JP2021025920A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動可能なステージを用いて測定対象物を効率良く測定できるようにする。【解決手段】三次元形状測定装置５００は、投光部１１０により照射され、測定対象物にて反射された測定光を受光して受光量を表す受光信号を出力する受光部１２０と、受光部１２０から出力される受光信号に基づいて、載置部１４０の特定の位置において受光部１２０の視野内に含まれる測定対象物の少なくとも一部の立体形状を表す形状データを生成し、生成された測定対象物の少なくとも一部の形状データに基づいて、当該形状データの周囲に位置する測定対象物の他の部位の形状データを取得するように移動制御部１４４で載置部１４０を移動させて、当該位置での測定対象物の形状データを生成することを繰り返し、得られた複数の形状データを合成することで測定対象物の全体の形状を含む合成形状データを生成するプロセッサとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元の測定対象物に対して高さ情報を含む所定の検査を行うための三次元形状測定装置に関する。

三角測距方式の三次元形状測定装置が知られている（例えば特許文献１）。この三次元形状測定装置では、測定対象物を載置する載置部と、測定対象物に向けて測定光を投光したり、測定対象物からの反射光を受光したりするヘッド部とが固定的に連結されている。これにより、耐震性等外部環境の変化に対するロバスト性を高め、測定対象物の立体形状を安定的に測定可能となっている。また、この三次元形状測定装置には、測定対象物の立体形状を複数方向から測定するために、測定対象物を回転させる回転ステージが設けられている。

特開２０１８−４２７８号公報

このような移動可能なステージを搭載した非接触式の三次元形状測定装置では、ステージを移動させることで、本来であれば視野内に収まりきらないような大きな測定対象物であっても、視野の位置を変化させることで測定できる。

一方で、測定対象物の複数の位置を測定するためには、測定範囲を設定する必要があるところ、その設定が手間であった。すなわち、測定範囲を適切に設定しないと、測定範囲が重なって撮影枚数が増え、撮影時間が長くなり無駄な処理が増えることがあり、逆に測定範囲が不足すると、測定対象物中に測定されない領域が発生するなどの問題があった。

本発明の目的の一は、移動可能なステージを用いて測定対象物を効率良く測定できるようにした三次元形状測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る三次元形状測定装置によれば、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を移動させる載置部と、前記載置部の移動を制御する移動制御部と、前記載置部に載置された測定対象物に所定のパターンを有する測定光を照射する投光部と、前記投光部により照射され、測定対象物にて反射された測定光を受光して受光量を表す受光信号を出力する受光部と、前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記載置部の特定の位置において前記受光部の視野内に含まれる測定対象物の少なくとも一部の立体形状を表す形状データを生成し、該生成された測定対象物の少なくとも一部の形状データに基づいて、当該形状データの周囲に位置する測定対象物の他の部位の形状データを取得するように前記移動制御部で前記載置部を移動させて、当該位置での測定対象物の形状データを生成することを繰り返し、得られた複数の形状データを合成することで測定対象物の全体の形状を含む合成形状データを生成するプロセッサと備えることができる。上記構成により、測定対象物の外形に応じて、撮像範囲をユーザが意識することなく自動判定することにより、三次元計測が容易となる。

また、本発明の第２の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記構成に加えて、前記載置部は、前記載置面を回転軸を中心に回転させるための回転ステージと、前記載置面を、該載置面の属する面内で平行移動させるための並進ステージを備え、前記三次元形状測定装置はさらに、前記回転ステージと前記並進ステージを、前記回転ステージの回転軸方向に重ねるように支持する台座部を備えることができる。

さらに、本発明の第３の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記プロセッサは、前記測定対象物の少なくとも一部の形状データに基づいて、前記回転ステージの回転動作のみを実行するか、前記回転ステージの回転動作と前記並進ステージの平行移動動作の両方を実行するかを決定することができる。上記構成により、測定対象物の外形に応じて、撮像範囲をユーザが意識することなく自動判定することにより、三次元計測が容易となる。

さらにまた、本発明の第４の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記移動制御部は、前記並進ステージをＸＹ方向に移動させた後に、当該位置で前記回転ステージを回転させるよう制御することができる。

さらにまた、本発明の第５の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記載置部は、前記台座部に回転自在に支持された前記回転ステージの上方に、前記並進ステージを並進自在に備えることができる。

さらにまた、本発明の第６の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記台座部に連結されると共に、前記載置部の上方に測定光による測定領域が形成されるよう前記投光部及び前記受光部を固定的に支持する支持部と、前記支持部の上部に固定され、前記測定領域を斜め下に見下ろすように、前記投光部及び前記受光部を前記載置面に対して光軸が傾斜する姿勢に固定する固定部を備えることができる。

さらにまた、本発明の第７の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記プロセッサが、測定対象物の形状データを簡易的な生成条件で生成可能とできる。上記構成により、測定対象物の測定精度が低い簡易的な生成条件であっても、測定対象物の大凡の位置が判れば、移動制御部は載置部の移動方向を決定できるので、処理を簡素化できる利点が得られる。

さらにまた、本発明の第８の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記簡易的な生成条件が、前記受光部における露光時間を通常よりも短くする、利得を通常よりも高くする、解像度を間引く、前記投光部が複数ある場合に使用する数を制限する、前記投光部の投影パターンが複数ある場合に使用する数を制限する、前記受光部が複数ある場合に使用する数を制限する、前記回転ステージを回転させずに前記受光信号を取得するの少なくともいずれかを含むことができる。

さらにまた、本発明の第９の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記プロセッサは、前記前記簡易的な生成条件で生成された簡易形状データに基づいて、前記載置部に載置された測定対象物を真上から見下したときの平面図を示すトップビューマップ画像を生成し、該トップビューマップ画像から抽出された測定対象物の輪郭に基づいて、測定領域を決定するよう構成できる。

さらにまた、本発明の第１０の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記プロセッサは、前記測定領域に基づき、前記回転ステージの回転移動のみ、又は前記回転ステージの回転移動と前記並進ステージの並進移動を組み合わせた動作のいずれかを判定して、前記測定領域の測定を実行するよう構成してなる三次元形状測定装置。
される。

さらにまた、本発明の第１１の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記受光部から出力される受光信号に基づいて、該受光信号から前記載置部の周囲の領域を除去して、前記受光部の露光時間を調整する露光調整部を備えることができる。

本発明の実施の形態１に係る画像検査装置を示すブロック図である。 図１の測定部の構成を示すブロック図である。 図１のコントローラのＣＰＵの構成を示すブロック図である。 三次元形状測定システムを示すブロック図である。 図４に示す三次元形状測定装置本体の分解斜視図である。 図４に示す三次元形状測定装置本体の側面図である。 倍率の異なる複数の受光部を備える三次元形状測定装置の側面図である。 載置面の駆動方向を示す平面図である。 載置面の駆動方向を示す平面図である。 回転ステージの構成を示すブロック図である。 並進ステージの構成を示すブロック図である。 実施形態２に係る三次元形状測定装置を示すブロック図である。 回転ステージの回転により測定対象物が衝突する様子を示す模式図である。 測定対象物を斜め上方から見た観察画像を示すイメージ図である。 測定可能範囲を示すイメージ図である。 載置面に水平姿勢で置かれた測定対象物を斜め上方から観察する様子を示す模式側面図である。 載置面に傾斜姿勢で置かれた測定対象物を斜め上方から観察する様子を示す模式側面図である。 トップビューマップ画像の生成をユーザが指示する手順を示すフローチャートである。 トップビューマップ画像を生成する処理の手順を示すフローチャートである。 トップビューマップ画像の生成例を示すイメージ図である。 測定対象物のテクスチャ画像の例を示すイメージ図である。 図２１の測定対象物の点群画像を示すイメージ図である。 図２１の測定対象物のトップビューマップ画像を示すイメージ図である。 図２４Ａは欠けている画素の補完前のトップビューマップ画像を示すイメージ図、図２４Ｂは補完後のトップビューマップ画像を示すイメージ図である。 トップビューマップ画像に測定範囲を自動設定した例を示すイメージズである。 ユーザが手動で測定範囲を設定するための三次元形状測定プログラムのユーザインターフェース画面を示すイメージ図である。 変形例に係る測定範囲設定画面を示すイメージ図である。 図２６の測定範囲設定画面で４枚パターンを選択した状態を示すイメージ図である。 図２６の測定範囲設定画面で３枚パターンを選択した状態を示すイメージ図である。 図２６の測定範囲設定画面で１枚パターンを選択した状態を示すイメージ図である。 測定範囲の設定と測定位置の例を示すイメージ図である。 プレスキャンにより測定対象物の測定データを取得する手順を示すフローチャートである。 図３３Ａは測定対象物の一例を示す観察画像、図３３Ｂは図３３Ａの測定対象物に対して回転ステージ１４３の回転のみで生成したトップビューマップ画像のイメージ図、図３３Ｃは測定対象物の他の例を示す観察画像、図３３Ｄは図３３Ｃの測定対象物に対して並進ステージ１４１の移動と回転ステージ１４３の回転を組み合わせて生成したトップビューマップ画像のイメージ図、図３３Ｅは測定対象物のさらに他の例を示す観察画像、図３３Ｆは図３３Ｅの測定対象物に対して並進ステージ１４１の移動と回転ステージ１４３の回転を組み合わせて生成したトップビューマップ画像のイメージ図である。 トップビューマップ画像を生成する手順を示すフローチャートである。 図３５Ａは並進ステージのＸＹ軸を十字状に配置した載置面の模式平面図、図３５Ｂはこの並進ステージのＸＹストロークと安全稼働範囲円を示す模式平面図である。 図３６Ａは並進ステージのＸＹ軸を斜めに配置した載置面の模式平面図、図３６Ｂはこの並進ステージのＸＹストロークと安全稼働範囲円を示す模式平面図である。 実施形態３に係る三次元形状測定装置を示すブロック図である。 観察画像における載置面領域を示すイメージ図である。 載置面明るさ画像として、二次関数フィッティングを登録する例を示すイメージ図である。 三次元形状測定プログラムで厚さ計測を行う厚さ計測画面のＧＵＩを示すイメージ図である。 基本計測要素として平面が選択された場合の画像表示領域における選択結果を示すイメージ図である。 基本計測要素として円錐が選択された場合の画像表示領域における選択結果を示すイメージ図である。 設定ウィンドウの例を示すイメージ図である。 減少率設定画面の例を示すイメージ図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための三次元形状測定装置を例示するものであって、本発明は三次元形状測定装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本明細書において、「テクスチャ画像」とは、光学画像に代表される、テクスチャ情報を有する観察画像である。一方、「高さ画像」とは、距離画像等とも呼ばれるものであり、高さ情報を含む画像の意味で使用する。例えば、高さ情報を輝度や色度等に変換して二次元画像として表示した画像や、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示した画像が挙げられる。またこのような高さ画像にテクスチャ画像をテクスチャ情報として貼り付けた三次元の合成画像も、高さ画像に含む。また、本明細書において高さ画像の表示形態は二次元状に表示されるものに限られず、三次元状に表示されるものも含む。例えば、高さ画像の有する高さ情報を輝度等に変換して二次元画像として表示したものや、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示したものを含む。

さらに本明細書において測定対象物をステージ上に置く「姿勢」とは、測定対象物の回転角度を意味する。なお、測定対象物が円錐のような平面視において点対称の形状の場合は、回転角度に依らず同じ結果が得られるため、姿勢は規定する必要がない。

以下の実施例では、測定対象物の高さ情報を取得するため、所定のパターンの測定光を測定対象物に対して照射して、測定対象物の表面で反射された反射光から得られる信号を用いて、高さ情報を取得している。例えば、所定のパターンの測定光として、構造化照明を用いて、測定対象物に投影し、その反射光から得られる縞投影画像を用いた三角測距を用いた計測方法を用いることができる。ただ、本発明は測定対象物の高さ情報を取得するための原理や構成を、これに限らず、他の方法も適用することができる。
（実施形態１）

三次元形状測定装置は、測定対象画像の三次元の高さ計測を行うことができる。また、三次元計測に加えて、二次元の寸法計測も行うことができる。図１に、本発明の実施例１に係る三次元形状測定装置のブロック図を示す。この図に示す三次元形状測定装置５００は、測定部１００、台座部６００と、コントローラ２００、光源部３００及び表示部４００を備える。この三次元形状測定装置５００は、光源部３００で構造化照明を行い、縞投影画像を撮像して高さ情報を有する高さ画像を生成し、これに基づいて測定対象物ＷＫの三次元寸法や形状を計測することができる。このような縞投影を用いた測定は、測定対象物ＷＫやレンズ等の光学系をＺ方向に移動させることなく高さ測定ができるため、測定時間を短くできるという利点がある。

測定部１００は、投光部１１０と、受光部１２０と、測定制御部１５０と、照明光出力部１３０を備える。投光部１１０は、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫに所定のパターンを有する測定光を照射する。受光部１２０は、載置面１４２に対して傾斜姿勢で固定されている。この受光部１２０は、投光部１１０により照射され、測定対象物ＷＫにて反射された測定光を受光して、受光量を表す受光信号を出力する。受光部１２０は、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫを撮像することにより測定対象物ＷＫの全体形状を観察するための観察画像を生成することができる。

台座部６００は、載置部１４０と移動制御部１４４を備える。この台座部６００は、ベースプレート６０２上に載置部１４０を支持している。移動制御部１４４は、載置部１４０を移動させる部材である。移動制御部１４４は、台座部６００側に設ける他、コントローラ側に配置してもよい。

光源部３００は、測定部１００と接続される。光源部３００は、測定光を生成して測定部１００に供給する。コントローラ２００は、測定部１００の撮像を制御する。表示部４００は、コントローラ２００と接続され、生成された画像を表示させ、また必要な設定を行うＨＭＩとなる。
（載置部１４０）

図１に示す台座部６００は、載置部１４０と、移動制御部１４４を備える。載置部１４０は、測定対象物ＷＫが載置される載置面１４２を有する。この載置部１４０は、載置面１４２を回転させる回転ステージ１４３と、載置面１４２を平行移動させる並進ステージ１４１を含む。
（移動制御部１４４）

移動制御部１４４は、測定領域設定部２６４により設定された測定領域に基づいて、回転ステージ１４３の回転移動及び並進ステージ１４１の平行移動を制御する。また移動制御部１４４は、後述する測定領域設定部２６４により設定された測定領域に基づいて、載置移動部による載置部１４０の移動動作を制御する。

コントローラ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０及び操作部２５０を含む。コントローラ２００には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等が利用できる。またＣＰＵ２１０は、点群データを生成する部分形状データ生成部２６０ａと、合成形状データ生成部２６０ｂ等の機能を実現する（詳細は後述）。
（測定部１００のブロック図）

