形状測定装置、形状測定方法、構造物製造システム及び構造物の製造方法
【課題】測定対象物の形状を高精度で測定できる形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法を提供すること。
【解決手段】被測定物に所定の光量分布を有するパターン光を形成する照明部と、光が被測定物に照射される照射方向と異なる方向から被測定物に照射されたパターン光の像を撮像する撮像素子を含む撮像部と、像の撮像信号を評価する評価部と、評価部の評価結果に基づき撮像部の撮像結果に対して所定の処理を行うことで被測定物の位置情報を算出する処理部と、を備える形状測定装置に関する。
【解決手段】被測定物に所定の光量分布を有するパターン光を形成する照明部と、光が被測定物に照射される照射方向と異なる方向から被測定物に照射されたパターン光の像を撮像する撮像素子を含む撮像部と、像の撮像信号を評価する評価部と、評価部の評価結果に基づき撮像部の撮像結果に対して所定の処理を行うことで被測定物の位置情報を算出する処理部と、を備える形状測定装置に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置、形状測定方法、構造物製造システム及び構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の形状を非接触で測定する方法としてライン光を被測定物に照射して、被測定物の断面形状に対応して形成される光切断線から被測定物の形状を測定する光切断法が知られている。
【０００３】
光切断法による形状測定装置は、測定対象物にライン光を照射し、一定の角度に取り付けられた計測カメラによりそのライン光の位置を撮像し三角測量の原理でその３次元位置を特定し、形状データを生成するものである。このような形状測定装置として、２つの計測カメラを用いてライン光の位置を撮像するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５４２４８３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術においては、計測カメラから見た測定対象物の測定面の法線が大きな角度をなす場合や、測定面が曲面である場合に形状データが精密に測定できなくなるといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、測定対象物の形状を高精度で測定できる形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に従えば、被測定物に所定の光量分布を有する光を照射して前記被測定物上にパターン光を形成する照明部と、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像素子を含む撮像部と、前記像の撮像信号を評価する評価部と、該評価部の該評価結果に基づき前記撮像部の撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理部と、を備えることを特徴とする形状測定装置が提供される。
【０００８】
本発明の第２の態様に従えば、形状測定装置が実行する形状測定方法であって、被測定物に照明部から所定の光量分布を有する光を照射することによりパターン光を形成する照射手順と、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像手順と、前記像の撮像信号を評価する評価手順と、前記評価結果に基づき前記撮像手順による撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理手順と、を有することを特徴とする形状測定方法が提供される。
【０００９】
本発明の第３の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、作製された前記構造物の形状を第２の態様に係る形状測定方法を用いて測定する測定工程と、前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
を有することを特徴とする構造物の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の第４の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、作製された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する第１の態様に係る形状測定装置と、前記測定によって得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査装置と、を含む構造物製造システムが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、測定対象物の形状を高精度で測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】回転機構の構成を示す図である。
【図３】形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】形状測定装置の測定手順を示す図である。
【図５】プローブ座標系を示すベクトル関連図である。
【図６】回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。
【図７】画素データの明るさの分布を示す概念図である。
【図８】被測定物と光検出部の撮像光軸とのなす角度がラインプロファイルに及ぼす影響の説明図である。
【図９】ラインプロファイルの幅高さ比に関する評価を説明するための図である。
【図１０】ラインプロファイルの非対象性に関する評価を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態に係る処理部の処理を説明する概念図である。
【図１２】第３実施形態に係る処理部の画素データの合成方法の説明図である。
【図１３】第４実施形態に係る光検出部の概略構成を示す図である。
【図１４】第５実施形態に係る構造物製造システムのブロック構成図である。
【図１５】構造物製造システムの処理フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の形状測定装置に係る実施例について図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る形状測定装置の構成を示す図である。本実施形態に係る形状測定装置１００は、被測定物３の３次元形状を検出する３次元形状計測装置（例えば、座標測定機（ＣＭＭ：Coordinate Measuring Machine））である。形状測定装置１００は、被測定物３の表面に一本のライン状に光量の多い分布が形成されたライン光（ライン状の測定光）をある方向から投影することで、ライン状投影パターンを被測定物に投影している。そのライン状投影パターンが投影された被測定物を、投影方向とは異なる角度から撮像する。撮像されたライン状投影パターンの各点の位置がどの位置に撮影されているかによって、ライン状投影パターンが投影された位置の座標を求めている。言い換えると、この形状測定装置１００は、撮像された被測定物３表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３表面の三次元形状を求める装置である。さらに、ライン状投影パターンを被測定物３表面の全域を走査させる毎にライン状投影パターンを撮像する。このようにすることで、被測定物の全領域の形状測定を可能とする。
【００１４】
形状測定装置１００は、図１に示すように測定装置本体１及び制御装置４を備えている。制御装置４は、制御線を介して測定装置本体１に接続されており、測定装置本体１を制御する。測定装置本体１は、回転機構１３及びヘッド駆動部１４を有する駆動部１１（図３参照）と、位置検出部１２（図３参照）と、ヘッド部１７と、定盤１８と、光切断プローブ２とを備えている。なお、ここでは、被測定物３は定盤１８の上に配置されている。
【００１５】
定盤１８は、石製又は鋳鉄製からなるものであり、上面が水平に保たれたものとなっている。
ヘッド駆動部１４は、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、互いが直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の方向にヘッド部１７を移動させる。ヘッド駆動部１４は、Ｘ軸移動部１４１、Ｙ軸移動部１４２、及びＺ軸移動部１４３を備えている。ここで、ＸＹ平面とは、定盤１８の上面と平行な面を規定するものである。すなわち、Ｘ軸方向とは、定盤１８上における一方向を規定するものであり、Ｙ軸方向とは、定盤１８の上面においてＸ軸方向に直交する方向を規定するものであり、Ｚ軸方向とは、定盤１８の上面に直交する方向を規定するものである。
【００１６】
Ｘ軸移動部１４１は、ヘッド部１７をＸ軸方向に駆動するＸ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＸ軸方向にヘッド部１７を移動させる。Ｙ軸移動部１４２は、ヘッド部１７をＹ軸方向に駆動するＹ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＹ軸方向にヘッド部１７を移動させる。また、Ｚ軸移動部１４３は、ヘッド部１７をＺ軸方向に駆動するＺ軸用モータを備え、所定の範囲内でＺ軸方向にヘッド部１７を移動させる。
なお、ヘッド部１７は、光切断プローブ２の上部に位置し、回転機構１３を介して光切断プローブ２（センサー部）を支持している。すなわち、ヘッド駆動部１４は、互いに直交する３次元座標系の座標軸方向それぞれに、光切断プローブ２を移動させる。
【００１７】
図２は、本実施形態における回転機構１３の構成を示す図である。
図２に示すように、回転機構１３は、ヘッド部１７と光切断プローブ２との間に配置され、ヘッド駆動部１４に対して光切断プローブ２を回転可能に支持する。すなわち、回転機構１３は、被測定物３の表面に対して光切断プローブ２を任意の角度に回転可能としている。
【００１８】
また、回転機構１３は、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３を備えている。なお、回転機構１３は、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の各軸を回転させる駆動モータを備えており、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光切断プローブ２を任意の角度に回転させる。
【００１９】
第１回転軸１３１は、第１回転軸１３１の下に取り付けられた第２回転軸１３２及び第３回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を３６０度の範囲でＺ軸回転させる回転軸である。
第２回転軸１３２は、第１回転軸１３１下部に取り付けられ、第３回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を上下方向に−９５〜＋９５度の範囲で回転させる機構である。
第３回転軸１３３は、第２回転軸１３２に取り付けられ、光切断プローブ２を３６０度の範囲で回転させる機構である。
【００２０】
光切断プローブ２（センサー部）は、被測定物３に光切断を行うためのライン光を照射する光照射部２１（照明）、及びライン光の照射方向とは異なる方向から被測定物３に照射されたライン光を検出する光検出部２２を有している。
【００２１】
光照射部２１は、図示しないシリンドリカルレンズや細い帯状の切り欠きを有したスリット板等から構成され、光源からの照明光を受けて扇状のライン光を生じさせるものである。光源としては、ＬＥＤやレーザー光源・ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）等を用いることができる。
【００２２】
光検出部２２は、光照射部２１の光照射方向とライン光の長手方向を含む面からはずれた異なる方向から被測定物３の表面に投影されるライン光を撮像する。すなわち、光検出部２２は、光検出部２２は、ライン光が照射されることで光切断面（線）が現れた被測定物３の表面を検出する。
【００２３】
また、光検出部２２は、図２に示すように第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂを含んでいる。第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂは被測定物３の表面を異なる位置から検出する。第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々は、例えば１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるものである。光検出部２２は、後述のように駆動部１１を駆動させてライン光が所定間隔走査される毎に被測定物３を第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのそれぞれが撮像するようになっている。
【００２４】
次に、図３を参照して、形状測定装置１００の構成について説明する。
図３は、本実施形態による形状測定装置１００の構成を示すブロック図である。なお、この図において、図１乃至図３と同じ構成には、同じ符号を附す。
【００２５】
図３において、形状測定装置１００は、測定装置本体１と制御装置４とを備えている。
また、上述したように、測定装置本体１は、駆動部１１、位置検出部１２、及び光切断プローブ２を備えている。
駆動部１１は、回転機構１３とヘッド駆動部１４とを備え、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光切断プローブ２の位置及び姿勢を変更させる。すなわち、駆動部１１は、光切断プローブ２と被測定物３とを相対移動させるようになっている。
【００２６】
位置検出部１２は、回転位置検出部１５とヘッド位置検出部１６とを備えている。
ヘッド位置検出部１６は、例えばヘッド駆動部１４のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の位置をそれぞれ検出するＸ軸用エンコーダ、Ｙ軸用エンコーダ、及びＺ軸用エンコーダを含む。ヘッド位置検出部１６は、それらのエンコーダによってヘッド駆動部１４の位置を検出し、ヘッド駆動部１４の位置を示す信号を後述の座標検出部５１に供給するようになっている。
【００２７】
回転位置検出部１５は、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の回転位置をそれぞれ検出するエンコーダを備える。回転位置検出部１５は、それらのエンコーダを用いて、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の回転位置を検出し、検出した回転位置を示す信号を座標検出部５１に供給する。
【００２８】
光切断プローブ２は、上述したように、光切断方式により被測定物３の表面形状を検出するために、光照射部２１及び光検出部２２を備えている。光照射部２１は、後述の間隔調整部５２から供給される光の照射を制御する制御信号に基づき、被測定物３に直線上の光があたるように、被測定物３に直線状のスリット光（ライン状の光）を照射する。
光検出部２２は、光照射部２１からの照射光により被測定物３の表面に形成される光切断線の像を撮像する。ここで、光切断線の像は、被測定物３の断面形状に応じて光切断線の像の各点の位置が異なる位置に形成される。そして、光検出部２２は、被測定物３の表面に形成される陰影パターンを撮像し、撮像した画像情報を制御装置４の座標算出部５３に供給する。また、光検出部２２は、シャインプルーフ光学系を有している。図５を図示しながら説明すると、光照射部２１からライン光の照射方向をＬ１としたときに、光検出部２２の撮像面は、Ｌ１とスリット光の長手方向とを含む面と共役な関係となっている。
【００２９】
制御装置４は、演算処理部４１と、入力装置４２と、モニタ４４とを備えている。入力装置４２は、ユーザが各種指示情報を入力するキーボードなどを備える。
入力装置４２は、入力された指示情報を検出し、検出した指示情報を記憶部５５に記憶させるものである。また、モニタ４４は、データ出力部５７から供給された測定データ（全測定ポイントの座標値）等を受け取るものである。モニタ４４は、受け取った測定データ（全測定ポイントの座標値）等を表示することができる。また、モニタ４４は、計測画面、指示画面等を表示することもできる。
【００３０】
演算処理部４１は、形状測定装置１００における被測定物３の形状を測定する処理の制御を行い、被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３の三次元形状を求める演算処理を行うものである。また、演算処理部４１は、座標検出部５１、座標算出部５３、駆動制御部５４、記憶部５５、測定制御部５６、及びデータ出力部５７を備えている。
【００３１】
