(57)【要約】【課題】測定部の振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことのできる形状計測方法及び形状計測装置を提供する。【解決手段】測定部表面７に当てられた光スポットの散乱光を結像レンズにて集光するとともに、その集光位置の変化から測定部表面７の形状を計測する方法であって、散乱光を結像して得られた光スポットを光位置センサー９で直接受光してその集光位置の変化を計測するとともに、上記散乱光を結像して得られた光スポットをスリット１１を介して光位置センサーで受光してその集光位置の変化を計測し、それら計測した集光位置の変化量の差分から測定部表面７の形状を求めるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定部表面に当てられた光スポットの散乱光を結像レンズにて集光するとともに、測定部を相対的に移動させてその集光位置の変化から前記測定部表面の形状を計測する方法であって、
前記散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測するとともに、当該散乱光の結像により得られる光スポットの送り方向の受光域を制限して受光してその集光位置の変化を計測し、
それら計測した集光位置の変化量の差分から前記測定部表面の形状を求めるようにした
ことを特徴とする形状計測方法。
【請求項２】
前記受光域を制限する受光域制限手段として、スリットを用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の形状計測方法。
【請求項３】
前記集光位置の変化を、光位置センサーにより検出する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状計測方法。
【請求項４】
前記測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としたことを特徴とする
請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状計測方法。
【請求項５】
前記スリットの幅を１００μｍ以下とした
請求項２〜４のいずれか１項に記載の形状計測方法。
【請求項６】
測定部表面に光スポットを当てる光照射部と、
当該測定部を相対的に移動させる移動手段と、
前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第１の結像レンズと、
当該第１の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第１のセンサーと、
前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第２の結像レンズと、
当該第２の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第２のセンサーとを備え、
前記第２のセンサーの受光域は、前記第１のセンサーの受光域において、当該第１センサーより光スポットの送り方向において制限されていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項７】
前記第２のセンサーは、当該第２のセンサーの直前に配設された受光域制限手段であるスリットにより受光域が制限されたことを特徴とする請求項６に記載の形状計測装置。
【請求項８】
前記集光位置の変化を検出する第１のセンサー及び第２のセンサーを、光位置センサーにより構成したことを特徴とする請求項６又は７に記載の形状計測装置。
【請求項９】
前記第１の結像レンズ及び前記第１のセンサーと、前記第２の結像レンズ及び前記第２のセンサーとは、前記光照射部により前記測定部表面に照射される光の光軸に対して対称に配設されてなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１０】
前記第１の結像レンズ及び前記第２の結像レンズは、前記光照射部により前記測定部表面に照射される光の光軸に対して傾けて配設されたレンズを共用し、
前記第１のセンサーと前記第２のセンサーとは、共用する前記レンズを通過したあとに分離された光軸により、それぞれ異なった受光域で測定することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１１】
結像レンズが、二重焦点レンズにより構成されたことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１２】
前記測定部表面に当てる光スポットの径を変更するスポット径変更手段を備えたことを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１３】
前記測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としたことを特徴とする請求項６〜１２のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１４】
前記スリットの幅を１００μｍ以下とした
請求項７〜１３のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１５】
当該形状計測装置は、工作機械上に設置される機上計測装置として構成されてなる
請求項６〜１４のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１６】
請求項６〜１５のいずれか１項に記載の形状計測装置を備えたことを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状計測方法形状計測装置、及び工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械において、加工精度の向上を実現するためのシステムの一つとして、機上計測と修正加工とによる加工システムが挙げられる。機上計測とは、加工機上で工作物の寸法、形状の計測を行うことを指す。機上計測と修正加工とによる加工システムでは、加工しながら工作物の形状の計測を行いつつ、その計測結果に基づいて加工量を補正する。そのため、誤差の加工へのフィードバックが容易なこと、工作物の着脱に伴う誤差が生じないことなどから、高精度の加工を実現している。
