JP2014134437A - 形状測定装置及び構造物製造システム並びに構造物製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度の低下を抑制できる形状測定装置を提供する。
【解決手段】孔の表面Ｍａの形状を測定するための形状測定装置であって、孔の表面に光を照射し、孔の表面で反射する光を検出する撮像素子１８を含む形状取得部５と、形状取得部で検出する信号を用い、孔の表面の形状を算出する演算部と、孔の表面との接触に伴い、形状取得部の光路に挿入するように配置される接触検出部４０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状測定装置及び構造物製造システム並びに構造物製造方法に関するものである。

孔や溝等の凹部の表面形状を非接触で測定可能な測定装置が知られている（例えば、特許文献１に記載してある）。これらの測定装置は、例えば、孔の深さ方向に光を送る送光部と、孔の深さ方向と略直交する方向に光の方向を変換する変換部と、変換部で方向が変化した光のうち孔の内側表面で反射した光を検出する検出部とを備える。これらの測定装置は、例えば、検出部で検出された孔の内側表面の像に基づいて、孔の表面形状を測定することができる。

米国特許第５８９５９２７号明細書

しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような問題が存在する。
底部を有する凹部を測定する場合には、プローブ等の測定子を凹部に挿入した際に、測定子の一部が底部に衝突する可能性がある。また、底部に限らず、凹部の側壁に測定子の一部が衝突する可能性もある。これらの衝突は、測定精度に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、凹部の内側表面形状の情報に関する測定精度の低下を抑制できる形状測定装置及び構造物製造システム並びに構造物製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、孔の表面の形状を測定するための形状測定装置であって、孔の表面に光を照射し、孔の表面で反射する光を検出する撮像素子を含む形状取得部と、形状取得部で検出する信号を用い、孔の表面の形状を算出する演算部と、孔の表面との接触に伴い、形状取得部の光路に挿入するように配置される接触検出部とを備える形状測定装置が提供される。

本発明の第２の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて構造物を成形する成形装置と、成形装置によって成形された構造物の形状を測定する第１の態様の形状測定装置と、形状測定装置によって測定された構造物の形状を示す形状情報と設計情報とを比較する制御装置と、を備える構造物製造システムが提供される。

本発明の第３の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて、構造物を成形することと、成形された構造物の形状を第１の態様の形状測定装置によって測定することと、形状測定装置によって測定された構造物の形状を示す形状情報と設計情報とを比較することと、を含む構造物製造方法が提供される。

本発明では、凹部の内側表面形状の情報に関する測定精度の低下を抑制でき、形状測定精度の向上を図ることができる。

第１実施形態に係る形状測定装置１Ａの外観を示す図。 同形状測定装置１Ａの概略構成を示す図。 同形状測定装置１Ａの動作を示す図。 撮像画像の例を示す概念図である。 検出部４０が遮光位置となる場合のフローチャート。 検出部４０の他の形態を示す図。 検出部４０の他の形態を示す図。 第２実施形態に係る形状測定装置を示す図。 第３実施形態に係る形状測定装置を示す図。 第４実施形態に係る形状測定装置を示す図。 構造物製造システム２００のブロック構成図。 構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャート。

以下、本発明の形状測定装置及び構造物製造システム並びに構造物製造方法の実施の形態を、図１ないし図１２を参照して説明する。
以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。Ｚ軸方向は、例えば鉛直方向に設定され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、例えば、水平方向に平行で互いに直交する方向に設定される。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る形状測定装置１Ａの外観を示す図である。図２は、本実施形態の形状測定装置１Ａの概略構成を示す図である。形状測定装置１Ａは、例えば光切断法を利用して、測定対象の物体Ｍの三次元的な形状を測定するものである。

形状測定装置１Ａは、移動装置２、制御部４、光学プローブ３を備える形状情報取得部（形状取得部）５を備える。形状測定装置１Ａは、移動装置２が物体Ｍを保持し、移動装置２に保持されている物体Ｍを光学プローブ３が撮像する。移動装置２は、光学プローブ３による撮像範囲（視野）が物体Ｍ上を走査するように、物体Ｍと光学プローブ３とを相対的に移動させる。制御装置４は、形状測定装置１Ａの各部を制御するとともに、光学プローブ３による撮像結果に基づいて物体Ｍの形状情報を取得する。

本実施形態において、形状情報は、測定対象の物体Ｍの少なくとも一部に関する形状、寸法、凹凸分布、表面粗さ、及び測定対象面上の点の位置（座標）、の少なくとも１つを示す情報を含む。形状測定装置１Ａは、例えば、測定対象の物体Ｍの孔部（孔）Ｍａに関する形状情報を取得できる。なお、測定対象の物体Ｍの孔部は貫通孔でも良いし、底部を有する孔でもどちらでも構わない。

移動装置２は、例えば測定対象の物体Ｍを保持可能なステージ装置である。移動装置２は、物体Ｍを保持する第１保持部７と、光学プローブ３を保持する第２保持部８とを備える。移動装置２においては、物体Ｍを保持した第１保持部７に対して、光学プローブ３を保持した第２保持部８を相対的に移動させることができる。

本実施形態の第１保持部７は、物体Ｍを保持してθＺ方向に回転可能である。測定対象の物体Ｍは、孔部Ｍａの内側の測定時に、例えば孔部Ｍａの開口を＋Ｚ側に向けて第１保持部７に保持される。本実施形態において、孔部が物体を貫通している場合に、孔部の深さ方向（延在方向）は、孔部の内側に沿って孔部の一方の開口と他方の開口とを結ぶ方向とする。また、孔部Ｍａが物体Ｍを貫通していない場合に、孔部の深さ方向は、孔部の内側に沿って孔部の開口と底部とを結ぶ方向とする。例えば、物体Ｍの孔部Ｍａの深さ方向は、物体Ｍが孔部Ｍａの開口を＋Ｚ側（上方）に向けて第１保持部７に保持されている場合に、Ｚ軸方向とほぼ平行である。

