(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定装置であって、
前記被検物に照射するライン状の測定光を出力する光出力部と、
前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有し、前記測定光の散乱光を受光する受光部と、
前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させる第１駆動部を備え、前記受光部により前記散乱光が受光される位置を調整する調整部と、
前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出する検出部と、
前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記第１駆動部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整する
ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記第１駆動部は、
前記光出力部から出力された光の出力位置に対し前記受光部の位置を相対的に移動させ、
前記光出力部は、
前記光学部材の位置を移動させる方向に対して直角方向に前記ライン状の光を出力し、
前記光学部材は、
前記受光した散乱光を前記第１駆動部が前記受光部の位置を移動させる方向に沿って反射する反射部、
であって、
前記検出部は、
前記反射された散乱光に基づいて、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出し
前記制御部は、
前記検出されたラインの位置を判定して判定結果を出力する判定部、
を有し、
前記判定部によるラインの位置の判定結果に応じて、前記光学部材の位置を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記判定部は、
前記検出されたラインの位置が、前記予め定められる所定の範囲内に治まるか否かを判定する
ことを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記検出部は、
前記反射された散乱光を撮像して形成される画像内に示される前記反射された散乱光によるラインの位置を検出する
ことを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光出力部と前記受光部とは、
指令に基づいて、前記光出力部と前記受光部との間の相対的な距離が保持されるように形成された共通の筐体に設けられているプローブ部を形成する
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記プローブ部の位置を前記被検物に対して相対的に移動させる第２駆動部
を備えることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記プローブ部によって、前記被検物に設けられている凹部又は貫通部の形状に沿って走査して、前記凹部又は前記貫通部の形状を算出する
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記光出力部と前記受光部とは、
前記中空状の深さ方向を長手方向とする棒状の前記筐体に設けられる
ことを特徴とする請求項５から請求項７の何れか１項に記載の形状測定装置。
【請求項９】
中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定方法であって、
光出力部が、前記被検物に照射するライン状の測定光を出力する光出力過程と、
撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有する受光部が、前記測定光の散乱光を受光する受光過程と、
前記撮像部が、前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像する撮像過程と、
調整部が、前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させることにより、前記受光部によって前記散乱光が受光される位置を調整する調整過程と、
検出部が、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出する検出過程と、
制御部が、前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定する制御過程と、
を有し、
前記制御過程において、
前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記調整部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整する
ことを特徴とする形状測定方法。
【請求項１０】
中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定装置が備えるコンピュータに、
光出力部に、前記被検物に照射するライン状の測定光を出力させるステップと、
撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有する受光部に、前記測定光の散乱光を受光させるステップと、
前記撮像部に、前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像させるステップと、
調整部に、前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させることにより、前記受光部によって前記散乱光が受光される位置を調整させるステップと、
検出部に、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出させるステップと、
前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定するとともに、前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記調整部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整するステップと、
を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置、形状測定方法、及びその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、被検物の形状を、接触式の測定プローブを用いて三次元測定するものや、光切断方式等のような非接触式の測定プローブを用いて三次元測定するものが知られている。
【０００３】
ところで、被検物の形状には様々なものがあり、穴のある被検物に対してその穴の内側の形状を測定する場合もある。例えば、穴の形状を測定する場合、レーザスポットを穴の内面に導き、そのレーザスポットが照射されるスポット位置の焦点を検出することにより、該スポット位置の座標を測定する技術がある（特許文献１参照）。また、穴の外側からスキャンを行い穴の入り口付近の内面の部分的な情報から穴径を測定するような技術がある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０１７３１号公報
【特許文献２】特開２００６−２０８２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような測定方法では、穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することが望まれている。例えば、レーザスポットを用いる場合と比較して高速に穴の内側の形状を測定でき、且つレーザスポットを用いる場合のように適切に穴の内側の形状を測定できることが望まれている。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、穴のある被検物に対して、その穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる形状測定装置、形状測定方法、及びその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】
【０００７】
この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明は、中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定装置であって、前記被検物に照射するライン状の測定光を出力する光出力部と、前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有し、前記測定光の散乱光を受光する受光部と、前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させる第１駆動部を備え、前記受光部により前記散乱光が受光される位置を調整する調整部と、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出する検出部と、前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記第１駆動部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整することを特徴とする形状測定装置である。
