JP7446192B2

JP7446192B2 - 形状測定装置

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Publication number: JP7446192B2
Application number: JP2020159892A
Authority: JP
Inventors: 明谷川; 教和岡田; 光司岩森
Original assignee: シャープセミコンダクターイノベーション株式会社
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2024-03-08
Anticipated expiration: 2040-09-24
Also published as: JP2022053202A

Description

本発明は、非接触で対象物の内面形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、非接触で対象物の内面形状を計測する技術が開発されている。これに関連する技術として、下記の特許文献１～３に開示された発明がある。

特許文献１は、円筒内面または深穴内面の形状寸法を非接触により測定する非接触内面形状測定装置に関する。非接触内面形状測定装置は、測定対象である測定孔に挿入される測定部から測定孔の内面である測定内面に測定光を照射することで非接触に測定内面の形状を測定する。

特許文献２は、白色干渉法を利用して円筒状の測定対象物の内面の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。形状測定装置は、円筒測定物の内面で反射した測定光と参照光との干渉光を複数の受光素子で検出する光検出手段と、光検出手段による検出結果に基づいて、円筒測定物の内面の三次元形状を算出する演算手段とを備える。

特許文献３は、レーザ光を被計測物体に照射し、その反射光を検出することによって、被計測物体の３次元形状を検出する３次元画像入力装置に関する。３次元画像入力装置は、被計測物体の表面における複数のビームの照射位置までの距離に対応した第１の距離データを検出する第１の距離検出手段と、第１の距離データに基づいて、複数のビームを識別するビーム識別手段と、ビーム識別手段によって識別されたビームに基づいて、光切断法に従って、被計測物体の表面におけるビームの位置までの距離に対応した第２の距離データを検出する第２の距離検出手段とを備える。

特開２０１７－０４４６０６号公報（２０１７年３月２日公開）特開２０１６－０７５５７７号公報（２０１６年５月１２日公開）特開２００２－０３１５１６号公報（２００２年１月３１日公開）

上述の特許文献１に開示された非接触内面形状測定装置は、測定孔に挿入する挿入部を備えているため、挿入部の寸法よりも小さい内径の測定対象物の測定を行うことができない。また、挿入部から内面側壁へ光を照射するため、測定対象物の底部の測定を同時に行うことができない。

特許文献２に開示された形状測定装置も同様に、光検出手段を測定対象物の内面に挿入する必要があるため、特許文献１と同様の問題がある。

特許文献３においては、第２の距離検出手段が、ビーム識別手段によって識別されたビームに基づいて、光切断法に従って、被計測物体の表面におけるビームの位置までの距離に対応した第２の距離データを検出する。しかしながら、光切断法は、スリット光を操作して細部まで光を当てる必要があるため、測定に時間がかかる。

本発明の一態様は、測定対象物の外部から測定対象物の内面形状を測定することが可能な形状測定装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る形状測定装置は、パルス状の光を測定対象物に照射する発光素子と、測定対象物からの反射光を受光する受光部と、発光素子の照射角度を変更する角度変更部と、受光部が反射光を受光する時間に基づいて、測定対象物までの距離を検出する距離検出部と、角度変更部を制御して発光素子の照射角度を変更しながら距離検出部に測定対象物までの距離を検出させて、測定対象物の形状を測定する制御部とを備え、制御部は、測定対象物の配置前後において、角度変更部を制御して発光素子の照射角度を変更しながら距離検出部に距離を検出させ、距離検出部によって検出された測定対象物の配置前後の距離を角度ごとに比較し、最も距離の変化量が大きい角度を第１の角度とし、測定対象物の配置後の測定対象物までの距離の角度ごとの変化量がなくなるときの角度を第２の角度とし、第１の角度および第２の角度に基づいて、測定対象物の形状を測定する。

本発明の一態様によれば、測定対象物の外部から測定対象物の内面形状を測定することが可能な形状測定装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る形状測定装置において使用されるＴｏＦセンサの断面図である。レンズおよび拡散板を用いない場合の発光素子からの光線の一例を示す図である。レンズおよび拡散板を用いた場合の発光素子からの光線の一例を示す図（Ｙ方向）である。レンズおよび拡散板を用いた場合の発光素子からの光線の一例を示す図（Ｘ方向）である。複数の発光素子を用いた場合の光線の一例を示す図（Ｙ方向）である。複数の発光素子を用いた場合の光線の一例を示す図（Ｙ方向）である。本発明の実施形態１に係る形状測定装置の機能的構成を示すブロック図である。本発明の実施形態１における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図（コップ配置後）である。本発明の実施形態１における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図（コップ配置前）である。本発明の実施形態２に係る形状測定装置の機能的構成を示すブロック図である。本発明の実施形態２における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態３に係る形状測定装置の機能的構成を示すブロック図である。コップがある場合のヒストグラムとコップがない場合のヒストグラムとを示すグラフである。本発明の実施形態４における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。浄水口の高さごとに作成されたヒストグラムを示すグラフである。浄水口の高さごとに作成されたヒストグラムの差分を示すグラフである。ＴｏＦセンサの高さと算出されたコップの縁部までの距離との関係を示すグラフである。本発明の実施形態５における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。本発明の実施形態６における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。ＴｏＦセンサの高さと、そのときのヒストグラムの差分のピーク値との関係を示すグラフである。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、同一の部材には同一の符号を付し、それらの名称および機能も同一である。したがって、それらの詳細な説明は繰り返さない。

＜ＴｏＦセンサの構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る形状測定装置において使用されるＴｏＦセンサ１の断面図である。ＴｏＦ（Time-of-Flight）センサ１は、カバー１４に囲まれ、概略平板状の外形を有している。カバー１４内部の空洞内には、半導体回路が形成されるチップ１１を有している。チップ１１には、基準光受光部１２と、信号光受光部１３とが形成されている。

