JP2021060214A - 測定装置、及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の形状、色、及び光沢等に依らず、対象物の形状を適正に測定可能な測定装置、及び測定方法を提供する。【解決手段】測定装置１は、対象物Ｗに対してスポット光を照射する光源部１１０と、スポット光が照射された対象物を撮像する撮像部１２０と、撮像部１２０で撮像された撮像画像に基づいて対象物Ｗの形状を算出する形状算出部３３と、を備え、スポット光は、当該スポット光の進行方向に直交するＰｘ方向及びＰｙ方向を含む光断面で、Ｐｘ方向及びＰｙ方向に沿って光量が異なる複数の矩形パターンが並ぶパターンを有し、形状算出部３３は、撮像画像の矩形パターンに対応するパターン小領域の配置位置を解析して、スポット光の照明中心を算出する。【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を対象物に照射し、対象物で反射された光を撮像することで対象物の形状を測定する測定装置、及び測定装置の測定方法に関する。

従来、非接触で対象物の形状を測定する装置として、対象物に対してスポットレーザー光（以降、スポット光と略す）を照射して、対象物のスポット光が照射された照射領域を撮像部で撮像し、三角測量法の原理を用いて、対象物の形状を測定する測定装置が知られている（特許文献１参照）。このような三角測量法の原理を用いた測定装置では、スポット光の照明中心を正確に特定することで、測定精度を高めることができる。しかしながら、対象物の表面性状や形状によっては、スポット光の照射領域の形状が変化し、測定精度に影響を与える。

図９から図１１は、従来の技術において、対象物Ｗに対して、光源９１からスポット光を照射した際のスポット光の照射状態を示す図である。図９から図１１において、（Ａ）は、対象物Ｗの形状と対象物Ｗに対するスポット光の照射位置を示す図、（Ｂ）は、スポット光が照射された対象物を撮像部９２で撮像した際の照射領域の画像（スポット画像）を示す図、（Ｃ）は、スポット画像における画像明度波形（受光分布波形）を示す図である。
例えば、図９のように、対象物Ｗが平面であり、平面に対して垂直にスポット光を照射する。この場合、照射領域が略円形となり、左右対称の受光分布波形が得られる。よって、照射領域のピーク点から、スポット光の照射中心を容易に求めることができる。
一方、図１０に示すように、対象物Ｗの段差部にスポット光が照射されると、スポット照射領域の一部において、欠けが生じるので、光量分布が左右非対称となる。また、図１１のように、対象物Ｗの表面が波打っていると、照射領域にも歪みが生じる。この場合も、光量分布が左右非対称となる。したがって、図１０や図１１の場合、適正に照射領域の中心を求めることができない。

そこで、特許文献１に記載の測定装置では、撮像された照射領域の画像（スポット画像）の受光分布（コントラストのスロープ）が左右対称となっているものを採用して形状測定を行い、左右非対称となる測定点は除外する。この場合、受光分布が左右対称となる画像のみにより対象物Ｗの形状が測定されるので、測定精度を向上させることが可能となる。

特開２０１２−１３７３１３号公報

しかしながら、対象物上で色変化がある場合や、対象物に光沢部分が存在する場合では、スポット光の照射位置が平面であっても、受光分布が左右対称とならない場合がある。よって、特許文献１に記載の測定装置では、対象物上で色が変化する箇所や、光沢物がある場所に対しても、受光分布が左右非対称と判定され、測定結果が除外されてしまう。すなわち、特許文献１では、測定可能な対象物の条件が限られてしまう、との課題がある。

本発明は、対象物の形状、色、及び光沢等に依らず、対象物の形状を適正に測定可能な測定装置、及び測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る測定装置は、対象物に対してスポット光を照射する光源部と、前記スポット光が照射された前記対象物を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された撮像画像に基づいて前記対象物の形状を算出する形状算出部と、を備え、前記スポット光は、当該スポット光の進行方向に直交する第一方向と、前記進行方向及び前記第一方向に直交する第二方向とを含む光断面で、前記第一方向及び前記第二方向に沿って光量が異なる複数の分割部が並ぶパターンを有し、前記形状算出部は、前記撮像画像の前記分割部に対応する撮像分割部の配置位置を解析して、前記スポット光の照明中心を算出することを特徴とする。

本発明では、光源部から対象物に照射されるスポット光は、進行方向に対して直交する光断面において、光量が異なる複数の分割部が第一方向及び第二方向に並ぶパターンを有している。したがって、撮像部により、対象物のスポット光の照射領域（スポット照射領域）を撮像すると、撮像画像には、複数の分割部に対応した撮像分割部が含まれることになる。この際、対象物の表面性状や形状によってスポット光の形状が変化すると、各撮像分割部の形状や位置が変化する。したがって、形状算出部は、撮像画像内の各撮像分割部の形状や位置から、スポット光の照射領域での対象物の表面形状を判定することができ、スポット光の照射中心を算出することができる。
この場合、仮に、対象物に色変化や光沢部が存在して、スポット光の光量分布が変動しても、各撮像分割部の位置を解析できれば、スポット光の照明中心を求めることができる。すなわち、本発明では、対象物の形状や色、光沢に依らず、対象物の形状を適正に測定できる。

