(57)【要約】【課題】より精度良く測定対象の表面形状を評価する。【解決手段】測定対象の表面形状を評価する形状評価方法であって、線状光を出射し、線状光が照射された物体を撮像して、物体の形状を測定する測定部の所定基準位置に対する位置ズレ量を特定する。この特定では、平坦な鏡面を有する補助部材を、鏡面が基準部材のエッジから突出して基準部材の表面を臨むように配設させた状態で、測定部から線状光を基準部材に向けて出射し、測定部により基準部材を撮像して、出射された線状光が基準部材で反射した反射光の像である反射光像と、反射光が鏡面に映った鏡面光の像である鏡面光像と、を取得し、反射光像と鏡面光像とに基づき位置ズレ量を算出する。【選択図】図１
2020190482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の表面形状を評価する形状評価方法であって、
線状光を出射し、前記線状光が照射された物体を撮像して、前記物体の形状を測定する測定部の所定基準位置に対する位置ズレ量を特定する特定工程と、
前記測定部で測定した前記測定対象の表面形状、および、前記測定部で測定した、前記測定対象の表面形状の基準となる基準部材の表面形状それぞれを前記特定工程で特定された前記位置ズレ量で補正することによって得られた前記測定対象の補正形状および前記基準部材の補正形状を比較して、前記測定対象の表面形状を評価する評価工程と、を備え、
前記特定工程は、
平坦な鏡面を有する補助部材を、前記鏡面が前記基準部材のエッジから突出して前記基準部材の表面を臨むように配設させた状態で、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射する光出射工程と、
前記測定部により前記基準部材を撮像して、前記光出射工程で出射された前記線状光が前記基準部材で反射した反射光の像である反射光像と、前記反射光が前記鏡面に映った鏡面光の像である鏡面光像と、を取得する光像取得工程と、
前記反射光像と前記鏡面光像とに基づき前記位置ズレ量を算出する距離計算工程と、を含む、
形状評価方法。
【請求項２】
前記距離計算工程は、
複数のズレ測定点それぞれについて、同一の前記ズレ測定点に対応する前記反射光像の画素から前記鏡面光像の画素までの像間画素数の２分の１であるズレ画素数を求める画素計算工程と、
前記ズレ画素数と、前記ズレ画素数を前記基準部材における距離に変換する変換定数とを前記ズレ測定点毎に乗算した積を、それぞれ前記複数のズレ測定点における前記位置ズレ量として求める変換工程と、を含む、
請求項１に記載の形状評価方法。
【請求項３】
前記光出射工程は、
第１測定位置に前記測定部を位置させて、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射する工程と、
前記第１測定位置から所定方向に所定距離だけ離れた第２測定位置に前記測定部を位置させて、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射する工程と、を含み、
前記光像取得工程は、
前記第１測定位置での前記反射光像である第１反射光像を取得する工程と、
前記第２測定位置での前記反射光像である第２反射光像を取得する工程と、を含み、
前記画素計算工程は、
前記複数のズレ測定点それぞれについて、前記所定方向に沿った、前記第１反射光像の画素から前記第２反射光像の画素までの離間画素数を求める工程を含み、
前記変換工程は、
前記複数のズレ測定点それぞれについて、前記所定距離を前記離間画素数で除算して前記変換定数を求め、求めた前記変換定数と前記ズレ画素数とを乗算した積を、前記複数のズレ測定点における前記位置ズレ量として求める、
請求項２に記載の形状評価方法。
【請求項４】
前記特定工程は、複数の前記測定部の前記位置ズレ量をそれぞれ特定する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状評価方法。
【請求項５】
測定対象の表面形状を評価する形状評価装置であって、
線状光を出射し、前記線状光が照射された物体を撮像して、前記物体の表面形状を測定する測定部と、
前記測定対象の表面形状と同じ表面形状を有する基準部材と、
前記測定部の所定基準位置に対する位置ズレ量を測定する位置ズレ量測定部と、
前記測定部で測定した前記測定対象の表面形状、および、前記測定部で測定した、前記測定対象の表面形状の基準となる基準部材の表面形状それぞれを、前記位置ズレ量測定部により測定された前記位置ズレ量で補正することによって得られた前記測定対象の補正形状および前記基準部材の補正形状を比較して、前記測定対象の表面形状を評価する評価部と、を備え、
前記位置ズレ量測定部は、
平坦な鏡面を有する補助部材を、前記鏡面が前記基準部材のエッジから突出して前記基準部材の表面を臨むように配設させた状態で、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射させ、
前記測定部により前記基準部材を撮像させて、前記線状光が前記基準部材で反射した反射光の像である反射光像と、前記反射光が前記鏡面に映った鏡面光の像である鏡面光像と、を取得し、
前記反射光像と前記鏡面光像とに基づき前記位置ズレ量を算出する、
形状評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の表面形状を評価する形状評価技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばレーザ光を線状に形成した線状光を用いる光切断法によって測定対象の３次元形状を測定する形状測定技術が知られている。この形状測定技術では、光源が装置本体に取り付けられるが、取り付け作業の際に発生する取付誤差によって、光源の取付位置には誤差が生じてしまう。この取付位置の誤差によって、線状光の照射位置にズレが生じてしまい、測定対象を測定する際における測定断面の位置がズレる。この課題の解決策として、基準部材に基準線を設けて、基準線からの線状光のズレ量を測定して、光源の位置ズレを補正する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−７５８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の手法では、予め基準部材に基準線を描く罫書き作業が必要になるため、光源の位置ズレ量の測定精度は、罫書き作業の精度に依存する。しかし、例えばロータの歯型のような複雑な曲率形状の測定面を有する基準部材に対して、罫書き作業により測定面に基準線を均一に描くことは現実的に困難であり、基準線の濃度むら、基準線の幅のバラツキ、正確な線にならないガタツキ又は歪み等が生じる。
【０００５】
また、上記特許文献１では、基準線をカメラにより撮像し、撮像によって得られた画像データを画像処理することによって、基準線が検出されている。この場合、全視野範囲にわたって基準線を安定的に検出するためには、基準線に対する照明条件が全視野範囲にわたって一定になるように調整する必要があるが、実際には困難である。特に特許文献１では複数台のカメラが使用されているので、複数台のカメラに対して同時に照明条件を厳格に調整することが必要となるが、その調整作業は極めて困難である。
【０００６】
一方、基準部材に基準線を描くことに代えて、基準部材の測定面と端面との境界であるエッジを基準線とすることが考えられる。しかしながら、この場合にも、照明条件に関しては、上述と同様の問題が生じ得る。すなわち、場所によってはエッジが暗く撮像されてエッジの位置を精度良く検出できないことがあり、全視野範囲にわたってエッジが明るく撮像されるように照明条件を調整することは、現実的には困難である。以上の問題点から、基準線を精度良く検出することは困難となっていた。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、より精度良く基準線の位置を求めることによって、より精度良く測定対象の表面形状を評価することが可能な形状評価方法及び形状評価装置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】
【０００８】
本発明の第１態様にかかる形状評価方法は、
測定対象の表面形状を評価する形状評価方法であって、
線状光を出射し、前記線状光が照射された物体を撮像して、前記物体の形状を測定する測定部の所定基準位置に対する位置ズレ量を特定する特定工程と、
前記測定部で測定した前記測定対象の表面形状、および、前記測定部で測定した、前記測定対象の表面形状の基準となる基準部材の表面形状それぞれを前記特定工程で特定された前記位置ズレ量で補正することによって得られた前記測定対象の補正形状および前記基準部材の補正形状を比較して、前記測定対象の表面形状を評価する評価工程と、を備え、
前記特定工程は、
平坦な鏡面を有する補助部材を、前記鏡面が前記基準部材のエッジから突出して前記基準部材の表面を臨むように配設させた状態で、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射する光出射工程と、
