(57)【要約】【課題】測定対象物の三次元形状を精度良く計測する。【解決手段】測定対象物１１上に照射される縞パターンの位相を変化させながら、前記測定対象物を繰り返し撮像することにより、測定対象物１１上の各位置から光強度変化データを取得する測定部２０と、測定部２０が撮像する際の合焦位置を変更する合焦位置変更部３０と、合焦位置が変更される毎に、光強度変化データを取得するよう測定部２０と合焦位置変更部３０とを制御する制御部１０１と、それぞれの合焦位置の光強度変化データに基づいて、測定対象物１１上の各位置の座標を測定する座標測定部３２と、を備える。【選択図】図２
2014013144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物上に照射される縞パターンの位相を変化させながら、前記測定対象物を繰り返し撮像することにより、前記測定対象物上の各位置から光強度変化データを取得する測定部と、
前記測定部が撮像する際の合焦位置を変更する合焦位置変更部と、
前記合焦位置が変更される毎に、前記光強度変化データを取得するよう前記測定部と前記合焦位置変更部とを制御する制御部と、
前記それぞれの合焦位置の前記光強度変化データに基づいて、前記測定対象物上の各位置の座標を測定する座標測定部と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記合焦位置が変更される毎に取得された前記それぞれの光強度変化データのうち有効エリア内にあるデータを抽出するデータ抽出部を更に備え、
前記座標測定部は、前記抽出されたデータに基づいて前記測定対象物上の各位置の座標を測定することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記合焦位置または前記測定対象物の測定領域に応じて、前記撮像する際の露出条件を変更し、該変更した露出条件で前記測定部に撮像させ、
前記座標測定部は、前記光強度変化データと前記変更された露出条件で撮像されることにより取得された光強度変化データとに基づいて、前記測定対象物上の各位置の座標を測定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記測定対象物の座標を前記座標測定部により測定させた後に、前記測定された座標の範囲に含まれる領域を再度撮像する際の露出条件を変更し、前記変更した露出条件で前記測定部に前記測定された座標の範囲に含まれる領域を再度撮像させ、
前記座標測定部は、前記光強度変化データと前記変更された露出条件で撮像されることにより取得された光強度変化データとに基づいて、前記測定対象物上の各位置の座標を測定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記測定部から前記測定対象物への方向と垂直な方向に対する前記座標の前記測定部から前記測定対象物への方向の変化率が所定の閾値を超えた領域を抽出し、前記抽出した領域を再度撮像する際の露出条件を変更し、該変更した露出条件で前記測定部に前記抽出した領域を再度撮像させ、
前記座標測定部は、前記光強度変化データと前記変更された露出条件で撮像されることにより取得された光強度変化データとに基づいて、前記測定対象物上の各位置の座標を測定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記測定対象物の測定領域に応じて、前記測定部が撮像する場合の被写界深度を調整し、該調整した被写界深度で前記測定部に撮像させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項７】
（前の測定エリアの露出条件を基に次の測定エリアの露出条件を求める）
前記制御部は、第１の露出条件で前記測定対象物の座標を前記座標測定部により測定させた後に、前記第１の露出条件と前記測定された座標とに基づいて、次の測定の露出条件である第２の露出条件を算出し、該算出した第２の露出条件で前記測定部に撮像させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項８】
前記測定部は、
光を出射する光源部と、
前記出射された光を前記縞パターンに変化させ、前記縞パターンに変化させた光を前記測定対象物に照射する縞パターン生成部と、
前記測定対象物から反射された光を撮像する撮像部と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
【請求項９】
三次元形状測定装置が実行する三次元形状測定方法であって、
測定対象物上に照射される縞パターンの位相を変化させながら、前記測定対象物を繰り返し撮像することにより、前記測定対象物上の各位置から光強度変化データを取得する測定手順と、
前記測定部が撮像する際の合焦位置を変更する合焦位置変更手順と、
前記合焦位置が変更される毎に、前記光強度変化データを取得するよう前記測定手順と前記合焦位置変更手順とを制御する制御手順と、
前記それぞれの合焦位置の前記光強度変化データに基づいて、前記測定対象物上の各位置の座標を測定する座標測定手順と、
を有することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項１０】
構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、
作製された前記構造物の形状を請求項９に記載の三次元形状測定方法を用いて測定する測定工程と、
前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
を有することを特徴とする構造物の製造方法。
【請求項１１】
前記検査工程の比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を実施するリペア工程を有することを特徴とする請求項１０に記載の構造物の製造方法。
