JP2014153149A

JP2014153149A - 形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、及びプログラム

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Publication number: JP2014153149A
Application number: JP2013022191A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kudo; 浩一工藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-25

Abstract

【課題】拡散光以外の光の影響により異常な点群データが混入し、正常な形状データの取得ができないことを回避する。
【解決手段】形状測定装置は、被測定対象の測定領域に測定光を投光する光照射部と、前記被測定対象の測定領域に投光された測定光の像を撮像する撮像部と、前記光照射部及び前記撮像部を前記被測定対象に対して相対的に移動するように構成された駆動部と、前記被測定対象の形状データを記憶する記憶部と、前記被測定対象の形状データと前記測定光が照射されている測定領域の位置情報に基づいて、前記撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定する露出条件設定部と、前記露出条件設定部により設定された露出条件に基づき、前記撮像部又は前記光照射部を制御する測定制御部と、前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出する形状算出部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定対象（被測定物）の３次元形状を測定するための、形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、及びプログラムに関する。

工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、例えば、被測定物にスリット状の測定光を照射して、測定光が照射された被測定物の像の位置を求めることで、被測定物の断面形状に対応して形成される光切断線から被測定物の３次元形状を測定する光切断法が知られている。

なお、関連する形状測定方法がある（特許文献１を参照）。この特許文献１に記載の形状測定方法では、ユーザが光切断プローブを手動で操作する際に、被測定対象のＣＡＤモデルを画面上に表示させ、この画面上に表示されたＣＡＤモデルを見ながら光切断プローブを操作することにより、形状測定の効率化を図っている。

米国特許出願公開第２０１１／０１２３０９７号明細書

ところで、上述の光切断法による形状測定装置では、被測定対象の形状測定を行う際に、被測定対象の表面に投光された測定光の像の位置を検出している。このとき、測定光が被測定対象の異なる複数の位置で反射された多重反射光の像が一緒に映り込むことがある。このような場合、上記の多重反射光の位置を検出して生成された点群データに異常な点群データが混入し、正常な形状データの取得ができないことがあった。

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、被測定対象の形状測定を行う際に、拡散光以外の光の影響により異常な点群データが混入し、正常な形状データの取得ができないことを回避できる、形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、及び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、被測定対象の測定領域に測定光を投光する光照射部と、前記被測定対象の測定領域に投光された測定光の像を撮像する撮像部と、前記光照射部及び前記撮像部を前記被測定対象に対して相対的に移動するように構成された駆動部と、前記被測定対象の形状データを記憶する記憶部と、前記被測定対象の形状データと前記測定光が照射されている測定領域の位置情報に基づいて、前記撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定する露出条件設定部と、前記露出条件設定部により設定された露出条件に基づき、前記撮像部又は前記光照射部を制御する測定制御部と、前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出する形状算出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成する設計装置と、前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作成する成型装置と、作成された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいた測定により形状情報を得る上記の形状測定装置と、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、被測定対象の形状の測定を制御する過程として、前記被測定対象の測定領域に光照射部からの測定光を投光できる位置に前記光照射部を移動し、前記測定領域の位置に基づいて、撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定し、前記被測定対象の測定領域に前記光照射部から前記測定光を投光し、前記設定された露出条件に基づき、前記撮像部又は前記光照射部を制御した状態で、前記被測定対象の測定領域に投光された前記測定光の像を前記撮像部により撮像し、前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出する形状測定方法である。

また、本発明の一実施形態は、形状測定装置を制御するコンピュータに、被測定対象の形状の測定を制御するステップとして、前記被測定対象の概略形状を記憶するステップと、前記被測定対象の測定領域に光照射部からの測定光が投光されるように前記光照射部を移動するステップと、前記測定光が投光される前記測定領域の位置に基づいて、撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定するステップと、前記設定された露出条件に基づき、前記撮像部又は光照射部を制御するステップと、前記被測定対象の測定領域に前記光照射部から測定光を投光するステップと、前記被測定対象の測定領域に投光された測定光の像を撮像部により撮像するステップと、前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出するステップと、を実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、被測定対象の３次元形状の測定を行う際に、拡散光以外の光の影響により異常な点群データが混入し、正常な形状データの取得ができないことを回避できる。

本発明の実施形態における形状測定装置の概要を示す図である。本実施形態による形状測定装置の具体的な構成例を示す図である。本実施形態における回転機構の構成を示す図である。本実施形態による形状測定装置の構成を示す概略ブロック図である。本実施形態における形状測定装置の測定手順を示す図である。本実施形態におけるＣＡＤデータが無くプリスキャンにより概略形状データを取得する測定手順を示す図である。本実施形態におけるプリスキャンの画像情報から測光処理範囲を設定する測定手順を示す図である。拡散光以外の光が混入する例を示す図である。物体画像と画像センサー像との関係を示す図である。画像センサー像と測光処理範囲の関係を示す図である。本実施形態における球体の測定例を示す図である。本実施形態におけるプローブ座標系を示すベクトル関連図である。本実施形態における回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。本実施形態における法線ベクトルの生成例を示す概念図である。本実施形態における現画像取得位置と次画像取得位置との関係を示すベクトル関連図である。本実施形態の形状測定装置における複雑な形状の測定例を示す図である。形状測定装置の変形例について説明するための図である。本実施形態による形状測定装置を備えた構造物製造システムの構成を示すブロック図である。構造物製造システムにおける処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態による形状測定装置について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において使用される、用語「測定領域」とは、被測定対象３の被測定面に対して撮像部２２により形状測定が行われる領域を意味する。また、用語「測光処理範囲」とは、撮像部２２の画像センサー部により撮像された撮像面上において、測光処理（例えば、画像の明るさの検出）と、露出条件の設定と、点群データの生成処理とを行うために設定される領域（露出条件設定用領域）を意味する（露出条件設定用領域の具体的な例については、後述する）。

［概要］
図１は、本発明の実施形態における形状測定装置の概要を示す図であり、形状測定装置１００の概略構成を示す図である。図１に示す形状測定装置１００は、測定装置本体１と、この測定装置本体１を制御する制御装置４とで構成されている。制御装置４は、制御線を介して測定装置本体１に接続されており、測定装置本体１の動作を制御する。測定装置本体１は、回転機構１３及びヘッド駆動部１４（図２）と、光切断プローブ２とを備えている。なお、ここでは、被測定対象３は、一例として、球体の例を示している。

制御装置４は、制御部４１を有しており、この制御部４１には、撮像部２２から取得された画像データに基づき、測定領域の形状を算出する形状算出部５３と、測定領域の位置に基づいて、撮像部２２で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定する露出条件設定部５７と、露出条件設定部５７により設定された露出条件に基づき、撮像部２２又は光照射部２１を制御する測定制御部５６と、を備えている。

この形状測定装置１００では、被測定対象３の表面に光切断プローブ２の光照射部２１からライン光（光切断線）を測定光として照射し、この測定光より被測定対象３の表面に形成されるライン光を撮像部２２により撮像する。そして、形状算出部５３は、撮像部２２が検出したライン光の撮像画像を基に、被測定対象３の３次元形状を示す３次元点群データを生成する。

露出条件設定部５７は、撮像部２２により測定光（光切断線）の撮像画像を取得する際に、被測定対象３の設計データ（ＣＡＤデータ）、或いは被測定対象３をプリスキャンして得られた被測定対象３の概略形状を示す情報に基づいて、撮像部２２の画像センサー部（例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)）２２Ａ上において画像を検出する範囲を「測光処理範囲（露出条件設定用領域）」として設定する。また、露出条件設定部５７は、測光処理範囲の中での画像の明るさに基づき、露出条件を設定する。
この測光処理範囲を設定することにより、制御部４１は、撮像部２２の画像センサー部２２Ａにより撮像された画像において、通常の場合には画像が検出されないと推定される範囲の画像をマスク（除外）し、測光処理範囲内の画像のみを検出する。

例えば、後述する図８に示すように、ライン光がＬ１の方向から照射され、被測定面Ａ１を含む画像が撮像部２２の画像センサー部２２Ａに撮像された場合、拡散光Ｌ３のみが撮像される位置を画像センサー部２２Ａ上で測光処理範囲として設定することにより、本来の拡散光Ｌ３以外の正反射光Ｌ２が同時に撮像され、この正反射光Ｌ２により異常な点群データが生成されることを回避する。

より具体的には、後述する図１０に示すように、画像センサー部２２Ａ上の画像６’、７’、８’のそれぞれの撮像位置に対して、幅ｗを持つ矩形領域（６ａ、７ａ、８ａ）をそれぞれの測光処理範囲として設定する。そして、制御部４１は、この測光処理範囲６ａ、７ａ、８ａ内に含まれる画像に対してのみ測光処理（例えば、明るさ（輝度値）の検出）と、露出条件の設定と、点群データの生成処理を行う。

このように、制御部４１は、被測定対象３の概略の形状情報を基に画像センサー部２２Ａにおける測光処理範囲（露出条件設定用領域）を設定し、この測光処理範囲内に含まれる画像に対してのみ点群データの生成処理を行い、測光処理範囲外の画像に対しては、点群データの生成を行なわない。これにより、形状測定装置１００では、被測定対象３の３次元形状データを生成する際に、拡散光以外の光の影響による異常な点群データの混入を防ぐことができる。このため、形状測定装置１００では、複雑な形状の被測定対象３に対しても精度を高めて形状測定を行うことができる。

また、露出条件設定部５７は、測光処理範囲内の画像の検出結果（例えば、輝度値）に基づいて、撮像部２２における露光量（露出条件）を設定し、測定制御部５６は、露出条件設定部５７により設定された露光量に基づき、撮像部２２における露光量を制御する。また、露出条件設定部５７は、撮像部２２の露光量を設定する場合に、測光処理範囲以外の画像を除外し、測光処理範囲内の画像のみに基づいて露光量を設定する。測定制御部５６は、露出条件設定部５７により設定された露光量に基づき撮像部２２を制御し、露光時間（シャッタースピード）、受光感度、ゲイン設定、絞り制御、減光フィルタなどを調整して露光量を設定する。
このように、制御装置４では、測光処理範囲内の画像の輝度値（明るさ）を評価して露光量を制御することにより、最適な露光量による画像を取得できる。

さらに、露出条件設定部５７は、測光処理範囲内の画像の検出結果に基づいて、光照射部２１から被測定対象３に投光される光量（光源輝度）を設定することができる。つまり、露出条件設定部５７は、光照射部２１に照射する光量を設定する場合に、測光処理範囲以外の画像を除外し、測光処理範囲内の画像のみに基づいて光量を設定することができる。測定制御部５６は、露出条件設定部５７により設定された光量に基づいて、ＬＥＤやレーザー光源・ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）の発光量を制御して、光量を制御する。
これにより、制御装置４では、測光処理範囲内の画像の検出結果に基づいて、光照射部２１における最適な光量を計算し、それに応じた光源輝度を最適に調整することができる。

