JPH07306027A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 物体形状を非接触で高精度に求めることがで
きる形状測定装置を得ること。 【構成】 Ｘ，Ｙ，Ｚスライダーに対してプローブと回
転体そして該回転体を回動させる駆動部とを収納した計
測ヘッドを設け、該プローブを介して光源手段からの光
束を被測定物に照射し、該被測定物からの光束を、該プ
ローブを介して受光手段で受光し、該受光手段からの信
号を利用して該被測定物の形状を非接触で測定する際、
該駆動部に参照ミラーと第１受光素子を設け、該回転体
に測定ミラーと第２受光素子を設け、該参照ミラーと該
測定ミラーを介する光束を利用して干渉測長計を構成
し、該干渉測長計で得られる干渉信号を該第１受光素子
で検出して該回転体の回転軸方向の回転運動誤差を求
め、該干渉測長計を介した光束の所定面上への入射位置
を該第２受光素子で検出して該回転体の半径方向の回転
運動誤差を求めていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体形状を非接触で測定
する点計測や走査計測が可能な形状測定装置に関し、特
に回転体の回転運動誤差を補正する必要のある回転機構
及び該回転機構を付帯する計測ヘッドを有し、計測ヘッ
ドに設けた変位検出手段としてレーザビームを利用した
形状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より物体形状をスタイラス等を用い
て接触式で測定する形状測定装置や、レーザ等を用いた
光学的方法により非接触で測定する形状測定装置が種々
と提案されている。

【０００３】このうちスタイラスを用いた接触式の形状
測定装置が、例えば特開昭６３−１３１０１６号公報，
特開昭６２−５１１０号公報，特開平２−２５３１１３
号公報等で提案されている。

【０００４】又複雑な形状や自由曲面を有する被測定物
の断面形状を評価する為の接触式の装置としてカンチレ
バタイプのスタイラスを有する形状測定装置が多く使用
されている。更に被測定物の面形状計測に対応する為の
装置として３次元測定装置が多く使用されている。

【０００５】この測定装置では被測定面に接触するスタ
イラスを保持する計測ヘッド部に１つ以上の回転機構を
持たせ、これによりスタイラスの被測定面への近接性を
良好にさせたり、あるいは面法線からスタイラスを接触
させることで計測範囲の拡大や計測精度の向上を図って
いる。

【０００６】これらのタイプの形状測定装置では、被測
定面の傾斜角によりスタイラス先端と被測定部の接触点
が変化する為、計測結果から測定点の面傾斜角を算出
し、スタイラス接触点の位置補正を行わない形状データ
を求めている。

【０００７】また３次元形状測定装置に非接触計測ヘッ
ドを取り付け、更に被測定面の傾斜角に対応する為に回
転機構を備えたものが、例えば特公平２−２０８２号公
報で提案されている。

【０００８】又計測ヘッドの変位検出系にオートフォー
カス機能を利用し、被測定物側に２つの自由度を有する
回転機構を設け、軸対象形状の計測を可能にした非接触
式の形状測定装置が、例えば特開昭６０−１０４２０６
号公報や特開平１−１９９１０３号公報等で提案されて
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】カンチレバタイプのス
タイラスを有する形状測定装置や一般の３次元測定装置
においてはスタイラス先端の接触点位置補正を行うこと
で計測精度の向上を図っている。

【００１０】しかしながらこの方法はスタイラスに加わ
る測定荷重に起因して発生するスタイラスの変形が大き
な計測誤差となってくる。これはスタイラスの可動方向
が計測機駆動機構の運動方向のいずれかと一致する構成
をとっている為、被測定面の傾斜に対応する余裕がない
ことに起因している。

【００１１】この誤差はスタイラスに作用する力のベク
トルによる為、測定時の被測定面の傾斜によって時々刻
々変化し、定量的に検出することが極めて困難である。
そのため幾何学的な条件のみから接触点補正を行なうだ
けではこのような誤差を除去することはできず、計測精
度の向上することに限界があった。

【００１２】以上のような問題を解決する１つの手段と
してスタイラスを被測定面の法線方向から接触させ、ス
タイラスと被測定面の接触点がスタイラス上で移動しな
いように計測する方法がある。

【００１３】これを実現する方法としてスタイラスを被
測定面の法線方向に一致させるよう回転機構を備えた計
測ヘッドがある。回転機構を備えた接触式の計測ヘッド
を有する形状測定装置の場合、計測可能な被測定面の形
状は制約を受けることが少ない。

