WO2014084131A1 - 形状測定装置、構造物製造システム、ステージ装置、形状測定方法、構造物製造方法、プログラム、及び記録媒体 - Google Patents

形状測定装置、構造物製造システム、ステージ装置、形状測定方法、構造物製造方法、プログラム、及び記録媒体 Download PDF

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test object
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shape measuring
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荒巻　徹
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株式会社ニコン
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    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
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    • G05B19/401—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37577—In-process and post-process measurement combined

Definitions

  • the present invention relates to a shape measuring apparatus, a structure manufacturing system, and a structure manufacturing method.
  • the shape measurement technique using a light cutting method or the like is used for measuring the shape of a test object such as an industrial product.
  • This shape measurement technique is, for example, a technique in which the surface of a test object irradiated with light is imaged by an image sensor and the shape of the test object is measured based on the result. For example, see Patent Document 1.
  • the posture of the probe may be changed depending on the shape of the test object.
  • the posture of the probe is adjusted to be optimal with respect to the observation position of the specimen.
  • an operation for aligning the probe and the test object may be complicated.
  • a shape measuring device a structure manufacturing system, a stage device, a shape measuring method, and a structure manufacturing that can easily align the probe and the test object. It is an object to provide a method, a program, and a recording medium.
  • a shape measuring apparatus for measuring the shape of a test object, an irradiation optical system that irradiates the test object with light, and the test object that is irradiated and reflected by the test object.
  • a probe including an imaging device for detecting light to be detected, a rotation mechanism for rotating the probe around the object to be tested, and a distance away from the rotation axis of the rotation mechanism, holding the probe and accompanying rotation of the probe.
  • a shape measuring device is provided that includes a holding unit that changes the posture of a probe with respect to a test object, and a calculation unit that calculates shape information of the test object using a signal detected by an image sensor.
  • a molding apparatus that molds a structure based on design information related to the shape of the structure, and a shape measurement of the first aspect that measures the shape of the structure molded by the molding apparatus.
  • a structure manufacturing system including an apparatus and a control device that compares design information with shape information indicating the shape of the structure measured by the shape measuring device.
  • a stage device used in a shape measuring apparatus for measuring the shape of a test object, the irradiation optical system for irradiating the test object with light, and the test object being irradiated with light.
  • a rotation mechanism that rotates a probe including an imaging device that detects light reflected by the test object around the test object, and a distance away from the rotation axis of the rotation mechanism, holds the probe, and
  • a stage device is provided that includes a holding unit that changes the posture of the probe with respect to the test object as it rotates.
  • a shape measuring method for measuring the shape of a test object, the irradiation optical system for irradiating the test object with light, and the test object being irradiated and reflected by the test object
  • a probe including an image sensor for detecting light to be emitted, irradiating the object with light, receiving light reflected by the object with the image sensor, detecting a signal from the image sensor,
  • a shape measuring method including: changing a posture of a probe with respect to a test object as a probe is arranged at a position apart from a rotation axis that rotates around the test object.
  • the structure is molded based on the design information related to the shape of the structure, and the shape of the molded structure is measured by the shape measuring apparatus of the first aspect. And a method of manufacturing the structure including comparing the shape information indicating the shape of the structure measured by the shape measuring apparatus with the design information.
  • the computer includes an irradiation optical system that irradiates light to irradiate the test object, and an imaging device that detects light that is irradiated to the test object and reflected by the test object.
  • the probe is rotated around the test object, the probe and the rotation axis of the probe rotation are separated, the probe rotates, and the probe detects the signal from the imaging device, and using the detected signal, Acquiring shape information of the test object is provided.
  • a computer-readable recording medium that records the program of the sixth aspect.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a shape measuring apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the shape measuring apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a top view showing the shape measuring apparatus of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a side view showing the shape measuring apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a front view showing the shape measuring apparatus of the first embodiment.
  • 6A to 6D are diagrams illustrating an example of the measurement operation of the shape measuring apparatus according to the first embodiment.
  • 7A to 7D are diagrams illustrating an example of the measurement operation of the shape measuring apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a part of the shape measuring apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a view showing the operation of the holding member in the second embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of the shape measuring apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of the shape measuring apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a schematic configuration of a shape measuring apparatus according to the fifth embodiment.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of the shape measuring apparatus according to the sixth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the structure manufacturing system of this embodiment.
  • FIG. 15 is a flowchart showing the structure manufacturing method of the present embodiment.
  • Embodiments of a shape measuring device, a structure manufacturing system, a stage device, a shape measuring method, a structure manufacturing method, a program, and a recording medium according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
  • an XYZ orthogonal coordinate system is set, and the positional relationship of each part will be described with reference to this XYZ orthogonal coordinate system.
  • the Z-axis direction is set, for example, in the vertical direction
  • the X-axis direction and the Y-axis direction are set, for example, in directions that are parallel to the horizontal direction and orthogonal to each other.
  • the rotation (inclination) directions around the X axis, Y axis, and Z axis are the ⁇ X, ⁇ Y, and ⁇ Z directions, respectively.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an appearance of a shape measuring apparatus 1 according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the shape measuring apparatus 1 according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a left side view of the shape measuring apparatus 1
  • FIG. 5 is a front view of the shape measuring apparatus 1.
  • the shape measuring apparatus 1 measures a three-dimensional shape of an object (test object) M to be measured using, for example, a light cutting method.
  • the shape measuring device 1 includes a scanning device 2, an optical probe 3, and a control device 4.
  • the optical probe 3 images the object M held by the holding unit 7 provided in the base part B.
  • the scanning device 2 relatively moves the object M and the optical probe 3 so that the imaging range (field of view) of the optical probe 3 scans the object M, and is driven as shown in FIG. Unit 10 and position detection unit 11.
  • the driving unit 10 includes an X moving unit 50X, a Y moving unit 50Y, a Z moving unit 50Z, and rotation driving units 53 and 54.
  • the X moving part 50X is provided so as to be movable in the X direction along guide parts 51X provided to extend in the X direction on both side edges of the base part B in the Y direction.
  • the Y moving part 50Y is provided in the X moving part 50X so as to be movable in the Y direction along a guide part 51Y provided to extend in the Y direction with an interval in the X direction.
  • the Y moving part 50Y is provided with a holding body 52 extending in the Z direction.
  • the Z moving part 50Z is provided so as to be movable in the Z direction along guide parts 51Z provided in both side edges in the Y direction of the holding body 50 so as to extend in the Z direction.
  • the X moving unit 50X, the Y moving unit 50Y, and the Z moving unit 50Z constitute a moving mechanism that allows the rotation driving units 53 and 54 to move in the X direction, the Y direction, and the Z direction.
  • the rotation drive unit (rotation mechanism) 53 rotates the optical probe 3 supported by a holding member (holding unit) 55 described later around a rotation axis (rotation axis) 53 a parallel to the X axis to change the posture of the optical probe 3. It has a rotational drive source such as a motor.
  • the rotation angle of the rotation drive source (that is, the rotation angle around the rotation axis 53a of the optical probe 3) is read by an angle reading unit (not shown).