前記測定部により前記基準部材を撮像して、前記光出射工程で出射された前記線状光が前記基準部材で反射した反射光の像である反射光像と、前記反射光が前記鏡面に映った鏡面光の像である鏡面光像と、を取得する光像取得工程と、
前記反射光像と前記鏡面光像とに基づき前記位置ズレ量を算出する距離計算工程と、を含むものである。
【０００９】
本発明の第２態様にかかる形状評価装置は、
測定対象の表面形状を評価する形状評価装置であって、
線状光を出射し、前記線状光が照射された物体を撮像して、前記物体の表面形状を測定する測定部と、
前記測定対象の表面形状と同じ表面形状を有する基準部材と、
前記測定部の所定基準位置に対する位置ズレ量を測定する位置ズレ量測定部と、
前記測定部で測定した前記測定対象の表面形状、および、前記測定部で測定した、前記測定対象の表面形状の基準となる基準部材の表面形状それぞれを、前記位置ズレ量測定部により測定された前記位置ズレ量で補正することによって得られた前記測定対象の補正形状および前記基準部材の補正形状を比較して、前記測定対象の表面形状を評価する評価部と、を備え、
前記位置ズレ量測定部は、
平坦な鏡面を有する補助部材を、前記鏡面が前記基準部材のエッジから突出して前記基準部材の表面を臨むように配設させた状態で、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射させ、
前記測定部により前記基準部材を撮像させて、前記線状光が前記基準部材で反射した反射光の像である反射光像と、前記反射光が前記鏡面に映った鏡面光の像である鏡面光像と、を取得し、
前記反射光像と前記鏡面光像とに基づき前記位置ズレ量を算出するものである。
【００１０】
この第１態様又は第２態様では、測定部により基準部材が撮像されて、線状光が基準部材で反射した反射光の像である反射光像と、反射光が鏡面に映った鏡面光の像である鏡面光像と、が取得される。反射光像と鏡面光像とに基づき位置ズレ量が算出される。測定部により撮像して、基準部材のエッジの明瞭な像を取得するのは困難である。しかしながら、反射光像及び鏡面光像については、エッジに比べて明るい反射光及び鏡面光により形成されているので、明瞭な像を取得することができる。したがって、エッジの位置に比べて、反射光像及び鏡面光像の位置を、より精度良く求めることができる。このため、反射光像及び鏡面光像に基づき、測定部の位置ズレ量を、より精度良く求めることができる。その結果、測定対象の形状を、より精度良く評価することが可能になる。
【００１１】
上記第１態様において、例えば、
前記距離計算工程は、
複数のズレ測定点それぞれについて、同一の前記ズレ測定点に対応する前記反射光像の画素から前記鏡面光像の画素までの像間画素数の２分の１であるズレ画素数を求める画素計算工程と、
前記ズレ画素数と、前記ズレ画素数を前記基準部材における距離に変換する変換定数とを前記ズレ測定点毎に乗算した積を、それぞれ前記複数のズレ測定点における前記位置ズレ量として求める変換工程と、を含んでもよい。
【００１２】
この態様において、反射光像と鏡面光像との間の中央は、鏡面の位置、つまり基準部材のエッジの位置に相当する。したがって、ズレ画素数は、基準部材のエッジの位置から反射光像の画素までの距離に相当する。つまり、ズレ画素数は、エッジの位置を基準とする測定部の位置ズレ量に相当する。したがって、ズレ画素数と変換定数とを乗算した積が、位置ズレ量として求まることとなる。よって、この態様によれば、位置ズレ量を容易に求めることが可能になる。
【００１３】
上記第１態様において、例えば、
前記光出射工程は、
第１測定位置に前記測定部を位置させて、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射する工程と、
前記第１測定位置から所定方向に所定距離だけ離れた第２測定位置に前記測定部を位置させて、前記測定部から前記線状光を前記基準部材に向けて出射する工程と、を含み、
前記光像取得工程は、
前記第１測定位置での前記反射光像である第１反射光像を取得する工程と、
前記第２測定位置での前記反射光像である第２反射光像を取得する工程と、を含み、
前記画素計算工程は、
前記複数のズレ測定点それぞれについて、前記所定方向に沿った、前記第１反射光像の画素から前記第２反射光像の画素までの離間画素数を求める工程を含み、
前記変換工程は、
前記複数のズレ測定点それぞれについて、前記所定距離を前記離間画素数で除算して前記変換定数を求め、求めた前記変換定数と前記ズレ画素数とを乗算した積を、前記複数のズレ測定点における前記位置ズレ量として求めてもよい。
【００１４】
この態様では、第１測定位置に測定部を位置させて第１反射光像が取得され、第２測定位置に測定部を位置させて第２反射光像が取得される。したがって、所定方向における所定距離は、所定方向に沿った離間画素数に対応する。このため、所定距離を離間画素数で除算すると、ズレ画素数を基準部材における距離に変換する変換定数が求められる。その結果、求めた変換定数とズレ画素数とを乗算することによって、より簡易に位置ズレ量を求めることができる。
【００１５】
上記第１態様において、例えば、
前記特定工程は、複数の前記測定部の前記位置ズレ量をそれぞれ特定してもよい。
【００１６】
この態様によれば、複数の測定部の位置ズレ量を、それぞれ、より精度良く求めることができる。その結果、測定対象の形状を、より精度良く評価することが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる形状評価方法および形状評価装置は、より精度良く測定対象の表面形状を評価することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の形状評価装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図２】形状評価装置における測定部の構成を示すブロック図である。
【図３】剛体支持部材に支持された各測定部を示す概略正面図である。
【図４】形状評価装置における補正値を説明するための図である。
【図５】鏡が固定された基準部材の基準溝を模式的に示す斜視図である。
【図６】基準溝及び鏡に映る像空間を模式的に示す上面図である。
【図７】撮像部によって撮像された画像の一例を模式的に示す図である。
【図８】図７の撮像部における結像状態を模式的に示す図である。
【図９】図７の撮像部における結像状態を模式的に示す図である。
【図１０】変換定数の算出方法を説明する図である。
【図１１】基準溝及び鏡に映る像空間を模式的に示す上面図である。
【図１２】撮像部によって撮像された画像の一例を模式的に示す図である。
【図１３】変換定数を表す近似直線の一例を示す図である。
【図１４】形状評価装置における傾斜角の算出方法を説明するための図である。
【図１５】形状評価装置の動作を示すフローチャートである。
【図１６】形状評価装置における各測定部で測定された各測定結果の連結方法を説明するための図である。
【図１７】本実施形態の形状評価装置の外観を概略的に示す図である。
【図１８】基準部材の外観を概略的に示す図である。
【図１９】基準部材に鏡が固定された状態でロータ軸に載せられた基準部材を概略的に示す図である。
【図２０】基準部材及びスクリューロータを上方から見た平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２０】
図１７は、スクリューロータ３００の形状を測定する本実施形態の形状評価装置１００の外観を概略的に示す図である。図１８は、基準部材４００の外観を概略的に示す図である。図１９は、基準部材４００に鏡４５０が固定された状態で、スクリューロータ３００のロータ軸３２０に載せられた基準部材４００を概略的に示す図である。図２０は、基準部材４００及びスクリューロータ３００を上方から見た平面図である。なお、図１８では、基準部材４００を分かりやすくするために、鏡４５０の図示が省略されている。図１７〜図２０を用いて、形状評価装置１００の機械的構成が説明される。
【００２１】
図１７に示されるように、形状評価装置１００は、台座部１１０、一対の保持部１２０、剛体支持部材２（後述の図３）、支持部１４０、天板部１５０を備える。形状評価装置１００は、スクリューロータ３００の表面に中心軸ＣＺ周りに螺旋状に形成された溝である対象溝３０２（測定対象の一例に相当）の形状を測定する。スクリューロータ３００は、中心軸ＣＺと同心のロータ軸３２０を有する。ロータ軸３２０は、中心軸ＣＺに沿って延びる円柱形状の部材である。本明細書の図面には表れていないが、対象溝３０２は、中心軸ＣＺ周りに捻れながら螺旋状に形成されている。
【００２２】
本実施形態では、図１７に示されるように、ＰＸ，ＱＹ，ＲＺ方向が設定されている。ＲＺ方向は、図１７中、左右方向に設定され、＋ＲＺ方向が図１７の右向きに設定され、−ＲＺ方向が図１７の左向きに設定されている。ＱＹ方向は、図１７の上下方向に設定され、＋ＱＹ方向が図１７の上向きに設定され、−ＱＹ方向が図１７の下向きに設定されている。ＰＸ方向は、図１７中、紙面の法線方向に設定され、−ＰＸ方向が図１７の紙面奥行き方向に設定され、＋ＰＸ方向が図１７の紙面手前向きに設定されている。
