JP5477718B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の３次元形状を測定する形状測定装置に関する。

従来から、被測定物の３次元形状を測定する方法として、レーザレンジファインダを用いる方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この方法は、レーザ光を被測定物の表面に照射して照射方向とは異なる方向から被測定物を観察し、三角測量の原理によりレーザ光が当たっている被測定物の３次元形状を求めるものである。また、この方法では、レーザ光を被測定物上で走査することにより被測定物全体の３次元形状を求めることができる。

特開２００３−３４４０４５号公報

さらに、シート状の光を測定対象物の表面にスキャン照射して、２次元撮像素子により照射方向とは異なる方向から測定対象物に現れたライン光を撮像し、三角測量の原理から測定対象物の３次元形状を測定する方法も知られている。しかしながら、スキャン照射を行う場合、外部から測定装置に振動が加わると、シート状の光が所定の照射角度から外れてしまい、測定した３次元形状に誤差が生じてしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、振動の影響による３次元形状の測定誤差を低減した形状測定装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る形状測定装置は、被測定物をライン光で照明する照明部と、前記照明部に照明された前記被測定物を撮像する撮像部と、前記照明部と前記被測定物とを相対移動させる相対移動部と、前記照明の状態と前記撮像の状態から前記被測定物の形状を測定する測定部と、前記照明部の移動量を検出する振れ検出部と、前記振れ検出部により取得された移動量と前記相対移動部による前記照明部の移動量とに基づいて前記測定の補正を行う補正部とを備えて構成される。

なお、上述の発明において、前記振れ検出部は、前記照明部に作用する角速度または加速度を所定時間分積算することにより前記移動量を取得することが好ましい。

また、上述の発明において、前記測定部は、前記撮像部により撮像された前記被測定物上における前記照明の位置情報から前記被測定物の形状を測定し、前記補正部は、前記振れ検出部により検出された移動量から前記相対移動部による前記照明部および前記撮像部からなるプローブ部の移動量により補正して前記照明の位置情報を補正することが好ましい。またこのとき、前記補正部は、前記振れ検出部により検出された移動量から前記相対移動部による前記プローブ部の移動量を補正した量の大きさに応じて、前記照明の位置情報を補正するか否かを判定することが好ましい。

また、上述の発明において、前記振れ検出部は、前記移動量として振れ角度を検出可能であり、前記補正部は、前記振れ角度と前記照明部から前記被測定物までの距離とに基づいて前記測定の補正を行うことが好ましい。

本発明によれば、測定装置に振動が加わっても、３次元形状の測定誤差を低減することができる。

形状測定装置の全体図である。 形状測定装置の制御ブロック図である。 第１実施形態の取付部およびプローブの拡大図である。 照明部および撮像部の概略図である。 第１実施形態の形状測定装置を用いた３次元形状測定の手順を示すフローチャートである。 第１実施形態の形状測定装置における変形例を示す図である。 第２実施形態の形状測定装置を用いた３次元形状測定の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態の取付部およびプローブの拡大図である。 回転補正機構の拡大図である。 第３実施形態の形状測定装置を用いた３次元形状測定の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態の形状測定装置を用いた３次元形状測定の手順を示す第１のフローチャートである。 第４実施形態の形状測定装置を用いた３次元形状測定の手順を示す第２のフローチャートである。 第４実施形態の形状測定装置を用いた３次元形状測定の手順を示す第３のフローチャートである。 第４実施形態の形状測定装置を用いた３次元形状測定の手順を示す第４のフローチャートである。 第３実施形態および第４実施形態における照明部の変形例を示す概略図である。 照明部の変形例における照明補正の一例を示す模式図である。 シャインプルーフの条件を満足した光学系の一例を示す図である。

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。第１実施形態の形状測定装置を図１に示しており、この形状測定装置１は、被測定物５を支持するステージ６と、ステージ６上に載置された被測定物５の形状を測定する形状測定部１０と、形状測定部１０から出力された角度情報および測定情報に基づいて被測定物５に関する形状情報を算出する制御部３０と、制御部３０により算出された形状情報を例えば３次元画像にして出力する表示部４０とを備えて構成される。なお、被測定物５がステージ６上に載置されていなくても、形状測定部１０の作動範囲内にあれば、被測定物５の形状を測定可能である。

形状測定部１０は、基台１１と、複数のアーム部１２ａ〜１２ｅおよび関節部（連結部）１３ａ〜１３ｆを有して基端部が基台１１に取り付けられた多関節構造の移動機構部１５と、移動機構部１５の先端部（先端アーム部１２ｅの先端部）に取付部１６を介して着脱可能に取り付けられたプローブ２０とを有して構成される。移動機構部１５は、基端側から順に、基端アーム部１２ａと、第１中間アーム部１２ｂと、第２中間アーム部１２ｃと、第３中間アーム部１２ｄと、先端アーム部１２ｅとを有し、各アーム部１２ａ〜１２ｅの端部にそれぞれ第１〜第６の関節部１３ａ〜１３ｆが設けられる。

第１の関節部１３ａは、基端アーム部１２ａの基端部と基台１１とを連結し、基端アーム部１２ａが基台１１に対し略鉛直方向に伸びる軸を回転軸として回転可能に構成される。第２の関節部１３ｂは、基端アーム部１２ａの先端部と第１中間アーム部１２ｂの基端部とを連結し、基端アーム部１２ａおよび第１中間アーム部１２ｂの一方に対して他方が揺動（回転）可能に構成される。第３の関節部１３ｃは、第１中間アーム部１２ｂの先端部と第２中間アーム部１２ｃの基端部とを連結し、第１中間アーム部１２ｂおよび第２中間アーム部１２ｃの一方に対して他方が揺動（回転）可能に構成される。

第４の関節部１３ｄは、第２中間アーム部１２ｃの先端部と第３中間アーム部１２ｄの基端部とを連結し、第２中間アーム部１２ｃおよび第３中間アーム部１２ｄの一方に対して他方が揺動（回転）可能に構成される。第５の関節部１３ｅは、第３中間アーム部１２ｄの先端部と先端アーム部１２ｅの基端部とを連結し、第３中間アーム部１２ｄおよび先端アーム部１２ｅの一方に対して他方が揺動（回転）可能に構成される。第６の関節部１３ｆは、先端アーム部１２ｅの先端部とプローブ２０の取付部１６とを連結し、取付部１６に取り付けられたプローブ２０が先端アーム部１２ｅに対して揺動（回転）可能に、且つ、先端アーム部１２ｅと平行に伸びる軸を回転軸として回転可能に構成される。なお、各中間アーム部および先端アーム部１２ｂ〜１２ｅが同一平面内（略鉛直面内）で揺動できるように、第２〜第５の関節部１３ｂ〜１３ｅは、その回転軸が互いに平行な略水平方向に伸びるようになっている。

第１〜第６の関節部１３ａ〜１３ｆの回転軸にはそれぞれ、各関節部１３ａ〜１３ｆの基端側に位置するアーム部もしくは基台１１と、各関節部１３ａ〜１３ｆの先端側に位置するアーム部もしくはプローブ２０とのなす角度を検出するため、各関節部１３ａ〜１３ｆの回転軸の回転量を計測するエンコーダ３１が取り付けられている。これらのエンコーダ３１による計測値（以下、「角度情報」と呼ぶ）は、図２に示すように、各エンコーダ３１から制御部３０へ出力される。また、第１〜第６の関節部１３ａ〜１３ｆにはそれぞれ、各関節部１３ａ〜１３ｆの基端側に位置するアーム部もしくは基台１１に対し先端側に位置するアーム部もしくはプローブ２０を揺動（回転）させて所定の位置で固定（ロック）するロック機構１４が設けられている。なお、これらのロック機構１４の作動制御は、制御部３０により行われる。

