(57)【要約】【課題】焦点位置を高速に移動させることなく、測定対象物の表面に形成されるレーザ光の照射スポットを小さく保つことができる３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】  レーザ光を出射するレーザ光源１０と前記レーザ光を反射して走査するミラー３０を設ける。レーザ光源１０とミラー３０の間にスポット形成器２０を設ける。スポット形成器２０は、前記レーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ２２、前記平行光をリング状の輪帯光に変換するフィルタ２３、前記輪帯光を集光する第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５を備える。さらに、測定した測定対象物までの距離の平均値を算出して、前記算出した平均値に応じてスポット形成器２０を前記レーザ光の光軸方向に移動させる移動装置２０ａを設ける。【選択図】図１
2012007897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に向けてレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面を前記レーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段と、
前記レーザ光出射方向変更手段による前記レーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段と、
前記測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する受光センサと、
前記受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する受光位置検出手段と、
前記受光位置検出手段によって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、３角測量法の原理に基づいて前記測定対象物までの距離を算出し、前記出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び前記算出した測定対象物までの距離を用いて前記測定対象物の表面の形状を表す３次元座標データを算出する座標データ算出手段とを備えた３次元形状測定装置において、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光をリング状の輪帯光に変換する変換器及び前記輪帯光を所定の焦点位置に集光する集光器を有するスポット形成器を、前記レーザ光源と前記レーザ光出射方向変更手段との間に設けたことを特徴とする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、
前記算出した測定対象物までの距離を用いて算出した前記距離の平均値に応じて前記焦点位置を変更する焦点位置変更手段をさらに設けたことを特徴とする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、
前記焦点位置変更手段は、前記スポット形成器を前記レーザ光の光軸方向に移動させる移動装置を備えたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載の３次元形状測定装置において、
前記変換器は、レーザ光の入射面又は出射面が円錐面状に形成されたアキシコンレンズを含む３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物にレーザ光を走査しながら照射し、その反射光である散乱光を受光器で受光して、レーザ光の照射位置又は照射方向と、反射光の受光位置との関係から、３角測量法の原理により、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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、下記特許文献１に示されているように、レーザ光の焦点位置を測定対象物上に保持するように焦点位置を移動させる制御装置を設けて、測定対象物の表面に形成されるレーザ光の照射スポットを小さく保つことにより測定精度を向上させた測定装置は知られている。この制御装置は、レーザ光を透過させる複数のレンズの相対位置を変化させて、焦点位置を移動させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−１９３８１０号公報
【発明の概要】
【０００４】