［形状測定装置１００の全体構成］
次に、形状測定装置１００の具体的な構成例について説明する。図２は、本実施形態による形状測定装置の具体的な構成例を示す図である。この図２に示す形状測定装置１００は、被測定対象３の３次元形状を検出する３次元形状計測装置（例えば、座標測定機（ＣＭＭ：Coordinate Measuring Machine））である。つまり、形状測定装置１００は、光切断法を用いることで、被測定対象３の表面に一本の測定光（光切断線）からなるライン状投影パターンを投影し、被測定対象３の表面の全域（より正確には、ユーザにより設定される測定領域）を走査させる毎に投影方向と異なる角度から被測定対象３に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、この形状測定装置１００は、撮像された被測定対象３表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被測定対象３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定対象３の表面の３次元形状を求める装置である。

図２において、形状測定装置１００は、測定装置本体１及び制御装置４を備えている。測定装置本体１は、回転機構１３及びヘッド駆動部１４を有する駆動部１１（図４）と、位置検出部１２（図４）と、ヘッド部１７と、定盤１８と、光切断プローブ２とを備えている。なお、ここでは、被測定対象３は、一例として、球体を示しており、定盤１８の上に配置されている。定盤１８は、石製又は鋳鉄製からなるものであり、上面が水平に保たれたものとなっている。

ヘッド駆動部１４は、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、互いが直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の方向にヘッド部１７を移動させる。ヘッド駆動部１４は、Ｘ軸移動部１４１、Ｙ軸移動部１４２、及びＺ軸移動部１４３を備えている。ここで、ＸＹ平面とは、定盤１８の上面と平行な面を規定するものである。すなわち、Ｘ軸方向とは、定盤１８上における一方向を規定するものであり、Ｙ軸方向とは、定盤１８の上面においてＸ軸方向に直交する方向を規定するものであり、Ｚ軸方向とは、定盤１８の上面に直交する方向を規定するものである。

Ｘ軸移動部１４１は、ヘッド部１７をＸ軸方向に駆動するＸ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＸ軸方向にヘッド部１７を移動させる。Ｙ軸移動部１４２は、ヘッド部１７をＹ軸方向に駆動するＹ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＹ軸方向にヘッド部１７を移動させる。また、Ｚ軸移動部１４３は、ヘッド部１７をＺ軸方向に駆動するＺ軸用モータを備え、所定の範囲内でＺ軸方向にヘッド部１７を移動させる。
なお、ヘッド部１７は、光切断プローブ２の上部に位置し、回転機構１３を介して光切断プローブ２を支持している。すなわち、ヘッド駆動部１４は、互いに直交する３次元座標系の座標軸方向それぞれに、光切断プローブ２を移動させる。

図３は、本実施形態における回転機構１３の構成を示す図である。
図３に示すように、回転機構１３は、ヘッド部１７と光切断プローブ２との間に配置され、ヘッド駆動部１４に対して光切断プローブ２を回転可能に支持する。すなわち、回転機構１３は、被測定対象３の表面に対して光切断プローブ２を任意の角度に回転可能とする。
また、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３を備えている。なお、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の各軸を回転させる駆動モータを備えており、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光切断プローブ２を任意の角度に回転させる。

Ａ回転軸１３１は、Ａ回転軸１３１の下に取り付けられたＢ回転軸１３２及びＣ回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を３６０度の範囲でＺ軸回転させる回転軸である。Ｂ回転軸１３２は、Ａ回転軸１３１下部に取り付けられ、Ｃ回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を上下方向に−９０〜＋９０度の範囲で回転させる機構である。Ｃ回転軸１３３は、Ｂ回転軸１３２に取り付けられ、光切断プローブ２を３６０度の範囲で回転させる機構である。

光切断プローブ２は、被測定対象３に光切断を行うためのライン光を照射する光照射部２１と、ライン光の照射方向とは異なる方向から被測定対象３に照射されたライン光を検出する撮像部２２とを有している。また、光切断プローブ２は、撮像部２２における露光量（例えば、シャッタースピード）や、光照射部２１における光源輝度値の設定を可能にするプローブ調整部２３（図４）を有している。

光照射部２１は、図示しないシリンドリカルレンズや細い帯状の切り欠きを有したスリット板等から構成され、光源からの照明光を受けて扇状のライン光を測定光として生じさせるものである。光源としては、ＬＥＤやＳＬＤ等を用いることができる。

撮像部２２は、光照射部２１の光照射方向とは異なる方向から被測定対象３の表面に投影されるライン状の測定光（光切断線）を撮像する。すなわち、撮像部２２は、ライン光が照射されることで光切断面（線）が現れた被測定対象３の表面を検出する。
また、撮像部２２は、図示しない結像レンズやシャッター機構やＣＣＤ等から構成され、後述のように駆動部１１を駆動させてライン光が所定間隔で走査される毎に被測定対象３を撮像するようになっている。なお、光照射部２１及び撮像部２２の位置は、被測定対象３の表面上の測定光の撮像部２２に対する入射方向と、光照射部２１の光照射方向とが、所定角度θをなすように規定されている。なお、本実施形態では、上記所定角度θが、例えば、４５度に設定されている。

次に、図４を参照して、形状測定装置１００の構成を詳細に説明する。
図４は、本実施形態による形状測定装置１００の構成を示す概略ブロック図である。なお、この図において、図１、図２及び図３と同じ構成部分には、同じ符号を附している。

図４において、形状測定装置１００は、測定装置本体１と制御装置４とを備えている。
また、測定装置本体１は、駆動部１１、位置検出部１２、及び光切断プローブ２を備えている。駆動部１１は、回転機構１３とヘッド駆動部１４とを備え、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光切断プローブ２の位置及び姿勢を変更させる。すなわち、駆動部１１は、光切断プローブ２と被測定対象３とを相対移動させる。

位置検出部１２は、回転位置検出部１５とヘッド位置検出部１６とを備えている。ヘッド位置検出部１６は、ヘッド駆動部１４のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の位置をそれぞれ検出するＸ軸用エンコーダ、Ｙ軸用エンコーダ、及びＺ軸用エンコーダを備える。ヘッド位置検出部１６は、それらのエンコーダによってヘッド駆動部１４の位置を検出し、ヘッド駆動部１４の位置を示す信号を後述の座標検出部５１に供給する。

回転位置検出部１５は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の回転位置をそれぞれ検出するエンコーダを備える。回転位置検出部１５は、それらのエンコーダを用いて、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の回転位置を検出し、検出した回転位置を示す信号を座標検出部５１に供給する。

光切断プローブ２は、上述したように、光切断方式により被測定対象３の表面形状を検出するために、光照射部２１及び撮像部２２を備えている。光照射部２１は、被測定対象３にライン状のスリット光を測定光として照射する。
撮像部２２は、光照射部２１からの照射光により被測定対象３の表面に形成される測定光（光切断線）を撮像する。ここで、測定光（光切断線）は、被測定対象３の断面形状に応じて形成される。そして、撮像部２２は、被測定対象３の表面に形成されるライン状のスリット光のパターンを撮像し、撮像した画像情報を間隔調整部５２に供給する。これにより、制御装置４は、形状測定データを取得する。

また、光切断プローブ２は、プローブ調整部２３を備えており、このプローブ調整部２３は、測定制御部５６からの制御信号を間隔調整部５２を介して受信することにより、光照射部２１における発光輝度や、撮像部２２における露光量を制御する。例えば、プローブ調整部２３は、光照射部２１のＬＥＤやＳＬＤ等の発光輝度を調整し、また、撮像部２２内のシャッター機構を制御することにより露光量（シャッタースピード）を調整する。

続いて、制御装置４について説明する。
制御装置４は、制御部４１と、入力装置４２と、ジョイスティック４３と、モニタ４４とを備えている。
入力装置４２は、ユーザが各種指示情報を入力するキーボードなどを備える。入力装置４２は、入力された指示情報を検出し、検出した指示情報を記憶部５５に記憶させる。
ジョイスティック４３は、ユーザの操作を受けて、その操作に応じて駆動部１１を駆動させる制御信号を生成して駆動制御部５４に供給する。このように、ジョイスティック４３は、光切断プローブ２を配置させる状態を示す情報を検出し、検出した情報に基づいて
光切断プローブ２を配置させる制御指令情報として、入力することができる。
モニタ４４は、データ出力部６０から供給された測定データ（全測定ポイントの座標値）等を受け取る。モニタ４４は、受け取った測定データ等を表示する。また、モニタ４４は、計測画面、指示画面等を表示する。

制御部４１は、形状測定装置１００における被測定対象３の形状測定動作を制御するとともに、被測定対象３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定対象３の３次元形状を求める演算処理を行う。また、制御部４１は、座標検出部５１、間隔調整部５２、形状算出部（点群データ生成部）５３、駆動制御部５４、記憶部５５、測定制御部５６、露出条件設定部５７、データ出力部６０、及びハードディスク６１を備えている。

座標検出部５１は、回転位置検出部１５及びヘッド位置検出部１６から出力される６軸座標信号によって、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の姿勢を検知する。
ここで、６軸座標信号とは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸、及びＡ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、Ｃ回転軸１３３の３軸の座標を示す信号である。
つまり、座標検出部５１は、ヘッド位置検出部１６から出力される直交３軸の座標信号によって、光切断プローブ２の位置、すなわち水平方向における観察位置（光軸中心位置）と上下方向における観察位置とを検知する。また、座標検出部５１は、回転位置検出部１５から出力される回転位置を示す信号によって、光切断プローブ２の姿勢を検知する。

また、座標検出部５１は、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の姿勢を示す情報として、６軸の座標情報を形状算出部５３に供給する。また、座標検出部５１は、光切断プローブ２の６軸の座標情報に基づいて、光切断プローブ２の移動経路、移動速度などを検出する。

間隔調整部５２は、予め定められた所定のサンプリング周波数で、撮像部２２から画像情報を受け取る。そして、間隔調整部５２は、フレームが間引かれた画像情報を形状算出部５３に供給する。

形状算出部（点群データ生成部）５３は、間隔調整部５２から供給されたフレームが間引かれた画像情報を受け取る。形状算出部５３は、座標検出部５１から供給された光切断プローブ２の６軸の座標情報を受け取る。形状算出部５３は、間隔調整部５２から供給された画像情報と、座標検出部５１から供給された６軸の座標情報とに基づき、各測定ポイントの座標値（３次元座標値）の点群データを算出する。すなわち、形状算出部５３は、撮像部２２からの検出結果（画像情報）と測光処理範囲の設定情報とに基づいて被測定対象３の形状を検出する。

形状算出部５３におけるこの点群データの具体的な算出方法は、以下の通りである。まず、形状算出部５３は、受け取った光切断プローブ２の６軸の座標情報から、光切断プローブ２に固定された光照射部２１の座標と、撮像部２２の座標とを算出する。
ここで、光照射部２１は、光切断プローブ２に固定されているので、光照射部２１の照射角度は、光切断プローブ２に対して固定である。また、撮像部２２も光切断プローブ２に固定されているので、撮像部２２の撮像角度は、光切断プローブ２に対して固定である。

形状算出部５３は、照射した光が被測定対象３にあたった点を、撮像された画像の画素毎に、三角測量を用いて算出する。ここで、照射した光が被測定対象３にあたった点の座標は、光照射部２１の座標から光照射部２１の照射角度で描画される直線と、撮像部２２の座標から撮像部２２の撮像角度で描画される直線（光軸）とが交わる点の座標である。なお、上記の撮像された画像は、測定位置に配置された光切断プローブ２によって検出された画像を示す。

