JP2005291938A - 受光中心検出方法、距離測定装置、角度測定装置及び光学測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受光スポットのぶれ・揺らぎが生じる場合であっても、より正確な測定結果を得ることが可能な受光中心検出方法等を提供する。
【解決手段】 第１〜３の各閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３に基づき面積重心位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３（Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’）をそれぞれ算出し、これらを平均化した中心位置を受光中心位置Ｎ（Ｎ’）として決定する構成になっている。従って、受光スポットにぶれ・揺らぎによる受光中心位置Ｎの位置ずれを極力抑えることができ、正確な距離測定を行うことが可能となる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、受光中心検出方法、距離測定装置、角度測定装置及び光学測定装置に関する。

従来から知られている光学測定装置として三角測距の原理を用いて被測定物体の距離及び傾き角度を測定するものであり、距離測定用光学系と角度測定用光学系とを備えている。距離測定用光学系では、レンズにより収束された投光素子からの光を被測定物体に対して斜めから投射し、その反射光をレンズにより収束して撮像手段の撮像面に結像する構成とされている。そして、その撮像手段から出力される各画素毎の受光量に応じた撮像信号に基づき撮像面における反射光のスポットの受光中心位置を求め、当該受光中心位置の位置変位に基づいて被測定物体の距離を測定するようになっている。

また、角度測定用光学系は、レンズにより平行光とされた投光素子からの光を被測定物体に対して斜めから投射し、その反射光をレンズにより収束して撮像手段の撮像面に結像する構成とされている。そして、やはり、その撮像手段から出力される各画素毎の受光量に応じた撮像信号に基づき撮像面における反射光のスポットの受光中心位置を検出し、当該受光中心位置の位置変位に基づいて被測定物体の傾き角度を測定するようになっている。
特開平８−２４０４０８号公報

ここで、従来の光学測定装置における受光中心位置検出方法には、いわゆるサブピクセル法や、重心法（体積重心法、面積重心法）などがある。サブピクセル法は、撮像手段からの撮像信号に基づき最も受光量レベルが高い画素を特定し、その画素の位置を受光中心位置として決定する方法である。体積重心法は、撮像手段からの撮像信号のうち所定の一閾値以上の受光量レベルを示す撮像信号について次の式を適用して算出された体積重心位置を受光中心位置として決定する方法である。

＜式１＞
体積重心位置＝{Σ（ｍＩ）／Σｍ}
Ｉ：上記面積重心位置の場合と同じ
ｍ：上記各画素の受光量レベルに応じた係数

ところで、光学測定装置では、例えば、外部からの振動により投光素子からの投光光軸がぶれたり、投光素子に対するＡＰＣ（Auto Power Control）制御の動作により投光状態が変動したり、被測定物体の位置変位により反射状態が変動したりすることがある。そして、これらの要因によって撮像手段の撮像面上に撮像される反射光のスポット（以下、「受光スポット」）にぶれ・揺らぎ（例えば受光スポットの形状や受光量分布が変動）が生じることがある。従って、従来の構成のように、サブピクセル法や、１つの閾値に基づく重心法では、受光スポットの形状等が変動に応じて、同じ距離や傾き角度の被測定物体に対して測定結果が異なってしまうおそれがあった。特に、光学測定装置は、微小な距離変位や傾き角度変位を測定するために用いられるため、スポットの形状等の変動は測定に大きく影響してしまう。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、受光スポットのぶれ・揺らぎが生じる場合であっても、より正確な測定結果を得ることが可能な受光中心検出方法、距離測定装置、角度測定装置及び光学測定装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明に係る受光中心検出方法は、投光手段から出射された光を撮像手段の撮像面に受光させ、その撮像手段から出力され前記撮像面上の各画素毎の受光量に応じた撮像信号に基づいて前記撮像面上での受光中心位置を検出する受光中心検出方法であって、前記撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出処理と、前記抽出処理において前記各閾値によって抽出された各画素群の受光量レベルに基づいて重心位置（面積重心位置または体積重心位置）をそれぞれ検出する重心位置検出処理と、前記重心位置検出処理によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定処理と、を行うことを特徴とする。

請求項２の発明に係る距離測定装置は、被測定物体に光を投光する距離測定用投光手段と、その距離測定用投光手段から投光され前記被測定物体で拡散反射または正反射した反射光を収束させる収束レンズと、前記収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する距離測定用撮像手段と、前記距離測定用撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、前記撮像面上における前記反射光の受光中心位置を検出する受光中心検出手段とを備えるとともに、前記距離測定用投光手段から被測定物体までの投光光路と、前記被測定物体から前記距離測定用撮像手段までの反射光路とが所定の角度をなすよう構成され、前記受光中心検出手段で検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体の距離を測定する距離測定装置において、前記受光中心検出手段は、前記距離測定用撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出手段と、前記抽出手段において前記各閾値によって抽出された各画素群の受光量レベルに基づいて重心位置（面積重心位置または体積重心位置）をそれぞれ検出する重心位置検出手段と、前記重心位置検出手段によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定手段と、を備えて構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載の距離測定装置において、前記複数の閾値が、前記撮像手段にて検知可能な最低受光量レベル以上であって、前記撮像手段の撮像面上における最大受光量レベルより低いレベル以下の範囲で設定される閾値設定手段が設けられていることを特徴とする。

