JP3827557B2 - 光学計測装置、及び光学計測方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子と受光素子を用いて測定対象物を計測する光学計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、発光素子から測定対象物へ光を投射し、受光素子がその反射光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の凹凸形状を計測する装置や、受光素子がその透過光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の厚さを計測する装置などの光学計測装置が従来からある。しかし、受光素子から出力される検出信号のレベルが測定対象物によって違うため、単一の増幅器を用いて受光素子の出力を増幅する場合、その増幅率（受光素子の感度）を測定対象物毎に調整しなければならなかった。例えば、透過光を受光して紙（測定対象物）の厚さを計測する装置では、薄い紙を測定する場合には増幅率を低く設定し、厚い紙を測定する場合には増幅率を高く設定する必要があった。
【０００３】
そこで、従来の光学計測装置では、増幅率の異なる複数の増幅器を並列に配置し、これらの出力の中から最も適切なものを選択できるようにする手法が採られている。
【０００４】
以下、増幅率の異なる複数の増幅器を並列に配置し、これらの出力の中から最も適切なものを選択できるようにした従来の光学計測装置について説明する。
図４は、従来の光学計測装置のブロック図を示している。図４において、１は光２を投射する発光素子、３は測定対象物、４は光２が投射された測定対象物３からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子、６ａ、６ｂは受光素子４より出力される検出信号５をそれぞれ異なる増幅率で増幅する増幅器であり、この従来例では増幅器６ａ側の増幅率を増幅器６ｂ側の増幅率よりも低く設定するものとする。８ａ、８ｂは増幅器６ａ、６ｂによって増幅された検出信号７ａ、７ｂをサンプリングデータ９ａ、９ｂに変換するＡ／Ｄコンバータであり、これらはいずれも同一の構成をしており、同一のスケール（例えば、８ビットであれば０〜２５５のレベル分解能）を有するものが用いられる。１０は受光素子４からの検出信号５のレベルを基に増幅器６ａ、６ｂの中から適切な増幅器を選択し、この選択された増幅器から出力される検出信号のサンプリングデータを出力信号１１として出力する選択器である。
【０００５】
図５は、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂのスケール範囲を示している。この図に示すように、低倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ａの出力（サンプリングデータ）のスケールの一部は、高倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ｂによって拡大された形で出力される。
【０００６】
例えば、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、その有効範囲（雑音と飽和の影響を受けにくいサンプリングデータのレベル範囲）をフルスケールの１０％から９５％として用いる構成のときには、低倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ａの有効範囲の下限値Ｌと高倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ｂの有効範囲の上限値Ｈとが同一レベル、あるいは一部重なる状態となるよう、各増幅器６ａ、６ｂの増幅率を設定する。低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍とすれば、Ａ／Ｄコンバータ８ａの有効範囲の下限値Ｌはレベル２５（フルスケールの１０％）となる。これに対して、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率は、高倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ｂの有効範囲の上限値Ｈが低倍率側での下限値Ｌ（レベル２５）以上となるように設定する。即ち、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍以下となるように設定すれば、低倍率側の有効範囲の下限値Ｌと高倍率側の有効範囲の上限値Ｈとが連続することになり、どちらかのＡ／Ｄコンバータに接続される増幅器を選択すれば雑音および飽和の影響を受けないサンプリングデータを出力することができる。
【０００７】
以下、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、有効範囲をフルスケールの１０％から９５％とした場合であって、低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍とした場合について説明する。
【０００８】
例えば、低倍率側のサンプリングデータ９ａがレベル５であるとき、この値は下限値Ｌ（レベル２５）以下であるので、高倍率側の増幅器６ｂを選択し、受光素子４からの検出信号５を９．７倍に増幅した検出信号７ｂのサンプリングデータ９ｂ（レベル４８）を選択するのが適切となる（図５参照）。
【０００９】
また、高倍率側のサンプリングデータ９ｂがレベル２５０であるとき、この値は上限値Ｈ（レベル２４２）以上であるので、低倍率側の増幅器６ａを選択し、受光素子４からの検出信号５を１倍に増幅した検出信号７ａのサンプリングデータ９ａ（レベル２５）を選択するのが適切となる。
【００１０】
つまり、低倍率側のサンプリングデータ９ａが下限値Ｌ（レベル２５）以下である場合は、高倍率側の増幅器６ｂを選択するのが適切となり（サンプリングデータ９ｂの選択）、高倍率側のサンプリングデータ９ｂが上限値Ｈ（レベル２４２）以上である場合は、低倍率側の増幅器６ａを選択するのが適切となる（サンプリングデータ９ａの選択）。
【００１１】
そこで、選択器１０は、取得したサンプリングデータ９ａ、９ｂのうちＡ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂの有効範囲に存在しているほうを有効と判断し、対応する側のサンプリングデータが出力されるようにしている。
【００１２】
以上のように、従来の光学計測装置は、増幅率の異なる複数の増幅器を並列に配置し、これらの増幅器の中から最も適切なものを選択できるようにしていた。
しかしながら、上述のような構成では、ひとつの測定対象物を計測中に検出信号のレベルが大きく変動した場合において、以下に挙げる問題が生ずるおそれがある。
【００１３】
図６は、サンプリングデータ９ａ、９ｂの時間変化を示しており、１２が低倍率側のサンプリングデータ９ａの時間変化曲線であり、１３が高倍率側のサンプリングデータ９ｂの時間変化曲線である。
【００１４】
図６に示すように、検出信号５のレベルが増大していき、時刻ｔ0においてサンプリングデータ９ｂのレベルが上限値Ｈを越えると、選択器１０はサンプリングデータ９ａを有効と判定し、このサンプリングデータ９ａを出力信号１１とする。
【００１５】
さらに検出信号５のレベルが増大していき、時刻ｔ1において高倍率側の増幅器６ｂが飽和を起こすと、増幅器６ｂからの出力である検出信号７ｂも飽和し、サンプリングデータ９ｂは増幅器６ｂの飽和出力に対応した値ＨOに固定される。
【００１６】
この後、時刻ｔ2において高倍率側の増幅器６ｂが飽和を起こさないレベルまで検出信号５のレベルが減少したとしても、実際に高倍率側の増幅器６ｂが飽和状態から回復するまでには時間がかかるため、増幅器６ｂから出力される検出信号７ｂは正常な値ではなく、検出信号５のレベルとサンプリングデータ９ｂのレベルの関係が正常に戻るには時刻ｔ4まで待たなければならない。
【００１７】
