JP4753657B2 - 表面形状測定装置及び表面形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定物表面の輪郭形状を測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関し、特に測定物表面が鏡面である場合に、その輪郭形状を非接触で測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。

従来から、測定物表面の輪郭形状を測定する方法として、触針を測定物表面に接触させながら沿わせて表面の凹凸によって生じる触針の変位を検出する触針法（例えば、下記特許文献１）と、測定物表面に光ビームを投射してその散乱光を受光素子で受けて測定物表面までの距離を計測する光走査式の形状計測法（例えば、下記特許文献２）が知られている。

このうち光走査式の形状計測法では、図１の（Ａ）に示すように、投光部Ｓから測定物表面ＭＰ１に向けてスポット光を投射し、その結果生じる散乱光を受光面Ｒで受けた最大輝度位置Ｐ１を検出する。すると、測定物表面ＭＰ１と比べて投光部Ｓまでの距離が異なる測定面ＭＰ２では、散乱光を受光面Ｒで受けた最大輝度位置Ｐ２が、測定物表面ＭＰ１のときに検出された位置Ｐ１と異なるので、この位置の相違を利用して測定物表面までの距離を計測する。

特開平５−２６４２１３号公報 特開２００１−１８３１１７号公報

ところが、測定物として金型のような表面が鏡面仕上げされた物体の表面形状を測定しようとする場合には、上述のような触針法では測定物表面に傷を付けてしまうおそれがあるため、使用することはできないという問題点があった。
また、上述の従来の光走査式の形状計測法によると、測定物表面に投射した光ビームが表面で正反射してしまうために、投光部と測定物表面との間の距離だけでなく、光ビームの入射角度によっても受光面での受光位置が変化するため、測定物表面までの距離を計測することができないという問題点があった。この様子を図１の（Ｂ）に示す。
いま、鏡面ＭＰ３とＭＰ１は投光部Ｓから等距離にあり、鏡面ＭＰ３は鏡面ＭＰ１に比べてやや傾いているものとする。このため測定物表面ＭＰ３及びＭＰ１に入射した各スポット光が正反射した反射光は、受光面Ｒの異なる位置Ｐ３及びＰ１で受光されることになる。このように鏡面の表面形状測定に従来の光走査式の形状測定法を使用すると、測定物表面の未知の傾斜によって受光面上の受光位置が影響を受けるため、測定物表面までの距離を正確に計測することができない。

上記の問題点を鑑みて、本発明は、測定物表面が鏡面であってもその輪郭形状を非接触で測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明では、投光部からのスポット光が、鏡面である測定物表面にて反射した反射光を受光する受光面を、その法線成分を含む方向に駆動し、受光面の法線方向の変位に伴う受光位置の変化に基づいて反射光の光軸位置を決定して、反射光の光軸とスポット光の投光軸との交差位置を測定物表面上の測定点の位置として決定する。

すなわち、本発明の第１形態による表面形状測定装置は、鏡面である測定物表面にスポット光を投射する投光部と、測定物表面で反射したスポット光の反射光を受光する受光面を有する受光部と、を有し、測定物表面上の各測定点について、スポット光を投射してその反射光を受光部で受光し、受光面上の受光位置に基づいて該測定点の位置を求めることにより、測定物表面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、受光面をその法線成分を含む方向に駆動する受光面駆動部と、受光面の法線方向の変位に伴う受光位置の変化に基づいて反射光の光軸位置を決定する反射光軸位置決定部と、反射光の光軸とスポット光の投光軸との交差位置を測定点の位置として決定する位置測定部と、を備えて構成される。

投光部から投射されたスポット光は、測定物表面の傾斜方向に応じて様々な方向に反射する。表面形状測定装置は、測定点を順次変えていく間に反射光の受光位置が受光面の外へ飛び出してしまわないように、常に投光部及び受光面を測定物表面の傾斜に追従させて、受光位置が受光面の所定の位置（好適には中央）に位置するように制御することが望ましい。受光面上の受光位置の変更は、投光部及び受光部と測定物との相対位置を変える、あるいは投光部によるスポット光の投射方向を変えることにより可能であるが、表面形状測定を行う際には、各測定点すなわちスポット光の各投射位置同士の間隔にバラツキが生じないことが望ましい。