請求項４の発明に係る角度測定装置は、被測定物体に光を投光する角度測定用投光手段と、その角度測定用投光手段から投光され前記被測定物体で正反射した反射光を収束させる収束レンズと、前記収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する角度測定用撮像手段と、前記角度測定用撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、前記撮像面上における前記反射光の受光中心位置を検出する受光中心検出手段とを備え、前記受光中心検出手段で検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体の傾き角度を測定する角度測定装置において、前記受光中心検出手段は、前記角度測定用撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出手段と、前記抽出手段において前記各閾値によって抽出された各画素の受光量レベルに基づいて重心位置（面積重心位置または体積重心位置）をそれぞれ検出する重心位置検出手段と、前記重心位置検出手段によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定手段と、を備えて構成されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の角度測定装置において、前記複数の閾値が、前記撮像手段にて検知可能な最低受光量レベル以上であって、前記撮像手段の撮像面上における最大受光量レベルより低いレベル以下の範囲で設定される閾値設定手段が設けられていることを特徴とする。

請求項６の発明に係る光学測定装置は、被測定物体に光を照射しその反射光に基づいて前記被測定物体の傾き角度及び距離を測定する光学測定装置であって、前記被測定物体に向けて略平行光としての光を照射する角度測定用投光手段と、その角度測定用投光手段から投光され前記被測定物体で正反射した角度測定用反射光を収束させる収束レンズと、その収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する撮像手段と、前記角度測定用投光手段からの光の照射方向に対して所定角度傾いた方向から略平行光としての光を前記被測定物体に照射するよう配された距離測定用投光手段と、その距離測定用投光手段から投光され前記被測定物体で拡散反射または正反射した距離測定用反射光を収束させる収束レンズと、その収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、前記撮像面上における前記角度測定用反射光及び前記距離測定用反射光それぞれの受光中心位置を検出する受光中心検出手段と、を備え、前記受光中心検出手段で検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体の傾き角度及び距離を測定する光学測定装置において、前記受光中心検出手段は、前記角度測定用反射光及び前記距離測定用反射光それぞれについて、前記撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出手段と、前記抽出手段において前記各閾値によって抽出された各画素群の受光量レベルに基づいて重心位置（面積重心位置または体積重心位置）をそれぞれ検出する重心位置検出手段と、前記重心位置検出手段によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定手段と、を備えて構成されていることを特徴とする。

なお、請求項６の構成において上記「収束レンズ」「撮像手段」「受光中心検出手段」は、角度測定用と距離測定用とで別であっても共通であってもよい。

また、請求項６の構成には次のものが含まれる。
＜構成Ａ＞「被測定物体に光を照射しその反射光に基づいてこの被測定物体の傾き及び距離を測定する光学測定装置であって、
角度測定に用いる角度測定用投光手段と、
距離測定に用いる距離測定用投光手段と、
前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段からの光を略平行光に変えるコリメータレンズと、
前記コリメータレンズよりも前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側、又は、前記被測定物体側に配され、前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段からの光を前記被測定物体の方向に導くとともに、前記被測定物体からの正反射光を前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側とは異なる方向に分岐させる分岐手段と、
前記正反射光を収束させる収束レンズと、
前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記角度測定用投光手段からの光による正反射光（角度測定用正反射光）を撮像面で受光し、その撮像面上の各画素毎の受光量に応じた撮像信号を出力する角度測定用撮像手段と、
前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）を撮像面で受光し、その撮像面上の各画素毎の受光量に応じた撮像信号を出力する距離測定用正反射光を照射させる距離測定用撮像手段と、
前記角度測定用撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、その撮像面上における前記角度測定用反射光の受光中心位置を検出する角度測定用受光中心検出手段と、
前記距離測定用撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、その撮像面上における前記距離測定用反射光の受光中心位置を検出する距離測定用受光中心検出手段と、
前記角度測定用受光中心検出手段で検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体の傾き角度を測定するとともに、前記角度測定用受光中心検出手段及び前記距離測定用受光中心検出手段によってそれぞれ検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体までの距離を測定する測定手段と、を備え、
前記距離測定用投光手段から前記被測定物体までの光路が基線軸に対して所定の角度を有するように配された光学測定装置であって、
前記角度測定用受光中心検出手段及び前記距離測定用受光中心検出手段は、それに対応する前記反射光（角度測定用反射光、前記距離測定用反射光）について、前記撮像手段（角度測定用撮像手段、距離測定用撮像手段）からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段において前記各閾値によって抽出された各画素群の受光量レベルに基づいて重心位置（面積重心位置または体積重心位置）をそれぞれ検出する重心位置検出手段と、
前記重心位置検出手段によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定手段と、を備えて構成されていることを特徴とする光学測定装置。」

請求項７の発明は、請求項６に記載の光学測定装置において、前記複数の閾値が、前記撮像手段にて検知可能な最低受光量レベル以上であって、前記撮像手段の撮像面上における最大受光量レベルよりレベル以下の範囲で設定される閾値設定手段が設けられていることを特徴とする。

