(57)【要約】【課題】スキャン速度を低下させることなく、測定対象の形状測定を高精度で行うことができる、形状測定装置を提供する。【解決手段】本発明の形状測定装置は、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、当該撮像光学系の入射瞳または射出瞳の大きさが互いに異なる条件によって像を形成する撮像光学系と、撮像光学系により形成された前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像部と、撮像部が生成した画像データに基づいて、測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出部とを有する。【選択図】図１
2015052490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、
前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が異なる条件で前記像を形成する撮像光学系と、
前記撮像光学系により形成された前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像部と、
前記撮像部が生成した前記画像データに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出部とを有する
形状測定装置。
【請求項２】
前記前記撮像光学系の開口数がそれぞれ異なる条件で形成された前記測定領域の複数の像を、前記撮像部でそれぞれ撮像することにより生成される前記測定領域の複数の前記画像データに対して、比較演算する比較演算部を有し、
前記位置算出部は、前記撮像部が生成した前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データと、前記比較演算部が演算した比較結果とに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する
請求項1に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記比較演算部は、
前記撮像部が生成した前記画像データ内の前記測定光の画像の位置を示す位置情報を、前記複数の画像データどうしを比較することにより、前記画像データ内における領域情報を取得し、
前記位置算出部は、
前記撮像部が生成した前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データと、前記比較演算部が取得した前記領域情報とに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する
請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記位置算出部は、
前記比較演算部が取得した領域情報に基づいて前記撮像部が生成した前記画像データから前記測定光の像の少なくとも一部を含む画像データを抽出し、抽出した前記画像データに基づいて点群情報を生成することにより前記測定対象の３次元形状内の位置を算出する
請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記位置算出部は、
前記撮像部が生成した前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データに基づいて前記測定対象の３次元形状内の位置を示す点群情報を算出するとともに、前記比較演算部が取得した領域情報に基づいて、算出した前記点群情報から前記領域情報に対応する３次元空間内の領域に含まれる点群情報を抽出または除去することにより、前記測定対象の形状を示す点群情報として出力する
請求項３または請求項４に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記比較演算部は、
前記撮像部が生成した前記複数の前記画像データどうしを画素毎に画素値の差分を取得し、前記取得された差分に基づいて前記領域情報を取得する
請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記比較演算部は、
前記撮像部が生成した前記複数の前記画像データ間において対応する画素毎に、画像データの画素値の差分を算出することにより、前記領域情報を取得する
請求項６に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記画像データには、画素値を示す情報が含まれ、
前記撮像部が生成した前記画像データ内に所定のしきい値を超える画素値を含む画像領域が複数存在するか否かを判定する判定部
を備え、
前記比較演算部は、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記比較演算の要否を判定する
請求項２から請求項７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記照射部が前記測定光を照射する照射方向と、前記撮像部が撮像する撮像方向との相対的な方向を保持しつつ、前記照射方向と前記撮像方向とを前記測定対象に対して移動させる移動部
を備える請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
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１から請求項９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１１】
測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が異なる条件で像を形成する撮像光学系とを有する形状測定装置に用いられる形状測定方法であって、
前記撮像光学系が形成する前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像ステップと、
前記撮像光学系の入射瞳または射出瞳の大きさがそれぞれ互いに異なる条件によって形成された前記測定領域の複数の像を、前記撮像ステップにおいて撮像することにより生成される前記測定領域の複数の前記画像データに対して、比較演算する比較演算ステップと、
前記撮像ステップにおいて生成された前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データと、前記比較演算ステップにおいて演算された比較結果とに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出ステップと
を有する形状測定方法。
【請求項１２】
構造物の形状に関する構造物設計情報を作製する工程と、
前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する工程と、
作成された前記構造物の形状を、請求項１１に記載の形状測定方法を用いて測定する工程と、
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工程と
を含む構造物製造方法。
【請求項１３】
測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が異なる条件で像を形成する撮像光学系とを有する形状測定装置のコンピュータに、
前記撮像光学系が形成する前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像ステップと、
前記撮像光学系の入射瞳または射出瞳の大きさがそれぞれ互いに異なる条件で形成された前記測定領域の複数の像を、前記撮像ステップにおいて撮像することにより生成される前記測定領域の複数の前記画像データに対して、比較演算する比較演算ステップと、
前記撮像ステップにおいて生成された前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データと、前記比較演算ステップにおいて演算された比較結果とに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出ステップと
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ための、形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、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、接触式の測定プローブを用いて測定対象（被測定物）の形状を３次元で測定する形状測定装置が知られている。また、測定プローブとしては、上記の接触式のものの他に、光切断方式を用いた非接触プローブがある。この光切断方式の測定プローブを用いた形状測定装置では、測定対象に所定の投影パターン（例えば、スリット光）を投影して測定対象を撮像し、その撮像画像から各画像位置（各画素）の基準面からの高さを算出し、測定対象の３次元表面形状を測定するようになっている(特許文献１を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２１８２３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光切断方式の形状測定装置では、測定対象にスリット光を照射したとき、測定対象の表面状態によってスリット光の反射状態が変化する。このため、カメラで撮像した光切断線上の各点には測定対象の１点だけではなく、その点の近傍の複数点で反射（所謂、多重反射）したスリット光がノイズとして入射し、その結果、測定対象の形状を正確に測定できなくなることがある。
【０００５】
この問題に対処するために、上記特許文献１に記載の形状測定装置では、光切断線を撮像するカメラと測定対象との間に偏光フィルタを配置し、この偏光フィルタをカメラの光軸を中心として所定角度αずつ回転しながら、各角度ごとに撮像された光切断線の光量分布の非正規度を計算する。そして、光切断線の光量分布が正規分布に最も近付いた状態で形状測定を行なうことにより、測定対象の３次元形状を高精度に測定するようにしている。
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献１に記載の３次元形状測定装置では、測定位置を変える毎に偏光フィルタをカメラの光軸を中心として所定角度αずつ回転し、各角度ごとに撮像された光切断線の光量分布の非正規度を計算するため、その分、測定対象全体を測定するために費やす時間が多くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、測定対象の形状測定を行う際に、測定時間が長時間化することなく、測定対象の形状測定を高精度で行うことができる、形状測定装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、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、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が互いに異なる条件によって前記像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系により形成された前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像部と、前記撮像部が生成した前記画像データに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出部とを有する形状測定装置である。
