(57)【要約】【課題】計測すべき箇所を容易に指定することができる測定装置を提供する。【解決手段】投光部１１０および受光部１２０を含むヘッド部１９０が設置部１６１と固定的に連結される。ステージ１４０上の測定対象物Ｓにパターンを有する測定光が照射され、測定対象物Ｓにより反射された測定光が受光部１２０により受光される。受光信号に基づいて測定対象物Ｓの点群データが生成される。点群データに基づいて、測定対象物の画像を立体画法により平面上に表す立体形状画像データが生成される。また、測定対象物Ｓが一定の画角で撮像されることによりリアルタイムでの測定対象物Ｓの画像を表すライブ画像データが取得される。立体形状画像データは、第１および第２の条件の少なくとも一方が満たされるように生成される。【選択図】図４
2018004282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージ保持部と、
前記ステージ保持部により保持され、測定対象物が載置されるステージと、
前記ステージに載置された測定対象物にパターンを有する測定光を照射する投光部と、前記測定対象物により反射された測定光を受光して受光量を示す受光信号を出力する受光部と、前記ステージ上に載置された測定対象物を一定の画角で撮像することによりリアルタイムでの前記測定対象物の画像をライブ画像として表すライブ画像データを取得する撮像部とを含むヘッド部と、
前記投光部から前記測定対象物に対して測定光が斜め下方に導かれ、かつ前記受光部の光軸が前記測定対象物に向かって斜め下方に延びるように、前記ヘッド部と前記ステージ保持部とを固定的に連結する連結部と、
前記受光部から出力される受光信号に基づいて、前記測定対象物の立体形状を表す点群データを生成する点群データ生成手段と、
前記点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、前記測定対象物の画像を立体画法により平面上に立体形状画像として表す立体形状画像データを生成する立体形状画像データ生成手段と、
前記立体形状画像データ生成手段により生成された立体形状画像データにより表される立体形状画像上で計測すべき箇所の指定を受け付け、前記点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、指定された箇所の計測値を算出する計測手段とを備え、
前記立体形状画像データ生成手段は、第１および第２の条件の少なくとも一方を満たすように前記立体形状画像データを生成し、前記第１の条件は、前記測定対象物が前記立体画法のうち透視画法により平面上に前記立体形状画像として表され、当該立体形状画像の消失点の位置が前記ライブ画像の消失点の位置と一致することであり、前記第２の条件は、前記立体形状画像における測定対象物の向きが前記ライブ画像における測定対象物の向きと一致することである、測定装置。
【請求項２】
前記立体形状画像は、前記測定対象物を一方向に見た画像であり、
前記第２の条件は、前記測定対象物に対する前記一方向が、前記測定対象物に対する前記撮像部の光軸の方向と一致することを含む、請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記受光部は、前記撮像部として機能する、請求項１または２記載の測定装置。
【請求項４】
前記撮像部は、前記測定対象物を撮像することにより前記測定対象物の表面状態を表すテクスチャ情報を取得し、
前記立体形状画像データ生成手段は、前記点群データ生成手段により生成された点群データと前記受光部により取得されたテクスチャ情報とに基づいて、前記立体形状画像データを生成する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、前記測定対象物の表面の一部に対応しかつ計測の基準となる基準面を設定する基準面設定手段と、
前記点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、前記基準面設定手段により設定された基準面に対して垂直に前記測定対象物を見た画像を表す平面画像データを生成する平面画像データ生成手段とをさらに備え、
前記計測手段は、前記指定された箇所の計測値を前記基準面設定手段により設定された基準面を基準として算出する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記立体形状画像データ生成手段は、前記画角および前記撮像部と前記ステージとの位置関係に基づいて、前記立体形状画像の消失点の位置が前記ライブ画像の消失点の位置と一致するように、前記立体形状画像データを生成する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記ステージは上下方向の回転軸を中心に回転可能に前記ステージ保持部により保持され、
前記ステージの回転指示を受け付ける第１の回転指示受付手段と、
前記第１の回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、前記ステージの回転を制御する回転制御手段とをさらに備え、
前記立体形状画像データ生成手段は、前記第１の回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、前記立体形状画像における測定対象物の向きが前記ライブ画像における測定対象物の向きと一致するように、前記立体形状画像データを生成する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
前記ステージは上下方向の回転軸を中心に回転可能に前記ステージ保持部により保持され、
前記ステージの回転を制御する回転制御手段と、
前記立体形状画像における測定対象物の予め定められた方向の回転指示を受け付ける第２の回転指示受付手段をさらに備え、
前記予め定められた方向は、前記ステージの回転方向に対応し、
前記立体形状画像データ生成手段は、前記第２の回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、前記立体形状画像における測定対象物が前記予め定められた方向に回転するように前記立体形状画像データを生成し、
前記回転制御手段は、前記第２の回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、前記ライブ画像における測定対象物の向きが前記立体形状画像における測定対象物の向きと一致するように、前記ステージを回転させる、請求項１〜６のいずれかに記載の測定装置。
【請求項９】
前記点群データ生成手段は、前記ステージが第１の回転位置にあるときに前記受光部から出力される受光信号に基づいて前記点群データとして第１の立体形状データを生成し、前記ステージが前記第１の回転位置と異なる第２の回転位置にあるときに前記受光部から出力される受光信号に基づいて前記点群データとして第２の立体形状データを生成し、生成された前記第１および第２の立体形状データを合成する、請求項７または８記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の測定を行う測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測距方式の測定装置では、測定対象物の表面に光が照射され、その反射光が１次元または２次元に配列された画素を有する受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布のピーク位置に基づいて、測定対象物の表面の高さを計測することができる。
【０００３】
非特許文献１においては、符号化された光と位相シフト法とを組み合わせた三角測距方式の形状測定が提案されている。また、非特許文献２においては、符号化された光とストライプ状の光とを組み合わせた三角測距方式の形状測定が提案されている。これらの方式においては、測定対象物の形状測定の精度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Toni F. Schenk, "Remote Sensing and Reconstruction for Three-Dimensional Objects and Scenes", Proceedings of SPIE, Volume 2572, pp. 1-9 (1995)
【非特許文献２】Sabry F. El-Hakim and Armin Gruen, "Videometrics and Optical Methods for 3D Shape Measurement", Proceedings of SPIE, Volume 4309, pp. 219-231 (2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような形状測定によって取得されるデータ（以下、測定データと呼ぶ。）に基づいて、測定対象物の立体形状を平面上に表す画像（以下、立体形状画像と呼ぶ。）を表示することができる。しかしながら、立体形状画像は、いわゆるコンピュータグラフィック画像であり、立体形状画像として表示される測定対象物の外観と、実際の測定対象物の外観との間には乖離がある。そのため、使用者は、立体形状画像を見ても、実際の測定対象物を容易に認識することができないことがある。
【０００６】
例えば、使用者は、立体形状画像上で測定対象物の計測箇所を指定する。その場合、立体形状画像として表示される測定対象物の外観と実際の測定対象物の外観との間に乖離があると、計測箇所の指定に長い時間を要する、または誤った計測箇所を指定する等の問題が生じる可能性がある。特に、立体形状画像を用いた作業に不慣れな使用者にとって、その作業は困難である。
【０００７】
本発明の目的は、計測すべき箇所を容易に指定することができる測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明に係る測定装置は、ステージ保持部と、ステージ保持部により保持され、測定対象物が載置されるステージと、ステージに載置された測定対象物にパターンを有する測定光を照射する投光部と、測定対象物により反射された測定光を受光して受光量を示す受光信号を出力する受光部と、ステージ上に載置された測定対象物を一定の画角で撮像することによりリアルタイムでの測定対象物の画像をライブ画像として表すライブ画像データを取得する撮像部とを含むヘッド部と、投光部から測定対象物に対して測定光が斜め下方に導かれ、かつ受光部の光軸が測定対象物に向かって斜め下方に延びるように、ヘッド部とステージ保持部とを固定的に連結する連結部と、受光部から出力される受光信号に基づいて、測定対象物の立体形状を表す点群データを生成する点群データ生成手段と、点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、測定対象物の画像を立体画法により平面上に立体形状画像として表す立体形状画像データを生成する立体形状画像データ生成手段と、立体形状画像データ生成手段により生成された立体形状画像データにより表される立体形状画像上で測定対象物の計測すべき箇所の指定を受け付け、点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、指定された箇所の計測値を算出する計測手段とを備え、立体形状画像データ生成手段は、第１および第２の条件の少なくとも一方を満たすように立体形状画像データを生成し、第１の条件は、測定対象物が立体画法のうち透視画法により平面上に立体形状画像として表され、当該立体形状画像の消失点の位置がライブ画像の消失点の位置と一致することであり、第２の条件は、立体形状画像における測定対象物の向きがライブ画像における測定対象物の向きと一致することである。
【０００９】
この測定装置においては、投光部および受光部を含むヘッド部がステージ保持部と固定的に連結される。ステージ保持部により保持されたステージ上に測定対象物が載置され、パターンを有する測定光が投光部から測定対象物に照射される。測定対象物により反射された測定光が受光部により受光され、受光量を表す受光信号が出力される。受光信号に基づいて測定対象物の立体形状を表す点群データが生成される。
【００１０】
この場合、投光部、受光部およびステージが一体的に設けられているので、使用者は、これらの配置を調整する必要がなく、ステージ上に測定対象物を載置することで、測定対象物の点群データを得ることができる。また、投光部から測定対象物に斜め下方に測定光が導かれ、かつ測定対象物に向かって斜め下方に延びる光軸を有する受光部によってその反射光が受光されるので、測定対象物の広い範囲の点群データを効率良く生成することができる。さらに、ステージの回転軸が受光部の光軸と平行でないので、ステージを回転させることにより、受光部に向けられる測定対象物の箇所が変わる。そのため、ステージの回転位置が異なる状態で測定対象物に測定光が照射されることにより、測定対象物の異なる箇所での反射光が受光部によって受光される。したがって、測定対象物の広い範囲の点群データを容易に生成することができる。
【００１１】
また、ステージ上に載置された測定対象物が一定の画角で撮像されることによりリアルタイムでの測定対象物の画像をライブ画像として表すライブ画像データが取得される。使用者は、ライブ画像データにより表されるライブ画像を見ながら、測定対象物の位置および姿勢を確認することができる。
【００１２】
また、点群データに基づいて、測定対象物の画像を立体画法により平面上に立体形状画像として表す立体形状画像データが生成される。立体形状画像データにより表される立体形状画像上で使用者により測定対象物の計測すべき箇所が指定され、点群データに基づいて、指定された箇所の計測値が算出される。
【００１３】
この場合、第１および第２の条件の少なくとも一方が満たされるように立体形状画像データが生成される。第１の条件は、測定対象物が透視画法により平面上に立体形状画像として表されかつ当該立体形状画像の消失点の位置がライブ画像の消失点の位置と一致することであり、第２の条件は、立体形状画像における測定対象物の向きがライブ画像における測定対象物の向きと一致することである。
【００１４】
第１および第２の条件の少なくとも一方が満たされることにより、使用者は、立体形状画像とライブ画像とを違和感なく見比べることができる。そのため、使用者は、立体形状画像を見て、測定対象物の計測すべき箇所を直感的に認識することができる。したがって、使用者は、立体形状画像上で計測すべき箇所を容易に指定することができる。
【００１５】
（２）立体形状画像は、測定対象物を一方向に見た画像であり、第２の条件は、測定対象物に対する一方向が、測定対象物に対する撮像部の光軸の方向と一致することを含んでもよい。
【００１６】
この場合、立体形状画像における測定対象物の向きがライブ画像における測定対象物の向きと一致し、使用者は、立体形状画像とライブ画像とを違和感なく見比べることができる。そのため、使用者は、立体形状画像を見て、測定対象物の計測すべき箇所を直感的に認識することができる。
【００１７】
（３）受光部は、撮像部として機能してもよい。この場合、撮像部が受光部と別個に設けられる場合に比べて、ヘッド部の構成が簡略化される。また、共通の受光部によってライブ画像データおよび点群データがそれぞれ取得されるので、ライブ画像と点群データに基づいて生成される立体形状画像とを近似させやすくなる。
【００１８】
（４）撮像部は、測定対象物を撮像することにより測定対象物の表面状態を表すテクスチャ情報を取得し、立体形状画像データ生成手段は、点群データ生成手段により生成された点群データと受光部により取得されたテクスチャ情報とに基づいて、立体形状画像データを生成してもよい。この場合、テクスチャ情報を含む立体形状画像データを生成することができる。それにより、立体形状画像に対する使用者の違和感がより低減される。
【００１９】
