JP4589648B2 - 光学測定装置及びこれらの距離測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学測定装置及びこれらの距離測定方法に関する。

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対象物の距離及び傾きを測定するものであり、距離測定用光学系と傾き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対象物に対して斜めから投射し、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おり、その撮像面における結像位置により被測定対象物の距離を測定することができる。
また、傾き測定用光学系は、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対象物に対して斜めから投射し、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おり、その撮像面における結像位置により被測定対象物の傾きを測定することができる。
特開平８−２４０４０８号公報

ところで、レンズの球面収差をはじめとする種々の収差が原因となって、被測定対象物からの反射光のスポット径がばらつくことは周知の事実である。
上記構成の場合では、図１４に示すように、被測定対象物Ｗからの反射光がレンズ１０１の中心軸Ｃ付近を通過した場合と、中心軸Ｃから離れた周縁領域付近を通過した場合とでは、周縁領域付近を通過した場合の方が受光スポットが拡大されることとなる。これら両受光スポットの受光量分布をプロファイリングすると、両者は山型形状とされるのは共通しているものの、レンズ１０１の周縁領域付近を通過した場合のほうが最大受光量とされる画素の受光量は低くなっており、また、山型形状の傾斜がなだらかとなっていることは一目瞭然である。従って、閾値を固定とすることは測定精度がばらついてしまうから、最大受光量に基づいて閾値を決定することが不可欠となる。

しかしながら、上記のような閾値の設定方法であっても、やはり測定精度にばらつきが生じてしまう。即ち、分解能が一定に定まらないという不具合をはらんでいたのである。
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、一義的な誤差でもって距離測定を行なうことができる距離測定装置、光学測定装置及びこれらの距離測定方法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の発明は、距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置において、
前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出し、当該最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光素子の受光量と前記閾値との差分値の和である総合体積値を算出し、その総合体積値が所定体積値と一致したときには、検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する測定手段を備えるところに特徴を有する。

請求項２の発明は、距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置において、
前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出し、当該基準受光素子を基準として受光スポットにおける各受光素子の受光量に基づいて総合面積値を算出し、この総合面積値が所定面積値と一致したときには検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する測定手段を備えるところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のものにおいて、前記距離測定用撮像手段は２次元撮像素子から構成されているところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項３に記載のものにおいて、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号を受信して各画素の受光量に関する情報を記憶する距離測定用記憶手段と、
前記受光量に関する情報から所定の閾値よりも高い受光量とされる画素を検出する距離測定用画素検出手段とを備え、
前記測定手段は前記距離測定用画素検出手段で検出された画素において、最大受光量とされる画素を前記基準受光素子として検出するところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項４に記載のものにおいて、前記画素検出手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられているところに特徴を有する。

請求項６の発明は、請求項３に記載のものにおいて、各画素の受光量に基づいて特定の画素を選択する距離測定用画素選択手段と、
前記距離測定用画素選択手段により選択された画素の受光量に関する情報を記憶する距離測定用記憶手段とを備え、
前記測定手段は前記距離測定用記憶手段に記憶された前記受光量に関する情報に基づき、最大受光量とされる画素を前記基準受光素子として検出するところに特徴を有する。

請求項７の発明は、請求項６に記載のものにおいて、前記距離測定用画素選択手段は、
前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号を基に各画素の受光量を所定の閾値と比較し、当該所定の閾値を上回る受光量とされる画素を選択するところに特徴を有する。

請求項８の発明は、請求項６に記載のものにおいて、前記距離測定用画素選択手段は、
前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号を基に各画素の受光量を所定の閾値と比較し、当該所定の閾値を上回る受光量とされる画素を含むように領域を指定し、その領域内に含まれる画素の撮像信号を受信するように動作するところに特徴を有する。

請求項９の発明は、請求項６ないし請求項８に記載のものにおいて、前記画素選択手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられているところに特徴を有する。

請求項１０の発明は、距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置における距離測定方法であって、
前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出する処理と、
前記最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光素子の受光量と前記閾値との差分値の和である総合体積値を算出する処理と、
その総合体積値が所定体積値と一致したときには、検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する処理とを含むところに特徴を有する。

