(57)【要約】【課題】光切断方式による測定精度を向上する。【解決手段】Ｚ方向に所定の間隔ｄｚ離れて行われる２回の測定処理で求められる基準球３１の中心位置のＹ座標の差分に基づいて、光切断プローブ２２のＸ方向の駆動軸周りの回転誤差を検出する。また、Ｘ方向に所定の間隔ｄｘ離れて行われる２回の測定処理で求められる基準球３１の中心位置のＹ座標の差分に基づいて、収束計算を行い、光切断プローブ２２のＺ方向の駆動軸周りの回転誤差を検出する。Ｚ方向に所定の間隔ｄｚ離れて行われる２回の測定処理で求められる基準球３１の中心位置のＸ座標の差分に基づいて、または、Ｚ軸に直交する既知の基準面３２を被検物として測定処理を行わせて、その測定処理で求められる平面の基準面に対する傾きに基づいて、光切断プローブ２２のＹ方向の駆動軸周りの回転誤差を検出する。本発明は、例えば、光切断方式による三次元測定装置に適用できる。【選択図】図３
2011095245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の表面形状を測定する形状測定装置において、
前記被検物にラインパターンを投影する照射手段と、
前記ラインパターンが投影された前記被検物を撮像する撮像手段と、
前記照射手段と前記被検物とを相対的に、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向の駆動軸に沿って駆動する駆動手段と、
前記駆動手段により前記照射手段と前記被検物とを前記Ｙ方向に相対的に移動させながら、前記撮像手段により逐次撮像される複数枚の画像を取得し、前記複数枚の画像に写されている前記ラインパターンの形状から前記被検物の形状測定データを構築する形状測定データ構築手段と、
球形状に形成された基準球と、
前記駆動手段の各駆動軸に対する前記照射手段の姿勢の回転誤差を検出する誤差検出手段と
を備え、
前記誤差検出手段は、前記基準球を被検物として、前記形状測定データ構築手段によって得られる前記Ｚ方向に所定の間隔離れて行われる少なくとも複数回分の形状測定データを取得し、前記複数回の形状測定データのうち少なくとも２回分の形状測定データからそれぞれ求められる前記基準球の中心位置を取得し、前記取得された前記基準球の中心位置の差分に基づいて、前記照射手段の光軸方向に対する前記Ｘ方向の駆動軸周りの回転誤差を検出し、
前記形状測定データ構築手段は、前記誤差検出手段から得られた回転誤差情報を基に、前記被検物の形状測定データを補正する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記誤差検出手段は、前記形状測定データ構築手段によって得られる前記Ｘ方向に所定の間隔離れて行われる少なくとも複数回分の形状測定データを取得し、前記複数回の形状測定データのうち少なくとも２回分の形状測定データからそれぞれ求められる前記基準球の中心位置を取得し、前記取得された基準球の中心位置の差分に基づいて、前記照射手段の光軸方向に対する前記Ｚ方向の駆動軸回りの回転誤差を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記誤差検出手段は、前記Ｚ方向に所定の間隔離れて行われる前記複数回の形状測定データのうち少なくとも２回分の形状測定データから得られる前記基準球の中心位置の差分に基づいて、前記照射手段の前記Ｙ方向の駆動軸周りの回転誤差を検出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記誤差検出手段は、前記Ｚ軸に直交する既知の基準面を被検物として得られる形状測定データが表す平面の前記基準面に対する傾きに基づいて、前記照射手段の前記Ｙ方向の駆動軸周りの回転誤差を検出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記誤差検出手段は、前記照射手段の光軸方向に対する前記Ｚ方向の駆動軸回りの回転誤差を検出する際に、前記照射手段の光学系の光軸と前記撮像手段の光学系の光軸との交点を含むＸＹ平面で前記ラインパターンが照射される領域である測定領域の一部が重なり合うように前記所定の間隔を設定して取得された前記２回分の形状測定データから、前記基準球の中心位置を取得する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記誤差検出手段は、前記照射手段の光軸方向に対する前記Ｚ方向の駆動軸回りの回転誤差を検出する際に、前記照射手段の光学系の光軸と前記撮像手段の光学系の光軸との交点を含むＸＹ平面で前記ラインパターンが照射される領域である測定領域が重なり合うことを回避するように前記所定の間隔を設定して取得された前記２回分の形状測定データから、前記基準球の中心位置を取得する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記誤差検出手段は、前記照射手段の前記Ｚ方向の駆動軸周りの回転誤差を算出する処理を、既に求めた前記Ｚ方向の駆動軸周りの回転誤差を適用させながら、その値が収束するまで繰り返して行う
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記照射手段と前記撮像手段は同一の筐体で保持されており、前記駆動手段は、前記筐体を駆動する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関し、特に、光切断方式による測定精度を向上することができるようにした形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラインパターンを照射して被検物の表面形状を測定する光切断方式では、被検物に照射するラインパターンに対して直交する方向にラインパターンが走査され、被検物の表面形状に従って変形するラインパターンが連続的に撮像される。そして、連続的に撮像された画像に映されるラインパターンの形状を走査方向に並べる処理を行うことにより、被検物の三次元的な表面形状のデータが構築される。
