形状測定装置
【課題】複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定する。
【解決手段】形状測定装置（１００）は、被測定物にライン光を照射する光照射部（２１）及びライン光の照射方向とは異なる方向から被測定物に照射されたライン光を検出する光検出部（２２）を有するセンサー部（２）と、光検出部（２２）からの検出結果に基づいて被測定物の形状を測定する形状測定部（５３）と、センサー部（２）と被測定物とを相対移動させる駆動部（１１）と、測定方向に相対移動する間に形状測定部（５３）によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時のセンサー部（２）と被測定物との少なくとも一方の姿勢を制御する測定制御部（５６）とを備える。
【解決手段】形状測定装置（１００）は、被測定物にライン光を照射する光照射部（２１）及びライン光の照射方向とは異なる方向から被測定物に照射されたライン光を検出する光検出部（２２）を有するセンサー部（２）と、光検出部（２２）からの検出結果に基づいて被測定物の形状を測定する形状測定部（５３）と、センサー部（２）と被測定物とを相対移動させる駆動部（１１）と、測定方向に相対移動する間に形状測定部（５３）によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時のセンサー部（２）と被測定物との少なくとも一方の姿勢を制御する測定制御部（５６）とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、接触式の測定プローブを用いて被測定物の形状を三次元で測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような三次元形状を測定する方法として、被測定物にスリット光を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三次元形状を測定する光切断法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６００８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のような形状測定装置では、測定に先立ち被測定物に光切断線を照射し、測定開始位置、及び測定終了位置を指示することによりティーチングデータを作成し、その後、測定開始位置から測定終了位置までの測定動作を行っている。
しかしながら、このように測定範囲をティーチングさせて測定を行う場合、開始位置と終了位置との空間座標を直線的に移動することになる。また、複数点を用いたティーチングを行う場合でも、その教示点間は直線的に移動する。そのため、このような被測定物の形状を考慮せずに直線的な経路で測定を行った場合、被測定物に対するプローブ姿勢が不適切となり、正反射光による精度への悪影響や照明角度からデータが取得できない領域（オクルージョン）が発生して、高精度な形状測定が行えない場合がある。つまり、このような形状測定装置では、複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定することが困難であった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定することができる形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明は、被測定物にライン状の測定光を照射する照射部及び前記測定光の照射方向とは異なる方向から前記被測定物に照射された前記測定光を検出する検出部を有するセンサー部と、前記検出部からの検出結果に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定部と、前記センサー部と前記被測定物とを相対移動させる駆動部と、測定方向に前記相対移動する間に前記形状測定部によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の前記センサー部と前記被測定物との少なくとも一方の姿勢を制御する測定制御部とを備えることを特徴とする形状測定装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態による形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本実施形態における回転機構の構成を示す図ある。
【図３】本実施形態による形状測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図４】本実施形態形における状測定装置の測定手順を示す図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】本実施形態形における法線ベクトルの生成例を示す概念図である。
【図８】本実施形態形における現画像取得位置と次画像取得位置との関係を示すベクトル関連図である。
【図９】本実施形態形における球体の測定例を示す図である。
【図１０】従来の形状測定装置における複雑な形状の測定例を示す図である。
【図１１】本実施形態形における複雑な形状の測定例を示す図である。
【図１２】本実施形態による形状測定装置の別の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態による形状測定装置について図面を参照して説明する。
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。つまり、形状測定装置１００は、光切断法を用いることで、被測定物３の表面に一本のライン光（ライン状の測定光）からなるライン状投影パターンを投影し、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投影方向と異なる角度から被測定物３に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、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。
【００１０】
図１は、本実施形態による形状測定装置の構成を示す図である。
図１において、形状測定装置１００は、測定装置本体１及び制御装置４を備えている。
後述する制御装置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）と、位置検出部１２（図３）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、一例として、球体を示しており、定盤１８の上に配置されている。
【００１１】
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（移動部）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。
【００１２】
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。
【００１３】
図２は、本実施形態における回転機構１３の構成を示す図ある。
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する。
また、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３を備えている。なお、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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。
【００１４】
Ａ回転軸１３１は、Ａ回転軸１３１の下に取り付けられたＢ回転軸１３２及びＣ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。
Ｂ回転軸１３２は、Ａ回転軸１３１下部に取り付けられ、Ｃ回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を上下方向に−９０〜＋９０度の範囲で回転させる機構である。
Ｃ回転軸１３３は、Ｂ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。
【００１５】
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。
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。
【００１６】
光検出部２２は、光照射部２１の光照射方向とは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。
また、光検出部２２は、図示しない結像レンズやＣＣＤ等から構成され、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を撮像するようになっている。なお、光照射部２１及び光検出部２２の位置は、被測定物３の表面上のライン光の光検出部２２に対する入射方向と、光照射部２１の光照射方向とが、所定角度θをなすように規定されている。なお、本実施形態では、上記所定角度θが、例えば、４５度に設定されている。
【００１７】
次に、図３を参照して、形状測定装置１００の構成を詳細に説明する。
図３は、本実施形態による形状測定装置１００の構成を示す概略ブロック図である。なお、この図において、図１及び図２と同じ構成には、同じ符号を附す。
【００１８】
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。
【００１９】
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、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軸用エンコーダを備える。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。
【００２０】
回転位置検出部１５は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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。
【００２１】
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を撮像する。ここで、光切断線は、被測定物３の断面形状に応じて形成される。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間隔調整部５２に供給する。これにより、制御装置４は、形状測定データを取得する。
【００２２】
続いて、制御装置４について説明する。
制御装置４は、演算処理部４１と、入力装置４２と、ジョイスティック４３と、モニタ４４とを備えている。
【００２３】
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。
ジョイスティック４３は、ユーザの操作を受けて、その操作に応じて駆動部１１を駆動させる制御信号を生成して駆動制御部５４に供給する。このように、ジョイスティック４３は、光切断プローブ２を配置させる状態を示す情報を検出し、検出した情報に基づいて光切断プローブ２を配置させる制御指令情報として、入力することができる。
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。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。また、モニタ４４は、計測画面、指示画面等を表示する。
【００２４】
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。また、演算処理部４１は、座標検出部５１、間隔調整部５２、座標算出部５３、駆動制御部５４、記憶部５５、測定制御部５６、データ出力部５７、及びハードディスク５８を備えている。
【００２５】
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Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、Ｃ回転軸１３３の３軸の座標を示す信号である。
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する。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の姿勢を検知する。
【００２６】
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。
【００２７】
間隔調整部５２は、予め定められた所定のサンプリング周波数で、光検出部２２から画像情報を受け取る。そして、間隔調整部５２は、フレームが間引かれた画像情報を座標算出部５３に供給する。
座標算出部５３（形状測定部）は、間隔調整部５２から供給されたフレームが間引かれた画像情報を受け取る。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、間隔調整部３５２から供給された画像情報と、座標検出部５１から供給されたと６軸の座標情報とに基づき、各測定ポイントの座標値（三次元座標値）の点群データを算出する。すなわち、座標算出部５３は、光検出部２２からの検出結果（フレームが間引かれた画像情報）に基づいて被測定物３の形状を検出（測定）する
【００２８】
座標算出部５３におけるこの点群データの具体的な算出方法は、以下の通りである。まず、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。
ここで、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。
【００２９】
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。
これによって、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の形状をライン光に基づいて検出された点群の位置情報である点群データとして検出する。
また、座標算出部５３は、算出した三次元座標値の点群データを記憶部５５に記憶させる。
【００３０】
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）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から供給された三次元座標値の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。
