特許7041828光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器、空間測定誤差検出方法、及び、補正方法、光学式三次元形状測定装置、光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差校正方法、並びに、光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-16
(45)【発行日】2022-03-25
(54)【発明の名称】光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器、空間測定誤差検出方法、及び、補正方法、光学式三次元形状測定装置、光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差校正方法、並びに、光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器
(51)【国際特許分類】
G01B 11/24 20060101AFI20220317BHJP
【ＦＩ】
G01B11/24 D
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2020098970
(22)【出願日】2020-06-05
(65)【公開番号】P2021192022
(43)【公開日】2021-12-16
【審査請求日】2021-01-27
(73)【特許権者】
【識別番号】503249810
【氏名又は名称】株式会社ＸＴＩＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100067736
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 晃
(74)【代理人】
【識別番号】100192212
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 貴明
(74)【代理人】
【識別番号】100204032
【弁理士】
【氏名又は名称】村上 浩之
(72)【発明者】
【氏名】興梠 元伸
(72)【発明者】
【氏名】今井 一宏
【審査官】續山 浩二
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－２０７３００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２１０３７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３０２２０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－３２９４０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１０２７５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－６３２４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５０７８８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１１１２７５６５（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国実用新案第２０９１６６３８０（ＣＮ，Ｕ）
【文献】中国特許出願公開第１０６８８７０２２（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１８８３８０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００９６４８５（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器であって、複数の検査球と、
上記検査球が２次元に配列される基板と
を備え、
上記検査球は、所定の直径に真球加工され、上記直径より短い深さのねじ穴と有する鋼球からなり、表面に窒化チタン膜が成膜されており、
上記基板は、上記ねじ穴に螺合する螺子が貫通される貫通孔が２個以上形成され、貫通孔の上部で検査球と接する面に面取り加工が施されており、
上記複数の検査球は、２次元に配列され、それぞれ上記基板の面取り加工部に接触した状態で該基板の裏側から螺子止め固定されており、
上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の少なくとも１つが既知である
ことを特徴とする光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器。
【請求項2】
上記検査球は、弾発素子により所定の押圧力で上記基板の面取り加工部に押圧される状態で螺子止め固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器。
【請求項3】
上記複数の検査球は、３ｍｍ～６．８ｍｍ内の所定の直径を有し、３ｍｍ～６．８ｍｍ内の所定のピッチで２次元に配列されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器。
【請求項4】
上記複数の検査球は、ＪＩＳ規格検査で使用する区間だけ選定された球間距離位置に２次元に配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器。
【請求項5】
上記複数の検査球は、上記基板の表面に２次元方向にそれぞれ最大長さが２６．４ｍｍ以上４０ｍｍ以下で５つの異なる検査用長さの少なくとも１つに対応する球間距離位置に２次元に配列されていることを特徴とする請求項４に記載の光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器。
【請求項6】
上記複数の検査球は、対角方向にそれぞれ最大長さが４２．３ｍｍ以上６４ｍｍ以下で５つの異なる検査用長さの少なくとも１つに対応する球間距離位置に２次元に配列されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器。
【請求項7】
上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度、直径の校正値または公称値または設計値が明らかになっていることを特徴とする請求項６に記載の光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器。
【請求項8】
光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検出方法であって、被検査光学式三次元形状測定装置により、請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器を測定対象物として三次元形状測定を行い、測定結果として得られる複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つ差分を上記被検査光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差として検出する
ことを特徴とする光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検出方法。
【請求項9】
光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の補正方法であって、被補正光学式三次元形状測定装置により、請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の光空間測定誤差検査器を測定対象物として複数の高さ位置に置いて、三次元形状測定を行い、各高さ位置における測定結果として得られる複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つ差分を上記被補正光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差として検出して補正データを取得する
ことを特徴とする光学式三次元形状測定装置の補正方法。
【請求項10】
請求項８に記載された光学式三次元形状測定装置の補正方法により取得された補正データに基づいて、測定対象物に照射する測定光を走査する光学系の歪みの空間分布を補正する補正手段を備えることを特徴とする光学式三次元形状測定装置。
【請求項11】
請求項９に係る補正済みの光学式三次元形状測定装置を被検査光学式三次元形状測定装置として、補正データの取得に用いた空間測定誤差検査器とは別の請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の光学式三次元形状測定装置の光空間測定誤差検査器を測定対象物として三次元形状測定を行い、測定結果として得られる上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つ差分を上記被検査光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差として検出することを特徴とする光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差校正方法。
【請求項12】
光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器であって、精密研磨されたセラミック平面に窒化チタン膜が成膜されてなることを特徴とする光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器、空間測定誤差検出方法、及び、補正方法、光学式三次元形状測定装置、光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差校正方法、並びに、光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、精密なポイントの距離計測が可能な距離計測方法として、レーザ光を利用する光学原理による距離計測が知られている。レーザ光を用いて対象物体までの距離を測定するレーザ距離計ではレーザ光の発射時刻と、測定対象に当たり反射してきたレーザ光を受光素子にて検出した時刻との差に基づいて、測定対象物までの距離が算出される（たとえば特許文献1参照）。また、例えば、半導体レーザの駆動電流に三角波等の変調をかけ、対象物での反射光を半導体レーザ素子の中に埋め込まれたフォトダイオードを使用して受光し、フォトダイオード出力電流に現れた鋸歯状波の主波数から距離情報を得ている。
【0003】
ある点から測定点までの絶対距離を高精度で測定する装置としてレーザ距離計が知られている。たとえば、特許文献１には、基準光の干渉信号と測定光の干渉信号の時間差から距離を測定する距離計が記載されている。
【0004】
従来の絶対距離計では、長い距離を高精度で測れる実用的な絶対距離計を実現することが難しく、高い分解能を得るためにはレーザ変位計のように原点復帰が必要なため絶対距離測定に適さない方法しか手段がなかった。
【0005】
