JP2014509730A - 形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

被測定物の形状を精度良く測定するための形状測定装置が提供される。
形状測定装置は、被測定物（３）に光源からの光を照射してスポット状のパターンを形成するように構成された照射部（２０）と、照射部から放たれた光の光路中に配置され、被測定物の表面上でスポット状のパターンを相対的に走査するように構成される走査部（２３）と、被測定物に照射された光によって生じるスポット状のパターンの像を、被測定物に照射される光の照射方向と異なる方向から検出するように構成された複数の受光画素を含む受光部（２５）と、光の照射方向に応じて、スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する位置を変更するように構成された変更部（７０）と、受光画素からの信号に基づいて、被測定物の位置情報を算出するように構成された制御部（４３）とを備える形状測定装置が提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法に関する。

被測定物の三次元形状を非接触で測定する方法として、光切断法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。光切断法においては、被測定物に投影されたときにスポット状のパターンが投影される光束を走査して得られるライン光を被測定物に照射して、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三次元形状を測定する。特許文献１に記載されているような形状測定装置は、例えば、ラインセンサを備えており、走査されたスポット光をラインセンサ上に結像させて、被測定物の三次元形状を測定する。

米国特許第６４４１９０８号明細書

しかしながら、特許文献１では、走査されたスポット状の光束をラインセンサ上に結像するために、例えば、複数のミラーを組み合わせて使用するなどの複雑な構成を調整している。このような複雑な構成を用いる場合、各構成の誤差が積算されるため、場合によっては誤差が大きくなることがある。そのため、ラインセンサ上にスポット状のパターンを正確に結像できないことがある。このように、特許文献１に記載されているような形状測定装置は、被測定物の形状を精度良く測定できないという課題があった。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたもので、その目的は、被測定物の形状を精度良く測定することを可能とする形状測定装置、形状測定方法、及び構造物の製造方法を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明の第１の態様に従えば、被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、
被測定物に光源からの光を照射することによりスポット状のパターンを形成する照射部と、
前記被測定物の表面上で前記スポット状のパターンを相対的に走査する走査部と、
複数の受光画素が配列され、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記光が前記被測定物に照射されたときの前記スポット状のパターンの像を検出する受光部と、
前記光の照射方向に応じて、前記受光部から得る前記スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する位置を変更する変更部と、
前記受光部からの信号に基づいて、前記被測定物の位置情報を算出する制御部と、
を備える形状測定装置が提供される。

また、本発明の第２の態様に従えば、被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、
被測定物に光源からの光を照射することによりスポット状のパターンを形成する照射手順と、
前記被測定物の表面上で前記スポット状のパターンを相対的に走査する走査手順と、
複数の受光画素を含む受光部を用いて、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記光が前記被測定物に照射されたときの前記スポット状のパターンの像を検出する検出手順と、
前記光の照射方向に応じて、前記受光部から得る前記スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する位置を変更する変更手順と、
前記受光画素からの信号に基づいて、前記被測定物の位置情報を算出する制御手順と
を有する形状測定方法が提供される。

また、本発明の第３の態様に従えば、構造物を製造する方法であって、
構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、
作製された前記構造物の形状を本発明の第２の態様に従う形状測定方法を用いて測定する測定工程と、
前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程とを有する構造物の製造方法が提供される。

本発明によれば、被測定物の形状を精度良く測定することができる。

本実施形態による形状測定装置の構成を示す模式図である。 第１の実施形態における光プローブの構成を示す模式図である。 第１の実施形態における形状測定装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態におけるスポット光の走査イメージを示す図である。 第１の実施形態におけるＣＭＯＳセンサのＲＯＩ選択の一例を示す図である。 第２の実施形態におけるプローブ部の構成を示す模式図である。 第２の実施形態における形状測定装置の構成を示す概略ブロック図である。 第３の実施形態におけるスポット光源部の構成を示す概略ブロック図である。 第４の実施形態における制御部及び光プローブの構成を示す概略ブロック図である。 第４の実施形態におけるローリングシャッタカメラの動作を示すタイミングチャートである。 第４の実施形態における露光時間の設定例を説明する図である。 第５の実施形態における制御部及び光プローブの構成を示す概略ブロック図である。 第６の実施形態による構造物製造システムの構成を示す概略ブロック図である。 第６の実施形態による構造物製造システムによる処理の流れを示したフローチャートである。 本教示に係る形状測定方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の一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。
図１は、本実施形態による形状測定装置１００の構成を示す図である。本実施形態による形状測定装置１００は、例えば、図２（ａ）に示すような構成をもち、光切断法を用いて被測定物３の３次元形状を検出する３次元形状測定装置である。形状測定装置１００は、被測定物３の表面に照射されたときにスポット状のパターンとなる光束を被測定物３の表面に照射し、被測定物３に照射された光束によって生じる散乱光を照射方向と異なる角度から受光する。スポット状のパターン（以下、スポット光という）は、ＣＭＯＳセンサ２５１上にスポット状のパターンの像（以下、スポット光像という）として結像され、ＣＭＯＳセンサ２５１は、ＣＭＯＳセンサ２５１上におけるスポット光像の位置を検出する。形状測定装置１００は、光束を走査して被測定物３の表面に照射し、各スポット光像の位置を検出する。そして、この形状測定装置１００は、検出したスポット光像の位置に三角測量の原理等を用いて被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３表面の三次元形状を求める。なお、光切断法を用いる場合には、各スポット状のパターンが一方向に短周期で走査されるようにスポット光を走査する。このようにして、あたかもライン状のパターンが被測定物に投影されたのと同様にある一つのラインに対して、被測定物の高さ分布がわかるように、スポット光を走査しつつ被測定物に照射する。このように一方向に短周期で走査された光束が順次、その一方向とは垂直な方向に移動するように、被測定物を移動させる。このようにして、被測定物の測定領域全域に渡って、スポット状のパターンが投影される。

なお、図１に示される本実施形態による形状測定装置１００の構成は、後述する各実施形態において共通である。図１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。後述する制御装置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を制御する。測定装置本体１は、プローブ駆動部１１と、ヘッド部１３と、定盤１４と、光プローブ２とを備えている。なお、ここでは、一例として、球体の被測定物３が図示されており、定盤１４の上に配置されている。

定盤１４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。
プローブ駆動部１１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１３を移動させる。また、同様に制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、Ｘ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りに光プローブ２を回転させることも可能である。プローブ駆動部１１は、Ｘ軸移動部１１１、Ｙ軸移動部１１２、Ｚ軸移動部１１３、及び回転機構１１４を備えている。ここで、ＸＹ平面とは、定盤１４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１４の上面と平行な面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１４の上面と平行な面において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１４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１１１は、ヘッド部１３をＸ軸方向に駆動するＸ軸用モータを備え、定盤１４上の所定の範囲内でＸ軸方向にヘッド部１３を移動させる。Ｙ軸移動部１１２は、ヘッド部１３をＹ軸方向に駆動するＹ軸用モータを備え、定盤１４上の所定の範囲内でＹ軸方向にヘッド部１３を移動させる。また、Ｚ軸移動部１１３は、ヘッド部１３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１３を移動させる。また、回転機構１１４は、Ｘ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りに光プローブ２を回転可能に構成された回転関節機構と、その回転関節機構を駆動する回転駆動モータを備え、Ｘ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りに光プローブ２の姿勢を変位させることができる。なお、ヘッド部１３は、光プローブ２の上部に位置し、光プローブ２を支持している。すなわち、プローブ駆動部１１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、光プローブ２を移動させる。

光プローブ２は、被測定物３にスポット光を照射し、光の照射方向とは異なる方向からスポット光像を検出する。光プローブ２の詳細については、後述する。

［第１の実施形態］
次に、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態では、スポット光の照射方向に応じて、使用するＣＭＯＳセンサ２５１の領域を選択している。図２は、第１の実施形態における光プローブ２の構成を示す模式図である。図２（ａ）において、光プローブ２は、スポット光源部２０、走査部２３、撮像レンズ２４、及びＣＭＯＳセンサ２５１を備えている。なお、ＣＭＯＳセンサ２５１は、後述する受光検出部２５に設けられている。

