特許 6248510 形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、形状測定プログラム、及び記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6248510

(24)【登録日】2017年12月1日

(45)【発行日】2017年12月20日

(54)【発明の名称】形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、形状測定プログラム、及び記録媒体

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20171211BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 K

【請求項の数】19

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2013-202617(P2013-202617)

(22)【出願日】2013年9月27日

(65)【公開番号】特開2015-68713(P2015-68713A)

(43)【公開日】2015年4月13日

【審査請求日】2016年8月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】山田 智明

(72)【発明者】

【氏名】市坪 公太

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第０１／０５７４７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０６−０５８７２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０９１４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５０５９５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０６Ｔ １／００

Ｇ０１Ｎ ２１／８４−２１／９５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定物の測定領域へライン状のパターンを投影するか又はパターンを少なくとも一方向に走査しながら投影する照射部と、前記照射部による前記パターンの投影方向とは異なる方向から前記被測定物に投影されたパターンの像を撮像し、画像データを出力する撮像部とを含むプローブと、
前記撮像部による撮像範囲内で、前記パターンの像の位置を検出する測定範囲を設定する測定範囲設定部と、
前記撮像部による撮像範囲内で、撮影された像の明るさを検出する調光領域を設定する調光領域設定部と、
前記調光領域で検出された撮影された像の明るさに応じて、前記照射部からの投光量、前記撮像部で受光する受光量、前記撮像部で前記画像データを取得するときの露光量または前記撮像部の入出力特性を制御する調光制御部と、
前記撮像部による撮像範囲内における前記測定範囲の位置情報に基づき、前記撮像部による撮像範囲内で、前記調光領域を設定可能にする調光領域設定可能範囲を設定する調光領域設定可能範囲設定部と、を有する形状測定装置。

【請求項2】

前記調光領域設定可能範囲における範囲の指定を受け付ける入力部をさらに備え、
前記調光領域設定部は、前記入力部で受け付けた前記範囲の指定に基づいて、前記調光領域を設定する請求項１に記載の形状測定装置。

【請求項3】

前記調光領域設定可能範囲設定部は、前記測定範囲の境界の少なくとも一箇所に接するように前記調光領域設定可能範囲の境界を設定する請求項１または２に記載の形状測定装置。

【請求項4】

前記測定範囲設定部は、複数の前記測定範囲を設定する請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定装置。

【請求項5】

前記調光領域設定可能範囲設定部は、前記測定範囲の全てを含む範囲を前記調光領域設定可能範囲に設定する請求項４に記載の形状測定装置。

【請求項6】

前記調光領域設定可能範囲設定部は、前記測定領域の境界に外接するように前記調光領域設定可能範囲の境界を設定する請求項５に記載の形状測定装置。

【請求項7】

前記調光領域設定可能範囲設定部は、前記ライン状のパターンの像の長手方向と前記長手方向に対して直交する方向とが辺となる矩形の範囲を前記調光領域設定可能範囲に設定する請求項６に記載の形状測定装置。

【請求項8】

前記調光領域設定部は、前記調光領域が設定されていない場合または前記調光領域設定可能範囲よりも広い範囲を前記調光領域とする設定の場合、前記調光領域設定可能範囲と同じ範囲を前記調光領域に設定する請求項５に記載の形状測定装置。

【請求項9】

前記画像データを表示させる表示部をさらに有し、
前記表示部は、前記調光設定可能範囲を前記画像データに重ねて表示させる請求項１から８のいずれか一項に記載の形状測定装置。

【請求項10】

前記表示部は、前記測定範囲及び前記調光領域の少なくとも一方を前記画像データに重ねて表示させる請求項９に記載の形状測定装置。

【請求項11】

前記画像データの前記測定範囲内に位置する前記パターンの像の位置に基づいて、前記被測定物の形状を測定する測定部をさらに有する請求項１から１０のいずれか一項に記載の形状測定装置。

【請求項12】

構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記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から１１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を示す形状情報と前記設計情報とを比較する制御装置と、を備える構造物製造システム。

【請求項13】

被測定物の測定領域へライン状のパターンを投影するか又はパターンを少なくとも一方向に走査しながら投影し、前記パターンの投影方向とは異なる方向から前記被測定物に投影されたパターンの像を撮像して画像データを取得し、前記画像データの前記測定領域の前記パターンの像の位置に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、
前記パターンの像を撮像する撮像範囲内で、前記パターンの像の位置を検出する測定範囲を設定することと、
前記パターンの像を撮像する撮像範囲内における前記測定範囲の位置情報に基づき、前記画像データを形成する範囲内で、調光領域設定可能範囲を設定することと、
前記調光領域設定可能範囲に基づき、撮影された像の明るさを検出する調光領域を設定することと、
前記調光領域で検出された撮影された像の明るさに応じて、前記測定領域を投影する光の投光量、前記画像データを取得する際の受光する受光量、前記撮像部で前記画像データを取得するときの露光量または前記画像データを取得する際の入出力特性を制御することと、を有する形状測定方法。

【請求項14】

前記調光領域設定可能範囲における範囲の指定を受け付ける入力部で受け付けた前記範囲の指定に基づいて、前記調光領域を設定する請求項１３に記載の形状測定方法。

【請求項15】

前記調光領域は、前記調光領域設定可能範囲に含まれる請求項１３または１４に記載の形状測定方法。

【請求項16】

構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記構造物を成形することと、
前記成形された前記構造物の形状を請求項１３から１５のいずれか一項の形状測定方法によって測定することと、
前記測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較することと、
を含む構造物製造方法。

【請求項17】

被測定物の測定領域へライン状のパターンを投影するか又はパターンを少なくとも一方向に走査しながら投影し、前記パターンの投影方向とは異なる方向から前記被測定物に投影されたパターンの像を撮像して画像データを取得し、前記画像データの前記測定領域の前記パターンの像の位置に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定プログラムであって、
コンピュータに、
前記パターンの像を撮像する撮像範囲内で、前記パターンの像の位置を検出する測定範囲を設定することと、
前記パターンの像を撮像する撮像範囲内における前記測定範囲の位置情報に基づき、前記パターンの像を撮像する撮像範囲内で、調光領域設定可能範囲を設定することと、
前記調光領域設定可能範囲に基づき、撮影された像の明るさを検出する調光領域を設定することと、
前記調光領域で検出された撮影された像の明るさに応じて、前記測定領域を投影する光の投光量、前記画像データを取得する際の受光する受光量、前記撮像部で前記画像データを取得するときの露光量または前記画像データを取得する際の入出力特性を制御することと、を実行させる形状測定プログラム。

【請求項18】

前記調光領域設定可能範囲における範囲の指定を受け付ける入力部で受け付けた前記範囲の指定に基づいて、前記調光領域を設定する請求項１７に記載の形状測定プログラム。

【請求項19】

請求項１７または１８に記載の形状測定プログラムを記録し、コンピュータが読み取り可能な記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、形状測定プログラム、及び記録媒体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

形状測定装置には、被測定物にスリット光等の所定のパターンの光を照射する照射部と、測定対象領域に照射された光が描くパターン像を撮像する撮像部とを備え、光切断法を利用した光学式測定装置がある（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１には、撮像して取得した画像データのうち、設定された測定対象領域に含まれる像を検出して測定対象物の変位を測定する変位センサが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開２００１／０５７４７１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような形状測定装置は、被測定物の形状を測定する際の照射部から照射されるパターンの光の光量または撮像部の露出条件を調整することで、パターン光の像の中にサチレーションが無く、かつ黒つぶれの無いパターン光の画像を取得するようにしている。形状測定装置には、測定時におけるパターン光の光量や露出条件を、撮像部の撮影範囲の中で選択的に選ばれる調光領域内の画素値に基づいて決定するものがある。この調光領域は、画像データ上におけるパターン光の像の位置を検出する測定範囲と同じ範囲にすると好ましいが、一方、測定範囲内であっても、パターン光の像の画素値が低めになる場所や高めになる場所がある場合には、パターン光の像の中でも適切な画素値となっている範囲を選択することが好ましい場合がある。形状測定装置は、適切な画素値をパターン光の像が選択できるように調光領域を適切に設定しなければ、検出すべきパターン像が検出できない場合が生じてしまい、形状の測定精度が低下してしまう。