【０００８】
また、本発明は、中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定方法であって、光出力部が、前記被検物に照射するライン状の測定光を出力する光出力過程と、撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有する受光部が、前記測定光の散乱光を受光する受光過程と、前記撮像部が、前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像する撮像過程と、調整部が、前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させることにより、前記受光部によって前記散乱光が受光される位置を調整する調整過程と、検出部が、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出する検出過程と、制御部が、前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定する制御過程と、を有し、前記制御過程において、前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記調整部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整することを特徴とする形状測定方法である。
【０００９】
また、本発明は、中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定装置が備えるコンピュータに、光出力部に、前記被検物に照射するライン状の測定光を出力させるステップと、撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有する受光部に、前記測定光の散乱光を受光させるステップと、前記撮像部に、前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像させるステップと、調整部に、前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させることにより、前記受光部によって前記散乱光が受光される位置を調整させるステップと、検出部に、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出させるステップと、前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定するとともに、前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記調整部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整するステップと、を実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、形状測定装置は、穴のある被検物に対して、その穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態による形状測定装置の構成例を示す斜視図である。
【図２】検出部ライン光の出力方向を示す概略図である。
【図３】検出部の構成の一例を示す概略構成図である。
【図４】本実施形態による形状測定装置の構成例を示す概略ブロック図である。
【図５】被検物の穴形状を測定する場合の動作を示す模式図である。
【図６】形状測定装置が穴形状を測定する処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】撮像系の補正を説明する説明図である。
【図８】被検物の穴形状を測定する場合の動作の別の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の形状測定装置の一実施形態に係る構成について説明する。なお、本実施形態は、発明の要旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１３】
（形状測定装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態による形状測定装置１００の構成の一例を示す斜視図である。本実施形態に係る形状測定装置１００は、光切断方式を用いることで、被検物の表面に一本のライン光からなるライン状投影パターンを投影し、ライン状投影パターンを被検物表面の全域を走査させる毎に投影方向と異なる角度から被検物に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、撮像された被検物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被検物表面の基準平面からの距離を算出し、被検物表面の三次元形状を測定する装置である。この実施形態の形状測定装置１００は、中空状の穴を有する被検物２００の表面（穴の内面）の形状を高速、且つ適切に測定することを特徴とする装置である。
【００１４】
図１に示すように、形状測定装置１００は、水平な上面を備えている基台１１、被検物の形状を測定するためのプローブ部２０、プローブ部２０を移動させる移動部３０、及びプローブ部２０を移動部３０に対して回転させる回転機構４０を備えている。また、図１に示す範囲を測定装置本体１１０とも記述する。そして、形状測定装置１００は、図３及び図４において後述する制御部を備えており、測定装置本体１１０を制御する。
【００１５】
基台１１は、架台１２と、この架台１２の上に載置される定盤１３とを有する。架台１２は、形状測定装置１００全体の水平度を調整するためのものである。定盤１３は、石製または鋳鉄製からなるものであり、上面が架台１２により水平に保たれたものとなっている。そして、基台１１には、形状測定装置１００における測定対象となる被検物が設置される。ここで、図１に示す被検物２００は、中空状の穴を有する物体である。
【００１６】
以下、互いが直交する３方向により規定されるＸＹＺ座標系を用いて形状測定装置１００の構成について説明する。ここで、ＸＹ平面とは基台１１の上面と平行な面を規定するものである。すなわち、Ｘ軸方向とは基台１１上における一方向を規定するものであり、Ｙ軸方向とは基台１１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軸方向とは基台１１の上面に対して直交する方向を規定するものである。
【００１７】
プローブ部２０は、基台１１に設置された被検物２００にライン状の測定光（ライン光）を照射し、照射されたライン光の散乱光を検出する。光切断方式の形状測定装置１００においては、このプローブ部２０からライン光が照射されることにより光切断面（線）が現れた被検物２００の表面を検出する。
【００１８】
図２は、プローブ部２０のライン光Ｌａの出力方向を示す概略図である。この図に示すように、プローブ部２０は、Ｚ軸方向に直交する方向のうち１方向にライン光Ｌａを出力する。例えば、プローブ部２０は、被検物２００の穴の中に挿入され、Ｚ軸方向に対して直角の方向にライン光Ｌａを出力して穴の内面に照射し、照射されたライン光Ｌａの散乱光を検出する。
【００１９】
移動部３０は、基台１１の上面に設置された被検物２００に対して、プローブ部２０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、またはＺ軸方向に移動させるものである。移動部３０は門型フレーム１５を主体として構成されている。なお、基台１１は、基台１１の上面における端部（図１では右側の端部）が、基台１１上をＹ軸方向に門型フレーム１５を駆動させるＹ軸ガイドを兼ねるように構成されている。
【００２０】
門型フレーム１５は、Ｘ軸方向に延びるＸ軸ガイド１５ａ、定盤１３のＹ軸ガイドに沿って駆動する駆動側柱１５ｂ、および駆動側柱１５ｂの駆動に従って基台１１の上面を滑動する従動側柱１５ｃを備えている。
【００２１】
ヘッド部１６は、門型フレーム１５のＸ軸ガイド１５ａに沿ってＸ軸方向に沿って駆動可能とされている。ヘッド部１６には、このヘッド部１６に対してＺ軸方向に駆動可能なＺ軸ガイド１７が装着されている。また、ヘッド部１６の下端部には回転機構４０を介してプローブ部２０が装着されている。
【００２２】
回転機構４０は、プローブ部２０を移動部３０に対してＺ軸を中心に回転駆動させる機構である。例えば、回転機構４０は、移動部３０により被検物２００の穴の中に挿入されたプローブ部２０を、移動部３０に対してＺ軸を中心に３６０度回転駆動させ所望の回転角度に停止させることが可能である。これにより、プローブ部２０は、被検物２００の穴の内面の全周に対してライン光ＬａをＺ軸方向と直角の方向に照射し、照射されたライン光Ｌａの散乱光を検出する。
【００２３】
（検出部の構成）
図３は、プローブ部２０の構成の一例を示す概略構成図である。この図は、プローブ部２０及び被検物２００の断面図であって、上記において規定したＸＹＺ座標系におけるＸＺ平面による断面図である。なお、ＹＺ平面による断面図とした場合も同様である。
【００２４】
