(57)【要約】【課題】複雑な形状の測定対象（被測定物）に対して精度を高めて形状測定を行うことができる、形状測定装置を提供する。【解決手段】形状測定装置は、測定対象の測定領域における画像データを取得する光学プローブと、光学プローブと測定対象とを相対的に移動する移動機構と、光学プローブから得られた画像データに基づき、測定領域の位置情報を算出する算出部と、算出部で算出された測定領域の位置情報を記憶する記憶部と、記憶部で記憶された異なる複数の測定領域の位置情報を基に、光学プローブと測定対象とを相対的に移動する方向を決定し、その移動する方向に基づいて移動機構を制御する移動制御部とを備える。【選択図】図３
2014145735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の測定領域における画像データを取得する光学プローブと、
前記光学プローブと前記測定対象とを相対的に移動する移動機構と、
前記光学プローブから得られた画像データに基づき、前記測定領域を示す位置情報を算出する算出部と、
複数の前記位置情報を基に、前記光学プローブと前記測定対象とを相対的に移動する方向を決定し、当該決定した移動方向に基づいて前記移動機構を制御する移動制御部と
を備える形状測定装置。
【請求項２】
前記移動制御部は、
異なる複数の前記測定領域を示す位置情報から、新規に位置情報を取得する測定領域の面の法線方向を算出する法線算出部と、
前記法線算出部で算出された法線方向に基づき、前記光学プローブと前記測定対象との相対的な前記移動方向を決定する移動方向決定部と
を備える請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
更に、前記移動制御部は、前記移動方向決定部で決定された前記移動方向を各測定領域毎に記憶する測定パス記憶部
を備える請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
更に、複数の前記測定領域の位置情報を前記移動機構により前記光学プローブと前記測定対象が相対的に移動する相対移動方向とあわせて記憶する位置情報記憶部を有し、
前記測定領域における面の法線方向以外の方向を法線とする評価投影面に前記測定領域における複数の位置情報を投影して、前記評価投影面のある方向における位置毎の前記位置情報のばらつきを評価する位置情報評価部と、
前記測定領域の位置情報評価部で求められた前記ばらつきに応じて、再測定の必要の有無を判定する良否判定部を
を備える請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
更に、前記移動機構により前記光学プローブと前記測定対象が相対的に移動する毎に、前記算出部で算出された前記測定領域を示す位置情報を記憶する位置情報記憶部を有し、
前記測定領域における表面の法線方向以外の方向を法線とする評価投影面に前記測定領域の位置情報を投影して、前記評価投影面のある方向における位置毎の前記位置情報のばらつきを評価する位置情報評価部と、
前記位置情報評価部による評価結果に基づき、前記測定パス記憶部で記憶された移動方向とは異なる方向に前記光学プローブと前記測定対象との相対的な移動方向を決定するように移動方向決定部を制御する移動方向決定部制御部
を備える請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項６】
測定光を測定対象に投光する投光部と、
前記投光部が前記測定対象へある投光方向から前記測定光を投光するように、前記投光部の位置を投光位置として設定する位置設定部と、
前記測定光の像を測定画像として撮像する撮像部と、
撮像された前記測定画像に含まれる前記測定光の像の前記測定画像内の位置に基づいて算出された前記表面の位置情報から、前記投光位置からの投光方向に対する前記表面の傾斜方向を算出する算出部と、
算出された前記傾斜方向に基づいて、前記投光位置の移動方向を設定する方向設定部と、
設定された前記移動方向に移動させながら撮像された前記測定画像に基づいて、前記測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する点群生成部と
を備える形状測定装置。
【請求項７】
前記方向設定部は、
生成された前記点群データを、算出された前記傾斜方向に応じて設定された射影方向に射影した２次元点群データに基づいて、前記移動方向を設定する
請求項６に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記２次元点群データに含まれる各点に基づいて近似した近似曲線と、当該各点との距離に基づいて、当該各点に対応する前記点群データに含まれる各点の重み付けを行う重み付け部と、
生成された前記点群データと、前記重み付けの結果とに基づいて、前記測定対象の形状を測定する測定部と
を備える請求項７に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記近似とは、前記近似曲線を複数の領域に分割し、分割した当該領域の境界と当該近似曲線との交点間を線分によって補間する直線補間であって、
前記重み付け部は、
前記２次元点群データに含まれる各点を前記直線補間した線分と、前記各点との距離に基づいて、当該各点に対応する前記点群データに含まれる各点の重み付け行う
請求項８に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記測定部は、
重み付けされた前記点群データに含まれる各点の中から、前記重み付け結果が所定のしきい値を超える点を除外した点群データに基づいて、前記測定対象の形状を測定する
請求項９に記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記測定対象は、表面の一部または全部に、互いに対応する周期的な形状である周期的形状を有し、
前記重み付け部は、
それぞれが前記周期的形状の画像を含む複数の前記測定画像に基づいて生成された複数の前記点群データを、同一の平面にそれぞれ射影した前記２次元点群データに基づいて、前記２次元点群データに含まれる各点に対応する前記点群データに含まれる各点の重み付け行う
請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記投光部は、
長手方向および短手方向を有するライン光を前記測定光として前記測定対象に投光し、
前記方向設定部は、
算出された前記傾斜方向と、前記ライン光の前記長手方向との外積が示す方向を前記移動方向として設定する
請求項６から請求項１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１３】
前記移動方向には、第１移動方向と、第２移動方向とが含まれ、
前記投光位置には、第１投光位置と、前記第１投光位置から前記第１移動方向に移動された第２投光位置と、前記第２投光位置から前記第２移動方向に移動された第３投光位置とが含まれ、
前記方向設定部は、
前記第１投光位置の前記測定画像に基づいて算出された前記傾斜方向と、前記第２投光位置の前記測定画像に基づいて算出された前記傾斜方向とに基づいて、前記第２移動方向を設定する
請求項１２に記載の形状測定装置。
【請求項１４】
構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する設計装置と、
前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
作成された前記構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する請求項６から請求項１３のいずれか一項に記載の形状測定装置と、
前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物設計情報とを比較する検査装置と、
を含む構造物製造システム。
【請求項１５】
測定対象の表面の３次元形状を測定する形状測定装置から出力された点群データを評価する評価装置であって、
生成された点群データを、前記点群データから得られる前記測定対象の表面の法線方向に応じて設定された射影方向に射影した２次元点群データを生成する２次元点群生成部と、
生成された２次元点群データに含まれる各点を近似した近似曲線と、当該各点との距離に基づいて、当該各点に対応する前記点群データに含まれる各点の重み付け行う重み付け部と、
前記重み付けの結果に基づいて、前記点群データの各点の評価する評価部と
を備える評価装置。
【請求項１６】
測定光を測定対象に投光し、
前記測定光が投光されている前記測定対象の表面へ前記測定光の投光方向が所定の方向となるように前記測定光を投光する部材の位置を設定し、
前記測定光を測定画像として撮像し、
撮像された前記測定画像に含まれる前記測定光の像の位置に基づいて、前記測定光が投光された前記測定対象の表面の位置における傾斜方向を算出し、
算出された前記傾斜方向に基づいて、前記投光する部材の移動方向を設定し、
設定された前記移動方向に移動しながら撮像された前記測定画像に基づいて、前記測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する形状測定方法。
【請求項１７】
構造物の形状に関する構造物設計情報を作製することと、
前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製することと、
作成された前記構造物の形状を、請求項１６に記載の形状測定方法を用いて生成した撮像画像に基づいて測定することと、
前記測定によって得られた形状情報と、前記構造物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１８】
形状測定装置のコンピュータに、
投光部が測定光を測定対象に投光する投光ステップと、
移動機構が、測定光で投光されている前記測定対象の表面へ前記測定光の投光方向が所定の方向となるように前記投光部の位置を設定する位置設定ステップと、
撮像部が、前記測定光を測定画像として撮像する撮像ステップと、
算出部が、撮像された前記測定画像に含まれる前記測定光の像の位置に基づいて、前記測定光が投光された前記測定対象の表面の位置における前記表面の傾斜方向を算出する算出ステップと、
移動制御部が、算出された前記傾斜方向に基づいて、前記投光部の移動方向を設定する方向設定ステップと、
前記移動機構により設定された前記移動方向に前記移動機構を制御することで、前記投光部が移動しながら撮像された前記測定画像に基づいて、前記算出部が前記測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する点群生成ステップと、
を実行させるための形状測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象（被測定物）の３次元形状を測定する形状測定装置、構造物製造システム、評価装置、形状測定方法、構造物製造方法、及び形状測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
工業製品等の物体の表面形状を測定する技術は従来から種々提案されており、例えば、被測定物にスリット光を照射して、スリット光の照射方向とは異なる方向から撮影された被測定物の断面形状に対応して形成される光切断線の像から被測定物の三次元形状を測定する光切断法が知られている（特許文献１を参照）。
【０００３】
また、関連する形状測定方法として、光切断プローブを手動で操作する際に、測定対象のＣＡＤモデルを画面に表示させて操作することにより、形状測定の効率化を図る形状測定方法がある（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００９―５３４９６９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０１２３０９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述の光切断法による測定においては、拡散光以の光である正反射光や多重反射光や環境光等が感知された場合に、この正反射光や多重反射光や環境光等が本来の形状を表す信号に対するノイズ成分となり測定対象（被測定物）の形状を正しく測定できないことがある。例えば、多重反射の例として、図８に示すように、照明光１が歯面Ａで反射し、さらにその光が向かい側の歯面Ｂに反射し光切断プローブの撮像部に入ることがある。このような場合は、本来の被測定面の形状を表す信号と多重反射による像がノイズとなり、ノイズ成分の像も合成された画像データを用いて形状を算出するため、形状測定データの品質を悪化させる。
【０００６】
このように、光切断法により測定を行う形状測定装置では、測定対象に対する光切断プローブの相対位置（測定対象に対する光切断プローブの位置）が不適切な場合に、正反射光や多重反射光や環境光等などによる影響が発生し、形状測定データの品質を悪化させことがある。特に、測定対象が複雑な形状である場合には、正反射光や多重反射光等による影響を受け易くなり、測定対象に対して高精度な形状測定が行えないことがある。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、複雑な形状の測定対象（被測定物）に対して精度を高めて形状測定を行うことができる、形状測定装置、構造物製造システム、評価装置、形状測定方法、構造物製造方法、及び形状測定プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態は、測定対象の測定領域における画像データを取得する光学プローブと、光学プローブと測定対象とを相対的に移動する移動機構と、光学プローブから得られた画像データに基づき、測定領域を示す位置情報を算出する算出部と、複数の位置情報を基に、光学プローブと測定対象とを相対的に移動する方向を決定し、決定した移動方向に基づいて移動機構を制御する移動制御部を備える形状測定装置である。