請求項１１の発明は、距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置における距離測定方法であって、
前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出する処理と、
前記最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光量の受光素子数の合計値である総合面積値を算出する処理と、
その総合面積値が所定面積値と一致したときには検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する処理とを含むところに特徴を有する。

＜請求項１，２，３，１０，１１の発明＞
上記発明では、総合体積値あるいは総合面積値を所定の値に固定して閾値に設定するようにしている。
そもそも、上記の距離測定の方法に到達したのには、発明者による鋭意研究によるところが多大にあり、従来の距離測定の方法からは容易に想到することは極めて困難である。

まず、図６に示すように、レンズの中心軸あるいはその近辺を通過した光とレンズの周縁領域を通過した光とでは、その最大受光量が相違している。それぞれの最大受光量における所定割合の値を閾値と定めた場合、両者間で測定精度が一致していないことは明らかである。この図６に示されているグラフが背景技術で述べた従来の距離測定方法の問題点を明確に表している。

一方、図７に示すように、受光素子群のうち最大受光量とされる基準受光素子を基準として、その最大受光量から所定割合の値を閾値として設定し、閾値を上回る受光量とされる受光素子を検出しつつ、検出された受光素子の受光量と閾値との差分値の和となる総合体積値を算出する。上記の閾値を変更しながら算出された総合体積値と閾値との関係を確認したところ、その関係は逆比例となっていることが発明者が行なった実験によって明らかにされた。

そして、上記図６及び図７から測定精度と総合体積値との関係が導かれ、これによると、総合体積値が所定の体積値となるように閾値を設定することで、測定精度が略一定となることが確認された（図８参照）。
従って、上記方法で距離測定を行なうことで、測定精度のばらつきをなくすることができ、もって、測定精度の安定化を図ることができる。

また、受光素子群として２次元撮像素子を用いた構成としても良い。これによれば、被測定対象物からの反射光が２次元的に移動する場合であっても確実に距離測定を行なうことができる。特に、上記光学測定装置のように被測定対象物の傾き及び距離測定を行なう場合には、被測定対象物からの反射光が２次元的に移動することとなるから、このような場合には好適な構成とされる。

＜請求項８の発明＞
上記発明では、所定の閾値以上の受光量とされている画素を検出し、その検出された画素から受光中心位置（最大輝度位置、面積重心位置、体積重心位置）を検出するようにしている。このようにすれば全画素の受光量情報を参照することなく受光中心位置を検出することが出来るから、処理時間の短縮化を図ることができる。

＜請求項４，６，７の発明＞
このような構成では、受光中心位置の検出において不要な受光量情報が排除されて、処理時間の短縮化を図ることができる。
例えば、複数回にわたって測定動作を行ない、それぞれの結果に基づいての傾角または距離を算出する場合には、初回の測定動作において、撮像面における全画素を指定し、２回目以降の測定動作では、初回の測定動作における各画素の受光量を基に光照射面において受光中心位置の検出に必要な領域を指定するようにすればよい。このようにすることで、２回目以降の測定動作の処理時間を短縮化することができるという利点がある。

＜請求項５，９の発明＞
例えば、測定対象物の傾き角（距離）が装置の測定許容範囲から外れた場合には、撮像手段に被測定物からの反射光が照射されなくなる。このようなイレギュラーな使用においては、正確な測定を行なうことができないから、管理者や使用者に対して何らかの方法により測定できないことを知らしめなければならない。
これに対して、上記発明では、測定不能とされた場合には、報知手段にて報知することができるから、確実な測定に寄与することができる。

