JP7491664B2 - 形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、及び構造物製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、及び構造物製造方法に関する。

被検物に向けて測定光を投影し、測定光の投影方向とは異なる方向から、被検物に投影される測定光の像を撮像し、被検物の形状を測定する形状測定装置がある。（例えば、特許文献１）測定光を用いた形状測定において、例えば、精度不足による測定不良を抑制することが望まれる。

米国特許８２４４０２３号

本発明の第１の態様によれば、形状測定装置は、被検物の表面の形状を測定するための形状測定装置であって、被検物の表面に、第１測定光と第２測定光を投影方向に沿った異なる領域に、異なる時間に照射する、照射部と、投影方向とは異なる方向から、被検物に投影される第１測定光と第２測定光の像を撮像し、画像データを出力する撮像部と、画像データの第１測定光と第２測定光の像の位置に基づいて、被検物の表面の形状を算出する制御部と、を備える。

本発明の第２の態様によれば、構造物製造システムは、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、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。

本発明の第３の態様によれば、形状測定方法は、被検物の表面の形状を測定する、形状測定方法であって、被検物の表面に、第１測定光と第２測定光を投影方向に沿った異なる領域に、異なる時間に照射することと、投影方向とは異なる方向から、被検物に投影される第１測定光と第２測定光の像を撮像し、画像データを出力することと、画像データの第１測定光と第２測定光の像の位置に基づいて、被検物の表面の形状を算出することとを含む。

本発明の第４の態様によれば、固定部は、被検物に投影される測定光の像を撮像し、被検物の形状を測定している間、被検物を固定する固定部であって、固定部の少なくとも一部の表面は、測定光の一部を吸収する吸収材で被覆されている。

本発明の第５の態様によれば、形状測定装置は、被検物と、被検物を固定する固定部に向けて測定光を投影する照射部と、被検物および固定部に投影される測定光の像を撮像し、画像データを出力する撮像部と、画像データの情報を用い、被検物と固定部を区別する判別部とを備える。

本発明の第６の態様によれば、構造物製造方法は、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３の態様の形状測定方法によって測定することと、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。

実施の形態による形状測定装置を示す斜視図である。 形状測定装置の構成を示す模式図である。 形状測定装置の照射部及び撮像部の構成を示す模式図である。 被検物に照射する測定光を説明するための説明図である。 撮像部と撮像部に到達する測定光との関係を説明するための説明図である。 形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。 被検物の部分拡大図である。 形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。 形状測定装置の形状測定プログラムの作成処理の一例を示すフローチャートである。 形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。 形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。 形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。 形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。 形状測定装置を有するシステムの構成を示す模式図である。 形状測定装置の他の例を示す斜視図である。 構造物製造システムの構成を示す図である。 構造物製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

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軸方向とする。

図１は、本実施形態に係る形状測定装置１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の概略構成を示す模式図である。図３は、本実施形態の形状測定装置の照射部及び撮像部の構成を示す模式図である。図４は、被検物に照射する測定光を説明するための説明図である。図５は、撮像部と撮像部に到達する測定光との関係を説明するための説明図である。

形状測定装置１は、例えば光切断法を利用して、測定対象の物体Ｍの形状を測定する。物体Ｍは測定対象に被検物である。光切断法とは、被検物に特定のパターンの光を投影して、被検物表面に投影されたパターンを投影方向とは別方向から撮影する撮像装置により撮像し、撮像された像からパターンの位置を求め、求められたパターンの位置に基づき、パターンの投影方向と撮像方向から被検物のパターンが照射された位置を測定する方法である。被検物に照射する光のパターンはライン状か、スリット状か、スポット状であるのが一般的である。形状測定装置１は、被検物の表面の形状を測定することができる。形状測定装置１は、被検物の立体形状を測定することができる。また、被検物の表面に凹凸がある場合には、被検物の表面の凹凸を測定することができる。形状測定装置１は、プローブ移動装置２と、光学プローブ３と、制御装置４と、表示装置５と、入力装置６と、保持回転装置７と、を備える。形状測定装置１は、ベースＢに設けられた保持回転装置７に保持されている被検物Ｍを光学プローブ３が撮像するものである。また、本実施形態では、プローブ移動装置２と保持回転装置７とが、プローブと被検物Ｍとを相対的に移動させる移動機構となる。

プローブ移動装置２は、光学プローブ３による撮像範囲（視野）が被検物Ｍの測定対象領域に来るように、光学プローブ３の三次元空間上での位置と後述する光学プローブ３から投影される測定光の投影方向及び被検物Ｍの測定対象領域に投影された測定光の向きとを位置決めし、かつ光学プローブ３の撮像範囲を被検物Ｍ上で走査するように、被検物Ｍに対して光学プローブ３を移動させるためのものである。プローブ移動装置２は、光学プローブを相対的に移動させることが可能である。プローブ移動装置２により光学プローブが移動することで、被検物Ｍに対する光学プローブから照射される測定光の照射方向を相対的に変更することが可能である。プローブ移動装置２により光学プローブが移動することで、被検物Ｍの光学プローブから測定光の照射位置を変更することが可能である。このプローブ移動装置２は、図２に示すように、駆動部１０、位置検出部１１を備えている。駆動部１０は、Ｘ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚ、第１回転部５３、及び第２回転部５４を備えている。

Ｘ移動部５０Ｘは、ベースＢに対して矢印６２の方向、つまりＸ軸方向に移動自在に設けられている。Ｙ移動部５０Ｙは、Ｘ移動部５０Ｘに対して矢印６３の方向、つまりＹ軸方向に移動自在に設けられている。Ｙ移動部５０Ｙには、Ｚ軸方向に延在する保持体５２が設けられている。Ｚ移動部５０Ｚは、保持体５２に対して、矢印６４の方向、つまりＺ軸方向に移動自在に設けられている。これらＸ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚは、第１回転部５３、第２回転部５４とともに光学プローブ３をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能にする移動機構を構成している。

第１回転部５３は、後述する保持部材（保持部）５５に支持される光学プローブ３をＸ軸と平行な回転軸線（回転軸）５３ａ回り、つまり矢印６５の方向に回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、特に光学プローブ３から投影される測定光の被検物Ｍへの投影方向が変えられる。第２回転部５４は、保持部材５５に支持される光学プローブ３を後述する第１保持部５５Ａが延在する方向と平行な軸線回り、つまり矢印６６の方向に回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、特に光学プローブ３から投影される測定光の向きを変えることができる。形状測定装置１は、光学プローブ３と光学プローブ３を保持している保持部材５５との相対位置の補正に用いる基準球７３ａまたは基準球７３ｂを有する。

これら、Ｘ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚ、第１回転部５３、第２回転部５４の駆動は、エンコーダ装置等によって構成される位置検出部１１の検出結果に基づいて、制御装置４により制御される。

光学プローブ３は、光源装置８及び撮像装置９を備えており、保持部材５５に支持されている。保持部材５５は、回転軸線５３ａと直交する方向に延び、第１回転部５３に支持される第１保持部５５Ａと、第１保持部５５Ａの被検物Ｍに対して遠い側の端部に設けられ回転軸線５３ａと平行に延びる第２保持部５５Ｂとが直交する略Ｌ字状に形成されており、第２保持部５５Ｂの＋Ｘ側の端部に光学プローブ３が支持されている。第１回転部５３の回転軸線５３ａの位置は、光学プローブ３よりも、被検物Ｍに近い側に配置されている。また、第１保持部５５Ａの被検物Ｍに対して近い側の端部には、カウンターバランス５５ｃが設けられている。したがって、第１回転部５３に駆動力が発生しないときには、図１で図示されているように第１保持部５５Ａの延出方向がＺ軸方向に沿うような姿勢となる。