【００２３】
台座部１１０は、平板形状を有し、例えば、形状評価装置１００が設置された工場の床に対して固定されている。一対の保持部１２０は、台座部１１０の図１７中、左右両端にそれぞれ設けられている。一対の保持部１２０は、それぞれ例えばチャックを有し、スクリューロータ３００のロータ軸３２０の両端を、それぞれ保持している。スクリューロータ３００は、スクリューロータ３００の中心軸ＣＺがＲＺ方向と平行になるように、一対の保持部１２０により保持されて、台座部１１０上に配置されている。
【００２４】
天板部１５０は、平板形状を有し、台座部１１０の上方に設置されている。天板部１５０の下面に、支持部１４０が取り付けられている。支持部１４０は、剛体支持部材２（後述の図３）を支持する。支持部１４０は、ＲＺ方向及びｙ方向（後述の図５）に移動可能に、天板部１５０に設置されている。
【００２５】
図１７に示されるように、スクリューロータ３００のロータ軸３２０に、基準部材４００が載せられている。図１８に示されるように、基準部材４００は、上面に基準溝４０２が形成された上半部４０４と、上半部４０４に接続され下面に凹部４０６が形成された下半部４０８と、下半部４０８に接続された脚部４１０，４１２と、を含む。上半部４０４は、基準溝４０２の端部に形成された平坦な端面４１６を有する。エッジ４１４は、基準溝４０２と端面４１６との境界である。凹部４０６は、ＲＺ方向視で半円状に形成され、図１９に示されるように、スクリューロータ３００のロータ軸３２０に嵌合するように形成されている。基準部材４００は、図１９に示されるように、凹部４０６がスクリューロータ３００のロータ軸３２０に嵌合した状態で、脚部４１０，４１２によって台座部１１０上に支持されている。
【００２６】
基準溝４０２は、スクリューロータ３００の対象溝３０２の形状を測定するための溝である。そこで、基準部材４００は、スクリューロータ３００と同じ材質で形成されている。基準溝４０２は、螺旋状ではなくて、基準溝４０２の幅方向であるｘ方向（後述の図２０）及び深さ方向であるｚ方向（後述の図２０）の両方と直交する方向において直線状に形成されている。言い換えると、この直交する方向において、基準溝４０２は、同じ形状及び同じ寸法を有する。また、基準部材４００の基準溝４０２は、凹部４０６がロータ軸３２０に嵌合したときに、基準溝４０２の延設方向が対象溝３０２の延設方向Ｌ２１（図１７）に平行になるように、形成されている。
【００２７】
本実施形態では、図２０に示されるように、後述のワールド直交座標系ｘ，ｙ，ｚが設定されている。図２０において、溝底線ＣＢ１は、基準溝４０２の最も低い位置を結ぶ線である。ｙ軸は、溝底線ＣＢ１に平行に設定されている。ｘ軸は、基準溝４０２の幅方向に、つまり溝底線ＣＢ１に直交する方向に、設定されている。基準部材４００の上半部４０４の端面４１６（図１８）は、ｘ軸及びｚ軸に平行であり、ｙ軸に直交する。
【００２８】
本実施形態では、図１９、図２０に示されるように、基準部材４００には、鏡４５０が固定されている。鏡４５０（補助部材の一例に相当）は、平坦な鏡面４５１を有する。鏡４５０は、鏡面４５１が上半部４０４の端面４１６に当接し、かつ、鏡面４５１がエッジ４１４から図２０の上方（つまり、＋ｚ方向）に突出して基準溝４０２を臨むように、基準部材４００に固定されている。鏡４５０は、例えば万力などの治具を用いて基準部材４００に固定される。
【００２９】
図１は、形状評価装置１００の電気的構成を示すブロック図である。図２は、形状評価装置１００における測定部の構成を示すブロック図である。図３は、形状評価装置１００において、剛体支持部材に支持された各測定部を示す概略正面図である。
【００３０】
形状評価装置１００は、所定の測定範囲を持つ複数の測定部を用い、各測定部で測定された各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせることで、対象溝３０２の３次元形状を測定する。形状評価装置１００は、本実施形態では、各測定結果を互いに繋ぎ合わせる際に、各測定結果をそれぞれ補正する。
【００３１】
このような形状評価装置１００は、例えば、図１に示すように、複数の測定部１（１−１、１−２、１−３）と、制御処理部３と、記憶部４と、入力部５と、出力部６と、インターフェース部（ＩＦ部）７と、駆動部８と、を備える。
【００３２】
複数の測定部１は、それぞれ、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って、所定の測定範囲における画像を生成する。制御処理部３は、この生成された画像に基づいて、測定対象である基準溝４０２及び対象溝３０２における所定の測定範囲での３次元形状を測定する。制御処理部３は、複数の測定部１からそれぞれ出力された画像に基づいて、例えば、いわゆる光切断法によって測定対象の３次元形状を測定する。
【００３３】
光切断法は、公知技術であり、概略、線状光を測定対象に照射し、線状光の照射方向と角度を持つ撮像方向から、測定対象における線状光の照射された領域を撮像することで線状光の反射光を含む画像を生成し、この生成した画像における線状光の形状から三角測量の原理によって測定対象における線状光１本分の３次元形状を求める手法である。そして、この光切断法では、測定対象に対し、線状光の延びる方向に直交する方向に線状光を走査することで、測定対象全体の３次元形状が得られる。
【００３４】
このような光切断法を用いるための複数の測定部１は、それぞれ、例えば、図２に示すように、レーザ光源部１１と、撮像部１２とを備える。レーザ光源部１１は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って線状光を照射する装置である。レーザ光源部１１は、例えば、レーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光源から照射されたレーザ光を線状に形成し、この形成した線状のレーザ光である線状レーザ光（線状光の一例に相当）を測定対象に照射する光学系とを備える。線状光は、例えば、スポット光を円筒レンズでスリット状にして得るようにしてもよい。代替的に、スポット光を１次元走査することにより、線状光を得るようにしてもよい。
【００３５】
撮像部１２は、レーザ光源部１１の照射方向に所定の角度φで交差する撮像方向から撮像するように配置されている。すなわち、レーザ光源部１１の光軸ＡＸ１と撮像部１２の光軸ＡＸ２とは、角度φで交差している。撮像部１２は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って測定対象である基準溝４０２及び対象溝３０２における線状レーザ光の照射された領域を撮像して、その画像を生成する。
【００３６】
撮像部１２は、いわゆるカメラであり、例えば、結像光学系１２Ｌ（後述の図８〜図１０）、イメージセンサおよび画像処理回路を備える。撮像部１２は、測定対象における撮像領域の光学像を結像光学系１２Ｌによってイメージセンサの受光面１２Ｓ（後述の図８〜図１０）に結像し、この結像した光学像をイメージセンサによって受光して光学像の受光信号を生成し、この生成した受光信号に対し公知の画像処理を施すことによって測定対象における撮像領域の画像データを生成する。線状レーザ光の照射方向、つまりレーザ光源部１１の光軸ＡＸ１は、例えば垂直方向（０°）である。撮像部１２の撮像方向、つまり撮像部１２の光軸ＡＸ２は、所定の角度φである。
【００３７】
制御処理部３は、レーザ光源部１１および撮像部１２それぞれを当該機能に応じて制御し、撮像部１２で得られた測定対象である基準溝４０２及び対象溝３０２における撮像領域の画像データから光切断法によって測定対象の３次元形状を求める。
【００３８】
なお、上述では、撮像領域の画像データから光切断法によって測定対象の３次元形状を求める機能が制御処理部３に備えられているが、これに限られない。例えば、複数の測定部１が、個別に、３次元形状を求める機能を備えても良く、共通に３次元形状を求める機能を備えても良い。
【００３９】
そして、これら複数の測定部１は、これら複数の測定部１それぞれにおける各測定範囲の少なくとも一部が互いに重複しないように、剛体で形成された剛体支持部材２によって固定的に支持される。剛体支持部材２は、複数の測定部１それぞれで１つの各測定結果を得る間、これら複数の測定部１における相互位置関係が維持される強度を有する。剛体支持部材２は、例えば、鋼材やステンレス材等で形成される板である。
【００４０】
より具体的には、複数の測定部１は、３個の第１ないし第３測定部１−１〜１−３からなる。そして、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、例えば、図３に示すように、所定の中心点ＣＰから等距離となるように、かつ、周方向に等間隔となるように、剛体支持部材２上に固定的に配設されている。
