JP5278808B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ等の撮像装置で被検物を撮像して得られた画像から被検物の輪郭形状等を測定する非接触式の三次元形状測定装置に関する。

被検物の三次元形状を非接触で測定する方法として、被検物にスリット光を照射して被検物の断面形状に対応して形成される光切断線から被検物の三次元形状を測定する光切断法や（例えば、特許文献１を参照）、被検物との光学的距離を変化させて検出した複数の画像の合焦情報から被検物の三次元形状を測定するレンズ焦点法（Ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ法）などが知られている。

このような非接触式の三次元形状測定装置においては、光照射方式を用いた撮像装置を搭載する測定ヘッドと被検物を保持する支持装置とが互いに直交する３軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に相対移動可能、且つ、所定の回転軸（水平回転軸θ、チルト回転軸φなど）回りに相対回転可能に構成されており、自動計測のための測定ポイントのティーチングなどの際には、ジョイスティック等の操作装置を用いて各軸の独立した移動操作を行うことで、測定ヘッドを被検物に対して所望の位置に相対移動させ両者の位置合わせを行っている。

特開平５−２７２９２７号公報

ところで、このような三次元形状測定装置において測定ヘッドと被検物との位置決めを行う場合には、まず、ジョイスティックを用いて測定ヘッドと被検物とをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対移動させ、測定ヘッドと被検物の観察位置とがおおよそ合うように操作する。そして、被検物の観察部位に対して測定ヘッドの向きが最適になるように両者を所定の回転軸θ，φ回りに相対回転させる。このとき、両者の相対回転移動に伴って、それまで被検物の観察位置に位置決めされていた測定ヘッドの位置が位置ずれを起こすことになる。そのため、再度、測定ヘッドと被検物とを直交軸方向に相対移動させ、測定ヘッドと被検物の観察位置との位置合わせを行う必要がある。さらに、その位置において、観察位置に対して測定ヘッドの向きが最適になるように、再び回転軸θ，φまわりに相対回転移動させると、両者の位置がずれてしまい、このような操作の繰り返しが続いていくおそれがある。以上のように、従前では、撮像装置（測定ヘッド）と被検物との位置合わせをする操作が煩雑となる結果、このような三次元形状測定装置を用いた計測において測定時間が長くなる問題を有していた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、非接触式の三次元形状測定において、撮像装置と被検物との位置合わせ作業を簡単に行うことが可能な構成の三次元形状測定装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る三次元形状測定装置は、被検物が載置される支持装置と、支持装置上に載置された被検物を照明し被検物からの光を受光して被検物を撮像する撮像装置と、撮像装置により撮像された被検物の画像に基づき被検物測定する測定処理部と、支持装置および撮像装置を互いに直交する３軸回りの相対回転移動と３軸方向の相対平進移動とのうちの少なくとも３つの相対移動を可能に支持する移動機構と、支持装置および撮像装置を相対移動させる制御を行う作動制御装置とを有して構成される三次元形状測定装置であって、作動制御装置は、撮像装置による被検物上の撮像部位を走査するために撮像装置および支持装置の相対移動制御を行う第１の作動制御モードと、撮像装置が撮像部位を撮像可能な状態を維持して撮像装置および支持装置の相対移動制御を行う第２の作動制御モードとを有している。

また、上述の発明において、移動機構の作動を作動制御装置を介して操作する操作装置を更に備え、作動制御装置は、操作装置からの操作信号に基づき、第１もしくは第２作動制御モードによる相対移動の制御を行うように構成されることが好ましい。

さらに、上述の発明において、作動制御装置は、第２の作動制御モードにおいて、撮像装置と被検物の観察位置との間の距離であるワークディスタンスを一定に維持した状態を保ちつつ相対移動の制御を行うように構成されることが好ましい。

また、上述の発明において、移動機構が、撮像装置を３軸方向に並進移動可能に支持する並進移動機構と、支持装置を３軸のうちの少なくとも２軸回りに回転移動可能に支持する回転移動機構とから構成されることが好ましい。

なお、上述の発明において、移動機構を、撮像装置を３軸方向の並進移動可能に支持する並進移動機構と、撮像装置を３軸のうちの所定の軸回りに回転移動可能に支持するとともに、所定の軸に直交する平面内に延びて所定の軸回りの回転に伴って平面内で回転変位する回転軸を中心として回転移動可能に支持する回転移動機構とから構成してもよい。

本発明では、撮像装置と被検物との位置合わせ作業を簡単に行うことが可能になるため、三次元形状測定装置による被検物の測定条件だし時間を短縮することができる。

本発明の第１実施形態に係る三次元形状測定装置の相対移動制御を説明する概略図である。 第１実施形態の光プローブと被検物とのＸ軸回りの相対移動制御を説明するための概略図である。 第１実施形態の光プローブと被検物とのＸ軸回りの相対移動制御において、光プローブの追従移動量を説明するための概略図である。 第１実施形態の光プローブと被検物とのＺ軸回りの相対移動制御を説明するための概略図である。 第１実施形態の光プローブの視点位置の調整を説明するための概略図である。 第１実施形態の三次元形状測定装置の概略構成を示す模式図である。 第１実施形態の三次元形状測定装置のブロック図である。 第１実施形態のジョイスティックを示す斜視図である。 第１実施形態の三次元形状測定装置においてモード切換を示すフローチャートである。 第２実施形態の三次元形状測定装置の概略構成を示す模式図である。 第２実施形態の三次元形状測定装置のブロック図である。 第２実施形態のジョイスティックを示す斜視図である。 第２実施形態の三次元形状測定装置において視点固定モードでの光プローブの追従移動を説明するための概略図である。 第２実施形態の光プローブの視点位置の調整を説明するための概略図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る三次元形状測定装置における支持装置により支持された被検物３と、測定ヘッド１３との相対移動制御の概要を説明する。被検物３の一例として図１に示す略直方体形状の部材があり、その被検物３の表面を測定ヘッド１３（光プローブ２０）で撮像して得られた画像から被検物３の三次元形状を測定するように構成された形状測定装置の作動原理を図１を用いて説明する。

