(57)【要約】【課題】位置計測の高速化及び計測精度の向上を図った位置計測センサ、３次元位置計測装置、及び３次元位置計測方法を提供する。【解決手段】２次元配列された画素において、光感応部分同士を第１方向、第２方向に沿って電気的に接続し、第１方向射影データと第２方向射影データとをそれぞれ独立して得ることで、後段の処理を簡素化する。また、第１プロファイルセンサ６における光感応部分同士の接続方向と、第２プロファイルセンサ７における光感応部分同士の接続方向とが一致しないように、第２プロファイルセンサ７を、第１プロファイルセンサ６に対して傾けて配置する。これにより、一方のプロファイルセンサの光感応部分同士の接続方向に、複数の輝点が重なる場合でも、他方のプロファイルセンサ７の光感応部分同士の接続方向に、複数の輝点が重ならず、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。【選択図】図１０
2008089514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサであって、
画素が２次元配列された光感応領域を有する第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサを備え、
前記画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、
前記２次元配列における第１の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記２次元配列における第２の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、前記第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴とする位置計測センサ。
【請求項２】
対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサと、
前記位置計測センサを駆動させるための駆動信号を出力する駆動信号発生手段と、
前記位置計測センサからの検出信号に基づいて、前記対象物の３次元位置を演算する３次元位置演算手段と、を具備し、
前記位置計測センサは、
画素が２次元配列された光感応領域を有する第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサを備え、
前記画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、
前記２次元配列における第１の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記２次元配列における第２の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、前記第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴とする３次元位置計測装置。
【請求項３】
対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサを用いて、前記対象物の３次元位置を計測する３次元位置計測方法であって、
前記位置計測センサは、
画素が２次元配列された光感応領域を有する第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサを備え、
前記画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、
前記２次元配列における第１の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記２次元配列における第２の方向に配列された複数の前記画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、
前記第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、前記第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致しないように、前記第２のプロファイルセンサを、前記第１のプロファイルセンサに対して傾けて配置することを特徴とする３次元位置計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に設けられた輝点を検出して対象物の３次元位置を計測する位置計測センサ、３次元位置計測装置、及び３次元位置計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物の３次元位置を計測する技術として、２つのカメラを対象物に対して異なる角度に配置し、これらのカメラの位置関係、及びこれらのカメラによって取得された対象物の画像に基づいて、対象物の３次元位置を計測するステレオカメラ法が知られている。ステレオカメラ法では、２つのカメラによって取得された各画像における対象物の対応点を探索し、これらの対応点の位置ずれ量に基づいて、対象物までの距離情報を三角測量の原理で求めることができる。
