JP7296239B2

JP7296239B2 - 光学計測装置、光学計測方法、及び光学計測プログラム

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Publication number: JP7296239B2
Application number: JP2019075017A
Authority: JP
Inventors: 祐太鈴木; 潤 ▲高▼嶋
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: JP2020173170A; TW202043702A; WO2020208962A1; TWI755690B

Description

本発明は、光学計測装置、光学計測方法、及び光学計測プログラムに関する。

従来、光学計測装置として、複数の波長成分を有する照射光を発生する光源と、光源からの照射光に対して軸上色収差を生じさせるとともに、光軸の延長線上に少なくともその一部が配置される計測対象物からの反射光を受光するセンサヘッドと、センサヘッドで受光される反射光を各波長成分に分離して、各波長成分の光を受光する受光部と、光源と受光部とセンサヘッドとを光学的に接続する導光部と、受光部における各波長成分の受光量に基づいて、光学系から計測対象物までの距離を算出する処理部と、を備えるものが知られている（特許文献１参照）。この光学計測装置は、受光波形における複数の波長成分の各々の受光量を、その受光量の基準値と比較して、受光量の基準値に対する変化量が複数の波長成分のいずれにおいても予め定められた閾値以上である場合には、受光波形の異常を検知する。

特開２０１７－１７３１５９号公報

特許文献１に記載された光学計測装置では、受光部で得られた受光量分布信号（波形）におけるピーク受光量に基づいて、センサヘッドから対象物までの距離を計測している。

しかしながら、センサヘッドで受光された光が受光部の受光センサ（撮像素子）に到達するまでの間に、分光器等のデバイスに起因するデバイス特性波形の成分が含まれてしまう。その結果、デバイス特性波形の成分が含まれる受光部の受光量分布波形において、例えば半値幅が大きくなってしまい、計測精度が低下することがあった。また、デバイス特性は光学計測装置毎で個体差がある。

そこで、本発明は、計測精度の低下を抑制することのできる光学計測装置、光学計測方法、及び光学計測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計測装置は、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、受光部を用いて測定される受光部特性信号に基づいて、受光量分布信号から受光量分布原信号を復元する復元部と、を備える。

この態様によれば、受光部を用いて測定される受光部特性信号に基づいて、受光量分布信号から受光量分布原信号が復元される。ここで、本発明の発明者達は、受光部によって得られる受光量分布信号に、受光部特性信号が含まれることを見出した。また、本発明の発明者達は、あらかじめ受光部を用いて受光部特性信号を測定しておくことで、受光部によって得られる受光量分布信号から受光部特性信号を除去できることを見出した。よって、受光部を用いて測定される受光部特性信号に基づくことにより、受光部特性信号が除去された受光量分布原信号を復元することが可能となる。従って、受光量分布信号と比較して、復元された受光量分布原信号の半値幅は小さくなるので、この受光量分布原信号に基づくことで、計測精度の低下を抑制することができる。

前述した態様において、光学系は、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に照射し、受光部は、集光された光について波長成分毎の受光量分布信号を得るように構成されてもよい。

この態様によれば、光学系が、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に照射し、受光部が、集光された光について波長成分毎の受光量分布信号を得るように構成される。これにより、計測精度の低下を抑制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。

前述した態様において、復元部は、受光部特性信号を表す受光部特性関数と受光量分布信号を表す受光量関数との逆畳み込み演算を行い、受光量分布原信号を表す受光量原関数を求めてもよい。

この態様によれば、受光量関数と受光部特性関数との逆畳み込み演算を行い、受光量原関数が求められる。前述したように、受光量分布信号は、受光量分布原信号に、受光部特性信号が合成されている。すなわち、本発明の発明者達は、受光量関数が受光部特性関数と受光量原関数との合成積、つまり、畳み込みであることを見出した。よって、受光量関数と受光部特性関数との逆畳み込み演算を行うことにより、受光量原関数を求めることができ、受光量分布原信号を容易に復元することができる。

前述した態様において、受光部特性関数は、受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して測定される複数の受光部特性信号のうち、受光量分布信号におけるピーク受光量の波長成分に基づいて選択された受光部特性信号を用い、求められてもよい。

この態様によれば、受光部特性関数は、受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して測定される複数の受光部特性信号のうち、受光量分布信号におけるピーク受光量の波長成分に基づいて選択された受光部特性信号を用い、求められる。これにより、受光量分布信号におけるピーク受光量の波長成分に対応する波長の受光部特性信号から、受光部特性関数を簡易に求めることができる。