【請求項１２】
前記リペア工程は、前記成形工程を再実行する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の構造物の製造方法。
【請求項１３】
前記リペア工程は、前記検査工程の比較結果に基づいて、前記構造物の不良部位を加工する工程であることを特徴とする請求項１１に記載の構造物の製造方法。
【請求項１４】
構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、
前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置と、
前記三次元状測定装置が前記構造物を測定した座標を示す形状情報と、前記設計情報とを比較する検査装置と、
を有することを特徴とする構造物製造システム。
【請求項１５】
前記検査装置における比較結果に基づいて、前記構造物の再加工を実施するリペア装置を有することを特徴とする請求項１４に記載の構造物製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、構造物の製造方法および構造物製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の面形状（三次元形状）を非接触で測定する手法として、位相シフト法によるパターン投影型の三次元形状測定装置が知られている。この三次元形状測定装置では、正弦波状の強度分布を持つ縞パターンを測定対象物上に投影し、その縞パターンの位相を一定ピッチで変化させながら測定対象物を繰り返し撮像し、それによって得られた複数枚の画像（光強度変化データ）を所定の演算式に当てはめることで、測定対象物の面形状に応じて変形した縞の位相分布（位相画像）を求め、その位相画像をアンラップ（位相接続）してから、測定対象物の高さ分布（高さ画像）に換算する。
【０００３】
例えば、特許文献１において、三次元形状測定装置が、投影光量の異なる２通りの撮像条件下で光強度変化データを取得し、２通りの光強度変化データのコントラスト値を画素毎に評価し、コントラスト値の低かった光強度変化データを、演算対象から外すことが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１４６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の三次元形状測定装置は、フォーカス面ではピントが合っているので、測定対象物の座標を正確に計測することができる。一方、従来の三次元形状測定装置は、フォーカスが合っていない（デフォーカス）面では、測定対象物の座標を正確に測定できなかった。すなわち、従来の三次元形状測定装置は、測定対象物の各位置を精度良く計測できないという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、測定対象物の各位置を精度良く計測することを可能とする三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、構造物の製造方法および構造物製造システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様である三次元形状測定装置は、測定対象物上に照射される縞パターンの位相を変化させながら、前記測定対象物を繰り返し撮像することにより、前記測定対象物上の各位置から光強度変化データを取得する測定部と、前記測定部と前記測定対象物との間の距離を変更する合焦位置変更部と、前記距離が変更される毎に、前記光強度変化データを取得するよう前記測定部と前記合焦位置変更部とを制御する制御部と、前記それぞれの距離の前記光強度変化データに基づいて、前記測定対象物上の各位置の座標を測定する座標測定部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の一態様である三次元形状測定方法は、三次元形状測定装置が実行する三次元形状測定方法であって、測定対象物上に照射される縞パターンの位相を変化させながら、前記測定対象物を繰り返し撮像することにより、前記測定対象物上の各位置から光強度変化データを取得する測定手順と、前記測定部と前記測定対象物との間の距離を変更する距離変更手順と、前記距離が変更される毎に、前記光強度変化データを取得するよう前記測定部と前記合焦位置変更部とを制御する制御手順と、前記それぞれの距離の前記光強度変化データに基づいて、前記測定対象物上の各位置の座標を測定する座標測定手順と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の一態様である構造物の製造方法は、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、作製された前記構造物の形状を請求項９に記載の三次元形状測定方法を用いて測定する測定工程と、前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の一態様である構造物製造システムは、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置と、前記三次元状測定装置が前記構造物を測定した座標を示す形状情報と、前記設計情報とを比較する検査装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、測定対象物の各位置を精度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態における三次元形状測定装置の機械的構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態における三次元形状測定装置の全体構成図である。
