WO2019059236A1 - 形状計測センサ - Google Patents

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豊田 晴義
克宜 松井
一隆 鈴木
中村 和浩
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Definitions

  • the increase in the number of electrical signals can be suppressed, and the increase in time required to read out the electrical signals can be suppressed. Therefore, according to the above-mentioned shape measurement sensor, it is possible to detect the incident position of light in the light receiving section at high speed. As a result, the three-dimensional shape of the surface of the object can be measured at high speed, and it becomes possible to shorten the measurement time and achieve high definition of the measurement result.
  • the light receiving unit 10 is provided in an inclination direction Db which is inclined from the measurement line ML as the irradiation direction Da of the laser beam L1 to the measurement line ML.
  • the inclination direction Db is inclined with respect to the irradiation direction Da except the direction D2 along the measurement line ML.
  • the inclination direction Db is inclined with respect to the irradiation direction Da in the direction D1 intersecting the measurement line ML.
  • the reflected light L2 reflected by the measurement line ML is incident on the light receiving unit 10 from the inclination direction Db.
  • the calculation unit 35 can also detect the position information Lx r and Ly r represented by formula (2) or formula (4).
  • an adder is provided on a connecting line between one input end of each amplifier 33 and each pixel pair 11.
  • the adder has two input ends electrically connected to the first pixel 12 and the second pixel 13 respectively, and an output end electrically connected to one input end of the amplifier 33.
  • the adder calculates the sum of the charge signal Dx 2r-1 and the charge signal Dx 2r generated from each of the first pixel 12 and the second pixel 13, and the calculated sum is applied to one input end of the amplifier 33. Output.

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Abstract

形状計測センサは、計測線において反射した光が入射する受光部と、光の入射位置に基づいて計測線上の各位置の位置情報を算出する算出部とを備える。受光部は、光の入射光量に応じた第1電気信号を生成する第1画素、及び、照射方向と交差する第1方向に沿って第1画素と並んで配置され且つ光の入射光量に応じた第2電気信号を生成する第2画素を各々含んでおり第1方向に沿って配列される複数の画素対を有する。第1画素において受光部の第1方向と交差する第2方向における一端に入射位置が近づくほど、第1電気信号の強度は減少し、第2画素において第2方向における一端に入射位置が近づくほど、第2電気信号の強度は増加する。算出部は、第1電気信号及び第2電気信号を画素対毎に取得し、取得した第1電気信号の強度及び第2電気信号の強度に基づいて、第2方向における入射位置を画素対毎に算出する。

Description

形状計測センサ
 本開示は、形状計測センサに関する。
 特許文献1は、光の入射位置を検出する光センサを開示する。この光センサは、平面内の一方向に沿って幅が徐々に広くなるテーパ状の受光領域を有する。このような形状を有する受光領域上において光が当該一方向に沿って移動すると、光センサから取り出される出力は直線的に変化する。この出力の変化を利用して、光の入射位置について当該一方向における一次元位置が検出される。2つの光センサを、互いにその斜辺を接して逆向きに配置すると、これらの光センサからの差出力の変化率は、個々の光センサからの出力の変化率と比較して2倍に増幅される。
 特許文献2は、光が入射した二次元位置を検出する二次元光入射位置検出素子を開示する。
特開平3-34369号公報 特開平4-313278号公報
