JP2014089062A - 形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、及び形状測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる。
【解決手段】形状測定装置は、測定光を生成する測定光生成部と、生成された測定光を反射する反射部と、反射部を共振によって揺動させることにより、反射部が反射した測定光を測定対象の測定領域に照射させる揺動部と、測定光が照射された測定領域からの反射光を検出する検出部と、検出された反射光に基づいて、測定対象の三次元形状を測定する測定部と、揺動する反射部の揺動状態を監視する監視部と、監視された揺動状態に基づいて、測定光が測定領域において所定の状態となるように測定光生成部と揺動部との少なくとも一方を制御する制御部とを備える。
【選択図】図１

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、構造物製造方法、及び形状測定プログラムに関する。

測定対象の面形状（三次元形状）を非接触で測定する手法として、例えば位相シフト法によるパターン投影型の形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この形状測定装置では、正弦波状の強度分布によって生じる格子パターンを有する測定光を測定対象上に投影し、その格子パターンの位相を一定ピッチで変化させながら測定対象を繰り返し撮像する。これによって得られた複数の撮像画像（輝度変化データ）を所定の演算式に当てはめることで、測定対象の面形状に応じて変形した格子パターンの位相分布（位相画像）を求め、その位相画像をアンラップ（位相接続）してから、測定対象の高さ分布に換算する。このようにして、形状測定装置は、撮像した複数の撮像画像から測定対象の三次元形状データを生成する。ところで、上述のような形状測定装置には、光源からの光を所定の周期で揺動する反射鏡によって反射させて、反射させた光を測定光として測定対象上に投影する構成のものがある。このような構成の形状測定装置においては、所定の周波数による正弦波状の強度変化を有する光源と、この周波数に同期して揺動する反射鏡とを備えて、所定の周波数に応じた格子パターンを測定対象上に投影する構成のものがある。

米国特許第５４５０２０４号明細書

しかしながら、上述のような構成の形状測定装置においては、温度や気圧の変化、経時的な部品の劣化などの原因により、光源の強度変化の周波数と、反射鏡の揺動の周波数とが同期しなくなることがある。また、上述のような構成の形状測定装置においては、反射鏡をＬＣ共振回路の共振などによって揺動させることがあるが、揺動の固有振動数が変化すると反射鏡の振幅が変化してしまうことがある。このように、反射鏡の揺動の状態が変化してしまうと、測定光の格子パターンのピッチが変化してしまい、この場合には測定精度が低下してしまうという問題があった。つまり、上述のような構成の形状測定装置においては、温度や気圧の変化、経時的な部品の劣化などの原因により、測定精度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、及び形状測定プログラムを提供することにある。

本発明の一実施形態は、測定光を生成する測定光生成部と、生成された前記測定光を反射する反射部と、前記反射部を共振によって揺動させることにより、前記反射部が反射した前記測定光を測定対象の測定領域に照射させる揺動部と、前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出する検出部と、検出された前記反射光に基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定する測定部と、揺動する前記反射部の揺動状態を監視する監視部と、監視された前記揺動状態に基づいて、前記測定光が前記測定領域において所定の状態となるように前記測定光生成部と前記揺動部との少なくとも一方を制御する制御部とを備える形状測定装置である。

また、本発明の一実施形態は、測定光を生成する測定光生成部と、生成された前記測定光を反射する反射部と、前記反射部を共振によって揺動させて、前記反射部が反射した前記測定光を測定対象の測定領域に照射する揺動部と、前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出する検出部と、前記揺動する前記反射部の揺動状態を監視する監視部と、前記検出部が検出した前記反射光と、前記監視部が監視した前記揺動状態とに基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定する測定部とを備える形状測定装置である。

また、本発明の一実施形態は、構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する設計装置と、前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、作成された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する上述の形状測定装置と、前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物設計情報とを比較する検査装置とを含む構造物製造システムである。

また、本発明の一実施形態は、反射部を共振によって揺動させて、前記反射部が反射した測定光を測定対象の測定領域に照射し、前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出し、検出された前記反射光に基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定し、揺動する前記反射部の揺動状態を監視し、監視された前記揺動状態に基づいて、前記測定光が前記測定領域において所定の状態となるように前記共振状態を制御する形状測定方法である。

また、本発明の一実施形態は、反射部を共振によって揺動させて、該反射部で反射した測定光を測定対象の測定領域に照射し、前記揺動する前記反射部の揺動状態を監視し、前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出し、前記監視された揺動状態と前記検出された反射光に基づいて前記測定対象の三次元形状を測定する形状測定方法である。

また、本発明の一実施形態は、構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する工程と、前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する工程と、作成された前記構造物の形状を、上述の形状測定方法を用いて生成した撮像画像に基づいて測定する工程と、前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物設計情報とを比較する工程とを含む構造物製造方法である。

また、本発明の一実施形態は、測定光を生成する測定光生成部と、生成された前記測定光を反射する反射部とを備える形状測定装置が備えるコンピュータに、前記反射部を共振によって揺動させて、前記反射部が反射した前記測定光を測定対象の測定領域に照射し、前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出し、検出された前記反射光に基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定し、揺動する前記反射部の振動状態を監視し、監視された前記振動状態に基づいて、前記測定光が前記測定領域において所定の状態となるように前記共振の状態を制御させるための形状測定プログラムである。

本発明によれば、形状測定装置は、三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる。

本発明の第１の実施形態による形状測定装置の構成例を示すブロック図である。 本実施形態における照射部の概略構成の一例を示す構成図である。 本実施形態における照射部が初期位相を９０度ずつシフトさせて照射光を投影した測定対象の一例を示す模式図である。 本実施形態における測定対象の形状の一例を示す構成図である。 本実施形態における照射光が照射された状態の測定対象の一例を示す模式図である。 本実施形態の生成部が生成する測定対象の三次元形状を示すデータの一例を示す図である。 本実施形態の光学系の構成の一例を示す模式図である。 本実施形態の光学系が備えるレンズの配置の一例を示す模式図である。 本実施形態の形状測定装置が走査ミラーの揺動状態を制御する構成の一例を示す構成図である。 本実施形態の形状測定装置が走査ミラーを揺動させた場合の振る舞いの一例を示す波形図である。 本実施形態の変形例による形状測定装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態による形状測定装置を含む構造物製造システムの構成例を示すブロック図である。 本実施形態における構造物製造方法の一例を示すフローチャートである。

［第１の実施形態］
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による形状測定装置１０の構成を示すブロック図である。形状測定装置１０は、撮像部１１と、照射部１２と、受付部１５と、出力部１６と、照射制御部１８と、測定制御部２０と、記憶部２６と、監視部２７と、揺動部２８とを備え、位相シフト法により測定対象Ｍの三次元形状を測定するコンピュータ端末である。本実施形態では、形状測定装置１０は、Ｎバケット法に基づく初期位相の異なる複数の縞（格子）状の明暗パターンが測定対象Ｍに投影された像を撮像し、それぞれの像における同一画素の信号強度（例えば、輝度値やMAX(R,G,B)値などに代表される明度値など）に基づいて、測定対象Ｍの形状測定を行う。

