JP2003042733A - 測定対象物との距離等を抽出する光学形状センサ - Google Patents
測定対象物との距離等を抽出する光学形状センサInfo
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- JP2003042733A JP2003042733A JP2001235771A JP2001235771A JP2003042733A JP 2003042733 A JP2003042733 A JP 2003042733A JP 2001235771 A JP2001235771 A JP 2001235771A JP 2001235771 A JP2001235771 A JP 2001235771A JP 2003042733 A JP2003042733 A JP 2003042733A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 測定対象物体との相対的な移動の必要がな
く、瞬時に測定できる光学形状センサを得るにある。 【解決手段】 所定の周波数で変調された発光量の可変
な光を測定対象物表面に照射する複数の発光光源LED1，
LED2と、前記測定対象物表面からの反射光を受ける検出
素子PHTRとを備え、前記検出素子PHTRの出力信号の位相
情報に、測定対象物表面位置から前記検出素子PHTRに至
る距離情報、または距離情報と傾斜情報を含む光学形状
センサにおいて、前記検出素子PHTRは前記発光光源LE
D1，LED2間を結ぶ直線または同直線に平行な直線状で整
列した複数の検出素子ＬＳ1 で構成される測定対象物と
の距離等を抽出する光学形状センサ。
く、瞬時に測定できる光学形状センサを得るにある。 【解決手段】 所定の周波数で変調された発光量の可変
な光を測定対象物表面に照射する複数の発光光源LED1，
LED2と、前記測定対象物表面からの反射光を受ける検出
素子PHTRとを備え、前記検出素子PHTRの出力信号の位相
情報に、測定対象物表面位置から前記検出素子PHTRに至
る距離情報、または距離情報と傾斜情報を含む光学形状
センサにおいて、前記検出素子PHTRは前記発光光源LE
D1，LED2間を結ぶ直線または同直線に平行な直線状で整
列した複数の検出素子ＬＳ1 で構成される測定対象物と
の距離等を抽出する光学形状センサ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は物体表面の形状を光
学的に測定する技術に関し、特に、測定対象物との距離
等を非接触で測定する光学形状センサに関する。
学的に測定する技術に関し、特に、測定対象物との距離
等を非接触で測定する光学形状センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば産業用ロボット等の分野に
おいては、測定対象物との距離を非接触で測定すること
が要望されるが、このような要望を満足させる非接触検
出器としては図１に示すような光学近接センサが知られ
ている（計測自動制御学会論文集 第１７巻第９号73ｐ
−78ｐ：昭和５６年１２日発行）。
おいては、測定対象物との距離を非接触で測定すること
が要望されるが、このような要望を満足させる非接触検
出器としては図１に示すような光学近接センサが知られ
ている（計測自動制御学会論文集 第１７巻第９号73ｐ
−78ｐ：昭和５６年１２日発行）。
【０００３】即ち、図１のLED1，LED2は発光光源であ
り、これらのLED1，LED2はγの位置にある検出素子PHTR
に関して非対称の位置ａ、ｂ（ａ≠ｂ）に位置される。
この場合、測定対象物Ｏは検出素子の前方ｘの距離にあ
り、ここで使用する素子LED1，LED2，PHTRおよび測定対
象物Ｏにおいては、次の仮定が成立するものとする。
り、これらのLED1，LED2はγの位置にある検出素子PHTR
に関して非対称の位置ａ、ｂ（ａ≠ｂ）に位置される。
この場合、測定対象物Ｏは検出素子の前方ｘの距離にあ
り、ここで使用する素子LED1，LED2，PHTRおよび測定対
象物Ｏにおいては、次の仮定が成立するものとする。
【０００４】(1) ２つの発光光源LED1，LED2はそれぞれ
点光源で無指向性とする。 (2) 検出素子PHTRは鋭い指向性を持ち、測定対象物Ｏの
微少部分からの反射光のみを受光する。 (3) 測定対象物Ｏの表面は乱反射特性をもつ。すなわ
ち、発光光源LED1，LED2により照射された面の照度は面
の傾き角度の余弦に比例し、かつ、照射された面を新た
に光源として見たとき、面内の輝度はどの方向から観察
しても一定であるとする。
点光源で無指向性とする。 (2) 検出素子PHTRは鋭い指向性を持ち、測定対象物Ｏの
微少部分からの反射光のみを受光する。 (3) 測定対象物Ｏの表面は乱反射特性をもつ。すなわ
ち、発光光源LED1，LED2により照射された面の照度は面
の傾き角度の余弦に比例し、かつ、照射された面を新た
に光源として見たとき、面内の輝度はどの方向から観察
しても一定であるとする。
【０００５】いま、発光光源LED1，LED2の輝度をG1，G2
とすれば、 P点における照度に対する発光光源LED1，LE
D2の寄与Ｌ1 ，Ｌ2 は、次のように表される。