 近年、物体の表面にライン状の光を照射(或いはスポット状の光をスキャン)し、照射方向に対して傾斜する方向からその反射光の位置を検出して当該物体の表面形状を計測する手法が用いられている。このような計測手法においては、計測時間の短縮及び計測結果の高精細化のため、反射光の位置を高速に検出することが求められる。例えば、反射光の位置を検出するために、CMOSイメージセンサといった二次元撮像素子が用いられ得る。しかし、画素が二次元に配列される撮像素子では、複数行及び複数列にわたって配列された多数の画素から電気信号が出力されるので、電気信号の読み出しに時間が掛かってしまう。従って、反射光の位置を高速に検出することには限界がある。
 本開示は、反射光の位置を高速に検出することができる形状計測センサを提供することを目的とする。
 本開示の一実施形態による形状計測センサは、物体の表面の計測線に対して照射され、物体の表面において反射した光を検出して物体の表面形状を計測する形状計測センサであって、光の照射方向に対して傾斜する方向から、計測線において反射した光が入射する受光部と、受光部における光の入射位置を検出し、入射位置に基づいて計測線上の各位置の位置情報を算出する算出部と、を備える。受光部は、光の入射光量に応じた第1電気信号を生成する第1画素、及び、照射方向と交差する第1方向に沿って第1画素と並んで配置され且つ光の入射光量に応じた第2電気信号を生成する第2画素を各々含んでおり第1方向に沿って配列される複数の画素対を有する。第1画素において受光部の第1方向と交差する第2方向における一端に入射位置が近づくほど、第1電気信号の強度は減少し、第2画素において第2方向における一端に入射位置が近づくほど、第2電気信号の強度は増加する。算出部は、第1電気信号及び第2電気信号を画素対毎に取得し、取得した第1電気信号の強度及び第2電気信号の強度に基づいて、第2方向における入射位置を画素対毎に算出する。
 この形状計測センサでは、光が物体の表面の計測線において反射し、反射した光が受光部に入射する。第1画素に光が入射すると、光の入射光量に応じた第1電気信号が第1画素から生成される。同様に、第2画素に光が入射すると、光の入射光量に応じた第2電気信号が第2画素から生成される。算出部は、生成された第1電気信号及び第2電気信号を画素対毎に取得することによって、第1方向における光の入射位置を画素対毎に検出する。更に、算出部は、第2方向における光の入射位置と、第1電気信号の強度及び第2電気信号の強度との関係を利用して、第2方向における入射位置を画素対毎に算出する。このようにして、受光部における光の入射位置の二次元位置情報が画素対毎に検出される。そして、この入射位置の二次元位置情報に基づいて物体の表面の計測線上の各位置の二次元位置情報が算出され、測定線を該測定線と交差する方向に走査することで物体の表面の三次元形状が計測される。上記の形状計測センサでは、各画素対から生成された電気信号のみによって、第1方向における入射位置に加えて、第2方向における入射位置を画素対毎に検出できる。つまり、第2方向における入射位置を検出する為の電気信号を別途生成することなく、光の入射位置の二次元情報を検出できる。これにより、電気信号の数の増大を抑えることができ、それらの電気信号の読み出しに要する時間の増大を抑えることができる。従って、上記の形状計測センサによれば、受光部における光の入射位置を高速に検出することが可能となる。その結果、物体の表面の三次元形状を高速に計測することができ、計測時間の短縮及び計測結果の高精細化を図ることが可能となる。
 上記の形状計測センサでは、算出部は、第1電気信号の強度と第2電気信号の強度との比を用いて、第2方向における入射位置を画素対毎に算出してもよい。この場合、第2方向における光の入射位置を簡易な計算処理によって算出することができるので、光の入射位置をより高速に検出することが可能となる。
 上記の形状計測センサでは、算出部は、第1電気信号の強度又は第2電気信号の強度と、第1電気信号の強度及び第2電気信号の強度の合計値との比を用いて、第2方向における入射位置を画素対毎に算出してもよい。このように、第1電気信号の強度又は第2電気信号の強度を第1電気信号の強度及び第2電気信号の強度の合計値で規格化することにより、これらの電気信号の強度の変動を補償できる。これにより、光の入射位置を精度良く検出することが可能となる。
 上記の形状計測センサでは、受光部は、第1画素を覆っており光を透過する第1透過フィルタ、及び第2画素を覆っており光を透過する第2透過フィルタを更に有してもよく、第1透過フィルタにおける光の透過率は、第2方向における一端に近づくほど減少してもよく、第2透過フィルタにおける光の透過率は、第2方向における一端に近づくほど増加してもよい。このような第1透過フィルタ及び第2透過フィルタを受光部が有することにより、第1画素において第2方向における一端に光の入射位置が近づくほど、第1画素に入射する光の入射光量は減少し、これに応じて、第1画素において生成される第1電気信号の強度も減少する。これに対し、第2画素において第2方向における一端に光の入射位置が近づくほど、第2画素に入射する光の入射光量は増加し、これに応じて、第2画素において生成される第2電気信号の強度も増加する。従って、このような構成によれば、上述した形状計測センサの受光部を好適に実現することができる。
 上記の形状計測センサでは、受光部は、第1画素の一部を除く他の部分を覆っており光を遮光する第1遮光部、及び第2画素の一部を除く他の部分を覆っており光を遮光する第2遮光部を更に有してもよく、第1画素の一部における第1方向の幅は、第2方向における一端に近づくほど減少してもよく、第2画素の一部における第1方向の幅は、第2方向における一端に近づくほど増加してもよい。このような第1遮光部及び第2遮光部を受光部が有することにより、第1画素において光の第2方向における一端に入射位置が近づくほど、第1画素に入射する光の入射光量は減少し、これに応じて、第1画素において生成される第1電気信号の強度も減少する。これに対し、第2画素において第2方向における一端に光の入射位置が近づくほど、第2画素に入射する光の入射光量は増加し、これに応じて、第2画素において生成される第2電気信号の強度も増加する。従って、このような構成によれば、上述した形状計測センサの受光部を好適に実現することができる。