この形状測定装置は、被検物３を支持する支持装置３０（図２を参照）を有し、この支持装置３０は、上下方向に延びる軸Ｚを中心として回転自在（矢印Ａで示す回転）に被検物３を支持し、この状態で軸Ｚ上の点Ｏ１を通り軸Ｚと直交して水平（左右）に延びる軸Ｘを中心として被検物３が回転自在（矢印Ｂで示す方向）となるように支持するように構成されている。このように支持装置３０により支持された被検物３の上方に、測定ヘッド１３に搭載される光プローブ２０がＸ軸方向に沿って左右に移動（矢印Ｄ（Ｘ）で示す移動）可能で、且つＺ軸方向に沿って上下に移動（矢印Ｄ（Ｚ）で示す移動）可能、さらに、これらＸ軸およびＺ軸に直交して延びるＹ軸に沿って前後に移動（矢印Ｄ（Ｙ）で示す移動）可能になって配設されている。なお、光プローブ２０は被検物３に対して光を照射する照明光学系と、この被検物３からの光を撮像面に結像する撮像光学系と、ＣＣＤ等の固体撮像素子からなる撮像面とを有し、制御ユニットによりこれらを制御して、被検物３の表面の形状計測を行うようになっている。

このような光プローブ２０のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動、および支持装置３０による被検物３のＸ，Ｚ軸回りの回転移動は、操作装置であるジョイスティック４３（図８を参照）を操作することで行われるようになっている。ジョイスティック４３には、光プローブ２０のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動を操作するための操作レバー４５や、支持装置３０のＸ，Ｚ軸回りの回転移動を操作するための複数のジョグダイアル４６，４７が設けられており、操作レバー４５を傾倒もしくは回動することで光プローブ２０のＸ，Ｙ，Ｚ軸移動を可能にし、各ジョグダイアル４６，４７を回動させることで被検物３のＸ，Ｚ軸回りの回転移動を可能にする。なお、このジョイスティック４３の操作によって移動する光プローブ２０の位置および支持装置の位置（回転位置）は、三次元形状測定装置を統括的に制御する制御ユニットによって検出される。

このように支持装置３０により支持された被検物３の表面を撮像して所望の計測を行うには、光プローブ２０の先端部と被検物３の観察位置との間の距離が所定のワークディスタンスＷＤとなるように光プローブ２０および被検物３を位置させて、光プローブ２０の先端部からその照射光の光軸上に沿ってワークディスタンスＷＤだけ隔てて位置する視点（観察点）を被検物３の観察対象点に一致させる必要がある。また、このとき、光プローブ２０からの光の照射方向が被検物３の観察対象面に対して計測に最適な向きとなるように向かせる必要がある。ここで、ワークディスタンスＷＤは、光プローブ２０の先端部（点Ｐ０）と被検物３との距離（光プローブ２０の撮像画像の焦点が合う距離）であり、撮像光学系の焦点距離等によって所定の値に定まるものである。

このとき、例えば、被検物３の表面における図示の点Ｐ１（観察対象点）に光プローブ２０より光を照射して撮像を行うには、光プローブ２０からの光の光軸上において光プローブ２０の先端部（点Ｐ０）から所定のワークディスタンスＷＤだけ離れた視点の位置を観察対象点Ｐ１に位置決めする必要がある。

このため、ジョイスティック４３の操作レバー４５を操作して、光プローブ２０をＸ軸方向に沿って左右移動させるとともにＹ軸方向に沿って前後移動させ、さらにＺ軸方向に沿って上下移動させる動作を組み合わせることで、光プローブ２０の先端部（点Ｐ０）と被検物３の観察対象点Ｐ１とがワークディスタンスＷＤだけ離れた位置に接近させ、光プローブ２０による視点を観察対象点Ｐ１に一致させる。

このとき被検物３の形状によっては、撮像光学系によって結像されるべき被検物３の一部が被検物３自身によって隠れてしまう所謂死角が生じる場合がある。このような場合には、光プローブ２０の観察光学系および照明光学系と被検物３の位置関係が最適となるように、被検物３に対する光プローブ２０の向きを調整するため、例えば、ジョイスティック４３のジョグダイアル４６，４７を操作して被検物３をＸ，Ｚ軸回りに回転させると、被検物３の観察対象点Ｐ１が光プローブ２０による視点からずれるように移動してしまうこととなる。このため、光プローブ２０の視点を観察対象点に再び合わせるためには、ジョイスティック４３の操作レバー４５を操作して、光プローブ２０をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させて位置合わせを行う必要がある。さらに、この状態から被検物３に対する光プローブ２０の向きを微調整するため被検物３をＸ，Ｚ軸回りに回転させると、観察対象点と視点とがずれることとなり、観察対象点に視点の位置を合わせる操作と、被検物３に対する光プローブ２０の向きを合わせる操作とが繰り返し行われる結果となってしまう。

そこで、本実施形態に係る三次元形状測定装置では、光プローブ２０と被検物３との相対移動制御において２つの作動制御モードを有している。第１のモードは、上記のようにジョイスティック４３の操作に応じて、単に光プローブ２０と被検物３とをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対移動、およびＸ，Ｚ軸回りに相対回転させる制御を行う（以降の説明では、この第１のモードを「通常動作モード」と称する）。

一方、第２のモードでは、通常動作モードによるジョイスティック操作とは意味づけを変更し、光プローブ２０のワークディスタンスＷＤおよび測定ベクトル（光プローブから視点への向きであり、本実施形態では常に鉛直下向き）より視点の位置を決定し、ジョイスティック４３による光プローブ２０と被検物３との相対回転移動に伴って変化する視点を常に撮像面上で動かない（固定される）ように、光プローブ２０と被検物３との相対移動（Ｘ，Ｙ，Ｚ移動）が制御されるようになっている（以降の説明では、この第２のモードを「視点固定モード」と称する）。