【０００３】
機上計測の手法としては、形状測定手法が知られており、その手法の一つとして、測定部表面に当てた光スポット面内の平均変位を求めることで、対象の形状を測定するものが知られている。従来、こうした光触針による形状計測に係る技術としては、例えば特許文献１及び２に記載のものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−９２３８７号公報
【特許文献２】特開２００９−１３９２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、こうした機上計測には、温度、振動、電気ノイズ、加工液などの様々な外乱が影響を及ぼし、特に計測装置、工作物間の相対的な振動が測定誤差を引き起こす要因となっている。すなわち、機上計測による測定部表面の形状の計測結果には、振動の影響が重畳されてしまう。そのため、測定部の表面形状の高精度の計測を行うには、形状の測定結果から振動成分を除去する必要がある。しかしながら、従来の機上装置による形状計測手法では、振動成分を正確に求めることはできず、よってその測定精度は自ずと限定されたものとなっていた。
【０００６】
一方、複雑な装置で膨大なデータを収集して、これを分析することも理論的には可能であるが、機上測定、とりわけ工作機械毎に外付けされる機上装置による測定では、簡易かつ小型で、低コストの装置と簡易な測定方法が求められる。
【０００７】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な装置でありながら機上でも振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことのできる形状計測方法、形状計測装置、及び工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、形状計測方法としての請求項１に記載の発明では、測定部表面に当てられた光スポットの散乱光を結像レンズにて集光するとともに、測定部を相対的に移動させてその集光位置の変化から前記測定部表面の形状を計測する方法であって、前記散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測するとともに、当該散乱光の結像により得られる光スポットの送り方向の受光域を制限して受光してその集光位置の変化を計測し、それら計測した集光位置の変化量の差分から前記測定部表面の形状を求めるようにしたことをその要旨としている。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の形状計測方法において、前記受光域を制限する受光域制限手段として、スリットを用いることを要旨とする。
そして、請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の形状計測方法において、前記集光位置の変化を、光位置センサーにより検出することを要旨とする。
【００１０】
三角測量法による形状計測では、測定部表面に光を当てるとともに、その測定部表面に当たって散乱した光をレンズにて受光部に集光させるようにしている。そして、例えば光位置センサー（ＰＳＤ・Position Sensitive Detector）などのセンサーでその集光位置の変化を測定することで、測定部表面の形状を計測するようにしている。この光位置センサーは、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサーである。ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどでも位置センサーとして機能しうるが、光位置センサーは、ＣＣＤなどとは異なり非分割型のため、連続した電気信号  （ＸまたはＹ座標）が得られ、位置分解能・応答性に優れている。こうした光位置センサーによる形状計測では、測定部表面に当てた光のスポットの重心の変位が、面積の広狭にかかわらず処理や演算なしで求められる。
【００１１】
よって、測定部表面に十分に大きい光スポットを当てるようにすれば、測定部の細かい凹凸をキャンセルして、平均的な位置が求められる一方、振動のようなスポット全面に作用する変位の変化は高感度で求めることができる。
【００１２】
一方、上記のような三角測量法による形状計測では、形状計測装置のＺ軸（高さ方向）の変位のスポット光送り方向（Ｙ軸方向）における分解能（ここでは「横分解能」と呼ぶこととする。）は、測定部表面に当てる光スポットの大きさに依存する。精密な形状計測のために、横分解能の高い計測を行うには、測定部表面に対して小さい光スポットを当てる必要がある。すなわち、上記のような三角測量法による形状計測では、測定部表面に当てた光のスポット面内の平均変位が求められることから、光スポットを小さくすれば、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測することが可能となる。
【００１３】
ただし、機上計測においては前述のように、その計測結果に、多くの振動成分が重畳されており、形状を正確に求めるには、振動成分を求め、その分を計測結果から除去する必要がある。したがって、精密な形状計測を行うには、小さい光スポットを用いての横分解能の高い計測（以下、Ｓｔと記載する）を行うのと同時に、大きい光スポットを用いての横分解能の低い計測（以下、Ｓｋと記載する）を行って測定部表面の振動成分を計測し、演算により振動成分の影響を取り除くことが必要となる。
【００１４】
上記Ｓｔ、Ｓｋを同時に行うには、Ｓｋのための大きい光スポットを当てた状態で、その光スポットの中央領域の光を取り出して、その取り出した光によりＳｔを行うようにすれば良い。その点、請求項１に記載の発明では、測定部表面に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測することでＳｋを行うと同時に、上記散乱光を結像して得られた光スポットを例えばスリットのような受光域制限手段を介して受光してその集光位置の変化を計測することでＳｔを行うようにしている。すなわち、Ｓｔでは、散乱光を結像して得られた光スポットの周縁部をスリットのような受光域制限手段にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分を求めることで、振動成分の影響を取り除いて精密な形状計測を行うようにしている。したがって上記計測方法によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状計測方法において、前記測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としたことをその要旨としている。