【０００３】
図１４は、従来のステレオカメラ法による３次元位置計測方法を説明するための概略図である。図１４に示すカメラ５１，５２は、同一の内部パラメータを持つものであり、カメラ５１，５２の水平軸Ｘｃが一致するように配置されている。このとき、カメラ５１，５２によって取得された画像上での対象点Ｐの座標Ｕ１，Ｕ２は、次式（１），（２）により表現される（ただし、ｆ：焦点距離、ｂ：カメラ５１，５２間の距離）。
【数１】
2008089514.tif 000003
ここで、画像上での対象点Ｐの位置ずれ量ｄは、次式（３）により表現することができる。
【数２】
2008089514.tif 000004
つまり、次式（４）を用いて、求めることができる。
【数３】
2008089514.tif 000005
【０００４】
しかし、従来のステレオカメラ法では、ビデオフレームレート（３０フレーム／ｓ）のカメラを用いている上、対応点の検索において、エッジ抽出処理、左右画像のマッチング処理など、複雑な画像処理を必要としていた。これにより、３次元位置計測を高速で行うことは困難であった。
【０００５】
そこで、上記ステレオカメラ法による３次元位置計測における問題点を解決する技術として、画像処理機能を有するセンサであるプロファイルセンサ（光検出装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１５は、プロファイルセンサの概略構成図である。図１５に示すように、プロファイルセンサ６１は、２次元配列された複数の画素６２を備え、各画素６２は、２つの受光領域６３，６４に分割されている。一方の受光領域６３は、Ｘ方向に電気的に接続され、他方の受光領域６４は、Ｙ方向に電気的に接続されている。
【０００６】
プロファイルセンサ６１は、光を検出すると、Ｘ方向及びＹ方向の射影（プロファイル）データを出力する。このようなプロファイルセンサ６１を用いて、対象物の３次元位置計測を行う場合、対象物に設けられた複数の輝点（光）を検出し、出力されたデータを処理することで、複数の輝点の位置情報を取得して対象物の３次元位置を求めることができる。通常のｍ×ｎ画素の２次元センサでは、ｍ×ｎ個のデータが出力されるのに対して、プロファイルセンサ６１では、ｍ＋ｎ個のデータが出力される。すなわち、プロファイルセンサ６１では、出力されるデータが大幅に圧縮されているため、後段の処理を簡素化することができる。これにより、３次元位置計測の高速化が図られ、小型化かつ廉価とされたプロファイルセンサ６１を提供することができる。
【特許文献１】国際公開第０３／０４９１９０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術では、対象物に設けられた複数の輝点が受光領域の接続方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に重なった場合に、Ｘ方向、Ｙ方向の射影データから各輝点の位置情報を分離することは困難であった。このため、各輝点の位置情報を正確に取得することが難しく、位置計測精度が低下することがあった。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、位置計測の高速化を図ると共に、位置計測精度の向上を図った位置計測センサ、３次元位置計測装置、及び３次元位置計測方法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】
【０００９】
本発明による位置計測センサは、対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサであって、画素が２次元配列された光感応領域を有する第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサを備え、画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、２次元配列における第１の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、２次元配列における第２の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴としている。
【００１０】