ＴｏＦセンサ１の出射開口１６には、開口底部に発光素子１５が設置されている。出射開口１６を通して、外部に向かって出射された発光素子１５からの光は、測定対象物の測定面で反射してＴｏＦセンサ１に戻る。信号光受光部１３が、信号光受光部１３の位置に対応して設けられた受光開口１７を通して測定光である反射光を検出する。

また、基準光受光部１２は、発光素子１５の近くに配置されており、ＴｏＦセンサ１内部で発光素子１５からの光を基準光として検出する。基準光受光部１２と信号光受光部１３との間には、発光素子１５からの光を遮断するように遮断部１８が設けられる。

発光素子１５は、超高速変調が可能な垂直共振器面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）であることが好ましいが、端面発光レーザなど、他の光源であってもよい。発光波長として、例えば９４０ｎｍ帯の赤外光を選択することができるが、他の波長帯の赤外光や、赤外光に限らず可視光を用いることも可能である。

基準光受光部１２および信号光受光部１３は、微弱な光を超高速で検出可能な単一格子アバランシェダイオード（Single Photon Avalanche Photo Diode：ＳＰＡＤ）のアレイであることが好ましい。また、信号光受光部１３は、表面に、発光素子１５の発光波長を選択的に透過するバンドパスフィルタが設けられることが好ましい。

図２は、レンズおよび拡散板を用いない場合の発光素子１５からの光線の一例を示す図である。ＴｏＦセンサ１の発光素子１５は、ＶＣＳＥＬレーザ等の光源であるため、光が拡散する。図２は、比較的指向性が高い発光素子を使用した場合を示しており、測定対象物が比較的口径が小さく、高さが高いコップ等の場合には効率よく縁部に光を当てて、反射光を検出することができる。しかしながら、口径が大きいコップ等の場合には、効率よく縁部に光を当てることができない。また、指向性が低く広範囲に光が拡散する光源の場合には、コップの縁部に当たる光の光量が少なく、反射光の検出が難しくなる。

図３および図４は、レンズ２２および拡散板２３を用いた場合の発光素子１５からの光線の一例を示す図である。レンズ２２および拡散板２３を用いることにより、Ｙ方向に光を直線状に拡散させ、Ｘ方向に指向性を持たせている。これによって、口径が大きいコップ等の縁部にも効率よく光を当てて反射光を検出することができる。

拡散板２３として、表面に微小なレンズが、完全にランダムな状態で多数配置され、この微小なレンズが設計通りの異方性のある拡散角で光を屈折させる構成のものを用いることができる。一般的に、レンズの曲率が大きいほど拡散角は小さく、曲率が小さい程拡散角は大きくなる。拡散板２３に配置された多数の微小レンズは、図３および図４のＸ方向に曲率が大きく、Ｙ方向に曲率が小さいように形成されている。こうして拡散板２３は、Ｙ方向に長くＸ方向に短い所望の直線状に光を拡散させることが可能である。このような拡散板は、例えば、ＬＳＤ(Light Shaping Diffuser)の名称で市販されている。

図５および図６は、複数の発光素子１５を用いて線状光源を構成する場合の光線の一例を示す図である。レンズ２２および拡散板２３を用いる代わりに、ＴｏＦセンサ１’に複数の発光素子１５を設けることにより、Ｙ方向に延伸した照射を実現している。これによっても、口径が大きいコップ等の縁部にも効率よく光を当てて反射光を検出することができる。

図７は、本発明の実施形態１に係る形状測定装置１００の機能的構成を示すブロック図である。形状測定装置１００は、光学系３１と、光学系駆動部３２と、角度変更部３３と、距離検出部３４と、制御部３５とを含む。

光学系３１は、ＴｏＦセンサ１、レンズ２２、拡散板２３等を含む。上述のように、ＴｏＦセンサ１からの光を、Ｙ方向に直線状に拡散させ、Ｘ方向に指向性を持たせ、線状光線とすることができる。この光学系３１は、光学系駆動部３２に取付けられている。

光学系駆動部３２は、サーボモータ、ステッピングモータ等によって構成され、光学系３１から照射される光の照射角度を変更することができる。角度変更部３３は、制御部３５からの指示に応じて光学系駆動部３２を制御し、光学系３１から照射される光の角度を調整する。

光学系３１に含まれるＴｏＦセンサ１は、発光素子１５をパルス駆動してパルス状の光を出力させる。距離検出部３４は、ＴｏＦセンサ１の基準光受光部１２がパルス状の光を受光する時間と、信号光受光部１３がパルス状の光を受光する時間との差、すなわち、発光素子１５が発光した光が測定対象物で反射し、信号光受光部１３がその反射光を受光するまでの時間から測定対象物までの距離を演算する。

制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から照射される光の角度を変更しながら、距離検出部３４によって演算された測定対象物までの距離に基づいて、測定対象物の寸法を計測する。

図８および図９は、本発明の実施形態１における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。光学系３１は床面に水平な軸周りに回転し、角度θは、光学系３１から照射される光の進行方向の、床面の垂直方向からの傾きである。また、高さＨは、床面から光学系３１までの高さである。なお、図８および図９において、線状光が、紙面の垂直方向に延びるように照射される。

図８は、測定対象物であるコップを配置した状態（配置後）であり、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度がθ_１となるように光学系駆動部３２を制御し、距離検出部３４にその時の距離Ｒ_１を演算させる。次に、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度がθ_２となるように光学系駆動部３２を制御し、距離検出部３４にその時の距離Ｒ_２を演算させる。同様の処理を繰り返し、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度がθ_ｎとなるように光学系駆動部３２を制御し、距離検出部３４にその時の距離Ｒ_ｎを演算させる。

