１０３がＹ軸＋方向に走査して、少なくとも２箇所以上で取得した第１相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第１傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）と、前記測定位置と概略一致する位置をスタイラス１０３がＹ軸−方向に走査して、少なくとも２箇所以上で取得した第２相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第２傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）とを用いて、スタイラス１０３のＹ軸＋方向走査時の被測定物２００とスタイラス１０３の接触点位置座標データと、スタイラス１０３のＹ軸−方向走査時の被測定物２００とスタイラス１０３の接触点位置座標データとを算出した結果を図２２に示す。図２２において、被測定物２００に対するＹ軸＋方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ１２１ａとＹ軸−方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ１２１ｂは一致しない。

これは、角度検出器１０６の取付角度誤差に起因する測定誤差であり、スタイラス１０３が測長座標系のＸ軸、Ｙ軸方向に傾いているにも関わらず、測長座標系に対して傾いている角度検出器１０６の検出結果を用いて接触点を算出した結果に他ならない。

本発明の目的は、前記の課題を解決すべく、スタイラスの傾きを検出する角度検出器の取付角度誤差を容易に補正することができて、スタイラスの傾きを高精度に検出して相対位置座標データからスタイラスの接触点を高精度で求めて被測定物の被測定面の形状を高精度で測定するための形状測定方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、被測定物の被測定面にスタイラスを接触させて、前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を移動させる移動装置を制御装置により制御することにより、測定力が概略一定となるように前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を制御しつつ、前記被測定物に対する前記スタイラスの前記測定力の作用方向に概略直交する方向の相対位置を移動させて前記スタイラスの相対位置座標を位置座標測定部で測定するとともに、レーザ光の光スポット位置変位量を角度検出器で検出する事により前記スタイラスの傾きをスタイラス傾き角度検出部で求め、前記求められた傾きにより、前記スタイラスが傾く事によるスタイラス先端の変位量をスタイラス先端変位演算部で算出し、前記相対位置座標に前記スタイラス先端の変位量を加える事により前記被測定物と前記スタイラスの接触点を加算部で算出する形状測定方法において、
校正に用いる被測定物と前記スタイラスの相対位置を第１の方向に移動させて少なくとも２箇所以上の位置で前記スタイラスの第１相対位置座標データ及び第１傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を前記第１の方向と相反する第２の方向に移動させて前記第１相対位置座標データ及び第１傾きデータを取得した位置と概略一致する位置で前記スタイラスの第２相対位置座標データ及び第２傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
前記第１相対位置座標データ及び前記第１傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第１接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第２相対位置座標データ及び前記第２傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第２接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データを比較して前記光スポット位置変位量を検出する前記角度検出器の取付角度誤差γを平面内の回転誤差としてγ校正部で校正し、
任意の被測定物と前記スタイラスの相対位置を任意の方向に移動させて前記スタイラスの第３相対位置座標データ及び第３傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、前記第３傾きデータに含まれる前記角度検出器の取付角度誤差γによる誤差をスタイラス先端変位演算部で補正する事により第３傾き補正データを算出し、
前記スタイラスの前記第３相対位置座標データ及び前記第３傾き補正データから、前記被測定物と前記スタイラスの前記第３接触点位置座標データを前記加算部で算出して、前記被測定物の形状を測定する事を特徴とする形状測定方法を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作において、
前記第１傾きデータを光スポット位置変位量が検出される座標系の原点を中心に任意の角度γ’だけ座標変換することにより第１傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
前記第２傾きデータを前記座標系の原点を中心に前記角度γ’だけ座標変換することにより第２傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
前記第１相対位置座標データ及び第１傾き補正データから前記被測定物と前記スタイラスの第１接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第２相対位置座標データ及び第２傾き補正データから前記被測定物と前記スタイラスの第２接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データの差が事前に決定された判定値よりも小さくなる前記角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作を行なう事を特徴とする第１態様に記載の形状測定方法を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記校正に用いる被測定物を既知形状物とし、前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データの差を用いて前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作の代わりに、
前記第１接触点位置座標データと前記既知形状物を表す既知形状データを比較し第１誤差データを比較部で算出し、
前記第２接触点位置座標データと前記既知形状データを比較し第２誤差データを前記比較部で算出し、
これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第１誤差データと前記第２誤差データが共に事前に決定された判定値よりも小さくなる前記角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γを前記角度γ’として校正する動作を行なう事を特徴とする第２態様に記載の形状測定方法を提供する。

前述のように第１接触点位置座標データと第２接触点位置座標データを直接比較する場合においては、被測定物の形状が既知である必要がなくなるため、未知形状の被測定物を用いる事も可能である。

前記角度検出器の取付角度誤差を校正する際に用いる条件判定値は、入力装置から測定者が事前に入力する事も可能である。

前記角度検出器の取付角度誤差を校正するとき、第１の方向へ走査する測定と第２の方向へ走査する測定を連続する事で実現される往復測定により相対位置座標データと傾きデータを取得し、前記相対位置座標データと傾きデータを、第１の方向の第１相対位置座標データと第１傾きデータ及び第２の方向の第２相対位置座標データと第２傾きデータに分離した後に、前記測定方法で使用することも可能である。

また、前記測定範囲は被測定物の側面全周を第１の方向に１周測定して得られる第１相対位置座標データと第１傾きデータ及び第２の方向に１周測定して得られる第２相対位置座標データと第２傾きデータを用いて、前記測定方法で使用することも可能である。

また、前記測定範囲は被測定物の側面全周を第１の方向に２周以上測定して得られる第１相対位置座標データと第１傾きデータ及び第２の方向に２周以上測定して得られる第２相対位置座標データと第２傾きデータを用いて、前記測定方法で使用する事で信頼性を向上させることも可能である。

また、角度検出器の取付角度誤差は、入力装置から測定者が判断した適切な値を入力する事も可能である。

また、角度検出器の取付角度誤差は、角度検出器の取付調整を行わない限り不変であるため、一度、前記測定方法により算出した取付角度誤差を保持しておく事で、校正後の任意の測定でその値を使用する事も可能である。ただし、角度検出器が取付られている３次元形状測定装置の筐体が温度変化等による経時変化を発生している事も考えられるため、定期的な校正を行う事が好ましい。

本発明の測定方法によれば、角度検出器の取付角度誤差を容易に校正することができ、前記角度検出器の取付角度誤差による測定誤差を低減させる事が可能となる。また、測長座標系が光学系により構成されている場合において困難となる角度調整基準を設ける事についても、角度検出器が測長座標系に対してどの程度傾いているかを数値的に示す事が可能となるため、相対的な角度を用いた調整が可能となり角度調整基準を設ける事が容易となる。また、角度検出器の取付角度を繰返して調整する事も不要となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の一実施形態にかかる３次元形状測定方法を実施可能な３次元形状測定装置は、特許文献１に記載の３次元形状測定装置を改良したものであって、基本的な構造及び動作は当該特許文献１に記載の３次元形状測定装置と類似するため、簡単にそれらの説明を行なったのち、前記実施形態にかかる３次元形状測定方法について説明する。

図１に、本発明の前記実施形態にかかる３次元形状測定方法を実施可能な３次元形状測定装置１００Ｇの構成を示す。

前記３次元形状測定装置１００Ｇは、従来、精度良く測定できなかった穴や外形、任意形状の側面形状をナノメートルオーダーの高い精度で、さらに低測定力で短時間で測定可能とする装置である。測定対象物としては、例えば、極めて高精度が必要とされるモータの軸受け、インクジェットプリンタにおけるノズル、及び自動車エンジンにおける燃料噴射ノズル等における穴形状であり、又、流体軸受けに形成され潤滑剤を収容する溝部の形状、さらには、３次元形状測定装置に備わるマイクロエアスライドの内径、円筒度等である。又、半導体回路パターンにおけるトレンチ部分も測定対象に含めることができる。又、前記３次元形状測定装置用プローブを備えた３次元形状測定装置にて測定可能な被測定面は、該被測定面における接線方向と垂直方向との交差角度θにて０度から最大で約３０度までの間の角度にてなる面である。

図２Ａに前記３次元測定装置１００Ｇの測定点情報決定部８０Ｇの構成を示す。

まず、３次元形状測定装置用プローブ１０２Ｇについて説明する。図１に示す３次元形状測定装置用プローブ１０２Ｇは、前記３次元形状測定装置１００Ｇに備わりかつ測定対象となる被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａに接触する部分を有する物であって、プローブ１０２Ｇでは、Ｘ，Ｙ軸方向を問わず、いずれの方向にもアーム１２２を傾斜可能とする構成を有する。プローブ１０２Ｇは、取付用部材１１０と、測定面接触部としての機能を果たす一例に相当する揺動部材１２０と、スタイラス１０３Ｇと、連結機構１３０とを備えて、スタイラス１０３Ｇを鉛直方向に対して任意の方向に傾く事が可能としている。

