(57)【要約】  位置検出センサは、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、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受光部と、第１電気信号の強度及び第２電気信号の強度を用いて重心演算を行うことにより、第１方向における入射位置である第１位置を算出する算出部と、を備える。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電気信号の強度を積算して得られる第１積算値、及び第２電気信号の強度を積算して得られる第２積算値に基づいて、第２方向における入射位置である第２位置を更に算出する。
2019058897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入射位置を検出する位置検出センサであって、
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、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する受光部と、
前記第１電気信号の強度及び前記第２電気信号の強度を用いて重心演算を行うことにより、前記第１方向における前記入射位置である第１位置を算出する算出部と、
を備え、
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電気信号の強度を積算して得られる第１積算値、及び前記第２電気信号の強度を積算して得られる第２積算値に基づいて、前記第２方向における前記入射位置である第２位置を更に算出する、位置検出センサ。
【請求項２】
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に記載の位置検出センサ。
【請求項３】
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に記載の位置検出センサ。
【請求項４】
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に記載の位置検出センサ。
【請求項５】
光の入射位置を計測する位置計測装置であって、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の位置検出センサと、
前記光を前記受光部に照射する光源と、
を備え、
前記受光部に照射される前記光の直径は、前記第１画素の前記第１方向の幅の最大値、及び前記第２画素の前記第１方向の幅の最大値のうち大きい方の２倍以上である、位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、位置検出センサ及び位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、光のスポット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のスポット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、光のスポット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。【０００３】
特許文献２は、光のスポット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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−３４３６９号公報
【特許文献２】特開平４−３１３２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、例えば光制御の分野において光の入射位置の検出に用いられる位置検出センサでは、フレームレートの高速化、及び位置検出機能の向上といった要求が高まっている。このような位置検出センサとして、例えば、プロファイルセンサ、或いはラインセンサが挙げられる。プロファイルセンサでは、二次元に配列された複数の画素のうち各行毎に結線された画素群から出力される電気信号により、列方向における射影像が取得され、各列毎に結線された画素群からそれぞれ出力される電気信号により、行方向における射影像が取得される。そして、これらの斜影像を用いることで、光が入射した二次元位置が検出される。しかし、このように各画素が二次元に配列されるプロファイルセンサでは、行方向（又は列方向）の射影像を取得する為の電気信号に加えて、列方向（又は行方向）の射影像を取得する為の電気信号が各画素から出力されるので、各画素が一次元に配列されるラインセンサと比較して、出力される電気信号の数は多い。従って、このようなプロファイルセンサでは、それらの電気信号の読み出しに時間が掛かってしまうので、光が入射した二次元位置を高速に検出することには限界がある。【０００６】
その一方で、ラインセンサは、一次元に配列された複数の画素の各々から読み出される信号を用いて、光が入射した一次元位置を検出する。このようなラインセンサでは、一方向における光の入射位置を検出する為の電気信号のみが出力されるので、プロファイルセンサと比較して、出力される電気信号の数は少ない。従って、ラインセンサでは、電気信号の読み出しに要する時間を抑えることができるので、光が入射した一次元位置を高速に検出することができる。しかし、このようなラインセンサでは、光が入射した二次元位置を検出することはできない。すなわち、このようなラインセンサは、二方向についての位置検出機能を有していない。【０００７】
本開示は、光が入射した二次元位置を高速に検出することができる位置検出センサ及び位置計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一実施形態による位置検出センサは、光の入射位置を検出する位置検出センサであって、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、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受光部と、第１電気信号の強度及び第２電気信号の強度を用いて重心演算を行うことにより、第１方向における入射位置である第１位置を算出する算出部と、を備える。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電気信号の強度を積算して得られる第１積算値、及び第２電気信号の強度を積算して得られる第２積算値に基づいて、第２方向における入射位置である第２位置を更に算出する。【０００９】
上記の位置検出センサでは、複数の画素対の第１画素に光が入射すると、第１画素は、光の入射光量に応じた第１電気信号（例えば電荷信号）を生成する。同様に、各第２画素に光が入射すると、第２画素は、光の入射光量に応じた第２電気信号（例えば電荷信号）を生成する。ここで、複数の画素対は第１方向に沿って配列されているので、算出部は、各画素（各第１画素及び各第２画素）の位置にそれらの電気信号の強度で重み付け演算（重心演算）を行うことにより、第１方向における光の入射位置である第１位置を算出する。加えて、第１画素において受光部の第２方向における一端に光の入射位置が近づくほど、第１電気信号の強度は減少し、第２画素において光の入射位置が当該一端に近づくほど、第２信号の強度は増加する。このような第１電気信号及び第２電気信号の強度の変化を利用して、算出部は、第１電気信号の強度を積算して得られる第１積算値、及び第２電気信号の強度を積算して得られる第２積算値に基づいて、第２方向における光の入射位置である第２位置を算出する。このようにして、上記の位置検出センサは、光の入射位置について第１位置に加えて第２位置を算出することができる。すなわち、上記の位置検出センサは、二方向についての位置検出機能を有する。更に、上記の位置検出センサでは、上記の電気信号（第１電気信号及び第２電気信号）の情報のみを用いて、光の入射位置について第１位置及び第２位置の２つの情報を得ることができる。つまり、例えば第２位置を算出する為の電気信号を各画素から別途生成する必要が無い。これにより、電気信号の数の増大を抑えることができ、その結果、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。すなわち、上記の位置検出センサによれば、光が入射した二次元位置を高速に検出することができる。【００１０】
上記の位置検出センサでは、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、上述した位置検出センサの受光部を好適に実現することができる。【００１１】