とすれば、 P点における照度に対する発光光源LED1，LE
D2の寄与Ｌ1 ，Ｌ2 は、次のように表される。
【数１】
【０００６】つぎに、 P点を含む面を新たな光源とみな
すと、照度と面の反射率 Cの積に比例すると考えられる
ので、 P点の輝度Ｌｐは、次式で与えられる。
すと、照度と面の反射率 Cの積に比例すると考えられる
ので、 P点の輝度Ｌｐは、次式で与えられる。
【数２】
また、照射角度の余弦 cosθ1 ， cosθ2 は、
【数３】
で表わされる。
【０００７】さらに、発光光源の輝度G1，G2を互いに９
０゜ 位相のずれた正弦波状に変化させる。すなわち、
０゜ 位相のずれた正弦波状に変化させる。すなわち、
【数４】
ただし、 A，B は輝度の振幅、ωは変調角周波数であ
る。
る。
【０００８】以上より、点 Pの輝度Ｌｐは、式(2) に式
(1) 、式(3) および式(4) を代入して、
(1) 、式(3) および式(4) を代入して、
【数５】
となる。ただし、その振幅と位相は
【数６】
【数７】
である。
【０００９】式(6) から理解されるように、この位相ず
れψは、距離ｘの関数であり、物体の反射率に影響され
ない値である。従って、位相ずれψを検出することによ
り、距離ｘを求めることができる。以上が光学近接セン
サの検出原理である。
れψは、距離ｘの関数であり、物体の反射率に影響され
ない値である。従って、位相ずれψを検出することによ
り、距離ｘを求めることができる。以上が光学近接セン
サの検出原理である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した従
来の光学近接センサでは、検出素子PHTRの正面に位置す
る測定対象物Ｏの表面の１点（図１では P点）までの距
離を検出できる。従って、測定対象物Ｏのある範囲の表
面形状を求めるためには、光学近接センサと測定対象物
Ｏを相対的に移動させる必要がある。例えば、図２に示
すように光学近接センサを測定対象物Ｏの表面にほぼ平
行となるように移動すれば、対象物体Ｏの表面形状を求
めることができる。しかし、実際には光学近接センサを
移動させるための移動機構が必要なため、装置が大掛か
りで、高価になる欠点があり、また移動時間が必要とな
るために測定時間が長くなるとの問題がある。
来の光学近接センサでは、検出素子PHTRの正面に位置す
る測定対象物Ｏの表面の１点（図１では P点）までの距
離を検出できる。従って、測定対象物Ｏのある範囲の表
面形状を求めるためには、光学近接センサと測定対象物
Ｏを相対的に移動させる必要がある。例えば、図２に示
すように光学近接センサを測定対象物Ｏの表面にほぼ平
行となるように移動すれば、対象物体Ｏの表面形状を求
めることができる。しかし、実際には光学近接センサを
移動させるための移動機構が必要なため、装置が大掛か
りで、高価になる欠点があり、また移動時間が必要とな
るために測定時間が長くなるとの問題がある。
【００１１】本発明の目的は、以上に述べたような従来
の光学近接センサの問題に鑑み、測定対象物体との相対
的な移動の必要がなく、瞬時に測定できる光学形状セン
サを得るにある。
の光学近接センサの問題に鑑み、測定対象物体との相対
的な移動の必要がなく、瞬時に測定できる光学形状セン
サを得るにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、所定の周波数で変調された発光量の可変
な光を測定対象物表面に照射する複数の発光光源と、前
記測定対象物表面からの反射光を受ける検出素子とを備
え、前記検出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物
表面位置から前記検出素子に至る距離情報、または距離
情報と傾斜情報を含む光学形状センサにおいて、前記検
出素子は前記発光光源間を結ぶ直線または同直線に平行
な直線状で整列した複数の検出素子で構成される測定対
象物との距離等を抽出する光学形状センサを提案するも
のである
め、本発明は、所定の周波数で変調された発光量の可変
な光を測定対象物表面に照射する複数の発光光源と、前
記測定対象物表面からの反射光を受ける検出素子とを備
え、前記検出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物
表面位置から前記検出素子に至る距離情報、または距離
情報と傾斜情報を含む光学形状センサにおいて、前記検
出素子は前記発光光源間を結ぶ直線または同直線に平行
な直線状で整列した複数の検出素子で構成される測定対
象物との距離等を抽出する光学形状センサを提案するも
のである
【００１３】また、本発明によれば、この目的は、
1) 所定の周波数で変調された発光量の可変な光を測定
対象物表面に照射する複数の発光光源と、前記測定対象
物表面からの反射光を受ける検出素子とを備え、前記検
出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物表面位置か
ら前記検出素子に至る距離情報、または距離情報と傾斜
情報を含む光学形状センサにおいて、前記検出素子は前
記発光光源間を結ぶ直線または同直線に平行な直線状で
整列した複数の検出素子で構成され、前記検出素子の各
検出面上に前記検出面とほぼ垂直方向に少なくとも２枚
