JP7328824B2 - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元の測定対象物に対して高さ情報を含む所定の検査を行うための三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法に関する。

三角測距方式の三次元形状測定装置が知られている（例えば特許文献１）。この三次元形状測定装置では、測定対象物を載置する載置部と、測定対象物に向けて測定光を投光したり、測定対象物からの反射光を受光したりするヘッド部とが固定的に連結されている。これにより、耐振性など外部環境の変化に対するロバスト性を高め、測定対象物の立体形状を安定的に測定可能となっている。また、この三次元形状測定装置には、測定対象物の立体形状を複数方向から測定するために、測定対象物を回転させる回転ステージが設けられている。

特開２０１８－４２７８号公報

一方で、回転ステージに収まらない長尺の測定対象物についても立体形状を測定したい、といった要求がある。このような要求に応えるために、回転ステージに加えて並進ステージを搭載することが考えられる。しかしながら、並進ステージが中心位置ではないポジションにおいて回転ステージが回転した場合、最大回転半径が大きくなるため、回転ステージから飛び出した測定対象物の端部が三次元形状測定装置と衝突する虞があった。

本発明の目的の一は、長尺の測定対象物を回転ステージに載置して回転させた場合でも、安全に測定できるようにした三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の第１の側面に係る三次元形状測定装置によれば、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、測定対象物を載置させる載置面を、該載置面に含まれる回転軸を中心に回転させる回転ステージと、前記載置面を、該載置面内に含まれる所定の基準位置を基準に、該載置面が属する面内で移動させる並進ステージとを備える載置部と、前記載置部に載置された測定対象物に所定のパターンを有する測定光を照射する投光部と、前記投光部により照射され、測定対象物により反射された測定光を受光して受光量を表す受光信号を出力する受光部と、前記受光部により出力される受光信号に基づいて、測定対象物の立体形状を表す点群データを生成する点群データ生成部と、前記点群データ生成部により生成された複数の点群データを合成する点群データ合成部と、測定対象物の三次元形状を測定する測定領域を設定する測定領域設定部と、前記測定領域設定部により設定された測定領域に基づいて、前記回転ステージの回転移動及び前記並進ステージの平行移動を制御する移動制御部とを備え、前記移動制御部は、前記測定領域設定部により設定された第一測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記基準位置から第一位置に移動させることで、該第一位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力し、前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させた状態で、前記回転ステージを所定の回転角度に回転させ、さらに前記並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第二測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記基準位置と対応する箇所から第二位置に移動させることで、該第二位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力するよう、前記載置部を制御し、前記点群データ合成部は、前記並進ステージが前記第一位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第一点群データと、前記並進ステージが前記第二位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第二点群データとを合成することができる。上記構成により、回転ステージと並進ステージを備える三次元形状測定装置において、回転ステージを回転移動させる際に、測定対象物が三次元形状測定装置や他の部材と干渉するおそれを低減できる。また、異なる位置及び異なる角度で生成された点群データを合成しているため、測定対象物の立体形状をより高精度に測定することができる。

また、第２の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記構成に加えて、前記移動制御部は、前記測定領域設定部により設定された第三測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記第一位置から、前記回転ステージを回転させることなく、該第一位置と異なる第三位置に移動させることで、該第三位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力すると共に、前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させた状態で、前記回転ステージを所定の回転角度に回転させ、さらに前記並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第四測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記第二位置から、前記回転ステージを回転させることなく、該第二位置と異なる第四位置に移動させることで、該第四位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力するよう、前記載置部を制御し、前記点群データ合成部が、前記第一点群データ、前記第二点群データ、前記並進ステージが前記第三位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第三点群データ、及び前記並進ステージが前記第四位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第四点群データとを合成するよう構成することができる。上記構成により、同じ角度の複数の異なる位置で点群データを生成することができるため、より多くのデータに基づき測定対象物の形状を測定できる。このため、高精度に測定対象物を測定することができる。

また、第３の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記基準位置は、前記回転ステージを回転させた際に前記載置部の側面の内、最も突出した部位における回転半径が、最小となる位置とすることができる。上記構成により、回転半径が最小となる位置に測定対象物を復帰させ、測定対象物を回転させることとなるため、測定対象物が三次元形状測定装置に干渉するおそれを低減することができる。

さらに、第４の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記基準位置は、前記回転ステージを回転させた際に、前記載置部及び該載置部に載置された測定対象物の外形の内、最も突出した部位における回転半径が、最小となる位置とすることができる。上記構成により、回転半径が最小となる位置に測定対象物を復帰させ、測定対象物を回転させることとなるため、測定対象物が三次元形状測定装置に干渉するおそれを低減することができる。

さらにまた、第５の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えてさらに、前記載置部を支持する台座部と、前記台座部に連結されると共に、前記載置部を斜め下に見下ろすよう前記投光部及び前記受光部を前記載置面に対して光軸が傾斜する姿勢に固定する固定部と、前記固定部を前記台座部から離間した姿勢に支持する支持部とを備えることができる。上記構成により、回転ステージを回転移動させる際に、測定対象物が支持部と干渉するおそれを低減できる。

さらにまた、第６の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記載置部は、前記台座部に回転可能に支持された前記回転ステージの上方に前記並進ステージを備えることができる。上記構成により、回転ステージを回転可能に台座部に固定し、並進ステージに載置された測定対象物と共に並進ステージを回転可能としている。この測定対象物と並進ステージが共に回転することにより、測定対象物と並進ステージの位置関係は、測定対象物の載置姿勢を変えない範囲では、一定に維持できる。これにより、回転における複数視点からの三次元測定が常に同じ測定対象物の範囲で行える。その結果、測定対象物上の同一点を複数視点からのデータで平均化でき、測定対象物全体にわたって安定した測定を実現し、測定精度を向上することができる。

さらにまた、第７の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記回転ステージの回転軸を、前記並進ステージの移動の基準位置と一致させることができる。上記構成により、並進ステージの移動の制御がしやすくなる。

さらにまた、第８の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記第一点群データ及び第二点群データは、それぞれ複数の位置の各々で照射された測定光に基づき生成された複数の点群データを含むことができる。上記構成により、一の点群データが複数の場所で生成された点群データを含むことができるため、より多くのデータに基づき測定対象物の形状を測定できる。このため、高精度に測定対象物を測定することができる。

さらにまた、第９の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記点群データ生成部により生成された点群データに基づいて、前記載置部に載置された測定対象物を真上から見下ろしたときの平面図を示すトップビューマップ画像を生成するトップビューマップ画像生成部を備え、前記測定領域設定部は、前記トップビューマップ画像生成部により生成されたトップビューマップ画像上に前記測定領域を設定するよう構成することができる。
さらにまた、第１０の側面に係る三次元形状測定方法によれば、三次元形状測定装置を用いて測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、測定対象物の三次元形状を測定する測定領域を、測定領域設定部で設定させる工程と、測定対象物を載置させる載置面を、該載置面内に含まれる所定の基準位置を基準に、該載置面が属する面内で移動させる並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第一測定領域が受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、該並進ステージが属する面内で第一位置に移動させ、前記載置面に載置された測定対象物に所定のパターンを有する測定光を投光部から照射して、測定対象物により反射された測定光を前記受光部で受光して、受光量を表す受光信号を出力する工程と、前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させる工程と、前記載置面を共通とするよう前記並進ステージと重ねて配置され、前記載置面を該載置面に含まれる回転軸を中心に回転させる回転ステージを回転移動させる工程と、前記測定領域設定部により設定された第二測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを前記基準位置から、第二位置に移動させ、前記投光部から測定光を照射させ、測定光を前記受光部で受光して、受光量を表す受光信号を出力する工程と、前記並進ステージが前記第一位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、点群データ生成部により生成された第一点群データと、前記並進ステージが前記第二位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第二点群データとを合成する工程とを含むことができる。上記構成により、測定対象物の立体形状を表す点群データを生成するときに、並進ステージを基準位置にさせ、回転ステージを回転させることにより、測定対象物が測定装置やユーザ等と干渉することを抑制することができる。

さらにまた、第１１の側面に係る三次元形状測定方法によれば、三次元形状測定装置を用いて測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、測定対象物の三次元形状を測定する測定領域を、測定領域設定部で設定させる工程と、測定対象物を載置部の載置面に載置させた状態で、該載置面内に含まれる所定の基準位置を基準に、該載置面が属する面内で移動させる並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第一測定領域が受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記載置部を制御する移動制御部でもって、前記基準位置から第一位置に移動させる工程と、前記第一位置において、前記載置面に載置された測定対象物に対し、所定のパターンを有する測定光を投光部から照射し、測定対象物により反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程と、前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させた状態で、前記載置面を共通とするよう前記並進ステージと重ねて配置され、かつ前記載置面を該載置面に含まれる回転軸を中心に回転させる回転ステージを、前記移動制御部で回転させる工程と、前記並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第二測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記第一位置と異なる第二位置に、前記基準位置と対応する箇所から、前記移動制御部で移動させる工程と、前記第二位置において、測定対象物に対し、前記投光部から測定光を照射し、測定対象物で反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程と、前記並進ステージが前記第一位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、点群データ生成部により生成された第一点群データと、並進ステージが前記第二位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第二点群データとを、点群データ合成部で合成する工程とを含むことができる。上記構成により、回転ステージを回転移動させる際に、測定対象物が三次元形状測定装置や他の部材と干渉するおそれを低減できる。また、異なる位置で生成された点群データを合成しているため、測定対象物の立体形状をより高精度に測定することができる。

さらにまた、第１２の側面に係る三次元形状測定方法によれば、上記構成に加えて、さらに、前記第一点群データを生成する工程の後であって、前記回転ステージを回転させる工程の前に、前記測定領域設定部により設定された第三測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記第一位置とも第二位置とも異なる第三位置に、前記移動制御部で移動させる工程と、前記第三位置において、測定対象物に対し、前記投光部から測定光を照射し、測定対象物で反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程と、前記第二位置での受光信号を出力する工程の後であって、前記第一点群データと第二点群データを合成する工程の前に、前記測定領域設定部により設定された第四測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記第一位置、第二位置、第三位置のいずれとも異なる第四位置に、前記移動制御部で移動させる工程と、前記第四位置において、測定対象物に対し、前記投光部から測定光を照射し、測定対象物で反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程とを含み、前記第一点群データと第二点群データを合成する工程が、前記第一点群データ、前記第二点群データ、前記並進ステージが前記第三位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第三点群データ、及び前記並進ステージが前記第四位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第四点群データとを、点群データ合成部で合成する工程とすることができる。上記構成により、同じ角度の複数の異なる位置で点群データを生成することができるため、より多くのデータに基づき測定対象物の形状を測定できる。このため、高精度に測定対象物を測定することができる。