＜請求項１，２，４，６の発明＞
本構成によれば、撮像素子の撮像面上の各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出し、各画素群について重心位置（面積重心位置または体積重心位置）をそれぞれ検出し、これら複数の重心位置を平均化した中心位置を撮像面上における受光スポットの受光中心位置として決定する。
このように、互いにレベルの異なる複数の閾値に基づく複数の重心位置から平均化した中心位置を求めることで、受光スポットにぶれ・揺らぎによる測定誤差を抑えて、正確な測定結果を得ることができる。

＜請求項３，５，７の発明＞
本構成によれば、閾値設定手段によって、複数の閾値を、撮像手段にて検知可能な最低受光量レベル以上であって、撮像手段の撮像面上における最大受光量レベルよりレベル以下の範囲で自由に変更することができ、受光スポットのぶれ・揺らぎの特性に対して適切な閾値を設定することが可能となる。

＜実施形態１＞
本発明の請求項１〜３に対応する実施形態１について図１ないし図４を参照して説明する。

１．本実施形態の構成
（１）全体構成
符号２０は距離測定用レーザ光源であって、これにはレーザ駆動回路２１が接続されている。このレーザ駆動回路２１は、ＣＰＵ１１からの制御信号Ｓａに基づいて距離測定用レーザ光源２０に駆動電流Ｉｂを供給し点灯動作を行わせる。なお、距離測定用レーザ光源２０は間欠的または連続的に駆動することができる。

距離測定用レーザ光源２０から出射された距離測定用レーザ光Ｌは、コリメータレンズ２２を介して平行光とされる（距離測定用レーザ光源２０及びコリメータレンズ２２が本発明の「投光手段」、「距離測定用投光手段」を構成している。）。そして、当該平行光が基準姿勢にある被測定物体Ｗの表面に斜めから入光するよう距離測定用レーザ光源２０及びコリメータレンズ２２の配置位置が調整されている。つまり、距離測定用レーザ光Ｌは入射角θ度（＞０度）で入光する（これによって、「距離測定用投光手段から被測定対象物までの投光光路と、前記被測定対象物から距離測定用受光手段までの反射光路とは所定角度をなす」構成とされる）。

ワークＷ（被測定物体）の表面における距離測定用レーザ光Ｌの正反射光Ｌ’は、コリメータレンズ２２と線対称の位置に配された収束レンズ２３によって収束され、撮像素子２４（撮像手段、距離測定用撮像手段）の撮像面上に照射される。以下、この正反射光Ｌ’の照射像を、「受光スポット」という。

また、収束レンズ２３は、これを透過した正反射光Ｌ’の焦点位置Ｆが撮像素子２４の撮像面の前方に位置するように配置されている。ここで、正反射光Ｌ’の集光位置を撮像素子２４の撮像面上に一致させなかった理由は、ワークＷの距離に応じて正反射光Ｌ’の撮像面上における受光スポットの位置を変化させて、後述するように、この受光スポットの受光中心位置からワークＷの距離を算出するためである。従って、正反射光Ｌ’の集光位置Ｆが撮像素子２４の撮像面の後方に位置するように構成してもよい。
なお、収束レンズ２３を正反射光Ｌ’の光路に沿って移動させるか、或いは収束レンズ２３を特性が異なる他の収束レンズに交換することで正反射光Ｌ’の集光位置を調整することができる。

（２）距離測定のＣＰＵにおける処理
撮像素子２４は撮像面上に形成される正反射光Ｌ’の受光スポットに応じたデジタル信号列からなる撮像信号ＳｂをＣＰＵ１１に送信する。ＣＰＵ１１は、前述したレーザ駆動回路２１に制御信号Ｓａを与えて距離測定用レーザ光源２０をパルス点灯させる。また、ＣＰＵ１１は、制御信号Ｓａの送信に同期して撮像素子２４からの撮像信号Ｓｂを取り込んでこれに基づき距離測定用正反射光Ｌ’の撮像面上における受光スポットの受光中心位置Ｎを検出し例えば収束レンズ２３からワークＷまでの距離測定を行う。この受光中心検出処理については後で詳説する。

（３）距離測定
本実施形態では、三角測距の原理を利用してワークＷの距離を測定する。
まず、距離測定用レーザ光源２０の点灯動作に同期して撮像素子２４から送信された撮像信号Ｓｂに基づき、後述する受光中心検出処理によって受光中心位置Ｎを検出する。そして受光中心位置Ｎと撮像素子２４における基準位置Ｏとの離間間隔からワークＷの距離を測定する。

以下、より具体的に説明する。
例えば、被測定物体Ｗが図１中のＡの位置（距離ｄ１）にある場合には（詳しくは図２参照）、距離測定用レーザ光源２０の点灯動作時に撮像素子２４の撮像面上に形成される受光中心位置Ｎ１は基準位置Ｏからｄ１’（図中では受光中心位置Ｎ１と基準位置Ｏとが一致しているため図示せず）離れていることから、これに基づいて距離ｄ１が測定される。

被測定物体Ｗが図１中のＢの位置（距離ｄ２）にある場合には（詳しくは図３参照）、距離測定用レーザ光源２０の点灯動作時に撮像素子２４の撮像面上に形成される受光中心位置Ｎは基準位置Ｏからｄ２’離れていることから、これにより、距離ｄ２と測定される。
ワークＷが図１中のＣの位置（距離ｄ３、傾き角度θ１度）にある場合には（詳しくは図４参照）、距離測定用レーザ光源２０の点灯動作時に撮像素子２４の撮像面上に形成される受光中心位置Ｎは基準位置Ｏからｄ３’離れていることから、これにより、距離ｄ３と測定される。