スポット光源部２０は、被測定物３にスポット状の光量分布を有する光束であるスポット光を照射する。すなわち、スポット光源部２０は、被測定物３に光源２１からの光を照射することによりスポット状のパターンを形成する。スポット光源部２０は、光源２１と、集光レンズ２２とを備えている。光源２１は、例えば、ＬＥＤ、レーザー光源、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などであり、集光レンズ２２及び走査部２３を介して、被測定物３にスポット光を照射する。集光レンズ２２は、光源２１が照射した光束からスポット光を得るためのレンズであり、光源２１と走査部２３との間に配置されている。

走査部２３は、例えば、ガルバノミラーであり、スポット光源部２０と被測定物３との間に配置される。走査部２３は、スポット光源部２０から照射されたスポット光を反射して、被測定物３に照射する。また、走査部２３は、制御信号に基づいて、あたかもライン状のパターンが被測定物に投影されたのと同じ領域が測定されるように、スポット光が被測定物３に照射される照射方向（照射角度）を変更する。なお、以下の説明において、あたかもライン状のパターンが被測定物に投影されたのと同じ領域が測定されるようにスポット光を走査しながら、順次スポット光の走査方向に直交方向に光プローブ１そのものを走査することを、フライングスポット走査と呼ぶこともある。つまり、走査部２３は、スポット光を走査することによって、ライン状の測定領域に順次照射する。すなわち、走査部２３は、スポット光の偏向方向を変更して、被測定物３の表面上でスポット光を相対的に走査する。例えば、走査部２３は、光が被測定物３に照射されるときの照射方向を変えることにより、被測定物３の表面上でスポット光（スポット状のパターン）を走査する。走査部２３の詳細な構成については、後述する。そして、ガルバノミラーによるスポット光の走査範囲を全て走査すると、ガルバノミラーによるスポット光の走査方向とは直交する方向に被測定物３と光プローブ２とを相対的に移動させるために、プローブ駆動部１１を駆動させる。
なお、ガルバノミラーによるスポット光の走査とプローブ駆動部１１による光プローブ２と被測定物３との相対的な移動を同時に行ってもかまわない。

撮像レンズ２４は、被測定物３とＣＭＯＳセンサ２５１との間に配置され、被測定物３により散乱したスポット光を集光して、ＣＭＯＳセンサ２５１の受光画素面上に結像させる。

ＣＭＯＳセンサ２５１は、複数の受光画素が２次元的に配列されており、その受光画素面上に結像されたスポット光像を検出する。ＣＭＯＳセンサ２５１は、図２（ｂ）に示すように、複数の受光画素のうち、スポット光を走査した場合にスポット光像が変位する方向（スポット光走査方向）と直交する方向（エピポーラライン方向）に配列した受光画素群が、一つの検出ラインとして設定されている。また、ＣＭＯＳセンサ２５１は、スポット光像が変位する方向（スポット光走査方向）において各々の位置（受光画素）にそれぞれ別々の検出ラインが設定されている。なお、複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域は、後述するＲＯＩ選択処理部７０によって、光（スポット光）の照射方向に応じて選択される。

なお、この光プローブ２の撮像系は、いわゆるシャインプルーフ光学系になっており、撮像レンズ２４の主平面が、撮像レンズ２４の光軸２５Ｌに対して直交する平面をなしている。また、ＣＭＯＳセンサ２５１の受光画素面が光軸直交平面に対して傾斜して配置されており、受光画素面と共役関係にある合焦面２０ｆが、光軸直交平面に対して傾斜されて、撮像レンズ２４の主平面及び受光画素面と同軸上で交わっている。そして、本実施形態での光プローブ２は、合焦面２０ｆがスポット光の照射切断面と一致している。スポット光源部２０と走査部（ガルバノミラー）２３から被測定物３に放たれる光束の中心とが合焦面２０ｆの面内に含まれるように、合焦面２０ｆが位置決めされている。したがって、図２（ａ）に示すように、撮像レンズ２４のレンズ中心を通る主平面上の延長線２４Ｌと、ＣＭＯＳセンサ２５１の検出ラインであるエピポーララインの延長線２５１Ｌとが、スポット光の照射光軸２０Ｌで交わっている。

これにより、この光プローブ２の撮像系においては、合焦面２０ｆと一致されている照射光軸２０Ｌ上のスポット光像は、被測定物３に関わらず常に合焦状態で撮像することができるようになっている。

図２（ｂ）は、ＣＭＯＳセンサ２５１に結像されるスポット光像の例を示している。この図は、ＣＭＯＳセンサ２５１の受光画素面を示している。ここで、図２（ｂ）において、ＣＭＯＳセンサ２５１の縦方向（Ｖ（垂直）方向）が、スポット光の走査によりスポット光像が変位する方向（スポット光の走査方向）である。ＣＭＯＳセンサ２５１の横方向（Ｈ（水平）方向）が、スポット光像の位置変位を検出する方向（スポット光像の検出方向）である。図２（ｂ）に示すスポット光像ＳＰ０は、スポット光の照射方向を変化させることでスポット状のパターンを走査しつつ、各々のタイミングで取得されたＣＭＯＳセンサ２５１の受光画素面上に結像したスポット光像を示している。各スポット光像は、被測定物３の高さ方向（Ｚ軸方向）の位置に応じて、スポット光像の検出方向（Ｈ方向）に変位する。したがって、このＨ方向のスポット光像の位置を検出することによって、被測定物３の高さ方向（Ｚ軸方向）の位置を検出することができる。

なお、ＣＭＯＳセンサ２５１の複数の検出ラインのうちの使用される領域（ＲＯＩ（Region of Interest）ともいう）は、後述するＲＯＩ選択部４６１によって選択される。なお、ここでＲＯＩとは、ＣＭＯＳセンサ２５１の、スポット光像の検出に使用される対象領域のことであり、スポット光像の検出に使用される検出ラインの範囲のことである。

次に、図３を参照して、形状測定装置１００の構成を詳細に説明する。図３は、第１の実施形態における形状測定装置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及び図２と同じ構成には、同じ符号を附し、その説明を省略する。

図３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、上述したプローブ駆動部１１、プローブ位置検出部１２、及び光プローブ２を備えている。プローブ駆動部１１は、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光プローブ２の位置を変更させる。

プローブ位置検出部１２は、プローブ駆動部１１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。プローブ位置検出部１２は、それらのエンコーダによってプローブ駆動部１１の位置を検出し、プローブ駆動部１１の位置を示す信号を後述する制御部４０（位置情報算出部４４及び駆動制御部４３）に供給する。

光プローブ２は、上述したように、光切断方式により被測定物３の表面形状を検出するために、スポット光源部２０、走査部２３、及び受光検出部２５を備えている。

受光検出部２５（受光部）は、上述したＣＭＯＳセンサ２５１と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部２５２とを備え、スポット光が被測定物３に照射されたときのスポット光像を、スポット光が被測定物３に照射される照射方向と異なる方向から検出する。つまり、スポット光源部２０からの照射光により被測定物３の表面に形成されるスポット光像（光切断線）を検出し、検出した検出結果を制御部４０（位置情報算出部４４）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。Ａ／Ｄ変換部２５２は、ＣＭＯＳセンサ２５１から供給されるアナログ信号をデジタル信号に変換して、制御部４０（位置情報算出部４４）に供給する。

走査部２３は、ガルバノミラードライバ部２３１、ガルバノミラー２３２、及び角度検出部２３３を備えている。ガルバノミラードライバ部２３１は、制御部４０（スポット光走査制御部４７）から供給される制御信号によって、ガルバノミラー２３２の角度を変更する。すなわち、ガルバノミラードライバ部２３１は、ライン状の測定領域に順次スポット光を照射するために、スポット光を被測定物３に照射する方向を変更する。