【図３】第１の実施形態における三次元形状測定装置による形状測定方法の一例を示した図である。
【図４】第１の実施形態における三次元形状測定装置による処理の流れを示したフローチャートである。
【図５】第２の実施形態における三次元形状測定装置の全体構成図である。
【図６】記憶部に記憶されているテーブルの一例である。
【図７】第２の実施形態における三次元形状測定装置による処理の流れを示したフローチャートである。
【図８】構造物製造システムのブロック構成図である。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第1の実施形態＞
図１は、第１の実施形態における三次元形状測定装置の機械的構成を示す斜視図である。図１に示すとおり三次元形状測定装置は、工業製品又は部品などの測定対象物１１を載置するステージ１２と、互いに固定された投影部１３及び撮像部１４とを備える。投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との間には角度がつけられており、両者の光軸は、ステージ１２の基準面上で交差している。このうち撮像部１４の光軸はステージ１２の基準面に対して垂直である。なお、撮像部１４の光軸を垂直にする代わりに投影部１３の光軸を垂直にすることも可能であるが、ここでは撮像部１４の光軸の方が垂直であると仮定する。
【００１４】
ステージ１２は、撮像部１４の光軸と平行な軸の周りに測定対象物１１を回転させるθステージ１２θと、撮像部１４の光軸と垂直な所定方向（Ｘ方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＸステージ１２Ｘと、θステージ１２θの回転軸とＸ方向との双方に対して垂直な所定方向（Ｙ方向）に向けて測定対象物１１をシフトさせるＹステージ１２Ｙとを備える。
【００１５】
投影部１３は、ステージ１２上の一部の領域（照明領域）を斜め方向から照明する光学系であって、照明素子２２と、パターン形成部（縞パターン生成部）２３と、投影光学系２４とをこの順で配置している。なお、本実施形態の測定対象物１１のサイズは、投影部１３の照明領域内に測定対象物１１の全体が収まる程度に小さいものと仮定する。
【００１６】
投影部１３のパターン形成部２３は、透過率分布が可変のパネル（透過型液晶素子、反射型液晶素子、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ、デジタルミラーデバイス）など）であり、そのパネルへ縞模様パターン（正弦格子パターン）を表示することにより、投影部１３から照明領域へ向かう照明光束の断面強度分布を正弦波状とする。パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの格子方向は、投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸との双方が存在している面に対して垂直である。また、パターン形成部２３の表示面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の基準面上の基準点（撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点）に対して光学的に共役であり、これによって正弦格子パターンの投影先は、ステージ１２の照明領域内に配置された測定対象物１１の表面（以下、「被検面」と称す。）に設定されている。なお、被検面上に正弦格子パターンを投影できるのであれば、パターン形成部２３の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。
【００１７】
撮像部１４は、ステージ１２上の照明領域の像（輝度分布）を検出する光学系であって、その照明領域で発生した反射光を結像する結像光学系２５と、結像光学系２５が結像した像を撮像して画像を取得する撮像素子２６とが順に配置される。撮像素子２６の撮像面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の前述した基準点と光学的に共役であり、撮像素子２６は、ステージ１２の照明領域内に配置された測定対象物１１の画像（被検面の画像）を取得することができる。なお、被検面の画像を十分なコントラストで取得することができるのであれば、撮像素子２６の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。
【００１８】
ここで、投影部１３の光源（図２の符号２１）をオンし、この状態で撮像素子２６を駆動すると、正弦格子パターンの投影された被検面の画像（＝被検面の面形状情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「縞画像」と称す。さらに、正弦格子パターンの位相をシフトさせながら縞画像の取得を繰り返せば、被検面の面形状データＤを既知とするための情報が揃う。
【００１９】
図２は、第１の実施形態における三次元形状測定装置の全体構成図である。図２において図１に示した要素と同じものには同じ符号が付されている。三次元形状測定装置１は、ステージ１２と、測定部２０と、合焦位置変更部３０と、コンピュータ１００とを備える。
測定部２０は、メイン光源（光源部）２１と、光ファイバ２１’と、投影部１３と、撮像部１４とを備える。投影部１３は、照明素子２２と、パターン形成部（縞パターン生成部）２３と、投影光学系２４とを備える。
【００２０】