【０００９】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が互いに異なる条件によって像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系が形成する前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像部と、前記入射瞳または前記射出瞳の大きさがそれぞれ互いに異なる条件で形成された前記測定領域の複数の像を、前記撮像部でそれぞれ撮像することにより生成される前記測定領域の複数の前記画像データに対して、比較演算する比較演算部と、前記撮像部が生成した前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データと、前記比較演算部が演算した比較結果とに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出部とを有する形状測定装置である。
【００１０】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が互いに異なる複数の条件で前記測定領域の像を形成する撮像光学系と、前記撮像光学系が形成する前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像部と、前記撮像部が生成した前記画像データに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出部とを有し、前記位置算出部は、前記撮像部から入力される前記画像データのうち、前記撮像光学系の前記入射瞳または前記射出瞳の大きさが最も小さい状態によって前記撮像部が撮像した像の画像データを少なくとも用いて前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する形状測定装置である。
【００１１】
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、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１から請求項１２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である。
【００１２】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が互いに異なる条件によって前記像を形成する撮像光学系とを有する形状測定装置に用いられる形状測定方法であって、前記撮像光学系により形成された前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像ステップと、前記撮像ステップにおいて生成される前記画像データのうち、前記撮像光学系の前記入射瞳または前記射出瞳の大きさがある大きさよりも小さい状態によって前記撮像ステップにおいて撮像された像の画像データを少なくとも用いて前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出ステップとを有する形状測定方法である。
【００１３】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、開口数が互いに異なる条件によって像を形成する撮像光学系とを有する形状測定装置に用いられる形状測定方法であって、前記撮像光学系が形成する前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像ステップと、前記入射瞳または前記射出瞳の大きさがそれぞれ互いに異なる条件で形成された前記測定領域の複数の像を、前記撮像ステップにおいて撮像することにより生成される前記測定領域の複数の前記画像データに対して、比較演算する比較演算ステップと、前記撮像ステップにおいて生成された前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データと、前記比較演算ステップにおいて演算された比較結果とに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出ステップとを有する形状測定方法である。
【００１４】
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工程と、前記構造物設計情報に基づいて前記構造物を作製する工程と、作成された前記構造物の形状を、請求項１４または請求項１５に記載の形状測定方法を用いて測定する工程と、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工程とを含む構造物製造方法である。
【００１５】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、当該撮像光学系の入射瞳または射出瞳の大きさが互いに異なる条件によって前記像を形成する撮像光学系とを有する形状測定装置のコンピュータに、前記撮像光学系により形成された前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像ステップと、前記撮像ステップにおいて生成される前記画像データのうち、前記撮像光学系の前記入射瞳または前記射出瞳の大きさがある大きさよりも小さい状態によって前記撮像ステップにおいて撮像された像の画像データを少なくとも用いて前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出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。
【００１６】
また、本発明の一実施形態は、測定光を測定対象の測定領域に照射する照射部と、前記測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系であって、当該撮像光学系の入射瞳または射出瞳の大きさが互いに異なる条件によって像を形成する撮像光学系とを有する形状測定装置のコンピュータに、前記撮像光学系が形成する前記測定領域の像を撮像し、撮像した前記測定領域の像の画像データを生成する撮像ステップと、前記入射瞳または前記射出瞳の大きさがそれぞれ互いに異なる条件で形成された前記測定領域の複数の像を、前記撮像ステップにおいて撮像することにより生成される前記測定領域の複数の前記画像データに対して、比較演算する比較演算ステップと、前記撮像ステップにおいて生成された前記複数の前記画像データのうち少なくとも一つの前記画像データと、前記比較演算ステップにおいて演算された比較結果とに基づいて、前記測定対象の３次元空間内の位置を算出する位置算出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】
【００１７】
本発明によれば、測定対象の形状測定を行う際に、スキャン速度を低下させることなく、測定対象の形状測定を高精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の形状測定装置の構成の一例を示す概要図である。
【図２】本実施形態の撮像光学系において開口絞りを変化させる例を示す模式図である。
【図３】本実施形態の開口数に応じた撮像画像の一例を示す模式図である。
【図４】本実施形態による形状測定装置の具体的な構成の一例を示す構成図である。
【図５】本実施形態における回転機構の構成の一例を示す構成図である。
【図６】本実施形態の照射部と撮像部の第１の構成例を示す構成図である。
【図７】本実施形態の照射部と撮像部の第２の構成例を示す構成図である。
【図８】本実施形態による形状測定装置の構成の一例を示す概略ブロック図である。
【図９】本実施形態の形状測定装置における球体の測定の一例を示す模式図である。
【図１０】本実施形態の比較演算部と位置算出部における処理方法の一例を示す図である。
【図１１】本実施形態における形状測定装置の測定手順を示す図である。
【図１２】本実施形態における撮像部の変形例を示す構成図である。
【図１３】本実施形態の形状測定装置における複雑な形状の測定の一例を示す模式図である。
【図１４】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の一例を示すブロック図である。
【図１５】構造物製造システムにおける処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１６】本実施形態の多重反射光の例について説明するための模式図である。
【図１７】本実施形態の散乱光による多重反射光の例について説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
［概要］
図１は、本発明の概要について説明するための図であり、形状測定装置１００の概略構成を示す図である。図１に示す形状測定装置１００は、形状測定装置本体１と、この形状測定装置本体１を制御する制御装置４とで構成されている。制御装置４は、制御線を介して形状測定装置本体１に接続されており、形状測定装置本体１の動作を制御する。形状測定装置本体１は、回転機構１３及びヘッド駆動部１４（図４）と、光切断プローブ２とを備えている。
【００２１】
この形状測定装置１００では、測定対象３の表面に光切断プローブの照射部２１からライン光（測定光）を照射し、このライン光により測定対象３の表面に形成される光切断線の像を撮像カメラ２２により撮像する。なお、ライン光とは、照射部２１から測定対象３の表面に照射される直線状の測定光を意味し、このライン光により測定対象３の表面に光切断線が投影される。つまり、測定対象３の表面に投影されたライン光（測定光）が光切断線となる。
【００２２】
制御装置４は、撮像カメラ２２が撮像した光切断線の撮像画像を基に、測定対象３の３次元形状を示す３次元点群データを生成する。
この測定対象３を撮像カメラ２２により撮像する場合に、例えば、図１６（Ａ）に示すように、測定対象３の縁などがＬ字形の形状であるとすると、照射部２１から照射されたライン光の光束Ｌａが面ＳＦ１で反射して光束Ｌｂとなり、この光束Ｌｂが面ＳＦ２で反射して光束Ｌｃとなり、この多重反射した光束Ｌｃが撮像カメラ２２に入射して撮像されることがある。例えば、図１６（Ｂ）に示すように、本来の光束Ｌｄによる像Ｓｄとともに、光束Ｌｃによる像Ｓｍが、撮像カメラ２２により撮像されてしまうことがある。
【００２３】
また、例えば、図１７に示すように、照射部２１から照射される光束Ｌａを、測定対象３の面ＳＦ１に対して法線方向から照射する場合においても、点Ａにおいて光束Ｌｂ（散乱光）が発生し、発生した光束Ｌｂが面ＳＦ２で反射し光束Ｌｃ（多重反射光）として撮像カメラ２２に入射し、この光束Ｌｃによる像が撮像カメラ２２で撮像されてしまうことがある。このように、この光束Ｌｃの像Ｓｍが撮像されると、この像Ｓｍにより異常な点群データが生成されてしまい、正常な形状測定を行えなくなる。
【００２４】