の凸レンズとピンホールが配置され、前記測定対象物表
面からの反射光のうち前記検出面にほぼ垂直方向に入射
する光のみを検出するようにした測定対象物との距離等
を抽出する光学形状センサ、 2) 所定の周波数で変調された発光量の可変な光を測定
対象物表面に照射する複数の発光光源と、前記測定対象
物表面からの反射光を受ける検出素子とを備え、前記検
出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物表面位置か
ら前記検出素子に至る距離情報、または距離情報と傾斜
情報を含む光学形状センサにおいて、前記検出素子は前
記発光光源間を結ぶ直線または同直線に平行な直線状で
整列した複数の検出素子で構成され、前記検出素子の各
検出面上に前記検出面とほぼ垂直方向にピンホール２つ
が配置され、前記測定対象物表面からの反射光のうち前
記検出面にほぼ垂直方向に入射する光のみを検出するよ
うにした測定対象物との距離等を抽出する光学形状セン
サによっても達成される。
対象物表面に照射する複数の発光光源と、前記測定対象
物表面からの反射光を受ける検出素子とを備え、前記検
出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物表面位置か
ら前記検出素子に至る距離情報、または距離情報と傾斜
情報を含む光学形状センサにおいて、前記検出素子は前
記発光光源間を結ぶ直線または同直線に平行な直線状で
整列した複数の検出素子で構成され、前記検出素子の各
検出面上に前記検出面とほぼ垂直方向に少なくとも２枚
の凸レンズとピンホールが配置され、前記測定対象物表
面からの反射光のうち前記検出面にほぼ垂直方向に入射
する光のみを検出するようにした測定対象物との距離等
を抽出する光学形状センサ、 2) 所定の周波数で変調された発光量の可変な光を測定
対象物表面に照射する複数の発光光源と、前記測定対象
物表面からの反射光を受ける検出素子とを備え、前記検
出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物表面位置か
ら前記検出素子に至る距離情報、または距離情報と傾斜
情報を含む光学形状センサにおいて、前記検出素子は前
記発光光源間を結ぶ直線または同直線に平行な直線状で
整列した複数の検出素子で構成され、前記検出素子の各
検出面上に前記検出面とほぼ垂直方向にピンホール２つ
が配置され、前記測定対象物表面からの反射光のうち前
記検出面にほぼ垂直方向に入射する光のみを検出するよ
うにした測定対象物との距離等を抽出する光学形状セン
サによっても達成される。
【００１４】後述する本発明の好ましい実施の形態で
は、 1) ２枚の前記凸レンズの第１レンズの焦点位置と第２
レンズの焦点位置を一致させ、更に前記ピンホールを前
記焦点位置に設けて、前記測定対象物表面からの反射光
のうち前記検出面にほぼ垂直方向に入射する光のみを光
学的に絞って、検出するようにした構成、 2) ２枚の前記凸レンズの焦点距離を変えることによ
り、前記測定対象物の測定面からの反射光を縮小あるい
は拡大して、前記検出面に照射するようにした構成、 3) 前記ピンホールあるいは前記レンズを前記測定対象
物の平均的表面とほぼ平行となるようにアレイ上に並
べ、レンズ、ピンホールおよび検出面からなる検出系を
一体化した構成が説明される。
は、 1) ２枚の前記凸レンズの第１レンズの焦点位置と第２
レンズの焦点位置を一致させ、更に前記ピンホールを前
記焦点位置に設けて、前記測定対象物表面からの反射光
のうち前記検出面にほぼ垂直方向に入射する光のみを光
学的に絞って、検出するようにした構成、 2) ２枚の前記凸レンズの焦点距離を変えることによ
り、前記測定対象物の測定面からの反射光を縮小あるい
は拡大して、前記検出面に照射するようにした構成、 3) 前記ピンホールあるいは前記レンズを前記測定対象
物の平均的表面とほぼ平行となるようにアレイ上に並
べ、レンズ、ピンホールおよび検出面からなる検出系を
一体化した構成が説明される。
【００１５】つまり、本発明においては、１個の検出素
子PHTRの代わりに、多数の検出素子からなる検出素子
郡、例えば CCD素子アレイを配置して、対象物体との相
対的な移動をおこなうことなく、同時に多数のデータを
獲得し、対象物体の表面形状をある範囲にわたって瞬時
に計測する。そこでの各素子は鋭い指向性を持つよう
に,素子前面に凸レンズとピンホーが配置される。
子PHTRの代わりに、多数の検出素子からなる検出素子
郡、例えば CCD素子アレイを配置して、対象物体との相
対的な移動をおこなうことなく、同時に多数のデータを
獲得し、対象物体の表面形状をある範囲にわたって瞬時
に計測する。そこでの各素子は鋭い指向性を持つよう
に,素子前面に凸レンズとピンホーが配置される。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図３から図１２について本
発明の実施例を説明する。図３は本発明の第１の実施例
であり、２つの発光光源LED1とLED2の間には、これらを
結ぶ線上に位置された CCDラインセンサＬＳ1 をもつこ
とを特徴としている。 CCDラインセンサＬＳ1 はアレイ
状に並べられた多数の検出素子LE1 ，LE2，LE3 ・・・