【０００３】
また、特許文献１で開示されている測定装置では、被検物を載置する基盤上の計測に邪魔にならない箇所に基準球を配置し、基準球の中心位置を測定することで、形状センサの位置を補正するキャリブレーション動作が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４６１３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、上述したような測定装置では、ラインパターンに対して直交する方向にラインパターンを走査するという前提に基づいて、ラインパターンが照射された被検物が映された画像から、被検物の三次元的な表面形状のデータが構築される。従って、ラインパターンに対して走査方向が正確に直交していなければ、被検物の三次元的な表面形状を正確に構築することができず、測定精度が低下することになる。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、光切断方式による測定精度を向上することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の形状測定装置は、被検物の三次元的な表面形状を測定する形状測定装置であって、前記被検物にラインパターンを投影する照射手段と、前記ラインパターンが投影された前記被検物を撮像する撮像手段と、前記照射手段と前記被検物とを相対的に、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向の駆動軸に沿って駆動する駆動手段と、前記駆動手段により前記照射手段と前記被検物とを前記Ｙ方向に相対的に移動させながら、前記撮像手段により逐次撮像される複数枚の画像を取得し、前記複数枚の画像に写されている前記ラインパターンの形状から前記被検物の形状測定データを構築する形状測定データ構築手段と、球形状に形成された基準球と、前記駆動手段の各駆動軸に対する前記照射手段の姿勢の回転誤差を検出する誤差検出手段とを備え、前記誤差検出手段は、前記基準球を被検物として、前記形状測定データ構築手段によって得られる前記Ｚ方向に所定の間隔離れて行われる少なくとも複数回分の形状測定データを取得し、前記複数回の形状測定データのうち少なくとも２回分の形状測定データからそれぞれ求められる前記基準球の中心位置を取得し、前記取得された前記基準球の中心位置の差分に基づいて、前記照射手段の光軸方向に対する前記Ｘ方向の駆動軸周りの回転誤差を検出し、前記形状測定データ構築手段は、前記誤差検出手段から得られた回転誤差情報を基に、前記被検物の形状測定データを補正することを特徴とする。
【０００８】
本発明の形状測定装置においては、基準球を被検物として、Ｚ方向に所定の間隔離れて行われる少なくとも複数回分の形状測定データが取得され、複数回の形状測定データのうち少なくとも２回分の形状測定データからそれぞれ求められる基準球の中心位置が取得され、取得された基準球の中心位置の差分に基づいて、光軸方向に対するＸ方向の駆動軸周りの回転誤差が検出される。そして、その得られた回転誤差情報を基に、被検物の形状測定データが補正される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の形状測定装置によれば、光切断方式による測定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す斜視図である。
【図２】形状測定装置の光切断プローブの構成例を示す図である。
【図３】駆動軸座標系に対する光切断プローブの姿勢の誤差を検出する処理を説明する図である。
【図４】Ｘ軸周りの回転誤差と基準球の測定データとの関係を説明する図である。
【図５】Ｚ軸周りの回転誤差と基準球の測定データとの関係を説明する図である。
【図６】Ｙ軸周りの回転誤差と基準球の測定データとの関係を説明する図である。
【図７】光切断プローブの回転誤差を検出する回転誤差検出処理を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示す斜視図である。
【００１３】
形状測定装置１１は、光切断方式により被検物１２の表面形状を三次元的に測定する三次元測定装置である。形状測定装置１１では、定盤２１の上に載置されている被検物１２に対して、光切断プローブ２２からラインパターンを照射しつつ、ラインパターンに直交する方向に光切断プローブ２２が走査されて、被検物１２の表面形状が測定される。
【００１４】
光切断プローブ２２は、Ｚステージ２３およびコラム２５が駆動することにより、鉛直方向に沿ったＺ方向、および、Ｚ方向および互いに直交するＸ方向およびＹ方向に移動する。以下、適宜、図１に示すようなＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向からなる座標系を、駆動軸座標系と称する。
【００１５】
即ち、光切断プローブ２２は、Ｚ方向に細長い形状のＺステージ２３の下方の先端に装着されており、Ｚステージ２３は、Ｙ方向に延びる梁部２４を有するコラム２５に装着されている。Ｚステージ２３は、コラム２５の梁部２４に沿って駆動するとともに、自身の長手方向に沿って駆動する。また、コラム２５は、梁部２４の両端を脚部により支持するコ字形状をしており、一方の脚部が定盤２１上に設けられたガイド２６により案内されてＸ方向に駆動する。なお、コラム２５の脚部のうち、ガイド２６が設けられていない側の脚部の下端は、例えば、エアーガイドとなっている。
【００１６】