取付用部材１１０は、３次元形状測定装置１００Ｇに固定され、又は着脱可能に取り付けられるブロック部材であり、揺動部材１２０が揺動するのに対し不動の部分であり、３次元形状測定装置１００Ｇのレーザ光源１０１Ｇから照射される測定用レーザ光（例えば、発振周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光）ＬＬ_１を通過可能とし、当該取付用部材１１０を貫通するレーザ光用開口１１１を中央部に有する。

揺動部材１２０は、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａに接触するスタイラス１０３Ｇを下向きに立設し、かつ取付用部材１１０を通過した測定用レーザ光ＬＬ_１を反射するミラー１０５Ｇをスタイラス１０３Ｇの上端に設け、被測定面２００Ｇａの形状に応じたスタイラス１０３Ｇの変位に対応して取付用部材１１０に対して揺動する部材である。スタイラス１０３Ｇの先端（図３では下端）には、真球度の高い球体（スタイラス先端球）１０４Ｇが取付けられており、この部分が被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａに接触する。

尚、本実施形態では、スタイラス１０３Ｇのスタイラス先端球１０４Ｇは、例えば、約０．３ｍｍ〜約２ｍｍの直径を有する球状体であり、アーム１２２は、太さが一例として約０．７ｍｍで、揺動部材１２０の下面からスタイラス先端球１０４Ｇの中心までは、一例として約１０ｍｍの長さＬにてなる棒状体である。これらの値は、被測定面２００Ｇａの形状により適宜変更される。又、揺動部材１２０の形状も円板状に限定するものではない。

連結機構１３０は、ミラー１０５Ｇに照射される前記測定用レーザ光ＬＬ_１の光軸２１１ａに対して交差するいずれの方向にも揺動部材１２０を傾斜させて揺動可能にして揺動部材１２０を取付用部材１１０に支持する機構である。このような機能を有する限り、連結機構１３０の形態は限定されないが、本実施形態では、連結部材１３１と支点用部材１３２とを有して構成している。尚、本実施形態では、前記光軸２１１ａは、鉛直方向であるＺ軸方向に一致する。

連結部材１３１は、取付用部材１１０に対向して揺動部材１２０を、部材を用いて若しくは用いずに、例えば吊り下げるような形態にて支持する棒状の部材であり、前記スタイラス１０３Ｇを被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａに押圧する押圧力を生じさせる力であって揺動部材１２０が傾斜しておらず前記光軸２１１ａに直交する初期状態の中立位置へ揺動部材１２０を復元させる復元力を生じさせる部材である。このような連結部材１３１の一例としては、伸縮可能で弾力性のある材料にてなる懸吊部材であり、例えばコイルバネを使用することができる。コイルバネを使用した場合、測定力等との関係で、一実施例として、バネ定数は４０μＮ／ｍｍ、測定力は０．２ｍＮ、揺動部材１２０の質量は６０ｍｇとすることができる。例えば、コイルバネの上端が取付用部材１１０に、下端が揺動部材１２０に取り付けるようにすればよい。又、複数のコイルバネが使用され、各コイルバネの下端部分は、揺動部材１２０の周縁部分に等間隔にて取り付けられるようにしてもよい。本実施形態では、一例として、光軸２１１ａ回りに大略等間隔に配置された３本のコイルバネを使用するが、４本以上設けても良い。又、各コイルバネにおける前記復元力は、同一であることが好ましい。

又、連結部材１３１は、上述したコイルバネのような、伸縮可能で弾力性のある材料にてなる部材に限定されない。上述したような復元力を生じさせる部材であればよい。

支点用部材１３２は、取付用部材１１０と揺動部材１２０とに挟まれて配置されコイルバネの前記復元力により取付用部材１１０及び揺動部材１２０に接触し、前記光軸２１１ａに対して揺動部材１２０が傾斜したとき揺動部材１２０の揺動の支点となる部材である。本実施形態では、支点用部材１３２は、三角形状の断面を有するリング状の部材であり、取付用部材１１０の下面及び揺動部材１２０の上面のいずれか一方の面に固定されるとともに、揺動部材１２０が傾斜したとき取付用部材１１０の下面及び揺動部材１２０の上面のいずれか他方の面と点接触する尖端を有して、該尖端で揺動部材１２０の揺動の支点となる支点部を構成する。尖端の高さは、支点用部材１３２のリング状の部材の全周にわたり一定であることが好ましい。

このように、本実施形態では、揺動部材１２０の上面に支点用部材１３２を固定し、尖端が取付用部材１１０の下面に接触するように配置している。又、支点用部材１３２は、その中心点と、ミラー１０５Ｇの中心点とを一致させるように、揺動部材１２０の上面に固定される。又、本実施形態では、支点用部材１３２は、一例として、その尖端が、一周連続して支点部として構成されているが、揺動部材１２０がいずれの方向にも自由に傾斜可能という機能を満足する限り、前記連続形成に限定されず、複数の尖端の集合から支点部を構成するようにしてもよい。

又、本実施形態では、支点用部材１３２の支点部が接触する取付用部材１１０の下面には、揺動部材１２０が水平方向に位置ずれするのを防止するための位置ずれ防止部１１２が形成されている。位置ずれ防止部１１２は、本実施形態では、取付用部材１１０の下面に形成された凹部形状にてなり、前記レーザ光用開口１１１が形成された平坦面１１２ａと、凹部の側壁に相当し前記光軸２１１ａを中心とした円錐形状の斜面１１２ｂにて形成され、支点用部材１３２の尖端は、平坦面１１２ａに対向して配置される。よって、斜面１１２ｂが障壁となることから、位置ずれ防止部１１２は、前記光軸２１１ａを常にミラー１０５Ｇの定点、例えば中心点に位置させるように機能し、支点用部材１３２が水平方向にずれるのを防止できる。又、平坦面１１２ａにおける支点用部材１３２の位置ずれ量を最小にするには、平坦面１１２ａと斜面１１２ｂとの境界部に支点用部材１３２の尖端が位置するよう構成するとよい。又、揺動部材１２０の自由な揺動を妨げないように、支点用部材１３２において尖端を形成する支点用部材１３２の斜面の傾斜角度に比べて、斜面１１２ｂの傾斜角度をより緩やかにすればよい。尚、位置ずれ防止部１１２の形成は、任意であり、形成しなくても良い。

このように構成される、本実施形態の３次元形状測定装置におけるプローブ１０２Ｇは、以下のように動作可能としている。

即ち、取付用部材１１０からコイルバネの連結部材１３１にて吊り下げられている揺動部材１２０は、コイルバネの復元力により取付用部材１１０側へ引っ張られている。よって、揺動部材１２０に固定された支点用部材１３２は、取付用部材１１０の下面と揺動部材１２０の上面との間に挟まれ、支点用部材１３２の尖端が取付用部材１１０の下面に接触している。上述のように各コイルバネにおける復元力は、同一であることから、取付用部材１１０に対して揺動部材１２０が傾斜していない状態、つまり前記初期状態に揺動部材１２０があるとき、支点用部材１３２の全周において尖端が取付用部材１１０の下面に接触している。又、この初期状態のとき、本実施形態では、揺動部材１２０に備わるアーム１２２は、鉛直方向に沿って位置する。

一方、後述するように被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａの３次元形状測定は、揺動部材１２０に取り付けられているスタイラス１０３Ｇを被測定面２００Ｇａに所定の押圧力にて押しつけて行われる。該押圧力は、スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを被測定面２００Ｇａに接触させた状態で取付用部材１１０を被測定物２００Ｇ側へ僅かに移動させることで、図３に示すように揺動部材１２０は傾斜する。該傾斜により、揺動部材１２０には連結部材１３１であるコイルバネの復元力が作用し、その結果、スタイラス１０３Ｇは被測定面２００Ｇａに所定の押圧力つまり概略一定の測定力にて押圧されることになる。揺動部材１２０が傾斜するとき、支点用部材１３２の全周の内の一点にて尖端が取付用部材１１０の下面と接触し、該尖端が支点となり揺動部材１２０の傾斜を可能とする。よって、支点となる部分以外の尖端は、取付用部材１１０の下面とは接触していない。又、スタイラス１０３Ｇに作用する力の向きに従い、支点となる位置は、各連結部材１３１のコイルバネの復元力により、支点用部材１３２の全周上を自在に移動可能である。よって、スタイラス１０３Ｇ及びアーム１２２は、取付用部材１１０の下面に接触している尖端を支点として、ジョイスティックのように首振り運動可能であり、つまり３６０度のいずれの方向にも揺動及び回動可能である。又、このような揺動部材１２０の揺動に起因して、前記光軸２１１ａがミラー１０５Ｇ上の定点から水平方向にずれるように揺動部材１２０が位置ずれしたときでも、本実施形態では前記位置ずれ防止部１１２を形成していることから、自動的に、前記光軸２１１ａがミラー１０５Ｇ上の定点に戻るように揺動部材１２０の位置修正が行われる。