図６のサンプリングデータ９ｂの時間変化曲線１３のうち、時刻時刻ｔ2から時刻ｔ4間の点線部分は、高倍率側の増幅器６ｂが飽和状態から回復するまでにＡ／Ｄコンバータ８ｂから出力される正常でないサンプリングデータを表し、実線部分が本来出力されるべき正常なサンプリングデータを表している。
【００１８】
サンプリングデータ９ａ、９ｂが図６に示すような時間変化を示すと、上述した従来の装置においては、時刻ｔ3においてサンプリングデータ９ａのレベルが低倍率側での下限値Ｌを下回るので、選択器１０がサンプリングデータ９ｂを有効と判定し、出力信号１１とする。つまり、出力信号１１として図６の太線で示すサンプリングデータが出力される。そのため、時刻ｔ3から時刻ｔ4間においては、高倍率側の増幅器６ｂから出力される正常でない検出信号７ｂのサンプリングデータ９ｂが選択され、出力信号１１が不適切なものとなる。
【００１９】
このように、従来の光学計測装置は、高倍率側の増幅器が飽和した後、その飽和状態からの回復途中に検出信号のレベルが大きく変動して低倍率側のサンプリングデータが下限値を下回るような場合、出力が不適切なものとなり計測精度の低下を招くことになる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するために、通常の状態において増幅器間の増幅率の比率が増幅器から出力される検出信号のレベル間にも成立していることを利用し、各増幅器間の増幅率の比率と各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、受光素子の出力する検出信号のレベルに応じて、計測するのに適切な増幅率を持つ増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する構成とする。これによって、高倍率側の増幅器が飽和状態からの回復途中であるときに検出信号のレベルが大きく変動し、低倍率側のサンプリングデータが有効範囲の下限値を下回るような場合であっても、正規に増幅されている低倍率側のサンプリングデータがそのまま出力され、計測精度の低下を防ぐことができる光学計測装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明における請求項１記載の光学計測装置は、測定対象物に光を投射する発光素子と、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子と、前記受光素子の出力する検出信号をそれぞれ異なった増幅率にて増幅する２つ以上の増幅器と、前記各増幅器間の増幅率の比率と前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する選択器とを備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明における請求項２記載の光学計測装置は、請求項１記載の光学計測装置であって、前記選択器は、前記各増幅器間の増幅率の比率を記憶する書き換え可能なメモリを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明における請求項３記載の光学計測装置は、測定対象物に光を投射する発光素子と、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子と、前記受光素子の出力する検出信号をそれぞれ異なった増幅率にて増幅する２つ以上の増幅器と、前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値の範囲内に収まっているか否かを判定し、収まっている場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、収まっていない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する選択器とを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明における請求項４記載の光学計測装置は、請求項３記載の光学計測装置であって、前記選択器は、前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値を記憶する書き換え可能なメモリを有することを特徴とする。
【００２５】
本発明における請求項５記載の光学計測方法は、発光素子によって測定対象物に光を投射し、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光素子にて受光し、それぞれ異なった増幅率の設定された増幅器によって前記受光素子の出力する検出信号を増幅し、前記各増幅器間の増幅率の比率と前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択することを特徴とする。
【００２６】
本発明における請求項６記載の光学計測方法は、発光素子によって測定対象物に光を投射し、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光素子にて受光し、それぞれ異なった増幅率の設定された増幅器によって前記受光素子の出力する検出信号を増幅し、前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値の範囲内に収まっているか否かを判定し、収まっている場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、収まっていない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択することを特徴とする。
【００２７】
以上のように、本発明によれば、高倍率側の増幅器が飽和状態からの回復途中であるときに検出信号のレベルが大きく変動し、低倍率側のサンプリングデータが有効範囲の下限値を下回るような場合であっても、正規に増幅されている低倍率側のサンプリングデータがそのまま出力され、計測精度の低下を防ぐことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を交えて説明する。本実施の形態の光学計測装置は、例えば、発光素子から測定対象物へ光を投射し、受光素子がその反射光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の凹凸形状を計測する装置や、受光素子がその透過光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の厚さを計測する装置として使用される。なお、前述した従来例と同じ構成を有する部材には同一の番号を付記して、説明を省略する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の光学計測装置のブロック図を示している。図１において、１は光２を投射する発光素子、３は測定対象物、４は光２が投射された測定対象物３からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子、６ａ、６ｂは受光素子４より出力される検出信号５をそれぞれ異なる増幅率で増幅する増幅器であり、該装置では増幅器６ａ側の増幅率を増幅器６ｂ側の増幅率よりも低く設定するものとする。８ａ、８ｂは増幅器６ａ、６ｂによって増幅された検出信号７ａ、７ｂをサンプリングデータ９ａ、９ｂに変換するＡ／Ｄコンバータであり、これらはいずれも同一の構成をしており、同一のスケール（例えば、８ビットであれば０〜２５５のレベル分解能）を有するものが用いられる。１０は受光素子４からの検出信号５のレベルを基に増幅器６ａ、６ｂの中から適切な増幅器を選択し、この選択された増幅器から出力される検出信号のサンプリングデータを出力信号１１として出力する選択器である。
【００３０】
該装置では、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、有効範囲をフルスケールの１０％から９５％とし、低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍、つまり増幅器６ａの増幅率と増幅器６ｂの増幅率の比率を９．７とした場合について説明するが、無論、是に限られるものではない。
【００３１】
