JP6252178B2 - 形状測定装置、姿勢制御装置、構造物製造システム、及び、形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の形状を光学的に測定する形状測定装、姿勢制御装置、構造物製造システム、及び、形状測定方法に関する。

物体の表面形状を非接触で測定する方法として、光切断法が知られている。光切断法では、被測定物表面に例えばライン状に形成されるパターン光を照射し、その照射方向とは異なる方向に配置された撮像光学系と撮像素子からなる撮像部で撮影されたパターン光の像の位置により、物体表面の形状を求める方法である（例えば、特許文献１参照）。具体的には、パターン光がライン状の場合は、パターン光の像の長手方向に直交する撮像素子の画素列ごとにパターン光の像の位置を求める。そして、その像が形成された位置とパターン光を照射した照明光学系の位置と撮像光学系の位置を基に、三角測量の原理を用いてパターン光が照射された位置の三次元座標を算出する。そして、パターン光の照射位置を被測定物表面上で順次移動させながら、その都度撮影を行うことにより被測定物表面の三次元形状を得ることができる。以下では、ライン状に形成されるパターン光をライン光等と呼ぶ。

米国特許出願公開第２０１２／０１９４６５１号公報

照射されたライン光は被測定物表面によって反射される。その反射された光のうち、ライン光が照射された表面の方向に応じて反射方向が定まる正反射光がある。また、正反射光とは異なる方向に伝搬する拡散反射光もある。また、正反射光を撮像素子で受光したときの受光光量は拡散反射光を受光した場合と比べ、極端に大きな受光光量となる。以下では、正反射光と拡散反射光を総称して反射光と呼ぶ。

被検物表面が様々な形状をしているために、被測定物表面上のライン光が照射されている測定位置によって正反射光の進む方向と撮像光学系の光軸方向とが成す角度は一様とはならない。それゆえ測定位置の表面の方向に依存して撮像素子に入射する反射光の強度が異なる。しかしながら、撮像素子で識別できる光の強度は上限値および下限値を持つ。そのため、特に上限値より高い光の強度の反射光が撮像素子に入射すると、ライン光の像の強度のピーク位置を正確に判断することができない。したがって撮像素子に入射する反射光の強度が、撮像素子の識別可能な強度の差の範囲に収まらないと、撮像素子上のライン光の像位置を精度よく求めることができなくなり、被測定物表面の形状の測定誤差を生じるという問題があった。

上記目的を達成するための本発明の第一の態様は形状測定装置であって、被測定物表面上の異なる位置に複数の光を照明光学系により照射する照明部と、複数の光が照射されている被測定物の像を照射方向とは異なる方向にある撮像光学系を用いて撮影する撮像部と、撮像部に撮影された画像における複数の光の像のそれぞれの位置に基づいて照明部及び撮像部に対する被測定物の相対的な向きを制御する制御信号を送信する制御部と、複数の光の少なくとも一つが照射されている被測定物表面の形状を演算する形状演算部と、を有する。

また、本発明の第二の態様は姿勢制御装置であって、被測定物表面上の異なる位置に複数の光を照明光学系により照射する照明部と、複数の光が照射されている被測定物の像を照射方向とは異なる方向にある撮像光学系を用いて撮影する撮像部と、撮像部に撮影された画像における複数の光の像のそれぞれの位置に基づいて、照明部及び撮像部に対する被測定物の相対的な向きの推定量を検出する検出部と、推定量が所定範囲内にないときに警告を発生する警告発生装置と、を有する。

また、本発明の第三の態様は形状測定装置であって、被測定物表面上の異なる位置に複数の光を照明光学系により照射する照明部と、複数の光が照射されている被測定物の像を照射方向とは異なる方向にある撮像光学系を用いて撮影する撮像部と、撮像部に撮影された画像における複数の光の像のそれぞれの位置に基づいて、照明部及び撮像部に対する被測定物の相対的な向きの推定量を検出する検出部と、複数の光の少なくとも一つが照射されている被測定物表面の形状データを演算する形状演算部と、推定量に基づいて、形状データの信頼性を評価する信頼性評価部と、を有する。

また、本発明の第四の態様は形状測定方法であって、照明部が被測定物表面上の異なる位置に複数の光を照明光学系により照射し、撮像部が複数の光が照射されている被測定物の像を照射方向とは異なる方向にある撮像光学系を用いて撮影し、制御部が撮像部に撮影された画像における複数の光の像のそれぞれの位置に基づいて、照明部及び撮像部に対する被測定物の相対的な向きを制御する制御信号を送信し、形状演算部が複数の光の少なくとも一つが照射されている被測定物表面の形状を演算する。

本発明によれば、被測定物表面の形状による測定誤差を低減することができ、形状測定を精度よく行うことができる形状測定装置、形状測定方法、姿勢制御装置、及び、姿勢制御方法を提供することができる。

形状測定装置の構成を示す斜視図である。 形状測定装置の構成を示す正面図である。 センサ部の要部構成を示す図である。 照明部の要部構成を示す図である。 形状測定装置の要部のブロック図を示す図である。 被測定物表面に照射された光の光路を示す図である。 被測定物表面で拡散された光の経路を示す図（ａ）と、被測定物に照射され、撮像部に撮影された光の像を示す図（ｂ）である。 センサ部に対し被測定物表面に傾きがある場合の光の経路を示す図（ａ）と、被測定物に照射され、撮像部に撮影された光の像を示す図（ｂ）である。 センサ部に対し被測定物表面に傾きがある場合の光の経路を示す図（ａ）と、撮像部に撮影された光の像を示す図（ｂ）である。である。 被測定物に照射されたライン光の像の位置を特定する方法を示す図である。 形状測定の流れを示すフロー図である。 拡散反射光と正反射光を説明する図である。 警告を行う形状測定装置の要部のブロック図を示す図である。 形状測定の流れを示すフロー図である。 信頼度評価を行う形状測定装置の要部構成を示す図である。 形状測定の流れを示すフロー図である。 構造物製造システムの要部のブロック図を示す図である。 構造物製造の流れを示すフロー図である。

以下、本発明の一の実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態は、発明を具体的に説明するためのものであり、特に指定しない限り、本発明を限定するものではない。図面は便宜上要部を拡大して発明を示すこともあり、特に明記しない限り寸法比率は実際とは異なる場合がある。

図１は、本発明の形状測定装置に係る一実施形態の構成例を示す斜視図であり、図２は正面図である。本実施形態に係る形状測定装置１００は、被測定物表面２１に対して後述するセンサ部１０を移動部４０によって相対的に移動させることにより、ライン光６０を被測定物表面２１上に走査させ、被測定物表面２１の三次元形状を測定するものである。具体的には、センサ部１０に含まれる後述の撮像部１２は、被測定物表面２１に照射されたライン光６０の像を所定のタイミングで撮影する。撮影のタイミングは予め所定の時間間隔に設定することができる。撮影のタイミングを一定の時間間隔に設定した場合、ライン光６０の走査速度を調節することにより、被測定物表面２１に対して形状測定装置１００が取得する測定点の単位面積あたりの数、すなわち、測定箇所の密度を変えることができる。また、撮影のタイミングや走査速度は測定者が設定できるようにしても良く、取得する測定点の密度を設定できるようにしてもよい。測定点とは、被測定物上の点であって、後述のｘｙｚ直交座標系における座標データを算出する点である。そして撮像部１２からの画像データと、その画像データが撮影された時点のセンサ部１０及び被測定物２０に対する相対的な位置関係を示す位置情報等を元に、三角測量の原理を用いて被測定物２０の三次元形状を測定する。