【００４１】
より詳しくは、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３の各測定範囲が互いに重複すること無く順次に連続するように、そして、第２測定部１−２を中心に図３中、左右に周方向の等間隔で第１および第３測定部１−１、１−３が位置するように、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、剛体支持部材２上に配設され、例えばネジやボルトとナット等の締結部材で剛体支持部材２に固定されている。このような剛体支持部材２に固定的に配置される第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、図３に示すように、測定対象の曲面の形状を一度に測定する場合に好適な構成である。
【００４２】
図１に戻って、入力部５は、制御処理部３に接続され、例えば、測定開始を指示するコマンド等の各種コマンド、および、例えば測定対象の名称等の測定する上で必要な各種データを形状評価装置１００に入力する機器であり、例えば、キーボードおよびマウス等である。出力部６は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って、入力部５から入力されたコマンドやデータ、および、形状評価装置１００によって求められた測定対象の３次元形状等を出力する機器であり、例えばＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイおよび有機ＥＬディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。
【００４３】
なお、入力部５および出力部６からタッチパネルが構成されてもよい。このタッチパネルを構成する場合において、入力部５は、例えば抵抗膜方式や静電容量方式等の操作位置を検出して入力する位置入力装置であり、出力部６は、表示装置である。このタッチパネルでは、表示装置の表示面上に位置入力装置が設けられ、表示装置に入力可能な１または複数の入力内容の候補が表示され、ユーザが、入力したい入力内容を表示した表示位置に触れると、位置入力装置によってその位置が検出され、検出された位置に表示された表示内容がユーザの操作入力内容として形状評価装置１００に入力される。このようなタッチパネルでは、ユーザは、入力操作を直感的に理解し易いので、ユーザにとって取り扱い易い形状評価装置１００が提供される。
【００４４】
ＩＦ部７は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って外部機器との間でデータを入出力するためのインターフェース回路であり、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格を用いてデータを入出力するＢｌｕｅｔｏｏｔｈインターフェース回路、ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｃｏｉａｔｉｏｎ）規格を用いてデータを入出力するＩｒＤＡインターフェース回路およびＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）規格を用いてデータを入出力するＵＳＢインターフェース回路等である。
【００４５】
また、ＩＦ部７は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って有線または無線で通信するための通信回路であっても良い。このようなＩＦ部７は、制御処理部３から入力された転送すべきデータを収容した通信信号を、通信ネットワークで用いられる通信プロトコルに従って生成し、この生成した通信信号を、通信ネットワークを介して外部機器へ送信する。ＩＦ部７は、通信ネットワークを介して外部機器から通信信号を受信し、この受信した通信信号からデータを取り出し、この取り出したデータを制御処理部３が処理可能な形式のデータに変換して制御処理部３へ出力する。
【００４６】
駆動部８は、制御処理部３に接続され、例えばステッピングモータを含む。駆動部８は、制御処理部３により制御されて、天板部１５０に対して支持部１４０を移動させる。
【００４７】
記憶部４は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って、各種の所定のプログラムおよび各種の所定のデータを記憶する回路である。各種の所定のプログラムには、例えば、形状評価装置１００の各部を当該各部の機能に応じて制御する制御プログラムや、複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正する補正プログラムや、補正プログラムで補正された後の各測定結果を連結する連結処理プログラム等の制御処理プログラムが含まれる。各種の所定のデータには、例えば補正プログラムで使用される後述の位置ズレ量Ｂや傾斜角θ等の、測定対象の３次元形状を測定するために必要なデータが含まれる。
【００４８】
このような記憶部４は、例えば不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備える。そして、記憶部４は、所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる制御処理部３のワーキングメモリとなるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備える。また、記憶部４は、例えばハードディスク等の比較的大容量の記憶装置を備えても良い。
【００４９】
そして、記憶部４は、位置ズレ量Ｂおよび傾斜角θを記憶するために、位置ズレ量情報記憶部４１および傾斜角情報記憶部４２を機能的に備える。
【００５０】
位置ズレ量情報記憶部４１は、複数の測定点Ｐｎそれぞれにおける各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）を、測定対象の形状を測定する前に予め、記憶するものである。位置ズレ量Ｂ（Ｐ）は、測定点Ｐが、基準部材４００のエッジ４１４（所定基準位置の一例に相当）から、端面４１６に直交する方向に沿ってずれたズレ量である。このような各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）は、基準部材４００のエッジ４１４を直接検出することなく、後述のように、基準部材４００の基準溝４０２に向けて線状光を照射することによって求められる。
【００５１】
傾斜角情報記憶部４２は、複数の測定点Ｐｎそれぞれにおける各傾斜角θ（Ｐｎ）を、測定対象の形状を測定する前に予め、記憶するものである。傾斜角θ（Ｐ）は、測定点Ｐにおける例えば基準溝４０２の表面の接平面と、基準溝４０２の幅方向及びこの幅方向に直交する方向で形成される基準平面ＳＦ−Ｒとのなす角である。このような各傾斜角θ（Ｐｎ）は、例えば、後述するように、測定対象Ｏｂの設計データから求められる。また例えば、各傾斜角θ（Ｐｎ）は、測定対象を測定することによって求められる。これら各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および各傾斜角θ（Ｐｎ）については、後に詳述する。
【００５２】
制御処理部３は、形状評価装置１００の各部を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御し、測定対象の３次元形状を測定するための回路である。制御処理部３は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）およびその周辺回路を備える。制御処理部３には、制御処理プログラムが実行されることによって、制御部３０、評価部３１、位置ズレ量測定部３４および傾斜角測定部３５が機能的に構成される。評価部３１は、補正部３２、連結処理部３３、基準処理部３６、対象処理部３７、評価処理部３８を含む。
【００５３】
制御部３０は、形状評価装置１００の各部を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御する。位置ズレ量測定部３４、傾斜角測定部３５、基準処理部３６、対象処理部３７、評価処理部３８については後述される。
【００５４】
補正部３２は、複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正する。より具体的には、補正部３２は、複数の測定点Ｐｎそれぞれについて、当該測定点Ｐｎでの位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）に基づく補正値Ｃ（Ｐｎ）で当該測定点Ｐｎでの測定結果（Ｘ（Ｐｎ）、Ｙ（Ｐｎ）、Ｚ（Ｐｎ））を補正する。より詳しくは、補正値Ｃ（Ｐｎ）は、
Ｃ（Ｐｎ）＝Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ）