例えば、図２に示すように、光プローブ２０の視点が被検物３の観察対象点Ｐ１に合わせられた状態からジョイスティック４３のダイアル４７の操作が行われて被検物３がＸ軸回りに回転されると、この回転に伴ってそれまで視点とされていた被検物３上の点Ｐ１も点Ｐ２まで移動することになるが、この視点固定モードでは、この被検物３の回転移動に追従するように光プローブ２０の視点をＹ，Ｚ軸方向に移動させて当該視点が点Ｐ２に一致するように被検物３の姿勢が制御される。

具体的には、図３に示すように、まず光プローブ２０の視点の位置は、制御ユニットによって検出される光プローブ２０の先端部の位置（点Ｐ０）から測定ベクトルの向き（下方）にワークディスタンスＷＤだけ離れた位置（点Ｐ１）にあると決定される。ここで、点Ｐ０の座標を（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と表すと、点Ｐ１の座標は（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１−ＷＤ）と表すことができる。一方、被検物３をＸ軸回りに角度φ１から角度φ２までの角度Δφ（＝φ１−φ２）だけ回転させる場合、この回転角度Δφは制御ユニットにより検出され、角度φ１の大きさおよび回転半径Ｒは回転中心Ｏ１の座標と点Ｐ１の座標から算出され、角度φ２の大きさはφ１−Δφより算出される。よって、被検物３の回転移動に伴って光プローブ２０の視点を点Ｐ１から点Ｐ２に移動させるためには、光プローブ２０をＹ軸方向にＲｃｏｓφ２−Ｒｃｏｓφ１だけ変位させ、Ｚ軸方向にＲｓｉｎφ１−Ｒｓｉｎφ２だけ変位させる移動制御（視点固定制御）が行われる。

なお、この移動制御では、光プローブ２０を点Ｐ１から点Ｐ２までＹ，Ｚ軸方向に各軸ごとに直線的に移動させても、Ｙ，Ｚ軸方向に同時２軸で直線移動または円弧移動させてもよい。また、前述の視点固定制御を極短い時間間隔で行うことで、撮像面で得られる像では常に観察対象点（目標点）が同じ位置に見えることになる。

同様に、図４に示すように、光プローブ２０の視点が被検物３の観察対象点Ｐ３に合わせられた状態からジョイスティック４３のジョグダイアル４６の回動操作が行われて被検物３がＺ軸回りに水平面内で回転されると、被検物３上でそれまで視点とされていた点３も点Ｐ４まで移動することになるが、視点固定モードでは、これに追従するように光プローブ２０の視点をＸ，Ｙ軸方向に移動させて当該視点が点Ｐ４に一致するように位置決めされる。この場合には、光プローブ２０をＺ軸方向の位置を保持しつつ、被検物３の回転移動量に応じてＸ，Ｙ軸方向に移動させればよい。このとき、光プローブ２０を点Ｐ３から点Ｐ４まで、Ｘ，Ｙ軸方向に各軸ごとに移動させても、Ｘ，Ｙ軸方向に同時２軸で直線移動または円弧移動させてもよい。

また、この視点固定モードにおいては、視点が観察対象点からずれて焦点が合っていないような場合には、図５に示すように、光プローブ２０による視点の位置を調整することが可能なように、操作レバー４５の操作量に応じて光プローブ２０による照射光の光軸方向（測定ベクトル）に沿って、すなわちＺ軸方向に沿って視点を上下移動させることができるようになっている。

このように視点固定モードによれば、視点を常に観察対象点に一致させた状態を保持しつつ、光プローブ２０と被検物３とを相対回転移動させることが可能になるため、測定のための位置合わせ作業を簡単にすることができる。

以上説明した作動原理に基づいて、被検物の形状測定を行うための具体的な三次元形状測定装置構成を図６および図７を参照して説明する。ここで、本実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を図６に示すとともに、三次元形状測定装置のブロック図を図７に示している。この三次元形状測定装置は、測定機本体１と、制御ユニット４０とを主体に構成されている。

測定機本体１は、図６に示すように、水平な基台２と、この基台２上に設けられ測定ヘッド１３を支持する門型構造体１０と、基台２上に設けられ被検物３を載置する支持装置３０とを主体に構成される。

門型構造体１０は、基台２上にＹ方向（紙面に垂直な方向でこれを前後方向とする）に延びて設けられたガイドレール（図示せず）上をＹ方向に移動自在に設けられた支柱１１，１１と、両支柱１１，１１の間で水平に延びるように架け渡された水平フレーム１２と、水平フレーム１２上をＸ方向（左右方向）に移動自在に設けられたキャリッジ（図示せず）に対してＺ方向（上下方向）に移動自在に設けられた測定ヘッド１３とを有して構成される。

門型構造体１０には、図７に示すように、入力される駆動信号に基づき測定ヘッド１３を３方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に電動で移動させるヘッド駆動部１４と、測定ヘッド１３の座標を検出し測定ヘッド１３の座標値を表す信号を出力するヘッド位置検出部１５とが設けられている。ヘッド駆動部１４は、支柱１１をＹ方向に駆動するＹ軸用モータ、キャリッジをＸ方向に駆動するＸ軸用モータ、測定ヘッド１３をＺ方向に駆動するＺ軸モータを有して構成される。ヘッド位置検出部１５は、測定ヘッド１３のＸ軸、Ｙ軸、および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、およびＺ軸用エンコーダを有して構成される。

支持装置３０は、被検物３を載置するステージ３１と、基台２上に設けられステージ３１を垂直（Ｚ軸方向）に延びる回転軸θを中心として水平面内で回転可能、且つ、水平（Ｘ軸方向）に延びる回転軸φを中心として回転（揺動）可能に支持する支持テーブル３２とを有して構成される。

支持装置３０には、図７に示すように、入力される駆動信号に基づきステージ３１を回転軸θ，φ回りに電動でそれぞれ回転駆動させるステージ駆動部３３と、ステージ３１の座標を検出し、ステージ座標値を表す信号を出力するステージ位置検出部３４とが設けられている。ステージ駆動部３３は、ステージ３１を回転軸θ，φ回りにそれぞれ回転駆動するロータリ軸モータおよびチルト軸モータを有して構成される。ステージ位置検出部３４は、ステージ３１の回転軸θ，φ回りの回転位置をそれぞれ検出するロータリ軸用エンコーダおよびチルト軸用エンコーダを有して構成される。