［形状測定装置１０の構成］
以下、この形状測定装置１０が備える各部の構成について説明する。
受付部１５は、ユーザから入力される操作を受け付け、受け付けた操作に基づいて、操作を示す情報（操作指示情報）を出力する。例えば、受付部１５は、主電源のオンとオフとを切替えるための電源釦、及び撮像処理開始の指示を受け付けるレリーズ釦等の操作部材を備えている。または、受付部１５はタッチパネルにより、これらの指示等を受け付けることもできる。具体的には、受付部１５は、レリーズ釦が全押し状態にされることよって、全押し状態に対応する操作を受け付ける。同様に、受付部１５は、レリーズ釦が半押し状態にされることよって、半押し状態に対応する操作を受け付ける。ここで、レリーズ釦の全押し状態とは、レリーズ釦が所定の位置まで押し込まれた状態であり、レリーズ釦の半押し状態とは、非操作状態の位置とレリーズ釦が全押し状態の位置の中間に設定された位置まで押し込まれた状態である。受付部１５は、レリーズ釦が半押し状態にされる操作を受け付けると、受け付けた操作に基づいて、レリーズ釦の半押し状態を示す情報を操作指示情報として出力する。同様に、受付部１５は、レリーズ釦が全押し状態にされる操作を受け付けると、受け付けた操作に基づいて、レリーズ釦の全押し状態を示す情報を操作指示情報として測定制御部２０へ出力する。

照射部１２は、後述する照射制御部１８が出力する照射制御信号に応じて、明暗パターンに対応する強度分布を有する照明光を測定対象に照射する。この照射部１２は、照射する照明光の光軸ＡＸ１と撮像部１１の撮像軸ＡＸ２とが、測定対象Ｍの位置において所定の角度θをなすようにして、照明光を照射する。つまり、照射部１２は、撮像部１１が撮像している方向と異なる方向から、明暗パターンに対応する強度分布を有する照明光を測定対象に照射する。この照射部１２の詳細な構成について、図２を参照して説明する。

図２は、本実施形態における照射部１２の概略構成を示す構成図である。照射部１２は、光源２２と、コリーメートレンズ２３と、シリンドリカルレンズ２４と、投影レンズ２４−１と、走査ミラー２５と、揺動部２８とを備えている。
光源２２は、レーザ光源を備えており、後述する照射制御部１８が出力する照射制御信号に応じた強度の光を発する。すなわち光源２２は、測定光を発生する。

コリーメートレンズ２３、シリンドリカルレンズ２４、及び投影レンズ２４−１は、光源２２が発する光（測定光）を、光の照射方向（図２の方向Ｄ１）に対して直交する方向（図２の方向Ｄ２）に長手方向を有するライン状の測定光に変換する。

揺動部２８は、走査ミラー２５を共振によって揺動させて、走査ミラー２５が反射した測定光を測定対象Ｍ（測定対象）の三次元形状の測定領域に照射する。

走査ミラー２５は、生成された測定光を反射する。この走査ミラー２５とは、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーである。走査ミラー２５は、揺動部２８からの信号によって揺動することにより、ライン状となった測定光を、光束の長手方向に対して垂直方向（図２の方向Ｄ３）に走査する。

具体的には、光源２２は、後述する照射制御部１８が出力する照射制御信号に応じて、レーザ光の強度を変調し、変調した強度の光を図２に示す方向Ｄ１に発する。同時に、揺動部２８は、走査ミラー２５を揺動させて、照射制御部１８が出力する照射制御信号に応じて、逐次偏向方向を変える。これにより、測定対象Ｍの表面上には、格子状の明暗パターン（格子パターン）が投影される。すなわち、照射部１２は、光源２２から照射されるレーザ光を光軸方向と垂直方向のある一方向（図２の方向Ｄ４）に延びるライン状の測定光に整形する。また、照射部１２は、光軸方向及びライン状の光強度分布の長手方向の両方に垂直な方向（図２の方向Ｄ３）に、ライン状の測定光を、強度変化をさせながら走査する。ここでは、照射部１２は、走査方向に正弦波状の輝度変化をもつ縞模様（正弦格子）のパターン光を形成する。このようにして、照射部１２は、測定対象Ｍに格子パターンの照射光を投影する。なお、ここではレーザ光源が発する光をＭＥＭＳ技術を用いて照明光として投影する例を示したが、照射部１２は、液晶プロジェクタにより照明光を投影することもできる。次に、照射部１２が照射する照明光の初期位相について、図３を参照して説明する。

図３は、本実施形態における照射部１２が初期位相を９０度ずつシフトさせて照射光を投影した測定対象Ｍの一例を示す模式図である。図３（ａ）は、初期位相が０度である照射光により測定対象Ｍの表面上に投影される明暗パターンＡを示している。同様に、図３（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、初期位相が９０度である明暗パターンＢ、初期位相が１８０度である明暗パターンＣ、初期位相が２７０度である明暗パターンＤを示している。一例として、Ｎバケット法においてＮ＝５の場合、つまり５バケット法の場合には、撮像部１１は、明暗パターンＡから明暗パターンＤまで及び、再び明暗パターンＡが順次投影されている測定対象Ｍを、順次撮像して５枚の撮像画像を生成する。同様に、Ｎバケット法においてＮ＝７の場合、つまり７バケット法の場合には、撮像部１１は、明暗パターンＡから明暗パターンＤまで及び明暗パターンＡから明暗パターンＣまでが順次投影されている測定対象Ｍを、順次撮像して７枚の撮像画像を生成する。ここで、撮像の順序は、必ずしも明暗パターンＡ、明暗パターンＢ、明暗パターンＣ、明暗パターンＤ、明暗パターンＡの順序でなくてもよい。例えば、撮像の順序は、明暗パターンＡ、明暗パターンＤ、明暗パターンＣ、明暗パターンＢ、明暗パターンＡの順序にすることもできる。

再び、図１に戻って、形状測定装置１０の構成について説明する。
記憶部２６には、照射部１２が照射する光の明暗パターンを示す情報と、初期位相を示す情報とが関連付けられて予め記憶されている。具体的には、記憶部２６には、光源２２のレーザ光の変調強度と変調周波数、及び走査ミラー２５の偏向方向の変化の周波数を設定する情報が、明暗パターンＡを示す情報として、明暗パターンＡの初期位相（０度）に関連付けられて予め記憶されている。同様に、記憶部２６には、明暗パターンＢを示す情報が、明暗パターンＢの初期位相（９０度）に、明暗パターンＣを示す情報が、明暗パターンＣの初期位相（１８０度）に関連付けられて、明暗パターンＤを示す情報が、明暗パターンＤの初期位相（２７０度）に関連付けられて、それぞれが予め記憶されている。また、記憶部２６には、撮像部１１により生成された撮像画像データや、後述する生成部１４が生成した測定対象の三次元形状を示すデータが記憶される。