であり、補正部３２は、補正後の測定結果を、
（Ｘ（Ｐｎ）、Ｙ（Ｐｎ）、Ｚ（Ｐｎ）−Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ））
として求める。
【００５５】
連結処理部３３は、複数の測定部１それぞれで測定され補正部３２によって補正された補正後の各測定結果を互いに繋ぎ合わせる連結処理を実行する。本実施形態では、複数の測定部１は、それぞれ、ローカル直交座標系ＸＹＺで測定対象の３次元形状を測定し、これら複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果は、各ローカル直交座標系ＸＹＺ上で補正される。そして、形状評価装置１００は、ワールド直交座標系ｘｙｚを有し、連結処理部３３は、このワールド直交座標系ｘｙｚでの複数の測定部１それぞれの各配設位置に基づいて、各ローカル直交座標系ＸＹＺでの各補正後の各測定結果をワールド直交座標系ｘｙｚへ座標変換することによって連結処理を実行する。
【００５６】
図４は、形状評価装置１００における補正値を説明するための図である。図４（Ａ）は、斜視図であり、図４（Ｂ）は、断面図である。
【００５７】
上述のように複数の測定部１、本実施形態では、第１ないし第３測定部１−１〜１−３が、その設計位置に正確に剛体支持部材２に配置される場合には、補正の有用性は、少ない。しかしながら、現実の製品では、第１ないし第３測定部１−１〜１−３をその設計位置に正確に剛体支持部材２に配置することは、機械精度上、難しい。あるいは、測定部１個々の製品ばらつきもある。このため、例えば、図４（Ａ）に示すように、各測定部１−１〜１−３の各測定範囲、本実施形態では線状光の反射光ＳＳ−１〜ＳＳ−３は、各繋ぎ目が必ずしも一致せずにズレてしまう。
【００５８】
このため、本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、測定点Ｐにおける位置ズレ量Ｂ（Ｐ）が基準部材４００から予め求められ、測定点Ｐにおける傾斜角θ（Ｐ）が基準部材４００又は設計データ等から予め求められ、高さの測定値Ｈ１に対して、補正値Ｃ（Ｐ）が、
Ｃ（Ｐ）＝Ｂ（Ｐ）×ｔａｎθ（Ｐ）
により求められ、補正後の高さＨ２が、
Ｈ２＝Ｈ１−Ｂ（Ｐ）×ｔａｎθ（Ｐ）
により求められている。このように、光切断法によって求められる高さ、つまり形状評価装置１００から測定対象である基準溝４０２及び対象溝３０２までの距離が補正される。
【００５９】
以下、位置ズレ量Ｂ、傾斜角θおよび測定対象の測定動作が、順に説明される。これらの説明において、第１ないし第３測定部１−１〜１−３それぞれには、各ローカル直交座標系ＸＹＺが図４に示すように設定される。より詳しくは、本実施形態では、光切断法が用いられるので、設計上の線状光の延びる方向に沿ってＸ軸が設定され、これに直交する方向に沿ってＹ軸が設定される。光切断法の走査方向は、Ｙ軸に沿って設定される。そして、これらＸ軸およびＹ軸それぞれに直交する方向に沿ってＺ軸が設定される。Ｚ軸は、線状光の照射方向、つまりレーザ光源部１１の光軸ＡＸ１に沿って設定される。
【００６０】
まず、レーザ光の位置ズレ量の測定方法が説明される。本手法では、罫書き作業により基準溝に描かれた基準線を用いるのではなく、基準部材４００のエッジ４１４を基準線としてズレ量を求める。ただし、従来法とは異なり、画像処理で基準部材４００のエッジ４１４を検出する手法は取らない。位置ズレ量は、位置ズレ量測定部３４によって測定される。
【００６１】
図５は、鏡４５０が固定された基準部材４００の基準溝４０２を模式的に示す斜視図である。図６は、基準溝４０２及び鏡４５０に映る像空間Ｉ４５０を模式的に示す上面図である。図５、図６を用いて、形状評価装置１００における測定部１の位置ズレ量が説明される。
【００６２】
第１〜第３測定部１−１〜１−３の剛体支持部材２への取付誤差に起因して、それぞれの線状光の反射光ＳＳ−１〜ＳＳ−３は、基準部材４００のエッジ４１４（端面４１６）に平行にならず、かつ、各繋ぎ目が必ずしも一致せずにズレてしまう。一方、上述のように、位置ズレ量を求める際に基準となるべき基準部材４００のエッジ４１４は、撮像部１２では明瞭に撮像することが困難である。
【００６３】
そこで、本実施形態では、図５に示され、図１９、図２０にも示されたように、基準部材４００の端面４１６（図１８）に鏡４５０の鏡面４５１が当接するように、かつ、鏡面４５１がエッジ４１４から上方に突出して基準溝４０２を臨むように、鏡４５０が基準部材４００に固定されている。したがって、図５に示されるように、基準溝４０２に照射された線状光の反射光ＳＳ−１〜ＳＳ−３が鏡面４５１に映る鏡面光ＭＳＳ−１〜ＭＳＳ−３が、それぞれ、エッジ４１４に関して反射光ＳＳ−１〜ＳＳ−３と対称に見える。
【００６４】
なお、この基準部材４００では、図５に示されるように、設計上の線状光の延びる方向に沿った、Ｘ軸と同方向のｘ軸、このｘ軸に直交し、光切断法の走査方向に沿った、Ｙ軸と同方向のｙ軸、および、これらｘ軸およびｙ軸それぞれに直交するｚ軸から成るワールド直交座標系ｘｙｚが設定されている。上述のように、基準溝４０２のｘｚ平面に平行な断面形状は、対象溝３０２と略同形状である。この基準溝４０２では、ｙ軸の方向には、対象溝３０２と略同形状なｘｚ平面が連続する。
【００６５】
図７は、撮像部１２によって撮像された画像の一例を模式的に示す図である。図８、図９は、図７の撮像部１２における結像状態を模式的に示す図である。図９では、レーザ光源部１１及び鏡４５０の図示が省略されている。
【００６６】
図７に示されるように、撮像部１２によって撮像された画像Ｉ１２には、レーザ光源部１１から出射され基準溝４０２で反射された反射光ＳＳ−１の像である反射光像ＩＳＳ−１と、反射光ＳＳ−１が鏡４５０に映った鏡面光ＭＳＳ−１の像である鏡面光像ＩＭＳＳ−１とが含まれる。なお、基準部材４００のエッジ４１４の像４１４Ｉは、上述のように明瞭には映らない。
【００６７】
図８、図９は、図７に示される画像Ｉ１２の位置Ｐ１２における結像状態を示している。図８、図９において、直線４０２Ｌは、図８、図９の紙面と基準溝４０２とが交わる線である。基準溝４０２は曲面であるので、実際には曲線であるが、図８、図９の範囲では、直線４０２Ｌと見なしている。図８、図９に示される点４１４Ｐは、図８、図９の紙面と基準溝４０２とエッジ４１４との交点である。
【００６８】
図８において、レーザ光源部１１から出射されたレーザ光１１Ｌは、点１１ＬＰにおいて基準溝４０２で散乱反射され、反射光は、結像光学系１２Ｌにより撮像部１２の受光面１２Ｓに結像されて、像１１ＬＩが形成される。点１１ＬＰが鏡４５０に映った鏡像点１１ＭＰは、結像光学系１２Ｌにより撮像部１２の受光面１２Ｓに結像されて、像１１ＭＩが形成される。点４１４Ｐの像４１４ＰＩは、明瞭ではないが、撮像部１２の受光面１２Ｓに形成される。距離Ｄ１は、点１１ＬＰと点４１４Ｐとの距離であり、鏡像点１１ＭＰと点４１４Ｐとの距離である。距離Ｄ２は、撮像部１２の受光面１２Ｓに直交する方向における点１１ＬＰと結像光学系１２Ｌの中心Ｏとの距離である。
【００６９】
画素数ＰＸ１は、像４１４ＰＩから像１１ＬＩまでの画素数である。画素数ＰＸ２は、像４１４ＰＩから像１１ＭＩまでの画素数である。画素数ＰＸ１と画素数ＰＸ２とは、距離Ｄ１に対して距離Ｄ２が十分に大きい場合には、互いに等しくなるので、ＰＸ１＋ＰＸ２＝２ＰＸと表すことができる。図９を用いて、この点が詳しく説明される。
【００７０】
図９において、点１１ＬＰを通る面１２Ｐは、撮像部１２の受光面１２Ｓに平行な平面である。点Ａは、鏡像点１１ＭＰの位置を表す。点Ｂは、点１１ＬＰの位置を表す。点Ｃは、点４１４Ｐと結像光学系１２Ｌの中心Ｏとを結ぶ直線と、面１２Ｐとの交点である。点Ｄは、点Ａと結像光学系１２Ｌの中心Ｏとを結ぶ直線と、面１２Ｐとの交点である。点Ｅは、点Ａを通り、点４１４Ｐと結像光学系１２Ｌの中心Ｏとを結ぶ直線に平行な直線と、面１２Ｐとの交点である。角度αは、点４１４Ｐと結像光学系１２Ｌの中心Ｏとを結ぶ直線と、直線４０２Ｌとのなす角度である。
【００７１】
△ＡＤＥと△ＯＤＣとは相似であるので、
ＣＤ／ＯＣ＝ＤＥ／ＡＥ
となる。したがって、
ＤＥ＝ＣＤ×ＡＥ／ＯＣ
である。また、
ＣＥ＝ＣＢ
である。したがって、
ＣＥ＝ＣＤ＋ＤＥ＝ＣＤ＋ＣＤ×ＡＥ／ＯＣ
＝ＣＤ（ＯＣ+ＡＥ）／ＯＣ
となる。よって、
ＣＤ＝ＣＥ×ＯＣ／（ＯＣ+ＡＥ）
＝ＣＢ×Ｄ２／（Ｄ２＋２Ｄ１ｃｏｓα）
となる。
【００７２】
したがって、
ＰＸ１：ＰＸ２＝ＣＢ：ＣＤ＝ＣＢ：ＣＢ×Ｄ２／（Ｄ２＋２Ｄ１ｃｏｓα）
＝１：Ｄ２／（Ｄ２＋２Ｄ１ｃｏｓα）
＝（１＋２Ｄ１ｃｏｓα／Ｄ２）：１
となる。Ｄ１≪Ｄ２のとき、
２Ｄ１ｃｏｓα／Ｄ２≒０
となるので、
ＰＸ１：ＰＸ２＝１：１
が得られる。したがって、
ＰＸ１＝ＰＸ２＝ＰＸ
と近似することが可能である。
【００７３】
また、この結果より、Ｄ１∝ＰＸとの比例関係が得られるので、定数Ｌを用いて、
Ｄ１＝Ｌ×ＰＸ
と表すことができる。但し、上述のように、エッジ４１４が明瞭に撮像されないため、