（５）測定装置は、点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、測定対象物の表面の一部に対応しかつ計測の基準となる基準面を設定する基準面設定手段と、点群データ生成手段により生成された点群データに基づいて、基準面設定手段により設定された基準面に対して垂直に測定対象物を見た画像を表す平面画像データを生成する平面画像データ生成手段とをさらに備え、計測手段は、指定された箇所の計測値を基準面設定手段により設定された基準面を基準として算出してもよい。
【００２０】
この場合、基準面が設定されることによって、点群データから計測値を算出することが容易となる。また、生成された平面画像データに基づいて、基準面に対して垂直に測定対象物を見た画像が表示されることにより、使用者は計測箇所の指定を容易に行うことができる。
【００２１】
（６）立体形状画像データ生成手段は、画角および撮像部とステージとの位置関係に基づいて、立体形状画像の消失点の位置がライブ画像の消失点の位置と一致するように、立体形状画像データを生成してもよい。
【００２２】
この場合、撮像部がステージと一体的に設けられているので、画角および撮像部とステージとの位置関係に基づいて、立体形状画像の消失点の位置とライブ画像の消失点の位置とを容易に一致させることができる。
【００２３】
（７）ステージは上下方向の回転軸を中心に回転可能にステージ保持部により保持され、測定装置は、ステージの回転指示を受け付ける回転指示受付手段と、回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、ステージの回転を制御する回転制御手段とをさらに備え、立体形状画像データ生成手段は、回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、立体形状画像における測定対象物の向きがライブ画像における測定対象物の向きと一致するように、立体形状画像データを生成してもよい。
【００２４】
この場合、使用者によるステージの回転指示に基づいてステージが回転され、ライブ画像における測定対象物の向きが変化される。一方、ステージの回転指示に基づいて、立体形状画像における測定対象物の向きがライブ画像における測定対象物の向きと一致するように、立体形状画像データが更新される。これにより、ステージの回転に伴うライブ画像上での測定対象物の向きの変化に連動して、立体形状画像における測定対象物の向きが変化する。それにより、使用者は、立体形状画像とライブ画像とを違和感なく見比べることができ、立体形状画像を見て、測定対象物の計測すべき箇所を直感的に認識することができる。
【００２５】
（８）ステージは上下方向の回転軸を中心に回転可能にステージ保持部により保持され、測定装置は、ステージの回転を制御する回転制御手段と、立体形状画像における測定対象物の予め定められた方向の回転指示を受け付ける第２の回転指示受付手段をさらに備え、予め定められた方向は、ステージの回転方向に対応し、立体形状画像データ生成手段は、第２の回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、立体形状画像における測定対象物が予め定められた方向に回転するように立体形状画像データを生成し、回転制御手段は、第２の回転指示受付手段により受け付けられた回転指示に基づいて、ライブ画像における測定対象物の向きが立体形状画像における測定対象物の向きと一致するように、ステージを回転させてもよい。
【００２６】
この場合、使用者による回転指示に基づいて、立体形状画像における測定対象物が予め定められた方向に回転するように、立体形状画像データが更新される。一方、回転指示に基づいて、ライブ画像における測定対象物の向きが立体形状画像における測定対象物の向きと一致するように、ステージが回転される。これにより、立体形状画像における測定対象物の向きの変化に連動してステージが回転され、ライブ画像上での測定対象物の向きが変化する。それにより、使用者は、立体形状画像とライブ画像とを違和感なく見比べることができる。また、立体形状画像とライブ画像との違いを容易に把握することができるので、立体形状データの欠損箇所を容易に把握することができる。
【００２７】
（９）点群データ生成手段は、ステージが第１の回転位置にあるときに受光部から出力される受光信号に基づいて点群データとして第１の立体形状データを生成し、ステージが第１の回転位置と異なる第２の回転位置にあるときに受光部から出力される受光信号に基づいて点群データとして第２の立体形状データを生成し、生成された第１および第２の立体形状データを合成してもよい。
【００２８】
この場合、ステージの回転位置が異なることによって、測定対象物の異なる箇所での反射光が受光部によって受光される。したがって、受光部により出力される受光信号に基づいて、測定対象物の広い範囲の点群データを生成することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、計測すべき箇所を容易に指定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の測定装置の測定部の構成を示す模式図である。
【図３】図１のＣＰＵにより実現される機能を示す機能ブロック図である。
【図４】測定部の模式的な外観斜視図である。
【図５】受光部とステージとの位置関係について説明するための図である。
【図６】三角測距方式の原理を説明するための図である。
【図７】測定光の第１のパターンを説明するための図である。
【図８】測定光の第２のパターンを説明するための図である。
【図９】測定光の第３のパターンを説明するための図である。
【図１０】測定対象物の特定の部分における画像が撮影されたタイミングと受光された光の強度との関係を示す図である。
【図１１】測定光の第４のパターンを説明するための図である。
【図１２】複数の視点から測定対象物を撮像することにより複数の立体形状データを生成する例を説明するための図である。
【図１３】形状測定の準備の手順を示すフローチャートである。
【図１４】形状測定の準備の手順における第１の調整の詳細を示すフローチャートである。
【図１５】形状測定の準備の手順における第１の調整の詳細を示すフローチャートである。
【図１６】形状測定の準備の手順における第２の調整の詳細を示すフローチャートである。
【図１７】形状測定処理の概要を示すフローチャートである。
【図１８】測定対象物の一例を示す図である。
【図１９】ライブ画像の例を示す図である。
【図２０】立体形状画像について説明するための図である。
【図２１】立体形状画像における測定対象物の向きについて説明するための模式図である。
【図２２】消失点の位置について説明するための図である。
【図２３】ライブ画像と立体形状画像とが同時に表示される例を示す図である。
【図２４】テクスチャ付き立体形状画像の例を示す図である。
【図２５】１つの視点に対応する立体形状データを示す模式図である。
【図２６】操作部の操作によるステージの回転の指示の例について説明するための図である。
【図２７】立体透視画像を用いてステージの回転指示を行う例について説明するための図である。
【図２８】新たに生成された立体形状データに基づいて表示される立体透視画像を示す図である。
【図２９】ステージの回転時におけるＣＰＵの動作例を示すフローチャートである。
【図３０】立体形状画像における測定対象物の回転方向の制限について説明するための図である。
【図３１】基準面の設定時におけるＣＰＵの動作例を示すフローチャートである。
【図３２】基準面画像の例を示す図である。
【図３３】計測条件の設定例について説明するための図である。
【図３４】基準面画像の他の例を示す図である。
【図３５】プロファイルを取得すべき箇所の指定について説明するための図である。
【図３６】プロファイル画像の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態に係る測定装置について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
［１］測定装置の構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る測定装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１の測定装置５００の測定部の構成を示す模式図である。以下、本実施の形態に係る測定装置５００について、図１および図２を参照しながら説明する。図１に示すように、測定装置５００は、測定部１００、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）２００、制御部３００および表示部４００を備える。
【００３３】
図１に示すように、測定部１００は、例えば投受光一体の撮像デバイスであり、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、ステージ１４０および制御基板１５０を含む。図２に示すように、投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２および複数のレンズ１１３，１１４を含む。受光部１２０は、撮像素子１２１ａを有するカメラ１２１、およびレンズ１２２を含む。本例において、カメラ１２１は単眼カメラである。ステージ１４０上には、測定対象物Ｓが載置される。
【００３４】
図２の例においては、測定部１００は２つの投光部１１０を含む。以下、２つの投光部１１０を区別する場合は、一方の投光部１１０を投光部１１０Ａと呼び、他方の投光部１１０を投光部１１０Ｂと呼ぶ。投光部１１０Ａ，１１０Ｂは受光部１２０の光軸Ａ１を挟んで対称に配置される。受光部１２０の光軸Ａ１は、カメラ１２１の撮像素子１２１ａの中心およびレンズ１２２の中心を通る。
【００３５】
各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの測定光源１１１は、例えば青色ＬＥＤ（発光ダイオード）である。測定光源１１１は、ハロゲンランプ等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、測定光と呼ぶ）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射する。
【００３６】
パターン生成部１１２は、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）である。パターン生成部１１２は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子)またはマスクであってもよい。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターンおよび予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２により出射された測定光は、レンズ１１４により測定対象物Ｓの寸法よりも大きい径を有する光に変換された後、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに照射される。
【００３７】
投光部１１０Ａの測定光源１１１、レンズ１１３およびパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸Ａ１と略平行に並ぶように配置される。同様に、投光部１１０Ｂの測定光源１１１、レンズ１１３およびパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸Ａ１と略平行に並ぶように配置される。一方、投光部１１０Ａ，１１０Ｂのレンズ１１４は、測定光源１１１、レンズ１１３およびパターン生成部１１２に対してオフセットするように配置される。これにより、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸Ａ２が受光部１２０の光軸Ａ１に対して傾斜し、受光部１２０の両側方から測定対象物Ｓに向けて測定光が出射される。測定対象物Ｓによりステージ１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０のレンズ１２２により集光および結像され、カメラ１２１の撮像素子１２１ａにより受光される。
【００３８】
本例においては、測定光の照射範囲を広くするため、一定の画角θ１を有するように投光部１１０Ａ，１１０Ｂが構成される。投光部１１０Ａ，１１０Ｂの画角θ１は、例えば、パターン生成部１１２の寸法およびレンズ１１４の焦点距離により定まる。また、受光部１２０の視野（撮像範囲）を広くするため、一定の画角θ２を有するように受光部１２０が構成される。受光部１２０の画角θ２は、例えば、撮像素子１２１ａの寸法およびレンズ１２２の焦点距離により定まる。測定光の照射範囲および撮像範囲を広くする必要がない場合には、投光部１１０Ａ，１１０Ｂおよび受光部１２０として、画角が略０度となるテレセントリック光学系が用いられてもよい。
【００３９】
測定部１００は、倍率が異なる複数の受光部１２０を有してもよい。この場合、複数の受光部１２０を選択的に用いることにより、測定対象物Ｓを異なる倍率で撮像することができる。複数の受光部１２０の光軸は、互いに平行であることが好ましい。
【００４０】
カメラ１２１は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１５０に出力される。
【００４１】
モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、赤色波長の光を受光する画素、緑色波長の光を受光する画素および青色波長の光を受光する画素を設ける必要がない。ここで、測定光に青色波長等の特定波長を採用した場合、カラーＣＣＤは特定波長の光を受光する画素しか計測に利用できないが、モノクロＣＣＤにはそのような制約がない。そのため、モノクロＣＣＤの計測の分解能はカラーＣＣＤの分解能よりも高くなる。また、モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、各画素にカラーフィルタを設ける必要がない。そのため、モノクロＣＣＤの感度はカラーＣＣＤの感度よりも高くなる。これらの理由により、本例におけるカメラ１２１にはモノクロＣＣＤが設けられる。
【００４２】
本例においては、照明光出力部１３０は、測定対象物Ｓに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で出射する。この構成によれば、モノクロＣＣＤを用いた受光部１２０により測定対象物Ｓのカラー画像を撮像することができる。
【００４３】
一方、カラーＣＣＤが十分な分解能および感度を有する場合には、撮像素子１２１ａは、カラーＣＣＤであってもよい。この場合、照明光出力部１３０は、測定対象物Ｓに赤色波長の光、緑色波長の光および青色波長の光を時分割で照射する必要はなく、白色光を測定対象物Ｓに照射する。そのため、照明光源３２０の構成を単純にすることができる。
【００４４】
制御基板１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）およびＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。カメラ１２１から出力される受光信号は、制御部３００による制御に基づいて、制御基板１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされるとともにデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次ＰＣ２００に転送される。ここで、カメラ１２１が、例えば、モノクロＣＭＯＳカメラであって、撮像素子１２１ａの各画素から受光量に対応するデジタルの電気信号が制御基板１５０へ出力される場合、Ａ／Ｄ変換器は必ずしも必要ではない。
【００４５】
図１に示すように、ＰＣ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０および操作部２５０を含む。また、操作部２５０は、キーボードおよびポインティングデバイスを含む。ポインティングデバイスとしては、マウスまたはジョイスティック等が用いられる。