プローブ部２０は、中空状の穴を有している被検物２００における該穴の内面の形状を検出する。プローブ部２０は、光源５５と、光源５５から出力される照明光をライン光Ｌａにするライン光生成部５３と、生成されたライン光Ｌａをプローブ部２０の先端方向（Ｚ軸方向のうち被検物２００の設置される側の方向）に反射する反射ミラー５２と、反射ミラー５２により反射されたライン光Ｌａを、プローブ部２０のＺ軸方向と直角の方向に反射する反射ミラー５１を有する光出力部５０と、を備えている。また、プローブ部２０は、光出力部５０から被検物２００に照射されたライン光Ｌａの散乱光を受光する受光部６０と、受光部６０に受光されたライン光Ｌａを撮像部７０に導く反射ミラー６２と、撮像部７０（検出部）と、を備えている。光出力部５０と受光部６０とは、プローブ部２０において、中空状の穴を有している被検物２００の穴の深さ方向を長手方向とする棒状の筐体に設けられている。そして、プローブ部２０が移動部３０または回転機構４０により移動または回転された場合に、光出力部５０と受光部６０とは、プローブ部２０において相対的な距離が保持されるように共通の筐体の中に設けられている。また、受光部６０は、Ｚ軸方向に移動可能なように光出力部５０に対して隔てて設けられている。
【００２５】
光出力部５０は、光源５５から出力されて生成されたライン光Ｌａを、Ｚ軸方向と直角の方向に出力して被検物２００の穴の内面に照射する。
光源５５としては、ＬＥＤやレーザー光源・ＳＬＤ（super luminescent diode）等を用いることができる。ＬＥＤを用いた場合は安価に光源を形成することができる。また、レーザー光源を用いた場合、点光源であるため収差の少ないライン光Ｌａを作ることができ、波長安定性に優れ半値幅が小さいため、迷光カットに半値幅の小さいフィルターが使えるため、外乱の影響を少なくすることができる。また、ＳＬＤ（super luminescent diode）を用いた場合は、レーザー光源の特性に加え可干渉性がレーザー光よりも低いため被検物面でのスペックルの発生を抑えることができる。
【００２６】
ライン光生成部５３は、例えば、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５５からの照明光を受けてライン光Ｌａを生成するものである。また、反射ミラー５２及び反射ミラー５１は、例えば９０度の方向に光を反射する反射ミラーであり、ライン光Ｌａを反射ミラー５２によりプローブ部２０の先端方向に導き、反射ミラー５１によりプローブ部２０のＺ軸方向に対して直角の方向に出力して照射する。
【００２７】
受光部６０は、光出力部５０から出力から被検物２００に照射されたライン光Ｌａの散乱光を受光する反射ミラー６１（反射部）を備えている。
調整部２５は、反射ミラー６１の位置（受光部６０の位置）を移動させる受光位置駆動部２１（第１駆動部）と、反射ミラー６１の位置（受光部６０の位置）を検出する受光位置検出部２２と、を備えており、光出力部５０から出力された光が受光部６０に受光されるまでに通過する光路長を調整する。
【００２８】
光出力部５０からのライン光Ｌａの出力位置と受光部６０の受光位置とは、光出力部５０からのライン光Ｌａの照射方向と、被検物２００の測定面上のライン光Ｌａによる散乱光の受光部６０に対する入射方向とが、所定角度θをなすように設定されている。本実施形態においては、上記の所定角度θが例えば４５度に設定されている。
【００２９】
反射ミラー６１は、被検物２００に照射されたライン光Ｌａの散乱光を予め定められた方向から受光し、受光した光を撮像部７０に導くものである。本実施形態においては、反射ミラー６１は、被検物２００に照射された被検物２００の測定面上のライン光Ｌａの散乱光を、光出力部５０からの照射方向に対して４５度となる入射方向から受光する。反射ミラー６１は、例えば１３５度の方向に光を反射する反射ミラーであり、受光したライン光Ｌａを、Ｚ軸方向沿ってプローブ部２０の先端方向と反対方向に反射する。そして、反射されたライン光Ｌａは、９０度の方向に光を反射する反射ミラー６２を介して撮像部７０に入力される。
【００３０】
受光位置駆動部２１は、被検物２００の中空状の穴の深さ方向に、受光部６０の受光位置を移動させる。すなわち、受光位置駆動部２１は、受光部６０の反射ミラー６１をＺ軸方向に沿って上または下に移動させる。これにより、光出力部５０からの光が反射ミラー５１で反射してから受光部６０の反射ミラー６１に受光するまでの光路長を調整することができ、受光位置駆動部２１は、被検物２００の穴径が変わることにより、プローブ部２０と穴の内面との距離が変化した場合であっても、受光部６０の位置を移動させることにより、上記の所定角度θ（例えば４５度）を維持することができる。また、受光位置駆動部２１は、制御部８０により制御される。
【００３１】
受光位置検出部２２は、受光部６０のＺ軸方向の位置を検出する。例えば、受光位置検出部２２は、光出力部５０からのライン光Ｌａの出力位置と、受光部６０の反射ミラー６１のＺ軸方向の位置との距離を検出して制御部８０に出力する。
【００３２】
反射ミラー６２は、例えば９０度の方向に光を反射する反射ミラーである。受光部６０により受光されて反射されたライン光Ｌａは、反射ミラー６２により反射されて撮像部７０に入力される。
【００３３】
撮像部７０は、例えば結像レンズや撮像素子等から構成され、後述のように制御部８０により移動部３０または回転機構４０が駆動されてライン光Ｌａが所定の距離間隔で走査される毎に被検物２００を撮像する。そして、撮像部７０は、撮像された被検物２００の画像データを制御部８０に出力する。すなわち、撮像部７０は、光出力部５０から出力されたライン光Ｌａが被検物２００で散乱して受光部６０において受光された散乱光の位置を撮像して検出する。
【００３４】
制御部８０は、調整部２５による調整状態と撮像部７０による検出位置とに基づいて被検物２００の形状を測定する。例えば、制御部８０は、撮像された被検物２００の画像データに対して所定の画像演算処理を実行するとともに、受光位置検出部２２により検出された受光部６０のＺ軸方向の位置に基づいて、被検物２００の表面（穴の内面）と受光部６０との距離を算出する。例えば、制御部８０は、被検物２００の穴径に基づくライン光Ｌａを検出する位置に応じて、受光部６０の位置を移動して調整し、光出力部５０からのライン光Ｌａの出力位置と受光部６０の位置との距離に応じて、被検物２００の表面（穴の内面）とプローブ部２０との距離を算出する。
【００３５】
具体的には、制御部８０は、被検物２００の穴径に基づいて、上記の所定角度θが、例えば４５度を維持するように、受光部６０の受光位置を受光位置駆動部２１に移動させる。そして、制御部８０は、受光位置検出部２２により検出された光出力部５０からのライン光Ｌａの出力位置と受光部６０の反射ミラー６１のＺ軸方向の位置との距離、及び所定角度θ（例えば４５度）に基づいて、三角測量の原理を用いて被検物２００の表面（穴の内面）とプローブ部２０との距離を算出する。なお、光出力部５０の出力位置と受光部６０の位置との距離は、受光位置検出部２２により検出された検出結果に加えて、撮像された被検物２００の画像データにおけるライン光Ｌａの位置情報も加味されて算出される。
【００３６】
例えば、制御部８０は、被検物２００の表面（穴の内面）に凹凸がある場合、被検物２００の画像において、被検物２００の凹凸に応じて変形したライン光Ｌａによる光切断面（線）の位置情報と、受光位置検出部２２により検出された受光部６０の位置とに基づいて、光切断面（線）（ライン光Ｌａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２００の表面（穴の内面）とプローブ部２０との距離を算出する。
【００３７】
そして、制御部８０は、移動部３０及び回転機構４０を駆動することにより、プローブ部２０を穴の深さ方向（Ｚ軸方向）に移動、及び回転軸２０ａ回りに回転させて、被検物２００の表面（穴の内面）に対してライン光Ｌａを所定の距離間隔で走査する毎に被検物２００の表面（穴の内面）とプローブ部２０との距離を算出して、被検物２００の表面（穴の内面）の三次元形状を求める処理を行う。
【００３８】
このように、形状測定装置１００は、中空状の穴がある被検物２００の穴の内面にＺ軸方向に対して直角の方向にライン光Ｌａを照射し、照射されたライン光Ｌａの散乱光を受光して検出する。また、形状測定装置１００は、穴径に応じて、ライン光Ｌａの出力位置に対する受光位置を移動させることが可能である。これにより、形状測定装置１００は、レーザスポット光を用いる場合に比較して、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、に測定できる。また、形状測定装置１００は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を、精度よく適切に測定することができる。
【００３９】
（形状測定装置の機能ブロックの構成）
図４は、形状測定装置１００の構成の一例を示す概略ブロック図である。図１から図３と同じ構成には、同じ符号を附す。
形状測定装置１００は、測定装置本体１１０と制御部８０とを備える。
測定装置本体１１０は、位置駆動部１１２（第２の駆動部）と、位置検出部１１３と、プローブ部２０とを備えている。
位置駆動部１１２は、移動位置駆動部１１５と回転位置駆動部１１７とを備えている。
移動位置駆動部１１５は、移動部３０の内部に設けられており、制御部８０の制御に基づいて、門型フレーム１５をＹ軸方向に駆動するＹ軸用モータ、ヘッド部１６をＸ軸方向に駆動するＸ軸用モータ、およびＺ軸ガイド１７をＺ軸方向に駆動するＺ軸用モータを備えている。移動位置駆動部１１５は、後述の制御部８０の駆動制御部８３から供給される駆動信号を受け取る。そして、移動位置駆動部１１５は、この駆動信号に基づいて移動部３０の位置、すなわちプローブ部２０の位置を３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）に移動させる。
