JP7353644B2 - 光学スキャナ装置の校正方法、光学スキャナ装置及び光学式三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置に備えられる光学スキャナ装置の校正方法、光学スキャナ装置及び光学式三次元形状測定装置に関する。

従来より、精密なポイントの距離計測が可能なアクティブ式距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて対象物までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される（たとえば特許文献1参照）。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。

ある点から測定点までの絶対距離を高精度で測定する装置としてレーザ距離計が知られている。たとえば、特許文献１には、基準光の干渉信号と測定光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離計が記載されている。

従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。

本件発明者等は、基準面に照射される基準光と測定面に照射される測定光との干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を測定光検出器により検出して、上記基準光検出器と測定光検出器により得られる２つ干渉信号の時間差から、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、高精度で、しかも短時間に行うことの可能な光コム距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定装置を先に提案している（例えば、特許文献２参照）。

光学的三次元形状測定装置では、光コム距離計から出射された測定光を１次元又は２次元に走査するガルバノミラーやポリゴンミラー等の走査光学系を介して測定対象物に照射して、測定対象物で反射された測定光の反射光が走査光学系を介して戻される光コム距離計により、測定面までの距離情報として測定面の三次元形状情報を取得するので、測定対象物付近の仮想平面に対して垂直な方向から測定対象物に測定光を照射するために、テレセントリックｆ-θレンズ等によるテレセントリック光学系による光学スキャナが使用されている。

従来、二次元スキャンの光学スキャナの校正は、一般的に、三次元座標が校正された校正用基準器を使用して、次のようにして行われている。

図９に示すように、校正用基準器２００の格子点の座標を（Ｘ_Ｇｉ，Ｙ_Ｇｊ，Ｚ_Ｇｋ）とする。平面に格子状に座標を作製した基準器であればＸ_Ｇｉ，Ｙ_ＧｊはＸＹ基準器の座標、Ｚ_Ｇｋは基準器を設置した高さである。Ｚ基準平面になる面にＺＹ座標が識別できる加工を施したものでも良い。またはＺ基準平面とＸＹ基準器を別に用意してもよい。Ｚ基準平面とＸＹ基準器が別の場合であっても、それぞれ同じ条件で計測すれば、スキャナ側から見た座標（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，Ｚ_ｋ）と校正用基準器の格子点の座標（Ｘ_Ｇｉ，Ｙ_Ｇｊ，Ｚ_Ｇｋ）の関係を求めることができる。ここで、Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊはスキャナが想定しているＸＹ座標、Ｚ_ｋは形状計測器が出力する校正前の高さの値である。

まず複数の高さでＸＹ基準器を測定して、スキャナが想定するＸＹ座標（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ）と校正用基準器の格子点の座標のＺ依存性（Ｘ_Ｇｉ，Ｙ_Ｇｊ，Ｚ_Ｇｋ）を得る。
次にＺ基準平面を測定するとスキャナ側から見た座標（高さ分布）（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，Ｚ_ｋ）とＺ基準平面の設置高さ（Ｚ_Ｇｋ）の関係を得る。両者を合成することで共通の（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ）を介してスキャナ側から見た座標と校正用基準器の格子点の座標の関係が得られる。

ここでＺ基準平面として鏡面反射成分の少なくかつ平坦度の高い粗面を使用することができる。Ｘ軸周り、Ｙ軸周りそれぞれにわずかな角度をつけて鏡面反射を含まない高さ分布データを得る。それらを平均して仮想平面形状を得る。ＸＹ基準器を測定する場合、鏡面反射成分がＸＹ基準器の格子点の抽出に影響を与えない条件ならば、基準器を仮想平面に一致させて測定を行ってもよい。

