JP2022139837A - 光学式センサ、光学式センサの制御方法及び光学式センサの制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】検出距離の長さに関わらず、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、対象物における多点での検出距離を精度よく検出することができる光学式センサ、光学式センサの制御方法及び光学式センサの制御プログラムを提供する。【解決手段】光学式センサ（１００）は、検出光（Ｌ1）を投光する投光素子（１２０）と、投光素子（１２０）から投光された検出光（Ｌ1）の光軸を、基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニット（１３０）と、対象物で反射した検出光（Ｌ２）を受光して検出信号を出力する受光素子（１４０）と、調整ユニット（１３０）を駆動することにより検出光を対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、複数の位置それぞれと光学式センサ（１００）との距離を算出する距離算出部（１１２）と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、光学式センサ、光学式センサの制御方法及び光学式センサの制御プログラムに関する。

従来、対象物までの距離を計測する光学式センサが知られている。特許文献１には、光学式センサが、直線状の光スポットを形成してこの直線状の光スポットからの反射光を二次元イメージセンサで受光することで、三角測距方式を用いて対象物における多点それぞれとの距離を検出する技術が開示されている。

特開２０２０－１８０９１８号公報

上記のような三角測距方式を用いて対象物における多点での距離を検出する技術では、精度を確保しつつ光学式センサと対象物との間の距離（以下、「検出距離」ともいう）を長くしようとすると、センサのサイズを大型化する必要がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するため、検出距離の長さに関わらず、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、対象物における多点での検出距離を精度よく検出することができる光学式センサ、光学式センサの制御方法及び光学式センサの制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光学式センサは、検出光を投光する投光素子と、投光素子から投光された検出光の光軸を、基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニットと、対象物で反射した検出光を受光して検出信号を出力する受光素子と、調整ユニットを駆動することにより検出光を対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、複数の位置それぞれと光学式センサとの前記基準軸の方向の距離を算出する距離算出部と、を備える。

この態様によれば、光学式センサは、光軸を調整して対象物における複数の位置に投光することができる。このため、この態様によれば、光学式センサは、複数のセンシング機構を使用したり直線状の光スポットを形成して二次元イメージセンサで受光したりせずに、一つのセンシング機構で、対象物における多点での検出距離を検出することができる。ＴｏＦ方式を利用することで、検出距離が長くなっても、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、三角測距方式と比較して精度が低下するおそれを少なくすることができる。このため、この態様によれば、光学式センサは、検出距離の長さに関わらず、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、対象物における多点での検出距離を精度よく検出することができる。

上記態様において、光学式センサは、複数の位置それぞれにおける距離に基づいて、複数の位置のうち第１位置と第２位置との間における変位量であって基準軸の方向と並行方向の変位量を算出する変位量算出部をさらに備えてもよい。

この態様によれば、光学式センサは、ＴｏＦ方式により算出された複数の位置それぞれの検出距離に基づいて複数の位置に含まれる２点間の変位量を算出することができる。このため、この態様によれば、光学式センサは、検出距離の長さに関わらず、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、多点間での変位を精度よく検出することができる。

上記態様において、光学式センサは、変位量に基づいて、第１位置と第２位置との間における前記対象物の傾きを算出する傾き算出部をさらに備えてもよい。

この態様によれば、光学式センサは、多点間の基準軸方向の変位量に基づいて、多点間における対象物の傾きを算出することができる。このため、この態様によれば、光学式センサは、検出距離の長さに関わらず、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、多点間における対象物の傾きを精度よく検出をすることができる。

上記態様において、光学式センサは、第１モードと第２モードとを含む光学式センサの動作モードを切り替える切替部をさらに備え、調整ユニットは、第１モードでは特定の方向へ投光するよう光軸を調整し、第２モードでは複数の方向へ投光するよう光軸を調整し、距離算出部は、第１モードでは検出光を投光して得た検出信号に基づいて対象物における単一の位置と光学式センサとの距離を算出し、第２モードでは検出光を投光して得た検出信号に基づいて対象物における複数の位置それぞれと光学式センサとの距離を算出してもよい。

この態様によれば、光学式センサは、異なる動作モードごとに、単一の反射位置との距離を算出するか複数の反射位置との距離を算出するかを切り替えることができる。このため、この態様によれば、光学式センサは、その用途に応じて、従来のＴｏＦセンサのように対象物における単一点との距離を検出したい場合には第１モードに切り替えて、対象物における多点の距離を検出したい場合、多点間の変位量や傾きを算出したい場合には第２モードに切り替えて動作することができる。