【００３１】
なお、記憶部５５は、形状記憶部５５１と経路記憶部５５２とを備えている。
形状記憶部５５１は、上述した座標算出部５３から供給された三次元座標値の点群データを測定データとして記憶する。つまり、形状記憶部５５１は、後述する測定制御部５６によって制御された相対位置に対応させて座標算出部５３が検出した検出値（形状）である点群データを記憶する。ここで、相対位置とは、光切断プローブ２の測定位置及び姿勢（向き）のことであり、光切断プローブ２と被測定物３との相対的な位置を示し、被測定物３が固定されている場合には、光切断プローブ２の測定位置を示す。
経路記憶部５５２は、変更させた上述の相対位置（各測定ポイント）に対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を相対位置の経路情報として記憶する。
【００３２】
駆動制御部５４は、ジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、又は、測定制御部５６からの指令信号に基づいて、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。
また、駆動制御部５４は、ジョイスティック４３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の位置情報（被測定物３の測定開始点、等）を記憶部５５に記憶させる。つまり、駆動制御部５４は、駆動部１１に支持されている光切断プローブ２の位置を間接的に取得することができる。
【００３３】
測定制御部５６は、記憶部５５から測定条件テーブルに登録された被測定物３の測定開始点（最初の測定ポイント）及び測定終了条件、等を読み出す。測定制御部５６は、被測定物３の測定開始点、及び座標算出部５３によって算出（検出）された被測定物３の形状に応じて、被測定物３に対するスキャンの移動経路を算出する。
すなわち、測定制御部５６は、座標算出部５３によって算出（検出）された検出値（三次元座標値の点群データ）に基づいて、次にライン光を検出する位置になるように光切断プローブ２と被測定物３との相対位置を制御する。つまり、測定制御部５６は、検出値（三次元座標値の点群データ）に基づいて、光検出部２２によってライン光を検出可能な範囲内に収まるように、光切断プローブ２と被測定物３との距離を制御する。すなわち、測定制御部５６は、三次元座標値の点群データに基づいて、光切断プローブ２と被測定物３との測定可能距離を示すワーキングディスタンスを制御する。
【００３４】
また、測定制御部５６は、検出値（三次元座標値の点群データ）に基づいて、ライン光における被測定物３の法線方向を示す法線ベクトルを算出し、算出した法線ベクトルに基づいて、ライン光を照射する光切断プローブ２の向き（姿勢）を制御する。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から読み出した、現在の相対位置に対する三次元座標値の点群データと現在より過去に検出された（例えば、１つ前の）相対位置に対する三次元座標値の点群データとに基づいて、現在の相対位置における法線ベクトルを算出する。そして、測定制御部５６は、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に対して光切断プローブ２を、算出した法線ベクトルの向きとライン光の照射方向とが一致する向きにするように制御をする。すなわち、測定制御部５６は、測定方向に相対移動する間に座標算出部５３によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の光切断プローブ２と被測定物３との少なくとも一方の姿勢を制御する。また、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に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出（測定）させる。すなわち、測定制御部５６は、被測定物３の形状の測定と、測定された形状に基づく相対移動後の姿勢の制御とを繰り返し行う。なお、この法線ベクトルの算出方法は後述する。
【００３５】
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。測定終了条件の詳細は、後述する。
また、測定制御部５６は、座標算出部５３によって点群データを繰り返し検出させる際に、変更させた相対位置に対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。測定制御部５６は、再び同じ被測定物３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した相対位置の経路に基づいて、光切断プローブ２の６軸の座標情報を変更させて、座標算出部５３に点群データを繰り返し検出させる。
【００３６】
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５４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。
【００３７】
ハードディスク５８は、磁気記憶装置などの不揮発性の記憶装置であり、記憶部５５に記憶されている情報を保存しておく目的のために記憶する。記憶部５５に記憶されている情報は、例えば、形状記憶部５５１に記憶されている点群データや、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報などである。これらの情報は、測定制御部５６によって、記憶部５５から読み出されて、ハードディスク５８に記憶される。また、ハードディスク５８に記憶されている情報は、測定制御部５６によって、ハードディスク５８から読み出され、記憶部５５に記憶されて、測定の際に使用されてもよい。
【００３８】
次に、図４から図８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。
【００３９】
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）、又はジョイスティック４３を用いて６軸座標を調整され、駆動制御部５４は、移動ツマミ又はジョイスティック４３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、移動ツマミ又はジョイスティック４３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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、Ｃ回転軸１３３を移動ツマミ又はジョイスティック４３により光切断線の長手方向を被測定物３に合わせて、光切断線の照射方向が、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、移動ツマミ又はジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、回転機構１３のＣ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。
【００４２】
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又はジョイスティック４３により、測定データ取得距離、又は測定終了条件が指定され、入力装置４２又はジョイスティック４３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。
【００４３】
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に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出させる。
【００４４】
（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の形状の検出を終了させる。
【００４５】
（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によって検出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の形状の検出を終了させる。
【００４６】
（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の形状の検出を終了させる。
【００４７】
（４）画像毎点群数の下限値によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定され、形状測定装置１００は、例えば、１０２４を最大とする画像取得毎の点群数が、規定値を下回った場合に、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に１回に検出させた点群の数が、予め定められた値以下である場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
【００４８】
（５）点群数の上限値によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定され、形状測定装置１００は、測定開始から取得された点群データの総数が上限値を越えた場合に、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に検出させた点群の数をカウントして、カウントした点群データの総数が、予め定められた上限値を越えたら場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
【００４９】
（６）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、後述するワールド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に検出させた点群データが、ワールド座標の指定された範囲内に到達した場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
このように、形状測定装置１００では、以上の（１）から（６）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。
【００５０】
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又はジョイスティック４３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又はジョイスティック４３は、指定された測定ピッチを記憶部５５に記憶させる。
【００５１】
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。
【００５２】
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、座標算出部５３に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出させる。
【００５３】
被測定物３の形状の測定において、まず、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Ｓ１１３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。
【００５４】
次に、ステップＳ１０８において、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、間隔調整部５２を介して光検出部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、間隔調整部５２を介して座標算出部５３に供給される。
【００５５】
次に、形状測定装置１００は、６軸の座標情報と画像内の輝度ピーク位置から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、間隔調整部５２から供給された画像とに基づいて、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形状記憶部５５１に記憶させる。
なお、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ワールド座標に変換する。以下、座標算出部５３が、プローブ座標からワールド座標に変換して、点群データを生成する一例を説明する。
【００５６】
［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。
この図において、プローブ座標系は、光切断プローブ２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、例えば、光検出部２２は、１０２４×１０２４ 画素のＣＣＤカメラを使用し、光切断線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である。
【００５７】
これにより、予め光切断プローブ２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、光切断プローブ２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。
【００５８】
［ワールド座標系について］
次に、本実施形態におけるプローブ座標系について説明する。
ワールド座標系は、例えば、図１に示された形状測定装置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、点群データをこのワールド座標系の位置情報（座標情報）として生成する。
【００５９】
［プローブ座標からワールド座標への変換］
次に、座標算出部５３における、プローブ座標からワールド座標に変換して、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、ワールド座標系に変換する。
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。
【００６０】
【数１】
【００６１】
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、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心をポイントＰ１とし、Ｃ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Ｐ２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Ａ回転軸１３１の角度を角度ａとし、Ｂ回転軸１３２の角度を角度ｂとし、Ｃ回転軸１３３の角度を角度ｃとして示す。