【０００９】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象に投光する投光部と、投光部が測定対象へある投光方向から測定光を投光するように、投光部の位置を投光位置として設定する位置設定部と、その測定光の像を測定画像として撮像する撮像部と、撮像された測定画像に含まれる測定光の像の測定画像内の位置に基づいて算出された測定対象の表面の位置情報から、投光位置からの投光方向に対する表面の傾斜方向を算出する算出部と、算出された傾斜方向に基づいて、投光位置の移動方向を設定する方向設定部と、設定された移動方向に移動させながら撮像された測定画像に基づいて、測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する点群生成部とを備える形状測定装置である。
【００１０】
また、本発明の一実施形態は、構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する設計装置と、構造物設計情報に基づいて構造物を作製する成形装置と、作成された構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する上記に記載の形状測定装置と、測定によって得られた形状情報と、構造物設計情報とを比較する検査装置と、を含む構造物製造システムである。
【００１１】
また、本発明の一実施形態は、測定対象の表面の３次元形状を測定する形状測定装置から出力された点群データを評価する評価装置であって、生成された点群データを、点群データから得られる測定対象の表面の法線方向に応じて設定された射影方向に射影した２次元点群データを生成する２次元点群生成部と、生成された２次元点群データに含まれる各点を近似した近似曲線と、当該各点との距離に基づいて、当該各点に対応する点群データに含まれる各点の重み付け行う重み付け部と、重み付けの結果に基づいて、点群データの各点の評価する評価部とを備える評価装置である。
【００１２】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象に投光し、測定光が投光されている測定対象の表面へ測定光の投光方向が所定の方向となるように測定光を投光する部材の位置を設定し、測定光を測定画像として撮像し、撮像された測定画像に含まれる測定光の像の位置に基づいて、測定光が投光された測定対象の表面の位置における傾斜方向を算出し、算出された傾斜方向に基づいて、投光する部材の移動方向を設定し、設定された移動方向に移動しながら撮像された測定画像に基づいて、測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する形状測定方法である。
【００１３】
また、本発明の一実施形態は、構造物の形状に関する構造物設計情報を作製することと、構造物設計情報に基づいて構造物を作製することと、作成された構造物の形状を、請求項１０に記載の形状測定方法を用いて生成した撮像画像に基づいて測定することと、測定によって得られた形状情報と、構造物設計情報とを比較することと、を含む構造物製造方法である。
【００１４】
また、本発明の一実施形態は、形状測定装置のコンピュータに、投光部が測定光を測定対象に投光する投光ステップと、移動機構が、測定光で投光されている測定対象の表面へ測定光の投光方向が所定の方向となるように投光部の位置を設定する位置設定ステップと、撮像部が、測定光を測定画像として撮像する撮像ステップと、算出部が、撮像された測定画像に含まれる測定光の像の位置に基づいて、測定光が投光された測定対象の表面の位置における表面の傾斜方向を算出する算出ステップと、移動制御部が、算出された傾斜方向に基づいて、投光部の移動方向を設定する方向設定ステップと、移動機構により設定された移動方向に移動機構を制御することで、投光部が移動しながら撮像された測定画像に基づいて、算出部が測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する点群生成ステップと、を実行させるための形状測定プログラムである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複雑な形状の測定対象（被測定物）に対して精度を高めて形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態による形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本実施形態における回転機構の構成を示す図である。
【図３】本実施形態による形状測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図４】本実施形態における状測定装置の測定手順を示す図である。
【図５】スキャン処理の手順を示す図である。
【図６】射影処理の手順を示す図である。
【図７】計測画面の例を示す図である。
【図８】多重反射光の発生原因を示す図である。
【図９】射影データの例を示す図である。
【図１０】射影データの評価方法を示す図である。
【図１１】プローブ座標系を示すベクトル関連図である。
【図１２】回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。
【図１３】法線ベクトルの生成例を示す概念図である。
【図１４】現画像取得位置と次画像取得位置との関係を示すベクトル関連図である。
【図１５】複雑な形状の測定対象を測定する場合の例を示す図である。
【図１６】射影パスと移動方向について説明するための図である。
【図１７】複数の射影パスを用いる例を示す図である。
【図１８】評価装置の構成例を示す図である。
【図１９】本実施形態による形状測定装置を備えた構造物製造システムの構成を示すブロック図である。
【図２０】構造物製造システムにおける処理の流れを示すフローチャートである。
【図２１】本実施形態による形状測定装置により、歯車を測定するときのライン光を投影したときの様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態による形状測定装置について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の本実施形態による形状測定装置１００の構成を示す図である。本実施形態の形状測定装置１００は、球体や歯車等の予め決められた形状の測定対象（被測定物）３に対して、光切断プローブ２により測定対象３の測定領域にライン光を照射し、このライン光を光切断プローブ２により撮像する。この光切断プローブ２では、ライン光が照射された測定対象の表面が、その位置を算出する対象領域である測定領域となる。なお、図２１は、ライン光を測定対象３に投影したときの様子を示した図である。（ａ）は測定対象３の全体斜視図であり、図２１（ｂ）は、測定対象３の軸θに方向から見たときの測定対象３の全体図と、軸θに対して垂直方向から見た測定対象３の側面図である。本光切断プローブ２は、投光部２１と撮像部２２を有している。投光部２１は、軸θに対して垂直な方向ＤＲ１からライン光を投光している。この投光された領域Ｐが測定領域ＰＣＬとなる。この測定領域ＰＣＬに投光されたライン状の測定光の像を撮像部２２で撮像している。また、図２１（ｂ）からわかるように、その撮像部２２の撮像方向ＤＲ２は、投光方向ＤＲ１及び軸θのどちらとも垂直ではない方向に設定されている。そして、形状測定装置１００は、光切断プローブ２を測定対象３に対して相対的に移動させることで、順次測定領域を走査させて、測定対象の各々領域にライン光が照射されたときの撮像画像を取得する。撮像画像からライン光が照射された測定領域内に位置する複数の位置座標を示す点群データを生成し、この点群データを測定対象の測定面に対して略垂直な平面上に射影した射影データ（２次元点群データ）を算出する。
なお、この光切断プローブ２は、一実施例であり、光切断法により測定するためのプローブ以外にも、投影されたパターンの像からその像の合焦度を利用して形状測定が行える光学プローブでもかまわない。これらを総称して、光学プローブとも記載する。なお、以降の説明では、光切断法を利用した光切断プローブを利用した形態を基に説明する。
【００１８】
そして、形状測定装置１００は、この射影データにおける点群のばらつき（分散値）を評価し、この評価結果に基づいて光切断プローブ２の移動方向を制御する。すなわち、形状測定装置１００は、射影データに基づいて、測定対象３に対してプローブが何れの方向移動すれば最も点群データのばらつきが少ない撮像画像を得られるかを判定して、光切断プローブの移動方向を制御する。或いは、光切断プローブ２の移動方向と相対位置とを制御する。ここで、相対位置とは、測定対象３に対する光切断プローブ２の測定位置及び姿勢（向き）のことであり、光切断プローブ２と測定対象３との相対的な位置を示し、測定対象３が固定されている場合には、光切断プローブ２の測定位置を示す。
【００１９】
なお、本実施形態の形状測定装置１００は、上述のように３次元の点群データを２次元の点群データに射影し、この射影データのばらつきを評価する機能を備える。このため、形状測定装置１００は、その応用例として、例えば、測定対象面に対する測定光（ライン光）の投光位置を評価する評価装置として用いることができる。また、形状測定装置１００は、例えば、歯車の同一歯面を所定の間隔ごとに周期的に繰り返して測定する場合に、得られた点群データの射影データのばらつきを評価することにより、測定対象３の歯面の形状のばらつきを評価する評価装置として使用することもできるものである。
【００２０】
［形状測定装置１００の全体構成］
本実施形態に係る形状測定装置１００は、測定対象３の３次元形状を検出する３次元形状計測装置（例えば、座標測定機（ＣＭＭ：Coordinate  Measuring  Machine））である。つまり、形状測定装置１００は、光切断法を用いることで、測定対象３の表面に一本のライン光（ライン状の測定光）からなるライン状投影パターンを投影し、測定対象３表面の全域を走査させる毎に投影方向と異なる角度から測定対象３に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、この形状測定装置１００は、撮像された測定対象３表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて測定対象３表面の基準平面からの高さを算出し、測定対象３表面の３次元形状を求める装置である。
【００２１】
図１に示すように、形状測定装置１００は、測定装置本体１及び制御装置４を備えている。後述する制御装置４は、制御線を介して測定装置本体１に接続されており、測定装置本体１を制御する。
測定装置本体１は、回転機構１３及びヘッド駆動部１４を有する駆動部１１（図３）と、位置検出部１２（図３）と、ヘッド部１７と、定盤１８と、光切断プローブ２とを備えている。なお、ここでは、測定対象３は、一例として、球体を示しており、定盤１８の上に配置されている。定盤１８は、石製又は鋳鉄製からなるものであり、上面が水平に保たれたものとなっている。
【００２２】
ヘッド駆動部１４（移動部）は、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、互いが直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の方向にヘッド部１７を移動させる。ヘッド駆動部１４は、Ｘ軸移動部１４１、Ｙ軸移動部１４２、及びＺ軸移動部１４３を備えている。
ここで、本実施の形態における定盤１８の上面は、図１に示すＸＹ平面と平行な面となるように設定されている。すなわち、Ｘ軸方向とは、定盤１８上における一方向を規定するものであり、Ｙ軸方向とは、定盤１８の上面においてＸ軸方向に直交する方向を規定するものであり、Ｚ軸方向とは、定盤１８の上面に直交する方向を規定するものである。
【００２３】
Ｘ軸移動部１４１は、ヘッド部１７をＸ軸方向に駆動するＸ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＸ軸方向にヘッド部１７を移動させる。Ｙ軸移動部１４２は、ヘッド部１７をＹ軸方向に駆動するＹ軸用モータを備え、定盤１８上の所定の範囲内でＹ軸方向にヘッド部１７を移動させる。また、Ｚ軸移動部１４３は、ヘッド部１７をＺ軸方向に駆動するＺ軸用モータを備え、所定の範囲内でＺ軸方向にヘッド部１７を移動させる。
なお、ヘッド部１７は、光切断プローブ２の上部に位置し、回転機構１３を介して光切断プローブ２を支持している。すなわち、ヘッド駆動部１４は、互いに直交する３次元座標系の座標軸方向それぞれに、光切断プローブ２を移動させる。
【００２４】
図２は、本実施形態における回転機構１３の構成を示す図である。
図２に示すように、回転機構１３は、ヘッド部１７と光切断プローブ２との間に配置され、ヘッド駆動部１４に対して光切断プローブ２を回転可能に支持する。すなわち、回転機構１３は、測定対象３の表面に対して光切断プローブ２による測定光の投影方向および撮影方向を任意の角度に設定可能とする。
また、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３を備えている。なお、回転機構１３は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の各軸を回転させる駆動モータを備えており、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、光切断プローブ２を任意の角度に回転させる。
【００２５】