この問題を回避するために、本実施形態の形状測定装置１００では、撮像光学系の開口数（numerical  aperture,  ＮＡ）を変化させ、測定領域の像と多重反射光の像のそれぞれの変化の違いから、多重反射光の像を見分ける。
【００２５】
例えば、図２は、撮像光学系において開口絞りを変化させる例を示す図であり、撮像レンズ（単に、レンズとも呼ぶ）８２の前面の瞳の位置の近傍に開口絞り８１を配置した例である。この図において、図２（Ａ）は、開口絞り８１の開口が大きい場合（レンズの開口数（ＮＡ）が大きい場合）を示し、図２（Ｂ）は、開口絞り８１の開口が小さい場合（レンズの開口数（ＮＡ）が小さい）の例を示している。なお、撮像素子２４の撮像面は撮像光学系の光軸に対して傾いて配置されており、撮像面と共役な面は光束Ｌａに沿って存在している。
なお、開口絞り８１は、測定対象の像を形成する光学系の瞳の位置に配置された開口径を可変する絞りだけに限られない。たとえば、測定対象３の像を形成する光学系の瞳と、光学的に共役な関係を有する位置に配置しているものでよい。更には、光学的に瞳と共役な関係を有する位置の近傍であっても良く、像を形成する開口数が変わるようなものであれば良い。
この図２に示す例では、測定対象３の面ＳＦ１の点Ａに、光束Ｌａにより光切断線が紙面と垂直な方向に形成されており、測定対象３の面ＳＦ２に、光束Ｌｂによる偽のライン光（光切断線）Ｂが紙面と垂直な方向に形成されている。また、この撮像光学系では、測定対象３の面ＳＦ１の点Ａにおける光切断線にピントが合わされており、測定対象３の面ＳＦ２の光切断線Ｂにはピントが合っていないものとする。
【００２６】
そして、図２（Ａ）に示す開口絞り８１の開口が大きい場合において、光束Ｌａにより形成された点Ａにおける光切断線から反射される光束Ｌｄ（拡散光）は、開口絞り８１及びレンズ８２を介して、撮像素子２４上の撮像面上に像Ｓｄを結像する。また、光束Ｌｂにより形成された光切断線（ライン光）Ｂから反射される光束Ｌｃ（多重反射光）は、開口絞り８１及びレンズ８２を介して、撮像素子２４上の撮像面上に像Ｓｍを結像する。この場合、像Ｓｍは、光切断線Ｂに光学系のピントが合っていないため、ピントが合わない広がりを持った像Ｓｍとなる（コントラストが低くなる）。
【００２７】
一方、図２（Ｂ）に示す開口絞り８１の開口が小さい場合において、光束Ｌａにより形成された点Ａにおける光切断線から反射される光束Ｌｄは、図２（Ａ）の場合と同様に、開口絞り８１及びレンズ８２を介して、撮像素子２４上の撮像面上に像Ｓｄを結像する。また、光束Ｌｂにより形成された光切断線Ｂから反射される光束Ｌｃは、開口絞り８１及びレンズ８２を介して、撮像素子２４上の撮像面上に像Ｓｍを結像する。
この図２（Ｂ）における光束Ｌｃの像Ｓｍは、光切断線Ｂに光学系のピントが合っていないため、広がりを持った像Ｓｍとなるが、開口絞り８１の開口が小さく焦点深度が深くなるため、図２（Ａ）の像Ｓｍに比べて広がりが小さくなる（コントラストが高くなる）。
【００２８】
例えば、図３は、開口数に応じた撮像画像の例を示す図である。図３（Ａ）は、開口数が大きい場合の画像の例であり、画像中の像Ｓｄは、拡散光による光切断線（測定光）の像を示し、像Ｓｍは、多重反射光による光切断線の画像を示している。
この図３（Ａ）の画像において、拡散光による像Ｓｄは、コントラストが高く撮像されており、多重反射光による像Ｓｍは、コントラストが低く撮像されている。
【００２９】
また、図３（Ｂ）は、開口数が小さい場合の画像の例であり、画像中の像Ｓｄは、拡散光による光切断線（測定光）の像を示し、像Ｓｍは、多重反射光による光切断線（測定光）の像を示している。この図３（Ｂ）の画像において、拡散光による像Ｓｄは、図３（Ａ）と同様に、コントラストが高く撮像されており、コントラストの変化が少ない。また、図３（Ｂ）の画像において、多重反射光による像Ｓｍは、図３（Ａ）の像Ｓｍに比較して、広がりが小さくなるとともにコントラストが高くなっている。
この図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、拡散光による光切断線の像Ｓｄは、開口数を変化させることにより、開口数に応じて明るささが変化するが、そのコントラストは殆ど変化しない。一方、多重反射光による像Ｓｍは、開口数を変化させることにより、開口数に応じて明るさが変化するとともに、そのコントラストも大きく変化する。
これにより、形状測定装置１００は、開口絞り８１の開口の大きさを変化させることにより、コントラストの変化が少ない像Ｓｄを、拡散光により生じた正規の像であると判定できる。また、コントラストが大きく変化する像Ｓｍを、多重反射光により生じた偽の像であると判定できる。
【００３０】
次に、本実施形態の形状測定装置１００の概略の構成について説明する。図１に示す形状測定装置１００において、照射部２１は、ライン光（測定光）を測定対象３の測定領域に照射する。撮像光学系２３は、開口絞り８１により開口数を変化させることにより、瞳（入射瞳または射出瞳）の大きさが互いに異なる条件によって測定領域の像を形成する。撮像素子２４は、異なる開口数により形成された測定領域の像Ｓ１及び像Ｓ２を撮像し、撮像した測定領域の画像の画像データＧ１及びＧ２を生成する。この画像データＧ１及びＧ２は、制御装置４内の比較演算部５６と位置算出部５７とに入力される。
比較演算部５６は、画像データＧ１と画像データＧ２とを比較演算し、拡散光による像が撮像されている領域情報を設定する。そして、位置算出部５７は、撮像素子２４が生成した２つの画像データＧ１及びＧ２のうちの少なくとも一つの画像データと、比較演算部５６が設定した領域情報とに基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。
【００３１】
つまり、形状測定装置１００は、撮像光学系２３の開口絞り８１の開口の大きさを変化させ、異なる２つの開口数での画像データを取得する。そして、比較演算部５６は、それぞれの画像データを比較し、画像内の像のコントラストの差が小さい場合に、この像を拡散光による正常な像として判定し、位置算出部５７により点群データを生成する。一方、比較演算部５６は、画像内の像のコントラストの差が大きい場合に、この像を多重反射光による異常な像として、画像データを生成しない。
これにより、形状測定装置１００では、スキャン速度を低下させることなく、拡散光以外の光の影響により異常な点群データが混入することを回避できる。
【００３２】
［形状測定装置１００の全体構成］
次に、形状測定装置１００の具体的な構成例について説明する。図４は、本実施形態による形状測定装置の具体的な構成例を示す図である。この図４に示す形状測定装置１００は、測定対象３の３次元形状を測定する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（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（より正確には、ユーザにより設定される測定領域）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。
【００３３】
図４において、形状測定装置１００は、形状測定装置本体１及び制御装置４を備えている。形状測定装置本体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８）と、位置検出部１２（図８）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。
【００３４】
ヘッド駆動部１４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、ＸＹ平面とは、定盤１８の上面と平行な面を規定するものである。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。
【００３５】
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。
【００３６】
図５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５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を任意の角度に回転可能とする。
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。
【００３７】
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を上下方向に−９０〜＋９０度の範囲で回転させる機構である。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。
【００３８】
図５に示すように、光切断プローブ２は、測定対象３にライン光を照射する照射部２１と、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の像を撮像する撮像カメラ２２とを有している。照射部２１と撮像カメラ２２はそれぞれ筐体に固定されている。そのため、照射部２１によるライン光の照射方向と撮像カメラ２２による撮影方向の相対的な方向の差は常に固定されている状態である。
照射部２１は、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等から構成され、光源からの照明光を受けて扇状のライン光を生じさせるものである。光源としては、ＬＥＤやＳＬＤ等を用いることができる。
【００３９】
撮像カメラ２２は、撮像光学系２３とＣＣＤ等の撮像素子２４を有して構成される。この撮像カメラ２２では、撮像光学系２３を介して、照射部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（光切断線）を、撮像素子２４により撮像する。すなわち、撮像カメラ２２は、ライン光が照射されることで光切断線が現れた測定対象３の表面を撮像する。
また、撮像カメラ２２は、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。なお、照射部２１及び撮像カメラ２２の位置は、測定対象３の表面上のライン光（光切断線）の撮像カメラ２２に対する入射方向と、照射部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。
【００４０】
図６は、照射部２１と撮像カメラ２２の第１の構成例を示す図である。図６（Ａ）に示すように、光切断プローブ２は、測定対象３にライン光を照射する照射部２１と、ライン光が照射されることで光切断線が現れた測定対象３の表面の像を撮像する撮像カメラ２２と、を主体に構成される。また、光切断プローブ２には、撮像カメラ２２により撮像された画像データに基づいて測定対象３の形状を測定する制御部４１が接続されている。
【００４１】
照射部２１は、光源７１から出射した光が透過するコンデンサレンズ７２と、コンデンサレンズ７２を透過した光を扇状のライン光７４ａに整形する整形レンズ７３と、を含む。本実施形態においては、照射部２１は測定対象３に対してライン光７４ａを照射するようになっている。