測定ヘッド１３は、光切断プローブ２０ａ、ＳＦＦプローブ２０ｂ、およびタッチプローブ２９の３つの測定プローブを有して構成される。各プローブ２０ａ，２０ｂ，２９はそれぞれ独立して制御可能であり、被検物３の形状の特性等に応じて適宜選択される。

光切断プローブ２０ａは、光切断方式により被検物の表面形状を求めるものであり、図７に示すように、被検物にシート状のスリット光を照射するスリット光照明部２１と、スリット光照明部２１の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置され、被検物の表面にその断面形状に対応して形成される光切断線を撮像するＣＣＤカメラ２２とを備えて構成される。光切断プローブ２０ａでは、スリット光照明部２１から被検物にスリット光を照射し、それにより被検物の表面に、その断面形状に対応して形成される光切断線をＣＣＤカメラ２２で撮像した画像を後述の画像処理部により画像処理し、これらスリット光照明部２１やＣＣＤカメラ２２等の位置関係を基に撮像された画像に対して、画素ごとに三角測量の原理を用いて幾何学的に計算することによってその位置データを求めて、被検物に照射されるスリット光（光切断プローブ２０ａ）を所定の方向に走査させることにより、被検物３の表面形状を求めることができる。なお、スリット光ではなく被検物３を一様に照明（例えば拡散照明）した状態では、ＣＣＤカメラ２２によって被検物３の撮像部位の状態を観察できる。

ＳＦＦプローブ２０ｂは、Ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ方式（以下、「ＳＦＦ方式」と称する）により被検物の表面形状を求めるものであり、図７に示すように、落射照明光学系２３の他に、被検物からの光を結像する結像光学系２４と、この結像光学系２４により結像された被検物の像を検出し（すなわち、被検物の一部分を撮像し）、検出した像の光強度分布に応じた信号を出力するＣＣＤカメラ２５とを備えて構成される。また、ＳＦＦプローブ２０ｂには、オートフォーカス機能が搭載されており、光プローブ２０ｂと被検物とのＺ軸方向の相対的な距離を変化させて、被検物３に対して自動で焦点を合わせることができる。ここで、ＳＦＦ方式の原理について簡単に説明すると、この方式は、落射照明光学系２３から被検物３に面状の所定のパターン光を照射し、ＳＦＦプローブ２０ｂと被検物とをＺ方向（焦点方向）に相対移動しながら被検物の画像を設定距離ごとにＣＣＤカメラ２５で取得し、後述する画像処理部によって、得られた画像に対して空間フィルタ（微分演算）をかけ各画素毎に合焦測度を求めて被検物表面の形状情報を得る手法である。このように光プローブ２０ｂと被検物との位置関係を変化させて被検物に対して求めた各画素毎の合焦測度（コントラスト）が最大となる位置、すなわち合焦位置を算出することで被検物の表面形状を求めることができる。

タッチプローブ２９は、このタッチプローブ２９が被検物に接触したときの測定座標値と測定方向（タッチプローブ２９の移動方向）とに基づいて被検物の表面形状を計測するものであり、上記光切断プローブ２０ａおよびＳＦＦプローブ２０ｂによる画像計測では計測困難な被検物に対して用いられる。

なお、以降の説明においては、タッチプローブ２９についての説明は省略し、さらに、測定ヘッド１３の光切断プローブ２０ａもしくはＳＦＦプローブ２０ｂのいずれかを用いる場合には、上記の作動原理でも説明したように、これらを総称して単に「光プローブ２０」と称して説明する。

制御ユニット４０は、図７に示すように、位置検出部１５，３４からの電気信号が入力される座標検出部５１と、光切断プローブ２０ａおよびＳＦＦプローブ２０ｂ（ＣＣＤカメラ２２，２５）からの電気信号が入力される画像処理部５２と、駆動部１４，３３の制御や光プローブ２０の光学系の倍率や照明光量等を制御する駆動制御部５３と、測定条件テーブル５４と、測定手順の教示、記憶、再現等のティーチング機能を有するティーチング処理部５５と、測定データテーブル５６と、測定データを出力するデータ出力部５７とを備えている。この制御ユニット４０は、図６に示すように、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等を有するコンピュータ４１と、各種指示情報を入力するキーボードなどの入力装置４２と、測定ヘッド１３やステージ３１の移動を操作するジョイスティック４３と、計測画面、指示画面、計測結果等を表示するモニタ４４とを備えたコンピュータシステムで構成されている。

座標検出部５１は、ヘッド位置検出部１５およびステージ位置検出部３４から出力される座標信号によって、各プローブ２０ａ，２０ｂおよびステージ３１の位置、すなわち水平方向における観察位置（光軸中心位置）と上下方向における観察位置（合焦位置等）とを検出するとともに、各プローブ２０ａ，２０ｂとステージ３１との相対的な移動経路、移動速度などを検出する。

画像処理部５２は、光プローブ２０のＣＣＤカメラ２２，２５の各画素から出力される電気信号を画像処理し、検出した被検物３の像をモニタ４４の画面上に画像として表示させるための画像信号をデータ出力部５７を介してモニタ４４に出力するように構成されている。また、画像処理部５２は、前述した方式（光切断方式、ＳＦＦ方式）によってＣＣＤカメラ２２，２５から出力される電気信号を画像処理して得た画像情報と、当該撮像取得が行われるときに座標検出部５１から得た光プローブ２０およびステージ３１の座標値とに基づき各測定ポイントの座標値を演算し、その演算結果を測定データテーブル５６へ順次出力するように構成されている。

駆動制御部５３は、ジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、または、ティーチング処理部５５からの指令信号に基づいて、ヘッド駆動部１４およびステージ駆動部３３に駆動信号を出力して、測定ヘッド１３（光プローブ２０）およびステージ３１の駆動制御を行う。