からなり、これらの検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・は
図１について述べた検出素子PHTRと同様に機能する。勿
論、図１で説明した検出原理に従い、各検出素子LE1 ，
LE2 ，LE3 ・・・についても、ａ＜ｂの関係が成り立っ
ている。
発明の実施例を説明する。図３は本発明の第１の実施例
であり、２つの発光光源LED1とLED2の間には、これらを
結ぶ線上に位置された CCDラインセンサＬＳ1 をもつこ
とを特徴としている。 CCDラインセンサＬＳ1 はアレイ
状に並べられた多数の検出素子LE1 ，LE2，LE3 ・・・
からなり、これらの検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・は
図１について述べた検出素子PHTRと同様に機能する。勿
論、図１で説明した検出原理に従い、各検出素子LE1 ，
LE2 ，LE3 ・・・についても、ａ＜ｂの関係が成り立っ
ている。
【００１７】CCDラインセンサＬＳ1 の各検出素子LE
1 ，LE2 ，LE3 ・・・は、それぞれ独立にアナログセン
サとして働く場合は、図１の原理で説明したと同様に、
検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・ごとに多数のデータが
同時に得られるので、測定対象物Ｏの表面形状が同時に
得られる。
1 ，LE2 ，LE3 ・・・は、それぞれ独立にアナログセン
サとして働く場合は、図１の原理で説明したと同様に、
検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・ごとに多数のデータが
同時に得られるので、測定対象物Ｏの表面形状が同時に
得られる。
【００１８】一方、走査型のラインセンサとして機能さ
せる場合、各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・は時間的
にシリーズに動作する。すなわち、図４に示すように、
検出素子LE1 、検出素子LE2 、検出素子LE3 と順次動作
し、それらの出力信号はE11，E21 ，E31 ・・・と続
く。検出素子LE1 に限っていえば、その出力信号は
E11，E12 ，E13 ・・・と時間的に等間隔で発生し、検
出素子LE2 の出力信号はE21，E22 ・・・と発生する。
せる場合、各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・は時間的
にシリーズに動作する。すなわち、図４に示すように、
検出素子LE1 、検出素子LE2 、検出素子LE3 と順次動作
し、それらの出力信号はE11，E21 ，E31 ・・・と続
く。検出素子LE1 に限っていえば、その出力信号は
E11，E12 ，E13 ・・・と時間的に等間隔で発生し、検
出素子LE2 の出力信号はE21，E22 ・・・と発生する。
【００１９】従って、出力信号E11 ，E12 ，E13 ・・・
をつなぐ正弦波を再現し（図では点線で示す正弦波）、
発光光源との位相差を算出し、式(6) を用いて距離を計
算する手順となる。ただし、図４では８つの検出素子LE
1 ，LE2 ，LE3 ・・・が並んだラインセンサの例で示し
ているが、その個数は８つに限定されるものではなく、
もっと多くても少なくてもよい。
をつなぐ正弦波を再現し（図では点線で示す正弦波）、
発光光源との位相差を算出し、式(6) を用いて距離を計
算する手順となる。ただし、図４では８つの検出素子LE
1 ，LE2 ，LE3 ・・・が並んだラインセンサの例で示し
ているが、その個数は８つに限定されるものではなく、
もっと多くても少なくてもよい。
【００２０】また、図５は本発明の第２実施例による光
学形状センサであり、この実施例においては CCDライン
センサＬＳ2 は２つの発光光源LED1とLED2の間に対称構
造に配置される。留意すべき点は、図１で説明される検
出原理に基づけば、２つの発光光源LED1，LED2の丁度中
間に位置する受光素子はａ＝ｂとなるため、式(6) に照
らし合わせれば、距離ｘを算出することはできない点で
あるが、それ以外の受光素子は算出可能である。
学形状センサであり、この実施例においては CCDライン
センサＬＳ2 は２つの発光光源LED1とLED2の間に対称構
造に配置される。留意すべき点は、図１で説明される検
出原理に基づけば、２つの発光光源LED1，LED2の丁度中
間に位置する受光素子はａ＝ｂとなるため、式(6) に照
らし合わせれば、距離ｘを算出することはできない点で
あるが、それ以外の受光素子は算出可能である。
【００２１】市販の CCDラインセンサＬＳは一般的には
走査型であるので、安価に第２実施例の光学形状センサ
を実現できるが、測定時間が長くなる。
走査型であるので、安価に第２実施例の光学形状センサ
を実現できるが、測定時間が長くなる。
【００２２】図６は検出素子に方向依存性を持たせた本
発明の第３実施例による光学形状センサを示す。すなわ
ち、この光学形状センサでは、 CCDラインセンサＬＳ3
の各検出素子LE 1 ，LE2 ，LE3 ・・・の前面にピンホー
ルＨ1 ，Ｈ2 を有するマスクＭ1 ，Ｍ2を２段配置した