角度検出部２３３は、例えば、エンコーダであり、ガルバノミラー２３２の角度を検出する。角度検出部２３３は、検出した角度情報を制御部４０（受光制御部４６）に供給する。

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４０と、入力装置４１と、モニタ４２と、記憶部５０とを備えている。

入力装置４１は、ユーザが各種指示情報を入力するキーボードやジョイスティックなどを備える。入力装置４１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５０に記憶させる。ジョイスティック等の入力装置４１は、ユーザの操作を受けて、その操作に応じてプローブ駆動部１１を駆動させる制御信号を生成して制御部４０に供給する。モニタ４２は、制御部４０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４２は、受け取った測定データ（全測定ポイントの座標値）等を表示する。また、モニタ４２は、測定画面、指示画面等を表示する。

記憶部５０は、入力装置４２から供給された測定条件を記憶する。また、記憶部５５は、テーブル記憶部５１を備えている。テーブル記憶部５１は、後述する選択テーブルを記憶する。テーブル記憶部５１は、この選択テーブルとして、スポット光の照射方向と、複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域（ＲＯＩ）とを関連付けて記憶している。この選択テーブルを使用することにより、スポット光の照射方向に基づいて、検出に使用する検出ラインの領域（ＲＯＩ）を選択することができる。

制御部４０は、形状測定装置１００における被測定物３の形状を測定する処理の制御を行い、被測定物３表面の基準平面からの高さを算出し、被測定物３の三次元形状を求める演算処理を行う。つまり、制御部４０（ＲＯＩ選択処理部７０）は、ＣＭＯＳセンサ２５１の受光画素面に結像されたスポット光像の位置を検出するために用いる受光画素の信号を選択する。つまり、制御部４０（ＲＯＩ選択処理部７０）は、ＣＭＯＳセンサ２５１上でスポット光像が結像された位置を含む複数の受光画素であって、光束を走査した場合にスポット光像が変位する方向（スポット光の走査方向）とは異なる方向（エピポーラライン方向又はスポット光像の検出方向）に存在する複数の受光画素を選択する。そして、制御部４０（位置演算処理部６０）は、選択した受光画素からの信号に基づいて、被測定物３の位置情報を算出する。

また、制御部４０は、駆動制御部４３、位置情報算出部４４、測定制御部４５、受光制御部４６、及びスポット光走査制御部４７を備えている。なお、制御部４０の構成のうち、位置情報算出部４４及び測定制御部４５が、位置演算処理部６０（制御部）に対応し、受光制御部４６及びスポット光走査制御部４７が、ＲＯＩ選択処理部７０（変更部）に対応する。

駆動制御部４３は、入力装置４１からの操作信号に基づいて、又は、測定制御部４５からの指令信号に基づいて、プローブ駆動部１１に駆動信号を供給して、プローブ駆動部１１を移動させる制御を行う。なお、駆動制御部４３は、プローブ位置検出部１２から供給されるプローブ駆動部１１の位置情報に基づいて、プローブ駆動部１１を移動させる。

位置情報算出部４４は、ＲＯＩ選択処理部７０で選択された受光画素からの信号に基づいて、被測定物３の位置情報を算出する。つまり、位置情報算出部４４は、プローブ位置検出部１２から供給された光プローブ２の位置情報と、受光検出部２５から供給されたスポット光像の変位情報とに基づいて、三角測量の原理等を用いて、被測定物３表面の位置を算出する。

測定制御部４５は、記憶部５０に記憶されている測定条件に基づいて、被測定物３の形状測定のための各種処理を制御する。例えば、測定制御部４５は、プローブ駆動部１１に対し、光プローブ２を移動させる指令信号を供給する。例えば、測定制御部４５は、スポット光源部２０に対して、照射させるスポット光の強度を制御する指令信号を供給する。また、測定制御部４５は、受光制御部４６を介して受光検出部２５に、選択された検出ラインの領域（ＲＯＩ）によってスポット光像を検出させる。測定制御部４５は、位置情報算出部４４によって、算出された被測定物３の位置情報を記憶部５０に記憶させる。

受光制御部４６は、測定制御部４５から供給される指令信号に基づいて制御される。受光制御部４６は、受光検出部２５に対する各種制御を行う。また、受光制御部４６は、ＲＯＩ選択部４６１を備えている。

ＲＯＩ選択部４６１は、ＣＭＯＳセンサ２５１の複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域（ＲＯＩ）を、スポット光の照射方向に応じて選択する。なお、ＲＯＩ選択部４６１は、ＣＭＯＳセンサ２５１の複数の受光画素のうちから、スポット光を走査した場合にスポット光像が変位する方向と直交する方向に配列した受光画素群を、一つの検出ラインとして設定する。

なお、本実施形態では、ＣＭＯＳセンサ２５１におけるＨ方向のラインを検出ラインとする形態を説明するが、検出ラインは、Ｈ方向に限らずに、Ｈ方向に対して斜め方向のラインとしてもよい。つまり、この検出ラインは、ＣＭＯＳセンサ２５１の向きによって設定されるのではなく、スポット光像の検出方向（エピポーラライン方向）によって設定される。

また、ここで、スポット光の照射方向を変化させる方向とは、上述したようにスポット状のパターンの走査方向であり、ガルバノミラー２３２によってスポット光が照射される向きが変更される方向である。ＲＯＩ選択部４６１は、走査部２３の角度検出部２３３が検出した角度情報に基づいて、スポット光の照射方向を検出する。

ＲＯＩ選択部４６１は、スポット光の照射方向と、複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域（ＲＯＩ）とを関連づけた選択基準に基づいて、検出ラインの領域（ＲＯＩ）を選択する。ここでいう選択基準とは、例えば、選択テーブルや、予め定められた選択ルール、選択関数による演算結果などであり、本実施形態では、一例として、選択テーブルに基づいて、検出ラインの領域（ＲＯＩ）を選択する場合について説明する。

ＲＯＩ選択部４６１は、テーブル記憶部５１に予め記憶されている選択テーブルに基づいて、検出ラインの領域（ＲＯＩ）を選択する。ＲＯＩ選択部４６１は、スポット光の照射方向に応じて選択した検出ラインの領域（ＲＯＩ）を指定する情報をＣＭＯＳセンサ２５１に供給する。これにより、スポット光の照射方向に照射されたスポット光によって結像されるスポット光像を含む検出ラインが選択される。

スポット光走査制御部４７は、測定制御部４５から供給される指令信号に基づいてスポット光の走査を制御する。つまり、スポット光走査制御部４７は、走査部２３のガルバノミラードライバ部２３１を制御して、ガルバノミラー２３２の角度を変更する。

次に、本実施形態における形状測定装置１００の測定動作について説明する。なお、予め、測定条件が設定され、光プローブ２が測定開始位置へ移動している状態からの動作を説明する。まず、測定制御部４５は、測定条件に基づいて、スポット光走査制御部４７に、スポット光の走査を指令する。スポット光走査制御部４７は、測定制御部４５から供給された指令信号に基づいて、走査部２３のガルバノミラードライバ部２３１を制御し、ガルバノミラー２３２の角度を変更させる。これにより、スポット光源部２０から照射されたスポット光の照射方向が変更されて、被測定物３に照射される。また、角度検出部２３３は、ガルバノミラー２３２の角度を検出して、検出した角度情報を受光制御部４６に供給する。

図４は、本実施形態におけるスポット光の走査イメージを示す図である。スポット光源部２０から照射されたスポット光の照射方向が変更された場合、被測定物３に結像されるスポット光の位置が変位する。そして、図４において、例えば、ポイントＰ１からポイントＰ２にスポット光が走査された場合、ＣＭＯＳセンサ２５１に結像されるスポット光像の位置は、検出ラインＥＬ１から検出ラインＥＬ２に変位する。

