(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。【解決手段】  ライン光出射装置１１から測定対象物ＯＢに異なる強度を持つライン光を照射し、フォトセンサ１１０はそれぞれの強度のライン光についての反射光を受光し、その反射光に応じた受光信号を出力する。フォトセンサ１１０が出力する受光信号は、ライン光の強度が変化するごとにセンサ信号取り出し回路４０２を介してデータ演算回路４０４に読み込まれ、データ演算回路４０４は読み込んだ受光信号から評価データとして総光量Ｒ、極大光量Ｈ、半値全幅Ｗ、および比率Ｈ／Ｗを算出する。３次元画像生成装置４０８は、データ演算回路４０４が算出した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になる受光信号を選択し、選択した受光信号に基づき測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成する。【選択図】  図２
2008215975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ライン光を測定対象物に向けて出射するライン光出射装置と、前記ライン光出射装置から出射して測定対象物に照射されたライン光の反射光を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受光器と、少なくとも前記受光器が出力する受光信号に基づき測定対象物の３次元形状データを作成するデータ処理手段とを備える３次元形状測定装置において、
測定対象物に照射されるライン光の強度が繰り返し変化するように前記ライン光出射装置または前記ライン光出射装置から出射されるライン光の強度を制御する強度制御装置を備えるとともに、
前記データ処理手段は、
測定対象物に照射されるライン光の強度が変化するごとに前記受光器が出力する受光信号を取得し、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３】
請求項２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４】
請求項２または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５】
請求項４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６】
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って強度が変化するライン光を出射し、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受光器が出力する受光信号を、測定対象物にライン光が異なる強度で照射されるごとに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になる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。
【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、その照射部位における測定対象物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次元測定が適用される場合がある。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とし、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、測定対象物への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向けて出射するライン光出射装置と、前記ライン光出射装置から出射して測定対象物に照射されたライン光の反射光を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受光器と、少なくとも前記受光器が出力する受光信号に基づき測定対象物の３次元形状データを作成するデータ処理手段とを備える３次元形状測定装置において、測定対象物に照射されるライン光の強度が繰り返し変化するように前記ライン光出射装置または前記ライン光出射装置から出射されるライン光の強度を制御する強度制御装置を備えるとともに、前記データ処理手段は、測定対象物に照射されるライン光の強度が変化するごとに前記受光器が出力する受光信号を取得し、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値に基づいて、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、を備えるものとした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、測定対象物には強度が繰り返し変化するライン光が照射され、それぞれの強度のライン光についての反射光が受光器で受光されるとともに、受光器はその反射光に応じた受光信号をライン光のそれぞれの強度ごとに出力する。受光器から出力された受光信号は評価データ算出手段によりそれぞれの受光信号に対応したライン光の強度ごとに取得されるとともに、取得されたライン光の強度ごとの受光信号から評価データが算出される。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は好ましい値となり、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、選択手段によってこのように算出された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、強度が繰り返し変化するようにライン光を測定対象物に照射するとともに、選択手段による受光信号の選択によって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が照射されたときの反射光に応じた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りライン光とした場合においても本発明を適用することができる。
【００１０】
上記発明において、上記強度制御装置によるライン光の強度の変化は、繰り返し変化するものであればどのようなものでもよい。例えば、ライン光の強度レベルをＬｖ１〜Ｌｖ５の５段階に設定し、所定時間間隔ごと、またはライン光が所定方向に進行していくものであれば所定間隔ごとに強度レベルを昇順、降順あるいはランダムに変更していくものでもよいし、ライン光の強度レベルを最低強度から最高強度まで連続的に上昇または下降させることを繰り返すようなものでもよい。また、ライン光の強度変化は周期的であるのが制御性の面で好ましいが、それ以外の利点がある場合は周期的でなくてもよい。例えば測定対象物のある領域の反射率と別の領域の反射率とが明らかに異なっている場合などは、強度変化範囲がそれぞれの領域に見合ったライン光を照射してもよい。
【００１１】