また、被測定物２００Ｇは定盤２９２上に固定されている。一方、平面上で互いに直交するＸ軸及びＹ軸方向にそれぞれ独立して可動であるＸ軸ステージ１１２Ｇ及びＹ軸ステージ１１３Ｇを定盤２９２上に設置し、Ｙ軸ステージ１１３Ｇ上にレーザ光源１０１Ｇと測定点情報決定部８０ＧとＺ軸ステージ１１４Ｇとを配置している。また、Ｚ軸ステージ１１４Ｇの下部に前記プローブ１０２Ｇを設けることにより、前記プローブ１０２ＧをＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の全方向にそれぞれ独立して移動させることができるようにしている。Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３ＧとＺ軸ステージ１１４Ｇとは制御装置１１１Ｇにより駆動制御されるようにしている。よって、定盤２９２上に固定された被測定物２００Ｇに対して、プローブ１０２Ｇのスタイラス１０３Ｇを、Ｘ軸ステージ１１２ＧでＸ軸方向に進退させ、Ｙ軸ステージ１１３ＧでＹ軸方向に進退させるとともに、Ｚ軸ステージ１１４ＧでＺ軸方向に進退させるように、制御装置１１１Ｇにより駆動制御されるようにしている。

このような構成の３次元形状測定装置１００Ｇにおいては、被測定物２００Ｇの側面である被測定面２００Ｇａに、プローブ１０２Ｇの先端に取付けられるスタイラス１０３Ｇを概略一定の測定力となるように接触させるための追従制御及び、測定方向（走査方向）への走査を行うための位置決め制御を、制御装置１１１Ｇの制御下で、Ｘ軸ステージ１１２Ｇ、Ｙ軸ステージ１１３Ｇ及びＺ軸ステージ１１４Ｇをそれぞれ独立して駆動することにより行うことができる。このとき、制御装置１１１Ｇは、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａをプローブ１０２Ｇで走査するとき、プローブ１０２Ｇにおける揺動部材１２０を特定方向にのみ傾斜させず、いずれの方向にも揺動させるように、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３ＧとＺ軸ステージ１１４Ｇとをそれぞれ独立して駆動制御して、プローブ１０２ＧのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の移動量をそれぞれ制御することができる。

また、レーザ光源１０１Ｇより発生される測定用レーザ光と参照ミラー１１５Ｇ（Ｚ軸参照ミラー（Ｚ軸方向における基準面を有する基準ミラー）とを用いて示している。（ＸＹ軸についても同様。）を用いて、スタイラス１０３Ｇの相対的な位置座標を測長するようにしている。

測定点情報決定部８０Ｇは、レーザ光発生部２１０にて発生したレーザ光２１１を用いて被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａにおける測定点（接触点）２００Ｇｂの位置情報を得るための光学系９０Ｇと、並びにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の各基準面からのレーザ光と前記測定点２００Ｇｂからのレーザ光との干渉に基づき測長を行うレーザ測長部とを有するように構成されている。このレーザ測長部は、一例として、位置座標測定部１０８Ｇと角度検出部１０６Ｇとで構成されている。

前記光学系９０Ｇは、反射ミラー９１Ｇや半透過ミラー９２Ｇで構成される。レーザ光源１０１Ｇより発生する測定用レーザ光ＬＬ_１を、前記光学系９０Ｇを使用して、スタイラス１０３Ｇの基端（図３では上端）に取付けられたミラー１０５Ｇに照射し、反射光ＬＬ_２を光学系９０Ｇを使用して位置座標測定部１０８Ｇでスタイラス１０３Ｇの相対位置を測長して、スタイラス位置データを取得する。また、スタイラス１０３Ｇは、前記したように外力により支点（回転中心を意味する）を中心として任意方向に傾く事が可能であり、前述の反射光ＬＬ_２の一部を光学系９０Ｇの半透過ミラー９２Ｇによりスタイラス傾き角度検出部１０６Ｇに入射させ、スタイラス傾き角度検出部１０６Ｇの表面におけるレーザ光のスポット中心位置の変位（変位量）からスタイラス１０３Ｇの傾きの変化（変化量）を検出する。前記スタイラス傾き角度検出部１０６Ｇで検出されたスタイラス１０３Ｇの傾きの変化（変化量）を用いて、制御装置１１１ＧがＸ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３ＧとＺ軸ステージ１１４Ｇとを駆動制御するようにしている。

スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａに接触させた際のスタイラス１０３Ｇの傾き角度検出方法について図３を参照しながら、以下に説明する。図３では、理解を容易とするために、図２Ａの光学系９０Ｇの構成にミラー１１６Ｇを追加している。図３では煩雑な表記を避けるためレーザ光軸のみを記述している。スタイラス１０３Ｇが傾いていない場合には、反射光ＬＬ_２の光スポット中心が角度検出部１０６Ｇの中心位置３００Ｇａに一致する。これに対し、スタイラス１０３Ｇの先端がＸ軸＋方向（図３の右方向）に押された場合は、反射光ＬＬ_２の光スポット中心である反射光ＬＬ_２の照射位置が、中心位置３００Ｇａから左側に外れた、位置３００Ｇｂに移動する。

同様に、スタイラス１０３Ｇが任意の方向に傾く事により、図４に示すように、その傾きの方向及び大きさに合わせて、反射光ＬＬ_２の光スポット中心位置が２次元的に変化する。位置３０１ＧｂはＸ軸＋側に向けてスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを被測定物２００Ｇに接触させた状態、位置３０１ＧｃはＸ軸−側に向けてスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを被測定物２００Ｇに接触させた状態、位置３０１ＧｄはＹ軸＋側に向けてスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを被測定物２００Ｇに接触させた状態、位置３０１ＧｅはＹ軸−側に向けてスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを被測定物２００Ｇに接触させた状態をそれぞれ示している。角度検出部１０６Ｇにおいて、前記光スポット中心位置の変位量を検出する事により、スタイラス１０３Ｇの傾きを取得する事ができる。角度検出部１０６Ｇには、例えば４分割フォトダイオードや２次元ＰＳＤなど、光スポット中心位置を２次元で検出できるものであれば適用可能である。以降では、角度検出部１０６Ｇに適用されるセンサを総称して「角度検出器」と呼ぶ。

また、スタイラス１０３Ｇの測定力を概略一定とするために、制御装置１１１Ｇにより、事前に決定された追従目標値に対する光スポット中心位置の差を基に、Ｘ軸ステージ１１２ＧとＹ軸ステージ１１３ＧとＺ軸ステージ１１４Ｇとを駆動制御することにより、従来技術と同様な追従制御を行うことができる。例えば、図３に示すように、Ｘ軸方向のスタイラス１０３Ｇの傾きが概略一定値θ_ｘとなるように、Ｘ軸ステージ１１２Ｇが制御装置１１１Ｇにより駆動制御される。この制御は、測定用レーザ光ＬＬ_１が、傾いたスタイラス１０３Ｇの基端にあるミラー１０５Ｇに反射されて反射光ＬＬ_２となり、その反射光ＬＬ_２が角度検出器１０６Ｇの受光面に照射されるときの、その光スポット中心が受光面の中心から距離Ｘ_ｔだけ離れた位置３００Ｇｂの直線上に追従するように制御系を構成する事で実現される。

ここで、前記したように光スポット中心が受光面の中心から距離Ｘ_ｔだけ離れた位置３００Ｇｂの直線上に追従するために、前記制御系は、以下のように構成している。

まず、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａにスタイラス１０３Ｇが接触した状態を初期状態と考える。このとき、Ｘ軸ステージ１１２Ｇ又はＹ軸ステージ１１３Ｇが微小移動したとすると、スタイラス１０３Ｇの傾きが、Ｘ軸ステージ１１２Ｇ又はＹ軸ステージ１１３Ｇの移動量に従って微小変化すると同時に、スタイラス上端のミラー１０５Ｇも同様に傾く。ミラー１０５Ｇの傾きが変化すると、ミラー１０５Ｇによる反射光の方向も微小変化し、角度検出器１０６Ｇ上のスポット中心位置が微小変化する。スポット中心位置は、角度検出器１０６Ｇからの出力（電圧値）で検出する事が可能であり、スポット中心位置と、事前に設定された追従目標位置（図３における直線１１９Ｇ）に相当する電圧値とを制御装置１１１Ｇにより比較する事が可能である。この比較した結果から、スポット中心位置３００Ｇｂが目標位置１１９Ｇに対して角度検出器１０６Ｇの原点Ｏよりも離れている場合には、原点Ｏに向かう方向にＸ軸ステージ１１２Ｇ又はＹ軸ステージ１１３２Ｇを移動する。逆の場合も同様である。この動作を繰り返すことにより、スポット中心位置が目標位置１１９に追従する事になる。

