(57)【要約】【課題】光ビームによる非接触方式の変位計を用いた測定の際に生じる特有の誤差の影響を極力少なくして、測定対象物の表面形状を短時間で測定する。【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を出射し、測定対象物１３０からの光ビームの散乱光に基づいて、測定対象物１３０の表面の変位を測定する。測定制御部１５６は、移動機構１４６によって光ビーム１１６を走査しながら、複数の測定点で測定対象物１３０の表面の変位を変位計１００によって測定する。誤差範囲設定部１６０は、各測定点における変位計１００の測定値に対して誤差範囲を設定する。表面形状出力部１６２は、各誤差範囲を通る直線または曲線を、光ビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力する。ここで、曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される。【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し、前記測定対象物からの前記光ビームの散乱光を集光し、前記散乱光の集光位置の変化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、
前記移動機構によって前記光ビームを走査しながら、複数の測定点で前記測定対象物の表面の変位を前記変位計によって測定する測定制御部と、
各前記測定点における前記変位計の測定値に対して誤差範囲を設定する誤差範囲設定部と、
各前記誤差範囲を通る直線または曲線を、前記光ビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力する表面形状出力部とを備え、
前記曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される、表面形状測定装置。
【請求項２】
前記誤差範囲は、前記測定対象物の表面上での前記光ビームのスポットサイズに応じて設定される、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は、前記変位計からの距離に応じて変化し、
前記誤差範囲は、前記変位計の測定値に応じて変更される、請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記表面形状出力部は、
各前記測定点での測定値に直線または曲線を当てはめ、
当てはめられた直線または曲線が設定された各前記誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力し、
当てはめられた直線または曲線が一部の前記誤差範囲を通らない場合には、関数形を変更した直線または曲線を各前記測定点での測定値に再度当てはめるように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記測定対象物は、設計データに基づいて加工された工作物であり、
前記表面形状出力部は、
各前記測定点での測定値に前記設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線を当てはめ、
当てはめられた直線または曲線が設定された各前記誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力し、
当てはめられた直線または曲線が一部の前記誤差範囲を通らない場合に、前記一部の前記誤差範囲が設定されている測定点の近傍に加工不良または素材不良があると判定するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５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】
従来から、工作機械で加工を行う際、加工対象物の形状を非接触式センサによって測定することが一般的となっている。通常、非接触式センサとして、レーザ変位計など、光ビームを用いた三角測量方式の変位計が用いられる。測定した表面形状データは、たとえば、設計データと比較することによって加工不良の修正に用いられる。
【０００３】
特開２００２−１２２４２３号公報（特許文献１）は、凹凸面を有する球面レンズなどの被測定物において加工による修正部分を特定する方法の一例を開示する。具体的には、まず、被測定物の表面の任意の領域のＸ、Ｙ、Ｚ座標値を測定し、測定したＸ、Ｙ、Ｚ座標値から球面状の表面の中心座標を近似演算する。次に、設計値による球面が被測定物の測定値である球面に重畳する位置となるように、設計値による球面の中心を近似演算によって求めた中心座標から移動させる。次に、移動によって重畳された設計値による球面と被測定物の測定値との差分を演算し、演算結果を表示することによって修正部分が特定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２２４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光ビームを用いた三角測量方式の変位測定では、特有の測定誤差が存在することが知られている。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。測定データに移動平均などの空間平均化処理を施したとしても、スパイク状のノイズの影響を完全に除去することは容易でない。この結果、加工後の工作物の形状の把握が困難になったり、測定データと設計データとの比較による加工不良または素材不良の抽出が困難になったりする。上記の特開２００２−１２２４２３号公報（特許文献１）は、上記の測定ノイズの存在については何ら考慮されていない。