保持回転装置７は、図１および図２に示すように、被検物Ｍを保持するテーブル７１と、テーブル７１をθＺ軸方向、つまり矢印６８の方向に回転させる回転駆動部７２と、テーブル７１の回転方向の位置を検出する位置検出部７３と、を有する。位置検出部７３は、テーブル７１または回転駆動部７２の回転軸の回転を検出するエンコーダ装置である。保持回転装置７は、位置検出部７３で検出した結果に基づいて、回転駆動部７２によってテーブル７１を回転させる。保持回転装置７は、テーブル７１を回転させることで、回転軸中心ＡＸを中心として被検物Ｍを矢印６８の方向に回転させる。

光学プローブ３の光源装置（照射部）８は、被検物Ｍに向けて測定光を投影する。光学プローブ３の光源装置は、被検物Ｍに向けて測定光を照射する。光学装置８は、光源から発した光束が平面に向けて投影された時にライン状の照野が形成されるような光束を形成するようにしている。それにより、保持回転装置７の上に載置された被検物Ｍ向けて、ライン状の光を照射する。被検物Ｍの表面において、ライン状の光が照射された部分では散乱光が発生する。光源装置８は、保持回転装置７に保持された被検物Ｍの測定領域にライン状の測定光を照射する光源１２、及び照明光学系１３を備える。光源装置８は、制御装置４によって制御される。光源１２は、図３に示すように、第１光源（ＬＤ１）１２ａと、第２光源（ＬＤ２）１２ｂと、を有する。第１光源１２ａと第２光源１２ｂとは、照射した光を照明光学系１３に入射させ、被検物Ｍの測定領域にライン状の測定光を照射する。本実施形態の第１光源１２ａ、第２光源１２ｂは、例えば、レーザーダイオードを含む。なお、第１光源１２ａ、第２光源１２ｂは、レーザーダイオード以外の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源を含んでいてもよい。

照明光学系１３は、光源１２から発せられた光の空間的な光強度分布を調整する。照明光学系１３は、例えば、シリンドリカルレンズを含む、複数の光学素子を含んでいる。本実施形態の照明光学系１３は、レンズ１３ａと、レンズ１３ｂと、ハーフミラー１３ｃと、レンズ１３ｄと、を有する。レンズ１３ａは、ハーフミラー１３ｃと第１光源１２ａとの間に配置されている。レンズ１３ｂは、ハーフミラー１３ｃと第２光源１２ｂとの間に配置されている。ハーフミラー１３ｃは、第１光源１２ａの光と、第２光源１２ｂの光とを透過させる。第１光源１２ａから射出されハーフミラー１３ｃを通過した光と、第２光源１２ｂから射出されハーフミラー１３ｃを通過した光は、レンズ１３ｄに向けて進む。レンズ１３ｄは、ハーフミラー１３ｃと被検物Ｍとの間に配置されている。照明光学系１３は、第１光源１２aから発せられた光を、レンズ１３aとレンズ１３ｄを通過させることで、第１光源１２aから所定距離離れた位置で集光させる。照明光学系１３は、第２光源１２ｂから発せられた光を、レンズ１３ｂとレンズ１３ｄを通過させることで、第２光源１２ｂから所定距離離れた位置で集光させる。本実施形態においては、照明光学系１３は、第１光源１２aから集光する位置までの距離と、第２光源１２ｂから集光する位置までの距離とが異なっている。上記のレンズ１３ａ、ハーフミラー１３ｃ、及びレンズ１３ｄは、第１光源１２ａからの光Ｌ１を被検物Ｍに照射する第１光学系１４を構成する。第１光学系１４は、第１光源１２ａからの光Ｌ１を第１測定光として被検物Ｍに照射する。また、上記のレンズ１３ｂ、ハーフミラー１３ｃ、及びレンズ１３ｄは、第２光源１２ｂからの光Ｌ２を被検物Ｍに照射する第２光学系１５を構成する。第２光学系１５は、第２光源１２aからの光Ｌ２を第２測定光として被検物Ｍに照射する。本実施形態では、第１光学系１４と第２光学系１５とは一部が共通の部材を用いている。第１光学系１４と第２光学系１５とで、ハーフミラー１３ｃとレンズ１３ｄとが共通している。なお、第１光学系１４と第２光学系１５とで共通する部材は、これに限られない。また、第１光学系１４と第２光学系１５とで共通する部材がなくても構わない。

本実施形態においては、光学装置８からライン状の測定光を被検物Ｍに照射する。平面に照射されるライン状の測定光の照射領域は、一方が長く、他方が短くなっている。本実施形態においては、図２において、ライン状の測定光の照射領域は、ＸＹ平面においては短く、Ｚ軸方向に長くなっている。ライン状の測定光の長い照射領域を撮像するように撮像装置の撮像領域が設定されている。

図４に示すように、第１光源１２ａから照射され被検物Ｍの測定領域に照射されるライン状の光Ｌ１と、第２光源１２ｂから照射され被検物Ｍの測定領域に照射されるライン状の光Ｌ２とは、略コリメート光であるが、それぞれレンズ１３ａ、レンズ１３ｂを通過して集光される。本実施形態においては、第１光学系１４と第２光学系１５の集光位置が測定光の投影方向において、異なる。このため、光Ｌ１と光Ｌ２は、進行方向において、光の幅が変化する。本実施形態においては、図２のＸＹ平面において光の幅が変化する。ライン状の測定光が投影する投影方向におけるライン状の短手方向において、測定光の照射領域が異なる。図４においては、ライン状の光Ｌ１の短手方向における幅はｄ１が最も狭い。また、ライン状の光Ｌ２の短手方向における幅はｄ２が最も狭い。ライン状の光Ｌ１の投影方向に沿って、短手方向における幅は異なる。ライン状の光Ｌ１においては、幅がｄ１となる位置を中心に、投影方向に沿って幅が異なる。投影方向に沿って、幅がｄ１となる位置よりも光学装置８に近い側の幅は広くなる。また、投影方向に沿って、幅がｄ１となる位置よりも光学装置８よりも遠い側の幅は広くなる。ライン状の光Ｌ２においても同様である。また、測定光を被検物Ｍに投影する場合に、被検物の高さ方向に沿って、測定光の幅が異なる。なお、図４は、幅の変化を強調して示している。光切断方法においては、被検物Ｍに投影されたライン状の測定光の像を撮像し、撮像された像の位置から被検物Ｍの形状を算出する。したがって、ライン状の光の短手方向において、照射領域の幅が短くなることで、撮像される像の幅も短くなる。そのため、撮像される像から算出される被検物Ｍに照射されるライン状の光の照射位置の算出精度を高くすることができる。そこで、本実施形態では、第１光源１２aから被検物Ｍに照射されるライン状の幅が短いｄ１を中心として、光の幅が所定の幅よりも短くなる領域をＡ_１として設定される。また、第２光源１２ｂから被検物Ｍに照射されるライン状の幅が短いｄ２を中心として、光の幅が所定の幅よりも短くなる領域を領域Ａ_２として設定される。領域Ａ_１と領域Ａ_２は、測定光のＬ１およびＬ２の投影方法において一部が重なる。なお、所定の幅は、例えば、１０μｍである。また、被検物Ｍの高さ方向は、図１の例ではＺ軸方向であり、光源装置８から出射される光の進行方向である第１方向に直交な方向に対して、交差する方向となっている。また、光の幅は、光Ｌ１、光Ｌ２の進行方向に直交する面において、短辺となる方向の幅であり、ラインと直交する方向の幅である。このように、光源装置８は、投影方向に沿った異なる領域に光Ｌ１と光Ｌ２とを照射する。

また、光源装置８が、照射するライン状の光は、ＮＡ（Numerical Aperature；開口数）を０．０５以下とすることが好ましい。また、光源１２は、第１光源１２ａと第２光源１２ｂとが照射する光の波長の差を１０ｎｍ以下とすることが好ましく、実質的に同じ波長の光とすることがより好ましい。

なお、このライン状の測定光の長手方向は、先に説明した第２回転部５４により方向を変えられる。被検物Ｍの面の広がり方向に応じて、ライン状の測定光の長手方向を変えることで、効率的に測定することができる。