＜実施形態１＞
本発明に係る光学測定装置の実施形態１を図１ないし図８を参照して説明する。本実施形態の構成は図１に示す通りであり、角度測定用レーザ光源１１及び距離測定用レーザ光源２１から出射された光をダイクロイックミラー３１、ビームスプリッタ３２及びコリメータレンズ３３（「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（被測定対象物）に両者の光を照射し、正反射光をコリメータレンズ３３、ビームスプリッタ３２及びダイクロイックミラー３４を介して例えば２次元ＣＣＤからなる角度測定用撮像素子１２及び同じく２次元ＣＣＤからなる距離測定用撮像素子２２（「受光素子群」、「２次元撮像素子」に相当）の撮像面に照射し、その照射位置に基づいてＣＰＵ４（「設定手段」に相当）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１１，２１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１１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２１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１１，２１にはそれぞれレーザ駆動回路１３，２３が接続されており，ＣＰＵ４からの制御信号Ｓａ，Ｓｂに基づいてそれぞれのレーザ光源１１，２１に駆動電流Ｉａ，Ｉｂを供給する（角度測定用レーザ光源１１及びレーザ駆動回路１３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２１及びレーザ駆動回路２３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１１，２１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３１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１１のレーザ光はこのダイクロイックミラー３１を透過してビームスプリッタ３２に向かうとともに、距離測定用レーザ光源２１からの光はこのダイクロイックミラー３１を反射してビームスプリッタ３２に向かう。
また、角度測定用レーザ光源１１からのレーザ光はダイクロイックミラー３１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２１からのレーザ光はダイクロイックミラー３１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。これによって、角度測定用レーザ光源１１の光線軸は光学系の光軸ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）と平行とされるとともに、距離測定用レーザ光源２１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３２を反射したレーザ光はコリメータレンズ３３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１１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２１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１１のレーザ光よりもレーザ光源２１のレーザ光のほうが小さくされており、かつ、レーザ光源２１のレーザ光はレーザ光源１１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３３により集光され、上記ダイクロイックミラー３１と同様の特性を有するダイクロイックミラー３４により、角度測定用レーザ光源１１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１２の撮像面に結像して集光スポットが形成される。また、距離測定用レーザ光源２１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３４を反射して距離測定用撮像素子２２の撮像面に照射される。この距離測定用撮像素子２２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２２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１２及び距離測定用撮像素子２２は撮像面上に形成されている光像あるいは集光スポットに応じたディジタル信号列からなる撮像信号Ｓｃ，ＳｄをＣＰＵ４に送信する。当該撮像信号は各画素における受光量を例えば０〜２５５までの数値に振り分け、この数値をディジタル信号としてＣＰＵ４に送信するようになっている。
尚、撮像面１２Ａ，２１Ａにおいて、図１０における横方向をＸ軸、縦方向をＹ軸とする座標系を設定し、撮像面１５Ａの中央を原点Ｏと規定する。また、撮像面１２Ａ，２１Ａは複数の画素がマトリクス状に配されて矩形形状に構成されている。

ＣＰＵ４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１２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２２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３３からワークＷまでの距離とを測定する。

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。

「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、詳細な説明は割愛する。まず、角度測定用撮像素子１２からの撮像信号Ｓｃから、最大の受光量を有する画素を集光スポットＳの中心位置Ｓ０と決定し、撮像面における基準位置Ｒａ（例えば、撮像面の中央位置）と中心位置Ｓ０との位置関係から傾きの方向と傾き角とを算出する。

「距離検出」
例えば、ワークＷが図１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２参照）、角度測定用撮像素子１２の撮像面に形成される集光スポットの位置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、距離測定については、距離測定用撮像素子１２２の撮像面における光像Ｌ１の形成位置及び前記集光スポットの位置Ｓ１とに基づいて距離ｄ１が測定される。

ワークＷが図１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３参照）、角度測定用撮像素子２２の撮像面に形成される集光スポットの位置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１１２の撮像面における光像Ｌ２の形成位置及び前記集光スポットの位置Ｓ２とに基づいて距離ｄ２が測定される。

ワークＷが図１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４参照）、角度測定用撮像素子１２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の撮像面に形成される光像Ｌ３は（２）の位置の場合の光像Ｌ２と異なる位置に形成される。しかしながら、光像Ｌ３の形成位置と前記集光スポットの位置Ｓ３とに基づいて距離を算出しているから、結局、距離はｄ２と測定される。

上記距離測定をさらに詳しく説明する。
図５のフローチャートに示すように、距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄに基づいて撮像素子２２を構成する画素群のうち最大受光量とされている基準画素を検出し（ステップＳ１０）、その最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光量とされる画素を検出するとともに、検出された画素の受光量と閾値との差分値の和となる総合体積値を算出する（ステップＳ２０）。その総合体積値が所定体積値と一致したときには（ステップＳ３０で「Ｙ」）、その総合体積値を算出する際に検出された画素群において重心に相当する画素を算出し、この重心に相当する画素を受光スポットの位置として特定し、上記の基準位置Ｒａに相当する画素との位置関係に基づいて被測定対象物の距離を算出する（ステップＳ４０）。