【０００６】
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、その目的は、光ビームによる非接触方式の変位計を用いた測定の際に生じる特有の誤差の影響を極力少なくして、測定対象物の表面形状を短時間で測定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】
【０００７】
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、誤差範囲設定部と、表面形状出力部とを備える。変位計は、測定対象物に向けて光ビームを出射し、測定対象物からの光ビームの散乱光を集光し、散乱光の集光位置の変化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、移動機構によって光ビームを走査しながら、複数の測定点で測定対象物の表面の変位を変位計によって測定する。誤差範囲設定部は、各測定点における変位計の測定値に対して誤差範囲を設定する。表面形状出力部は、各誤差範囲を通る直線または曲線を、光ビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力する。ここで、曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される。
【０００８】
上記の構成によれば、光ビームを利用した変位計に特有な測定ノイズの大きさに応じて上記誤差範囲を設定することができるので、測定ノイズの影響を受けない表面形状の測定結果を得ることができる。
【０００９】
好ましくは、誤差範囲は、測定対象物の表面上での光ビームのスポットサイズに応じて設定される。光ビームのスポットサイズが、変位計からの距離に応じて変化する場合には、好ましくは、誤差範囲は、変位計の測定値に応じて変更される。
【００１０】
本願の発明者の検討によれば、レーザ変位計等に特有な測定ノイズの大きさは光ビームのスポットサイズに応じて変化する。したがって、スポットサイズに応じて上記の誤差範囲を設定することによって、上記の誤差範囲の大きさを適切なものとすることができる。
【００１１】
好ましい一実施の形態において、表面形状出力部は、各測定点での測定値に直線または曲線を当てはめ、当てはめられた直線または曲線が設定された各誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力する。さらに、表面形状出力部は、当てはめられた直線または曲線が一部の誤差範囲を通らない場合には、関数形を変更した直線または曲線を各測定点での測定値に再度当てはめる。上記の一実施の形態によれば、短時間の測定によって、測定対象物の概略形状を把握することができる。
【００１２】
好ましい他の実施の形態において、測定対象物は、設計データに基づいて加工された工作物である。この場合、表面形状出力部は、各測定点での測定値に設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線を当てはめ、当てはめられた直線または曲線が設定された各誤差範囲を通る場合に、当てはめられた直線または曲線を表面形状の測定結果として出力する。さらに、表面形状出力部は、当てはめられた直線または曲線が一部の誤差範囲を通らない場合に、一部の誤差範囲が設定されている測定点の近傍に加工不良または素材不良があると判定する。
【００１３】
上記の他の実施の形態によれば、短時間の測定によって、工作物の概略形状さらには加工不良または素材不良の有無を把握することができる。
【００１４】
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】
【００１５】
したがって、この発明によれば、光ビームによる非接触方式の変位計を用いた測定の際に生じる特有の誤差の影響を極力少なくして、測定対象物の表面形状を短時間で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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ゲージブロック表面の測定結果の一例を示す図である。
【図６】レーザ変位計によるゲージブロック表面のより詳細な測定結果を示す図である。
【図７】測定対象物の反射率の不均一性に起因した測定誤差について説明するための図である。
【図８】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】データ処理手順の概要を説明するための図である。
【図１０】表面形状の測定手順およびデータ処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１１】データ処理手順の変更例を示すフローチャートである。
【図１２】図１１に示す手順の具体例を説明するための図である。
【図１３】設計データが与えられている場合のデータ処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】図１３のデータ処理手順の具体例を説明するための図である。
【図１５】レーザダイオードから発せられるレーザ光のビーム径の変化の一例を示す図である。
【図１６】図１０のステップＳ１０５の変更例について説明するための図である。