図９は、測定対象物であるコップを配置していない状態（配置前）であり、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度がθ_１となるように光学系駆動部３２を制御し、距離検出部３４にその時の距離Ｒ_１を演算させる。次に、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度がθ_２となるように光学系駆動部３２を制御し、距離検出部３４にその時の距離Ｒ_２を演算させる。同様の処理を繰り返し、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度がθ_ｎとなるように光学系駆動部３２を制御し、距離検出部３４にその時の距離Ｒ_ｎを演算させる。

制御部３５は、コップの配置後の状態で測定した距離Ｒ_１～Ｒ_ｎと、コップの配置前の状態で測定した距離Ｒ_１～Ｒ_ｎとを、角度θ_１～θ_ｎごとに比較する。角度θ_１のときの距離Ｒ_１が、コップの配置後と配置前とでほぼ同じであるので、制御部３５は、光線がコップの縁部にも底部にも当たっていないと判断する。

角度θ_２のときの距離Ｒ_２において、コップの配置後と配置前との変化量が最も大きいので、制御部３５は、角度θ_２のときの距離Ｒ_２が、コップの縁までの距離であると判断する。また、制御部３５は、コップの配置後の距離Ｒ_１～Ｒ_ｎにおける変化量（前後の距離との差）を求め、その変化量が最も大きいときの距離Ｒ_２をコップの縁までの距離であると判断するようにしてもよい。

制御部３５は、角度θ_３～θ_５において、コップ配置後の距離Ｒ_３～Ｒ_５が徐々に増加していることを検出し、距離Ｒ_３～Ｒ_５がコップの側面の距離であると判断する。そして、角度θ_６のときの距離Ｒ_６において、距離Ｒ_５との変化量がなくなるため、制御部３５は、角度θ_６のときにコップの底面に光線が当たっていると判断する。

以上から、制御部３５は、コップの幅Ｗおよび高さＬを次式（式１）および（式２）によって算出する。なお、角度θ_１～θ_ｎおよび床面から光学系３１までの高さＨは既知である。

Ｗ＝ｔａｎθ_５×Ｈ・・・（式１）
Ｌ＝Ｈ－Ｗ／ｔａｎθ_２・・・（式２）
以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置によれば、制御部３５が、測定対象物の配置後と配置前とにおいて、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度がθ_１～θ_ｎとなるように光学系駆動部３２を制御し、距離検出部３４にそのときの距離Ｒ_１～Ｒ_ｎを演算させる。そして、制御部３５が、測定対象物の配置前後における距離Ｒ_１～Ｒ_ｎを用いて測定対象物の形状を算出するようにした。したがって、測定対象物の外部から測定対象物の内面形状を測定することが可能となった。

〔実施形態２〕
図１０は、本発明の実施形態２に係る形状測定装置１００ａの機能的構成を示すブロック図である。図７に示す形状測定装置１００と比較して、浄水口駆動部３６および浄水口高さ変更部３７が追加されている点のみが異なる。したがって、重複する構成および機能の詳細な説明は繰り返さない。

浄水口駆動部３６は、サーボモータ、ステッピングモータ等によって構成され、浄水口の高さを変更することができる。浄水口高さ変更部３７は、制御部３５からの指示に応じて浄水口駆動部３６を制御し、浄水口の高さを調整する。

図１１は、本発明の実施形態２における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。光学系３１および光学系駆動部３２が、浄水口４１の近辺に設けられており、浄水口の高さの変動に伴って、光学系３１および光学系駆動部３２の高さも変動する。

まず、制御部３５は、浄水口高さ変更部３７を制御して、浄水口の高さをＨａに調整する。そして、実施形態１で説明したのと同様に、コップ２１の配置前において、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度を変更しながら、距離検出部３４に距離を演算させる。そして、コップ２１の配置後において、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度を変更しながら、距離検出部３４に距離を演算させ、コップ配置前とコップ配置後とで、距離の変化量が最も大きい距離Ｒａを、コップ２１の縁までの距離として取得する。

次に、制御部３５は、浄水口高さ変更部３７を制御して、浄水口の高さをＨｂに調整する。そして、コップ２１の配置前において、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度を変更しながら、距離検出部３４に距離を演算させる。そして、コップ２１の配置後において、制御部３５は、角度変更部３３によって光学系３１から発光される光の角度を変更しながら、距離検出部３４に距離を演算させ、コップ配置前とコップ配置後とで、距離の変化量が最も大きい距離Ｒｂを、コップ２１の縁までの距離として取得する。

浄水口４１の高さＨａおよびそのときのコップ２１の縁までの距離Ｒａと、浄水口４１の高さＨｂおよびそのときのコップ２１の縁までの距離Ｒｂとは、次の（式３）および（式４）の関係が成立する。

Ｒａ^２＝（Ｈａ－Ｌ）^２＋Ｗ^２・・・（式３）
Ｒｂ^２＝（Ｈｂ－Ｌ）^２＋Ｗ^２・・・（式４）
（式３）および（式４）から、コップ２１の高さＬおよび幅Ｗを計算すると次の（式５）および（式６）の通りとなる。

Ｌ＝（Ｈａ＋Ｈｂ）／２－（Ｒａ－Ｒｂ）（Ｒａ＋Ｒｂ）／２（Ｈａ－Ｈｂ）・・・（式５）
Ｗ＝［Ｒａ^２－｛（Ｈａ－Ｈｂ）／２＋（Ｒａ－Ｒｂ）（Ｒａ＋Ｒｂ）／２（Ｈａ－Ｈｂ）｝^２］^１／２・・・（式６）
制御部３５は、浄水口４１の高さＨａおよびそのときのコップ２１の縁までの距離Ｒａと、浄水口４１の高さＨｂおよびそのときのコップ２１の縁までの距離Ｒｂとから、コップ２１の形状である高さＬと幅Ｗとを算出する。