取付部１６は、プローブ２０をリニアモータ１７（図２を参照）により照明光（後述のライン光）の広がる方向と略垂直な方向へスライド移動可能に保持する。すなわち、取付部１６に取り付け保持されたプローブ２０のスライド移動方向がスキャン方向となるように構成される。なお、取付部１６に設けられたリニアモータ１７の作動制御は、制御部３０により行われる。また、リニアモータ１７にはエンコーダ（図示せず）が内蔵されており、このエンコーダによる計測値は、リニアモータ１７の作動に応じたプローブ２０の変位情報として、リニアモータ１７（エンコーダ）から制御部３０へ出力される。また、本実施形態において、プローブ２０のスライド移動方向（スキャン方向）をＸ方向、プローブ２０（照明部２１）の光軸方向およびＸ方向と垂直な方向をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向と垂直な方向をＺ方向とそれぞれ称することがある（図１を参照）。

プローブ２０は、図３に示すように、被測定物５を照明する照明部２１と、照明部２１に照明された被測定物５を撮像する撮像部２５と、外部からの振動の影響によるプローブ２０（すなわち、照明部２１および撮像部２５）の振れを検出する振れ検出部２８とを有して構成される。なお、振れ検出部２８は、Ｘ方向・Ｙ方向・Ｚ方向の振れを検出可能に構成されている。また、図１に示すように、プローブ２０の側部には、被測定物５に対する形状測定の開始および停止を制御部３０に指示するための操作が行われる測定スイッチ２９が設けられている。

照明部２１は、図４に示すように、ＬＥＤ等の光源２２と、照明パターンを形成するパターン形成部２３と、パターン形成部２３に形成された照明パターンを被測定物５に投影する投影レンズ２４とを有して構成される。パターン形成部２３は、液晶表示素子等から構成され、本実施形態では、断面がライン状の照明光（以下、ライン光と称する）が得られるように照明パターンを形成する。そのため、光源２２から射出された光は、パターン形成部２３を透過するとライン光になり、このライン光が投影レンズ２４によりステージ６上の被測定物５に照射（投影）される。

撮像部２５は、図４に示すように、被測定物５に照射されたライン光の像（以下、ライン像と称する）を結像させる撮像光学系２６と、撮像光学系２６により結像されたライン像を撮像する撮像素子２７とを有して構成される。撮像素子２７は、撮像面上に形成されたライン像を光電変換して画像信号を生成し、その画像情報を形状演算部３４に出力する。なお、撮像光学系２６の像面は、照射されるライン光の照射方向と共役な所謂シャインプルーフの条件を満たしている。そのため、被測定物５の高さによらず常にライン像をシャープに結像することができる。

振れ検出部２８は、図３に示すように、プローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の角速度を検出する角速度センサ２８ａと、プローブ２０の加速度を検出する加速度センサ２８ｂとを有し、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂにそれぞれ検出された角速度および加速度に基づいてプローブ２０の振れを検出する。ここで、プローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れとは、プローブ２０を一定速度（または一定角速度）でスライド移動（スキャン）させたときの目標位置（方向を含む）に対するプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）のずれ（位置ずれ及び方向ずれ）である。

本実施形態の形状測定装置１は、工場のライン等に設置可能な形状測定装置であり、形状測定装置１が防振台（図示せず）等の上に設置されていない場合がある。このような場合、ロック機構１４を作動させて各関節部１３ａ〜１３ｆを固定した状態でも、外部からの振動の影響により、被測定物５に対してプローブ２０がブレてしまうため、プローブ２０をスライド移動（スキャン）させたときに目標位置に対するプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の位置ずれ（振れ）が生じてしまう。また、各アーム部１２ａ〜１２ｅのたわみ等によっても、同様の位置ずれ（振れ）が生じてしまう。

振れ検出部２８は、このようなプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れを検出するものである。振れ検出部２８の角速度センサ２８ａは、Ｘ方向およびＹ方向に伸びる軸（以下、Ｘ回転軸およびＹ回転軸と称する）を回転軸としたプローブ２０の角速度をそれぞれ検出する。加速度センサ２８ｂは、プローブ２０のＸ方向およびＹ方向の加速度をそれぞれ検出する。なお、プローブ２０の振れには、プローブ２０の回転による振れと、プローブ２０の平行移動による振れが存在する。しかしながら、本実施形態のプローブ２０は、複数のアーム部１２ａ〜１２ｅを有した移動機構部１５の先端部（先端アーム部１２ｅの先端部）に取り付けられているため、プローブ２０の平行移動による振れは、プローブ２０の回転（揺動）による振れよりも微小であると考えられ、プローブ２０の振れをプローブ２０の回転による振れのみに近似することができる。ただし、移動機構部１５は多くの関節部を有するため平行リンク機構として作用する場合がある。すなわち、振れによって角速度は検出されないが加速度が検出される場合がある。この場合は、平行移動による振れ（平行な振れ）として処理がなされる。なお、平行移動による振れ（平行な振れ）は、回転中心が十分に遠くにあると考えれば回転（揺動）による振れと同様に処理することもできる。

そのため、図３に示すように、プローブ２０の回転速度（ベクトル）をＶとし、プローブ２０の角速度をωとし、プローブ２０の回転半径（ベクトル）をｒとしたとき、Ｖ＝ｒ×ωであるので、振れ検出部２８は、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂにそれぞれ検出された角速度ωおよび加速度ｄＶ／ｄｔを用いて、プローブ２０の回転半径ｒ（および回転中心）を求めることができる。このとき、回転速度Ｖは、加速度センサ２８ｂに検出された加速度ｄＶ／ｄｔに対し積分処理を行うことで求められ、ｒ＝Ｖ／（ω＋Ｃ）の関係式から回転半径ｒが求まる。ここで、Ｃは回転半径ｒが発散しないように設定された定数もしくは関数である。さらに、角速度センサ２８ａに検出された角速度ωに対し積分処理を行うことでプローブ２０の回転角度φを求めることができるので、振れ検出部２８は、求めたプローブ２０の回転半径ｒおよび回転角度φを用いて、プローブ２０の振れ量（＝ｒ×φ）を求めることができる。

なお、プローブ２０はスキャン時にＸ方向へ動くので、プローブ２０のＹ回転軸を回転軸とした角速度およびＸ方向の加速度を用いて求めた振れ量から、プローブ２０のスキャンによる影響を減算したものが、プローブ２０のＸ方向の振れ量となる。なお、スキャンによる影響には、スキャンによる平行移動が回転成分として角速度センサに検出される成分がある。この成分は、振動のない環境でスキャン動作を行い予め求めておくことができる。また、プローブ２０のスキャン方向はＸ方向であり、スキャン時にＹ方向へのスキャンによる移動はないはずなので、プローブ２０のＸ回転軸を回転軸とした角速度およびＹ方向の加速度を用いて求めた振れ量が、そのままプローブ２０のＹ方向の振れ量となる。

制御部３０は、図２に示すように、形状測定装置１による被測定物５の形状測定の処理を制御する処理部３２と、各エンコーダ３１から出力された角度情報およびリニアモータ１７から出力された変位情報（スキャン量）を用いてプローブ２０の空間座標および姿勢（測定空間内の予め決められた点を原点とする座標および姿勢であって、以下、「位置情報」と称する）を算出する位置演算部３３と、位置演算部３３から出力された位置情報および撮像素子２７から出力されたライン像（被測定物５に投影されたライン光の像）の画像情報を用いて、被測定物５の形状情報（３次元形状）を算出する形状演算部３４とを有して構成される。ここで、測定空間とは、形状測定装置１により、プローブ２０を移動させて被測定物５の空間座標を取得できる範囲（空間）を指している。