以下、図２を用いて選択器１０の詳細を説明する。図２において、１４は各増幅器６ａ、６ｂから出力される検出信号７ａ、ｂのレベル間の比率として、サンプリングデータ９ａ、９ｂのレベル間の比率１５を常に計算する計算手段、１６は増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率を記憶しているメモリ、１７はサンプリングデータ９ａ、９ｂのレベル間の比率１５と増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率とを比較する比較手段、１８はサンプリングデータ９ａ、９ｂのいずれを出力するかを決定するためのスイッチであって比較手段１７によって操作される。
【００３２】
低倍率側の増幅器６ａの増幅率をＡ、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率をＢとすると、その比率はＢ／Ａとなる。比率１５は、通常の状態において、つまり増幅器６ａ、６ｂとも飽和していない状態において、サンプリングデータ９ａ、９ｂのレベルによらずＢ／Ａとなり、一定である。つまり、通常の状態においては増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率と一致する。
【００３３】
図３は、サンプリングデータ９ａ、９ｂの時間変化を示しており、１２が低倍率側のサンプリングデータ９ａの時間変化曲線であり、１３が高倍率側のサンプリングデータ９ｂの時間変化曲線である。
【００３４】
図３に示すように、検出信号５のレベルが増大していき、時刻ｔ1において高倍率側の増幅器６ｂが飽和を起こすと、増幅器６ｂからの出力である検出信号７ｂも飽和し、サンプリングデータ９ｂは増幅器６ｂの飽和出力に対応したレベルＨOに固定される。この場合ＨOは本来出力されるべきレベルより小さいので、比率１５は比率Ｂ／Ａよりも小さくなる。
【００３５】
また、時刻ｔ2から時刻ｔ4間は高倍率側の増幅器６ｂの飽和状態からの回復過程であるため、サンプリングデータ９ｂとして点線部分で表される正常でないサンプリングデータが出力される。この場合のサンプリングデータ９ｂのレベルは本来出力されるべきレベルより大きいので、比率１５は比率Ｂ／Ａよりも大きくなる。
【００３６】
そこで比較手段１７は、比率１５と比率Ｂ／Ａを比較し、一致している場合には、検出信号５のレベル（大きさ）に応じ、計測するのに適切な増幅率を持つ増幅器からの検出信号のサンプリングデータ、つまり有効範囲内にレベルが収まっているほうのサンプリングデータが出力されるようにスイッチ１８を操作し、一致していない場合には高倍率側の増幅器６ｂが飽和しているか、あるいは飽和後の回復過程であると判断し、低倍率側のサンプリングデータ９ａが出力されるようスイッチ１８を操作する。但し、一致している場合であって有効範囲内に両方のサンプリングデータのレベルが収まっている場合には、受光素子４からの検出信号５のレベル（大きさ）に応じ、計測するのに適切な増幅率を持つ増幅器を選択し、この増幅器からの検出信号のサンプリングデータが出力されるようにスイッチ１８を操作する。
【００３７】
サンプリングデータ９ａ、９ｂが図３に示すような時間変化を示すと、該装置においては、時刻ｔ0から時刻ｔ1間では比率１５と比率Ｂ／Ａが一致しており、サンプリングデータ９ａが有効範囲内であるので、サンプリングデータ９ａが出力され、時刻ｔ1から時刻ｔ2間では比率１５よりも比率Ｂ／Ａの方が大きくなるので、サンプリングデータ９ａが出力され、また時刻ｔ2から時刻ｔ4間では比率１５よりも比率Ｂ／Ａの方が小さくなるので、サンプリングデータ９ａが出力される。また時刻ｔ4にて比率１５が比率Ｂ／Ａと一致すると、有効範囲内にあるサンプリングデータ９ｂが出力される。つまり、出力信号１１として図３の太線で示すサンプリングデータが出力される。そのため、増幅器６ｂが飽和状態から回復する間であって、低倍率側のサンプリングデータ９ａが有効範囲の下限値Ｌを下回る場合（時刻ｔ3から時刻ｔ4間）において、従来例と異なり、正規に増幅されている検出信号７ａのサンプリングデータ９ａが出力されることになる。このとき、低倍率側のサンプリングデータは有効範囲の下限値Ｌを下回っており、量子化雑音等の影響を受ける可能性がある。しかし、低倍率側のサンプリングデータは正規に増幅された検出信号のサンプリングデータであるので、高倍率側の正常でないサンプリングデータを選択するよりも精度の高い計測が可能となる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態１によれば、高倍率側の増幅器が飽和若しくは飽和からの回復過程にあって、正常なサンプリングデータを出力していない場合には、低倍率側の増幅器から出力される正規に増幅された検出信号のサンプリングデータを出力することが可能となる。
【００３９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２の光学計測装置の基本構造は実施の形態１の光学計測装置と同様である。該装置と実施の形態１の光学計測装置との相違点は、比較手段１７がＡ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂからのサンプリングデータのレベル間の比率１５と増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率Ｂ／Ａを比較する際に、若干の誤差を許容する構成とする点にある。
【００４０】
該装置の回路では、常に、計測上重大ではない誤差である白色雑音や量子化誤差などが発生するおそれがあり、白色雑音や量子化誤差などが発生した場合、高倍率側の増幅器が飽和していない状態であっても比率１５が比率Ｂ／Ａと厳密に一致しない可能性がある。また、高倍率側の増幅器が飽和状態若しくは飽和からの回復過程にあって比率１５が比率Ｂ／Ａと一致する可能性もある。また、白色雑音や量子化誤差などが頻繁に発生したときには、その都度スイッチ１８が切り替わるおそれもある。
【００４１】
そこで、該装置では、比率１５が上述した誤差を許容するための範囲を持つ設定値の範囲内であれば、比率１５は比率Ｂ／Ａと一致しているとみなし、設定値の範囲を越えた場合に一致していないとみなすようにする。つまり、上述した誤差を許容するためのある一定の範囲を持つ設定値を増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率Ｂ／Ａに対して設定し、比較手段１７はこの設定値の範囲内にＡ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂからのサンプリングデータのレベル間の比率１５が収まるか否かを判定し、収まっている場合には、比率Ｂ／Ａと比率１５は一致しているものとみなし、収まっていない場合には、比率Ｂ／Ａと比率１５は一致していないものとみなしてスイッチ１８を操作する。
【００４２】
以上のように、該装置では、計測上重大ではない誤差である白色雑音や量子化誤差の影響を避けるため、比率Ｂ／Ａに対応するある一定の範囲を持った設定値を設定し、若干の誤差を許容する構成とする。これにより、計測上重大ではない誤差によるスイッチ１８の切り替わりを避けることが可能となる。
【００４３】
以下、上記設定値について、具体例を挙げて説明する。但し、設定値は以下の具体例に限るものでないことは謂うまでもない。また、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、有効範囲をフルスケールの１０％から９５％とし、低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍、つまり増幅器６ａの増幅率と増幅器６ｂの増幅率の比率を９．７とした場合について説明するが、無論、是に限られるものではない。
【００４４】
例えば、Ａ／Ｄコンバータの量子化誤差を許容する構成とする場合、通常、量子化誤差は０．５ビット巾であるので、これを考慮した設定値をメモリ１６に記憶しておき、比率１５が設定値の範囲内に収まっているか否かを判定する。
【００４５】
低倍率側のサンプリングデータをＶｉとすれば、低倍率側の増幅器から出力される検出信号（Ａ／Ｄコンバータを通る前の検出信号）の値Ｖｉｏに対して