格子点の座標（Ｘ_Ｇｉ，Ｙ_Ｇｊ，Ｚ_Ｇｋ）がスキャナ側から見た座標（高さ分布）（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，Ｚ_ｋ）に見えているので、格子点の座標についての補正量
（ΔＸ_ｉ，ΔＹ_ｊ，ΔＺ_ｋ）＝（Ｘ_Ｇｉ－Ｘ_ｉ，Ｙ_Ｇｊ－Ｙ_ｊ，Ｚ_Ｇｋ－Ｚ_ｋ）
全ての格子点について補正量を求めれば格子点における補正データの集合として
ΔＸ_ｉ＝Ｘ_ＭＣＡＬ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，Ｚ_ｋ）
ΔＹ_ｊ＝Ｙ_ＭＣＡＬ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，Ｚ_ｋ）
ΔＺ_ｋ＝Ｚ_ＭＣＡＬ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，Ｚ_ｋ）
が得られる。このデータには格子点の補正量しか含まれないため、格子点以外の補正量は補間によって求める必要がある。補正データの集合を元にそれぞれをスキャナ側から見たＸＹ座標、および高さＺの値、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の高次多項式またはその他適切な近似関数でフィットしてその多項式の係数として校正データを保存しておく。フィットされた関数をそれぞれ
ΔＸ_ｉ＝Ｘ_ＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
ΔＹ_ｊ＝Ｙ_ＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
ΔＺ_ｋ＝Ｚ_ＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
とすれば、スキャナ側から見た任意の座標（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ，Ｚ_Ａ）における補正量は内挿によって
ΔＸ_Ａ＝Ｘ_ＦＣＡＬ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ，Ｚ_Ａ）
ΔＹ_Ａ＝Ｙ_ＦＣＡＬ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ，Ｚ_Ａ）
ΔＺ_Ａ＝Ｚ_ＦＣＡＬ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ，Ｚ_Ａ）
となる。なお通常の使用環境ではスキャナを出るビームは測定対象に向かって一直線に進むのでＺに関しては一次式で表されると考えてよい。

スキャナ光学系のテレセントリシティー（鉛直打ち下ろし特性、仮想平面の法線への一致具合といったもの）が高く、ＸＹ座標のＺ依存性が無視できるほど小さい場合には補正データからＺ依存性がなくなるため、計測が容易な一つの高さ（例えばＺ＝０の高さやビーム焦点の高さ）だけで校正用基準器の座標を取得すればよい。

Ｚ＝０における全ての格子点について補正量を求めれば格子点における補正データの集合として
ΔＸ_ｉ＝Ｘ_ＭＣＡＬ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，０）
ΔＹ_ｊ＝Ｙ_ＭＣＡＬ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，０）
ΔＺ_ｋ＝Ｚ_ＭＣＡＬ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｊ，０）
が得られる。ΔＺ_ｋについては格子点に限定せず、平面のデータ全体を使うことができる。格子点以外の補正量は補間によって求められる。補正データの集合を元にそれぞれをスキャナ側から見たＸＹ座標（Ｘ，Ｙ）の高次多項式またはその他適切な関数でフィットしてその多項式の係数として校正データを保存しておく。フィットされた関数をそれぞれ
ΔＸ＝Ｘ_ＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
ΔＹ＝Ｙ_ＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
ΔＺ＝Ｚ_ＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
とすれば、スキャナ側から見た任意の座標（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ，Ｚ_Ａ）における補正量は内挿によって
ΔＸ_Ａ＝Ｘ_ＦＣＡＬ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）
ΔＹ_Ａ＝Ｙ_ＦＣＡＬ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）
ΔＺ_Ａ＝Ｚ_ＦＣＡＬ（Ｘ_Ａ，Ｙ_Ａ）
となる。

Ｚ依存性を含む一般形で補正式を定義しておいてＺ依存を表す項にかかる係数がゼロである場合として考えてもよい。

スキャナが例えばＸ軸に平行なラインのように単一方向へのスキャンを行って、Ｙ軸方向には別の移動手段によって全体の形状を計測する場合は、二次元スキャンの中の一ラインをスキャンしたと考えて校正を行う。スキャンの線がＸ軸に平行な線に対してゆがみがある場合にはＸＹ座標の校正が必要になる。Ｘ軸のラインスキャンとＹ軸移動を組み合わせてＸＹ基準器をＹ軸方向の座標校正をするために最低限必要な幅でスキャンして、二次元スキャンと同様な方法で校正データを取得する。

特開２００１－３４３２３４号公報 特許第５２３１８８３号公報

ところで、従来の光学的三次元形状測定装置に備えられた光学スキャナでは、一般的に、レンズや鏡の曲面は理想型状からのずれや屈折率の影響により、仮想平面上で完全に等距離になることはなく、像面湾曲に見られるように視野の中心部と周縁部で高さが異なることが多い。光学系の如何なる場所でも主光軸が光軸に対して平行な理想的なテレセントリック光学系による光学スキャナを備える光学的三次元形状測定装置であれば、鏡のように高精度の基準平面を計測し、計測結果として得られる平面が平面に見えるような校正データを使用して測定対象物の高さデータに誤差なく補正することが可能である。