【図１７】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１８】図１７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】
【００１７】
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。
【００１８】
＜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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。図１では、集光レンズ１１８の焦点距離をｆ0とし、測定対象物１３０の表面上におけるレーザビーム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。
【００２１】
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。この配置により、測定対象物１３０とレーザ変位計１００の距離が変化しても、レーザスポット１３２はリニアイメージセンサ１２０上にボケることなく結像される。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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１８２から三角測量により対象物までの距離が計算される。図３の場合には、輝度分布の中心線１８０と重心位置１８２とが一致している。
【００２６】
［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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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を複数の測定点で測定する。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上の複数の測定点（レーザビームが照射される位置、すなわち走査位置とも称する）と、各測定点における測定対象物１３０の表面のＺ軸方向の変位とが対応付けられたデータ系列である。
【００３２】
データ処理部１５８は、レーザ変位計１００によって測定されたデータ（表面形状データ１６６）に対してデータ処理を行う。このデータ処理によって、レーザ変位計の測定データに含まれる特徴的なノイズが除去される。データ処理の具体的内容については図９〜図１４を参照して後述する。以下では、まず、上記の特徴的なノイズの原因について説明する。
【００３３】
［レーザ変位計の測定データに含まれる特徴的なノイズについて］
図５は、レーザ変位計によるゲージブロック表面の測定結果の一例を示す図である。具体的に、図５では、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のサンプリング間隔で測定した結果が示されている。サンプリング間隔は、測定に用いたレーザビームのスポットサイズ（５０μｍ）よりも長い。図５に見られるように、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（スパイク状のノイズ）が観測された。
【００３４】
図６は、レーザ変位計によるゲージブロック表面のより詳細な測定結果を示す図である。図６の場合には、図５の場合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。
【００３５】
この詳細な測定では、サンプリング間隔を、レーザビームのスポットサイズ（５０μｍ）よりもかなり短くしている点に特徴がある。さらに、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配置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。
【００３６】
図６を参照して、より詳細な測定では、細かな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（スパイク状のノイズ）が観測された。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。
【００３７】
さらに、図６に示される測定結果の再現性は非常に良く、あたかも表面に微小な凹凸が存在するかのように観測された。具体的に、同一測定点を２０回測定したときのデータばらつきは３σ値で２．３μｍであった。したがって、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）ではこのノイズを除去できない。
【００３８】
上記のノイズの原因は、電気的なノイズ、サーボモータの振動等ではないことは明らかである。これらの原因によって生じるノイズは、時間平均化処理によってキャンセルできるからである。さらに、上記のノイズの原因は、温度変化の影響、もしくは移動機構１４６の機械的な運動誤差でもない。温度変化の影響は電源を投入してから３０〜６０分で安定化するからであり、機械的な運動誤差は、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からである。
【００３９】