これによって、形状測定装置１００は、被測定対象３に照射されるスリット光（測定光）を所定の方向に走査させることにより、形状算出部５３により、光が照射された位置の座標を算出することができる。つまり、被測定対象３の表面形状を求めることができる。形状算出部５３は、被測定対象３の形状をライン光に基づいて検出された点群の位置情報である点群データとして検出する。形状算出部５３は、算出した３次元座標値の点群データを記憶部５５に記憶させる。

なお、形状測定装置１００における被測定対象３の形状測定は、データ取得ピッチ（画像取得間隔）を変更することにより、測定精度を変更することができる。例えば、データ取得ピッチをミリメートル（ｍｍ）単位に設定することにより、形状測定装置１００は、被測定対象３の被測定面を高速でスキャン（プリスキャン）して、被測定対象３の概略形状を測定することができる。そして、形状測定装置１００では、上記プリスキャンにより被測定対象３の概略形状を測定した後に、データ取得ピッチをミクロンメートル（μｍ）単位に変更して、本測定（被測定対象３の精密測定）を行うことができる。この本測定を行う際に、制御部４１は、プリスキャンにより得られた被測定対象３の概略形状に基づいて、上記の測光処理範囲を設定することができる。

記憶部５５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリであり、入力装置４２から供給された各種指示情報を測定条件テーブルとして記憶する。ここで、測定条件テーブルには、測定領域の情報、例えば、被測定対象３の測定開始点（最初の測定ポイント）や測定終了点の座標値や、測定開始位置での測定目標方向や、各測定ポイントの初期値を示すデータ（例えば、露光量の初期値）や、データ取得ピッチなどの項目が含まれる。また、記憶部５５は、形状算出部５３から供給された３次元座標値の点群データを測定データとして記憶する。また、記憶部５５は、座標検出部５１から供給された各測定ポイントの座標値データ（６軸の座標情報）を経路情報として記憶する。また、記憶部５５は、被測定対象３のＣＡＤデータ（設計情報）を記憶する。

なお、記憶部５５は、形状記憶部５５１と、経路記憶部５５２と、ＣＡＤデータ記憶部５５３と、を備えている。形状記憶部５５１は、上述した形状算出部５３から供給された３次元座標値の点群データを測定データとして記憶する。つまり、形状記憶部５５１は、後述する測定制御部５６によって制御された相対位置に対応させて形状算出部５３が検出した検出値（形状）である点群データを記憶する。
ここで、相対位置とは、光切断プローブ２の測定位置及び姿勢（向き）のことであり、光切断プローブ２と被測定対象３との相対的な位置を示し、被測定対象３が固定されている場合には、光切断プローブ２の測定位置を示す。
経路記憶部５５２は、変更させた上述の相対位置（各測定ポイント）に対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を相対位置の経路情報として記憶する。ＣＡＤデータ記憶部５５３は、被測定対象３のＣＡＤデータ（設計情報）を記憶する。

駆動制御部５４は、ジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、又は、測定制御部５６からの指令信号に基づいて、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に駆動信号を出力して、駆動部１１を移動させる制御を行う。

測定制御部５６は、法線算出部５６１と、駆動制御部５４に補正制御情報を供給する相対移動制御部５６２とを備えており、この測定制御部５６は、被測定対象３の測定領域近傍の測定結果(形状データ)に基づき、測定対象に対する光切断プローブ２の位置を補正するための移動動作情報を出力するとともに、露出条件設定部５７により設定された露出条件に基づき撮像部２２又は光照射部２１を制御する。また、測定制御部５６は、形状算出部５３における測定（点群データの生成）動作を制御する。また、測定制御部５６は、記憶部５５から測定条件テーブルに登録された被測定対象３の測定領域の情報、例えば、測定開始点（最初の測定ポイント）位置やデータ取得ピッチ等を読み出す。

測定制御部５６の相対移動制御部５６２は、駆動制御部５４を介して駆動部１１を制御して、光照射部２１と撮像部２２の相対位置関係を一定に保持しながら、被測定対象３と光照射部２１とを相対的に移動させる。つまり、相対移動制御部５６２は、光切断プローブ２がライン光（測定光）を検出する際の相対位置が一定になるよう撮像部２２又は光照射部２１を制御する。また、測定制御部５６は、法線算出部５６１により、検出値（３次元座標値の点群データ）に基づいて、ライン光が投影された位置における被測定対象３の法線方向を示す法線ベクトルを算出し、算出した法線ベクトルに基づいて、ライン光を照射する光切断プローブ２の向き（姿勢）を制御することができる。
この場合に、法線算出部５６１は、形状記憶部５５１から読み出した、現在の相対位置に対する３次元座標値の点群データと現在より過去に検出された（例えば、１つ前の）相対位置に対する３次元座標値の点群データとに基づいて、現在の相対位置における法線ベクトルを算出する。すなわち、法線算出部５６１は、連続する２枚のライン光の撮像画像から被測定対象３の測定面の法線方向（面の傾斜情報）を示す法線ベクトルを算出する。この法線ベクトルの算出の例については、後述する。

また、露出条件設定部５７は、領域設定部５７１により、画像センサー部２２Ａ上での測光処理（例えば、明るさの検出）と点群データの生成とを行うべき測光処理範囲を設定する。すなわち、領域設定部５７１は、画像センサー部２２Ａで撮像される画像に対して、測光処理や点群データの生成対象となる画像の範囲を測光処理範囲として設定する。

また、露出条件設定部５７は、撮像画像の測光処理範囲内に含まれる画像（測定光の画像）に基づいて、次に取得される画像の取得条件を設定する。つまり、露出条件設定部５７は、光照射部２１の発光輝度や撮像部２２の露光量等の画像取得条件を設定する。例えば、露出条件設定部５７は、測光処理範囲内の画像の明るさの情報に基づいて、次画像取得のための撮像部２２の露光量（シャッタースピード）や、光照射部２１のＬＥＤやＳＬＤ等の輝度を露出条件として設定する。測定制御部５６は、露出条件設定部５７により設定された露出条件に基づいて、光照射部２１又は撮像部２２を制御する。
これにより、被測定対象３の形状（面の傾き）が急峻に変化する場合等、撮像部２２で検出する散乱光の明るさが変化する場合に、測定制御部５６は、この散乱光の明るさの変化に応じて、画像を検出する撮像部２２の露光量（シャッタースピード）や、光照射部２１の発光輝度等を撮像状態として設定することができる。

なお、上記撮像部２２における露光量の制御は、露出条件設定部５７が、測光処理範囲内の画像に基づいて露光量を計算し、露光量変数Ｓを更新することにより行われる。この露光量変数Ｓは、光照射部２１の輝度値Ｂと反比例の関係にあり、規格化するための定数をＫとすると、露光量変数Ｓは、「Ｓ＝Ｋ／Ｂ」の関係で示される。

このように、測定制御部５６が、露出条件設定部５７により設定された露出条件に基づいて、撮像部２２の露光量（シャッタースピード）や光照射部２１の発光輝度を調整することにより、形状測定装置１００は、被測定対象３が複雑な形状である場合など、被測定対象３の形状（面の傾き）が急峻に変化する場合において、連続的に撮像する撮像画像の明るさにムラが発生することを回避し、点群データの品質を一定に保つことができる。

ところで、上述したように、測定制御部５６は、法線算出部５６１により、光切断プローブ２を走査方向に沿って移動させる間に形状算出部５３によって得られた複数回の点群データの測定結果に基づいて、法線ベクトルを算出し、この法線ベクトルの方向に基づいて光切断プローブ２の姿勢を制御することができる。例えば、本実施形態の形状測定装置１００では、法線算出部５６１により算出した法線ベクトルの向きと、ライン光の照射方向とが一致する向きになるように光切断プローブ２を制御することができる。
例えば、図１１は、本実施形態の形状測定装置１００における球体（被測定対象）３の測定例を示す図である。この図において、形状測定装置１００では、測定制御部５６により、光切断プローブ２を測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６まで移動させ、球体（被測定対象）３の形状を測定する。なお、測定経路Ｒ１は、測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６までの測定を行う際の経路を示す。

この図１１に示すように、ユーザによって、測定開始位置Ｐ３に光切断プローブ２が移動され、測定光（光切断線）の照射方向が指定された場合、測定制御部５６は、法線算出部５６１により、被測定対象３（球体）の法線方向を算出する。次に、測定制御部５６は、算出した法線方向、測定光の照射方向、及びデータ取得ピッチに基づいてプローブ角度を含む次画像取得位置を計算して、測定経路Ｒ１に示すように、連続的に被測定対象３に対して光切断プローブ２の姿勢と位置を変えながら、各測定領域の形状計測を実行する。特に、測定光の被測定対象３への投影方向が被測定対象３の面の向きに対して、ほぼ同じ投影方向となるように光切断プローブ２の位置と姿勢を決定している。また、露出条件設定部５７は、各測定位置において、画像センサー部２２Ａ上での測光処理範囲を設定し、形状算出部５３において異常な点群データが生成されないようにする。また、露出条件設定部５７は、最適な明るさの画像が得られるようにシャッタースピード等の露出条件を設定する。測定制御部５６は、露出条件設定部５７により設定されたシャッタースピード等の露出条件に合致するように、撮像部２２を制御する。

また、測定制御部５６は、形状算出部５３によって点群データを繰り返し算出させる際に、変更させた相対位置（光切断プローブ２の測定位置及び姿勢）に対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。測定制御部５６は、再び同じ被測定対象３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した相対位置の経路に基づいて、新たな測定領域に測定光を投影する際の投影方向が、新たな測定領域の法線に対して今までの投影方向と同じ方向となるように、光切断プローブ２の６軸の座標情報を変更させて、測定光が測定領域に投影されたときの画像を取得する。そのように、常に測定光の投影方向と測定領域の法線方向との関係が実質的に同じ状態で、画像センサー部２２Ａで画像を取得できるようにしている。このような画像を用いて形状算出部５３により測定領域の位置が変わる毎に点群データを繰り返し検出させることができる。

データ出力部６０は、記憶部５５から測定データ（全測定ポイントの座標値）等を読み出す。データ出力部６０は、その測定データ（全測定ポイントの座標値）等をモニタ４４に供給する。また、データ出力部６０は、測定データ（全測定ポイントの座標値）等をプリンタ（不図示）へ出力する。

ハードディスク６１は、磁気記憶装置などの不揮発性の記憶装置であり、記憶部５５に記憶されている情報を保存しておく目的のために記憶する。記憶部５５に記憶されている情報は、例えば、形状記憶部５５１に記憶されている点群データや、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報や、ＣＡＤデータ記憶部５５３に記憶されている設計情報（ＣＡＤデータ）などである。これらの情報は、測定制御部５６によって、記憶部５５から読み出されて、ハードディスク６１に記憶される。また、ハードディスク６１に記憶されている情報は、測定制御部５６によって、ハードディスク６１から読み出され、記憶部５５に記憶されて、測定の際に使用されてもよい。

なお、上記の形状算出部５３は、点群データを生成する際に、後述するプローブ座標から後述するワールド座標に変換する。以下、形状算出部５３が、プローブ座標からワールド座標に変換して、点群データを生成する一例を説明する。