本発明の測定装置において、前記スポット光は、前記分割部として、光が照射される複数の明部と、前記光が照射されない複数の暗部とを含むことが好ましい。
このように、スポット光に、光が照射される明部と、光が照射されない暗部とが含まれることで、形状算出部は、各撮像分割部を容易に特定できる。つまり、スポット光が、第一光量で光を照射する第一光量領域と、第一光量よりも少ない第二光量で光を照射する第二光量領域とを含む構成とした場合、対象物の色変化や光沢物の有無によって、撮像画像内の第一光量領域の光量が減少する場合や、第二光量領域の光量が増大する場合がある。この場合、各撮像分割部を解析して特定することが困難となる。これに対して、本発明では、光が照射された明部であるか、照射されない暗部であるかを判定すればよい。したがって、撮像画像内の各撮像分割部を容易に特定することができる。

本発明の測定装置において、前記第一方向に沿って並ぶ前記分割部を第一パターン組とし、前記第二方向に沿って並ぶ前記分割部を第二パターン組とした際に、前記第二方向に並ぶ複数の前記第一パターン組に含まれる前記明部及び前記暗部の配置順は、前記第一パターン組毎にそれぞれ異なり、前記第一方向に並ぶ複数の前記第二パターン組に含まれる前記明部及び前記暗部の配置順は、前記第二パターン組毎にそれぞれ異なることが好ましい。
このように、第一パターン組に含まれる明部と暗部との並び順がそれぞれ異なり、かつ、第二パターン組に含まれる明部と暗部との並び順がそれぞれ異なることで、撮像画像において、スポット光の照射領域の画像（スポット画像）の形状が変形している場合でも、各撮像分割部の位置を容易に特定することができる。
つまり、第二方向に並ぶ複数の第一パターン組に含まれる分割部が同じ並び順である場合、第二方向に並ぶ各分割部の境界を特定することが困難となる。これに対して、上記のように、各第一パターン組がそれぞれ異なり、各第二パターン組がそれぞれ異なる場合、スポット画像の形状が変形した場合でも、各々の撮像分割部の位置を容易に特定することができる。

本発明の測定装置において、前記形状算出部は、前記撮像画像の各前記撮像分割部の光量のピーク位置を結ぶ複数の線により、前記対象物の前記スポット光が照射された照射領域の外形を判定し、前記照射領域の重心を前記スポット光の照明中心として算出することが好ましい。
撮像画像内の各撮像分割部の中心を結び、例えば第一方向に並ぶ撮像分割部の中心を結ぶ線、及び第二方向に並ぶ撮像分割部の中心を結ぶ線を形成することで、スポット画像の外形を把握することができる。また、対象物の面形状によって、スポット画像が大きく歪んでいる場合でも、スポット画像の外形を特定できるので、そのスポット画像の外形の重心を求めることで、スポット光の照明中心を算出できる。

本発明の測定方法は、対象物に対してスポット光を照射する光源部と、前記スポット光が照射された前記対象物を撮像する撮像部と、を備えた測定装置を用いて前記対象物の形状を測定する測定方法であって、前記光源部から前記スポット光を照射する照射工程、前記撮像部により前記対象物を撮像し、撮像画像に基づいて前記対象物の形状を算出する形状算出工程と、を含み、前記照射工程では、前記スポット光の進行方向に直交する第一方向、及び前記進行方向及び前記第一方向に直交する第二方向を含む光断面内で、前記第一方向及び前記第二方向に沿って光量が異なる複数の分割部が並ぶパターンを有する前記スポット光を照射し、前記形状算出工程は、前記撮像画像の前記分割部に対応する撮像分割部の配置位置を解析して、前記スポット光の照明中心を算出することを特徴とする。
本発明では、上述した測定装置と同様に、撮像部により、スポット光の照射領域を撮像し、撮像画像内のスポット画像での各撮像分割部の形状や位置に基づいて、照射中心を算出する。この場合、対象物の形状や色、光沢に依らず、スポット光の照射中心を容易に算出できる。また、複数の対象物の位置を測定することで、対象物の形状を測定することができる。

本発明に係る一実施形態の測定装置の概略構成を示す模式図。 本実施形態のスポット光のパターンの一例を示す図。 三角測量法の測定原理を示す図。 本実施形態の測定装置を用いた測定方法を示すフローチャート。 本実施形態において、対象物の表面形状とスポット画像の外形の一例を示す図。 本実施形態において、対象物の表面形状とスポット画像の外形の他の例を示す図。 本実施形態において、対象物の表面形状とスポット画像の外形の他の例を示す図。 変形例４に係る測定装置の概略構成を示す模式図。 従来の技術において、対象物に対して、光源からスポット光を照射した際のスポット光の照射状態を示す図。 従来の技術において、対象物に対して、光源からスポット光を照射した際のスポット光の照射状態を示す他の一例を示す図。 従来の技術において、対象物に対して、光源からスポット光を照射した際のスポット光の照射状態を示す他の一例を示す図。