ジョイスティック４３内には、図８に示すように、測定ヘッド１３のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動操作を行うための操作レバー４５と、ステージ３１の回転軸θ，φ回りの各回転操作を行うためのジョグダイアル４６，４７と、測定ヘッド１３およびステージ３１の相対移動制御をモード切り換え可能な視点固定スイッチ４９とが設けられている。

操作レバー４５は自動復帰位置を中立位置として前方、後方、左方、および右方へ傾動操作することが可能であるとともに、その軸回りに回動操作をすることが可能である。また、ジョグダイアル４６，４７は、その軸回りにそれぞれ回動操作することが可能である。視点固定スイッチ４９は、上記作動原理でも説明した第１のモードである通常動作モードと、第２のモードである視点固定モードとを有し、この視点固定スイッチ４９をオン・オフ操作することで、これら２つのモードのうちいずれかを選択可能に構成されている。

駆動制御部５３は、ジョイスティック４３の視点固定スイッチ４９がオン・オフ操作されることで、ジョイスティック４３のレバー操作およびダイアル操作に対して上記２つのモードを相互に切り換えてヘッド駆動部１４およびステージ駆動部３３の駆動制御を行う。

駆動制御部５３は、視点固定スイッチ４９がオフのときは、ジョイスティック４３の操作信号に対して通常動作モードによる駆動制御を行う。すなわち、操作レバー４５を中立位置から左右方向に傾倒操作したときには測定ヘッド１３がＸ軸方向に駆動され、中立位置から前後方向に傾倒操作したときに測定ヘッド１３がＹ軸方向に駆動される。また、操作レバー４５を回動操作したときは測定ヘッド１３がＺ軸方向に駆動される。一方、ジョグダイアル４６を回動操作するとステージ３１が回転軸θ回りに回転され、ジョグダイアル４７を回動操作するとステージ３１が回転軸φ回りにチルト回転される。

一方、視点固定スイッチ４９がオン操作されると、駆動制御部５３はジョイスティック操作の意味づけを変更し、ジョイスティック４３の操作信号に対して視点固定モードによる駆動制御を行う。この視点固定モードでは、操作レバー４５による前後方向および左右方向の傾倒操作（Ｘ，Ｙ操作）を無効にして（無視して）、操作レバー４５の回動操作、およびジョグダイアル４６，４７の回動操作のみを有効に扱う。ここで、ジョグダイアル４６，４７を回動操作したときは、この操作量に応じてステージ３１を回転軸θ，φ回りに回転駆動させるとともに、光プローブ２０の視点をこのステージ回転移動に追従させるように目標位置および移動速度を算出して、この算出された速度で目標位置に到達するように測定ヘッド１３の駆動を制御する。

なお、図４でも示したような、回転軸θ回りの光プローブ２０（の視点）の追従移動は、スリット光の向きに対してプローブ走査方向が決められている光切断プローブ２０ａを利用した場合等に有効であり、光切断プローブ２０ａの走査方向に対して最適となるように被検物３の向きを変えることができる。

また、視点固定モードにおいて操作レバー４５を回動操作したときは、図５に示すように、光プローブ２０の測定ベクトルを一致させたまま視点の位置を調節するようにレバー操作量に応じた移動量および移動速度で光プローブ２０（測定ヘッド１３）をＺ軸方向に駆動制御する。

ここで、このように光プローブ２０の視点位置をマニュアル調整する場合は、光プローブ２０で撮像されモニタ４４で表示される被検物３の画像のコントラストが正確に合うように光プローブ２０と被検物３との相対位置を変化させて行われるが、この画像のコントラスト値を示すインジケータを設ける構成とすれば、インジケータを参照しながら操作することで、視点の位置合わせ精度が向上し、オペレータによるばらつきが解消される。このインジケータは、コントラスト値をグラフィックイメージによって画面に表示するグラフィックインジケータ等で構成されることが好ましい。

測定条件テーブル５４は、測定条件や測定手順等の所定のティーチングデータ、被検物の測定開始点（最初の測定ポイント）および測定終了点（最後の測定ポイント）等の座標値、測定開始位置での測定目標方向、各測定ポイントの間隔（例えば、一定間隔の測定ピッチ）を表すデータなどが予め入力装置４２などにより設定されて記憶されている。ここで、被検物３の測定開始点および測定終了点等の座標値は、入力装置４２による当該座標値のキー入力の他、予めジョイスティック４３の操作によって測定ヘッド１３およびステージ３１を相対移動させ、被検物３および光プローブ２０を所望の姿勢に位置決めして当該測定ポイントの座標値を取り込むことで行われる。なお、この測定開始点および測定終了点等の情報により測定データの取得範囲や、光プローブ２０と被検物３との相対移動経路などが決定される。

ティーチング処理部５５は、測定条件テーブル５４に登録されたティーチングデータ等に基づいて、登録されたデータ取得範囲に応じた移動経路にしたがって測定ヘッド１３およびステージ３１を移動させるべく駆動制御部５３を介して各駆動部１４，３３に移動指令を送信する。また、ティーチング処理部５５は、ティーチングデータ等に基づいて、駆動制御部５３に制御信号を出力して光プローブ２０の光学系の制御を行う。

測定データテーブル５６は、画像処理部５２から出力される各測定ポイントの座標値（三次元座標値）の点群データを格納するようになっている。

データ出力部５７は、測定終了後に測定データテーブル５６に格納された測定データ（全測定ポイントの座標値）等をモニタ４４に表示、またはプリンタ（図示せず）で印刷して出力するためのものである。

次に、このように構成された三次元形状測定装置において、通常動作モードから視点固定モードに変更する場合の作動について図９を追加参照して説明する。

まず、被検物３の測定において、通常動作モードによりジョイスティック４３の操作レバー４５を操作して光プローブ２０をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させ、光プローブ２０の視点を被検物３上の所望の観察位置に位置させた状態にした後、ジョイスティック４３の視点固定スイッチ４９をオン操作する（ステップＳ１０１）。視点固定スイッチ４９がオン操作されることで、ジョイスティック４３による光プローブ２０のＸ，Ｙ軸方向の移動操作が無効になって（ステップＳ１０２）、これより視点固定モードに移行される（Ｓ１０３）。