（プローブ座標系について）
まず、本実施形態におけるプローブ座標系について説明する。
図１２は、本実施形態におけるプローブ座標系を示すベクトル関連図である。
この図において、プローブ座標系は、光切断プローブ２単体において、照明光軸Ｌ１と撮像光軸Ｌ２が交わる点を原点とし、光照射部２１の方向をＺ軸のプラス方向、Ｚ軸と直交する紙面右に向かう方向をＸ軸のプラス方向、紙面奥に向かう方向をＹ軸のプラス方向として示される。本実施形態では、例えば、撮像部２２は、画像センサー部２２Ａとして、１０２４×１０２４画素のＣＣＤカメラを使用し、測定光（光切断線）の長手方向を垂直方向として撮像する。そのため、形状算出部５３は、最大輝度位置の検出を水平方向に行うことにより、最大１０２４個のピーク位置を検出することが可能である。

これにより、予め光切断プローブ２単体の校正がされた状態では、形状算出部５３は、撮像された画像（測光処理範囲内の画像）内の精密な水平画素位置から、校正データを基にした補正演算により、光切断面内のプローブ座標系での３次元座標を生成することが可能である。
なお、本実施形態において、光切断プローブ２単体校正が完了しているものとし、補正演算内容の詳細に関しては、説明を省略する。

（ワールド座標系について）
次に、本実施形態におけるワールド座標系について説明する。
ワールド座標系は、例えば、図２に示された形状測定装置１００の定盤１８上における左手前を原点としてＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向での測定空間内の３次元位置を示す座標系である。形状算出部５３は、点群データをこのワールド座標系の位置情報（座標情報）として生成する。

（プローブ座標からワールド座標への変換）
次に、形状算出部５３における、プローブ座標からワールド座標に変換して、点群データを生成する処理について説明する。形状算出部５３は、プローブ座標系として生成された点群座標に６軸の座標情報を加味した演算を行い、ワールド座標系に変換する。
ここで、プローブ座標系によって示される点の３次元座標を式（１）として示す。

図１３は、本実施形態における回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。
この図において、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心をポイントＰ１とし、Ｃ回転軸１３３の回転中心（プローブ座標原点でもある）をポイントＰ２として示す。また、光切断プローブ２によって画像が取得される際のＡ回転軸１３１の角度を角度ａとし、Ｂ回転軸１３２の角度を角度ｂとし、Ｃ回転軸１３３の角度を角度ｃとして示す。
ここで、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の各回転軸に対応する回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂ、及びＭｃとすると、ワールド座標への変換は、式（２）として示される。

ここで、Ｏ（オー）は、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心におけるワールド座標を示すベクトルであり、座標検出部５１が検出した形状測定装置１００のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の座標情報と一致させるように校正されている。
また、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合のＡ回転軸１３１及びＡ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示す。ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（３）として示される。

式（２）として示される演算処理により、形状算出部５３は、ベクトルＬの先端、即ち、プローブ座標系の原点ポイントＰ２を、ワールド座標系に変換することができる。つまり、形状算出部５３は、光切断プローブ２によって検出された被測定対象３の表面の位置情報（点群データ）をワールド座標系に変換することができることを示している。
また、形状算出部５３は、生成した点群データを形状記憶部５５１に記憶させる。

［形状データを作成するまでの手順］
次に、図５を参照して、形状測定装置１００が被測定対象３を光切断プローブ２によりスキャンし形状データを作成するまでの手順を説明する。

（ＣＡＤデータがある場合の測定手順）
図５は、本実施形態における形状測定装置１００の測定手順を示す図であり、ＣＡＤデータがある場合の例である。
この図において、まず、制御装置４において、制御部４１は、被測定対象３の３次元情報を取得する（ステップＳ１０１）。例えば、制御部４１は、被測定対象３の測定スキャンに先立ち、被測定対象３の設計データ（ＣＡＤデータ）を取得する。

次に、ユーザは、被測定対象３の３次元形状を測定する測定領域を設定する（ステップＳ１０２）。この測定領域の指定は、被測定対象３の設計データ（ＣＡＤデータ）に基づいて得られた３次元点群データの情報（被測定対象３の概略構成を示す形状）をモニタ４４上に表示し、このモニタ４４に表示された画像において、ユーザは、入力装置４２やジョイスティック４３を操作して測定領域を指定することができる。

また、ユーザは、被測定対象３に対して、走査方向に沿ってする複数の測定領域を設定する際に、測定開始点と測定終了点と測定領域の間隔であるデータ取得ピッチとを設定することで、複数の測定領域を設定することもできる。例えば、ユーザは、光切断プローブ２から照射される測定光（光切断線）が被測定対象３の測定開始位置に照射されるように、例えば、移動ツマミ（入力装置４２の一部）、又はジョイスティック４３を用いて、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を移動及び回転させ、測定開始位置に測定光が投影されるように指定することができる。入力装置４２又はジョイスティック４３は、指定された測定終了位置を記憶部５５に記憶させる。同様にして、ユーザは、入力装置４２又はジョイスティック４３により、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を移動及び回転させることにより、測定終了位置に測定光が投影されるように指定することができる。指定された測定開始位置や測定終了位置として、記憶部５５に記憶させる。

次に、少なくとも測定開始位置の測定光の照射方向（測定目標方向）と移動方向が、ユーザによって指定される（ステップＳ１０３）。つまり、ユーザによって、Ｃ回転軸１３３を移動ツマミ又はジョイスティック４３により測定光の長手方向を被測定対象３に合わせて、測定光の照射方向が、調整される。また、ユーザは、光切断プローブ２の移動方向（スキャン方向）を設定する。また、測定終了位置及び測定開始位置と測定終了位置の間の測定領域での測定光の照射方向と移動方向を別途設定してもよい。
ここで、駆動制御部５４は、移動ツマミ又はジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、回転機構１３のＣ回転軸１３３を回転させるとともに、登録位置として設定された測定開始位置での測定目標方向を記憶部５５に記憶させる。

次に、制御装置４では、被測定対象３の表面のデータ取得ピッチ（データ取得間隔）がユーザによって指定される（ステップＳ１０４）。つまり、入力装置４２又はジョイスティック４３を用いて、データ測定ピッチが指定され、入力装置４２又はジョイスティック４３は、指定されたデータ測定ピッチを記憶部５５に記憶させる。

次に、制御部４１では、被測定対象３の測定領域に対する３次元情報を設定する（ステップＳ１０５）。つまり、制御部４１は、測定制御部５６により、被測定対象３の設計データ（ＣＡＤデータ）を基にした形状情報（被測定対象３の概略構成を示す情報）を、被測定対象３の測定領域における３次元情報として設定する。これにより、制御部４１は、領域設定部５７１により、被測定対象３の測定領域における３次元情報を基にして、撮像部２２における測光処理範囲を設定することができる。

以上により、形状測定装置１００において、被測定対象３の形状を測定するための設定が完了する。

次に、制御部４１は、被測定対象３の形状の測定を開始する（ステップＳ１０６）。この測定を開始する際に、制御部４１は、露出条件設定部５７により、1枚当たりの透過像を取得する際の露出量を定めるパラメータである露出量変数を予め定めた初期値に設定する。そして、測定制御部５６は、上述で設定された測定条件テーブルを記憶部５５から読み出して、測定条件テーブルに基づいて被測定対象３の形状の測定を開始する。

そして、測定制御部５６は、光切断プローブ２の測定光を最初の測定領域（最初は測定開始位置）に移動させる（ステップＳ１０７）。続いて、測定制御部５６は、露光量変数（最初は所定の初期値）を撮像部２２の画像センサー部２２Ａまたは光照射部２１で適用されるように撮像部２２または光照射部２１を制御する（ステップＳ１０８）。つまり、測定制御部５６は、露光量変数を基に撮像部２２内のプローブ調整部２３を制御することにより、画像を取得する際の撮像部２２の露光量（シャッタースピード）や、光照射部２１のＬＥＤやＳＬＤの輝度値を設定する。なお、この露光量変数は、測光処理範囲内において取得された画像（現画像）に応じて次の画像を取得する際に変更されるものである。

上記のステップＳ１０８において露光量変数を撮像部２２内の画像センサー部２２Ａまたは光照射部２１に適用した後に、制御部４１は、座標検出部５１に６軸の現座標情報を検出させるとともに、間隔調整部５２を介して撮像部２２から測定光（光切断線）の画像を取得する（ステップＳ１０９）。つまり、測定制御部５６は、光切断プローブ２の測定位置を移動し、座標検出部５１に６軸の現座標情報を検出させるとともに、間隔調整部５２を介して撮像部２２にライン光（光切断線）の画像を取得させる。

また、撮像部２２によって光切断プローブ２が画像を取得するのと同期して、座標検出部５１は、位置検出部１２が検出した移動後の（現在の）６軸の座標情報をラッチし、形状算出部５３に供給する。また、撮像部２２によって取得された画像は、間隔調整部５２を介して形状算出部５３に供給される。

次に、制御部４１では、形状算出部５３により、ステップＳ１０１で取得した３次元情報を示す物体面座標（ワールド座標）から２次元情報を示すＣＣＤ面座標（画像センサー部２２Ａ内のスクリーン座標）へ座標変換を行い、また、画像センサー部２２Ａ内で撮像される測定光（光切断線）の画像位置を特定する（ステップＳ１１０）。

そして、制御部４１では、領域設定部５７１により、画像センサー部２２Ａ内のスクリーン座標上の像の位置から、画像情報から測光処理と点群データ生成処理を行う範囲（測光処理範囲）を設定する（ステップＳ１１１）。
すなわち、領域設定部５７１は、撮像部２２で取得される画像データのうち、被測定対象３の概略形状を示す３次元形状データに基づいて、撮像部２２の撮像面上における測定光の像の位置を推定し、この推定した位置を含み、推定した位置から予め定められる所定の範囲を露出条件設定用領域とする。

例えば、図９は、本実施形態における物体画像と画像センサー像（画像センサー部により撮像される画像）との関係を示す図である。この図９に示す例では、光切断プローブとして、シャインプルーフの原理（Scheimpflug principle）を使用した撮像光学系の例を示し、この例では、ＣＣＤで構成される画像センサー部２２Ａの設置位置を撮像系光軸Ｌｘからさらに角度θだけ傾けた配置をとっている。

この図９に示す例では、画像センサー部２２Ａ上でのＣＣＤ面座標（ｕ，ｖ）と、ワールド座標系の光切断面座標（ｘ，ｙ，ｚ）との関係式は、例えば、以下の式（４）、式（５）及び式（６）となる。

なお、ここで、f:焦点距離、b:像側距離、θ:物体面傾斜角、φ:撮像光軸からのカメラ光軸角である。

例えば、光切断センサー２を走査することにより、図９（ａ）に示すように、被測定対象３の物体面に於いて光切断面３１（光照射部２１から照射されるライン光が形成する光プレーン）内で、照明光軸方向５に沿って被測定面の物体画像（測定光である測定光の画像）６、７、８の位置が「６→７→８」と順に移動した場合、撮像部２２の画像センサー部２２Ａに撮像される画像６’、７’、８’の位置は、図９（ｂ）に示すように、撮像方向５Ａに沿って「６’→７’→８’」と順に変化する。この図９（ｂ）に示す画像センサー部２２Ａ上での画像６’、７’、８’の位置は、被測定対象３のＣＡＤデータ、或いはプリスキャンされた形状データに基づいて、上述した３次元座標から２次元座標への座標変換式（又は、予め用意した変換テーブル）により、予め算出することができる。
すなわち、領域設定部５７１（露出条件設定用領域設定部）は、上述した３次元座標から２次元座標への座標変換により、各画像取得位置における光切断面での物体面座標から、図９（ｂ）に示すように、画像センサー部２２Ａに撮像される画像６’、７’、８’の位置をＣＣＤ面上に設定する。なお、図９（ａ）及び（ｂ）では、図面の見易さのために、画像（光切断線の画像）を３つのみ示しているが、実際には、画像（光切断線の画像）は密に存在するものである。