また、定盤２１には、光切断プローブ２２による測定が可能な範囲内であって被検物１２の測定の邪魔とならない位置に、例えば、定盤２１上の測定が可能な範囲の周辺部に、基準球３１および基準面３２が配置されている。基準球３１は、所定の真球度で形成された球形状の部材である。基準面３２は、Ｚ軸に対して直交するように所定の平面度で形成された平面である。
【００１７】
図２は、形状測定装置１１の光切断プローブ２２の構成例を示す図である。
【００１８】
図２には、光切断プローブ２２が基準球３１にラインパターンを照射している状態が示されている。光切断プローブ２２は、ラインパターンを基準球３１に照射する照射ユニット４１と、ラインパターンが照射された基準球３１を撮像する撮像ユニット４２とを備えて構成される。
【００１９】
光切断プローブ２２には、照射ユニット４１の光学系の光軸Ｌ１と撮像ユニット４２の光学系の光軸Ｌ２とが所定の角度（例えば、４５°）となる配置で、照射ユニット４１および撮像ユニット４２が組み込まれている。また、光切断プローブ２２は、照射ユニット４１の光軸Ｌ１がＺ方向に一致し、ラインパターンの長手方向がＸ方向に一致するように、図１のＺステージ２３の先端に装着されている。
【００２０】
照射ユニット４１の発光素子５１は、例えば、LED（Light Emitting Diode）や、LD（Laser Diode）などにより構成される。図２に示されているｈ面は、照射ユニット４１の光学系の光軸Ｌ１と撮像ユニット４２の光軸Ｌ２との交点で、かつ光軸Ｌ１を垂線に持つ面である。発光素子５１から発せられた光束はラインジェネレータレンズ５３により、Ｘ方向に引き伸ばされ、光束の断面形状がラインパターン状の形状となり基準球３１に照射される。ラインジェネレータレンズ５３は例えば円筒レンズにより構成できる。
【００２１】
撮像ユニット４２の撮像素子５５は、例えば、CCD（Charge Coupled Device）、または、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどにより構成され、撮像レンズ５４を介して、ラインパターンが照射された基準球３１を撮像する。撮像素子５５は、基準球３１を撮像して得られる画像のデータを、形状測定装置１１に対して各種の制御を行う制御装置６１に供給する。
【００２２】
制御装置６１は、形状データ構築部６２、誤差検出部６３、および駆動制御部６４を備えて構成される。形状データ構築部６２は、撮像素子５５からの画像に映されている基準球３１の表面形状に従って変形するラインパターンの各部の位置に基づいて、基準球３１の三次元的な表面形状の測定データを構築する。また、形状データ構築部６２は、後述する誤差検出部６３で検出された誤差情報を基に、測定データを補正することも行う。誤差検出部６３は、図３を参照して後述するように、図１のＺステージ２３およびコラム２５が光切断プローブ２２を駆動する駆動軸座標系に対する光切断プローブ２２の姿勢の誤差、特に照射ユニット４１の光学系の光軸Ｌ１の方向の誤差を検出する。駆動制御部６４は、Ｚステージ２３およびコラム２５の駆動を制御し、光切断プローブ２２を駆動軸座標系に沿って移動させる。
【００２３】
例えば、駆動制御部６４がＺステージ２３を駆動させて、光切断プローブ２２がＺ方向に移動することにより、光切断プローブ２２によるＺ方向の測定可能範囲Ｗが移動する。光切断プローブ２２によるＺ方向の測定可能範囲Ｗは、照射ユニット４１の光学系の光軸Ｌ１と撮像ユニット４２の光学系の光軸Ｌ２との交点のＺ方向の高さｈを測定中心としたＺ方向の範囲（即ち、高さｈより上側にＷ／２で、高さｈより下側にＷ／２となる範囲）であり、撮像ユニット４２の視野角によって決定される範囲である。
【００２４】
また、駆動制御部６４がコラム２５を駆動させて、光切断プローブ２２がＸ方向に移動することにより、Ｚ方向から見た測定領域がＸ方向に移動する。この測定領域は、Ｘ方向に沿ったラインパターンをＹ方向に走査したときに、照射ユニット４１の光学系の光軸Ｌ１と撮像ユニット４２の光学系の光軸Ｌ２との交点を含むＸＹ平面（即ち、高さｈでのＸＹ平面）においてラインパターンが照射される領域（後述の図３Ｂで、点線で囲われている領域）である。
【００２５】
このように構成されている形状測定装置１１では、駆動制御部６４の制御に従って、光切断プローブ２２が移動され、被検物１２の三次元的な表面形状が測定される。即ち、光切断プローブ２２が、Ｘ方向に沿ったラインパターンを被検物１２に照射しつつＹ方向に走査され、形状データ構築部６２が、撮像ユニット４２により連続的に撮像される画像に映されるラインパターンの形状を走査方向に並べる処理を行うことにより、被検物１２の三次元的な形状データを構築する。
【００２６】
このように、形状測定装置１１では被検物１２の三次元的な形状データが構築されるが、形状測定装置１１の組み立て誤差などにより、形状測定装置１１が設定している基準座標軸に対する光切断プローブ２２の姿勢に若干の誤差が発生することがある。従って、光切断プローブ２２の姿勢に誤差が発生しているとき、その誤差を考慮して、被検物１２の三次元的な形状データを構築する処理を行わなければ、被検物１２の表面形状の位置を正確に測定することはできない。
【００２７】
そこで、形状測定装置１１では、被検物１２の測定を行う前に、基準球３１および基準面３２を測定して、その測定結果を基に駆動軸座標系に対する光切断プローブ２２の姿勢の誤差、特に照射ユニット４１の光軸方向の誤差として、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘ、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙ、およびＺ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出する処理（後述する図７のフローチャートの回転誤差検出処理）が行われる。なお、本実施の形態では、駆動軸に座標系を設定した例で説明するが、本発明は、このような座標系以外でも適用可能である。