しかし、レーザ光を走査しながら照射して３次元形状を測定する装置においては、測定対象物の表面に急峻な凹凸がある場合には、レーザ光の焦点位置を高速に移動させる必要があり、そのための制御装置を設けるにはコストがかかる。本発明は上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、焦点位置を高速に移動させることなく、測定対象物の表面に形成されるレーザ光の照射スポットを小さく保つことができる３次元形状測定装置を提供することにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、後述する実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、測定対象物（ＯＢ）に向けてレーザ光を出射するレーザ光源（１０）と、レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して測定対象物の表面をレーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段（３０，４０）と、レーザ光出射方向変更手段によるレーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段（４１）と、測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する受光センサ（６０）と、受光センサにおける散乱光の受光位置を検出する受光位置検出手段（１７０）と、受光位置検出手段によって検出された散乱光の受光位置を用いて、３角測量法の原理に基づいて測定対象物までの距離を算出し、出射方向検出手段によって検出されたレーザ光の出射方向及び前記算出した測定対象物までの距離を用いて前記測定対象物の表面の形状を表す３次元座標データを算出する座標データ算出手段（１８０）とを備えた３次元形状測定装置において、レーザ光源から出射されたレーザ光をリング状の輪帯光に変換する変換器（２３，２２Ａ，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ）及び前記輪帯光を所定の焦点位置に集光する集光器（２４，２５）を有するスポット形成器（２０）を、レーザ光源とレーザ光出射方向変更手段との間に設けたことにある。
【０００６】
上記のように構成した３次元形状測定装置によれば、輪帯光を集光することによって、焦点深度を長くするとともに照射スポットを小さくすることができる。したがって、測定対象物の表面に急峻な凹凸がある場合であっても、測定対象物の表面の位置が常に焦点深度の範囲内にあれば、焦点位置を移動させなくても、測定精度を高く保つことができる。
【０００７】
また、本発明の他の特徴は、前記算出した測定対象物までの距離を用いて算出した前記距離の平均値に応じて前記焦点位置を変更する焦点位置変更手段（２０ａ）をさらに設けたことにある。この場合、焦点位置変更手段は、スポット形成器をレーザ光の光軸方向に移動させる移動装置（２０ａ１，２０ａ２）を備えるとよい。これによれば、測定対象物の表面の位置ができるだけ焦点深度の範囲内にあるように焦点位置を移動させることができる。上記のように、焦点深度が長いので急峻な凹凸がある場合でも焦点位置を高速に移動させる必要はなく、緩やかではあるが高低差の大きい凹凸に対応して、ゆっくりと焦点位置を移動させればよい。そのため、焦点位置変更手段の構成を簡単にできる。また、スポット形成器全体を移動させることにより焦点位置を移動させるようにしたので、上記従来の測定装置のようにスポット形成器を構成する変換器及び集光器の相対的な位置を変更して焦点位置を移動させる場合に比べて収差の発生量を小さくすることができ、照射スポットをより小さくすることができる。
【０００８】
また、本発明の他の特徴は、変換器は、レーザ光の入射面又は出射面が円錐面状に形成されたアキシコンレンズ（２３Ａ，２３Ｂ）を含むことにある。これによれば、平行光を輪帯光に変換するときのレーザ光の損失をほとんど無くすことができる。したがって、レーザ光源が出射するレーザ光の強度を高くする必要がないため、レーザ光源の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元形状測定装置の全体概略図である。
【図２】レーザ光の光路を説明する説明図である。
【図３】図２の焦点位置を拡大した拡大図である。
【図４】コントローラが実行する３次元形状測定処理のフローチャートである。
【図５】コントローラが実行するケース駆動処理のフローチャートである。
【図６Ａ】本発明の変形例に係り、スポット形成器を構成するレンズの配置を示す配置図である。
【図６Ｂ】本発明の他の変形例に係り、スポット形成器を構成するレンズの配置を示す配置図である。
【図６Ｃ】本発明のさらに他の変形例に係り、スポット形成器を構成するレンズの配置を示す配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態に係る３次元形状測定装置について図面を用いて説明する。この３次元形状測定装置は、図１に示すように、レーザ光を走査しながら測定対象物ＯＢに照射するとともに、同照射による測定対象物ＯＢからの反射光（散乱光）を受光する３次元カメラＣＡを備えている。