Ａ回転軸１３１は、Ａ回転軸１３１の下に取り付けられたＢ回転軸１３２及びＣ回転軸１３３を含めて光切断プローブ２を３６０度の範囲でＺ軸と平行な軸を中心に回転させる回転軸である。Ｂ回転軸１３２は、Ａ回転軸１３１下部に取り付けられ、Ｃ回転軸１３３を含めて光切断プローブ２をＸ軸方向及びＹ軸方向と平行な面内に含まれる軸を中心に回転することができる機構である。尚、その可動範囲は、上下方向に−９０〜＋９０度となっている。なお、０度はＺ軸と光切断プローブ２及びＣ回転軸１３３との中心を結ぶ線が平行となる方向としている。Ｃ回転軸１３３は、Ｂ回転軸１３２に取り付けられ、光切断プローブ２を３６０度の範囲で回転させる機構である。
【００２６】
光切断プローブ２は、測定対象３に光切断を行うためのライン光を照射する投光部２１（照明）、及びライン光の照射方向とは異なる方向から測定対象３に照射されたライン光を検出する撮像部（カメラ）２２を有している。
【００２７】
投光部２１は、光源と光源からの光を集光して、投光部２１から所定の距離離れた位置にライン状の強度分布を有するライン光の像が形成できるように、図示しないシリンドリカルレンズや細い帯状の切り欠きを有したスリット板と集光光学系等から構成る投影光学系を有する。この投影光学系により、光源からの光束は、ファン状に広がりながら測定対象に到達する。光源からの光束が測定対象に到達したときは、ライン状の像が測定対象の表面に投影される。光源としては、ＬＥＤやレーザー光源・ＳＬＤ（Super  Luminescent  Diode）等を用いることができる。
【００２８】
撮像部２２は、投光部２１の光照射方向とは異なる方向から測定対象３の表面に投影されるライン光を撮像する。すなわち、撮像部２２は、ライン光が照射されることで光切断面（線）が現れた測定対象３の表面を検出する。
また、撮像部２２は、図示しない結像レンズやＣＣＤ等から構成され、後述のように駆動部１１を駆動させてライン光が所定間隔で走査される毎に測定対象３を撮像するようになっている。撮像部２２に備えられた結像レンズは、シャインプルーフ光学系となっており、撮像部２２の撮像素子の共役な面は、投光部からの測定光の投光方向を含むように設定されている。なお、投光部２１及び撮像部２２の位置は、測定対象３の表面上のライン光の撮像部２２に対する入射方向と、投光部２１の光照射方向とが、所定角度θをなすように規定されている。なお、本実施形態では、上記所定角度θが、例えば、４５度に設定されている。
【００２９】
次に、図３を参照して、形状測定装置１００の構成を詳細に説明する。
図３は、本実施形態による形状測定装置１００の構成を示す概略ブロック図である。なお、この図において、図１及び図２と同じ構成部分には、同じ符号を附す。
【００３０】
図３において、形状測定装置１００は、測定装置本体１と制御装置４とを備えている。
また、上述したように、測定装置本体１は、駆動部１１、位置検出部１２、及び光切断プローブ２を備えている。
駆動部１１は、回転機構１３とヘッド駆動部１４とを備え、制御装置４から供給される駆動信号に基づいて、測定対象３に対する光切断プローブ２の相対位置を変更させる。すなわち、駆動部１１は、光切断プローブ２と測定対象３とを相対移動させる。なお、駆動部１１は、移動機構とも記載する。
【００３１】
位置検出部１２は、回転位置検出部１５とヘッド位置検出部１６とを備えている。
ヘッド位置検出部１６は、ヘッド駆動部１４のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の位置をそれぞれ検出するＸ軸用エンコーダ、Ｙ軸用エンコーダ、及びＺ軸用エンコーダを備える。ヘッド位置検出部１６は、それらのエンコーダによってヘッド駆動部１４の位置を検出し、ヘッド駆動部１４の位置を示す信号を後述の座標検出部５１に供給する。
【００３２】
回転位置検出部１５は、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の回転位置をそれぞれ検出するエンコーダを備える。回転位置検出部１５は、それらのエンコーダを用いて、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の回転位置を検出し、検出した回転位置を示す信号を座標検出部５１に供給する。
【００３３】
光切断プローブ２は、上述したように、光切断方式により測定対象３の表面形状を検出するために、投光部２１及び撮像部２２を備えている。投光部２１は、後述の間隔調整部５２から供給される光の照射を制御する制御信号に基づき、測定対象３に測定光を照射する。測定光は、前述のようにスリット状の光量分布を有する光束であるので、測定光が投影された測定対象３にはライン状の像が投影される。
撮像部２２は、投光部２１からの照射光により測定対象３の表面に形成されるライン状の像を撮像する。なお、本実施の形態では、このライン状の像を光切断線と称する。ここで、光切断線は、測定対象３の照射方向を含んだ面における断面形状に応じて形成される。そして、撮像部２２は、間隔調整部５２を介して撮像した画像情報を制御装置４に供給する。これにより、制御装置４は、測定光が投光された測定対象の位置における3次元位置座標を算出する。このとき、制御装置４はライン状の像の各1点1点に対して、３次元座標を算出する。
【００３４】
続いて、制御装置４について説明する。
制御装置４は、演算処理部４１と、入力装置４２と、ジョイスティック４３と、モニタ４４とを備えている。
【００３５】
入力装置４２は、ユーザが各種指示情報を入力するキーボードなどを備える。入力装置４２は、入力された指示情報を検出し、検出した指示情報を記憶部５５に記憶させる。
ジョイスティック４３は、ユーザの操作を受けて、その操作に応じて駆動部１１を駆動させる制御信号を生成して駆動制御部５４に供給する。このように、ジョイスティック４３は、光切断プローブ２を配置させる状態を示す情報を検出し、検出した情報に基づいて光切断プローブ２を配置させる制御指令情報として、入力することができる。
モニタ４４は、データ出力部６０から供給された測定データ（全測定ポイントの座標値）等を基に画像処理を行い、測定データから推定される測定対象の立体形状を表示する。また、モニタ４４は、計測画面、指示画面等を表示する。
【００３６】
演算処理部４１は、形状測定装置１００における測定対象３の形状を測定する処理の制御を行い、測定対象３表面の基準平面からの高さを算出し、測定対象３の３次元形状を求める演算処理を行う。また、演算処理部４１は、座標検出部５１、間隔調整部５２、測定部５３、駆動制御部５４、記憶部５５、測定制御部５６、データ出力部６０、及びハードディスク６１を備えている。
【００３７】
座標検出部５１は、回転位置検出部１５及びヘッド位置検出部１６から出力される６軸座標信号によって、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の相対位置を検知する。ここで、６軸座標信号とは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸、及びＡ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、Ｃ回転軸１３３の３軸の座標を示す信号である。
つまり、座標検出部５１は、ヘッド位置検出部１６から出力される直交３軸の座標信号によって、光切断プローブ２の位置、すなわち水平方向における観察位置（光軸中心位置）と上下方向における観察位置とを検知する。また、座標検出部５１は、回転位置検出部１５から出力される回転位置を示す信号によって、測定対象３に対する光切断プローブ２の相対位置（向き）を検知する。この相対位置を求めることにより、測定対象３に対する測定光の投光方向と測定光の像の撮像方向が求められる。
【００３８】
座標検出部５１は、光切断プローブ２の位置、及び光切断プローブ２の相対位置を示す情報として、６軸の座標情報を測定部５３に供給する。
また、座標検出部５１は、光切断プローブ２の６軸の座標情報に基づいて、光切断プローブ２の移動経路、移動速度などを検出する。
【００３９】
間隔調整部５２は、予め定められた所定のサンプリング間隔で、撮像部２２の撮影タイミングを設定する。また、この間隔で順次画像情報を測定部５３に供給する。なお、所定のレートで撮像部出力される画像情報の中から、所定のサンプリング間隔で画像情報を測定部５３に出力するようにしてもよい。
【００４０】
測定部５３は、間隔調整部５２から供給された画像情報を受け取る。また、測定部５３は、座標検出部５１から供給された光切断プローブ２の直交３軸の位置及び回転位置情報（以降、座標情報と称する）を受け取る。この測定部５３は、点群生成部５３Ａと重み付け部５３Ｂとを含む。点群生成部５３Ａは、間隔調整部５２から供給された画像情報と、座標検出部５１から供給されたと６軸の座標情報とに基づき、測定光が投影された測定対象３の各測定ポイントの座標値（３次元座標値）を算出する。なお、測定光が投影される位置を変えながら、順次各々異なる位置の測定ポイントに対する座標値を取得している。これにより、測定対象３の３次元点群データを得ることができる。
【００４１】
測定部５３の点群生成部５３Ａにおけるこの点群データの具体的な算出方法は、以下の通りである。まず、測定部５３は、受け取った光切断プローブ２の６軸の座標情報から、光切断プローブ２に固定された投光部２１の座標と、投光部２１から投影される測定光の投光方向（以下照射角度）と、撮像部２２の座標とを算出する。
ここで、投光部２１は、光切断プローブ２に固定されているので、投光部２１の照射角度は、光切断プローブ２に対して固定である。また、撮像部２２も光切断プローブ２に固定されているので、撮像部２２の撮像角度は、光切断プローブ２に対して固定である。
【００４２】
点群生成部５３Ａは、測定対象３に測定光が照射された位置における3次元位置座標を撮像部２２から得られた画像情報から求める。このとき、測定光の像が撮像された画素毎に、三角測量の方法を用いて投光方向を含む面内での位置座標を算出する。ここで、照射した光が測定対象３にあたった点の座標は、投光部２１の座標から投光部２１の照射角度で描画される直線と、撮像部２２の座標から撮像部２２の撮像角度で描画される直線（光軸）とが交わる点の座標である。なお、上記の撮像された画像は、測定位置に配置された光切断プローブ２によって検出された画像を示す。
これによって、測定対象３に投影された測定光の像の短手方向に走査させることにより、順次測定領域の位置を変えることができる。このように測定領域を変えることで、測定対象３の表面形状を求めることができる。また、測定部５３は、点群生成部５３Ａにより算出した各測定領域の３次元位置座標値を記憶部５５に記憶させる。ところで、同一測定対象における複数の異なる測定領域の3次元位置座標のひとまとまりを点群データと称する。
【００４３】
また、測定部５３の重み付け部５３Ｂは、点群データをある平面上に射影した射影データ（２次元点群データ）を生成する。なお、点群データから射影データ（２次元点群データ）を生成するための射影方向（射影パスの方向）は、測定対象を構成する面の方向に応じて設定する。例えば、歯車の場合に、測定面（歯面）の法線ベクトルと光切断線の方向（測定面に投影されたライン状の像の長手方向）とに直交する方向に設定することが好ましい。歯車の歯面を測定する際、光切断プローブ２から投影される光切断線の長手方向は歯筋と直交又は直交する方向に近い方向に設定し、光切断線の短手方向に走査しながら順次測定領域を変えてゆくことが好ましい。そして、本発明の実施の形態における重み付け部53Bは、このようにして取得された点群データについて、走査方向に対してほぼ直交し光切断線の長手方向とほぼ平行な面に射影する。
このような操作を歯車の全歯面に実施する。なお、歯車の歯面はいずれもほぼ同一形状を有しているので、どの歯面であってもその射影データが描く形状は、歯面を歯すじの方向から見た形状と概略同じ形状となる。
【００４４】
また、重み付け部５３Ｂは、射影データ（２次元点群データ）の各点の座標情報に基づいて近似曲線（例えば、スプライン曲線）を算出する。算出した近似曲線と各点の２次元座標情報との距離に基づいて、点群データに含まれる各点の重み付け値を設定する。そして、重み付け部５３Ｂは、射影データの近似曲線と各点の２次元座標情報との距離の分布データから分散値σを求め、この分散値σを評価することにより点群データの品質を判定する。すなわち、重み付け部５３Ｂは、分散値σが小さい程、点群データの品質が良いと判定する。なお、近似曲線（例えば、スプライン曲線）の例と分散値σの算出方法については後述する。
【００４５】
そして、後述するように、測定制御部５６の方向設定部５９は、上記分散値σを最小にするように、光切断プローブ２の移動方向を設定する。そして、測定制御部５６は、駆動制御部５４を介して、方向設定部５９により設定された移動方向に光切断プローブ２を移動させる。なお、方向設定部５９は、移動方向決定部とも記載する。
【００４６】
駆動制御部５４は、ジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、又は、測定制御部５６からの指令信号に基づいて、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３に駆動信号を出力して、駆動部１１を移動させる制御を行う。なお、この駆動制御部５４は、移動制御部とも記載する。
【００４７】
記憶部５５は、例えば、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）などのメモリであり、入力装置４２から供給された各種指示情報を測定条件テーブルとして記憶する。ここで、測定条件テーブルには、測定条件や測定の終了条件、測定対象３の測定開始点（最初の測定ポイント）の座標値等、測定開始位置での測定目標方向、各測定ポイントの間隔（例えば、一定間隔のデータ取得ピッチ）を示すデータなどの項目が含まれる。また、条件テーブルには、回転軸１３２、１３３の角度調整範囲、及び角度調整（変更）を行う際の角度ステップを予め指定する情報が含まれる。
【００４８】
また、記憶部５５は、測定部５３から供給された３次元座標値の点群データを測定データとして記憶する。また、記憶部５５は、座標検出部５１から供給された各測定ポイントの座標値データ（６軸の座標情報）を経路情報として記憶する。また、記憶部５５は、設計データ（ＣＡＤデータ）を記憶する。なお、経路情報は、測定パスとも記載する。また、記憶部５５は、測定パス記憶部とも記載する。
