(57)【要約】【課題】光ビームを用いた三角測量によって表面形状を測定する際に観測される誤差を低減する。【解決手段】表面形状測定装置１４０において、変位計１００は、測定対象物１３０に向けて光ビーム１１６を出射する発光部１１０、測定対象物１３０からの光ビームの散乱光を集光する光学系１１８、および光学系１１８による集光位置を検出する受光部１２０を含む。移動機構１４６は、変位計１００と測定対象物１３０とを相対的に移動させることによって、光ビーム１１６を走査する。測定制御部１５６は、発光部１１０に対して受光部１２０が光ビーム１１６の走査方向の前方または後方に位置するように、移動機構１４６に光ビーム１１６を走査させ、光ビーム１１６の走査中に、変位計１００によって測定対象物１３０の表面の変位を表面形状データとして連続的に測定するように構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部、前記測定対象物からの前記光ビームの散乱光を集光する光学系、および前記光学系による集光位置を検出する受光部を含み、前記受光部での集光位置に基づいて前記測定対象物の表面の変位を測定する変位計と、
前記変位計と前記測定対象物とを相対的に移動させることによって、前記光ビームを走査する移動機構と、
前記移動機構および前記変位計を制御する測定制御部とを備え、
前記測定制御部は、
前記発光部に対して前記受光部が前記光ビームの走査方向の前方または後方に位置するように、前記移動機構に前記光ビームを走査させ、
前記光ビームの走査中に、前記変位計によって前記測定対象物の表面の変位を表面形状データとして連続的に測定するように構成される、表面形状測定装置。
【請求項２】
前記光ビームのスポットサイズ以下の大きさの区間であって予め定める条件を満たす特徴区間を、前記表面形状データの測定範囲から抽出する特徴区間抽出部をさらに備え、
前記予め定める条件は、前記特徴区間の前半の一部で前記表面形状データが前記表面形状データの平均値に対して予め定める範囲を超えて一方向に変化し、前記特徴区間の後半の一部で前記前半と反対方向に前記表面形状データが前記平均値に対して前記予め定める範囲を超えて変化するという条件を含む、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記光ビームのスポットサイズに等しい大きさの区間であって予め定める条件を満たす特徴区間を、前記表面形状データの測定範囲から抽出する特徴区間抽出部をさらに備え、
前記予め定める条件は、前記特徴区間の前半における前記表面形状データの波形と、前記特徴区間の後半における前記表面形状データの波形を前記特徴区間の中央でのデータ点を中心に１８０度回転することによって得られる波形との相関係数が、予め定める基準値を超えるという条件を含む、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
抽出された１または複数の前記特徴区間の各々において、前記表面形状データの平均値に対する前記表面形状データの変化量が小さくなるように前記表面形状データを補正するデータ補正部をさらに備える、請求項２または３に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記データ補正部は、各前記特徴区間の任意の第１の測定点における測定値を、区間の中点を挟んで対称な位置にある第２の測定点における測定値と平均し、求めた平均値で前記第１および第２の測定点における各測定値を置換することによって前記表面形状データを補正する、請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記データ補正部は、各前記特徴区間におけるデータを前記表面形状データの平均値で置き換えることによって、前記表面形状データを補正する、請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記データ補正部によって補正された前記表面形状データに対して、前記光ビームのスポットサイズよりも長い周期の変動のみを残すローパスフィルタ処理を行うフィルタ処理部をさらに備える、請求項４〜６のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
前記表面形状データに対して、可変の移動平均区間で移動平均を行う移動平均処理部をさらに備え、
前記移動平均区間の大きさは前記光ビームのスポットサイズよりも大きく、
前記特徴区間を含んで移動平均を行う際の移動平均区間の大きさは、前記特徴区間を含まずに移動平均を行う際の移動平均区間の大きさよりも大きい、請求項２または３に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
前記表面形状データに対して、重み付き移動平均を行う移動平均処理部をさらに備え、
前記重み付き移動平均の移動平均区間の大きさは前記光ビームのスポットサイズよりも大きく、
前記特徴区間内の測定点に対する重みは、前記特徴区間外の測定点に対する重みよりも小さい、請求項２または３に記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の表面形状測定装置を備える、工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ビームを用いた非接触方式の変位センサによって表面形状を測定する表面形状測定装置、および表面形状測定装置を備えた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械での機上測定技術の需要は益々高まってきている。従来、機上測定の用途は、ワークピース（「加工物」とも称する）の位置決め及び幾何形状の寸法測定などに限定されてきた。近年では、機上測定結果をＣＡＤデータと比較することによって、仕上げ加工精度の向上のための補正にも機上測定が使われるようになりつつある。さらに、機上測定結果を利用して、工作機械自身の空間誤差補正を自動で行うなどの研究も進んでいる。
【０００３】
一般的には、タッチプローブが機上測定に使用されている。タッチプローブは、ＡＴＣ（自動工具交換装置：Automatic  Tool  Changer）を利用して工作機械本体に取付け可能になっている。さらに、タッチプローブは、データ処理用のコンピュータとの間で無線通信によるデータ転送も可能であり、測定ツールとしての充実度も増してきている。
【０００４】
しかしながら、タッチプローブにはその構造上の制約が存在する。すなわち、接触式であるため、仕上げ加工後のワークピースに傷をつける可能性を排除できない。さらには、接触時の逃げストロークも少ないため、予め測定対象形状が既知でなくてはならない。加工前のワークピース位置検出の場合には、少ない逃げストローク範囲内の精度であらかじめワークピースが位置決めされていることが必要である。
【０００５】
一方、非接触測定は、ワークピースを傷つけることも無く、変位センサとワークピースとの距離も数十ｍｍと比較的大きく取れる。このため、鋳物、鍛造品等を加工する前の加工オフセットを求めるための測定、さらには、仕上げ加工後のワークピースの形状を高速でスキャンするなどの用途に向いている。
【０００６】
非接触測定の代表的な方式として、レーザ三角測量方式がある（たとえば、特開平１０−３３２３３５号公報（特許文献１）参照）。従来、金属材料の表面形状の測定では、金属光沢面での拡散反射光の光量不足のせいでレーザ変位計を用いた測定が困難であった。そのため、表面にパウダーを塗布する等の前処理の必要が生じ、機上測定でのレーザ変位計の実用化が進まない状況があった。近年、受光素子であるイメージセンサの感度向上および半導体レーザ素子の発達によって金属光沢面の測定も可能となった。これにより、機上測定で拡散反射方式三角測量レーザ変位計の利用が可能となってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−３３２３３５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】新井泰彦  他３名、「２枚のスペックルパターンのみを用いた高分解能電子スペックル干渉測定法」、会誌「光学」、第４１巻２号、ｐ９６−１０４、２０１２年２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
三角測量方式のレーザ変位計の精度は、通常、繰り返し精度で表示され、サブミクロンの精度が保証されているのが通常である。しかしながら、レーザ光を使用していること、スポットが理想的な点形状ではなく大きさを持つことから、特有の測定誤差が観測される。この測定誤差は、実際の表面粗さに比べてはるかに大きいスパイク状のノイズを含み、時間平均化処理では除去できない点に特徴がある。また、上記の測定誤差は、コヒーレントなレーザビームに限らず、非コヒーレントな光ビームを用いた三角測量方式の変位計においても観測される。