本実施形態の第２保持部８は、第１保持部７に対して＋Ｚ側（上方）に配置されている。第２保持部８は、光学プローブ３の長手方向とＺ軸方向がほぼ一致するように取り付けられている。第２保持部８は、光学プローブ３を保持してＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各方向に移動可能である。孔部Ｍａの測定時に、第２保持部８がＺ軸方向に移動すると、光学プローブ３は、物体Ｍに形成された孔部Ｍａの形成方向に対して進退移動する。移動装置２は、第２保持部８に保持されている光学プローブ３の少なくとも一部が第１保持部に保持されている物体Ｍの孔部Ｍａに挿入されるように、第２保持部８を移動できる。

移動装置２は、図２に示すように、駆動部１０及び位置情報取得部１１を備える。駆動部１０は、電動モータ等のアクチュエータを含み、第１保持部７及び第２保持部８を駆動する。位置情報取得部１１は、例えばエンコーダ等の位置計測用のセンサーを含み、光学プローブ３の位置に関する位置情報を取得する。

本実施形態において、制御装置４は、形状測定装置１Ａの各部を制御するものであり、移動装置２の駆動部１０を制御する移動制御部６、位置情報取得部１１が取得した位置情報を記憶する記憶装置９、演算装置（演算部）１２を備えている。
例えば、制御装置４は、移動装置２の駆動部１０を制御して、光学プローブ３と物体Ｍの相対位置を制御する。また、制御装置４は、光学プローブ３を制御して、物体Ｍ上の測定領域Ｍａ（孔部の内面）を光学プローブ３に撮像させる。

また、制御装置４は、測定対象の形状情報を取得するための演算装置１２を備える。演算装置１２は、光学プローブ３の位置情報を移動装置２の位置情報取得部１１から取得し、測定領域を撮像した画像を示すデータ（撮像画像データ）を光学プローブ３から取得する。演算装置１２は、光学プローブ３の位置に応じた撮像画像データから得られる物体Ｍの表面の位置と光学プローブ３の位置とを対応付けることによって、測定対象の三次元的な形状に関する形状情報を演算して取得する。

本実施形態の制御装置４は、ＣＰＵ等を有するコンピュータシステムと、コンピュータシステムの外部の装置との通信を実行可能なインターフェースを含む。制御装置４は、測定結果に関する画像処理、補間処理、統計処理、表示処理等の各種処理の少なくとも１つを実行できる。

なお、制御装置４は、形状測定装置１Ａの各部の制御に要する各種処理を実行するＡＳＩＣ等の論理回路を含んでいてもよく、コンピュータシステムを含んでいなくてもよい。制御装置４は、制御装置４へ信号を入力可能な入力装置が接続されていてもよい。この入力装置は、キーボード、マウス等の入力機器、あるいはコンピュータシステムの外部の装置からのデータを入力可能な通信装置のうちの１種又は２種以上でもよい。制御装置４は、液晶表示ディスプレイ等の表示装置を含んでいてもよいし、表示装置と接続されていてもよい。制御装置４は、形状測定装置１Ａの外部の装置であってもよい。

形状情報取得部５は、上記光学プローブ３と、制御装置４に設けられた演算装置１２と、検出部（接触検出部）４０とを備える。本実施形態において、光学プローブ３は、形状測定用の光学装置であって、測定対象の物体Ｍ上の測定領域Ｍａ（本実施形態では孔部の内周面（表面））を落射照明しながら撮像する。図２に示す光学プローブ３は、光源１４から出射した照明光束Ｌ１を、結像光学系１９及び反射部材１６を介して物体Ｍ上の測定領域に投影（照射）することで、測定領域を落射照明するものであって、照明光学系ＩＬ、結像光学系１９、反射部材（先端光学部材）１６、撮像部１７、鏡筒２５を備える。

撮像部１７（撮像装置）は、撮像素子１８を備えている。撮像素子１８は、例えばＣＣＤセンサー又はＣＭＯＳセンサーで構成される。撮像素子１８は、例えば、複数の画素のそれぞれに配置されて入射光を電力（電荷）に変換するフォトダイオードと、フォトダイオードで発生した電荷を読み出す読出回路とを含む。フォトダイオードは、例えば、撮像素子１８の受光面１８ａに二次元的に配列される。

照明光学系ＩＬは、物体面１９ａ（後述）に照明光束Ｌ１照射するものであって、光源１４、導光部材２０を備えており、光源１４から出射した照明光束Ｌ１を伝播させる伝播経路１５を備えている。
本実施形態において、光源１４は、レーザーダイオード（固体光源）を含み、照明光束Ｌ１としてレーザー光を射出する。光源１４は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源を含んでいてもよいし、高圧水銀ランプ等のランプ光源を含んでいてもよい。

導光部材２０は、光源から出射した照明光束Ｌ１を結像光学系１９に導くものであって、例えばハーフミラーを含み、撮像素子１８と結像光学系１９との間の光路に配置されている。導光部材２０は、光源１４から出射した照明光束Ｌ１が入射する位置に配置された面２０ａを有する。この面２０ａは、結像光学系１９の光軸ＡＸ（後述）に対して傾斜している。面２０ａと結像光学系１９の光軸ＡＸがなす角度は、例えば４５°に設定される。