例である。これらの検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の
検出面のピッチとピンホールＨ1 ，Ｈ2 のピッチは一致
しており、各検出素子LE1 ，LE2，LE3 ・・・にほぼ垂
直に入射する光は、そのまま対応する各検出素子LE1 ，
LE 2 ，LE3 ・・・に入る。
発明の第３実施例による光学形状センサを示す。すなわ
ち、この光学形状センサでは、 CCDラインセンサＬＳ3
の各検出素子LE 1 ，LE2 ，LE3 ・・・の前面にピンホー
ルＨ1 ，Ｈ2 を有するマスクＭ1 ，Ｍ2を２段配置した
例である。これらの検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の
検出面のピッチとピンホールＨ1 ，Ｈ2 のピッチは一致
しており、各検出素子LE1 ，LE2，LE3 ・・・にほぼ垂
直に入射する光は、そのまま対応する各検出素子LE1 ，
LE 2 ，LE3 ・・・に入る。
【００２３】しかし、斜め方向から入射される光はマス
クＭ1 ，Ｍ2 に遮断されて入射できないけれども、垂直
に近い斜め入射光は検出面に到達するので、ノイズとな
る。つまり、この光学形状センサは簡易ではあるが、あ
る程度の指向性しか望めない。
クＭ1 ，Ｍ2 に遮断されて入射できないけれども、垂直
に近い斜め入射光は検出面に到達するので、ノイズとな
る。つまり、この光学形状センサは簡易ではあるが、あ
る程度の指向性しか望めない。
【００２４】図７は指向性を高めた本発明の第４実施例
であり、凸レンズアレイＬＡ1 ，ＬＡ2 を CCDラインセ
ンサＬＳ4 の各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の前面
に２段に配置してある。両凸レンズアレイＬＡ1 ，ＬＡ
2 の凸レンズＲ1 ，Ｒ2 はその焦点が一致するように配
置されており、またその焦点部分にはマスクＭ3 のピン
ホールＨ3 が設けられている。
であり、凸レンズアレイＬＡ1 ，ＬＡ2 を CCDラインセ
ンサＬＳ4 の各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の前面
に２段に配置してある。両凸レンズアレイＬＡ1 ，ＬＡ
2 の凸レンズＲ1 ，Ｒ2 はその焦点が一致するように配
置されており、またその焦点部分にはマスクＭ3 のピン
ホールＨ3 が設けられている。
【００２５】従って、各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・
・の検出面の上方からほぼ垂直に入射される平行光は、
上側凸レンズＲ1 によりその焦点で一点に集光し、下側
凸レンズＲ2 で再び平行光となり、焦点部分で１点に集
中する。このため、そこにピンホールＨ3 を設けておけ
ば、各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の検出面に斜め
に入射される光はピンホールＨ3 を通過できないので、
各検出素子LE1 ，LE2，LE3 ・・・の指向性は十分に高
められる。各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・のアレイ
および凸レンズアレイＬＡ1 ，ＬＡ2 をＬＳＩ製造技術
を用いて一体化すれば、コンパクトな光学形状センサを
実現できる。
・の検出面の上方からほぼ垂直に入射される平行光は、
上側凸レンズＲ1 によりその焦点で一点に集光し、下側
凸レンズＲ2 で再び平行光となり、焦点部分で１点に集
中する。このため、そこにピンホールＨ3 を設けておけ
ば、各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の検出面に斜め
に入射される光はピンホールＨ3 を通過できないので、
各検出素子LE1 ，LE2，LE3 ・・・の指向性は十分に高
められる。各検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・のアレイ
および凸レンズアレイＬＡ1 ，ＬＡ2 をＬＳＩ製造技術
を用いて一体化すれば、コンパクトな光学形状センサを
実現できる。
【００２６】図８は本発明の第５実施例による光学形状
センサを示し、この実施例においては、２枚の凸レンズ
Ｒ3 ，Ｒ4 を用いてある。すなわち、これらの凸レンズ
Ｒ3，Ｒ4 の焦点は一致されており、その焦点部分には
マスクＭ3 のピンホールＨ4が設けられていることは図
７の場合と同様である。マスクＭ3 の上方の凸レンズＲ
3 の焦点距離をｆ1 、下方の凸レンズＲ4 の焦点距離を
ｆ2 とするときｆ1 ＞ｆ2 であれば、光学的な縮小系と
なるため、より広範囲の測定対象物Ｏの表面を検出素子
LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の検出面に投影できる。この場
合、 CCDラインセンサＬＳ5 の表面よりも広い部分の測
定対象物Ｏの表面の形状を捉えることができるけれど
も、精度は劣化する欠点があ。ｆ1 ＜ｆ2 であれば、測
定対象物Ｏの微少部分の表面が拡大されて、検出素子LE
1 ，LE2 ，LE 3 ・・・の検出面に投影される。この場合