【００２８】
次に、図３を参照して、駆動軸座標系に対する光切断プローブ２２の姿勢の誤差を検出する処理について説明する。
【００２９】
図３Ａは、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを検出する処理を説明する図であり、図３Ｂは、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出する処理を説明する図であり、図３Ｃは、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙを検出する処理を説明する図である。
【００３０】
まず、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを検出する処理について説明する。
【００３１】
例えば、光切断プローブ２２をＺステージ２３に取り付けたときの基準となる取付基準位置から、基準球３１の中心までの距離をＬｘとする。そして、光切断プローブ２２が駆動軸座標系に対して誤差が発生せずに理想的に取り付けられた場合における基準球３１の表面形状データから得られる基準球３１の中心位置の座標に対する、光切断プローブ２２にＸ軸周りの回転誤差Ｒｘが発生した場合における基準球３１の表面形状データから得られる基準球３１の中心位置の座標の誤差（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）は、次の式（１）で表される。
【００３２】
（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）
＝（０，Ｌｘ×ｓｉｎ（Ｒｘ），Ｌｘ×（ｃｏｓ（Ｒｘ）−１））
≒（０，Ｌｘ×Ｒｘ，０）
・・・（１）
【００３３】
但し、式（１）では、本実施の形態における形状測定装置に生じるＸ軸周りの回転誤差Ｒｘが微小量であることが推定されるので、一次近似が行われている。
【００３４】
式（１）に示すように、距離Ｌｘが既知であれば、基準球３１の表面形状データを測定して、その球の中心位置の座標を算出することにより、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを算出することができる。しかしながら、距離Ｌｘを正確に測定することは困難である。
【００３５】
そこで、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを検出する処理では、図３Ａに示すように、光切断プローブ２２の位置をＺ方向に間隔ｄｚで移動させて、基準球３１の表面形状を２回測定し、それぞれの測定毎に中心位置の座標を算出する。即ち、Ｚ方向に間隔ｄｚ離れた２つの測定領域（図３Ａにおいて点線で囲われている２つの領域）にラインパターンが照射されるようにして、２回の測定が行われる。
【００３６】
ここで、１回目の測定における取付基準位置から基準球３１の中心までの距離をＬｘ１とし、２回目の測定における取付基準位置から基準球３１の中心までの距離をＬｘ２とすると、１回目の測定における基準球３１の中心座標の誤差（ΔＸ１，ΔＹ１，ΔＺ１）と、２回目の測定における基準球３１の中心座標の誤差（ΔＸ２，ΔＹ２，ΔＺ２）は、次の式（２）で表される。
【００３７】
（ΔＸ１，ΔＹ１，ΔＺ１）≒（０，Ｌｘ１×Ｒｘ，０）
（ΔＸ２，ΔＹ２，ΔＺ２）≒（０，Ｌｘ２×Ｒｘ，０）
・・・（２）
【００３８】
従って、式（２）より、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘは、次の式（３）で求められる。
【００３９】
Ｒｘ＝（ΔＹ１−ΔＹ２）／（Ｌｘ１−Ｌｘ２）
・・・（３）
【００４０】
ここで、２回行った測定における距離Ｌｘ１とＬｘ２との差（Ｌｘ１−Ｌｘ２）が、光切断プローブ２２のＺ方向に移動させた間隔ｄｚとなるように、距離Ｌｘ１およびＬｘ２を設定して測定を行うと、上述の式（３）は、次の式（４）で表される。
【００４１】
Ｒｘ＝（Ｙ１−Ｙ２）／ｄｚ
・・・（４）
【００４２】
但し、式（４）において、Ｙ１は、１回目の測定における基準球３１の中心のＹ座標であり、Ｙ２は、２回目の測定における基準球３１の中心のＹ座標である。このように、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘは、光切断プローブ２２の位置をＺ方向に間隔ｄｚで変化させて２回の測定を行い、その２回の測定で求められる基準球３１のＹ座標Ｙ１とＹ座標Ｙ２との差分から求めることができる。
【００４３】
ここで、図４を参照して、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘによって、基準球３１の測定データのＹ座標Ｙ１とＹ座標Ｙ２とに差分が発生することについて説明する。
【００４４】
図４Ａには、１回目の測定処理において基準球３１に照射されるラインパターンが模式的に示されており、図４Ｂには、２回目の測定処理において基準球３１に照射されるラインパターンが模式的に示されている。図示するように、光切断プローブ２２は、Ｘ軸周りに回転誤差Ｒｘで傾いており、基準球３１の表面には、Ｚ軸に対して回転誤差Ｒｘで傾斜したラインパターンがそれぞれ照射される。
【００４５】
