JP4315169B2

JP4315169B2 - 三次元形状測定システム

Info

Publication number: JP4315169B2
Application number: JP2006166207A
Authority: JP
Inventors: 亘山口; 伸一堀田; 芳久阿部
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2026-06-15
Also published as: US7715020B2; JP2007333582A; US20070291281A1

Description

本発明は、形状測定対象物の三次元形状の測定を行う三次元形状測定システムに関する。

従来、形状測定対象物の周囲における複数の測定位置で、測定対象物の断片的な三次元形状を非接触で測定し、これらの測定結果に基づいて、測定対象物の全体的な三次元形状を測定する非接触型の三次元形状測定器が知られている。形状測定対象物の三次元形状を測定する技術が開示された文献として例えば下記特許文献１〜４がある。

特許文献１には、被観察物体（微小物体）の全体に焦点の合った明瞭な２次元画像を得ることを目的として、被観察物体の焦点深度内にある部分を二次元の干渉計の干渉縞から特定し、その部分の画像を抽出して該画像をメモリに記憶するという動作を複数回行って得た複数の部分画像を合成する技術が開示されている。

特許文献２には、同一物体を異なる視点からカメラで撮影した時系列画像から物体のエッジ画像を順に求め、前回までに復元された物体の三次元情報と現時点における物体のエッジ画像とに基づいてカメラの今回の移動量を推定することにより、三次元情報を得る技術が開示されている。

特許文献３には、周期的に焦点位置を移動させつつ複数回撮像するとともに、各画像から焦点が合っている画素（合焦点画素）を抽出する処理を過去一周期分について実行し、抽出された過去一周期分の合焦点画像を合成し、この合成された画像を液晶モニタに表示する技術が提案されている。

特許文献４には、合焦点位置を変えながら計測対象物を多数回撮像し、得られた多数の画像の中から計測対象物の各部分について焦点の合った画像を決定し、各部分の三次元座標を求める技術が開示されている。
特開２００１−２０１３２５号公報特開平７−１６０８９３号公報特許３５０１３５９号公報特公平６−５８２１２号公報

ところで、前述の三次元形状測定器で形状測定対象物の三次元形状を測定する場合に、従来では、現在の測定範囲の外側に未測定の領域が存在するか否かの判断を作業者が行わなければならなかった。また、作業者が現在の測定範囲の外側に未測定の領域が存在すると判断した場合、次の測定位置での測定動作を行うべく測定範囲の移動先（移動量や移動方向）を適切に設定することは困難であった。

これを回避するべく、測定範囲の移動ピッチを予め設定し、形状測定対象物の三次元形状の如何に拘わらず、一定の範囲の中をその移動ピッチで測定範囲を移動させて測定動作を行うように構成した場合を想定すると、現在の測定範囲の外側に未測定の領域が存在しないにも拘わらず、測定範囲の移動や測定動作が行われる場合が生じる。ここに、無駄な動作が発生し、測定の長期化を招く。なお、前記特許文献１〜４には、次の測定位置での測定動作を行うべく測定範囲の移動先を自動的に決定する技術については開示されていない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、作業者に課す手間や測定時間を低減することのできる三次元形状測定システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、形状測定対象物の三次元形状を非接触で測定する測定部を備え、該測定部による複数回の測定動作で得られた断片的な三次元形状を示す測定データを用いて、前記形状測定対象物の全体的な三次元形状を測定する三次元形状測定システムであって、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、今回の測定範囲における周縁部分に設定された所定の大きさを有する判断対象範囲の測定データに基づいて、その判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断する未測定領域有無判断部と、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断されると、次の測定動作を行うべく、前記測定部による測定範囲の移動方向をその未測定の表面領域が存在する方向に設定することにより前記測定部の測定範囲の次の移動先を自動的に決定し、前記未測定の表面領域が存在する方向に前記測定部による測定範囲を移動させる測定範囲変更部とを備えることを特徴とするものである。

この発明によれば、未測定領域有無判断部により、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、今回の測定範囲における周縁部分に設定された所定の大きさを有する判断対象範囲の測定データに基づいて、その判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かが判断される。そして、測定範囲変更部により、前記未測定領域有無判断部で未測定の表面領域が存在すると判断されると、その未測定の表面領域が存在する方向に前記測定範囲が移動される。

この未測定領域有無判断部及び測定範囲変更部が三次元形状測定システムに搭載されることにより、前記測定部の測定範囲を自動的に移動しながら形状測定対象物の三次元形状測定動作を行う三次元形状測定システムが実現される。

前記判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在するか否かの判断については、前記判断対象範囲に測定データが存在する場合には、該判断対象範囲の外側にもまだ未測定の表面領域が存在すると判断できる一方、前記判断対象範囲に測定データが存在しない場合には、前記判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在しないと判断できることから、例えば請求項２に記載の発明のように、前記判断対象範囲の測定データの有無に基づいて該判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断するように構成するとよい。

また、この判断方法とは別に、前記判断対象範囲を所定の方向に並ぶ複数のブロックに分割した場合に、前記各ブロックに属する測定データの数が前記所定の方向における外側のブロックほど少なくなっているときには、前記判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在しないと判断できる一方、前記測定データの数が前記所定の方向における外側のブロックほど多くなっていたり数の変化が小さかったりする場合には、前記判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在すると判断できることから、請求項３に記載の発明のように、各ブロックに属する測定データの数の分布に基づいて、前記所定の方向において前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断するようにしてもよい。

さらに、前記判断対象範囲の測定データにより導出される表面形状の傾斜が緩やかな場合には、該判断対象範囲の外側にもまだ未測定の表面領域が存在すると判断できる一方、表面形状の傾斜が急な場合には、前記判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在しないと判断できることから、例えば請求項４に記載の発明のように、前記判断対象範囲の測定データにより導出される表面形状の傾斜態様に基づいて前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断するようにしてもよい。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定部は、光源及び該光源の光を形状測定対象物に導く投光光学系を有する投光部と、前記形状測定対象物により反射された前記投光部の出力光を受光する受光部とを備え、前記受光部により受光した光を用いて導出した当該測定部と前記形状測定対象物との距離を前記測定データとして出力するものであり、前記未測定領域有無判断部は、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、前記測定部と前記形状測定対象物との距離を表すための第１の方向における判断対象範囲の測定データに基づいて、前記第１の方向において前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断し、前記測定範囲変更部は、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断されると、前記測定範囲の位置を前記第１の方向において現在の測定範囲の位置より外側に移動させることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記測定部と前記形状測定対象物との距離を表すための第１の方向における判断対象範囲の測定データに基づいて、前記第１の方向において前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断し、前記未測定の表面領域が存在するときには、前記測定範囲の位置を前記第１の方向において現在の測定範囲の位置より外側に移動させるようにしたので、前記第１の方向において前記判断対象範囲より外側に存在する表面領域の三次元形状を測定することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記受光部は、受光面と該受光面に導く光の焦点を調節するための焦点調節光学系とを備え、前記測定範囲変更部は、前記焦点調節光学系の焦点距離を変更することにより、前記測定範囲に相当する焦点深度の位置を前記第１の方向において現在の焦点深度の位置より外側に移動させることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記焦点調節光学系の焦点距離を変更することにより、前記測定範囲に相当する焦点深度の位置を前記第１の方向において現在の焦点深度の位置より外側に移動させるようにしたので、前記第１の方向において前記判断対象範囲より外側に存在する表面領域の三次元形状を測定することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定範囲変更部は、前記形状測定対象物に対する前記測定部の相対位置を変更することにより前記測定範囲を移動させるものであることを特徴とする。