【００４６】
ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、制御基板１５０から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。
【００４７】
ＣＰＵ２１０は、制御基板１５０から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うとともに、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。さらに、ＣＰＵ２１０は、後述するステージ駆動部１４６に制御基板１５０を通して駆動信号を与える。表示部４００は、例えばＬＣＤパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。表示部４００には、受光部１２０のカメラ１２１によりリアルタイムで取得される画像データ（以下、ライブ画像データと呼ぶ。）に基づいて、リアルタイムでの測定対象物Ｓの画像（以下、ライブ画像と呼ぶ）を表示させることができる。
【００４８】
一方の投光部１１０Ａから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像と他方の投光部１１０Ｂから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像とが並ぶように表示部４００に表示（２画面表示）されてもよい。また、一方の投光部１１０Ａから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像と他方の投光部１１０Ｂから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像とが重なるように表示部４００に表示する等の合成表示がされてもよい。
【００４９】
２画面表示がされる場合には、例えば、一定の周期（数Ｈｚ）で投光部１１０Ａ，１１０Ｂから測定対象物Ｓに交互に測定光が照射され、投光部１１０Ａから測定対象物Ｓに測定光が照射されているときに取得される画像および投光部１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光が照射されているときに取得される画像が表示部４００に別個に表示される。使用者は、表示される画像を見ながら、投光部１１０Ａから測定光が出射されるときの受光部１２０の受光量および投光部１１０Ｂから測定光が出射されるときの受光部１２０の受光量をそれぞれ調整することができる。受光部１２０の受光量は、投光部１１０Ａ，１１０Ｂから出射される測定光の明るさまたは受光部１２０の露光時間を変化させることにより調整可能である。
【００５０】
合成表示がされる場合も、２画面表示がされる場合と同様に、使用者は、表示される画像を見ながら、投光部１１０Ａから測定光が出射されるときの受光部１２０の受光量および投光部１１０Ｂから測定光が出射されるときの受光部１２０の受光量をそれぞれ調整することができる。この場合、表示部４００においては、合成表示の画像に加えて、一方の投光部１１０Ａから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像と、他方の投光部１１０Ｂから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像とが並ぶように表示されてもよい。または、表示部４００においては、２画面表示の画像と合成表示の画像とが切り替えて表示されてもよい。あるいは、表示部４００においては、合成表示の画像と、一方の投光部１１０Ａから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像と、他方の投光部１１０Ｂから測定光が照射された測定対象物Ｓの画像とが、切り替えて表示されてもよい。
【００５１】
図２に示すように、ステージ１４０は、ステージベース１４１およびステージプレート１４２を含む。ステージベース１４１上にステージプレート１４２が配置される。ステージプレート１４２は、測定対象物Ｓが載置される載置面を有する。ここで、ステージプレート１４２の載置面内で互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ，Ｙで示す。また、載置面に対して直交する方向をＺ方向と定義し、矢印Ｚで示す。また、Ｚ方向に平行な軸を中心に回転する方向をθ方向と定義し、矢印θで示す。ステージプレート１４２には、クランプまたは治具等を取り付けるための取付部（例えばねじ孔）が設けられてもよい。
【００５２】
ステージプレート１４２の載置面の上方には、略円柱状の測定可能領域ＭＲが設定される。測定可能領域ＭＲは、投光部１１０Ａ，１１０Ｂにより測定光を照射可能でかつ受光部１２０により撮像可能な領域である。測定可能領域ＭＲの大きさおよび位置は、カメラ１２１のレンズ１２２の倍率および焦点位置等によって異なる。倍率が異なる複数の受光部１２０が設けられる場合には、使用される受光部１２０によって測定可能領域ＭＲが異なる。
【００５３】
ステージ１４０は回転機構１４３に取り付けられる。回転機構１４３は、例えばステッピングモータを含む。回転機構１４３は、図１のステージ操作部１４５またはステージ駆動部１４６により駆動され、ステージ１４０を回転軸Ａｘを中心にθ方向に回転させる。本例において、回転軸Ａｘは鉛直方向に延びる。回転軸Ａｘの方向は鉛直方向に限らず、鉛直方向に対して僅かに傾斜していてもよい。使用者は、ステージ操作部１４５を手動で操作することにより、ステージ１４０をθ方向に回転させることができる。また、ステージ駆動部１４６は、ＰＣ２００より制御基板１５０を通して与えられる駆動信号に基づいて、回転機構１４３に電流を供給することにより、ステージ１４０を受光部１２０に相対的にθ方向に回転させることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、ステージ１４０はステッピングモータにより駆動することが可能であるとともに手動により操作することが可能であるが、これに限定されない。ステージ１４０はステッピングモータでのみ駆動することが可能であってもよいし、手動でのみ操作することが可能であってもよい。また、ステッピングモータに代えて、サーボモータ等の他の駆動装置が用いられてもよい。
【００５５】
制御部３００は、制御基板３１０および照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、図示しないＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、ＰＣ２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０および制御基板１５０を制御する。制御基板３１０および照明光源３２０は、測定部１００に搭載されてもよい。ただし、制御基板３１０および照明光源３２０は熱を生じやすく、その熱の影響によって測定部１００の精度が低下する可能性がある。したがって、測定部１００の精度を確保するために、制御基板３１０および照明光源３２０が測定部１００の外部に設けられることが好ましい。
【００５６】
照明光源３２０は、例えば赤色光、緑色光および青色光を出射する３つのＬＥＤを含む。各ＬＥＤから出射される光の輝度を制御することにより、照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。照明光源３２０から発生される光（以下、照明光と呼ぶ）は、導光部材（ライトガイド）を通して測定部１００の照明光出力部１３０から出力される。図２の照明光出力部１３０は、円環形状を有し、受光部１２０を取り囲むようにステージ１４０の上方に配置される。これにより、影が発生しないように照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに照明光が照射される。なお、照明光出力部１３０および照明光源３２０は、外部装置として設けられてもよい。
【００５７】
図３は、図１のＣＰＵ２１０により実現される機能を示す機能ブロック図である。図３に示すように、ＣＰＵ２１０は、点群データ生成部５０１、立体形状画像データ生成部５０２、計測部５０３、基準面設定部５０４、平面画像データ生成部５０５、第１の回転指示受付部５０６ａ、第２の回転指示受付部５０６ｂおよび回転制御部５０７を含む。
【００５８】
点群データ生成部５０１は、受光部１２０により出力される受光信号に基づいて、測定対象物Ｓの立体形状を表す点群データを生成する。立体形状画像データ生成部５０２は、点群データ生成部５０１により生成された点群データに基づいて、測定対象物Ｓの画像を立体画法により平面上に立体形状画像として表す立体形状画像データを生成する。計測部５０３は、立体形状画像データ生成部５０２により生成された立体形状画像データにより表される立体形状画像上で計測すべき箇所の指定を受け付け、点群データ生成部５０１により生成された点群データに基づいて、指定された箇所の計測値を算出する。基準面設定部５０４は、点群データ生成部５０１により生成された点群データに基づいて、測定対象物Ｓの表面の一部に対応しかつ計測の基準となる基準面を設定する。平面画像データ生成部５０５は、点群データ生成部５０１により生成された点群データに基づいて、基準面設定部５０４により設定された基準面に対して垂直に測定対象物Ｓを見た画像を表す平面画像データを生成する。第１の回転指示受付部５０６ａは、使用者によるステージ１４０の回転指示を受け付ける。第２の回転指示受付部５０６ｂは、立体形状画像における測定対象物Ｓの予め定められた方向の回転指示を受け付ける。回転制御部５０７は、第１または第２の回転指示受付部５０６ａ，５０６ｂにより受け付けられた回転指示に基づいて、ステージ駆動部１４６を制御することによりステージ１４０の回転を制御する。これらの機能の詳細については後述する。
【００５９】
点群データ生成部５０１、立体形状画像データ生成部５０２、計測部５０３、基準面設定部５０４、平面画像データ生成部５０５、第１の回転指示受付部５０６ａ、第２の回転指示受付部５０６ｂおよび回転制御部５０７は、ＣＰＵ２１０がＲＯＭ２２０または記憶装置２４０に記憶された形状測定プログラムを実行することにより実現される。これらの機能部は、電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。
【００６０】
図４は、測定部１００の模式的な外観斜視図である。図４では、測定部１００の外観が太い実線で示されるとともに、測定部１００の内部に設けられる一部の構成要素が点線で示される。図４に示すように、測定部１００は台座１７０を含む。台座１７０には、２つの投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０および制御基板１５０が取り付けられる。この状態で、２つの投光部１１０、受光部１２０および照明光出力部１３０の位置関係が台座１７０により固定される。また、照明光出力部１３０は、略円筒形状を有し、受光部１２０を取り囲むように配置されている。照明光出力部１３０の一端部には、楕円形状を有する照明光の出射口１３１が形成されている。さらに、２つの投光部１１０は、受光部１２０および照明光出力部１３０を挟んで並ぶように配置される。
【００６１】
台座１７０には、２つの投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０および制御基板１５０の一部を収容するヘッドケーシング１８０が取り付けられる。２つの投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、制御基板１５０、台座１７０およびヘッドケーシング１８０によりヘッド部１９０が構成される。
【００６２】
測定部１００は、設置部１６１およびスタンド部１６２を含む。設置部１６１は、平坦な底面を有するとともに略一定幅で一方向に延びるように形成されている。スタンド部１６２は、設置部１６１の一端部に接続され、設置部１６１の一端部から上方に延びるように形成される。設置部１６１上にステージ１４０が回転可能に保持される。ヘッド部１９０の台座１７０は、スタンド部１６２の上端に着脱可能に構成されている。スタンド部１６２によりヘッド部１９０と設置部１６１とが固定的に連結される。これにより、ステージ１４０、２つの投光部１１０および受光部１２０の位置関係が一定に保持される。
【００６３】
各投光部１１０は、測定光の照射される照射領域ＩＲがステージ１４０およびその上方の空間を含むように位置決めされる。測定光は、各投光部１１０から測定対象物Ｓに対して斜め下方に導かれる。各受光部１２０は、図２のカメラ１２１による撮像領域ＴＲがステージ１４０およびその上方の空間を含むように位置決めされる。図４では、各投光部１１０の照射領域ＩＲが二点鎖線で示されるとともに、受光部１２０の撮像領域ＴＲが一点鎖線で示される。
【００６４】
図５は、受光部１２０とステージ１４０との位置関係について説明するための図である。図５には、側方から見た受光部１２０およびステージ１４０が示される。図５に示すように、受光部１２０の光軸Ａ１は、ステージ１４０の回転軸Ａｘに対して傾斜しており、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに向かって斜め下方に延びる。
【００６５】
受光部１２０は、光軸Ａ１に垂直な仮想的な撮像面１２０ａを有する。撮像面１２０ａが向けられる領域が、受光部１２０によって撮像される領域となる。本例では、測定可能領域ＭＲに対して撮像面１２０ａが斜め下方に向けられる。水平面に対する撮像面１２０ａの傾斜角度Ｄ１は、例えば４５度に設定される。
【００６６】
［２］測定対象物の形状測定
（１）三角測距方式による形状測定
測定部１００においては、三角測距方式により測定対象物Ｓの形状が測定される。図６は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図６に示すように、測定光の光軸Ａ２と受光部１２０の光軸Ａ１との間の角度αが予め設定される。角度αは、０度よりも大きく９０度よりも小さい。
【００６７】
ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置されない場合、投光部１１０から出射される測定光は、ステージ１４０の載置面の点Ｏにより反射され、受光部１２０に入射する。一方、ステージ１４０上に測定対象物Ｓが載置される場合、投光部１１０から出射される測定光は、測定対象物Ｓの表面の点Ａにより反射され、受光部１２０に入射する。
【００６８】
点Ｏと点Ａとの間のＸ方向における距離をｄとすると、ステージ１４０の載置面に対する測定対象物Ｓの点Ａの高さｈは、ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）により与えられる。図１のＰＣ２００のＣＰＵ２１０は、制御基板１５０により与えられる測定対象物Ｓの画素データに基づいて、Ｘ方向における点Ｏと点Ａとの間の距離ｄを測定する。また、ＣＰＵ２１０は、測定された距離ｄに基づいて、測定対象物Ｓの表面の点Ａの高さｈを算出する。測定対象物Ｓの表面の複数の点の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状が測定される。
【００６９】
測定対象物Ｓの表面の複数の点に測定光を照射するために、図１の投光部１１０からは種々のパターンを有する測定光が出射される。測定光のパターンは、図２のパターン生成部１１２により制御される。以下、測定光のパターンについて説明する。
【００７０】
（２）測定光の第１のパターン
