JP2007101215A - 形状測定方法、形状測定システム及び形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度の低下を抑えつつ測定対象物の形状測定を行うことが可能な形状測定方法、形状測定システム及び形状測定装置を提供する。
【解決手段】予めサンプリングモードを実行して、ＸＹステージ１４を一定速度で駆動した場合における受光面１９ａでの経時的な最大受光量変化情報を取得する。そして、測定モード実行時には、その最大受光量変化に基づきＸＹステージ１４の移動速度を変更しつつ、照射スポットＱの各移動位置におけるワークＷの距離測定を行う。サンプリングモード実行時において受光量変化が大きかった照射スポットＱの各移動位置では、ＸＹステージ１４の移動速度を下げてフィーバック制御の追従遅れによる測定精度の低下を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、形状測定方法、形状測定システム及び形状測定装置に関する。

例えば下記特許文献１には、光源からの光を測定対象物に照射し、その反射光をイメージセンサで受光して、当該反射光のイメージセンサにおける受光位置に基づき光源及びイメージセンサから測定対象物までの距離を測定する光学式変位計が開示されている。このような光学式変位計では、常時一定の投光量で投光部を駆動すると、測定対象物表面の凹凸や色の相違などによってイメージセンサにおける受光量が変化し、イメージセンサにおける受光位置を精度良く検出できず距離測定に支障を来たすおそれがある。そこで、従来の光学式変位計の中には、そのイメージセンサでの受光量をフィードバックして一定の受光量になるよう投光部の投光量を制御するものがある。

そして、このような光学式変位計は、光源からの光の照射方向に交差する方向に測定対象物を移動機構によって相対的に移動させることで、各移動位置に対応するイメージセンサでの受光位置に基づき測定対象物の表面形状を測定する形状測定にも利用される。
特開２００１−５０７１１公報

ところで、上記形状測定に利用される場合、移動機構による光の照射スポットの移動過程において測定対象物表面の凹凸形状や色の変化などによってイメージセンサでの受光量が変動する。勿論、上記構成では、フィードバック制御によって比較的に緩やかな受光量変化であれば追従して是正される。しかしながら、受光量変化が比較的に大きく変動する場合には、上記フィードバック制御の追従遅れが生じたまま一定の速度で移動機構が駆動されてしまい、各照射スポットに対応するイメージセンサでの受光位置を正確に検出できず、その結果、形状測定の精度が低下するという問題があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、測定精度の低下を抑えつつ測定対象物の形状測定を行うことが可能な形状測定方法、形状測定システム及び形状測定装置を提供するところにある。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明に係る形状測定方法は、投光部からの光を測定対象物に照射し、その反射光を前記測定対象物までの距離に応じて変化する受光面上の位置で検出可能な位置検出部に受光させ、前記測定対象物上における前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させつつ、各移動位置において前記位置検出部で順次検出される前記受光面での受光位置に基づき前記測定対象物の形状測定を行う形状測定方法において、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化をサンプリングする第１ステップと、前記受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行いつつ、前記第１ステップでサンプリングされた受光量変化に基づき前記照射スポットの移動速度を前記第１ステップでの移動速度に対して変更しつつ前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させて前記形状測定を行う第２ステップとを含むことを特徴とする。
なお、本発明の「位置検出部での受光量変化」には、受光面上において最大受光量を示す部分の当該最大受光量の変化、受光面全体が受ける総受光量の変化、受光面のうち一定レベル以上の受光量を示す範囲内での総受光量の変化が含まれる。
「照射スポットを移動」は、投光部及び位置検出部側と測定対象物とを相対的に移動することで照射スポットを移動させることを意味する。具体的には、投光部及び位置検出部側を測定対象物に対して移動することで照射スポットを移動させることと、測定対象物を投光部及び位置検出部側に対して移動することで照射スポットを移動させることとが含まれる。
「位置検出部で受光される反射光」は、測定対象物での投光部からの光の正反射光であっても、拡散反射光であってもよい概念である。

請求項２の発明に係る形状測定方法は、投光部からの光を測定対象物に照射し、その反射光を前記測定対象物までの距離に応じて変化する受光面上の位置で検出可能な位置検出部に受光させ、前記測定対象物上における前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させて、各移動位置において前記位置検出部で順次検出される前記受光面での受光位置に基づき前記測定対象物の形状測定を行う形状測定方法において、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化をサンプリングする第１ステップと、前記第１ステップでサンプリングされた受光量変化に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量を調整しつつ前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させて前記形状測定を行う第２ステップとを含むことを特徴とする。