【００４９】
なお、記憶部５５は、形状記憶部５５１と経路記憶部５５２とを備えている。
形状記憶部５５１は、上述した測定部５３から供給された３次元座標値の点群データを測定データとして記憶する。つまり、形状記憶部５５１は、後述する測定制御部５６によって制御された相対位置に対応させて測定部５３が検出した検出値（形状）である点群データを記憶する。
経路記憶部５５２は、変更させた上述の相対位置（各測定ポイント）に対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を相対位置の経路情報として記憶する。
【００５０】
測定制御部５６は、位置設定部５７と、法線算出部５８と、方向設定部５９とを含む。また、測定制御部５６は、測定部５３における測定動作、例えば、点群データの生成や射影データの生成や点群データの評価等の処理動作を制御する。また、測定制御部５６は、記憶部５５から測定条件テーブルに登録された測定対象３の測定開始点（最初の測定ポイント）及び測定終了条件、等を読み出す。
【００５１】
また、測定制御部５６は、位置設定部５７により、光切断プローブ２からライン状の像が投光される測定対象３の表面の位置を投光位置として設定する。
【００５２】
また、測定制御部５６内の方向設定部５９は、測定部５３により生成された３次元点群データを上述の射影パスの方向に射影した射影データ（２次元点群データ）に基づいて、光切断プローブ２が測定対象３をスキャンする移動方向（スキャン方向）を設定する。すなわち、方向設定部５９は、射影データの評価結果により、スキャン方向（移動方向）を最適化する。そして、測定制御部５６は、方向設定部５９により設定された移動方向と、予め設定された移動ピッチ（データ取得ピッチ）とにより、光切断プローブ２を連続的に移動させていく。
なお、方向設定部５９は、光切断プローブ２の移動方向（スキャン方向）を、射影データ（２次元点群データ）に基づいて最適化した方向に設定することができる他に、法線ベクトル（面の傾斜情報）と測定対象に投影された光切断線の長手方向との外積の方向に設定することもできる。
【００５３】
また、上記の位置設定部５７においても、測定部５３によって算出（検出）された検出値（３次元座標値の点群データの射影データ）に基づいて、光切断線を検出する位置が最適になるように光切断プローブ２と測定対象３との相対位置（光切断プローブ２の姿勢）を制御するようにしてもよい。つまり、位置設定部５７は、点群データの射影データに基づいて、射影データが示す点群データのばらつき（分散値）が最小値になるか、又は所定の範囲内に収まるように、光切断プローブ２と測定対象３との相対移動方向を制御するようにしてもよい。
【００５４】
また、測定制御部５６内の法線算出部５８は、算出値（３次元座標値を持つ点群データ）に基づいて、光切断線が投影された位置における測定対象３の測定面の法線方向を示す法線ベクトルを算出する。
本形状測定装置１は、法線ベクトルを算出する際に、方向設定部５９により設定された光切断プローブ２の移動方向に沿って、光切断プローブ２を移動させながら、測定領域を順次移動させて、画像データを取得しながら実施する。そして、法線算出部５８は、形状記憶部５５１から読み出した、現在の測定領域の点群データと現在より一つ前の画像データを基に算出された（例えば、１つ前の）点群データとに基づいて、現在の測定領域における被測定面の法線ベクトルを算出する。すなわち、法線算出部５８は、連続する２枚のライン光の撮像画像から測定対象３の測定面の法線方向（面の傾斜情報面）を示す法線ベクトルを算出する。この法線ベクトルの算出の詳細については、後述する。
【００５５】
また、測定制御部５６は、記憶部５５から読み出した測定終了条件に基づいて、測定対象３の形状の検出を終了させる。測定終了条件の詳細は、後述する。
また、測定制御部５６は、測定部５３によって点群データが生成される測定領域の変更間隔を所定ピッチで行う。その際に、画像データが取得された毎に光切断プローブ２の測定位置及び向きに対応する光切断プローブ２の座標値データ（６軸の座標情報）を経路記憶部５５２に記憶させる。測定制御部５６は、再び同じ測定対象３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した光切断プローブ２の各6軸の座標値データに基づいて、光切断プローブ２の６軸の位置を変更させて、測定部５３に点群データを繰り返し検出させることができる。
【００５６】
また、測定制御部５６は、記憶部５５から測定条件テーブルに登録された測定対象３の測定開始点（最初の測定ポイント）及び測定終了条件、等を読み出す。測定制御部５６は、測定対象３の測定開始点、及び測定部５３によって算出（検出）された測定対象３の形状に応じて、測定対象３に対するスキャンの移動経路を算出する。
【００５７】
データ出力部６０は、記憶部５５から測定データ（全測定ポイントの座標値）等を読み出す。データ出力部６０は、その測定データ（全測定ポイントの座標値）等をモニタ４４に供給する。また、データ出力部６０は、測定データ（全測定ポイントの座標値）等をプリンタ（不図示）へ出力する。
【００５８】
ハードディスク６１は、磁気記憶装置などの不揮発性の記憶装置であり、記憶部５５に記憶されている情報を保存しておく目的のために記憶する。記憶部５５に記憶されている情報は、例えば、形状記憶部５５１に記憶されている点群データや、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報などである。これらの情報は、測定制御部５６によって、記憶部５５から読み出されて、ハードディスク６１に記憶される。また、ハードディスク６１に記憶されている情報は、測定制御部５６によって、ハードディスク６１から読み出され、記憶部５５に記憶されて、測定の際に使用されてもよい。
【００５９】
（光切断プローブの位置と点群データの品質）
ところで、上述した形状測定装置１００では、測定対象３に対する光切断プローブ２のスキャン方向（移動方向）や、測定対象３と光切断プローブ２の相対位置により、点群データの品質が左右されることがある。
例えば、図７は、点群データの計測画面例を示す図である。この図７に示す例は、図７（ａ）に示す平歯車の１つの歯面にラインレーザ光を照射しスキャンを行う場合の例であり、符号Ａで示す部分がスキャン範囲を示している。
ぞして、図７（ｂ）は、多重反射光のない状態の画像データを基に生成された複数の３次元座標データからなる点群データをスクリーン上に表示したときの例を示し、図７（ｃ）は、平歯車の歯面の状態によって多重反射光が発生し拡散光が正しく検出できないような画像データを基に、取得された点群データをスクリーン上に表示したときの例を示している。この図に示すように、図７（ｂ）の多重反射光のない状態での点群データの計測画面では、形状を示す点群データが明瞭に検出されているのに対して、図７（ｃ）の多重反射光のある状態での点群データの計測画面では、形状を示す点群データに抜けた部分が発生するなど、点群データが不明瞭になる。
【００６０】
この多重反射の発生原因としては、例えば、図８に示すように、照明光１が測定対象３としての歯車の歯面Ａで反射し、さらにその光が向かい側の歯面Ｂに反射し撮像部２２（不図示）に入ることが原因になる場合ある。このような場合は、本来の被測定面の形状を表す信号と多重反射によるノイズとが合成され、本来の被測定面の形状を表す位置の信号と多重反射によるノイズが合成された信号が検出され、点群データの品質が悪化することになる。
【００６１】
（点群データの品質の評価）
そこで、本実施形態の形状測定装置１００では、点群データの品質を評価するために３次元の点群データを２次元空間に射影して評価を行う。これは、球体、平面のようにその形状が明らかな３次元の点群データに対しても最少二乗法等によりフィッティングを行う場合だけでなく、最少二乗面からの偏差を評価できる形状でない場合においても、射影可能な任意の曲面に対しても点群データの品質の評価を行えるようにするためである。
【００６２】
例えば、図９は、検出された歯面の点群データを被測定対象である平歯車の歯筋方向にと垂直な面に射影したときの、射影データを示している。図９（ａ）は点群データを算出するときに用いた画像データの中に多重反射光による像を含んでいない場合の射影データの例を示し、図９（ｂ）は多重反射光による像を含む画像データで点群データを算出した場合の射影データの例を示している。この図９（ｂ）に示す多重反射を含む画像から取得された点群データは、図９（ａ）と比較してわかるように、射影データを構成している個々の２次元座標データの分散（点群データのばらつき）が大きい。本来正確に製造された平歯車では、その歯筋方向の位置が変わっても歯車の稜線とは直交する方向の座標データは、同じであるべきである。しかしながら、取得する画像データの中に多重反射光による像なども一緒に撮影されている場合、点群データが本来あるべき座標値を持たず、形状測定装置１００から得られる測定値の信頼性が低いものとなってしまう。
【００６３】
そこで、本実施形態の形状測定装置１００では、測定部５３内の重み付け部５３Ｂにより、射影データの２次元点群をプロットする。このようにして得られた射影曲線を多項式の近似曲線（本実施形態ではスプライン曲線）により補間し、さらに、近似曲線を均等区間に区切り折れ線化を行う。
これは、単純なプロファイルをもつ形状ではスプライン曲線を用いて、そのスプライン曲線と各点との距離を評価することもできるが、本実施形態の形状測定装置１００では、その演算時間を考慮し、スプライン補間後に、スプライン曲線を均等区間に区切り折れ線化を行い、この折れ線と各点との距離を評価する。このように、スプライン曲線を折れ線化することでとで、スプライン曲線と各点との距離の算出処理を高速化している。
【００６４】
例えば、図１０は、スプライン補間の例を示す図である。図１０（ａ）は、多重反射光を含む２次元画像を示し、この２次元画像から求まるスプライン曲線ＳＰＬを、図１０（ｂ）の画像で中抜きの部分（白色の部分）で示し、また、図１０（ｃ）にスプライン曲線ＳＰＬを抜き出して示している。
重み付け部５３Ｂは、図１０（ｄ）に示すように、スプライン曲線ＳＰＬから折れ線Ｍを生成し、各点Ｘと折れ線Ｍとの距離は各点と折れ線Ｍとの垂線を求めることでその距離としている。そして、重み付け部５３Ｂは、射影データの各点と折れ線の距離を算出し、次に、折れ線Ｍとの距離の分布データを分散値σとして求め、この分散値σを評価値とする。
そして、測定制御部５６は、方向設定部５９により、上記分散値σを最小にする（又は所定の値以下になる）ように、点群データを取得するたびに、光切断プローブ２の移動方向を変えて、2次元点群データを評価し、最適な光切断プローブ２の移動方向を設定する。
【００６５】
（形状データを作成するまでの手順）
図４は、本実施形態における形状測定装置１００の測定手順を示す図である。
また、被測定面をスキャンする処理の手順の詳細を図５に、射影処理の手順の詳細を図６に示す。本実施形態の形状測定装置１００は、測定対象となる歯車等の歯面を精度良く測定出来るように、測定対象３に対する光切断プローブ２の移動方向を測定条件として決定するものである。
【００６６】
図４において、まず、測定オブジェクトである測定対象３が、ユーザによって測定台に設置される（ステップＳ１０１）。具体的には、形状測定装置１００上の測定可能空間内に測定対象３を設置し、振動等の影響によりその位置が変動することのないよう治具等で固定する。
【００６７】
次に、ユーザが、ヘッド駆動部（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸の駆動部）１４及び回転機構１３を測定開始位置に移動させる（ステップＳ１０２）。つまり、光切断プローブ２が、測定開始位置に移動させられる。すなわち、光切断プローブ２から照射される光切断線（ライン光）が測定対象３の測定開始位置に照射されるように、例えば、移動ツマミ（入力装置４２の一部）、又はジョイスティック４３を用いて、光切断プローブ２の位置（Ｘ軸上の位置、Ｙ軸上の位置、Ｚ軸上の位置）と光切断プローブ２によるライン光の投影方向（θＸの方向、θＹの方向、θＺの方向）の計６軸座標が調整され、駆動制御部５４は、移動ツマミ又はジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を移動及び回転させる。そして、駆動制御部５４は、移動ツマミ又はジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、登録位置として設定された駆動部１１の測定開始位置を記憶部５５に記憶させる。これにより、形状測定装置１００は、測定開始位置が設定される。
【００６８】
ヘッド駆動部１４及び回転機構１３を測定開始位置に移動させる場合、測定対象の測定領域に投影された光切断線の像は、光切断プローブ２内の撮像部２２によりモニタされ、画像中心位置に撮像されるように微調整されてもよい。
【００６９】
次に、光切断線の照射方向（測定目標方向）が、ユーザによって指定される（ステップＳ１０３）。つまり、ユーザによって、Ｃ回転軸１３３を移動ツマミ又はジョイスティック４３により光切断線の長手方向を光切断プローブ２の測定対象に対する走査方向と直交する方向に合わせる。例えば、図１のモニタ４４を観察して、測定開始領域に光切断線が投影されるかを確認しながら、決定する。なお、モニタ上の光切断線の方向は、測定対象３の測定領域の形状に応じて設定されるものである。
ここで、駆動制御部５４は、移動ツマミ又はジョイスティック４３からの操作信号に基づいて、回転機構１３のＣ回転軸１３３を回転させるとともに、登録位置として設定された測定開始位置での測定目標方向を記憶部５５に記憶させる。
【００７０】