ここで、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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、ワールド座標への変換は、式（２）として示される。
【００６２】
【数２】
【００６３】
ここで、Ｏ（オー）は、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心におけるワールド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Ａ回転軸１３１及びＡ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ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。
【００６４】
【数３】
【００６５】
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Ｐ２を、ワールド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）をワールド座標系に変換することができることを示している。
また、座標算出部５３は、生成した点群データを形状記憶部５５１に記憶させる。
【００６６】
次に、形状測定装置１００は、前画像、現画像の点群位置から被測定物３の表面の法線を検出する（ステップＳ１１０）。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から１つ前の測定位置（相対位置）に対する検出値（形状）である前画像の点群データと、現在の測定位置（相対位置）に対する検出値（形状）である現画像の点群データとを読み出す。そして、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から読み出した、前画像の点群データと現画像の点群データとに基づいて、現在の測定位置（相対位置）における法線ベクトルを算出する。なお、測定制御部５６は、プローブ座標系で、Ｚ軸の座標が最大となる位置、即ち光切断プローブ２と被測定物３の距離が最短となる被測定物３の表面の近傍を対象に、法線ベクトルの算出を行う。
【００６７】
［法線ベクトルの算出例］
ここで、測定制御部５６における法線ベクトルの算出の一例を説明する。
図７は、本実施形態形における法線ベクトルの生成例を示す概念図である。
図７（ａ）において、点群データＤ２は、現在の測定位置において取得された画像ｎ（現画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。点群データＤ１は、画像ｎ（現画像）の１つ前の測定位置において取得された画像（ｎ−１）（前画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。この点群データＤ１及びＤ２において、四角で囲まれた１〜１０２４の数字は、点群の番号を示している。
測定制御部５６は、現画像ｎから生成された点群から選定された最大１０２４点に対応した法線ベクトル計算を行う。
【００６８】
なお、ここでは、一例として、現画像ｎの５番目の走査線位置から生成された３次元座標における法線ベクトルの計算例を示す。
図７（ｂ）は、図７の現画像ｎ及び前画像（ｎ−１）における５番目近傍の点群データＤ３を示している。この図において、ベクトルＶ０は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの４番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ１は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の４番目に向かう３次元ベクトルを示す。また、ベクトルＶ２は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の５番目に向かう３次元ベクトルを示す。さらに、ベクトルＶ３は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの６番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ４は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の６番目に向かう３次元ベクトルを示す。
【００６９】
上述のように、ベクトルＶ０〜Ｖ４を定義した場合、この現画像ｎの５番目の点における法線ベクトルＮは、式（４）として示される。
【００７０】
【数４】
【００７１】
この式（４）において、「×」は外積を示し、「ｕｎｉｔ」は単位ベクトル化関数を示す。また、「＋」はベクトル加算を示す。
なお、式（４）の方式では、周辺４ベクトルを平均化して求める方式であるため、測定制御部５６は、安定した法線ベクトルＮを算出することができる。
また、この現画像ｎの５番目の周辺点群に欠落がある場合には、平均数は３以下として対応してもよい。
【００７２】
測定制御部５６は、上述の式（４）として示される演算方法によって、１画像から最大１０２４点に対応した法線ベクトルを算出するが、ここでは、プローブ座標系で、Ｚ軸の座標が最大となる位置における法線ベクトルの算出を行う。
【００７３】
次に、形状測定装置１００は、法線とデータ取得ピッチとから次画像取得の６軸の座標情報を計算する（ステップＳ１１１）。つまり、測定制御部５６は、式（４）に示される演算方法によって算出された法線ベクトルＮと、ベクトルＶ０及びＶ４とに基づいて、次の測定位置である次画像取得位置に向かう方向ベクトルＤを算出する。
この方向ベクトルＤは、式（５）として示される。
【００７４】
【数５】
【００７５】
また、記憶部５５から読み出した、予め指定された上述の測定ピッチを被測定物３の表面のデータ取得ピッチｔとすると、移動ベクトルＭは、式（６）として示される。
【００７６】
【数６】
【００７７】
ここで、次画像を取得する位置を示す次画像取得位置ベクトルＳを式（７）として示す。
【００７８】
【数７】
【００７９】
また、現在の画像取得位置のワールド座標を示す現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（８）として示す。
【００８０】
【数８】
【００８１】
この現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（８）として示す場合、次画像取得位置Ｓは、式（９）として示される。
【００８２】
【数９】
【００８３】
この場合におけるベクトル関連図を図８に示す。
図８では、本実施形態形における現画像取得位置ベクトルＷと次画像取得位置Ｓとの関係を示している。
【００８４】
また、ワールド座標における次画像取得位置Ｓでの６軸の座標Ｐ＝［ｘ ｙ ｚ ａ ｂ ｃ］の各成分は、測定制御部５６によって次のように演算される。法線ベクトルＮの各成分をＮ＝［ＸＮ ＹＮ ＺＮ］Ｔ（Ｔは転置ベクトルを示す）とすると、法線方向に光切断プローブ２を向けるための角度ａ及びｂは、それぞれ式（１０）及び式（１１）として示される。
【００８５】
【数１０】
【００８６】
なお、成分ｃは、測定開始前に予め指定された光切断線照射方向である。
また、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２における各回転軸の回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂとすると、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心座標Ｏは、式（１２）として示される。
【００８７】
【数１１】
【００８８】
ここで、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合のＡ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示し、ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（１３）として示される。
【００８９】
【数１２】
【００９０】
したがって、測定制御部５６は、次画像取得位置Ｓにおける６軸の座標Ｐを式（１０）〜式（１２）により算出することができる。
【００９１】
次に、形状測定装置１００は、６軸を制御して、次画像取得位置に駆動部１１を移動させる（ステップＳ１１２）。つまり、測定制御部５６は、算出された６軸の座標Ｐを指令値として、駆動制御部５４により駆動部１１を移動させる。これにより、駆動制御部５４は、駆動部１１を検出値に応じて６軸の座標に移動させ、光切断プローブ２を次画像取得位置に移動させる。
また、測定制御部５６は、移動させた次画像取得位置に対応する座標情報（光切断プローブ２の座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。すなわち、測定制御部５６は、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させる際に、変更させた測定位置（相対位置）に対応する光切断プローブ２の座標情報を経路記憶部５５２に記憶させる。
【００９２】
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Ｓ１０６〜Ｓ１１２を繰り返し処理させる。
【００９３】
次に、ステップＳ１１３において、形状測定装置１００は、点群データをハードディスク５８にセーブする（記憶させる）。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１に記憶されている被測定物３の形状情報である点群データをハードディスク５８に記憶させる。
なお、測定制御部５６は、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報（上述の相対位置の経路）をハードディスク５８に記憶させてもよい。
【００９４】
また、測定制御部５６は、再び被測定物３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した経路情報に基づいて光切断プローブ２の座標情報を変更させて、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させてもよい。この場合、測定制御部５６は、ハードディスク５８に記憶されている経路情報を読み出して使用してもよいし、ハードディスク５８に記憶されている経路情報を経路記憶部５５２に記憶させて、使用してもよい。
【００９５】
次に、本実施形態による形状測定装置１００が、被測定物３として球体の形状を測定する場合の一例について説明する。
図９は、本実施形態形における球体の測定例を示す図である。
この図において、形状測定装置１００は、測定制御部５６が測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６まで光切断プローブ２を移動して、球体３の形状を測定する。なお、測定経路Ｒ１は、測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６までの測定を行う際の経路を示す。
【００９６】
この図の示すように、ユーザによって、測定開始位置Ｐ３に光切断プローブ２が移動され、光切断線の照射方向が指定された場合、測定制御部５６は、被測定物３（球体）の法線方向を算出する。次に、測定制御部５６は、算出した法線方向、光切断線の照射方向、及びデータ取得ピッチに基づいてプローブ角度を含む次画像取得位置を計算して、測定経路Ｒ１の示すように、連続的に計測を実行させる。そして、測定制御部５６は、測定終了条件に達した場合（測定位置Ｐ６）に、測定動作を終了させる。
【００９７】
ここで、図９に示すように、測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６の各測定位置において、測定制御部５６は、光切断プローブ２の最適な相対位置（測定位置及び姿勢（向き））を維持させながら、光切断プローブ２を移動させる。つまり、測定制御部５６は、最適なワーキングディスタンスと、最適な光切断プローブ２の向きを維持させながら、光切断プローブ２を移動させる。なお、光切断線を法線方向から照射する場合、光切断線の短手方向幅が、最も狭くなるため、最も精度よく測定することができる。このように、形状測定装置１００は、ティーチングを行わなくても被測定物３の形状を測定することができる。
【００９８】
次に、本実施形態による形状測定装置１００が、複雑な形状の被測定物３を測定する場合の一例について説明する。
【００９９】
ところで、複雑な形状の被測定物３を測定する場合、特許文献１に記載されているような形状測定装置（以下、従来の形状測定装置という）では、図１０に示すような問題が発生する。
図１０は、従来の形状測定装置における複雑な形状の測定例を示す図である。
従来の形状測定装置が、図１０（ａ）に示すような複雑な形状の被測定物３を測定する場合、次のような問題が発生する場合がある。
【０１００】
例えば、測定位置Ｐ７のような形状を測定する場合、図１０（ｂ）に示すように、光切断線が被測定物３の形状に遮られ撮像できない場合（オクルージョン）がある（第１の場合）。
また、測定位置Ｐ８のような形状を測定する場合、図１０（Ｃ）に示すように、照明光軸Ｌ１と撮像光軸Ｌ２とを２分する角度に被測定物３の表面が位置するため、正しい形状測定が行えない場合がある（第２の場合）。この場合、本来捉えたい拡散反射成分に加え、正反射成分が光検出部に進入して、異常値となって検出される。そのため、形状を測定できないことがある。
また、測定位置Ｐ９のような形状を測定する場合、図１０（ｄ）に示すように、光切断線の撮像角度が大きく平坦な波形として捉えられ精密なピーク位置が捉えられない場合がある（第３の場合）。
【０１０１】
これに対して、本実施形態による形状測定装置１００では、図１１に示すように、光切断線を被測定物３の法線に近い角度で照射することが可能となり、上述の第１〜第３の場合においても、高精度な形状測定を行うことができる。
図１１は、本実施形態形における複雑な形状の測定例を示す図である。
この図において、形状測定装置１００は、図１０における被測定物３と同様の複雑な形状を、測定制御部５６が測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５まで光切断プローブ２を移動して測定する。なお、測定経路Ｒ２は、測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５までの測定を行う際の経路を示す。ここで、本実施形態による形状測定装置１００では、測定制御部５６は、測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５まで光切断線を被測定物３の法線に近い角度で照射する制御をする。