そして、領域設定部５７１は、上記の画像６’、７’、８’の位置を含み、この位置から所定の範囲を測光処理範囲（露出条件設定用領域）として設定する（ステップＳ１１１）。つまり、領域設定部５７１は、画像センサー部２２Ａ上での画像が撮像されるべき位置に対して、その位置を含む所定の領域を、測光処理と点群データの生成処理を行う測光処理範囲として設定する。

例えば、図１０に示すように、領域設定部５７１は、画像センサー部２２Ａ上の画像６’、７’、８’のそれぞれの撮像位置に対し、所定の幅ｗを持つ領域（６ａ、７ａ、８ａ）をそれぞれ測光処理範囲（露出条件設定用領域）として設定する。なお、この測光処理範囲の設定は、図１０に示すような矩形領域による設定だけでなく、任意の多角形、円、楕円等、任意の形状の領域により設定することもできる。また、測光処理範囲の設定は、画素毎に指定するようにしてもよい。また、画像６’、７’、８’は湾曲する曲線であってもよく、この曲線に対して所定の幅ｗを持つ領域を設定することができる。

また、上記の幅ｗは、ＣＭＭにおける駆動系の位置決め精度、被測定対象３の設置誤差などによる被測定対象３の配置位置の再現性に応じて余裕（マージン）を考慮して設定することができる。また、幅ｗは、連続的に画像を取得するシーケンスにおいて次に取得される画像の画像取得条件を設定する必要性から、データ取得ピッチ（画像取得ピッチ）を考慮して設定することができる。このようにすることで、測定光の被測定対象による1回の反射光の像だけで、露出条件を設定できるので、正確な露出条件が得られる。例えば、撮像部の視野内に被測定対象での多重反射光により形成される像が撮像部２２により撮像されたとしても、その多重反射光により形成される像に最適化され、本来適正露出で撮影した被測定対象での1回の反射光の像が適正露出で撮影出来無いという問題を解消することができる。

そして、図５に戻り、制御部４１は、ステップＳ１１１において設定した測光処理範囲内の画像の輝度（明るさ）の測光処理を行う（ステップＳ１１２）。なお、この測光処理は、例えば指定範囲内の最高輝度値で規格化する手法や、平均輝度値を算出して規格化する手法、輝度分布から算出する手法等を用いることができる。

次に、露出条件設定部５７は、ステップＳ１１２における測光処理範囲内の画像の測光処理の結果に基づいて、露光量の算出と、露光量変数Ｓの更新を行う（ステップＳ１１３）。すなわち、露出条件設定部５７は、画像センサー部２２Ａ上で設定された測光処理範囲内において、連続的（例えば、測定領域を１０μｍごとに移動するたび）に画像を取得する際に、次に取得される画像に対する撮像部２２の露光量や光照射部２１の発光輝度等を画像取得条件（露出条件）として設定する。なお、上述のように。露光量変数Ｓは、光照射部２１における輝度値Ｂと反比例の関係にあり、規格化する為の定数をＫとすると、「Ｓ＝Ｋ／Ｂ」の関係にある。

次に、制御部４１では、形状算出部（点群データ生成部）５３により、設定された測光処理範囲内の画像から点群データの生成処理を行う（ステップＳ１１４）。つまり、形状算出部５３は、領域設定部５７１から測光処理範囲の情報を入力し、この測光処理範囲内において、撮像画像から点群データの生成処理を行う。
この点群データの生成処理において、形状算出部５３は、輝度信号のピークの検出位置を画素間で補間し、サブピクセルの位置情報を算出後、画像センサー部２２Ａ内の座標から物体面座標に座標変換を行い、点群データを生成する。つまり、形状算出部５３は、座標検出部５１から供給された６軸の座標情報と、間隔調整部５２から供給された画像（測光処理範囲内の画像）とに基づいて、１画像分の点群データを生成する。形状算出部５３は、生成した点群データを形状記憶部５５１に記憶させる。

これにより、形状測定装置１００で、被測定対象３の３次元形状を測定する際に、拡散光以外の光により異常な点群データが生成されることを回避できる。
例えば、前述した図８は、拡散光以外の光が混入する例を示す図であり、被測定対象３として平歯車の形状測定を行う場合の例を示している。
この図８に示すように、撮像部２２により被測定面Ａ１（測定したい歯面）からの拡散光以外の光が撮像され、被測定面Ａ１以外の形状データとして点群データが生成される可能性がある。
例えば、測定光がライン状のパターンの場合、ライン状のパターンがＬ１の方向から照射され、被測定面Ａ１を含む画像が撮像部２２の画像センサー部２２Ａに撮像された場合に、歯の先端部からの正反射光Ｌ２が同時に撮像される可能性がある。そこで、領域設定部５７１が、本来拡散光Ｌ３が撮像される位置（測光処理範囲）を画像センサー部２２Ａ上で設定することにより、拡散光Ｌ３以外の画像により点群データが生成されることを回避できる。

そして、図５に戻り、ステップＳ１１４における測光処理範囲内の画像からの点群データの生成処理が完了すると、続いて、制御部４１は、ステップＳ１０２において設定された測定領域の範囲内での形状測定を完了したか否かを判定する（ステップＳ１１５）。

そして、ステップＳ１１５の判定処理において測定領域内の形状測定を完了していると判定された場合に（ステップＳ１１５：Ｙｅｓ）、制御部４１は、ステップＳ１１６の処理に移行し、形状算出部５３により、各測光処理範囲内で生成した点群データの合成処理を行い、被測定対象３の３次元点群データを生成する（ステップＳ１１６）。そして、形状算出部は、合成した点群データを形状記憶部５５１に記憶させる。また、測定制御部５６は、形状算出部５３で合成した点群データをハードディスク６１にセーブする（記憶させる）。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１に記憶されている被測定対象３の形状情報である点群データをハードディスク６１に記憶させる。なお、測定制御部５６は、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報（上述の相対位置の経路）をハードディスク６１に記憶させてもよい。

また、測定制御部５６は、再び形状算出部５３に被測定対象３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した経路情報に基づいて光切断プローブ２の座標情報を変更させて、形状算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させてもよい。この場合、測定制御部５６は、ハードディスク６１に記憶されている経路情報を読み出して使用してもよいし、ハードディスク６１に記憶されている経路情報を経路記憶部５５２に記憶させて、使用してもよい。

一方、ステップＳ１１５の判定処理において測定領域内の測定を完了していないと判定された場合に（ステップＳ１１５：Ｎｏ）、制御部４１は、ステップＳ１０７の処理に戻り、次の画像取得位置に光切断プローブ２を移動する。
この光切断プローブ２を次画像の取得位置に移動させる場合に、測定制御部５６は、ユーザが指定した方向とデータ取得ピッチに基づいて、光切断プローブ２を次画像の取得位置に向けて移動させることができる。又、測定制御部５６は、法線算出部５６１により、前画像、現画像の点群位置から被測定対象３の表面の法線を検出し、この法線ベクトルとデータ取得ピッチとに基づいて、次画像の取得位置を決めることもできる。

以下では、測定制御部５６が、法線ベクトルに基づいて、次画像の取得位置を決める例について説明する。

（法線ベクトルの算出例）
測定制御部５６の法線算出部５６１は、形状記憶部５５１から１つ前の測定位置（相対位置）に対する検出値（形状）である前画像の点群データと、現在の測定位置（相対位置）に対する検出値（形状）である現画像の点群データとを読み出す。そして、法線算出部５６１は、形状記憶部５５１から読み出した、前画像の点群データと現画像の点群データとに基づいて、現在の測定位置（相対位置）における法線ベクトルを算出する。

図１４は、本実施形態における法線ベクトルの生成例を示す概念図である。
図１４（ａ）において、点群データＤ２は、現在の測定位置において取得された画像ｎ（現画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。点群データＤ１は、画像ｎ（現画像）の１つ前の測定位置において取得された画像（ｎ−１）（前画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。この点群データＤ１及びＤ２において、四角で囲まれた１〜１０２４の数字は、点群の番号を示している。
法線算出部５６１は、現画像ｎから生成された点群から選定された最大１０２４点に対応した法線ベクトル計算を行う。

なお、ここでは、一例として、現画像ｎの５番目の走査線位置から生成された３次元座標における法線ベクトルの計算例を示す。
図１４（ｂ）は、図１４の現画像ｎ及び前画像（ｎ−１）における５番目近傍の点群データＤ３を示している。この図において、ベクトルＶ０は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの４番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ１は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の４番目に向かう３次元ベクトルを示す。また、ベクトルＶ２は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の５番目に向かう３次元ベクトルを示す。さらに、ベクトルＶ３は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの６番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ４は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の６番目に向かう３次元ベクトルを示す。

上述のように、ベクトルＶ０〜Ｖ４を定義した場合、この現画像ｎの５番目の点における法線ベクトルＮは、式（７）として示される。

この式（７）において、「×」は外積を示し、「ｕｎｉｔ」は単位ベクトル化関数を示す。また、「＋」はベクトル加算を示す。
なお、式（７）の方式では、周辺４ベクトルを平均化して求める方式であるため、測定制御部５６は、安定した法線ベクトルＮを算出することができる。
また、この現画像ｎの５番目の周辺点群に欠落がある場合には、平均数は３以下として対応してもよい。

測定制御部５６内の法線算出部５６１は、上述の式（７）として示される演算方法によって、１画像から最大１０２４点に対応した法線ベクトルを算出する。
そして、上記の法線ベクトルの設定処理が完了すると、次に、制御部４１は、ステップＳ１０４において設定したデータ取得ピッチに応じて、次画像取得の６軸の座標情報を計算する。この６軸の座標情報の計算処理において、測定制御部５６は、式（７）に示される演算方法によって算出された法線ベクトルＮと、ベクトルＶ０及びＶ４とに基づいて、次の測定位置である次画像取得位置に向かう方向ベクトルＤを算出する。
この方向ベクトルＤは、式（８）として示される。

また、記憶部５５から読み出した、上述のステップＳ１０４において設定したデータ取得ピッチを被測定対象３の表面のデータ取得ピッチｔとすると、移動ベクトルＭは、式（９）として示される。

ここで、次画像を取得する位置を示す次画像取得位置ベクトルＳを式（１０）として示す。

また、現在の画像取得位置のワールド座標を示す現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（１１）として示す。

この現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（１１）として示す場合、次画像取得位置Ｓは、式（１２）として示される。