【００１０】
この発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その主な目的は、光ビームを用いた三角測量によって表面形状を測定する際に観測される誤差を低減することが可能な表面形状測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は一局面において表面形状測定装置であって、変位計と、移動機構と、測定制御部とを備える。変位計は、測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部、測定対象物からの光ビームの散乱光を集光する光学系、および光学系による集光位置を検出する受光部を含む。変位計は、受光部での集光位置に基づいて測定対象物の表面の変位を測定する。移動機構は、変位計と測定対象物とを相対的に移動させることによって、光ビームを走査する。測定制御部は、移動機構および変位計を制御する。測定制御部は、発光部に対して受光部が光ビームの走査方向の前方または後方に位置するように、移動機構に光ビームを走査させ、光ビームの走査中に、変位計によって測定対象物の表面の変位を表面形状データとして連続的に測定するように構成される。
【００１２】
上記の測定制御部の構成によれば、上述のスパイク状の誤差を特徴的な形状の誤差パターンとして抽出することが可能になる。したがって、抽出した誤差パターンを除去することによって、表面形状データに含まれるノイズを効率的に低減することが可能になる。
【００１３】
好ましくは、表面形状測定装置は、光ビームのスポットサイズ以下の大きさの区間であって予め定める条件を満たす特徴区間を、表面形状表面形状データの測定範囲から抽出する特徴区間抽出部をさらに備える。この場合、予め定める条件は、特徴区間の前半の一部で表面形状データが表面形状データの平均値に対して予め定める範囲を超えて一方向に変化し、特徴区間の後半の一部で前半と反対方向に表面形状データが平均値に対して予め定める範囲を超えて変化するという条件を含む。
【００１４】
もしくは、表面形状測定装置は、光ビームのスポットサイズに等しい大きさの区間であって予め定める条件を満たす特徴区間を表面形状データの測定範囲から抽出する特徴区間抽出部をさらに備えるのが望ましい。この場合、予め定める条件は、特徴区間の前半における表面形状データの波形と、特徴区間の後半における表面形状データの波形を特徴区間の中央でのデータ点を中心に１８０度回転することによって得られる波形との相関係数が、予め定める基準値を超えるという条件を含む。
【００１５】
上記のいずれの構成の特徴区間抽出部によっても、レーザ変位計の測定データに含まれる特徴的なパターン形状の誤差を抽出することができる。したがって、抽出した誤差パターンを除去することによって、表面形状データに含まれるノイズを効率的に低減することが可能になる。
【００１６】
好ましい一実施の形態において、表面形状測定装置は、抽出された１または複数の特徴区間の各々において、表面形状データの平均値に対する表面形状データの変化量が小さくなるように表面形状データを補正するデータ補正部をさらに備える。
【００１７】
好ましくは、データ補正部は、各特徴区間の任意の第１の測定点における測定値を、区間の中点を挟んで対称な位置にある第２の測定点における測定値と平均し、求めた平均値で前記第１および第２の測定点における各測定値を置換することによって表面形状データを補正する。
【００１８】
もしくは、データ補正部は、各特徴区間におけるデータを表面形状データの平均値で置き換えることによって、表面形状データを補正するのが好ましい。
【００１９】
上記のいずれの構成のデータ補正部によっても、上記の特徴的な誤差パターンを除去することができる。
【００２０】
上記の一実施の形態においてさらに好ましくは、表面形状測定装置は、データ補正部によって補正された表面形状データに対して、光ビームのスポットサイズよりも長い周期の変動のみを残すローパスフィルタ処理を行うフィルタ処理部をさらに備える。これによって、表面形状データに含まれるノイズをさらに低減させることができる。
【００２１】
好ましい他の実施の形態において、表面形状測定装置は、表面形状データに対して、可変の移動平均区間で移動平均を行う移動平均処理部をさらに備える。ここで、移動平均区間の大きさは光ビームのスポットサイズよりも大きい。特徴区間を含んで移動平均を行う際の移動平均区間の大きさは、特徴区間を含まずに移動平均を行う際の移動平均区間の大きさよりも大きい。
【００２２】
好ましいさらに他の実施の形態において、表面形状測定装置は表面形状データに対して、重み付き移動平均を行う移動平均処理部をさらに備える。ここで、重み付き移動平均の移動平均区間の大きさは光ビームのスポットサイズよりも大きい。特徴区間内の測定点に対する重みは、特徴区間外の測定点に対する重みよりも小さい。
【００２３】
上記のいずれの構成の移動平均処理部によっても、レーザ変位計の測定データに含まれる特徴的なパターン形状の誤差を抑制することができる。
【００２４】
この発明は他の局面において、上記の表面形状測定装置を備えた工作機械である。
【発明の効果】
【００２５】
したがって、この発明によれば、光ビームを用いた三角測量によって表面形状を測定する際に観測される誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】レーザ変位計の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１のリニアイメージセンサの構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】図１のリニアイメージセンサによって検出されるデータの一例を示す図である。
【図４】実施の形態１による表面形状測定装置の構成例を概略的に示すブロック図である。
【図５】レーザ変位計による金属表面の測定結果の一例を示す図である。
【図６】測定対象物の反射率が不均一な場合において、リニアイメージセンサ上の結像スポットの変化について説明するための図である。
【図７】図６の測定対象物の表面を模式的に示す平面図である。
【図８】図６および図７の場合において、リニアイメージセンサによって検出される輝度分布の一例を示す図である。
【図９】測定対象物の反射率の不均一性に起因した測定誤差の大きさについて説明するための図である。
【図１０】レーザ変位計を用いてゲージブロック上の微小区間での高さ方向の変位を繰り返し測定した結果を示す図である。
【図１１】レーザ変位計を用いてゲージブロック上の０．４ｍｍの範囲での高さ方向の変位を測定した結果を示す図である。
【図１２】図１１の各測定点においてイメージセンサの受光量の最大値を示す図である。
【図１３】図１１および図１２の領域ＲＣにおいて、高さ方向の変位と最大受光量との関係を示す図である。
【図１４】直径５０μｍのスポットサイズのレーザビームで、１辺０．５ｍｍの正方形状の領域の表面形状の測定した結果を示す図である。
【図１５】レーザスポットサイズを直径４００μｍに変更して図１４と同じ領域の表面形状を測定した結果を示す図である。
【図１６】表面形状の測定および測定したデータの処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】図１６のステップＳ１０５において特徴区間を抽出する方法を説明するための図である。
【図１８】図１６のステップＳ１０５において特徴区間を抽出する他の方法を説明するための図である。
【図１９】図１６のステップＳ１１０において表面形状データを補正する方法を説明するための図である。
【図２０】図１１の測定データに対して、図１６のステップＳ１１０に示すデータ補正を行った結果を示す図である。
【図２１】図２０のデータに対して、図１６のステップＳ１１５に示すローパスフィルタ処理を行った結果を示す図である。
【図２２】図１１の測定データに対して図１６のステップＳ１１０に示すデータ補正を行わずに、ステップＳ１１５に示すローパスフィルタ処理を行った結果を示す図である。
【図２３】実施の形態２による表面形状測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２４】実施の形態２による表面形状測定装置において、表面形状の測定および測定したデータの処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図２５】実施の形態２による表面形状測定装置において、表面形状の測定および測定したデータの処理手順の他の例を示すフローチャートである。
