JP6020593B2 - 形状測定装置、構造物製造システム、ステージシステム、形状測定方法、構造物製造方法、プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は、形状測定装置及び構造物製造システム並びに構造物製造方法に関するものである。

光切断法等を用いた形状測定技術は、工業製品等の被検物の形状を測定すること等に利用されている。この形状測定技術は、例えば、光が照射されている被検物の表面を撮像素子によって撮像し、その結果に基づいて被検物の形状を測定する技術である。例えば、特許文献１参照。

米国特許出願公開第２０１２／０１９４６５１号明細書 米国特許６０７５６０５号

しかしながら、被検物の形状に応じて、プローブの姿勢を変更する場合がある。被検物の姿勢もしくはプローブの姿勢の少なくとも一方を変えることで、被検物の観察位置に対してプローブの姿勢を最適になるように調整していた。このような場合、プローブと被検物との位置あわせをする操作が煩雑となる可能性がある。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、プローブと被検物との位置あわせを容易に行える形状測定装置、構造物製造システム、ステージ装置、形状測定方法、構造物製造方法、プログラム、及び記録媒体を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、被検物の形状を測定する形状測定装置であって、被検物に光を照射する照射光学系と、被検物に照射され被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブと、プローブを被検物の周囲で回転させる回転機構と、プローブが回転機構の回転軸から離れて配置されるように、プローブを保持し、プローブの回転に伴い被検物に対するプローブの姿勢を変える保持部と、撮像素子で検出する信号を用いて、被検物の形状情報を算出する演算部と、前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正する補正部と、を備える形状測定装置が提供される。

本発明の第２の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて構造物を成形する成形装置と、成形装置によって成形された構造物の形状を測定する第１の態様の形状測定装置と、形状測定装置によって測定された構造物の形状を示す形状情報と設計情報とを比較する制御装置と、を備える構造物製造システムが提供される。

本発明の第３の態様に従えば、被検物の形状を測定する形状測定装置に用いられるステージシステムであって、ステージ装置であって、被検物に光を照射する照射光学系と、被検物に照射され被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブを、被検物の周囲で回転させる回転機構と、プローブが回転機構の回転軸から離れて配置されるように、プローブを保持し、プローブの回転に伴い被検物に対するプローブの姿勢を変える保持部と、を有するステージ装置と、前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正する補正部と、を備えるステージシステムが提供される。

本発明の第４の態様に従えば、被検物の形状を測定する形状測定方法であって、被検物に光を照射する照射光学系と、被検物に照射され被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブから、被検物に光を照射し、被検物で反射する光を撮像素子で受光し、撮像素子からの信号を検出することと、プローブがプローブを被検物の周囲で回転させる回転軸から離れて配置されるように、プローブを保持し、プローブの回転に伴い被検物に対するプローブの姿勢を変えることと、前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正することと、を含む形状測定方法が提供される。

本発明の第５の態様に従えば、構造物の形状に関する設計情報に基づいて、構造物を成形することと、成形された構造物の形状を第１の態様の形状測定装置によって測定することと、形状測定装置によって測定された構造物の形状を示す形状情報と設計情報とを比較することと、を含む構造物製造方法が提供される。

本発明の第６の態様に従えば、被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記被検物に照射する光を照射する照射光学系、及び、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子を含むプローブと、前記プローブを前記被検物の周囲で回転させる回転機構と、前記プローブが前記回転機構の回転軸から離れて配置されるように、前記プローブを保持し、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変える保持部とを備える形状測定装置を制御するコンピュータに、前記回転機構に前記プローブを前記被検物の周囲で回転させ、前記保持部に前記プローブが前記回転軸から離れて配置されるように、前記プローブを保持させ、前記プローブに前記撮像素子からの信号を検出させることと、検出される信号を用いて、前記被検物の形状情報を取得することと、前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正することと、を実行させるプログラムが提供される。

本発明の第７の態様に従えば、第６の態様のプログラムを記録し、コンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。

本発明では、プローブを回転させて形状情報の測定を行う場合でも、プローブと被検物との位置あわせを容易に行うことができる。

図１は第１実施形態の形状測定装置を示す斜視図である。 図２は第１実施形態の形状測定装置の構成を示す模式図である。 図３は第１実施形態の形状測定装置を示す上面図である。 図４は第１実施形態の形状測定装置を示す側面図である。 図５は第１実施形態の形状測定装置を示す正面図である。 図６（Ａ）〜（Ｄ）は第１実施形態の形状測定装置の測定動作の例を示す図である。 図７（Ａ）〜（Ｄ）は第１実施形態の形状測定装置の測定動作の例を示す図である。 図８は第２実施形態の形状測定装置の一部を示す図である。 図９は第２実施形態における保持部材の動作を示す図である。 図１０は第３実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１１は第４実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１２は第５実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１３は第６実施形態の形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１４は本実施形態の構造物製造システムの構成を示す図である。 図１５は本実施形態の構造物製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の形状測定装置、構造物製造システム、ステージ装置、形状測定方法、構造物製造方法、プログラム、及び記録媒体の実施の形態を、図１ないし図１５を参照して説明する。
以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。Ｚ軸方向は、例えば鉛直方向に設定され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、例えば、水平方向に平行で互いに直交する方向に設定される。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわりの回転（傾斜）方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る形状測定装置１の外観を示す図、図２は、本実施形態の形状測定装置１の概略構成を示す模式図、図３は、形状測定装置１の平面図、図４は、形状測定装置１の左側面図、図５は、形状測定装置１の正面図である。形状測定装置１は、例えば光切断法を利用して、測定対象の物体（被検物）Ｍの三次元的な形状を測定するものである。