上記の位置検出センサでは、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、上述した位置検出センサの受光部を好適に実現することができる。【００１２】
上記の位置検出センサでは、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、上述した位置検出センサの受光部を好適に実現することができる。【００１３】
本開示の一実施形態による位置計測装置は、光の入射位置を計測する位置計測装置であって、上記のいずれかの位置検出センサと、光を受光部に照射する光源と、を備えてもよく、受光部に照射される光の直径は、第１画素の第１方向の幅の最大値、及び第２画素の第１方向の幅の最大値のうち大きい方の２倍以上であってもよい。上記の位置計測装置は、上記の位置検出センサを備えるので、上記の効果を好適に奏することができる。更に、受光部に照射される光の直径が、第１画素の第１方向の幅の最大値、及び第２画素の第１方向の幅の最大値のうち大きい方の２倍以上であることにより、第１位置及び第２位置のそれぞれを精度良く算出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本開示によれば、光が入射した二次元位置を高速に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、一実施形態の位置検出センサを示す概略構成図である。
【図２】図２は、複数の第１透過フィルタ及び複数の第２透過フィルタを示す上面図である。
【図３】図３は、図１に示すIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は、第１変形例の位置検出センサの一例を示す概略構成図である。
【図５】図５は、光のスポットの直径が画素の幅の３倍である場合において、第２検出位置の精度を検証した結果である。
【図６】図６は、光のスポットの直径が画素の幅の３倍である場合において、第２検出位置の精度を検証した結果である。
【図７】図７は、光のスポットの直径が画素の幅の３倍である場合において、第１検出位置の精度を検証した結果である。
【図８】図８は、光のスポットの直径が画素の幅の３倍である場合において、第１検出位置の精度を検証した結果である。
【図９】図９は、光のスポットの直径を徐々に変化させた場合において、光のスポットの直径と第２検出位置の誤差との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、光のスポットの直径が画素の幅の最大値の１倍である場合において、第１検出位置の精度を検証した結果である。
【図１１】図１１は、光のスポットの直径が画素の幅の最大値の１倍である場合において、第２検出位置の精度を検証した結果である。
【図１２】図１２は、第１検出位置と第２検出位置と第１検出誤差と第２検出誤差との関係の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、ルックアップテーブルを作成する方法を説明する為の図である。
【図１４】図１４は、第１変形例の各画素の形状の別の例を示す図である。
【図１５】図１５は、第１変形例の各画素の形状の別の例を示す図である。
【図１６】図１６は、第１変形例の各画素の形状の別の例を示す図である。
【図１７】図１７は、第１変形例の各画素の配列の別の例を示す図である。
【図１８】図１８は、第１変形例の位置検出センサに複数の光のスポットが同時に入射した状態を示す図である。
【図１９】図１９は、第１変形例の位置検出センサを備える位置計測装置を示す概略構成図である。
【図２０】図２０は、第２変形例の位置検出センサを示す概略構成図である。
【図２１】図２１は、第３変形例の位置検出センサを示す概略構成図である。
【図２２】図２２は、第４変形例の位置検出センサを示す概略構成図である。
【図２３】図２３は、比較例としてのプロファイルセンサを示す概略構成図である。
【図２４】図２４は、比較例としてのラインセンサを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の位置検出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。
【００１７】
（実施形態）
図１は、本実施形態の位置検出センサ１を示す概略構成図である。位置検出センサ１は、入射した光のスポットＬの入射位置について二次元位置を検出するセンサである。具体的には、位置検出センサ１は、Ｘ軸方向（第１方向）における光の入射位置である第１検出位置（第１位置）と、Ｘ軸方向と交差するＹ軸方向（第２方向）における光の入射位置である第２検出位置（第２位置）とを検出する。位置検出センサ１は、図１に示されるように、受光部１０と、信号処理部３０とを備える。受光部１０は、ＸＹ面内においてＸ軸方向に沿って配列された複数の画素対１１を有する。複数の画素対１１の各々は、Ｘ軸方向に沿って並んで配置される第１画素１２及び第２画素１３を含む。各第１画素１２及び各第２画素１３は、例えば、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形状を呈しており、Ｘ軸方向に沿って交互に並んでいる。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Ｐ１〜ＰＮ（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Ｐ１，Ｐ３…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Ｐ２，Ｐ４…ＰＮは、各第２画素１３に対応する。
【００１８】
各画素Ｐ１〜ＰＮは、入射した光のスポットＬの入射光量に応じた電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮをそれぞれ生成する。具体的には、各第１画素１２に光のスポットＬが入射すると、各第１画素１２は、光のスポットＬの入射光量に応じた電荷信号Ｄｘ１，Ｄｘ３…ＤｘＮ−1（第１電気信号）を生成する。同様に、各第２画素１３に光のスポットＬが入射すると、各第２画素１３は、光のスポットＬの入射光量に応じた電荷信号Ｄｘ２，Ｄｘ４…ＤｘＮ（第２電気信号）を生成する。複数の画素Ｐ１〜ＰＮのＸ軸方向の幅Ｓに対して、光のスポットＬの直径Ｗは大きくなるように設定される。光のスポットＬの輝度分布は、次の式（１）により表されるガウシアン分布（すなわち、中央近傍が最も強く、周辺へ向けて次第に弱くなる強度分布）を有する。式（１）において、Ｉは、光のスポットＬの強度であり、ｒは、光のスポットＬの中心からの距離である。ωは、強度Ｉが１／ｅ２となるときの距離ｒであり、ガウシアン分布を有する光のスポットＬの半径を示す。従って、光のスポットＬの直径Ｗは、２ωで表される。
【数１】
2019058897.tif 000003
【００１９】
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２は、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を示す上面図である。各第１透過フィルタ１４及び各第２透過フィルタ１５は、図２に示されるように、例えば、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形状を呈しており、Ｘ軸方向に沿って交互に並んでいる。図３は、図１に示すIII−III線に沿った断面図である。図３に示されるように、各第１透過フィルタ１４は、各第１画素１２を覆っており、各第２透過フィルタ１５は、各第２画素１３を覆っている。各第１透過フィルタ１４及び各第２透過フィルタ１５は、入射した光を透過する。各第１透過フィルタ１４における透過率は、各第１画素１２上において、受光部１０のＹ軸方向における一端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Ｙ軸方向における他端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Ｙ軸方向における一端１０ａに近づくほど段階的に減少してもよく、Ｙ軸方向における他端１０ｂに近づくほど段階的に増加してもよい。図１及び図２において、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、透過率が大きいほど淡く、透過率が小さいほど濃くなっている。このような各第１透過フィルタ１４を光が透過すると、各第１画素１２に入射する光のスポットＬの入射光量は、光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に（或いは段階的に）減少し、当該入射位置がＹ軸方向における他端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、各第１画素１２において生成される電荷信号Ｄｘ１，Ｄｘ３…ＤｘＮ−1の強度も、当該入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に（或いは段階的に）減少し、当該入射位置がＹ軸方向における他端１０ｂに近づくほど徐々に（或いは段階的に）増加する。