図７は、測定光の第１のパターンを説明するための図である。図７（ａ）は、ステージ１４０上の測定対象物Ｓに投光部１１０から測定光を照射した状態を示す。図７（ｂ）は、測定光が照射された測定対象物Ｓの平面図を示す。図７（ａ）に示すように、第１のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有する測定光（以下、ライン状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から出射される。この場合、図７（ｂ）に示すように、ステージ１４０に照射されたライン状測定光の部分と測定対象物Ｓの表面に照射されたライン状測定光の部分とは、測定対象物Ｓの表面の高さｈに対応する距離ｄだけＸ方向に互いにずれる。したがって、距離ｄを測定することにより、測定対象物Ｓの高さｈを算出することができる。
【００７１】
測定対象物Ｓの表面のＹ方向に沿った複数の部分が異なる高さを有する場合には、各部分について上記の距離ｄを測定することにより、Ｙ方向に沿った複数の部分の高さｈを算出することができる。
【００７２】
また、図１のＣＰＵ２１０は、Ｘ方向の一の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定した後、Ｙ方向に平行なライン状測定光をＸ方向に走査することにより、Ｘ方向の他の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定する。これにより、Ｘ方向の複数の位置におけるＹ方向に沿った測定対象物Ｓの複数の部分の高さｈが算出される。測定対象物ＳのＸ方向の寸法よりも広い範囲でライン状測定光をＸ方向に走査することにより、測定対象物Ｓの表面の各点の高さｈを算出することができる。これにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。
【００７３】
（３）測定光の第２のパターン
図８は、測定光の第２のパターンを説明するための図である。図８に示すように、第２のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつＸ方向に強度が正弦波状に変化するパターンを有する測定光（以下、正弦波状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。
【００７４】
図８（ａ）は、１回目に出射される正弦波状測定光を示す。１回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Ｓの表面上の任意の部分Ｐ０において初期位相φを有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ１とする。
【００７５】
図８（ｂ）は、２回目に出射される正弦波状測定光を示す。２回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ０において位相（φ＋π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ２とする。
【００７６】
図８（ｃ）は、３回目に出射される正弦波状測定光を示す。３回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ０において位相（φ＋π）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ３とする。
【００７７】
図８（ｄ）は、４回目に出射される正弦波状測定光を示す。４回目の正弦波状測定光の強度は、測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ０において位相（φ＋３π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの画素データに基づいて測定される。測定対象物Ｓの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ４とする。
【００７８】
初期位相φは、φ＝ｔａｎ−１［（Ｉ１−Ｉ３）／（Ｉ２−Ｉ４）］で与えられる。初期位相φから測定対象物Ｓの任意の部分の高さｈが算出される。この方式によれば、４回の光の強度の測定により、測定対象物Ｓの各部分の初期位相φを高速かつ容易に算出することができる。なお、初期位相φは、異なる位相を有する測定光を少なくとも３回出射し、受光される光の強度を測定することにより算出することができる。測定対象物Ｓの表面上の各部分の高さｈを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。
【００７９】
（４）測定光の第３のパターン
図９は、測定光の第３のパターンを説明するための図である。図９に示すように、第３のパターンとして、Ｙ方向に平行でかつＸ方向に並ぶような直線状の断面を有する測定光（以下、縞状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては１６回）出射される。すなわち、縞状測定光においては、Ｙ方向に平行な直線状の明部分およびＹ方向に平行な直線状の暗部分がＸ方向に周期的に配列される。
【００８０】
１回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの１番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。図９（ａ）は、１回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１番目の撮影画像である。
【００８１】
２回目の縞状測定光は、１回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。２回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が、受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物Ｓの２番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
【００８２】
３回目の縞状測定光は、２回目の縞状測定光から明部分および暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。３回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物Ｓの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物Ｓの３番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。
【００８３】
同様の動作が繰り返されることにより、４〜１６回目の縞状測定光に対応する光の強度が、測定対象物Ｓの４〜１６番目の撮影画像の画素データに基づいてそれぞれ測定される。Ｘ方向の周期が１６単位である縞状測定光が１６回出射されることにより、測定対象物Ｓの表面の各部分に縞状測定光が照射される。なお、図９（ｂ）は、７回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの７番目の撮影画像である。図９（ｃ）は、１３回目の縞状測定光に対応する測定対象物Ｓの１３番目の撮影画像である。
【００８４】
図１０は、測定対象物Ｓの特定の部分における画像が撮影されたタイミング（番数）と受光された光の強度との関係を示す図である。図１０の横軸は画像の順番を示し、縦軸は受光された光の強度を示す。上述のように、測定対象物Ｓの各部分について、１〜１６番目の撮影画像が生成される。また、生成された１〜１６番目の撮影画像の各画素に対応する光の強度が測定される。
【００８５】
図１０に示すように、撮影画像の番号に対応する撮影画像の各画素の光の強度を図示することにより散布図が得られる。得られた散布図に例えばガウシアン曲線、スプライン曲線または放物線をフィッティングさせることにより、光の強度が最大になるときの撮影画像の番号（番数）を１未満の精度で推定することができる。図１０の例においては、フィッティングされた点線で示す曲線により、９番目と１０番目との間である仮想的な９．３８番目の撮影画像において、光の強度が最大になることが推定される。
【００８６】
また、フィッティングされた曲線により、光の強度の最大値を推定することができる。測定対象物Ｓの各部分において推定された光の強度が最大となる撮影画像の番号に基づいて、測定対象物Ｓの各部分の高さｈを算出することができる。この方法によれば、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が十分に大きい光の強度に基づいて、測定対象物Ｓの三次元的な形状が測定される。これにより、測定対象物Ｓの形状測定の精度を向上させることができる。
【００８７】
なお、正弦波状測定光または縞状測定光等の周期的なパターン形状を有する測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、測定対象物Ｓの表面の各部分の相対的な高さ（高さの相対値）が測定される。これは、パターンを形成するＹ方向に平行な複数の直線（縞）の各々を識別することができず、複数の直線の１周期（２π）の整数倍に相当する不確かさが存在することにより、絶対位相が求まらないからである。そのため、測定対象物Ｓの一の部分の高さとその部分に隣接する部分の高さが連続的に変化しているという仮定に基づいて、測定された高さのデータに公知のアンラッピング処理が行われてもよい。
【００８８】
（５）測定光の第４のパターン
図１１は、測定光の第４のパターンを説明するための図である。図１１に示すように、第４のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつ明部分と暗部分とがＸ方向に並ぶ測定光（以下、コード状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本例においては４回）出射される。コード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００８９】
本例においては、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において複数（図１１の例では１６）の領域に分割される。以下、複数に分割されたＸ方向における測定対象物Ｓの領域をそれぞれ第１〜第１６の領域と呼ぶ。
【００９０】
図１１（ａ）は、１回目に出射されるコード状測定光を示す。１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第８の領域に照射される明部分を有する。また、１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第９〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、１回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、１回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００９１】
図１１（ｂ）は、２回目に出射されるコード状測定光を示す。２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第５〜第１２の領域に照射される明部分を有する。また、２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１〜第４および第１３〜第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、２回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、２回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００９２】
図１１（ｃ）は、３回目に出射されるコード状測定光を示す。３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第２、第７〜第１０、第１５および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第３〜第６および第１１〜第１４の領域に照射される暗部分を有する。これにより、３回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、３回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００９３】
図１１（ｄ）は、４回目に出射されるコード状測定光を示す。４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第１、第４、第５、第８、第９、第１２、第１３および第１６の領域に照射される明部分を有する。また、４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物Ｓの第２、第３、第６、第７、第１０、第１１、第１４および第１５の領域に照射される暗部分を有する。これにより、４回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、４回目に出射されるコード状測定光の明部分および暗部分の割合は、それぞれ５０％である。
【００９４】
コード状測定光の明部分に論理“１”が割り当てられ、コード状測定光の暗部分に論理“０”が割り当てられる。また、測定対象物Ｓの各領域に照射される１回目〜４回目のコード状測定光の論理の並びを符号と呼ぶ。この場合、測定対象物Ｓの第１の領域には、符号“１０１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１の領域は、符号“１０１１”に符号化される。
【００９５】
測定対象物Ｓの第２の領域には、符号“１０１０”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第２の領域は、符号“１０１０”に符号化される。測定対象物Ｓの第３の領域には、符号“１０００”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第３の領域は、符号“１０００”に符号化される。同様に、測定対象物Ｓの第１６の領域には、符号“００１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物Ｓの第１６の領域は、符号“００１１”に符号化される。
【００９６】
このように、測定対象物Ｓの隣り合う領域の間では、符号のいずれかの桁が“１”のみ異なるようにコード状測定光が測定対象物Ｓに複数回照射される。すなわち、コード状測定光は、明部分および暗部分がグレイコード状に変化するように、複数回測定対象物Ｓに照射される。
【００９７】
測定対象物Ｓの表面の各領域で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の符号を測定することにより、測定対象物Ｓの領域ごとに、測定対象物Ｓが存在することにより変化した符号が得られる。得られた符号と領域ごとに測定対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を求めることにより、図６の距離ｄに相当する距離を算出することができる。ここで、画像におけるＸ軸方向には、上記の符号は１回のみ出現するというコード状測定光を用いた測定方法の特徴から、距離ｄの絶対的な値が算出される。これにより、測定対象物Ｓのその領域の絶対的な高さ（高さの絶対値）が算出される。測定対象物Ｓの表面上の全ての領域の高さを算出することにより、測定対象物Ｓの三次元的な形状を測定することができる。
【００９８】
上記の説明においては、測定対象物Ｓの表面がＸ方向において１６の領域に分割され、コード状測定光が投光部１１０から４回出射されたが、これに限定されない。測定対象物Ｓの表面がＸ方向において２Ｎの領域（Ｎは自然数）に分割され、コード状測定光が投光部１１０からＮ回出射されてもよい。上記の説明においては、理解を容易にするためにＮは４に設定されている。後述の形状測定処理においては、Ｎは例えば８に設定される。したがって、測定対象物Ｓの表面はＸ方向において２５６の領域に分割される。
