JP6880513B2 - 光学計測装置及び光学計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学計測装置及び光学計測方法に関する。

従来、光学式計測装置の計測誤差補正装置として、構造体の構造解析モデルを用いて構造解析を実施し、構造体における基準位置に対する計測対象位置の変位である構造解析変位を推定する構造解析変位推定手段と、光学式変位計測装置における計測結果及び推定された構造解析変位に基づいて、光学式変位計測の誤差を補正する誤差補正手段と、を備えるもの知られている（特許文献１参照）。この計測誤差補正装置は、非定常性の強い外乱に対する計測を行うことができるとともに、装置全体の複雑化を防止しながら光学式計測装置の計測誤差を補正することができる。

特開２０１３−１２２４２８号公報

一方、レンズ等の光学系によって集光された光について画素毎の受光量分布信号を得て、受光量分布信号に基づいて装置から対象物までの距離を計測するようにした光学計測装置が知られている。

しかしながら、この光学計測装置では、光学系の収差等によって受光量分布信号に歪みが生じる場合があった。そのため、この受光量分布信号に基づいて距離を計測すると、計測された距離は真値からの差（以下、「誤差」という）が大きくなってしまうことがあった。

そこで、本発明は、計測された距離の誤差を低減することのできる光学計測装置及び光学計測方法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計測装置は、光学計測装置であって、光を発する光源と、対象物によって反射された反射光を集光する光学系と、複数の画素のそれぞれが受光量を検出可能に構成される受光部であって、集光された反射光について画素毎の受光量分布信号を得る受光部と、受光量分布信号に基づいて、光学計測装置から対象物までの距離を計測する計測部と、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された距離を補正する補正部と、を備える。

この態様によれば、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された距離が補正される。ここで、本発明の発明者は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測された距離の誤差との間に相関関係があることを見出した。よって、この相関関係を利用することで、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された距離を補正することが可能となる。従って、受光量分布信号に歪みが生じたときでも、計測された距離の誤差を低減することができる。

前述した態様において、所定の特性値と計測された距離の誤差との相関関係を記憶する記憶部と、受光量分布信号の波形から所定の特性値を取得する取得部と、をさらに備え、補正部は、相関関係と取得された所定の特性値とに基づいて、計測された距離の誤差を求め、該誤差を計測された距離から減算してもよい。

この態様によれば、相関関係と取得された所定の特性値とに基づいて、計測された距離の誤差が求められ、該誤差が計測された距離から減算される。これにより、計測された距離を簡易に補正することができ、計測された距離の誤差を低減する光学計測装置を容易に実現することができる。

前述した態様において、相関関係は、所定の特性値を独立変数とし、計測された距離の誤差を従属変数とする数式で表されてもよい。

この態様によれば、相関関係が、所定の特性値を独立変数とし、計測された距離の誤差を従属変数とする数式で表される。これにより、相関関係が表（テーブル）形式で表現される場合と比較して、記憶部の記憶容量を削減することができる。

前述した態様において、相関関係の情報を入力するための操作部をさらに備えてもよい。

この態様によれば、相関関係の情報を入力するための操作部をさらに備える。これにより、例えば、利用者（ユーザ）の使用環境において得られた情報を入力することができ、当該情報に基づいて、所定の特性値と計測された距離の誤差との間の相関関係を変更又は更新することが可能となる。

前述した態様において、所定の特性値は、傾き、半値幅、又はピーク受光量であってもよい。

この態様によれば、所定の特性値が、傾き、半値幅、又はピーク受光量である。ここで、本発明の発明者は、受光量分布信号の波形における傾き、半値幅、又はピーク受光量が、計測された距離の誤差との間に相対的に強い相関関係を有することを見出した。よって、受光量分布信号の波形における傾き、半値幅、又はピーク受光量に基づくことにより、計測された距離を高精度に補正することが可能となり、計測された距離の誤差を更に低減することができる。

前述した態様において、光学系は、反射光を集光するための単一の集光レンズを含んでもよい。

この態様によれば、光学系が、反射光を集光するための単一の集光レンズを含む。これにより、複数の集光レンズを含む場合と比較して、光学系を簡素化することができる。

前述した態様において、光は複数の波長成分を含み、光学系は光に対して光軸方向に沿う色収差を生じさせ、色収差を生じさせた光を対象物に照射し、受光部は波長成分毎に受光量を検出可能に構成されてもよい。