Ｖｉ＝Ｖｉｏ±０．５
となる。同様に高倍率側のサンプリングデータをＶｈとすれば、高倍率側の増幅器から出力される検出信号（Ａ／Ｄコンバータを通る前の検出信号）の値Ｖｈｏに対して
Ｖｈ＝Ｖｈｏ±０．５
となる。従って、
（Ｖｈ／Ｖｉ）／（Ｖｈｏ／Ｖｉｏ）
＝（１±０．５／Ｖｈｏ）／（１±０．５／Ｖｉｏ）
となる。Ｖｉｏが最小でレベル５程度あると判明している場合、上式の分母の最大の巾は１±０．１となる。また、Ｖｉｏが最小でレベル５程度あるので、Ｖｉｏの最小レベル５に低倍率側の増幅器６ａと高倍率側の増幅器６ｂの比率Ｂ／Ａ＝９．７を乗じたレベル４８．５がＶｈｏの最小レベルとなり、上式の分子の最大の巾は約１±０．０１となる。よって式全体の値としては
（Ｖｈ／Ｖｉ）／（Ｖｈｏ／Ｖｉｏ）
＝（１±０．５／Ｖｈｏ）／（１±０．５／Ｖｉｏ）
＝（１＋０．０１）／（１−０．１）〜（１−０．０１）／（１＋０．１）
≒１．１２〜０．９
となるので、これに低倍率側の増幅器６ａと高倍率側の増幅器６ｂの比率Ｂ／Ａ＝９．７を乗じたレベル１０．８６〜レベル８．７３が量子化誤差を許容する構成とした場合の設定値の値となる。
【００４６】
この場合、比率１５が上記レベル１０．８６〜レベル８．７３の範囲内に収まるか否かを判定する。
８．７３ ＜ 比率１５ ＜ １０．８６
また、上記レベル１．１２〜レベル０．９を設定値とし、比率１５と比率Ｂ／Ａの比が上記レベル１．１２〜レベル０．９の範囲内に収まるか否かを判定してもよい。
【００４７】
０．９ ＜ 比率１５／（比率Ｂ／Ａ） ＜ １．１２
また、上記レベル１０．８６〜レベル８．７３から比率Ｂ／Ａ＝９．７を減じたレベル１．１６〜レベル（−０．９７）を設定値とし、比率１５と比率Ｂ／Ａの差が上記レベル１．１６〜レベル（−０．９７）の範囲内に収まるか否かを判定してもよい。
【００４８】
−０．９７ ＜ 比率１５−（比率Ｂ／Ａ） ＜ １．１６
このように、計測上重要ではない誤差を考慮し、計測上重要ではない誤差を許容する範囲を持つ設定値を各増幅器間の増幅率の比率毎に設け、この設定値の範囲内に各増幅器からの検出信号のサンプリングデータのレベル間の比率が収まるか否かを判定することにより、計測上重要ではない誤差によるスイッチの切り替わりを防止することが可能となる。
【００４９】
なお、本実施の形態１、２では、比較手段が各Ａ／Ｄコンバータからのサンプリングデータのレベル間の比率と各増幅器間の増幅率の比率との比較・判定結果に基づいてスイッチを操作する構成としたが、別に制御手段を設け、この制御手段が比較・判定結果に基づいてスイッチを操作する構成としてもよい。
【００５０】
また、本実施の形態１、２では、各増幅器間の増幅率の比率Ｂ／Ａ、若しくは、誤差を許容するための範囲を持つ設定値をメモリに記憶したが、このメモリを書き換え可能とすることによって、選択器の回路を変更することなく増幅率の異なるさまざまなアナログ回路に対応させることが可能となる。
【００５１】
また、本実施の形態１、２では、増幅器とＡ／Ｄコンバータから成る系統を２つ備える場合について説明したが、２つ以上の系統を備え、選択器がこれらの各系統の増幅器間の増幅率の比率とサンプリングデータのレベル間の比率とをそれぞれ比較・判定することで、最も適切なサンプリングデータを出力する構成としてもよい。
【００５２】
また、本実施の形態１、２では、各Ａ／Ｄコンバータから出力されるサンプリングデータのレベル間の比率を求めるために計算手段としてデジタル計算機を設け、各Ａ／Ｄコンバータから出力されるサンプリングデータを選択してスイッチを切り替える比較手段を設けたが、計算手段にアナログ計算機を用いることによって、サンプリングする前の検出信号をスイッチで選択して切り替える構成とすれば、Ａ／Ｄコンバータを１つとすることが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高倍率側の増幅器が飽和状態からの回復途中であるときに検出信号のレベルが大きく変動し、低倍率側のサンプリングデータが有効範囲の下限値を下回るような場合であっても、正規に増幅されている低倍率側のサンプリングデータがそのまま出力され、計測精度の低下を防ぐことができる。
【００５４】
また、各増幅器間の増幅率の比率を記憶するメモリを書き換え可能とすることにより、選択器の回路を変更することなく増幅率の異なるさまざまなアナログ回路に対応させることが可能となる。
【００５５】
また、白色雑音や量子化誤差などを許容する範囲を持つ設定値を各増幅器間の増幅率の比率毎に予め記憶しておき、これらの設定値の範囲内に各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が収まるか否かを判定することにより、白色雑音や量子化誤差などの計測上重大でない誤差の影響を避けることができる。
【００５６】
また、上記設定値を記憶するメモリを書き換え可能とすることにより、選択器の回路を変更することなく増幅率の異なるさまざまなアナログ回路に対応させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における光学計測装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における光学計測装置の選択器の詳細図
【図３】本発明の実施の形態１における各Ａ／Ｄコンバータからのサンプリングデータの時間変化曲線を示す図
【図４】従来の光学計測装置のブロック図
【図５】各Ａ／Ｄコンバータのスケール範囲を説明する図
【図６】従来の各Ａ／Ｄコンバータからのサンプリングデータの時間変化曲線を示す図
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 発光素子から出力される光
３ 測定対象物
４ 受光素子
５ 受光素子から出力される検出信号
６ａ 低倍率側の増幅器
６ｂ 高倍率側の増幅器
７ａ 低倍率側の増幅器により増幅された検出信号
７ｂ 高倍率側の増幅器により増幅された検出信号
８ａ 低倍率側のＡ／Ｄコンバータ
８ｂ 高倍率側のＡ／Ｄコンバータ
９ａ 低倍率側のサンプリングデータ
９ｂ 高倍率側のサンプリングデータ
１０ 選択器
１１ 出力信号
１２ 低倍率側のサンプリングデータの時間変化曲線
１３ 高倍率側のサンプリングデータの時間変化曲線
１４ 計算手段
１５ 低倍率側のサンプリングデータのレベルと高倍率側のサンプリングデータのレベルの比率
１６ メモリ
１７ 比較手段
１８ スイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子と受光素子を用いて測定対象物を計測する光学計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、発光素子から測定対象物へ光を投射し、受光素子がその反射光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の凹凸形状を計測する装置や、受光素子がその透過光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の厚さを計測する装置などの光学計測装置が従来からある。しかし、受光素子から出力される検出信号のレベルが測定対象物によって違うため、単一の増幅器を用いて受光素子の出力を増幅する場合、その増幅率（受光素子の感度）を測定対象物毎に調整しなければならなかった。例えば、透過光を受光して紙（測定対象物）の厚さを計測する装置では、薄い紙を測定する場合には増幅率を低く設定し、厚い紙を測定する場合には増幅率を高く設定する必要があった。
【０００３】
そこで、従来の光学計測装置では、増幅率の異なる複数の増幅器を並列に配置し、これらの出力の中から最も適切なものを選択できるようにする手法が採られている。
【０００４】
以下、増幅率の異なる複数の増幅器を並列に配置し、これらの出力の中から最も適切なものを選択できるようにした従来の光学計測装置について説明する。