照射制御部１８は、予め定められている照射部１２の明暗パターンに基づいて、照射部１２の光源２２及び走査ミラー２５を制御する。具体的には、受付部１５がレリーズ釦の半押し状態を示す情報を出力すると、照射制御部１８は、記憶部２６に記憶されている撮像条件（シャッター速度など）を決めるための一定強度（無変調）に対応した情報を取得する。次に照射制御部１８は、取得した撮像条件を決めるための情報に基づいて、光源２２のレーザ光の強度及び走査ミラー２５の偏向方向の変化の周波数を制御して、撮像条件を決めるための照射を行う。次に、受付部１５がレリーズ釦の全押し状態を示す情報を取得すると、照射制御部１８は、記憶部２６に記憶されている照射部１２の明暗パターンのうちから、明暗パターンＡの初期位相（０度）に関連付けられている明暗パターンを示す情報を、明暗パターンＡを示す情報としてバス２１を介して読み出す。次に、照射制御部１８は、読み出した照射部１２の明暗パターンＡを示す情報に基づいて、光源２２のレーザ光の変調強度と変調周波数及び走査ミラー２５の偏向方向の変化の周波数を制御して、明暗パターンを設定し、明暗パターンＡの照明光を測定対象Ｍに照射する。同様にして、照射制御部１８は、記憶部２６に記憶されている照射部１２の明暗パターンのうちから、明暗パターンＢ〜Ｄを示す情報としてバス２１を介して順次読み出す。次に、読み出した照射部１２の明暗パターンＢ〜Ｄを示す情報に基づいて、光源２２のレーザ光の変調強度と変調周波数及び走査ミラー２５の偏向方向の変化の周波数をそれぞれ設定し、それぞれの明暗パターンの照明光を測定対象Ｍに照射する。このようにして、照射制御部１８は、順次読み出した明暗パターンＡ〜Ｄに対応する強度分布を有する照明光を設定することにより、測定対象Ｍに照射される照明光の明暗パターンを制御する。

撮像部１１は、後述する撮像制御部１９が出力する撮像制御信号に応じて、測定対象Ｍの像を撮像するとともに、撮像したデータをＲＡＷデータである撮像画像データとして出力する。また、撮像部１１は、照射部１２と連動して動作し、照射部１２によって測定対象Ｍに照明光が投影されるタイミングに合わせて撮像処理を行う。具体的には、撮像部１１は、照射部１２によってＮバケット法に基づく初期位相の異なる複数の縞（格子）状の明暗パターンが測定対象Ｍに投影された像を、後述する明暗パターンの初期位相毎に撮像した複数の撮像画像データを生成する。すなわち、撮像部１１は、測定光が照射された測定領域からの反射光を検出する。

測定制御部２０は、生成部１４と、撮像制御部１９とを備えており、撮像部１１によって検出された反射光に基づいて、測定対象Ｍ（測定対象）の三次元形状を測定する。以下、これら各部の構成について説明する。

撮像制御部１９は、予め定められている撮像タイミングに基づいて、撮像部１１の撮像タイミングを制御する。具体的には、受付部１５がレリーズ釦の半押し状態を示す情報を出力すると、撮像制御部１９は、受付部１５からバス２１を介して半押し状態を示す情報を取得する。次に、撮像制御部１９は、半押し状態を示す情報を取得すると、撮像条件（シャッター速度など）を決める動作を行う。次に受付部１５がレリーズ釦の全押し状態を示す情報を取得すると、撮像制御部１９は、バス２１を介して照射制御部１８が設定した明暗パターン（初期位相）を読み出すとともに、読み出した明暗パターンが変化する毎に、撮像制御信号を撮像部１１に出力する。このとき、撮像部１１は、照射制御部１８が設定する明暗パターン毎に、測定対象を撮像した撮像画像データを生成する。つまり、撮像部１１は、入力される撮像操作に応じて、測定対象Ｍを撮像した撮像画像データを生成する。

生成部１４は、撮像部１１が生成した撮像画像データに基づいて、測定対象Ｍの三次元形状を示すデータを生成する。具体的には、測定対象Ｍの各位置の座標値を算出する。すなわち、生成部１４は、撮像部１１により初期位相が異なる複数の格子パターンが投影された測定対象Ｍが撮像された複数の撮像画像データに基づいて、測定対象Ｍの各位置の座標値を算出する。つまり、既知の位相シフト法によって測定対象Ｍの三次元形状を示すデータ（点群データ）を生成する。

このようにして、生成部１４は、撮像部１１が明暗パターンの種類（つまり、明暗パターンＡ〜Ｄ）毎に測定対象Ｍを撮像して生成する複数の撮像画像データに基づいて、測定対象Ｍの三次元形状を示すデータを生成する。

出力部１６は、情報を画像として表示するディスプレイや、情報を音として出力するスピーカを備えており、三次元形状の測定結果を出力する。

監視部２７は、揺動する走査ミラー２５の共振状態を監視する。また、このとき、照射制御部１８は、監視部２７によって監視された共振状態に基づいて、測定光が測定領域において所定の状態となるように共振状態を制御する。ここで、所定の状態とは、測定光の明暗パターンのピッチが一定になっている状態を含む。この監視部２７および照射制御部１８の構成の詳細については後述する。なお、明暗パターンのピッチとは明暗パターンの空間周波数の逆数の関係となる。

［測定対象Ｍの三次元形状を測定する構成］
次に、図４から図６を参照して、形状測定装置１０が、測定対象Ｍの三次元形状を測定する構成の一例を説明する。
図４は、測定対象Ｍの形状の一例を示す図である。測定対象Ｍは、図４（ａ）に示す側面形状及び正面形状を有している。また、この測定対象Ｍは、図４（ｂ）に示す形状を有している。以下、形状測定装置１０が、この図４に示す形状を有する測定対象Ｍの三次元形状を測定する構成について説明する。

図５は、本実施形態の照射部１２が図４に示す測定対象Ｍに対して、図３に示す照射光を照射した場合に、測定対象Ｍの表面に現れる明暗パターンを示している。ここで、図５（ａ）は、初期位相（０度）の照明光が測定対象Ｍに照射されて、測定対象Ｍの表面に明暗パターンＡが現れた状態を示している。同様に、図５（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ初期位相（９０度）、初期位相（１８０度）及び初期位相（２７０度）の照明光が測定対象Ｍに照射されて、測定対象Ｍの表面に明暗パターンＢ〜Ｄが現れた状態を示している。このように、照射部１２は、撮像部１１によって撮像される撮像画像データが、測定対象Ｍに明暗パターンが投影された画像として撮像されるように、明暗パターンＡ〜Ｄに対応する強度分布を有する照明光を測定対象Ｍに照射する。

次に、図６を参照して、生成部１４が生成する測定対象Ｍの三次元形状を示すデータの一例を説明する。
図６は、本実施形態の生成部１４が生成する測定対象Ｍの三次元形状を示すデータの一例を示す図である。生成部１４は、図５（ａ）〜（ｄ）に示す各照射光が照射された測定対象Ｍを撮像部１１が生成した撮像画像データに基づいて、位相シフト法によって測定対象Ｍの三次元形状を示すデータを生成する。次に、図７及び図８を参照して、測定対象Ｍの三次元形状データを生成する構成の詳細について説明する。

図７は、本実施形態の光学系の構成の一例を示す模式図である。
照射部１２は、上述したように、光源２２と、コリーメートレンズ２３、シリンドリカルレンズ２４、投影レンズ２４−１、及び走査ミラー２５により構成されている。なお、以下、光源２２が備える半導体レーザーＬＤの発光部中心を原点とし、光の伝播方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直で半導体レーザーＬＤの発光部長手方向（活性層に平行な方向）をＸ軸、Ｚ軸に垂直で半導体レーザーＬＤの発光部短手方向（活性層に垂直な方向）をＹ軸であるとして説明する。ここで、半導体レーザーＬＤは発光部長手方向をＸ軸方向、短手方向をＹ軸方向に取っているため、半導体レーザーＬＤから放出されるビームの拡がり角は、Ｙ方向に広い拡がり角θｙ、Ｘ方向に狭い拡がり角θｘとなる縦長の楕円状に拡がる。このビームの広がり角の詳細ついては後述する。