２．受光中心検出処理
さて、前述したように、外部からの振動により投光素子からの投光光軸がぶれたり、投光素子に対するＡＰＣ（Auto Power Control）制御の動作により投光状態が変動したり、被測定物体の位置変位により反射状態が変動したりすることがある。そして、これらの要因によって撮像手段の撮像面上の受光スポットにぶれ・揺らぎ（例えば受光スポットの形状や受光量分布が変動）が生じることがある（図５の左図参照）。本実施形態は、このような問題に対処するために、ＣＰう１１は、図６のフローチャートに示す受光中心検出処理を実行する。

ＣＰＵ１１は、撮像素子２４からの撮像信号Ｓｂを取り込むと、図６に示す制御を実行する。まず、ステップＳ１で、第１閾値Ｔｈ１以上の受光量レベルを示す画素群（以下、「第１画素群Ｇ１」）を抽出する。次いで、ステップＳ２で、第１閾値よりも小さい第２閾値Ｔｈ２以上の受光量レベルを示す画素群（以下、「第２画素群Ｇ２」）を抽出する。更に、ステップＳ３で、第２閾値よりも更に小さい第３閾値Ｔｈ３以上の受光量レベルを示す画素群（以下、「第３画素群Ｇ３」）を抽出する。従って、このときＣＰＵ１１は本発明の「抽出手段」として機能する。

次に、ステップＳ４で、第１画素群Ｇ１、第２画素群Ｇ２、第３画素群Ｇ３それぞれについて、次に示す式２を適用して面積重心位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を算出する。従って、このときＣＰＵ１１は本発明の「重心位置検出手段」として機能する。

＜式２＞
面積重心位置＝{Σ（ＭＩ）／ΣＭ}
Ｉ：第Ｋ（閾値の数Ｋ＝１，２，３）画素群の各画素の位置ベクトル
Ｍ：第Ｋ画素群の数

そして、ステップＳ５で、面積重心位置Ｐ１（ｘ１，ｙ１），Ｐ２（ｘ２，ｙ２），Ｐ３（ｘ３，ｙ３）を次に示す式３を適用して平均化した中心位置（Ｘ，Ｙ）を算出し、この中心位置（Ｘ，Ｙ）を受光スポットの受光中心位置Ｎと決定する。従って、このときＣＰＵ１１は本発明の「決定手段」として機能する。

＜式３＞
中心位置（Ｘ，Ｙ）
Ｘ＝（ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＋・・・）／Ｋ
Ｙ＝（ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＋・・・）／Ｋ
なお、第１画素群Ｇ１、第２画素群Ｇ２、第３画素群Ｇ３それぞれについて、次に示す式４を適用して体積重心位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を算出する構成であってもよい。

＜式４＞
体積重心位置＝{Σ（ｍＩ）／Σｍ}
Ｉ：式２と同じ
ｍ：上記各画素の受光量レベルに応じた係数

式４による体積重心法の法がより正確に各画素群での重心位置を算出することができるが、例えばワークＷが鏡面反射体である場合には、受光スポット内の画素の受光量レベルにはほぼ均一であり、式３による面積重心法であっても式４による体積重心法と同等の精度で重心位置を算出することができる。従って、このような場合には、式３による面積重心法を採用することで受光中心検出処理の処理負担を軽減し高速を処理を図ることができる。

また、上記第１〜３の各閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３は、ＣＰＵ１１に連なる閾値設定部１２（図１のみ図示）において、撮像素子２４にて検知可能な最低受光量レベル（ダークカットレベル）以上であって、撮像素子２４の撮像面上における最大受光量レベルより低いレベル以下の範囲で変更可能に設定することができるようになっている。なお、この最大受光量レベルより低いレベルは、本実施形態では、最大受光量レベルに対して予め定められた割合（％）分だけ低いレベルとなっている。従って、閾値設定前に距離測定装置を起動させて撮像素子２４からの撮像信号Ｓｂに基づき最大受光量レベルを取得することで、上記最大受光量レベルより低いレベルを設定することができる。また、閾値設定部１２において、閾値の数も変えることもできる。

３．本実施形態の効果
（１）図５の左図に、受光スポットにぶれ・揺らぎにより２パターンの受光量レベル分布Ｕ１，Ｕ２が示されている。ここで、従来のように１つの閾値、例えば第１閾値Ｔｈ１によって面積重心位置を算出し、これを受光スポットの受光中心位置とした場合には、図５の右図に示すように、上記２パターンにおいて受光中心位置がＰ１（ｘ１，ｙ１），Ｐ１’（ｘ１’，ｙ１’）と大きくずれてしまうことがある。また、上述したサブピクセル法によっても同様に大きくずれてしまうことがある。
これに対して、本実施形態では、第１〜３の各閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３に基づき面積重心位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３（Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’）をそれぞれ算出し、これらを平均化した中心位置を受光中心位置Ｎ（Ｎ’）として決定する構成になっている。従って、受光スポットにぶれ・揺らぎによる受光中心位置Ｎの位置ずれを極力抑えることができ、正確な距離測定を行うことが可能となる。