本発明の実施の形態１に係る画像検査装置を示すブロック図である。 図１の測定部の構成を示すブロック図である。 図１のコントローラのＣＰＵの構成を示すブロック図である。 三次元形状測定システムを示すブロック図である。 図４に示す三次元形状測定装置本体の分解斜視図である。 図４に示す三次元形状測定装置本体の側面図である。 倍率の異なる複数の受光部を備える三次元形状測定装置の側面図である。 載置面の駆動方向を示す平面図である。 載置面の駆動方向を示す平面図である。 回転ステージの構成を示すブロック図である。 並進ステージの構成を示すブロック図である。 遮光カバーに取り付けられる遮光部材の一例を示す三次元形状測定装置の斜視図である。 図１３Ａは測定領域に収まりきらない測定対象物の観察画像、図１３Ｂは図１３Ａの測定対象物から生成した単視野測定データのイメージ図である。 図１４Ａは測定領域に収まりきらない測定対象物を並進ステージに載置した状態の模式平面図、図１４Ｂは図１４Ａの状態から並進ステージを右方向に平行移動させた状態の模式平面図、図１４Ｃは図１４Ｂの状態から並進ステージを左方向に平行移動させた状態の模式平面図である。 図１５Ａは測定対象物の左半分の観察画像、図１５Ｂは図１５Ａの測定対象物から生成した単視野測定データＡのイメージ図、図１５Ｃは測定対象物の右半分の観察画像、図１５Ｄは図１５Ｃの測定対象物から生成した単視野測定データＢのイメージ図、図１５Ｅは図１５Ｂ及び図１５Ｄを合成した合成画像のイメージ図である。 図１６Ａは載置面に測定対象物を載置した状態を示す模式平面図、図１６Ｂは並進ステージを移動させた状態を示す模式平面図、図１６Ｃは測定対象物が三次元形状測定装置と衝突した状態を示す模式平面図である。 測定対象物の全体形状を測定する手順を示すフローチャートである。 図１８Ａは載置面に測定対象物を載置した状態を示す模式平面図、図１８Ｂは並進ステージを左方向に移動させた状態を示す模式平面図、図１８Ｃは並進ステージを右方向に移動させた状態を示す模式平面図、図１８Ｄは並進ステージを基準位置に復帰させた状態を示す模式平面図、図１８Ｅは並進ステージを回転させた状態を示す模式平面図、図１８Ｆは並進ステージを左方向に移動させた状態を示す模式平面図、図１８Ｇは並進ステージを右方向に移動させた状態を示す模式平面図、図１８Ｈは並進ステージを基準位置に復帰させた状態を示す模式平面図である。 図１９Ａは載置面と測定領域の関係を示す模式平面図、図１９Ｂは並進ステージを左方向に移動させた状態の模式平面図、図１９Ｃは右方向に移動させた状態の模式平面図、図１９Ｄは回転ステージで１８０°回転させた状態で並進ステージを左方向に移動させた状態の模式平面図、図１９Ｅは右方向に移動させた状態の模式平面図である。 図２０Ａは図１９Ｂの位置で取得した測定対象物の観察画像、図２０Ｂは図２０Ａの観察画像から生成した単視野測定データ、図２０Ｃは図１９Ｃの位置で取得した測定対象物の観察画像、図２０Ｄは図２０Ｃの観察画像から生成した単視野測定データ、図２０Ｅは図１９Ｄの位置で取得した測定対象物の観察画像、図２０Ｆは図２０Ｅの観察画像から生成した単視野測定データ、図２０Ｇは図１９Ｅの位置で取得した測定対象物の観察画像、図２０Ｈは図２０Ｇの観察画像から生成した単視野測定データ、図２０Ｉは図２０Ｂ、図２０Ｄ、図２０Ｆ及び図２０Ｈを合成した合成画像の、各イメージ図である。 図２１Ａは左右方向へ移動した場合の遮光部材との干渉の模式図、図２１Ｂはθ方向に移動した場合の遮光部材との干渉の模式平面図である。 変形例に係る三次元形状測定装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を例示するものであって、本発明は三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本明細書において、「テクスチャ画像」とは、光学画像に代表される、テクスチャ情報を有する観察画像である。一方、「高さ画像」とは、距離画像等とも呼ばれるものであり、高さ情報を含む画像の意味で使用する。例えば、高さ情報を輝度や色度等に変換して二次元画像として表示した画像や、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示した画像が挙げられる。またこのような高さ画像にテクスチャ画像をテクスチャ情報として貼り付けた三次元の合成画像も、高さ画像に含む。また、本明細書において高さ画像の表示形態は二次元状に表示されるものに限られず、三次元状に表示されるものも含む。例えば、高さ画像の有する高さ情報を輝度等に変換して二次元画像として表示したものや、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示したものを含む。

さらに本明細書において測定対象物をステージ上に置く「姿勢」とは、測定対象物の回転角度を意味する。なお、測定対象物が円錐のような平面視において点対称の形状の場合は、回転角度に依らず同じ結果が得られるため、姿勢は規定する必要がない。

以下の実施例では、測定対象物の高さ情報を取得するため、所定のパターンの測定光を測定対象物に対して照射して、測定対象物の表面で反射された反射光から得られる信号を用いて、高さ情報を取得している。例えば、所定のパターンの測定光として、構造化照明を用いて、測定対象物に投影し、その反射光から得られる縞投影画像を用いた三角測距を用いた計測方法を用いることができる。ただ、本発明は測定対象物の高さ情報を取得するための原理や構成を、これに限らず、他の方法も適用することができる。
（実施形態）

三次元形状測定装置は、測定対象画像の三次元の高さ計測を行うことができる。また、三次元計測に加えて、二次元の寸法計測も行うことができる。図１に、本発明の実施形態に係る三次元形状測定装置のブロック図を示す。この図に示す三次元形状測定装置５００は、測定部１００、台座部６００と、コントローラ２００、光源部３００及び表示部４００を備える。この三次元形状測定装置５００は、光源部３００で構造化照明を行い、縞投影画像を撮像して高さ情報を有する高さ画像を生成し、これに基づいて測定対象物ＷＫの三次元寸法や形状を計測することができる。このような縞投影を用いた測定は、測定対象物ＷＫやレンズ等の光学系をＺ方向に移動させることなく高さ測定ができるため、測定時間を短くできるという利点がある。

測定部１００は、投光部１１０と、受光部１２０と、測定制御部１５０と、照明光出力部１３０を備える。投光部１１０は、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫに所定のパターンを有する測定光を照射する。受光部１２０は、載置面１４２に対して傾斜姿勢で固定されている。この受光部１２０は、投光部１１０により照射され、測定対象物ＷＫにて反射された測定光を受光して、受光量を表す受光信号を出力する。

台座部６００は、載置部１４０と移動制御部１４４を備える。この台座部６００は、載置部１４０を支持している。移動制御部１４４は、載置部１４０を移動させる部材である。移動制御部１４４は、台座部６００側に設ける他、コントローラ側に配置してもよい。

光源部３００は、測定部１００と接続される。光源部３００は、測定光を生成して測定部１００に供給する。コントローラ２００は、測定部１００の撮像を制御する。表示部４００は、コントローラ２００と接続され、生成された画像を表示させ、また必要な設定を行うＨＭＩとなる。
（載置部１４０）

図１に示す台座部６００は、載置部１４０と、移動制御部１４４を備える。載置部１４０は、測定対象物ＷＫが載置される載置面１４２を有する。この載置部１４０は、載置面１４２を回転させる回転ステージ１４３と、載置面１４２を平行移動させる並進ステージ１４１を含む。
（移動制御部１４４）

移動制御部１４４は、後述する測定領域設定部２６４により設定された測定領域に基づいて、回転ステージ１４３の回転移動及び並進ステージ１４１の平行移動を制御する。

コントローラ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０及び操作部２５０を含む。コントローラ２００には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等が利用できる。またＣＰＵ２１０は、点群データを生成する点群データ生成部２６０と、点群データ生成部２６０により生成された点群データに基づいてトップビューマップ画像を生成するトップビューマップ画像生成部２６１の機能を実現する。
（測定部１００のブロック図）

図１の三次元形状測定装置５００の測定部１００の構成を図２のブロック図に示す。測定部１００は、例えば顕微鏡であり、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、測定制御部１５０、及びこれらを収納する本体ケース１０１を備える。投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２及び複数のレンズ１１３、１１４、１１５を含む。受光部１２０は、カメラ１２１及び複数のレンズ１２２、１２３を含む。本体ケース１０１は、樹脂や金属製の筐体とする。
（投光部１１０）

投光部１１０は、載置部１４０の斜め上方に配置される。この測定部１００は、複数の投光部１１０を含んでもよい。図２の例においては、測定部１００は２つの投光部１１０を含む。ここでは、第一の方向から測定対象物ＷＫに対して第一測定光ＭＬ１を照射可能な第一測定光投光部１１０Ａ（図２において右側）と、第一の方向とは異なる第二の方向から測定対象物ＷＫに対して第二測定光ＭＬ２を照射可能な第二測定光投光部１１０Ｂ（図２において左側）を、それぞれ配置している。第一測定光投光部１１０Ａ、第二測定光投光部１１０Ｂは受光部１２０の光軸を挟んで対称に配置される。なお投光部を３以上備えたり、あるいは投光部とステージを相対移動させて、共通の投光部を用いつつも、照明の方向を異ならせて投光させることも可能である。また以上の例では投光部１１０を複数用意し、共通の受光部１２０で受光する構成としているが、逆に共通の投光部に対して、複数の受光部を用意して受光するように構成してもよい。さらにこの例では投光部が投光する照明光の、垂直方向に対する照射角度を固定としているが、これを可変とすることもできる。
（測定光源１１１）

各第一測定光投光部１１０Ａ、第二測定光投光部１１０Ｂは、測定光源１１１としてそれぞれ第一測定光源、第二測定光源を備える。これら測定光源１１１は、例えば白色光を出射するハロゲンランプである。測定光源１１１は、単色光を発光する光源、例えば白色光を出射する白色ＬＥＤ（発光ダイオード）や有機ＥＬ等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、「測定光」と呼ぶ。）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射される。
（パターン生成部１１２）

