(57)【要約】【課題】  測定対象物の反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止または抑制し得る３次元形状測定装置を提供することにある。【解決手段】  ライン光照射装置１１により波長および強度が異なる複数のライン光が測定対象物ＯＢに照射され、その反射光が第３，第４ダイクロイックミラー１２５，１２６により波長ごとに分離される。分離された各波長の反射光はそれぞれフォトセンサ１２１，１２２，１２３により受光されるとともに受光した反射光に応じた受光信号を出力する。データ演算回路４１１，４１２，４１３はこれらの受光信号から、３次元形状データの測定精度に関する評価データを算出する。この評価データが３次元画像生成装置４２０によって評価されて、３次元形状データの測定精度が良好と判断される受光信号が選択される。そして、選択された受光信号に基づき測定対象物の３次元形状データが作成される。【選択図】  図２
2008216098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に照射断面形状がライン状のレーザー光であるライン光を照射し、照射部位における反射光を受光して、少なくとも受光した反射光から得られる受光信号に基づき測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置において、
波長と強度が異なる複数のライン光を測定対象物に照射するライン光照射装置と、
前記複数のライン光が照射された測定対象物の照射部位における反射光を波長ごとに分離するフィルタと、
前記フィルタにより分離された反射光を波長ごとに受光するとともに受光した反射光に応じた受光信号を出力する複数の受光器と、
前記複数の受光器が出力する受光信号を取得するとともに、取得した受光信号から、当該受光信号を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを算出する評価データ算出手段と、
前記評価データ算出手段にて算出された評価データに基づいて、前記測定精度が良好になる受光信号を選択する選択手段と、
前記選択手段が選択した受光信号に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成手段と、を備えることを特徴とする、３次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元形状測定装置において、
前記ライン光照射装置は、波長と強度が異なる複数のライン光が測定対象物の同一部位に照射されるように、前記複数のライン光の光軸を一致させる光軸一致手段を備えることを特徴とする、３次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の３次元形状測定装置において、
前記受光器は複数の受光素子が面状に配置して構成されるとともに、受光した反射光の受光信号をそれぞれの受光素子が出力し、
前記評価データ算出手段は、前記受光素子の配置面を所定の領域に区分し、区分された領域ごとに前記受光信号を取得するとともに、区分された領域ごとに前記評価データを算出することを特徴とする、３次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の３次元形状測定装置において、
前記評価データは、少なくとも前記区分された領域において前記受光器が受光する反射光の光量に相当するデータを含むことを特徴とする、３次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の３次元形状測定装置において、
前記評価データは、少なくとも前記区分された領域において前記受光器が受光する反射光の光量分布に関連するデータを含むことを特徴とする、３次元形状測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の３次元形状測定装置において、
前記反射光の光量分布に関連するデータは、前記反射光の光量分布を前記区分された領域における前記受光素子の配置面の所定方向を横軸として波形表示した場合における、極大光量に相当する値を示すデータ、波形が所定の光量を横切る幅に相当する値を示すデータ、前記極大光量と前記幅との比率を示すデータの少なくとも一つのデータを含むことを特徴とする、３次元形状測定装置。
【請求項７】
波長と強度が異なり、測定対象物への照射断面形状がライン状のレーザー光である複数のライン光を出射し、出射したライン光を測定対象物に照射する照射ステップと、
前記照射ステップにて測定対象物に照射されたライン光の反射光を波長ごとに分離する分離ステップと、
前記分離ステップにて分離された波長ごとの反射光をそれぞれ複数の受光器にて受光するとともに受光した反射光に応じた受光信号を前記複数の受光器が出力する受光ステップと、
前記受光ステップにて前記複数の受光器が出力する受光信号を取得する受光信号取得ステップと、
前記受光信号取得ステップにて取得した受光信号から、当該受光信号を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを算出する評価データ算出ステップと、
前記評価データ算出ステップにて算出された評価データに基づいて、前記測定精度が良好な受光信号を選択する選択ステップと、
前記選択ステップにより選択された受光信号に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、を含む３次元形状測定方法。
【請求項８】
請求項７に記載の３次元形状測定方法において、
前記照射ステップは、
複数のレーザー光源から波長および強度が異なる複数のレーザー光を出射する出射ステップと、
前記出射ステップにて出射した複数のレーザー光の光軸を一致させる光軸一致ステップと、
前記光軸一致ステップにて光軸が一致された複数のレーザー光をライン光とするライン光生成ステップと、
を含むことを特徴とする、３次元形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射断面形状がライン状のレーザー光であるライン光を測定対象物に照射し、照射部位における測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の形状を測定する３次元形状測定装置および３次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光を測定対象物に照射し、照射部位からの反射光を受光器により受光し、受光器が出力する受光信号などに基づいて測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置はよく知られている。この種の３次元形状測定装置には、レーザー光をライン光にしてこのライン光を測定対象物に照射する光切断法による３次元測定がよく行われる。この場合、レーザー光をガルバノミラーやポリゴンミラーを使用して走査することによりライン光を作り出し、このように走査して作り出したライン光を測定対象物に照射するものや、レーザー光をシリンドリカルレンズなどを通過させることでライン光を作り出し、このライン光を測定対象物に照射するものがある。シリンドリカルレンズなどを用いてライン光を作り出す３次元形状測定装置は、レーザー光を走査する機構が不要になる分、装置にかかるコストを低減できるというメリットがある。
【０００３】
この種の３次元形状測定装置により測定対象物の３次元形状を測定する際に、測定対象物に照射するライン光の強度を一定とした場合、測定対象物の反射率の大小により受光器にて受光する反射光の光量が異なる。受光器にて受光する反射光の光量は、その反射光に応じた受光信号から算出される測定対象物の３次元形状データの測定精度に影響を与える。例えば反射光の光量が少なすぎたり多すぎたりすると、受光信号を正確に読み取ることができないために、正確な３次元形状データが作成されない場合も生じる。よって、受光器が受光する反射光の光量が変化すると、３次元形状データの測定精度が悪化するおそれがある。
【０００４】
このため例えば特許文献１には、受光器にて受光する反射光が受光面上で反射することを利用し、この反射光をフォトセンサで受光するとともに、フォトセンサが受光した反射光の光量に応じてレーザー光の強度を逐次補正することによって、受光器に受光される反射光の光量を略一定にする３次元形状測定装置が紹介されている。
【特許文献１】特開平２００２−１３９３１１号公報
【発明の開示】
【０００５】
特許文献１に記載の３次元形状測定装置は、レーザー光を測定対象物に照射している各瞬間において、レーザー光が測定対象物のほぼ一点を照射している場合に好適に適用される。例えば、ガルバノミラーやポリゴンミラーを使用してレーザー光を走査することによりライン光が作り出される場合には、このライン光を測定対象物に照射する各瞬間では、一本のレーザー光が測定対象物のほぼ一点を照射する状態となっている。この場合にはその照射点での反射光が受光器で反射する反射光を検出することができるために、検出した反射光の光量に基づいて、受光する反射光量を一定とするために必要なレーザー光の強度を一義的に決定することができる。これに対し、シリンドリカルレンズなどを用いてライン光を作り出す３次元形状測定装置においては、作り出したライン光を測定対象物に照射している各瞬間において、ライン光は測定対象物におけるライン状の照射部位の全てを照射する状態となっている。この場合、照射部位にて発生する反射光を検出する受光器から反射する反射光も断面がライン状の光となるため、どの部位における反射光に基づいてレーザー強度を調整してよいかわからず、レーザー強度を一義的に決定することができない。したがって、特許文献１に記載の方法は、シリンドリカルレンズなどによってレーザー光の照射断面形状自体を変形させてライン光にする場合には適用が困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、シリンドリカルレンズなどを用いてレーザー光の照射断面形状自体を変形させたライン光を測定対象物に照射する３次元形状測定装置においても、測定対象物の反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止または抑制し得る３次元形状測定装置、および、このような装置において行われる３次元形状測定方法を提供することにある。