この態様によれば、複数の波長成分を含む光に対して光軸方向に沿う色収差が生じ、色収差を生じさせた光が対象物に照射され、波長成分毎に受光量を検出可能になる。これにより、計測された距離の誤差を低減する白色共焦点方式の光学計測装置を、容易に実現することができる。

また、本発明の他の態様に係る光学計測方法は、光学計測装置が使用する光学計測方法であって、光を光源が発するステップと、対象物によって反射された反射光を光学系が集光するステップと、集光された反射光について画素毎の受光量分布信号を受光部が得るステップであって、受光部は複数の画素のそれぞれが受光量を検出可能に構成される、得るステップと、受光量分布信号に基づいて、光学計測装置から対象物までの距離を計測部が計測するステップと、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された距離を補正部が補正するステップと、を含む。

この態様によれば、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された距離が補正される。ここで、本発明の発明者は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測された距離の誤差との間に相関関係があることを見出した。よって、この相関関係を利用することで、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された距離を補正することが可能となる。従って、受光量分布信号に歪みが生じたときでも、計測された距離の誤差を低減することができる。

前述した態様において、所定の特性値と計測された距離の誤差との相関関係を記憶部が記憶するステップと、受光量分布信号の波形から所定の特性値を取得部が取得するステップと、をさらに含み、補正するステップは、相関関係と取得された所定の特性値とに基づいて、計測された距離の誤差を補正部が求めることと、該誤差を計測された距離から補正部が減算することと、を含んでもよい。

この態様によれば、相関関係と取得された所定の特性値とに基づいて、計測された距離の誤差が求められ、該誤差が計測された距離から減算される。これにより、計測された距離を簡易に補正することができ、計測された距離の誤差を低減する光学計測方法を容易に実現することができる。

前述した態様において、相関関係は、所定の特性値を独立変数とし、計測された距離の誤差を従属変数とする数式で表されてもよい。

この態様によれば、相関関係が、所定の特性値を独立変数とし、計測された距離の誤差を従属変数とする数式で表される。これにより、相関関係が表（テーブル）形式で表現される場合と比較して、記憶部の記憶容量を削減することができる。

前述した態様において、相関関係の情報を操作部に入力するステップをさらに含む。

この態様によれば、相関関係の情報を操作部に入力するステップをさらに含む。これにより、例えば、利用者（ユーザ）の使用環境において得られた情報を入力することができ、当該情報に基づいて、所定の特性値と計測された距離の誤差との間の相関関係を変更又は更新することが可能となる。

前述した態様において、所定の特性値は、傾き、半値幅、又はピーク受光量であってもよい。

この態様によれば、所定の特性値が、傾き、半値幅、又はピーク受光量である。ここで、本発明の発明者は、受光量分布信号の波形における傾き、半値幅、又はピーク受光量が、計測された距離の誤差との間に相対的に強い相関関係を有することを見出した。よって、受光量分布信号の波形における傾き、半値幅、又はピーク受光量に基づくことにより、計測された距離を高精度に補正することが可能となり、計測された距離の誤差を更に低減することができる。

前述した態様において、光学系は、反射光を集光するための単一の集光レンズを含んでもよい。

この態様によれば、光学系が、反射光を集光するための単一の集光レンズを含む。これにより、複数の集光レンズを含む場合と比較して、光学系を簡素化することができる。

前述した態様において、光は複数の波長成分を含み、光に対して光軸方向に沿う色収差を光学系が生じさせ、色収差を生じさせた光を対象物に光学系が照射するステップをさらに含み、受光部は波長成分毎に受光量を検出可能に構成されてもよい。

この態様によれば、複数の波長成分を含む光に対して光軸方向に沿う色収差が生じ、色収差を生じさせた光が対象物に照射され、波長成分毎に受光量を検出可能になる。これにより、計測された距離の誤差を低減する白色共焦点方式の光学計測方法を、容易に実現することができる。

