JP7193308B2

JP7193308B2 - プロファイル測定装置

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Description

本発明は測定対象物のプロファイルを測定するプロファイル測定装置に関する。

変位測定装置は、三角測距の原理を用いて測定対象物の三次元形状を測定する。特許文献１によれば、変位測定装置は、測定対象物を切断するように帯状の測定光（平面的な測定光）を測定対象物の表面に照射し、当該測定対象物の表面から反射した光を受光素子により受光して高さ情報を得る（光切断法）。特許文献１では、静止状態の測定対象物に対して当該測定光の延びる方向と直交する方向に測定光が走査され、測定対象物の三次元形状が測定される。

特開２０００－１９３４２８号公報

一般に、測定光をミラーで走査することで測定対象物の三次元形状を測定するモードはスキャンモードと呼ばれる。測定光を走査する代わりに、測定対象物を移動させることで、測定対象物の三次元形状を測定するモードはラインモードと呼ばれる。このような両方のモードを有する変位測定装置が提供されてもよい。

ところで、ラインモードでは、測定光の照射角度は常に一定であるため、スキャンモードと比較して誤差要因が少ない。それでも、ラインモードは、主に二つの誤差要因を有している。一つ目は、撮像素子を構成する複数の画素間を反射光が通過する際に一画素周期で発生する誤差である。二つ目は、測定対象物の表面状態に起因して発生する誤差である。このようにラインモードでは主に二つの誤差によって正確な測定結果が得られないことがある。そこで、本発明は、ラインモードにおける測定誤差を削減することを目的とする。

本発明は、たとえば、
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を平面的な測定光に変換して出力する変換光学系と、
前記変換光学系から出射された前記平面的な測定光が測定対象物を横断するように当該測定光を導光する導光光学系と、
前記測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
三角測量の原理に基づき、前記受光部における前記反射光の入射位置に応じて、前記測定対象物における前記平面的な測定光の各反射位置の高さの集合体であるプロファイルを取得するプロファイル取得部と、
前記測定対象物の表面において第１方向に沿って線状に並んだ複数の反射位置が、当該第１方向とは異なる第２方向に対して変位するように前記導光光学系を駆動する駆動部と、
静止した前記測定対象物の前記第２方向における異なる位置に前記平面的な測定光を順次照射するスキャンモードと、移動する前記測定対象物の前記第２方向における特定の位置に前記平面的な測定光を照射するラインモードとのいずれかを選択するモード選択部と、
を有し、
前記モード選択部によりラインモードが選択されている場合に、前記駆動部は、前記第１方向に沿って線状に並んだ複数の反射位置が前記第２方向に対して前記特定の位置に近接する複数の位置に微小変位するように前記導光光学系を駆動するとともに、前記プロファイル取得部は、当該微小変位ごとに前記高さの集合体である複数のサブプロファイルを取得して、当該複数のサブプロファイルを統計処理することで一つの前記プロファイルを取得することを特徴とするプロファイル測定装置を提供する。

本発明によれば、ラインモードにおける測定誤差が削減される。

変位測定装置の運用を説明する図である。センサヘッドを下方から見た斜視図である。センサヘッドの側部カバーを取り外した状態を示しており、センサヘッドの内部構造の一部透過図である。センサヘッドの側部カバーを取り外した側面図である。センサヘッドの光学系の分解斜視図である。変位測定装置のブロック図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、ラインモードを説明する図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、スキャンモードを説明する図である。変位測定装置による変位の測定原理を説明する模式図である。変位測定装置による変位の測定原理を説明する模式図である。アンプを説明する図である。スキャンモードの設定処理を示すフローチャートである。スキャンモードの運転処理を示すフローチャートである。ラインモードの設定処理を示すフローチャートである。ラインモードの運転処理を示すフローチャートである。図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、撮像素子に対する反射光の結像位置を説明する図である。統計処理パラメータを示す表である。設定ＵＩを示す図である。ラインモードの運転処理を示すフローチャートである。ラインモードの運転処理を示すフローチャートである。検出履歴の表示ＵＩを示す図である。レーザー位置の調整を説明する図である。図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、ツール枠サイズの追従処理を説明する図である。図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）及び図２３（Ｃ）は、センサヘッドの傾斜配置のアシストを説明する図である。

以下、本発明の実施形態が図面に基づいて詳細に説明される。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る変位測定装置１の運用時を模式的に示す。変位測定装置１は、測定対象物Ｗの所定位置の変位を測定する装置またはシステムであり、単に変位計と呼ばれてもよいし、測距計あるいは高さ変位計等と呼ばれてもよい。また、詳細は後述するが、測定光を走査するスキャンモードが使用される場合、変位測定装置１は、画像センサに変位計が追加された装置、あるいは変位計の測定箇所が可変になった装置と呼ばれてもよい。また、この実施形態では、測定対象物Ｗの各部の変位を測定することができるため、変位測定装置１は三次元測定システムと呼ばれてもよい。また、この実施形態では、変位測定のことは高さ測定と呼ばれうる。

図１では、測定対象物Ｗが搬送用ベルトコンベヤＢ等の搬送装置によって搬送されている場合、即ち測定対象物Ｗが移動している場合を示している。しかし、測定対象物Ｗは静止していてもよい。また、一度に測定可能な測定対象物Ｗの数は１つまたは複数であり、複数の測定対象物Ｗの所定位置の変位が一度に測定されてもよい。測定対象物Ｗの種類は特に限定されない。

（変位測定装置１の全体構成）
図１に示す例では、変位測定装置１は、複数のセンサヘッド２と、子機アンプ３と、親機アンプ４と、設定機器としてのモニタ装置５Ａまたはパーソナルコンピュータ５Ｂとを備えている。センサヘッド２は１つであってもよく、設定機器５が不要な場合の最小構成としては、１つのセンサヘッド２と１つの親機アンプ４である。子機アンプ３と親機アンプ４が統合されたシステムであってもよい。

一つ目のセンサヘッド２は、接続線２ａを介して子機アンプ３に接続され、相互通信可能に構成されている。二つ目のセンサヘッド２は、接続線２ａを介して親機アンプ４に接続され、相互通信可能に構成されている。子機アンプ３は単独では動作することができず、親機アンプ４と接続し、親機アンプ４から電力の供給を受けて動作可能になる。また、子機アンプ３と親機アンプ４とは相互通信可能に構成されている。親機アンプ４には複数の子機アンプ３を接続することが可能になっている。本実施形態では、親機アンプ４のみにＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）コネクタが設けられており、親機アンプ４も子機アンプ３も、このＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）コネクタを介してモニタ装置５Ａやパーソナルコンピュータ５Ｂと通信可能となっている。尚、子機アンプ３を省略する、または子機アンプ３の機能を親機アンプ４に取り込むことによって１つのアンプとすることもできる。また、子機アンプ３の機能および親機アンプ４の機能がセンサヘッド２に取り込まれてもよい。この場合、子機アンプ３の機能および親機アンプ４が省略される。さらに、上述したＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）コネクタは、親機アンプ４のみならず、子機アンプ３に設けることとしても構わない。

外部機器６は、例えばプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）とすることができる。ＰＬＣは、搬送用ベルトコンベアＢ及び変位測定装置１をシーケンス制御するための制御装置である。ＰＬＣは汎用の装置であってもよい。

変位測定装置１は、その運用時において、外部機器６から接続線６ａを介して、測定の開始タイミングを規定する測定開始トリガ信号を受信する。そして、変位測定装置１は、この測定開始トリガ信号に基づいて変位の測定や良否判定を行う。その結果は、接続線６ａを介して外部機器６へ送信されるように構成することができる。なお、図１は、あくまで変位測定装置１のシステム構成を示す一例である。本発明はこれに限られず、親機アンプ４や子機アンプ３は、ＩＯ入出力を備え、直接、外部機器６に接続されていてもよい。この場合、外部機器６からトリガ信号や結果出力信号などの物理的な信号が、外部機器６との間でやりとりされる。また、親機アンプ４にアナログ出力が設けられていてもよい。また、親機アンプ４及び子機アンプ３は、上述したＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）コネクタを介して、外部機器６と通信してもよい。この場合、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）／ＩＰやＰＲＯＦＩＮＥＴ等、各種公知の通信プロトコルを利用して通信してもよい。

変位測定装置１の運用時には、変位測定装置１と外部機器６との間で、接続線６ａを介して測定開始トリガ信号の入力と結果の出力が繰り返し行われる。なお、測定開始トリガ信号の入力や結果の出力は、上述したように、変位測定装置１と外部機器６との間の接続線６ａを介して行ってもよいし、それ以外の図示しない通信線を介して行ってもよい。例えば、測定対象物Ｗの到着を検知するためのセンサ（図示せず）と変位測定装置１とを直接的に接続し、そのセンサから変位測定装置１へ測定開始トリガ信号を入力するようにしてもよい。変位測定装置１は、内部で生成する内部トリガによって動作するように構成することもできる。このように、変位測定装置１は、定期的に内部トリガを発行するモードを有していてもよい。

モニタ装置５Ａとパーソナルコンピュータ５Ｂのうち、一方が親機アンプ４に対して接続線５ａを介して接続され、相互通信可能に構成されているが、モニタ装置５Ａとパーソナルコンピュータ５Ｂの両方が親機アンプ４に接続されていてもよい。モニタ装置５Ａ及びパーソナルコンピュータ５Ｂは、変位測定装置１の各種設定や操作を行う操作装置であるとともに、センサヘッド２で撮像された画像や処理後の画像、各種測定値、測定結果、判定結果等を表示する表示装置でもある。モニタ装置５Ａは専用品であるが、パーソナルコンピュータ５Ｂは汎用品を使用することができる。なお、モニタ装置５Ａとして、いわゆるプログラマブル表示器などの汎用品を使用してもよいことは言うまでもない。

センサヘッド２と子機アンプ３または親機アンプ４との間の通信、親機アンプ４とモニタ装置５Ａまたはパーソナルコンピュータ５Ｂとの間の通信、親機アンプ４と外部機器６との間の通信は、有線によるものであってもよいし、無線によるものであってもよい。親機アンプ４の通信ユニットは、特に限定されるものではないが、例えば、EtherNet/IP、PROFINET、CC-Link、DeviceNet、EtherCAT、PROFIBUS、BCD、RS-232C等を挙げることができる。

（モニタ装置５Ａ及びパーソナルコンピュータ５Ｂ）
モニタ装置５Ａ及びパーソナルコンピュータ５Ｂは、それぞれ、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスで構成された表示部８を備えている。表示部８には、後述するように、センサヘッド２で撮像された画像や、子機アンプ３や親機アンプ４で生成された画像、各種インターフェース等を表示することができるようになっている。

モニタ装置５Ａは、タッチパネル式の入力部９を備えており、使用者が表示部８上のどこにタッチしたか、その入力操作を受け付けることができるように構成されている。パーソナルコンピュータ５Ｂは、キーボードやマウス、タッチパッド、タッチパネル等からなる入力部９を備えており、モニタ装置５Ａと同様に入力操作を受け付けることができるように構成されている。タッチ操作は、例えばペンによる操作や指による操作であってもよい。