（２）更に、本実施形態では、閾値設定部１２によって、撮像素子２４にて検知可能な最低受光量レベル（ダークカットレベル）以上であって、撮像素子２４の撮像面上における最大受光量レベルより低いレベル以下の範囲で自由に変更することができる。従って、受光スポットのぶれ・揺らぎの特性に対して適切な閾値を設定することが可能となる。

＜実施形態２＞
距離測定装置の実施形態２について図８ないし図１１を参照して説明する。尚、実施形態１と同一の部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。
本実施形態は、距離測定用レーザ光源２０からの光をコリメータレンズ２２により平行光に変換した後、当該平行光をワークＷに照射し、ワークＷの表面における拡散反射光ＬＤを収束レンズ２３にて集光して撮像素子２４の撮像面に照射させる構成となっている。
また、上記撮像素子２４は収束レンズ２３を通過して収束光に変換された拡散反射光の集光位置Ｐよりも後側に配されており、収束レンズ２３を透過し、発散した光を当該撮像素子２４の撮像面に照射させるようになっている。

図８から図１１に示すように、撮像素子２４の撮像面における拡散反射光ＬＤの照射位置は、撮像素子２４を反射光ＬＤの光路において反射光ＬＤの集光位置と一致する位置に配した場合と比べて、反射光路と交差する方向においてずれた位置となっている。また、そのずれ方向は反射光路を中心として、この光軸から離れる方向とされている。要するに、撮像素子２４を拡散反射光ＬＤの集光位置よりも反射光路に沿って後方に配置することで、照射位置のずれ量を増幅させている。このように構成することで、距離測定における分解能（測定精度）を向上させることができるのである。

このような構成においても、受光中心検出について実施形態１の受光中心検出処理（図６）を適用することで実施形態１と同様の効果を得ることができる。

＜実施形態３＞
請求項１，４，５に係る角度測定装置の実施形態を図１２を参照して説明する。
本実施形態の角度測定装置５０は、オートコリメータ法を用いてワークＷの傾き角度を測定するものである。
投光素子５１（角度測定用投光手段）からの光をコリメータレンズ５２により平行光に変換し、この平行光をハーフミラー５３で反射させて、光軸ＬＣ上に位置するワークＷの方向へ導く。ワークＷに照射された平行光は正反射してハーフミラー５３を透過し、収束レンズ５４によって撮像素子５５（角度測定用撮像手段）の撮像面５５Ａ上に集光されるように構成されている。そして、撮像素子５５からの撮像信号ＳａはＣＰＵ５６に出力されるようになっている。

ＣＰＵ５６は、投光素子５１に制御信号Ｓｂを与えて発光させるとともに、それに同期したタイミングで撮像素子５５に制御信号Ｓｃを与えて駆動させて上記撮像信号Ｓａを受ける。そして、ＣＰＵ５６は、受けた撮像信号Ｓａに基づき、ワークＷ上で正反射した正反射光Ｌの、撮像面５５Ａ上における照射像（受光スポット）の受光中心位置Ｎを検出する。この受光中心位置ＮはワークＷの傾き角度変化に応じて変位するから、当該受光中心位置Ｎと、例えば撮像面５５Ａの中央の原点Ｏとの位置偏差からワークＷの傾き角度を測定することが可能となるのである。なお、本実施形態も、実施形態１の閾値設定部１２と同様の閾値設定部５７が設けられている。

ここで、本実施形態についても受光中心位置の検出にあたり、上記実施形態１で説明した受光中心検出処理（図６参照）を適用することにより実施形態１と同様の効果を得ることができる。

＜実施形態４＞
本発明の請求項１，６（前述した構成Ａ），７に係る光学測定装置の実施形態４を図１３ないし図１７を参照して説明する。

１．光学測定装置の構成
本実施形態は、ワークＷの傾斜角度及び距離を測定するものであり、その構成は、図１３に示す通りである。角度測定用レーザ光源１１１及び距離測定用レーザ光源１２１から出射された光をダイクロイックミラー１３１（光合流手段）、ビームスプリッタ１３２及びコリメータレンズ１３３（コリメータレンズ及び収束レンズに相当）を介してワークＷ（被測定物体）に両者の光を照射し、正反射光をコリメータレンズ１３３、ビームスプリッタ１３２及びダイクロイックミラー１３４（光分岐用ダイクロイックミラー）を介して例えば２次元ＣＣＤからなる角度測定用撮像素子１１２（角度測定用撮像手段）及び同じく２次元ＣＣＤからなる距離測定用撮像素子１２２（距離測定用撮像手段）の撮像面に照射し、その照射位置（受光中心位置）に基づいてＣＰＵ１０４によりワークＷの傾き及び距離が算出されるようになっている。尚、ワークＷの表面は鏡面であっても非鏡面であってもよい。

両レーザ光源１１１，１２１はそれぞれ波長の異なる光を照射するようになっており、例えば、角度測定用レーザ光源１１１は波長λ１のレーザ光を出射するものとされており、一方、距離測定用レーザ光源１２１は波長λ２のレーザ光を出射するものとされている。また、両レーザ光源１１１，１２１にはそれぞれレーザ駆動回路１１３，１２３が接続されており，ＣＰＵ１０４からの制御信号Ｓａ，Ｓｂに基づいてそれぞれのレーザ光源１１１，１２１に駆動電流Ｉａ，Ｉｂを供給する（角度測定用レーザ光源１１１及びレーザ駆動回路１１３により角度測定用投光手段を構成し、距離測定用レーザ光源１２１及びレーザ駆動回路１２３により距離測定用投光手段を構成している）。なお、レーザ光源１１１，１２１は間欠的又は連続的に駆動することができる。