次に、受光制御部４６のＲＯＩ選択部４６１は、走査部２３の角度検出部２３３が検出した角度情報に基づいて、スポット光の照射方向を検出する。ＲＯＩ選択部４６１は、スポット光の照射方向と、テーブル記憶部５１に記憶されている選択テーブルとに基づいて、検出ラインの領域（ＲＯＩ）を選択する。ＲＯＩ選択部４６１は、選択した検出ラインの領域（ＲＯＩ）を指定する情報を受光検出部２５のＣＭＯＳセンサ２５１に供給する。これにより、スポット光の照射方向に対応する検出ラインの領域（ＲＯＩ）が選択される。

次に、ＣＭＯＳセンサ２５１は、ＲＯＩ選択部４６１によって選択された検出ラインの領域（ＲＯＩ）に対応する受光画素からの検出信号を読み出し、Ａ／Ｄ変換部２５２に供給する。Ａ／Ｄ変換部２５２は、ＣＭＯＳセンサ２５１から出力されたアナログ信号をデジタル変換し、スポット光像のエピポーラライン方向（Ｈ方向）における変位情報を含む情報を、位置情報算出部４４に供給する。

位置情報算出部４４は、プローブ位置検出部１２から供給された光プローブ２の位置情報と、受光検出部２５から供給されたスポット光像の変位情報とに基づいて、三角測量の原理等を用いて、被測定物３表面の位置を算出する。位置情報算出部４４は、算出した被測定物３の位置情報を測定制御部４５に供給する。

測定制御部４５は、位置情報算出部４４によって、算出された被測定物３の位置情報を記憶部５０に記憶させる。また、測定制御部４５は、再び、スポット光走査制御部４７に、スポット光の走査を指令し、スポット光が被測定物に照射される位置を変更させ、受光制御部４６、受光検出部２５、及び位置情報算出部４４に上述の測定と同様の測定を実行させる。また、スポット光による走査が完了し、ライン状の測定領域にスポット光を照射して、その像を得るという一連の測定が完了したものと同等な場合に、測定制御部４５は、駆動制御部４３に光プローブ２の位置を変更させる。例えば、被測定物３の表面の、ライン状の測定領域の位置を変更させる。そして、測定制御部４５は、変更された光切断線について、上述と同様の処理を繰り返す。これにより、被測定物３の形状が測定される。

次に、選択テーブルについて説明する。図５は、本実施形態におけるＣＭＯＳセンサ２５１のＲＯＩ選択の一例を示す図である。この図において、ＣＭＯＳセンサ２５１は、複数の検出ラインＬ１〜ＬＮを備えている。例えば、スポット光の照射方向がある方向（第１方向）である場合に対応するスポット像ＳＰ１が結像される検出ラインの領域（ＲＯＩ）Ｒ１は、検出ラインＬ１〜Ｌ３の３ラインである。また、スポット光の照射方向が第１方向と異なる方向（第２方向）である場合に対応するスポット像ＳＰ２が結像される検出ラインの領域（ＲＯＩ）Ｒ２は、検出ラインＬ４〜Ｌ５の２ラインである。また、スポット光の照射方向が、第１、第２方向と異なる第３方向である場合に対応するスポット像ＳＰ３が結像される検出ラインの領域（ＲＯＩ）Ｒ３は、検出ラインＬ６〜Ｌ８の３ラインである。

テーブル記憶部５１に記憶されている選択テーブルは、このような、スポット光の照射方向と検出ラインの領域（検出ラインの範囲）とを関連付けた情報である。なお、この図に示すように、検出ラインの領域は、結像されるスポット光像の位置に応じて、検出ラインの数が変更されてもよい。あるいは、結像されるスポット光像の位置に関わらず、固定の検出ライン数であってもよい。あるいは、これらが組み合わされてもよい。つまり、一部の検出ラインの領域においては、結像されるスポット光像の位置に応じて、検出ラインの数が変更され、残りの検出ラインの領域においては、結像されるスポット光像の位置に関わらず、固定の検出ライン数であってもよい。

また、選択テーブルは、所定の形状の被測定物３を測定した場合に得られる、スポット光の照射方向と、使用する検出ラインとに基づいて、予め作成されている。例えば、被測定物３として、図１のＸＹ平面に平行な物体において、スポット光を走査し、各スポット光の照射方向に対して、実際に結像したスポット光像の検出ラインの範囲（領域）を測定する。この測定結果に基づいて、選択テーブルを作成する。

なお、図５において、検出ラインの領域（ＲＯＩ）Ｒ１及びＲ３の、検出ラインの長手方向とは垂直な方向の長さは、スポット光像の径より大きくなるように設定されている。つまり、ＲＯＩ選択部４６１は、検出ラインの領域（ＲＯＩ）をスポット光像の径より大きい領域に定め、位置情報算出部４４は、この検出ラインの領域（ＲＯＩ）において、スポット光像の最も輝度の高い位置を含む検出ラインによる検出結果に基づいて、被測定物３の位置情報を算出してもよい。この場合、スポット光像の径より大きい領域に定めることにより、確実にスポット光像をとらえることができる。なお、必ずしもスポット光像の最も輝度の高い位置を含む検出ラインによる検出結果に基づいて被測定物３の位置情報を算出しなくてもよい。例えば、スポット光像の光量分布の重心位置を含む検出ラインによる検出結果に基づいて被測定物３の位置情報を算出するなど、必要に応じて、スポット光像の測定データに所望の演算処理等を行った上で、被測定物３の位置情報を算出することができる。

以上のように、本実施形態における形状測定装置１００は、スポット光源部２０が、被測定物３にスポット光を照射し、走査部２３が、被測定物３の表面上でスポット光を相対的に走査する。また、受光検出部２５（受光部）は、複数の受光画素が２次元的に配列され、スポット光が被測定物３に照射される照射方向と異なる方向から、スポット光像を検出する。さらに、ＲＯＩ選択処理部７０（変更部）は、受光検出部２５が有する複数の受光画素のうち、スポット光の照射方向に応じて、スポット光像の位置を検出するために用いる受光画素の信号を選択する（変更する）。位置演算処理部６０（制御部）は、ＲＯＩ選択処理部７０で選択された受光画素からの信号に基づいて、被測定物３の位置情報を算出する。

これにより、２次元的に配列された受光画素（ＣＭＯＳセンサ２５１）のうち、スポット光の照射方向に対応する受光画素を用いて、スポット光像の位置を検出するため、形状測定装置１００は、エピポーラライン外の光（環境光や多重反射光）の影響（誤検出）を低減することができる。そのため、本実施形態における形状測定装置１００は、被測定物３の形状を精度良く計測することができる。
また、走査されたスポット光像を１本の検出ラインセンサ上に結像するためには、複雑な機構や高度な調整作業を必要とするが、本実施形態における形状測定装置１００は、２次元的に配列された受光画素（ＣＭＯＳセンサ２５１）を使用するため、その必要がない。つまり、本実施形態における形状測定装置１００は、複雑な機構や高度な調整作業を必要とせずに、被測定物３の形状を精度良く計測することができる。

また、本実施形態では、ＲＯＩ選択処理部７０（ＲＯＩ選択部４６１）は、受光検出部２５（ＣＭＯＳセンサ２５１）上でスポット光像が結像された位置を含む複数の受光画素であって、スポット光を走査した場合にスポット光像が変位する方向とは異なる方向に存在する複数の受光画素を選択する。つまり、ＲＯＩ選択部４６１は、スポット光の照射方向に応じて、ＣＭＯＳセンサ２５１上のスポット光走査方向（Ｖ方向）とは異なるエピポーラライン方向（Ｈ方向）の複数の受光画素（検出ライン）を選択する。これにより、スポット光像が結像された位置検出を行う方向に複数の受光画素を選択するため、スポット光像が結像された位置を正しく検出することができる。よって、実施形態における形状測定装置１００は、被測定物３の形状を精度良く計測することができる。