（センサヘッド２の構成）
図２はセンサヘッド２の斜視図である。センサヘッド２は、ハウジング５０を有している。ハウジング５０を構成する複数の面のうち、測定対象物Ｗと対向する面には、端壁部５１が設けられている。端壁部５１はハウジング５０の長手方向に延在している。端壁部５１は、投光モジュール１０（図３ほか）から照射された測定光が出射する投光窓５１ａと、測定対象物Ｗから反射した照明光が入射する受光窓５１ｂとを有している。投光窓５１ａと受光窓５１ｂは透明な部材で覆われている。尚、受光窓５１ｂからは照明部３０による照明光が照射される。また、ここでいう「透明な部材」は、バンドパスフィルタであってもよい。要するに、レーザーやＬＥＤなどの測定光の波長をブロックしない部材であれば、如何なる部材であっても構わない。さらに、投光窓５１ａは「投光窓部」の一例であり、受光窓５１ｂは、「受光窓部」の一例である。投光窓５１ａと受光窓５１ｂは分離されていてもよいし、一体化されていてもよい。たとえば、投光窓５１ａとして機能する部材と受光窓５１ｂとして機能する部材とがそれぞれ独立した二枚の部材であってもよい。また、一枚の透光性を有する部材の一部の領域が投光窓５１ａとして機能し、他の一部の領域が受光窓５１ｂと機能してもよい。

図３ないし図５が示すように、ハウジング５０は、測定光を測定対象物Ｗに照射するための投光モジュール１０と、角度検知センサ２２と、測定対象物に一様な照明光を照射するための照明部３０と、測定対象物Ｗから反射した測定光を受光する測定用受光部４０とを収容している。図２ないし図５はセンサヘッド２の上下方向を規定しているが、これは説明の便宜を図るためである。上方向は、運用時のセンサヘッド２の姿勢を限定するものではない。測定対象物Ｗを測定可能である限り、どのような向き及び姿勢でセンサヘッド２が使用されてもよい。

（ハウジング５０の構成）
図２ないし図４が示すように、ハウジング５０は全体として細長い形状を有している。投光モジュール１０は、ハウジング５０の内部において長手方向の一方側に偏位した状態で該ハウジング５０に固定されている。ハウジング５０の長手方向の一方側とは図４における右側である。照明部３０及び測定用受光部４０は、ハウジング５０の内部において長手方向の他方側に偏位した状態で該ハウジング５０に固定されている。ハウジング５０の長手方向の他方側とは図４における左側である。

（投光モジュール１０の構成）
図３ないし図５が示すように、投光モジュール１０は、投光部１０ａと、走査部としてのＭＥＭＳミラー１５と、これらが取り付けられるモジュール化部材１０ｂとを有している。投光部１０ａは、測定光源としてのレーザー１２と、該レーザー１２からの光が入射するコリメートレンズ１３及びシリンドリカルレンズ１４とを有している。投光部１０ａは、図３等が示す第１方向に延びる帯状の測定光（平面状の光ビーム）を生成して測定対象物Ｗに照射する。なお、帯状の測定光が平面に入射すると、平面上に形成される測定光のビームスポットは線のよう見える。このため、帯状の測定光は、ライン光と呼ばれることもある。測定光源はレーザー１２以外の光源であってもよい。

レーザー１２、コリメートレンズ１３及びシリンドリカルレンズ１４は、モジュール化部材１０ｂに固定されており、相互の相対的な位置関係が維持されている。コリメートレンズ１３がシリンドリカルレンズ１４よりもレーザー１２に近い側に配置されている。コリメートレンズ１３は、レーザー１２から出射された測定光の光線を平行化するためのレンズである。シリンドリカルレンズ１４は、第１方向に長軸を有するように配置されており、コリメートレンズ１３から出射された測定光が入射し、第１方向に長い帯状の測定光を生成するためのレンズである。従って、レーザー１２から出力された測定光はコリメートレンズ１３を通過することによって平行化されてからシリンドリカルレンズ１４に入射して第１方向に長い帯状の測定光になる。また、コリメートレンズ１３及びシリンドリカルレンズ１４との間には絞り部材１６が配設されている。コリメートレンズ１３、シリンドリカルレンズ１４および絞り部材１６は、投光レンズの一例である。投光レンズの構成はこれに限られるものではない。

（ＭＥＭＳミラー１５の構成）
ＭＥＭＳミラー１５は、投光部１０ａのシリンドリカルレンズ１４から出射された測定光を、第１方向と交差する第２方向（図３等）に走査することが可能に構成された部材である。この実施形態では、第２方向が第１方向に対して直交しているが、これに限られるものではなく、第１方向と第２方向との交差角度は任意に設定することができる。また、図１において第１方向を搬送用ベルトコンベアＢの幅方向とし、第２方向を搬送用ベルトコンベアＢによる搬送方向とすることもできるし、その逆にすることもできる。

ＭＥＭＳミラー１５は、測定光を第２方向に走査可能な走査ミラー１５ｃと、この走査ミラー１５ｃを動かす駆動部１５ｂとを有している。駆動部１５ｂは、ミラー１５ｃに設けられた永久磁石と作用する電磁石（コイル）などである。ミラー１５ｃに電磁石が設けられてもよい。走査ミラー１５ｃがシリンドリカルレンズ１４の光出射面と対向するように、ＭＥＭＳミラー１５がモジュール化部材１０ｂに固定されている。ＭＥＭＳとは、Micro Electro Mechanical Systemsのことであり、いわゆる微小電気機械システムのことである。この微小電気機械システムを用いることで、小型化を図りながら、走査ミラー１５ｃの角度、即ち測定光の反射角度（測定光の照射角度）を高速でかつ小ピッチで変更することができるように構成されている。なお、ＭＥＭＳミラー１５は、別の言い方をすれば、１軸で回転可能な１枚のミラーである。また、２軸からなるＭＥＭＳミラーも考えられる。この場合、シリンドリカルレンズ１４が省略可能となる。すなわち、２軸のうちの一方の軸がレーザー走査を行うとともに、他方の軸がレーザーを広げ（シリンドリカルレンズ１４と同等の機能をもたせ）てもよい。

モジュール化部材１０ｂは、ＭＥＭＳミラー１５で反射された測定光を外部に照射させることができるように透光部を有している。このモジュール化部材１０ｂの透光部がハウジング５０の投光窓５１ａに向くように、モジュール化部材１０ｂがハウジング５０に固定されている。従って、ＭＥＭＳミラー１５で反射された測定光は、モジュール化部材１０ｂの透光部及びハウジング５０の投光窓５１ａを通って測定対象物Ｗに照射されることになる。

走査部は、ＭＥＭＳミラー１５以外にも、ガルバノミラー、ステッピングモーターで回動するミラー等で構成することができ、測定光を走査可能なデバイスであればよい。

（測定用受光部４０の構成）
図３が示すように、測定用受光部４０は、測定対象物Ｗから反射した測定光を受光し、変位測定用の受光量分布を出力するとともに、測定対象物Ｗから反射した照明光（照明部３０から照射された光）を受光し、画像生成用の受光量分布を出力する２次元配列の受光素子からなるイメージセンサで構成することができる。この実施形態では、集光光学系４１を有しており、測定光及び照明光は集光光学系４１を通して測定用受光部４０の受光素子に達することになる。測定用受光部４０の受光素子は特に限定されるものではないが、集光光学系４１を通して得られた光の強度を電気信号に変換するＣＣＤ(charge-coupled device)イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ（complementary metal oxide semiconductor）等である。集光光学系４１は、外部から入射する光を集光するための光学系であり、典型的には一以上の光学レンズを有している。集光光学系４１の光軸と、投光部１０ａの光軸とは交差する関係となっている。

（照明部３０の構成）
図５などが示すように、照明部３０は、第１方向または第２方向に互いに離れて配設された複数の発光ダイオードを有しており、測定対象物Ｗに対して異なる方向から光を照射可能に構成されている。照明部３０は、測定対象物Ｗの輝度画像を取得する際に点灯し、帯状の測定光が出力される際には消灯する。照明部３０は、第１発光ダイオード３１、第２発光ダイオード３２、第３発光ダイオード３３及び第４発光ダイオード３４と、これら発光ダイオード３１～３４が取り付けられる板状の取付部材３０ａとを有している。取付部材３０ａは、ハウジング５０の端壁部５１に沿うようにかつ受光窓５１ｂに臨むように配設されている。取付部材３０ａの中央部には、該取付部材３０ａを上下方向に貫通する貫通孔３０ｂが形成されている。この貫通孔３０ｂと一致するように、集光光学系４１の入射側が配置されており、測定対象物Ｗで反射した測定光及び照明光は取付部材３０ａの貫通孔３０ｂを通って集光光学系４１に入射するようになっている。

第１～第４発光ダイオード３１～３４は、取付部材３０ａの貫通孔３０ｂを囲むように配置され、下方に光を照射する姿勢となっている。したがって、第１～第４発光ダイオード３１～３４の光照射方向と、測定光の光軸とは交差する関係になる。

第１発光ダイオード３１と第２発光ダイオード３２とは互いに第１方向に離れており、第１発光ダイオード３１と第３発光ダイオード３３とは互いに第２方向に離れている。また、第２発光ダイオード３２と第４発光ダイオード３４とは互いに第２方向に離れており、第３発光ダイオード３３と第４発光ダイオード３４とは互いに第１方向に離れている。これにより、集光光学系４１の光軸の周囲の４方向から測定対象物Ｗに対して照明光を照射することが可能になる。

この実施形態では、照明部３０がセンサヘッド２に設けられていて測定用受光部４０と一体化されているが、これに限らず、照明部３０をセンサヘッド２と別体としてもよい。また、発光ダイオードの数は４つに限られるものではなく、任意の数にすることができる。

（角度検知センサ２２の構成）
図５が示すように、角度検知センサ２２は、測定対象物Ｗの測定位置を含む領域に測定光が照射されたときのＭＥＭＳミラー１５による測定光の走査角度を検出するためのセンサである。角度検知センサ２２は、ＭＥＭＳミラー１５の走査ミラー１５ｃにより走査される帯状の測定光の第１方向端部の光が受光可能な位置に設けられている。

（センサヘッド２とアンプの電気的な構成）
図６が示すように、センサヘッド２はアンプ通信部２０とトリガ検知部２１とを備えている。アンプ通信部２０は、子機アンプ３や親機アンプ４と通信する通信回路であり、センサヘッド２と子機アンプ３や親機アンプ４との間で信号の送受を行っている。トリガ検知部２１は、子機アンプ３や親機アンプ４から出力されるトリガ信号を検知する。トリガ検知部２１は、トリガ信号を検知するとセンサヘッド２の各部に変位の測定を行うために必要となる各種の信号を出力する。なお、本実施形態では、センサヘッド２の構成として、子機アンプ３や親機アンプ４から出力されたトリガ信号を検知する構成が採用されている。例えば後述するラインモードにおいて、センサヘッド２が自動的にトリガ信号を生成してもよい。この場合、センサヘッド２がトリガ信号を生成するトリガ信号生成部を有していてもよい。

レーザー制御部１２ａは、レーザー１２からのレーザー光の出力／停止制御と出力光量制御を実行する。ミラー制御部１５ａは、ＭＥＭＳミラー１５の動作、即ち走査ミラー１５ｃの角度調整、変更を実行する。撮像制御部４０ａは、測定用受光部４０による受光制御（例えば、露光時間や受光ゲインなどの制御）を実行する。照明制御部３５は、第１～第４発光ダイオード３１～３４の点灯／消灯制御や明るさ調整を実行する。

