JP2023106904A - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱光の影響を低減し、対象物の測定精度を向上できる測定装置を提供する。【解決手段】閾値を用いて対象物を光学的に測定する測定装置であって、投光部と、対象物により投光光が反射又は散乱された反射光を受光して、受光信号を生成する受光部と、受光信号を処理する信号処理部と、を備える。受光部における複数の受光素子を含む受光エリアが、複数の測定用領域に区分されるとともに、複数のピーク位置特定用領域に区分される。複数のピーク位置特定用領域のそれぞれは、互いに隣接する２つの測定用領域のそれぞれの一部を含む。信号処理部は、受光信号の受光量が最大である受光素子の位置を含むピーク位置特定用領域を判定し、判定されたピーク位置特定用領域に一部が含まれる２つの測定用領域の外側に位置する複数の測定用領域のそれぞれにおける受光量の代表値に基づいて、外乱光成分の受光量を推定し、外乱光成分の受光量に基づいて、閾値を制御する。【選択図】図４

Description

本開示は、閾値を用いて対象物を光学的に測定する測定装置及び測定方法に関する。

従来、三角測量の原理を用いて対象物の変位や対象物の表面形状等を測定するための測定装置が知られている。この測定装置は、投光部から投光した光を対象物に照射させ、その対象物からの反射光をイメージセンサにて受光し、そのイメージセンサの各画素における受光量から受光中心位置を検出し、その受光中心位置に基づいて対象物の変位などを測定する。

具体的には、イメージセンサの各画素の受光量（受光信号レベル）が順次読み出されるときに、各画素の受光信号レベルと予め設定された閾値とを比較し、受光信号レベルが閾値以上となる画素範囲（ハッチング参照）を演算範囲に設定する。そして、この設定した演算範囲にて受光信号レベル分布（受光波形）のピーク位置を求め、その求めた位置を上記受光中心位置として検出する。

従来の測定装置として、光学式測距装置が知られている。この光学式測距装置は、発光素子と、発光素子から発光される光束を集束して、測定対象物にスポット光を照射する発光光学系と、測定対象物からの反射光を集光する受光光学系と、受光光学系により集光された測定対象物からのスポット光を検出する受光素子、受光素子からの受光信号を処理する信号処理部とを備える。受光素子は、測定対象物からの反射光の強度分布を検出するラインセンサ又はエリアセンサである。信号処理部は、受光光学系により集光されたスポット光の受光素子上のスポット位置を演算し、該スポット位置から測定対象物までの距離を検出する距離演算部と、発光光学系及び受光光学系と、測定対象物との間に配置された透光性の保護カバーにより反射された光が受光光学系を介して受光素子で検出されるカバー反射光の強度分布を検出して距離の演算を補正する補正演算部とを有する。補正演算部は、受光素子の両端の少なくとも一方の一部領域の強度分布からカバー反射光の強度分布に対応する補正係数を演算して、スポット光の強度分布を補正し、補正演算部の出力に基づいて距離演算部は測定対象物までの距離を演算する。

特開２０１４－２２４７２６号公報

特許文献１では、受光素子の受光エリアとして、中央部と両端部（Ａ部及びＢ部）とを有する。受光エリア８の中央部と両端部との境界付近に受光量のピークが存在する場合、光強度分布が山の形状（ガウス形状）を有するので、光強度分布の裾野の部分が、受光量のピークが位置する領域（中央部又は両端部）の隣の領域（両端部又は中央部）に入り込む。よって、特許文献１では、保護カバーで反射し、受光素子で検出される信号（ノイズ、外乱光）の補正精度が低下し得る。そのため、外乱光の影響が残り、対象物の測定精度が低下し得る。

本開示は、外乱光の影響を低減し、対象物の測定精度を向上できる測定装置及び測定方法を提供する。

本開示の一態様は、閾値を用いて対象物を光学的に測定する測定装置であって、前記対象物に投光光を投光する投光部と、複数の受光素子を有し、前記対象物により前記投光光が反射又は散乱された反射光を受光して、受光信号を生成する受光部と、前記受光信号を処理する信号処理部と、を備え、前記受光部における前記複数の受光素子を含む受光エリアが、前記複数の受光素子をまとめて区分する第１の境界によって画定される複数の測定用領域に区分されるとともに、前記第１の境界とは異なる第２の境界によって画定される複数のピーク位置特定用領域に区分され、前記複数のピーク位置特定用領域のそれぞれは、互いに隣接する２つの前記測定用領域のそれぞれの一部を含み、前記互いに隣接する２つの前記測定用領域は、統合領域を形成し、前記信号処理部は、前記受光信号の受光量が最大である受光素子の位置を含む前記ピーク位置特定用領域を判定し、判定された前記ピーク位置特定用領域を含む前記統合領域の外側に位置する複数の前記測定用領域のそれぞれにおける受光量の代表値に基づいて、外乱光成分の受光量を推定し、前記外乱光成分の受光量に基づいて、前記閾値を制御する、測定装置である。

本開示の一態様は、閾値を用いて対象物を光学的に測定する測定方法であって、前記対象物に投光光を投光するステップと、複数の受光素子を有する受光部が、前記対象物により前記投光光が反射又は散乱された反射光を受光して、受光信号を生成するステップと、前記受光信号を処理するステップと、を有し、前記受光部における前記複数の受光素子を含む受光エリアが、前記複数の受光素子をまとめて区分する第１の境界によって画定される複数の測定用領域に区分されるとともに、前記第１の境界とは異なる第２の境界によって画定される複数のピーク位置特定用領域に区分され、前記複数のピーク位置特定用領域のそれぞれは、互いに隣接する２つの前記測定用領域のそれぞれの一部を含み、前記互いに隣接する２つの前記測定用領域は、統合領域を形成し、前記受光信号を処理するステップは、前記受光信号の受光量が最大である受光素子の位置を含む前記ピーク位置特定用領域を判定するステップと、判定された前記ピーク位置特定用領域を含む前記統合領域の外側に位置する複数の前記測定用領域のそれぞれにおける受光量の代表値に基づいて、外乱光成分の受光量を推定するステップと、前記外乱光成分の受光量に基づいて、前記閾値を制御するステップと、を含む、測定方法である。