以下、本発明に係る実施形態の測定装置について、詳細に説明する。
図１は、測定装置１の概略構成を示す模式図である。
測定装置１は、レーザー光を用いて、非接触で対象物Ｗの形状を測定する三次元測定装置であり、プローブヘッド１０と、プローブヘッド１０を任意の位置に移動させる移動機構２０と、プローブヘッド１０からの信号に基づいて対象物Ｗの形状を測定する制御部３０と、を備えている。
以下、各構成について、それぞれ詳細に説明する。

［プローブヘッド１０の構成］
プローブヘッド１０は、図１に示すように、光源部１１０と、撮像部１２０とを備えている。
光源部１１０は、レーザー光源１１１と、平行化レンズ１１２と、回折光学素子１１３（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）と、を含んで構成されている。
レーザー光源１１１は、対象物Ｗに照射する所定周波数のレーザー光を出射する光源である。
平行化レンズ１１２は、レーザー光源１１１から出射されたレーザー光を平行光にする。なお、レーザー光源１１１と平行化レンズ１１２との間に、レーザー光のビーム径を所定のスポット径に調整するレンズが設けられる構成としてもよい。
回折光学素子１１３は、平行化レンズ１１２により平行化されたレーザー光に、所定のパターンを形成して対象物Ｗに向かって出射する。
なお、ここでは、一例として、レーザー光源１１１、平行化レンズ１１２、及び回折光学素子１１３がこの順で配置される例を示すが、これに限定されない。例えば、光源部１１０は、レーザー光源１１１、拡大レンズ、第一平行化レンズ、回折光学素子１１３、収束レンズ、及び第二平行化レンズにより構成されていてもよい。この場合、レーザー光源１１１から出射されたレーザー光のビーム径を拡大レンズで拡大し、第一平行化レンズで平行光とした後、回折光学素子１１３でレーザー光にパターンを形成する。パターンが形成されたレーザー光は、収束レンズでビーム径が縮小された後、第二平行化レンズによって平行光とされ、対象物Ｗにスポット光として出射される。この場合、ビーム径が大きいスポット光を回折光学素子１１３に通すことができ、パターン形成をより精密にできる。
なお、回折光学素子１１３により成形されるスポット光のパターンについての詳細な説明は後述する。

撮像部１２０は、スポット光が照射された照射領域を含む対象物Ｗの表面を撮像する。この撮像部１２０は、図１に示すように、結像レンズ１２１と、撮像素子１２２とを備える。
結像レンズ１２１は、対象物Ｗからの画像光を撮像素子１２２に結像させる。
撮像素子１２２は、例えばＣＣＤ等のイメージセンサーにより構成され、結像レンズ１２１を透過した光を受光して、撮像画像を出力する。

［スポット光のパターン］
図２は、本実施形態のスポット光のパターンＰの一例を示す図である。この図２では、レーザー光の進行方向に対して直交する光断面でのレーザー光のパターンＰを示している。以降の説明において、レーザー光の進行方向に対して直交する一方向をＰｘ方向（第一方向）、レーザー光の進行方向及びＰｘ方向に対して直交する方向をＰｙ方向（第二方向）とする。

本実施形態では、パターンＰは、Ｐｘ方向及びＰｙ方向に沿って配列された複数の矩形パターンＲ_ｘｙ（分割部）を備えている。例えば、図２の例では、Ｐｘ方向にＲ_１ｙからＲ_５ｙの５個の矩形パターンＲ_ｘｙが配置され、Ｐｙ方向に沿ってＲ_ｘ１からＲ_ｘ５の５個の矩形パターンが配置され、合計２５個の矩形パターンＲ_ｘｙが含まれる。
各矩形パターンＲ_ｘｙは、撮像素子１２２により撮像された際に、１画素よりも大きくなるように形成されている。つまり、プローブヘッド１０と対象物Ｗとを所定の最大距離だけ離して対象物Ｗにスポット光を照射し、対象物Ｗで反射されたスポット光の像を撮像素子１２２で撮像した際に、各々の矩形パターンＲ_ｘｙの光が撮像素子１２２の１画素以上に跨って受光されるように、回折光学素子１１３によるパターンＰの形成が行われる。なお、最大距離は、測定装置１により形状測定が可能なプローブヘッド１０と対象物Ｗとの距離であり、予め設定されている。
これらの矩形パターンＲ_ｘｙには、レーザー光が照射される光量が高い明部と、レーザー光が照射されない暗部と、が含まれる。つまり、各矩形パターンＲ_ｘｙは、明部及び暗部のいずれかとなる。