この発明によれば、前記形状測定対象物に対する前記測定部の相対位置を変更することにより前記測定範囲を移動させるようにしたので、前記測定範囲を任意の方向に移動させることができる。なお、前記形状測定対象物に対する前記測定部の相対位置の変更は、形状測定対象物の移動により行われるようにしてもよいし、測定部の移動により行われるようにしてもよい。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定部は、光源及び該光源の光を形状測定対象物に導く投光光学系を有する投光部と、前記形状測定対象物により反射された前記投光部の出力光を受光する受光部とを備え、前記受光部により受光した光を用いて導出した当該測定部と前記形状測定対象物との距離を前記測定データとして出力するものであり、前記未測定領域有無判断部は、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、前記測定部と前記形状測定対象物との距離に対応する第１の方向と略直交する直交方向における判断対象範囲の測定データに基づいて、前記直交方向において前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断し、前記測定範囲変更部は、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断されると、前記形状測定対象物に対する前記測定部の相対位置を変更することにより前記測定範囲の位置を前記略直交方向において現在の測定範囲の位置より外側に移動させるようにするものであることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記直交方向において前記判断対象範囲より外側に存在する表面領域の三次元形状を測定することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動ピッチを入力するための第１の入力操作部を備え、前記測定範囲変更部は、前記第１の入力操作部により入力された移動ピッチで前記測定範囲を移動させることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動ピッチを入力するための第１の入力操作部を備えたので、手動で前記測定範囲の移動ピッチを設定することができる。その際、請求項１０に記載の発明のように、絶対値又は前記測定範囲の大きさに対する相対値のいずれかを前記移動ピッチとして前記第１の入力操作部で入力可能に構成するとよい。

請求項１１に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、今回の測定動作の測定範囲における予め定められた判断対象範囲の測定データに基づいて、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動ピッチを導出する移動ピッチ導出部を備え、前記測定範囲変更部は、次回の測定動作を行うべく、今回の測定範囲の位置から前記移動ピッチ導出部により導出された移動ピッチだけ前記測定範囲を移動させることを特徴とするものである。

この発明によれば、今回の測定動作の測定範囲における予め定められた判断対象範囲の測定データに基づいて、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動ピッチを導出し、今回の測定範囲の位置から前記移動ピッチ導出部により導出された移動ピッチだけ前記測定範囲を移動させるようにしたので、手動で前記測定範囲の移動ピッチを設定するのに要する手間や時間を省くことができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項１ないし１１のいずれかに記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定部による形状測定対象物１つ当たりの測定動作の測定回数を指定する入力を行うための第２の入力操作部を備え、前記測定範囲変更部は、前記第２の入力操作部により入力された測定回数を上限として前記測定部による測定動作が行われるように前記測定範囲を移動させることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記第２の入力操作部により入力された測定回数を上限として前記測定部による測定動作が行われるように前記測定範囲を移動させるようにしたので、測定回数の増大による測定の長期化を防止又は抑制することができる。

請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定範囲変更部は、次回の測定動作でより多くの測定データが得られる位置に前記測定範囲を移動させることを特徴とするものである。

この発明によれば、次回の測定動作でより多くの測定データが得られる位置に前記測定範囲を移動させるようにすることで、測定回数が限られた中で効率的な測定動作を行うことができる。

請求項１４に記載の発明は、請求項１２または１３に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記第２の入力操作部は、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動方向が複数設定されているとき、移動方向ごとに測定回数を指定する入力が可能に構成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記第２の入力操作部は、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動方向が複数設定されているとき、移動方向ごとに測定回数を指定する入力が可能に構成されているので、例えば一方向に長い形状を有する形状測定対象物の三次元形状を測定する場合に、その一方向には他方向に比して測定回数を多く設定することができる。

請求項１５に記載の発明は、請求項１２ないし１４のいずれかに記載の三次元形状測定システムにおいて、前記未測定領域有無判断部は、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、今回の測定動作の測定範囲における予め定められた複数の判断対象範囲の測定データに基づいて、各判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断し、前記測定範囲変更部は、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断された判断対象範囲が複数存在するとき、各判断対象範囲の測定データを比較し、その比較結果に基づいて前記測定部による測定範囲の移動方向に優先順位を設定し、該優先順位にしたがって前記測定範囲を移動させることを特徴とするものである。

この発明によれば、複数の判断対象範囲の測定データに基づいて、各判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断する場合であって、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断された判断対象範囲が複数存在するときには、各判断対象範囲の測定データを比較し、その比較結果に基づいて前記測定部による測定範囲の移動方向に優先順位を設定し、該優先順位にしたがって前記測定範囲を移動させるようにしたので、測定回数が限られた中で効率的な測定動作を行うことができ、仮に未測定の表面領域が残存するとしても、該表面領域の大きさを出来るだけ抑制することができる。

請求項１６に記載の発明は、請求項１ないし１５のいずれかに記載の三次元形状測定システムにおいて、前記測定範囲変更部は、測定範囲の次回の移動先が前記測定範囲について予め定められた移動可能範囲を超えるとき、前記測定範囲の次回の移動を中止することを特徴とするものである。

この発明によれば、測定範囲の次回の移動先が前記測定範囲について予め定められた移動可能範囲を超えるとき、前記測定範囲の次回の移動を中止するようにしたので、測定範囲が前記移動可能範囲を超えて無駄な測定動作が行われるのを防止することができる。

請求項１〜８に記載の発明によれば、測定範囲を自動的に移動させることのできる三次元形状測定システムを実現することができる。

請求項９，１０に記載の発明によれば、前記測定範囲の移動ピッチを任意に設定することができる。

請求項１１に記載の発明によれば、手動で前記測定範囲の移動ピッチを設定するのに要する手間や時間を省くことができるため、形状測定対象物の測定時間の短縮化を図ることができる。