ダイクロイックミラー１３１は、波長λ１の光を透過させ、波長λ２の光を反射させるように構成されており、これによって、角度測定用レーザ光源１１１のレーザ光はこのダイクロイックミラー１３１を透過してビームスプリッタ１３２に向かうとともに、距離測定用レーザ光源１２１からの光はこのダイクロイックミラー１３１を反射してビームスプリッタ１３２に向かう。

また、角度測定用レーザ光源１１１からのレーザ光はダイクロイックミラー１３１の入射面に垂直に入射させており、距離測定用レーザ光源１２１からのレーザ光はダイクロイックミラー１３１の入射面に対して斜めに入射させるように構成している（前記距離測定用投光手段からの光が前記被測定物体に対して斜めに照射されるように前記距離測定用投光手段が配する構成に相当）。これによって、角度測定用レーザ光源１１１の光線軸は光学系の光軸（基線軸）ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）と平行とされるとともに、距離測定用レーザ光源１２１の光線軸は光学系の光軸ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）に対して傾いた状態とされる。

ビームスプリッタ１３２を反射したレーザ光はコリメータレンズ１３３により平行光とされて、ワークＷに照射される。このとき、角度測定用レーザ光源１１１からのレーザ光はワークＷが傾きのない姿勢とされているときには、ワークＷの表面に対して垂直に光が照射されているのに対して、距離測定用レーザ光源１２１からのレーザ光は光学系の光軸ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）に対して傾いているので、ワークＷの表面に対して斜めから光が照射されている。また、ワークＷに照射されたレーザ光のスポット径はレーザ光源１１１のレーザ光よりもレーザ光源１２１のレーザ光のほうが小さくされており、かつ、レーザ光源１２１のレーザ光はレーザ光源１１１のレーザ光の照射範囲内に照射されるようになっている。

ワークＷからの正反射光はそれぞれ、コリメータレンズ１３３により集光され、上記ダイクロイックミラー１３１と同様の特性を有するダイクロイックミラー１３４により、角度測定用レーザ光源１１１による正反射光（角度測定用正反射光）は角度測定用撮像素子１１２の撮像面に結像して受光スポットが形成される。また、距離測定用レーザ光源１２１による正反射光（距離測定用正反射光）はダイクロイックミラー１３４を反射して距離測定用撮像素子１２２の撮像面に照射される。この距離測定用撮像素子１２２の撮像面は正反射光の焦点位置Ｆよりも後方に配置されているため、撮像面上には所定の大きさの光像が形成される。ここで、距離測定用撮像素子１２２の撮像面を焦点位置Ｆに一致させなかったのは、ワークＷの距離に応じて焦点位置Ｆに至るまでの光路が変化するので、その光像の位置からワークＷの距離が算出できるからである。

角度測定用撮像素子１１２及び距離測定用撮像素子１２２は撮像面上に形成されている各受光スポットの位置に応じたディジタル信号列からなる撮像信号Ｓｃ，ＳｄをＣＰＵ１０４に送信する。

ＣＰＵ１０４は、前述したレーザ駆動回路１３，２３に制御信号Ｓａ，Ｓｂを送信するとともに、制御信号Ｓａの送信に同期して角度測定用撮像素子１１２からの撮像信号Ｓｃを取り込み、制御信号Ｓｂの送信に同期して距離測定用撮像素子１２２からの撮像信号Ｓｄを取り込む。そして、撮像信号Ｓｃ，Ｓｄに基づいてワークＷの傾きとコリメータレンズ１３３からワークＷまでの距離とを測定する。なお、本実施形態も、実施形態１の閾値設定部１２と同様の閾値設定部１３６が設けられている。

２．本実施形態の動作
本実施形態の構成は以上であり、続いてその動作について説明する。
（１）傾き検出
本実施形態では周知のオートコリメーション法を用いて傾き測定を行なう構成とされており、ここでは、上記実施形態１で説明した図６の受光中心検出処理を実行し、受光中心位置を検出し、この受光中心位置によってワークＷの傾きの方向と傾き角とを算出する。

（２）距離測定
距離測定では、まず上記の傾き測定により、ワークＷの角度を検出する。そして、距離測定用撮像素子１２２からの撮像信号Ｓｄに基づいて実施形態１で説明した図６に示す処理を実行して受光中心位置（重心位置）を検出する。そして、傾き測定で算出された傾きに基づいて補正を行ない、上記重心位置と基準位置との距離及び方向からワークＷの距離を算出する。

例えば、ワークＷが図１３中の(1)の位置（距離ｄ１、傾き角０）にある場合には（詳しくは図１４参照）、角度測定用撮像素子１１２の撮像面に形成される受光スポットの位置Ｓ１は基準位置Ｒａと一致するから、傾き角は０°と測定される。また、距離測定用撮像素子１２２の撮像面における光像Ｌ１は基準位置Ｒｂからｄ１’離れていることから、これに基づいて距離ｄ１が測定される。