このため、表面形状測定装置は、投光部と受光部とを有する測定ヘッドを測定物に対して相対移動させる測定ヘッド相対位置変更部と、測定ヘッドの向きを変更する測定ヘッド方向変更部と、測定ヘッド相対位置変更部によって測定ヘッドを測定物に対して相対移動させ、かつ測定ヘッド方向変更部によって測定ヘッドの向きを変更することによって、測定物表面上の投射位置を一定に保ったまま受光面上の受光位置を調整する投光軸調整部と、をさらに備えることが好適である。
そして、投光軸調整部は、受光面が受光面駆動部によって所定の位置（例えば全ストロークの中間点）に位置付けられた状態で、受光位置が受光面の所定の基準位置（例えば受光面中心）となるように調整してもよい。

このように投光部の投光軸を調整することにより、表面形状測定装置が測定点を順次変えていく間に反射光の受光位置が受光面の外へ飛び出してしまうことを防止することが可能となり、かつこの投光軸調整の際にスポット光の各投射位置（測定点）が大きく移動して各測定点の間隔にバラツキが生じることを防止する。

また後述するように、投光部と受光部とを、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように測定ヘッドに設け、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とを含む平面をある基準面に直交させたまま測定物表面へのスポット光の入射角度を変化させるように測定ヘッドの姿勢（方向）を制御する場合を考える。
このとき、測定物表面に入射するスポット光の上記基準面に対する入射方位と、基準面に対する測定物表面の傾斜方向とが一致していれば、測定物表面で反射したスポット光が入射方位と基準面において反対側の方位に反射されるため、入射角度が変化しても、受光面上の受光位置は投光軸及び受光面の所定の法線を含む平面と受光面とが交差する直線内で移動する。

このような幾何学的関係を利用することにより、表面形状測定装置は、所定の基準面に対する測定点における測定物表面の傾斜方向を測定する決定する傾斜方向決定部をさらに備えてもよい。
そして、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように、投光部と受光部とが設けられる測定ヘッドと、測定ヘッドの向きを変更する測定ヘッド方向変更部と、を備えて構成し、傾斜方向決定部は、測定ヘッド方向変更部によって、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とを含む平面を所定の基準面に直交させた状態で、測定物表面へのスポット光の入射角度を変化させ、このとき入射角度の変化に伴う受光位置の移動が、投光軸及び受光面の所定の法線を含む平面と受光面とが交差する直線上で生じる、スポット光の測定物表面への入射方位を探索して、該入射方位を、測定物表面の傾斜方向として決定することとしてよい。
測定物表面の傾斜方向にスポット光が入射するとき、測定物表面の法線方向は、スポット光の投光軸方向と反射光の光軸方向とが成す角度の２等分線の方向と等しくなる。ここでスポット光の光軸の方向は既知であり、反射光の光軸の方向もまた上述の通り測定可能である。したがって、前記測定物表面の法線方向を、スポット光の投光軸方向と反射光の光軸方向とが成す角度の２等分線の方向として決定することが可能である。表面形状測定装置は、このようにして前記測定物表面の法線方向を決定する法線方向決定部を備えて構成してもよい。
なお、上記スポット光としては、受光面における受光位置を明瞭に測定するため平行光が好適に使用される。

さらに、本発明の第２形態による表面形状測定方法では、鏡面である測定物表面上の各測定点について、スポット光を投射してその反射光を受光面で受光し、この受光面上の受光位置に基づいて該測定点の位置を求めることにより、測定物表面の表面形状を測定する表面形状測定方法において、受光面をその法線成分を含む方向に駆動し、受光面の法線方向の変位に伴う受光位置の変化に基づいて反射光の光軸位置を決定し、反射光の光軸とスポット光の投光軸との交差位置を測定点の位置として決定する。

このとき、投光部と受光部とを有する測定ヘッドを測定物に対して相対移動させ、かつ測定ヘッドの向きを変更することにより、測定物表面上の投射位置を一定に保ったまま受光面上の受光位置を調整することとしてよい。さらに受光面が受光面駆動部によって所定の位置に位置付けられた状態で、受光位置が受光面の所定の基準位置となるように調整してもよい。