請求項１２に記載の発明によれば、測定回数の増大による測定の長期化を防止又は抑制することができる。

請求項１３，１５に記載の発明によれば、測定回数が限られた中で効率的な測定動作を行うことができる。

請求項１４に記載の発明によれば、形状測定対象物の三次元形状に応じて前記測定範囲の移動方向ごとに測定回数を設定することができる。

請求項１６に記載の発明によれば、特に形状測定対象物１つあたりの測定回数が制限されている場合に、効率的な測定動作を行うことができる。

本発明に係る三次元形状測定システムの実施形態について説明する。図１は、三次元形状測定システムの第１の実施形態における全体構成を示す図である。

図１に示すように、三次元形状測定システム１は、三次元デジタイザ１０とパーソナルコンピュータ２０とが通信可能に構成されて成り、三次元デジタイザ１０が形状測定対象物Ｓの周囲の複数の測定位置で、該形状測定対象物Ｓの非接触での形状測定動作を実行し、各測定動作で得られた複数の断片的な三次元形状を示す測定データを用いて、形状測定対象物Ｓの全体の三次元形状を測定する。

図２は、三次元デジタイザ１０による投受光動作を示す説明図である。三次元デジタイザ１０は、光切断法と呼ばれる方式を用いて形状測定対象物Ｓの三次元データを求めるものである。この三次元デジタイザ１０は、所定の発光手段と受光手段とを含む光学ユニットが内蔵された略直方体形状のハウジングに、投光窓を備えた投光部１１と、受光窓を備えた受光部１２とを有して成る。投光部１１は、受光部１２の上側の、基線長に応じた所定距離だけ離れた位置に設けられている。

投光部１１からは、水平方向に拡がるレーザビームであるスリット光１１Ｅが射出される。このスリット光１１Ｅは、水平方向に放射角度φで拡がり（扇形）、垂直方向に幅（厚み）Ｗを有する平面状の光である。スリット光１１Ｅは、形状測定対象物Ｓに向けて照射される。本実施形態では、該スリット光の幅Ｗは、後述する撮像素子１２２の画素５つ分の長さに相当するものとする。スリット光１１Ｅは形状測定対象物Ｓの表面で反射され、その反射光１２Ｒの一部が受光部１２に入射するようになっている。

図３は、三次元デジタイザ１０の基本的な内部構成を示す模式図、図４は、三次元デジタイザ１０による三次元測定方法の原理を示す説明図である。

図３に示すように、投光部１１は、光源となるレーザ光を発生するレーザ光源１１１と、前記レーザ光を投光窓に導く投光光学系１１２と、面回転するガルバノミラー１１３とを含んでいる。また、受光部１２は、反射光１２Ｒが入射される受光光学系１２１と、該受光光学系１２１の光路上に配置されるＣＣＤ（Charge Coupled Device）等からなる撮像素子１２２とを含んでいる。

投光部１１からは、形状測定対象物Ｓに向けて所定のガルバノ回転角でガルバノミラー１１３を回転させつつ、順次スリット光１１Ｅ−１、１１Ｅ−２、１１Ｅ−３が投光される。かかる投光は、形状測定対象物Ｓの全域を走査するように行われる。このときの反射光は、受光光学系１２１を介して撮像素子１２２で受光される。受光光学系１２１は、焦点の調節を行うための焦点調節光学系（図５参照）１２１１を備えており、該焦点調節光学系１２１１が光軸方向に駆動されることで焦点調節が行われる。

撮像素子１２２で受光される画像１２２Ｄは、形状測定対象物Ｓの立体形状に応じたスリット像ＳＥ−１、ＳＥ−２、ＳＥ−３を含むものとなる。そして、スリット光１１Ｅ−１、１１Ｅ−２、１１Ｅ−３の投光角と、撮像素子１２２の受光エリアにおけるスリット像ＳＥ−１、ＳＥ−２、ＳＥ−３の位置とから、三次元デジタイザ１０に内蔵されている測定データ導出部１７（図５参照）により、三次元デジタイザ１０から形状測定対象物Ｓまでの距離が三角測量の原理で算出される。

図４に基づき測定原理を説明する。先ず、投光点からのレーザ光Ｆの投光角θは、ガルバノミラー１１３のガルバノ回転角から求められる。レーザ光Ｆが或る測定面Ｓａ上の点Ｐ１で反射され、その反射光Ｒ１が受光部１２に入射したとすると、撮像素子１２２の受光面で検出される反射光Ｒ１の像位置ｙｉから、反射光Ｒ１の受光角φが算出される。そして、投光点と受光点との間の基線長Ｌと投光角θ、受光角φより、測定物面上の点Ｐ１までの距離Ｚ１が求められる。これは、別の測定面Ｓｂ上の点Ｐ２で反射された反射光Ｒ２でも同様であり、この場合は、距離Ｚ２が求められる。形状測定対象物Ｓの各部位についてそれぞれ求められた距離は、共通の三次元座標系における座標（位置）に変換され、前記距離を示すデータから前記座標を示す測定データが生成される。

図１に戻り、パーソナルコンピュータ２０は、三次元デジタイザ１０により取得された前記測定データを取り込んで、形状測定対象物Ｓの三次元形状を求めるための各種演算を行うものである。また、パーソナルコンピュータ２０は、所望の指示を入力するためのキーボード２７ａやマウス２７ｂ等の入力操作部２７と、所定の画面を表示する表示部２８とを有する。

図５は、三次元形状測定システム１の構成を示すブロック図である。図５に示すように、三次元デジタイザ１０は、前記投光部１１及び受光部１２を含む測定部１３と、パーソナルコンピュータ２０との間で各種データの通信を行うための通信部１４と、焦点調節光学系１２１１を光軸方向に駆動する焦点調節光学系駆動部１５と、後述のステージ４２を駆動するステージ駆動部１６と、前記測定データ導出部１７とを有する。

通信部１４は、パーソナルコンピュータ２０との間で各種のデータの授受を行うものであり、三次元デジタイザ１０による各測定位置での測定動作によって得られた測定データをパーソナルコンピュータ２０に送信したり、前記測定部１３の測定開始／終了指示、焦点調節光学系１２１１による焦点距離変更指示、ステージ４２の駆動指示等を示すデータをパーソナルコンピュータ２０から受信したりするものである。

焦点調節光学系駆動部１５は、パーソナルコンピュータ２０からの指示にしたがって、前記焦点調節光学系１２１１を光軸方向に駆動することにより、該焦点調節光学系１２１１の焦点距離を変更するものである。

ステージ駆動部１６は、形状測定対象物Ｓに対する測定部１３の相対位置を変化させるものである。本実施形態では、図３に示すように、重力方向及びその逆方向をＹ軸とすると、後述するように三次元デジタイザ１０の測定部１３は後述する昇降機構４０により前記Ｙ軸方向に移動可能に構成されている。なお、以下の説明において、三次元デジタイザ１０から形状測定対象物Ｓまでの距離を表す方向をＺ軸、前記Ｙ軸及びＺ軸に直交する方向をＸ軸とする三次元座標系を設定するものとする。