このような位置計測センサによれば、第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサは、一方の光感応部分同士が２次元配列における第１の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、他方の光感応部分同士が２次元配列における第２の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されているため、第１の方向での射影データと第２の方向での射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物の３次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、位置計測センサは、第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないため、一方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重ならないため、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。従って、位置計測精度の向上を図ることができる。
【００１１】
また、本発明による３次元位置計測装置は、対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサと、位置計測センサを駆動させるための駆動信号を出力する駆動信号発生手段と、位置計測センサからの検出信号に基づいて、対象物の３次元位置を演算する３次元位置演算手段と、を具備し、位置計測センサは、画素が２次元配列された光感応領域を有する第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサを備え、画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、２次元配列における第１の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、２次元配列における第２の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないことを特徴としている。
【００１２】
このような３次元位置計測装置によれば、第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサは、一方の光感応部分同士が２次元配列における第１の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、他方の光感応部分同士が２次元配列における第２の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されているため、第１の方向での射影データと第２の方向での射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物の３次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、位置計測センサは、第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致していないため、一方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重ならないため、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。従って、位置計測精度の向上を図ることができる。
【００１３】
また、本発明による３次元位置計測方法は、対象物に設けられた複数の輝点からの光を検出する位置計測センサを用いて、対象物の３次元位置を計測する３次元位置計測方法であって、位置計測センサは、画素が２次元配列された光感応領域を有する第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサを備え、画素は、各々入射した光の強度に応じた電流を出力する複数の光感応部分が同一面内に隣接して配設され、２次元配列における第１の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち一方の光感応部分同士が電気的に接続され、２次元配列における第２の方向に配列された複数の画素にわたり、当該各画素を構成する複数の光感応部分のうち他方の光感応部分同士が電気的に接続され、第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致しないように、第２のプロファイルセンサを、第１のプロファイルセンサに対して傾けて配置することを特徴としている。
【００１４】