また、制御部３０は、例えばコンピュータで実現され、処理部３２、位置演算部３３、および形状演算部３４は、このコンピュータで実行されるプログラムとして実装される。なお、測定スイッチ２９からの出力（操作信号）は処理部３２に入力され、測定スイッチ２９の操作に応じたパターン形成部２３等の作動が処理部３２により制御される。また、形状演算部３４から出力された形状情報は、例えば、制御部３０に設けられた記憶部３６に記憶され、さらに、この形状情報は処理部３２で処理されて表示部４０に３次元画像として出力される。

各アーム部１２ａ〜１２ｅの長さ等の情報は既知であるため、制御部３０の位置演算部３３は、各エンコーダ３１から出力された角度情報に基づいて、各関節部１３ａ〜１３ｆの基端側に位置するアーム部もしくは基台１１と、各関節部１３ａ〜１３ｆの先端側に位置するアーム部もしくはプローブ２０とのなす角度を算出し、リニアモータ１７（エンコーダ）から出力された変位情報（スキャン量）を加味することで、プローブ２０の空間上の３次元座標（空間座標）を求めることができる。同様に、プローブ２０における照明部２１と撮像部２５との相対位置関係（相対座標）も既知であるため、形状演算部３４は、三角測量の原理に基づいて撮像部２５（撮像素子２７）で取得された画像情報（ライン像の画像位置情報）を処理することにより、撮像部２５で撮像できる範囲内にある被測定物５の３次元形状（ライン光が投影されている被測定物５の３次元形状（例えば、この範囲の離散的に表される測定空間内での座標群として表現される））を求めることができる。

なお、前述したように、プローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れが生じ得るため、形状演算部３４が被測定物５の形状情報を算出する際、振れ検出部２８に検出されたプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れに基づいて、当該プローブ２０の振れを打ち消すようにライン像の画像情報（画像位置情報）の補正を行う。このとき、例えば、画像上におけるライン像のＸ方向（またはＹ方向）座標値に対して、プローブ２０のＸ方向（またはＹ方向）の振れ量を打ち消すように演算する補正を行う。これにより、プローブ２０のＸ方向（またはＹ方向）の振れによる画像上でのライン像の位置ずれを補正することができる。このように、形状測定装置１に振動が加わっても、３次元形状の測定誤差を低減することが可能になる。

以上のように構成される形状測定装置１を用いた被測定物５の３次元形状測定について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、測定スイッチ２９に対して所定の測定開始操作（例えば、押し操作）が行われると、制御部３０における処理部３２の作動制御により、振れ検出部２８の角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動する（ステップＳ１０１）。次に、測定体制に移動するため、移動機構部１５は、ティーチング等により予め設定した所定の測定開始位置へプローブ２０を移動させる（ステップＳ１０２）。このとき、処理部３２の作動制御により、各関節部１３ａ〜１３ｆに設けられたロック機構１４がアーム部もしくはプローブ２０を揺動（回転）させて所定の測定開始位置で固定（ロック）する。

ここで、処理部３２は、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動してから所定のセンサ安定時間が経過したか否かを判定（ステップＳ１０３）し、当該センサ安定時間が経過してから、リニアモータ１７によりプローブ２０をスライド移動（スキャン）させて測定を開始する（ステップＳ１０４）。なお、センサ安定時間とは、角速度センサ２８ａまたは加速度センサ２８ｂを構成するジャイロ（図示せず）の振動が安定するのに要する時間である。

測定が開始されると、処理部３２の作動制御により、リニアモータ１７がプローブ２０をＸ方向へスライド移動（スキャン）させる。このとき、リニアモータ１７の作動に応じたプローブ２０の変位情報（スキャン量）がリニアモータ１７のエンコーダから制御部３０の位置演算部３３へ出力される。またこのとき、角速度センサ２８ａがプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の角速度を検出するとともに、加速度センサ２８ｂがプローブ２０の加速度を検出し、振れ検出部２８は、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂにそれぞれ検出された角速度および加速度に基づいて、前述のようにプローブ２０の振れを算出し、処理部３２へ出力する。なお、振れ検出部２８がプローブ２０の振れを検出する際、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂの長周期的な検出信号ずれ（いわゆるドリフト）によるノイズをカットするため、ハイパスフィルタ（図示せず）を用いるようにしてもよい。

振れ検出部２８がプローブ２０の振れを検出すると、処理部３２は、プローブ２０のＸ方向の振れ量（前述のように、角速度および加速度を用いて求められるＸ方向の振れ量からプローブ２０のスキャン量を減算したもの）が所定の閾値Ｔｈ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。なお、所定の閾値Ｔｈ１は、形状演算部３４による形状情報（３次元形状）の算出結果に影響を及ぼし始める程度のプローブ２０の振れ量である。判定がＮｏの場合、プローブ２０の振れが少ないため安定モードに移行し（ステップＳ１０６）、プローブ２０の振れに応じた補正を行わない通常の測定が行われる。一方、判定がＹｅｓの場合、撮像回数ＮをＮ＝１に設定する（ステップＳ１０７）。

撮像回数ＮをＮ＝１に設定すると、照明部２１によりライン光の照射を行う（ステップＳ１０８）。このとき、処理部３２の作動制御により光源２２が点灯し、光源２２から射出された光は、パターン形成部２３を透過してライン光になり、投影レンズ２４によりステージ６上の被測定物５に照射（投影）される。

被測定物５に照射されたライン光の像（ライン像）は、撮像光学系２６により撮像素子２７の撮像面上に結像される。そこで、撮像素子２７によりライン像を撮像する（ステップＳ１０９）。このとき、処理部３２の作動制御により、撮像素子２７は、撮像面上に形成されたライン像を光電変換して画像信号を生成し、その画像情報を形状演算部３４に出力する。なお、形状演算部３４は、被測定物５の形状情報を算出するために複数の画像情報を記録可能な測定テーブル（図示せず）を有しており、ライン像の画像情報とともに、位置演算部３３により算出された撮像時のプローブ２０の位置情報（目標位置）や、振れ検出部２８により検出された撮像時のプローブ２０の振れが当該測定テーブルに記録される（ステップＳ１１０）。

全撮像回数をＮｅとすると、処理部３２は、Ｎ＝Ｎｅか否かを判定する（ステップＳ１１１）。判定がＮｏの場合、Ｎ＝Ｎ＋１とし（ステップＳ１１２）、ステップＳ１０８へ戻る。すなわち、全ての撮像が終わるまで、ステップＳ１０８〜ステップＳ１１０が繰り返されることになる。一方、判定がＹｅｓの場合、形状演算部３４は、測定テーブル（図示せず）に記録されたライン像の画像情報および位置情報を用いて、被測定物５の形状情報（３次元形状）を算出し、処理を終了する。なお、前述したように、形状演算部３４が被測定物５の形状情報を算出する際、振れ検出部２８に検出されたプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れに基づいて、当該プローブ２０の意図しない振れによる影響を打ち消すようにライン像の画像情報（画像位置情報）の補正を行う。

このように、第１実施形態によれば、形状測定装置１に振動が加わっても、３次元形状の測定誤差を低減することができる。なお、第１実施形態では、プローブ２０の振れによる画像上でのライン像の位置ずれを補正することで、３次元形状の測定誤差をより低減することができる。

なお、上述の第１実施形態において、外部からの振動の影響によりプローブ２０にＸ方向の振れが生じると、図６に示すように、プローブ２０は被測定物５に対してＸ方向に振動しながらスキャンするため、プローブ２０に振れが生じない場合よりも撮像位置Ｐの密度が高くなる。そこで、複数の撮像位置Ｐのうち、プローブ２０の振れ量が所定量よりも大きくなる撮像位置Ｐでの画像情報を、測定対象から除外するようにしてもよい。これにより、形状演算部３４は、プローブ２０の振れが少ない画像情報を用いて形状情報を算出するため、３次元形状の測定誤差をより低減することができる。