【００９９】
コード状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、コード状測定光を分離して識別可能な距離、すなわち１画素分に相当する距離が最小の分解能となる。したがって、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、高さが例えば１０ｍｍの測定対象物Ｓを１０ｍｍ÷１０２４≒１０μｍの分解能で計測することができる。分解能は低いが絶対値を算出可能なコード状測定光を用いた形状測定と絶対値を算出できないが分解能が高い正弦波状測定光または縞状測定光を用いた形状測定とを組み合わせることにより、測定対象物Ｓの高さの絶対値をより高い分解能で算出することができる。
【０１００】
特に、図９の縞状測定光を用いた測定対象物Ｓの形状測定においては、分解能を１／１００画素にすることができる。なお、１／１００画素の分解能は、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、測定対象物Ｓの表面をＸ方向において約１０００００の領域に分割すること（すなわちＮ≒１７）に相当する。そのため、コード状測定光を用いた形状測定と縞状測定光を用いた形状測定と組み合わせることにより、測定対象物Ｓの高さの絶対値をさらに高い分解能で算出することができる。
【０１０１】
上述のライン状測定光を測定対象物Ｓ上で走査する方法は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状測定光、縞状測定光またはコード状測定光を測定対象物Ｓに照射する方法は、パターン投影法に分類される。また、パターン投影法の中でも、正弦波状測定光または縞状測定光を測定対象物Ｓに照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状測定光を測定対象物Ｓに照射する方法は空間コード法に分類される。
【０１０２】
位相シフト法においては、周期的な投影パターンである正弦波状測定光または縞状測定光を出射した際に、測定対象物Ｓが存在しない場合の基準高さ位置から反射した受光量に基づいて計算された位相と、測定対象物Ｓが存在する場合の測定対象物Ｓ表面から反射した受光量に基づいて計算された位相との位相差から測定対象物Ｓの高さを求める。位相シフト法においては、個々の周期的な縞が区別できず、縞１周期分（２π）の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないという欠点がある。しかしながら、光切断法に比べて取得する画像の枚数が少ないため測定時間が比較的短く、測定分解能が高いという長所がある。
【０１０３】
一方、空間コード法おいては、測定対象物Ｓの領域ごとに、測定対象物Ｓが存在することによって変化した符号が得られる。得られた符号と測定対象物Ｓが存在しない場合の符号との差分を領域ごとに求めることにより、測定対象物Ｓの絶対的な高さを求めることができる。空間コード法においても、比較的少数の画像により測定が可能であり、絶対的な高さを求めることができるという長所がある。しかしながら、位相シフト法に比べると測定分解能に限界がある。
【０１０４】
これらの投影法は、各々短所および長所を有しているが、いずれも三角測距の原理を用いている点は共通である。上記のような複数のパターンのうち１または複数のパターンの測定光が投影された測定対象物Ｓの画像データ（以下、パターン画像データと呼ぶ）に基づいて、測定対象物Ｓの立体形状を表す点群（ポイントクラウド）データが生成される。
【０１０５】
以下の説明では、測定対象物Ｓの立体形状を表す点群データを立体形状データと呼ぶ。立体形状データは、測定対象物Ｓの表面上の複数の点の位置データを含む。位置データは、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向における座標を表す。この場合、立体形状データのうち任意の点のデータをＰｎ（ｎは自然数）とすると、Ｐｎは、例えば装置座標系の座標値を用いて（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）で表すことができる。なお、立体形状データは、点群データに基づいて生成される面情報データにより構成されてもよく、ポリゴンメッシュ等の他の形式のデータを含んでもよい。立体形状データに基づいて、測定対象物Ｓの画像を立体画法により平面上に立体形状画像として表す立体形状画像データが生成される。立体画法とは、立体を平面上に表す画法であり、後述の投影画法（平行投影画法）および透視画法（透視投影画法）を含む。立体形状画像の詳細については後述する。
【０１０６】
本実施の形態においては、立体形状画像は、二次元座標系が定義された任意の平面上に立体形状データが投影された状態を示す画像であり、使用者による計測箇所の指定を受け付けるための画像である。使用者は、測定対象物Ｓを見る方向（測定対象物Ｓに対する受光部１２０の位置）として立体形状データが投影される平面を指定することができる。それにより、立体形状画像により表される測定対象物Ｓの向きが変化する。
【０１０７】
投光部１１０および受光部１２０に対する測定対象物Ｓの位置および姿勢が一定であると、測定対象物Ｓの一部にしか測定光が照射されない。また、測定対象物Ｓの一部で反射される光しか受光部１２０に入射しない。そのため、測定対象物Ｓの表面の広範囲に渡る立体形状データを求めることができない。そこで、測定対象物Ｓの位置または姿勢を変化させることにより、互いに異なる複数の視点で測定対象物Ｓを撮像し、複数の視点にそれぞれ対応する複数の立体形状データを取得し、取得された複数の立体形状データを合成してもよい。
【０１０８】
図１２は、複数の視点から測定対象物Ｓを撮像することにより複数の立体形状データを生成する例を説明するための図である。例えば、図１２（ａ）に示すように、使用者により測定対象物Ｓの位置および姿勢がステージ１４０上で調整された後、測定光を用いて測定対象物Ｓが撮像されることにより最初の立体形状データが生成される。最初の立体形状データに基づく立体形状画像の一例が図１２（ｄ）に示される。立体形状データは、測定対象物Ｓの表面で反射して受光部１２０に入射する測定光に基づいて生成される。そのため、測定対象物Ｓの表面のうち受光部１２０に向けられている部分については立体形状データが生成されるが、受光部１２０に向けられていない部分については立体形状データを生成することができない。
【０１０９】
そこで、図１２（ｂ）に示すように、図２の回転機構１４３によりステージ１４０が一定角度回転された後、測定光を用いて測定対象物Ｓが撮像されることにより２番目の立体形状データが生成される。図１２（ｂ）の例では、ステージ１４０が図１２（ａ）の状態から反時計回りに所定角度回転されている。２番目の立体形状データに基づく立体形状画像の一例が図１２（ｅ）に示される。上記のように、ステージ１４０が回転すると、その回転に伴って測定対象物Ｓの表面のうち受光部１２０に向けられる部分が変化する。その結果、最初の撮像時には取得されなかった部分を含む立体形状データが生成される。
【０１１０】
さらに、図１２（ｃ）に示すように、図２の回転機構１４３によりステージ１４０が一定角度回転された後、測定光を用いて測定対象物Ｓが撮像されることにより３番目の立体形状データが生成される。図１２（ｃ）の例では、ステージ１４０が図１２（ｂ）の状態から反時計回りに所定角度回転されている。３番目の立体形状データに基づく立体形状画像の一例が図１２（ｆ）に示される。
【０１１１】
このようにして、ステージ１４０の回転および測定対象物Ｓの撮像が繰り返されることにより、複数の視点に対応する複数の立体形状データが生成される。ステージ１４０の１回の回転角度およびその回転の回数は、予め定められていてもよく、使用者が任意に指定可能であってもよい。これらの立体形状データが合成されることにより、測定対象物Ｓの広範囲の立体形状データが生成される。
【０１１２】
本実施の形態では、受光部１２０、投光部１１０およびステージ１４０の相対位置が一定であり、これらの相対位置を表すパラメータ（以下、機器パラメータ）が、例えば図１の記憶装置２４０に予め記憶される。また、図１のステージ駆動部１４６が回転機構１４３を駆動する場合、例えばステージ１４０の回転角度が使用者により予め指定され、記憶された角度に基づいてステージ１４０が制御される。この場合、ステージ１４０の回転角度は、例えば図１のＲＯＭ２２０または作業用メモリ２３０に記憶される。図１のＣＰＵ２１０は、複数の立体形状データを合成する際に、記憶された回転角度および機器パラメータに基づいて、複数の立体形状データの位置合わせを容易にかつ正確に行うことができる。また、位置合わせの詳細設定および補正等を使用者が行ってもよい。
【０１１３】
ステージ１４０の回転角度を検出するセンサ等が設けられてもよい。この場合、使用者がステージ操作部１４５を操作してステージ１４０を回転させる場合であっても、センサによって検出された角度および上記の機器パラメータに基づいて、複数の立体形状データの位置合わせを容易にかつ正確に行うことができる。
【０１１４】
［３］テクスチャ画像
測定部１００においては、照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに照明光が照射された状態または投光部１１０Ａ，１１０Ｂから測定対象物Ｓに均一な測定光が照射された状態で、測定対象物Ｓの外観（表面状態）を表す画像データ（以下、テクスチャ画像データと呼ぶ。）が生成される。均一な測定光とは、パターンを有さない測定光であり、照明光の代わりに用いることができる。測定対象物Ｓの表面状態は、例えば模様または色彩を含む。以下、テクスチャ画像データにより表される画像をテクスチャ画像と呼ぶ。
【０１１５】
テクスチャ画像データの種々の例について説明する。例えば、測定対象物Ｓに対して受光部１２０の焦点位置が相対的に変化されつつ複数のテクスチャ画像データが取得される。その複数のテクスチャ画像データが合成されることにより、測定対象物Ｓの表面の全体に焦点が合ったテクスチャ画像データ（以下、全焦点テクスチャ画像データと呼ぶ）が生成される。
【０１１６】
また、異なる複数の撮像条件で複数のテクスチャ画像データが取得されてもよい。撮像条件は、例えば、受光部１２０の露光時間、照明光出力部１３０からの照明光の強度（明るさ）または投光部１１０からの均一な測定光の強度（明るさ）等を含む。取得された複数のテクスチャ画像データを用いて公知のハイダイナミック（ＨＤＲ）合成が行われる。これにより、明るさの差異による黒つぶれおよび白とび等が抑制されたテクスチャ画像データ（以下、ＨＤＲテクスチャ画像データと呼ぶ）が生成される。
【０１１７】
また、焦点位置が変化されるとともに撮像条件が変化されてもよい。具体的には、測定対象物Ｓに対して受光部１２０の焦点位置が相対的に変化されるとともに、各焦点位置において異なる複数の撮像条件でテクスチャ画像データが取得される。取得された複数のテクスチャ画像データを合成することにより、測定対象物Ｓの表面の全体に焦点が合い、かつ黒つぶれおよび白とび等が抑制されたテクスチャ画像データを生成することができる。
【０１１８】
各テクスチャ画像データは、測定対象物Ｓの各点の色または輝度を表すテクスチャ情報（光学的表面状態を表す情報）を含む。一方、上記の立体形状データは、測定対象物Ｓの表面状態の情報を含まない。そこで、立体形状データといずれかのテクスチャ画像データとが合成されることにより、立体形状データにテクスチャ情報が付与されたテクスチャ付き立体形状データが生成される。
【０１１９】
テクスチャ付き立体形状データは、測定対象物Ｓの表面上の複数の点の位置データを含むとともに各点の位置データに対応付けられた当該点の色または輝度を示すデータを含む。この場合、テクスチャ付き立体形状データのうち任意の点のデータをＴＰｎ（ｎは自然数）とすると、ＴＰｎは、例えば装置座標系の座標値と、赤色、緑色および青色の三原色の成分（Ｒ，Ｇ，Ｂ）とを用いて（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ，Ｒｎ，Ｇｎ，Ｂｎ）で表すことができる。または、ＴＰｎは、例えば装置座標系の座標値と、輝度値（Ｉ）とを用いて（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ，Ｉｎ）で表すことができる。テクスチャ付き立体形状データは、点群データに基づいて生成される面情報データにより構成されてもよい。
【０１２０】
以下の説明では、一定の焦点位置および撮像条件で取得されたテクスチャ画像データにより表されるテクスチャ画像を通常テクスチャ画像と呼び、全焦点テクスチャ画像データにより表される画像を全焦点テクスチャ画像と呼び、ＨＤＲテクスチャ画像データにより表される画像をＨＤＲテクスチャ画像と呼ぶ。また、テクスチャ付き立体形状データに基づいて、テクスチャ情報を含む立体形状画像データが生成される。以下、テクスチャ付き立体形状データから生成された立体形状画像データにより表される立体形状画像をテクスチャ付き立体形状画像と呼ぶ。テクスチャ付き立体形状画像は、測定対象物の表面状態を表す。
【０１２１】
なお、上記のように測定対象物Ｓの位置または姿勢が異なる複数の立体形状データが生成される場合には、各立体形状データの生成時に、テクスチャ画像データが取得されてもよい。この場合、複数のパターン画像データから生成される複数の立体形状データおよび複数のテクスチャ画像データを合成することにより、測定対象物Ｓの広い範囲のテクスチャ付き立体形状データを生成することができる。
【０１２２】
［４］形状測定処理
（１）形状測定の準備
測定対象物Ｓの形状測定処理を実行する前に、使用者は、形状測定の準備を行う。図１３は、形状測定の準備の手順を示すフローチャートである。以下、図１、図２および図１３を参照しながら形状測定の準備の手順を説明する。まず、使用者は、測定対象物Ｓをステージ１４０上に載置する（ステップＳ１）。次に、使用者は、投光部１１０から測定対象物Ｓに測定光を照射する（ステップＳ２）。続いて、使用者は、表示部４００に表示されたライブ画像を見ながら、取得されるライブ画像の明るさ、ならびに測定対象物Ｓの位置および姿勢の調整（以下、第１の調整と呼ぶ）を行う（ステップＳ３）。ステップＳ３において取得されるライブ画像の明るさは、測定光の光量および受光部１２０の露光時間のうち少なくとも一方を変化させることにより調整することができる。本実施の形態では、測定光を用いて取得されるライブ画像の明るさを観察に適した明るさにするために、測定光の光量または受光部１２０の露光時間のうち一方が調整される。なお、取得されるライブ画像の明るさは、測定光の光量を一定にし、受光部１２０の露光時間により調整されることが好ましい。それにより、測定光の光量の変化に伴って測定光源１１１の温度が変化することによる計測精度の低下が抑制される。
【０１２３】
ステップＳ２では、上記の第１〜第４のパターンの測定光のいずれかが測定対象物Ｓに照射されてもよく、均一な測定光が測定対象物Ｓに照射されてもよい。ステップＳ３において、測定対象物Ｓの計測すべき箇所（以下、計測箇所と呼ぶ）に影が発生していない場合には、使用者は、測定対象物Ｓの位置および姿勢の調整を行う必要はなく、測定光の光量または受光部１２０の露光時間の調整を行えばよい。
【０１２４】
次に、使用者は、測定光の照射を停止するとともに、照明光出力部１３０から測定対象物Ｓに照明光を照射する（ステップＳ４）。続いて、使用者は、表示部４００に表示されたライブ画像を見ながら、照明光の光量または受光部１２０の露光時間の調整（以下、第２の調整と呼ぶ）を行う（ステップＳ５）。ステップＳ５において取得されるライブ画像の明るさは、基本的にステップＳ３の例と同様に、照明光の光量および受光部１２０の露光時間のうち少なくとも一方を変化させることにより調整することができる。本実施の形態では、照明光を用いて取得されるライブ画像の明るさを観察に適した明るさにするために、照明光の光量または受光部１２０の露光時間のうち一方が調整される。
【０１２５】