また、上記強度制御装置は、測定対象物に照射されるライン光の強度を変化するものであればよい。したがって、ライン光の基となるレーザー光自体の強度が変化するようにライン光出射装置を制御するものであってもよいし、あるいはライン光出射装置から出射した後のライン光の強度を変化させるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記発明において、評価データ算出手段は、受光器が出力する受光信号をライン光の異なる強度ごとに取得し、取得した受光信号からライン光の異なる強度ごとに評価データを算出するものであればよい。例えば上記例のようにライン光の強度レベルをＬｖ１〜Ｌｖ５まで５段階に設定している場合には、Ｌｖ１，Ｌｖ２，Ｌｖ３，Ｌｖ４，Ｌｖ５の強度を持つライン光がそれぞれ測定対象物に照射されたときの反射光の受光信号をそれぞれ別個に取得し、取得したそれぞれの受光信号からそれぞれ評価データを算出するものであるとよい。ライン光の強度が連続的に変化する場合には、所定の時間間隔ごとに、照射されたライン光の反射光の受光信号をそれぞれ取得し、取得したそれぞれの受光信号からそれぞれ評価データを算出するものであるとよい。
【００１３】
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、その受光領域は、ライン光出射装置（正確にはライン光の照射源であるレーザー光源）からそ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出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亘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。
【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出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、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最も適したものを選び出し、選び出された評価データの算出の基となる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出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出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出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出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、上記移動手段を設けている場合、移動手段によるライン光出射装置の移動によって、測定対象物へのライン光の照射部位がその照射断面に垂直な方向に沿って移動するので、この方向に沿ってライン光の強度が変化する。この場合、上記選択手段は、ライン光出射装置の移動方向に沿って複数の強度を持つライン光が照射された所定領域内で、受光器が受光するそれぞれの強度ごとのライン光についての反射光の受光信号から得られる評価データの群を一つのグループとし、このグループ内の評価データに基づいて、３次元形状データの測定精度が最も良好であると判断される一つの受光信号を上記各所定領域から選出するものであるとよい。このようにすることにより、すべての上記所定領域において精度の良好な３次元形状データを作成することができる。さらにこの場合、それぞれのグループに属する評価データは同一の数であり、且つグループ内のそれぞれの評価データは、その算出の基となる受光信号がそれぞれ異なる強度のライン光の反射光に応じて受光器から出力されるものであるとよい。このようにすることにより、効率的に精度の高い３次元形状の測定を行うことができる。
【００１８】
また、本発明の他の特徴は、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って強度が変化するライン光を出射し、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受光器が出力する受光信号を、測定対象物にライン光が異なる強度で照射されるごとに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になる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あるいは抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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た長孔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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、これらの入力信号およびコントローラ５０から入力された制御情報を基に測定対象物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。
【００２４】
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、ライン光出射装置１１と、集光レンズ１０８と、受光器としてのフォトセンサ１１０と、レーザー強度制御回路１１４を備えて構成されている。またライン光出射装置１１は、レーザー光源１０２と、コリメートレンズ１０４と、シリンドリカルレンズ１０６と、レーザー駆動回路１１２とを備えている。
【００２５】
レーザー光源１０２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。コリメートレンズ１０４はレーザー光源１０２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。シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）１０６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、コリメートレンズ１０４にて平行光とされ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１０６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。
【００２６】
集光レンズ１０８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。フォトセンサ１１０は集光レンズ１０８に入射した反射光が結像する位置に配置されている。このフォトセンサ１１０は、ライン光出射装置１１から出射して測定対象物ＯＢに照射されたライン光の反射光を集光レンズ１０８を介し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出力する。本実施形態において、フォトセンサ１１０はＣＣＤなどの受光素子（画素）を面状に配置して長方形状に構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。