【０１０２】
例えば、測定位置Ｐ１１では、測定制御部５６は、光切断線を被測定物３の法線に近い角度で照射するように、光切断プローブ２の位置及び姿勢を駆動部１１に変更させる。これにより、上述の第１の場合（オクルージョン）の発生を防止することができる。
また、測定制御部５６は、測定位置Ｐ１２から測定位置Ｐ１５においても、測定位置Ｐ１１と同様に、最適なワーキングディスタンスと、最適な光切断プローブ２の向きとを維持させながら、光切断プローブ２を移動させる。これにより、上述の第２の場合（測定位置Ｐ１２）及び第３の場合（測定位置Ｐ１４）の問題を防止することができる。
【０１０３】
以上のように、本実施形態による形状測定装置１００は、光切断プローブ２（センサー部）が、被測定物３にライン光（ライン状の測定光）を照射する光照射部２１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を有する。座標算出部５３（形状測定部）が、光検出部２２からの検出出力（検出結果）に基づいて被測定物３の形状を検出（測定）する。駆動部１１が、光切断プローブ２と被測定物３とを相対移動させる。そして、測定制御部５６が、測定方向に相対移動する間に座標算出部５３によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の光切断プローブ２と被測定物３との少なくとも一方の姿勢を制御する。
これにより、測定制御部５６が最適な上述の相対位置を制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
【０１０４】
また、本実施形態において、測定制御部５６は、座標算出部５３によって検出された検出値（点群データ）に基づいて、光検出部２２によってライン光を検出可能な範囲内に収まるように、光切断プローブ２と被測定物３との距離（ワーキングディスタンス）を制御する。
これにより、測定制御部５６が最適なワーキングディスタンスを制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
【０１０５】
また、本実施形態において、測定制御部５６は、座標算出部５３によって検出された検出値（点群データ）に基づいて、ライン光における被測定物３の法線方向を示す法線ベクトル（法線方向）を算出する。そして、測定制御部５６は、算出した法線ベクトルに基づいて、ライン光を照射する光切断プローブ２の向きを制御する。
これにより、測定制御部５６が最適な光切断プローブ２の向きを制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
【０１０６】
また、本実施形態において、測定制御部５６によって制御された上述の相対位置に対応させて座標算出部５３が検出した検出値（点群データ）を記憶する形状記憶部５５１を備える。そして、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から読み出した、現在の相対位置に対する検出値と現在より過去に検出された相対位置に対する検出値とに基づいて、現在の相対位置における法線ベクトルを算出する。
これにより、測定制御部５６は、簡易な方法により、法線ベクトルを算出することができる。
【０１０７】
また、本実施形態において、形状測定装置１００は、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を移動させるヘッド駆動部１４（移動部）と、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回転機構１３とを備える。そして、測定制御部５６は、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に対して光切断プローブ２を、算出した法線ベクトルの向きとライン光の照射方向とが一致する向きにさせる制御を行う。
これにより、形状測定装置１００は、被測定物３を測定するために、光切断プローブ２を被測定物３の形状に合わせて最適な測定位置及び向きに移動することができる。つまり、測定制御部５６がワーキングディスタンスと、光切断プローブ２の向きとを制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
つまり、被測定物３の表面の法線方向に光切断プローブ２を制御することにより、上述した第１〜第３の場合のような問題の発生を抑えて、高精度な３次元形状測を行うことが可能になる。
【０１０８】
また、本実施形態において、座標算出部５３は、被測定物３の形状をライン光に基づいて検出された点群の位置情報（点群データ）として検出する。そして、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に点群の位置情報を繰り返し検出させ、新しく検出された点群の位置情報が、既に検出された点群の位置情報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。また、本実施形態において、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外である場合に、被測定物の形状の検出（被測定物の形状の測定）を終了させる。また、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて検出された点群データの数が、予め定められた値以下である場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
【０１０９】
これにより、形状測定装置１００は、ティーチングを行うことなく測定開始位置のみを指示することにより、被測定物３の形状を連続的に認識し、被測定物３の形状に追従して光切断プローブ２の向きを変更することが可能となる。そのため、形状測定装置１００は、測定データ取得時間の短縮、及び高精度な測定データの取得を行うことができる。
【０１１０】
また、本実施形態において、形状測定装置１００は、変更させた上述の相対位置に対応する光切断プローブ２の座標情報を上述の相対位置の経路として記憶する経路記憶部５５２を備える。そして、測定制御部５６は、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させる際に、変更させた上述の相対位置に対応する光切断プローブ２の座標情報（６軸座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。測定制御部５６は、再び被測定物３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した相対位置の経路に基づいて光切断プローブ２の座標情報を変更させて、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させる。
これにより、形状測定装置１００は、ティーチングを行うことなく測定開始位置のみを指示することにより、被測定物３の形状を連続的に認識し、被測定物３の形状に追従して光切断プローブ２の向きを変更することが可能となる。そのため、形状測定装置１００は、測定データ取得時間の短縮、及び高精度な測定データの取得を行うことができる。
【０１１１】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記の実施形態において、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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、図１２に示すように、被測定物３を固定するテーブルを回転させる形態でもよい。図１２において、回転機構１３ａは、Ａ回転軸１３４及びＢ回転軸１３５を備えている。
また、上記の実施形態において、形状測定装置１００は、回転機構１３（又は１３ａ）を備える形態を説明したが、回転機構１３（又は１３ａ）を備えずに、測定制御部５６が、被測定物３に対する直交３軸によるワーキングディスタンスを追従する制御のみを行う形態でもよい。
【０１１２】
また、上記の実施形態において、測定制御部５６は、画像取得位置（座標）に移動させた後に、光検出部２２に画像取得をさせる形態を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画像取得タイミングでリアルタイムに６軸の座標情報を取得できるため、測定制御部５６は、軸移動を停止させずに、６軸指令値を連続的に指示して画像を取得させる方式としてもよい。
また、過去に測定された２回分またはそれ以上のデータから測定面の形状を予測して法線を求めてもよい。
また、測定中の姿勢を測定中の形状データから求めた法線方向に合わせてもよい。
また、連続する形状測定だけに限らず、既に形状測定を行った部位の近傍の形状を測定する際に、前に行った形状データと新たに行う形状測定結果を併せて用いて法線方向を求めてもよい。
【０１１３】
また、上記の実施形態において、記憶部５５が形状記憶部５５１及び経路記憶部５５２を備える形態を説明したが、演算処理部４１が、形状記憶部５５１及び経路記憶部５５２を別々の記憶部として備える形態でもよい。また、ハードディスク５８が、形状記憶部５５１及び経路記憶部５５２を備える形態でもよいし、演算処理部４１が、ハードディスク５８を備えない形態でもよい。
また、上記の実施形態において、ユーザが測定開始位置などを指定する形態を説明したが、測定開始位置などの指定情報を有する設定ファイルをハードディスク５８に記憶させて、測定の際に、測定制御部５６がハードディスク５８から読み出して使用する形態でもよい。
【０１１４】
また、上記の実施形態において、自動追従動作を終了させる測定終了条件として（１）〜（６）の測定終了条件を説明したが、これに限定されるものではない。また、（１）〜（６）の測定終了条件のそれぞれを単独で指定できる形態でもよいし、組み合わせて指定できる形態でもよい。
また、上記の実施形態において、演算処理部４１の各部は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えて、プログラムによって実現されてもよい。
【０１１５】
上述の形状測定装置１００は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した被測定物３の形状を測定する処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１６】
２…光切断プローブ、３…被測定物、１３…回転機構、１４…ヘッド駆動部、２１…光照射部、２２…光検出部、５３…座標算出部、５６…測定制御部、１００…形状測定装置、５５１…形状記憶部、５５２…経路記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、接触式の測定プローブを用いて被測定物の形状を三次元で測定するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような三次元形状を測定する方法として、被測定物にスリット光を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三次元形状を測定する光切断法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６００８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のような形状測定装置では、測定に先立ち被測定物に光切断線を照射し、測定開始位置、及び測定終了位置を指示することによりティーチングデータを作成し、その後、測定開始位置から測定終了位置までの測定動作を行っている。
しかしながら、このように測定範囲をティーチングさせて測定を行う場合、開始位置と終了位置との空間座標を直線的に移動することになる。また、複数点を用いたティーチングを行う場合でも、その教示点間は直線的に移動する。そのため、このような被測定物の形状を考慮せずに直線的な経路で測定を行った場合、被測定物に対するプローブ姿勢が不適切となり、正反射光による精度への悪影響や照明角度からデータが取得できない領域（オクルージョン）が発生して、高精度な形状測定が行えない場合がある。つまり、このような形状測定装置では、複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定することが困難であった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定することができる形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明は、被測定物にライン状の測定光を照射する照射部及び前記測定光の照射方向とは異なる方向から前記被測定物に照射された前記測定光を検出する検出部を有するセンサー部と、前記検出部からの検出結果に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定部と、前記センサー部と前記被測定物とを相対移動させる駆動部と、測定方向に前記相対移動する間に前記形状測定部によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の前記センサー部と前記被測定物との少なくとも一方の姿勢を制御する測定制御部とを備えることを特徴とする形状測定装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態による形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本実施形態における回転機構の構成を示す図ある。
【図３】本実施形態による形状測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図４】本実施形態形における状測定装置の測定手順を示す図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】本実施形態形における法線ベクトルの生成例を示す概念図である。
【図８】本実施形態形における現画像取得位置と次画像取得位置との関係を示すベクトル関連図である。
【図９】本実施形態形における球体の測定例を示す図である。
【図１０】従来の形状測定装置における複雑な形状の測定例を示す図である。
【図１１】本実施形態形における複雑な形状の測定例を示す図である。