【００２０】
その一方で、各第２透過フィルタ１５における透過率は、各第２画素１３上において、Ｙ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に増加し、Ｙ軸方向における他端１０ｂに近づくほど徐々に減少する。各第２透過フィルタ１５における透過率は、各第２画素１３上においてＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど段階的に増加してもよく、Ｙ軸方向における他端１０ｂに近づくほど段階的に減少してもよい。このような各第２透過フィルタ１５を光が透過すると、各第２画素１３に入射する光のスポットＬの入射光量は、光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に（或いは段階的に）増加し、当該入射位置がＹ軸方向における他端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、各第２画素１３において生成される電荷信号Ｄｘ２，Ｄｘ４…ＤｘＮの強度も、当該入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に（或いは段階的に）増加し、当該入射位置がＹ軸方向における他端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、各第１透過フィルタ１４と各第２透過フィルタ１５とで、Ｙ軸方向における透過率の増減の向きが逆になっている。
【００２１】
再び図１を参照する。信号処理部３０は、各画素Ｐ１〜ＰＮのＹ軸方向における片側に設けられている。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は、各画素Ｐ１〜ＰＮに対応して設けられている。各スイッチ素子３１の入力端は、各画素Ｐ１〜ＰＮと電気的に接続されている。シフトレジスタ３２は、各画素Ｐ１〜ＰＮから電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮを順次読み出す為に設けられる。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Ｐ１〜ＰＮにおいて生成された電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮ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いる。アンプ３３は、各スイッチ素子３１の出力端から出力される電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮ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いる。Ａ／Ｄ変換器３４は、アンプ３３から出力される電圧値をデジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器３４は、このデジタル値を出力する。このデジタル値は、電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度に応じた値である。従って、以降では、このデジタル値を電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度に置き換えて説明することがある。
【００２２】
算出部３５は、Ａ／Ｄ変換器３４と電気的に接続されている。算出部３５は、Ａ／Ｄ変換器３４から出力されるデジタル値に基づいて、Ｘ軸方向における光のスポットＬの入射位置である第１検出位置、及びＹ軸方向における光のスポットＬの入射位置である第２検出位置をそれぞれ算出する。ここで、第１検出位置を算出する方法、及び第２検出位置を算出する方法についてそれぞれ具体的に説明する。第１検出位置は、各画素Ｐ１〜ＰＮのＸ軸方向における位置に各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度で重み付け演算（重心演算）することにより算出される。具体的には、第１検出位置は、次の式（２）を用いて算出される。式（２）において、Ｐｘ１は、第１検出位置であり、ｉは、１，２…Ｎ（Ｎは画素数）である。
【数２】
2019058897.tif 000004
【００２３】
上述したように、各第１画素１２において生成される電荷信号Ｄｘ１，Ｄｘ３…ＤｘＮ−1の強度は、光のスポットＬの入射位置が受光部１０のＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど減少し、各第２画素１３において生成される電荷信号Ｄｘ２，Ｄｘ４…ＤｘＮの強度は、光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど増加する。このように、Ｙ軸方向における光のスポットＬの入射位置に対して各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度が変化するので、この各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度の変化を利用することで、Ｙ軸方向における光のスポットＬの入射位置である第２検出位置を算出することができる。第２検出位置は、各第１画素１２において生成される電荷信号Ｄｘ１，Ｄｘ３…ＤｘＮ−1の強度を積算して得られる第１積算値と、各第２画素１３において生成される電荷信号Ｄｘ２，Ｄｘ４…ＤｘＮの強度を積算して得られる第２積算値とに基づいて算出される。一例では、第２検出位置は、次の式（３）によって算出される。式（３）において、Ｐｙ１は、第２検出位置であり、ｈは、各画素Ｐ１〜ＰＮのＹ軸方向における長さである。
【数３】
2019058897.tif 000005
【００２４】
式（３）では、第２検出位置Ｐｙ１は、第１積算値及び第２積算値の合計値（すなわち、全画素Ｐ１〜ＰＮにおいて生成される電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度を積算することによって得られる積算値）と、第２積算値との比をとることで算出される。第２検出位置Ｐｙ１は、第１積算値と、第１積算値及び第２積算値の合計値との比に基づいて算出されてもよく、第１積算値と第２積算値との比に基づいて算出されてもよい。
【００２５】
このようにして算出部３５により算出される第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１は、補正が行われることによって、より精度良く算出される。その補正の方法について具体的に説明する。まず、実際に入射した光のスポットＬのＸ軸方向における重心位置（以下、第１重心位置と称する）と、実際に入射した光のスポットＬのＹ軸方向における重心位置（以下、第２重心位置と称する）と、第１検出位置Ｐｘ１と、第２検出位置Ｐｙ１とに関するルックアップテーブルを予め作成し、そのルックアップテーブルを例えば算出部３５に記録する。そして、第２検出位置Ｐｙ１の補正を行う場合には、算出部３５は、そのルックアップテーブルから、第１重心位置に対応する、第２重心位置と第２検出位置Ｐｙ１との誤差ＬＵＴｙを読み出し、次の式（４）により第２検出位置Ｐｙ１の補正値Ｐｙ２を算出する。
【数４】
2019058897.tif 000006
【００２６】
誤差ＬＵＴｙに関するルックアップテーブルは、例えば次のようにして作成される。まず、入射する光のスポットＬの直径Ｗを予め決めておき、その直径Ｗを有する光のスポットＬを、各画素Ｐ１〜ＰＮにおける予め決めた複数の位置に入射する。入射する光のスポットＬの直径Ｗを予め決めておくのは、第２検出位置Ｐｙ１及び第１検出位置Ｐｘ１の精度が、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅Ｓに対する光のスポットＬの直径Ｗの相対的な大きさに影響を受けるからである。但し、光のスポットＬの直径Ｗを予め決めておかなくてもよく、その場合には、誤差ＬＵＴｙに関するルックアップテーブルを作成する際に、複数の光のスポットＬの直径Ｗに対するルックアップテーブルを予め複数作成しておけばよい。そして、光のスポットＬの入射位置を検出する際に、入射する光のスポットＬの直径Ｗを測定し、その入射する光のスポットＬの直径Ｗに対応するルックアップテーブルを用いればよい。