以下では説明のため、図１及び図２に示すようにそれぞれが直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる直交座標系を用いる。図１及び図２に示すように、形状測定装置１００は、姿勢変更部３０と、移動部４０と、センサ部１０と、制御ユニット５０とから構成されている。

姿勢変更部３０は、被測定物２０を支持し、被測定物表面２１に対するセンサ部１０の相対的な姿勢を変更するための機構であり、定盤３１上に設けられている。姿勢変更部３０は、支持台３２、第一の回転駆動部３３、及び、第二の回転駆動部３４を含む。支持台３２は被測定物２０を任意の姿勢で固定できるような構成を有している。そのために、第一の回転駆動部３３は、支持台３２と第二の回転駆動部３４を図１及び図２の一点鎖線３３１で示す軸を中心に支持台３２を回転する。したがって、センサ部１０に対して、支持台３２の姿勢を変更することができ、しいてはセンサ部１０に対して被測定物２０の面の方向を変えることができる。また、第二の回転駆動部３４は、支持台３２を支持台３２の載置面に対して垂直な図１及び図２の破線３４１で示す方向を軸として回転するように駆動する。

この第一の回転駆動部３３と第二回転駆動部３４の両方を駆動して、センサ部１０に対して被測定物２０の表面を好ましい方向に向け、相対的な姿勢を変更することができる。もちろん、第一の回転駆動部３３と第二の回転駆動部３４には、エンコーダーなどの回転位置検出手段を有しているので、定盤３１に対して支持台３２がどの角度傾斜し、支持台３２が第二の回転駆動部３４によりどの角度回転したかわかるようになっている。

移動部４０は、姿勢変更部３０をまたぐように設置される門型フレーム４１と、センサ部１０をｚ軸と平行な回転軸を中心に回転可能にする回転部４２と、ヘッド部４３と、門型フレームをｘ軸と平行な方向に移動させる水平移動部４４とを含む。門型フレーム４１は、脚部４１１と、姿勢変更部３０の上方に渡された梁部４１２とを含む。ヘッド部４３の下方には、回転部４２が設けられている。回転部４２は、センサ部１０をｚ方向と平行な方向を軸として回転する、図示しない回転駆動部を有する。ヘッド部４３は梁部４１２に設けられる。ヘッド部４３の内部は、図示しないｙ軸方向駆動部を有している。このｙ軸方向駆動部により、ヘッド部４３は、定盤３１に対しｙ軸方向に移動可能な構成になっている。更にヘッド部４３は回転部４２及びセンサ部１０をｚ軸方向に移動可能にする図示しないｚ軸方向駆動部を有する。水平移動部４４は脚部４１１に接続されており、図示しない水平駆動部により駆動される。なお、回転部４２は、エンコーダーなどの回転位置検出手段を有している。また、ｙ軸方向駆動部、ｚ軸方向駆動部及び水平移動部４４のそれぞれには、エンコーダー等のセンサを含む、位置を検出する手段を有しており、姿勢変更部３０を基準にセンサ部１０の位置を特定することができる。

図３は、センサ部１０の要部構成を示す図である。実線はライン光の長手方向の中心の光線６１を示している。中心光線とは、照明光学系の図示しない開口絞りの中心を通る光線であり、ここではライン光６０の光束の中心を通る光線を指す。センサ部１０は、ライン光である測定光６０１及び参照光６０２を被測定物表面２１に照射する照明部１１と、被測定物表面２１を撮影する撮像部１２とを含む。センサ部１０には、撮像部１２により撮像された画像に基づき被測定物２０の表面形状を演算する後述の演算部５１を含む制御ユニット５０が接続されている。

図４は、照明部１１の要部構成を示す図である。実線６１は中心光線を示している。照明部１１は、被測定物表面２１に長手方向を有する線状の光である測定光６０１及び参照光６０２を照射するように構成されている。光源１１１から出た光は照明光学系１１２によって平行光束となり、ハーフミラー１１３に入射する。ハーフミラー１１３を通過した光はシリンドリカルレンズ１１５によって、表面が曲率を有している方向のみ平行光束が収束される。それにより、被測定物表面上ではライン状の光になり、被測定物表面２１に照射される。本実施形態に係る形状測定装置１００においては、このライン光を測定光６０１とする。一方、光源１１１から出た光のうち、ハーフミラー１１３によって進む方向が変更された光はミラー１１４に入射し、再び方向が変更され、測定光６０１と平行に進む光となり、シリンドリカルレンズ１１５に入射し、ライン光が形成される。本実施形態においてこのライン光を参照光６０２とする。

本実施形態において、測定光６０１は被測定物表面２１の形状測定に主に用いるためのライン光であり、参照光６０２はセンサ部１０に対する被測定物表面２１の方向の演算に主に用いるライン光である。

本実施形態では測定光６０１と参照光６０２を生成の過程において前述のように定義したが、どちらのライン光が測定光６０１であっても良く、上記に限定されない。また、場合によっては形状測定に主に用いる測定光６０１を傾き演算のために使用しても良く、参照光６０２を形状測定に用いても良い。たとえば、測定光６０１の像と参照光６０２の像を比較したときに、正確に像のピーク位置が特定しやすい方を形状測定に用いても良い。

また、照明部１１をシリンドリカルレンズ１１５の他に、スリット板や液晶等によって構成し、ライン状のパターン光を形成してもよい。また、撮像部１２が一の像を撮影する時間内に、照明部１１が点状の光を被測定物２０上に高速に移動させながら照射することによりライン状の光を形成してもよい。光源１１１は、例えばＬＥＤ、レーザー光源、ＳＬＤ等を用いることができる。

また、本実施形態では、測定光、及び、参照光にライン光を用いたが、ライン光に限られない。少なくともどちらか一方が点状の光であっても良い。

以下では、測定光６０１と参照光６０２を特に区別して説明する必要が無い場合は、双方をまとめてライン光６０として説明することとする。

図３で図示されているように、撮像部１２は、撮像光学系１２１と撮像素子１２２とを含む。撮像素子１２２には二次元方向に画素が配列されており、たとえばＣＣＤ等から構成されている。撮像部１２は、被測定物２０の表面に照射されるパターン光６０の像を光の照射方向とは異なる方向から撮影するように配置されている。また、撮像素子１２２は光を受光する撮像面１２３を含む。そして、撮像光学系１２１は、撮像面１２３と被測定物２０上の測定光が照射される位置とが共役な関係になるよう構成されている。

本実施形態における形状測定装置１００では、センサ部１０と被測定物２０との距離によらず被測定物表面２１での測定光６０１の位置と撮像面１２３とが共役な関係となるように、撮像光学系１２１の主平面に対して撮像面１２３が傾いた配置にしてある。このような配置にすることで、被測定物２０の形状によらずピントが合った測定光６０１の像を得ることができる。