【0005】

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、パターン光の像の中で適切な条件の画像データを選択できる形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、形状測定プログラム、及び記録媒体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１の態様に従えば、被測定物の測定領域へライン状のパターンを投影するか又はパターンを少なくとも一方向に走査しながら投影する照射部と、前記照射部による前記パターンの投影方向とは異なる方向から前記被測定物に投影されたパターンの像を撮像し、画像データを出力する撮像部とを含むプローブと、前記撮像部による撮像範囲内で、前記パターンの像の位置を検出する測定範囲を設定する測定範囲設定部と、前記撮像部による撮像範囲内で、撮影された像の明るさを検出する調光領域を設定する調光領域設定部と、前記調光領域で検出された撮影された像の明るさに応じて、前記照射部の投光量、前記撮像部で受光する受光量、前記撮像部で前記画像データを取得するときの露光量または前記撮像部の入出力特性を制御する調光制御部と、前記撮像部による撮像範囲内における前記測定範囲の位置情報に基づき、前記撮像部による撮像範囲内で、前記調光領域を設定可能にする調光領域設定可能範囲を設定する調光領域設定可能範囲設定部と、を有する形状測定装置が提供される。

【0007】

本発明の第２の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記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第１の態様の形状測定装置と、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を示す形状情報と前記設計情報とを比較する制御装置と、を備える構造物製造システムが提供される。

【0008】

本発明の第３の態様に従えば、被測定物の測定領域へライン状のパターンを投影するか又はパターンを少なくとも一方向に走査しながら投影し、前記パターンの投影方向とは異なる方向から前記被測定物に投影されたパターンの像を撮像素子で撮像して画像データを取得し、前記画像データの前記測定領域の前記パターンの像の位置に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定方法であって、前記パターンの像を撮像する撮像範囲内で、前記パターンの像の位置を検出する測定範囲を設定することと、前記パターンの像を撮像する撮像範囲内における前記測定範囲の位置情報に基づき、前記画像データを形成する範囲内で、調光領域設定可能範囲を設定することと、前記調光領域設定可能範囲に基づき、撮影された像の明るさを検出する調光領域を設定することと、前記調光領域で検出された撮影された像の明るさに応じて、前記パターンを投影するときの光の投光量、前記画像データを取得する際の受光する受光量、前記撮像部で前記画像データを取得するときの露光量または前記画像データを取得する際の前記撮像素子の入出力特性を制御することと、を有する形状測定方法が提供される。

【0009】

本発明の第４の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記構造物を成形することと、前記成形された前記構造物の形状を第３の態様の形状測定方法によって測定することと、前記測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較することと、を含む構造物製造方法が提供される。

【0010】

本発明の第５の態様に従えば、被測定物の測定領域へライン状のパターンを投影するか又はパターンを少なくとも一方向に走査しながら投影し、前記パターンの投影方向とは異なる方向から前記被測定物に投影されたパターンの像を撮像素子で撮像して画像データを取得し、前記画像データの前記測定領域の前記パターンの像の位置に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定プログラムであって、コンピュータに、前記パターンの像を撮像する撮像範囲内で、前記パターンの像の位置を検出する測定範囲を設定することと、前記パターンの像を撮像する撮像範囲内における前記測定範囲の位置情報に基づき、前記パターンの像を撮像する撮像範囲内で、調光領域設定可能範囲を設定することと、前記調光領域設定可能範囲に基づき、撮影された像の明るさを検出する調光領域を設定することと、前記調光領域で検出された撮影された像の明るさに応じて、前記測定領域を投影する光の投光量、前記画像データを取得する際の受光する受光量、前記撮像部で前記画像データを取得するときの露光量または前記画像データを取得する際の前記撮像素子の入出力特性を制御することと、を実行させる形状測定プログラムが提供される。

【0011】

本発明の第６の態様に従えば、第５の態様の形状測定プログラムを記録し、コンピュータが読み取り可能な記録媒体が提供される。

【発明の効果】

【0012】

本発明では、被測定物の形状をより適切な条件で測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本実施形態の形状測定装置を示す斜視図である。

【図2】図２は、本実施形態の形状測定装置の構成を示す模式図である。

【図3】図３は、本実施形態の形状測定装置の制御装置の概略構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【図5】図５は、本実施形態の形状測定装置に表示する画面の一例を説明するための説明図である。

【図6】図６は、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【図7】図７は、本実施形態の形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。

【図8】図８は、本実施形態の形状測定装置の調光範囲の設定動作の一例を示すフローチャートである。

【図9A】図９Ａは、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【図9B】図９Ｂは、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【図10A】図１０Ａは、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【図10B】図１０Ｂは、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【図10C】図１０Ｃは、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【図11】図１１は、形状測定装置を有するシステムの構成を示す模式図である。

【図12】図１２は、本実施形態の構造物製造システムの構成を示す図である。

【図13】図１３は、本実施形態の構造物製造方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

【0015】

以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。Ｚ軸方向は、例えば鉛直方向に設定され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、例えば、水平方向に平行で互いに直交する方向に設定される。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ軸方向とする。

【0016】

（本実施形態）
図１は、本実施形態に係る形状測定装置１の外観を示す図である。図２は、本実施形態の形状測定装置の概略構成を示す模式図である。図３は、本実施形態の形状測定装置の制御装置の概略構成を示すブロック図である。

【0017】

形状測定装置１は、例えば光切断法を利用して、測定対象の物体（被測定物）Ｍの三次元的な形状を測定するものである。形状測定装置１は、プローブ移動装置２と、光学プローブ３と、制御装置４と、表示装置５と、入力装置６と、保持回転装置７と、を備える。形状測定装置１は、ベースＢに設けられた保持回転装置７に保持されている被測定物Ｍを光学プローブ３が撮像するものである。また、本実施形態では、プローブ移動装置２と保持回転装置７とが、プローブと被測定物Ｍとを相対的に移動させる移動機構となる。

【0018】

プローブ移動装置２は、光学プローブ３による撮像範囲（視野）が被測定物Ｍの測定対象領域に来るように光学プローブ３の三次元空間上で位置と後述する光学プローブ３から投影されるパターンの投影方向及び被測定物Ｍの測定対象領域に投影されたパターンの向きを位置決めし、かつ光学プローブ３の撮像範囲を被測定物Ｍ上で走査するように、被測定物Ｍに対して光学プローブ３を移動させるためのものである。このプローブ移動装置２は、図２に示すように、駆動部１０、位置検出部１１を備えている。駆動部１０は、Ｘ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚ、第１回転部５３、及び第２回転部５４を備えている。

【0019】

Ｘ移動部５０Ｘは、ベースＢに対して矢印６２の方向、つまりＸ軸方向に移動自在に設けられている。Ｙ移動部５０Ｙは、Ｘ移動部５０Ｘに対して矢印６３の方向、つまりＹ軸方向に移動自在に設けられている。Ｙ移動部５０Ｙには、Ｚ軸方向に延在する保持体５２が設けられている。Ｚ移動部５０Ｚは、保持体５２に対して、矢印６４の方向、つまりＺ軸方向に移動自在に設けられている。これらＸ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚは、第１回転部５３、第２回転部５４とともに光学プローブ３をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能にする移動機構を構成している。

【0020】

第１回転部５３は、後述する保持部材（保持部）５５に支持される光学プローブ３をＸ軸と平行な回転軸線（回転軸）５３ａ回り、つまり矢印６５の方向に回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、特に光学プローブ３から投影されるパターンの被測定物Ｍへの投影方向が変えられる。第２回転部５４は、保持部材５５に支持される光学プローブ３を後述する第１保持部５５Ａが延在する方向と平行な軸線回り、つまり矢印６６の方向に回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、特に光学プローブ３から投影されるパターンの向きを変えることができる。形状測定装置１は、光学プローブ３と光学プローブ３を保持している保持部材５５との相対位置の補正に用いる基準球７３ａまたは基準球７３ｂを有する。