【００２７】
レーザー駆動回路１１２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レーザー光源１０２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。レーザー強度制御回路１１４は、コントローラ５０からレーザー光の強度の制御に関する指令信号を入力するとともに、レーザー光源１０２から出射するレーザー光の強度が入力した指令信号に応じたレーザー強度となるように、レーザー駆動回路１１２がレーザー光源１０２に出力する電流および電圧を制御する。よって、レーザー光源１０２から出射するレーザー光の強度はこのレーザー強度制御回路１１４により制御されることになる。本実施形態においてレーザー強度制御回路１１４は、後述するようにコントローラ５０からの指令に基づいて、測定対象物ＯＢに照射されるライン光の強度が繰り返し段階的に変化するようにライン光出射装置１１（レーザー駆動回路１１２）を制御する。
【００２８】
３次元画像処理装置４０は、フォトセンサ１１０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、センサ信号取り出し回路４０２と、データ演算回路４０４と、送り量計算回路４０６と、３次元画像生成装置４０８とを備えて構成されている。センサ信号取り出し回路４０２は、コントローラ５０からの指示に基づきフォトセンサ１１０の各受光素子（画素）が出力する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データ演算回路４０４に出力する。送り量計算回路４０６は、コントローラ５０からの指示に基づきフィードモータ３０内のエンコーダからのパルス信号を入力するとともに、入力されたパルス信号から３次元センサ１０のｙ軸方向への移動量Ｙを計算し、データ演算回路４０４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。
【００２９】
データ演算回路４０４は、コントローラ５０からの指令に基づいてセンサ信号取り出し回路４０２が出力する受光信号の強度のデジタルデータと送り量計算回路４０６が出力する３次元センサ１０の移動量Ｙ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から、ライン光出射装置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、総光量Ｒ、光量波形の極大光量Ｈ、光量波形の半値全幅（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、移動量Ｙとともに３次元画像生成装置４０８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次元形状データを作成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、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、データ演算回路４０４が本発明の評価データ算出手段に相当する。
【００３０】
３次元画像生成装置４０８は、データ演算回路４０４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っては、３次元画像生成装置４０８は図７に示す評価プログラムの実行によりデータ演算回路４０４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４０８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４０８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。
【００３１】
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、データ演算回路４０４が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。これによりレーザー駆動回路１１２が作動開始してレーザー光源１０２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。
【００３２】
コントローラ５０はステップＳ１０４にて３次元形状測定装置１を起動した後、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６にて、ライン光の強度レベルＬｖがＬｖ１で表される強度となるように、コントローラ５０がレーザー強度制御回路１１４に対して指令信号を出力する。ここで、本実施形態においては、ライン光の強度レベルＬｖはＬｖ１〜Ｌｖ５の５段階あり、Ｌｖ１が最も小さい強度であり、レベルの値が増えるにつれて強度が大きくなり、Ｌｖ５が最も大きい強度となるように設定されている。このライン光の強度レベルＬｖはコントローラ５０によって指定され、レーザー強度制御回路１１４はライン光がコントローラ５０によって指定された強度レベルに応じた強度となるように、レーザー駆動回路１１２がレーザー光源１０２に供給する電流および電圧を制御する。この場合、ステップＳ１０６の処理においてはレーザー光源１０２からＬｖ１で表される最も弱い強度を持つレーザー光が出射する。
【００３３】
ステップＳ１０６の処理により定められた強度Ｌｖ１でレーザー光がレーザー光源１０２から出射すると、図２に示すようにレーザー光はコリメートレンズ１０４を通過し、このコリメートレンズ１０４により平行光とされた後にシリンドリカルレンズ１０６に入射し、このシリンドリカルレンズ１０６によってライン光とされる。そして、このライン光がライン光出射装置１１から測定対象物ＯＢに向けて出射する。ライン光出射装置１１から出射した強度Ｌｖ１のライン光は測定対象物ＯＢに照射され（照射ステップ）、その照射部位にて散乱する。散乱光の一部の反射光は集光レンズ１０８を介してフォトセンサ１１０に受光される（受光ステップ）。フォトセンサ１１０を構成するＣＣＤなどの各受光素子は、受光光量に相当する強度の受光信号をセンサ信号取り出し回路４０２に出力する（受光ステップ）。センサ信号取り出し回路４０２は入力した受光信号を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。
【００３４】
次いで、コントローラ５０は図３のステップＳ１０８に進み、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、初回はステップ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。上述のように初回はｎが０であるので、ステップＳ１０８における最初の判定結果はＹｅｓとなってステップＳ１１０に進む。なお、ステップＳ１０８の判定結果がＮｏである場合はＹｅｓとなるまでステップＳ１０８の判定を続ける。