上記態様において、調整ユニットは、少なくとも投光素子及び受光素子と共に筐体内に収容され、投光素子から投光された検出光の光軸を調整する光軸調整素子を含んでもよい。

この態様によれば、光学式センサは、筐体の外に検出光Ｌ１の光軸を調整する可動部を設ける必要がない。このため、この態様によれば、光学式センサは、筐体を例えば製造ラインに付随する構造物に直接的に固定できるので、設置がしやすく、また作業者による不用意な接触等の影響も受けにくくすることができる。

上記態様において、光軸調整素子は、検出光を偏向することで検出光の光軸を調整する液晶デバイスを含んでもよい。

この態様によれば、光学式センサは、上記のような液晶デバイスを光軸調整素子に利用することで互いに離散する複数の位置に投光するように光軸を調整することができる。また、特許文献１のように対象物における複数の位置との距離を検出するために直線状の光スポットを形成すると検出光のパワー密度が低下してしまう傾向にあるが、この態様によれば、光学式センサは、任意の複数の位置に対してより高密度の検出光を投光することができる。

上記態様において、光学式センサは、基準軸となす１以上の角度を記憶する記憶部をさらに備え、調整ユニットは、記憶部に記憶される１以上の角度に基づいて検出光の光軸を調整してもよい。

この態様によれば、光学式センサは、自身が備える記憶部を参照して光軸を調整するため、外部機器から角度の情報を授受するのと比較して高速に処理することができる。

本発明の第２の態様における光学式センサの制御方法は、検出光を投光する投光素子と、投光素子から投光された検出光の光軸を基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニットと、対象物で反射した検出光を受光して検出信号を出力する受光素子とを備える光学式センサの制御方法であって、調整ユニットを駆動することにより検出光を対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、複数の位置それぞれと光学式センサとの距離を算出する距離算出ステップと、を有する。

本発明の第３の態様における光学式センサの制御プログラムは、検出光を投光する投光素子と、投光素子から投光された検出光の光軸を基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニットと、対象物で反射した検出光を受光して検出信号を出力する受光素子とを備える光学式センサの制御プログラムであって、調整ユニットを駆動することにより検出光を対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、複数の位置それぞれと光学式センサとの距離を算出する距離算出ステップと、をコンピュータに実行させる。

このような第２、第３の態様であっても、第１の態様と同様に、検出距離の長さに関わらず、対象物における多点での検出距離を精度よく検出することができる。

本発明によれば、検出距離の長さに関わらず、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、対象物における多点での検出距離を精度よく検出することができる光学式センサ、光学式センサの制御方法及び光学式センサの制御プログラムを提供することができる。

実施形態に係る光学式センサの外観斜視図である。 実施形態のシステム構成図である。 実施形態に係わる対象物の変位量の算出の一例を説明するための図である。 実施形態に係わる対象物の傾きの算出の一例を説明するための図である。 実施形態に係る光学式センサの第１モード及び第２モードそれぞれの対象物との距離検出の一例を説明するための図である。 実施形態に係る光学式センサの動作の一例を示したフロー図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態（以下「本実施形態」という。）について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、光学式センサ１００の外観斜視図である。本実施形態に係る光学式センサ１００は、対象物の部分形状の有無や特定箇所までの距離等を検出するセンサであり、例えば工場の製造ラインなどに設置されて利用される。光学式センサ１００は、検出光Ｌ₁を対象物へ向けて投光し、対象物で反射して戻ってくる検出光Ｌ₂を受光する。光学式センサ１００は、検出光の往復時間を計測することにより距離情報を検出するＴｏＦ方式を用いる。光学式センサ１００は、検出光Ｌ₂を受光できない場合には対象物が検出されない旨の未検出情報を出力し、検出光Ｌ₂を受光できた場合には距離情報を出力する。

検出光Ｌ₁は、筐体１０１の一面に設けられた透過窓１０２を透過して投光される。詳細については後述するが、光学式センサ１００は、投光素子から投光された検出光Ｌ₁の投光方向を調整する光軸調整素子を備える。光軸調整素子は、所定ピッチで直交する２軸方向（図示するＸ軸方向とＹ軸方向）へ、検出光Ｌ₁の光軸を偏向することができる。具体的には、図示するように偏向可能範囲内のドットで示す任意の方向（ｘ_m，ｙ_n）へ検出光Ｌ₁の光軸を一致させることができる。