座標検出部５１は、回転位置検出部１５及びヘッド位置検出部１６から出力される６軸座標信号によって、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の姿勢を検知する。
ここで、６軸座標信号とは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸、及び第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、第３回転軸１３３の３軸の座標を示す信号である。
【００３２】
つまり、座標検出部５１は、ヘッド位置検出部１６から出力される直交３軸の座標信号によって、光切断プローブ２の位置、すなわち水平方向における観察位置（光軸中心位置）と上下方向における観察位置とを検知できるようになっている。また、座標検出部５１は、回転位置検出部１５から出力される回転位置を示す信号によって、光切断プローブ２の姿勢を検知できるようになっている。
【００３３】
座標検出部５１は、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の姿勢を示す情報として、６軸の座標情報を座標算出部５３に供給する。
また、座標検出部５１は、光切断プローブ２の６軸の座標情報に基づいて、光切断プローブ２の移動経路、移動速度などを検出する。
【００３４】
座標算出部５３は、光検出部２２の第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々が撮像した画像情報を受け取る。座標算出部５３は、受け取った画像情報について所定の評価を行う評価部５３ａと、該評価部５３ａの評価結果に基づき画像情報に対して処理の処理を行う処理部５３ｂとを含んでいる。なお、評価部５３ａ及び処理部５３ｂの詳細については後述する。
【００３５】
座標算出部５３は、座標検出部５１から供給された光切断プローブ２の６軸の座標情報を受け取る。座標算出部５３は、受け取った光切断プローブ２の６軸の座標情報から、光切断プローブ２に固定された光照射部２１の座標と、光検出部２２の座標とを算出する。なお、光照射部２１は、光切断プローブ２に固定されているので、光照射部２１の照射角度は、光切断プローブ２に対して固定である。また、光検出部２２も光切断プローブ２に固定されているので、光検出部２２の撮像角度は、光切断プローブ２に対して固定である。
【００３６】
座標算出部５３は、照射した光が被測定物３にあたった点を、撮像された画像の画素毎に、三角測量を用いて算出する。ここで、照射した光が被測定物３にあたった点の座標は、光照射部２１の座標から光照射部２１の照射角度で描画される直線と、光検出部２２の座標から光検出部２２の撮像角度で描画される直線（光軸）とが交わる点の座標である。
なお、上記の撮像された画像は、測定位置に配置された光切断プローブ２によって検出された画像を示す。
このような構成に基づき、形状測定装置１００は被測定物３に照射されるスリット光を所定の方向に走査させることにより、光が照射された位置の座標を算出することができる。つまり、被測定物３の表面形状を求めることができる。座標算出部５３は、被測定物３の形状をライン光のパターンが撮影された位置に基づいて、ライン光が照射された位置の情報である点群データとして検出するようになっている。なお、座標算出部５３における被測定物３の形状を検出方法の詳細については後述する。
【００３７】
駆動制御部５４は、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に駆動信号を出力して、駆動部１１を移動させる制御を行うためのものである。
【００３８】
記憶部５５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリであり、入力装置４２から供給された各種指示情報を測定条件テーブルとして記憶する。ここで、測定条件テーブルには、測定条件や測定の終了条件、被測定物３の測定開始点（最初の測定ポイント）の座標値、等、測定開始位置での測定目標方向、各測定ポイントの間隔（例えば、一定間隔の測定ピッチ）、各測定ポイントで測定するときに回転機構１３の設定角度情報を示すデータなどの項目が含まれる。
また、記憶部５５は、座標算出部５３から供給された被測定物表面の三次元座標値である点群データを測定データとして記憶する。また、記憶部５５は、座標検出部５１から供給された各測定ポイントの座標値データ（６軸の座標情報）を経路情報として記憶する。また、記憶部５５は、設計データ（ＣＡＤデータ）を記憶する。
【００３９】
また、測定制御部５６は、記憶部５５から読み出した測定終了条件に基づいて、被測定物３の形状の検出を終了させるものである。なお、測定終了条件の詳細は後述する。
【００４０】
データ出力部５７は、記憶部５５から測定データ（全測定ポイントの座標値）等を読み出す。データ出力部５７は、その測定データ（全測定ポイントの座標値）等をモニタ４４に供給する。また、データ出力部５７は、測定データ（全測定ポイントの座標値）等をプリンタ（不図示）へ出力する。
【００４１】
次に、図４から図９を参照して、形状測定装置１００が被測定物３をスキャン（相対移動）し形状データを作成するまでの手順を説明する。
図４は、本実施形態形における形状測定装置１００の測定手順を示す図である。
この図において、まず、測定オブジェクトである被測定物３が、ユーザによって測定台に設置される（ステップＳ１０１）。つまり、被測定物３は、形状測定装置１００の定盤１８上における稼動範囲の測定有効空間に設置される。
【００４２】
次に、ユーザが、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を測定開始位置に移動させる（ステップＳ１０２）。つまり、光切断プローブ２が、測定開始位置に移動させられる。すなわち、光切断プローブ２から照射される光切断線（ライン光）が被測定物３の測定開始位置に照射されるように、例えば、移動ツマミ（入力装置４２の一部）を用いて６軸座標を調整され、駆動制御部５４は、移動ツマミからの操作信号に基づいて、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を移動及び回転させる。そして、駆動制御部５４は、移動ツマミからの操作信号に基づいて、登録位置として設定された駆動部１１の測定開始位置を記憶部５５に記憶させる。これにより、形状測定装置１００は、測定開始位置が設定される。
【００４３】
ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を測定開始位置に移動させる場合、光切断線は、光切断プローブ２内の光検出部２２によりモニタされ、画像中心位置に撮像されるように微調整されてもよい。
なお、光切断プローブ２は、形状測定装置１００に取り付け前に単体校正が実施され、ライン光が計測カメラの中心位置にある場合が、ワーキングディスタンスの中心となるように予め校正されている。
【００４４】
次に、光切断線の照射方向（測定目標方向）が、ユーザによって指定される（ステップＳ１０３）。つまり、ユーザによって、第３回転軸１３３を移動ツマミにより光切断線の長手方向を被測定物３の形状に応じて調整される。同時に、光切断線の照射方向も被測定物３の測定位置の面の方向に応じて調整される。この場合、スキャン方向は、光切断線の長手方向と垂直な方向となる。ここで、駆動制御部５４は、移動ツマミからの操作信号に基づいて、回転機構１３の第３回転軸１３３を回転させるとともに、登録位置として設定された測定開始位置での測定目標方向を記憶部５５に記憶させる。
【００４５】
次に、形状測定装置１００では、測定データ取得距離、又は測定終了条件が、ユーザによって指定される（ステップＳ１０４）。つまり、入力装置４２により、どこからどこまでを測定領域とするかを指定する測定データ取得範囲、又は測定終了条件が指定され、入力装置４２は、指定された測定データ取得距離、又は測定終了条件を記憶部５５に記憶させる。
【００４６】
本実施形態では、自動追従動作を終了させる測定終了条件として、以下に示す条件の設定が可能である。なお、測定制御部５６は、指定された測定終了条件に到達するまで、光切断プローブ２の位置及び姿勢（上述の相対位置）を変更させて、座標算出部５３から点群の位置情報を繰り返し出力させる。
【００４７】
（１）測定距離によって測定を終了する。
この場合、形状測定装置１００では、例えば、ｍｍ（ミリメートル）単位によって、被測定物３の測定開始位置から測定を行う距離が指定される。また、その距離の指定においては、頻繁に利用する距離を予めメニュー化しておいて、そのメニューの内から指定する方式でもよい。
また、この測定終了条件が指定された場合に、測定制御部５６は、光切断プローブ２の位置が被測定物３の測定開始位置から上述の指定された距離以上離れた位置になった場合に被測定物３の形状の測定を終了させる。
【００４８】
（２）同一位置点群の検出によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、座標算出部５３によって出力された点群データが、既に取得済みのデータと一致（同一位置点群）、又は近距離で重なる場合に、形状測定装置１００は、測定を終了する。すなわち、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて、座標算出部５３に点群データを繰り返し検出させ、新しく検出された点群データ（点群の位置情報）が、既に検出された点群データの値を含む予め定められた範囲内である場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。例えば、球面を連続的に測定（スキャン）し、３６０度測定の結果、近距離の点群が重なる場合に、測定制御部５６は、被測定物３の形状の測定を終了させる。
【００４９】
（３）法線角度の範囲によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、形状測定装置１００は、後述する法線ベクトルの向きが予め定められた範囲内にあるかをモニタし、法線ベクトルの向きがこの範囲から外れた場合に測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、法線ベクトルの向きが予め定められた範囲内にあるかをモニタし、後述する法線ベクトルの向きが、予め定められた範囲外である場合に、被測定物３の形状の測定を終了させる。
【００５０】
（４）空間座標範囲によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、形状測定装置１００は、後述する絶対座標の指定された範囲内に到達した場合に、測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて座標算出部５３から出力された点群データが、絶対座標の指定された範囲内に到達した場合に、被測定物３の形状の測定を終了させる。
このように、形状測定装置１００では、以上の（１）から（４）の測定終了条件を単体、及び組み合わせ条件として指定する。
【００５１】
次に、形状測定装置１００では、被測定物３の表面のデータ測定ピッチがユーザによって指定される（ステップＳ１０５）。つまり、入力装置４２を用いて、測定ピッチ（スキャンピッチ）が指定され、入力装置４２は、指定された測定ピッチを記憶部５５に記憶させる。また、このときに各測定位置のうち、少なくとも複数の位置について、それぞれ光切断線の照射方向（測定目標方向）を設定する。
【００５２】
以上により、形状測定装置１００において、被測定物３の形状を測定するための設定が完了する。
【００５３】
次に、形状測定装置１００は、被測定物３の形状の測定を開始する（ステップＳ１０６）。つまり、測定制御部５６は、上述で設定された測定条件テーブルを記憶部５５から読み出して、測定条件テーブルに基づいて被測定物３の形状の測定を開始する。形状測定装置１００は、以下のように、光切断プローブ２の位置及び姿勢（上述の相対位置）を変更させて、その都度、光検出部２２から画像データを座標算出部５３に出力する。座標測定部は、光検出部２２からの画像データを受けるたびに、点群データを出力させる。
【００５４】
被測定物３の形状測定を開始した後、形状測定装置１００は、測定終了条件に達したかを判定する（ステップＳ１０７）。つまり、測定制御部５６は、ステップＳ１０４の処理において指定された測定終了条件に達したか否かを判定する。測定制御部５６は、測定終了条件に達したと判定した場合に、ステップＳ１１０に処理を進める。また、測定制御部５６は、測定終了条件に達していないと判定した場合に、ステップＳ１０８に処理を進める。
【００５５】
ステップＳ１０８においては、形状測定装置１００は、６軸の現座標情報、光切断の画像を取得する。つまり、測定制御部５６は、測定条件テーブルに基づいて測定開始位置に光切断プローブ２の位置を移動及び姿勢を変更させる。そして、測定制御部５６は、座標検出部５１に６軸の現座標情報を検出させるとともに光検出部２２に光切断の画像を取得させる。
なお、光検出部２２によって光切断プローブ２の画像を取得されるのと同期して、座標検出部５１は、位置検出部１２が検出した移動後の（現在の）６軸の座標情報をラッチし、座標算出部５３に供給する。また、光検出部２２によって取得された画像は座標算出部５３に供給される。
【００５６】
次に、形状測定装置１００は、６軸の座標情報と光検出部２２で取得された画像データ内から、光切断線の像の短手方向で検出できる輝度ピーク位置を求め、その輝度ピーク位置からライン光の中心位置を求める。ライン光の長手方向のそれぞれの位置から、ライン光の中心位置を求めることで、光検出部２２で取得された１画像分の点群データを生成する（ステップＳ１０９）。つまり、座標算出部５３は、座標検出部５１から供給された６軸の座標情報と、光検出部２２によって取得された画像データとに基づいて、１画像分の点群データを生成する。座標算出部５３は、生成した点群データを記憶部５５に記憶させる。
【００５７】
座標算出部５３は、点群データを生成する際に、後述するプローブ座標から後述する絶対座標に変換するようにしている。以下、座標算出部５３が、プローブ座標から絶対座標に変換して、点群データを生成する一例を説明する。
【００５８】
（プローブ座標系について）
まず、本実施形態におけるプローブ座標系について説明する。
図５は、本実施形態形におけるプローブ座標系を示すベクトル関連図である。なお、本説明においては、第１撮像素子２２ａのプローブ座標系を例に挙げて説明するが、第２撮像素子２２ｂのプローブ座標系についても同様のことが言えるものとする。図６において、プローブ座標系は、第１撮像素子２２ａ単体において、照明光軸Ｌ１と撮像光軸Ｌ２が交わる点を原点とし、光照射部２１の方向をＺ軸のプラス方向、Ｚ軸と直交する紙面右に向かう方向をＸ軸のプラス方向、紙面奥に向かう方向をＹ軸のプラス方向として示される。本実施形態では、第１撮像素子２２ａは、上述のように１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるので、ライン光の長手方向を垂直方向として撮像する。そのため、座標算出部５３は、最大輝度位置の検出を水平方向（ライン光の短手方向）に行うことにより、最大１０２４個のピーク位置を検出することが可能となる。
【００５９】
これにより、予め第１撮像素子２２ａ単体の校正がされた状態では、座標算出部５３は、撮像された画像内の精密な水平画素位置から、校正データを基にした補正演算により、光切断面内のプローブ座標系での３次元座標を生成することが可能である。
なお、本実施形態において、第１撮像素子２２ａ単体校正が完了しているものとし、補正演算内容の詳細に関しては、説明を省略する。
【００６０】
（絶対座標系について）
次に、本実施形態における絶対座標系について説明する。
絶対座標系は、例えば、図１に示した形状測定装置１００の定盤１８上における左手前を原点としてＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向での測定空間内の３次元位置を示す座標系である。なお、座標算出部５３は、生成する点群データをこの絶対座標系の位置情報（座標情報）として生成する。本実施形態に係る光検出部２２は、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂが異なる位置に取り付けられているため、各々についてプローブ座標系が設定されている。そのため、それぞれのプローブ座標系を絶対座標系に統一することで共通化する必要がある。
【００６１】
（プローブ座標系から絶対座標系への変換）
次に、座標算出部５３における、プローブ座標系から絶対座標系に変換して、点群データを生成する処理について説明する。座標算出部５３は、プローブ座標系として生成された点群座標に６軸の座標情報を加味した演算を行い、絶対座標系に変換する。
ここで、プローブ座標系によって示される点の３次元座標を式（１）として示す。
【００６２】
【数１】
【００６３】
図６は、本実施形態形における回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。