またさらに、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように投光部と受光面とを測定ヘッドに設け、測定ヘッドの向きを変えることによって測定物表面へのスポット光の入射方位を変更し、各入射方位において測定ヘッドの向きを変えることによってスポット光の投光軸と受光面の所定の法線とを含む平面を所定の基準面に直交させた状態で、測定物表面へのスポット光の入射角度を変化させ、このときの入射角度の変化に伴う受光位置の移動が、スポット光の投光軸及び受光面の所定の法線を含む平面と受光面とが交差する直線上で生じる、スポット光の入射方位を、所定の基準面に対するスポット光の投射位置における測定物表面の傾斜方向として決定してもよい。
また、決定された前記傾斜方向に前記スポット光の入射方位を方向付けた状態で決定される前記反射光の光軸の方向と、前記スポット光の既知の投光軸の方向と、に基づいて前記測定物表面の法線方向を決定することとしてもよい。

本発明によって、表面が鏡面である測定物の輪郭形状を、表面を傷つけることなく正確に測定することが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図２は、本発明の実施例による表面形状測定装置の全体斜視図である。表面形状測定装置１は、測定物である金型などの表面が鏡面仕上げされたワークを載置するためのテーブル２と、テーブル２上に表面形状を非接触で検出するための測定ヘッド３と、測定ヘッド３を支持しながら互いに直交する３軸を回転軸として測定ヘッド３を自在に回転させて、測定ヘッド３の方向（姿勢）に自在に変更可能なヘッド方向変更機構４と、このヘッド方向変更機構４を支持しながらこのヘッド方向変更機構４をＸＹＺ方向のいずれの方向にも移動可能なヘッド位置変更機構５を備えている。

図３は、図２に示す測定ヘッド３の断面図である。測定ヘッド３は、ワーク表面に平行光であるスポット光を投射する投光部６と、ワーク表面で反射したスポット光の正反射光を受光する受光面７１を有する受光部７とを備える。このような受光面７１としては２次元ＣＣＤや２次元ＰＳＤなど、入射光を２次元平面で受けて受光位置の２次元座標に応じた信号を出力する素子を利用する。
投光部６は、発光部６１と、略点光源である発光部６１からの発光光を平行光へと変える照明レンズ６２と、照明レンズ６２を通過した平行光の中心部以外を遮蔽してスポット光を作るアパーチャ板６３と、を備えて構成する。
受光部７は、スポット光の正反射光を受光する受光面７１と、スポット光の正反射光を受光面７１に集光する集光レンズ７２と、受光面７１の法線方向に伸長する直動ガイド７３と、直動ガイド７３に沿って受光面７１を駆動する受光面駆動部７４と、を備えている。

そして、これら投光部６と受光部７とは、投光部６のスポット光の投光軸と、受光面７１の所定の法線とが同一平面（以下、「光軸面ＬＰ」と記す）に含まれるように、測定ヘッド３に固定される。例えば、投光部６のスポット光の投光軸と、受光面７１の中心Ｃを通過する受光面７１の法線と、が上記光軸面ＬＰに含まれるように、投光部６と受光部７とを測定ヘッド３内に設けてよい。

図２に戻って、ヘッド位置変更機構５は、測定ヘッド３が設けられたヘッド方向変更機構４を支持する可動部材５１と、可動部材５１を支持する一方でＹ方向に駆動することが可能なＹ方向駆動部５２と、Ｙ方向駆動部５２を支持する一方でＸ方向に駆動することが可能なＸ方向駆動部５３と、Ｘ方向駆動部５３を支持する一方でＺ方向に駆動することが可能なコラム５４と、を備えている。

したがって、ヘッド位置変更機構５は、測定ヘッド３を測定物であるワークに対して相対移動させることが可能であり、ここに本願特許請求の範囲に係る測定ヘッド相対位置変更部を成す。なお本実施例においては、測定ヘッド相対位置変更部は、測定ヘッド３を移動させることによって測定ヘッド３とワークとの相対移動を実現させることとしたが、これに代えて又はこれに加えて、ワーク側を移動させることによって測定ヘッド３とワークとの相対移動を実現させてもよく。このためにワークをＸＹＺ方向のうちのいずれかに、又はそのいずれにも移動可能なワーク移動機構を設けてもよい。

図４の（Ａ）は、図２に示すヘッド方向変更機構４の斜視図である。ヘッド方向変更機構４は、互いに直交する３軸方向を軸とした回転運動を与える第１モータ４１、第２モータ４２、及び第３モータ４３を備える。
ここで第１モータは、測定ヘッド３を支持しつつ、上記測定ヘッド３の光軸面ＬＰに垂直な第１の方向を回転軸として測定ヘッド３を回転駆動可能である。また第２モータは、第１モータを支持しつつ、図中のＸＹ平面内において第１の方向と直交する第２の方向を回転軸として第１モータを回転駆動可能である。さらに第３モータは、第２モータを支持しつつ、Ｚ軸方向を回転軸として第２モータを回転駆動可能である。