次に、使用者は、表示部４００に表示されたライブ画像を確認し、光量、受光部１２０の露光時間、測定対象物Ｓの位置および姿勢（以下、観察状態と呼ぶ）が適切であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６においては、測定対象物Ｓに測定光が照射されてもよく、照明光が照射されてもよく、または測定光および照明光が順に照射されてもよい。
【０１２６】
ステップＳ６において、観察状態が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップＳ２の処理に戻る。一方、ステップＳ６において、観察状態が適切であると判定した場合、使用者は、形状測定の準備を終了する。
【０１２７】
なお、上記の説明においては、第１の調整の後に第２の調整が行われるが、これに限定されない。第２の調整の後に第１の調整が行われてもよい。この場合、使用者は、第２の調整において測定対象物Ｓの位置および姿勢を調整し、第１の調整時に測定対象物Ｓの所望の部分に測定光が照射されていることを確認してもよい。測定対象物Ｓの所望の部分に測定光が照射されていない場合には、測定対象物Ｓの位置および姿勢を再調整し、再度第２の調整として照明光の光量または受光部１２０の露光時間の調整等を行ってもよい。
【０１２８】
（２）第１の調整
図１４および図１５は、形状測定の準備の手順における第１の調整の詳細を示すフローチャートである。以下、図１、図２、図１４および図１５を参照しながら形状測定の準備の手順における第１の調整の詳細を説明する。以下、投光部１１０Ａ，１１０Ｂのうち一方から出射される測定光を一方の測定光と呼び、他方から出射される測定光を他方の測定光と呼ぶ。ここで、本実施の形態に係る測定部１００においては、一方および他方の測定光の光量をそれぞれ独立して設定することができる。また、一方の測定光を用いて測定対象物Ｓを撮像する際の受光部１２０の露光時間と、他方の測定光を用いて測定対象物Ｓを撮像する際の受光部１２０の露光時間とをそれぞれ独立して設定することができる。
【０１２９】
まず、使用者は、取得されるライブ画像の明るさを観察に適した明るさにするために、一方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間を仮調整する（ステップＳ１１）。次に、使用者は、表示部４００に表示される測定対象物Ｓのライブ画像の倍率（以下、視野サイズと呼ぶ）を調整する（ステップＳ１２）。具体的には、倍率が異なる複数の受光部１２０が用いられる場合、使用者は、いずれかの受光部１２０を選択する。それにより、選択された受光部１２０により取得されるライブ画像が表示部４００に表示される。低倍率の受光部１２０が選択されるときの視野サイズは、高倍率の受光部１２０が選択されるときの視野サイズよりも大きくなる。なお、測定部１００は、デジタルズーム機能を有してもよい。この場合、使用者は、受光部１２０により取得されるライブ画像の表示倍率を調整することができる。
【０１３０】
続いて、使用者は、表示部４００に表示されるライブ画像に基づいて、測定対象物Ｓの位置および姿勢が適切であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。ここで、測定対象物Ｓの計測箇所に影が発生していない場合、使用者は、測定対象物Ｓの位置および姿勢が適切であると判断する。一方、測定対象物Ｓの計測箇所に影が発生している場合、使用者は、測定対象物Ｓの位置および姿勢が適切でないと判断する。
【０１３１】
ステップＳ１３において、測定対象物Ｓの位置および姿勢が適切でないと判定した場合、使用者は、測定対象物Ｓの位置および姿勢を調整する（ステップＳ１４）。具体的には、使用者は、回転機構１４３によってステージ１４０を回転させる、または手で測定対象物Ｓを動かすことにより、測定対象物Ｓの位置および姿勢を調整する。その後、使用者は、ステップＳ１３の処理に戻る。
【０１３２】
一方、ステップＳ１３において、測定対象物Ｓの位置および姿勢が適切であると判定した場合、使用者は、表示部４００に表示されるライブ画像に基づいて、取得されるライブ画像の明るさが観察に適した明るさであるか否か、すなわち測定対象物Ｓに照射される一方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間が適切であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。
【０１３３】
ステップＳ１５において、一方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間が適切でないと判定した場合、使用者は、一方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間を調整する（ステップＳ１６）。その後、使用者は、ステップＳ１５の処理に戻る。
【０１３４】
一方、ステップＳ１５において、一方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間が適切であると判定した場合、使用者は、表示部４００に表示されたライブ画像から、観察状態が適切であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７において、観察状態が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップＳ１４またはステップＳ１６の処理に戻る。具体的には、観察状態のうち測定対象物Ｓの位置および姿勢が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップＳ１４の処理に戻る。観察状態のうち光（一方の測定光）の光量または受光部１２０の露光時間が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップＳ１６の処理に戻る。
【０１３５】
一方、ステップＳ１７において、観察状態が適切であると判定した場合、使用者は、一方の測定光の照射を停止するとともに、他方の投光部１１０Ｂから測定対象物Ｓに測定光を照射する（図１６のステップＳ１８）。続いて、使用者は、表示部４００に表示されたライブ画像を見ながら、取得されるライブ画像の明るさを観察に適した明るさにするために、他方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間の調整を行う（ステップＳ１９）。
【０１３６】
その後、使用者は、表示部４００に表示されるライブ画像に基づいて、取得されるライブ画像の明るさが観察に適した明るさであるか否か、すなわち他方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間が適切であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において、他方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップＳ１９の処理に戻る。一方、ステップＳ２０において、他方の測定光の光量または受光部１２０の露光時間が適切であると判定した場合、使用者は、第１の調整を終了する。第１の調整が行われることにより、立体形状データを生成するために最適な一方および他方の測定光の光量条件、または一方および他方の測定光にそれぞれ対応する受光部１２０の露光時間の条件が設定される。なお、他方の投光部１１０Ｂを使用しない場合には、使用者は、ステップＳ１７の処理の後、ステップＳ１８〜Ｓ２０の手順を省略して第１の調整を終了してもよい。
【０１３７】
（３）第２の調整
図１６は、形状測定の準備の手順における第２の調整の詳細を示すフローチャートである。以下、図１、図２および図１６を参照しながら形状測定の準備の手順における第２の調整の詳細を説明する。ここで、本実施の形態に係る測定部１００においては、照明光の光量を一方および他方の測定光の光量から独立して設定することができる。また、照明光を用いて測定対象物Ｓを撮像する際の受光部１２０の露光時間を、一方および他方の測定光を用いて測定対象物Ｓを撮像する際の受光部１２０の露光時間から独立して設定することができる。
【０１３８】
まず、使用者は、取得されるライブ画像の明るさを観察に適した明るさにするために、照明光の光量または受光部１２０の露光時間を調整する（ステップＳ３１）。次に、使用者は、表示部４００に表示されるライブ画像に基づいて、取得されるライブ画像の明るさが観察に適した明るさであるか否か、すなわち測定対象物Ｓに照射される照明光の光量または受光部１２０の露光時間が適切であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。
【０１３９】
ステップＳ３２において、照明光の光量または受光部１２０の露光時間が適切でないと判定した場合、使用者は、ステップＳ３１の処理に戻る。一方、ステップＳ３２において、照明光の光量または受光部１２０の露光時間が適切であると判定した場合、使用者は、表示すべきテクスチャ画像の種類を選択し（ステップＳ３３）、第２の調整を終了する。テクスチャ画像の種類は、例えば、通常テクスチャ画像、全焦点テクスチャ画像、ＨＤＲテクスチャ画像を含む。第２の調整が行われることにより、テクスチャ画像データを生成するために最適な照明光の光量条件、または照明光に対応する受光部１２０の露光時間の条件が設定される。
【０１４０】
また、ステップＳ３３において、全焦点テクスチャ画像またはＨＤＲテクスチャ画像が選択された場合には、全焦点テクスチャ画像データまたはＨＤＲテクスチャ画像データを適切に取得するための設定が別途行われてもよい。例えば、全焦点テクスチャ画像が選択された場合には、焦点位置の変化範囲等が設定されてもよい。また、ＨＤＲテクスチャ画像データが選択された場合には、撮像条件の詳細等が設定されてもよい。また、これらの設定に基づいて、プレビュー用の全焦点テクスチャ画像またはＨＤＲテクスチャ画像が表示部４００に表示されてもよい。
【０１４１】
（４）形状測定処理
図１３〜図１６の形状測定の準備の後、測定対象物Ｓの形状測定処理が実行される。図１７は、形状測定処理の概要を示すフローチャートである。使用者が、ＣＰＵ２１０に形状測定処理の開始を指示すると、ＣＰＵ２１０は、第１の調整において設定された光量条件または露光時間の条件に従って、投光部１１０から測定対象物Ｓに測定光を照射し、測定光のパターンが投影された測定対象物Ｓの画像データ（パターン画像データ）を取得する（ステップＳ４１）。取得されたパターン画像データは、作業用メモリ２３０に記憶される。
【０１４２】
次に、ＣＰＵ２１０は、取得したパターン画像データを所定の計測アルゴリズムで処理することにより、測定対象物Ｓの立体形状を示す立体形状データを生成する（ステップＳ４２）。生成された立体形状データは、作業用メモリ２３０に記憶される。ステップＳ４１，Ｓ４２においては、上記のように、複数の視点に対応するパターン画像データが取得され、それらのパターン画像データから生成される複数の立体形状データが合成されてもよい。それにより、測定対象物Ｓの広い範囲の立体形状データを生成することができる。
【０１４３】
次に、ＣＰＵ２１０は、図１６のステップＳ３３で選択されたテクスチャ画像の種類に対応するテクスチャ画像データを取得する（ステップＳ４３）。取得されたテクスチャ画像データは、作業用メモリ２３０に記憶される。次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ４２で生成された立体形状データとステップＳ４３で取得されたテクスチャ画像データとを合成することにより、テクスチャ付き立体形状データを生成する（ステップＳ４４）。次に、ＣＰＵ２１０は、生成された立体形状データまたはテクスチャ付き立体形状データに基づいて、測定対象物Ｓの立体形状画像を表示部４００に表示させる（ステップＳ４５）。この場合、使用者は、表示すべき画像を適宜選択することができる。ステップＳ４５において、測定対象物Ｓの計測箇所が適切に表示されていない場合、使用者は、図１４〜図１６の第１および第２の調整を再度行ってもよい。その後、ＣＰＵ２１０は、使用者により設定された計測条件に基づいて、計測箇所の計測を実行する（ステップＳ４６）。計測条件の設定については後述する。これにより、形状測定処理を終了する。
【０１４４】
［５］立体形状画像
（１）立体投影画像および立体透視画像
図１８は、測定対象物Ｓの一例を示す図である。図１９は、図１８の測定対象物Ｓのライブ画像の例を示す図である。図１８の測定対象物Ｓは、基板Ｂ１と、その基板Ｂ１の上面に実装される素子Ｂ２，Ｂ３とを含む。また、図１８の例では、測定対象物Ｓの外観の特徴として、素子Ｂ２の上面および素子Ｂ３の上面に、互いに異なる色が付される。図中においては、色の違いが異なるハッチングで表される。
【０１４５】
図１９に示すように、ライブ画像Ｇ１は、測定対象物Ｓの外観を表す。上記のように、受光部１２０は一定の画角θ２（図２）を有する。そのため、ライブ画像Ｇ１は遠近感を有し、ライブ画像Ｇ１に表される測定対象物Ｓの各部の大きさは、受光部１２０からの距離に依存する。例えば、基板Ｂ１の上面の辺Ｌ１，Ｌ２の実際の長さは互いに等しいが、ライブ画像Ｇ１においては、受光部１２０により近い位置にある辺Ｌ１の長さが、辺Ｌ２の長さよりも大きい。
【０１４６】
図２０は、立体形状画像について説明するための図である。上記のように、立体形状画像は、立体形状データに基づいて生成される立体形状画像データにより表される。本実施の形態において、立体形状画像データは、投影画法により測定対象物Ｓを立体投影画像として表す立体投影画像データ、および透視画法により測定対象物Ｓを立体透視画像として表す立体透視画像データを含む。立体透視画像データは、機器パラメータとして、ステージ１４０に対する受光部１２０の位置（座標）、受光部１２０のレンズ１２２の画角θ２および焦点位置等を用いて生成される。
【０１４７】
図２０（ａ）には、図１８の測定対象物Ｓの立体投影画像が示される。図２０（ｂ）には、図１８の測定対象物Ｓの立体透視画像が示される。図２０（ａ）に示すように、立体投影画像Ｇ２は、遠近感を有さず、測定対象物Ｓの各部の大きさが受光部１２０からの距離に依存しない。そのため、測定対象物Ｓの辺Ｌ１の長さと辺Ｌ２の長さとが互いに等しい。一方、図２０（ｂ）に示すように、立体透視画像Ｇ３は、ライブ画像Ｇ１と同様に遠近感を有し、測定対象物Ｓの各部の大きさは、受光部１２０からの距離に依存する。そのため、図１９のライブ画像Ｇ１と同様に、辺Ｌ１の長さが辺Ｌ２の長さよりも大きい。立体投影画像Ｇ２および立体透視画像Ｇ３は、予め設定された光源からの光による陰影等を含んでもよい。使用者は、立体形状画像として、立体投影画像Ｇ２と立体透視画像Ｇ３とを選択的に表示部４００に表示させることができる。
【０１４８】
本実施の形態では、次の第１および第２の条件の少なくとも一方が満たされるように、立体形状画像データが生成される。第１の条件は、立体形状画像の消失点の位置がライブ画像Ｇ１の消失点の位置と一致することである。第２の条件は、立体形状画像における測定対象物の向きがライブ画像Ｇ１における測定対象物の向きと一致することである。
【０１４９】
立体形状画像として立体投影画像Ｇ２が表示される場合には、第２の条件が満たされるように、立体投影画像Ｇ２における測定対象物Ｓの向きが、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと一致される。一方、立体形状画像として立体透視画像Ｇ３が表示される場合には、第１および第２の条件の両方が満たされることが好ましい。すなわち、立体透視画像Ｇ３の消失点の位置が、ライブ画像Ｇ１の消失点の位置と一致され、立体透視画像Ｇ３における測定対象物Ｓの向きが、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと一致されることが好ましい。立体透視画像Ｇ３が表示される場合には、第１および第２の条件の一方のみが満たされてもよい。
【０１５０】