【００１６】
測定部表面に当てる光スポットのサイズが大きい場合、スポット中の測定部表面の反射率の違いにより、その散乱光を集光して得られる受光部スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向における光スポットのサイズに依存する。したがって、上記のように測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状とすることで、計測誤差の抑制が可能となる。なお、ここで言う楕円形状は、正確な楕円形状を意味するものでなく、送り方向における長さが、送り方向と直交する巾に比べて十分大きいことを意味するものである。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４に記載の形状計測方法において、前記スリットの幅を１００μｍ以下としたことをその要旨としている。
発明者らによる実験の結果によれば、スリットの幅を１００μｍ以下とすることで、良好な形状計測が可能であることが確認されている。
【００１８】
上記課題を解決するため、形状計測装置としての請求項６に記載の発明は、測定部表面に光スポットを当てる光照射部と、当該測定部を相対的に移動させる移動手段と、前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第１の結像レンズと、当該第１の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第１のセンサーと、前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第２の結像レンズと、当該第２の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第２のセンサーとを備え、前記第２のセンサーの受光域は、前記第１のセンサーの受光域において、当該第１センサーより光スポットの送り方向において制限されていることをその要旨としている。
【００１９】
また、請求項７の発明は、請求項６に記載の形状計測装置において、前記第２のセンサーは、当該第２のセンサーの直前に配設された受光域制限手段であるスリットにより受光域が制限されたことを要旨としている。
【００２０】
そして、請求項８に記載の発明では、請求項６又は７に記載の形状計測装置において、前記集光位置の変化を検出する第１のセンサー及び第２のセンサーを、光位置センサーにより構成したことを要旨とする。
【００２１】
上記構成では、測定部表面に当てられた光スポットの散乱光を第１の結像レンズにて結像し、その結像した光を第１のセンサーに直接受光させることで、横分解能の低い計測（Ｓｋ）が行われる。またこれと同時に、上記散乱光を第２の結像レンズにより結像し、その結像した光を受光域制限手段を介して第２のセンサーに受光させることで、横分解能の高い計測（Ｓｔ）が行われる。特に、好ましくは受光域制限手段がスリットにより構成されたものが用いられる。また、このセンサーは、好ましくは光位置センサーが用いられる、すなわち、Ｓｔでは、第２のセンサーの受光部に照射される光スポットの周縁部を受光域制限手段にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。こうして２つのセンサーの計測した集光位置の変化量の差分を求めれば、振動成分の影響を取り除いた精密な形状計測を行うことができる。したがって上記計測装置によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項６〜８のいずれか１項に記載の形状計測装置において、前記第１の結像レンズ及び前記第１のセンサーと、前記第２の結像レンズ及び前記第２のセンサーとは、前記光照射部により前記測定部表面に照射される光の光軸に対して対称に配設されてなることをその要旨としている。
【００２３】
Ｓｋ、Ｓｔの同時計測を良好に行うには、測定部表面の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくする必要がある。その点、上記の如く第１の結像レンズ及び第１のセンサーと、第２の結像レンズ及び第２のセンサーとを対称に配設すれば、測定部表面の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくすることができるようになる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明では、請求項６〜８のいずれか１項に記載の形状計測装置において、前記第１の結像レンズ及び前記第２の結像レンズは、前記光照射部により前記測定部表面に照射される光の光軸に対して傾けて配設されたレンズを共用し、前記第１のセンサーと前記第２のセンサーとは、共用する前記レンズを通過したあとに分離された光軸により、それぞれ異なった受光域で測定することを要旨とする。
【００２５】
第１の結像レンズ、第２の結像レンズを共用することで、各センサーへの照度は落ちるものの、同一条件で測定できるともに、その構成をコンパクトとすることができる。
請求項１１に記載の発明では、請求項６〜１０のいずれか１項に記載の形状計測装置において、結像レンズが二重焦点レンズにより構成されたことを要旨とする。
【００２６】
結像レンズに、二重焦点レンズを用いることで、光スポットのうち測定したい領域のみを焦点を結び、それ以外の領域をアウトフォーカスとして測定への影響を小さくするようにでき、スリットによらなくても受光域制限手段とすることができる。特に、シリンドリカルレンズで、光スポットの送り方向のみの受光域を制限することも好ましい。また、フレネルレンズによれば、レンズ厚みを薄くし、質量を小さくすることができる。