【００４０】
回転位置駆動部１１７は、回転機構４０の内部に設けられており、制御部８０の制御に基づいて回転機構４０を駆動することにより、プローブ部２０を回転軸２０ａ回りに回転駆動させる回転軸駆動モータを備えている。回転位置駆動部１１７は、駆動制御部８３から供給される駆動信号を受け取る。そして、回転位置駆動部１１７は、この駆動信号に基づいて回転機構４０を駆動することにより、プローブ部２０を回転軸２０ａ回りに回転させる。
【００４１】
位置検出部１１３は、移動位置検出部１１６と、回転位置検出部１１８とを備えている。
移動位置検出部１１６は、移動部３０の内部に設けられ、移動部３０のＸ軸、Ｙ軸、および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、およびＺ軸用エンコーダを備えている。移動位置検出部１１６は、これらのエンコーダによって移動部３０の位置をそれぞれ検出し、移動部３０の位置、すなわちプローブ部２０の位置を示す信号を後述の制御部８０の座標検出部８４へ供給する。
【００４２】
回転位置検出部１１８は、回転機構４０の内部に設けられており、プローブ部２０の回転軸２０ａ回りの回転位置を検出する回転軸用エンコーダを備えている。回転位置検出部１１８は、このエンコーダを用いて、プローブ部２０の回転軸２０ａ回り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８４へ供給する。
【００４３】
プローブ部２０は、中空状の穴を有している被検物２００における穴の内面の表面形状を検出する。
プローブ部２０は、光切断方式により被検物２００の穴の内面形状を求めるために、前述の光出力部５０と、受光部６０と、受光位置駆動部２１と、受光位置検出部２２と、撮像部７０とを備えている。
光出力部５０は、後述の制御部８０の測定指示部８６から供給される測定タイミングを制御する制御信号に基づいて光源５５から照射された照明光（ライン光Ｌａ）により、Ｚ軸方向に対して直角の方向にライン光Ｌａを出力して被検物２００の穴の内面に照射する。
【００４４】
受光部６０は、光出力部５０からの照射方向に対して、受光部６０への散乱光の入射方向を所定角度θ（例えば４５度）ずらした方向に移動されて位置される。受光位置駆動部２１は、プローブ部２０の内部に設けられており、制御部８０の制御に基づいて受光部６０をＺ軸方向に駆動するＺ軸用モータを備えている。受光位置駆動部２１は、制御部８０の駆動制御部８３から供給される駆動信号を受け取る。そして、受光位置駆動部２１は、この駆動信号に基づいて受光部６０の位置を移動させる。
【００４５】
受光位置検出部２２は、プローブ部２０の内部に設けられており、制御部８０の制御に基づいて受光部６０のＺ軸方向の位置を検出するＺ軸用エンコーダを備えている。受光位置検出部２２は、このエンコーダにより受光部６０の位置を検出して、受光部６０の位置を示す信号を制御部８０の座標検出部８４へ供給する。
【００４６】
撮像部７０は、測定指示部８６から供給される測定タイミングを制御する制御信号に基づいて、光出力部５０からのライン光Ｌａにより被検物２００の表面（穴の内面）に形成される光切断線を、受光部６０を介して撮像する。ここで、光切断線は、被検物２００の断面形状に応じて形成される。撮像部７０は、被検物２００の表面に形成される陰影パターンを撮像し、撮像した画像データを画像入力部８１へ供給する。なお、撮像部７０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、Ｃ−ＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの個体撮像素子を備えている。
【００４７】
次に、制御部８０について説明する。
制御部８０は、画像入力部８１、測定光位置判定部８２（判定部）、駆動制御部８３、座標検出部８４、座標算出部８５、測定指示部８６、及び記憶部８７を備えている。画像入力部８１は、撮像部７０により撮像された画像データが入力される。入力された画像データは、記憶部８７に記憶されて制御部８０により画像処理が実行される。
【００４８】
測定光位置判定部８２は、受光部６０により受光されたライン光Ｌａの位置（反射ミラー６１のミラー面の領域におけるライン光Ｌａの位置、または反射ミラー６１を介して撮像部７０により撮像された撮像領域内におけるライン光Ｌａの位置）を、撮像部７０により撮像された画像データに基づいて検出する。そして、測定光位置判定部８２は、検出したライン光Ｌａの位置が、受光部６０の予め定められた所定の範囲内であるか否かを判定する。例えば、測定光位置判定部８２は、撮像部７０により撮像されたライン光Ｌａの位置が、撮像領域において予め定められた有効画素範囲の領域（有効領域）内にあるか否かを判定する。つまり、測定光位置判定部８２は、三角測量の原理を用いて被検物２００の表面（穴の内面）と受光部６０との距離を算出する場合において、前述した所定角度θ（例えば４５度）に対して、受光部６０の位置が適切であるか否かを判定する。なお、測定光位置判定部８２は、撮像部７０により撮像されたライン光Ｌａの位置が、撮像領域において予め定められた中央位置を示す範囲の領域内にあるか否かを判定することにより、有効領域内にあるか否かを判定してもよい。
【００４９】
駆動制御部８３は、測定光位置判定部８２により、撮像部７０により撮像されたライン光Ｌａの位置が撮像領域において予め定められた有効領域内にないと判定された場合、ライン光Ｌａの位置が撮像領域内の有効領域内の位置になる方向に受光部６０を移動させる駆動信号を、受光位置駆動部２１に供給する。一方、駆動制御部８３は、測定光位置判定部８２により、撮像部７０により撮像されたライン光Ｌａの位置が撮像領域において予め定められた有効領域内にあると判定された場合、受光部６０の移動を停止させる駆動信号を、受光位置駆動部２１に供給する。そして、ライン光Ｌａの位置が撮像領域において中央位置の範囲の領域にある場合、制御部８０において、受光位置駆動部２１の駆動量及び撮像されるライン光Ｌａの位置に基づいて、三角測量の原理を用いて被検物２００の表面（穴の内面）と受光部６０との距離が算出される。
【００５０】
そして、被検物２００の表面（穴の内面）に対してライン光Ｌａを所定の距離間隔で走査して穴形状を測定するために、駆動制御部８３は、プローブ部２０の位置を３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）に移動させる駆動信号、及びプローブ部２０を回転軸２０ａ回りに回転させる駆動信号を位置駆動部１１２に供給して、被検物２００の位置に対するプローブ部２０の相対位置を移動させる。
【００５１】
座標検出部８４は、移動位置検出部１１６から供給されるプローブ部２０の位置を示す信号に基づいて、被検物２００の位置に対するプローブ部２０の水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）及び垂直方向（Ｚ軸方向）における相対位置を検知する。また、座標検出部８４は、回転位置検出部１１８から供給されるプローブ部２０の回転軸２０ａ回りの回転位置を示す信号に基づいて、被検物２００の位置に対するプローブ部２０の回転方向の位置を検知する。座標検出部８４は、それぞれ検知した水平方向、垂直方向、及び回転方向の位置の情報に基づいて、被検物２００に対するプローブ部２０の相対位置の座標情報と回転位置を示す情報（回転位置情報）とを検出する。そして、座標検出部８４は、このプローブ部２０の座標情報と回転位置情報とを座標算出部８５へ供給する。
また、座標検出部８４は、受光位置検出部２２から供給される受光部６０の位置を示す信号に基づいて、光出力部５０からのライン光Ｌａの出力位置と受光部６０の位置との距離を検知する。そして、座標検出部８４は、検知した光出力部５０の出力位置と受光部６０の位置との距離を示す情報（受光部６０の位置情報）を座標算出部８５へ供給する。
【００５２】
座標算出部８５は、座標検出部８４から供給されたプローブ部２０の座標情報及び回転位置情報に基づいて、被検物２００における測定位置を算出するとともに、受光部６０の位置情報と撮像部７０から入力された画像データとに基づいて、三角測量の原理を用いて被検物２００の表面（穴の内面）と受光部６０との距離を算出する。これにより、座標算出部８５は、被検物２００における測定位置毎の表面（穴の内面）の座標値（三次元座標値）の点群データを算出する。
【００５３】
測定指示部８６は、測定タイミングを制御する制御信号を供給する。測定指示部８６は、この制御信号により光出力部５０からのライン光Ｌａの照射タイミング、及び撮像部７０の撮像タイミングを制御して測定を行う。例えば、測定指示部８６は、駆動制御部８３によりプローブ部２０が被検物２００を所定の距離間隔で走査される毎に測定を行う制御をする。
【００５４】
記憶部８７は、画像入力部８１から入力された画像データを保持する。また、記憶部８７は、プローブ部２０の相対位置の座標情報や回転位置情報、受光部６０の位置情報、座標算出部８５により算出された被検物２００の測定位置、測定位置毎における被検物２００の表面（穴の内面）の座標値（三次元座標値）の点群データ等を保持する。