ワークＷが図１３中の(2)の位置（距離ｄ２、傾き角０）にある場合には（詳しくは図１５参照）、角度測定用撮像素子１１２の撮像面に形成される集光スポット（受光スポット）の位置Ｓ２は基準位置Ｒａと一致するから、傾き角は０°と測定される。また、距離測定用撮像素子１２２の撮像面における光像Ｌ２は基準位置Ｒｂからｄ２’離れていることから、これにより、距離ｄ２と測定される。

ワークＷが図１３中の(3)の位置（距離ｄ２、傾き角θ１）にある場合には（詳しくは図１６参照）、角度測定用撮像素子１１２の撮像面に形成される受光スポットの位置Ｓ３は基準位置Ｒａから距離ｄだけ離れているから、これに基づいて、傾き角θ１が測定される。また、距離測定用撮像素子１２２の撮像面における光像Ｌ３は基準位置Ｒｂからｄ３’だけ離れている。ここで、(3)の位置ではワークＷが傾いているために距離測定用撮像素子１２２の撮像面に形成される光像Ｌ３が(2)の位置の場合の光像Ｌ２と異なる位置に形成される。従って、ＣＰＵ１０４では、傾き角θ１の基づいて補正を行うことで距離を算出するから、結局、距離はｄ２と測定される。

本実施形態によれば、ワークＷからの正反射光に基づいて、距離及び傾きの測定を行なうように構成しているから、鏡面体または非鏡面体に拘わらずワークＷの傾きおよび距離の測定を行うことができる。また、両レーザ光源１１１，１２１でそれぞれ異なる波長の光を出射するように構成し、ダイクロイックミラー１３１，１３４によりレーザ光を分離してそれぞれの撮像素子１１２，１２２の撮像面に照射されるように構成しているから、レーザ光が誤照射されることがない。

なお、本実施形態では、ワークＷに照射されたレーザ光のスポット径はレーザ光源１１１のレーザ光よりもレーザ光源１２１のレーザ光１２１のレーザ光のほうを小さくし、かつ、レーザ光源１２１のレーザ光はレーザ光源１１１のレーザ光の照射範囲内に照射されるように構成したことで、ワークＷの距離及び傾きに拘わらず実質的にワークＷに対するレーザ光の照射位置（測定位置）を一定にすることができる。

また、上記構成において、両レーザ光源１１１，１２１から同一波長のレーザ光を出射する構成とすることもできる。この場合には、それぞれのレーザ光源１１１，１２１交互にパルス点灯させるようにＣＰＵ１０４から制御信号Ｓａ，Ｓｂをレーザ駆動回路１１３，１２３に供給し、ダイクロイックミラー１３１，１３４に代わって例えばビームスプリッタを配置するようにすればよい。また、ＣＰＵ１０４は前述したようにレーザ駆動回路１１３，１２３に制御信号Ｓａ，Ｓｂを送信するとともに、制御信号Ｓａの送信に同期して角度測定用撮像素子１１２からの撮像信号Ｓｃを取り込み、制御信号Ｓｂの送信に同期して距離測定用撮像素子１２２からの撮像信号Ｓｄを取り込む。そして、撮像信号Ｓｃ，Ｓｄに基づいてワークＷの傾き及びコリメータレンズ１３３からワークＷまでの距離を測定する構成とする。このようにすると、例えばレーザ光は交互に出射されることとなり、光の干渉が抑制され、測定精度が向上するという効果が得られる。

さらに、図１７に示すように、距離測定用撮像素子１２２の手前に発散レンズ１３５を配し、一旦集光したワークＷからの正反射光を発散させるような構成としても良い。このようにすれば、撮像面に形成される光像がより大きくされるから、ワークＷが変位したときの光像の移動量が大きくなり、結果として分解能が向上して高精度な測定を行うことができる。また、正反射光は発散レンズ１３５の周縁部に照射させることがより望ましい。これは、レンズ１３５の中心部分よりも周縁部分の方が収差が大きいために、正反射光がより一層発散されることで極めて高精度に測定することができる。

このような構成においても、受光中心検出について実施形態１の受光中心検出処理（図６）を適用することで実施形態１と同様の効果を得ることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

実施形態１に係る距離測定装置の全体構成を示した模式図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 受光量レベル分布と面積重心法による重心位置の関係を示した模式図 受光中心検出処理を示すフローチャート 受光量レベル分布と体積重心法による重心位置の関係を示した模式図 実施形態２に係る距離測定装置の全体構成を示した模式図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 実施形態３に係る角度測定装置の全体構成を示した模式図 実施形態４に係る光学測定装置の全体構成を示した模式図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 ワークの位置と反射光の光路を示した概略図 実施形態４の変形例を示した模式図

符号の説明

１２，５７，１３６…閾値設定部（閾値設定手段
１３，２３…レーザ駆動回路
２０，１２１…距離測定用レーザ光源
２１…レーザ駆動回路
２３，５４…収束レンズ
２４…撮像素子（撮像手段、距離測定用撮像手段）
５０…角度測定装置
５１，１１１…投光素子（角度測定用投光手段）
５３…ハーフミラー（分岐手段）
５５…撮像素子（撮像手段、角度測定用撮像手段）
５５Ａ…撮像面
１１２…角度測定用撮像素子（角度測定用撮像手段）
１１３，１２３…レーザ駆動回路
１３１，１３４…ダイクロイックミラー（分岐手段）
１２２…距離測定用撮像素子（距離測定用撮像手段）
１３２…ビームスプリッタ（分岐手段）
１３３…コリメータレンズ
１３４…ダイクロイックミラー
１０４…ＣＰＵ（受光中心検出手段、抽出手段、重心位置検出手段、決定手段）
Ｇ１〜Ｇ３…画素群
Ｎ…受光中心位置
Ｗ…ワーク（被測定物体）