  • the rotation drive unit (second rotation mechanism) 54 rotates the optical probe 3 supported by the holding member 55 about an axis parallel to a direction in which a first holding unit 55A described later extends, and the attitude of the optical probe 3 And has a second rotational drive source such as a motor.
  • the rotation angle of the second rotation drive source (that is, the rotation angle around the axis parallel to the direction in which the first holding unit 55A of the optical probe 3 extends) is read by a second angle reading unit (not shown).
  • the angle at which the rotation driving unit 53 rotates the optical probe 3 around the rotation axis 53a is set to 300 °, for example. As described above, by enabling the optical probe 3 to be rotated by 180 ° or more, the measurement from the rear surface side can be performed without stopping the measurement from the front surface side with respect to the object M.
  • the driving of the X moving unit 50X, the Y moving unit 50Y, the Z moving unit 50Z, and the rotation driving units 53 and 54 is controlled by the control device 4 based on the detection result of the position detecting unit 11 configured by an encoder device or the like. Is done.
  • the optical probe 3 includes a light source device 8 and an imaging device 9 and is supported by a holding member 55.
  • the holding member 55 extends in a direction perpendicular to the rotation axis 53a, and is far from the first holding portion (first portion, first member) 55A supported by the rotation driving portion 53 and the object M of the first holding 55A.
  • the second holding portion (second portion, second member) 55B provided at the end on the side and extending in parallel with the rotation axis 53a is formed in a substantially L shape orthogonal to the + X side of the second holding portion 55B.
  • the optical probe 3 is supported at the end of the.
  • the position of the rotation axis 53a of the rotation drive unit 53 is disposed closer to the object M than the optical probe 3 (details will be described later).
  • the light source device 8 is controlled by the control device 4 to irradiate a part of the object M held by the holding unit 7 and includes a light source 12 and an illumination optical system 13.
  • the light source 12 of this embodiment includes a laser diode, for example.
  • the light source 12 may include a solid light source such as a light emitting diode (LED) other than the laser diode.
  • the holding unit 7 is fixed, but the holding unit 7 may be driven.
  • the holding unit 7 may be driven by providing the holding unit 7 with a position detection unit including a drive unit and an encoder device. In that case, it may be movable in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. Further, it may be configured to rotate around the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. Moreover, you may combine them suitably.
  • the illumination optical system 13 adjusts the spatial light intensity distribution of the light emitted from the light source 12.
  • the illumination optical system 13 of this embodiment includes, for example, a cylindrical lens.
  • the illumination optical system 13 may be one optical element or may include a plurality of optical elements.
  • the light emitted from the light source 12 is emitted along the first direction from the light source device 8 toward the object M with the spot being expanded in the direction in which the cylindrical lens has positive power.
  • the illumination light beam L emitted from the light source device 8 and projected onto the object M has a spot shape on a plane orthogonal to the emission direction from the light source device 8 and is parallel to the rotation axis 53a.
  • the projection pattern passes through the rotation axis 53a with the direction as the longitudinal direction.
  • the object M is irradiated with light emitted from the light source 12 via the illumination optical system 13.
  • the illumination optical system 13 may include a diffractive optical element such as CGH, and the spatial light intensity distribution of the illumination light beam L emitted from the light source 12 may be adjusted by the diffractive optical element.
  • the projection light whose spatial light intensity distribution is adjusted may be referred to as pattern light.
  • the illumination light beam L is an example of pattern light.
  • the imaging device 9 includes an imaging element 20 and an imaging optical system 21.
  • the illumination light beam L applied to the object M from the light source device 8 is reflected and scattered on the surface of the object M, and at least a part of the illumination light beam enters the imaging optical system 21.
  • the imaging element 20 detects the illumination light beam L incident on the imaging optical system 21 from the light source device 8 through the surface of the object M.
  • the imaging optical system 21 captures an image of a surface conjugate with the object surface 21a on the surface including the emission direction of the illumination light beam L as line light from the light source device 8 and the longitudinal direction of the spot shape of the illumination light beam L. It is formed on the light receiving surface 20a (image surface) of the element 20.
  • the plane including the emission direction of the illumination light beam L from the light source device 8 and the longitudinal direction of the spot shape of the illumination light beam L is substantially parallel to the propagation direction of the illumination light beam L. In this way, the imaging optical system 21 forms an image of a pattern drawn on the object M by the illumination light beam L irradiated on the object M from the light source device 8 on the light receiving surface 20a of the imaging element 20.
  • the rotation axis 53a of the rotation driving unit 53 described above is disposed on the object M side with respect to the optical probe 3, as shown in FIG. More specifically, the rotation axis 53a is disposed on the object plane 21a at a position passing through the central portion of the irradiation direction (optical axis direction, predetermined direction) of the illumination light beam L on the object plane 21a.
  • the illumination light beam L irradiated from the light source device 8 and reflected and scattered at one point on the object M is condensed at almost one point on the light receiving surface of the image sensor 20 by passing through the imaging optical system 21. That is, each point of the image formed on the image sensor 20 has a one-to-one correspondence with each point on the line where the object plane of the imaging optical system 21 and the object M intersect.
  • the information indicating the imaging result of the imaging device 9 includes information indicating the position of each point on the surface of the object M.
  • the illumination light beam L is line light passing through the rotation axis 53a, even when the optical probe 3 rotates around the rotation axis 53a, each of the lines on the line where the object plane 21a passing through the rotation axis 53a and the object M intersect each other. Information indicating the position of the point is obtained.
  • the control device 4 includes a shape information acquisition unit (calculation unit) 14 that controls each unit of the shape measurement device 1 and performs calculation processing based on the imaging result of the optical probe 3 to acquire shape information of the object M.
  • the shape information in the present embodiment is information indicating at least one of the shape, size, unevenness distribution, surface roughness, and position (coordinates) of a point on the measurement target surface regarding at least a part of the object M to be measured.
  • a display device 5 and an input device 6 are connected to the control device 4.
  • the control device 4 includes the shape information acquisition unit 14 and the display device 5 and the input device 6 are connected. However, these may be a computer connected to the shape measuring device 1, for example.
  • the shape information acquisition part 14 which acquires shape information, the input device 6, and the display apparatus 5 may be hold
  • the shape measuring device 1 may be supported inside the optical probe 3. In this case, the information acquired by the shape measuring apparatus 1 is connected to a computer using a communication means.
  • the shape information acquisition unit 14 performs calculation processing based on the imaging result of the optical probe 3 to acquire the shape information of the object M.
  • the calculation processing is performed using all information of the imaging result of the optical probe 3.
  • the calculation process may be performed using at least a part of the information.
  • the control device 4 controls the relative position between the optical probe 3 and the object M by controlling the drive unit 10 of the scanning device 2. In addition, the control device 4 controls the optical probe 3 to cause the optical probe 3 to image the measurement region on the object M.
  • the control device 4 acquires position information of the optical probe 3 from the position detection unit 11 of the scanning device 2, and acquires data (captured image data) indicating an image obtained by imaging the measurement region from the optical probe 3. Then, the control device 4 associates the position of the surface of the object M obtained from the captured image data corresponding to the position of the optical probe 3 with the position of the optical probe 3 to thereby obtain shape information regarding the three-dimensional shape of the measurement target. Is obtained by calculating.