ＰＸ１＝ＰＸ２＝ＰＸ
を求めることはできない。しかしながら、レーザ光の像１１ＬＩと、鏡に映ったレーザ光の像１１ＭＩとは、明瞭に撮像されているため、
ＰＸ１＋ＰＸ２＝２ＰＸ
を精度良く求めることはできる。そこで、撮像部１２における画素数ＰＸからレーザ光のズレ量である距離Ｄ１に変換するための変換定数をＫ［ｍｍ／ｐｉｘｅｌ］とすると、エッジ４１４からのレーザ光のズレ量である距離Ｄ１は、
Ｄ１＝２ＰＸ［ｐｉｘｅｌ］×Ｋ［ｍｍ／ｐｉｘｅｌ］÷２
により算出することができる。
【００７４】
つまり、基準部材４００のエッジ４１４からの測定部１のズレ量を求める際に、エッジ４１４を検出する必要がなく、代わりに基準溝４０２に照射されるレーザ光のプロファイルと鏡に映るレーザ光のプロファイルとの撮像部１２により撮像された画像上での差である画素数を求めることにより、エッジ４１４からのズレ量が測定可能である。鏡に映る鏡面光像のプロファイル計算は、基準溝４０２から反射されるレーザ光像のプロファイルの計算と同様の計算で求めることができるため、同等の精度でプロファイル計算が可能である。よって、基準部材４００の表面に描かれた基準線又は基準部材４００のエッジ４１４を画像処理で検出する手法に比べて、より精度良くズレ量を求めることが可能である。
【００７５】
また、変換定数Ｋ［ｍｍ／ｐｉｘｅｌ］の決定方法については、設計値から求める方法又は実測する手法が考えられる。まず、設計値を用いて変換定数Ｋ［ｍｍ／ｐｉｘｅｌ］を求める手法について、図１０を用いて説明する。
【００７６】
図１０は、変換定数Ｋの算出方法を説明する図である。図１０は、図９と同様に、レーザ光の結像状態を示している。図１０において、距離Ｄ３は、結像光学系１２Ｌの中心Ｏから撮像部１２の受光面１２Ｓまでの距離である。距離Ｄ４は、鏡像点１１ＭＰからの光線ＬＧ１と面１２Ｐとの交点と、点４１４Ｐとの間の距離である。画素数ＰＸ（図９）に対応する距離ＤＰは、１画素のサイズである。したがって、距離Ｄ１に対応する鏡像点１１ＭＰと点４１４Ｐとの間の距離は、変換定数Ｋである。
【００７７】
相似三角形の関係から、
Ｄ４／Ｄ２＝ＤＰ／Ｄ３
であるので、
Ｄ４＝ＤＰ×Ｄ２／Ｄ３
が得られる。
【００７８】
距離Ｄ２が距離Ｄ１に対して十分に大きい場合には、点１１ＭＰからの光線ＬＧ１と点４１４Ｐからの光線ＬＧ２とは、平行であると考えることができる。このことから、光線ＬＧ１と直線４０２Ｌとのなす角度は、光線ＬＧ２と直線４０２Ｌとのなす角度αに等しいと近似することができる。その結果、
Ｄ４＝Ｋｓｉｎα
となる。距離Ｄ４を消去すると、
Ｋｓｉｎα＝ＤＰ×Ｄ２／Ｄ３
となるので、
Ｋ＝ＤＰ×Ｄ２／（Ｄ３ｓｉｎα）
が得られる。角度αは、基準部材４００の設計値及び角度φ（図２）から求めることができる。但し、撮像部１２によって得られた画像の位置に応じて、角度αの値を変える必要がある。すなわち、画像Ｉ１２（図７）の位置Ｐ１２以外の位置では、基準部材４００の設計値及び角度φ（図２）から、角度αの異なる値を求める必要がある。
【００７９】
図１１は、基準溝４０２及び鏡４５０に映る像空間Ｉ４５０を模式的に示す上面図である。図１２は、撮像部１２によって撮像された画像の一例を模式的に示す図である。図１３は、変換定数Ｋを表す近似直線の一例を示す図である。図１１〜図１３を用いて、変換定数Ｋを実測する方法が説明される。
【００８０】
測定部１を＋ｙ方向にΔＹだけ移動させると、図１１に示されるように、例えば反射光ＳＳ−１Ｐは、反射光ＳＳ−１Ｑまで＋ｙ方向にΔＹだけ移動する。例えば反射光ＳＳ−１Ｐの鏡面光ＭＳＳ−１Ｐは、鏡面光ＭＳＳ−１Ｑまで−ｙ方向にΔＹだけ移動する。すると、図１２に示されるように、撮像部１２の画像Ｉ１２上では、反射光ＳＳ−１Ｐの反射光像ＩＳＳ−１Ｐは、反射光像ＩＳＳ−１ＱまでΔｙだけ移動する。例えば反射光ＳＳ−１Ｐの鏡面光ＭＳＳ−１Ｐの像である鏡面光像ＩＭＳＳ−１Ｐは、鏡面光像ＩＭＳＳ−１ＱまでΔｙだけ移動する。よって、画像Ｉ１２上の横軸の各画素位置で、ΔＹ／Δｙを計算することによって、画像Ｉ１２上の横軸の各画素位置における変換定数Ｋを実測することができる。
【００８１】
より精密に変換定数Ｋを測定するためには、例えば、測定部１を＋ｙ方向に複数回移動させ、移動毎に撮像部１２の画像Ｉ１２上で移動量Δｙを計測する。図１３に示されるように、測定部１の移動量ΔＹ［ｍｍ］と、画像Ｉ１２上での移動量Δｙ［ｐｉｘｅｌ］との関係をプロットする。各プロットの値から、多項式フィッティング等の回帰分析によって、近似直線が算出される。図１３において、横軸は、測定部１の移動量ΔＹ［ｍｍ］を表し、縦軸は、画像Ｉ１２上での移動量Δｙ［ｐｉｘｅｌ］を表す。この近似直線の傾きは、１／Ｋとなるので、逆数をとれば変換定数Ｋが計算できる。
【００８２】
また、算出された近似直線に対して、各プロットの値が外れ値であるか否かを判定してもよい。外れ値の判定には、スチューデント化残差、残差の標準偏差等の、統計的に外れ値を判定する手法が用いられる。いずれかのプロットの値が外れ値と判定されると、外れ値と判定されたプロットの値を除外して、近似直線が再び算出される。例えば図１３において、プロットの値ＧＶ１が外れ値と判定されると、このプロットの値ＧＶ１を除外して、近似直線が再び算出される。そして、外れ値と判定されるプロット値が無くなるまで、これが繰り返される。これによって、より精密な変換定数Ｋの測定が可能である。
【００８３】
位置ズレ量の測定動作では、上述のように、鏡４５０が固定された基準部材４００が用いられる。基準部材４００は、図５に示されたように、設計上の線状光の延びる方向に沿った上記Ｘ軸と同方向のｘ軸、これに直交し、光切断法の走査方向に沿った上記Ｙ軸と同方向のｙ軸、および、これらｘ軸およびｙ軸それぞれに直交するｚ軸から成るワールド直交座標系ｘｙｚを設定した場合に、ｘｚ平面に平行な基準溝４０２の断面形状が、対象溝３０２の設計形状と同一に形成されている。この基準溝４０２では、ｙ軸の方向には、同一形状のｘｚ平面が連続する。
【００８４】
まず、形状評価装置１００における第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって各線状光が基準部材４００の基準溝４０２に照射され、その反射光ＳＳ−１〜ＳＳ−３及び鏡面光ＭＳＳ−１〜ＭＳＳ−３が撮像されて、反射光像及び鏡面光像が取得される。次に、各画像から反射光ＳＳ−１〜ＳＳ−３及び鏡面光ＭＳＳ−１〜ＭＳＳ−３の各形状である各レーザ光プロファイルが、それぞれ求められる。
【００８５】
次に、予め設定された所定の第１間隔ごとのＸ軸上の各点Ｘｎ（ズレ測定点の一例に相当）それぞれにおける反射光ＳＳ−１〜ＳＳ−３の反射光像と鏡面光ＭＳＳ−１〜ＭＳＳ−３の鏡面光像との間のＹ軸に沿った画素数ＰＸＬ（Ｘｎ）が求められる。そして、位置ズレ量Ｂ（Ｘｎ）は、変換定数Ｋを用いて、
Ｂ（Ｘｎ）＝Ｋ×ＰＸＬ（Ｘｎ）／２
によって求められる。本実施形態において、画素数ＰＸＬ（Ｘｎ）は、像間画素数の一例に相当し、画素数ＰＸＬ（Ｘｎ）／２は、ズレ画素数の一例に相当する。
【００８６】
基準部材４００の基準溝４０２におけるｘ軸上の各点Ｐｎと上記各点Ｘｎとの関係は既知であり、記憶部４に予め保存されている。そこで、基準部材４００の基準溝４０２に対し、各点Ｐｎ（Ｘｎ）での位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ（Ｘｎ））が求められる。そして、これら求められた各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）が各点Ｐｎ（Ｘｎ）と対応付けられて、位置ズレ量情報記憶部４１に記憶される。
【００８７】
図１４は、形状評価装置１００における傾斜角の算出方法を説明するための図である。図１４（Ａ）は、斜視図であり、図１４（Ｂ）は、断面図である。図１４を用いて、傾斜角θを求める手法が説明される。傾斜角θは、傾斜角測定部３５によって求められる。
【００８８】
まず、図１４に示すように、形状評価装置１００における第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって、Ｙ方向に予め設定された第３間隔ｋだけ離間した２箇所それぞれに各線状光Ｌ１、Ｌ２が基準溝４０２に照射され、それらの各画像が撮像され、前記２箇所での３次元形状が求められる。次に、これら前記２箇所での３次元形状から前記所定の第１間隔ごとのＸ軸上の各点Ｘｎそれぞれにおける高さの差ｍ（Ｘｎ）が、
ｍ（Ｘｎ）＝ｍ１（Ｘｎ）−ｍ２（Ｘｎ）
によって求められる。この求められた高さの差ｍ（Ｘｎ）が第３間隔ｋで除算され、傾斜角θ（Ｘｎ）が、
θ（Ｘｎ）＝（ｍ１（Ｘｎ）−ｍ２（Ｘｎ））／ｋ
によって求められる。
【００８９】
傾斜角θ（Ｘｎ）は、言い換えれば、点Ｘｎにおける線状光Ｌ１の接線と、前記基準平面ＳＦ−Ｒとのなす角である。前記第３間隔ｋは、
ｔａｎθ＝（ｍ１（Ｘｎ）−ｍ２（Ｘｎ））／ｋ）＝θ