【００２７】
次に、それらの位置に光のスポットＬを入射した際に算出部３５により算出される第２検出位置Ｐｙ１を、第１重心位置毎に記録する。その記録された第２検出位置Ｐｙ１と第２重心位置と誤差ＬＵＴｙとの関係を、多項式近似による近似曲線で表す。そして、その近似曲線に基づいて、第１重心位置毎における、より多くの第２検出位置Ｐｙ１と誤差ＬＵＴｙとの対応する数値を補完したルックアップテーブルが作成される。誤差ＬＵＴｙに関するルックアップテーブルを作成する他の方法として、例えば、各画素Ｐ１〜ＰＮにおいて生成された電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮと、光のスポットＬが実際に入射したＹ軸方向の位置との関係に基づいて作成する方法がある。このようにして作成されたルックアップテーブルは、第２検出位置Ｐｙ１等を介さずに、電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮから直接位置（すなわち、光のスポットＬが実際に入射したＹ軸方向の位置）を決めるためのルックアップテーブルとしても使用することができる。
【００２８】
一方、第１検出位置Ｐｘ１の補正を行う場合には、算出部３５は、第１重心位置と第２重心位置と第１検出位置Ｐｘ１と第２検出位置Ｐｙ１とに関するルックアップテーブルから、第２重心位置に対応する、第１重心位置と第１検出位置Ｐｘ１との誤差ＬＵＴｘを読み出し、次の式（５）により第１検出位置Ｐｘ１の補正値Ｐｘ２を算出する。
【数５】
2019058897.tif 000007
誤差ＬＵＴｘに関するルックアップテーブルは、誤差ＬＵＴｙに関するルックアップテーブルと同様にして作成される。すなわち、各画素Ｐ１〜ＰＮの予め決めた複数の位置に光のスポットＬを入射し、その際に算出部３５により算出される第１検出位置Ｐｘ１を第２重心位置毎に記録する。その記録された第１検出位置Ｐｘ１と第１重心位置と誤差ＬＵＴｘとの関係について、多項式近似による近似曲線で表す。そして、その近似曲線に基づいて、第２重心位置毎における、より多くの第１検出位置Ｐｘ１と誤差ＬＵＴｘとの対応する数値を補完したルックアップテーブルが作成される。誤差ＬＵＴｘに関するルックアップテーブルは、第１重心位置と第１検出位置Ｐｘ１とに関するルックアップテーブルであってもよい。誤差ＬＵＴｘに関するルックアップテーブルを作成する他の方法として、例えば、各画素Ｐ１〜ＰＮにおいて生成された電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮと、光のスポットＬが実際に入射したＸ軸方向の位置との関係に基づいて作成する方法がある。このようにして作成されたルックアップテーブルは、電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮから直接位置（光のスポットＬが実際に入射したＸ軸方向の位置）を決めるためのルックアップテーブルとしても使用することができる。以上の方法による補正は、第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１のそれぞれをより精度良く得たい場合に行うものであり、必須ではない。
【００２９】
以上に説明した、本実施形態の位置検出センサ１によって得られる効果を、比較例が有する課題とともに説明する。例えばロボット制御又は光制御といった分野において、入射した光のスポットの位置検出に特化したプロファイルセンサが提案されている。プロファイルセンサは、例えばＭＥＭＳ制御応用等に適用される。図２３は、比較例としてのプロファイルセンサ１００を示す図である。図２３に示されるように、プロファイルセンサ１００は、受光部１０１と、第１信号処理部１１０と、第２信号処理部１２０とを備える。受光部１０１は、二次元に配列された複数の画素１０２を有する。各画素１０２は、２つの領域に分割されている。各画素１０２の２つの領域には、Ｙ軸方向画素１０３及びＸ軸方向画素１０４がそれぞれ設けられている。
【００３０】
各Ｙ軸方向画素１０３は、列毎に（すなわちＹ軸方向に）それぞれ結線されており、第１信号処理部１１０と電気的に接続されている。各Ｘ軸方向画素１０４は、行毎に（すなわちＸ軸方向に）それぞれ結線されており、第２信号処理部１２０と電気的に接続されている。第１信号処理部１１０は、各Ｙ軸方向画素１０３において生成された電荷信号に応じた電圧信号を、各列毎に順次時系列データとして出力する。この時系列データは、Ｘ軸方向における射影像（プロファイル）を示す。第１信号処理部１１０は、このＸ軸方向における射影像により、光のスポットの入射位置についてＸ軸方向における位置を検出する。同様に、第２信号処理部１２０は、各Ｘ軸方向画素１０４において生成された電荷に応じた電圧信号を、各行毎に順次時系列データとして出力する。この時系列データは、Ｙ軸方向における射影像を示す。第２信号処理部１２０は、このＹ軸方向における射影像により、光のスポットの入射位置についてＹ軸方向における位置を検出する。
【００３１】
このように、プロファイルセンサ１００では、Ｘ軸方向における射影像、及びＹ軸方向における射影像の２つの出力データのみによって、光のスポットが入射した二次元位置が検出されるので、光のスポットが入射した二次元位置を高速に検出することができる。すなわち、プロファイルセンサ１００によれば、フレームレートの高速化が可能になる。更に、例えば、撮像により得られた画像データ（光のスポットの入射位置、形状、及び光量といった情報を含む）の画像処理によって光のスポットが入射した二次元位置を検出するセンサと比較して、プロファイルセンサ１００では、データ量の少ない射影像のデータを扱う為、光のスポットの入射位置等の算出の為に必要な回路規模を抑えることができる。その結果、プロファイルセンサ１００を例えばＣＭＯＳプロセスを用いて作製することで、アンプ、Ａ／Ｄ変換器、及び演算部といった回路部品を高集積化することが可能になる。このようなプロファイルセンサ１００は、フレームレートの高速化が要求されるモーター制御及び光制御といった分野において、応用が進められている。その中で、近年、フレームレートの高速化、及び位置検出機能の向上といった要求がますます大きくなっている。
【００３２】
しかし、このように各画素１０２が二次元に配列されるプロファイルセンサ１００では、Ｘ軸方向の射影像を取得する為の電気信号に加えて、Ｙ軸方向の射影像を取得する為の電荷信号が各画素１０２から出力されるので、各画素が一次元に配列されるラインセンサと比較して、電荷信号の数が多い。従って、このようなプロファイルセンサ１００では、それらの電荷信号の読み出しに時間が掛かってしまうので、光が入射した二次元位置を高速に検出することには限界がある。
【００３３】
その一方で、ラインセンサは、一次元に配列された複数の画素の各々から読み出される信号を用いて、光のスポットが入射した一次元位置を検出する。図２４は、比較例としてのラインセンサ２００を示す概略構成図である。図２４に示されるように、ラインセンサ２００は、受光部２０１と、信号処理部２１０とを備える。受光部２０１は、各画素Ｐ１〜ＰＮを有している。信号処理部２１０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２２０とを有している。ラインセンサ２００と本実施形態の位置検出センサ１との相違点は、受光部２０１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を有していない点、及び、信号処理部２１０が、算出部３５に代えて算出部２２０を有している点である。算出部２２０は、各画素Ｐ１〜ＰＮから出力された電荷信号を読み出し、それらの電荷信号に応じた電圧信号に基づいて、光のスポットのＸ軸方向における入射位置を検出する。例えば、算出部２２０は、各画素Ｐ１〜ＰＮのＸ軸方向における位置に各電荷信号の強度で重み付け演算することにより、光のスポットのＸ軸方向における入射位置のみを算出する。
【００３４】
このようなラインセンサ２００では、Ｘ軸方向における光のスポットの入射位置を検出する為の電荷信号のみが各画素Ｐ１〜ＰＮから出力されるので、プロファイルセンサ１００と比較して、出力される電荷信号の数を抑えることができる。従って、ラインセンサ２００では、電荷信号の読み出しに要する時間を抑えることができるので、光のスポットが入射した一次元位置を高速に検出することができる。しかし、このようなラインセンサ２００では、Ｙ軸方向における光のスポットの入射位置を検出することはできない。すなわち、このようなラインセンサ２００は、二方向についての位置検出機能を有していない。