前述した態様において、受光部特性関数は、受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して測定される複数の受光部特性信号を用い、求められてもよい。

この態様によれば、受光部特性関数は、受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して測定される複数の受光部特性信号を用い、求められる。これにより、受光量分布信号におけるピーク受光量の波長成分に対応する受光部特性信号がない場合でも、前後の波長における受光部特性信号から補完して受光部特性関数を求めることができる。

前述した態様において、受光部特性信号に関する情報を記憶する記憶部をさらに備えてもよい。

この態様によれば、受光部特性信号に関する情報が記憶される。これにより、受光量分布原信号を復元するための応答時間を短くすることができる。

前述した態様において、受光量分布原信号に基づいて、光学計測装置から対象物までの距離を計測する計測部をさらに備えてもよい。

この態様によれば、受光量分布原信号に基づいて、光学計測装置から対象物までの距離が計測される。これにより、受光量分布信号に基づく距離と比較して、計測される距離の精度を向上させることができる。

また、本発明の他の態様に係る光学計測方法は、光学系と受光部とを備える光学計測装置の光学計測方法であって、対象物によって反射された反射光を光学系によって集光する集光ステップと、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る受光ステップと、受光部を用いて測定される受光部特性信号に基づいて、受光量分布信号から受光量分布原信号を復元する復元ステップと、を含む。

この態様によれば、光学系が、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に照射し、受光部が、集光された光について波長成分毎の受光量分布信号を得るように構成される。これにより、計測精度の低下を抑制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。

前述した態様において、復元ステップは、受光部特性信号を表す受光部特性関数と受光量分布信号を表す受光量関数との逆畳み込み演算を行い、受光量分布原信号を表す受光量原関数を求めることを含んでもよい。

前述した態様において、受光部特性関数は、受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して得られる複数の受光部特性信号のうち、受光量分布信号におけるピーク受光量の波長成分に基づいて選択された受光部特性信号を用い、求められてもよい。

前述した態様において、受光部特性関数は、受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して得られる複数の受光部特性信号を用い、求められてもよい。

前述した態様において、受光部特性信号に関する情報を記憶部に記憶する記憶ステップをさらに含んでもよい。

前述した態様において、受光量分布原信号に基づいて、光学計測装置から対象物までの距離を計測する計測ステップをさらに含んでもよい。

また、本発明の他の態様に係る光学計測プログラムは、コンピュータに実行させる、光学系と受光部とを備える光学計測装置の光学計測プログラムであって、対象物によって反射された反射光を光学系によって集光する集光ステップと、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る受光ステップと、受光部を用いて測定される受光部特性信号に基づいて、受光量分布信号から受光量分布原信号を復元する復元ステップと、を含む。

本発明によれば、計測精度の低下を抑制することができる。

図１は、一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、図１に示す受光部によって得られる受光量分布信号を例示する波形図である。図３は、受光部によって得られる受光量分布信号を例示する波形図である。図４は、図３に示した受光量分布信号に含まれる受光部特性信号Ｓを例示する波形図である。図５は、センサヘッドによって集光された光の受光量分布原信号を例示する波形図である。図６は、逆畳み込みの手法の一例を説明するための概念図である。図７は、受光部特性行列の作成方法の一例を説明するための概念図である。図８は、受光部特性行列の作成方法の他の例を説明するための概念図である。図９は、一実施形態に係る光学計測装置における対象物までの距離の計測の概略動作を例示するフローチャートである。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。さらに、本発明の技術的範囲は、当該実施形態に限定して解するべきではない。

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、一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、記憶部６０と、操作部７０と、表示部８０と、を備える。光源１０、導光部２０の一部、受光部４０、制御部５０、記憶部６０、操作部７０、及び表示部８０は、コントローラ９０に収容されている。

但し、光学計測装置１００の各部は、センサヘッド３０と、コントローラ９０とに分けて収容される構成に限定されるものではない。例えば、光学計測装置１００の各部は、３つ以上に分けて収容されていてもよい。

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、変位を所定の計測周期で計測してもよい。

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、当該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（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）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、第２ケーブル２２を介してコントローラ９０に脱着自在に構成されている。

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、回折レンズ３２、及び対物レンズ３３は、対象物ＴＡに光を照射するように構成されている。また、コリメータレンズ３１、回折レンズ３２、及び対物レンズ３３は、対象物ＴＡによって反射された反射光を集光するように構成されている。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。