【００３５】
ステップＳ１１０ではコントローラ５０はデータ演算回路４０４に対して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）。これによりデータ演算回路４０４は、センサ信号取り出し回路４０２から受光信号の強度のデジタルデータを、送り量計算回路４０６から３次元センサ１０の移動量Ｙのデジタルデータを取り込む。また、データ演算回路４０４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移動量Ｙおよび現在のデータセット番号ｎとともに３次元画像生成装置４０８へ出力する。
【００３６】
続いてコントローラ５０はステップＳ１１２に進んでタイマーＴをリセットするとともに、タイマーＴによる時間計測を開始する。次にステップＳ１１４に進んでタイマーＴの計測時間が基準時間Ｔ０以上であるかを判定する。この判定はＴがＴ０以上となるまで繰り返され、ＴがＴ０以上となった場合にステップＳ１１６に進む。ステップＳ１１６では送り量計算回路４０６にて計算される移動量Ｙ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移動可能な最大距離である。移動量Ｙが最大移動量Ｙmax以上である場合はこれ以上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、この場合はステップＳ１２６に進んでフィードモータ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Ｓ１２８に進んでタイマーＴによる時間計測を停止し、ステップＳ１３０にてこのプログラムの実行を終了する。
【００３７】
一方、ステップＳ１１６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Ｓ１１８に進み、現在のライン光の強度レベルＬｖが最大レベルＬｖmaxであるかを判定する。本実施形態では、ライン光の強度の最大レベルはＬｖ５であるので、このステップでは現在のライン光の強度レベルＬｖがＬｖ５であるかを判定する。この判定結果がＹｅｓである場合はステップＳ１２０に進み、Ｎｏである場合はステップＳ１２２に進む。なお、最初にこのステップを通るときのライン光の強度レベルＬｖはＬｖ１であるので、この場合判定結果がＮｏとなってステップＳ１２２に進む。
【００３８】
ステップＳ１１８にて現在のライン光の強度レベルが最大レベルでないと判定してステップＳ１２２に進んだ場合、このステップＳ１２２にて、ライン光の強度レベルＬｖが現在の強度レベルから一段階上昇するように、コントローラ５０がレーザー強度制御回路１１４に指令を出力する。これによりレーザー強度制御回路１１４は、レーザー駆動回路１１２がレーザー光源１０２に供給する電流および電圧を制御して、レーザー光源１０２から出射するレーザー光の強度が変更すべき強度レベルで表される強度となるようする。ここで、ステップＳ１２２を最初に通る場合は現在のライン光の強度レベルＬｖはＬｖ１であるので、このステップＳ１２２にてライン光の強度レベルＬｖがＬｖ１からＬｖ２とされる。その後ステップＳ１２４に進んでデータセット番号ｎをインクリメントし、ステップＳ１０８に戻って、ステップＳ１０８〜Ｓ１１８，Ｓ１２２，Ｓ１２４の処理を繰り返し実行する。
【００３９】
ステップＳ１０８〜Ｓ１１８，Ｓ１２２，Ｓ１２４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、ライン光の強度レベルＬｖがステップＳ１２２にて１ランクずつアップする。このため、測定対象物ＯＢに照射されるライン光の強度が上記のステップの繰り返しにより変化するごとに、データ演算回路４０４はステップＳ１１０にてセンサ信号取り出し回路４０２から受光信号の強度のデジタルデータを取得する（受光信号取得ステップ）。データ演算回路４０４はライン光の強度が変化するごとに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。なお、ステップＳ１１４にてタイマーＴの計測時間が基準時間Ｔ０に達するまで次のステップＳ１１６に進まないようにしているのは、データ演算回路４０４がステップＳ１１０にて行うデータの取り込み作業が完了するまでに多少の時間がかかるため、このデータの取り込みが終わる前にステップＳ１２２に進んでライン光の強度レベルが変化してしまうのを防ぐためである。
【００４０】
ステップＳ１０８〜Ｓ１１８，Ｓ１２２，Ｓ１２４の繰り返しが５回行われると、ライン光の強度レベルＬｖがＬｖ５に達する。この場合はステップＳ１１８の判定にてＹｅｓと判定されて、ステップＳ１２０に進む。このステップＳ１２０にてデータセット番号ｎがインクリメントされ、その後ステップＳ１０６に戻ってライン光の強度レベルＬｖがＬｖ１に戻されて、再度ステップＳ１０８〜Ｓ１１８，Ｓ１２２，Ｓ１２４の処理が繰り返される。したがって、ステップＳ１０６〜Ｓ１２４の処理を繰り返し行うことにより、ライン光の強度が段階的に上昇することが繰り返し行われる。この様子を図４に示す。図４に示すように、フィードモータ３０の駆動により３次元センサ１０がΔＹ移動するごとに、ライン光の強度レベルＬｖはＬｖ１から順に段階的に上昇し、Ｌｖ５まで達すると再度Ｌｖ１に戻ることを繰り返す。なお、本実施形態ではライン光の強度レベルをＬｖ１からＬｖ５までの５段階としたが、それ以外の数に段階分けしてもよい。
【００４１】
上記した形状測定プログラムの実行により、ライン光出射装置１１からは、３次元センサ１０がｙ軸方向に沿ってΔＹ進むごとに強度が段階的に上昇するライン光が出射される。このため測定台２上に載置されている測定対象物ＯＢには、ｙ軸方向に沿ってΔＹごとに強度が繰り返し変化したライン光がｘ−ｚ平面に平行に延びて照射される。
【００４２】
また、３次元画像生成装置４０８にはデータ演算回路４０４が出力する形状計算用データ、評価データがデータセット番号ｎとともに記憶されていく。そして、ステップＳ１１６にて移動量Ｙが最大移動量Ｙmax以上となった場合にデータの記憶が終了する。次に、データ演算回路４０４が出力して３次元画像生成装置４０８に記憶されるデータについて説明する。
【００４３】
図５は、ライン光が測定対象物ＯＢにて反射した反射光がフォトセンサ１１０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１１０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１１０は上述したようにＣＣＤが面状に配置したエリアセンサであり、ＣＣＤの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し、センサ信号取り出し回路４０２は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データ演算回路４０４に出力する。よって、センサ信号取り出し回路４０２からデータ演算回路４０４に入力するデータはフォトセンサ１１０の各受光素子が受光する光量のデータと考えてよい。