昇降機構４０は、例えば油圧式のピストン４１と、該ピストン４１の上端に取り付けられたステージ４２と、ピストン４１を支持する支持面４３とを有し、ピストン４１の進退動作を用いて測定部１３が設置されたステージ４２を上下方向に駆動することで、形状測定対象物Ｓに対する測定部１３のＹ軸方向における相対位置を変化させるものである。

測定データ導出部１７は、前述したように、三次元デジタイザ１０から形状測定対象物Ｓまでの距離を三角測量の原理で算出するものである。

パーソナルコンピュータ２０は、三次元デジタイザ１０との間で各種データの通信を行うための通信部２１を有すると共に、以下に説明する、測定制御部２２と、未測定領域有無判断部２３と、焦点調節光学系駆動制御部２４と、ステージ駆動制御部２５と、三次元形状導出部２６とを機能的に備える。

測定制御部２２は、三次元デジタイザ１０の前記投光部１１及び受光部１２に投受光動作を行わせるものである。

未測定領域有無判断部２３は、測定データ導出部１７により導出された今回の測定データを通信部２１を介して三次元デジタイザ１０から取得し、該測定データを用いて今回の測定範囲より外側に未測定の領域が存在するか否かを判断するものである。以下、この判断方法について説明する。

図６、図７は、或る形状測定対象物ＳをＸ軸方向からみたときの該形状測定対象物Ｓの輪郭と、三次元デジタイザ１０の測定範囲とを示す図である。ここで、焦点調節光学系１２１１の焦点の位置を基準とする光軸方向の前後には、焦点が略合っているとみなせる一定の範囲、すなわち焦点深度が存在し、この焦点深度に属する形状測定対象物Ｓの表面部位に対してはほぼ焦点が合った状態でその表面形状を測定することができる。

図６、図７では、矢印Ｗで示す範囲が前記焦点深度であり、形状測定対象物Ｓの表面領域のうち前記焦点深度Ｗに含まれる領域に対してはほぼ焦点が合った状態で、三次元デジタイザ１０との距離が算出される、すなわち測定データが得られることとなる。したがって、焦点調節光学系１２１１が或る焦点距離に設定されているときの焦点深度Ｗは、或るスリット光１１Ｅを形状測定対象物Ｓに向けて照射したときのＺ軸方向における測定範囲に相当するものとなるとともに、焦点調節光学系１２１１の焦点距離を変えることで、測定範囲のＺ軸方向における位置を変えることができる。

一方、Ｙ軸方向における測定範囲の移動は、前述したように、ステージを昇降させて三次元デジタイザ１０を上下方向に移動させることにより実現することができる。なお、本実施形態では、測定範囲の移動方向はＹ軸方向及びＺ軸方向のみであるが、Ｘ軸方向に移動可能な形態も採用可能である。

未測定領域有無判断部２３は、Ｚ軸方向に着目した場合、三次元デジタイザ１０の今回の測定動作により得られた測定データのうち、前記測定範囲のＺ軸方向における両端側に位置する所定の大きさの範囲（以下、判断対象範囲という）に測定データが存在するか否かを判断する。そして、未測定領域有無判断部２３は、判断対象範囲に測定データが存在すると判断したときには、他方の判断対象範囲から当該判断対象範囲に向かう方向に前記測定範囲が移動するように焦点距離を変更した状態での測定が必要であると判断する一方、判断対象範囲に測定データが存在しないと判断したときには、その焦点距離を変更した状態での測定は必要でないと判断する。

例えば図６では、判断対象範囲Ａに形状測定対象物Ｓの表面領域が含まれており、該判断対象範囲Ａから測定データが得られる。この場合、当該判断対象範囲ＡのＺ軸方向における外側（図６の左側）には、形状測定対象物Ｓの一部位が存在し、未測定の表面領域が存在すると考えられることから、未測定領域有無判断部２３は、他方の判断対象範囲Ｂから当該判断対象範囲Ａに向かう方向、すなわち矢印Ｚ１の方向に測定範囲が移動するように焦点距離を変更した状態での測定が必要であると判断する。

一方、判断対象範囲Ｂには形状測定対象物Ｓの表面領域が全く含まれておらず、該判断対象範囲Ｂから測定データが得られない。この場合、当該判断対象範囲ＢのＺ軸方向における外側（図６の右側）には、形状測定対象物Ｓの部位が存在せず、未測定の表面領域が存在しないと考えられることから、未測定領域有無判断部２３は、他方の判断対象範囲Ａから当該判断対象範囲Ｂに向かう方向、すなわち矢印Ｚ２の方向に測定範囲が移動するように焦点距離を変更した状態での測定は必要でないと判断する。

また、これと同様に、未測定領域有無判断部２３は、Ｙ軸方向に着目した場合、三次元デジタイザ１０の今回の測定動作により得られた測定データのうち、前記測定範囲のＹ軸方向における両端側に位置する所定の大きさの判断対象範囲に測定データが存在するか否かを判断する。そして、未測定領域有無判断部２３は、判断対象範囲に測定データが存在すると判断したときには、他方の判断対象範囲から当該判断対象範囲に向けて測定範囲を移動した状態での測定が必要であると判断する一方、判断対象範囲に測定データが存在しないと判断したときには、その測定範囲を移動した状態での測定は必要でないと判断する。

例えば図７では、判断対象範囲Ｃに形状測定対象物Ｓの表面領域が含まれており、該判断対象範囲Ｃから測定データが得られる。この場合、当該判断対象範囲ＣのＹ軸方向における外側（図７の下側）には、形状測定対象物Ｓの一部位が存在し、未測定の表面領域が存在すると考えられることから、未測定領域有無判断部２３は、他方の判断対象範囲Ｄから当該判断対象範囲Ｃに向かう方向、すなわち矢印Ｙ１の方向に測定範囲を移動した状態での測定が必要であると判断する。

一方、判断対象範囲Ｄには形状測定対象物Ｓの表面領域が全く含まれておらず、該判断対象範囲Ｄから測定データが得られない。この場合、当該判断対象範囲ＤのＺ軸方向における外側（図７の上側）には、形状測定対象物Ｓの部位が存在せず、未測定の表面領域が存在しないと考えられることから、未測定領域有無判断部２３は、他方の判断対象範囲Ｃから当該判断対象範囲Ｄに向かう方向、すなわち矢印Ｙ２の方向に測定範囲を変更した状態での測定は必要で無いと判断する。

焦点調節光学系駆動制御部２４は、未測定領域有無判断部２３により測定範囲をＺ軸方向に移動した状態での測定が必要であると判断された場合に、前記焦点調節光学系１２１１を光軸方向に駆動する指示を、三次元デジタイザ１０の焦点調節光学系駆動部１５に出力するものである。

