形状測定装置
【課題】光学式のセンサー部によって測定する、被検物の形状測定の測定精度を向上させる。
【解決手段】被検物にライン光を照射する光照射部（９１）およびライン光の照射方向とは異なる方向から被検物に照射されたライン光を検出する検出部（９２）を有するセンサー部（２０）と、互いに直交する座標系の座標軸方向それぞれに、センサー部（２０）を移動させる移動部と、移動部に対してセンサー部（２０）を回転可能に支持する回転機構と、座標系の基準位置を示す球を検出することにより、移動部に対するセンサー部（２０）の回転方向を算出する回転方向算出部（３５９）と、を備える。
【解決手段】被検物にライン光を照射する光照射部（９１）およびライン光の照射方向とは異なる方向から被検物に照射されたライン光を検出する検出部（９２）を有するセンサー部（２０）と、互いに直交する座標系の座標軸方向それぞれに、センサー部（２０）を移動させる移動部と、移動部に対してセンサー部（２０）を回転可能に支持する回転機構と、座標系の基準位置を示す球を検出することにより、移動部に対するセンサー部（２０）の回転方向を算出する回転方向算出部（３５９）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検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）。特許文献１に係る形状測定装置においては、門柱状のフレーム部に保持された測定プローブが被検物に対してＸＹＺ方向に移動可能な構成とされている。
【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、測定プローブとしては、上述の接触式のものの他に、光切断方式を用いた非接触プローブがある。このような光学式の測定プローブ（センサー部）は、被検物に所定の投影パターン（スリット光や、縞模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）の基準面からの高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するようになっている。
しかしながら、光学式の測定プローブの取り付け角度を正確に設定しないと、測定により取得された点群情報が示す形状に歪みが生じてしまい正確な測定を行うことができなかった。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、光学式のセンサー部によって測定する、被検物の形状測定の測定精度を向上させることができる形状測定装置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】
【０００６】
本発明の態様に従えば、被検物にライン光を照射する光照射部および前記ライン光の照射方向とは異なる方向から前記被検物に照射された前記ライン光を検出する検出部を有するセンサー部と、互いに直交する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、前記座標系の基準位置を示す球を検出することにより、前記移動部に対する前記センサー部の回転方向を算出する回転方向算出部と、を備えることを特徴とする形状測定装置提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光学式のセンサー部によって測定する、被検物の形状測定の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の形状測定装置に係る一実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図２】本実施形態における形状測定装置の構成を示す側面図である。
【図３】本実施形態における回転機構の要部構成を示す図である。
【図４】本実施形態におけるロック状態判定部の要部構成を示す図である。
【図５】本実施形態における形状測定装置１００の構成を示すブロック図である。
【図６】本実施形態におけるセンサー部２０の取り付け角度を検出するまでの処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態における球１９に対するスキャン位置を示す図である。
【図８】本実施形態におけるセンサー部２０の取り付け方向を変更した場合のライン光の状態を示す図である。
【図９】図８と同様にセンサー部２０の取り付け方向を変更した場合の中心座標の位置を示す図である。
【図１０】本実施形態におけるプローブ座標系を示す図である。
【図１１】本実施形態におけるセンサー部２０におけるプローブ座標系を示す図である。
【図１２】本実施形態における円中心座標（中心位置）の軌跡をプローブ座標系で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の形状測定装置の一実施形態に係る構成について説明する。なお、本実施形態は、発明の要旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各要請要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１０】
図１は、本発明の形状測定装置に係る一実施形態の構成例を示す斜視図であり、図２は側面図である。本実施形態に係る形状測定装置は、光切断法を用いることで、被検物の表面に一本のライン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検物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検物に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、撮像された被検物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検物表面の基準平面からの高さを算出し、被検物表面の三次元形状を求める装置である。
【００１１】
図１、２に示すように、形状測定装置１００は、本体部１１と、傾斜回転テーブル１４と、被検物の形状を測定するためのセンサー部２０と、センサー部２０を移動させる移動部３０と、センサー部２０を移動部３０に対して回転させる回転機構４０と、を有している。図１に示される範囲を、測定装置本体１１０という。形状測定装置１００は、測定装置本体１１０に付帯する制御部５００を備える。
【００１２】
本体部１１は、架台１２と、該架台１２上に載置される定盤１３とを含む。架台１２は、形状測定装置１００全体の水平度を調整するためのものである。定盤１３は、石製または鋳鉄製からなるものであり、上面が架台１２により水平に保たれたものとなっている。この定盤１３の上面には、傾斜回転テーブル１４と、球１９とが載置されている。
【００１３】
以下、互いが直交する３方向により規定されるＸＹＺ座標系を用いて形状測定装置１００の構成について説明する。ここで、ＸＹ平面とは定盤１３の上面と平行な面を規定するものである。すなわち、Ｘ方向とは定盤１３上における一方向を規定するものであり、Ｙ方向とは定盤１３の上面においてＸ方向に直交する方向を規定するものであり、Ｚ方向とは定盤１３の上面に直交する方向を規定するものである。
球１９は、測定可能な空間の任意の位置に石常盤８の上に固定されており、その設置座標は、ＸＹＺ座標系において既知の座標として予め計測されている。
【００１４】
傾斜回転テーブル１４は、被検物２００が上面に載置される回転テーブル２１、回転テーブル２１の上面に対して垂直なＺ軸方向（センサー２０から被検物２００に向かう方向）に延びる回転軸Ｌ１を中心として回転テーブル２１が回転可能に装着される傾斜テーブル２２、並びに、Ｘ軸方向（回転軸Ｌ１と交差する方向）に延びる傾斜軸Ｌ２を中心に傾斜テーブル２２を回転可能に支持する支持部２３および２４を備えて構成される。回転テーブル２１は円形の板状の部材であり、上面の平面度が高精度に規定されている。
【００１５】
傾斜テーブル２２は、回転軸駆動モータ２２ａを内蔵しており、回転軸駆動モータ２２ａは、回転軸Ｌ１を中心として回転テーブル２１を回転駆動する。回転テーブル２１は、中央部分に形成されている複数の貫通穴（不図示）を介して、複数のボルトにより回転軸駆動モータ２２ａのシャフトに連結されている。
【００１６】
また、支持部２３は、傾斜軸駆動モータ２３ａを内蔵しており、傾斜軸駆動モータ２３ａは、傾斜軸Ｌ２を中心として傾斜テーブル２２を回転駆動することで、回転テーブル２１を水平面に対して所定の傾斜角度で傾斜させる。
【００１７】
このように、傾斜回転テーブル１４では、回転テーブル２１を回転させ、傾斜テーブル２２を傾斜させることで、回転テーブル２１に載置される被検物２００を任意の姿勢で保持できるようになっている。なお、回転テーブル２１は、傾斜テーブル２２の傾斜角度が急勾配になっても被検物２００がずれないように、被検物２００を固定することができるように構成されている。
【００１８】
センサー部２０は、傾斜回転テーブル１４に載置される被検物２００に光切断を行うためのライン光を照射する照射部９１と、ライン光が照射されることで光切断面（線）が現れた被検物２００の表面を検出する検出部９２と、を主体に構成される。また、センサー部２０には、検出部９２により検出された画像データに基づいて被検物の形状を測定する演算処理部３００が接続されている。演算処理部３００は、形状測定装置１００における全体の駆動を制御するための制御部５００に含まれる。
【００１９】
照射部９１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９１ａ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。ＬＥＤを用いた場合は安価に光源を形成することができる。また、レーザー光源を用いた場合、点光源であるため収差の少ないライン光を作ることができ、波長安定性に優れ半値幅が小さいため、迷光カットに半値幅の小さいフィルターが使えるため、外乱の影響を少なくすることができる。また、ＳＬＤ（super luminescent diode）を用いた場合は、レーザー光源の特性に加え可干渉性がレーザー光よりも低いため被検物面でのスペックルの発生を抑えることができる。
【００２０】
検出部９２は、照射部９１の光照射方向とは異なる方向から被検物２００の表面に投影されるライン光９１ａを撮像するためのものである。また、検出部９２は、図示しない結像レンズやＣＣＤ等から構成され、後述のように移動部３０を駆動させてライン光９１ａが所定間隔走査される毎に被検物２００を撮像するようになっている。なお、照射部９１および検出部９２の位置は、被検物２００の表面上のライン光９１ａの検出部９２に対する入射方向と、照射部９１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。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。
検出部９２で撮像された被検物２００の画像データは、演算処理部３００に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物２００の表面の高さが算出され、被検物２００の三次元形状（表面形状）が求められるようになっている。演算処理部３００は、被検物２００の画像において、被検物２００の凹凸に応じて変形したライン光９１ａによる光切断面（線）の位置情報に基づき、光切断面（線）（ライン光９１ａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２００表面の基準平面からの高さを算出し、被検物２００の三次元形状を求める演算処理を行う。
【００２１】
移動部３０は、被検物２００に投影されたライン光９１ａの長手方向と略直角な方向にセンサー部２０（照射部９１）を移動させることで、ライン光９１ａを被検物２００の表面に走査させるためのものである。本実施形態に係る形状測定装置１００では、後述のように形状測定者により指定された方向にセンサー部２０が移動部３０により移動されるようになっている。なお、センサー部２０の回転角度を検出し、該検出結果に基づいて移動部３０の移動方向を自動的に算出する構成であっても構わない。
【００２２】
移動部３０は門型フレーム１５を主体として構成されている。なお、定盤１３は、端部（図２では右側の端部）が、定盤１３上をＹ軸方向に門型フレーム１５を駆動させるＹ軸ガイドを兼ねるように構成されている。
【００２３】
門型フレーム１５は、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイド１５ａ、定盤１３のＹ軸ガイドに沿って駆動する駆動側柱１５ｂ、および駆動側柱１５ｂの駆動に従って定盤１３の上面を滑動する従動側柱１５ｃにより構成されている。
【００２４】
ヘッド部１６は、門型フレーム１５のＸ軸ガイド１５ａに沿ってＸ軸方向に沿って駆動可能とされている。ヘッド部１６には、該ヘッド部１６に対してＺ軸方向に駆動可能なＺ軸ガイド１７が装着されている。Ｚ軸ガイド１７の下端部にはセンサー部２０が装着されている。
【００２５】
ところで、本実施形態に係る形状測定装置１００のように光切断法を用いる場合、センサー部２０の照射部９１から被検物２００に照射されるライン光９１ａが、センサー部２０の移動方向（以下、スキャン方向と称す。）と直交する方向に配置させるのが望ましい。例えば、図２において、被検物２００に対するセンサー部２０のスキャン方向をＹ軸方向に設定した場合、ライン光９１ａをＸ軸方向に沿って配置するのが望ましい。センサー部２０とライン光９１ａの出射方向とをこのような関係に設定すると、測定時にライン光９１ａの全域を有効に利用したスキャンを行うことができ、被検物２００の形状を最適に測定できるためである。
【００２６】
本実施形態に係る形状測定装置１００は、上述したように、センサー部２０が移動部３０により被検物２００に対して移動可能とされている。移動部３０は上述した門型フレーム１５を主体として構成されるため、移動部３０に取り付けられたセンサー部２０の照射部９１から照射されるライン光９１ａのスキャン方向は、被検物２００に対し、原則としてＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向のいずれかに制約される。