なお、照明光学系１３は、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）等の回折光学素子を含み、光源１２から発せられた照明光束Ｌの空間的な光強度分布を回折光学素子によって調整してもよい。また、本実施形態において、空間的な光強度分布が調整された投影光をパターン光ということがある。照明光束Ｌは、パターン光の一例である。ところで、本明細書ではパターンの向きと称しているときは、このライン状の測定光の長手方向の方向を示している。

撮像装置（撮像部）９は、測定光の投影方向とは異なる方向から、被検物Ｍに投影される測定光の像を撮像し、画像データを出力する撮像装置９は、撮像素子２０、結像光学系２１、ダイヤフラム２３、及びダイヤフラム駆動部２４を備える。光源装置８から被検物Ｍに照射された照明光束Ｌは、被検物Ｍの表面で反射散乱して、その少なくとも一部が結像光学系２１へ入射する。結像光学系２１は、光源装置８によって被検物Ｍの表面に投影されたライン状の測定光の像を被検物Ｍの像と一緒に結像光学系２１により撮像素子２０に結ぶ。撮像素子２０は、この結像光学系２１が形成する像を撮像する。画像処理部は、撮像素子２０で受光した受光信号から画像データを生成する。撮像装置９は、画像処理部で画像データを生成する際に、撮像素子２０で画像データを生成する領域を切り換えることができる。図３に示すように、撮像素子２０には領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２が設定されている。撮像装置９は、図２及び図４に示すように撮像素子２０のうち、領域ＲＯＩ１のみの画像データを生成するモードと、領域ＲＯＩ２のみの画像データを生成するモードと、を選択することが可能である。領域ＲＯＩ１は、領域Ａ_１に被検物Ｍが配置された場合に反射した光が入射する領域（第１領域）である。領域ＲＯＩ２は、領域Ａ_２に被検物Ｍが配置された場合に反射した光が入射する領域（第２領域）である。したがって、撮像素子２０の撮像面において、測定光の投影方向において、測定光が反射される位置に応じて、撮像面に入射する位置が異なる。なお、後述するように、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２は適宜変更することが可能である。図５の上下方向は、測定光の投影方向における測定光の反射位置に対応する。すなわち、図５の上下方向が、被検物Ｍの高さ方向に相当する。撮像素子２０は、高さ方向の画素数がαとした場合、０行目から（α／２）＋γ行目までが領域ＲＯＩ１となり、（α／２）―β行目からα行目までが領域ＲＯＩ２となる。撮像装置９は、γとβの値を調整し、領域ＲＯＩ１の範囲と、領域ＲＯＩ２の範囲を変更することができる。また、図５に示すように、被検物Ｍで反射した光が入射する領域は、０行目の幅が短く、γ行目に向かって幅は広くなる。なお、この点は、光源装置８と撮像装置９と、被検物Ｍの配置によって異なる関係とすることもできる。ダイヤフラム２３は大きさを可変可能にする開口を有し、開口の大きさを変えることで結像光学系２１を通過する光量を制御することができる。ダイヤフラム２３の開口の大きさは、ダイヤフラム駆動部により調整可能である。このダイヤフラム駆動部２４は制御装置４に制御されている。

結像光学系２１は、光源装置８からのライン光としての照明光束Ｌの射出方向と照明光束Ｌのスポットの形状の長手方向とを含む面上の物体面２１ａと撮像素子２０の受光面２０ａ（像面）とが共役な関係になっている。なお、光源装置８からの照明光束Ｌの射出方向と照明光束Ｌのスポットの形状の長手方向とを含む面は、照明光束Ｌの伝播方向にほぼ平行である。照明光束Ｌの伝播方向に沿って、撮像素子２０の受光面２０ａと共役な面を形成するようにすることで、被検物Ｍの表面がどの位置にあっても、合焦した像が得られる。

なお、図２及び図３に示すように、照明光学系１３と結像光学系２１とは、シャインプルーフ条件を満たすように配置されている。つまり、被検物Ｍ上の物体面２１ａと、結像光学系２１のレンズ主面２１ｂと、撮像素子２０の検出面２０ａとが、１つの直線Ｐで交差するように配置されている。

制御装置４は、形状測定装置１の各部を制御するとともに、光学プローブ３による撮像結果とプローブ移動装置２及び保持回転装置７の位置情報に基づく演算処理を行って被検物Ｍの形状情報を取得する。本実施形態における形状情報は、測定対象の被検物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。制御装置４には、表示装置５、及び入力装置６が接続される。

制御装置４は、被検物Ｍを測定するためのプログラムを生成し、生成したプログラムに基づいて、各部による被検物Ｍの形状測定動作を制御する。制御装置４は、記憶されているデータや、入力装置６で受け付けた入力に基づいて、測定範囲、調光領域等を決定する。測定範囲とは、撮像された被検物Ｍの像の中から測定光の像の位置を検出する範囲である。調光領域は、撮像素子２０による撮像範囲内で、撮影された像の明るさを検出する領域である。画像データから測定光の位置を検出する場合、撮像素子２０により撮像された画像データのうち、ライン状の測定光の像の幅方向（スポット光の走査であれば、走査方向とは直交方向）に配列する画素列の中から、最も明るい画素値を画素列毎に検出する。その際、画像データの画素列の一端から他端までをくまなく探索するのではなく、調光領域として設定された範囲内だけで、画素列毎に最も明るい画素値を探索する。

制御装置４は、調光領域内で検出された画素列毎に最も明るい画素の画素値を取得し、取得された画素値の大きさに応じて、光源１２に対して投光量を制御するための信号、ダイヤフラム駆動部２４を制御するための信号、または撮像素子２０による撮像時の露出時間を制御するための信号等を出力する。露出時間の制御については、１枚の画像データを取得するときの露出時間で制御したり、撮像素子２０に組み込まれている不図示のメカニカルシャッターにより撮像面が露出する時間を制御するようにしても良い。したがって、調光制御部３６は取得された画素値の大きさに応じて、照射部の投光量、撮像部で受光する受光量、撮像部で画像データを取得するときの露光量または撮像部の入出力特性（感度又は撮像素子の各ピクセルで検出した信号に対する増幅率など）、つまり光学プローブ３によって画像データを取得する際の各種条件（調光条件）を制御する。

制御装置４は、画像データの測定範囲内に位置する光源装置８により投影された測定光の像の位置に基づいて、被検物の形状を測定する。測定部３７は、調光制御部３６で制御された条件に基づいて、プローブ移動装置２及び保持回転装置７によって、光学プローブ３と被検物を相対的に移動させ、測定光の像が投影される位置を移動させつつ、パターン像が投影された撮影領域の画像を撮像装置９で撮像する。また、撮像装置９で撮像したタイミングで位置検出部１１からのプローブ移動装置２及び保持回転装置７の位置情報を取得する。制御装置４は、撮像装置９で撮像したタイミングで取得した位置検出部１１からのプローブ移動装置２及び保持回転装置７の位置情報と、撮像装置９で取得した測定範囲のパターンの像の画像に関連した撮影信号とに基づいて、被検物Ｍのパターンが投影された位置を算出し、被検物Ｍの形状データを出力する。本形状測定装置１は、例えば、撮像装置９の撮影タイミングを一定間隔にし、入力装置６から入力する測定点間隔情報を基に、プローブ移動装置２及び保持回転装置７の移動速度を制御している。

また、制御装置４は、プローブ移動装置２、光学プローブ３及び保持回転装置７を含む、形状測定装置１の各部の動作を制御する。制御装置４は、作成された動作制御情報を基に、プローブ移動装置２、光学プローブ３及び保持回転装置７の動作制御を実施する。また、制御装置４は、光学プローブ３による画像取得動作制御する。