角度検知センサ２２は、第２方向に並んだ複数の画素を有する１次元の受光素子２２ａと、演算処理を行う角度検出部２２ｂとを有している。図６では角度検出部２２ｂが角度検知センサ２２に設けられているが、ヘッドを制御するＦＰＧＡに設けられてもよい。測定光の第１方向端部の光を受光素子２２ａに入射させると、第２方向に並んだ複数の画素のうち、いずれかの画素及びその画素近傍の画素に該光が当たることになり、画素間で受光量に明確な差が生じることになる。第２方向に並んだ複数の画素のうち、受光量が最も高くなる画素と、測定光の走査ミラー１５ｃからの出射角度とを予め得ておけば、角度検出部２２ｂが受光素子２２ａから出力された受光量分布に基づいて測定光の走査ミラー１５ｃからの出射角度を検出することができる。測定光の走査ミラー１５ｃからの測定光の出射角度は走査ミラー１５ｃの照射角度と呼ばれてもよい。よって、角度検出部２２ｂは走査ミラー１５ｃの照射角度を検出することもできる。受光素子２２ａは、１次元のＣＭＯＳイメージセンサであってもよいし、１次元の光位置センサ（ＰＳＤ：Position Sensitive Detector）であってもよい。

また、角度検知センサ２２の構成は上述した構成に限られるものではなく、測定光の光源とは別に角度検出用の参照光を照射する光源を設け、参照光を走査ミラー１５ｃに向けて当て、走査ミラー１５ｃからの反射光を光位置センサ等に入射させ、その出力に基づいて角度情報を得る構成であってもよい。また、ＭＥＭＳミラー１５の内部に角度検知センサを内蔵していてもよい。この場合、例えば逆起電力方式のセンサやピエゾ信号方式のセンサ等がある。本実施形態は、走査部としてＭＥＭＳミラー１５を採用している。走査部としてガルバノミラーが採用された場合、角度検知センサ２２としては、ガルバノミラーからの（リアルタイム）角度フィードバックを検出するセンサが利用可能である。

（設定情報記憶部２３の構成）
図６に示すように、センサヘッド２は、各種メモリ等で構成された設定情報記憶部２３を有している。設定情報記憶部２３には、子機アンプ３や親機アンプ４から送信された様々な設定情報を記憶することができるようになっている。設定情報記憶部２３に記憶される具体的な内容については後述する。設定情報記憶部２３は、子機アンプ３や親機アンプ４に搭載されていてもよいし、センサヘッド２と子機アンプ３の両方に搭載されていてもよい。

（ラインモードとスキャンモード）
図７（Ａ）は測定対象物Ｗの一例を示している。図７（Ｂ）はラインモードを説明する図である。ラインモードでは測定対象物Ｗが矢印の方向へ一定の搬送速度で搬送される。センサヘッド２は帯状の測定光６０を所定のサンプリング間隔で照射し、反射光を受光することで、複数の線状のビームスポット６１における高さ情報を取得する。各ビームスポット６１における高さ情報の集合体はプロファイルと呼ばれてもよい。つまり、プロファイルは、帯状の測定光６０が測定対象物Ｗを切断するように照射されることで生じる線状のビームスポット６１の形成位置の高さ情報の集合体である。第２方向においてそれぞれ異なる位置で取得された複数のプロファイルは、測定対象物Ｗの三次元形状を示す情報となる。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）はスキャンモードを説明する図である。スキャンモードでは測定対象物Ｗは静止している。センサヘッド２は測定光の照射角度を変更することで、第２方向において線状のビームスポット６１が形成される位置を変更する。これにより、測定対象物Ｗにおける複数のプロファイルが取得される。

（測定原理の説明）
ここでセンサヘッド２により得られた各情報に基づいて測定対象物Ｗの所定位置の変位を測定する原理について説明する。図９Ａおよび図９Ｂが示すように、基本的には三角測距の原理が用いられる。図９Ａは本実施形態で採用している方式を示し、図９Ｂは変形例となる方式を示しているが、いずれが採用されても構わない。ラインモードでは、ＭＥＭＳミラー１５の角度が略固定される（後述するように微小変位させてもよい）。スキャンモードでは、ＭＥＭＳミラー１５の角度が可変される。つまり、ＭＥＭＳミラー１５が投光部１０ａから照射された測定光を第２方向において走査することで、測定光が測定対象物Ｗに照射される。符号Ｗ１は、測定対象物Ｗの相対的に高い面を示し、符号Ｗ２は、測定対象物Ｗの相対的に低い面を示している。以下、図９Ａの測定原理と、図９Ｂの測定原理（変形例）について詳述する。

図９Ａでは、測定対象物Ｗの高さをＺ、投光軸角度をθ２とする。投光軸角度θ２は、角度検知センサ２２により検知可能である。三角測距の原理に従えば、測定用受光部４０における第２方向（Ｙ方向）の位置ｙ（Ｙ座標）と、投光軸角度θ２が求まれば、Ｚは一意に特定することができる。そこで、ｙ、θ２、Ｚの各値を実験によって様々なパターンで計測し、（ｙ，θ２，Ｚ）を一組とするデータセットを、テーブルとして変位測定装置１に予め記憶させておくことができる。変位測定装置１の運用時には、検出されたｙとθ２から、テーブルを参照してＺを得ることができる。また、テーブルにない値は、補間処理によって得ることができる。さらに、変位測定装置１に予めテーブルを記憶させておかなくても、（ｙ，θ２）からＺを求めるための近似式を用意しておき、変位測定装置１の運用時には、その近似式を使ってＺを算出するようにしてもよい。

ここで、図９Ａでは、第２方向（Ｙ方向）における測定位置（Ｙ座標）と投光軸角度θ２とに基づいて高さＺを求めるようにしているが、本発明はこれに留まらず、第１方向（図９Ａでは紙面奥行方向）及び第２方向における測定位置（Ｘ座標及びＹ座標）と投光軸角度θ２とに基づいて高さＺを求めるようにしてもよい。これは、本来、第１方向に真っ直ぐ延びた測定光（レーザー）と、測定用受光部４０の受光素子２２ａの並び方向（図９Ａでは紙面奥行方向）とは、完全に平行であることが望ましいところ、製造時の組み付けズレによって、これらが非平行となる場合がある。また、光学バラつきによって、レーザー自体が第１方向に沿って湾曲した形状になる場合もある。このような場合に、第２方向のＹ座標だけで測定位置を決めると、正しい変位測定が困難になる。そこで、第１方向（Ｘ方向）における測定位置（Ｘ座標）も加味した上で、高さＺを求めてもよい。つまり、ｘ、ｙ、θ２、Ｚの各値を実験によって様々なパターンで計測し、（ｘ，ｙ，θ２，Ｚ）を一組とするデータセットを、テーブルとして変位測定装置１に予め記憶させておく。そして、運用時には、（ｘ，ｙ，θ２）という３つのパラメータに基づいて、高さＺを求めるようにしてもよい。これにより、より高精度な変位測定が可能になる。なお、上述したように、テーブルを記憶する方式に留まらず、運用時に近似式を使ってＺを算出するようにしても構わない。

次に図９Ｂを参照して変形例について説明する。図９Ｂでは、測定対象物Ｗの高さをＺ、投受光間距離をＡ（図９Ｂ中の矢印参照）、受光軸角度をθ１、投光軸角度をθ２とする。受光軸角度θ１は測定用受光部４０における測定光の受光位置により検出可能であり、また、投光軸角度θ２は角度検知センサ２２により検出可能である。Ａは既知であり、変位測定装置１に記憶させておく。Ｚは、特定周知の計算式により、Ａ、θ１及びθ２を用いて算出することが可能である。特定の計算式について一例を挙げる。まず、図９Ｂの右方向を＋Ｘ方向、図９Ｂの上方向を＋Ｙ方向とする、２次元座標平面を考え、その座標平面の原点を、ＭＥＭＳミラー１５の回転軸の位置とする。すると、図９において角度θ２で示す投光軸の直線は、ｙ＝ｔａｎθ２（直線の傾き）×ｘという１次方程式で表される。また、図９Ｂにおいて角度θ１で示す受光軸の直線は、ｙ＝ｔａｎθ１（直線の傾き）×ｘ＋Ａｔａｎθ１（切片）という１次方程式で表される。Ｚは、これら両直線の交点のｙ座標に相当するから、連立１次方程式を解いてｙ座標を求めると、－｛Ａｔａｎθ１ｔａｎθ２／（ｔａｎθ２－ｔａｎθ１）｝で表される。すなわち、ＭＥＭＳミラー１５の回転軸の位置から符号Ｗ２までの距離は、このｙ座標の絶対値である。そして、ＭＥＭＳミラー１５の回転軸の位置からハウジング５０までの距離は既知であるので、その分を差し引くと、Ｚを求めることができる。なお、このような計算式で算出してもよいし、Ｚ、θ１、θ２の各値を実験によって様々なパターンで計測し、テーブルとして変位測定装置１に記憶させておき、変位測定装置１の運用時には、検出されたθ１、θ２からテーブルを参照してＺを得ることもできる。テーブルに無い値は補間処理によって得ることができる。テーブルを用いることなく、都度、計算するようにしてもよい。なお、図９Ｂに示す受光軸角度をθ１は、受光量分布の第２方向におけるピーク位置と一対一の対応関係にある。

（アンプの構成）
図１０は子機アンプ３の構成（或いは、親機アンプ４の構成）について示している。以下の説明では、子機アンプ３が各機能を実行するものとして説明するが、これら機能の全てを子機アンプ３が備えていてもよいし、一部または全部を親機アンプ４が備えていてもよい。また、子機アンプ３の機能の一部または全部をセンサヘッド２が備えていてもよい。さらに、子機アンプ３の機能の一部または全部をモニタ装置５Ａまたはパーソナルコンピュータ５Ｂが備えていてもよい。

子機アンプ３は、センサヘッド通信部３００と、トリガ制御部３０１と、記憶部３２０とを備えている。センサヘッド通信部３００は、センサヘッド２と通信する部分であり、子機アンプ３とセンサヘッド２との間で信号の送受を行っている。トリガ制御部３０１は、トリガ信号をセンサヘッド２へ送出する部分である。外部機器６から接続線６ａを介して測定の開始タイミングを規定する測定開始トリガ信号が入力されると、トリガ制御部３０１がトリガ信号を生成して送出するように構成されている。トリガ信号は周期的なトリガ信号であってもよい。

（輝度画像生成部３０２の構成）
輝度画像生成部３０２は、測定対象物Ｗから反射した照明光をセンサヘッド２の測定用受光部４０が受光したときに測定用受光部４０から出力される画像生成用の受光量を得て、その画像生成用の受光量分布に基づいて測定対象物の輝度画像を生成するように構成されている。生成される輝度画像は、測定用受光部４０から出力される輝度値が低いほど黒く、輝度値が高いほど白くなる画像であり、白黒画像であってもよいし、カラー画像であってもよい。なお、輝度画像の生成方法については、如何なる方法が採用されても構わない。例えば、輝度測定用の受光量分布がそのまま輝度画像として採用されてもよいし、或いは、センサヘッド２における前処理として、ＦＰＮ（Fixed Pattern Noise）補正やＨＤＲ（High-dynamic- range）補正などの各種処理を行ってもよいし、子機アンプ３における前処理として、ハレーション除去を実行するための合成処理を行ってもよい。