図１の三次元形状測定装置５００の測定部１００の構成を図２のブロック図に示す。測定部１００は、例えば顕微鏡であり、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、測定制御部１５０、及びこれらを収納する本体ケース１０１、並びに載置部１４０を備える。投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２及び複数のレンズ１１３、１１４、１１５を含む。受光部１２０は、カメラ１２１及び複数のレンズ１２２、１２３を含む。載置部１４０上には、測定対象物ＷＫが載置される。本体ケース１０１は、樹脂や金属製の筐体とする。
（投光部１１０）

投光部１１０は、載置部１４０の斜め上方に配置される。この測定部１００は、複数の投光部１１０を含んでもよい。図２の例においては、測定部１００は２つの投光部１１０を含む。ここでは、第一の方向から測定対象物ＷＫに対して第一測定光ＭＬ１を照射可能な第一測定光投光部１１０Ａ（図２において右側）と、第一の方向とは異なる第二の方向から測定対象物ＷＫに対して第二測定光ＭＬ２を照射可能な第二測定光投光部１１０Ｂ（図２において左側）を、それぞれ配置している。第一測定光投光部１１０Ａ、第二測定光投光部１１０Ｂは受光部１２０の光軸を挟んで対称に配置される。なお投光部を３以上備えたり、あるいは投光部とステージを相対移動させて、共通の投光部を用いつつも、照明の方向を異ならせて投光させることも可能である。また以上の例では投光部１１０を複数用意し、共通の受光部１２０で受光する構成としているが、逆に共通の投光部に対して、複数の受光部を用意して受光するように構成してもよい。さらにこの例では投光部が投光する照明光の、垂直方向に対する照射角度を固定としているが、これを可変とすることもできる。
（測定光源１１１）

各第一測定光投光部１１０Ａ、第二測定光投光部１１０Ｂは、測定光源１１１としてそれぞれ第一測定光源、第二測定光源を備える。これら測定光源１１１は、例えば白色光を出射するハロゲンランプである。測定光源１１１は、単色光を発光する光源、例えば白色光を出射する白色ＬＥＤ（発光ダイオード）や有機ＥＬ等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、「測定光」と呼ぶ。）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射される。
（パターン生成部１１２）

パターン生成部１１２は、測定光を測定対象物ＷＫに対して投光させるよう、測定光源１１１から出射された光を反射させる。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターン及び予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２により出射された測定光は、複数のレンズ１１４、１１５により受光部１２０の観察・測定可能な視野よりも大きい径を有する光に変換された後、載置部１４０上の測定対象物ＷＫに照射される。

パターン生成部１１２は、測定光を測定対象物ＷＫに投光させる投光状態と、測定光を測定対象物ＷＫに投光させない非投光状態とを切り替え可能な部材である。このようなパターン生成部１１２には、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が好適に利用できる。ＤＭＤを用いたパターン生成部１１２は、投光状態として測定光を光路上に反射させる反射状態と、非投光状態として測定光を遮光させる遮光状態とを切り替え可能に、測定制御部１５０により制御できる。

ＤＭＤは多数のマイクロミラー（微小鏡面）ＭＭを平面上に配列した素子である。各マイクロミラーは、測定制御部１５０により個別にＯＮ状態、ＯＦＦ状態を切り替えることができるので、多数のマイクロミラーのＯＮ状態、ＯＦＦ状態を組み合わせて、所望の投影パターンを構成できる。これによって、三角測距に必要なパターンを生成して、測定対象物ＷＫの測定が可能となる。このようにＤＭＤは、測定時には測定用の周期的な投影パターンを測定対象物ＷＫに投光する投影パターン光学系として機能する。またＤＭＤは応答速度にも優れ、シャッターなどに比べ高速に動作させることができる利点も得られる。

なお以上の例では、パターン生成部１１２にＤＭＤを用いた例を説明したが、本発明はパターン生成部１１２をＤＭＤに限定するものでなく、他の部材を用いることもできる。例えば、パターン生成部１１２として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子）を用いてもよい。あるいは反射型の部材に代えて透過型の部材を用いて、測定光の透過量を調整してもよい。この場合は、パターン生成部１１２を測定光の光路上に配置して、測定光を透過させる投光状態と、測定光を遮光させる遮光状態とを切り替える。このようなパターン生成部１１２には、例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）が利用できる。あるいは、複数ラインＬＥＤを用いた投影方法、複数光路を用いた投影方法、レーザとガルバノミラー等で構成される光スキャナ方式、ビームスプリッタで分割したビームを重ね合わせることによって発生された干渉縞を用いるＡＦＩ（Accordion fringe interferometry）方式、ピエゾステージと高分解能エンコーダ等で構成される実体格子と移動機構を用いた投影方法等でパターン生成部１１２を構成してもよい。

さらに図２等の例では、測定光投光部を２つ備えた例を説明したが、本発明はこれに限らず、測定光投光部を３以上設けることも可能である。あるいは、測定光投光部を一のみとすることもできる。この場合は、測定光投光部の位置を移動可能とすることで、異なる方向から測定光を測定対象物ＷＫに対して投光できる。
（受光部１２０）

受光部１２０は、載置部１４０の上方に配置される。測定対象物ＷＫにより載置部１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０の複数のレンズ１２２、１２３により集光、結像された後、カメラ１２１により受光される。
（カメラ１２１）

カメラ１２１は、例えば撮像素子１２１ａ及びレンズを含むＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。カラーの撮像素子は各画素を赤色用、緑色用、青色用の受光に対応させる必要があるため、モノクロの撮像素子と比較すると計測分解能が低く、また各画素にカラーフィルタを設ける必要があるため感度が低下する。そのため、本実施の形態では、撮像素子としてモノクロのＣＣＤを採用し、後述する照明光出力部１３０をＲＧＢにそれぞれ対応した照明を時分割で照射して撮像することにより、カラー画像を取得している。このような構成にすることにより、計測精度を低下させずに測定物のカラー画像を取得することができる。

ただ、撮像素子１２１ａとして、カラーの撮像素子を用いても良いことは云うまでもない。この場合、計測精度や感度は低下するが、照明光出力部１３０からＲＧＢにそれぞれ対応した照明を時分割で照射する必要がなくなり、白色光を照射するだけで、カラー画像を取得できるため、照明光学系をシンプルに構成できる。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、「受光信号」と呼ぶ。）が測定制御部１５０に出力される。

このようにして撮像された測定対象物ＷＫの画像は、レンズの特性によって、測定対象物ＷＫに対して極めて正確な相似形を成している。またレンズの倍率を用いてキャリブレーションをすることで、画像上の寸法と実際の測定対象物ＷＫ上の寸法を正確に関連付けることができる。
（測定制御部１５０）

測定制御部１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）及びＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。カメラ１２１から出力される受光信号は、光源部３００による制御に基づいて、測定制御部１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされると共にデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次コントローラ２００に転送される。
（コントローラ２００）

図１に示すように、コントローラ２００は、ＣＰＵ２１０、ＲＯＭ２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０及び操作部２５０を含む。この操作部２５０は、キーボードやポインティングデバイスを含むことができる。ポインティングデバイスとしては、マウス又はジョイスティック等が用いられる。

ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、三次元形状測定装置を操作するための三次元形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、測定制御部１５０から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。さらに記憶装置は、測定画像を構成する画素毎に、輝度情報、高さ情報、属性情報を記憶する。
（ＣＰＵ２１０）

ＣＰＵ２１０は、与えられた信号やデータを処理して各種の演算を行い、演算結果を出力する制御回路や制御素子である。本明細書においてＣＰＵとは、演算を行う素子や回路を意味し、その名称によらず、汎用ＰＣ向けのＣＰＵやＭＰＵ、ＧＰＵ、ＴＰＵ等のプロセッサに限定するものでなく、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＬＳＩ等のプロセッサやマイコン、あるいはＳｏＣ等のチップセットを含む意味で使用する。

ＣＰＵ２１０は、測定制御部１５０から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うと共に、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。ＣＰＵ２１０のブロック図を図３に示す。このＣＰＵは、部分形状データ生成部２６０ａと、合成形状データ生成部２６０ｂと、トップビューマップ画像生成部２６１と、測定領域設定部２６４と、高さ画像取得部２２８と、点群データ合成部２１１等の機能を実現する。
（部分形状データ生成部２６０ａ）

部分形状データ生成部２６０ａは、受光部１２０から出力される受光信号に基づいて、載置部１４０の特定の位置において受光部１２０の視野内に含まれる測定対象物の少なくとも一部の立体形状を表す形状データを生成する。部分形状データ生成部２６０ａは、例えば受光部１２０により出力される受光信号に基づいて、測定対象物ＷＫの立体形状を表す三次元位置情報を有する点の集合である点群データを生成する点群データ生成部２６０で構成できる。
（合成形状データ生成部２６０ｂ）

合成形状データ生成部２６０ｂは、部分形状データ生成部２６０ａで生成された測定対象物の少なくとも一部の形状データに基づいて、この形状データの周囲に位置する測定対象物の他の部位の形状データを取得するように移動制御部１４４で載置部１４０を移動させて、当該位置での測定対象物の形状データを部分形状データ生成部２６０ａで生成することを繰り返し、得られた複数の形状データを合成することで測定対象物の全体の形状を含む合成形状データを生成する。移動制御部１４４は、測定対象物の少なくとも一部の形状データに基づいて、回転ステージ１４３の回転動作のみを実行するか、回転ステージ１４３の回転動作と並進ステージ１４１の平行移動動作の両方を実行するかを決定する。これにより、測定対象物の外形に応じて、撮像範囲をユーザが意識することなく自動判定することにより、三次元計測が容易となる。

移動制御部１４４は、並進ステージ１４１をＸＹ方向に移動させた後に、この位置で回転ステージ１４３を回転させるよう制御できる。
（プレスキャン）

また部分形状データ生成部２６０ａは、測定対象物の形状データを簡易的な生成条件で生成することができる。これにより、測定対象物の測定精度が低い簡易的な生成条件であっても、測定対象物の大凡の位置が判れば、移動制御部１４４は載置部１４０の移動方向を決定できるので、処理を簡素化できる利点が得られる。

形状データを生成するための簡易的な生成条件としては、撮像条件や演算条件が挙げられる。例えば、受光部１２０における露光時間を通常よりも短くする、利得を通常よりも高くする、解像度を間引いて粗く計算する、左右の投光部を両方用いずに片方のみとする、縞投影を空間コード法のみとする、複数のカメラの内単眼のみを使う等である。
（トップビューマップ画像生成部２６１）

トップビューマップ画像生成部２６１は、部分形状データ生成部２６０ａにより生成された点群データに基づいて、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫを真上から見下したときの平面図を示すトップビューマップ画像を生成する。このような測定対象物ＷＫを真上から見たトップビューマップ画像を生成することで、測定対象物ＷＫの全体形状を容易に把握し、ひいては測定領域の設定を容易にすることができる。例えばトップビューマップ画像生成部２６１は、部分形状データ生成部２６０ａにより生成された点群データに、受光部１２０で測定対象物ＷＫを撮像した二次元のテクスチャ画像を、該点群データの三次元位置情報毎に貼り付けてトップビューマップ画像を生成する。あるいは、部分形状データ生成部２６０ａにより生成された点群データの各点に、ポリゴンを貼り付けて面状を形成したメッシュ画像を生成してもよい。このメッシュ画像から、トップビューマップ画像を生成する。メッシュ画像は、トップビューマップ画像生成部２６１により生成してもよいし、あるいはメッシュ画像生成部で生成してもよい。

トップビューマップ画像生成部２６１は、受光部１２０で測定対象物ＷＫの複数の異なる領域をそれぞれ取得したトップビューマップ画像を複数枚、合成した合成トップビューマップ画像を生成することもできる。これにより、複数枚のトップビューマップ画像を合成してより広い視野のトップビューマップ画像を取得でき、ユーザに対し測定領域の指定などの作業を行い易い環境を提供できる。

この場合において、トップビューマップ画像生成部２６１は、トップビューマップ画像表示領域に表示されたトップビューマップ画像に対して、さらにトップビューマップ画像を追加する位置の指定を受け付けることもできる。この指定を受けて、トップビューマップ画像生成部２６１は、指定された位置でトップビューマップ画像を生成して、合成トップビューマップ画像を更新してトップビューマップ画像表示領域に表示させることができる。このようにして、得られたトップビューマップ画像から、測定対象物ＷＫの不足している部位のトップビューマップ画像を必要に応じてユーザの指示により追加することが可能となり、測定用途や目的に応じた適切なトップビューマップ画像が得られる。
（測定領域設定部２６４）

測定領域設定部２６４は、表示部４００上に表示された観察画像上で測定領域を設定する。

高さ画像取得部２２８は、複数の縞投影画像に基づいて高さ情報を有する高さ画像を取得する。また点群データ合成部２１１は、点群データ生成部２６０で生成された複数の点群データを合成する。ここで点群は、ポイントクラウド等とも呼ばれ、三次元空間の座標（例えばＸＹＺの直交座標）を有している。このため載置部の異なる位置でそれぞれ生成された測定対象物の点群データを、点群データ生成部２１１でもって共通の三次元空間の座標上で重ね合わせることで、より詳細で精密な測定対象物の表面形状を表現できる。
（画像検査部２１６）

画像検査部２１６は、測定部１００で撮像された測定対象物ＷＫの画像に対して、所定の画像検査を実行する。この画像検査部２１６は、測定対象画像に対して所定の計測を行うための計測部２１６ｂを含むことができる。これにより、計測部２１６ｂで計測された計測結果に基づいて画像検査を実行できる。例えば、測定対象物ＷＫの所定部位の長さや角度といった計測を行った結果に基づいて、良品や不良などの判定といった検査を行うことが可能となる。計測部２１６ｂが行う計測には、テクスチャ画像上で指定したプロファイル線を通り、画面に対して垂直な平面で切断した輪郭線を演算して、プロファイルグラフとして表示部４００に表示させたり、プロファイルグラフで示す輪郭線から円や直線などを抽出して、それらの半径や距離を求めることができる。

このようにＣＰＵ２１０は、様々な機能を実現するための異なる手段を兼用している。ただ、一の部材で複数の手段を兼用する構成に限られず、各部や機能を実現する部材を複数、又はそれぞれ別個に設けることも可能であることはいうまでもない。
（表示部４００）