撮像カメラ２２は、照射部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７４ａを撮像するためのものであり、後述のように移動部５４２（図８）によりライン光７４ａが所定間隔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。
【００４２】
撮像カメラ２２は、撮像光学系２３として、開口絞り８１と、撮像レンズ８２とを含む。撮像レンズ８２は単数のレンズ又は複数枚のレンズ（図７参照）から構成され、測定対象３からの光束７４ｂを受光して撮像素子２４の撮像面上に測定対象３の像を結像させる。
撮像素子２４は、撮像面上に結像したライン光を含む測定対象３の像を光電変換して画像信号（画像データ）を生成し、画像信号を制御部４１に出力する。
【００４３】
本実施形態においては、撮像レンズ８２を含む撮像光学系２３の光軸に対して撮像素子２４を、シャインプルーフの法則に従って傾けることでライン光７４ａの面に常に合焦する状態とし、測定対象３の全面を精度良く測定できるようにしている。また、撮像光学系２３の像面とライン光７４ａによる測定対象３の光切断面は略共役となっている。撮像素子２４は、例えば複数の画素構造を有したＣＣＤから構成されている。なお、本実施形態では、撮像素子２４は高精度の形状測定を行うためのものであり、例えば１０００×１０００の画素数を有している。
【００４４】
また、撮像レンズ８２の前面に開口絞り８１が配置され、この開口絞り８１は、撮像光学系２３を通過するレンズの開口数を変化させるために使用される。この開口絞り８１は、撮像光学系２３の光軸に垂直に配置されるとともに、この絞り調整部２５によりレンズ８２の開口数が調整される。
本実施形態では、例えば、開口絞り８１の開口を大きく設定して、測定対象３の表面上のライン光（光切断線）を撮像して第１の画像データを得る。その後、開口絞り８１の開口を小さく設定して、測定対象３の表面上のライン光（光切断線）を撮像して第２の画像データを得る。
【００４５】
なお、開口絞り８１は、図６（Ａ）に示すように、レンズ８２の前面の瞳の位置（射出瞳）の近傍に開口絞り８１を配置する他に、図６（Ｂ）に示すように、レンズ８２の後面の瞳の位置（入射瞳）の近傍に開口絞り８１を配置することもできる。
さらには、図７に示すように、複数のレンズ８２ａ及び８２ｂが使用される場合には、開口絞り８１を、入射瞳の位置と射出瞳の位置の中間の位置に配置することができる。
【００４６】
（形状測定装置１００の各部の詳細な構成の説明）
次に、図８を参照して、形状測定装置１００の構成を詳細に説明する。
図８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〜図７と同じ構成部分には、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
図８において、形状測定装置１００は、形状測定装置本体１と制御装置４とを備えている。
また、形状測定装置本体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、光切断プローブ２の位置及び姿勢を変更させる。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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、照射部２１及び撮像カメラ２２を備えている。照射部２１は、測定対象３に直線上の光があたるように、測定対象３に直線状のライン光を照射する。
撮像カメラ２２は、照射部２１からの照射光により測定対象３の表面に形成される光切断線を測定光として撮像する。ここで、光切断線は、測定対象３の断面形状に応じて形成される。そして、撮像カメラ２２は、測定対象３の表面に形成される陰影パターンを撮像し、撮像した画像情報を間隔調整部５２に供給する。これにより、制御装置４は、形状測定データを取得する。
【００５１】
また、光切断プローブ２は、開口絞り８１の開口の大きさを調整する絞り調整部２５を備えており、この絞り調整部２５は、比較演算部５６からの制御信号を間隔調整部５２を介して受信することにより、撮像光学系２３内の開口絞り８１の開口の大きさを変化させる。
【００５２】
（制御装置４の説明）
続いて、制御装置４について説明する。
制御装置４は、制御部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。
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５８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５３に供給する。このように、ジョイスティック４３は、ユーザの操作情報を出力し、出力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）等を受け取る。モニタ４４は、受け取った測定データ等を表示する。また、モニタ４４は、計測画面、指示画面等を表示する。
【００５３】
制御部４１は、形状測定装置１００における測定対象３の形状測定動作を制御するとともに、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、制御部４１は、座標検出部５１、間隔調整部５２、駆動制御部５３、測定制御部５４、形状測定部５５、記憶部５８、データ出力部６０、及びハードディスク６１を備えている。
【００５４】
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の姿勢を検知する。
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、光切断プローブ２の姿勢を検知する。
【００５５】
また、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の姿勢を示す情報として、６軸の座標情報を形状測定部５５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。
【００５６】
間隔調整部５２は、予め定められた所定のサンプリング周波数で、撮像カメラ２２から画像情報を受け取る。そして、間隔調整部５２は、フレームが間引かれた画像情報を形状測定部５５に供給する。
【００５７】
駆動制御部５３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５４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。
測定制御部５４は、法線算出部５４１と、移動部５４２とを含む。測定制御部５４は、移動部５４２により、光切断プローブ２が測定対象の測定位置に光切断線の像を投影し、かつ撮像できる位置になるよう測定対象３に対する光切断プローブ２の相対位置を制御する。また、測定制御部５４は、記憶部５８から測定条件テーブルに登録された測定対象３の測定範囲の情報、例えば、測定開始点（最初の測定ポイント）位置やデータ取得ピッチ等を読み出す。
【００５８】
また、測定制御部５４は、法線算出部５４１により、検出値（３次元座標値の点群データ）に基づいて、ライン光における測定対象３の法線方向を示す法線ベクトルを算出し、算出した法線ベクトルに基づいて、ライン光を照射する光切断プローブ２の向き（姿勢）を制御する。
この場合に、法線算出部５４１は、形状記憶部５８１から読み出した、現在の相対位置に対する３次元座標値の点群データと現在より過去に算出された（例えば、１つ前の）相対位置に対する３次元座標値の点群データとに基づいて、現在の相対位置における法線ベクトルを算出する。すなわち、法線算出部５４１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）を示す法線ベクトルを算出する。
【００５９】
また、測定制御部５４は、法線算出部５４１により、光切断プローブ２を測定方向に移動させる間に形状測定部５５によって得られた複数回の点群データの測定結果に基づいて、法線ベクトルを算出し、この法線ベクトルの方向に基づいて光切断プローブ２の姿勢を制御する。例えば、本実施形態の形状測定装置１００では、法線算出部５４１により算出した法線ベクトルの向きと、ライン光の照射方向とが一致する向きになるように光切断プローブ２を制御することができる。
例えば、図９は、本実施形態の形状測定装置１００における球体（測定対象）３の測定例を示す図である。この図において、形状測定装置１００では、測定制御部５４により、光切断プローブ２を測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６まで移動させ、球体（測定対象）３の形状を測定する。なお、測定経路Ｒ１は、測定位置Ｐ３から測定位置Ｐ６までの測定を行う際の経路を示す。
【００６０】
この図９に示すように、ユーザによって、測定位置Ｐ３に光切断プローブ２が移動され、光切断線の照射方向が指定された場合、測定制御部５４は、測定対象３（球体）の法線方向を算出する。次に、測定制御部５４は、算出した法線方向、光切断線の照射方向、及びデータ取得ピッチに基づいてプローブ角度を含む次画像取得位置を計算して、測定経路Ｒ１に示すように、連続的に計測を実行させる。
【００６１】
また、測定制御部５４の移動部５４２は、照射部２１が測定対象３に測定光を照射する照射方向と、撮像カメラ２２が撮像する撮像方向との相対的な方向を保持しつつ、照射方向と撮像方向とを測定対象３に対して移動させる。また、測定制御部５４は、形状測定部５５によって点群データを繰り返し算出させる際に、変更させた相対位置（光切断プローブ２の測定位置及び姿勢）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５８２に記憶させる。測定制御部５４は、再び同じ測定対象３の形状を測定させる場合に、経路記憶部５８２から読み出した相対位置の経路に基づいて、光切断プローブ２の６軸の座標情報を変更させて、形状測定部５５に点群データを繰り返し算出させることができる。
【００６２】
形状測定部５５は、間隔調整部５２から供給されたフレームが間引かれた画像情報を受け取る。また、形状測定部５５は、座標検出部５１から供給された光切断プローブ２の６軸の座標情報を受け取る。そして、形状測定部５５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６軸の座標情報と、比較演算部５６が設定した領域情報（拡散光による正常な像が撮像された領域の情報）とに基づき、各測定ポイントの座標値（３次元座標値）の点群データを算出する。つまり、形状測定部５５は、撮像カメラ２２が取得した画像データと、比較演算部５６が設定した領域情報とに基づいて測定対象３の形状を算出する。
【００６３】
形状測定部５５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、形状測定部５５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に固定された照射部２１の座標と、撮像カメラ２２の座標とを算出する。
ここで、照射部２１は、光切断プローブ２に固定されているので、照射部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、撮像カメラ２２も光切断プローブ２に固定されているので、撮像カメラ２２の撮像角度は、光切断プローブ２に対して固定である。