本件発明者等は、基準面に照射される基準光と測定面に照射される測定光との干渉光を基準光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された基準光と上記測定面により反射された測定光との干渉光を測定光検出器により検出して、上記基準光検出器と測定光検出器により得られる２つ干渉信号の時間差から、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、高精度で、しかも短時間に行うことの可能な光コム距離計及び距離測定方法並びに光学的三次元形状測定装置を先に提案している（例えば、特許文献２参照）。
【0006】
光学的三次元形状測定装置では、光コム距離計から出射された測定光を１次元又は２次元に走査するガルバノミラーやポリゴンミラー等の走査光学系を介して測定対象物に照射して、測定対象物で反射された測定光の反射光が走査光学系を介して戻される光コム距離計により、測定面までの距離情報として測定面の三次元形状情報を取得するので、測定対象物付近の仮想平面に対して垂直な方向から測定対象物に測定光を照射するために、テレセントリックｆ-θレンズ等によるテレセントリック光学系による光学スキャナが使用されている。
【0007】
従来、二次元スキャンの光学スキャナの補正は、一般的に、三次元座標が校正された校正用基準器を使用して、次のようにして行われている。
【0008】
図２４に示すように、校正用基準器２００の格子点の座標を（ＸＧｉ，ＹＧｊ，ＺＧｋ）とする。平面に格子状に座標を作製した基準器であればＸＧｉ，ＹＧｊはＸＹ基準器の座標、ＺＧｋは基準器を設置した高さである。Ｚ基準平面になる面にＸＹ座標が識別できる加工を施したものでも良い。またはＺ基準平面とＸＹ基準器を別に用意してもよい。Ｚ基準平面とＸＹ基準器が別の場合であっても、それぞれ同じ条件で計測すれば、スキャナ側から見た座標（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）と校正用基準器の格子点の座標（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）の関係を求めることができる。ここで、Ｘｉ，Ｙｊはスキャナが想定しているＸＹ座標、Ｚｋは形状計測器が出力する補正前の高さの値である。
【0009】
まず複数の高さでＸＹ基準器を測定して、スキャナが想定するＸＹ座標（Ｘｉ，Ｙｊ）と校正用基準器の格子点の座標のＺ依存性（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）を得る。
次にＺ基準平面を測定するとスキャナ側から見た座標（高さ分布）（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）とＺ基準平面の設置高さ（ＺＧｋ）の関係が得る。両者を合成することで共通の（Ｘｉ，Ｙｊ）を介してスキャナ側から見た座標と校正用基準器の格子点の座標の関係が得られる。
次にＺ基準平面を測定するとスキャナ側から見た座標（高さ分布）（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）とＺ基準平面の設置高さ（ＺＧｋ）の関係が得る。両者を合成することで共通の（Ｘｉ，Ｙｊ）を介してスキャナ側から見た座標と校正用基準器の格子点の座標の関係が得られる。
【0010】
ここでＺ基準平面として鏡面反射成分の少なくかつ平坦度の高い粗面を使用することができる。Ｘ軸周り、Ｙ軸周りそれぞれにわずかな角度をつけて鏡面反射を含まない高さ分布データを得る。それらを平均して仮想平面形状を得る。ＸＹ基準器を測定する場合、鏡面反射成分がＸＹ基準期の格子点の抽出に影響を与えない条件ならば、基準器を仮想平面に一致させて測定を行ってもよい。
【0011】
格子点の座標（ＸＧｉ，ＹＧｊ，ＺＧｋ）がスキャナ側から見た座標（高さ分布）（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）に見えているので、格子点の座標についての補正量
（ΔＸｉ，ΔＹｊ，ΔＺｋ）＝（ＸＧｉ－Ｘｉ，ＹＧｊ－Ｙｊ，ＺＧｋ－Ｚｋ）
全ての格子点について補正量を求めれば格子点における補正データの集合として
ΔＸｉ＝ＸＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）
ΔＹｊ＝ＹＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）
ΔＺｋ＝ＺＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）
が得られる。このデータには格子点の補正量しか含まれないため、格子点以外の補正量は補間によって求める必要がある。補正データの集合を元にそれぞれをスキャナ側から見たＸＹ座標、および高さＺの値、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の高次多項式またはその他適切な関数でフィットしてその多項式の係数として補正データを保存しておく。フィットされた関数をそれぞれ
ΔＸｉ＝ＸＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
ΔＹｊ＝ＹＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
ΔＺｋ＝ＺＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
とすれば、スキャナ側から見た任意の座標（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）における補正量は内挿によって
ΔＸＡ＝ＸＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）
ΔＹＡ＝ＹＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）
ΔＺＡ＝ＺＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）
となる。なお通常の使用環境ではスキャナを出るビームは測定対象に向かって一直線に進むのでＺに関しては一次式で表されると考えてよい。
（ΔＸｉ，ΔＹｊ，ΔＺｋ）＝（ＸＧｉ－Ｘｉ，ＹＧｊ－Ｙｊ，ＺＧｋ－Ｚｋ）
全ての格子点について補正量を求めれば格子点における補正データの集合として
ΔＸｉ＝ＸＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）
ΔＹｊ＝ＹＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）
ΔＺｋ＝ＺＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｋ）
が得られる。このデータには格子点の補正量しか含まれないため、格子点以外の補正量は補間によって求める必要がある。補正データの集合を元にそれぞれをスキャナ側から見たＸＹ座標、および高さＺの値、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の高次多項式またはその他適切な関数でフィットしてその多項式の係数として補正データを保存しておく。フィットされた関数をそれぞれ
ΔＸｉ＝ＸＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
ΔＹｊ＝ＹＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
ΔＺｋ＝ＺＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）
とすれば、スキャナ側から見た任意の座標（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）における補正量は内挿によって
ΔＸＡ＝ＸＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）
ΔＹＡ＝ＹＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）
ΔＺＡ＝ＺＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）
となる。なお通常の使用環境ではスキャナを出るビームは測定対象に向かって一直線に進むのでＺに関しては一次式で表されると考えてよい。
【0012】
スキャナ光学系のテレセントリシティー（鉛直打ち下ろし特性、仮想平面の法線への一致具合といったもの）が高く、ＸＹ座標のＺ依存性が無視できるほど小さい場合には補正データからＺ依存性がなくなるため、計測が容易な一つの高さ（例えばＺ＝０の高さやビーム焦点の高さ）だけで校正用基準器の座標を取得すればよい。
【0013】
Ｚ＝０における全ての格子点について補正量を求めれば格子点における補正データの集合として
ΔＸｉ＝ＸＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，０）
ΔＹｊ＝ＹＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，０）
ΔＺｋ＝ＺＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，０）
が得られる。ΔＺｉについては格子点に限定せず、平面のデータ全体を使うことができる。格子点以外の補正量は補間によって求められる。補正データの集合を元にそれぞれをスキャナ側から見たＸＹ座標（Ｘ，Ｙ）の高次多項式またはその他適切な関数でフィットしてその多項式の係数として補正データを保存しておく。フィットされた関数をそれぞれ
ΔＸ＝ＸＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
ΔＹ＝ＹＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
ΔＺ＝ＺＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
とすれば、スキャナ側から見た任意の座標（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）における補正量は内挿によって
ΔＸＡ＝ＸＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ）
ΔＹＡ＝ＹＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ）
ΔＺＡ＝ＺＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ）
となる。
ΔＸｉ＝ＸＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，０）
ΔＹｊ＝ＹＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，０）
ΔＺｋ＝ＺＭＣＡＬ（Ｘｉ，Ｙｊ，０）