以上により、上記のノイズの原因は、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。測定対象物１３０の表面にレーザスポットサイズよりも小さな反射率の不均一（輝度むら）がある場合には、図６に領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られるような特徴的な形状のノイズが発生することを説明できるからである。
【００４０】
なお、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。さらに、レーザ変位計の場合には、スペックルによっても反射率の不均一が生じ得る。通常、平均スペックル径の大きさはリニアイメージセンサ１２０の各ピクセルの幅よりも小さいが、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、各ピクセル内では平均化されないために、図５、図６に見られるノイズの原因となり得る。
【００４１】
図７は、測定対象物の反射率の不均一性に起因した測定誤差について説明するための図である。図８は、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。
【００４２】
図７（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。レーザビームの走査方向を＋Ｘ方向とし、受光部としてのリニアイメージセンサ１２０は、レーザビームの中心軸１１６Ｃに対して走査方向前方に位置するものとする。
【００４３】
図７（Ａ）および（Ｂ）に示すように、測定対象物の表面には、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（Ｐ１，Ｐ２）があるとする。この高反射率領域の位置は、レーザビームが＋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の順に変化する。
【００４４】
高反射率領域がレーザビームの中心軸１１６Ｃ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位置１８０に対してデータの重心位置１８２がずれる。このため、測定対象物１３０は、実際よりもε−だけ発光部１１０から離れた位置（低い位置）にあるように測定される。一方、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１８０に対して、データの重心１８２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ε＋だけ発光部１１０に近い位置（高い位置）にあるように測定される。
【００４５】
したがって、微小な高反射率領域の相対位置が移動するにつれて、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。なお、上記の誤差変化の方向は、図７（Ａ），（Ｂ）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。
【００４６】
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（１）で与えられる。
【００４７】
εmax＝ｗ／（２・ｔａｎ（γ））      …(1)
図５、図６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（１Ａ）で与えられ、図５、図６の測定誤差と同程度の値になる。
【００４８】
εmax＝２５／ｔａｎ（π／６）＝４３［μｍ］      …(1A)
上式（１）から、レーザスポットサイズｗが大きくなるほど、測定誤差の最大値が大きくなることがわかる。具体的に、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場合と、レーザスポットサイズを直径４００μｍに変更して同一の領域の表面形状を測定した場合とを比較すると、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。
【００４９】
［データ処理手順］
（１．概要）
以上で説明したように、三角測量方式のレーザ変位計を用いた表面形状の測定では、図５、図６に示すような特徴的なノイズが生じる。この特徴的なノイズは、再現性があるために時間平均化処理では取り除くことができない。さらに、スパイク状の大きなノイズ（測定対象物の表面の実際の凹凸の１００倍程度）を含んでいるために、移動平均処理を行っても測定ノイズを完全に除去することはできない。ノイズの影響を抑制するために移動平均区間を広げすぎると、実際に存在する本来検出可能なレベルの凹凸の検出ができなってしまう。
【００５０】
なお、図６の領域ＲＡ，ＲＢ，ＲＣに見られる特徴的なノイズの形状に着目すれば、このノイズをデータから抽出しキャンセルすることは可能である。しかしながら、この特徴的なノイズの形状はスポットサイズ以下の範囲で見られるために、その形状を精度よく捉えるためにはサンプリング間隔をスポットサイズの１／１０〜１／２０程度にしなければならない。このため、測定に時間がかかるというディメリットがある。
【００５１】
以下に示すデータ処理手順は、サンプリング間隔がスポットサイズの１／２より大きい場合、すなわち、短時間での表面形状を測定する場合に好適に用いることができる。この場合、測定ノイズは、図５に見られるようなランダムなノイズとして取り扱われる。以下、データ処理手順について説明する。
【００５２】
図９は、データ処理手順の概要を説明するための図である。図９では、測定対象物上の測定点ＭＰ（すなわち、レーザビームの走査位置）と測定値ＭＶ（すなわち、高さ方向の変位）との関係が示されている。