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、測定対象物に照射断面形状がライン状のレーザー光であるライン光を照射し、照射部位における反射光を受光して、少なくとも受光した反射光から得られる受光信号に基づき測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置において、波長と強度が異なる複数のライン光を測定対象物に照射するライン光照射装置と、前記複数のライン光が照射された測定対象物の照射部位における反射光を波長ごとに分離するフィルタと、前記フィルタにより分離された反射光を波長ごとに受光するとともに受光した反射光に応じた受光信号を出力する複数の受光器と、前記複数の受光器が出力する受光信号を取得するとともに、取得した受光信号から、当該受光信号を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを算出する評価データ算出手段と、前記評価データ算出手段にて算出された評価データに基づいて、前記測定精度が良好になる受光信号を選択する選択手段と、前記選択手段が選択した受光信号に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成手段と、を備える３次元形状測定装置としたことにある。
【０００８】
上記発明に係る３次元形状測定装置によれば、ライン光照射装置により波長および強度が異なる複数のライン光が測定対象物に照射される。ここで、複数のライン光は、それぞれ波長が異なると共に、それぞれ強度も異なる。つまり、各ライン光の波長と強度は一対一に対応する。測定対象物に照射されたライン光の反射光はフィルタにより波長ごとに分離される。この場合、上述のようにライン光の波長と強度は一対一に対応しているので、フィルタにより波長ごとに反射光を分離することにより、反射光は強度ごとに分離される。強度ごとに分離された反射光はそれぞれ複数の受光器により受光される。受光器は受光した反射光に応じた受光信号を出力する。受光器から出力された受光信号はそれぞれの受光信号に対応したライン光の強度ごとに評価データ算出手段に取得され、この評価データ算出手段にてライン光の強度ごとの受光信号から評価データがそれぞれ算出される。この評価データは、当該評価データを算出する基となる受光信号を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における３次元形状データの測定精度の良否を評価し得る値である。したがって、例えば測定対象物の反射率に見合わない強度を持つライン光が測定対象物に照射されている場合には、その反射光の受光信号から得られる評価データは好ましい値とはならず、それは受光信号から３次元形状データを作成した場合に精度が悪いことを意味する。一方、測定対象物の反射率に見合った強度を持つライン光が測定対象物に照射されている場合は、その反射光の受光信号から得られる評価データ好ましい値となり、それは受光信号から３次元形状データを作成した場合に精度が良いことを意味する。そして、選択手段によって、評価データに基づいて３次元形状データの測定精度が良好と判断される受光信号が選択され、選択された受光信号に基づき測定対象物の３次元形状データが形状データ作成手段により作成される。
【０００９】
このように、本発明の３次元形状測定装置は、波長と強度が異なる複数のライン光を測定対象物に照射するとともにフィルタにより照射部位における反射光を波長ごと、つまり強度ごとに分け、このように分けられたそれぞれの反射光の受光信号のうち、測定対象物表面の反射率に見合った強度を持つライン光の反射光に対応する受光信号が選択され、選択された受光信号を基に測定対象物の３次元形状データを作成する。よって、測定対象物の反射率が変化している場合でも、その反射率の変化に見合った強度で照射されたライン光の反射光の受光信号を選択し、選択した受光信号を用いて３次元形状データを作成することにより、測定対象物の反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止あるいは抑制することができる。また、本発明の３次元形状測定装置はライン光の照射部位における反射光を利用して好ましい受光信号を選択するものであり、測定対象物へのライン光の照射部位の各々の部位について受光信号を選択するため、ライン光の生成方式にとらわれずに本発明を適用することができる。よって、レーザー光をシリンドリカルレンズなどによって照射断面を変形させることによりライン光を生成した場合においても本発明を適用することができる。
【００１０】
上記本発明において、波長と強度が異なる複数のライン光は、波長と強度がそれぞれ一対一に対応した複数のライン光であればよく、それぞれの波長の長さやそれぞれの強度の大きさは任意に設定することができる。また、フィルタとしては、波長選択性を有し、波長と強度が異なった複数のライン光の反射光を透過または反射することによって分離する光学フィルタであるとよい。このような光学フィルタとしてダイクロイックミラーが好ましい。
【００１１】
前記ライン光照射装置は、波長と強度が異なる複数のライン光が測定対象物の同一部位に照射されるように、前記複数のライン光の光軸を一致させる光軸一致手段を備えるのがよい。これによれば、光軸一致手段によって波長および強度が異なる複数のライン光の光軸が一致し、このように光軸が一致した状態でライン光が測定対象物に照射される。よって、測定対象物には同一の照射部位に異なる強度を持つ複数のライン光が照射することになり、これら複数のライン光の反射光の中から形状データの測定精度が最も良いと考えられる強度で照射されたライン光の反射光の受光信号が選択される。こうして選択された受光信号を基に３次元形状データを作成することにより、全ての照射部位において精度の良い３次元形状データを作成することができる。
【００１２】
また、前記受光器は複数の受光素子が面状に配置して構成されるとともに、受光した反射光の受光信号をそれぞれの受光素子が出力し、前記評価データ算出手段は、前記受光素子の配置面を所定の領域に区分し、区分された領域ごとに前記受光信号を取得するとともに、区分された領域ごとに前記評価データを算出するものであるとよい。これによれば、受光器における反射光の受光領域を細分して微小な範囲ごとにそれぞれの反射光を評価データを基に評価することにより、最適な受光信号を選択してより測定精度の良い３次元形状データを作成することができる。この場合、例えばエリアセンサのような受光器を用いる場合には、評価データ算出手段はエリアセンサの面状の受光領域を表す２方向のうちの１方向に沿って、受光領域を区分するとよい。一般的にエリアセンサにおける上記２方向は、ライン光照射装置から測定対象物への照射部位までの距離に相当する方向と、この方向に直角方向であってライン光の光軸とライン光照射装置からライン光のそれぞれの照射部位への位置ベクトルとのなす角（照射角）、つまりライン光の各照射部位におけるライン光の光軸（レーザー中心）からの向きに相当する方向により表されるが、上記区分領域は、上記照射角に相当する方向に沿って区分されているとよい。このように区分することにより、ライン状に受光される反射光の長手方向に領域を区分して受光信号を取得することができる。
【００１３】
上記光軸一致手段は、波長と強度が異なる複数のライン光の光軸が厳密に一致していなくてもよく、多少の誤差は許容される。例えば、ライン光の照射部位が順次移動していく場合において、次の照射部位に重複しない程度に複数のライン光の光軸が一致している程度であればよい。この程度に光軸が一致していれば、全ての照射部位において最適な受光信号を選択することができるからである。また、光軸一致手段は、最終的に測定対象物に照射される複数のライン光の光軸が一致していればよく、レーザー光をライン光とする前にそれぞれのレーザー光の光軸を一致させるものでもよいし、あるいは複数のレーザー光をそれぞれライン光にした後に、複数のライン光の光軸を一致させるものでもよい。前者の場合には、レーザー光をライン光とする機構（シリンドリカルレンズなど）を一つにすることができるために、装置のコスト低減を図ることができる。また、上記光軸一致手段は、波長選択性を有し、波長と強度が異なった複数のライン光またはレーザー光を透過または反射することによって光軸を一致させる光学フィルタであるとよい。このような光学フィルタとしてダイクロイックミラーが好ましい。
【００１４】