【００２７】
なお、本願で言う「結像レンズ」とは、本発明の趣旨より、ホログラムレンズや、回折レンズなども含むものである。
請求項１２に記載の発明では、請求項６〜１１のいずれか１項に記載の形状計測装置において、前記測定部表面に当てる光スポットの径を変更するスポット径変更手段を備えたことを要旨とする。
【００２８】
この発明では、測定対象や測定精度により、光スポットの径を調節することができる。また、測定対象の光反射率により照度の調整をすることもできる。なお、光スポットの径を調節するのは、実施形態のようなズームレンズを含む凸レンズの焦点調整に限定されるものでなく、ビームエキスパンダや絞り、スリットなどを用いてもよい。
【００２９】
請求項１３に記載の発明では、請求項６〜１２のいずれか１項に記載の形状計測装置において、前記測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としたことをその要旨としている。
【００３０】
測定部表面に当てる光スポットのサイズが大きい場合、スポット中の測定部表面の反射率の違いにより、その散乱光を集光して得られる受光部スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向における光スポットのサイズに依存する。したがって、上記のように測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状とすることで、計測誤差の抑制が可能となる。
【００３１】
請求項１４に記載の発明は、請求項６〜１３のいずれか１項に記載の形状計測装置において、前記スリットの幅を１００μｍ以下としたことをその要旨としている。
発明者らによる実験の結果によれば、スリットの幅を１００μｍ以下とすることで、良好な形状計測が可能であることが確認されている。
【００３２】
請求項１５に記載の発明は、請求項６〜１４のいずれか１項に記載の形状計測装置において、当該形状計測装置は、工作機械上に設置された機上計測装置として構成されてなることをその要旨としている。
【００３３】
このように本願発明の形状計測装置は、比較的簡易な装置でありながら測定部表面の振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるため、工作機械上に設置される機上計測装置として好適に実現することができる。この場合、工作機械の振動の影響を受けないため、より高精度の形状計測が可能となる。
【００３４】
請求項１６に記載の発明は、請求項６〜１５のいずれか１項に記載の形状計測装置を備えたことを特徴とする工作機械を要旨とする。
ここでいう工作機械とは、寸法精度が要求される工作機械、即ち、マシニングセンター、旋盤、フライス盤、研削盤、プレス盤、レーザー加工機等広範な工作機械に適用できる。また、これら工作機械は、本発明の機上計測装置と、周知の修正加工をするための制御手段とを有する加工システムを備える。この工作機械では、請求項６〜１５のいずれか１項に記載の形状計測装置を備えることにより振動の影響を抑えた計測ができるため、修正加工をするための制御手段により高精度の加工が実現できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の形状計測方法及び形状計測装置、工作機械によれば、比較的簡易な装置でありながら測定部表面の振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る形状計測装置の光学系のレイアウトの一部を示す斜視図。
【図２】本発明の一実施形態に係る形状計測装置の光学系のレイアウトを模式的に示す正面図。
【図３】（ａ）は第１の光位置センサーに当たる光スポットの形状を示す、（ｂ）は第２の光位置センサーに当たる光スポットの形状を示す、（ｃ）は、スリットの有無による検出位置の違いを説明する斜視図。
【図４】同実施形態の形状測定装置におけるＶ字溝の形状計測結果に対するスリットの効果を示すグラフ。
【図５】Ｖ字溝の形状及びその移動平均形状を示すグラフ。
【図６】本発明の別の実施形態に係る形状計測装置の光学系レイアウトを模式的に示す正面図。
【図７】第２の位置センサーの別の構成を示す斜視図。
【図８】本発明の別の実施形態に係る形状計測装置の受光部の光学系レイアウトを模式的に示す正面図。
【図９】実施形態の形状測定装置の効果確認のための実験装置の側面構造を示す側面図。
【図１０】同実施形態の形状測定装置における無振動時のＶ字溝の形状計測結果を示すグラフ。
【図１１】同実施形態の形状測定装置における振動時のＶ字溝の形状計測結果を示すグラフ。
【図１２】同実施形態の形状測定装置における振動による計測誤差を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の形状計測方法及び形状計測装置を具体化した実施の形態を、図１〜５、９〜１２を参照して詳細に説明する。なお本実施形態の形状計測装置は、工作機械上に設置された機上計測装置として構成されている。
【００３８】
図１は、本実施形態の形状計測装置の光学系のレイアウトを示めす斜視図、図２は光スポットの送り方向であるＹ軸方向から見た正面図である。
図２に示すように、この形状計測装置には、２つのレーザーポインター、すなわち長径４ｍｍ、短径１ｍｍ楕円ビームを出力する楕円ビームレーザーポインター１と、直径１．１ｍｍの円ビームを出力する円ビームレーザーポインター３とを備えている。楕円ビームレーザーポインター１の出力したレーザー光は、９０°プリズム２により直角に屈折された後、偏光ビームスプリッタープリズム（以下、ＰＢＳプリズム４と記載する）を透過し、ズームレンズ５、６にて集光されてから測定部表面７に光軸ＡＸ０がＺ軸沿ってＸＹ平面に対して垂直になるように照射されるようになっている。また円ビームレーザーポインター３の出力したレーザー光は、ＰＢＳプリズム４にて直角に屈折された後、ズームレンズ５、６にて集光されてから測定部表面７に光軸ＡＸ０と同軸に垂直に照射されるようになっている。なお本実施形態では、これら楕円ビームレーザーポインター１、円ビームレーザーポインター３、９０°プリズム２、ＰＢＳプリズム４、ズームレンズ５、６により、測定部表面７に光スポットを当てる光照射部が構成されている。
【００３９】