と近似できる範囲内で適宜に設定される。そして、このような傾斜角θ（Ｘｎ）の測定が所定の第２間隔ごとのＹ軸上の各点Ｙｎそれぞれで実施される。これによって基準部材４００の基準溝４０２全面に対し、各点Ｐｎ（Ｘｎ、Ｙｎ）での傾斜角θ（Ｐｎ（Ｘｎ、Ｙｎ））が求められる。そして、これら求められた各傾斜角θ（Ｐｎ）が各点Ｐｎ（Ｘｎ、Ｙｎ）と対応付けられて傾斜角情報記憶部４２に記憶される。
【００９０】
なお、上述では、２箇所で傾斜角θ（Ｘｎ）を求めたが、３箇所以上の複数箇所の測定結果から例えば最小二乗法等によって傾斜角θ（Ｘｎ）が求められても良い。また上述では、基準部材４００を用いて各点Ｐｎの傾斜角θ（Ｐｎ）が求められたが、基準部材４００の設計データを用いて各点Ｐｎの傾斜角θ（Ｐｎ）が求められても良い。例えば、前記第３間隔ｋだけ離間した２箇所の高さｍ１（Ｘｎ）、ｍ２（Ｘｎ＋ｋ）が設計データから求められ、それらの高さの差ｍ（Ｘｎ）が求められ、この求められた高さの差ｍ（Ｘｎ）が前記第３間隔ｋで除算され、傾斜角θ（Ｘｎ）が求められる。
【００９１】
図１５は、形状評価装置１００の動作を示すフローチャートである。図１６は、形状評価装置１００における各測定部で測定された各測定結果の連結方法を説明するための図である。図１６（Ａ）は、第１測定部１−１用の第１ローカル直交座標系での第１測定部１−１の測定結果を示し、図１６（Ｂ）は、第２測定部１−２用の第２ローカル直交座標系での第２測定部１−２の測定結果を示し、図１６（Ｃ）は、第３測定部１−３用の第３ローカル直交座標系での第３測定部１−３の測定結果を示し、図１６（Ｄ）は、ワールド直交座標系へ座標変換後の第１測定部１−１の測定結果を示し、図１６（Ｅ）は、前記ワールド直交座標系へ座標変換後の第２測定部１−２の測定結果を示し、図１６（Ｆ）は、前記ワールド直交座標系へ座標変換後の第３測定部１−３の測定結果を示し、図１６（Ｇ）は、図１６（Ｄ）ないし図１６（Ｆ）に示す各測定結果を連結した連結後の測定結果を示す。
【００９２】
図１５では、まず、各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）が求められる（Ｓ１００〜Ｓ１３０、特定工程の一例に相当）。すなわち、位置ズレ量測定部３４は、鏡４５０が固定された基準部材４００の基準溝４０２に向けて、測定部１のレーザ光源部１１からレーザ光を出射させる（Ｓ１００、光出射工程の一例に相当）。位置ズレ量測定部３４は、第１反射光像及び鏡面光像を取得する（Ｓ１０５、光像取得工程の一例に相当）。位置ズレ量測定部３４は、測定部１をＹ軸に沿って所定距離だけ移動させて、鏡４５０が固定された基準部材４００の基準溝４０２に向けて、測定部１のレーザ光源部１１からレーザ光を出射させる（Ｓ１１０、光出射工程の一例に相当）。位置ズレ量測定部３４は、第２反射光像を取得する（Ｓ１１５、光像取得工程の一例に相当）。
【００９３】
位置ズレ量測定部３４は、複数のズレ測定点それぞれについて、第１反射光像及び鏡面光像からズレ画素数を算出し、複数のズレ測定点それぞれについて、第１反射光像及び第２反射光像から離間画素数を算出する（Ｓ１２０、画素計算工程の一例に相当）。位置ズレ量測定部３４は、上記所定距離及び離間画素数から、変換定数Ｋを算出する（Ｓ１２５、変換工程の一例に相当）。位置ズレ量測定部３４は、複数のズレ測定点それぞれについて、ズレ画素数と変換定数Ｋとを乗算して、位置ズレ量を算出して、位置ズレ量情報記憶部４１に保存する（Ｓ１３０、光出射工程の一例に相当）。
【００９４】
傾斜角測定部３５は、各傾斜角θ（Ｐｎ）を算出して、傾斜角情報記憶部４２に保存する（Ｓ１３５）。続いて、基準部材４００の基準溝４０２の測定が実施される。この基準溝４０２の測定では、基準処理部３６の制御に従って、Ｙ方向における所定の走査位置Ｙｎの測定が実施可能となるように、駆動部８は、剛体支持部材２を支持する支持部１４０を移動させる（Ｓ１）。
【００９５】
次に、走査位置Ｙｎにおいて、基準処理部３６の制御に従って第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって、各線状光１本分の各３次元形状（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）が測定され、その各測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）が記憶部４に記憶される（Ｓ２）。
【００９６】
次に、基準処理部３６によって全ての走査位置Ｙｎで測定が終了したか否かが判定される（Ｓ３）。この判定の結果、全ての走査位置Ｙｎで測定が終了していない場合（Ｓ３でＮＯ）には、基準処理部３６は、次の走査位置Ｙｎでの測定を実施すべく、処理を処理Ｓ１に戻す。前記判定の結果、全ての走査位置Ｙｎで測定が終了している場合（Ｓ３でＹＥＳ）には、処理Ｓ４に進む。
【００９７】
処理Ｓ４では、補正部３２によって補正処理が実行される。より具体的には、補正部３２は、記憶部４から測定点Ｐｎの測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を読み出し、この測定点Ｐｎに対応する位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）を読み出す。補正部３２は、補正値Ｃ（Ｐｎ）として、
Ｃ（Ｐｎ）＝Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ）
を求める。補正部３２は、この求めた補正値Ｃ（Ｐｎ）で測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を補正して補正後の測定結果
（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ−Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ））
を求め、この求めた補正後の測定結果を記憶部４に記憶する。
【００９８】
なお、上述では、処理Ｓ４で補正値Ｃ（Ｐｎ）が求められたが、補正値Ｃ（Ｐｎ）は、予め求められて測定点Ｐｎと対応付けて記憶部４に記憶され、処理Ｓ４で記憶部４から読み出されて用いられても良い。また、上述では、各測定点Ｐｎそれぞれにその測定結果を補正するための位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）が上述のように予め準備されたが、測定点Ｑに対応する位置ズレ量Ｂ（Ｑ）および傾斜角θ（Ｑ）が無い場合には、測定点Ｑの周辺に位置する点Ｐｎに与えられている位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）から補間によって測定点Ｑに対応する位置ズレ量Ｂ（Ｑ）および傾斜角θ（Ｑ）が生成されても良い。
【００９９】
次に、第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって測定され補正部３２によって補正された補正後の測定結果を互いに繋ぎ合わせる連結処理が連結処理部３３によって実行される（Ｓ５）。より具体的には、連結処理部３３は、ワールド直交座標系ｘｙｚでの複数の測定部１それぞれの各配設位置に基づいて、各ローカル直交座標系ＸＹＺでの各補正後の各測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ−Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ））をワールド直交座標系ｘｙｚへ座標変換する。
【０１００】
第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、図３に示す態様で剛体支持部材２に組み付けられており、上述の処理Ｓないし処理Ｓ４の各処理が実行されると、第１測定部１−１は、図１６（Ａ）に示すように、その第１ローカル直交座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１で基準溝４０２を測定し、その補正後の測定結果ＰＦａ−１を求める。第２測定部１−２は、図１６（Ｂ）に示すように、その第２ローカル直交座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２で基準溝４０２を測定し、その補正後の測定結果ＰＦａ−２を求める。第３測定部１−３は、図１６（Ｃ）に示すように、その第３ローカル直交座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３で基準溝４０２を測定し、その補正後の測定結果ＰＦａ−３を求める。
【０１０１】