が得られる。ΔＺｉについては格子点に限定せず、平面のデータ全体を使うことができる。格子点以外の補正量は補間によって求められる。補正データの集合を元にそれぞれをスキャナ側から見たＸＹ座標（Ｘ，Ｙ）の高次多項式またはその他適切な関数でフィットしてその多項式の係数として補正データを保存しておく。フィットされた関数をそれぞれ
ΔＸ＝ＸＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
ΔＹ＝ＹＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
ΔＺ＝ＺＦＣＡＬ（Ｘ，Ｙ）
とすれば、スキャナ側から見た任意の座標（ＸＡ，ＹＡ，ＺＡ）における補正量は内挿によって
ΔＸＡ＝ＸＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ）
ΔＹＡ＝ＹＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ）
ΔＺＡ＝ＺＦＣＡＬ（ＸＡ，ＹＡ）
となる。
【0014】
Ｚ依存性を含む一般形で補正式を定義しておいてＺ依存を表す項にかかる係数がゼロである場合として考えてもよい。
【0015】
スキャナが例えばＸ軸に平行なラインのように単一方向へのスキャンを行って、Ｙ軸方向には別の移動手段によって全体の形状を計測する場合は、二次元スキャンの中の一ラインをスキャンしたと考えて補正を行う。スキャンの線がＸ軸に平行な線に対してゆがみがある場合にはＸＹ座標の補正が必要になる。Ｘ軸のラインスキャンとＹ軸移動を組み合わせてＸＹ基準器をＹ軸方向の座標校正をするために最低限必要な幅でスキャンして、二次元スキャンと同様な方法で補正データを取得する。
【0016】
また、ＪＩＳ規格として、三次元座標測定機の精度試験方法を定めたＪＩＳ Ｂ ７４４０が設けられており、JIS B 7440-8として光学式距離測定の原理によって補正後測定点を決定する非接触プロービングシステムである光学式距離センサ付き座標測定機について規定されている。
【0017】
そして、長さの標準器であるブロックゲージと球体とを用いることによって、静的な目盛りの校正と球体の測定とを同時に行うことにより検出器の動作性能を含めた各軸の目盛り誤差を総合的に校正することができるようにしたＣＭＭ校正ゲージが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【0018】
この特許文献３の開示技術では、国家標準器として第１端面と第２端面間の長さの絶対値が保証されているブロックゲージの表面に、球体を載置して固定することによりＣＭＭ校正ゲージを構成する。使用に際しては、第１端面に３点以上ＣＭＭの測定子を当てて第１端面の平面を特定し、次いで球体の赤道部分に３点測定子を当てると共に極点にも当てて、第１端面の平面からの球体の中心座標と球体の直径を特定し、次いで第２端面に測定子を当てて第２端面と球体の上記特定値を補正し、球体の３次元空間の座標が正確に特定されたＣＭＭ校正ゲージとする。
【0019】
ＣＭＭ（coordinate measuring machine）は、三次元空間に存在する離散したＸ、Ｙ、Ｚの座標点を用いて計算機の支援により寸法及び形状を測定するための計測器であり、より具体的には、定盤上に載置した被測定物と、測定器においてＺ軸先端に取り付けたプローブとを、Ｘ、Ｙ、Ｚの三次元方向へ相対移動させ、プローブが被測定物に接触した瞬間をとらえ、この瞬間を電気的トリガとして各送り軸方向の座標値を読みとり、計算機により寸法及び形状を計測する三次元測定器である。
また、上面が平坦な基板の表面に配置される第１の球体列と、前記基板の上面に対して傾斜して配置される第２の球体列とを備えることにより三次元座標測定機を精度評価するための三次元座標測定機ゲージを構成すること提案されている（例えば、特許文献４参照）。
また、上面が平坦な基板の表面に配置される第１の球体列と、前記基板の上面に対して傾斜して配置される第２の球体列とを備えることにより三次元座標測定機を精度評価するための三次元座標測定機ゲージを構成すること提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0020】
【文献】特開２００１－３４３２３４号公報
【文献】特許第５２３１８８３号公報
【文献】特許第３００５６８１号公報
【文献】特開２０１２－５８０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0021】
ところで、本件発明者等が先に提案している光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置では、光コム干渉計を介して測定対象物に照射された測定光の測定対象物上の照射位置の計測を高精度に且つ短時間に行うことができるのであるが、光学スキャナを介して測定対象物に測定光を照射するので、光学スキャナによる走査歪みに起因する測定誤差がある。
【0022】
光学的三次元形状測定装置に備えられた光学スキャナでは、一般的に、レンズや鏡の曲面は理想型状からのずれや屈折率の影響により、仮想平面上で完全に等距離になることはなく、像面湾曲に見られるように視野の中心部と周縁部で高さが異なることが多い。光学系の如何なる場所でも主光軸が光軸に対して平行な理想的なテレセントリック光学系による光学スキャナを備える光学的三次元形状測定装置であれば、鏡のように高精度の基準平面を計測し、計測結果として得られる平面が平面に見えるような補正データを使用して測定対象物の高さデータに誤差なく補正することが可能である。
【0023】
しかしながら、現実には、光学スキャナを介して測定対象物に照射される測定光は、理想的な光学系からの乖離や材料の波長分散の影響を受けて、場所毎に光軸に対して僅かに傾斜しており、それが１次元又は２次元に分布した歪みのある状態となる。
【0024】
また、波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれる場合、群遅延が測定光のビーム径内で分布する虞がある。
【0025】
このように場所毎に光軸に対して僅かに傾斜した測定光を出射する光学スキャナや波長分散の大きな材料が走査光学系に含まれる光学スキャナでは、鏡を用いて校正すると、鏡面反射された測定光の一部の反射光成分のみが光コム距離計における干渉信号の生成に寄与することになる。
【0026】
光コム距離計では、測定対象物に照射した測定光の上記測定対象物により反射された反射光の全てを検出することができれば、測定光の光軸中心の軌跡の距離を高精度に計測できるのであるが、反射光の一部しか検出できない場合には、 測定光の光軸中心の軌跡から算出される距離にする誤差が生じることになる。
【0027】
このように、光学的三次元形状測定装置で得られる座標補正などを行わない生の形状データには座標や空間の距離には誤差が含まれる。誤差はスキャナの非直線性、光学系のひずみ、テレセントリシティーからのずれ、収差などが要因である。したがって、測定対象物の形状計測と別に座標の基準となる検査器で空間的な誤差分布を検出して補正データとして持っておいて、測定結果の座標やスキャナの動きに補正を加えることで正しい座標値に変換してデータの補正（キャリブレーション）を行う必要がある。
【0028】
また、補正（キャリブレーション）が済んだ光学的三次元形状測定装置に対して座標測定性能を評価するための座標や長さの真値が定まった検査器による空間的な誤差検出が必要である。光学式非接触三次元計測機のJIS B 7440-8「製品の幾何特性仕様（GPS）－座標測定システム（CMS）の受入検査及び定期検査－第８部：光学式距離センサ付き座標測定機」に準拠した検査方法が望ましい。
【0029】
本件発明者等は、上述の如き従来の実情に鑑み、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の歪みを補正することができる校正データを取得可能な光学スキャナ装置の校正方法を特願２０２０－００１６９９として、先に提案している。
【0030】
また、特許文献３や特許文献４の開示技術は、測定子を当てて測定を行う接触型の三次元測定器の校正を行うためのものであり、非接触型の光学式三次元形状測定装置の校正について考慮されていない。
【0031】
なお、JIS B 7440-8では、「検査用標準器鋼製又はセラミックス製の検査用標準器を用いてプロービング誤差の評価を行う。他の適切な材料で製作された検査用標準器を用いてもよい。異なる材質の検査用標準器を用いて検査を行うと、表面反射率光の浸込み（体積散乱）、色、散乱特性などの光学特性の違いによって、得られるプロービング誤差が変わる可能性があるため、使用した検査用標準器の材質は記録しなければならない。プロービング誤差の評価に使用する検査用標準器の表面粗さは，対応する最大許容誤差と比較して無視できる程度に小さくなければならない。」と規定されている。
【0032】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、JIS B 7440-8に準拠した長さ測定誤差検査器として機能し、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器および空間測定誤差検出方法を提供することにある。
【0033】
また、本発明の他の目的は、テレセントリック光学系からのずれを検出して座標補正や校正（キャリブレーション）に必要なデータを取るための光学式三次元形状測定装置の校正（キャリブレーション）用の空間測定誤差検査器及び校正方法を提供することにある。
【0034】
また、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の歪みによる影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことのできる光学式三次元形状測定装置及びその空間測定誤差校正方法を提供することにある。
【0035】
さらに、本発明の他の目的は、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の歪みによる影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことのできる光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器を提供することにある。
【0036】
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【0037】
本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器であって、複数の検査球と、上記検査球が２次元に配列される基板とを備え、上記検査球は、所定の直径に真球加工され、上記直径より短い深さのねじ穴と有する鋼球からなり、表面に窒化チタン膜が成膜されており、上記基板は、上記ねじ穴に螺合する螺子が貫通される貫通孔が２個以上形成され、貫通孔の上部で検査球と接する面に面取り加工が施されており、上記複数の検査球は、２次元に配列され、それぞれ上記基板の面取り加工部に接触した状態で該基板の裏側から螺子止め固定されており、上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の少なくとも１つがが既知であることを特徴とする。
【0038】