【００１４】しかしながら計測ヘッド部の回転機構に関
しては、通常その回転運動誤差を監視していない為、計
測結果に回転機構の回転運動誤差が含まれることが避け
られない。又計測結果である被計測点の座標値は測定装
置の各駆動軸で検出される移動量として得られるが、こ
の移動量が検出される位置は各軸摺動体中で変位検出用
スケール近傍にあることが多く、一般に被測定物と接触
するスタイラスから離れている。

【００１５】前述のカンチレバタイプの計測ヘッドや一
般の３次元測定装置に採用されている計測ヘッドでは各
軸移動量検出位置とスタイラスの位置関係が固定され、
かつスタイラスの移動が各軸移動方向と一致している場
合が多い。その為スタイラス上における被測定面との接
触点を決定する場合、先に触れたスタイラスの変形を除
けば各軸移動量及びスタイラスと被測定面との幾何学的
関係から求められる。

【００１６】これに対し、回転機構を計測ヘッドが有す
る場合、計測ヘッドの回転によりスタイラスの移動方向
と各軸移動方向が常に変化する。その為スタイラス上の
接触点を決定する場合には各軸移動量及びスタイラス移
動量に加えて回転機構の回転角と回転半径（特にスタイ
ラス先端と回転中心との距離）、回転中心と各軸移動量
検出位置との位置関係を知る必要が生じる。

【００１７】しかしながら実際にはこのような回転機構
の回転中心と各軸移動量検出位置の位置関係を定量的に
把握することは困難であり、絶対的な計測精度を確保す
ることは難しい。

【００１８】次に機構系運動精度が計測誤差に対して寄
与する割合が多く存在する。カンチレバタイプの計測ヘ
ッドや一般の３次元測定装置に使用される計測ヘッドの
場合、各軸運動精度の寄与率に大きな差はなく、それら
機構系の持つ運動精度の積み上げと見なせる場合が多
い。

【００１９】これに対し、回転機構を有する計測ヘッド
の場合、各軸運動精度の寄与する割合では前者と大差は
ないが、回転機構における回転角の検出精度及び回転半
径の正確度が所謂サインエラーを生じ、その影響は大き
い。その為回転機構を有する計測ヘッドの被測定面への
対応能力を維持しながら計測精度を向上させることが困
難となってくる。

【００２０】このような問題点は非接触式の計測プロー
ブを用いた形状測定装置でも同様である。特にオートフ
ォーカス機能を有する非接触式光プローブでは回転機構
を設けてもｎｍメータオーダの変位検出が可能な光プロ
ーブの精度が生かせないという問題点がある。

【００２１】以上のように従来の回転機構を備える計測
ヘッドを使用する場合、回転機構の回転運動誤差を監視
しないため計測精度の向上に限界が生じてくる。またス
タイラスの位置が回転機構を介在して検出される為、計
測機各軸の移動量検出位置との位置関係を定量的に把握
できなく、この結果、高精度化への妨げとなっている。

【００２２】本発明は、レーザ光を利用し、回転機構の
回転運動誤差を効果的に検出することにより被測定物の
形状を高精度に検出することができる形状測定装置の提
供を目的とする。

【００２３】

【課題を解決する為の手段】本発明ではレーザビームの
直進性を利用し、これをガイドとすることで回転体の回
転運動精度を検出しており、これにより回転体の回転中
心あるいは回転体の中心と光軸が一致し、前記回転体の
駆動側に設けた参照ミラーと前記回転体側に設けた測定
ミラーを用いて、前記駆動側と前記回転体側との間でレ
ーザ干渉測長計を構成し、前記レーザ干渉測長計により
前記回転体が回転する時に生じる前記回転体の軸方向の
回転運動誤差を第１受光素子を用いて検出可能としてい
る。

【００２４】又前記レーザ干渉測長計のレーザビームを
利用し、前記回転体の回転中心軸上あるいは前記回転体
の中心軸上に設けられた１つ以上のビーム位置検出手段
（第２受光素子）により、前記レーザビームの照射位置
から前記回転体が回転する時に生じる前記回転体の半径
方向の回転運動誤差を検出可能としている。

【００２５】更に被測定物の表面形状変位をレーザビー
ムを利用して検出する変位計と、該変位計を搭載し、回
転機構を１つ以上有する計測ヘッドと、該回転機構を駆
動する回転駆動機構、そして前記計測ヘッドと前記被測
定物を相対的に３次元駆動する３次元駆動機構とを用い
ている。