本発明によれば、計測された距離の誤差を低減することのできる光学計測装置及び光学計測方法を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る光学計測装置の概略構成を例示する構成図である。 図２は、受光量分布信号の一例を例示する波形図である。 図３は、受光量分布信号の他の例を例示する波形図である。 図４は、受光量分布信号の波形における所定の特性値を例示する波形図である。 図５は、受光量分布信号の波形における傾きと計測距離の誤差との関係の一例を例示するグラフである。 図６は、受光量分布信号の波形における半値幅と計測距離の誤差との関係の一例を例示するグラフである。 図７は、受光量分布信号の波形におけるピーク受光量と計測距離の誤差との関係の一例を例示するグラフである。 図８は、本実施形態に係る光学計測装置の計測距離の一例を例示するグラフである。 図９は、受光量分布信号の波形における傾きと計測距離の誤差との関係の他の例を例示するグラフである。 図１０は、本実施形態に係る光学計測装置の計測距離の他の例を例示するグラフである。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。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。

まず、図１を参照しつつ、本実施形態に係る光学計測装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光学計測装置１００の概略構成を例示する構成図である。

図１に示すように、光学計測装置１００は、光源１０と、導光部２０と、センサヘッド３０と、受光部４０と、制御部５０と、表示部６０と、操作部７０と、を備える。光学計測装置１００は、当該装置から、具体的にはセンサヘッド３０から対象物ＴＡまでの距離を所定の計測周期で計測する。また、光学計測装置１００は、ある位置を基準とした距離の変化、つまり、変位を計測してもよい。

光源１０は、複数の波長成分を含む光を発するように構成されている。光源１０は、制御部５０から入力される制御信号に基づいて動作し、例えば、制御信号に基づいて光の光量を変更する。

光源１０は、複数の波長成分を含む光を発することが好ましい。この場合、光源１０は、例えば白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を含んで構成され、白色光を発生させる。但し、光源１０が発する光は、光学計測装置１００に要求される距離範囲をカバーする波長範囲を含む光であればよく、白色光に限定されるものではない。

導光部２０は、光を伝搬するためのものである。導光部２０は、例えば、第１ケーブル２１と、第２ケーブル２２と、第３ケーブル２３と、光カプラ２４と、を備える。

第１ケーブル２１は、その一端（図１において左端）が光源１０と光学的に接続している。第２ケーブル２２は、その一端（図１において右端）がセンサヘッド３０と光学的に接続している。第３ケーブル２３は、その一端（図１において左端）が受光部４０と光学的に接続している。第１ケーブル２１の他端（図１において右端）及び第３ケーブル２３の他端（図１において右端）と、第２ケーブル２２の他端（図１において左端）とは、光カプラ２４を介して光学的に結合されている。

光カプラ２４は、第１ケーブル２１から入射された光を第２ケーブル２２に伝送するとともに、第２ケーブル２２から入射された光を分割して第１ケーブル２１及び第３ケーブル２３にそれぞれ伝送する。なお、光カプラ２４によって第２ケーブル２２から第１ケーブル２１に伝送された光は、光源１０において終端される。

光カプラ２４は、例えば融着延伸型（溶融延伸型）の光カプラを含んで構成される。一方、第１ケーブル２１、第２ケーブル２２、及び第３ケーブル２３は、それぞれ、例えば光ファイバで構成される。各光ファイバは、単一のコアを有するシングルコアであってもよいし、複数のコアを有するマルチコアであってもよい。

センサヘッド３０は、対象物ＴＡに光を照射するためのものである。また、センサヘッド３０は、対象物ＴＡからの反射光を集光するためのものでもある。センサヘッド３０は、例えば、コリメータレンズ３１と、回折レンズ３２と、対物レンズ３３と、を備える。

コリメータレンズ３１は、第２ケーブルから入射された光を平行光に変換するように構成されている。回折レンズ３２は、平行光に光軸方向に沿う色収差を生じさせるように構成されている。対物レンズ３３は、色収差を生じさせた光を対象物ＴＡに集めて照射するように構成されている。回折レンズ３２によって軸上色収差を発生させているので、対物レンズ３３から照射される光は、波長ごとに異なる距離（位置）に焦点を有する。

図１に示す例では、焦点距離が相対的に長い第１波長の光Ｌ１と、焦点距離が相対的に短い第２波長の光Ｌ２とを示している。第１波長の光Ｌ１は対象物ＴＡの表面で焦点が合う（焦点を結ぶ）一方、第２波長の光Ｌ２は対象物ＴＡの手前で焦点が合う（焦点を結ぶ）。