【００５３】
図４、図９を参照して、表面形状データ１６６のデータ処理を行うデータ処理部１５８は、誤差範囲設定部１６０と表面形状出力部１６２とを含む。
【００５４】
誤差範囲設定部１６０は、各測定点ＭＰにおけるレーザ変位計１００の測定値ＭＶに対して、誤差範囲ＥＲを設定する。具体的に図９に示すように、各測定値ＭＶに対して、誤差範囲ＥＲがＭＶ−ΔからＭＶ＋Δまでの範囲で設定される。この誤差範囲の幅Δは、図５、図６で説明した特徴的なノイズの大きさの最大値に対応するものであり、レーザビームのスポットサイズに応じて定められる。すなわち、レーザビームのスポットサイズが大きくなるほど、誤差範囲の幅Δは大きく設定される。なお、レーザビームのスポットサイズをできるだけ小さくしたほうが上記の特徴的なノイズの大きさが小さくなるので、より精度の良い測定が可能になる。
【００５５】
表面形状出力部１６２は、各誤差範囲ＥＲを通る直線または曲線を、レーザビームの走査方向に沿った測定対象物の表面形状の測定結果として出力する。曲線の場合には、できるだけ凹凸が少なく滑らかな形状となるのが望ましい。すなわち、極値を持つ点（極大点、極小点）の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように曲線の形状が定められる。変曲点を持たない場合（変曲点の数が０の場合）が最も望ましく、この場合は上に凸の曲線または下に凸の曲線になる。変曲点を持つ曲線では、上に凸の部分と下に凸の部分との接続点が変曲点に相当する。なお、この明細書では、一部に直線部分を含んでいる場合（すなわち、直線部分と曲線部分とが接続された場合）も、曲線に含める。
【００５６】
（２．データ処理手順の説明）
以下、これまでの説明を総括しながら、データ処理手順の詳細について説明する。
【００５７】
図１０は、表面形状の測定手順およびデータ処理の手順の一例を示すフローチャートである。図４、図１０を参照して、まず、測定制御部１５６は、移動機構１４６を駆動することによって、測定対象物１３０に対してレーザビーム１１６を走査させることによって、測定対象物１３０の表面上の複数の測定点で高さ方向の変位（すなわち、表面形状）を、レーザ変位計１００を用いて測定する（ステップＳ１００）。測定データは、表面形状データ１６６としてメモリ１５４に格納される。
【００５８】
次に、誤差範囲設定部１６０は、各測定点ＭＰにおけるレーザ変位計１００の測定値ＭＶに対して、レーザスポットサイズに応じた誤差範囲ＥＲを設定する（ステップＳ１０５）。
【００５９】
次に、表面形状出力部１６２は、各測定点での測定値ＭＶ（測定データとも称する）に対して、最小二乗法または最尤法を用いて直線または曲線を当てはめる（フィッティングする）（ステップＳ１１０）。続いて、表面形状出力部１６２は、当てはめられた直線または曲線（以下、近似直線または近似曲線とも称する）が、ステップＳ１０５で設定した各測定点ＭＰにおける誤差範囲ＥＲを全て通過するか否かを判定する（ステップＳ１１５）。
【００６０】
表面形状出力部１６２は、近似直線または近似曲線が設定された各誤差範囲ＥＲを通過する場合には（ステップＳ１１５でＹＥＳ）、測定対象物の表面形状の測定結果として当該近似直線または近似曲線を出力して（ステップＳ１２０）、処理を終了する。
【００６１】
一方、表面形状出力部１６２は、近似直線または近似曲線が各誤差範囲ＥＲを全て通過しない場合には（ステップＳ１１５でＮＯ）、各測定点ＭＰの測定値ＭＶに当てはめるべき直線または曲線の関数形を変更する。そして、表面形状出力部１６２は、関数形を変更した直線または曲線を、再度、各測定点ＭＰでの測定値ＭＶに当てはめる（ステップＳ１２５）。その後、表面形状出力部１６２は、ステップＳ１１５に処理を戻して、測定データに当てはめられた新たな関数形の直線または曲線が各測定点ＭＰにおける誤差範囲ＥＲを全て通過するか否かを再判定する。
【００６２】
上記の直線または曲線を当てはめるステップＳ１１０，Ｓ１２５では、最初に、直線もしくはできるだけ極大点、極小点、および変曲点の数の少ない関数形の曲線をあてはめるのが望ましい。その結果、近似直線または近似曲線が一部の誤差範囲ＥＲを通過しない場合には（ステップＳ１１５でＮＯ）、徐々に極大点、極小点、および変曲点の数の多い関数形の曲線を測定データにフィッティングするようにする。たとえば、測定データにｎ次関数（ｎ≧０）を当てはめる場合には、最初に０次関数（定数関数）を測定データに当てはめ、次に１次関数を測定データに当てはめ、その次に２次関数を当てはめるというように、徐々に次数ｎを増やしていくのが望ましい。
【００６３】
（３．測定範囲を複数の区間に区分する場合）
図１１は、データ処理手順の変更例を示すフローチャートである。図１１のステップは、図１０のステップＳ１１０〜Ｓ１２５に置換されるものである。図１０のステップＳ１００，Ｓ１０５に関しては共通しているので、図１１では図示していない。既に説明したように、ステップＳ１０５において、各測定点ＭＰでの測定値ＭＶに対してレーザスポットサイズに応じた誤差範囲ＥＲが設定される。
【００６４】
図１２は、図１１に示す手順の具体例を説明するための図である。
図１１および図１２の例では、各測定点ＭＰでの測定値ＭＶにｎ次関数（ｎ≧０）を当てはめる例が示されている。この場合、ｎ次関数の次数はできるだけ小さいほうが望ましい。ただし、１つの次数のｎ次関数を用いて、設定された全ての誤差範囲ＥＲを通るように測定範囲全体の測定データ近似することは困難であるので、最初に、直線近似が可能な第１種区間と、直線近似が困難な第２種区間とに、測定範囲全体が区分される（ステップＳ２００）。たとえば、図１２の例では、測定範囲が、３つの第１種区間（区間Ｉ、区間ＩＩＩ、区間Ｖ）と２つの第２種区間（区間ＩＩ、区間ＩＶ）とに区分されている。