そして、視点固定スイッチ４９が再度操作されたか否かが判断され（ステップＳ１０４）、この状態でオフ操作によるスイッチ入力があれば、再び通常モードに戻される（ステップＳ１１４）。スイッチ入力が無ければこのまま視点固定モードが続行されて、ジョイスティック操作の意味づけが変更され、このジョイスティック４３における操作レバー４５またはジョグダイアル４６，４７の回動操作が行われることで光プローブ２０および被検物３の視点固定モードによる相対移動制御が行われる（ステップＳ１０５）。

視点固定モードにおいて、ジョイスティック４３のジョグダイアル４６が回動操作されたときは（ステップＳ１０６）、この操作量に応じた回転移動量でステージ３１が回転軸θ回りに回転駆動されるとともに、このステージ３１の回転駆動に伴って光プローブ２０の視点位置を追従させるように、光プローブ２０における回転軸θを中心として、この回転軸θから光プローブ２０の現在の視点位置までの距離を回転半径とした円弧状において、ステージ３１の回転移動量から視点の目標位置を算出する（Ｓ１０９）。

また、ジョグダイアル４７が回動操作されたときは（ステップＳ１０７）、この操作量に応じた回転移動量でステージ３１が回転軸φ回りに回転駆動されるとともに、このステージ３１の回転駆動に伴って光プローブ２０の視点位置を追従させるように、光プローブ２０における回転軸φを中心として、この回転軸φから光プローブ２０の現在の視点位置までの距離を回転半径とした円弧状において、ステージ３１の回転移動量から視点の目標位置を算出する（Ｓ１１０）。

そして、光プローブ２０の視点の現在位置および目標位置から、駆動制御部５３において光プローブ２０の追従移動におけるＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動速度が算出される（ステップＳ１１１）。

一方、ジョイスティック４３の操作レバー４５が回動操作されたときは（ステップＳ１０８）、この回動操作量から視点位置の調整のためのＺ軸方向の目標位置が算出されるとともに、光プローブ２０のＺ軸方向の移動速度が算出される（ステップＳ１１２）。

このようなジョイスティック４３の操作に基づいて、駆動制御部５３がヘッド駆動部１４およびステージ駆動部３３に駆動信号を出力して（各軸の移動量および移動速度を指令して）、測定ヘッド１３およびステージ３１を動作させる（ステップＳ１１３）。これにより、視点固定モードによる測定ヘッド１３とステージ３１との相対移動制御が行われる。

引き続き、以上のような構成の三次元形状測定装置を用いて、被検物３の三次元形状を自動測定する場合の手順について説明する。

まず、ジョイスティック４３の視点固定スイッチ４９を操作して通常動作モードもしくは視点固定モードに適宜切り換えて、ジョイスティック４３のレバー操作やダイアル操作によりステージ３１上に載置された被検物３に対して光プローブ２１の視点を所望の測定開始点（最初の測定目標点）に位置決めするとともに、被検物３に対して光プローブ２０を最適な向きに向かせる。そして、光プローブ２０によりこの測定開始点における画像を取得して制御ユニット４０の画像処理部５２によって処理された画像情報（エッジ座標値など）と、座標検出部５１により出力される光プローブ２０およびステージ３１の座標値とに基づいて測定開始点の座標値が演算されて、この座標値が測定条件テーブル５４に取り込まれて登録される。

同様に、ジョイスティック４３を操作してモードを適宜切り換えつつ光プローブ２０およびステージ３１を相対移動させ、光プローブ２０の視点を次の測定目標点（経過点）や測定終了点（最後の測定目標点）に位置決めするとともに、被検物３に対する光プローブ２０の向きを測定に最適な向きに合わせ、この測定ポイントの座標検出を行っていくことで、当該座標値が測定条件テーブル５４に次々と登録され、測定データの取得範囲が決定される。

このように測定条件テーブル５４にデータ取得範囲が設定され、さらに、入力装置４２から測定条件テーブル５４に測定ピッチ等が設定されると、ティーチング処理部５５において測定ポイントと測定データを取得する順番が決定される。すなわち、測定データを取得する順番は、測定開始点から測定終了点に向けて光プローブ２０およびステージ３１が測定ピッチずつ相対移動されるようにして測定データが取得されるような順番になっている。

ティーチング処理部５５は、測定条件テーブル５４に取り込まれた測定目標点の座標値や、予め測定条件テーブル５４に設定された測定ピッチ、測定目標方向等により定まるティーチングデータに基づき、光プローブ２０およびステージ３１の駆動制御をして、測定開始点から測定終了点までの測定経路に従って被検物３上の測定ポイントが順次変更されながら、各測定ポイントでの三次元座標（点群データ）が取得される。この点群データは測定データテーブル５６に格納されていく。

全ての測定ポイントの点群データが取得され測定終了が検出されると、データ出力部５７により、測定データテーブル５６に格納された点群データとともに、この点群データに基づく三次元形状がモニタ４４に表示される。

このように本実施形態の三次元形状測定装置では、光プローブ２０と被検物３との相対移動制御を、位置合わせの目的に応じて通常動作モードおよび視点固定モードの２つのモード制御で切り換えて行うことができるため、ジョイスティック操作による位置合わせを簡単に行うことが可能になるとともに、位置合わせ時の光プローブ２０および被検物３の移動回数が減少し、三次元形状測定装置による測定時間を短縮することが可能になる。

次に、三次元形状測定装置の第２実施形態について説明する。この実施形態においては、上述した第１実施形態の三次元形状測定装置に対して同一の構成要素は同一の符号を付して重複説明を省略し、第１実施形態との相違点を中心に説明する。ここで、第２実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を図１０に示すとともに、この三次元形状測定装置のブロック図を図１１に示している。