コリーメートレンズ２３は前側焦点位置に半導体レーザーＬＤが配置されており、半導体レーザーＬＤから放射された光束はコリーメートレンズ２３により断面が楕円形状を成す略平行光に変換される。コリーメートレンズ２３により断面が楕円形状を成す略平行光に変換された光束はシリンドリカルレンズ２４によりシリンドリカルレンズ２４の後側焦点位置にライン光１次像Ｐを形成する。このとき、シリンドリカルレンズ２４の母線方向はＹ方向、即ち半導体レーザーＬＤの発光部長手方向と直交する方向に配置することが望ましい。このように構成することで、光束の楕円形状を成す断面の長手方向（Ｙ方向）をライン光１次像Ｐのラインの方向と一致させることができるため、充分なラインの長さを得ることが可能になる。また光束の楕円形状を成す断面の短手方向（Ｘ方向）をシリンドリカルレンズ２４の屈折力を有する方向としているためシリンドリカルレンズ２４の球面収差の影響を受けにくい構成とすることが可能となる。

ライン光１次像Ｐは投影レンズ２４−１により不図示の測定対象上に拡大投影され、Ｙ方向に伸びるライン光２次像Ｓを形成する。ここで投影レンズ２４−１は測定対象上にライン光２次像Ｓを明瞭に結像されるためのピント調節機構として、投影レンズ２４−１はＺ方向（光軸方向）にのみ摺動するよう構成されている。

また、投影レンズ２４−１の後側焦点位置近傍ではＹ方向に光束が集光しており、ここに走査ミラー２５が配置されている。ここで、走査ミラー２５は回転軸をＹ方向となるよう配置されており、ライン光２次像Ｓをラインの方向と直交する方向に走査することが可能に構成されている。

半導体レーザーＬＤの発光強度は、不図示の照射制御部１８により制御されている。このように半導体レーザーＬＤからの光を走査ミラー２５により測定対象Ｍに対して走査させるとともに、強度を制御、変調することにより明暗パターン（縞パターン）を測定対象Ｍに対して投影する。投影された明暗パターンは撮影レンズとＣＣＤなどのイメージセンサから構成される不図示の撮像部１１によりライン走査光学系による投影方向とは異なる方向から撮像する。撮像部１１によって撮像された画像データに基づき測定対象Ｍの三次元形状の測定値（点群データ）を算出する。

すなわち、明暗パターンの位相を順次シフトさせて撮像した画像データからその初期位相分布φ（ｘ，ｙ）を求め、求めた位相分布に対して位相接続処理（アンラッピング処理）を行い、連続した初期位相分布を求める。このようにして求めた位相分布より、三角測量の原理を用いて基準面からの高さへの変換を行い、測定対象Ｍの高さ分布を求める。そして撮像された画像の各画素について、基準面からの高さを求め、測定対象Ｍの三次元形状を測定する。

図８は、本実施形態の光学系が備えるレンズの配置の一例を示す模式図である。
図８の光学配置に示すとおり、本実施の形態においてはＸＺ平面においては、ライン光１次像Ｐはコリーメートレンズ２３およびシリンドリカルレンズ２４を介して半導体レーザーＬＤと共役に配置されている。そのため、ライン光１次像Ｐのｘ方向のＰｘは半導体レーザーＬＤの発光部寸法ｄｘに比例する。さらに、ライン光２次像Ｓは投影レンズ２４−１により拡大投影されたライン光１次像Ｐの像であるから、ライン光２次像ＳもＸＺ平面において半導体レーザーＬＤと共役に配置されている。そのため、ライン光２次像Ｓのｘ方向の幅Ｓｘも半導体レーザーＬＤの発光部寸法ｄｘに比例する。前述のとおり、半導体レーザーＬＤの発光部長手方向（活性層に平行な方向）をＸ方向に取っているが、一般に半導体レーザーの発光部長手方向は２０μ乃至１００μ程度の大きさである。この光源の大きさによって測定対象Ｍに投影されるライン光の幅が太くなってしまい、結果として投影される明暗パターンの明瞭さが低下する。

以上を考慮して、半導体レーザーＬＤからの光束を計測に適した細さのライン光に効率的に変換する条件として以下の(式１)を満足するのが望ましい。ここでＮｙは撮像素子上のｙ軸方向の有効画素数、ｆ１はコリーメートレンズ２３の焦点距離、ｆ２はシリンドリカルレンズ２４の焦点距離、ｄｘは半導体レーザーＬＤのｘ方向の発光部寸法、θｙは半導体レーザーＬＤのｙｚ平面内でのビームの拡がり角［ｒａｄ］（全角）である。

あるいは、半導体レーザーＬＤからの光束を計測に適した細さのライン光に効率的に変換する条件として、以下の(式２)を満足することが望ましい。ここでｄｙは半導体レーザーＬＤのｙ方向の発光部寸法、λは半導体レーザーＬＤのレーザー発振波長である。

あるいは、半導体レーザーＬＤからの光束を計測に適した細さのライン光に効率的に変換する条件として、以下の(式３)を満足することが望ましい。ここでθｘは半導体レーザーＬＤのｘｚ平面内でのビームの拡がり角［ｒａｄ］（全角）である。

また、ＭＥＭＳミラー上で半導体レーザーＬＤからの光束がケラレなく効率的に反射し、走査されるために条件として(式４)を満足することが望ましい。ここでＭｘはＭＥＭＳミラーのｘ方向の寸法、φはＭＥＭＳミラーの法線とＺ軸との成す角の最大値［ｒａｄ］である。

［構成例］
以下に撮像部１１が備えるＣＣＤ撮像素子、走査ミラー２５（ＭＥＭＳミラー、反射部）、および光源２２が備える半導体レーザーＬＤの特性を示す。
・ＣＣＤ撮像素子
ｙ軸方向の有効画素数Ｎｙ：１０８８画素
・ＭＥＭＳミラー
ｘ方向の寸法：５．５ｍｍ
ＭＥＭＳミラーの法線とＺ軸との成す角の最大値：６０°（１．０５ｒａｄ）
・半導体レーザー
発振波長：６９０ｎｍ
ビームの拡がり角［ｒａｄ］（全角）
ｘ方向：θｘ＝４°（０．０７ｒａｄ）
ｙ方向：θｙ＝３８°（０．６６ｒａｄ）

このとき、半導体レーザーＬＤからの光束を計測に適した細さのライン光に効率的に変換する条件として(式３)からコリーメートレンズ２３の焦点距離ｆ１、シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ２を以下の（式５）を満足するよう構成すればよい。

また、ＭＥＭＳミラー上で半導体レーザーＬＤからの光束がケラレなく効率的に反射し、走査されるために条件として(式４)からコリーメートレンズ２３の焦点距離ｆ１、シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ２、投影レンズの焦点距離ｆ３を以下の（式６）を満足するよう構成すればよい。

例えば、コリーメートレンズ２３の焦点距離ｆ１、シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ２、投影レンズの焦点距離ｆ３を以下のように構成すればよい。
・コリーメートレンズ２３の焦点距離ｆ１＝３０ｍｍ
・シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ２＝４０ｍｍ
・投影レンズの焦点距離ｆ３＝２０ｍｍ

［ビーム拡がり角の説明］
半導体レーザーＬＤのビームの拡がり角（全角）θ［ｒａｄ］は、発光する発光部の形状と光の回折によって決まり、発振波長（λ）/ビーム口径（ｄ）に比例し（式７）で与えられることが知られている。