 上記の形状計測センサでは、第1画素における第1方向の幅は、第2方向における一端に近づくほど減少してもよく、第2画素における第1方向の幅は、第2方向における一端に近づくほど増加してもよい。このような第1画素及び第2画素を受光部が有することにより、第1画素において第2方向における一端に光の入射位置が近づくほど、第1画素に入射する光の入射光量は減少し、これに応じて、第1画素において生成される第1電気信号の強度も減少する。これに対し、第2画素において第2方向における一端に光の入射位置が近づくほど、第2画素に入射する光の入射光量は増加し、これに応じて、第2画素において生成される第2電気信号の強度も増加する。従って、このような構成によれば、上述した形状計測センサの受光部を好適に実現することができる。
 本開示によれば、反射光の位置を高速に検出することができる。
図1は、一実施形態に係る形状計測センサを示す概略構成図である。 図2は、図1に示す形状計測センサの撮像装置を示す概略構成図である。 図3は、図2に示す撮像装置の受光部の透過フィルタを示す上面図である。 図4は、図1に示すIV-IV線に沿った断面図である。 図5は、第1変形例に係る撮像装置を示す概略構成図である。 図6は、第2変形例に係る撮像装置を備える形状計測センサを示す概略構成図である。 図7は、図6に示す撮像装置を示す概略構成図である。 図8は、第3変形例に係る撮像装置を示す概略構成図である。 図9は、図8に示す撮像装置の受光部の別の例を示す概略構成図である。 図10は、図8に示す撮像装置の受光部の別の例を示す概略構成図である。 図11は、図8に示す撮像装置の受光部の別の例を示す概略構成図である。 図12は、図11に示す受光部の一部を拡大した拡大図である。 図13は、図8に示す撮像装置の受光部の別の例を示す概略構成図である。 図14は、第4変形例に係る撮像装置を示す概略構成図である。 図15は、第5変形例に係る撮像装置を示す概略構成図である。 図16は、第6変形例に係る撮像装置を示す概略構成図である。
 以下、添付図面を参照しながら、本開示の形状計測センサの実施の形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
 図1は、本実施形態に係る形状計測センサ1(形状計測システム)を示す概略構成図である。形状計測センサ1は、光切断法を用いて物体2の表面形状を計測するセンサである。具体的には、形状計測センサ1は、物体2の表面2aにライン状のレーザ光L1を照射(或いはスポット状のレーザ光をスキャン)し、物体2の表面2aにおいて反射した反射光L2の位置を検出することによって物体2の表面2aの三次元形状を計測する。なお、ライン状とは、照射方向Daと交差する面内でのレーザ光L1の形状が線状であることを意味する。物体2は、方向D1に移動する移動ステージの配置面Sに配置されている。移動ステージの方向D1への移動速度は、例えば1m/s以下である。配置面Sは、方向D1及び方向D1と交差(一例では直交)する方向D2に沿って延びている。図1に示される物体2は、方向D1を長手方向とする直方体状の外観を有している。物体2の形状はこの例に限定されず、あらゆる形状を採用することができる。
 形状計測センサ1は、図1に示されるように、物体2の表面2aにライン状のレーザ光L1を照射する光源3(照射部)と、物体2の表面2aにおいて反射した反射光L2を撮像する撮像装置4とを備えている。光源3は、例えば可視光帯域の波長を有するレーザ光L1を出射する。光源3は、方向D1及び方向D2と交差(一例では直交)する方向D3において物体2の表面2aと対向する位置に配置されており、物体2の表面2aにおいて方向D2にわたって延びるライン状の領域にレーザ光L1を照射する。以降、このライン状の領域を「計測線ML」と称する。なお、形状計測センサ1は、光源3を備えなくてもよい。
 光源3は、レーザ光L1を計測線MLにおいてライン状に形成するためのレンズを有する。このレンズは、例えばシリンドリカルレンズであり、レーザ光L1を方向D2に拡げながら方向D1に集光する。レーザ光L1は、方向D3に沿って進行して当該レンズを通過したのち、方向D2に拡がった状態で表面2aの計測線ML上の各位置に同時に照射する。ここで、物体2は、移動ステージの方向D1への移動に伴って、光源3及び撮像装置4に対して方向D1に沿って相対移動する。これにより、表面2aの方向D1に沿った各位置について計測線MLへのレーザ光L1の照射が順次行われる。
 撮像装置4は、例えば、計測線MLからの反射光L2の画像の取得から画像処理まで行うビジョンチップを有するビジョンカメラである。撮像装置4は、表面2aの方向D1に沿った各位置について計測線MLから反射する反射光L2を所定のフレームレートで順次撮像し、撮像によって取得した信号の処理を行う。撮像装置4は、計測線MLにおいて反射した反射光L2が入射する受光部10と、反射光L2の入射に応じて受光部10から出力される信号を処理する信号処理部30とを有する。受光部10は、計測線MLへのレーザ光L1の照射方向Daに対して、計測線MLを起点として傾斜した傾斜方向Dbに設けられている。傾斜方向Dbは、照射方向Daに対して、計測線MLに沿った方向D2を除く方向に傾斜している。本実施形態では、傾斜方向Dbは、照射方向Daに対して、計測線MLと交差する方向D1に傾斜している。受光部10には、計測線MLにおいて反射した反射光L2が傾斜方向Dbから入射する。
 ここで、図2~図4を参照しながら、撮像装置4の構成についてより具体的に説明する。図2は、撮像装置4を示す概略構成図である。図2では、受光部10における反射光L2の入射範囲がハッチングで示されている。受光部10は、X方向(第1方向)に沿って配列された複数の画素対11を有する。X方向は、照射方向Daと交差する方向であり、一例では、計測線MLが延在する方向D2に沿っている(図1参照)。複数の画素対11のそれぞれは、X方向に沿って交互に並んで配置される第1画素12及び第2画素13を含む。第1画素12及び第2画素13のそれぞれは、例えば、X方向と交差するY方向(第2方向)を長手方向とする長方形状を呈している。Y方向は、照射方向Daに沿った方向であり、一例では、計測線MLと交差する方向D1に沿っている。以降では、複数の第1画素12及び複数の第2画素13をまとめて、複数の画素P~P(Nは、2以上の整数であり、画素数を示す)と称する。奇数番号が付された各画素P,P…PN-1は、各第1画素12に対応し、偶数番号が付された各画素P,P…Pは、各第2画素13に対応する。
 各画素P~Pは、入射した反射光L2の入射光量に応じた電荷信号Dx~Dxをそれぞれ生成する。具体的には、各第1画素12に反射光L2が入射すると、各第1画素P,P…PN-1は、反射光L2の入射光量に応じた各電荷信号Dx,Dx…DxN-1(第1電気信号)を生成する。同様に、各第2画素P,P…Pに反射光L2が入射すると、各第2画素P,P…Pは、反射光L2の入射光量に応じた各電荷信号Dx,Dx…Dx(第2電気信号)を生成する。各画素P~Pは、各電荷信号Dx~DxをY方向における他端10b側から出力する。