本開示によれば、外乱光の影響を低減し、対象物の測定精度を向上できる。

本開示の実施形態に係る測定装置が対象物に投光光を投光し、反射光を受光する状況を示す概念図 測定装置の一例を示すブロック図 受光部が生成した受光信号と、測定用領域と、ピーク位置特定用領域と、統合領域と、の一例を示す図 測定装置によるピーク位置の判定例及び外乱光の受光量の推定例を説明する概念図 測定装置による外乱光成分の受光量の他の推定例を説明するグラフ

以下、適宜図面を参照しながら、実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。尚、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

図１は、本開示の実施形態に係る測定装置が対象物に投光光を投光し、反射光を受光する状況を示す概念図である。測定装置５０は、投光部１が、対象物１０に対して投光光Ｌ１を投光し、受光部４が、対象物１０により投光光Ｌ１が反射又は散乱された反射光Ｌ２を受光する。測定装置５０は、反射光Ｌ２から得られた受光信号に基づいて、対象物１０を光学的に測定する。測定装置５０は、例えば、測定センサ、変位センサ又は測距センサとして動作可能である。測定装置５０は、例えば絶対的な距離又は相対的な距離を測定してよい。測定装置５０は、例えば、基準となる平面に対して、凹凸等の変位の有無又は変位量等を検出してよい。

図２は、実施形態に係る測定装置５０の一例を示すブロック図である。測定装置５０は、投光部１と、発光レンズ２と、受光レンズ３と、受光部４と、信号処理部５と、記憶部５Ｍと、を備える。投光部１は、発光素子などから構成される。発光素子は、例えばレーザダイオードを含む。

受光部４は、複数の受光素子を有する。受光素子は、例えばフォトダイオード又はＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）を含む半導体受光素子であり、受光した光の光信号を電気信号に変換する。受光部４は、受光素子により、対象物１０により投光光Ｌ１が反射又は散乱された反射光Ｌ２を受光して、受光信号を生成する。受光部４は、受光素子がｘ軸上の一列に配置されたラインセンサを構成しているが、受光素子が２次元平面上に配置されたエリアセンサであってもよい。

図２では、投光部１から投光された投光光Ｌ１が対象物１０に入射し、対象物１０からの反射光Ｌ２が、測定装置５０の受光部４へ入射している。図示される反射光Ｌ２は、多重反射の結果として受光部４で検出される光軸を代表して示している。

投光部１から投光された投光光Ｌ１は、発光レンズ２を介して放出される。投光光Ｌ１の発光光束の大部分は、対象物１０を照射する。十分離れた位置にある対象物１０からの反射光Ｌ２は、受光レンズ３により集光されて受光部４上に光スポットを形成する。受光部４の受光エリア８は、対象物１０の強度分布Ｓ２０（図３参照）を検出するために必要なサイズを有している。受光エリア８は、複数の受光素子を含むエリアである。

信号処理部５は、例えばプロセッサにより構成される。プロセッサは、記憶部５Ｍに保持されたプログラムを実行することで、信号処理部５の各種機能を実現する。プロセッサは、ＭＰＵ（Micro processing Unit）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を含んでよい。プロセッサ１１は、各種集積回路（例えばＬＳＩ（Large Scale Integration）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array））により構成されてもよい。信号処理部５は、測定装置５０の各部を統括的に制御し、各種処理を行う。信号処理部５は、閾値制御部６及び距離演算部７を含む。

記憶部５Ｍは、一次記憶装置（例えばＲＡＭ（Random Access Memory）又はＲＯＭ（Read Only Memory））を含む。メモリ１３は、二次記憶装置又は三次記憶装置等を含んでよいし、取り外し可能な記憶媒体を含んでもよい。記憶部５Ｍは、各種データ又は情報等を記憶する。記憶部５Ｍは、受光信号の情報（受光信号を示す受光波形の情報）を保持してよい。受光信号の情報は、対象物１０を測定するための閾値ｔｈの制御に用いられる。

閾値制御部６は、対象物１０を測定するための閾値ｔｈを制御する。閾値制御部６の詳細については後述する。

距離演算部７は、受光部４の複数の受光素子のどの受光素子が受光したかに応じて、対象物１０を測定する。距離演算部７は、測定装置５０から対象物１０までの距離を算出してよい。受光素子毎の検出距離の情報（セル距離情報）が、記憶部５Ｍに保持されていてよい。距離演算部７は、セル距離情報に基づいて、対象物１０までの距離を算出してよい。距離演算部７は、受光部４により受光された受光信号Ｓ１（図３参照）の受光量が閾値ｔｈ以上である１つ以上の受光素子を特定する。距離演算部７は、特定された受光素子の位置に基づいて対象物１０までの距離を算出してよい。

図３は、受光部４が生成した受光信号Ｓ１と、測定用領域Ｒ１と、ピーク位置特定用領域Ｒ２と、統合領域ＴＲと、の一例を示す図である。図４は、測定装置５０によるピーク位置の判定例及び外乱光の受光量の推定例を説明する概念図である。図４は、図３のグラフにおける測定用領域Ｒ１０～Ｒ１３の部分を拡大した図となっている。

図３は、受光部４の受光エリア８が受光した反射光Ｌ２の強度分布（反射光プロファイル）に基づき、受光部４が生成した受光信号Ｓ１を示している。図３のｘ軸は、受光エリア８の座標であり、配置された複数の受光素子のそれぞれの番号（受光素子番号）が付与される。複数の受光素子は、図１で投光部１と受光部４が並ぶ方向と同じ方向に沿って配列される。

受光エリア８は、複数の受光素子をまとめて区分する第１の境界Ｂ１によって画定される複数の測定用領域Ｒ１に区分される。図３では、測定用領域Ｒ１は、８つの測定用領域Ｒ１（Ｒ１０～Ｒ１７）を含んでいる。

図３では、受光部４がラインセンサを構成することを例示している、なお、受光部４がエリアセンサを構成する場合、図３のグラフは、平面上でｘ軸に垂直な軸において複数個生成される。