光学式センサ１００は、言い換えると、光軸調整素子により偏向しない場合の検出光Ｌ₁の光軸を基準とした場合、この基準とする光軸（以下、「基準軸」ともいう）と角度をなすように光軸を調整することができる。光学式センサ１００は、この調整の結果、偏向可能範囲内における互いに離散している複数の位置に検出光Ｌ1ヲ投光させることができる。そして、光学式センサ１００は、この複数の位置から１以上の反射させる位置（以下、「反射位置」ともいう）を指定することで、この指定された反射位置から反射して戻ってくる検出光Ｌ２を選択的に受光することができる。本実施形態では、筐体１０１に設けられた調整ユニットが検出光の光軸を調整する例を説明するが、調整ユニットをこれに限る趣旨ではない。また、本実施形態では、偏向しない場合の検出光Ｌ₁の光軸を基準軸とする例を説明するが、基準軸をこれに限る趣旨ではない。

光学式センサ１００は、検出光Ｌ１の投光方向に沿ってＤｎからＤｆの範囲で距離（以下、「検出距離」ともいう）を検出することができる。すなわち、図の網点で示す範囲が検出可能範囲であり、光学式センサ１００は、この範囲に対象物が存在しなければ未検出情報を出力し、この範囲に対象物が存在すれば検出光Ｌ１の反射位置までの距離情報を出力する。

筐体１０１の一面には操作ボタン１５０が設けられており、操作ボタン１５０は、ユーザからの操作を受け付ける。また、筐体１０１の一面には表示パネル１６０が設けられており、表示パネル１６０は、設定された基準軸に対する１以上の角度（以下、基準軸に対する角度を単に「角度」ともいう）、又はこの角度が取りうる範囲（以下、「角度範囲」ともいう）を表示する。ケーブル１０３は、外部機器であるＰＬＣやＰＣと接続され、出力信号をこれらの機器へ伝送する。なお、図示するようにＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定める。以後のいくつかの図面においても図１と同様の座標軸を併記することにより、それぞれの図面が表す構成要素の向きを示す。

図２は、光学式センサ１００のシステム構成図である。光学式センサ１００の制御システムは、主に、制御部１１０、投光素子１２０、光軸調整素子１３０、受光素子１４０、操作ボタン１５０、表示パネル１６０、入出力ＩＦ１７０、記憶部１８０によって構成される。制御部１１０は、光学式センサ１００の制御とプログラムの実行処理を行うプロセッサ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）である。制御部１１０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の演算処理チップや、各種電気信号を処理する処理回路を含む構成であってもよい。制御部１１０は、記憶部１８０から読み出される、あるいは入出力ＩＦ１７０を介して外部機器から与えられる制御プログラムを実行して、対象物の検出処理に関する様々な処理を実行する。

投光素子１２０は、検出光Ｌ₁を投光する素子である。投光素子１２０は、レーザ光（例えば６３５ｎｍ～６８０ｎｍの赤色光）を出射するレーザダイオードであり、制御部１１０の制御により特定の周波数（例えば１２ＭＨｚ）に変調された検出光Ｌ₁を出射する。検出光Ｌ₁の波長帯域が可視帯域であれば対象物に照射されたスポットが視認できるので、検出光Ｌ₁を所望の方向へ向けて調整する場合や、検査が実行されている検査箇所を確認する場合に都合が良い。なお、投光素子１２０は、コヒーレント光を出射するレーザダイオードに限らず、ＬＥＤなどのインコヒーレント光を出射する素子を用いてもよい。

光軸調整素子１３０は、上述のように、投光素子１２０から投光された検出光Ｌ₁の光軸を調整する素子である。光軸調整素子１３０は、調整ユニットの一例であり、投光素子１２０から投光された検出光Ｌ₁の光軸を、基準軸に対して角度をなすように調整する。このような構成によれば、複数のセンシング機構を使用したり直線状の光スポットを形成して二次元イメージセンサで受光したりせずに、一つのセンシング機構で、対象物における多点での検出距離を検出させることができる。

光軸調整素子１３０は、投光素子１２０及び後述する受光素子１４０と共に筐体１０１内に収容されている。このような構成によれば、光軸調整素子１３０は、筐体１０１の外に検出光Ｌ₁の光軸を調整する可動部を設ける必要がない。このため、このような構成によれば、筐体１０１を例えば製造ラインに付随する構造物に直接的に固定できるので、光学式センサ１００の設置がしやすく、また作業者による不用意な接触等の影響も受けにくい。

光軸調整素子１３０は、例えば、検出光Ｌ₁を偏向することで検出光Ｌ₁の光軸を調整する液晶デバイスを含んでもよい。液晶デバイスは、例えば、液晶セルに電圧を加えてオン／オフを制御することにより偏向を実現する。液晶デバイスは、具体的には、液晶セルが配列された液晶回折格子（例えば、会誌「光学」３０巻１号：「液晶光学デバイスの研究動向」第６頁）を積層し、入力された制御信号に応じて入射されたレーザ光の偏向量を制御できるように液晶セルに印加する電圧を制御する制御回路を組み込んだデバイスである。