形状測定装置１は、走査装置２、光学プローブ３、制御装置４を備える。形状測定装置１は、ベース部Ｂに設けられた保持部７に保持されている物体Ｍを光学プローブ３が撮像するものである。

走査装置２は、光学プローブ３による撮像範囲（視野）が物体Ｍ上を走査するように、物体Ｍと光学プローブ３とを相対的に移動させるものであって、図２に示すように、駆動部１０、位置検出部１１を備えている。駆動部１０は、Ｘ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚ、回転駆動部５３、５４を備えている。

Ｘ移動部５０Ｘは、ベース部ＢのＹ方向の両側縁にＸ方向に延在して設けられたガイド部５１Ｘに沿ってＸ方向に移動自在に設けられている。Ｙ移動部５０Ｙは、Ｘ移動部５０Ｘに、Ｘ方向に間隔をあけてＹ方向に延在して設けられたガイド部５１Ｙに沿ってＹ方向に移動自在に設けられている。Ｙ移動部５０Ｙには、Ｚ方向に延在する保持体５２が設けられている。Ｚ移動部５０Ｚは、保持体５０のＹ方向の両側縁にＺ方向に延在して設けられたガイド部５１Ｚに沿ってＺ方向に移動自在に設けられている。これらＸ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚは、回転駆動部５３、５４をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能にする移動機構を構成している。

回転駆動部（回転機構）５３は、後述する保持部材（保持部）５５に支持される光学プローブ３をＸ軸と平行な回転軸線（回転軸）５３ａ周りに回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、モータ等の回転駆動源を有している。回転駆動源の回転角度（すなわち光学プローブ３の回転軸線５３ａ周りの回転角度）は、不図示の角度読み取り部によって読み取られる。

回転駆動部（第２の回転機構）５４は、保持部材５５に支持される光学プローブ３を後述する第１保持部５５Ａが延在する方向と平行な軸線周りに回転して光学プローブ３の姿勢を変えるものであり、モータ等の第２回転駆動源を有している。第２回転駆動源の回転角度（すなわち光学プローブ３の第１保持部５５Ａが延在する方向と平行な軸線周りの回転角度）は、不図示の第２角度読み取り部によって読み取られる。回転駆動部５３が光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転する角度は、例えば、３００°に設定される。このように、光学プローブ３を１８０°以上回転可能とすることにより、物体Ｍに対して表面側からの測定に止まらず、裏面側からの測定も実施可能となる。

これら、Ｘ移動部５０Ｘ、Ｙ移動部５０Ｙ、Ｚ移動部５０Ｚ、回転駆動部５３、５４の駆動は、エンコーダ装置等によって構成される位置検出部１１の検出結果に基づいて、制御装置４により制御される。

光学プローブ３は、光源装置８及び撮像装置９を備えており、保持部材５５に支持されている。保持部材５５は、回転軸線５３ａと直交する方向に延び、回転駆動部５３に支持される第１保持部（第１部分、第１部材）５５Ａと、第１保持５５Ａの物体Ｍに対して遠い側の端部に設けられ回転軸線５３ａと平行に延びる第２保持部（第２部分、第２部材）５５Ｂとが直交する略Ｌ字状に形成されており、第２保持部５５Ｂの＋Ｘ側の端部に光学プローブ３が支持されている。回転駆動部５３の回転軸線５３ａの位置は、光学プローブ３よりも、物体Ｍに近い側に配置されている（詳細は後述）。

光源装置８は、制御装置４によって制御され、保持部７に保持された物体Ｍの一部に光を照射するものであり、光源１２、照明光学系１３を備える。本実施形態の光源１２は、例えば、レーザーダイオードを含む。なお、光源１２は、レーザーダイオード以外の発光ダイオード（ＬＥＤ）等の固体光源を含んでいてもよい。
また、本実施形態では、保持部７は固定されているが、保持部７を駆動する構成としても構わない。保持部７に駆動部およびエンコーダ装置などによって構成される位置検出部を設けて、保持部７を駆動しても構わない。その場合に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能としても構わない。また、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の周りを回転する構成としても構わない。また、それらを適宜組み合わせても構わない。