制御装置４は、ハードディスク、メモリ等、各種プログラム、データを記憶する記憶装置を有する。記憶装置は、条件テーブルと、形状測定プログラムと、を有する。なお、記憶装置は、これらのプログラム、データ以外にも形状測定装置１の動作の制御に用いる各種プログラム、データを記憶している。条件テーブルは、制御装置４で設定された条件や、予め入力された各種条件を記憶する。形状測定プログラムは、制御装置４の各部の処理を実行させるプログラムを記憶している。つまり、制御装置４は、形状測定プログラムに記憶されているプログラムを実行することで、上述した各部の動作を実現する。形状測定プログラムは、上述した制御装置４で生成する被検物Ｍを測定するためのプログラムと、制御装置４が当該プログラムを生成するためのプログラムの両方を含む。なお、形状測定プログラム、予め記憶装置に記憶させてもよいがこれに限定されない。形状測定プログラムが記憶された記憶媒体から読み取って記憶装置に記憶してもよいし、通信により外部から取得してもよい。

制御装置４は、プローブ移動装置２の駆動部１０及び保持回転装置７の回転駆動部７２を制御して、光学プローブ３と被検物Ｍの相対位置が所定の位置関係となるようにしている。また、制御装置４は、光学プローブ３の調光等を制御して、被検物Ｍ上の投影されたライン状のパターンを最適な光量で撮像させる。制御装置４は、光学プローブ３の位置情報をプローブ移動装置２の位置検出部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。そして、制御装置４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被検物Ｍの表面の位置と光学プローブ３の位置及びライン光の投影方向と撮像装置の撮影方向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。

表示装置５は、例えば液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置等によって構成される。表示装置５は、形状測定装置１の測定に関する測定情報を表示する。測定情報は、例えば、撮像素子２０で撮影された画像データや、撮像素子２０の撮影領域内に設定された測定領域の位置を示す情報、調光領域の位置を示す情報、調光領域設定可能範囲の位置を示す情報を表示することができる。これら測定領域、調光領域及び調光領域設定可能範囲の位置情報は撮像素子２０で撮影された画像データ上に重畳して表示する。また、他にも測定に関する設定を示す設定情報、測定の経過を示す経過情報、測定の結果を示す形状情報等を含む。本実施形態の表示装置５は、測定情報を示す画像データを制御装置４から供給され、この画像データに従って測定情報を示す画像を表示する。

入力装置６は、例えばキーボード、マウス、ジョイスティック、トラックボール、タッチバッド等の各種入力デバイスによって構成される。入力装置６は、制御装置４への各種情報の入力を受けつける。各種情報は、例えば、形状測定装置１に測定を開始させる指令（コマンド）を示す指令情報、形状測定装置１による測定に関する設定情報、形状測定装置１の少なくとも一部をマニュアルで操作するための操作情報等を含む。

本実施形態の形状測定装置１は、制御装置４に表示装置５、及び入力装置６が接続されている。形状測定装置１は、制御装置４、表示装置５、及び入力装置６が、例えば、形状測定装置１に接続されるコンピュータでも構わないし、形状測定装置１が設置される建物が備えるホストコンピュータなどでも構わないし、形状測定装置１が設置される建物に限られず、形状測定装置１とは離れた位置にあり、コンピュータでインターネットなどの通信手段を用いて、形状測定装置１と接続されても構わない。また、形状測定装置１は、制御装置４と、表示装置５及び入力装置６とが、別々の場所に保持されても構わない。例えば、入力装置６と表示装置５とを備えるコンピュータとは別に、例えば光学プローブ３の内部に形状測定装置１が支持されていても構わない。この場合には、形状測定装置１で取得した情報を、通信手段を用いて、コンピュータに接続される。

次に、図６Ａから図１２を用いて、上記構成の形状測定装置１により、被検物の形状を測定する動作の例について説明する。図６Ａは、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。図６Ｂは、被検物の部分拡大図である。図７は、本実施形態の形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。図８は、本実施形態の形状測定装置の形状測定プログラムの作成処理の一例を示すフローチャートである。図９は、本実施形態の形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。図１０は、本実施形態の形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。図１１は、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。図１２は、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

以下では、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、形状測定装置１が円周方向に繰り返し形状が形成された被検物Ｍａの形状を測定する場合として説明する。なお、図６Ｂは、説明のために、ライン状の光が照射される位置とは異なる位置を拡大している。形状測定装置１は、照明光束Ｌを被検物Ｍａの繰り返し形状の１つの単位である歯に照射し、被検物Ｍａ上に投影されたパターンの画像を取得することで、被検物Ｍａの形状を測定する。本実施形態の形状測定装置１は、歯筋の方向に沿って、照明光束Ｌを移動させつつ、被検物Ｍａ上に投影されたパターンの画像を取得することで、１つの歯の形状を測定することができる。形状測定装置１は、被検物Ｍａの歯の形状を順番に測定することで、被検物Ｍａの形状を測定することができる。被検物Ｍａは、設計上は略同一形状となる歯が円周方向に所定の間隔で形成された、かさ歯車である。本実施形態の形状測定装置１は、被検物Ｍａをかさ歯車としたが、種々の形状の物体を被検物として形状を測定することができる。もちろん、被検物Ｍａを歯車とした場合、歯車の種類は特に限定されない。形状測定装置１は、かさ歯車以外に、平歯車、はすば歯車、やまば歯車、ウォームギア、ピニオン、ハイポイドギアなども測定対象となり、被検物Ｍａとなる。なお、形状測定装置１は、１つの歯の形状の測定や、被検物Ｍａの全体の形状を測定することに限定されず、被検物Ｍａの任意の１点の形状を測定することもできる。図６Ａに示すように、本実施形態の形状測定装置１は、光源１２が第１光源１２ａと第２光源１２ｂを備えており、２つの光源からの光がそれぞれ照射される。図６Ａは、第１光源１２ａからの光Ｌ１で生成されるライン状の光と、第２光源１２ｂからの光Ｌ２で生成されるライン状の光とが、光の進行方向に直交する面において、重なる状態を示しているが、ずれていてもよい。また、２つのライン状の光は、上述したように、被検物Ｍａの高さ方向において、焦点の位置がずれていればよく、被検物Ｍａの平面方向（高さ方向に直交する面）におけるラインの角度が異なっていてもよい。

形状測定装置１は、図６Ｂに示すように、第１光源１２ａからの光Ｌ１で生成されるライン状の光で、被検物１４０の所定高さよりの上の領域１５０を計測し、第２光源１２ｂからの光Ｌ２で生成されるライン状の光で、被検物１４０の所定高さよりの下の領域１５２を計測する。光学装置８を所定位置に配置した場合に、第１光源１２aを用いて計測する範囲と、第２光源１２ｂを用いて計測する範囲とは異なる。第１光源１２aを用いて計測する範囲は領域Ａ１であり、第２光源１２ｂを用いて計測する範囲はＡ２である。測定光の投影方向において、領域Ａ１と領域Ａ２とが異なる位置に設定されているために、被検物１４０を計測する場合においては、領域Ａ１と領域Ａ２とが被検物１４０の高さの異なる位置を計測する。

形状測定装置１は、稼動時に被検物Ｍａの形状を測定するための条件を設定するモード、例えばティーチングモードで測定に関する条件を設定し、測定用のプログラムを作成する。

以下、図７を用いて、形状測定装置１の処理動作の一例を説明する。形状測定装置１の制御装置４は、例えば、ティーチングモードが選択された場合に、図５に示す画面１００を表示し図７に示す処理を実行する。また、後述する他の処理も記憶部に記憶されているプログラムに基づいて制御装置４の各部で処理を実行することで、実現される。