ここで、前記距離Ｘ_ｔに相当する、角度検出器１０６Ｇ上の目標値Ｘ_ｔは、測長座標系におけるスタイラス１０３Ｇの傾き目標値θ_ｘに対応する。

また、前記位置座標測定部１０８Ｇと角度検出部１０６Ｇとに接続された演算処理部１０９Ｇでは、前記位置座標測定部１０８Ｇで求めたスタイラス１０３Ｇの相対位置座標データと、角度検出部１０６Ｇで求めたスタイラス１０３Ｇ、の傾きデータとを用いて、前記スタイラス１０３Ｇと被測定物２００Ｇとの接触点位置座標データを算出する。

前記演算処理部１０９Ｇの構成について図２Ｂを参照して説明する。位置座標測定部１０８Ｇで求めたスタイラス１０３Ｇの相対位置座標データ及び角度検出部１０６Ｇで求めたスタイラス１０３Ｇの傾きデータは、それぞれ、記憶部４００及び４０１に記憶される。記憶部４０１に記憶された前記傾きデータは、スタイラス先端変位演算部４０３において、記憶部４０２に記憶された後述の角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを用いて補正され、傾き補正データが算出される。記憶部４００に記憶された前記相対位置座標データ及びスタイラス先端変位演算部４０３で求められた傾き補正データは、加算部４０４で加算され、スタイラス１０３Ｇと被測定物２００の接触点位置座標データが算出される。比較部４０６では、第１及び第２実施形態においては、第１の走査方向に走査して前記したように加算部４０４などで算出される第１接触点位置座標データと第２の走査方向に走査して前記したように加算部４０４などで算出される第２接触点位置座標データを比較して、両者の誤差データを算出する事も可能であるし、本発明の第３実施形態においては、事前に入力装置（例えば、キーボード、タッチパネル、マウス、音声入力装置など）４１１により入力されて記憶部４０５で記憶された既知形状データと前記したように加算部４０４などで算出される前記接触点位置座標データとを比較し、誤差データを算出する事も可能である。前記誤差データは、記憶部４０７に記憶され、表示装置４１３に出力されて表示装置４１３で表示される。また、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを校正する場合には、記憶部４０７に記憶された前記誤差データと、事前に入力装置４１１で比較部４０７Ｈに入力された校正完了の判定値とを比較部４０７Ｈにおいて比較し、校正が完了していない場合においては、γ校正部４０７Ｇにおいて角度検出器４０６Ｇの取付角度誤差γを校正する。なお、前記スタイラス先端変位演算部４０３で使用する、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γは、事前に入力装置４１１で記憶部４０２に入力された値又はγ校正部４０７Ｇで算出されて記憶部４０２に記憶された値である。

以降では、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａを測定する際の、被測定物２００Ｇとスタイラス１０３Ｇの位置関係及び角度検出器１０６Ｇと光スポット中心位置の関係について説明する。

以降の説明を容易にするため、簡易的な表記を図７Ａ及び図７Ｂに示す。図７Ａは被測定物２００Ｇにスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを押込み量が目標値１２０Ｇとなるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図、図７Ｂはスタイラス１０３Ｇの傾きに対する角度検出器１０６Ｇと光スポット中心３０２Ｇ及び制御目標値１１９Ｇを示している。図７Ａの上面図においては、被測定物２００Ｇ、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇ及び接触点１１８Ｇのみを三角形の印及び星印でそれぞれ示し、スタイラス１０３Ｇについては省略している。以下では、図７Ａの上面図及び図７Ｂの表記を用いて説明を行う。

スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを被測定物２００ＧのＸ軸＋側に概略一定の測定力で接触させつつ、Ｙ軸方向（例えば、相反する２方向であるＹ軸＋方向とＹ軸−方向）に走査するときのスタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇ及び接触点１１８Ｇの位置関係を図８Ａ〜図８Ｆに示す。図８Ａ〜図８Ｃは、スタイラス１０３ＧがＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸＋側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図８Ｄ〜図８Ｆはスタイラス１０３ＧがＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。また、図８Ａ〜図８Ｆにおいて上側の図は被測定物２００Ｇとスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇが接触する際のスタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇと接触点１１８Ｇの位置関係を示しており、下側の図は角度検出器１０６Ｇにおける光スポット中心３０３Ｇａ〜３０３Ｇｆの位置関係を示している。

スタイラス１０３ＧがＹ軸方向に静止している図８Ａの状態では、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇと接触点１１８Ｇを結ぶベクトルはＸ軸に平行となり、スタイラス１０３ＧにはＹ軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス１０３ＧがＹ軸＋方向に移動し始めた瞬間の状態である図８Ｂの状態では、被測定物２００Ｇからの抗力がスタイラス１０３Ｇの接触点１１８Ｇに働くため、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス１０３Ｇの傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス１０３Ｇの接触点１１８Ｇがその場に留まろうとするため、スタイラス１０３Ｇの支点１１７ＧのみがＹ軸＋方向へ変位する事になる。そして、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇと接触点１１８ＧのＹ軸方向の相対距離が大きくなり、スタイラス１０３Ｇの傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス１０３Ｇの接触点１１８Ｇが移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図８Ｃに示す。動摩擦力≦静摩擦力となるため、Ｘ軸方向のスタイラス１０３Ｇの傾きが一定である場合には、接触点１１８Ｇが一度移動し始めた後は、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇと接触点１１８ＧのＹ軸方向の相対距離が一定となるようにスタイラス１０３Ｇが傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器１０６Ｇと光スポット中心３０３Ｇｃの位置関係が図８Ｃの下側の図に示すようになる。スタイラス１０３ＧがＹ軸−側に走査するときの状態の推移を示す図８Ｄ〜図８Ｆについては、前述の内容と同様に説明できるため省略する。

最後に、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａである側面にスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを接触させ、スタイラス１０３Ｇが任意の方向に傾いた状態において被測定物２００Ｇとスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇの接触点１１８Ｇの座標値を取得する技術について説明する。

まず、簡単のため、図５Ａに示すように被測定物２００Ｇにスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを接触させて測定する際に、スタイラス１０３Ｇを傾かせないで測定できるものと仮定する。この仮定においては、従来の３次元測定技術を使用して、スタイラス先端位置の相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が取得できる。

次に、図５Ｂ〜図５Ｄに示すように、スタイラス１０３Ｇが、図５Ａの支点１１７Ｇを中心として鉛直方向より傾いて測定された場合を仮定する。ここでは、スタイラス１０３Ｇの鉛直方向に対するＸ軸上の傾きθ_ｘとＹ軸上の傾きθ_ｙは、誤差を含むことなく、スタイラス傾き角度検出部１０６Ｇで検出できると仮定する。前述と同様に、スタイラス１０３Ｇが傾いていないと仮定した場合のスタイラス１０３Ｇの先端位置１０４Ｇａの相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が、従来の３次元測定技術を使用して位置座標測定部１０８Ｇで取得することができる。

実際には、スタイラス１０３Ｇが傾いているため、前記相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、被測定物２００Ｇとスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇの接触点１０４Ｇｂの接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を示すものではない事がわかる。このため、相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とスタイラス１０３Ｇの傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）を用いて、接触点１１８Ｇの接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を位置座標測定部１０８Ｇで求めることが必要となる。なお、スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇと被測定物２００Ｇの接触点１１８Ｇとは、スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇと被測定物２００Ｇが接触した状態におけるスタイラス先端球１０４Ｇの中心点を指す。スタイラス１０３Ｇが鉛直方向に静止していた初期状態より（θ_ｘ，θ_ｙ）だけ傾くと、スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇは相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対し下記の計算式（数４）で得られる（δ_ｘ，δ_ｙ，δ_ｚ）だけ変位することになる。

上式において、変数Ｌはスタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇからスタイラス先端球１０４Ｇの中心までの長さを表す。

以上より、相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）にスタイラス１０３Ｇの傾きによるスタイラス先端の変位量（δ_ｘ，δ_ｙ，δ_ｚ）を加算部４０４で加える事により、接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）が加算部４０４で求まる。

ここまでは、スタイラス１０３Ｇの基端のミラー１０５Ｇから反射されたレーザ光ＬＬ_２を角度検出器１０６Ｇに照射することによりスタイラス１０３Ｇの傾きが期待通りに求まる事を前提としたものであるが、サブミクロンの測定精度を実現するためには、前記したように、測長座標系と角度検出器１０６Ｇの成す角度（以下、「取付角度誤差」と呼ぶ）が無視できない課題であり、この課題を前記実施形態にかかる３次元形状測定方法により解決するものである。

前述のとおり、接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を高精度に求める際には、測長座標系における高精度な相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と測長座標系におけるスタイラス１０３Ｇの高精度な傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）が必要となる。