【0021】

これら、Ｘ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚ、第１回転部５３、第２回転部５４の駆動は、エンコーダ装置等によって構成される位置検出部１１の検出結果に基づいて、制御装置４により制御される。

【0022】

光学プローブ３は、光源装置８及び撮像装置９を備えており、保持部材５５に支持されている。保持部材５５は、回転軸線５３ａと直交する方向に延び、第１回転部５３に支持される第１保持部（第１部分、第１部材）５５Ａと、第１保持部５５Ａの被測定物Ｍに対して遠い側の端部に設けられ回転軸線５３ａと平行に延びる第２保持部（第２部分、第２部材）５５Ｂとが直交する略Ｌ字状に形成されており、第２保持部５５Ｂの＋Ｘ側の端部に光学プローブ３が支持されている。第１回転部５３の回転軸線５３ａの位置は、光学プローブ３よりも、被測定物Ｍに近い側に配置されている。また、第１保持部５５Ａの被測定物Ｍに対して近い側の端部には、カウンターバランス５５ｃが設けられている。したがって、第１回転部５３に駆動力が発生しないときには、図１で図示されているように第１保持部５５Ａの延出方向がＺ軸方向に沿うような姿勢となる。

【0023】

保持回転装置７は、図１および図２に示すように、被測定物Ｍを保持するテーブル７１と、テーブル７１をθＺ軸方向、つまり矢印６８の方向に回転させる回転駆動部７２と、テーブル７１の回転方向の位置を検出する位置検出部７３と、を有する。位置検出部７３は、テーブル７１または回転駆動部７２の回転軸の回転を検出するエンコーダ装置である。保持回転装置７は、位置検出部７３で検出した結果に基づいて、回転駆動部７２によってテーブル７１を回転させる。保持回転装置７は、テーブル７１を回転させることで、回転軸中心ＡＸを中心として被測定物Ｍを矢印６８の方向に回転させる。

【0024】

ところで、光学プローブ３の光源装置（照射部）８は、制御装置４によって制御され、保持回転装置７に保持された被測定物Ｍの測定領域にライン状の測定光を照射するものであり、光源１２、照明光学系１３を備える。本実施形態の光源１２は、例えば、レーザーダイオードを含む。なお、光源１２は、レーザーダイオード以外の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源を含んでいてもよい。また、本実施形態の光源１２は制御装置４により投光量が制御されている。特に、制御装置４にある調光制御部３６で制御している。

【0025】

照明光学系１３は、光源１２から発せられた光の空間的な光強度分布を調整する。本実施形態の照明光学系１３は、例えば、シリンドリカルレンズを含む。照明光学系１３は、１つの光学素子であってもよいし、複数の光学素子を含んでいてもよい。光源１２から発せられた光は、シリンドリカルレンズが正のパワーを有する方向にスポットが広げられて、光源装置８から被測定物Ｍに向く第１方向に沿って出射する。図２に示したように、光源装置８から出射し、被測定物Ｍに投影した場合、光源装置８からの出射方向に対して直交する面を有する被測定物Ｍに投影されたときには、回転軸線５３ａと平行な方向を長手方向とし、回転軸線５３ａに平行なライン状のパターンになる。また、このライン状のパターンは、被測定物Ｍ上では長手方向に所定の長さを持つ。

【0026】

なお、このライン状のパターンの長手方向は、先に説明した第２回転部５４により方向を変えられる。被測定物Ｍの面の広がり方向に応じて、ライン状のパターンの長手方向を変えることで、効率的に測定することができる。

【0027】

なお、照明光学系１３は、ＣＧＨ等の回折光学素子を含み、光源１２から発せられた照明光束Ｌの空間的な光強度分布を回折光学素子によって調整してもよい。また、本実施形態において、空間的な光強度分布が調整された投影光をパターン光ということがある。照明光束Ｌは、パターン光の一例である。ところで、本明細書ではパターンの向きと称しているときは、このライン状のパターンの長手方向の方向を示している。

【0028】

撮像装置（撮像部）９は、撮像素子２０、結像光学系２１、ダイヤフラム２３、及びダイヤフラム駆動部２４を備える。光源装置８から被測定物Ｍに照射された照明光束Ｌは、被測定物Ｍの表面で反射散乱して、その少なくとも一部が結像光学系２１へ入射する。結像光学系２１は、光源装置８によって被測定物Ｍの表面に投影されたライン状のパターンの像を被測定物Ｍの像と一緒に結像光学系２１により撮像素子２０に結ぶ。撮像素子２０は、この結像光学系２１が形成する像を撮像する。画像処理部２５は、撮像素子２０で受光した受光信号から画像データを生成する。ダイヤフラム２３は大きさを可変可能にする開口を有し、開口の大きさを変えることで結像光学系２１を通過する光量を制御することができる。ダイヤフラム２３の開口の大きさは、ダイヤフラム駆動部２４により調整可能である。このダイヤフラム駆動部２４は制御装置４に制御されている。特に、制御装置４にある調光制御部３６で制御している。

【0029】

結像光学系２１は、光源装置８からのライン光としての照明光束Ｌの射出方向と照明光束Ｌのスポットの形状の長手方向とを含む面上の物体面２１ａと撮像素子２０の受光面２０ａ（像面）とが共役な関係になっている。なお、光源装置８からの照明光束Ｌの射出方向と照明光束Ｌのスポットの形状の長手方向とを含む面は、照明光束Ｌの伝播方向にほぼ平行である。照明光束Ｌの伝播方向に沿って、撮像素子２０の受光面２０ａと共役な面を形成するようにすることで、被測定物Ｍの表面がどの位置にあっても、合焦した像が得られる。

【0030】

制御装置４は、形状測定装置１の各部を制御するとともに、光学プローブ３による撮像結果とプローブ移動装置２及び保持回転装置７の位置情報に基づく演算処理を行って被測定物Ｍの形状情報を取得する。本実施形態における形状情報は、測定対象の被測定物Ｍの少なくとも一部に関する形状、寸法、凹凸分布、表面粗さ、及び測定対象面上の点の位置（座標）、の少なくとも１つを示す情報を含む。制御装置４には、表示装置５、及び入力装置６が接続される。制御装置４は、図３に示すように、制御部３２と、記憶部４６と、を有する。

【0031】

制御部３２は、被測定物Ｍを測定するためのプログラムを生成し、生成したプログラムに基づいて、各部による被測定物Ｍの形状測定動作を制御する。制御部３２は、測定範囲設定部３３と、調光領域設定部３４と、調光領域設定可能範囲設定部３５と、調光制御部３６と、測定部３７と、動作制御部３８と、を有する。

【0032】

測定範囲設定部３３は、記憶部４６に記憶されているデータや、入力装置６で受け付けた入力に基づいて、測定範囲を決定する。測定範囲とは、画像処理部３９で撮像された被測定物Ｍの像の中からパターンの像の位置を検出する範囲である。

【0033】

調光領域設定部３４は、調光領域設定可能範囲設定部３５で設定された調光領域設定可能範囲に基づいて、調光領域を設定する。調光領域は、撮像素子２０による撮像範囲内で、撮影された像の明るさを検出する領域である。画像データからパターンの位置を検出する場合、撮像素子２０により撮像された画像データのうち、ライン状のパターンの像の幅方向（スポット光の走査であれば、走査方向とは直交方向）に配列する画素列の中から、最も明るい画素値を画素列毎に検出する。その際、画像データの画素列の一端から他端までをくまなく探索するのではなく、調光領域として設定された範囲内だけで、画素列毎に最も明るい画素値を探索する。調光領域設定部３４は、調光領域設定可能範囲に加え、記憶部４６に記憶されているデータや、入力装置６で受け付けた入力に基づいて、調光領域を設定することもできる。

【0034】

調光領域設定可能範囲設定部３５は、測定範囲の位置情報に基づいて、調光領域設定可能範囲を設定する。調光領域設定可能範囲は、撮像部による撮像範囲内において、測定範囲の位置情報に基づいて設定される範囲であり、調光領域を設定可能とする範囲である。調光領域設定可能範囲設定部３５は、測定範囲に加え、記憶部４６に記憶されているデータや、入力装置６で受け付けた入力に基づいて、調光領域設定可能範囲を設定することもできる。