ところが、被測定物２０に照射された測定光６０１の照射領域に対し撮像面１２３が共役となるような配置にするため、参照光６０２の照射領域にピントが合わなくなる恐れがある。そのため、撮像光学系１２１に絞りを設けるなどして測定光６０１及び参照光６０２の焦点深度が深くなるような構成にしても良い。

本実施形態における形状測定装置１００では、照明部１１と撮像部１２はセンサ部１０の同一筐体中に固定されている。すなわち、撮像光学系１２１と照明光学系１１２とが固定されている。したがって、センサ部１０の位置座標と、撮像素子１２２に撮影された測定光６０１の画像の画素位置から、測定光６０１が照射されている被測定物表面２１上の位置と照明光学系１１２との距離を求めることができる。撮像素子１２２上における測定光６０１の画像の長手方向の画素列ごとに、照明光学系１１２と被測定物表面２１との距離を求めることにより、測定光６０１が照射されている場所の被測定物表面２１の形状を求めることができる。

本実施形態に係る形状測定装置１００では、照明部１１と撮像部１２がセンサ部１０の筐体中に固定されているが、これらの配置を可変となるように構成しても良い。この場合、照明光学系１１２及び撮像光学系１２１の位置座標、及びライン光の照射方向が撮像時に既知となるような構成を有していればよい。

図５は、制御ユニット５０を含む形状測定装置１００の要部のブロック図を示す。制御ユニット５０は、演算部５１、制御部５２、記憶部５３、入力部５４、出力部５５、通信部５６を有する。演算部５１は、形状演算部５１１、表面方向推定部５１２、駆動量演算部５１３、及び、位置特定部５１４を有する。また、制御部５２は、演算制御部５２１及び機構制御部５２２を有する。

形状演算部５１１は測定光６０１が照射された測定位置の被測定物２０の形状を演算する機能ブロックである。前述のように移動部４０に設けられた各位置検出手段や回転位置検出手段、姿勢変更部３０に設けられた各回転位置検出手段からの情報と、撮像部１２から取得された測定光６１の像の位置を基に、被測定物２０の測定部位の位置を算出する。ここで、形状演算部５１１は、形状演算に参照光６０２を用いても良い。

位置特定部５１４は、撮像素子１２２に撮影された画像上でライン光６０の像の位置を代表する一画素を特定する。すなわち、測定光６０１の像の位置を示す一画素と参照光６０２の像の位置を示す一画素を特定する。また、ライン光の像の位置が求められる限りにおいて、撮影された画像上のライン光６０の像の位置をそれぞれ複数画素で特定しても良い。

表面方向推定部５１２は測定光６０１及び参照光６０２が照射されている位置について、センサ部１０に対する被測定物表面２１の方向を推定する機能ブロックである。被測定物表面２１の方向を推定する方法については後述する。

駆動量演算部５１３は、表面方向推定部５１２により求められた被測定物表面２１の方向の情報を基に、センサ部１０に対して最適な方向に被測定物２０の測定部位の面が向く様に、姿勢変更部３０の駆動量を算出する機能ブロックである。具体的には、姿勢変更部３０の各回転駆動部を駆動する駆動量を算出する。さらに、駆動量演算部５１３は、被測定物表面２１上に測定光６０１を走査するための移動部４０の駆動量を算出する機能ブロックである。具体的には、移動部４０の各駆動部及び回転駆動部の駆動量を算出する。

演算制御部５２１は、記憶部５３に記憶されたデータに基づき、形状演算部５１１、表面方向推定部５１２、駆動量演算部５１３に順次演算を実行させる機能ブロックである。機構制御部５２２は、駆動量演算部５３１によって求められた姿勢変更部３０と移動部４０の駆動量に基づいて、次の撮影タイミングまでに姿勢変更部３０、移動部４０を駆動させる機能ブロックである。

本実施形態において、制御ユニット５０が有する各部分は、それぞれ機能ブロックとして作用するように構成されているが、これに限られない。中央演算処理装置（ＣＰＵ）が必要なプログラムを読みだして制御ユニット５０が有する各部分の機能を実行するように構成しても良い。

記憶部５３は、撮像部に撮影された画像データ、形状演算部５１１、表面方向推定部５１２、駆動量演算部５１３等の演算データ、プログラム等を記憶する。入力部５４は、マウス、キーボード、タッチパネル等から成る。入力部５４を用いて、センサ部１０の走査速度等を入力し、設定できるようにしても良い。出力部５５は、ディスプレイ等から成り、演算結果の表示等を行う。通信部５６は、無線又は有線で、形状測定装置１００と他の機器等との通信を行う。

図６は、被測定物２０に照射されるライン光６０の光路を照射方向とは異なる方向から見た図である。本実施形態において光源１１１からの光の照射方向に対して垂直な平面にライン光６０が照射された場合、ライン光６０により形成されるパターンは、互いに平行な線状のパターンとなるようにしている。また、本実施形態では、図４の実線で示されるライン光６０のそれぞれの光束の中心の光線（以下、中心光線６１と称する）を含む面において、それぞれの中心光線６１が平行に被測定物２０に照射されるよう構成されている。以下では、実線は照明部１１からのライン光６０の中心光線６１の光路を示し、破線はライン光６０の光の端６２の光路を示すこととする。

図７（ａ）は図６に示す測定光６０１及び参照光６０２のそれぞれの中心光線６１を含む平面における光路を示したものである。測定光６０１及び参照光６０２が照明部１１から被測定物表面２１に照射され、被測定物表面２１で反射し、それぞれの反射光の一部が撮像光学系１２１に入射する。撮像面１２３上に形成された測定光６０１及び参照光６０２の像が撮像素子１２２によって撮影される。このとき、撮像素子に撮影される測定光６０１及び参照光６０２の像の位置６０１１、６０２１を図７（ｂ）に示す。

また、図７（ａ）は、ある高さの面にライン光６０を照射したときの各光の照射方向の様子を示した図である。光源１１１から被測定物２０までが基準の距離だけ離れており、更に被測定物表面２１に対して測定光６０１と参照光６０２がほぼ垂直に照射されている場合を示している。

通常、撮像光学系１２１の光軸及びその近傍は、収差等が低く抑えられている。また、撮像素子１２３の中央領域は、撮像光学系の光軸に位置するように配置されている。したがって、一般的に撮像素子１２２の中央では測定精度が良い。そのため、測定光６０１が照射された位置の被測定物２０の像が撮像素子１２２の撮像領域の中心近傍に来るように、
機構制御部５２２が移動部４０を制御しながらセンサ部１０で測定光６０１の像を取得している。したがって、図７（ｂ）でも、測定光の像６０１１が撮像素子１２２の撮像領域の中央に形成されているようすが図示されている。

図８（ａ）は図７（ａ）と同様に、被測定物２０に照射された光の経路を示す。図８（ａ）は、センサ部１０からのライン光６０の照射方向に対し被測定物表面２１の向きが異なる場合の一例を示す。このとき、撮像素子１２２に撮像される測定光６０１及び参照光６０２の像（６０１１、６０２１）を図８（ｂ）に示す。