また、上述の第１実施形態において、画像上におけるライン像のＸ方向（またはＹ方向）座標値に対して、プローブ２０のＸ方向（またはＹ方向）の意図しない振れ量の影響を打ち消すように演算する補正を行う例を示したが、これに限られるものではない。例えば、振れ検出部２８によりプローブ２０のＺ方向の振れを検出し、画像上におけるライン像のＸ方向座標値に対して、プローブ２０のＺ方向の振れ量を打ち消すように演算する補正を行うようにしてもよい。これにより、プローブ２０のＺ方向（被測定物５の高さ方向）の振れによる画像上でのライン像の位置ずれを補正することができ、３次元形状の測定誤差をより低減することができる。

ここで、第１実施形態においてライン像の画像情報（画像位置情報）の補正を行う例について、図１６および図１７を参照しながら説明する。まず、撮像素子２７（像面）上の座標と物体（物体面）上の座標との関係について述べる。なお、図１７に示すように、光軸Ｉを原点とする像面Ｓ３上の座標を（Ｈ，Ｖ）とし、光軸Ｉを原点とする物体面Ｓ１上の座標を（ｈ，ｖ）とする。前述したように、撮像光学系２６の像面はシャインプルーフの条件を満たしている。そのため、図１７に示すように、光軸Ｉ上の物体面Ｓ１の位置から主平面Ｓ２までの距離をａとし、主平面Ｓ２から光軸Ｉ上の像面Ｓ３の位置までの距離をｂとし、ｂ／ａ＝βとし、光軸Ｉと垂直な面に対する物体面Ｓ１の傾きをθとし、光軸Ｉと垂直な面に対する像面Ｓ３の傾きをθ´とすると、次の（１）式および（２）式で表される条件を満足する。

次に、照明ずれによる被測定物５上の座標変化について説明する。図１６に示すように、スキャン原点における照明部２１の光軸と撮像部２５の光軸との交点の座標をＡ（x0，y0，z0）とすると、シャインプルーフの条件を満足する物体面（図１６の例において、ＹＺ平面とする）上の座標を（h0，v0）としたとき、このときの被測定物５表面におけるライン光の座標はａ（x0，y0＋h0，z0＋v0）となる。プローブ２０がＸ方向へスキャン量Δｘだけスライド移動すると、照明部２１の光軸と撮像部２５の光軸との交点の座標はＢ（x0＋Δx，y0，z0）となる。さらに、物体面上の座標を（h1，v1）としたとき、このときの被測定物５表面におけるライン光の座標はｂ（x0＋Δx，y0＋h1，z0＋v1）となる。プローブ２０がＸ方向へスキャン量Δｘだけスライド移動したときに、プローブ２０の回転による振れが回転半径ｒで回転角度φだけ生じたとすると、照明部２１の光軸と撮像部２５の光軸との交点の座標はＣ（x0＋Δx−r×sinφ，y0，z0＋r×（1−cosφ））となる。さらに、物体面上の座標を（h2，v2）としたとき、このときの被測定物５表面におけるライン光の座標はｃ（x0＋Δx−r×sinφ，y0＋h2，z0＋r×（1−cosφ）＋v2×cosφ）となる。

そして、ライン像の画像位置情報の補正、すなわち、被測定物５表面に照射されたライン光の座標補正について説明する。撮像素子２７（像面）上で得られたライン像の座標を（Ｈ，Ｖ）とすると、前述したプローブ２０の振れ量が所定の閾値Ｔｈ１よりも大きい場合、ライン像の画像位置情報の補正を行い、上述の座標ｃを用いて、補正後の被測定物５表面におけるライン光の座標を（x0＋Δx−r×sinφ，y0＋h，z0＋r×（1−cosφ）＋v×cosφ）として求めることができる。一方、前述したプローブ２０の振れ量が所定の閾値Ｔｈ１以下の場合、ライン像の画像位置情報の補正を行わずに、上述の座標ｂを用いて、被測定物５表面におけるライン光の座標を（x0＋Δx，y0＋h，z0＋v）として求めることができる。

なお、物体面上の座標（h，v）は、ライン像の座標（Ｈ，Ｖ）から、上述の（１）式および（２）式を用いて求めることができる。ここで、（１）式および（２）式中のパラメータｂ，β，θ´は、光学系によって決まる値で既知である。また、回転半径ｒおよび回転角度φは、前述のように振れ検出部２８で求めることができる。また、スキャン量Δｘは、リニアモータ１７のエンコーダの出力から求めることができる。

次に、形状測定装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の形状測定装置は、制御部３０における一部の処理を除いて、第１実施形態の形状測定装置１と同様の構成であり、各部に第１実施形態の場合と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

そこで、第２実施形態の形状測定装置を用いた被測定物５の３次元形状測定について、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、測定スイッチ２９に対して所定の測定開始操作（例えば、押し操作）が行われると、制御部３０における処理部３２の作動制御により、振れ検出部２８の角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動する（ステップＳ２０１）。次に、測定体制に移動するため、移動機構部１５は、第１実施形態の場合と同様に、ティーチング等により予め設定した所定の測定開始位置へプローブ２０を移動させる（ステップＳ２０２）。

ここで、処理部３２は、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動してから所定のセンサ安定時間が経過したか否かを判定（ステップＳ２０３）し、第１実施形態の場合と同様に、当該センサ安定時間が経過してから、リニアモータ１７によりプローブ２０をスライド移動（スキャン）させて測定を開始する（ステップＳ２０４）。

測定を開始すると、第１実施形態の場合と同様に、処理部３２は、プローブ２０のＸ方向の振れ量（前述のように、角速度および加速度を用いて求められるＸ方向の振れ量からプローブ２０のスキャン量を減算したもの）が所定の閾値Ｔｈ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０５）。なお、所定の閾値Ｔｈ２は、形状演算部３４による形状情報（３次元形状）の算出結果に影響を及ぼし始める程度のプローブ２０の振れ量である。判定がＮｏの場合、プローブ２０の振れが少ないため安定モードに移行し（ステップＳ２０６）、プローブ２０の振れに応じた補正を行わない通常の測定が行われる。一方、判定がＹｅｓの場合、撮像回数ＮをＮ＝１に設定する（ステップＳ２０７）。

撮像回数ＮをＮ＝１に設定すると、処理部３２は、プローブ２０の（例えばＸ方向の）振れの周期を求め、プローブ２０の振れの位相がＮ×πのときに撮像素子２７がライン像を撮像するように制御を行う（ステップＳ２０８）。このとき、処理部３２の作動制御により光源２２が点灯し、光源２２から射出された光は、パターン形成部２３を透過してライン光になり、投影レンズ２４によりステージ６上の被測定物５に照射（投影）される。

被測定物５に照射されたライン光の像（ライン像）は、撮像光学系２６により撮像素子２７の撮像面上に結像されるので、処理部３２の作動制御により、プローブ２０の振れの位相がＮ×πのときに、撮像素子２７が撮像面上のライン像を撮像する（ステップＳ２０９）。このとき、第１実施形態の場合と同様に、撮像素子２７から出力されたライン像の画像情報は、位置演算部３３により算出された撮像時のプローブ２０の位置情報（目標位置）や、振れ検出部２８により検出された撮像時のプローブ２０の振れとともに、形状演算部３４の測定テーブル（図示せず）に記録される（ステップＳ２１０）。