図３のｙ軸は、各受光素子（各受光位置）での受光量（例えば電圧をＡＤ変換した数値）を示す。つまり、反射光Ｌ２に基づき、受光部４が生成した受光信号Ｓ１の受光量が示されている。受光信号Ｓ１の受光量の強度分布は、ｘ軸に沿ったいずれかの方向において（本例では左側への方向において）増加する受光量の強度分布Ｓ１０に、対象物１０の受光量の強度分布Ｓ２０が加算された形状となる。図３では、強度分布Ｓ１０は、左上がりの形状、すなわち、受光素子番号が小さい受光素子が受光した受光信号Ｓ１の受光量である程、値（受光量）が大きくなる形状を呈している。この事象は、周囲からの外乱光の作用等により生ずる事情であり、測定装置において一般的に見られる事象である。すなわち、強度分布Ｓ１０は、外乱光成分の受光量に対応する。また、強度分布Ｓ２０は、いわゆるガウス分布に則った所定のピークを持つ形状を呈するが、このピークは対象物１０からの反射光Ｌ２に対応する。

強度分布Ｓ１０に表れる外乱光は、例えば環境光を含む。環境光は、測定装置５０の周囲の日光又は照明等の光を含む。対象物１０で外乱光が反射又は散乱されると、反射光Ｌ２の成分の一部である外乱光成分として受光部４に受光され得る。

図３では、測定用領域Ｒ１２に強度分布Ｓ２０のピークが存在しており、閾値制御部６は、受光信号Ｓ１を処理し、対象物１０からの反射光Ｌ２が、測定用領域Ｒ１２によって受光されたと判定する。距離演算部７は、反射光Ｌ２を受光した測定用領域Ｒ１に基づいて、対象物１０までの距離を算出する。この場合、距離演算部７は、各受光素子の受光量と、閾値制御部６で設定された閾値ｔｈとを比較し、受光量が閾値ｔｈ以上となる受光素子のみを測距演算の範囲に設定する。距離演算部７は、設定された測距演算範囲において強度分布Ｓ２０のピーク位置を算出し、この位置を受光中心位置として検出する。これにより、測定装置５０は、演算誤差を低減できる。距離演算部７は、セル距離情報に基づいて、検出された受光位置に対応する距離を導出してよい。

また、図３では、暗レベルが、受光部４が光を検出しなくても必ず生成する信号の受光量に予め設定されている。暗レべルは、例えば、測定装置５０の起動時に所定値に設定され、記憶部５Ｍに保持されている。信号処理部５は、例えば測定装置５０の起動時には、初期設定閾値ｔｈ１を設定して記憶部５Ｍに保持させている。初期設定閾値ｔｈ１は、汎用的に適用可能な受光量に予め設定されてよい。初期設定閾値ｔｈ１が設定されている場合、距離演算部７は、初期設定閾値ｔｈ１より大きな受光量を検知した受光素子のみ、対象物１０の測定の演算の対象とする。

ここで、測定装置５０の環境は千差万別であり、初期設定閾値ｔｈ１が、状況によっては適切な受光量でない場合もあり得る。そこで、閾値制御部６は、外乱光成分の受光量を推定し、推定された外乱光成分の受光量に基づいて、閾値ｔｈを制御する。図３の例では初期設定閾値ｔｈ１が過小であり、全ての受光素子が、距離演算部７による受光中心位置を導出する演算の対象となっている。そこで、閾値制御部６は、強度分布Ｓ１０及び強度分布Ｓ２０を判定し、受光信号Ｓ１の受光量（つまり受光波形）に対応した推定後閾値ｔｈ２を決定する。つまり、閾値制御部６は、初期設定閾値ｔｈ１を推定後閾値ｔｈ２に変更する（図３の矢印Ｃ２）。測定装置５０は、推定後閾値ｔｈ２を用いて対象物１０を光学的に測定することにより、演算誤差を低減できる。

例えば、外乱光成分が多い場合、つまり測定装置５０が初期設定閾値ｔｈ１に対応する環境よりも明るい環境に配置された場合、推定後閾値ｔｈ２は初期設定閾値ｔｈ１より大きくなるよう変更される。外乱光成分が少ない場合、つまり測定装置５０が初期設定閾値ｔｈ１に対応する環境よりも暗い環境に配置された場合、推定後閾値ｔｈ２は初期設定閾値ｔｈ１より小さくなるよう変更される。また、明るさだけでなく、温度に基づいて閾値ｔｈが変更されてもよい。

閾値制御部６は、受光信号Ｓ１が示す各受光素子での受光量に基づき、受光信号Ｓ１のピーク位置つまり受光量が最大である受光素子の位置（最大受光位置）と、最大受光位置が属するピーク位置特定用領域Ｒ２（本例ではピーク位置特定用領域Ｒ２１）と、を判定する。

本実施形態では、受光エリア８が、２種類の領域に分割される。具体的には、受光エリア８は、複数の測定用領域Ｒ１に区分される。また、受光エリア８は、受光信号Ｓ１のピーク位置を特定するための複数のピーク位置特定用領域Ｒ２にも区分される。複数のピーク位置特定用領域Ｒ２は、測定用領域Ｒ１を画定する第１の境界Ｂ１とは異なる第２の境界Ｂ２によって画定され、区分される。測定用領域Ｒ１が定められると、ピーク位置特定用領域Ｒ２が定まる。例えば、測定用領域Ｒ１を画定する隣り合う２つの第１の境界Ｂ１の中央位置が第２の境界Ｂ２となるように、ピーク位置特定用領域Ｒ２が定められる。

第２の境界Ｂ２は、例えば、測定用領域Ｒ１１～Ｒ１６のそれぞれのｘ軸上における中央位置、つまり測定用領域Ｒ１１～Ｒ１６の受光素子の配置方向における中央位置に設定される。言い換えると、第２の境界Ｂ２は、例えば、隣接する２つの第１の境界Ｂ１の間の中央位置に設定される。ただし、第２の境界Ｂ２の位置は、第１の境界Ｂ１に重ならない限り、このような例に限定されるものではない。