表示部４００は、測定部１００で取得された縞投影画像や、縞投影画像に基づいて高さ画像取得部２２８で生成した高さ画像、あるいは測定部１００で撮像されたテクスチャ画像を表示させるための部材である。表示部４００は、例えばＬＣＤパネル又は有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。さらに表示部にタッチパネルを利用することで、操作部と兼用することができる。

また表示部４００は、受光部１２０により生成された観察画像を表示する。
（載置部１４０）

図２において、測定対象物ＷＫが載置される載置部１４０上の平面（「載置面」と呼ぶ。）内で互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ、Ｙで示す。載置部１４０の載置面１４２に対して直交する方向をＺ方向と定義し、矢印Ｚで示す。Ｚ方向に平行な軸を中心に回転する方向をθ方向と定義し、矢印θで示す。

載置部１４０は、並進ステージ１４１及び回転ステージ１４３を含む。並進ステージ１４１は、Ｘ方向移動機構及びＹ方向移動機構を有する。回転ステージ１４３は、θ方向回転機構を有する。並進ステージ１４１、回転ステージ１４３により、載置部１４０が構成される。また、載置部１４０は、載置面１４２に測定対象物ＷＫを固定する固定部材（クランプ）を含めてもよい。さらに載置部１４０は、載置面１４２に平行な軸を中心に回転可能な機構を有するチルトステージを含んでもよい。

ここで図２に示すように、左右の投光部１１０の中心軸と受光部１２０の中心軸は、載置部１４０上の測定対象物ＷＫの配置と投光部１１０、受光部１２０の被写界深度が適切となる位置において交差するように、受光部１２０、投光部１１０、載置部１４０の相対的な位置関係が定められている。また、θ方向の回転軸の中心は、受光部１２０の中心軸と一致しているため、θ方向に載置部１４０が回転した際に、測定対象物ＷＫが視野から外れることなく、回転軸を中心に視野内で回転するようになっている。なお、本図において測定部１００は紙面におけるＸ方向を中心に回転した配置を有しており、受光部１２０の光軸と載置部１４０の天面法線（Ｚ方向）とは必ずしも一致する必要はない。
（光源部３００）

光源部３００は、制御基板３１０及び観察用照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、図示しないＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、コントローラ２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０及び測定制御部１５０を制御する。なお、この構成は一例であり、他の構成としてもよい。例えば測定制御部１５０で投光部１１０や受光部１２０を制御したり、又はコントローラ２００で投光部１１０や受光部１２０を制御することとして、制御基板を省略してもよい。あるいはこの光源部３００に、測定部１００を駆動するための電源回路を設けることもできる。
（観察用照明光源３２０）

観察用照明光源３２０は、例えば赤色光、緑色光及び青色光を出射する３色のＬＥＤを含む。各ＬＥＤから出射される光の輝度を制御することにより、観察用照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。観察用照明光源３２０から発生される照明光ＩＬは、導光部材（ライトガイド）を通して測定部１００の照明光出力部１３０から出力される。なお観察用照明光源には、ＬＥＤの他、半導体レーザ（ＬＤ）やハロゲンライト、ＨＩＤなど、他の光源を適宜利用することもできる。特に撮像素子としてカラーで撮像可能な素子を用いた場合は、観察用照明光源に白色光源を利用できる。

照明光出力部１３０から出力される照明光ＩＬは、赤色光、緑色光及び青色光を時分割で切り替えて測定対象物ＷＫに照射する。これにより、これらのＲＧＢ光でそれぞれ撮像されたテクスチャ画像を合成して、カラーのテクスチャ画像を得て、表示部４００に表示させることができる。

図２の照明光出力部１３０は、円環形状を有し、受光部１２０を取り囲むように載置部１４０の上方に配置される。これにより、影が発生しないように照明光出力部１３０から測定対象物ＷＫにリング状に照明光が照射される。

また照明光出力部１３０は、このようなリング照明に加えて、透過照明や同軸落射照明を加えることもできる。図２の例では、透過照明部を載置部１４０に設けている。透過照明部は、載置部１４０の下方から測定対象物ＷＫを照明する。このため載置部１４０は、透過照明光源と、反射板と、照明用レンズ系を設けている。

なお、リング照明や透過照明は、適宜省略することも可能である。これらを省略する場合は、三次元測定用の照明すなわち投光部を用いて、二次元画像の撮像を行うこともできる。

図１の例では観察用照明光源３２０を本体ケース１０１に含めず、測定部１００に対して外付けとして、光源部３００に観察用照明光源３２０を配置している。このようにすることで、観察用照明光源３２０から供給される照明光の品質を向上し易くできる。例えば観察用照明光源３２０を構成するＲＧＢの各ＬＥＤでは配光特性がそれぞれ異なることから、モノクロの撮像素子１２１ａでＲＧＢのテクスチャ画像をそれぞれ撮像した際、そのままでは視野内に照明色むらが発生する。そこで、それぞれのＬＥＤの配光特性に合わせた専用光学系を個別に用意し、組み合わせることで配光特性の違いを吸収し、色むらのない均一な白色照明を作り出した上で測定部１００に導入することができる。

また観察用照明光源３２０の発熱が、測定部１００の光学系に影響を与える事態を回避できる。すなわち、光学系の部材の近傍に熱源があると、熱膨張によって寸法が狂い、測定精度の低下が生じることがあるが、発熱源である観察用照明光源を本体ケース１０１から排除したことで、このような観察用照明光源の発熱に起因する問題を回避できる。また、この結果として発熱量の大きい高出力の光源を観察用照明光源に利用できる利点も得られる。

各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの測定光源１１１は、例えば青色ＬＥＤ（発光ダイオード）である。測定光源１１１は、ハロゲンランプ等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、測定光と呼ぶ）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射する。

パターン生成部１１２は、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）である。パターン生成部１１２は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子）又はマスクであってもよい。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターン及び予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２から出射された測定光は、レンズ１１４により測定対象物ＷＫの寸法よりも大きい径を有する光に変換された後、載置部１４０上の測定対象物ＷＫに照射される。

投光部１１０Ａの測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸と略平行に並ぶように配置される。同様に、投光部１１０Ｂの測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸と略平行に並ぶように配置される。一方、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂのレンズ１１４は、測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２に対してオフセットするように配置される。これにより、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸が受光部１２０の光軸に対して傾斜し、受光部１２０の両側方からそれぞれ測定対象物ＷＫに向けて測定光が出射される。

本実施形態においては、測定光の照射範囲を広くするため、一定の画角を有するように投光部１１０Ａ，１１０Ｂが構成される。投光部１１０Ａ，１１０Ｂの画角は、例えば、パターン生成部１１２の寸法及びレンズ１１４の焦点距離により定まる。測定光の照射範囲を広くする必要がない場合には、画角が略０度となるテレセントリック光学系が投光部１１０Ａ，１１０Ｂの各々に用いられてもよい。

測定対象物ＷＫにより載置部１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０のレンズ１２２により集光及び結像され、カメラ１２１の撮像素子１２１ａにより受光される。

本実施形態においては、受光部１２０の撮像視野を広くするため、一定の画角を有するように受光部１２０が構成される。本実施の形態においては、受光部１２０の撮像視野とは、受光部１２０により撮像が可能な空間上の領域を意味する。受光部１２０の画角は、例えば、撮像素子１２１ａの寸法及びレンズ１２２の焦点距離により定まる。広い視野を必要としない場合には、テレセントリック光学系が受光部１２０に用いられてもよい。ここで、測定部１００に設けられる２つの受光部１２０のレンズ１２２の倍率は互いに異なる。それにより、２つの受光部１２０を選択的に用いることにより、測定対象物ＷＫを互いに異なる２種類の倍率で撮像することができる。２つの受光部１２０は、２つの受光部１２０の光軸が互いに平行となるように配置されることが好ましい。

カメラ１２１は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１５０に出力される。

モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、赤色波長の光を受光する画素、緑色波長の光を受光する画素及び青色波長の光を受光する画素を設ける必要がない。ここで、測定光に青色波長等の特定波長を採用した場合、カラーＣＣＤは特定波長の光を受光する画素しか計測に利用できないが、モノクロＣＣＤにはそのような制約がない。そのため、モノクロＣＣＤの計測の分解能はカラーＣＣＤの分解能よりも高くなる。また、モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、各画素にカラーフィルタを設ける必要がない。そのため、モノクロＣＣＤの感度はカラーＣＣＤの感度よりも高くなる。したがって、高い精度で後述する点群データを得ることができる。これらの理由により、本実施形態におけるカメラ１２１にはモノクロＣＣＤが設けられる。

本実施形態においては、照明光出力部１３０は、測定対象物ＷＫに赤色波長の光、緑色波長の光及び青色波長の光を時分割で出射する。この構成によれば、モノクロＣＣＤを用いた受光部１２０により測定対象物ＷＫのカラー画像を撮像することができる。

一方、カラーＣＣＤが十分な分解能及び感度を有する場合には、撮像素子１２１ａは、カラーＣＣＤであってもよい。この場合、照明光出力部１３０は、測定対象物ＷＫに赤色波長の光、緑色波長の光及び青色波長の光を時分割で照射する必要はなく、白色光を測定対象物ＷＫに照射する。そのため、照明光源３２０の構成を単純にすることができる。

実施形態１に係る三次元形状測定装置５００を含む三次元形状測定システム１０００を図４に示す。この図に示す三次元形状測定システム１０００は、三次元形状測定装置本体５００Ａと、コントローラ２００で構成される三次元形状測定装置５００に、制御用のＰＣ１やモニタ２、キーボード３、マウス等の入力デバイス４を接続している。制御用ＰＣ１には、三次元形状測定装置５００を用いて三次元形状測定を行うための三次元形状測定プログラムがインストールされている。ユーザは三次元形状測定プログラムを用いて、三次元形状測定装置５００の設定や、撮像、測定等の実行を指示できる。

なお、図４の例では、コントローラ２００を三次元形状測定装置本体５００Ａと別体に構成しているが、三次元形状測定装置本体側にコントローラを一体化してもよい。あるいは、コントローラの機能を、制御用ＰＣと統合することもできる。

三次元形状測定装置５００は、測定部１００と、支持部７００と、台座部６００と、遮光カバー１０２で構成される。これら測定部１００と、支持部７００と、台座部６００と、遮光カバー１０２は、図５の分解斜視図に示すように着脱自在なユニット式に構成されている。これにより、各部材のメンテナンス性や可搬性に有利となる。遮光カバー１０２は、受光部１２０及び投光部１１０の前方に延長されて、これらを覆うと共に、載置面１４２の上方で、載置面１４２と離間された姿勢に保持され、載置面１４２上方の測定領域を外光から遮光する。この遮光カバー１０２は測定対象物に応じて着脱可能とし、測定における基本最小構成は測定部１００と台座部６００の組合せである。

台座部６００は、載置部１４０を備えている。載置部１４０は、上述の通り測定対象物が載置される載置面１４２を回転させる回転ステージ１４３と、載置面１４２を平行移動させる並進ステージ１４１を含む。ここでは、回転ステージ１４３であるθステージの上面に、並進ステージ１４１であるＸＹステージを載せたＸＹθステージで載置部１４０を構成している。

台座部６００は、支持部７００を介して測定部１００を垂直姿勢に保持している。また測定部１００は、投光部１１０や受光部１２０を載置面１４２に対して光軸が傾斜する姿勢に固定する。このため投光部１１０は、投光部１１０や受光部１２０を固定する固定部１２５を含んでいる。固定部１２５は後述する図７に示すように、固定部１２５は、台座部６００から離間した姿勢に支柱部７０２で支持される。また投光部１１０及び受光部１２０を載置面１４２に対して光軸が傾斜する姿勢に固定している。これにより、載置部１４０の上方に測定光による測定領域が形成される。また、投光部１１０や受光部１２０等の光学系がこの測定領域を斜め下に見下ろす姿勢に保持される。

支持部７００は、台座部６００と測定部１００とを連結する。支持部７００を介して、載置部１４０の上方に測定部１００が位置するように保持される。測定部１００は、観察光学系として上述の通り投光部１１０と受光部１２０を備える。この測定部１００は、台座部６００に設けられた載置部１４０の載置面１４２に対して、垂直上方でなく、斜め方向から見下ろす姿勢に保持される。このような配置によって、測定対象物の上面と側面の形状を、一回の測定で取得し易くなる利点が得られる。特に高さ方向の情報を取得するには、測定対象物の内、高低差のある側面の情報が有益となる。一方で、側面のみでは、測定対象物の全体の形状が把握し難い。そこで、全体の外形を把握し易い上面と、高さ情報を取得しやすい側面の両方を、一度に得ることのできる、斜め上方からの視点で測定対象物を補足できる姿勢となるよう、測定部１００を載置面１４２に対して傾斜させた姿勢に保持することが有益となる。図６の側面図に示す例では、測定部１００の投光部１１０や受光部１２０の光軸が、ＸＹθステージの載置面１４２に対して約４５°の角度をなすように傾斜姿勢で保持している。このように測定部１００は、４５°の俯瞰角度を一定に保つ状態に支持部７００でもって台座部６００と連結されている。これによって、測定部１００は常に一定角度、一定位置で載置面１４２を見込むことが可能となり、載置面１４２の駆動軸であるＸＹθの３軸と観察光学系との位置関係が一定に保たれる。

受光部１２０は、倍率の異なる複数の光学系を備えてもよい。このような例を、図７に示す。この例では、受光部１２０は、第一倍率を有する第一光学系と、第一倍率よりも高倍率の第二倍率を有する第二光学系を備えている。このように、倍率の異なる光学系を備えたことで、載置面１４２上に載置した測定対象物ＷＫの大きさに応じて視野を切り替えることができる。この例では、受光素子として、第一光学系と光学的に結合された第一受光素子１２１ｂと、第二光学系と光学的に結合された第二受光素子１２１ｃを備えている。なお第一光学系と第一受光素子１２１ｂをまとめて第一カメラ１２１Ｂ、第二光学系と第二受光素子１２１ｃをまとめて第二カメラ１２１Ｃと呼ぶことがある。このように複数の受光素子を用意し、光学系毎に個別の受光素子で撮像するよう構成したことで、各光学系で受光した撮像処理を並行して行うことができ、処理の高速化や光学結合の簡素化が実現される。ただ、共通の受光素子で複数の光学系と光学的に連結してもよい。