  • the input device 6 includes various input devices such as a keyboard, a mouse, a joystick, a trackball, and a touch pad.
  • the input device 6 receives various information input to the control device 4.
  • the various information includes, for example, command information indicating a command (command) for causing the shape measuring device 1 to start measurement, setting information related to measurement by the shape measuring device 1, and an operation for manually operating at least a part of the shape measuring device 1. Includes information.
  • the display device 5 is constituted by, for example, a liquid crystal display device, an organic electroluminescence display device, or the like.
  • the display device 5 displays measurement information related to the measurement by the shape measuring device 1.
  • the measurement information includes, for example, setting information indicating settings related to measurement, progress information indicating the progress of measurement, shape information indicating the result of measurement, and the like.
  • the display device 5 of the present embodiment is supplied with image data indicating measurement information from the control device 4 and displays an image indicating measurement information according to the image data.
  • a first direction in which the illumination light beam L emitted from the light source 12 shown in FIG. 2 is emitted and a second direction in which the illumination light beam L reflected by the object M enters the imaging optical system 21 are included.
  • a case where the rotation axis 53a is orthogonal to the plane (a plane parallel to the plane of FIG. 2) will be described.
  • the object M includes a first surface Ma that is parallel to the XY plane and a second surface Mb that is inclined with respect to the first surface Ma.
  • the first surface Ma and the second surface Mb are sequentially measured will be described.
  • the illumination optical beam L is irradiated in a state where the object surface 21a and the first surface Ma intersect each other, and the light scattered and reflected by the first surface Ma is passed through the imaging optical system 21. Via the image sensor 20. While the measurement of the first surface Ma is being performed, the holding member 55 does not rotate and the optical probe 3 is directly above the rotation axis 53a (the rotation axis 53a), as shown in FIGS. At 12 o'clock centered on. Note that the holding member 55 may rotate during the measurement. The optical probe 3 and the rotation axis 53a are arranged apart from each other.
  • the control device 4 stores the position of the optical probe 3 detected by the position detection unit 11 and the shape information of the first surface Ma acquired by the shape information acquisition unit 14 in association with each other. As shown in FIG. 6B, the control device 4 moves the Y moving unit 50Y via the driving unit 10 to change the position of the optical probe 3 in the Y direction, and displays the shape information of the first surface Ma. get.
  • the control device 4 controls the rotation driving unit 53 to move the optical probe 3 through the holding member 55 as shown in FIG.
  • the second surface Mb is inclined in the clockwise direction around the rotation axis 53a at an inclination angle of the second surface Mb with respect to the surface Ma.
  • the rotation of the optical probe 3 is performed by the rotation of the holding member 55 by the operation of the rotation drive unit 53 (rotation drive source), and the control device 4 operates the rotation drive source according to the rotation angle read by the angle reading unit.
  • the position in the rotation direction of the optical probe 3 is controlled.
  • the illumination light beam L is incident on the second surface Mb at the same incident angle as when the shape information of the first surface Ma is measured, and the shape information of the second surface Mb is acquired.
  • the control device 4 moves the Y moving unit 50Y via the driving unit 10 to change the position of the optical probe 3 in the Y direction while changing the position of the second surface Mb. Get shape information.
  • the shape information of the first surface Ma and the second surface Mb can be acquired continuously.
  • the second surface Mb is not an inclined surface but an arc surface
  • the position in the Z direction of the arc center of the second surface Mb is assumed to be the same as the position in the Z direction of the rotation axis 53a.
  • the control device 4 controls the rotation driving unit 53 to rotate the optical probe 3 around the rotation axis 53 a via the holding member 55. At this time, the control device 4 rotates the optical probe 3 around the rotation axis 53a until the shape information measurement of the second surface Mb is completed.
  • the shape information can be measured in a state where the angle at which the object surface 21a and the second surface Mb intersect is constant.
  • the optical path length of the illumination light beam L at the time of measurement constant, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy due to a difference in measurement conditions.
  • the rotation axis 53a when rotating the optical probe 3 is disposed closer to the object plane 21a than the optical probe 3, and more specifically, the rotation axis 53a is disposed on the object plane 21a. Since the distance between the rotation axis 53a and the object plane 21a is smaller than the distance between the object plane 21a and the optical probe 3, the rotation axis 53a is arranged on the opposite side of the object plane 21 with the optical probe 3 interposed therebetween.
  • the radius of rotation of the optical clove 3 can be reduced, the apparatus can be reduced in size, and the time required to move the optical clove 3 to the measurement position can be shortened. Improvements can also be achieved.
  • a linear motion mechanism (distance changing mechanism) 60 is connected to the rotation drive unit 53 in the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment.
  • the linear motion mechanism 60 moves linearly the first holding portion 55A of the holding member 55 in the length direction (direction orthogonal to the rotation axis 53a) under the control of the control device 4. 2
  • the holding portion 55B, the optical probe 3, and the object surface 21a are moved in a direction away from or approaching the rotation axis 53a, and the distance from the rotation axis 53a to the optical probe 3, that is, the optical probe 3 centered on the rotation axis 53a.
  • the linear motion mechanism 60 is controlled so that the rotation radius of the optical probe 3 is the same as the radius of the arc surface.
  • the highly accurate shape information measurement described with reference to FIG. 7 in the first embodiment can be performed without being restricted by the radius of the arc surface.
  • the rotational angle and the rotational radius of the object M on the surface formed by a plurality of circular arc surfaces having different radii are measured together with the positions of the optical probe 3 in the X direction, the Y direction, and the Z direction.
  • shape information measurement can be performed with an optimum posture and position according to the surface shape, and more accurate shape information measurement can be realized.
  • FIG. 10 is a control block diagram of the shape measuring apparatus 1 according to the third embodiment.
  • the control device 4 includes a storage unit 61, a shape information correcting unit (correcting unit) 62, It has.
  • the storage unit 61 stores deformation information indicating deformation according to the posture of the holding member 55 that is generated by rotation around the rotation axis 53 a by the rotation driving unit 53.
  • the deformation information is obtained in advance through experiments, simulations, and the like, and is stored and held in the storage unit 61.
  • the shape information correction unit 62 detects the position information of the optical probe 3 detected by the scanning device 2 (position detection unit 11) and acquired by the position information acquisition unit 16 as deformation information of the holding member 55 stored in the storage unit 61. Based on the correction, the corrected position information of the optical probe 3 is associated with the shape information acquired by the shape information acquisition unit 14.
  • the holding member 55 is deformed such as distortion and flexure by the rotation of the rotation drive unit 53. Even if there is a possibility that an error occurs in the position information of the optical probe 3, it becomes possible to correct the position information of the optical probe 3 according to the deformation, and to continuously perform highly accurate shape information measurement. Is possible.
  • the deformation information of the holding member 55 is obtained and stored in advance, and the position information of the optical probe 3 is corrected using the deformation information.
  • the holding member 55 is used.
  • the holding member 55 is provided with a strain detector 17 such as a strain gauge as a deformation detector.
  • the control device 4 in the present embodiment includes a distortion information acquisition unit 63 that acquires the detection result of the distortion detection unit 17.