【００６４】
形状測定部５５は、照射した光が測定対象３にあたった点を、撮像された画像の画素毎に、三角測量を用いて算出する。ここで、照射した光が測定対象３にあたった点の座標は、照射部２１の座標から照射部２１の照射角度で描画される直線と、撮像カメラ２２の座標から撮像カメラ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。
【００６５】
これによって、形状測定装置１００は、測定対象３に照射されるライン光を所定の方向に走査させることにより、形状測定部５５により、光が照射された位置の座標を算出することができる。つまり、測定対象３の表面形状を求めることができる。形状測定部５５は、測定対象３の形状をライン光の像の位置に基づいて算出された点群の位置情報である点群データを出力する。形状測定部５５は、算出した３次元座標値の点群データを記憶部５８に記憶させる。
【００６６】
形状測定部５５は、上述した比較演算部５６と、位置算出部５７とを有して構成される。また、比較演算部５６は、判定部５６１を備え、位置算出部５７は、画像データ抽出部５７１と、点群算出部５７２と、点群抽出部５７３とを有している。
【００６７】
比較演算部５６は、撮像カメラ２２の撮像素子２４が撮像した画像データ、つまり、開口絞り８１の異なる開口数により得られた２つの画像データどうしの差を比較演算する。例えば、比較演算部５６は、撮像カメラ２２が生成した２つの画像データどうしを画素毎に画素値の差分を取得し、取得された差分に基づいて領域情報（拡散光による正常な像が撮像された領域の情報）を取得する。
【００６８】
なお、撮像カメラ２２により取得した画像データに、多重反射光による画像が含まれない場合もあり、この場合は、比較演算部５６により２つの画像の比較演算を行う必要がない。このため、比較演算部５６の判定部５６１は、画像データ内に所定のしきい値を超える画素値を含む画像領域が複数存在するか否かを判定する。そして、比較演算部５６は、判定部５６１の判定結果に基づいて、比較演算の要否を判定する。つまり、画像データ内に複数の画像（より正確には、拡散光による像と多重反射光による画像）が存在しない場合には、多重反射光による画像が存在しないので、画像データの比較演算を行うことなく、撮像された画像の画像データから点群データを生成する。
【００６９】
また、位置算出部５７は、撮像カメラ２２が生成した画像データについて、比較演算部５６が設定した領域情報に基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。また、位置算出部５７内の画像データ抽出部５７１は、比較演算部５６が取得した領域情報に基づいて撮像素子２４が生成した画像データから測定光の像の少なくとも一部を含む画像データを抽出する。点群算出部５７２は、画像データ抽出部５７１が抽出した画像データに基づいて点群データを生成することにより測定対象３の３次元形状内の位置を算出する。
【００７０】
また、点群抽出部５７３は、後述するように、比較演算部５６において領域情報が設定される前に、点群算出部５７２により画像データ（拡散光の像と多重反射の像を含む画像データ）の点群データが生成される場合に使用される。この点群抽出部５７３は、画像データから点群データが算出された後に、比較演算部５６が設定した領域情報を基に、この領域情報が示す領域に含まれる点群データを抽出して出力する。
つまり、点群抽出部５７３は、撮像カメラ２２が生成した２つの画像データのうち少なくとも一つの画像データに基づいて測定対象の３次元形状内の位置を示す点群データを予め算出し、その後に、比較演算部５６により取得された領域情報に基づいて、領域情報が示す領域に対応する点群データを抽出する。そして、抽出した点群データを、測定対象３の形状を示す点群データとして出力する。
【００７１】
例えば、図１０は、上記の比較演算部５６における比較演算と、位置算出部５７における点群データの生成処理の流れを図で示したものである。この図１０において、図１０（Ａ）は、画像データＧ１と画像データＧ２とを比較演算し、領域情報（拡散光による正常な像が撮像された領域の情報）を設定した後に点群データの生成を行う例である。一方、図１０（Ｂ）は、画像データＧ１の点群データを生成した後に、画像データＧ１と画像データＧ２とを比較演算して領域情報を設定し、その後に、画像データＧ１の点群データから、領域情報が示す領域の点群データを抽出する例である。
【００７２】
図１０（Ａ）に示す例では、最初に、判定部５６１により、画像データＧ１と画像データＧ２との比較が行われ、比較演算部５６において比較演算を行うことが決定されたものとする（ステップＳ１１）。
次に、比較演算部５６は、画像データＧ１と画像データＧ２の画素データの比較演算を行う（ステップＳ１２）。そして、比較演算部５６は、比較演算結果により、画像データＧ１に対して点群データの生成を行う領域情報を設定する（ステップＳ１３）。つまり、比較演算部５６は、画像データＧ１に対して、領域情報が示す領域Ｒを設定する。
【００７３】
その後、位置算出部５７は、画像データＧ１の領域Ｒ内の画像データに対して点群データの生成処理を行う（ステップＳ１４）。
なお、図１０（Ａ）に示す処理において、比較演算部５６が領域情報を設定する画像データは、画像データＧ２であってもよい。
【００７４】
一方、図１０（Ｂ）に示す例では、最初に、位置算出部５７が、画像データＧ１に対して点群データの生成処理を行う（ステップＳ２１）。位置算出部５７は、算出した点群データを記憶部５８に保存する。
次に、判定部５６１により、画像データＧ１と画像データＧ２との比較が行われ、比較演算部５６において比較演算を行うことが決定されたものとする（ステップＳ２２）。なお、判定部５６１において、比較演算を行わないことが決定された場合は、ステップＳ２１において算出した画像データＧ１の点群データが、そのまま、３次元の形状の測定データとして使用される。
続いて、比較演算部５６は、画像データＧ１と画像データＧ２との画素データの比較演算を行う（ステップＳ２３）。そして、比較演算部５６は、比較演算結果により、点群データを出力する領域情報を設定する（ステップＳ２４）。つまり、比較演算部５６は、画像データＧ１において、点群データを出力する範囲を示す領域Ｒを設定する。
その後、位置算出部５７は、ステップＳ２１において算出した画像データＧ１の点群データから、領域Ｒ内に含まれる点群データを抽出して出力する（ステップＳ２５）。
なお、図１０（Ｂ）に示す処理において、位置算出部５７が点群データを算出する画像データは、画像データＧ２であってもよい。
【００７５】
上記の１０（Ａ）の処理方法は、１０（Ｂ）の処理方法に比べて点群データの生成数が少なくて済む利点があり、また、上記の１０（Ｂ）の処理方法は、画像データＧ１に対する点群データの生成処理を、比較演算を行う場合と行わない場合とにおいて統一して行える利点がある。
【００７６】
なお、上述した例では、比較演算部５６が領域情報を設定する場合に、点群データの生成を行う領域を設定するようにしているが、逆に、比較演算部５６は、点群データの生成しない除外領域を設定するようにしてもよい。この点群データの生成しない除外領域を設定する場合、位置算出部５７は、画像データから除外領域を排除して点群データの生成処理を行う。
【００７７】
また、本実施形態の形状測定装置１００では、開口絞り８１の開口の大きさを２つに設定し（レンズ８２の開口数を２つに設定し）、それぞれの開口数において画像データを取得する例を示したが、これに限定されない。例えば、開口絞り８１の開口の大きさを３つ又は４つ以上に設定して、それぞれの開口数に対応した複数の画像データを取得し、これらの複数の画像データを比較するようにしてもよい。
【００７８】
図８に戻り、記憶部５８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、測定範囲の情報、例えば、測定対象３の測定開始点（最初の測定ポイント）や測定終了点の座標値や、測定開始位置での測定目標方向や、各測定ポイントの初期値を示すデータ（例えば、露光量の初期値）や、データ取得ピッチなどの項目が含まれる。また、記憶部５８は、形状測定部５５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５８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５８は、測定対象３のＣＡＤデータ（設計情報）を記憶する。
【００７９】
なお、記憶部５８は、形状記憶部５８１と、経路記憶部５８２と、ＣＡＤデータ記憶部５８３と、を備えている。形状記憶部５８１は、上述した形状測定部５５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５８１は、後述する測定制御部５４によって制御された相対位置に対応させて形状測定部５５が算出した算出値（形状）である点群データを記憶する。
ここで、相対位置とは、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。
【００８０】
経路記憶部５８２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。ＣＡＤデータ記憶部５８３は、測定対象３のＣＡＤデータ（設計情報）を記憶する。
データ出力部６０は、記憶部５８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。
【００８１】
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５８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５８に記憶されている情報は、例えば、形状記憶部５８１に記憶されている点群データや、経路記憶部５８２に記憶されている経路情報や、ＣＡＤデータ記憶部５８３に記憶されている設計情報（ＣＡＤデータ）などである。これらの情報は、測定制御部５４によって、記憶部５８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５４によって、ハードディスク６１から読み出され、記憶部５８に記憶されて、測定の際に使用されてもよい。
【００８２】
［形状データを作成するまでの手順］
次に、図１１を参照して、形状測定装置１００が測定対象３を光切断プローブ２によりスキャンし形状データを作成するまでの手順を説明する。
図１１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。なお、この図１１に示す例は、上記の判定部５６１により、比較演算部５６で比較演算を行うと判定される場合の例である。
【００８３】
この図１１において、まず、測定オブジェクト（被測定物）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）。つまり、測定対象３は、形状測定装置１００の定盤１８上における稼動範囲の測定有効空間に設置される。
【００８４】