図４は、従来の光学計測装置のブロック図を示している。図４において、１は光２を投射する発光素子、３は測定対象物、４は光２が投射された測定対象物３からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子、６ａ、６ｂは受光素子４より出力される検出信号５をそれぞれ異なる増幅率で増幅する増幅器であり、この従来例では増幅器６ａ側の増幅率を増幅器６ｂ側の増幅率よりも低く設定するものとする。８ａ、８ｂは増幅器６ａ、６ｂによって増幅された検出信号７ａ、７ｂをサンプリングデータ９ａ、９ｂに変換するＡ／Ｄコンバータであり、これらはいずれも同一の構成をしており、同一のスケール（例えば、８ビットであれば０〜２５５のレベル分解能）を有するものが用いられる。１０は受光素子４からの検出信号５のレベルを基に増幅器６ａ、６ｂの中から適切な増幅器を選択し、この選択された増幅器から出力される検出信号のサンプリングデータを出力信号１１として出力する選択器である。
【０００５】
図５は、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂのスケール範囲を示している。この図に示すように、低倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ａの出力（サンプリングデータ）のスケールの一部は、高倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ｂによって拡大された形で出力される。
【０００６】
例えば、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、その有効範囲（雑音と飽和の影響を受けにくいサンプリングデータのレベル範囲）をフルスケールの１０％から９５％として用いる構成のときには、低倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ａの有効範囲の下限値Ｌと高倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ｂの有効範囲の上限値Ｈとが同一レベル、あるいは一部重なる状態となるよう、各増幅器６ａ、６ｂの増幅率を設定する。低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍とすれば、Ａ／Ｄコンバータ８ａの有効範囲の下限値Ｌはレベル２５（フルスケールの１０％）となる。これに対して、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率は、高倍率側のＡ／Ｄコンバータ８ｂの有効範囲の上限値Ｈが低倍率側での下限値Ｌ（レベル２５）以上となるように設定する。即ち、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍以下となるように設定すれば、低倍率側の有効範囲の下限値Ｌと高倍率側の有効範囲の上限値Ｈとが連続することになり、どちらかのＡ／Ｄコンバータに接続される増幅器を選択すれば雑音および飽和の影響を受けないサンプリングデータを出力することができる。
【０００７】
以下、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、有効範囲をフルスケールの１０％から９５％とした場合であって、低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍とした場合について説明する。
【０００８】
例えば、低倍率側のサンプリングデータ９ａがレベル５であるとき、この値は下限値Ｌ（レベル２５）以下であるので、高倍率側の増幅器６ｂを選択し、受光素子４からの検出信号５を９．７倍に増幅した検出信号７ｂのサンプリングデータ９ｂ（レベル４８）を選択するのが適切となる（図５参照）。
【０００９】
また、高倍率側のサンプリングデータ９ｂがレベル２５０であるとき、この値は上限値Ｈ（レベル２４２）以上であるので、低倍率側の増幅器６ａを選択し、受光素子４からの検出信号５を１倍に増幅した検出信号７ａのサンプリングデータ９ａ（レベル２５）を選択するのが適切となる。
【００１０】
つまり、低倍率側のサンプリングデータ９ａが下限値Ｌ（レベル２５）以下である場合は、高倍率側の増幅器６ｂを選択するのが適切となり（サンプリングデータ９ｂの選択）、高倍率側のサンプリングデータ９ｂが上限値Ｈ（レベル２４２）以上である場合は、低倍率側の増幅器６ａを選択するのが適切となる（サンプリングデータ９ａの選択）。
【００１１】
そこで、選択器１０は、取得したサンプリングデータ９ａ、９ｂのうちＡ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂの有効範囲に存在しているほうを有効と判断し、対応する側のサンプリングデータが出力されるようにしている。
【００１２】
以上のように、従来の光学計測装置は、増幅率の異なる複数の増幅器を並列に配置し、これらの増幅器の中から最も適切なものを選択できるようにしていた。
しかしながら、上述のような構成では、ひとつの測定対象物を計測中に検出信号のレベルが大きく変動した場合において、以下に挙げる問題が生ずるおそれがある。
【００１３】
図６は、サンプリングデータ９ａ、９ｂの時間変化を示しており、１２が低倍率側のサンプリングデータ９ａの時間変化曲線であり、１３が高倍率側のサンプリングデータ９ｂの時間変化曲線である。
【００１４】
図６に示すように、検出信号５のレベルが増大していき、時刻ｔ0においてサンプリングデータ９ｂのレベルが上限値Ｈを越えると、選択器１０はサンプリングデータ９ａを有効と判定し、このサンプリングデータ９ａを出力信号１１とする。
【００１５】
さらに検出信号５のレベルが増大していき、時刻ｔ1において高倍率側の増幅器６ｂが飽和を起こすと、増幅器６ｂからの出力である検出信号７ｂも飽和し、サンプリングデータ９ｂは増幅器６ｂの飽和出力に対応した値ＨOに固定される。
【００１６】
この後、時刻ｔ2において高倍率側の増幅器６ｂが飽和を起こさないレベルまで検出信号５のレベルが減少したとしても、実際に高倍率側の増幅器６ｂが飽和状態から回復するまでには時間がかかるため、増幅器６ｂから出力される検出信号７ｂは正常な値ではなく、検出信号５のレベルとサンプリングデータ９ｂのレベルの関係が正常に戻るには時刻ｔ4まで待たなければならない。
【００１７】
図６のサンプリングデータ９ｂの時間変化曲線１３のうち、時刻時刻ｔ2から時刻ｔ4間の点線部分は、高倍率側の増幅器６ｂが飽和状態から回復するまでにＡ／Ｄコンバータ８ｂから出力される正常でないサンプリングデータを表し、実線部分が本来出力されるべき正常なサンプリングデータを表している。
【００１８】
サンプリングデータ９ａ、９ｂが図６に示すような時間変化を示すと、上述した従来の装置においては、時刻ｔ3においてサンプリングデータ９ａのレベルが低倍率側での下限値Ｌを下回るので、選択器１０がサンプリングデータ９ｂを有効と判定し、出力信号１１とする。つまり、出力信号１１として図６の太線で示すサンプリングデータが出力される。そのため、時刻ｔ3から時刻ｔ4間においては、高倍率側の増幅器６ｂから出力される正常でない検出信号７ｂのサンプリングデータ９ｂが選択され、出力信号１１が不適切なものとなる。
【００１９】