  • the shape information correcting unit 62 uses the deformation information of the holding member 55 detected by the strain detecting unit 17 when measuring the shape information.
  • the position information of the probe 3 is corrected, and the corrected position information of the optical probe 3 is associated with the shape information acquired by the shape information acquisition unit 14.
  • the deformation information of the holding member 55 obtained in advance is used for the environmental change such as temperature and humidity. Even in a state showing different values, it is possible to perform highly accurate shape information measurement according to the environment.
  • the shape information correction unit 62 corrects the position information of the optical probe 3 using the detected deformation information of the holding member 55, and the corrected position information of the optical probe 3 and the shape information acquisition unit 14.
  • the deformation information of the holding member 55 acquired by the strain information acquisition unit 63 and the position information acquisition unit 16 acquire the shape information.
  • the position information correction unit 64 corrects the position information of the optical probe 3 using the position information of the optical probe 3, and the shape information acquisition unit 14 acquires the image acquired by the captured image acquisition unit 15 and the corrected optical probe. 3 position information is associated. Therefore, also in this embodiment, the same operations and effects as in the fourth embodiment can be obtained.
  • the shape measuring apparatus 1 of the present embodiment includes a vibration detection unit 18 that detects vibration information of the holding member 55.
  • the control device 4 corresponds to the vibration information acquisition unit 65 that acquires the vibration information detected by the vibration detection unit 18, the vibration determination unit 66 that determines the acquired vibration information, and the determination result of the vibration determination unit 66.
  • An imaging control unit 67 that controls the imaging device 9 is provided.
  • the vibration determination unit 66 determines whether the vibration of the vibration determination unit 66 and the holding member 55 exceeds a predetermined threshold value. If the threshold value is not exceeded, the imaging process by the imaging device 9 is executed, If the vibration is attenuated within a predetermined range and reaches the threshold value, the imaging process by the imaging device 9 is waited, and when the threshold value is reached, the imaging process by the imaging device 9 is executed.
  • the error information of the shape information of the object M generated when vibration occurs is associated with the vibration information. Measured in advance and stored as a table, the table is referenced based on the vibration information acquired by the vibration detection unit 18 and the vibration information acquisition unit 65, and measured based on error information corresponding to the vibration information.
  • a procedure for correcting the shape information of the object M may be used. Also by this procedure, it is possible to perform highly accurate shape information measurement in a state in which the adverse effects of vibrations caused by rotating operations and the like are eliminated.
  • FIG. 14 is a block configuration diagram of the structure manufacturing system 200.
  • the structure manufacturing system 200 of this embodiment includes a shape measuring device 201, a design device 202, a forming device 203, a control device (inspection device) 204, and a repair device 205 as described in the above embodiment.
  • the control device 204 includes a coordinate storage unit 210 and an inspection unit 211.
  • the design device 202 creates design information related to the shape of the structure, and transmits the created design information to the molding device 203.
  • the design apparatus 202 stores the created design information in the coordinate storage unit 210 of the control apparatus 204.
  • the design information includes information indicating the coordinates of each position of the structure.
  • the forming apparatus 203 produces the above-described structure based on the design information input from the design apparatus 202.
  • the molding of the molding apparatus 203 includes, for example, casting, forging, cutting, and the like.
  • the shape measuring device 201 measures the coordinates of the manufactured structure (measurement object) and transmits information (shape information) indicating the measured coordinates to the control device 204.
  • the coordinate storage unit 210 of the control device 204 stores design information.
  • the inspection unit 211 of the control device 204 reads design information from the coordinate storage unit 210.
  • the inspection unit 211 compares information (shape information) indicating coordinates received from the shape measuring apparatus 201 with design information read from the coordinate storage unit 210.
  • the inspection unit 211 determines whether or not the structure has been molded according to the design information based on the comparison result. In other words, the inspection unit 211 determines whether or not the created structure is a non-defective product.
  • the inspection unit 211 determines whether or not the structure can be repaired when the structure is not molded according to the design information. When the structure can be repaired, the inspection unit 211 calculates a defective portion and a repair amount based on the comparison result, and transmits information indicating the defective portion and information indicating the repair amount to the repair device 205.
  • the repair device 205 processes the defective portion of the structure based on the information indicating the defective portion received from the control device 204 and the information indicating the repair amount.
  • FIG. 15 is a flowchart showing the flow of processing by the structure manufacturing system 200.
  • the design device 202 creates design information related to the shape of the structure (step S101).
  • the molding apparatus 202 produces the structure based on the design information (step S102).
  • the shape measuring apparatus 201 measures the shape of the manufactured structure (step S103).
  • the inspection unit 211 of the control device 204 compares the shape information obtained by the shape measuring device 201 with the design information described above to inspect whether or not the structure is created according to the integrity design information ( Step S104).
  • the inspection unit 211 of the control device 204 determines whether or not the created structure is a good product (step S105). When the inspection unit 211 determines that the created structure is a non-defective product (YES in step S105), the structure manufacturing system 200 ends the process. If the inspection unit 211 determines that the created structure is not a good product (NO in step S105), the inspection unit 211 determines whether the created structure can be repaired (step S106).
  • the repair device 205 performs reworking of the structure (step S107), and processing in step S103 Return to.
  • the structure manufacturing system 200 ends the process. As described above, the structure manufacturing system 200 ends the processing of the flowchart shown in FIG.
  • the structure manufacturing system 200 of the present embodiment can determine whether or not the created structure is a non-defective product because the shape measuring apparatus in the above embodiment can measure the coordinates of the structure with high accuracy. Can do.
  • the structure manufacturing system 200 can repair the structure by reworking the structure when the structure is not a good product.
  • the repair process executed by the repair device 205 in the present embodiment may be replaced with a process in which the molding device 203 re-executes the molding process.
  • molding apparatus 203 re-executes a shaping
  • the shape measuring apparatus 1 in the above embodiment has exemplified the configuration in which the holding member 55 cantilever holds the optical probe 3, but the configuration is not limited to this and may be held by both ends. By holding both ends, the deformation generated in the holding member 55 during rotation can be reduced, and the measurement accuracy can be improved.
  • the optical probe 3 is rotated around the rotation axis 53a, as shown in FIG.
  • the optical probe 3 is rotated at a predetermined angle around an axis parallel to the first holding unit 55A of the holding member 55 (for example, 90 degrees as shown in the difference between FIG. 5 and FIG. 6). It is good also as a structure which measures shape information in the rotated state.
  • by combining the rotation operation of the optical probe 3 by driving the rotation driving unit 54 it is possible to further cope with various surface shapes of the object M.
  • the optical probe 3 is irradiated with line light and the line light reflected from the test object is imaged.
  • the type of the optical probe 3 is not limited to this.
  • the illumination light emitted from the optical probe 3 may be in the form of being collectively irradiated onto a predetermined plane.
  • the method described in Patent Document 2 may be used.
  • the illumination light emitted from the optical probe may be in the form of irradiating point spot light.