この図において、第１回転軸１３１及び第２回転軸１３２の回転中心をポイントＣ１とし、第３回転軸１３３の回転中心（プローブ座標原点でもある）をポイントＣ２として示す。また、光切断プローブ２によって画像が取得される際の第１回転軸１３１の角度を角度ａとし、第２回転軸１３２の角度を角度ｂとし、第３回転軸１３３の角度を角度ｃとして示す。ここで、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の各回転軸に対応する回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂ、及びＭｃとすると、絶対座標への変換は、式（２）として示される。
【００６４】
【数２】
【００６５】
ここで、Ｏ（オー）は、第１回転軸１３１及び第２回転軸１３２の回転中心における絶対座標を示すベクトルであり、座標検出部５１が検出した形状測定装置１００のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の座標情報と一致させるように校正されている。
また、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合の第１回転軸１３１及び第２回転軸１３２の回転中心を基点として、第３回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示す。ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（３）として示される。
【００６６】
【数３】
【００６７】
式（３）として示される演算処理により、座標算出部５３は、ベクトルＬの先端、即ち、プローブ座標系の原点ポイントＣ２を、絶対座標系に変換することができる。つまり、座標算出部５３は、光切断プローブ２によって検出された被測定物３の表面の位置情報（点群データ）を絶対座標系に変換することができることを示している。
【００６８】
ここで、光検出部２２から座標算出部５３へ供給される画像データ（撮像信号）の一例について説明する。図７は撮像素子で撮影した画像データの輝度分布形状を示す概念図であり、例えば第１撮像素子２２ａが撮像した画像情報に対応する。なお、図７のＬ１は第１撮像素子２２ａで撮像されたライン光の長手方向に対応する。また、図７のＬ２は第１撮像素子２２ａにおけるライン光の短手方向に対応する。また、図７のＬ３は第１撮像素子２２ａの画素が検出した画素データの輝度の大きさを示すものである。以下の説明では、図７に示す画素データをＬ２の方向に沿って、輝度分布を示した線をラインプロファイルと呼ぶことにする。なお、このラインプロファイルは、各画素の画素値を基に、Ｌ２の方向に沿って補間計算を行って、画素と画素の間の輝度値を補間している。
【００６９】
本実施形態では被測定物３上にレーザー光からなるライン光を照射している。一般にレーザー光は光の断面強度分布がガウシアン分布を有するので、図７に示すように第１撮像素子２２ａにおける各ラインプロファイルも同様にガウシアン分布を有したものとなる。本実施形態では、第１撮像素子２２ａが上述のようにライン光の長さ方向における各位置毎にライン光の像の短手方向の光量分布プロファイルを検出する。すなわち、被測定面が平面の場合だと、上記Ｌ１方向に沿ってライン光の像の長さ方向が一致するので、その長さに直交する方向に撮像素子の画素が１０２４列有しているときには、１つのライン光に対して１０２４本のラインプロファイルを検出可能となっている。なお、第２撮像素子２２ｂは第１撮像素子２２ａと同一の構成を有していることから、第１撮像素子２２ａと同様に１０２４本のライン光の像の短手方向の光量分布であるラインプロファイルを検出可能となっている。
【００７０】
ところで、光検出部２２が撮像する画像を構成する被測定物３からの散乱光は、その物面の法線方向と光検出部２２（第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂ）の撮像光軸方向とがなす角度に依存してその強度分布が変化する。そのため、上記法線角度の変化によって光検出部２２が取得するラインプロファイルの形状が変形してしまう。このような変形が生じたラインプロファイルが示すピークの輝度値は信頼性が低いものとなってしまう。
【００７１】
そこで、本実施形態に係る座標算出部５３は、評価部５３ａが光検出部２２の撮像結果、すなわち第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂが取得した画像データからラインプロファイルについて評価するようにしている。また、座標算出部５３は、処理部５３ｂが上記評価結果に基づき光検出部２２の撮像結果に対して後述する所定処理を行うことで被測定物３の位置情報を算出するようにしている。
【００７２】
評価部５３ａは、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのそれぞれが取得した全てのラインプロファイルについて評価を行う。なお、評価部５３ａの評価項目としては、以下に示すものがある。
【００７３】
（１）測定面の法線方向に対する光検出部２２の撮像光軸のなす角度についての評価。
図８は被測定物３の法線方向に対する光検出部２２の撮像光軸のなす角度がラインプロファイルに及ぼす影響を示した図である。図８（ａ）は、撮像光軸と被測定物３の測定面の法線とがなす角度が略９０°の場合における光検出部２２が撮像したラインプロファイルの幅をＷ１と規定するものである。また、図８（ｂ）は、撮像光軸と測定面の法線とがなす角度が６０°の場合における光検出部２２が撮像したラインプロファイルの幅をＷ２と規定するものである。図８（ｃ）は、撮像光軸と測定面の法線とがなす角度が３０°の場合における光検出部２２が撮像したラインプロファイルの幅をＷ３と規定するものである。
【００７４】
光検出部２２に対する測定面の傾き、すなわち法線角度θは、ラインプロファイルの幅をＷとした場合、θ＝ａｃｏｓ（Ｗ／Ｗ１）の式で表すことができる。なお、前記式におけるＷは、ラインプロファイルの幅である。評価部５３ａはラインプロファイルの幅Ｗの値に基づいて被測定物３の測定面の法線角度を評価し、推定することができる。評価部５３ａは法線角度が所定の閾値から大きく外れる場合、そのラインプロファイルについては信頼性が低いデータであると評価することができる。
【００７５】
（２）ラインプロファイルの幅高さ比についての評価。
評価部５３ａは、図９に示すようにラインプロファイルについて所定輝度となる幅Ｗ及び高さＨの比、すなわち一定の閾値で規定されるラインプロファイルの幅Ｗが一定幅以上か否かについて評価する。
【００７６】
被測定物３の法線方向に対する光検出部２２の撮像光軸のなす角度が大き過ぎると、ラインプロファイルが幅方向に押しつぶされた形状となるため、幅Ｗが狭くなるとともに高さＨが高くなり、ラインプロファイルの幅高さ比が変化する。したがって、評価部５３ａはラインプロファイルの幅高さ比が所定値から外れる場合には、そのラインプロファイルは信頼性が低いデータであると評価することができる。
【００７７】
（３）ラインプロファイルの非対象性についての評価。
評価部５３ａは、図１０に示すようにラインプロファイルの最大輝度位置を中心とし、その左右に関して、所定輝度値を示すラインとラインプロファイルとで構成される領域Ａ，Ｂの各面積（積分値）を比較し、その比率が一定値を超えた場合、そのラインプロファイルは信頼性評価値が低いものであると評価することができる。上記比率が一定値を超えた場合とは、中心に対するラインプロファイルの左右の歪みが大きいことを意味する。これは、ラインプロファイルは本来ガウシアン分布を有するため、最大輝度位置を中心とし、その左右の面積が略等しくなるものの、左右の面積が異なっている（ラインプロファイルが歪んでいる）ということは、そのラインプロファイルがデータとして信頼性が低いといえるからである。したがって、評価部５３ａはラインプロファイルの非対象性が所定の範囲よりも大きい場合には、そのラインプロファイルは信頼性が低いデータであると評価することができる。
【００７８】
（４）ラインプロファイルの周波数成分についての評価。
評価部５３ａはラインプロファイルについてフーリエ変換を行い、周波数成分を求め、特定周波数以上、或いは以下の周波数成分が含まれている場合、そのラインプロファイルは信頼性評価値が低いものであると評価することができる。ここで、特定周波数以上の場合とはラインプロファイルがノイズ成分を多く含むデータを意味し、特定周波数以下の場合とはラインプロファイルのピーク、すなわち最大輝度が低いデータを意味する。
【００７９】
このように本実施形態においては、評価部５３ａが上述した（１）〜（４）のすくなくともいずれかについて行う。
【００８０】
具体的に評価部５３ａは、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々が取得したラインプロファイルのうち、被測定物３の同一位置におけるラインプロファイル同士を比較する。そして、評価部５３ａは被測定物３の同一位置において、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのうち、いずれのデータ（ラインプロファイル）が高信頼性であるか否かについて評価を行い、その評価結果を記憶部５５に記憶する。
【００８１】
処理部５３ｂは、記憶部５５に記憶された評価結果に基づいて、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのいずれか一方から選択したラインプロファイルに基づき、信頼性の高いデータのみを合成することで三次元座標値の点群データを算出する。そして、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物３の３次元形状を算出することができる。
【００８２】
次に、形状測定装置１００は、ステップＳ１０７において、測定終了条件に達するまで、上述のステップＳ１０８、Ｓ１０９を繰り返し処理させる。形状測定装置１００は、測定終了条件に達するとステップＳ１１０に進む。
形状測定装置１００は、ステップＳ１１０において点群データを記憶部５５にセーブする（記憶させる）。
【００８３】
以上のように、本実施形態による形状測定装置１００によれば、異なる位置に取り付けられた第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々が取得したラインプロファイルについて評価部５３ａが評価を行った結果に基づき、処理部５３ｂが第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのいずれか一方のうち信頼性の高いラインプロファイルを選択する座標算出部５３を備える。これにより、信頼性の高いラインプロファイルのみに基づいて被測定物３の３次元形状を算出できるので、被測定物３の形状を高精度で測定することができる。
【００８４】
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、座標算出部５３の評価部５３ａが第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂで撮影された画像データから、ライン光の像の短手方向の光量分布であるラインプロファイルごとに信頼性評価値を設定し、処理部５３ｂが信頼性評価値を重み付けに利用して被測定物３の３次元形状を算出する点である。信頼性評価値とは、ラインプロファイルにおけるデータとしての信頼性を示す指標であり、信頼性評価値が低い場合は無効なデータを示し、信頼性評価値が高い場合は有効なデータであることを示すものである。なお、以下では座標算出部５３による形状算出方法について説明し、第１実施形態と共通であるその他の構成及び工程の説明については省略する。
【００８５】
評価部５３ａは、第１実施形態に示した項目について評価を行う。
評価部５３ａは、例えば法線角度が所定の閾値から大きく外れるラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。また、評価部５３ａは、幅高さ比が所定の範囲から大きく外れるラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。また、評価部５３ａは、対象性が低い、すなわち大きく歪んだラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。また、周波数成分が所定範囲から大きく外れたラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。
【００８６】
処理部５３ｂは、記憶部５５に記憶された信頼性評価値に基づいて、被測定物３における同一位置における第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各ラインプロファイルに対し、重み付けをして合成することで三次元座標値の点群データを算出する。
【００８７】
処理部５３ｂは、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの任意の画素列における各ラインプロファイルに対し、上記信頼性評価値に基づく重み付けを行う。
図１１は処理部５３ｂによる重み付け処理を概念的に説明するための図である。図１１においてＰ１は所定位置における第１撮像素子２２ａのラインプロファイルを示し、Ｐ２は所定位置における第２撮像素子２２ｂのラインプロファイルを示すものである。
【００８８】
本説明では評価部５３ａが評価したラインプロファイルの非対称性に関する信頼性評価値に基づき、処理部５３ｂが重み付けをおこなう場合を例に説明する。処理部５３ｂは、図１１に示すように、非対称性が大きく信頼性評価値が低い（相対的に信頼性が低い）第１撮像素子２２ａにおける重み付けを０．３とし、非対称性が低く信頼性評価値が高い（相対的に信頼性が高い）第２撮像素子２２ｂにおける重み付けを０．７に設定する。
【００８９】
このように処理部５３ｂは第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのうち信頼性の高い方のデータを重視した上で被測定物３の各測定位置におけるラインプロファイルを合成することができるので、三次元座標値の点群データを算出できる。そして、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物の３次元形状を算出する。
【００９０】
本実施形態によれば、評価部５３ａがラインプロファイルについて信頼性評価値を算出し、処理部５３ｂが信頼性評価値を重み付けに利用するので、信頼性の高い点群データを得ることができる。したがって、被測定物３の３次元形状を精度良く算出することができる。
【００９１】
（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、座標算出部５３の処理部５３ｂが絶対座標系に変換した三次元座標値の点群データを合成方法である。なお、以下では処理部５３ｂによる点群データの合成方法を主体に説明し、第１実施形態と共通であるその他の構成及び工程の説明については省略する。
【００９２】
絶対座標系に変換後の三次元座標値の点群データは、光検出部２２（第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂ）の取付誤差、光学系の誤差（レンズ歪み等）によって僅かながら位置がずれた状態となっている。これに対し、本実施形態に係る処理部５３ｂは、上記位置ズレを考慮した上で画素データの合成を行うようにしている。
【００９３】
本実施形態における処理部５３ｂの点群データの合成方法を概念的に説明する。図１２は絶対座標系に変換された三次元座標値の点群データを示す図である。図１２では絶対座標系のＹＺ平面におけるラインプロファイルを示し、Ｘ方向が輝度を示している。
【００９４】
上記位置ズレが生じた場合、図１２に示される処理部５３ｂにより選択された第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々のラインプロファイルＰ１，Ｐ２がそれぞれずれた位置に変換されたものとなっている。
【００９５】
本実施形態に係る処理部５３ｂは、図１２に示すようにライン光の幅方向（短辺方向）に長辺を有する矩形状の領域Ａを設定し、該領域Ａ内に存在する複数のラインプロファイルの中から輝度のピーク値を算出し、この領域Ａのピーク輝度値を合成する処理を行う。なお、領域Ａ内においてラインプロファイルを構成する各点の場所と輝度とを重み付けすることでピーク輝度値を算出するようにしても構わない。
【００９６】
処理部５３ｂは上記領域Ａを同図のＹ方向に沿って順次移動させつつ、各領域Ａ内に存在する複数のラインプロファイルＰ１，Ｐ２の中から輝度のピーク値を算出することでライン光の長さ方向に沿って全ての点群データを合成する。そして、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物３の３次元形状を算出することができる。
【００９７】
本実施形態によれば、処理部５３ｂが上記領域Ａを設定することで局所的に点群データを合成するため、第１実施形態に比べて光検出部２２に起因した誤差が考慮された信頼性の高い点群データを算出することができる。したがって、被測定物３の３次元形状を精度良く算出することができる。
【００９８】
（第４実施形態）