次に、ユーザが、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（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６軸座標を調整され、駆動制御部５３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５３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５８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。
【００８５】
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、ライン光（光切断線）は、光切断プローブ２内の撮像カメラ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。なお、光切断プローブ２は、形状測定装置１００に取り付け前に単体校正が実施され、ライン光が計測カメラの中心位置にある場合が、ワーキングディスタンスの中心となるように予め校正されている。
【００８６】
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測定対象３に合わせて、光切断線の照射方向が、調整される。この場合、スキャン方向（光切断プローブ２の移動方向）は、光切断線の長手方向と垂直な方向となる。
ここで、駆動制御部５３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５８に記憶させる。
【００８７】
次に、形状測定装置１００では、測定データ取得距離、又は測定終了条件が、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、測定データ取得距離、又は測定終了条件が指定され、入力装置４２又はジョイスティック４３は、指定された測定データ取得距離、又は測定終了条件を記憶部５８に記憶させる。
【００８８】
次に、形状測定装置１００では、測定対象３の表面のデータ取得ピッチの初期値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、データ測定ピッチが指定され、入力装置４２又はジョイスティック４３は、指定されたデータ測定ピッチを記憶部５８に記憶させる。
【００８９】
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。
【００９０】
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５４は、上述で設定された測定条件テーブルを記憶部５８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。形状測定装置１００は、以下のように、光切断プローブ２の位置及び姿勢（上述の相対位置）を変更させて、形状測定部５５に点群の位置情報である点群データを繰り返し算出させる。
【００９１】
測定対象３の形状の測定において、まず、形状測定装置１００は、測定終了条件に達したかを判定する（ステップＳ１０７）。つまり、測定制御部５４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５４は、測定終了条件に達したと判定した場合に、ステップＳ１１５に処理を進める。また、測定制御部５４は、測定終了条件に達していないと判定した場合に、ステップＳ１０８に処理を進める。
【００９２】
次に、ステップＳ１０８において、形状測定装置１００は、６軸の現座標情報、光切断の画像を取得する。つまり、測定制御部５４は、測定条件テーブルに基づいて測定開始位置に光切断プローブ２の位置を移動及び姿勢を変更させる。そして、測定制御部５４は、座標検出部５１に６軸の現座標情報を取得させるとともに、間隔調整部５２を介して撮像カメラ２２に測定光の画像を取得させる。
なお、撮像カメラ２２によって画像が取得されるのと同期して、座標検出部５１は、位置検出部１２が検出した移動後の（現在の）６軸の座標情報をラッチし、形状測定部５５に供給する。また、撮像カメラ２２によって取得された画像は、間隔調整部５２を介して形状測定部５５に供給される。
【００９３】
この撮像カメラ２２により測定対象３の表面に投影されたライン光（光切断線）の画像を取得する場合に、比較演算部５６は、測定制御部５４を介して撮像カメラ２２の撮像光学系２３内の開口絞り８１の開口の大きさを変化させることにより、開口数が異なる光束により得られる画像データＧ１と画像データＧ２とを取得する（ステップＳ１０９）。続いて、比較演算部５６は、画像データＧ１と画像データＧ２の画素データの比較演算を行う（ステップＳ１１０）。そして、比較演算部５６は、比較演算結果により、点群データの生成を行う領域情報を設定する（ステップＳ１１１）。
その後、位置算出部５７は、画像データＧ１中の領域情報が示す領域内の画像データに対して点群データの生成処理を行う（ステップＳ１１２）。
【００９４】
次に、形状測定装置１００は、前画像、現画像の点群位置から測定対象３の表面の法線を推定する（ステップＳ１１３）。つまり、測定制御部５４内の法線算出部５４１は、形状記憶部５８１から１つ前の測定位置（相対位置）に対する算出値である前画像の点群データと、現在の測定位置（相対位置）に対する算出値である現画像の点群データとを読み出す。そして、測定制御部５４は、形状記憶部５８１から読み出した、前画像の点群データと現画像の点群データとに基づいて、現在の測定位置（相対位置）における法線ベクトルを算出する。移動部５４２は、法線算出部５４１により算出された法線ベクトルと、ステップＳ１０５において指定されたデータ取得ピッチとに基づいて、次画像取得位置を６軸の座標位置として算出する。
【００９５】
次に、形状測定装置１００は、測定制御部５４により６軸を制御して、次画像取得位置に駆動部１１を移動させる（ステップＳ１１４）。つまり、測定制御部５４は、移動部５４２により算出された６軸の座標を指令値として、駆動制御部５３により駆動部１１を移動させる。これにより、駆動制御部５３は、駆動部１１を検出値に応じて６軸の座標に移動させ、光切断プローブ２を次画像取得位置に移動させる。
また、測定制御部５４は、移動させた次画像取得位置に対応する座標情報（光切断プローブ２の座標情報）を経路記憶部５８２に記憶させる。すなわち、測定制御部５４は、形状測定部５５に点群の位置情報を繰り返し算出させる際に、変更させた測定位置（相対位置）に対応する光切断プローブ２の座標情報を経路記憶部５８２に記憶させる。
【００９６】
次に、形状測定装置１００は、ステップＳ１０７において、測定終了条件に達するまで、上述のステップＳ１０８〜Ｓ１１４を繰り返し処理させる。
【００９７】
そして、形状測定装置１００は、ステップＳ１０７の処理において、測定終了条件に達したと判定された場合に、ステップＳ１１５の処理に移行し、形状測定装置１００は、測定制御部５４により、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５４は、形状記憶部５８１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（ステップＳ１１５）。
なお、測定制御部５４は、経路記憶部５８２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。
【００９８】
また、測定制御部５４は、再び形状測定部５５に測定対象３の形状を測定させる場合に、経路記憶部５８２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、形状測定部５５に点群の位置情報を繰り返し算出させてもよい。この場合、測定制御部５４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５８２に記憶させて、使用してもよい。
【００９９】
［撮像カメラ２２の変形例］
上述した撮像カメラ２２は、撮像光学系２３内の開口絞り８１の開口の大きさを調整することにより、瞳の大きさを変化させている。これに対して、図１２の撮像カメラの変形例に示すように、撮像カメラ２２’として、開口絞り８１の開口の大きさが異なる２つの撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂを用いた２眼構成とすることができる。例えば、撮像光学系２３Ａは、開口絞り８１の開口の大きさが大きく設定されており、撮像光学系２３Ｂは、開口絞り８１の開口の大きさが小さく設定されている。なお、照射部２１についても、撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂのそれぞれに対応して設けるようにする。
【０１００】
そして、撮像カメラ２２’が測定対象３の表面をスキャンする際には、撮像光学系２３Ａと２３Ｂは、スキャン速度に応じた時間差を持って、測定対象３の表面上のライン光（光切断線）を撮像する。つまり、測定対象３の表面上の同じ測定点Ｐ１を測定するために、撮像光学系２３Ａの光軸ＯＡａと撮像光学系２３Ｂの光軸ＯＡｂのそれぞれが、測定対象３の測定点Ｐ１の位置に移動した時点で、ライン光（光切断線）の撮像を行う。
このように、撮像カメラ２２’を２眼構成にすることにより、撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂにおいて、開口絞り８１の開口の大きさを調整するための機構とその制御部が不要になる。
【０１０１】
なお、照射部２１を１つのみとし、撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂのそれぞれの光軸の方向を、測定点Ｐ１の方向に合わせることにより、撮像素子２４Ａと撮像素子２４Ｂとが、測定点Ｐ１上のライン光（光切断線）を同時に撮像するようにしてもよい。この場合は、照射部２１を１つにすることができるとともに、２つの画像データを同時に取得できる利点がある。
【０１０２】
以上、本実施形態の形状測定装置１００について説明したが、上述した形状測定装置１００では、図１３に示すように、測定対象３の測定面が複雑な形状である場合においても、スキャン速度を低下させることなく、多重反射光、正反射光或いは散乱光により撮影される像を除外して、測定対象３の表面形状を正確に測定することができる。
【０１０３】
例えば、図１３（Ａ）は、測定面の法線ベクトルを算出し、この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ように光切断プローブ２の姿勢を制御する場合の例である。この場合に、形状測定装置１００では、例えば、散乱光に起因する多重反射光の影響を除去して、測定対象３の表面形状形を正確に測定することができる。
【０１０４】
また、本実施形態の形状測定装置１００では、図１３（Ｂ）に示すように、ライン光Ｌ１の照射方向と法線ベクトル方向とを一致させることなく、一定の照射角度のまままでライン光Ｌ１を測定面に照射して撮像を行うこともできる。この場合に、形状測定装置１００では、例えば、多重反射光や散乱光による影響を排除して、測定対象３の表面形状形を正確に測定することができる。
【０１０５】
［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の例について説明する。
図１４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、構造物製造制御装置（検査装置）１５０と、リペア装置１４０とを備える。