【００２６】そして前記回転機構に用いられるレーザビ
ームを前記変位計の変位検出用のレーザビームとしても
利用し、あるいは前記３次元駆動機構の移動量を検出す
る手段にレーザ干渉測長計を利用し、該レーザ干渉測長
計のレーザビームを前記回転機構及び前記変位計のレー
ザビームとしても利用し、前記回転機構の回転運動誤差
を検出可能ならしめ、計測結果において前記回転運動誤
差を補正可能としている。

【００２７】本発明の形状測定装置は、 （１−１）Ｘ，Ｙ，Ｚスライダーに対してプローブと回
転体そして該回転体を回動させる駆動部とを収納した計
測ヘッドを設け、該プローブを介して光源手段からの光
束を被測定物に照射し、該被測定物からの光束を、該プ
ローブを介して受光手段で受光し、該受光手段からの信
号を利用して該被測定物の形状を非接触で測定する際、
該駆動部に参照ミラーと第１受光素子を設け、該回転体
に測定ミラーと第２受光素子を設け、該参照ミラーと該
測定ミラーを介する光束を利用して干渉測長計を構成
し、該干渉測長計で得られる干渉信号を該第１受光素子
で検出して該回転体の回転軸方向の回転運動誤差を求
め、該干渉測長計を介した光束の所定面上への入射位置
を該第２受光素子で検出して該回転体の半径方向の回転
運動誤差を求めていることを特徴としている。

【００２８】特に、前記第２受光素子は前記回転体の回
転軸上に位置しており、前記干渉測長計からの光束の該
第２受光素子への入射位置より該回転体の半径方向の回
転運動誤差を求めていることを特徴としている。

【００２９】（１−２）Ｘ，Ｙ，Ｚスライダーに対して
プローブと回転体そして該回転体を回動させる駆動部と
を収納した計測ヘッドを設け、該プローブを介して光源
手段からの光束を被測定物に照射し、該被測定物からの
光束を、該プローブを介して受光手段で受光し、該受光
手段からの信号を利用して該被測定物の形状を非接触で
測定する際、該計測ヘッドはＺ軸回りに回転する第１回
転体と該第１回転体を回動させる第１駆動部とから成る
第１計測部、Ｙ軸回りに回転する第２回転体と該第２回
転体を回動させる第２駆動部とから成る第２計測部とを
有し、該プローブは該第２回転体に設けられており、該
第１駆動部に第１参照ミラーと第１１受光素子を、該第
１回転体に第１測定ミラーと第１２受光素子を設け、該
第１参照ミラーと第１測定ミラーを介する光束を利用し
て第１干渉測長計を構成し、該第１干渉測長計で得られ
る干渉信号を該第１１受光素子で検出して該第１回転体
のＺ軸方向の運動誤差を求め、該第１干渉測長計を介し
た光束を該第１２受光素子で検出して、該第１回転体の
半径方向の回転運動誤差を求めており、該第２駆動部に
第２参照ミラーと第２１受光素子を、該第２回転体に第
２測定ミラーと第２２受光素子を設け、該第２参照ミラ
ーと第２測定ミラーを介する光束を利用して第２干渉測
長計を構成し、該第２干渉測長計で得られる干渉信号を
該第２１受光素子で検出して該第２回転体のＺ軸方向の
回転運動誤差を求め、該第２干渉測長計を介した光束を
該第２２受光素子で検出して該第２回転体の半径方向の
回転運動誤差を求めていることを特徴としている。

【００３０】特に、前記第１２受光素子は前記第１回転
体の回転軸上に位置しており、前記第２２受光素子は前
記第２回転体の回転軸上に位置していることを特徴とし
ている。

【００３１】

【実施例】図１は本発明の形状測定装置の要部斜視図、
図２は図１の計測ヘッドの要部斜視図である。図中Ｘａ
はＸスライダーであり、矢印ＸＳａの如くＸ方向に移動
可能となっている。ＺＳはＺスライダーであり、矢印Ｚ
Ｓａの如くＺ方向に移動可能となっている。Ｃａはコラ
ム（門）であり、ＸスライダーＸａや、ＺスライダーＺ
Ｓを保持している。

【００３２】ＹＳはＹスライダーであり、矢印ＹＳａの
如くＹ軸方向に移動可能となっている。Ｋａは計測ヘッ
ドであり、ＺスライダーＺＳに支持されている。Ｔａは
被測定物であり、ＹスライダーＹＳに載置している。Ｂ
ａはベースであり、コラムＣａやＹスライダーＹＳ等を
載置している。