請求項３の発明に係る形状測定システムは、測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構を駆動して前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、前記測定部による測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき前記移動機構による移動速度を制御する速度制御部と、を備えることを特徴とする。

なお、下記の構成であってもよい。
（構成Ａ）前記速度制御部は、前記受光量変化情報に基づき所定値以上の受光量変化がある照射スポットの移動位置において前記移動機構の移動速度を低下させることを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の形状測定システム。
（構成Ｂ）前記測定部は、前記受光量変化情報に基づき所定値以上の受光量変化がある照射スポットの移動位置で前記位置検出部から得た位置信号は前記測定対象物の形状測定に使用しないことを特徴とする構成Ａに記載の形状測定システム。

請求項４の発明に係る形状測定システムは、測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構を駆動して前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする。

請求項５の発明に係る形状測定システムは、測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、前記測定部による前記測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき前記移動機構による移動速度を制御する速度制御部と、を備えることを特徴とする。

請求項６の発明に係る形状測定システムは、測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする。

請求項７の発明に係る形状測定装置は、移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記移動機構により前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構により前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動されたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、前記測定部による前記測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき前記移動機構による移動速度を制御するための制御信号を前記移動機構に出力する制御信号出力部と、を備えることを特徴とする。

請求項８の発明に係る形状測定装置は、移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記移動機構により前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構により前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動されたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする。

請求項９の発明に係る形状測定装置は、移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記移動機構により前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、前記測定部による前記測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき前記移動機構による移動速度を制御するための制御信号を前記移動機構に出力する制御信号出力部と、を備えることを特徴とする。

請求項１０の発明に係る形状測定装置は、移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、前記移動機構ににより前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする。

＜請求項１，３，７の発明＞
本構成によれば、投光部からの光の照射に基づく各移動位置での受光位置検出に先立ってサンプリングされた受光量変化特性に基づく速度で照射スポットを移動さつつ測定対象物の形状測定を行う。例えば、受光量変化が大きい場合にはその分だけフィードバック制御が必要となり、これに対応して照射スポットの移動速度を低下させる。これにより、フィードバック制御の追従遅れを抑制しつつ形状測定を行うことができる。なお、受光量変化をサンプリングする際には、測定対象物上の照射スポットを、その移動速度を変更しつつ移動させる構成であってもよいが、一定速度で移動させる構成の方がより望ましい。

＜請求項２，４，８の発明＞
本構成によれば、投光部からの光の照射に基づく各移動位置での受光位置検出に先立ってサンプリングされた受光量変化特性に基づきその受光量変化を相殺する増減方向に投光部の投光量を調整するようした。従って、従来構成で生じえたフィードバック制御の追従遅れによる形状測定精度の低下を抑制できる。

＜請求項５，９の発明＞
本構成によれば、投光部からの光の照射スポットに対してその移動方向手前における反射光量を検出する光電センサからの先取り的な反射光量変化に基づき移動機構の移動速度を制御する構成とした。これにより、フィードバック制御の追従遅れを抑制しつつ形状測定を行うことができる。

＜請求項６，１０の発明＞
本構成によれば、投光部からの光の照射スポットに対してその移動方向手前における反射光量を検出する光電センサからの先取り的な反射光量変化に基づき投光部の投光量を制御する構成とした。これにより、投光部自身からの光の照射スポットでの反射光量に基づきフィードバック制御をしていた従来構成に比べて余裕を持って投光量制御が行われ、形状測定制度の低下を抑制できる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１〜図３を参照しつつ説明する。
１．形状測定システムの全体構成
図１は、本実施形態の形状測定システム１０の全体概要図である。この形状測定システム１０は、センサヘッド部１１及びコントローラ部１２が信号ケーブルを介して接続された形状測定装置１３と、ワークＷ（本発明の「測定対象物」に相当）が載置されたＸＹステージ１４（本発明の「移動機構」に相当）とを備えて構成されている。

（１）形状測定装置
センサヘッド部１１は、投光素子としてのレーザダイオード（ＬＤ）１５と、そのレーザダイオード１５を駆動するためのＬＤ駆動回路１６と、レーザダイオード１５から発せられたレーザ光Ｌ１をワークＷ表面上に照射させる投光レンズ１７とを備えている。これらのレーザダイオード１５、ＬＤ駆動回路１６及び投光レンズ１７が本発明の「投光部」に相当する。

更に、センサヘッド部１１は、受光レンズ１８と、その受光レンズ１８を透過したレーザ光Ｌ２を受光する位置検出素子としてのＣＣＤリニアセンサ１９と、そのＣＣＤリニアセンサ１９を駆動するためのＣＣＤ駆動回路２０とを備えている。これらの受光レンズ１８、ＣＣＤリニアセンサ１９及びＣＣＤ駆動回路２０が本発明の「位置検出部」に相当する。