そして、形状データ構築部６２（図２）において、光切断プローブ２２が傾いていない（Ｚ軸と平行に照射ユニット４１の光軸が設定されている）という前提で、即ち、基準球３１の表面に照射されたラインパターンがＸ方向から見てＺ軸と一致しているという前提で、１回目および２回目の測定データに基づいて被検物１２の三次元的な形状データを構築したとする。この場合、実際にはＺ軸に対して傾斜しているラインパターンがＺ軸に沿うものとして処理が行われるため、図４Ｃに示すように、１回目の測定データに基づいて構築された形状データ（実線で示されている円形）と、２回目の測定データに基づいて構築された形状データ（破線で示されている円形）とで、Ｙ方向に位置がズレてしまう。このように、ラインパターンの投影方向のズレ（回転誤差Ｒｘ）によって、基準球３１の測定に誤差が発生してしまう。
【００４６】
そこで、それぞれの形状データのＹ座標Ｙ１とＹ座標Ｙ２の差分に基づいて、上述の式（４）から回転誤差Ｒｘを求め、その回転誤差Ｒｘを適用して基準球３１の三次元的な形状データを構築する処理を行うことで、基準球３１の形状を正確に測定すること、即ち、図４Ｃにおいて二点鎖線で示されるように、誤差の発生しない理想的な位置にある基準球３１の形状データを得ることができる。
【００４７】
また、基準球３１の直径としては、任意の値を選択することができるが、間隔ｄｚの２倍以上の値を選択することが望ましい。例えば、測定可能範囲Ｗが２０ｍｍであり、間隔ｄｚが２０ｍｍである場合、基準球３１の直径が４０ｍｍ以上であれば、測定可能範囲Ｗが重なり合わないように測定が行われる。また、基準球３１の直径が４０ｍｍ未満であっても、間隔ｄｚを狭めて測定を行うことができる。
【００４８】
次に、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出する処理においても、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを検出する処理と同様に、基準球３１の表面形状を２回測定し、それぞれの測定結果ごとに中心位置の座標を算出する。即ち、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出する処理では、図３Ｂに示すように、光切断プローブ２２の位置をＸ方向に間隔ｄｘで移動させて、基準球３１の中心位置の座標を２回測定する。つまり、Ｘ方向に中心位置が間隔ｄｘ離れた２つの測定領域（図３Ｂにおいて点線で囲われている２つの領域）にラインパターンが照射されるようにして、２回の測定が行われる。
【００４９】
例えば、Ｚ方向から見たときに、照射ユニット４１の光学系の光軸Ｌ１から基準球３１の中心までの距離をＬｚとする。そして、光切断プローブ２２が駆動軸座標系に対して誤差が発生せずに理想的に取り付けられた場合における基準球３１の表面形状データから得られる基準球３１の中心位置の座標に対する、光切断プローブ２２にＺ軸周りの回転誤差Ｒｚが発生した場合における基準球３１の表面形状データから得られる基準球３１の中心位置の座標の誤差（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）は、次の式（５）で表される。
【００５０】
（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）
＝（Ｌｚ×（ｃｏｓ（Ｒｚ）−１），Ｌｚ×ｓｉｎ（Ｒｚ），０）
≒（０，Ｌｚ×Ｒｚ，０）
・・・（５）
【００５１】
但し、式（５）では、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚが微小量であることより、一次近似が行われている。
【００５２】
そして、図３Ｂに示すように、光切断プローブ２２の位置をＸ方向に間隔ｄｘ変化させて２回の測定を行い、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを求めたときと同様に、１回目の測定における基準球３１の中心のＹ座標をＹ１とし、２回目の測定における基準球３１の中心のＹ座標をＹ２とすると、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚは、次の式（６）で求められる。
【００５３】
Ｒｚ＝（Ｙ１−Ｙ２）／ｄｘ
・・・（６）
【００５４】
このように、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚは、光切断プローブ２２の位置をＸ方向に間隔ｄｘで変化させて２回の測定を行い、その２回の測定で求められる基準球３１の中心のＹ座標Ｙ１とＹ座標Ｙ２との差分から求めることができる。
【００５５】
ここで、図５を参照して、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚによって、基準球３１の測定データのＹ座標Ｙ１とＹ座標Ｙ２とに差分が発生することについて説明する。
【００５６】
図５Ａには、１回目の測定処理において基準球３１に照射されるラインパターンが模式的に示されており、図５Ｂには、２回目の測定処理において基準球３１に照射されるラインパターンが模式的に示されている。図示するように、光切断プローブ２２（の照射するラインパターン）は、Ｚ軸周りに回転誤差Ｒｚで傾いており、基準球３１の表面には、Ｘ軸に対して回転誤差Ｒｚで傾斜したラインパターンがそれぞれ照射される。
【００５７】
従って、この回転誤差Ｒｚを考慮せずに、１回目および２回目の測定データに基づいて被検物１２の三次元的な形状データを構築すると、図５Ｃに示すように、１回目の測定データに基づいて構築された形状データ（実線で示されている円形）と、２回目の測定データに基づいて構築された形状データ（破線で示されている円形）とで、Ｙ方向に位置がズレてしまう。このように、ラインパターンの投影方向のズレ（回転誤差Ｒｚ）によって、基準球３１の測定に誤差が発生してしまう。
【００５８】