このように、従来の光学計測装置は、高倍率側の増幅器が飽和した後、その飽和状態からの回復途中に検出信号のレベルが大きく変動して低倍率側のサンプリングデータが下限値を下回るような場合、出力が不適切なものとなり計測精度の低下を招くことになる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するために、通常の状態において増幅器間の増幅率の比率が増幅器から出力される検出信号のレベル間にも成立していることを利用し、各増幅器間の増幅率の比率と各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、受光素子の出力する検出信号のレベルに応じて、計測するのに適切な増幅率を持つ増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する構成とする。これによって、高倍率側の増幅器が飽和状態からの回復途中であるときに検出信号のレベルが大きく変動し、低倍率側のサンプリングデータが有効範囲の下限値を下回るような場合であっても、正規に増幅されている低倍率側のサンプリングデータがそのまま出力され、計測精度の低下を防ぐことができる光学計測装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明における請求項１記載の光学計測装置は、測定対象物に光を投射する発光素子と、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子と、前記受光素子の出力する検出信号をそれぞれ異なった増幅率にて増幅する２つ以上の増幅器と、前記各増幅器間の増幅率の比率と前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する選択器とを備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明における請求項２記載の光学計測装置は、請求項１記載の光学計測装置であって、前記選択器は、前記各増幅器間の増幅率の比率を記憶する書き換え可能なメモリを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明における請求項３記載の光学計測装置は、測定対象物に光を投射する発光素子と、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子と、前記受光素子の出力する検出信号をそれぞれ異なった増幅率にて増幅する２つ以上の増幅器と、前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値の範囲内に収まっているか否かを判定し、収まっている場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、収まっていない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する選択器とを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明における請求項４記載の光学計測装置は、請求項３記載の光学計測装置であって、前記選択器は、前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値を記憶する書き換え可能なメモリを有することを特徴とする。
【００２５】
本発明における請求項５記載の光学計測方法は、発光素子によって測定対象物に光を投射し、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光素子にて受光し、それぞれ異なった増幅率の設定された増幅器によって前記受光素子の出力する検出信号を増幅し、前記各増幅器間の増幅率の比率と前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択することを特徴とする。
【００２６】
本発明における請求項６記載の光学計測方法は、発光素子によって測定対象物に光を投射し、前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光素子にて受光し、それぞれ異なった増幅率の設定された増幅器によって前記受光素子の出力する検出信号を増幅し、前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値の範囲内に収まっているか否かを判定し、収まっている場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、収まっていない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択することを特徴とする。
【００２７】
以上のように、本発明によれば、高倍率側の増幅器が飽和状態からの回復途中であるときに検出信号のレベルが大きく変動し、低倍率側のサンプリングデータが有効範囲の下限値を下回るような場合であっても、正規に増幅されている低倍率側のサンプリングデータがそのまま出力され、計測精度の低下を防ぐことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を交えて説明する。本実施の形態の光学計測装置は、例えば、発光素子から測定対象物へ光を投射し、受光素子がその反射光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の凹凸形状を計測する装置や、受光素子がその透過光を受光して出力する検出信号のレベルを基に測定対象物の厚さを計測する装置として使用される。なお、前述した従来例と同じ構成を有する部材には同一の番号を付記して、説明を省略する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の光学計測装置のブロック図を示している。図１において、１は光２を投射する発光素子、３は測定対象物、４は光２が投射された測定対象物３からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子、６ａ、６ｂは受光素子４より出力される検出信号５をそれぞれ異なる増幅率で増幅する増幅器であり、該装置では増幅器６ａ側の増幅率を増幅器６ｂ側の増幅率よりも低く設定するものとする。８ａ、８ｂは増幅器６ａ、６ｂによって増幅された検出信号７ａ、７ｂをサンプリングデータ９ａ、９ｂに変換するＡ／Ｄコンバータであり、これらはいずれも同一の構成をしており、同一のスケール（例えば、８ビットであれば０〜２５５のレベル分解能）を有するものが用いられる。１０は受光素子４からの検出信号５のレベルを基に増幅器６ａ、６ｂの中から適切な増幅器を選択し、この選択された増幅器から出力される検出信号のサンプリングデータを出力信号１１として出力する選択器である。
【００３０】
該装置では、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、有効範囲をフルスケールの１０％から９５％とし、低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍、つまり増幅器６ａの増幅率と増幅器６ｂの増幅率の比率を９．７とした場合について説明するが、無論、是に限られるものではない。
【００３１】
以下、図２を用いて選択器１０の詳細を説明する。図２において、１４は各増幅器６ａ、６ｂから出力される検出信号７ａ、ｂのレベル間の比率として、サンプリングデータ９ａ、９ｂのレベル間の比率１５を常に計算する計算手段、１６は増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率を記憶しているメモリ、１７はサンプリングデータ９ａ、９ｂのレベル間の比率１５と増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率とを比較する比較手段、１８はサンプリングデータ９ａ、９ｂのいずれを出力するかを決定するためのスイッチであって比較手段１７によって操作される。
【００３２】
低倍率側の増幅器６ａの増幅率をＡ、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率をＢとすると、その比率はＢ／Ａとなる。比率１５は、通常の状態において、つまり増幅器６ａ、６ｂとも飽和していない状態において、サンプリングデータ９ａ、９ｂのレベルによらずＢ／Ａとなり、一定である。つまり、通常の状態においては増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率と一致する。
【００３３】
図３は、サンプリングデータ９ａ、９ｂの時間変化を示しており、１２が低倍率側のサンプリングデータ９ａの時間変化曲線であり、１３が高倍率側のサンプリングデータ９ｂの時間変化曲線である。
【００３４】
図３に示すように、検出信号５のレベルが増大していき、時刻ｔ1において高倍率側の増幅器６ｂが飽和を起こすと、増幅器６ｂからの出力である検出信号７ｂも飽和し、サンプリングデータ９ｂは増幅器６ｂの飽和出力に対応したレベルＨOに固定される。この場合ＨOは本来出力されるべきレベルより小さいので、比率１５は比率Ｂ／Ａよりも小さくなる。