しかしながら、現実には、光学スキャナを介して測定対象物に照射される測定光は、理想的な曲面からの乖離や材料の波長分散の影響を受けて、場所毎に光軸に対して僅かに傾斜しており、それが１次元又は２次元に分布した状態となる。

また、波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれる場合、群遅延が測定光のビーム径内で分布する虞がある。

このように場所毎に光軸に対して僅かに傾斜した測定光を出射する光学スキャナや波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれる光学スキャナでは、鏡を用いて校正すると、鏡面反射された測定光の一部の反射光成分のみが光コム距離計における干渉信号の生成に寄与することになる。

光コム距離計では、測定対象物に照射した測定光の上記測定対象物により反射された反射光の全てを検出することができれば、測定光の光軸中心の軌跡の距離を高精度に計測できるのであるが、反射光の一部しか検出できない場合には、 測定光の光軸中心の軌跡から算出される距離に誤差が生じることになる。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の群遅延の空間分布を補正することができる校正データを取得可能な光学スキャナ装置の校正方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の群遅延の空間分布が補正された光学スキャナ装置を提供することにある。

さらに、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の群遅延の空間分布による影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことのできる光学式三次元形状測定装置を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明では、測定対象物に照射される測定光の光軸に対する傾斜等に起因する走査光学系の群遅延の空間分布を補正することができる校正データを平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面を有し、基準平面上の座標位置が予め校正された校正用基準器を用いて取得する。

すなわち、本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置に備えられる光学スキャナ装置の校正方法であって、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面を有し、基準平面上の座標位置が予め校正された校正用基準器を上記基準平面が僅かに傾斜された状態に設置し、上記光コム距離計から上記校正用基準器の基準平面に照射する測定光を上記光学スキャナ装置により走査して、上記光コム距離計により上記基準平面より反射された測定光の拡散反射成分を用いて上記基準平面の形状測定を行い、上記光コム距離計により得られる上記基準平面の形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を校正データとすることを特徴とする。

本発明に係る光学スキャナ装置の校正方法では、上記校正用基準器の基準平面に照射した測定光による上記基準平面上の走査軌跡が直線から逸脱する場合に、基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記光コム距離計により上記基準平面より反射された測定光の拡散反射成分を用いて上記基準平面の形状測定を行うものとすることができる。

また、本発明に係る光学スキャナ装置の校正方法において、上記光学スキャナ装置は１次元スキャナであり、上記光学スキャナ装置により走査された測定光が形成する平面に対し、上記校正用基準器の基準平面が垂直な状態を基準として、上記測定光が形成する平面と上記基準平面が交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面を傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面の形状測定を行うことにより得られる２つの高さ分布の加算平均を取るものとすることができる。

また、本発明に係る光学スキャナ装置の校正方法において、上記光学スキャナ装置は２次元スキャナであり、上記光学スキャナ装置によりＸ軸方向に走査された測定光が形成する平面に対し、上記校正用基準器の基準平面が垂直な状態を基準として、上記Ｘ軸方向に走査された測定光が形成する平面と上記基準平面が交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面を傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面の形状測定を行うとともに、上記光学スキャナ装置によりＹ軸方向に走査された測定光が形成する平面に対し、上記校正用基準器の基準平面が垂直な状態を基準として、上記Ｙ軸方向に走査された測定光が形成する平面と上記基準平面が交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面を傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面の形状測定を行って得られる４つの高さ分布の加算平均を取るものとすることができる。

また、本発明は、光学スキャナ装置であって、上述の如き本発明に係る光学スキャナ装置の校正方法により取得された校正データに基づいて、測定対象物に照射する測定光を走査する光学系の群遅延の空間分布を校正する校正処理手段を備えることを特徴とする。

また、本発明は、光学式三次元形状測定装置であって、上述の如き本発明に係る光学スキャナ装置を備え、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を上記光学スキャナ装置で走査することにより、上記光コム距離計による測距データとして、上記校正処理手段により上記光学系の群遅延の空間分布が校正された上記測定対象物の三次元形状測定データを取得することを特徴とする。