この場合におけるベクトル関連図を図１５に示す。
図１５では、本実施形態における現画像取得位置ベクトルＷと次画像取得位置Ｓとの関係を示している。

また、ワールド座標における次画像取得位置Ｓでの６軸の座標Ｐ＝［ｘｙｚａｂｃ］の各成分は、測定制御部５６によって次のように演算される。法線ベクトルＮの各成分をＮ＝［ＸＮＹＮＺＮ］^Ｔ（Ｔは転置ベクトルを示す）とすると、法線方向に光切断プローブ２を向けるための角度ａ及びｂは、それぞれ式（１３）及び式（１４）として示される。

なお、成分ｃは、測定開始前に予め指定された測定光照射方向である。
また、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２における各回転軸の回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂとすると、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心座標Ｏは、式（１５）として示される。

ここで、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合のＡ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示し、ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（１６）として示される。

したがって、測定制御部５６は、次画像取得位置Ｓにおける６軸の座標Ｐを式（１３）〜式（１５）により算出することができる。

このように、制御部４１は、ユーザが指定した方向又は算出した法線ベクトルに基づいて、６軸を制御して、次画像取得位置に光切断プローブ２を移動させる（図５のステップＳ１０７）。つまり、測定制御部５６は、算出された６軸の座標Ｐを指令値として、駆動制御部５４により駆動部１１を移動させる。これにより、駆動制御部５４は、駆動部１１を検出値に応じて６軸の座標に移動させ、光切断プローブ２を次画像取得位置に移動させる。
また、測定制御部５６は、移動させた次画像取得位置に対応する座標情報（光切断プローブ２の座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。すなわち、測定制御部５６は、形状算出部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させる際に、変更させた測定位置（相対位置）に対応する光切断プローブ２の座標情報を経路記憶部５５２に記憶させる。
このようにすることで、測定領域の面の方向に対して、測定光の投影方向が一定の関係を有する。したがって、測定領域の面の方向により、あるときには測定光の測定領域による正反射光が撮像部２２に入射してしまうというような、極端な測定光の像の光量変化が測定位置の変化により発生してしまう問題を解消することができる。

（ＣＡＤデータが無く、プリスキャンにより概略形状データを取得する処理）
図５に示した処理の例では、ＣＡＤデータから被測定対象３の概略形状を取得して、測光処理範囲を設定する例について説明したが、ここでは、ＣＡＤデータが無く、プリスキャンにより概略形状データを取得して、測光処理範囲を設定する例について説明する。

図６は、ＣＡＤデータが無く、プリスキャンにより疎形状（概略形状）データを取得する測定手順を示す図である。
この図６に示す処理の流れは、図５に示す処理の流れと比較して、ステップＳ１０１Ａ〜Ｓ１０６Ａに示すプリスキャンの処理ステップが、図５に示す処理の手順と異なり、処理ステップＳ１０７〜Ｓ１１６は、図５に示す処理手順と同じである。このため、同一の処理内容のステップには同じ符号を付して示している。

図６において、まず、ユーザは、測定制御部５６に対して、被測定対象３をプリスキャンして概略形状（疎形状）を取得するためのプリスキャンの測定パスを設定する（ステップＳ１０１Ａ）。
測定制御部５６は、光切断プローブ２を所定のプリスキャン速度で移動させながら被測定対象３に対して測定光（光切断線）を照射し、被測定対象３に投光された測定光の像を撮像する。形状算出部５３は、撮像部２２により取得された画像データに基づき、逐次に測定位置の座標を算出する（ステップＳ１０２Ａ）。

次に、形状算出部５３は、測定位置の座標情報を形状記憶部５５１に保管し、被測定対象３の３次元情報を算出する（ステップＳ１０３Ａ）。

次に、制御部４１は、ステップＳ１０４Ａに移行する。このステップＳ１０４Ａの処理は、図５に示したステップＳ１０３及びＳ１０４と同じ処理である。すなわち、ステップＳ１０４Ａにおいては、被測定対象３をプリスキャンして得られた３次元点群データの情報（被測定対象３の概略構成を示す形状）をモニタ４４上に表示し、このモニタ４４に表示された画像において、ユーザは、入力装置４２やジョイスティック４３を操作して測定領域を指定する。また、ユーザは、測定光（光切断線）の照射方向（測定目標方向）と移動方向と、データ取得ピッチ（データ取得間隔）とを指定する（ステップＳ１０４Ａ）。

続いて、制御部４１では、被測定対象３の測定領域に対する３次元情報を設定する（ステップＳ１０５Ａ）。つまり、制御部４１は、測定制御部５６により、被測定対象３をプリスキャンして得られた３次元点群データを基にした形状情報（被測定対象３の概略構成を示す情報）を、被測定対象３の測定領域における３次元情報として設定する。

以上により、形状測定装置１００において、被測定対象３の形状を測定するための設定が完了し、測定を開始する（ステップＳ１０６Ａ）。以降の形状測定処理は、図５に示す処理と同じであり、重複する説明は省略する。
このように、制御部４１では、ＣＡＤデータが無い場合においても、プリスキャンにより概略形状データを取得して、領域設定部５７１により、測光処理範囲を設定することができる。

（プリスキャンで画像情報から測光処理範囲を設定する処理）
図５及び図６に示す処理では、形状データの測定開始の際に、最初に露光量変数を初期設定し、被測定対象３に対する形状測定動作を進める中で、露光量変数を更新する例について説明したが、この露光量変数と測光処理範囲とを、プリスキャンにより予め設定することもできる。
以下では、プリスキャンの画像情報から測光処理範囲と露光量変数とを予め設定する例について説明する。
図７は、プリスキャンの画像情報から測光処理範囲を設定する測定手順を示す図である。
図７において、まず、ユーザは、測定制御部５６に対して、この被測定対象３をプリスキャンして概略形状（疎形状）を取得するためのプリスキャンの測定パスを設定する（ステップＳ２０１）。
測定制御部５６は、設定された測定パスに従ってプリスキャンを開始し（ステップＳ２０２）、光切断プローブ（光切断センサ）２を所定のプリスキャン速度で移動させながら被測定対象３に対して測定光を照射する（ステップＳ２０３）。撮像部２２は、被測定対象３に投光された測定光の画像を取得する（ステップＳ２０４）。

制御部４１は、形状算出部５３により、測定光の画像から測定光の位置を取得し、露出条件設定部５７は、測定した画像における測定光の位置から当該測定位置の測光処理範囲（露出条件設定用領域）を設定する（ステップＳ２０５）。
次に、露出条件設定部５７は、測光処理範囲内の画像データから、当該位置における露光量変数を設定し、記憶部５５に位置情報と対応付けて記憶する（ステップＳ２０６）。
その後、制御部４１は、ステップＳ２０７の処理に移行し、プリスキャンパスを全てトレースしたか否かを判定する（ステップＳ２０７）。

そして、制御部４１は、ステップＳ２０７の処理においてプリスキャンパスを全てトレースしていないと判定された場合（ステップＳ２０７：Ｎｏ）、ステップＳ２０３の処理に戻り、プリスキャン動作を継続する。一方、制御部４１は、ステップＳ２０７の処理においてプリスキャンパスを全てトレースしたと判定された場合（ステップＳ２０７：Ｙｅｓ）、プリスキャン処理を終了し、ステップＳ２０８に移行して、形状測定のための本スキャンを開始する。

そして、本スキャンが開始されると、測定制御部５６は、光切断プローブ２を本スキャン開始位置に移動させる（ステップＳ２０８）。その後、測定制御部５６は、測定領域内の各位置での測定を行う毎に、光切断プローブ２を画像取得位置に移動させる（ステップＳ２０９）。
次に、測定制御部５６は、記憶部５５を参照し、測定を行う位置に対して、プリスキャン処理において記憶部５５に記憶させた測定位置と合致又は類似する位置の露出量変数（露出条件）を読み出す。そして、測定制御部５６は、この露出量変数を、プローブ調整部２３を介して、光切断プローブ２の撮像部２２に適用する（ステップＳ２１０）。
続いて、撮像部２２は、ステップＳ２１０において設定された露出量の基で、被測定対象３の測定光の画像を取得する（ステップＳ２１１）。

次に、形状算出部（点群データ生成部）５３は、設定された測光処理範囲内の画像から点群データの生成処理を行う（ステップＳ２１２）。つまり、形状算出部５３は、測光処理範囲の情報を入力し、この測光処理範囲内において、撮像画像から点群データを生成する処理を行う（ステップＳ２１２）。
そして、ステップＳ２１２における測光処理範囲内の画像の点群データの生成処理が完了すると、測定制御部５６は、測定領域の範囲内での形状測定を完了したか否かを判定する（ステップＳ２１３）。

そして、ステップＳ２１３の判定処理において測定領域内の形状測定を完了していると判定された場合に（ステップＳ２１３：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１４の処理に移行し、形状算出部５３は、各測光処理範囲内で生成した点群データの合成処理を行い、被測定対象３の３次元点群データを生成する（ステップＳ２１４）。

一方、ステップＳ２１３の判定処理において測定領域内の測定を完了していないと判定された場合（ステップＳ２１３：Ｎｏ）、制御部４１は、ステップＳ２０９の処理に戻り、次の画像取得位置に光切断プローブ２を移動させる。

この図７に示す処理を行なうことにより、プリスキャンの際に、予め測光処理範囲と露出条件を設定し、本スキャンの際に、プリスキャンで予め設定した測光処理範囲と露出条件とを利用して、被測定対象３の形状測定を行うことができる。これにより、形状測定装置１００では、被測定対象３の形状測定の時間を短縮することができる。

（複雑な形状の被測定対象３を測定する場合の一例）
次に、本実施形態による形状測定装置１００が、複雑な形状の被測定対象３を測定する場合の一例について説明する。

図１６は、本実施形態の形状測定装置１００における複雑な形状の測定例を示す図である。
この図において、形状測定装置１００は、測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５まで光切断プローブ２をＸ方向に移動させて、被測定対象３の形状を測定する。なお、測定経路Ｒ２は、測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５までの測定を行う際の経路を示す。ここで、本実施形態の形状測定装置１００では、測定制御部５６は、測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５まで測定光（光切断線）を被測定対象３の法線に近い角度で照射するように光切断プローブ２を制御する。

そして、露出条件設定部５７は、領域設定部５７１により、被測定対象３の設計データ（ＣＡＤデータ）或いは被測定対象３をプリスキャンして得られた被測定対象３の概略構成を示す情報を基に、撮像部２２（より正確には画像センサー部２２Ａ）における測光処理範囲を設定する。そして、形状算出部５３は、この測光処理範囲内に含まれる画像に対してのみ点群データの生成処理を行う。これにより、形状測定装置１００では、拡散光以外の光の影響による異常な点群データの混入を防ぐことができる。このため、形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定対象３に対しても精度を高めて形状測定を行うことができる。

なお、上述した形状測定装置１００では、法線ベクトルを算出し、この法線ベクトルの向きとライン光の照射方向とが一致するように光切断プローブ２の姿勢を制御する例について説明した。しかしながら、本発明の形状測定装置１００は、これに限定されず、例えば、図１７の変形例に示すように、ライン光Ｌ１の照射方向（照射角度）と法線ベクトル方向とを一致させることなく、一定の照射角度のまままでライン光Ｌ１を測定面に照射して撮像を行う場合においても効果的に適用できるものである。