【0035】

調光制御部３６は、調光領域内で検出された画素列毎に最も明るい画素の画素値を取得し、取得された画素値の大きさに応じて、光源１２に対して投光量を制御するための信号、ダイヤフラム駆動部２４を制御するための信号、または撮像素子２０による撮像時の露出時間を制御するための信号等を出力する。露出時間の制御については、１枚の画像データを取得するときの露出時間で制御したり、撮像素子２０に組み込まれている不図示のメカニカルシャッターにより撮像面が露出する時間を制御するようにしても良い。したがって、調光制御部３６は取得された画素値の大きさに応じて、照射部の投光量、撮像部で受光する受光量、撮像部で画像データを取得するときの露光量または撮像部の入出力特性（感度又は撮像素子の各ピクセルで検出した信号に対する増幅率など）、つまり光学プローブ３によって画像データを取得する際の各種条件（調光条件）を制御する。

【0036】

測定部３７は、画像データの測定範囲内に位置する光源装置８により投影されたパターンの像の位置に基づいて、被測定物の形状を測定する。測定部３７は、調光制御部３６で制御された条件に基づいて、プローブ移動装置２及び保持回転装置７によって、光学プローブ３と被測定物を相対的に移動させ、パターン像が投影される位置を移動させつつ、パターン像が投影された撮影領域の画像を撮像装置９で撮像する。また、撮像装置９で撮像したタイミングで位置検出部１１からのプローブ移動装置２及び保持回転装置７の位置情報を取得する。測定部３７は、撮像装置９で撮像したタイミングで取得した位置検出部１１からのプローブ移動装置２及び保持回転装置７の位置情報と、撮像装置９で取得した測定範囲のパターンの像の画像に関連した撮影信号とに基づいて、被測定物Ｍのパターンが投影された位置を算出し、被測定物Ｍの形状データを出力する。本形状測定装置１は、例えば、撮像装置９の撮影タイミングを一定間隔にし、入力装置６から入力する測定点間隔情報を基に、プローブ移動装置２及び保持回転装置７の移動速度を制御している。

【0037】

動作制御部３８は、プローブ移動装置２、光学プローブ３及び保持回転装置７を含む、形状測定装置１の各部の動作を制御する。この動作制御部３８は、制御部３２で作成された動作制御情報を基に、プローブ移動装置２、光学プローブ３及び保持回転装置７の動作制御を実施する。また、制御部３２は、光学プローブ３による画像取得動作制御する。

【0038】

記憶部４６は、ハードディスク、メモリ等、各種プログラム、データを記憶する記憶装置である。記憶部４６は、条件テーブル４６Ａと、形状測定プログラム４６Ｂと、を有する。なお、記憶部４６は、これらのプログラム、データ以外にも形状測定装置１の動作の制御に用いる各種プログラム、データを記憶している。条件テーブル４６Ａは、制御部３２で設定された条件や、予め入力された各種条件を記憶する。形状測定プログラム４６Ｂは、制御装置４の各部の処理を実行させるプログラムを記憶している。つまり、制御装置４は、形状測定プログラム４６Ｂに記憶されているプログラムを実行することで、上述した各部の動作を実現する。形状測定プログラム４６Ｂは、上述した制御部３２で生成する被測定物Ｍを測定するためのプログラムと、制御部３２が当該プログラムを生成するためのプログラムの両方を含む。なお、形状測定プログラム４６Ｂは、予め記憶部４６に記憶させてもよいがこれに限定されない。形状測定プログラム４６Ｂが記憶された記憶媒体から読み取って記憶部４６に記憶してもよいし、通信により外部から取得してもよい。

【0039】

制御装置４は、プローブ移動装置２の駆動部１０及び保持回転装置７の回転駆動部７２を制御して、光学プローブ３と被測定物Ｍの相対位置が所定の位置関係となるようにしている。また、制御装置４は、光学プローブ３の調光等を制御して、被測定物Ｍ上の投影されたライン状のパターンを最適な光量で撮像させる。制御装置４は、光学プローブ３の位置情報をプローブ移動装置２の位置検出部１１から取得し、測定領域を撮像した画像を示すデータ（撮像画像データ）を光学プローブ３から取得する。そして、制御装置４は、光学プローブ３の位置に応じた撮像画像データから得られる被測定物Ｍの表面の位置と光学プローブ３の位置及びライン光の投影方向と撮像装置の撮影方向とを対応付けることによって、測定対象の三次元的な形状に関する形状情報を演算して取得する。

【0040】

表示装置５は、例えば液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置等によって構成される。表示装置５は、形状測定装置１の測定に関する測定情報を表示する。測定情報は、例えば、撮像素子２０で撮影された画像データや、撮像素子２０の撮影領域内に設定された測定領域の位置を示す情報、調光領域の位置を示す情報、調光領域設定可能範囲の位置を示す情報を表示することができる。これら測定領域、調光領域及び調光領域設定可能範囲の位置情報は撮像素子２０で撮影された画像データ上に重畳して表示する。また、他にも測定に関する設定を示す設定情報、測定の経過を示す経過情報、測定の結果を示す形状情報等を含む。本実施形態の表示装置５は、測定情報を示す画像データを制御装置４から供給され、この画像データに従って測定情報を示す画像を表示する。

【0041】

入力装置６は、例えばキーボード、マウス、ジョイスティック、トラックボール、タッチバッド等の各種入力デバイスによって構成される。入力装置６は、制御装置４への各種情報の入力を受けつける。各種情報は、例えば、形状測定装置１に測定を開始させる指令（コマンド）を示す指令情報、形状測定装置１による測定に関する設定情報、形状測定装置１の少なくとも一部をマニュアルで操作するための操作情報等を含む。

【0042】

本実施形態の形状測定装置１は、制御装置４が制御部３２と、記憶部４６とを備え、制御装置４に表示装置５、及び入力装置６が接続されている。形状測定装置１は、制御装置４、表示装置５、及び入力装置６が、例えば、形状測定装置１に接続されるコンピュータでも構わないし、形状測定装置１が設置される建物が備えるホストコンピュータなどでも構わないし、形状測定装置１が設置される建物に限られず、形状測定装置１とは離れた位置にあり、コンピュータでインターネットなどの通信手段を用いて、形状測定装置１と接続されても構わない。また、形状測定装置１は、制御装置４と、表示装置５及び入力装置６とが、別々の場所に保持されても構わない。例えば、入力装置６と表示装置５とを備えるコンピュータとは別に、例えば光学プローブ３の内部に形状測定装置１が支持されていても構わない。この場合には、形状測定装置１で取得した情報を、通信手段を用いて、コンピュータに接続される。

【0043】

次に、図４から図１０Ｃを用いて、上記構成の形状測定装置１により、被測定物の形状を測定する動作の例について説明する。図４は、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。図５は、本実施形態の形状測定装置に表示する画面の一例を説明するための説明図である。図６は、本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。図７は、本実施形態の形状測定装置の測定動作の一例を示すフローチャートである。図８は、本実施形態の形状測定装置の調光範囲の設定動作の一例を示すフローチャートである。図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。図１０Ａから図１０Ｃは、それぞれ本実施形態の形状測定装置の測定動作を説明するための説明図である。

【0044】

以下では、図４に示すように、形状測定装置１が円周方向に繰り返し形状が形成された被測定物Ｍａの形状を測定する場合として説明する。形状測定装置１は、照明光束Ｌを被測定物Ｍａの繰り返し形状の１つの単位である歯に照射し、被測定物Ｍａ上に投影されたパターンの画像を取得することで、被測定物Ｍａの形状を測定する。本実施形態の形状測定装置１は、歯筋の方向に沿って、照明光束Ｌを移動させつつ、被測定物Ｍａ上に投影されたパターンの画像を取得することで、１つの歯の形状を測定することができる。形状測定装置１は、被測定物Ｍａの歯の形状を順番に測定することで、被測定物Ｍａの形状を測定することができる。被測定物Ｍａは、設計上は略同一形状となる歯が円周方向に所定の間隔で形成された、かさ歯車である。本実施形態の形状測定装置１は、被測定物Ｍａをかさ歯車としたが、種々の形状の物体を被測定物として形状を測定することができる。もちろん、被測定物Ｍａを歯車とした場合、歯車の種類は特に限定されない。形状測定装置１は、かさ歯車以外に、平歯車、はすば歯車、やまば歯車、ウォームギア、ピニオン、ハイポイドギアなども測定対象となり、被測定物Ｍａとなる。なお、形状測定装置１は、１つの歯の形状の測定や、被測定物Ｍａの全体の形状を測定することに限定されず、被測定物Ｍａの任意の１点の形状を測定することもできる。