【００３５】
本実施形態の位置検出センサ１では、比較例のラインセンサ２００と同様に、各画素Ｐ１〜ＰＮがＸ軸方向に沿って配列されているので、算出部３５は、各画素Ｐ１〜ＰＮの位置に各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度で重み付け演算を行うことにより、Ｘ軸方向における光のスポットＬの入射位置である第１検出位置Ｐｘ１を算出する。加えて、各第１画素１２において光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど、各電荷信号Ｄｘ１，Ｄｘ３…ＤｘＮ−1の強度は減少し、各第２画素１３において光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど、各電荷信号Ｄｘ２，Ｄｘ４…ＤｘＮの強度は増加する。このような各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度の変化を利用して、算出部３５は、例えば式（３）により、Ｙ軸方向における光の入射位置である第２検出位置Ｐｙ１を算出する。このようにして、本実施形態の位置検出センサ１は、光のスポットＬの入射位置について第１検出位置Ｐｘ１に加えて第２検出位置Ｐｙ１を算出することができる。すなわち、本実施形態の位置検出センサ１は、二方向についての位置検出機能を有する。
【００３６】
更に、本実施形態の位置検出センサ１では、各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの情報のみを用いて、光のスポットＬの入射位置について第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１の２つの情報を得ることができる。つまり、第２検出位置Ｐｙ１を算出する為の電荷信号を各画素Ｐ１〜ＰＮから別途生成する必要が無い。これにより、電荷信号の数の増大を抑えることができ、その結果、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。すなわち、本実施形態の位置検出センサ１によれば、光のスポットＬが入射した二次元位置を高速に検出することができ、フレームレートをより速くすることができる。更に、上述したように、第２検出位置Ｐｙ１を算出する為の電荷信号を各画素Ｐ１〜ＰＮから別途生成する必要が無いので、例えば、それらの電荷信号を読み出す為の配線及び回路が不要となる。これにより、各画素Ｐ１〜ＰＮの面積をより大きくとることができ、各画素Ｐ１〜ＰＮの開口率を向上させることができる。その結果、各画素Ｐ１〜ＰＮに入射する光のスポットＬに対する感度を高めることができ、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。
【００３７】
（第１変形例）
図４は、第１変形例の位置検出センサ１Ａの一例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、各画素の形状が異なる点、及び、本変形例の位置検出センサ１Ａの受光部１０Ａ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を有していない点である。受光部１０Ａの各画素対１１Ａにおいて、上記実施形態の各第１画素１２に対応する各第１画素１２ＡにおけるＸ軸方向の幅は、受光部１０ＡのＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に減少し、受光部１０ＡのＹ軸方向における他端１０ｂに近づくほど徐々に増加する。一例では、複数の第１画素１２Ａは、Ｙ軸方向における一端１０ａ側に向かって先細った二等辺三角形状を呈している。その一方で、上記実施形態の各第２画素１３に対応する各第２画素１３Ａは、Ｙ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に増加し、Ｙ軸方向における他端１０ｂに近づくほど徐々に減少する。一例では、複数の第２画素１３は、Ｙ軸方向における他端１０ｂ側に向かって先細った二等辺三角形状を呈している。以降では、複数の第１画素１２Ａ及び複数の第２画素１３Ａをまとめて、上記実施形態と同様に、複数の画素Ｐ１〜ＰＮと称する。奇数番号が付された各画素Ｐ１，Ｐ３…ＰＮ−１は、各第１画素１２Ａに対応し、偶数番号が付された各画素Ｐ２，Ｐ４…ＰＮは、各第２画素１３Ａに対応する。そして、各画素Ｐ１〜ＰＮから生成される電荷信号をＤｘ１〜ＤｘＮと称する。
【００３８】
このような各画素Ｐ１〜ＰＮを受光部１０Ａが有することにより、各第１画素１２Ａにおいて光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど、各第１画素１２Ａに入射する光のスポットＬ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Ｄｘ１，Ｄｘ３…ＤｘＮ−１の強度も減少する。その一方で、第２画素１３Ａにおいて光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど、第２画素１３Ａに入射する光のスポットＬ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Ｄｘ２，Ｄｘ４…ＤｘＮの強度も増加する。
【００３９】
続いて、本変形例の位置検出センサ１Ａにより検出される第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１のそれぞれの精度について説明する。第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１のそれぞれの精度は、入射した光のスポットＬの直径Ｗと各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓとの関係に影響を受ける。具体的には、第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１のそれぞれの精度は、光のスポットＬの直径Ｗが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓよりも大きくなるほど、向上する。従って、第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１のそれぞれの精度を向上する為に、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓよりも、光のスポットＬの直径Ｗが十分大きくなるように設定される。一例では、光のスポットＬの直径Ｗは、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓ（具体的には、各第１画素１２Ａの幅の最大値、及び各第２画素１３Ａの幅の最大値のうち大きい方）の２倍以上であり、より好ましくは、３倍以上である。例えば、光のスポットＬの直径Ｗが、画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの３倍以上であれば、第２重心位置と第２検出位置Ｐｙ１との誤差（以下、第２検出誤差と称する）は、各画素Ｐ１〜ＰＮのＹ軸方向における長さｈの１０００分の１以下となる。光のスポットＬの大きさが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓよりも大きい場合には、第２検出位置Ｐｙ１はサブピクセル単位の精度で算出される。光のスポットＬの大きさとは、上記実施形態の式（１）において、光のスポットＬの強度Ｉが０になるときの光のスポットＬの中心からの距離ｒを指す。
【００４０】
図５及び図６は、光のスポットＬの直径Ｗが画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの３倍である場合において、第２検出位置Ｐｙ１の精度をシミュレーションにより検証した結果である。図５及び図６において、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓを２０に設定し、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈを１０００に設定した。図５は、第２検出位置Ｐｙ１と第２重心位置との関係を示している。図５において、横軸は第２検出位置Ｐｙ１を表しており、縦軸は第２重心位置を表している。図５の横軸及び縦軸の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈを基準値（すなわち、ｈ＝１）とした場合の相対的な値である。図５には、光のスポットＬが実際に入射するＸ軸方向位置を１０から１０．４５まで０．０５の間隔で変化させたときの第２検出位置Ｐｙ１と第２重心位置との関係を示すグラフが重なって示されている。Ｘ軸方向位置の１０〜１０．４５の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓを基準値（すなわち、Ｓ＝１）とした場合の相対的な値である。図５に示されるように、第２検出位置Ｐｙ１と第２重心位置とは、互いにほぼ一致していることが確認できる。