レーザダイオード１５から発せられたレーザ光Ｌ１は、投光レンズ１７を透過してワークＷ上に照射される。そして、このワークＷ上での拡散反射光Ｌ２は、受光レンズ１８を透過してＣＣＤリニアセンサ１９に入射する。このＣＣＤリニアセンサ１９において受光量とワークの相対位置に応じて蓄積された電荷は、ＣＣＤ駆動回路２０によって読み出され、時系列の電圧信号に変換される。

ＣＣＤ駆動回路２０が所定の転送用クロックをＣＣＤリニアセンサ１９に与えることにより、ＣＣＤリニアセンサ１９は、各画素に蓄積された電荷を１画素ずつ順番に転送する。そして、ＣＣＤ駆動回路２０は、全画素の蓄積電荷に対応する時系列の電圧信号Ｓ１（本発明の「位置信号」に相当）を出力する。

コントローラ部１２は、ＣＰＵ２１、メモリ２２及び操作キー２３を備えている。ＣＰＵ２１は、後述する「測定モード」時及び「サンプリングモード」時において、ＬＤ駆動回路１６に駆動信号Ｓ２を与えてレーザダイオード１５に投光動作をさせ、例えば操作キー２３での入力操作によって設定された設定サンプリング周期ＴでＣＣＤ駆動回路２０を駆動させてＣＣＤリニアセンサ１９の各画素の蓄積電荷を転送させる受光動作を実行させて、ＣＣＤ駆動回路２０からの電圧信号Ｓ１をＡ／Ｄ変換して受ける。

以上の構成により、センサヘッド部１１では、ＣＣＤリニアセンサ１９の受光面１９ａ上における拡散反射光Ｌ２の受光位置Ｐ（本発明の「受光面での受光位置」に相当）が、形状測定装置１３（投光レンズ１７）からワークＷの照射スポットＱまでの距離によって移動する。そして、ＣＰＵ２１は、ＣＣＤリニアセンサ１９の受光面１９ａ上における拡散反射光Ｌ２の受光位置Ｐを、電圧信号Ｓ１を解析して検出することによりワークＷの高さ変位を測定することできる。

より具体的には、ＣＰＵ２１は、ＣＣＤ駆動回路２０からの電圧信号Ｓ１を受けて、ＣＣＤリニアセンサ１９の受光面１９ａ上の全画素から最大受光量の画素を検出しメモリ２２の測定データ記憶領域に時系列で格納する。このとき、ＣＰＵ２１は本発明の「測定部」として機能する。

（２）ＸＹステージ
ＸＹステージ１４は、ワークＷが載置され水平面上においてＸＹの直交２方向に移動可能とされている。このＸＹステージ１４は、ＣＰＵ２１からの制御信号Ｓ３を受けて、この制御信号Ｓ３に応じた方向及び速度で移動する。
そして、形状測定システム１０は、投光動作をさせ、ＸＹステージ１４を例えばＸ方向（図１で白抜き矢印方向）に移動させつつ、上記設定サンプリング周期Ｔ毎に受光動作を実行させることで、ワークＷのＸ方向における断面形状（高さ変位）を測定することができる。

なお、本実施形態では、例えば照射スポットＱをワークＷ表面で走査する過程で、何回の距離測定（後述する図３のＳ８）を行ってワークＷの形状測定を行うかを設定するためのその測定回数や各距離測定の測定ピッチ間隔を操作キー２３で設定できるようになっている。そして、ＣＰＵ２１は、設定された上記測定回数や測定ピッチ間隔に連動して、これらに適した設定サンプリング周期や、ＸＹステージ１４の移動速度を条件設定するようになっている。

具体的には、例えば所望の測定回数及びワークＷの長さが設定された場合、現在設定されているＸＹステージ１４の移動速度（第１速度）から、所望の測定回数でワークＷの全長ついて距離測定を行えるよう設定サンプリング周期Ｔを自動で変更する。或いは、現在の設定サンプリング周期Ｔから、所望の測定回数でワークＷの全長ついて距離測定を行えるようＸＹステージ１４の移動速度（第１速度）を自動で変更する。

また、後述する投光量制御時において何周期分の最大受光量データの平均値に基づき実行するかについても操作キー２３で設定できるようになっている。この場合、ＣＰＵ２１は、設定された周期回数に応じて設定サンプリング周期を変更（例えば周期回数が多い場合は、サンプリング周期を短くするなど）や、ＸＹステージ１４の移動速度を変更（例えば周期回数が多い場合は、移動速度を遅くするなど）する。