【００１１】
３次元カメラＣＡは、レーザ光源１０、スポット形成器２０、ミラー３０、モータ４０、結像レンズ５０及び受光センサ６０を備えた筐体７０を有する。レーザ光源１０から出射されたレーザ光は、スポット形成器２０及びミラー３０を介して測定対象物ＯＢに照射される。そして、測定対象物ＯＢからの反射光（散乱光）は、ミラー３０及び結像レンズ５０を介して、受光センサ６０に導かれて受光される。また、３次元カメラＣＡは、筐体７０を回転させるモータ８０及び減速装置９０も有する。
【００１２】
レーザ光源１０は、３次元カメラＣＡから測定対象物ＯＢまでの距離を測定するためのレーザ光を出射する。スポット形成器２０は、ケース２１、コリメートレンズ２２、フィルタ２３、第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５を備える。ケース２１は、中心軸方向の両端が開放された円筒状に形成されていて、ケース２１の中心軸とレーザ光源１０から出射されるレーザ光の光軸とが一致するように配置されている。コリメートレンズ２２、フィルタ２３、第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５は、レーザ光源１０側からこの順にケース２１の内部に間隔をおいて固定されている。コリメートレンズ２２は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光を平行光に変換する。フィルタ２３は、中央部に円形に遮光された遮光部と周縁部に輪帯状の透光部を有し、コリメートレンズ２２を透過して平行光となったレーザ光をリング状の輪帯光に変換する。第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５は、フィルタ２３を透過して輪帯光となったレーザ光を集光してミラー３０を介して測定対象物ＯＢの表面上に照射スポットを形成する。第２リレーレンズ２５の焦点距離ｆ２は、第１リレーレンズ２４の焦点距離ｆ１よりもやや小さい。第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５は、図２に示すように、焦点距離ｆ１の２倍の間隔をおいて配置されている。したがって、第２リレーレンズ２５を透過したレーザ光は平行光に近いが、遠方で集光する光になる。なお、図２においては、ミラー３０を省略している。また、第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５を透過して集光された輪帯光は、光軸上で位相が一致して強め合う。そして、輪帯光を用いる場合は、レーザ光源１０からのレーザ光をコリメートレンズ２２で平行光に変換してフィルタ２３を介すことなく第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５で集光した通常のレーザ光よりも、焦点深度が長く焦点のスポット径が小さいビームを形成することができる。図３において、輪帯光によるビームを破線で示し、かつ通常のレーザ光によるビームを２点鎖線で示す。なお、図３においては、レーザ光の光軸方向の垂直方向を拡大していて、レーザ光の光軸方向を縮小している。
【００１３】
また、この３次元カメラＣＡは、ケース２１をその中心軸方向に移動させる移動装置２０ａも備えている。移動装置２０ａは、支持台２０ａ１、圧電アクチュエータ２０ａ２及び位置検出センサ２０ａ３からなる。支持台２０ａ１は、ケース２１の側面部に組み付けられていて、図示しないガイド部材によって、ケース２１の中心軸方向にのみ移動可能に支持されている。圧電アクチュエータ２０ａ２は、筐体７０に固定されていて、供給される電気信号の強度（電圧又は電流の大きさ）に応じて支持台２０ａ１を駆動してケース２１を移動させる。位置検出センサ２０ａ３は、筐体７０に固定されていて、ケース２１の外周面に一定の光量の光を照射する光源（例えば、ＬＥＤ）及びこの光のケース２１の外周面からの反射光を受光するフォトディテクタからなる。ケース２１の外周面のうち、位置検出センサ２０ａ３の光源から光が照射される部分は、前記光の反射率がケース２１の移動方向に変化するようになっている。したがって、ケース２１の移動量に応じて、フォトディテクタの受光量が変化する。フォトディテクタは受光量に応じた強度の受光信号を出力する。そのため、フォトディテクタの出力する受光信号の強度によって、ケース２１の位置を検出することができる。この位置検出センサ２０ａ３の検出結果は、詳しくは後述するように、圧電アクチュエータ２０ａ２に供給する電気信号の強度の制御に用いられる。
【００１４】