尚、「重心位置」には、いわゆる面積重心位置と体積重心位置とが含まれ、それぞれ次のように定義される。
＜面積重心位置＞
面積重心位置＝{Σ（ＭＩ）／ΣＭ}
Ｉ：撮像素子の受光面上における任意の領域内の各画素の位置ベクトル
Ｍ：上記各画素の受光量レベルが所定レベル以上であるときには例えば１、そうでないときには０
＜体積重心位置＞
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

上記の距離算出方法についての根拠を以下に示す。
まず、図１４に示したように、レンズ３３の中心軸あるいはその近辺を通過した光とレンズ３３の周縁領域を通過した光とでは、最大受光量とされた画素における受光量が相違している。それぞれの最大受光量における所定割合の値を閾値と定めた場合、両者間で測定精度が一致していないことは図１３のグラフからして明白である。
尚、図６〜図８では、レンズ３３の中心軸あるいはその近辺を通過した光によって形成された受光スポットのうち最大受光量とされた画素の受光量が「２２５」、レンズ３３の周縁領域を通過した光によって形成された受光スポットのうち最大受光量とされた画素の受光量が「１２０」とされている。また、横軸の閾値は最大受光量とされた画素の受光量に対する割合（％）として示されている。

一方、図６に示すように、距離測定用撮像手段２２を構成する画素群のうち最大受光量とされる基準画素を基準として、その最大受光量から所定割合の値を閾値として設定し、閾値を上回る受光量とされる画素を検出しつつ、検出された画素の受光量の和となる総合体積値を算出する。上記の閾値を変更しながら算出された総合体積値と閾値との関係を確認したところ、その関係は逆比例となっていることが発明者が行なった実験によって明らかにされた。

そして、上記図６及び図７から測定精度と総合体積値との関係が導かれ、これによると総合体積値が所定の体積値となるように閾値を設定することで、測定精度が略一定となることが確認された（図８参照）。
従って、上記方法で距離測定を行なうことで、測定精度のばらつきを無くすることができ、もって、測定精度の安定化を図ることができる。

また、２次元撮像素子１２を用いた構成としたことにより、被測定対象物からの反射光が２次元状に移動する場合であっても確実に距離測定を行なうことができる。特に、上記光学測定装置のようにワークＷの傾き及び距離測定を行なう場合には、反射光が２次元方向に移動することとなるから、最適な構成とされる。

また、上記構成において、両レーザ光源１１，２１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１１，２１交互にパルス点灯させるようにＣＰＵ４から制御信号Ｓａ，Ｓｂをレーザ駆動回路１３，２３に供給し、ダイクロイックミラー３１，３４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、ＣＰＵ４は前述したようにレーザ駆動回路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１２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２２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３３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。

本実施形態では、所定の閾値以上の受光量とされている画素Ｐを抽出し、その抽出された画素Ｐから集光スポットＳの中心位置Ｓ０を検出するようにしている。このようにすれば全画素の受光量を参照することなく中心位置Ｓ０を検出することができるから、処理時間の短縮化を図ることができる。

＜実施形態２＞
本実施形態では、いわゆる総合面積値に基づいて距離測定を行なっているところが実施形態１と相違しており、その他の構成は同一とされている。
距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄによりこれを構成する画素群において最大受光量となる基準画素を検出し、その最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光量とされる画素を検出するととともに、検出された受光素子数の合計値からなる総合面積値を算出する。そして、この総合面積値が所定面積値と一致したときには検出された画素群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する画素と基準位置に相当する画素との位置関係に基づいて被測定対象物Ｗの距離を測定している。
尚、「重心位置」は、実施形態１で説明したように、面積重心位置と体積重心位置とが含まれており、どちらを適用しもよい。

＜実施形態３＞
本発明の光学測定装置の実施形態について図９ないし図１１を参照して説明する。尚、上記実施形態１と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
本実施形態の光学測定装置は、図１１に示すように撮像素子１２，２２とメモリ５との間にコンパレータ６（請求項に記載の「画素選択手段」に相当）が介在されており、さらに、ＣＰＵ４からの駆動信号を受けて発光動作を行なう発光部７が設けられているところが実施形態１の構成と相違している。
コンパレータ６は撮像素子１２（２２）から出力される撮像信号Ｓｃ，Ｓｄを受信し、この撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）のレベルと所定の閾値とを比較し、所定の閾値を上回る撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）をメモリ５に送信するように構成されている。