【００２７】
そこで、本実施形態に係る形状測定装置１００では、Ｚ軸ガイド１７とセンサー部２０との間に上記回転機構４０を配置し、センサー部２０を移動部３０に対して回転可能な構成としている。これにより、形状測定装置１００は、上述のようにセンサー部２０のスキャン方向と直交方向にライン光９１ａを配置可能となっている。
【００２８】
図３は回転機構４０の要部構成を示す図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は側面図である。回転機構４０は、図３に示すように、取付部４１と、回転部４２と、ロック部４３と、ロック状態判定部４４と、を有している。センサー部２０は回転部に設けられる回転軸４２ａの一端側に取り付けられている。本実施形態では回転軸４２ａにおける回転中心軸Ｃ１が照射部９１から照射されるライン光９１ａの中心軸Ｃ２と一致するようにセンサー部２０が回転軸４２ａに取り付けられている。
【００２９】
回転部４２は、センサー部２０を移動部３０に対して回転可能に保持する回転軸４２ａと、回転軸４２ａが所定角度だけ回転する毎に当該回転軸４２ａの回転動作を一時的に規制する回転規制部６０と、を有している。
【００３０】
回転規制部６０は、回転軸４２ａの外周に形成された歯型溝６１と、取付部４１に設けられるボールプランジャ６２と、を含む。歯型溝６１は、回転軸４２ａの外周に例えば７．５°おきに形成されている。このような構成に基づき、回転軸４２ａは、７．５°回転する毎にボールプランジャ６２が歯型溝６１に係合するため、回転軸４２ａの回転動作に負荷がかかるようになり、作業者の手にクリック感を感じさせることができるようになっている。よって、作業者は、手に感じたクリック感の回数に応じて、回転軸４２ａの回転角度を容易に把握することが可能となっている。
【００３１】
なお、取付部４１には、回転軸４２ａの回転角度を示す回転指標部４５が設けられている。回転指標部４５には、例えば目盛りが設けられており、回転軸４２ａが上述のように７．５°回転する毎に、７．５°、１５°、２２．５°…等のように回転角度の値を表示するようになっている。これにより、形状測定者は、回転指標部４５の目盛りを目視することで、回転軸４２ａの回転角度を所定値に簡便且つ確実に設定することが可能となっている。
【００３２】
回転機構４０は、図３（ａ）に示すように、回転軸４２ａの回転によりセンサー部２０が０°〜１２０°の範囲で移動するようになっている。センサー部２０が０°位置に配置されると、照射部９１および検出部９２がＸ軸方向に沿って配置される。また、センサー部２０が９０°位置に配置されると、照射部９１および検出部９２がＹ軸方向に配置される。センサー部２０が回転すると、同図に示されるように被検物２００の表面上に照射されるライン光９１ａの向きが変化する。
【００３３】
本実施形態に係る形状測定装置１００は、回転軸４２ａにおける回転中心軸と、照射部９１から照射されるライン光９１ａの中心軸とが一致した状態となっているので、回転後に被検物２００に対するライン光９１ａの測定開始位置（測定中心位置）がＸＹ平面内でずれることが防止されている。このように回転後に被検物２００に対するライン光９１ａの測定開始位置がＸＹ平面内でずれないため、被検物２００の端部においてセンサー部２０の向きを変更した場合であっても、ライン光９１ａが被検物２００の表面から外れた位置に照射されてしまうことが防止されている。なお、本実施形態の係る形状測定装置１００はライン光９１ａが被検物２００の測定面の垂線方向から照射されているため、測定精度が向上するとともにライン光９１ａの中心軸と回転機構４０の回転中心軸とを一致させることで、スキャン方向と直交する方向とライン光９１ａの延在方向を合わせることができる。また、被検物の測定対象の幅が広い場合など、ライン光９１ａの中心以外を測定対象に合わせたい場合がある。そのような場合は、回転に加えてＸ方向とＹ方向とに平行移動する変位機構を設け、被検物に照射されているライン光９１ａの一部の照射位置を保ちながらライン光９１ａの延在方向が変わるようにセンサー部２０を変位することにより所望の位置と方向にライン光９１ａを合わせることができる。
【００３４】
ロック部４３は、取付部４１に取り付けられ、回転軸４２ａを挿通させる固定部７１と、該固定部７１に取り付けられたロックレバー７２と、を含む。回転軸４２ａは軸受け部５０により取付部４１に対して滑らかに回転可能とされている。固定部７１は、例えばロックレバー７２が下方（−Ｚ方向）に移動された場合に回転軸４２ａを締め付け、回転軸４２ａが取付部４１に対して回転しないように固定するようになっている。一方、固定部７１は、ロックレバー７２が上方（＋Ｚ方向）に移動された場合に回転軸４２ａを締め付けることがなく、回転軸４２ａが取付部４１に対して回転可能とされる。
【００３５】
図４はロック状態判定部４４の要部構成を示す図であり、図４（ａ）はロック状態判定部４４によるロック非検出状態を示す図であり、図４（ｂ）はロック状態判定部４４によるロック検出状態を示す図である。
ロック状態判定部４４は、図４（ａ）に示すようにロックレバー７２の先端に取り付けられたセンサー検出用板部４４ａと、該センサー検出用板部４４ａに接触するタッチセンサー４４ｂとを含む。センサー検出用板部４４ａは、ロックレバー７２が回転軸４２ａを良好に締め付け可能な位置に移動した際、タッチセンサー４４ｂに接触するようになっている。タッチセンサー４４ｂは、形状測定装置１００の全体の駆動の制御を行う制御部５００に電気的に接続されている。
【００３６】
タッチセンサー４４ｂは、所定位置に配置されたセンサー検出用板部４４ａに接触可能な接触部４４ｃを有している。接触部４４ｃは、センサー検出用板部４４ａにより押圧可能な構成とされている。
【００３７】
接触部４４ｃは、図４（ｂ）に示すように所定の位置まで押圧された時にＯＮ信号を制御部５００に通知するようになっている。一方、接触部４４ｃは、所定の位置まで押圧されていない時にＯＦＦ信号を制御部５００に通知するようになっている。ここで、ＯＮ信号が通知される場合とは、ロックレバー７２による回転軸４２ａの締め付けが十分であることを意味し、ＯＦＦ信号が通知される場合とは、ロックレバー７２による回転軸４２ａの締め付けが不十分であることを意味する。
【００３８】
制御部５００は、ＯＮ信号が通知されると、形状測定装置１００の表示部（不図示）に回転軸４２ａのロック状態が良好（例えば、ＯＫ等）である旨を表示するようになっている。一方、制御部５００は、ＯＦＦ信号が通知されると、形状測定装置１００の表示部（不図示）に回転軸４２ａのロック状態が不良（例えば、ＮＯ等）である旨を表示するようになっている。これにより、回転軸４２ａのロック状態が不良のままで、被検物２００の形状測定が開始されるといった不具合の発生が防止されたものとなっている。
【００３９】
このような構成に基づき、形状測定装置１００は、センサー部２０にガタツキが生じることなく、照射部９１からライン光９１ａを被検物２００の所定方向に向けて照射できるようになっている。
【００４０】
続いて、形状測定装置１００の動作として、被検物２００の形状を測定する方法について以下に説明する。
はじめに、形状測定者は、回転テーブル２１に被検物２００を載置し、被検物２００に照射されるライン光９１ａが所定方向を向くように回転機構４０によりセンサー部２０を移動部３０に対して回転させる。
【００４１】
形状測定者（ユーザ）は、回転規制部６０のクリック感の回数および回転機構４０に設けられた上記回転指標部４５の目盛りの少なくともいずれかを参照して、回転軸４２ａ（センサー部２０）の回転角度を所定値に容易に設定することができる。
【００４２】
なお、センサー部２０を回転させる際、照射部９１から被検物２００に対してライン光９１ａを照射した状態のまま行うようにしても構わない。この場合、形状測定者は、被検物２００に投影されるライン光を目安として、センサー部２０における回転角度の設定をより容易に行うことが可能となる。
【００４３】
形状測定者は、回転軸４２ａを所定角度回転させた後、ロック部４３を用いて回転軸４２ａを固定する。具体的には、形状測定者は、ロックレバー７２を下方に移動することで回転軸４２ａを締め付け、回転軸４２ａを確実に固定することができる。これにより、後述の形状測定時にセンサー部２０が移動部３０により移動する途中に、回転軸４２ａが動くことでセンサー部２０の照射部９１から被検物２００に照射されるライン光の位置がずれるといった不具合の発生を防止できる。
【００４４】
本実施形態では、形状測定装置１００は、上述のようにして設定したセンサー部２０における回転軸４２ａの回転角度（取付角度）を、センサー部２０が球１９をスキャン（走査）することにより検出し、検出した回転角度情報を保持する。形状測定装置１００は、被検物２００に照射されたライン光９１ａの長手方向と略直角な方向にセンサー部２０（照射部９１）を移動させるように移動部３０を駆動し、ライン光９１ａにより被検物２００の表面に走査させる。
【００４５】
被検物２００にライン光９１ａが照射されると、被検物２００の表面にライン光９１ａによる光切断面（線）が現れるため、検出部９２により、ライン光９１ａが所定間隔走査される毎に（光切断面が現れた）被検物２００を撮像する。このとき、検出部９２で撮像された被検物２００の画像データは、演算処理部３００に送られる。
【００４６】
このようにして得られた被検物２００の画像データから、演算処理部３００は被検物２００の凹凸に応じて変形したライン光９１ａによる光切断面（線）の位置情報に基づいて、光切断面（線）（ライン光９１ａ）が延びる長手方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物２００表面の基準平面からの高さを算出し、被検物２００の三次元形状を測定することができる。
【００４７】
図５は、本発明の一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。図１から図４と同じ構成には、同じ符号を附す。
形状測定装置１００は、測定装置本体１１０と制御部５００とを備える。
測定装置本体１１０は、駆動部１１６と、位置検出部１１７と、センサー部２０とを備える。
駆動部１１６は、ヘッド駆動部１１４とテーブル駆動部１３３とを備える。
ヘッド駆動部１１４は、門型フレーム１５内部に設けられ、入力される駆動信号に基づいて、門型フレーム１５をＹ方向に駆動するＹ軸用モータ、ヘッド部１６をＸ方向に駆動するＸ軸用モータ、およびＺ軸ガイド１７をＺ方向に駆動するＺ軸用モータを備える。ヘッド駆動部１１４は、後述の駆動制御部３５４から供給される駆動信号を受け取る。ヘッド駆動部１１４は、それら駆動信号に基づき移動部３０の位置を３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に電動で移動させる。
【００４８】
テーブル駆動部１３３は、回転テーブル２１を回転軸Ｌ１回りに回転駆動する前述の回転軸駆動モータ２２ａおよび回転軸Ｌ２回りに回転駆動する前述の傾斜軸駆動モータ２３ａを備える。テーブル駆動部１３３は、駆動制御部３５４から供給される駆動信号を受け取る。テーブル駆動部１３３は、その駆動信号に基づき回転テーブル２１を回転軸Ｌ１、Ｌ２回りに、電動でそれぞれ回転させる。
【００４９】
位置検出部１１７は、ヘッド位置検出部１１５と、テーブル位置検出部１３４とを備える。
ヘッド位置検出部１１５は、門型フレーム１５内部に設けられ、移動部３０のＸ軸、Ｙ軸、および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、およびＺ軸用エンコーダを備える。ヘッド位置検出部１１５は、それらのエンコーダによって移動部３０の位置を検出し、移動部３０の位置を表す信号を後述の座標検出部３５１へ供給する。
【００５０】
テーブル位置検出部１３４は、回転テーブル２１の回転軸Ｌ１、Ｌ２回りの回転位置をそれぞれ検出するロータリ軸用エンコーダおよびチルト軸用エンコーダを備える。テーブル位置検出部１３４は、それらのエンコーダを用いて、回転テーブル２１の回転軸Ｌ１、Ｌ２回りの回転位置を検出し、検出した回転位置を表す信号を座標検出部３５１へ供給する。
【００５１】
センサー部２０は、三次元形状を有している被検物２００の表面形状を検出する。
センサー部２０は、光切断方式により被検物２００の表面形状を求めるために、前述の照射部９１と検出部９２とを備えて構成される。照射部９１は、後述の間隔調整部３５２から供給される光の照射を制御する制御信号に基づき、被検物２００に直線上の光があたるように、被検物２００に直線状のスリット光（ライン状の光）を照射する。
検出部９２は、照射部９１の照射方向に対して、光軸を所定角度ずらして配置される。検出部９２は、照射部９１からの照射光により被検物２００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、被検物２００の断面形状に応じて形成される。検出部９２は、被検物２００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３５２へ供給する。これにより、制御部５００は、形状測定データを取得する。検出部９２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、Ｃ−ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサーなどの個体撮像素子を備えている。
【００５２】
続いて、制御部５００について説明する。
制御部５００は、演算処理部３００と、入力装置５４２と、ジョイスティック５４３と、モニタ５４４とを備える。
入力装置５４２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５４２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３５５に書き込み記憶させる。