ミラー３０は、長尺状に形成されていて、スポット形成器２０からの輪帯光を反射するとともに、測定対象物ＯＢからの反射光（散乱光）を反射するガルバノミラーである。ミラー３０は、ミラー３０の長手方向に平行かつレーザ光源１０から出射されるレーザ光の光軸に垂直な軸３１回りに回転可能に支持されている。ミラー３０の軸３１は、モータ４０の回転軸に組み付けられていて、モータ４０が正転逆転を繰り返すことによりミラー３０が所定の回転角度の範囲で正転逆転する。これにより、スポット形成器２０からの輪帯光を走査する。モータ４０内には、モータ４０の回転軸の回転を検出して、同回転を表す回転検出信号を出力するエンコーダ４１が組み込まれている。この回転検出信号は、モータ４０の回転軸の回転位置が基準回転位置に来るごとに発生されるｚ相信号φＺ１と、所定の微小な回転角度ずつハイレベルとローレベルを繰り返す互いにπ／２だけ位相のずれたＡ相信号φＡ１及びＢ相信号φＢ１からなるパルス列信号とからなる。以下の説明においては、ミラー３０の回転軸をＸ軸と言い、レーザ光源１０からの出射されるレーザ光の光軸をＹ軸という。また、Ｘ軸及びＹ軸に直交する軸をＺ軸と言う。
【００１５】
結像レンズ５０は、ミラー３０にて反射した測定対象物ＯＢからの反射光（散乱光）を受光センサ６０上に結像させる。受光センサ６０は、受光量に応じた強度の電気信号を出力する複数の受光素子を一列に配置したラインセンサである。
【００１６】
また、筐体７０は、軸７１によってＹ軸周りに回転可能に３次元カメラＣＡのフレームに支持されている。フレームは、３次元カメラＣＡを構成する部品を支持する支持部材である。軸７１は、減速装置９０を介してモータ８０の回転軸に組み付けられている。モータ８０内には、モータ８０の回転軸の回転を検出して、同回転を表す回転検出信号を出力するエンコーダ８１が組み込まれている。この回転検出信号は、モータ８０の回転軸の回転位置が基準回転位置に来るごとに発生されるｚ相信号φＺ２と、所定の微小な回転角度ずつハイレベルとローレベルを繰り返す互いにπ／２だけ位相のずれたＡ相信号φＡ２及びＢ相信号φＢ２からなるパルス列信号とからなる。
【００１７】
また、この３次元形状測定装置は、ミラー駆動回路１００、ミラー角度検出回路１１０、ケース位置検出回路１２０、ケース駆動回路１３０、筐体駆動回路１４０、筐体角度検出回路１５０、形状測定用レーザ駆動回路１６０、センサ信号取り込み回路１７０及びコントローラ１８０も備えている。
【００１８】
ミラー駆動回路１００は、コントローラ１８０からのモータ４０の駆動開始の指示に応答して、モータ４０を駆動するための駆動信号をモータ４０に出力する。この駆動信号は、ミラー３０を所定の回転角度の範囲で正転逆転させるために、一定の周期でモータ４０の回転方向を反転させる信号（例えば、矩形波、三角波、正弦波など）である。また、ミラー駆動回路１００は、コントローラ１８０からのミラー３０を初期回転角度にする指示に応答して、ミラー３０を初期回転角度にするための駆動信号をモータ４０に出力する。
【００１９】
ミラー角度検出回路１１０は、エンコーダ４１から回転検出信号を入力し、入力した回転検出信号のうちのパルス列信号を用いて、ミラー３０の回転方向と回転速度とを含む、ミラー３０の回転角度θｘを算出する。ミラー角度検出回路１１０は、コントローラ１８０から、ミラー３０の回転角度θｘの出力開始を指示されると、前記算出した回転角度θｘを表すデジタルデータのコントローラ１８０への出力を開始する。また、前記算出した回転角度θｘを表すデジタルデータは、ミラー駆動回路１００にも出力され、ミラー駆動回路１００によるモータ４０の回転駆動における回転速度の制御及びミラー３０を初期回転角度にするための制御にも利用される。
【００２０】
ケース位置検出回路１２０は、コントローラ１８０からのケース２１の現在の位置を検出する指示に応じて、位置検出センサ２０ａ３の検出結果を用いてケース２１の現在の位置を算出して、ケース駆動回路１３０に出力する。ケース駆動回路１３０は、コントローラ１８０からスポット形成器２０を指定する位置へ移動させるよう指示されると、ケース位置検出回路１２０による検出結果を用いて、ケース２１の位置が前記指定された位置になるような駆動信号を圧電アクチュエータ２０ａ２に出力する。
【００２１】
筐体駆動回路１４０は、コントローラ１８０からのモータ８０の駆動開始の指示に応答して、モータ８０を駆動するための駆動信号を出力する。筐体駆動回路１４０は、モータ８０の回転速度が一定になるように駆動信号を制御する。モータ８０は、筐体駆動回路１４０から駆動信号を供給されて一定の速度で回転し、減速装置９０を介して筐体７０を回転させる。筐体７０は、３次元形状測定の開始から終了まで一定の回転速度で一定の方向へ回転する。筐体７０の回転速度は、ミラー３０の回転速度よりも遅い。また、筐体駆動回路１４０は、コントローラ１８０からの筐体７０を初期回転角度にする指示に応答して、筐体７０を初期回転角度にするための駆動信号をモータ８０に出力する。筐体角度検出回路１５０は、エンコーダ８１から回転検出信号を入力し、入力した回転検出信号のうちのパルス列信号を用いて、筐体７０の回転方向と回転速度とを含む、筐体７０の回転角度θｙを算出する。筐体角度検出回路１５０は、コントローラ１８０から筐体７０の回転角度θｙの出力開始を指示されると、算出した回転角度θｙを表すデジタルデータのコントローラ１８０への出力を開始する。また、前記算出した回転角度θｙを表すデジタルデータは、筐体駆動回路１４０にも出力され、筐体駆動回路１４０によるモータ８０の回転駆動における回転速度の制御及び筐体７０を初期回転角度にするための制御にも利用される。