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。コリメータレンズ３１は、単一又は複数のレンズを含んで構成される。また、コリメータレンズ３１は、センサヘッド３０に入射する光を集光するためのものでもある。

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。

受光部４０は、センサヘッド３０で集光された光について、後述する受光量分布信号を得るように構成されている。センサヘッド３０で集光された光は、例えば、対象物ＴＡによって反射された反射光である。受光部４０は、例えば、コリメータレンズ４１と、分光器（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２３から出射された光を平行光に変換するように構成されている。分光器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、分光器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、例えば分光器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。各受光素子の所定の露光時間、増幅回路の所定のゲイン等は、制御信号に基づいて変更することが可能である。

ここで、図２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、図１に示す受光部４０によって得られる受光量分布信号を例示する波形図である。図２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、受光量分布信号は、通常、ガウス分布（正規分布ともいう）になることが知られている。そのため、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５２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おけるピークの受光量の波長λ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。これにより、反射光の波長成分毎の受光量分布において、ピーク以外の波長成分が距離に及ぼす影響を抑制し、対象物ＴＡに焦点が合ったピークの波長成分に基づいて距離を計測することができる。従って、光学計測装置１００から対象物ＴＡまでの距離を、安定して高精度に計測することができる。

前述したように、受光量分布信号の波形は、ガウス分布である（と見なせる）ことから、ガウス関数で表現（近似）することができる。また、ガウス分布の広がりの程度を表す指標として半値幅が知られている。図２に示す例において、半値幅Ｗｈｍは、受光量のピーク（最大値）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）、つまり、半値全幅である。以下の説明において、特に明示する場合を除き、半値幅は半値全幅を意味するものとする。

ここで、理想的には、受光量分布信号は、対象物ＴＡで焦点が合った光の波長に対応する画素がピークとなるパルス状の波形となることが好ましい。言い換えれば、受光量分布信号の半値幅は、略ゼロの値となることが理想である。受光量分布信号の半値幅が略ゼロの小さい値であれば、例えば僅かな距離の違いでも異なる計測値として正しく計測することができる等、光学計測装置１００の計測精度は高いといえる。よって、受光量分布信号の半値幅は、光学計測装置１００における計測精度や計測性能の指標となる。

しかしながら、実際には、様々な要因、例えばセンサヘッド３０の光学系の光学性能と分光器の光学性能等が原因となり、受光量分布信号の波形はパルス状にはならない。そのため、図２に示すように、受光量分布信号の半値幅Ｗｈｍは大きくなり、その分布は広がってしまうのが現状である。

次に、図３から図５を参照しつつ、受光部４０によって得られる受光量分布信号と受光量分布原信号との関係について説明する。図３は、受光部４０によって得られる受光量分布信号Ｓｒｄを例示する波形図である。図４は、図３に示した受光量分布信号に含まれる受光部特性信号Ｓｒｃを例示する波形図である。図５は、センサヘッド３０によって集光された光の受光量分布原信号Ｓｒｐを例示する波形図である。図３から図５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。また、図３から図５は、ガラス等の光透過性を有する対象物ＴＡの表面及び裏面を検出し、当該対象物ＴＡの厚さを計測する場合の例を示している。

図３に示すように、受光部４０によって得られる受光量分布信号Ｓｒｄには、透明体である対象物ＴＡの表面で焦点が合う画素（波長）と、当該対象物ＴＡの裏面で焦点が合う画素（波長）との２カ所で、受光量のピークが現れる。この場合、それぞれのピーク受光量に対して中間点を求め、それぞれのピーク受光量に対応する波長から距離の差、つまり、対象物ＴＡの厚さを計測する。

しかし、２つの受光量ピークに対するそれぞれのガウス分布において、半値幅の値が大きい場合、図３に示すように、２つのガウス分布が分離されず、各ピーク受光量に対する前述の中間点を求めることができなかった。そのため、受光部４０の受光量分布信号Ｓｒｄから対象物ＴＡの厚さを計測することができない場合があった。