また、記憶部８７は、予め定められた測定条件や測定手順に関する各種指示情報等、制御部８０が所定の制御を実行するためのデータを備えている。例えば、被検物２００の測定開始位置（最初の測定位置）の座標値、測定範囲を示す測定位置の座標値、測定位置の移動方向、測定位置の距離間隔（例えば、予め定められた一定間隔の測定ピッチ）、および測定終了位置（最後の測定位置）の座標値等、を示すデータを備えている。なお、記憶部８７には、操作者により入力された測定条件や測定手順に関する各種指示情報を保持されてもよい。そして、制御部８０は、入力された各種指示情報、予め定められた各種指示情報、またはその両方に基づいて測定を実行してもよい。
【００５５】
（穴の形状測定動作の一例）
次に、形状測定装置１００における測定手順及び測定動作について説明する。
図５は、被検物２００ａの穴形状を測定する場合のプローブ部２０の動作を示す模式図である。この図は、プローブ部２０及び被検物２００ａの断面図であって、上記において規定したＸＹＺ座標系におけるＸＺ平面による断面図である。なお、ＹＺ平面による断面図とした場合も同様である。
【００５６】
この図に示す被検物２００ａの有する穴は、穴の深さによって穴径が均一でない穴であって、Ｚ軸方向の入り口側から領域Ｚr1、領域Ｚr2、及び領域Ｚr3、の順に穴径が大きくなっている。具体的には、領域Ｚr3における穴径は、領域Ｚr1における穴径に対して大きく、領域Ｚr2における穴径は、領域Ｚr3側から領域Ｚr1側に向かって次第に小さくなる。
【００５７】
図５（ａ）に示すように、形状測定装置１００は、被検物２００ａの領域Ｚr1における穴の内面を測定する場合、まず初めに、プローブ部２０の回転軸２０ａが穴の中心に位置されるようにプローブ部２０をＸＹ平面上において水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）に移動する。次に、形状測定装置１００は、プローブ部２０をＺ軸方向の領域Ｚr1の位置に移動する。続いて、形状測定装置１００は、所定角度θ（例えば４５度）が維持されるような位置に受光部６０をＺ軸方向に移動する。この図において、光出力部５０の出力位置と受光部６０の受光位置との距離が距離Ｄ1となる位置に受光部６０は位置している。ここで、被検物２００ａの領域Ｚr1における穴の内面とプローブ部２０との距離Ｄk1は、所定角度θ（例えば４５度）、及び距離Ｄ1に基づいて算出される。また、穴の内面の表面形状は、光出力部５０から穴の内面に照射されたライン光Ｌａによる光切断線を、受光部６０を介して撮像部７０により撮像された画像データによって得られる。これにより、座標算出部８５は、所定角度θ（例えば４５度）、距離Ｄ1、及び撮像された画像データにおけるライン光Ｌａによる光切断線の位置情報に基づいて、光切断線（ライン光Ｌａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２００ａの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出する。
【００５８】
次に、図５（ｂ）に示すように、形状測定装置１００は、被検物２００ａの領域Ｚr3における穴の内面を測定する場合、プローブ部２０をＺ軸方向の領域Ｚr1の位置から領域Ｚr3の位置に移動する。続いて、形状測定装置１００は、所定角度θ（例えば４５度）が維持されるような位置に受光部６０をＺ軸方向に移動する。この図において、光出力部５０の出力位置と受光部６０の受光位置との距離が距離Ｄ2となる位置に、受光部６０は位置している。ここで、被検物２００ａの領域Ｚr3における穴の内面とプローブ部２０との距離Ｄk2は、所定角度θ（例えば４５度）、及び距離Ｄ2に基づいて算出される。また、穴の内面の表面形状は、光出力部５０から穴の内面に照射されたライン光Ｌａによる光切断線を、受光部６０を介して撮像部７０により撮像された画像データによって得られる。これにより、座標算出部８５は、所定角度θ（例えば４５度）、距離Ｄ2、及び撮像された画像データにおけるライン光Ｌａによる光切断線の位置情報に基づいて、光切断線（ライン光Ｌａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２００ａの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出する。
【００５９】
また、形状測定装置１００は、被検物２００ａの領域Ｚr2における穴の内面を測定する場合、領域Ｚr2において領域Ｚr3側から領域Ｚr1側に向かってプローブ部２０をＺ軸に沿って移動するとともに、次第に小さくなる穴径に応じて、所定角度θ（例えば４５度）が維持されるような位置に受光部６０をＺ軸方向に移動する。これにより、形状測定装置１００は、領域Ｚr2における穴の内面を測定する場合も、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す領域Ｚr1及び領域Ｚr3の場合と同様に三角測量の原理を用いて被検物２００ａの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出する。
【００６０】
例えば、形状測定装置１００は、プローブ部２０を被検物２００ａの穴に挿入し、プローブ部２０をＺ軸に沿って穴の最も深い位置から穴の入り口に向かって所定の距離間隔で走査する毎に、穴径の大きさに応じて受光部６０の位置を所定角度θ（例えば４５度）が維持されるようにＺ軸方向に移動させ、被検物２００ａの表面（穴の内面）とプローブ部２０との距離を算出する。そして、プローブ部２０を穴の全周に対して所定の回転角度の間隔で回転させる毎に、上述のＺ軸方向に走査して被検物２００ａの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出することにより、被検物２００ａの穴の三次元形状を測定する。
【００６１】
次に、図６を用いて、形状測定装置１００が被検物２００ａの穴の三次元形状を測定する処理の手順について説明する。
図６は、形状測定装置１００が穴形状を測定する処理の手順を示すフローチャートである。
まず、操作者により、被検物２００ａが形状測定装置１００の基台１１の上面における測定有効範囲内の位置に設置される（ステップＳ１）。
【００６２】
次に、形状測定装置１００は、プローブ部２０の水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）の回転中心位置（回転軸２０ａの位置）を、被検物２００ａの穴の中心位置付近になるように移動する。例えば、制御部８０の駆動制御部８３は、プローブ部２０の回転中心位置が被検物２００ａの穴の中心位置付近になるように、移動位置駆動部１１５に駆動信号を供給して移動部３０を移動させる（ステップＳ２）。
【００６３】
続いて、被検物２００ａの穴の深さに応じて、Ｚ軸方向に走査して測定する速度（スキャン速度）、及びＺ軸方向に走査して測定する移動距離範囲（スキャン距離範囲）が、形状測定装置１００に設定される（ステップＳ３）。なお、これらのスキャン速度、及びスキャン距離範囲に関する設定情報は、記憶部８７に予め設定されて記憶されていてよいし、操作者により入力されて記憶部８７に記憶されてもよい。形状測定装置１００の制御部８０は、この設定情報に基づいて形状測定装置１００における測定の制御を実行する。
【００６４】
例えば、スキャン速度、及びスキャン距離範囲は、以下に示すように設定される。
穴の深さがＬ（ｍｍ）である被検物２００ａの穴の深さ方向（Ｚ軸方向）をＳ（ｍｍ）ピッチの距離間隔で測定して座標値の点群データを生成する場合、撮像部７０の撮像フレームレートをｆ（フレーム／ｓｅｃ）とすると、スキャン速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）は、一例として数式１により示される値に設定される。
【００６５】
【数１】
0005776282.tif 000002
【００６６】
また、構造上の制約から、プローブ部２０の先端方向にライン光Ｌａを照射できない範囲があることにより、穴の最深部から測定可能な位置までの距離（測定できない距離）をＭ（ｍｍ）とすると、測定可能なスキャン距離範囲Ｅは、一例として数式２により示される値に設定される。
【００６７】
【数２】
0005776282.tif 000003
【００６８】
この場合のＺ軸のスキャン開始位置は、穴の入り口のＺ軸の座標値である。また、Ｚ軸のスキャン終了位置は、「穴の入り口のＺ軸の座標値−Ｅ（ｍｍ）」のＺ軸の座標値で表される。これら、スキャン開始位置及びスキャン終了位置も、設定情報として記憶部８７に記憶される。
なお、この場合のＺ軸方向の１回のスキャン時間Ｔは、数式３により示される。
【００６９】
【数３】
0005776282.tif 000004
【００７０】
次に、被検物２００ａの穴に対して、回転機構４０によりプローブ部２０を回転させる場合の、回転方向に走査して測定する回転開始角度（スキャン開始角度）、回転終了角度（スキャン終了角度）、及び回転角度単位（スキャン角度単位）が、形状測定装置１００に設定される（ステップＳ４）。なお、これらのスキャン開始角度、スキャン終了角度、及びスキャン角度単位に関する設定情報は、記憶部８７に予め設定されて記憶されていてよいし、操作者により入力されて記憶部８７に記憶されてもよい。形状測定装置１００の制御部８０は、この設定情報に基づいて形状測定装置１００における測定の制御を実行する。
【００７１】
例えば、スキャン角度単位は、以下に示すように設定される。