前記測長座標系におけるスタイラス１０３Ｇの傾き（θ_ｘ，θ_ｙ）を角度検出器１０６Ｇ上で光スポット中心位置の変位量から算出するためには、図３に示すように角度検出器１０６Ｇの座標軸θ_ｘ、θ_ｙが測長座標系に平行となる事が必要となる。しかし、実際には、図６に示すように角度検出器１０６Ｇの座標軸θ_ｘ、θ_ｙは測長座標系に対して平行になるとは限らず、角度検出器１０６Ｇの原点を中心に回転して角度検出器１０６Ｇが測長座標系に取付けられることになる。このため、この角度検出器１０６Ｇから検出されるスタイラス１０３Ｇの傾き（θ_ｘ’，θ_ｙ’）と、本来求めるべき測長座標系におけるスタイラス１０３Ｇの傾き（θ_ｘ，θ_ｙ）が一致しない事は明らかである。また、測長座標系が光学的に構成される事を考慮すると、測長座標系に対して角度検出器１０６Ｇの取付角度を調整する事は非常に困難となる。

次に、図５Ｂを例として被測定物２００Ｇとスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇとの接触点１１８Ｇを取得する際の角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差の影響について説明する。スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇが被測定物２００Ｇに接触している状態において、測長座標系におけるスタイラス１０３Ｇの傾きが（θ_ｘ，θ_ｙ）であるとする。

今、角度検出器１０６Ｇが測長座標系に対して角度γだけ誤差（取付角度誤差）を含んで取付られているとする。このとき、角度検出器１０６Ｇから検出された傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）は、測長座標系におけるスタイラス１０３Ｇの傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）に対して下記の（数５）の式の関係となる。

また、（θ_ｘ’，θ_ｙ’）から推定されるスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇの変位量（δ_ｘ’，δ_ｙ’，δ_ｚ’）は下式（（数６）の式）となる。

つまり、相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を求める際に、本来のスタイラス１０３Ｇの傾き（θ_ｘ，θ_ｙ）を用いる場合と角度検出器１０６Ｇから検出された傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）を用いる場合において、（δ_ｘ’−δ_ｘ，δ_ｙ−δ_ｙ’，δ_ｚ−δ_ｚ’）の誤差が生じる事がわかる。

前述の誤差は、例えば、スタイラス１０３Ｇの長さＬ＝２０ｍｍ、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γ＝１°とし、被測定物２００Ｇにスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇを押込む量をδ_ｘ＝１０μｍとし、δ_ｙ＝０μｍとするときには、δ_ｘ’＝９．９９８μｍ，δ_ｙ’＝０．１７５μｍとなり、サブミクロンの測定精度を得るためには無視できない事が明らかである。

次に、角度検出器１０６Ｇが取付角度誤差γを持つ場合において、従来技術を用いて、測定力を概略一定にする追従制御について説明する。

図６は、角度検出器１０６Ｇが取付角度誤差γのズレを含んでいる状態を示している。前述と同様に、角度検出器１０６Ｇの目標位置１１９Ｇに光スポット中心３００Ｇｃを位置合わせするようにＸ軸ステージ１１２Ｇを制御する。このとき、角度検出器１０６Ｇが取付角度誤差γだけ傾いているため、スタイラス１０３Ｇの傾きは本来の目標角度θ_ｘではなく、少しずれた角度θ_ｘ’で概略一定となるような制御結果となる。

この追従制御を行いつつ、スタイラス１０３Ｇを被測定物２００Ｇに対して相対的にＹ軸上を走査するときの、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇと接触点１１８Ｇの位置関係及び、角度検出器１０６Ｇと光スポット中心３０４Ｇａ〜３０４Ｇｈの位置関係を図９Ａ〜図９Ｈに示す。

図９Ａ〜図９Ｄは、スタイラス１０３ＧがＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸＋側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図９Ｅ〜図９Ｈはスタイラス１０３ＧがＹ軸方向に対して静止している状態からＹ軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。スタイラス１０３ＧがＹ軸方向に静止している図９Ａの状態では、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇと接触点１１８Ｇを結ぶベクトルはＸ軸に平行となり、スタイラス１０３ＧにＹ軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス１０３ＧがＹ軸＋方向に移動し始めた瞬間の状態を図９Ｂに示す。被測定物２００Ｇからの抗力がスタイラス１０３Ｇの接触点１１８Ｇに働き、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス１０３Ｇの傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス１０３Ｇの接触点１１８Ｇがその場に留まろうとするため、スタイラス１０３Ｇの支点１１７ＧのみがＹ軸＋方向へ変位し、結果的にスタイラス１０３ＧがＹ軸方向にも傾くことになる。このとき、Ｙ軸方向の光スポット中心が変位する。ところが、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差が含まれる事により、角度検出器１０６Ｇ上のＸ軸方向の制御目標位置１１９Ｇからの誤差が発生する。このとき、図９Ｃに示すように、Ｘ軸方向の追従制御により、角度検出器１０６Ｇの目標位置へ追従するため、Ｘ軸方向のスタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇが、スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇの押込みを減らす方向に移動する。スタイラス１０３Ｇの傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス１０３Ｇの接触点１１８Ｇが移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図９Ｄに示す。接触点１１８Ｇが一度移動し始めた後は、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇと接触点１１８ＧのＹ軸方向の相対距離が一定となるように、傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器１０６Ｇと光スポット中心３０４Ｇｄの位置関係が図９Ｄの下側の図に示すようになる。スタイラス１０３ＧがＹ軸方向に静止している状態からＹ軸−側に走査するときの状態の推移を示す図９Ｅ〜図９Ｈについては、前述の内容と基本的に同様であるが、Ｙ軸方向の走査による摩擦力の発生方向が逆転するため、スタイラス１０３Ｇの支点１１７Ｇが、スタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇをより押込ませる方向に変位する事になる。

前述の現象が測定結果に与える影響を説明する。被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａをスタイラス１０３ＧがＹ軸＋方向に走査して、少なくとも２箇所以上で取得した第１相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第１傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）と、前記測定位置と概略一致する位置をスタイラス１０３ＧがＹ軸−方向に走査して、少なくとも２箇所以上で取得した第２相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第２傾きデータ（θ_ｘ，θ_ｙ）とを用いて、スタイラス１０３ＧのＹ軸＋方向走査時の被測定物２００Ｇとスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇの接触点位置座標データと、スタイラス１０３ＧのＹ軸−方向走査時の被測定物２００Ｇとスタイラス１０３Ｇの先端球１０４Ｇの接触点位置座標データとを算出した結果を図１０Ａに示す。図１０Ａにおいて、被測定物２００Ｇに対するＹ軸＋方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ１２１ａとＹ軸−方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ１２１ｂは一致しない。

これが、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差に起因する測定誤差であり、スタイラス１０３Ｇが測長座標系のＸ軸、Ｙ軸方向に傾いているにも関わらず、測長座標系に対して傾いている角度検出器１０６Ｇの検出結果を用いて接触点を算出した結果に他ならない。

本実施形態にかかる３次元形状測定方法では、この取付角度誤差を以下の手順で補正することにより、前記測定誤差を低減させるものである。

前記補正処理は、スタイラス先端変位演算部４０３で実施される。

まず、図１１Ａに示すような取付角度誤差の無い角度検出器１０６Ｇの座標軸をθ_ｘ軸とθ_ｙ軸と、図１１Ｂに示すような前記角度検出器１０６Ｇの原点Ｏを中心に取付角度誤差γだけ回転したときの角度検出器１０６Ｇの座標軸をθ_ｘ’軸とθ_ｙ’軸を仮定する。

今、光スポット中心３０５Ｇが図１１Ａ及び図１１Ｂに示す位置に照射されていると仮定する。これは、角度検出器１０６Ｇの取付状態が、図１１Ｂに示す場合においては角度検出結果がθ_ｘ’θ_ｙ’座標において第１象限で検出されるが、図１１Ａに示す取付角度誤差の無い理想的な角度検出結果としてはθ_ｘ軸上に存在する事になる。角度検出器１０６Ｇの２次元空間の等方性が得られれば、下式（数７）に示すような座標変換をスタイラス先端変位演算部４０３により行う事により、角度検出結果を図１１Ｂで示されるθ_ｘ’θ_ｙ’座標から図１１Ａで示されるθ_ｘθ_ｙ座標に変換する事が可能となる。