図２に示すとおり投影部１３には、投影部１３の光源であるメイン光源２１が連結されている。このメイン光源２１は、パターン投影型の面形状測定に使用されるものなので、例えば、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプなどの一般的な光源を適用することができる。メイン光源２１から射出した光は、光ファイバ２１’を介して照明素子２２に導入される。なお、ここでは光ファイバ２１’を使用した例を示すが、光ファイバを使用せずにＬＥＤなどの小型光源を図１の符号２２で示した位置へ配置してもよい。
また、照明素子２２は、一つの素子として図示しているが複数の光学素子からなる照明光学系で構成されても構わない。その場合、例えば、均一照明を行うためのフライアイレンズやロッドインテグレータ等を用いた照明光学系を有する。
【００２１】
照明素子２２は、光ファイバ２１’から入射した光をパターン形成部２３に導く。パターン形成部２３は、正弦格子パターンを用いてパターン形成部２３から導かれた光を、縞パターンに変化させ、投影光学系２４を介して縞パターンに変化させた光を測定対象物１１に照射する。
【００２２】
撮像部１４は、測定対象物から反射した光を撮像する。撮像部１４は、結像光学系２５と、撮像素子２６とを備える。結像光学系２５は、測定対象物から反射した光を集光し、集光した光を撮像素子２６に導く。
撮像素子２６は、結像光学系２５に導かれた光を撮像し、撮像により生成された各画素のアナログ電圧値をコンピュータ１００の後述するＡＤ変換部１９に出力する。撮像素子２６は、合焦位置変更部３０により測定部２０から測定対象物１１までの距離が変更される毎に上記処理を行う。
【００２３】
ＡＤ変換部１９は、撮像素子２６から入力された各画素のアナログ電圧値を、各画素の輝度値を示す光強度変化データに変換し、変換した光強度変化データをデータ抽出部３１に出力する。ＡＤ変換部１９は、合焦位置変更部３０により測定部２０から測定対象物１１までの距離が変更される毎に上記処理を行う。
【００２４】
コンピュータ１００は、記憶部１６と、表示部１７と、入力部１８と、ＡＤ変換部１９と、制御部１０１とを備える。
制御部１０１は、三次元形状測定装置１の全体を統括する。記憶部１６には、制御部１０１の動作プログラムが予め格納されており、制御部１０１は、その動作プログラムを読み出し、読み出した動作プログラムに従って動作する。例えば、制御部１０１は、制御部１０１に対して各種の指示を与えることにより三次元形状測定装置１の各部を駆動制御する。なお、記憶部１６には、上述した動作プログラムの他に、制御部１０１の動作に必要な各種の情報も予め格納されている。
【００２５】
制御部１０１は、記憶部１６から読み出した動作プログラムに従って、測定対象物の座標を表示部１７に表示させる。入力部１８は、外部からの入力信号を受けて、その入力情報を制御部１０１に出力する。入力部１８は、例えば、キーボードまたはマウスである。制御部１０１は、入力部１８から入力された入力情報に基づいて、座標の計測を開始したり終了したりする。
【００２６】
データ抽出部３１は、測定部２０から測定対象物１１までの距離毎に生成された光強度変化データのうち、測定部２０の結像光学系２５により定められる領域であって焦点が合っている領域である有効エリア内にあるデータを抽出する。データ抽出部３１は、抽出した有効エリア内にあるデータを座標測定部３２に出力する。
なお、有効エリア内にあるデータは、被写界深度内のデータであればいずれのデータでもよい。また、人が、生成された光強度変化データのうち、抽出したい領域を有効エリアに定めてもよい。
【００２７】
座標測定部３２は、測定部２０から測定対象物１１までの距離毎の光強度変化データに基づいて、測定対象物上の各位置の座標を測定する。具体的には、座標測定部３２は、合焦位置変更部３０により測定部２０から測定対象物１１までの距離が変更される毎に、データ抽出部３１により抽出された有効エリア内にあるデータに対応する座標を算出する。
【００２８】
座標測定部３２は、算出した座標を示す情報を、算出後順次記憶部１６に記憶させる。制御部１０１は、記憶部１６から座標を示す情報を読み出し、読み出した座標を示す情報を所定の表示形式で表示部１７に表示させる。
制御部１０１は、ステージ１２と、メイン光源２１と、投影部１３のパターン形成部２３と、撮像部１４の撮像素子２６と、合焦位置変更部３０とに接続されている。
【００２９】
制御部１０１は、ステージ１２の座標、メイン光源２１をオン／オフするタイミング、メイン光源２１の発光強度、パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの位相、撮像素子２６による画像の取得タイミング、撮像素子２６による画像取得時の電荷蓄積時間（以下、シャッター速度と称す）などを制御する。
【００３０】
また、制御部１０１は、合焦位置変更部３０に測定部２０から測定対象物１１までの距離を制御させる。そして、制御部１０１は、測定部２０から測定対象物１１までの距離が変更される毎に、前記光強度変化データを取得するよう測定部２０と合焦位置変更部３０とを制御する。
なお、制御部１０１は、パターン形成部２３に表示されるパターンを、一様なパターンに設定することもできる。
【００３１】
合焦位置変更部３０は、測定部２０を駆動し、測定部２０から測定対象物１１までの距離を変更する。
なお、合焦位置変更部３０は、ステージ１２を駆動し、測定部２０から測定対象物１１までの距離を変更してもよい。
【００３２】
図３は、第１の実施形態における三次元形状測定装置による形状測定方法の一例を示した図である。同図の左側と右側には、測定対象物１１を基準とした測定部２０の高さを１ｍｍ減らすごとに測定部２０が撮像した場合において、それぞれの被写界深度における測定対象物の領域である測定帯（測定帯４０から測定帯４６）が示されている。
【００３３】
同図の中央には、各高さで測定部２０が撮像した際に、それぞれの被写界深度における測定帯を繋ぎ合わせた領域４７が示されている。