また、本実施形態では、ＲＯＩ選択処理部７０（ＲＯＩ選択部４６１）は、複数の受光画素のうち、スポット光を走査した場合にスポット光像が変位する方向と直交する方向に配列した受光画素群を、一つの検出ラインとして設定し、かつスポット光像が変位する方向において各々の位置にそれぞれ別々の検出ラインを設定する。そして、ＲＯＩ選択処理部７０（ＲＯＩ選択部４６１）は、複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域を、スポット光の照射方向に応じて選択する。さらに、位置演算処理部６０（測定制御部４５は、）は、受光検出部２５に対して、選択された検出ラインの領域によってスポット光像を検出させる。
これにより、検出ライン単位によって検出領域（ＲＯＩ）を設定し、検出ライン単位によって、スポット光像が変位位置を読み出すことができるため、測定時間を短縮することができる。また、検出ラインの領域（測定に用いられる検出ラインの数）は、スポット光の照射方向に応じて可変にすることができるため、スポット光の照射方向に応じて検出に必要な検出ライン数が変わるような場合であっても対応することができる。

また、本実施形態では、ＲＯＩ選択処理部７０（ＲＯＩ選択部４６１）は、スポット光の照射方向と、複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域とを関連づけた選択基準に基づいて、検出ラインの領域を選択する。つまり、ＲＯＩ選択処理部７０（ＲＯＩ選択部４６１）は、例えば、選択テーブルや、予め定められた選択ルール、選択関数による演算結果などの選択基準に基づいて、検出ラインの領域を選択する。
これにより、簡易な方法により、最適な検出ラインの領域を選択することができるため、本実施形態における形状測定装置１００は、被測定物３の形状を精度良く計測することができる。

また、本実施形態では、スポット光の照射方向と、使用する検出ラインの領域とを関連づけた選択テーブルが、上述の選択基準となっている。また、形状測定装置１００は、選択テーブルを記憶するテーブル記憶部５１（記憶部）を備え、選択テーブルは、所定の形状の被測定物３を測定した場合に得られる、スポット光の照射方向と、使用する検出ラインとに基づいて、予め作成されている。
これにより、作成された選択テーブルを用いることによって、製造された形状測定装置１００に対して、キャリブレーションを行うことができる。例えば、製造された複数の形状測定装置１００ごとに、ＣＭＯＳセンサ２５１の位置が、多少ばらつくことが考えられる。しかしながら、本実施形態によれば、各形状測定装置１００ごとに、所定の形状の被測定物３を測定した場合に得られる、スポット光の照射方向と、使用する検出ラインとに基づいて、上述のような選択テーブルを作成することができる。そして、この選択テーブルを用いることによって、いずれの形状測定装置１００においても、ＲＯＩ選択処理部７０（ＲＯＩ選択部４６１）は、最適な検出ラインの領域を選択することができる。そのため、ＣＭＯＳセンサ２５１の位置合わせを過度に厳密に行う必要がないため、ＣＭＯＳセンサ２５１の位置合わせのための調整の工数をふやさずに形状測定装置１００を組み立てることができる。よって、本実施形態における形状測定装置１００は、被測定物３の形状を精度良く計測することができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態においては、角度検出部２３３が検出した角度情報に代えて、実際にスポット光が照射された位置を検出することによって、スポット光の照射方向を検出している。
図６は、第２の実施形態における光プローブ２ａの構成を示す模式図である。
図６において、光プローブ２ａは、スポット光源部２０、走査部２３、撮像レンズ２４、ＣＭＯＳセンサ２５１、及び照射位置検出部２６を備えている。この図において、図１及び図２と同じ構成には、同じ符号を附し、その説明を省略する。

照射位置検出部２６は、スポット光を分岐する光路分岐部２６１と、スポット光を分岐した分岐スポット光が照射される分岐光受光部２６２（受光素子）とを有し、分岐光受光部２６２に照射された分岐スポット光の照射位置を検出する。
光路分岐部２６１は、例えば、ハーフミラーであり、スポット光の一部（分岐スポット光）を分岐させて、分岐光受光部２６２に照射させる。
分岐光受光部２６２は、例えば、ＣＭＯＳセンサなどの受光素子であり、分岐スポット光の位置を検出する。

図７は、第２の実施形態における形状測定装置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から図３と同一の（あるいは対応する）構成には同一の符号を同じ符号を附し、その説明を省略する。

図７において、本実施形態における形状測定装置１００は、光プローブ２が図６に示される光プローブ２ａに置き換わっている点を除いて、図３と同一である。

本実施形態では、光プローブ２ａが、照射位置検出部２６を備え、検出した検出情報（分岐スポット光の位置情報）を受光制御部４６に供給する。
受光制御部４６のＲＯＩ選択部４６１は、照射位置検出部２６（分岐光受光部２６２）が検出した検出情報に基づいて、スポット光の照射方向を検出する。つまり、ＲＯＩ選択部４６１は、ガルバノミラー２３２の角度情報ではなく、実際に照射された分岐スポット光の位置に基づいて、スポット光の照射方向を検出する。

以上のように、本実施形態では、実際に照射された分岐スポット光の位置から、スポット光の照射方向を検出するため、正確なスポット光の照射方向を検出することができる。
また、本実施形態における形状測定装置１００は、第１の実施形態と同様に、複雑な機構や高度な調整作業を必要とせずに、被測定物３の形状を精度良く測定することができる。

なお、スポット光の照射方向を検出する方法は、スポット光走査制御部４７による走査部２３を制御する制御信号に基づいて検出する方法でもよい。この場合、角度検出部２３３及び照射位置検出部２６を備える必要がないため、簡易な構成により、スポット光の照射方向を検出することができる。

また、ＲＯＩ選択処理部７０（ＲＯＩ選択部４６１）は、走査部２３を制御する制御信号、走査部２３においてスポット光を照射する角度を検出する角度検出部２３３による検出情報、及び、スポット光を分岐した分岐スポット光が照射される分岐光受光部２６２（受光素子）を有し、分岐光受光部２６２に照射された分岐スポット光の照射位置を検出する照射位置検出部２６による検出情報のうちのいずれか１つ又は組み合わせに基づいて、スポット光の照射方向を検出してもよい。
なお、組み合わせに基づいて、スポット光の照射方向が検出された場合には、複数の系統によりスポット光の照射方向を検出できるため、正確なスポット光の照射方向を検出することができる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、スポット光源部２０の別の形態を示す実施形態である。本実施形態における形状測定装置１００は、スポット光源部２０の代わりにスポット光源部２０ａを備える点を除き、上述した各実施形態と同様である。

図８は、第３の実施形態におけるスポット光源部２０ａの構成を示す概略ブロック図である。図８（ａ）において、本実施形態におけるスポット光源部２０ａは、光源２１、集光レンズ２２、及びシリンドリカルレンズ２７を備えている。シリンドリカルレンズ２７（光学部）は、集光レンズ２２の後ろに配置され、検出ラインに垂直なスポット光像の径が、検出ラインに平行なスポット光像の径より狭いスポット光像を受光検出部２５（ＣＭＯＳセンサ２５１）に結像させる。すなわち、シリンドリカルレンズ２７は、検出ラインに垂直な径が、検出ラインに平行な径より狭いスポット光（スポット状のパターン）を被測定物３に投影させる。