また、Ｐｘ方向に並ぶ矩形パターンＲ_ｘｙを第一パターン組ＱＸとすると、Ｐｙ方向に、複数（本例では５つ）の第一パターン組ＱＸ_１〜ＱＸ_５が並ぶ。また、Ｐｙ方向に並ぶ矩形パターンＲ_ｘｙを第二パターン組ＱＹとすると、Ｐｘ方向に、複数（本例では５つ）の第二パターン組ＱＹ_１〜ＱＹ_５が並ぶ。
ここで、Ｐｘ方向に並ぶ矩形パターンＲ_ｘｙの並び順は、第一パターン組ＱＸ毎にそれぞれ異なる。例えば、図２の例では、ｙ＝１の第一パターン組ＱＸ_１は、明部、暗部、明部、暗部、明部の並び順となる。ｙ＝２の第一パターン組ＱＸ_２は、暗部、暗部、暗部、明部、暗部の並び順となる。ｙ＝３の第一パターン組ＱＸ_３は、暗部、暗部、明部、暗部、明部の並び順となる。ｙ＝４の第一パターン組ＱＸ_４は、暗部、明部、暗部、明部、暗部の並び順となる。ｙ＝５の第一パターン組ＱＸ_５は、明部、暗部、明部、暗部、暗部の並び順となる。
同様に、Ｐｙ方向に並ぶ矩形パターンＲ_ｘｙの並び順は、第二パターン組ＱＹ毎にそれぞれ異なる。例えば、図２の例では、ｘ＝１の第二パターン組ＱＹ_１は、明部、暗部、暗部、暗部、明部の並び順となる。ｘ＝２の第二パターン組ＱＹ_２は、暗部、暗部、暗部、明部、暗部の並び順となる。ｘ＝３の第二パターン組ＱＹ_３は、明部、暗部、明部、暗部、明部の並び順となる。ｘ＝４の第二パターン組ＱＹ_４は、暗部、明部、暗部、明部、暗部の並び順となる。ｘ＝５の第二パターン組ＱＹ_５は、明部、暗部、明部、暗部、暗部の並び順となる。

［移動機構２０の構成］
移動機構２０は、プローブヘッド１０を任意の位置に移動させる装置である。また、移動機構２０には、プローブヘッド１０の位置を検出するための図示略の位置検出センサーが設けられている。
移動機構２０の具体的な構成は特に限定されず、例えば、多関節アームの先端にプローブヘッド１０を保持させ、多関節アームの各アームの角度を変更可能な構成としてもよい。この場合、各アームの回転角度を検出するロータリーエンコーダー等の角度検出センサーを設ける。これにより、制御部３０は、各アームのアーム長とアーム間の角度に基づいて、プローブヘッド１０の位置や姿勢を算出することができる。
また、移動機構２０として、プローブヘッド１０をＸＹＺ方向に移動させる門型フレームに保持させる構成としてもよい。つまり、移動機構２０は、Ｙ方向に移動可能なコラムと、コラムに保持されてＸ方向に平行なビームと、ビーム上をＸ方向に移動可能なスライダーと、スライダーに設けられて、Ｚ方向に移動可能なヘッド保持部材とを備え、ヘッド保持部材にプローブヘッド１０が保持される構成としてもよい。このような構成では、移動機構２０は、コラムのＹ方向の位置を検出するＹスケール、スライダーのＸ方向の位置を検出するＸスケール、ヘッド保持部材のＺ方向の位置を検出するＺスケールを備える構成とすればよい。これにより、プローブヘッド１０のＸＹＺ座標を検出することができる。ヘッド保持部材に、プローブヘッド１０の角度を変更する角度変更部を設けてもよく、この場合、角度変更部に角度検出センサーを設けることで、プローブヘッド１０の姿勢を検出できる。

［制御部３０の構成］
制御部３０は、コンピューターにより構成されており、図示略のメモリや、メモリに記録された各種プログラムを実施する演算回路等を備えて構成されている。そして、この制御部３０は、プローブヘッド１０及び移動機構２０に接続され、プローブヘッド１０の撮像部１２０から出力される撮像画像と、移動機構２０から出力されるプローブヘッド１０の位置や姿勢と、に基づいて、対象物Ｗの形状を測定する。
具体的には、制御部３０は、図１に示すように、プローブ制御部３１、プローブ位置検出部３２、形状算出部３３として機能する。
プローブ制御部３１は、プローブヘッド１０の光源部１１０の点灯制御と、撮像部１２０の撮像制御を実施する。これにより、撮像部１２０から、スポット光の撮像画像が得られる。
プローブ位置検出部３２は、移動機構２０の位置検出センサーから入力された位置検出結果（例えば、ロータリーエンコーダー等の角度検出センサーの検出値や、ＸＹＺスケールの検出値）を受信する。そして、プローブ位置検出部３２は、位置検出結果に基づいて、プローブヘッド１０の三次元空間内の位置や姿勢（光源部１１０からのスポット光の出射方向）を算出する。