【図２６】実施の形態３による工作機械の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２７】図２６の工作機械のうち表面形状測定装置に関する部分の機能的構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。以下の各実施の形態では、レーザ変位計を用いた表面形状測定装置を例に挙げて説明するが、レーザ光に代えて非コヒーレントな光ビームを用いた非接触式の変位計の場合にもこの発明を適用することができる。なお、以下の説明において、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。
【００２８】
＜実施の形態１＞
［レーザ変位計の概要］
図１は、レーザ変位計の構成を模式的に示す図である。図１を参照して、レーザ変位計１００は、発光部１１０と、光学系としての集光レンズ１１８と、受光部としてのリニアイメージセンサ（Linear  Image  Sensor）１２０とを含む。発光部１１０は、レーザダイオード１１２と、レンズ１１４とを含む。
【００２９】
レーザダイオード１１２から発せられたレーザビーム１１６はレンズ１１４によって略平行光に整形され、測定対象物１３０へ照射される。測定対象物上でのレーザビーム１１６のスポットサイズｗ（スポット径とも称する）は、たとえば、直径５０μｍである。測定対象物１３０上で拡散反射された光は、レーザビーム１１６とγの角度方向に配置されたリニアイメージセンサ１２０上に、集光レンズ１１８によって集光される。
【００３０】
図１において、レーザビーム１１６の方向をＺ軸方向とする。レーザビーム１１６の中心軸と集光レンズ１１８の光軸とを含む面を光路面と称する。この光路面に平行でありかつＺ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向およびＺ軸方向の両方に垂直な方向をＹ軸方向とする。図１の場合、Ｙ軸方向は紙面に垂直な方向であり、ＸＺ平面は紙面（光路面）と平行である。
【００３１】
ここで、レーザ光のビームサイズ（測定対象物上でのスポットサイズ）について説明する。レーザ光のビームサイズには種々の定義がある。たとえば、ＴＥＭ００モードのように対称なビームプロファイルのレーザ光の場合には、光軸に直交する面において、ピーク値に対してｅの２乗分の１（ただし、ｅは自然対数の底）（１３．５％）の強度分布の幅でビームサイズが定義される。ビームプロファイルが崩れている場合には、たとえば、ビームの全パワーのうち、ピークパワーを基準として８６．５％が含まれる円を算出し、この円の直径がビームサイズとして定義される。この明細書では、種々の定義を含めるために、全パワーの５０％が含まれる円の直径以上、全パワーの９５％が含まれる円の直径以下の範囲を実質的にビームサイズ（測定対象物上でのスポットサイズ）に等しいとする。
【００３２】
図２は、図１のリニアイメージセンサの構成を模式的に示す斜視図である。図２を参照して、リニアイメージセンサ１２０は、直線状に配列された１０２４個の画素（ピクセル）１２２を含む。各画素１２２は、受光量に応じて０から最大２５５までの輝度レベルの信号を出力する。
【００３３】
図３は、図１のリニアイメージセンサによって検出されるデータの一例を示す図である。図３の横軸がピクセル位置を示し、縦軸が輝度レベルを示す。図２および図３を参照して、測定対象物１３０上で拡散反射された光が集光レンズ１１８によってリニアイメージセンサ１２０上のスポット１２４に集光されることによって、図３に示すようなガウス分布状のデータが得られる。図３のデータの重心位置から三角測量により対象物までの距離が計算される。
【００３４】
再び図１を参照して、リニアイメージセンサ１２０はシャインプルーフ条件（Scheimpflug  Condition）に基付いた角度で配置される。すなわち、リニアイメージセンサ１２０の検出面と集光レンズ１１８の主面とは１直線で交わり、これらの面のなす角度をβとする。レーザビーム１１６を含む面が被写体面となる。この場合、測定対象物１３０とレーザ変位計１００との間の距離の変化に対する、リニアイメージセンサ１２０上での結像スポット１２４の移動倍率Ｍは、次式（１）で与えられる。ただし、集光レンズ１１８の焦点距離をｆ0とし、測定対象物１３０上でのレーザビーム１１６の照射位置（レーザスポット１３２）から集光レンズ１１８までの距離をｌとしている。
【００３５】
Ｍ＝（ｆ0・sinγ）／（ｌ・cosβ）      …(1)
本実施の形態の場合には、上式（１）において、ｆ0＝５５ｍｍ、ｌ＝８０ｍｍ、γ＝π／６、β＝５π／１８であるので、移動倍率Ｍは以下のように計算される。
【００３６】
Ｍ＝｛55×sin(π/6)｝／｛80×cos(5π/18)｝＝0.53      …(1A)
［表面形状測定装置の構成］
図４は、実施の形態１による表面形状測定装置の構成例を概略的に示すブロック図である。図４を参照して、表面形状測定装置１４０は、測定対象物１３０が載置されるテーブル１４４と、サドル１４２と、レーザ変位計１００と、Ｘ軸駆動機構１４６Ｘと、Ｙ軸駆動機構１４６Ｙと、Ｚ軸駆動機構１４６Ｚと、コンピュータ１５０とを含む。
【００３７】
テーブル１４４はサドル１４２上に配置され、Ｘ軸方向に移動可能である。サドル１４２はＹ軸方向に移動可能である。Ｘ軸駆動機構１４６Ｘは、テーブル１４４をＸ軸方向に移動させる。Ｙ軸駆動機構１４６Ｙは、サドル１４２をＹ軸方向に移動させる。Ｚ軸駆動機構１４６Ｚは、レーザ変位計１００をＺ軸方向に移動させる。Ｘ軸駆動機構１４６Ｘ、Ｙ軸駆動機構１４６Ｙ、およびＺ軸駆動機構１４６Ｚは、レーザ変位計１００と測定対象物１３０とを相対的に移動させるための移動機構１４６として機能する。したがって、移動機構１４６によってレーザビーム１１６は、測定対象物１３０の表面上を走査する。
【００３８】
なお、移動機構１４６の構成は図４の例には限られない。たとえば、測定対象物１３０が固定され、レーザ変位計１００がＸ、Ｙ、Ｚの３方向に移動可能な構成であってもよい。
【００３９】
コンピュータ１５０は、プロセッサ１５２、メモリ１５４、ならびに図示しない表示装置および入出力装置等を含む。プロセッサ１５２は、メモリ１５４に格納されたプログラムを実行することによって、測定制御部１５６およびデータ処理部１５８として機能する。
【００４０】
測定制御部１５６は、レーザ変位計１００および移動機構１４６を制御することによって、レーザビーム１１６を走査させる。このレーザビーム１１６の走査中に、測定制御部１５６は、レーザ変位計１００を用いて測定対象物１３０の表面形状データ１６６を連続的に測定する。測定された表面形状データ１６６はメモリ１５４に格納される。表面形状データ１６６は、測定対象物１３０上の走査位置（レーザビームが照射される位置）と、当該走査位置における測定対象物１３０の表面のＺ方向の変位とが対応付けられたデータ系列である。
【００４１】
データ処理部１５８は、レーザ変位計１００の測定データ（表面形状データ１６６）に含まれる特徴的なノイズを除去するために、測定データのデータ処理を行う。データ処理内容の詳細は、図１６〜図２２を参照して後述する。
【００４２】
本実施の形態による表面形状測定装置１４０は、レーザビーム１１６の走査方向とレーザ変位計１００の向きとの関係に特徴がある。具体的には、図１に示すように、発光部１１０に対して受光部（リニアイメージセンサ１２０）がレーザビーム１１６の走査方向（図１の場合、＋Ｘ方向または−Ｘ方向）の前方または後方に位置するように、レーザビーム１１６が走査される。言い換えると、レーザビーム１１６の中心軸と集光レンズ１１８の光軸を含む光路面（図１の場合、ＸＺ平面に平行）に、レーザビーム１１６の走査方向が合わせられる。
【００４３】
上記のようにレーザビーム１１６の走査方向とレーザ変位計１００の向きとを合わせることによって、図１１の領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに示されるような特徴的な誤差パターンが測定データ中に出現するようになる。したがって、表面形状データ１６６からこの特徴的な誤差パターンを抽出して除去すれば、表面形状データ１６６に含まれる比較的大きなノイズを効率的に低減することが可能になる。
【００４４】
なお、測定対象物１３０の表面上でレーザスポットが曲線状の軌跡を辿るようにレーザビーム１１６を走査してもよい。この場合、発光部１１０に対して受光部が走査方向の前方または後方に位置するようにするために、測定対象物１３０またはレーザ変位計１００の一方をＺ軸回り（Ｃ軸方向）に回転させる駆動機構が必要になる。