ここで、本発明の発明者達は、受光部４０によって得られる受光量分布信号Ｓｒｄに、受光部特性信号Ｓｒｃが含まれることを見出した。受光部特性信号Ｓｒｃは、受光部４０、具体的には、センサヘッド３０によって集光された光が、第３ケーブル２３から出射されてから受光センサ４４の各受光素子に入射するまでの過程において、コリメータレンズ４１、分光器４２、調整レンズ４３等の各デバイスの特性によって、受光量分布原信号Ｓｒｐに合成される信号（成分）である。受光量分布原信号Ｓｒｐは、センサヘッド３０によって集光された光について、受光部４０の特性による影響を受ける前の受光量分布信号である。

図３から図５に示す例では、受光部４０によって得られる図３に示す受光量分布信号Ｓｒｄには、光が受光センサ４４に至るまでの間に、図４に示す受光部特性信号Ｓｒｃが合成されている。図５に示すように、受光量分布原信号Ｓｒｐには、図４に示す受光部特性信号Ｓｒｃが含まれていないので、各ピーク受光量に対して前述の中間点を求めることが可能である。よって、この受光量分布原信号Ｓｒｐから対象物ＴＡの厚さを計測することができる。

図１の説明に戻ると、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。また、制御部５０は、記憶部６０に記憶されたプログラムを実行する等によって、後述する各機能を実現するように構成されている。プログラムを実行する等によって、後述する各機能を実現するように構成されている。制御部５０は、例えば、ＣＰＵ(ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ)、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等のマイクロプロセッサと、ＲＯＭ(ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ)、ＲＡＭ(ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ)、バッファメモリ等のメモリと、を含んで構成される。

また、制御部５０は、その機能構成として、例えば、復元部５１と、計測部５２と、を備える。

復元部５１は、受光部４０を用いて測定される、図４に示す受光部特性信号Ｓｒｃに基づいて、図３に示す受光量分布信号Ｓｒｄから図５に示す受光量分布原信号Ｓｒｐを復元するように構成されている。前述したように、受光量分布信号Ｓｒｄには受光部特性信号Ｓｒｃが含まれている。ここで、発明の発明者達は、あらかじめ受光部４０を用いて受光部特性信号Ｓｒｃを測定しておくことで、受光部４０によって得られる受光量分布信号Ｓｒｄから受光部特性信号Ｓｒｃを除去できることを見出した。よって、受光部４０を用いて測定される受光部特性信号Ｓｒｃに基づくことにより、受光部特性信号Ｓｒｃが除去された受光量分布原信号Ｓｒｐを復元することが可能となる。従って、受光量分布信号Ｓｒｄと比較して、復元された受光量分布原信号Ｓｒｐの半値幅は小さくなるので、この受光量分布原信号Ｓｒｐに基づくことで、計測精度の低下を抑制することができる。

より詳細には、復元部５１は、受光部特性信号Ｓｒｃを表す受光部特性関数と受光量分布信号Ｓｒｄを表す関数を受光量関数との逆畳み込み演算（以下、単に「逆畳み込み」ともいう）を行い、受光量分布原信号Ｓｒｐを表す受光量原関数を求めるように構成されている。

前述したように、図３に示す受光量分布信号Ｓｒｄは、図５に示す受光量分布原信号Ｓｒｐに、図４に示す受光部特性信号Ｓｒｃが合成されている。すなわち、受光量分布信号Ｓｒｄを表す関数を受光量関数ｈ（ｘ、ｄ）、受光量分布原信号Ｓｒｐを表す関数を受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）、受光部特性信号Ｓｒｃを表す関数を受光部特性関数ｆ（ｘ）とすると、受光量関数ｈ（ｘ、ｄ）は以下の式（１）で表すことができることを、本発明の発明者達は見出した。なお、ｘは個体識別子であり、ｄはセンサヘッド３０から、対象物ＴＡまでの距離である。
ｈ（ｘ、ｄ）＝ｆ（ｘ）＊ｇ（ｘ、ｄ） …（１）

式（１）は、受光量関数ｈ（ｘ、ｄ）が受光部特性関数ｆ（ｘ）と受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）との合成積、つまり、畳み込みであることを意味している。よって、復元部５１が、受光量関数ｈ（ｘ、ｄ）と受光部特性関数ｆ（ｘ）との逆畳み込み演算を行うことにより、受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）を求めることができ、受光量分布原信号Ｓｒｐを容易に復元することができる。

ここで、図６を参照しつつ、受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）を求めるための逆畳み込みについて説明する。図６は、逆畳み込みの手法の一例を説明するための概念図である。