２．サンプリングモード及び測定モード
さて、ＣＣＤリニアセンサ１９の受光面１９ａ上における拡散反射光Ｌ２の受光位置Ｐ、より具体的には、ＣＣＤリニアセンサ１９の受光面１９ａ上の全画素から最大受光量の画素を高い精度で検出するには、拡散反射光Ｌ２の受光面１９ａでの受光量レベルを適切な一定の目標レベルＴｈ１に保つ必要がある。その理由は、受光面１９ａでの受光量レベルが低いと最大受光量の画素と他の画素との受光量差が小さくなり、その分だけ最大受光量の画素を特定しづらくなる。一方、受光面１９ａでの受光量レベルを高くするにしてもＣＣＤリニアセンサ１９が飽和するレベルまで高くするわけにはいかないからである。

そこで、ＣＰＵ２１は、測定モード実行時において各設定サンプリング周期Ｔ毎に、受光面１９ａでの受光量レベルを上記目標レベルＴｈ１に保つようにフィードバック制御（いわゆるＡＰＣ（Automatic Power Control）制御）を実行する。具体的には、ＣＰＵ２１は、ＣＣＤ駆動回路２０からの電圧信号Ｓ１に基づき最大受光量の画素の受光量を監視し、この受光量（本実施形態では一設定サンプリングタイミング時以前の４周期分の最大受光量平均値）と上記目標レベルＴｈ１との差を相殺する増減方向にレーザダイオード１５の投光量を制御すべく駆動信号Ｓ２をＬＤ駆動回路１６に与える。このとき、ＣＰＵ２１は、本発明の「投光フィードバック制御部」として機能する。

しかしながら、ワークＷのなかには例えば表面光沢や色が一様でないものもあり、このようなワークＷの形状測定を行う場合、ＸＹステージ１４を一定速度で移動させて照射スポットＱを移動させる走査過程で、受光面１９ａでの受光量レベルが極端に変化することがある。例えば、表面が黒色部分と白色部分を有するワークＷの場合には、その黒色部分と白色部分との境で受光面１９ａでの受光量レベルが大きく変化する。このため、ＸＹステージ１４を一定速度で移動させつつ上記設定サンプリング周期Ｔで繰り返し受光動作を行う構成では、ＣＰＵ２１は、上述のフィードバック制御が追いつかず受光面１９ａでの受光量レベルが目標レベルＴｈ１に達しない低いレベルでの電圧信号Ｓ１に基づき受光面１９ａでの受光位置Ｐを検出することになり、その検出精度（感度）が低下し、ひいては形状測定全体の精度が低下してしまうおそれがある。

そこで、本実施形態では、コントローラ部１２は、操作キー２３の操作によって「サンプリングモード」と「測定モード」とを選択設定できるようになっている。なお、以下では、ＸＹステージ１４をＸ方向に駆動させた場合の形状測定について説明するが、Ｙ方向に駆動させた場合の形状測定も同様の処理であり、説明を割愛する。

（１）サンプリングモード
ユーザが操作キー２３で「サンプリングモード」に設定して所定の確定操作をすると、ＣＰＵ２１は、例えばＸ方向に一定の第１速度Ｖ１で移動させることを指示する制御信号Ｓ３をＸＹステージ１４に与えて駆動させる。それとともに、ＣＰＵ２１は、投光動作を実行させつつ上記設定サンプリング周期Ｔ毎に受光動作を繰り返し実行させ、各サンプリングタイミングでの最大受光量の画素の受光量Ｄｎ（以下、単に「最大受光量Ｄｎ」ということがある）を時系列でメモリ２２の受光量データ記憶領域に記憶する。

そして、この動作を、ワークＷのＸ方向の全長に亘って実行する。このとき、ＣＰＵ２１は上述のフィードバック制御を実行せず、レーザダイオード１５を一定レベルで投光させたときの受光面１９ａでの最大受光量Ｄｎを時系列にサンプリングするのである。なお、この時系列の最大受光量の画素の受光量Ｄｎデータが本発明の「受光量変化情報」に相当する。

図２上段は、ワークＷのＸ方向長を基準として、各設定サンプリング周期Ｔ毎における、ワークＷ上の照射スポットＱのＸ方向の移動位置、及び、最大受光量Ｄｎの推移を示したタイミングチャートである。なお、同図中のワークＷ表面の白抜き部分は表面が白色部分を示し、斜線部分は表面が黒色部分を示す。