このようにヘッド方向変更機構４は、直交する３軸方向を軸とした回転運動を与える各モータ４１〜４３を備えることにより、測定ヘッド３を支持しながら互いに直交する３軸を回転軸として測定ヘッド３を回転させてワークに入射するスポット光の入射角度及び入射方位を自在に変更することが可能である。ここにヘッド方向変更機構４は、本願特許請求の範囲に係る測定ヘッド方向変更部を成す。なお本実施例においては、測定ヘッド３自体の向きを変更することによってワークに入射するスポット光の入射角度及び入射方位を変更することとしたが、これに代えて又はこれに加えて、ワーク側を３軸方向に回転させつつワークを移動することにより、ワークに入射するスポット光の入射角度及び入射方位を相対的に変化させることにより実現してもよく、このために互いに直交する３軸のいずれか、又は全ての軸を回転軸としてワークを回転させるワーク方向変更機構と、ＸＹＺ方向のうちのいずれかに、又はそのいずれにも移動可能なワーク移動機構を設けてもよい。

図５は、図１の表面形状測定装置１のブロック図である。表面形状測定装置１は、上述のヘッド方向変更機構４とヘッド位置変更機構５を駆動して、測定ヘッド３の位置及び方向を制御するヘッド制御部８１と、受光面７１から出力された反射光の受光位置を示すアナログ信号を入力してディジタル形式の位置信号として出力する信号処理回路８２とを、備える。またヘッド制御部８１は、受光面駆動部７４を制御して受光面７１をその法線方向に移動させて、受光面７１の位置を制御する。

また、表面形状測定装置１は、受光面駆動部７４によって受光面７１を変位させ、そのとき生じる受光面７１上で受光位置の変化に基づいてワーク表面で反射した反射光の光軸の測定ヘッド３からの相対位置を決定する反射光軸位置決定部８３と、この反射光の光軸と既知のスポット光の投光軸との交差位置を、各測定点の測定ヘッド３からの相対位置として決定する位置測定部８４と、ヘッド位置変更機構５及びヘッド方向変更機構４によって測定ヘッド３を各測定点の測定位置に位置付けながら、位置測定部８４からの相対位置情報を読み取って、既知の測定ヘッド３の位置及び方向情報に基づいて各測定点の位置を算出して、ワークの表面形状を算出する表面形状算出部８５を備える。

さらに、表面形状測定装置１は、ヘッド位置機構５によって測定ヘッド３を移動させ、かつヘッド方向変更機構４によって測定ヘッド３の向きを変更することによって、ワーク表面上に投射されたスポット光の投射位置を一定に保ったまま受光面７１上の受光位置を調整する投光軸調整部８６を備える。
さらにまた、表面形状測定装置１は、例えばテーブル２面（ＸＹ面）などに予め定めた基準面に対する、ワークの測定点における傾斜方向を決定する傾斜方向決定部８７を備える。さらに、表面形状測定装置１は、上記のような基準面に対するワークの測定面における法線方向を決定する法線方向決定部８８を備える。

図６を参照して、本発明の実施例による表面形状測定方法を説明する。上述の表面形状算出部８５は、ヘッド位置変更機構５及びヘッド方向変更機構４によって測定ヘッド３をワーク上の測定点の測定位置に位置付ける。投光部６はワーク表面（測定面ＭＰ）に対してスポット光を投射し、受光部７は測定面ＭＰで正反射した反射光をその受光面７１の受光位置Ａで受光する（図６の（Ａ））。反射光軸位置決定部８３は、このときの位置Ａを記憶する。

次に、反射光軸位置決定部８３は、受光面駆動部７４によって受光面７１をその法線方向に変位させて位置７１’に位置付ける。そしてその状態で受光部７は測定面ＭＰで正反射した反射光をその受光面７１の受光位置Ｂで受光する（図６の（Ｂ））。反射光軸位置決定部８３は、このときの位置Ｂを記憶する。
すると、受光面７１の既知の位置７１（図６の（Ａ））及び既知の位置７１’（図６の（Ａ））並びに記憶した位置Ａ及びＢによって、測定面ＭＰで正反射した反射光の光軸が通る２点の座標が明らかになるため、反射光軸位置決定部８３は、これら位置情報に基づいて、測定面ＭＰで正反射した反射光の光軸の測定ヘッド３からの相対位置を決定する。