半導体製造工程では、活性層の厚みはnmオーダーで作られるが電極はμmオーダーである。そのため光が誘導放射される領域は活性層に平行な方向に長く、垂直な方向（活性層の厚み方向）に短い矩形になっている。一方、ビームの広がりは（式７）により垂直方向に広く平行方向に狭い縦長の楕円状に拡がる。
いま、半導体レーザーＬＤの発光部がｘ軸方向にｄｘ、y軸方向にｄｙの矩形形状であるとすると、（式７）よりｘｚ平面内でのビームの拡がり角θｘ、ｙｚ平面内でのビームの拡がり角θｙはそれぞれ(式８)、(式９)で与えられる。

いま、照射面におけるライン光の走査領域（すなわち被測定領域）をｘ軸方向にＲｘ、ｙ軸方向にＲｙとするとアスペクト比Ａは(式１０)で与えられる。

ここで、撮像するカメラの撮像素子のｘ、ｙ方向それぞれの画素ピッチが等しい場合、撮像素子上の有効画素数をｘ軸方向Ｎｘ、ｙ軸方向Ｎｙとすると、（式１１）が成立する。

また、Ｒｙは投影されるライン光２次像Ｓのｙ方向の長さＳｙにほかならないので、（式１２）が成立する。

また、ライン光２次像Ｓはライン光一次像Ｐを投影レンズにより拡大投影したものであることから、ライン光２次像Ｓとライン光一次像Ｐは概ね相似形状をなしており、(式１３)が成立する。

このとき、試料に投影されるライン光２次像Ｓの幅Ｓｘは形状測定のために充分に必要充分に細く集光されていなければならない。すなわち、ライン光２次像Ｓの幅Ｓｘは(式１４)で表されるとおり、撮像系により撮像素子上に結像する際に画素サイズ程度となるように集光されるよう構成するのが望ましい。

以上、(式１１)、(式１２)、(式１４)より以下の通り(式１５)が導かれる。

(式１５)、(式１１)を（式１３）に代入して、次の(式１６)が導かれる

一方で、ライン光一次像Ｐの形状を半導体レーザーＬＤの発光部の形状、ビームの拡がり角、および各レンズの構成から考える。図８に示すとおり、ＸＺ平面内においては半導体レーザーＬＤとライン光一次像Ｐはコリーメートレンズ２３およびシリンドリカルレンズを介して共役であり、半導体レーザーＬＤの発光部は倍率βで結像している。したがって、（式１７）が成立する。

すなわち、半導体レーザーＬＤの発光部のｘ軸方向の寸法ｄｘとライン光１次像Ｐのｘ方向の幅さＰｘには以下の(式１８)の関係が成り立つ。

また、ＹＺ平面内においては半導体レーザーＬＤから拡がり角θｙで放射された光はコリーメートレンズ２３によりライン光１次像Ｐのｙ方向の長さＰｙの幅の略平行光に変換される。このとき拡がり角θｙとライン光１次像Ｐのｙ方向の長さＰｙには、周知の正弦条件の式より以下に示す(式１９)の関係が成り立つ。

(式１６)に(式１８)、(式１９)を代入すると

ここで(式２０)は投影されるライン光２次像Ｓの幅Ｓｘが撮像素子上に結像する際に１画素程度に集光する条件を示している。実際の三次元形状測定装置においては画像処理を行うためにはラインの太さは撮像素子上で５画素以下が望ましい。一方で撮像素子上１画素の半分以下に細く集光したとしても、計測精度の向上は望めない。即ち、半導体レーザーＬＤからの光束を計測に適した細さのライン光に効率的に変換する条件として(式１)を満足するのが望ましい。

なお、(式１)は(式８)、(式９)の関係式から、（式２）に書き換えることもできる。

ｘｚ平面内でのビームの拡がり角θｘ、ｙｚ平面内でのビームの拡がり角θｙ、発光部寸法ｄｘ、ｄｙ、ならびに発振波長λは、半導体レーザーＬＤの仕様として、撮像素子ｙ方向の有効画素数Ｎｙは撮像素子の仕様としてそれぞれ確認することができる。コリーメートレンズ２３およびシリンドリカルレンズの焦点距離ｆ１、ｆ２を適切に選択することで(式１)（もしくは(式２)、(式３)）を満足するよう構成することが望ましい。

前述のとおり、ＸＺ平面内においては半導体レーザーＬＤとライン光一次像Ｐはコリーメートレンズ２３およびシリンドリカルレンズを介して共役であり、半導体レーザーＬＤの発光部は(式１７)で表される倍率βで結像している。ここで、半導体レーザーＬＤ発光点におけるｘｚ平面内でのビームの拡がり角θｘおよびライン光一次像Ｐにおけるｘｚ平面内でのビームの拡がり角θｘ′の間には(式２１)の関係が成り立つ。

したがって、次の（式２２)が成り立つ。

ここで、ＭＥＭＳミラー上で半導体レーザーＬＤからの光束にケラレなく効率的に反射し、走査するために、ＭＥＭＳミラー上でのレーザー光束の広がりは、ＭＥＭＳミラーの形状のＸＹ平面への射影よりも小さくなければならない。ｘｚ平面内において、ライン光一次像Ｐにおけるｘｚ平面内でのビームの拡がり角θｘ′、投影レンズの焦点距離ｆ３、ＭＥＭＳミラーのｘ方向の寸法Ｍｘ、ＭＥＭＳミラーの法線とＺ軸との成す角の最大値をφとすると、(式２３)であらわされる条件を満足する必要がある。（ライン光２次像Ｓから投影レンズ２４−１までの距離は、ライン光１次像Ｐから投影レンズ２４−１までの距離に比べ十分に長いため、ライン光１次像から投影レンズ２４−１までの距離は投影レンズ２４−１の焦点距離とほぼ等しくなっている。）

(式２３)に(式２２)を代入して整理すると

一方ｙｚ平面内においては、図８に示すとおりＭＥＭＳミラーは半導体レーザーＬＤと共役に配置されている。そのためｙｚ平面でのＭＥＭＳミラー上でのレーザー光束の広がりはコリーメートレンズ２３の焦点距離ｆ１、投影レンズの焦点距離ｆ３、半導体レーザーＬＤ発光面のｙ軸方向の寸法ｄｙ、ＭＥＭＳミラーのｙ方向の寸法Ｍｙとすると(式２５)で表される条件を満足することが望ましい。

さらに、半導体レーザーＬＤ発光点におけるｙｚ平面内でのビームの拡がり角θｙおよびＭＥＭＳ上におけるｙｚ平面内でのビームの拡がり角（すなわちライン光の投影角）θｙ′の間には(式２６)の関係が成り立つ。

ここで(式２６)の右辺は１を超えることはないので、半導体レーザーＬＤからの光束を有効にライン光に変換し投影するためには(式２７)の条件を満足することが望ましい。

(式２３)、(式２７)よりコリーメートレンズ２３の焦点距離ｆ１、投影レンズの焦点距離ｆ３、ＭＥＭＳミラーのｘ方向の寸法Ｍｘ、ＭＥＭＳミラーの法線とＺ軸との成す角φとすると、(式４)であらわされる条件を満足することが望ましい。

［走査ミラー２５の揺動状態を制御する構成］
次に、図９〜図１０を参照して、形状測定装置１０が、走査ミラー２５の揺動状態を制御する構成について説明する。まず、形状測定装置１０の揺動部２８が、走査ミラー２５を揺動させる構成について説明する。