は、 CCDラインセンサＬＳ5 の表面よりも小さな部分し
か計測できないが、より精度よく計測できる利点があ
る。
センサを示し、この実施例においては、２枚の凸レンズ
Ｒ3 ，Ｒ4 を用いてある。すなわち、これらの凸レンズ
Ｒ3，Ｒ4 の焦点は一致されており、その焦点部分には
マスクＭ3 のピンホールＨ4が設けられていることは図
７の場合と同様である。マスクＭ3 の上方の凸レンズＲ
3 の焦点距離をｆ1 、下方の凸レンズＲ4 の焦点距離を
ｆ2 とするときｆ1 ＞ｆ2 であれば、光学的な縮小系と
なるため、より広範囲の測定対象物Ｏの表面を検出素子
LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・の検出面に投影できる。この場
合、 CCDラインセンサＬＳ5 の表面よりも広い部分の測
定対象物Ｏの表面の形状を捉えることができるけれど
も、精度は劣化する欠点があ。ｆ1 ＜ｆ2 であれば、測
定対象物Ｏの微少部分の表面が拡大されて、検出素子LE
1 ，LE2 ，LE 3 ・・・の検出面に投影される。この場合
は、 CCDラインセンサＬＳ5 の表面よりも小さな部分し
か計測できないが、より精度よく計測できる利点があ
る。
【００２７】なお、図７の実施例において、上側凸レン
ズＲ1 の焦点距離と下側凸レンズＲ 2 の焦点距離を変え
ても、図８で説明した縮小光学系あるいは拡大光学系を
実現できることは言うまでもない。
ズＲ1 の焦点距離と下側凸レンズＲ 2 の焦点距離を変え
ても、図８で説明した縮小光学系あるいは拡大光学系を
実現できることは言うまでもない。
【００２８】ところで、前述した本発明の各実施例は、
図１で説明した光学近接検出原理に基づくものである
が、前掲の出典文献では、更に測定対象物の傾斜角度を
補正する方法やその角度を検出する工夫も明らかにして
いる。
図１で説明した光学近接検出原理に基づくものである
が、前掲の出典文献では、更に測定対象物の傾斜角度を
補正する方法やその角度を検出する工夫も明らかにして
いる。
【００２９】すなわち、図１の測定原理においては、測
定対象面が検出軸に対してほぼ垂直であるとして距離検
出を考えたけれども、検出軸に対し測定対象面の傾斜角
度が大きい場合には、その補正を行う必要があるが、図
９に示す工夫により、可能なことが明らかにされてい
る。すなわち、検出素子PHTRを中心に発光光源LED1と対
称位置にLED1' を、発光光源LED2と対称位置にLED2' を
設け、それぞれ、Ａsinωｔ 、Ｂcos ωｔ で駆動する
ことにより、同時に４つの発光光源の反射光を受け、図
１での説明と同様な計算を行うことにより、補正できる
ことが明らかにされている。
定対象面が検出軸に対してほぼ垂直であるとして距離検
出を考えたけれども、検出軸に対し測定対象面の傾斜角
度が大きい場合には、その補正を行う必要があるが、図
９に示す工夫により、可能なことが明らかにされてい
る。すなわち、検出素子PHTRを中心に発光光源LED1と対
称位置にLED1' を、発光光源LED2と対称位置にLED2' を
設け、それぞれ、Ａsinωｔ 、Ｂcos ωｔ で駆動する
ことにより、同時に４つの発光光源の反射光を受け、図
１での説明と同様な計算を行うことにより、補正できる
ことが明らかにされている。
【００３０】これの図９の補正に関しては、図１０に示
された本発明の第６実施例の構成により可能になる。す
なわち、 CCDラインセンサＬＳ6 と同一直線上の左右に
アレイ状の発光素子Ｌ1 ，Ｌ2 を配置し、ある時刻には
図９に示すように所定の発光素子Ｌ1 ，Ｌ2 、 CCDライ
ンセンサＬＳ6 の検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・を図
９に示すLED1、LED1' 、LED2、LED2' に対応させ、次の
時刻には１つだけ右方向にずらした発光、受光素子に対
応させ、順次この過程を繰り返せば、測定対象物Ｏの表
面形状の所定の領域を短時間で正確に、また傾斜角度も
計測することができる。
された本発明の第６実施例の構成により可能になる。す
なわち、 CCDラインセンサＬＳ6 と同一直線上の左右に
アレイ状の発光素子Ｌ1 ，Ｌ2 を配置し、ある時刻には
図９に示すように所定の発光素子Ｌ1 ，Ｌ2 、 CCDライ
ンセンサＬＳ6 の検出素子LE1 ，LE2 ，LE3 ・・・を図
９に示すLED1、LED1' 、LED2、LED2' に対応させ、次の
時刻には１つだけ右方向にずらした発光、受光素子に対
応させ、順次この過程を繰り返せば、測定対象物Ｏの表
面形状の所定の領域を短時間で正確に、また傾斜角度も
計測することができる。
【００３１】また、図１１は本発明の第７実施例による
光学形状センサを示し、この実施例は、ひとつの直線上
に整列した CCDラインセンサＬＳ7 および２つの発光光
源LED1 ，LED2 の他に、同直線に対して直角な直線状の
CCDラインセンサＬＳ8 および２つの発光光源LED3，LE
D4を用いている。つまり、このような直角な１対のライ
ンセンサと発光光源の配置により、任意な方向の測定対
象物の傾斜角度を測定できる。
光学形状センサを示し、この実施例は、ひとつの直線上