図３では、ピーク位置特定用領域Ｒ２は、下記のように７つのピーク位置特定用領域Ｒ２（Ｒ２１～Ｒ２６）を含んでいる。

複数のピーク位置特定用領域Ｒ２のそれぞれは、互いに隣接する２つの測定用領域Ｒ１のそれぞれの一部を含んでいる。例えば、ピーク位置特定用領域Ｒ２１は、測定用領域Ｒ１１の一部（右半分）と、測定用領域Ｒ１２の一部（左半分）と、を含んでいる。そして、互いに隣接する２つの測定用領域Ｒ１は、２つの測定用領域Ｒ１が統合された統合領域ＴＲを形成する。

本実施形態では、統合領域ＴＲｘｙと表し、ここでのｘは隣接する２つの測定用領域Ｒ１のうちの一方（符号が小さい方）の末尾の符号であり、ここでのｙは隣接する２つの測定用領域Ｒ１のうちの他方（符号が大きい方）の末尾の符号である。例えば、測定用領域Ｒ１１，Ｒ１２を含む統合領域ＴＲは、統合領域ＴＲ１２となる。同様に、統合領域ＴＲと測定用領域Ｒ１との関係は、例えば以下である。

統合領域ＴＲ０１：測定用領域Ｒ１０，Ｒ１１
統合領域ＴＲ１２：測定用領域Ｒ１１，Ｒ１２
統合領域ＴＲ２３：測定用領域Ｒ１２，Ｒ１３
統合領域ＴＲ３４：測定用領域Ｒ１３，Ｒ１４
統合領域ＴＲ４５：測定用領域Ｒ１４，Ｒ１５
統合領域ＴＲ５６：測定用領域Ｒ１５，Ｒ１６
統合領域ＴＲ６７：測定用領域Ｒ１６，Ｒ１７

閾値制御部６は、受光信号Ｓ１の最大受光位置を含むピーク位置特定用領域Ｒ２を判定する。最大受光位置は、受光信号Ｓ１の受光量が最大である受光素子の位置である。図３では、閾値制御部６は、ピーク位置特定用領域Ｒ２１が最大受光位置を含むと判定する。

閾値制御部６は、最大受光位置を含むピーク位置特定用領域Ｒ２１が、測定用領域Ｒ１１，Ｒ１２の一部（左半分）を含んでいると判定し、統合領域ＴＲ１２に含まれると判定する。閾値制御部６は、ピーク位置特定用領域Ｒ２１の外側つまりピーク位置特定用領域Ｒ２１に対応する統合領域ＴＲの外側に位置する複数の測定用領域Ｒ１のそれぞれにおける受光量の代表値を算出する。本例では、閾値制御部６は、ピーク位置特定用領域Ｒ２１の外側に位置する測定用領域Ｒ１０，Ｒ１３のそれぞれにおける受光量の代表値を算出する。なお、第１の境界Ｂ１と第２の境界Ｂ２は重ならないため、測定用領域Ｒ１０及び測定用領域Ｒ１３は、ピーク位置特定用領域Ｒ２１に対応する統合領域ＴＲ１２の外側に隣接している。

図３では、測定用領域Ｒ１０における受光量の代表値が受光量Ａ_０である。測定用領域Ｒ１３における受光量の代表値が受光量Ａ_３である。閾値制御部６は、例えば、測定用領域Ｒ１０の受光量Ａ_０と測定用領域Ｒ１３の受光量Ａ_３とに基づいて、最大受光位置を含むピーク位置特定用領域Ｒ２１に対応する統合領域（例えばｘ軸上における統合領域ＴＲの中央位置）の受光量Ａ_Ｔ１２を算出する。受光量Ａ_Ｔ１２は、統合領域ＴＲの受光量の代表値であることを示している。閾値制御部６は、統合領域ＴＲ１２の受光量Ａ_Ｔ１２を、代表値である受光量Ａ_０、Ａ_３を結ぶ直線Ｄ上に基づいて、例えば直線Ｄ上の値として、算出可能である。

閾値制御部６は、測定用領域Ｒ１における受光量の代表値から暗レベルの受光量を差し引くことで、この測定用領域Ｒ１におけるオフセット受光量を算出する。このオフセット受光量の算出は、測定用領域Ｒ１だけでなく、統合領域ＴＲについても同様である。よって、閾値制御部６は、統合領域ＴＲ１２における受光量Ａ_Ｔ１２から暗レベルの受光量を差し引くことで、この測定用領域Ｒ１におけるオフセット受光量を算出する。

このように、閾値制御部６は、測定用領域Ｒ１０，Ｒ１３のそれぞれにおける代表値としての受光量Ａ_０，Ａ_３に基づいて、統合領域ＴＲ１２のオフセット受光量を算出する。閾値制御部６は、初期設定閾値ｔｈ１と統合領域ＴＲ１２のオフセット受光量とに基づいて、推定後閾値ｔｈ２を決定する。この場合、閾値制御部６は、初期設定閾値ｔｈ１に統合領域ＴＲ１２のオフセット受光量を加算することで、推定後閾値ｔｈ２を決定してよい。

最大受光位置を含むピーク位置特定用領域Ｒ２１に対応する統合領域ＴＲ１２のオフセット値の算出は、統合領域ＴＲ１２における外乱光成分の受光量の推定に相当する。そして、閾値制御部６が、推定された外乱光成分の受光量に相当するオフセット受光量に基づいて、閾値ｔｈを制御する。これにより、測定装置５０は、閾値ｔｈを適切に設定でき、対象物１０の測定用の受光中心位置の測距演算範囲を好適に制限できる。