照明光学系１３は、光源１２から発せられた光の空間的な光強度分布を調整する。本実施形態の照明光学系１３は、例えば、シリンドリカルレンズを含む。照明光学系１３は、１つの光学素子であってもよいし、複数の光学素子を含んでいてもよい。光源１２から発せられた光は、シリンドリカルレンズが正のパワーを有する方向にスポットが広げられて、光源装置８から物体Ｍに向く第１方向に沿って出射する。図２に示したように、光源装置８から出射し、物体Ｍに投影される照明光束Ｌは、光源装置８からの出射方向に対して直交する面におけるスポットの形状が回転軸線５３ａと平行な方向を長手方向とし、回転軸線５３ａを通る投影パターンになる。したがって、照明光学系１３を介して、光源１２から発せられた光が、物体Ｍに照射される。なお、照明光学系１３は、ＣＧＨ等の回折光学素子を含み、光源１２から発せられた照明光束Ｌの空間的な光強度分布を回折光学素子によって調整してもよい。また、本実施形態において、空間的な光強度分布が調整された投影光をパターン光ということがある。照明光束Ｌは、パターン光の一例である。

撮像装置９は、撮像素子２０、結像光学系２１を備える。光源装置８から物体Ｍに照射された照明光束Ｌは、物体Ｍの表面で反射散乱して、その少なくとも一部が結像光学系２１へ入射する。撮像装置９は、光源装置８から物体Ｍの表面を介して結像光学系２１へ入射した照明光束Ｌを撮像素子２０が検出する。

結像光学系２１は、光源装置８からのライン光としての照明光束Ｌの出射方向と、照明光束Ｌのスポットの形状の長手方向とを含む面上の物体面２１ａと共役な面を、撮像素子２０の受光面２０ａ（像面）に形成する。なお、光源装置８からの照明光束Ｌの出射方向と、照明光束Ｌのスポットの形状の長手方向とを含む面は、照明光束Ｌの伝播方向にほぼ平行である。このように、結像光学系２１は、光源装置８から物体Ｍに照射された照明光束Ｌが物体Ｍ上で描くパターンの像を、撮像素子２０の受光面２０ａに形成する。

そして、上述した回転駆動部５３の回転軸線５３ａは、図２に示すように、光学プローブ３に対して、物体Ｍ側に配置されている。より詳細には、回転軸線５３ａは、物体面２１ａ上であって、物体面２１ａにおける照明光束Ｌの照射方向（光軸方向、所定方向）の中央部を通る位置に配置されている。

光源装置８から照射されて物体Ｍ上の１点で反射散乱した照明光束Ｌは、結像光学系２１を通ることによって、撮像素子２０の受光面上のほぼ１点に集光する。すなわち、撮像素子２０上に形成される像の各点は、結像光学系２１の物体面と物体Ｍとが交差する線上の各点と１対１で対応することになる。このように、撮像装置９の撮像結果を示す情報は、物体Ｍの表面における各点の位置を示す情報を含む。
また、照明光束Ｌが回転軸線５３ａを通るライン光であるため、光学プローブ３が回転軸線５３ａを中心として回転した場合でも、回転軸線５３ａを通る物体面２１ａと物体Ｍとが交差する線上の各点の位置を示す情報が得られる。

制御装置４は、形状測定装置１の各部を制御するとともに、光学プローブ３による撮像結果に基づく演算処理を行って物体Ｍの形状情報を取得する形状情報取得部（演算部）１４を備えている。本実施形態における形状情報は、測定対象の物体Ｍの少なくとも一部に関する形状、寸法、凹凸分布、表面粗さ、及び測定対象面上の点の位置（座標）、の少なくとも１つを示す情報を含む。制御装置４には、表示装置５、及び入力装置６が接続される。
なお、本実施形態においては、制御装置４が形状情報取得部１４を備え、表示装置５、及び入力装置６が接続されているが、これらは、例えば、形状測定装置１に接続されるコンピュータでも構わないし、形状測定装置１が設置される建物が備えるホストコンピュータなどでも構わない、また、形状測定装置１が設置される建物に限られず、形状測定装置１とは離れた位置にあり、コンピュータでインターネットなどの通信手段を用いて、形状測定装置１と接続されても構わない。また、形状情報を取得する形状情報取得部１４と、入力装置６と表示装置５とが、別々の場所に保持されても構わない。例えば、入力装置６と表示装置５とを備えるコンピュータとは別に、例えば光学プローブ３の内部に形状測定装置１が支持されていても構わない。この場合には、形状測定装置１で取得した情報を、通信手段を用いて、コンピュータに接続される。
なお、形状情報取得部１４は、光学プローブ３による撮像結果に基づいて演算処理を行って物体Ｍの形状情報を取得するが、光学プローブ３による撮像結果のすべての情報を用いて、演算処理を行ってもよいが、少なくとも一部の情報を用いて演算処理を行っても構わない。