この光照射部は、ズームレンズ５、６により、測定部表面７の光スポットの径を変更することができ、スポット径変更手段として機能させることもできる。
また、図９に示すように、測定対象を光スポットに対して、一定の送り方向・一定速度で順次スキャンする周知の送り装置である移動手段としての自動ステージ１４を備えて、測定部表面７に対して光スポットが相対移動可能となっている。もちろん測定対象を固定したまま、光照射部を移動してスキャンするようにしてもよい。
【００４０】
図１、２に示すように、またズームレンズ５、６の図中左右には、測定部表面７の測定ポイントＰ０に当り散乱した光を受光する受光部がそれぞれ設けられている。
図中左方に位置する第１の受光部には、測定部表面７の測定ポイントＰ０に当って散乱した光を結像させる第１の結像レンズ８と、その第１の結像レンズ８にて結像された光を受光する第１の光位置センサー９とが設けられている。またズームレンズ５、６の図中右方に位置する第２の受光部には、測定部表面７の測定ポイントＰ０に当って散乱した光を結像させる第２の結像レンズ１０と、その第２の結像レンズ１０にて結像された光を受光する第２の光位置センサー１２と、その第２の光位置センサー１２の直前に配設されたスリット１１が設けられている。これらの受光部の要素は、図１に２つの同心円で示すようにＹ軸と直交する同一のＸＹ平面上に配置される。
【００４１】
また、図１、図２に示すように本実施形態では、第１の結像レンズ８と第１の光位置センサー９、及び第２の結像レンズ１０と第２の光位置センサー１２とは、それぞれシャインプルーク条件を満すように、それぞれの延長面がＺ軸上の１点で交わる位置関係で設置されている。従って、測定部表面７の測定ポイントＰ０が、上にずれて測定ポイントＰＨとなったときや、下にずれて測定ポイントＰＬとなったときでも、第１の結像レンズ８により第１の光位置センサー９に、及び第２の結像レンズ１０により第２の光位置センサー１２上に、それぞれピンとがぼけることなく結像することができる。
【００４２】
また第１の結像レンズ８及び第１の光位置センサー９と、第２の結像レンズ１０及び第２の光位置センサー１２とは、楕円ビームレーザーポインター１及び円ビームレーザーポインター３により測定部表面７に照射される光の光軸ＡＸ０に対してＸＺ平面上で同じ角度θ＝３５°傾いた光軸ＡＸ１、ＡＸ２に沿って、線対称に配設されている。そしてこれにより、測定部表面７の変位に対する第１、２の光位置センサー９，１２の出力変化を等しくするようにしている。
【００４３】
ちなみに、三角測量法では、原理的に、傾斜面、段差の測定において、光軸ＡＸ０のなすＸＺ平面と形状計測装置の送り方向Ｙとが直交することが望ましい。そこで本実施形態では、形状計測装置の送り方向が光軸ＡＸ０のなすＸＺ平面に対して直交するＹ方向となるように設計されている。
【００４４】
また、測定部表面７に当てられる光スポットのサイズが大きい場合、測定部スポット中の反射率の違いにより、受光面スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向のスポットのサイズに依存する。そこで本実施形態では、送り方向が長軸となる楕円形のスポットを使用することで、計測誤差を抑制するようにしている。
【００４５】
こうした形状測定装置の各諸元は、次の通りとされている。なお、図２に示すレンズ位置Ｌは、測定部表面７の光スポットから第１及び第２の結像レンズ８、１０までの距離を指している。また光軸角度θは、測定部表面７に照射される光の光軸と両受光部の光軸とがなす角度を指している。
・ズームレンズ５、６の倍率：      ０．１
・レンズ位置Ｌ：                  ３６ｍｍ
・光軸角度θ：                    ３５°
・結像レンズ８、１０の焦点距離：  １８ｍｍ
また本実施形態の形状計測装置では、測定範囲を１０ｍｍとし、第１の光位置センサー９、及び第２の光位置センサー１２として、浜松ホトニクス株式会社製のＳ３９３２（受光面サイズ１×１２ｍｍ）を採用している。更に第１の光位置センサー９及び第２の光位置センサー１２の受光面に結像させるスポットのサイズは、測定部表面７における光スポットのサイズのほぼ１倍とするようにしている。
【００４６】
ここで、本発明の三角測量法についてその原理を説明する。図１、図２に示すように、測定部表面７が測定ポイントＰ０にあるときは、第１の光位置センサー９及び第２の光位置センサー１２の受光面においてＰ´０において結像する。そして、測定部表面７が送り方向（Ｙ方向）に相対移動して、その高さが上方に変位して測定ポイントＰＨにきたときには、第１、２の光位置センサー９，１２の受光面においてＰ´Ｈにおいて結像する。同様に、測定部表面７が送り方向（Ｙ方向）に相対移動して、その高さが下方に変位して測定ポイントＰＬにきたときには、第１の光位置センサー９及び第２の光位置センサー１２の受光面においてＰ´Ｌにおいて結像する。この場合、測定部表面７と第２の結像レンズ１０との距離Ｌは変化するが、シャインプルーク条件を満たしていることから、焦点調節することなく第２の光位置センサー１２の受光面に合焦する。第１の結像レンズ８と第１の光位置センサー９の関係も同様である。第１の光位置センサー９及び第２の光位置センサー１２はこの受光面における変化を制御部（不図示）に出力して制御部では、この第１、２の光位置センサー９，１２の出力と測定部表面７の送り速度とから測定部表面７の形状をそれぞれ演算する。
【００４７】
本実施形態では、測定部表面７の測定ポイントＰ０に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測する第１の受光部と、上記散乱光を第結像して得られた光スポットをスリット１１を介して受光してその集光位置の変化を計測する第２の受光部とが設けられている。こうした本実施形態の形状計測装置では、スリット１１の無い第１の光位置センサー９には、図３（ａ）に示すように、光スポットの全体が受光される。これに対して直前にスリット１１の設けられた第２の光位置センサー１２には、スリット１１により光スポットの図中上下の部分がマスクされるため、同光スポットのＸＺ平面に沿った中央領域のみが受光されるようになる。ちなみに、図１、図３（ｂ）では模式的に第２の光位置センサー１２の受光面とスリット１１を離間して示しているが、光スポットの中央領域のみを取り出すには、図２に示すように第２の光位置センサー１２の受光面に十分に近い位置にスリット１１を設置する必要がある。