本実施形態では、例えば受光信号Ｓ１の最大受光位置が２つの測定用領域Ｒ１２の境界である第１の境界Ｂ１付近に存在しても、最大受光位置を含むピーク位置特定用領域Ｒ２に対応する統合領域ＴＲ１２の外縁である第１の境界Ｂ１（測定用領域Ｒ１２，Ｒ１３の境界）付近に存在することにはならない。すなわち、最大受光位置が２つの測定用領域Ｒ１の境界（第１の境界Ｂ１）付近に存在する場合でも、最大受光位置を含む統合領域ＴＲの境界（外縁）から外れた位置（統合領域ＴＲの中央位置付近）に存在することになる。よって、受光信号Ｓ１の最大受光位置から受光量が低下した裾野の部分が、最大受光位置を含む統合領域ＴＲの外側に大きな値をもって入り込むことを抑制できる。よって、測定装置５０は、オフセット受光量を導出元となる受光量に受光信号Ｓ１の本来の信号成分が入り込むことを抑制できるので、オフセット受光量を高精度に導出できる。よって、測定装置５０は、閾値ｔｈを適切に決定できる。

さらに、受光信号Ｓ１の最大受光位置が、隣接する２つのピーク位置特定用領域Ｒ２の境界（第２の境界Ｂ２）付近に存在する場合でも、この第２の境界Ｂ２の位置の外側に、ピーク位置特定用領域Ｒ２に対応する統合領域ＴＲの外縁（第１の境界Ｂ１）が位置することになる。よって、受光信号Ｓ１の最大受光位置から受光量が低下した裾野の部分が、最大受光位置を含む統合領域ＴＲの外側に大きな値をもって入り込むことを抑制できる。よって、測定装置５０は、オフセット受光量を導出元となる受光量に受光信号Ｓ１の本来の信号成分が入り込むことを抑制できるので、オフセット受光量を高精度に導出できる。よって、測定装置５０は、閾値ｔｈを適切に決定できる。

図３は、測定装置５０による外乱光成分の受光量の推定例を説明するグラフも含んでいる。閾値制御部６は、判定されたピーク位置特定用領域Ｒ２１に対応する統合領域ＴＲ１２の両外側に隣接する２つの測定用領域Ｒ１０，Ｒ１３のそれぞれにおける受光信号Ｓ１の受光量の代表値に基づいて、外乱光成分の受光量を推定してよい。この場合、閾値制御部６は、測定用領域Ｒ１毎に、測定用領域Ｒ１に含まれる複数の受光素子のそれぞれが受光した受光信号Ｓ１の受光量の平均値を、受光信号Ｓ１の受光量の代表値として算出してよい。なお、受光量の代表値は、この平均値以外の他の値（例えば最大値、最小値）でもよい。

閾値制御部６は、受光量の代表値として、測定用領域Ｒ１毎の受光量の平均値を用いる場合、最大受光位置を含む統合領域ＴＲのオフセット受光量を、下記の表１に従って推定してよい。例えば、図３に示すように最大受光位置がピーク位置特定用領域Ｒ２１に含まれる場合、ピーク位置特定用領域Ｒ２１に対応して統合領域ＴＲ１２が特定される。閾値制御部６は、例えば、統合領域ＴＲ１２のオフセット受光量を、（Ａ_０＋Ａ_３）／２に従って算出する。また、最大受光位置がピーク位置特定用領域Ｒ２２に含まれる場合、ピーク位置特定用領域Ｒ２２に対応して統合領域ＴＲ２３が特定される。閾値制御部６は、例えば、統合領域ＴＲ２３のオフセット受光量を、（Ａ_１＋Ａ_４）／２に従って算出する。なお、ここでは、受光量Ａ_ｎは、測定用領域Ｒ１ｎにおける受光量の代表値（例えば平均値）である。

図５は、測定装置５０による外乱光成分の受光量の他の推定例を説明するグラフである。図５の例は、強度分布Ｓ２０のピーク位置（最大受光位置）がピーク位置特定用領域Ｒ２０に位置している。本例では、ピーク位置特定用領域Ｒ２０に対応する統合領域ＴＲ０１の左側（ｘ軸の小さい側）には、隣接する測定用領域Ｒ１がない。そこで閾値制御部６は、統合領域ＴＲ０１の片方（例えば右側、ｘ軸の大きい側）の外側に隣接する２つの測定用領域Ｒ１２，Ｒ１３のそれぞれにおける受光信号Ｓ１の代表値としての受光量Ａ_２、Ａ_３に基づいて、外乱光成分の受光量を推定してよい。

例えば、図５に示すように最大受光位置がピーク位置特定用領域Ｒ２１に含まれる場合、ピーク位置特定用領域Ｒ２０に対応して統合領域ＴＲ０１が特定される。閾値制御部６は、例えば、統合領域ＴＲ０１のオフセット受光量を、（５Ａ_２－３Ａ_３）／２に従って算出する。これにより、測定装置５０は、最大受光位置を含むピーク位置特定用領域Ｒ２や統合領域ＴＲが受光エリア８の端部に位置しても、外分点を用いて、統合領域ＴＲのオフセット受光量を推定でき、適切な閾値ｔｈを決定できる。

なお、閾値制御部６は、最大受光位置を含む統合領域ＴＲに隣接しない複数の測定用領域Ｒ１のそれぞれの受光量の代表値に基づいて、統合領域ＴＲのオフセット受光量を推定してもよい。また、閾値制御部６は、最大受光位置を含む統合領域ＴＲの外側にある３つ以上の測定用領域Ｒ１のそれぞれの受光量の代表値に基づいて、統合領域ＴＲのオフセット受光量を推定してもよい。３つ以上の受光量が得られる場合には、閾値制御部６は、直線的な近似法ではなく、様々な公知の近似法に従って、統合領域ＴＲのオフセット受光量を推定してもよい。

次に、閾値制御のバリエーションについて説明する。

閾値制御部６は、閾値ｔｈが上限値より大きくならないように制御してよい。受光部４による受光量は、投光部１による投光光Ｌ１の投光時間の調整によって調整可能である。閾値ｔｈの上限値は、受光部４による受光量による受光可能量を加味して、定められる。投光部１は、閾値ｔｈの上限値以上であり受光可能量の上限値以下に収まるように、投光量を調整してよい。閾値ｔｈの上限値は、記憶部５Ｍに保持されていてよい。