対象物ＴＡの表面で反射された光は、対物レンズ３３及び回折レンズ３２を通ってコリメータレンズ３１で集光され、第２ケーブル２２に入射する。反射光のうちの第１波長の光Ｌ１は、共焦点となる第２ケーブル２２の端面において焦点が合い、そのほとんどが第２ケーブル２２に入射する。一方、その他の波長は、第２ケーブル２２の端面で焦点が合わず、第２ケーブル２２に入射しない。第２ケーブル２２に入射した反射光は、光カプラ２４によってその一部が第３ケーブル２３に伝送され、受光部４０に出射される。

第２ケーブル２２が光ファイバである場合、そのコアはピンホールに相当する。よって、光ファイバのコア径を小さくすることにより、反射光を集光するピンホールが小さくなり、対象物ＴＡの表面に焦点の合った波長の光を安定して検出することができる。

なお、本実施形態に係るセンサヘッド３０は、本発明の「光学系」の一例に相当する。また、本実施形態に係るコリメータレンズ３１は、本発明の「集光レンズ」の一例に相当する。

前述したように、反射光を集光するための集光レンズとして、センサヘッド３０が単一のコリメータレンズ３１を含むことにより、複数の集光レンズを含む場合と比較して、センサヘッド３０を簡素化することができる。

受光部４０は、対象物ＴＡの表面で反射され、センサヘッド３０で集光された反射光について、後述する受光量分布信号を得るためのものである。受光部４０は、例えば、コリメータレンズ４１と、回折格子４２と、調整レンズ４３と、受光センサ４４と、処理回路４５と、を備える。

コリメータレンズ４１は、第３ケーブルから入射された光を平行光に変換するように構成されている。回折格子４２は、この平行光を波長成分毎に分光（分離）するように構成されている。調整レンズ４３は、分光された波長別の光のスポット径を調整するように構成されている。

受光センサ４４は、分光された光に対し、波長成分毎に受光量を検出可能に構成されている。受光センサ４４は、複数の受光素子を含んで構成される。各受光素子は、回折格子４２の分光方向に対応させて一次元に配列されている。これにより、各受光素子は分光された各波長成分の光に対応して配置され、受光センサ４４は波長成分毎に受光量を検出可能になる。

受光センサ４４の一受光素子は、一画素に対応している。よって、受光センサ４４は、複数の画素のそれぞれが受光量を検出可能に構成されている、ともいえる。なお、各受光素子は、一次元に配列される場合に限定されるものではなく、二次元に配列されていてもよい。各受光素子は、例えば回折格子４２の分光方向を含む検出面上に、二次元に配列されることが好ましい。

各受光素子は、処理回路４５から入力される制御信号に基づいて、所定の露光時間の間に受光した光の受光量に応じて電荷を蓄積する。そして、各受光素子は、処理回路４５から入力される制御信号に基づいて、露光時間以外、つまり、非露光時間の間に、蓄積した電荷に応じた電気信号を出力する。これにより、露光時間に受光した受光量が電気信号に変換される。

処理回路４５は、受光センサ４４による受光を制御するように構成されている。また、処理回路４５には、受光センサ４４の各受光素子から入力される電気信号ついて、制御部５０に出力するための信号処理を行うように構成されている。処理回路４５は、例えば、増幅回路と、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換回路と、を含んで構成される。増幅回路は、各受光素子から入力された電気信号を所定のゲインでそれぞれ増幅する。そして、Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された各受光素子の電気信号に対し、標本化、量子化、及び符号化を行って、デジタル信号に変換する。このようにして、各受光素子が検出した受光量がデジタル値に変換され、受光素子毎、つまり、画素毎の受光量の分布信号（以下、単に「受光量分布信号」という）が得られる。処理回路４５は、この受光量分布信号を制御部５０に出力する。

制御部５０は、光学計測装置１００の各部の動作を制御するように構成されている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵ(Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ)等のマイクロプロセッサと、ＲＯＭ(Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ)、ＲＡＭ(Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)、バッファメモリ等のメモリと、を含んで構成される。制御部５０は、その機能構成として、例えば、計測部５１と、補正部５２と、記憶部５３と、取得部５４と、を備える。

計測部５１は、受光量分布信号に基づいて、光学計測装置１００から対象物ＴＡまでの距離、正確にはセンサヘッド３０から対象物ＴＡまでの距離、を計測するように構成されている。図１に示す例において、当該距離はＺ軸方向の距離である。