に整列した CCDラインセンサＬＳ7 および２つの発光光
源LED1 ，LED2 の他に、同直線に対して直角な直線状の
CCDラインセンサＬＳ8 および２つの発光光源LED3，LE
D4を用いている。つまり、このような直角な１対のライ
ンセンサと発光光源の配置により、任意な方向の測定対
象物の傾斜角度を測定できる。
【００３２】更に、本発明においては、前述した各ライ
ンセンサの代わりに、図１２に示すような面型 CCDアレ
イセンサＡＳを用いることもできる。すなわち、図１２
の本発明の第８実施例では、デジタルカメラ等に使用さ
れる面型 CCDアレイセンサＡＳの各辺に対応して４個の
発光光源LED1，LED2，LED3，LED4を配置してあるが、こ
のような構成でも、図１１の場合とも同様な機能を発揮
できる。
ンセンサの代わりに、図１２に示すような面型 CCDアレ
イセンサＡＳを用いることもできる。すなわち、図１２
の本発明の第８実施例では、デジタルカメラ等に使用さ
れる面型 CCDアレイセンサＡＳの各辺に対応して４個の
発光光源LED1，LED2，LED3，LED4を配置してあるが、こ
のような構成でも、図１１の場合とも同様な機能を発揮
できる。
【００３３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光学形状センサでは、多数の検出素子を並べたので、
短時間で測定対象物の表面形状を測定できる利点があ
る。また、本発明によると、各検出素子の受光面上に指
向性を高めるために、凸レンズやピンホールを配置した
ので、正確に表面形状を測定できる利点もある。
の光学形状センサでは、多数の検出素子を並べたので、
短時間で測定対象物の表面形状を測定できる利点があ
る。また、本発明によると、各検出素子の受光面上に指
向性を高めるために、凸レンズやピンホールを配置した
ので、正確に表面形状を測定できる利点もある。
【図１】従来の光学形状センサの原理説明図である。
【図２】同光学形状センサの動作説明図である。
【図３】本発明の第１実施例による光学形状センサの拡
大斜視図である。
大斜視図である。
【図４】走査型ラインセンサとして動作する場合の同光
学形状センサの原理説明図である。
学形状センサの原理説明図である。
【図５】本発明の第２実施例による光学形状センサの拡
大斜視図である。
大斜視図である。
【図６】本発明の第３実施例による光学形状センサの要
部拡大断面図である。
部拡大断面図である。
【図７】本発明の第４実施例による光学形状センサの要
部拡大断面図である。
部拡大断面図である。
【図８】本発明の第５実施例による光学形状センサの要
部拡大断面図である。
部拡大断面図である。
【図９】測定面の傾斜角度が大きい場合の従来の光学形
状センサの補正原理図である。
状センサの補正原理図である。
【図１０】本発明の第６実施例による光学形状センサの
拡大斜視図である。
拡大斜視図である。
【図１１】本発明の第７実施例による光学形状センサの
拡大斜視図である。
拡大斜視図である。
【図１２】本発明の第８実施例による光学形状センサの
拡大斜視図である。
拡大斜視図である。
Ｏ 測定対象物体
LED1からLED4 発光光源
ＬＳ1 からＬＳ8 CCD ラインセンサ
ＡＳ 面型CCD アレイセンサ
Claims (6)
- 【請求項１】 所定の周波数で変調された発光量の可変
な光を測定対象物表面に照射する複数の発光光源と、前
記測定対象物表面からの反射光を受ける検出素子とを備
え、前記検出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物
表面位置から前記検出素子に至る距離情報、または距離
情報と傾斜情報を含む光学形状センサにおいて、 前記検出素子は前記発光光源間を結ぶ直線または同直線
に平行な直線状で整列した複数の検出素子で構成される
ことを特徴とする測定対象物との距離等を抽出する光学
形状センサ。 - 【請求項２】 所定の周波数で変調された発光量の可変
な光を測定対象物表面に照射する複数の発光光源と、前
記測定対象物表面からの反射光を受ける検出素子とを備
え、前記検出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物
表面位置から前記検出素子に至る距離情報、または距離
情報と傾斜情報を含む光学形状センサにおいて、 前記検出素子は前記発光光源間を結ぶ直線または同直線
に平行な直線状で整列した複数の検出素子で構成され、 前記検出素子の各検出面上に前記検出面とほぼ垂直方向
に少なくとも２枚の凸レンズとピンホールが配置され、
前記測定対象物表面からの反射光のうち前記検出面にほ
ぼ垂直方向に入射する光のみを検出するようにしたこと
を特徴とする請求項１記載の測定対象物との距離等を抽
出する光学形状センサ。 - 【請求項３】 ２枚の前記凸レンズの第１レンズの焦点
位置と第２レンズの焦点位置を一致させ、更に前記ピン
ホールを前記焦点位置に設けて、前記測定対象物表面か
らの反射光のうち前記検出面にほぼ垂直方向に入射する
光のみを光学的に絞って、検出するようにしたことを特
徴とする請求項２記載の測定対象物との距離等を抽出す
る光学形状センサ。 - 【請求項４】 ２枚の前記凸レンズの焦点距離を変える
ことにより、前記測定対象物の測定面からの反射光を縮