例えば、形状測定対象物Ｓに対する前記測定範囲の現在のＺ軸方向における位置が図８（ａ）に示す位置であったものとし、未測定領域有無判断部２３により、現在の測定範囲の位置より三次元デジタイザ１０側での測定が必要であると判断された場合、例えば前述の例でいうと図６において判断対象範囲Ａに測定データが存在し、矢印Ｚ１の方向に測定範囲が移動するように焦点距離を変更した状態での測定が必要であると判断された場合には、焦点調節光学系駆動制御部２４は、図８（ｂ）に示すように、測定範囲の位置が現在の測定範囲の位置より三次元デジタイザ１０側の位置に移動するように焦点調節光学系１２１１を駆動する（焦点距離を短くする）指示を前記焦点調節光学系駆動部１５に出力する。

一方、現在の測定範囲の位置より三次元デジタイザ１０と反対側での測定が必要であると判断された場合には、焦点調節光学系駆動制御部２４は、図８（ｃ）に示すように、測定範囲の位置が現在の測定範囲の位置より三次元デジタイザ１０とは反対側に移動する（焦点距離を長くする）ように焦点調節光学系１２１１を駆動する指示を前記焦点調節光学系駆動部１５に出力する。なお、図８（ｂ），（ｃ）における点線は、図８（ａ）に示す測定範囲の位置を示す。

ステージ駆動制御部２５と、未測定領域有無判断部２３により測定範囲をＹ軸方向に移動した状態での測定が必要であると判断された場合に、ステージ４２の昇降動作を行わせる指示を三次元デジタイザ１０のステージ駆動部１６に出力するものである。

例えば、形状測定対象物Ｓに対する前記測定範囲の現在のＹ軸方向における位置が図９（ａ）に示す位置であったものとし、未測定領域有無判断部２３により、現在の測定範囲の位置よりＹ軸方向下側での測定が必要であると判断された場合、例えば前述の例でいうと図７において判断対象範囲Ｃに測定データが存在し、矢印Ｙ１の方向に測定範囲を移動させた状態で測定が必要であると判断された場合には、ステージ駆動制御部２５は、図９（ｂ）に示すように、測定範囲の位置が現在の測定範囲の位置よりＹ軸方向下側に移動するようにステージを駆動する指示を前記ステージ駆動部１６に出力する。

一方、現在の測定範囲の位置よりＹ軸方向上側での測定が必要であると判断された場合には、図９（ｃ）に示すように、測定範囲の位置が現在の測定範囲の位置よりＹ軸方向上側に移動するようにステージ４２を駆動する指示を前記ステージ駆動部１６に出力する。なお、図９（ｂ），（ｃ）における点線は、図９（ａ）に示す測定範囲の位置を示す。

未測定領域有無判断部２３、焦点調節光学系駆動制御部２４及びステージ駆動制御部２５は、形状測定対象物Ｓの三次元形状の測定が完了するまで、前述の動作を繰り返し実行する。

例えば図１０に示すような表面形状を有する形状測定対象物Ｓの三次元形状を測定する場合において、図１０（ａ）に示すように、測定範囲が、例えばＳ字形状を有する前記形状測定対象物Ｓの表面領域のうち上端部の表面領域を含むような焦点調節光学系１２１１の焦点距離及びＹ軸方向における三次元デジタイザ１０の位置が初期状態として設定されているものとする。

このとき、図１０（ａ）に示す状態では、未測定領域有無判断部２３は、前述の判断方法に基づき、測定範囲のＹ軸方向下側に未測定の領域が存在すると判断し、ステージ駆動制御部２５は、この判断結果に基づき、図１０（ｂ）に示すように、三次元デジタイザ１０をＹ軸方向下側に下降させる。

図１０（ｂ）に示す状態では、未測定領域有無判断部２３は、測定範囲の右側に未測定の領域が存在すると判断し、この判断結果に基づき、図１０（ｃ）に示すように、焦点調節光学系駆動制御部２４は、測定範囲がＺ軸方向右側に移動するように焦点調節光学系１２１１の焦点距離を大きくする。なお、図１０（ｂ）に示す状態では、測定範囲のＹ軸方向上側にも未測定の領域が存在すると判断されるが、その領域は図１０（ａ）に示す状態で既に測定を行っているため、再び測定は行わない。以下、同様に、既に測定を行った部位については測定を行わない。

図１０（ｃ）に示す状態では、未測定領域有無判断部２３は、測定範囲のＹ軸方向下側に未測定の領域が存在すると判断し、ステージ駆動制御部２５は、この判断結果に基づき、図１０（ｄ）に示すように、三次元デジタイザ１０をＹ軸方向下側に下降させる。図１０（ｄ）に示す状態では、Ｙ軸方向及びＺ軸方向とも測定範囲の外側には未測定の領域が存在しないと判断し、該形状測定対象物Ｓの三次元形状の測定動作を終了する。

三次元形状導出部２６は、三次元デジタイザ１０による形状測定対象物Ｓの三次元形状の測定動作を終了すると、それまでの測定動作により得られた測定データに基づいて、形状測定対象物Ｓの全体的な三次元形状を導出するものである。

図１１は、三次元形状測定システム１における三次元形状測定処理を示すフローチャートである。なお、図１１では、説明の複雑化を回避するため、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のうち一方向のみの測定動作を前提とする。

図１１に示すように、三次元デジタイザ１０は、形状測定対象物Ｓに対して或る測定範囲での測定動作を行うと（ステップ♯１）、パーソナルコンピュータ２０は、その測定動作における測定範囲の外側に未測定の領域が存在するか否かを、該測定動作で得られた測定データを用いて判断し（ステップ♯２）、存在する場合には（ステップ♯２でＹＥＳ）、三次元デジタイザ１０に測定範囲の位置を前記外側に向かって変更させた上で（ステップ♯３）、ステップ♯１に戻って測定動作を行わせる。

ステップ♯２で、パーソナルコンピュータ２０は、測定範囲の外側に未測定の領域が存在しないと判断すると（ステップ♯２でＮＯ）、三次元デジタイザ１０は、前記形状測定対象物Ｓに対する測定動作を終了する。

以上のように、測定部１３による測定動作で得られた測定データから現在の測定範囲の外側に未測定の領域が存在するか否かを判断し、未測定の領域が存在すると判断したときには、測定範囲をその外側の領域に移動して測定動作を行うようにしたので、前記測定部１３の測定範囲を自動的に移動して測定動作が行われる。したがって、従来のように作業者自身が現在の測定範囲の外側に未測定の表面領域が存在するか否かとか、三次元デジタイザ１０の移動先についての判断を行う作業が不要となる。その結果、該作業に要する手間や時間を省くことができ、測定時間を短縮することができる。