【0045】

形状測定装置１は、稼動時に図５に示す画面１００を表示させる。画面１００は、被測定物Ｍａの形状を測定するための条件を設定するモード、例えばティーチングモードで表示される。画面１００は、画像ウインドウ１０２と、ウインドウ１０４、１０６を含む。

【0046】

画像ウインドウ１０２は、図６に示すように、撮像装置９で撮影し、取得した画像を表示している。画像ウインドウ１０２に表示されている画像は、撮像装置９による撮像範囲内の全域の画像である。画像ウインドウ１０２に表示される画像には、被測定物Ｍａの外形１４０と、外形１４０に照明光束Ｌを投影することで形成されるパターン１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃと、外形１４０に照明光束Ｌを投影した際に、照明光束Ｌが多重反射したり、乱反射したりすることで、生じる輝線１４４が含まれる。

【0047】

また、画像ウインドウ１０２には、画像に重ねて、測定範囲１５０ａ、１５０ｂと、調光領域設定可能範囲１５２と、調光領域１５４と、が表示されている。測定範囲１５０ａ、１５０ｂは、測定範囲設定部３３で設定される領域である。調光領域設定可能範囲１５２は、調光領域設定可能範囲設定部３５で設定される領域である。調光領域１５４は、調光領域設定部３４で設定される領域である。図６に示す調光領域設定可能範囲１５２は、測定範囲１５０ａ、１５０ｂの全てを含み、測定範囲１５０ａ、１５０ｂに外接する矩形形状の範囲である。また、調光領域設定可能範囲１５２は、照明光束Ｌを平坦でかつ水平な面を持つ被測定物Ｍａに投影したときに形成されるライン状のパターンの像に対して、その像の長手方向と長手方向に対して直交する方向とが辺となる矩形の範囲である。調光領域１５４は、調光領域設定可能範囲１５２に含まれる範囲である。なお、測定範囲１５０ａ、１５０ｂと、調光領域設定可能範囲１５２と、調光領域１５４の設定方法の動作については後述する。

【0048】

ウインドウ１０４は、測定条件欄１１２と、ボタン１１４と、を有する。測定条件欄１１２は、光切断法を用いて形状を取得する際の取得方法、照明光束Ｌの走査速度、画像データを取得する間隔である距離ピッチ、測定する距離、光学プローブ３と被測定物Ｍａとの各方向における相対値移動距離等の情報が表示される。制御装置３２は、各種条件が更新されると測定条件欄１１２に表示される情報を更新する。ボタン１１４は、後述するプレスキャン処理またはスキャン処理（測定処理）が開始される際に操作されるボタンである。制御部３２は、入力装置６への入力でボタン１１４が操作されたことを検出した場合、プレスキャン処理またはスキャン処理（測定処理）を実行する。

【0049】

ウインドウ１０６は、表示されている画像データに関する各種プロファイルの表示を行うかどうかを選択するためのチェックボックス１２０と、調光領域選択点１２２、測定範囲選択点１２４と、範囲欄１２６と、ボタン１２８、１３０と、を有する。チェックボックス１２０は、画像の光量のプロファイルや、ヒストグラムを表示させるか否かを選択するためのボックスである。ヒストグラムは、ライン上のパターンの幅方向におけるピーク値を撮像素子の列毎に抽出して作成した列毎の最大輝度値の分布である。制御部３２は、チェックボックス１２０にチェックが入力されている場合、画像ウインドウ１０２に重ねて画像の光量分布や、最大輝度値分布のヒストグラムを表示させる。また、調光領域選択点１２２にチェックが入った場合、調光領域の範囲の対角線上の座標位置を範囲欄１２６に表示させる。測定範囲選択点１２４にチェックが入った場合は、測定範囲つまり撮像装置で画像を取得した測定領域を矩形で設定できるようになっている。測定領域の範囲は、測定領域の対角線上の座標位置を範囲欄１２６に表示させる。ボタン１２８は、自動調光処理が開始される際に操作されるボタンである。ボタン１３０は、調光領域選択点１２２と測定範囲選択点１２４のうち、選択されている側の範囲、領域の設定を行う場合に操作されるボタンである。

【0050】

以下、図７を用いて、形状測定装置１の処理動作の一例を説明する。形状測定装置１の制御部３２は、例えば、ティーチングモードが選択された場合に、図５に示す画面１００を表示し図７に示す処理を実行する。また、後述する他の処理も記憶部に記憶されているプログラムに基づいて制御部３２の各部で処理を実行することで、実現される。

【0051】

制御部３２は、ティーチングモードが選択されると、測定範囲、調光領域、調光領域設定可能範囲を撮像装置８により撮影できる全範囲に予め設定する。次に、撮像装置８から画像データが制御部３２に転送され、その画像データがウインドウ１０２に表示する。このような状態になった時点で、測定範囲の設定がなされたかを判定する（ステップＳ１２）。ここで、制御部３２は、撮像装置９で撮影可能な範囲の全範囲よりも小さい範囲、つまり取得した画像データの全範囲よりも小さい範囲が測定範囲として設定されている場合、測定範囲が設定されていると判定する。測定範囲の設定方法は、ウインドウ１０２上に円形や矩形、楕円形などの任意の形状で画像データの一部を囲むようにして指定することができる。なお、制御部３２は、例えば、測定範囲選択点１２４が選択されボタン１３０が操作された後、ユーザによって指定された範囲を測定範囲に設定する。また、制御部３２は、条件テーブル４６Ａに設定されている情報に基づいて測定範囲を設定してもよい。また、制御部３２は、撮像装置９が取得した画像から照明光束が投影されたパターンの像を抽出し、当該パターンの像が抽出された範囲を測定範囲としてもよい。

【0052】

制御部３２は、測定範囲の設定がある（ステップＳ１２でＹｅｓ）と判定した場合、測定範囲設定部３３により、画像データの位置座標を基に測定範囲の設定処理を行い、記憶部４６の条件テーブル４６Ａに書き込む（ステップＳ１４）。制御部３２は、撮像装置９で撮影可能な範囲よりも小さい範囲を測定範囲に設定する。次に、調光領域設定可能範囲の設定処理を行う（ステップＳ１５）。測定範囲で設定された領域情報の中から図６に示す画像データの横軸ａの最大座標値ａmaxと最小座標値ａmin、縦軸ｂの最大座標値ｂmaxと最小座標値ｂminを取得する。制御部３２の調光領域設定可能範囲設定部３５により、各軸の最大座標値と最小座標値に基づき、調光領域設定可能範囲１５２を設定する。なお、図６に示すように、縦軸ｂについては最大座標値と最小座標値に対して、どちらも数画素分のマージンを持たせるようにして、最大座標値をｂ’maxにし、最小座標値b’minに設定するようにしても良い。もちろん、縦軸横軸ともに各軸の最大座標値と最小座標値をそのまま、調光領域設定可能範囲の境界座標値としても良い。なお、調光領域設定可能範囲は、全ての測定範囲を含み測定範囲の少なくとも１箇所に外接する範囲とすることが好ましいが、これに限定されず、測定範囲を含まなくてもよいし、接していなくてもよい。また、調光領域設定可能範囲を決定するための設定された条件は、ユーザが設定してもよいし、形状測定装置１が自動的に設定してもよい。また、調光領域設定部３４も同時に調光領域も調光領域設定可能範囲と同じ範囲に設定する。これら設定された調光領域設定可能範囲及び調光領域は、制御部３２により記憶部４６の条件テーブル４６Ａに書き込まれる。