【００４５】
［レーザ変位計の測定誤差の原因について］
図５は、レーザ変位計による金属表面の測定結果の一例を示す図である。具体的に、図５には、表面が滑らかな金属ゲージブロックの表面の変位を、レーザ変位計１００を用いて０．１ｍｍ間隔で測定した結果が示されている。レーザビームの走査方向は、ゲージブロックの表面と平行な方向である。図５に示すように、ゲージブロックの面粗度が０．０６μｍ程度であるのに対して、測定データには３σ値で（σは標準偏差を表す）３６μｍもの大きなノイズが観測された。詳しくは後述するように、このノイズは、時間平均化処理（同一測定を繰り返し行って平均化する処理）では除去できない点に特徴がある。
【００４６】
レーザ変位計の誤差の原因として、電気的なノイズ、温度変化による影響、移動機構１４６（Ｘ軸駆動機構１４６Ｘ、Ｙ軸駆動機構１４６Ｙ、およびＺ軸駆動機構１４６Ｚ）の運動誤差、測定対象物１３０の表面の反射率の不均一に基づく誤差、およびレーザスペックル等が考えられる。
【００４７】
電気的なノイズは、測定値の時間平均化処理により改善することが可能である。市販されているレーザ変位計の繰り返し精度は、時間平均化処理がなされた後の数字で表記されることが多く、サブミクロンの精度となる。したがって、図５に示される比較的大きなノイズの原因ではない。
【００４８】
温度変化による誤差は、外気温によるものも存在するが、レーザ変位計内部の電気回路が熱源になり、測定光学系の熱変位により生じる誤差が主である。今回用いたレーザ変位計では、電源投入後に１０μｍの測定値のシフトが観察されている。ただし、温度変化による測定値のシフトは、通常電源を投入してから３０〜６０分程度で安定化するので、図５に示されるノイズの原因にはなり得ない。
【００４９】
移動機構１４６の運動誤差は、熱変位による誤差と機械的な誤差とが存在する。熱変位による誤差は上記のレーザ変位計内部の温度の影響と同じく、時間的にゆっくりした変動として観測される。機械的な誤差は、表面形状の測定のためにレーザビームを走査したときにおける移動機構１４６の位置精度の誤差が原因である。しかしながら、機械的な誤差は、上記スパイク状のノイズに比較して、大きなうねりとして現れるので、図５に示されるノイズの原因としては考え難い。
【００５０】
移動機構１４６の運動誤差としてその他に、サーボ軸の振動による誤差も考えられる。しかしながら、サーボ軸の振動によるノイズは、電気的なノイズと同じように時間平均化処理によって除去できるので、図５に示されるノイズの原因ではない。
【００５１】
以上の考察によって、図５に示されるノイズの原因の１つは、測定対象物１３０の表面の微視的な反射率の不均一であると考えられる。反射率の不均一は、材質の不均一、金属表面の傷、および凹凸などによって生じる。測定用のレーザビームがスポットサイズを有しているために、レーザスポットサイズ内の微視的な反射率の不均一によって輝度むらが生じ、これによって測定誤差が生じ得る。
【００５２】
図６は、測定対象物の反射率が不均一な場合において、リニアイメージセンサ上の結像スポットの変化について説明するための図である。図７は、図６の測定対象物の表面を模式的に示す平面図である。図８は、図６および図７の場合において、リニアイメージセンサによって検出される輝度分布の一例を示す図である。
【００５３】
図６〜図８を参照して、三角測量方式で高さ方向の変位を正確に求めるためには、リニアイメージセンサ１２０上での結像スポット１２４内の輝度分布がガウス分布を示し、結像スポット１２４の中心が検出できることが重要である。測定対象物１３０の表面の微視的な反射率が一様でなく輝度むらが生じている場合には、この輝度むらによって輝度分布がガウス分布からずれるために測定誤差が生じることがある。
【００５４】
図６および図７に示すように、測定対象物１３０の表面１３０Ａには、レーザスポット１３２のスポットサイズよりも小さくかつ周囲よりも反射率が高い領域があるとする。この高反射率領域のレーザビーム１１６に対する相対位置は、レーザビーム１１６が＋Ｘ方向（走査方向）に走査されるつれて（すなわち、測定対象物が−Ｘ方向に移動するにつれて）、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の順に変化するものとする。
【００５５】
高反射率領域がレーザビーム１１６に対してＰ１に位置する場合は、図８（Ａ）に示すように、イメージセンサ１２０の結像スポットの中心１３４に対してデータの重心１３６がずれる。このため、測定対象物１３０は、実際よりも発光部１１０から離れた位置（低い位置）にあるように測定される。
【００５６】
高反射率領域がレーザビーム１１６に対してＰ２に位置する場合は、図８（Ｂ）に示すように、イメージセンサ１２０の結像スポットの中心１３４とデータの重心１３６が一致する。このため、測定対象物１３０は、実際と同じ位置にあるように測定される。
【００５７】
高反射率領域がレーザビーム１１６に対してＰ３に位置する場合は、図８（Ｃ）に示すように、イメージセンサ１２０の結像スポットの中心１３４に対して、データの重心１３６が図８（Ａ）の場合とは反対方向にずれる。このため、測定対象物１３０は、実際よりも発光部１１０の近い位置（高い位置）にあるように測定される。
【００５８】
図９は、測定対象物の反射率の不均一性に起因した測定誤差の大きさについて説明するための図である。図９（Ａ）および（Ｂ）では、図解を容易にするためにレーザスポット１３２のサイズを大きく記載している。図９（Ａ）では、図８（Ａ）の場合と同様に、測定対象物の表面が実際よりもε−だけ遠方に位置するように測定される場合を示している。図９（Ｂ）では、図８（Ｃ）の場合と同様に、測定対象物の表面が実際よりもε＋だけ近くに位置するように測定される場合を示している。
【００５９】
反射率の不均一性に起因した測定誤差の大きさは、レーザスポット１３２のスポットサイズｗと受光角度γとによって決まる。具体的に測定誤差の最大値（レーザスポット１３２の周辺部を中心として誤認識したときときの誤差）εmaxは、次式（２）で与えられる。
【００６０】
εmax＝ｗ／（２・ｔａｎ（γ））      …(2)
図５の測定に用いたレーザ変位計では、スポットサイズｗ＝５０μｍ、受光角度γ＝π／６である。この場合、測定誤差の最大値εmaxは次式（２Ａ）で与えられ、図５の測定誤差と同程度の値になる。
【００６１】
εmax＝２５／ｔａｎ（π／６）＝４３［μｍ］      …(2A)
三角測量方式の光源としてレーザダイオードを使用した場合には、反射率の不均一の他に、反射光の干渉によって生じるスペックルも図５に示されるノイズの原因になっていると考えられる。
【００６２】
スペックルはレーザ光の干渉現象であるため、スペックルが原因の測定ノイズは表面の粗さと密接な関係がある。具体的に、レーザ光の波長をλとして光路長がλ／２ずれると干渉によりイメージセンサ１２０上で光は暗くなり、λのずれでイメージセンサ１２０上での光は明るくなる。測定対象物の表面の凹凸で換算するとλ／４の整数倍でイメージセンサ１２０上において輝度の変動が生じることになる。
【００６３】
図５の場合の測定対象であるゲージブロックでは、表面の凹凸は数十ｎｍ以下であり、レーザ光の波長λの１０分の１程度である。その場合スペックルは、明確な明暗状態とはならずコントラストの低いむらが生じる。
【００６４】
レーザスペックルに関してこれまで種々の研究がされている。結像面における平均スペックル径は下式（３）で与えられることが知られている（たとえば、新井泰彦  他３名、「光学」第４１巻２号、ｐ９６−１０４、２０１２年２月（非特許文献１）を参照）。  
【００６５】
σ＝１．２２×（１＋Ｍ）・λ・ｆ／ｄ      …(3)
上式（３）において、σは結像面における平均スペックル径、Ｍは結像光学系の倍率、λはレーザ光の波長、ｆはレンズの焦点距離、ｄはレンズの開口径である。図５の測定で使用したレーザ変位計ではＭ＝０．５３、λ＝６５５ｎｍ、ｄ＝１０ｍｍ、ｆ＝３３ｍｍであるのでσ＝４．０μｍとなる。
【００６６】
リニアイメージセンサ１２０の各ピクセルの幅は１２μｍのため、上記で計算される平均的な大きさのスペックルの影響はリニアイメージセンサ１２０の各ピクセルで平均化されていると考えられる。しかしながら、特定の場所の不均一に起因して現れる平均値よりも大きな径のスペックルは、リニアイメージセンサ１２０の各ピクセル内では平均化されない。したがって、図６〜図９で説明した反射率が不均一の場合と同様のメカニズムによって、スペックルノイズが図５に示すノイズの原因となり得る。通常、スペックルノイズは予測不可能なため統計量として扱われる。しかしながら、微視的な範囲では、スペックルノイズは再現性良く確定的に現れるので、時間フィルタによる平均化では除去することができない。