  • SYMBOLS 1 Shape measuring device, 2 ... Scanning device, 3 ... Optical probe (probe), 4 ... Control device, 11 ... Position detection part, 12 ... Light source, 13 ... Illumination optical system, 14 ... Shape information acquisition part (calculation part) , 17: Strain detector (deformation detector), 20: Image sensor, 20a: Light receiving surface, 21: Imaging optical system, 21a: Object surface, 53: Rotation drive unit (rotation mechanism, drive unit), 53a: Rotation Axis (rotary axis), 54 ... Rotation drive part (second rotation mechanism), 55 ... Holding member (holding part), 55A ... First holding part (first part), 55B ... Second holding part (second part) ), 60: Linear motion mechanism (distance changing mechanism), 62: Position information correction unit (correction unit), 203: Molding device, 204: Control device, M: Object (test object)

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Abstract

　測定精度に悪影響を及ぼすことを抑制できる形状測定装置を提供する。　プローブ３は、物体Ｍに光を照射する照明光学系１３と、物体Ｍから反射する光を検出する撮像装置９を備えている。プローブ３を回転させる回転機構は、回転軸線５３a から離れた位置に配置される。プローブ３の回転に伴い、物体Ｍに対するプローブ３の姿勢を変えることができる。撮像装置９で検出する信号を形状情報取得部１４で演算する。

Description

形状測定装置、構造物製造システム、ステージ装置、形状測定方法、構造物製造方法、プログラム、及び記録媒体
　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。
　光切断法等を用いた形状測定技術は、工業製品等の被検物の形状を測定すること等に利用されている。この形状測定技術は、例えば、光が照射されている被検物の表面を撮像素子によって撮像し、その結果に基づいて被検物の形状を測定する技術である。例えば、特許文献１参照。
米国特許出願公開第２０１２／０１９４６５１号明細書 米国特許６０７５６０５号
　しかしながら、被検物の形状に応じて、プローブの姿勢を変更する場合がある。被検物の姿勢もしくはプローブの姿勢の少なくとも一方を変えることで、被検物の観察位置に対してプローブの姿勢を最適になるように調整していた。このような場合、プローブと被検物との位置あわせをする操作が煩雑となる可能性がある。
　本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、プローブと被検物との位置あわせを容易に行える形状測定装置、構造物製造システム、ステージ装置、形状測定方法、構造物製造方法、プログラム、及び記録媒体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、被検物の形状を測定する形状測定装置であって、被検物に光を照射する照射光学系と、被検物に照射され被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブと、プローブを被検物の周囲で回転させる回転機構と、回転機構の回転軸と離れた距離に配置され、プローブを保持し、プローブの回転に伴い被検物に対するプローブの姿勢を変える保持部と、撮像素子で検出する信号を用いて、被検物の形状情報を算出する演算部と、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、被検物の形状を測定する形状測定装置に用いられるステージ装置であって、被検物に光を照射する照射光学系と、被検物に照射され被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブを、被検物の周囲で回転させる回転機構と、回転機構の回転軸と離れた距離に配置され、プローブを保持し、プローブの回転に伴い被検物に対するプローブの姿勢を変える保持部と、を備えるステージ装置が提供される。
　本発明の第４の態様に従えば、被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物に光を照射する照射光学系と、被検物に照射され被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブから、被検物に光を照射し、被検物で反射する光を撮像素子で受光し、撮像素子からの信号を検出することと、プローブの被検物の周囲で回転させる回転軸と離れた位置に配置されるプローブを、プローブの回転に伴い被検物に対するプローブの姿勢を変えることと、を含む形状測定方法が提供される。
　本発明の第５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。
　本発明の第６の態様に従えば、コンピュータに、被検物に照射する光を照射する照射光学系と、被検物に照射され被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブが被検物の周囲で回転され、かつプローブとプローブの回転の回転軸とが離れ前記プローブが回転し、プローブにより撮像素子からの信号を検出することと、検出される信号を用いて、前記被検物の形状情報を取得することと、を実行させるプログラムが提供される。
　本発明の第７の態様に従えば、第６の態様のプログラムを記録し、コンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
　本発明では、プローブを回転させて形状情報の測定を行う場合でも、プローブと被検物との位置あわせを容易に行うことができる。
図１は第１実施形態の形状測定装置を示す斜視図である。 図２は第１実施形態の形状測定装置の構成を示す模式図である。 図３は第１実施形態の形状測定装置を示す上面図である。 図４は第１実施形態の形状測定装置を示す側面図である。 図５は第１実施形態の形状測定装置を示す正面図である。 図６（Ａ）～（Ｄ）は第１実施形態の形状測定装置の測定動作の例を示す図である。 図７（Ａ）～（Ｄ）は第１実施形態の形状測定装置の測定動作の例を示す図である。 図８は第２実施形態の形状測定装置の一部を示す図である。 図９は第２実施形態における保持部材の動作を示す図である。 図１０は第３実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１１は第４実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１２は第５実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１３は第６実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１４は本実施形態の構造物製造システムの構成を示す図である。 図１５は本実施形態の構造物製造方法を示すフローチャートである。
　以下、本発明の形状測定装置、構造物製造システム、ステージ装置、形状測定方法、構造物製造方法、プログラム、及び記録媒体の実施の形態を、図１ないし図１５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１の外観を示す図、図２は、本実施形態の形状測定装置１の概略構成を示す模式図、図３は、形状測定装置１の平面図、図４は、形状測定装置１の左側面図、図５は、形状測定装置１の正面図である。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（被検物）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１は、走査装置２、光学プローブ３、制御装置４を備える。形状測定装置１は、ベース部Ｂに設けられた保持部７に保持されている物体Ｍを光学プローブ３が撮像するものである。
　走査装置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ものであって、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、回転駆動部５３、５４を備えている。
　Ｘ移動部５０Ｘは、ベース部ＢのＹ方向の両側縁にＸ方向に延在して設けられたガイド部５１Ｘに沿ってＸ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、Ｘ方向に間隔をあけてＹ方向に延在して設けられたガイド部５１Ｙに沿ってＹ方向に移動自在に設けられている。Ｙ移動部５０Ｙには、Ｚ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５０のＹ方向の両側縁にＺ方向に延在して設けられたガイド部５１Ｚに沿ってＺ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、回転駆動部５３、５４をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能にする移動機構を構成している。