 受光部10は、複数の第1画素12上にそれぞれ配置される複数の第1透過フィルタ14と、複数の第2画素13上にそれぞれ配置される複数の第2透過フィルタ15とを更に有する。図3は、これら透過フィルタを示す上面図である。図4は、図2に示すIV-IV線に沿った断面図である。第1透過フィルタ14は、該第1透過フィルタ14に入射した反射光L2を透過するフィルタであり、第1画素12を覆っている。同様に、第2透過フィルタ15は、該第2透過フィルタ15に入射した反射光L2を透過するフィルタであり、第2画素13を覆っている。第1透過フィルタ14及び第2透過フィルタ15のそれぞれは、第1画素12及び第2画素13と同様、Y方向を長手方向とする長方形状を呈すると共にX方向に沿って交互に並んで配置されている。
 図2及び図3では、各第1透過フィルタ14及び各第2透過フィルタ15の透過率が色の濃淡で示されており、各透過フィルタの透過率が大きいほど淡く、各透過フィルタの透過率が小さいほど濃くなっている。図2に示されるように、第1透過フィルタ14における透過率は、第1画素12上において、受光部10のY方向における一端10aに近づくほど徐々に減少(すなわち単調減少)し、受光部10の他端10bに近づくほど徐々に増加(すなわち単調増加)する。各第1透過フィルタ14における透過率は、第1画素12上において、一端10aに近づくほど段階的に減少してもよく、他端10bに近づくほど段階的に増加してもよい。
 上述したような透過率を有する第1透過フィルタ14を透過して第1画素12に入射する反射光L2の入射光量は、反射光L2の入射位置が一端10aに近づくほど徐々に(或いは段階的に)減少し、当該入射位置が他端10bに近づくほど徐々に(或いは段階的に)増加する。これに応じて、第1画素12において生成される電荷信号Dx,Dx…DxN-1の強度も、当該入射位置が一端10aに近づくほど徐々に(或いは段階的に)減少し、当該入射位置が他端10bに近づくほど徐々に(或いは段階的に)増加する。
 これに対して、第2透過フィルタ15における透過率は、第2画素13上において、一端10aに近づくほど徐々に(或いは段階的に)増加し、他端10bに近づくほど徐々に(或いは段階的に)減少する。このような透過率を有する第2透過フィルタ15を透過して第2画素13に入射する反射光L2の入射光量は、反射光L2の入射位置が一端10aに近づくほど徐々に(或いは段階的に)増加し、当該入射位置が他端10bに近づくほど徐々に(或いは段階的に)減少する。これに応じて、第2画素13において生成される電荷信号Dx,Dx…Dxの強度も、当該入射位置が一端10aに近づくほど徐々に(或いは段階的に)増加し、当該入射位置が他端10bに近づくほど徐々に(或いは段階的に)減少する。このように、第1透過フィルタ14と第2透過フィルタ15とで、Y方向における透過率の増減の向きが逆になっている。
 信号処理部30は、画素P~Pに対してY方向における他端10b側(出力側)に設けられている。信号処理部30は、電荷信号Dx~Dxを画素P~P毎に読み出し、読み出した電荷信号Dx~Dxに基づいて、受光部10における反射光L2の入射位置を画素対11毎に検出する。信号処理部30による各電荷信号Dx~Dxの読み出し方式は、例えばローリングシャッタ方式である。すなわち、信号処理部30は、各画素P~Pからの各電荷信号Dx~Dxの読み出し、及び各画素P~Pが蓄積した電荷の破棄(リセット)を画素単位で順次に実行する。信号処理部30による各電荷信号Dx~Dxの読み出し方式は、グローバルシャッタ方式であってもよい。この場合、信号処理部30は、各フレームレート毎に、各電荷信号Dx~Dxの読み出し後に全画素P~Pの電荷のリセットを実行する。
 信号処理部30は、複数のスイッチ素子31と、シフトレジスタ32と、アンプ33と、A/D変換器34と、算出部35とを有している。各スイッチ素子31の入力端は、各画素P~Pに電気的に接続されている。シフトレジスタ32は、各画素P~Pから各電荷信号Dx~Dxを順次読み出す為に設けられている。シフトレジスタ32は、各スイッチ素子31の動作を制御する制御信号を出力する。各スイッチ素子31は、シフトレジスタ32から出力される制御信号により順次閉じられる。各スイッチ素子31が順次閉じられると、各画素P~Pにおいて生成された各電荷信号Dx~Dxが、各スイッチ素子31の出力端から順次出力される。アンプ33は、各スイッチ素子31の出力端と電気的に接続されており、各スイッチ素子31の出力端から出力される各電荷信号Dx~Dxに応じた電圧値を出力する。A/D変換器34は、アンプ33と電気的に接続されており、アンプ33から出力された電圧値をデジタル値に変換して該デジタル値を出力する。このデジタル値は、各電荷信号Dx~Dxの強度に応じた値である。従って、以降では、このデジタル値を各電荷信号Dx~Dxの強度に置き換えて説明することがある。
 算出部35は、A/D変換器34と電気的に接続されており、A/D変換器34から出力されたデジタル値、すなわち各電荷信号Dx~Dxに対応するデジタル値を画素対11毎に取得する。これにより、算出部35は、電荷信号Dx~Dxを出力した画素対11のX方向における位置座標を、X方向における反射光L2の入射位置を示す位置情報Lxとして画素対11毎に取得することができる。ここで、第r番目の画素対11の第1画素12及び第2画素13をそれぞれP2r-1及びP2rとし(r=1,2,…R,Rは画素対11の数を示す)、第r番目の画素対11における位置情報LxをLxとすると、第r番目の画素対11のX方向における位置座標、すなわち位置情報Lxは、例えば、第1画素P2r-1のX方向における位置座標x2r-1と、第2画素P2rのX方向における位置座標x2rとの合計の平均値(x2r-1+x2r)/2によって表される(後述する式(1)参照)。
 更に、算出部35は、画素対11毎に取得した電荷信号Dx~Dxの強度に基づいて、Y方向における反射光L2の入射位置である位置情報Lyを画素対11毎に算出する。上述したように、各電荷信号Dx,Dx…DxN-1の強度は、反射光L2の入射位置が受光部10の一端10aに近づくほど減少する一方、各電荷信号Dx,Dx…Dxの強度は、反射光L2の入射位置が一端10aに近づくほど増加する。算出部35は、このような反射光L2の入射位置に対する各電荷信号Dx~Dxの強度の変化を利用して、各電荷信号Dx,Dx…DxN-1の強度と各電荷信号Dx,Dx…Dxの強度との比を用いて、位置情報Lyを画素対11毎に算出する。