ジョイスティック５４３は、ユーザの操作を受けて、その操作に応じて移動部３０の移動や回転テーブル２１を駆動させる制御信号を生成して駆動制御部３５４へ供給する。このように、ジョイスティック５４３は、指定領域においてセンサー部２０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センサー部２０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５４４は、データ出力部３５７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５４４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５４４は、計測画面、指示画面等を表示する。
【００５３】
演算処理部３００は、座標検出部３５１と、間隔調整部３５２と、座標算出部３５３と、駆動制御部３５４と、記憶部３５５と、移動指令部３５６と、データ出力部３５７と、回転方向算出部３５９とを備える。
【００５４】
座標検出部３５１は、ヘッド位置検出部１１５から出力される座標信号によって、センサー部２０および回転テーブル２１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３５１は、テーブル位置検出部１３４から出力される回転位置を表す信号によって、回転テーブル２１の回転軸Ｌ１、Ｌ２回りの回転位置を検知する。座標検出部３５１は、それぞれ検知された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の情報と、テーブル位置検出部１３４から出力される回転位置を表す情報（回転テーブル２１の回転位置情報）とから、座標情報を検出する。そして、座標検出部３５１は、センサー部２０の座標情報と回転テーブル２１の座標情報と回転位置情報とを座標算出部３５３へ供給する。
また、座標検出部３５１は、センサー部２０の座標情報と回転テーブル２１の座標情報と回転位置情報とに基づいて、センサー部２０と回転テーブル２１との相対的な移動経路、移動速度などを検出する。
【００５５】
間隔調整部３５２は、座標計測開始前に記憶部３５５からサンプリング周波数を指定するデータを読み出す。間隔調整部３５２は、そのサンプリング周波数で、検出部９２から画像情報を受け取る。
【００５６】
座標算出部３５３は、間隔調整部３５２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３５３は、座標検出部３５１から供給されたセンサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報を受け取る。座標算出部３５３は、間隔調整部３５２から供給された画像情報と、センサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報とに基づき、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。
【００５７】
具体的な算出方法は以下の通りである。まず、座標算出部３５３は、受け取ったセンサー部２０の座標から、センサー部２０に固定された照射部９１の座標と、検出部９２の座標を算出する。
ここで、照射部９１はセンサー部２０に固定されているので、照射部９１の照射角度は、センサー部２０に対して固定である。また、検出部９２もセンサー部２０に固定されているので、検出部９２の撮像角度は、センサー部２０に対して固定である。
【００５８】
座標算出部３５３は、照射した光が被検物２００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、照射した光が被検物２００にあたった点の座標は、照射部９１の座標から照射部２１の照射角度で描画される直線と、検出部９２の座標から検出部９２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センサー部２０によって検出された画像を示す。
これによって、被検物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。
また、被検物２００は、回転テーブル２１に支持されている。被検物２００は、回転テーブル２１が回転軸周りに回転することにより、回転テーブル２１の回転軸を中心に一緒に回転する。つまり、算出された光が照射された位置の座標は、回転テーブル２１の回転軸中心に回転したことによって姿勢が傾けられた被検物２００の表面の位置を示す情報である。よって、光が照射された位置の座標を、回転テーブル２１の傾き、即ち回転軸周りの回転位置情報に基づいて、回転テーブル２１の傾きを補正することにより、実際の被検物２００の表面形状を求めることができる。
また、座標算出部３５３は、算出した三次元座標値の点群データを記憶部３５５に保存する。
【００５９】
記憶部３５５は、入力装置５４２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保持する。ここで、測定条件テーブルは、測定条件や測定手順等の所定の移動指令データ、被検物２００の測定位置と測定手順とを示す指定領域の測定ポイントの座標値と回転テーブル２１の回転位置、被検物２００の測定開始点（最初の測定ポイント）および測定終了点（最後の測定ポイント）等の座標値、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）を表すデータなどの項目を備える。
【００６０】
例えば、被検物２００の測定位置と測定手順とを示す指定領域の測定ポイントの座標値と回転テーブル２１の回転位置は、次に示す処理により算出される。
測定ポイントの座標値と回転テーブル２１の回転位置は、被検物２００の指定領域を指定する測定ポイント毎に、ユーザによって入力された情報に基づいて、測定ヘッド１３および回転テーブル２１を駆動して、被検物２００およびセンサー部２０を所望の姿勢にそれぞれ位置決めした位置により算出される。
より具体的には、駆動制御部３５４から供給された各測定ポイントの座標値（三次元座標値）に基づいて、座標算出部３５３が、当該測定ポイントの座標値を算出する。座標算出部３５３が算出する当該測定ポイントの座標値は、入力装置５４２による当該座標値のキー入力の他、予めジョイスティック５４３の操作によって移動部３０を移動させ、および回転テーブル２１を駆動させ、被検物２００およびセンサー部２０を所望の姿勢に位置決めした位置により算出される。
座標検出部３５１は、位置決めされた姿勢の状態における、センサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報とを検出して座標算出部３５３へ供給する。座標算出部３５３は、センサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報を記憶部３５５に書き込み保存する。
また、被検物２００の測定開始点（最初の測定ポイント）および測定終了点（最後の測定ポイント）等の座標値は、座標検出部３５１により、被検物２００の指定領域の測定ポイントの座標値に基づいて生成され、記憶部３５５に書き込まれる。
【００６１】
また、記憶部３５５は、座標算出部３５３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保持する。また、記憶部３５５は、座標検出部３５１から供給された各測定ポイントの座標値（三次元座標値）の点群データを保持する。また、記憶部３５５は、設計データ（ＣＡＤデータ）を保持する。
【００６２】
駆動制御部３５４は、ジョイスティック５４３からの操作信号に基づいて、または、移動指令部３５６からの指令信号に基づいて、ヘッド駆動部１１４およびテーブル駆動部１３３に駆動信号を出力して、移動部３０を移動させ、および回転テーブル２１の駆動させる制御を行う。
また、駆動制御部３５４は、ジョイスティック５４３からの操作信号に基づいて、登録位置として設定された移動部３０および回転テーブル２１の位置情報を記憶部３５５に書き込み記憶させる。つまり、駆動制御部３５４は、移動部３０に支持されているセンサー部２０の位置を間接的に取得することができる。
【００６３】
移動指令部３５６は、記憶部３５５から測定条件テーブルに登録された被検物２００の測定開始点（最初の測定ポイント）および測定終了点（最後の測定ポイント）等を読み出す。移動指令部３５６は、被検物２００の測定開始点および測定終了点から、被検物２００に対するスキャンの移動経路を算出する。
移動指令部３５６は、算出した移動経路に従って、測定ヘッド１３および回転テーブル２１を駆動させるべく、駆動制御部３５４を介してヘッド駆動部１１４とテーブル駆動部１３３とに移動指令を送信する。また、移動指令部３５６は、移動指令等に基づいて、間隔調整部３５２に制御信号を供給してセンサー部２０の光学系の制御を行う。
【００６４】
データ出力部３５７は、記憶部３５５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３５７は、その測定データ（全測定ポイントの座標値）等をモニタ５４４に供給する。また、データ出力部３５７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。
【００６５】
回転方向算出部３５９は、ＸＹＺ座標系の基準位置を示す球１９をスキャンすることにより検出される画像データに基づいて、球１９の表面座標を検出する。これにより、回転方向算出部３５９は、移動部３０に対して回転して支持されているセンサー部２０の回転方向を算出する。つまり、回転方向算出部３５９は、センサー部２０が球１９を検出して得られた１つの画像において示される点群情報を記憶部３５５から読み出して、その点群情報に基づいて近似される円を生成する。即ち、回転方向算出部３５９は、所定の大きさの円にフィッティングさせる円フィッティングを行う。回転方向算出部３５９は、センサー部２０が球１９を検出して得られた複数の画像データに基づいて、近似される円の中心の位置情報を算出する。回転方向算出部３５９は、それぞれ算出した円の中心の位置情報に基づいて直線近似を行い、円の中心の軌跡が示す角度を算出する。回転方向算出部３５９は、近似直線が示す角度（傾き）に基づいて、センサー部２０の取り付け角度を算出する。
【００６６】
図６から図１１を参照し、センサー部２０における回転軸４２ａの回転角度（取付角度）を変更後、基準となる球１９をスキャンしセンサー部２０の取り付け角度を検出するまでの処理の手順を説明する。
図６は、センサー部２０の取り付け角度を検出するまでの処理の手順を示すフローチャートである。
まず、形状測定装置１００は、球１９をスキャンするスキャン開始位置に、センサー部２０を移動させる。
図７は、球１９に対するスキャン位置を示す図である。この図には、球１９を上面視した状態が示される。
この図のライン光（ｌ１からｌｎ）は、便宜的に回転機構４０においてセンサー部２０の取り付け角度を０度に設定した場合を示してある。
図７に示すように、ライン光の中心位置（プローブ座標原点）が球１９をＸ軸とＹ軸にそれぞれ４５度方向（Ｓｃａｎ４５°）の角度を保ち、Ｘ＋、Ｙ＋方向（右肩上がり）に横断するように、順にスキャンを行えるような最適な開始位置を、ユーザは、形状測定装置１００に設定する。ユーザは、最適な開始位置を、球１９の既知の座標に基づいて、球１９を横断するように算定し、形状測定装置１００に設定する。
形状測定装置１００は、その設定されたスキャン開始位置を、ティーチングされた位置情報を示すティーチングファイルに保持させる。ティーチングとは、センサー部２０がスキャンする経路を示す位置情報を形状測定装置１００に保持させる処理である。
【００６７】
形状測定装置１００のティーチングを行う場合、移動指令部３５６は、駆動制御部３５４により直交軸、回転機構を駆動させて移動部３０を移動させることにより、センサー部２０を球１９の測定開始位置に移動させる。
ユーザは、センサー部２０から照射される光切断線が被測定物の測定開始位置に照射されるように６軸を移動ツマミ、またはジョイスティック５４３を用いて調整する。
この時、光切断線はセンサー部２０内の検出部９２によって検出された画像データから検出された光切断線の位置をモニタ５４４に表示する。これにより、ユーザは、光切断線の位置を検出された画像の中心に撮像されるように微調整が可能である。
センサー部２０は、形状測定装置１００への取り付け前に単体校正が実施されており、光切断線が計測カメラの中心位置にある時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。
このように、形状測定装置１００は、予めティーチングされることにより、角度検出動作時には、記憶部３５５のティーチングファイルに保持されている予めティーチングされた開始位置情報を基にスキャン開始点へ、センサー部２０を移動させる（ステップＳ１０）。
【００６８】
次に、入力装置５４２は、ユーザによって指定されたスキャン方向を記憶部３５５に書き込んで登録する。
入力装置５４２は、指定されたスキャン方向を、スキャン開始位置同様にティーチングファイルのデータとして予め記憶部３５５に保持させる。設定されるスキャン方向は、０〜９０度の取り付け可能範囲内で設定できる。望ましいスキャン方向は、有効な点群数をできるだけ多く生成できるように、０〜９０度の取り付け可能範囲内に対し、中間位置の４５°とする（ステップＳ２０）。
【００６９】
次に、入力装置５４２は、ユーザによって指定されたスキャンピッチを記憶部３５５に書き込んで登録する。
入力装置５４２は、指定されたスキャンピッチをスキャン開始位置同様にティーチングファイルのデータとして予め記憶部３５５に保持させる。例えば、スキャンピッチの値は、デフォルト値として１００μｍ（マイクロメートル）にする。このスキャンピッチの値は、球１９の大きさ、必要とされる設定精度に応じて変更することができる（ステップＳ３０）。
【００７０】
次に、形状測定装置１００は、センサー部２０をスキャンさせて、スキャン範囲分の画像を取得する。センサー部２０は、指定されたスキャン範囲分における球１９の画像を取得する。
図８を参照し、センサー部２０の取り付け方向を変更した場合のライン光と球１９の関係を説明する。
図８は、センサー部２０の取り付け方向を変更した場合のライン光の状態を示す図である。
センサー部２０の取り付け角度を、図８（ａ）は０度、図８（ｂ）は４５度、図８（ｃ）は９０度とした場合のライン光と球１９の関係を示す。