本発明に係る光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器において、上記検査球は、弾発素子により所定の押圧力で上記基板の面取り加工部に押圧される状態で螺子止め固定されているものとすることができる。
【0039】
本発明に係る光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器において、上記複数の検査球は、３ｍｍ～６．８ｍｍ内の所定の直径を有し、３ｍｍ～６．８ｍｍ内の所定のピッチで２次元に配列されているものとすることができる。
【0040】
本発明に係る光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器において、上記複数の検査球は、ＪＩＳ規格検査で使用する区間だけ選定された球間距離位置に２次元に配列されているものとすることができる。
【0041】
本発明に係る光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器において、上記複数の検査球は、上記基板の表面に２次元方向にそれぞれ最大長さが２６．４ｍｍ以上４０ｍｍ以下で５つの異なる検査用長さの少なくとも１つに対応する球間距離位置に２次元に配列されているものとすることができる。
【0042】
本発明に係る光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器において、上記複数の検査球は、対角方向にそれぞれ最大長さが４２．３ｍｍ以上６４ｍｍ以下で５つの異なる検査用長さの少なくとも１つに対応する球間距離位置に２次元に配列されているものとすることができる。
【0043】
本発明に係る光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器において、上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の少なくとも１つの校正値または公称値または設計値が明らかになっているものとすることができる。
【0044】
本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検出方法であって、
被検査光学式三次元形状測定装置により、上記光空間測定誤差検査器を測定対象物として三次元形状測定を行い、測定結果として得られる記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つの差分を上記被検査光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差として検出することを特徴とする。
被検査光学式三次元形状測定装置により、上記光空間測定誤差検査器を測定対象物として三次元形状測定を行い、測定結果として得られる記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つの差分を上記被検査光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差として検出することを特徴とする。
【0045】
本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の補正方法であって、被補正光学式三次元形状測定装置により、上記光空間測定誤差検査器を測定対象物として複数の高さ位置に置いて、三次元形状測定を行い、各高さ位置における測定結果として得られる記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つの差分を上記被補正光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差として検出して補正データを取得することを特徴とする。
【0046】
本発明は、光学式三次元形状測定装置であって、上記光学式三次元形状測定装置の補正方法により取得された補正データに基づいて、測定対象物に照射する測定光を走査する光学系の歪みを補正する補正処理手段を備えることを特徴とする。
【0047】
本発明は、光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差校正方法であって、補正済みの光学式三次元形状測定装置を被検査光学式三次元形状測定装置として、補正データの取得に用いた空間測定誤差検査器とは別の光空間測定誤差検査器を測定対象物として三次元形状測定を行い、測定結果として得られる記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つの差分を上記被検査光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差として検出することを特徴とする。
【0048】
本発明は、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器であって、精密研磨されたセラミック平面に窒化チタン膜が成膜されてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0049】
上述の如き特徴点を有する本発明によれば、それぞれ所定の直径に真球加工され、上記直径より短い深さのねじ穴を有する鋼球からなり、表面に窒化チタン膜が成膜された複数の検査球が、上記ねじ穴に螺合する螺子が貫通される貫通孔が２個以上形成され、貫通孔の上部で検査球と接する面に面取り加工が施された基板の面取り加工部に接触した状態で該基板の裏側から螺子止め固定されており、上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の少なくとも１つが予め校正されていることにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差を高精度に検出することができ、JIS B 7440-8に準拠した長さ測定誤差検査器として、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器および空間測定誤差検出方法を提供することができる。
【0050】
また、本発明によれば、テレセントリック光学系からのずれを検出して座標補正や校正（キャリブレーション）に必要なデータを取るための光学式三次元形状測定装置の校正（キャリブレーション）用の空間測定誤差検査器及び校正方法を提供することできる。
【0051】
また、本発明によれば、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の歪みによる影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことのできる光学式三次元形状測定装置及びその空間測定誤差校正方法を提供することができる。
【0052】
さらに、本発明によれば、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の歪みによる影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことのできる光学式三次元形状測定装置のプロービング性能検査用平面標準器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明を適用した光学式三次元形状測定装置１００の基本的な構成を示すブロック図である。
【図2】上記光学的三次元形状測定装置に備えられた光コム距離計の構成を示すブロック図である。
【図3】上記光学的三次元形状測定装置における光学スキャナ装置が測定光を１方向に走査するスキャン光学系を備える１次元スキャナである場合の校正処理の様子を模式的に示す斜視図である。
【図4】上記１次元スキャナで校正用基準平面の形状を測定した場合に、スキャンされる点の軌跡がＸ軸からのずれに応じた測定結果として得られる高さ分布の様子を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面の傾斜角度θが正の場合を示し、（Ｂ）は 基準平面の傾斜角度θが負の場合を示している。
【図5】上記光学的三次元形状測定装置における光学スキャナ装置が測定光を２方向に走査するスキャン光学系を備える２次元スキャナである場合の校正処理の様子を模式的に示す斜視図である。
【図6】上記２次元スキャナの校正処理における校正用基準器の基準平面の状態を示す模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面をＸ軸廻りに＋θ傾けた状態を示し、（Ｂ）は 基準平面をＸ軸廻りに－θ傾けた状態を示し、（Ｃ）は 基準平面をＹ軸廻りに＋φ傾けた状態を示し、（Ｄ）は 基準平面をＹ軸廻りに－φ傾けた状態を示し、（Ｅ）は θ＝０度、φ＝０度の仮想平面を示している。
【図7】単一材料で製作されたテレセントリックレンズを用いて、ガルバノスキャナでＸ方向に１次元スキャンするスキャン光学系について、スキャンの直線性を測定した結果と、このスキャン光学系により、平面性の高い窒化チタン膜が成膜されたセラミック基板をＹ方向に±１度傾けて１次元形状を測定した結果を示す特性図であり、（Ａ）はスキャンの直線性の測定結果を示し、（Ｂ）はセラミック基板の１次元形状を測定した結果の差分をプロットしたものである。
【図8】平面ミラーを計測した結果と、粗面である窒化チタン膜が成膜されたセラミック基板を計測したときの乖離を示す特性図であり、（Ａ）は図７の（Ｂ）を測定したときのデータ（ＴｉＮ＋１度）のデータから、平面ミラーを計測したデータの差分をプロットしたものであり、（Ｂ）は図７の（Ｂ）を測定したときのデータ（ＴｉＮ－１度）のデータから、平面ミラーを計測したデータの差分をプロットしたものであり、（Ｃ）は、図８の（Ａ）と図８の（Ｂ）の平均値を示している。
【図9】定盤上に裁置されたプロービング性能検査用平面標準器を示す鳥瞰図である。
【図10】基板上に複数の検査球を２次元に配列してなる本発明を適用した空間測定誤差検査器を示す鳥瞰図である。
【図11】上記空間測定誤差検査器の構造の説明に供する図であり、（Ａ）は基板の平面図、（Ｂ）は、この空間測定誤差検査器を分解した状態模式的に示す側面図、（Ｃ）は、この空間測定誤差検査器を組み立ててベース基板に取り付けた状態を模式的に示す側面図である。
【図12】上記空間測定誤差検査器による球間距離測定を行う際の設置状態を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は測定空間のＸＹ平面に平行に空間測定誤差検査器を設置した状態を示し、（Ｂ）は空間測定誤差検査器を（Ａ）に示した状態から四隅の一点を中心に対角線上の他の隅側を持ち上げた状態を示し、（Ｃ）はさらに側面を持ち上げた状態を示している。
【図13】縦（４０ｍｍ）×横（４０ｍｍ）×高さ（３０ｍｍ）の三次元空間を計測範囲とする三次元形状測定装置の校正に使用する空間測定誤差検査器としてベース基板に取り付けた３種類の空間測定誤差検査器を示す鳥瞰図である。
【図14】光学的三次元形状測定装置の定盤上に上記３種類の空間測定誤差検査器の載置した状態を示す鳥瞰図である。
【図15】基板上に配列固定された２８個の検査球を備える空間測定誤差検査器による測定データの解析結果の説明の際に参照される２８個の検査球に付した番号（０～２７）を示す空間測定誤差検査器の鳥瞰図である。