【００４１】
図６は、第２重心位置と第２検出誤差との関係を示している。図６において、横軸は第２重心位置を表しており、縦軸は第２検出誤差を表している。図６の縦軸及び横軸の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈを基準値（すなわち、ｈ＝１）とした場合の相対的な値である。図６において、グラフＧ１０〜Ｇ１９は、光のスポットＬが実際に入射したＸ軸方向位置を１０から１０．４５まで０．０５の間隔で変化させたときの第２重心位置と第２検出誤差との関係をそれぞれ示している。第１重心位置の１０〜１０．４５の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓを基準値（すなわち、Ｓ＝１）とした場合の相対的な値である。図６に示されるように、第２検出誤差は、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈに対して、０．０３％以下となり、極めて小さくなっている。
【００４２】
次に、図５及び図６にて行った第２検出位置Ｐｙ１の精度の検証と同様の条件下において、第１検出位置Ｐｘ１の精度を検証した結果について説明する。図７及び図８は、光のスポットＬの直径Ｗが画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの３倍である場合において、第１検出位置Ｐｘ１の精度をシミュレーションにより検証した結果である。図７は、第１検出位置Ｐｘ１と第１重心位置との関係を示している。図７において、横軸は第１検出位置Ｐｘ１を表しており、縦軸は第１重心位置を表している。図７の横軸及び縦軸の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓを基準値とした場合の相対的な値である。図７には、光のスポットＬが実際に入射するＹ軸方向位置を０．１から０．９まで０．１の間隔で変化させたときの第１検出位置Ｐｘ１と第１重心位置との関係を示すグラフが重なって示されている。Ｙ軸方向位置０．１〜０．９の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈを基準値とした場合の相対的な値である。図７に示されるように、第１検出位置Ｐｘ１と第１重心位置とは、互いにほぼ一致していることが確認できる。
【００４３】
図８は、第１重心位置、及び、第１重心位置と第１検出位置Ｐｘ１との誤差（以下、第１検出誤差と称する）の関係を示している。図８において、横軸は第１重心位置を表しており、縦軸は第１検出誤差を表している。図８の縦軸及び横軸の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓを基準値とした場合の相対的な値である。図８において、グラフＧ２０〜Ｇ２８は、光のスポットＬが実際に入射するＹ軸方向位置を０．１から０．９まで０．１の間隔で変化させたときの第１重心位置と第１検出誤差との関係を示している。Ｙ軸方向位置０．１〜０．９の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈを基準値とした場合の相対的な値である。図８に示されるように、第１検出誤差は、各画素Ｐ１〜ＰＮのＸ軸方向の幅の最大値Ｓに対して、０．０１５％以下となり、極めて小さくなっている。以上に説明したように、図５〜図８の検証結果から、光のスポットＬの直径Ｗが画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの３倍となるように設定することで、第１検出誤差及び第２検出誤差はともに極めて小さくなることがわかる。
【００４４】
次に、光のスポットＬの直径Ｗの変化に対する第２検出誤差の変化の様子について説明する。図９は、光のスポットＬの直径Ｗを徐々に変化させた場合において、光のスポットＬの直径Ｗと第２検出誤差との関係を示す図である。図９において、横軸は光のスポットＬの直径Ｗを表しており、縦軸は第２検出誤差を表している。図９の縦軸の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈを基準値とした場合の相対的な値である。図９の横軸の値は、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓを基準値とした場合の相対的な値である。図９に示されるように、光のスポットＬの直径Ｗが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓよりも大きくなるほど、第２検出誤差は小さくなっている。具体的には、光のスポットＬの直径Ｗが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの例えば２倍以上であれば、第２検出位置Ｐｙ１の精度は十分に高くなっている。その一方で、光のスポットＬの直径Ｗが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの２倍よりも小さくなるほど、第２検出誤差は非線形的に大きくなっている。
【００４５】
図１０及び図１１は、光のスポットＬの直径Ｗが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの１倍である場合において、第１検出位置Ｐｘ１の精度及び第２検出位置Ｐｙ１の精度をシミュレーションによりそれぞれ検証した結果である。図１０は、図７に対応しており、図１１は、図８に対応している。図１０に示されるように、第２検出誤差は、各画素Ｐ１〜ＰＮの長さｈの２０％以下となっていることが確認できる。一方、図１１に示されるように、第１検出誤差は、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの１０％以下となっていることが確認できる。このように、光のスポットＬの直径Ｗが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの１倍である場合には、光のスポットＬの直径Ｗが各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓの３倍である場合と比べて、第１検出誤差及び第２検出誤差はともに大きくなっている。
【００４６】
このように、第１検出誤差及び第２検出誤差のそれぞれは、光のスポットＬが入射する画素数に大きな影響を受ける。これら第１検出誤差及び第２検出誤差のそれぞれは、上記実施形態と同様の補正を行うことにより、抑えることができる。すなわち、算出部３５は、予め作成されたルックアップテーブルから誤差ＬＵＴｘ及び誤差ＬＵＴｙを読み出し、式（４）及び式（５）を用いて、第１検出位置Ｐｘ１の補正値Ｐｘ２、及び第２検出位置Ｐｙ１の補正値Ｐｙ２を算出することができる。図１２は、第１検出位置Ｐｘ１、第２検出位置Ｐｙ１、誤差ＬＵＴｘ、及び誤差ＬＵＴｙの関係を示すルックアップテーブルの一例を示す図である。図１２では、光のスポットＬの直径Ｗを１．０Ｓと設定し、第１重心位置を１０．０Ｓと設定している。図１２に示される誤差ＬＵＴｘ及び誤差ＬＵＴｙは、第１検出位置Ｐｘ１、第２検出位置Ｐｙ１、及び光のスポットＬの直径Ｗを含む多項式近似によって算出されている。具体的には、誤差ＬＵＴｘは、１次関数近似を用いて算出されており、誤差ＬＵＴｙは、３次関数近似を用いて算出されている。
【００４７】
ここで、このようなルックアップテーブルを作成する他の方法として、例えば、各画素Ｐ１〜ＰＮにおいて生成される電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの大きさと、光のスポットＬの入射位置との関係に基づいて理論的に算出する方法がある。図１３は、ルックアップテーブルを作成する方法を説明する為の図である。図１３において、三角形部分は、各画素Ｐ１〜ＰＮに相当し、円部分は、光のスポットＬに相当する。この場合、三角形部分と円部分で囲まれたハッチング部分は、各画素Ｐ１〜ＰＮの受光面積となる。このハッチング部分の面積は、光のスポットＬを表す円の方程式と、三角形の斜辺を表す直線の方程式とを用いることによって算出される。図１３において、円の方程式と直線の方程式との２つの交点は、（Ｘ０，Ｙ０）及び（Ｘ１，Ｙ１）で表されている。円の方程式は、次の式（６）によって表される。式（６）において、ｒは、円の直径であり、Ｘｃは、Ｘ軸方向における円の中心座標であり、Ｙｃは、Ｙ軸方向における円の中心座標である。