【００６７】
［スパイク状のノイズについて］
以下、図５に示されているスパイク状のノイズについてさらに詳しく観察した結果について説明する。
【００６８】
図１０は、レーザ変位計を用いてゲージブロック上の微小区間での高さ方向の変位を繰り返し測定した結果を示す図である。図１０では、図５と同一のゲージブロックについて、０．１ｍｍの測定範囲を１μｍのサンプリング間隔で２０回測定したときの、各測定点における測定データ（平均値と±３σの範囲、ただしσは標準偏差）が示されている。レーザビームのスポットサイズは５０μｍであるので、測定間隔（１μｍ）はスポットサイズよりも十分に小さい。
【００６９】
図１０に示すように、図５でスパイク状のランダムなノイズに見えたものは、測定再現性が非常に良く、あたかも表面に微小な凹凸が存在するかのような測定結果が得られた。ゲージブロックの表面粗さは数十ｎｍであり、実際の粗さの１００倍近い凹凸が検出されていることになる。各測定点でのデータばらつきは３σ値で２．３μｍである。この各測定点での誤差は、電気的なノイズ、空気の揺らぎ、サーボモータの振動等を要因とするノイズであり、時間平均化処理でキャンセルできる。
【００７０】
図１１は、レーザ変位計を用いてゲージブロック上の０．４ｍｍの範囲での高さ方向の変位を測定した結果を示す図である。図１１の場合には、図５と同一のゲージブロックについて、０．４ｍｍの測定範囲を１μｍのサンプリング間隔で１回のみ測定したときの測定データ（表面形状データ）が示されている。
【００７１】
ここで、図１１の測定では、図１の発光部１１０に対して受光部（リニアイメージセンサ１２０）が走査方向の前方に位置するように、レーザビーム１１６が走査されている点に特徴がある。すなわち、レーザビームの中心軸と集光レンズ１１８の光軸とを含む光路面（図１のＸＺ平面）に、レーザビームの走査方向を合わせている。
【００７２】
図１１に示すように、細かな再現性の良いノイズとともに、領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られるような比較的大きな誤差が生じている。これらの領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られる誤差は特徴的な形状を有している。具体的に、測定点（レーザビームの走査位置）が左から右に移動するにつれて、レーザ変位計によって測定される高さ方向の変位は、最初のうちデータの平均レベルよりも低くなり、次に平均レベルよりも高くなって最後に元の平均レベルに戻るという変化を示す。
【００７３】
図１１の領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られる測定データの変化の様子は、図６〜図８で説明したものと同じである。すなわち、レーザスポット内を高反射率の領域が右から左に移動するにつれて（レーザビームの走査方向とは逆方向になる点に注意）、レーザ変位計によって測定される高さ方向の変位は、前半では実際よりも低くなり、後半では実際よりも高くなる。
【００７４】
なお、上記の誤差変化の方向は、図１において発光部１１０に対して受光部（リニアイメージセンサ１２０）が走査方向の前方に位置する場合である点に注意する必要がある。発光部１１０に対して受光部（リニアイメージセンサ１２０）が走査方向の後方に位置する場合は、誤差変化の方向が逆になる。
【００７５】
図１２は、図１１の各測定点においてイメージセンサの受光量の最大値を示す図である。図１２の縦軸は、受光量が最大のピクセルにおける輝度レベルを示している。図１１において特徴的な形状の比較的大きな測定誤差が観測される領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣでは、受光量が激しく変動していることが読み取れる。
【００７６】
図１３は、図１１および図１２の領域ＲＣにおいて、高さ方向の変位と最大受光量との関係を示す図である。
【００７７】
図１３を参照して、測定点（レーザビームの走査位置）が移動するにつれて、イメージセンサ１２０で検出される最大受光量が徐々に大きくなるとともに、イメージセンサ１２０上での輝度分布の重心位置がずれる。この結果、レーザ変位計の検出値（高さ方向の変位）が大きくマイナス側に変動する（矢印Ａ１の区間）。
【００７８】
イメージセンサ１２０の受光量が最大レベルに達すると、測定点（レーザビームの走査位置）の移動に伴って、イメージセンサ１２０上での輝度分布の重心位置が移動する。この結果、レーザ変位計の検出値（高さ方向の変位）がマイナスからプラスに変化する（矢印Ａ２の区間）。
【００７９】
最終的に、イメージセンサ１２０の受光量が減少し、これに伴って、レーザ変位計の検出値（高さ方向の変位）が正しい値（平均値）に戻る（矢印Ａ３の区間）。
【００８０】
上記の特徴的な現象は、既に説明したように、測定対象物の表面の微小領域（レーザスポットサイズよりも小さい領域）における反射むらで説明することができる。あるいは、この特徴的な現象は、スペックル径がレーザ光のスポットサイズに対して無視できないほど大きな場合として説明することができる。
【００８１】
平均的なスペックル径は、式（３）を用いて説明したように４．０μｍと計算され、リニアイメージセンサ１２０のピクセル幅である１２μｍよりも小さく、スポットサイズの５０μｍの１／１２程度の大きさである。したがって、ピクセル内で平均化されるため、平均的なスペックル径の影響による測定値の変動は小さく、空間フィルタによる平均化処理で取り除くことが可能である。
【００８２】
しかしながら、局所的に出現する大きな径のスペックルによって生じる誤差は非常に大きく、狭いエリアの平均化処理では容易に除去することができず、結果として、レーザ変位計の測定値に大きく影響する。ただし、そのような大きな径のスペックルが測定データに影響する範囲は図１０からも分かるように、レーザスポットサイズの範囲以内に限定される。
【００８３】
図１４は、直径５０μｍのスポットサイズのレーザビームで、１辺０．５ｍｍの正方形状の領域の表面形状の測定した結果を示す図である。図１５は、レーザスポットサイズを直径４００μｍに変更して図１４と同じ領域の表面形状を測定した結果を示す図である。図１４および図１５において、Φは直径を表す。
【００８４】
図１４および図１５に示すように、レーザ光のスポットサイズを直径５０μｍから直径４００μｍに変更すると、レーザ変位計によって測定される表面の凹凸の最大値は、６７μｍから８０μｍに増加した。
【００８５】
レーザスポットサイズが大きくなると、平均的なサイズのスペックルによる誤差は平均化されるために、その影響は小さくなる。しかしながら、局所的に現れる大きなスペックルが影響を及ぼす範囲は、前述の式（２）によって示されるように、レーザスポットサイズが増大するにつれて増大する。したがって、スポットサイズが大きいほどレーザ変位計の測定誤差が増大すると考えられる。
【００８６】
［ノイズ除去方法について］
上述のとおり、レーザ変位計の測定誤差は、測定対象物の局所的な反射率の不均一および時折現れる大きな径のスペックルの影響によるものと考えられる。これらの要因による誤差には、次の特徴がある。
【００８７】
（ａ）レーザスポットサイズの大きさに応じて、反射率の不均一および大きな径のスペックルが影響する範囲が決まる。
【００８８】
（ｂ）レーザビームに対して受光部（イメージセンサ）が走査方向の前方または後方に位置するようにレーザ変位計の向きを合わせることによって、図１１の領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られるような特徴的な誤差パターンが出現する。具体的には、この特徴的な誤差パターンが現れる区間（特徴区間と称する）の前半において誤差がプラスまたはマイナスの一方に変化し、後半において前半と誤差は反対方向に変化する。さらに、特徴区間の中央値から等距離にある点では誤差の絶対値はほぼ等しい（すなわち、誤差パターンは中央値に対してほぼ点対称である）。
【００８９】
このような特徴的な誤差パターンが見られる区間（特徴区間）はレーザスポットサイズ以下である。したがって、サンプリング定理によれば、この誤差パターン（測定値の上下動）を捉えるためには、レーザ変位計のサンプリング間隔を、レーザスポットサイズの１／２以下にする必要がある。測定値の上下動の形状を正確に捉えるためには、レーザ変位計のサンプリング間隔はスポットサイズの１／１０以下が望ましい。さらに望ましくは、レーザ変位計のサンプリング間隔をスポットサイズの１／２０以下とする。
【００９０】