例えば、形状測定装置１００が、図１７に示すような複雑な形状の被測定対象３を測定する場合、次のような問題が発生する可能性がある。
例えば、光切断プローブ２の相対位置（姿勢）と画像取得条件とを測定点Ｐ１０のような平面形状を測定する場合に合わせて設定すると、測定位置Ｐ８のような傾斜形状を測定する場合には、図１７（ａ）に示すように、照明光軸Ｌ１と撮像光軸Ｌ２とを２分する角度に被測定対象３の表面が位置するため、反射光が撮像部２２に入力し、被測定対象３の正しい形状測定が行えない場合がある。また、測定位置Ｐ９のような形状を測定する場合、図１７（ｂ）に示すように、測定光（光切断線）の撮像角度が大きく平坦な波形として捉えられ、撮像画像が暗くなる場合がある。

すなわち、法線ベクトルに基づいて、測定光の照射方向きを制御しない場合においては、面の傾き（法線ベクトルの方向）に応じて測定光の照射方向が変化することにより、反射光が撮像部２２に入力し、被測定対象３の正しい形状測定が行えない場合があり、また、撮像画像が暗くなる場合がある。

そこで、露出条件設定部５７は、領域設定部５７１により、被測定対象３の設計データ（ＣＡＤデータ）或いは被測定対象３をプリスキャンして得られた被測定対象３の概略構成を示す情報に基づいて、撮像部２２（より正確には画像センサー部２２Ａ）における測光処理範囲を設定する。形状算出部５３は、この測光処理範囲内に含まれる画像に対してのみ点群データの生成処理を行う。これにより、形状測定装置１００では、拡散光以外の光の影響による異常な点群データの混入を防ぐことができる。

また、露出条件設定部５７は、撮像部２２により受光する光量が大きく変化する場合においても、測光処理範囲内の画像の明るさに応じて、撮像部２２における露光量（例えば、シャッタースピード）や、光照射部２１の発光輝度を露出条件として設定することができる。これにより、測定制御部５６は、露出条件設定部５７により設定された露出条件に基づいて光照射部２１や撮像部２２を制御し、最適な撮像条件を設定することができる。これにより、形状測定装置１００では、複雑な形状の被測定対象３に対しても精度を高めて形状測定を行うことが可能になる。

［構造物製造システムの例］
次に、上述した形状測定装置１００を備えた構造物製造システムの例について説明する。
図１８は、本発明の実施形態による形状測定装置１００を備える構造物製造システム２００の構成を示すブロック図である。構造物製造システム２００は、上述した形状測定装置１００と、設計装置１１０と、成形装置１２０と、構造物製造制御装置（検査装置）１５０と、リペア装置１４０とを備える。

設計装置１１０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１２０に送信する。また、設計装置１１０は、作成した設計情報を構造物製造制御装置１５０の後述する座標記憶部１５１に記憶させる。ここで、設計情報とは、構造物の各位置の座標を示す情報である。

成形装置１２０は、設計装置１１０から入力された設計情報に基づいて上記構造物を作製する。成形装置１２０の成形工程には、鋳造、鍛造、または切削等が含まれる。形状測定装置１００は、作製された構造物（被測定対象３）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を構造物製造制御装置１５０へ送信する。

構造物製造制御装置１５０は、座標記憶部１５１と、検査部１５２とを備える。座標記憶部１５１には、前述の通り、設計装置１１０により設計情報（例えば、前述のＣＡＤ情報）が記憶される。検査部１５２は、座標記憶部１５１から設計情報を読み出す。検査部１５２は、形状測定装置１００から受信した座標を示す情報（形状情報）と座標記憶部１５１から読み出した設計情報とを比較する。

検査部１５２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１５２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１５２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合、修復可能であるか否か判定する。修復できる場合、検査部１５２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出し、リペア装置１４０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１４０は、構造物製造制御装置１５０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１９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。

まず、設計装置１１０が、構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ３０１）。次に、成形装置１２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ３０２）。次に、形状測定装置１００は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ３０３）。次に、構造物製造制御装置１５０の検査部１５２は、形状測定装置１００で得られた形状情報と、上記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Ｓ３０４）。

次に、構造物製造制御装置１５０の検査部１５２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Ｓ３０５）。作成された構造物が良品である場合（ステップＳ３０５；ＹＥＳ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。一方、作成された構造物が良品でない場合（ステップＳ３０５；ＮＯ）、構造物製造制御装置１５０の検査部１５２は、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Ｓ３０６）。

作成された構造物が修復できると検査部１５２が判断した場合（ステップＳ３０６；ＹＥＳ）、リペア装置１４０は、構造物の再加工を実施し（ステップＳ３０７）、ステップＳ３０３の処理に戻る。一方、作成された構造物が修復できないと検査部１５２が判断した場合（ステップＳ３０６；ＮＯ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。以上で、本フローチャートの処理を終了する。

以上により、上記の形状測定装置１００は、被測定対象３の形状測定を行う際に、拡散光以外の光の影響による異常な点群データが混入することを回避できるので、上記の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か否かを正確に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。

（１）なお、上記実施形態において、形状測定装置１００は、被測定対象３の測定領域に測定光を投光する光照射部２１と、被測定対象３の測定領域に投光された測定光（ライン光）の像を撮像する撮像部２２と、光照射部２１及び撮像部２２を被測定対象３に対して相対的に移動するように構成された駆動部１１と、被測定対象３の形状データを記憶する記憶部５５と、被測定対象３の形状データと測定光が照射されている測定領域の位置情報に基づいて、撮像部２２で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定する露出条件設定部５７と、露出条件設定部５７により設定された露出条件に基づき、撮像部２２又は光照射部２１を制御する測定制御部５６と、前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出する形状算出部とを備える。
このような構成の形状測定装置１００では、光照射部２１により、被測定対象３の表面に測定光（ライン光）を投光し、撮像部２２により、測定領域に投光された測定光の像を撮像する。駆動部１１は、光照射部２１及び撮像部２２を被測定対象３に対して相対的に移動するように構成される。記憶部５５は、被測定対象３の形状データを記憶する。
露出条件設定部５７は、被測定対象３の形状データと測定光が照射されている測定領域の位置情報に基づいて、撮像部２２で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定し、測定制御部５６は、設定された露出条件に基づき、撮像部２２又は光照射部２１を制御する。そして、形状算出部５３は、設定された露出条件で得られた画像データから被測定対象３の形状を算出する。
これにより、形状測定装置１００は、被測定対象３の３次元形状測定を行う際に、拡散光以外の光の影響により異常な点群データが混入し、正常な形状データの取得ができないことを回避できる。このため、形状測定装置１００は、複雑な形状の被測定対象３に対して精度を高めて形状測定を行うことができる。

（２）また、上記実施形態において、露出条件設定部５７は、測定領域の位置に応じて、撮像部２２で取得される画像データの撮像範囲の中から露出条件設定領域を設定する領域設定部５７１を更に有し、領域設定部５７１で設定された露出条件設定用領域（測光処理範囲）の中での画像の明るさに基づき、露出条件を設定する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、露出条件設定部５７は、領域設定部５７１を有し、この領域設定部５７１は、測定領域の位置に応じて、撮像部２２における露出条件を設定するための露出条件設定用領域（測光処理範囲）を画像データの撮像範囲の中から設定する。そして、露出条件設定部５７は、領域設定部５７１で設定された測光処理範囲の中での画像の明るさに基づき、露出条件を設定する。
これにより、形状測定装置１００では、撮像部２２における露出条件を設定するための露出条件設定用領域（測光処理範囲）を画像データの撮像範囲の中から設定し、この測光処理範囲の中での画像の明るさに基づき、露出条件を設定することができる。

（３）また、上記実施形態において、記憶部５５は、被測定対象３の概略形状を示す３次元形状データを記憶する。領域設定部５７１は、記憶部５５に記憶された３次元形状データに基づいて、撮像部２２の撮像面上における測定光の像の位置を推定し、この推定した位置を含み、推定した位置から予め定められる所定の範囲を露出条件設定用領域とする。
このような構成の形状測定装置１００であれば、領域設定部５７１は、被測定対象３の概略形状を示す３次元形状データに基づいて、撮像部２２の撮像面上における測定光の像の位置を推定する。そして、領域設定部５７１は、この推定した測定光（ライン光）の像の位置から所定の範囲の領域を露出条件設定用領域（測光処理範囲）として定める。
これにより、形状測定装置１００は、被測定対象３の概略形状を示す３次元形状データに基づいて、撮像部２２の撮像面上における測定光の像の位置を推定し、測定光（ライン光）を検出する露出条件設定用領域（測光処理範囲）を設定することができる。

（４）また、上記実施形態において、領域設定部５７１は、３次元形状データに基づいて撮像部２２の撮像面上において、被測定対象３に投光された測定光の像のうち、被測定対象３の表面を複数回反射することで形成される像の位置が露出条件設定用領域に含まれないように露出条件設定用領域を定める。
このような構成の形状測定装置１００であれば、領域設定部５７１は、３次元形状データに基づいて、多重反射光による画像が検出されないよう露出条件設定用領域（測光処理範囲）を設定することができる。

（５）また、上記実施形態において、領域設定部５７１は、測定領域の位置毎に、撮像部２２の撮像面上における測定光の像の位置を検出し、測定光の像の位置に応じて、露出条件設定用領域を定める。
これにより、領域設定部５７１は、測定領域の測定位置ごとに、測定光の像の位置に応じて、露出条件設定用領域（測光処理範囲）を設定することができる。

（６）また、上記実施形態において、露出条件設定部５７は、露出条件設定用領域（測光処理範囲）の中での画像の明るさに基づき、撮像部２２の撮影感度を設定する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、露出条件設定部５７は、露出条件設定用領域（測光処理範囲）内の画像の明るさに基づいて、撮像部２２の撮影感度を調整する。つまり、露出条件設定部５７は、撮像部２２における撮影感度を設定する場合に、露出条件設定用領域（測光処理範囲）外の画像を除外し、露出条件設定用領域内の画像のみに基づいて撮影感度を設定する。
これにより、露出条件設定部５７は、露出条件設定用領域（測光処理範囲）の中での画像の明るさに基づき、撮像部２２の撮影感度を最適に設定することができる。

（７）また、上記実施形態において、露出条件設定部５７は、露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、光照射部２１からの測定光の光量を調整する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、露出条件設定部５７は、露出条件設定用領域（測光処理範囲）内の画像の明るさに基づいて、光照射部２１から被測定対象３に投光させる光量を調整する。つまり、露出条件設定部５７は、光照射部２１における光量（光源輝度）を設定する場合に、露出条件設定用領域（測光処理範囲）外の画像を除外し、露出条件設定用領域内の画像のみに基づいて光量を設定する。例えば、測定制御部５６は、ＬＥＤやＳＬＤの発光量を制御して、光量を設定する。
これにより、形状測定装置１００では、露出条件設定用領域（測光処理範囲）内の画像の検出結果に基づいて、光照射部２１における最適な光量を計算し、それに応じた光照射部２１の光量を最適に調整することができる。