この第２実施形態の三次元形状測定装置は、図１０に示すように、測定機本体１０１と、制御ユニット１４０とを主体に構成されている。測定機本体１０１は、取付治具１０４等を介して被検物１０３を支持する水平な基台１０２と、この基台１０２上に設けられ光プローブ１２０を着脱自在に支持する門型構造体１１０とを主体に構成される。

門型構造体１１０は、基台１０２上にＹ方向（紙面に垂直な方向でこれを前後方向とする）に延びて設けられたガイドレール（図示せず）上をＹ方向に移動自在に設けられた支柱１１１，１１１と、両支柱１１１，１１１の間で水平に延びるように架け渡された水平フレーム１１２と、水平フレーム１１２上をＸ方向（左右方向）に移動自在に設けられたキャリッジ（図示せず）に対してＺ方向（上下方向）に移動自在に設けられた測定ヘッド１１３とを有して構成されており、この測定ヘッド１１３の先端部（下端部）に光切断プローブやＳＦＦプローブ等の光プローブ１２０がクランプ機構（図示せず）により着脱自在に支持される。このように測定ヘッド１１３は、被検物１０３の形状の特性等に応じて適宜選択される光プローブ１２０が取り付けられるようになっており、図１０では、スリット光照明部２１およびＣＣＤカメラ２２を備えた光切断プローブが取り付けられた状態が図示されている。

また、図１３に示すように、測定ヘッド１１３には３軸の回動機構が設けられ、水平に延びる回転軸１１６（φ_１）を中心として回転自在（矢印Ｃで示す回転）に光プローブ１２０を支持するとともに、回転軸１１６に直交する方向に延びる回転軸１１７（φ_２）を中心として光プローブ１２０を回転自在（矢印Ｄで示す回転）に支持し、さらに、上下方向に延びるＺ軸に平行な回転軸１１８（θ）を中心として光プローブ１２０を水平面内で回転自在（矢印Ｅで示す回転）に支持する。

門型構造体１１０には、図１１に示すように、入力される駆動信号に基づき測定ヘッド１１３（光プローブ１２０）を３方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ方向）に電動で移動させるとともに、光プローブ１２０を回転軸１１６（φ_１），１１７（φ_２），１１８（θ）回りに電動で回転させるヘッド駆動部１１４と、測定ヘッド１１３のＸ，Ｙ，Ｚ座標および光プローブ１２０のθ，φ_１，φ_２座標を検出して、測定ヘッド１１３および光プローブ１２０の座標値を表す信号を出力するヘッド位置検出部１１５とが設けられている。ヘッド駆動部１１４は、支柱１１１をＹ方向に駆動するＹ軸用モータ、キャリッジをＸ方向に駆動するＸ軸用モータ、測定ヘッド１１３をＺ方向に駆動するＺ軸モータ、光プローブ１２０を回転軸θ，φ_１，φ_２回りに回転させる第１〜第３回転モータを有して構成される。ヘッド位置検出部１１５は、測定ヘッド１１３のＸ軸、Ｙ軸、および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、およびＺ軸用エンコーダや、光プローブ１２０の回転軸θ，φ_１，φ_２回りの回転位置を検出する第１〜第３ロータリエンコーダを有して構成される。

制御ユニット１４０は、図１１に示すように、ヘッド位置検出部１１５からの電気信号が入力される座標検出部１５１と、光プローブ１２０（ＣＣＤカメラ）からの電気信号が入力される画像処理部５２と、ヘッド駆動部１１４の制御や光プローブ１２０の光学系の倍率や照明光量等を制御する駆動制御部１５３と、測定条件テーブル５４と、測定手順の教示、記憶、再現等のティーチング機能を有するティーチング処理部５５と、測定データテーブル５６と、測定データを出力するデータ出力部５７とを備えている。

座標検出部１５１は、ヘッド位置検出部１１５から出力される座標信号によって、光プローブ１２０の位置（三次元座標値）や回転姿勢（回転角度）を検出するとともに、光プローブ１２０の移動経路、移動速度などを検出する。

駆動制御部１５３は、ジョイスティック１４３からの操作信号に基づいて、または、ティーチング処理部５５からの指令信号に基づいて、ヘッド駆動部１１４に駆動信号を出力して、測定ヘッド１１３の駆動制御を行う。

ジョイスティック１４３内には、図１２に示すように、測定ヘッド１１３のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動操作を行うための操作レバー４５と、光プローブ１２０の回転軸φ_１，φ_２，θ回りの各回転操作を行うためのジョグダイアル１４６，１４７，１４８と、測定ヘッド１１３の移動制御をモード切り換え可能な視点固定スイッチ４９とが設けられている。

駆動制御部１５３は、ジョイスティック１４３の視点固定スイッチ４９がオン・オフ操作されることで、ジョイスティック１４３のレバー操作およびダイアル操作に対して、通常動作モードと視点固定モードとの２つのモードを相互に切り換えてヘッド駆動部１１４の駆動制御を行う。

駆動制御部１５３は、視点固定スイッチ４９がオフのときは、ジョイスティック１４３の操作信号に対して通常動作モードによる駆動制御を行う。すなわち、操作レバー４５を中立位置から前後方向に傾倒操作したときには測定ヘッド１１３がＸ軸方向に駆動され、中立位置から左右方向に傾倒操作したときに測定ヘッド１１３がＹ軸方向に駆動される。また、操作レバー４５を回動操作したときは測定ヘッド１１３がＺ軸方向に駆動される。一方、ジョグダイアル１４６を回動操作すると光プローブ１２０が回転軸１１８（θ）回りに回転され、ジョグダイアル１４７を回動操作すると光プローブ１２０が回転軸１１６（φ_１）回りに回転され、さらに、ジョグダイアル１４８を回動操作すると光プローブ１２０が回転軸１１７（φ_２）回りに回転される。