以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置１００ａによれば、制御部３５は、浄水口の高さをＨａにして距離の変化量が最も大きい距離Ｒａを計測し、浄水口の高さをＨｂにして距離の変化量が最も大きい距離Ｒｂを計測する。そして、制御部３５は、それらの値からコップ２１の形状を算出するようにしたので、実施形態１と比較して、コップ２１までの距離を計測する回数を減らすことができ、測定時間や測定のための回路処理を軽減することが可能となった。

〔実施形態３〕
図１２は、本発明の実施形態３に係る形状測定装置１００ｂの機能的構成を示すブロック図である。図１０に示す形状測定装置１００ａと比較して、形状測定装置１００ａの距離検出部３４が、距離検出部５に置換されている点のみが異なる。したがって、重複する構成および機能の詳細な説明は繰り返さない。なお、距離検出部５は、光学系３１内のＴｏＦセンサ１のチップ１１に形成されていてもよい。図１２においては、光学系３１、光学系駆動部３２、角度変更部３３、浄水口駆動部３６および浄水口高さ変更部３７の記載を省略している。

距離検出部５は、電源回路５１と、ＳＰＡＤアレイ（信号光）５２と、ＳＰＡＤアレイ（基準光）５３と、ＳＰＡＤ接続部５４および５５と、ＴＤＣ（Time-to-Digital Converter）５６および５７と、ＭＵＸ（マルチプレクサ）５８と、ヒストグラム回路５９と、距離演算部６０と、Ｉ／Ｏ回路６１とを含む。

電源回路５１は、ＳＰＡＤアレイ（信号光）５２およびＳＰＡＤアレイ（基準光）５３に供給する１５～２７Ｖの電圧を生成する。また、電源回路５１は、それ以外の回路に供給する電圧も生成するものとする。

ＳＰＡＤアレイ（信号光）５２は、図１に示す信号光受光部１３に対応しており、ＳＰＡＤがアレイ状に配置されている。ＳＰＡＤアレイ（信号光）５２は、測定対象物からの反射光を受け、反射光を電気パルス信号に変換してＳＰＡＤ接続部５４に出力する。

ＳＰＡＤアレイ（基準光）５３は、図１に示す基準光受光部１２に対応しており、ＳＰＡＤがアレイ状に配置されている。ＳＰＡＤアレイ（基準光）５３は、発光素子１５からの光を基準光として受け、基準光を電気パルス信号に変換してＳＰＡＤ接続部５５に出力する。

ＳＰＡＤ接続部５４は、ＳＰＡＤアレイ（信号光）５２の各ＳＰＡＤ（セル）から出力される電気信号をＯＲ演算し、ＴＤＣ５６および５７に出力する。同様に、ＳＰＡＤ接続部５５は、ＳＰＡＤアレイ（基準光）５３の各ＳＰＡＤ（セル）から出力される電気信号をＯＲ演算し、ＴＤＣ５６および５７に出力する。

ＴＤＣ５６および５７は、ＳＰＡＤ接続部５５からの電気パルス信号（基準光）が入力されてから、ＳＰＡＤ接続部５４からの電気パルス信号（信号光）が入力されるまでの時間をデジタル値に変換してＭＵＸ５８に出力する。なお、２つのＴＤＣ５６および５７は交互に使用され、ＭＵＸ５８は、有効となっているＴＤＣからのデジタル値を選択してヒストグラム回路５９に出力する。

ヒストグラム回路５９は、ＭＵＸ５８から出力されるデジタル値（ビン）ごとに発生回数をカウントし、そのカウント数に応じたヒストグラムを作成し、距離演算部６０およびＩ／Ｏ回路６１に出力する。

距離演算部６０は、ヒストグラム回路５９から出力される各ヒストグラムを参照し、ヒストグラムの中で最もカウント数が多いデジタル値（ピーク値）を検出する。そして、距離演算部６０は、そのピーク値に対応する時間から測定対象物までの距離を演算する。すなわち、発光素子１５から発射される光の光速に、ピーク値に対応する時間の１／２を乗算することによって距離を演算する。

Ｉ／Ｏ回路６１は、制御部３５からの要求に応じて、距離演算部６０によって演算された測定対象物までの距離を制御部３５に出力する。また、Ｉ／Ｏ回路６１は、制御部３５からの要求に応じて、ヒストグラム回路５９によって作成されたヒストグラムを制御部３５に出力するようにしてもよい。

なお、図１２に示す距離検出部５の技術内容については、本出願人が、例えば、特開２０１９－０７８６９０号公報等で開示しているので、技術内容の詳細はこれらの公報を参照されたい。

図１３は、コップがある場合のヒストグラムとコップがない場合のヒストグラムとを示すグラフである。コップがある場合のヒストグラム（コップ＋床）は、コップからの反射光と床からの反射光とによって得られたヒストグラムである。一方、コップがない場合のヒストグラム（床）は、床からの反射光のみによって得られたヒストグラムである。図１３に示すように、ヒストグラム（コップ＋床）とヒストグラム（床）との差分が、コップのみのヒストグラム（コップ）となる。

制御部３５は、Ｉ／Ｏ回路６１を介して、ヒストグラム回路５９からヒストグラム（コップ＋床）とヒストグラム（床）とを入力し、その差分からコップのみのヒストグラム（コップ）を作成する。ＴｏＦセンサ１は、床に対して垂直方向の成分（コップの壁成分）の光を検出することになるが、概ねＴｏＦセンサ１からコップ縁部までの距離が近いため、ＴｏＦセンサ１が多くの光を受けることになる。したがって、カウント数が最も多い約１０ｃｍがＴｏＦセンサ１からコップまでの距離となる。