【００４４】
データ演算回路４０４は、図５に示すフォトセンサ１１０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）光量波形の極大値の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）（ピーク光量Ｈ／幅Ｗ）で表される比率Ｓ
図８に、上記光量波形および光量波形から導かれる値を示す。図９に、光量波形の様々な形状パターンを示す。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、ライン光出射装置１１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８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９（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９（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８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。
【００４５】
なお、フォトセンサ１１０が反射光を図５に示すように受光した場合、フォトセンサ１１０の縦方向の受光位置はライン光出射装置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レーザー光源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、ライン光出射装置１１から測定対象物ＯＢまでの距離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、ライン光出射装置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１１０の横方向に沿って設けられているから、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）を得ることができる。
【００４６】
３次元画像生成装置４０８は、データ演算回路４０４が出力する上記のようなデータおよび移動量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６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。
【００４７】
３次元画像生成装置４０８は、区分された各領域について、図６に示す記憶されたデータセットの個数が５以上になると、図７に示す評価プログラムを実行する。
【００４８】
図７に示す評価プログラムは、ライン光の強度レベルＬｖがＬｖ１〜Ｌｖ５のそれぞれの強度であるときにデータ演算回路４０４が出力したデータセット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である受光信号（形状計算用データ）を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１１０の区分された領域を示す領域カウンタｍも初期化（ｍ＝０）される。次いで、３次元画像生成装置４０８はステップＳ２０６に進んで区分領域ｍにおけるｎ番目、ｎ＋１番目、ｎ＋２番目、ｎ＋３番目、ｎ＋４番目のデータセットから総光量Ｒの評価データＲ（ｎ，ｍ）、Ｒ（ｎ＋１，ｍ）、Ｒ（ｎ＋２，ｍ）、Ｒ（ｎ＋３，ｍ）、Ｒ（ｎ＋４，ｍ）を取り出し、これらをそれぞれＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に代入する。次いで、ステップＳ２０８にて、Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４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）。ここで、抽出の基準となる光量ＡおよびＢは、受光信号から的確に（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セット中の形状計算用データから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９（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９（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が形成されるデータセットが除外される。
【００４９】
ここで、測定対象物ＯＢの反射率が高い部位に強度レベルの大きいライン光（例えば強度レベルＬｖ５のライン光）が照射すると、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レベルの小さいライン光（例えば強度レベルＬｖ１のライン光）が照射すると、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セットを除外し、測定精度が良好と考えられるデータセットを選び出す処理を行っていることになる。
【００５０】
次に、３次元画像生成装置４０８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５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セットが一つに絞り込まれた場合は後述のステップＳ２２２に進む。一方、ステップＳ２１０における判定がＮｏの場合、つまり抽出データの個数が複数である場合は、さらに好ましいデータセット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。
【００５１】
ステップＳ２１２では、区分領域ｍにおけるｎ番目、ｎ＋１番目、ｎ＋２番目、ｎ＋３番目、ｎ＋４番目のデータセットから極大光量Ｈの評価データＨ（ｎ，ｍ）、Ｈ（ｎ＋１，ｍ）、Ｈ（ｎ＋２，ｍ）、Ｈ（ｎ＋３，ｍ）、Ｈ（ｎ＋４，ｍ）を取り出し、これらをそれぞれＨ０，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４に代入する。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データセットについては、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，Ｈ３，Ｈ４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セット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９（ｃ）に示す光量波形のように極大光量の値が大きすぎるデータセットが除外される。
【００５２】
ここで、測定対象物ＯＢの反射率が高い部位に強度レベルの大きいライン光（例えば強度レベルＬｖ５のライン光）が照射すると、受光光量のピーク値が大きすぎてフォトセンサ１１０の画素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セットを除外し、測定精度が良好と考えられるデータセットを選び出す処理を行っていることになる。