本件は、前記実施形態に加えて、あるいは前記実施形態に代えて次の変形形態も含むものである。

（１）前記第１の実施形態では、測定範囲の中に判断対象範囲を設け、この判断対象範囲における測定データの有無に応じて、該判断対象範囲の外側における未測定の表面領域の有無、延いては存在測定範囲の移動の要否を判断するようにしたが、これに限られず、例えば次のような判断方法も採用可能である。

形状測定対象物Ｓと現在の測定範囲Ｅとの位置関係が例えば図１２に示すような状態であり、この状態において例えばＺ軸方向への測定範囲の移動の要否を判断する場合を想定する。

この場合、本実施形態の未測定領域有無判断部２３は、前記第１の実施形態と同様の判断対象領域Ｆを設定することに加えて、この判断対象領域ＦをＺ軸方向に所定数のブロックＦ１〜Ｆ５に分割し、各ブロックＦ１〜Ｆ５における測定データの数（データ数）を検出する。

図１３（ａ），（ｂ）は、各ブロックＦ１〜Ｆ５に属する測定データの数の分布例を示した図であり、横軸は、ブロックの位置（横軸右側が判断対象領域ＦのＺ軸方向外側（図１２の左側）に相当）、縦軸は、各ブロックＦ１〜Ｆ５に属する測定データの数を示す。

内側のブロックＦ５から外側のブロックＦ１に向かう方向へのデータ数の変化に着目したときに、例えば図１３（ａ）に示すように、途中のブロックＦ３までデータ数が減少するが、そのブロックＦ３からブロックＦ５まではデータ数が略一定に推移している場合には、最も外側に位置するブロックＦ１のＺ軸方向外側には形状測定対象物Ｓが存在し、未測定の表面領域が存在するものと判断することができる。

一方、例えば図１３（ｂ）に示すように、内側のブロックＦ５から外側のブロックＦ１に向かう方向にデータ数が漸次減少し、最も外側のブロックＦ１にはほとんど測定データが存在しない場合には、最も外側に位置するブロックＦ１のＺ軸方向外側には形状測定対象物Ｓが存在せず、未測定の領域は存在しないものと判断することができる。

これに基づき、未測定領域有無判断部２３は、内側のブロックＦ５から外側のブロックＦ１に向かう方向へのデータ数の変化が、図１３（ａ）に示すような場合には、前記第１の実施形態と同様に、測定範囲の位置を図１２に示す現在の測定範囲の位置からＺ軸方向外側（左側）に移動させる一方、図１３（ｂ）に示すような場合には、前記測定範囲の位置の移動を行わない。

また、本実施形態の未測定領域有無判断部２３は、Ｙ軸方向においても前記と略同様の判断方法で判断を行う。形状測定対象物Ｓと現在の測定範囲Ｇとの位置関係が例えば図１４に示すような状態であり、この状態において例えばＺ軸方向への測定範囲の移動の要否を判断する場合を想定する。

この場合、本実施形態の未測定領域有無判断部２３は、前記第１の実施形態と同様の判断対象領域Ｈを図１４に示す位置に設定することに加えて、この判断対象領域ＨをＹ軸方向に所定数のブロックＨ１〜Ｈ５に分割し、各ブロックＨ１〜Ｈ５における測定データの数（データ数）を検出する。

図１５（ａ），（ｂ）は、各ブロックＨ１〜Ｈ５に属する測定データの数の分布例を示した図であり、横軸は、ブロックの位置（横軸右側が判断対象領域ＨのＹ軸方向外側（図１４の下側）に相当）、縦軸は、各ブロックＨ１〜Ｈ５に属する測定データの数を示す。

内側のブロックＨ１から外側のブロックＨ５に向かう方向へのデータ数の変化に着目したときに、例えば図１５（ａ）に示すように、途中のブロックＨ３までデータ数が減少するが、そのブロックＨ３からブロックＨ５まではデータ数が略一定に推移している場合には、最も外側に位置するブロックＨ５のＹ軸方向外側には形状測定対象物Ｓが存在し、未測定の領域が存在するものと判断することができる。

一方、例えば図１５（ｂ）に示すように、内側のブロックＨ１から外側のブロックＨ５に向かう方向にデータ数が漸次減少し、最も外側に位置するブロックＨ５にはほとんど測定データが存在しない場合には、最も外側に位置するブロックＨ５のＹ軸方向外側には形状測定対象物Ｓが存在せず、最も外側のブロックＨ５のＹ軸方向外側には未測定の領域は存在しないものと判断することができる。

したがって、未測定領域有無判断部２３は、内側のブロックＨ１から外側のブロックＨ５に向かう方向へのデータ数の変化が、図１５（ａ）に示すような場合には、前記第１の実施形態と同様に、測定範囲の位置を図１４に示す位置からＹ軸方向外側（下側）に変更する一方、図１５（ｂ）に示すような場合には、前記測定範囲の位置の移動を行わない。

また、この判断方法とは別に、前記判断対象範囲の測定データにより導出される表面形状の傾斜態様に基づいて前記周縁部分より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断するようにしてもよい。

すなわち、図１８の矢印Ｍ１で示すように、判断対象範囲の測定データから導出される表面形状の傾斜が緩やかな場合には、該判断対象範囲の外側にもまだ未測定の表面領域が存在すると判断できる一方、矢印Ｍ２で示すように、表面形状の傾斜が急な場合には、前記判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在しないと判断することができる。

（２）現在の測定範囲の外側に未測定の領域が存在すると判断され、焦点調節光学系１２１１の焦点距離を変更したり三次元デジタイザ１０の位置を変更したりすることで測定範囲を移動する場合に、この焦点距離の変更ピッチや三次元デジタイザ１０のＹ軸方向における移動ピッチを手動で設定できるようにしてもよいし、自動で設定するようにしてもよい。

前記移動ピッチを手動で設定できるように構成した場合には、該移動ピッチを任意に設定することができる。前記変更ピッチや移動ピッチの設定は、例えば１ｍｍとか１ｃｍなどの絶対値、あるいは測定範囲の大きさに対して２０％などの相対値で行えるようにするとよい。

また、前記移動ピッチを自動で設定する構成は、例えば、判断対象範囲における測定データに基づき形状測定対象物Ｓの表面形状を表す方程式を導出し、この方程式に基づいて前記判断対象範囲の外側に未測定の領域を導出し、この未測定の領域を測定するのに必要な測定範囲の移動量を類推的に導出するようにするとよい。これにより、手動で前記測定範囲の移動ピッチを設定するのに要する手間や時間を省くことができ、形状測定対象物の測定時間の短縮化を図ることができる。

（３）形状測定対象物の測定動作の長期化を防止又は抑制するため、作業者が形状測定対象物１つあたりの測定回数の上限を設定できるようにしてもよいし、例えば前記Ｙ軸方向及びＺ軸方向の各方向についてそれぞれ測定回数又はその上限を設定できるようにしてもよい。各方向についてそれぞれ測定回数又はその上限を設定できる様にした場合には、形状測定対象物の形状に応じた各方向の測定回数を設定することができる。