制御装置４は、走査装置２の駆動部１０を制御して、光学プローブ３と物体Ｍの相対位置を制御する。また、制御装置４は、光学プローブ３を制御して、物体Ｍ上の測定領域を光学プローブ３に撮像させる。制御装置４は、光学プローブ３の位置情報を走査装置２の位置検出部１１から取得し、測定領域を撮像した画像を示すデータ（撮像画像データ）を光学プローブ３から取得する。そして、制御装置４は、光学プローブ３の位置に応じた撮像画像データから得られる物体Ｍの表面の位置と光学プローブ３の位置とを対応付けることによって、測定対象の三次元的な形状に関する形状情報を演算して取得する。

入力装置６は、例えばキーボード、マウス、ジョイスティック、トラックボール、タッチバッド等の各種入力デバイスによって構成される。入力装置６は、制御装置４への各種情報の入力を受けつける。各種情報は、例えば、形状測定装置１に測定を開始させる指令（コマンド）を示す指令情報、形状測定装置１による測定に関する設定情報、形状測定装置１の少なくとも一部をマニュアルで操作するための操作情報等を含む。

表示装置５は、例えば液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置等によって構成される。表示装置５は、形状測定装置１の測定に関する測定情報を表示する。測定情報は、例えば、測定に関する設定を示す設定情報、測定の経過を示す経過情報、測定の結果を示す形状情報等を含む。本実施形態の表示装置５は、測定情報を示す画像データを制御装置４から供給され、この画像データに従って測定情報を示す画像を表示する。

次に、上記構成の形状測定装置１により、物体Ｍの形状を測定する動作の例について、図６を参照して説明する。本実施形態では、図２に示した光源１２から発せられた照明光束Ｌが出射する第１方向と、物体Ｍで反射した照明光束Ｌが結像光学系２１に入射する第２方向とを含む面（図２の紙面と平行な面）に対して回転軸線５３ａが直交する場合について説明する。また、ここでは、図６に示すように、物体ＭがＸＹ平面と平行な第１表面Ｍａと、第１表面Ｍａに対して傾斜した第２表面Ｍｂとを備え、形状測定装置１により、第１表面Ｍａと第２表面Ｍｂとを順次測定する場合について説明する。

まず、図６（Ａ）に示すように、物体面２１ａと第１表面Ｍａとを交差させた状態で照明光束Ｌを照射し、第１表面Ｍａで散乱反射した光を結像光学系２１を介して撮像素子２０で受光・撮像する。第１表面Ｍａの測定を行っている間には、図１及び図６（Ａ）等に示されるように、保持部材５５は回転せず、光学プローブ３は回転軸線５３ａの直上（回転軸線５３ａを中心とする１２時の位置）で測定を行う。なお、測定を行っている間に、保持部材５５が回転しても構わない。光学プローブ３と回転軸線５３ａとは離れて配置されいてる。

制御装置４は、位置検出部１１で検出された光学プローブ３の位置と、形状情報取得部１４で取得された第１表面Ｍａの形状情報とを対応付けて記憶する。制御装置４は、図６（Ｂ）に示すように、駆動部１０を介してＹ移動部５０Ｙを移動させることで光学プローブ３をＹ方向の位置を変えながら、第１表面Ｍａの形状情報を取得する。

そして、物体面２１ａが第２表面Ｍｂに達すると、制御装置４は回転駆動部５３を制御して、保持部材５５を介して光学プローブ３を、図６（Ｃ）に示すように、第１表面Ｍａに対する第２表面Ｍｂの傾斜角度で回転軸線５３ａを中心として時計回り方向に回転する。光学プローブ３の回転は、回転駆動部５３（回転駆動源）の動作による保持部材５５の回転により行われ、制御装置４は角度読み取り部によって読み取られた回転角度に応じて回転駆動源の動作を制御して光学プローブ３の回転方向の位置を制御する。

これにより、照明光束Ｌは、第１表面Ｍａの形状情報測定時と同一の入射角で第２表面Ｍｂに入射して、当該第２表面Ｍｂの形状情報が取得される。このあと、図６（Ｄ）に示すように、制御装置４は、駆動部１０を介してＹ移動部５０Ｙを移動させることで光学プローブ３をＹ方向の位置を変えながら、第２表面Ｍｂの形状情報を取得する。
かくして、第１表面Ｍａ及び第２表面Ｍｂの形状情報を連続的に取得できる。

次に、第２表面Ｍｂが傾斜面ではなく円弧面の場合について、図７を参照して説明する。この場合では、第２表面Ｍｂの円弧中心のＺ方向の位置と、回転軸線５３ａのＺ方向の位置とが同一であるものとする。

図７（Ａ）〜（Ｂ）に示すように、Ｙ方向の位置を変えながら光学プローブ３により第１表面Ｍａの形状情報を取得し、物体面２１ａが第２表面Ｍｂに達すると、図７（Ｃ）〜（Ｄ）に示すように、制御装置４は回転駆動部５３を制御して、保持部材５５を介して光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転させる。このとき、制御装置４は、第２表面Ｍｂの形状情報測定が完了するまで、光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転させる。