パターン生成部１１２は、測定光を測定対象物ＷＫに対して投光させるよう、測定光源１１１から出射された光を反射させる。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターン及び予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２により出射された測定光は、複数のレンズ１１４、１１５により受光部１２０の観察・測定可能な視野よりも大きい径を有する光に変換された後、載置部１４０上の測定対象物ＷＫに照射される。

パターン生成部１１２は、測定光を測定対象物ＷＫに投光させる投光状態と、測定光を測定対象物ＷＫに投光させない非投光状態とを切り替え可能な部材である。このようなパターン生成部１１２には、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が好適に利用できる。ＤＭＤを用いたパターン生成部１１２は、投光状態として測定光を光路上に反射させる反射状態と、非投光状態として測定光を遮光させる遮光状態とを切り替え可能に、測定制御部１５０により制御できる。

ＤＭＤは多数のマイクロミラー（微小鏡面）ＭＭを平面上に配列した素子である。各マイクロミラーは、測定制御部１５０により個別にＯＮ状態、ＯＦＦ状態を切り替えることができるので、多数のマイクロミラーのＯＮ状態、ＯＦＦ状態を組み合わせて、所望の投影パターンを構成できる。これによって、三角測距に必要なパターンを生成して、測定対象物ＷＫの測定が可能となる。このようにＤＭＤは、測定時には測定用の周期的な投影パターンを測定対象物ＷＫに投光する投影パターン光学系として機能する。またＤＭＤは応答速度にも優れ、シャッターなどに比べ高速に動作させることができる利点も得られる。

なお以上の例では、パターン生成部１１２にＤＭＤを用いた例を説明したが、本発明はパターン生成部１１２をＤＭＤに限定するものでなく、他の部材を用いることもできる。例えば、パターン生成部１１２として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子）を用いてもよい。あるいは反射型の部材に代えて透過型の部材を用いて、測定光の透過量を調整してもよい。この場合は、パターン生成部１１２を測定光の光路上に配置して、測定光を透過させる投光状態と、測定光を遮光させる遮光状態とを切り替える。このようなパターン生成部１１２には、例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）が利用できる。また、パターン生成部１１２としてその他スリットを設けたマスクを物理的に移動させる形態やラインレーザをスキャンさせる方式等も利用できる。

さらに図２等の例では、測定光投光部を２つ備えた例を説明したが、本発明はこれに限らず、測定光投光部を３以上設けることも可能である。あるいは、測定光投光部を一のみとすることもできる。この場合は、測定光投光部の位置を移動可能とすることで、異なる方向から測定光を測定対象物ＷＫに対して投光できる。
（受光部１２０）

受光部１２０は、載置部１４０の上方に配置される。測定対象物ＷＫにより載置部１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０の複数のレンズ１２２、１２３により集光、結像された後、カメラ１２１により受光される。
（カメラ１２１）

カメラ１２１は、例えば撮像素子１２１ａ及びレンズを含むＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。カラーの撮像素子は各画素を赤色用、緑色用、青色用の受光に対応させる必要があるため、モノクロの撮像素子と比較すると計測分解能が低く、また各画素にカラーフィルタを設ける必要があるため感度が低下する。そのため、本実施の形態では、撮像素子としてモノクロのＣＣＤを採用し、後述する照明光出力部１３０をＲＧＢにそれぞれ対応した照明を時分割で照射して撮像することにより、カラー画像を取得している。このような構成にすることにより、計測精度を低下させずに測定物のカラー画像を取得することができる。

ただ、撮像素子１２１ａとして、カラーの撮像素子を用いても良いことは云うまでもない。この場合、計測精度や感度は低下するが、照明光出力部１３０からＲＧＢにそれぞれ対応した照明を時分割で照射する必要がなくなり、白色光を照射するだけで、カラー画像を取得できるため、照明光学系をシンプルに構成できる。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、「受光信号」と呼ぶ。）が測定制御部１５０に出力される。

このようにして撮像された測定対象物ＷＫの画像は、レンズの特性によって、測定対象物ＷＫに対して極めて正確な相似形を成している。またレンズの倍率を用いてキャリブレーションをすることで、画像上の寸法と実際の測定対象物ＷＫ上の寸法を正確に関連付けることができる。
（測定制御部１５０）

測定制御部１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）及びＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。カメラ１２１から出力される受光信号は、光源部３００による制御に基づいて、測定制御部１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされると共にデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次コントローラ２００に転送される。
（コントローラ２００）

図１に示すように、コントローラ２００は、ＣＰＵ２１０、ＲＯＭ２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０及び操作部２５０を含む。この操作部２５０は、キーボードやポインティングデバイスを含むことができる。ポインティングデバイスとしては、マウス又はジョイスティック等が用いられる。

ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、三次元形状測定装置を操作するための三次元形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、測定制御部１５０から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。さらに記憶装置は、測定画像を構成する画素毎に、輝度情報、高さ情報、属性情報を記憶する。
（ＣＰＵ２１０）

ＣＰＵ２１０は、与えられた信号やデータを処理して各種の演算を行い、演算結果を出力する制御回路や制御素子である。本明細書においてＣＰＵとは、演算を行う素子や回路を意味し、その名称によらず、汎用ＰＣ向けのＣＰＵやＭＰＵ、ＧＰＵ、ＴＰＵ等のプロセッサに限定するものでなく、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＬＳＩ等のプロセッサやマイコン、あるいはＳｏＣ等のチップセットを含む意味で使用する。

ＣＰＵ２１０は、測定制御部１５０から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うと共に、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。ＣＰＵ２１０のブロック図を図３に示す。このＣＰＵは、点群データ生成部２６０と、トップビューマップ画像生成部２６１と、測定領域設定部２６４、高さ画像取得部２２８と、点群データ合成部２１１等の機能を実現する。
（点群データ生成部２６０）

点群データ生成部２６０は、受光部１２０により出力される受光信号に基づいて、測定対象物ＷＫの立体形状を表す三次元位置情報を有する点の集合である点群データを生成する。
（トップビューマップ画像生成部２６１）

トップビューマップ画像生成部２６１は、点群データ生成部２６０により生成された点群データに基づいて、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫを真上から見下したときの平面図を示すトップビューマップ画像を生成する。このような測定対象物ＷＫを真上から見たトップビューマップ画像を生成することで、測定対象物ＷＫの全体形状を容易に把握し、ひいては測定領域の設定を容易にすることができる。
（測定領域設定部２６４）

測定領域設定部２６４は、トップビューマップ画像表示領域に表示されたトップビューマップ画像上で測定領域を設定する。

高さ画像取得部２２８は、複数の縞投影画像に基づいて高さ情報を有する高さ画像を取得する。また点群データ合成部２１１は、点群データ生成部２６０で生成された複数の点群データを合成する。ここで点群は、ポイントクラウド等とも呼ばれ、三次元空間の座標（例えばＸＹＺの直交座標）を有している。このため載置部の異なる位置でそれぞれ生成された測定対象物の点群データを、点群データ生成部２１１でもって共通の三次元空間の座標上で重ね合わせることで、より詳細で精密な測定対象物の表面形状を表現できる。
（画像検査部２１６）

画像検査部２１６は、測定部１００で撮像された測定対象物ＷＫの画像に対して、所定の画像検査を実行する。この画像検査部２１６は、測定対象画像に対して所定の計測を行うための計測部２１６ｂを含むことができる。これにより、計測部２１６ｂで計測された計測結果に基づいて画像検査を実行できる。例えば、測定対象物ＷＫの所定部位の長さや角度といった計測を行った結果に基づいて、良品や不良などの判定といった検査を行うことが可能となる。計測部２１６ｂが行う計測には、テクスチャ画像上で指定したプロファイル線を通り、画面に対して垂直な平面で切断した輪郭線を演算して、プロファイルグラフとして表示部４００に表示させたり、プロファイルグラフで示す輪郭線から円や直線などを抽出して、それらの半径や距離を求めることができる。

このようにＣＰＵ２１０は、様々な機能を実現するための異なる部を兼用している。ただ、一の部材で複数の部を兼用する構成に限られず、各部や機能を実現する部材を複数、又はそれぞれ別個に設けることも可能であることはいうまでもない。
（表示部４００）

表示部４００は、測定部１００で取得された縞投影画像や、縞投影画像に基づいて高さ画像取得部２２８で生成した高さ画像、あるいは測定部１００で撮像されたテクスチャ画像を表示させるための部材である。表示部４００は、例えばＬＣＤパネル又は有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。さらに表示部にタッチパネルを利用することで、操作部と兼用することができる。
（載置部１４０）

図２において、測定対象物ＷＫが載置される載置部１４０上の平面（以下、「載置面」と呼ぶ。）内で互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ、Ｙで示す。載置部１４０の載置面１４２に対して直交する方向をＺ方向と定義し、矢印Ｚで示す。Ｚ方向に平行な軸を中心に回転する方向をθ方向と定義し、矢印θで示す。

載置部１４０は、並進ステージ１４１及び回転ステージ１４３を含む。並進ステージ１４１は、Ｘ方向移動機構及びＹ方向移動機構を有する。回転ステージ１４３は、θ方向回転機構を有する。並進ステージ１４１、回転ステージ１４３により、載置部１４０が構成される。また、載置部１４０は、載置面１４２に測定対象物ＷＫを固定する固定部材（クランプ）を含めてもよい。さらに載置部１４０は、載置面１４２に平行な軸を中心に回転可能な機構を有するチルトステージを含んでもよい。

ここで図２に示すように、左右の投光部１１０の中心軸と受光部１２０の中心軸は、載置部１４０上の測定対象物ＷＫの配置と投光部１１０、受光部１２０の被写界深度が適切となる位置において交差するように、、受光部１２０、投光部１１０、載置部１４０の相対的な位置関係が定められている。また、θ方向の回転軸の中心は、受光部１２０の中心軸と一致しているため、θ方向に載置部１４０が回転した際に、測定対象物ＷＫが視野から外れることなく、回転軸を中心に視野内で回転するようになっている。なお、本図において測定部１００は紙面におけるＸ方向を中心に回転した配置を有しており、受光部１２０の光軸と載置部１４０の天面法線（Ｚ方向）とは必ずしも一致する必要はない。
（光源部３００）

光源部３００は、制御基板３１０及び観察用照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、図示しないＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、コントローラ２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０及び測定制御部１５０を制御する。なお、この構成は一例であり、他の構成としてもよい。例えば測定制御部１５０で投光部１１０や受光部１２０を制御したり、又はコントローラ２００で投光部１１０や受光部１２０を制御することとして、制御基板を省略してもよい。あるいはこの光源部３００に、測定部１００を駆動するための電源回路を設けることもできる。
（観察用照明光源３２０）