小あるいは拡大して、前記検出面に照射するようにした
ことを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかひ
とつに記載された測定対象物との距離等を抽出する光学
形状センサ。 - 【請求項５】 前記ピンホールあるいは前記レンズを前
記測定対象物の平均的表面とほぼ平行となるようにアレ
イ上に並べ、レンズ、ピンホールおよび検出面からなる
検出系を一体化したことを特徴とする請求項２または請
求項３のいずれかひとつに記載の測定対象物との距離等
を抽出する光学形状センサ。 - 【請求項６】 所定の周波数で変調された発光量の可変
な光を測定対象物表面に照射する複数の発光光源と、前
記測定対象物表面からの反射光を受ける検出素子とを備
え、前記検出素子の出力信号の位相情報に、測定対象物
表面位置から前記検出素子に至る距離情報、または距離
情報と傾斜情報を含む光学形状センサにおいて、 前記検出素子は前記発光光源間を結ぶ直線または同直線
に平行な直線状で整列した複数の検出素子で構成され、 前記検出素子の各検出面上に前記検出面とほぼ垂直方向
にピンホール２つが配置され、前記測定対象物表面から
の反射光のうち前記検出面にほぼ垂直方向に入射する光
のみを検出するようにしたことを特徴とする請求項１記
載の測定対象物との距離等を抽出する光学形状センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001235771A JP2003042733A (ja) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | 測定対象物との距離等を抽出する光学形状センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001235771A JP2003042733A (ja) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | 測定対象物との距離等を抽出する光学形状センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003042733A true JP2003042733A (ja) | 2003-02-13 |
Family
ID=19067163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001235771A Pending JP2003042733A (ja) | 2001-08-03 | 2001-08-03 | 測定対象物との距離等を抽出する光学形状センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003042733A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006078553A (ja) * | 2004-09-07 | 2006-03-23 | Nikon Corp | 対物光学系、収差測定装置、および露光装置 |
| US7226173B2 (en) | 2004-02-13 | 2007-06-05 | Nec Viewtechnology, Ltd. | Projector with a plurality of cameras |
| EP2571257A1 (en) | 2011-09-14 | 2013-03-20 | Ricoh Company, Ltd. | Projector device and operation detecting method |
| JP2020201072A (ja) * | 2019-06-07 | 2020-12-17 | 国立大学法人 東京大学 | アレイ型近接覚センサ |
-
2001
- 2001-08-03 JP JP2001235771A patent/JP2003042733A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7226173B2 (en) | 2004-02-13 | 2007-06-05 | Nec Viewtechnology, Ltd. | Projector with a plurality of cameras |
| JP2006078553A (ja) * | 2004-09-07 | 2006-03-23 | Nikon Corp | 対物光学系、収差測定装置、および露光装置 |
| EP2571257A1 (en) | 2011-09-14 | 2013-03-20 | Ricoh Company, Ltd. | Projector device and operation detecting method |
| JP2020201072A (ja) * | 2019-06-07 | 2020-12-17 | 国立大学法人 東京大学 | アレイ型近接覚センサ |
| JP7150278B2 (ja) | 2019-06-07 | 2022-10-11 | 国立大学法人 東京大学 | アレイ型近接覚センサ |
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