【００３５】
また、時刻ｔ2から時刻ｔ4間は高倍率側の増幅器６ｂの飽和状態からの回復過程であるため、サンプリングデータ９ｂとして点線部分で表される正常でないサンプリングデータが出力される。この場合のサンプリングデータ９ｂのレベルは本来出力されるべきレベルより大きいので、比率１５は比率Ｂ／Ａよりも大きくなる。
【００３６】
そこで比較手段１７は、比率１５と比率Ｂ／Ａを比較し、一致している場合には、検出信号５のレベル（大きさ）に応じ、計測するのに適切な増幅率を持つ増幅器からの検出信号のサンプリングデータ、つまり有効範囲内にレベルが収まっているほうのサンプリングデータが出力されるようにスイッチ１８を操作し、一致していない場合には高倍率側の増幅器６ｂが飽和しているか、あるいは飽和後の回復過程であると判断し、低倍率側のサンプリングデータ９ａが出力されるようスイッチ１８を操作する。但し、一致している場合であって有効範囲内に両方のサンプリングデータのレベルが収まっている場合には、受光素子４からの検出信号５のレベル（大きさ）に応じ、計測するのに適切な増幅率を持つ増幅器を選択し、この増幅器からの検出信号のサンプリングデータが出力されるようにスイッチ１８を操作する。
【００３７】
サンプリングデータ９ａ、９ｂが図３に示すような時間変化を示すと、該装置においては、時刻ｔ0から時刻ｔ1間では比率１５と比率Ｂ／Ａが一致しており、サンプリングデータ９ａが有効範囲内であるので、サンプリングデータ９ａが出力され、時刻ｔ1から時刻ｔ2間では比率１５よりも比率Ｂ／Ａの方が大きくなるので、サンプリングデータ９ａが出力され、また時刻ｔ2から時刻ｔ4間では比率１５よりも比率Ｂ／Ａの方が小さくなるので、サンプリングデータ９ａが出力される。また時刻ｔ4にて比率１５が比率Ｂ／Ａと一致すると、有効範囲内にあるサンプリングデータ９ｂが出力される。つまり、出力信号１１として図３の太線で示すサンプリングデータが出力される。そのため、増幅器６ｂが飽和状態から回復する間であって、低倍率側のサンプリングデータ９ａが有効範囲の下限値Ｌを下回る場合（時刻ｔ3から時刻ｔ4間）において、従来例と異なり、正規に増幅されている検出信号７ａのサンプリングデータ９ａが出力されることになる。このとき、低倍率側のサンプリングデータは有効範囲の下限値Ｌを下回っており、量子化雑音等の影響を受ける可能性がある。しかし、低倍率側のサンプリングデータは正規に増幅された検出信号のサンプリングデータであるので、高倍率側の正常でないサンプリングデータを選択するよりも精度の高い計測が可能となる。
【００３８】
以上のように、本実施の形態１によれば、高倍率側の増幅器が飽和若しくは飽和からの回復過程にあって、正常なサンプリングデータを出力していない場合には、低倍率側の増幅器から出力される正規に増幅された検出信号のサンプリングデータを出力することが可能となる。
【００３９】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２の光学計測装置の基本構造は実施の形態１の光学計測装置と同様である。該装置と実施の形態１の光学計測装置との相違点は、比較手段１７がＡ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂからのサンプリングデータのレベル間の比率１５と増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率Ｂ／Ａを比較する際に、若干の誤差を許容する構成とする点にある。
【００４０】
該装置の回路では、常に、計測上重大ではない誤差である白色雑音や量子化誤差などが発生するおそれがあり、白色雑音や量子化誤差などが発生した場合、高倍率側の増幅器が飽和していない状態であっても比率１５が比率Ｂ／Ａと厳密に一致しない可能性がある。また、高倍率側の増幅器が飽和状態若しくは飽和からの回復過程にあって比率１５が比率Ｂ／Ａと一致する可能性もある。また、白色雑音や量子化誤差などが頻繁に発生したときには、その都度スイッチ１８が切り替わるおそれもある。
【００４１】
そこで、該装置では、比率１５が上述した誤差を許容するための範囲を持つ設定値の範囲内であれば、比率１５は比率Ｂ／Ａと一致しているとみなし、設定値の範囲を越えた場合に一致していないとみなすようにする。つまり、上述した誤差を許容するためのある一定の範囲を持つ設定値を増幅器６ａ、６ｂ間の増幅率の比率Ｂ／Ａに対して設定し、比較手段１７はこの設定値の範囲内にＡ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂからのサンプリングデータのレベル間の比率１５が収まるか否かを判定し、収まっている場合には、比率Ｂ／Ａと比率１５は一致しているものとみなし、収まっていない場合には、比率Ｂ／Ａと比率１５は一致していないものとみなしてスイッチ１８を操作する。
【００４２】
以上のように、該装置では、計測上重大ではない誤差である白色雑音や量子化誤差の影響を避けるため、比率Ｂ／Ａに対応するある一定の範囲を持った設定値を設定し、若干の誤差を許容する構成とする。これにより、計測上重大ではない誤差によるスイッチ１８の切り替わりを避けることが可能となる。
【００４３】
以下、上記設定値について、具体例を挙げて説明する。但し、設定値は以下の具体例に限るものでないことは謂うまでもない。また、Ａ／Ｄコンバータ８ａ、８ｂに８ビット（０〜２５５のレベル分解能）のものを用い、有効範囲をフルスケールの１０％から９５％とし、低倍率側の増幅器６ａの増幅率を１倍、高倍率側の増幅器６ｂの増幅率を９．７倍、つまり増幅器６ａの増幅率と増幅器６ｂの増幅率の比率を９．７とした場合について説明するが、無論、是に限られるものではない。
【００４４】
例えば、Ａ／Ｄコンバータの量子化誤差を許容する構成とする場合、通常、量子化誤差は０．５ビット巾であるので、これを考慮した設定値をメモリ１６に記憶しておき、比率１５が設定値の範囲内に収まっているか否かを判定する。
【００４５】
低倍率側のサンプリングデータをＶｉとすれば、低倍率側の増幅器から出力される検出信号（Ａ／Ｄコンバータを通る前の検出信号）の値Ｖｉｏに対して
Ｖｉ＝Ｖｉｏ±０．５
となる。同様に高倍率側のサンプリングデータをＶｈとすれば、高倍率側の増幅器から出力される検出信号（Ａ／Ｄコンバータを通る前の検出信号）の値Ｖｈｏに対して
Ｖｈ＝Ｖｈｏ±０．５
となる。従って、
（Ｖｈ／Ｖｉ）／（Ｖｈｏ／Ｖｉｏ）
＝（１±０．５／Ｖｈｏ）／（１±０．５／Ｖｉｏ）
となる。Ｖｉｏが最小でレベル５程度あると判明している場合、上式の分母の最大の巾は１±０．１となる。また、Ｖｉｏが最小でレベル５程度あるので、Ｖｉｏの最小レベル５に低倍率側の増幅器６ａと高倍率側の増幅器６ｂの比率Ｂ／Ａ＝９．７を乗じたレベル４８．５がＶｈｏの最小レベルとなり、上式の分子の最大の巾は約１±０．０１となる。よって式全体の値としては
（Ｖｈ／Ｖｉ）／（Ｖｈｏ／Ｖｉｏ）
＝（１±０．５／Ｖｈｏ）／（１±０．５／Ｖｉｏ）
＝（１＋０．０１）／（１−０．１）〜（１−０．０１）／（１＋０．１）
≒１．１２〜０．９
となるので、これに低倍率側の増幅器６ａと高倍率側の増幅器６ｂの比率Ｂ／Ａ＝９．７を乗じたレベル１０．８６〜レベル８．７３が量子化誤差を許容する構成とした場合の設定値の値となる。
【００４６】
この場合、比率１５が上記レベル１０．８６〜レベル８．７３の範囲内に収まるか否かを判定する。
８．７３ ＜ 比率１５ ＜ １０．８６
また、上記レベル１．１２〜レベル０．９を設定値とし、比率１５と比率Ｂ／Ａの比が上記レベル１．１２〜レベル０．９の範囲内に収まるか否かを判定してもよい。
【００４７】
０．９ ＜ 比率１５／（比率Ｂ／Ａ） ＜ １．１２
また、上記レベル１０．８６〜レベル８．７３から比率Ｂ／Ａ＝９．７を減じたレベル１．１６〜レベル（−０．９７）を設定値とし、比率１５と比率Ｂ／Ａの差が上記レベル１．１６〜レベル（−０．９７）の範囲内に収まるか否かを判定してもよい。
【００４８】
−０．９７ ＜ 比率１５−（比率Ｂ／Ａ） ＜ １．１６
このように、計測上重要ではない誤差を考慮し、計測上重要ではない誤差を許容する範囲を持つ設定値を各増幅器間の増幅率の比率毎に設け、この設定値の範囲内に各増幅器からの検出信号のサンプリングデータのレベル間の比率が収まるか否かを判定することにより、計測上重要ではない誤差によるスイッチの切り替わりを防止することが可能となる。