第一光学系と第二光学系は、光軸が平行になるように配置している。第一光学系の第一光軸ＬＡ１と、第二光学系の第二光軸ＬＡ２は、それぞれ載置面１４２に対して約４５°に傾斜されている。ここでは、高倍率の第二光学系、すなわち第二カメラ１２１Ｃが、第一光学系である第一カメラ１２１Ｂの下側となるように、垂直方向に並べて固定部１２５に配置されている。このような配置により、第一光学系から第二光学系に切り替えた際の視点の移動が、測定対象物ＷＫの手前側となって、ユーザに対し視野の変化を比較的把握し易くできる利点が得られる。より正確には、視野の広い（倍率の低い）第一光学系においては、載置面上に置かれた測定対象物ＷＫが大きい場合でも、一方視野の狭い（倍率の高い）第二光学系においては載置面上に置かれた測定対象物ＷＫが小さい場合でも、いずれも全周回した際の測定対象物ＷＫの全体を視野に収めることが可能となる。
（ＸＹθステージ）

次に、台座部６００の構成例を図７〜図９に基づいて説明する。図７の例では、ＸＹθステージは、台座部６００上に固定された回転ステージ１４３であるθステージの上に、並進ステージ１４１であるＸＹステージが載置されている。また回転ステージ１４３の回転軸は、第一光学系及び第二光学系の光軸と、それぞれ４５°の角度で交わる形で配置されている。回転ステージ１４３上に載置された並進ステージ１４１は、回転ステージ１４３の回転に伴って図８、図９の平面図に示すように、そのＸＹ駆動軸も共に回転する構成となっている。図８においては、並進ステージ１４１を移動させるＸ軸、Ｙ軸を、図９においては回転ステージ１４３を回転させるθ方向を、それぞれ示している。このように、回転ステージ１４３の上に並進ステージ１４１が載置された構成とすることで、測定部１００の光軸と回転ステージ１４３の回転軸とが、機械的に締結された一定関係を保つことが容易となる。また必要に応じて、並進ステージ１４１の移動方向のキャリブレーションと、ステージ回転軸の回転方向のキャリブレーションを行うことで、測定部１００の観察空間中の座標系におけるステージ駆動軸を把握できる。

また、図８に示すように、並進ステージ１４１の移動の基準位置は、例えば、平行移動の基準となる位置である。典型的には、ＸＹ平面の原点Ｄ（０，０）である。さらに、図９に示す点Ｃは、θ回転の中心であって、図９の場合は回転ステージ１４３の回転軸と一致する。この回転ステージ１４３の上方に並進ステージ１４１を、点Ｃと点Ｄが一致するように配置することにより、並進ステージ１４１の移動の制御がしやすくなる。

ここで回転ステージ１４３を回転させる回転機構の構成例を図１０に、並進ステージ１４１を移動させる移動機構の構成例を図１１に、それぞれ示す。これらの例に示す載置部１４０は、上述の通り回転ステージ１４３の上に、並進ステージ１４１を載置した構成を示している。

回転ステージ１４３の回転機構は、図１０に示すように台座部６００内に、回転駆動ガイド８００、回転パルス指示部８１０、実回転量読取部８２０、回転駆動モータ８３０、減速機構８４０、原点センサ８５０、並進ステージ締結部８６０、移動制御部１４４を備える。台座部６００に回転駆動ガイド８００が直接締結されていることで、機械的に回転軸が一意に決まる構成となっている。移動制御部１４４は、回転パルス指示部８１０に制御信号を送出する。回転パルス指示部８１０は、移動制御部１４４から制御信号を受けて回転パルスを生成し、この回転パルスの分だけ回転駆動モータ８３０を回転させる。回転駆動モータ８３０は、減速機構８４０を介して回転駆動ガイド８００に動力を伝達し、この回転駆動ガイド８００を通じて回転ステージ１４３の回転運動を発生させる。図１０の例では、減速機構８４０はタイミングベルトによる減速及び動力伝達を実施している。また回転ステージ１４３の回転駆動量は、実回転量読取部８２０によって検知される。回転パルス指示部８１０からの回転パルス量から換算される想定回転量と、実回転量読取部８２０で検知された実回転量を比較することで、回転ステージ１４３の制御状態の良否を判定することが可能となる。例えば、衝突等による想定外の回転停止状態の検知を行うことができる。また原点センサ８５０は、回転ステージ１４３の初期座標を決定する。これにより、無限回転可能な回転ステージ１４３の初期座標を把握できる。

また回転ステージ１４３は、並進ステージ締結部８６０を介して並進ステージ１４１と固定されている。回転駆動ガイド８００を通じた回転ステージ１４３の回転運動は、並進ステージ１４１にも伝達され、台座部６００上の載置面１４２の回転姿勢を変化させることが可能となる。

並進ステージ１４１の駆動機構は、図１１に示すように台座部６００内に、直動ガイド９００、直動動力伝達部９１０、移動パルス指示部９２０、実移動量読取部９３０、並進駆動モータ９４０、無限回転コネクタ９５０、移動制御部１４４を備える。このように無限回転コネクタ９５０によって、回転ステージ１４３の固定側から送られてきた制御信号、又は駆動電力が回転ステージ１４３の駆動側、すなわち並進ステージ１４１の固定側へと伝達可能となり、回転ステージ１４３の無限回転が実現される。なお無限回転コネクタを有しない場合は、ハーネスの捻じれを伴う駆動となるため回転ストロークが有限となる。無限回転コネクタ９５０を介して、回転ステージ１４３の固定側に配された移動制御部１４４から移動パルス指示部９２０による移動量の分だけ並進駆動モータ９４０を回転させ、直動動力伝達部９１０及び直動ガイド９００を通じて並進ステージ１４１の駆動を実現する。並進ステージ１４１の移動量は、実移動量読取部９３０により検知される。移動パルス指示部９２０からの移動パルスから変換される想定移動量と、実移動量読取部９３０で検知された実移動量の比較によって、並進ステージ１４１の制御状態の良否を判定することが可能となる。

また、以上の例では回転ステージ１４３の上面に並進ステージ１４１を配置した載置部１４０の構成例を説明した。このような配置によって、回転ステージ１４３を回転可能に台座部に固定し、並進ステージ１４１をその上面の測定対象物と共に回転ステージ１４３で回転させることができる。このように測定対象物と並進ステージ１４１が共に回転することにより、測定対象物と並進ステージ１４１の位置関係は、測定対象物の載置姿勢を変えない範囲では、一定に維持できる。この結果、回転ステージ１４３を回転させた複数の異なる視点からの三次元測定が、常に同じ測定対象物の範囲で行われることとなり、測定対象物上の同一点を複数視点からのデータで平均化でき、測定対象物全体にわたって安定した測定が行われ、測定精度が向上される。

ただ本発明は載置部１４０をこのような構成に限定せず、例えば図１２に示す実施形態２に係る三次元形状測定装置５００Ｂに示すように、並進ステージ１４１の上面に回転ステージ１４３を配置する構成としてもよい。
（トップビューマップ画像）

実施形態に係る三次元形状測定装置は、トップビューマップ画像の生成機能を備えている。トップビューマップ画像とは、載置部１４０に載置された測定対象物の平面図に当たる、上方から見た画像である。特に図６に示すような、測定対象物を真上からでなく斜め上方から観察する三次元形状測定装置においては、測定対象物の外形などを視覚的に把握が容易でない場合がある。そこで、測定対象物の平面図的な画像をトップビューマップ画像として用意することで、ユーザに対して測定対象物の全体像を示し、現在どの部位を斜め方向から観察しようとしているのか、相対的な位置関係を把握し易くすることができる。

トップビューマップ画像の視点は、載置面１４２に対して直交する方向を基本とする。ただ、多少傾斜した角度から見た画像としてもよい。例えば載置面１４２の垂直方向を０°としたとき、±５°程度傾斜した方向から見た画像としてもよい。このように、垂直方向から多少傾いた画像であっても、本明細書においてもトップビューマップ画像と呼ぶ。またトップビューマップ画像は、測定対象物の測定位置の把握など、ナビゲーション的な用途で用いることを企図しているため、撮像素子で撮像した光学画像でなくともよく、測定対象物を擬似的に表した画像で足りる。また、三次元形状測定装置における測定は、別途生成する三次元画像等に対して行い、トップビューマップ画像に対して行うものでないため、トップビューマップ画像自体に高い精度は不要である。

図６に示すような、斜め上方向から俯瞰する非接触式の三次元形状測定装置は、測定対象物の上面だけでなく、外周側面を含めた立体形状を測定する用途を考える。この構成においては、測定対象物の上面と側面を観察視野に含めるように、斜め上方（図６では４５°）から測定対象物を見込む配置となっている。このような三次元測定に際して、測定対象物の外形を取得するため、回転ステージ１４３を回転させて測定対象物の全周を見込むことがある。また、より大きな測定対象物を測定できるように、並進ステージ１４１を採用することも考えられる。一方で、より大きな測定対象物を測定したいという要求もある。このような場合に、図１３に示すように長い測定対象物ＷＫ１を載置して載置部１４０を回転させると、三次元形状測定装置の支柱部７０２等と衝突する事態が考えられる。この図においては、測定対象物ＷＫ１の飛び出し量と支柱部７０２との距離ＤＴ１が、載置面１４２の最外周と支柱部７０２との距離ＤＴ２よりも大きい場合に衝突が発生する。
（測定対象物の外形検出機能）

そこで本実施形態に係る三次元形状測定装置では、測定対象物の外形を検出する外形検出機能を備えている。測定対象物の外形検出は、測定部１００に含まれる撮像光学系を用いて、載置面１４２上に載置された測定対象物の画像を取得して得られる画像情報に基づいて行う。この測定対象物の外形検出は、例えばＣＰＵ２１０で行う。外形検出のアルゴリズムは、エッジ検出等、既知の方法が適宜利用できる。なお、上述した通り撮像光学系に、低倍率と高倍率の２つの受光素子を有する構成においては、高倍率の受光素子を選択して観察を行う場合であっても、低倍率の受光素子で得られた画像を用いることで、測定対象物に対してより広域な外形情報が得られる。このように、三次元形状測定装置の測定モードとして、低倍率測定モードと高倍率測定モードを有する場合であっても、測定対象物の外形把握のための撮像は、選択中の測定モードによらず低倍率の受光素子で実施するよう構成することが好ましい。

取得した斜め俯瞰の測定対象物の観察画像を図１４に、測定可能範囲を重ねた観察画像を図１５に、それぞれ示す。一般的に広域の測定を実施する低倍率は、画角を有する広角レンズであることが多く、視野が奥行に伴って変化する構成となっている。載置面１４２に対して斜めに俯瞰している撮像光学系は、その広角光学系の構成上、取得した画像はパースの掛かった状態であり、輪郭線が必ずしも測定対象物の外形を正確に示さないという問題があった。これは、奥行方向に行くほど倍率が異なり、ピクセル長が異なることに起因する。

また、斜め上方から見た俯瞰画像では、測定対象物の背面側の外形情報が欠落することに加えて、視野内に含まれる測定対象物の前面側の輪郭線が、必ずしも載置面１４２上に載置された状態での「端部」を正確に表現できないという問題も含んでいる。ここで広角俯瞰による端部検出の問題点を、図１６、図１７に示す。図１６に示すように、測定対象物ＷＫ２の底面が正確に載置面１４２に触れているような載置状態であれば、測定対象物ＷＫ２の輪郭線（図１６において黒丸で示す。）は測定対象物ＷＫ２の外形と一致する。しかしながら、図１７に示すように、測定対象物ＷＫ３が傾いた姿勢で載置面１４２上に載置された場合では、画像上で見える輪郭線（図１７において白丸で示す。）は、測定対象物ＷＫ３の端部とは一致しない。また、図１６の場合であっても、仮に上方側に突出部が存在している場合は、輪郭線と端部は一致しない。

このような状態で、載置面１４２の移動による測定範囲を描画したとしても、ユーザにとっては端部が認識できないため、範囲設定の正確さが認識できないという問題につながる。例えば図１５のように測定範囲を重ねた表示画像においても、奥側が測定範囲に含まれているかが不確かなだけでなく、測定対象物が傾いているのか、それとも設置位置が奥にずれているのかの判別が困難なことが判る。

そこで本実施形態に係る三次元形状測定装置は、このような測定対象物の外形検出の困難さに対して、視点を変えて、上面から見た平面図的な上方俯瞰画像であるトップビューマップ画像を生成する。このようなトップビューマップ画像を提示することで、測定範囲をユーザに判り易く示すことが可能となる。また、測定対象物を載置面１４２に載置する姿勢がどのようになっているのか、さらに測定対象物の外形を把握することで、載置面１４２を移動させる際に意図せず他の部位に衝突させないように、衝突予防を考慮した移動制御を行える等の利点が得られる。

トップビューマップ画像の生成は、トップビューマップ画像生成部２６１で行う。具体的なトップビューマップ画像の生成手順を説明すると、まず測定対象物の点群データを生成する。そして生成された点群データを、測定対象物を真上から見下ろしたときの平面図にマッピングして、トップビューマップ画像を生成する。必要に応じて、トップビューマップ画像上で測定領域の設定を促す工程を含めてもよい。また、トップビューマップ画像上で測定領域を自動で設定する工程を含めてもよい。

以上の通り本実施形態に係る三次元形状測定装置によれば、測定対象物を真上からでなく、斜め上から見た光学系を採用しながらも、測定対象物の三次元情報を取得して、真上方向から見たトップビューマップ画像を生成、表示することにより、測定対象物の全体形状をユーザが容易に把握し、測定範囲の設定を正確に行うことが可能となる。
（トップビューマップ画像の生成をユーザが指示する手順）

トップビューマップ画像に基づく測定範囲の設定及び測定は、まずトップビューマップ画像の作成、表示を行い、次にこのトップビューマップ画像に対して測定範囲を設定し、その上で測定を実行する流れとなる。この手順においてユーザが行う一連の操作について、図１８のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ１８０１において、測定対象物をステージに載置する。次にステップＳ１８０２において、測定対象物を測定するための測定条件を設定する。ここで測定条件としては、画像の明るさ、姿勢、測定範囲などが挙げられる。さらにステップＳ１８０３において、トップビューマップ画像の作成を指示する。例えばユーザが三次元形状測定装置操作プログラムから測定範囲設定画像を開いて、「トップビューマップ画像の作成」を選択する。

このようにして、トップビューマップ画像がトップビューマップ画像生成部２６１で作成されて、表示部４００上に表示される（ステップＳ１８０４）。ユーザはこの状態で、トップビューマップ画像を確認し（ステップＳ１８０５）、トップビューマップ画像の撮影範囲が十分か否かを判定する（ステップＳ１８０６）。十分でないと判定した場合は、トップビューマップ画像の追加を指示する（ステップＳ１８０７）。これに従い、トップビューマップ画像が追加されて、表示されるので（ステップＳ１８０８）、再びユーザはトップビューマップ画像の撮影範囲が十分か否かを判定する（ステップＳ１８０６）。