上記構成によれば、光軸調整素子１３０は、上記のような液晶デバイスを利用することで互いに離散する複数の位置に投光するように調整することができる。また、特許文献１のように対象物における複数の位置との距離を検出するために直線状の光スポットを形成すると検出光のパワー密度が低下してしまう傾向にあるが、上記構成によれば、任意の複数の位置に対してより高密度の検出光を投光することができる。また、上記構成によれば、光軸調整素子１３０は、可動部が必要なＭＥＭＳミラー等と比較して、より簡易な構成で実現することができる。

光軸調整素子１３０は、例えば、第１モードでは特定の方向へ投光するよう光軸を調整し、第２モードでは複数の方向へ投光するよう光軸を調整してもよい。ここで「第１モード」と「第２モード」とは、光学式センサ１００の動作モードである。また、この「特定の方向」とは、典型的には基準軸と光軸が一致する方向だが、これに限定されない。

光軸調整素子１３０は、例えば、後述する記憶部１８０に記憶される１以上の角度に基づいて検出光Ｌ₁の光軸を調整してもよい。

上記構成によれば、光軸調整素子１３０は、筐体１０１に収容される記憶部１８０を参照して光軸を調整するため、外部機器から角度の情報を授受するのと比較して高速に処理することができる。

受光素子１４０は、光電変換が可能な素子であり、対象物で反射した検出光Ｌ₂を受光して検出信号を出力する素子である。受光素子１４０は、例えば、フォトダイオード（ＰＤＡ）や位置検出素子（ＰＳＤ）であってもよい。また、受光素子１４０は、他の例として、二次元状に配列された光電変換画素を有する例えばＣＭＯＳセンサであってもよい。受光素子１４０は、受光した検出光Ｌ₂を電気信号に変換して制御部１１０へと送信する。なお、図においては対象物へ向けて投光される検出光Ｌ₁と、受光素子１４０で受光する検出光Ｌ₂の光路を分けて示すが、実際には図１に示すように同一光路であり、例えばダイクロイックミラーを用いて検出光Ｌ１と検出光Ｌ₂を分離する。

操作ボタン１５０は、ユーザからの指定を受け付ける操作部材であり、例えば、ＵＰボタンとＤＯＷＮボタン、十字ボタンなどが含まれていてもよい。操作ボタン１５０は、制御部１１０と協働して、光軸調整素子１３０が調整可能な検出光Ｌ１の基準軸に対する角度の範囲から基準軸に対する特定の角度の指定を事前に受け付ける受付部としての機能を担う。また、操作ボタン１５０は、例えば、制御部１１０と協働して、光学式センサ１００の動作モードの指定を受け付ける受付部としての機能を担ってもよい。動作モードの詳細は後述する。操作ボタン１５０は、これらの受付部としての機能のほかにも、光学式センサ１００の各種項目の入力を受け付ける受付部としての機能も担う。なお、操作部材としては操作ボタンに限らず、タッチセンサなど他のデバイスを用いてもよい。

表示パネル１６０は、例えば液晶パネルであり、光学式センサ１００の設定状態、検出結果としての検出情報や未検出情報などが表示される。なお、光学式センサ１００の設定状態を示すデバイスとしては、ＬＥＤなどが設けられていてもよい。入出力ＩＦ１７０は、ケーブル１０３を介して外部機器と情報の授受を行うためのインタフェースであり、例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）ユニットやＬＡＮユニットを含む。なお、入出力ＩＦ１７０としては、ケーブル１０３を介した有線接続に限らず、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）に対応する接続ユニットを含んでもよい。ここで「検出情報」とは、光学式センサ１００で検出した検出距離や変位を示す情報であり、上述の距離情報又は後述の変位情報の少なくともいずれかを含む情報である。

記憶部１８０は、不揮発性の記憶媒体であり、例えばフラッシュメモリによって構成されている。記憶部１８０は、光学式センサ１００の制御や処理を実行するプログラムの他にも、制御や演算に用いられる様々なパラメータ値、関数、ルックアップテーブル等を記憶し得る。

記憶部１８０は、例えば、基準軸となす１以上の角度又は角度範囲を記憶してもよい。記憶部１８０は、例えば、受付部が受け付けた１以上の角度又は角度範囲を記憶してもよい。

制御部１１０は、制御プログラムが指示する処理に応じて様々な演算を実行する機能演算部としての役割も担う。制御部１１０は、投光調整部１１１、距離算出部１１２、変位量算出部１１３として機能し得る。