【図１２】本実施形態による形状測定装置の別の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態による形状測定装置について図面を参照して説明する。
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。つまり、形状測定装置１００は、光切断法を用いることで、被測定物３の表面に一本のライン光（ライン状の測定光）からなるライン状投影パターンを投影し、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投影方向と異なる角度から被測定物３に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、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。
【００１０】
図１は、本実施形態による形状測定装置の構成を示す図である。
図１において、形状測定装置１００は、測定装置本体１及び制御装置４を備えている。
後述する制御装置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）と、位置検出部１２（図３）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、一例として、球体を示しており、定盤１８の上に配置されている。
【００１１】
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（移動部）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。
【００１２】
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。
【００１３】
図２は、本実施形態における回転機構１３の構成を示す図ある。
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する。
また、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３を備えている。なお、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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。
【００１４】
Ａ回転軸１３１は、Ａ回転軸１３１の下に取り付けられたＢ回転軸１３２及びＣ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。
Ｂ回転軸１３２は、Ａ回転軸１３１下部に取り付けられ、Ｃ回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を上下方向に−９０〜＋９０度の範囲で回転させる機構である。
Ｃ回転軸１３３は、Ｂ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。
【００１５】
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。
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。
【００１６】
光検出部２２は、光照射部２１の光照射方向とは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。
また、光検出部２２は、図示しない結像レンズやＣＣＤ等から構成され、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を撮像するようになっている。なお、光照射部２１及び光検出部２２の位置は、被測定物３の表面上のライン光の光検出部２２に対する入射方向と、光照射部２１の光照射方向とが、所定角度θをなすように規定されている。なお、本実施形態では、上記所定角度θが、例えば、４５度に設定されている。
【００１７】
次に、図３を参照して、形状測定装置１００の構成を詳細に説明する。
図３は、本実施形態による形状測定装置１００の構成を示す概略ブロック図である。なお、この図において、図１及び図２と同じ構成には、同じ符号を附す。
【００１８】
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。
【００１９】
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、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軸用エンコーダを備える。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。
【００２０】
回転位置検出部１５は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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。
【００２１】
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を撮像する。ここで、光切断線は、被測定物３の断面形状に応じて形成される。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間隔調整部５２に供給する。これにより、制御装置４は、形状測定データを取得する。
【００２２】
続いて、制御装置４について説明する。
制御装置４は、演算処理部４１と、入力装置４２と、ジョイスティック４３と、モニタ４４とを備えている。
【００２３】
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。
ジョイスティック４３は、ユーザの操作を受けて、その操作に応じて駆動部１１を駆動させる制御信号を生成して駆動制御部５４に供給する。このように、ジョイスティック４３は、光切断プローブ２を配置させる状態を示す情報を検出し、検出した情報に基づいて光切断プローブ２を配置させる制御指令情報として、入力することができる。
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。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。また、モニタ４４は、計測画面、指示画面等を表示する。
【００２４】
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。また、演算処理部４１は、座標検出部５１、間隔調整部５２、座標算出部５３、駆動制御部５４、記憶部５５、測定制御部５６、データ出力部５７、及びハードディスク５８を備えている。
【００２５】
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Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、Ｃ回転軸１３３の３軸の座標を示す信号である。
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する。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の姿勢を検知する。
【００２６】
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。
【００２７】
間隔調整部５２は、予め定められた所定のサンプリング周波数で、光検出部２２から画像情報を受け取る。そして、間隔調整部５２は、フレームが間引かれた画像情報を座標算出部５３に供給する。
座標算出部５３（形状測定部）は、間隔調整部５２から供給されたフレームが間引かれた画像情報を受け取る。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、間隔調整部３５２から供給された画像情報と、座標検出部５１から供給されたと６軸の座標情報とに基づき、各測定ポイントの座標値（三次元座標値）の点群データを算出する。すなわち、座標算出部５３は、光検出部２２からの検出結果（フレームが間引かれた画像情報）に基づいて被測定物３の形状を検出（測定）する
【００２８】
座標算出部５３におけるこの点群データの具体的な算出方法は、以下の通りである。まず、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。
ここで、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。
【００２９】
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。
これによって、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の形状をライン光に基づいて検出された点群の位置情報である点群データとして検出する。
また、座標算出部５３は、算出した三次元座標値の点群データを記憶部５５に記憶させる。
【００３０】
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）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から供給された三次元座標値の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。
【００３１】
なお、記憶部５５は、形状記憶部５５１と経路記憶部５５２とを備えている。
形状記憶部５５１は、上述した座標算出部５３から供給された三次元座標値の点群データを測定データとして記憶する。つまり、形状記憶部５５１は、後述する測定制御部５６によって制御された相対位置に対応させて座標算出部５３が検出した検出値（形状）である点群データを記憶する。ここで、相対位置とは、光切断プローブ２の測定位置及び姿勢（向き）のことであり、光切断プローブ２と被測定物３との相対的な位置を示し、被測定物３が固定されている場合には、光切断プローブ２の測定位置を示す。
経路記憶部５５２は、変更させた上述の相対位置（各測定ポイント）に対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を相対位置の経路情報として記憶する。
【００３２】
駆動制御部５４は、ジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、又は、測定制御部５６からの指令信号に基づいて、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。
また、駆動制御部５４は、ジョイスティック４３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の位置情報（被測定物３の測定開始点、等）を記憶部５５に記憶させる。つまり、駆動制御部５４は、駆動部１１に支持されている光切断プローブ２の位置を間接的に取得することができる。
【００３３】
測定制御部５６は、記憶部５５から測定条件テーブルに登録された被測定物３の測定開始点（最初の測定ポイント）及び測定終了条件、等を読み出す。測定制御部５６は、被測定物３の測定開始点、及び座標算出部５３によって算出（検出）された被測定物３の形状に応じて、被測定物３に対するスキャンの移動経路を算出する。
すなわち、測定制御部５６は、座標算出部５３によって算出（検出）された検出値（三次元座標値の点群データ）に基づいて、次にライン光を検出する位置になるように光切断プローブ２と被測定物３との相対位置を制御する。つまり、測定制御部５６は、検出値（三次元座標値の点群データ）に基づいて、光検出部２２によってライン光を検出可能な範囲内に収まるように、光切断プローブ２と被測定物３との距離を制御する。すなわち、測定制御部５６は、三次元座標値の点群データに基づいて、光切断プローブ２と被測定物３との測定可能距離を示すワーキングディスタンスを制御する。
【００３４】
また、測定制御部５６は、検出値（三次元座標値の点群データ）に基づいて、ライン光における被測定物３の法線方向を示す法線ベクトルを算出し、算出した法線ベクトルに基づいて、ライン光を照射する光切断プローブ２の向き（姿勢）を制御する。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から読み出した、現在の相対位置に対する三次元座標値の点群データと現在より過去に検出された（例えば、１つ前の）相対位置に対する三次元座標値の点群データとに基づいて、現在の相対位置における法線ベクトルを算出する。そして、測定制御部５６は、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に対して光切断プローブ２を、算出した法線ベクトルの向きとライン光の照射方向とが一致する向きにするように制御をする。すなわち、測定制御部５６は、測定方向に相対移動する間に座標算出部５３によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の光切断プローブ２と被測定物３との少なくとも一方の姿勢を制御する。また、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に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出（測定）させる。すなわち、測定制御部５６は、被測定物３の形状の測定と、測定された形状に基づく相対移動後の姿勢の制御とを繰り返し行う。なお、この法線ベクトルの算出方法は後述する。
【００３５】
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。測定終了条件の詳細は、後述する。
また、測定制御部５６は、座標算出部５３によって点群データを繰り返し検出させる際に、変更させた相対位置に対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。測定制御部５６は、再び同じ被測定物３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した相対位置の経路に基づいて、光切断プローブ２の６軸の座標情報を変更させて、座標算出部５３に点群データを繰り返し検出させる。
【００３６】
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５４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。
【００３７】