穴の半径がＲ（ｍｍ）である被検物２００ａの穴の内面を全周測定して座標値の点群データを生成する場合、ライン光Ｌａの有効幅をＷ（ｍｍ）とすると、スキャン角度単位Ｕは、一例として数式４により示される値に設定される。
【００７２】
【数４】
0005776282.tif 000005
【００７３】
なお、この場合、スキャン角度範囲Ｐ（ｒａｄ）に対してプローブ部２０を回転させて測定した際のＺ軸方向のスキャンの繰り返し回数は、数式５により示される。
【００７４】
【数５】
0005776282.tif 000006
【００７５】
なお、スキャン開始角度、及びスキャン終了角度は、形状測定装置１００において予め決まっている角度、または操作者により指定された任意の角度に設定される。
【００７６】
形状測定装置１００に測定条件が設定されると、制御部８０は、測定を開始する制御を実行する。
まず、制御部８０の駆動制御部８３は、回転位置駆動部１１７に駆動信号を供給して回転機構４０を駆動させることにより、プローブ部２０の回転角度を設定されたスキャン開始角度に回転させて停止させる（ステップＳ５）。
【００７７】
次に、制御部８０は、回転位置検出部１１８により検出されたプローブ部２０の回転角度（回転位置）に基づいて、プローブ部２０の回転角度（回転位置）が、設定されたスキャン終了角度であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６においてプローブ部２０の回転角度が、設定されたスキャン終了角度である場合、制御部８０はステップＳ１４に処理を進める。
【００７８】
一方、ステップＳ６においてプローブ部２０の回転角度が、設定されたスキャン終了角度でない場合、制御部８０の駆動制御部８３は、移動位置駆動部１１５に駆動信号を供給して移動部３０を駆動させることにより、プローブ部２０の位置を設定されたＺ軸方向のスキャン開始位置に移動して停止させる（ステップＳ７）。
【００７９】
次に、制御部８０の測定指示部８６は、測定タイミングを制御する制御信号を供給して、光出力部５０からのライン光Ｌａを被検物２００ａの穴の内面に照射させ、受光部６０を介して受光されたライン光Ｌａを撮像部７０に撮像させる。そして、制御部８０の測定光位置判定部８２は、撮像部７０により撮像された画像データに基づいて、撮像されたライン光Ｌａの位置が撮像領域において予め定められた有効領域内にあるか否かを判定する（ステップＳ８）。
【００８０】
ステップＳ８において、撮像されたライン光Ｌａの位置が撮像領域において予め定められた有効領域内にないと判定された場合、駆動制御部８３は、ライン光Ｌａの位置が撮像領域内の有効領域内の位置になる方向に受光部６０を移動させる駆動信号を、受光位置駆動部２１に供給する。受光位置駆動部２１は、この供給された駆動信号に基づいて受光部２０の位置を移動させる（ステップＳ９）。そして、制御部８０は、ステップＳ８に処理を戻す。
【００８１】
一方、ステップＳ８において、撮像されたライン光Ｌａの位置が撮像領域において予め定められた有効領域内にあると判定された場合、制御部８０は、撮像部７０により撮像された画像データ（受光部６０を介してライン光Ｌａが撮像されたデータ）、座標検出部８４により検出されたプローブ部２０の座標情報と回転位置情報、及び座標検出部８４により検出された受光部６０の位置情報を取得し、記憶部８７に記憶させる（ステップＳ１０）。
【００８２】
次に、制御部８０の駆動制御部８３は、移動位置駆動部１１５に駆動信号を供給して移動部３０を駆動させることにより、プローブ部２０のＺ軸方向のスキャン位置を１ステップ（予め設定された距離間隔（移動量単位）の１つ分）移動して停止させる（ステップＳ１１）。
【００８３】
続いて、制御部８０は、移動位置検出部１１６により検出されたプローブ部２０の位置に基づいて、プローブ部２０のＺ軸方向の位置が設定されたスキャン終了位置であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２においてプローブ部２０のＺ軸方向の位置が、設定されたスキャン終了位置でない場合、制御部８０はステップＳ８に処理を進め、Ｚ軸方向の次のスキャン位置に対する測定の処理を実行する。
【００８４】
一方、ステップＳ１２においてプローブ部２０のＺ軸方向の位置が、設定されたスキャン終了位置である場合、制御部８０の駆動制御部８３は、回転位置駆動部１１７に駆動信号を供給して回転機構４０を駆動させることにより、プローブ部２０の回転方向のスキャン角度を１ステップ（予め設定されたスキャン角度単位の１つ分）移動して停止させる（ステップＳ１３）。そして、制御部８０は、ステップＳ６に処理を戻し、回転方向の次のスキャン角度に対する測定の処理を実行する。
【００８５】
そして、ステップＳ６においてプローブ部２０の回転角度が、設定されたスキャン終了角度である場合、すなわち、Ｚ軸方向の測定を穴の全周に対して終了した場合、制御部８０の座標算出部８５は、ステップ１０において取得した画像データと位置情報に基づいて、三角測量の原理を用いて穴の三次元形状データを算出して生成する（ステップＳ１４）。
【００８６】
以上のように、本実施形態における形状測定装置１００は、プローブ部２０を穴の中に挿入し、穴の測定位置に相当する深さ位置において、測定するためのライン光Ｌａを９０度反射させてＺ軸方向に対して直角の方向にライン光Ｌａを出力することにより、プローブ部２０から穴の内面にライン光Ｌａを照射することができる。また、形状測定装置１００は、この穴の内面に照射されたライン光Ｌａの散乱光を受光する受光部６０の位置を穴径の大きさに応じて移動可能であるため、穴径の大きさに合わせて受光部６０を移動して三角測量の原理を用いてプローブ部２０と穴の内面との距離を算出することができる。さらには、形状測定装置１００は、プローブ部２０を３６０度回転可能な回転機構４０を備えていることにより、穴の内面の全周を測定することができる。
これにより、形状測定装置１００は、ライン光Ｌａを測定光として用いる光切断方式により穴の内側の形状を測定するため、レーザスポット光を測定光として用いる場合に比較して高速に測定できる。また、形状測定装置１００は、穴の内側にプローブ部２０を挿入して光切断方式により形状を測定することにより、穴の内側の形状を精度よく適切に測定することができる。
【００８７】
なお、上記実施形態において、測定される穴が垂直に開けられた穴である場合について説明したが、形状測定装置１００は、例えば、回転機構４０の上部に２軸の回転機構をさらに設けて、Ｘ軸回り回転及びＹ軸回り回転を可能とすることにより、斜めに開けられた穴に対しても穴の深さ方向にプローブ部２０を挿入可能な構成としてもよい。これにより、形状測定装置１００は、斜めに開けられた穴に対しても穴形状を測定することができる。
【００８８】
なお、図６のステップＳ８においてライン光Ｌａの位置が有効領域内でないと判定された場合の制御は、受光部６０の位置を調整して測定を継続する制御に限らず、例えば、エラー処理として扱い、プローブ部２０をＺ軸方向のスキャン開始位置に戻して再測定させる制御としてもよい。
【００８９】
なお、図６を用いて、形状測定装置１００が穴のＺ軸方向及び全周方向の全ての画像データ及び位置情報を取得してから、穴の三次元形状データを算出して生成する処理について説明したが、これに限られるものではない。例えば、形状測定装置１００は、各測定位置において取得される画像データ及び位置情報に基づいて、該測定位置の測定毎に形状データを生成してもよい。
【００９０】
なお、穴の形状は、凹形状の穴であっても貫通された形状の穴であってもよい。
また、形状測定装置１００は、穴の内面の表面形状に連続性ある場合（例えば、穴の深さ方向の位置に応じて穴径の大きさが連続的に異なる場合）、Ｚ軸方向の現在の測定位置において得られる穴の内面の位置情報に基づいて、次の測定位置における穴の内面の位置を予測し、予測した位置に基づいて受光部６０を移動させてもよい。これにより、形状測定装置１００は、Ｚ軸方向にプローブ部２０の位置を移動させて穴の内面の位置を検出するスキャン中に、撮像されたライン光Ｌａの位置を有効領域内の位置に追従させることができる。
【００９１】
また、ライン光Ｌａが撮像された画像データから穴の形状データを生成する場合、制御部８０は、例えば、画像データ内の走査線毎に、ピクセル単位（画素単位）のサンプリングデータに対して、スプライン補間、または自己相関処理をして、１/１００ピクセルの精度でライン光Ｌａのピーク位置を検出する処理を実行する。これにより、制御部８０は、画像データ内において撮像されたライン光Ｌａのピーク位置を精度よく検出することができる。
【００９２】
また、ライン光Ｌａが撮像された画像データから穴の形状データを生成する場合、制御部８０は、該画像データに撮像系における補正を実行する。ここでの補正とは、撮像部７０の設置誤差（３方向の位置及び３方向の回転による設置誤差）、または反射ミラーやレンズ等の光学部品における歪み等、の補正である。
図７は、撮像系の補正を説明する説明図である。例えば、図７に示すように被検物の表面における光切断面２１０に基準格子Ｌｃを設置し、この像を撮像部７０が撮像した画像データにおける画素位置と、基準格子Ｌｃの姿勢であるクロス点を含む面内の３次元座標が、補正式、または補正データによって関連付けられている。
例えば、ここでは簡略化して示すと、数式６に示す関係があり、スクリーン座標から基準格子面への変換を撮像系補正関数Ｆとして数式７に示すように定義する。
【００９３】
【数６】