Claims (7)

1. 投光手段から出射された光を撮像手段の撮像面に受光させ、その撮像手段から出力され前記撮像面上の各画素毎の受光量に応じた撮像信号に基づいて前記撮像面上での受光中心位置を検出する受光中心検出方法であって、
   前記撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出処理と、
   前記抽出処理において前記各閾値によって抽出された各画素群の受光量レベルに基づいて重心位置をそれぞれ検出する重心位置検出処理と、
   前記重心位置検出処理によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定処理と、を行うことを特徴とする受光中心検出方法。
2. 被測定物体に光を投光する距離測定用投光手段と、
   その距離測定用投光手段から投光され前記被測定物体で拡散反射または正反射した反射光を収束させる収束レンズと、
   前記収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する距離測定用撮像手段と、
   前記距離測定用撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、前記撮像面上における前記反射光の受光中心位置を検出する受光中心検出手段とを備えるとともに、前記距離測定用投光手段から被測定物体までの投光光路と、前記被測定物体から前記距離測定用撮像手段までの反射光路とが所定の角度をなすよう構成され、
   前記受光中心検出手段で検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体の距離を測定する距離測定装置において、
   前記受光中心検出手段は、前記距離測定用撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段において前記各閾値によって抽出された各画素群の受光量レベルに基づいて重心位置をそれぞれ検出する重心位置検出手段と、
   前記重心位置検出手段によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定手段と、を備えて構成されていることを特徴とする距離測定装置。
3. 前記複数の閾値が、前記撮像手段にて検知可能な最低受光量レベル以上であって、前記撮像手段の撮像面上における最大受光量レベルより低いレベル以下の範囲で設定される閾値設定手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の距離測定装置。
4. 被測定物体に光を投光する角度測定用投光手段と、
   その角度測定用投光手段から投光され前記被測定物体で正反射した反射光を収束させる収束レンズと、
   前記収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する角度測定用撮像手段と、
   前記角度測定用撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、前記撮像面上における前記反射光の受光中心位置を検出する受光中心検出手段とを備え、
   前記受光中心検出手段で検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体の傾き角度を測定する角度測定装置において、
   前記受光中心検出手段は、前記角度測定用撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段において前記各閾値によって抽出された各画素の受光量レベルに基づいて重心位置をそれぞれ検出する重心位置検出手段と、
   前記重心位置検出手段によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定手段と、を備えて構成されていることを特徴とする角度測定装置。
5. 前記複数の閾値が、前記撮像手段にて検知可能な最低受光量レベル以上であって、前記撮像手段の撮像面上における最大受光量レベルより低いレベル以下の範囲で設定される閾値設定手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の角度測定装置。
6. 被測定物体に光を照射しその反射光に基づいて前記被測定物体の傾き角度及び距離を測定する光学測定装置であって、
   前記被測定物体に向けて略平行光としての光を照射する角度測定用投光手段と、
   その角度測定用投光手段から投光され前記被測定物体で正反射した角度測定用反射光を収束させる収束レンズと、
   その収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する撮像手段と、
   前記角度測定用投光手段からの光の照射方向に対して所定角度傾いた方向から略平行光としての光を前記被測定物体に照射するよう配された距離測定用投光手段と、
   その距離測定用投光手段から投光され前記被測定物体で拡散反射または正反射した距離測定用反射光を収束させる収束レンズと、
   その収束レンズを通過した光を撮像面で受光し、その撮像面上の各画像毎の受光量に応じた撮像信号を出力する撮像手段と、
   前記撮像手段から出力された撮像信号に基づいて、前記撮像面上における前記角度測定用反射光及び前記距離測定用反射光それぞれの受光中心位置を検出する受光中心検出手段と、を備え、
   前記受光中心検出手段で検出された受光中心位置に基づいて前記被測定物体の傾き角度及び距離を測定する光学測定装置において、
   前記受光中心検出手段は、前記角度測定用反射光及び前記距離測定用反射光それぞれについて、前記撮像手段からの撮像信号に基づき前記各画素での受光量レベルを、互いにレベルの異なる複数の閾値それぞれと比較し、それらの各閾値毎に、当該閾値以上の受光量レベルであった画素群を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段において前記各閾値によって抽出された各画素群の受光量レベルに基づいて重心位置をそれぞれ検出する重心位置検出手段と、
   前記重心位置検出手段によって検出された複数の前記重心位置を平均化した中心位置を前記受光中心位置として決定する決定手段と、を備えて構成されていることを特徴とする光学測定装置。
7. 前記複数の閾値が、前記撮像手段にて検知可能な最低受光量レベル以上であって、前記撮像手段の撮像面上における最大受光量レベルよりレベル以下の範囲で設定される閾値設定手段が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の光学測定装置。

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