制御部１０１は、測定部２０が各高さで計測したそれぞれの被写界深度における測定対象物の座標を統合することにより、測定対象物全体の座標を計測することができる。これにより、三次元形状測定装置１は合焦状態の良好な領域の座標を算出するので、精度良く測定対象物の座標を計測することができる。
【００３４】
特に、本実施形態における三次元形状測定装置１の計測方法は、鍛造品や鋳造品のように表面が細かく凹凸しており反射率がその凹凸に対応して細かく変化するような対象物を測定対象として用いる場合に効果を発揮する。測定対象として鍛造品や鋳造品を用いる場合、表面が細かく凹凸しておりざらつきがあるため、光を照射すると反射光の強度が高い部分が離散的に不規則に生じる。合焦状態が悪くなると、各点の光強度がボケて広がり、本来光強度の低い部分が高くなるので測定誤差となるが、反射光強度の高い位置が不規則に点在するため測定誤差の影響を低減する事は難しい。
【００３５】
従来の三次元形状測定装置が鍛造品や鋳造品を測定対象とした場合、合焦状態が良くないと輝点が広がり本来反射光の強度が低い部分の強度が高くなり、結果的に本来の座標とは異なる座標を算出してしまうという問題がある。それに対し、本実施形態における三次元形状測定装置１は、鍛造品や鋳造品を測定対象とした場合にも、合焦状態が良好な領域の座標を算出するため、本来の座標とは異なる座標を算出してしまうという問題が発生せず、正確に測定対象物の座標を算出することができる。
【００３６】
図４は、第１の実施形態における三次元形状測定装置１による処理の流れを示したフローチャートである。まず、投影部１３は、メイン光源から入射した光を縞パターンに変換し、変換した縞パターンを測定対象物に照射する（ステップＳ１０１）。次に、撮像部１４は、測定対象物から反射した光を撮像する（ステップＳ１０２）。次に、ＡＤ変換部１９は、撮像部１４から入力された各画素のアナログ電圧値を、各画素の輝度値を示す光強度変化データに変換することにより、光強度変化データを取得する（ステップＳ１０３）。
【００３７】
次に、データ抽出部３１は、光強度変化データから被写界深度に相当する有効エリアのデータを抽出する（ステップＳ１０４）。次に、座標測定部３２は、抽出された有効エリアのデータからその有効エリアの座標を算出する（ステップＳ１０５）。次に、制御部１０１は、測定部２０から測定対象物１１までの距離が予め決められた全ての距離で撮像したか否か判定する（ステップＳ１０６）。
【００３８】
予め決められた全ての距離で撮像していない場合（ステップＳ１０６  ＮＯ）、合焦位置変更部３０は、測定部２０から測定対象物１１までの距離を所定の距離縮め（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０１の処理に戻る。
一方、予め決められた全ての距離で撮像した場合（ステップＳ１０６  ＮＯ）、制御部１０１は、算出した座標を統合し、測定対象物全体の座標を取得する（ステップＳ１０８）。以上で、本フローチャートの処理を終了する。
【００３９】
以上により、三次元形状測定装置１の測定部２０が測定対象物１１上に照射される縞パターンの位相を変化させながら、測定対象物１１を繰り返し撮像することにより、測定対象物１１上の各位置から光強度変化データを取得し、合焦位置変更部３０が、測定部２０が撮像する際の合焦位置を変更する。そして、制御部１０１は、合焦位置が変更される毎に、光強度変化データを取得するよう測定部１１と合焦位置変更部３０とを制御し、座標測定部３２は、それぞれの合焦位置の光強度変化データに基づいて、測定対象物１１上の各位置の座標を測定する。
【００４０】
また、データ抽出部３１は、合焦位置が変更される毎に取得されたそれぞれの光強度変化データのうち有効エリア内にあるデータを抽出し、座標測定部３２は、抽出されたデータに基づいて測定対象物１１上の各位置の座標を測定することができる。
【００４１】
これにより、三次元形状測定装置１は、測定部２０から測定対象物１１までの距離を変更する毎に、有効エリアの光強度変化データから座標を算出するので、有効エリア毎に精度良く測定対象物１１の座標を算出することができる。三次元形状測定装置１は、各測定帯で計測された精度の良い座標を繋ぎ合わせて、測定対象物１１全体の座標を算出するので、測定対象物全体の各位置を精度良く計測することができる。
【００４２】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、三次元形状測定装置は、各距離において計測された焦点深度内の光強度変化データを用いて算出された座標を統合し、測定対象物全体の座標を算出した。第２の実施形態では、三次元形状測定装置は、一度所定の露出条件で、光強度変化データを取得し、測定対象物の座標を算出する。そして、三次元形状測定装置は、算出された座標から計測される測定対象物の勾配が所定の閾値を越える測定帯に対して高さ方向の解像度が上がるように、被写界深度を狭くするよう露出条件を変更する。
【００４３】
そして、三次元形状測定装置は、勾配が所定の閾値を越える測定帯を変更された露出条件で、もう一度撮像することにより座標を算出する。そして、三次元形状測定装置は、１回目の撮像から算出された座標のうち、上記測定対象物の勾配が所定の閾値を越える測定帯の座標を、２回目の撮像から算出された座標で置換する。これにより、三次元形状測定装置は、測定対象物の勾配が急な領域であっても、座標を精度良く計測することができる。
【００４４】
図５は、第２の実施形態における三次元形状測定装置1ｂの全体構成図である。なお、図１と共通する要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。図５の三次元形状測定装置１ｂの構成は、図２の三次元形状測定装置１の構成に対して、コンピュータ１００がコンピュータ１００ｂに、記憶部１６が記憶部１６ｂに、データ抽出部３１がデータ抽出部３１ｂに、座標測定部３２が座標測定部３２ｂに、制御部１０１が制御部１０１ｂに、測定部２０が測定部２０ｂに変更され、絞り部２７が追加されたものになっている。また、測定対象物１１から測定部２０ｂへの方向をｚ軸方向、そのｚ軸に垂直な方向であって測定対象物１１の幅方向をｘ軸方向とする。