ここで、図２及び図３を参照しつつ、受光量分布信号に基づく距離の計測について説明する。図２は、受光量分布信号の一例を例示する波形図である。図３は、受光量分布信号の他の例を例示する波形図である。図２及び図３において、横軸は画素（受光センサ４４の各受光素子）であり、縦軸は受光量である。

図２に示すように、通常、受光量分布信号は、ある画素の受光量がピークとなる波形を有する。前述したように、センサヘッド３０から焦点が合う点までの距離は波長によって異なるので、受光センサ４４から得た受光量分布信号におけるピーク受光量の画素は、センサヘッド３０から照射され、対象物ＴＡで焦点が合った光の波長に対応する画素である。
そして、当該波長は、センサヘッド３０から対象物ＴＡまでの距離に対応する。図１に示す例では、対象物ＴＡの表面で焦点が合う第１波長の光Ｌ１が、受光量分布信号のピーク受光量の波長として現れる。

具体的には、受光量分布信号のピーク受光量を１００％としたときに、５０％の受光量の線と受光量分布信号との２つの交点における中間点を求め、当該中間点の画素に対応する波長λを得る。

波長λと距離との関係（対応）は、制御部５０のメモリ等にあらかじめ記憶される。計測部５１がこの関係を参照することで、反射光の受光量分布信号に基づいて、センサヘッド３０から対象物ＴＡまでの距離が計測される。

一方、センサヘッド３０の収差等の影響によって、図３に示すように、受光量分布信号に歪みが生じることがある。このとき、前述と同様に、ピーク受光量の５０％の受光量の線と受光量分布信号との２つの交点における中間点に対し、その画素に対応する波長λ’を得る場合、計測部５１が計測する距離（以下、「計測距離」という）は、真値からの誤差が大きくなってしまうことがある。この誤差は、センサヘッド３０が単一の集光レンズを含むときに、より顕著であった。

図１の説明に戻ると、補正部５２は、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測部５１によって計測された計測距離を補正するように構成されている。

本発明の発明者は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との間に相関関係があることを見出した。よって、この相関関係を利用することで、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測距離を補正することが可能となる。従って、受光量分布信号に歪みが生じたときでも、計測距離の誤差を低減することができる。

記憶部５３は、プログラムやデータ等を記憶するように構成されている。また、記憶部５３は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との間に相関関係を記憶するように構成されている。

ここで、図４を参照しつつ、受光量分布信号の波形における所定の特性値について説明する。図４は、受光量分布信号の波形における所定の特性値を例示する波形図である。図４において、横軸は画素（受光センサ４４の各受光素子）であり、縦軸は受光量である。

図４に示すように、歪みが生じた受光量分布信号の波形において、半値幅Ｗｈｖは、ピーク受光量Ｐｐｋの５０％の受光量の線と受光量分布信号との２つの交点の長さ（幅）を示す値である。また、傾きＳＬは、ピーク受光量Ｐｐｋの０％より大きく１００％以下の範囲において、少なくとも２つの値の受光量の線と受光量分布信号との交点における中間点を求め、当該少なくとも２つの中間点を通る直線の傾きを示す値である。例えば、ピーク受光量Ｐｐｋの５０％の受光量の線と受光量分布信号との交点における中間点と、ピーク受光量Ｐｐｋの１００％の受光量の線と受光量分布信号との交点（＝中間点）とから、当該２つの点を通る直線の傾きＳＬを求めることができる。

本発明の発明者は、これらの値、つまり、受光量分布信号の波形における傾きＳＬ、半値幅Ｗｈｖ、及びピーク受光量Ｐｐｋが、計測距離の誤差との間に相対的に強い相関関係を有することを見出した。

ここで、図５から図７を参照しつつ、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との関係について説明する。図５は、受光量分布信号の波形における傾きＳＬと計測距離の誤差との関係の一例を例示するグラフである。図６は、受光量分布信号の波形における半値幅Ｗｈｖと計測距離の誤差との関係の一例を例示するグラフである。図７は、受光量分布信号の波形におけるピーク受光量Ｐｐｋと計測距離の誤差との関係の一例を例示するグラフである。図５における横軸は受光量分布信号の波形における傾きＳＬであり、図６における横軸は受光量分布信号の波形における半値幅Ｗｈｖであり、図７における横軸は受光量分布信号の波形におけるピーク受光量Ｐｐｋである。また、各図において、縦軸は計測距離の近似誤差である。さらに、対象物ＴＡは、その材料としてステンレス（ＳＵＳ）で構成されており、表面粗さＲｚは３．２μｍである。