 ここで、第r番目の画素対11における位置情報LyをLyとし、第1画素P2r-1及び第2画素P2rからそれぞれ出力される電荷信号をDx2r-1及びDx2rとすると、位置情報Lyは、電荷信号Dx2r-1の強度と電荷信号Dx2rの強度との比をとることによって算出される。従って、位置情報Lx及びLyは、次の式(1)によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 位置情報Lyは、電荷信号Dx2rの強度(或いは電荷信号Dx2r-1の強度)と、電荷信号Dx2r-1の強度及び電荷信号Dx2rの合計値との比をとることによって算出されてもよい。この場合、位置情報Lx及び位置情報Lyは、次の式(2)によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
式(1)又は式(2)において、位置情報Lxは、第1画素P2r-1のX方向における位置座標x2r-1によって表されてもよい。この場合、位置情報Lx及び位置情報Lyは、次の式(3)又は式(4)によって表される。また、位置情報Lxは、第2画素P2rのX方向における位置座標x2rによって表されてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 算出部35は、このようにして得られた位置情報Lx及びLyに基づいて、物体2の表面2aの計測線ML上の各位置の二次元位置情報を算出する。具体的には、算出部35は、各画素対11の位置情報Lxを、計測線ML上の方向D2における各位置に対応させると共に、各画素対11の位置情報Lyを、配置面Sからの計測線ML上の各位置の高さに対応させることによって、計測線ML上の各位置の二次元位置情報を算出する。更に、算出部35は、方向D1への物体2の移動に応じて、方向D1に沿った表面2aの各位置において計測線MLの二次元位置情報を算出する。これにより、物体2の表面2aの三次元形状を計測することが可能となる。
 以上に説明した、本実施形態の形状計測センサ1によって得られる効果を説明する。この形状計測センサ1では、光源3からのレーザ光L1が物体2の表面2aの計測線MLにおいて反射し、反射した反射光L2が受光部10に入射する。第1画素P2r-1に反射光L2が入射すると、反射光L2の入射光量に応じた電荷信号Dx2r-1が第1画素P2r-1から生成される。同様に、第2画素P2rに反射光L2が入射すると、反射光L2の入射光量に応じた電荷信号Dx2rが第2画素P2rから生成される。算出部35は、生成された電荷信号Dx2r-1及びDx2rを画素対11毎に取得することによって、X方向における反射光L2の入射位置を示す位置情報Lxを画素対11毎に検出する。更に、算出部35は、Y方向における反射光L2の入射位置と、電荷信号Dx2r-1及びDx2rの強度との関係を利用して、Y方向における入射位置を示す位置情報Lyを画素対11毎に算出する。このようにして、受光部10における反射光L2の入射位置を示す位置情報Lx及びLyが画素対11毎に検出される。そして、この位置情報Lx及びLyに基づいて計測線ML上の各位置の二次元位置情報が算出され、物体2を方向D1へ移動することで物体2の表面2aの三次元形状が計測される。本実施形態に係る形状計測センサ1では、各画素対11から生成された電荷信号Dx2r-1及びDx2rのみによって、X方向における入射位置を示す位置情報Lxに加えて、Y方向における入射位置を示す位置情報Lyを画素対11毎に検出できる。つまり、Y方向における入射位置を示す位置情報を検出する為の電荷信号を別途生成することなく、反射光L2の入射位置の二次元情報を検出できる。これにより、電荷信号の数の増大を抑えることができ、それらの電荷信号の読み出しに要する時間の増大を抑えることができる。従って、形状計測センサ1によれば、受光部10における反射光L2の入射位置を高速に検出することが可能となる。その結果、物体2の表面2aの三次元形状を高速に計測することができ、計測時間の短縮及び計測結果の高精細化を図ることが可能となる。
 形状計測センサ1では、算出部35は、電荷信号Dx2r-1の強度と電荷信号Dx2rの強度との比を用いて、Y方向における入射位置を示す位置情報Lyを画素対11毎に算出している。この場合、位置情報Lyを簡易な計算処理によって算出することができるので、反射光L2の入射位置を示す位置情報Lx及びLyをより高速に検出することが可能となる。
 形状計測センサ1では、算出部35は、電荷信号Dx2r-1又はDx2rの強度と、電荷信号Dx2r-1及びDx2rの強度の合計値との比を用いて、位置情報Lyを画素対11毎に算出してもよい。このように、電荷信号Dx2r-1又はDx2rの強度を電荷信号Dx2r-1及びDx2rの強度の合計値で規格化することにより、これらの電荷信号Dx2r-1及びDx2rの強度の変動を補償できる。これにより、位置情報Lx及びLyを精度良く検出することが可能となる。
 形状計測センサ1では、光源3は、ライン状のレーザ光L1を計測線ML上の各位置に同時に照射している。この場合、算出部35は、上述したように、計測線ML上の各位置を各画素対11のX方向の位置座標に対応させることによって、計測線ML上の各位置の二次元位置情報を好適に算出することができる。
 [第1変形例]
 図5は、第1変形例に係る撮像装置4Aを示す概略構成図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、撮像装置の信号処理部の構成である。本変形例の信号処理部30Aでは、各画素P~Pから各電荷信号Dx~Dxを順次読み出す為のシフトレジスタ32が設けられておらず、アンプ33が画素対11毎に設けられている。アンプ33は、各画素対11の第1画素12及び第2画素13とそれぞれ電気的に接続される2つの入力端を有している。アンプ33の各入力端には、第1画素12において生成される電荷信号Dx,Dx…DxN-1(すなわち電荷信号Dx2r-1)と、第2画素13において生成される電荷信号Dx,Dx…Dx(すなわち電荷信号Dx2r)とがそれぞれ入力する。各アンプ33は、各画素対11における電荷信号Dx2r-1と電荷信号Dx2rとの比を示す値を算出部35に出力する。算出部35は、これらの値を画素対11毎に取得することによって、これらの値に対応する画素対11のX方向における位置座標を位置情報Lxとして画素対11毎に取得することができ、これらの値を位置情報Lyとして画素対11毎に取得することができる。このようにして、算出部35は、上述した式(1)又は式(3)によって表される位置情報Lx及びLyを検出する。