【００５３】
次に、３次元画像生成装置４０８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セットが一つに絞り込まれた場合は後述のステップ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セットが残っていることを示す。この場合は、残っているデータセットからいずれかのデータセットを選択するために次のステップＳ２１８に進む。
【００５４】
ステップＳ２１８では、区分領域ｍにおけるｎ番目、ｎ＋１番目、ｎ＋２番目、ｎ＋３番目、ｎ＋４番目のデータセットから比率Ｓの評価データＳ（ｎ，ｍ）、Ｓ（ｎ＋１，ｍ）、Ｓ（ｎ＋２，ｍ）、Ｓ（ｎ＋３，ｍ）、Ｓ（ｎ＋４，ｍ）を取り出し、これらをそれぞれＳ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に代入する。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が含まれるデータセットおよびステップＳ２１４にて抽出されなかった極大光量Ｈが含まれるデータセット中の比率Ｓの評価データはこのステップで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，Ｓ３，Ｓ４のうちで最大のものを抽出する（選択ステップ）。このステップは、測定対象物ＯＢの３次元形状測定用のデータとして最も適した光量波形を示す評価データ値を選択する処理であり、例えば図９（ｅ）で示される光量波形と図９（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、最も好ましい値を示すものを選択する処理であるので、このステップＳ２２０の選択により残る評価データは必ず一つとなる。
【００５５】
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であるから、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。このため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あり、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可能性が大きい。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セットを除外し、測定精度が最も良好と考えられるデータセットを選び出す処理を行っていることになる。
【００５６】
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を持つデータセットが選択される。選択したデータセットのうち、距離Ｌや評価データは受光信号から計算されたものであるので、このステップの処理の実行によるデータセットの選択により、３次元形状データ作成の際の測定精度が最もよい（良好）と考えられる評価データを持つ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セットの中の形状計算用データである距離Ｌ、移動量Ｙ、および照射角θ（照射角θは区分領域ｍに対応して定められる）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。
【００５７】
次いで、３次元画像生成装置４０８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フォトセンサ１１０の全ての区分領域において最適なデータセットが選択され、選択されたデータセット中の形状計算用データから求めるべき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と判定した場合は次のステップＳ２３０に進む。
【００５８】
ステップＳ２３０では、現在のデータセット番号ｎに９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。ここで、最大データセット番号ｎmaxとは、該当する区分領域ｍにおいて３次元画像生成装置４０８が最後に記憶するデータセットの番号である。この判定は、現在のデータセット番号ｎよりも９だけ大きいデータセット番号が存在するかを判定するものであり、この判定により、さらに繰り返して上述のステップを実行するかどうかが判断される。つまり、現在のデータセット番号をｎとすると、上記の抽出処理および選択処理ではデータセット番号がｎ〜ｎ＋４までのデータセット中の評価データを評価しており、次にこれを繰り返す場合にはデータセット番号がｎ＋５〜ｎ＋９のデータセット中の評価データが評価されることになる。したがって、次にこれを繰り返すためには現在のデータセット番号から９だけ大きい番号を持つデータセットが存在しなければならない。この判定がＮｏである場合は未だ抽出処理が可能なデータセットが残っていると判断されるために、ステップＳ２３２に進んで現在のデータセット番号に５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、最適なデータにより３次元の座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が計算される。
【００５９】
ステップＳ２３０にて現在のデータセット番号ｎよりも９だけ大きいデータセットが存在しないと判定した場合は、最適なデータセットを選択するための評価の対象となるデータセットが不足するため、ステップＳ２３４に進んでこのプログラムの実行を終了する。
【００６０】
図１０は、上記の処理を測定対象物ＯＢにライン光が照射された状況と対比して視覚的に示した図である。図１０において、測定対象物ＯＢ表面にはライン光が図の鉛直方向に亘って照射され、このライン光が図の左右方向に移動することで、測定対象物ＯＢの全域にライン光が照射される。ライン光の照射領域のうち、図の点で示された箇所における受光信号からデータ演算回路４０４が評価データおよび形状計算用データを算出し、これらのデータを移動量Ｙとともにデータセットとして出力し、出力したデータセットを３次元画像生成装置４０８がメモリに記憶する。図に示すようにデータの算出点は横方向にΔｙの間隔で形成される。なお、この図において横方向に行くほどデータセット番号ｎが増加する。一方、縦方向はフォトセンサ１１０の横方向に対応しており、縦方向に行くほど区分領域の番号ｍが増加する。
【００６１】
上記説明した本実施形態の３次元形状測定方法を図１０に合わせて説明すると、横方向に延びた点線で囲った５つ箇所のデータセットを一つのグループとし、このグループの中から測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成したときに最も測定精度が良いと考えられるデータを含むデータセットが選択され、このデータセット中の形状計算用データを基に、正確な３次元形状データを作成するものである。例えば、一つのグループから図の丸印で示した箇所が選択され、この箇所における３次元形状データが作成される。このような選択が、区分領域ｍの全てにおいて行われる。