次に、形状測定装置１００では、測定終了条件が、ユーザによって指定される（ステップＳ１０４）。つまり、入力装置４２又はジョイスティック４３により、図１で示すＸＹ平面と平行な方向において、測定終了位置を設定する。そして、測定開始位置から測定終了位置までの測定パスを入力装置４２又はジョイスティック４３により入力する。入力された測定は、記憶部５５に記憶させる。このとき、測定開始位置から測定終了位置までの測定パスは、何種類かのパスを設定している。また、測定対象の必要な測定範囲が包含されていれば、測定開始位置や測定終了位置を測定パス毎に変えて設定しても良い。
【００７１】
本実施形態では、自動追従動作を終了させる測定範囲の終点とする条件として、以下に示す条件の設定が可能である。なお、測定制御部５６は、指定された測定範囲の終点とする条件に到達するまで、光切断プローブ２の位置及び相対位置を変更させて、測定部５３に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出させる。
（１）図1に示すＸＹ平面内に置いて、光切断プローブ２の測定対象３に対する移動距離を測定して、その距離が所定距離となったら測定範囲の終点とする。
この場合、形状測定装置１００では、例えば、ｍｍ（ミリメートル）単位によって、測定対象３の測定開始位置から測定を行う距離が指定される。また、その距離の指定においては、頻繁に利用する距離を予めメニュー化しておいて、そのメニューの内から指定する方式でもよい。
また、この測定終了条件が指定された場合に、測定制御部５６は、光切断プローブ２の位置が測定対象３の測定開始位置から上述の指定された距離以上離れた位置になった場合に測定対象３の形状の検出を終了させる。
【００７２】
（２）同一位置点群の検出によって測定範囲の終点とする。
この測定終了条件が指定された場合、測定部５３によって検出された点群データが、既に取得済みのデータと一致（同一位置点群）、又は近距離で重なる場合に、形状測定装置１００は、測定を終了する。すなわち、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて、測定部５３に点群データを繰り返し検出させ、新しく検出された点群データ（点群の位置情報）が、既に検出された点群データの値を含む予め定められた範囲内である場合に、測定対象３の形状の検出を終了させる。例えば、球面を連続的に測定（スキャン）し、３６０度測定の結果、近距離の点群が重なる場合に、測定制御部５６は、測定対象３の形状の検出を終了させる。
【００７３】
（３）法線角度の範囲によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、形状測定装置１００は、後述する法線ベクトルの向きが予め定められた範囲内にあるかを測定制御部５６で検出し、法線ベクトルの向きがこの範囲から外れた場合に測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、法線ベクトルの向きが予め定められた範囲内にあるかをモニタし、後述する法線ベクトルの向きが、予め定められた範囲外である場合に、測定対象３の形状の検出を終了させる。
【００７４】
（４）画像毎点群数の下限値によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定され、形状測定装置１００は、例えば、１０２４を最大とする画像データ一枚当たりの算出点群数が、規定値を下回った場合に、測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて測定部５３に１回に検出させた点群の数が、予め定められた値以下である場合に、測定対象３の形状の検出を終了させる。
【００７５】
（５）点群数の上限値によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定され、形状測定装置１００は、測定開始から取得された点群データの総数が上限値を越えた場合に、測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて測定部５３に検出させた点群の数をカウントして、カウントした点群データの総数が、予め定められた上限値を越えたら場合に、測定対象３の形状の検出を終了させる。
【００７６】
（６）空間座標範囲によって測定を終了する。
この測定終了条件が指定された場合、形状測定装置１００は、後述するワールド座標の指定された範囲内に到達した場合に、測定を終了する。つまり、測定制御部５６は、上述の相対位置を変更させて測定部５３に検出させた点群データが、ワールド座標の指定された範囲内に到達した場合に、測定対象３の形状の検出を終了させる。
このように、形状測定装置１００では、以上の（１）から（６）の測定終了条件を単体、及び組み合わせ条件として指定する。
また、本願発明の形状測定装置は、更に射影データのばらつきσの量を基に、測定終了条件を設定する。
【００７７】
次に、形状測定装置１００では、測定対象３の表面のデータ測定ピッチがユーザによって指定される（ステップＳ１０５）。つまり、入力装置４２又はジョイスティック４３を用いて、測定ピッチ（スキャンピッチ）が指定され、入力装置４２又はジョイスティック４３は、指定された測定ピッチを記憶部５５に記憶させる。例えば、ユーザは、取得点群のサイズ、取得時間の制限等から被測定面の最適なデータ取得間隔を指定する。
【００７８】
以上により、形状測定装置１００において、測定対象３の形状を測定するための設定が完了する。
【００７９】
次に、形状測定装置１００は、測定対象３の形状の測定を開始する（ステップＳ１０６）。つまり、測定制御部５６は、上述で設定された測定条件テーブルを記憶部５５から読み出して、測定条件テーブルに基づいて測定対象３の形状の測定を開始する。
【００８０】
次に、測定制御部５６は、ステップＳ１０４の処理において指定された測定終了条件に達したかを判定する（ステップＳ１０７）。測定制御部５６は、ステップＳ１０４の処理において指定された測定終了条件に達したと判定した場合に、ステップＳ１１２に処理を進める。一方、測定制御部５６は、ステップＳ１０４の処理において指定された測定終了条件に達していないと判定した場合に、光切断プローブ２の位置及び相対位置を変更させて、測定部５３に点群の位置情報である点群データを繰り返し検出させる。このとき、測定制御部５６は、光切断プローブ２の移動方向の設定（調整）と光切断線の長手方向の設定を行う。以下、測定制御部５６が行う光切断プローブ２の移動方向の設定（調整）と光切断線の長手方向の設定について説明する。
【００８１】
この測定制御部５６は、１画像分（例えば、１歯分）の３次元点群データごとに光切断プローブ２の移動方向の設定（調整）と光切断線の長手方向の設定を行う。ステップＳ１０７において、測定部５３は、点群生成部５３Ａにより、１画像分（例えば、１歯分）の３次元点群データを生成し、測定部５３は、重み付け部５３Ｂにより、この３次元の点群データを射影パスの方向に射影した射影データ（２次元点群データ）を生成する（図９を参照）。さらに、重み付け部５３Ｂは、この射影データ（２次元点群データ）の分散値σを検出する。そして、測定制御部５６は、測定部５３と駆動制御部５４とを制御することにより、この重み付け部５３Ｂにより検出される分散値σが所定の範囲内に収まるまで、以下に示すステップＳ１０９〜Ｓ１１１の処理を繰り返し、最適な移動方向（スキャン方向）を設定する。例えば、測定制御部５６は、移動方向を０．２度ずつ変更するなどして、その度ごとに分散値σを算出し、最適な移動方向（スキャン方向）を設定する。
【００８２】
そして、このステップＳ１０８の処理において、前回の測定開始から測定終了までに設定された測定パスとは異なるパスに設定されるように、形状測定装置１００は、ライン光を検出する位置が最適になるように光切断プローブ２の移動方向を制御する。また、このとき、光切断線の長手方向も異なる測定パスに設定された測定方向と直交する方向となるように、光切断プローブ２のＣ軸を回転させる。つまり、形状測定装置１００では、測定制御部５６内の方向設定部５９により、射影データに基づいて、射影データのばらつき（分散値σ）がある値以下に小さくなる（或いは所定の範囲内に収まる）ように、光切断プローブ２の移動方向の設定（調整）と光切断線の長手方向の設定を行う。
【００８３】
なお、測定部５３の点群生成部５３Ａは、３次元点群データを生成する際に、後述するプローブ座標から後述するワールド座標に変換する。以下、測定部５３の点群生成部５３Ａが、プローブ座標からワールド座標に変換して、３次元点群データを生成する一例を説明する。
【００８４】
（プローブ座標系について）
まず、本実施形態におけるプローブ座標系について説明する。
図１１は、本実施形態におけるプローブ座標系を示すベクトル関連図である。
この図において、プローブ座標系は、光切断プローブ２単体において、測定光が投影される方向である照明光軸Ｌ１と撮像部２２の撮像光学系の瞳の中心と撮像部２２に設けられた撮像素子２２ａの中心とを結ぶ撮像光軸Ｌ２が交わる点を原点とし、投光部２１の方向をＺ軸のプラス方向、Ｚ軸と直交する紙面右に向かう方向をＸ軸のプラス方向、紙面奥に向かう方向をＹ軸のプラス方向として示される。なお、この図の場合、測定光の像である光切断線の長手方向は、Ｙ軸方向となる。本実施形態では、例えば、撮像部２２は、１０２４×１０２４  画素のＣＣＤカメラを使用している。なお、光切断線の像も紙面に対して垂直方向にその長手方向が一致している。そのため、測定部５３は、撮像素子の撮像面上における最大輝度位置の検出を紙面と平行な方向に沿って、画素列毎に検出する。最大１０２４個のピーク位置を検出することが可能である。
【００８５】
これにより、予め光切断プローブ２単体の校正がされた状態では、測定部５３の点群生成部５３Ａは、測定光の像の位置を、校正データにより補正演算により、光切断面内のプローブ座標系での３次元座標を生成することが可能である。
なお、本実施形態において、光切断プローブ２単体校正が完了しているものとし、補正演算内容の詳細に関しては、説明を省略する。
【００８６】
（ワールド座標系について）
次に、本実施形態におけるワールド座標系について説明する。
ワールド座標系は、例えば、図１に示された形状測定装置１００の定盤１８上における左手前を原点としてＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向での測定空間内の３次元位置を示す座標系である。なお、測定部５３は、点群データをこのワールド座標系の位置情報（座標情報）として生成する。
【００８７】
（プローブ座標からワールド座標への変換）
次に、測定部５３における、プローブ座標からワールド座標に変換して、点群データを生成する処理について説明する。測定部５３は、プローブ座標系として生成された点群座標に６軸の座標情報を加味した演算を行い、ワールド座標系に変換する。
ここで、プローブ座標系によって示される点の３次元座標を式（１）として示す。
【００８８】
【数１】
2014145735.tif 000003
【００８９】
図１２は、本実施形態における回転軸ベクトルを示すベクトル関連図である。
この図において、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心をポイントＰ１とし、Ｃ回転軸１３３の回転中心（プローブ座標原点でもある）をポイントＰ２として示す。また、光切断プローブ２によって画像が取得される際のＡ回転軸１３１の角度を角度ａとし、Ｂ回転軸１３２の角度を角度ｂとし、Ｃ回転軸１３３の角度を角度ｃとして示す。
ここで、Ａ回転軸１３１、Ｂ回転軸１３２、及びＣ回転軸１３３の各回転軸に対応する回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂ、及びＭｃとすると、ワールド座標への変換は、式（２）として示される。
【００９０】
【数２】
2014145735.tif 000004
【００９１】
ここで、Ｏ（オー）は、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心におけるワールド座標を示すベクトルであり、座標検出部５１が検出した形状測定装置１００のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の座標情報と一致させるように校正されている。
また、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合のＡ回転軸１３１及びＡ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示す。ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（３）として示される。
【００９２】
【数３】
2014145735.tif 000005
【００９３】
式（３）として示される演算処理により、測定部５３は、ベクトルＬの先端、即ち、プローブ座標系の原点であるポイントＰ２を、ワールド座標系に変換することができる。つまり、測定部５３は、光切断プローブ２によって検出された測定対象３の表面の位置情報（点群データ）をワールド座標系に変換することができることを示している。
また、測定部５３は、生成した点群データを形状記憶部５５１に記憶させる。
【００９４】
続いて、測定部５３の重み付け部５３Ｂは、被測定面の点群データから、２次元の射影データを作成する射影処理を行う（ステップＳ１１０）。また、重み付け部５３Ｂは、ステップＳ１１０において生成された射影画像を基に、点群データの品質を分散値σにより評価する（ステップＳ１１１）。なお、ステップＳ１１０の射影処理の詳細については後述する。
【００９５】