輝度画像生成部３０２で生成された輝度画像は、ユーザーインターフェースに組み込まれた状態で表示部８に表示される。ユーザーインターフェースは、ＵＩ生成部３０３によって生成される。

表示部８は、輝度画像上のＸ座標が第１方向の座標となり、輝度画像上のＹ座標が第２方向の座標となるように、該輝度画像を表示するように構成されている。表示部８に表示された状態にある輝度画像上のＸ方向は横方向であり、Ｙ方向は縦方向である。

（設定部３０４の構成）
設定部３０４は、表示部８に表示された輝度画像上で、変位の測定を行う測定位置の設定を受け付ける部分である。使用者が、測定対象物Ｗの中で変位の測定を行いたい部分があるとき、その部分を表示部８に表示された輝度画像上でタッチ操作すると、設定部３０４がタッチ操作された位置を例えばＸＹ座標で特定し、特定された位置を測定位置として設定する。つまり、測定位置の入力操作が行われたことを検出して測定位置を特定する。これにより、使用者による測定位置の設定を受け付けることができる。

（エッジ抽出部３０６の構成）
エッジ抽出部３０６は、輝度画像における測定対象物Ｗのエッジを抽出するように構成された部分である。エッジとは、広義には測定対象物Ｗの輪郭、外形線と定義できる。エッジ抽出処理自体は従来から周知の手法を用いることができ、例えば、輝度画像上の各画素の画素値を取得し、輝度画像上の画素値の変化がエッジ検出用のしきい値以上となる領域が存在する場合に、その境界部分がエッジであるとして抽出する。エッジ抽出の閾値は使用者が任意に調整することができる。

具体的には、測定対象物Ｗの輪郭、外形線であると推定される部位がエッジとして抽出される。測定対象物Ｗのエッジは、エッジ表示線にて表示される。エッジ表示線は、例えば、太線、破線、赤色や黄色等の目立つ色の線等で構成することができるが、これらに限られるものではなく、点滅表示する形態等であってもよい。

（補正情報記憶部３２０ａの構成）
補正情報記憶部３２０ａは、設定部３０４により設定された、測定対象物Ｗの位置を補正するための情報を記憶している。位置補正の基準となり得る情報としては、例えば、輝度画像生成部３０２で生成された輝度画像の一部、輝度画像の輝度情報、エッジ抽出部３０６で抽出されたエッジに関するエッジ情報等を挙げることができる。位置補正用情報を輝度画像の一部とする場合、その画像をテンプレート画像と呼ぶこともできる。

輝度画像の一部とは、輝度画像生成部３０２で生成された輝度画像のうち、測定対象物Ｗの一部を示す画像とすることができ、測定対象物Ｗの位置及び姿勢を特定できるような範囲や位置の画像が好ましい。また、輝度画像の輝度情報とは、各画素の輝度値とすることができ、この場合も測定対象物Ｗの位置及び姿勢を特定できるような範囲や位置の画素値が好ましい。さらに、エッジ抽出部３０６で抽出されたエッジに関するエッジ情報とは、エッジ線の形状、長さ、エッジ線の個数、複数のエッジ線の相対位置座標等とすることができ、この場合も測定対象物Ｗの位置及び姿勢を特定可能なエッジ情報が好ましい。

この位置補正用情報を記憶するタイミングは、エッジ抽出が完了した時点としてもよいし、後述するように、１つのプログラムの設定が完了した時点としてもよい。補正情報記憶部３２０ａには、テンプレート画像とエッジ情報とを関連付けて記憶させてもよいし、テンプレート画像を記憶させずにエッジ情報を記憶させるようにしてもよい。

（位置補正部３０７の構成）
位置補正部３０７は、変位測定装置１がスキャンモード及びラインモードで運転している時に、輝度画像生成部３０２により新たに生成された輝度画像上で、補正情報記憶部３２０ａに記憶された位置補正用情報を用いて測定対象物Ｗの位置及び姿勢を特定し、相対位置情報を用いて測定位置の補正を行うように構成されている。

例えば、位置補正用情報としてテンプレート画像が記憶されている場合は、新たに生成された輝度画像にテンプレート画像が含まれているか否かを正規化相関によって検出し、テンプレート画像が含まれていることが検出された場合には、設定時におけるテンプレート画像の位置及び姿勢となるように、新たに生成された輝度画像を移動させるとともに、回転等させて、当該輝度画像の位置及び姿勢の補正を行う。このとき、テンプレート画像と測定位置との相対位置情報に基づいて新たに生成された輝度画像上の測定位置が同時に補正されることになる。

位置補正用情報としてエッジ情報が記憶されている場合には、対応するエッジが新たに生成された輝度画像に含まれているか否か検出し、対応するエッジが含まれていることが検出された場合には、設定時における輝度画像の位置及び姿勢となるように、新たに生成された輝度画像を移動させるとともに、回転等させて、当該輝度画像の位置及び姿勢の補正を行う。このとき、エッジ情報と測定位置との相対位置情報に基づいて新たに生成された輝度画像上の測定位置が同時に補正されることになる。

従って、実際の測定対象物Ｗの測定現場で測定対象物Ｗの位置や姿勢が変化したとしても、一定の位置及び姿勢に補正した上で測定を行うことが可能になる。なお、位置と姿勢の補正方法には、幾つか種類がある。上述したように、輝度画像を移動させたり回転させたりして、輝度画像の位置及び姿勢の補正を行ってもよいし、或いは、測定ツール用の領域（ツール枠）を移動させたり回転させたりして、位置補正を行うようにしてもよい。また、変位測定装置１がラインモードで運転している時には、上述したように、高さプロファイル上でエッジ抽出が行われ、抽出されたエッジ情報と測定位置との相対位置情報に基づいて、位置補正を行うようにしてもよい。

（測定ツール選択部３０８の構成）
測定ツール選択部３０８は、複数の測定ツールの中から１つまたは複数を選択可能にする部分である。測定ツールは、例えば測定対象物Ｗの段差の大きさを測定する段差ツール、測定対象物Ｗの所定位置の高さを測定する高さツール、後述する高さ面積ツール、測定対象物Ｗの位置を補正する位置補正ツール、測定対象物Ｗの所定範囲内の最小、最大高さを求めるＭＡＸ／ＭＩＮツール等があるが、これら以外の測定ツールを設けてもよい。

（測定制御部３０５の構成）
測定制御部３０５は、設定部３０４により設定された測定位置及び設定部３０４により設定された変位測定範囲に測定光が照射されるように投光部１０ａ及びＭＥＭＳミラー１５を制御するように構成されており、このとき、設定部３０４で受け付けた領域のみに測定光が照射されるように投光部１０ａ及びＭＥＭＳミラー１５を制御するようにしてもよい。また、測定制御部３０５は、測定位置の輝度画像上におけるＹ座標に基づいて、ＭＥＭＳミラー１５による測定光の走査範囲を変更するように構成することができ、具体的には、測定位置のＹ座標（及び／又はＸ座標）と、変位測定を行う変位測定範囲とに基づいて、ＭＥＭＳミラー１５による走査範囲を当該ＭＥＭＳミラー１５により走査が可能な走査可能範囲よりも狭く設定する。

（モード選択部３０９の構成）
モード選択部３０９は、変位測定装置１の運転時におけるモードの選択を可能にする部分であり、ＭＥＭＳミラー１５による走査を行わずに測定光を測定対象物Ｗに照射するラインモードと、測定光をＭＥＭＳミラー１５によって走査して測定対象物Ｗに照射するスキャンモードとのうち、任意のモードを使用者が選択できる。ラインモードで変位を測定可能な場合には、測定光を走査しない分、高速に測定を完了することができる。一方、広い範囲を測定する場合にはスキャンモードで対応することができる。ラインモードとスキャンモードの選択手段は、例えばＵＩ生成部３０３でモード選択用のユーザーインターフェース（図示せず）を生成して表示部８に表示させ、使用者の選択をユーザーインターフェース上の操作によって受け付ける構成とすることができる。

測定制御部３０５は、モード選択部３０９によりスキャンモードが選択されている場合に、測定対象物ＷのＹ方向（第２方向）の異なる位置に測定光が順次照射されるように投光部１０ａ及びＭＥＭＳミラー１５を制御する。一方、測定制御部３０５は、モード選択部３０９によりラインモードが選択されている場合に、測定対象物Ｗの第２方向の同一の位置に測定光が照射されるように投光部１０ａ及びＭＥＭＳミラー１５を制御するように構成されている。これによりモードの切替が実行される。

測定制御部３０５は、モード選択部３０９によりラインモードが選択されている場合に、走査ミラー１５ｃを動作させずに、測定対象物Ｗの第２方向の同一の位置に測定光を照射するように構成されている。また、測定制御部３０５は、モード選択部３０９によりラインモードが選択されている場合に、走査ミラー１５ｃを動作させて、第２方向の互いに近接する複数の位置に測定光を照射するように構成されている。

スキャンモードとラインモードとのいずれが選択されているかは、記憶部３２０の設定情報記憶部３２０ｆに記憶されている。

（出射方向調整部３１０の構成）
出射方向調整部３１０は、モード選択部３０９によりラインモードが選択されている場合に、測定光の出射方向を第２方向について調整するための部分である。出射方向の調整は例えば使用者がユーザーインターフェース上で行うことができる。

（照射角度特定部３１１の構成）
照射角度特定部３１１は、測定用受光部４０から出力される測定位置に対応する受光素子の画素位置の受光量を連続的に取得し、測定光が測定位置に照射されたときの走査ミラー１５ｃの照射角度を特定する部分である。測定対象物Ｗの測定位置を含む領域に測定光が照射されたときのＭＥＭＳミラー１５による測定光の走査角度は、上述した角度検知センサ２２で取得することができ、この角度検知センサ２２からの出力値に基づいて、測定光が測定位置に照射されたときの走査ミラー１５ｃの照射角度を算出することができる。得られた走査ミラー１５ｃの照射角度は、測定光が測定位置に照射されたときの走査ミラー１５ｃの照射角度として特定される。特定された走査ミラー１５ｃの照射角度は記憶部３２０に記憶される。なお、測定光の照射角度を特定するにあたり、角度検知センサ２２を用いなくても、ＭＥＭＳミラー１５への駆動信号に基づいて大まかな照射角度は特定することができる。しかし、温度特性の変化や経時変化などを考慮すると、正確な照射角度を知るためには、角度検知センサ２２等によって角度測定することが好ましい。

（変位測定部３１２の構成）
変位測定部３１２が用いている測定原理は、上述した三角測距の原理である。変位測定部３１２は、設定部３０４により設定された測定位置に照射された測定光が該測定位置から反射して測定用受光部４０で受光されることによって測定用受光部４０から出力された変位測定用の受光量分布に基づいて、該測定位置の変位を測定する。測定結果は、測定データ記憶部３２０ｅに記憶させることができる。