【００４８】
そして、図３（ｃ）に示すように、例えば、測定部表面が局部的に凸部となっている場合、第１の光位置センサーで受光部に結像した形状は、図にしめすような「くの字」形状となる。このとき、第１の光位置センサー９と第２の光位置センサー１２では、異なる位置として検出される。つまり、送り方向前後の高さと平均された第１の光位置センサーで検出された位置と比較して、横分解能の高い第２の光位置センサーで検出された位置Ｐ´Ｘの方が高い位置として認識される。
【００４９】
このように本実施形態では、第１の受光部においては、測定部表面７の測定ポイントＰ０に当てられた光スポット（測定部スポット）の散乱光を結像して得られた光スポット（受光部スポット）の受光ポイントＰ´０のＸ方向の移動を直接受光してその集光位置の変化を計測する。これをもって、横分解能（光スポットの送り方向であるＹ軸方向の分解能）の低い計測（Ｓｋ）を行うようにしている。またこれと同時に、上記散乱光を結像して得られた受光部スポットをスリット１１を介してＹ方向の受光域が制限された散乱光を受光してその受光ポイントＰ´０のＸ方向の位置の変化を計測する。これをもって横分解能の高い計測（Ｓｔ）を行うようにしている。すなわち、Ｓｔでは、散乱光を結像して得られた受光部スポットの周縁部をスリット１１にてマスクして受光部スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、光スポット送り方向（Ｙ軸方向）での狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分を求めることで、振動成分の影響を取り除いて精密な形状計測を行うようにしている。
【００５０】
つまり、こうした形状計測装置では、振動成分の検出に係るＳｋの光スポットの送り方向であるＹ軸方向の横分解能が測定部スポットのサイズに依存するのに対して、Ｓｔの横分解能は、スリット１１の幅に依存することとなる。
【００５１】
（実験例１）
スリット１１の設置による横分解能の向上効果を確認するため、Ｖ字溝形状の測定部表面７に対し、スリット幅を変化させて形状計測を行った。実験条件は、スリット無し、スリット幅５０μｍ及びスリット幅１００μｍの３つである。こうした実験の結果を図４に示す。また図５には、比較のため、実際の溝形状と、計算にて求めたその移動平均形状とを示している。
【００５２】
深さ０．２ｍｍのＶ字溝に対して、Ｓｋに用いられるスリットの無い場合の出力振幅は、約０．０８ｍｍとなり、平滑化効果が確認された。この値は、４００μｍの範囲で移動平均を行った計算結果とほぼ一致する。また、５０μｍ幅及び１００μｍ幅のスリット１１を設置した場合の出力振幅はそれぞれ、約０．１４ｍｍ、約０．１３ｍｍとなり、スリット１１が無い場合に比して横分解能が向上し、またスリット幅が狭いほど、その効果が高いことが確認された。
【００５３】
また測定結果と計算結果とを比較すると、測定結果の方が平滑化されている。この原因は、測定時の光量が溝凹部ほど強くなっており、測定部表面７での散乱光が他の面で更に散乱して受光部に向った結果、測定結果が平滑化されたものと考えられる。
【００５４】
（実験例２）
次に、本実施形態の形状計測方法、形状計測装置により、振動の影響を除去した形状の計測が実際に可能であるかを評価するための実験を行った。この実験は、図９に示されるような実験装置を用いて行っている。同図に示すように、この実験装置では、本実施形態の形状計測装置１３が図中左方に設置されている。この実験装置では、形状計測装置１３の図中右方に被測定物１６が設置されている。この被測定物１６には、前述の実験に用いたものと同じＶ字溝を有したものを使用している。なお被測定物１６は、ＰＺＴアクチュエーター１５により振動が加えられ、自動ステージ１４により、図中前後方向に送り動作が与えられるようになっている。この実験装置の図中右方には、検証のために被測定物１６の実際の振動を検出するための変位センサー１７が設置されている。
【００５５】
実験条件は、次の通りである。
・送り率：        １ｍｍ／ｓｅｃ
・振動振幅：      １６μｍ
・振動周波数：    １０，２０，３０，４０Ｈｚ
・スリット幅：    ５０μｍ
図１０に、無振動時のＳｔ、Ｓｋ及びその差分（Ｓｔ−Ｓｋ）の計測結果を示す。また図１１に、振動周波数が４０μｍのときのＳｔ、Ｓｋ及びその差分（Ｓｔ−Ｓｋ）の計測結果を示す。振動時の計測結果には、無振動時に対して、振動による出力の変化を確認することができる。Ｓｔの出力は、ノイズと振動との判別が困難であるが、Ｓｋの出力は、振動の影響を比較的容易に判別可能となっている。ＳｔとＳｋとの差分（Ｓｔ−Ｓｋ）の演算結果は、ノイズの影響が現れているものの、無振動時、振動時における出力はほぼ一致している。すなわち、振動の影響が好適に除去されている。
【００５６】
この誤差量を評価するため、無振動時の差分（Ｓｔ−Ｓｋ）から各振動実験の差分（Ｓｔ−Ｓｋ）を減算した誤差量のｒｍｓ（誤差量の平均二乗偏差）値とＰ−Ｖ（形状誤差）値とを求めた結果を、図１２に示す。なお、ここでは、ノイズの影響を確認するため、無振動時の計測を２回行い、ノイズによる繰返し誤差量を同様に算出している。いずれの実験においても、誤差量は繰返し誤差量を下回っているため、ＳｔとＳｋとの同時計測が行われていると言える。
【００５７】
上記実施形態の形状計測方法及び形状計測装置によれば、次の効果を奏することができる。
（１）本実施形態の形状計測方法では、測定部表面７に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測するようにしている。またこれと同時に、上記散乱光を結像して得られた光スポットをスリット１１を介して受光してその集光位置の変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分から測定部表面７の形状を求めるようにしている。こうした本実施形態では、測定部表面７に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測することでＳｋを行うと同時に、上記散乱光を結像して得られた光スポットをスリット１１を介して受光してその集光位置の変化を計測することでＳｔを行うようにしている。すなわち、Ｓｔでは、散乱光を結像して得られた光スポットの周縁部をスリット１１にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分を求めることで、振動成分の影響を取り除いて精密な形状計測を行うようにしている。したがって本実施形態の形状計測方法によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