この変換を実現するためには角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γが必要となる。

前記取付角度誤差γは以下のようにして算出する。まず、スタイラス１０３Ｇを第１の方向に走査して、少なくとも２箇所以上の位置で、位置座標測定部１０８Ｇと角度検出部１０６Ｇとでそれぞれ第１相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第１傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）を求める。また、スタイラス１０３Ｇを第１の方向と相反する第２の方向に走査して、前記第１相対位置座標データ及び傾きデータを求めた位置と概略一致する位置で、位置座標測定部１０８Ｇと角度検出部１０６Ｇとでそれぞれ第２相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第２傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）とを求める。また、事前に入力装置４１１から取付角度誤差γの初期値を入力しておく事で（数７）で示される座標変換式が実現される。前記座標変換式はスタイラス先端変位演算部４０３に実装される。前記第１傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）と前記第２傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）を前記スタイラス先端変位演算部の座標変換式により、スタイラス先端変位演算部４０３にて第１傾き補正データ（θ_ｘ，θ_ｙ）と第２傾き補正データ（θ_ｘ，θ_ｙ）を得る。次いで、前記それぞれ求められた第１相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第１傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）、及び、第２相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と第２傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）と、前記変換後の第１傾き補正データ（θ_ｘ，θ_ｙ）と第２傾き補正データ（θ_ｘ，θ_ｙ）とを加算部４０４を用いて加算する事により、スタイラス１０３Ｇと被測定物２００Ｇの第１接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）と第２接触点位置座標データ（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を算出する。そして、最適な取付角度誤差γをγ校正部４０７Ｇで探索する事で、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を校正する。以下では、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を演算処理部１０９Ｇで校正する方法を説明する。

先に述べたように、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａ上をスタイラス１０３Ｇにより、前記相反する２方向（例えば、Ｙ軸＋方向とＹ軸−方向）へ走査する事で得られる接触点位置座標データ１２１ａと接触点位置座標データ１２１ｂは、角度検出器１０６Ｇの取付誤差が存在する場合には、図１０Ａのように、双方の接触点位置座標データ１２１ａと接触点位置座標データ１２１ｂが一致しない。しかし、角度検出器１０６の取付角度誤差が小さくなると、図１０Ｂに示すように前記接触点位置座標データ１２１ａと接触点位置座標データ１２１ｂの差は小さくなり、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差が存在しない場合には、図１０Ｃに示すように、前記接触点位置座標データ１２１ａと接触点位置座標データ１２１ｂは測定精度の範囲で一致する。

そこで、前記最適な取付角度誤差γをγ校正部４０７Ｇにより探索するための１つの指標を、以下のように、γ校正部４０７Ｇで定義する。

図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて、スタイラス１０３Ｇを相反する２方向（例えば、Ｙ軸＋方向とＹ軸−方向）へ走査する事で得られる接触点位置座標データ１２１ａと接触点位置座標データ１２１ｂの差を表す指標として、本発明の第１及び第２実施形態においては第１の走査方向に対する接触点推定データ（Ｘ_{ａ'［ｉ］}，Ｙ_{ａ'［ｉ］}，Ｚ_{ａ'［ｉ］}）と、第２の走査方向に対する接触点位置座標データ（Ｘ_{ｂ'［ｉ］}，Ｙ_{ｂ'［ｉ］}，Ｚ_{ｂ'［ｉ］}）とするとき、以下の（数８）の最初の３行に示すように比較部４０６で比較し、最終行の距離ｄをγ校正部４０７Ｇで定義する。ただし、添字ｉは、データ数をＮ（任意の整数）とするとき、ｉ＝１，２，・・・，Ｎである。

また、本発明の第３実施形態においては被測定物２００Ｇが既知形状である場合においては、前記最適な取付角度誤差γをγ校正部４０７Ｇにより探索するための以下に示す別の指標を、γ校正部４０７Ｇで定義する。第１の走査方向に対する第１接触点位置座標データ（Ｘ_{ａ'［ｉ］}，Ｙ_{ａ'［ｉ］}，Ｚ_{ａ'［ｉ］}）と第１既知形状データ（Ｘ_{Ｄａ'［ｉ］}，Ｙ_{Ｄａ'［ｉ］}，Ｚ_{Ｄａ'［ｉ］}）、及び第２の走査方向に対する第２接触点位置座標データ（Ｘ_{ｂ'［ｉ］}，Ｙ_{ｂ'［ｉ］}，Ｚ_{ｂ'［ｉ］}）と第２既知形状データ（Ｘ_{Ｄｂ'［ｉ］}，Ｙ_{Ｄｂ'［ｉ］}，Ｚ_{Ｄｂ'［ｉ］}）とするとき、両接触点位置座標データの差を表す指標として（数９）の最終行の距離ｄをγ校正部４０７Ｇで定義する。なお、（数９）の最終行以外の項目は比較部４０６で実現する。なお、前記第１及び第２既知形状データは入力装置４１１により入力されるものとし、多数の３次元座標データ群であっても良いし、例えば既知形状が球体であれば半径値を入力する事により接触点位置座標データに対応する既知形状データを算出する事も可能である。

前記（数８）の最終行の距離ｄ及び（数９）の最終行の距離ｄの２つの指標がそれぞれ事前に入力装置で入力された校正完了のための判定値よりも小さくなるような角度γを演算処理部１０９Ｇにより探索する事により校正し、スタイラス先端変位演算部４０３において前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を前記校正された角度γとする事により、スタイラス先端変位演算部４０３で、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γの補正が可能となる。なお、前記校正された取付角度誤差γは、校正後に任意の方向に走査して求めたスタイラス１０３Ｇの第３相対位置座標データ及び第３傾きデータに対しても適用可能であり、演算処理部１０９Ｇにおいて前記第３相対位置座標データ及び第３傾きデータからスタイラス１０３Ｇと被測定物２００Ｇの接触点位置座標データを算出する事ができる。

また、被測定物２００Ｇが既知形状でありかつその既知形状データを使用することができ、接触点位置座標データと既知形状データの誤差を指標とする場合においては、演算処理部１０９Ｇに、接触点位置座標データを既知形状データへ位置合わせする処理部を追加する事により比較部４０６で前記既知形状データへ位置合わせした接触点位置座標データと前記既知形状データの誤差を算出する事が好ましい。この位置合わせ方法の一例として、接触点推定データと既知形状データの差の自乗総和平均を最小にする座標変換量を求めた後に、前記接触点推定データを前記座標変換量を用いて座標変換すれば良い。

さらに、本発明の第３実施形態においては（数９）の最終行に示す距離ｄを指標として前記γ校正部４０７Ｇで使用する場合においては、第１誤差データがｄｘ_ａ＝ｄｙ_ａ＝ｄｚ_ａ＝０かつ第２誤差データがｄｘ_ｂ＝ｄｙ_ｂ＝ｄｚ_ｂ＝０となるときに、距離ｄ＝０が保証される。つまり、前記γ校正部４０７Ｇで下式（数１０）の指標に拡張する事により、第１の走査方向に走査してスタイラス１０３Ｇの相対位置座標データを求める測定位置と第２の走査方向に走査してスタイラス１０３Ｇの相対位置座標データを求める測定位置は一致する必要が無い上に、両者の測定データ数が異なっても前記取付角度誤差の校正を前記γ校正部４０７Ｇで行なうことができる事になる。

この状態を図１０Ｄ〜図１０Ｆに示す。図１０Ｄにおいて、スタイラス１０３ＧをＹ軸＋側へ走査したときの接触点位置座標データを（Ｘ_{ｄａ［ｉ］}，Ｙ_{ｄａ［ｉ］}，Ｚ_{ｄａ［ｉ］}）、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを（Ｘ_{Ｄｄａ［ｉ］}，Ｙ_{Ｄｄａ［ｉ］}，Ｚ_{Ｄｄａ［ｉ］}）とする。添字ｉはｉ＝１，２，・・・，５である。同様に、スタイラス１０３ＧをＹ軸−側へ走査したときの接触点位置座標データを（Ｘ_{ｄｂ［ｊ］}，Ｙ_{ｄｂ［ｊ］}，Ｚ_{ｄｂ［ｊ］}）、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを（Ｘ_{Ｄｄｂ［ｊ］}，Ｙ_{Ｄｄｂ［ｊ］}，Ｚ_{Ｄｄｂ［ｊ］}）とする。添字ｊはｊ＝１，２，３である。図１０Ｄにおける指標ｄ_ｄは下記のように（数１１）により前記γ校正部４０７Ｇでで求まる。

同様に図１０Ｅについても同様に、スタイラス１０３ＧをＹ軸＋側へ走査したときの接触点位置座標データを（Ｘ_{ｅａ［ｉ］}，Ｙ_{ｅａ［ｉ］}，Ｚ_{ｅａ［ｉ］}）、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを（Ｘ_{Ｄｅａ［ｉ］}，Ｙ_{Ｄｅａ［ｉ］}，Ｚ_{Ｄｅａ［ｉ］}）、スタイラス１０３ＧをＹ軸−側へ走査したときの接触点位置座標データを（Ｘ_{ｅｂ［ｊ］}，Ｙ_{ｅｂ［ｊ］}，Ｚ_{ｅｂ［ｊ］}）、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを（Ｘ_{Ｄｅｂ［ｊ］}，Ｙ_{Ｄｅｂ［ｊ］}，Ｚ_{Ｄｅｂ［ｊ］}）とする。このとき、指標ｄ_ｅが（数１２）のように前記γ校正部４０７Ｇでで求まる。