光源１４から出射した照明光束Ｌ１は、導光部材２０の面２０ａに入射し、その少なくとも一部が面２０ａで反射して結像光学系１９に入射する。導光部材２０を介して結像光学系１９に入射した照明光束Ｌ１は、結像光学系１９の光軸ＡＸに沿って進行する。本実施形態において、伝播経路１５は、結像光学系１９における照明光束Ｌ１の光路を含む。すなわち、結像光学系１９の光軸ＡＸは、伝播経路１５上に設定されている。

結像光学系１９は、撮像素子１８の受光面１８ａ（像面）と共役な物体面１９ａを形成する。本実施形態において、物体面１９ａは、光学プローブ３の進退方向（Ｚ軸方向）にほぼ直交する平面を含む。物体面１９ａ上の各点から出射した光束（以下、結像光束Ｌ２という）は、撮像素子１８の受光面１８ａ上の各点に収斂する。

本実施形態の結像光学系１９は、屈折系の光学系であり、複数の光学部材（レンズ）を含む。結像光学系１９の光学部材の少なくとも１つは、軸対称な光学部材であり、ここでは、この光学部材の対称軸（中心軸）を結像光学系１９の光軸ＡＸという。なお、結像光学系１９は、反射系の光学系又は反射屈折系の光学系のいずれでもよい。

反射部材１６は、例えば、光軸ＡＸ周りに反射面１６ａが形成された円錐状のプリズムミラーで形成されており、結像光学系１９を通った照明光束Ｌ１が入射する位置に反射面１６ａが配置されている。反射面１６ａとしては、例えば、蒸着法などで形成された反射膜で構成される。なお、反射部材１６に、結像光学系１９の光路が形成されていても構わない。

上記撮像素子１８、結像光学系１９、反射部材１６及び導光部材２０は、鏡筒２５に保持される。鏡筒２５は、結像光学系１９の光軸ＡＸと平行な方向（Ｚ軸方向）が長手方向であり、光軸ＡＸと直交する方向（ＸＹ方向）が短手方向である。鏡筒２５は、伝播経路１５を囲むように設けられており、少なくとも伝播経路１５の周囲の部分が結像光学系１９の光軸ＡＸに関して軸対称な円筒状である。

鏡筒２５は、物体面１９ａを含む領域、反射部材１６（反射面１６ａ）で反射して測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１の光路、及び物体面１９ａ上の各点から出射して結像光学系１９に向かう結像光束Ｌ２の光路に位置する範囲については、照明光束Ｌ１及び結像光束Ｌ２が通過（透過）可能な通過部２５ｂとなっており、他の範囲については照明光束Ｌ１及び結像光束Ｌ２を遮光する遮光部２５ｃとなり、迷光による悪影響を抑制できる構成となっている。

検出部４０は、形状情報取得部５（光学プローブ３）と測定領域Ｍａ（物体Ｍ）との接触を検出するものであって、筒部材４１、支持部材４２を備えている。筒部材４１は、照明光束Ｌ１を反射する材料で形成されており、光軸ＡＸ周りに形成されて筒部４３と底部４４とを備えている。筒部４３は、鏡筒２５の外周面との間に隙間が形成され、且つ測定領域Ｍａとの間にも隙間が形成される径で形成されている。底部４４は、筒部４３の−Ｚ側の端部（下端部）を閉塞するように配設されている。底部４４の−Ｚ側の面（下面）には、物体Ｍとの接触時の衝撃を緩和するために、ゴム等の弾性材で半球状に形成された突部４５が光軸ＡＸ上に設けられている。なお、本実施形態においては、突部４５は一つであるが、複数設けても構わない。また、突部４５を設けずに、底部４４が突部４５の機能を備えていても構わない。

支持部材４２は、鏡筒２５に対して筒部材４１を同軸で、Ｚ軸方向に移動可能に吊下して支持させるものであって、本実施形態では、コイルバネ等の弾性体により形成されている。支持部材４２の長さは、鏡筒２５から吊下された筒部材４１が物体Ｍと非接触のときは、図２に示すように、筒部４３が物体面１９ａから−Ｚ側に離間して、測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１を遮光しない位置（以下、非遮光位置と称する）となり、鏡筒２５から吊下された筒部材４１が物体Ｍの底部と接触したときは、図３に示すように、筒部４３が照明光束Ｌ１の光路おいて物体面１９ａと測定領域Ｍａとの間に挿入され、測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１を遮光する位置（以下、遮光位置と称する）となる長さに設定される。

次に、上記構成の形状測定装置１Ａにより、物体Ｍにおける測定領域Ｍａの形状を測定する動作について、図４を参照して説明する。図４は、撮像素子１８により撮像された撮像画像の例を示す概念図である。

まず、検出部４０が非遮光位置の場合（図２参照）について説明する。
物体Ｍの孔部に光学プローブ３を挿入した後に、光源１４から出射し導光部材２０の面２０ａで反射した照明光束Ｌ１は、結像光学系１９に入射する。結像光学系１９から出射し反射部材１６の反射面１６ａで反射した照明光束Ｌ１は、物体面１９ａに沿って伝播し、測定領域Ｍａで反射散乱する。測定領域Ｍａで反射散乱した結像光束Ｌ２は、鏡筒２５の通過部２５ｂを通って結像光学系１９に入射する。結像光学系１９に入射した結像光束Ｌ２は、その少なくとも一部が導光部材２０（ハーフミラー）を通って撮像素子１８の受光面１８ａに入射する。