【００４５】
記憶部１６ｂには、測定部２０ｂから測定対象物１１への方向と垂直な方向に対する座標の測定部２０ｂから測定対象物１１への方向の変化率（以下、垂直方向の変化率と称する）とレンズを通って撮像素子上に写る像の明るさである絞り値とシャッター速度とが関係付けられたテーブルＴ１が記憶されている。垂直方向の変化率は、例えば、ｘ軸方向に対するｚ軸方向の距離の変化率である。ここで、絞り値とシャッター速度とを合わせて、露出条件と称する。
また、記憶部１６ｂには、１回目の撮像の際に用いられる所定の露出条件が記憶されている。
【００４６】
絞り部２７は、制御部１０１ｂの制御信号に従って、測定対象物１１から反射された光が撮像部１４の撮像素子２６に導かれる光の量を調節する。
制御部１０１ｂは、記憶部１６ｂから読み出された絞り値に応じて絞り部２７を制御するための制御信号を生成し、その制御信号を絞り２７に出力し、光の絞り量を制御する。例えば、絞り値が小さくなるときには、制御部１０１ｂは、絞り２７を開放するよう制御する。一方、絞り値が大きくなるときには、制御部１０１ｂは、絞り２７を絞るよう制御する。
【００４７】
制御部１０１ｂは、１回目の光強度変化データを取得するために、１回目の撮像の際に用いられる所定の露出条件を記憶部１６ｂから読み出す。そして、制御部１０１ｂは、合焦位置変更部３０により測定部２０ｂの高さを変更する毎に撮像するよう撮像素子２６を制御する。
ＡＤ変換部１９は、撮像素子２６から入力された各画素のアナログ電圧値を、各画素の輝度値を示す光強度変化データに変換し、変換した光強度変化データをデータ抽出部３１ｂに出力する。
【００４８】
データ抽出部３１ｂは、ＡＤ変換部１９から入力された光強度変化データのうち有効エリアのデータを抽出し、抽出した有効エリアのデータを座標測定部３２ｂに出力する。
座標測定部３２ｂは、抽出された有効エリアのデータから座標を算出し、算出した座標を１回目の座標として記憶部１６ｂに記憶させる。
【００４９】
制御部１０１ｂは、上記光強度変化データの取得と、有効エリアのデータの抽出と、有効エリアの座標の算出とを、測定部２０と測定対象物１１との距離であって予め決められた範囲の全ての距離で行う。これにより、三次元形状測定装置1ｂは、測定対象物の座標を所定の解像度で算出することができる。
【００５０】
制御部１０１ｂは、算出された座標から、測定部２０ｂから測定対象物１１への方向と垂直な方向に対する座標の測定部２０ｂから測定対象物１１への方向の変化率を算出する。換言すれば、制御部１０１ｂは、算出された座標から、測定対象物の勾配を算出する。具体的には、例えば、制御部１０１ｂは、ある座標においてｘ軸方向に隣り合う２点を抽出し、ある座標と抽出した２点とから、ｘｚ平面におけるｘ軸方向に対するｚ軸方向の傾きを最小二乗法で算出する。或いは、制御部１０１ｂは、単純に差分を計算して傾斜（すなわち、その座標における微分値）を求めてもよい。
【００５１】
制御部１０１ｂは、算出された傾きをある座標における測定対象物の勾配とする。制御部１０１ｂは、上記処理を算出された全ての座標で行うことにより、各座標における測定対象物の勾配を算出する。
制御部１０１ｂは、測定部２０の高さ毎に定められた有効エリア毎に、その有効エリア内の上記垂直方向の変化率の最大値である最大変化率を算出する。
【００５２】
また、制御部１０１ｂは、算出した最大変化率が所定の閾値を超えるか否か判定する。所定の閾値を越える場合には、制御部１０１ｂは、最大変化率に対応する露出条件を記憶部１６ｂから読み出す。制御部１０１ｂは、最大変化率が所定の閾値を超える領域を再度撮像する際に、読み出した露出条件に変更するよう撮像素子２６と絞り２７とを制御する。
【００５３】
制御部１０１ｂは、垂直方向の最大変化率に応じた絞り値とシャッター速度とを記憶部１６ｂから読み出すことにより、垂直方向の最大変化率に応じた最適な絞り値とシャッター速度を選択することができる。これにより、垂直方向の最大変化率が所定の閾値より大きい場合、絞り値を小さくすることにより、被写体深度を浅くし、有効エリアの垂直方向の距離を小さくすることができる。
【００５４】
制御部１０１ｂは、記憶部１６ｂから読み出した絞り値に応じて、合焦位置変更部３０により１度に変更される測定部２０から測定対象物１１までの距離を変化させる。例えば、制御部１０１は、記憶部１６ｂから読み出した絞り値に応じて決まる被写界深度と同じ距離だけ測定部２０から測定対象物１１までの距離を１度に変化させる。
制御部１０１は、上記距離が変更される毎に、変更した露出条件で測定部２０に、最大変化率が所定の閾値を超える領域を再度撮像させ、撮像により光強度変化データを取得する。
【００５５】
データ抽出部３１ｂは、取得された光強度変化データのうち有効エリアのデータを抽出し、抽出した有効エリアのデータを座標測定部３２ｂに出力する。
座標測定部３２ｂは、抽出された有効エリアのデータから座標を算出する。座標測定部３２ｂは、１回目の撮像から算出された座標を記憶部１６ｂから読み出す。
【００５６】
座標測定部３２ｂは、１回目の撮像から算出された座標のうち上記最大変化率が所定の閾値を超える測定帯の座標を、２回目の撮像から算出された座標で置換する。そして、座標測定部３２ｂは、置換後の座標を記憶部１６ｂに記憶させる。
【００５７】
図６は、記憶部１６ｂに記憶されているテーブルＴ１の一例である。同図のテーブルにおいて、垂直方向の最大変化率と絞り値とシャッター速度とが関連付けられている。垂直方向の最大変化率が高いほど、垂直方向の解像度を上昇させる必要があるため、被写界深度が浅くなるように（絞り値が小さくなるように）予め設定されている。また、絞り値が小さいと撮像素子２６に取り込まれる光の量が多くなるので、絞り値が小さいほどシャッター速度が速くなるように予め設定されている。