このような３次元位置計測方法によれば、一方の光感応部分同士が２次元配列における第１の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続され、他方の光感応部分同士が２次元配列における第２の方向に配列された複数の画素にわたって電気的に接続されたプロファイルセンサを用いるため、第１の方向での射影データと第２の方向での射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物の３次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、３次元位置計測方法では、第１のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向と、第２のプロファイルセンサにおける光感応部分同士の電気的接続方向とが一致しないように、第２のプロファイルセンサを、第１のプロファイルセンサに対して傾けて配置する。これにより、一方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサの光感応部分同士の電気的接続方向に、複数の輝点が重ならないため、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。従って、位置計測精度の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の位置計測センサ、３次元位置計測装置、及び３次元位置計測方法によれば、位置計測の高速化を図ると共に、位置計測精度の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明による位置計測センサ、３次元位置計測装置、及び３次元位置計測方法の好適な第１実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の第１実施形態に係る位置計測センサを備えた３次元位置計測装置の概略構成図、図２は、本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサを収容したパッケージの平面図、図３は、本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサを示す概略構成図、図４は、本発明の第１実施形態に係る光感応領域を具体的に示す平面図である。
【００１７】
図１に示す３次元位置計測装置１は、対象物２の３次元位置や向きを計測するものであり、対象物２に設けられた複数の輝点３〜５からの光を検出する第１のプロファイルセンサ６及び第２のプロファイルセンサ７を備えたセンサ部（位置計測センサ）８と、このセンサ部８を制御すると共に、センサ部８からの検出信号（射影データ）に基づいて、対象物２の３次元位置を演算する演算部９とを具備している。
【００１８】
対象物２に設けられた複数の輝点３〜５は、互いに異なる射影データ（輝点プロファイル）となるように、互いに異なる輝度、大きさに設定されている。輝点３〜５は、例えば、ＬＥＤなどの発光デバイスや反射板などの反射デバイスによって構成される。
【００１９】
センサ部８は、互いに異なる位置に配置された第１のプロファイルセンサ６及び第２のプロファイルセンサ７を備えている。第１のプロファイルセンサ６及び第２のプロファイルセンサ７は、同じ構成のものである。第１のプロファイルセンサ６と第２のプロファイルセンサ７とは、設置される角度が異なっている（詳しくは、後述する）。以下、第１のプロファイルセンサ６及び第２のプロファイルセンサ７の両方を指す場合には、プロファイルセンサ６，７とする。
【００２０】
プロファイルセンサ６，７は、図２に示すように、例えば、縦横７．６ｍｍ×７．６ｍｍのＬＣＣパッケージ１４に収容されている。プロファイルセンサ６，７の中央部には、フォトダイオードとして機能する光感応領域１０が形成されている。また、プロファイルセンサ６，７は、図３に示すように、光感応領域１０の他に、第１信号処理回路２０及び第２信号処理回路３０を備えている。
【００２１】
光感応領域１０は、Ｍ行Ｎ列に２次元配列された複数の画素１１ｍｎを備えている。各画素１１ｍｎは、入射した光の強度に応じた電流を出力する光感応部分１２ｍｎ（一方の光感応部分）及び光感応部分１３ｍｎ（他方の光感応部分）を同一面内に隣接して備えている。
【００２２】
隣接する光感応部分１２ｍｎ同士は、２次元配列におけるＸ方向（第１の方向、図３における縦方向）に配列された複数の画素１１１１〜１１１Ｎ，１１２１〜１１２Ｎ，…，１１Ｍ１〜１１ＭＮにわたって、互いに電気的に接続されている。また、隣接する光感応部分１３ｍｎ同士は、２次元配列におけるＹ方向（第２の方向、図３における横方向）に配列された複数の画素１１１１〜１１１Ｎ，１１２１〜１１２Ｎ，…，１１Ｍ１〜１１ＭＮにわたって、互いに電気的に接続されている。このように、光感応部分１２ｍｎ同士をＸ方向において電気的に接続し、光感応部分１３ｍｎ同士をＹ方向において電気的に接続することで、Ｘ方向射影データと、Ｙ方向射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能となる。
【００２３】
光感応領域１０は、図４に示すように、Ｐ型（第１導電型）の半導体からなる半導体基板４０と、当該半導体基板４０の表層に形成されたＮ型（第２導電型）の半導体領域４１，４２とを備えている。半導体領域４１は、上述した光感応部分１２ｍｎに対応するものであり、Ｘ方向に隣接する半導体領域４１同士は、第１の配線４４によって、互いに電気的に接続されている。また、半導体領域４２は、上述した光感応部分１３ｍｎに対応するものであり、Ｙ方向に隣接する半導体領域４２同士は、第２の配線４７によって、互いに電気的に接続されている。