図５から図７に示すように、受光量分布信号の波形における傾きＳＬ、半値幅Ｗｈｖ、及びピーク受光量Ｐｐｋと計測距離の誤差との間に、相関関係が認められる。よって、受光量分布信号の波形における傾きＳＬ、半値幅Ｗｈｖ、又はピーク受光量Ｐｐｋと計測距離の誤差との相関関係に基づくことにより、計測距離を高精度に補正することが可能となり、計測距離の誤差を更に低減することができる。

受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との対応関係は、表（テーブル）形式で表すことが可能である。よって、記憶部５３は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との相関関係を、表形式で記憶するようにしてもよい。

また、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との複数の対応関係から、数式を導き出すことが可能である。すなわち、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との相関関係は、受光量分布信号の波形における所定の特性値を独立変数とし、計測距離の誤差を従属変数とする数式で表される。よって、記憶部５３は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との相関関係を、当該数式で記憶するようにしてもよい。これにより、相関関係が表（テーブル）形式で記憶される場合と比較して、記憶部５３の記憶容量を削減することができる。

前述した数式は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との複数の対応関係を、ＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）学習を適用して導き出してもよい。この場合、受光量分布信号の波形における所定の特性値と、計測距離の誤差とを、パラメータとしてＡＩに学習させる。

図１の説明に戻ると、取得部５４は、受光量分布信号の波形から、所定の特性値を取得するように構成されている。取得部５４は、例えば、受光量分布信号の波形において、前述した傾きＳＬ、半値幅Ｗｈｖ、又はピーク受光量Ｐｐｋを取得する。

補正部５２は、例えば、記憶部５３から前述した相関関係を読み出し、当該相関関係と取得部５４によって取得された所定の特性値とに基づいて、計測距離の誤差を求める。そして、この誤差を計測距離から減算することで、計測部５１によって計測された計測距離を補正する。これにより、計測距離を簡易に補正することができ、計測距離の誤差を低減する光学計測装置１００を容易に実現することができる。

表示部６０は、補正部５２によって補正された計測距離を表示するように構成されている。表示部６０は、さらに、設定内容、動作状態、通信状態等を表示するように構成されていてもよい。表示部６０は、例えば、複数桁の７又は１１セグメントディスプレイと、複数色で発光する表示灯とを含んで構成される。

操作部７０は、利用者（ユーザ）の操作により情報を入力するためのものである。具体的には、操作部７０は、前述した相関関係の情報を入力するためのものである。相関関係の情報は、例えば、当該相関関係が数式で表される場合に、この数式の係数及び定数の情報であったり、補正部５２が計測距離を補正する際の補正値であったりする。操作部７０は、例えば、ボタン、スイッチ等を含んで構成することが可能である。この場合、利用者が、ボタン、スイッチ等を操作したときに、操作に応じた信号が制御部５０に入力される。そして、制御部５０が当該信号に対応するデータを生成することで、光学計測装置１００に相関関係の情報を入力することが可能になる。これにより、例えば、利用者（ユーザ）の使用環境において得られた情報を入力することができ、当該情報に基づいて、所定の特性値と計測された距離の誤差との間の相関関係を変更又は更新することが可能となる。

このように、センサヘッド３０が複数の波長成分を含む光に対して光軸方向に沿う色収差を生じさせ、色収差を生じさせた光を対象物ＴＡに照射し、受光部４０が波長成分毎に受光量を検出可能に構成されることにより、計測距離の誤差を低減する白色共焦点方式の光学計測装置１００を、容易に実現することができる。

次に、図８を参照しつつ、光学計測装置１００の計測結果を説明する。図８は、本実施形態に係る光学計測装置１００の計測距離の一例を例示するグラフである。図８において、横軸は図１に示すＸ軸方向の位置であり、縦軸は所定の基準値、例えば２０ｍｍをゼロとしたときの光学計測装置１００の計測距離であり、単位はμｍである。また、受光量分布信号の波形における所定の特性値として傾きＳＬを採用し、記憶部５３は図５に示した相関関係を記憶している。よって、対象物ＴＡはステンレス（ＳＵＳ）で構成されており、表面粗さＲｚは３．２μｍである。さらに、比較のために、補正された計測距離を実線で示し、補正しない計測距離を一点鎖線で示す。