図９（ａ）は図７（ａ）、図８（ａ）と同様に、被測定物２０に照射された光の経路を示す。図９（ａ）は、センサ部１０からのライン光６０の照射方向に対し被測定物表面２１の向きが異なる場合の一例を示す。このとき、撮像素子１２２に撮像される測定光６０１及び参照光６０２の像（６０１１、６０２１）を図９（ｂ）に示す。

測定光６０１及び参照光６０２の照射方向に対して、被測定物２０の表面の方向が異なると、センサ部１０で撮影される測定光６０１の像と参照光６０２の像（６０１１、６０２１）の位置関係が変わる。例えば、図７（ａ）のような場合で撮影された測定光６０１の像と図８（ａ）のような場合で撮影された測定光６０１の像６０１１は、どちらも撮像素子１２２の撮像領域の中央に像が形成される。一方、図７（ａ）のような場合で撮影された参照光６０２の像６０２１と、図８（ｂ）のような場合で撮影された参照光６０２の像６０２１の位置は、異なる。このように、本実施形態における形状測定装置１００は、測定光６０１の像と参照光６０２の像の位置の情報を基に、次に測定する位置のセンサ部１０に対する被測定物の表面の向きを検出している。

表面方向推定部５１２は、センサ部１０に対する被測定物２０の表面の向きを推定する量を表面方向データとして求める。表面方向データは、例えば、被測定物２０のライン光６０が照射されている領域に仮定した法線と、ライン光６０の照射方向とが成す角度に相当する量として求めることができる。

また、ライン光６０の長手方向に直交する方向に対する面の向きのみを考慮する場合、被測定物２０のライン光６０が照射されている領域に仮定した法線の、測定光６０１及び参照光６０２の中心光線６１を含む面への射影を法線方向として表面方向データを求めても良い。

表面方向推定部５１２が表面方向データを求める手順を説明する。まず、測定光６０１及び参照光６０２の像（６０１１、６０２１）が撮像素子１２２に撮影される。ライン光６０が照射されている領域の被測定物２０の面の向きを調べるため、本実施形態において、まず位置特定部５１４が、撮像素子１２２に撮影された画像上でライン光６０の像の位置を代表するそれぞれ一画素を特定する。

位置特定部５１４は、撮像素子１２２に撮像された画像上で、測定光の像６０１１から画素位置７１を特定し、さらに参照光の像６０２１から画素位置７２を特定する。表面方向推定部５１２は、画素位置７１と測定光６０１の照射方向に基づき、形状演算部５１１で測定光６０１が照射された被測定物２０のプローブ座標を算出する。また、同様に画素位置７２に対応する被測定物のプローブ座標も算出している。プローブ座標とは、形状測定装置に対して設定されたｘｙｚ座標と区別するために用いており、センサ部１０に対して設定される座標である。すなわち、移動部の各構成が駆動されても、駆動量に関わらずセンサ部１０の所定の位置がプローブ座標において一意に示される。また、プローブ座標は、移動部の各構成の駆動量を加味することにより、ｘｙｚ座標に変換することができる。逆に、ｘｙｚ座標をプローブ座標に変換することも可能である。

画素位置７１及び７２に対応する被測定物のプローブ座標を算出し、ｘｙｚ座標に変換することにより、この２点を結ぶ線と、２点のうち少なくとも一方を通りｘ軸とｙ軸に平行な面とがなす角度を求める。この角度により、ライン光６０が照射されている位置の被測定物表面２１の向きを推定する推定量を求めることができる。位置特定部５１４によるライン光６０の像の画素位置７０の特定方法は後述する。

また、測定光６０１の像が画像の中央にある場合、参照光６０２の像の位置に基づいて被測定物表面２１の向きを一意に求めるルックアップテーブルを用いても良い。ルックアップテーブルを用いることにより、撮像光学系１２１の光軸方向と、被測定物２０で反射した反射光が撮像光学系１２１の中心に入射する方向とが成す角度等を求めなくとも、測定光６０２の像の位置から被測定物表面２１の向きを求めることができるようになる。また、参照光６０２の位置に基づいて求める他に、測定光６０１の像の位置と、参照光６０２の像の位置との間隔に基づいて求めるようにしても良い。この場合も、測定光６０１と参照光６０２の像の位置の間隔と被測定物表面２１の向きを一意に求めることができるルックアップテーブルを用いても良い。

また、本実施形態では、センサ部１０から被測定物２０までの距離に応じて、ライン光の像の画素位置同士の距離が変わらないよう、ライン光６０が互いに平行に照射されている。平行に照射されていない場合は、例えば、傾きが既知である被測定物２０に対し、センサ部１０から被測定物表面２１までの距離を変えながら測定し、ルックアップテーブルの校正を行うことができる。

ライン光の像の位置を示す一画素の特定の仕方について説明する。前述のように、一般的に撮像素子１２３の中央では測定精度が良い。そこで本実施形態に係る形状測定装置１００は、測定光の像６０１１の長手方向の中央を測定光の像の画素位置７１とし、参照光の像６０２１の長手方向の中央を参照光の像の画素位置７２とする。ここで、ライン光の像は長手方向と直行する短手方向に輝度の分布を持って広がっている。そのため、本実施形態ではライン光の像の長手方向の中央の位置における、長手方向と直行する短手方向の輝度の分布のピーク位置の画素を短手方向の画素位置を特定することができる。

また、被測定物表面２１が複雑な形状をしている場合や穴がある場合等、ライン光が途中で途切れている場合は、測定光及び参照光の像６０１１、６０２１との距離が最短になる画素位置を求めて測定光及び参照光の像の画素位置７１、７２としても良い。この時の短手方向の画素位置は上述のように短手方向の輝度の分布に基づいて求めればよい。

また、被測定物２０が複雑な表面形状をしており、測定光６０１又は参照光６０２のどちらか一方の画像しか得られていない場合はエラーを出すような構成にしても良い。

また、測定光の像６０１１の画素位置７１、及び参照光の像６０２１の画素位置７２の特定は、ライン光の長手方向のそれぞれ離れた複数画素同志を比較して画像上の平均的な位置を求めても良い。例えば図１０に示すように、ライン光の長手方向の３画素同志７１’、７１’’、７２’’’、７２’、７２’’、７２’’’を比較する。７１’、７１’’、７２’’’、７２’、７２’’、７２’’’の設定の仕方は、例えば、測定光の像６０１１の長手方向の中央の画素を７１’とし、長手方向の端から所定の距離はなれた画素を７１’’、及び７１’’’とする。次に、７１’を通り、測定光の像６０１１の長手方向に対して垂直な方向に伸ばした線と、参照光の像６０２１とが交わる画素を７２’とする。同様に、それぞれ７１’’、７１’’’を通る測定光の像６０１１の長手方向に対する垂線と、参照光の像６０２１とが交わる画素を７２’’、及び７２’’’とする。３画素７１’、７１’’、７１’’’それぞれの画素位置を基に平均画素位置を求め、測定光の像６０１１の画素位置とすることができる。参照光の像６０２１の画素位置についても同様にもとめることができる。ライン光の長手方向の中央付近以外の２点７１’、７２’’’、７２’、７２’’’は、撮像素子１２２の中央から離れた位置で撮影されると誤差が大きくなる可能性があるため、ライン光の長手方向の端からライン光の長手方向の中央に向かって内側の画素位置を採用すると良い。例えば、ライン光の像の長さに対し２割程度内側の画素を採用することができる。この場合も短手方向の画素位置は上述のように短手方向の輝度の分布に基づいて求めればよい。また、上記に限らず、ライン光６０の長手方向の端から所定の割合の長さの位置を複数選んでも良い。ライン光６０の像の長手方向の複数の位置に基づいてライン光６０の像を代表する画素位置を求めることにより、ライン光６０の像が折れ曲がっていたり、曲線になっていたりするときでも精度よくライン光６０の像を代表する画素位置を選ぶことができる。また、ライン光６０の長手方向の画素すべてに対して画素位置を特定し、平均を取ることにより、一の画素位置を特定しても良い。