続いて、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態と上記第１乃至第３実施形態との違いは、光検出部が撮像素子を１つだけ備える点である。なお、以下では光検出部の構成を主体に説明し、上記実施形態と共通であるその他の構成及び工程の説明については省略する。
【００９９】
図１３は本実施形態における光検出部１２２の概略構成を示す図である。
図１３に示すように光検出部１２２としては、撮像素子１２２ａを１つのみ備えている。撮像素子１２２ａは、例えば１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるものである。光検出部１２２は、駆動部１１を駆動させてライン光が所定間隔走査される毎に被測定物３を撮像素子１２２ａが撮像するようになっている。
【０１００】
座標算出部５３は、光検出部１２２の撮像素子１２２ａが撮像した画像情報を受け取る。また、座標算出部５３は、座標検出部５１から供給された光切断プローブ２の６軸の座標情報を受け取る。座標算出部５３は、受け取った光切断プローブ２の６軸の座標情報から、光切断プローブ２に固定された光照射部２１の座標と、光検出部１２２の座標とを算出する。
【０１０１】
本実施形態においても、撮像素子１２２ａは、上述のように１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるので、ライン光の長手方向を垂直方向として撮像する。そのため、座標算出部５３は、最大輝度位置の検出を水平方向（ライン光の短手方向）に行うことにより、最大１０２４個のピーク位置を検出することが可能となっている。
【０１０２】
これにより、撮像素子１２２ａ単体の校正がされた状態では、座標算出部５３は、撮像された画像内の精密な水平画素位置から、校正データを基にした補正演算により、光切断面内のプローブ座標系での３次元座標を生成することが可能である。なお、本実施形態において、撮像素子１２２ａ単体校正が完了しているものとし、補正演算内容の詳細に関しては、説明を省略する。
【０１０３】
座標算出部５３は、点群データを生成する際に、上述したようにプローブ座標から絶対座標に変換する。
【０１０４】
本実施形態に係る評価部５３ａは光検出部１２２の撮像結果、すなわち撮像素子１２２ａが取得したラインプロファイルについて評価している。また、処理部５３ｂは、該評価結果に基づき光検出部１２２の撮像結果に対して所定の処理を行うことで被測定物３の位置情報を算出するようにしている。
【０１０５】
本実施形態において評価部５３ａが行う評価としては、上記第１実施形態で示した（１）〜（４）のものが挙げられる。具体的に、評価部５３ａは、撮像素子１２２ａが撮像して取得したラインプロファイルの各々について評価（法線角度、幅高さ比、非対称性、周波数等）を行う。そして、評価結果（すなわちラインプロファイルが信頼性の高いデータであるか否かについての結果）を記憶部５５へと送信する。
【０１０６】
処理部５３ｂは、記憶部５５に記憶された評価結果に基づいて、撮像素子１２２ａのラインプロファイルのうち信頼性の低いものについては除外した上で三次元座標値の点群データを算出する。従って、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物３の３次元形状を高精度で算出することができる。
このように本発明は、撮像素子１２２ａを１つのみ備えた光検出部１２２を含む形状測定装置においてもライン光の測定プロファイルを評価することで被測定物３の３次元形状を精度良く測定できる。
【０１０７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態として、上述した第１〜第４実施形態のいずれかの形状測定装置１００を備えた構造物製造システムについて説明する。
図１４は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。構造物製造システム２００は、上述した形状測定装置１００と、設計装置１１０と、成形装置１２０と、制御装置（検査装置）１３０と、リペア装置１４０とを備える。
【０１０８】
設計装置１１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置１２０に送信する。また、設計装置１１０は、作成した設計情報を制御装置１５０の後述する座標記憶部１５１に記憶させる。ここで、設計情報とは、構造物の各位置の座標を示す情報である。
成形装置１２０は、設計装置１１０から入力された設計情報に基づいて上記構造物を作製する。成形装置１２０の成形工程には、鋳造、鍛造、または切削等が含まれる。
形状測定装置１００は、作製された構造物（被測定物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置１５０へ送信する。
【０１０９】
制御装置１５０は、座標記憶部１５１と、検査部１５２とを備える。座標記憶部１５１には、前述の通り、設計装置１１０により設計情報が記憶される。検査部１５２は、座標記憶部１５１から設計情報を読み出す。検査部１５２は、形状測定装置１００から受信した座標を示す情報（形状情報）と座標記憶部１５１から読み出した設計情報とを比較する。
【０１１０】
検査部１５２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部１５２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。
検査部１５２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合、修復可能であるか否か判定する。修復できる場合、検査部１５２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出し、リペア装置１４０に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。
【０１１１】
リペア装置１４０は、制御装置１５０から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。
【０１１２】
図１５は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。まず、設計装置１１０が、構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ２０１）。次に、成形装置１２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ２０２）。次に、形状測定装置１００は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ２０３）。次に、制御装置１５０の検査部１５２は、形状測定装置１００で得られた形状情報と、上記設計情報とを比較することにより、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ２０４）。
【０１１３】
次に、制御装置１５０の検査部１５２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。作成された構造物が良品である場合（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。一方、作成された構造物が良品でない場合（ステップＳ２０５；ＮＯ）、制御装置１５０の検査部１５２は、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ２０６）。
【０１１４】
作成された構造物が修復できると検査部１５２が判断した場合（ステップＳ２０６；ＹＥＳ）、リペア装置１４０は、構造物の再加工を実施し（ステップＳ２０７）、ステップＳ１０３の処理に戻る。一方、作成された構造物が修復できないと検査部１５２が判断した場合（ステップＳ２０６；ＮＯ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。以上で、本フローチャートの処理を終了する。
【０１１５】
以上により、上記の実施形態における形状測定装置１００が構造物の座標（３次元形状）を正確に測定することができるので、構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。
【０１１６】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、被測定物に対してライン状のパターン光を照射し、被測定物に照射されたパターン光による散乱光を受光することで光切断法を用いて被測定物の３次元形状を検出する場合を例として説明した。本発明は被測定物の表面に照射されたときにスポット状のパターンとなる光束を照射し、被測定物に照射された光束による散乱光を照射方向と異なる角度から受光する構成についても適用可能である。なお、ここでいうスポット状の光とは、被測定物３の表面に照射された光の形状が円形状のもののみに限られず、長辺及び短辺を有する島状のものを含んでいる。
【０１１７】
スポット状のパターン（以下、スポット光という）は、ＣＭＯＳセンサ２５１上にスポット状のパターンの像（以下、スポット光像という）として結像され、ＣＭＯＳセンサ２５１は、ＣＭＯＳセンサ２５１上におけるスポット光像の位置を検出する。形状測定装置１００は、光束を走査して被測定物３の表面に照射し、各スポット光像の位置を検出する。そして、この形状測定装置１００は、検出したスポット光像の位置に三角測量の原理等を用いて被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３表面の三次元形状を求める。なお、光切断法を用いる場合には、スポット光を走査して各スポット状のパターンを一方向に短周期的に走査することで、あたかもライン状のパターンが被測定物に投影されたのと等価になるように、照射する。このように一方向に短周期的に走査された光束を順次、その一方向とは垂直な方向に被測定物を移動させることで、被測定物の測定領域全域に渡って、スポット状のパターンが投影される。
【０１１８】
本発明はスポット光を用いた光切断法において、被測定物を移動させる方向における各スポット光のラインプロファイルについて上述したような評価を行うことができる。このようにすれば、信頼性の低いスポット光のデータを除外することで被測定物の三次元形状を精度良く算出できる。
【０１１９】
また、上記実施形態においては、被測定物における測定面の全域に対してパターン光を走査することで３次元形状を測定する場合について説明したが、本発明は被測定物の測定面の一箇所に対してパターン光を照射することで被測定物の任意の位置における断面形状、すなわち２次元形状を測定する場合について適用することができる。この構成によれば、信頼性の低い測定点のデータが除去されるため、被測定物の断面形状（二次元形状）を精度良く算出できる。
【０１２０】
上記の実施形態において、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３を備えた回転機構１３を用いて、光切断プローブ２の向きを変更する形態を説明したが、被測定物３を固定するテーブルを回転させる形態であっても構わない。
【符号の説明】
【０１２１】
３…被測定物、２１…光照射部、２２…光検出部、２２ａ…第１撮像素子、２２ｂ…第２撮像素子、５３ａ…評価部、５３ｂ…処理部、１００…形状測定装置、１２２ａ…撮像素子、２００…構造物製造システム、Ａ…領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置、形状測定方法、構造物製造システム及び構造物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の形状を非接触で測定する方法としてライン光を被測定物に照射して、被測定物の断面形状に対応して形成される光切断線から被測定物の形状を測定する光切断法が知られている。
【０００３】
光切断法による形状測定装置は、測定対象物にライン光を照射し、一定の角度に取り付けられた計測カメラによりそのライン光の位置を撮像し三角測量の原理でその３次元位置を特定し、形状データを生成するものである。このような形状測定装置として、２つの計測カメラを用いてライン光の位置を撮像するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５４２４８３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術においては、計測カメラから見た測定対象物の測定面の法線が大きな角度をなす場合や、測定面が曲面である場合に形状データが精密に測定できなくなるといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、測定対象物の形状を高精度で測定できる形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様に従えば、被測定物に所定の光量分布を有する光を照射して前記被測定物上にパターン光を形成する照明部と、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像素子を含む撮像部と、前記像の撮像信号を評価する評価部と、該評価部の該評価結果に基づき前記撮像部の撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理部と、を備えることを特徴とする形状測定装置が提供される。
【０００８】
本発明の第２の態様に従えば、形状測定装置が実行する形状測定方法であって、被測定物に照明部から所定の光量分布を有する光を照射することによりパターン光を形成する照射手順と、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像手順と、前記像の撮像信号を評価する評価手順と、前記評価結果に基づき前記撮像手順による撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理手順と、を有することを特徴とする形状測定方法が提供される。
【０００９】
本発明の第３の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、作製された前記構造物の形状を第２の態様に係る形状測定方法を用いて測定する測定工程と、前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
を有することを特徴とする構造物の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明の第４の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、作製された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する第１の態様に係る形状測定装置と、前記測定によって得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査装置と、を含む構造物製造システムが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、測定対象物の形状を高精度で測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】回転機構の構成を示す図である。
【図３】形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】形状測定装置の測定手順を示す図である。
【図５】プローブ座標系を示すベクトル関連図である。
【図６】回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。
【図７】画素データの明るさの分布を示す概念図である。
【図８】被測定物と光検出部の撮像光軸とのなす角度がラインプロファイルに及ぼす影響の説明図である。
【図９】ラインプロファイルの幅高さ比に関する評価を説明するための図である。
【図１０】ラインプロファイルの非対象性に関する評価を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態に係る処理部の処理を説明する概念図である。
【図１２】第３実施形態に係る処理部の画素データの合成方法の説明図である。
【図１３】第４実施形態に係る光検出部の概略構成を示す図である。
【図１４】第５実施形態に係る構造物製造システムのブロック構成図である。