【００５８】
図７は、第２の実施形態における三次元形状測定装置１ｂによる処理の流れを示したフローチャートである。制御部１０１ｂは、第１の露出条件を記憶部１６ｂから読み出す（ステップＳ２０１）。次に、制御部１０１ｂは、図４で示された処理の流れに沿って、測定対象物の座標を測定するよう制御する（ステップＳ２０２）。次に、制御部１０１ｂは、測定された座標から、各座標における垂直方向の変化率を算出する（ステップＳ２０３）。
【００５９】
次に、制御部１０１ｂは、測定帯毎に、垂直方向の変化率が最大となる最大変化率を算出する（ステップＳ２０４）。次に、制御部１０１ｂは、最大変化率が所定の閾値よりも大きい測定帯を抽出する（ステップＳ２０５）。次に、制御部１０１ｂは、抽出した測定帯毎に、露出条件を記憶部１６ｂから読み出す（ステップＳ２０６）。次に、制御部１０１ｂは、算出された最大変化率が所定の閾値よりも大きい測定帯に対して、その各測定帯に応じて読み出された露出条件で、その各測定帯の座標を再度測定する（ステップＳ２０７）。次に、制御部１０１ｂは、１回目の撮像から算出された座標のうち上記最大変化率が所定の閾値を超える測定帯の座標を、２回目の撮像から算出された座標で置換する（ステップＳ２０８）。以上で、本フローチャートの処理を終了する。
【００６０】
以上により、制御部１０１ｂは、測定対象物１１の座標を座標測定部３２ｂにより測定させた後に、測定された座標の範囲に含まれる領域を再度撮像する際の露出条件を変更し、変更した露出条件で測定部２０ｂに測定された座標の範囲に含まれる領域を再度撮像させ、座標測定部３２ｂは、光強度変化データと変更された露出条件で撮像されることにより取得された光強度変化データとに基づいて、測定対象物上１１の各位置の座標を測定することができる。
【００６１】
また、制御部１０１ｂは、測定部２０ｂから測定対象物１１への方向と垂直な方向に対する座標の測定部２０ｂから測定対象物１１への方向の変化率（垂直方向の変化率）が所定の閾値を超えた領域を抽出し、抽出した領域を再度撮像する際の露出条件を変更し、該変更した露出条件で前記測定部２０ｂに抽出した領域を再度撮像させ、座標測定部２０ｂは、光強度変化データと変更された露出条件で撮像されることにより取得された光強度変化データとに基づいて、測定対象物１１上の各位置の座標を測定することができる。
【００６２】
また、制御部１０１ｂは、測定対象物１１の測定領域に応じて、測定部２０ｂが撮像する場合の被写界深度を調整し、該調整した被写界深度で測定部２０ｂに撮像させることができる。
【００６３】
これにより、三次元形状測定装置１ｂは、測定対象物の勾配が所定の閾値よりも大きい測定帯について、測定対象物の高さ方向の解像度を上げるために、被写界深度が狭くしてもう一度撮像することにより座標を取得する。そして、１回目の撮像から算出された座標のうち測定対象物の勾配が所定の閾値より大きい測定帯の座標を、２回目の撮像から算出された座標で置換するので、測定対象物の勾配が急なところであっても、精度良く座標を計測することができる。
【００６４】
また、三次元形状測定装置１ｂは、最大変化率が所定の閾値以下の測定帯では、絞り量を変更して再度撮像する必要がないので、全ての測定帯で絞り量を変更して再度撮像する場合に比べて、測定にかかる全体の時間を短縮することができる。
【００６５】
なお、本実施形態では、三次元形状測定装置１ｂが、一度測定対象物１１全体の座標を計測してから、最大変化率が所定の閾値よりも大きい測定帯の座標を再度計測したが、これに限らない。三次元形状測定装置１ｂが測定対象物１１の座標を計測しながら、垂直方向の最大変化率が所定の閾値よりも大きいと判定した場合に、露出条件を変更して撮像するように制御してもよい。
【００６６】
また、本実施形態では、制御部１０１ｂが、垂直方向の最大変化率に応じて、測定部２０ｂが撮像する際の露出条件を変更したが、これに限らない。制御部１０１ｂは、合焦位置または測定対象物１１の測定領域に応じて、撮像する際の露出条件を変更し、該変更した露出条件で測定部２０ｂに撮像させ、座標測定部３２ｂは、前強度変化データと変更された露出条件で撮像されることにより取得された光強度変化データとに基づいて、測定対象物１１上の各位置の座標を測定してもよい。
【００６７】
また、制御部１０１ｂは、第１の露出条件で測定対象物１１の座標を座標測定部３２または座標測定部３２ｂにより測定させた後に、第１の露出条件と測定された座標とに基づいて、所定の演算式を用いて次の測定の露出条件である第２の露出条件を算出し、該算出した第２の露出条件で測定部２０に撮像させてもよい。
【００６８】
また、第１の実施形態または第２の実施形態では、合焦位置変更部３０が測定部２０または測定部２０ｂと測定対象物１１との距離を変更することにより測定部２０が撮像する際の合焦位置を変更したが、これに限らず、光学系によるズーム機能を用いて測定部２０または測定部２０ｂの合焦位置を変更してもよい。
【００６９】
＜構造物製造システム＞
次に、第１の実施形態における三次元形状測定装置１を備えた構造物製造システムについて説明する。図８は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。構造物製造システム２００は、第１の実施形態における三次元形状測定装置１と、設計装置２１０と、成形装置２２０と、制御装置（検査装置）２３０と、リペア装置２４０とを備える。
【００７０】
設計装置２１０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２２０に送信する。また、設計装置２１０は、作成した設計情報を制御装置２３０の後述する座標記憶部２３１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。