ここで、受光面１８ａと物体面１９ａとが光学的に共役であるので、物体面１９ａと物体Ｍの測定領域Ｍａである表面との交線２６の像は、受光面１８ａ上でピントが合うことになる。そのため、物体面１９ａと物体Ｍの表面との交線２６は、図４に示す撮像画像Ｉｍにおいて輝線２７になる。輝線２７上の各点は、交線２６上のいずれかの点と１対１で対応し、例えば、交線２６が円環状である場合に、輝線２７は円環状になる。図２に示した演算装置１２は、図４に示したような撮像画像Ｉｍにおける輝線２７上の各点の位置情報を演算することで、各点に対応する物体Ｍ上の点の位置情報を算出する。

演算装置１２は、上述のように撮像画像Ｉｍの輝線２７上の各点の位置情報を算出することで、物体Ｍの表面のうち物体面１９ａと交差する部分（図２に示した交線２６）の位置情報を演算する。また、演算装置１２は、光学プローブ３がＺ方向に位置を変えながら撮像した複数の撮像画像のそれぞれについても同様に、光学プローブ３のＺ方向の位置（以下、Ｚ位置と称する）に応じた測定領域Ｍａにおける物体Ｍの表面の位置情報を算出する。演算装置１２は、光学プローブ３の位置と、この位置で撮像された撮像画像に基づいて算出された物体Ｍの位置情報とを対応させることで、物体Ｍの三次元的な形状を示す形状情報を取得する。
なお、演算装置１２は、形状測定装置１Ａと別に配置されていても構わない。この場合に、演算装置１２は形状測定装置１Ａに配置されるＰＣなどの演算装置でも構わない。また、演算装置１２は、形状装置１Ａと一体で配置されていても構わない。例えば、演算装置１２と光学プローブ３とが一体で配置されても構わない。
なお、演算装置１２は、撮像画像Ｉｍにおける輝線２７の各点の位置情報を演算することとなっているが、演算の対象となるのは撮像画像Ｉｍだけに限られない。例えば、撮像素子１８で撮像され、検出される信号のうち一部を用いても構わない。この場合に、撮像素子１８のうち、輝線２７のみに関する情報のみを抽出し、それとは他の輝線２７の周囲の情報は抽出せずに、抽出した情報のみとを使い、演算装置１２は物体Ｍの位置情報を算出しても構わない。

次に、検出部４０が遮光位置となる場合（図３参照）について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。上述したように、光学プローブ３を孔部に挿入し所定のＺ位置にて、被検面である測定領域Ｍａを撮像し（ステップＳ１０１）、表面位置情報を取得した（ステップＳ１０２）後に、光学プローブ３を所定量−Ｚ側に移動させることを順次繰り返して実行するが、各撮像位置の情報（Ｘ位置、Ｙ位置、Ｚ位置）は、記憶装置９に記憶される。

そして、光学プローブ３を−Ｚ側に下降させた際に、検出部４０が物体Ｍと接触すると、図３に示すように、筒部材４１の下降は停止する一方で、鏡筒２５は下降するため、鏡筒２５に対して筒部材４１が支持部材４２の弾性復元力に抗して＋Ｚ側に相対移動し、筒部４３が照明光束Ｌ１の光路おいて物体面１９ａ（反射部材１６）と測定領域Ｍａとの間に挿入され、測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１を遮光する位置となる。

このとき、反射部材１６の反射面１６ａで反射して測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１は、物体面１９ａに沿って伝播し、筒部４３の内周面で反射散乱する。筒部４３の内周面で反射散乱した結像光束Ｌ２は、鏡筒２５の通過部２５ｂを通って結像光学系１９に入射する。結像光学系１９に入射した結像光束Ｌ２は、その少なくとも一部が導光部材２０（ハーフミラー）を通って撮像素子１８の受光面１８ａに入射する。

この場合、物体面１９ａと筒部４３の内周面との交線２６’の像は、受光面１８ａ上でピントが合うことになるが、撮像画像Ｉｍにおいては、筒部４３の内周面の径に対応して、物体Ｍの表面の場合の径よりも小径の輝線２７’となる。
従って、演算装置１２が撮像画像Ｉｍの輝線２７’上の各点の位置情報を演算して、輝線２７よりも小径に変化した結果が得られると、演算装置１２は筒部材４１と物体Ｍとの接触を検出し（ステップＳ１０３）、警告信号を出力する。警告信号としては、例えば、音声を用いることができる。これにより、撮像画像を観察しなくても、筒部材４１と物体Ｍとの接触を検出することができる。

また、演算装置１２は、筒部材４１と物体Ｍとの接触を検出すると、記憶装置９に記憶されている各撮像位置の情報から、接触までの移動経路を求め、当該移動経路に基づいて、経路生成部として退避経路を生成し（ステップＳ１０４）、記憶装置９に記憶させる。そして、移動装置２が、記憶された退避経路に基づいて光学プローブ３を物体Ｍの孔部から退避させる（ステップＳ１０５）。