本発明では、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面を有し、基準平面上の座標位置が予め校正された校正用基準器を用いることにより、測定対象物に照射される測定光の光軸に対する傾斜等に起因する走査光学系の群遅延の空間分布を補正することができる校正データを取得可能な光学スキャナ装置の校正方法を提供することができる。

また、本発明によれば、測定光を測定対象物に照射する光学系の群遅延の空間分布が補正された光学スキャナ装置を提供することができる。

さらに、本発明によれば、測定光を測定対象物に照射する光学系の群遅延の空間分布による影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことができる。

本発明を適用した光学式三次元形状測定装置１００の基本的な構成を示すブロック図である。 上記光学的三次元形状測定装置に備えられた光コム距離計の構成を示すブロック図である。 上記光学的三次元形状測定装置における光学スキャナ装置が測定光を１方向に走査するスキャン光学系を備える１次元スキャナである場合の校正処理の様子を模式的に示す斜視図である。 上記１次元スキャナで校正用基準平面の形状を測定した場合に、スキャンされる点の軌跡がＸ軸からのずれに応じた測定結果として得られる高さ分布の様子を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面の傾斜角度θが正の場合を示し、（Ｂ）は 基準平面の傾斜角度θが負の場合を示している。 上記光学的三次元形状測定装置における光学スキャナ装置が測定光を２方向に走査するスキャン光学系を備える２次元スキャナである場合の校正処理の様子を模式的に示す斜視図である。 上記２次元スキャナの校正処理における校正用基準器の基準平面の状態を示す模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面をＸ軸廻りに＋θ傾けた状態を示し、（Ｂ）は 基準平面をＸ軸廻りに－θ傾けた状態を示し、（Ｃ）は 基準平面をＹ軸廻りに＋φ傾けた状態を示し、（Ｄ）は 基準平面をＹ軸廻りに－φ傾けた状態を示し、（Ｅ）は θ＝０度、φ＝０度の仮想平面を示している。 単一材料で製作されたテレセントリックレンズを用いて、ガルバノスキャナでＸ方向に１次元スキャンするスキャン光学系について、スキャンの直線性を測定した結果と、このスキャン光学系により、平面性の高いＴｉＮコートされたセラミック基板をＹ方向に±１度傾けて１次元形状を測定した結果を示す特性図であり、（Ａ）はスキャンの直線性の測定結果を示し、（Ｂ）はセラミック基板の１次元形状を測定した結果の差分をプロットしたものである。 平面ミラーを計測した結果と、粗面であるＴｉＮコートされたセラミック基板を計測したときの乖離を示す特性図であり、（Ａ）は図７の（Ｂ）を測定したときのデータ（ＴｉＮ＋１度）のデータから、平面ミラーを計測したデータの差分をプロットしたものであり、（Ｂ）は図７の（Ｂ）を測定したときのデータ（ＴｉＮ－１度）のデータから、平面ミラーを計測したデータの差分をプロットしたものであり、（Ｃ）は、図８の（Ａ）と図８の（Ｂ）の平均値を示している。 従来、二次元スキャンの光学スキャナの校正に一般的に使用されている校正用基準器の模式的な平面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１に示すような構成の光学式三次元形状測定装置１００に適用される。

図１は、本発明を適用した光学式三次元形状測定装置１００の基本的な構成を示すブロック図である。

この光学的三次元形状測定装置１００は、光コム距離計１０と、光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２で測定対象物５０を走査する光学スキャナ装置２０と、光コム距離計１０の出力に基づいて、測定対象物５０の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理装置３０を備える。

光コム距離計１０は、例えば図２のブロック図に示すように、光周波数コム干渉計を用いて距離を測定するものであって、第１、第２の光コム光源１１、１２から出射される中心周波数と周波数間隔の異なる二つの光周波数コムをそれぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２として干渉光学系１３を介してと測定光路１５に入射させる測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器１６により検出するとともに、基準光路１４と測定光路１５に入射させた基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が上記基準光路１４と測定光路１５を往復して戻ってくる基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器１７により検出し、信号処理部１８により、上記基準光検出器１６により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器１７により干渉光Ｓ４を検出した干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準光Ｓ１が往復した基準光路１４の距離Ｌ１と上記測定光Ｓ２が往復した測定光路１５の距離Ｌ２の差を求めることができる。なお、干渉計や検出器の形態は複数ある。