制御装置４は、ティーチングモードが選択されると、測定範囲、調光領域、調光領域設定可能範囲を撮像装置８により撮影できる全範囲に予め設定する。次に、撮像装置８から画像データが制御装置４に転送され、その画像データがウインドウ１０２に表示する。このような状態になった時点で、測定範囲の設定がなされたかを判定する（ステップＳ１２）。ここで、制御装置４は、撮像装置９で撮影可能な範囲の全範囲よりも小さい範囲、つまり取得した画像データの全範囲よりも小さい範囲が測定範囲として設定されている場合、測定範囲が設定されていると判定する。測定範囲の設定方法は、表示装置のウインドウ上に円形や矩形、楕円形などの任意の形状で画像データの一部を囲むようにして指定することができる。なお、制御装置４は、例えば、測定範囲選択点が選択されボタンが操作された後、ユーザによって指定された範囲を測定範囲に設定する。また、制御装置４は、条件テーブルに設定されている情報に基づいて測定範囲を設定してもよい。また、制御装置４は、撮像装置９が取得した画像から照明光束が投影されたパターンの像を抽出し、当該パターンの像が抽出された範囲を測定範囲としてもよい。

制御装置４は、測定範囲の設定がある（ステップＳ１２でＹｅｓ）と判定した場合、画像データの位置座標を基に測定範囲の設定処理を行い、条件テーブルに書き込む（ステップＳ１４）。制御装置４は、撮像装置９で撮影可能な範囲よりも小さい範囲を測定範囲に設定する。制御装置４は、測定範囲の設定がない（ステップＳ１２でＮｏ）と判定した場合、または測定範囲の設定処理を行った場合、入力装置６による調光領域の設定があるかを判定する（ステップＳ１６）。制御装置４は、調光領域の設定がある（ステップＳ１６でＹｅｓ）と判定した場合、調光領域の設定処理を行う（ステップＳ１８）。

制御装置４は、調光領域の設定がない（ステップＳ１６でＮｏ）と判定した場合、または調光領域の設定処理を行った場合、プレスキャンを実行するかを判定する（ステップＳ２０）。ここで、プレスキャンとは、設定された条件に基づいて、光学プローブ３と被検物を相対的に移動させ、パターン像が投影される位置を移動させ、ライン光が照射される位置を表示装置５に表示させる処理である。被検物を相対的に移動させながら、所定のフレームレートで撮像装置９により取得されたライン状のパターンの像を含む画像データを次々と表示させる。それと同時に、測定範囲、調光領域を画像データに重畳させながら表示し続けるようにすると良い。制御装置４は、プレスキャンを実行する（ステップＳ２０でＹｅｓ）と判定した場合、プレスキャン処理を実行する（ステップＳ２２）。

制御装置４は、プレスキャンを実行しない（ステップＳ２０でＮｏ）と判定した場合、またはプレスキャン処理を行った場合、設定が終了したかを判定する（ステップＳ２４）。制御装置４は、設定が終了していない（ステップＳ２４でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１２に戻り、上述した処理を再び実行する。

制御装置４は、プレスキャン等の結果によりライン状の光の照射条件、記憶された測定範囲の位置情報及び調光範囲の位置情報と、光学プローブ３の走査パスなどの測定条件が設定されたら、形状測定プログラムを生成する（ステップＳ２８）。制御装置４は、ライン状の光の照射条件、測定範囲、調光領域、調光方式や測定座標算出領域も含めた被検物Ｍａを測定するための形状測定プログラムを生成し、記憶部４６に記憶する。具体的には、制御装置４は、各種条件に基づいてライン状の光の照射条件、測定パス、測定速度を決定し、プローブ移動装置２によるＸＹＺ軸方向の移動経路、保持回転装置７によるＺθ方向の回転速度、光学プローブ３による画像の取得タイミング等を決定し、決定した動作の情報と、設定した調光条件の情報と、取得した画像からパターンの像の位置を抽出する測定範囲の情報と、を含む形状測定プログラムを生成する。

制御装置４は、形状測定プログラムを生成したら、測定を実行するかを判定する（ステップＳ３０）。ここで、測定とは、設定された条件に基づいて、光学プローブ３と被検物Ｍａを相対的に移動させ、パターン像が投影される位置を移動させ、測定領域内でパターン像が投影される位置を検出し、被検物の各部位の座標値（点群データ）を取得することで、形状を測定する処理である。制御装置４は、測定を実行する（ステップＳ３０でＹｅｓ）と判定した場合、撮像装置８を所定のフレームレートで撮影を繰り返される。制御装置４は、撮影された画像データから調光範囲に含まれる各画素列の最大画素値を取得し、光源装置８や撮像装置９に調光制御の情報を出力する（ステップＳ３１）。次に、その調光条件に基づき、撮像装置９は被検物Ｍａに投影されたパターンの像を撮像し、そのときの画像データを制御装置４に送出する（ステップＳ３２）。次に、制御装置４では、測定範囲情報に基づき、画像データの中からパターンの像の位置を求め、かつプローブ移動装置２の位置情報とパターンの像の位置情報から被検物Ｍａのパターンが投影された部分の三次元座標値を算出する（ステップＳ３３）。

制御装置４は、図７のステップＳ１２からステップＳ２８までの処理、つまり形状測定プログラムを作成するまでの測定処理以外の処理をティーチング処理とし、測定処理とは別のモードでの処理として実行してもよい。また、制御装置４は、ステップＳ２０とステップＳ２２を行わなくてもよい。つまり、測定範囲、調光領域は、表示装置５に表示させなくてもよい。

次に、図８から図１０を用いて、形状測定プログラムを生成する処理、具体的には、ライン状の光の照射条件の決定方法について説明する。制御装置４は、図８に示すように、被検物（被検物）の測定領域の内、２つの光源を用い測定する領域を検出する（ステップＳ３０）。

この場合、図９に示すように、制御装置４は、測定対象、つまり被検物のプレスキャンデータを読み込む（ステップＳ４０）。形状測定装置１は、プレスキャンで取得したデータから被検物の外形形状を検出する。なお形状測定装置１は、設計データ、例えばＣＡＤデータのように、測定対象の形状の情報を予め備えている場合、形状の情報に基づいて、２つの光源を用いて計測を行う領域を設定することもできる。

次に、制御装置４は、被検物の高さが閾値以上であるかを判定する（ステップＳ４２）。制御装置４は、被検物の高さが閾値以上である（ステップＳ４２でＹｅｓ）と判定した場合、２つの光源を用いた測定で測定条件を設定する（ステップＳ４４）。制御装置４は、被検物の高さが閾値未満である（ステップＳ４２でＮｏ）と判定した場合、１つの光源を用いた測定で測定条件を設定する（ステップＳ４６）。

制御装置４は、被検物の形状に基づいて、２つの光源を用いて計測を行うか、１つの光源を用いて計測を行うかを決定する。制御装置４は、被検物の計測する位置、被検物を回転させる場合は、回転方向の位置に応じて、２つの光源を用いて計測を行うか、１つの光源を用いて計測を行うか切り換えてもよい。上記実施形態では、２つの光源を用いて、計測する領域を設定したが、全ての領域を２つの光源を用いて計測してもよい。

図８に戻る。次に、制御装置４は、制御装置４は、２つの光源を用い測定する場合の撮像装置９の撮像素子（検出器）上のＲＯＩの領域を設定する（ステップＳ３２）。制御装置４は、設定した条件に基づいて、形状測定プログラムを作成する（ステップＳ３４）。

図１０を用いて、ステップＳ３２とステップＳ３４の処理を説明する。具体的には、２つの光源を用いる場合の領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２の設定処理について説明する。制御装置４は、被検物の測定領域のうち、２つの光源で測定する領域を抽出する（ステップＳ５０）。制御装置４は、２つの光源を用いて測定する場合の検出器上のＲＯＩ１とＲＯＩ２を設定する（ステップＳ５２）。制御装置４は、測定位置毎に設定されたＲＯＩ１、ＲＯＩ２が測定位置毎で異なるように設定する（ステップＳ５４）。すなわち、制御装置４は、ＲＯＩ１とＲＯＩ２との大きさを、測定位置毎に異なるように設定する。制御装置４は、設定した条件に基づいて、形状測定プログラムを作成する（ステップＳ５６）。