そこで、それぞれの形状データのＹ座標Ｙ１とＹ座標Ｙ２の差分に基づいて、上述の式（６）から回転誤差Ｒｚを求め、その回転誤差Ｒｚを適用して基準球３１の三次元的な形状データを構築する処理を行うことで、図５Ｃにおいて二点鎖線で示されるように、誤差の発生しない理想的な位置にある基準球３１の形状データを得ることができる。
【００５９】
ところで、１回目の測定処理と２回目の測定処理とで、基準球３１の表面上で異なる領域にライン光が照射されるため、基準球３１の真球度によっては、回転誤差Ｒｚを正確に求めることが困難になることがある。例えば、１回目の測定処理と２回目の測定処理とで測定対象となる表面形状の微妙な違いに起因して、実際の回転誤差Ｒｚとは異なる値が算出されることがある。
【００６０】
即ち、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを求める際には、図４に示したように、１回目の測定処理と２回目の測定処理とでラインパターンが照射される領域が重なっており、略同一の面の測定結果から回転誤差Ｒｘを求めることができるため、正確に回転誤差Ｒｘを求めることができる。これに対し、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを求める際には、図５に示すように、１回目の測定処理と２回目の測定処理とでラインパターンが照射される領域が異なっているため、正確性が低下してしまう。
【００６１】
そこで、形状測定装置１１では、回転誤差Ｒｚを求める処理を、既に求めた回転誤差Ｒｚを適用させながら、その値が収束するまで繰り返して行う収束計算を行う。例えば、まず、回転誤差Ｒｚを０として２回の測定処理を行って回転誤差Ｒｚを求める。そして、その回転誤差Ｒｚを適用して２回の測定処理を行って新たな回転誤差Ｒｚを求め、その新たな回転誤差Ｒｚの変化分（１回前に求めた回転誤差Ｒｚとの差分）が所定の閾値、例えば、１０秒以下となるまで、回転誤差Ｒｚを求める処理を繰り返す。このようにして回転誤差Ｒｚを求めることで、正確な回転誤差Ｒｚを得ることができ、これにより、被検物１２の測定精度を向上させることができる。
【００６２】
また、基準球３１の直径としては、任意の値を選択することができるが、間隔ｄｘの２倍以上の値を選択することが望ましい。例えば、測定領域のＸ方向の幅が２０ｍｍであり、間隔ｄｘが２０ｍｍである場合、基準球３１の直径が４０ｍｍ以上であれば、測定領域が重なり合わないように測定が行われる。また、基準球３１の直径が４０ｍｍ未満であっても、間隔ｄｘを狭めて測定を行うことができる。
【００６３】
次に、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙを検出する処理について説明する。
【００６４】
Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙの検出は、図３Ｃに示すように光切断プローブ２２により基準面３２を測定することにより行われる。基準面３２は、上述したように、Ｚ軸に対して直交するように所定の平面度で形成された平面である。なお、例えば、基準面３２を設けることなく、定盤２１の任意の一部分の平面を、図示しないタッチプローブなどを利用して３〜１０点程度の測定し、その測定により規定される平面を基準面としてもよい。
【００６５】
そして、基準面３２のＹ軸周りの回転角度をＲｙ０（既知の値）とし、光切断プローブ２２により測定された基準面３２のＹ軸周りの回転角度をＲｙｐとすると、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙは、次の式（７）により求められる。
【００６６】
Ｒｙ＝Ｒｙｐ−Ｒｙ０
・・・（７）
【００６７】
ここで、例えば、基準面３２の大きさとして、Ｘ方向に対しては、基準面３２に照射されるラインパターンの長さを包含するような大きさ、例えば、２０ｍｍ以上の大きさがあればよい。なお、基準面３２の大きさとして、Ｙ方向に対しての制限はない。
【００６８】
以上のように、形状測定装置１１では、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘ、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙ、およびＺ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出することができる。
【００６９】
即ち、誤差検出部６３は、基準球３１を対象とした測定を行うように駆動制御部６４を介して光切断プローブ２２を駆動させて、Ｚ方向に間隔ｄｚ離れた位置で２回の測定を行わせ、それぞれの測定で求められる基準球３１の中心位置のＹ座標に基づいて、上述の式（４）を演算することで、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを算出する。また、誤差検出部６３は、基準球３１を対象とした測定を行うように駆動制御部６４を介して光切断プローブ２２を駆動させて、Ｘ方向に間隔ｄｘ離れた位置で２回の測定を行わせ、それぞれの測定で求められる基準球３１の中心位置のＹ座標に基づいて、上述の式（６）を演算することで、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを算出する。また、誤差検出部６３は、基準面３２を対象とした測定を行うように駆動制御部６４を介して光切断プローブ２２を駆動させて、基準面３２に対する、その測定で求められる平面の傾きに基づいて、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙを算出する。
【００７０】