【００３３】図２においてＲ１ｂは第１駆動部であり、
第１回転体Ｒ１ａを矢印Ｒ１Ｃの如くＺ軸回りに回動さ
せている。第１駆動部Ｒ１ｂと第１回転体Ｒ１ａは第１
計測部Ｒ１の一要素を構成している。Ｒ２ｂは第２駆動
部であり、第２回転体Ｒ２ａを矢印Ｒ２Ｃの如くＹ軸回
りに回動させている。第２駆動部Ｒ２ｂと第２回転体Ｒ
２ａは第２計測部Ｒ２の一要素を構成している。

【００３４】Ｐａは非接触光プローブであり、内部に対
物レンズを有しており、第２回転体Ｒ２ａに装着してい
る。Ｔａは被検面である。

【００３５】図３は本発明の実施例１に係る回転機構を
有する非接触式の計測ヘッドの図２の第１計測部Ｒ１に
相当する部分の光学系の要部概略図である。

【００３６】図中１０１は第１回転体であり、図２の第
１回転体Ｒ１ａに相当している。１０２は第１回転体１
０１の第１駆動部であり、図２の第２駆動部Ｒ１ｂ内に
収納されている。尚図３には示していないが物体形状を
計測する為の変位計（図７参照）が設けられている。

【００３７】同図においてレーザ発振器１から出射され
たレーザビームは偏光ビームスプリッタ（以下「ＰＢ
Ｓ」という。）２によりＰ偏光及びＳ偏光に分けてい
る。このうちＰＢＳ−２で折り曲げられたＳ偏光ＬＳ１
は偏光面に対して、偏光軸を４５度傾けた偏光子１２を
介して光束ＬＳ１１としてディテクタ１１に入射する。

【００３８】又ＰＢＳ−２を通過したＰ偏光は１／４波
長板３に向かう。１／４波長板３を通過したＰ偏光は円
偏光となり、コーナーキューブ（第１参照ミラー）４を
経て再度１／４波長板３を通過し、Ｓ偏光としてＰＢＳ
−２に向かい、折り曲げられた後、１／４波長板５を通
過して円偏光となりＰＢＳ−６に入る。その後、Ｐ偏光
は１／４波長板７を通過後、４分割フォトダイオード
（第２受光素子）８に入射する。

【００３９】一方、ＰＢＳ−６で折り曲げられたＳ偏光
はコーナーキューブ（第１測定ミラー）９を経て、再度
ＰＢＳ−６で反射し、１／２波長板１０によりＰ偏光と
され、ＰＢＳ−２と偏光子１２を通過後、光束ＬＰ１１
としてディテクタ１１に入射する。そしてレーザ発振器
１から出射された直後、ＰＢＳ−２によって折り曲げら
れた光束ＬＳ１１と干渉する。

【００４０】本実施例では第１回転体１０１に設けた第
１測定ミラー９と第１駆動部１０２に設けた第１参照ミ
ラー４を介した光束で第１干渉測長計を構成している。
このときコーナーキューブ９は回転体に取り付けられて
いるのでディテクタ１１で得られる干渉情報は回転体１
０１の軸方向１０１ａの情報となる。

【００４１】本実施例ではディテクタ１１からの信号を
用いて回転体１０１の軸方向の変位を検出している。又
４分割フォトダイオード８では回転体１０１の回転運動
に伴い移動するセンサ面上のビーム位置を検出し、これ
により回転体１０１の半径方向の回転運動誤差を検出し
ている。

【００４２】図４は本実施例において回転体１０１の回
転軸の半径方向の回転運動誤差の検出方法の説明図であ
る。

【００４３】図４（Ａ）は装置外の絶対座標系から見た
４分割フォトダイオード８及びセンサ面１１上のビーム
位置移動の様子を示す。

【００４４】レーザ発振器１からのレーザビームはコー
ナーキューブ４のアライメントにより４分割フォトダイ
オード８上の任意の位置に照射することができるように
している。

【００４５】今、レーザビームを回転体１０１の中心に
一致させた場合を考える。現実に回転体１０１の中心と
回転中心が一致することは少ないのでビームスポットＢ
Ｓ、回転体１０１の回転中心ＯＲ、センサ中心ＯＳはセ
ンサ面１１上で図４（Ａ）のような配置をとる。