表示部８は、変位測定部３１２により測定された測定位置の変位を、当該変位測定部３１２により測定が可能な最大変位測定範囲との相対的な位置関係で表示するように構成されている。位置補正が行われた場合には、位置補正部３０７により補正された測定位置に照射された測定光が該測定位置から反射して測定用受光部４０で受光されることになる。変位測定部３１２は、位置補正が行われた場合にも、測定用受光部４０から出力された変位測定用の受光量分布に基づいて、該測定位置の変位を測定することができる。

また、変位測定部３１２は、三角測距の原理を利用することで、測定用受光部４０から出力された変位測定用の受光量分布を取得するとともに、測定位置に測定光が照射された際に角度検出部２２ｂで検出された走査ミラー１５ｃの角度（第２照射角度）と、測定位置のＹ方向（第２方向）の位置とに基づいて、該測定位置の変位を測定することができる。さらに、上述したように、Ｙ方向（第２方向）の位置に留まらず、Ｘ方向（第１方向）の位置にも基づいて、測定位置の変位が測定されてもよい。具体的には、製造出荷時に、校正用データを記憶しておくことで対応できる。例えば、測定光を照射した状態で、校正用プレートを任意の高さＺに配置して、輝度画像を撮像し、そのときの測定光が延びる方向を認識する。仮に、受光素子２２ａの長手方向と非平行になっていたり、湾曲したりしていれば、そのズレ分を校正用データとして記憶しておく。また、校正用プレートを、任意の高さＺとは異なる複数の高さに配置変更し、その都度、輝度画像を撮像し、そのときの測定光が延びる方向を認識する。これにより、各高さＺにおける校正用データを取得・記憶することができる。運転時には、測定位置のＸ方向（第１方向）の位置（Ｘ座標）に基づいて、上述した校正用データを使用して、正確な測定位置の変位を測定してもよい。

変位測定部３１２は、照射角度特定部３１１により特定された照射角度と、測定光が測定位置に照射されたときの受光量分布のピーク位置とに基づいて、該測定位置の変位を測定することもできる。なお、本実施形態では、ピーク位置として受光量分布が最大となる位置を求めているが、「ピーク位置」の特定方法は様々ある。例えば、仮に、受光量分布のピークが複数ある場合には、それらのピークを通るように補間曲線（２次曲線や３次曲線など）を求め、その補間曲線が最大となる位置を求めてもよい。他にも例えば、受光量分布のピークが複数ある場合に、それらのピークから最大ピークを推定して、ピーク位置を求めてもよい。

第１高さデータ及び第２高さデータはマスターデータであり、輝度画像と共に保存される３次元データを構成している。第１高さデータ及び第２高さデータを保持しておくことで、例えば設定時に測定ツールで測定しようとすると、測定位置に測定光を照射することなく、第１高さデータまたは第２高さデータから変位を取得して直ちに表示させることができる。また、一旦設定した後、測定ツールの位置を微調整する場合に、再度マスターとなる測定対象物Ｗを用意しなくても、変更後の測定位置の変位を出すことができる。

高さデータは、１つであってもよいが、測定光のピッチが異なる第１高さデータ及び第２高さデータを保持しておくことで、測定ツール毎、測定ツールの大きさ毎に、対応した高さデータから変位を読み出して表示することができる（ＭＡＸ／ＭＩＮツールや高さ面積ツールについては、大又は小の平均サイズ設定によりピッチを変えてもよい）。例えば、細かいピッチで測定したマスターデータを１つ保持して、間引いて使うことも考えられるが、間引いて作ったマスターデータでは最終処理と完全に一致しないことがあるので、複数の測定光のピッチが異なる高さデータを保持しておくのが好ましい。高さデータは、記憶部３２０の高さデータ記憶部３２０ｂに記憶される。

また、変位測定部３１２は、モード選択部３０９によりラインモードが選択されている場合に、測定光が照射される都度、測定用受光部４０から出力された変位測定用の受光量分布を取得して測定対象物の変位を複数回測定する。また、変位測定部３１２は、得られた複数の変位を平均化処理するように構成することもできる。なお、本明細書における「平均化」とは、狭義の意味での平均に留まらず、例えばトリム平均やメディアン等も含む広い概念である。

（良否判定部３１３の構成）
良否判定部３１３は、輝度画像生成部３０２により生成された輝度画像に基づいて測定対象物Ｗの状態を判定した判定結果と、変位測定部３１２で測定した変位に基づいて測定対象物Ｗの状態を判定した判定結果とを組み合わせて測定対象物Ｗの良否判定を行うように構成されている。例えば、輝度画像上で一部が欠落しているか否かを検出し、欠落していない場合であっても、変位測定部３１２で測定した変位が基準値を外れている場合には、測定対象物Ｗが不良品であると判定することができる。反対に、変位測定部３１２で測定した変位が基準値であっても、輝度画像上で一部が欠落していると判定される場合には、測定対象物Ｗが不良品であると判定することができる。処理結果は、図６に示す処理結果記憶部３２０ｃに記憶させることができる。

（設定情報記憶部３２０ｆの構成）
設定情報記憶部３２０ｆはプログラムを記憶している。プログラムは、複数の設定情報からなるものであり、複数通り記憶させておくことができる。各プログラムに含まれる設定情報としては、例えばスキャンモードとラインモードのいずれが選択されているか、トリガ関連の設定、撮像関連の設定（明るさ、感度等）、マスターデータの有無、ヘッド傾き補正、適用される測定ツール及びそのパラメータ等が含まれている。使用者は、設定情報記憶部３２０ｆに記憶されているプログラムの中から任意のプログラムを選択して変位測定装置１の運転時に適用することができる。

（設定時及び運転時の具体例）
次に、変位測定装置１の設定時及び運転時の具体例について説明する。図１１は、変位測定装置１のスキャンモードの設定時に行う手順を示すフローチャートである。

（スキャンモードの設定時）
スキャンモードの設定時のフローチャートにおけるステップＳＡ１は、外部トリガや内部トリガ等を設定するステップであり、どのようなトリガ信号でどのように動作するかを設定する。トリガ条件の設定が行われると子機アンプ３やセンサヘッド２に設定情報が送られ、センサヘッド２はこの条件で動作するようになる。

ステップＳＡ２では、輝度画像の明るさ設定が行われる。明るさ設定とは、露光時間、照明光量、撮像モード（ＨＤＲの有無）などのことである。ＨＤＲとは、ハイダイナミックレンジ処理のことである。明るさ設定は自動で行うこともできるし、手動で行うこともできる。

ステップＳＡ３では、マスター登録を行う。マスターとは、輝度画像及び視野全体の３次元データ（高さデータ）のことであり、センサヘッド２が測定対象物Ｗの輝度画像を取得するとともに、測定対象物Ｗの全体に測定光を走査して変位を測定し、高さデータを取得する。輝度画像と高さデータとを対応させて高さ画像記憶部３２０ｂに記憶させる。ステップＳＡ３では、異なるピッチで測定光を走査して複数の高さデータを取得しておくことができる。尚、複数の高さデータを取得するにあたっては、種々の方法が考えられる。例えば、予め定められた最も細かいピッチで測定光を走査し、一の高さデータを取得し、このピッチよりも粗いピッチ（分解能が粗いピッチ）については、この一の高さデータを間引くことによって生成するようにしてもよい。さらには、マスター登録は省略してもよい。

ステップＳＡ４では、測定ツール選択用インターフェースを表示部８に表示させて測定ツールの選択を行う。測定ツールを選択すると、ステップＳＡ５に進み各ツールの設定を行う。測定ツールの設定順に決まりはないが、処理順は位置補正ツールが最初に行われるようになっている。位置補正ツールは他の全測定ツールに対して１つだけ設定できるようにしてもよいし、他の測定ツール毎に個別に設定するようにしてもよい。

ステップＳＡ６において測定ツールの追加が完了したか否かを判定し、測定ツールの追加が完了していない場合には、ステップＳＡ４、ＳＡ５を経て測定ツールを追加する。測定ツールの追加が完了すると、ステップＳＡ７に進む。ステップＳＡ７では、出力割り当てを設定する。その後、ステップＳＡ８において総合判定条件を設定する。

（スキャンモードの運転時）
図１２は、変位測定装置１のスキャンモードの運転時に行う手順を示すフローチャートである。スキャンモードの運転時のフローチャートにおけるステップＳＧ１では、外部機器６等から外部トリガを受け付ける。ステップＳＧ２では、照明部３０の第１～第４発光ダイオード３１～３４を点灯させる。ステップＳＧ３では、輝度画像を撮像する。画像データは、例えば子機アンプ３の画像データ記憶部３２０ｄに記憶される。

ステップＳＧ４では位置補正ツールの適用があるか否かを判定する。設定時に位置補正ツールが選択されていればステップＳＧ５に進み、設定時に位置補正ツールが選択されていなければステップＳＧ７に進む。ステップＳＧ５では位置補正ツールを実行し、ステップＳＧ６では測定ツールの位置、即ち測定位置を補正する。ステップＳＧ５及びＳＧ６は位置補正部３０７で行われる。

ステップＳＧ７では、画像処理ツールの適用があるか否かを判定する。設定時に画像処理ツールが選択されていればステップＳＧ８に進み、設定時に画像処理ツールが選択されていなければステップＳＧ９に進む。ステップＳＧ８では各種画像処理を実行する。画像処理は従来から周知のものを挙げることができる。

ステップＳＧ９では、リアルタイム傾き補正の適用があるか否かを判定する。設定時に傾き補正機能の実行が選択されていればステップＳＧ１０に進み、設定時に傾き補正機能の実行が選択されていなければステップＳＧ１８に進む。ステップＳＧ１０では、測定位置を含む変位測定範囲の変位を測定可能となるようにＭＥＭＳミラー１５を制御する。ステップＳＧ１１では、レーザー１２から発光させて帯状の測定光を測定対象物Ｗに照射する。ステップＳＧ１２で撮像し、ステップＳＧ１３で変位を測定する。

ステップＳＧ１４では、第１～第３ポイントの全て測定が完了したか否かを判定する。第１～第３ポイントの全ての測定が完了していない場合には、３点の測定が完了するまで上述した処理を繰り返す。第１～第３ポイントの全て測定が完了したらステップＳＧ１５に進み、第１～第３ポイントから基準面を計算する。その後、ステップＳＧ１６に進み、基準面方向に応じて変位測定範囲内への測定光の照射ピッチを最適化する。また、ステップＳＧ１７では、基準面の高さに応じて測定光の走査範囲を最適化する。

ステップＳＧ１８では、測定ツールの適用があるか否かを判定する。設定時に測定ツールが選択されていればステップＳＧ１９に進み、設定時に測定ツールが選択されていなければステップＳＧ２４に進む。ステップＳＧ１９では、測定ツールに応じて測定位置を含む変位測定範囲の変位を測定可能となるようにＭＥＭＳミラー１５を制御する。ステップＳＧ２０では、レーザー１２から発光させて帯状の測定光を測定対象物Ｗに照射する。ステップＳＧ２１で撮像し、ステップＳＧ２２で変位を測定する。ステップＳＧ２３で全ての測定が完了した場合にはステップＳＧ２４に進み、全ての測定が完了していない場合には上述した測定を繰り返す。ステップＳＧ２４では、全ての測定ツールの処理結果を統合して総合判定結果を生成する。生成した総合判定結果は出力される。