【0053】

制御部３２は、測定範囲の設定がない（ステップＳ１２でＮｏ）と判定した場合、または測定範囲の設定処理を行った場合、入力装置６による調光領域の設定があるかを判定する（ステップＳ１６）。

【0054】

制御部３２は、調光領域の設定がある（ステップＳ１６でＹｅｓ）と判定した場合、調光領域設定部３４により、調光領域の設定処理を行う（ステップＳ１８）。

【0055】

以下、図８を用いて調光範囲の設定処理について説明する。前述のように制御部３２は、調光領域設定可能範囲設定部３５により、測定範囲を取得し（ステップＳ４０）、調光領域設定可能範囲１５２を設定する（ステップＳ４２）。例えば、図６に示したように、全ての測定範囲に外接する範囲を調光領域設定可能範囲する。なお、全ての測定範囲を含み測定範囲の少なくとも１箇所に外接する範囲を調光領域設定可能範囲としてもよい。

【0056】

次に、制御部３２は、画像データ上に設定した調光領域設定可能範囲を表示させる（ステップＳ４３）。具体的には、表示装置５の画像ウインドウ１０２に測定範囲と調光領域設定可能範囲を重ねて表示させる。これにより、撮像装置９で撮影可能な撮影領域の中で測定範囲と調光領域設定可能範囲に設定された範囲をユーザが確認するこことができる。

【0057】

制御部３２は、測定範囲と調光領域設定可能範囲を表示させたら、調光領域設定可能範囲を調光範囲とする指示があるかを判定する（ステップＳ４４）。制御部３２は、調光領域設定可能範囲を調光範囲とする指示がある（ステップＳ４４でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ４８に進む。制御部３２は、調光領域設定可能範囲を調光範囲とする指示がない（ステップＳ４４でＮｏ）と判定した場合、調光範囲についての指示があるかを判定する（ステップＳ４６）。制御部３２は、調光範囲についての指示がない（ステップＳ４６でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ４８に進む。制御部３２は、ステップＳ４４でＹｅｓまたはステップＳ４６でＮｏと判定した場合、調光領域設定部３４により、調光領域設定可能範囲を調光範囲とし（ステップＳ４８）、本処理を終了する。

【0058】

制御部３２は、調光範囲についての指示がある（ステップＳ４６でＹｅｓ）と判定した場合、指示の範囲が調光領域設定可能範囲に含まれるかを判定する（ステップＳ５０）。制御部３２は、指示の範囲が調光領域設定可能範囲に含まれない（ステップＳ５０でＮｏ）と判定した場合、調光領域設定部３４により、調光領域設定可能範囲を超えない範囲に指示の範囲を補正して調光領域を設定する（ステップＳ５２）。具体的には、図９Ａに示す撮像装置８で撮像可能な範囲１６０には、測定範囲１６２が設定され、その測定範囲１６２に基づいて、調光領域設定可能範囲１６４が設定されている。範囲１６０は、本実施形態では、画像ウインドウに表示される画像となる。この状態で、調光範囲を設定する指示として、範囲１６６が指定された場合、範囲１６６と調光領域設定可能範囲１６４とが重なる範囲を調光領域１６８として設定する。制御部３２は、指示の範囲が調光領域設定可能範囲に含まれる（ステップＳ５０でＹｅｓ）と判定した場合、調光領域設定部３４により、指示されている範囲を調光範囲に設定する（ステップＳ５４）。

【0059】

制御部３２は、ステップＳ４８、ステップＳ５２またはステップＳ５４で調光領域（調光範囲）を設定したら、設定した調光領域を表示させる（ステップＳ５５）。具体的には、表示装置５の画像ウインドウ１０２に調光領域を重ねて表示させる。これにより、撮像装置９で撮影可能な撮影領域の中で調光領域として設定された範囲をユーザが確認するこことができる。

【0060】

図７に戻り、説明を続ける。制御部３２は、調光領域の設定がない（ステップＳ１６でＮｏ）と判定した場合、または調光領域の設定処理を行った場合、プレスキャンを実行するかを判定する（ステップＳ２０）。ここで、プレスキャンとは、設定された条件に基づいて、光学プローブ３と被測定物を相対的に移動させ、パターン像が投影される位置を移動させ、ライン光が照射される位置を表示装置５に表示させる処理である。被測定物を相対的に移動させながら、所定のフレームレートで撮像装置９により取得されたライン状のパターンの像を含む画像データを次々と表示させる。それと同時に、測定範囲１５０ａ、１５０ｂ、調光領域設定可能範囲１５２、調光領域１５４を画像データに重畳させながら表示し続けるようにすると良い。制御部３２は、プレスキャンを実行する（ステップＳ２０でＹｅｓ）と判定した場合、プレスキャン処理を実行する（ステップＳ２２）。

【0061】

制御部３２は、プレスキャンを実行しない（ステップＳ２０でＮｏ）と判定した場合、またはプレスキャン処理を行った場合、設定が終了したかを判定する（ステップＳ２４）。制御部３２は、設定が終了していない（ステップＳ２４でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１２に戻り、上述した処理を再び実行する。

【0062】

制御部３２は、記憶部４６に記憶された測定範囲の位置情報及び調光範囲の位置情報と、光学プローブ３の走査パスなどの測定条件が設定されたら、形状測定プログラムを生成する（ステップＳ２８）。制御部３２は、測定範囲、調光領域、調光方式や測定座標算出領域も含めた被測定物Ｍａを測定するための形状測定プログラムを生成し、記憶部４６に記憶する。具体的には、制御部３２は、各種条件に基づいて測定パス、測定速度を決定し、プローブ移動装置２によるＸＹＺ軸方向の移動経路、保持回転装置７によるＺθ方向の回転速度、光学プローブ３による画像の取得タイミング等を決定し、決定した動作の情報と、設定した調光条件の情報と、取得した画像からパターンの像の位置を抽出する測定範囲の情報と、を含む形状測定プログラムを生成する。

【0063】

制御部３２は、形状測定プログラムを生成したら、測定を実行するかを判定する（ステップＳ３０）。ここで、測定とは、設定された条件に基づいて、光学プローブ３と被測定物Ｍａを相対的に移動させ、パターン像が投影される位置を移動させ、測定領域内でパターン像が投影される位置を検出し、被測定物の各部位の座標値（点群データ）を取得することで、形状を測定する処理である。制御部３２は、測定を実行する（ステップＳ３０でＹｅｓ）と判定した場合、撮像装置８を所定のフレームレートで撮影を繰り返される。調光制御部３６は、その撮影された画像データから調光範囲に含まれる各画素列の最大画素値を取得し、調光制御部３６は光源装置８や撮像装置９に調光制御の情報を出力する（ステップＳ３１）。次に、その調光条件に基づき、撮像装置９は被測定物Ｍａに投影されたパターンの像を撮像し、そのときの画像データを制御部３２の測定部３７に送出する（ステップＳ３２）。次に、測定部３７では、測定範囲情報に基づき、画像データの中からパターンの像の位置を求め、かつプローブ移動装置２の位置情報とパターンの像の位置情報から被測定物Ｍａのパターンが投影された部分の三次元座標値を算出する（ステップＳ３３）。

【0064】

制御部３２は、図７のステップＳ１２からステップＳ２８までの処理、つまり形状測定プログラムを作成するまでの測定処理以外の処理をティーチング処理とし、測定処理とは別のモードでの処理として実行してもよい。また、制御部３２は、ステップＳ２０とステップＳ２２を行わなくてもよい。つまり、測定範囲、調光領域、及び調光領域設定可能範囲は、表示装置５に表示させなくてもよい。

【0065】

以上説明したように、本実施形態の制御部３２は、測定範囲に基づいて調光領域設定可能範囲を設定し、調光領域設定可能範囲で調光領域が設定可能な範囲を制限することで、調光領域を測定範囲に対応した範囲とすることができる。これにより、パターンの像が投影されている領域を調光領域に設定しやすくでき、パターンの像が全く投影されていない領域を調光領域に設定することを抑制できる。以上により、より適切な領域を調光領域に設定しやすくすることができ、調光領域に基づいて算出する調光条件をより適切な条件とすることができる。