また、上記評価データは、上述したように受光器が出力する受光信号を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合に、その３次元形状データの測定精度が良好であるか良好でないかを判断することができるデータであって、受光信号から算出される。この場合、前記評価データは、少なくとも前記区分された領域において前記受光器が受光する反射光の光量に相当するデータを含むのがよい。これによれば、反射光の光量を用いて３次元形状データの測定精度の良否を判断することにより、選択手段は反射光量が小さすぎて、あるいは大きすぎて３次元形状データの測定精度が悪化する受光信号を除外し、最適な反射光量を持つ受光信号を選択することができる。さらに、前記評価データは、少なくとも前記区分された領域において前記受光器が受光する反射光の光量分布に関連するデータを含むのがよい。この場合、前記反射光の光量分布に関連するデータは、前記反射光の光量分布を前記区分された領域における前記受光素子の配置面の所定方向を横軸として波形表示した場合における、極大光量に相当する値を示すデータ、波形が所定の光量を横切る幅に相当する値を示すデータ、前記極大光量と前記幅との比率を示すデータの少なくとも一つのデータを含むのがよい。このような評価データにより３次元形状データの測定精度の良否を判断することにより、選択手段はより測定精度が高くなる受光信号を選択することができる。なお、受光器がエリアセンサからなる場合には、上記光量分布を波形表示する際の横軸は、受光素子の配置面上においてライン光照射装置からその照射部位までの距離に相当する方向に平行な方向にするとよい。
【００１５】
また、上記選択手段は上述したように、３次元形状データの測定精度が良好と判断される受光信号を評価データを基に選択するものであるから、選択手段は、上記測定精度が良好であると考えられる受光信号を選択するために評価データに基づいた判断がなされる。この判断は、例えば評価データを所定の基準値と比較してその基準値に達しているかいないかを評価することによって、その評価データの算出の基となる受光信号を用いて作成された３次元形状データの測定精度の良否を判断するものでもよいし、また、複数の評価データ同士を比較することにより、比較対象の評価データの算出の基となる受光信号を用いて作成された３次元形状データの測定精度の良否を判断するものでもよい。この場合、上記選択手段は、測定対象物の同一部位に照射された強度の異なる複数のライン光についての反射光の受光信号から求められる評価データの群を取り出して、これらの評価データの群から、その評価データの算出の基となる受光信号を用いて３次元形状データを作成した場合に最も測定精度が良好と考えられる評価データを選択し、選択した評価データについての受光信号を選択するものであるとよい。
【００１６】
また、本発明の３次元形状測定装置は、ライン光が測定対象物に照射されたときのライン状の照射断面に垂直な方向に上記ライン光照射装置を移動する移動手段を備えるものであるとよい。これによれば、移動手段によりライン光照射装置が移動しながらライン光を測定対象物に照射することにより、測定対象物のほぼ全域に亘ってライン光を照射することができる。このため測定対象物の全体形状を測定することができる。この場合、移動手段はライン光照射装置の移動量を検出してこの移動量を出力するものであるとよい。これによれば、受光器が出力する受光信号および移動手段が出力する移動量に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成することができる。この場合、移動手段によりライン光照射装置および受光器が一体的に移動するものであるとよりよい。
【００１７】
また、本発明の他の特徴は、波長と強度が異なり、測定対象物への照射断面形状がライン状のレーザー光である複数のライン光を出射し、出射したライン光を測定対象物に照射する照射ステップと、前記照射ステップにて測定対象物に照射されたライン光の反射光を波長ごとに分離する分離ステップと、前記分離ステップにて分離された波長ごとの反射光をそれぞれ複数の受光器にて受光するとともに受光した反射光に応じた受光信号を前記複数の受光器が出力する受光ステップと、前記受光ステップにて前記複数の受光器が出力する受光信号を取得する受光信号取得ステップと、前記受光信号取得ステップにて取得した受光信号から、当該受光信号を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを算出する評価データ算出ステップと、前記評価データ算出ステップにて算出された評価データに基づいて、前記測定精度が良好な受光信号を選択する選択ステップと、前記選択ステップにより選択された受光信号に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、を含む３次元形状測定方法とすることにある。この方法によっても上述の発明と同様に３次元形状測定の精度の悪化を防止することができる。この場合、前記照射ステップは、複数のレーザー光源から波長および強度が異なる複数のレーザー光を出射する出射ステップと、前記出射ステップにて出射した複数のレーザー光の光軸を一致させる光軸一致ステップと、前記光軸一致ステップにて光軸が一致された複数のレーザー光をライン光とするライン光生成ステップと、を含むものであるのがよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る３次元形状測定装置の全体図である。図において、３次元形状測定装置１は、平板状の測定台２と、この測定台２上に取り付けられた支持体３と、支持体３に移動可能に取り付けられた３次元センサ１０と、３次元センサ１０を移動するためのフィードモータ３０とを備えている。
【００１９】
測定台２は図に示すように左右方向（後述のｙ軸方向）を長手方向とする長方形状に形成されている。支持体３は測定台２の対向するそれぞれの短辺の略中央から立設した２本の脚部３ａ，３ａおよびこの２本の脚部３ａ，３ａの上部を結ぶように測定台２の長手方向に沿って形成された長尺状の支持部３ｂを有しており、全体として略コ字状とされている。支持部３ｂは測定台２の上面とほぼ平行となるように延びて形成されている。また支持部３ｂには長手方向に沿って長孔３ｃが形成されている。長孔３ｃの長手方向側壁には図示しないガイド溝が形成されている。３次元センサ１０はこのガイド溝に係止された状態で長孔３ｃ内に嵌め込まれている。
【００２０】
フィードモータ３０は、支持部３ｂに形成された長孔３ｃの一方端側に取り付けられている。このフィードモータ３０の出力軸は図示しないベルトなどの動力伝達手段により３次元センサ１０に連結している。したがって、３次元センサ１０は、フィードモータ３０の駆動によって長孔３ｃ内のガイド溝に沿って支持部３ｂの長軸方向に移動可能とされている。また、３次元センサ１０は、基準となる光軸から広がったライン光を出射する。このライン光は、測定台２への照射断面が測定台２の短軸方向に延びたライン状となるように３次元センサ１０から出射される。３次元センサ１０がこのようなライン光を出射しながらフィードモータ３０の駆動により支持部３ｂの長軸方向（ライン光のライン状の照射断面と垂直な方向）に移動することにより、測定台２の上面の測定可能領域のほぼ全面に亘って３次元センサ１０からレーザー光が照射されることになる。
【００２１】
測定台２の測定可能領域上には測定対象物ＯＢが載置される。したがって、３次元センサ１０から出射するライン光は測定台２の測定対象物ＯＢに照射される。測定対象物ＯＢに照射断面がライン状となるように照射されたライン光の反射光は３次元センサ１０に受光され、３次元センサ１０は受光した反射光に応じて受光信号を出力する。この受光信号に基づいて測定対象物ＯＢの形状が測定される。なお、測定対象物ＯＢの３次元形状データを座標値として表示するために、図１に示すように３次元センサ１０がフィードモータ３０の駆動により移動する移動方向（測定台２の長軸方向）をｙ軸方向、ｙ軸方向に直交し、且つ３次元センサ１０から照射されるライン光のライン状の照射断面が測定台２に形成される方向（測定台２の短軸方向）をｘ軸方向、ｘ軸方向およびｙ軸方向に直交する方向、つまり測定台２の上面と垂直な方向（ライン光のレーザー中心の照射方向）をｚ軸方向と定めておく。
【００２２】
また、３次元形状測定装置１は３次元画像処理装置４０、コントローラ５０、入力装置５２および表示装置５４を備えている。コントローラ５０は、入力装置５２から入力される入力指令に基づいて、フィードモータ３０に駆動状態を制御する指令信号を、３次元センサ１０にライン光の出射を指令する指令信号をそれぞれ出力するとともに、これらの制御情報を３次元画像処理装置４０に入力する。３次元画像処理装置４０はフィードモータ３０（詳しくはフィードモータ３０に取り付けられたエンコーダ）から駆動量を示す信号が、３次元センサ１０から受光信号がそれぞれ入力され、これらの入力信号を基に測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成し、作業者からの入力装置５２を介した指示に応じて測定対象物ＯＢの３次元画像を表示装置５４に出力する。
【００２３】
図２は、３次元センサ１０、３次元画像処理装置４０の内部構造、および、３次元センサ１０、３次元画像処理装置４０、コントローラ５０および表示装置５４の間での信号のやり取りの状態を示す図である。図に示すように、３次元センサ１０は、ライン光照射装置１１と、受光装置１２と、レーザー駆動回路１３とを備えて構成されている。ライン光照射装置１１は、第１レーザー光源１１１と、第２レーザー光源１１２と、第３レーザー光源１１３と、第１コリメートレンズ１１４と、第２コリメートレンズ１１５と、第３コリメートレンズ１１６と、第１ダイクロイックミラー１１７と、第２ダイクロイックミラー１１８と、シリンドリカルレンズ１１９とを備えている。
【００２４】
第１，第２，第３レーザー光源１１１，１１２，１１３は半導体レーザーなどで構成されており、進行方向に垂直な断面が円形状のレーザー光を出射する。本実施形態において、第１レーザー光源１１１は波長が４００ｎｍ程度の青色レーザー光を、第２レーザー光源は波長が５５０ｎｍ程度の緑色レーザー光を、第３レーザー光源は波長が６５０ｎｍ程度の赤色レーザー光を、それぞれ出射する。第１，第２，第３コリメートレンズ１１４，１１５，１１６はそれぞれ対応するレーザー光源１１１，１１２，１１３から出射したレーザー光が入射する位置に配置しており、入射したレーザー光を平行光とする。