以下の説明では、逆畳み込みの手法の一例として、ヤコビ法又はガウス＝ザイデル法を用いて受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）を求める。ヤコビ法及びガウス＝ザイデル法では、行列を用いることが一般的である。このため、ヤコビ法又はガウス＝ザイデル法を用いて逆畳み込みを行う場合には、受光量関数ｈ（ｘ、ｄ）の従属変数の値を成分とする受光量行列Ｙと、受光部特性関数ｆ（ｘ）の従属変数の値を成分とする受光部特性行列Λとを、あらかじめ決めておく。受光部特性行列Λは、対角成分に受光量分布原信号Ｓｒｐのピーク受光量を配置した対角行列である。なお、受光部特性行列Λの詳細については、後述する。

受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）の従属変数の値を成分とする行列を受光量原行列Ｘとすると、式（１）は、以下の式（２）に言い換えられる。
Ｙ（ｘ、ｄ）＝Λ（ｘ）＊Ｘ（ｘ、ｄ） …（２）

図６に示すように、受光量行列ＹをＮ行（Ｎは２以上の整数）１列の行列、受光部特性行列ΛをＮ行Ｍ列（Ｍは２以上の整数）の行列とすると、求めるべき受光量原行列ＸはＮ行１列の行列となる。このＮ次元の連立方程式について、ヤコビ法又はガウス＝ザイデル法を用いることで、受光量原行列Ｘの各成分ｘ₁、ｘ₂、…、ｘ_Nの値を求めることができる。なお、受光部特性行列Λの列の数Ｍは、基本的に分光器４２の波長長に依存する値である。

ここで、図７から図８を参照しつつ、受光部特性行列Λの作成方法について説明する。図７は、受光部特性行列Λの作成方法の一例を説明するための概念図である。図８は、受光部特性行列Λの作成方法の他の例を説明するための概念図である。

受光部特性行列Λの作成するために、図７に示すように、複数の受光部特性信号Ｓｒｃをあらかじめ取得しておく。複数の受光部特性信号Ｓｒｃは、受光部４０にそれぞれ異なる波長の光を入射して得られた受光量分布信号である。具体的には、受光部４０の受光部特性信号Ｓｒｃは、分光器４２の特性が支配的である。そのため、光学計測装置１００の出荷前に、分光器４２の検査装置において、単一波長の光を分光器４２に入射し、その分光された光を受光センサで受光して受光量分布信号を得る。この一連の作業を複数、例えば、互いに波長の異なる５種類の光について繰り返すことで、複数の受光部特性信号Ｓｒｃを取得することができる。

最初に、受光部４０によって得られた受光量分布信号Ｓｒｄについて、ピーク受光量に対応する画素、つまり、波長λを求める。次に、この波長λに基づいて、複数の受光部特性信号Ｓｒｃのうちの一つを選択する。例えば、複数の受光部特性信号Ｓｒｃのうち、ピーク受光量に対応する波長が、受光量分布信号Ｓｒｄから求められた波長λに最も近い受光部特性信号Ｓｒｃが選択される。そして、選択された受光部特性信号Ｓｒｃのピーク受光量を対角成分に配置することで、受光部特性行列Λを作成することができる。

このように、受光部特性関数ｆ（ｘ）の従属変数の値を成分とする受光部特性行列Λは、受光部４０にそれぞれ異なる波長の光を入射して測定される複数の受光部特性信号Ｓｒｃのうち、受光量分布信号Ｓｒｄにおけるピーク受光量の波長成分に基づいて選択された受光部特性信号Ｓｒｃを用い、求められる。これにより、受光量分布信号Ｓｒｄにおけるピーク受光量の波長成分に対応する波長λの受光部特性信号Ｓｒｃから、受光部特性関数ｆ（ｘ）を簡易に求めることができる。

あるいは、図７に示した例と同様に、複数の受光部特性信号Ｓｒｃをあらかじめ取得しておき、図８に示すように、これら複数の受光部特性信号Ｓｒｃを用いて受光部特性行列Λを作成してもよい。具体的には、複数の受光部特性信号Ｓｒｃのピーク受光量のそれぞれを、受光部特性行列Λの対角成分の１つに配置する。図８に示す例の場合、複数の受光部特性信号Ｓｒｃを得る際に使用した波長の間の波長については、前後の波長における受光部特性信号Ｓｒｃから補完し、対角成分に配置する必要がある。