観察用照明光源３２０は、例えば赤色光、緑色光及び青色光を出射する３色のＬＥＤを含む。各ＬＥＤから出射される光の輝度を制御することにより、観察用照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。観察用照明光源３２０から発生される照明光ＩＬは、導光部材（ライトガイド）を通して測定部１００の照明光出力部１３０から出力される。なお観察用照明光源には、ＬＥＤの他、半導体レーザ（ＬＤ）やハロゲンライト、ＨＩＤなど、他の光源を適宜利用することもできる。特に撮像素子としてカラーで撮像可能な素子を用いた場合は、観察用照明光源に白色光源を利用できる。

照明光出力部１３０から出力される照明光ＩＬは、赤色光、緑色光及び青色光を時分割で切り替えて測定対象物ＷＫに照射する。これにより、これらのＲＧＢ光でそれぞれ撮像されたテクスチャ画像を合成して、カラーのテクスチャ画像を得て、表示部４００に表示させることができる。

図２の照明光出力部１３０は、円環形状を有し、受光部１２０を取り囲むように載置部１４０の上方に配置される。これにより、影が発生しないように照明光出力部１３０から測定対象物ＷＫにリング状に照明光が照射される。

また照明光出力部１３０は、このようなリング照明に加えて、透過照明や同軸落射照明を加えることもできる。図２の例では、透過照明部を載置部１４０に設けている。透過照明部は、載置部１４０の下方から測定対象物ＷＫを照明する。このため載置部１４０は、透過照明光源と、反射板と、照明用レンズ系を設けている。

なお、リング照明や透過照明は、適宜省略することも可能である。これらを省略する場合は、三次元測定用の照明すなわち投光部を用いて、二次元画像の撮像を行うこともできる。

図１の例では観察用照明光源３２０を本体ケース１０１に含めず、測定部１００に対して外付けとして、光源部３００に観察用照明光源３２０を配置している。このようにすることで、観察用照明光源３２０から供給される照明光の品質を向上し易くできる。例えば観察用照明光源３２０を構成するＲＧＢの各ＬＥＤでは配光特性がそれぞれ異なることから、モノクロの撮像素子１２１ａでＲＧＢのテクスチャ画像をそれぞれ撮像した際、そのままでは視野内に照明色むらが発生する。そこで、それぞれのＬＥＤの配光特性に合わせた専用光学系を個別に用意し、組み合わせることで配光特性の違いを吸収し、色むらのない均一な白色照明を作り出した上で測定部１００に導入することができる。

また観察用照明光源３２０の発熱が、測定部１００の光学系に影響を与える事態を回避できる。すなわち、光学系の部材の近傍に熱源があると、熱膨張によって寸法が狂い、測定精度の低下が生じることがあるが、発熱源である観察用照明光源を本体ケース１０１から排除したことで、このような観察用照明光源の発熱に起因する問題を回避できる。また、この結果として発熱量の大きい高出力の光源を観察用照明光源に利用できる利点も得られる。

各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの測定光源１１１は、例えば青色ＬＥＤ（発光ダイオード）である。測定光源１１１は、ハロゲンランプ等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、測定光と呼ぶ）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射する。

パターン生成部１１２は、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）である。パターン生成部１１２は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子）又はマスクであってもよい。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターン及び予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２から出射された測定光は、レンズ１１４により測定対象物ＷＫの寸法よりも大きい径を有する光に変換された後、載置部１４０上の測定対象物ＷＫに照射される。

投光部１１０Ａの測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸と略平行に並ぶように配置される。同様に、投光部１１０Ｂの測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸と略平行に並ぶように配置される。一方、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂのレンズ１１４は、測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２に対してオフセットするように配置される。これにより、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸が受光部１２０の光軸に対して傾斜し、受光部１２０の両側方からそれぞれ測定対象物ＷＫに向けて測定光が出射される。

本実施形態においては、測定光の照射範囲を広くするため、一定の画角を有するように投光部１１０Ａ，１１０Ｂが構成される。投光部１１０Ａ，１１０Ｂの画角は、例えば、パターン生成部１１２の寸法及びレンズ１１４の焦点距離により定まる。測定光の照射範囲を広くする必要がない場合には、画角が略０度となるテレセントリック光学系が投光部１１０Ａ，１１０Ｂの各々に用いられてもよい。

測定対象物ＷＫにより載置部１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０のレンズ１２２により集光及び結像され、カメラ１２１の撮像素子１２１ａにより受光される。

本実施形態においては、受光部１２０の撮像視野を広くするため、一定の画角を有するように受光部１２０が構成される。本実施の形態においては、受光部１２０の撮像視野とは、受光部１２０により撮像が可能な空間上の領域を意味する。受光部１２０の画角は、例えば、撮像素子１２１ａの寸法及びレンズ１２２の焦点距離により定まる。広い視野を必要としない場合には、テレセントリック光学系が受光部１２０に用いられてもよい。ここで、測定部１００にレンズ１２２の倍率が互いに異なる２つの受光部１２０のを設けてもよい。２つの受光部１２０を選択的に用いることにより、測定対象物ＷＫを互いに異なる２種類の倍率で撮像することができる。２つの受光部１２０は、２つの受光部１２０の光軸が互いに平行となるように配置されることが好ましい。

カメラ１２１は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１５０に出力される。

モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、赤色波長の光を受光する画素、緑色波長の光を受光する画素及び青色波長の光を受光する画素を設ける必要がない。ここで、測定光に青色波長等の特定波長を採用した場合、カラーＣＣＤは特定波長の光を受光する画素しか計測に利用できないが、モノクロＣＣＤにはそのような制約がない。そのため、モノクロＣＣＤの計測の分解能はカラーＣＣＤの分解能よりも高くなる。また、モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、各画素にカラーフィルタを設ける必要がない。そのため、モノクロＣＣＤの感度はカラーＣＣＤの感度よりも高くなる。したがって、高い精度で後述する点群データを得ることができる。これらの理由により、本実施形態におけるカメラ１２１にはモノクロＣＣＤが設けられる。

本実施形態においては、照明光出力部１３０は、測定対象物ＷＫに赤色波長の光、緑色波長の光及び青色波長の光を時分割で出射する。この構成によれば、モノクロＣＣＤを用いた受光部１２０により測定対象物ＷＫのカラー画像を撮像することができる。

一方、カラーＣＣＤが十分な分解能及び感度を有する場合には、撮像素子１２１ａは、カラーＣＣＤであってもよい。この場合、照明光出力部１３０は、測定対象物ＷＫに赤色波長の光、緑色波長の光及び青色波長の光を時分割で照射する必要はなく、白色光を測定対象物ＷＫに照射する。そのため、照明光源３２０の構成を単純にすることができる。

実施形態に係る三次元形状測定装置５００を含む三次元形状測定システム１０００を図４に示す。この図に示す三次元形状測定システム１０００は、三次元形状測定装置本体５００Ａと、コントローラ２００で構成される三次元形状測定装置５００に、制御用のＰＣ１やモニタ２、キーボード３、マウス等の入力デバイス４を接続している。制御用ＰＣ１には、三次元形状測定装置５００を用いて三次元形状測定を行うための三次元形状測定プログラムがインストールされている。ユーザは三次元形状測定プログラムを用いて、三次元形状測定装置５００の設定や、撮像、測定等の実行を指示できる。

なお、図４の例では、コントローラ２００を三次元形状測定装置本体５００Ａと別体に構成しているが、三次元形状測定装置本体側にコントローラを一体化してもよい。あるいは、コントローラの機能を、制御用ＰＣと統合することもできる。

三次元形状測定装置５００は、測定部１００と、支持部７００と、台座部６００と、遮光カバー１０２で構成される。これら測定部１００と、支持部７００と、台座部６００と、遮光カバー１０２は、図５の分解斜視図に示すように着脱自在なユニット式に構成されている。これにより、各部材のメンテナンス性や可搬性に有利となる。

台座部６００は、載置部１４０を備えている。載置部１４０は、上述の通り測定対象物が載置される載置面１４２を回転させる回転ステージ１４３と、載置面１４２を平行移動させる並進ステージ１４１を含む。ここでは、回転ステージ１４３であるθステージの上面に、並進ステージ１４１であるＸＹステージを載せたＸＹθステージで載置部１４０を構成している。

台座部６００は、支持部７００を介して測定部１００を垂直姿勢に保持している。また測定部１００は、投光部１１０や受光部１２０を載置面１４２に対して光軸が傾斜する姿勢に固定する。このため測定部１００は、投光部１１０や受光部１２０を固定する固定部１２５を含んでいる。固定部１２５は後述する図７に示すように、固定部１２５は、台座部６００から離間した姿勢に支柱部７０２で支持される。また投光部１１０及び受光部１２０を載置面１４２に対して光軸が傾斜する姿勢に固定している。これにより、載置部１４０の上方に測定光による測定領域が形成される。また、投光部１１０や受光部１２０等の光学系がこの測定領域を斜め下に見下ろす姿勢に保持される。このような構成により、台座部６００に支持され、測定対象物ＷＫを載置する載置部１４０と、測定対象物ＷＫを測定する投光部１１０及び受光部１２０とを一の測定装置に搭載することが可能となり、広い設置場所が不要となる。また、投光部１１０及び受光部１２０が支持部７００の所定の位置に支持された状態で測定を行うようにしているため、測定の際にブレ等が発生しにくくなる。さらに、耐振性など外部環境の変化に対するロバスト性を高め、測定対象物を安定的に測定可能とする。

支持部７００は、台座部６００と測定部１００とを連結する。支持部７００を介して、載置部１４０の上方に測定部１００が位置するように保持される。測定部１００は、観察光学系として上述の通り投光部１１０と受光部１２０を備える。この測定部１００は、台座部６００に設けられた載置部１４０の載置面１４２に対して、垂直上方でなく、斜め方向から見下ろす姿勢に保持される。このような配置によって、測定対象物の上面と側面の形状を、一回の測定で取得し易くなる利点が得られる。特に高さ方向の情報を取得するには、測定対象物の内、高低差のある側面の情報が有益となる。一方で、側面のみでは、測定対象物の全体の形状が把握し難い。そこで、全体の外形を把握し易い上面と、高さ情報を取得しやすい側面の両方を、一度に得ることのできる、斜め上方からの視点で測定対象物を補足できる姿勢となるよう、測定部１００を載置面１４２に対して傾斜させた姿勢に保持することが有益となる。図６の側面図に示す例では、測定部１００の投光部１１０や受光部１２０の光軸が、ＸＹθステージの載置面１４２に対して約４５°の角度をなすように傾斜姿勢で保持している。このように測定部１００は、４５°の俯瞰角度を一定に保つ状態に支持部７００でもって台座部６００と連結されている。これによって、測定部１００は常に一定角度、一定位置で載置面１４２を見込むことが可能となり、１４２の駆動軸であるＸＹθの３軸と観察光学系との位置関係が一定に保たれる。