0005776282.tif 000007
【００９４】
【数７】
0005776282.tif 000008
【００９５】
そして、ライン光Ｌａが撮像された画像データから穴の形状データを生成する場合、制御部８０は、撮像系補正関数Ｆを用いて、該画像データに撮像系における補正を実行する。これにより、制御部８０は、画像データ内において撮像されたライン光Ｌａのピーク位置を精度よく検出することができる。
【００９６】
（穴の形状測定動作の別の一例）
上記実施形態において、形状測定装置１００が穴形状を測定する際に、穴径の大きさに応じて受光部６０の位置をＺ軸方向に移動させる制御について説明したが、形状測定装置１００は、穴径の大きさに応じてプローブ部２０の水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）の位置を移動させる制御をしてもよい。
【００９７】
図８は、被検物２００ｂの穴形状を測定する場合のプローブ部２０の動作を示す例として、穴径の大きさに応じてプローブ部２０の水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）の位置を移動させる場合の一例を示す模式図である。この図は、プローブ部２０及び被検物２００ｂの断面図であって、上記において規定したＸＹＺ座標系におけるＸＺ平面による断面図である。なお、ＹＺ平面による断面図とした場合も同様である。この図において、形状測定装置１００は、穴径の大きさに応じてプローブ部２０の水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）の位置を移動させることにより、所定角度θ（例えば４５度）を維持して三角測量の原理を用いて被検物２００ｂの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出する。
【００９８】
図８に示す被検物２００ｂの有する穴は、穴の深さによって穴径が均一でない穴であって、Ｚ軸方向の入り口側から領域Ｚr5、領域Ｚr6、及び領域Ｚr7、の順に穴径が小さくなっている。具体的には、領域Ｚr7における穴径は、領域Ｚr5における穴径に対して小さく、領域Ｚr6における穴径は、領域Ｚr7側から領域Ｚr5側に向かって次第に大きくなる。
【００９９】
図８（ａ）に示すように、形状測定装置１００は、被検物２００ｂの領域Ｚr7における穴の内面を測定する場合、まず初めに、プローブ部２０の回転軸２０ａが穴の中心軸Ｚ200の位置と同じになるようにプローブ部２０をＸＹ平面上において水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）に移動する。次に、形状測定装置１００は、プローブ部２０をＺ軸方向の領域Ｚr7の位置に移動する。続いて、形状測定装置１００は、所定角度θ（例えば４５度）が維持されるような位置に受光部６０をＺ軸方向に移動する。この図において、光出力部５０の出力位置と受光部６０の受光位置との距離が距離Ｄ5となる位置に受光部６０は位置している。ここで、被検物２００ａの領域Ｚr7における穴の内面とプローブ部２０との距離Ｄk5は、所定角度θ（例えば４５度）、及び距離Ｄ5に基づいて算出される。また、穴の内面の表面形状は、光出力部５０から穴の内面に照射されたライン光Ｌａによる光切断線を、受光部６０を介して撮像部７０により撮像された画像データによって得られる。これにより、座標算出部８５は、所定角度θ（例えば４５度）、距離Ｄ5、及び撮像された画像データにおけるライン光Ｌａによる光切断線の位置情報に基づいて、光切断線（ライン光Ｌａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２００ｂの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出する。
【０１００】
次に、図８（ｂ）に示すように、形状測定装置１００は、被検物２００ｂの領域Ｚr5における穴の内面を測定する場合、プローブ部２０をＺ軸方向の領域Ｚr7の位置から領域Ｚr5の位置に移動する。また、形状測定装置１００は、図８（ｂ）に示すように、プローブ部２０と穴の内面との距離Ｄk5が維持されるように、プローブ部２０の回転軸２０ａの位置が穴の中心軸Ｚ200の位置と異なる位置（穴の内面に近づく方向の位置）にプローブ部２０をＸＹ平面上において水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）に移動する。これにより、受光部６０の位置を領域Ｚr7において測定した位置から変更せずに所定角度θ（例えば４５度）は維持される。よって、座標算出部８５は、プローブ部２０の回転軸２０ａの移動距離分を加算することにより、所定角度θ（例えば４５度）、距離Ｄ5、及び撮像された画像データにおけるライン光Ｌａによる光切断線の位置情報に基づいて、光切断線（ライン光Ｌａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物２００ｂの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出する。
【０１０１】
また、形状測定装置１００は、被検物２００ｂの領域Ｚr6における穴の内面を測定する場合、領域Ｚr6において領域Ｚr7側から領域Ｚr5側に向かってプローブ部２０をＺ軸に沿って移動するとともに、次第に大きくなる穴径に応じて、プローブ部２０と穴の内面との距離Ｄk5が維持されるように、プローブ部２０をＸＹ平面上において水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）に移動する。これにより、受光部６０の位置を領域Ｚr7において測定した位置から変更せずに所定角度θ（例えば４５度）は維持される。よって、形状測定装置１００は、領域Ｚr6における穴の内面を測定する場合も、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す領域Ｚr5及び領域Ｚr7の場合と同様に三角測量の原理を用いて被検物２００ａの穴の内面とプローブ部２０との距離を算出する。
【０１０２】
なお、受光部６０の位置は、穴径が最も小さい測定位置において所定角度θ（例えば４５度）となるように位置させることが望ましい。これにより、穴径が大きい測定位置に移動した場合、受光部６０の位置を変更せずにプローブ部２０の位置を移動することにより、所定角度θ（例えば４５度）を維持させることができる。
【０１０３】
このように、形状測定装置１００は、穴径の大きさに応じてプローブ部２０の水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）の位置を移動させる制御をすることにより、受光部６０の位置を穴径に大きさに応じてＺ軸方向に移動させることなく三角測量の原理を用いて被検物２００ｂの穴の三次元形状データを算出して生成する。
これにより、形状測定装置１００は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる。
【０１０４】
なお、このプローブ部２０の位置を移動させる制御においては、図５に示す被検物２００ａのように穴の入り口側の穴径が小さく穴の最深部側の穴径が大きい場合、穴径の大きい位置で測定する際に、プローブ部２０を充分に移動できない場合がある。このような場合は、穴径の大きさに応じて、受光部６０の位置を移動する制御の方が優位である。
【０１０５】
なお、上記実施形態によれば、形状測定装置１００は、中空状の被検物２００の内面にライン光Ｌａ（測定光）を照射するとともに、被検物２００に照射したライン光Ｌａを受光して、被検物２００の形状を測定する形状測定装置である。そして、形状測定装置１００は、被検物２００に照射するライン光Ｌａ（ライン状の測定光）を出力する光出力部５０と、光出力部５０と隔てて設けられ、予め定められた方向から受光するライン光Ｌａの散乱光を検出する受光部６０と、を備えている。また、形状測定装置１００は、測定光を検出する位置に応じて受光部６０の位置が調整され、照射した光の出力位置と、受光部６０の位置との距離に応じて被検物２００との距離を算出する制御部８０を備えている。
つまり、形状測定装置１００は、被検物２００の穴の中に光出力部５０がライン光Ｌａを照射し、光出力部５０と隔てて設けられている受光部６０の位置を調整して該ライン光Ｌａを受光する。これにより、形状測定装置１００は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる。
【０１０６】
また、上記実施形態によれば、形状測定装置１００は、中空状の深さ方向に受光部６０の位置を移動させる受光位置駆動部２１（第１駆動部）を備えている。また、受光部６０は、検出されたライン光Ｌａによって示されるラインの位置を検出する。そして、制御部８０は、検出したラインの位置に応じて受光部６０の位置を受光位置駆動部２１によって移動させて、検出したラインの位置が予め定められる所定の位置になるように、受光部６０の位置を調整する。
つまり、形状測定装置１００は、光出力部５０と隔てて設けられている受光部６０の位置を受光位置駆動部２１により穴の深さ方向に沿って上下に移動させることが可能である。そして、制御部８０は、ライン光Ｌａの受光される位置が適切な位置になるように、受光部６０の位置を穴の深さ方向に沿って上下に移動させる。