　回転駆動部（回転機構）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周りに回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、モータ等の回転駆動源を有している。回転駆動源の回転角度（すなわち光学プローブ３の回転軸線５３ａ周りの回転角度）は、不図示の角度読み取り部によって読み取られる。
　回転駆動部（第２の回転機構）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周りに回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、モータ等の第２回転駆動源を有している。第２回転駆動源の回転角度（すなわち光学プローブ３の第１保持部５５Ａが延在する方向と平行な軸線周りの回転角度）は、不図示の第２角度読み取り部によって読み取られる。回転駆動部５３が光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転する角度は、例えば、３００°に設定される。このように、光学プローブ３を１８０°以上回転可能とすることにより、物体Ｍに対して表面側からの測定に止まらず、裏面側からの測定も実施可能となる。
　これら、Ｘ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚ、回転駆動部５３、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、回転駆動部５３に支持される第１保持部（第１部分、第１部材）５５Ａと、第１保持５５Ａの物体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（第２部分、第２部材）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。回転駆動部５３の回転軸線５３ａの位置は、光学プローブ３よりも、物体Ｍに近い側に配置されている（詳細は後述）。
　光源装置８は、制御装置４によって制御され、保持部７に保持された物体Ｍの一部に光を照射するものであり、光源１２、照明光学系１３を備える。本実施形態の光源１２は、例えば、レーザーダイオードを含む。なお、光源１２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。
　また、本実施形態では、保持部７は固定されているが、保持部７を駆動する構成としても構わない。保持部７に駆動部およびエンコーダ装置などによって構成される位置検出部を設けて、保持部７を駆動しても構わない。その場合に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能としても構わない。また、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の周りを回転する構成としても構わない。また、それらを適宜組み合わせても構わない。
　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。本実施形態の照明光学系１３は、例えば、シリンドリカルレンズを含む。照明光学系１３は、１つの光学素子であってもよいし、複数の光学素子を含んでいてもよい。光源１２から発せられた光は、シリンドリカルレンズが正のパワーを有する方向にスポットが広げられて、光源装置８から物体Ｍに向く第１方向に沿って出射する。図２に示したように、光源装置８から出射し、物体Ｍに投影される照明光束Ｌは、光源装置８からの出射方向に対して直交する面におけるスポットの形状が回転軸線５３ａと平行な方向を長手方向とし、回転軸線５３ａを通る投影パターンになる。したがって、照明光学系１３を介して、光源１２から発せられた光が、物体Ｍに照射される。なお、照明光学系１３は、ＣＧＨ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。
　撮像装置９は、撮像素子２０、結像光学系２１を備える。光源装置８から物体Ｍに照射された照明光束Ｌは、物体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。撮像装置９は、光源装置８から物体Ｍの表面を介して結像光学系２１へ入射した照明光束Ｌを撮像素子２０が検出する。
　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の出射方向と、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と共役な面を、撮像素子２０の受光面２０ａ（像面）に形成する。なお、光源装置８からの照明光束Ｌの出射方向と、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。このように、結像光学系２１は、光源装置８から物体Ｍに照射された照明光束Ｌが物体Ｍ上で描くパターンの像を、撮像素子２０の受光面２０ａに形成する。
　そして、上述した回転駆動部５３の回転軸線５３ａは、図２に示すように、光学プローブ３に対して、物体Ｍ側に配置されている。より詳細には、回転軸線５３ａは、物体面２１ａ上であって、物体面２１ａにおける照明光束Ｌの照射方向（光軸方向、所定方向）の中央部を通る位置に配置されている。
　光源装置８から照射されて物体Ｍ上の１点で反射散乱した照明光束Ｌは、結像光学系２１を通ることによって、撮像素子２０の受光面上のほぼ１点に集光する。すなわち、撮像素子２０上に形成される像の各点は、結像光学系２１の物体面と物体Ｍとが交差する線上の各点と１対１で対応することになる。このように、撮像装置９の撮像結果を示す情報は、物体Ｍの表面における各点の位置を示す情報を含む。
　また、照明光束Ｌが回転軸線５３ａを通るライン光であるため、光学プローブ３が回転軸線５３ａを中心として回転した場合でも、回転軸線５３ａを通る物体面２１ａと物体Ｍとが交差する線上の各点の位置を示す情報が得られる。　
　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による撮像結果に基づく演算処理を行って物体Ｍの形状情報を取得する形状情報取得部（演算部）１４を備えている。本実施形態における形状情報は、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。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。
　なお、本実施形態においては、制御装置４が形状情報取得部１４を備え、表示装置５、及び入力装置６が接続されているが、これらは、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、また、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、形状情報を取得する形状情報取得部１４と、入力装置６と表示装置５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。
　なお、形状情報取得部１４は、光学プローブ３による撮像結果に基づいて演算処理を行って物体Ｍの形状情報を取得するが、光学プローブ３による撮像結果のすべての情報を用いて、演算処理を行ってもよいが、少なくとも一部の情報を用いて演算処理を行っても構わない。
　制御装置４は、走査装置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上の測定領域を光学プローブ３に撮像させる。制御装置４は、光学プローブ３の位置情報を走査装置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。
　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。
　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、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。
　次に、上記構成の形状測定装置１により、物体Ｍの形状を測定する動作の例について、図６を参照して説明する。本実施形態では、図２に示した光源１２から発せられた照明光束Ｌが出射する第１方向と、物体Ｍで反射した照明光束Ｌが結像光学系２１に入射する第２方向とを含む面（図２の紙面と平行な面）に対して回転軸線５３ａが直交する場合について説明する。また、ここでは、図６に示すように、物体ＭがＸＹ平面と平行な第１表面Ｍａと、第１表面Ｍａに対して傾斜した第２表面Ｍｂとを備え、形状測定装置１により、第１表面Ｍａと第２表面Ｍｂとを順次測定する場合について説明する。
　まず、図６（Ａ）に示すように、物体面２１ａと第１表面Ｍａとを交差させた状態で照明光束Ｌを照射し、第１表面Ｍａで散乱反射した光を結像光学系２１を介して撮像素子２０で受光・撮像する。第１表面Ｍａの測定を行っている間には、図１及び図６（Ａ）等に示されるように、保持部材５５は回転せず、光学プローブ３は回転軸線５３ａの直上（回転軸線５３ａを中心とする１２時の位置）で測定を行う。なお、測定を行っている間に、保持部材５５が回転しても構わない。光学プローブ３と回転軸線５３ａとは離れて配置されいてる。