同様に図１０Ｆについても同様に、スタイラス１０３ＧをＹ軸＋側へ走査したときの接触点位置座標データを（Ｘ_{ｆａ［ｉ］}，Ｙ_{ｆａ［ｉ］}，Ｚ_{ｆａ［ｉ］}）、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを（Ｘ_{Ｄｆａ［ｉ］}，Ｙ_{Ｄｆａ［ｉ］}，Ｚ_{Ｄｆａ［ｉ］}）、スタイラス１０３ＧをＹ軸−側へ走査したときの接触点位置座標データを（Ｘ_{ｆｂ［ｊ］}，Ｙ_{ｆｂ［ｊ］}，Ｚ_{ｆｂ［ｊ］}）、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを（Ｘ_{Ｄｆｂ［ｊ］}，Ｙ_{Ｄｆｂ［ｊ］}，Ｚ_{Ｄｆｂ［ｊ］}）とする。このとき、指標ｄ_ｆが（数１３）のように前記γ校正部４０７Ｇでで求まる。

図１０Ｄ〜図１０Ｆに示す接触点位置座標データと前記接触点位置座標データに対応する既知形状データの関係からも明らかなように、下式（数１４）が成立する。

最後に、本発明の前記実施形態にかかる３次元形状測定方法のフローを、図１２Ａに示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、ステップＳ１において、制御装置１１１Ｇの制御の下に、校正に用いる被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａを第１の方向にスタイラス１０３Ｇを走査させて、少なくとも２点以上の位置での第１相対位置座標データと第１傾きデータを前記位置座標測定部１０８Ｇと前記角度検出部１０６Ｇとでそれぞれ求める。具体的には、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａにスタイラス１０３Ｇのスタイラス先端球１０４Ｇを概略一定の測定力で接触させつつ、第１の方向に走査して、第１相対位置座標データと第１傾きデータを、それぞれ２点以上、前記位置座標測定部１０８Ｇと前記角度検出部１０６Ｇとでそれぞれ求めて、記憶部４００，４０１にそれぞれ記憶させる。

次いで、ステップＳ２において、制御装置１１１Ｇの制御の下に、前記校正に用いる被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａを、第１の方向と相反する第２の方向にスタイラス１０３Ｇを走査させて、前記第１相対位置座標データ及び前記第１傾きデータを求めた位置と概略一致する位置での第２相対位置座標データと第２傾きデータを前記位置座標測定部１０８Ｇと前記角度検出部１０６Ｇとでそれぞれ求める。具体的には、被測定物２００Ｇの被測定面２００Ｇａにスタイラス１０３Ｇを概略一定の測定力で接触させつつ、第１の方向に相反する第２の方向に走査して、第２相対位置座標データと第２傾きデータを、それぞれ前記第１相対位置座標データ及び前記第１傾きデータを求めた位置と概略一致する位置において、前記位置座標測定部１０８Ｇと前記角度検出部１０６Ｇとでそれぞれ求めて、記憶部４００，４０１にそれぞれ記憶させる。

次に、ステップＳ３において、記憶部４０１に記憶された第１傾きデータからスタイラス先端変位演算部４０３で前記傾き量に対応するスタイラス先端変位を求め、記憶部４００に記憶された第１相対位置座標データと前記スタイラス先端変位を加算部４０４で加算し第１接触点位置座標データを算出する。同様にステップＳ４において、第２相対位置座標データ及び第２傾きデータから第２接触点位置座標データを算出する。

次に、ステップＳ５において前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データを比較部４０６により比較して、誤差データを算出する。前記誤差データは、記憶部４０７に記憶され、表示装置４１３に出力されて表示装置４１３で表示される。また、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを校正する場合には、記憶部４０７に記憶された前記誤差データと、事前に入力装置４１１で比較部４０７Ｈに入力された校正完了の判定値とを比較部４０７Ｈにおいて比較し、校正が完了していない場合においては、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを校正部４０７Ｇにより校正する。前記校正に関するフローは後に説明する。

次に、ステップＳ６において、測定対象を実際に測定すべき任意の被測定物に置き換えて、前記スタイラスの相対位置を任意の方向に移動させる事により、第３相対位置座標データ及び第３傾きデータを前記位置座標測定部１０８Ｇと前記角度検出部１０６Ｇにより求めて、記憶部４００，４０１にそれぞれ記憶させる。

次に、ステップＳ７において、記憶部４０１に記憶された前記第３傾きデータに含まれる角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を、校正部４０７Ｇで前記校正された取付角度誤差γを用いてスタイラス先端変位演算部４０３により補正する事により、第３傾き補正データを算出する。

次に、前記第３相対位置座標データ及び前記第３傾き補正データから、前記被測定物２００Ｇと前記スタイラス１０３Ｇの第３接触点位置座標データを加算部４０４により算出する。

最後に、事前に入力装置４１１で入力された前記被測定物の既知形状データと前記第３接触点位置座標データを比較部４０６で比較し、第３の形状誤差データを算出し、記憶部４０７で記憶した後に表示装置４１３に表示する。

本発明の第２実施形態の前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを校正する動作に関するフローを図１２Ｂに示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、ステップＳ１１において、前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを繰返し処理により求めるための初期値γ’と、繰返し処理による校正完了を判定するための判定値を、入力装置４１１から比較部４０７に入力し設定する。

次に、ステップＳ１２では、スタイラス先端変位演算部４０３において、前記校正に用いる、被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第１傾きデータに含まれる前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第１傾き補正データを算出する。同様に、ステップＳ１３では、スタイラス先端変位演算部４０３において、前記校正に用いる、被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第２傾きデータに含まれる前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第２傾き補正データを算出する。

次に、ステップＳ１４において、前記第１傾き補正データから第１スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部４０３により算出した後に、前記校正に用いる、被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第１相対位置座標データと前記求められた第１スタイラス先端変位量とを加算部４０４で加算する事により、第１接触点位置座標データを算出する。同様に、ステップＳ１５において、前記第２傾き補正データから第２スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部４０３により算出した後に、前記校正に用いる、被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第２相対位置座標データと前記求められた第２スタイラス先端変位量とを加算部４０４で加算する事により、第２接触点位置座標データを算出する。

次に、ステップＳ１６において、前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データを比較部４０６で比較し、その差がステップＳ１１で設定した判定値よりも小さくなっているか比較部４０７Ｈにて判定する。これは、前記ステップＳ１２及びＳ１３で使用した角度γ’が実際の取付角度誤差γを適切に表していない場合には、前記比較結果に差が現れる事を利用している。

ステップＳ１６において、前記比較結果が前記判定値よりも小さい場合には、ステップＳ１８に示すようにそのときの角度γ’が実際の角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γとなる。逆に、前記比較結果が前記判定値よりも大きい場合には、角度γ’と実際の取付角度には差が発生している事になるので、ステップＳ１７において角度γ’に微小量δγを校正部４０７Ｇで加えた後に、ステップＳ１２〜Ｓ１６を繰り返す事により角度γ’の最適化を行う。なお、最適化の際に必要となる微小変化量δ_γの決定には、２分法等を適用すれば良い。

本発明の第３実施形態の前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを校正する動作に関するフローを図１２Ｃに示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、ステップＳ２１において、前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γを繰返し処理により求めるための初期値γ’と、繰返し処理による校正完了を判定するための判定値と、校正に用いる被測定物２００Ｇが既知形状である事より既知形状データを入力装置から入力し設定する。

次に、ステップＳ２２では、スタイラス先端変位演算部４０３において、前記校正に用いる被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第１傾きデータに含まれる前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第１傾き補正データを算出する。同様に、ステップＳ２３では、スタイラス先端変位演算部４０３において、前記校正に用いる被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第２傾きデータに含まれる前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第２傾き補正データを算出する。

次に、ステップＳ２４において、前記第１傾き補正データから第１スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部４０３により算出した後に、算出した第１スタイラス先端変位量と、前記校正に用いる、被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第１相対位置座標データとを加算部４０４により加算する事により、第１接触点位置座標データを算出する。同様に、ステップＳ２５において、前記第２傾き補正データから第２スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部４０３により算出した後に、算出した第２スタイラス先端変位量と、前記校正に用いる被測定物２００Ｇを測定して求めた前記第２相対位置座標データとを加算部４０４により加算する事により、第２接触点位置座標データを算出する。

次に、ステップＳ２６において、前記第１接触位置座標データと対応する前記既知形状データを比較部４０６で比較する事により第１誤差データを算出して、記憶部４０７に記憶する。同様に、ステップＳ２７において、前記第２接触位置座標データと対応する前記既知形状データを比較部４０６で比較する事により第２誤差データを算出して、記憶部４０７に記憶する。