測定面ＭＰ上の測定点Ｐは反射光の光軸と投射光の光軸の交点として算出でき、また、投射光の光軸の測定ヘッド３からの相対位置は既知であるので、位置測定部８４は、反射光の光軸の測定ヘッド３からの相対位置と投射光の光軸の測定ヘッド３からの相対位置とに基づいて、これら２つの光軸の交点として測定面ＭＰ上の測定点Ｐの測定ヘッド３からの相対位置を算出する。
そして表面形状算出部８５は、ワーク上の各測定点において、位置測定部８４からの相対位置情報を読み取って、既知の測定ヘッド３の位置及び方向情報に基づいて各測定点の位置を算出して、ワークの表面形状を算出する。

図７は、図５に示す投光軸調整部８６によるスポット光の光軸の調整方法の説明図である。上述の通り、表面形状測定装置１は、測定点Ｐを順次変えていく間に反射光の受光位置が受光面７１の外へ飛び出してしまわないように、常に測定ヘッド３を測定物表面の傾斜に追従させて、受光面７１上の受光位置が受光面７１の所定の位置（好適には受光面７１中央）に位置するように制御することが望ましい。またこのとき測定ヘッド３を移動及び回転させることによりスポット光の投射位置（測定点）が大きく移動してしまうことを防止し、各測定点の間隔にバラツキが生じることを防止する必要がある。

そこで、投光軸調整部８６は、各測定点にて位置Ｐの算出が終了する都度、ヘッド位置変更機構５によって測定ヘッド３をワークに対して相対移動させ、かつ測定ヘッド方向変更部によって測定ヘッドの向きを変更することにより、受光面７１が所定のニュートラル位置にあるとき、受光位置が受光面７１の中央Ｃの位置に位置するように測定ヘッド３の位置及び姿勢を微調整する。

投光軸調整部８６が、このような測定ヘッド３の姿勢の調整を、各測定点における位置算出後の次の測定点に測定ヘッド３を移動する前に行うことにより、投光部６のスポット光が現在の投射位置Ｐを既知のものとすることができる。また測定ヘッド３の位置や投光部６のスポット光の光軸位置も既知であるので、投光軸調整部８６は投光部６のスポット光がこの位置Ｐに投射する状態を維持させながら、ヘッド位置変更機構５によって測定ヘッド３をワークに対して相対移動させ、かつ測定ヘッド方向変更部によって測定ヘッドの向きを変更することができる。

例えば図７の（Ｂ）の例では、測定ヘッド３を図の矢印９１に示す方向に移動させ、図の矢印９２に示す方向に回転させることで投光部６のスポット光の投射位置Ｐを一定に保ちながら、受光位置が受光面７１の中央Ｃの位置に位置するように測定ヘッド３の位置及び姿勢を微調整する。または、単純に、スポット光の投光軸と平行な方向である矢印９７の方向に測定ヘッド３を移動させることで、投射位置Ｐを一定に保ちながら測定ヘッド３の位置を微調整する。

投光軸調整部８６は、既知のスポット光の投射位置Ｐ、スポット光の光軸位置と、受光位置Ａの位置情報に基づいて、投射位置Ｐにおける測定面ＭＰの傾斜方向を算出して、受光位置が受光面７１の中央Ｃの位置に位置するように測定ヘッド３の位置及び姿勢を調整する移動量及び回転量を算出することとしてよい。
又は、投光軸調整部８６は、測定ヘッド３の位置及び姿勢を各方向に微動させながら、それぞれの場合の受光位置の変化方向を求めて、受光位置が受光面７１の中央Ｃの方向に移動する位置及び姿勢の変化方向を取得し、この受光位置が受光面７１の中央Ｃに至るまで変化方向に調整してもよい。

図８〜図１０を参照して、図２の表面形状測定装置１を用いた測定面の傾斜方向を決定する方法を説明する。以下、図８の（Ａ）に示すような所定の基準面ＲＰに対する測定面ＭＰの傾斜方向を測定する場合を考える。なおこの基準面ＲＰは、図２に示した表面形状測定装置１のステージ２のＸＹＺ座標系に対して自由に設定してよく、単純にステージ２のＸＹ面と考えてもよい。以下説明の簡単のため基準面ＲＰ内の直交する２方向をＸ２軸及びＹ２軸とし、基準面ＲＰに直交する方向をＺ２軸と定めることとする。