上記光学スキャナ装置２０は、光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２を測定対象物５０の表面にスキャンしながら照射して、表面からの反射光を光コム距離計１０に戻すもので、上記光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２で測定対象物５０を走査する走査光学系２１と、この走査光学系２１により偏向された測定光Ｓ２を集光させるとともに測定対象物５０に垂直方向から照射させるテレセントリック集光光学系２２からなるスキャン光学系２３を備えている。

信号処理装置３０は、上記光学スキャナ装置２０を制御してレーザービームを走査すると同時に上記光コム距離計１０が計測する測定対象物５０までの距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで距離を複数の点について蓄積することにより非接触で測定対象物５０の三次元形状を測定する。

そして、この光学的三次元形状測定装置１００における光学スキャナ装置２０は、図３に示すように、測定光Ｓ２を１方向に走査するスキャン光学系２３Ａを備える１次元スキャナである場合、スキャンされた測定光Ｓ２が作るシート状の平面４１と校正用基準器４０の校正用基準平面４０Ａが垂直になった状態を基準として、Ｘ軸（測定光Ｓ２の走査方向）周りに基準平面４０Ａを角度θ_０だけ傾けた状態で、上記光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を走査して、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うことにより校正データの取得が行われる。

ここで、鏡面反射成分を検出しないようするために基準平面４０は、わずかに傾けられるのであって、ビーム径に応じて必要な角度θ_０は異なる。ビーム径１００μｍの場合、Ｘ軸（測定光Ｓ２の走査方向）周りに基準平面４０Ａを１度傾ければ十分である。

この光学スキャナ装置２０の校正には、平面度の良い機械加工面や窒化チタン（ＴｉＮ）がコートされたセラミック基板など、平面度は高いが拡散反射成分を含み、鏡面反射成分の少ない基準平面４０Ａを有し、基準平面４０上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０が用いられる。

この光学的三次元形状測定装置１００における信号処理装置３０は、上記光学スキャナ装置２０を制御してレーザービームを走査すると同時に上記光コム距離計１０が計測する上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａまでの距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで距離を複数の点について蓄積することにより上記基準平面４０Ａの三次元形状を測定し、上記光コム距離計１０により得られる上記基準平面４０Ａの形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面４０Ａ上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を校正データとする校正処理を行う。

ここで、 図４は、上記１次元スキャナで上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａの形状を測定した場合に、スキャンされる点の軌跡がＸ軸からのずれに応じた測定結果として得られる高さ分布の様子を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面４０Ａの傾斜角度θが正の場合を示し、（Ｂ）は 基準平面４０Ａの傾斜角度θが負の場合を示している。

すなわち、信号処理装置３０による光学スキャナ装置２０の校正処理では、光学スキャナ装置２０が測定光Ｓ２を１方向に走査するスキャン光学系２３Ａを備える１次元スキャナである場合、スキャンされる点の軌跡がＸ軸からずれていると、高さのずれとして検出され、Ｙ軸の正方向に湾曲している場合には、図４の（Ａ）に示すように、角度θが正ならばＺ軸方向の高さ分布Ｆ１は上に凸となり、Ｘ軸の正方向に湾曲している場合には、図４の（Ｂ）に示すように、角度θが負ならばＺ軸方向の高さ分布Ｆ２は下に凸となるので、正負の角度θで校正用基準平面４０Ａの形状を測定して高さ分布の加算平均を取ることによってスキャン線の湾曲と基準平面４０Ａの傾きによって発生する高さ変動を相殺することができる。

また、この光学的三次元形状測定装置１００における光学スキャナ装置２０は、図５に示すように、測定光Ｓ２を２方向に走査するスキャン光学系２３Ｂを備える２次元スキャナである場合、Ｘ軸方向にスキャンされた測定光Ｓ２が作るシート状の平面４１Xと校正用基準器４０の校正用基準平面４０Ａが垂直になった状態を基準として、Ｘ軸（測定光Ｓ２の走査方向）周りに基準平面４０Ａを角度θ_０だけ傾けるとともにＹ軸方向にスキャンされた測定光Ｓ２が作るシート状の平面４１Ｙと校正用基準器４０の校正用基準平面４０Ａが垂直になった状態を基準としてＹ軸周りに基準平面４０Ａを角度φ_０だけ傾けた状態で、上記光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を走査して、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うことにより校正データの取得が行われる。