全撮像回数をＮｅとすると、処理部３２は、Ｎ＝Ｎｅか否かを判定する（ステップＳ２１１）。判定がＮｏの場合、Ｎ＝Ｎ＋１とし（ステップＳ２１２）、ステップＳ２０８へ戻る。すなわち、全ての撮像が終わるまで、ステップＳ２０８〜ステップＳ２１０が繰り返されることになる。一方、判定がＹｅｓの場合、形状演算部３４は、測定テーブル（図示せず）に記録されたライン像の画像情報および位置情報を用いて、被測定物５の形状情報（３次元形状）を算出し、処理を終了する。なお、本実施形態では、プローブ２０の振れの位相がＮ×πのときに撮像素子２７がライン像を撮像するように制御が行われるため、初期位相におけるプローブ２０の振れが零だとすると、プローブ２０の振れが零となる位相タイミングで撮像素子２７がライン像を撮像することになる。そのため、形状演算部３４が被測定物５の形状情報を算出する際、ライン像の画像情報（画像位置情報）の補正を行う必要はない。なお、位相がＮ×πのときとは振れの大きさが小さいときであり、Ｎ×πを含む範囲であればよい。

このように、第２実施形態によれば、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。なお、第２実施形態では、プローブ２０の振れが零となる位相タイミングで撮像素子２７がライン像を撮像するように制御が行われることで、３次元形状の測定誤差をより低減することができる。

なお、上述の第２実施形態において、処理部３２は、プローブ２０の振れの位相がＮ×πのときに撮像素子２７がライン像を撮像するように制御を行うが、これに限られるものではなく、ステップＳ２０８において、プローブ２０の振れの位相が（Ｎ−１／２）×πのときに撮像素子２７がライン像を撮像するように制御を行ってもよい。この場合、初期位相におけるプローブ２０の振れが零だとすると、プローブ２０の振れ（絶対値）が極大となる位相タイミングで撮像素子２７がライン像を撮像することになる。そのため、形状演算部３４が被測定物５の形状情報を算出する際、ライン像の画像情報（画像位置情報）の補正を行う必要はあるが、プローブ２０の振れ（絶対値）が極大となるときには、プローブ２０の振れによる速度変化がない状態で撮像を行うことができ、より明瞭なライン像を撮像できることから、３次元形状の測定誤差をより低減することが可能である。

次に、形状測定装置の第３実施形態について説明する。第３実施形態の形状測定装置は、取付部の構成および制御部３０における一部の処理を除いて、第１実施形態の形状測定装置１と同様の構成であり、各部に第１実施形態の場合と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。第３実施形態の取付部５０は、図８に示すように、プローブ２０を着脱可能に保持して回転によりプローブ２０の向きを補正可能な回転補正機構６０と、平行移動によりプローブ２０のＹ方向の位置を補正可能なＹ平行補正機構８０と、平行移動によりプローブ２０のＸ方向の位置を補正可能なＸ平行補正機構９０とを有して構成され、Ｘ平行補正機構９０のＸ方向リニアモータ（図示せず）によりプローブ２０をＸ方向へスライド移動（スキャン）可能に保持する。

なお、第３実施形態では、振れ検出部２８に検出されたプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れに基づいて、当該プローブ２０の振れを打ち消すようにプローブ２０を駆動する形態について説明する。ところで、プローブ２０の振れの回転半径が大きく振れが小さい場合、プローブ２０の平行移動による振れと近似することができるので、プローブ２０を平行移動させるだけでプローブ２０の振れを補正することが可能である。しかしながら、前述したように、プローブ２０の振れには、プローブ２０の平行移動による振れと、プローブ２０の回転による振れが存在する。そのため、プローブ２０の振れが大きくなると、プローブ２０を平行移動させるだけではプローブ２０の振れを補正することができない。そこで、第３実施形態の取付部５０は、上述のように、Ｘ平行補正機構９０およびＹ平行補正機構８０に加え、回転補正機構６０を備えている。

回転補正機構６０は、図９に示すように、プローブ２０を着脱可能に保持するプローブ保持部６１と、Ｘ方向に伸びる軸を回転軸としてプローブ保持部６１を回転可能に支持するＸ回転支持部６５と、Ｙ方向に伸びる軸を回転軸としてＸ回転支持部６５を回転可能に支持するＹ回転支持部７０とを有して構成される。プローブ保持部６１は、先端に平面部を有した略球形に形成される。プローブ保持部６１の先端部には、プローブ２０を保持するための保持孔６２が形成されており、例えば、プローブ２０の基端部に形成された係合突起（図示せず）をこの保持孔６２に係合させることで、プローブ２０がプローブ保持部６１に着脱可能に取り付けられて保持される。

Ｘ回転支持部６５は、プローブ保持部６１を回転自在に支持する枠部材６７と、プローブ保持部６１を回転駆動するＸ回転モータ６８とを有して構成される。枠部材６７は、Ｘ方向に伸びる回転シャフト６６を介して、当該回転シャフト６６の中心軸Ａｘを回転軸として枠部材６７の内側に位置するプローブ保持部６１を回転自在に支持する。Ｘ回転モータ６８は、例えば、エンコーダを内蔵したサーボモータであり、回転シャフト６６の中心軸Ａｘを回転軸としてプローブ保持部６１を回転駆動するとともに、このときのプローブ保持部６１の回転角度、すなわち、プローブ２０のＸ方向に伸びる軸を回転軸とした回転角度を検出する。

Ｙ回転支持部７０は、プローブ保持部６１とともにＸ回転支持部６５を回転自在に支持する左右一対のブラケット７２ａ，７２ｂと、当該ブラケット７２ａ，７２ｂを支持する板状のベースプレート７３と、Ｘ回転支持部６５を回転駆動するＹ回転モータ７４とを有して構成される。左右一対のブラケット７２ａ，７２ｂは、Ｙ方向に伸びる回転シャフト７１を介して、当該回転シャフト７１の中心軸Ａｙを回転軸としてＸ回転支持部６５を回転自在に支持する。ベースプレート７３は、各ブラケット７２ａ，７２ｂを支持する状態で、Ｙ平行補正機構８０に取り付けられる。Ｙ回転モータ７４は、例えば、エンコーダを内蔵したサーボモータであり、回転シャフト７１の中心軸Ａｙを回転軸としてＸ回転支持部６５を回転駆動するとともに、このときのＸ回転支持部６５の回転角度、すなわち、プローブ２０のＹ方向に伸びる軸を回転軸とした回転角度を検出する。

これにより、回転補正機構６０は、プローブ２０をＸＹ方向に伸びる軸を回転軸として回動可能に保持し、プローブ２０の回転による振れを補正可能となる。なお、Ｘ回転モータ６８およびＹ回転モータ７４の作動制御は、制御部３０により行われる。また、Ｘ回転モータ６８およびＹ回転モータ７４に内蔵されたエンコーダによる計測値は、各モータ（エンコーダ）からそれぞれ制御部３０へ出力される。

Ｙ平行補正機構８０は、図８に示すように、第１保持プレート８１と、第１保持プレート８１に取り付けられてＹ方向に伸びる左右一対のＹ方向リニアガイド８２ａ，８２ｂと、回転補正機構６０をＹ方向に駆動するＹ方向リニアモータ８３とを有して構成される。第１保持プレート８１は、略直角に折り曲げられた板状に形成され、その底部がＹ方向へ伸びるとともに側部がＺ方向へ伸びるように配置される。左右一対のＹ方向リニアガイド８２ａ，８２ｂは、第１保持プレート８１の壁部に互いに平行に取り付けられ、回転補正機構６０をＹ方向へスライド移動（平行移動）可能に保持する。Ｙ方向リニアモータ８３は、第１保持プレート８１の底部にＹ方向に伸びるように取り付けられ、Ｙ方向リニアガイド８２ａ，８２ｂに沿って回転補正機構６０をＹ方向に駆動する。

これにより、Ｙ平行補正機構８０は、回転補正機構６０に保持されたプローブ２０のＹ方向の平行移動による振れを補正可能となる。なお、Ｙ方向リニアモータ８３の作動制御は、制御部３０により行われる。また、Ｙ方向リニアモータ８３にはエンコーダ（図示せず）が内蔵されており、このエンコーダによる計測値は、Ｙ方向リニアモータ８３（エンコーダ）から制御部３０へ出力される。