ハードディスク５８は、磁気記憶装置などの不揮発性の記憶装置であり、記憶部５５に記憶されている情報を保存しておく目的のために記憶する。記憶部５５に記憶されている情報は、例えば、形状記憶部５５１に記憶されている点群データや、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報などである。これらの情報は、測定制御部５６によって、記憶部５５から読み出されて、ハードディスク５８に記憶される。また、ハードディスク５８に記憶されている情報は、測定制御部５６によって、ハードディスク５８から読み出され、記憶部５５に記憶されて、測定の際に使用されてもよい。
【００３８】
次に、図４から図８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。
【００３９】
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）、又はジョイスティック４３を用いて６軸座標を調整され、駆動制御部５４は、移動ツマミ又はジョイスティック４３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、移動ツマミ又はジョイスティック４３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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、Ｃ回転軸１３３を移動ツマミ又はジョイスティック４３により光切断線の長手方向を被測定物３に合わせて、光切断線の照射方向が、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、移動ツマミ又はジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、回転機構１３のＣ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。
【００４２】
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又はジョイスティック４３により、測定データ取得距離、又は測定終了条件が指定され、入力装置４２又はジョイスティック４３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。
【００４３】
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に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出させる。
【００４４】
（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の形状の検出を終了させる。
【００４５】
（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によって検出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の形状の検出を終了させる。
【００４６】
（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の形状の検出を終了させる。
【００４７】
（４）画像毎点群数の下限値によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定され、形状測定装置１００は、例えば、１０２４を最大とする画像取得毎の点群数が、規定値を下回った場合に、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に１回に検出させた点群の数が、予め定められた値以下である場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
【００４８】
（５）点群数の上限値によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定され、形状測定装置１００は、測定開始から取得された点群データの総数が上限値を越えた場合に、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に検出させた点群の数をカウントして、カウントした点群データの総数が、予め定められた上限値を越えたら場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
【００４９】
（６）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、後述するワールド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に検出させた点群データが、ワールド座標の指定された範囲内に到達した場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
このように、形状測定装置１００では、以上の（１）から（６）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。
【００５０】
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又はジョイスティック４３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又はジョイスティック４３は、指定された測定ピッチを記憶部５５に記憶させる。
【００５１】
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。
【００５２】
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、座標算出部５３に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出させる。
【００５３】
被測定物３の形状の測定において、まず、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Ｓ１１３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。
【００５４】
次に、ステップＳ１０８において、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、間隔調整部５２を介して光検出部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、間隔調整部５２を介して座標算出部５３に供給される。
【００５５】
次に、形状測定装置１００は、６軸の座標情報と画像内の輝度ピーク位置から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、間隔調整部５２から供給された画像とに基づいて、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形状記憶部５５１に記憶させる。
なお、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ワールド座標に変換する。以下、座標算出部５３が、プローブ座標からワールド座標に変換して、点群データを生成する一例を説明する。
【００５６】
［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。
この図において、プローブ座標系は、光切断プローブ２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、例えば、光検出部２２は、１０２４×１０２４ 画素のＣＣＤカメラを使用し、光切断線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である。
【００５７】
これにより、予め光切断プローブ２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、光切断プローブ２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。
【００５８】
［ワールド座標系について］
次に、本実施形態におけるプローブ座標系について説明する。
ワールド座標系は、例えば、図１に示された形状測定装置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、点群データをこのワールド座標系の位置情報（座標情報）として生成する。
【００５９】
［プローブ座標からワールド座標への変換］
次に、座標算出部５３における、プローブ座標からワールド座標に変換して、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、ワールド座標系に変換する。
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。
【００６０】
【数１】
【００６１】
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、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心をポイントＰ１とし、Ｃ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Ｐ２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Ａ回転軸１３１の角度を角度ａとし、Ｂ回転軸１３２の角度を角度ｂとし、Ｃ回転軸１３３の角度を角度ｃとして示す。
ここで、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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、ワールド座標への変換は、式（２）として示される。
【００６２】
【数２】
【００６３】
ここで、Ｏ（オー）は、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心におけるワールド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Ａ回転軸１３１及びＡ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ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。
【００６４】
【数３】
【００６５】
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Ｐ２を、ワールド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）をワールド座標系に変換することができることを示している。
また、座標算出部５３は、生成した点群データを形状記憶部５５１に記憶させる。
【００６６】
次に、形状測定装置１００は、前画像、現画像の点群位置から被測定物３の表面の法線を検出する（ステップＳ１１０）。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から１つ前の測定位置（相対位置）に対する検出値（形状）である前画像の点群データと、現在の測定位置（相対位置）に対する検出値（形状）である現画像の点群データとを読み出す。そして、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から読み出した、前画像の点群データと現画像の点群データとに基づいて、現在の測定位置（相対位置）における法線ベクトルを算出する。なお、測定制御部５６は、プローブ座標系で、Ｚ軸の座標が最大となる位置、即ち光切断プローブ２と被測定物３の距離が最短となる被測定物３の表面の近傍を対象に、法線ベクトルの算出を行う。
【００６７】
［法線ベクトルの算出例］
ここで、測定制御部５６における法線ベクトルの算出の一例を説明する。
図７は、本実施形態形における法線ベクトルの生成例を示す概念図である。
図７（ａ）において、点群データＤ２は、現在の測定位置において取得された画像ｎ（現画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。点群データＤ１は、画像ｎ（現画像）の１つ前の測定位置において取得された画像（ｎ−１）（前画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。この点群データＤ１及びＤ２において、四角で囲まれた１〜１０２４の数字は、点群の番号を示している。
測定制御部５６は、現画像ｎから生成された点群から選定された最大１０２４点に対応した法線ベクトル計算を行う。
【００６８】
なお、ここでは、一例として、現画像ｎの５番目の走査線位置から生成された３次元座標における法線ベクトルの計算例を示す。
図７（ｂ）は、図７の現画像ｎ及び前画像（ｎ−１）における５番目近傍の点群データＤ３を示している。この図において、ベクトルＶ０は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの４番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ１は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の４番目に向かう３次元ベクトルを示す。また、ベクトルＶ２は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の５番目に向かう３次元ベクトルを示す。さらに、ベクトルＶ３は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの６番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ４は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の６番目に向かう３次元ベクトルを示す。
【００６９】
上述のように、ベクトルＶ０〜Ｖ４を定義した場合、この現画像ｎの５番目の点における法線ベクトルＮは、式（４）として示される。
【００７０】
【数４】
【００７１】
この式（４）において、「×」は外積を示し、「ｕｎｉｔ」は単位ベクトル化関数を示す。また、「＋」はベクトル加算を示す。
なお、式（４）の方式では、周辺４ベクトルを平均化して求める方式であるため、測定制御部５６は、安定した法線ベクトルＮを算出することができる。
また、この現画像ｎの５番目の周辺点群に欠落がある場合には、平均数は３以下として対応してもよい。
【００７２】