【図１５】構造物製造システムの処理フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の形状測定装置に係る実施例について図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る形状測定装置の構成を示す図である。本実施形態に係る形状測定装置１００は、被測定物３の３次元形状を検出する３次元形状計測装置（例えば、座標測定機（ＣＭＭ：Coordinate Measuring Machine））である。形状測定装置１００は、被測定物３の表面に一本のライン状に光量の多い分布が形成されたライン光（ライン状の測定光）をある方向から投影することで、ライン状投影パターンを被測定物に投影している。そのライン状投影パターンが投影された被測定物を、投影方向とは異なる角度から撮像する。撮像されたライン状投影パターンの各点の位置がどの位置に撮影されているかによって、ライン状投影パターンが投影された位置の座標を求めている。言い換えると、この形状測定装置１００は、撮像された被測定物３表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３表面の三次元形状を求める装置である。さらに、ライン状投影パターンを被測定物３表面の全域を走査させる毎にライン状投影パターンを撮像する。このようにすることで、被測定物の全領域の形状測定を可能とする。
【００１４】
形状測定装置１００は、図１に示すように測定装置本体１及び制御装置４を備えている。制御装置４は、制御線を介して測定装置本体１に接続されており、測定装置本体１を制御する。測定装置本体１は、回転機構１３及びヘッド駆動部１４を有する駆動部１１（図３参照）と、位置検出部１２（図３参照）と、ヘッド部１７と、定盤１８と、光切断プローブ２とを備えている。なお、ここでは、被測定物３は定盤１８の上に配置されている。
【００１５】
定盤１８は、石製又は鋳鉄製からなるものであり、上面が水平に保たれたものとなっている。
ヘッド駆動部１４は、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、互いが直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の方向にヘッド部１７を移動させる。ヘッド駆動部１４は、Ｘ軸移動部１４１、Ｙ軸移動部１４２、及びＺ軸移動部１４３を備えている。ここで、ＸＹ平面とは、定盤１８の上面と平行な面を規定するものである。すなわち、Ｘ軸方向とは、定盤１８上における一方向を規定するものであり、Ｙ軸方向とは、定盤１８の上面においてＸ軸方向に直交する方向を規定するものであり、Ｚ軸方向とは、定盤１８の上面に直交する方向を規定するものである。
【００１６】
Ｘ軸移動部１４１は、ヘッド部１７をＸ軸方向に駆動するＸ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＸ軸方向にヘッド部１７を移動させる。Ｙ軸移動部１４２は、ヘッド部１７をＹ軸方向に駆動するＹ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＹ軸方向にヘッド部１７を移動させる。また、Ｚ軸移動部１４３は、ヘッド部１７をＺ軸方向に駆動するＺ軸用モータを備え、所定の範囲内でＺ軸方向にヘッド部１７を移動させる。
なお、ヘッド部１７は、光切断プローブ２の上部に位置し、回転機構１３を介して光切断プローブ２（センサー部）を支持している。すなわち、ヘッド駆動部１４は、互いに直交する３次元座標系の座標軸方向それぞれに、光切断プローブ２を移動させる。
【００１７】
図２は、本実施形態における回転機構１３の構成を示す図である。
図２に示すように、回転機構１３は、ヘッド部１７と光切断プローブ２との間に配置され、ヘッド駆動部１４に対して光切断プローブ２を回転可能に支持する。すなわち、回転機構１３は、被測定物３の表面に対して光切断プローブ２を任意の角度に回転可能としている。
【００１８】
また、回転機構１３は、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３を備えている。なお、回転機構１３は、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の各軸を回転させる駆動モータを備えており、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光切断プローブ２を任意の角度に回転させる。
【００１９】
第１回転軸１３１は、第１回転軸１３１の下に取り付けられた第２回転軸１３２及び第３回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を３６０度の範囲でＺ軸回転させる回転軸である。
第２回転軸１３２は、第１回転軸１３１下部に取り付けられ、第３回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を上下方向に−９５〜＋９５度の範囲で回転させる機構である。
第３回転軸１３３は、第２回転軸１３２に取り付けられ、光切断プローブ２を３６０度の範囲で回転させる機構である。
【００２０】
光切断プローブ２（センサー部）は、被測定物３に光切断を行うためのライン光を照射する光照射部２１（照明）、及びライン光の照射方向とは異なる方向から被測定物３に照射されたライン光を検出する光検出部２２を有している。
【００２１】
光照射部２１は、図示しないシリンドリカルレンズや細い帯状の切り欠きを有したスリット板等から構成され、光源からの照明光を受けて扇状のライン光を生じさせるものである。光源としては、ＬＥＤやレーザー光源・ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）等を用いることができる。
【００２２】
光検出部２２は、光照射部２１の光照射方向とライン光の長手方向を含む面からはずれた異なる方向から被測定物３の表面に投影されるライン光を撮像する。すなわち、光検出部２２は、光検出部２２は、ライン光が照射されることで光切断面（線）が現れた被測定物３の表面を検出する。
【００２３】
また、光検出部２２は、図２に示すように第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂを含んでいる。第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂは被測定物３の表面を異なる位置から検出する。第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々は、例えば１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるものである。光検出部２２は、後述のように駆動部１１を駆動させてライン光が所定間隔走査される毎に被測定物３を第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのそれぞれが撮像するようになっている。
【００２４】
次に、図３を参照して、形状測定装置１００の構成について説明する。
図３は、本実施形態による形状測定装置１００の構成を示すブロック図である。なお、この図において、図１乃至図３と同じ構成には、同じ符号を附す。
【００２５】
図３において、形状測定装置１００は、測定装置本体１と制御装置４とを備えている。
また、上述したように、測定装置本体１は、駆動部１１、位置検出部１２、及び光切断プローブ２を備えている。
駆動部１１は、回転機構１３とヘッド駆動部１４とを備え、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光切断プローブ２の位置及び姿勢を変更させる。すなわち、駆動部１１は、光切断プローブ２と被測定物３とを相対移動させるようになっている。
【００２６】
位置検出部１２は、回転位置検出部１５とヘッド位置検出部１６とを備えている。
ヘッド位置検出部１６は、例えばヘッド駆動部１４のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の位置をそれぞれ検出するＸ軸用エンコーダ、Ｙ軸用エンコーダ、及びＺ軸用エンコーダを含む。ヘッド位置検出部１６は、それらのエンコーダによってヘッド駆動部１４の位置を検出し、ヘッド駆動部１４の位置を示す信号を後述の座標検出部５１に供給するようになっている。
【００２７】
回転位置検出部１５は、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の回転位置をそれぞれ検出するエンコーダを備える。回転位置検出部１５は、それらのエンコーダを用いて、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の回転位置を検出し、検出した回転位置を示す信号を座標検出部５１に供給する。
【００２８】
光切断プローブ２は、上述したように、光切断方式により被測定物３の表面形状を検出するために、光照射部２１及び光検出部２２を備えている。光照射部２１は、後述の間隔調整部５２から供給される光の照射を制御する制御信号に基づき、被測定物３に直線上の光があたるように、被測定物３に直線状のスリット光（ライン状の光）を照射する。
光検出部２２は、光照射部２１からの照射光により被測定物３の表面に形成される光切断線の像を撮像する。ここで、光切断線の像は、被測定物３の断面形状に応じて光切断線の像の各点の位置が異なる位置に形成される。そして、光検出部２２は、被測定物３の表面に形成される陰影パターンを撮像し、撮像した画像情報を制御装置４の座標算出部５３に供給する。また、光検出部２２は、シャインプルーフ光学系を有している。図５を図示しながら説明すると、光照射部２１からライン光の照射方向をＬ１としたときに、光検出部２２の撮像面は、Ｌ１とスリット光の長手方向とを含む面と共役な関係となっている。
【００２９】
制御装置４は、演算処理部４１と、入力装置４２と、モニタ４４とを備えている。入力装置４２は、ユーザが各種指示情報を入力するキーボードなどを備える。
入力装置４２は、入力された指示情報を検出し、検出した指示情報を記憶部５５に記憶させるものである。また、モニタ４４は、データ出力部５７から供給された測定データ（全測定ポイントの座標値）等を受け取るものである。モニタ４４は、受け取った測定データ（全測定ポイントの座標値）等を表示することができる。また、モニタ４４は、計測画面、指示画面等を表示することもできる。
【００３０】
演算処理部４１は、形状測定装置１００における被測定物３の形状を測定する処理の制御を行い、被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３の三次元形状を求める演算処理を行うものである。また、演算処理部４１は、座標検出部５１、座標算出部５３、駆動制御部５４、記憶部５５、測定制御部５６、及びデータ出力部５７を備えている。
【００３１】
座標検出部５１は、回転位置検出部１５及びヘッド位置検出部１６から出力される６軸座標信号によって、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の姿勢を検知する。
ここで、６軸座標信号とは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸、及び第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、第３回転軸１３３の３軸の座標を示す信号である。
【００３２】
つまり、座標検出部５１は、ヘッド位置検出部１６から出力される直交３軸の座標信号によって、光切断プローブ２の位置、すなわち水平方向における観察位置（光軸中心位置）と上下方向における観察位置とを検知できるようになっている。また、座標検出部５１は、回転位置検出部１５から出力される回転位置を示す信号によって、光切断プローブ２の姿勢を検知できるようになっている。
【００３３】
座標検出部５１は、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の姿勢を示す情報として、６軸の座標情報を座標算出部５３に供給する。
また、座標検出部５１は、光切断プローブ２の６軸の座標情報に基づいて、光切断プローブ２の移動経路、移動速度などを検出する。
【００３４】
座標算出部５３は、光検出部２２の第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々が撮像した画像情報を受け取る。座標算出部５３は、受け取った画像情報について所定の評価を行う評価部５３ａと、該評価部５３ａの評価結果に基づき画像情報に対して処理の処理を行う処理部５３ｂとを含んでいる。なお、評価部５３ａ及び処理部５３ｂの詳細については後述する。
【００３５】
座標算出部５３は、座標検出部５１から供給された光切断プローブ２の６軸の座標情報を受け取る。座標算出部５３は、受け取った光切断プローブ２の６軸の座標情報から、光切断プローブ２に固定された光照射部２１の座標と、光検出部２２の座標とを算出する。なお、光照射部２１は、光切断プローブ２に固定されているので、光照射部２１の照射角度は、光切断プローブ２に対して固定である。また、光検出部２２も光切断プローブ２に固定されているので、光検出部２２の撮像角度は、光切断プローブ２に対して固定である。
【００３６】
座標算出部５３は、照射した光が被測定物３にあたった点を、撮像された画像の画素毎に、三角測量を用いて算出する。ここで、照射した光が被測定物３にあたった点の座標は、光照射部２１の座標から光照射部２１の照射角度で描画される直線と、光検出部２２の座標から光検出部２２の撮像角度で描画される直線（光軸）とが交わる点の座標である。
なお、上記の撮像された画像は、測定位置に配置された光切断プローブ２によって検出された画像を示す。
このような構成に基づき、形状測定装置１００は被測定物３に照射されるスリット光を所定の方向に走査させることにより、光が照射された位置の座標を算出することができる。つまり、被測定物３の表面形状を求めることができる。座標算出部５３は、被測定物３の形状をライン光のパターンが撮影された位置に基づいて、ライン光が照射された位置の情報である点群データとして検出するようになっている。なお、座標算出部５３における被測定物３の形状を検出方法の詳細については後述する。
【００３７】
駆動制御部５４は、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に駆動信号を出力して、駆動部１１を移動させる制御を行うためのものである。
【００３８】
記憶部５５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリであり、入力装置４２から供給された各種指示情報を測定条件テーブルとして記憶する。ここで、測定条件テーブルには、測定条件や測定の終了条件、被測定物３の測定開始点（最初の測定ポイント）の座標値、等、測定開始位置での測定目標方向、各測定ポイントの間隔（例えば、一定間隔の測定ピッチ）、各測定ポイントで測定するときに回転機構１３の設定角度情報を示すデータなどの項目が含まれる。
また、記憶部５５は、座標算出部５３から供給された被測定物表面の三次元座標値である点群データを測定データとして記憶する。また、記憶部５５は、座標検出部５１から供給された各測定ポイントの座標値データ（６軸の座標情報）を経路情報として記憶する。また、記憶部５５は、設計データ（ＣＡＤデータ）を記憶する。
【００３９】
また、測定制御部５６は、記憶部５５から読み出した測定終了条件に基づいて、被測定物３の形状の検出を終了させるものである。なお、測定終了条件の詳細は後述する。
【００４０】
データ出力部５７は、記憶部５５から測定データ（全測定ポイントの座標値）等を読み出す。データ出力部５７は、その測定データ（全測定ポイントの座標値）等をモニタ４４に供給する。また、データ出力部５７は、測定データ（全測定ポイントの座標値）等をプリンタ（不図示）へ出力する。
【００４１】
次に、図４から図９を参照して、形状測定装置１００が被測定物３をスキャン（相対移動）し形状データを作成するまでの手順を説明する。
図４は、本実施形態形における形状測定装置１００の測定手順を示す図である。
この図において、まず、測定オブジェクトである被測定物３が、ユーザによって測定台に設置される（ステップＳ１０１）。つまり、被測定物３は、形状測定装置１００の定盤１８上における稼動範囲の測定有効空間に設置される。
【００４２】
次に、ユーザが、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を測定開始位置に移動させる（ステップＳ１０２）。つまり、光切断プローブ２が、測定開始位置に移動させられる。すなわち、光切断プローブ２から照射される光切断線（ライン光）が被測定物３の測定開始位置に照射されるように、例えば、移動ツマミ（入力装置４２の一部）を用いて６軸座標を調整され、駆動制御部５４は、移動ツマミからの操作信号に基づいて、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を移動及び回転させる。そして、駆動制御部５４は、移動ツマミからの操作信号に基づいて、登録位置として設定された駆動部１１の測定開始位置を記憶部５５に記憶させる。これにより、形状測定装置１００は、測定開始位置が設定される。
【００４３】
ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を測定開始位置に移動させる場合、光切断線は、光切断プローブ２内の光検出部２２によりモニタされ、画像中心位置に撮像されるように微調整されてもよい。
なお、光切断プローブ２は、形状測定装置１００に取り付け前に単体校正が実施され、ライン光が計測カメラの中心位置にある場合が、ワーキングディスタンスの中心となるように予め校正されている。