以上説明したように、本実施形態では、検出部４０と物体の物体Ｍの物体面Ｍａとの接触を検出する検出部４０を設けた。また、本実施形態においては、光学プローブ３と物体面Ｍａとが接触するよりも前に、検出部４０と物体面Ｍａとが接触する。したがって、検出部４０と物体面Ｍａとの接触を検出することで、光学プローブ３と物体Ｍａとが接触することを抑制することができる。したがって、光学プローブ３と物体Ｍａとが接触することによる、光学プローブ３の破損を抑制することができる。また本実施形態では、検出部４０と物体面Ｍａとの接触を、鏡筒２５に対してＺ方向に移動可能に支持された筒部材４１が照明光束を遮光したことを、撮像素子１８の撮像結果に基づいて、検出する。なお、Ｚ軸方向に光学プローブ３が移動する場合に、移動方向の物体Ｍに近い部分に検出部４０の突部４５を設けたので、移動する場合に検出部４０の突部４５が最初に物体面Ｍａと接触する。また、本実施形態では、突部４５は物体Ｍの物体面Ｍａよりも弾性の弾性材で形成されているので、突部４５の接触による物体Ｍへの損傷を抑制することができる。なお、本実施形態においては、検出部４０と物体面Ｍａとが接触することで、光学プローブの光路が変化することにより、光学プローブの撮像結果が変化する。したがって、検出部４０の接触により、光学プローブの撮像結果が変化するので、検出部４０と物体面Ｍａとの接触を直接検出する必要がない。したがって、検出部４０のみで物体面Ｍａとの接触を検出する機構を設ける必要がない。したがって、本実施形態における、検出部４０の接触を検出する機構のための配線を設ける必要がない。

さらに、本実施形態では、演算装置１２は光学プローブ３の移動経路を記憶することができる。したがって、物体Ｍの測定時の記憶された移動経路に基づいて、物体Ｍから光学プローブ３を退避する場合の退避経路を算出することができる。これにより、退避経路を算出することが可能である。また、例えば、測定時に光学プローブ３と物体Ｍとが接触したとしても、記憶された移動経路から、物体Ｍとの接触を抑制するような移動経路を算出することができる。また、例えば、物体Ｍの測定時に記憶された移動経路を、記憶する際に測定した物体Ｍとは異なる物体Ｍに用いても構わない。例えば、物体Ｍは量産品などの同一形状の物体Ｍを複数個測定する場合である。

なお、上記実施形態では、物体Ｍとの接触時に検出部４０の筒部材４１が照明光束Ｌ１を全周に亘って遮光する構成を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、筒部材４１における筒部４３の＋Ｚ側の面に、径方向に延びる溝部４３ａを光軸ＡＸ周りに間隔をあけて複数（図６では４つ）設ける構成とし、図６（Ｂ）に示すように、筒部材４１が物体Ｍに接触してＺ方向に相対移動した際に、溝部４３ａを通った照明光束Ｌ１は遮光されずに測定領域Ｍａに到達可能で、他の照明光束Ｌ１は筒部材４１で反射する構成としてもよい。

この構成では、図６（Ｃ）に示すように、撮像画像Ｉｍにおいて、物体Ｍの表面に対応する輝線２７と、筒部４３の内周面に対応する輝線２７’とは、溝部４３ａに応じて、光軸ＡＸ周りに交互に配置される。そのため、この構成では、互いに径の異なる輝線２７、２７’が同一の画像内に存在することになるため、例えば、輝線２７、２７’の径差が小さい場合でも、確実に画像の変化を検出して検出部４０と物体Ｍとの接触を検出することが可能となる。

また、検出部４０と物体Ｍとの接触時に、照明光束Ｌ１の遮光・非遮光によって撮像素子１８の撮像画像に変化を生じさせる構成の他に、照明光束Ｌ１に対する検出部４０の透過率の差によって撮像画像に変化を生じさせる構成とすることも可能である。
具体的には、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、筒部材４１における筒部４３を、透過率約１００％で照明光束Ｌ１を透過させる透過部４３ｂと、透過率約５０％で照明光束Ｌ１を透過させる透過部４３ｃとが光軸ＡＸ周りに、例えば９０°間隔で配置される構成とする。

この構成では、照明光束Ｌ１は、検出部４０と物体Ｍとの接触時及び非接触時のいずれの場合も筒部４３を透過するため、物体面１９ａと物体Ｍの表面との交線２６は、図７（Ｃ）に示すように、撮像画像Ｉｍにおいて連続する輝線になる。そして、図７（Ｂ）に示すように、検出部４０と物体Ｍとが接触した場合、透過部４３ｃを透過した照明光束Ｌ１は光量が低下するため、撮像画像Ｉｍにおいては、透過部４３ｂに対応し大きな強度の輝線２７と、透過部４３ｃに対応し小さな強度の輝線２７’とが連続したものとなる。そのため、この構成では、互いに強度の異なる輝線２７、２７’が同一の画像内に存在することになるため、例えば、輝線２７、２７’の径差が小さい場合でも、確実に画像の変化を検出して検出部４０と物体Ｍとの接触を検出することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、形状測定装置１Ａの第２実施形態について、図８を参照して説明する。
この図において、図１乃至図７に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態の形状測定装置１Ａにおいては、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、筒部材４１における筒部４３の＋Ｚ側の面に、溝部４３ｄが設けられている。溝部４３ｄは、＋Ｚ側に向かうに従って、光軸ＡＸ周りの幅が漸次大きくなる、正面視Ｖ字状に形成されている。より詳細には、溝部４３ｄを形成する図中、＋Ｘ側の面は光軸ＡＸ方向に延在して形成されている。また、図中、−Ｘ側の面は、光軸ＡＸに対して傾斜して形成されている。