図８に示すように、一点鎖線で示す補正しない計測距離は、表面粗さＲｚである３．２μｍより大きな誤差が発生している。これに対し、実線で示す補正された計測距離は、Ｘ軸方向の全ての位置において、誤差が表面粗さＲｚの３．２μｍより小さい値に低減している。

本実施形態では、対象物ＴＡがステンレス（ＳＵＳ）の例を示したが、これに限定されるものではない。光学計測装置１００は、センサヘッド３０からの光を反射する限り、対象物ＴＡの種類、材料、形状等を問わない。

図９は、受光量分布信号の波形における傾きＳＬと計測距離の誤差との関係の他の例を例示するグラフである。図１０は、本実施形態に係る光学計測装置１００の計測距離の他の例を例示するグラフである。図９における横軸は受光量分布信号の波形における傾きＳＬであり、図１０における横軸は図１に示すＸ軸方向の距離（高さ）であって、所定の基準値、例えば２０ｍｍをゼロとしたときの距離であり、単位はｍｍである。各図において、縦軸は計測距離の誤差であり、単位はμｍである。また、対象物ＴＡは、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ）である。さらに、比較のために、補正された計測距離の誤差を実線で示し、補正しない計測距離の誤差を一点鎖線で示す。

図９に示すように、対象物ＴＡがＣＭＯＳのときでも、受光量分布信号の波形における傾きＳＬと計測距離の誤差との間に、相関関係が認められる。また、図１０に示すように、光学計測装置１００から対象物ＴＡまでの距離（高さ）を問わず、受光量分布信号の波形における傾きＳＬに基づいて計測距離を補正することにより、計測距離の誤差を低減することができるものと認められる。

なお、対象物ＴＡはその表面が平面状である場合に限定されるものではない。図示及びその説明を省略するが、対象物ＴＡが、例えばレンズ等のように曲面を有するものであってもよい。この場合、当該曲面の角度が大きくなる位置において、計測距離の誤差は大きくなる傾向にあるが、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて計測距離を補正することにより、計測距離の誤差を低減することができる。

また、本実施形態では、光学計測装置１００が白色共焦点方式である例を示したが、これに限定されるものではない。本発明の光学計測装置は、例えば三角測距方式であってもよい。この場合、光学計測装置は、光を発する光源と、対象物ＴＡによって反射された反射光を集光する光学系と、反射光について画素毎の受光量分布信号を得る受光部と、受光量分布信号に基づいて、光学計測装置から対象物ＴＡまでの距離を計測する計測部と、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて計測距離を補正する補正部と、を備えていればよい。

このように、本実施形態の光学計測装置１００及び光学計測方法によれば、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された計測距離が補正される。ここで、本発明の発明者は、受光量分布信号の波形における所定の特性値と計測距離の誤差との間に相関関係があることを見出した。よって、この相関関係を利用することで、受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測距離を補正することが可能となる。従って、受光量分布信号に歪みが生じたときでも、計測距離の誤差を低減することができる。

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。

（附記）
１．光学計測装置１００であって、
光を発する光源１０と、
対象物ＴＡによって反射された反射光を集光するセンサヘッド３０と、
複数の画素のそれぞれが受光量を検出可能に構成される受光部４０であって、集光された反射光について画素毎の受光量分布信号を得る受光部４０と、
受光量分布信号に基づいて、光学計測装置１００から対象物ＴＡまでの距離を計測する計測部５１と、
受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された計測距離を補正する補正部５２と、を備える、
光学計測装置１００。
８．光学計測装置１００が使用する光学計測方法であって、
光を光源１０が発するステップと、
対象物ＴＡによって反射された反射光をセンサヘッド３０が集光するステップと、
集光された反射光について画素毎の受光量分布信号を受光部４０が得るステップであって、受光部４０は複数の画素のそれぞれが受光量を検出可能に構成される、得るステップと、
受光量分布信号に基づいて、光学計測装置１００から対象物ＴＡまでの距離を計測部５１が計測するステップと、
受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、計測された計測距離を補正部５２が補正するステップと、を含む、
光学計測方法。