【0066】

例えば、図６に示す例では、測定範囲１５０ａ、１５０ｂに基づいて設定された調光領域設定可能範囲１５２に含まれる範囲内で調光領域１５４が設定されている。このように、調光領域設定可能範囲１５２に含まれる範囲内で調光領域１５４を設定することで、測定範囲１５０ａ、１５０ｂに、歯先付近の強い反射が生じる範囲が含まれる場合もこれに影響されることなく調光条件を設定することができる。なお、歯先を含まない範囲を調光領域１５４とし、調光条件を設定した場合、歯先付近は飽和してしまうことで精度は劣化するものの実用上は精度を要しない部位であり、形状の測定精度を高く維持することができる。

【0067】

また、パターン１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃは、照明光束Ｌを拡散反射した光であり、輝線１４４は、照明光束Ｌを正反射した光である。ここで、一般には拡散反射した部分と正反射した部分では戻り光量に、１０倍から１０００倍程度の違いがあり、拡散反射した部分の光量の方が正反射した部分の光量の方が小さくなる。このため、調光範囲に輝線１４４が含まれ、輝線１４４の光量に基づいて調光条件を設定すると、パターン１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃの光量に基づいて調光条件を設定した場合に比べると、入射光量が１０００分の１以下になってしまう場合があり、数１００階調しかない画素値で表現してしまうと輝線１４４が検出できるがパターン１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃが検出できなくなってしまうことになる。これに対して、本実施形態は、調光領域設定可能範囲１５２に含まれる範囲内で調光領域１５４が設定することで、パターン１４２ａ，１４２ｂ，１４２ｃが含まれる範囲を調光領域１５４に設定しやすくなり、また、輝線１４４が含まれる範囲が調光領域１５４に設定されにくくすることができる。

【0068】

また、本実施形態の制御部３２は、測定範囲設定部３３により複数の測定範囲を設定可能とすることで、パターンの像が投影されている範囲を選択して、測定範囲に設定することができる。これにより、測定範囲に輝線等が生じる部分が含まれる可能性を低減することができ、形状の測定精度をより高くすることができる。

【0069】

また、上記実施形態の制御部３２は、調光領域設定可能範囲をライン状のパターンの像の長手方向と長手方向に対して直交する方向とが辺となる矩形の範囲とすることで、撮像装置９で画像を読み取る方向と調光領域設定可能範囲の辺を同じ方向とすることができる。これにより、始点と終点の２点の指定で、矩形の調光領域設定可能範囲を特定することができ、処理が簡単となる。なお、調光領域設定可能範囲の形状は矩形に限定されない。図９Ｂに示す範囲１６０は、調光領域設定可能範囲１６４ａが５角形となる。このように、調光領域設定可能範囲は、３角形、５角形以上の多角形、円、楕円、円弧と直線とを組み合わせた閉じられた形状とすることができる。

【0070】

また、上記実施形態では、調光領域をライン状のパターンの像の長手方向と長手方向に対して直交する方向とが辺となる矩形の範囲とすることで、撮像装置９で画像を読み取る方向と調光領域設定可能範囲の辺を同じ方向とすることができる。これにより、始点と終点の２点の指定で、矩形の調光領域を特定することができる。これにより、調光領域のヒストグラム等の演算を簡単にすることができる。なお、調光領域の形状も矩形に限定されない。図９Ｂに示す範囲１６０は、調光領域設定可能範囲１６４ａが５角形となる。このように、調光領域設定可能範囲は、３角形、５角形以上の多角形、円、楕円、円弧と直線とを組み合わせた閉じられた形状とすることができる。

【0071】

また、本実施形態の制御部３２は、プレスキャン処理を実行可能とすることで、被測定物Ｍと照明光束Ｌとが相対移動する際の、測定範囲及び調光領域の画像の変動をユーザが目視で確認することができる。これにより、測定範囲及び調光領域をより適切な範囲、領域に設定することができる。

【0072】

また、形状測定装置１は、測定範囲を任意の領域に設定することができる。上記実施形態では、パターンの像が形成される領域を選択して複数の測定範囲にしたが、パターンの像が形成される範囲を全部含む広い範囲を１つの測定範囲としてもよい。この場合は、測定範囲に輝線を含む場合があるが、測定範囲に基づいて設定した調光領域設定可能範囲に基づいて調光領域を設定することで、一部の領域のみを調光領域とすることができる。これにより、調光条件を適切な条件とすることができる。

【0073】

また、制御部３２は、調光条件を、形状測定プログラムの作成時に設定したが、これに限定されない。制御部３２は、測定時の画像の調光領域の光量に基づいて、調光条件を設定してもよい。これにより、測定時に取得した画像に適した調光条件とすることができる。

【0074】

また、調光領域設定可能範囲設定部３５と調光領域設定部３４調光制御部３６はいずれも撮像装置９内に配置されていても良い。この場合には、制御部３２は、測定範囲設定部３２から測定範囲の各軸の最大座標値と最小座標値情報を撮像装置９に出力させる。そして、入力装置６から制御部３２を介して入力された調光領域指定情報と調光領域設定可能範囲情報とを対比させて、撮像装置９内にある調光領域設定部３９により調光領域を設定するようにしてもよい。また、撮像装置９内にある調光制御部３６は、撮像装置９内にある画像処理部２５から調光領域内の画素値に対して各画素列の最大画素値の分布情報を取得し、その情報に基づいて、撮像素子２０の露出制御を行うようにしても良い。

【0075】

以下、図１０Ａから図１０Ｃを用いてより詳細に説明する。形状測定装置１は、光学プローブ３と被測定物Ｍａとを相対的に移動させつつ、照明光束Ｌを投影し、投影されたパターンの画像を取得する。従って、形状測定装置１は、図１０Ａから図１０Ｃに示すように、画像に対して被測定物Ｍａ及びパターンの形状の位置が徐々に変動する。具体的には、被測定物の外形１８０が画面ウインドウ１０２Ａから画面ウインドウ１０２Ｂ、画面ウインドウ１０２Ｂから画面ウインドウ１０２Ｃに向かうに従って、画面側に移動する。また、画面ウインドウ１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃは、調光領域設定可能範囲１９０に含まれる範囲に調光領域１９２が設定されている。また、画面ウインドウ１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃは、調光領域設定可能範囲１９０と同じ範囲が測定領域に設定されている。形状測定装置１は、調光領域設定可能範囲１９０に基づいて調光領域１９２を設定できることで、いずれの画像においても外形１８０で輝点１８２が現れる部分を調光領域１９２から外すことができる。このように、調光領域を狭い範囲に設定できることで、測定時に調光条件を設定する場合も、取得した画像に適した調光条件とすることができる。

【0076】

形状測定装置１の移動機構は、本実施形態のように、第１の方向、第１の方向に直交する第２の方向、及び、第１方向と第２の方向がなす平面と直交する第３の方向に光学プローブ３と被測定物Ｍ（Ｍａ）とを相対移動可能であり、第１方向と第２の方向がなす平面に径方向が含まれることが好ましい。これにより、相対位置を任意の方向に移動させることができる。また、形状測定装置１は、形状測定装置１に限定されず、被測定物Ｍと被測定物Ｍに投影するパターンとの相対位置を移動さえる機構としては、種々の組み合わせを用いることができる。形状測定装置１は、光学プローブ３と被測定物ＭのどちらをＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能としてもよいし、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の回りを回転させてもよい。また、形状測定装置１は、相対移動しない機構としてもよい。

【0077】

ところで、光学プローブ３の照明光学系１３によりライン状のパターンが投影される例で説明したが、本発明はこれだけに限られない。例えば、被測定物Ｍに対してドット状のスポットパターンが投影される光学系と、このスポットパターンが被測定物Ｍの表面上で１方向に走査できるように、偏向走査ミラーを具備した照明光学系を用いても良い。この場合は、ライン状のパターンの長手方向が偏向走査ミラーの走査方向に対応する。これにより、ドット状のスポットパターン少なくとも線状の走査範囲内で走査しながら投影し、線状の走査範囲内がライン状のパターンとなる。