ＣＰＵ２１は、メモリ２２の受光量データ記憶領域に記憶された時系列の最大受光量Ｄｎデータを読み出して例えば各サンプリングタイミング間で所定レベルＴｈ２以上の受光量変化があったサンプリングタイミングを抽出する。同図上段では、照射スポットＱの移動位置ＡＢ間，ＣＤ間で最大受光量Ｄｎが所定レベルＴｈ２以上大きく変化している。この所定レベルＴｈ２は、上述のフィードバック制御が実行される最大受光量（平均値）の変化量であり、この所定レベルＴｈ２よりも小さい変化量の場合には測定精度に実質的に影響はなくフィードバック制御は実行されない。

そして、ＣＰＵ２１は、上記所定レベルＴｈ２以上の受光量変化があった照射スポットＱの移動位置ＡＢ間で照射スポットＱが移動する間、及び、所定レベルＴｈ２以上の受光量変化があった照射スポットＱの移動位置ＣＤ間で照射スポットＱが移動する間は、ＸＹステージ１４の移動速度を、第１速度Ｖ１よりも遅い第２速度Ｖ２（＜Ｖ１）に一時的に切り替えるための制御信号Ｓ３を生成してメモリ２２に記憶しておく。なお、ＣＰＵ２１は、測定モード時において本発明の「速度制御部」、「制御信号出力部」として機能する。

（２）測定モード
サンプリングモードの実行が終わった後、ユーザが操作キー２３で「測定モード」に設定して所定の確定操作をすると、ＣＰＵ２１は、図３のフローチャートに示す制御を実行する。ＣＰＵ２１は、まずＳ１でサンプリングカウンタＮ（上記測定回数）を「１」に初期化する、次に、ＣＰＵ２１は、Ｓ２で投光動作を開始し、Ｓ３でメモリ２２に記憶された制御信号Ｓ３をＸＹステージ１４に与えて駆動させつつ、Ｓ４で上記設定サンプリング周期Ｔ毎のサンプリングタイミングを待つ。そして、ＣＰＵ２１は、そのサンプリングタイミングが到来したときに（Ｓ４で「Ｙ」）、受光動作を実行させてＣＣＤ駆動回路２０からの電圧信号Ｓ１を取り込む（Ｓ５）。

そして、ＣＰＵ２１は、Ｓ６で、この電圧信号Ｓ１の解析により最大受光量Ｄｎを検出しメモリ２２に各サンプリングタイミングに対応付けて記憶し、たとえば現在のサンプリングタイミング以前の複数周期分（本実施形態では４周期分）の最大受光量（Ｄｎ−３，Ｄｎ−２，Ｄｎ−１，Ｄｎ）の平均値Ｋを演算する。次に、ＣＰＵ２１は、Ｓ７でこの平均値Ｋと目標レベルＴｈ１との差が、所定レベルＴｈ２未満かどうかを判定する。所定レベルＴｈ２未満であれば（Ｓ７で「Ｙ」）、ＣＰＵ２１は、現在のサンプリングタイミングで取り込んだ電圧信号Ｓ１の解析により受光面１９ａでの受光位置Ｐを検出し、このときのＸＹステージ１４の移動位置と対応付けてメモリ２２の測定データ記憶領域に記憶する（Ｓ８）。その後、ＣＰＵ２１は、Ｓ９でサンプリングカウンタＮに１を加えて次のサンプリングタイミングを待つ待機状態となる。

一方、ＣＰＵ２１は、平均値Ｋと目標レベルＴｈ１との差が所定レベルＴｈ２以上であると判定した場合には（Ｓ７で「Ｎ」）、Ｓ１０でこの平均値Ｋの元なる４周期分の最大受光量（Ｄｎ−３，Ｄｎ−２，Ｄｎ−１，Ｄｎ）データをメモリ２２から破棄し、平均値Ｋと目標レベルＴｈ１との差を相殺するように上記フィードバック制御による投光量調整を実行する（Ｓ１１）。

次いで、ＣＰＵ２１は、Ｓ１２で複数周期分（本実施形態では３周期分）の受光動作による最大受光量データを検出しメモリ２２に記憶し、Ｓ４に戻り次の次のサンプリングタイミングを待つ待機状態となる。そして、ＣＰＵ２１は、当該次のサンプリングタイミングが到来したときに（Ｓ４で「Ｙ」）、Ｓ５〜Ｓ７の処理を実行する（Ｓ６では上記Ｓ１２での３周期分の最大受光量と現在の最大受光量の平均値Ｋが演算される）。このとき、上記Ｓ１１で平均値Ｋと目標レベルＴｈ１との差を相殺するようにフィードバック制御が実行され投光量調整が行わているので、Ｓ７で平均値Ｋと目標レベルＴｈ１との差が所定レベルＴｈ２未満と判定され（Ｓ７で「Ｙ」）、Ｓ８での距離測定が実行される。