【０１０６】
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構造物製造制御装置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。
【０１０７】
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）を構造物製造制御装置１５０へ送信する。
【０１０８】
構造物製造制御装置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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
リペア装置１４０は、構造物製造制御装置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。
【０１１１】
図１５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。
【０１１２】
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Ｓ２０１）。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Ｓ２０２）。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Ｓ２０３）。次に、構造物製造制御装置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Ｓ２０４）。
【０１１３】
次に、構造物製造制御装置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Ｓ２０５）。作成された構造物が良品である場合（ステップＳ２０５；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Ｓ２０５；ＮＯ）、構造物製造制御装置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Ｓ２０６）。
【０１１４】
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Ｓ２０６；ＹＥＳ）、リペア装置１４０は、構造物の再加工を実施し（ステップＳ２０７）、ステップＳ２０３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Ｓ２０６；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。
【０１１５】
以上により、上記の形状測定装置１００は、測定対象３の形状測定を行う際に、スキャン速度を低下させることなく、測定対象の形状測定を高精度で行うことができるので、上記の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迅速かつ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。
【０１１６】
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、本発明における制御装置は、制御装置４が対応し、本発明における形状測定装置は、形状測定装置１００が対応する。また、本発明における照射部は、光切断プローブ２の照射部２１が対応し、本発明における撮像部は、撮像素子２４或いは撮像素子２４Ａ及び２４Ｂが対応する。
また、本発明における撮像光学系は、撮像光学系２３或いは撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂが対応し、本発明における可変開口絞りは、開口絞り８１が対応する。また、本発明における比較演算部は、形状測定部５５内の比較演算部５６が対応し、本発明における位置算出部は、形状測定部５５内の位置算出部５７が対応し、本発明における判定部は、比較演算部５６内の判定部５６１が対応する。また、本発明における移動部は、測定制御部５４内の移動部５４２が対応する。また、本発明における測定光は、照射部２１から測定対象３の表面に照射されるライン光が対応し、このライン光により測定対象３の表面に光切断線が形成される。
【０１１７】
（１）そして、上記実施形態において、形状測定装置１００は、測定光を測定対象３の測定領域に照射する照射部２１と、測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系２３であって、当該撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさが互いに異なる条件によって像を形成する撮像光学系２３と、撮像光学系２３により形成された測定領域の像を撮像し、撮像した測定領域の像の画像データを生成する撮像部（撮像素子２４）と、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データに基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出する位置算出部５７とを有し、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）から入力される画像データのうち、撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさがある大きさよりも小さい状態によって撮像部（撮像素子２４）が撮像した像の画像データを少なくとも用いて測定対象３の形状を算出する。
【０１１８】
このような構成の形状測定装置１００であれば、照射部２１は、測定光を測定対象３の測定領域に照射する。撮像部（撮像素子２４）は、撮像光学系２３が形成する測定領域の像を撮像し、測定領域の像の画像データを生成する。この撮像光学系２３は、例えば、開口絞り８１により開口数（ＮＡ）を変化させることにより、当該撮像光学系２３の瞳の大きさが互いに異なる条件によって像を形成する。そして、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）から入力される画像データのうち、撮像光学系２３の瞳がある大きさよりも小さい状態によって撮像部（撮像素子２４）が撮像した像の画像データを用いて測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。
このように、形状測定装置１００では、撮像光学系２３の瞳のある大きさよりも小さい状態によって撮像部（撮像素子２４）が撮像した像の画像データを用いて測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。これにより、形状測定装置１００は、スキャン速度を低下させることなく、測定対象３の形状測定を高精度で行うことができる。
また、逆に位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）から入力される画像データのうち、撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさがある大きさよりも大きい状態によって撮像部（撮像素子２４）が撮像した像の画像データを用い、多重反射光による像を検出し、検出された像を排除した撮像部（撮像素子２４）が撮像した画像データにより測定対象３の形状を算出してもよい。
【０１１９】
（２）また、上記実施形態において、形状測定装置１００は、測定光を測定対象３の測定領域に照射する照射部２１と、測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系２３であって、当該撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさが互いに異なる条件によって像を形成する撮像光学系２３と、撮像光学系２３が形成する測定領域の像を撮像し、撮像した測定領域の像の画像データを生成する撮像部（撮像素子２４）と、入射瞳または射出瞳の大きさがそれぞれ互いに異なる条件で形成された測定領域の複数の像を、撮像部（撮像素子２４）でそれぞれ撮像することにより生成される測定領域の複数の画像データに対して、比較演算する比較演算部５６と、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データのうち少なくとも一つの画像データと、比較演算部５６が演算した比較結果とに基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出する位置算出部５７とを有する。
【０１２０】
このような構成の形状測定装置１００であれば、撮像部（撮像素子２４）は、瞳の大きさが異なるそれぞれの条件の基で複数の画像データを生成し、比較演算部５６は、この複数の画像データの差異を比較する。そして、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データと、比較演算部５６の比較結果とに基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。
これにより、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データと、比較演算部５６の比較結果とに基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出することができる。
【０１２１】
（３）また、上記実施形態において、撮像光学系は、入射瞳または射出瞳の大きさがそれぞれ相互に異なり、同一の測定領域を視野に持つ複数の撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂを有し、撮像部は、複数の撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂのそれぞれに対応する複数の撮像部（撮像素子２４Ａ及び２４Ｂ）を有し、比較演算部５６は、複数の撮像部（撮像素子２４Ａ及び２４Ｂ）がそれぞれ生成した画像データどうしを比較する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、撮像光学系は、図１２に示すように、入射瞳または射出瞳の大きさが異なり、同一の測定領域を視野に持つ撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂで構成される。また、撮像光学系２３Ａ及び２３Ｂのそれぞれに対応して撮像部（撮像素子２４Ａ及び２４Ｂ）が設けられる。
これにより、撮像カメラは、開口絞り８１の開口の大きさを調整することなく、入射瞳または射出瞳の大きさがそれぞれ相互に異なる画像データを取得できる。
【０１２２】
（４）また、上記実施形態において、撮像光学系２３は、入射瞳または射出瞳の大きさを可変にする可変開口絞り（開口絞り８１）を有し、撮像部（撮像素子２４）は、可変開口絞り（開口絞り８１）による開口の大きさを変更する前の像と、変更した後の像とをそれぞれ撮像して、撮像した像の画像データをそれぞれ生成し、比較演算部５６は、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データどうしを比較する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、撮像光学系２３は、可変開口絞り（開口絞り８１）を有する。撮像部（撮像素子２４）は、可変開口絞り（開口絞り８１）による開口の大きさを変更する前の画像と、変更した後の画像とをそれぞれ撮像して、それぞれの画像データを生成する。比較演算部５６は、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データどうしを比較する。