【００４６】回転体１０１が回転中心ＯＲ回りに角度θ
回転すると絶対座標系においてセンサ面１１上の中心Ｏ
Ｓは中心ＯＳ′へ、ＸＹ座標軸はＸ′Ｙ′座標軸へと移
動する。ビームスポットＢＳは駆動側に固定されている
ので絶対座標系において動くことはないが、回転中心Ｏ
Ｒから偏心している為センサ１１の回転により図４
（Ｂ）に示されるようにセンサ面１１上の座標系では点
ＢＳ０から点ＢＳ１へと移動することになる。図４
（Ｃ）はこれを回転体１０１の全周回転について示した
説明図である。

【００４７】本実施例ではこのように全周回転について
複数回のビームスポットの軌跡を検出し、その平均的な
軌跡を得ることで回転体１０１の回転中心の仮想位置及
び偏心量を求めている。こうして得られた仮想位置及び
偏心量によって定められる軌跡を基準軌跡とし、実際の
ビーム軌跡がこの標準軌跡を逸脱する量を検出すること
で回転体１０１の半径方向の回転運動誤差を求めてい
る。

【００４８】図５は本発明の実施例２に係る計測ヘッド
の図２の第１計測部Ｒ１に相当する部分の光学系の要部
概略図である。

【００４９】図中２０１は第１回転体であり、図２の第
１回転体Ｒ１ａに相当している。２０２は第１回転体２
０１の第２駆動部であり、図２の第２駆動部Ｒ１ｂ内に
収納されている。

【００５０】同図においてレーザ発振器２１０から出た
レーザビームは偏光ビームスプリッタＰＢＳ−２１１に
よりＰ偏光とＳ偏光に分離している。このうちＳ偏光は
ＰＢＳ−２１１で折り曲げられた後、偏光面に対して偏
光軸を４５度傾けた偏光子１２を介して光束ＬＳ１１と
してディテクタ（第１受光素子）２２４に向かう。

【００５１】ＰＢＳ−２１１を通過したＰ偏光は１／４
波長板２１２を透過後、円偏光となりコーナーキューブ
（第１参照ミラー）２１３により反射され、再度１／４
波長板２１２を透過し、Ｓ偏光となってＰＢＳ−２１１
に入射する。そしてＰＢＳ−２１１で折り曲げられたＳ
偏光は１／４波長板２１４により円偏光となりＰＢＳ−
２１５に向かう。円偏光のうちＰＢＳ−２１５により折
り曲げられたＳ偏光は１／４波長板２１６を透過後、円
偏光となって４分割フォトダイオード２１７に入射す
る。

【００５２】一方、円偏光のうちＰＢＳ−２１５を通過
したＰ偏光は１／４波長板２１８を透過後、円偏光とな
ってＰＢＳ−２１９に入射してＰ偏光とＳ偏光に分離し
ている。このうちＰ偏光はＰＢＳ−２１９を透過後、１
／４波長板２２０により円偏光として４分割フォトダイ
オード（第２受光素子）２２１に入射している。

【００５３】一方、ＰＢＳ−２１９により折り曲げられ
たＳ偏光はコーナーキューブ（第１測定ミラー）２２２
により反射されＰＢＳ−２１９に向かい再度折り曲げら
れた後、１／２波長板２２３によりＰ偏光となりＰＢＳ
−２１５とＰＢＳ−２１１、そして偏光子１２を透過
後、光束ＬＰ１１としてディテクタ２２４に入射してい
る。

【００５４】この光束ＬＰ１１はレーザ発振器２１０を
出射直後、ＰＢＳ−２１１により折り曲げられた光束Ｌ
Ｓ１１と干渉する。第１参照ミラー２１３と第１測定ミ
ラー２２２を介した光束で第１干渉測長計を構成してい
る。

【００５５】このときディテクタ２２４では実施例１と
同様に回転体２０１の軸方向の変位を検出している。又
４分割フォトダイオード２１７，２２１では距離を隔て
てビーム位置を検出し、これにより回転体２０１の回転
軸の半径方向の回転運動誤差に加えてみそすり運動に代
表される回転体の傾き誤差を検出している。

【００５６】図６は本発明の実施例３に係る計測ヘッド
の図２の第１計測部Ｒ１に相当する光学系の要部概略図
である。

【００５７】図中３０１は第１回転体であり、図１の第
１回転体Ｒ１ａに相当している。３０２は第１回転体３
０１の第１駆動部であり、図２の第２駆動部Ｒ１ｂ内に
収納されている。