【図16】空間測定誤差検査器による測定データの解析についての説明に供する図である。
【図17】測定データの解析結果として得られた中心座標と高さの関係を空間測定誤差検査器を上方から見て示した図である。
【図18】測定データの解析結果として得られた球中心の軌跡の誤差を強調して示した図である。
【図19】測定データの解析結果として得られたＸ断面における球中心の軌跡を示す図である。
【図20】測定データの解析結果として得られたＹ断面における球中心の軌跡を示す図である。
【図21】測定データの解析結果として得られた球間距離を示す図であり、（Ａ）は０番と１番の球間距離を示し、（Ｂ）は０番と５番の球間距離を示し、（Ｃ）は０番と６番の球間距離を示し、（Ｄ）は０番と２２番の球間距離を示し、（Ｅ）は０番と２７番の球間距離を示している。
【図22】測定データの解析結果として得られた０番を基準として球間距離のＲｍａｘ＝０．６（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．７（上面直径の７０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．８（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．９（上面直径の９０％の範囲）における再現性を示す図であり、（Ａ）は高さ９７．５ｍｍにおける球間距離のばらつきを示し、（Ｂ）は高さ８７．５ｍｍにおける球間距離のばらつきを示し、（Ｃ）は高さ７７．５ｍｍ）における球間距離のばらつきを示している。
【図23】測定データの解析結果として得られた中心座標（中心点包含球のの半径）のＲｍａｘ＝０．６（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．７（上面直径の７０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．８（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．９（上面直径の９０％の範囲）における再現性を示す図であり、（Ａ）は中心点包含球径（高さ９７．５ｍｍ）を示し、（Ｂ）は中心点包含球（高さ８７．５ｍｍ）を示し、（Ｃ）は中心点包含球（高さ７７．５ｍｍ）を示している。
【図24】従来、二次元スキャンの光学スキャナの校正に一般的に使用されている校正用基準器の模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0054】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例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で、任意に変更可能であることは言うまでもない。
【0055】
本発明は、例えば図１に示すような構成の光学式三次元形状測定装置１００に適用される。
【0056】
図１は、本発明を適用した光学式三次元形状測定装置１００の基本的な構成を示すブロック図である。
【0057】
この光学的三次元形状測定装置１００は、光コム距離計１０と、光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２で測定対象物５０を走査する光学スキャナ装置２０と、光コム距離計１０の出力に基づいて、測定対象物５０の複数の点までの絶対距離を計測して立体像を得る信号処理装置３０を備える。
【0058】
光コム距離計１０は、例えば図２のブロック図に示すように、光周波数コム干渉計を用いて距離を測定するものであって、第１、第２の光コム光源１１、１２から出射される中心周波数と周波数間隔の異なる二つの光周波数コムをそれぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２として干渉光学系１３を介して測定光路１５に入射させる測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器１６により検出するとともに、基準光路１４と測定光路１５に入射させた基準光Ｓ１と測定光Ｓ２が上記基準光路１４と測定光路１５を往復して戻ってくる基準光Ｓ１’と測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器１７により検出し、信号処理部１８により、上記基準光検出器１６により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器１７により干渉光Ｓ４を検出した干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準光Ｓ１が往復した基準光路１４の距離Ｌ１と上記測定光Ｓ２が往復した測定光路１５の距離Ｌ２の差を求めることができる。なお、干渉計や検出器の形態は複数ある。
【0059】
上記光学スキャナ装置２０は、光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２を測定対象物５０の表面にスキャンしながら照射して、表面からの反射光を光コム距離計１０に戻すもので、上記光コム距離計１０から出射される測定光Ｓ２で測定対象物５０を走査する走査光学系２１と、この走査光学系２１により偏向された測定光Ｓ２を集光させるとともに測定対象物５０に垂直方向から照射させるテレセントリック集光光学系２２からなるスキャン光学系２３を備えている。
【0060】
信号処理装置３０は、上記光学スキャナ装置２０を制御してレーザービームを走査すると同時に上記光コム距離計１０が計測する測定対象物５０までの距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで距離を複数の点について蓄積することにより非接触で測定対象物５０の三次元形状を測定する。
【0061】
そして、この光学的三次元形状測定装置１００における光学スキャナ装置２０は、図３に示すように、測定光Ｓ２を１方向に走査するスキャン光学系２３Ａを備える１次元スキャナである場合、スキャンされた測定光Ｓ２が作るシート状の平面４１と校正用基準器４０の校正用基準平面４０Ａが垂直になった状態を基準として、Ｘ軸（測定光Ｓ２の走査方向）周りに基準平面４０Ａを角度θ０だけ傾けた状態で、上記光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を走査して、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うことにより補正データの取得が行われる。
【0062】
ここで、鏡面反射成分を検出しないようするために基準平面４０は、わずかに傾けられるのであって、ビーム径に応じて必要な角度θ０は異なる。ビーム径１００μｍの場合、Ｘ軸（測定光Ｓ２の走査方向）周りに基準平面４０Ａを１度傾ければ十分である。
【0063】
この光学スキャナ装置２０の校正には、平面度の良い機械加工面や窒化チタン（ＴｉＮ）がコートされたセラミック基板など、平面度は高いが拡散反射成分を含み、鏡面反射成分の少ない基準平面４０Ａを有し、基準平面４０上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０が用いられる。この校正用基準器４０には、例えば、図９の鳥瞰図に示すように、精密研磨されたセラミック平面に窒化チタン膜が成膜された平面度が０．２μｍの校正用基準平面４０Ａを有するプロービング性能検査用平面標準器と同じ仕様で作成された板を定盤６０上に裁置して使用した。
【0064】
この光学的三次元形状測定装置１００における信号処理装置３０は、上記光学スキャナ装置２０を制御してレーザービームを走査すると同時に上記光コム距離計１０が計測する上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａまでの距離情報を取得して、ビーム照射位置とその場所まで距離を複数の点について蓄積することにより上記基準平面４０Ａの三次元形状を測定し、上記光コム距離計１０により得られる上記基準平面４０Ａの形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面４０Ａ上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を補正データとする補正処理を行う。
【0065】
ここで、 図４は、上記１次元スキャナで上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａの形状を測定した場合に、スキャンされる点の軌跡がＸ軸からのずれに応じた測定結果として得られる高さ分布の様子を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面４０Ａの傾斜角度θが正の場合を示し、（Ｂ）は 基準平面４０Ａの傾斜角度θが負の場合を示している。
【0066】
すなわち、信号処理装置３０による光学スキャナ装置２０の補正処理では、光学スキャナ装置２０が測定光Ｓ２を１方向に走査するスキャン光学系２３Ａを備える１次元スキャナである場合、スキャンされる点の軌跡がＸ軸からずれていると、高さのずれとして検出され、Ｙ軸の正方向に湾曲している場合には、図４の（Ａ）に示すように、角度θが正ならばＺ軸方向の高さ分布Ｆ１は上に凸となり、Ｘ軸の正方向に湾曲している場合には、図４の（Ｂ）に示すように、角度θが負ならばＺ軸方向の高さ分布Ｆ２は下に凸となるので、正負の角度θで校正用基準平面４０Ａの形状を測定して高さ分布の加算平均を取ることによってスキャン線の湾曲と基準平面４０Ａの傾きによって発生する高さ変動を相殺することができる。
【0067】
また、この光学的三次元形状測定装置１００における光学スキャナ装置２０は、図５に示すように、測定光Ｓ２を２方向に走査するスキャン光学系２３Ｂを備える２次元スキャナである場合、Ｘ軸方向にスキャンされた測定光Ｓ２が作るシート状の平面４１Ｘと校正用基準器４０の校正用基準平面４０Ａが垂直になった状態を基準として、Ｘ軸（測定光Ｓ２の走査方向）周りに基準平面４０Ａを角度θ０だけ傾けるとともにＹ軸方向にスキャンされた測定光Ｓ２が作るシート状の平面４１Ｙと校正用基準器４０の校正用基準平面４０Ａが垂直になった状態を基準としてＹ軸周りに基準平面４０Ａを角度φ０だけ傾けた状態で、上記光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を走査して、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うことにより補正データの取得が行われる。
【0068】
信号処理装置３０による光学スキャナ装置２０の補正処理では、光学スキャナ装置２０が測定光Ｓ２を２方向に走査するスキャン光学系２３Ｂを備える２次元スキャナである場合、スキャンの場所によってスキャン線の湾曲が異なるので、図６に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれ正負に傾けて測定することによって後処理でその影響を除外する。
【0069】