【００４４】
次に、光切断線の照射方向（測定目標方向）が、ユーザによって指定される（ステップＳ１０３）。つまり、ユーザによって、第３回転軸１３３を移動ツマミにより光切断線の長手方向を被測定物３の形状に応じて調整される。同時に、光切断線の照射方向も被測定物３の測定位置の面の方向に応じて調整される。この場合、スキャン方向は、光切断線の長手方向と垂直な方向となる。ここで、駆動制御部５４は、移動ツマミからの操作信号に基づいて、回転機構１３の第３回転軸１３３を回転させるとともに、登録位置として設定された測定開始位置での測定目標方向を記憶部５５に記憶させる。
【００４５】
次に、形状測定装置１００では、測定データ取得距離、又は測定終了条件が、ユーザによって指定される（ステップＳ１０４）。つまり、入力装置４２により、どこからどこまでを測定領域とするかを指定する測定データ取得範囲、又は測定終了条件が指定され、入力装置４２は、指定された測定データ取得距離、又は測定終了条件を記憶部５５に記憶させる。
【００４６】
本実施形態では、自動追従動作を終了させる測定終了条件として、以下に示す条件の設定が可能である。なお、測定制御部５６は、指定された測定終了条件に到達するまで、光切断プローブ２の位置及び姿勢（上述の相対位置）を変更させて、座標算出部５３から点群の位置情報を繰り返し出力させる。
【００４７】
（１）測定距離によって測定を終了する。
この場合、形状測定装置１００では、例えば、ｍｍ（ミリメートル）単位によって、被測定物３の測定開始位置から測定を行う距離が指定される。また、その距離の指定においては、頻繁に利用する距離を予めメニュー化しておいて、そのメニューの内から指定する方式でもよい。
また、この測定終了条件が指定された場合に、測定制御部５６は、光切断プローブ２の位置が被測定物３の測定開始位置から上述の指定された距離以上離れた位置になった場合に被測定物３の形状の測定を終了させる。
【００４８】
（２）同一位置点群の検出によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、座標算出部５３によって出力された点群データが、既に取得済みのデータと一致（同一位置点群）、又は近距離で重なる場合に、形状測定装置１００は、測定を終了する。すなわち、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて、座標算出部５３に点群データを繰り返し検出させ、新しく検出された点群データ（点群の位置情報）が、既に検出された点群データの値を含む予め定められた範囲内である場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。例えば、球面を連続的に測定（スキャン）し、３６０度測定の結果、近距離の点群が重なる場合に、測定制御部５６は、被測定物３の形状の測定を終了させる。
【００４９】
（３）法線角度の範囲によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、形状測定装置１００は、後述する法線ベクトルの向きが予め定められた範囲内にあるかをモニタし、法線ベクトルの向きがこの範囲から外れた場合に測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、法線ベクトルの向きが予め定められた範囲内にあるかをモニタし、後述する法線ベクトルの向きが、予め定められた範囲外である場合に、被測定物３の形状の測定を終了させる。
【００５０】
（４）空間座標範囲によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、形状測定装置１００は、後述する絶対座標の指定された範囲内に到達した場合に、測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて座標算出部５３から出力された点群データが、絶対座標の指定された範囲内に到達した場合に、被測定物３の形状の測定を終了させる。
このように、形状測定装置１００では、以上の（１）から（４）の測定終了条件を単体、及び組み合わせ条件として指定する。
【００５１】
次に、形状測定装置１００では、被測定物３の表面のデータ測定ピッチがユーザによって指定される（ステップＳ１０５）。つまり、入力装置４２を用いて、測定ピッチ（スキャンピッチ）が指定され、入力装置４２は、指定された測定ピッチを記憶部５５に記憶させる。また、このときに各測定位置のうち、少なくとも複数の位置について、それぞれ光切断線の照射方向（測定目標方向）を設定する。
【００５２】
以上により、形状測定装置１００において、被測定物３の形状を測定するための設定が完了する。
【００５３】
次に、形状測定装置１００は、被測定物３の形状の測定を開始する（ステップＳ１０６）。つまり、測定制御部５６は、上述で設定された測定条件テーブルを記憶部５５から読み出して、測定条件テーブルに基づいて被測定物３の形状の測定を開始する。形状測定装置１００は、以下のように、光切断プローブ２の位置及び姿勢（上述の相対位置）を変更させて、その都度、光検出部２２から画像データを座標算出部５３に出力する。座標測定部は、光検出部２２からの画像データを受けるたびに、点群データを出力させる。
【００５４】
被測定物３の形状測定を開始した後、形状測定装置１００は、測定終了条件に達したかを判定する（ステップＳ１０７）。つまり、測定制御部５６は、ステップＳ１０４の処理において指定された測定終了条件に達したか否かを判定する。測定制御部５６は、測定終了条件に達したと判定した場合に、ステップＳ１１０に処理を進める。また、測定制御部５６は、測定終了条件に達していないと判定した場合に、ステップＳ１０８に処理を進める。
【００５５】
ステップＳ１０８においては、形状測定装置１００は、６軸の現座標情報、光切断の画像を取得する。つまり、測定制御部５６は、測定条件テーブルに基づいて測定開始位置に光切断プローブ２の位置を移動及び姿勢を変更させる。そして、測定制御部５６は、座標検出部５１に６軸の現座標情報を検出させるとともに光検出部２２に光切断の画像を取得させる。
なお、光検出部２２によって光切断プローブ２の画像を取得されるのと同期して、座標検出部５１は、位置検出部１２が検出した移動後の（現在の）６軸の座標情報をラッチし、座標算出部５３に供給する。また、光検出部２２によって取得された画像は座標算出部５３に供給される。
【００５６】
次に、形状測定装置１００は、６軸の座標情報と光検出部２２で取得された画像データ内から、光切断線の像の短手方向で検出できる輝度ピーク位置を求め、その輝度ピーク位置からライン光の中心位置を求める。ライン光の長手方向のそれぞれの位置から、ライン光の中心位置を求めることで、光検出部２２で取得された１画像分の点群データを生成する（ステップＳ１０９）。つまり、座標算出部５３は、座標検出部５１から供給された６軸の座標情報と、光検出部２２によって取得された画像データとに基づいて、１画像分の点群データを生成する。座標算出部５３は、生成した点群データを記憶部５５に記憶させる。
【００５７】
座標算出部５３は、点群データを生成する際に、後述するプローブ座標から後述する絶対座標に変換するようにしている。以下、座標算出部５３が、プローブ座標から絶対座標に変換して、点群データを生成する一例を説明する。
【００５８】
（プローブ座標系について）
まず、本実施形態におけるプローブ座標系について説明する。
図５は、本実施形態形におけるプローブ座標系を示すベクトル関連図である。なお、本説明においては、第１撮像素子２２ａのプローブ座標系を例に挙げて説明するが、第２撮像素子２２ｂのプローブ座標系についても同様のことが言えるものとする。図６において、プローブ座標系は、第１撮像素子２２ａ単体において、照明光軸Ｌ１と撮像光軸Ｌ２が交わる点を原点とし、光照射部２１の方向をＺ軸のプラス方向、Ｚ軸と直交する紙面右に向かう方向をＸ軸のプラス方向、紙面奥に向かう方向をＹ軸のプラス方向として示される。本実施形態では、第１撮像素子２２ａは、上述のように１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるので、ライン光の長手方向を垂直方向として撮像する。そのため、座標算出部５３は、最大輝度位置の検出を水平方向（ライン光の短手方向）に行うことにより、最大１０２４個のピーク位置を検出することが可能となる。
【００５９】
これにより、予め第１撮像素子２２ａ単体の校正がされた状態では、座標算出部５３は、撮像された画像内の精密な水平画素位置から、校正データを基にした補正演算により、光切断面内のプローブ座標系での３次元座標を生成することが可能である。
なお、本実施形態において、第１撮像素子２２ａ単体校正が完了しているものとし、補正演算内容の詳細に関しては、説明を省略する。
【００６０】
（絶対座標系について）
次に、本実施形態における絶対座標系について説明する。
絶対座標系は、例えば、図１に示した形状測定装置１００の定盤１８上における左手前を原点としてＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向での測定空間内の３次元位置を示す座標系である。なお、座標算出部５３は、生成する点群データをこの絶対座標系の位置情報（座標情報）として生成する。本実施形態に係る光検出部２２は、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂが異なる位置に取り付けられているため、各々についてプローブ座標系が設定されている。そのため、それぞれのプローブ座標系を絶対座標系に統一することで共通化する必要がある。
【００６１】
（プローブ座標系から絶対座標系への変換）
次に、座標算出部５３における、プローブ座標系から絶対座標系に変換して、点群データを生成する処理について説明する。座標算出部５３は、プローブ座標系として生成された点群座標に６軸の座標情報を加味した演算を行い、絶対座標系に変換する。
ここで、プローブ座標系によって示される点の３次元座標を式（１）として示す。
【００６２】
【数１】
【００６３】
図６は、本実施形態形における回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。
この図において、第１回転軸１３１及び第２回転軸１３２の回転中心をポイントＣ１とし、第３回転軸１３３の回転中心（プローブ座標原点でもある）をポイントＣ２として示す。また、光切断プローブ２によって画像が取得される際の第１回転軸１３１の角度を角度ａとし、第２回転軸１３２の角度を角度ｂとし、第３回転軸１３３の角度を角度ｃとして示す。ここで、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３の各回転軸に対応する回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂ、及びＭｃとすると、絶対座標への変換は、式（２）として示される。
【００６４】
【数２】
【００６５】
ここで、Ｏ（オー）は、第１回転軸１３１及び第２回転軸１３２の回転中心における絶対座標を示すベクトルであり、座標検出部５１が検出した形状測定装置１００のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の座標情報と一致させるように校正されている。
また、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合の第１回転軸１３１及び第２回転軸１３２の回転中心を基点として、第３回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示す。ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（３）として示される。
【００６６】
【数３】
【００６７】
式（３）として示される演算処理により、座標算出部５３は、ベクトルＬの先端、即ち、プローブ座標系の原点ポイントＣ２を、絶対座標系に変換することができる。つまり、座標算出部５３は、光切断プローブ２によって検出された被測定物３の表面の位置情報（点群データ）を絶対座標系に変換することができることを示している。
【００６８】
ここで、光検出部２２から座標算出部５３へ供給される画像データ（撮像信号）の一例について説明する。図７は撮像素子で撮影した画像データの輝度分布形状を示す概念図であり、例えば第１撮像素子２２ａが撮像した画像情報に対応する。なお、図７のＬ１は第１撮像素子２２ａで撮像されたライン光の長手方向に対応する。また、図７のＬ２は第１撮像素子２２ａにおけるライン光の短手方向に対応する。また、図７のＬ３は第１撮像素子２２ａの画素が検出した画素データの輝度の大きさを示すものである。以下の説明では、図７に示す画素データをＬ２の方向に沿って、輝度分布を示した線をラインプロファイルと呼ぶことにする。なお、このラインプロファイルは、各画素の画素値を基に、Ｌ２の方向に沿って補間計算を行って、画素と画素の間の輝度値を補間している。
【００６９】
本実施形態では被測定物３上にレーザー光からなるライン光を照射している。一般にレーザー光は光の断面強度分布がガウシアン分布を有するので、図７に示すように第１撮像素子２２ａにおける各ラインプロファイルも同様にガウシアン分布を有したものとなる。本実施形態では、第１撮像素子２２ａが上述のようにライン光の長さ方向における各位置毎にライン光の像の短手方向の光量分布プロファイルを検出する。すなわち、被測定面が平面の場合だと、上記Ｌ１方向に沿ってライン光の像の長さ方向が一致するので、その長さに直交する方向に撮像素子の画素が１０２４列有しているときには、１つのライン光に対して１０２４本のラインプロファイルを検出可能となっている。なお、第２撮像素子２２ｂは第１撮像素子２２ａと同一の構成を有していることから、第１撮像素子２２ａと同様に１０２４本のライン光の像の短手方向の光量分布であるラインプロファイルを検出可能となっている。
【００７０】
ところで、光検出部２２が撮像する画像を構成する被測定物３からの散乱光は、その物面の法線方向と光検出部２２（第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂ）の撮像光軸方向とがなす角度に依存してその強度分布が変化する。そのため、上記法線角度の変化によって光検出部２２が取得するラインプロファイルの形状が変形してしまう。このような変形が生じたラインプロファイルが示すピークの輝度値は信頼性が低いものとなってしまう。
【００７１】
そこで、本実施形態に係る座標算出部５３は、評価部５３ａが光検出部２２の撮像結果、すなわち第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂが取得した画像データからラインプロファイルについて評価するようにしている。また、座標算出部５３は、処理部５３ｂが上記評価結果に基づき光検出部２２の撮像結果に対して後述する所定処理を行うことで被測定物３の位置情報を算出するようにしている。
【００７２】
評価部５３ａは、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのそれぞれが取得した全てのラインプロファイルについて評価を行う。なお、評価部５３ａの評価項目としては、以下に示すものがある。
【００７３】
（１）測定面の法線方向に対する光検出部２２の撮像光軸のなす角度についての評価。
図８は被測定物３の法線方向に対する光検出部２２の撮像光軸のなす角度がラインプロファイルに及ぼす影響を示した図である。図８（ａ）は、撮像光軸と被測定物３の測定面の法線とがなす角度が略９０°の場合における光検出部２２が撮像したラインプロファイルの幅をＷ１と規定するものである。また、図８（ｂ）は、撮像光軸と測定面の法線とがなす角度が６０°の場合における光検出部２２が撮像したラインプロファイルの幅をＷ２と規定するものである。図８（ｃ）は、撮像光軸と測定面の法線とがなす角度が３０°の場合における光検出部２２が撮像したラインプロファイルの幅をＷ３と規定するものである。
【００７４】
光検出部２２に対する測定面の傾き、すなわち法線角度θは、ラインプロファイルの幅をＷとした場合、θ＝ａｃｏｓ（Ｗ／Ｗ１）の式で表すことができる。なお、前記式におけるＷは、ラインプロファイルの幅である。評価部５３ａはラインプロファイルの幅Ｗの値に基づいて被測定物３の測定面の法線角度を評価し、推定することができる。評価部５３ａは法線角度が所定の閾値から大きく外れる場合、そのラインプロファイルについては信頼性が低いデータであると評価することができる。
【００７５】
（２）ラインプロファイルの幅高さ比についての評価。
評価部５３ａは、図９に示すようにラインプロファイルについて所定輝度となる幅Ｗ及び高さＨの比、すなわち一定の閾値で規定されるラインプロファイルの幅Ｗが一定幅以上か否かについて評価する。
【００７６】
被測定物３の法線方向に対する光検出部２２の撮像光軸のなす角度が大き過ぎると、ラインプロファイルが幅方向に押しつぶされた形状となるため、幅Ｗが狭くなるとともに高さＨが高くなり、ラインプロファイルの幅高さ比が変化する。したがって、評価部５３ａはラインプロファイルの幅高さ比が所定値から外れる場合には、そのラインプロファイルは信頼性が低いデータであると評価することができる。