そして、トップビューマップ画像の撮影範囲が十分と判定された場合は、ステップＳ１８０９に進み、測定範囲を確定する。そしてステップＳ１８１０で測定実行を指示することにより、測定が実行される（ステップＳ１８１１）。このようにして、トップビューマップ画像が生成される。
（トップビューマップ画像を生成する処理手順）

トップビューマップ画像は、一枚又は複数枚を合成した上方俯瞰画像である。このトップビューマップ画像は、複数の画像を合成し易い利点がある。逆に斜めから見た広角画像の場合は、パースがかかっているため、複数の画像を正確に合成することは容易でない。複数の上方俯瞰画像を合成し易いことで、既に作成したトップビューマップ画像への画像の追加が容易という利点も得られる。このため、トップビューマップ画像の作成は、三次元測定及び撮影から画像合成するという手順を再帰的に行えるようにすることで、ユーザがもう十分と認識するまで、トップビューマップ画像の大きさ、すなわち視野を広げることができる。ここで、トップビューマップ画像を生成する一連の処理の手順を、以下図１９のフローチャートに基づいて説明する。

まず、三次元形状測定装置における処理として、ステップＳ１９０１において、載置面１４２を移動させる。次にステップＳ１９０２において、移動された位置で三次元形状の測定を実行する。そしてステップＳ１９０３でテクスチャ画像を取得し、ステップＳ１９０４で上方俯瞰画像を生成する。さらにステップＳ１９０５において、この上方俯瞰画像を、既に取得された他の上方俯瞰画像と合成して、トップビューマップ画像を生成する。

次にステップＳ１９０６において、ユーザ側の操作として、生成されたトップビューマップ画像を見て、撮影範囲が十分か否かを判定する。十分でない場合は、ステップＳ１９０７に進み、ユーザはトップビューマップ画像の追加を指示する。これに従い、ステップＳ１９０１に戻って三次元形状測定装置はトップビューマップ画像の生成処理を繰り返す。そして、ステップＳ１９０６においてトップビューマップ画像の撮影範囲が十分と判定された場合は、ステップＳ１９０８に進み、トップビューマップ画像の作成処理を終了する。この後、必要に応じて測定範囲設定に移行する。

ここで、載置部１４０を４つの位置（ステージ位置）に移動させながらトップビューマップ画像を順次追加して、トップビューマップ画像の大きさ、すなわち視野を広げていく場合の、各ステージ位置でのテクスチャ画像、合成前のトップビューマップ画像（上方俯瞰画像）、合成後のトップビューマップ画像を、図２０のイメージ図に示す。この図に示す通り、ステージ位置を増やしていくことで、視野が広がり、測定対象物の全体形状が把握できていく様子が把握できる。

このようにステージ位置が多いほど視野は広がるが、その分トップビューマップ画像が作成されるまでの時間も長くなる。また測定対象物の全体形状が把握できるまでの処理として、測定対象物によっては２か所の撮像で十分な場合もあれば、４か所の撮像でも不十分な場合もあり得る。必要十分なステージ位置でトップビューマップ画像を作成する手順として、例えばユーザによって中断されるまで、視野の拡張を繰り返すことが考えられる。あるいは、１か所毎にトップビューマップ画像作成処理を中断し、ユーザに視野拡張が必要か否かを判断させてもよい。あるいはまた、トップビューマップ画像生成部２６１が、トップビューマップ画像合成後に測定対象物の広がりを認識し、まだ測定対象物が取れていないと判断した場合は、自動で視野を拡張するよう構成してもよい。
（トップビューマップ画像生成処理）

トップビューマップ画像は、上述したトップビューマップ画像の一連の生成処理で説明した通り、各ステージ位置での上方俯瞰画像の作成と、複数作成された上方俯瞰画像の合成に分けられる。
（上方俯瞰画像の作成）

トップビューマップ画像を構成する上方俯瞰画像は、測定対象物から得られた三次元情報とテクスチャ画像から生成される。トップビューマップ画像の作成方法の例として、点群データから二次元画像をマッピングする方法が挙げられる。ここで、点群データから二次元画像をマッピングしてトップビューマップ画像を生成する方法を説明する。
（点群から二次元画像をマッピング）

三次元情報には、点群情報（カメラの画素毎に点の位置を保持している構造化点群）と、この点群情報から生成されたメッシュデータがある。点群情報を使用して、受光素子であるカメラの画素毎の点の位置とテクスチャの輝度値を紐づけることにより、トップビューマップ画像を作成する。具体的には、図２１に示すようなテクスチャ画像や、図２２に示すような点群画像から、図２３に示すようなトップビューマップ画像を作成する。なおトップビューマップ画像は、点を一つ一つマッピングして作成するため、一部の画素が欠けてしまう場合も発生する。この場合、トップビューマップ画像生成部２６１が欠けている画素を周辺画素から埋めることで、より見栄えの良い画像を作成することが可能となる。このような例として、欠けている画素を含む補完前のトップビューマップ画像の例を図２４Ａに、この画像を補完した補完後のトップビューマップ画像の例を、図２４Ｂに、それぞれ示す。
（テクスチャ付きメッシュを生成し３Ｄ描画）

なお本発明は、トップビューマップ画像の生成方法を、上述した点群データから二次元画像をマッピングする方法に限定するものでなく、他の方法を利用することもできる。一例として、テクスチャ付きメッシュを生成し３Ｄ描画することでトップビューマップ画像を生成する方法を説明する。この場合は、点群データをそのまま利用するのではなく、一度メッシュ画像を作成し、そこにテクスチャを張り付けたテクスチャ付きメッシュ画像を作成する。この方法では、作成したメッシュ画像の描画を三次元的に行いつつ、視点や画角を上方俯瞰とすることで、トップビューマップ画像とする。すなわち、メッシュ画像を表示させる視点を測定対象物の真上に設定することで、メッシュ画像の表示態様を平面図のようにして、トップビューマップ画像として利用する。この方法は、点群情報をそのまま利用する場合と比べ、メッシュ画像を生成する処理が必要になる分、処理時間が増えるものの、必要に応じて側面図や背面図など、視点を異ならせた画像も生成できる利点が得られる。
（上方俯瞰画像の合成）

また上方俯瞰画像は、単純に重ね合わせることで合成が可能であり、合成に要する処理が簡単という利点が得られる。したがって、得られたトップビューマップ画像に追加することが容易で、図２０に示したように必要に応じてより広域のトップビューマップ画像にすることができる。
（トップビューマップ画像生成の高速化）

トップビューマップ画像は、測定に使用されないため、測定と同様の精度は必要ない。よって、精度が多少悪くなっても、より高速にトップビューマップ画像が得られる方が望ましいといえる。このため、通常の三次元形状の測定に用いる画像の撮像よりも、トップビューマップ画像の撮像時には撮像条件を簡素化する等して、トップビューマップ画像の生成に要する時間を高速化する。本実施形態においては、トップビューマップ画像生成部２６１が、トップビューマップ画像の生成に際して、通常の三次元形状測定時の測定条件（通常測定条件）よりも、処理負荷の少ない簡易測定条件でトップビューマップ画像を生成する。このように通常の測定よりも負荷の少ない簡易測定条件とすることで、短時間でトップビューマップ画像を生成して表示させることが可能となる。
（簡易測定条件）

簡易測定条件としては、通常測定条件と比べ、画像の解像度を低下させる、露光時間を短くする、投光部１１０が複数ある場合に、受光部１２０の各投光部１１０の投光毎に受光部１２０で画像を撮像する動作から、一の投光部１１０の投光による得られた画像のみの動作とする、等が挙げられる。この内、画像の解像度を低下させるとは、受光素子であるカメラからの取得画像の解像度を落とすことが考えられる。これにより、点群数やテクスチャ画素数が減り、計算時間が短縮される。例えば、画像サイズを半分に間引くことで、撮像時間や撮像処理を短縮できる。

また、露光時間を短くするとは、例えばカメラのアナログゲイン機能を利用してアナログゲインを上げることが挙げられる。これによってカメラのノイズは増大するものの、上述の通りトップビューマップ画像には精度が求められていないためデメリットとはならず、むしろカメラの露光時間を減らせるという利点が得られる。

また投光部１１０が複数ある場合に、一の投光部１１０の投光による得られた画像のみの動作とするとは、上述した図２のように、投光部１１０を左右にそれぞれ備える場合、通常の三次元情報を取得する際には左右の計測用投光系を利用するところ、トップビューマップ画像の作成時にはこれら第一投光部１１０Ａと第二投光部１１０Ｂのいずれか片側のみしか使わないようにする。これによって投光時間が半分となり、計算時間も短縮される。この場合は、計測可能な領域は左右を利用した場合よりも低下するものの、他のステージ位置でのトップビューマップ画像で補完することが可能となる。また一の投光部と複数の受光部を備える三次元形状測定装置においては、トップビューマップ画像の作成時には一方の受光部のみを用いた撮像とすることで、同様に処理を簡素化できる。
（測定範囲設定）

このようにして作成されたトップビューマップ画像を使用して、測定範囲を設定する。測定範囲の設定方法は、三次元形状測定装置による自動設定や、ユーザによる手動設定が挙げられる。
（測定範囲の自動設定）

ここで測定範囲の自動設定について、図２５を用いて説明する。図２５は測定対象物の輪郭線と、自動設定された測定範囲を重ねて表示させた例を示している。トップビューマップ画像生成部２６１は、トップビューマップ画像の作成過程で測定対象物の三次元情報を取得しているため、トップビューマップ画像中のどの部分が測定対象物であるかを判定できる。ここでは、載置部１４０の載置面１４２より上にある部分が測定対象物であると判断している。これにより、測定対象物を囲むように、測定範囲を自動で設定できる。図２５の例では、太線で示す測定対象物の輪郭線を包含するように、トラック状あるいは面取りした矩形状の測定範囲を設定している。
（測定範囲の手動設定）

次に、ユーザが手動で測定範囲を設定する例を、図２６に基づいて説明する。図２６は、表示部４００上に表示される三次元形状測定プログラムのユーザインターフェース画面の例を示している。この画面は、トップビューマップ画像を用いて測定範囲の手動設定を受け付ける測定領域設定部２６４の一態様である、測定範囲設定画面１１００である。測定範囲設定画面１１００は、トップビューマップ画像表示領域１１０１と、操作領域１１０２を有している。
（トップビューマップ画像表示領域１１０１）

トップビューマップ画像表示領域１１０１には、トップビューマップ画像生成部２６１で生成されたトップビューマップ画像が表示される。また、載置部１４０を構成するステージの外縁を白抜きの線（図２６の例では円形）で示すと共に、測定領域を茶色の細線で重ねて表示させている。
（操作領域１１０２）

操作領域１１０２では、トップビューマップ画像生成部２６１でトップビューマップ画像を作成するための条件などをユーザに設定させるためのボタンやツール類が配置される。また説明なども併せて表示させてもよい。図２６に示す測定範囲設定画面１１００の操作領域１１０２には、トップビューマップ画像を生成するトップビューマップ画像作成ボタン１１０３の他、トップビューマップ画像を生成するための条件として、測定倍率を設定する倍率設定欄１１０４、測定範囲を設定する測定範囲設定欄１１０５、測定範囲を回転させる測定範囲回転欄１１０６が設けられている。これらは、設定を行う順に番号を付けて上から並べられており、ユーザは順に各設定を行うことで、測定領域を設定できる。このように、操作領域１１０２はユーザに対し、操作を行うべき項目を順に示すことで、適切に測定領域の設定が行えるように誘導するナビゲーション機能を実現している。さらに、各設定の手順を案内したり、内容や注意点などをテキストや音声、動画などで説明する、ガイダンス機能を付加してもよい。これにより、三次元形状測定装置の操作に詳しくないユーザであっても、設定の手順を案内されることで、操作に迷うことなく所望の測定範囲を設定するように導かれる。もちろん、操作に詳しいユーザであれば、このような案内された手順に必ずしも従う必要はなく、必要な設定項目を適宜選択して、所望の設定を行うことも可能である。またこの場合は、ナビゲーション機能やガイダンス機能をＯＮ／ＯＦＦできるように切り替え可能としてもよい。このように、ユーザの熟度や嗜好に応じて、設定を柔軟に対応させることが可能となる。
（倍率設定欄１１０４）

倍率設定欄１１０４では、トップビューマップ画像の測定倍率を設定する。なおトップビューマップ画像の倍率は、広域が得られるよう所定の低倍率とする。図２６の例では、低倍率か高倍率かを選択する低倍ボタン１１０４ａと高倍ボタン１１０４ｂが設けられている。低倍ボタン１１０４ａを押下すると、受光部１２０に含まれる低倍率の第一光学系が選択されて、低倍率の画像が撮像される。図２６の例では低倍ボタン１１０４ａが押下された状態を示している。特にトップビューマップ画像は、測定対象物の広い領域、好ましくは全形を含めることがよいことから、より広域な画像が得られる低倍率を選択することが望ましい。特に、実際の測定では高倍率で行う場合でも、トップビューマップ画像の撮像時には低倍率の光学系を選択することで、測定範囲の設定などの作業を行い易い環境を実現できる。このため、倍率設定欄１１０４では初期値として低倍ボタン１１０４ａが選択されるように構成してもよい。

ただ、トップビューマップ画像は必ずしも測定対象物の全体像を含める必要はない。例えば測定対象物の先端のみの測定といった、一部の領域のみを測定するような用途では、トップビューマップ画像も必要な領域のみを含んでおれば足りる。あるいは、細かな測定領域の指定が必要な用途も考えられる。このような用途にも対応できるよう、トップビューマップ画像の撮像に際しても、低倍率のみならず高倍率での撮像が可能なように、図２６に示すような高倍ボタン１１０４ｂを準備してもよい。

また、倍率設定欄１１０４の構成は、高倍と低倍の二択とするのみならず、他の構成としてもよい。例えば、図２７に示す変形例に係る測定範囲設定画面１２００では、プルダウンメニューから規定の倍率を選択できるようにしている。あるいは、倍率を任意の数値で直接入力できるように構成してもよい。

さらに、より広域のトップビューマップ画像を撮像できるように、載置部１４０から遠ざかる位置に変更してもよい。例えば移動制御部１４４で、並進ステージ１４１を、予め定められた原点位置から支柱部７０２と反対方向に平行移動させる。このように並進ステージ１４１を受光部１２０から離間させた位置に移動させた上で、点群データ生成部２６０により測定対象物の立体形状を示す点群データを生成させることでより、広い画角を確保して広域な画像を取得でき、大きな測定対象物も視野に入りやすい利点が得られる。
（測定範囲設定欄１１０５）