このように、受光部特性関数ｆ（ｘ）の従属変数の値を成分とする受光部特性行列Λは、受光部４０にそれぞれ異なる波長の光を入射して測定される複数の受光部特性信号Ｓｒｃを用い、求められてもよい。これにより、受光量分布信号Ｓｒｄにおけるピーク受光量の波長成分に対応する受光部特性信号Ｓｒｃがない場合でも、前後の波長における受光部特性信号Ｓｒｃから補完して受光部特性関数ｆ（ｘ）を求めることができる。

本実施形態では、逆畳み込みの手法として、ヤコビ法又はガウス＝ザイデル法を用いる例を示したが、これに限定されるものではない。逆畳み込みは、ヤコビ法又はガウス＝ザイデル法以外に様々な手法が存在する。本発明は、フィルタ成分、つまり、受光部特性信号Ｓｒｃを用いて、原信号、つまり、受光量分布原信号Ｓｒｐを復元するという技術思想の手法であれば、逆畳み込みの手段として適用可能である。そのような手法として、例えば、フーリエ変換やニューラルネットワークを用いた逆畳み込みの手法を適用することができる。

また、以下の式（３）に示すように、事前に受光部特性行列の逆行列を求めておき、受光量分布信号との積を求めることにより、受光量原信号を復元してもよい。これにより、受光量分布原信号の復元にかかる計算を高速化することができる。
Ｘ＝Λ^-1＊Ｙ …（３）

図１の説明に戻ると、計測部５２は、受光量分布原信号Ｓｒｐに基づいて、光学計測装置１００、より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。これにより、受光量分布信号Ｓｒｄに基づく距離と比較して、計測される距離の精度を向上させることができる。

制御部５０の各機能は、コンピュータ（マイクロプロセッサ）で実行されるプログラムによって実現することが可能である。したがって、制御部５０が備える各機能は、ハードウェア、ソフトウェア、若しくはハードウェア及びソフトウェアの組み合わせによって実現可能であり、いずれかの場合に限定されるものではない。

また、制御部５０の各機能が、ソフトウェア、若しくはハードウェア及びソフトウェアの組み合わせによって実現される場合、その処理は、マルチタスク、マルチスレッド、若しくはマルチタスク及びマルチスレッドの両方で実行可能であり、いずれかの場合に限定されるものではない。

記憶部６０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。記憶部６０は、例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等を含んで構成される。記憶部６０は、制御部５０が実行する各種プログラムやプログラムの実行に必要なデータ等をあらかじめ記憶している。

また、記憶部６０は、受光部特性信号Ｓｒｃに関する情報として、受光部特性関数ｆ（ｘ）を記憶している。記憶部６０は、受光部特性関数ｆ（ｘ）に代えて、受光部特性関数ｆ（ｘ）の逆関数を記憶してもよいし、例えば図８に示す例で作成された受光部特性行列Λ、又は受光部特性行列Λの逆行列を記憶していてもよい。このように、受光部特性信号Ｓｒｃに関する情報を記憶することにより、受光量分布原信号Ｓｒｐを復元するための応答時間を短くすることができる。

操作部７０は、利用者（ユーザ）の操作によって情報を入力するためのものである。操作部７０は、例えば、ボタン、スイッチ等を含んで構成される。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に情報を入力することが可能になる。

表示部８０は、情報を出力するためのものである。詳細には、表示部８０は、例えば、計測された距離、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いる。表示部８０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。

次に、図９を参照しつつ、本実施形態に係る光学計測装置の動作の一例について説明する。図９は、一実施形態に係る光学計測装置１００における対象物ＴＡまでの距離の計測の概略動作を例示するフローチャートである。

光学計測装置１００の制御部５０は、例えば利用者（ユーザ）の操作によって光学計測装置１００が起動されると、図９に示す距離計測処理Ｓ２００を実行する。なお、以下の説明では、説明の簡略化のため、記憶部６０は、受光部特性関数ｆ（ｘ）の情報として、図８に示す例で説明した受光部特性行列Λ、並びに受光部特性行列Λの逆行列もしくは逆関数に相当する情報を記憶しているものとする。また、センサコントローラ毎の特性を記録することで、コントローラのばらつきを除去し、センサヘッドの原信号を復元できる。