３．本実施形態の作用効果
図２下段は、ワークＷのＸ方向長を基準として、各設定サンプリング周期Ｔ毎における、ワークＷ上の照射スポットＱのＸ方向の移動位置、及び、ＸＹステージ１４の移動速度を示したタイミングチャートである。なお、同図中のワークＷ表面の白抜き部分は表面が白色部分を示し、斜線部分は表面が黒色部分を示す。

ＣＰＵ２１により上記で説明した測定モードが実行されると、同図下段に示すようにＸＹステージ１４は第１速度で駆動する。照射スポットＱがワークＷの白色部分に位置している間は、ＣＰＵ２１によって平均値Ｋと目標レベルＴｈ１との差が所定レベルＴｈ２未満と判定される（Ｓ７で「Ｙ」）。すなわち、受光面１９ａでの受光量変化はほとんどなくほぼ目標レベルＴｈ１に保たれており、フィードバック制御は実行されず照射スポットＱの各移動位置において受光位置Ｐの安定的な検出を行うことができ、設定サンプリング周期Ｔ毎にＳ８の距離測定が実行される。

その後、照射スポットＱがワークＷ上の移動位置Ａに差し掛かったときに、ＸＹステージ１４の移動速度が第１速度よりも遅い第２速度に切り替えられる。そして、照射スポットＱが移動位置Ａから移動位置Ｂに移動する間は、この第２速度で照射スポットＱが移動することになる。そして、この間で照射スポットＱがワークＷ上の白色部分から黒色部分へと移動する際に、ＣＰＵ２１によって平均値Ｋと目標レベルＴｈ１との差が所定レベルＴｈ２以上と判定され（Ｓ７で「Ｎ」）、フィードバック制御による投光量調整が行われる。そして、この投光量調整後、新たに４周期分の最大受光量データを取得後に距離測定（Ｓ８）が実行される。

ここで、本実施形態では、受光面１９ａでの受光量が大きく変化したときに取得した最大受光量データは破棄し、投光量制御によってある程度安定したときの最大受光量データに基づき受光位置Ｐを検出し距離測定を行う。このため、精度の高い距離測定に基づくワークＷの形状測定が可能となる。しかも、照射スポットＱは、受光面１９ａでの受光量が大きく変化し得る移動位置Ａ，Ｂ間では、受光面１９ａでの受光量が小さい部分を移動している間に比べて移動速度が遅いため、上記のような処理をしても測定ピッチにそれほど影響を与えずに済む。

なお、受光面１９ａでの受光量が大きく変化したときに取得した最大受光量データは破棄せずにこれに基づく受光位置ＰもワークＷの形状測定に利用する構成であっても、単に一定速度で照射スポットＱを移動させる従来構成に比べれば精度の高い形状測定が行える。しかし、本実施形態では、受光面１９ａでの受光量が大きく変化したときに取得した最大受光量データに基づく受光位置Ｐを利用しないことで、より高精度の形状測定を行うようにしている。

また、照射スポットＱがワークＷ上の移動位置Ｃに差し掛かったときにも、ＸＹステージ１４の移動速度が第１速度よりも遅い第２速度に切り替えられ、照射スポットＱが移動位置Ｃから移動位置Ｄに移動する間は、この第２速度で照射スポットＱが移動することになる。

＜実施形態２＞
実施形態２（請求項２，４，８の発明に対応する）は、上記実施形態１に対して測定モードでの制御内容が一部異なり、その他の点は前記実施形態１と同様である。従って、実施形態１と同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを次に説明する。

上記実施形態１では、サンプリングモードの実行によって得た時系列の最大受光量Ｄｎに基づきＸＹステージ１４の移動速度を変更する構成であった。これに対して、本実施形態では、サンプリングモードの実行によって得た時系列の最大受光量Ｄｎに基づきレーザダイオード１５の投光量をフォワード制御する構成である。

即ち、ＣＰＵ２１は、測定モード時において、ＸＹステージ１４を一定速度（第１速度）で移動させる。そして、ＣＰＵ２１は、拡散反射光Ｌ２の反射光量が大きく変化し得る照射スポットＱの移動位置ＡＢ間，ＣＤ間で、そのときの受光面１９ａでの最大受光量に基づくフィードバック制御ではなく、予めサンプリングモードで取得した受光量変化情報に基づき受光面１９ａでの最大受光量が低下しないようなフォワード制御を実行するのである。例えば、上記移動位置ＡＤ間では他の位置での第１レベルによりも高い第２レベルに変更する。