測定範囲設定欄１１０５においては、規定の形状から選択させることで、ユーザに対して範囲指定を行い易くしている。図２６の例では、視野を円形で並べたパターンを示したボタンを複数提示することで、ユーザに対して感覚的に測定範囲を把握し易くしている。具体的には、２つの視野を重なるように横に並べた２枚パターンボタン１１０５ａ、４つの視野を重なるように四隅に並べた４枚パターンボタン１１０５ｂ、３つの視野を重なるように横に並べた３枚パターンボタン１１０５ｃ、一つの視野のみの１枚パターンボタン１１０５ｄの４種類のボタンを提示している。各パターンボタンには、視野の配置例を大まかに示した図柄が表示されており、ユーザは感覚的に各パターンボタンに割り振られた視野の配置パターンを理解できる。なお、この例では各視野を判り易くするため円形状に図案化しているが、実際の視野は円形状に限らず、台形状となることもある。円形状に表示させたのは、判り易さのためと、実際に撮像された視野の内で、測定されたデータの信ぴょう性が高い領域に絞って円形状に抽象化したものである。

ユーザは所望のパターンボタンを選択することで、トップビューマップ画像表示領域１１０１には、選択された測定範囲が重ねて表示される。例えば２枚パターンボタン１１０５ａを選択すると、図２６に示す測定範囲設定画面１１００が表示される。この図に示すように、選択された２枚パターンに応じた測定領域が、トップビューマップ画像表示領域１１０１上に茶色の線で重ねて表示される。また測定範囲設定欄１１０５においては、選択された２枚パターンボタン１１０５ａがハイライトされ、現在選択されている測定領域のテンプレートがいずれであるか視覚的に判別できるようにしている。

また測定領域は、ユーザが自由に調整できる。ユーザがマウス等のポインティングデバイスを用いて、トップビューマップ画像表示領域１１０１上で測定領域をドラッグして、位置を移動させたり、傾斜あるいは回転させたり、サイズを変更したりすることもできる。このようにして、ユーザは直感的に測定範囲を設定することが可能になる。この際、２枚パターンを構成する円形状に表示された各視野は、中心点を表示させることができる。これによって各視野の現在の位置や相対的な位置関係を把握し易くなり、ユーザが測定領域の微調整を行う際の指針とできる。

同様に、４枚パターンボタン１１０５ｂを選択すると、図２８に示す測定範囲設定画面１３００が表示される。また３枚パターンボタン１１０５ｃを選択すると、図２９に示す測定範囲設定画面１４００が表示される。さらに１枚パターンボタン１１０５ｄを選択すると、図３０に示す測定範囲設定画面１５００が表示される。このように、測定範囲を予めテンプレートのように提供することで、ユーザは測定対象物の外形に応じて適切なテンプレートを選択することができる。また上述したテンプレートは一例であり、他にも菱形状、台形状、多角形状、円環状など、任意のパターンを提供できる。またテンプレートを選択する他、矩形状や円形状などをユーザがトップビューマップ画像表示領域１１０１で直接描画させたり、あるいは自由曲線で指定した領域を、トップビューマップ画像生成部２６１が近似的に提携画像に置き換えるように構成してもよい。
（測定範囲回転欄１１０６）
測定範囲回転欄１１０６は、現在設定されている測定領域を回転させるためのツールである。図２６の例では、回転スライダ１１０６ａを提供しており、回転スライダ１１０６ａ上を移動させることで、これに連動してトップビューマップ画像表示欄における測定領域を回転させるようにしている。また回転スライダ１１０６ａの右側に設けられた数値入力欄１１０６ｂから、回転角度を数字で直接入力してもよい。
（トップビューマップ画像作成ボタン１１０３）

以上のようにして測定領域が設定されると、トップビューマップ画像が作成される。操作欄の下部には、トップビューマップ画像の作成を実行させるためのトップビューマップ画像作成ボタン１１０３を設けている。ユーザが、トップビューマップ画像作成ボタン１１０３を押下すると、トップビューマップ画像生成部２６１がトップビューマップ画像を生成し、生成されたトップビューマップ画像をトップビューマップ画像表示領域１１０１に表示させる。これによりユーザは、得られたトップビューマップ画像を視覚的に確認できる。

トップビューマップ画像生成部２６１は、各測定位置が、三次元形状測定装置の視野の中心となるように、並進ステージ１４１を移動させる。設定範囲と、その際測定位置の例を、図３１に示す。この例では説明のため並進ステージ１４１の移動のみを示しているが、回転ステージ１４３を組み合わせてもよいことはいうまでもない。また並進ステージ１４１と回転ステージ１４３を組み合わせる際は、並進ステージ１４１を移動させた後、載置面１４２を含めた並進ステージ１４１全体の回転半径が最も短くなる位置に移動させた状態で回転ステージ１４３を回転させ、その後並進ステージ１４１を平行移動させる。
（トップビューマップ画像追加機能）

また得られたトップビューマップ画像に対して、さらに画像を追加してトップビューマップ画像の視野を拡張するトップビューマップ画像追加機能を付加してもよい。これにより、得られたトップビューマップ画像が不十分な場合、例えば測定対象物の左右の領域があいまいな場合は、左右のいずれが切れているような場合は、トップビューマップ画像を左右に追加して大きくし、より広い視野を得ることが可能となる。このような例を図２７の変形例に示す。この例では、操作欄の上部に、トップビューマップ画像作成ボタン１１０３として「自動」ボタン１１０３Ｂを配置すると共に、その説明として「１．トップビューマップの作成 上から見た画像を作成することができます。」等の説明文も表示させている。さらに、トップビューマップ画像追加機能を実現する追加ボタン１１０７として左側ボタン１１０７ａと右側ボタン１１０７ｂを設けており、現在表示されているトップビューマップ画像に対して、左側又は右側に視野を追加することが可能となる。また、視野を拡大されたトップビューマップ画像は同様にトップビューマップ画像表示領域１１０１に表示されるので、ユーザは更新されたトップビューマップ画像を確認して、必要に応じてさらに視野を追加することもできる。例えばトップビューマップ画像をできるだけ広視野で撮像するように、載置部１４０を測定部１００から遠ざけて撮像する場合は、撮像対象物の左右が見えなくなることがあるため、必要に応じて右側や左側の視野を追加することで、このような事態にも対応できる。

なお、図２７の例では追加ボタン１１０７として、現在得られているトップビューマップ画像の左右のいずれかに視野を追加する構成としているが、本発明はこの構成に限られず、例えば上側や下側、あるいは斜め方向への追加などを可能としてもよい。
（測定範囲設定に従った測定動作）

以上のようにして測定領域が設定されると、これに従って測定が実行される。ここでは、各測定位置が、三次元形状測定装置の視野の中心となるように、移動制御部１４４が並進ステージ１４１を移動させる。設定範囲と、その際測定位置の例を、図３１に示す。この例では説明のため並進ステージ１４１の移動のみを示しているが、回転ステージ１４３を組み合わせてもよいことはいうまでもない。並進ステージ１４１と回転ステージ１４３を組み合わせる際は、並進ステージ１４１を移動させた後、一旦回転ステージ１４３の中心に移動させた状態で回転ステージ１４３を回転させ、その後並進ステージ１４１を平行移動させる。

なお、図６等に示したように、載置面１４２に対して斜め上方から測定を行う構成においては、載置面１４２の真上にカメラを設けて真下に見下ろす構成と比べると、周囲の外光を受光し易い。これを低減するために、載置面１４２の上方を覆って遮光する遮光カバー１０２に加えて、遮光カバー１０２の下側に遮光カーテンを配置する構成としてもよい。この構成においては、載置面１４２の奥側に遮光カーテンが配置される構成となるが、遮光カーテンを布のような柔軟性のある部材で構成すれば、載置面１４２の移動によって測定対象物が遮光カーテンと接触しても、遮光カーテンがこれに応じて無理なく変形できるため、干渉を考慮せずとも足りる。
（オート測定モード）

実施形態１に係る三次元形状測定装置は、載置面１４２に載置された測定対象物を撮像して生成した形状データから、必要な生成条件を自動で判定し、測定を実行可能なオート測定モードを備えている。オート測定モードを実行することで、ユーザは三次元形状測定装置で必要な生成条件の設定を意識することなく、欲しい測定データを簡便に得ることが可能になる。例えば、測定対象物が大きいため測定視野に収まりきらない場合、オート測定モードを実行することで、測定対象物に対して測定範囲を自動的に設定して、載置部１４０を移動させて順次形状データを生成し、得られた複数の形状データを合成して、測定対象物の全体を測定することが可能となる。このようなオート測定モードは、例えば移動制御部１４４で実現できる。またオート測定モードにより自動で設定される生成条件には、測定範囲、測定の向き、光学的測定条件等が挙げられる。
（測定範囲の自動設定）

並進ステージ１４１を備える三次元形状測定装置では、より大きな測定対象物であっても、載置部１４０を並進ステージ１４１で移動させて測定位置を変更させ、異なる測定範囲でそれぞれ測定することができる。このように複数の異なる位置で測定するために、測定範囲の設定が必要となる。このような測定範囲を自動で設定する手順として、プレスキャンによる自動設定や、測定中の自動判定等が挙げられる。以下、これらについて順次説明する。
（プレスキャンによる自動設定）

まず、プレスキャンによる自動設定について説明する。プレスキャンとは、通常の測定よりも簡易的な測定条件として、測定精度を落として高速化した測定を指す。このようなプレスキャンを用いた自動設定では、載置面１４２に載置された測定対象物が、視野の中央にある状態でプレスキャンを行うことで、測定対象物の範囲を推定し、測定範囲を自動で決定することができる。ここで、プレスキャンにより測定範囲を自動で設定し、測定対象物の全体像の測定データを取得する手順を、図３２のフローチャートに基づいて説明する。

まずステップＳ３２０１において、測定対象物を載置面１４２に載置する。ここでユーザが手動で、測定対象物を載置面１４２に載置する。また必要に応じて三次元形状測定装置が、ユーザに対し測定対象物を載置面１４２に載置するよう促してもよい。次にステップＳ３２０２において、ユーザが三次元形状測定装置に対し、測定実行を指示する。これを受けてステップＳ３２０３において、三次元形状測定装置がプレスキャンを実行する。

次にステップＳ３２０４において、並進ステージ１４１を移動させる必要があるか否かを判定する。ここでは移動制御部１４４が並進ステージ１４１の移動の要否を判定する。そして移動の必要がない場合はステップＳ３２０５に進み、並進ステージ１４１を移動させず、移動制御部１４４は回転ステージ１４３のみを移動させて三次元形状測定を実行し、ステップＳ３２０８に進む。一方、ステップＳ３２０４において、並進ステージ１４１を移動させる必要があると判定された場合は、ステップＳ３２０６に進み、並進ステージ１４１を移動させる測定位置を移動制御部１４４が決定する。そしてステップＳ３２０７において、移動制御部１４４が並進ステージ１４１を決定された測定位置に移動させ、さらに必要に応じて回転ステージ１４３を回転させて三次元形状測定を実行し、ステップＳ３２０８に進む。

このようにして三次元形状測定が実行されると、ステップＳ３２０８において、自動配置された測定データをプレビュー表示する。ここでは、合成形状データ生成部２６０ｂが、測定対象物の各位置で生成した形状データを、位置毎に並べて、測定対象物の全体像を表示部に表示させる。この状態で、ステップＳ３２０９において測定対象物の全体像を正しく取得できたか否かをユーザに判定させる。そして正しく取得できていないとユーザに判定された場合は、ステップＳ３２０２に戻って上記の処理を繰り返す。一方、正しく取得できているとユーザに判定された場合は、ステップＳ３２１０に進み、測定データの結合を実行する。ここでは合成形状データ生成部２６０ｂが、形状データの位置合わせを行い、合成形状データを生成する。そしてステップＳ３２１１において、得られた合成形状データに対して、ユーザは必要に応じて、測定対象物の形状を測定、解析する三次元形状測定プログラムや三次元形状解析プログラムを用いた計測、解析を実行する。

このようにして、ユーザは測定視野に収まりきらない大きなサイズの測定対象物であっても、測定範囲や向き、生成条件等を設定することなく、測定対象物のプレスキャンに基づいて自動で載置部１４０を移動させて測定対象物の全体像の形状を取得することができる。すなわち移動制御部１４４は、測定対象物の形状に応じて、測定範囲を自動で判定して、全体像を取得するように載置部１４０を移動させて、合成形状データ生成部２６０ｂで合成形状データを生成する。

ここで、様々な測定対象物に対してプレスキャンを行い、測定データとしてトップビューマップ画像を取得した結果を、図３３Ａ〜図３３Ｆに示す。これらの図において、図３３Ａは測定対象物の一例を示す観察画像、図３３Ｂは図３３Ａの測定対象物に対して回転ステージ１４３の回転のみで生成したトップビューマップ画像のイメージ図、図３３Ｃは測定対象物の他の例を示す観察画像、図３３Ｄは図３３Ｃの測定対象物に対して並進ステージ１４１の移動と回転ステージ１４３の回転を組み合わせて生成したトップビューマップ画像のイメージ図、図３３Ｅは測定対象物のさらに他の例を示す観察画像、図３３Ｆは図３３Ｅの測定対象物に対して並進ステージ１４１の移動と回転ステージ１４３の回転を組み合わせて生成したトップビューマップ画像のイメージ図を、それぞれ示している。

このようなトップビューマップ画像を生成する手順を、図３４のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ３４０１において、プレスキャンを実行する。プレスキャンの実行手順は、図３２に基づいて上述した通りである。次にステップＳ３４０２において、トップビューマップ画像を作成する。トップビューマップ画像は、トップビューマップ画像生成部２６１で生成する。次にステップＳ３４０３において、回転ステージ１４３の回転のみで対応できる範囲内に測定対象物があるか否かを判定する。この判定は、例えばＣＰＵ２１０や移動制御部１４４で行う。そして回転ステージ１４３の回転のみで測定対象物の全体像を取得できると判定された場合は、ステップＳ３４０４に進み、回転ステージ１４３の回転のみで測定データを取得する。ここでは、回転ステージ１４３を、所定の角度で回転させて第一位置とし、部分形状データを取得する。その後、回転ステージ１４３をさらに回転させて第二位置とし、部分形状データを取得する。この作業を繰り返して、測定対象物の全体像を得た後、合成形状データ生成部２６０ｂで各部分形状データを合成し、合成形状データを生成し、表示部に表示させる。例えば、図３３Ａに示す測定対象物は、載置面１４２に全体が収まっており、回転ステージ１４３の回転のみで全体像を取得できると図３３Ａの観察画像から判断できる。よって、移動制御部１４４で回転ステージ１４３を回転させて部分形状データを順次取得していく。ここでは回転ステージ１４３で載置面１４２を所定の角度、例えば６０°ピッチで回転させて、各位置で部分形状データを取得する。なお所定の角度は、６０°に限定されるものでなく、例えば４５°や９０°等、任意の角度とすることができる。角度を小さくするほど、精細な形状データが得られる反面、撮像回数が増えて処理時間が長くなる。そこで、要求される精度と速度に応じて、角度ピッチは適宜調整される。