【００６５】
次に、表面形状出力部１６２は、各第１種区間内の各測定点ＭＰの測定値ＭＶに対して最小二乗法または最尤法を用いて０次関数または１次関数を当てはめる（ステップＳ２０５）。図１２の例では、区間ＩおよびＶの各測定値ＭＶに０次関数２１２，２１６がそれぞれ当てはめられ、区間ＩＩＩの各測定値ＭＶに１次関数２１４が当てはめられている。
【００６６】
次に、表面形状出力部１６２は、各第１種区間において、当てはめられた０次または１次関数が設定された各誤差範囲ＥＲ内を通るか否かを判定する（ステップＳ２１０）。この結果、近似直線が一部の誤差範囲ＥＲを通らない場合には（ステップＳ２１０でＮＯ）、表面形状出力部１６２は、第１種および第２種区間の区分を変更する（ステップＳ２１５）。具体的には、たとえば、第２種区間の範囲を広げ、第１種区間の範囲を狭める。その後、表面形状出力部１６２は、上記の当てはめ（ステップＳ２０５）および判定（ステップＳ２１０）を再度実行する。
【００６７】
一方、各第１種区間において、近似直線が各誤差範囲ＥＲを全て通過する場合には（ステップＳ２１０でＹＥＳ）、表面形状出力部１６２は、隣接する第１種区間の０次または１次の近似関数と滑らかに連続するという制約条件の下で（滑らかに連続するとは導関数も連続することを意味する）、各第２種区間内の測定データに対してｎ次関数（ｎ≧２）を当てはめる（ステップＳ２２０）。ｎ次関数の次数はできるだけ小さいほうが望ましいので、最初は２次関数（初期値：ｎ＝２）を当てはめる。なお、ラグランジュ乗数を導入することによって、最小二乗法および最尤法に制約条件を付加することができる。
【００６８】
図１２の例では、区間ＩＩの測定データに対しては、区間Ｉの０次関数２１２および区間ＩＩＩの１次関数２１４に滑らかに連続するように、２次関数２２０が当てはめられている。区間ＩＶの測定データに対しては、区間ＩＩの１次関数２１４および区間Ｖの０次関数に滑らかに連続するように、２次関数２２２が当てはめられている。
【００６９】
次に、表面形状出力部１６２は、各第２種区間において、上記の方法で当てはめられたｎ次関数が設定された各誤差範囲ＥＲ内を通るか否かを判定する（ステップＳ２２５）。この結果、表面形状出力部１６２は、各第２種区間において、測定データに当てはめられたｎ次関数が設定された各誤差範囲ＥＲを全て通る場合に（ステップＳ２２５でＹＥＳ）、各第１種区間において当てはめられた０次または１次関数、および各第２種区間において当てはめられたｎ次関数（ｎ≧２）を、表面形状の測定結果として出力する（ステップＳ２３０）。
【００７０】
一方、各第２種区間において、測定データに当てはめられたｎ次関数が設定された各誤差範囲ＥＲを全て通らない場合には、表面形状出力部１６２は、近似するｎ次関数の次数を１つ増やし（ステップＳ２３５）、その後、当てはめ（Ｓ２２０）および判定（ステップＳ２２５）の各ステップを再実行する。
【００７１】
（４．設計データが与えられている場合）
測定対象物が設計データに基づいて加工された工作物である場合には、設計データを利用することによってレーザビームの走査方向に沿った表面形状を示す近似直線または近似曲線を求めることができる。以下、図４、図１３、図１４を参照して具体的に説明する。
【００７２】
図１３は、設計データが与えられている場合のデータ処理手順を示すフローチャートである。図１３のステップは、図１０のステップＳ１１０〜Ｓ１２５に置換されるものである。図１０のステップＳ１００，Ｓ１０５に関しては共通しているので、図１３では図示していない。既に説明したように、ステップＳ１０５において、各測定点ＭＰでの測定値ＭＶに対してレーザビームのスポットサイズに応じた誤差範囲ＥＲが設定されている。
【００７３】
図１４は、図１３のデータ処理手順の具体例を説明するための図である。図１４の例では、設計データに基づいた表面形状は０次関数（定数関数）で表わされるとしている。
【００７４】
最初に、表面形状出力部１６２は、各測定点ＭＰでの測定値ＭＶ（測定データ）に対して、設計データに基づいた、レーザビームの走査方向の表面形状を示す直線または曲線を最小二乗法または最尤法によって当てはめる（ステップＳ３００）。この場合、高さ方向もしくは高さ方向および水平方向の両方のオフセット値（シフト量）がパラメータとなり、これらのパラメータが最小二乗法または最尤法によって最適化される。
【００７５】
この結果、得られた近似直線または曲線が各測定点ＭＰごとに設定された誤差範囲ＥＲを全て通る場合には（ステップＳ３０５でＹＥＳ）、表面形状出力部１６２は、当該近似直線または曲線を、レーザビームの走査方向に沿った測定対象物の表面形状の測定結果として出力し（ステップＳ３４０）、処理を終了する。
【００７６】
一方、各測定点ＭＰごとに設定された誤差範囲ＥＲのうち、一部の誤差範囲ＥＲを設計データに基づいた表面形状を示す近似直線または曲線が通過しない場合には（ステップＳ３０５でＮＯ）、表面形状出力部１６２は、この一部の誤差範囲ＥＲが設定されている測定点ＭＰの近傍に加工不良または素材不良があると判定する。この場合、表面形状出力部１６２は、この加工不良または素材不良があると判定した測定点の近傍を非適正区間に設定し、その他の区間を適正区間に設定する（ステップＳ３１０）。図１４の例では、区間ＩおよびＩＩＩが適正区間に設定され、区間ＩＩが非適正区間に設定されている。