この図に示される座標系はワールド座標系によって示されており、紙面右がＸ軸、上がＹ軸、紙面から飛び出る方向がＺ軸である。図示される直線は、球１９を上面視したライン光を示す。また、複数の直線本は、スキャン方向を４５度方向に設定し、指定されたピッチでセンサ部２０を移動させて画像を取得した位置における、それぞれのライン光の軌跡を示す。
【００７１】
図６に戻り、次に、座標算出部３５３は、センサー部２０が球１９を検出して、取得した画像に基づいて３次元点群情報を生成する。座標算出部３５３は、取得した画像から、画像信号が示す輝度値が高いピーク位置を検出する。回転方向算出部３５９は、座標算出部３５３によって検出されたピーク位置に基づいて、センサー部２０によって検出された情報から位置情報に変換する変換テーブルによる点群変換を行い、３次元点群情報を生成する。なお、センサー部２０によって検出された情報から位置情報に変換する変換テーブルは、予め記憶部３５５に記憶されている（ステップＳ５０）。
【００７２】
次に、回転方向算出部３５９は、得られた１画像において、生成された３次元点群情報によって示される１ライン（光切断線）をプローブ座標系のＹＺ平面上の円としてフィッティングする。
ところで、センサー部２０の取り付け方向が不定である場合、ライン光の向きも不定である。このため、スキャンピッチによって間隔が定められてスキャンされた結果によって示されるラインであっても、各ライン（光切断線）の相互の位置関係は不明である。
しかしながら、それぞれの１ライン（光切断線）においては、球１９をスキャン（測定）して生成されていることにより、センサー部２０の取り付け方向、すなわちライン光の向きに係らず円（真円）であることが保証される。
そこで、回転方向算出部３５９は、ライン毎に取得した３次元点群情報を、プローブ座標系ＹＺ平面上の円としてフィッティングを行い、フィッティングして生成された円の中心座標を算出する（ステップＳ６０）。
【００７３】
フィッティングして生成された円の中心座標について説明する。
図９は、図８と同様にセンサー部２０の取り付け方向を変更した場合の中心座標の位置を示す図である。
図９（ａ）は０度、図９（ｂ）は４５度、図９（ｃ）は９０度とした場合のライン光と球１９の関係を示す。
この図に示される座標系はワールド座標系によって示されており、紙面右がＸ軸、上がＹ軸、紙面から飛び出る方向がＺ軸である。直線は、球１９を状面視したライン光を示しており、複数本が描かれているのはスキャン方向を４５度方向に設定し、指定されたピッチで移動した画像を取得する位置における、それぞれのライン光の軌跡である。
ライン毎に算出した中心座標位置を基に繋いだ線を、図中に矢印で示す。
【００７４】
ここで、プローブ座標系について説明する。
図１０は、プローブ座標系を示す図である。
この図に示されるセンサー部２０において、照射部９１から照射されたライン光９１ａの軸と検出部９２の光軸９２ａが交わる点を原点として、ライン光９１ａの照射方向と逆向きの方向をＺ＋方向、紙面右をＸ＋方向、紙面奥をＹ＋方向としたプローブ座標系が定義されている。
例えば、検出部９２が、（1024×1024）画素のＣＣＤカメラを備える場合には、ＣＣＤカメラが、ライン光９１ａによって描かれる光切断線の長手方向をＣＣＤカメラの垂直走査方向として撮像し、最大輝度位置の検出をＣＣＤカメラの水平走査方向に行うことにより、最大1024個のピーク位置を１画面内の情報から検出することができる。
これにより、予めセンサー部２０が単体校正された状態では、撮像された画像内の精密な水平画素の位置から、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次元座標が生成可能である。仮に、センサー部２０が単体校正された状態に校正誤差が含まれる場合であっても、撮像された画像内の精密な水平画素の位置から生成された校正データを基にした補正演算により補正することができる。本実施形態に示すセンサー部２０は、このような校正誤差がなく校正されているものとし、補正演算の詳細に関しては説明を省略する。
【００７５】
続いて、ワールド座標系について説明する。
プローブ座標系として生成された点群情報の座標は、ヘッド位置検出部１１５によって検出されたＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向のエンコーダの位置情報、および、センサー部２０の取り付け角度情報を加味した演算を、回転方向算出部３５９が行い、ワールド座標系に変換される。つまり、ワールド座標系は、図１に示された形状測定装置１００の左手前を原点としてＸ、Ｙ、Ｚ方向での測定空間内の３次元位置を示す座標系のことである。
【００７６】
続いて、プローブ座標系からワールド座標系への変換について説明する。
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。
【００７７】
【数１】
【００７８】
図１１は、センサー部２０におけるプローブ座標系を示す図である。
この図１１は、回転機構４０が回転中心軸Ｃ１の回転中心ＯＲを基準として、取り付け角度ａとする位置に、センサー部２０を回転して支持する状態を示す。この場合、回転中心軸Ｃ１は、Ｚ軸と一致するものとする。
取り付け角度ａの回転を行うことにより生成される回転行列をＭａとすると、プローブ座標系からワールド座標への変換は式（２）として示される。
【００７９】
【数２】
【００８０】
ここで、Ｏは回転中心軸Ｃ１の回転中心ＯＲをワールド座標系によって示しており、形状測定装置１００のＸ、Ｙ、Ｚ軸のエンコーダ値と一致させるように校正されている。
Ｌは、回転中心軸Ｃ１の回転中心ＯＲを基点として、プローブ座標系の原点ＯＰ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。
【００８１】
【数３】
【００８２】
式（３）として示される演算処理により、回転方向算出部３５９は、ベクトルＬの先端、即ち、プローブ座標系の原点ＯＰを、ワールド座標系に変換することができる。つまり、回転方向算出部３５９は、センサー部２０によって検出された披検物２００の表面の位置情報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。
【００８３】
次に、回転方向算出部３５９は、スキャンして取得した複数の画像情報から取得した画像から算出される円中心座標に基づいて、それらの円中心座標の直線近似を行う(ステップＳ７０)。
図１２は、円中心座標（中心位置）の軌跡をプローブ座標系で示した図である。
この図に示される矢印は、円中心座標（中心位置）の軌跡を直線近似してプローブ座標系において示したものである。
この図におけるＸ方向は、プローブ座標系におけるスキャン位置を示し、スキャン開始位置から、スキャン方向として設定された４５度方向のオフセット（スキャンピッチ × 画像番号Ｎ）を考慮して示されている。
回転方向算出部３５９は、各円中心位置を座標Ｙ、および、スキャン位置を座標Ｘとして示されるＸＹ平面上の直線として直線近似を行い、その直線の傾きφを算出する（ステップＳ８０）。
【００８４】
次に、回転方向算出部３５９は、算出された傾きφに基づいて、センサー部２０の取り付け角度に変換する。
算出された傾きφに対し、センサー部２０の取り付け角度φ’は、式（４）として示される演算式に基づいて算出することができる。
【００８５】
【数４】
【００８６】
式（４）に示される演算式により、回転方向算出部３５９は、算出された傾きφと、予め定めたスキャン方向（４５°）とにより、センサー部２０の取り付け角度φ’を算出することができる(ステップＳ９０)。
【００８７】
本発明の実施形態に示したように、センサー部２０の取り付け角度を変更した後に、基準となる球の測定を行うことにより、その結果から、センサー部２０の現在の取り付け方向を自動で精密に算出することができる。その結果、正確に設定された取付角度情報に基づいて、安全に測定を行うことが可能となり、高精度な３次元形状を測定可能な形状測定装置１００を構成することが可能となる。
【００８８】
本実施形態に係る形状測定装置１００によれば、上記回転機構４０を用いてセンサー部２０を回転させることで、センサー部２０のスキャン方向と直交する方向にライン光９１ａを配置できるので、種々の被検物２００においても最適な範囲を測定できる。
【００８９】
なお、本実施形態において、センサー部２０は、被検物２００にライン光を照射する照射部９１およびライン光の照射方向とは異なる方向から被検物２００に照射されたライン光を検出する検出部９２を有する。移動部３０は、互いに直交する座標系の座標軸方向に、センサー部２０を平行移動させる。回転機構４０は、移動部に対して前記センサー部を回転可能に支持する。回転方向算出部３５９が、座標系の基準位置を示す球１９を検出することにより、移動部３０に対するセンサー部２０の回転方向を算出する。
これにより、センサー部２０によって測定する、種々の被検物２００の形状測定の測定精度を向上させることができる。また、センサー部２０がライン光９１ａの長さ方向と直交する方向にスキャンを行うので、ライン光９１ａの全域を有効に利用することができ、測定領域におけるスキャン回数を少なくすることができ、短時間で形状測定を行うことができる。
【００９０】
また、回転方向算出部３５９は、センサー部２０が球１９を検出して得られた１つの画像において示される点群情報に基づいて近似される円を生成する。回転方向算出部３５９は、得られた複数の画像に基づいて近似される円の中心の位置を算出する。回転方向算出部３５９は、算出した中心の位置を示す中心位置情報に基づいて、センサー部２０の取り付け角度を算出する。
これにより、回転方向算出部３５９は、算出した中心の位置を示す中心位置情報に基づいて、中心の位置の移動方向から、回転機構４０におけるセンサー部２０の取り付け角度を算出することができる。
【００９１】
また、センサー部２０は、座標系の座標軸方向と異なる方向に移動部によって移動させられて、球１９を検出する。
これにより、座標軸方向と異なる方向に移動させることにより、２つの軸の成分を１回のスキャンにより検出することができる。
【００９２】
また、センサー部２０は、回転方向算出部３５９により算出されたセンサー部２０の回転方向に基づいて、ライン光９１ａの長さ方向と直角となる方向に移動させられて被検物２００の形状を検出する。
これにより、センサー部２０がライン光９１ａの長さ方向と直交する方向にスキャンを行うので、ライン光９１ａの全域を有効に利用することができ、測定領域におけるスキャン回数を少なくすることができ、短時間で形状測定を行うことができる。
【００９３】
また、回転機構４０は、センサー部２０を回転させる回転軸の中心軸とライン光の中心軸とが一致するように、移動部３０とセンサー部２０との間に設けられている。
これにより、回転方向算出部３５９による演算処理を低減させることができ、また、検出精度を高めることができる。
また、移動部３０は、被検物２００を載置する載置台を跨ぐ門型フレーム１５を備えている。これにより、センサー部２０を回転させた後に被検物２００に対するライン光９１ａの測定開始位置がＸＹ平面内にあるため、被検物２００の端部においてセンサー部２０を回転させた場合であっても、ライン光９１ａが被検物２００の表面から外れてしまい、被検物２００に対するセンサー部２０の位置を再調整する必要が生じることがない。また、非常に安定した定盤１３を介してセンサー部２０の回転機構と傾斜回転テーブル１４を切り分けている。そのため、被検物を傾斜および回転させる際の誤差にセンサー部２０の回転誤差が重畳することがなく高精度な測定が達成できる。
【００９４】
以上、本発明の一実施形態に係る構成について説明したが、本発明はこれ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、上記実施形態では、回転機構４０におけるセンサー部２０の取付角度の設定範囲が０°〜１２０°の場合を例に挙げて説明したが、センサー部２０の取付角度の設定範囲を０°〜１８０°に設定しても構わない。この構成によれば、ライン光９１ａの向きが０°〜１８０°の範囲で変化するため、より広い範囲で被検物２００の形状を測定することができる。
また、本実施形態では、移動部３０は、被検物２００を載置する載置台を跨ぐ門型フレーム１５を備えているものとしたが、多関節アーム状の構成を備えるものであってもよい。
【符号の説明】
【００９５】
１５…門型フレーム、２０…センサー部、３０…移動部、４０…回転機構、９１…照射部、９２…検出部、１００…形状測定装置、２００…被検物、３５９…回転方向算出部
【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検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）。特許文献１に係る形状測定装置においては、門柱状のフレーム部に保持された測定プローブが被検物に対してＸＹＺ方向に移動可能な構成とされている。
【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、測定プローブとしては、上述の接触式のものの他に、光切断方式を用いた非接触プローブがある。このような光学式の測定プローブ（センサー部）は、被検物に所定の投影パターン（スリット光や、縞模様）を投影して被検物を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）の基準面からの高さを算出し、被検物の三次元表面形状を測定するようになっている。
しかしながら、光学式の測定プローブの取り付け角度を正確に設定しないと、測定により取得された点群情報が示す形状に歪みが生じてしまい正確な測定を行うことができなかった。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、光学式のセンサー部によって測定する、被検物の形状測定の測定精度を向上させることができる形状測定装置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】
【０００６】