【００２２】
形状測定用レーザ駆動回路１６０は、コントローラ１８０から測定開始の指示を入力すると、一定強度のレーザ光がレーザ光源１０から出射されるように駆動信号を制御してレーザ光源１０に供給する。センサ信号取り込み回路１７０は、受光センサ６０に接続されていて、コントローラ１８０からの取り込み開始指示を入力すると、受光センサ６０の各受光素子が出力する信号を取り込んで、コントローラ１８０への出力を開始する。
【００２３】
コントローラ１８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、キーボード、マウスなどからなる入力装置１８１からの測定開始の指示に応答して図４及び図５の各プログラムを実行する。そしてコントローラ１８０は、前記プログラムの実行により、ミラー駆動回路１００、ミラー角度検出回路１１０、ケース位置検出回路１２０、ケース駆動回路１３０、筐体駆動回路１４０、筐体角度検出回路１５０、形状測定用レーザ駆動回路１６０及びセンサ信号取り込み回路１７０を制御するとともに、測定対象物ＯＢの３次元画像データを作成して、測定対象物ＯＢの３次元画像を表示装置１８２に表示する。
【００２４】
つぎに、上記のように構成した３次元形状測定装置の動作について図４及び図５を用いて説明する。まず、作業者は、測定対象物ＯＢの表面がおおよそ焦点深度内に位置するように測定対象物ＯＢ及び３次元カメラＣＡをセットする。そして、作業者が、入力装置１８１を用いて測定開始を指示すると、コントローラ１８０は、ステップＳ１００にて、３次元形状測定処理を開始する。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１０２にて、各測定ポイントの番号を表す測定ポイント番号ｎを「０」に初期化する。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１０４にて、ミラー角度検出回路１１０、筐体角度検出回路１５０及びセンサ信号取り込み回路１７０にデータ出力開始を指示する。この指示に応答して、ミラー角度検出回路１１０は、ミラー３０の回転角度θｘを表すデジタルデータの出力を開始し、筐体角度検出回路１５０は、筐体７０の回転角度θｙを表すデジタルデータの出力を開始し、センサ信号取り込み回路１７０は、受光センサ６０の各受光素子が出力する信号の強度を表すデジタルデータの出力を開始する。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１０６にて、ミラー３０及び筐体７０の回転角度を初期の回転角度にするよう、ミラー駆動回路１００及び筐体駆動回路１４０に指示する。ミラー駆動回路１００及び筐体駆動回路１４０は、前記指示に応答して、ミラー３０及び筐体７０を回転させて、それぞれの角度を初期の回転角度に設定する。
【００２５】
つぎに、ステップＳ１０８にて、形状測定用レーザ駆動回路１６０にレーザ照射開始を指示する。形状測定用レーザ駆動回路１６０は、レーザ照射開始の指示に応答して、レーザ光源１０に駆動信号を供給してレーザ光を出射させる。ここで、コントローラ１８０は、図５に示すケース駆動処理も開始する。前記ステップＳ１０８の処理後、コントローラ１８０は、ステップＳ１１０にて、ミラー駆動回路１００にミラー３０の駆動開始を指示する。ミラー駆動回路１００は、駆動開始の指示に応答して、ミラー３０に駆動信号を供給する。これにより、ミラー３０がＸ軸回りに正転逆転し始める。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１１２にて、筐体駆動回路１４０に筐体７０の駆動開始を指示する。これにより、筐体７０がＹ軸回りに回転し始める。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１１４にて時間計測を開始する。
【００２６】
つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１１６にて、現在の時刻が測定ポイント番号ｎと所定の時間間隔Ｔとを乗算して算出される時刻を経過しているか否かを判定する。最初、測定ポイント番号ｎは「０」に初期化されているので、ステップＳ１１６においては、「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ１１８に進む。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１１８にて、ミラー角度検出回路１１０から出力される、ミラー３０の回転角度θｘを表すデジタルデータを取り込む。