そして、形状データ構築部６２は、撮像ユニット４２により連続的に撮像された画像に映されるラインパターンの形状を走査方向に並べて、被検物１２の三次元的な形状を構築する処理を行う際に、それぞれの回転誤差を反映させる。例えば、形状データ構築部６２は、撮像ユニット４２により連続的に撮像される画像に映されるラインパターンの形状を、回転誤差に応じて傾いた状態で走査方向に並べる処理を行う。このように、誤差検出部６３により検出された回転誤差を反映させることにより、駆動軸座標系に対する光切断プローブ２２の姿勢に若干の誤差（ラインパターンの投影方向にズレ）が発生していたとしても、被検物１２の表面形状を正確に測定することができ、測定精度を向上させることができる。
【００７１】
また、上述したように、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出する際に、Ｚ方向から見た測定領域（図３Ｂの点線の領域）の一部が重なり合うように測定を２回行うことで、その２回の測定結果に基準球３１の形状が完全な球体でないことによる影響を排除することができる。一方、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出する際に、Ｚ方向から見た測定領域（図３Ｂの点線の領域）が重ならないように測定を２回行うことで、Ｚ軸周りの回転誤差Ｒｚを詳細に（高分解能で）検出することができる。
【００７２】
ところで、上述した実施の形態では、基準球３１を測定の対象として、Ｘ軸周りの回転誤差ＲｘおよびＺ軸周りの回転誤差Ｒｚを検出し、基準面３２を測定の対象としてＹ軸周りの回転誤差Ｒｙを検出しているが、例えば、基準球３１を測定の対象として、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙを検出することができる。
【００７３】
即ち、Ｘ軸周りの回転誤差Ｒｘを検出するときには、Ｚ方向に間隔ｄｚ離れた位置で２回の測定を行わせ、それぞれの測定で求められる基準球３１の中心位置のＹ座標に基づいて、上述の式（４）を演算しているが、このときに求められる基準球３１の中心位置のＸ座標に基づいて、次の式（８）を演算することによりＹ軸周りの回転誤差Ｒｙを求めることができる。
【００７４】
Ｒｙ＝（Ｘ１−Ｘ２）／ｄｚ
・・・（８）
【００７５】
但し、式（８）において、Ｘ１は、１回目の測定における基準球３１の中心のＸ座標であり、Ｘ２は、２回目の測定における基準球３１の中心のＸ座標である。このように、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙは、光切断プローブ２２の位置をＺ方向に間隔ｄｚで変化させて２回の測定を行い、その２回の測定で求められる基準球３１のＸ座標Ｘ１とＸ座標Ｘ２との差分から求めることができる。
【００７６】
ここで、図６を参照して、Ｙ軸周りの回転誤差Ｒｙによって、基準球３１の測定データのＸ座標Ｘ１とＸ座標Ｘ２とに差分が発生することについて説明する。
【００７７】
図６Ａおよび図６Ｂには、１回目および２回目の測定において基準球３１に照射されるラインパターンが模式的に示されており、光切断プローブ２２は、Ｙ軸周りに回転誤差Ｒｙで傾いている。１回目および２回目の測定では、Ｚ方向に間隔ｄｚで光切断プローブ２２が移動されるが、光切断プローブ２２の姿勢がＹ軸周りに回転誤差Ｒｙで傾いているため、測定領域の間隔（図６Ａおよび図６Ｂに示されている二点鎖線の間隔）は、間隔ｄｚとは異なるものとなる。
【００７８】
従って、この回転誤差Ｒｙを考慮せずに、１回目および２回目の測定データに基づいて被検物１２の三次元的な形状データを構築すると、図６Ｃに示すように、１回目の測定データに基づいて構築された形状データ（実線で示されている円形）と、２回目の測定データに基づいて構築された形状データ（破線で示されている円形）とで、Ｘ方向に位置がズレてしまう。このように、ラインパターンの投影方向のズレ（回転誤差Ｒｙ）によって、基準球３１の測定に誤差が発生してしまう。
【００７９】
そこで、それぞれの形状データのＸ座標Ｘ１とＸ座標Ｘ２の差分に基づいて、上述の式（８）から回転誤差Ｒｙを求め、回転誤差Ｒｙを適用して基準球３１の三次元的な形状データを構築する処理を行うことで、図６Ｃにおいて二点鎖線で示されるように、誤差の発生しない理想的な位置にある基準球３１の形状データを得ることができる。
【００８０】
以上のように、形状測定装置１１では、Ｚ方向に間隔ｄｚ離れた位置での２回の測定に基づいて、形状データのＹ座標Ｙ１とＹ座標Ｙ２の差分からＸ軸周りの回転誤差Ｒｘを検出することができるとともに、形状データのＸ座標Ｘ１とＸ座標Ｘ２の差分からＹ軸周りの回転誤差Ｒｙを検出することができる。
【００８１】
次に、図７は、形状測定装置１１が、光切断プローブ２２の回転誤差を検出する回転誤差検出処理を説明するフローチャートである。例えば、形状測定装置１１は、起動時に回転誤差検出処理が実行されるように設定されており、ユーザが形状測定装置１１を起動させると処理が開始される。
【００８２】
ステップＳ１１において、駆動制御部６４がＺステージ２３およびコラム２５の駆動を制御し、基準球３１を測定の対象として、Ｚ方向に間隔ｄｚ離れた２つの測定領域に対する測定処理が行われ、処理はステップＳ１２に進む。
【００８３】
ステップＳ１２において、形状データ構築部６２は、ステップＳ１１でＺ方向に間隔ｄｚ離れて２回行われた測定処理により得られた画像のラインパターンに基づいて、基準球３１の三次元的な表面形状のデータを構築する。そして、誤差検出部６３は、２回の測定処理により求められた基準球３１の中心位置の座標の差分に基づいて、上述の式（４）を演算することにより、光切断プローブ２２のＸ軸周りの回転誤差Ｒｘを算出する。同様に、誤差検出部６３は、上述の式（８）を演算することにより、光切断プローブ２２のＹ軸周りの回転誤差Ｒｙを算出する。
【００８４】