例えば各方向に略同一の大きさを有する形状測定対象物の三次元形状を測定する場合には、各方向にそれぞれ略同一の測定回数に設定し、例えば一方向に長い形状を有する形状測定対象物の三次元形状を測定する場合には、その一方向における測定回数を他方向における測定回数に比して多く設定するとよい。

また、前述のように形状測定対象物１つあたりの測定回数を限定する場合には、測定範囲を移動させるべき移動方向が複数存在するときに、それらの移動方向に優先順位を設定し、その優先順位にしたがって測定範囲を移動させるようにするとよい。なお、変形形態（１）では、前記判断対象範囲の測定データにより導出される表面形状の傾斜態様に基づいて測定範囲の移動の要否判断を行う形態の説明のために、図１８を用いたが、ここでは、測定範囲の移動方向に優先順位を設定し、その優先順位にしたがって測定範囲を移動させる形態の説明のために図１８を用いる。

図１８に示すように、Ｙ軸方向に着目した場合に、２つの判断対象範囲にそれぞれ含まれる表面形状を比較したとき、表面形状がより緩やかなものであるほど、その判断対象範囲よりＹ軸方向外側にはまだ多くの領域が存在すると考えられる。

このことから、より緩やかな表面形状を含む判断対象範囲に高い優先順位を設定し、まず、この判断対象範囲のＹ軸方向外側に測定範囲を移動して測定動作を行うようにするとよい。これにより、より少ない測定回数でより多くの測定データが得られる効率的な測定動作を行うことができ、仮に、形状測定対象物１つあたりの測定回数を制限することで未測定の領域が存在するとしても、できるだけその未測定の状態で終わる表面領域をできるだけ小さい領域に抑制することができる。

この優先順位の設定方法とは別に、得られる測定データの数の多少に応じて判断対象範囲に優先順位を設定する方法が想定される。例えば２つの判断対象範囲うち、測定データの数がより多く得られる判断対象範囲に高い優先順位を設定し、まず、この判断対象範囲のＺ軸方向外側に測定範囲を移動して測定動作を行うようにしてもよい。

（４）前記第１の実施形態では、昇降機構４０により三次元デジタイザ１０が一方向（Ｙ軸方向）にのみ平行移動可能に構成されていたが、一方向のみの平行移動だけでなく、複数方向への平行移動も可能となるように構成するとよい。また、三次元デジタイザ１０の回転移動（向きの変更）も行えるように構成するとさらに好ましい。図１６は、図１０に示す形状測定対象物Ｓの形状を測定する場合において、三次元デジタイザ１０が回転移動可能に構成されている場合の測定動作を説明するための図である。

図１６（ａ）に示す状態が図１０（ａ）に示す初期状態に対応するものとすると、本実施形態では、図１６（ｂ）に示すように、パーソナルコンピュータ２０は、三次元デジタイザ１０の向き（投光方向）をＹ−Ｚ平面に平行な面上で変更させる。その際、パーソナルコンピュータ２０は、該変更後の測定範囲に形状測定対象物Ｓの表面領域ができるだけ多く含まれるように、すなわちより多くの測定データが得られるように三次元デジタイザ１０の向きを変更させる。

図１６（ｂ）に示す状態では、未測定領域有無判断部２３は、測定範囲の右斜め下側に未測定の領域が存在すると判断し、図１６（ｃ）に示すように、図１０（ｄ）に示す状態と同様、三次元デジタイザ１０の向きをＹ−Ｚ平面に平行な面内で変更するとともに、焦点調節光学系駆動制御部２４は、測定範囲がＺ軸方向右側に移動するように焦点距離を大きくする。

このように、測定範囲に形状測定対象物Ｓの表面領域ができるだけ多く含まれるように三次元デジタイザ１０の向きを変更させるようにすることで、前記第１の実施形態では４回の測定動作が必要であるのに対し、本実施形態では３回の測定動作で済み、測定回数、延いては測定時間を低減することができる。

（５）三次元デジタイザ１０の測定可能範囲を超える位置に測定範囲を移動させる必要が生じた場合、測定範囲の移動及び測定動作を中止し、三次元デジタイザ１０を初期位置に戻すようにするとよい。これにより、測定範囲が前記移動可能範囲を超えて無駄な測定動作が行われるのを防止することができる。

図１７は、変形形態（３）〜（５）を考慮した場合の三次元形状測定システム１における三次元形状測定処理を示すフローチャートである。

図１７に示すように、三次元デジタイザ１０は、形状測定対象物Ｓに対して或る測定範囲での測定動作を行うと（ステップ♯１１）、パーソナルコンピュータ２０は、その測定動作における測定範囲の外側に未測定の領域が存在するか否かを、該測定動作で得られた測定データを用いて判断し（ステップ♯１２）、存在する場合には（ステップ♯１２でＹＥＳ）、現在の測定回数が作業者により指定された測定回数の上限値に達しているか否かを判断する（ステップ♯１３）。

パーソナルコンピュータ２０は、前記測定回数が前記上限値に達していると判断した場合には（ステップ♯１３でＹＥＳ）、形状測定対象物Ｓに対する測定動作を終了する一方、前記測定回数が前記上限値に達していない場合には（ステップ♯１３でＮＯ）、できるだけ多くの測定データが得られる測定範囲の位置を導出し（ステップ♯１４）、その測定範囲の位置への移動は可能であるか否か（三次元デジタイザ１０の測定可能範囲を超える位置でないか否か）を判断する（ステップ♯１５）。

その結果、パーソナルコンピュータ２０は、前記移動が不可能であると判断した場合には（ステップ１５でＮＯ）、形状測定対象物Ｓに対する測定動作を終了する一方、前記移動が可能であると判断した場合には（ステップ♯１５でＹＥＳ）、ステップ♯１４で導出した位置への測定範囲の位置変更を三次元デジタイザ１０に行わせた上で（ステップ♯１６）、ステップ♯１に戻って測定動作を行わせる。

ステップ♯２で、パーソナルコンピュータ２０は、測定範囲の外側に未測定の領域が存在しないと判断すると（ステップ♯１２でＮＯ）、三次元デジタイザ１０は、形状測定対象物Ｓに対する測定動作を終了する。