上記構成の形状測定装置１Ａにおいては、図６（Ｂ）に示すように、筒部材４１が物体Ｍに接触してＺ方向に相対移動した際に、溝部４３ｄを通った照明光束Ｌ１は遮光されずに測定領域Ｍａに到達し、他の照明光束Ｌ１は筒部４３で反射散乱する。そして、図８（Ｃ）に示すように、撮像画像Ｉｍにおいては、物体Ｍの表面に対応する輝線２７と、筒部４３の内周面に対応する輝線２７’とが、物体Ｍの表面及び筒部４３の内周面に応じた径で撮像される。このとき、輝線２７の周長は、溝部４３ｄと物体面１９ａとのＺ方向の相対位置に応じて変化する。すなわち、照明光束Ｌ１は、物体面１９ａのＺ位置における溝部４３ｄの幅（光軸ＡＸ周り方向の長さ）に対応した光軸ＡＸ周り方向の角度で測定領域Ｍａに到達し、撮像素子１８に入射して撮像されるため、輝線２７の周長（光軸ＡＸ周り方向の角度）は、溝部４３ｄと物体面１９ａとのＺ方向の相対位置に応じたものとなる。筒部材４１が物体Ｍに接触していないときの溝部４３ｄと物体面１９ａの相対位置、及び溝部４３ｄの幅の変化量は既知であるため、例えば輝線２７の角度を演算して求めることにより、溝部４３ｄに対する物体面１９ａの相対位置が得られ、結果として、Ｚ方向について、筒部材４１が物体Ｍに接触した位置を検出することが可能となる。

本実施形態においては、筒部材４１と光学プローブ３とのＺ方向の相対位置を見積もることができる。また、検出部４０の接触により、物体面Ｍａの位置を見積もることができる。特に、物体面Ｍの底面までの距離を見積もることができる。
また、本実施形態では、筒部材４１と物体Ｍとが非接触であった位置から、接触を検出した位置までの支持部材４２（図２参照）の変形量と、当該支持部材４２のバネ定数とに基づいて、例えば、応力算出部としての演算装置１２が、支持部材４２の弾性復元力として光学プローブ３及び筒部材４１に加わる荷重（応力）を求めることも可能になる。

（第３実施形態）
次に、形状測定装置１Ａの第３実施形態について、図９を参照して説明する。
この図において、図１乃至図７に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
上記の実施形態では、物体Ｍにおける孔部の底部に検出部４０が接触する場合について説明したが、本実施形態では、孔部の側面に検出部４０が接触する場合について説明する。

本実施形態における筒部４３には、図９（Ａ）に示すように、物体面１９ａを含む位置に突出する突部４３ｅ、４３ｆが光軸ＡＸ周りに、例えば９０°の位置関係で設けられている。

本実施形態の形状測定装置１Ａでは、図９（Ａ）に示すように、筒部４３が物体Ｍの側壁に非接触であれば、突部４３ｅ、４３ｆに遮光されずに測定領域Ｍａに照射された照明光束Ｌ１は、図９（Ｃ）に示すように、撮像画像Ｉｍにおいて、突部４３ｅ、４３ｆ以外の範囲に亘る輝線２７となる。また、突部４３ｅ、４３ｆで照明光束Ｌ１が散乱反射した範囲については、筒部４３の内周面の径に応じた輝線２７ａとなる。一方、図９（Ｂ）に示すように、光軸ＡＸと物体Ｍの孔部の軸線とが偏心しており、物体Ｍの側壁（測定領域Ｍａ）と筒部４３の外周面とが接触する場合には、物体Ｍの側壁と筒部４３（突部４３ｅ、４３ｆ）との距離が近くなるため、撮像画像Ｉｍにおいては突部４３ｅ、４３ｆで照明光束Ｌ１が散乱反射した範囲については、外径側に移動した輝線２７’となる。

従って、本実施形態では、突部４３ｅ、４３ｆで照明光束Ｌ１が散乱反射した範囲について、輝線２７ａから輝線２７’に径（位置）が変化したことを検出することにより、物体Ｍの側壁に検出部４０が接触したことを検出することが可能となる。従って、本実施形態においては、物体Ｍにおける孔部の底部だけでなく、側面の接触を検出することが可能となる。
従って、本実施形態では、物体Ｍにおける孔部の底部がある孔部であるが物体Ｍにおける孔部の底部がない貫通孔でも構わない。

（第４実施形態）
次に、形状測定装置１Ａの第４実施形態について、図１０を参照して説明する。
この図において、図１乃至図７に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
上記の実施形態では、物体Ｍにおける孔部の底部に検出部４０が接触する場合について説明したが、本実施形態では、鏡筒２５が接触する場合について説明する。

本実施形態では、鏡筒２５は、鏡筒本体２５Ａと、支持部材４２を介して鏡筒本体２５ＡにＺ方向に相対移動自在に吊設された検出部２５Ｂとから構成されている。検出部２５Ｂの＋Ｚ側の面には結像光学系１９と対向させて反射部材１６が設けられている。また、検出部２５Ｂの−Ｚ側の面には突部４５が設けられている。

鏡筒本体２５Ａには、検出部２５Ｂよりも外周側に光軸ＡＸ周りに筒部４３が設けられている。筒部４３の先端部の位置は、検出部２５Ｂが物体Ｍと非接触で鏡筒本体２５Ａから吊下されたときに、物体面１９ａよりも微少量＋Ｚ側に離間する位置に設定されている。
他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

上記構成の形状測定装置１Ａでは、検出部２５Ｂが物体Ｍと非接触であれば、照明光束Ｌ１は筒部４３に遮光されることなく測定領域Ｍａに照射され、図４に示したように、撮像画像Ｉｍにおいて、測定領域Ｍａの形状及び径に応じた輝線２７となる。一方、図１０（Ｂ）に示すように、検出部２５Ｂが物体Ｍと接触すると鏡筒本体２５Ａに接近する方向に相対移動し、筒部４３が測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１の光路上に位置する。これにより、照明光束Ｌ１は筒部４３の内周面で散乱反射し、図４に示したように、撮像画像Ｉｍにおいては、筒部４３の内周面の径に対応して、物体Ｍの表面の場合の径よりも小径の輝線２７’となる。
このように、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