Ｘ平行補正機構９０は、第２保持プレート９１と、第２保持プレート９１に取り付けられてＸ方向に伸びるＸ方向リニアガイド９２と、回転補正機構６０とともにＹ平行補正機構８０をＸ方向に駆動するＸ方向リニアモータ（図示せず）とを有して構成される。第１保持プレート８１は、略直角に折り曲げられた板状に形成され、その底部がＹ方向へ伸びるとともに側部がＺ方向へ伸びるように配置される。また、第２保持プレート９１は第１保持プレート８１と重なるように配置されるが、第２保持プレート９１のＸ方向の長さは、Ｙ平行補正機構８０がＸ方向へスライド移動（スキャン）できるように、第１保持プレート８１よりも長くなっている。Ｘ方向リニアガイド９２は、第２保持プレート９１の底部に取り付けられ、Ｙ平行補正機構８０をＸ方向へスライド移動（平行移動）可能に保持する。Ｘ方向リニアモータ（図示せず）は、第２保持プレート９１の底部にＸ方向に伸びるように取り付けられ、Ｘ方向リニアガイド９２に沿ってＹ平行補正機構８０をＸ方向に駆動する。

これにより、Ｘ平行補正機構９０は、回転補正機構６０に保持されたプローブ２０をＸ方向へスライド移動（スキャン）させることができるとともに、プローブ２０のＸ方向の平行移動による振れを補正可能となる。なお、Ｘ方向リニアモータ（図示せず）の作動制御は、制御部３０により行われる。また、Ｘ方向リニアモータにはエンコーダ（図示せず）が内蔵されており、このエンコーダによる計測値は、Ｘ方向リニアモータ（エンコーダ）から制御部３０へ出力される。

第３実施形態の形状測定装置を用いた被測定物５の３次元形状測定について、図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、測定スイッチ２９に対して所定の測定開始操作（例えば、押し操作）が行われると、制御部３０における処理部３２の作動制御により、振れ検出部２８の角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動する（ステップＳ３０１）。次に、測定体制に移動するため、移動機構部１５は、第１実施形態の場合と同様に、ティーチング等により予め設定した所定の測定開始位置へプローブ２０を移動させる（ステップＳ３０２）。

ここで、処理部３２は、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動してから所定のセンサ安定時間が経過したか否かを判定（ステップＳ３０３）し、第１実施形態の場合と同様に、当該センサ安定時間が経過してから、Ｘ平行補正機構９０のＸ方向リニアモータ（図示せず）によりプローブ２０をスライド移動（スキャン）させて測定を開始する（ステップＳ３０４）。

測定を開始すると、第１実施形態の場合と同様に、処理部３２は、プローブ２０のＸ方向の振れ量（前述のように、角速度および加速度を用いて求められるＸ方向の振れ量からプローブ２０のスキャン量を減算したもの）が所定の閾値Ｔｈ３よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３０５）。なお、所定の閾値Ｔｈ３は、形状演算部３４による形状情報（３次元形状）の算出結果に影響を及ぼし始める程度のプローブ２０の振れ量である。判定がＮｏの場合、プローブ２０の振れが少ないため安定モードに移行し（ステップＳ３０６）、プローブ２０の振れに応じた補正を行わない通常の測定が行われる。一方、判定がＹｅｓの場合、撮像回数ＮをＮ＝１に設定する（ステップＳ３０７）。

撮像回数ＮをＮ＝１に設定すると、処理部３２は、照明部２１による照明を行うとともに、振れ検出部２８に検出されたプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れに基づいて、当該プローブ２０の振れを打ち消すようにプローブ２０を駆動する制御を行う（ステップＳ３０８）。このとき、処理部３２の作動制御により、回転補正機構６０、Ｙ平行補正機構８０、およびＸ平行補正機構９０は、振れ検出部２８に検出されたプローブ２０の振れに基づいて、当該プローブ２０の振れを打ち消すようにプローブ２０を回転または平行移動させ、照明部２１によるライン光の照射位置を補正するとともに、照明部２１との相対位置が変わらないように撮像部２５による撮像位置を補正する。

なお、前述したように、回転補正機構６０はプローブ２０の回転による振れを補正し、Ｙ平行補正機構８０はプローブ２０のＹ方向の平行移動による振れを補正する。また、Ｘ平行補正機構９０は、プローブ２０をＸ方向へスライド移動（スキャン）させながら、プローブ２０のＸ方向の平行移動による振れを補正する。このように照明部２１によるライン光の照射位置が補正された状態で、処理部３２の作動制御により光源２２が点灯し、光源２２から射出された光は、パターン形成部２３を透過してライン光になり、投影レンズ２４によりステージ６上の被測定物５に照射（投影）される。

被測定物５に照射されたライン光の像（ライン像）は、撮像光学系２６により撮像素子２７の撮像面上に結像されるので、処理部３２の作動制御により、撮像素子２７が撮像面上のライン像を撮像する（ステップＳ３０９）。このとき、第１実施形態の場合と同様に、撮像素子２７から出力されたライン像の画像情報は、位置演算部３３により算出された撮像時のプローブ２０の位置情報（目標位置）や、振れ検出部２８により検出された撮像時のプローブ２０の振れとともに、形状演算部３４の測定テーブル（図示せず）に記録される（ステップＳ３１０）。

全撮像回数をＮｅとすると、処理部３２は、Ｎ＝Ｎｅか否かを判定する（ステップＳ３１１）。判定がＮｏの場合、Ｎ＝Ｎ＋１とし（ステップＳ３１２）、ステップＳ３０８へ戻る。すなわち、全ての撮像が終わるまで、ステップＳ３０８〜ステップＳ３１０が繰り返されることになる。一方、判定がＹｅｓの場合、形状演算部３４は、測定テーブル（図示せず）に記録されたライン像の画像情報および位置情報を用いて、被測定物５の形状情報（３次元形状）を算出し、処理を終了する。なお、本実施形態では、プローブ２０の振れを打ち消すようにプローブ２０を回転または平行移動させて、照明部２１によるライン光の照射位置を補正しているため、当該補正によりプローブ２０の振れを全て打ち消すことができれば、形状演算部３４が被測定物５の形状情報を算出する際、第１実施形態で述べたようなライン像の画像情報（画像位置情報）の補正を行う必要はない。

このように、第３実施形態によれば、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。なお、第３実施形態では、プローブ２０（照明部２１および撮像部２５）を駆動して、プローブ２０の振れによるライン光（照明光）の位置ずれを補正することで、３次元形状の測定誤差をより低減することができる。

次に、形状測定装置の第４実施形態について説明する。第４実施形態の形状測定装置は、取付部の構成および制御部３０における一部の処理を除いて、第１実施形態の形状測定装置１と同様の構成であり、また取付部の構成は、第３実施形態の取付部５０と同様の構成であるため、各部に第１実施形態（取付部を除く）および第３実施形態の場合と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第４実施形態では、第１実施形態で述べた形状演算部３４によるライン像の画像情報（画像位置情報）の補正と、第３実施形態で述べたプローブ２０の駆動によるライン光の照射位置の補正とを組み合わせた形態について説明する。なお、本実施形態において、第１実施形態で述べた形状演算部３４によるライン像の画像情報（画像位置情報）の補正をパッシブ補正と称し、第３実施形態で述べたプローブ２０の駆動によるライン光の照射位置の補正をアクティブ補正と称することにする。

そこで、第４実施形態の形状測定装置を用いた被測定物５の３次元形状測定について、図１１〜図１４に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、図１１に示すように、測定スイッチ２９に対して所定の測定開始操作（例えば、押し操作）が行われると、制御部３０における処理部３２の作動制御により、振れ検出部２８の角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動する（ステップＳ４０１）。次に、測定体制に移動するため、移動機構部１５は、第１実施形態の場合と同様に、ティーチング等により予め設定した所定の測定開始位置へプローブ２０を移動させる（ステップＳ４０２）。