【００２５】
また、図からわかるように、第１レーザー光源１１１および第２レーザー光源１１２は、それぞれから出射するレーザー光の光軸が平行になるようにその向きが調節されている。さらに、第３レーザー光源１１３は、出射するレーザー光の光軸が第１レーザー光源１１１および第２レーザー光源１１２から出射するレーザー光のいずれの光軸とも直角に交わるように、その向きが調節されている。
【００２６】
第１，第２ダイクロイックミラー１１７，１１８は、白色ガラス板に屈折率の異なる誘電体物質を交互に多層コーティングすることなどによって作製され、特定波長域の光を反射（または透過）し、他の波長域の光を透過（または反射）する機能を有する波長選択性のある光学部品である。本実施形態において、第１ダイクロイックミラー１１７は、青色レーザー光（波長域が４００ｎｍ程度のレーザー光）を反射し他の波長域のレーザー光を透過する薄膜が形成されている。第２ダイクロイックミラー１１８は、緑色レーザー光（波長域が５５０ｎｍ程度のレーザー光）を反射し他の波長域のレーザー光を透過する薄膜が形成されている。
【００２７】
また、第１ダイクロイックミラー１１７は、第１レーザー光源１１１から出射する青色レーザー光の光軸と第３レーザー光源１１３から出射する赤色レーザー光の光軸が直角に交わる点上にあり、且つ表面１１７ａ側に第１レーザー光源１１１から出射された青色レーザー光が４５度の入射角を持って入射するように配置されている。また、第２ダイクロイックミラー１１８は、第２レーザー光源１１２から出射する緑色レーザー光の光軸と第３レーザー光源１１３から出射する赤色レーザー光の光軸が直角に交わる点上にあり、且つ表面１１８ａ側に第２レーザー光源１１２から出射する緑色レーザー光が４５度の入射角を持って入射し、裏面１１８ｂ側に第３レーザー光源１１３から出射する赤色レーザー光が４５度の入射角を持って入射するように配置されている。なお、上述のように第２ダイクロイックミラー１１８は緑色レーザー光を反射し他のレーザー光を透過するので、第２ダイクロイックミラー１１８にその裏面１１８ｂから入射した赤色レーザー光はこの第２ダイクロイックミラー１１８を透過し、表面１１８ａから入射した緑色レーザー光はこの第２ダイクロイックミラー１１８で反射する。第２ダイクロイックミラー１１８を透過した赤色レーザー光と反射した緑色レーザー光は第１ダイクロイックミラー１１７の裏面１１７ｂ側から４５度の入射角で第１ダイクロイックミラー１１７に入射する。そして第１ダイクロイックミラー１１７は青色レーザー光を反射し他のレーザー光を透過するので、第１ダイクロイックミラー１１７にその裏面１１７ｂから入射した赤色レーザー光と緑色レーザー光はこの第１ダイクロイックミラー１１７を透過し、表面１１７ａから入射した青色レーザー光はこの第１ダイクロイックミラー１１７で反射する。これにより、赤色レーザー光、緑色レーザー光、青色レーザー光の光軸は一致し、これらのレーザー光は光軸が一致した状態でシリンドリカルレンズ１１９に入射する。
【００２８】
シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）１１９は、少なくとも一つの面が円柱の一部のような形をしたレンズであり、例えば凹面を持つものである場合には、第１ダイクロイックミラー１１７から出射したレーザー光がこの凹面に入射するような姿勢で３次元センサ１０内に配置している。このシリンドリカルレンズ１１９は、入射したレーザー光を線状に延ばす非点収差を生じさせ、これにより光軸から拡がって進行方向に垂直な平面における断面形状がライン状のライン光が作られる。
【００２９】
レーザー駆動回路１３は、第１レーザー駆動回路１３１と、第２レーザー駆動回路１３２と、第３レーザー駆動回路１３３を有している。これらのレーザー駆動回路１３１，１３２，１３３は、コントローラ５０からレーザー光の出射に関する指令信号を入力するとともに、入力した指令信号に基づいて対応するそれぞれのレーザー光源１１１，１１２，１１３にレーザー光を出射するための電流および電圧を供給する。本実施形態において、第１レーザー駆動回路１３１から第１レーザー光源１１１に供給される電流および電圧は第２レーザー駆動回路１３２から第２レーザー光源１１２に供給される電流および電圧よりも小さく、第３レーザー駆動回路１３３から第３レーザー光源１１３に供給される電流および電圧は第２レーザー駆動回路１３２から第２レーザー光源１１２に供給される電流および電圧よりも大きくなるように、それぞれのレーザー光源１１１，１１２，１１３に供給する電流値および電圧値が設定される。したがって、第１レーザー光源１１１から出射する青色レーザー光の強度は最も小さく、第２レーザー光源１１２から出射する緑色レーザー光の強度は青色レーザー光の強度よりも大きく、第３レーザー光源１１３から出射する赤色レーザー光の強度は最も大きくされる。
【００３０】
受光装置１２は、第１フォトセンサ１２１と、第２フォトセンサ１２２と、第３フォトセンサ１２３と、集光レンズ１２４と、第３ダイクロイックミラー１２５と、第４ダイクロイックミラー１２６とを備えて構成されている。集光レンズ１２４は、測定対象物ＯＢからの反射光が入射し得る位置に配置しており、入射する反射光を集光する。第３ダイクロイックミラー１２５は集光レンズ１２４に集光された反射光がその表面１２５ａに入射する位置に配置されている。この第３ダイクロイックミラー１２５には、第１ダイクロイックミラー１１７に形成された薄膜と同様な波長が４００ｎｍ程度の青色レーザー光を反射し他の波長のレーザー光を透過する薄膜が形成されている。したがって、反射光のうちの青色レーザー光はこの第３ダイクロイックミラー１２５にて反射し、他の波長の反射光は透過する。第４ダイクロイックミラー１２６は第３ダイクロイックミラー１２５を透過した反射光がその表面１２６ａに入射するように配置されている。この第４ダイクロイックミラー１２６には、第２ダイクロイックミラー１１８に形成された薄膜と同様な波長が５５０ｎｍ程度の緑色レーザー光を反射し他の波長のレーザー光を透過する薄膜が形成されている。したがって、入射する反射光のうちの緑色レーザー光はこの第４ダイクロイックミラー１２６にて反射し、他の波長の反射光は透過する。
【００３１】
第１フォトセンサ１２１は、第３ダイクロイックミラー１２５で反射した反射光（青色レーザー光）を受光し得る位置に配置している。第２フォトセンサ１２２は、第４ダイクロイックミラー１２６で反射した反射光（緑色レーザー光）を受光し得る位置に配置している。第３フォトセンサ１２３は、第４ダイクロイックミラー１２６を透過した反射光（赤色レーザー光）を受光し得る位置に配置している。これらのフォトセンサ１２１，１２２，１２３は本発明の受光器に相当し、それぞれ受光した反射光に応じた受光信号を出力する。本実施形態において、フォトセンサ１２１，１２２，１２３はＣＣＤなどの受光素子（画素）を面状に配置して長方形状の受光領域を形成したエリアセンサであり、それぞれの受光素子が反射光の受光光量に応じた受光信号を出力する。
【００３２】
３次元画像処理装置４０は、各フォトセンサ１２１，１２２，１２３が出力する受光信号および後述する移動量Ｙに基づいて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成するものであり、第１センサ信号取り出し回路４０１、第２センサ信号取り出し回路４０２、第３センサ信号取り出し回路４０３、第１データ演算回路４１１、第２データ演算回路４１２、第３データ演算回路４１３、送り量計算回路４０４、および３次元画像生成装置４２０を備えて構成されている。第１，第２，第３センサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３は、それぞれ第１，第２，第３フォトセンサ１２１，１２２，１２３の各受光素子が出力する受光信号を入力し、入力した受光信号を増幅するとともにこの受光信号の強度をデジタルデータにしてそれぞれ出力する。送り量計算回路４０４は、フィードモータ３０内のエンコーダからのパルス信号（エンコーダ信号）を入力するとともに、入力したパルス信号から３次元センサ１０のｙ軸方向への移動量Ｙを計算し、３次元画像生成装置４２０及びコントローラ５０に計算結果をデジタルデータにして出力する。
【００３３】
第１データ演算回路４１１、第２データ演算回路４１２、第３データ演算回路４１３は、それぞれコントローラ５０からの指令に基づいて対応するセンサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３が出力する受光信号の強度のデジタルデータを取り込み、取り込んだ受光信号の強度のデジタルデータに基づき、ライン光照射装置１１から測定対象物ＯＢ上におけるライン光の照射位置までの距離Ｌ、光量波形の総光量Ｒ、極大光量Ｈ、半値全幅（ピーク値の半分の値で波形をスライスした時のスライスした箇所の幅）Ｗ、極大光量Ｈと半値全幅Ｗとの比率Ｓ（＝Ｈ／Ｗ）を計算し、３次元画像生成装置４２０へ出力する。上記した値のうち、距離Ｌは、測定対象物ＯＢの３次元形状を計算するときに用いる形状計算用データである。本実施形態において形状計算用データは上記距離Ｌ、移動量Ｙ、および後述する照射角θである。総光量Ｒ、極大光量Ｈ、半値全幅Ｗおよび比率Ｓは、上記の形状計算用データを用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成する場合において、作成された３次元形状データの測定精度の良否を判断することができる評価データ、つまり３次元形状データの測定精度に関する評価データである。これらのデータについては後述する。なお、第１データ演算回路４１１、第２データ演算回路４１２および第３データ演算回路４１３が、本発明の評価データ算出手段に相当する。