これにより、撮像カメラ２２は、１つの可変開口絞り（開口絞り８１）の開口の大きさを調整することにより、瞳の大きさが異なる複数の画像データを取得できる。
【０１２３】
（５）また、上記実施形態において、比較演算部５６は、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データ内の測定光の画像の位置を示す位置情報を、複数の画像データどうしを比較することにより、画像データ内における領域情報を取得し、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データのうち少なくとも一つの画像データと、比較演算部５６が取得した領域情報とに基づいて、測定対象３次元空間内の位置を算出する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、比較演算部５６は、入射瞳または射出瞳の大きさがそれぞれ互いに異なる条件で形成された複数の画像データを比較し、画像データ内において、測定対象の位置情報を取得するために用いる領域情報を設定する。位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データのうち少なくとも一つの画像データと、比較演算部５６が設定した領域情報とに基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。
これにより、位置算出部５７は、比較演算部５６が設定した領域情報に基づいて、画像データ内において、拡散光により生成された測定光の像が撮像された領域を特定して、測定対象３の３次元空間内の位置を算出することができる。
【０１２４】
（６）また、上記実施形態において、位置算出部５７は、比較演算部５６が取得した領域情報に基づいて撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データから測定光の像の少なくとも一部を含む画像データを抽出し、抽出した画像データに基づいて点群情報を生成することにより測定対象３の３次元形状内の位置を算出する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、位置算出部５７は、比較演算部５６が設定した領域情報に基づいて、画像データから測定光の像（拡散光の像）を含む画像データの領域を抽出し、この抽出した領域の画像データから点群情報を生成して、測定対象３の３次元形状内の位置を算出する。
これにより、形状測定装置１００は、画像データから測定光の像（拡散光の像）を含む画像データの領域を抽出し、この抽出した領域の画像データを基に、測定対象３の３次元形状内の位置を算出することができる。
【０１２５】
（７）また、上記実施形態において、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データのうち少なくとも一つの画像データに基づいて測定対象の３次元形状内の位置を示す点群情報を算出するとともに、比較演算部５６が取得した領域情報に基づいて、算出した点群情報から領域情報に対応する３次元空間内の領域に含まれる点群情報を抽出または除去することにより、測定対象３の形状を示す点群情報として出力する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）が生成した少なくとも一つの画像データについて測定対象３の点群データを算出する。その後に、位置算出部５７は、比較演算部５６により取得された領域情報に対応する点群データを、上記算出した点群データから抽出または除去する。
これにより、形状測定装置１００では、画像データから点群データの算出処理を行った後に、この算出した点群データから、領域情報に対応する正常な点群データの抽出、または、異常な点群データの除去を行うことができる。
【０１２６】
（８）また、上記実施形態において、比較演算部５６は、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データどうしを画素毎に画素値の差分を取得し、この取得された差分に基づいて領域情報を取得する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、比較演算部５６は、複数の画像データどうしを画素毎の差分（例えば、明るさの差分）をとり比較することにより、領域情報を設定することができる。
【０１２７】
（９）また、上記実施形態において、比較演算部５６は、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データ間において対応する画素毎に、画像データの画素値の差分を算出することにより、領域情報を取得する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、比較演算部５６は、撮像部（撮像素子２４）が生成した複数の画像データ間において、対応する画素毎の差分（例えば、明るさの差分）を算出し比較することにより、領域情報を設定することができる。
【０１２８】
（１０）また、上記実施形態において、画像データには、画素値を示す情報が含まれ、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データ内に所定のしきい値を超える画素値を含む画像領域が複数存在するか否かを判定する判定部５６１を備え、比較演算部５６は、判定部５６１の判定結果に基づいて、比較演算の要否を判定する。
このような構成の形状測定装置１００であれば、判定部５６１は、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データ内に所定のしきい値を超える画素値を含む画像領域が複数存在するか否かを判定し、この判定結果に基づいて、比較演算の要否を判定する。
これにより、比較演算部５６では、画像データ内に多重反射光の像の画像データが含まれていない場合に、複数の画像データについての比較演算を省略することができる。
【０１２９】
（１１）また、上記実施形態において、形状測定装置１００は、照射部２１が測定光を照射する照射方向と、撮像部（撮像素子２４）が撮像する撮像方向との相対的な方向を保持しつつ、照射方向と撮像方向とを測定対象３に対して移動させる移動部５４２を備える。
このような構成の形状測定装置１００であれば、移動部５４２は、照射部２１と撮像カメラ２２（撮像光学系２３及び撮像素子２４）の相対位置関係を一定に保持し、測定対象３と照射部２１とを相対的に移動させる。つまり、移動部５４２は、光切断プローブ２が測定対象３の表面上のライン光の像を撮像する際の相対位置（より正確には、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）が一定になるよう光切断プローブ２を制御する。
これにより、位置算出部５７は、三角測量の原理を用いて、測定対象３の形状を示す点群データを容易に生成することができる。
【０１３０】
（１２）また、上記実施形態において、形状測定装置１００は、測定光を測定対象３の測定領域に照射する照射部２１と、測定光が照射された測定領域の像を形成する撮像光学系２３であって、当該撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさが互いに異なる複数の条件で測定領域の像を形成する撮像光学系２３と、撮像光学系２３が形成する測定領域の像を撮像し、撮像した測定領域の像の画像データを生成する撮像部（撮像素子２４）と、撮像部（撮像素子２４）が生成した画像データに基づいて、測定対象３の３次元空間内の位置を算出する位置算出部５７とを有し、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）から入力される画像データのうち、撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさが最も小さい状態によって撮像部が撮像した像の画像データを少なくとも用いて測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。
【０１３１】
このような構成の形状測定装置１００であれば、照射部２１は、測定光を測定対象３の測定領域に照射する。撮像部（撮像素子２４）は、撮像光学系２３が形成する測定領域の像を撮像し、測定領域の像の画像データを生成する。この撮像光学系２３は、例えば、開口数（ＮＡ）を変化させることにより、当該撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさが互いに異なる条件によって像を形成する。そして、位置算出部５７は、撮像部（撮像素子２４）から入力される画像データのうち、撮像光学系２３の入射瞳または射出瞳の大きさが最も小さい状態によって撮像部（撮像素子２４）が撮像した像の画像データを用いて測定対象３の３次元空間内の位置を算出する。
これにより、形状測定装置１００では、スキャン速度を低下させることなく、測定対象の形状測定を高精度で行うことができる。
【０１３２】
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、制御部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。
【０１３３】
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、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。
【０１３４】
例えば、機械的な開口絞り８１により瞳を物理的に変形させる他、液晶フィルタ等により開口数を変化させる方法も可能である。また、画素毎に異なる指向性をもつマイクロレンズを作りこむことにより画素毎に変化を与えても良い。さらには、エレクトロクロミック素子を用いて開口数を変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１３５】
１…形状測定装置本体、２…光切断プローブ、３…測定対象、２１…照射部、２２，２２’…撮像カメラ、２３，２３Ａ，２３Ｂ…撮像光学系、２４，２４Ａ，２４Ｂ…撮像素子（撮像部）、２５…絞り調整部、４１…制御部、５５…形状測定部、５６…比較演算部、５７…位置算出部、８１…開口絞り、８２…撮像レンズ、１００…形状測定装置、１１０…設計装置、１２０…成形装置、１５０…構造物製造制御装置、２００…構造物製造システム、５４１…法線算出部、５４２…移動部、５６１…判定部、５７１…画像データ抽出部、５７２…点群算出部、５７３…点群抽出部
【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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