（ラインモード設定時）
図１３はラインモード設定時のフローチャートである。外部トリガや内部トリガ等を設定するステップは省略している。ステップＳＰ１では、輝度画像の明るさ設定が行われる。ステップＳＰ２では、マスター登録を行う。ステップＳＰ３では、測定ツールの選択を行い、測定ツールを選択すると、ステップＳＰ４に進み各ツールの設定を行う。ステップＳＰ５において測定ツールの追加が完了したか否かを判定し、測定ツールの追加が完了していない場合には、ステップＳＰ３、ＳＰ４を経て測定ツールを追加する。測定ツールの追加が完了すると、ステップＳＰ６に進む。ステップＳＰ６では、出力割り当てを設定する。その後、ステップＳＰ７において総合判定条件を設定する。

ユーザーインターフェースに表示される輝度画像には、仮想的な測定輝線が重畳表示される。測定輝線は測定光が照射されている箇所を示すものであり、測定光の照射位置に対応するように表示される。

（ラインモード運転時）
図１４は、変位測定装置１のラインモードの運転時に行う手順を示すフローチャートである。ラインモードの運転時のフローチャートにおけるステップＳＲ１では周期的にトリガ信号を出力する。ステップＳＲ２では、照明部３０の第１～第４発光ダイオード３１～３４を点灯させる。ステップＳＲ３では、輝度画像を撮像する。ステップＳＲ４では、測定位置を含む変位測定範囲の変位を測定可能となるようにＭＥＭＳミラー１５を制御する。ステップＳＲ５では、レーザー１２から発光させて帯状の測定光を測定対象物Ｗに照射する。ステップＳＲ６で撮像し、ステップＳＲ７で変位を測定する。

ステップＳＲ８では位置補正ツールの適用があるか否かを判定する。設定時に位置補正ツールが選択されていればステップＳＲ９に進み、設定時に位置補正ツールが選択されていなければステップＳＲ１１に進む。ステップＳＲ９では位置補正ツールを実行し、ステップＳＲ１０では測定ツールの位置、即ち測定位置を補正する。

ステップＳＲ１１では、測定ツールの適用があるか否かを判定する。設定時に測定ツールが選択されていればステップＳＲ１２に進み、設定時に測定ツールが選択されていなければステップＳＲ１３に進む。ステップＳＲ１２では、測定ツールを実行する。全ての測定が完了した場合には、ステップＳＲ１３において全ての測定ツールの処理結果を統合して総合判定結果を生成する。生成した総合判定結果は出力される。

（ラインモードにおける測定精度の向上）
●基本的な測定原理
上述されたように、ラインモードではＭＥＭＳミラー１５の走査が実行されず、測定対象物Ｗが移動する。ラインモードは、主に二つの誤差要因を有している。一つ目は、撮像素子を構成する複数の画素間を反射光が通過する際に一画素周期で発生する誤差である。二つ目は、測定対象物の表面状態に起因して発生する誤差である。このようにラインモードでは主に二つの誤差によって正確な測定結果が得られないことがある。そこで、本実施形態は、ラインモードにおける測定誤差を削減する技術を提案する。

図１５（Ａ）は測定用受光部４０が備える画素群６００を示している。図１５（Ａ）が示す画素群６００を構成する矩形形状の画素（光電変換素子）の数は、説明を簡明化するための一例に過ぎない。画素群６００は、二次元配列された複数の画素を有している。画素群６００には、測定光６０が測定対象物Ｗの表面で反射した反射光が結像し、線状のスポットであるラインスポットＬ１が形成される。ラインスポットＬ１が結像した画素の位置が測定結果をもたらす。しかし、上述した理由からこの測定結果には誤差が含まれる。たとえば、図１５（Ａ）が示すように、ラインスポットＬ１の結像位置の分解性能は一画素の大きさが最大分解能となる。また、ラインスポットＬ１の幅が太くなり、第２方向に並ぶ複数の画素にまたがってしまうと、測定位置の表面性（反射率など）に応じてラインスポットＬ１の結像幅や明るさが影響を受け、ラインスポットＬ１の結像位置の測定結果が不正確となりうる。

図１５（Ｂ）は実施形態にかかる測定方法を説明する図である。本実施形態の変位測定装置１はＭＥＭＳミラー１５を有しているため、ラインモードにおいてもＭＥＭＳミラー１５を駆動することができる。そこで、変位測定装置１はサンプリング周期ごとにＭＥＭＳミラー１５を複数回にわたり微小駆動することで、複数のラインスポットＬ１、Ｌ２、Ｌ３を画素群６００上に結像させ、複数の測定結果を取得する。さらに、変位測定装置１は複数の測定結果を統計処理（例：平均化）することで、一つの測定結果を取得する。図１５（Ｂ）については、複数のラインスポットＬ１の測定精度を向上させるために、二つのラインスポットＬ２、Ｌ３の測定結果が利用されている。図１５（Ｂ）においてｐは隣接する二つのラインスポット間の距離（ピッチ）を示している。ｄは、複数のラインスポットＬ１、Ｌ２、Ｌ３における全体の幅（第２方向における距離）を示しており、以下では、端々画素幅と呼ばれる。つまり、端々画素幅ｄは、距離を画素の数に換算されて求められた数値である。

図１６は、測定回数Ｎ、ライン本数ｎ、ピッチｐおよび端々画素幅ｄとの関係を示す表である。測定回数Ｎは、一つのラインスポットの測定結果を求めるために実行されるラインスポットの測定回数である。Ｎ＝１は、ＭＥＭＳミラー１５の微小駆動を行わないことを意味している。Ｎ＝３は図１５（Ｂ）に示された事例を示している。ライン本数ｎは、測定回数Ｎと同じ数値であり、ＭＥＭＳミラー１５の微小駆動により画素群６００上に結像するラインスポットの数を示している。ｎ＝３は図１５（Ｂ）に示された事例を示している。誤差を低減するためには複数のラインスポットが一画素以上離れた位置に形成された二つ以上のラインスポットを含むことが望ましい。ＭＥＭＳミラー１５の微小駆動できる最大の幅はＭＥＭＳミラー１５の性能に依存する。この例では測定面において反射光の位置を５０ｕｍから６００ｕｍまで移動させることが可能なＭＥＭＳミラー１５が採用されている。そのため、画素幅ｄは１．３３［ｐｉｘ］から１．６７［ｐｉｘ］程度である。ｐｉｘは一画素を意味する単位である。実験結果によれば、ピッチｐは、１／ｎ［ｐｉｘ］以上でかつ２／ｎ［ｐｉｘ］以下であることが望ましいことが分かった。とくに性能の向上が期待できるピッチｐは０．５［ｐｉｘ］以上でかつ１．５［ｐｉｘ］以下であることが望ましい。ただし、ピッチｐは０．５［ｐｉｘ］以上でかつ２［ｐｉｘ］以下であってもよい。

●設定ＵＩ
図１７は設定ＵＩ６０１を説明する図である。設定ＵＩ６０１は、輝度画像生成部３０２により生成された輝度画像と、測定結果に基づき測定光の反射位置を疑似的に示す仮想プロファイル６０７とを合成して表示する表示領域６０６を有している。設定部３０４は、輝度画像生成部３０２に輝度画像を生成させ、変位測定部３１２にプロファイルを測定させる。ＵＩ生成部３０３は、輝度画像と、測定により得られたプロファイルに基づく仮想プロファイル６０７とを合成し、表示領域６０６に合成画像を表示する。

設定部３０４は、設定ＵＩ６０１を通じて入力される各種の設定を受け付ける。ラインモードの一部を設定するために、設定ＵＩ６０１は、サンプリング周期の指定部６０２ａ、統計処理パラメータの指定部６０２ｂ、レーザー位置の指定部６０２ｃを有している。

サンプリング周期は、一つのプロファイルを取得する周期であり、複数のラインスポットを取得するための微小駆動の周期と比較すると、けた違いに大きな値となる。なお、必ずしも桁が変わるほどの大きな値になるとは限らない。

統計処理パラメータの指定部６０２ｂは、たとえば、平均処理の平均回数を指定するためのＵＩである。ここでの平均回数は、測定回数Ｎやライン本数ｎと同じ値である。上述した性能向上を期待できる測定回数の上限から平均回数として設定可能な数値が制限されてもよい。たとえば、６回が上限値であれば、１回から６回までを指定可能なように指定部６０２ｂが形成されていてもよい。たとえば、ユーザはポインタ６０５を操作して＋ボタンを何度押したとしても、６よりも大きな数を指定することができない。設定部３０４は、平均回数（測定回数Ｎ）に基づきピッチｐを演算してもよい。さらに、設定部３０４は、測定回数Ｎまたはピッチｐに基づき走査ミラー１５ｃの照射角度の微小変位量を演算してもよい。

レーザー位置の指定部６０２ｃは、測定光６０の照射角度を指定するためのＵＩである。ユーザはポインタ６０５を使用して指定部６０２ｃを操作することで、測定光６０の照射角度を調整することができる。その結果、仮想プロファイル６０７は、図１７における上下方向に移動することになる。ユーザは、表示領域６０６に表示された仮想プロファイル６０７を見ながら、指定部６０２ｃを操作することで、所望の位置に測定光６０の照射位置を調整することができる。なお、設定部３０４は設定結果を設定情報記憶部３２０ｆに記憶する。測定制御部３０５は設定結果を使用して、輝度画像生成部３０２に撮像を指示したり、変位測定部３１２に測定を指示したりする。

●フローチャート
図１８はプロファイルの測定方法を示すフローチャートである。

ＳＵ１でトリガ制御部３０１は開始トリガをセンサヘッド２へ出力する。センサヘッド２の開始トリガはトリガ検知部２１により検知される。

ＳＵ２で測定制御部３０５は測定対象物Ｗの測定開始位置に向けてレーザー光を照射するようセンサヘッド２に指示する。レーザー制御部１２ａは、レーザー光の照射指示に基づき、レーザー光を出力する。レーザー光は帯状の測定光６０となって測定対象物Ｗの表面に照射される。

ＳＵ３で測定制御部３０５は撮像を実行するようセンサヘッド２に指示する。センサヘッド２の撮像制御部４０ａは撮像指示に基づき測定用受光部４０を制御して撮像を実行する。なお、輝度画像を生成する際には照明部３０が点灯し、レーザー１２は発光を停止する。プロファイルを取得する際には、照明部３０が消灯し、レーザー１２が点灯する。これにより、輝度画像と測定光６０の測定結果が取得される。図１５（Ｂ）に示された事例では、これによりラインスポットＬ１の測定結果が取得される。

ＳＵ４で変位測定部３１２は、撮像制御部４０ａから出力される測定結果を受信して、測定結果に基づき、プロファイルの統計処理に使用されるサブプロファイルを演算する。図１５（Ｂ）に示された事例では、これによりラインスポットＬ１のサブプロファイルが取得される。サブプロファイルとは、最終的なプロファイルを統計処理により求めるために使用される元のプロファイルである。

ＳＵ５で測定制御部３０５は設定情報記憶部３２０ｆに記憶されているピッチｐに基づき、ミラー制御部１５ａを制御し、走査ミラー１５ｃを微小変位させて、測定光６０の照射位置を移動する。さらに、測定制御部３０５は、レーザー制御部１２ａにレーザー光を出力さるよう指示することで、測定光６０を測定対象物Ｗに照射する。