【００２４】
第１信号処理回路２０は、図３に示すように、Ｘ方向に接続された光感応部分１２ｍｎ（半導体領域４１）と電気的に接続され、光感応領域１０に入射した光のＸ方向における輝度プロファイルを示す信号（Ｘ方向射影データ）を演算部９に出力する。この第１信号処理回路２０は、光感応部分１２ｍｎと電気的に接続されたスイッチ素子、光感応部分１２ｍｎからの電流を読み出すシフトレジスタ、シフトレジスタによって読み出された電流を電圧に変換して出力する積分回路などを備えている。
【００２５】
第２信号処理回路３０は、図３に示すように、Ｘ方向に接続された光感応部分１３ｍｎ（半導体領域４２）と電気的に接続され、光感応領域１０に入射した光のＹ方向における輝度プロファイルを示す信号（Ｙ方向射影データ）を演算部９に出力する。この第１信号処理回路３０は、光感応部分１３ｍｎと電気的に接続されたスイッチ素子、光感応部分１３ｍｎからの電流を読み出すシフトレジスタ、シフトレジスタによって読み出された電流を電圧に変換して出力する積分回路などを備えている。
【００２６】
演算部９は、第１のプロファイルセンサ６，第２のプロファイルセンサ７を駆動させる駆動信号発生回路（駆動信号発生手段）１５、第１のプロファイルセンサ６，第２のプロファイルセンサ７から出力されたＸ方向射影データ、Ｙ方向射影データに基づいて複数の輝点３〜５に対応する対応点の面内位置を演算する面内位置演算回路１６、面内位置演算回路１６で求められた対応点の面内位置に基づいて輝点３〜５の視差を演算してセンサ部８から対象物２までの距離を演算する３次元位置演算回路１７を備えている。そして、演算部９は、第１のプロファイルセンサ６及び第２のプロファイルセンサ７と電気的に接続されている。面内位置演算回路１６及び３次元位置演算回路１７は、本発明の３次元位置演算手段として機能するものであり、センサ部８からの検出信号に基づいて、対象物２の３次元位置を演算する。
【００２７】
次に、複数の輝点３〜５に対応する対応点の面内位置の探索について、図５〜図９を参照して説明する。図５〜図９において、矩形の枠は、光感応領域１０に対応するものであり、Ｘ方向に延びるデータＸ１〜Ｘ５は、第１信号処理回路２０から出力されたＸ方向射影データであり、Ｙ方向に延びるデータＹ１〜Ｙ６は、第２信号処理回路３０から出力されたＹ方向射影データである。各データＸ１〜Ｘ５，Ｙ１〜Ｙ６は、電圧値のピークを示すものであり略三角形状を成し、この三角形の面積の大きさが輝点の輝度値を示し、三角形の半値幅が輝点の形状を示している。
【００２８】
まず、複数の輝点がＸ方向及びＹ方向において重なっていない場合における対応点の面内位置の探索について説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサによる検出信号の一例を示すものであり、複数の輝点がＸ方向及びＹ方向において重なっていない場合の図である。複数の輝点３〜５がＸ方向及びＹ方向において重なっていない場合には、図５に示すように、輝点３〜５の数量と同じ数量のピークがＸ方向及びＹ方向において検出され、Ｘ方向射影データＸ１〜Ｘ３、Ｙ方向射影データＹ１〜Ｙ３が取得される。
【００２９】
図６は、図５に示す検出信号に基づいて推定される対応点の候補の面内位置を示す図である。図７は、図５に示す検出信号に基づいて求められた対応点の面内位置を示す図である。図６に示すように、Ｘ方向射影データＸ１〜Ｘ３が検出された位置からＸ方向に延びるラインＬ１〜Ｌ３上、Ｙ方向射影データＹ１〜Ｙ３が検出された位置からＹ方向に延びるラインＬ４〜Ｌ６上に、輝点３〜５に対応する対応点の存在を推定することができる。すなわち、ラインＬ１〜Ｌ６の交点Ｑを対応点の候補位置と推定することができる。各交点Ｑについて、Ｘ方向射影データＸ１〜Ｘ３の面積、半値幅と、Ｙ方向射影データＹ１〜Ｙ３の面積、半値幅とを比較して、値が大きく異なるものを順番に排除して、図７に示すように、対応点Ｐを求めることができる。
【００３０】
次に、複数の輝点の一部がＸ方向において重なっている場合における対応点の面内位置の探索について説明する。図８は、本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサによる検出信号の一例を示すものであり、複数の輝点の一部がＸ方向において重なっている場合の図である。複数の輝点３〜５がＸ方向において重なっている場合には、図８に示すように、輝点３〜５の数量より少ない数量のピークが検出され、Ｘ方向射影データＸ４，Ｘ５、Ｙ方向射影データＹ４〜Ｙ６が取得される。
【００３１】