形状算出部３３は、撮像部１２０で撮像された撮像画像に基づいて、スポット光の照明中心の画素を算出し、撮像画像の中心画素（結像レンズ１２１の焦点）から照明中心の画素までの距離を照明中心の位置として算出する。また、形状算出部３３は、スポット光の照明中心の位置に基づいて、プローブヘッド１０から対象物Ｗまでの距離Ｌを算出する。

図３は、三角測量法を用いた対象物Ｗの形状測定の測定原理を説明する図である。
図３に示すように、対象物Ｗが位置Ｌ１に位置する場合と、位置Ｌ２に位置する場合とでは、撮像素子１２２に入射するスポット光の位置が異なる。
したがって、形状算出部３３は、結像レンズ１２１の焦点距離ｆと、光源部１１０と撮像部１２０との距離Ｄ（結像レンズ１２１のレンズ中心から照明光の光軸に垂線を下した際の垂線の長さ）と、撮像画像におけるスポット光の照明中心の位置ｘとを用いて、三角測量法により、プローブヘッド１０から対象物Ｗまでの距離Ｌを、Ｌ＝Ｄｆ／ｘにより算出することができる。なお、形状算出部３３による、スポット光の照明中心の位置ｘの算出方法については後述する。

また、形状算出部３３は、プローブ位置検出部３２により算出されたプローブヘッド１０の位置及び姿勢と、プローブヘッド１０から対象物Ｗまでの距離Ｌと、に基づいて、対象物Ｗのスポット光の照射中心位置の三次元座標を算出する。そして、形状算出部３３は、対象物Ｗ上の複数点に対する測定により算出された三次元座標をつなぎ合わせることで、対象物Ｗの表面形状を測定する。

［測定方法］
次に、上記のような測定装置１を用いた対象物Ｗの形状測定方法について説明する。
図４は、本実施形態の測定装置１を用いた測定方法を示すフローチャートである。
測定装置１により対象物Ｗの形状を測定する場合、移動機構２０が、プローブヘッド１０を、対象物Ｗの測定点に対向する位置に移動させる（ステップＳ１）。
プローブ位置検出部３２は、プローブヘッド１０の移動により、移動機構２０からプローブの位置検出結果を受信し、プローブヘッド１０の位置や姿勢を算出する（ステップＳ２）。
次に、プローブ制御部３１は、プローブヘッド１０を制御して、光源部１１０から対象物Ｗに、パターンが形成されたスポット光を照射させ、撮像部１２０で対象物Ｗの表面で拡散された光を撮像して撮像画像を取得する（ステップＳ３；照射工程）。

そして、形状算出部３３は、ステップＳ３で得られた撮像画像から、スポット光の照明中心の位置ｘを算出する形状算出工程を実施する。
図５から図７は、対象物の表面形状とスポット画像の外形を示す図であり、（Ａ）は、対象物Ｗの形状とスポット光の照射位置を示し、（Ｂ）は、撮像画像におけるスポット画像の一例を示す。
具体的には、本実施形態の形状算出部３３は、撮像画像から、スポット光が照射された照射領域の画像（スポット画像）を特定し、さらに、そのスポット画像を解析して、スポット光の各矩形パターンＲ_ｘｙに対応するパターン小領域Ｒ_ｘｙ´（撮像分割部）を特定する（ステップＳ４）。本実施形態では、各矩形パターンＲ_ｘｙが、明部または暗部のいずれかであるので、例えば微分フィルター等を適用してエッジ検出を行うことで、明部及び暗部の境界を容易に特定できる。また、上記のように、各第一パターン組ＱＸに含まれる各矩形パターンＲ_ｘｙの並び順、各第二パターン組ＱＹに含まれる各矩形パターンＲ_ｘｙの並び順がそれぞれ異なり、各パターン組に含まれる矩形パターンＲ_ｘｙが明部であるか暗部であるかは、既知の情報となる。したがって、仮に対象物Ｗの表面に色変化の境界線や光沢部があり、１つの明部内で拡散光の光量差が生じていたとしても、周囲の各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´が特定できていれば、光量差が発生しているパターン小領域Ｒ_ｘｙ´も特定できる。