以下、本実施形態の測定動作は、まず撮像素子１２（２２）から出力された撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）がコンパレータ６にて所定の閾値と比較され、この閾値を上回る撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）がメモリ５に送信されてその受光量情報がこれに記憶される。
ここで、所定の閾値を上回る受光量を有する画素Ｐの数が所定の数ｎ（ｎ＝１，２，３・・・・）に達していない場合には、ＣＰＵ４から発光部７に対して駆動信号を送信して発光部を動作させることで、使用者や管理者等に測定不能の旨が報知される（ＣＰＵ４、コンパレータ６及び発光部７で請求項に記載の「報知手段」が構成されている）。
尚、上記のような場合には、ワークＷの傾き角が装置の測定許容範囲を越えているというようなことが考えられ、このようなイレギュラーな使用においては、正確な傾角測定を行なうことができない。しかし、発光部７の動作によってそれを報知することができるから確実な測定が約束される。
この後、領域指定処理、受光中心位置検出処理及び傾角算出処理を行なうこととなる。これらの処理は上記実施形態１ないし実施形態４のいずれかに記載した処理を適用することにより可能であるから、詳細な説明については省略する。

本実施形態では、所定の閾値以上のレベルとされる受光量情報をメモリ８１に記憶し、このメモリ５に記憶されている受光量情報からワークＷの傾角（距離）を測定するようにしている。これにより、中心位置Ｓ０の検出において不要な受光量情報が排除されて、処理時間の短縮化を図ることができる。また、本実施形態においては、図１０に示すようにＣＰＵ４にコンパレータ６の機能を持たせるような構成であってもよい。

また、図１１に示すような構成であってもよい。これは、撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）を配し、その光照射面１１２Ａ（１２２Ａ）にワークＷからの正反射光を照射させるようになっている。また、ＣＰＵ４からはＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）へ駆動信号Ｓｅ（Ｓｆ）及び制御信号Ｓｇ（Ｓｈ）が送信されるようになっている。

上記ＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）はＣＰＵ４からの駆動信号Ｓｅ（Ｓｆ）を受信することで、各画素の受光量に応じた撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）を出力する。一方、制御信号Ｓｇ（Ｓｈ）を受信したときには、この制御信号Ｓｇ（Ｓｈ）により指定された画素あるいは指定された領域内の画素に関する撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）を出力するようになっている。

ＣＰＵ４は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）に駆動信号Ｓｅ（Ｓｆ）及び制御信号Ｓｇ（Ｓｈ）を出力するようになっている。駆動信号Ｓｅ（ｓｆ）はＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）から撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）を取り出す際に出力する信号である。また、制御信号Ｓｇ（Ｓｈ）は光照射面１１２Ａ（１２２Ａ）を構成する画素群において、所定の画素あるいは所定の領域内の画素を指定するための信号である。従って、制御信号Ｓｇ（Ｓｈ）にて光照射面１１２Ａ（１２２Ａ）における画素または領域を指定して、駆動信号Ｓｅ（Ｓｆ）をＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）に送信すると、指定された画素あるいは指定された領域内の画素からの撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）のみがＣＭＯＳイメージセンサ１１２，１２２から出力されるのである。

測定動作においては、ＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）の光照射面１１２Ａ（１２２Ａ）において、集光スポットＳが形成されている領域を指定する制御信号Ｓｅ（Ｓｆ）をＣＰＵ４からＣＯＭＳイメージセンサ１１２（１２２）へ送信する。
そうすると、ＣＭＯＳイメージセンサ１１２（１２２）からは指定された領域内の画素の受光量に関する撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）がＣＰＵ４へ出力される。この後、上記実施形態１ないし実施形態４の処理を適用することによりワークＷの傾角（距離）を測定することができる。