図２１は、ライブ画像Ｇ１および立体形状画像における測定対象物Ｓの向きについて説明するための図である。図２１（ａ）の例では、受光部１２０の光軸に対して垂直に投影面ＰＰが設定される。また、受光部１２０のレンズ１２２（図２）と測定対象物Ｓの表面とを結ぶように複数の投射線ＰＬが設定される。複数の投射線ＰＬに沿って投影面ＰＰに投影された画像が、ライブ画像Ｇ１に相当する。投影面ＰＰに対する測定対象物Ｓの相対的な向きが、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きに相当する。
【０１５１】
図２１（ｂ）の例では、立体形状データにより表される仮想的な測定対象物Ｓに対して投影面ＰＰａが設定され、投影面ＰＰａに対して一定の角度（例えば９０度）をなすように複数の投射線ＰＬａが設定される。複数の投射線ＰＬａに沿って投影面ＰＰａに投影された画像が、立体投影画像Ｇ２に相当する。投影面ＰＰａに対する測定対象物Ｓの相対的な向きが、立体投影画像Ｇ２における測定対象物Ｓの向きに相当する。
【０１５２】
図２１（ｃ）の例では、立体形状データにより表される仮想的な測定対象物Ｓに対して投影面ＰＰｂが設定され、共通の視点ＶＰを通りかつ投影面ＰＰｂと交差するように複数の投射線ＰＬｂが設定される。投影面ＰＰｂと視点ＶＰとは一定の位置関係にある。また、測定対象物Ｓと視点ＶＰとの距離は、受光部１２０の画角θ２（図２）および焦点距離によって決まる。複数の投射線ＰＬｂに沿って投影面ＰＰｂに投影された画像が、立体透視画像Ｇ３に相当する。投影面ＰＰｂに対する測定対象物Ｓの相対的な向きが、立体透視画像Ｇ３における測定対象物Ｓの向きに相当する。
【０１５３】
第２の条件は、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと立体形状画像における測定対象物Ｓの向きとが厳密に一致する場合のみでなく、これらが僅かにずれている場合を含んでもよい。例えば、図２１（ｂ）の例における測定対象物Ｓに対する投射線ＰＬａの方向が、図２１（ａ）の例における測定対象物Ｓに対する受光部１２０の光軸の方向と一致する場合、第２の条件が満たされる。また、図２１（ｃ）の測定対象物Ｓに対するいずれかの投射線ＰＬｂの方向が、図２１（ａ）の測定対象物Ｓに対する受光部１２０の光軸の方向と一致する場合、第２の条件が満たされてもよい。投射線の方向は、測定対象物Ｓに対する視線の方向に相当する。
【０１５４】
図２２は、消失点の位置について説明するための図である。図２２に示すように、ライブ画像Ｇ１および立体透視画像Ｇ３においては、実際には平行な線が遠近感によって互いに角度をなし、一定の消失点で互いに交差する。図２２の例では、３つの消失点ＶＮ１，ＶＮ２，ＶＮ３が存在する。ライブ画像Ｇ１の消失点の位置と立体透視画像Ｇ３の消失点の位置とが一致する場合、ライブ画像Ｇ１の遠近感の程度と立体透視画像Ｇ３の遠近感の程度が一致する。
【０１５５】
なお、第１の条件は、ライブ画像Ｇ１の消失点の位置と立体透視画像Ｇ３の消失点の位置とが厳密に一致する場合のみでなく、これらが僅かにずれている場合を含んでもよい。
【０１５６】
使用者は、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像（立体投影画像Ｇ２もしくは立体透視画像Ｇ３）とを選択的にまたは同時に表示部４００に表示させることができる。それにより、使用者は、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを見比べることができる。
【０１５７】
図２３（ａ）は、ライブ画像Ｇ１と立体投影画像Ｇ２とが同時に表示される例を示し、図２３（ｂ）は、ライブ画像Ｇ１と立体透視画像Ｇ３とが同時に表示される例を示す。使用者は、立体形状データの生成後、立体形状画像上で測定対象物Ｓの計測箇所を指定する。その場合、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを見比べることにより、立体形状画像上で測定対象物Ｓの計測箇所を特定しやすくなる。しかしながら、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの見た目と立体形状画像における測定対象物Ｓの見た目とが乖離していると、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを見比べたときに違和感が生じ、計測箇所の特定が難しくなることがある。そこで、本実施の形態では、上記の第１および第２の条件の少なくとも一方が満たされるように立体形状画像データが生成される。
【０１５８】
図２３（ａ）の例では、立体投影画像Ｇ２における測定対象物Ｓの向きが、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと一致しており、第２の条件が満たされている。図２３（ｂ）の例では、立体透視画像Ｇ３の消失点の位置が、ライブ画像Ｇ１の消失点の位置と一致され、かつ立体透視画像Ｇ３における測定対象物Ｓの向きが、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと一致しており、第１および第２の条件が満たされている。
【０１５９】
これにより、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像との間の乖離が小さくなる。したがって、使用者は、違和感なくライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを見比べることができる。ライブ画像Ｇ１と立体形状画像との間の乖離度をさらに低くするため、ライブ画像Ｇ１の表示サイズ（表示倍率）と立体形状画像の表示サイズとが一致していることがより好ましい。
【０１６０】
（２）テクスチャ付き立体形状画像
上記のように、立体形状データおよびテクスチャ画像データからテクスチャ付き立体形状データが合成され、テクスチャ付き立体形状データからテクスチャ付き立体形状画像を表す立体形状画像データが生成される。この場合、立体形状画像データとして、立体投影画像データ（以下、テクスチャ付き投影画像データと呼ぶ。）が生成されてもよく、立体透視画像データ（以下、テクスチャ付き透視画像データと呼ぶ。）が生成されてもよい。以下、テクスチャ付き投影画像データにより表されるテクスチャ付き立体形状画像をテクスチャ付き投影画像と呼び、テクスチャ付き透視画像データにより表されるテクスチャ付き立体形状画像をテクスチャ付き透視画像と呼ぶ。
【０１６１】
図２４（ａ）は、テクスチャ付き投影画像の例を示し、図２４（ｂ）は、テクスチャ付き透視画像の例を示す。図２４（ａ）に示すように、テクスチャ付き投影画像Ｇ２ａは、立体投影画像Ｇ２に、測定対象物Ｓのテクスチャ情報が付与された画像である。また、図２４（ｂ）に示すように、テクスチャ付き透視画像Ｇ３ａは、立体透視画像Ｇ３に、測定対象物Ｓのテクスチャ情報が付与された画像である。本例において、テクスチャ情報は、素子Ｂ２，Ｂ３の上面の光学的な色彩および明暗情報等である。
【０１６２】
テクスチャ付き投影画像Ｇ２ａは、立体投影画像Ｇ２よりもライブ画像Ｇ１との近似性が高く、テクスチャ付き透視画像Ｇ３ａは、立体透視画像Ｇ３よりもライブ画像Ｇ１との近似性が高い。したがって、使用者は、より違和感なく、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを見比べることができる。
【０１６３】
［６］ステージの回転
上記のように、１つの視点に対応する立体形状データが生成された後に、他の視点に対応する立体形状データが追加で取得されることがある。その場合、ユーザは、図１の操作部２５０を操作してステージ１４０の回転を指示するか、または図１のステージ操作部１４５を操作することにより、ステージ１４０を回転させる。
【０１６４】
図２５は、１つの視点に対応する立体形状データを示す模式図である。図２５の立体形状データＳＤは、図１９のライブ画像Ｇ１の視点に対応している。立体形状データＳＤは、測定光が照射されかつ受光部１２０により撮像される測定対象物Ｓの表面の部分の位置データを含む。図２５の立体形状データＳＤは、図１９のライブ画像Ｇ１に現れている測定対象物Ｓの表面の部分の位置データを含む。一方、図１９のライブ画像Ｇ１に現れていない測定対象物Ｓの表面の部分の位置データは、立体形状データＳＤに含まれない。
【０１６５】
図２６は、操作部２５０（図１）の操作によるステージ１４０の回転の指示の例について説明するための図である。図２６（ａ）の例では、表示部４００にライブ画像Ｇ１とともにポインタＰＴが表示される。本例において、操作部２５０はマウスを含む。使用者は、マウスのボタンを押下しながら、マウスを移動させてポインタＰＴを右方向Ｄ１または左方向Ｄ２に移動させることにより、ステージ１４０の回転を指示する。例えば、ポインタＰＴの右方向Ｄ１の移動により、反時計周り方向Ｄ１ａへの回転が指示され、ポインタＰＴの左方向Ｄ２の移動により、時計周り方向Ｄ２ａへの回転が指示される。この場合、ポインタＰＴの右方向Ｄ１または左方向Ｄ２への移動量が、ステージ１４０の回転角度に対応する。ポインタＰＴの移動の代わりに、ステージ１４０の回転方向を指定するためのアイコンが表示部４００に表示され、そのアイコンの操作によりステージ１４０の回転が指示されてもよい。ＣＰＵ２１０は、使用者によるステージ１４０の回転の指示に応答して、図１のステージ駆動部１４６を制御する。
【０１６６】
図２６（ｂ）のライブ画像Ｇ１においては、図２６（ａ）のライブ画像Ｇ１に表される状態から、測定対象物Ｓが時計回り方向Ｄ２ａに９０度回転されている。このように、ライブ画像Ｇ１を見ながら測定対象物Ｓの向きを容易に調整することができる。
【０１６７】
ライブ画像Ｇ１の代わりに、立体形状画像を用いて、ステージ１４０の回転が指示されてもよい。図２７は、立体透視画像Ｇ３を用いてステージ１４０の回転指示を行う例について説明するための図である。立体形状画像を用いてステージ１４０の回転指示が行われる場合、上記の第２の条件が満たされるように立体形状画像データが生成される。すなわち、立体形状画像における測定対象物Ｓの向きが、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと一致される。
【０１６８】
使用者は、図２６の例と同様にして、立体透視画像Ｇ３上でステージ１４０の回転を指示することができ、その回転指示に基づいて、ＣＰＵ２１０がステージ駆動部１４６を制御する。この場合、ステージ１４０の回転に追従するように、立体透視画像Ｇ３における測定対象物Ｓの向きが変化される。具体的には、立体形状データおよび使用者による回転指示に基づいて、回転後の測定対象物Ｓを表すように立体透視画像データが更新され、更新後の立体透視画像データに基づいて立体透視画像Ｇ３が表示される。
【０１６９】
図２７（ｂ）の立体透視画像Ｇ３においては、図２４（ｂ）の立体透視画像Ｇ３により表される状態から、測定対象物Ｓが時計回り方向Ｄ２ａに９０度回転されている。この場合、ステージ１４０の回転前の視点に対応する立体形状データしか生成されていないので、立体透視画像Ｇ３において、測定対象物Ｓの一部が欠損している。
【０１７０】
そこで、ステージ１４０の回転後に新たに立体形状データが生成される。すなわち、測定対象物Ｓに測定光が照射されつつ測定対象物Ｓが撮像されることによりパターン画像データが取得され、取得されたパターン画像データに基づいて新たな立体形状データが生成される。新たに生成される立体形状画像データは、図２６（ｂ）のライブ画像Ｇ１に現れる測定対象物Ｓの表面の部分の位置データを含む。
【０１７１】
図２８は、新たに生成された立体形状データに基づいて表示される立体透視画像Ｇ３を示す図である。図２８の立体透視画像Ｇ３においては、図２７（ｂ）の立体透視画像Ｇ３における測定対象物Ｓの欠損部分が補われている。このようにして、ステージ１４０を回転させながら、複数の視点に対応する立体形状データを取得していくことができる。
【０１７２】
立体形状画像を用いてステージ１４０の回転指示を行う場合、使用者は、立体形状画像を見て、立体形状データの欠損部分を直感的に認識することができる。また、使用者は、立体形状画像を見て、立体形状データの欠損部分を補うためにステージ１４０を回転させるべき角度を直感的に認識することができる。したがって、測定対象物Ｓの広い範囲の立体形状データを効率良く生成することができる。
【０１７３】
図２７の例では、立体形状画像として立体透視画像Ｇ３が用いられるが、立体透視画像Ｇ３の代わりに立体投影画像Ｇ２、テクスチャ付き投影画像Ｇ２ａまたはテクスチャ付き透視画像Ｇ３ａを用いて、同様にステージ１４０の回転が指示されてもよい。また、立体形状画像とともにライブ画像Ｇ１が表示されてもよい。この場合、使用者は、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを見比べることにより、立体形状データの欠損をより具体的に認識することができる。
【０１７４】
図２９は、ステージ１４０の回転時におけるＣＰＵ２１０の動作例を示すフローチャートである。図２９の例では、ライブ画像Ｇ１および立体形状画像が表示された状態で、ステージ１４０の回転指示が行われる。まず、ＣＰＵ２１０は、取得されたライブ画像データに基づいて表示部４００にライブ画像Ｇ１を表示するとともに、取得された立体形状データに基づいて立体形状画像データを生成し、生成された立体形状画像データに基づいて立体形状画像を表示部４００に表示する（ステップＳ５１）。この場合、第２の条件が満たされるように立体形状画像データが生成される。また、立体形状画像として立体透視画像Ｇ３が表示される場合には、第２の条件とともに第１の条件が満たされるように、立体透視画像データが生成されることが好ましい。
【０１７５】
次に、ＣＰＵ２１０は、操作部２５０の操作に基づいて、ステージ１４０の回転指示が有るか否かを判定する（ステップＳ５２）。ステージ１４０の回転指示が有る場合、ＣＰＵ２１０は、回転指示に基づいてステージ１４０の回転方向および回転角度を特定し（ステップＳ５３）、特定された回転方向に特定された回転角度だけステージ１４０が回転されるように、ステージ駆動部１４６を制御する（ステップＳ５４）。
【０１７６】
ステップＳ５２でステージ１４０の回転指示がない場合、ＣＰＵ２１０は、図２のステージ操作部１４５が操作されたか否かを判定する（ステップＳ５５）。ステージ操作部１４５が操作された場合、ＣＰＵ２１０は、ステージ操作部１４５の操作または検出センサの出力に基づいて、ステージ１４０の回転方向および回転角度を検出する（ステップＳ５６）。
【０１７７】
次に、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ５３で特定された回転方向および回転角度、あるいはステップＳ５６で検出された回転方向および回転角度に基づいて、回転後の測定対象物Ｓを表すように立体形状画像データを更新する（ステップＳ５７）。次に、ＣＰＵ２１０は、更新後の立体形状画像データに基づいて、立体透視画像の表示を更新する。その後、ステップＳ５２〜Ｓ５８の処理が繰り返される。
【０１７８】
［７］回転方向の制限
測定対象物Ｓの広範囲の立体形状データが取得されている場合、表示される立体形状画像における測定対象物Ｓの向きを任意に変更可能であってもよい。具体的には、使用者により立体形状画像における測定対象物Ｓの向きの変更が指示されると、立体形状画像データが更新される。更新された立体形状画像データに基づいて立体形状画像の表示が更新される。
【０１７９】
一方、ライブ画像Ｇ１は、実際に受光部１２０により撮像されているリアルタイムでの測定対象物Ｓを表すので、ステージ１４０を回転させることによってライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きを変更することができるが、立体形状画像のように測定対象物Ｓの向きを任意に変更することはできない。
【０１８０】