【００７７】
（３）ラインプロファイルの非対象性についての評価。
評価部５３ａは、図１０に示すようにラインプロファイルの最大輝度位置を中心とし、その左右に関して、所定輝度値を示すラインとラインプロファイルとで構成される領域Ａ，Ｂの各面積（積分値）を比較し、その比率が一定値を超えた場合、そのラインプロファイルは信頼性評価値が低いものであると評価することができる。上記比率が一定値を超えた場合とは、中心に対するラインプロファイルの左右の歪みが大きいことを意味する。これは、ラインプロファイルは本来ガウシアン分布を有するため、最大輝度位置を中心とし、その左右の面積が略等しくなるものの、左右の面積が異なっている（ラインプロファイルが歪んでいる）ということは、そのラインプロファイルがデータとして信頼性が低いといえるからである。したがって、評価部５３ａはラインプロファイルの非対象性が所定の範囲よりも大きい場合には、そのラインプロファイルは信頼性が低いデータであると評価することができる。
【００７８】
（４）ラインプロファイルの周波数成分についての評価。
評価部５３ａはラインプロファイルについてフーリエ変換を行い、周波数成分を求め、特定周波数以上、或いは以下の周波数成分が含まれている場合、そのラインプロファイルは信頼性評価値が低いものであると評価することができる。ここで、特定周波数以上の場合とはラインプロファイルがノイズ成分を多く含むデータを意味し、特定周波数以下の場合とはラインプロファイルのピーク、すなわち最大輝度が低いデータを意味する。
【００７９】
このように本実施形態においては、評価部５３ａが上述した（１）〜（４）のすくなくともいずれかについて行う。
【００８０】
具体的に評価部５３ａは、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々が取得したラインプロファイルのうち、被測定物３の同一位置におけるラインプロファイル同士を比較する。そして、評価部５３ａは被測定物３の同一位置において、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのうち、いずれのデータ（ラインプロファイル）が高信頼性であるか否かについて評価を行い、その評価結果を記憶部５５に記憶する。
【００８１】
処理部５３ｂは、記憶部５５に記憶された評価結果に基づいて、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのいずれか一方から選択したラインプロファイルに基づき、信頼性の高いデータのみを合成することで三次元座標値の点群データを算出する。そして、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物３の３次元形状を算出することができる。
【００８２】
次に、形状測定装置１００は、ステップＳ１０７において、測定終了条件に達するまで、上述のステップＳ１０８、Ｓ１０９を繰り返し処理させる。形状測定装置１００は、測定終了条件に達するとステップＳ１１０に進む。
形状測定装置１００は、ステップＳ１１０において点群データを記憶部５５にセーブする（記憶させる）。
【００８３】
以上のように、本実施形態による形状測定装置１００によれば、異なる位置に取り付けられた第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々が取得したラインプロファイルについて評価部５３ａが評価を行った結果に基づき、処理部５３ｂが第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのいずれか一方のうち信頼性の高いラインプロファイルを選択する座標算出部５３を備える。これにより、信頼性の高いラインプロファイルのみに基づいて被測定物３の３次元形状を算出できるので、被測定物３の形状を高精度で測定することができる。
【００８４】
（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、座標算出部５３の評価部５３ａが第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂで撮影された画像データから、ライン光の像の短手方向の光量分布であるラインプロファイルごとに信頼性評価値を設定し、処理部５３ｂが信頼性評価値を重み付けに利用して被測定物３の３次元形状を算出する点である。信頼性評価値とは、ラインプロファイルにおけるデータとしての信頼性を示す指標であり、信頼性評価値が低い場合は無効なデータを示し、信頼性評価値が高い場合は有効なデータであることを示すものである。なお、以下では座標算出部５３による形状算出方法について説明し、第１実施形態と共通であるその他の構成及び工程の説明については省略する。
【００８５】
評価部５３ａは、第１実施形態に示した項目について評価を行う。
評価部５３ａは、例えば法線角度が所定の閾値から大きく外れるラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。また、評価部５３ａは、幅高さ比が所定の範囲から大きく外れるラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。また、評価部５３ａは、対象性が低い、すなわち大きく歪んだラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。また、周波数成分が所定範囲から大きく外れたラインプロファイルについては信頼性評価値が低いものとする。
【００８６】
処理部５３ｂは、記憶部５５に記憶された信頼性評価値に基づいて、被測定物３における同一位置における第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各ラインプロファイルに対し、重み付けをして合成することで三次元座標値の点群データを算出する。
【００８７】
処理部５３ｂは、第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの任意の画素列における各ラインプロファイルに対し、上記信頼性評価値に基づく重み付けを行う。
図１１は処理部５３ｂによる重み付け処理を概念的に説明するための図である。図１１においてＰ１は所定位置における第１撮像素子２２ａのラインプロファイルを示し、Ｐ２は所定位置における第２撮像素子２２ｂのラインプロファイルを示すものである。
【００８８】
本説明では評価部５３ａが評価したラインプロファイルの非対称性に関する信頼性評価値に基づき、処理部５３ｂが重み付けをおこなう場合を例に説明する。処理部５３ｂは、図１１に示すように、非対称性が大きく信頼性評価値が低い（相対的に信頼性が低い）第１撮像素子２２ａにおける重み付けを０．３とし、非対称性が低く信頼性評価値が高い（相対的に信頼性が高い）第２撮像素子２２ｂにおける重み付けを０．７に設定する。
【００８９】
このように処理部５３ｂは第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂのうち信頼性の高い方のデータを重視した上で被測定物３の各測定位置におけるラインプロファイルを合成することができるので、三次元座標値の点群データを算出できる。そして、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物の３次元形状を算出する。
【００９０】
本実施形態によれば、評価部５３ａがラインプロファイルについて信頼性評価値を算出し、処理部５３ｂが信頼性評価値を重み付けに利用するので、信頼性の高い点群データを得ることができる。したがって、被測定物３の３次元形状を精度良く算出することができる。
【００９１】
（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態と第１実施形態との違いは、座標算出部５３の処理部５３ｂが絶対座標系に変換した三次元座標値の点群データを合成方法である。なお、以下では処理部５３ｂによる点群データの合成方法を主体に説明し、第１実施形態と共通であるその他の構成及び工程の説明については省略する。
【００９２】
絶対座標系に変換後の三次元座標値の点群データは、光検出部２２（第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂ）の取付誤差、光学系の誤差（レンズ歪み等）によって僅かながら位置がずれた状態となっている。これに対し、本実施形態に係る処理部５３ｂは、上記位置ズレを考慮した上で画素データの合成を行うようにしている。
【００９３】
本実施形態における処理部５３ｂの点群データの合成方法を概念的に説明する。図１２は絶対座標系に変換された三次元座標値の点群データを示す図である。図１２では絶対座標系のＹＺ平面におけるラインプロファイルを示し、Ｘ方向が輝度を示している。
【００９４】
上記位置ズレが生じた場合、図１２に示される処理部５３ｂにより選択された第１撮像素子２２ａ及び第２撮像素子２２ｂの各々のラインプロファイルＰ１，Ｐ２がそれぞれずれた位置に変換されたものとなっている。
【００９５】
本実施形態に係る処理部５３ｂは、図１２に示すようにライン光の幅方向（短辺方向）に長辺を有する矩形状の領域Ａを設定し、該領域Ａ内に存在する複数のラインプロファイルの中から輝度のピーク値を算出し、この領域Ａのピーク輝度値を合成する処理を行う。なお、領域Ａ内においてラインプロファイルを構成する各点の場所と輝度とを重み付けすることでピーク輝度値を算出するようにしても構わない。
【００９６】
処理部５３ｂは上記領域Ａを同図のＹ方向に沿って順次移動させつつ、各領域Ａ内に存在する複数のラインプロファイルＰ１，Ｐ２の中から輝度のピーク値を算出することでライン光の長さ方向に沿って全ての点群データを合成する。そして、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物３の３次元形状を算出することができる。
【００９７】
本実施形態によれば、処理部５３ｂが上記領域Ａを設定することで局所的に点群データを合成するため、第１実施形態に比べて光検出部２２に起因した誤差が考慮された信頼性の高い点群データを算出することができる。したがって、被測定物３の３次元形状を精度良く算出することができる。
【００９８】
（第４実施形態）
続いて、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態と上記第１乃至第３実施形態との違いは、光検出部が撮像素子を１つだけ備える点である。なお、以下では光検出部の構成を主体に説明し、上記実施形態と共通であるその他の構成及び工程の説明については省略する。
【００９９】
図１３は本実施形態における光検出部１２２の概略構成を示す図である。
図１３に示すように光検出部１２２としては、撮像素子１２２ａを１つのみ備えている。撮像素子１２２ａは、例えば１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるものである。光検出部１２２は、駆動部１１を駆動させてライン光が所定間隔走査される毎に被測定物３を撮像素子１２２ａが撮像するようになっている。
【０１００】
座標算出部５３は、光検出部１２２の撮像素子１２２ａが撮像した画像情報を受け取る。また、座標算出部５３は、座標検出部５１から供給された光切断プローブ２の６軸の座標情報を受け取る。座標算出部５３は、受け取った光切断プローブ２の６軸の座標情報から、光切断プローブ２に固定された光照射部２１の座標と、光検出部１２２の座標とを算出する。
【０１０１】
本実施形態においても、撮像素子１２２ａは、上述のように１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラから構成されるので、ライン光の長手方向を垂直方向として撮像する。そのため、座標算出部５３は、最大輝度位置の検出を水平方向（ライン光の短手方向）に行うことにより、最大１０２４個のピーク位置を検出することが可能となっている。
【０１０２】
これにより、撮像素子１２２ａ単体の校正がされた状態では、座標算出部５３は、撮像された画像内の精密な水平画素位置から、校正データを基にした補正演算により、光切断面内のプローブ座標系での３次元座標を生成することが可能である。なお、本実施形態において、撮像素子１２２ａ単体校正が完了しているものとし、補正演算内容の詳細に関しては、説明を省略する。
【０１０３】
座標算出部５３は、点群データを生成する際に、上述したようにプローブ座標から絶対座標に変換する。
【０１０４】
本実施形態に係る評価部５３ａは光検出部１２２の撮像結果、すなわち撮像素子１２２ａが取得したラインプロファイルについて評価している。また、処理部５３ｂは、該評価結果に基づき光検出部１２２の撮像結果に対して所定の処理を行うことで被測定物３の位置情報を算出するようにしている。
【０１０５】
本実施形態において評価部５３ａが行う評価としては、上記第１実施形態で示した（１）〜（４）のものが挙げられる。具体的に、評価部５３ａは、撮像素子１２２ａが撮像して取得したラインプロファイルの各々について評価（法線角度、幅高さ比、非対称性、周波数等）を行う。そして、評価結果（すなわちラインプロファイルが信頼性の高いデータであるか否かについての結果）を記憶部５５へと送信する。
【０１０６】
処理部５３ｂは、記憶部５５に記憶された評価結果に基づいて、撮像素子１２２ａのラインプロファイルのうち信頼性の低いものについては除外した上で三次元座標値の点群データを算出する。従って、処理部５３ｂは三角測量を用いることで被測定物３の３次元形状を高精度で算出することができる。
このように本発明は、撮像素子１２２ａを１つのみ備えた光検出部１２２を含む形状測定装置においてもライン光の測定プロファイルを評価することで被測定物３の３次元形状を精度良く測定できる。
【０１０７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態として、上述した第１〜第４実施形態のいずれかの形状測定装置１００を備えた構造物製造システムについて説明する。
図１４は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。構造物製造システム２００は、上述した形状測定装置１００と、設計装置１１０と、成形装置１２０と、制御装置（検査装置）１３０と、リペア装置１４０とを備える。
【０１０８】
設計装置１１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置１２０に送信する。また、設計装置１１０は、作成した設計情報を制御装置１５０の後述する座標記憶部１５１に記憶させる。ここで、設計情報とは、構造物の各位置の座標を示す情報である。
成形装置１２０は、設計装置１１０から入力された設計情報に基づいて上記構造物を作製する。成形装置１２０の成形工程には、鋳造、鍛造、または切削等が含まれる。
形状測定装置１００は、作製された構造物（被測定物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置１５０へ送信する。
【０１０９】
制御装置１５０は、座標記憶部１５１と、検査部１５２とを備える。座標記憶部１５１には、前述の通り、設計装置１１０により設計情報が記憶される。検査部１５２は、座標記憶部１５１から設計情報を読み出す。検査部１５２は、形状測定装置１００から受信した座標を示す情報（形状情報）と座標記憶部１５１から読み出した設計情報とを比較する。
【０１１０】
検査部１５２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部１５２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。
検査部１５２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合、修復可能であるか否か判定する。修復できる場合、検査部１５２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出し、リペア装置１４０に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。
【０１１１】
リペア装置１４０は、制御装置１５０から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。
【０１１２】
図１５は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。まず、設計装置１１０が、構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ２０１）。次に、成形装置１２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ２０２）。次に、形状測定装置１００は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ２０３）。次に、制御装置１５０の検査部１５２は、形状測定装置１００で得られた形状情報と、上記設計情報とを比較することにより、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ２０４）。