投光調整部１１１は、基準軸と角度をなす検出光Ｌ₁が投光されるように光軸調整素子１３０を駆動し、投光素子１２０と受光素子１４０に検出処理を実行させる。投光調整部１１１は、例えば、基準軸となす１以上の角度を記憶する記憶部１８０を参照して、基準軸に対してこの１以上の角度をなすように光軸調整素子１３０を駆動してもよい。

距離算出部１１２は、投光した検出光Ｌ₁と、受光した検出光Ｌ₂の時間差を例えば両者の位相差を用いて算出し、対象物までの検出距離に変換する。距離算出部１１２は、例えば、光軸調整素子１３０を駆動することにより検出光Ｌ₁を対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、対象物における複数の反射位置それぞれと光学式センサ１００との検出距離を算出する。制御部１１０は、距離算出部１１２の算出結果をデータ構造化し、距離情報として出力する。あるいは、受光素子１４０が検出光Ｌ２を受光しない場合には、規定された未検出情報を出力する。

距離算出部１１２は、例えば、第１モードでは検出光Ｌ₁を投光して得た検出信号に基づいて対象物の単一の反射位置と光学式センサ１００との距離を算出してもよい。また、距離算出部１１２は、例えば、第２モードでは検出光Ｌ₁を投光して得た検出信号に基づいて対象物における複数の反射位置それぞれと光学式センサ１００との距離を算出する。

上記構成によれば、距離算出部１１２は、異なる動作モードごとに、単一の反射位置との距離を算出するか複数の反射位置との距離を算出するかを切り替えることができる。このため、上記構成によれば、光学式センサ１００の用途に応じて、例えば、従来のＴｏＦセンサのように対象物における単一点との距離を検出したい場合には第１モードに切り替えて、対象物における多点の距離を検出したい場合、多点間の変位量や傾きを算出したい場合には第２モードに切り替えて動作することができる。

変位量算出部１１３は、複数の反射位置それぞれにおける検出距離を互いに比較して、複数の位置のうち第１位置と第２位置との間における基準軸の方向と並行方向の変位量（以下、単に「変位量」ともいう）を算出する。第２位置は、複数の位置のうち第１位置とは異なる位置である。変位量算出部１１３は、算出した変位量を示す変位情報を出力する。

ここで、図３を参照して、変位量算出部１１３における変位量の算出例を説明する。図３に示すように、光学式センサ１００は、検出光Ｌ₁を投光して、３点（基準位置、ａ点及びｂ点）の反射位置（図３では、「スポット種別」と表記）までの検出距離をそれぞれ算出する。本例では、この基準位置に対して投光する検出光Ｌ₁の光軸を基準軸とする。また、本例では、基準軸の方向と並行方向をＺ軸方向、基準軸と垂直をなす方向をＸ軸方向とする。ａ点及びｂ点に対する投光の際、光学式センサ１００は、この基準軸と角度をなすよう光軸を調整する。また、本例では、第１位置をａ点、第２位置をｂ点とする。また、本例では、検出光の光軸に沿った検出距離の値を「距離値」といい、距離値に基づいて算出するＺ軸方向の光学式センサ１００と反射位置それぞれとの間の距離の値を「Ｚ軸距離値（Ｄ_Z）」という。また、本例では、基準位置以外の各反射位置に対して投光する際に基準軸に対してなす角度を「角度変位量（θ₁）」（図３～４では、「チルト角（θ₁）」と表記）という。

変位量算出部１１３は、基準位置が反射位置の場合、距離算出部１１２により算出された距離値２５００ｍｍに対して相対値を０と算出する。距離算出部１１２は、ａ点が反射位置の場合、算出した距離値２４７０ｍｍと角度変位量２°とに基づいて、Ｚ軸距離値２４６８．５ｍｍを算出する。そして、変位量算出部１１３は、このＺ軸距離値と基準位置の距離値とを比較して、比較の結果相対値を－３１．５ｍｍと算出する。相対値を－３０と算出する。また、距離算出部１１２は、ｂ点が反射位置の場合、算出した距離値２４９０ｍｍと角度変位量２°とに基づいて、Ｚ軸距離値２４８８．５ｍｍを算出する。そして、変位量算出部１１３は、このＺ軸距離値と基準位置の距離値とを比較して、比較の結果相対値を－１１．５ｍｍと算出する。変位量算出部１１３は、これらの算出された相対値に基づいて、対象物の２点間のＺ軸方向の変位量を算出する。例えば、変位量算出部１１３は、ａ点とｂ点との間のＺ軸方向の変位量を、それぞれの相対値（－３１．５ｍｍと－１１．５ｍｍ）に基づいて、２０ｍｍと算出してもよい。