受光部１２０は、倍率の異なる複数の光学系を備えてもよい。このような例を、図７に示す。この例では、受光部１２０は、第一倍率を有する第一光学系と、第一倍率よりも高倍率の第二倍率を有する第二光学系を備えている。このように、倍率の異なる光学系を備えたことで、載置面１４２上に載置した測定対象物ＷＫの大きさに応じて視野を切り替えることができる。この例では、受光素子として、第一光学系と光学的に結合された第一受光素子１２１ｂと、第二光学系と光学的に結合された第二受光素子１２１ｃを備えている。なお第一光学系と第一受光素子１２１ｂをまとめて第一カメラ１２１Ｂ、第二光学系と第二受光素子１２１ｃをまとめて第二カメラ１２１Ｃと呼ぶことがある。このように複数の受光素子を用意し、光学系毎に個別の受光素子で撮像するよう構成したことで、各光学系で受光した撮像処理を並行して行うことができ、処理の高速化や光学結合の簡素化が実現される。ただ、共通の受光素子で複数の光学系と光学的に連結してもよい。

第一光学系と第二光学系は、光軸が平行になるように配置している。第一光学系の第一光軸ＬＡ１と、第二光学系の第二光軸ＬＡ２は、それぞれ載置面１４２に対して約４５°に傾斜されている。ここでは、高倍率の第二光学系、すなわち第二カメラ１２１Ｃが、第一光学系である第一カメラ１２１Ｂの下側となるように、垂直方向に並べて固定部１２５に配置されている。このような配置により、第一光学系から第二光学系に切り替えた際の視点の移動が、測定対象物ＷＫの手前側となって、ユーザに対し視野の変化を比較的把握し易くできる利点が得られる。より正確には、視野の広い（倍率の低い）第一光学系においては、載置面上に置かれた測定対象物ＷＫが大きい場合でも、一方視野の狭い（倍率の高い）第二光学系においては載置面上に置かれた測定対象物ＷＫが小さい場合でも、いずれも全周回した際の測定対象物ＷＫの全体を視野に収めることが可能となる。
（ＸＹθステージ）

次に、台座部６００の構成例を図７～図９に基づいて説明する。図７の例では、ＸＹθステージは、台座部６００上に固定された回転ステージ１４３であるθステージの上に、並進ステージ１４１であるＸＹステージが載置されている。また回転ステージ１４３の回転軸は、第一光学系及び第二光学系の光軸と、それぞれ４５°の角度で交わる形で配置されている。回転ステージ１４３上に載置された並進ステージ１４１は、回転ステージ１４３の回転に伴って図８、図９の平面図に示すように、そのＸＹ駆動軸も共に回転する構成となっている。図８においては、並進ステージ１４１を移動させるＸ軸、Ｙ軸を、図９においては回転ステージ１４３を回転させるθ方向を、それぞれ示している。このように、回転ステージ１４３の上に並進ステージ１４１が載置された構成とすることで、測定部１００の光軸と回転ステージ１４３の回転軸とが、機械的に締結された一定関係を保つことが容易となる。また必要に応じて、並進ステージ１４１の移動方向のキャリブレーションや、これに加えてステージ回転軸の回転方向のキャリブレーションを事前に行うことで、測定部１００の観察空間中の座標系におけるステージ駆動軸を把握できる。すなわち、回転ステージ１４３の姿勢に対する並進ステージ１４１駆動軸方向が事前にキャリブレートされていることで、回転ステージ１４３の任意姿勢における並進ステージ１４１駆動軸方向を一意に決定することが可能となる。

また、図８に示すように、並進ステージ１４１の移動の基準位置は、例えば、平行移動の基準となる位置である。典型的には、ＸＹ平面の原点Ｄ（０，０）である。さらに、図９に示す点Ｃは、θ回転の中心であって、図９の場合は回転ステージ１４３の回転軸と一致する。この回転ステージ１４３の上方に並進ステージ１４１を、点Ｃと点Ｄが一致するように配置することにより、並進ステージ１４１の移動の制御がしやすくなる。

ここで回転ステージ１４３を回転させる回転機構の構成例を図１０に、並進ステージ１４１を移動させる移動機構の構成例を図１１に、それぞれ示す。これらの例に示す載置部１４０は、上述の通り回転ステージ１４３の上に、並進ステージ１４１を載置した構成を示している。

回転ステージ１４３の回転機構は、図１０に示すように台座部６００内に、回転駆動ガイド８００、回転パルス指示部８１０、実回転量読取部８２０、回転駆動モータ８３０、減速機構８４０、原点センサ８５０、並進ステージ締結部８６０、移動制御部１４４を備える。台座部６００に回転駆動ガイド８００が直接締結されていることで、機械的に回転軸が一意に決まる構成となっている。移動制御部１４４は、回転パルス指示部８１０に制御信号を送出する。回転パルス指示部８１０は、移動制御部１４４から制御信号を受けて回転パルスを生成し、この回転パルスの分だけ回転駆動モータ８３０を回転させる。回転駆動モータ８３０は、減速機構８４０を介して回転駆動ガイド８００に動力を伝達し、この回転駆動ガイド８００を通じて回転ステージ１４３の回転運動を発生させる。図１０の例では、減速機構８４０はタイミングベルトによる減速及び動力伝達を実施している。また回転ステージ１４３の回転駆動量は、実回転量読取部８２０によって検知される。回転パルス指示部８１０からの回転パルス量から換算される想定回転量と、実回転量読取部８２０で検知された実回転量を比較することで、回転ステージ１４３の制御状態の良否を判定することが可能となる。例えば、衝突等による想定外の回転停止状態の検知を行うことができる。また原点センサ８５０は、回転ステージ１４３の初期座標を決定する。これにより、無限回転可能な回転ステージ１４３の初期座標を把握できる。

また回転ステージ１４３は、並進ステージ締結部８６０を介して並進ステージ１４１と固定されている。回転駆動ガイド８００を通じた回転ステージ１４３の回転運動は、並進ステージ１４１にも伝達され、台座６００上の載置面１４２の回転姿勢を変化させることが可能となる。

並進ステージ１４１の並進機構は、図１１に示すように台座部６００内に、直動ガイド９００、直動動力伝達部９１０、移動パルス指示部９２０、実移動量読取部９３０、並進駆動モータ９４０、無限回転コネクタ９５０、移動制御部１４４を備える。このように無限回転コネクタ９５０によって、回転ステージ１４３の固定側から送られてきた制御信号、又は駆動電力が回転ステージ１４３の駆動側、すなわち並進ステージ１４１固定側へと伝達可能となり、回転ステージ１４３の無限回転が実現される。なお無限回転コネクタを有しない場合は、ハーネスの捻じれを伴う駆動となるため回転ストロークが有限となる。無限回転コネクタ９５０を介して、回転ステージ１４３の固定側に配された移動制御部１４４から移動パルス指示部９２０による移動量の分だけ並進駆動モータ９４０を回転させ、直動動力伝達部９１０及び直動ガイド９００を通じて並進ステージ１４１の駆動を実現する。並進ステージ１４１の移動量は、実移動量読取部９３０により検知される。移動パルス指示部９２０からの移動パルスから変換される想定移動量と、実移動量読取部９３０で検知された実移動量の比較によって、並進ステージ１４１の制御状態の良否を判定することが可能となる。
（遮光部材）

また、三次元形状測定装置５００がさらに、外乱光を遮蔽するために、以下の遮光部材を備えてもよい。図１２は、遮光カバー１０２に取り付けられる遮光部材１６０の一例を示す三次元形状測定装置５００の斜視図である。図１２に示すように、略Ｕ字形状を有する遮光カバー１０２の外縁下端部から台座部６００の周囲まで下方に延びるように、遮光カバー１０２に遮光部材１６０が取り付けられている。

図１２に示されるように、三次元形状測定装置５００に遮光部材１６０が取り付けられることにより、載置部１４０上の空間が遮光部材１６０により取り囲まれる。それにより、載置部１４０上の空間に入射する外乱光が遮光部材１６０により遮蔽される。したがって、受光部１２０に入射する外乱光がさらに低減されるので、外乱光に起因するノイズ成分がさらに低減される。その結果、点群データの精度の低下がさらに抑制される。

上記の遮光部材１６０は、樹脂または金属で形成されてもよいし、布またはゴムで形成されてもよい。なお、遮光部材１６０は、布またはゴム等の柔軟性を有する軟質素材で形成されることが好ましい。この場合、例えば載置部１４０が回転する際に、載置部１４０上の測定対象物ＷＫの一部が遮光部材１６０に接触しても、測定対象物ＷＫが破損しない。

図１２の遮光部材１６０は、ナイロン製の布及び複数の金属製の骨部材を含み、上下方向に伸縮可能な蛇腹状に形成されている。この場合、使用者は、図１２に白抜きの矢印で示すように、遮光部材１６０を上下に伸縮させることができる。したがって、使用者は、外部から載置部１４０上に測定対象物ＷＫを載置する作業及び載置部１４０上から外部に測定対象物ＷＫを取り出す作業を容易に行うことができる。ただ、遮光部材１６０は、蛇腹状に形成される態様に限られない。遮光部材１６０は、布またはゴム等の柔軟性を有する軟質素材でカーテン状に形成されていてもよい。

また、遮光部材１６０の色は特に限定されないが、測定部１００から出射される測定光に起因する外乱光の発生を抑制するために、光を吸収するような色（例えば黒色）で構成されることが好ましい。それにより遮光部材１６０から反射または散乱する測定光に起因するノイズ成分が低減される。
（並進ステージ１４１による広範囲測定機能）