【数６】
2019058897.tif 000008
一方、直線の方程式は、次の式（７）によって表される。式（７）において、ｂは切片であり、ａは傾きである。
【数７】
2019058897.tif 000009
【００４８】
これらの式（６）及び式（７）を用いて、次の式（８）により受光面積Ｓ１が算出される。但し、式（８）において、Ｘｃ，Ｙｃ＞ｒ＞ｂである。
【数８】
2019058897.tif 000010
このようにして算出される受光面積は、一様な強度分布を有する光のスポットＬが各画素Ｐ１〜ＰＮに入射した際における、各画素Ｐ１〜ＰＮからの電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度の大きさに相当する。更に、この受光面積に式（１）で表されるガウシアン分布を適用することで、ガウシアン分布を有する光（ガウシアンビーム）が入射した際に各画素Ｐ１〜ＰＮにおいて生成される電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの強度を理論的に求めることができる。このようにして、理論的な計算によっても、誤差ＬＵＴｘ及び誤差ＬＵＴｙに関するルックアップテーブルを作成することが可能である。また、電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮから直接位置（すなわち、光のスポットＬが実際に入射したＸ軸方向及びＹ軸方向の位置）を決めるためのルックアップテーブルを作成することも可能である。
【００４９】
図１４は、本変形例の位置検出センサ１Ａを備える位置計測装置２を示す概略構成図である。位置計測装置２は、第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１をそれぞれ計測する。位置計測装置２は、図１４に示されるように、本変形例の位置検出センサ１Ａと、光源３とを備えている。光源３は、受光部１０Ａに光を照射する。受光部１０Ａの各画素Ｐ１〜ＰＮに光のスポットＬが入射すると、各画素Ｐ１〜ＰＮから電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮが生成される。位置検出センサ１Ａは、これらの電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮに基づいて、第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１を算出する。位置計測装置２は、位置検出センサ１Ａを備えているので、上記実施形態の効果を好適に奏する。更に、光源３から出力される光のスポットＬの直径Ｗは、複数の画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓよりも大きくなるように設定される。一例では、受光部１０Ａに照射される光のスポットＬの直径Ｗは、各画素Ｐ１〜ＰＮの幅の最大値Ｓ（具体的には、各第１画素１２Ａの幅の最大値Ｓ、及び各第２画素１３Ａの幅の最大値Ｓのうち大きい方）の２倍以上であり、より好ましくは、３倍以上である。これにより、第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１をそれぞれ精度良く算出することができる。
【００５０】
図１５は、本変形例の位置検出センサ１Ａに複数（例えば２つ）の光のスポットＬＡ，ＬＢが同時に入射した状態を示す図である。本変形例の位置検出センサ１Ａでは、各光のスポットＬＡ，ＬＢが受光部１０Ａに同時に入射した場合であっても、複数の光のスポットＬＡ，ＬＢ同士が１Ｓ以上離れていれば、各光のスポットＬＡ，ＬＢの二次元位置を検出することができる。図１５に示されるように、光のスポットＬＡは、各画素Ｐ３〜Ｐ６（図１５において左から３番目〜６番目の画素）に入射している。光のスポットＬＢは、各画素Ｐ８〜Ｐ１２（図１５において左から８番目〜１２番目の画素）に入射している。このような場合、算出部３５は、光のスポットＬＡの二次元位置を次のようにして算出する。すなわち、算出部３５は、光のスポットＬが入射した各画素Ｐ３〜Ｐ６のみに対して上記実施形態の式（２）及び式（３）を適用することで、光のスポットＬＡの二次元位置を算出する。具体的には、算出部３５は、例えば次の式（９）及び式（１０）を用いて、光のスポットＬＡの第１検出位置ＰｘＡ及び第２検出位置ＰｙＡをそれぞれ算出することができる。
【数９】
2019058897.tif 000011
【数１０】
2019058897.tif 000012
【００５１】
同様に、算出部３５は、光のスポットＬＢが入射した各画素Ｐ８〜Ｐ１２のみに対して上記実施形態の式（２）及び式（３）を適用することで、光のスポットＬＢの二次元位置を算出する。具体的には、算出部３５は、例えば次の式（１１）及び式（１２）を用いて、光のスポットＬＢの第１検出位置ＰｘＢ及び第２検出位置ＰｙＢをそれぞれ算出することができる。
【数１１】
2019058897.tif 000013
【数１２】
2019058897.tif 000014
このように複数の光のスポットＬＡ，ＬＢが受光部１０Ａに同時に入射した場合であっても、誤差ＬＵＴｘ及び誤差ＬＵＴｙに関するルックアップテーブルを用いることにより、光のスポットＬＡの第１検出位置ＰｘＡ及び第２検出位置ＰｙＡ、並びに光のスポットＬＢの第１検出位置ＰｘＢ及び第２検出位置ＰｙＢをそれぞれ補正することができる。
【００５２】
各画素Ｐ１〜ＰＮの形状は、上述した形状に限られず、他の形状であってもよい。図１６、図１７、及び図１８は、本変形例の各画素Ｐ１〜ＰＮの形状の別の例を示す図である。図１６に示される各画素対１１Ｂの第１画素１２Ｂは、四角形状を呈する複数（例えば６つ）の受光領域１２ｂを有する。各受光領域１２ｂのＸ軸方向における幅は、受光部１０ＢのＹ軸方向における一端１０ａに近いほど小さく、受光部１０ＢのＹ軸方向における他端１０ｂに近いほど大きい。各画素対１１Ｂの第２画素１３Ｂは、四角形状を呈する複数（例えば６つ）の受光領域１３ｂを有する。各受光領域１３ｂのＸ軸方向における幅は、該第２画素１３Ｂが受光部１０ＢのＹ軸方向における一端１０ａに近いほど大きく、該第２画素１３ＢがＹ軸方向における他端１０ｂに近いほど小さい。
【００５３】
図１７に示される各画素対１１Ｃの第１画素１２ＣのＸ軸方向の幅は、受光部１０ＣのＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど段階的（階段状）に減少しており、受光部１０ＣのＹ軸方向における他端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軸方向の幅は、Ｙ軸方向における一端１０ａに近づくほど段階的（階段状）に増加し、Ｙ軸方向における他端１０ｂに近づくほど段階的（階段状）に減少している。図１８に示される各画素対１１Ｄの第１画素１２Ｄは、受光部１０ＤのＹ軸方向における一端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、各画素対１１Ｄの第２画素１３Ｄは、受光部１０ＤのＹ軸方向における他端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１１Ｄの境界における第１画素１２Ｄ及び第２画素１３Ｄの外縁は、Ｙ軸方向に対して傾斜しておらず、Ｙ軸方向に沿って延びている。
【００５４】
各画素Ｐ１〜ＰＮのＸ軸方向の配列について、第１画素と第２画素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１９は、本変形例の各画素Ｐ１〜ＰＮの配列の別の例を示す図である。図１９に示されるように、各画素対１１Ｅの第１画素１２Ｅは、受光部１０ＥのＹ軸方向における一端１０ａ側に向かって先細った直角三角形状を呈しており、各画素対１１Ｅの第２画素１３Ｅは、受光部１０Ｅの他端１０ｂ側に向かって先細った直角三角形状を呈している。そして、各第１画素１２Ｅの直角を構成する直線同士がＸ軸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１３Ｅの直角を構成する直線同士がＸ軸方向において互いに対向して配置されている。このような形態であっても、上記実施形態の効果と同様の効果を奏することができる。
【００５５】
（第２変形例）