上記構成によれば、変位量算出部１１３は、ＴｏＦ方式により算出された複数の位置それぞれの検出距離に基づいて複数の位置に含まれる２点間の変位量を算出することができる。ＴｏＦ方式を利用することで、検出距離が長くなっても、センサのサイズを大型化せずに、三角測距方式と比較して精度が低下するおそれを少なくすることができ、ひいては検出不良のおそれも少なくすることができる。このため、上記構成によれば、検出距離の長さに関わらず、センサのサイズの大型化を抑制しつつ、対象物における多点での検出距離を精度よく検出し、ひいては多点間での変位を精度よく算出をすることができる。

傾き算出部１１４は、変位量算出部１１３により算出された変位量に基づいて、複数の位置のうち第１位置と第２位置との間における対象物の傾きを算出する。

ここで、図４を参照して、傾き算出部１１４における傾きの算出例を説明する。本例は、図３の例と同様に、光学式センサ１００は、検出光Ｌ₁を投光して、３点（基準位置、ａ点及びｂ点）の反射位置からの検出距離をそれぞれ算出する。

図３の例と同様に、変位量算出部１１３は、基準位置が反射位置の場合、距離算出部１１２により算出された距離値２５００ｍｍに対して相対値を０と算出する。距離算出部１１２は、ａ点が反射位置の場合、算出した距離値２４９０ｍｍと角度変位量２°とに基づいて、Ｚ軸距離値２４８８．５ｍｍを算出する。そして、変位量算出部１１３は、このＺ軸距離値と基準位置の距離値とを比較して、比較の結果相対値を－１１．５ｍｍと算出する。また、距離算出部１１２は、ｂ点が反射位置の場合、算出した距離値２５１０ｍｍとと角度変位量２°とに基づいて、Ｚ軸距離値２５０８．５ｍｍを算出する。そして、変位量算出部１１３は、このＺ軸距離値と基準位置の距離値とを比較して、比較の結果相対値を+８．５ｍｍと算出する。変位量算出部１１３は、ａ点とｂ点との間のＺ軸方向の変位量を、それぞれの相対値（－１１．５と+８．５）に基づいて、２０ｍｍと算出する。

傾き算出部１１４は、上記の算出された変位量と、ａ点とｂ点との間のＸ軸方向の変位量（図４では、「スポット移動量」と表記）と、に基づいて、ａ点とｂ点間における対象物の傾きとして角度θ₂を算出する。傾き算出部１１４は、例えば、ｔａｎθ₂（ａ点とｂ点との間のＺ軸方向の変位量／ａ点とｂ点との間のＸ軸方向の変位量）を算出することで、角度θ₂を算出してもよい。

上記構成によれば、傾き算出部１１４は、ａ点とｂ点との間のＺ軸方向の変位量に基づいて、ａ点とｂ点間における対象物の傾きを算出することができる。このため、上記構成によれば、傾き算出部１１４は、検出距離の長さに関わらず、多点間における対象物の傾きを精度よく検出することができる。

切替部１１５は、第１モードと第２モードとを含む光学式センサの動作モードを切り替える。切替部１１５は、例えば、受付部が受け付けた動作モードの指定に基づいて、第１モードと第２モードとを切り替えてもよい。また、他の例として、入出力ＩＦ１７０を介して外部機器から与えられる指定情報に基づいて、第１モードと第２モードとを切り替えてもよい。この指定情報とは、動作モードの指定を示す情報である。なお、本実施形態では、単一の反射位置から反射した検出光を検出するモード（以下、「単一点モードという」）を第１モードとし、複数の反射位置それぞれから反射した検出光Ｌ₂を検出するモード（以下、「多点モード」という）を第２モードとする。光学式センサ１００は、単一点モードでは、対象物における特定の位置に投光し、この特定の位置と光学式センサ１００との距離を検出する。他方多点モードでは、光学式センサ１００は、投光しながら対象物における複数の位置間を移動し、光学式センサ１と指定された複数の反射位置それぞれとの距離を検出する。

ここで、図５を参照して、単一点モード及び多点モードそれぞれの対象物との距離検出の一例を説明する。本例では、対象物を狙うスポットをターゲットスポットといい、このターゲットスポットを基準位置とする。本例では、このターゲットスポットの方向を基準軸の方向とする。また、本例では、指定された複数の反射位置を、対象物におけるａ～ｄ点とする。本例では、基準軸の方向と並行方向をＺ軸方向、基準軸と垂直をなす方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸及びＸ軸と垂直をなす方向をＹ軸方向とする。

図５（ａ）に示すように、例えば、単一点モードでは、光学式センサ１００は、偏向可能範囲内のターゲットスポットの方向に検出光を投光する。光学式センサ１００は、検出光Ｌ₁を投光して得た検出信号に基づいてターゲットスポットと光学式センサとの距離を算出する。この算出された基準位置であるターゲットスポットとの検出距離は、２５２０ｍｍとする。