まず、上述した測定ヘッド３の光軸面ＬＰが基準面ＲＰに対して直交するように、測定ヘッド３の姿勢を制御する。そして光軸面ＬＰが基準面ＲＰに対して直交する関係を保ったまま、すなわち光軸面ＬＰに直交する方向ＡＬを回転軸にして、図の矢印９３に示すように測定ヘッド３を回転させる。ここに測定面ＭＰに対するスポット光の入射角度θ_iを、図９の（Ａ）に示すようにスポット光の入射方向と、測定点Ｐにおける測定面ＭＰの法線方向ｎとが成す角度と定義すれば、測定ヘッド３の回転に伴って測定面ＭＰに対するスポット光の入射角度θ_iが変化する。

スポット光の入射角度θ_iの変化に伴って、反射光を受光面７１に受ける受光位置も変化する。図８の（Ｂ）に、図８の（Ａ）の状態においてスポット光の入射角度θ_iを変化させたときに受光位置が描く軌跡を、実線９４で記す。図８の（Ａ）に示す状態では、基準面ＲＰに対するスポット光の入射方位θ_aが、基準面ＲＰに対する測定面の傾斜方向と異なっている。
ここに、基準面ＲＰに対するスポット光の入射方位θ_aは、図９の（Ｂ）に示すように基準面ＲＰの所定の基準方向（図示の例ではＸ２方向）を基準とするスポット光が入射する方位角θ_a（すなわち光軸面ＬＰと基準面ＲＰとが交わる交点と、基準面ＲＰの所定の基準方向とが成す角）として定義してよい。

このとき測定面ＭＰで反射するスポット光は、入射方位に対する基準面ＲＰについての反対方位に反射しないため反射光は光軸面ＬＰから外れる。したがって反射光を受光面７１で受ける受光位置は、図８の（Ｂ）に示すように受光面７１と光軸面ＬＰとが交差する直線である中心線上から外れた位置を移動する。

次に、図１０の（Ａ）に示すように、基準面ＲＰに対するスポット光の入射方位θ_aを、基準面ＲＰに対する測定面の傾斜方向と一致させて、図８と同様に測定ヘッド３を回転させる場合を考える。すると測定面ＭＰで反射するスポット光は、入射方位に対して基準面ＲＰにおいて反対方位にのみ反射するために反射光は光軸面ＬＰから外れることはない。したがって反射光を受光面７１で受ける受光位置は、図１０の（Ｂ）に示すように受光面７１と光軸面ＬＰとが交差する直線である中心線上を移動する。

したがって、傾斜方向決定部８７は、ヘッド位置変更機構６及びヘッド方向変更機構４を制御して測定ヘッド３の位置及び向きを変えることによって、測定面ＭＰへのスポット光の入射方位を順次変更する。
このとき、各入射方位において、測定ヘッド３の位置及び向きを変えて光軸面ＬＰを基準面ＲＰに直交させた状態を保ったまま、光軸面ＬＰに直交する方向を回転軸にして測定ヘッド３を回転させて測定面ＭＰへのスポット光の入射角度を変化させる。

そして、入射角度の変化に伴う受光位置の軌跡を受光面７１に出力信号から検出して、受光位置の軌跡が光軸面ＬＰと受光面７１との交差線上（すなわち受光面７１の中心線上）で生じるとき、そのスポット光の入射方位を、基準面ＲＰに対する測定点Ｐにおける測定面ＭＰの傾斜方向として決定する。

さて、測定物表面の傾斜方向にスポット光が入射するとき、測定物表面の法線方向は、スポット光の投光軸方向と反射光の光軸方向とが成す角度の２等分線の方向と等しくなる。ここでスポット光の光軸の方向は既知であり、反射光の光軸の方向もまた上述の通り反射光軸位置決定部８３によって測定可能である。
法線方向決定部８８は、傾斜方向決定部８７によって前記傾斜方向に前記スポット光の入射方位を方向付けた状態において反射光軸位置決定部８３によって測定される反射光の光軸方向と、前記スポット光の既知の投光軸の方向と、に基づいて、その２つの光軸の成す角度の２等分線の方向を算出して、測定物表面の法線方向を決定する。

本発明は、測定物表面の輪郭形状を測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に利用可能であり、特に測定物表面が鏡面である場合に、その輪郭形状を非接触で測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。