上記の特徴的な誤差パターンがレーザ変位計の測定誤差に対して支配的であるので、ソフトウェア処理によってこの誤差パターンを抽出して除去することができれば、レーザ変位計の測定誤差を効率的に低減することができる。以下、ノイズ除去の手順についてさらに具体的に説明する。
【００９１】
図１６は、表面形状の測定および測定したデータの処理手順を示すフローチャートである。以下、図４および図１６を主として参照して、図４の測定制御部１５６およびデータ処理部１５８の動作について説明する。
【００９２】
まず、測定制御部１５６は、図１の発光部１１０に対して受光部（リニアイメージセンサ１２０）がレーザビーム１１６の走査方向（＋Ｘ方向または−Ｘ方向）の前方または後方に位置するようにレーザ変位計１００の向きを合わせて、移動機構１４６によってレーザビーム１１６を走査する。さらに、測定制御部１５６は、レーザビーム１１６の走査中に、レーザ変位計１００によって測定対象物１３０の表面の変位を連続的に測定する（ステップＳ１００）。測定データは、メモリ１５４に表面形状データ１６６として格納される。表面形状データ１６６のサンプリング間隔は、レーザビームのスポットサイズの１／２以下にする必要があり、望ましくはスポットサイズの１／１０以下、さらに望ましくは１／２０以下にする。
【００９３】
データ処理部１５８は、測定制御部１５６による測定後に表面形状データ１６６に対してデータ処理を行う。図４に示すように、データ処理部１５８は、特徴区間抽出部１６０と、データ補正部１６２と、フィルタ処理部１６４とを含む。
【００９４】
まず、特徴区間抽出部１６０は、表面形状データの測定範囲から上記の特徴的な誤差パターンが観測される特徴区間を抽出する（ステップＳ１０５）。以下、図１７、図１８を参照して、特徴区間の抽出方法について説明する。
【００９５】
図１７は、図１６のステップＳ１０５において特徴区間を抽出する方法を説明するための図である。図１７を参照して、図４の特徴区間抽出部１６０は、表面形状データの測定範囲からレーザビームのスポットサイズｗに等しい区間Ｉ１の測定データＭＤを順次切り出す。そして、特徴区間抽出部１６０は、切り出した区間Ｉ１の前半Ｉ２における測定データＭＤの波形と、区間Ｉ１の後半Ｉ３における測定データＭＤの波形を区間Ｉ１の中央でのデータ点ＭＰを中心に１８０度回転することによって得られる波形との相関係数を求める。特徴区間抽出部１６０は、求めた相関係数が予め定める基準値を超えている場合に、切り出した区間Ｉ１を特徴区間として特定する。
【００９６】
図１８は、図１６のステップＳ１０５において特徴区間を抽出する他の方法を説明するための図である。図１８を参照して、図４の特徴区間抽出部１６０は、レーザビームのスポットサイズｗ以下の区間Ｉ４内で、測定データＭＤが平均値ＡＶに対して予め定める範囲ＴＨを超えてプラスおよびマイナスの両方向に変化している部分を抽出する。そして、特徴区間抽出部１６０は、区間Ｉ４の前半Ｉ５の一部で測定データＭＤが測定データＭＤの平均値ＡＶに対して予め定める範囲ＴＨを超えて一方向（プラス方向またはマイナス方向）に変化し、区間Ｉ４の後半Ｉ６の一部で前半Ｉ５と反対方向に測定データＭＤが平均値ＡＶに対して予め定める範囲ＴＨを超えて変化している場合に、当該区間Ｉ４を特徴区間として特定する。
【００９７】
再び、図４および図１６を参照して、データ補正部１６２は、抽出された１または複数の特徴区間の各々において、表面形状データ１６６の平均値に対する変化量が小さくなるように表面形状データ１６６を補正する（ステップＳ１１０）。たとえば、各特徴区間における誤差パターンの対称性を利用して表面形状データ１６６を補正する方法が考えられる。
【００９８】
図１９は、図１６のステップＳ１１０において表面形状データ１６６を補正する方法を説明するための図である。図１９を参照して、実線のグラフは、特徴区間Ｉ７で測定されたデータＭＤ（表面形状データ１６６）を表すものとする。一点鎖線のグラフは、特徴区間Ｉ７の前半Ｉ８と後半Ｉ９との境界線ＢＲで後半の測定データＭＤを前半側に折り返し、前半のデータＭＤを後半側に折り返することによって得られた折り返しデータＲＤを表す。境界線ＢＲに関して測定データＭＤと折り返しデータＲＤとは略対称であるので、各測定点ごとに測定データＭＤと折り返しデータＲＤとを平均することよって、特徴的なノイズが除去された補正データＡＤ（図１９の破線）を得ることができる。
【００９９】
具体的には、データ補正部１６２は、各特徴区間内の任意の第１の測定点おける測定値を、区間の中点を挟んで対称な位置にある第２の測定点における測定値と平均し、求めた平均値で第１および第２の測定点における測定値を置換することによって表面形状データを補正する。
【０１００】
その他の方法として、データ補正部１６２は、各特徴区間におけるデータを表面形状データ１６６の平均値で置き換えることによって、表面形状データ１６６を補正してもよい。
【０１０１】
再び、図４および図１６を参照して、フィルタ処理部１６４は、データ補正部１６２による補正後の表面形状データに対して、空間的なローパスフィルタ処理を行う（ステップＳ１１５）。この場合、特徴的な誤差パターンが現れる範囲はレーザスポットサイズ以下であるので、ノイズ除去のための空間ローパスフィルタのカットオフ波長は、測定時のレーザスポットサイズに合わせればよい。これによって、レーザビームのスポットサイズよりも長い周期の変動のみが残る。空間的なローパスフィルタ処理として、たとえば、移動平均区間の大きさをスポットサイズに等しく設定した移動平均処理を用いることができる。
【０１０２】
以下、図１１の測定データに対して図１６のステップＳ１０５，Ｓ１１０，Ｓ１１５のデータ処理を施した結果について説明する。
【０１０３】
図２０は、図１１の測定データに対して、図１６のステップＳ１１０に示すデータ補正を行った結果を示す図である。ステップＳ１１０に示すデータ補正を行うことによって、データの変動幅（ノイズ成分）が３σ＝０．０２６ｍｍから３σ＝０．０１２ｍｍまで低減した。
【０１０４】
図２１は、図２０のデータに対して、図１６のステップＳ１１５に示すローパスフィルタ処理を行った結果を示す図である。具体的には、移動平均区間の大きさをスポットサイズに等しい５０μｍに設定して移動平均処理を行っている。移動平均処理を行うことによって、データの変動幅が３σ＝０．０１２ｍｍから３σ＝０．００４ｍｍまで低減した。
【０１０５】
図２２は、図１１の測定データに対して図１６のステップＳ１１０に示すデータ補正を行わずに、ステップＳ１１５に示すローパスフィルタ処理を行った結果を示す図である。具体的には、移動平均区間の大きさをスポットサイズに等しい５０μｍに設定して移動平均処理を行っている。この場合は、データの変動幅は３σ＝０．０２６ｍｍから３σ＝０．００９ｍｍまでしか低減しない。
【０１０６】
図２２の場合において、移動平均区間の大きさをレーザビームのスポットサイズよりも大きくすれば、さらに測定ノイズを低減することができるが、特徴的な誤差パターンに起因するノイズを完全に除去することはできない。さらには、移動平均区間の大きさを大きくし過ぎると、本来検出可能なレベルの凹凸の検出ができなくなるというディメリットも生じる。
【０１０７】
［実施の形態１のまとめ］
上記のとおり、レーザビームを走査しながらレーザ変位計によって測定対象物の表面形状を測定する際には、スパイク状の大きな誤差が出現する。その誤差の特徴は下記のとおりである。
【０１０８】
（ａ）レーザ変位計の誤差は、その繰り返し再現性が非常に良い。そのため、複数回の測定の平均（時間平均化処理）ではノイズ除去ができない。
【０１０９】
（ｂ）レーザビームに対して受光部（イメージセンサ）が走査方向の前方または後方に位置するようにレーザ変位計の向きを合わせることによって、点対称の形状を有する特徴的な誤差パターンが出現する。
【０１１０】
（ｃ）上記の特徴的な誤差パターンが現れる範囲は、レーザスポットサイズに応じて決まる。
【０１１１】
上記の誤差は、レーザ光のスポットサイズに対して無視できないほど大きな径を有するスペックルノイズ、もしくは、測定対象物の表面の局所的な反射率の不均一で説明することができる。そして、上記の誤差の特徴的な誤差パターンを抽出して除去することによって、レーザ変位計の測定誤差を効率的に低減することができる。さらに、誤差が増大している部分ではイメージセンサの受光量変化が激しいので、イメージセンサの受光量の変動率を、測定信頼性の指標として用いることができ、特徴的な誤差パターンと測定対象物上の本来の凹凸との識別に利用することもできる。
【０１１２】
＜実施の形態２＞