図５（ｂ）に示すように、例えば、多点モードでは、光学式センサ１００は、直交する２軸方向（図示するＸ軸方向とＹ軸方向）のうち、Ｘ軸方向に沿う２点（ａ点及びｃ点）とＹ軸方向に沿う２点（ｂ点及びｄ点）との合計４点の方向に検出光Ｌ₁を投光する。光学式センサ１００は、ａ～ｄ点の方向に検出光を投光するにあたって、検出光の光軸を調整して対象物における反射位置を移動させる。光学式センサ１００は、検出光を投光して得た検出信号に基づいてａ～ｄ点と光学式センサとの距離それぞれを算出する。この算出された各点の検出距離は、例えば、ａ点は２５１０ｍｍ、ｂ点は２５１５ｍｍ、ｃ点は２５２０ｍｍ、ｄ点は２５２０ｍｍとする。この場合、ａ点及びｂ点の検出距離から算出したａ点及びｂ点のＺ軸距離が基準位置での距離よりも小さいので、ａ点の周辺及びｂ点の周辺が凹面状になっていることが推定される。他方、ｃ点及びｄ点の検出距離から算出したａ点及びｂ点のＺ軸距離が基準位置での距離と同じなので、ｃ点及びｄ点の周辺が平面状になっていることが推定される。このように、光学式センサ１００は、対象物における多点での距離を検出することで、対象物の凹凸の状態の推定に利用することもできる。

図６を参照して、光学式センサ１００の対象物までの検出距離及び対象物における変位の検出の動作例を説明する。なお、以下に示す処理の順番は一例であって、適宜、変更されてもよい。なお、本例において、Ｎは、自然数を示し初期値を「１」とする。また、本例では、１～Ｎ_E番目（Ｎ_E：最後の番号）までの基準軸に対する角度が予め受付部を介して指定され、記憶部１８０に記憶されているものとする。

図６に示すように、光学式センサ１００の投光素子１２０は、検出光を投光する（ステップＳ１０）。

次に、動作モードが第１モードの場合（ステップＳ１１の「第１モード」）、受光素子１４０は、対象物で反射した検出光を受光して検出信号を出力する（ステップＳ１２）。次に、距離算出部１１２は、検出光を投光して得た検出信号に基づいて対象物における反射位置と光学式センサとの距離を算出する（ステップＳ１３）。距離算出部１１２は、算出した距離を示す距離情報を含む検出情報を出力する（ステップＳ１４）。

次に、動作モードが第２モードの場合（ステップＳ１１の「第２モード」）、投光調整部１１１がＮ番目に指定された角度になるように光軸調整素子１３０を駆動し、光軸調整素子１３０は、投光素子から投光された検出光の光軸を、基準軸に対してＮ番目に指定された角度をなすように調整する（ステップＳ１５）。

次に、受光素子１４０は、対象物におけるＮ番目の反射位置で反射した検出光を受光して検出信号を出力する（ステップＳ１６）。次に、距離算出部１１２は、検出光を投光して得た検出信号に基づいて対象物におけるＮ番目の反射位置と光学式センサとの距離を算出する（ステップＳ１７）。

次に、Ｎ+１番目の角度が指定されている場合（ステップＳ１８のＹＥＳ）、制御部１１０はＮをインクリメントし（ステップＳ１９）、ステップ１０の前まで戻る。

次に、Ｎ+１番目の角度が指定されていない場合（ステップＳ１８のＮＯ）、複数の反射位置それぞれにおける検出距離を互いに比較して、複数の位置のうち第１位置と第２位置との間における基準軸の方向と並行方向の変位量を算出する（ステップＳ２０）。次に、制御部１１０は、算出された検出距離と変位量とを含む検出情報を出力する（ステップＳ２１）。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

［変形例］
なお、本発明を上記実施形態に基づいて説明してきたが、以下のような場合も本発明に含まれる。

［変形例１］
上記実施形態では、光軸調整素子１３０に液晶デバイスを利用する例を説明したが、光軸調整素子１３０はこれに限定されない。光軸調整素子１３０としては、他にも、ＭＥＭＳミラー、光フェーズドアレイ、電気光学結晶などを利用することができる。可視光に拘らないのであれば、光軸調整素子１３０として、近赤外光を用いるスローライト等を利用することもできる。