本発明の態様に従えば、被検物にライン光を照射する光照射部および前記ライン光の照射方向とは異なる方向から前記被検物に照射された前記ライン光を検出する検出部を有するセンサー部と、互いに直交する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、前記座標系の基準位置を示す球を検出することにより、前記移動部に対する前記センサー部の回転方向を算出する回転方向算出部と、を備えることを特徴とする形状測定装置提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光学式のセンサー部によって測定する、被検物の形状測定の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の形状測定装置に係る一実施形態の構成例を示す斜視図である。
【図２】本実施形態における形状測定装置の構成を示す側面図である。
【図３】本実施形態における回転機構の要部構成を示す図である。
【図４】本実施形態におけるロック状態判定部の要部構成を示す図である。
【図５】本実施形態における形状測定装置１００の構成を示すブロック図である。
【図６】本実施形態におけるセンサー部２０の取り付け角度を検出するまでの処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態における球１９に対するスキャン位置を示す図である。
【図８】本実施形態におけるセンサー部２０の取り付け方向を変更した場合のライン光の状態を示す図である。
【図９】図８と同様にセンサー部２０の取り付け方向を変更した場合の中心座標の位置を示す図である。
【図１０】本実施形態におけるプローブ座標系を示す図である。
【図１１】本実施形態におけるセンサー部２０におけるプローブ座標系を示す図である。
【図１２】本実施形態における円中心座標（中心位置）の軌跡をプローブ座標系で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の形状測定装置の一実施形態に係る構成について説明する。なお、本実施形態は、発明の要旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各要請要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１０】
図１は、本発明の形状測定装置に係る一実施形態の構成例を示す斜視図であり、図２は側面図である。本実施形態に係る形状測定装置は、光切断法を用いることで、被検物の表面に一本のライン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検物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検物に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、撮像された被検物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検物表面の基準平面からの高さを算出し、被検物表面の三次元形状を求める装置である。
【００１１】
図１、２に示すように、形状測定装置１００は、本体部１１と、傾斜回転テーブル１４と、被検物の形状を測定するためのセンサー部２０と、センサー部２０を移動させる移動部３０と、センサー部２０を移動部３０に対して回転させる回転機構４０と、を有している。図１に示される範囲を、測定装置本体１１０という。形状測定装置１００は、測定装置本体１１０に付帯する制御部５００を備える。
【００１２】
本体部１１は、架台１２と、該架台１２上に載置される定盤１３とを含む。架台１２は、形状測定装置１００全体の水平度を調整するためのものである。定盤１３は、石製または鋳鉄製からなるものであり、上面が架台１２により水平に保たれたものとなっている。この定盤１３の上面には、傾斜回転テーブル１４と、球１９とが載置されている。
【００１３】
以下、互いが直交する３方向により規定されるＸＹＺ座標系を用いて形状測定装置１００の構成について説明する。ここで、ＸＹ平面とは定盤１３の上面と平行な面を規定するものである。すなわち、Ｘ方向とは定盤１３上における一方向を規定するものであり、Ｙ方向とは定盤１３の上面においてＸ方向に直交する方向を規定するものであり、Ｚ方向とは定盤１３の上面に直交する方向を規定するものである。
球１９は、測定可能な空間の任意の位置に石常盤８の上に固定されており、その設置座標は、ＸＹＺ座標系において既知の座標として予め計測されている。
【００１４】
傾斜回転テーブル１４は、被検物２００が上面に載置される回転テーブル２１、回転テーブル２１の上面に対して垂直なＺ軸方向（センサー２０から被検物２００に向かう方向）に延びる回転軸Ｌ１を中心として回転テーブル２１が回転可能に装着される傾斜テーブル２２、並びに、Ｘ軸方向（回転軸Ｌ１と交差する方向）に延びる傾斜軸Ｌ２を中心に傾斜テーブル２２を回転可能に支持する支持部２３および２４を備えて構成される。回転テーブル２１は円形の板状の部材であり、上面の平面度が高精度に規定されている。
【００１５】
傾斜テーブル２２は、回転軸駆動モータ２２ａを内蔵しており、回転軸駆動モータ２２ａは、回転軸Ｌ１を中心として回転テーブル２１を回転駆動する。回転テーブル２１は、中央部分に形成されている複数の貫通穴（不図示）を介して、複数のボルトにより回転軸駆動モータ２２ａのシャフトに連結されている。
【００１６】
また、支持部２３は、傾斜軸駆動モータ２３ａを内蔵しており、傾斜軸駆動モータ２３ａは、傾斜軸Ｌ２を中心として傾斜テーブル２２を回転駆動することで、回転テーブル２１を水平面に対して所定の傾斜角度で傾斜させる。
【００１７】
このように、傾斜回転テーブル１４では、回転テーブル２１を回転させ、傾斜テーブル２２を傾斜させることで、回転テーブル２１に載置される被検物２００を任意の姿勢で保持できるようになっている。なお、回転テーブル２１は、傾斜テーブル２２の傾斜角度が急勾配になっても被検物２００がずれないように、被検物２００を固定することができるように構成されている。
【００１８】
センサー部２０は、傾斜回転テーブル１４に載置される被検物２００に光切断を行うためのライン光を照射する照射部９１と、ライン光が照射されることで光切断面（線）が現れた被検物２００の表面を検出する検出部９２と、を主体に構成される。また、センサー部２０には、検出部９２により検出された画像データに基づいて被検物の形状を測定する演算処理部３００が接続されている。演算処理部３００は、形状測定装置１００における全体の駆動を制御するための制御部５００に含まれる。
【００１９】
照射部９１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９１ａ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。ＬＥＤを用いた場合は安価に光源を形成することができる。また、レーザー光源を用いた場合、点光源であるため収差の少ないライン光を作ることができ、波長安定性に優れ半値幅が小さいため、迷光カットに半値幅の小さいフィルターが使えるため、外乱の影響を少なくすることができる。また、ＳＬＤ（super luminescent diode）を用いた場合は、レーザー光源の特性に加え可干渉性がレーザー光よりも低いため被検物面でのスペックルの発生を抑えることができる。
【００２０】
検出部９２は、照射部９１の光照射方向とは異なる方向から被検物２００の表面に投影されるライン光９１ａを撮像するためのものである。また、検出部９２は、図示しない結像レンズやＣＣＤ等から構成され、後述のように移動部３０を駆動させてライン光９１ａが所定間隔走査される毎に被検物２００を撮像するようになっている。なお、照射部９１および検出部９２の位置は、被検物２００の表面上のライン光９１ａの検出部９２に対する入射方向と、照射部９１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。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。
検出部９２で撮像された被検物２００の画像データは、演算処理部３００に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物２００の表面の高さが算出され、被検物２００の三次元形状（表面形状）が求められるようになっている。演算処理部３００は、被検物２００の画像において、被検物２００の凹凸に応じて変形したライン光９１ａによる光切断面（線）の位置情報に基づき、光切断面（線）（ライン光９１ａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２００表面の基準平面からの高さを算出し、被検物２００の三次元形状を求める演算処理を行う。
【００２１】
移動部３０は、被検物２００に投影されたライン光９１ａの長手方向と略直角な方向にセンサー部２０（照射部９１）を移動させることで、ライン光９１ａを被検物２００の表面に走査させるためのものである。本実施形態に係る形状測定装置１００では、後述のように形状測定者により指定された方向にセンサー部２０が移動部３０により移動されるようになっている。なお、センサー部２０の回転角度を検出し、該検出結果に基づいて移動部３０の移動方向を自動的に算出する構成であっても構わない。
【００２２】
移動部３０は門型フレーム１５を主体として構成されている。なお、定盤１３は、端部（図２では右側の端部）が、定盤１３上をＹ軸方向に門型フレーム１５を駆動させるＹ軸ガイドを兼ねるように構成されている。
【００２３】
門型フレーム１５は、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイド１５ａ、定盤１３のＹ軸ガイドに沿って駆動する駆動側柱１５ｂ、および駆動側柱１５ｂの駆動に従って定盤１３の上面を滑動する従動側柱１５ｃにより構成されている。
【００２４】
ヘッド部１６は、門型フレーム１５のＸ軸ガイド１５ａに沿ってＸ軸方向に沿って駆動可能とされている。ヘッド部１６には、該ヘッド部１６に対してＺ軸方向に駆動可能なＺ軸ガイド１７が装着されている。Ｚ軸ガイド１７の下端部にはセンサー部２０が装着されている。
【００２５】
ところで、本実施形態に係る形状測定装置１００のように光切断法を用いる場合、センサー部２０の照射部９１から被検物２００に照射されるライン光９１ａが、センサー部２０の移動方向（以下、スキャン方向と称す。）と直交する方向に配置させるのが望ましい。例えば、図２において、被検物２００に対するセンサー部２０のスキャン方向をＹ軸方向に設定した場合、ライン光９１ａをＸ軸方向に沿って配置するのが望ましい。センサー部２０とライン光９１ａの出射方向とをこのような関係に設定すると、測定時にライン光９１ａの全域を有効に利用したスキャンを行うことができ、被検物２００の形状を最適に測定できるためである。
【００２６】
本実施形態に係る形状測定装置１００は、上述したように、センサー部２０が移動部３０により被検物２００に対して移動可能とされている。移動部３０は上述した門型フレーム１５を主体として構成されるため、移動部３０に取り付けられたセンサー部２０の照射部９１から照射されるライン光９１ａのスキャン方向は、被検物２００に対し、原則としてＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向のいずれかに制約される。
【００２７】
そこで、本実施形態に係る形状測定装置１００では、Ｚ軸ガイド１７とセンサー部２０との間に上記回転機構４０を配置し、センサー部２０を移動部３０に対して回転可能な構成としている。これにより、形状測定装置１００は、上述のようにセンサー部２０のスキャン方向と直交方向にライン光９１ａを配置可能となっている。
【００２８】
図３は回転機構４０の要部構成を示す図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は側面図である。回転機構４０は、図３に示すように、取付部４１と、回転部４２と、ロック部４３と、ロック状態判定部４４と、を有している。センサー部２０は回転部に設けられる回転軸４２ａの一端側に取り付けられている。本実施形態では回転軸４２ａにおける回転中心軸Ｃ１が照射部９１から照射されるライン光９１ａの中心軸Ｃ２と一致するようにセンサー部２０が回転軸４２ａに取り付けられている。
【００２９】
回転部４２は、センサー部２０を移動部３０に対して回転可能に保持する回転軸４２ａと、回転軸４２ａが所定角度だけ回転する毎に当該回転軸４２ａの回転動作を一時的に規制する回転規制部６０と、を有している。
【００３０】
回転規制部６０は、回転軸４２ａの外周に形成された歯型溝６１と、取付部４１に設けられるボールプランジャ６２と、を含む。歯型溝６１は、回転軸４２ａの外周に例えば７．５°おきに形成されている。このような構成に基づき、回転軸４２ａは、７．５°回転する毎にボールプランジャ６２が歯型溝６１に係合するため、回転軸４２ａの回転動作に負荷がかかるようになり、作業者の手にクリック感を感じさせることができるようになっている。よって、作業者は、手に感じたクリック感の回数に応じて、回転軸４２ａの回転角度を容易に把握することが可能となっている。
【００３１】
なお、取付部４１には、回転軸４２ａの回転角度を示す回転指標部４５が設けられている。回転指標部４５には、例えば目盛りが設けられており、回転軸４２ａが上述のように７．５°回転する毎に、７．５°、１５°、２２．５°…等のように回転角度の値を表示するようになっている。これにより、形状測定者は、回転指標部４５の目盛りを目視することで、回転軸４２ａの回転角度を所定値に簡便且つ確実に設定することが可能となっている。
【００３２】
回転機構４０は、図３（ａ）に示すように、回転軸４２ａの回転によりセンサー部２０が０°〜１２０°の範囲で移動するようになっている。センサー部２０が０°位置に配置されると、照射部９１および検出部９２がＸ軸方向に沿って配置される。また、センサー部２０が９０°位置に配置されると、照射部９１および検出部９２がＹ軸方向に配置される。センサー部２０が回転すると、同図に示されるように被検物２００の表面上に照射されるライン光９１ａの向きが変化する。
【００３３】