【００７７】
次に、表面形状出力部１６２は、適正区間内（適正区間が複数ある場合には全ての適正区間）の各測定点ＭＰにおける測定値ＭＶに対して、設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線を最小二乗法または最尤法によって当てはめる（ステップＳ３１５）。この結果、当てはめられた直線または曲線が適正区間で設定されている一部の誤差範囲ＥＲを通らない場合には（ステップＳ３２０でＮＯ）、表面形状出力部１６２は、適正および非適正区間の区分を変更する（ステップＳ３２５）。具体的には、たとえば、非適正区間の範囲を広げ、適正区間の範囲を狭める。その後、表面形状出力部１６２は、上記の適正区間における当てはめ（Ｓ３１５）および判定（Ｓ３２０）の各ステップを再度実行する。
【００７８】
一方、適正区間において、当てはめられた直線または曲線が各誤差範囲ＥＲを全て通過する場合には（ステップＳ３２０でＹＥＳ）、表面形状出力部１６２は、隣接する適正区間の近似直線または曲線に連続する（もしくは滑らかに連続する）という制約条件の下で、非適正区間内の測定データに対して曲線を当てはめる（ステップＳ３３０）。
【００７９】
図１４の例では、区間ＩおよびＩＩＩ内の各測定値ＭＶに、設計データに基づいたレーザビームの走査方向の表面形状を示す０次関数２４０，２４２が当てはめられている。区間ＩＩ内の各測定値ＭＶに対しては、区間Ｉ，ＩＩＩの０次関数２４０，２４２と滑らかに連続するように４次関数２４４が当てはめられている。
【００８０】
次に、表面形状出力部１６２は、各非適正区間において、各測定データに当てはめられた曲線が設定された各誤差範囲ＥＲを通るか否かを判定する（ステップＳ３３５）。この結果、表面形状出力部１６２は、各非適正区間において、当てはめられた曲線が設定された各誤差範囲ＥＲを全て通る場合には（ステップＳ３３５でＹＥＳ）、適正区間で当てはめられた設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線、および非適正区間で当てはめられた曲線を、表面形状の測定結果として出力する。
【００８１】
一方、一部の誤差範囲ＥＲを近似直線または曲線が通過しない場合には（ステップＳ３３５でＮＯ）、表面形状出力部１６２は、各非適正区間において、測定データに当てはめる曲線の関数形を変更する。たとえば、ｎ次関数を当てはめる場合には、次数ｎを増やす。そして、表面形状出力部１６２は、関数形を変更した曲線を非適正区間の測定データに再度当てはめる（ステップＳ３４５）。その後、表面形状出力部１６２は、ステップＳ３３５に処理を戻して、各非適正区間において、各測定データに当てはめられた曲線が設定された各誤差範囲ＥＲを通るか否かを再度判定する（ステップＳ３３５）。
【００８２】
［まとめと効果］
以上をまとめると、レーザ変位計（より一般には光ビームを利用した三角測量方式の変位計）を用いて測定対象物の表面形状を測定する際には、時間平均化処理では除去できないスパイク状の大きなノイズが出現する。このノイズの原因は、測定対象物の表面の微視的な（レーザスポットサイズよりも小さい）反射率の不均一によると考えられる。このため、ノイズの大きさは、レーザスポットサイズに応じて決まり、レーザスポットサイズが大きいほどノイズの大きさの最大値が大きくなる。
【００８３】
上記のノイズの特徴を考慮して、実施の形態１による表面形状測定装置では、各測定点での測定値に対してレーザスポットサイズに応じた誤差範囲が設定される。そして、設定した各誤差範囲内を通るような直線または曲線が、レーザビームの走査方向に沿った表面形状の測定結果として出力される。この場合の曲線の形状は、極値を持つ点の数および変曲点の数ができるだけ少なくなるように設定される（ｎ次関数の場合には、できるだけ次数ｎが小さいものが選択される）。この結果、上記のスパイク状のノイズの影響を受けない表面形状データを短時間で得ることができる。したがって、たとえば、測定対象物の概略形状を把握する場合などに好適に用いることができる。なお、レーザビームのスポットサイズをできるだけ小さくしたほうが上記のノイズの大きさが小さくなるので、より精度の良い測定が可能になる。
【００８４】
さらに、測定対象物が設計データに基づいて加工された工作物の場合には、設定された誤差範囲内を通るように設計データに基づいた表面形状を示す直線または曲線が測定データに当てはめられる。設計データに基づいた表面形状を示す近似直線または曲線が設定された誤差範囲内を通らない箇所（加工不良または素材不良）がある場合には、当該箇所の近傍の測定データに対して設計データとは別の曲線が当てはめられ、当てはめられた曲線が当該箇所の表面形状の測定結果として出力される。この結果、短時間の測定によって、工作物の概略形状さらには加工不良または素材不良の有無を把握することができる。
【００８５】
＜実施の形態２＞
図１では、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るとしたが、実際には、レーザビーム１１６のビームサイズはレーザダイオード１１２からの距離に応じて変化する。
【００８６】
図１５は、レーザダイオードから発せられるレーザ光のビーム径の変化の一例を示す図である。図１５を参照して、ビームウェストの部分を基準位置とすると、基準位置でのビームサイズが直径５０μの場合、基準位置から±１０ｍｍだけ高さ方向にずれた位置では、ビームサイズは直径４６０μｍまで増加する。
【００８７】