【００３４】
３次元画像生成装置４２０は、各データ演算回路４１１，４１２，４１３から入力した形状計算用データから測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成し、作成した３次元形状データを記憶するとともに、入力装置５２およびコントローラ５０を介して作業者から入力される指示に応じ、記憶した３次元形状データを基に測定対象物ＯＢの３次元画像データを作成して表示装置５４に送り、表示装置５４に３次元形状を表示させる。３次元形状データは具体的には測定対象物表面の空間座標系における座標値または座標値の群である。３次元形状データの作成にあたり、３次元画像生成装置４２０は図６に示す評価プログラムの実行により各データ演算回路４１１，４１２，４１３が算出した評価データを評価して、測定精度が良好となる形状計算用データ（すなわち距離Ｌ、移動量Ｙ，照射角θ）を選択し、選択した形状計算用データに基づいて３次元形状データを作成する。なお、形状計算用データのうち、距離Ｌは受光信号から計算されたものであり、距離Ｌを選択すればその他の形状計算用データは一義的に決まる。したがって、３次元画像生成装置４２０は、測定精度が良好となる受光信号を選択し、選択した受光信号とその受光信号に対応するその他の形状計算用データに基づいて３次元形状を作成するものといえる。これについても後述する。３次元画像生成装置４２０が、本発明の選択手段および形状データ作成手段に相当する。
【００３５】
このように構成された３次元形状測定装置１において、作業者が入力装置５２から測定対象物ＯＢの測定開始の命令を入力すると、コントローラ５０は図３に示す形状測定プログラムを実行する。この形状測定プログラムは図３のステップＳ１００にて開始され、次のステップＳ１０２にて、各データ演算回路４１１，４１２，４１３が３次元画像生成装置４２０に出力するデータの出力順を表すデータセット番号ｎを初期化（ｎ＝０）する。次いで、コントローラ５０はステップＳ１０４に進み、フィードモータ３０に回転指令を出力し、３次元センサ１０にレーザー光の出射指令を出力し、各種回路に作動を開始する指令を出力することによって３次元形状測定装置１を起動させる。これにより各レーザー駆動回路１３１，１３２，１３３が作動開始して各レーザー光源１１１，１１２，１１３からレーザー光が出射するとともにフィードモータ３０の駆動により３次元センサ１０が図１のｙ軸方向に移動する。
【００３６】
ステップＳ１０４の処理の実行により第１レーザー駆動回路１３１が作動開始し、所定の電流および電圧を第１レーザー光源１１１に供給する。これにより第１レーザー光源１１１から所定の強度（第１強度）の青色レーザー光が出射する（出射ステップ）。同様に、ステップＳ１０４の処理の実行により第２レーザー駆動回路１３２が作動開始し、第２レーザー光源１１２に所定の電流および電圧を供給する。これにより第２レーザー光源１１２から所定の強度（第２強度）の緑色レーザー光が出射する（出射ステップ）。同様に、ステップＳ１０４の処理の実行により第３レーザー駆動回路１３３が作動開始し、第３レーザー光源１１３に所定の電流および電圧を供給する。これにより第３レーザー光源１１３から所定の強度（第３強度）の赤色レーザー光が出射する（出射ステップ）。ここで、各レーザー光の強度の関係は、「第１強度＜第２強度＜第３強度」である。
【００３７】
図２に示すように、第３レーザー光源１１３より出射した赤色レーザー光は第３コリメートレンズ１１６を通過して平行光とされた後に第２ダイクロイックミラー１１８の裏面１１８ｂに入射する。第２ダイクロイックミラー１１８は緑色レーザー光を反射し他のレーザー光を透過するので、入射した赤色レーザー光はこの第２ダイクロイックミラー１１８を透過する。
【００３８】
また、第２レーザー光源１１２より出射した緑色レーザー光は第２コリメートレンズ１１５を通過して平行光とされた後に第２ダイクロイックミラー１１８の表面１１８ａに入射する。緑色レーザー光はこの第２ダイクロイックミラー１１８で反射して進行方向を直角に変える。この方向変換によって、表面１１８ａで反射した緑色レーザー光の光軸と裏面１１８ｂを透過した赤色レーザー光の光軸が一致する（光軸一致ステップ）。このように光軸が一致した状態で赤色レーザー光と緑色レーザー光が第２ダイクロイックミラー１１８から出射して、第１ダイクロイックミラー１１７の裏面１１７ｂに入射する。第１ダイクロイックミラー１１７は青色レーザー光を反射し他のレーザー光を透過するので、光軸が一致した赤色レーザー光および緑色レーザー光はこの第１ダイクロイックミラー１１７を透過する。
【００３９】
また、第１レーザー光源１１１より出射した青色レーザー光は第１コリメートレンズ１１４を通過して平行光とされた後に第１ダイクロイックミラー１１７の表面１１７ａに入射する。そして、この第１ダイクロイックミラー１１７にて反射して進行方向を直角に変える。この方向変換によって、表面１１７ａで反射した青色レーザー光の光軸と裏面１１７ｂを透過した赤色レーザー光および緑色レーザー光の光軸が一致する（光軸一致ステップ）。これにより全ての波長のレーザー光（青色レーザー光、緑色レーザー光、赤色レーザー光）の光軸が一致し、この状態で第１ダイクロイックミラー１１７から出射する。
【００４０】
第１ダイクロイックミラー１１７から出射したレーザー光はシリンドリカルレンズ１１９に入射し、このシリンドリカルレンズ１１９によってライン光とされる（ライン光生成ステップ）。このライン光は、波長が４５０ｎｍで強度が第１強度である青色のライン光、波長が５５０ｎｍであり強度が第２強度である緑色のライン光、波長が６５０ｎｍであり強度が第３強度である赤色のライン光からなる。このような波長と強度が異なる複数のライン光が光軸を一致させた状態でライン光照射装置１１から出射し、照射断面が図１のｘ軸方向に平行に延びたライン光が測定対象物ＯＢに照射される（照射ステップ）。このとき、波長および強度が異なる複数のライン光が測定対象物ＯＢの同一の部位に同時に照射される。なお、第１ダイクロイックミラー１１７および第２ダイクロイックミラー１１８は、波長および強度が異なる複数のライン光が測定対象物ＯＢの同一部位に照射されるように、前記複数のライン光の光軸を一致させる光軸一致手段に相当する。
【００４１】
上記のようにして測定対象物ＯＢ上に照射されたライン光はその照射部位にて散乱し、散乱光の一部の反射光は集光レンズ１２４を介して第３ダイクロイックミラー１２５に入射する。第３ダイクロイックミラー１２５は青色レーザー光（波長４００ｎｍ程度のレーザー光）を反射し他の波長のレーザー光を透過するので、この第３ダイクロイックミラー１２５によって、反射光中の青色レーザー光の反射光が反射し、他の波長を持つ反射光（本実施形態の場合は残りの緑色レーザー光の反射光および赤色レーザー光の反射光）が透過する。第３ダイクロイックミラー１２５にて反射した青色レーザー光の反射光はその先で第１フォトセンサ１２１に受光される（受光ステップ）。
【００４２】
第３ダイクロイックミラー１２５を透過した反射光は第４ダイクロイックミラー１２６に入射する。第４ダイクロイックミラー１２６は緑色レーザー光（波長５５０ｎｍ程度のレーザー光）を反射し他の波長のレーザー光を透過するので、この第４ダイクロイックミラー１２６によって反射光中の緑色レーザー光の反射光が反射し、他の波長を持つ反射光（本実施形態の場合は残りの赤色レーザー光の反射光）が透過する。第４ダイクロイックミラー１２６にて反射した緑色レーザー光の反射光はその先で第２フォトセンサ１２２に受光される（受光ステップ）。第４ダイクロイックミラー１２６を透過した赤色レーザー光の反射光（波長６５０ｎｍ程度のレーザー光）はその先で第３フォトセンサ１２３に受光される（受光ステップ）。
【００４３】
このように、測定対象物ＯＢに照射された波長と強度が異なる複数のライン光の反射光は、第３ダイクロイックミラー１２５および第４ダイクロイックミラー１２６によってそれぞれの波長ごとに分離される。したがって、この第３ダイクロイックミラー１２５および第４ダイクロイックミラー１２６が本発明におけるフィルタに該当する。この場合、各ライン光の波長と強度は一対一に対応しているので、各反射光の波長と強度も一対一に対応している。したがって、反射光は第３，第４ダイクロイックミラー１２５，１２６によって、強度ごとにも分離されたことになる。各フォトセンサ１２１，１２２，１２３はこのように分離された反射光をそれぞれ波長ごと（強度ごと）に受光する。
【００４４】
反射光をそれぞれの波長ごとに受光する各フォトセンサ１１１，１１２，１１３はＣＣＤなどの各受光素子により構成されており、受光した反射光に応じ、受光光量に相当する強度の受光信号を対応する各センサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３に出力する（受光ステップ）。各センサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３は入力した受光信号を各受光素子の受光信号ごとに増幅し、受光信号の強度をデジタルデータにして出力する。
【００４５】
図３のステップＳ１０４にて３次元形状測定装置１を起動して上記のような作動が開始した後、コントローラ５０は次のステップＳ１０６に進み、このステップＳ１０６にてフィードモータ３０により駆動される３次元センサ１０の移動量Ｙがｎ・ΔＹ以上であるかを判定する。ここで、ｎはデータセット番号であり、最初はステップＳ１０２にて初期化（ｎ＝０）されている。ΔＹは予め設定される距離であり、極めて微小の距離とされる。最初はｎが０であるので、ステップＳ１０６における最初の判定結果はＹｅｓとなってステップＳ１０８に進む。なお、ステップＳ１０６の判定結果がＮｏである場合はＹｅｓとなるまでステップＳ１０６の判定を続ける。