ワールド直交座標系ｘｙｚでの第１測定部１−１は、図１６（Ｄ）に示すように、第１ローカル直交座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１の座標原点がワールド直交座標系では（ｘ１、ｙ１）であってＺ１軸が時計回りに角度（３６０−φ１）だけ回転しているように配置されている。このため、連結処理部３３は、図１６（Ｄ）に示すように、第１ローカル直交座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１での補正後の測定結果ＰＦａ−１をワールド直交座標系ｘｙｚの点（ｘ１、ｙ１）を中心に反時計回りに角度φ１だけ回転することで、第１ローカル直交座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１での補正後の測定結果ＰＦａ−１をワールド直交座標系ｘｙｚへ座標変換する。この結果、第１ローカル直交座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１での補正後の測定結果ＰＦａ−１は、ワールド直交座標系ｘｙｚでの補正後の測定結果ＰＦｂ−１となる。
【０１０２】
ワールド直交座標系ｘｙｚでの第２測定部１−２は、図１６（Ｅ）に示すように、第２ローカル直交座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２の座標原点がワールド直交座標系では（ｘ２、ｙ２）であってＺ２軸が時計回りに角度（３６０−φ２）だけ回転しているように配置されている。このため、連結処理部３３は、図１６（Ｅ）に示すように、第２ローカル直交座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２での補正後の測定結果ＰＦａ−２をワールド直交座標系ｘｙｚの点（ｘ２、ｙ２）を中心に反時計回りに角度φ２だけ回転することで、第２ローカル直交座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２での補正後の測定結果ＰＦａ−２をワールド直交座標系ｘｙｚへ座標変換する。この結果、第２ローカル直交座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２での補正後の測定結果ＰＦａ−２は、ワールド直交座標系ｘｙｚでの補正後の測定結果ＰＦｂ−２となる。
【０１０３】
そして、ワールド直交座標系ｘｙｚでの第３測定部１−３は、図１６（Ｆ）に示すように、第３ローカル直交座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３の座標原点がワールド直交座標系では（ｘ３、ｙ３）であってＺ３軸が時計回りに角度（３６０−φ３）だけ回転しているように配置されている。このため、連結処理部３３は、図１６（Ｆ）に示すように、第３ローカル直交座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３での補正後の測定結果ＰＦａ−３をワールド直交座標系ｘｙｚの点（ｘ３、ｙ３）を中心に反時計回りに角度φ３だけ回転することで、第３ローカル直交座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３での補正後の測定結果ＰＦａ−３をワールド直交座標系ｘｙｚへ座標変換する。この結果、第３ローカル直交座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３での補正後の測定結果ＰＦａ−３は、ワールド直交座標系ｘｙｚでの補正後の測定結果ＰＦｂ−３となる。
【０１０４】
この結果、図１６（Ｇ）に示すように、第１ないし第３測定部１−１〜１−３それぞれで測定された補正後の測定結果ＰＦａ−１〜ＰＦａ−３が連結され、基準溝４０２の３次元形状ＰＦが得られる。得られた基準溝４０２の３次元形状ＰＦは、記憶部４に保存される。
【０１０５】
基準溝４０２の測定が終了すると、次に、対象処理部３７は、スクリューロータ３００の対象溝３０２（図１７）の形状を測定する（Ｓ６）。すなわち、処理Ｓ６において、駆動部８は、対象処理部３７によって制御されて、剛体支持部材２を支持する支持部１４０をスクリューロータ３００の対象溝３０２（図１７）上に移動させる。そして、対象処理部３７は、処理Ｓ１〜Ｓ３と同様の手順で、対象溝３０２の３次元形状を測定する。補正部３２は、処理Ｓ４と同様の手順で、対象溝３０２の測定値を補正する。連結処理部３３は、処理Ｓ５と同様の手順で、測定結果を連結する。得られた対象溝３０２の３次元形状は、記憶部４に保存される。
【０１０６】
次に、評価処理部３８は、対象溝３０２の３次元形状と、基準溝４０２の３次元形状とを比較し、例えば両者の差分に基づいて対象溝３０２の形状を評価する（Ｓ７）。その後、図１５の動作は終了する。評価処理部３８は、さらに、対象溝３０２の評価結果を、出力部６に出力してもよい。評価処理部３８は、さらに、対象溝３０２の評価結果を、出力部６への出力に代えて又は加えて、ＩＦ部７から外部へ出力してもよい。本実施形態において、処理Ｓ１〜Ｓ５、処理Ｓ６（つまり処理Ｓ６における処理Ｓ１〜Ｓ５）および処理Ｓ７は、評価工程の一例に相当する。
【０１０７】
以上説明した通り、本実施形態における形状評価装置１００およびこれに実装された形状評価方法は、鏡４５０が固定された基準部材４００の基準溝４０２にレーザ光を照射して、反射光と、鏡面４５１に映る鏡面光とを用いて、複数の測定部１それぞれの、基準部材４００のエッジ４１４に対する位置ズレ量を求めている。したがって、本実施形態によれば、罫書き作業により基準溝４０２に描いた基準線又は撮像されたエッジ４１４からなる基準線を用いる場合に比べて、より精度良く位置ズレ量を求めることができる。
【０１０８】
また、上記形状評価装置１００および上記形状評価方法は、複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正するので、各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせて対象溝３０２の３次元形状を測定する場合でも、より高精度に測定できる。
【０１０９】
また、上記形状評価装置１００および上記形状評価方法は、位置ズレ量情報記憶部４１をさらに備えるので、予め用意された各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）を用いてより迅速に各測定結果を補正できる。
【０１１０】
また、上記形状評価装置１００よび上記形状評価方法は、傾斜角情報記憶部４２をさらに備えるので、予め用意された各傾斜角θ（Ｐｎ）を用いてより迅速に各測定結果を補正できる。
【０１１１】
（その他）
（１）上記実施形態では、変換定数Ｋを求める際に、測定部１をｙ軸（図１１）の方向に移動させているが、これに限られず、測定部１をＰＸ方向（図１７）に移動させてもよい。この場合、ｙ軸（図１１）の方向とＰＸ方向（図１７）とのなす角度に応じて、ｙ軸（図１１）の方向の移動距離をＰＸ方向（図１７）の移動距離に換算すればよい。
【０１１２】
（２）上記実施形態では、平坦な鏡面４５１を有する鏡４５０が用いられているが、これに限られず、平坦な鏡面を有する金属板が用いられてもよい。すなわち、レーザ光が映る平坦な鏡面を有する部材であればよく、素材はガラスでも金属でも構わない。
【０１１３】
（３）上記実施形態において、スクリューロータ３００の対象溝３０２の形状、寸法、又は延設方向等が異なると、異なる基準部材４００が用いられてもよい。すなわち、基準部材４００は、スクリューロータ３００の型番又は仕様毎に、準備されてもよい。この場合、支持部１４０が剛体支持部材２を回転可能に支持すると、延設方向が異なる対象溝３０２の形状評価にも対応することができる。
【０１１４】
（４）上記実施形態において、形状評価装置１００が形状を評価する測定対象は、スクリューロータ３００に形成されたものに限られず、例えば、切削工具のドリル刃等に形成された溝でもよい。また、測定対象は、任意の物体であってよいが、好適には、例えばスクリュー、プロペラおよびドリル等のような、球形、鞍形および螺旋形等の比較的複雑な形状であって連続的に滑らかに変化する測定面を持つ形状の物体である。
【０１１５】
（５）上記実施形態では、形状評価装置１００は、複数の測定部１を備えているが、これに限られず、１つの測定部のみを備える構成でもよい。この場合でも、上記実施形態と同様に、１つの測定部の、基準部材４００のエッジ４１４に対する位置ズレ量を、より精度良く求めることができる。
【０１１６】
（６）本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【０１１７】
１  測定部
１−１  第１測定部
１−２  第２測定部
１−３  第３測定部
３２  補正部
３４  位置ズレ量測定部
３６  基準処理部
３７  対象処理部
３８  評価処理部
４１  位置ズレ量情報記憶部
１００  形状評価装置
３００  スクリューロータ
３０２  対象溝
４００  基準部材
４０２  基準溝
４５０  鏡
４５１  鏡面
【図１】
2020190482.tif 000003
【図２】
2020190482.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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