一方、視点固定スイッチ４９がオン操作されると、駆動制御部１５３はジョイスティック操作の意味づけを変更し、ジョイスティック１４３の操作信号に対して視点固定モードによる駆動制御を行う。この視点固定モードでは、操作レバー４５による前後方向および左右方向の傾倒操作（Ｘ，Ｙ操作）を無効にして（無視して）、操作レバー４５の回動操作、およびジョグダイアル１４６，１４７，１４８の回動操作のみを有効に扱う。

この視点固定モードにおいて、光プローブ１２０の撮像（撮像光学系の光軸）方向がＺ軸と一致していればジョグダイアル１４６を回動操作したときは、光プローブ１２０の回転軸１１８回りの回転（水平面内での回転）に伴って視点の位置は変わらないため、この回転移動に伴う光プローブ１２０のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への追従移動の制御は行われない。なお、この回転移動は、光切断プローブを用いた場合に、照射されるシート光の向きを変えるときなどに行われる。

一方、ジョグダイアル１４７を回動操作したときは、図１３に示すように、その操作量に応じて光プローブ１２０を回転軸１１６（φ_１）回りに回転させるとともに、その視点の位置（点Ｐ５）が固定された上で、光プローブ１２０を、回転軸１１６に垂直な面内において当該視点を中心としワークディスタンスＷＤを半径とする円弧上に沿って揺動させる制御が行われる。これにより、光プローブ１２０の回転軸１１６回りの回転に伴って光プローブ１２０の視点がずれることなく、常に光プローブ１２０を被検物１０３の観察対象点Ｐ５に対して所定のワークディスタンスＷＤを隔てたまま、光プローブ１２０を被検物１０３に対して最適な向きに向かせることができる。

なお、ジョグダイアル１４８を回動操作して光プローブ１２０を回転軸１１７（φ_２）回りに回転させる場合にも、追従移動の制御は上記と同様であるため、その説明は省略する。すなわち、回転軸１１６および回転軸１１７は相互に直交する方向に延びるため、光プローブ１２０を回転軸１１８回りに９０度回転させる度に回転軸１１６と回転軸１１７とは交互に軸方向が一致する関係にあるからである。

一方、ジョイスティック１４３の操作レバー４５を回動操作すると、図１４に示すように、光プローブ１２０の測定ベクトルを一致させたまま視点位置を調整可能なように、光プローブ１２０を測定ベクトルに沿って、それまでの視点位置に対して接近または離隔する方向に移動するように駆動制御する。これにより、測定ベクトルを同一に維持したまま視点位置のみを調整することが可能になる。

このように第２実施形態の三次元形状測定装置においても、光プローブ１２０と被検物１０３との相対移動制御を、位置合わせの目的に応じて通常モードおよび視点固定モードの２つのモード制御で切り換えて行うことができるため、ジョイスティック操作による位置合わせを簡単に行うことが可能になるとともに、位置合わせ時の光プローブ１２０および被検物１０３の移動回数が減少し、三次元形状測定装置による測定時間を短縮することが可能になる。

なお、上述した実施形態では、測定ヘッドに搭載される光プローブを光切断方式およびＳＦＦ方式に適用した例について説明したが、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、共焦点方式やＳＦＤ（Ｓｈａｐｅ Ｆｒｏｍ Ｄｅｆｏｃｕｓ）方式等の他の方式の光プローブを用いて構成してもよい。また、撮像素子としてＣＭＯＳ等の１次元または２次元の固体撮像素子を用いることができる。

１ 測定機本体（第１実施形態）
３ 被検物
１４ ヘッド駆動部（移動機構、並進移動機構）
２０ 光プローブ（撮像装置）
３０ 支持装置
３３ ステージ駆動部（移動機構、回転移動機構）
４３ ジョイスティック（操作装置）
５２ 画像処理部（測定処理部）
５３ 駆動制御部（作動制御装置）
１０１ 測定機本体（第２実施形態）
１０２ 基台（支持装置）
１０３ 被検物
１１４ ヘッド駆動部（移動機構、並進移動機構、回転移動機構）
１２０ 光プローブ（撮像装置）
１４３ ジョイスティック（操作装置）
１５３ 駆動制御部（作動制御装置）
ＷＤ ワークディスタンス

Claims (5)

1. 被検物が載置される支持装置と、
   前記支持装置上に載置された前記被検物を照明し前記被検物からの光を受光して前記被検物を撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置により撮像された前記被検物の画像に基づき被検物測定する測定処理部と、
   前記支持装置および前記撮像装置を互いに直交する３軸回りの相対回転移動と前記３軸方向の相対平進移動とのうちの少なくとも３つの相対移動を可能に支持する移動機構と、
   前記支持装置および前記撮像装置を前記相対移動させる制御を行う作動制御装置とを有して構成される三次元形状測定装置であって、
   前記作動制御装置は、前記撮像装置による前記被検物上の撮像部位を走査するために前記撮像装置および前記支持装置の相対移動制御を行う第１の作動制御モードと、前記撮像装置が前記撮像部位を撮像可能な状態を維持して前記撮像装置および前記支持装置の相対移動制御を行う第２の作動制御モードとを有していることを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 前記移動機構の作動を前記作動制御装置を介して操作する操作装置を更に備え、
   前記作動制御装置は、前記操作装置からの操作信号に基づき、前記第１もしくは第２作動制御モードによる前記相対移動の制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記作動制御装置は、前記第２の作動制御モードにおいて、前記撮像装置と前記被検物の観察位置との間の距離であるワークディスタンスを一定に維持した状態を保ちつつ前記相対移動の制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記移動機構が、前記撮像装置を前記３軸方向に並進移動可能に支持する並進移動機構と、前記支持装置を前記３軸のうちの少なくとも２軸回りに回転移動可能に支持する回転移動機構とから構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状測定装置。
5. 前記移動機構が、前記撮像装置を前記３軸方向の並進移動可能に支持する並進移動機構と、前記撮像装置を前記３軸のうちの所定の軸回りに回転移動可能に支持するとともに、前記所定の軸に直交する平面内に延びて前記所定の軸回りの回転に伴って前記平面内で回転変位する回転軸を中心として回転移動可能に支持する回転移動機構とから構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状測定装置。

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