また、ライン光の像の短手方向の輝度の分布に基づいて画素位置の特定する他の方法を用いることができる。まず、ライン光の像を形成する画素の輝度値を短手方向の所定の幅ごとに長手方向に向かって足し合わせる。所定の幅は、例えば一画素に相当するようにする。そして、足し合わせた数値が最大となる画素位置を短手方向の画素位置とする。

次に姿勢変更部３０、及び移動部４０の駆動量について説明する。駆動量演算部５１３は、表面方向推定部５１２の演算結果に基づき、センサ部１０が被測定物２０に対し適切な姿勢となるような姿勢変更部３０の駆動量を演算する。適切な姿勢とは、撮像素子１２２に入射する光の強度が撮像素子のダイナミックレンジ外となる正反射光や拡散反射光が入射しないような姿勢である。また、姿勢変更部３０は、ライン光６０の照射方向と、ライン光６０が照射されている被測定物表面２１上の領域とが該垂直になるように制御されるようにしても良い。この場合、正反射光が照明部１１に近い方向に進行するため、撮像素子１２２に直接入射することを避けることができる。以下に、ライン光６０の照射方向と、ライン光６０が照射されている被測定物表面２１上の領域とが該垂直になるような制御の方法の例を説明する。まず、測定光６０１と参照光６０２の像をそれぞれ代表する１点を決定し、これらに対応するプローブ座標を算出する。これらの座標を結ぶ線を仮定し、ライン光６０の照射方向との成す角度を求める。そして、この角度が直角になるような姿勢変更部３０の駆動量を求め、姿勢変更部３０を駆動する。また、図１０のようにライン光６０に対して代表する点を３点選ぶ場合、外側の２点（図７１’の７１’’’又は７２’、７２’’’）に対応するプローブ座標を算出し、これらを結ぶ線とライン光６０の照射方向との成す角度を求め、この角度が直角になる姿勢変更部３０の駆動量を求めることができる。これにより、ライン光の長手方向の傾きに対してもライン光６０の照射方向と被測定物表面２１が該垂直になるように制御することができる。これらの制御方法は一例であり、ライン光６０の照射方向と、ライン光６０が照射されている被測定物表面２１上の領域とが該垂直になるような制御であれば、他の方法でもよい。また、姿勢変更部３０の駆動は、例えば、被測定物２０に対しライン光６０を走査する方向に被測定物表面２１の向きを変更できるようにしても良い。すなわち、被測定物表面を平面と仮定した時にライン光６０が走査される方向を走査方向し、この面内において走査方向と直行する方向を軸として回転させても良い。また、走査方向は、移動部４０の駆動方向としてもよい。

移動部４０は、駆動量演算部５１３によりセンサ部１０を被測定物２０に対して走査させるように制御される。この時、駆動量演算部５１３はセンサ部１０に対する被測定物表面２１の向き、すなわち、照明光学系の光軸方向と被測定物表面２１の向きの成す角度が所定量よりも大きな場合や、角度変化が多く、被測定物表面２１が複雑な形状をしていると予測される部分を判断するようにしても良い。この場合、より走査間隔を狭めて測定するように制御しても良く、逆に照明光学系の光軸方向と被測定物表面２１の向きの成す角度が所定量よりも小さな場合や、角度変化が少ない場合、走査間隔を広くするようにしても良い。走査間隔を変更する方法として、例えば、走査速度を変更することができる。また、走査速度を一定にし、画像を取得するタイミングの間隔を変更することにもできる。

移動部４０はセンサ部１０を被測定物２０に対して走査させる際、被測定物２０に対するセンサ部１０の走査方向がライン光６０の長手方向と直交し、かつ参照光６０２が測定光６０１よりも先行するようにすることができる。これにより、測定光６０１が照射されている位置が次の位置に移動される際に、次の測定位置でセンサ部１０が適切な姿勢となるように制御することができる。そのため、センサ部１０を、被測定物２０に対して適切な姿勢を維持しながら走査することが可能となる。したがって、表面の形状に応じ正確な形状測定を行うことができる。

また、姿勢制御を行いながらセンサ部１０を一定速度で走査する際、被測定物表面２１で形状の変化が急な場所では測定間隔が一定にならないことがある。すなわち、センサ部１０の姿勢を変更することにより、姿勢を変更しない場合と比較してライン光６０が照射される位置が変化する。ここで、測定間隔とは測定光６０１の像に基づき被測定物２０の三次元座標点が取得される位置の、走査方向に対する間隔である。走査間隔の調整は、移動部４０の走査速度の変更や、移動部４０の駆動量の制御などにより行うことができる。また、画像を取得するタイミングの時間間隔を変更することにより、測定間隔の調整をしても良い。測定間隔は、被測定物表面２１に対して一定となるように調整しても良く、形状の変化が急な場所ではより多くの座標点が取得されるように狭く調節しても良い。

次に、本実施形態の形状測定装置１００による形状測定の流れについて、図５及び図１１のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、測定者は被測定物２０を姿勢変更部３０に固定する。ステップＳ１０１において、測定者によって測定が開始されると、照明部１１が被測定物２０の測定する部分に測定光６０１及び参照光６０２を照射する。

ステップＳ１０２において、撮像部１２は被測定物表面２１のライン光６０の像を撮影する。このとき、得られた画像は、演算部５１、記憶部５３、及び制御部５３に送られる。

ステップＳ１０１で撮影され演算部５１に送られた画像は、形状演算部５１１、位置特定部５１４、及び表面方向推定部５１２に送られる。ステップＳ１０３において、形状演算部５１１及び表面方向推定部５１２は、画像上で測定光の像６０１１及び参照光の像６０２１の判別をする。このとき、本実施形態における形状測定装置１００では、それぞれの像が並ぶ順番から測定光６０１及び参照光６０２を特定する。

また、測定光６０１又は参照光６０２が識別できる限りにおいて上記の方法に限定されず、測定光６０１と参照光６０２のどちらか一方を点滅させて識別してもよい。また、測定光６０１、及び、参照光６０２をそれぞれ異なる波長で照射し識別できるようにしてもよく、識別可能な程度にそれぞれのライン光の幅を変えて被測定物２０に照射してもよい。