【００６２】
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Ｓ１１６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Ｓ１２６に進み、３次元画像生成装置４０８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Ｓ１３０にてこのプログラムの実行が終了している。
【００６３】
以上の処理により、３次元画像生成装置４０８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４０８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。
【００６４】
（変形例）
上記実施形態では、ライン光出射装置１１から出射するライン光の強度を段階的に繰り返し変化させながら測定対象物ＯＢにライン光を照射する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、ライン光の強度を連続的に変化させていくものであってもよい。この場合、コントローラ５０は、図３に示す形状測定プログラムに代えて、図１１に示す形状測定プログラムを実行する。このプログラムは図１１のステップＳ３００にて開始され、次のステップＳ３０２にてカウンタｎが１に設定され、ステップＳ３０４にて３次元形状測定装置１が起動される。次に、コントローラ５０はステップＳ３０６にて、レーザー強度制御回路１１４に対し、レーザー光源１０２が出射するレーザー光の強度が予め定められた所定の最低強度から連続的に上昇していくように指令信号を出力する。レーザー強度制御回路１１４はこのような指令をコントローラ５０から受けると、レーザー光源１０２に供給する電流および電圧を所定の最低電流および電圧から連続的に増加するようにレーザー駆動回路１１２を制御する。これによりレーザー光源１０２からは所定の最低の強度から時間が経つに連れて連続的に強度が上昇するレーザー光が出射される。よって、測定対象物には、最低の強度から時間が経つにつれて連続的に強度が上昇するライン光が照射される。
【００６５】
次に、コントローラ５０はステップＳ３０８に進んでタイマーＴをリセットするとともにこのタイマーＴによる時間計測を開始する。次いで、ステップＳ３１０に進んでタイマーＴの計測時間が所定の初期時間Ｔｆ以上であるかを判定し、ＴがＴｆ以上となった場合にステップＳ３１２に進む。ステップＳ３１２ではコントローラ５０の指令に基づきデータ演算回路４０４がセンサ信号取り出し回路４０２から受光信号の強度のデータを、またフィードモータ３０から移動量Ｙのデータを取り込む。これらのデータの取り込みは所定の微小時間内に行われる。次いで、コントローラ５０はステップＳ３１４に進み、時間Ｔがｎ・Ｔｂ＋Ｔｆ以上であるかを判定する。ここで、Ｔｂは所定の基準間隔時間である。このステップを最初に通る場合はカウンタｎが１であるので、最初はこのステップにてＴがＴｂ＋Ｔｆの時間を経過したかを判定することになる。この判定結果がＹｅｓになった場合、次のステップＳ３１６に進み、コントローラ５０の指令に基づきデータ演算回路４０４が再度受光信号の強度および移動量Ｙのデータを取り込む。
【００６６】
その後、コントローラ５０はステップＳ３１８に進んでフィードモータ３０にて検出される移動量Ｙが最大移動量Ｙmax以上であるかを判定し、ＹがＹmax以上と判定された場合はステップＳ３２８に進んで３次元形状測定装置１の起動を停止し、ステップＳ３３０にてタイマーＴによる時間計測を停止し、ステップＳ３３２にてこのプログラムの実行を終了する。一方、ステップＳ３１８の判定がＮｏである場合はステップＳ３２０に進み、このステップＳ３２０にてカウンタｎが４以上であるかを判定する。最初にこのステップを通るときはカウンタｎがステップＳ３０２にて１に設定されているため、この判定結果はＮｏとなってステップＳ３２２に進む。このステップＳ３２２にてカウンタｎがインクリメントされ、ステップＳ３１４に戻る。
【００６７】
ステップＳ３１４〜Ｓ３２２の処理を繰り返し実行することにより、Ｔｂの時間間隔ごとにデータ演算回路４０４が受光信号の強度および移動量Ｙのデジタルデータを取り込む。ここで、時間の経過に連れて測定対象物ＯＢに照射するライン光の強度が連続的に大きくなっているから、データ演算回路４０４が取り込んだ受光信号の強度のデータは、後に取り込んだものほどその受光信号についての反射光の基となるライン光の強度が大きいものとなる。
【００６８】
ステップＳ３１４〜Ｓ３２２の処理を４回繰り返した場合、ステップＳ３２２の処理によってカウンタｎがインクリメントされてｎが４とされる。この場合はステップＳ３２０にてＹｅｓと判定されてステップＳ３２４に進む。このステップＳ３２４では時間Ｔが繰り返し時間Ｔｃ以上であるかを判定する。なお、Ｔｃは、Ｔｂのほぼ５倍程度の時間間隔とされる。ＴがＴｃ以上と判定した場合には次のステップＳ３２６に進む。ステップＳ３２６ではカウンタｎが１に戻される。次いでステップＳ３０６に戻ってレーザー光の強度が最低の強度に戻された後、上記の処理を繰り返す。この繰り返しによって、ライン光出射装置１１から出射して測定対象物ＯＢに照射されるライン光の強度が繰り返し時間Ｔｃごとに最低の強度に戻され、その最低の強度から連続的に強度が上昇していくことを繰り返す。このため、時間に対するライン光の強度変化は図１２に示すようになる。
【００６９】
本変形例では、最低の強度のライン光をライン光出射装置１１が出射してから初期時間Ｔｆが経過したとき、および、（ｎ・Ｔｂ＋Ｔｆ）（ｎ＝１，２，３，４）で計算される時間が経過したときにデータ演算回路４０４はセンサ信号取り出し回路４０２および送り量計算回路からデータを取り込む。すなわち、ライン光の強度は最低の状態から最高の状態まで連続的に変化し、この変化過程においてデータ演算回路４０４は等しい時間間隔ごとに５つのデータを取り込む。このため、データ演算回路４０４はライン光の強度が変化するごとにセンサ信号取り出し回路４０２から受光信号を読み込んでいることになる。このようにして受光信号を読み込んだ場合においても、上記実施形態と同様の処理を行うことができる。その他の処理の具体的説明は、上記第１実施形態と共通であるので、具体的説明を省略する。
【００７０】