本実施形態に係る三次元形状測定装置５００は、測定対象物が測定領域に収まりきらない大きな場合でも、視野を変えて取得した複数の測定データを合成することで、測定対象物の全体を測定可能とする広範囲測定機能を有する。ここで、並進ステージ１４１を用いて広範囲測定を行う例について説明する。例えば図１３Ａに示すように、測定対象物が大型で、そのまま測定しようとしても測定部１００の測定領域をはみ出すような場合は、全体像の計測は不可能であり、図１３Ｂに示すような視野内に収まった領域のみの測定データとなってしまう。また、単一方向からの形状測定だけでは情報量が不足しており、立体の全体形状を取得するために、測定対象物の設置姿勢を初期状態から概ね１８０度回転させて測定する事態も発生し得る。そこで、このような場合でも測定対象物の全体を測定できるように、本実施形態においては、並進ステージ１４１を用いることで測定対象物を測定領域に対して並進移動させ、測定領域を超えるサイズの測定対象物に対しても、複数の測定データを取得し、それらを結合することで広範囲の測定が可能となる。

具体的には、並進ステージ１４１により、載置面１４２を、載置面内に含まれる所定の基準位置を基準に、載置面１４２が属する面内、本実施形態においてはＸＹ平面内で移動させることにより、測定領域を任意の位置に変更でき、測定対象物のはみ出た両端の形状を含め、所望の部位を高精度で測定することができる。

上述した図１３Ａのイメージ図及び図１４Ａの模式平面図に示すように、横長の測定対象物ＷＫ１が測定領域をはみ出て載置面１４２に載置されている場合に、広範囲測定を実行して測定対象物ＷＫ１の全体像を測定可能とする手順を、図１４Ａ～図１４Ｃの模式平面図及び図１５Ａ～図１５Ｅのイメージ図に基づいて説明する。図１４Ａは、並進ステージ１４１を基準位置（原点位置）とした状態における測定領域ＭＲ０を太線の破線で示すと共に、この状態から並進ステージ１４１を右方向に移動させた状態の測定領域ＭＲ１を細線の破線で、左方向に移動させた状態の測定領域ＭＲ２を点線で、それぞれ示している。並進ステージ１４１の移動により、測定領域は相対的に逆方向に移動されているように見える。

まず、図１４Ａの状態から図１４Ｂに示すように、並進ステージ１４１を測定領域の右方向に移動させて、測定対象物ＷＫ１の左半分を測定領域ＭＲ１に収める状態とする。図１４Ｂにおいて、測定領域ＭＲ１は逆等脚台形状の破線で示している。この位置で得られる観察画像は、図１５Ａに示すようになる。

次に、この位置で三次元測定を実行し、図１５Ｂに示す単視野測定データＳＩ１を取得する。この単視野測定データＳＩ１は、図１５Ｂに示すように表示部４００上に表示させることで、ユーザに対し得られた三次元形状を視覚的に確認できるようにしてもよい。あるいは、中間の単視野測定データは表示部に表示させないで、最終的に得られた合成画像のみを表示部に表示させるようにしてもよい。

さらに、図１４Ｂに示すように並進ステージ１４１を測定領域の左方向に移動させて、測定対象物ＷＫ１の右半分を測定領域ＭＲ２に収める状態とする。この位置で得られる観察画像は、図１５Ｃに示すようになる。

次に、この位置で三次元測定を実行し、図１５Ｄに示す単視野測定データＳＩ２を得る。なお、この単視野測定データＳＩ２は、図１５Ｄに示すように表示部４００上に表示させてもよいし、非表示としてもよいことは上述の通りである。

最後に、並進ステージ１４１の移動ストロークと移動方向から、単視野測定データＳＩ１及びＳＩ２を、測定空間の座標系上で自動的に配置し、それぞれのデータを結合して図１５Ｅに示す合成画像ＣＩ１を生成し、表示部４００上に表示させる。このようにして、測定領域に収まりきらない大きな測定対象物ＷＫ１であっても、複数回の撮像で得られた単視野測定データＳＩ１、ＳＩ２を合成することで、測定対象物ＷＫ１の全体の三次元形状を測定可能とできる。この例では、図１４Ａに示すように測定領域ＭＲ１、ＭＲ２を、測定対象物ＷＫ１を左右に二分割して撮像するように設定することで、計２回の撮像により全体像を取得することができた。ただ、測定対象物の大きさによっては、３回以上の撮像に分割して、これらを合成することで同様に全体像を取得できることはいうまでもない。
（回転ステージ１４３と並進ステージ１４１の組み合わせによる広範囲測定機能）

以上の例では、並進ステージ１４１のみを用いた平行移動により、測定対象物ＷＫ１の全体像を合成する例について説明した。この構成は、載置部１４０に並進ステージ１４１のみを備えた三次元形状測定装置で実現できる。一方、上述の通り本実施形態に係る三次元形状測定装置では、並進ステージ１４１に加えて、回転ステージ１４３を備えることもできる。これにより、回転ステージ１４３を回転させて測定対象物の背面側の形状も取得することが可能となる。この構成において、上述した並進ステージ１４１による広範囲測定機能を実現する場合は、回転ステージ１４３を原点位置に保持した状態で行う。

（基準位置復帰機能）
このような並進ステージ１４１と回転ステージ１４３を組み合わせた構成においては、並進ステージ１４１と回転ステージ１４３との位置関係によっては、回転半径が大きくなって、載置面１４２に載置された測定対象物が三次元形状測定装置やその周囲に置かれた部材、ユーザ等に意図せず触れることがある。この様子を、図１６Ａ～図１６Ｃの模式平面図に基づいて説明する。ここでは、図１０等に示すように、載置部１４０が回転ステージ１４３の上面に並進ステージ１４１を配置する構成を考える。図１６Ａに示すように、θ方向の回転の中心をＣとする載置面１４２に測定対象物ＷＫ２を載置した状態から、図１６Ｂのように矢印Ａの方向に並進ステージ１４１を平行移動させ、さらに図１４Ｃに示すように反時計回りに回転ステージ１４３を回転移動させる場合を考える。この場合の回転半径は、図１６Ａに示す状態であれば、測定対象物ＷＫ２の最も外側の点ＰＭとθ回転の中心軸Ｃとの距離ＲＤ１となる。しかしながら、図１６Ｃの状態であれば、図１６Ｂにおける平行移動によって、測定対象物ＷＫ２を含めた回転半径がＲＤ２に増大してしまう。この状態のまま回転ステージ１４３を回転させると、図１６Ｃに示すように、測定対象物ＷＫ２が三次元形状測定装置５００の支柱部７０２と衝突するおそれがある。

そこで、本実施形態においては、並進ステージ１４１を、予め定められた基準位置またはその近傍に復帰させることにより回転半径の増大を回避することができる。つまり、測定対象物ＷＫの回転半径が小さくなる位置まで並進ステージ１４１を一旦復帰させ、この位置で回転ステージ１４３を回転させることにより、測定対象物ＷＫが三次元形状測定装置５００等と干渉することを抑制できる。特に、測定対象物ＷＫがオフセットした状態で回転するケースでは、ユーザから見て死角の位置での動作となりやすく、ユーザが衝突を回避することが難しい場合もある。このような場合でも、並進ステージ１４１を基準位置の近傍に復帰させることにより、測定対象物ＷＫが載置面１４２からはみ出しても、安全に操作できる。
（基準位置）

基準位置は、予め定められた位置であり、任意に設定できる。例えば、回転ステージ１４３を回転させた際に載置部１４０の側面の内、最も突出した部位における回転半径が、最小となる位置とすることができる。または、基準位置は、回転ステージ１４３を回転させた際に、載置部１４０及び該載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫの外形の内、最も突出した部位における回転半径が、最小となる位置とすることができる。さらに、基準位置とは典型的には座標軸の原点であるが、原点からオフセットさせた位置としてもよい。さらにまた、「基準位置に復帰させる」とは、基準位置に正確に復帰させるという意味に限らず、基準位置の近傍に復帰させれば足りるという意味であり、例えば基準位置から所定範囲内の箇所に復帰させることも「基準位置に復帰させる」ことに含まれる。
（三次元形状測定方法）

測定対象物の形状全体を取得する広範囲測定を、衝突を回避しながら三次元形状測定装置で実行する方法を図１７のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ１７０１において、載置部１４０の回転ステージ１４３及び並進ステージ１４１の位置を初期化する。

次にステップＳ１７０２において、ユーザが測定対象物ＷＫを載置面１４２に載置する。必要に応じて三次元形状測定装置がユーザに対し、測定対象物ＷＫを載置面１４２に載置するよう、音声案内や表示部に表示させたテキストや静止画、動画などで促してもよい。さらに、ステップＳ１７０３で並進ステージ１４１を移動させる。ここでは移動制御部が、指定された移動量や方向にしたがって並進ステージ１４１を移動させる。そして、ステップＳ１７０４おいて移動後の位置で測定対象物ＷＫに測定光を照射する。さらに、ステップＳ１７０５において、測定対象物ＷＫに照射した測定光に基づき、点群データ生成部２６０で点群データを生成させる。

ステップＳ１７０６においては、指定された撮像回数を終了したか否かを判定する。ここでは、並進ステージの移動量や測定領域の分割数で決まる指定ショット数に達したか否かを移動制御部で判定し、未だ達していない場合はステップＳ１７０３に戻って上記の手順を繰り返し、指定ショット数に達したとステップＳ１７０６で判定された場合は、ステップＳ１７０７に進む。

ステップＳ１７０７において、回転ステージ１４３の回転移動が終了したか否かを移動制御部で判定する。回転ステージ１４３の回転移動が残っている場合は、ステップＳ１７０９に進み移動制御部が並進ステージ１４１を基準位置に復帰させる。さらに、ステップＳ１７１０で回転ステージ１４３を回転させた後、ステップＳ１７０３に戻って上記手順を繰り返す。

一方、ステップＳ１７０７において、回転ステージ１４３の回転が終了したと判定された場合は、ステップＳ１７０８に進んで、生成した点群データを合成し、ステップＳ１７１１で測定を終了する。このようにして、回転ステージ１４３を回転させる場合は、並進ステージ１４１を基準位置に復帰させる動作を追加することにより、並進ステージ１４１の移動量によらず、回転半径が大きくなることを避け、載置面１４２に載置された測定対象物が他の部材に干渉する事態を回避できる。

次に、上述した図１６Ａの模式平面図に示すように、横長の測定対象物ＷＫ２が測定領域をはみ出て載置面１４２に載置されている場合に、広範囲測定を実行して測定対象物ＷＫ２の全体像を測定可能とする三次元形状測定方法の一例を、図１８Ａ～図１８Ｈの模式平面図に基づいて説明する。この例における並進ステージ１４１の動作として、まず、並進ステージ１４１を第一位置に移動させた後、回転させることなく第一位置と異なる第三位置に移動させる。そして、並進ステージ１４１を基準位置に復帰させた後、回転ステージ１４３を回転させる。そして、並進ステージ１４１を第二位置に移動させた後、回転させることなく第二位置と異なる第四位置に移動させる。またこの例において、載置部１４０は、回転ステージ１４３の上面に並進ステージ１４１を配置した構成を有している。