図２３は、実施の形態２による表面形状測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。図２３のデータ処理部１５８Ａは、データ補正部１６２およびフィルタ処理部１６４に代えて移動平均処理部１６３を含む点で図４のデータ処理部１５８と異なる。データ処理部１５８以外の点は、図２３の表面形状測定装置１４０Ａは図４の表面形状測定装置１４０と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【０１１３】
図２４は、実施の形態２による表面形状測定装置において、表面形状の測定および測定データの処理手順の一例を示すフローチャートである。図２４のデータ処理手順では、図１６のステップＳ１１０およびＳ１１５に代えてステップＳ１２０が実行される。ステップＳ１００およびＳ１０５については図１６の場合と同じであるので説明を繰り返さない。
【０１１４】
図２４の例では、図２３の移動平均処理部１６３は、表面形状データ１６６に対して、可変の移動平均区間で移動平均を行う（ステップＳ１２０）。移動平均区間の大きさは、光ビームのスポットサイズよりも大きい。移動平均処理部１６３は、図１１の領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られるような特徴的な誤差パターンが観測される区間（特徴区間と称する）を含んで移動平均を行う際には、特徴区間を含まずに移動平均を行う場合よりも移動平均区間の大きさを大きく設定する。たとえば、特徴区間を含んで移動平均を行う際の移動平均区間の大きさは、スポットサイズの５倍以上に設定される。
【０１１５】
図２５は、実施の形態２による表面形状測定装置において、表面形状の測定および測定データの処理手順の他の例を示すフローチャートである。図２４のデータ処理手順では、図１６のステップＳ１１０およびＳ１１５に代えてステップＳ１２５が実行される。ステップＳ１００およびＳ１０５については図１６の場合と同じであるので説明を繰り返さない。
【０１１６】
図２５の例では、図２３の移動平均処理部１６３は、表面形状データ１６６に対して重み付き移動平均を行う（ステップＳ１２５）。重み付移動平均の移動平均区間の大きさは、光ビームのスポットサイズよりも大きく、たとえば、スポットサイズの５倍以上に設定される。移動平均処理部１６３は、図１１の領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られるような特徴的な誤差パターンが観測される特徴区間内の測定点に対する重みを、特徴区間外の測定点に対する重みよりも小さく設定する。
【０１１７】
以上のように、特徴区間内のデータの変動を特徴区間外のデータの変動よりも抑制することによって、レーザ変位計に含まれる誤差を効率的に除去することができる。
【０１１８】
＜実施の形態３＞
実施の形態３は、実施の形態１または２の表面形状測定装置を備えた工作機械を開示する。以下では、工作機械が立形マシンニングセンタである場合について説明しているが、工作機械は、横形マシニングセンタまたは旋盤など、他の種類のものであっても構わない。
【０１１９】
図２６は、実施の形態３による工作機械の構成を模式的に示す斜視図である。図２６を参照して、工作機械２００は、加工装置１０と、ＮＣ（Numerical  Control）装置２４と、ＡＴＣ（自動工具交換装置：Automatic  Tool  Changer）２８と、コンピュータ１５０とを含む。
【０１２０】
加工装置１０は、ベッド１２と、ベッド１２上に設置されたコラム１４と、主軸２２を有する主軸頭２０と、テーブル１８を有するサドル１６とを含む。
【０１２１】
主軸頭２０は、コラム１４の前面に支持されて、上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能である。主軸２２の先端には、工具（図示せず）または測定ヘッド４２が着脱可能に装着される。主軸２２は、その中心軸線（図２のＣＬ）がＺ軸と平行で且つその中心軸線まわりに回転可能に、主軸頭２０に支持されている。測定ヘッド４２には、図４および図２３に示すレーザ変位計１００と、このレーザ変位計の制御回路および駆動用バッテリと、無線通信を行うための通信装置とが内蔵される。
【０１２２】
サドル１６は、ベッド１２上に配置されて前後の水平方向（Ｙ軸方向）に移動可能である。サドル１６上にはテーブル１８が配置されている。テーブル１８は、左右の水平方向（Ｘ軸方向）に移動可能である。テーブル１８上には工作物２が載置されている。サドル１６は図４および図２３のサドル１４２に対応し、テーブル１８は図４および図２３のテーブル１４４に対応する。工作物２は図４および図２３の測定対象物１３０に対応する。
【０１２３】
加工装置１０は、測定ヘッド４２と工作物２とを相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸方向に直線移動させる３軸制御を行うマシニングセンタである。なお、図１の構成と異なり、加工装置１０は、測定ヘッド４２を支持する主軸頭２０を、工作物２に対してＸ軸、Ｙ軸方向にそれぞれ移動させる構成であってもよい。
【０１２４】
ＮＣ装置２４は、上記の３軸制御を含めて加工装置１０全体の動作を制御する。ＡＴＣ（自動工具交換装置）２８は、主軸２２に対して工具と測定ヘッド４２をそれぞれ自動的に交換する。ＡＴＣ２８は、ＮＣ装置２４によって制御される。
【０１２５】
図２７は、図２６の工作機械のうち表面形状測定装置に関する部分の機能的構成を示すブロック図である。図２７には、加工装置１０に備えられているＺ軸送り機構３４、Ｙ軸送り機構３２およびＸ軸送り機構３０が示されている。
【０１２６】
図２６、図２７を参照して、Ｚ軸送り機構３４は、コラム１４に支持されている主軸頭２０を駆動してＺ軸方向に移動させる。Ｙ軸送り機構３２は、ベッド１２上に配置されているサドル１６を駆動してＹ軸方向に移動させる。Ｘ軸送り機構３０は、サドル１６上に載置されて工作物２を支持するテーブル１８を駆動してＸ軸方向に移動させる。ＮＣ装置２４は、Ｚ軸送り機構３４、Ｙ軸送り機構３２およびＸ軸送り機構３０をそれぞれ制御する。Ｘ軸送り機構３０、Ｙ軸送り機構３２、および、Ｚ軸送り機構３４は、図４および図２３のＸ軸駆動機構１４６Ｘ、Ｙ軸駆動機構１４６Ｙ、およびＺ軸駆動機構１４６Ｚにそれぞれ対応する。
【０１２７】
コンピュータ１５０は、プロセッサ１５２、メモリ１５４、および測定ヘッド４２との間で無線通信を行う通信装置１６８等を含む。プロセッサ１５２は、メモリ１５４に格納されたプログラムを実行することによって、図４および図２３で説明した測定制御部１５６およびデータ処理部１５８，１５８Ａとして機能する。
【０１２８】
測定制御部１５６は、ＮＣ装置２４と連携することによって、測定ヘッド４２と工作物２との相対的位置関係を連続的に変化させ、これによってレーザビーム１１６が工作物２の表面に沿って走査する。測定制御部１５６は、レーザビーム１１６の走査中に、レーザビーム１１６の走査方向の複数の測定点における高さ方向（Ｚ軸方向）の変位データを工作物２の表面形状データとして測定ヘッド４２から取得する。具体的な手順は以下のとおりである。
【０１２９】
まず、測定制御部１５６からの制御に基づいて、ＮＣ装置２４は、Ｘ軸送り機構３０およびＹ軸送り機構３２のいずれか一方、もしくはＸ軸送り機構３０、Ｙ軸送り機構３２、およびＺ軸送り機構３４のうちの少なくとも２軸を駆動することによって、測定ヘッド４２と工作物２との相対的位置関係を連続的に変化させる。ここで、レーザ変位計の発光部に対して、レーザビーム１１６の走査方向の前方または後方にレーザ変位計の受光部が位置するように、レーザ変位計の向きが合わせられている。
【０１３０】
ＮＣ装置２４に内蔵されたＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ：Programmable  Logic  Controller）２６は、上記の送り機構の駆動に同期して、所定周期でトリガ信号を通信装置１６８に出力する。通信装置１６８はトリガ信号を受信すると測定指令ｆを測定ヘッド４２に送信し、測定ヘッド４２は測定指令ｆに従って測定ヘッド４２から工作物２までの距離Ｄ（すなわち、工作物２の表面の変位）を測定する。測定された距離ＤのデータＦは、測定ヘッド４２から通信装置１６８を介して測定制御部１５６に送信される。
【０１３１】
ＰＬＣ２６は、さらに、上記の測定ヘッド４２による距離測定のタイミングに合わせて、Ｘ軸送り機構３０、Ｙ軸送り機構３２、およびＺ軸送り機構３４の位置情報を取得することによって、測定ヘッド４２の位置のデータを検出する。ＰＬＣ２６は、検出した測定ヘッド４２の位置のデータを測定制御部１５６に送信する。
【０１３２】