本実施形態に係る形状測定装置１００は、回転軸４２ａにおける回転中心軸と、照射部９１から照射されるライン光９１ａの中心軸とが一致した状態となっているので、回転後に被検物２００に対するライン光９１ａの測定開始位置（測定中心位置）がＸＹ平面内でずれることが防止されている。このように回転後に被検物２００に対するライン光９１ａの測定開始位置がＸＹ平面内でずれないため、被検物２００の端部においてセンサー部２０の向きを変更した場合であっても、ライン光９１ａが被検物２００の表面から外れた位置に照射されてしまうことが防止されている。なお、本実施形態の係る形状測定装置１００はライン光９１ａが被検物２００の測定面の垂線方向から照射されているため、測定精度が向上するとともにライン光９１ａの中心軸と回転機構４０の回転中心軸とを一致させることで、スキャン方向と直交する方向とライン光９１ａの延在方向を合わせることができる。また、被検物の測定対象の幅が広い場合など、ライン光９１ａの中心以外を測定対象に合わせたい場合がある。そのような場合は、回転に加えてＸ方向とＹ方向とに平行移動する変位機構を設け、被検物に照射されているライン光９１ａの一部の照射位置を保ちながらライン光９１ａの延在方向が変わるようにセンサー部２０を変位することにより所望の位置と方向にライン光９１ａを合わせることができる。
【００３４】
ロック部４３は、取付部４１に取り付けられ、回転軸４２ａを挿通させる固定部７１と、該固定部７１に取り付けられたロックレバー７２と、を含む。回転軸４２ａは軸受け部５０により取付部４１に対して滑らかに回転可能とされている。固定部７１は、例えばロックレバー７２が下方（−Ｚ方向）に移動された場合に回転軸４２ａを締め付け、回転軸４２ａが取付部４１に対して回転しないように固定するようになっている。一方、固定部７１は、ロックレバー７２が上方（＋Ｚ方向）に移動された場合に回転軸４２ａを締め付けることがなく、回転軸４２ａが取付部４１に対して回転可能とされる。
【００３５】
図４はロック状態判定部４４の要部構成を示す図であり、図４（ａ）はロック状態判定部４４によるロック非検出状態を示す図であり、図４（ｂ）はロック状態判定部４４によるロック検出状態を示す図である。
ロック状態判定部４４は、図４（ａ）に示すようにロックレバー７２の先端に取り付けられたセンサー検出用板部４４ａと、該センサー検出用板部４４ａに接触するタッチセンサー４４ｂとを含む。センサー検出用板部４４ａは、ロックレバー７２が回転軸４２ａを良好に締め付け可能な位置に移動した際、タッチセンサー４４ｂに接触するようになっている。タッチセンサー４４ｂは、形状測定装置１００の全体の駆動の制御を行う制御部５００に電気的に接続されている。
【００３６】
タッチセンサー４４ｂは、所定位置に配置されたセンサー検出用板部４４ａに接触可能な接触部４４ｃを有している。接触部４４ｃは、センサー検出用板部４４ａにより押圧可能な構成とされている。
【００３７】
接触部４４ｃは、図４（ｂ）に示すように所定の位置まで押圧された時にＯＮ信号を制御部５００に通知するようになっている。一方、接触部４４ｃは、所定の位置まで押圧されていない時にＯＦＦ信号を制御部５００に通知するようになっている。ここで、ＯＮ信号が通知される場合とは、ロックレバー７２による回転軸４２ａの締め付けが十分であることを意味し、ＯＦＦ信号が通知される場合とは、ロックレバー７２による回転軸４２ａの締め付けが不十分であることを意味する。
【００３８】
制御部５００は、ＯＮ信号が通知されると、形状測定装置１００の表示部（不図示）に回転軸４２ａのロック状態が良好（例えば、ＯＫ等）である旨を表示するようになっている。一方、制御部５００は、ＯＦＦ信号が通知されると、形状測定装置１００の表示部（不図示）に回転軸４２ａのロック状態が不良（例えば、ＮＯ等）である旨を表示するようになっている。これにより、回転軸４２ａのロック状態が不良のままで、被検物２００の形状測定が開始されるといった不具合の発生が防止されたものとなっている。
【００３９】
このような構成に基づき、形状測定装置１００は、センサー部２０にガタツキが生じることなく、照射部９１からライン光９１ａを被検物２００の所定方向に向けて照射できるようになっている。
【００４０】
続いて、形状測定装置１００の動作として、被検物２００の形状を測定する方法について以下に説明する。
はじめに、形状測定者は、回転テーブル２１に被検物２００を載置し、被検物２００に照射されるライン光９１ａが所定方向を向くように回転機構４０によりセンサー部２０を移動部３０に対して回転させる。
【００４１】
形状測定者（ユーザ）は、回転規制部６０のクリック感の回数および回転機構４０に設けられた上記回転指標部４５の目盛りの少なくともいずれかを参照して、回転軸４２ａ（センサー部２０）の回転角度を所定値に容易に設定することができる。
【００４２】
なお、センサー部２０を回転させる際、照射部９１から被検物２００に対してライン光９１ａを照射した状態のまま行うようにしても構わない。この場合、形状測定者は、被検物２００に投影されるライン光を目安として、センサー部２０における回転角度の設定をより容易に行うことが可能となる。
【００４３】
形状測定者は、回転軸４２ａを所定角度回転させた後、ロック部４３を用いて回転軸４２ａを固定する。具体的には、形状測定者は、ロックレバー７２を下方に移動することで回転軸４２ａを締め付け、回転軸４２ａを確実に固定することができる。これにより、後述の形状測定時にセンサー部２０が移動部３０により移動する途中に、回転軸４２ａが動くことでセンサー部２０の照射部９１から被検物２００に照射されるライン光の位置がずれるといった不具合の発生を防止できる。
【００４４】
本実施形態では、形状測定装置１００は、上述のようにして設定したセンサー部２０における回転軸４２ａの回転角度（取付角度）を、センサー部２０が球１９をスキャン（走査）することにより検出し、検出した回転角度情報を保持する。形状測定装置１００は、被検物２００に照射されたライン光９１ａの長手方向と略直角な方向にセンサー部２０（照射部９１）を移動させるように移動部３０を駆動し、ライン光９１ａにより被検物２００の表面に走査させる。
【００４５】
被検物２００にライン光９１ａが照射されると、被検物２００の表面にライン光９１ａによる光切断面（線）が現れるため、検出部９２により、ライン光９１ａが所定間隔走査される毎に（光切断面が現れた）被検物２００を撮像する。このとき、検出部９２で撮像された被検物２００の画像データは、演算処理部３００に送られる。
【００４６】
このようにして得られた被検物２００の画像データから、演算処理部３００は被検物２００の凹凸に応じて変形したライン光９１ａによる光切断面（線）の位置情報に基づいて、光切断面（線）（ライン光９１ａ）が延びる長手方向の画素毎に、三角測量の原理を用いて被検物２００表面の基準平面からの高さを算出し、被検物２００の三次元形状を測定することができる。
【００４７】
図５は、本発明の一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。図１から図４と同じ構成には、同じ符号を附す。
形状測定装置１００は、測定装置本体１１０と制御部５００とを備える。
測定装置本体１１０は、駆動部１１６と、位置検出部１１７と、センサー部２０とを備える。
駆動部１１６は、ヘッド駆動部１１４とテーブル駆動部１３３とを備える。
ヘッド駆動部１１４は、門型フレーム１５内部に設けられ、入力される駆動信号に基づいて、門型フレーム１５をＹ方向に駆動するＹ軸用モータ、ヘッド部１６をＸ方向に駆動するＸ軸用モータ、およびＺ軸ガイド１７をＺ方向に駆動するＺ軸用モータを備える。ヘッド駆動部１１４は、後述の駆動制御部３５４から供給される駆動信号を受け取る。ヘッド駆動部１１４は、それら駆動信号に基づき移動部３０の位置を３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に電動で移動させる。
【００４８】
テーブル駆動部１３３は、回転テーブル２１を回転軸Ｌ１回りに回転駆動する前述の回転軸駆動モータ２２ａおよび回転軸Ｌ２回りに回転駆動する前述の傾斜軸駆動モータ２３ａを備える。テーブル駆動部１３３は、駆動制御部３５４から供給される駆動信号を受け取る。テーブル駆動部１３３は、その駆動信号に基づき回転テーブル２１を回転軸Ｌ１、Ｌ２回りに、電動でそれぞれ回転させる。
【００４９】
位置検出部１１７は、ヘッド位置検出部１１５と、テーブル位置検出部１３４とを備える。
ヘッド位置検出部１１５は、門型フレーム１５内部に設けられ、移動部３０のＸ軸、Ｙ軸、および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、およびＺ軸用エンコーダを備える。ヘッド位置検出部１１５は、それらのエンコーダによって移動部３０の位置を検出し、移動部３０の位置を表す信号を後述の座標検出部３５１へ供給する。
【００５０】
テーブル位置検出部１３４は、回転テーブル２１の回転軸Ｌ１、Ｌ２回りの回転位置をそれぞれ検出するロータリ軸用エンコーダおよびチルト軸用エンコーダを備える。テーブル位置検出部１３４は、それらのエンコーダを用いて、回転テーブル２１の回転軸Ｌ１、Ｌ２回りの回転位置を検出し、検出した回転位置を表す信号を座標検出部３５１へ供給する。
【００５１】
センサー部２０は、三次元形状を有している被検物２００の表面形状を検出する。
センサー部２０は、光切断方式により被検物２００の表面形状を求めるために、前述の照射部９１と検出部９２とを備えて構成される。照射部９１は、後述の間隔調整部３５２から供給される光の照射を制御する制御信号に基づき、被検物２００に直線上の光があたるように、被検物２００に直線状のスリット光（ライン状の光）を照射する。
検出部９２は、照射部９１の照射方向に対して、光軸を所定角度ずらして配置される。検出部９２は、照射部９１からの照射光により被検物２００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、被検物２００の断面形状に応じて形成される。検出部９２は、被検物２００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３５２へ供給する。これにより、制御部５００は、形状測定データを取得する。検出部９２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、Ｃ−ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサーなどの個体撮像素子を備えている。
【００５２】
続いて、制御部５００について説明する。
制御部５００は、演算処理部３００と、入力装置５４２と、ジョイスティック５４３と、モニタ５４４とを備える。
入力装置５４２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５４２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３５５に書き込み記憶させる。
ジョイスティック５４３は、ユーザの操作を受けて、その操作に応じて移動部３０の移動や回転テーブル２１を駆動させる制御信号を生成して駆動制御部３５４へ供給する。このように、ジョイスティック５４３は、指定領域においてセンサー部２０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センサー部２０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５４４は、データ出力部３５７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５４４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５４４は、計測画面、指示画面等を表示する。
【００５３】
演算処理部３００は、座標検出部３５１と、間隔調整部３５２と、座標算出部３５３と、駆動制御部３５４と、記憶部３５５と、移動指令部３５６と、データ出力部３５７と、回転方向算出部３５９とを備える。
【００５４】
座標検出部３５１は、ヘッド位置検出部１１５から出力される座標信号によって、センサー部２０および回転テーブル２１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３５１は、テーブル位置検出部１３４から出力される回転位置を表す信号によって、回転テーブル２１の回転軸Ｌ１、Ｌ２回りの回転位置を検知する。座標検出部３５１は、それぞれ検知された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の情報と、テーブル位置検出部１３４から出力される回転位置を表す情報（回転テーブル２１の回転位置情報）とから、座標情報を検出する。そして、座標検出部３５１は、センサー部２０の座標情報と回転テーブル２１の座標情報と回転位置情報とを座標算出部３５３へ供給する。
また、座標検出部３５１は、センサー部２０の座標情報と回転テーブル２１の座標情報と回転位置情報とに基づいて、センサー部２０と回転テーブル２１との相対的な移動経路、移動速度などを検出する。
【００５５】
間隔調整部３５２は、座標計測開始前に記憶部３５５からサンプリング周波数を指定するデータを読み出す。間隔調整部３５２は、そのサンプリング周波数で、検出部９２から画像情報を受け取る。
【００５６】
座標算出部３５３は、間隔調整部３５２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３５３は、座標検出部３５１から供給されたセンサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報を受け取る。座標算出部３５３は、間隔調整部３５２から供給された画像情報と、センサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報とに基づき、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。
【００５７】
具体的な算出方法は以下の通りである。まず、座標算出部３５３は、受け取ったセンサー部２０の座標から、センサー部２０に固定された照射部９１の座標と、検出部９２の座標を算出する。