図９は、本実施形態の形状測定装置１０が走査ミラー２５の揺動状態を制御する構成の一例を示す構成図である。照射制御部１８は、発振部１８−１と、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１８−２と、ゼロクロス検出部１８−３と、電流制御部１８−４と、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）１８−５とを備えている。また、走査ミラー２５は、上述したようにＭＥＭＳによって構成されている。このため、走査ミラー２５の等価回路は、内部抵抗ＲＭとインダクタンスＬＭとの直列回路によって示される。同図に示すように、照射制御部１８、揺動部２８、走査ミラー２５、および監視部２７は、電気回路を構成する。照射制御部１８が揺動部２８を介して走査ミラー２５にパルス状の駆動電流ｉｂを供給すると、インダクタンスＬＭによって逆起電圧Ｖｃが生じる。監視部２７は、この逆起電圧Ｖｃの位相と、駆動電流ｉｂの位相との差に基づいて、走査ミラー２５の共振状態（揺動状態）を監視する。照射制御部１８は、監視部２７が監視した走査ミラー２５の振動状態（共振状態）に基づいて、駆動電流ｉｂの周波数を制御する。走査ミラー２５の共振周波数に近い交番電流である駆動電流ｉｂを供給すると、走査ミラー２５は共振周波数で揺動する。しかし、走査ミラー２５の共振周波数は環境温度等で変動を起こす。駆動電流ｉｂの周波数と走査ミラー２５の共振周波数との差が大きくなると、揺動が不安定になる。そのため、照射制御部１８は、走査ミラー２５が揺動する周波数（揺動周波数）と、パルス状の駆動電流ｉｂの周波数とが一致する（共振状態となる）ように、駆動電流ｉｂの周波数を制御する。この照射制御部１８、揺動部２８、走査ミラー２５、および監視部２７によって構成される電気回路の各部の詳細な振る舞いについて、図１０を参照しつつ説明する。

図１０は、本実施形態の形状測定装置１０が走査ミラー２５を揺動させた場合の振る舞いの一例を示す波形図である。電流制御部１８−４は、ＤＡＣ１８−５を介して揺動部２８に電流を供給する。この揺動部２８は、発振部１８−１が出力する発振信号Ｓｏに基づいてスイッチング動作をおこない、走査ミラー２５に対して、図１０（ｂ）の波形Ｗｉｂによって示されるパルス状の駆動電流ｉｂを供給する。これにより走査ミラー２５は、図１０（ａ）の波形Ｗθによって示される振れ角（走査ミラーに駆動信号を与えない基準状態に対する傾斜角度）によって揺動する。走査ミラー２５が揺動することにより、インダクタンスＬＭの両端には、図１０（ｃ）の波形ＷＶｃによって示される正弦波状の逆起電圧Ｖｃが生じる。監視部２７は、この逆起電圧Ｖｃに駆動電流ｉｂによる電圧が重畳された、図１０（ｄ）の波形ＷＶｄによって示される逆起電圧Ｖｄを取得する。照射制御部１８のＡＤＣ１８−２は、監視部２７が取得した逆起電圧Ｖｄをデジタル値に変換し、ゼロクロス検出部１８−３に供給する。

ゼロクロス検出部１８−３は、逆起電圧Ｖｄのデジタル値がゼロクロスする時刻ｔｚ１、および時刻ｔｚ２を検出する。次に、ゼロクロス検出部１８−３は、検出した時刻ｔｚ１に対応する時刻ｔｓ１において立ち上がり、時刻ｔｚ２に対応する時刻ｔｓ２において立下がる同期信号Ｓｅ（図１０（ｅ）の波形ＷＳｅ）を生成する。

次に、照射制御部１８の電流制御部１８−４は、同期信号Ｓｅの位相と、発振部１８−１の発振信号Ｓｏの位相とに基づいて、発振部１８−１の発振周波数を設定することにより、走査ミラー２５の共振状態を制御する。具体的には、図１０（ｃ）に示すように、電流制御部１８−４は、同期信号Ｓｅが立ち上がる時刻ｔｓ１と駆動電流ｉｂが立ち上がる時刻ｔ２との差（時間ｔＵＰ）を算出する。また、電流制御部１８−４は、駆動電流ｉｂが立ち下がる時刻ｔ３と同期信号Ｓｅが立ち下がる時刻ｔｓ２との差（時間ｔＤＯＷＮ）を算出する。

ここで、駆動電流ｉｂの周波数と、走査ミラー２５の揺動周波数とが一致している場合には、時間ｔＵＰと時間ｔＤＯＷＮとが一致する。すなわち、時間ｔＵＰと時間ｔＤＯＷＮとが一致していることは、走査ミラー２５が駆動電流ｉｂの周波数で共振していることを示している。よって、電流制御部１８−４は、時間ｔＵＰと時間ｔＤＯＷＮとが一致しているか否かによって、走査ミラー２５が共振しているか否かを判定することができる。また、電流制御部１８−４は、時間ｔＵＰと時間ｔＤＯＷＮとが一致していない場合には、時間ｔＵＰと時間ｔＤＯＷＮとが一致するように駆動電流ｉｂの周波数を制御することにより、走査ミラー２５を駆動電流ｉｂの周波数に共振させることができる。このようにして、照射制御部１８は、走査ミラー２５の共振周波数で走査ミラー２５を揺動させる。

以上説明したように、形状測定装置１０は、光源２２と、走査ミラー２５と、揺動部２８と、撮像部１１と、測定制御部２０と、監視部２７と、照射制御部１８とを備えている。このうち揺動部２８は、走査ミラー２５を共振によって揺動させて、走査ミラー２５が反射した測定光を測定対象Ｍの三次元形状の測定領域に照射する。このとき監視部２７は、揺動する走査ミラー２５の共振状態を監視する。また、照射制御部１８は、監視された共振状態に基づいて、測定光が測定領域において所定の状態となるように共振状態を制御する。

形状測定装置１０は、走査ミラー２５の共振周波数により走査ミラー２５を揺動させることにより、走査ミラー２５を一定の周波数によって安定的に揺動させる。走査ミラー２５を一定の周波数によって揺動すれば、測定光の明暗パターン（縞パターン）のピッチが一定になる。なお、走査ミラー２５の振れ角は図１０（ａ）に示すように正弦波状に揺動する。正弦波状の振れ角の角速度がほぼ一定な領域を測定領域に対応させれば、光源２２が生成する測定光の強度を正弦波状に変化させることで測定光の明暗パターン（縞パターン）のピッチが一定にすることができる。測定光の明暗パターン（縞パターン）のピッチが一定になれば、測定対象Ｍの三次元形状の測定結果のばらつきが低減する。このようにして形状測定装置１０は、測定対象Ｍの三次元形状の測定精度が低下しないようにしている。ところが、温度、湿度の変化や部品の劣化などにより、走査ミラー２５の共振周波数が変化することがある。このように走査ミラー２５の共振周波数が変化すると、測定光の明暗パターンのピッチが一定にならないことがあり、この場合には測定対象Ｍの三次元形状の測定精度が低下してしまう。

そこで、形状測定装置１０においては、次のようにして測定光の明暗パターンのピッチを一定に保つ。すなわち、上述したように走査ミラー２５の共振周波数が変化すると、監視部２７が監視する逆起電圧Ｖｄの位相と、発振部１８−１の発振信号Ｓｏの位相とに差が生じる。照射制御部１８は、この位相差に基づいて走査ミラー２５の揺動状態を検出する。これにより、照射制御部１８は、走査ミラー２５の共振周波数の変化に応じて、走査ミラー２５の駆動電流ｉｂの周波数を制御することができる。このため形状測定装置１０は、温度、湿度の変化や走査ミラー２５を揺動させる部品の劣化などが発生しても、走査ミラーの共振を保つことができ、測定光の明暗パターンのピッチを一定に保つことができる。これにより、形状測定装置１０は、三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる。