信号処理装置３０による光学スキャナ装置２０の校正処理では、光学スキャナ装置２０が測定光Ｓ２を２方向に走査するスキャン光学系２３Ｂを備える２次元スキャナである場合、スキャンの場所によってスキャン線の湾曲が異なるので、図６に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれ正負に傾けて測定することによって後処理でその影響を除外する。

図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は、光学スキャナ装置２０が測定光Ｓ２を２方向に走査するスキャン光学系２３Ｂを備える２次元スキャナである場合の校正処理における校正用基準器４０の基準平面４０Ａの状態を示す模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面４０ＡをＸ軸廻りに＋θ傾けた状態を示し、（Ｂ）は 基準平面４０ＡをＸ軸廻りに－θ傾けた状態を示し、（Ｃ）は 基準平面４０ＡをＹ軸廻りに＋φ傾けた状態を示し、（Ｄ）は 基準平面４０ＡをＹ軸廻りに－φ傾けた状態を示し、（Ｅ）は θ＝０度、φ＝０度の仮想平面４０Ｂを示している。

すなわち、Ｘ軸に平行に存在すべき線がＹ軸の正の方向に湾曲している場合、図６の（Ａ）に示すように、Ｘ軸廻りの角度θ_０を正負それぞれで、Ｚ軸方向の高さ分布Ｆ１、Ｆ２を測定する。

Ｙ軸に平行に存在すべき線がＸ軸の正の方向に湾曲している場合、図６の（Ｃ）に示すように、Ｙ軸廻りの角度φ_０を正負それぞれで、Ｚ軸方向の高さ分布Ｆ３、Ｆ４を測定する。

このように正負の角度θ_０、φ_０で校正用基準平面４０Ａの形状を測定（合計４回）して高さ分布の加算平均を取ることによってスキャン線の湾曲と基準平面の傾きによって発生する高さ変動を相殺することができる。

すなわち、図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示すように、Ｘ軸周りの±θ、Ｙ軸周りの±φ、合計４つの傾斜角で測定したデータの加算平均から、図６の（Ｅ）に示すように、θ＝０度、φ＝０度の仮想平面４０Ｂの測定データを得ることができ、粗面の基準平面４０Ａからの拡散反射を主成分するデータ、すなわち、鏡面反射の影響を受けないデータを取得することができる。

ここで、単一材料で製作されたテレセントリックレンズを用いて、ガルバノスキャナでＸ方向に１次元スキャンするスキャン光学系について、スキャンの直線性を測定した結果と、このスキャン光学系により、平面性の高いＴｉＮコートされたセラミック基板をＹ方向に±１度傾けて１次元形状を測定した結果を図７の（Ａ），（Ｂ）に示す。

図７の（Ａ）は１６０ｍｍ幅スキャンできる単一材料で製作されたテレセントリックレンズを用いて、ガルバノスキャナでＸ方向に１次元スキャンしたときのスキャンの直線性の測定結果を示している。直線性には直線からの逸脱が観測されている。

図７の（Ｂ）は、平面性の高いＴｉＮコートされたセラミック基板を上記光学系の焦点位置かつスキャン中心のビームに対して垂直に設置したのち、Ｙ方向に＋１度傾けたとき（Ｘ軸方向に走査された測定光が形成する平面とＴｉＮコートされた平面が交差する直線を軸としたＸ軸回転）の１次元形状を測定した結果を（ＴｉＮ＋１度）とし、逆にＹ方向に－１度傾けたときの１次元形状を測定した結果を（ＴｉＮ－１度）とし、それらの差分（（ＴｉＮ－１度）－（ＴｉＮ＋１度））をプロットしたものである。

図７の（Ｂ）に示す計測結果は、図７の（Ａ）に示す測定結果と強い相関が認められ、（ＴｉＮ－１度）と（ＴｉＮ＋１度）の差分にはスキャンの直線性由来以外の歪み成分をキャンセルする効果があり、スキャンの直線性が際立って見えるようになったためである。

すなわち、図７の（Ｂ）の計測結果は、レーザービームに対して角度をもっておかれた平面の高さを測定すると、スキャンの直線性からの逸脱成分が形状データに含まれてしまうことを証明している。

また、図８の（Ａ）、（Ｂ）は、図７の（Ｂ）を測定したときのデータ（ＴｉＮ＋１度）及び（ＴｉＮ－１度）のデータから、平面ミラーを計測したデータの差分をプロットしたものであり、図８の（Ｃ）は、図８の（Ａ）と図８の（Ｂ）の平均値を示している。