以上のように、本実施形態の３次元形状測定装置１によれば、ライン光出射装置１１から測定対象物ＯＢに異なる強度を持つライン光を照射し、フォトセンサ１１０はそれぞれの強度のライン光についての反射光を受光し、その反射光に応じた受光信号を出力する。フォトセンサ１１０が出力する受光信号は、ライン光の強度が変化するごとにセンサ信号取り出し回路４０２を介してデータ演算回路４０４に読み込まれ、データ演算回路４０４は読み込んだ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である総光量Ｒ、極大光量Ｈ、半値全幅Ｗ、および比率Ｈ／Ｗを算出する。そして、３次元画像生成装置４０８は、データ演算回路４０４が算出した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になる受光信号（具体的には受光信号から計算された距離Ｌ）を選択する。こうして選択した受光信号とその受光信号に対応するデータ（移動量Ｙと照射角θ）に基づき測定対象物の３次元形状データが作成される。すなわち、本実施形態の３次元形状測定装置１は、複数の強度のライン光を繰り返し測定対象物ＯＢに照射するとともに、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を照射したときの反射光に応じ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うにしている。したがって、測定対象物ＯＢの反射率が変化した場合においても測定精度の悪化を防止または抑制することができる。
【００７１】
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１０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、３次元センサ１０はレーザー光源や受光器を備える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なものでもよいし、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なものでもよい。
【００７２】
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。
【００７３】
また、上記実施形態では、３次元形状データを計算するための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、これらとは別に半値全幅を用いてもよい。
【００７４】
また、上記実施形態ではフィードモータ３０により３次元センサ１０が順次連続的に移動しながら３次元形状測定を行うようにしたが、３次元センサを間歇的に移動するものであってもよい。この場合、所定の停止位置に３次元センサ１０を停止させた状態でライン光の強度レベルを変化させることにより、同一の照射位置にてライン光の強度レベルを変化させてフォトセンサ１１０が出力するデータを取り込み、その後３次元センサを移動して別の位置で停止し、同一の照射位置にて再度ライン光の強度レベルを変化させてフォトセンサ１１０が出力するデータを取り込むことを繰り返し行うようにしてもよい。このようにすることで、データの選択間隔を微小にして精度の高い３次元形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【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】３次元センサの移動量とライン光の強度変化との関係を示すグラフである。
【図５】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６】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７】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８】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９】光量波形のいくつかの形状パターンを示す図である。
【図１０】測定対象物上におけるデータセットの計算箇所と、評価データに基づいて抽出されたデータセットの箇所を視覚的に示す図である。
【図１１】本実施形態の変形例に係るコントローラが実施する形状測定プログラムのフローチャートである。
【図１２】本実施形態の変形例に係るライン光出射装置から出射されるライン光の強度と時間との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１…３次元形状測定装置、２…測定台、３…支持体、１０…３次元センサ、１１…ライン光出射装置、１０２…レーザー光源、１０４…コリメートレンズ、１０６…シリンドリカルレンズ、１０８…集光レンズ、１１０…フォトセンサ（受光器）、１１２…レーザー駆動回路、１１４…レーザー強度制御回路（強度制御装置）、３０…フィードモータ、４０…３次元画像処理装置（データ処理手段）、５０…コントローラ、５２…入力装置、５４…表示装置、４０２…センサ信号取り出し回路、４０４…データ演算回路（受光信号取得手段、評価データ算出手段）、４０６…送り量計算回路、４０８…３次元画像生成装置（選択手段、形状データ作成手段）
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月6日(2007.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図７に示す評価プログラムは、ライン光の強度レベルＬｖがＬｖ１〜Ｌｖ５のそれぞれの強度であるときにデータ演算回路４０４が出力したデータセット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である受光信号（形状計算用データ）を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１１０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４０８はステップＳ２０６に進んで区分領域ｍにおけるｎ番目、ｎ＋１番目、ｎ＋２番目、ｎ＋３番目、ｎ＋４番目のデータセットから総光量Ｒの評価データＲ（ｎ，ｍ）、Ｒ（ｎ＋１，ｍ）、Ｒ（ｎ＋２，ｍ）、Ｒ（ｎ＋３，ｍ）、Ｒ（ｎ＋４，ｍ）を取り出し、これらをそれぞれＲ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に代入する。次いで、ステップＳ２０８にて、Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４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）。ここで、抽出の基準となる光量ＡおよびＢは、受光信号から的確に（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セット中の形状計算用データから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９（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９（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が形成されるデータセットが除外される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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