フォワード制御によってレーザダイオード１５は適宜な投光量に変更されるため、図３のＳ１１でのフィードバック制御は実行されない（Ｓ７で「Ｙ」）。フィードバック制御で投光量調整を行う場合に比べて、フォワード制御で投光量調整を行う場合には追従遅れが少なく、受光面１９ａでの最大受光量をほぼ一定の目標レベルＴｈ１に保持された状態で照射スポットＱの各移動位置での距離測定（Ｓ８）が実行される。これにより、ワークＷの形状測定を精度よく行うことができる。

＜実施形態３＞
図４は実施形態３（請求項５，６，９，１０の発明に対応する）を示す。本実施形態の形状測定システム３０は、実施形態１で説明したセンサヘッド部１１及びコントローラ部１２に加えて、反射型の光電センサ３１を備えている。この光電センサ３１は、ワークＷに対するセンサヘッド部１１の移動方向の前方に配され、センサヘッド部１１による照射スポットＱの手前の位置での反射光量をサンプリングするものである。具体的には、光電センサ３１は、投光素子としてのレーザダイオード３２と、このレーザダイオード３２から出射されワークＷ表面で反射した反射光を受光する受光素子３３とを備えている。そして、光電センサ３１は、受光素子３３での受光量に応じて受光信号Ｓ４を例えば上記設定サンプリング周期に同期したタイミングで順次ＣＰＵ２１に与える。なお、光電センサ３１の受光素子は、実施形態１のセンサヘッド部１１と同様に、最大受光画素を特定できるＣＣＤリニアセンサであってもよい。

そして、本実施形態では、上述したサンプリングモードの実行を要せずに、測定モードの実行時において、光電センサ３１にて先取り的に取得される受光量データに基づきＸＹステージ１４の速度制御やレーザダイオード１５の投光量制御を行う。

具体的には、実施形態１に対して、ＣＰＵ２１は、サンプリングモードによって取得された最大受光量データではなく、光電センサ３１にて少し前のタイミングで検出される受光量変化が所定レベルＴｈ２以上であると判定した場合、当該タイミングだけ遅れたタイミングでＸＹステージ１４の移動速度を第１速度Ｖ１から第２速度Ｖ２へと一時的に切り替えるのである。

また、実施形態２に対しては、ＣＰＵ２１は、サンプリングモードによって取得された最大受光量データではなく、光電センサ３１にて少し前のタイミングで検出される受光量変化が所定レベルＴｈ２以上であると判定した場合、当該タイミングだけ遅れたタイミングでレーザダイオード１５を第１レベルから第２レベルに変更する。

このような構成であれば、実施形態１，２のようなサンプリングモードを要することなく、測定モード時において光電センサ３１で先取り的に取得される受光量変化情報に基づきＸＹステージ１４の速度制御やレーザダイオード１５の投光量制御を行うことができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記各実施形態では、位置検出部は、位置検出素子としてＣＣＤリニアセンサ１９を用いたリニアイメージセンサ方式のものであったが、これに限らず、位置検出素子としてＰＳＤ（Position Sensitive Detector）をＰＳＤ方式のものであってもよい。

（２）上記各実施形態では、センサヘッド部１１は、ワークＷから拡散反射光を受光する、いわゆる拡散反射型のものであったが、これに限らず、例えばワークＷが正反射表面を有するものであるときは、レーザダイオード１５からのレーザ光Ｌ１をワークＷに対して斜め上方から照射し、その正反射光を受光する、いわゆる正反射型のものであってもよい。

（３）上記実施形態１では、受光量変化が大きく変更する照射スポットＱの移動位置においてＸＹステージ１４をその受光量レベルにかかわらず一律の第２速度Ｖ２に変更する構成であったが、これに限らず、最大受光量の変化量に応じた（比例した）分だけ速度を低下させる構成であってもよい。

（４）上記実施形態２では、受光量変化が大きく変更する照射スポットＱの移動位置においてレーザダイオード１５の投光量を受光量レベルにかかわらず一律の第２レベルに変更する構成であったが、これに限らず、最大受光量の変化量に応じた（比例した）分だけ投光量を変更する構成であってもよい。

（５）上記実施形態では、「測定範囲」は、ワークＷのＸ方向の全長に亘る範囲であったが、これに限らず、ワークＷ表面の一部の範囲であっても勿論よい。

本発明の実施形態１に係る形状測定システムの全体概要図 各設定サンプリング周期Ｔ毎の照射スポットＱの移動位置や最大受光量Ｄｎ等の推移を示したタイミングチャート 測定モードの制御内容を示すフローチャート 実施形態３に係る形状測定システムの全体概要図