図７等で説明したように、レーザ変位計による測定の際に生じるノイズの大きさの最大値は、測定対象物の表面上でのビームサイズ（すなわち、スポットサイズ）の大きさに応じて変化する。したがって、望ましくは、図１０のステップＳ１０５で設定される誤差範囲も、レーザ変位計の測定値に応じて変更する必要がある。
【００８８】
図１６は、図１０のステップＳ１０５の変更例について説明するための図である。図１６では、測定対象物の表面上の測定点ＭＰ１〜ＭＰ５（すなわち、レーザビームの走査位置）と測定値（すなわち、高さ方向の変位）との関係が示されている。測定点ＭＰ３での測定値ｄ１が図１５のビームウェストの位置に対応する基準位置であるとする。
【００８９】
図１６に示すように、測定点ＭＰ２，ＭＰ４での測定値ｄ２は基準位置（ｄ１）よりも低く、測定点ＭＰ１，ＭＰ５での測定値ｄ３は測定点ＭＰ２，ＭＰ４での測定値ｄ２よりもさらに低い。したがって、測定点ＭＰ１における測定値ｄ１に対して設定される誤差範囲の幅をΔ１とすると、測定点ＭＰ２，ＭＰ４における測定値ｄ２に対する誤差範囲の幅は、Δ１よりも大きいΔ２に設定される。さらに、測定点ＭＰ１，ＭＰ５における測定値ｄ３に対する誤差範囲の幅は、Δ２よりも大きいΔ３に設定される。このように設定された各誤差範囲を通る曲線が、表面形状の測定結果として出力される。
【００９０】
上記のとおり、実施の形態２による表面径所測定装置では、レーザ変位計の測定値に応じて図１０のステップＳ１０５で設定される誤差範囲の大きさが変更される。設定する誤差範囲の大きさは、実験によって観測されるノイズの大きさに応じて予め定めておく。
【００９１】
＜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。
【００９２】
図１７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１７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。
【００９３】
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。
【００９４】
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１８のＣＬ）のまわりに回転可能に、主軸頭２０に支持されている。
【００９５】
測定ヘッド４２は、図１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を内蔵する。
【００９６】
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のサドル１４２に対応し、テーブル１８は図４のテーブル１４４に対応する。工作物２は図４の測定対象物１３０に対応する。
【００９７】
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。
【００９８】
ＮＣ装置２４は、上記の直交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。
【００９９】
図１８は、図１７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１８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。
【０１００】
図１７、図１８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。
【０１０１】
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ための通信装置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で説明した測定制御部１５６およびデータ処理部１５８として機能する。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
プロセッサ１５２は、さらに、上記の表面形状データ１６６のデータ処理を行うためのデータ処理部１５８として機能する。データ処理部１５８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によるデータ処理の結果、ノイズが除去された表面形状の測定結果を短時間で得ることができる。
【０１０８】
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】
【０１０９】
２  工作物、１０  加工装置、１６，１４２  サドル、１８，１４４  テーブル、２０  主軸頭、２２  主軸、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、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  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  データ処理部、１６０  誤差範囲設定部、１６２  表面形状出力部、１６６  表面形状データ、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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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