そして、評価結果に基づき、測定時のスキャン方向を再設定する。なお、スキャン方向の設定は、予めステップＳ１０２、ステップＳ１０３及びステップＳ１０４に何種類かの測定開始位置及び測定終了条件を設定する。このときに、同じ測定範囲が包含されるように設定しておく。そして、設定されたスキャン方向で測定された点群データから射影データを作成して、分散値σを算出する。測定制御部５６は、重み付け部５３Ｂにより検出される射影データの分散値σが所定の範囲内になるまで、ステップＳ１０９からＳ１１１までの処理を繰り返す（ステップＳ１０８）。そして、ステップＳ１０８の処理において、所定の範囲内であると判定されると、この時得られた点群データが計測データとして採用されるとともに、この時に光切断プローブ２の移動方向（スキャン方向）が決定される。
【００９６】
なお、本実施形態の形状測定装置１００では、方向設定部５９により上記の移動方向を設定する際に、さらに、点群データの分散値が最小（又は所定の範囲内）になるように、回転軸１３２、１３３の角度を調整することもできる。すなわち、測定制御部５６の位置設定部５７は、光切断プローブ２の相対位置（姿勢）を最適な位置になるように設定することもできる。
【００９７】
その後に、ステップＳ１０７の処理に移行し、測定制御部５６は、ステップＳ１０４の処理において指定された測定終了条件に達したか否かを判定する。測定制御部５６は、測定終了条件に達したと判定した場合に、ステップＳ１１２に処理を進める。また、測定制御部５６は、ステップＳ１０４の処理において指定された測定終了条件に達していないと判定した場合に、再度、ステップＳ１０８に処理を進める。
【００９８】
次に、ステップＳ１１２において、形状測定装置１００は、点群データをハードディスク６１にセーブする（記憶させる）。つまり、測定制御部５６は、形状記憶部５５１に記憶されている測定対象３の形状情報である点群データをハードディスク６１に記憶させる。
なお、測定制御部５６は、経路記憶部５５２に記憶されている経路情報（上述の相対位置の経路）をハードディスク６１に記憶させてもよい。
【００９９】
また、測定制御部５６は、再び測定対象３の形状を検出させる場合に、経路記憶部５５２から読み出した経路情報に基づいて光切断プローブ２の座標情報を変更させて、測定部５３に点群の位置情報を繰り返し検出させてもよい。この場合、測定制御部５６は、ハードディスク６１に記憶されている経路情報を読み出して使用してもよいし、ハードディスク６１に記憶されている経路情報を経路記憶部５５２に記憶させて、使用してもよい。
また、測定制御部５６は、一例として、分散値σが最も小さくなる経路を予め設定し、設定したその経路により点群データを生成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、測定制御部５６は、経路記憶部５５２に記憶されている複数の経路情報毎に、測定対象３の全体の点群データをそれぞれ生成した後に、分散値σが最も小さい経路による点群データを選択してもよい。
【０１００】
（測定画面のスキャン処理）
次に、ステップＳ１１０における被測定面のスキャン処理の手順を図５に示す。なお、ここで示す例は、光切断プローブ２を、被測定面の法線ベクトルの方向とライン光の長手方向との外積の方向に移動（スキャン）させる場合の例であり、前述のように分散値σを最小にするために移動方向（スキャン方法）を設定する際には、上記外積の方向を基準方向として、最適な移動方向が探索されるものである。
【０１０１】
図５を参照して、測定制御部５６は、光切断プローブによりそのスキャン中に予め指定されたデータ取得ピッチにより連続的に画像取得を行う（ステップＳ２０１）。
そして、測定制御部５６は、スキャン開始から２画像を取得すると、前述の図７で説明したように、１画像目と２画像目で形成される被測定面の領域の法線ベクトルを算出する（ステップＳ２０２）。この法線ベクトルは、画面内に捉えられたライン光の長手方向分を画素分解能で分解されたサンプル数分検出が可能である。
【０１０２】
（法線ベクトルの算出例）
ここで、測定制御部５６における法線ベクトルの算出の一例を説明する。
図１３は、本実施形態における法線ベクトルの生成例を示す概念図である。
図１３（ａ）において、点群データＤ２は、現在の測定位置において取得された画像ｎ（現画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。点群データＤ１は、画像ｎ（現画像）の１つ前の測定位置において取得された画像（ｎ−１）（前画像）に基づいて、生成されたワールド座標系による点群データを示している。この点群データＤ１及びＤ２において、四角で囲まれた１〜１０２４の数字は、点群データを構成する各点の点番号を示している。なお、個々の点は、三次元座標データでからなっている。
測定制御部５６は、測定対象へライン光が投影されている測定領域が撮影されている現画像ｎから生成された点群から選定された最大１０２４点に対応した法線ベクトル計算を行う。
【０１０３】
なお、ここでは、一例として、現画像ｎの５番目の走査線位置から生成された３次元座標における法線ベクトルの計算例を示す。
図１３（ｂ）は、図９の現画像ｎ及び前画像（ｎ−１）における５番目近傍の点群データＤ３を示している。この図において、ベクトルＶ０は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの４番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ１は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の４番目に向かう３次元ベクトルを示す。また、ベクトルＶ２は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の５番目に向かう３次元ベクトルを示す。さらに、ベクトルＶ３は、現画像ｎの５番目の点を基点として、現画像ｎの６番目に向かう３次元ベクトルを示し、ベクトルＶ４は、現画像ｎの５番目の点を基点として、前画像（ｎ−１）の６番目に向かう３次元ベクトルを示す。
【０１０４】
上述のように、ベクトルＶ０〜Ｖ４を定義した場合、この現画像ｎの５番目の点における法線ベクトルＮは、式（４）として示される。
【０１０５】
【数４】
2014145735.tif 000006
【０１０６】
この式（４）において、「×」は外積を示し、「ｕｎｉｔ」は単位ベクトル化関数を示す。また、「＋」はベクトル加算を示す。
なお、式（４）の方式では、周辺４ベクトルを平均化して求める方式であるため、測定制御部５６は、安定した法線ベクトルＮを算出することができる。
また、この現画像ｎの５番目の周辺点群に欠落がある場合には、平均数は３以下として対応してもよい。
法線算出部５８は、上述の式（４）として示される演算方法によって、１画像から最大１０２４点に対応した法線ベクトルを算出するが、ここでは、プローブ座標系で、Ｚ軸の座標が最大となる位置における法線ベクトルの算出を行う。
【０１０７】
図５に戻り、続いて、測定制御部５６は、測定制御部５６は、法線ベクトルの算出が可能であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。
【０１０８】
そして、ステップＳ２０３の処理において法線ベクトルの算出が可能であると判定された場合、すなわち、被測定面が平面でない場合に（ステップＳ２０４）、測定制御部５６は、法線ベクトルと光切断線の長手方向との外積により、被測定面のスキャン方向を算出する（ステップＳ２０５）。
【０１０９】
一方、ステップＳ２０３の処理において法線ベクトルの算出が可能でないと判定された場合、すなわち、被測定面が平面である場合に（ステップＳ２０６）、測定対象３の平面方向をスキャン方向として算出する（ステップＳ２０７）。
【０１１０】
そして、ステップＳ２０５又はＳ２０８においてスキャン方向が算出されると、測定制御部５６は、光切断プローブ２を上記スキャン方向に指定ピッチ（記憶部５５から読み出される予め指定されたデータ取得ピッチ）分移動する（ステップＳ２０８）。なお、次画面の取得位置は、スキャン方向（移動方向）に指定された指定ピッチだけ離れた点となる。
【０１１１】
なお、この光切断プローブ２を上記スキャン方向に指定ピッチ分移動する際に、形状測定装置１００は、法線とデータ取得ピッチとから次画像取得の６軸の座標情報を計算する。つまり、測定制御部５６は、式（４）に示される演算方法によって算出された法線ベクトルＮと、ベクトルＶ０及びＶ４とに基づいて、次の測定位置である次画像取得位置に向かう方向ベクトルＤを算出する。
この方向ベクトルＤは、式（５）として示される。
【０１１２】
【数５】
2014145735.tif 000007
【０１１３】
また、記憶部５５から読み出した、予め指定された上述の測定ピッチを測定対象３の表面のデータ取得ピッチｔとすると、移動ベクトルＭは、式（６）として示される。
【０１１４】
【数６】
2014145735.tif 000008
【０１１５】
ここで、次画像を取得する位置を示す次画像取得位置ベクトルＳを式（７）として示す。
【０１１６】
【数７】
2014145735.tif 000009
【０１１７】
また、現在の画像取得位置のワールド座標を示す現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（８）として示す。
【０１１８】
【数８】
2014145735.tif 000010
【０１１９】
この現画像取得位置のワールド座標位置ベクトルＷを式（８）として示す場合、次画像取得位置Ｓは、式（９）として示される。
【０１２０】
【数９】
2014145735.tif 000011
【０１２１】
この場合におけるベクトル関連図を図１４に示す。
図１４では、本実施形態における現画像取得位置ベクトルＷと次画像取得位置Ｓとの関係を示している。
【０１２２】
また、ワールド座標における次画像取得位置Ｓでの６軸の座標Ｐ＝［ｘ  ｙ  ｚ  ａ  ｂ  ｃ］の各成分は、測定制御部５６によって次のように演算される。法線ベクトルＮの各成分をＮ＝［ＸＮ  ＹＮ  ＺＮ］Ｔ（Ｔは転置ベクトルを示す）とすると、法線方向に光切断プローブ２を向けるための角度ａ及びｂは、それぞれ式（１０）及び式（１１）として示される。
【０１２３】
【数１０】
2014145735.tif 000012
【０１２４】
なお、成分ｃは、測定開始前に予め指定された光切断線照射方向である。
また、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２における各回転軸の回転行列をそれぞれＭａ、Ｍｂとすると、Ａ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心座標Ｏは、式（１２）として示される。
【０１２５】
【数１１】
2014145735.tif 000013
【０１２６】
ここで、Ｌは、（ａ＝ｂ＝０）である場合のＡ回転軸１３１及びＢ回転軸１３２の回転中心を基点として、Ｃ回転軸１３３の回転中心に向けてのベクトルを示し、ベクトルＬのノルムをｌ（エル）とすると、ベクトルＬは、式（１３）として示される。
【０１２７】
【数１２】
2014145735.tif 000014
【０１２８】
したがって、測定制御部５６は、次画像取得位置Ｓにおける６軸の座標Ｐを式（１０）〜式（１２）により算出することができる。
【０１２９】
上記、ステップＳ２０１からＳ２０８の処理により、被測定すべき範囲全体に対して巣間が完了する。（ステップＳ２０９）。測定対象が歯車の場合は、歯車を構成する歯の少なくとも一歯分に相当する。測定制御部５６は、上記スキャン動作をスキャン終了まで連続的に繰り返す。例えば、スキャン経路が曲面の場合は、測定制御部５６は、画像取得毎にスキャン方向をその面に沿って変化させながらスキャンを実行することになる。
【０１３０】
（射影処理と点群データ生成処理）
次に、３次元点群データから２次元射影データを作成する射影処理について説明する。図６は、射影処理の処理の流れについて説明するための図である、
形状測定装置１００は、ステップＳ１１０の測定画面のスキャン処理における１スキャンを終了後、１スキャン実行分の点群データを生成する（ステップＳ３０１）。
この測定画面のスキャン処理は、測定制御部５６が光切断プローブ２を制御することににより行われ、点群データの生成は、測定部５３の点群生成部５３Ａにより行われる。
【０１３１】
そして、測定制御部５６が、測定対象３に対して光切断プローブ２によるスキャン処理を行い、測定部５３の点群生成部５３Ａが、撮像画像から３次元の点群データを生成し、さらに、重み付け部５３Ｂが、３次元点群データを二次元空間に射影した射影データ（２次元点群データ）を生成する（ステップＳ３０２）。例えば、上述の図９に示したように、重み付け部５３Ｂは、３次元点群データを二次元空間に射影した射影データ（２次元点群データ）を生成する。なお、射影する面については、点群データから求まる面の法線方向に対して直交する方向に設定することが好ましい。特に、歯車の歯のような場合は、歯車の歯面について、歯丈の方向と歯すじの方向とで面の長さが異なる。この場合は、面の長さが長い方向でかつ面の法線方向に設定することが好ましい。
【０１３２】
次に、重み付け部５３Ｂは、２次元画像にプロットした射影曲線をスプライン曲線により補間する（ステップＳ３０３）。なお、基準となるスプライン曲線の算出は、例えば、１歯分のものでなく複数或いは全歯のデータから作成しても良い。
次に、重み付け部５３Ｂは、上述の図１０で説明したように、スプライン曲線を均等区間に区切り折れ線化を行う（ステップＳ３０４）。そして、重み付け部５３Ｂは、上記折れ線と各点との距離を算出し（ステップＳ３０５）、この距離の分布データから分散値σを算出する（ステップＳ３０６）。
【０１３３】