これにより、第２表面Ｍｂが円弧面の場合であっても、物体面２１ａと第２表面Ｍｂとが交差する角度を一定とした状態で形状情報の測定を実施することができる。また、測定時の照明光束Ｌの光路長を一定にすることで、測定条件の相違に起因する測定精度低下を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態では、光学プローブ３を回転させる際の回転軸線５３ａを光学プローブ３よりも物体面２１ａ側に、より詳細には回転軸線５３ａを物体面２１ａ上に配置して、回転軸線５３ａと物体面２１ａとの距離を、物体面２１ａと光学プローブ３との距離よりも小さくしているため、回転軸線５３ａが光学プローブ３を挟んで物体面２１と逆側に配置される場合と比べて回転半径を小さくすることで、回転角度に誤差が発生した場合でも光学プローブ３の位置情報に生じる誤差を小さくすることができ、形状情報の測定結果の精度低下も小さく抑えることが可能になる。また、本実施形態では、光学クローブ３の回転半径を小さくできるため、装置の小型化を実現できるとともに、光学クローブ３を測定位置に移動させるために要する時間も短くすることができ、生産性の向上も図ることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、形状測定装置１の第２実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。
この図において、図１乃至図７に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
上記第１実施形態では、保持部材５５及び光学プローブ３を回転軸線５３ａ周りに回転させる際の回転半径が一定である場合について説明したが、本実施形態では、回転半径が可変である場合について説明する。

図８に示すように、本実施形態の形状測定装置１における回転駆動部５３には、直動機構（距離変更機構）６０が接続されている。直動機構６０は、制御装置４の制御下で保持部材５５の第１保持部５５Ａを長さ方向（回転軸線５３ａと直交する方向）に直動することで、図９に示すように、第２保持部５５Ｂ及び光学プローブ３並びに物体面２１ａを回転軸線５３ａに対して離間・接近する方向に移動させ、回転軸線５３ａから光学プローブ３までの距離、すなわち回転軸線５３ａを中心とする光学プローブ３の回転半径を半径ｒａと半径ｒｂとの間で任意の値に設定可能である。

上記構成の形状測定装置１においては、例えば、上記物体Ｍの第２表面Ｍｂが円弧面であった場合、直動機構６０を制御して、光学プローブ３の回転半径が円弧面の半径と同一となるように調整することで、円弧面の半径の大きさに制約されることなく、第１実施形態で図７を参照して説明した高精度の形状情報測定が可能となる。そのため、半径が異なる複数の円弧面で形成される表面の物体Ｍに対しても、測定時に、光学プローブ３のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置とともに、回転角度及び回転半径を物体Ｍの表面形状に対応して調整することにより、当該表面形状に応じた最適な姿勢・位置で形状情報測定を実施することができ、より高精度の形状情報測定が実現できる。

（第３実施形態）
次に、形状測定装置１の第３実施形態について、図１０を参照して説明する。
この図において、図１乃至図７に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

図１０は、第３実施形態における形状測定装置１の制御ブロック図である
この図に示されるように、本実施形態の制御装置４は、記憶部６１と形状情報補正部（補正部）６２とを備えている。記憶部６１は、回転駆動部５３による回転軸線５３ａ周りの回転等で生じる、保持部材５５の姿勢に応じた変形を示す変形情報を記憶するものである。当該変形情報は、予め実験やシミュレーション等によって求められて記憶部６１に記憶保持される。

形状情報補正部６２は、走査装置２（位置検出部１１）で検出され、位置情報取得部１６が取得した光学プローブ３の位置情報を、記憶部６１に記憶された保持部材５５の変形情報に基づいて補正するとともに、補正した光学プローブ３の位置情報と、形状情報取得部１４で取得された形状情報とを関連づける。

従って、本実施形態の形状測定装置１においては、上記第１実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、回転駆動部５３の回転により保持部材５５に歪、撓み等の変形が生じ、光学プローブ３の位置情報に誤差が生じる虞がある場合でも、当該変形に応じて光学プローブ３の位置情報を補正することが可能となり、高精度の形状情報測定を継続して実施することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、形状測定装置１の第４実施形態について、図１１を参照して説明する。
この図において、図１０に示す第３実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

上記第３実施形態では、予め保持部材５５の変形情報を求めて記憶しておき、当該変形情報を用いて光学プローブ３の位置情報を補正する構成としたが、本実施形態では、保持部材５５の変形情報を検出するために、保持部材５５に歪ゲージ等の歪検出部１７を変形検出部として設けている。また、本実施形態における制御装置４は、歪検出部１７の検出結果を取得する歪情報取得部６３を備えている。

本実施形態の形状測定装置１では、形状情報の測定時に、歪検出部１７によって検出された保持部材５５の変形情報を用いて、形状情報補正部６２が位置情報取得部１６で取得された光学プローブ３の位置情報を補正するとともに、補正した光学プローブ３の位置情報と、形状情報取得部１４で取得された形状情報とを関連づける。