図９は、図８に示す検出信号に基づいて推定される対応点の候補の面内位置を示す図である。図９に示すように、Ｘ方向射影データＸ４，Ｘ５が検出された位置からＸ方向に延びるラインＬ７，Ｌ８上、Ｙ方向射影データＹ４〜Ｙ６が検出された位置からＹ方向に延びるラインＬ９〜Ｌ１１上に、輝点に対応する対応点の存在を推定することができる。すなわち、ラインＬ７〜Ｌ１１の交点Ｑを対応点の候補位置と推定する。そして、各交点Ｑについて、Ｘ方向射影データＸ４，Ｘ５の面積、半値幅と、Ｙ方向射影データＹ４〜Ｙ６の面積、半値幅とを比較して、対応点を求めるが、Ｘ方向に輝点が重なった場合には、Ｘ方向射影データＸ４，Ｘ５の数量が少なくなってしまい、対応点の位置精度が低下することがある。
【００３２】
そこで、第１のプロファイルセンサ６及び第２のプロファイルセンサ７は、互いの軸（Ｘ方向、Ｙ方向）が一致しないように配置されている。図１０は、本発明の第１実施形態に係る第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサの配置を示す概略図である。第２のプロファイルセンサ７は、具体的には、図１０に示すように、第１のプロファイルセンサ６に対して、角度θ分傾けられている。なお、ここでいう「互いの軸が一致しない」とは、第１のプロファイルセンサ６におけるＸ方向、Ｙ方向と、第２のプロファイルセンサ７におけるＸ方向、Ｙ方向とが平行ではないことをいう。すなわち、光感応部分１２ｍｎ、光感応部分１３ｍｎの電気的接続方向が、第１のプロファイルセンサ６と第２のプロファイルセンサ７とでは、異なっている。これにより、第１のプロファイルセンサ６のＸ方向又はＹ方向に複数の輝点の一部が重なった場合であっても、第２のプロファイルセンサ７のＸ方向及びＹ方向に輝点の一部が重ならず、同様に、第２のプロファイルセンサ７のＸ方向又はＹ方向に複数の輝点の一部が重なった場合であっても、第１のプロファイルセンサ６のＸ方向及びＹ方向に輝点の一部が重ならないようにすることができる。
【００３３】
なお、第１のプロファイルセンサ６に対する第２のプロファイルセンサ７の傾斜角θは、計測される輝点３〜５の大きさ（径）や配置（プロファイルセンサから輝点までの距離など）に基づいて設定される。例えば、輝点３〜５の大きさがプロファイルセンサ６，７における５画素に対応し、プロファイルセンサ６，７から輝点３〜５までの距離がプロファイルセンサ６，７における５０画素に対応する場合、複数の輝点３〜５のうちの２つが、第１のプロファイルセンサ６においてＸ方向又はＹ方向で重なったときに、第２のプロファイルセンサにおいてＸ方向及びＹ方向で重ならないようにするには、傾斜角θ＝ｔａｎ−１（５／５０）…（５）によって求めることができる。この場合、傾斜角θは約６度となる。
【００３４】
また、第１のプロファイルセンサ６に対して第２のプロファイルセンサ７を傾斜角θ分傾けた場合、第２のプロファイルセンサ７では、第１のプロファイルセンサ６に対して傾斜角θ分傾斜した位置として計測される。第２のプロファイルセンサ７における座標系（ｘ２，ｙ２）を、第１のプロファイルセンサ６における座標系（ｘ１，ｙ１）と対応させる場合、ｘ１＝ｘ２ｃｏｓθ＋ｙ２ｓｉｎθ…（６）、ｙ１＝−ｘ２ｓｉｎθ＋ｙ２ｃｏｓθ…（７）によって回転補正を行う。
【００３５】
次に、このような３次元位置計測装置１を用いて実行される３次元位置計測方法について説明する。先ず、複数の輝点３〜５を有する対象物２に対して所定の位置に、プロファイルセンサ６，７を配置する。第２のプロファイルセンサ７は、第１のプロファイルセンサ６に対して傾斜角θを成すように傾けて配置する。すなわち、第１のプロファイルセンサ６と第２のプロファイルセンサ７との軸が重ならないようにすることで、光感応部分の電気的接続方向が、第１のプロファイルセンサ６と第２のプロファイルセンサとで一致しないようにしている。そして、演算部９をプロファイルセンサ６，７と各々電気的に接続して、各プロファイルセンサ６，７からの検出信号の入力を可能とする。
【００３６】
次に、演算部９の駆動信号発生回路１５は、駆動信号を送信して、プロファイルセンサ６，７を駆動する。プロファイルセンサ６，７は、対象物２に設けられた複数の輝点３〜５からの光を検出して、演算部９の面内位置演算回路１６に、検出信号（射影データ、特にＸ方向射影データとＹ方向射影データとで区別する必要がないときは、射影データと記載する。）を送信する。送信された射影データは、面内位置演算回路１６、３次元位置演算回路１７によって演算処理される。
【００３７】
次に、面内位置演算回路１６及び３次元位置演算回路１７で実行される演算処理について図１１のフローチャートに沿って説明する。図１１は、本発明の第１実施形態に係る面内位置演算回路１６及び３次元位置演算回路１７で実行される演算処理の動作手順を示すフローチャートである。面内位置演算回路１６では、先ず、各プロファイルセンサ６，７からの射影データを入力する（Ｓ１）。
【００３８】