上記構成は、例えば、複数回にわたって傾角算出動作を行ない、それぞれの結果に基づいてワークＷの傾角を算出する場合には、初回の傾角算出動作において、制御信号Ｓｅ（Ｓｆ）により光照射面１１２Ａ（１２２Ａ）における全画素を指定し、２回目以降の傾角算出動作では、初回の傾角算出動作における撮像信号Ｓｃ（Ｓｄ）を基に光照射面１１２Ａ（１２２Ａ）において集光スポットＳが含まれる領域を制御信号Ｓｇ（Ｓｈ）により指定するようにすればよい。このようにすることで、２回目以降の傾角算出動作の処理時間を短縮化することができるという利点がある。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の実施形態を図１２を参照して説明する。本実施形態と上記実施形態との相違は、角度測定用レーザ光源１１とダイクロイックミラー３１との間にコリメータレンズ１４が配されているとともに、距離測定用レーザ光源２１とダイクロイックミラー３１との間にコリメータレンズ２４が配されており、それぞれのレーザ光源１１，２１からの光が平行光に変えられてからダイクロイックミラー３１に至るように構成されている。また、ダイクロイックミラー３４とビームスプリッタ３３との間に収束レンズ３６が配されている。

このように構成することで、両レーザ光源１１，２１からのレーザ光をそれぞれのコリメータレンズ１４，２４により平行光に変えてからビームスプリッタ３３に導く構成としているから、両レーザ光源１１，２１からビームスプリッタ３３までの光学的距離の調整を行なう必要がなく装置内の光学系の組付け精度を緩やかにすることができるとともに、光学系の調整作業も簡略化することもできる。

＜第７実施形態＞
次に、本発明の実施形態を図１３を参照して説明する。本実施形態と実施形態６との相違点は、ビームスプリッタ３３に代わってＳ偏光を反射しＰ偏光を透過させる偏光ビームスプリッタ３７を配し、さらに、この偏光ビームスプリッタ３７とワークＷとの間に１／４波長板３８を設けたところにある。また、ワークＷの表面は鏡面であることが望ましい。

一般にレーザ光は直線偏光とされているから、両レーザ光源１１，２１からのレーザ光を偏光ビームスプリッタ３７に照射すると、Ｓ偏光が反射して１／４波長板３７に向かうとともに、Ｐ偏光は透過する。Ｓ偏光は１／４波長板３８を透過することで円偏光に変えられてワークＷに照射される。ワークＷからの正反射光は円偏光のまま１／４波長板３８を透過する。このときに円偏光からＰ偏光に変えられ、これによって偏光ビームスプリッタ３７を透過してそれぞれの撮像素子１２，２２に照射される。

本実施形態のような構成とすることで光学的な損失を低減することが可能となり、鏡面体検出におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、レーザ光源１１，２１から出射される光は直線偏光であるから、直線偏光を出射させるための構成を極めて簡略化することができる。

＜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、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも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。
（１）上記実施形態では、２次元ＣＣＤに受光スポットを形成させ、この受光スポットから距離測定を行なうように構成していたが、例えば、１次元ＣＣＤに受光スポットを形成させる事により距離測定を行なうような構成であってもよい。

（２）また、上記実施形態では、個別体積値の算出と並行して総合体積値の算出を行なう構成としていたが、双方を並行して処理する構成としても良い。

（３）上記実施形態では、ワークＷに照射される光において、角度測定用レーザ光源１１からの光によって形成される照射スポットが距離測定用レーザ光源２１からの光によって形成される照射スポットを包囲するように構成していたが、距離測定用レーザ光源２１からの光によって形成される照射スポットが角度測定用レーザ光源１１からの光によって形成される照射スポットを包囲するように構成してもよい。また、両レーザ光源１１，２１からの光によって形成される照射スポットが互いに重なり合うような構成であってもよい。

実施形態１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 距離測定の処理内容を示したフローチャート 閾値と測定精度の関係を示したグラフ 閾値と総合体積値との関係を示したグラフ 閾値、測定精度及び総合体積値の相互関係を示したグラフ 実施形態３に係る光学測定装置の全体構成を示した図 光学測定装置の構成を示した概念図 光学測定装置の構成を示した概念図 実施形態６に係る光学測定装置の全体構成を示した図 実施形態７に係る光学測定装置の全体構成を示した図 レンズの通過位置と受光スポットの光強度分布との関係を示した概念図