【００２７】
つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１２０にて、筐体角度検出回路１５０から出力される、筐体７０の回転角度θｙを表すデジタルデータを取り込む。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１２２にて、センサ信号取り込み回路１７０から出力される、受光センサ６０の各受光素子が出力する信号の強度を表すデジタルデータを取り込む。そして、コントローラ１８０は、図示しない別のプログラムを開始し、各受光素子が出力した信号の強度を表すデジタルデータを用いて、３角測量法の原理に基づいて、３次元カメラＣＡから測定対象物ＯＢまでの距離を表す距離データＬを算出することを開始する。
【００２８】
つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１２４にて、前記ステップＳ１２０において取り込んだ回転角度θｙが、予め設定された限界角度よりも大きいか否かを判定する。限界角度とは、筐体７０が回転可能な最大の角度よりもやや小さい角度である。回転角度θｙが限界角度以下である場合は、ステップＳ１２６に進んで、測定ポイント番号ｎをインクリメントし、ステップＳ１１６に戻る。ステップＳ１２６の処理により、測定ポイント番号ｎは「１」となっているので、ステップＳ１１６において、現在の時刻がＴ（すなわち、１×Ｔ）を経過しているかを判定する。判定結果が「Ｎｏ」のときは、再びステップＳ１１６を実行する。すなわち、判定結果が「Ｙｅｓ」となるまでステップＳ１１６を繰り返し実行する。そして、ステップＳ１１６の判定結果が「Ｙｅｓ」となると、上記のステップＳ１１８乃至ステップＳ１２４を実行する。このように、コントローラ１８０は、回転角度θｙが限界角度に達するまで、ステップＳ１１６乃至ステップＳ１２６を繰り返し実行する。上記の通り、筐体７０の回転速度は、ミラー３０の回転速度よりも遅く、ミラー３０の回転角度θｘは、入力される駆動波形に応じて、周期的に変化する。したがって、筐体７０の回転角度θｙが限界角度に達するまで上記ステップＳ１１６乃至ステップＳ１２６を繰り返している間に、ミラー３０の回転方向は何度も反転する。このように、コントローラ１８０は、レーザ光を走査しながら測定対象物ＯＢに照射して、ステップＳ１１６乃至ステップＳ１２６からなる処理を繰り返し実行し、一定の時間間隔Ｔでミラー３０の回転角度θｘを表すデジタルデータ、筐体７０の回転角度θｙを表すデジタルデータ及び受光センサ６０の各受光素子が出力する信号の強度を表すデジタルデータを取り込むとともに、受光センサ６０の各受光素子が出力する信号の強度を表すデジタルデータを用いて距離データＬを算出する。そして、取り込んだ回転角度θｘを表すデジタルデータ、回転角度θｙを表すデジタルデータ及び算出した距離データＬを測定ポイント番号ｎごとにコントローラ１８０が備えるＲＡＭに記憶する。
【００２９】
そして、筐体７０の回転角度θｙが限界角度に達すると、コントローラ１８０は、ステップＳ１２８にて、形状測定用レーザ駆動回路１６０にレーザ照射停止を指示する。形状測定用レーザ駆動回路１６０は、レーザ照射停止の指示に応答して、レーザ光源１０への駆動信号の供給を停止して、レーザ光の照射を停止させる。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１３０にて、ミラー駆動回路１００にミラー３０の駆動停止を指示する。ミラー駆動回路１００は、駆動停止の指示に応答して、モータ４０への駆動信号の供給を停止する。これにより、ミラー３０の回転が停止する。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１３２にて、筐体駆動回路１４０に筐体７０の駆動停止を指示する。筐体駆動回路１４０は、駆動停止の指示に応答して、モータ８０への駆動信号の供給を停止する。これにより、筐体７０の回転が停止する。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１３４にて、ミラー角度検出回路１１０、筐体角度検出回路１５０及びセンサ信号取り込み回路１７０にデータ出力停止を指示する。ミラー角度検出回路１１０、筐体角度検出回路１５０及びセンサ信号取り込み回路１７０は、この指示に応答してデータの出力を停止する。
【００３０】
つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ１３６にて、各測定ポイントごとの距離データＬ、回転角度θｘ及び回転角度θｙを用いて、測定対象物ＯＢの表面形状を表す座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）群を算出する。コントローラ１８０は、一定の時間間隔Ｔで各種データを取り込んでいるため、各測定ポイントごとに算出される各座標データのｘ座標及びｙ座標が等間隔にならない場合がある。この場合、コントローラ１８０は、ｘ座標及びｙ座標が等間隔になるように、前記算出した座標データを用いて補間演算を行う。そして、算出した座標データ群から測定対象物ＯＢの３次元画像を表示装置１８２に表示するための３次元画像データを作成する。作成された３次元画像データは、表示装置１８２に供給され、表示装置１８２に測定対象物ＯＢの３次元画像が表示される。そして、コントローラ１８０は、ステップＳ１３８にて、３次元形状測定処理を終了する。
【００３１】
つぎに、図５に示すケース駆動処理について説明する。コントローラ１８０は、ステップＳ１０８によってレーザ照射開始の指示をすると、ステップＳ２００にて、ケース駆動処理も開始する。つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ２０２にて、３次元カメラＣＡから測定対象物ＯＢまでの距離の平均値を表す平均距離Ｌａｖｅを算出するために用いる距離データＬのデータ数をカウントするカウンタｍの値を「１」に初期化する。つぎにコントローラ１８０は、ステップＳ２０４にて、受光センサ６０の受光信号を新たに取り込んで距離データＬを算出したか否かを判定する。新たな距離データＬを算出していない場合は、「Ｎｏ」と判定し、ステップＳ２０６に進む。コントローラ１８０は、ステップＳ２０６にて、レーザ照射を停止したか否かを判定し、レーザ照射を停止した場合は「Ｙｅｓ」と判定して、ステップＳ２０８にてケース駆動処理を終了する。一方、未だレーザ照射を停止していない場合は、ステップＳ２０４に戻る。コントローラ１８０は、新たな距離データＬを算出すると、ステップＳ２０４にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ２１０に進む。
【００３２】
つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ２１０にて、前記３次元測定処理のステップＳ１２２において算出した距離データＬをコントローラ１８０のＲＡＭに設けられた平均距離算出バッファＬ（ｍ）（ただし、ｍ＝１、２・・・３０）にコピーする。つぎに、ステップＳ２１２にて、カウンタｍの値が「３０」であるか否かを判定する。最初、カウンタｍの値が「１」に初期化されているので、ステップＳ２１２においては、「Ｎｏ」と判定し、ステップＳ２１４に進み、カウンタｍの値をインクリメントする。これにより、カウンタｍの値が「２」になる。そして、ステップＳ２０４に戻り、次の受光信号を取り込んで距離データＬを算出するまで待機する。このように、コントローラ１８０は、ステップＳ２０４乃至ステップＳ２１０からなる処理を繰り返し実行し、３０個の距離データＬを平均距離算出バッファＬ（１）〜Ｌ（３０）にコピーすると、ステップＳ２１２にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップＳ２１６に進む。そして、ステップＳ２１６にて、平均距離算出バッファＬ（１）〜Ｌ（３０）の値を用いて、平均距離Ｌａｖｅを算出する。
【００３３】
つぎに、コントローラ１８０は、ステップＳ２１８にて、前記ステップＳ２１６において算出した平均距離Ｌａｖｅを用いて、ケース２１を移動させる位置を算出する。そして、ステップＳ２２０にて、前記ステップＳ２１８にて算出した位置にケース２１を移動させるよう、ケース駆動回路１３０に指示し、ステップＳ２０２に戻る。コントローラ１８０は、上記のステップＳ２０４〜ステップＳ２２０からなる処理を、３次元形状測定処理におけるデータ取り込みが行われている間中実行し、３０個の測定ポイントについての測定が終了するごとに平均距離Ｌａｖeを算出して、平均距離Ｌａｖeに基づいてケース２１を移動させる。なお、この実施形態においては、平均距離Ｌａｖｅを算出するために３０個の距離データＬ（１）〜Ｌ（３０）を用いるようにしたが、平均距離Ｌａｖｅを算出するために用いる距離データＬのデータ数は、３０個に限られず、測定対象物ＯＢに応じて増減可能である。
【００３４】