ここで、処理部３２は、角速度センサ２８ａおよび加速度センサ２８ｂがオン作動してから所定のセンサ安定時間が経過したか否かを判定（ステップＳ４０３）し、第１実施形態の場合と同様に、当該センサ安定時間が経過してから、Ｘ平行補正機構９０のＸ方向リニアモータ（図示せず）によりプローブ２０をスライド移動（スキャン）させて測定を開始する（ステップＳ４０４）。

測定を開始すると、第１実施形態の場合と同様に、処理部３２は、プローブ２０のＸ方向の振れ量（前述のように、角速度および加速度を用いて求められるＸ方向の振れ量からプローブ２０のスキャン量を減算したもの）が所定の閾値Ｔｈ４よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４０５）。判定がＹｅｓの場合、処理部３２はさらに、プローブ２０の振れの周波数（プローブ２０の振れが生じる周期の逆数）が所定の第１周波数ｆ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４０６）。

このステップＳ４０６で判定がＹｅｓの場合、すなわち、プローブ２０の振れ量が所定の閾値Ｔｈ４よりも大きく、かつ、プローブ２０の振れの周波数が所定の第１周波数ｆ１よりも大きい場合、処理部３２は、以降の測定においてパッシブ補正とアクティブ補正の両方を行うように決定する（ステップＳ４１０）。一方、このステップＳ４０６で判定がＮｏの場合、すなわち、プローブ２０の振れ量が所定の閾値Ｔｈ４よりも大きく、かつ、プローブ２０の振れの周波数が所定の第１周波数ｆ１よりも小さい場合、処理部３２は、以降の測定においてパッシブ補正だけを行うように決定する（ステップＳ４２０）。

なお、前のステップＳ４０５で判定がＮｏの場合、処理部３２は同様に、プローブ２０の振れの周波数（プローブ２０の振れが生じる周期の逆数）が所定の第２周波数ｆ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４０７）。このステップＳ４０７で判定がＹｅｓの場合、すなわち、プローブ２０の振れ量が所定の閾値Ｔｈ４よりも小さく、かつ、プローブ２０の振れの周波数が所定の第２周波数ｆ２よりも大きい場合、処理部３２は、以降の測定においてアクティブ補正だけを行うように決定する（ステップＳ４３０）。一方、このステップＳ４０７で判定がＮｏの場合、すなわち、プローブ２０の振れ量が所定の閾値Ｔｈ４よりも小さく、かつ、プローブ２０の振れの周波数が所定の第２周波数ｆ２よりも小さい場合、安定モードに移行し（ステップＳ４０８）、プローブ２０の振れに応じた補正を行わない通常の測定が行われる。

なお、所定の閾値Ｔｈ４は、形状演算部３４による形状情報（３次元形状）の算出結果に影響を及ぼし始める程度のプローブ２０の振れ量である。また、所定の第１周波数ｆ１は、例えば、撮像部２５による撮像周波数（サンプリング周波数）よりも大きい値に設定され、パッシブ補正では十分に補正できない周波数の高いプローブ２０の振れを、アクティブ補正により補正することができる。一方、アクティブ補正によるプローブ２０の駆動量が限られているため、アクティブ補正では十分に補正できない振れ量の大きなプローブ２０の振れを、パッシブ補正により補正することができる。また、所定の第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１と同じ値に設定するようにしてもよく、必要に応じて第１周波数ｆ１と異なる値に設定するようにしてもよい。

さて、パッシブ補正とアクティブ補正の両方を行う場合、図１２に示すように、撮像回数ＮをＮ＝１に設定する（ステップＳ４１１）。

撮像回数ＮをＮ＝１に設定すると、処理部３２は、照明部２１による照明を行うとともに、第３実施形態で述べたアクティブ補正を行うように制御を行う（ステップＳ４１２）。このとき、処理部３２の作動制御により、回転補正機構６０、Ｙ平行補正機構８０、およびＸ平行補正機構９０は、振れ検出部２８に検出されたプローブ２０の振れに基づいて、当該プローブ２０の振れを打ち消すようにプローブ２０を回転または平行移動させ、照明部２１によるライン光の照射位置を補正するとともに、照明部２１との相対位置が変わらないように撮像部２５による撮像位置を補正する。このように照明部２１によるライン光の照射位置が補正された状態で、処理部３２の作動制御により光源２２が点灯し、光源２２から射出された光は、パターン形成部２３を透過してライン光になり、投影レンズ２４によりステージ６上の被測定物５に照射（投影）される。

被測定物５に照射されたライン光の像（ライン像）は、撮像光学系２６により撮像素子２７の撮像面上に結像されるので、処理部３２の作動制御により、撮像素子２７が撮像面上のライン像を撮像する（ステップＳ４１３）。このとき、第１実施形態の場合と同様に、撮像素子２７から出力されたライン像の画像情報は、位置演算部３３により算出された撮像時のプローブ２０の位置情報（目標位置）や、振れ検出部２８により検出された撮像時のプローブ２０の振れとともに、形状演算部３４の測定テーブル（図示せず）に記録される（ステップＳ４１４）。

全撮像回数をＮｅとすると、処理部３２は、Ｎ＝Ｎｅか否かを判定する（ステップＳ４１５）。判定がＮｏの場合、Ｎ＝Ｎ＋１とし（ステップＳ４１６）、ステップＳ４１２へ戻る。すなわち、全ての撮像が終わるまで、ステップＳ４１２〜ステップＳ４１４が繰り返されることになる。一方、判定がＹｅｓの場合、形状演算部３４は、測定テーブル（図示せず）に記録されたライン像の画像情報および位置情報を用いて、第１実施形態で述べたパッシブ補正を行いながら被測定物５の形状情報（３次元形状）を算出し（ステップＳ４１７）、処理を終了する。

また、パッシブ補正だけを行う場合、図１３に示すように、撮像回数ＮをＮ＝１に設定する（ステップＳ４２１）。

撮像回数ＮをＮ＝１に設定すると、アクティブ補正を行わずに、照明部２１によりライン光の照射を行う（ステップＳ４２２）。このとき、処理部３２の作動制御により光源２２が点灯し、光源２２から射出された光は、パターン形成部２３を透過してライン光になり、投影レンズ２４によりステージ６上の被測定物５に照射（投影）される。

被測定物５に照射されたライン光の像（ライン像）は、撮像光学系２６により撮像素子２７の撮像面上に結像されるので、処理部３２の作動制御により、撮像素子２７が撮像面上のライン像を撮像する（ステップＳ４２３）。このとき、撮像素子２７から出力されたライン像の画像情報は、位置演算部３３により算出された撮像時のプローブ２０の位置情報（目標位置）や、振れ検出部２８により検出された撮像時のプローブ２０の振れとともに、形状演算部３４の測定テーブル（図示せず）に記録される（ステップＳ４２４）。

全撮像回数をＮｅとすると、処理部３２は、Ｎ＝Ｎｅか否かを判定する（ステップＳ４２５）。判定がＮｏの場合、Ｎ＝Ｎ＋１とし（ステップＳ４２６）、ステップＳ４２２へ戻る。すなわち、全ての撮像が終わるまで、ステップＳ４２２〜ステップＳ４２４が繰り返されることになる。一方、判定がＹｅｓの場合、形状演算部３４は、測定テーブル（図示せず）に記録されたライン像の画像情報および位置情報を用いて、第１実施形態で述べたパッシブ補正を行いながら被測定物５の形状情報（３次元形状）を算出し（ステップＳ４２７）、処理を終了する。