【００５８】
（２）本実施形態の形状計測装置では、測定部表面７に光スポットを当てる光照射部と、測定部表面７に当たって散乱した光を結像する第１の結像レンズ８と、その第１の結像レンズ８にて結像された光の集光位置の変化を検出する第１の光位置センサー９とを備えるようにしている。また本実施形態の形状計測装置では、これに加え、測定部表面７に当たって散乱した光を結像する第２の結像レンズ１０と、その第２の結像レンズ１０にて結像された光の集光位置の変化を検出する第２の光位置センサー１２と、その第２の光位置センサー１２の直前に配設されたスリット１１と、を備えている。こうした本実施形態の形状計測装置では、測定部表面７に当てられた光スポットの散乱光を第１の結像レンズ８にて結像し、その結像した光を第１の光位置センサー９に直接受光させることで、横分解能の低い計測（Ｓｋ）が行われる。またこれと同時に、上記散乱光を第２の結像レンズ１０により結像し、その結像した光を、スリット１１を介して第２の光位置センサー１２に受光させることで、横分解能の高い計測（Ｓｔ）が行われる。すなわち、Ｓｔでは、第２の光位置センサー１２の受光部に照射される光スポットの周縁部をスリット１１にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。こうして２つの光位置センサーの計測した集光位置の変化量の差分を求めれば、振動成分の影響を取り除いた精密な形状計測を行うことができる。したがって本実施形態の形状計測装置によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
【００５９】
（３）第１の実施形態の形状計測装置では、第１の結像レンズ８及び第１の光位置センサー９と、第２の結像レンズ１０及び第２の光位置センサー１２とは、光照射部により測定部表面７に照射される光の光軸に対して対称に配設されている。Ｓｋ、Ｓｔの同時計測を良好に行うには、測定部表面７の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくする必要がある。その点、上記の如く第１の結像レンズ８及び第１の光位置センサー９と、第２の結像レンズ１０及び第２の光位置センサー１２とを対称に配設すれば、測定部表面７の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくすることができるようになる。
【００６０】
（４）本実施形態では、測定部表面７に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としている。測定部表面７に当てる光スポットのサイズが大きい場合、スポット中の測定部表面７の反射率の違いにより、その散乱光を集光して得られる受光部スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向における光スポットのサイズに依存する。したがって、上記のように測定部表面７に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状とすることで、計測誤差の抑制が可能となる。
【００６１】
（５）本実施形態では、スリット１１の幅を１００μｍ以下としている。発明者らによる実験の結果によるように、スリット１１の幅を１００μｍ以下とすることで、良好な形状計測が可能となる。
【００６２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の形状計測方法及び形状計測装置を具体化した他の実施の形態を、図６〜図７を参照して詳細に説明する。なお、第１の実施形態と異なる構成のみを説明し、共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６３】
第１の実施形態では、実験装置をベースとしているため、条件の変更が容易にできるような構成となっていたが、本実施形態においては、構成が簡易かつコンパクトになっている。
【００６４】
まず、図６に示すように、この形状計測装置には、長径４ｍｍ、短径１ｍｍ楕円ビームを出力する単一の楕円ビームレーザーポインター１を備えている。
楕円ビームレーザーポインター１は、測定部表面７に対して出力したレーザー光の光軸が垂直になるように配置されている。このレーザー光は、プリズム２、４無しで直接、ズームレンズ５に替えた単焦点のレンズ５にて集光されてから測定部表面７に光軸ＡＸ０がＺ軸沿ってＸＹ平面に対して垂直になるように照射されるようになっている。
【００６５】
本実施形態では、これら楕円ビームレーザーポインター１、レンズ５により、測定部表面７に光スポットを当てる光照射部が構成されている。
また、図６に示すように、レンズ５の図中右には、測定部表面７の測定ポイントＰ０に当り散乱した光を受光する受光部が設けられている。
【００６６】
Ｐ０に  あたり散乱した光は、第１の結像レンズ８と第２の結像レンズ１０として共用される同一の結像レンズ１８を通過する。そして、この光線は、ビームスプリッタ１９によりそのまま直進する光路と、９０度反射する光路に１／２の光量ずつに等分に分離される。
【００６７】
ビームスプリッタ１９で反射され屈曲された光路には、第１の光位置センサー９が設けられている。そして、結像レンズ１８にて結像された光は第１の光位置センサー９でそのまま受光され結像される。
【００６８】
一方、ビームスプリッタ１９を直進した光線の光路には、第２の光位置センサー１２と、その直前に配設されたスリット１１が設けられている。したがって、第２の光位置センサー１２には、光スポット送り方向（Ｙ軸方向）に受光域が制限された光線が入射する。
【００６９】