次に、上述した形状測定装置を備えた構造物製造システムについて、図１１を参照して説明する。
図１１は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態において説明したような形状測定装置２０１と、設計装置２０２と、成形装置２０３と、制御装置（検査装置）２０４と、リペア装置２０５とを備える。制御装置２０４は、座標記憶部２１０及び検査部２１１を備える。

設計装置２０２は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置２０３に送信する。また、設計装置２０２は、作成した設計情報を制御装置２０４の座標記憶部２１０に記憶させる。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報を含む。

成形装置２０３は、設計装置２０２から入力された設計情報に基づいて、上記の構造物を作製する。成形装置２０３の成形は、例えば鋳造、鍛造、切削等が含まれる。形状測定装置２０１は、作製された構造物（測定対象物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置２０４へ送信する。

制御装置２０４の座標記憶部２１０は、設計情報を記憶する。制御装置２０４の検査部２１１は、座標記憶部２１０から設計情報を読み出す。検査部２１１は、形状測定装置２０１から受信した座標を示す情報（形状情報）と、座標記憶部２１０から読み出した設計情報とを比較する。検査部２１１は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部２１１は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。検査部２１１は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合に、構造物が修復可能であるか否か判定する。検査部２１１は、構造物が修復できる場合、比較結果に基づいて不良部位と修復量を算出し、リペア装置２０５に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。

リペア装置２０５は、制御装置２０４から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。

図１２は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。構造物製造システム２００は、まず、設計装置２０２が構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ１０１）。次に、成形装置２０２は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ１０２）。次に、形状測定装置２０１は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ１０３）。次に、制御装置２０４の検査部２１１は、形状測定装置２０１で得られた形状情報と上記の設計情報とを比較することにより、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ１０４）。

次に、制御装置２０４の検査部２１１は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０５ ＹＥＳ）、その処理を終了する。また、検査部２１１は、作成された構造物が良品でないと判定した場合（ステップＳ１０５ ＮＯ）、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ１０６）。

構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０６ ＹＥＳ）、リペア装置２０５が構造物の再加工を実施し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０３の処理に戻る。構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できないと検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０６ Ｎｏ）、その処理を終了する。以上で、構造物製造システム２００は、図１２に示すフローチャートの処理を終了する。

本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態における形状測定装置が構造物の座標を正確に測定することができるので、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。

なお、本実施形態におけるリペア装置２０５が実行するリペア工程は、成形装置２０３が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置２０４の検査部２１１が修復できると判定した場合、成形装置２０３は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置２０３は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、形状測定装置１Ａは、孔部Ｍａだけに限られず、溝（凹部）の内面（測定領域）を測定することも可能である。形状測定装置１Ａは、所定の方向に延在する溝が形成された物体に対して、溝の内面の測定を行う場合に、溝の延在方向に光学プローブ３を移動させることもできる。溝の延在方向は、例えばＸＹ面に平行な方向でもよいし、ＸＹ面に交差する方向でもよい。また、上記の実施形態に係る形状測定装置は、例えば、段差の崖部分を測ることも可能である。また、形状測定装置１Ａによる測定方法は、光切断法に限定されず、例えば共焦点法又はＳＦＦ法であってもよい。

また、上記実施形態では、検出部４０の筒部４３が照明光束Ｌ１を反射、あるいは所定の透過率で透過させる構成としたが、この構成の他に、例えば照明光束Ｌ１を吸収する構成としてもよい。この構成では、筒部４３に入射した照明光束Ｌ１が出射せず、撮像素子１８によって撮像されなくなることから、画像の変化を検出して、検出部４０と物体Ｍとの接触を検出することが可能になる。

さらに、上記実施形態では、筒部材４１が物体Ｍと接触した際に、筒部材４１がＺ軸方向あるいはＸＹ平面に沿って相対移動する場合について説明したが、これ以外３にも、例えば筒部材４１がＺ軸に対して傾いた場合についても物体Ｍとの接触を検出可能である。
具体的には、筒部材４１がＺ軸に対して傾くと、光軸ＡＸを挟んで傾斜方向の一方では照明光束Ｌ１の進行方向を変化させ、傾斜方向の他方では照明光束Ｌ１の進行方向を変化させないため、撮像画像Ｉｍにおいては、光軸ＡＸを挟んで一方側と他方側とで異なる径の輝線になるため、筒部材４１と物体Ｍとの接触を検出できる。

また、上記実施形態では、反射部材１６に導入されて反射した照明光束Ｌ１が測定領域Ｍａで反射散乱し、測定領域Ｍａで反射散乱した結像光束Ｌ２が結像光学系１９に入射した後に撮像素子１８に入射する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、物体Ｍの孔部の直径が大きく測定領域Ｍａで反射散乱した結像光束Ｌ２が結像光学系１９に入射しない可能性もあるが、このような場合には、測定領域Ｍａで反射散乱した結像光束Ｌ２を反射部材１６が反射し、結像光学系１９及び導光部材２０を介して撮像素子１８に入射させる（導入する）ことができる。そのため、物体Ｍの孔部の直径が大きい場合であっても、物体Ｍにおける測定領域Ｍａの形状を円滑に測定することが可能となる。