図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は、光学スキャナ装置２０が測定光Ｓ２を２方向に走査するスキャン光学系２３Ｂを備える２次元スキャナである場合の補正処理における校正用基準器４０の基準平面４０Ａの状態を模式的に示す斜視図であり、（Ａ）は 基準平面４０ＡをＸ軸廻りに＋θ傾けた状態を示し、（Ｂ）は 基準平面４０ＡをＸ軸廻りに－θ傾けた状態を示し、（Ｃ）は 基準平面４０ＡをＹ軸廻りに＋φ傾けた状態を示し、（Ｄ）は 基準平面４０ＡをＹ軸廻りに－φ傾けた状態を示し、（Ｅ）は θ＝０度、φ＝０度の仮想平面４０Ｂを示している。
【0070】
すなわち、Ｘ軸に平行に存在すべき線がＹ軸の正の方向に湾曲している場合、図６の（Ａ）に示すように、Ｘ軸廻りの角度θ０を正負それぞれで、Ｚ軸方向の高さ分布Ｆ１、Ｆ２を測定する。
【0071】
Ｙ軸に平行に存在すべき線がＸ軸の正の方向に湾曲している場合、図６の（Ｃ）に示すように、Ｙ軸廻りの角度φ０を正負それぞれで、Ｚ軸方向の高さ分布Ｆ３、Ｆ４を測定する。
【0072】
このように正負の角度θ０、φ０で校正用基準平面４０Ａの形状を測定（合計４回）して高さ分布の加算平均を取ることによってスキャン線の湾曲と基準平面の傾きによって発生する高さ変動を相殺することができる。
【0073】
すなわち、図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示すように、Ｘ軸周りの±θ、Ｙ軸周りの±φ、合計４つの傾斜角で測定したデータの加算平均から、図６の（Ｅ）に示すように、θ＝０度、φ＝０度の仮想平面４０Ｂの測定データを得ることができ、粗面の基準平面４０Ａからの拡散反射を主成分するデータ、すなわち、鏡面反射の影響を受けないデータを取得することができる。
【0074】
ここで、単一材料で製作されたテレセントリックレンズを用いて、ガルバノスキャナでＸ方向に１次元スキャンするスキャン光学系について、スキャンの直線性を測定した結果と、このスキャン光学系により、平面性の高い窒化チタン膜が成膜されたセラミック基板をＹ方向に±１度傾けて１次元形状を測定した結果を図７の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【0075】
図７の（Ａ）は１６０ｍｍ幅スキャンできる単一材料で製作されたテレセントリックレンズを用いて、ガルバノスキャナでＸ方向に１次元スキャンしたときのスキャンの直線性の測定結果を示している。直線性には直線からの逸脱が観測されている。
【0076】
図７の（Ｂ）は、平面性の高い窒化チタン膜が成膜されたセラミック基板を上記光学系の焦点位置かつスキャン中心のビームに対して垂直に設置したのち、Ｙ方向に＋１度傾けたとき（Ｘ軸方向に走査された測定光が形成する平面と窒化チタン膜が成膜された平面が交差する直線を軸としたＸ軸回転）の１次元形状を測定した結果を（ＴｉＮ＋１度）とし、逆にＹ方向に－１度傾けたときの１次元形状を測定した結果を（ＴｉＮ－１度）とし、それらの差分（（ＴｉＮ－１度）－（ＴｉＮ＋１度））をプロットしたものである。
【0077】
図７の（Ｂ）に示す計測結果は、図７の（Ａ）に示す測定結果と強い相関が認められ、（ＴｉＮ－１度）と（ＴｉＮ＋１度）の差分にはスキャンの直線性由来以外の歪み成分をキャンセルする効果があり、スキャンの直線性が際立って見えるようになったためである。
【0078】
すなわち、図７の（Ｂ）の計測結果は、レーザービームに対して角度をもっておかれた平面の高さを測定すると、スキャンの直線性からの逸脱成分が形状データに含まれてしまうことを証明している。
【0079】
また、図８の（Ａ）、（Ｂ）は、図７の（Ｂ）を測定したときのデータ（ＴｉＮ＋１度）及び（ＴｉＮ－１度）のデータから、平面ミラーを計測したデータの差分をプロットしたものであり、図８の（Ｃ）は、図８の（Ａ）と図８の（Ｂ）の平均値を示している。
【0080】
スキャンの直線性はＹ方向に＋１度傾けたときと－１度傾けたときでは符号が反転するので、図８の（Ａ）と図８の（Ｂ）の平均値である図８の（Ｃ）ではスキャンの直線性由来の歪みの成分はキャンセルされている。したがって図８の（Ｃ）で表される歪みは、平面ミラーを計測した結果と、粗面である窒化チタン膜が成膜されたセラミック基板を計測したときの乖離を表している。この乖離の主要因はテレセントリックレンズの不完全性及びレンズの材料の波長分散によるものである。
【0081】
この光学的三次元形状測定装置１００における信号処理装置３０では、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面４０Ａを有し、基準平面４０Ａ上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０を上記基準平面４０Ａが僅かに傾斜された状態に設置し、光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を光学スキャナ装置２０により走査して、上記光コム距離計１０により上記基準平面４０Ａより反射された測定光Ｓ２’の拡散反射成分を用いて上記基準平面４０Ａの形状測定を行い、上記光コム距離計１０により得られる上記基準平面４０Ａの形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面４０Ａ上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を補正データとする補正処理が行われることにより、上記光コム距離計１０による測距データとして、上記スキャン光学系の歪みが補正された上記測定対象物の三次元形状測定データを取得することができる。
【0082】
すなわち、この光学的三次元形状測定装置１００において、信号処理装置３０は、光コム距離計１０から測定対象物５０に照射する測定光Ｓ２を上記光学スキャナ装置２０で走査することにより、上記光コム距離計１０による測距データとして上記スキャン光学系２３の群遅延の空間分布が補正された測定対象物５０の三次元形状測定データを取得する補正処理手段としての機能を有しており、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面を有し、基準平面４０Ａ上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０を用いて補正データを取得して、測定対象物５０に照射される測定光Ｓ２の光軸に対する傾斜等に起因するスキャン光学系２３の歪みを補正データ基づき補正することにより、測定光Ｓ２を測定対象物５０に照射する上記スキャン光学系２３の歪みによる影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことができる。
【0083】
補正データの形式は測定されたデータの三次元座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を補正後の座標（Ｘ＋ΔＸ，Ｙ＋ΔＹ，Ｚ＋ΔＺ）に変換するためのデータ（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）そのものをテーブルの形で保持する方式や（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の関数の形式で保持しておく方式が考えられる。関数形式の場合、多項式近似した関数の係数の形で補正データを保持することも可能である。
【0084】
この光学的三次元形状測定装置１００では、上記信号処理装置３０により、平面度は高いが拡散反射成分を含む基準平面４０Ａを有し、基準平面４０Ａ上の座標位置が予め校正された校正用基準器４０を上記基準平面４０Ａが僅かに傾斜された状態に設置し、光コム距離計１０から上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射する測定光Ｓ２を光学スキャナ装置２０により走査して、上記光コム距離計１０により上記基準平面４０Ａより反射された測定光Ｓ２’の拡散反射成分を用いて上記基準平面４０Ａの形状測定を行い、上記光コム距離計１０により得られる上記基準平面４０Ａの形状測定結果に基づいて、上記予め校正された基準平面４０Ａ上の座標位置に対する上記形状測定結果に基づく座標位置の誤差を補正データとする本発明に係る光学スキャナ装置の補正方法が実行される。
【0085】
この光学スキャナ装置２０の補正方法では、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａに照射した測定光Ｓ２による上記基準平面４０Ａ上の走査軌跡が直線から逸脱する場合に、基準に対し正負の上記基準平面４０Ａの傾け角度において、上記光コム距離計１０により上記基準平面４０Ａより反射された測定光Ｓ２’の拡散反射成分を用いて上記基準平面４０Ａの形状測定を行うものとすることができる。
【0086】
また、この光学スキャナ装置２０の補正方法において、上記光学スキャナ装置２０が１次元スキャナである場合に、上記光学スキャナ装置２０により走査された測定光Ｓ２が形成する平面に対し、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａが垂直な状態を基準として、上記測定光Ｓ２が形成する平面と上記基準平面４０Ａが交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面４０Ａを傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面４０Ａの傾け角度において、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うことにより得られる２つの高さ分布の加算平均を取るものとすることができる。
【0087】
また、この光学スキャナ装置２０の補正方法において、上記光学スキャナ装置２０が２次元スキャナである場合に、上記光学スキャナ装置２０によりＸ軸方向に走査された測定光Ｓ２が形成する平面に対し、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａが垂直な状態を基準として、上記Ｘ軸方向に走査された測定光がＳ２形成する平面と上記基準平面４０Ａが交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面４０Ａを傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面の傾け角度において、上記基準平面４０Ａの形状測定を行うとともに、上記光学スキャナ装置２０によりＹ軸方向に走査された測定光Ｓ２が形成する平面に対し、上記校正用基準器４０の基準平面４０Ａが垂直な状態を基準として、上記Ｙ軸方向に走査された測定光Ｓ２が形成する平面と上記基準平面４０Ａが交差する直線を軸として軸周りに上記基準平面４０Ａを傾斜させた基準に対し正負の上記基準平面４０Ａの傾け角度において、上記基準平面４０Ａの形状測定を行って得られる４つの高さ分布の加算平均を取るものとすることができる。
【0088】