従って、本実施形態の形状測定装置１においては、上記第３実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、事前に求めた保持部材５５の変形情報が温度、湿度等の環境変化で異なる値を示す状態であっても、環境に応じた高精度の形状情報測定を実施することが可能となる。

（第５実施形態）
次に、形状測定装置１の第５実施形態について、図１２を参照して説明する。
この図において、図１１に示す第４実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

上記第４実施形態では、検出された保持部材５５の変形情報を用いて形状情報補正部６２が光学プローブ３の位置情報を補正し、補正した光学プローブ３の位置情報と、形状情報取得部１４で取得された形状情報とを関連づける構成としたが、本実施形態では、図１２に示すように、歪情報取得部６３が取得した保持部材５５の変形情報と、位置情報取得部１６が取得した光学プローブ３の位置情報とを用いて、位置情報補正部６４が光学プローブ３の位置情報を補正し、形状情報取得部１４は、撮像画像取得部１５が取得した画像と、補正された光学プローブ３の位置情報を関連付ける。
従って、本実施形態でも、上記第４実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

（第６実施形態）
次に、形状測定装置１の第６実施形態について、図１３を参照して説明する。
この図において、図１〜図７に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、例えば、保持部材５５の回転動作時に生じる振動に応じて、撮像装置９による撮像を制御する構成について説明する。
具体的には、図１３に示すように、本実施形態の形状測定装置１は、保持部材５５の振動情報を検出する振動検出部１８を備えている。また、制御装置４は、振動検出部１８で検出された振動情報を取得する振動情報取得部６５と、取得された振動情報を判定する振動判定部６６、振動判定部６６の判定結果に応じて撮像装置９を制御する撮像制御部６７を備えている。

上記構成の形状測定装置１において、回転動作等で保持部材５５に生じた振動の情報は、振動検出部１８及び振動情報取得部６５を介して振動判定部６６に出力される。振動判定部６６、保持部材５５の振動が所定のしきい値を超えているかを判定し、しきい値を超えていない場合には撮像装置９による撮像処理を実行させ、しきい値を超えている場合には、振動が所定範囲内に減衰してしきい値に達するまで、撮像装置９による撮像処理を待機させ、しきい値に達したところで撮像装置９による撮像処理を実行させる。

このように、本実施形態では、上記第１実施形態と同様の作用・効果が得られることに加えて、回転動作等で生じる振動の悪影響を排除した状態で、高精度の形状情報の測定を実施することが可能になる。

なお、上記のように、振動の情報に応じて撮像処理の実行を制御する手順の他に、例えば、振動が生じた場合に生じる物体Ｍの形状情報の誤差情報を、振動の情報と関連付けて予め計測してテーブルとして保存しておき、振動検出部１８及び振動情報取得部６５により取得された振動情報に基づいてテーブルを参照し、当該振動情報に対応する誤差情報に基づいて、測定された物体Ｍの形状情報を補正する手順としてもよい。
この手順によっても、回転動作等で生じる振動の悪影響を排除した状態で、高精度の形状情報の測定を実施することが可能になる。

次に、上述した形状測定装置を備えた構造物製造システムについて、図１４を参照して説明する。
図１４は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態において説明したような形状測定装置２０１と、設計装置２０２と、成形装置２０３と、制御装置（検査装置）２０４と、リペア装置２０５とを備える。制御装置２０４は、座標記憶部２１０及び検査部２１１を備える。

設計装置２０２は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作成した設計情報を成形装置２０３に送信する。また、設計装置２０２は、作成した設計情報を制御装置２０４の座標記憶部２１０に記憶させる。設計情報は、構造物の各位置の座標を示す情報を含む。

成形装置２０３は、設計装置２０２から入力された設計情報に基づいて、上記の構造物を作製する。成形装置２０３の成形は、例えば鋳造、鍛造、切削等が含まれる。形状測定装置２０１は、作製された構造物（測定対象物）の座標を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置２０４へ送信する。

制御装置２０４の座標記憶部２１０は、設計情報を記憶する。制御装置２０４の検査部２１１は、座標記憶部２１０から設計情報を読み出す。検査部２１１は、形状測定装置２０１から受信した座標を示す情報（形状情報）と、座標記憶部２１０から読み出した設計情報とを比較する。検査部２１１は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部２１１は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。検査部２１１は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合に、構造物が修復可能であるか否か判定する。検査部２１１は、構造物が修復できる場合、比較結果に基づいて不良部位と修復量を算出し、リペア装置２０５に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。

リペア装置２０５は、制御装置２０４から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。

図１５は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。構造物製造システム２００は、まず、設計装置２０２が構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ１０１）。次に、成形装置２０２は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する（ステップＳ１０２）。次に、形状測定装置２０１は、作製された上記構造物の形状を測定する（ステップＳ１０３）。次に、制御装置２０４の検査部２１１は、形状測定装置２０１で得られた形状情報と上記の設計情報とを比較することにより、構造物が誠設計情報通りに作成されたか否か検査する（ステップＳ１０４）。