次に、ステップＳ１０４において、形状演算部５１１が測定光６０１の照射されている被測定物２０の表面形状を演算する。具体的には、測定光の像６０１１の長手方向のそれぞれの画素位置に対応する被測定物表面２１の位置を演算する。ここで、長手方向のそれぞれの画素位置において、長手方向と直行する短手方向に光量分布があるため、光量分布のピークの位置の画素を特定し、この画素位置に対応する被測定物表面２１の位置を演算する。演算結果は記憶部５３に送られ記憶される。

また、形状演算は画像上の画素位置に対応した被測定物の位置を一意に示す対応テーブルを用いる方法でも良い。

ステップＳ１０５において、位置特定部５１４はステップＳ１０２で得た画像に基づき測定光の像の画素位置７１及び参照光の像の画素位置７２を求める。そして、表面方向演算部５１２はそれぞれの画素位置に対応する被測定物２０のプローブ座標を演算により求め、センサ部１０に対する被測定物表面２０の向きを演算する。この向きの情報は記憶部５２、及び駆動量演算部５１３に送られる。

また、上述のように位置特定部５１４がそれぞれのライン光の画素位置を特定した後、記憶部５２に記憶されているルックアップテーブルによって被測定物２０の向きを求めることができる。

ステップＳ１０６において、駆動量演算部５１３は、次の測定位置で被測定物２０に対するセンサ部１０の相対的な姿勢が適切になるように、次の測定位置に移動するまでの間に駆動させる姿勢変更部３０の駆動量を演算する。また、測定間隔を調整するために移動部４０の駆動量を制御する場合、移動部４０の駆動量を求めておく。

被測定物２０に対するセンサ部１０の適切な姿勢は、例えば、次の測定位置で撮像素子１２２に入射する反射光の強度が撮像素子１２２の計測可能な強度範囲内に収まると推測されるような姿勢である。

ステップＳ１０７において、機構制御部５２２は次の撮影タイミングまでに、ステップＳ１０６で得られたに駆動量に基づいて姿勢変更部３０や移動部４０の各部分を駆動する。

ステップＳ１０２からＳ１０７までを、被測定物表面２１上の所望の領域の形状計測が終了するまで繰り返す。

また、ステップ１０３において、測定光６０１及び参照光６０２の判別ができない場合は、エラーを表示し測定者に知らせても良く、これらが判別できる位置まで姿勢変更部３０、移動部４０等を駆動させても良い。

本実施形態における形状測定装置１００において、センサ部１０の被測定物表面２１に対する姿勢は、ライン光６０が照射されている測定位置における被測定物２０の向きの情報に基づき、撮像面１２２に入射する正反射光や拡散反射光の強度信号が撮像素子１２１のダイナミックレンジに収まるように制御される。センサ部１０の被測定物表面２１に対する姿勢は、例えば、照明光学系１１２の光軸方向と、被測定物表面の向き、すなわち被測定物２０上のライン光６０が照射されている領域に仮定した法線の方向とが成す角度に相当する量で表される。

図１２に、被測定物２０に照射されたライン光６０の正反射光８１と、拡散反射光８２、８３を示す。正反射光８１は被測定物表面に仮定した法線８０に対し、入射角と等しい角度で反射する光である。センサ部１０の被測定物表面２１に対する姿勢によっては、ライン光６０が被測定物表面２０で正反射する方向８１と照明光学系１１２の光軸方向と略一致し、正反射光８１や正反射角に近い角度で反射する拡散反射光８２が撮像素子１２１に入射してしまうことがある。この場合、正反射光８１や拡散反射光８２、８３の信号強度が強く、撮像素子１２１のダイナミックレンジに収まらないことがある。また、撮像光学系の光軸方向がライン光６０の正反射の方向８１と離れた方向に向いている場合（８３）、撮像光学系に入射する拡散反射光８３の信号強度がダイナミックレンジの下限よりも弱くなってしまうことがある。

また、本実施形態にかかる形状測定装置１００において、被測定物表面２１の座標位置を算出するときに用いた画像が取得された時のセンサ部１０の相対的な姿勢が、どの程度適切な角度範囲にあるかを示す信頼性評価情報を画素値または被測定物２０の形状データに付加しても良い。これにより、一連の測定動作の中で、被測定物表面２１上で、所定の位置あるいはその近傍の位置における形状データが複数得られたとき、最も良い信頼評価情報が付加されている値をその位置での形状データとして採用ことができる。画素値についても同様に、被測定物２０上の所定の位置やその近傍に対応する画素値が複数得られた場合、信頼度の高い画素値を採用する。

また、センサ部１０の被測定物２０に対する姿勢が適切な範囲にないと判断した場合、撮影が行われないような設定にしても良い。

また、本実施形態にかかる形状測定装置１００において、測定光６０１又は参照光６０２のどちらもライン光である場合を示したが、参照光６０２は点状の光でも良い。この場合、例えば画像上での輝度の分布により参照光６０２の画素位置を特定し、傾き情報を得ることができる。

このように、本実施形態に係る形状測定装置１００は、測定光６０１及び参照光６０２の像の位置に基づいて、センサ部１０に対する被測定物表面２１の傾きを傾き情報として推測し、この傾き情報に基づき、次の測定位置におけるセンサ部１０の姿勢が適切な角度範囲になるよう制御することができる。

また、本実施形態では、姿勢変更部、及び移動部により自動的にセンサ部１０が移動される場合を説明したが、多関節を有するアーム型の形状測定装置やポータブルタイプの形状測定装置においても実施することができる。アーム型の形状測定装置は、測定者がセンサ部１０を持って被測定物２０に対し相対的に移動させることができるものである。以下では、これらの形状測定装置に本発明を適用した場合について説明する。

アーム型の形状測定装置やポータブルタイプの形状測定装置において、被測定物２０に対するセンサ部１０の向きが適切でない場合、警告を出すようにしても良い。具体的には、表面方向推定部５１２の演算結果から、被測定物２０の表面が向いていると推測される方向が所定の範囲にないとき、出力部５５が警告を発生する。被測定物２０に対するセンサ部１０の向きが適切でない場合とは、例えば被測定物表面２１で反射し、撮像素子１２１に入射した反射光の強度が撮像素子１２１のダイナミックレンジに収まらないと推定される場合である。その他、測定環境、装置特定等によって不適切な姿勢を設定することにより、これらの不適切な姿勢になった場合に警告を行うような構成にしても良い。

警告は、モニタ等に表示したり、警告ランプを点灯させるようにしたりしても良く、ブザー等の音声で測定者に知らせるようにしても良い。警告に合わせて、駆動量演算部５１３が、被測定物２０に対し適切な姿勢になるようなセンサ部１０の駆動量を演算し、出力部５５により測定者に知らせても良い。

警告を発生させる場合の形状測定装置の要部構成を図１３に示す。図１３に示す形状測定装置１００は、更に、判定部５１５を有する。また、フローを図１４を用いて説明する。まず、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５は図１１のステップＳ１０１〜Ｓ１０５と同様であるため説明を省略する。

ステップＳ２０６において、判定部５１５は、表面方向推定部５１２の演算結果を参照し、センサ部１０の被測定物２０に対する相対的な姿勢が所定の範囲内にあるかを判定する。