また、上記三次元形状測定装置１００では、信号処理装置３０により光学スキャナ装置２０におけるスキャン光学系２３の歪みを補正する補正処理行うものとしたが、上述の如き本発明に係る光学スキャナ装置の補正方法により取得された補正データに基づいて、測定対象物５０に照射する測定光Ｓ２を走査するスキャン光学系２３の歪みを補正する補正処理手段として、例えば、予め取得された補正データを記憶手段に保存しておき、光学的三次元形状測定装置１００の信号処理装置３０や光コム距離計１０の信号処理部１８に補正データを供給する補正データ供給手段を光学スキャナ装置２０に備えるようにしてもよい。
【0089】
ここで、上記三次元形状測定装置１００における光学スキャナ装置２０の校正には、精密研磨されたセラミック平面に窒化チタン膜が成膜された平面度が０．２μｍの校正用基準平面４０Ａを有するプロービング性能検査用平面標準器である校正用基準器４０を用いたが、例えば図１０の鳥瞰図に示すような構造の基板１１０上に複数の検査球１２０を２次元に配列してなる空間測定誤差検査器１４０を使用することができる。
【0090】
この空間測定誤差検査器１４０は、縦（４０ｍｍ）×横（４０ｍｍ）×高さ（３０ｍｍ）の三次元空間を計測範囲とする三次元形状測定装置１００の校正に使用するものとして設計したもので、縦（６個）×横（６個）で３６個の検査球１２０が格子点位置に配置固定される縦（６０ｍｍ）×横（６０ｍｍ）×高さ（１５ｍｍ）の基板１１０を球固定ブロックとして備える。
【0091】
図１１は、空間測定誤差検査器１４０の構造の説明に供する図であり、（Ａ）は基板１２０の平面図、（Ｂ）は、この空間測定誤差検査器１４０を分解した状態模式的に示す側面図、（Ｃ）は、この空間測定誤差検査器１４０を組み立ててベース基板１５０に取り付けた状態を模式的に示す側面図である。
【0092】
この空間測定誤差検査器１４０における複数の検査球１２０は、図１１の（Ｂ）に示すように、 それぞれ所定の直径Ｄに真球加工され、上記Ｄ直径より短い深さｄのねじ穴１２１と有するステンレス鋼球又は炭素鋼球からなり、表面に窒化チタン膜が成膜されている。
【0093】
上記基板１１０は、熱膨張係数がＪＩＳ規格に規定された範囲に入っている鉄、ＳＵＳなど材料からなる。
【0094】
上記基板１２０は、図１１の（Ａ）、（Ｂ）の平面図に示すように、３６個の検査球１２０が配置固定される格子点位置に上記ねじ穴１２１に螺合する螺子１３０が貫通される貫通孔１１１が形成され、貫通孔１１１の上部で検査球１１０と接する面に面取り加工加工が施されている。
【0095】
上記複数の検査球１２０は、上記基板１１０に２次元配列され、それぞれ上記基板１１０の面取り加工部１１２に接触した状態で該基板１１０の裏側から螺子１３０により固定されている。
【0096】
上記複数の検査球１２０は、面取り加工部１１２の内側で半球面と面取り加工面が接触して位置が安定する状態で上記基板１１０に螺子止めされる。
【0097】
ここでは、螺子１３０により検査球１２０を基板１１０の裏側から面取り加工部１１２の中心方向に引っ張るような形になるので、スプリングワッシャ１３１付きの螺子１３０を使って一定の力で検査球１２０を基板１１０に押し付ける力が働くようにしている。
【0098】
このようにして上記複数の検査球１２０が基板１１０上に配置固定することにより組み立てられた空間測定誤差検査器１４０は、上記複数の検査球１１０の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の少なくとも１つが予め校正され、校正済みの状態でベース基板１５０に取り付けられる。
【0099】
この空間測定誤差検査器１４０は、基板１１０の３箇所に設けられた取り付け穴１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃを介して高さ調整螺子１６０によりにより、基板１１０が３点支持された状態で姿勢調整自在に取り付けられ、支持フレーム１７０を介してベース基板１５０に螺子止めされる。
【0100】
ここで、ＪＩＳ規格では、点群測定によって単一方向法で測定する場合として、ＰＤ：プロービング方向、ＧＡＳ：最小二乗当てはめ球、ＰＣ：点群、ＣＧＡＳ１：最小二乗当てはめ球中心１、ＣＧＡＳ２：最小二乗当てはめ球中心２を規定し、ボールプレート又がボールバーなど球面の測定面をもつ寸法検査標準器の単一方向測定は、点群による球の測定及び、最小二乗当てはめによる中心間距離の決定を含む。検査対象のそれぞれの測定線に関して、短い寸法検査用標準は計１５回、双方向法で測定しなければならないと本文に図Ｂ．３を参照して規定されている。
【0101】
しかしながら、上記三次元形状測定装置１００では、点群による球の測定を 双方向法で行うことができないので、付属書ＪＤに規定されている球間距離測定誤差の検査の手法を採用している。
【0102】
すなわち、付属書ＪＤの図ＪＤ．１－球による検査用標準器では、ＤＰ：検査用標準器の球直径、ＬＰ：検査用標準器の球直径として、最小二乗球への当てはめを行い、球間距離誤差ＥＳ．ＪＩＳを決定するようにしている。すなわち、それぞれの球の中心位置を最小二乗球から決定し、球間距離Ｌｍｅａｓを測定した球の中心間距離として算出し、算出した測定値Ｌｍｅａｓと校正値Ｌｃａｌとの差（Ｌｍｅａｓ－Ｌｃａｌ）を球間距離誤差ＥＳ．ＪＩＳとする。
【0103】
また、ＪＩＳ規格では、座標測定機の測定空間において、七つの異なる位置（位置及び方向）に、五つの異なる検査用の長さを設置し、各々の長さを３回ずつ測定し、合計１０５回の測定を実施しなければならないと本文に規定されている。そして、図７－検査用標準器の位置として、必須の四つ方向の位置（１～４）及び方向は空間の対角方向とされ、残りの三つの既定の位置（６～７）は座標系の各軸に沿った位置とされている。
【0104】
さらに、ＪＩＳ規格では、検査用標準球の直径の既定値は１０ｍｍ以上５１ｍｍ以下でなければならない。検査用標準球の直径がセンサエリアの範囲と比較して大幅に小さい場合，取得できる測定点の数が不十分となることがあり，センサの測定値のひずみを正しく評価できないことがある。検査用標準球上での測定範囲がセンサエリアの範囲の６６％よりも小さい場合、プロービング性能検査用標準平面を測定しなければならない。製造業者と使用者の合意の基に，プロービング性能検査用標準平面の代わりに直径が５１ｍｍを超える球を用いてもよい。プロービング性能検査用標準平面又は大直径の検査用標準球上での測定範囲はセンサエリアの範囲の６６％以上でなければならないと本文に規定されている。
【0105】
この空間測定誤差検査器１４０は、上述の如く、縦（４０ｍｍ）×横（４０ｍｍ）×高さ（３０ｍｍ）の三次元空間を計測範囲とする三次元形状測定装置１００の校正に使用するものとして設計したもので、例えば、横（Ｘ）方向と縦（Ｙ）方向の検査範囲それぞれ４０ｍｍの６６％の長さが２６．４ｍｍであるから、ＪＩＳ規格で図７－検査用標準器の位置として規定された必須の７方向の内の５番に相当する横（Ｘ）軸方向と６番に相当する縦（Ｙ）軸方向に最大長さが２６．４ｍｍ以上４０ｍｍ以下で５つの異なる検査用長さ与えるように、それぞれ６個の検査球１２０が基板１１０上に配列設置される。
【0106】
また、対角方向の検査範囲の長さ６４．０ｍｍの６６％の長さは４２．３ｍｍであるから、最大長さが４２．３ｍｍ以上６４．０ｍｍ以下として、ＪＩＳ規格で図７－検査用標準器の位置として規定された必須の７方向の内の１番から４番に相当する対角方向に五つの異なる検査用長さを与えるように、６個の検査球１２０が基板１１０上に配列設置される。
【0107】
なお、 検査球１２０は直線上にほぼ等間隔に配置してもよく、直線上になくても直線と並行にオフセットさせた位置に複数の検査球１２０を配置して検査用長さを設置することもできる。
【0108】
ここで、この空間測定誤差検査器１４０は、ＪＩＳ規格で図７－検査用標準器の位置として規定された必須の７方向の内の７番の高さ（Ｚ）軸方向に五つの異なる検査用長さを与えることはできないので、ブロックゲージを使用するものとする。
【0109】
そして、上述の如く、点群による球の測定を双方向法で行うことができない、この三次元形状測定装置１００において採用した付属書ＪＤに規定されている球間距離測定誤差の検査では、球間距離測定誤差ＥＳ．ＪＩＳの評価は，全測定領域又は非直交形座標測定機の場合には附属書ＪＣに記載の検査測定範囲において，球面による検査用標準器を七つの位置及び姿勢で測定して行う規定され、付属書ＪＤの図ＪＤ．２に示された球面による検査用標準器の配置及び姿勢が推奨されている。球面による検査用標準器のそれぞれの球表面で座標値を取得し評価する点数の合計は２５点以上であるが、最大点数は制限しないとされ、使用する球面による検査用標準器の球間距離ＬＰが使用する測定機の各辺における測定可能な最大長さの６６％に満たない場合は、付属書ＪＤの図ＪＤ．３に示されるように、球面による検査用標準器を姿勢変化なく移動させ、各辺の長さの６６％以上となる領域内で数回に分けて測定を行うとされ、このとき、１回の距離は、使用する球面による検査用標準器の球間距離ＬＰを超えないように設定するとされている。
【0110】
そして、この空間測定誤差検査器１４０は、上述の如く、ＪＩＳ規格で図７－検査用標準器の位置として規定された必須の７方向の内の１番から４番に相当する対角方向に最大長さが４２．３ｍｍ以上６４．０ｍｍ以下で５つの異なる検査用長さ与えるように、それぞれ６個の検査球１２０が基板１１０上に配列設置され、５番に相当する横（Ｘ）軸方向と６番に相当する縦（Ｙ）軸方向に最大長さが２６．４ｍｍ以上４０ｍｍ以下で５つの異なる検査用長さ与えるように、それぞれ６個の検査球１２０が基板１１０上に配列設置されているので、図１２の（Ａ）に示すように、測定空間のＸＹ平面に平行に設置することにより、ＪＩＳ規格の本文に規定された５番（横（Ｘ）軸）方向と６番（縦（Ｙ）軸）方向における長さの測定に用いることができるばかりでなく、付属書ＪＤに規定された２番（横（Ｙ）軸）方向と３番（奥行き（Ｙ）軸）方向における長さの測定に用いることができる。
【0111】
また、この空間測定誤差検査器１４０は、図１２の（Ｂ）に示すように、上記図１２の（Ａ）に示した状態から、四隅の一点を中心に対角線上の他の隅側を持ち上げることにより、ＪＩＳ規格の本文に規定されたＪＩＳ規格で図７－検査用標準器の位置として規定された必須の７方向の内の１番～４番（対角線軸）方向における長さの測定に用いることができるとともに、付属書ＪＤに規定された付属書ＪＤの図ＪＤ．２に示された空間対角の例えば７番（Ｂ－Ｈ）方向における長さの測定に用いることができる。なお、この測定には、側面の持ち上げとＺ軸回りの回転を組み合わせてもよい。
【0112】
さらに、この空間測定誤差検査器１４０は、図１２の（Ｃ）に示すように、側面を持ち上げることにより、付属書ＪＤに規定された付属書ＪＤの図ＪＤ．２に示された空間対角の例えば４番、５番、６番の空間対角方向における長さの測定に用いることができる。
【0113】