［変形例］
なお、上述において、監視部２７は走査ミラー２５を駆動する際に生じる逆起電圧Ｖｄを監視する構成について説明したが、これに限られない。例えば、図１１に示すように、監視部２７ａは、測定光の振れ角を監視する構成であってもよい。この監視部２７ａは、上述した監視部２７に相当する。

図１１は、本実施形態の変形例による形状測定装置１０ａの構成の一例を示す模式図である。この構成においては、監視部２７ａは、センサ２７ａ−１と、センサ２７ａ−２とを備えている。このセンサ２７ａ−１とは、例えば、測定領域の一端となる位置または測定光の振れ角が最大になる位置（この大きさの振れ角であれば、測定範囲での走査ミラー２５の揺動の角速度が一定と見なせる振れ角の一端）に配置されるフォトセンサである。また、センサ２７ａ−２とは、例えば、測定光の振れ角の中心の位置に配置されるフォトセンサである。ここで走査ミラー２５の共振周波数が変化すると、走査ミラー２５の共振周波数と駆動電流ｉｂの周波数とに差が生じる。この場合には、照射制御部１８は、走査ミラー２５を共振によって揺動させることができなくなるため、走査ミラー２５の振れ角が小さくなる。この監視部２７ａは、走査ミラー２５の振れ角が小さくなった状態を検出することにより、走査ミラー２５の共振周波数が変化したことを検出する。このように構成しても、照射制御部１８は、走査ミラー２５の共振周波数の変化に応じて、走査ミラー２５の駆動電流ｉｂの周波数を制御することができる。例えば、照射制御部１８は、走査ミラー２５の振れ角が減少した場合には、駆動電流ｉｂの周波数を変化させることにより、走査ミラー２５の振れ角を共振状態の振れ角に戻すことができる。よって、形状測定装置１０ａは、三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる。また、形状測定装置１０ａは、揺動部２８の故障により走査ミラー２５が揺動しなくなったことを、センサ２７ａ−１、センサ２７ａ−２により検出する構成にすることができる。この場合には、形状測定装置１０ａは、揺動部２８の故障検出と、走査ミラー２５の共振周波数の変化とを同じセンサ２７ａ−１、センサ２７ａ−２によって検出することができる。すなわち、形状測定装置１０ａは、センサを複数の用途に共用することができるため、装置を小型化および低価格化することができる。

また、上述において、照射制御部１８は、走査ミラー２５の共振周波数の変化に対応するため、走査ミラー２５の駆動電流ｉｂの周波数を制御していたが、これに限られない。例えば、照射制御部１８は、走査ミラー２５の駆動電流ｉｂの電流値（波高値）を制御してもよい。ここで、走査ミラー２５の共振周波数が変化すると、走査ミラー２５の振れ角（振幅）が減少する。そこで、照射制御部１８は、走査ミラー２５の共振周波数が変化した場合に、駆動電流ｉｂを制御（例えば、増加）させることにより、走査ミラー２５の振れ角を一定に保つことができる。なお、走査ミラー２５の共振周波数の変化に応じて光源２２のレーザ光の変調周波数の再設定を行う。このように構成しても、形状測定装置１０（または形状測定装置１０ａ。以下の説明において同じ。）は、三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる。

また、上述において、照射制御部１８は、走査ミラー２５の振れ角（振幅）が一定になるように制御していたが、これに限られない。例えば、照射制御部１８は、振れ角に基づいて、測定光の明暗パターン（縞パターン）のピッチが一定になるように、光源２２が生成する測定光の強度を制御してもよい。上述したように、照射制御部１８は、走査ミラー２５が揺動する周波数を検出することができる。したがって、照射制御部１８は、走査ミラー２５が揺動する周波数にあわせて、光源２２が生成する測定光の強度変化の周波数を制御することにより、走査ミラー２５が揺動する周波数の変化によらず測定光の明暗パターンのピッチを一定に制御することができる。このように、測定光の明暗パターンのピッチが一定であれば、三次元形状の測定精度が低下しない。よって、このように構成しても、形状測定装置１０は、三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる。また、上述において走査ミラーの正弦波状の振れ角の角速度がほぼ一定な領域を測定領域に対応させた。しかし、より広い範囲を測定するために走査ミラーの振れ角の角速度が変化する領域を用いて測定を行うこともできる、その場合、走査ミラーの振れ角の角速度の変化に応じて、光源２２が生成する測定光の強度を走査ミラーの振れ角の角速度の変化に応じて制御する。

また、上述において、形状測定装置１０は、走査ミラー２５の振れ角や光源２２が生成する測定光変化する周波数を制御して、測定光の明暗パターンのピッチが一定になるようにしていたが、これに限られない。例えば、形状測定装置１０は、走査ミラー２５の揺動状態（例えば、共振周波数）に基づいて、上述した位相シフト法において、測定制御部２０が測定対象Ｍの三次元形状を示すデータを生成する際に用いるパラメータを変更してもよい。この位相シフト法においては、測定光の明暗パターンのピッチと、その明暗パターンを撮像して得られる三次元形状を示すデータとの関係を示すパラメータが、予め設定されている。そこで、形状測定装置１０は、測定光の明暗パターンのピッチと、その明暗パターンを撮像して得られる三次元形状を示すデータとの関係を示すパラメータを、明暗パターンのピッチごとに、予め記憶部２６に記憶させておく。そして、形状測定装置１０は、走査ミラー２５の揺動状態が変化して測定光の明暗パターンのピッチが変化した場合には、変化したピッチに対応するパラメータを記憶部２６から読み出し、この読み出したパラメータを用いて、三次元形状を示すデータを生成する。また、位相シフト法と空間コード法を組み合わせて三次元形状を求める場合は、空間コード法のパラメータも揺動状態の変化に合わせることとなる。このように構成しても、形状測定装置１０は、三次元形状の測定精度が低下する程度を低減することができる。さらに、このように構成することにより、形状測定装置１０は、駆動電流ｉｂを制御する回路を簡素化することができる。

［第２の実施形態］
次に、図１２を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態及び第２の実施形態において説明した構成と同一の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。図１２は、本発明の第２の実施形態に係る一例としての構造物製造システム１００の構成を示す図である。

構造物製造システム１００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１０と、設計装置６０と、成形装置３０と、検査装置４０と、リペア装置５０とを備える。検査装置４０は、座標記憶部４１及び検査部４２を備える。

設計装置６０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作製した設計情報を成形装置３０に送信する。また、設計装置６０は、作製した設計情報を検査装置４０の座標記憶部４１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３０は、設計装置６０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３０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１０は、作製された構造物（測定対象Ｍ）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を検査装置４０へ送信する。なお、ここでいう構造物とは、形状測定装置１０の測定対象Ｍである。