従来の光走査式の形状計測法を説明する図である。 本発明の実施例による表面形状測定装置の全体斜視図である。 図２に示す測定ヘッドの断面図である。 （Ａ）は、図２に示すヘッド方向変更機構の斜視図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はヘッド方向変更機構の動作説明図である。 図１の表面形状測定装置のブロック図である。 本発明の実施例による表面形状測定方法の説明図である。 投光部光軸の調整方法の説明図である。 傾斜方向決定方法の説明図（その１）である。 スポットビームの入射角度と入射方位を説明する図である。 傾斜方向決定方法の説明図（その２）である。

符号の説明

１ 表面形状測定装置
２ テーブル
３ 測定ヘッド
４ ヘッド方向変更機構
５ ヘッド位置変更機構

Claims (5)

1. 鏡面である測定物表面にスポット光を投射する投光部と、前記測定物表面で反射したスポット光の反射光を受光する受光面を有する受光部と、を有し、前記測定物表面上の各測定点について、前記スポット光を投射してその反射光を前記受光部で受光し、前記受光面上の受光位置に基づいて該測定点の位置を求めることにより、前記測定物表面の表面形状を測定する表面形状測定装置において、
   前記受光面を、その法線成分を含む方向に駆動する受光面駆動部と、
   前記受光面の法線方向の変位に伴う前記受光位置の変化に基づいて前記反射光の光軸位置を決定する反射光軸位置決定部と、
   該反射光の光軸と前記スポット光の投光軸との交差位置を、前記測定点の位置として決定する位置測定部と、
   所定の基準面に対する、前記測定点における前記測定物表面の傾斜方向を決定する傾斜方向決定部と、
   前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように、前記投光部と前記受光部とが設けられる測定ヘッドと、
   前記測定ヘッドの向きを変更する測定ヘッド方向変更部と、を備え
   前記傾斜方向決定部は、前記測定ヘッド方向変更部によって、前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とを含む前記平面を前記所定の基準面に直交させた状態で、前記測定物表面への前記スポット光の入射角度を変化させ、このとき入射角度の変化に伴う前記受光位置の移動が、前記投光軸及び前記受光面の所定の法線を含む前記平面と前記受光面とが交差する直線上で生じる、前記スポット光の前記測定物表面への入射方位を探索して、該入射方位を、前記測定物表面の傾斜方向として決定する、
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 所定の基準面に対する、前記測定点における前記測定物表面の法線方向を決定する法線方向決定部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記法線方向決定部は、決定された前記傾斜方向に前記スポット光の入射方位を方向付けた状態で前記反射光軸位置決定部により決定される前記反射光の光軸の方向と、前記スポット光の既知の投光軸の方向と、に基づいて前記測定物表面の法線方向を決定することを特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
4. 鏡面である測定物表面上の各測定点について、スポット光を投射してその反射光を受光面で受光し、この受光面上の受光位置に基づいて該測定点の位置を求めることにより、前記測定物表面の表面形状を測定する表面形状測定方法において、
   前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように、前記スポット光の投光部と前記スポット光の受光部とを測定ヘッドに設け、
   前記受光面を、その法線成分を含む方向に駆動し、
   前記受光面の法線方向の変位に伴う前記受光位置の変化に基づいて前記反射光の光軸位置を決定し、
   該反射光の光軸と前記スポット光の投光軸との交差位置を、前記測定点の位置として決定し、更に、
   前記測定ヘッドの向きを変えることによって、前記測定物表面への前記スポット光の入射方位を変更し、
   各入射方位において、前記測定ヘッドの向きを変えることによって前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とを含む前記平面を所定の基準面に直交させた状態で、前記測定物表面への前記スポット光の入射角度を変化させ、
   前記入射角度の変化に伴う前記受光位置の移動が、前記スポット光の投光軸及び前記受光面の所定の法線を含む前記平面と前記受光面とが交差する直線上で生じる、前記スポット光の入射方位を、前記所定の基準面に対する前記スポット光の投射位置における前記測定物表面の傾斜方向として決定する、ことを特徴とする表面形状測定方法。
5. 決定された前記傾斜方向に前記スポット光の入射方位を方向付けた状態で決定される前記反射光の光軸の方向と、前記スポット光の既知の投光軸の方向と、に基づいて前記測定物表面の法線方向を決定することを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定方法。

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