【００４６】
ステップＳ１０８ではコントローラ５０は各データ演算回路４１１，４１２，４１３に対して受光信号のデータを取り込むように指令を出力する（受光信号取得ステップ）。これにより各データ演算回路４１１，４１２，４１３は、それぞれ対応するセンサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３から受光信号の強度のデジタルデータを取り込む。また、データ演算回路４１１，４１２，４１３は、取り込んだ受光信号の強度のデジタルデータに基づいて、上述した距離Ｌ、総光量Ｒ、光量波形の極大光量Ｈ、光量波形の半値全幅Ｗ、比率Ｓを計算し、これらの計算結果を３次元画像生成装置４２０へ出力する。
【００４７】
続いてコントローラ５０はステップＳ１１０に進んで送り量計算回路４０４から移動量Ｙのデータを３次元画像生成装置４２０に取り込むように指令を出力する。次いでステップＳ１１２に進み、取り込んだ移動量Ｙのデータが最大移動量Ｙmax以上であるかを判定する。ここで、最大移動量Ｙmaxは、３次元センサ１０がフィードモータ３０の駆動によってガイド溝に沿ってｙ軸方向に移動することができる最大距離である。移動量Ｙが最大移動量Ｙmax以上であると、これ以上３次元センサ１０をフィードモータ３０の駆動により移動させることはできない。したがって、この場合ステップＳ１１２の判定はＹｅｓとなってステップＳ１１６に進み、ステップＳ１１６にてフィードモータ３０の回転停止、レーザー光の照射停止、各回路の作動停止などの停止処理を行い、さらにステップＳ１１８に進んでこのプログラムの実行を終了する。
【００４８】
一方、ステップＳ１１２にて移動量Ｙが最大移動量Ｙmax未満と判定した場合には、ステップＳ１１４に進み、データセット番号ｎをインクリメントし、ステップＳ１０６に戻って、ステップＳ１０６〜Ｓ１１４の処理を繰り返し実行する。
【００４９】
ステップＳ１０６〜Ｓ１１４の処理を繰り返し実行することにより、３次元センサ１０がフィードモータ３０の駆動によりｙ軸方向にΔＹ移動するごとに各データ演算回路４１１，４１２，４１３はステップＳ１０８にて対応するセンサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３から受光信号の強度のデジタルデータを取得し（受光信号取得ステップ）、取得した受光信号の強度のデジタルデータから、上記距離Ｌ、総光量Ｒ、極大光量Ｈ、半値全幅Ｗ、比率Ｓをそれぞれ算出する。このような受光信号の強度のデジタルデータの取得および上記値の算出は、ステップＳ１１２にて移動量Ｙが最大移動量Ｙmax以上と判定されるまで繰り返し行われ、ステップＳ１１２における判定がＹｅｓとなると終了する。
【００５０】
上記した形状測定プログラムの実行により、図１に示すように照射断面がｘ軸方向に平行に伸びたライン光が測定対象物ＯＢの同一箇所に同時に照射されるとともにこのライン光がｙ軸方向へ移動し、測定対象物ＯＢの全体にライン光が照射される。また、測定対象物ＯＢに対するライン光の照射部位がｙ軸方向に沿ってΔＹ進むごとにその照射部位における反射光の受光信号が各センサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３から各データ演算回路４１１，４１２，４１３にそれぞれ取り込まれ、取り込んだ受光信号から形状計算用データ、評価データを算出して３次元画像生成装置４２０に出力する。次に、各データ演算回路４１１，４１２，４１２が３次元画像生成装置４２０に出力する評価データおよびこの評価データに基づいて３次元画像生成装置４２０が行う処理について説明する。
【００５１】
図４は、測定対象物ＯＢに照射されるライン光の反射光が各フォトセンサ１２１，１２２，１２３に受光された状態を模式的に示す図である。図に示すように、反射光ＲＬはフォトセンサ１２１，１２２，１２３の図示横方向に延びた状態で受光される。なお、フォトセンサ１２１，１２２，１２３は上述したようにＣＣＤなどの受光素子が面状に配置したエリアセンサであり、各受光素子は受光する光量に相当する強度の信号を出力する。また、各センサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３は各フォトセンサ１２１，１２２，１２３の各受光素子が出力する受光信号を増幅して受光信号の強度に相当するデジタル信号を対応するデータ演算回路４１１，４１２，４１３に出力する。よって、各センサ信号取り出し回路４０１，４０２，４０３から対応する各データ演算回路４１１，４１２，４１３に入力するデータは対応する各フォトセンサ１２１，１２２，１２３の各受光素子が受光する光量のデータと考えてよい。
【００５２】
各データ演算回路４１１，４１２，４１３は、図４に示すフォトセンサ１２１，１２２，１２３の受光領域を点線で囲んだ縦方向に細長い領域に区分し、区分領域ｍごとに以下の値を計算して出力する（評価データ算出ステップ）。
（１）受光光量が所定値以上である受光素子が出力する光量の総計である総光量Ｒ
（２）各領域の横方向に配列する受光素子に受光された受光光量を平均し、この平均値を各領域の縦方向に亘って表示した光量波形を作成した場合における、
（２−１）光量波形の極大値を示す縦方向位置（受光位置）に対応する距離Ｌ
（２−２）光量波形の極大値で表される極大（ピーク）光量Ｈ
（２−３）光量波形の極大光量の１／２の大きさのレベルで波形をスライスした場合のスライス箇所の幅（半値全幅）Ｗ
（２−４）（極大光量Ｈ／幅Ｗ）で表される比率Ｓ
【００５３】
図７は上記光量波形およびこの光量波形と上記値との関係を示す図、図８は光量波形の様々な形状パターンを示す図である。上記の値のうち、距離Ｌは、測定対象物の３次元形状を計算するときに用いられる形状計算用データの一つである。この距離Ｌは、ライン光照射装置１１（具体的にはライン光の起点位置）から測定対象物ＯＢにおけるライン光の照射位置までの距離を示し、図７に示すように光量波形の極大光量を示す受光位置（横軸方向位置）から算出される。この距離Ｌの算出の際に、例えば光量波形が図８（ａ）に示すような光量波形である場合には光量が小さすぎるためにその受光位置を明確に特定できない場合がある。また、光量波形が図８（ｂ）に示すような光量波形である場合には極大光量の値が横方向に幅広く形成されているためにその受光位置を明確に特定できない場合がある。このように、距離Ｌの算出精度、ひいては形状計算用データ（距離Ｌ、移動量Ｙ、照射角θ）を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成したときの３次元形状データの測定精度は、光量波形の形状に影響される。ここで、上記総光量Ｒ、極大光量Ｈ、幅Ｗおよび比率Ｓ（＝Ｈ／Ｗ）の値は、図７に示すように光量波形の形状から求められる値あるいは光量波形に関連する値であり、逆にいえば光量波形はこれらの値によって表される。したがって、３次元形状データの測定精度に影響を及ぼす光量波形の形状を表すこれらの値（総光量Ｒ，極大光量Ｈ，幅Ｗおよび比率Ｓ）は、３次元形状データを作成する際における測定精度の良否を判断することができる評価データといえる。
【００５４】
なお、各フォトセンサ１２１，１２２，１２３が反射光を図４に示すように受光した場合、フォトセンサ１２１，１２２，１２３の縦方向の受光位置はライン光照射装置１１から測定対象物ＯＢまでの距離Ｌに相当し、横方向の受光位置はライン光の照射断面ライン上にある照射位置をライン光照射装置１１から見たときの光軸に対する向きを表す照射角θに相当する。したがって、上記光量波形は、ライン光照射装置１１から測定対象物ＯＢまでの距離（図４の縦軸方向）を横軸とした場合の反射光の光量分布を表す波形であるといえ、この波形のピーク位置がライン光照射装置１１から測定対象物ＯＢまでの距離Ｌに相当する位置となる。また、区分領域ｍはフォトセンサ１２１，１２２，１２３の横方向に沿って区分されているから、区分領域ｍごとに距離Ｌを計算することは、照射角θごとに距離Ｌを計算することと同じである。上記照射角θは形状計算用データの一つであって、各区分領域ｍに対応して定めることができる。形状計算用データである距離Ｌ、照射角θ、移動量Ｙから測定対象物ＯＢの３次元形状データ（座標値のデータ）を作成することができる。
【００５５】
３次元画像生成装置４２０は、各データ演算回路４１１，４１２，４１３が出力する上記のようなデータおよび送り量計算回路４０４から入力する移動量Ｙのデータのセット（データセット）をデータセット番号に対応させてメモリに記憶する。したがって、メモリには図５に示すようなデータセットごとのデータが区分領域ｍごとに記憶される。ここで、データセット番号ｎ（ｎ＝０〜ｎmax）における複数のデータのうちの上段のデータ群（Ｌ（ｎ，ｍ，１），Ｒ（ｎ，ｍ，１），Ｈ（ｎ，ｍ，１），Ｗ（ｎ，ｍ，１），Ｓ（ｎ，ｍ，１））は、第１データ演算回路４１１から入力したデータであり、中段のデータ群（Ｌ（ｎ，ｍ，２），Ｒ（ｎ，ｍ，２），Ｈ（ｎ，ｍ，２），Ｗ（ｎ，ｍ，２），Ｓ（ｎ，ｍ，２））は第２データ演算回路４１２から入力したデータであり、下段のデータ群（Ｌ（ｎ，ｍ，３），Ｒ（ｎ，ｍ，３），Ｈ（ｎ，ｍ，３），Ｗ（ｎ，ｍ，３），Ｓ（ｎ，ｍ，３））は第３データ演算回路４１３から入力したデータである。
【００５６】