（８）また、上記実施形態において、露出条件設定部５７は、露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、撮像部２２の露光時間を設定する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、露出条件設定部５７は、露出条件設定用領域（測光処理範囲）内の画像の明るさに基づいて、撮像部２２の露光時間（露出時間）を設定する。つまり、露出条件設定部５７は、撮像部２２における露光時間を、測光処理範囲（露出条件設定用領域）外の画像を除外し、測光処理範囲内の画像の明るさに基づいて露光時間を設定する。
これにより、露出条件設定部５７では、測光処理範囲内の画像の明るさに基づいて、撮像部２２における最適な露光時間を計算し、それに応じた撮像部２２の露光時間を調整することができる。

（９）また、上記実施形態において、形状算出部５３は、測定制御部５６によって設定された露出条件で撮像部２２が制御されたときの画像データのうち、露出条件設定用領域（測光処理範囲）で設定された領域内での画像データに基づき、測定領域における被測定対象３の形状を示す点群データを生成する。
このような構成の形状算出部５３であれば、形状算出部５３は、露出条件設定部５７により設定された露出条件で撮像された画像において、測光処理範囲（露出条件設定用領域）内の画像に対して点群データを生成する。
これにより、形状測定装置１００は、被測定対象３の３次元形状測定を行う際に、拡散光以外の光の影響により異常な点群データが混入し、正常な形状データの取得ができないことを回避できる。

（１０）また、上記実施形態において、形状測定装置１００は、光照射部２１と撮像部２２の相対位置関係を一定に保持しながら、被測定対象３と光照射部２１とを相対的に移動するように補正制御情報を駆動制御部５４に供給し、駆動制御部５４を介して駆動部１１を制御する相対移動制御部５６２を更に備え、形状算出部５３は、光照射部２１と撮像部２２の相対位置関係と、撮像部２２の撮像面上における測定光の像の位置に基づいて、被測定対象３の形状を示す点群データを生成する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、相対移動制御部５６２は、光照射部２１と撮像部２２の相対位置関係を一定に保持し、被測定対象３と光照射部２１とを相対的に移動させる。つまり、相対移動制御部５６２は、光切断プローブ２がライン光（測定光）を検出する際の相対位置（被測定対象３に対する光切断プローブ２の測定位置及び姿勢）が一定になるよう光切断プローブ２を制御する。そして、形状算出部５３は、光照射部２１と撮像部２２の相対位置関係と、撮像部２２の撮像面上における測定光の像の位置に基づいて、被測定対象３の形状を示す点群データを生成する。
これにより、形状測定装置１００は、三角測量の原理を用いて、被測定対象３の形状を示す点群データを容易に生成することができる。

（１１）記憶部５５は、形状算出部５３によって生成された点群データを形状データとして記憶する。
これにより、形状測定装置１００は、形状算出部５３によって生成された点群データを形状データとして記憶することから、被測定対象３の形状を示す形状データを点群データを基に容易に生成することができる。なお、記憶部５５は、形状算出部５３によって生成された点群データに代え、点群データから算出されるポリゴンデータを形状データとして記憶してもよい。

（１２）相対移動制御部５６２は、記憶部５５で記憶された形状データを基に、光照射部２１から被測定対象３の測定領域に測定光を投影する方向を測定領域の法線方向に対してほぼ一定の関係を維持するように被測定対象３と光照射部２１とを相対的に移動させるように駆動部１１を制御する。
これにより、形状測定装置１００は、記憶部５５で記憶された形状データを基に、光照射部２１から被測定対象３の測定領域に測定光を投影する方向を測定領域の法線方向に対してほぼ一定の関係を維持するように被測定対象３と光照射部２１とを相対的に移動させることができる。

（１３）また、上記実施形態において、光照射部２１から投光される測定光の明るさの分布は、ライン状の分布を有しており、かつ測定制御部５６は、ライン状の分布の短手方向に沿って、光照射部２１を被測定対象３に対して相対的に移動するように制御する一方、測定領域の変更に伴い撮像部２２による露出開始を制御する。
これにより、測定制御部５６は、ライン状の分布の短手方向に沿って、光照射部２１を被測定対象３に対して相対的に移動させることができるとともに、測定領域の位置に応じて、撮像部２２による撮像動作を制御することができる。

（１４）また、上記実施形態において、構造物製造システム２００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１１０と、構造物設計情報に基づいて構造物を作製する成形装置１２０と、作成された構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する形状測定装置１００と、測定によって得られた形状情報と、構造物設計情報とを比較する検査装置（構造物製造制御装置１５０）とを含む。
これにより、構造物製造システム２００は、形状測定装置１００により被測定対象３の形状測定を行う際に、精度を高めて形状測定を行うことができるので、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か否かを正確に判定することができる。

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。

また、上記の実施形態の形状測定装置１００において、制御部４１の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、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えて、プログラムによって実現されてもよい。

また、上述の形状測定装置１００は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した被測定対象３の形状を測定する処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の形状測定装置、及び構造物製造システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２光切断プローブ、３被測定対象、１３回転機構、１４ヘッド駆動部、２１光照射部、２２撮像部、４制御装置、４１制御部、５１座標検出部、５２間隔調整部、５３形状算出部、５４駆動制御部、５５記憶部、
５５１形状記憶部、５５２経路記憶部、５５３ＣＡＤデータ記憶部、
５６測定制御部、５６１法線算出部、５６２相対移動制御部、
５７露出条件設定部、５７１領域設定部（露出条件設定用領域設定部）、
１００形状測定装置、１１０設計装置、１２０成形装置、１４０リペア装置、
１５０構造物製造制御装置（検査装置）、１５１座標記憶部、１５２検査部、
２００構造物製造システム

Claims

被測定対象の測定領域に測定光を投光する光照射部と、
前記被測定対象の測定領域に投光された測定光の像を撮像する撮像部と、
前記光照射部及び前記撮像部を前記被測定対象に対して相対的に移動するように構成された駆動部と、
前記被測定対象の形状データを記憶する記憶部と、
前記被測定対象の形状データと前記測定光が照射されている測定領域の位置情報に基づいて、前記撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定する露出条件設定部と、
前記露出条件設定部により設定された露出条件に基づき、前記撮像部又は前記光照射部を制御する測定制御部と、
前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出する形状算出部と
を備える形状測定装置。
前記露出条件設定部は、前記測定領域の位置に応じて、前記撮像部で取得される画像データの撮像範囲の中から露出条件設定用領域を設定する露出条件設定用領域設定部を更に有し、
前記露出条件設定用領域設定部で設定された前記露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、前記露出条件を設定する請求項１に記載の形状測定装置。
前記記憶部は、前記被測定対象の概略形状を示す３次元形状データを記憶し、
前記露出条件設定用領域設定部は、
前記記憶部に記憶された３次元形状データに基づいて、前記撮像部の撮像面上における前記測定光の像の位置を推定し、前記推定した位置を含み、前記推定した位置から予め定められる所定の範囲を前記露出条件設定用領域とする
請求項２に記載の形状測定装置。
前記露出条件設定用領域設定部は、
前記３次元形状データに基づいて前記撮像部の撮像面上において、前記被測定対象に投光された前記測定光の像のうち、前記被測定対象の表面を複数回反射することで形成される像の位置が前記露出条件設定用領域に含まれないように前記露出条件設定用領域を定める
請求項３に記載の形状測定装置。
前記露出条件設定用領域設定部は、
前記測定領域の位置毎に、前記撮像部の撮像面上における前記測定光の像の位置を検出し、前記測定光の像の位置に応じて、前記露出条件設定用領域を定める
請求項２に記載の形状測定装置。
前記露出条件設定部は、
前記露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、前記撮像部の撮影感度を設定する
請求項２に記載の形状測定装置。
前記露出条件設定部は、
前記露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、前記光照射部からの前記測定光の光量を調整する
請求項２に記載の形状測定装置。
前記露出条件設定部は、
前記露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、前記撮像部の露光時間を設定する
請求項２に記載の形状測定装置。
前記形状算出部は、
前記測定制御部によって設定された露出条件で前記撮像部が制御されたときの画像データのうち、前記露出条件設定用領域で設定された領域内での画像データに基づき、前記測定領域における前記被測定対象の形状を示す点群データを生成する
請求項２から８の何れか１項に記載の形状測定装置。
前記光照射部と前記撮像部の相対位置関係を一定に保持しながら、前記被測定対象と前記光照射部とを相対的に移動させるように前記駆動部を制御する相対移動制御部を更に備え、
前記形状算出部は、前記光照射部と前記撮像部の相対位置関係と、前記撮像部の撮像面上における前記測定光の像の位置に基づいて、前記被測定対象の形状を示す点群データを生成する
請求項１から８の何れか１項に記載の形状測定装置。
前記記憶部は、前記形状算出部によって生成された点群データを前記形状データとして記憶する
請求項１０に記載の形状測定装置。
前記相対移動制御部は、前記記憶部で記憶された形状データを基に、前記光照射部から前記被測定対象の測定領域に測定光を投影する方向を前記測定領域の法線方向に対してほぼ一定の関係を維持するように前記被測定対象と前記光照射部とを相対的に移動させるように前記駆動部を制御する
請求項１０又は請求項１１に記載の形状測定装置。
前記光照射部から投光される測定光の明るさの分布は、ライン状の分布を有しており、かつ前記測定制御部は、前記ライン状の分布の短手方向に沿って、前記光照射部を前記被測定対象に対して相対的に移動するように制御する一方、前記測定領域の変更に伴い前記撮像部による露出開始を制御する
請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の形状測定装置。
構造物の形状に関する構造物設計情報を作成する設計装置と、
前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作成する成型装置と、
作成された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいた測定により形状情報を得る
請求項１から１３の何れか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。
被測定対象の形状の測定を制御する過程として、
前記被測定対象の測定領域に光照射部からの測定光を投光できる位置に前記光照射部を移動し、
前記測定領域の位置に基づいて、撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定し、
前記被測定対象の測定領域に前記光照射部から前記測定光を投光し、
前記設定された露出条件に基づき、前記撮像部又は前記光照射部を制御した状態で、前記被測定対象の測定領域に投光された前記測定光の像を前記撮像部により撮像し、
前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出する形状測定方法。
前記撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件は、
前記撮像部で取得される画像データのうち、前記測定領域の位置に応じて、露出条件設定用領域を前記画像データの撮像範囲の中から設定し、
前記設定された前記露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、前記露出条件を設定することで前記露出条件が設定される請求項１５に記載の形状測定方法。
形状測定装置を制御するコンピュータに、
被測定対象の形状の測定を制御するステップとして、
前記被測定対象の概略形状を記憶するステップと、
前記被測定対象の測定領域に光照射部からの測定光が投光されるように前記光照射部を移動するステップと、
前記測定光が投光される前記測定領域の位置に基づいて、撮像部で取得される画像データを撮像するときの露出条件を設定するステップと、
前記設定された露出条件に基づき、前記撮像部又は光照射部を制御するステップと、前記被測定対象の測定領域に前記光照射部から測定光を投光するステップと、
前記被測定対象の測定領域に投光された測定光の像を撮像部により撮像するステップと、前記撮像部から取得された画像データに基づき、前記測定領域の形状を算出するステップと、
を実行させるためのプログラム。
前記撮像部で取得される画像データのうち、前記測定領域の位置に応じて、露出条件設定用領域を前記画像データの撮像範囲の中から設定するステップと、
前記設定された前記露出条件設定用領域の中での画像の明るさに基づき、前記露出条件を設定するステップと、
を更に実行させるための請求項１７に記載のプログラム。