ＳＵ６で測定制御部３０５は撮像を実行するようセンサヘッド２に指示する。センサヘッド２の撮像制御部４０ａは撮像指示に基づき測定用受光部４０を制御して撮像を実行する。図１５（Ｂ）に示された事例では、これによりラインスポットＬ２の測定結果が取得される。

ＳＵ７で変位測定部３１２は、撮像制御部４０ａから出力される測定結果を受信して、測定結果に基づき、プロファイルの統計処理に使用されるサブプロファイルを演算する。図１５（Ｂ）に示された事例では、これによりラインスポットＬ２のサブプロファイルが取得される。

ＳＵ８で測定制御部３０５は、測定回数が規定回数に達したかどうかを判定する。設定ＵＩ６０１を通じて設定された平均回数が３であれば、規定回数は３である。測定回数が規定回数に達していれば、測定制御部３０５は、ＳＵ９に進む。測定回数が規定回数に達していなければ、測定制御部３０５は、ＳＵ５に進む。たとえば、ラインスポットＬ３のサブプロファイルが取得されていない場合、測定制御部３０５は、ＳＵ５に進む。ＳＵ５ないしＳＵ７が実行され、ラインスポットＬ３のサブプロファイルが取得される。

図１５（Ｂ）においてラインスポットＬ１、Ｌ２、Ｌ３をどのような順番で取得するかが問題となる。ＭＥＭＳミラー１５の種類によっては、走査ミラー１５ｃを同一方向に微小変位させると、ＭＥＭＳミラー１５が不安定になることがある。つまり、走査ミラー１５ｃは往復運動させることで、ＭＥＭＳミラー１５が安定することがある。この場合、Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３という順番が採用されたり、Ｌ１→Ｌ３→Ｌ２という順番が採用されたりしてもよい。ラインスポットＬ１のプロファイルが最終的に取得されるため、ラインスポットＬ１が最初に測定されているが、これは一例に過ぎない。たとえば、Ｌ３→Ｌ２→Ｌ１という順番が採用されてもよいし、Ｌ２→Ｌ３→Ｌ１という順番が採用されてもよい。

ＳＵ９で変位測定部３１２は、複数のサブプロファイルに対して統計処理（例：単純平均など）を実行し、ラインスポットＬ１のプロファイルを演算する。たとえば、変位測定部３１２は、ラインスポットＬ１のサブプロファイル、ラインスポットＬ２のサブプロファイルおよびラインスポットＬ３のサブプロファイルを平均処理し、ラインスポットＬ１のプロファイルを取得する。

このように本来であればラインモードでは駆動されることが無いＭＥＭＳミラー１５をあえて駆動することで、誤差の低減されたラインスポットＬ１のプロファイルが取得される。

図１９はプロファイルの測定方法（連続測定手法）を示すフローチャートである。ここでは、ピッチｐごとにサブプロファイルが取得されてバッファに格納されており、直近のＮ個のサブプロファイルに基づいてプロファイルが作成されるものとする。バッファは、たとえば、記憶部３２０に確保される。ここで取得されるプロファイルは直近のＮ個のプロファイルに基づく移動平均と理解されてもよい。なお、図１９における工程のうち図１８の工程と類似する工程についての説明は簡略化される。

ＳＶ１でトリガ制御部３０１は開始トリガをセンサヘッド２へ出力する。ＳＶ２で測定制御部３０５は測定対象物Ｗの測定開始位置に向けてレーザー光を照射するようセンサヘッド２に指示する。ＳＶ３で測定制御部３０５は撮像を実行するようセンサヘッド２に指示する。ＳＶ４で変位測定部３１２は、撮像制御部４０ａから出力される測定結果を受信して、測定結果に基づき、プロファイルの統計処理に使用されるサブプロファイルを演算する。ＳＶ５で測定制御部３０５は設定情報記憶部３２０ｆに記憶されているピッチｐに基づき、ミラー制御部１５ａを制御し、走査ミラー１５ｃを微小変位させて、測定光６０の照射位置を移動する。

ＳＶ６で変位測定部３１２は、バッファに記憶されている直近のＮ個のサブプロファイルに対して統計処理（例：単純平均など）を実行し、ラインスポットＬ１のプロファイルを演算する。たとえば、変位測定部３１２は、ラインスポットＬ１のサブプロファイル、ラインスポットＬ２のサブプロファイルおよびラインスポットＬ３のサブプロファイルを平均処理し、ラインスポットＬ１のプロファイルを取得する。ＳＶ６で測定制御部３０５は、外部機器６などから終了トリガが入力されたかどうかを判定する。終了トリガが入力されていなければ、測定制御部３０５はＳＶ２に進む。終了トリガが入力されていれば、測定制御部３０５は測定処理を終了する。

（検出履歴）
図２０は検出履歴の保存に関連した履歴ＵＩ６１１を示している。変位測定部３１２は、スキャンモードとラインモードとのいずれにおいても、測定されたプロファイル（スキャンモードの場合は、複数のプロファイルからなる高さデータになる）と、測定対象物Ｗの輝度画像とを関連付けて記憶部３２０に記憶している。たとえば、輝度画像は画像データ記憶部３２０に記憶されている。プロファイルのデータは高さデータ記憶部３２０ｂに記憶されている。また、各測定ツールによる測定結果は測定データ記憶部３２０ｅに記憶されている。さらに、良否判定の結果は処理結果記憶部３２０ｃに記憶されている。また、これらは相互に共通したＩＤ（識別情報）や時刻データを用いて関連付けられている。ここではＩＤが採用されているものとする。そこで、ＵＩ生成部３０３は、良否判定の結果がＮＧとなっているＩＤを特定し、このＩＤに関連付けられている輝度画像を履歴ＵＩ６１１の表示領域６１２に表示する。図２０では、三つの輝度画像が表示されている。ＵＩ生成部３０３は、表示領域６１２に表示されている三つの輝度画像のうちポインタ６０５により指定された輝度画像を表示領域６０６に拡大表示する。さらに、ＵＩ生成部３０３は、このＩＤに関連付けられているプロファイルを高さデータ記憶部３２０ｂから読み出して、ラインモード時、読み出したプロファイルに基づき仮想プロファイル６０７を輝度画像に重ねて表示する。ＵＩ生成部３０３は、このＩＤに関連付けられている測定ツールごとの測定結果を測定データ記憶部３２０ｅから読み出して、測定結果表示領域６１３ａ、６１３ｂに表示してもよい。これにより、どの測定ツールの測定結果がＮＧとなったことで、複数の測定ツールの全体として、つまり、測定対象物ＷがＮＧとなったかを理解しやすくなろう。図２０では、段差ツールの測定結果はＯＫとなっているが、高さツールの測定結果がＮＧとなっている。ＵＩ生成部３０３は、高さツールの測定位置を示す枠線や、段差ツールの測定位置を示す二つの枠線を表示領域６０６において輝度画像に重ねて表示してもよい。

（レーザー位置調整）
図２１はラインモードにおけるレーザー位置の調整方法を説明する図である。図１７と図２１とを比較するとわかるように、ポインタ６０５によってスライドバーが操作され、レーザー光（測定光６０）の照射位置が変更されている。ユーザは設定ＵＩ６０１を確認しながらポインタ６０５でスライドバーを移動させることで、所望の位置に測定光６０が照射されるように、レーザー光の照射角度を調整する。出射方向調整部３１０は、スライドバーの移動量に応じてレーザー光の照射角度を調整する。ＵＩ生成部３０３は、変位測定部３１２により取得されたプロファイルに基づき仮想プロファイル６０７を表示領域６０６に表示する。測定光６０の照射位置が変更されているため、仮想プロファイル６０７の位置も連動して変更される。なお、測定光６０の照射位置が変更されると、マスターデータ（比較用の良品データ）の再登録が必要となる。ＵＩ生成部３０３は、再登録を促すようなメッセージを設定ＵＩ６０１に表示してもよい。

（実座標に追従したツール枠）
図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）はセンサヘッド２と測定対象物Ｗとの距離が変わるようなケースを説明する図である。測定対象物Ｗがセンサヘッド２に対して近づくように移動してきてから、移動方向を変更して搬送されることがある。図２２（Ａ）では測定対象物Ｗがセンサヘッド２に対して遠くに位置していることを示している。図２２（Ｂ）では測定対象物Ｗがセンサヘッド２に対して近くに位置していることを示している。ツール枠６０８は、測定ツールの測定領域を示す枠である。一般的なプロファイル表示では、測定対象物Ｗの断面形状を示すように表示される。たとえば、横軸を第２方向とし、縦軸を高さ方向としたグラフなどでプロファイルが表示される。これに対して、本実施形態では、輝度画像に対して仮想プロファイル６０７が表示される。この仮想プロファイル６０７の表示位置は、輝度画像における測定対象物Ｗの大きさに応じて変化する。一般にマスター登録ＵＩなどでは測定対象物Ｗとセンサヘッド２との距離は変更されないため、ツール枠６０８のサイズも固定される。しかし、測定が実行されているときにリアルタイムで表示される輝度画像では、輝度画像における測定対象物Ｗの大きさが変化する、よって、ツール枠６０８のサイズを固定してしまうと、正しい、測定結果が得られなくなってしまう。

そこで、本実施形態では、ＵＩ生成部３０３や測定制御部３０５は、ツール枠６０８の位置とサイズを実寸座標系で管理する。センサヘッド２と測定対象物Ｗとの距離が遠ければ、輝度画像に占める測定対象物Ｗの幅は狭くなる。センサヘッド２と測定対象物Ｗとの距離が近ければ、輝度画像に占める測定対象物Ｗの幅は広くなる。センサヘッド２と測定対象物Ｗの距離は上述の高さ測定によって得られる。その一方で、実寸座標系では、センサヘッド２と測定対象物Ｗの距離に関わらず、測定対象物Ｗの幅（実寸）は一定である。よって、ＵＩ生成部３０３や測定制御部３０５は、ツール枠６０８の位置とサイズを実寸座標系で管理して、表示領域６０６に表示する。これにより、ツール枠６０８の位置とサイズがセンサヘッド２と測定対象物Ｗの距離に追従して可変となる。

（照射角度の調整アシスト）
図２３（Ａ）はセンサヘッド２の推奨設置方法を示している。本実施形態ではセンサヘッド２が水平面Ｈｐに対して斜めとなるように測定光６０が照射され、反射光（拡散光、散乱光）は水平面Ｈｐに対して直交した方向（鉛直方向と１８０度異なる方向）へ向かう。なお、仮にワークの水平面Ｈｐがもう少し離反したら（図２３（Ａ）で下方に移動したら）、反射光と測定光６０の間の角度は狭くなり、反射光は、図２３（Ａ）中で右方に傾いた向きとなる。しかし、図２３（Ｂ）が示すように、ユーザによっては、測定光６０を鉛直方向に照射したいと望む場合がある。この場合、ユーザはセンサヘッド２を傾けて設置しなければならない。

本来、投光軸が届かない死角を減らすためにも、投光軸は載置面に対して鉛直方向が望ましい。このような姿勢でセンサヘッド２を設置した場合、受光軸は、必然的に斜めになる。しかし、受光部を、変位測定用と画像生成用とで共用しようとすると、受光軸を斜めにしたままでは画像が歪んでしまう。そこで、画像の歪みよりも死角を減らすことを優先したいユーザのために、受光軸でも投光軸でも変位測定方向に設定できる本発明をするに至った。