ここで、図１３に示すように、縦（４０ｍｍ）×横（４０ｍｍ）×高さ（３０ｍｍ）の三次元空間を計測範囲とする三次元形状測定装置１００の校正に使用する空間測定誤差検査器１４０として、表面に窒化チタン膜が成膜されたステンレス鋼球からなる直径Ｄが１／４インチの検査球１２０Ａを備える空間測定誤差検査器１４０Ａ、表面に窒化チタン膜が成膜されたステンレス鋼球からなる直径Ｄが５／３２インチの検査球１２０Ｂを備える空間測定誤差検査器１４０Ｂ、直径Ｄが１／４インチのセラミック球からなる検査球１２０Ｃを備える空間測定誤差検査器１４０Ｃの３種類作成してベース基板１５０に取り付け、図１４に示すように光学的三次元形状測定装置１００により、空間測定誤差検査器１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃの各検査球１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃの形状測定を行ったところ、空間測定誤差検査器１４０Ｃに備えられたセラミック球からなる検査球１２０Ｃは、表面が鏡面であるために、三次元形状測定装置１００による測定光の戻り光の光強度が検査球１２０Ｃの中央領域では高いが周辺領域での極端に低下してしまい、ノイズの影響などを受けやすく、三次元形状測定に不向きであった。
【0114】
これに対し、空間測定誤差検査器１４０Ａ、１４０Ｂに備えられた表面に窒化チタン膜が成膜されたステンレス鋼球からなる検査球１２０Ａ、１２０Ｂでは、三次元形状測定装置１００から照射された測定光が検査球表面で適度に拡散され、戻り光の光強度が検査球１２０Ｃの中央領域に対し周辺領域で低下するもののノイズの影響などを受けにくく、三次元形状測定を適正に行うことができた。
【0115】
上記空間測定誤差検査器１４０では、鋼球中心座標を算出できる範囲でなるべく密に検査球１２０を配置することにより、基準座標点を増やして補正用のデータとしての信頼性を上げることができる。
【0116】
ただし、検査球１２０の直径Ｄが小さすぎると球上面の計測データ数が減少して球面フィットの精度が低下するため好ましくない、検査球１２０の直径Ｄは、およそ４ｍｍ程度から６．５ｍｍ程度が好ましい。
【0117】
また、検査球１２０は、校正対象とする誤差の空間周波数・周期よりも細かく配置することが望ましい。
【0118】
検査球１２０の直径Ｄは、４０ｍｍ×４０ｍｍをスキャンする一般的な光学系（レンズ、反射鏡）による座標誤差を補正する場合、１０ｍｍ以下の値を選択すれば大部分の校正に対応できる。
【0119】
上記空間測定誤差検査器１４０は、ＪＩＳ規格検査で使用する区間だけ球間距離を選定して設定するように構成しても良い。
【0120】
また、ベース基板１５０に取り付けられた空間測定誤差検査器１４０Ａについて、光学的三次元形状測定装置１００により三次元形状測定を行い、取得された測定データについて解析したところ、次のような結果が得られた。この空間測定誤差検査器１４０Ａにおける複数の検査球１２０Ａは、各中心座標、球間距離、直径は既知であり、例えば、設計値又は公称値あるいは校正値が明らかになっている。
【0121】
図１５に示すように、基板１１０Ａ上に配列固定された２８個の検査球１２０Ａに付した番号（０～２７）を参照して、以下、測定データの解析結果について説明でする。
【0122】
測定データの解析では、図１６に示すように、一つの補正済みバイナリデータを球一つを含む要素データに分割し、各要素で検査球をフィットさせることにより、要素左上を原点とした球中心の相対座標を取得し、相対座標から元データの左上を原点とする絶対座標に変換して、中心座標の高さ依存性をグラフ化した。フィットには上面から見た球直径のおよそ５０％～９０％のデータを使用した。
【0123】
図１７は、測定データの解析結果として得られた球中心の軌跡を示す図であり、球中心座標と高さの関係を示している。この図１７では、ＸＹの寸法と比較して誤差が小さいため目立たず、各検査球の中心座標が平行になっているように見えている。
【0124】
図１８は、それぞれ測定データの解析結果として得られた球中心の軌跡を示す図であり誤差の大きさはそのままでＸＹの寸法だけ１／２０に縮小して誤差を強調して、球中心座標の高さ依存性を示している。
【0125】
図１９は、測定データの解析結果として得られたＸ断面における球中心の軌跡を示す図であり、誤差の大きさはそのままでＸＹの寸法だけ１／２０に縮小して誤差を強調して、球中心座標の高さ依存性を示している。この図１９では、下に向かってビーム射出範囲が広がっている。最上位最下位でＸ座標に０．２ｍｍの違いがある。
【0126】
図２０は、測定データの解析結果として得られたＹ断面における球中心の軌跡を示す図であり、誤差の大きさはそのままでＸＹの寸法だけ１／２０に縮小して誤差を強調して、球中心座標の高さ依存性を示している。この図２０では、全体としてビーム射出角に傾きがあり、やや下に向かってビーム射出範囲が狭まっている。Ｙ座標の変化は０．１ｍｍ程度あるが、球間距離の誤差は小さく見える。
【0127】
図２１は、測定データの解析結果として得られた球間距離を示す図であり、（Ａ）は０番と１番の球間距離を示し、（Ｂ）は０番と５番の球間距離を示し、（Ｃ）は０番と６番の球間距離を示し、（Ｄ）は０番と２２番の球間距離を示し、（Ｅ）は０番と２７番の球間距離を示している。測定データの解析結果では、隣りあう球の間隔の設計値は６．８±０．０５ｍｍで、６．７５～６．７５ｍｍの範囲になっている。０番と５番の球間距離は、図２６（Ｂ）に示すように、３４．０±０．０５ｍｍで、３３．９５～３４．０５５ｍｍの範囲になっている。Ｘ方向の球間距離の誤差は、０番と５番の間が大きく、Ｙ方向の球間距離の誤差は、６番と２２番の間が小さい。
【0128】
図２２は、測定データの解析結果として得られた０番を基準として球間距離のＲｍａｘ＝０．６（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．７（上面直径の７０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．８（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．９（上面直径の９０％の範囲）における再現性を示す図であり、（Ａ）は高さ９７．５ｍｍにおける球間距離のばらつきを示し、（Ｂ）は高さ８７．５ｍｍにおける球間距離のばらつきを示し、（Ｃ）は高さ７７．５ｍｍにおける球間距離のばらつきを示している。
【0129】
球間距離ばらつきは、同一のバイナリデータから計算条件を変えて評価し、１０回の計測幅（最大－最小）を指標とした。Ｒｍａｘ＝０．９の結果が比較的安定している。球間距離の繰り返し再現性は方向に依らず焦点付近で１μｍ程度である。
【0130】
図２３は、測定データの解析結果として得られた中心座標（中心点包含球のの半径）のＲｍａｘ＝０．６（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．７（上面直径の７０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．８（上面直径の６０％の範囲）、Ｒｍａｘ＝０．９（上面直径の９０％の範囲）における再現性を示す図であり、（Ａ）は中心点包含球径（９７．５ｍｍ）を示し、（Ｂ）は中心点包含球（８７．５ｍｍ）を示し、（Ｃ）は中心点包含球（７７．５ｍｍ）を示している。
【0131】
上記空間測定誤差検査器１４０は、複数の検査球１２０の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の少なくとも１つが既知、例えば、設計値又は公称値あるいは校正値が明らかになっていることにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置１００の空間測定誤差を高精度に検出することができ、JIS B 7440-8に準拠した長さ測定誤差検査器として使用することなでき、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検査器および空間測定誤差検出方法を提供することができる。
【0132】
すなわち、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置の空間測定誤差検出を行うに当たり、被検査光学式三次元形状測定装置１００により、光空間測定誤差検査器１４０を測定対象物として三次元形状測定を行い、測定結果として得られる複数の検査球１２０の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球１２０の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つの差分を上記被検査光学式三次元形状測定装置１００の空間測定誤差として検出することができる。
【0133】
また、光コム距離計から測定対象物に照射する測定光を走査することにより、非接触で物体の三次元形状を測定する光学式三次元形状測定装置を補正するに当たり、被補正光学式三次元形状測定装置１００により、光空間測定誤差検査器１４０を測定対象物として複数の高さ位置に置いて、三次元形状測定を行い、各高さ位置における測定結果として得られる複数の検査球１２０の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つの差分を上記被補正光学式三次元形状測定装置１００の空間測定誤差として検出して補正データを取得することができる。
【0134】
また、光空間測定誤差検査器１４０を用いた補正方法により補正データが取得された光学式三次元形状測定装置１００は、測定対象物に照射する測定光を走査する光学系の歪みを補正する補正処理手段を備えることにより、測定光を測定対象物に照射する走査光学系の歪みによる影響を除去して誤差の少ない三次元形状測定を行うことができる。
【0135】
さらに、補正済みの光学式三次元形状測定装置１００を被検査光学式三次元形状測定装置として、補正データの取得に用いた空間測定誤差検査器１４０とは別の本発明に係る光空間測定誤差検査器を測定対象物として三次元形状測定を行い、測定結果として得られる複数の検査球１２０の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報と予め校正されている上記複数の検査球１２０の各中心座標、球間距離、真球度又は直径の情報との少なくとも１つの差分を検出することで、上記校正済みの光学式三次元形状測定装置１００の空間測定誤差を校正することができる。
【符号の説明】
【0136】
１０ 光コム距離計、１１、１２ 第１、第２の光コム光源、１３ 干渉光学系、１４ 基準光路、１５ 測定光路、１６ 基準光検出器、１７ 測定光検出器、１８ 信号処理部、２０ 光学スキャナ装置、２１ 走査光学系、２２ テレセントリック集光光学系、２３、２３Ａ、２３Ｂ スキャン光学系、３０ 信号処理装置、４０ 校正用基準器、４０Ａ 基準平面、４０Ｂ 仮想平面、５０ 測定対象物、６０ 定盤、１００ 光学的三次元形状測定装置、１１０、１１０Ａ 基板、１１１ 貫通孔、１１２ 面取り部、１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ 取り付け穴、１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ 検査球、１２１ ねじ穴、１３０ 螺子、１３１ スプリングワッシャ、１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ 光空間測定誤差検査器、１５０ ベース基板、１６０ 高さ調整螺子、１７０ 支持フレーム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