成形装置２２０は、設計装置２１０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２２０の成形工程には、鋳造、鍛造、または切削等が含まれる。
三次元形状測定装置１は、第１の実施形態において説明したように作製された前記構造物の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置２３０へ送信する。
【００７１】
制御装置２３０は、座標記憶部２３１と、検査部２３２とを備える。座標記憶部２３１には、前述の通り、設計装置２１０により設計情報が記憶される。検査部２３２は、座標記憶部２３１から設計情報を読み出す。検査部２３２は、三次元形状測定装置１から受信した座標を示す情報（形状情報）と座標記憶部２３１から読み出した設計情報とを比較する。
【００７２】
検査部２３２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２３２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２３２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２３２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２４０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。
【００７３】
リペア装置２４０は、制御装置２３０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。
【００７４】
図９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２１０が、構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ３０１）。次に、成形装置２２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ３０２）。次に、三次元形状測定装置１は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ３０３）。次に、制御装置２３０の検査部２３２は、三次元形状測定装置１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、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ３０４）。
【００７５】
次に、制御装置２３０の検査部２３２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Ｓ３０５）。作成された構造物が良品である場合（ステップＳ３０５  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Ｓ３０５  ＮＯ）、制御装置２３０の検査部２３２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Ｓ３０６）。
【００７６】
作成された構造物が修復できる場合（ステップＳ３０６  ＹＥＳ）、リペア装置２４０は、構造物の再加工を実施し（ステップＳ３０７）、ステップＳ３０３の処理に戻る。一方、作成された構造物が修復できない場合（ステップＳ３０６  ＹＥＳ）、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。
【００７７】
以上により、第１の実施形態における三次元形状測定装置１が構造物の座標を正確に計測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。
【００７８】
なお、本実施形態におけるリペア装置２４０が実行するリペア工程は、成形装置２２０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２３０の検査部２３２が修復できると判定した場合、成形装置２２０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２２０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。
【００７９】
また、本実施形態では、構造物製造システム２００は、三次元形状測定装置１を備えると説明したが、三次元形状測定装置１を第２の実施形態における三次元形状測定装置１ｂに置き換えてもよい。
【００８０】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００８１】
１、   １ｂ  三次元形状測定装置
２０  測定部
２１  メイン光源（光源部）
２３  パターン形成部（縞パターン生成部）
１４  撮像部
３０  合焦位置変更部
３１  データ抽出部
３２  座標測定部
１０１  制御部
２００  構造物製造システム
２１０  設計装置
２２０  成形装置
２３０  制御装置（検査装置）
２４０  リペア装置
【図１】
2014013144.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014013144.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014013144.tif 000009
【図８】
2014013144.tif 000010
【図９】
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