 本変形例において、算出部35は、式(2)又は式(4)によって表される位置情報Lx及びLyを検出することもできる。この場合、各アンプ33の一方の入力端と各画素対11との間の接続線上に加算器が設けられる。加算器は、第1画素12及び第2画素13にそれぞれ電気的に接続される2つの入力端と、アンプ33の一方の入力端に電気的に接続される出力端とを有する。加算器は、第1画素12及び第2画素13のそれぞれから生成される電荷信号Dx2r-1及び電荷信号Dx2rの合計値を算出し、算出した合計値をアンプ33の一方の入力端に出力する。アンプ33は、該アンプ33の他方の入力端から入力される電荷信号Dx2r-1(或いは電荷信号Dx2r)と、加算器から出力された上記合計値との比を算出部35に出力する。この構成によれば、算出部35は、式(2)又は式(4)によって位置情報Lx及びLyを検出することが可能となる。本変形例に係る撮像装置4Aによれば、上記実施形態と同様に位置情報Lx及びLyを取得することができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。更に、本変形例に係る撮像装置4Aによれば、上記実施形態と異なり、各画素P~Pから各電荷信号Dx~Dxの読み出しを順番に行う必要が無いので、物体2の表面2aの計測線MLの各位置の位置情報を同時に取得することができる。これにより、常時リアルタイムで物体2の表面形状を計測することが可能となる。
 [第2変形例]
 図6は、第2変形例に係る撮像装置4Bを備える形状計測センサ1Aを示す概略構成図である。形状計測センサ1Aでは、光源3は、物体2の表面2aの計測線ML上の各位置においてスポット状のレーザ光L1を照射し、物体2が配置された移動ステージは、表面2aの計測線MLに沿った方向D2に沿って移動する。従って、物体2は、光源3及び撮像装置4Bに対して方向D2に沿って相対移動する。光源3は、この物体2の方向D2への移動に応じて、計測線ML上の各位置にレーザ光L1を順次照射する。計測線ML上の全ての位置へのレーザ光L1の照射が行われた後、移動ステージは方向D1に沿って移動し、表面2aの方向D1に沿った次の位置において計測線MLへのレーザ光L1の照射が行われ、これが繰り返される。撮像装置4Bは、表面2aの計測線ML上の各位置において反射する反射光L2を順次撮像する。形状計測センサ1Aでは、光源3からのレーザ光L1の直径は、受光部10に入射する反射光L2の直径が画素対11のX方向における幅よりも小さくなるように設定されることが望ましいが、それに限らない。
 図7は、本変形例に係る撮像装置4Bを示す概略構成図である。本変形例の信号処理部30Bでは、各画素P~Pから各電荷信号Dx~Dxを順次読み出す為のシフトレジスタ32が設けられておらず、各第1画素12に電気的に接続されたアンプ33Aと、各第2画素13に電気的に接続されたアンプ33Bとが設けられている。受光部10では、計測線ML上の各位置において反射した反射光L2が各画素対11に順次入射する。これに応じて、各画素対11の第1画素12において生成した電荷信号Dx,Dx,…Dx2r-1がアンプ33Aに順次入力し、第2画素13において生成した電荷信号Dx,Dx,…Dx2rがアンプ33Bに順次入力する。アンプ33Aは、各電荷信号Dx,Dx,…Dx2r-1の強度に応じた電圧値をA/D変換器34を介して算出部35に順次入力する。アンプ33Bは、各電荷信号Dx,Dx,…Dx2rの強度に応じた電圧値をA/D変換器34を介して算出部35に順次入力する。
 算出部35は、各アンプ33A及び33Bからそれぞれ出力された電荷信号Dx2r-1及び電荷信号Dx2rを、反射光L2が各画素対11に入射した時間に対応付けることによって、電荷信号Dx2r-1及びDx2rを画素対11毎に取得する。具体的には、第r番目の画素対11に入射した時間をtとすると、算出部35は、電荷信号Dx2r-1及び電荷信号Dx2rが出力される画素対11のX方向における位置座標に時間情報tを対応付けて、時間情報tを位置情報Lxとして画素対11毎に取得する。そして、算出部35は、上記実施形態と同様、画素対11毎に取得した電荷信号Dx2r-1及びDx2rの強度に基づいて位置情報Lyを画素対11毎に算出する。従って、本変形例では、位置情報Lx及びLyは、次の式(5)又は式(6)によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 [第3変形例]
 図8は、第3変形例に係る撮像装置4Cを示す概略構成図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、各画素P~Pの形状が異なる点、及び、第1透過フィルタ14及び第2透過フィルタ15が設けられていない点である。本変形例の受光部10Aでは、第1画素12AにおけるX方向の幅は、一端10aに近づくほど徐々に減少し、他端10bに近づくほど徐々に増加する。一例では、第1画素12Aは、Y方向における一端10a側に向かって先細った二等辺三角形状を呈している。これに対し、第2画素13AにおけるX方向の幅は、一端10aに近づくほど徐々に増加し、他端10bに近づくほど徐々に減少する。一例では、第2画素13Aは、Y方向における他端10b側に向かって先細った二等辺三角形状を呈している。
 このような形状を呈する各画素P~Pを受光部10Aが有することにより、第1画素12Aにおける反射光L2の入射位置が一端10aに近づくほど、各第1画素12Aに入射する反射光L2の入射光量は減少し、これに応じて、各第1画素12Aにおいて生成される電荷信号Dx,Dx…DxN-1の強度も減少する。これに対し、第2画素13Aにおける反射光L2の入射位置が一端10aに近づくほど、第2画素13Aに入射する反射光L2の入射光量は増加し、これに応じて、第2画素13Aにおいて生成される電荷信号Dx,Dx…Dxの強度も増加する。各画素P~Pがこのような形状を有する場合であっても、上記実施形態と同様に位置情報Lx及びLyを検出することができるので、上記実施形態と同様の効果を奏する。