まず、図１８Ａの状態から図１８Ｂに示すように、並進ステージ１４１を左方向に移動することにより第一位置に移動させて、測定対象物ＷＫ２の右側を測定領域ＭＲ３に収める状態とする。図１８Ｂ等において、測定領域ＭＲ３は逆等脚台形状の破線で示している。そして、この位置で三次元測定を実行し、点群データ生成部２６０で第一点群データを生成する。

次に、図１８Ｃに示すように並進ステージ１４１を右方向に移動することにより第三位置に移動させて、測定対象物ＷＫ２の左側を測定領域ＭＲ３に収める状態とする。そして、この位置で三次元測定を実行し、点群データ生成部２６０で第三点群データを生成する。

次に、回転ステージ１４３を回転移動させるにあたって、事前に図１８Ｄに示すように並進ステージ１４１を基準位置に復帰させる。そして、図１８Ｅに示すように回転ステージ１４３をθ方向（図の例では反時計回り）に概ね１８０度回転させる。

このように、回転ステージ１４３を概ね１８０度回転させることにより、測定対象物ＷＫ２の反対側の側面等のデータをより詳しく生成することが可能となり、より高精度な測定を実現することができる。そこでさらに、図１８Ｆに示すように並進ステージ１４１を左方向に移動することにより第二位置に移動させて、測定対象物ＷＫ２の右側を測定領域ＭＲ３に収める状態とする。そして、この位置で三次元測定を実行し、第二点群データ生成部２６０で点群データを生成する。

次に、図１８Ｇに示すように並進ステージ１４１を右方向に移動することにより第四位置に移動させて、測定対象物ＷＫ２の左側を測定領域ＭＲ３に収める状態とする。そして、この位置で三次元測定を実行し、点群データ生成部２６０で第四点群データを生成する。

次に、図１８Ｈに示すように並進ステージ１４１を基準位置に復帰させる。

最後に、点群データ合成部２１１が第一点群データ、第二点群データ、第三点群データ、第四点群データを合成する。
（三次元形状測定方法における点群データ合成）

さらに、三次元形状測定方法における点群データの合成について説明する。まず、図１９Ａの状態から図１９Ｂに示すように、並進ステージ１４１を測定領域の左方向に移動させて、測定対象物ＷＫ３の右側を測定領域ＭＲ４に収める状態とする。この位置で得られる観察画像ＯＩ３は、図２０Ａに示すようになる。

そして、この位置で三次元測定を実行し、図２０Ｂに示す単視野測定データＳＩ３を取得する。この単視野測定データＳＩ３も、図２０Ｂに示すように表示部４００上に表示させてもよいし、あるいは非表示としてもよいことは上述の通りである。

次に、図１９Ｂの状態から図１９Ｃに示すように、並進ステージ１４１を測定領域の右方向に移動させて、測定対象物ＷＫ３の左側を測定領域ＭＲ５に収める状態とする。この位置で得られる観察画像ＯＩ４は、図２０Ｃに示すようになる。そして、この位置で三次元測定を実行し、図２０Ｄに示す単視野測定データＳＩ４を取得する。

さらに、回転ステージ１４３を１８０°回転させて測定対象物の背面側が見える状態とした上で、並進ステージ１４１を再度左方向に移動させて、図１９Ｄに示すように測定対象物ＷＫ１の右側を測定領域ＭＲ６に収める状態とする。この位置で得られる観察画像ＯＩ５は、図２０Ｅに示す単視野測定データＳＩ５のようになる。そしてこの位置で三次元測定を実行し、図１４Ｆに示す単視野測定データＳＩ５を得る。

次に、図１９Ｄの状態から図１９Ｅに示すように、並進ステージ１４１を右方向に移動させて、測定対象物ＷＫ３の左側を測定領域ＭＲ７に収める状態とする。この位置で得られる観察画像ＯＩ６は、図２０Ｇに示すようになる。そして、この位置で三次元測定を実行し、図２０Ｈに示す単視野測定データＳＩ６を取得する。

最後に、並進ステージ１４１の移動ストロークと移動方向から、単視野測定データＳＩ３、ＳＩ４、ＳＩ５、ＳＩ６を、測定空間の座標系上で自動的に配置し、それぞれのデータ、すなわち図２０Ｂ、図２０Ｄ、図２０Ｆ及び図２０Ｈを結合して、図２０Ｉに示す合成画像ＣＩ２を生成し、表示部４００上に表示させる。この例では合成画像ＣＩ２は点群データの集合体であり、ユーザが画面上から合成画像ＣＩ２をドラッグして回転させて、得られた測定対象物の形状データを所望の視点から確認できる。このようにして、測定領域に収まりきらない大きな測定対象物ＷＫ３であっても、複数回の撮像で得られた単視野測定データＳＩ３、ＳＩ４を合成することで、測定対象物ＷＫ３の全体の三次元形状を測定可能とできる。

以上の例では、並進ステージ１４１を図において左右方向（Ｘ方向）に移動させた例を説明したが、並進ステージ１４１を上下方向（Ｙ方向）に移動させてもよいし、これらを組み合わせて斜め方向に移動させてもよい。同様に回転ステージ１４３の回転角度も、１８０°に限定されず、９０°や４５°等、任意の角度に調整できる。測定対象物の長手方向や載置面１４２への置き方、測定対象物の形状の複雑さ等に応じて、並進ステージ１４１の移動方向を適宜調整できる。

このように広範囲測定は、回転ステージ１４３を回転させた状態の任意の視線方向でも実現できる。並進ステージ１４１の移動方向を正しく認識することで、回転ステージ１４３が回転した状態でも、例えば図２０Ａに示すように測定対象物ＷＫ１の右側を取得するためには並進ステージ１４１を画面左方向に、図２０Ｃに示すように測定対象物ＷＫ１の左側を取得するためには並進ステージ１４１を画面右方向に平行移動させればよい。またこのような載置面１４２の移動方向の制御は、移動制御部１４４により行われる。移動制御部１４４は、載置面１４２の移動方向と、移動された載置面１４２の位置、すなわち載置面１４２に置かれた測定対象物ＷＫ１の測定領域とを関連付けて保持する。また各測定領域において取得したそれぞれの単視野測定データを、測定空間中にどのように配置すべきかについても、並進ステージ１４１の移動量とＸＹ移動方向、θの回転量とに基づいて座標変換して算出できるので、自動的な位置合わせと合成処理が実現できる。

以上の例では、各視線方向のデータ取得について説明した。ただ、本発明はこの構成に限らず、例えば回転ステージ１４３を複数の角度へ回転させて、各々の角度で取得した広範囲測定結果を重ね合わせるようにしてもよい。この場合は、大きく立体的な測定対象物に対しても、３６０°自由な方向から測定データを取得して重ね合わせることができ、全方位からのフル３Ｄデータが測定可能となる。

この三次元形状測定方法を採用することで、常に左右方向のストロークの中心に載置面１４２が存在して回転することで、回転時の必要空間サイズが載置面１４２の大きさ、ないしは載置面１４２よりはみ出した測定対象物ＷＫの突出量によって一意に決定される。このため、ユーザは事前に測定対象物を載置した状態で回転可能であることを確認するだけで足り、広範囲測定に際して、衝突のおそれを個別に考慮する必要がない。また、三次元形状測定装置５００との衝突だけでなく、三次元形状測定装置周辺の設置物との衝突についても考慮しやすい。

仮に、並進ステージ１４１がオフセットした状態で回転させてしまうと、死角の位置での動作となりやすく、確認しにくい上、回避が難しいことがある。これに対して、回転の前に基準位置に復帰させることで、上記を解決できる。加えて、並進ステージ１４１の移動における飛び出しは直感的にユーザにとっても理解しやすい。

さらに、外乱光を除去する遮光部材１６０を設置する場合に、図２１Ｂに示すようにθ方向への動きでは遮光部材１６０と測定対象物ＷＫ４がわずかに干渉するだけでも測定対象物が動いてしまうという問題がある。一方、図２１Ａに示すように左右方向への直動の場合はカーテン側がしなる構造を取ることで、測定対象物への影響を最小限に抑えることができる。

以上の例では、並進ステージ１４１が左右に移動した後回転され、再び左右に移動する場合について説明した。ただ、本願発明は並進ステージ及び回転ステージの動作を本実施形態に限定するものではない。並進ステージは上下方向に移動してもよいし、基準位置から斜め上方向又は斜め下方向に移動してもよい。さらに、回転ステージ１４３も反時計回りでなく、時計回りに回転してもよく、回転角度も概ね１８０度に限られない。さらにまた、測定対象物ＷＫの両端部を測定してから回転ステージ１４３を回転させなくてもよい。例えば、測定対象物ＷＫの一端部を測定し、回転ステージ１４３を回転させてもよい。

また、以上の例では回転ステージ１４３の上面に並進ステージ１４１を配置した載置部１４０の構成例を説明した。このような配置によって、回転ステージ１４３を回転可能に台座部６００に固定し、並進ステージ１４１に載置された測定対象物ＷＫと共に並進ステージ１４１を回転可能としている。この測定対象物ＷＫと並進ステージ１４１が共に回転することにより、測定対象物ＷＫと並進ステージ１４１の位置関係は、測定対象物ＷＫの載置姿勢を変えない範囲では、一定に維持できる。これにより、回転における複数視点からの三次元測定が常に同じ測定対象物ＷＫの範囲で行える。その結果、測定対象物ＷＫ上の同一点を複数視点からのデータで平均化でき、測定対象物ＷＫ全体にわたって安定した測定を実現し、測定精度を向上することができる。

ただ本発明は載置部１４０をこのような構成に限定せず、例えば図２２に示す変形例に係る三次元形状測定装置５００Ｂに示すように、並進ステージ１４１の上面に回転ステージ１４３を配置する構成としてもよい。このような載置部１４０の配置によっても、同様の測定、重ねあわせによって、同様に視野からはみ出した測定対象物の全方位フル３Ｄデータを取得することは可能である。

本発明の三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法は、測定対象物の高さを三角測距等の原理を利用して測定する三次元形状測定装置やデジタイザ、あるいはこれらの検査結果に基づいて、良品か不良品かを判定する検査装置として好適に利用できる。