判定により、適切である場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に戻り、形状測定を続ける。適切でない場合（Ｎｏ）、ステップ２０７で駆動量演算部５１３が表面方向推定部５１２の演算結果を参照し、適切な駆動量を演算する。

ステップ２０８において、出力部５５が駆動量演算部５１３の演算結果を表示してステップ２０２に戻り、フローを繰り返す。

また、ステップＳ２０４の形状演算部５１１による演算と形状データを記憶部５３に記憶する動作を、Ｓ２０６での判定後に行っても良い。形状演算と形状データの記憶をＳ２０６の後に行う場合、判定結果が適切（Ｙｅｓ）であれば形状測定を行い、適切でない（Ｎｏ）場合、形状測定を行わずにステップＳ２０７の駆動量演算部５１３の演算を行い、ステップ２０８に進むようにする。また、形状データを記憶部５３に記憶させる動作をＳ２０６の後に行うこともできる。この場合は、判定結果が適切（Ｙｅｓ）であれば記憶の動作を行うステップＳ２０６’を設け、その後ステップＳ２０２に進むようにする。適切でない（Ｎｏ）場合、記憶動作を行わずにステップ２０７に進むようにする。

また、撮像部が撮影するタイミングは前述のとおり一定の時間タイミングで撮影しても良く、測定者の持ち手部分等に撮影ボタンを設け、測定者が撮影ボタンを押したタイミングで撮影しても良い。また、センサ部１０の被測定物２０に対する姿勢が適切な範囲にないと判断した場合、撮影が行われないようにしても良い。また、センサ部１０の被測定物２０に対する姿勢に応じて警告を発生する代わりに、姿勢に応じて照明部１１から照射される光の光量を変更するようにしても良い。例えば、正反射光や正反射光に近い角度に進む光が入射すると推定される姿勢の場合に光量を小さくし、正反射光の進む角度から離れた角度の光が入射すると推定される姿勢の場合に光量を多くしても良い。これにより、撮像部１２のダイナミックレンジに収まるように光量を制御することができる。

このように、測定光６０１及び参照光６０２それぞれの像の位置に基づいて、センサ部１０に対する被測定物表面２１の向きを求め、この向きが適切な範囲にないときには警告を行い、測定者に通知して適切な移動方法を誘導することができる。これにより、表面の形状によらない正確な形状測定を実現することが可能となる。

また、表面方向推定部５１２の出力に応じて、形状演算部５１１によって求められた被測定物２０の形状データのそれぞれに評価を付加しても良い。具体的には、形状データが取得されたときに得られた被測定物２０に対するセンサ部１０の姿勢が所定の範囲であれば形状データに高い信頼度評価値を付加し、所定の範囲外であれば低い信頼度評価値を付加することができる。センサ部１０の適切な姿勢の範囲はセンサ部１０等の装置構成に依存するため、信頼度評価値の評価基準はこれらの装置構成に基づいて判断しても良い。また、正反射光の影響を低減するため、正反射光が入射すると推測される姿勢と、正反射光が入射していないと推測される姿勢とで二値で評価を与えて判断しても良い。信頼度評価値を付加することにより、センサ部１０の姿勢が適切でないため、被測定物２０で反射したライン光の強度のピーク位置が正確に求まらないことなどによって測定精度が低下してしまう恐れのある形状データを識別することができる。

また、被測定物の所定の位置の形状データがその近傍を含めて複数取得された場合、信頼度評価値の高い形状データを採用し、被測定物の形状を求めることができる。また、信頼度評価値の高い形状データが十分得られていない場所を特定し、出力部５５に出力する等によって測定者に更なる測定を促しても良い。

信頼度評価値を付加する形状測定装置１００の要部構成を図１５に示す。図１５における形状測定装置１００は、更に、信頼度評価部５１６を有する。フローについて、図１６を参照して説明する。

図１６のステップＳ３０１〜Ｓ３０５は図１１のＳ１０１〜Ｓ１０５に対応するため、説明を省略する。

ステップＳ３０６において、制御ユニット５０に設けられた信頼度評価部５１６は、ステップＳ３０５の表面方向推定部の出力を参照し、センサ部１０に対する被測定物２０の向きに基づいた信頼度評価値を算出する。演算制御部５２１は、ステップＳ３０４で得られた形状データと信頼度評価値とを対応付けて記憶部３５に記憶させる。

信頼度評価値は、例えば、撮像素子１２１のダイナミックレンジに収まると推測される方向に進む反射光が入射した画素に出力される形状データの信頼度評価は高く、逆に正反射光や、撮像素子１２１のダイナミックレンジから外れてしまうと推測される方向に進む拡散反射光の信頼度評価は低くする。

ステップＳ３０２に戻り、被測定物表面２１の所望の領域の形状計測がすべて終了するまで同様のフローを繰り返す。ここで、形状測定を終了するか否かは、形状測定したい領域の所定の面積当たり一定個数以上の形状データが取得されたか否かで判定しても良く、信頼度評価値が一定以上の形状データが所定の面積当たり一定個数以上得られたか否かで判定しても良い。

一連の測定が終了後、ステップＳ３０７において、選択部９１は被測定物２０上の同一あるいは近傍の位置に対応する画素位置の画素値が複数得られているとき、信頼度評価が最も高い画素値により求められた被測定物２０の座標値を採用し形状データとする。

このように、本実施形態に係る形状測定装置１００は、測定光６０１及び参照光６０２の像の位置に基づいて演算されたセンサ部１０の姿勢の情報に応じて信頼度評価を行い、適切な角度で入射する反射光の像の画素値を選択できるような構成を設けることにより、表面の形状に応じた正確な形状測定を行うことが可能となる。

また、上述の各実施形態では形状測定装置に関して説明したが、形状演算部５１１を有さない姿勢制御装置であっても良い。

図１７は、上述の形状測定装置１００を備えた構造物製造システム２００の一例を示す図である。図１８は、構造物製造システムによる処理の流れを示したフローチャートである。構造物製造システム２００は、設計装置２４０と、成形装置２５０と、形状計測装置１００と、リペア装置２６０とを備える。制御装置２１０は、座標記憶部２２０と検査部２３０を備える。形状測定装置１００の通信部５６は、リペア装置２６０等、種々の機器と通信を行う。まず、設計装置２４０が、構造物の形状に関する設計情報を作成し、成形装置２５０に送る（ステップＳ４０１）。また、設計装置２４０は、設計情報を座標記憶部２２０に記憶させる。設計情報は、構造物の座標情報を含む。次に、成形装置２５０は、設計情報に基づいて前述した構造物を作製する（ステップＳ４０２）。次に、形状計測装置１００は構造物の形状に関する座標を測定し、座標記憶部２２０に記憶する（ステップＳ４０３）。次に制御装置２１０の検査部２３０は、形状計測装置１００から作成された構造物の形状の座標情報と、前述した設計情報とを比較することにより、構造物が設計情報通りに作製された否かを検査する（ステップＳ４０４）。