測定制御部５６は、上述の式（４）として示される演算方法によって、１画像から最大１０２４点に対応した法線ベクトルを算出するが、ここでは、プローブ座標系で、Ｚ軸の座標が最大となる位置における法線ベクトルの算出を行う。
【００７３】
次に、形状測定装置１００は、法線とデータ取得ピッチとから次画像取得の６軸の座標情報を計算する（ステップＳ１１１）。つまり、測定制御部５６は、式（４）に示される演算方法によって算出された法線ベクトルＮと、ベクトルＶ０及びＶ４とに基づいて、次の測定位置である次画像取得位置に向かう方向ベクトルＤを算出する。
この方向ベクトルＤは、式（５）として示される。
【００７４】
【数５】
【００７５】
また、記憶部５５から読み出した、予め指定された上述の測定ピッチを被測定物３の表面のデータ取得ピッチｔとすると、移動ベクトルＭは、式（６）として示される。
【００７６】
【数６】
【００７７】
ここで、次画像を取得する位置を示す次画像取得位置ベクトルＳを式（７）として示す。
【００７８】
【数７】
【００７９】
また、現在の画像取得位置のワールド座標を示す現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（８）として示す。
【００８０】
【数８】
【００８１】
この現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（８）として示す場合、次画像取得位置Ｓは、式（９）として示される。
【００８２】
【数９】
【００８３】
この場合におけるベクトル関連図を図８に示す。
図８では、本実施形態形における現画像取得位置ベクトルＷと次画像取得位置Ｓとの関係を示している。
【００８４】
また、ワールド座標における次画像取得位置Ｓでの６軸の座標Ｐ＝［ｘ ｙ ｚ ａ ｂ ｃ］の各成分は、測定制御部５６によって次のように演算される。法線ベクトルＮの各成分をＮ＝［ＸＮ ＹＮ ＺＮ］Ｔ（Ｔは転置ベクトルを示す）とすると、法線方向に光切断プローブ２を向けるための角度ａ及びｂは、それぞれ式（１０）及び式（１１）として示される。
【００８５】
【数１０】
【００８６】
なお、成分ｃは、測定開始前に予め指定された光切断線照射方向である。
また、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２における各回転軸の回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂとすると、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心座標Ｏは、式（１２）として示される。
【００８７】
【数１１】
【００８８】
ここで、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合のＡ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示し、ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（１３）として示される。
【００８９】
【数１２】
【００９０】
したがって、測定制御部５６は、次画像取得位置Ｓにおける６軸の座標Ｐを式（１０）〜式（１２）により算出することができる。
【００９１】
次に、形状測定装置１００は、６軸を制御して、次画像取得位置に駆動部１１を移動させる（ステップＳ１１２）。つまり、測定制御部５６は、算出された６軸の座標Ｐを指令値として、駆動制御部５４により駆動部１１を移動させる。これにより、駆動制御部５４は、駆動部１１を検出値に応じて６軸の座標に移動させ、光切断プローブ２を次画像取得位置に移動させる。
また、測定制御部５６は、移動させた次画像取得位置に対応する座標情報（光切断プローブ２の座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。すなわち、測定制御部５６は、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させる際に、変更させた測定位置（相対位置）に対応する光切断プローブ２の座標情報を経路記憶部５５２に記憶させる。
【００９２】
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Ｓ１０６〜Ｓ１１２を繰り返し処理させる。
【００９３】
次に、ステップＳ１１３において、形状測定装置１００は、点群データをハードディスク５８にセーブする（記憶させる）。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１に記憶されている被測定物３の形状情報である点群データをハードディスク５８に記憶させる。
なお、測定制御部５６は、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報（上述の相対位置の経路）をハードディスク５８に記憶させてもよい。
【００９４】
また、測定制御部５６は、再び被測定物３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した経路情報に基づいて光切断プローブ２の座標情報を変更させて、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させてもよい。この場合、測定制御部５６は、ハードディスク５８に記憶されている経路情報を読み出して使用してもよいし、ハードディスク５８に記憶されている経路情報を経路記憶部５５２に記憶させて、使用してもよい。
【００９５】
次に、本実施形態による形状測定装置１００が、被測定物３として球体の形状を測定する場合の一例について説明する。
図９は、本実施形態形における球体の測定例を示す図である。
この図において、形状測定装置１００は、測定制御部５６が測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６まで光切断プローブ２を移動して、球体３の形状を測定する。なお、測定経路Ｒ１は、測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６までの測定を行う際の経路を示す。
【００９６】
この図の示すように、ユーザによって、測定開始位置Ｐ３に光切断プローブ２が移動され、光切断線の照射方向が指定された場合、測定制御部５６は、被測定物３（球体）の法線方向を算出する。次に、測定制御部５６は、算出した法線方向、光切断線の照射方向、及びデータ取得ピッチに基づいてプローブ角度を含む次画像取得位置を計算して、測定経路Ｒ１の示すように、連続的に計測を実行させる。そして、測定制御部５６は、測定終了条件に達した場合（測定位置Ｐ６）に、測定動作を終了させる。
【００９７】
ここで、図９に示すように、測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６の各測定位置において、測定制御部５６は、光切断プローブ２の最適な相対位置（測定位置及び姿勢（向き））を維持させながら、光切断プローブ２を移動させる。つまり、測定制御部５６は、最適なワーキングディスタンスと、最適な光切断プローブ２の向きを維持させながら、光切断プローブ２を移動させる。なお、光切断線を法線方向から照射する場合、光切断線の短手方向幅が、最も狭くなるため、最も精度よく測定することができる。このように、形状測定装置１００は、ティーチングを行わなくても被測定物３の形状を測定することができる。
【００９８】
次に、本実施形態による形状測定装置１００が、複雑な形状の被測定物３を測定する場合の一例について説明する。
【００９９】
ところで、複雑な形状の被測定物３を測定する場合、特許文献１に記載されているような形状測定装置（以下、従来の形状測定装置という）では、図１０に示すような問題が発生する。
図１０は、従来の形状測定装置における複雑な形状の測定例を示す図である。
従来の形状測定装置が、図１０（ａ）に示すような複雑な形状の被測定物３を測定する場合、次のような問題が発生する場合がある。
【０１００】
例えば、測定位置Ｐ７のような形状を測定する場合、図１０（ｂ）に示すように、光切断線が被測定物３の形状に遮られ撮像できない場合（オクルージョン）がある（第１の場合）。
また、測定位置Ｐ８のような形状を測定する場合、図１０（Ｃ）に示すように、照明光軸Ｌ１と撮像光軸Ｌ２とを２分する角度に被測定物３の表面が位置するため、正しい形状測定が行えない場合がある（第２の場合）。この場合、本来捉えたい拡散反射成分に加え、正反射成分が光検出部に進入して、異常値となって検出される。そのため、形状を測定できないことがある。
また、測定位置Ｐ９のような形状を測定する場合、図１０（ｄ）に示すように、光切断線の撮像角度が大きく平坦な波形として捉えられ精密なピーク位置が捉えられない場合がある（第３の場合）。
【０１０１】
これに対して、本実施形態による形状測定装置１００では、図１１に示すように、光切断線を被測定物３の法線に近い角度で照射することが可能となり、上述の第１〜第３の場合においても、高精度な形状測定を行うことができる。
図１１は、本実施形態形における複雑な形状の測定例を示す図である。
この図において、形状測定装置１００は、図１０における被測定物３と同様の複雑な形状を、測定制御部５６が測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５まで光切断プローブ２を移動して測定する。なお、測定経路Ｒ２は、測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５までの測定を行う際の経路を示す。ここで、本実施形態による形状測定装置１００では、測定制御部５６は、測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５まで光切断線を被測定物３の法線に近い角度で照射する制御をする。
【０１０２】
例えば、測定位置Ｐ１１では、測定制御部５６は、光切断線を被測定物３の法線に近い角度で照射するように、光切断プローブ２の位置及び姿勢を駆動部１１に変更させる。これにより、上述の第１の場合（オクルージョン）の発生を防止することができる。
また、測定制御部５６は、測定位置Ｐ１２から測定位置Ｐ１５においても、測定位置Ｐ１１と同様に、最適なワーキングディスタンスと、最適な光切断プローブ２の向きとを維持させながら、光切断プローブ２を移動させる。これにより、上述の第２の場合（測定位置Ｐ１２）及び第３の場合（測定位置Ｐ１４）の問題を防止することができる。
【０１０３】
以上のように、本実施形態による形状測定装置１００は、光切断プローブ２（センサー部）が、被測定物３にライン光（ライン状の測定光）を照射する光照射部２１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を有する。座標算出部５３（形状測定部）が、光検出部２２からの検出出力（検出結果）に基づいて被測定物３の形状を検出（測定）する。駆動部１１が、光切断プローブ２と被測定物３とを相対移動させる。そして、測定制御部５６が、測定方向に相対移動する間に座標算出部５３によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の光切断プローブ２と被測定物３との少なくとも一方の姿勢を制御する。
これにより、測定制御部５６が最適な上述の相対位置を制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
【０１０４】
また、本実施形態において、測定制御部５６は、座標算出部５３によって検出された検出値（点群データ）に基づいて、光検出部２２によってライン光を検出可能な範囲内に収まるように、光切断プローブ２と被測定物３との距離（ワーキングディスタンス）を制御する。
これにより、測定制御部５６が最適なワーキングディスタンスを制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
【０１０５】
また、本実施形態において、測定制御部５６は、座標算出部５３によって検出された検出値（点群データ）に基づいて、ライン光における被測定物３の法線方向を示す法線ベクトル（法線方向）を算出する。そして、測定制御部５６は、算出した法線ベクトルに基づいて、ライン光を照射する光切断プローブ２の向きを制御する。
これにより、測定制御部５６が最適な光切断プローブ２の向きを制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
【０１０６】
また、本実施形態において、測定制御部５６によって制御された上述の相対位置に対応させて座標算出部５３が検出した検出値（点群データ）を記憶する形状記憶部５５１を備える。そして、測定制御部５６は、形状記憶部５５１から読み出した、現在の相対位置に対する検出値と現在より過去に検出された相対位置に対する検出値とに基づいて、現在の相対位置における法線ベクトルを算出する。
これにより、測定制御部５６は、簡易な方法により、法線ベクトルを算出することができる。
【０１０７】
また、本実施形態において、形状測定装置１００は、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を移動させるヘッド駆動部１４（移動部）と、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回転機構１３とを備える。そして、測定制御部５６は、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に対して光切断プローブ２を、算出した法線ベクトルの向きとライン光の照射方向とが一致する向きにさせる制御を行う。
これにより、形状測定装置１００は、被測定物３を測定するために、光切断プローブ２を被測定物３の形状に合わせて最適な測定位置及び向きに移動することができる。つまり、測定制御部５６がワーキングディスタンスと、光切断プローブ２の向きとを制御するので、本実施形態による形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定物３に対して精度を高めて測定することができる。
つまり、被測定物３の表面の法線方向に光切断プローブ２を制御することにより、上述した第１〜第３の場合のような問題の発生を抑えて、高精度な３次元形状測を行うことが可能になる。
【０１０８】