図８（ｂ）は、スポット光源部２０ａによって、ＣＭＯＳセンサ２５１上に結像されたスポット光像ＳＰ４を示している。この図に示すように、スポット光源部２０ａは、シリンドリカルレンズ２７を用いて、検出ラインＥＬ３のスポット光走査方向の幅Ｄ２内に入るように、スポット光像ＳＰ４を結像させる。また、スポット光源部２０ａは、スポット光像ＳＰ４のエピポーラライン方向の幅Ｄ１を、スポット光像ＳＰ４における変位の測定が可能な幅に結像させる。したがって、スポット光源部２０ａは、スポット光像ＳＰ４を、検出ラインに垂直な径がＤ２検出ラインに平行な径Ｄ１より狭く結像するように、スポット光を照射する。

これにより、スポット光走査方向に狭い楕円形のスポット光像をＣＭＯＳセンサ２５１上に結像させることができるため、エピポーラライン外の光（環境光や多重反射光）を誤検出してしまう可能性を低減することができる。したがって、本実施形態における形状測定装置１００は、被測定物３の形状を精度良く測定することができる。
また、検出ラインの領域を狭めることができるため、測定時間（検出ラインの領域の検出結果の読み出し時間）を低減することができる。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態について説明する。上述の各実施形態では、走査部２３によるスポット光の照射方向が変更されるのに同期して、ＣＭＯＳセンサ２５１上の検出ラインの領域（ＲＯＩ）を変更する形態を説明したが、本実施形態は、別の方式により、スポット光の照射方向と検出ラインの領域（ＲＯＩ）とを対応させる。本実施形態においては、受光検出部２５にローリングシャッタカメラ２５ａを用いて、ローリングシャッタカメラ２５ａの露光領域に同期して、走査部２３にスポット光の照射方向を変更させている。

図９は、第４の実施形態における制御部４０及び光プローブ２ｂの構成を示す概略ブロック図である。
なお、図９は、本実施形態を説明する上で必要な構成のみを記載しており、他の構成は、上述の各図における構成と同様である。

図９において、光プローブ２ｂは、ローリングシャッタカメラ２５ａ（受光検出部）と、走査部２３とを備えている。
ローリングシャッタカメラ２５ａは、トリガ信号によって、露光（検出）を開始し、クロック信号ＣＫ１に同期して、ＣＭＯＳセンサ２５１上のスポット光走査方向（Ｖ方向）に順次、検出ラインを変更して露光する。

走査部２３の角度検出部２３３は、角度情報の一部として、ガルバノミラー２３２の走査の起点である原点に、ガルバノミラー２３２があることを示す原点信号をスポット光走査制御部４７ａに供給する。つまり、この原点信号は、スポット光の照射方向が走査の開始位置にある場合に供給される。

ＲＯＩ選択処理部７０は、複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域に応じて、走査部２３に対してスポット光の照射方向を変更させる。ＲＯＩ選択処理部７０は、受光制御部４６ａ及びスポット光走査制御部４７ａを備えている。

受光制御部４６ａは、ＣＭＯＳセンサ制御部４６２を備える。ＣＭＯＳセンサ制御部４６２は、ローリングシャッタカメラ２５ａの制御を行い、ローリングシャッタカメラ２５ａに対してトリガ信号及びクロック信号ＣＫ１を供給する。ＣＭＯＳセンサ制御部４６２は、スポット光走査制御部４７ａに位相比較器４７１にトリガ信号を供給する。
また、ＣＭＯＳセンサ制御部４６２は、スポット光の走査速度と、ＣＭＯＳセンサ２５１に結像されたスポット光像の径とに応じて、ローリングシャッタカメラ２５ａにおける検出ラインの領域（ＲＯＩ）にスポット光像を露光することができるように露光時間（内部露光時間）を定める。

スポット光走査制御部４７ａは、位相比較器４７１を備える。位相比較器４７１は、角度検出部２３３から供給される原点信号と、ＣＭＯＳセンサ制御部４６２から供給されるトリガ信号とに基づいて、ガルバノミラー２３２の角度を変更させる制御信号を生成する。つまり、位相比較器４７１は、この原点信号の位相とトリガ信号の位相とを比較し、この２つの位相が一致するように、ガルバノミラー２３２の角度を変更させる制御信号を生成する。すなわち、位相比較器４７１は、原点信号の出力タイミングと、トリガ信号の出力タイミングとを同期させる。

これにより、スポット光の走査開始タイミングと、ローリングシャッタカメラ２５ａの露光開始タイミングが一致され、さらに、スポット光の走査期間と、ローリングシャッタカメラ２５ａの一画面露光に必要な期間が等しくなる。結果として、スポット光走査制御部４７ａは、ローリングシャッタカメラ２５ａの検出ラインの領域（露光領域）に対応するように、ガルバノミラー２３２の角度を変更する。

図１０は、本実施形態におけるローリングシャッタカメラ２５ａの動作を示すタイミングチャートである。
この図において、横軸は、時間を示し、縦軸は、上から順に（ａ）外部トリガ（ここでいうトリガ信号）、（ｂ）内部露光時間設定、（ｃ）センサ読み出し開始信号、（ｄ）露光（露光領域）、（ｅ）カメラデータ出力、（ｆ）グローバル露光タイミング出力、及び（ｇ）トリガレディ出力を示している。なお、ここでいう露光時間とは、露光する時間の長さ又は時間幅のことである。

この例では、（ｂ）露光時間（内部露光時間）がＳＴ１に設定されている。時刻Ｔ１において、ＣＭＯＳセンサ制御部４６２が、（ａ）外部トリガを出力すると、ローリングシャッタカメラ２５ａは、内部で（ｃ）センサ読み出し開始信号を生成し、（ｄ）露光を開始する。ローリングシャッタカメラ２５ａは、（ｄ）露光に示すように、露光時間ＳＴ１の間隔によって、各検出ラインの露光タイミング（ｔ１からｔｎまで）を順番に露光する。また、一方で、（ａ）外部トリガに応じて、ローリングシャッタカメラ２５ａは、（ｇ）トリガレディ出力を、Ｌ（ロウ）状態に遷移させる。これは、ローリングシャッタカメラ２５ａが（ａ）外部トリガを受け付けられない状態（ビジー）であることを示している。

時刻Ｔ２において、ローリングシャッタカメラ２５ａは、（ｄ）露光を完了し、制御部４０は、（ｆ）グローバル露光タイミング出力後に出力される（ｅ）カメラデータ出力によりスポット光像の検出情報を取得する。

時刻Ｔ３において、ローリングシャッタカメラ２５ａは、（ｅ）カメラデータ出力を完了し、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５において再び（ｄ）露光が繰り返される。なお、上述したように、位相比較器４７１は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間にスポット光の走査期間を一致させる。

図１１は、本実施形態における露光時間の設定例を説明する図である。この図において、ＣＭＯＳセンサ２５１の各検出ラインは、露光タイミング（ｔ１からｔｎ）によって露光される。ここで、スポット光像の走査方向の径Ｄ３は、検出ライン（ここでは走査線ともいう）ＥＬ４からＥＬ５の３検出ラインに収まる大きさである。そのため、ＣＭＯＳセンサ制御部４６２は、この３検出ラインが走査される時間（時間幅）を、露光時間（図１０のＳＴ１）として定める。

つまり、この露光時間は、検出ラインが走査される周期と、スポット光像の走査方向の径Ｄ３とに基づいて設定される。なお、検出ラインが走査される周期は、スポット光の走査周期に対応している。また、スポット光の走査周期は、スポット光の走査速度に対応する。そのため、この露光時間は、スポット光の走査速度と、スポット光像の径とに基づいて設定される。なお、スポット光は、走査部２３によって、照射される角度が変更される。そのため、ここでいうスポット光の走査速度とは、単位時間当たりの角度変更量（すなわち、角速度）を示している。

以上のように、本実施形態では、ＲＯＩ選択処理部７０（選択部）は、複数の検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域（ＲＯＩ）に応じて、走査部２３に対してスポット光の照射方向を変更させる。
これにより、スポット光の照射方向に対応した検出ラインの領域（ＲＯＩ）によって、スポット光像の検出が可能となるため、本実施形態における形状測定装置１００は、上記の各実施形態と同様に、複雑な機構や高度な調整作業を必要とせずに、被測定物３の形状を精度良く測定することができる。