１…制御用ＰＣ
２…モニタ
３…キーボード
４…入力デバイス
１００…測定部
１０１…本体ケース
１０２…遮光カバー
１１０…投光部；１１０Ａ…第一測定光投光部；１１０Ｂ…第二測定光投光部
１１１…測定光源
１１２…パターン生成部
１１３～１１５、１２２、１２３…レンズ
１２０…受光部
１２１…カメラ
１２１Ｂ…第一カメラ；１２１Ｃ…第二カメラ
１２１ａ…撮像素子；１２１ｂ…第一受光素子；１２１ｃ…第二受光素子
１２５…固定部
１３０…照明光出力部
１４０…載置部
１４１…並進ステージ
１４２…載置面
１４３…回転ステージ
１４４…移動制御部
１５０…測定制御部
１６０…遮光部材
２００…コントローラ
２１０…ＣＰＵ
２１１…点群データ合成部
２１６…画像検査部；２１６ｂ…計測部
２２０…ＲＯＭ
２２８…高さ画像取得部
２３０…作業用メモリ
２４０…記憶装置
２５０…操作部
２６０…点群データ生成部
２６１…トップビューマップ画像生成部
２６４…測定領域設定部
３００…光源部
３１０…制御基板
３２０…観察用照明光源
４００…表示部
５００、５００Ａ、５００Ｂ…三次元形状測定装置本体
６００…台座部
７００…支持部
７０２…支柱部
８００…回転駆動ガイド
８１０…回転パルス指示部
８２０…実回転量読取部
８３０…回転駆動モータ
８４０…減速機構
８５０…原点センサ
８６０…並進ステージ締結部
９００…直動ガイド
９１０…直動伝達部
９２０…移動パルス指示部
９３０…実移動量読取部
９４０…並進駆動モータ
９５０…無限回転コネクタ
１０００…三次元形状測定システム
ＷＫ、ＷＫ１、ＷＫ２、ＷＫ３、ＷＫ４…測定対象物
ＭＬ…測定光；ＭＬ１…第一測定光；ＭＬ２…第二測定光
ＬＡ１…第一光軸；ＬＡ２…第二光軸
ＭＲ０、ＭＲ１、ＭＲ２、ＭＲ３、ＭＲ４、ＭＲ５、ＭＲ６、ＭＲ７…測定領域
ＯＩ３～ＯＩ６…観察画像
ＳＩ１、ＳＩ２、ＳＩ３、ＳＩ４、ＳＩ５、ＳＩ６…単視野測定データ
ＣＩ１、ＣＩ２…合成画像
ＩＬ…照明光
Ｄ…ＸＹ平面の原点
Ｃ…θ回転の中心
ＲＤ１、ＲＤ２…回転半径

Claims (12)

1. 測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、
   測定対象物を載置させる載置面を、該載置面に含まれる回転軸を中心に回転させる回転ステージと、
   前記載置面を、該載置面内に含まれる所定の基準位置を基準に、該載置面が属する面内で移動させる並進ステージと
   を備える載置部と、
   前記載置部に載置された測定対象物に所定のパターンを有する測定光を照射する投光部と、
   前記投光部により照射され、測定対象物により反射された測定光を受光して受光量を表す受光信号を出力する受光部と、
   前記受光部により出力される受光信号に基づいて、測定対象物の立体形状を表す点群データを生成する点群データ生成部と、
   前記点群データ生成部により生成された複数の点群データを合成する点群データ合成部と、
   測定対象物の三次元形状を測定する測定領域を設定する測定領域設定部と、
   前記測定領域設定部により設定された測定領域に基づいて、前記回転ステージの回転移動及び前記並進ステージの平行移動を制御する移動制御部と、
   を備え、
   前記移動制御部は、
   前記測定領域設定部により設定された第一測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記基準位置から第一位置に移動させることで、該第一位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力し、
   前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させた状態で、前記回転ステージを所定の回転角度に回転させ、
   さらに前記並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第二測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記基準位置と対応する箇所から第二位置に移動させることで、該第二位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力するよう、前記載置部を制御し、
   前記点群データ合成部は、前記並進ステージが前記第一位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第一点群データと、前記並進ステージが前記第二位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第二点群データとを合成するよう構成してなる三次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記移動制御部は、
   前記測定領域設定部により設定された第三測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記第一位置から、前記回転ステージを回転させることなく、該第一位置と異なる第三位置に移動させることで、該第三位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力すると共に、
   前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させた状態で、前記回転ステージを所定の回転角度に回転させ、
   さらに前記並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第四測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記第二位置から、前記回転ステージを回転させることなく、該第二位置と異なる第四位置に移動させることで、該第四位置において前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して受光信号を出力するよう、前記載置部を制御し、
   前記点群データ合成部が、前記第一点群データ、前記第二点群データ、前記並進ステージが前記第三位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第三点群データ、及び前記並進ステージが前記第四位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第四点群データとを合成するよう構成してなる三次元形状測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記基準位置は、前記回転ステージを回転させた際に前記載置部の側面の内、最も突出した部位における回転半径が、最小となる位置である三次元形状測定装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記基準位置は、前記回転ステージを回転させた際に、前記載置部及び該載置部に載置された測定対象物の外形の内、最も突出した部位における回転半径が、最小となる位置である三次元形状測定装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、さらに、
   前記載置部を支持する台座部と、
   前記台座部に連結されると共に、前記載置部を斜め下に見下ろすよう前記投光部及び前記受光部を前記載置面に対して光軸が傾斜する姿勢に固定する固定部と、
   前記固定部を前記台座部から離間した姿勢に支持する支持部と、
   を備える三次元形状測定装置。
6. 請求項５に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記載置部は、前記台座部に回転自在に支持された前記回転ステージの上方に前記並進ステージを備えてなる三次元形状測定装置。
7. 請求項６に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記回転ステージの回転軸は、前記載置面の平面視において、前記並進ステージの移動の基準位置と一致する三次元形状測定装置。
8. 請求項１に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記第一点群データ及び第二点群データは、それぞれ複数の位置の各々で照射された測定光に基づき生成された複数の点群データを含む三次元形状測定装置。
9. 請求項１に記載の三次元形状測定装置であって、さらに、
   前記点群データ生成部により生成された点群データに基づいて、前記載置部に載置された測定対象物を真上から見下ろしたときの平面図を示すトップビューマップ画像を生成するトップビューマップ画像生成部を備え、
   前記測定領域設定部は、前記トップビューマップ画像生成部により生成されたトップビューマップ画像上に前記測定領域を設定するよう構成してなる三次元形状測定装置。
10. 三次元形状測定装置を用いて測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、
    測定対象物の三次元形状を測定する測定領域を、測定領域設定部で設定させる工程と、
    測定対象物を載置させる載置面を、該載置面内に含まれる所定の基準位置を基準に、該載置面が属する面内で移動させる並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第一測定領域が受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、該並進ステージが属する面内で第一位置に移動させ、前記載置面に載置された測定対象物に所定のパターンを有する測定光を投光部から照射して、測定対象物により反射された測定光を前記受光部で受光して、受光量を表す受光信号を出力する工程と、
    前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させる工程と、
    前記載置面を共通とするよう前記並進ステージと重ねて配置され、前記載置面を該載置面に含まれる回転軸を中心に回転させる回転ステージを回転移動させる工程と、
    前記測定領域設定部により設定された第二測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを前記基準位置から、第二位置に移動させ、前記投光部から測定光を照射させ、測定光を前記受光部で受光して、受光量を表す受光信号を出力する工程と、
    前記並進ステージが前記第一位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、点群データ生成部により生成された第一点群データと、前記並進ステージが前記第二位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第二点群データとを合成する工程と
    を含む三次元形状測定方法。
11. 三次元形状測定装置を用いて測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、
    測定対象物の三次元形状を測定する測定領域を、測定領域設定部で設定させる工程と、
    測定対象物を載置部の載置面に載置させた状態で、該載置面内に含まれる所定の基準位置を基準に、該載置面が属する面内で移動させる並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第一測定領域が受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記載置部を制御する移動制御部でもって、前記基準位置から第一位置に移動させる工程と、
    前記第一位置において、前記載置面に載置された測定対象物に対し、所定のパターンを有する測定光を投光部から照射し、測定対象物により反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程と、
    前記並進ステージを、前記基準位置と対応する箇所に復帰させた状態で、前記載置面を共通とするよう前記並進ステージと重ねて配置され、かつ前記載置面を該載置面に含まれる回転軸を中心に回転させる回転ステージを、前記移動制御部で回転させる工程と、
    前記並進ステージを、前記測定領域設定部により設定された第二測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記第一位置と異なる第二位置に、前記基準位置と対応する箇所から、前記移動制御部で移動させる工程と、
    前記第二位置において、測定対象物に対し、前記投光部から測定光を照射し、測定対象物で反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程と、
    前記並進ステージが前記第一位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、点群データ生成部により生成された第一点群データと、並進ステージが前記第二位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第二点群データとを、点群データ合成部で合成する工程と、
    を含む三次元形状測定方法。
12. 請求項１１に記載の三次元形状測定方法であって、さらに、
    前記第一点群データを生成する工程の後であって、前記回転ステージを回転させる工程の前に、
    前記測定領域設定部により設定された第三測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記第一位置とも第二位置とも異なる第三位置に、前記移動制御部で移動させる工程と、
    前記第三位置において、測定対象物に対し、前記投光部から測定光を照射し、測定対象物で反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程と、
    前記第二位置での受光信号を出力する工程の後であって、前記第一点群データと第二点群データを合成する工程の前に、
    前記測定領域設定部により設定された第四測定領域が前記受光部により撮像が可能な空間上の領域に入るように、前記並進ステージを、前記第一位置、第二位置、第三位置のいずれとも異なる第四位置に、前記移動制御部で移動させる工程と、
    前記第四位置において、測定対象物に対し、前記投光部から測定光を照射し、測定対象物で反射された測定光を前記受光部で受光し、受光量を表す受光信号を出力する工程と、
    を含み、
    前記第一点群データと第二点群データを合成する工程が、
    前記第一点群データ、前記第二点群データ、前記並進ステージが前記第三位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第三点群データ、及び前記並進ステージが前記第四位置にあるとき前記投光部から照射された測定光を前記受光部で受光して得られた受光信号に基づき、前記点群データ生成部により生成された第四点群データとを、点群データ合成部で合成する工程である三次元形状測定方法。
    

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