　制御装置４は、位置検出部１１で検出された光学プローブ３の位置と、形状情報取得部１４で取得された第１表面Ｍａの形状情報とを対応付けて記憶する。制御装置４は、図６（Ｂ）に示すように、駆動部１０を介してＹ移動部５０Ｙを移動させることで光学プローブ３をＹ方向の位置を変えながら、第１表面Ｍａの形状情報を取得する。
　そして、物体面２１ａが第２表面Ｍｂに達すると、制御装置４は回転駆動部５３を制御して、保持部材５５を介して光学プローブ３を、図６（Ｃ）に示すように、第１表面Ｍａに対する第２表面Ｍｂの傾斜角度で回転軸線５３ａを中心として時計回り方向に回転する。光学プローブ３の回転は、回転駆動部５３（回転駆動源）の動作による保持部材５５の回転により行われ、制御装置４は角度読み取り部によって読み取られた回転角度に応じて回転駆動源の動作を制御して光学プローブ３の回転方向の位置を制御する。
　これにより、照明光束Ｌは、第１表面Ｍａの形状情報測定時と同一の入射角で第２表面Ｍｂに入射して、当該第２表面Ｍｂの形状情報が取得される。このあと、図６（Ｄ）に示すように、制御装置４は、駆動部１０を介してＹ移動部５０Ｙを移動させることで光学プローブ３をＹ方向の位置を変えながら、第２表面Ｍｂの形状情報を取得する。
　かくして、第１表面Ｍａ及び第２表面Ｍｂの形状情報を連続的に取得できる。
　次に、第２表面Ｍｂが傾斜面ではなく円弧面の場合について、図７を参照して説明する。この場合では、第２表面Ｍｂの円弧中心のＺ方向の位置と、回転軸線５３ａのＺ方向の位置とが同一であるものとする。
　図７（Ａ）～（Ｂ）に示すように、Ｙ方向の位置を変えながら光学プローブ３により第１表面Ｍａの形状情報を取得し、物体面２１ａが第２表面Ｍｂに達すると、図７（Ｃ）～（Ｄ）に示すように、制御装置４は回転駆動部５３を制御して、保持部材５５を介して光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転させる。このとき、制御装置４は、第２表面Ｍｂの形状情報測定が完了するまで、光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転させる。
　これにより、第２表面Ｍｂが円弧面の場合であっても、物体面２１ａと第２表面Ｍｂとが交差する角度を一定とした状態で形状情報の測定を実施することができる。また、測定時の照明光束Ｌの光路長を一定にすることで、測定条件の相違に起因する測定精度低下を抑制することができる。
　以上説明したように、本実施形態では、光学プローブ３を回転させる際の回転軸線５３ａを光学プローブ３よりも物体面２１ａ側に、より詳細には回転軸線５３ａを物体面２１ａ上に配置して、回転軸線５３ａと物体面２１ａとの距離を、物体面２１ａと光学プローブ３との距離よりも小さくしているため、回転軸線５３ａが光学プローブ３を挟んで物体面２１と逆側に配置される場合と比べて回転半径を小さくすることで、回転角度に誤差が発生した場合でも光学プローブ３の位置情報に生じる誤差を小さくすることができ、形状情報の測定結果の精度低下も小さく抑えることが可能になる。また、本実施形態では、光学クローブ３の回転半径を小さくできるため、装置の小型化を実現できるとともに、光学クローブ３を測定位置に移動させるために要する時間も短くすることができ、生産性の向上も図ることが可能となる。
（第２実施形態）
　次に、形状測定装置１の第２実施形態について、図８及び図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。
　上記第１実施形態では、保持部材５５及び光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転させる際の回転半径が一定である場合について説明したが、本実施形態では、回転半径が可変である場合について説明する。
　図８に示すように、本実施形態の形状測定装置１における回転駆動部５３には、直動機構（距離変更機構）６０が接続されている。直動機構６０は、制御装置４の制御下で保持部材５５の第１保持部５５Ａを長さ方向（回転軸線５３ａと直交する方向）に直動することで、図９に示すように、第２保持部５５Ｂ及び光学プローブ３並びに物体面２１ａを回転軸線５３ａに対して離間・接近する方向に移動させ、回転軸線５３ａから光学プローブ３までの距離、すなわち回転軸線５３ａを中心とする光学プローブ３の回転半径を半径ｒａと半径ｒｂとの間で任意の値に設定可能である。
　上記構成の形状測定装置１においては、例えば、上記物体Ｍの第２表面Ｍｂが円弧面であった場合、直動機構６０を制御して、光学プローブ３の回転半径が円弧面の半径と同一となるように調整することで、円弧面の半径の大きさに制約されることなく、第１実施形態で図７を参照して説明した高精度の形状情報測定が可能となる。そのため、半径が異なる複数の円弧面で形成される表面の物体Ｍに対しても、測定時に、光学プローブ３のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置とともに、回転角度及び回転半径を物体Ｍの表面形状に対応して調整することにより、当該表面形状に応じた最適な姿勢・位置で形状情報測定を実施することができ、より高精度の形状情報測定が実現できる。
（第３実施形態）
　次に、形状測定装置１の第３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。
　図１０は、第３実施形態における形状測定装置１の制御ブロック図である
　この図に示されるように、本実施形態の制御装置４は、記憶部６１と形状情報補正部（補正部）６２とを備えている。記憶部６１は、回転駆動部５３による回転軸線５３ａ周りの回転等で生じる、保持部材５５の姿勢に応じた変形を示す変形情報を記憶するものである。当該変形情報は、予め実験やシミュレーション等によって求められて記憶部６１に記憶保持される。
　形状情報補正部６２は、走査装置２（位置検出部１１）で検出され、位置情報取得部１６が取得した光学プローブ３の位置情報を、記憶部６１に記憶された保持部材５５の変形情報に基づいて補正するとともに、補正した光学プローブ３の位置情報と、形状情報取得部１４で取得された形状情報とを関連づける。
　従って、本実施形態の形状測定装置１においては、上記第１実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、回転駆動部５３の回転により保持部材５５に歪、撓み等の変形が生じ、光学プローブ３の位置情報に誤差が生じる虞がある場合でも、当該変形に応じて光学プローブ３の位置情報を補正することが可能となり、高精度の形状情報測定を継続して実施することが可能となる。
（第４実施形態）
　次に、形状測定装置１の第４実施形態について、図１１を参照して説明する。
　この図において、図１０に示す第３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。
　上記第３実施形態では、予め保持部材５５の変形情報を求めて記憶しておき、当該変形情報を用いて光学プローブ３の位置情報を補正する構成としたが、本実施形態では、保持部材５５の変形情報を検出するために、保持部材５５に歪ゲージ等の歪検出部１７を変形検出部として設けている。また、本実施形態における制御装置４は、歪検出部１７の検出結果を取得する歪情報取得部６３を備えている。
　本実施形態の形状測定装置１では、形状情報の測定時に、歪検出部１７によって検出された保持部材５５の変形情報を用いて、形状情報補正部６２が位置情報取得部１６で取得された光学プローブ３の位置情報を補正するとともに、補正した光学プローブ３の位置情報と、形状情報取得部１４で取得された形状情報とを関連づける。
　従って、本実施形態の形状測定装置１においては、上記第３実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、事前に求めた保持部材５５の変形情報が温度、湿度等の環境変化で異なる値を示す状態であっても、環境に応じた高精度の形状情報測定を実施することが可能となる。
（第５実施形態）
　次に、形状測定装置１の第５実施形態について、図１２を参照して説明する。
　この図において、図１１に示す第４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。
　上記第４実施形態では、検出された保持部材５５の変形情報を用いて形状情報補正部６２が光学プローブ３の位置情報を補正し、補正した光学プローブ３の位置情報と、形状情報取得部１４で取得された形状情報とを関連づける構成としたが、本実施形態では、図１２に示すように、歪情報取得部６３が取得した保持部材５５の変形情報と、位置情報取得部１６が取得した光学プローブ３の位置情報とを用いて、位置情報補正部６４が光学プローブ３の位置情報を補正し、形状情報取得部１４は、撮像画像取得部１５が取得した画像と、補正された光学プローブ３の位置情報を関連付ける。
　従って、本実施形態でも、上記第４実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。
（第６実施形態）
　次に、形状測定装置１の第６実施形態について、図１３を参照して説明する。
　この図において、図１～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。
　本実施形態では、例えば、保持部材５５の回転動作時に生じる振動に応じて、撮像装置９による撮像を制御する構成について説明する。
　具体的には、図１３に示すように、本実施形態の形状測定装置１は、保持部材５５の振動情報を検出する振動検出部１８を備えている。また、制御装置４は、振動検出部１８で検出された振動情報を取得する振動情報取得部６５と、取得された振動情報を判定する振動判定部６６、振動判定部６６の判定結果に応じて撮像装置９を制御する撮像制御部６７を備えている。