また、本実施形態では、受光検出部は、２次元のローリングシャッタカメラ２５ａであり、ＲＯＩ選択処理部７０（ＣＭＯＳセンサ制御部４６２）は、スポット光の走査速度と、ローリングシャッタカメラ２５ａのＣＭＯＳセンサ２５１に結像されたスポット光像の径とに応じて、ローリングシャッタカメラ２５ａにおける検出ラインの領域（ＲＯＩ）にスポット光像を露光することができるように露光時間を定める。これにより、ローリングシャッタカメラ２５ａは、確実にスポット光像を検出することができる。

［第５の実施形態］
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は、第４の実施形態の変形例であり、スポット光の走査速度に応じて、ローリングシャッタカメラ２５ａの露光タイミングを変更している。

図１２は、第５の実施形態における制御部４０及び光プローブ２ｂの構成を示す概略ブロック図である。なお、図１２は、本実施形態を説明する上で必要な構成のみを記載しており、他の構成は、上述の各図における構成と同様である。この図において、スポット光走査制御部４７ｂに、図９の構成に、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４７２が追加された構成である。

ＶＣＯ４７２は、位相比較器４７１の比較結果（電圧）に基づいて、原点信号の位相とトリガ信号の位相とが一致するように、クロック信号ＣＫ２の周波数を変更する。また、ＶＣＯ４７２は、周波数を変更したクロック信号ＣＫ２をＣＭＯＳセンサ制御部４６２に供給する。

ＣＭＯＳセンサ制御部４６２は、ＶＣＯ４７２から供給されたクロック信号ＣＫ２に基づいて、クロック信号ＣＫ１を生成し、生成したクロック信号ＣＫ１をＣＭＯＳセンサ２５１に供給する。つまり、走査部２３によるスポット光の走査速度に応じて、クロック信号ＣＫ１の周波数が変更され、ローリングシャッタカメラ２５ａの露光タイミングが変更される。すなわち、ＲＯＩ選択処理部７０（スポット光走査制御部４７ｂ）は、スポット光の走査速度に応じて、ローリングシャッタカメラ２５ａの露光タイミングが変更させる。

これにより、原点信号の出力タイミングと、トリガ信号の出力タイミングとが、同期され、スポット光の走査開始タイミングと、ローリングシャッタカメラ２５ａの露光開始タイミングが一致される。さらに、スポット光の走査期間と、ローリングシャッタカメラ２５ａの一画面露光に必要な期間（時間幅）が等しくなる。結果として、スポット光走査制御部４７ｂは、ローリングシャッタカメラ２５ａの検出ラインの領域（露光領域）に対応するように、ガルバノミラー２３２の角度を変更する。

以上のように、本実施形態では、スポット光の照射方向に対応した検出ラインの領域（ＲＯＩ）によって、スポット光像の検出が可能となるため、形状測定装置１００は、上記の各実施形態と同様に、複雑な機構や高度な調整作業を必要とせずに、被測定物３の形状を精度良く測定することができる。なお、クロック信号ＣＫ１の周波数が変更された場合、測定制御部４５は、クロック信号ＣＫ１の周波数に応じて、スポット光源部２０の照射強度を変更してもよい。つまり、例えば、周波数が大きい場合は、露光時間が短くなるため、測定制御部４５は、スポット光源部２０に対して、その露光時間短縮分を補うように、照射強度を強くさせる。

［第６の実施形態］
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について説明する。図１３は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。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、制御装置（検査装置）１３０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制御装置１３０の後述する座標記憶部１３１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１３０へ送信する。

制御装置１３０は、座標記憶部１３１と、検査部１３２とを備える。座標記憶部１３１には、前述の通り、設計装置１１０により設計情報が記憶される。検査部１３２は、座標記憶部１３１から設計情報を読み出す。検査部１３２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１３１から読み出した設計情報とを比較する。

検査部１３２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１３２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１３２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１３２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、制御装置１３０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１４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Ｓ１０１）。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Ｓ１０２）。次に、形状測定装置１００は、上述のような方法で、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ１０３）。その後、制御装置１３０の検査部１３２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、構造物が誠設計情報通りに作製されたか否か検査する（ステップＳ１０４）。

次に、制御装置１３０の検査部１３２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Ｓ１０５）。作製された構造物が良品である場合（ステップＳ１０５ ＹＥＳ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。一方、作製された構造物が良品でない場合（ステップＳ１０５ ＮＯ）、制御装置１３０の検査部１３２は、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Ｓ１０６）。

作製された構造物が修復できる場合（ステップＳ１０６ ＹＥＳ）、リペア装置１４０は、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。一方、作製された構造物が修復できない場合（ステップＳ１０６ ＹＥＳ）、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、上記の実施形態における形状測定装置１００が構造物の座標（構造物の三次元形状）を正確に測定することができるので、構造物製造システム２００は、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１４０が実行するリペア工程は、成形装置１２０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１３０の検査部１３２が修復できると判定した場合、成形装置１２０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１２０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、構造物を正確に作製することができる。

なお、上記の実施形態によれば、図１５に示されるように、本教示に係る形状測定方法は、形状測定装置１００が実行する形状測定方法であって、被測定物３にスポット光を照射するスポット光照射手順（Ｓ２０１）と、被測定物３の表面上でスポット光を相対的に走査する走査手順（Ｓ２０２）と、複数の受光画素を用いて、スポット光が被測定物３に照射される照射方向と異なる方向からスポット光が被測定物３に照射された場合のスポット光像を検出する検出手順（Ｓ２０３）と、スポット光の照射方向に応じて、スポット光像の位置を検出するために用いる信号を取得する受光画素の位置を変更する変更手順（Ｓ２０４）と、前記受光画素からの信号に基づいて、被測定物３の位置情報を算出する制御手順（Ｓ２０５）とを有する。なお、前記複数の受光素子は２次元的に配列されていてもよく、前記変更手順（Ｓ２０４）において、前記複数の受光画素のうち、前記スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する受光画素を選択してもよい。これにより、複雑な機構や高度な調整作業を必要とせずに、被測定物３の形状を精度良く測定することができる。なお、上記手順は、必ずしもこの順序で実施されなければならないわけではなく、必要に応じて適宜順番を入れ替えることができることは言うまでもない。

なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の各実施形態において、位置演算処理部６０（制御部）は、スポット光の径の最大値に応じて、検出ラインに対して垂直方向に連続した複数の受光画素を積算した検出結果に基づいて、被測定物３の位置情報を算出してもよい。つまり、位置演算処理部６０は、受光検出部２５又はローリングシャッタカメラ２５ａから、複数の受光画素を積算した検出結果を読み出して、この検出結果に基づいて、被測定物３の位置情報を算出してもよい。この場合、読み出し時間を短縮できるため、形状測定装置１００は、測定処理時間を短縮することができる。また、位置演算処理部６０は、複数の受光画素の検出結果を読み出した後に、検出結果を積算して、被測定物３の位置情報を算出してもよい。なお、位置演算処理部６０は、測定レンジ（分解能）に応じて、これらの方法を選択的に使用してもよい。

また、上記の各実施形態において、ＲＯＩ選択部４６１は、検出ラインの領域（ＲＯＩ）をスポット光像の径より大きい領域に定め、位置情報算出部４４は、この検出ラインの領域（ＲＯＩ）において、スポット光像の最も輝度の高い位置を含む検出ラインによる検出結果に基づいて、被測定物３の位置情報を算出してもよい。例えば、図５に示すように検出ラインの領域（ＲＯＩ）Ｒ１及びＲ３は、スポット光像の径より大きい領域に定めている。この場合、スポット光像の径より大きい領域に定めることにより、確実にスポット光像をとらえることができる。