［変形例２］
上記実施形態では、対象物における多点での距離を算出するために、基準軸に対する角度であって記憶部１８０に記憶する角度をなすように光軸を調整する例を説明したが、光軸を調整する方法はこれに限定されない。他の例として、記憶部１８０は、偏向可能範囲内に基準点（例えば、図３～５の基準位置等）を設け、対象物における位置（例えば、図３及び図４のａ点及びｂ点等）ごとに、基準点からのＸ軸方向の変位量及びＹ軸方向の変位量を記憶してもよい。そして、投光調整部１１１は、基準点からＸ軸方向及びＹ軸方向にこれらの変位量分変位させた位置に検出光Ｌ₁が投光されるように光軸調整素子１３０を駆動し、投光素子１２０と受光素子１４０に検出処理を実行させてもよい。

本実施形態の一部又は全部は、以下の附記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

［附記］
光学式センサ（１００）であって、
検出光（Ｌ₁）を投光する投光素子（１２０）と、
前記投光素子（１２０）から投光された前記検出光（Ｌ₁）の光軸を、基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニット（１３０）と、
対象物で反射した前記検出光（Ｌ₂）を受光して検出信号を出力する受光素子（１４０）と、
前記調整ユニット（１３０）を駆動することにより前記検出光を前記対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、前記複数の位置それぞれと前記光学式センサ（１００）との距離を算出する距離算出部（１１２）と、
を備える光学式センサ（１００）。

１００…光学式センサ、１０１…筐体、１０２…透過窓、１０３…ケーブル、１１０…制御部、１１１…投光調整部、１１２…距離算出部、１１３…変位量算出部、１１４…傾き算出部、１１５…切替部、１２０…投光素子、１３０…光軸調整素子、１４０…受光素子、１５０…操作ボタン、１６０…表示パネル、１７０…入出力ＩＦ、１８０…記憶部

Claims (9)

1. 光学式センサであって、
   検出光を投光する投光素子と、
   前記投光素子から投光された前記検出光の光軸を、基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニットと、
   対象物で反射した前記検出光を受光して検出信号を出力する受光素子と、
   前記調整ユニットを駆動することにより前記検出光を前記対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、前記複数の位置それぞれと前記光学式センサとの距離を算出する距離算出部と、
   を備える光学式センサ。
2. 前記複数の位置それぞれにおける前記距離に基づいて、前記複数の位置のうち第１位置と第２位置との間における変位量であって前記基準軸の方向と並行方向の変位量を算出する変位量算出部をさらに備える、請求項１に記載の光学式センサ。
3. 前記変位量に基づいて、前記第１位置と前記第２位置との間における前記対象物の傾きを算出する傾き算出部をさらに備える、請求項２に記載の光学式センサ。
4. 第１モードと第２モードとを含む前記光学式センサの動作モードを切り替える切替部をさらに備え、
   前記調整ユニットは、前記第１モードでは特定の方向へ投光するよう前記光軸を調整し、前記第２モードでは複数の方向へ投光するよう前記光軸を調整し、
   前記距離算出部は、前記第１モードでは前記検出光を投光して得た検出信号に基づいて前記対象物における単一の位置と前記光学式センサとの距離を算出し、前記第２モードでは前記検出光を投光して得た検出信号に基づいて前記対象物における複数の位置それぞれと前記光学式センサとの距離を算出する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光学式センサ。
5. 前記調整ユニットは、少なくとも前記投光素子及び前記受光素子と共に筐体内に収容され、前記投光素子から投光された前記検出光の光軸を調整する光軸調整素子を含む、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の光学式センサ。
6. 前記光軸調整素子は、前記検出光を偏向することで前記検出光の光軸を調整する液晶デバイスを含む、
   請求項５に記載の光学式センサ。
7. 前記基準軸となす１以上の角度を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記調整ユニットは、前記記憶部に記憶される前記１以上の角度に基づいて前記検出光の光軸を調整する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光学式センサ。
8. 検出光を投光する投光素子と、前記投光素子から投光された前記検出光の光軸を基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニットと、対象物で反射した前記検出光を受光して検出信号を出力する受光素子とを備える光学式センサの制御方法であって、
   前記調整ユニットを駆動することにより前記検出光を前記対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、前記複数の位置それぞれと前記光学式センサとの距離を算出する距離算出ステップと、
   を有する光学式センサの制御方法。
9. 検出光を投光する投光素子と、前記投光素子から投光された前記検出光の光軸を基準軸に対して角度をなすように調整する調整ユニットと、対象物で反射した前記検出光を受光して検出信号を出力する受光素子とを備える光学式センサの制御プログラムであって、
   前記調整ユニットを駆動することにより前記検出光を前記対象物における複数の位置それぞれに投光して得た検出信号に基づいて、ＴｏＦ方式により、前記複数の位置それぞれと前記光学式センサとの距離を算出する距離算出ステップと、
   をコンピュータに実行させる光学式センサの制御プログラム。

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