ここで、照射部９１はセンサー部２０に固定されているので、照射部９１の照射角度は、センサー部２０に対して固定である。また、検出部９２もセンサー部２０に固定されているので、検出部９２の撮像角度は、センサー部２０に対して固定である。
【００５８】
座標算出部３５３は、照射した光が被検物２００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、照射した光が被検物２００にあたった点の座標は、照射部９１の座標から照射部２１の照射角度で描画される直線と、検出部９２の座標から検出部９２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センサー部２０によって検出された画像を示す。
これによって、被検物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。
また、被検物２００は、回転テーブル２１に支持されている。被検物２００は、回転テーブル２１が回転軸周りに回転することにより、回転テーブル２１の回転軸を中心に一緒に回転する。つまり、算出された光が照射された位置の座標は、回転テーブル２１の回転軸中心に回転したことによって姿勢が傾けられた被検物２００の表面の位置を示す情報である。よって、光が照射された位置の座標を、回転テーブル２１の傾き、即ち回転軸周りの回転位置情報に基づいて、回転テーブル２１の傾きを補正することにより、実際の被検物２００の表面形状を求めることができる。
また、座標算出部３５３は、算出した三次元座標値の点群データを記憶部３５５に保存する。
【００５９】
記憶部３５５は、入力装置５４２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保持する。ここで、測定条件テーブルは、測定条件や測定手順等の所定の移動指令データ、被検物２００の測定位置と測定手順とを示す指定領域の測定ポイントの座標値と回転テーブル２１の回転位置、被検物２００の測定開始点（最初の測定ポイント）および測定終了点（最後の測定ポイント）等の座標値、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）を表すデータなどの項目を備える。
【００６０】
例えば、被検物２００の測定位置と測定手順とを示す指定領域の測定ポイントの座標値と回転テーブル２１の回転位置は、次に示す処理により算出される。
測定ポイントの座標値と回転テーブル２１の回転位置は、被検物２００の指定領域を指定する測定ポイント毎に、ユーザによって入力された情報に基づいて、測定ヘッド１３および回転テーブル２１を駆動して、被検物２００およびセンサー部２０を所望の姿勢にそれぞれ位置決めした位置により算出される。
より具体的には、駆動制御部３５４から供給された各測定ポイントの座標値（三次元座標値）に基づいて、座標算出部３５３が、当該測定ポイントの座標値を算出する。座標算出部３５３が算出する当該測定ポイントの座標値は、入力装置５４２による当該座標値のキー入力の他、予めジョイスティック５４３の操作によって移動部３０を移動させ、および回転テーブル２１を駆動させ、被検物２００およびセンサー部２０を所望の姿勢に位置決めした位置により算出される。
座標検出部３５１は、位置決めされた姿勢の状態における、センサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報とを検出して座標算出部３５３へ供給する。座標算出部３５３は、センサー部２０の座標情報と、回転テーブル２１の回転位置情報を記憶部３５５に書き込み保存する。
また、被検物２００の測定開始点（最初の測定ポイント）および測定終了点（最後の測定ポイント）等の座標値は、座標検出部３５１により、被検物２００の指定領域の測定ポイントの座標値に基づいて生成され、記憶部３５５に書き込まれる。
【００６１】
また、記憶部３５５は、座標算出部３５３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保持する。また、記憶部３５５は、座標検出部３５１から供給された各測定ポイントの座標値（三次元座標値）の点群データを保持する。また、記憶部３５５は、設計データ（ＣＡＤデータ）を保持する。
【００６２】
駆動制御部３５４は、ジョイスティック５４３からの操作信号に基づいて、または、移動指令部３５６からの指令信号に基づいて、ヘッド駆動部１１４およびテーブル駆動部１３３に駆動信号を出力して、移動部３０を移動させ、および回転テーブル２１の駆動させる制御を行う。
また、駆動制御部３５４は、ジョイスティック５４３からの操作信号に基づいて、登録位置として設定された移動部３０および回転テーブル２１の位置情報を記憶部３５５に書き込み記憶させる。つまり、駆動制御部３５４は、移動部３０に支持されているセンサー部２０の位置を間接的に取得することができる。
【００６３】
移動指令部３５６は、記憶部３５５から測定条件テーブルに登録された被検物２００の測定開始点（最初の測定ポイント）および測定終了点（最後の測定ポイント）等を読み出す。移動指令部３５６は、被検物２００の測定開始点および測定終了点から、被検物２００に対するスキャンの移動経路を算出する。
移動指令部３５６は、算出した移動経路に従って、測定ヘッド１３および回転テーブル２１を駆動させるべく、駆動制御部３５４を介してヘッド駆動部１１４とテーブル駆動部１３３とに移動指令を送信する。また、移動指令部３５６は、移動指令等に基づいて、間隔調整部３５２に制御信号を供給してセンサー部２０の光学系の制御を行う。
【００６４】
データ出力部３５７は、記憶部３５５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３５７は、その測定データ（全測定ポイントの座標値）等をモニタ５４４に供給する。また、データ出力部３５７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。
【００６５】
回転方向算出部３５９は、ＸＹＺ座標系の基準位置を示す球１９をスキャンすることにより検出される画像データに基づいて、球１９の表面座標を検出する。これにより、回転方向算出部３５９は、移動部３０に対して回転して支持されているセンサー部２０の回転方向を算出する。つまり、回転方向算出部３５９は、センサー部２０が球１９を検出して得られた１つの画像において示される点群情報を記憶部３５５から読み出して、その点群情報に基づいて近似される円を生成する。即ち、回転方向算出部３５９は、所定の大きさの円にフィッティングさせる円フィッティングを行う。回転方向算出部３５９は、センサー部２０が球１９を検出して得られた複数の画像データに基づいて、近似される円の中心の位置情報を算出する。回転方向算出部３５９は、それぞれ算出した円の中心の位置情報に基づいて直線近似を行い、円の中心の軌跡が示す角度を算出する。回転方向算出部３５９は、近似直線が示す角度（傾き）に基づいて、センサー部２０の取り付け角度を算出する。
【００６６】
図６から図１１を参照し、センサー部２０における回転軸４２ａの回転角度（取付角度）を変更後、基準となる球１９をスキャンしセンサー部２０の取り付け角度を検出するまでの処理の手順を説明する。
図６は、センサー部２０の取り付け角度を検出するまでの処理の手順を示すフローチャートである。
まず、形状測定装置１００は、球１９をスキャンするスキャン開始位置に、センサー部２０を移動させる。
図７は、球１９に対するスキャン位置を示す図である。この図には、球１９を上面視した状態が示される。
この図のライン光（ｌ１からｌｎ）は、便宜的に回転機構４０においてセンサー部２０の取り付け角度を０度に設定した場合を示してある。
図７に示すように、ライン光の中心位置（プローブ座標原点）が球１９をＸ軸とＹ軸にそれぞれ４５度方向（Ｓｃａｎ４５°）の角度を保ち、Ｘ＋、Ｙ＋方向（右肩上がり）に横断するように、順にスキャンを行えるような最適な開始位置を、ユーザは、形状測定装置１００に設定する。ユーザは、最適な開始位置を、球１９の既知の座標に基づいて、球１９を横断するように算定し、形状測定装置１００に設定する。
形状測定装置１００は、その設定されたスキャン開始位置を、ティーチングされた位置情報を示すティーチングファイルに保持させる。ティーチングとは、センサー部２０がスキャンする経路を示す位置情報を形状測定装置１００に保持させる処理である。
【００６７】
形状測定装置１００のティーチングを行う場合、移動指令部３５６は、駆動制御部３５４により直交軸、回転機構を駆動させて移動部３０を移動させることにより、センサー部２０を球１９の測定開始位置に移動させる。
ユーザは、センサー部２０から照射される光切断線が被測定物の測定開始位置に照射されるように６軸を移動ツマミ、またはジョイスティック５４３を用いて調整する。
この時、光切断線はセンサー部２０内の検出部９２によって検出された画像データから検出された光切断線の位置をモニタ５４４に表示する。これにより、ユーザは、光切断線の位置を検出された画像の中心に撮像されるように微調整が可能である。
センサー部２０は、形状測定装置１００への取り付け前に単体校正が実施されており、光切断線が計測カメラの中心位置にある時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。
このように、形状測定装置１００は、予めティーチングされることにより、角度検出動作時には、記憶部３５５のティーチングファイルに保持されている予めティーチングされた開始位置情報を基にスキャン開始点へ、センサー部２０を移動させる（ステップＳ１０）。
【００６８】
次に、入力装置５４２は、ユーザによって指定されたスキャン方向を記憶部３５５に書き込んで登録する。
入力装置５４２は、指定されたスキャン方向を、スキャン開始位置同様にティーチングファイルのデータとして予め記憶部３５５に保持させる。設定されるスキャン方向は、０〜９０度の取り付け可能範囲内で設定できる。望ましいスキャン方向は、有効な点群数をできるだけ多く生成できるように、０〜９０度の取り付け可能範囲内に対し、中間位置の４５°とする（ステップＳ２０）。
【００６９】
次に、入力装置５４２は、ユーザによって指定されたスキャンピッチを記憶部３５５に書き込んで登録する。
入力装置５４２は、指定されたスキャンピッチをスキャン開始位置同様にティーチングファイルのデータとして予め記憶部３５５に保持させる。例えば、スキャンピッチの値は、デフォルト値として１００μｍ（マイクロメートル）にする。このスキャンピッチの値は、球１９の大きさ、必要とされる設定精度に応じて変更することができる（ステップＳ３０）。
【００７０】
次に、形状測定装置１００は、センサー部２０をスキャンさせて、スキャン範囲分の画像を取得する。センサー部２０は、指定されたスキャン範囲分における球１９の画像を取得する。
図８を参照し、センサー部２０の取り付け方向を変更した場合のライン光と球１９の関係を説明する。
図８は、センサー部２０の取り付け方向を変更した場合のライン光の状態を示す図である。
センサー部２０の取り付け角度を、図８（ａ）は０度、図８（ｂ）は４５度、図８（ｃ）は９０度とした場合のライン光と球１９の関係を示す。
この図に示される座標系はワールド座標系によって示されており、紙面右がＸ軸、上がＹ軸、紙面から飛び出る方向がＺ軸である。図示される直線は、球１９を上面視したライン光を示す。また、複数の直線本は、スキャン方向を４５度方向に設定し、指定されたピッチでセンサ部２０を移動させて画像を取得した位置における、それぞれのライン光の軌跡を示す。
【００７１】
図６に戻り、次に、座標算出部３５３は、センサー部２０が球１９を検出して、取得した画像に基づいて３次元点群情報を生成する。座標算出部３５３は、取得した画像から、画像信号が示す輝度値が高いピーク位置を検出する。回転方向算出部３５９は、座標算出部３５３によって検出されたピーク位置に基づいて、センサー部２０によって検出された情報から位置情報に変換する変換テーブルによる点群変換を行い、３次元点群情報を生成する。なお、センサー部２０によって検出された情報から位置情報に変換する変換テーブルは、予め記憶部３５５に記憶されている（ステップＳ５０）。
【００７２】
次に、回転方向算出部３５９は、得られた１画像において、生成された３次元点群情報によって示される１ライン（光切断線）をプローブ座標系のＹＺ平面上の円としてフィッティングする。
ところで、センサー部２０の取り付け方向が不定である場合、ライン光の向きも不定である。このため、スキャンピッチによって間隔が定められてスキャンされた結果によって示されるラインであっても、各ライン（光切断線）の相互の位置関係は不明である。
しかしながら、それぞれの１ライン（光切断線）においては、球１９をスキャン（測定）して生成されていることにより、センサー部２０の取り付け方向、すなわちライン光の向きに係らず円（真円）であることが保証される。
そこで、回転方向算出部３５９は、ライン毎に取得した３次元点群情報を、プローブ座標系ＹＺ平面上の円としてフィッティングを行い、フィッティングして生成された円の中心座標を算出する（ステップＳ６０）。
【００７３】
フィッティングして生成された円の中心座標について説明する。
図９は、図８と同様にセンサー部２０の取り付け方向を変更した場合の中心座標の位置を示す図である。
図９（ａ）は０度、図９（ｂ）は４５度、図９（ｃ）は９０度とした場合のライン光と球１９の関係を示す。
この図に示される座標系はワールド座標系によって示されており、紙面右がＸ軸、上がＹ軸、紙面から飛び出る方向がＺ軸である。直線は、球１９を状面視したライン光を示しており、複数本が描かれているのはスキャン方向を４５度方向に設定し、指定されたピッチで移動した画像を取得する位置における、それぞれのライン光の軌跡である。
ライン毎に算出した中心座標位置を基に繋いだ線を、図中に矢印で示す。
【００７４】
ここで、プローブ座標系について説明する。
図１０は、プローブ座標系を示す図である。
この図に示されるセンサー部２０において、照射部９１から照射されたライン光９１ａの軸と検出部９２の光軸９２ａが交わる点を原点として、ライン光９１ａの照射方向と逆向きの方向をＺ＋方向、紙面右をＸ＋方向、紙面奥をＹ＋方向としたプローブ座標系が定義されている。