本実施形態の形状測定装置１は、２つの光源を用いて計測を行う場合、第１光源１２ａによる光Ｌ１の形成及び撮像素子２０の領域ＲＯＩ１での光Ｌ１の検出と、第２光源１２ｂによる光Ｌ２の形成及び撮像素子２０の領域ＲＯＩ２での光Ｌ２の検出と、を交互に行う。本実施形態の形状測定装置１は、２つの光源を用いて計測を行う場合、第１光源１２ａによる光Ｌ１の照射と、第２光源１２ｂにより光Ｌ２の照射とを異なる時間に照射する。この場合、光源装置８は、光Ｌ１及び光Ｌ２の２つの測定光の一方を被検物Ｍに投影する。つまり、光源装置８は、第１光源１２ａによる光Ｌ１の照射と、第２光源１２ｂによる光Ｌ２の照射とを切り替えて行う。具体的には、図１１に示すように、第１光源１２ａによるライン光の形成及び撮像素子２０の領域ＲＯＩ１でのライン光の検出を行っている間は、第２光源１２ｂによるライン光の形成及び撮像素子２０の領域ＲＯＩ２でのライン光の検出を行わず、第２光源１２ｂによるライン光の形成及び撮像素子２０の領域ＲＯＩ２でのライン光の検出を行っている間は、第１光源１２ａによるライン光の形成及び撮像素子２０の領域ＲＯＩ１でのライン光の検出を行わない。また、撮像素子の領域ＲＯＩ１で検出した信号の取り出しは、第１光源１２ａによるライン光の形成が行われていない間に行う。撮像素子の領域ＲＯＩ２で検出した信号の取り出しは、第２光源１２ｂによるライン光の形成が行われていない間に行う。なお、２つの光源を用いて計測を行う場合に、第１光源１２aによる光Ｌ１の照射と、第２光源１２ｂにより光Ｌ２の照射とを異なる時間に照射するものとしたが、同時に照射しても構わない。例えば、撮像素子２０の領域ＲＯＩ１と撮像素子２０の領域ＲＯＩ２とで重なる領域を測定する場合のみ、第１光源１２aによる光Ｌ１の照射と、第２光源１２ｂにより光Ｌ２の照射とを異なる時間で照射するものとし、それ以外の領域で計測する場合には、第１光源１２aによる光Ｌ１の照射と、第２光源１２ｂにより光Ｌ２の照射とを同時に照射するものとしても構わない。

また、本実施形態の形状測定装置１は、隣接する画像データ毎に領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とを一部重複させ、かつ、重複する領域を測定位置毎に変化させる。本実施形態においては、形状測定装置１は、重複する領域を測定している間に変化させる。つまり、本実施形態の形状測定装置１は、領域ＲＯＩ１の撮像素子の行数と領域ＲＯＩ２の撮像素子の行数を画像データ毎に変化させる。図１２は、各画像データでの領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２の範囲を模式的に示している。図１２の線分１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃ，１７２ｄ，１７２ｅ，１７２ｆ，１７２ｇ，１７２ｈは、領域ＲＯＩ１の範囲を示している。線分１７４ａ，１７４ｂ，１７４ｃ，１７４ｄ，１７４ｅ，１７４ｆ，１７４ｇ，１７４ｈは、領域ＲＯＩ２の範囲を示している。線分１７２ａと線分１７４ａとが隣接する画像データとなり、線分１７２ａと線分１７４ａとに対応する画像データで、一部重複し、かつ、撮像素子２０の全行の画像データを取得する。また、範囲１７６ａは、線分１７２ａと、線分１７４ａとが重なる範囲である。範囲１７６ｂ，１７６ｃ，１７６ｄ，１７６ｅ，１７６ｆ，１７６ｇ，１７６ｈは、線分１７２ｂ，１７２ｃ，１７２ｄ，１７２ｅ，１７２ｆ，１７２ｇ，１７２ｈと、隣接する線分１７４ｂ，１７４ｃ，１７４ｄ，１７４ｅ，１７４ｆ，１７４ｇ，１７４ｈとが重なる範囲である。重複する領域は測定位置毎に、重なる領域が設定する位置が変わる。また、重複する領域は測定位置毎に、重なる領域の面積が変わる。なお、本実施形態においては、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とで重複する領域を測定位置毎に変化させているが、測定毎に重なる領域を変化させても構わない。

制御装置４は、図１２に示すように、隣接する画像データで、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とが一部重なる状態で、領域ＲＯＩ１の撮像素子の行数と領域ＲＯＩ２の撮像素子の行数を画像データ毎に変化させる。制御装置４は、図１１に示すタイミングで、図１２の示す各領域の画像データを取得し、取得した画像データに基づいて、被検物Ｍａの外形形状を計測する。

以上、説明したとおり、形状測定装置は、測定光を用い被検物の三次元形状を測定する。光源からの光を光学系により、測定光を形成するために、測定光の照射方向の位置によって、測定光の幅が変化する。測定光の照射方向の位置によっては、測定光の照射領域が広くなってしまい、形状測定の計測結果の精度が低下するおそれがあった。また、所定範囲の測定光の幅を用い、計測しようとすると、被検物と光学プローブとの、測定光の投影方向における相対位置を調整する必要があり、計測に時間が必要となる場合があった。そこで、本実施形態の形状測定装置１は、測定光の投影方向に沿った異なる領域に第１測定光と第２測定光とを照射することとした。

これにより、被検物の形状をより高い精度で検出することができる。また、２つの光源で領域分割を行うため、効率よく計測を行うことができる。なお、本実施形態では、２つの光源を用いたが、これに限られない。一つの光源からの光を分岐し、光Ｌ１と光Ｌ２としても構わない。３つ以上の光源を用いてもよい。この場合には、３つの測定光の照射領域を設け、それに対応する３つの撮像領域とすることが可能である。

また、形状測定装置１は、画像データを取得する領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とを変化させることで、重複する領域が一定になることを抑制でき、一部の領域の形状データのみが他の領域に比べて多くなることを抑制できる。これにより、計測結果から重複データを除去する等の処理が不要となり処理を簡単にすることができる。また、上記実施形態では、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とを重複させたが、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とが接するように領域を設定してもよい。また、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とが離れて設定されも構わない。また、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とがそれぞれ異なる撮像素子に設定されていても構わない。この場合、領域ＲＯＩ１と領域ＲＯＩ２とは、異なる領域となる。

また、形状測定装置１は、領域ＲＯＩ１の画像データの取得時は、第１光源１２ａから被検物に光を照射し、第２光源１２ｂから被検物に光を照射せず、領域ＲＯＩ２の画像データの取得時は、第１光源１２ａから被検物に光を照射せず、第２光源１２ｂから被検物に光を照射することで、検出する対象のパターン以外を検出することを抑制でき、より簡単な処理で形状の計測を行うことができる。

また、本実施形態の制御装置４は、プレスキャン処理を実行可能とすることで、被検物Ｍの形状、各光源から光を照射することで形成されるパターン、被検物Ｍと照明光束Ｌとが相対移動する際の、測定範囲及び調光領域の画像の変動をユーザが目視で確認することができる。これにより、測定範囲及び調光領域をより適切な範囲、領域に設定することができる。

なお、形状測定装置１は、測定範囲を任意の領域に設定することができる。上記実施形態では、パターンの像が形成される領域を選択して複数の測定範囲にしたが、パターンの像が形成される範囲を全部含む広い範囲を１つの測定範囲としてもよい。この場合は、測定範囲に輝線を含む場合があるが、測定範囲に基づいて設定した調光領域設定可能範囲に基づいて調光領域を設定することで、一部の領域のみを調光領域とすることができる。これにより、調光条件を適切な条件とすることができる。

また、制御装置４は、調光条件を、形状測定プログラムの作成時に設定したが、これに限定されない。制御装置４は、測定時の画像の調光領域の光量に基づいて、調光条件を設定してもよい。これにより、測定時に取得した画像に適した調光条件とすることができる。