スキャンの直線性はＹ方向に＋１度傾けたときと－１度傾けたときでは符号が反転するので、図８の（Ａ）と図８の（Ｂ）の平均値である図８の（Ｃ）ではスキャンの直線性由来の歪みの成分はキャンセルされている。したがって図８の（Ｃ）で表される歪みは、平面ミラーを計測した結果と、粗面であるＴｉＮコートされたセラミック基板を計測したときの乖離を表している。この乖離の主要因はテレセントリックレンズの不完全性及びレンズの材料の波長分散によるものである。

この光学的三次元形状測定装置１００における信号処理装置３０では、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面４０Ａを有し、基準平面４０Ａ上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０を上記基準平面４０Ａが僅かに傾斜された状態に設置し、光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を光学スキャナ装置２０により走査して、上記光コム距離計１０により上記基準平面４０Ａより反射された測定光Ｓ２’の拡散反射成分を用いて上記基準平面４０Ａの形状測定を行い、上記光コム距離計１０により得られる上記基準平面４０Ａの形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面４０Ａ上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を校正データとする校正処理が行われることにより、上記光コム距離計１０による測距データとして、上記スキャン光学系の群遅延の空間分布が校正された上記測定対象物の三次元形状測定データを取得することができる。

すなわち、この光学的三次元形状測定装置１００において、信号処理装置３０は、光コム距離計１０から測定対象物５０に照射する測定光Ｓ２を上記光学スキャナ装置２０で走査することにより、上記光コム距離計１０による測距データとして上記スキャン光学系２３の群遅延の空間分布が校正された測定対象物５０の三次元形状測定データを取得する校正処理手段としての機能を有しており、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面を有し、基準平面４０Ａ上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０を用いて校正データを取得して、測定対象物５０に照射される測定光Ｓ２の光軸に対する傾斜等に起因するスキャン光学系２３の群遅延の空間分布を校正データ基づき補正することにより、測定光Ｓ２を測定対象物５０に照射する上記スキャン光学系２３の群遅延の空間分布による影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことができる。

校正データの形式は測定されたデータの三次元座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を校正後の座標（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ，Ｚ＋ΔＺ）に変換するためのデータ（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）そのものをテーブルの形で保持する方式や（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の関数の形式で保持しておく方式が考えられる。関数形式の場合、多項式近似した関数の係数の形で校正データを保持することも可能である。

この光学的三次元形状測定装置１００では、上記信号処理装置３０により、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面４０Ａを有し、基準平面４０Ａ上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０を上記基準平面４０Ａが僅かに傾斜された状態に設置し、光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を光学スキャナ装置２０により走査して、上記光コム距離計１０により上記基準平面４０Ａより反射された測定光Ｓ２’の拡散反射成分を用いて上記基準平面４０Ａの形状測定を行い、上記光コム距離計１０により得られる上記基準平面４０Ａの形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面４０Ａ上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を校正データとする本発明に係る光学スキャナ装置の校正方法が実行される。

この光学スキャナ装置２０の校正方法では、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射した測定光Ｓ２による上記基準平面４０Ａ上の走査軌跡が直線から逸脱する場合に、基準に対し正負の上記基準平面４０Ａの傾け角度において、上記光コム距離計１０により上記基準平面４０Ａより反射された測定光Ｓ２’の拡散反射成分を用いて上記基準平面４０Ａの形状測定を行うものとすることができる。

また、この光学スキャナ装置２０の校正方法において、上記光学スキャナ装置２０が１次元スキャナである場合に、上記光学スキャナ装置２０により走査された測定光Ｓ２が形成する平面に対し、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａが垂直な状態を基準として、上記測定光Ｓ２が形成する平面と上記基準平面４０Ａが交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面４０Ａを傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面４０Ａの傾け角度において、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うことにより得られる２つの高さ分布の加算平均を取るものとすることができる。