図２３（Ｃ）が示すように、投光軸を鉛直方向にしたいユーザであっても、測定光６０の照射方向が正確に鉛直方向となるようにセンサヘッド２を傾けて設置することは簡単ではない。

たとえば、変位測定部３１２は、水平面Ｈｐにおける異なる３点の位置の高さを測定することができる。これにより、水平面Ｈｐとセンサヘッド２との関係が判明する。出射方向調整部３１０は、傾き角度θが０となるように、走査ミラー１５ｃを傾ける。その結果、測定光６０の照射方向が正確に鉛直方向となる。

＜まとめ＞
変位測定装置１はプロファイル測定装置と呼ばれてもよい。レーザー１２は光を出力する光源の一例である。コリメートレンズ１３、シリンドリカルレンズ１４および絞り部材１６は光源から出力された光を平面的な測定光に変換して出力する変換光学系の一例である。ＭＥＭＳミラー１５は変換光学系から出射された平面的な測定光が測定対象物Ｗを横断するように当該測定光を導光する導光光学系の一例である。測定用受光部４０は測定対象物Ｗからの反射光を受光する受光部の一例である。変位測定部３１２は三角測量の原理に基づき、受光部における反射光の入射位置に応じて、測定対象物Ｗにおける平面的な測定光の各反射位置の高さの集合体であるプロファイルを取得するプロファイル取得部として機能する。図１５（Ｂ）が示すように、駆動部１５ｂは平面的な測定光が測定対象物Ｗの表面で反射することで測定対象物Ｗの表面において第１方向に沿って線状に並んだ複数の反射位置が、当該第１方向とは異なる第２方向に対して微小変位するように導光光学系を駆動する駆動部の一例である。変位測定部３１２は、導光光学系を微小変位させることで取得された複数のサブプロファイルを統計処理することで一つのプロファイルを取得する。これにより、ラインモードにおける測定誤差が削減される。

導光光学系は、駆動部１５ｂにより駆動されて反射方向が変化するミラー（例：走査ミラー１５ｃ）であってもよい。図１５（Ｂ）が示すように、駆動部１５ｂは、サンプル周期ごとに、線状に並んだ複数の反射位置が一定のピッチまたは任意のピッチで第２方向に移動するようにミラーを駆動する。変位測定部３１２は、各サンプル周期ごとに得られた複数のプロファイルから測定対象物の三次元形状を求める。ラインモードにおいては、測定対象物Ｗを搬送することで、変位測定部３１２は、測定対象物Ｗの複数のプロファイルを取得できる。この複数のプロファイルは測定対象物Ｗの三次元形状を示している。一つプロファイルの測定誤差が減少するため、三次元形状の測定誤差も減少する。

図１５（Ｂ）が示すように、複数のサブプロファイルを取得するための微小変位のピッチｐは、プロファイルを取得するための一定のピッチよりも小さい。図７（Ｂ）に複数の線状のビームスポット６１が示すように、サンプル周期ごとの取得されるプロファイルのピッチ（複数のビームスポット６１のピッチ）は広い。一方で、複数のサブプロファイルを取得するための微小変位のピッチｐはマイクロメートルのオーダーであり、非常に狭い。これは、ピッチｐが広くなりすぎると、各サブプロファイルの位置が本来の位置から離れすぎてしまうためである。したがって、微小変位のピッチｐは、受光部の画素換算で、０．５画素以上で、かつ、受光部における反射光のスポット幅に相当する画素数（例：２画素）以下となるピッチであることが望ましい。この範囲は、統計処理において誤差を削減できる適切なピッチの範囲となる。

ミラーは、第２方向に平面的な測定光６０を走査させる。ミラーはＭＥＭＳミラー１５またはガルバノミラーであってもよい。ミラーは測定光６０の照射角度を可変にできる光学部品であればよい。

ラインモードにおいて、測定対象物Ｗは、受光部を含むセンサヘッド２に対して相対的に第２方向へ移動する。変位測定部３１２は、各サンプル周期ごとに得られた複数のプロファイルから測定対象物の三次元形状を求める。

統計処理は、たとえば、平均化であってもよい。なお、複数のサブプロファイルに基づいてプロファイルの測定誤差を低減可能な演算処理であれば統計処理として採用可能である。図１７が示すように、指定部６０２ｂは、平均化のために取得される複数のサブプロファイルの数（例：平均回数）を受け付ける受付部の一例である。設定部３０４は、受付部により受け付けられた複数のサブプロファイルの数に基づき複数のサブプロファイルを取得するための微小変位のピッチｐを演算する演算部を有していてもよい。設定部３０４は、平均回数やピッチｐを設定情報記憶部３２０ｆに記憶させる。

角度検知センサ２２や照射角度特定部３１１は、ミラーの角度を検知する検知部の一例である。出射方向調整部３１０やミラー制御部１５ａは、検知部により検知されるミラーの角度をフィードバックすることでミラーの角度が目標角度となるように駆動部１５ｂを制御する制御部として機能する。これにより、走査ミラー１５ｃの角度が正確に制御されるようになる。

図２３（Ｃ）が示すように、出射方向調整部３１０やミラー制御部１５ａは、測定対象物Ｗが載置される測定面（例：水平面Ｈｐ）に対して測定光６０が直角に入射するように、走査ミラー１５ｃの角度を調整してもよい。これにより、センサヘッド２を傾けて設置する際のユーザの負担が軽減されよう。

測定用受光部４０のＣＭＯＳイメージセンサは、二次元配列された複数の受光素子を有する撮像素子の一例である。撮像素子は、光源が光を出力していないとき、測定対象物Ｗの画像（例：輝度画像）を撮像し、記憶部（例：画像データ記憶部３２０ｄ）に当該画像を記憶してもよい。記憶部は、光源が光を出力することで取得されたプロファイルを画像とともに記憶してもよい。これにより、画像とプロファイルとを重ねて表示することが可能となる。

図１７などが示すように、表示領域６０６は、測定対象物Ｗの輝度画像に対してプロファイルに基づく仮想線（例：仮想プロファイル６０７）を合成して表示する表示部の一例である。

測定制御部３０５が備える複数の測定ツール（例：高さツールや段差ツールなど）は、測定対象物Ｗのプロファイルに測定処理を実行する測定ツールの一例である。図２２を用いて説明されたように、ＵＩ生成部３０３や表示領域６０６は、測定ツールの測定範囲を示すツール枠６０８を輝度画像とともに表示するように構成されている。さらに、ツール枠６０８のサイズは測定対象物Ｗの実寸に連動して変化する。つまり、ツール枠６０８のサイズは測定対象物Ｗと変位測定装置１との間の距離に連動して変化する。

１...変位測定装置、２...センサヘッド、１２...レーザー、１３...コリメートレンズ、１４...シリンドリカルレンズ、１５...ＭＥＭＳミラー、４０...測定用受光部、３１２...変位測定部、１５ｂ...駆動部

Claims

光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を平面的な測定光に変換して出力する変換光学系と、
前記変換光学系から出射された前記平面的な測定光が測定対象物を横断するように当該測定光を導光する導光光学系と、
前記測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
三角測量の原理に基づき、前記受光部における前記反射光の入射位置に応じて、前記測定対象物における前記平面的な測定光の各反射位置の高さの集合体であるプロファイルを取得するプロファイル取得部と、
前記測定対象物の表面において第１方向に沿って線状に並んだ複数の反射位置が、当該第１方向とは異なる第２方向に対して変位するように前記導光光学系を駆動する駆動部と、
静止した前記測定対象物の前記第２方向における異なる位置に前記平面的な測定光を順次照射するスキャンモードと、移動する前記測定対象物の前記第２方向における特定の位置に前記平面的な測定光を照射するラインモードとのいずれかを選択するモード選択部と、
を有し、
前記モード選択部によりラインモードが選択されている場合に、前記駆動部は、前記第１方向に沿って線状に並んだ複数の反射位置が前記第２方向に対して前記特定の位置に近接する複数の位置に微小変位するように前記導光光学系を駆動するとともに、前記プロファイル取得部は、当該微小変位ごとに前記高さの集合体である複数のサブプロファイルを取得して、当該複数のサブプロファイルを統計処理することで一つの前記プロファイルを取得することを特徴とするプロファイル測定装置。
前記導光光学系は、前記駆動部により駆動されて反射方向が変化するミラーであることを特徴とする請求項１に記載のプロファイル測定装置。
前記駆動部は、サンプル周期ごとに、前記線状に並んだ複数の反射位置が前記第２方向に移動するように前記ミラーを駆動し、
前記プロファイル取得部は、各サンプル周期ごとに得られた複数のプロファイルから前記測定対象物の三次元形状を求めることを特徴とする請求項２に記載のプロファイル測定装置。
前記複数のサブプロファイルを取得するための微小変位のピッチは、前記プロファイルを取得するためのピッチよりも小さいことを特徴とする請求項３に記載のプロファイル測定装置。
前記微小変位のピッチは、前記受光部の画素換算で、０．３画素以上で、かつ、２画素以下となるピッチであることを特徴とする請求項４に記載のプロファイル測定装置。
前記ミラーは、前記第２方向に前記平面的な測定光を走査させることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか一項に記載のプロファイル測定装置。
前記ミラーはＭＥＭＳミラーまたはガルバノミラーであることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一項に記載のプロファイル測定装置。
前記測定対象物は、前記受光部を含むセンサヘッドに対して相対的に前記第２方向へ移動し、
前記プロファイル取得部は、各サンプル周期ごとに得られた複数のプロファイルから前記測定対象物の三次元形状を求めることを特徴とする請求項１または２に記載のプロファイル測定装置。
前記統計処理は平均化であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載のプロファイル測定装置。
前記平均化のために取得される前記複数のサブプロファイルの数を受け付ける受付部と、
前記受付部により受け付けられた前記複数のサブプロファイルの数に基づき前記複数のサブプロファイルを取得するための微小変位のピッチを演算する演算部と
を有することを特徴とする請求項９に記載のプロファイル測定装置。
前記ミラーの角度を検知する検知部と、
前記検知部により検知される前記ミラーの角度をフィードバックすることで前記ミラーの角度が目標角度となるように前記駆動部を制御する制御部と
を有することを特徴とする請求項２ないし７のいずれか一項に記載のプロファイル測定装置。
前記受光部において二次元配列された複数の受光素子を有する撮像素子を有し、
前記撮像素子は、前記光源が前記光を出力していないとき、前記測定対象物の画像を撮像し、記憶部に当該画像を記憶し、
前記記憶部は、前記光源が前記光を出力することで取得された前記プロファイルを前記画像とともに記憶することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のプロファイル測定装置。
前記測定対象物の輝度画像に対して前記プロファイルに基づく仮想線を合成して表示する表示部をさらに有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のプロファイル測定装置。
前記プロファイルに測定処理を実行する測定ツールをさらに有し、
前記表示部は、前記測定ツールの測定範囲を示すツール枠を前記輝度画像とともに表示するように構成されており、
前記ツール枠のサイズは前記測定対象物と前記プロファイル測定装置との距離に連動して変化することを特徴とする請求項１３に記載のプロファイル測定装置。