　上記構成の形状測定装置１において、回転動作等で保持部材５５に生じた振動の情報は、振動検出部１８及び振動情報取得部６５を介して振動判定部６６に出力される。振動判定部６６、保持部材５５の振動が所定のしきい値を超えているかを判定し、しきい値を超えていない場合には撮像装置９による撮像処理を実行させ、しきい値を超えている場合には、振動が所定範囲内に減衰してしきい値に達するまで、撮像装置９による撮像処理を待機させ、しきい値に達したところで撮像装置９による撮像処理を実行させる。
　このように、本実施形態では、上記第１実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、回転動作等で生じる振動の悪影響を排除した状態で、高精度の形状情報の測定を実施することが可能になる。
　なお、上記のように、振動の情報に応じて撮像処理の実行を制御する手順の他に、例えば、振動が生じた場合に生じる物体Ｍの形状情報の誤差情報を、振動の情報と関連付けて予め計測してテーブルとして保存しておき、振動検出部１８及び振動情報取得部６５により取得された振動情報に基づいてテーブルを参照し、当該振動情報に対応する誤差情報に基づいて、測定された物体Ｍの形状情報を補正する手順としてもよい。
　この手順によっても、回転動作等で生じる振動の悪影響を排除した状態で、高精度の形状情報の測定を実施することが可能になる。
　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１４を参照して説明する。
　図１４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１５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１５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、上記実施形態では、光源１２から発せられた照明光束Ｌが出射する第１方向と、物体Ｍで反射した照明光束Ｌが結像光学系２１に入射する第２方向とを含む面に対して回転軸線５３ａが直交する状態で形状情報を測定する構成としたが、物体Ｍの表面形状によっては、例えば、回転軸線５３ａ周りに光学プローブ３を回転した後に、図８に示されるように、回転駆動部５４の駆動により、保持部材５５の第１保持部５５Ａと平行な軸回りに光学プローブ３を所定角度（例えば、図５と図６との間の差に示されるように９０度）回転させた状態で形状情報を測定する構成としてもよい。このように、回転駆動部５４の駆動による光学プローブ３の回転動作も併用することにより、物体Ｍの種々の表面形状にも一層対応することが可能となる。
　また、上述実施形態では光学プローブ３として、ライン光を照射し、被検物から反射するライン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、特許文献２に記載され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。
　１…形状測定装置、　２…走査装置、　３…光学プローブ（プローブ）、　４…制御装置、　１１…位置検出部、　１２…光源、　１３…照明光学系、　１４…形状情報取得部（演算部）、　１７…歪検出部（変形検出部）、　２０…撮像素子、　２０ａ…受光面、　２１…結像光学系、　２１ａ…物体面、　５３…回転駆動部（回転機構、駆動部）、　５３ａ…回転軸線（回転軸）、　５４…回転駆動部（第２の回転機構）、　５５…保持部材（保持部）、　５５Ａ…第１保持部（第１部分）、　５５Ｂ…第２保持部（第２部分）、　６０…直動機構（距離変更機構）、　６２…位置情報補正部（補正部）、　２０３…成形装置、　２０４…制御装置、　Ｍ…物体（被検物）

Claims (17)

  1. 　被検物の形状を測定する形状測定装置であって、
    　前記被検物に光を照射する照射光学系と、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブと、
    　前記プローブを前記被検物の周囲で回転させる回転機構と、
    　前記回転機構の回転軸と離れた距離に配置され、前記プローブを保持し、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変える保持部と、
    　前記撮像素子で検出する信号を用いて、前記被検物の形状情報を算出する演算部と、
    　を備える形状測定装置。
  2. 　前記光として、前記回転軸を通るライン光を照射し、前記回転軸を中心に前記プローブを回転する請求項１に記載の形状測定装置。
  3. 　前記回転機構は、前記回転軸を中心に１８０°以上、前記プローブを回転させる請求項１又は２に記載の形状測定装置。
  4. 　さらに前記回転機構を、第１の方向もしくは前記第１の方向に直交する第２の方向、もしくは、前記第１、第２の方向とがなす平面と直交する第３の方向のいずれか１つの方向に移動可能にする、移動機構を備える請求項１～３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
  5. 　さらに、前記回転軸に中心に回転させるモータと、
    　前記モータの回転角度を読み取る角度読み取り部と、
    　前記モータの回転に伴い、前記保持部を回転させる保持部材と、を備える請求項１～４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
  6. 　さらに、前記保持部材の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正する補正部と、を備える請求項１～５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
  7. 　前記補正部は、前記保持部材の姿勢に応じた前記保持部材の変形情報を記憶する記憶部を、さらに備え、前記補正部は、前記保持部材の回転に伴う、前記保持部材の姿勢を算出し、前記算出結果に基づいて前記記憶部が記憶する変形情報を用い、前記被検物の形状情報を補正する請求項６に記載の形状測定装置。
  8. 　前記補正部は、前記保持部材の振動を検出する振動検出部を備え、
    　前記振動検出部の検出する前記保持部材の振動に基づいて、前記被検物の形状情報を補正する請求項６または７に記載の形状測定装置。
  9. 　前記保持部材は、
    　前記回転機構に接続され、前記回転軸と直交する方向に延びる第１部材と、
    　前記第１部材に接続され、前記回転軸に平行な方向に延びて前記プローブを保持する第２部材と、を備える請求項５～８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
  10. 　さらに、前記プローブと前記回転軸との距離が変える、距離変更機構を備える請求項１～９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
  11. 　さらに、前記被検物を保持するステージと、
    　前記ステージを移動させる、移動機構と、を備え、
    前記移動機構は前記ステージを、第１の方向、もしくは前記第１の方向に直交する第２の方向、もしくは、前記第１、第２の方向とがなす平面と直交する第３の方向のいずれか１つの方向に移動可能にする、もしくは、第１、２、３軸を中心に回転可能にする、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のいずれか一項記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. 　被検物の形状を測定する形状測定装置に用いられるステージ装置であって、
    　前記被検物に光を照射する照射光学系と、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブを、前記被検物の周囲で回転させる回転機構と、
    　前記回転機構の回転軸と離れた距離に配置され、前記プローブを保持し、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変える保持部と、を備えるステージ装置。
  14. 　被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
    　前記被検物に光を照射する照射光学系と、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブから、前記被検物に光を照射し、前記被検物で反射する光を前記撮像素子で受光し、前記撮像素子からの信号を検出することと、
    　前記プローブの前記被検物の周囲で回転させる回転軸と離れた位置に配置されるプローブを、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変えることと、を含む形状測定方法。
  15. 　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１４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。
  16. 　コンピュータに、
    　被検物に照射する光を照射する照射光学系と、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブが前記被検物の周囲で回転され、かつ前記プローブと前記プローブの回転の回転軸とが離れ前記プローブが回転し、前記プローブにより前記撮像素子からの信号を検出することと、
    　前記検出される信号を用いて、前記被検物の形状情報を取得することと、を実行させるプログラム。
  17. 　請求項１６に記載のプログラムを記録した、コンピュータが読み取り可能な記録媒体。
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