本発明に係る三次元形状測定システムの第１の実施形態における全体構成を示す図である。三次元デジタイザによる投受光動作を示す説明図である。三次元デジタイザの基本的な内部構成を示す模式図である。三次元デジタイザによる三次元測定方法の原理を示す説明図である。三次元形状測定システムの電気的な構成を示すブロック図である。或る形状測定対象物ＳをＸ軸方向からみたときの該形状測定対象物Ｓの輪郭と、三次元デジタイザの測定範囲とを示す図である。或る形状測定対象物ＳをＸ軸方向からみたときの該形状測定対象物Ｓの輪郭と、三次元デジタイザの測定範囲とを示す図である。Ｚ軸方向における測定範囲の移動の態様を示す図である。Ｙ軸方向における測定範囲の移動の態様を示す図である。形状測定対象物の測定動作の説明図である。三次元形状測定システムにおける三次元形状測定処理を示すフローチャートである。他の判断方法を説明するための図である。他の判断方法を説明するための図である。他の判断方法を説明するための図である。他の判断方法を説明するための図である。三次元デジタイザが回転移動可能に構成されている場合の測定動作を説明するための図である。変形形態（３）〜（５）を考慮した場合の三次元形状測定システムにおける三次元形状測定処理を示すフローチャートである。他の判断方法を説明するための図である。

１三次元形状測定システム
１０三次元デジタイザ
１１投光部
１２受光部
１３測定部
１５焦点調節光学系駆動部
１６ステージ駆動部
１７測定データ導出部
２０パーソナルコンピュータ
２２測定制御部
２３未測定領域有無判断部
２４焦点調節光学系駆動制御部
２５ステージ駆動制御部
２６三次元形状導出部
２７入力操作部
４２ステージ
１１２投光光学系
１２１受光光学系
１２１１焦点調節光学系

Claims

形状測定対象物の三次元形状を非接触で測定する測定部を備え、該測定部による複数回の測定動作で得られた断片的な三次元形状を示す測定データを用いて、前記形状測定対象物の全体的な三次元形状を測定する三次元形状測定システムであって、
前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、今回の測定範囲における周縁部分に設定された所定の大きさを有する判断対象範囲の測定データに基づいて、その判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断する未測定領域有無判断部と、
前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断されると、次の測定動作を行うべく、前記測定部による測定範囲の移動方向をその未測定の表面領域が存在する方向に設定することにより前記測定部の測定範囲の次の移動先を自動的に決定し、前記未測定の表面領域が存在する方向に前記測定部による測定範囲を移動させる測定範囲変更部と
を備えることを特徴とする三次元形状測定システム。
前記未測定領域有無判断部は、前記判断対象範囲の測定データの有無に基づいて該判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定システム。
前記未測定領域有無判断部は、前記判断対象範囲を所定の方向に並ぶ複数のブロックに分割し、各ブロックに属する測定データの数の分布に基づいて、前記所定の方向における前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定システム。
前記未測定領域有無判断部は、前記判断対象範囲の測定データにより導出される表面形状の傾斜態様に基づいて前記判断対象範囲の外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定システム。
前記測定部は、光源及び該光源の光を形状測定対象物に導く投光光学系を有する投光部と、前記形状測定対象物により反射された前記投光部の出力光を受光する受光部とを備え、前記受光部により受光した光を用いて導出した当該測定部と前記形状測定対象物との距離を前記測定データとして出力するものであり、
前記未測定領域有無判断部は、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、前記測定部と前記形状測定対象物との距離を表すための第１の方向における判断対象範囲の測定データに基づいて、前記第１の方向において前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断し、
前記測定範囲変更部は、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断されると、前記測定範囲の位置を前記第１の方向において現在の測定範囲の位置より外側に移動させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の三次元形状測定システム。
前記受光部は、受光面と該受光面に導く光の焦点を調節するための焦点調節光学系とを備え、
前記測定範囲変更部は、前記焦点調節光学系の焦点距離を変更することにより、前記測定範囲に相当する焦点深度の位置を前記第１の方向において現在の焦点深度の位置より外側に移動させることを特徴とする請求項５に記載の三次元形状測定システム。
前記測定範囲変更部は、前記形状測定対象物に対する前記測定部の相対位置を変更することにより前記測定範囲を移動させるものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の三次元形状測定システム。
前記測定部は、光源及び該光源の光を形状測定対象物に導く投光光学系を有する投光部と、前記形状測定対象物により反射された前記投光部の出力光を受光する受光部とを備え、前記受光部により受光した光を用いて導出した当該測定部と前記形状測定対象物との距離を前記測定データとして出力するものであり、
前記未測定領域有無判断部は、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、前記測定部と前記形状測定対象物との距離に対応する第１の方向と略直交する直交方向における判断対象範囲の測定データに基づいて、前記直交方向において前記判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断し、
前記測定範囲変更部は、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断されると、前記形状測定対象物に対する前記測定部の相対位置を変更することにより前記測定範囲の位置を前記略直交方向において現在の測定範囲の位置より外側に移動させるようにするものであることを特徴とする請求項７に記載の三次元形状測定システム。
前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動ピッチを入力するための第１の入力操作部を備え、
前記測定範囲変更部は、前記第１の入力操作部により入力された移動ピッチで前記測定範囲を移動させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の三次元形状測定システム。
前記第１の入力操作部により入力される移動ピッチは、絶対値又は前記測定範囲の大きさに対する相対値であることを特徴とする請求項９に記載の三次元形状測定システム。
前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、今回の測定動作の測定範囲における予め定められた判断対象範囲の測定データに基づいて、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動ピッチを導出する移動ピッチ導出部を備え、
前記測定範囲変更部は、次回の測定動作を行うべく、今回の測定範囲の位置から前記移動ピッチ導出部により導出された移動ピッチだけ前記測定範囲を移動させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の三次元形状測定システム。
前記測定部による形状測定対象物１つ当たりの測定動作の測定回数を指定する入力を行うための第２の入力操作部を備え、
前記測定範囲変更部は、前記第２の入力操作部により入力された測定回数を上限として前記測定部による測定動作が行われるように前記測定範囲を移動させることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の三次元形状測定システム。
前記測定範囲変更部は、次回の測定動作でより多くの測定データが得られる位置に前記測定範囲を移動させることを特徴とする請求項１２に記載の三次元形状測定システム。
前記第２の入力操作部は、前記測定範囲変更部による前記測定範囲の移動方向が複数設定されているとき、移動方向ごとに測定回数を指定する入力が可能に構成されていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の三次元形状測定システム。
前記未測定領域有無判断部は、前記測定部の今回の測定動作により得られた測定データのうち、今回の測定動作の測定範囲における予め定められた複数の判断対象範囲の測定データに基づいて、各判断対象範囲より外側に未測定の表面領域が存在するか否かを判断し、
前記測定範囲変更部は、前記未測定領域有無判断部により未測定の表面領域が存在すると判断された判断対象範囲が複数存在するとき、各判断対象範囲の測定データを比較し、その比較結果に基づいて前記測定部による測定範囲の移動方向に優先順位を設定し、該優先順位にしたがって前記測定範囲を移動させることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載の三次元形状測定システム。
前記測定範囲変更部は、測定範囲の次回の移動先が前記測定範囲について予め定められた移動可能範囲を超えるとき、前記測定範囲の次回の移動を中止することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載の三次元形状測定システム。