【００５８】同図においてレーザ発振器３１０から出射
したレーザビームはＰＢＳ−３１１よりＰ偏光とＳ偏光
に分離している。このうちＳ偏光はＰＢＳ−３１１によ
り折り曲げられた後、１／４波長板３２７により円偏光
としてＰＢＳ−３２８に向かう。

【００５９】ＰＢＳ−３２８を透過したＰ偏光はコーナ
ーキューブ（第１参照ミラー）３２９により反射され、
ＰＢＳ−３２８を透過後、１／２波長板３３２によりＳ
偏光となった後、ＰＢＳ−３１１により折り曲げられ偏
光面に対して偏光軸を４５度傾けた偏光子１２を介して
光束ＬＳ１１としてディテクタ３２６に入射する。

【００６０】一方、ＰＢＳ−３２８により折り曲げられ
たＳ偏光は１／４波長板３３０を透過後、円偏光となっ
て４分割フォトダイオード３３１に入射する。又レーザ
発振器３１０から出射後、ＰＢＳ−３１１を透過したＰ
偏光は１／４波長板３１２を透過後、円偏光となって回
転体３０１上に取り付けられたＰＢＳ−３１３に入射
し、Ｐ偏光とＳ偏光に分離される。

【００６１】ＰＢＳ−３１３により折り曲げられたＳ偏
光は１／４波長板３１４を透過後、円偏光となって４分
割フォトダイオード（第２受光素子）３１５に入射す
る。ＰＢＳ−３１３を透過したＰ偏光は１／４波長板３
１６により円偏光となってＰＢＳ−３１７に向かう。Ｐ
ＢＳ−３１７により折り曲げられたＳ偏光は１／４波長
板３１８により円偏光となって４分割フォトダイオード
３１９に入射する。ＰＢＳ−３１７を透過したＰ偏光は
１／４波長板３２０により円偏光となってＰＢＳ−３２
１に入射する。

【００６２】ＰＢＳ−３２１を透過したＰ偏光は駆動側
に取り付けられた１／４波長板３２２を透過後、円偏光
となって４分割フォトダイオード３２３に入射する。Ｐ
ＢＳ−３２１で折り曲げられたＳ偏光はコーナーキュー
ブ（第１測定ミラー）３２４によって反射された後、再
度ＰＢＳ−３２１により折り曲げられ１／２波長板３２
５によりＰ偏光となって順にＰＢＳ−３１７，ＰＢＳ−
３１３，ＰＢＳ−３１１そして偏光子１２を透過する。
その後、ＰＢＳ−３１１により折り曲げられた光束ＬＳ
１１と干渉してディテクタ３２６に入射する。

【００６３】本実施例ではコーナーキューブ３２９を参
照ミラー、測定ミラー３２４を移動ミラーとしてこれに
より干渉測長計を構成して回転体３０１の軸方向の回転
運動誤差を検出している。

【００６４】又第１駆動部３０２に取り付けられた４分
割フォトダイオード３３１，３２３ではレーザ発振器３
１０から出射されたレーザビーム自身の変位を検出して
いる。第１回転体３０１に取り付けられた４分割フォト
ダイオード３１５，３１９では実施例２と同様に第１回
転体３０１の半径方向の回転誤差及び傾き誤差を検出し
ている。

【００６５】更に４分割フォトダイオード３３１，３２
３により検出されたレーザビーム自身の変位を補正する
ことにより、より高精度な誤差補正を行っている。

【００６６】図７は本発明の実施例４に係る計測ヘッド
の光学系の要部概略図である。

【００６７】図中４０１は第１回転体であり、Ｚ軸回り
に回動しており、図２の第１回転体Ｒ１ａに相当してい
る。４０２は第１駆動部であり、図２の第２駆動部Ｒ１
ｂに相当している。第１回転体４０１と第１駆動部４０
２は第１計測部の一要素を構成している。４０３は第２
回転体であり、Ｙ軸回りに回動しており、図２の第２回
転体Ｒ２ａに相当している。４０４は第２駆動部であ
り、図２の第２駆動部Ｒ２ｂに相当している。第２回転
体４０３と第２駆動部４０４は第２計測部の一要素を構
成している。

【００６８】本実施例においてコーナーキューブ４１
３，４２０により構成される干渉測長計により第１回転
体４０１の軸方向の回転運動誤差を、又４分割フォトダ
イオード４１７により第１回転体４０１の半径方向の回
転運動誤差を検出するのは図５に示した実施例２と同様
である。