次に、制御装置２１０の検査部２３０は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。作成された構造物が良品である場合（ステップＳ４０５、ＹＥＳ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。作成された構造物が良品でない場合（ステップＳ４０５、ＮＯ）、制御装置２１０の検査部２３０は、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ４０６）。作製された構造物が修復できる場合（ステップＳ４０６、ＹＥＳ）、リペア装置２６０は、構造物の再加工を実行し（ステップＳ４０７）、ステップＳ４０３の処理に戻る。作製された構造物が修復できない場合（ステップＳ４０６、ＮＯ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。以上で、本フローチャートの処理を終了する。

本実施形態において、画像を取得した後、その画像を用いて形状演算を行っているが、これに限られず、画像取得と形状演算を並列に別のフローにて行っても良く、画像をすべて取得した後に形状演算を行っても良い。

また、本実施形態ではライン光６０の代表位置に基づいて被測定物表面２１の向きを調べているが、測定光６０１及び参照光６０２の各ライン光６０で形状演算を行い、演算結果を元に被測定物表面２１の向きを推測しても良い。この場合、ライン光６０の長手方向の各画素に対応する３次元座標の平均座標位置をそれぞれ求めて向きを推測しても良い。

本実施形態において、姿勢変更部３０は被測定物２０を支持し、定盤３１上に設けられている例を示したが、これに限られず、例えば、センサ部１０の駆動構成であって、センサ部１０の向きを変更することにより相対的な姿勢を変更しても良い。例えば、センサ部１０がライン光６０の長手方向に平行な方向を軸として回転し、相対的な姿勢を変更するようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、構成の一部を用いない場合もある。また、各構成を組み合わせることもできる。

１００…形状測定装置、
１０…センサ部、
１１…照明部、
１１１…光源、
１１２…照明光学系、
１１３…ハーフミラー、
１１４…ミラー、
１１５…シリンドリカルレンズ、
１２…撮像部、
１２１…撮像光学系、
１２２…撮像素子、
１２３…撮像面、
２０…被測定物、
２０…被測定物表面、
３０…姿勢変更部、
３１…定盤、
３２…支持台、
３３…第一の回転駆動部、
３３１…第一の回転駆動部の回転軸、
３４…第二の回転駆動部、
３４１…第二の回転駆動部の回転軸、
４０…移動部、
４１…門型フレーム、
４１１…脚部、
４１２…梁部、
４２…回転部、
４３…ヘッド部、
４４…水平移動部、
５０…制御ユニット、
５１…演算部、
５１１…形状演算部、
５１２…表面方向推定部、
５１３…駆動量演算部、
５１４…位置特定部
５１５…判定部
５１６…信頼度評価部
５２…制御部、
５２１…演算制御部、
５１２…機構制御部、
５３…記憶部、
６０…ライン光、
６０１…測定光、
６０１１…測定光の像、
６０２…参照光、
６０２１…参照光の像、
６１…中心光線、
６２…光線の端、
２００…構造物製造システム、
２１０…制御装置、
２２０…座標記憶部、
２３０…検査部、
２４０…設計装置、
２５０…成形装置、
２６０…リペア装置

Claims (14)

1. 被測定物表面上の異なる位置に複数の光を照明光学系により照射する照明部と、
   前記複数の光が照射されている前記被測定物の像を照射方向とは異なる方向にある撮像光学系を用いて撮影する撮像部と、
   前記撮像部に撮影された画像における前記複数の光の像のそれぞれの位置に基づいて、前記照明部又は前記撮像部に対する前記被測定物の相対的な向きを制御する制御信号を送信する制御部と、
   前記複数の光の少なくとも一つが照射されている前記被測定物表面の形状に相当する形状データを演算する形状演算部と、を有する形状測定装置。
2. 前記制御部からの制御信号に基づいて前記相対的な向きを変更する姿勢変更部を有する、請求項１に記載の形状測定装置。
   
3. 前記制御部は、前記撮像部に入射する光の量が前記撮像部のダイナミックレンジに収まるように前記姿勢変更部に前記制御信号を送信する、請求項２に記載の形状測定装置。
   
4. 前記姿勢変更部は、前記照射方向と前記被測定物表面の前記複数の光が照射されている領域が略垂直になるように前記相対的な向きを変更する、請求項２又は３に記載の形状測定装置。
   
5. 前記被測定物表面に対し前記複数の光を走査する走査部を有し、前記姿勢変更部は前記複数の光の走査方向に前記被測定物の前記相対的な向きを変更する、請求項２又は３に記載の形状測定装置。
   
6. 前記制御部は、前記前記撮像部に撮影された前記画像における前記複数の光のそれぞれの像の位置を特定する位置特定部を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
7. 前記制御部は、前記位置特定部に特定された前記複数の光のそれぞれの像の位置に基づいて前記相対的な向きを推定する表面方向推定部を有する、請求項６に記載の形状測定装置。
   
8. 前記撮像部は複数の画素を備え、前記制御部は、前記表面方向推定部によって求められた前記相対的な向きに基づいて、前記撮像部のそれぞれの画素に入射する光の量が所定範囲に収まるような前記姿勢変更部の駆動量を演算する駆動量演算部を有する請求項７に記載の形状測定装置。
9. 前記複数の光の少なくとも一つがライン光である場合、
   前記位置特定部は、前記画像における前記ライン光の像の長手方向の概中央の位置に基づいて前記像の位置を特定する請求項６〜８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
10. 被測定物表面上の異なる位置に複数の光を照明光学系により照射する照明部と、
    前記複数の光が照射されている前記被測定物の像を照射方向とは異なる方向にある撮像光学系を用いて撮影する撮像部と、
    前記撮像部に撮影された画像における前記複数の光の像のそれぞれの位置に基づいて、前記照明部又は前記撮像部に対する前記被測定物の相対的な向きの推定量を検出する検出部と、
    前記推定量が所定範囲内にないときに警告を発生する警告発生装置と、を有する姿勢制御装置。
11. 請求項１０に記載の姿勢制御装置と、
    前記複数の光の少なくとも一つが照射されている前記被測定物表面の形状に相当する形状データを演算する形状演算部と、を有する形状測定装置。
12. 前記推定量に基づいて前記形状データの信頼性を評価する信頼性評価部と、を有する、請求項１〜９、１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
13. 設計情報に基づいて構造物を成形する成形装置と、
    前記成形装置によって成形された前記構造物の形状を測定する請求項１〜９、１１、１２のいずれか一項に記載の形状測定装置と、
    前記形状測定装置によって測定された前記構造物の形状データと前記設計情報とを比較する制御装置と、前記制御装置の比較結果に基づいて前記構造物を修復するリペア装置と、を備える構造物製造システム。
14. 照明部が被測定物表面上の異なる位置に複数の光を照明光学系により照射し、撮像部が前記複数の光が照射されている前記被測定物の像を照射方向とは異なる方向にある撮像光学系を用いて撮影し、制御部が前記撮像部に撮影された画像における前記複数の光の像のそれぞれの位置に基づいて、前記照明部又は前記撮像部に対する前記被測定物の相対的な向きを検出する検出信号を生成し、形状演算部が前記複数の光の少なくとも一つが照射されている前記被測定物表面の形状を演算する、形状測定方法。

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