得られた部分形状データは、表示部に表示される。ここでは、トップビューマップ画像を構成するよう、載置面１４２の平面視を示す画面上に、得られた部分形状データを、載置面１４２上の対応する位置に重ねて表示させる。そして回転ステージ１４３を順次回転させて、追加の部分形状データが得られる毎に、既に取得された表示されている部分形状データに追加して表示する。これによりユーザは、測定対象物の形状データが測定値毎に追加されている様子を確認できる。最終的には、図３３Ａの合成形状データとして、測定対象物のトップビューマップ画像が図３３Ｂに示すように表示される。なお図３３Ｂにおいて、破線で囲んだ円形の枠は、概ね一の視野範囲を示している。すなわち、この範囲内に測定対象物が収まっている場合は、並進ステージ１４１を移動させずとも測定対象物の全体像を補足できる。いいかえると、回転ステージ１４３の回転のみで足りると判定できる。移動制御部１４４は、図３４のフローチャートのステップＳ３４０３の判定において、破線で示した視野範囲に測定対象物が含まれているか否を判定する。また図３３Ｂの測定範囲は、上述した図３０に示した測定範囲設定画面１５００のトップビューマップ画像表示領域１１０１と対応している。すなわち、１枚パターンボタン１１０５ｄで測定対象物の全体像の含めることができることが判る。上述した図３０の例では、ユーザが手動で測定範囲すなわち視野範囲の分割数を指定していたが、本実施形態においては、最初に取得した部分形状データに基づいて三次元形状測定装置側で自動的に測定範囲を設定することができる。

図３４のフローチャートの説明に戻って、ステップＳ３４０３において、回転ステージ１４３の回転のみでは測定対象物の全体像を把握できないと判定された場合、いいかえると並進ステージ１４１の移動が必要と移動制御部１４４に判定された場合は、ステップＳ３４０５に進み、並進ステージ１４１の所定の並進移動の範囲内に測定対象物が含まれているか否かを判定する。ここで並進ステージ１４１の所定の並進移動の範囲内とは、例えばＸ方向（図３３Ｄにおいて上下方向）を視野範囲に固定し、Ｙ方向（図３３Ｄにおいて横方向）に長くした領域が挙げられる。この範囲内に測定対象物の全体像が収まっておれば、並進ステージ１４１をＹ方向（図３３Ｄにおいて左右方向）に移動させるのみで足りる。いいかえると並進ステージ１４１をＸ方向（図３３Ｄにおいて上下方向）に移動させる必要がないため、載置部１４０の移動回数を低減して部分形状データの数を少なくし、効率良く測定対象物の全体を捉えた形状データを取得できるようになる。同様に、測定対象物の載置面１４２への置き方（例えば縦長、斜めなど）に応じて、測定範囲を適宜回転させて当てはめることで、移動回数を低減させて形状データを取得できる。

そしてステップＳ３４０５で、載置部１４０を移動させて形状データを生成する。ここでは、ステップＳ３４０４と同様、回転ステージ１４３を、所定の角度（例えば６０°ピッチ）で回転させて部分形状データを順次取得する。その後、並進ステージ１４１をＹ方向に移動させた上で、同様に回転ステージ１４３を回転させて部分形状データを順次取得する。そして、得られた部分形状データを合成形状データ生成部２６０ｂで合成し、合成形状データを生成して表示部に表示させる。このようにして、図３３Ｃの観察画像に示す測定対象物から、形状データとして図３３Ｄに示すトップビューマップ画像が得られる。図３３Ｄでは、トラック状の破線で示すような測定領域、すなわち横方向に２つ並べた１行×２列の横長の測定範囲が設定されている。また図３３Ｄの測定範囲は、上述した図２７に示した測定範囲設定画面１２００のトップビューマップ画像表示領域１１０１と対応している。

一方で、図３４のフローチャートのステップＳ３４０５において、並進ステージ１４１の所定の並進移動の範囲内に測定対象物が含まれていないと移動制御部１４４に判定された場合は、ステップＳ３４０７に進み、並進ステージ１４１の並進移動の範囲を拡大させるように載置部１４０を移動させて、形状データを取得する。並進移動の移動範囲の拡大とは、例えば図３３Ｆにおいて、Ｙ方向（図３３Ｆにおいて横方向）のみならず、Ｘ方向（図３３Ｆにおいて上下方向）にも視野範囲にも拡大するものである。この例では、２行×２列の４つの視野範囲を合成した測定領域としている。これにより、図３３Ｅの観察画像に示すような縦横に大きい測定対象物であっても、図３３Ｆに示すように全体像を含めたトップビューマップ画像を合成することができる。ステップＳ３４０７では、ステップＳ３４０６等と同様に載置部１４０を移動させて形状データを生成する。ここでは、回転ステージ１４３を、所定の角度（例えば６０°ピッチ）で回転させて部分形状データを順次取得する。その後、並進ステージ１４１をＸ方向及びＹ方向に移動させた上で、同様に回転ステージ１４３を回転させて部分形状データを順次取得する。このようにして、横２行と縦２列の４つのステージ位置においてそれぞれ回転ステージ１４３を６０°ピッチで６回回転させて生成した部分形状データを取得し、これらを合成形状データ生成部２６０ｂで合成して、得られた合成形状データを表示部に表示させる。このようにして、図３３Ｅの観察画像に示す測定対象物から、形状データとして図３３Ｆに示すトップビューマップ画像が得られる。図３３Ｄの例では、図３３Ｂよりも大きな円形状の破線で示す、４つの測定領域を組み合わせた測定範囲が設定されている。また図３３Ｆの測定範囲は、上述した図２８に示した測定範囲設定画面１３００のトップビューマップ画像表示領域１１０１と対応している。なお４つの測定領域を組み合わせる際、図２８に示したように十字状に並べる他、２行×２列のような行列状に配置してもよい。
（変形例）

また、以上の例では並進ステージ１４１の移動方向を縦方向と横方向とする構成を示したが、本発明はこの例に限らず、例えば並進ステージ１４１を斜め方向に移動させてもよい。これによって、載置面１４２上に長尺の測定対象物を斜め置かれた場合に、その長手方向、すなわち斜め方向に沿って並進ステージ１４１を移動させて形状データを生成してもよい。さらに載置部１４０は、並進ステージ１４１を平行移動させるＸ軸及びＹ軸を、載置面１４２の平面視において、載置部１４０が支持部７００に接近及び離間する奥行方向と、この奥行方向と直交する横方向に対して傾斜して配置させてもよい。

例えば実施形態１では、並進ステージ１４１の駆動方位がθの回転姿勢によって変化するため、あらゆる方位に対して中心からストローク端までの距離（＝全ストローク÷２）が、Ｌより短くないと、載置面１４２の端と支柱部７０２が衝突することになる。そのため、図３５Ａに示す並進ステージ１４１のすべてのストロークに対して、衝突を避け得る安全なストロークとは、図３５Ｂにおいて実線で示す円形の領域となる。この結果、載置部１４０が本来有する、図３５Ｂにおいて破線で示す有効ストローク範囲を減じることとなる。

これに対して、図３６Ａ、図３６Ｂに示す変形例に係る三次元形状測定装置のように、矩形状の有効ストローク範囲を図３５Ａ、図３５Ｂの姿勢から傾斜させて、矩形状の隅部が上下、左右に位置するように配置してもよい。いいかえると、矩形状の有効ストローク範囲の対角線が、図３５ＢのＸ軸、Ｙ軸となるように回転させている。このように、並進ステージ１４１のＸ軸及びＹ軸方向を、平面視において斜めにずらした構成とすることで、載置面１４２を大型化させることなく縦横へのストローク量を大きくして、より大きな測定対象物に対する測定に有利となる。図３６Ｂの例では、並進ステージ１４１を平行移動させるＸ軸及びＹ軸は、載置面１４２の平面視において、載置部１４０が支持部７００に接近及び離間する奥行方向（図３６Ｂにおいて上下方向）と、この奥行方向と直交する横方向（図３６Ｂにおいて左右方向）に対して４５°の角度をなしている。このような配置によって、並進ステージ１４１を図３５Ｂと同じサイズとしたまま、その横方向へのストローク量を√２倍に拡大させることが可能となる。なお、Ｘ軸及びＹ軸を、奥行方向及び横方向に傾斜させる角度は、４５°に限定するものでなく、例えば４０°〜５０°など、斜め方向であれば同様の効果を達成できる。ただし、傾斜が少ないと、並進ステージ１４１を横方向へ移動させるストローク範囲の拡大効果が少なくなる。よって、最もストローク範囲の拡大量が大きくなる、４５°前後とすることが好ましい。
（測定中の自動判定）

以上の例では、プレスキャンによる自動設定について説明した。また本発明は、プレスキャンによる自動設定に限らず、プレスキャンを行うことなく、測定データの生成中に、未測定範囲を推定して、測定範囲を随時拡張していくこともできる。これにより、本測定前にプレスキャンを行う手間を省くことができる。一方でこの方法によれば、最初の１枚目の測定データは測定部１００の初期位置（例えば原点などの基準位置）で行うため、測定範囲の設定の仕方によっては、重複することが起こり得る。例えば載置部１４０を基準位置（中央）から測定を開始する場合、上述した図３３Ｂの例であれば無駄は生じないものの、図３３Ｄや図３３Ｆの例においては、結果的に中央の測定データは不要となるため、この部分の測定が無駄になり、測定時間に無駄が生じる。
（測定の向きの自動設定）

上述の通り、回転ステージ１４３を回転させる際の、測定対象物の姿勢、すなわち回転角度は、移動制御部１４４によって自動で設定できる。ここで回転角度は、上述した例では所定の回転ピッチで固定した。例えば６０°の回転ピッチで６回、少しずつ回転させることによって３６０°一回転させた。あるいは９０°の回転ピッチで４回、４５°の回転ピッチで８回など、規定値に設定することができる。

また回転角度を決定する別の方法として、プレスキャンで得られた測定データに応じて設定してもよい。例えば、プレスキャンで得た部分形状データから移動制御部１４４やＣＰＵ２１０で測定対象物の壁面を探し、明確な壁面が検出された場合は９０°ピッチに設定し、検出されない場合は６０°ピッチにする。これにより、比較的単純な形状は粗く回転させても形状の特定を把握し易い一方、壁面が検出されにくい複雑な形状の測定対象物については、回転ピッチを細かくして精細な形状データを取得することで、測定対象物毎に適切な精度を保ちつつ、処理の簡素化や高速化を図ることができる。
（光学的測定条件の自動設定）

さらに、各測定時に必要な光学的測定条件を自動で設定することもできる。例えば受光部１２０による露光時間について、各測定位置での測定対象物の領域から、最適な露光時間を自動設定することもできる。
（画像領域）

測定対象物が小さい場合は、撮像領域の全体を使って処理するのでなく、測定対象物が映っている領域のみを画領域として使用するように自動設定することができる。このように画像領域を制限することで、測定時間を短縮することが可能となる。
（オート露光）
（実施形態３）

斜め上方から見下ろす姿勢で測定対象物を観察する三次元形状測定装置において、測定露光の調整を、外界の明るさに依らず、載置面１４２に設置された測定対象物自体の明るさで最適化することができる。このような露光条件の自動調整をオート露光と呼ぶ。このようなオート露光機能を備える三次元形状測定装置を、実施形態３として、図３７に示す。

受光部１２０をその光軸が載置面１４２と直交するように正対させるのでなく、図６等で示したとおり、斜め上方から見下ろす姿勢に受光部１２０を固定した構成においては、高さ方向の測定範囲を確保するために、測定対象物だけでなく、外界も視野内に入ってしまう。また、外界以外に、載置面も広く映ってしまい、測定対象物自体の明るさで露光調整を最適化することが難しい。そこで、実施形態３においては、外界及び載置面を除いて、測定対象物のみを抽出して明るさを最適化するオート露光機能を設けている。すなわち、載置面上の測定対象物のみに着目するよう、測定対象物のみを抽出し、抽出された測定対象物に対して露光調整を行うことで、測定対象物に最適な測定露光調整を行う。具体的には、測定対象物として抽出された領域の平均輝度を計算し、その平均輝度が目標輝度と近しくなるような、露光時間を計算する。この計算は、図３７の露光調整部２６２で行う。
（外界の除去）

実施形態３に係る三次元形状測定装置５００Ｃでは、予め測定部１００と載置面１４２との位置関係をキャリブレーションしておくことにより、測定部１００から得られる画像内での載置面１４２の位置を特定することができる。高さのある測定対象物を測定可能にするために、載置面に測定対象物が未載置の状態では、載置面の外側に多くの外界が映りこむ状態となる。そこで、載置面のみに着目して平均輝度を計算し、露光時間を計算することで、外界の影響を除去する。このように露光調整部２６２は、外界視野、すなわち載置面１４２の周囲の領域を除去することで、主に測定対象物に基づいて露光時間を適切に調整できる。一例として、観察画像内の載置面１４２のみの載置面領域を図３８に示す。載置面１４２の奥側に見えるのは遮光カーテン１６０である。
（載置面の除去）

外界を除去しても、測定対象物が小さく、測定対象物が載置面の一部しか覆わないような場合は、載置面の明るさに影響されて、測定対象物に対して最適な露光設定とならない場合がある。例えば載置面が暗くて測定対象物が小さい場合、載置面の影響で露光時間が長くなり、測定対象物が明るくなりすぎる。そこで、露光調整部２６２で載置面１４２内の測定対象物の領域を抽出し、測定対象物に対してのみ平均輝度を計算し、露光時間を計算することで、載置面１４２の影響を除去することができる。このような載置面１４２を除去する手法について、以下説明する。
（１：載置面の明るさから乖離した部分を測定対象物として認識する方法）

まず、載置面の明るさから乖離した部分を測定対象物として認識する方法が挙げられる。この方法では、予め測定対象物を載置していない状態での載置面の明るさを取得し、その情報を三次元形状測定装置に登録しておく。そして測定対象物が載置された際には、露光調整部２６２が、載置されていない状態との明るさの乖離が大きい部分を、測定対象物と認識して、露光調整を行う。