上記のように構成した３次元形状測定装置においては、輪帯光を集光することによって、焦点深度を長くするとともに照射スポットを小さくした。したがって、測定対象物ＯＢの表面に急峻な凹凸がある場合であっても、その部分の測定対象物ＯＢの表面の位置が焦点深度の範囲内にあれば、測定精度を高く保つことができる。そのため、焦点位置を高速に移動させる必要がないので、３次元形状測定装置の構成を簡単にできる。さらに、３次元カメラＣＡから測定対象物ＯＢまでの距離を３０ポイント測定するごとに、この３０個の測定値を用いて、３次元カメラＣＡから測定対象物ＯＢまでの平均距離を算出し、算出した平均距離に応じて焦点の位置を移動させるようにした。すなわち、測定対象物ＯＢの表面の位置ができるだけ焦点深度の範囲内にあるように焦点位置を移動させるようにしたので、測定精度を高く保つことができる。とくに、測定対象物ＯＢの表面に、緩やかではあるが高低差の大きい凹凸がある場合に有効である。すなわち、上記のように焦点深度が長いので急峻な凹凸がある場合でも焦点位置を高速に移動させる必要はなく、緩やかではあるが高低差の大きい凹凸に対応して、ゆっくりと焦点位置を移動させればよい。そのため、移動装置２０ａの構成を上記のような簡単な構成にできる。また、ケース２１を移動させることにより焦点位置を移動させるようにしたので、ケース２１を固定した状態でスポット形成器２０を構成する第１リレーレンズ２４及び第２リレーレンズ２５の相対的な位置を変更することにより焦点位置を移動させる場合に比べて収差の発生量を小さくすることができ、照射スポットをより小さくすることができる。
【００３５】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００３６】
上記実施形態においては、コリメートレンズ２２を透過して平行光となったレーザ光を輪帯光に変換するために、中央部が遮光されて周縁部に開口部を有するフィルタ２３を用いた。しかし、図６Ａに示すように、中央部に遮光材（例えばアルミニウム）を蒸着することによって、円形の遮光域を形成したコリメートレンズ２２Ａを用いてもよい。これによれば、フィルタ２３が不要になる。また、図６Ｂに示すように、フィルタ２３に代えて、円錐状に形成された円錐面を有するアキシコンレンズ２３Ａ，２３Ｂを、それぞれの円錐面を向かい合わせて配置してもよい。この場合、アキシコンレンズ２３Ａの有効径に合わせて、コリメートレンズ２２を選択すればよい。選択したコリメートレンズ２２の外径がケース２１の内径よりも小さい場合は、スペーサ２１ａを利用すればよい。これによれば、平行光を輪帯光に変換するときのレーザ光の損失をほとんど無くすことができる。また、図６Ｃに示すように、フィルタ２３に代えて、アキシコンレンズ２３Ａと凸レンズ２３Ｃを並べて配置してもよい。これによっても、平行光を輪帯光に変換するときのレーザ光の損失をほとんど無くすことができる。したがって、レーザ光源１０が出射するレーザ光の強度を高くする必要がないため、レーザ光源１０の劣化を抑制することができる。
【００３７】
また、上記実施形態においては、移動装置２０ａによってケース２１をその中心軸方向に移動させることによって、焦点位置を移動させるようにした。しかし、測定対象物ＯＢの表面の凹凸の高低差が少なく、常に焦点深度の範囲内にある場合は、移動装置２０ａ、ケース位置検出回路１２０及びケース駆動回路１３０を省略できる。そして、コントローラ１８０は、３次元形状測定処理のみを実行し、ケース駆動処理を実行しないようにすればよい。また、上記実施形態においては、ミラー３０及び筐体７０をそれぞれモータ４０及びモータ８０によって回転させてレーザ光を２方向に走査するようにしたが、照射スポットの位置を変化させることができるならばどのような構成にしてもよい。例えば、筐体７０を固定して、２つのガルバノミラーを用いて２方向に走査してもよい。また、例えば、１つのガルバノミラーを用いて一方向に走査するとともに、３次元カメラＣＡを前記ガルバノミラーの走査方向に直角な方向に平行移動させるようにしてもよい。また、上記実施形態においては、ミラー３０は、ガルバノミラーとしたが、ミラー３０をポリゴンミラーにしてもよい。また、上記実施形態においては、測定対象物ＯＢからの反射光（散乱光）を、ミラー３０を介してラインセンサ６０で受光するようにしたが、反射光（散乱光）をミラー３０を介すことなくエリアセンサにて受光するようにしてもよい。これによれば、ミラー３０を小型にできる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…レーザ光源、２０…スポット形成器、２０ａ…移動装置、２０ａ１…支持台、２０ａ２…圧電アクチュエータ、２１…ケース、２２，２２Ａ…コリメートレンズ、２３…フィルタ、２３Ａ，２３Ｂ…アキシコンレンズ、２４…第１リレーレンズ、２５…第２リレーレンズ、３０…ミラー、４０…モータ、４１…エンコーダ、６０…受光センサ、１００…ミラー駆動回路、１１０…ミラー角度検出回路、１２０…ケース位置検出回路、１３０…ケース駆動回路、１６０…形状測定用レーザ駆動回路、１７０…センサ信号取り込み回路、１８０…コントローラ、ＯＢ…測定対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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