【0078】

上記実施形態の形状測定装置１は、１台の装置で処理を行ったが複数組み合わせてもよい。図１１は、形状測定装置を有するシステムの構成を示す模式図である。次に、図１１を用いて、形状測定装置を有する形状測定システム３００について説明する。形状測定システム３００は、形状測定装置１と、複数台（図では２台）の形状測定装置１ａと、プログラム作成装置３０２とを、有する。形状測定装置１、１ａ、プログラム作成装置３０２は、有線または無線の通信回線で接続されている。形状測定装置１ａは、測定範囲設定部３３、調光領域設定部３４及び調光領域設定可能範囲設定部３５を備えていない以外は、形状測定装置１と同様の構成である。プログラム作成装置３０２は、上述した形状測定装置１の制御装置４で作成する種々の設定やプログラムを作成する。具体的には、プログラム作成装置３０２は、測定範囲、調光領域設定可能範囲及び調光領域の情報や、測定範囲、調光領域設定可能範囲及び調光領域の情報を含む形状測定プログラム等を作成する。プログラム作成装置３０２は、作成したプログラムや、データを形状測定装置１、１ａに出力する。形状測定装置１ａは、領域及び範囲の情報や形状測定プログラムを形状測定装置１や、プログラム作成装置３０２から取得し、取得したデータ、プログラムを用いて、処理を行う。形状測定システム３００は、測定プログラムを形状測定装置１や、プログラム作成装置３０２で作成したデータ、プログラムを用いて、形状測定装置１ａで測定を実行することで、作成したデータ、プログラムを有効活用することができる。また、形状測定装置１ａは、測定範囲設定部３３、調光領域設定部３４及び調光領域設定可能範囲設定部３５、さらにその他の設定を行う各部を設けなくても測定を行うことができる。

【0079】

次に、上述した形状測定装置を備えた構造物製造システムについて、図１２を参照して説明する。図１２は、構造物製造システムのブロック構成図である。本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態において説明したような形状測定装置２０１と、設計装置２０２と、成形装置２０３と、制御装置（検査装置）２０４と、リペア装置２０５とを備える。制御装置２０４は、座標記憶部２１０及び検査部２１１を備える。

【0080】

設計装置２０２は、構造物の形状に関する設計情報を作成し、作成した設計情報を成形装置２０３に送信する。また、設計装置２０２は、作成した設計情報を制御装置２０４の座標記憶部２１０に記憶させる。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報を含む。

【0081】

成形装置２０３は、設計装置２０２から入力された設計情報に基づいて、上記の構造物を作成する。成形装置２０３の成形は、例えば鋳造、鍛造、切削等が含まれる。形状測定装置２０１は、作成された構造物（測定対象物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置２０４へ送信する。

【0082】

制御装置２０４の座標記憶部２１０は、設計情報を記憶する。制御装置２０４の検査部２１１は、座標記憶部２１０から設計情報を読み出す。検査部２１１は、形状測定装置２０１から受信した座標を示す情報（形状情報）と、座標記憶部２１０から読み出した設計情報とを比較する。検査部２１１は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部２１１は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。検査部２１１は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合に、構造物が修復可能であるか否か判定する。検査部２１１は、構造物が修復できる場合、比較結果に基づいて不良部位と修復量を算出し、リペア装置２０５に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。

【0083】

リペア装置２０５は、制御装置２０４から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。

【0084】

図１３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、まず、設計装置２０２が構造物の形状に関する設計情報を作成する（ステップＳ１０１）。次に、成形装置２０３は、設計情報に基づいて上記構造物を作成する（ステップＳ１０２）。次に、形状測定装置２０１は、作成された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ１０３）。次に、制御装置２０４の検査部２１１は、形状測定装置２０１で得られた形状情報と上記の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成されたか否か検査する（ステップＳ１０４）。

【0085】

次に、制御装置２０４の検査部２１１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Ｓ１０５）。構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、その処理を終了する。また、検査部２１１は、作成された構造物が良品でないと判定した場合（ステップＳ１０５でＮｏ）、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Ｓ１０６）。

【0086】

構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、リペア装置２０５が構造物の再加工を実施し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０３の処理に戻る。構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できないと検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０６でＮｏ）、その処理を終了する。以上で、構造物製造システム２００は、図１３に示すフローチャートの処理を終了する。

【0087】

本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態における形状測定装置２０１が構造物の座標を高精度に測定することができるので、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。

【0088】

なお、本実施形態におけるリペア装置２０５が実行するリペア工程は、成形装置２０３が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置２０４の検査部２１１が修復できると判定した場合、成形装置２０３は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置２０３は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。

【0089】

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【0090】

例えば、上記実施形態における形状測定装置１は、保持部材５５が片持ちで光学プローブ３を保持する構成を例示したが、これに限定されるものではなく、両持ちで保持する構成としてもよい。両持ちで保持することにより、回転時に保持部材５５に生じ変形を低減することができ、測定精度の向上を図ることが可能になる。

【0091】

また、上述実施形態では光学プローブ３から照明光束Ｌとしてライン光を照射し、被測定物から反射するライン状のパターンを撮像しているが、光学プローブ３の形式はこれに限られない。光学プローブ３から発せられる照明光は、所定の面内に一括で照射する形式でも構わない。例えば、米国特許６０７５６０５号に記載さる方式でも構わない。光学プローブから発せられる照明光は、点状のスポット光を照射する形式でも構わない。

【0092】

また、形状測定装置は、上記実施形態のように、円周方向に繰り返し形状を有しかつ円周方向とは異なる方向に延在した凹凸形状を有する形状の被測定物の測定に好適に用いることができる。形状測定装置は、繰り返し形状の１つについて、測定範囲、調光領域設定可能範囲及び調光領域を設定することで、設定した条件を他の繰り返し形状の測定に用いることができる。なお、被測定物は、円周方向に繰り返し形状を有しかつ円周方向とは異なる方向に延在した凹凸形状を有する形状に限定されず、種々の形状、例えば、繰り返し形状を備えない形状であってもよい。

【符号の説明】

【0093】

１ 形状測定装置
２ プローブ移動装置
３ 光学プローブ
４ 制御装置
５ 表示装置
６ 入力装置
７ 保持回転装置
８ 光源装置
９ 撮像装置
１０ 駆動部
１１ 位置検出部
１２ 光源
１３ 照明光学系
２０ 撮像素子
２０ａ 受光面
２１ 結像光学系
２１ａ 物体面
３２ 制御部
３３ 測定範囲設定部
３４ 調光領域設定部
３５ 調光領域設定可能範囲設定部
３６ 調光制御部
３７ 測定部
３８ 動作制御部
４６ 記憶部
４６Ａ 条件テーブル
４６Ｂ 形状測定プログラム
５０Ｘ、５０Ｙ、５０Ｚ 移動部
５２ 保持体
５３ 第１回転部
５３ａ 回転軸線
５４ 第２回転部
５５ 保持部材
５５Ａ 第１保持部
５５Ｂ 第２保持部
６２、６３、６４、６５、６６、６８ 矢印
７１ テーブル
７２ 回転駆動部
７３ａ、７３ｂ 基準球
１００ 画面
１０２、１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ 画像ウインドウ
１０４、１０６ ウインドウ
１１２ 測定条件欄
１１４、１２８、１３０ ボタン
１２０ チェックボックス
１２２ 調光領域選択点
１２４ 測定範囲選択点
１２６ 範囲欄
１４０、１８０ 外形
１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃ パターン
１４４ 輝線
１５０ａ、１５０ｂ 測定範囲
１５２、１９０ 調光領域設定可能範囲
１５４、１９２ 調光領域
１８２ 輝点
２００ 構造物製造システム
２０１ 形状測定装置
２０２ 設計装置
２０３ 成形装置
２０４ 制御装置
２０５ リペア装置
２１０ 座標記憶部
２１１ 検査部
３００ 形状測定システム
３０２ プログラム作成装置
ＡＸ 回転軸中心
Ｂ ベース
Ｍ 被測定物
Ｌ 照明光束

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図11】

【図12】

【図13】