例えば、閾値制御部６は、初期設定閾値ｔｈ１から推定後閾値ｔｈ２に変更するよう閾値ｔｈを制御する場合において、推定後閾値ｔｈ２の予定値が上限値以上である場合、推定後閾値ｔｈ２を上限値に決定してよい。推定後閾値ｔｈ２の予定値とは、上限値を加味せずに閾値制御部６が統合領域ＴＲのオフセット受光量を加味して算出した当初の推定後閾値ｔｈ２である。よって、閾値制御部６は、推定後閾値ｔｈ２が過大となることを抑制できる。

また、閾値制御部６は、閾値ｔｈの変化量が上限変化量より大きくならないように制御してよい。例えば、閾値制御部６は、初期設定閾値ｔｈ１から推定後閾値ｔｈ２に変更するよう閾値ｔｈを制御する場合、初期設定閾値ｔｈ１と推定後閾値ｔｈ２の予定値との差が所定値より大きい場合、つまり閾値ｔｈの変化量が上限変化量より大きい場合、初期設定閾値ｔｈ１に上限変化量を加算して推定後閾値ｔｈ２を決定してよい。よって、閾値制御部６は、推定後閾値ｔｈ２が急激に変化し、推定後閾値ｔｈ２を用いた対象物１０の測定結果が急激に変化することを抑制できる。

また、閾値制御部６が閾値制御を行うタイミングは、任意である。例えば、閾値制御のタイミングと対象物１０の測定タイミングは、同じであってよい。例えば、閾値制御部６は、対象物１０の測定毎に閾値ｔｈを制御してよい。また、閾値制御部６は、受光信号Ｓ１（受光波形）を取得する毎に、閾値ｔｈを制御してもよい。

また、閾値制御のタイミングと対象物１０の測定タイミングは、異なるタイミングでああってもよい。例えば、投光部１が、対象物１０に閾値制御用とは異なる測定用の投光光Ｌ１１を投光し、受光部４が、対象物１０により投光光Ｌ１１が反射又は散乱された測定用の反射光Ｌ２１を受光して、閾値制御用とは異なる測定用の受光信号Ｓ１１を生成してよい。距離演算部７は、受光部４により受光された受光信号Ｓ１１の受光量が、閾値制御部６により制御済みの閾値ｔｈ以上である受光素子を特定し、特定された受光素子の位置に基づいて、対象物１０を測定してよい。即ち、距離演算部７は、閾値制御に用いる投光光Ｌ１及び反射光Ｌ２とは別に、測定用の投光光Ｌ１１及び反射光Ｌ２１を用いて、対象物１０を測定してよい。

このように、本実施形態の測定装置５０は、実際の測定時（例えば測距時）の領域（測定用領域Ｒ１）とは異なるピーク位置特定用領域Ｒ２を用いて、最大受光位置が含まれるピーク位置特定用領域Ｒ２を特定する。測定装置５０は、特定されたピーク位置特定用領域Ｒ２に対応する統合領域ＴＲを特定し、統合領域ＴＲのオフセット受光量を算出して、統合領域ＴＲの例えば中央位置での外乱光を推定する。推定された外乱光は、変動し得る暗レベルに対応する。測定装置５０は、推定された外乱光に応じて、閾値ｔｈを調整可能である。

例えば、暗レベルが全体的に大きな値に変動したとする。この場合、初期設定閾値ｔｈ１が暗レベルに対して相対的に小さくなり、初期設定閾値ｔｈ１よりも大きな受光量を受光する受光素子の数が多くなる。つまり、ピーク位置の周辺のみだけでなく、受光エリア８の広範囲において初期設定閾値ｔｈ１以上の受光量の反射光Ｌ２を受光する。このような場合には、距離演算部７が、受光エリア８の広範囲における受光中心位置を演算することで、対象物１０の測定精度が低下し得る。これに対し、測定装置５０によれば、暗レベルに対応して変動する外乱光の推定結果に応じて初期設定閾値ｔｈ１を推定後閾値ｔｈ２に変更する。これにより、受光エリア８において推定後閾値ｔｈ２以上の受光量を受光する受光素子の数を低減でき、受光エリア８におけるピーク位置の周辺に限って推定後閾値ｔｈ２以上の受光量の反射光Ｌ２を受光することになる。よって、測定装置５０は、対象物１０の測定精度の低下を抑制できる。

また、測定装置５０は、最大受光位置がある統合領域ＴＲの外側における測定用領域Ｒ１の受光量を用いて統合領域ＴＲのオフセット受光量を導出し、統合領域ＴＲ内の受光量を統合領域ＴＲのオフセット受光量の導出に用いない。統合領域ＴＲは、投光光Ｌ１が反射又は散乱された反射光Ｌ２の信号成分（つまり外乱光以外の本来取得したい成分）の受光量が大きい。よって、測定装置５０は、本来取得したい成分が除外され、外乱光成分が多く含まれる測定用領域Ｒ１の受光量を用いて、統合領域ＴＲのオフセット受光量を導出できるので、外乱光の推定精度を向上できる。

なお、本実施形態では、オフセット受光量が正の値であることを主に例示したが、これに限られない。外乱光のオフセット受光量は、負の値であることもあり得る。外乱光のオフセット受光量が負の値である場合には、初期設定閾値ｔｈ１よりも推定後閾値ｔｈ２が小さくなるよう変更される。なお、閾値制御部６は、統合領域ＴＲにおける中央位置以外での外乱光を推定してもよく、例えば最大受光位置での外乱光を推定してもよい。