上記のように、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを見比べる場合には、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像との間の乖離が小さいことが好ましい。そこで、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの回転方向と、立体形状画像における測定対象物Ｓの回転方向とが一致するように、立体形状画像における測定対象物Ｓの回転方向を制限可能であってもよい。
【０１８１】
図３０は、立体形状画像における測定対象物Ｓの回転方向の制限について説明するための図である。図３０の例では、立体形状画像として立体透視画像Ｇ３が表示される。図３０に示すように、立体透視画像Ｇ３における測定対象物Ｓの向きは、ステージ１４０がいずれかの回転位置にあるときに受光部１２０により実際に撮像される測定対象物Ｓの向きと一体するように定められる。この場合、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと立体透視画像Ｇ３における測定対象物Ｓの向きとは一致していることが好ましい。この立体透視画像Ｇ３において、測定対象物Ｓは、ステージ１４０の回転軸Ａｘに対応する仮想的な回転軸Ａｘ’を中心とする方向にのみ回転可能であり、他の方向への回転は禁止される。これにより、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像との間の乖離を小さくすることができ、使用者は、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像とを違和感なく見比べることができる。また、一定の自由度で測定対象物Ｓを回転させることは可能であるので、ライブ画像Ｇ１には現れていない測定対象物Ｓの部分を立体形状画像上で確認することができる。また、上記のように、ライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きを立体形状画像における測定対象物Ｓの向きと一致させることにより、ライブ画像Ｇ１と立体形状画像との違いを容易に把握することができる。そのため、立体形状データの欠損箇所等を容易に把握することができ、立体形状データの追加取得を効率良く行うことができる。
【０１８２】
［８］計測値の取得
図１７のステップＳ４６において、使用者は、表示部４００に表示された立体形状画像を見ながら、計測条件を設定する。計測条件は、計測項目および計測箇所を含む。計測項目は、計測すべきパラメータの種類であり、距離、高さ、直径および面積等を含む。また、計測項目として、計測箇所を特定するための幾何形状（例えば、点、直線、円、面、球、円筒および円錐等）が指定されてもよい。
【０１８３】
計測条件の設定例について説明する。まず、計測の基準となる基準面が設定される。図３１は、基準面の設定時におけるＣＰＵ２１０の動作例を示すフローチャートである。
【０１８４】
使用者は、表示された立体形状画像上で基準面とすべき測定対象物Ｓの面を指定する。例えば、表示部４００に立体形状画像とともにポインタが表示される。使用者は、操作部２５０を操作してポインタを移動させ、対象の面をポインタにより指定する。ＣＰＵ２１０は、基準面とすべき面が指定されたか否かを判定する（ステップＳ６１）。面が指定されていない場合、ＣＰＵ２１０は、ステップＳ６１の処理を繰り返す。
【０１８５】
次に、ＣＰＵ２１０は、立体形状データに基づいて、指定された面に最も近い平面を抽出し（ステップＳ６２）、抽出された平面を基準面に設定する（ステップＳ６３）。通常、測定対象物Ｓの各面は、僅かに凹凸を含む、または僅かに湾曲している等、完全な平面ではない。そこで、指定された面と最も一致度が高い仮想的な平面が抽出され、基準面に設定される。次に、ＣＰＵ２１０は、設定された基準面が表示部４００の画面と平行になるように、表示される立体形状画像を更新する。すなわち、基準面に対して測定対象物Ｓを垂直に見た２次元的（平面的）な画像（以下、基準面画像と呼ぶ）が表示部４００に表示される。
【０１８６】
図３２は、基準面画像の例を示す図である。図３２の基準面画像Ｇ４は、図１８の測定対象物Ｓを平面的に表す。図３２の基準面画像Ｇ４においては、測定対象物Ｓの素子Ｂ２の上面が指定され、基準面に設定されている。そのため、素子Ｂ２の上面が表示部４００の画面と略平行である。図３３は、計測条件の設定例について説明するための図である。図３３の例では、計測項目として、２線間の距離が指定され、計測箇所として、素子Ｂ２の互いに平行な２つの辺Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ指定される。計測箇所は基準面上に設定される。計測項目および計測箇所が指定されると、立体形状データに基づいて、指定された計測項目および計測箇所に対応する計測値が算出され、基準面画像Ｇ４上に表示される。図３０（ｂ）の例では、辺Ｌ１，Ｌ２の間の距離として、“ｘｘ（ｍｍ）”が表示される。
【０１８７】
このように、２次元的な基準面画像Ｇ４が用いられることにより、使用者は、測定対象物Ｓの３次元的な形状を意識することなく、計測条件の設定を直感的に行うことができる。基準面画像Ｇ４を表す画像データが、例えば図１の記憶装置２４０に記憶されてもよい。この場合、任意の時点で基準面画像Ｇ４を表示させて計測値を取得することができる。また、複数の基準面が設定され、その複数の基準面に対応する複数の基準面画像Ｇ４が同時にまたは選択的に表示されてもよい。また、基準面画像Ｇ４と立体形状画像とが同時に表示されてもよく、基準面画像Ｇ４と立体形状画像とが任意に切り替えて表示されてもよい。
【０１８８】
図３３の例では、基準面画像Ｇ４を用いて計測条件の設定が行われるが、立体形状画像を用いて計測条件が設定されてもよい。例えば、計測項目として２面間の距離が指定される。また、立体形状画像上で、計測箇所として測定対象物Ｓの２つの面が指定される。この場合、指定された２面間の距離が計測値として算出され、立体形状画像上に表示される。立体形状画像を用いて計測条件が設定される場合には、基準面が設定されなくてもよい。
【０１８９】
図３４は、基準面画像Ｇ４の他の例を示す図である。図３４の基準面画像Ｇ４においては、測定対象物Ｓの部分に、基準面に対する高さの差分に応じた色が付される。ここで、高さとは、基準面に対して垂直な方向における基準面からの距離を意味する。図３４においては、色の違いがドットパターンの違いで表される。この場合、使用者は、基準面と他の部分との高さの差を容易に認識することができる。基準面画像は、立体形状データまたはテクスチャ付き立体形状データを所定の基準面からの高さで表した高さ画像として機能する。
【０１９０】
立体形状データに基づいて、測定対象物Ｓのプロファイル（断面形状）を表す画像（以下、プロファイル画像と呼ぶ。）が表示されてもよい。図３５は、プロファイルを取得すべき箇所の指定について説明するための図であり、図３６は、プロファイル画像の例を示す図である。
【０１９１】
図３５の例では、基準面画像Ｇ４上において、線分ＬＳによりプロファイルを取得すべき測定対象物Ｓの箇所が指定される。この場合、立体形状データに基づいて、線分ＬＳを通りかつ基準面に垂直な面上における測定対象物Ｓのプロファイルを表すプロファイルデータが生成される。生成されたプロファイルデータに基づいて、図３６のプロファイル画像Ｇ５が表示される。プロファイル画像Ｇ５は、測定対象物Ｓのプロファイルを表すプロファイル線ＰＲＬを含む。
【０１９２】
プロファイル画像Ｇ５を用いて計測条件が設定されてもよい。図３６の例では、計測項目として、２面間の距離が指定され、計測箇所として、プロファイル線ＰＬ上の線分Ｌ１１および線分Ｌ１２が指定される。線分Ｌ１１，Ｌ１２は、測定対象物Ｓの基板Ｂ１の上面および素子Ｂ３の上面にそれぞれ対応する。この場合、立体形状データまたはプロファイルデータに基づいて、線分Ｌ１１と線分Ｌ１２との間の距離（基板Ｂ１の上面と素子Ｂ３の上面との間の距離）が計測値として算出される。算出された計測値“ｙｙ”は、プロファイル画像Ｇ５上に表示される。
【０１９３】
［９］効果
本実施の形態に係る測定装置５００においては、投光部１１０、受光部１２０およびステージ１４０が一体的に設けられているので、使用者は、これらの配置を調整する必要がなく、ステージ１４０上に測定対象物Ｓを載置することで、測定対象物Ｓの立体形状データを得ることができる。また、ステージ１４０の回転軸Ａｘが受光部１２０の光軸Ａ１と平行でないので、ステージ１４０を回転させることにより、受光部１２０に向けられる測定対象物Ｓの箇所が変わる。そのため、測定対象物Ｓの異なる箇所が受光部１２０により撮像される。したがって、測定対象物Ｓの広い範囲の立体形状データを容易に生成することができる。
【０１９４】
また、ステージ１４０上に載置された測定対象物Ｓが受光部１２０によって一定の画角θ２で撮像されることによりライブ画像データが取得され、取得されたライブ画像データに基づいて、リアルタイムでの測定対象物Ｓの画像がライブ画像Ｇ１として表示される。使用者は、表示されたライブ画像Ｇ１を見ながら、測定対象物Ｓの位置および姿勢を確認することができる。
【０１９５】
また、立体形状データに基づいて、測定対象物Ｓの画像を立体画法により平面上に立体形状画像として表す立体形状画像データが生成される。使用者は、立体形状画像上で測定対象物の計測すべき箇所を指定する。立体形状データに基づいて、指定された箇所の計測値が算出される。
【０１９６】
この場合、第１および第２の条件の少なくとも一方が満たされるように立体形状画像データが生成される。第１の条件は、測定対象物が透視画法により平面上に立体形状画像として表されかつ当該立体形状画像の消失点の位置がライブ画像Ｇ１の消失点の位置と一致することであり、第２の条件は、立体形状画像における測定対象物の向きがライブ画像Ｇ１における測定対象物の向きと一致することである。これにより、使用者は、立体形状画像とライブ画像Ｇ１とを違和感なく見比べることができる。そのため、使用者は、立体形状画像を見て、測定対象物Ｓの計測すべき箇所を直感的に認識することができる。したがって、使用者は、立体形状画像上で計測すべき箇所を容易に指定することができる。
【０１９７】
また、本実施の形態では、受光部１２０によって測定対象物Ｓが撮像されることにより、測定対象物Ｓのテクスチャ情報が取得され、点群データとテクスチャ情報とに基づいて、立体形状画像データとして、テクスチャ情報を含むテクスチャ付き投影画像データおよびテクスチャ付き透視画像データが生成される。これにより、立体形状画像に対する使用者の違和感がより低減される。
【０１９８】
また、本実施の形態では、生成された立体形状データに基づいて計測の基準となる基準面が設定され、設定された基準面に対して垂直に測定対象物を見た基準面画像Ｇ４が表示される。この場合、使用者は、基準面画像上で計測箇所を容易に指定することができる。また、基準面を基準として、計測箇所の計測値を容易に算出することができる。
【０１９９】
また、本実施の形態では、使用者によるステージ１４０の回転指示に基づいてステージ１４０が回転され、ライブ画像Ｇ１における測定対象物の向きが変化される。また、ステージの回転指示に基づいて、立体形状画像における測定対象物Ｓの向きがライブ画像Ｇ１における測定対象物Ｓの向きと一致するように、立体形状画像データが更新される。これにより、ステージ１４０の回転に伴うライブ画像Ｇ１上での測定対象物Ａの向きの変化に連動して、立体形状画像における測定対象物Ｓの向きが変化する。それにより、使用者は、立体形状画像とライブ画像Ｇ１とを違和感なく見比べることができ、立体形状画像を見て、測定対象物Ｓ１の計測すべき箇所を直感的に認識することができる。
【０２００】
また、本実施の形態では、ステージ１４０の回転位置を変化させて複数の立体形状データを生成し、生成された複数の立体形状データを合成することができる。これにより、測定対象物Ｓの広い範囲の立体形状データを生成することができる。
【０２０１】
［１０］他の実施の形態
上記実施の形態では、受光部１２０に単眼カメラが用いられるが、単眼カメラに代えてまたは単眼カメラに加えて、複眼カメラが用いられてもよい。また、複数の受光部１２０が用いられ、ステレオ法によって立体形状データが生成されてもよい。また、上記実施の形態では、２つの投光部１１０が用いられるが、立体形状データの生成が可能であれば、１つの投光部１１０のみが用いられてもよく、または３つ以上の投光部１１０が用いられてもよい。
【０２０２】
また、投光部１１０からの均一な測定光を用いてライブ画像データおよびテクスチャ画像データを取得する場合には、照明光出力部１３０および照明光源３２０が設けられなくてもよい。また、パターン画像データを合成してテクスチャ画像データを生成することも可能であり、その場合にも照明光出力部１３０および照明光源３２０が設けられなくてもよい。
【０２０３】
また、上記実施の形態では、パターン画像データ、ライブ画像データおよびテクスチャ画像データが共通の受光部１２０によって取得されるが、立体形状データを取得するための受光部とは別個に、ライブ画像データおよびテクスチャ画像データを取得するために測定対象物Ｓを撮像する撮像部に設けられてもよい。
【０２０４】
また、上記実施の形態では、三角測距法により点群データが生成されるが、ＴＯＦ（Time Of Flight）法等の他の方法により点群データが生成されてもよい。
【０２０５】
また、上記実施の形態では、ステージ駆動部１４６によりステージ１４０が回転軸Ａｘの周りで回転可能に構成され、他の方向には移動しないが、本発明はこれに限定されない。
【０２０６】
ステージ１４０は、例えば回転軸Ａｘの周りで回転可能であるとともに、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向のうち少なくとも一方向に移動可能に構成されてもよい。この場合、ステージ１４０に対して一定姿勢で測定対象物Ｓが載置された状態で、ステージ１４０の回転角度および位置を自在に変更することができる。したがって、より多様な視点で測定対象物Ｓを撮像することができる。その結果、測定対象物Ｓのより広い範囲の立体形状データを求めることが可能になる。
【０２０７】
［１１］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０２０８】
上記実施の形態においては、設置部１６１がステージ保持部の例であり、ステージ１４０がステージの例であり、ヘッド部１９０がヘッド部の例であり、投光部１１０が投光部の例であり、受光部１２０が受光部および撮像部の例であり、スタンド部１６２が連結部の例であり、点群データ生成部５０１が点群データ生成手段の例であり、立体形状画像データ生成部５０２が立体形状画像データ生成手段の例であり、計測部５０３が計測手段の例であり、基準面設定部５０４が基準面設定手段の例であり、平面画像データ生成部５０５が平面画像データ生成手段の例であり、第１の回転指示受付部５０６ａが第１の回転指示受付手段の例であり、第２の回転指示受付部５０６ｂが第２の回転指示受付手段の例であり、回転制御部５０７が回転制御手段の例である。
【０２０９】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０２１０】
本発明は、測定対象物の測定を行う種々の測定装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０２１１】
１００  測定部
１１０  投光部
１１１  測定光源
１１２  パターン生成部
１１３，１１４  レンズ
１２０  受光部
１３０  照明光出力部
１４０  ステージ
１５０  制御基板
２００  ＰＣ
２１０  ＣＰＵ
２２０  ＲＯＭ
２３０  作業用メモリ
２４０  記憶装置
２５０  操作部
３００  制御部
３２０  照明光源
４００  表示部
５００  測定装置
Ｓ  測定対象物
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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