 画素P~Pの形状及び配置は、上述した形状に限られない。図9~図13は、本変形例に係る画素P~Pの別の例を示している。図9は、本変形例に係る画素P~Pの形状の別の例を示す概略構成図である。図9の例では、第1画素12Bは、受光部10BのY方向における一端10a側に向かって先細った直角三角形状を呈している。一方、第2画素13Bは、受光部10BのY方向における他端10b側に向かって先細った直角三角形状を呈している。各画素対11Bの境界に位置する第1画素12B及び第2画素13Bの外縁は、Y方向に対して傾斜しておらず、Y方向に沿って延びている。
 各画素P~PのX方向の配列について、第1画素12Bと第2画素13Bとが交互に並んだ配列である必要は無く、他の配列であってもよい。図10は、本変形例に係る画素P~Pの配列の別の例を示す概略構成図である。図10の例では、各第1画素12Bの直角を構成する直線同士がX方向において互いに対向して配置されている。同様に、各第2画素13Bの直角を構成する直線同士がX方向において互いに対向して配置されている。
 図11は、本変形例に係る画素P~Pの形状の別の例を示す概略構成図である。図11の例では、第1画素12CのX方向における幅は、受光部10CのY方向における一端10aに近づくほど段階的(階段状)に減少し、受光部10CのY方向における他端10bに近づくほど段階的(階段状)に増加している。一方、各第2画素13CのX方向における幅は、一端10aに近づくほど段階的(階段状)に増加し、他端10bに近づくほど段階的(階段状)に減少している。図11の例において、受光部10Cの面積は例えば2000μmであり、各画素P~PのX方向における配列ピッチは、例えば7.5μmである。
 図12は、図11に示す画素P~Pのうち第1画素12Cを拡大した拡大図である。図12に示されるように、第1画素12Cには、一端10aから他端10bに向かって距離d1(例えば16.25μm)離れる毎に、第1画素12CのX方向における幅が拡がるように、X方向における第1画素12Cの両側に段差が形成されている。この段差は、Y方向に沿った123箇所に等間隔(すなわち距離d1)で設けられている。各段差のX方向における幅は、例えば0.05μmである。第1画素12CのY方向における全長は、例えば1998.75μmであり、第1画素12Cの一端10a側の頂点のX方向における幅は、例えば0.8μmであり、第1画素12Cの他端10b側の底辺のX方向における幅は、例えば13μmである(図11参照)。第2画素13Cは、第1画素12Cと同様の形状を有しており、Y方向において第1画素12Cと逆向きに配置されている。このような形状を有する各画素P~Pに入射する反射光L2のY方向における幅d2は、例えば20μmであり、各画素P~PのY方向における各段差間の距離d1よりも大きくなるように設定される。
 図13は、本変形例に係る画素P~Pの形状の別の例を示す概略構成図である。図13の例では、各画素対11Dの第1画素12Dは、四角形状を呈する複数(例えば6つ)の受光領域12dを有する。各受光領域12dのX方向における幅は、受光部10Dの一端10aに近いほど小さく、受光部10Dの他端10bに近いほど大きい。各画素対11Dの第2画素13Dは、四角形状を呈する複数(例えば6つ)の受光領域13dを有する。各受光領域13dのX方向における幅は、受光部10Dの一端10aに近いほど大きく、受光部10Dの他端10bに近いほど小さい。以上に説明した図9~図13に示す画素P~Pを採用した場合であっても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
 [第4変形例]
 図14は、第4変形例に係る撮像装置4Hを示す概略構成図である。本変形例では、受光部10Eが、複数の第1透過フィルタ14及び複数の第2透過フィルタ15に代えて、複数の第1遮光部16及び複数の第2遮光部17を有している。各第1遮光部16は、各第1画素12上に配置されており、入射した反射光L2を遮光する。各第1遮光部16は、各第1画素12の一部12aを除く部分を覆っている。各一部12aのX方向における幅は、受光部10EのY方向における一端10aに近づくほど徐々に(或いは段階的に)減少し、受光部10Eの他端10bに近づくほど徐々に(或いは段階的に)増加している。一例では、各一部12aは、Y方向における一端10a側に向かって先細った二等辺三角形状を呈している。この場合、各第1遮光部16は、その二等辺三角形状でくり抜かれた形状を呈する。
 一方、各第2遮光部17は、各第2画素13上に配置されており、入射した反射光L2を遮光する。各第2遮光部17は、複数の第2画素13の一部13aを除く部分を覆っている。各一部13aのX方向における幅は、一端10aに近づくほど徐々に(或いは段階的に)増加し、他端10bに近づくほど徐々に(或いは段階的に)減少している。一例では、各一部13aは、Y方向における他端10b側に向かって先細った二等辺三角形状を呈している。この場合、各第2遮光部17は、その二等辺三角形状でくり抜かれた形状を呈する。
 このような第1遮光部16及び第2遮光部17を受光部10Eが有することにより、各第1画素12において反射光L2の入射位置がY方向における一端10aに近づくほど、各第1画素12に入射する反射光L2の入射光量は減少し、これに応じて、各第1画素12において生成される電荷信号Dx,Dx…DxN-1の強度も減少する。これに対し、各第2画素13において反射光L2の入射位置がY方向における一端10aに近づくほど、各第2画素13に入射する反射光L2の入射光量は増加し、これに応じて、各第2画素13において生成される電荷信号Dx,Dx…Dxの強度も増加する。このような形態であっても、上記実施形態と同様の効果を奏する。
 [第5変形例]
 図15は、第5変形例に係る撮像装置4Jを示す概略構成図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、本変形例の各画素P~Pが、Y方向において2つに分割されている点、信号処理部が2つ設けられている点である。図15に示されるように、撮像装置4Jは、受光部10Fと、信号処理部30C及び30Dとを備えている。受光部10Fの各画素P~Pは、Y方向における中央付近を境に2つの領域に分割されている。各第1画素12は、分割された2つの領域のうち、受光部10FのY方向における他端10b側に位置する領域12E、及び、受光部10Fの一端10a側に位置する領域12Fを含む。各第2画素13は、分割された2つの領域のうち、受光部10Fの他端10b側に位置する領域13E、及び、受光部10Fの一端10a側に位置する領域13Fを含む。