このように、第１の光位置センサー９と第２の光位置センサー１２とは、共通の光路を用いているため、両者の受光する光線は、光位置センサー１２が、スリット１１によりＹ軸方向に受光域が制限されていることを除けば、同一の条件とされている。
【００７０】
第２の実施形態では、上記第１の実施形態の効果（１）、（２）、（４）、（５）に加え、以下のような効果がある。
（６）第１の結像レンズと第２の結像レンズを共通のレンズとしたことで、第１の光位置センサー９と第２の光位置センサー１２との条件を等しいものとすることができ、より精度が高い測定をすることができる。
【００７１】
また、レンズを共用することで、構成要素を少なくして、コンパクトな構成で、コストも抑えることができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
【００７２】
・  上記実施形態では、測定部表面７に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としていたが、計測誤差を十分に抑制可能であれば、光スポットの形状を円形状、矩形状等の任意の形状に変更しても良い。
【００７３】
・  上記実施形態の形状計測装置の光照射部においては、スポット形状が計測結果に与える影響を確認するため、２つのレーザーポインターを備えるようにしていたが、振動の影響を好適に除去して高精度の形状計測を行うことは、第２の実施形態のようにレーザーポインターが１つだけでも行うことができる。
【００７４】
・  また、簡易なレーザーポインターに替え、もっと出力の大きなレーザー発振器とすることができるのはいうまでもない。
・  上記実施形態の形状計測装置における各プリズム、集光レンズの数や形状は、適宜に変更しても良い。
【００７５】
・  ズームレンズに替えて、単焦点レンズ、二重焦点レンズなどの多焦点レンズとしてもよい。２重焦点レンズには、ＤＶＤ再生などに用いられる二重焦点ホログラムレンズを好適に用いることができる。
【００７６】
・  また、プリズムを反射板としてもよい。
・  また、受光部においては、以下のように変更することができる。
まず、第２のセンサーの受光域を制限する受光域制限手段として、スリットを例示したが、受光域制限手段は発明の趣旨からスリットに限定されるものではない。スリットは簡易な方法であるが、例えば、光位置センサー自体の受光面積を予め制限することで受光域を制限するようなものでもよい。
【００７７】
・  例えば、透明な光学素子の一部を遮光することでスリットと同様の構成にしてもよい。
・  例えば、実施形態のような光位置センサーに替えて、ＣＣＤやＣＭＯＳによるマトリクスアレー状のセンサーにより集光位置を検出するようなものであっても実施できる。
【００７８】
この場合、図７に示すように、第２の光位置センサー１２の直前に設けられるスリット１１を省略し、これに替えてＣＣＤやＣＭＯＳの個別の素子からの入力範囲を限定することで、受光部の送り方向の受光範囲を限定することができる。そして、受光したデータをコンピュータで周知の方法で画像処理することで、その位置を検出する。
【００７９】
・  なお、このようなアレー状のセンサーを用いれば図示は省略するが、第２の実施形態において、ビームスプリッタ１９を省略して、受光部を１つのＣＣＤで兼用するような構成も可能である。
【００８０】
・また、図８に示すように受光域を制限するには、スリットに替えて、非円筒面の二重焦点のシリンドリカルレンズ２０を用いることもできる。即ち、このシリンドリカルレンズは、その長手方向を送り方向と直交するように配置し、測定部表面７の送り方向の一部だけを光位置センサー１２に合焦させ、それ以外の領域の光は、アウトフォーカスさせることでスリット１１と同様の機能を奏する。また、非球面の２重焦点ンレンズを用いてもよい。
【００８１】
・さらに、逆に、測定部表面７の送り方向の特定の一部だけをアウトフォーカスさせ、第１の光位置センサーの出力から第２の光位置センサーの出力の差から、測定部表面７の送り方向の特定の一部のデータを演算する。そして、さらに、第１の光位置センサーのデータとその測定部表面７の送り方向の特定の一部のデータとの差分から振動成分を除去するような方法であってもよい。
【００８２】
・形状測定装置の各部の寸法形状は、上記実施形態で示したものに限らず、適宜に変更しても良い。まず、測定部表面に光スポットを当てる光照射部を備える。その散乱光を結像する第１の結像レンズ、集光位置の変化を検出する第１の光位置センサー、散乱光を結像する第２の結像レンズ、集光位置の変化を検出する第２の光位置センサー、及び第２の光位置センサーの直前に配設されたスリットを備える。このような計測装置であれば、測定部の振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
【００８３】
・上記実施形態では、第１の結像レンズ８及び第１の光位置センサー９と、第２の結像レンズ１０及び第２の光位置センサー１２とは、光照射部により測定部表面７に照射される光の光軸に対して対称に配設するようにしていた。そしてこれにより、両受光部で、測定部表面７の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくするようにしていた。計測精度を確保する上では、両受光部を対称に配置することが望ましいが、レイアウト上、対称配置とすることが困難な場合等には、両受光部を非対称に配置するようにしても良い。
【符号の説明】
【００８４】
Ｙ（軸）…横方向、送り方向、Ｚ（軸）…高さ方向、ＡＸ０，ＡＸ１，ＡＸ２…光軸、１…楕円ビームレーザーポインター（光照射部）、２…９０°プリズム（光照射部）、３…円ビームレーザーポインター（光照射部）、４…ＰＢＳプリズム（光照射部）、５，６…ズームレンズ（光照射部）、７…測定部表面、８…第１の結像レンズ、９…第１の光位置センサー、１０…第２の結像レンズ、１１…スリット、１２…第２の光位置センサー、１３…形状計測装置、１４…自動ステージ、１５…ＰＺＴアクチュエーター、１６…被測定物、１７…変位センサー、１８…結像レンズ、１９…ビームスプリッタ、２０…シリンドリカルレンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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