このように、本実施形態の形状測定装置１００は、測定対象（被測定物）３に対して、光切断プローブ２により測定対象３にライン光を照射し、このライン光を光切断プローブ２により撮像する。そして、形状測定装置１００は、撮像画像から３次元の点群データを生成し、この３次元の撮像データから２次元の射影データを算出する。そして、形状測定装置１００は、この射影データのばらつき（分散値）の算出と評価を行い、この評価結果に基づいて光切断プローブ２の移動方向を制御する。すなわち、形状測定装置１００は、射影データに基づいて、測定対象３に対してプローブが何れの方向から撮像すれば最も点群データのばらつきが少ない撮像画像を得られるかを判定して、光切断プローブ２の移動方向を制御する。なお、形状測定装置１００は、光切断プローブ２の移動方向とともに、光切断プローブ２の相対位置（姿勢）を制御するようにしてもよい。
【０１３４】
また、重み付け部５３Ｂは、同一形状の歯面を測定する場合など、それぞれが同一の形状の画像を含む複数の測定画像（３次元点群データ）が得られた場合に、複数の測定画像（３次元点群データ）をまとめて同一の平面上に射影することができる。すなわち、重み付け部５３Ｂは、複数の測定画像（３次元点群データ）をまとめて射影して射影データ（２次元点群データ）を生成し、この同一の平面に射影された複数の測定画像（３次元点群データの射影データ（２次元点群データ）に基づき、各点の重み付けを（品質評価）を行うようにしてもよい。
これにより、形状測定装置１００は、同一形状の歯面などを測定する場合において、平均化された近似曲線を生成して、射影データ（２次元点群データ）を評価することができる。
【０１３５】
（複雑な形状の測定対象３を測定する場合の例）
次に、本実施形態による形状測定装置１００が、複雑な形状の測定対象３の形状測定を行う場合の例について説明する。図１５（Ａ）は、測定対象３に対して光切断プローブ２をＸ方向に移動させる際に、基本的な動作として、測定対象３の面の測定位置Ｐ１０から測定位置Ｐ１５までの経路Ｒ２のそれぞれの位置において法線ベクトルの向きとライン光Ｌ１の照射方向とが一致する向きにするように光切断プローブ２による測定光の照射方向を制御する場合の例である。
【０１３６】
また、図１５（Ｂ）は、基本的な動作として、測定対象３の面の測定位置Ｐ２０から測定位置Ｐ２２までの経路のそれぞれの位置においてライン光Ｌ１の照射方向を法線ベクトルの方向と一致するように制御（変更）せずに、一定の照射角度で撮像を行うように光切断プローブ２の照射方向を制御する場合の例である。
【０１３７】
本実施形態の形状測定装置１００は、上記図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）のいずれの場合においても、３次元の撮像データから２次元の射影データを算出し、この射影データのばらつき（分散値）を評価し、この評価結果に基づいて光切断プローブ２の移動方向を制御することができる。すなわち、形状測定装置１００は、射影データに基づいて、測定対象３に対してプローブが何れの方向から撮像すれば最も点群データのばらつきが少ない撮像画像を得られるかを判定して、光切断プローブの走査経路を制御することができる。このため、形状測定装置１００は、複雑な形状の測定対象３に対して精度を高めて形状測定を行うことができる。
【０１３８】
なお、上述した実施形態では、法線ベクトルを算出することにより測定面の傾斜情報を求め、この法線ベクトルに基づき、射影パスの方向やスキャン方向等を設定する例について説明したが、法線ベクトルにより測定面の傾斜情報を算出するのに代えて、測定点における接線を算出し、この接線の方向から、測定面の傾斜情報を求めるようにしてもよい。なお、ここで、接線とは、例えば、ライン光を投影する際に形成されるライトプレーン（空間内の光束により形成される面）内に位置する線であって、着目点（例えば、測定面上に形成される光切断線の真ん中の点）における接線である。
【０１３９】
（射影パスとスキャン方向についての補足説明）
ところで、上述した射影パスは、例えば、測定対象３が歯車の場合に、測定面の法線ベクトルと各測定点の方向（ライン光の長手方向）とに直交する方向（法線ベクトルとライン光の長手方向の外積の方向）、すなわち、歯筋の方向に沿って射影を行うように設定することができるが、測定面の法線ベクトルの変化の方向により規定することともできる。
例えば、図１６に示すように、測定対象３が階段の形状を備える場合に、測定面３１上の第１投光位置Ｓ１の法線ベクトル（傾斜方向）Ｎ１と、第２投光位置Ｓ２の法線ベクトル（傾斜方向）Ｎとに示すように、被測定面上の隣り合う法線ベクトル変化（方向の変化）が少ない方向Ｘに射影パスを設定することができる。
【０１４０】
また、方向設定部５９が、光切断プローブ２の移動方向（スキャン方向）を算出する場合においても、法線ベクトルＮ１からＮ２に向かう方向に示すように、法線ベクトルの方向変化が少ない方向Ｘに移動方向（スキャン方向）を設定することもできる。すなわち、方向設定部５９は、第１投光位置Ｓ１の測定画像に基づいて算出された法線ベクトル（傾斜方向）と、第２投光位置Ｓ２の測定画像に基づいて算出された法線ベクトル（傾斜方向）Ｎ２とに基づいて、法線ベクトルの方向変化が少ない方向Ｘに移動方向を設定することができる。このように、形状測定装置１００は、傾斜方向（法線ベクトル）の方向の変化に基づいて、移動方向（スキャン方向）を連続的に設定することができる。
【０１４１】
また、図１７に示すように、測定対象３が傘歯車の歯面であり、歯面(測定面３１と３２)の間隔が歯車の外周に向かって末広がり状に変化する場合には、１つの射影パスでは対応できない場合がある。このような場合は、歯面(測定面３１と３２)を点線Ａにより２つの領域に区分し、図上で上側の領域においては、射影パスＳ１を用い、図上で下側の領域においては、射影パスＳ２を用いるなど、射影パスを複数用いることもできる。なお、移動方向（スキャン方向）についても同様である。また、歯筋が湾曲している場合も、同様に歯車の中心からの位置に応じて、移動方向を複数設定することが好ましい。
【０１４２】
［評価装置としての応用例］
本実施形態の形状測定装置１００は、上述のように３次元の点群データを２次元の点群データに射影した射影データに基づいて、射影データのばらつきを評価する機能を備える。
このため、形状測定装置１００は、その応用例として、例えば、測定対象面に対する投光位置の評価装置として用いることができる。
さらには、形状測定装置１００は、例えば、歯車の同一歯面を所定の間隔ごとに周期的に繰り返して測定する場合に、得られた点群データの射影データのばらつきを評価することにより、測定対象３の歯面の形状のばらつきを評価する評価装置として使用することもできるものである。
【０１４３】
なお、図１８は、評価装置１００Ａの構成例を示す図である。この図１８に示す評価装置１００Ａは、図３に示す形状測定装置１００と比較して、図３に示す形状測定装置１００の測定制御部５６の方向設定部５９を削除した点だけが異なる。すなわち、評価装置１００Ａの構成は、基本的には図３に示す形状測定装置１００の構成と同様な構成であり、測定制御部５６において、上述した射影データに基づく移動方向の設定が行われない点だけが異なるものであり、他の構成は、図３に示す形状測定装置１００と同様である。このため、同一の構成部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１４４】
このような構成の評価装置１００Ａにおいて、重み付け部５３Ｂは、同一歯面を測定する場合など、それぞれが同一の形状の画像を含む複数の測定画像（３次元点群データ）が得られた場合に、複数の測定画像（３次元点群データ）をまとめて同一の平面上に射影する。すなわち、複数の測定画像（３次元点群データ）をまとめて射影して射影データ（２次元点群データ）を生成する。そして、重み付け部５３Ｂは、この同一の平面に射影された複数の測定画像（３次元点群データの射影データ（２次元点群データ）に基づき、各点の重み付けを（品質評価）を行う。
これにより、評価装置１００Ａは、例えば、歯車の同一歯面を所定の間隔ごとに周期的に繰り返して測定する場合に、得られた点群データの射影データのばらつきを評価することにより、測定対象３への光学プローブからの投光方向や撮像方向が適切であるか否かを判定することができる。
【０１４５】
なお、形状測定装置１００は、位置情報評価部と、良否判定部とによって、上述の内容を実現してもよい。この位置情報評価部は、測定範囲における測定対象３の表面の法線方向以外の方向を法線とする評価投影面に測定範囲における複数の位置情報を投影して、評価投影面のある方向における位置毎の位置情報のばらつき（例えば、分散値σ）を評価する。また、良否判定部は、位置情報評価部で求められたばらつきに応じて、再測定の必要の有無を判定する。
【０１４６】
また、形状測定装置１００は、位置情報評価部と、移動方向決定部制御部とによって、上述の内容を実現してもよい。具体的には、この位置情報評価部は、移動機構により光学プローブと測定対象３が相対的に移動する毎に、算出部で算出された測定領域が示す位置情報を記憶する位置情報記憶部を有し、測定領域における表面の法線方向以外の方向を法線とする評価投影面に位置情報を投影して、評価投影面のある方向における位置毎の位置情報のばらつきを評価する。また、移動方向決定部制御部は、位置情報評価部による評価結果に基づき、測定パス記憶部で記憶された移動方向とは異なる方向に光学プローブと測定対象との相対的な移動方向を決定するように移動方向決定部を制御する。
【０１４７】
［構造物製造システムの例］
次に、上述した形状測定装置１００を備えた構造物製造システムについて説明する。
図１９は、本発明の実施形態による形状測定装置１００を備える構造物製造システム２００の構成を示すブロック図である。構造物製造システム２００は、上述した形状測定装置１００と、設計装置１１０と、成形装置１２０と、制御装置（検査装置）１５０と、リペア装置１４０とを備える。
【０１４８】
設計装置１１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置１２０に送信する。また、設計装置１１０は、作成した設計情報を制御装置１５０の後述する座標記憶部１５１に記憶させる。ここで、設計情報とは、構造物の各位置の座標を示す情報である。
【０１４９】
成形装置１２０は、設計装置１１０から入力された設計情報に基づいて上記構造物を作製する。成形装置１２０の成形工程には、鋳造、鍛造、または切削等が含まれる。
形状測定装置１００は、作製された構造物（測定対象３）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１５０へ送信する。ここで、形状測定装置１００は、上述したように、射影データのばらつき（分散値）の算出と評価を行い、この評価結果に基づいて光切断プローブ２の移動方向を制御することにより、作製された構造物（測定対象３）の座標を測定する。
【０１５０】
制御装置１５０は、座標記憶部１５１と、検査部１５２とを備える。座標記憶部１５１には、前述の通り、設計装置１１０により設計情報が記憶される。検査部１５２は、座標記憶部１５１から設計情報を読み出す。検査部１５２は、形状測定装置１００から受信した座標を示す情報（形状情報）と座標記憶部１５１から読み出した設計情報とを比較する。
【０１５１】
検査部１５２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１５２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１５２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合、修復可能であるか否か判定する。修復できる場合、検査部１５２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出し、リペア装置１４０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。
【０１５２】
リペア装置１４０は、制御装置１５０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。
【０１５３】
図２０は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。
まず、設計装置１１０が、構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ４０１）。次に、成形装置１２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ４０２）。次に、形状測定装置１００は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ４０３）。次に、制御装置１５０の検査部１５２は、形状測定装置１００で得られた形状情報と、上記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Ｓ４０４）。
【０１５４】
次に、制御装置１５０の検査部１５２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。作成された構造物が良品である場合（ステップＳ４０５；ＹＥＳ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。一方、作成された構造物が良品でない場合（ステップＳ４０５；ＮＯ）、制御装置１５０の検査部１５２は、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ４０６）。
【０１５５】
作成された構造物が修復できると検査部１５２が判断した場合（ステップＳ４０６；ＹＥＳ）、リペア装置１４０は、構造物の再加工を実施し（ステップＳ４０７）、ステップＳ４０３の処理に戻る。一方、作成された構造物が修復できないと検査部１５２が判断した場合（ステップＳ４０６；ＮＯ）、構造物製造システム２００はその処理を終了する。以上で、本フローチャートの処理を終了する。
【０１５６】
以上により、上記の実施形態における形状測定装置１００が複雑な形状の被測定物に対して精度を高めて測定することができるので、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か否かを正確に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。