以上のように、上記実施形態の測定装置５０は、閾値を用いて対象物１０を光学的に測定する。測定装置５０は、対象物１０に投光光Ｌ１を投光する投光部１と、複数の受光素子を有し、対象物１０により投光光Ｌ１が反射又は散乱された反射光Ｌ２を受光して、受光信号Ｓ１を生成する受光部４と、受光信号Ｓ１を処理する信号処理部５と、を備える。受光部４における複数の受光素子を含む受光エリア８が、複数の受光素子をまとめて区分する第１の境界Ｂ１によって画定される複数の測定用領域Ｒ１に区分されるとともに、第１の境界Ｂ１とは異なる第２の境界Ｂ２によって画定される複数のピーク位置特定用領域Ｒ２に区分される。複数のピーク位置特定用領域Ｒ２のそれぞれは、互いに隣接する２つの測定用領域Ｒ１のそれぞれの一部を含む。互いに隣接する２つの測定用領域Ｒ１は、統合領域ＴＲを形成する。信号処理部５は、受光信号Ｓ１の受光量が最大である受光素子の位置（最大受光位置）を含むピーク位置特定用領域Ｒ２を判定する。信号処理部５は、判定されたピーク位置特定用領域Ｒ２を含む統合領域ＴＲの外側に位置する複数の測定用領域Ｒ１のそれぞれにおける受光量の代表値に基づいて、統合領域ＴＲでの外乱光成分の受光量（オフセット受光量）を推定する。信号処理部５は、外乱光成分の受光量に基づいて、閾値ｔｈを制御する。

これにより、測定装置５０は、対象物１０の測定用に用いられる測定用領域Ｒ１とは別に、受光信号Ｓ１のピーク位置を特定するためのピーク位置特定用領域Ｒ２と統合領域ＴＲとを考慮して、閾値ｔｈを制御できる。この場合、測定装置５０は、測定用領域Ｒ１では境界端部にピーク位置（最大受光位置）がある場合でも、このピーク位置は統合領域ＴＲの端部には位置しない。つまり、統合領域ＴＲでは、測定用領域Ｒ１でのピーク位置が測定用領域Ｒ１での境界端部にある場合でも、統合領域ＴＲの中央付近に位置するように統合領域ＴＲが選択される。そのため、統合領域ＴＲに隣接する外側の領域に、受光信号Ｓ１を示す受光波形の裾野部分が入りこまない。よって、統合領域ＴＲ内に信号成分が位置し、統合領域ＴＲの外側に信号成分以外の外乱光成分が位置する。測定装置５０は、統合領域ＴＲの外側の受光量を用いることで、外乱光の受光レベルを高精度に推定でき、対象物１０を測定するための閾値ｔｈを適切に決定できる。よって、測定装置５０は、外乱光の影響を低減して対象物の測定精度を向上できる。

また、信号処理部５は、判定されたピーク位置特定用領域Ｒ２を含む統合領域ＴＲの両外側に隣接する２つの測定用領域Ｒ１のそれぞれにおける受光信号Ｓ１の受光量の代表値に基づいて、外乱光成分の受光量を推定してよい。

これにより、測定装置２０は、本来取得したい信号成分をほぼ含まず外乱光成分が多い測定用領域Ｒ１の受光量を用いて、外乱光成分の受光量を推定するので、統合領域ＴＲでの外乱光を高精度に推定できる。

また、信号処理部５は、判定されたピーク位置特定用領域Ｒ２を含む統合領域ＴＲの片方の外側に隣接する２つの測定用領域Ｒ１のそれぞれにおける受光信号Ｓ１の受光量の代表値に基づいて、外乱光成分の受光量を推定してよい。

これにより、測定装置５０は、最大受光位置を含むピーク位置特定用領域Ｒ２や統合領域ＴＲが受光エリア８の端部に位置しても、外分点を用いて、統合領域ＴＲのオフセット受光量を推定でき、適切な閾値ｔｈを決定できる。

また、受光信号Ｓ１の受光量の代表値は、測定用領域Ｒ１に含まれる複数の受光素子のそれぞれに受光された受光信号Ｓ１の受光量の平均値でよい。これにより、測定用領域Ｒ１を代表する受光量の値を適切に得られる。

また、第２の境界Ｂ２は、隣接する２つの第１の境界Ｂ１の間の中央位置に設定されてよい。

これにより、ピーク位置特定用領域Ｒ２が、２つの測定用領域Ｒ１を半分ずつ含むようにできる。よって、測定用領域Ｒ１、ピーク位置特定用領域Ｒ２及び統合領域ＴＲの位置関係が対称性を有する。そのため、測定装置５０は、受光エリア８のｘ軸の大きい側又は小さい側において偏った位置での受光量に基づいて統合領域ＴＲでの外乱光推定を実施することを抑制でき、外乱光推定の推定精度を向上できる。

また、信号処理部５は、初期設定閾値ｔｈ１（第１の閾値の一例）から推定後閾値ｔｈ２（第２の閾値の一例）に変更するよう閾値を制御する場合において、推定後閾値ｔｈ２の予定値が所定の上限値以上である場合、推定後閾値ｔｈ２を上限値に設定してよい。

これにより、測定装置５０は、例えば投光部１又は受光部４の特性を加味して、推定後閾値ｔｈ２が過大となることを抑制できる。

また、信号処理部５は、初期設定閾値ｔｈ１から推定後閾値ｔｈ２に変更するよう閾値を制御する場合において、初期設定閾値ｔｈ１と推定後閾値ｔｈ２の予定値との差が所定の上限変化量以上である場合、初期設定閾値ｔｈ１に上限変化量を加算して推定後閾値ｔｈ２を設定してよい。

これにより、測定装置５０は、推定後閾値ｔｈ２が急激に変化し、推定後閾値ｔｈ２を用いた対象物１０の測定結果が急激に変化することを抑制できる。

また、信号処理部５は、受光部４により受光された受光信号Ｓ１の受光量が閾値以上である受光素子を特定し、特定された受光素子の位置に基づいて、対象物１０を測定してよい。

これにより、測定装置５０は、外乱光成分を加味した閾値ｔｈの決定を測定タイミングと同じタイミングで実施できる。よって、測定装置５０は、短時間で高精度に対象物１０の測定を実施できる。

また、投光部１は、対象物１０に他の投光光を投光してよい。受光部４は、対象物１０により他の投光光が反射又は散乱された他の反射光を受光して、他の受光信号を生成してよい。信号処理部５は、受光部４により受光された他の受光信号の受光量が閾値ｔｈ以上である受光素子を特定し、特定された受光素子の位置に基づいて、対象物１０を測定してよい。

これにより、測定装置５０は、外乱光成分を加味した閾値ｔｈの決定を測定タイミングとは異なるタイミングで実施できる。よって、測定装置５０は、別のタイミングで閾値ｔｈを決定しておき、測定時の処理負荷を低減して、対象物１０を測定できる。