検査装置４０の座標記憶部４１は、設計情報を記憶する。検査装置４０の検査部４２は、座標記憶部４１から設計情報を読み出す。検査部４２は、形状測定装置１０から受信した座標を示す情報（形状情報）と、座標記憶部４１から読み出した設計情報とを比較する。検査部４２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４２は、作製された構造物が良品であるか否かを判定する。検査部４２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４２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５０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５０は、検査装置４０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１３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。本実施形態において、図１３に示す構造物製造方法の各処理は、構造物製造システム１００の各部によって実行される。
構造物製造システム１００は、まず、設計装置６０が構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ３１）。次に、成形装置３０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ３２）。次に、形状測定装置１０は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ３３）。次に、検査装置４０の検査部４２は、形状測定装置１０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製されたか否か検査する（ステップＳ３４）。

次に、検査装置４０の検査部４２は、作製された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ３５）。構造物製造システム１００は、作製された構造物が良品であると検査部４２が判定した場合（ステップＳ３５：ＹＥＳ）、その処理を終了する。また、検査部４２は、作製された構造物が良品でないと判定した場合（ステップＳ３５：ＮＯ）、作製された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ３６）。

構造物製造システム１００は、作製された構造物が修復できると検査部４２が判定した場合（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、リペア装置５０が構造物の再加工を実施し（ステップＳ３７）、ステップＳ３３の処理に戻る。構造物製造システム１００は、作製された構造物が修復できないと検査部４２が判定した場合（ステップＳ３６：ＮＯ）、その処理を終了する。

以上説明したように、構造物製造システム１００は、上記の実施形態における形状測定装置１０が構造物の座標を正確に測定することができるので、作製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１００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５０が実行するリペア工程は、成形装置３０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、検査装置４０の検査部４２が修復できると判定した場合、成形装置３０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３０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１００は、構造物を正確に作製することができる。

なお、構造物製造システム１００は、形状測定装置１０を備える例について説明したが、これに限られない。構造物製造システム１００は、形状測定装置１０ａを備えていても、形状測定装置１０を備える場合と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。

なお、上述において、走査ミラー２５は、インダクタンスＬＭを有する誘導型のＭＥＭＳミラーであることを一例にして説明したが、これに限られない。例えば、走査ミラー２５は、キャパシタンス成分を有する容量型のＭＥＭＳミラーであってもよい。

また、上記の各実施形態における形状測定装置１０、検査装置４０、成形装置３０、リペア装置５０又は設計装置６０（以下、これらを総称して制御装置と記載する）、又はこの制御装置が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリおよびマイクロプロセッサにより実現させるものであってもよい。

また、この制御装置又はこの制御装置が備える各部は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、この制御装置又はこの制御装置が備える各部はメモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、制御装置、又はこの制御装置が備える各部の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。

また、制御装置、又はこの制御装置が備える各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、制御装置、又はこの制御装置が備える各部による処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

１０、１０ａ…形状測定装置、１１…撮像部、１２…照射部、１４…生成部、１５…受付部、１６…出力部、１８…照射制御部、１９…撮像制御部、２０…測定制御部、２２…光源、２５…走査ミラー、２７、２７ａ…監視部、２８…揺動部、３０…成形装置、４０…検査装置、５０…リペア装置、６０…設計装置、１００…構造物製造システム

Claims (14)

1. 測定光を生成する測定光生成部と、
   生成された前記測定光を反射する反射部と、
   前記反射部を共振によって揺動させることにより、前記反射部が反射した前記測定光を測定対象の測定領域に照射させる揺動部と、
   前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出する検出部と、
   検出された前記反射光に基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定する測定部と、
   揺動する前記反射部の揺動状態を監視する監視部と、
   監視された前記揺動状態に基づいて、前記測定光が前記測定領域において所定の状態となるように前記測定光生成部と前記揺動部との少なくとも一方を制御する制御部と、
   を備える形状測定装置。
2. 前記揺動部は、前記反射部を該反射部の共振周波数によって揺動させ、
   前記監視部は、前記揺動部が前記反射部を揺動させる駆動周波数と前記反射部の揺動の周波数のずれを監視し、
   前記制御部は、前記ずれに基づいて、前記駆動周波数を設定することにより、前記駆動周波数を制御する
   請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記監視部は、揺動する前記反射部の振れ角を監視し、
   前記制御部は、前記監視部が監視した前記振れ角に基づいて、前記揺動部が揺動させる前記反射部の前記振れ角を制御する
   請求項１または請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記監視部は、揺動する前記反射部の振れ角を監視し、
   前記制御部は、前記監視部が監視した前記振れ角に基づいて、前記揺動部に入力される電流値を制御することにより、前記反射部の前記振れ角を制御する
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
5. 前記測定光は、所定の変動周波数により明暗の強度が変動する光であり、
   前記測定光生成部は、前記変動周波数により明暗の強度が変動する前記測定光を生成し、
   前記制御部は、前記測定光が前記測定領域において強度変化の空間周波数が一定になるように前記測定光生成部と前記揺動部との少なくとも一方を制御する
   請求項１から請求項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、揺動する前記反射部の振れ角に基づいて、前記測定光が前記測定領域において強度変化の空間周波数が一定になるように前記測定光生成部が生成する前記測定光の強度を制御する
   請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記制御部は、前記反射部が揺動する周波数に基づいて、前記測定光が前記測定領域において強度変化の空間周波数が一定になるように前記測定光生成部が生成する前記測定光の強度を制御する
   請求項５または請求項６に記載の形状測定装置。
8. 前記制御部は、前記測定光が前記測定領域において強度変化の空間周波数が一定になるように前記揺動部が揺動させる前記反射部の振れ角を制御する
   請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
9. 測定光を生成する測定光生成部と、
   生成された前記測定光を反射する反射部と、
   前記反射部を共振によって揺動させて、前記反射部が反射した前記測定光を測定対象の測定領域に照射する揺動部と、
   前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出する検出部と、
   前記揺動する前記反射部の揺動状態を監視する監視部と、
   前記検出部が検出した前記反射光と、前記監視部が監視した前記揺動状態とに基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定する測定部と、
   を備える形状測定装置。
10. 構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する設計装置と、
    前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
    作成された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の形状測定装置と、
    前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物設計情報とを比較する検査装置と
    を含む構造物製造システム。
11. 反射部を共振によって揺動させて、前記反射部が反射した測定光を測定対象の測定領域に照射し、
    前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出し、
    検出された前記反射光に基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定し、
    揺動する前記反射部の揺動状態を監視し、
    監視された前記揺動状態に基づいて、前記測定光が前記測定領域において所定の状態となるように前記共振の状態を制御する
    形状測定方法。
12. 反射部を共振によって揺動させて、該反射部で反射した測定光を測定対象の測定領域に照射し、
    前記揺動する前記反射部の揺動状態を監視し、
    前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出し、
    前記監視された揺動状態と前記検出された反射光に基づいて前記測定対象の三次元形状を測定する形状測定方法。
13. 構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する工程と、
    前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する工程と、
    作成された前記構造物の形状を、請求項１１または請求項１２に記載の形状測定方法を用いて生成した撮像画像に基づいて測定する工程と、
    前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物設計情報とを比較する工程と
    を含む構造物製造方法。
14. 測定光を生成する測定光生成部と、生成された前記測定光を反射する反射部とを備える形状測定装置が備えるコンピュータに、
    前記反射部を共振によって揺動させて、前記反射部が反射した前記測定光を測定対象の測定領域に照射し、
    前記測定光が照射された前記測定領域からの反射光を検出し、
    検出された前記反射光に基づいて、前記測定対象の三次元形状を測定し、
    揺動する前記反射部の振動状態を監視し、
    監視された前記振動状態に基づいて、前記測定光が前記測定領域において所定の状態となるように前記共振の状態を制御
    させるための形状測定プログラム。