また、アクティブ補正だけを行う場合、図１４に示すように、撮像回数ＮをＮ＝１に設定する（ステップＳ４３１）。

撮像回数ＮをＮ＝１に設定すると、処理部３２は、照明部２１による照明を行うとともに、第３実施形態で述べたアクティブ補正を行うように制御を行う（ステップＳ４３２）。このとき、前述したように照明部２１によるライン光の照射位置が補正された状態で、処理部３２の作動制御により光源２２が点灯し、光源２２から射出された光は、パターン形成部２３を透過してライン光になり、投影レンズ２４によりステージ６上の被測定物５に照射（投影）される。

被測定物５に照射されたライン光の像（ライン像）は、撮像光学系２６により撮像素子２７の撮像面上に結像されるので、処理部３２の作動制御により、撮像素子２７が撮像面上のライン像を撮像する（ステップＳ４３３）。このとき、撮像素子２７から出力されたライン像の画像情報は、位置演算部３３により算出された撮像時のプローブ２０の位置情報（目標位置）や、振れ検出部２８により検出された撮像時のプローブ２０の振れとともに、形状演算部３４の測定テーブル（図示せず）に記録される（ステップＳ４３４）。

全撮像回数をＮｅとすると、処理部３２は、Ｎ＝Ｎｅか否かを判定する（ステップＳ４３５）。判定がＮｏの場合、Ｎ＝Ｎ＋１とし（ステップＳ４３６）、ステップＳ４３２へ戻る。すなわち、全ての撮像が終わるまで、ステップＳ４３２〜ステップＳ４３４が繰り返されることになる。一方、判定がＹｅｓの場合、形状演算部３４は、測定テーブル（図示せず）に記録されたライン像の画像情報および位置情報を用いて、パッシブ補正を行わずに被測定物５の形状情報（３次元形状）を算出し（ステップＳ４３７）、処理を終了する。

このように、第４実施形態によれば、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。なお、第４実施形態では、必要に応じてパッシブ補正とアクティブ補正を使い分けることで、３次元形状の測定誤差をより低減することができる。

なお、上述の各実施形態において、プローブ２０による被測定物５の形状情報の取得方法は、上述の光切断による三角測量による方法だけでなく、明視野画像を取得してコンピュータ解析により形状を測定する方法や、ステレオ画像を用いた三角測量による方法等を適宜用いることができる。

また、上述の各実施形態において、リニアモータを用いてプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）をスライド移動（スキャン）させているが、これに限られるものではなく、例えば、ボールネジやモータ等を利用した直動機構を用いて、プローブ２０をスライド移動（スキャン）させるようにしてもよい。

また、上述の各実施形態において、プローブ２０の振れ量が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する際、振れ検出部２８で検出したＸ方向の振れ量からプローブ２０のスキャン量を減算したものをプローブ２０の振れ量としているが、予め振動のない環境でスキャン動作を行ったときに角速度センサ２８ａで角速度が検出されない場合には、振れ検出部２８で検出したＸ方向の振れ量を（プローブ２０のスキャン量を減算しないでそのまま）プローブ２０の振れ量とすることができる。

また、上述の第３実施形態および第４実施形態において、振れ検出部２８に検出されたプローブ２０（照明部２１および撮像部２５）の振れに基づいて、当該プローブ２０の振れを打ち消すようにプローブ２０を駆動するように構成されているが、これに限られるものではなく、プローブ２０を構成する照明部２１または撮像部２５の少なくとも一部を駆動するようにしてもよい。例えば、図１５に示すように、プローブの照明部１２１が、ＬＥＤ等の光源１２２と、集光レンズ１２３と、シリンドリカルレンズ１２４と、光軸方向およびシリンドリカルレンズ１２４の長手方向と垂直な方向に伸びる軸を回転軸αとして集光レンズ１２３を回転させる回転駆動部１２５とを有して構成されてもよい。なお、プローブ２０全体を駆動する構成は、比較的遅い速度で大きな振幅の振れに対して有効であり、光学系の一部を駆動する構成は、比較的速い速度で小さな振幅の振れに対して有効である。なお、この照明部１２１から回転駆動部１２５を除いた構成は、第３実施形態および第４実施形態の照明部にも適用可能である。

このような照明部１２１において、光源１２２から射出された光は、集光レンズ１２３およびシリンドリカルレンズ１２４を透過することでシート状の光（シート光）となり、ステージ６上の被測定物５に照射されると、被測定物５上にライン像が現れる。このとき、回転駆動部１２５により回転軸αを中心に集光レンズ１２３を回転させると、例えば図１６に示す場合、Ｙ方向に伸びる軸を回転軸としてライン像を回転させることができるため、プローブの振れによるライン像（照明光）の位置ずれ（主に回転ずれ）を補正することが可能である。

なおこの場合、Ｘ方向（スキャン方向）にオフセット（位置ずれ）が残ることもあるが、シリンドリカルレンズ１２４と被測定物５との間に平行平面板（ハービング：図示せず）を挿入することにより、ライン像をＸ方向に平行移動させて、Ｘ方向のオフセットを解消することが可能である。また、このようにライン像を回転もしくは平行移動させてしまうと、撮像部２５の検出角度（照明光に対する相対角度）が変化し、シャインプルーフの条件を満たさなくなってしまう。この場合、ライン光の進行面の移動に合わせて（同期して）シャインプルーフの条件を維持する（満足する）ように撮像部の光学系も駆動する必要がある。また、シャインプルーフの条件を維持することに加え撮像倍率も維持することが望ましいが、撮像倍率に関しては演算処理による補正も可能である。また、形状演算部３４が被測定物５の形状情報を算出する際、回転駆動部１２５による集光レンズ１２３の回転角等に応じて、ライン像の画像情報（画像位置情報）を補正するようにすれば、被測定物５の形状情報（３次元形状）を求めることができる。

また、照明部２１または撮像部２５の一部を駆動してプローブ２０の振れを補正する場合、振幅の大きい振れを補正するときには、補正駆動範囲が限定されるため、予め駆動方向と逆方向にオフセットさせてから、助走を行うように補正駆動を開始してもよい。

１ 形状測定装置 ５ 被測定物
１６ 取付部（第１実施形態） １７ リニアモータ（相対移動部）
２０ プローブ
２１ 照明部 ２５ 撮像部
２８ 振れ検出部
２８ａ 角速度センサ（角速度検出器） ２８ｂ 加速度センサ（加速度検出器）
３０ 制御部
３２ 処理部 ３３ 位置演算部
３４ 形状演算部（測定部、補正部）
５０ 取付部（第２実施形態）
６０ 回転補正機構 ８０ Ｙ平行補正機構
９０ Ｘ平行補正機構
１２１ 照明部（変形例）
１２５ 回転駆動部

Claims (5)

1. 被測定物をライン光で照明する照明部と、
   前記照明部に照明された前記被測定物を撮像する撮像部と、
   前記照明部と前記被測定物とを相対移動させる相対移動部と、
   前記照明の状態と前記撮像の状態から前記被測定物の形状を測定する測定部と、
   前記照明部の移動量を検出する振れ検出部と、
   前記振れ検出部により取得された移動量と前記相対移動部による前記照明部の移動量とに基づいて前記測定の補正を行う補正部とを備えて構成されることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記振れ検出部は、前記照明部に作用する角速度または加速度を所定時間分積算することにより前記移動量を取得することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記測定部は、前記撮像部により撮像された前記被測定物上における前記照明の位置情報から前記被測定物の形状を測定し、
   前記補正部は、前記振れ検出部により検出された移動量から前記相対移動部による前記照明部および前記撮像部からなるプローブ部の移動量により補正して前記照明の位置情報を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
4. 前記補正部は、前記振れ検出部により検出された移動量から前記相対移動部による前記プローブ部の移動量を補正した量の大きさに応じて、前記照明の位置情報を補正するか否かを判定することを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記振れ検出部は、前記移動量として振れ角度を検出可能であり、
   前記補正部は、前記振れ角度と前記照明部から前記被測定物までの距離とに基づいて前記測定の補正を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。

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