測定制御部１５６は、ＰＬＣ２６から取得した測定ヘッド４２の位置データと、測定ヘッド４２から取得した距離ＤのデータＦとに基づいて、レーザビーム１１６の走査方向に沿った各測定点における高さ方向（Ｚ軸方向）の変位データを表面形状データ１６６として、メモリ１５４に格納する。
【０１３３】
プロセッサ１５２は、さらに、上記の表面形状データ１６６に含まれるノイズを除去するためのデータ処理を行うデータ処理部１５８，１５８Ａとして機能する。データ処理部１５８，１５８Ａの動作は、実施の形態１および２で説明したとおりである。データ処理部１５８，１５８Ａによって表面形状データ１６６に含まれる誤差を効率的に低減することができる。
【０１３４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３５】
２  工作物、１０  加工装置、１６，１４２  サドル、１８，１４４  テーブル、２４  ＮＣ装置、３０  Ｘ軸送り機構、３２  Ｙ軸送り機構、３４  Ｚ軸送り機構、４２  測定ヘッド、１００  レーザ変位計、１１０  発光部、１１２  レーザダイオード、１１４  レンズ、１１６  レーザビーム、１１８  集光レンズ（光学系）、１２０  リニアイメージセンサ（受光部）、１３０  測定対象物、１３２  レーザスポット、１４０，１４０Ａ  表面形状測定装置、１４６  移動機構、１４６Ｘ  Ｘ軸駆動機構、１４６Ｙ  Ｙ軸駆動機構、１４６Ｚ  Ｚ軸駆動機構、１５０  コンピュータ、１５２  プロセッサ、１５４  メモリ、１５６  測定制御部、１５８，１５８Ａ  データ処理部、１６０  特徴区間抽出部、１６２  データ補正部、１６３  移動平均処理部、１６４  フィルタ処理部、１６６  表面形状データ、１６８  通信装置、２００  工作機械。
【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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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年3月6日(2015.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面形状測定装置であって、
測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部、前記測定対象物からの前記光ビームの散乱光を集光する光学系、および前記光学系による集光位置を検出する受光部を含み、前記受光部での集光位置に基づいて前記測定対象物の表面の変位を測定する変位計と、
前記変位計と前記測定対象物とを相対的に移動させることによって、前記光ビームを走査する移動機構と、
前記移動機構および前記変位計を制御する測定制御部とを備え、
前記測定制御部は、
前記発光部に対して前記受光部が前記光ビームの走査方向の前方または後方に位置するように、前記移動機構に前記光ビームを走査させ、
前記光ビームの走査中に、前記変位計によって前記測定対象物の表面の変位を表面形状データとして連続的に測定するように構成され、
前記表面形状測定装置は、前記光ビームのスポットサイズ以下の大きさの区間であって予め定める条件を満たす特徴区間を、前記表面形状データの測定範囲から抽出する特徴区間抽出部をさらに備え、
前記予め定める条件は、前記特徴区間の前半の一部で前記表面形状データが前記表面形状データの前記測定範囲全体での平均値に対して予め定める範囲を超えて一方向に変化し、前記特徴区間の後半の一部で前記前半と反対方向に前記表面形状データが前記測定範囲全体での平均値に対して前記予め定める範囲を超えて変化するという条件を含む、表面形状測定装置。
【請求項２】
表面形状測定装置であって、
測定対象物に向けて光ビームを出射する発光部、前記測定対象物からの前記光ビームの散乱光を集光する光学系、および前記光学系による集光位置を検出する受光部を含み、前記受光部での集光位置に基づいて前記測定対象物の表面の変位を測定する変位計と、
前記変位計と前記測定対象物とを相対的に移動させることによって、前記光ビームを走査する移動機構と、
前記移動機構および前記変位計を制御する測定制御部とを備え、
前記測定制御部は、
前記発光部に対して前記受光部が前記光ビームの走査方向の前方または後方に位置するように、前記移動機構に前記光ビームを走査させ、
前記光ビームの走査中に、前記変位計によって前記測定対象物の表面の変位を表面形状データとして連続的に測定するように構成され、
前記表面形状測定装置は、前記光ビームのスポットサイズに等しい大きさの区間であって予め定める条件を満たす特徴区間を、前記表面形状データの測定範囲から抽出する特徴区間抽出部をさらに備え、
前記予め定める条件は、前記特徴区間の前半における前記表面形状データの波形と、前記特徴区間の後半における前記表面形状データの波形を前記特徴区間の中央でのデータ点を中心に１８０度回転することによって得られる波形との相関係数が、予め定める基準値を超えるという条件を含む、表面形状測定装置。
【請求項３】
抽出された１または複数の前記特徴区間の各々において、前記表面形状データの前記測定範囲全体での平均値に対する前記表面形状データの変化量が小さくなるように前記表面形状データを補正するデータ補正部をさらに備える、請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記データ補正部は、各前記特徴区間の任意の第１の測定点における測定値を、区間の中点を挟んで対称な位置にある第２の測定点における測定値と平均し、求めた平均値で前記第１および第２の測定点における各測定値を置換することによって前記表面形状データを補正する、請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記データ補正部は、各前記特徴区間におけるデータを前記表面形状データの前記測定範囲全体での平均値で置き換えることによって、前記表面形状データを補正する、請求項３に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記データ補正部によって補正された前記表面形状データに対して、前記光ビームのスポットサイズよりも長い周期の変動のみを残すローパスフィルタ処理を行うフィルタ処理部をさらに備える、請求項３〜５のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記表面形状データに対して、可変の移動平均区間で移動平均を行う移動平均処理部をさらに備え、
前記移動平均区間の大きさは前記光ビームのスポットサイズよりも大きく、
前記特徴区間を含んで移動平均を行う際の移動平均区間の大きさは、前記特徴区間を含まずに移動平均を行う際の移動平均区間の大きさよりも大きい、請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
前記表面形状データに対して、重み付き移動平均を行う移動平均処理部をさらに備え、
前記重み付き移動平均の移動平均区間の大きさは前記光ビームのスポットサイズよりも大きく、
前記特徴区間内の測定点に対する重みは、前記特徴区間外の測定点に対する重みよりも小さい、請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の表面形状測定装置を備える、工作機械。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
好ましくは、表面形状測定装置は、光ビームのスポットサイズ以下の大きさの区間であって予め定める条件を満たす特徴区間を、表面形状表面形状データの測定範囲から抽出する特徴区間抽出部をさらに備える。この場合、予め定める条件は、特徴区間の前半の一部で表面形状データが表面形状データの測定範囲全体での平均値に対して予め定める範囲を超えて一方向に変化し、特徴区間の後半の一部で前半と反対方向に表面形状データが測定範囲全体での平均値に対して予め定める範囲を超えて変化するという条件を含む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
好ましい一実施の形態において、表面形状測定装置は、抽出された１または複数の特徴区間の各々において、表面形状データの測定範囲全体での平均値に対する表面形状データの変化量が小さくなるように表面形状データを補正するデータ補正部をさらに備える。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
もしくは、データ補正部は、各特徴区間におけるデータを表面形状データの測定範囲全体での平均値で置き換えることによって、表面形状データを補正するのが好ましい。