ステップＳ１２の処理後、処理はステップＳ１３に進み、駆動制御部６４がＺステージ２３およびコラム２５の駆動を制御し、基準球３１を測定の対象として、Ｘ方向に間隔ｄｘ離れた２つの測定領域に対する測定処理が行われ、処理はステップＳ１４に進む。
【００８５】
ステップＳ１４において、形状データ構築部６２は、ステップＳ１３でＸ方向に間隔ｄｘ離れて２回行われた測定処理により得られた画像のラインパターンに基づいて、基準球３１の三次元的な表面形状のデータを構築する。そして、誤差検出部６３は、２回の測定処理により求められた基準球３１の中心位置の座標の差分に基づいて、上述の式（６）を演算することにより、光切断プローブ２２のＺ軸周りの回転誤差Ｒｚを算出する。
【００８６】
ステップＳ１４の処理後、処理はステップＳ１５に進み、回転誤差Ｒｚの変化分が、所定の閾値（例えば、１０秒）以下であるか否かが判定される。ここで、回転誤差Ｒｚの変化分とは、ステップＳ１３乃至１６の処理をループしたときに、直前のステップＳ１４で求められた回転誤差Ｒｚと、それより１回前に求められた回転誤差Ｒｚとの差分のことである。なお、ステップＳ１４の処理が１回目であり、まだ処理がループしていない場合には、ステップＳ１５で、回転誤差Ｒｚの変化分が所定の閾値以下ではないと判定される。即ち、ステップＳ１３乃至１６の処理が少なくとも１回はループされる。
【００８７】
ステップＳ１５において、回転誤差Ｒｚの変化分が、所定の閾値以下でない（閾値より大である）と判定された場合、処理はステップＳ１６に進む。ステップＳ１６において、誤差検出部６３は、直前のステップＳ１４で算出された回転誤差Ｒｚを形状データ構築部６２が内蔵するメモリに格納させる。これにより、その後の処理では、基準球３１の形状データを構築するときに、回転誤差Ｒｚが適用された処理が行われる。ステップＳ１６の処理後、処理はステップＳ１３に戻り、以下、同様の処理が繰り返される。即ち、回転誤差Ｒｚを適用して基準球３１の形状データを構築し、再度、回転誤差Ｒｚを求める処理が繰り返して行われる。
【００８８】
一方、ステップＳ１５において、回転誤差Ｒｚの変化分が、所定の閾値以下であると判定された場合、処理はステップＳ１７に進む。ステップＳ１７において、誤差検出部６３は、ステップＳ１２で求められた回転誤差Ｒｘおよび回転誤差Ｒｙ、並びに、所定の閾値以下となるように収束計算により求められた回転誤差Ｒｚを、形状データ構築部６２が内蔵するメモリに格納させる。これにより、被検物１２を測定対象として形状データを構築する処理を実行する際に、回転誤差Ｒｘ、回転誤差Ｒｙ、および回転誤差Ｒｚが適用される。ステップＳ１７の処理後、回転誤差検出処理は終了される。
【００８９】
以上のように、形状測定装置１１では、回転誤差Ｒｘ、回転誤差Ｒｙ、および回転誤差Ｒｚを検出することができる。従って、検出された各回転誤差を反映させて、撮像素子５５により連続的に撮像される複数枚の画像に映されているラインパターンの形状から被検物１２の三次元的な表面形状データを構築する処理を行うことで、被検物１２の表面形状を正確に測定することができる。
【００９０】
特に、収束演算により回転誤差Ｒｚを算出することで、算出される回転誤差Ｒｚの正確性を向上させることができ、より高精度な測定を行うことができる。
【００９１】
なお、図７のフローチャートで説明した回転誤差検出処理では、Ｘ方向に間隔ｄｘ離れた２つの測定領域に対する測定処理（ステップＳ１３）を繰り返して行っているが、この測定処理を繰り返さなくてもよい。即ち、測定処理を１回だけ行い、その測定結果を用いて、求められた回転誤差Ｒｚを適用して形状データを構築し、再度、回転誤差Ｒｚを求める演算を繰り返すことにより、回転誤差Ｒｚを収束させることができる。
【００９２】
さらに、測定処理を行って求められた基準球３１の中心位置の座標の差分と、回転誤差Ｒｚとの対応関係を、例えば、シミュレーションにより予め算出しておき、その対応関係を登録したテーブルを記憶しておくことで、そのテーブルを参照して回転誤差Ｒｚを求めるようにしてもよい。
【００９３】
なお、本実施の形態においては、基準球３１の表面形状を２回測定し、それぞれの測定から基準球３１の中心位置の座標を算出する測定方法について説明したが、例えば、基準球３１の表面形状を２回以上の複数回測定し、それにより取得される複数の形状測定データから２回分の形状測定データを選択して、その２回分の形状測定データから基準球３１の中心位置の座標を算出するようにしてもよい。
【００９４】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態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において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１１  形状測定装置，  １２  被検物，  ２１  定盤，  ２２  光切断プローブ，  ２３  Ｚステージ，  ２４  梁部，  ２５  コラム，  ３１  基準球，  ３２  基準面，  ４１  照射ユニット，  ４２  撮像ユニット，  ５１  発光素子，  ５２  コンデンサレンズ，    ５３  ラインジェネレータレンズ，  ５４  撮像レンズ，  ５５  撮像素子，  ６１  制御装置，  ６２  形状データ構築部，  ６３  誤差検出部，  ６４  駆動制御部
【図１】
2011095245.tif 000003
【図２】
2011095245.tif 000004
【図３】
2011095245.tif 000005
【図４】
2011095245.tif 000006
【図５】
2011095245.tif 000007
【図６】
2011095245.tif 000008
【図７】
2011095245.tif 000009