形状測定装置１の移動機構は、本実施形態のように、第１の方向、第１の方向に直交する第２の方向、及び、第１方向と第２の方向がなす平面と直交する第３の方向に光学プローブ３と被検物Ｍ（Ｍａ）とを相対移動可能であり、第１方向と第２の方向がなす平面に径方向が含まれることが好ましい。これにより、相対位置を任意の方向に移動させることができる。また、形状測定装置１は、形状測定装置１に限定されず、被検物Ｍと被検物Ｍに投影するパターンとの相対位置を移動さえる機構としては、種々の組み合わせを用いることができる。形状測定装置１は、光学プローブ３と被検物ＭのどちらをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能としてもよいし、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の回りを回転させてもよい。また、形状測定装置１は、相対移動しない機構としてもよい。

光学プローブ３の照明光学系１３によりライン状の測定光が投影される例で説明したが、本発明はこれだけに限られない。例えば、被検物Ｍに対してドット状のスポットパターンが投影される光学系と、このスポットパターンが被検物Ｍの表面上で１方向に走査できるように、偏向走査ミラーを具備した照明光学系を用いても良い。この場合は、ライン状の測定光の長手方向が偏向走査ミラーの走査方向に対応する。これにより、ドット状のスポットパターン少なくとも線状の走査範囲内で走査しながら投影し、線状の走査範囲内がライン状の測定光となる。

上記実施形態の形状測定装置１は、１台の装置で処理を行ったが複数組み合わせてもよい。図１３は、形状測定装置を有するシステムの構成を示す模式図である。次に、図１３を用いて、形状測定装置を有する形状測定システム３００について説明する。形状測定システム３００は、形状測定装置１と、複数台（図では２台）の形状測定装置１ａと、プログラム作成装置３０２とを、有する。形状測定装置１、１ａ、プログラム作成装置３０２は、有線または無線の通信回線で接続されている。形状測定装置１ａは、測定範囲設定部３３、調光領域設定部３４及び調光領域設定可能範囲設定部３５を備えていない以外は、形状測定装置１と同様の構成である。プログラム作成装置３０２は、上述した形状測定装置１の制御装置４で作成する種々の設定やプログラムを作成する。具体的には、プログラム作成装置３０２は、測定範囲、調光領域設定可能範囲及び調光領域の情報や、測定範囲、調光領域設定可能範囲及び調光領域の情報を含む形状測定プログラム等を作成する。プログラム作成装置３０２は、作成したプログラムや、データを形状測定装置１、１ａに出力する。形状測定装置１ａは、領域及び範囲の情報や形状測定プログラムを形状測定装置１や、プログラム作成装置３０２から取得し、取得したデータ、プログラムを用いて、処理を行う。形状測定システム３００は、測定プログラムを形状測定装置１や、プログラム作成装置３０２で作成したデータ、プログラムを用いて、形状測定装置１ａで測定を実行することで、作成したデータ、プログラムを有効活用することができる。また、形状測定装置１ａは、測定範囲設定部３３、調光領域設定部３４及び調光領域設定可能範囲設定部３５、さらにその他の設定を行う各部を設けなくても測定を行うことができる。

また、上記実施形態では、形状測定装置１が、円周方向に繰り返し形状が形成された被検物Ｍａの形状を測定し、その際に被検物Ｍａの底部をテーブル７１に固定する場合（図６Ａ等参照）を例に挙げて説明したが、これに限定されない。図１４は、形状測定装置の他の例を示す斜視図である。図１４に示す形状測定装置１Ａは、本体部１１１と、センサ部１２０と、移動部１３０とを有している。図１４におけるＸＹＺ直交座標系では、以下の定盤１１３の上面と平行な面をＸＹ平面とする。また、定盤１１３上における一方向をＸ方向とし、定盤１１３の上面においてＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、定盤１１３の上面に直交する方向をＺ方向とする。

本体部１１１は、架台１１２と、該架台１１２上に載置される定盤１１３とを含む。架台１１２は、形状測定装置１Ａ全体の水平度を調整するためのものである。定盤１１３は、石製または鋳鉄製からなるものであり、上面が架台１１２により水平に保たれている。定盤１１３の上面には、テーブル１１４が載置されている。テーブル１１４は、ＸＹ平面に平行な平面状であり、Ｚ方向に平行な軸線周りに回転可能であり、ＸＹ平面に対して傾斜可能である。このため、テーブル１１４では、被検物Ｍを任意の姿勢で保持可能である。なお、テーブル１１４は、回転及び傾斜可能な構成に限定されず、例えば定盤１１３に固定された構成であってもよい。

センサ部１２０は、テーブル１１４に載置される被検物Ｍに向けて測定光を投影し、被検物Ｍに投影される像を撮像して画像データを出力する。センサ部１２０は、上記実施形態における光学プローブ３と同様の構成である。

移動部１３０は、被検物Ｍに投影された測定光の長手方向と略直角な方向にセンサ部１２０を移動させることで、測定光を被検物Ｍの表面に走査させる。形状測定装置１Ａでは、センサ部１２０が移動部１３０によって所定方向に沿って移動される。移動部１３０は、Ｘ軸ガイド１１５ａと、駆動側柱１１５ｂと、従動側柱１１５ｃとを含む門型フレームを備えている。

Ｘ軸ガイド１１５ａには、ヘッド部１１６が配置される。ヘッド部１１６は、Ｘ軸ガイド１１５ａに沿ってＸ軸方向に移動可能である。ヘッド部１１６には、Ｚ軸ガイド１１７が装着される。Ｚ軸ガイド１１７は、ヘッド部１１６に対してＺ軸方向に移動可能である。Ｚ軸ガイド１１７の下端部には、上記のセンサ部１２０が装着される。

定盤１１３上には、被検物Ｍを支持する治具７４が配置される。形状測定装置１Ａは、治具７４を用いて被検物Ｍを支持することで、任意の形状の被検物Ｍをテーブル１１４に安定して載置可能である。なお、テーブル１１４の他の構成については、上記実施形態のテーブル７１と同様である。また、形状測定装置１Ａは、テーブル１１４以外の構成については、上記実施形態の形状測定装置１と同様である。

治具７４は、被検物Ｍの形状に応じて、上部（＋Ｚ方向）又は側方（Ｚ軸に対する放射方向）から当該被検物Ｍを支持可能である。治具７４は、例えばテーブル１１４に着脱可能に保持される。治具７４は、テーブル１１４から＋Ｚ側に延びる柱状部７４ａと、当該柱状部７４ａの先端（＋Ｚ側の端部）から被検物Ｍに向けて延びる支持部７４ｂとを有する。治具７４は、被検物Ｍの周囲に１つ又は複数配置される。治具７４は、支持部７４ｂとテーブル１１４との間で被検物Ｍを支持する。治具７４は、複数設けられる場合、複数の支持部７４ｂの間で被検物Ｍを支持してもよい。なお、治具７４の構成は、図１４に示すような柱状部７４ａ及び支持部７４ｂを有する構成に限定されず、被検物Ｍを上方又は側方から支持可能な構成であれば、他の構成であってもよい。

治具７４の表面は、少なくとも測定光の波長と同一波長の光を吸収する塗料によって被覆されている。治具７４は、被検物Ｍと共に当該治具７４に測定光が照射される場合に、得られる画像データのうち治具７４に対応するデータが被検物Ｍに対応するデータに対して制御装置４により区別可能となる程度に測定光を吸収するように、表面が上記塗料で被覆されている。したがって、治具７４による測定光の反射による画像の明度の値と、被検物Ｍによる測定光の反射による画像の明度の値とが異なっている。そのため、被検物Ｍと治具とを測定した場合の画像データにおいて、明度の値を用いて、被検物Ｍと治具とを区別することができる。本実施形態においては、治具７４においては測定光を吸収することにより治具７４による測定光の反射による明度の値は、被検物Ｍによる測定光の反射による明度の値よりも低い。したがって、明度の値よりも低いものを治具７４による測定光の反射として、治具７４による測定結果とすることができる。なお、治具７４は、測定光が照射された場合に撮像装置９の撮像素子２０において測定光として検出されない程度に当該測定光を吸収するように、表面が上記塗料で被覆された状態であってもよい。