これにより、形状測定装置１００は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を測定する際に、穴の内面に照射したライン光Ｌａを適切な位置により受光して検出することができる。
【０１０７】
また、上記実施形態によれば、受光位置駆動部２１は、照射した光の出力位置に対し受光部６０の位置を相対的に移動させる。光出力部５０は、受光部６０の位置を移動させる方向に対して直角の方向にライン状のライン光Ｌａを出力する。受光部６０は、受光したライン光Ｌａを受光位置駆動部２１が受光部６０の位置を移動させる方向に沿って反射する反射ミラー６１（反射部）を備えている。そして、制御部８０は、反射されたライン光Ｌａに基づいて検出されるライン光Ｌａによるラインの位置を判定して、判定結果を出力する測定光判定部８１（判定部）を備えており、ラインの位置の判定結果に応じて、受光部６０の位置を調整する。
つまり、受光位置駆動部２１は、光出力部５０は、受光部６０の位置を移動させる方向、すなわち穴の深さ方向（Ｚ軸方向）に対して直角の方向にライン光Ｌａを出力する。形状測定装置１００は、Ｚ軸方向に対して直角の方向に出力してライン光Ｌａを穴の内面に照射し、照射したライン光Ｌａを受光部６０の有する反射ミラー６１により穴の深さ方向に対して平行に穴から遠ざかる方向に反射する。そして、この反射されたライン光Ｌａは、撮像部７０により撮像され、測定光判定部８１により撮像されたライン光Ｌａによるラインの位置が判定される。
これにより、測定光判定部８１は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を測定する際に、穴の内面に照射したライン光Ｌａが受光された位置が適切な位置であるか否かを判定することができる。
なお、測定光判定部８１が制御部８０に備えられている例について説明したが、これに限られるものではない。測定光判定部８１は、受光部６０に備えられていてもよく、受光部６０において受光されたライン光Ｌａの位置を判定し、判定した結果を制御部８０に供給してもよい。
【０１０８】
また、上記実施形態によれば、測定光判定部８１は、ライン光Ｌａによるラインの位置が、予め定められる所定の範囲内に治まるか否かを判定する。
例えば、測定光判定部８１は、受光されたライン光Ｌａによるラインの位置が、検出可能な有効領域内にあるか否かを判定する。これにより、測定光判定部８１は、受光されたライン光Ｌａによるラインの位置が検出可能な適切な位置に受光されているか否かを判定することができる。
【０１０９】
また、上記実施形態によれば、測定光判定部８１は、反射されたライン光Ｌａを撮像して形成される画像内に示されるライン光Ｌａによるラインの位置を判定する。
つまり、定光判定部８１は、受光されたライン光Ｌａによるラインの位置が、撮像領域において予め定められた有効画素範囲の領域（有効領域）内にあるか否かを判定する。これにより、測定光判定部８１は、撮像されたライン光Ｌａによるラインの位置が検出可能な適切な位置に受光されているか否かを判定することができる。
【０１１０】
また、上記実施形態によれば、光出力部５０と受光部６０とは、指令に基づいて、光出力部５０と受光部６０との間の相対的な距離が保持されるように形成された共通の筐体に設けられているプローブ部２０（プローブ部）を形成する。
つまり、光出力部５０と受光部６０とは、プローブ部２０内の共通の筐体に設けられおり、光出力部５０と受光部６０との間の相対的な距離が保持されるような構造になっている。  これにより、形状測定装置１００は、プローブ部２０を穴の中に挿入、または穴の中で移動や回転をさせて測定を実行した場合に、光出力部５０と受光部６０との間の相対的な距離が保持される。
【０１１１】
また、上記実施形態によれば、形状測定装置１００は、プローブ部２０の位置を被検物２００に対して相対的に移動させる位置駆動部１１２（第２駆動部）を備えている。
これにより、形状測定装置１００は、位置駆動部１１２により、プローブ部２０を穴の中に挿入、または穴の中で移動や回転をさせて測定を実行することができる。
【０１１２】
また、上記実施形態によれば、制御部８０は、プローブ部２０によって、被検物２００に設けられている凹部又は貫通部の形状に沿って走査して、凹部又は貫通部の形状を算出する。つまり、形状測定装置１００は、制御部８０の制御により、プローブ部２０を被検物２００の穴の形状に従って穴の中を移動させて走査し、穴の形状を算出する。
これにより、形状測定装置１００は、凹部又は貫通部を有する穴の形状を、光切断方式を用いて高速、且つ適切に測定することができる。
【０１１３】
また、上記実施形態によれば、光出力部５０と受光部６０とは、中空状の深さ方向を長手方向とする棒状の筐体に設けられる。つまり、プローブ部２０は、穴の深さ方向を長手方向とする棒状の筐体であって、該筐体の内部に光出力部５０と受光部６０とを備えている。
これにより、プローブ部２０は、穴の中に挿入しやすく、且つ穴の中に挿入した状態で穴の内面に対してライン光Ｌａを照射し、照射したライン光Ｌａの散乱光を受光することができる。
【０１１４】
また、上記実施形態によれば、中空状の被検物２００の内面にライン光Ｌａを照射するとともに、被検物２００に照射したライン光Ｌａを受光して、被検物２００の形状を測定する形状測定方法において、光出力部５０が被検物２００に照射するライン光Ｌａを出力する光出力過程と、光出力部５０と隔てて設けられている受光部６０が、予め定められた方向から受光する測定光の散乱光を検出する受光過程と、ライン光Ｌａを検出する位置に応じて受光部６０の位置が調整され、照射した光の出力位置と、受光部６０の位置との距離に応じて被検物２００との距離を算出する制御過程とを含む。
つまり、形状測定装置１００における形状測定方法は、被検物２００の穴の中に光出力部５０がライン光Ｌａを照射し、光出力部５０と隔てて設けられている受光部６０の位置を調整して該ライン光Ｌａを受光する方法である。この形状測定方法により、形状測定装置１００は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる。
【０１１５】
また、上記実施形態によれば、中空状の被検物２００の内面にライン光Ｌａを照射するとともに、被検物２００に照射したライン光Ｌａを受光して、被検物２００の形状を測定する形状測定装置１００が備えるコンピュータにおけるプログラムは、光出力部５０に被検物２００に照射するライン光Ｌａを出力させるステップと、光出力部５０と隔てて設けられている受光部６０に、予め定められた方向から受光するライン光Ｌａの散乱光を検出させるステップと、ライン光Ｌａを検出する位置に応じて受光部６０の位置が調整され、照射した光の出力位置と、受光部６０の位置との距離に応じて被検物２００との距離を算出するステップとを実行させる。
つまり、形状測定装置１００が備えるコンピュータにおけるプログラムは、被検物２００の穴の中に光出力部５０がライン光Ｌａを照射し、光出力部５０と隔てて設けられている受光部６０の位置を調整して該ライン光Ｌａを受光する制御を実行させる。このプログラムにより、形状測定装置１００が備えるコンピュータは、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定する制御をすることができる。
【０１１６】
なお、図４における制御部８０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、メモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、上述の制御部８０の機能を実現するためのプログラムをメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。
また、プローブ部２０を移動する代わりに、反射ミラー５１の姿勢を制御してライン光Ｌａの照射方向を調整することも可能である。この場合、撮像されるライン光Ｌａを撮像部７０の撮像範囲に入るように反射ミラー５１の姿勢（角度）を調整する。また、この場合、距離計算には反射ミラー５１の姿勢（基準位置に対する角度）とライン光Ｌａとの位置を用いる。
【０１１７】
また、図４における制御部８０の各部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより上述の各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【０１１８】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【０１１９】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【０１２０】
２０  プローブ部、２１  受光位置駆動部（第１駆動部）、２５  調整部、  ５０  光出力部、６０  受光部、６１  反射ミラー（反射部）、７０  撮像部（検出部）、８０  制御部、８１  測定光判定部（判定部）、１００  形状測定装置、１１２  位置駆動部（第２駆動部）、被検物２００,２００ａ,２００ｂ
【図１】
0005776282.tif 000009
【図２】
0005776282.tif 000010
【図３】
0005776282.tif 000011
【図４】
0005776282.tif 000012
【図５】
0005776282.tif 000013
【図６】
0005776282.tif 000014
【図７】
0005776282.tif 000015
【図８】
0005776282.tif 000016