符号の説明

１０，３０…形状測定システム
１３…形状測定装置
１４…ＸＹステージ（移動機構）
１５…レーザダイオード（投光部）
１６…ＬＤ駆動回路（投光部）
１７…投光レンズ（投光部）
１８…受光レンズ（位置検出部）
１９…ＣＣＤリニアセンサ（位置検出部）
１９ａ…受光面
２０…ＣＣＤ駆動回路（位置検出部）
２１…ＣＰＵ（投光フィードバック制御部、測定部、速度制御部、制御信号出力部）
２２…メモリ
３１…光電センサ
Ｐ…受光位置（受光面での受光位置）
Ｑ…照射スポット
Ｓ１…電圧信号（位置信号）
Ｓ３…制御信号
Ｗ…ワーク（測定対象物）

Claims (10)

1. 投光部からの光を測定対象物に照射し、その反射光を前記測定対象物までの距離に応じて変化する受光面上の位置で検出可能な位置検出部に受光させ、前記測定対象物上における前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させつつ、各移動位置において前記位置検出部で順次検出される前記受光面での受光位置に基づき前記測定対象物の形状測定を行う形状測定方法において、
   前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化をサンプリングする第１ステップと、
   前記受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行いつつ、前記第１ステップでサンプリングされた受光量変化に基づき前記照射スポットの移動速度を前記第１ステップでの移動速度に対して変更しつつ前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させて前記形状測定を行う第２ステップとを含むことを特徴とする形状測定方法。
2. 投光部からの光を測定対象物に照射し、その反射光を前記測定対象物までの距離に応じて変化する受光面上の位置で検出可能な位置検出部に受光させ、前記測定対象物上における前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させて、各移動位置において前記位置検出部で順次検出される前記受光面での受光位置に基づき前記測定対象物の形状測定を行う形状測定方法において、
   前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化をサンプリングする第１ステップと、
   前記第１ステップでサンプリングされた受光量変化に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量を調整しつつ前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させて前記形状測定を行う第２ステップとを含むことを特徴とする形状測定方法。
3. 測定対象物に光を照射する投光部と、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
   前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、
   前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
   前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構を駆動して前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき前記移動機構による移動速度を制御する速度制御部と、を備えることを特徴とする形状測定システム。
4. 測定対象物に光を照射する投光部と、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
   前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、
   前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
   前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構を駆動して前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動させたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする形状測定システム。
5. 測定対象物に光を照射する投光部と、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
   前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、
   前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
   前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき前記移動機構による移動速度を制御する速度制御部と、を備えることを特徴とする形状測定システム。
6. 測定対象物に光を照射する投光部と、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
   前記測定対象物上における、前記投光部からの光の照射スポットを測定範囲内で移動させる移動機構と、
   前記移動機構による前記照射スポットの移動過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
   前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする形状測定システム。
7. 移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
   前記移動機構により前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
   前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構により前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動されたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき前記移動機構による移動速度を制御するための制御信号を前記移動機構に出力する制御信号出力部と、を備えることを特徴とする形状測定装置。
8. 移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
   前記移動機構により前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
   前記測定部による測定動作に先立ってサンプリングされ、前記投光部の投光量を一定に保ちつつ前記移動機構により前記測定対象物上における前記照射スポットを前記測定範囲内で移動されたときの前記位置検出部での受光量変化情報が記憶されるメモリと、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記メモリに記憶された受光量変化情報に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする形状測定装置。
9. 移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、
   前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
   前記移動機構により前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
   前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記位置検出部の受光面での受光量をフィードバックして当該受光量を一定とするための前記投光部の投光量制御を行う投光量フィードバック制御部と、
   前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき前記移動機構による移動速度を制御するための制御信号を前記移動機構に出力する制御信号出力部と、を備えることを特徴とする形状測定装置。
10. 移動機構により相対的に移動する測定対象物に光を照射する投光部と、
    前記測定対象物からの反射光を受光する受光面を有し、その反射光の前記受光面上での受光位置に基づく位置信号を出力する位置検出部と、
    前記移動機構ににより前記投光部からの光の照射スポットが測定範囲内で移動される過程で、前記位置検出部からの位置信号を繰り返し取り込んで前記測定対象物の形状測定を行う測定部と、
    前記照射スポットに対してその移動方向手前の位置に一定光量の光を照射しその反射光の受光量を検出する光電センサと、
    前記測定部による前記測定動作時において、前記光電センサにて先行して検出される受光量の変化に基づき当該受光量変化を相殺する増減方向に前記投光部の投光量をフォワード制御する投光量フォワード制御部と、を備えることを特徴とする形状測定装置。

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