次に、面内位置演算回路１６は、各プロファイルセンサ６，７から入力された射影データに基づいて、複数の輝点３〜５に対応する対応点の面内位置を求める（Ｓ２）。具体的には、Ｘ方向射影データのピーク面積、ピーク半値幅と、Ｙ方向射影データのピーク面積、ピーク半値幅とを比較して、対応点の面内位置を求める。ここで、第１のプロファイルセンサ６におけるＸ方向、Ｙ方向に複数の輝点が重なっている場合には、第２のプロファイルセンサ７によって検出された射影データに基づいて、対応点の面内位置を正確に求める一方、第２のプロファイルセンサ７におけるＸ方向、Ｙ方向に複数の輝点が重なっている場合には、第１のプロファイルセンサ６によって検出された射影データに基づいて、対応点の面内位置を求める。以下、第１プロファイルセンサ６によって取得された射影データに基づいて求められた対応点を「第１のプロファイルセンサによる対応点」といい、同様に、第２プロファイルセンサ７によって取得された射影データに基づいて求められた対応点を「第２のプロファイルセンサによる対応点」という。また、面内位置演算回路１６は、上記式ｘ１＝ｘ２ｃｏｓθ＋ｙ２ｓｉｎθ…（６）、ｙ１＝−ｘ２ｓｉｎθ＋ｙ２ｃｏｓθ…（７）を用いて回転補正を行い、第２のプロファイルセンサによる対応点を、第２のプロファイルセンサにおける座標系（ｘ２，ｙ２）から第１のプロファイルセンサにおける座標系（ｘ１，ｙ１）に変換する。
【００３９】
次に、３次元位置演算回路１７は、面内位置演算回路１６によって求められた各対応点の面内位置に基づいて、第１のプロファイルセンサ６による対応点と第２のプロファイルセンサによる対応点との視差を求める。３次元位置演算回路１７は、対応点の視差に基づいて、複数の輝点までの距離を算出して、対象物２の３次元位置を求める（Ｓ３）。そして、３次元位置演算回路１７は、対象物２の３次元位置を結果として出力する（Ｓ４）。
【００４０】
次に、複数の輝点の一部が第１のプロファイルセンサ６のＸ方向に重なった場合について、図１２を参照して説明する。図１２は、複数の輝点の一部が第１のプロファイルセンサのＸ方向に重なった場合の検出信号の一例を示すものであり、左側に第１のプロファイルセンサによる検出信号の一例、右側に第２のプロファイルセンサによる検出信号の一例を示す図である。図１２に示すように、第１のプロファイルセンサ６では、Ｘ方向射影データＸ１１，Ｘ１２、Ｙ方向射影データＹ１１〜Ｙ１３が取得され、第２のプロファイルセンサ７では、Ｘ方向射影データＸ２１〜Ｘ２３、Ｙ方向射影データＹ２１〜Ｙ２３が取得されている。
【００４１】
複数の輝点が第１のプロファイルセンサ６にけるＸ方向に重なった場合には、第１のプロファイルセンサ６では、上述したようにＸ方向射影データＸ１１，Ｘ１２が少なくなるため、第１のプロファイルセンサ６に対して傾けて配置された第２のプロファイルセンサ７によって取得されたＸ方向射影データＸ２１〜Ｘ２３及びＹ方向射影データを用いて、対応点の面内位置を求める。
【００４２】
面内位置演算回路１６は、ピーク面積及びピーク半値幅を比較して、Ｘ方向射影データとＹ方向射影データとの対応付けを行う。図１２に示すデータでは、Ｘ方向射影データＸ２１とＹ方向射影データＹ２３、Ｘ方向射影データＸ２２とＹ方向射影データＹ２１、Ｘ方向射影データＸ２３とＹ方向射影データＹ２２が対応している。次に、面内位置演算回路１６は、第２のプロファイルセンサ７の座標系における対応点Ｐ２３〜Ｐ２５の面内位置を演算する。次に、面内位置演算回路１６は、回転補正を行って、各対応点Ｐ２３〜Ｐ２５を第１のプロファイルセンサ６における座標系に変換する。
【００４３】
３次元位置演算回路１７は、第１のプロファイルセンサ６の座標系に変換された対応点Ｐ２３〜Ｐ２５の座標を参照して、対応点Ｐ１３と対応点Ｐ２３とが対応し、対応点Ｐ１４と対応点Ｐ２４とが対応し、対応点Ｐ１５と対応点Ｐ２５とが対応していると判定する。３次元位置演算回路１７は、各対応点Ｐ１３〜Ｐ１５，Ｐ２３〜Ｐ２５の視差を算出して、対象物２の３次元位置を求める。
【００４４】
このようなセンサ部８、３次元位置計測装置１及び３次元位置計測方法では、互いの軸（Ｘ方向、Ｙ方向）が一致しないように、第２のプロファイルセンサ７を、第１のプロファイルセンサ６に対して傾けて配置している。これにより、複数の輝点が一方のプロファイルセンサのＸ方向又はＹ方向に重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサのＸ方向及びＹ方向に、複数の輝点が重ならないため、他方のプロファイルセンサによって、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。その結果、位置計測精度の向上を図ることができる。
【００４５】
また、一方の光感応部分１２ｍｎ同士がＸ方向に配列された複数の画素１１ｍｎにわたって電気的に接続され、他方の光感応部分１３ｍｎ同士がＹ方向に配列された複数の画素１１ｍｎにわたって電気的に接続されているため、Ｘ方向射影データとＹ方向射影データとをそれぞれ独立して得ることが可能とされている。従って、後段の画像処理を簡素化することができ、対象物２の３次元位置計測の高速化を図ることが可能となる。また、装置の小型化を図ることができる。