次に、ステップＳ２８において、記憶部４０７に記憶された前記第１誤差データと前記第２誤差データから求まる評価指標がステップＳ２１で設定した判定値よりも小さくなっているか否かを比較部４０７Ｈで比較して判定する。これは、前記ステップＳ２２及びＳ２３で使用した角度γ’が実際の取付角度誤差γを適切に表していない場合には、前記比較結果に差が現れる事を利用している。

ステップＳ２８において、前記比較結果が前記判定値よりも小さい場合には、ステップＳ３０に示すようにそのときの角度γ’が実際の角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差γとなる。逆に、前記比較結果が前記判定値よりも大きい場合には、角度γ’と実際の取付角度には差が発生している事になるので、ステップＳ２９において角度γ’に微小量δγを校正部４０７Ｇで加えた後に、ステップＳ２２〜Ｓ２８を繰り返す事により角度γ’の最適化を行う。

最後に、相対位置座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と傾きデータ（θ_ｘ’，θ_ｙ’）から、スタイラス１０３Ｇと被測定物２００Ｇの接触点を加算部４０４により算出する計算式を以下の（数１５）にまとめる。ここで、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差はγとし、スタイラス１０３Ｇの支点から先端球１０４Ｇの中心までの距離をＬとする。

以上のように、本発明の形状測定方法によれば、角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差を容易に校正することができ、前記角度検出器１０６Ｇの取付角度誤差による測定誤差を低減させる事が可能となる。また、角度検出器１０６Ｇの取付角度を繰返して調整する事も不要となる。

また、前述のように第１接触点位置座標データと第２接触点位置座標データを直接比較する場合においては、被測定物の形状が既知である必要がなくなるため、未知形状の被測定物を用いる事も可能である。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる形状測定方法は、被測定物の任意形状の側面の３次元形状を高精度に測定する際にスタイラスの傾きを検出するために、光スポット中心の位置を２次元センサにより取得しながら、前記側面の３次元形状測定を高精度に行なう形状測定方法に対して適用可能である。

本発明の一実施形態にかかる３次元形状測定装置の構成図 図１の前記３次元形状測定装置における測定点情報決定部の構成図 図１の前記３次元形状測定装置における演算処理部の構成図 図１の前記３次元形状測定装置における角度検出光学系の構成図 図１の前記３次元形状測定装置の角度検出器と光スポット中心の変位方向に関する説明図 図１の前記３次元形状測定装置を使用して３次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図 図１の前記３次元形状測定装置を使用して３次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図 図１の前記３次元形状測定装置を使用して３次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図 図１の前記３次元形状測定装置を使用して３次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図 課題に関する説明図 被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、被測定物にスタイラスを押込み量が目標値となるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図 被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、スタイラスの傾きに対する角度検出器と光スポット中心及び制御目標値を簡易的に示す表現図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図 本発明の前記実施形態にかかる前記形状測定方法に関する説明図 本発明の前記実施形態にかかる前記形状測定方法に関する説明図 本発明の前記実施形態にかかる３次元形状測定方法のフローチャート 本発明の第２実施形態にかかる３次元形状測定方法において、角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作に関するフローチャート 本発明の第３実施形態にかかる３次元形状測定方法において、角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作に関するフローチャート 従来の３次元形状測定装置の構成図 図１３における測定点情報決定部の構成図 図１３における傾き検出光学系の構成図 角度検出器と光スポット中心の変位方向に関する説明図 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図 従来技術の課題に関する説明図 従来技術を用いて、被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、被測定物にスタイラスを押込み量が目標値となるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図 従来技術を用いて、被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、スタイラスの傾きに対する角度検出器と光スポット中心及び制御目標値を簡易的に示す表現図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図

符号の説明

１００Ｇ ３次元形状測定装置
１０１Ｇ レーザ光源
１０２Ｇ プローブ
１０３Ｇ スタイラス
１０４Ｇ スタイラスの先端球
１０４Ｇａ〜１０４Ｇｂ スタイラス先端球の中心
１０５Ｇ ミラー
１０６Ｇ スタイラス傾き角度検出部（角度検出器）
１０８Ｇ 位置座標測定部
１０９Ｇ 演算処理部
１１１Ｇ 制御装置
１１２Ｇ Ｘ軸ステージ
１１３Ｇ Ｙ軸ステージ
１１４Ｇ Ｚ軸ステージ
１１５Ｇ Ｚ軸参照ミラー
１１６Ｇ ミラー
１１７Ｇ スタイラス回転中心（支点）
１１８Ｇ 被測定物とスタイラスの先端球との接触点
１１９Ｇ 角度検出器上における制御目標位置
１２０Ｇ 測長座標系上における制御目標位置
１２１Ｇａ〜１２１Ｇｂ 相対位置座標データと傾きデータから算出した接触点位置座標データ
２００Ｇ 被測定物
２００Ｇａ 被測定面
３００Ｇａ〜３００Ｇｃ、３０１Ｇａ〜３０１Ｇｅ、３０２Ｇ、３０３Ｇａ〜３０３Ｇｆ、３０４Ｇａ〜３０４Ｇｈ、３０５Ｇ 光スポット中心
４００ 記憶部
４０１ 記憶部
４０２ 記憶部
４０３ スタイラス先端変位演算部
４０４ 加算部
４０５ 記憶部
４０６ 比較部
４０７ 記憶部
４０７Ｇ γ校正部
４０７Ｈ 比較部
４１１ 入力装置
４１３ 表示装置

Claims (3)

1. 被測定物の被測定面にスタイラスを接触させて、前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を移動させる移動装置を制御装置により制御することにより、測定力が概略一定となるように前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を制御しつつ、前記被測定物に対する前記スタイラスの前記測定力の作用方向に概略直交する方向の相対位置を移動させて前記スタイラスの相対位置座標を位置座標測定部で測定するとともに、レーザ光の光スポット位置変位量を角度検出器で検出する事により前記スタイラスの傾きをスタイラス傾き角度検出部で求め、前記求められた傾きにより、前記スタイラスが傾く事によるスタイラス先端の変位量をスタイラス先端変位演算部で算出し、前記相対位置座標に前記スタイラス先端の変位量を加える事により前記被測定物と前記スタイラスの接触点を加算部で算出する形状測定方法において、
   校正に用いる被測定物と前記スタイラスの相対位置を第１の方向に移動させて少なくとも２箇所以上の位置で前記スタイラスの第１相対位置座標データ及び第１傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
   前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を前記第１の方向と相反する第２の方向に移動させて前記第１相対位置座標データ及び第１傾きデータを取得した位置と概略一致する位置で前記スタイラスの第２相対位置座標データ及び第２傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
   前記第１相対位置座標データ及び前記第１傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第１接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
   前記第２相対位置座標データ及び前記第２傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第２接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
   前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データを比較して前記光スポット位置変位量を検出する前記角度検出器の取付角度誤差γを平面内の回転誤差としてγ校正部で校正し、
   任意の被測定物と前記スタイラスの相対位置を任意の方向に移動させて前記スタイラスの第３相対位置座標データ及び第３傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、前記第３傾きデータに含まれる前記角度検出器の取付角度誤差γによる誤差をスタイラス先端変位演算部で補正する事により第３傾き補正データを算出し、
   前記スタイラスの前記第３相対位置座標データ及び前記第３傾き補正データから、前記被測定物と前記スタイラスの前記第３接触点位置座標データを前記加算部で算出して、前記被測定物の形状を測定する事を特徴とする形状測定方法。
2. 前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作において、
   前記第１傾きデータを光スポット位置変位量が検出される座標系の原点を中心に任意の角度γ’だけ座標変換することにより第１傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
   前記第２傾きデータを前記座標系の原点を中心に前記角度γ’だけ座標変換することにより第２傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
   前記第１相対位置座標データ及び第１傾き補正データから前記被測定物と前記スタイラスの第１接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
   前記第２相対位置座標データ及び第２傾き補正データから前記被測定物と前記スタイラスの第２接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
   これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データの差が事前に決定された判定値よりも小さくなる前記角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作を行なう事を特徴とする請求項１に記載の形状測定方法。
3. 前記校正に用いる被測定物を既知形状物とし、前記第１接触点位置座標データと前記第２接触点位置座標データの差を用いて前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作の代わりに、
   前記第１接触点位置座標データと前記既知形状物を表す既知形状データを比較し第１誤差データを比較部で算出し、
   前記第２接触点位置座標データと前記既知形状データを比較し第２誤差データを前記比較部で算出し、
   これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第１誤差データと前記第２誤差データが共に事前に決定された判定値よりも小さくなる前記角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γを前記角度γ’として校正する動作を行なう事を特徴とする請求項２に記載の形状測定方法。

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