また、本実施形態において、座標算出部５３は、被測定物３の形状をライン光に基づいて検出された点群の位置情報（点群データ）として検出する。そして、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に点群の位置情報を繰り返し検出させ、新しく検出された点群の位置情報が、既に検出された点群の位置情報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。また、本実施形態において、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外である場合に、被測定物の形状の検出（被測定物の形状の測定）を終了させる。また、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて検出された点群データの数が、予め定められた値以下である場合に、被測定物３の形状の検出を終了させる。
【０１０９】
これにより、形状測定装置１００は、ティーチングを行うことなく測定開始位置のみを指示することにより、被測定物３の形状を連続的に認識し、被測定物３の形状に追従して光切断プローブ２の向きを変更することが可能となる。そのため、形状測定装置１００は、測定データ取得時間の短縮、及び高精度な測定データの取得を行うことができる。
【０１１０】
また、本実施形態において、形状測定装置１００は、変更させた上述の相対位置に対応する光切断プローブ２の座標情報を上述の相対位置の経路として記憶する経路記憶部５５２を備える。そして、測定制御部５６は、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させる際に、変更させた上述の相対位置に対応する光切断プローブ２の座標情報（６軸座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。測定制御部５６は、再び被測定物３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した相対位置の経路に基づいて光切断プローブ２の座標情報を変更させて、座標算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させる。
これにより、形状測定装置１００は、ティーチングを行うことなく測定開始位置のみを指示することにより、被測定物３の形状を連続的に認識し、被測定物３の形状に追従して光切断プローブ２の向きを変更することが可能となる。そのため、形状測定装置１００は、測定データ取得時間の短縮、及び高精度な測定データの取得を行うことができる。
【０１１１】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記の実施形態において、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ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、図１２に示すように、被測定物３を固定するテーブルを回転させる形態でもよい。図１２において、回転機構１３ａは、Ａ回転軸１３４及びＢ回転軸１３５を備えている。
また、上記の実施形態において、形状測定装置１００は、回転機構１３（又は１３ａ）を備える形態を説明したが、回転機構１３（又は１３ａ）を備えずに、測定制御部５６が、被測定物３に対する直交３軸によるワーキングディスタンスを追従する制御のみを行う形態でもよい。
【０１１２】
また、上記の実施形態において、測定制御部５６は、画像取得位置（座標）に移動させた後に、光検出部２２に画像取得をさせる形態を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、画像取得タイミングでリアルタイムに６軸の座標情報を取得できるため、測定制御部５６は、軸移動を停止させずに、６軸指令値を連続的に指示して画像を取得させる方式としてもよい。
また、過去に測定された２回分またはそれ以上のデータから測定面の形状を予測して法線を求めてもよい。
また、測定中の姿勢を測定中の形状データから求めた法線方向に合わせてもよい。
また、連続する形状測定だけに限らず、既に形状測定を行った部位の近傍の形状を測定する際に、前に行った形状データと新たに行う形状測定結果を併せて用いて法線方向を求めてもよい。
【０１１３】
また、上記の実施形態において、記憶部５５が形状記憶部５５１及び経路記憶部５５２を備える形態を説明したが、演算処理部４１が、形状記憶部５５１及び経路記憶部５５２を別々の記憶部として備える形態でもよい。また、ハードディスク５８が、形状記憶部５５１及び経路記憶部５５２を備える形態でもよいし、演算処理部４１が、ハードディスク５８を備えない形態でもよい。
また、上記の実施形態において、ユーザが測定開始位置などを指定する形態を説明したが、測定開始位置などの指定情報を有する設定ファイルをハードディスク５８に記憶させて、測定の際に、測定制御部５６がハードディスク５８から読み出して使用する形態でもよい。
【０１１４】
また、上記の実施形態において、自動追従動作を終了させる測定終了条件として（１）〜（６）の測定終了条件を説明したが、これに限定されるものではない。また、（１）〜（６）の測定終了条件のそれぞれを単独で指定できる形態でもよいし、組み合わせて指定できる形態でもよい。
また、上記の実施形態において、演算処理部４１の各部は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えて、プログラムによって実現されてもよい。
【０１１５】
上述の形状測定装置１００は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した被測定物３の形状を測定する処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１６】
２…光切断プローブ、３…被測定物、１３…回転機構、１４…ヘッド駆動部、２１…光照射部、２２…光検出部、５３…座標算出部、５６…測定制御部、１００…形状測定装置、５５１…形状記憶部、５５２…経路記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物にライン状の測定光を照射する照射部及び前記測定光の照射方向とは異なる方向から前記被測定物に照射された前記測定光を検出する検出部を有するセンサー部と、
前記検出部からの検出結果に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定部と、
前記センサー部と前記被測定物とを相対移動させる駆動部と、
測定方向に前記相対移動する間に前記形状測定部によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の前記センサー部と前記被測定物との少なくとも一方の姿勢を制御する測定制御部と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記測定制御部は、
前記被測定物の形状の測定と、該測定された形状に基づく前記相対移動後の前記姿勢の制御とを繰り返し行う
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】
前記測定制御部は、
前記形状に基づいて、前記光検出部によって前記測定光を検出可能な範囲内に収まるように、前記センサー部と前記被測定物との距離を制御する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記測定制御部は、
前記形状に基づいて、前記測定光における前記被測定物の法線方向を算出し、算出した前記法線方向に基づいて、前記測定光を照射する前記センサー部の向きを制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記測定制御部によって制御された前記センサー部と前記被測定物との相対位置に対応させて前記形状測定部が測定した前記形状を記憶する形状記憶部を備え、
前記測定制御部は、
前記形状記憶部から読み出した、現在の前記相対位置に対する前記形状と現在より過去に検出された前記相対位置に対応する前記形状とに基づいて、現在の前記相対位置における前記法線方向を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
３次元座標系の座標軸方向それぞれに、前記センサー部を移動させる移動部と、
前記移動部に対して前記センサー部を回転可能に支持する回転機構と
を備え、
前記測定制御部は、
前記移動部及び前記回転機構に対して前記センサー部を、算出した前記法線方向の向きと前記測定光の照射方向とが一致する向きにさせる制御を行う
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記形状測定部は、
前記被測定物の形状を前記測定光に基づいて検出された点群の位置情報として検出し、
前記測定制御部は、
前記センサー部と前記被測定物との相対位置を変更させて、前記形状測定部に前記点群の位置情報を繰り返し検出させ、新しく検出された点群の位置情報が、既に検出された点群の位置情報の値を含む予め定められた範囲内である場合に、前記被測定物の形状の測定を終了させる
ことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記測定制御部は、
前記法線方向の向きが、予め定められた範囲外である場合に、前記被測定物の形状の測定を終了させる
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】
前記測定制御部は、
前記相対位置を変更させて検出された前記点群の数が、予め定められた値以下である場合に、被測定物の形状の測定を終了させる
ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
変更させた前記相対位置に対応する前記センサー部の座標情報を前記相対位置の経路として記憶する経路記憶部を備え、
前記測定制御部は、
前記形状測定部に前記点群の位置情報を繰り返し検出させる際に、変更させた前記相対位置に対応する前記センサー部の座標情報を前記経路記憶部に記憶させ、
再び前記被測定物の形状を検出させる場合に、前記経路記憶部から読み出した前記相対位置の経路に基づいて前記センサー部の座標情報を変更させて、前記形状測定部に前記点群の位置情報を繰り返し検出させる
ことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１】
被測定物にライン状の測定光を照射する照射部及び前記測定光の照射方向とは異なる方向から前記被測定物に照射された前記測定光を検出する検出部を有するセンサー部と、
前記検出部からの検出結果に基づいて前記被測定物の形状を測定する形状測定部と、
前記センサー部と前記被測定物とを相対移動させる駆動部と、
測定方向に前記相対移動する間に前記形状測定部によって得られた複数回の測定の結果に基づいて、測定時の前記センサー部と前記被測定物との少なくとも一方の姿勢を制御する測定制御部と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記測定制御部は、
前記被測定物の形状の測定と、該測定された形状に基づく前記相対移動後の前記姿勢の制御とを繰り返し行う
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】
前記測定制御部は、
前記形状に基づいて、前記光検出部によって前記測定光を検出可能な範囲内に収まるように、前記センサー部と前記被測定物との距離を制御する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記測定制御部は、
前記形状に基づいて、前記測定光における前記被測定物の法線方向を算出し、算出した前記法線方向に基づいて、前記測定光を照射する前記センサー部の向きを制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記測定制御部によって制御された前記センサー部と前記被測定物との相対位置に対応させて前記形状測定部が測定した前記形状を記憶する形状記憶部を備え、
前記測定制御部は、
前記形状記憶部から読み出した、現在の前記相対位置に対する前記形状と現在より過去に検出された前記相対位置に対応する前記形状とに基づいて、現在の前記相対位置における前記法線方向を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
３次元座標系の座標軸方向それぞれに、前記センサー部を移動させる移動部と、
前記移動部に対して前記センサー部を回転可能に支持する回転機構と
を備え、
前記測定制御部は、
前記移動部及び前記回転機構に対して前記センサー部を、算出した前記法線方向の向きと前記測定光の照射方向とが一致する向きにさせる制御を行う
ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記形状測定部は、
前記被測定物の形状を前記測定光に基づいて検出された点群の位置情報として検出し、
前記測定制御部は、
前記センサー部と前記被測定物との相対位置を変更させて、前記形状測定部に前記点群の位置情報を繰り返し検出させ、新しく検出された点群の位置情報が、既に検出された点群の位置情報の値を含む予め定められた範囲内である場合に、前記被測定物の形状の測定を終了させる
ことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記測定制御部は、
前記法線方向の向きが、予め定められた範囲外である場合に、前記被測定物の形状の測定を終了させる
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】
前記測定制御部は、
前記相対位置を変更させて検出された前記点群の数が、予め定められた値以下である場合に、被測定物の形状の測定を終了させる
ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
変更させた前記相対位置に対応する前記センサー部の座標情報を前記相対位置の経路として記憶する経路記憶部を備え、
前記測定制御部は、
前記形状測定部に前記点群の位置情報を繰り返し検出させる際に、変更させた前記相対位置に対応する前記センサー部の座標情報を前記経路記憶部に記憶させ、
再び前記被測定物の形状を検出させる場合に、前記経路記憶部から読み出した前記相対位置の経路に基づいて前記センサー部の座標情報を変更させて、前記形状測定部に前記点群の位置情報を繰り返し検出させる
ことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２２０３３８（Ｐ２０１２−２２０３３８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６３０３（Ｐ２０１１−８６３０３）
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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