ここで、第１データ演算回路４１１は第１フォトセンサ１２１で受光した青色レーザー光の反射光を基に算出したデータを３次元画像生成装置４２０に出力しており、青色レーザー光は他の波長のレーザー光に比べて弱い強度である第１強度で第１レーザー光源１１１から出射しているから、各データセット中の上段のデータ群は、ライン光を最も弱い強度（第１強度）で測定対象物ＯＢに照射した場合の反射光から算出されたデータ群である。また、第２データ演算回路４１２は第２フォトセンサ１２２で受光した緑色レーザー光の反射光を基に算出したデータを３次元画像生成装置４２０に出力しており、緑色レーザー光は、青色レーザー光の強度よりも強く赤色レーザー光の強度よりも弱い強度である第２強度で第２レーザー光源１１２から出射しているから、各データセット中における中段のデータ群はライン光を２番目に弱い強度（第２強度）で測定対象物ＯＢに照射した場合の反射光から算出されたデータである。また、第３データ演算回路４１３は第３フォトセンサ１２３で受光した赤色レーザー光の反射光を基に算出したデータを３次元画像生成装置４２０に出力しており、赤色レーザー光は他の波長のレーザー光に比べて強い強度である第３強度で第３レーザー光源１１３から出射しているから、各データセット中における下段のデータ群は、ライン光を最も強い強度（第３強度）で測定対象物ＯＢに照射した場合の反射光から算出されたデータである。すなわち、３次元画像生成装置４２０には、データセットごとに、強度の異なる３種のライン光を測定対象物ＯＢの同一部位に照射した場合における、それぞれのライン光の反射光から得られるデータが記憶されていることになる。
【００５７】
３次元画像生成装置４２０は、区分された各領域について図５に示すデータセットが記録されると、図６に示す評価プログラムを実行する。
【００５８】
図６に示す評価プログラムは、各データセット中における強度がそれぞれ異なる各段のデータ群中の評価データを評価して、測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成したときに測定精度が良好となる形状計算用データを含むデータ群をデータセットごとに選択するためのプログラムである。この評価プログラムは図のステップＳ２００にて開始され、ステップＳ２０２にてデータセット番号ｎが初期化（ｎ＝０）され、ステップＳ２０４にてフォトセンサ１２１，１２２，１２３の区分された領域を示す領域カウンタｍも初期化（ｍ＝１）される。次いで、３次元画像生成装置４２０はステップＳ２０６に進んで区分領域ｍにおけるｎ番目のデータセットの総光量Ｒを表す評価データをそれぞれのデータ群から取り出し、上段の評価データＲ（ｎ，ｍ，１）をＲ０に、中段の評価データＲ（ｎ，ｍ，２）をＲ１に、下段の評価データＲ（ｎ，ｍ，２）をＲ２にそれぞれ代入する。次いで、ステップＳ２０８にて、Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２のうちで総光量が下限値Ａ以上且つ上限値Ｂ以下である評価データを抽出する（選択ステップ）。抽出の基準となる光量ＡおよびＢは、光量波形から的確に（精度よく）受光位置を特定することができる程度の総光量Ｒの上限値および下限値であり、総光量がＡ〜Ｂの範囲内にあれば、その評価データが属するデータ群中の形状計算用データを基に３次元形状データを作成した場合に、測定精度は良好になると判断される。このステップの処理の実行により、図８（ａ）に示すように総光量が小さすぎて明確な受光位置を特定できない光量波形や、図８（ｂ）に示すように総光量が大きすぎて明確な受光位置を特定できない光量波形を表すデータ群が除外される。
【００５９】
ここで、測定対象物ＯＢの反射率が高い部位に強度の大きいライン光（例えば赤色レーザー光）が照射されると、反射光の総光量が大きすぎて明確な受光位置を特定することができないことになる。一方、測定対象物ＯＢの反射率が低い部位に強度の小さいライン光（例えば青色レーザー光）が照射されると、反射光の総光量が小さすぎて明確な受光位置を特定することができないことになる。これらの場合には、特定した受光位置が実際の受光位置からずれている場合が多く、この受光位置を基に測定対象物の３次元形状データを作成すると、そのデータの測定精度は悪いものとなる。よって、このステップＳ２０８では、総光量に基づいて上記のような測定精度が悪くなると考えられるデータ群を除外し、測定精度が良好と考えられるデータ群を選び出す処理を行っていることになる。
【００６０】
次に、３次元画像生成装置４２０はステップＳ２１０に進み、ステップＳ２０８で抽出された評価データの個数が一つであるかを判定する。ステップＳ２１０における判定がＹｅｓの場合、つまり取り出された３つの総光量の評価データを評価した結果、３次元形状データの測定精度が良好と考えられるデータ群がデータセット番号ｎにおける上段、中段、下段に記憶したデータ群のうちから一つに絞り込まれた場合はステップＳ２２２に進む。一方、ステップＳ２１０における判定がＮｏの場合、つまり抽出した評価データの個数が複数である場合は、さらにデータ群を絞り込むため次のステップＳ２１２に進む。なお、ステップＳ２０８で抽出された評価データが一つもない場合も、ステップＳ２１２に進む。
【００６１】
ステップＳ２１２では、区分領域ｍにおけるｎ番目のデータセットの極大光量Ｈの評価データを取り出し、上段の評価データＨ（ｎ，ｍ，１）をＨ０に、中段の評価データＨ（ｎ，ｍ，２）をＨ１に、下段の評価データＨ（ｎ，ｍ，２）をＨ２にそれぞれ代入する。この場合において、上記のステップＳ２０８にて抽出されなかった総光量Ｒの評価データが含まれる段のデータ群からは、このステップで極大光量Ｈの評価データを取り出さなくてもよい。次いで、ステップＳ２１４にて、Ｈ０，Ｈ１，Ｈ２のうちで極大光量が基準光量Ｃ以下である評価データを抽出する（選択ステップ）。ここで、基準光量Ｃは、的確に受光位置を特定することができるような極大光量の上限値であり、極大光量がＣ以下であれば、その評価データが属するデータ群中の形状計算用データを基に３次元形状データを作成した場合に、測定精度は良好になると判断される。このステップの実行により、図８（ｃ）に示す光量波形のように極大光量の値が大きすぎてフォトセンサ１２１，１２２，１２３の受光素子が出力する信号強度の上限を超えてしまい、光量波形の極大光量値が飽和するために明確な受光位置を特定することができない光量波形を表すデータ群が除外される。
【００６２】
ここで、測定対象物ＯＢの反射率が高い部位に強度の大きいライン光（例えば赤色レーザー光）が照射されると、受光光量のピーク値が大きすぎてフォトセンサの受光素子が出力する信号強度の上限を超えてしまい、波形のピーク値が飽和するため明確に受光位置が特定できない。この場合には、特定した受光位置が実際の受光位置からずれている場合が多く、この受光位置を基に測定対象物の３次元形状データを作成すると、そのデータの測定精度は悪いものとなる。よって、このステップＳ２１４では、極大光量に基づいて上記のような測定精度が悪くなると考えられるデータ群を除外し、測定精度が良好と考えられるデータ群を選び出す処理を行っていることになる。
【００６３】
次に、３次元画像生成装置４２０はステップＳ２１６に進み、ステップＳ２１４で抽出された評価データの個数が一つであるかを判定する。ステップＳ２１６における判定がＹｅｓである場合、つまり、取り出された極大光量の評価データを評価した結果、３次元形状データの測定精度が良好と考えられるデータ群が一つに絞り込まれた場合はステップＳ２２２に進む。一方、ステップＳ２１６における判定がＮｏの場合は、総光量および極大光量を評価しても未だ複数のデータ群が残っていることを示す。この場合は、残っているデータ群からいずれかのデータ群を選択するために次のステップＳ２１８に進む。
【００６４】
ステップＳ２１８では、区分領域ｍにおけるｎ番目のデータセットの比率Ｓの評価データを取り出し、上段の評価データＳ（ｎ，ｍ，１）をＳ０に、中段の評価データＳ（ｎ，ｍ，２）をＳ１に、下段の評価データＳ（ｎ，ｍ，２）をＳ２にそれぞれ代入する。この場合において、上記のステップＳ２０８にて抽出されなかった総光量Ｒの評価データが含まれる段のデータ群およびステップＳ２１４にて抽出されなかった極大光量Ｈの評価データが含まれる段のデータ群からは、このステップで比率Ｓの評価データを取り出さなくてもよい。次いで、ステップＳ２２０に進み、取り出した比率Ｓの評価データＳ０、Ｓ１，Ｓ２のうちで最大のものを選択する（選択ステップ）。このステップは、測定対象物ＯＢの３次元形状を計算するデータとして最も適したデータ群を比率Ｓに基づいて選択する処理であり、例えば図８（ｅ）で示される光量波形と図８（ｆ）で示される光量波形とを比較したときに、比率Ｓの大きい波形、すなわちより急峻なピークを有する波形を選択する処理である。この処理は所定の範囲に該当するものを抽出する処理ではなく、評価データ同士を比較して最も好ましい値を選択する処理であるので、このステップＳ２２０の選択により残るデータ群は必ず一つとなる。
【００６５】
ここで、光量波形の比率Ｓが小さい場合には、波形の高さに対して幅が大きいということになるから、波形形状が末広がりとなってピーク部分の形状がなだらかになる。このような形状の場合には、ピーク部分の値（極大光量）が同程度の受光位置が複数存在する可能性があるので、明確な受光位置を特定することができない場合がある。よって、このステップＳ２２０では、波形形状の高さと幅の比率に基づいて上記のような測定精度が悪くなると考えられるデータ群を除外し、測定精度が最も良好と考えられるデータ群を選び出す処理を行っていることになる。
【００６６】