そして、形状算出部３３は、各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´のうち、明部の中心点、つまり受光量（輝度）のピーク位置を検出して、パターン線で結ぶ（ステップＳ５）。例えば、図５から図７に示すように、第一パターン組ＱＸに対応する第一パターン線Ｉ、第二パターン組ＱＹに対応する第二パターン線Ｊ、及びパターンＰの対角線に対応する第三パターン線Ｋ１，Ｋ２を形成する。これにより、撮像画像内のスポット画像から、対象物Ｗにおいてスポット光が照射された照射領域の面形状を判定することが可能となる。
例えば、対象物Ｗの表面が平面であり、対象物Ｗの平面に対して垂直にスポット光を照射している場合では、図５のように、各第一パターン線Ｉが平行、各第二パターン線Ｊが平行、かつ、第一パターン線Ｉと第二パターン線Ｊとが直交する。
また、対象物Ｗの表面に段差がある場合、図６のように、段差を境界として、プローブヘッド１０からの距離が長くなる一方側の面での各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´のサイズが、プローブヘッド１０からの距離が短くなる他方側の面での各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´に対して小さくなる。よって、図６（Ｂ）に示すように、第一パターン線Ｉの間隔が、徐々に小さくなる。或いは、明部の中心位置によっては、段差（境界）を境にして第一パターン線Ｉが折れ線状となる。なお、図６の例は、スポット光のＰｘ方向に対して段差がある例だが、Ｐｙ方向に対して対象物Ｗに段差がある場合は、第二パターン線Ｊの間隔が徐々に小さく（大きく）なったり、折れ線状となったりする。
さらに、対象物Ｗの表面が波打っている場合等では、図７（Ｂ）のように、スポット画像の外形が歪み、各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´も歪む。その結果、第一パターン線Ｉが曲線となる。なお、図７の例は、スポット光のＰｘ方向に対して対象物Ｗの表面が波打つ例であるが、Ｐｙ方向に対して波打っている場合は、第二パターン線Ｊが曲線となる。また、Ｐｘ方向及びＰｙ方向の双方に対して曲面が形成されている対象物Ｗに対しては、第一パターン線Ｉ及び第二パターン線Ｊの双方が曲線になる場合もある。

この後、形状算出部３３は、各パターン線Ｉ，Ｊ、Ｋ１，Ｋ２に基づいて判定される、スポット光の照射中心の画素と、撮像画像の中心画素との距離を、照明中心の位置ｘとして算出する（ステップＳ６）。例えば、形状算出部３３は、各パターン線Ｉ，Ｊ、Ｋ１，Ｋ２により検出されるスポット画像の重心を、スポット光の照明中心の画素として算出し、撮像画像の中心画素（結像レンズ１２１の焦点）から照明中心の画素までの距離を、照明中心の位置ｘとして算出する。
なお、本実施形態では、５×５のパターン小領域Ｒ_ｘｙ´のうち、中心に位置するパターン小領域Ｒ_３３´が明部である。よって、形状算出部３３は、パターン小領域Ｒ_３３´のピーク位置をスポット光の照明中心の画素として算出してもよい。

以上により、撮像画像において、スポット光の照明中心の位置ｘが算出されると、形状算出部３３は、結像レンズ１２１の焦点距離ｆと、光源部１１０と撮像部１２０との距離Ｄと、位置ｘとを用いて、Ｌ＝Ｄｆ／ｘにより、プローブヘッド１０から対象物Ｗのスポット光の照明中心までの距離Ｌを算出する（ステップＳ７）。
また、形状算出部３３は、ステップＳ２で得られたプローブヘッド１０の位置及び姿勢と、ステップＳ７により算出された距離Ｌとに基づいて、対象物Ｗの測定点（スポット光の照射中心）に対する、三次元空間での位置座標を算出する（ステップＳ８）。
以上のステップＳ１からステップＳ８の処理を複数の測定点に対して実施することで、対象物Ｗの表面上の複数の測定点に対する位置座標が得られる。したがって、形状算出部３３は、これらの測定点の位置座標をつなぎ合わせることで、対象物Ｗの表面形状を測定することができる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の測定装置１は、対象物Ｗに対してスポット光を照射する光源部１１０と、スポット光が照射された対象物Ｗを撮像する撮像部１２０とを有するプローブヘッド１０を有する。また、測定装置１は、撮像部１２０で撮像された撮像画像に基づいて対象物Ｗの形状を算出する形状算出部３３として機能する制御部３０を備える。光源部１１０から照射されるスポット光は、当該スポット光の光断面において、Ｐｘ方向及びＰｙ方向に沿って光量が異なる複数の矩形パターンＲ_ｘｙが並ぶパターンＰを有する。そして、形状算出部３３は、各矩形パターンＲ_ｘｙに対応する撮像画像のパターン小領域Ｒ_ｘｙ´の配置位置を解析して、スポット光の照明中心を算出する。

このような本実施形態では、対象物Ｗの表面性状や表面形状によって、スポット光の照射領域の外形が変化すると、各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´の形状や位置も変化する。したがって、形状算出部３３は、撮像画像内の各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´の形状や位置を解析することで、スポット光の照射領域における、対象物Ｗの表面形状を判定することができ、スポット光の照明中心を適正に算出できる。この場合、仮に、対象物Ｗの表面上に色変化部分や光沢部分があり、スポット光の光量分布が変動しても、撮像画像内の各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´の形状や位置を解析できれば、スポット光の照明中心を求めることができる。すなわち、本発明では、対象物の形状、色、光沢に依らず、対象物の形状を適正に測定できる。