 信号処理部30C及び30Dは、各画素P~PのY方向における両側にそれぞれ設けられている。信号処理部30C及び30Dのそれぞれは、複数のスイッチ素子31と、シフトレジスタ32と、アンプ33と、A/D変換器34とを有している。信号処理部30Cの各スイッチ素子31の入力端は、各領域12E及び13Eと電気的に接続されており、信号処理部30Dの各スイッチ素子31の入力端は、各領域12F及び13Fと電気的に接続されている。算出部35は、信号処理部30CのA/D変換器34、及び信号処理部30DのA/D変換器34と電気的に接続されている。算出部35は、各領域12E及び13Eにおいて生成される各電荷信号DxE~DxE、及び各領域12F及び13Fにおいて生成される各電荷信号DxF~DxFに基づいて、上記実施形態と同様に、受光部10Fに入射した反射光L2の入射位置について位置情報Lx及びLyをそれぞれ算出する。
 本変形例の撮像装置4Jでは、各画素P~Pが2つに分割された結果、各領域12E及び13Eにおいて生成される各電荷信号DxE~DxEが信号処理部30Cによって読み出され、各領域12F及び13Fにおいて生成される電荷信号DxF~DxFが信号処理部30Dによって読み出される。これにより、各画素P~Pにおいて反射光L2が入射した部分から各スイッチ素子31に至るまでの距離を短くすることができる。その結果、各画素P~Pに入射した反射光L2の利用効率を高め、位置情報Lx及びLyの精度を向上することができる。
 [第6変形例]
 図16は、第6変形例に係る撮像装置4Kを示す概略構成図である。本変形例と上記実施形態との相違点は、本変形例の受光部10Gが、複数の金属線20を有している点である。各金属線20は、例えばAl(アルミニウム)線であり、各画素P~Pに対応して設けられている。各金属線20は、各画素P~P上においてY方向に沿って延び、各画素P~Pと連続的又は断続的(間欠的)に接続されている。各金属線20は、スイッチ素子31の入力端と電気的に接続される。各画素P~PにおいてY方向における反射光L2の入射位置がスイッチ素子31から離れるほど、各画素P~Pにおいて生成される電荷信号Dx~Dxの読み出しに時間が掛かる。その理由は、各画素P~Pを構成する拡散層における電荷信号Dx~Dxの移動速度が遅く、各電荷信号Dx~Dxを転送するのに時間が掛かるためであると考えられる。
 そこで、Y方向に沿って延びる各金属線20を各画素P~P上に設け、その各金属線20を各スイッチ素子31に繋げることで、各電荷信号Dx~Dxが各金属線20を通るようにする。これにより、電荷信号Dx~Dxの移動速度を向上させることができ、各電荷信号Dx~Dxの読み出しの速度を向上させることができる。
 本開示の形状計測センサは、上述した実施形態及び各変形例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。
 1,1A…形状計測センサ、2…物体、2a…表面、3…光源、4,4A,4B~4H,4J,4K…撮像装置、10,10A~10G…受光部、10a…一端、10b…他端、11,11A~11D…画素対、12,12A~12D…第1画素、12a,13a…一部、13,13A~13D…第2画素、14…第1透過フィルタ、15…第2透過フィルタ、16…第1遮光部、17…第2遮光部、20…金属線、30,30A~30D…信号処理部、Da…照射方向、Db…傾斜方向、Dx~Dx…電荷信号、L1…レーザ光、L2…反射光、Lx,Ly…位置情報、ML…計測線。

Claims (6)

  1.  物体の表面の計測線に対して照射され、前記物体の表面において反射した光を検出して前記物体の表面形状を計測する形状計測センサであって、
     前記光の照射方向に対して傾斜する方向から、前記計測線において反射した前記光が入射する受光部と、
     前記受光部における前記光の入射位置を検出し、前記入射位置に基づいて前記計測線上の各位置の位置情報を算出する算出部と、
    を備え、
     前記受光部は、前記光の入射光量に応じた第1電気信号を生成する第1画素、及び、前記照射方向と交差する第1方向に沿って前記第1画素と並んで配置され且つ前記光の入射光量に応じた第2電気信号を生成する第2画素を各々含んでおり前記第1方向に沿って配列される複数の画素対を有し、
     前記第1画素において前記受光部の前記第1方向と交差する第2方向における一端に前記入射位置が近づくほど、前記第1電気信号の強度は減少し、
     前記第2画素において前記第2方向における前記一端に前記入射位置が近づくほど、前記第2電気信号の強度は増加し、
     前記算出部は、前記第1電気信号及び前記第2電気信号を前記画素対毎に取得し、取得した前記第1電気信号の強度及び前記第2電気信号の強度に基づいて、前記第2方向における前記入射位置を前記画素対毎に算出する、形状計測センサ。
  2.  前記算出部は、前記第1電気信号の強度と前記第2電気信号の強度との比を用いて、前記第2方向における前記入射位置を前記画素対毎に算出する、請求項1に記載の形状計測センサ。
  3.  前記算出部は、前記第1電気信号の強度又は前記第2電気信号の強度と、前記第1電気信号の強度及び前記第2電気信号の強度の合計値との比を用いて、前記第2方向における前記入射位置を前記画素対毎に算出する、請求項1に記載の形状計測センサ。
  4.  前記受光部は、前記第1画素を覆っており前記光を透過する第1透過フィルタ、及び前記第2画素を覆っており前記光を透過する第2透過フィルタを更に有し、
     前記第1透過フィルタにおける前記光の透過率は、前記第2方向における前記一端に近づくほど減少し、
     前記第2透過フィルタにおける前記光の透過率は、前記第2方向における前記一端に近づくほど増加する、請求項1~3のいずれか一項に記載の形状計測センサ。
  5.  前記受光部は、前記第1画素の一部を除く他の部分を覆っており前記光を遮光する第1遮光部、及び前記第2画素の一部を除く他の部分を覆っており前記光を遮光する第2遮光部を更に有し、
     前記第1画素の一部における前記第1方向の幅は、前記第2方向における前記一端に近づくほど減少し、
     前記第2画素の一部における前記第1方向の幅は、前記第2方向における前記一端に近づくほど増加する、請求項1~3のいずれか一項に記載の形状計測センサ。
  6.  前記第1画素における前記第1方向の幅は、前記第2方向における前記一端に近づくほど減少し、
     前記第2画素における前記第1方向の幅は、前記第2方向における前記一端に近づくほど増加する、請求項1~3のいずれか一項に記載の形状計測センサ。
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