以上のステップＳ２０６〜Ｓ２２０の処理の実行、より具体的にはステップＳ２０８、ステップＳ２１４、ステップＳ２２０におけるいずれかの抽出あるいは選択によって、最終的に一つの評価データが抽出される。そして、次のステップＳ２２２にて、最終的に抽出された評価データが属するデータ群が選択される。選択したデータ群中の距離Ｌや評価データは受光信号から計算されるものであるので、このステップの処理の実行によるデータ群の選択は、３つのフォトセンサ１２１，１２２，１２３が出力する受光信号のうち、３次元形状データ作成の際の測定精度が最もよい（良好）と考えられる受光信号を選択したことになる（選択ステップ）。続いて、ステップＳ２２４にて、選択されたデータ群の中の形状計算用データである距離Ｌおよび、移動量Ｙ、照射角θに基づいて、測定対象物ＯＢ上へのライン光の照射位置の座標値である３次元形状データを算出する（形状データ作成ステップ）。この場合、算出すべき座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、（Ｌ・sinθ，Ｙ，Ｌ・cosθ）の計算により求められる。
【００６７】
次いで、３次元画像生成装置４２０は、ステップＳ２２６に進んで現在評価しているデータセットが算出された区分領域ｍが最後の区分領域ｍendであるかを判定する。区分領域ｍがｍendでない場合は未だ上記の処理を行っていない区分領域が残っていると判断してステップＳ２２８に進み、このステップＳ２２８にてｍをインクリメントした後にステップＳ２０６に戻って再度上記した抽出処理を行う。この繰り返しにより全ての区分領域においてデータセット中の最適なデータ群が選択され、選択されたデータセット中のデータ群の値に基づいて３次元の座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が計算される。また、このステップＳ２２６にてｍがｍendと判定した場合はステップＳ２３０に進む。
【００６８】
ステップＳ２３０では、現在のデータセット番号ｎに１を加えた数が最大データセット番号ｎmaxよりも大きいかを判定する。この判定がＹｅｓの場合は次に評価するデータセットが存在しないと判断し、ステップＳ２３４に進んでこのプログラムの実行を終了する。この判定がＮｏである場合は未だ抽出可能なデータセットが残っていると判断してステップＳ２３２に進んでデータセット番号ｎに１を加え、ステップＳ２０４に戻って再度抽出処理を繰り返す。この繰り返しによりｙ軸方向に沿った測定対象物ＯＢの全ての領域において、最適なデータ群から測定対象物ＯＢの３次元形状を示す座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が計算される。
【００６９】
なお、図７の評価プログラムの実行が終了する時点で３次元センサ１０は既に最終位置に達しているので、図７の評価プログラムが終了する以前に、図３の形状測定プログラムのステップＳ１１２にて移動量Ｙが最大移動量Ｙmaxに達している（Ｙｅｓ）と判断されてステップＳ１１６に進み、３次元画像生成装置４２０を除きステップＳ１０４で作動した各装置および各回路を停止させ、ステップＳ１１８にてこのプログラムの実行が終了している。
【００７０】
以上の処理により、３次元画像生成装置４２０にて３次元形状データ（座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のデータ群）が作成され、メモリに記憶される。そして、作業者による入力装置５２を介した指示によって、３次元画像生成装置４２０は記憶した３次元形状データに基づいて測定対象物ＯＢの３次元画像データを生成して表示装置５４に送り、表示装置５４に３次元形状を表示させる。
【００７１】
本実施形態の３次元形状測定装置１によれば、ライン光照射装置１１により波長および強度が異なる複数のライン光が測定対象物ＯＢの同一箇所に照射されるとともに、測定対象物ＯＢに照射されたライン光の反射光が第３ダイクロイックミラー１２５および第４ダイクロイックミラー１２６により波長ごと（強度ごと）に分離される。分離された各波長（各強度）の反射光はそれぞれフォトセンサ１２１，１２２，１２３により受光され、フォトセンサ１２１，１２２，１２３は受光した反射光に応じた受光信号を出力する。データ演算回路４１１，４１２，４１３はこれらの受光信号から、その受光信号を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合における３次元形状データの測定精度に関する評価データを受光信号ごとに算出する。この評価データが３次元画像生成装置４２０によって評価されて、３次元形状データの測定精度が良好と判断される受光信号が選択される。これにより測定対象物ＯＢの反射率が変化している場合でも変化した反射率に見合った強度で照射されたライン光の反射光の受光信号を選択することができ、こうして選択した受光信号を用いて３次元形状データを作成することにより、測定対象物ＯＢの反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止あるいは抑制することができる。
【００７２】
なお、本発明は様々な変形が可能である。上記実施形態においては、３次元センサ１０はライン状のレーザー光を移動機構により直線状に移動するようにしたが、３次元センサはライン状のレーザー光を移動するとともに測定対象物ＯＢからの反射光をフォトセンサなどの受光器で受光するものであればどのような形態のものでもよい。例えば、レーザー光源や受光器が収納した筐体を回転機構により回転させることでライン状のレーザー光を移動させるように３次元センサを構成してもよいし、ライン状のレーザー光をガルバノミラーで反射させ、ガルバノミラーを回転させることによりライン状のレーザー光を移動させるように３次元センサを構成してもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、ライン状のレーザー光を作成するのにシリンドリカルレンズを用いたが、走査することなくライン状のレーザー光を作成することができるもの、つまりレーザー光の断面形状を変形させることによりライン光を作成するものであればどのような手段を用いても良い。例えばプリズムを用いてもよいし、円筒状のレンズを用いてもよい。なお、走査することによりライン光を作成するものにおいて本発明を適用しても、差し支えない。
【００７４】
また、上記実施形態では、３次元形状データを作成するための形状計算用データを選択するために、評価データとして総光量、極大光量および（光量／幅）の比率を用いたが、この中のいくつかを選択して用いてもよいし、これらとは別に波形幅を用いてもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では波長と強度の異なるレーザー光をダイクロイックミラーを用いて光軸が同一になるようにしたが、ダイクロイックミラーを用いずそれぞれのレーザー光の出射位置を少しずつ異ならせておき、各データ演算回路４１１，４１２，４１３が出力するデータに対応する移動量Ｙをそれぞれのレーザー光の出射位置の差分だけ補正して３次元形状データを計算するようにしてもよい。
【００７６】
また、上記実施形態では３つの異なる強度のライン光を測定対象物に照射した例を示したが、２つの異なる強度のライン光、あるいは４つ以上の異なる強度のライン光を測定対象物に照射してもよい。さらに、ライン光の照射部位に応じて強度の大きさや数を変化させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施形態に係る３次元形状測定装置の全体概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る３次元形状測定装置の３次元センサ、３次元画像処理装置の内部構造、および、３次元センサ、３次元画像処理装置、コントローラ、表示装置間での信号のやり取りの状態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るコントローラが実行する形状測定プログラムのフローチャートである。
【図４】ライン光が測定対象物にて反射した反射光がフォトセンサに受光された状態を模式的に示した図である。
【図５】３次元画像生成装置のメモリに記憶されるデータセットごとのデータの例を示す図である。
【図６】３次元画像生成装置が実行する評価プログラムのフローチャートである。
【図７】フォトセンサの区分領域にて受光した反射光の光量の分布を示す光量波形の例を示す図である。
【図８】光量波形のいくつかの形状パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…３次元形状測定装置、１０…３次元センサ、１１…ライン光照射装置、１１１…第１レーザー光源、１１２…第２レーザー光源、１１３…第３レーザー光源、１１７…第１ダイクロイックミラー（光軸一致手段）、１１８…第２ダイクロイックミラー（光軸一致手段）、１１９…シリンドリカルレンズ、１２…受光装置、１２１…第１フォトセンサ（受光器）、１２２…第２フォトセンサ（受光器）、１２３…第３フォトセンサ（受光器）、１２５…第３ダイクロイックミラー（フィルタ）、１２６…第４ダイクロイックミラー（フィルタ）
３０…フィードモータ（移動手段）、４０…３次元画像処理装置、５０…コントローラ、４０１…第１センサ信号取り出し回路、４０２…第２センサ信号取り出し回路、４０３…第３センサ信号取り出し回路、４０４…送り量計算回路、４１１…第１データ演算回路（評価データ算出手段）、４１２…第２データ演算回路（評価データ算出手段）、４１３…第３データ演算回路（評価データ算出手段）、４２０…３次元画像生成装置（選択手段、形状データ作成手段）
【図１】
2008216098.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008216098.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2008216098.tif 000008
【図７】
2008216098.tif 000009
【図８】
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