例えば、検出部９２が、（1024×1024）画素のＣＣＤカメラを備える場合には、ＣＣＤカメラが、ライン光９１ａによって描かれる光切断線の長手方向をＣＣＤカメラの垂直走査方向として撮像し、最大輝度位置の検出をＣＣＤカメラの水平走査方向に行うことにより、最大1024個のピーク位置を１画面内の情報から検出することができる。
これにより、予めセンサー部２０が単体校正された状態では、撮像された画像内の精密な水平画素の位置から、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次元座標が生成可能である。仮に、センサー部２０が単体校正された状態に校正誤差が含まれる場合であっても、撮像された画像内の精密な水平画素の位置から生成された校正データを基にした補正演算により補正することができる。本実施形態に示すセンサー部２０は、このような校正誤差がなく校正されているものとし、補正演算の詳細に関しては説明を省略する。
【００７５】
続いて、ワールド座標系について説明する。
プローブ座標系として生成された点群情報の座標は、ヘッド位置検出部１１５によって検出されたＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向のエンコーダの位置情報、および、センサー部２０の取り付け角度情報を加味した演算を、回転方向算出部３５９が行い、ワールド座標系に変換される。つまり、ワールド座標系は、図１に示された形状測定装置１００の左手前を原点としてＸ、Ｙ、Ｚ方向での測定空間内の３次元位置を示す座標系のことである。
【００７６】
続いて、プローブ座標系からワールド座標系への変換について説明する。
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。
【００７７】
【数１】
【００７８】
図１１は、センサー部２０におけるプローブ座標系を示す図である。
この図１１は、回転機構４０が回転中心軸Ｃ１の回転中心ＯＲを基準として、取り付け角度ａとする位置に、センサー部２０を回転して支持する状態を示す。この場合、回転中心軸Ｃ１は、Ｚ軸と一致するものとする。
取り付け角度ａの回転を行うことにより生成される回転行列をＭａとすると、プローブ座標系からワールド座標への変換は式（２）として示される。
【００７９】
【数２】
【００８０】
ここで、Ｏは回転中心軸Ｃ１の回転中心ＯＲをワールド座標系によって示しており、形状測定装置１００のＸ、Ｙ、Ｚ軸のエンコーダ値と一致させるように校正されている。
Ｌは、回転中心軸Ｃ１の回転中心ＯＲを基点として、プローブ座標系の原点ＯＰ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。
【００８１】
【数３】
【００８２】
式（３）として示される演算処理により、回転方向算出部３５９は、ベクトルＬの先端、即ち、プローブ座標系の原点ＯＰを、ワールド座標系に変換することができる。つまり、回転方向算出部３５９は、センサー部２０によって検出された披検物２００の表面の位置情報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。
【００８３】
次に、回転方向算出部３５９は、スキャンして取得した複数の画像情報から取得した画像から算出される円中心座標に基づいて、それらの円中心座標の直線近似を行う(ステップＳ７０)。
図１２は、円中心座標（中心位置）の軌跡をプローブ座標系で示した図である。
この図に示される矢印は、円中心座標（中心位置）の軌跡を直線近似してプローブ座標系において示したものである。
この図におけるＸ方向は、プローブ座標系におけるスキャン位置を示し、スキャン開始位置から、スキャン方向として設定された４５度方向のオフセット（スキャンピッチ × 画像番号Ｎ）を考慮して示されている。
回転方向算出部３５９は、各円中心位置を座標Ｙ、および、スキャン位置を座標Ｘとして示されるＸＹ平面上の直線として直線近似を行い、その直線の傾きφを算出する（ステップＳ８０）。
【００８４】
次に、回転方向算出部３５９は、算出された傾きφに基づいて、センサー部２０の取り付け角度に変換する。
算出された傾きφに対し、センサー部２０の取り付け角度φ’は、式（４）として示される演算式に基づいて算出することができる。
【００８５】
【数４】
【００８６】
式（４）に示される演算式により、回転方向算出部３５９は、算出された傾きφと、予め定めたスキャン方向（４５°）とにより、センサー部２０の取り付け角度φ’を算出することができる(ステップＳ９０)。
【００８７】
本発明の実施形態に示したように、センサー部２０の取り付け角度を変更した後に、基準となる球の測定を行うことにより、その結果から、センサー部２０の現在の取り付け方向を自動で精密に算出することができる。その結果、正確に設定された取付角度情報に基づいて、安全に測定を行うことが可能となり、高精度な３次元形状を測定可能な形状測定装置１００を構成することが可能となる。
【００８８】
本実施形態に係る形状測定装置１００によれば、上記回転機構４０を用いてセンサー部２０を回転させることで、センサー部２０のスキャン方向と直交する方向にライン光９１ａを配置できるので、種々の被検物２００においても最適な範囲を測定できる。
【００８９】
なお、本実施形態において、センサー部２０は、被検物２００にライン光を照射する照射部９１およびライン光の照射方向とは異なる方向から被検物２００に照射されたライン光を検出する検出部９２を有する。移動部３０は、互いに直交する座標系の座標軸方向に、センサー部２０を平行移動させる。回転機構４０は、移動部に対して前記センサー部を回転可能に支持する。回転方向算出部３５９が、座標系の基準位置を示す球１９を検出することにより、移動部３０に対するセンサー部２０の回転方向を算出する。
これにより、センサー部２０によって測定する、種々の被検物２００の形状測定の測定精度を向上させることができる。また、センサー部２０がライン光９１ａの長さ方向と直交する方向にスキャンを行うので、ライン光９１ａの全域を有効に利用することができ、測定領域におけるスキャン回数を少なくすることができ、短時間で形状測定を行うことができる。
【００９０】
また、回転方向算出部３５９は、センサー部２０が球１９を検出して得られた１つの画像において示される点群情報に基づいて近似される円を生成する。回転方向算出部３５９は、得られた複数の画像に基づいて近似される円の中心の位置を算出する。回転方向算出部３５９は、算出した中心の位置を示す中心位置情報に基づいて、センサー部２０の取り付け角度を算出する。
これにより、回転方向算出部３５９は、算出した中心の位置を示す中心位置情報に基づいて、中心の位置の移動方向から、回転機構４０におけるセンサー部２０の取り付け角度を算出することができる。
【００９１】
また、センサー部２０は、座標系の座標軸方向と異なる方向に移動部によって移動させられて、球１９を検出する。
これにより、座標軸方向と異なる方向に移動させることにより、２つの軸の成分を１回のスキャンにより検出することができる。
【００９２】
また、センサー部２０は、回転方向算出部３５９により算出されたセンサー部２０の回転方向に基づいて、ライン光９１ａの長さ方向と直角となる方向に移動させられて被検物２００の形状を検出する。
これにより、センサー部２０がライン光９１ａの長さ方向と直交する方向にスキャンを行うので、ライン光９１ａの全域を有効に利用することができ、測定領域におけるスキャン回数を少なくすることができ、短時間で形状測定を行うことができる。
【００９３】
また、回転機構４０は、センサー部２０を回転させる回転軸の中心軸とライン光の中心軸とが一致するように、移動部３０とセンサー部２０との間に設けられている。
これにより、回転方向算出部３５９による演算処理を低減させることができ、また、検出精度を高めることができる。
また、移動部３０は、被検物２００を載置する載置台を跨ぐ門型フレーム１５を備えている。これにより、センサー部２０を回転させた後に被検物２００に対するライン光９１ａの測定開始位置がＸＹ平面内にあるため、被検物２００の端部においてセンサー部２０を回転させた場合であっても、ライン光９１ａが被検物２００の表面から外れてしまい、被検物２００に対するセンサー部２０の位置を再調整する必要が生じることがない。また、非常に安定した定盤１３を介してセンサー部２０の回転機構と傾斜回転テーブル１４を切り分けている。そのため、被検物を傾斜および回転させる際の誤差にセンサー部２０の回転誤差が重畳することがなく高精度な測定が達成できる。
【００９４】
以上、本発明の一実施形態に係る構成について説明したが、本発明はこれ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、上記実施形態では、回転機構４０におけるセンサー部２０の取付角度の設定範囲が０°〜１２０°の場合を例に挙げて説明したが、センサー部２０の取付角度の設定範囲を０°〜１８０°に設定しても構わない。この構成によれば、ライン光９１ａの向きが０°〜１８０°の範囲で変化するため、より広い範囲で被検物２００の形状を測定することができる。
また、本実施形態では、移動部３０は、被検物２００を載置する載置台を跨ぐ門型フレーム１５を備えているものとしたが、多関節アーム状の構成を備えるものであってもよい。
【符号の説明】
【００９５】
１５…門型フレーム、２０…センサー部、３０…移動部、４０…回転機構、９１…照射部、９２…検出部、１００…形状測定装置、２００…被検物、３５９…回転方向算出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物にライン光を照射する光照射部および前記ライン光の照射方向とは異なる方向から前記被検物に照射された前記ライン光を検出する検出部を有するセンサー部と、
互いに直交する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、
前記座標系の基準位置を示す球を検出することにより、前記移動部に対する前記センサー部の回転方向を算出する回転方向算出部と、
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記回転方向算出部は、
前記センサー部が前記球を検出して得られた１つの画像において示される点群情報に基づいて近似される円を生成し、得られた複数の前記画像に基づいて前記近似される円の中心の位置情報に基づいて、前記センサー部の取り付け角度を算出する
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】
前記センサー部は、
前記座標系の座標軸方向と異なる方向に前記移動部によって移動させられて、前記球を検出する
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】
前記センサー部は、
前記回転方向算出部により算出された前記センサー部の回転方向に基づいて、前記ライン光と直角となる方向に移動させられて前記被検物の形状を検出する
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】
前記回転機構は、前記センサー部を回転させる回転軸の中心軸と前記ライン光の中心軸とが一致するように、前記移動部と前記センサー部との間に設けられている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記移動部は、
前記被検物を載置する載置台を跨ぐ門柱型構造
を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項１】
被検物にライン光を照射する光照射部および前記ライン光の照射方向とは異なる方向から前記被検物に照射された前記ライン光を検出する検出部を有するセンサー部と、
互いに直交する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、
前記座標系の基準位置を示す球を検出することにより、前記移動部に対する前記センサー部の回転方向を算出する回転方向算出部と、
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記回転方向算出部は、
前記センサー部が前記球を検出して得られた１つの画像において示される点群情報に基づいて近似される円を生成し、得られた複数の前記画像に基づいて前記近似される円の中心の位置情報に基づいて、前記センサー部の取り付け角度を算出する
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】
前記センサー部は、
前記座標系の座標軸方向と異なる方向に前記移動部によって移動させられて、前記球を検出する
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】
前記センサー部は、
前記回転方向算出部により算出された前記センサー部の回転方向に基づいて、前記ライン光と直角となる方向に移動させられて前記被検物の形状を検出する
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】
前記回転機構は、前記センサー部を回転させる回転軸の中心軸と前記ライン光の中心軸とが一致するように、前記移動部と前記センサー部との間に設けられている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記移動部は、
前記被検物を載置する載置台を跨ぐ門柱型構造
を備えることを特徴とする請求項１から請求項５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２０１２−９３２５８（Ｐ２０１２−９３２５８Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４１３４１（Ｐ２０１０−２４１３４１）
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【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５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]