次に、制御装置２０４の検査部２１１は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。構造物製造システム２００は、作成された構造物が良品であると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０５ ＹＥＳ）、その処理を終了する。また、検査部２１１は、作成された構造物が良品でないと判定した場合（ステップＳ１０５ ＮＯ）、作成された構造物が修復できるか否か判定する（ステップＳ１０６）。

構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できると検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０６ ＹＥＳ）、リペア装置２０５が構造物の再加工を実施し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０３の処理に戻る。構造物製造システム２００は、作成された構造物が修復できないと検査部２１１が判定した場合（ステップＳ１０６ Ｎｏ）、その処理を終了する。以上で、構造物製造システム２００は、図１５に示すフローチャートの処理を終了する。

本実施形態の構造物製造システム２００は、上記の実施形態における形状測定装置が構造物の座標を高精度に測定することができるので、作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。

なお、本実施形態におけるリペア装置２０５が実行するリペア工程は、成形装置２０３が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置２０４の検査部２１１が修復できると判定した場合、成形装置２０３は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置２０３は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態における形状測定装置１は、保持部材５５が片持ちで光学プローブ３を保持する構成を例示したが、これに限定されるものではなく、両持ちで保持する構成としてもよい。両持ちで保持することにより、回転時に保持部材５５に生じ変形を低減することができ、測定精度の向上を図ることが可能になる。

また、上記実施形態では、光源１２から発せられた照明光束Ｌが出射する第１方向と、物体Ｍで反射した照明光束Ｌが結像光学系２１に入射する第２方向とを含む面に対して回転軸線５３ａが直交する状態で形状情報を測定する構成としたが、物体Ｍの表面形状によっては、例えば、回転軸線５３ａ周りに光学プローブ３を回転した後に、図８に示されるように、回転駆動部５４の駆動により、保持部材５５の第１保持部５５Ａと平行な軸回りに光学プローブ３を所定角度（例えば、図５と図６との間の差に示されるように９０度）回転させた状態で形状情報を測定する構成としてもよい。このように、回転駆動部５４の駆動による光学プローブ３の回転動作も併用することにより、物体Ｍの種々の表面形状にも一層対応することが可能となる。

また、上述実施形態では光学プローブ３として、ライン光を照射し、被検物から反射するライン光を撮像しているが、光学プローブ３の形式はこれに限られない。光学プローブ３から発せられる照明光は、所定の面内に一括で照射する形式でも構わない。例えば、特許文献２に記載される方式でも構わない。光学プローブから発せられる照明光は、点状のスポット光を照射する形式でも構わない。

１…形状測定装置、 ２…走査装置、 ３…光学プローブ（プローブ）、 ４…制御装置、 １１…位置検出部、 １２…光源、 １３…照明光学系、 １４…形状情報取得部（演算部）、 １７…歪検出部（変形検出部）、 ２０…撮像素子、 ２０ａ…受光面、 ２１…結像光学系、 ２１ａ…物体面、 ５３…回転駆動部（回転機構、駆動部）、 ５３ａ…回転軸線（回転軸）、 ５４…回転駆動部（第２の回転機構）、 ５５…保持部材（保持部）、 ５５Ａ…第１保持部（第１部分）、 ５５Ｂ…第２保持部（第２部分）、 ６０…直動機構（距離変更機構）、 ６２…位置情報補正部（補正部）、 ２０３…成形装置、 ２０４…制御装置、 Ｍ…物体（被検物）

Claims (25)