１０…光源、２０…導光部、２１…第１ケーブル、２２…第２ケーブル、２３…第３ケーブル、２４…光カプラ、３０…センサヘッド、３１…コリメータレンズ、３２…回折レンズ、３３…対物レンズ、４０…受光部、４１…コリメータレンズ、４２…回折格子、４３…調整レンズ、４４…受光センサ、４５…処理回路、５０…制御部、５１…計測部、５２…補正部、５３…記憶部、５４…取得部、６０…表示部、７０…操作部、１００…光学計測装置、Ｌ１，Ｌ２…光、Ｐｐｋ…ピーク受光量、ＳＬ…傾き、ＴＡ…対象物、Ｗｈｖ…半値幅、λ，λ’…波長

Claims (12)

1. 光学計測装置であって、
   光を発する光源と、
   対象物によって反射された反射光を集光する光学系と、
   複数の画素のそれぞれが受光量を検出可能に構成される受光部であって、前記集光された反射光について前記画素毎の受光量分布信号を得る受光部と、
   前記受光量分布信号に基づいて、前記光学計測装置から前記対象物までの距離を計測する計測部と、
   前記受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、前記計測された距離を補正する補正部と、を備え、
   前記所定の特性値は、前記受光量分布信号の波形における傾き、半値幅、又はピーク受光量である、
   光学計測装置。
2. 前記所定の特性値と前記計測された距離の誤差との相関関係を記憶する記憶部と、
   前記受光量分布信号の波形から前記所定の特性値を取得する取得部と、をさらに備え、
   前記補正部は、前記相関関係と前記取得された所定の特性値とに基づいて、前記計測された距離の誤差を求め、該誤差を前記計測された距離から減算する、
   請求項１に記載の光学計測装置。
3. 前記相関関係は、前記所定の特性値を独立変数とし、前記計測された距離の誤差を従属変数とする数式で表される、
   請求項２に記載の光学計測装置。
4. 前記相関関係の情報を入力するための操作部をさらに備える、
   請求項２又は３に記載の光学計測装置。
5. 前記光学系は、前記反射光を集光するための単一の集光レンズを含む、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の光学計測装置。
6. 前記光は複数の波長成分を含み、
   前記光学系は前記光に対して光軸方向に沿う色収差を生じさせ、色収差を生じさせた光を前記対象物に照射し、
   前記受光部は前記波長成分毎に受光量を検出可能に構成される、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の光学計測装置。
7. 光学計測装置が使用する光学計測方法であって、
   光を光源が発するステップと、
   対象物によって反射された反射光を光学系が集光するステップと、
   前記集光された反射光について画素毎の受光量分布信号を受光部が得るステップであって、前記受光部は複数の前記画素のそれぞれが受光量を検出可能に構成される、前記受光部が得るステップと、
   前記受光量分布信号に基づいて、前記光学計測装置から前記対象物までの距離を計測部が計測するステップと、
   前記受光量分布信号の波形における所定の特性値に基づいて、前記計測された距離を補正部が補正するステップと、を含み、
   前記所定の特性値は、前記受光量分布信号の波形における傾き、半値幅、又はピーク受光量である、
   光学計測方法。
8. 前記所定の特性値と前記計測された距離の誤差との相関関係を記憶部が記憶するステップと、
   前記受光量分布信号の波形から前記所定の特性値を取得部が取得するステップと、をさらに含み、
   前記補正するステップは、前記相関関係と前記取得された所定の特性値とに基づいて、前記計測された距離の誤差を前記補正部が求めることと、該誤差を前記計測された距離から前記補正部が減算することと、を含む、
   請求項７に記載の光学計測方法。
9. 前記相関関係は、前記所定の特性値を独立変数とし、前記計測された距離の誤差を従属変数とする数式で表される、
   請求項８に記載の光学計測方法。
10. 前記相関関係の情報を操作部に入力するステップをさらに含む、
    請求項８又は９に記載の光学計測方法。
11. 前記光学系は、前記反射光を集光するための単一の集光レンズを含む、
    請求項７から１０のいずれか一項に記載の光学計測方法。
12. 前記光は複数の波長成分を含み、
    前記光に対して光軸方向に沿う色収差を前記光学系が生じさせ、色収差を生じさせた光を前記対象物に前記光学系が照射するステップをさらに含み、
    前記受光部は前記波長成分毎に受光量を検出可能に構成される、
    請求項７から１１のいずれか一項に記載の光学計測方法。

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