【０１１３】
次に、制御装置１５０の検査部１５２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。作成された構造物が良品である場合（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。一方、作成された構造物が良品でない場合（ステップＳ２０５；ＮＯ）、制御装置１５０の検査部１５２は、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ２０６）。
【０１１４】
作成された構造物が修復できると検査部１５２が判断した場合（ステップＳ２０６；ＹＥＳ）、リペア装置１４０は、構造物の再加工を実施し（ステップＳ２０７）、ステップＳ１０３の処理に戻る。一方、作成された構造物が修復できないと検査部１５２が判断した場合（ステップＳ２０６；ＮＯ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。以上で、本フローチャートの処理を終了する。
【０１１５】
以上により、上記の実施形態における形状測定装置１００が構造物の座標（３次元形状）を正確に測定することができるので、構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。
【０１１６】
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、被測定物に対してライン状のパターン光を照射し、被測定物に照射されたパターン光による散乱光を受光することで光切断法を用いて被測定物の３次元形状を検出する場合を例として説明した。本発明は被測定物の表面に照射されたときにスポット状のパターンとなる光束を照射し、被測定物に照射された光束による散乱光を照射方向と異なる角度から受光する構成についても適用可能である。なお、ここでいうスポット状の光とは、被測定物３の表面に照射された光の形状が円形状のもののみに限られず、長辺及び短辺を有する島状のものを含んでいる。
【０１１７】
スポット状のパターン（以下、スポット光という）は、ＣＭＯＳセンサ２５１上にスポット状のパターンの像（以下、スポット光像という）として結像され、ＣＭＯＳセンサ２５１は、ＣＭＯＳセンサ２５１上におけるスポット光像の位置を検出する。形状測定装置１００は、光束を走査して被測定物３の表面に照射し、各スポット光像の位置を検出する。そして、この形状測定装置１００は、検出したスポット光像の位置に三角測量の原理等を用いて被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３表面の三次元形状を求める。なお、光切断法を用いる場合には、スポット光を走査して各スポット状のパターンを一方向に短周期的に走査することで、あたかもライン状のパターンが被測定物に投影されたのと等価になるように、照射する。このように一方向に短周期的に走査された光束を順次、その一方向とは垂直な方向に被測定物を移動させることで、被測定物の測定領域全域に渡って、スポット状のパターンが投影される。
【０１１８】
本発明はスポット光を用いた光切断法において、被測定物を移動させる方向における各スポット光のラインプロファイルについて上述したような評価を行うことができる。このようにすれば、信頼性の低いスポット光のデータを除外することで被測定物の三次元形状を精度良く算出できる。
【０１１９】
また、上記実施形態においては、被測定物における測定面の全域に対してパターン光を走査することで３次元形状を測定する場合について説明したが、本発明は被測定物の測定面の一箇所に対してパターン光を照射することで被測定物の任意の位置における断面形状、すなわち２次元形状を測定する場合について適用することができる。この構成によれば、信頼性の低い測定点のデータが除去されるため、被測定物の断面形状（二次元形状）を精度良く算出できる。
【０１２０】
上記の実施形態において、第１回転軸１３１、第２回転軸１３２、及び第３回転軸１３３を備えた回転機構１３を用いて、光切断プローブ２の向きを変更する形態を説明したが、被測定物３を固定するテーブルを回転させる形態であっても構わない。
【符号の説明】
【０１２１】
３…被測定物、２１…光照射部、２２…光検出部、２２ａ…第１撮像素子、２２ｂ…第２撮像素子、５３ａ…評価部、５３ｂ…処理部、１００…形状測定装置、１２２ａ…撮像素子、２００…構造物製造システム、Ａ…領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に所定の光量分布を有するパターン光を形成する照明部と、
前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像素子を含む撮像部と、
前記像の撮像信号を評価する評価部と、
該評価部の該評価結果に基づき前記撮像部の撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理部と、
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記評価部は、前記撮像素子の各画素が撮像した前記パターン光の像の撮像信号のうち、該パターン光の所定方向に対応する前記画素からの撮像信号を用いて前記撮像部が取得した画像データを評価することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記評価部は、前記画像データ中の前記パターン光の像の強度に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記評価部は、前記画像データ中の前記パターン光の像の幅と高さとの比に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２又は３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記評価部は、前記画像データ中の前記パターン光の像における明るさの分布形状の非対称性に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記評価部は、前記画像データの周波数に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記撮像部は前記撮像素子を複数含み、
前記評価部は、前記撮像素子の各々における前記被測定物の同一測定位置での前記画像データを比較し、予め設定される評価基準に基づいて複数の前記画素データから一つのデータを選定することを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記処理部は、選定した前記画像データ中の前記パターン光の像を合成することで前記被測定物の位置情報を算出することを特徴とする請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記撮像部は前記撮像素子を複数含み、
前記評価部は、前記撮像素子の各々における前記被測定物の同一測定位置での前記画像データを比較し、
前記処理部は、前記評価部の比較結果に基づいて前記各撮像素子の前記画像データについて重み付けし、該重み付けに基づいて当該画像データを合成することで前記被測定物の位置情報を算出することを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記処理部は、前記撮像素子の各々の前記画像データから得られた位置情報を絶対座標系に変換し、該絶対座標系において前記位置情報を合成することを特徴とする請求項８又は９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記処理部は、前記絶対座標系内において複数の前記画像データを含む合成領域を順次移動させつつ、前記合成領域の各々において該合成領域に含まれる前記画像データのピーク値を算出することで前記合成を行うことを特徴とする請求項１０に記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記照明部は帯状の前記パターン光を形成し、前記評価部は前記パターン光の短手方向における輝度分布を示す前記画像データを評価することを特徴とする請求項２〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１３】
形状測定装置が実行する形状測定方法であって、
被測定物に照明部から所定の光量分布を有する光を照射することによりパターン光を形成する照射手順と、
前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像手順と、
前記像の撮像信号を評価する評価手順と、
前記評価結果に基づき前記撮像手順による撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理手順と、
を有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１４】
前記評価手順では、撮像素子が撮像した前記パターン光の撮像信号のうち、該パターン光の所定方向に対応する撮像信号を用いて取得される画像データを評価することを特徴とする請求項１３に記載の形状測定方法。
【請求項１５】
構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、
作製された前記構造物の形状を請求項１４に記載の形状測定方法を用いて測定する測定工程と、
前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
を有することを特徴とする構造物の製造方法。
【請求項１６】
前記検査工程の比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を実施するリペア工程を有することを特徴とする請求項１５に記載の構造物の製造方法。
【請求項１７】
前記リペア工程は、前記成形工程を再実行する工程であることを特徴とする請求項１６に記載の構造物の製造方法。
【請求項１８】
構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
作製された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する請求項１から１２のいずれか１項に記載の形状測定装置と、
前記測定によって得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査装置と、
を含む構造物製造システム。
【請求項１】
被測定物に所定の光量分布を有するパターン光を形成する照明部と、
前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像素子を含む撮像部と、
前記像の撮像信号を評価する評価部と、
該評価部の該評価結果に基づき前記撮像部の撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理部と、
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記評価部は、前記撮像素子の各画素が撮像した前記パターン光の像の撮像信号のうち、該パターン光の所定方向に対応する前記画素からの撮像信号を用いて前記撮像部が取得した画像データを評価することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記評価部は、前記画像データ中の前記パターン光の像の強度に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記評価部は、前記画像データ中の前記パターン光の像の幅と高さとの比に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２又は３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記評価部は、前記画像データ中の前記パターン光の像における明るさの分布形状の非対称性に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記評価部は、前記画像データの周波数に基づいて該画像データの信頼性を評価することを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記撮像部は前記撮像素子を複数含み、
前記評価部は、前記撮像素子の各々における前記被測定物の同一測定位置での前記画像データを比較し、予め設定される評価基準に基づいて複数の前記画素データから一つのデータを選定することを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記処理部は、選定した前記画像データ中の前記パターン光の像を合成することで前記被測定物の位置情報を算出することを特徴とする請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記撮像部は前記撮像素子を複数含み、
前記評価部は、前記撮像素子の各々における前記被測定物の同一測定位置での前記画像データを比較し、
前記処理部は、前記評価部の比較結果に基づいて前記各撮像素子の前記画像データについて重み付けし、該重み付けに基づいて当該画像データを合成することで前記被測定物の位置情報を算出することを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記処理部は、前記撮像素子の各々の前記画像データから得られた位置情報を絶対座標系に変換し、該絶対座標系において前記位置情報を合成することを特徴とする請求項８又は９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記処理部は、前記絶対座標系内において複数の前記画像データを含む合成領域を順次移動させつつ、前記合成領域の各々において該合成領域に含まれる前記画像データのピーク値を算出することで前記合成を行うことを特徴とする請求項１０に記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記照明部は帯状の前記パターン光を形成し、前記評価部は前記パターン光の短手方向における輝度分布を示す前記画像データを評価することを特徴とする請求項２〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１３】
形状測定装置が実行する形状測定方法であって、
被測定物に照明部から所定の光量分布を有する光を照射することによりパターン光を形成する照射手順と、
前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記被測定物に照射された前記パターン光の像を撮像する撮像手順と、
前記像の撮像信号を評価する評価手順と、
前記評価結果に基づき前記撮像手順による撮像結果に対して所定の処理を行うことで前記被測定物の位置情報を算出する処理手順と、
を有することを特徴とする形状測定方法。
【請求項１４】
前記評価手順では、撮像素子が撮像した前記パターン光の撮像信号のうち、該パターン光の所定方向に対応する撮像信号を用いて取得される画像データを評価することを特徴とする請求項１３に記載の形状測定方法。
【請求項１５】
構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、
作製された前記構造物の形状を請求項１４に記載の形状測定方法を用いて測定する測定工程と、
前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
を有することを特徴とする構造物の製造方法。
【請求項１６】
前記検査工程の比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を実施するリペア工程を有することを特徴とする請求項１５に記載の構造物の製造方法。
【請求項１７】
前記リペア工程は、前記成形工程を再実行する工程であることを特徴とする請求項１６に記載の構造物の製造方法。
【請求項１８】
構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
作製された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する請求項１から１２のいずれか１項に記載の形状測定装置と、
前記測定によって得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査装置と、
を含む構造物製造システム。
【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】
【公開番号】特開２０１３−６４６４４（Ｐ２０１３−６４６４４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３４３６（Ｐ２０１１−２０３４３６）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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