1. 被検物の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記被検物に光を照射する照射光学系と、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブと、
   前記プローブを前記被検物の周囲で回転させる回転機構と、
   前記プローブが前記回転機構の回転軸から離れて配置されるように前記プローブを保持し、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変える保持部と、
   前記撮像素子で検出する信号を用いて、前記被検物の形状情報を算出する演算部と、
   前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正する補正部と、
   を備える形状測定装置。
2. 前記補正部は、前記保持部の姿勢に応じた前記保持部の変形情報を記憶する記憶部を、さらに備え、前記補正部は、前記保持部の回転に伴う、前記保持部の姿勢を算出し、前記算出結果に基づいて前記記憶部が記憶する変形情報を用い、前記被検物の形状情報を補正する請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記補正部は、前記保持部の振動を検出する振動検出部を備え、
   前記振動検出部の検出する前記保持部の振動に基づいて、前記被検物の形状情報を補正する請求項１または２に記載の、形状測定装置。
4. 前記保持部は、
   前記回転機構に接続され、前記回転軸と直交する方向に延びる第１部材と、
   前記第１部材に接続され、前記回転軸に平行な方向に延びて前記プローブを保持する第２部材と、を備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の、形状測定装置。
5. 前記光として、前記回転軸を通るライン光を照射し、前記回転軸を中心に前記プローブを回転する請求項１〜４のいずれか一項に記載の形状測定装置。
6. 前記回転機構は、前記回転軸を中心に１８０°以上、前記プローブを回転させる請求項１〜５のいずれか一項に記載の形状測定装置。
7. さらに前記回転機構を、第１の方向もしくは前記第１の方向に直交する第２の方向、もしくは、前記第１、第２の方向とがなす平面と直交する第３の方向のいずれか１つの方向に移動可能にする、移動機構を備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の形状測定装置。
8. さらに、前記回転軸を回転させるモータと、
   前記モータの回転角度を読み取る角度読み取り部と、を備え、
   前記保持部は、前記モータの回転に伴い回転するように構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の形状測定装置。
9. さらに、前記プローブと前記回転軸との距離を変える、距離変更機構を備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の、形状測定装置。
10. 前記保持部の変形は、温度もしくは湿度のどちらか一方により変形する、請求項1〜９のいずれか一項に記載の形状測定装置。
11. さらに、前記被検物を保持するステージと、
    前記ステージを移動させる、移動機構と、を備え、
    前記移動機構は前記ステージを、第１の方向、もしくは前記第１の方向に直交する第２の方向、もしくは、前記第１、第２の方向とがなす平面と直交する第３の方向のいずれか１つの方向に移動可能にする、もしくは、第１、２、３軸を中心に回転可能にする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の形状測定装置。
12. 前記保持部が前記プローブを保持している保持位置は、前記回転軸から前記回転軸に直交する方向に離れている請求項１〜１１のいずれか一項に記載の形状測定装置。
13. 前記保持部は、前記回転軸に沿った方向から見て、前記回転軸と重ならないように前記プローブを保持する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の形状測定装置。
14. 構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記構造物を成形する成形装置と、
    前記成形装置によって成形された前記構造物の形状を測定する請求項１から１３のいずれか一項に記載の形状測定装置と、
    前記形状測定装置によって測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較する制御装置と、を備える構造物製造システム。
15. 被検物の形状を測定する形状測定装置に用いられるステージシステムであって、
    ステージ装置であって、
    前記被検物に光を照射する照射光学系と、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブを、前記被検物の周囲で回転させる回転機構と、
    前記プローブが前記回転機構の回転軸から離れて配置されるように、前記プローブを保持し、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変える保持部と、を有するステージ装置と、
    前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正する補正部と、
    を備えるステージシステム。
16. 前記保持部が前記プローブを保持している保持位置は、前記回転軸から前記回転軸に直交する方向に離れている請求項１５に記載のステージシステム。
17. 前記保持部は、前記回転軸に沿った方向から見て、前記回転軸と重ならないように前記プローブを保持する請求項１５又は１６に記載のステージシステム。
18. 被検物の形状を測定する形状測定方法であって、
    前記被検物に光を照射する照射光学系と、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子とを含むプローブから、前記被検物に光を照射し、前記被検物で反射する光を前記撮像素子で受光し、前記撮像素子からの信号を検出することと、
    前記プローブが、前記プローブを前記被検物の周囲で回転させる回転軸から離れて配置されるように、前記プローブを保持し、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変えることと、
    前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正することと、
    を含む形状測定方法。
19. 前記プローブが前記回転軸から前記回転軸に直交する方向に離れるように、前記プローブを保持する請求項１８に記載の形状測定方法。
20. 前記回転軸に沿った方向から見て、前記回転軸と重ならないように前記プローブを保持する請求項１８又は１９に記載の形状測定方法。
21. 構造物の形状に関する設計情報に基づいて前記構造物を成形することと、
    前記成形された前記構造物の形状を請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の形状測定方法によって測定することと、
    前記測定された前記構造物の形状を示す形状情報と前記設計情報とを比較することと、
    を含む構造物製造方法。
22. 被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記被検物に照射する光を照射する照射光学系、及び、前記被検物に照射され前記被検物で反射する光を検出する撮像素子を含むプローブと、前記プローブを前記被検物の周囲で回転させる回転機構と、前記プローブが前記回転機構の回転軸から離れて配置されるように、前記プローブを保持し、前記プローブの回転に伴い前記被検物に対する前記プローブの姿勢を変える保持部とを備える形状測定装置を制御するコンピュータに、
    前記回転機構に前記プローブを前記被検物の周囲で回転させ、前記保持部に前記プローブが前記回転軸から、前記回転軸に直交する方向に離れて配置されるように、前記プローブを保持させ、前記プローブに前記撮像素子からの信号を検出させることと、
    前記検出される信号を用いて、前記被検物の形状情報を取得することと、
    前記保持部の変形に基づいて、前記被検物の形状情報を補正することと、
    を実行させるプログラム。
23. 前記プローブが前記回転軸から前記回転軸に直交する方向に離れるように、前記保持部に前記プローブを保持させる請求項２２に記載のプログラム。
24. 前記回転軸に沿った方向から見て、前記回転軸と重ならないように、前記保持部に前記プローブを保持させる請求項２２又は２３に記載のプログラム。
25. 請求項２２〜２４のいずれか一項に記載のプログラムを記録した、コンピュータが読み取り可能な記録媒体。

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