実施形態２と同様に、制御部３５が、浄水口４１の高さを変更しながらコップ２１の縁部までの距離を計測することにより、それらの値からコップ２１の形状を算出することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置１００ｂによれば、ヒストグラム回路５９が、ＭＵＸ５８から出力されるデジタル値（ビン）に応じてヒストグラムを作成する。そして、制御部３５が、ヒストグラム（コップ＋床）とヒストグラム（床）との差分からコップのみのヒストグラム（コップ）を作成するようにした。これにより、ＴｏＦセンサ１の信号光受光部１３等の受光素子の数を増やすことなく測定対象物からの多くの反射光を受けることができ、受光回路を細分化する必要がなくなる。したがって、ＴｏＦセンサ１のサイズを小さくすることが可能となった。

〔実施形態４〕
本発明の実施形態４に係る形状測定装置は、図１２に示す実施形態３に係る形状測定装置１００ｂと同様である。したがって、重複する構成および機能の詳細な説明は繰り返さない。

図１４は、本発明の実施形態４における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。図１１と同様に、光学系３１および光学系駆動部３２が、浄水口４１の近辺に設けられており、浄水口の高さの変動に伴って、光学系３１および光学系駆動部３２の高さも変動する。

まず、制御部３５は、浄水口高さ変更部３７を制御して、浄水口４１の高さを１８ｃｍに調整する。そして、実施形態３で説明したのと同様に、制御部３５は、角度変更部３３を制御して光学系３１の角度を変更しながら、距離演算部６０に距離を演算させる。このとき、制御部３５は、距離の変化量が最も大きい距離に対応するヒストグラムを取得する。この距離は、コップ２１＋床からの反射光に基づいて演算されているため、コップ２１の縁部までの距離とは異なっている。

同様に、制御部３５は、浄水口高さ変更部３７を制御して、浄水口４１の高さを２０ｃｍに調整する。そして、制御部３５は、距離の変化量が最も大きい距離に対応するヒストグラムを取得する。

同様に、制御部３５は、浄水口高さ変更部３７を制御して、浄水口４１の高さを２２ｃｍに調整する。そして、制御部３５は、距離の変化量が最も大きい距離に対応するヒストグラムを取得する。

図１５は、浄水口４１の高さごとに作成されたヒストグラムを示す図である。このヒストグラムは、６０°程度のＦＷＨＭ（Full Width at Half Maximum）を有する線光線を照射した場合のものである。床からの反射光を多く検出しているため、ピーク値がコップ２１の縁部までの距離とはなっていない。

図１６は、浄水口４１の高さごとに作成されたヒストグラムの差分を示す図である。丸で示されるヒストグラムは、浄水口４１の高さが１８ｃｍのときのヒストグラムと、浄水口４１の高さが２０ｃｍのときのヒストグラムとの差分を示している。四角で示されるヒストグラムは、浄水口４１の高さが２０ｃｍのときのヒストグラムと、浄水口４１の高さが２２ｃｍのときのヒストグラムとの差分を示している。

図１６に示すように、２つのヒストグラムのピーク値は共に、７．５ｒａｎｇｅであり、そのときのカウント値（度数）をＣｐとする。－１５ｒａｎｇｅ～０ｒａｎｇｅの３つのｒａｎｇｅをｒ_１～ｒ_３とし、そのときのカウント値をＣ_１～Ｃ_３とする。１５ｒａｎｇｅ～３０ｒａｎｇｅの３つのｒａｎｇｅをｒ_４～ｒ_６とし、そのときのカウント値をＣ_４～Ｃ_６とする。

これら６つの点の重心（ヒストグラムの重心）Ｃｂｉｎは、以下の通りとなる。なお、重心Ｃｂｉｎは、ピーク値Ｃｐを含めて計算するようにしてもよい。

Ｃｂｉｎ＝（Ｃ_１×ｒ_１＋Ｃ_２×ｒ_２＋…＋Ｃ_６×ｒ_６）／（Ｃ_１＋Ｃ_２＋…＋Ｃ_６）・・・（式７）
制御部３５は、（式７）から、浄水口４１の高さが１８ｃｍのときのコップ２１の縁部までの距離Ｒ_１と、浄水口４１の高さが２０ｃｍのときのコップ２１の縁部までの距離Ｒ_２とを求める。浄水口４１の高さ１８ｃｍおよびそのときのコップ２１の縁までの距離Ｒ_１と、浄水口４１の高さ２０ｃｍおよびそのときのコップ２１の縁までの距離Ｒ_２とは、次の（式８）および（式９）の関係が成立する。

Ｒ_１ ^２＝（１８－Ｌ）^２＋Ｗ^２・・・（式８）
Ｒ_２ ^２＝（２０－Ｌ）^２＋Ｗ^２・・・（式９）
（式８）および（式９）から、コップ２１の高さＬおよび幅Ｗを計算すると次の（式１０）および（式１１）の通りとなる。

Ｌ＝１９－（Ｒ_２－Ｒ_１）（Ｒ_２＋Ｒ_１）／４・・・（式１０）
Ｗ＝［Ｒ_２ ^２－｛１＋（Ｒ_２－Ｒ_１）（Ｒ_２＋Ｒ_１）／４｝^２］^１／２・・・（式１１）
制御部３５は、浄水口４１の高さ１８ｃｍおよびそのときのコップ２１の縁部までの距離Ｒ_１と、浄水口４１の高さ２０ｃｍおよびそのときのコップ２１の縁までの距離Ｒ_２とから、コップ２１の形状である高さＬと幅Ｗとを算出する。