また、この光学スキャナ装置２０の校正方法において、上記光学スキャナ装置２０が２次元スキャナである場合に、上記光学スキャナ装置２０によりＸ軸方向に走査された測定光Ｓ２が形成する平面に対し、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａが垂直な状態を基準として、上記Ｘ軸方向に走査された測定光がＳ２形成する平面と上記基準平面４０Ａが交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面４０Ａを傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うとともに、上記光学スキャナ装置２０によりＹ軸方向に走査された測定光Ｓ２が形成する平面に対し、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａが垂直な状態を基準として、上記Ｙ軸方向に走査された測定光Ｓ２が形成する平面と上記基準平面４０Ａが交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面４０Ａを傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面４０Ａの傾け角度において、上記基準平面４０Ａの形状測定を行って得られる４つの高さ分布の加算平均を取るものとすることができる。

また、上記三次元形状測定装置１００では、信号処理装置３０により光学スキャナ装置２０におけるスキャン光学系２３の群遅延の空間分布を校正する校正処理行うものとしたが、上述の如き本発明に係る光学スキャナ装置の校正方法により取得された校正データに基づいて、測定対象物５０に照射する測定光Ｓ２を走査するスキャン光学系２３の群遅延の空間分布を校正する校正処理手段として、例えば、予め取得された校正データを記憶手段に保存しておき、光学的三次元形状測定装置１００の信号処理装置３０や光コム距離計１０の信号処理部１８に校正データを供給する校正データ供給手段を光学スキャナ装置２０に備えるようにしてもよい。

１０ 光コム距離計、１１、１２ 第１、第２の光コム光源、１３ 干渉光学系、１４ 基準光路、１５ 測定光路、１６ 基準光検出器、１７ 測定光検出器、１８ 信号処理部、２０ 光学スキャナ装置、２１ 走査光学系、２２ テレセントリック集光光学系、２３、２３Ａ、２３Ｂ スキャン光学系、３０ 信号処理装置、４０ 校正用基準器、４０Ａ 基準平面、４０Ｂ 仮想平面、５０ 測定対象物、１００ 光学的三次元形状測定装置

Claims (6)

1. 光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置に備えられる光学スキャナ装置の校正方法であって、
   平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面を有し、基準平面上の座標位置が予め校正された校正用基準器を上記基準平面が僅かに傾斜された状態に設置し、
   上記光コム距離計から上記校正用基準器の基準平面に照射する測定光を上記光学スキャナ装置により走査して、上記光コム距離計により上記基準平面より反射された測定光の拡散反射成分を用いて上記基準平面の形状測定を行い、
   上記光コム距離計により得られる上記基準平面の形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を校正データとすることを特徴とする光学スキャナ装置の校正方法。
2. 上記校正用基準器の基準平面に照射した測定光による上記基準平面上の走査軌跡が直線から逸脱する場合に、基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記光コム距離計により上記基準平面より反射された測定光の拡散反射成分を用いて上記基準平面の形状測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の光学スキャナ装置の校正方法。
3. 上記光学スキャナ装置は１次元スキャナであり、
   上記光学スキャナ装置により走査された測定光が形成する平面に対し、上記校正用基準器の基準平面が垂直な状態を基準として、上記測定光が形成する平面と上記基準平面が交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面を傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面の形状測定を行うことにより得られる２つの高さ分布の加算平均を取ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学スキャナ装置の校正方法。
4. 上記光学スキャナ装置は２次元スキャナであり、
   上記光学スキャナ装置によりＸ軸方向に走査された測定光が形成する平面に対し、上記校正用基準器の基準平面が垂直な状態を基準として、上記Ｘ軸方向に走査された測定光が形成する平面と上記基準平面が交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面を傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面の形状測定を行うとともに、上記光学スキャナ装置によりＹ軸方向に走査された測定光が形成する平面に対し、上記校正用基準器の基準平面が垂直な状態を基準として、上記Ｙ軸方向に走査された測定光が形成する平面と上記基準平面が交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面を傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面の形状測定を行って得られる４つの高さ分布の加算平均を取ることを特徴とする請求項１又は請求項２に光学スキャナ装置の校正方法。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載された校正方法により取得された校正データに基づいて、測定対象物に照射する測定光を走査する光学系の群遅延の空間分布を校正する校正処理手段を備えることを特徴とする光学スキャナ装置。
6. 請求項５の記載された光学スキャナ装置を備え、
   光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を上記光学スキャナ装置で走査することにより、上記光コム距離計による測距データとして、上記校正処理手段により上記光学系の群遅延の空間分布が校正された上記測定対象物の三次元形状測定データを取得する
   ことを特徴とする光学式三次元形状測定装置。