図９に示すように、最初に、制御部５０は、所定の周期で制御信号を出力し、光源１０から対象物ＴＡへ光を投光する（Ｓ２０１）。

次に、制御部５０は、受光部４０から、対象物ＴＡによって反射され、センサヘッド３０によって集光された光の受光量分布信号Ｓｒｄを得る（Ｓ２０２）。

次に、復元部５１は、ステップＳ２０２において得られた受光量分布信号Ｓｒｄを用い、当該受光量分布信号Ｓｒｄを表す受光量関数ｈ（ｘ、ｄ）を導き出す（Ｓ２０３）。具体的には、復元部５１は、受光量分布信号Ｓｒｄにおける各画素の値（受光量）の一部又は全部から受光量行列Ｙの各成分を決めて受光量行列Ｙを求める。

次に、復元部５１は、受光部特性関数ｆ（ｘ）の情報として、図８に示す受光部特性行列Λを記憶部６０から読み出す（Ｓ２０４）。

次に、復元部５１は、ステップＳ２０３において導出した受光量関数ｈ（ｘ、ｄ）と、ステップＳ２０４において読み出した受光部特性関数ｆ（ｘ）の情報とを用い、逆畳み込み演算を行う（Ｓ２０５）。これにより、受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）が復元される。

具体的には、復元部５１は、受光量行列Ｙと受光部特性行列Λとを用い、多次元連立方程式を解くことで、受光量原行列Ｘを算出する。

次に、計測部５２は、ステップＳ２０５の結果、復元された受光量原関数ｇ（ｘ、ｄ）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（Ｓ２０６）。計測部５２は、ステップＳ２０６で計測した距離を表示部８０に表示させてもよい。

ステップＳ２０６の後、制御部５０は、ステップＳ２０１に戻り、例えば光学計測装置１００が停止するまで、ステップＳ２０１からステップＳ２０６までの処理を繰り返す。

本実施形態では、光学計測装置１００が、センサヘッド３０から対象物ＴＡまでの距離を計測する例を示したが、これに限定されるものではない。光学計測装置が計測する計測値は、例えば、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。

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距離を計測する例を示したが、これに限定されるものではない。光学計測装置は、例えば三角測距方式で距離を計測してもよい。三角測距方式とは、図１のような同軸光学系を使用せず、光源から対象物に照射する光と、対象物で反射した光を別の光学系で構成するものである。例えば光源から出射したレーザ光を対象物に照射し、対象物で反射したレーザ光を受光部で測定し、レーザ光の光軸と受光部の位置、姿勢関係と受光部で測定されたレーザ光の入射角度に基づいて、光学計測装置から対象物までの距離を計測するように構成される。この場合、レーザ光の入射角度は、受光部を用いて測定される受光部分布信号に基づいて決定される。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係る光学計測装置１００、光学計測方法、及び光学計測プログラムによれば、受光部４０を用いて測定される、図４に示す受光部特性信号Ｓｒｃに基づいて、図３に示す受光量分布信号Ｓｒｄから図５に示す受光量分布原信号Ｓｒｐが復元される。ここで、本発明の発明者達は、受光部４０によって得られる受光量分布信号Ｓｒｄに、受光部特性信号Ｓｒｃが含まれることを見出した。また、本発明の発明者達は、あらかじめ受光部４０を用いて受光部特性信号Ｓｒｃを測定しておくことで、受光部４０によって得られる受光量分布信号Ｓｒｄから受光部特性信号Ｓｒｃを除去できることを見出した。よって、受光部４０を用いて測定される受光部特性信号Ｓｒｃに基づくことにより、受光部特性信号Ｓｒｃが除去された受光量分布原信号Ｓｒｐを復元することが可能となる。従って、受光量分布信号Ｓｒｄと比較して、復元された受光量分布原信号Ｓｒｐの半値幅は小さくなるので、この受光量分布原信号Ｓｒｐに基づくことで、計測精度の低下を抑制することができる。

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．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、集光された光について画素毎の受光量分布信号Ｓｒｄを得る受光部４０と、
受光部４０を用いて測定される受光部特性信号Ｓｒｃに基づいて、受光量分布信号Ｓｒｄから受光量分布原信号Ｓｒｐを復元する復元部５１と、を備える、
光学計測装置１００。
８．センサヘッド３０と受光部４０とを備える光学計測装置１００の光学計測方法であって、
対象物ＴＡによって反射された反射光をセンサヘッド３０によって集光する集光ステップと、
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Ｓｒｄを得る受光ステップと、
受光部を用いて測定される受光部特性信号Ｓｒｃに基づいて、受光量分布信号Ｓｒｄから受光量分布原信号Ｓｒｐを復元する復元ステップと、を含む、
光学計測方法。
１５．コンピュータに実行される、センサヘッド３０と受光部４０とを備える光学計測装置１００の光学計測プログラムであって、
対象物ＴＡによって反射された反射光をセンサヘッド３０によって集光する集光ステップと、
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Ｓｒｄを得る受光ステップと、
受光部を用いて測定される受光部特性信号Ｓｒｃに基づいて、受光量分布信号Ｓｒｄから受光量分布原信号Ｓｒｐを復元する復元ステップと、を含む、
光学計測プログラム。