ここで、載置面の明るさを事前に三次元形状測定装置に登録する際は、画像そのものを登録する方法の他、明るさを二次関数等でフィッティングして、係数のみを登録する方法が利用できる。載置面の明るさ画像として、観察画像そのものを登録する例を図３８に、載置面明るさ画像として、二次関数フィッティングを登録する例を図３９に、それぞれ示す。

なお、測定対象物と載置面の明るさが同等である場合、測定対象物と載置面を分離して認識することはできないものの、この場合は載置面も含めて露光調整が行われても、測定対象物に対する最適な露光調整となるため、問題とならない。
（２：エッジ抽出を行い、測定対象物を認識する方法）

また、載置面を除去する他の方法として、エッジ抽出を行って測定対象物を認識する方法も利用できる。この方法では、露光調整部２６２が観察画像からエッジを抽出し、背景と測定対象物を分離する境界を求めることで、測定対象物のみを抽出する。なおこの方法では、上述した載置面の明るさから乖離した部分を測定対象物として認識する方法と比べて、画像処理の量が多く計算時間が多くなり易い傾向にある。
（三次元計測の例）

次に、本実施形態に係る三次元形状測定装置５００を用いて、測定対象物として薄く成形された板金を加工した金属に対して測定を行う例を、図４０〜図４４を参照して説明する。一般に板金は材料をローラに通して圧縮し、厚さを減らすことで板状に成形され、その後にプレス金型を用いて形状変化をさせたり、切断やくりぬきが行われる。この際、成形品の各部位が所定の厚みの範囲内に収まっていないと加工工程で不具合が発生する虞があるため、成形品の厚みを確認したいという要求がある。
（厚さ計測画面１２００）

図４０は三次元形状測定装置を用いて三次元形状測定を行う三次元形状測定プログラムで、厚さ計測を行う厚さ計測画面１２００のＧＵＩの一例を示している。厚さ計測画面１２００の左欄には画像を表示させる画像表示領域１２１０を、右欄には測定対象物の厚みを測定する設定を行う設定パネル１２２０を、それぞれ配置している。測定対象物の厚みは部位によって異なり、厚みを確認したい部位も測定対象物によって異なる。ユーザは設定パネル１２２０を使って、測定したい領域、設計厚み、追加探索厚み、表示設定（カラーパレットの設定）等を設定できる。

ユーザは画像表示領域１２１０に表示された測定対象物ＷＫ上の任意の位置をクリックすることにより、厚みを測定したい領域を選択できる。測定対象物上の任意の位置がクリックされると、指定された位置を含む連続する面が自動的に抽出され、厚み測定領域として選択される。

設定パネル１２２０には、基本計測要素指定ボタン１２２２、詳細ボタン１２２４等が設けられる。基本計測要素指定ボタン１２２２には、複数の基本計測要素（例えば平面、円柱、円錐、球、点）が配置されている。この基本計測要素指定ボタン１２２２で、基本計測要素のいずれかを選択することにより、選択された基本計測要素に対応する幾何形状の部位のみの厚みを測定することが可能である。選択された基本計測要素に応じて、画像表示領域１２１０上の測定対象物ＷＫに重ねて、選択された基本計測要素と対応する画像が表示される。

図４１は、基本計測要素として「平面」が選択された場合の選択結果を示している。ユーザにより選択された位置を含む平面が最小二乗法により計算され、計算された平面ＰＬに含まれる点が厚み測定を行う面として抽出される。

また図４２は、基本計測要素として「円錐」が選択された例を示しており、選択された位置を含む円錐ＣＮが厚み測定を行う面として抽出されている。

上述したように、厚みを測定したい基本計測要素を選択することにより、厚み測定を行う領域を部分的に選択することが可能になる。これにより、ユーザは注目領域に対して適切な設計厚み、追加探索厚み、表示（カラーパレット）の設定が可能になる。また、基本計測要素を選択することなく、測定対象物の全体を厚み測定領域として選択することも可能である。
（設定ウィンドウ１３００）

図４０の厚さ計測画面１２００において、設定パネル１２２０中から詳細ボタン１２２４を押すと、図４３に示す設計厚みと追加探索厚みを設定するための設定ウィンドウ１３００が立ち上がる。ユーザは設計厚み欄１３０２に厚みの設計値を入力し、追加探索厚み欄１３０４に設計厚みに対してどの程度の厚みまで探索するかを示す値を入力する。図４４の例では、設計厚み１．０００ｍｍに対し、追加探索厚み１．０００ｍｍが入力されているため、最大厚み２．０００ｍｍが自動的に計算されて、最大厚み欄１３０６に表示される。厚みは表面のある点に対し、裏面の対応する近傍点を探索することで算出できる。ここでいう「探索」とは、ある点の厚みを算出するために、その点の法線とは逆向きの法線に対して所定の角度範囲内に存在する最近傍に位置する点を探索する処理をいう。測定対象点に対し、略逆向きの法線方向に対応点を探索することにより、対応点までの距離がその点の厚みとして算出される。最大厚み２．０００ｍｍに設定されている場合、最近傍点２．０００ｍｍよりも離れた位置に最近傍点が存在する場合は、当該最近傍点は対応点として見なされず、その点の厚みは測定対象外とされる。
（減少率設定画面１４００）

ユーザにより設定された設定厚みに対し、減少率を設定することもできる。減少率とは、設計厚みに対してどの程度の厚み減少率をユーザが許容するかを示す値である。減少率を設定する減少率設定画面１４００の例を、図４４に示す。減少率設定画面１４００では、設計厚み欄１４０２で設定された設計厚み１．０００ｍｍに対し、目標減少率欄１４０４において減少率２５％が設定されているため、０．７５０ｍｍまでは厚みの減少を許容するように設定されている。
（カラーパレットの設定）

また減少率設定画面１４００において、カラーパレット設定ボタン１４０６を押すと、カラーパレットの設定が可能である。カラーパレットを適切に設定することで、測定対象物の厚みを視覚化することができる。厚みに応じて連続的に変化するカラーパレットを設定すれば、厚い部分と薄い部分を見分けることが容易である。このとき、設計厚みが中間色（例えば緑）となるように自動的に配色すれば、設計値に対して厚い部位が赤、薄い部位が青く配色され、ユーザが想定外の厚みとなっている部位を容易に見つけられる。カラーパレットは連続的なものに限らず、段階的に設定することも可能である。例えば減少率が設定されている場合は、減少率を超えて薄くなっている（または厚くなっている）部分を、それ以外の正常な部位とは異なる色に自動的に設定できる。

本実施形態では、厚み測定領域を特定の領域に限定して設定可能としているため、カラーパレットは選択されている厚み測定領域に限定して適用できる。特に部位によって想定される設計厚みや減少率が異なる場合は、各部位の設定値に適したカラーパレットに基づく表示が可能となり、異常な部位を発見しやすくなる。

またカラーパレットが適用された測定対象物上で、ユーザが指定した位置の厚みを測定対象物上に重畳表示してもよい。さらに、ユーザにより指定された領域に含まれる点の最大厚み、最小厚み、平均厚みなどを自動的に算出し、表示するようにしてもよい。

本発明の三次元形状測定装置は、測定対象物の高さを三角測距の原理を利用して測定する三次元形状測定装置やデジタイザ、あるいはこれらの検査結果に基づいて、良品か不良品かを判定する検査装置として好適に利用できる。

１…制御用ＰＣ
２…モニタ
３…キーボード
４…入力デバイス
１００…測定部
１０１…本体ケース
１０２…遮光カバー
１１０…投光部；１１０Ａ…第一測定光投光部；１１０Ｂ…第二測定光投光部
１１１…測定光源
１１２…パターン生成部
１１３〜１１５、１２２、１２３…レンズ
１２０…受光部
１２１…カメラ
１２１Ｂ…第一カメラ；１２１Ｃ…第二カメラ
１２１ａ…撮像素子；１２１ｂ…第一受光素子；１２１ｃ…第二受光素子
１２５…固定部
１３０…照明光出力部
１４０…載置部
１４１…並進ステージ
１４２…載置面
１４３…回転ステージ
１４４…移動制御部
１５０…測定制御部
２００…コントローラ
２１０…ＣＰＵ
２１１…点群データ合成部
２１６…画像検査部；２１６ｂ…計測部
２２０…ＲＯＭ
２２８…高さ画像取得部
２３０…作業用メモリ
２４０…記憶装置
２５０…操作部
２６０…点群データ生成部
２６０ａ…部分形状データ生成部
２６０ｂ…合成形状データ生成部
２６１…トップビューマップ画像生成部
２６２…露光調整部
２６４…測定領域設定部
３００…光源部
３１０…制御基板
３２０、３２０’…観察用照明光源
４００…表示部
５００、５００Ｂ、５００Ｃ…三次元形状測定装置
５００Ａ…三次元形状測定装置本体
６００…台座部
６０２…ベースプレート
７００…支持部
７０２…支柱部
８００…回転駆動ガイド
８１０…回転パルス指示部
８２０…実回転量読取部
８３０…回転駆動モータ
８４０…減速機構
８５０…原点センサ
８６０…並進ステージ締結部
９００…直動ガイド
９１０…直動動力伝達部
９２０…移動パルス指示部
９３０…実移動量読取部
９４０…並進駆動モータ
９５０…無限回転コネクタ
１０００…三次元形状測定システム
１１００、１２００、１３００、１４００、１５００…測定範囲設定画面
１１０１…トップビューマップ画像表示領域
１１０２…操作領域
１１０３…トップビューマップ画像作成ボタン；１１０３Ｂ…「自動」ボタン
１１０４…倍率設定欄；１１０４ａ…低倍ボタン；１１０４ｂ…高倍ボタン
１１０５…測定範囲設定欄；１１０５ａ…２枚パターンボタン；１１０５ｂ…４枚パターンボタン；１１０５ｃ…３枚パターンボタン；１１０５ｄ…１枚パターンボタン
１１０６…測定範囲回転欄；１１０６ａ…回転スライダ；１１０６ｂ…数値入力欄
１１０７…追加ボタン；１１０７ａ…左側ボタン；１１０７ｂ…右側ボタン
１２００…厚さ計測画面
１２１０…画像表示領域
１２２０…設定パネル
１２２２…基本計測要素指定ボタン
１２２４…詳細ボタン
１３００…設定ウィンドウ
１３０２…設計厚み欄
１３０４…追加探索厚み欄
１３０６…最大厚み欄
１４００…減少率設定画面
１４０２…設計厚み欄
１４０４…目標減少率欄
１４０６…カラーパレット設定ボタン
ＷＫ、ＷＫ２…測定対象物；ＷＫ１…横長の測定対象物
ＷＫ３…測定対象物
ＭＬ…測定光；ＭＬ１…第一測定光；ＭＬ２…第二測定光
ＬＡ１…第一光軸；ＬＡ２…第二光軸
ＩＬ…照明光
ＰＬ…平面
ＣＮ…円錐

Claims (11)

1. 測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、
   測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を移動させる載置部と、
   前記載置部の移動を制御する移動制御部と、
   前記載置部に載置された測定対象物に所定のパターンを有する測定光を照射する投光部と、
   前記投光部により照射され、測定対象物にて反射された測定光を受光して受光量を表す受光信号を出力する受光部と、
   前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記載置部の特定の位置において前記受光部の視野内に含まれる測定対象物の少なくとも一部の立体形状を表す形状データを生成し、該生成された測定対象物の少なくとも一部の形状データに基づいて、当該形状データの周囲に位置する測定対象物の他の部位の形状データを取得するように前記移動制御部で前記載置部を移動させて、当該位置での測定対象物の形状データを生成することを繰り返し、得られた複数の形状データを合成することで測定対象物の全体の形状を含む合成形状データを生成する合成形状データを生成するプロセッサと、
   を備えてなる三次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記載置部は、
   前記載置面を回転軸を中心に回転させるための回転ステージと、
   前記載置面を、該載置面の属する面内で平行移動させるための並進ステージを備え、
   前記三次元形状測定装置はさらに、前記回転ステージと前記並進ステージを、前記回転ステージの回転軸方向に重ねるように支持する台座部を備えてなる三次元形状測定装置。
3. 請求項２に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記プロセッサは、前記測定対象物の少なくとも一部の形状データに基づいて、前記回転ステージの回転動作のみを実行するか、前記回転ステージの回転動作と前記並進ステージの平行移動動作の両方を実行するかを決定してなる三次元形状測定装置。
4. 請求項２又は３に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記移動制御部が、前記並進ステージをＸＹ方向に移動させた後に、当該位置で前記回転ステージを回転させるよう制御してなる三次元形状測定装置。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記載置部は、前記台座部に回転自在に支持された前記回転ステージの上方に、前記並進ステージを並進自在に備えてなる三次元形状測定装置。
6. 請求項２〜５のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、さらに、
   前記台座部に連結されると共に、前記載置部の上方に測定光による測定領域が形成されるよう前記投光部及び前記受光部を固定的に支持する支持部と、
   前記支持部の上部に固定され、前記測定領域を斜め下に見下ろすように、前記投光部及び前記受光部を前記載置面に対して光軸が傾斜する姿勢に固定する固定部を備えてなる三次元形状測定装置。
7. 請求項２〜６のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記プロセッサが、測定対象物の形状データを簡易的な生成条件で生成可能としてなる三次元形状測定装置。
8. 請求項７に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記簡易的な生成条件が、前記受光部における露光時間を通常よりも短くする、利得を通常よりも高くする、解像度を間引く、前記投光部が複数ある場合に使用する数を制限する、前記投光部の投影パターンが複数ある場合に使用する数を制限する、前記受光部が複数ある場合に使用する数を制限する、前記回転ステージを回転させずに前記受光信号を取得するの少なくともいずれかを含む三次元形状測定装置。
9. 請求項７又は８に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記プロセッサは、前記前記簡易的な生成条件で生成された簡易形状データに基づいて、前記載置部に載置された測定対象物を真上から見下したときの平面図を示すトップビューマップ画像を生成し、該トップビューマップ画像から抽出された測定対象物の輪郭に基づいて、測定領域を決定するよう構成されてなる三次元形状測定装置。
10. 請求項９に記載の三次元形状測定装置であって、
    前記プロセッサは、前記測定領域に基づき、前記回転ステージの回転移動のみ、又は前記回転ステージの回転移動と前記並進ステージの並進移動を組み合わせた動作のいずれかを判定して、前記測定領域の測定を実行するよう構成してなる三次元形状測定装置。
    される。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、さらに、
    前記受光部から出力される受光信号に基づいて、該受光信号から前記載置部の周囲の領域を除去して、前記受光部の露光時間を調整する露光調整部
    を備えてなる三次元形状測定装置。