図２０は、第２変形例の位置検出センサ１Ｂ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、本変形例の位置検出センサ１Ｂの受光部１０Ｆ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を有する点である。各第１遮光部１６は、各第１画素１２上に配置されており、入射した光を遮光する。各第１遮光部１６は、各第１画素１２の一部１２ｃ（図２０におけるハッチング部分）を除く部分を覆っている。各一部１２ｃのＸ軸方向における幅は、受光部１０ＦのＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に（或いは段階的に）減少し、受光部１０Ｆ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１２ｃは、受光部１０Ｆの一端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。
【００５６】
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、入射した光を遮光する。各第２遮光部１７は、複数の第２画素１３の一部１３ｃ（図２０におけるハッチング部分）を除く部分を覆っている。各一部１３ｃのＸ軸方向における幅は、Ｙ軸方向における一端１０ａに近づくほど徐々に（或いは段階的に）増加し、Ｙ軸方向における他端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１３ｃは、Ｙ軸方向における他端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。
【００５７】
このような第１遮光部１６及び第２遮光部１７を受光部１０Ｆが有することにより、各第１画素１２において光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど、各第１画素１２に入射する光のスポットＬ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Ｄｘ１，Ｄｘ３…ＤｘＮ−1の強度も減少する。これに対し、各第２画素１３において光のスポットＬの入射位置がＹ軸方向における一端１０ａに近づくほど、各第２画素１３に入射する光のスポットＬ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Ｄｘ２，Ｄｘ４…ＤｘＮの強度も増加する。
【００５８】
（第３変形例）
図２１は、第３変形例の位置検出センサ１Ｃ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Ｐ１〜ＰＮが、Ｙ軸方向において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２１に示されるように、本変形例の位置検出センサ１Ｃは、受光部１０Ｇと、第１信号処理部３０Ａと、第２信号処理部３０Ｂとを備えている。受光部１０Ｇの各画素Ｐ１〜ＰＮは、Ｙ軸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、２つの領域のうち、受光部１０ＧのＹ軸方向における一端１０ａ側に位置する領域１２Ｆ、及び、受光部１０ＧのＹ軸方向における他端１０ｂ側に位置する領域１２Ｇを含む。各第２画素１３は、２つの領域のうち、Ｙ軸方向における一端１０ａ側に位置する領域１３Ｆ、及び、Ｙ軸方向における他端１０ｂ側に位置する領域１３Ｇを含む。
【００５９】
第１信号処理部３０Ａ及び第２信号処理部３０Ｂは、各画素Ｐ１〜ＰＮのＹ軸方向における両端にそれぞれ設けられている。第１信号処理部３０Ａ及び第２信号処理部３０Ｂ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とをそれぞれ有している。第１信号処理部３０Ａのスイッチ素子３１の入力端は、各領域１２Ｆ及び各領域１３Ｆと電気的に接続されている。第２信号処理部３０Ｂのスイッチ素子３１の入力端は、各領域１２Ｇ及び各領域１３Ｇと電気的に接続されている。算出部３５は、第１信号処理部３０ＡのＡ／Ｄ変換器３４、及び第２信号処理部３０Ｂ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１２Ｆ及び各領域１３Ｆにおいて生成される電荷信号ＤｘＦ１〜ＤｘＦＮ、及び各領域１２Ｇ及び各領域１３Ｇにおいて生成される電荷信号ＤｘＧ１〜ＤｘＧＮに基づいて、上記実施形態と同様に、受光部１０Ｇに入射した光のスポットＬの入射位置について第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１をそれぞれ算出する。
【００６０】
本変形例の位置検出センサ１Ｃでは、各画素Ｐ１〜ＰＮが２つに分割された結果、各領域１２Ｆ及び各領域１３Ｆにおいて生成される電荷信号ＤｘＦ１〜ＤｘＦＮが第１信号処理部３０Ａによって読み出され、各領域１２Ｇ及び各領域１３Ｇにおいて生成される電荷信号ＤｘＧ１〜ＤｘＧＮが第２信号処理部３０Ｂによって読み出される。これにより、各画素Ｐ１〜ＰＮにおいて光のスポットＬ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Ｐ１〜ＰＮに入射した光の利用効率を高め、第１検出位置Ｐｘ１及び第２検出位置Ｐｙ１の精度を向上することができる。
【００６１】
（第４変形例）
図２２は、第４変形例の位置検出センサ１Ｄ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、本変形例の位置検出センサ１Ｄの受光部１０Ｈ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）線である。各金属線２０は、各画素Ｐ１〜ＰＮに対応して設けられており、各画素Ｐ１〜ＰＮ上においてＹ軸方向に沿って延び、各画素Ｐ１〜ＰＮ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Ｐ１〜ＰＮにおいてＹ軸方向における光のスポットＬの入射位置がスイッチ素子３１から離れるほど、各画素Ｐ１〜ＰＮにおいて生成される電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの読み出しに時間が掛かる。その理由は、各画素Ｐ１〜ＰＮを構成する拡散層における電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの移動速度が遅く、各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮを転送するのに時間が掛かるためであると考えられる。
【００６２】
そこで、Ｙ軸方向に沿って延びる各金属線２０を各画素Ｐ１〜ＰＮ上に設け、その各金属線２０をスイッチ素子３１に繋げることで、各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮが各金属線２０を通るようにする。これにより、電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの移動速度を向上させることができ、各電荷信号Ｄｘ１〜ＤｘＮの読み出しの速度を向上させることができる。
【００６３】
本開示の位置検出センサ及び位置計測装置は、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。上述した位置検出センサは、いわゆる光切断法を用いて対象物の三次元形状を計測する計測装置に適用されてもよい。この場合、対象物の表面から反射した光の二次元位置が位置検出センサにより検出され、検出された二次元位置に基づいて対象物の三次元形状が計測される。
【符号の説明】
【００６４】
１，１Ａ〜１Ｄ…位置検出センサ、２…位置計測装置、３…光源、１０，１０Ａ〜１０Ｈ…受光部、１０ａ…一端、１０ｂ…他端、１１，１１Ａ〜１１Ｅ…画素対、１２，１２Ａ〜１２Ｅ…第１画素、１２Ｆ，１２Ｇ，１３Ｆ，１３Ｇ…領域、１２ｂ，１３ｂ…受光領域、１２ｃ，１３ｃ…一部、１３，１３Ａ〜１３Ｅ…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…信号処理部、３０Ａ…第１信号処理部、３０Ｂ…第２信号処理部、３１…スイッチ素子、３２…シフトレジスタ、３３…アンプ、３４…Ａ／Ｄ変換器、３５…算出部、Ｄｘ１〜ＤｘＮ…電荷信号、Ｌ，ＬＡ，ＬＢ…光のスポット、Ｐ１〜ＰＮ…画素。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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