本実施形態では、スポット光は、矩形パターンＲ_ｘｙとして、光が照射される複数の明部と、光が照射されない複数の暗部とを含む。
このように、スポット光が明部と暗部とにより構成されることで、形状算出部３３は、各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´を容易に特定できる。
つまり、スポット光が、複数の矩形パターンＲ_ｘｙが、光量が異なる複数の明部により構成されている場合、例えば、第一光量を有する第一矩形パターンと、第二光量を有する第二矩形パターンとを含む場合、対象物Ｗに色変化や光沢物があると、各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´の光量差が縮まって、各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´を特定することが困難となる。これに対して、本実施形態のように、パターンＰが、光が照射される明部と、光が照射されない暗部とにより構成される場合では、対象物Ｗに色変化や光沢物があっても、各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´を容易に特定できる。

本実施形態では、パターンＰは、Ｐｘ方向に沿った複数の第一パターン組ＱＸを有し、複数の第一パターン組ＱＸは、矩形パターンＲ_ｘｙのＰｘ方向に沿った並び順がそれぞれ異なる。同様に、パターンＰは、Ｐｙ方向に沿った複数の第二パターン組ＱＹを有し、複数の第二パターン組ＱＹは、矩形パターンＲ_ｘｙのＰｙ方向に沿った並び順がそれぞれ異なる。
この場合、対象物Ｗの面形状によってスポット画像の外形が変形している場合でも、撮像画像における各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´の位置を容易に特定できる。
つまり、Ｐｙ方向に並ぶ各第一パターン組ＱＸに含まれる矩形パターンＲ_ｘｙが同じ並び順である場合、撮像画像において、Ｐｙ方向に並ぶ各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´の境界を特定することが困難となる。また、パターンＰにおいて、明部と暗部とが千鳥格子状に配置される場合、例えば、対象物Ｗの形状によって、スポット光の照射領域が変形した際に、どのパターン小領域Ｒ_ｘｙ´が、どの矩形パターンＲ_ｘｙに対応しているのかが特定しにくい。
これに対して、上記のように、各第一パターン組ＱＸがそれぞれ異なり、各第二パターン組ＱＹがそれぞれ異なる場合、照射領域の形状が変形しても、各々のパターン小領域Ｒ_ｘｙ´の位置を容易に特定することができる。

本実施形態では、形状算出部３３は、撮像画像の明部に相当する各パターン小領域Ｒ_ｘｙ´の光量のピーク位置を結んだパターン線Ｉ，Ｊ，Ｋ１，Ｋ２を形成して、照射領域の外形を判定し、照明領域の外形の重心をスポット光の照明中心として算出する。
これにより、各パターン線Ｉ，Ｊ，Ｋ１，Ｋ２により、照射領域の外形を精度よく判定することができ、その照射領域の重心を、スポット光の照明中心とすることで、照明領域が複雑な形状に変形している場合でも、容易に照明中心を算出できる。

［変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
［変形例１］
上記実施形態では、スポット光のパターンＰとして、５×５の矩形パターンＲ_ｘｙが配列される例を示した。これに対して、パターンに含まれる矩形パターンＲ_ｘｙは、より多くてもよく、少なくてもよい。例えば７×７の矩形パターンＲ_ｘｙを有するパターンを用いてもよい。また、Ｐｘ方向に並ぶ矩形パターンＲ_ｘｙの数と、Ｐｙ方向に並ぶ矩形パターンＲ_ｘｙの数とが異なっていてもよい。例えば、５×７の矩形パターンＲ_ｘｙが配列したパターンＰであってもよい。
さらには、図２において、各々の矩形パターンＲ_ｘｙのＰｘ方向の幅とＰｙ方向の幅がそれぞれ同じである例を示したが、Ｐｘ方向の幅とＰｙ方向の幅とが異なっていてもよい。

上記実施形態では、図２のように、パターンに含まれる複数の分割部が矩形状を有する矩形パターンＲ_ｘｙである例を示したが、これに限定されない。例えば、正六角形状パターンや正八角形状パターンが互いに隣接してハニカム構造に構成されるパターンであってもよい。

［変形例２］
上記実施形態において、スポット光のパターンＰを構成する矩形パターンＲ_ｘｙは、明部及び暗部のいずれかとしたが、パターンＰが、光量が異なる複数種の分割部により構成されていてもよい。例えば、パターンＰは、第一光量を有する第一光量部と、第一光量とは異なる第二光量を有する第二光量部とが配置されることで構成されてもよい。
また、矩形パターンＲ_ｘｙの色がそれぞれ異なっていてもよい。例えば赤色部と青色部とを配置することでパターンＰが構成されてもよく、３色以上の分割部を配置してパターンＰを構成してもよい。
さらに、上記実施形態のように、パターンＰが明部と暗部とのいずれかにより構成され、かつ、明部が、第一光量部と第二光量部とを含む構成としてもよく、明部が、赤色部と青色部とを含む構成としてもよい。

［変形例３］
上記実施形態では、複数の第一パターン組ＱＸにおいて、それぞれ明部及び暗部の並び順が異なり、複数の第二パターン組ＱＹにおいて、それぞれ明部及び暗部の並び順が異なる例を示したが、これに限定されない。例えば、隣り合う第一パターン組ＱＸで、明部及び暗部の配置順が異なり、隣り合う第二パターン組ＱＹで、明部及び暗部の配置順が異なるパターンであってもよい。例えば、明部及び暗部が千鳥格子状に配置される構成等が例示できる。