以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

上記実施形態では、ＣＰＵ等のプロセッサは、物理的にどのように構成してもよい。また、プログラム可能なプロセッサを用いれば、プログラムの変更により処理内容を変更できるので、プロセッサの設計の自由度を高めることができる。プロセッサは、１つの半導体チップで構成してもよいし、物理的に複数の半導体チップで構成してもよい。複数の半導体チップで構成する場合、上記実施形態の各制御をそれぞれ別の半導体チップで実現してもよい。この場合、それらの複数の半導体チップで１つのプロセッサを構成すると考えることができる。また、プロセッサは、半導体チップと別の機能を有する部材（コンデンサ等）で構成してもよい。また、プロセッサが有する機能とそれ以外の機能とを実現するように、１つの半導体チップを構成してもよい。また、複数のプロセッサによる機能が１つのプロセッサで実現がされてもよい。

本開示は、外乱光の影響を低減し、対象物の測定精度を向上できる測定装置及び測定方法に有用である。

１ 投光部
２ 発光レンズ
３ 受光レンズ
４ 受光部
５ 信号処理部
５Ｍ 記憶部
６ 閾値制御部
７ 距離演算部
８ 受光エリア
１０ 対象物
５０ 測定装置
Ｒ１０～Ｒ１７ 測定用領域
Ｒ２０～Ｒ２６ ピーク位置特定用領域
ＴＲ 統合領域
ｔｈ１ 初期設定閾値
ｔｈ２ 推定後閾値

Claims (10)

1. 閾値を用いて対象物を光学的に測定する測定装置であって、
   前記対象物に投光光を投光する投光部と、
   複数の受光素子を有し、前記対象物により前記投光光が反射又は散乱された反射光を受光して、受光信号を生成する受光部と、
   前記受光信号を処理する信号処理部と、
   を備え、
   前記受光部における前記複数の受光素子を含む受光エリアが、前記複数の受光素子をまとめて区分する第１の境界によって画定される複数の測定用領域に区分されるとともに、前記第１の境界とは異なる第２の境界によって画定される複数のピーク位置特定用領域に区分され、
   前記複数のピーク位置特定用領域のそれぞれは、互いに隣接する２つの前記測定用領域のそれぞれの一部を含み、
   前記互いに隣接する２つの前記測定用領域は、統合領域を形成し、
   前記信号処理部は、
   前記受光信号の受光量が最大である受光素子の位置を含む前記ピーク位置特定用領域を判定し、
   判定された前記ピーク位置特定用領域を含む前記統合領域の外側に位置する複数の前記測定用領域のそれぞれにおける受光量の代表値に基づいて、前記統合領域での外乱光成分の受光量を推定し、
   前記外乱光成分の受光量に基づいて、前記閾値を制御する、
   測定装置。
2. 前記信号処理部は、判定された前記ピーク位置特定用領域を含む前記統合領域の両外側に隣接する２つの前記測定用領域のそれぞれにおける前記受光信号の受光量の代表値に基づいて、前記外乱光成分の受光量を推定する、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記信号処理部は、判定された前記ピーク位置特定用領域を含む前記統合領域の片方の外側に隣接する２つの前記測定用領域のそれぞれにおける前記受光信号の受光量の代表値に基づいて、前記外乱光成分の受光量を推定する、
   請求項１に記載の測定装置。
4. 前記受光信号の受光量の代表値は、前記測定用領域に含まれる複数の受光素子のそれぞれに受光された前記受光信号の受光量の平均値である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記第２の境界は、隣接する２つの前記第１の境界の間の中央位置に設定されている、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記信号処理部は、第１の閾値から第２の閾値に変更するよう前記閾値を制御する場合において、前記第２の閾値の予定値が所定の上限値以上である場合、前記第２の閾値を前記上限値に設定する、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記信号処理部は、第１の閾値から第２の閾値に変更するよう前記閾値を制御する場合において、前記第１の閾値と前記第２の閾値の予定値との差が所定の上限変化量以上である場合、前記第１の閾値に前記上限変化量を加算して前記第２の閾値を設定する、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の測定装置。
8. 前記信号処理部は、
   前記受光部により受光された前記受光信号の受光量が前記閾値以上である受光素子を特定し、
   特定された前記受光素子の位置に基づいて、前記対象物を測定する、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の測定装置。
9. 前記投光部は、前記対象物に他の投光光を投光し、
   前記受光部は、前記対象物により前記他の投光光が反射又は散乱された他の反射光を受光して、他の受光信号を生成し、
   前記信号処理部は、前記受光部により受光された前記他の受光信号の受光量が前記閾値以上である受光素子を特定し、
   特定された前記受光素子の位置に基づいて、前記対象物を測定する、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の測定装置。
10. 閾値を用いて対象物を光学的に測定する測定方法であって、
    前記対象物に投光光を投光するステップと、
    複数の受光素子を有する受光部が、前記対象物により前記投光光が反射又は散乱された反射光を受光して、受光信号を生成するステップと、
    前記受光信号を処理するステップと、
    を有し、
    前記受光部における前記複数の受光素子を含む受光エリアが、前記複数の受光素子をまとめて区分する第１の境界によって画定される複数の測定用領域に区分されるとともに、前記第１の境界とは異なる第２の境界によって画定される複数のピーク位置特定用領域に区分され、
    前記複数のピーク位置特定用領域のそれぞれは、互いに隣接する２つの前記測定用領域のそれぞれの一部を含み、
    前記互いに隣接する２つの前記測定用領域は、統合領域を形成し、
    前記受光信号を処理するステップは、
    前記受光信号の受光量が最大である受光素子の位置を含む前記ピーク位置特定用領域を判定するステップと、
    判定された前記ピーク位置特定用領域を含む前記統合領域の外側に位置する複数の前記測定用領域のそれぞれにおける受光量の代表値に基づいて、前記統合領域での外乱光成分の受光量を推定するステップと、
    前記外乱光成分の受光量に基づいて、前記閾値を制御するステップと、を含む、
    測定方法。

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