【０１５７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここで本発明と上述した実施形態との対応関係について補足して説明する。すなわち、本発明における投光部は、光切断プローブ２内の投光部２１が対応し、本発明における撮像部は、光切断プローブ２内の撮像部２２が対応する。また、本発明における算出部は、測定制御部５６内の法線算出部５８が対応し、本発明における位置設定部は、測定制御部５６内の位置設定部５７が対応し、本発明における方向設定部は、測定制御部５６内の方向設定部５９が対応する。
【０１５８】
また、本発明における測定部は、測定部５３が対応し、本発明における点群データ生成部は、測定部５３内の点群生成部５３Ａが対応し、本発明における重み付け部は、重み付け部５３Ｂが対応する。また、本発明における測定対象は、測定対象３が対応し、本発明における光束は、投光部２１が測定対象（被測定物）３に投光（照射）するライン光が対応し、本発明における測定光は、光束が測定対象３表面に投光されて生じる反射光（例えば、散乱光）が対応する。
【０１５９】
（１）そして、上記実施形態において、形状測定装置１００は、光束を測定対象に投光する投光部２１と、光束が投光されている測定対象３の表面に生じる測定光の当該表面上の位置を投光位置として設定する位置設定部５７と、設定された投光位置毎に、測定光を測定画像として撮像する撮像部２２と、撮像された測定画像に含まれる測定光の測定画像内の位置に基づいて、投光位置の表面の傾斜方向を算出する算出部（法線算出部５８）と、算出された傾斜方向に基づいて、投光位置の移動方向を設定する方向設定部５９と、設定された移動方向に移動させる投光位置毎に撮像された測定画像に基づいて、測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する点群生成部５３Ａと、を備える。
このような構成の形状測定装置１００では、測定対象（被測定物）３に対して、投光部２１により測定対象３に測定光（ライン光）を照射し、この測定光を撮像部２２により撮像する。位置設定部５７は、光切断プローブ２の投光部２１の位置を設定し、算出部（法線算出部５８）は、撮像部２２より撮像された測定画像に含まれる測定光の測定画像内の位置に基づいて、投光位置の傾斜方向を算出し、方向設定部５９は、投光位置の傾斜方向に基づいて、投光位置の移動方向を設定する。そして、点群生成部５３Ａは、投光位置毎に撮像された測定画像に基づいて、測定対象の表面の３次元形状を示す点群データを生成する。
なお、方向設定部５９による投光位置の移動方向は、光切断プローブ２が測定対象３をスキャンするスキャン方向を意味し、方向設定部５９は、射影された点群データの評価によって、スキャン方向を最適化する。このスキャン方向の設定は、射影によって求める（「スキャンして射影を求める→求めた結果からスキャン方向を決める→再度スキャンして射影を求める」の繰り返しを行う）場合と、面の法線とライン光の長手方向との外積によって求める（スキャンしながら次のスキャン方向を連続的に求める）場合とがある。
これにより、形状測定装置１００は、複雑な形状の測定対象（被測定物）３に対して精度を高めて形状測定を行うことができる。
【０１６０】
（２）また、上記実施形態において、方向設定部５９は、生成された点群データを、算出された傾斜方向に基づいた方向に射影した２次元点群データに基づいて、移動方向を設定する。
このような構成の形状測定装置１００では、点群生成部５３Ａにより生成された点群データを、測定対象３の測定面の傾斜方向に基づいた方向に射影した２次元点群データを生成し、方向設定部５９は、この２次元点群データに基づいて、光切断プローブ２が測定対象３をスキャンする移動方向（スキャン方向）設定する。
これにより、形状測定装置１００は、３次元点群データを射影した２次元点群データを評価して、光切断プローブ２が測定対象３をスキャンする移動方向（スキャン方向）を設定することができる。
【０１６１】
（３）また、上記実施形態において、形状測定装置１００は、２次元点群データに含まれる各点に基づいて近似した近似曲線と、当該各点との距離に基づいて、当該各点に対応する点群データに含まれる各点の重み付けを行う重み付け部５３Ｂと、生成された点群データと、重み付けの結果とに基づいて、測定対象の形状を測定する測定部５３と、を備える。
このような構成の形状測定装置１００では、重み付け部５３Ｂが、射影された２次元点群データに含まれる各点を近似した近似曲線（例えば、スプライン曲線のような多項式近似曲線）を算出し、この近似曲線と各点との距離に基づいて、３次元点群データに含まれる各点の重み付けを行う。そして、測定部５３は、重み付けの結果に基づいて、測定対象３の形状を測定する。
これにより、形状測定装置１００は、射影データ（２次元点群データ）に含まれる各点を近似曲線からの距離により重み付けを行うことができる。このため、形状測定装置１００は，例えば、近似曲線から大きく離れた点群データを除外して、測定対象３の形状測定を行うことができる。
【０１６２】
（４）また、上記実施形態において、近似とは、近似曲線（スプライン曲線）を複数の領域に分割し、分割した当該領域の境界と当該近似曲線との交点間を線分によって補間する直線補間であって、重み付け部５３Ｂは、２次元点群データに含まれる各点を直線補間した線分と、各点との距離に基づいて、当該各点に対応する点群データに含まれる各点の重み付け行う。
このような構成の形状測定装置１００では、射影された２次元点群データを近似曲線（例えば、スプライン曲線）により補間した後、この近似曲線を小区間に区切りその区間を直線で繋ぎ、その直線と各測定点との距離により重み付けを行う。
これにより、形状測定装置１００は、スプライン曲線のような多項式近似曲線からの距離（分散値）を求めて点群データの品質を評価する場合にくらべて、距離の計算が容易になり点群データの品質の評価を高速で行うことができる。
【０１６３】
（５）また、上記実施形態において、形状測定装置１００は、測定部５３は、重み付けされた点群データに含まれる各点の中から、重み付け結果が所定のしきい値を超える点を除外した点群データに基づいて、測定対象３の形状を測定する。
このような構成の形状測定装置１００では、例えば、上記近似曲線を区分して得られた直線と各測定点との距離の計算において、一定の閾値を超えた場合その測定点を異常値と見なす。すなわち、測定部５３は、余りにも近似曲線から離れた点を明らかな異常値とし、３次元点群データから削除する。
これにより、形状測定装置１００は、測定対象（被測定物）３に対して精度を高めて形状測定を行うことができる。
【０１６４】
（６）また、上記実施形態において、測定対象３は、表面の一部または全部に、互いに対応する周期的な形状である周期的形状を有し、重み付け部５３Ｂは、それぞれが周期的形状の画像を含む複数の測定画像に基づいて生成された複数の点群データを、同一の平面にそれぞれ射影した２次元点群データに基づいて、２次元点群データに含まれる各点に対応する点群データに含まれる各点の重み付け行う。
このような構成の形状測定装置１００では、同一歯面を測定する場合など、それぞれが同一の形状の画像を含む複数の測定画像（３次元点群データ）が得られた場合に、それぞれの測定画像（３次元点群データ）を同一の平面上に射影する。すなわち、複数の測定画像（３次元点群データ）をまとめて射影した射影データ（２次元点群データ）を生成する。そして、重み付け部５３Ｂは、この同一の平面に射影された複数の測定画像（３次元点群データ）の射影データに基づき、各点の重み付けを（品質評価）を行う。
これにより、形状測定装置１００は、同一形状の歯面などを測定する場合において、平均化された近似曲線を生成して、射影データ（２次元点群データ）を評価することができる。このため、形状測定装置１００は、例えば、平均化された近似曲線に基づいて、スキャン方向（移動方向）を決定することができる。
【０１６５】
（７）また、上記実施形態において、投光部２１は、長手方向および短手方向を有するライン光を光束として測定対象に投光し、方向設定部５９は、算出された傾斜方向と、ライン光の長手方向との外積が示す方向を移動方向として設定する。
このような構成の形状測定装置１００では、方向設定部５９が，被測定面の傾斜方向（例えば、法線ベクトルの方向）と、ライン光の長手方向との外積が示す方向を移動方向として設定する。
これにより、方向設定部５９は、被測定面の傾斜方向（例えば、法線ベクトルの方向）と、ライン光の長手方向とに基づいて、光切断プローブ２の移動方向を設定することができる。
【０１６６】
（８）また、上記実施形態において、移動方向には、第１移動方向と、第２移動方向とが含まれ、投光位置には、第１投光位置と、第１投光位置から第１移動方向に移動された第２投光位置と、第２投光位置から第２移動方向に移動された第３投光位置とが含まれ、方向設定部５９は、第１投光位置の測定画像に基づいて算出された傾斜方向と、第２投光位置の測定画像に基づいて算出された傾斜方向とに基づいて、第２移動方向を設定する。
このような構成の形状測定装置１００では、方向設定部５９が、２つの連続する投光位置の傾斜方向（例えば、法線ベクトルの方向）に基づいて、次の移動方向を設定する。
これにより、形状測定装置１００は、傾斜方向（例えば、法線ベクトルの方向）の変化に基づいて、光切断プローブ２の移動方向を連続的に設定することができる。
【０１６７】
（９）また、上記実施形態において、構造物製造システム２００は、構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する設計装置１１０と、構造物設計情報に基づいて構造物を作製する成形装置１２０と、作成された構造物の形状を、撮像画像に基づいて測定する形状測定装置１００と、測定によって得られた形状情報と、構造物設計情報とを比較する検査装置（制御装置１５０）とを含む。
これにより、構造物製造システム２００は、形状測定装置１００が複雑な形状の測定対象３に対して精度を高めて形状測定を行うことができるので、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か否かを正確に判定することができる。
【０１６８】
（１０）また、上記実施形態において、光束を測定対象に投光する投光部２１と、投光された光束が測定対象３の表面に生じさせる測定光の当該表面上の位置を投光位置として設定する位置設定部５７と、光束が投光された測定対象の表面を、設定された投光位置毎に測定画像として撮像する撮像部２２とを有し、投光位置毎に撮像された測定画像に基づいて、測定対象３の表面の３次元形状を測定する形状測定装置の投光位置を評価する評価装置であって、撮像された測定画像に含まれる測定光の位置に基づいて、投光位置の表面の傾斜方向を算出する算出部（法線算出部５８）と、投光位置毎に撮像された測定画像に基づいて、測定対象３の表面の３次元形状を示す点群データを生成する点群生成部（点群生成部５３Ａ）と、を備える。
このような構成の評価装置１００Ａでは、投光位置毎に撮像された測定画像に基づいて、測定対象３の表面の３次元形状を測定する形状測定装置の投光位置（移動方向）を評価する。
これにより、評価装置は、例えば、歯車の同一歯面を所定の間隔ごとに周期的に繰り返して測定する場合に、得られた点群データの射影データのばらつきを評価することにより、測定対象３の投光位置が適切であるか否かを判定することができる。
【０１６９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の実施形態において、演算処理部４１の各部は専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、また、メモリ及びＣＰＵ（Central  Processing  Unit）を備えて、プログラムによって実現されてもよい。
また、上述の形状測定装置１００は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した測定対象３の形状を測定する処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【０１７０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の形状測定装置、評価装置、及び構造物製造システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上述した実施形態では、測定対象として歯車（ギア）を例にして説明したが、測定対象は、歯車に限らず３次元点群データを２次元点群データに射影できるものであれば、どのような形状のものであってもよい。
【符号の説明】
【０１７１】
２…光切断プローブ、３…測定対象、１３…回転機構、１４…ヘッド駆動部、２１…投光部、２２…撮像部、５１…座標検出部、５２…間隔調整部、５３…測定部、５３Ａ…点群生成部、５３Ｂ…重み付け部、５６…測定制御部、５７…位置設定部、５８…法線算出部、５９…方向設定部、１００…形状測定装置、１００Ａ…評価装置、１１０…設計装置、１２０…成形装置、１４０…リペア装置、１５０…制御装置、１５１…座標記憶部、１５２…検査部、２００…構造物製造システム
【図１】
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【図２】
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【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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【図２１】
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