図１７は、ＴｏＦセンサ１の高さと算出されたコップ２１の縁部までの距離との関係を示すグラフである。図１７において、丸で示すのが図１６に示すヒストグラムの差分によって得られたコップ２１の縁部までの距離（出力値）であり、四角で示すのがコップ２１の縁部までの距離（理想値）である。図１７に示すように、ヒストグラムの差分によって得られたコップ２１の縁部までの距離が、ほぼ理想値と近似していることが分かる。

以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置によれば、制御部３５が、浄水口４１の高さを変更しながらヒストグラム回路５９にヒストグラムを作成させ、高さが異なるヒストグラムの差分を取得する。そして、制御部３５は、差分のヒストグラムから重心を求め、重心に基づいてそれぞれの高さにおけるコップ２１の縁部までの距離を算出するようにした。したがって、コップ２１がないときのヒストグラムを作成して記憶しておく必要がなくなり、処理時間を削減することが可能となった。

〔実施形態５〕
本発明の実施形態５に係る形状測定装置は、図１２に示す実施形態３に係る形状測定装置１００ｂと同様である。したがって、重複する構成および機能の詳細な説明は繰り返さない。

図１８は、本発明の実施形態５における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。図１８に示すように、浄水口４１の下部にはコップ２１の位置合わせ用台７１が設けられており、コップ２１の縁部を位置合わせ用台７１に合わせて配置することにより、ＴｏＦセンサ１の直下にコップ２１の縁部が配置されるようにする。

コップ２１の縁部の幅は、一般的に数ｍｍ程度であるので、ＴｏＦセンサ１とコップ２１の縁部との距離が約２ｃｍ以下となったときに、床等の成分を除外して縁部までの距離を算出することが可能であるとの検証結果が得られている。なお、線状光源およびＴｏＦセンサ１の受光素子を細分化すれば、コップ２１の縁部までの距離が離れていても、コップ２１の縁部までの距離を測定することができる。したがって、実施形態４のように、ヒストグラムの差分を算出する必要がなくなり、コップ２１の縁部までの距離を正確に測定することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置によれば、コップ２１の縁部を位置合わせ用台７１に合わせて配置するようにしたので、床等の成分を除外して縁部までの距離を算出することができる。また、ＴｏＦセンサ１の角度によって距離の測定精度が低下するが、本実施形態においては、ＴｏＦセンサ１の直下にコップ２１の縁部が配置されるため、測定精度が低下することはない。

〔実施形態６〕
本発明の実施形態６に係る形状測定装置は、図１２に示す実施形態３に係る形状測定装置１００ｂと同様である。したがって、重複する構成および機能の詳細な説明は繰り返さない。

図１９は、本発明の実施形態６における測定対象物の寸法を測定する方法の一例を示す図である。図１９に示すように、ＴｏＦセンサ１の角度を４０°とし、浄水口４１の高さを高くしながら、コップ２１までの距離を計測する。

まず、制御部３５は、浄水口高さ変更部３７を制御して、浄水口４１の高さをＨ_３に調整する。制御部３５は、ヒストグラム回路５９から高さＨ_３のときのヒストグラムを取得する。次に、制御部３５は、浄水口高さ変更部３７を制御して浄水口４１を上方向に移動させ、ヒストグラム回路５９からそのときのヒストグラムを取得する。そして、制御部３５は、２つのヒストグラムの差分を計算し、ヒストグラムの差分のピーク値を取得する。

制御部３５は、浄水口４１の高さを上方向に移動させながら、同様の処理を行い、ヒストグラムの差分のピーク値を取得する。浄水口４１の高さがＨ_２になると、線状光線がコップ２１の底面部の縁に照射されるため、線状光線が全て床に到達する。そのため、ヒストグラムの差分のピーク値は、高さＨ_２において最大となる。

図２０は、ＴｏＦセンサ１の高さと、そのときのヒストグラムの差分のピーク値との関係を示すグラフである。図２０に示すように、ＴｏＦセンサ１の高さをＨ_３から徐々に上方向に移動させると、ヒストグラムの差分のピーク値も徐々に増加する。そして、ＴｏＦセンサ１の高さがＨ_２になると、ヒストグラムの差分のピーク値が最大となる。それ以降、ＴｏＦセンサ１の高さを上方向に移動させるにしたがって、ヒストグラムの差分のピーク値が徐々に減少する。

制御部３５は、ＴｏＦセンサ１の高さがＨ_１になると、浄水口４１の移動を止め、実施形態１において説明したのと同様の方法により、角度θ_１およびコップ２１の縁部までの距離Ｒ_１を取得する。

以上から、制御部３５は、コップの幅Ｗおよび高さＬを次式（式１２）および（式１３）によって算出する。なお、床面から光学系３１までの高さＨ_１およびＨ_２と、高さＨ_２におけるＴｏＦセンサ１の角度（４０°）とは既知である。

Ｗ＝Ｈ_２×ｔａｎ４０° ・・・（式１２）
Ｌ＝Ｈ_１－Ｒ_１×ｃｏｓθ_１・・・（式１３）
以上説明したように、本実施形態に係る形状測定装置によれば、ヒストグラムの差分のピーク値が最大となるときの高さＨ_２からコップ２１の形状を算出するようにした。したがって、コップ２１がないときのヒストグラムを作成して記憶しておく必要がなくなり、処理時間を削減することが可能となった。

＜ソフトウェアによる実現例＞
形状測定装置１００、１００ａおよび１００ｂの制御ブロック（特に制御部３５）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、制御部３５は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば少なくとも１つのプロセッサ（制御装置）を備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な少なくとも１つの記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

＜まとめ＞
本発明の態様１に係る形状測定装置は、パルス状の光を測定対象物に照射する発光素子と、測定対象物からの反射光を受光する受光部と、発光素子の照射角度を変更する角度変更部と、受光部が反射光を受光する時間に基づいて、測定対象物までの距離を検出する距離検出部と、角度変更部を制御して発光素子の照射角度を変更しながら距離検出部に測定対象物までの距離を検出させて、測定対象物の形状を測定する制御部とを備える。