【００６９】本実施例では２つの自由度回転機構の回転
運動誤差を検出する為に、第１回転体４０１の回転運動
誤差を検出する為に使用したレーザ発振器４１０からの
レーザビームをＰＢＳ−４１９により折り曲げ、第２回
転体４０３の回転運動誤差の検出及び非接触の変位計の
測長用ビームにも用いている。回転運動誤差検出用のレ
ーザビームと変位計の測長用ビームを共用することで各
機構系の位置関係を定量的に把握するようにしている。

【００７０】ディテクタ４２１が第１１受光素子、４分
割フォトダイオード４１７が第１２受光素子、コーナー
キューブ４１３が第１参照ミラー、コーナーキューブ４
２０が第１測定ミラーに相当している。又レーザ発振器
４１０からＰＢＳ−４１９に至る光路については図５と
同様である。

【００７１】本実施例のＰＢＳ−４１９が図５のＰＢＳ
−２１９に相当し、本実施例では図５のコーナーキュー
ブ２２２がなく、ＰＢＳ−４１９からのＳ偏光を第２駆
動部４０４と第２回転体４０３方向に導光している。

【００７２】以下、ＰＢＳ−４１９で反射したＳ偏光に
ついて説明する。

【００７３】ＰＢＳ−４１９で折り曲げられたＳ偏光は
１／４λ板４２２により円偏光となってＰＢＳ−４２３
に向かう。

【００７４】ここで折り曲げられたＳ偏光はコーナーキ
ューブ（第２１参照ミラー）４２４により反射され、再
度ＰＢＳ−４２３により折り曲げられた後、偏光面に対
して偏光軸を４５度傾けた偏光子１２ａを介してディテ
クタ（第２１受光素子）４３１に入射する。ＰＢＳ−４
２３を透過したＰ偏光は１／４λ板４２５により円偏光
となってＰＢＳ−４２６に向かう。

【００７５】ここで折り曲げられたＳ偏光は１／４λ板
４２７を経て４分割フォトダイオード（第２２受光素
子）４２８に入射する。ＰＢＳ−４２６を透過したＰ偏
光はハーフミラー（以下「ＨＭ」と称す。）４３２に向
かう。ＨＭ４３２を透過したＰ偏光はコーナーキューブ
（第２測定ミラー）４３０により反射され、ＨＭ４３２
を通過し、偏光状態を保ったままＰＢＳ−４２６，４２
３、偏光子１２ａを透過し、コーナーキューブ４２４か
ら戻ってきた光と干渉を起こし、ディテクタ４３１に向
かう。ＨＭ４３２により折り曲げられたＰ偏光はＰＢＳ
−４３４に向かう。

【００７６】ＰＢＳ−４３４を透過したＰ偏光はコーナ
ーキューブ４３５により反射され、ＰＢＳ−４３４，Ｈ
Ｍ４３２を透過した後、１／４λ板４３６により円偏光
となってプローブＰａに設けた対物レンズ４３７により
被測定面４３８上に集光される。

【００７７】被測定面４３８からの反射光は対物レンズ
４３７を通過後、１／４λ板４３６を通り、Ｓ偏光とな
ってＨＭ４３２に向かう。ＨＭ４３２を通過したＳ偏光
はＰＢＳ−４３４により折り曲げられ、センサレンズ４
３９を経てＰＳＤ（受光手段）４４０に入射する。

【００７８】ここで想定している非接触プローブＰａは
所謂オートフォーカス機能を有する光プローブである。
被測定面４３８とＰＳＤ４４０が共役の関係にあり、被
測定面４３８に対するフォーカス誤差によりＰＳＤ４４
０上のスポット像がずれる。この時のスポット像の重心
ずれをＰＳＤ４４０で検知することによりプローブＰａ
の変位を検出している。これより被測定物４３８の形状
を求めている。

【００７９】第２回転体４０３の回転運動誤差はコーナ
ーキューブ４２４，４３０を含む系からなる干渉測長計
によって第２回転体４０３の軸方向（Ｙ軸方向）の回転
運動誤差が４分割フォトダイオード４２８により第２回
転体４０３の半径方向の回転運動誤差を検出している。
更に被測定面４３８に対する変位をＨＭ４３２以降のオ
ートフォーカス系により受光手段（ＰＳＤ）４４０から
の信号を用いて検出している。

【００８０】尚プローブＰａから受光手段（ＰＳＤ）４
４０に至る各要素から成る被測定物４３８の形状を検出
する変位計は図３，図５，図６の実施例には示していな
いが、各実施例には図７に示したのと同様の構成のもの
が各々設けられている。