また、上記実施形態では、照明光束Ｌ１の光路（光源１４から出射し導光部材２０、結像光学系１９、反射部材１６を介して測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１の光路）及び結像光束Ｌ２の光路（測定領域Ｍａで反射散乱し結像光学系１９及び導光部材２０を介して撮像素子１８に向かう結像光束Ｌ２の光路、あるいは測定領域Ｍａで反射散乱し反射部材１６、結像光学系１９及び導光部材２０を介して撮像素子１８に向かう結像光束Ｌ２の光路）のうち、反射部材１６を介して測定領域Ｍａに向かう照明光束Ｌ１の光路に検出部４０が挿入される構成を例示したが、これに限定されるものではなく、上述した光路であれば、例えば、測定領域Ｍａで反射散乱し結像光学系１９に向かう結像光束Ｌ２の光路等に検出部４０が挿入される構成であってもよい。

また、上記実施形態では、物体面１９ａが平面状である構成を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば物体面が円錐面状であってもよく、このような円錐面上の各点から出射した光束を、平面状の像面上のほぼ１点に収斂させるように、物体面１９ａから撮像素子１８に向かう結像光束Ｌ２の進行方向を変化させる先端光学部材を備える構成としてもよい。なお、先端光学部材が結合光学系に属する場合には、先端光学部材は、当該結合光学系を構成する光学部材のうち、最も物体面に近く配置されたものとなる。また、先端光学部材が照明光学系に属する場合には、先端光学部材は、当該照明光学系を構成する光学部材のうち、最も物体面に近く配置されたものとなる。

なお、上述の実施形態における、形状測定装置1Ａは光学プローブ３を画像により物体Ｍの物体面を測定する方式でも構わない。例えば、米国特許公開番号５４６９２５４号でも構わない。
なお、上述の実施形態における、光学プローブ３は円環状に投影光を作成し、物体面Ｍａを測定したが、光学プローブ３を回転させ、光学プローブ３の周囲の物体面Ｍａを測定する方式でも構わない。例えば、日本特許公開平成11-281582号でも構わない。
なお、上述の実施形態における、光学プローブ３は干渉により、光学プローブ３の周囲の物体面Ｍａを測定する方式でも構わない。例えば、日本特許公開2008-309652号でも構わない。
なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した形状測定装置等に関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。

１Ａ…形状測定装置、 ２…移動装置、 ５…形状情報取得部（形状取得部）、 ９…記憶装置、 １２…演算装置（演算部）、 １６…反射部材（先端光学部材）、 １２…演算装置（経路生成部）、 １７…撮像部、 １８…撮像素子、 １９…結像光学系、 ２５…鏡筒、 ２５Ｂ、４０…検出部（接触検出部）、 ４２…支持部材（接続部、弾性体）、 ２０３…成形装置、 ２０４…制御装置、 ＩＬ…照明光学系

Claims (13)

1. 孔の表面の形状を測定するための形状測定装置であって、
   前記孔の表面に光を照射し、前記孔の表面で反射する光を検出する撮像素子を含む形状取得部と、
   前記形状取得部で検出する信号を用い、前記孔の表面の形状を算出する演算部と、
   前記孔の表面との接触に伴い、前記形状取得部の光路に挿入するように配置される接触検出部とを備える形状測定装置。
2. 前記接触に伴い、前記接触検出部は、前記形状取得部と前記孔の表面との間の光路に配置される請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記形状取得部は、
   前記撮像素子の撮像面に前記孔の表面で反射する光を導入する光学部材を有する光学系と、
   前記光学部材を収容する鏡筒と、をさらに備え、
   前記鏡筒と前記接触検出部との間の相対位置の違いに応じて、前記形状取得部と前記孔の表面との間の光路に前記接触検出部が挿入される距離が変化する請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記接触検出部が挿入される距離を用いて、前記孔の表面との接触に伴う前記接触検出部に作用する力を算出する応力算出部を備える請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記光学系のうち、前記撮像素子に導入する光路に沿った、前記孔の表面に前記光を入射させる先端光学部材と前記孔の表面との間の光路に、前記接触に伴い前記接触検出部が配置される請求項４に記載の形状測定装置。
6. 前記形状取得部は、前記孔の表面に照射する照明光学系をさらに備える請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記先端光学部材は、前記孔の表面に照射される光を導入するとともに、前記孔の表面で反射する光を前記撮像素子に導入する請求項６に記載の形状測定装置。
8. 前記接触検出部は、前記孔の表面に照射する光を反射する反射部を含み、
   前記形状取得部と前記撮像素子との間に前記反射部が挿入され、前記反射部からの反射光を前記撮像素子で撮像する請求項１〜７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
9. 前記接触検出部は、円周方向に前記孔の表面に照射する光の透過率が異なる請求項1〜８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
10. 前記接触検出部は、前記挿入される距離に応じて前記孔の表面に照射する光の透過率が異なる請求項１〜９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
11. 前記形状取得部と前記接触検出部とを移動させる移動装置と、
    前記接触検出部と前記孔の表面との接触を検出するまでの、前記形状取得部と前記接触検出部との移動経路を記憶する記憶装置とを備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の形状測定装置。
12. 構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記構造物を成形する成形装置と、
    前記成形装置によって成形された前記構造物の形状を測定する請求項１〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置と、
    前記形状測定装置によって測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較する制御装置と、を備える構造物製造システム。
13. 構造物の形状に関する設計情報に基づいて、前記構造物を成形することと、
    前記成形された前記構造物の形状を請求項１〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置によって測定することと、
    前記形状測定装置によって測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較することと、を含む構造物製造方法。

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