上記の構成によれば、制御部が、角度変更部を制御して発光素子の照射角度を変更しながら距離検出部に測定対象物までの距離を検出させて、測定対象物の形状を測定するので、測定対象物の外部から測定対象物の内面形状を測定することが可能となる。

本発明の態様２に係る照明装置は、上記態様１において、制御部は、測定対象物の配置前後において、角度変更部を制御して発光素子の照射角度を変更しながら距離検出部に距離を検出させ、距離検出部によって検出された測定対象物の配置前後の距離を角度ごとに比較し、最も距離の変化量が大きい角度を第１の角度とし、測定対象物の配置後の測定対象物までの距離の角度ごとの変化量がなくなるときの角度を第２の角度とし、第１の角度および第２の角度に基づいて、測定対象物の形状を測定する。

上記の構成によれば、制御部が、第１の角度および第２の角度に基づいて、測定対象物の形状を測定するので、測定対象物の形状を容易に測定することが可能となる。

本発明の態様３に係る形状測定装置は、上記態様１において、形状測定装置はさらに、発光素子および受光部の高さを変更する高さ変更部を備え、制御部は、高さ変更部を制御して発光素子および受光部の高さを第１の高さにし、測定対象物の配置前後において、角度変更部を制御して発光素子の照射角度を変更しながら距離検出部に距離を検出させ、距離検出部によって検出された測定対象物の配置前後の距離を角度ごとに比較し、最も距離の変化量が大きい距離を第１の距離とし、高さ変更部を制御して発光素子および受光部の高さを第２の高さにし、測定対象物の配置前後において、角度変更部を制御して発光素子の照射角度を変更しながら距離検出部に距離を検出させ、距離検出部によって検出された測定対象物の配置前後の距離を角度ごとに比較し、最も距離の変化量が大きい距離を第２の距離とし、第１の高さ、第１の距離、第２の高さおよび第２の距離に基づいて、測定対象物の形状を測定する。

上記の構成によれば、測定対象物までの距離を計測する回数を減らすことができ、測定時間や測定のための回路処理を軽減することが可能となる。

本発明の態様４に係る照明装置は、上記態様１において、距離検出部は、発光素子が光を照射してから受光部が反射光を受光するまでの時間をデジタル値に変換する変換部と、デジタル値ごとに回数をカウントしてヒストグラムを作成するヒストグラム回路と、ヒストグラム回路によって作成されたヒストグラムから測定対象物までの距離を演算する距離演算部とを含む。

上記の構成によれば、受光素子の数を増やすことなく測定対象物からの多くの反射光を受けることができ、受光部を細分化する必要がなくなる。

本発明の態様５に係る照明装置は、上記態様４において、制御部は、ヒストグラム回路に測定対象物の配置前後におけるヒストグラムを作成させ、ヒストグラムの差分に基づいて測定対象物の形状を測定する。

本発明の態様６に係る照明装置は、上記態様４において、形状測定装置はさらに、発光素子および受光部の高さを変更する高さ変更部を備え、制御部は、高さ変更部を制御して発光素子および受光部の高さを第３の高さにし、ヒストグラム回路に測定対象物までの距離のヒストグラムを作成させて第１のヒストグラムとし、高さ変更部を制御して発光素子および受光部の高さを第４の高さにし、ヒストグラム回路に測定対象物までの距離のヒストグラムを作成させて第２のヒストグラムとし、高さ変更部を制御して発光素子および受光部の高さを第５の高さにし、ヒストグラム回路に測定対象物までの距離のヒストグラムを作成させて第３のヒストグラムとし、第１のヒストグラムと第２のヒストグラムとの差分を求めて第１のヒストグラムの差分とし、第２のヒストグラムと第３のヒストグラムとの差分を求めて第２のヒストグラムの差分とし、第１のヒストグラムの差分と第２のヒストグラムの差分との重心に基づいて、測定対象物の形状を測定する。

上記の構成によれば、測定対象物がないときのヒストグラムを作成して記憶しておく必要がなくなり、処理時間を削減することが可能となる。

本発明の態様７に係る照明装置は、上記態様４において、測定対象物は、発光素子および受光部の直下に配置され、制御部は、ヒストグラム回路に測定対象物までの距離のヒストグラムを作成させて、測定対象物の形状を測定する。

上記の構成によれば、床等の成分を除外して測定対象物までの距離を算出することができる。また、発光素子および受光部の直下に測定対象物が配置されるため、測定精度が低下することはない。

本発明の態様８に係る照明装置は、上記態様４において、形状測定装置はさらに、発光素子および受光部の高さを変更する高さ変更部を備え、制御部は、高さ変更部を制御して発光素子および受光部の高さを徐々に変更しながらヒストグラム回路に異なる高さのヒストグラムを作成させてヒストグラムの差分のピーク値を取得し、ヒストグラムの差分のピーク値が最大となる高さから、測定対象物の形状を測定する。

本発明の各態様に係る形状測定装置１００、１００ａおよび１００ｂは、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記形状測定装置１００、１００ａおよび１００ｂが備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより上記形状測定装置１００，１００ａおよび１００ｂをコンピュータにて実現させる。形状測定装置１００、１００ａおよび１００ｂのコントローラ、制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１，１’ ＴｏＦセンサ
５，３４距離検出部
１１チップ
１２基準光受光部
１３信号光受光部
１４カバー
１５発光素子
１６出射開口
１７受光開口
１８遮断部
２１コップ
２２レンズ
２３拡散板
３１光学系
３２光学系駆動部
３３角度変更部
３５制御部
３６浄水口駆動部
３７浄水口高さ変更部
４１浄水口
５１電源回路
５２ＳＰＡＤアレイ（信号光）
５３ＳＰＡＤアレイ（基準光）
５４，５５ＳＰＡＤ接続部
５６，５７ＴＤＣ
５８マルチプレクサ
５９ヒストグラム回路
６０距離演算部
６１Ｉ／Ｏ回路
７１位置合わせ用台
１００，１００ａ，１００ｂ形状測定装置