４...ＣＰＵ
１１...角度測定用レーザ光源
１２...角度測定用撮像素子
１３...レーザ駆動回路
２１...距離測定用レーザ光源
２２...距離測定用撮像素子
２３...レーザ駆動回路
３１...ダイクロイックミラー
３２...ビームスプリッタ
３３...コリメータレンズ
Ｗ...ワーク
ＬＣ...光学系の光軸

Claims (11)

1. 距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置において、
   前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出し、当該最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光素子の受光量と前記閾値との差分値の和である総合体積値を算出し、その総合体積値が所定体積値と一致したときには、検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する測定手段を備えることを特徴とする光学測定装置。
2. 距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置において、
   前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出し、前記最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光量の受光素子数の合計値である総合面積値を算出し、この総合面積値が所定面積値と一致したときには検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する測定手段を備えることを特徴とする光学測定装置。
3. 前記距離測定用撮像手段は２次元撮像素子から構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学測定装置。
4. 前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号を受信して各画素の受光量に関する情報を記憶する距離測定用記憶手段と、
   前記受光量に関する情報から所定の閾値よりも高い受光量とされる画素を検出する距離測定用画素検出手段とを備え、
   前記測定手段は前記距離測定用画素検出手段で検出された画素において、最大受光量とされる画素を前記基準受光素子として検出することを特徴とする請求項３に記載の光学測定装置。
5. 前記画素検出手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられていることを特徴とする請求項４に記載の光学測定装置。
6. 各画素の受光量に基づいて特定の画素を選択する距離測定用画素選択手段と、
   前記距離測定用画素選択手段により選択された画素の受光量に関する情報を記憶する距離測定用記憶手段とを備え、
   前記測定手段は前記距離測定用記憶手段に記憶された前記受光量に関する情報に基づき、最大受光量とされる画素を前記基準受光素子として検出することを特徴とする請求項３に記載の光学測定装置。
7. 前記距離測定用画素選択手段は、
   前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号を基に各画素の受光量を所定の閾値と比較し、当該所定の閾値を上回る受光量とされる画素を選択することを特徴とする請求項６に記載の光学測定装置。
8. 前記距離測定用画素選択手段は、
   前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号を基に各画素の受光量を所定の閾値と比較し、当該所定の閾値を上回る受光量とされる画素を含むように領域を指定し、その領域内に含まれる画素の撮像信号を受信するように動作することを特徴とする請求項６に記載の光学測定装置。
9. 前記画素選択手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられていることを特徴とする請求項６ないし請求項８に記載の光学測定装置。
10. 距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置における距離測定方法であって、
    前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出する処理と、
    前記最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光素子の受光量と前記閾値との差分値の和である総合体積値を算出する処理と、
    その総合体積値が所定体積値と一致したときには、検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する処理とを含むことを特徴とする光学測定装置の距離測定方法。
11. 距離測定用投光手段からの光を収束レンズにて収束し、この収束光を被測定対象物の表面に対して斜めから照射するとともに、当該被測定対象物からの正反射光を収束して距離測定用撮像手段の受光素子群に集光し、前記距離測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する距離測定用光学系と、傾角測定用投光手段からの光をコリメータレンズにより平行光に変換し、この平行光を前記被測定対象物に照射するとともに、前記被測定対象物からの反射光を収束して傾角測定用撮像手段の撮像面に照射し、前記傾角測定用撮像手段から出力される撮像信号に基づき、前記撮像面上における前記反射光の集光スポットの中心位置と基準位置との位置関係から前記被測定対象物の傾きを測定する傾角測定用光学系とを有する光学測定装置における距離測定方法であって、
    前記撮像信号から前記受光素子群において最大受光量となる基準受光素子を検出する処理と、
    前記最大受光量に対する任意の割合の値を閾値として設定して当該閾値を上回る受光量の受光素子数の合計値である総合面積値を算出する処理と、
    その総合面積値が所定面積値と一致したときには検出された受光素子群における重心位置を検出し、当該重心位置に相当する受光素子と、前記傾角測定用撮像手段の撮像面に照射された前記反射光の中心位置に相当する受光素子との位置関係に基づいて前記被測定対象物の距離を測定する処理とを含むことを特徴とする光学測定装置における距離測定方法。

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