治具７４により被検物Ｍを上方又は側方から支持した状態で被検物Ｍに測定光を照射して形状測定を行う場合、測定光が治具７４に照射されることがある。治具７４に測定光が照射される場合、撮像装置９から出力される画像データには、被検物Ｍに対応するデータと、治具７４に対応するデータとが含まれる。本態様では、治具７４の表面を被覆する塗料により測定光の少なくとも一部が吸収される。この場合、画像データのうち治具７４に対応するデータは、被検物Ｍに対応するデータに比べて明度が低くなる。したがって、制御装置４は、明度に基づいて、被検物Ｍに対応するデータに対して、治具７４に対応するデータを区別可能となる。制御装置４は、被検物Ｍの形状を算出する際、画像データのうち治具７４に対応するデータを含まないデータに基づいて処理を行うことで、治具７４を含まない状態の被検物Ｍの形状を算出することができる。なお、画像から抽出する情報は明度に限られず、輝度など他の情報を用いても構わない。例えば、被検物Ｍから反射する測定光の輝度と、冶具７４から反射する測定光の輝度とを、輝度の値に基づいて判断しても構わない。例えば、所定の値よりも高い輝度を被検物Ｍとして、被検物Ｍに対応する位置を特定することが可能となる。

また、本態様において治具７４に測定光が照射される場合、被検物Ｍの表面では治具７４の陰になる部分が生じることがある。つまり、治具７４によって測定光が遮られる部分が生じることがある。この部分の形状については、例えば測定光の方向を変化させたり、治具７４の位置を変化させたりして異なる角度から複数回の測定を行い、複数の測定結果を用いて補完することにより、求めることができる。

なお、治具７４は、表面全体が上記塗料で覆われた構成に限定されず、表面の一部が上記塗料で覆われた構成であってもよい。例えば、治具７４のうち柱状部７４ａは塗料で覆われず、支持部７４ｂが塗料で覆われた構成であってもよい。また、支持部７４ｂの一部（例えば先端部）が塗料で覆われた構成であってもよい。

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１５を参照して説明する。図１５は、構造物製造システム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成し、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、上記の構造物を作成する。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、作成された構造物（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１６は、構造物製造システム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成する（ステップＳ１０１）。次に、成形装置２０３は、設計情報に基づいて上記構造物を作成する（ステップＳ１０２）。次に、形状測定装置２０１は、作成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で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で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で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で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１６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２０１が構造物の座標を高精度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、上記実施形態における形状測定装置１は、保持部材５５が片持ちで光学プローブ３を保持する構成を例示したが、これに限定されるものではなく、両持ちで保持する構成としてもよい。両持ちで保持することにより、回転時に保持部材５５に生じ変形を低減することができ、測定精度の向上を図ることが可能になる。

また、上述実施形態では光学プローブ３から照明光束Ｌとしてライン光を照射し、被検物から反射するライン状の測定光を撮像しているが、光学プローブ３の形式はこれに限られない。光学プローブ３から発せられる照明光は、所定の面内に一括で照射する形式でも構わない。例えば、米国特許６０７５６０５号に記載さる方式でも構わない。光学プローブから発せられる照明光は、点状のスポット光を照射する形式でも構わない。

また、形状測定装置は、上記実施形態のように、円周方向に繰り返し形状を有しかつ円周方向とは異なる方向に延在した凹凸形状を有する形状の被検物の測定に好適に用いることができる。形状測定装置は、繰り返し形状の１つについて、測定範囲、調光領域設定可能範囲及び調光領域を設定することで、設定した条件を他の繰り返し形状の測定に用いることができる。なお、被検物は、円周方向に繰り返し形状を有しかつ円周方向とは異なる方向に延在した凹凸形状を有する形状に限定されず、種々の形状、例えば、繰り返し形状を備えない形状であってもよい。

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や変形例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。前述の実施形態の各構成要素は、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、法令が許容される限りにおいて、前述の各実施形態及び変形例で引用した検査装置などに関するすべ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。前述した実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態及び運用技術等は、すべて本実施形態の範囲に含まれる。

１、１Ａ 形状測定装置
２ プローブ移動装置
３ 光学プローブ
４ 制御装置
５ 表示装置
６ 入力装置
１２ 光源
１３ 照明光学系
２０ 撮像素子
２０ａ 受光面
２１ 結像光学系
２１ａ 物体面
７１、７１Ａ テーブル
７２ 回転駆動部
７３ａ、７３ｂ 基準球
７４ 治具
７４ａ 柱状部
７４ｂ 支持部
１０２ 画像
１４０、１８０ 外形
１４４ 輝線
１５０ａ、１５０ｂ 測定範囲
３０２ プログラム作成装置
ＡＸ 回転軸中心
Ｂ ベース
Ｍ 被検物
Ｌ 照明光束

Claims (13)

1. 被検物の表面の形状を測定するための形状測定装置であって、
   前記被検物の表面に、第１測定光と第２測定光を投影方向に沿った異なる領域に、異なる時間に照射する、照射部と、
   前記投影方向とは異なる方向から、前記被検物に投影される前記第１測定光と前記第２測定光の像を撮像し、画像データを出力する撮像部と、
   前記画像データの前記第１測定光と前記第２測定光の像の位置に基づいて、前記被検物の表面の形状を算出する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１測定光の像の位置を検出する前記撮像部上の第１領域の範囲と前記第２測定光の像の位置を検出する前記撮像部上の第２領域の範囲とを、前記被検物を測定する前記被検物上の測定位置に応じて変更する、形状測定装置。
2. 前記第１測定光を前記被検物に照射する第１光学系と、
   前記第１光学系の少なくとも一部を有し、前記第２測定光を前記被検物に照射する第２光学系と、を備える、請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記第１光学系の焦点位置と前記第２光学系の焦点位置とは、前記投影方向に沿った異なる位置に配置される、請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記制御部は、前記被検物の形状情報を取得し、前記形状情報に基づいて前記第１測定光と前記第２測定光の両方を用いて測定するか否かを決定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
5. 前記第１領域と前記第２領域とは、一部が重複している、請求項１から４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
6. 前記制御部は、前記被検物の表面を測定している間に、前記第１領域と前記第２領域とで重複している領域を前記測定位置に応じて変更する、請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記制御部は、前記被検物の表面を測定している間に、前記第１測定光の照射と前記第２測定光の照射とを切り替え可能である、請求項１から６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
8. 前記第１測定光と第２測定光とは同じ波長の光である、請求項１から７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
9. 前記被検物を載置するテーブルと、
   前記テーブルに前記被検物を固定する固定部とを備え、
   前記固定部の少なくとも一部の表面は、前記第１測定光及び前記第２測定光の一部を吸収する吸収材で被覆されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
10. 前記画像データに含まれる前記被検物の像と前記固定部の像とを区別する判別部を備え、
    前記制御部は、前記固定部の像を含まない前記画像データから前記被検物の表面の形状を算出する、請求項９に記載の形状測定装置。
11. 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から１０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。
12. 被検物の表面の形状を測定する、形状測定方法であって、
    前記被検物の表面に、第１測定光と第２測定光を投影方向に沿った異なる領域に、異なる時間に照射することと、
    前記投影方向とは異なる方向から、前記被検物に投影される前記第１測定光と前記第２測定光の像を撮像部で撮像し、画像データを出力することと、
    前記画像データの前記第１測定光と前記第２測定光の像の位置に基づいて、前記被検物の表面の形状を算出することとを含み、
    前記撮像部での撮像は、前記第１測定光の像の位置を検出する前記撮像部上の第１領域と前記第２測定光の像の位置を検出する前記撮像部上の第２領域とを、前記被検物を測定する前記被検物上の測定位置に応じて変更することを含む、形状測定方法。
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１２に記載の形状測定方法によって測定することと、
    前記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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