また、上記の各実施形態において、走査部２３は、ガルバノミラーを用いる形態を説明したが、スポット光の照射方向を変更せずに、光プローブ２に対して被測定物３を相対的移動させることでスポット光像を走査するようにしてもよい。この場合はスポット光の照射方向（角度）が一定なので、検出ラインの領域も変わらない。一方、スポット光の照射方向（角度）を変更することで、スポット光像を被測定物３に対して走査する場合、スポット光の照射方向（角度）を変更できる構成であれば他の形態でもよい。例えば、ポリゴンミラー、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などのＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いる形態でもよく、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）などの回折現象を利用する光学素子などを用いる形態でもよい。

また、上記の各実施形態において、スポット光の照射方向を変更するのに同期して検出ラインの領域（ＲＯＩ）を変更する形態、及び、検出ラインの領域（ＲＯＩ）を変更するのに同期して、走査部２３にスポット光の照射方向を変更させる形態を説明したが、これらに限定されるものではない。例えば、形状測定装置１００は、受光検出部２５の全受光画素分の検出結果を読み出した後に、スポット光の照射方向に対応する領域の検出結果を選択して使用する形態でもよい。

上記の各実施形態において、選択テーブルは予め作成されたものを使用する形態を説明したが、定期的に測定しなおして更新する形態でもよい。また、形状測定装置１００は、この選択テーブルを内部で生成する機能を備えてもよい。また、テーブル記憶部５１は、測定レンジ（分解能）や測定条件に応じて、複数の選択テーブルを記憶する形態でもよい。また、上記の各実施形態において、受光画素は必ずしも二次元的に配列されていなくてもよい。

本発明は、製造された構造物が良品であるか否かを判定できる構造物製造システムに適用することができる。

３…被測定物、２０，２０ａ…スポット光源部、２３…走査部、２５…受光検出部、２６…照射位置検出部、２７…シリンドリカルレンズ、５１…テーブル記憶部、６０…位置演算処理部、７０…ＲＯＩ選択処理部、２３３…角度検出部、１００…形状測定装置

Claims (20)

1. 被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、
   被測定物に光源からの光を照射することによりスポット状のパターンを形成する照射部と、
   前記被測定物の表面上で前記スポット状のパターンを相対的に走査する走査部と、
   複数の受光画素が配列され、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記光が前記被測定物に照射されたときの前記スポット状のパターンの像を検出する受光部と、
   前記光の照射方向に応じて、前記受光部から得る前記スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する位置を変更する変更部と、
   前記受光部からの信号に基づいて、前記被測定物の位置情報を算出する制御部と、
   を備える形状測定装置。
2. 前記受光部は、複数の受光素子が２次元的に配列されており、
   前記変更部は、前記受光部が有する前記複数の受光画素のうち、前記スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する受光画素を選択する請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記走査部は、前記光が前記被測定物に照射されるときの照射方向を変えることにより、前記被測定物の表面上で前記スポット状のパターンを走査する請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記変更部は、
   前記受光部上で前記スポット状のパターンの像が結像された位置を含む複数の受光画素であって、前記光を走査した場合に前記スポット状のパターンの像が変位する方向とは異なる方向に並ぶ複数の受光画素を選択する請求項２又は３に記載の形状測定装置。
5. 前記変更部は、
   前記複数の受光画素のうち、前記光を走査した場合に前記スポット状のパターンの像が変位する方向と直交する方向に配列した受光画素群を、一つの検出ラインとして設定し、かつ前記スポット状のパターンの像が変位する方向において各々の位置にそれぞれ別々の検出ラインを設定し、複数の前記検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域を、前記光の照射方向に応じて選択し、
   前記制御部は、
   前記受光部に対して、選択された前記検出ラインの領域によって前記スポット状のパターンの像を検出させる請求項２〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
6. 前記変更部は、
   前記光の照射方向と、複数の前記検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域とを関連づけた選択基準に基づいて、前記検出ラインの領域を選択する請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記選択基準は、前記光の照射方向と、前記使用する検出ラインの領域とを関連づけた選択テーブルにより構成され、
   前記選択テーブルを記憶する記憶部を備え、
   前記選択テーブルは、
   所定の形状の前記被測定物を測定した場合に得られる、前記光の照射方向と、前記使用する検出ラインとに基づいて、予め作成されている請求項６に記載の形状測定装置。
8. 前記変更部は、
   複数の前記検出ラインのうちの検出に使用する検出ラインの領域に応じて、前記走査部に対して前記光の照射方向を変更させる請求項５〜７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
9. 前記受光部は、２次元のローリングシャッタカメラであり、
   前記変更部は、
   前記光の走査速度と、前記受光部に結像された前記スポット状のパターンの径とに応じて、前記ローリングシャッタカメラにおける前記検出ラインの領域に前記スポット状のパターンの像を露光することができるように露光時間を定める請求項８に記載の形状測定装置。
10. 前記受光部は、２次元のローリングシャッタカメラであり、
    前記変更部は、
    前記光の走査速度に応じて、前記ローリングシャッタカメラの露光タイミングを変更することを特徴とする請求項８又は９に記載の形状測定装置。
11. 前記変更部は、
    前記走査部を制御する制御信号、前記走査部において前記光を照射する角度を検出する角度検出部による検出情報、及び、前記光から分岐した光が照射される受光素子を有し、前記受光素子に照射された前記分岐した光の照射位置を検出する照射位置検出部による検出情報の１つに基づいて、前記光の照射方向を検出する請求項２〜１０のいずれか一項に記載の形状測定装置。
12. 前記スポット光源部は、
    前記検出ラインに垂直な径が、前記検出ラインに平行な径より狭い前記スポット状のパターンを前記被測定物に投影させる光学部を備える請求項５〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
13. 前記制御部は、
    前記光によるスポット状のパターンの径の最大値に応じて、前記検出ラインに対して垂直方向に連続した複数の受光画素を選択し、各々前記垂直方向に隣接した複数の受光素子からの出力値を積算した検出結果に基づいて、前記被測定物の位置情報を算出する請求項５〜１２のいずれか一項に記載の形状測定装置。
14. 前記変更部は、
    前記検出ラインの領域を前記スポット状のパターンの径より大きい領域に定め、
    前記制御部は、
    前記検出ラインの領域において、前記スポット状のパターンの像のうち最も輝度の高い位置を含む前記検出ラインによる検出結果に基づいて、前記被測定物の位置情報を算出する請求項５〜１３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
15. 被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、
    被測定物に光源からの光を照射することによりスポット状のパターンを形成する照射手順と、
    前記被測定物の表面上で前記スポット状のパターンを相対的に走査する走査手順と、
    複数の受光画素を含む受光部を用いて、前記光が前記被測定物に照射される照射方向と異なる方向から前記光が前記被測定物に照射されたときの前記スポット状のパターンの像を検出する検出手順と、
    前記光の照射方向に応じて、前記受光部から得る前記スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する位置を変更する変更手順と、
    前記受光部からの信号に基づいて、前記被測定物の位置情報を算出する制御手順と
    を有する形状測定方法。
16. 前記複数の受光画素は２次元的に配列されており、
    前記変更手順において、前記複数の受光画素のうち、前記スポット状のパターンの像の位置を検出するために用いる信号を取得する受光画素を選択する請求項１５に記載の形状測定方法。
17. 前記走査手順は、前記光が前記被測定物に照射されるときの照射方向を変えることにより、前記被測定物の表面上で前記スポット状のパターンを走査することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の形状測定方法。
18. 構造物を製造する方法であって、
    構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
    前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、
    作製された前記構造物の形状を請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の形状測定方法を用いて測定する測定工程と、
    前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
    を有する構造物の製造方法。
19. 前記検査工程の比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を実施するリペア工程を有する請求項１８に記載の構造物の製造方法。
20. 前記リペア工程は、前記成形工程を再実行する工程である請求項１９に記載の構造物の製造方法。

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