【００４９】
なお、本実施の形態１、２では、比較手段が各Ａ／Ｄコンバータからのサンプリングデータのレベル間の比率と各増幅器間の増幅率の比率との比較・判定結果に基づいてスイッチを操作する構成としたが、別に制御手段を設け、この制御手段が比較・判定結果に基づいてスイッチを操作する構成としてもよい。
【００５０】
また、本実施の形態１、２では、各増幅器間の増幅率の比率Ｂ／Ａ、若しくは、誤差を許容するための範囲を持つ設定値をメモリに記憶したが、このメモリを書き換え可能とすることによって、選択器の回路を変更することなく増幅率の異なるさまざまなアナログ回路に対応させることが可能となる。
【００５１】
また、本実施の形態１、２では、増幅器とＡ／Ｄコンバータから成る系統を２つ備える場合について説明したが、２つ以上の系統を備え、選択器がこれらの各系統の増幅器間の増幅率の比率とサンプリングデータのレベル間の比率とをそれぞれ比較・判定することで、最も適切なサンプリングデータを出力する構成としてもよい。
【００５２】
また、本実施の形態１、２では、各Ａ／Ｄコンバータから出力されるサンプリングデータのレベル間の比率を求めるために計算手段としてデジタル計算機を設け、各Ａ／Ｄコンバータから出力されるサンプリングデータを選択してスイッチを切り替える比較手段を設けたが、計算手段にアナログ計算機を用いることによって、サンプリングする前の検出信号をスイッチで選択して切り替える構成とすれば、Ａ／Ｄコンバータを１つとすることが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高倍率側の増幅器が飽和状態からの回復途中であるときに検出信号のレベルが大きく変動し、低倍率側のサンプリングデータが有効範囲の下限値を下回るような場合であっても、正規に増幅されている低倍率側のサンプリングデータがそのまま出力され、計測精度の低下を防ぐことができる。
【００５４】
また、各増幅器間の増幅率の比率を記憶するメモリを書き換え可能とすることにより、選択器の回路を変更することなく増幅率の異なるさまざまなアナログ回路に対応させることが可能となる。
【００５５】
また、白色雑音や量子化誤差などを許容する範囲を持つ設定値を各増幅器間の増幅率の比率毎に予め記憶しておき、これらの設定値の範囲内に各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が収まるか否かを判定することにより、白色雑音や量子化誤差などの計測上重大でない誤差の影響を避けることができる。
【００５６】
また、上記設定値を記憶するメモリを書き換え可能とすることにより、選択器の回路を変更することなく増幅率の異なるさまざまなアナログ回路に対応させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における光学計測装置のブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における光学計測装置の選択器の詳細図
【図３】本発明の実施の形態１における各Ａ／Ｄコンバータからのサンプリングデータの時間変化曲線を示す図
【図４】従来の光学計測装置のブロック図
【図５】各Ａ／Ｄコンバータのスケール範囲を説明する図
【図６】従来の各Ａ／Ｄコンバータからのサンプリングデータの時間変化曲線を示す図
【符号の説明】
１ 発光素子
２ 発光素子から出力される光
３ 測定対象物
４ 受光素子
５ 受光素子から出力される検出信号
６ａ 低倍率側の増幅器
６ｂ 高倍率側の増幅器
７ａ 低倍率側の増幅器により増幅された検出信号
７ｂ 高倍率側の増幅器により増幅された検出信号
８ａ 低倍率側のＡ／Ｄコンバータ
８ｂ 高倍率側のＡ／Ｄコンバータ
９ａ 低倍率側のサンプリングデータ
９ｂ 高倍率側のサンプリングデータ
１０ 選択器
１１ 出力信号
１２ 低倍率側のサンプリングデータの時間変化曲線
１３ 高倍率側のサンプリングデータの時間変化曲線
１４ 計算手段
１５ 低倍率側のサンプリングデータのレベルと高倍率側のサンプリングデータのレベルの比率
１６ メモリ
１７ 比較手段
１８ スイッチ
Claims (6)
- 測定対象物に光を投射する発光素子と、
前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力する検出信号をそれぞれ異なった増幅率にて増幅する２つ以上の増幅器と、
前記各増幅器間の増幅率の比率と前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する選択器と
を備えることを特徴とする光学計測装置。 - 前記選択器は、前記各増幅器間の増幅率の比率を記憶する書き換え可能なメモリを有することを特徴とする請求項１記載の光学計測装置。
- 測定対象物に光を投射する発光素子と、
前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光する受光素子と、
前記受光素子の出力する検出信号をそれぞれ異なった増幅率にて増幅する２つ以上の増幅器と、
前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値の範囲内に収まっているか否かを判定し、収まっている場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、収まっていない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する選択器と
を備えることを特徴とする光学計測装置。 - 前記選択器は、前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値を記憶する書き換え可能なメモリを有することを特徴とする請求項３記載の光学計測装置。
- 発光素子によって測定対象物に光を投射し、
前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光素子にて受光し、
それぞれ異なった増幅率の設定された増幅器によって前記受光素子の出力する検出信号を増幅し、
前記各増幅器間の増幅率の比率と前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率とを比較し、一致している場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、一致していない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する
ことを特徴とする光学計測方法。 - 発光素子によって測定対象物に光を投射し、
前記測定対象物からの反射光若しくは透過光を受光素子にて受光し、
それぞれ異なった増幅率の設定された増幅器によって前記受光素子の出力する検出信号を増幅し、
前記各増幅器から出力される検出信号のレベル間の比率が前記各増幅器間の増幅率の比率毎に設定されている設定値の範囲内に収まっているか否かを判定し、収まっている場合には、前記受光素子の出力する検出信号のレベルに応じた増幅器を選択し、収まっていない場合には、現在選択している増幅器をそのまま選択する
ことを特徴とする光学計測方法。
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| JP2001335923A JP3827557B2 (ja) | 2001-11-01 | 2001-11-01 | 光学計測装置、及び光学計測方法 |
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| JP2001335923A JP3827557B2 (ja) | 2001-11-01 | 2001-11-01 | 光学計測装置、及び光学計測方法 |
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-
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