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、３５…記憶部、４０…受光部、４１…コリメータレンズ、４２…分光器、４３…調整レンズ、４４…受光センサ、４５…処理回路、５０…制御部、５１…復元部、５２…計測部、６０…記憶部、７０…操作部、８０…表示部、９０…コントローラ、１００…光学計測装置、Ｌ１，Ｌ２…光、Ｓ２００…距離計測処理、Ｓｒｃ…受光部特性信号、Ｓｒｄ…受光量分布信号、Ｓｒｐ…受光量分布原信号、ＴＡ…対象物、Ｗｈｍ…半値幅、λ…波長。

Claims

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、
前記受光部を用いて得られる出力特性に基づいて、前記受光量分布信号から受光量分布原信号を復元する復元部と、を備え、
前記光学系は、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前記対象物に照射し、
前記受光部は、前記集光された光について前記波長成分毎の前記受光量分布信号を得るように構成され、
前記受光量分布原信号に基づいて、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をさらに備える、
光学計測装置。
前記復元部は、前記出力特性を表す受光部特性関数と前記受光量分布信号を表す受光量関数との逆畳み込み演算を行い、前記受光量分布原信号を表す受光量原関数を求める、
請求項１に記載の光学計測装置。
前記受光部特性関数は、前記受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して得られる複数の前記出力特性のうち、前記受光量分布信号におけるピーク受光量の波長成分に基づいて選択された前記出力特性を用い、求められる、
請求項２に記載の光学計測装置。
前記受光部特性関数は、前記受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して得られる複数の前記出力特性を用い、求められる、
請求項２に記載の光学計測装置。
前記出力特性に関する情報を記憶する記憶部をさらに備える、
請求項１から４のいずれか一項に記載の光学計測装置。
光学系と受光部とを備える光学計測装置の光学計測方法であって、
対象物によって反射された反射光を前記光学系によって集光する集光ステップと、
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前記受光部によって、前記集光された光について前記画素毎の受光量分布信号を得る受光ステップと、
前記受光部を用いて得られる出力特性に基づいて、前記受光量分布信号から受光量分布原信号を復元する復元ステップと、を含み、
前記光学系は、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前記対象物に照射し、
前記受光部は、前記集光された光について前記波長成分毎の前記受光量分布信号を得るように構成され、
前記受光量分布原信号に基づいて、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ステップをさらに含む、
光学計測方法。
前記復元ステップは、前記出力特性を表す受光部特性関数と前記受光量分布信号を表す受光量関数との逆畳み込み演算を行い、前記受光量分布原信号を表す受光量原関数を求めることを含む、
請求項６に記載の光学計測方法。
前記受光部特性関数は、前記受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して得られる複数の前記出力特性のうち、前記受光量分布信号におけるピーク受光量の波長成分に基づいて選択された前記出力特性を用い、求められる、
請求項７に記載の光学計測方法。
前記受光部特性関数は、前記受光部にそれぞれ異なる波長の光を入射して得られる複数の前記出力特性を用い、求められる、
請求項７に記載の光学計測方法。
前記出力特性に関する情報を記憶部に記憶する記憶ステップをさらに含む、
請求項６から９のいずれか一項に記載の光学計測方法。
コンピュータに実行させる、光学系と受光部とを備える光学計測装置の光学計測プログラムであって、
対象物によって反射された反射光を前記光学系によって集光する集光ステップと、
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前記受光部によって、前記集光された光について前記画素毎の受光量分布信号を得る受光ステップと、
前記受光部を用いて得られる出力特性に基づいて、前記受光量分布信号から受光量分布原信号を復元する復元ステップと、を含み、
前記光学系は、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前記対象物に照射し、
前記受光部は、前記集光された光について前記波長成分毎の前記受光量分布信号を得るように構成され、
前記受光量分布原信号に基づいて、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ステップをさらに含む、
光学計測プログラム。