［変形例４］
上記実施形態のプローブヘッド１０では、光源部１１０から出射された光が、直接対象物Ｗに照射される例であるが、光源部１１０から照射された光の進行方向を揺動させてもよい。
図８は、変形例４に係る測定装置の概略構成を示す模式図である。
図８に示す測定装置１Ａでは、プローブヘッド１０Ａは、光源部１１０から出射したレーザー光（スポット光）をミラー１３１で反射させ、反射されたスポット光を走査部１３２に入射させる。走査部１３２は、例えば、ガルバノミラーであり、入射したスポット光の反射方向を所定の面内で振り、スポット光を揺動させる。
また、走査部１３２には、対象物Ｗで反射されたスポット光も入射され、走査部１３２により反射されたスポット光が結像レンズ１２１を介して撮像素子１２２に入射する。つまり、図８の例では、走査部１３２は、対象物Ｗに向かって照射されるスポット光の進行方向、及び、対象物Ｗで反射されたスポット光の反射方向を同期して変更する。
このような測定装置１Ａでは、所定面内でスポット光を揺動させることで、対象物Ｗの表面でスポット光を走査させることが可能となり、対象物Ｗの表面の広範囲の形状測定を効率よく実施することができる。

本発明は、対象物に対してスポット光を照射し、対象物に形成されたスポット光のパターンを撮像して、スポット光の照明中心を求める測定装置に利用することができる。

１…測定装置、１０…プローブヘッド、２０…移動機構、３０…制御部、３１…プローブ制御部、３２…プローブ位置検出部、３３…形状算出部、１１０…光源部、１１１…レーザー光源、１１２…平行化レンズ、１１３…回折光学素子、１２０…撮像部、１２１…結像レンズ、１２２…撮像素子、Ｉ…第一パターン線、Ｊ…第二パターン線、Ｋ１…第三パターン線、Ｋ２…第三パターン線、Ｐ…パターン、ＱＸ…第一パターン組、ＱＹ…第二パターン組、Ｒ_ｘｙ´…パターン小領域（撮像分割部）、Ｒ_ｘｙ…矩形パターン（分割部）、Ｗ…対象物。

Claims (5)

1. 対象物に対してスポット光を照射する光源部と、
   前記スポット光が照射された前記対象物を撮像する撮像部と、
   前記撮像部で撮像された撮像画像に基づいて前記対象物の形状を算出する形状算出部と、を備え、
   前記スポット光は、当該スポット光の進行方向に直交する第一方向と、前記進行方向及び前記第一方向に直交する第二方向とを含む光断面で、前記第一方向及び前記第二方向に沿って光量が異なる複数の分割部が並ぶパターンを有し、
   前記形状算出部は、前記撮像画像の前記分割部に対応する撮像分割部の配置位置を解析して、前記スポット光の照明中心を算出する
   ことを特徴とする測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置において、
   前記スポット光は、前記分割部として、光が照射される複数の明部と、前記光が照射されない複数の暗部とを含む
   ことを特徴とする測定装置。
3. 請求項２に記載の測定装置において、
   前記第一方向に沿って並ぶ前記分割部を第一パターン組とし、前記第二方向に沿って並ぶ前記分割部を第二パターン組とした際に、
   前記第二方向に並ぶ複数の前記第一パターン組に含まれる前記明部及び前記暗部の配置順は、前記第一パターン組毎にそれぞれ異なり、
   前記第一方向に並ぶ複数の前記第二パターン組に含まれる前記明部及び前記暗部の配置順は、前記第二パターン組毎にそれぞれ異なる
   ことを特徴とする測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の測定装置において、
   前記形状算出部は、前記撮像画像の各前記撮像分割部の光量のピーク位置を結ぶ複数の線により、前記対象物の前記スポット光が照射された照射領域の外形を判定し、前記照射領域の重心を前記スポット光の照明中心として算出する
   ことを特徴とする測定装置。
5. 対象物に対してスポット光を照射する光源部と、前記スポット光が照射された前記対象物を撮像する撮像部と、を備えた測定装置を用いて前記対象物の形状を測定する測定方法であって、
   前記光源部から前記スポット光を照射する照射工程、
   前記撮像部により前記対象物を撮像し、撮像画像に基づいて前記対象物の形状を算出する形状算出工程と、を含み、
   前記照射工程では、前記スポット光の進行方向に直交する第一方向、及び前記進行方向及び前記第一方向に直交する第二方向を含む光断面内で、前記第一方向及び前記第二方向に沿って光量が異なる複数の分割部が並ぶパターンを有する前記スポット光を照射し、
   前記形状算出工程は、前記撮像画像の前記分割部に対応する撮像分割部の配置位置を解析して、前記スポット光の照明中心を算出する
   ことを特徴とする測定方法。

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