【００８１】本発明では以上のように回転体の回転運動
誤差を求め、この誤差を補正値として用いることにより
被測定物の形状を高精度に検出している。

【００８２】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、レーザ光
を利用し、回転機構の回転運動誤差を効果的に検出する
ことにより被測定物の形状を高精度に検出することがで
きる形状測定装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の形状測定装置の要部斜視図

【図２】 図１の計測ヘッドの要部斜視図

【図３】 本発明の実施例１に係る第１計測部の光学系
の要部概略図

【図４】 図３の第１受光素子と第２受光素子面上の説
明図

【図５】 本発明の実施例２の計測ヘッドの光学系の要
部概略図

【図６】 本発明の実施例３の計測ヘッドの光学系の要
部概略図

【図７】 本発明の実施例４の計測ヘッドの光学系の要
部概略図

【符号の説明】

Ｒ１ａ，１０１，２０１ 第１回転体 Ｒ１ｂ，１０２，２０２ 第１駆動部 Ｒ２ａ，４０３ 第２回転体 Ｒ２ｂ，４０４ 第２駆動部 Ｐａ プローブ Ｔａ 被測定物 １ レーザ発振器 １１ 第１受光素子 ８ 第２受光素子 ４ 第１参照ミラー ９ 第２参照ミラー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ，Ｙ，Ｚスライダーに対してプローブ
   と回転体そして該回転体を回動させる駆動部とを収納し
   た計測ヘッドを設け、該プローブを介して光源手段から
   の光束を被測定物に照射し、該被測定物からの光束を、
   該プローブを介して受光手段で受光し、該受光手段から
   の信号を利用して該被測定物の形状を非接触で測定する
   際、該駆動部に参照ミラーと第１受光素子を設け、該回
   転体に測定ミラーと第２受光素子を設け、該参照ミラー
   と該測定ミラーを介する光束を利用して干渉測長計を構
   成し、該干渉測長計で得られる干渉信号を該第１受光素
   子で検出して該回転体の回転軸方向の回転運動誤差を求
   め、該干渉測長計を介した光束の所定面上への入射位置
   を該第２受光素子で検出して該回転体の半径方向の回転
   運動誤差を求めていることを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記第２受光素子は前記回転体の回転軸
   上に位置しており、前記干渉測長計からの光束の該第２
   受光素子への入射位置より該回転体の半径方向の回転運
   動誤差を求めていることを特徴とする請求項１の形状測
   定装置。
3. 【請求項３】 Ｘ，Ｙ，Ｚスライダーに対してプローブ
   と回転体そして該回転体を回動させる駆動部とを収納し
   た計測ヘッドを設け、該プローブを介して光源手段から
   の光束を被測定物に照射し、該被測定物からの光束を、
   該プローブを介して受光手段で受光し、該受光手段から
   の信号を利用して該被測定物の形状を非接触で測定する
   際、該計測ヘッドはＺ軸回りに回転する第１回転体と該
   第１回転体を回動させる第１駆動部とから成る第１計測
   部、Ｙ軸回りに回転する第２回転体と該第２回転体を回
   動させる第２駆動部とから成る第２計測部とを有し、該
   プローブは該第２回転体に設けられており、該第１駆動
   部に第１参照ミラーと第１１受光素子を、該第１回転体
   に第１測定ミラーと第１２受光素子を設け、該第１参照
   ミラーと第１測定ミラーを介する光束を利用して第１干
   渉測長計を構成し、該第１干渉測長計で得られる干渉信
   号を該第１１受光素子で検出して該第１回転体のＺ軸方
   向の運動誤差を求め、該第１干渉測長計を介した光束を
   該第１２受光素子で検出して、該第１回転体の半径方向
   の回転運動誤差を求めており、該第２駆動部に第２参照
   ミラーと第２１受光素子を、該第２回転体に第２測定ミ
   ラーと第２２受光素子を設け、該第２参照ミラーと第２
   測定ミラーを介する光束を利用して第２干渉測長計を構
   成し、該第２干渉測長計で得られる干渉信号を該第２１
   受光素子で検出して該第２回転体のＺ軸方向の回転運動
   誤差を求め、該第２干渉測長計を介した光束を該第２２
   受光素子で検出して該第２回転体の半径方向の回転運動
   誤差を求めていることを特徴とする形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記第１２受光素子は前記第１回転体の
   回転軸上に位置しており、前記第２２受光素子は前記第
   ２回転体の回転軸上に位置していることを特徴とする請
   求項３の形状測定装置。