Claims

パルス状の光を測定対象物に照射する発光素子と、
前記測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記発光素子の照射角度を変更する角度変更部と、
前記受光部が反射光を受光する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を検出する距離検出部と、
前記角度変更部を制御して前記発光素子の照射角度を変更しながら前記距離検出部に前記測定対象物までの距離を検出させて、前記測定対象物の形状を測定する制御部とを備え、
前記制御部は、前記測定対象物の配置前後において、前記角度変更部を制御して前記発光素子の照射角度を変更しながら前記距離検出部に距離を検出させ、
前記距離検出部によって検出された前記測定対象物の配置前後の距離を角度ごとに比較し、最も距離の変化量が大きい角度を第１の角度とし、
前記測定対象物の配置後の前記測定対象物までの距離の角度ごとの変化量がなくなるときの角度を第２の角度とし、
前記第１の角度および前記第２の角度に基づいて、前記測定対象物の形状を測定する、形状測定装置。
パルス状の光を測定対象物に照射する発光素子と、
前記測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記発光素子の照射角度を変更する角度変更部と、
前記受光部が反射光を受光する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を検出する距離検出部と、
前記角度変更部を制御して前記発光素子の照射角度を変更しながら前記距離検出部に前記測定対象物までの距離を検出させて、前記測定対象物の形状を測定する制御部とを備え、
さらに、前記発光素子および前記受光部の高さを変更する高さ変更部を備え、
前記制御部は、前記高さ変更部を制御して前記発光素子および前記受光部の高さを第１の高さにし、前記測定対象物の配置前後において、前記角度変更部を制御して前記発光素子の照射角度を変更しながら前記距離検出部に距離を検出させ、前記距離検出部によって検出された前記測定対象物の配置前後の距離を角度ごとに比較し、最も距離の変化量が大きい距離を第１の距離とし、
前記高さ変更部を制御して前記発光素子および前記受光部の高さを第２の高さにし、前記測定対象物の配置前後において、前記角度変更部を制御して前記発光素子の照射角度を変更しながら前記距離検出部に距離を検出させ、前記距離検出部によって検出された前記測定対象物の配置前後の距離を角度ごとに比較し、最も距離の変化量が大きい距離を第２の距離とし、
前記第１の高さ、前記第１の距離、前記第２の高さおよび前記第２の距離に基づいて、前記測定対象物の形状を測定する、形状測定装置。
パルス状の光を測定対象物に照射する発光素子と、
前記測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記発光素子の照射角度を変更する角度変更部と、
前記受光部が反射光を受光する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を検出する距離検出部と、
前記角度変更部を制御して前記発光素子の照射角度を変更しながら前記距離検出部に前記測定対象物までの距離を検出させて、前記測定対象物の形状を測定する制御部とを備え、
前記距離検出部は、前記発光素子が光を照射してから前記受光部が反射光を受光するまでの時間をデジタル値に変換する変換部と、
前記デジタル値ごとに回数をカウントしてヒストグラムを作成するヒストグラム回路と、
前記ヒストグラム回路によって作成されたヒストグラムから前記測定対象物までの距離を演算する距離演算部とを含み、
さらに、前記発光素子および前記受光部の高さを変更する高さ変更部を備え、
前記制御部は、前記高さ変更部を制御して前記発光素子および前記受光部の高さを第３の高さにし、前記ヒストグラム回路に前記測定対象物までの距離のヒストグラムを作成させて第１のヒストグラムとし、
前記高さ変更部を制御して前記発光素子および前記受光部の高さを第４の高さにし、前記ヒストグラム回路に前記測定対象物までの距離のヒストグラムを作成させて第２のヒストグラムとし、
前記高さ変更部を制御して前記発光素子および前記受光部の高さを第５の高さにし、前記ヒストグラム回路に前記測定対象物までの距離のヒストグラムを作成させて第３のヒストグラムとし、
前記第１のヒストグラムと前記第２のヒストグラムとの差分を求めて第１のヒストグラムの差分とし、前記第２のヒストグラムと前記第３のヒストグラムとの差分を求めて第２のヒストグラムの差分とし、
前記第１のヒストグラムの差分と前記第２のヒストグラムの差分との重心に基づいて、前記測定対象物の形状を測定する、形状測定装置。
パルス状の光を測定対象物に照射する発光素子と、
前記測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記発光素子の照射角度を変更する角度変更部と、
前記受光部が反射光を受光する時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を検出する距離検出部と、
前記角度変更部を制御して前記発光素子の照射角度を変更しながら前記距離検出部に前記測定対象物までの距離を検出させて、前記測定対象物の形状を測定する制御部とを備え、
前記距離検出部は、前記発光素子が光を照射してから前記受光部が反射光を受光するまでの時間をデジタル値に変換する変換部と、
前記デジタル値ごとに回数をカウントしてヒストグラムを作成するヒストグラム回路と、
前記ヒストグラム回路によって作成されたヒストグラムから前記測定対象物までの距離を演算する距離演算部とを含み、
さらに、前記発光素子および前記受光部の高さを変更する高さ変更部を備え、
前記制御部は、前記高さ変更部を制御して前記発光素子および前記受光部の高さを徐々に変更しながらヒストグラム回路に異なる高さのヒストグラムを作成させてヒストグラムの差分のピーク値を取得し、前記ヒストグラムの差分のピーク値が最大となる高さから、前記測定対象物の形状を測定する、形状測定装置。