【００４６】
次に、本発明の第２実施形態に係る位置計測センサについて、図１３を参照しながら説明する。図１３は、本発明の第２実施形態に係る位置計測センサを備えた位置計測装置の概略構成図である。この第２実施形態の位置計測装置２１が第１実施形態の位置計測装置１と違う点は、センサ部８に代えて、センサ部（位置計測センサ）２８を備える点であり、センサ部２８は、一つの結像光学系の焦点位置Ｆに対して、第１のプロファイルセンサ２６及び第２のプロファイルセンサ２７を配置している。
【００４７】
センサ部２８は、プロファイルセンサ２６，２７の他に、複数の輝点３〜５からの光が入射されるレンズ２２と、レンズ２２の背面側に配置され、光を透過させると共に反射させるハーフミラー２３とを備えている。
【００４８】
第１のプロファイルセンサ２６は、ハーフミラー２３によって反射された光を検出可能な位置に配置され、第２のプロファイルセンサ２７は、ハーフミラー２３を透過した光を検出可能な位置に配置されている。そして、第２のプロファイルセンサ２７は、第１のプロファイルセンサ６に対して軸（Ｘ方向、Ｙ方向）が一致しないように、傾けられて配置されている。このため、複数の輝点が一方のプロファイルセンサのＸ方向又はＹ方向に重なった場合であっても、他方のプロファイルセンサのＸ方向及びＹ方向に、複数の輝点が重ならないため、他方のプロファイルセンサによって、各輝点の正確な位置情報を取得することができる。その結果、位置計測精度の向上を図ることができる。
【００４９】
また、センサ部２８では、一つの結像光学系の焦点位置Ｆに対して、第１のプロファイルセンサ２６及び第２のプロファイルセンサ２７を配置しているため、装置の小型化が図られている。
【００５０】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態において、位置計測装置１，２１は、プロファイルセンサを２つ備える構成としているが、３つ以上のプロファイルセンサを備える構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る位置計測センサを備えた３次元位置計測装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサを収容したパッケージの平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサを示す概略構成図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る光感応領域を具体的に示す平面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサによる検出信号の一例を示すものであり、複数の輝点がＸ方向及びＹ方向において重なっていない場合の図である。
【図６】図５に示す検出信号に基づいて推定される対応点の候補の面内位置を示す図である。
【図７】図５に示す検出信号に基づいて求められた対応点の面内位置を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係るプロファイルセンサによる出力信号の一例を示すものであり、複数の輝点の一部がＸ方向において重なっている場合の図である。
【図９】図８に示す検出信号に基づいて推定される対応点の候補の面内位置を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る第１のプロファイルセンサ及び第２のプロファイルセンサの配置を示す概略図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る面内位置演算回路及び３次元位置演算回路で実行される演算処理の動作手順を示すフローチャートである。
【図１２】複数の輝点の一部が第１のプロファイルセンサのＸ方向に重なった場合の検出信号の一例を示すものであり、左側に第１のプロファイルセンサによる検出信号の一例、右側に第２のプロファイルセンサによる検出信号の一例を示す図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る位置計測センサを備えた位置計測装置の概略構成図である。
【図１４】従来のステレオカメラ法による３次元位置計測方法を説明するための概略図である。
【図１５】プロファイルセンサの概略構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…３次元位置計測装置、２…対象物、３〜５…輝点、６，２６…第１のプロファイルセンサ、７，２７…第２のプロファイルセンサ、８，２８…センサ部（位置計測センサ）、１０…光感応領域、１１ｍｎ…画素、１２ｍｎ…一方の光感応部分、１３ｍｎ…他方の光感応部分、１５…駆動信号発生回路（駆動信号発生手段）、１６…面内位置演算回路（３次元位置演算手段）、１７…３次元位置演算回路（３次元位置演算手段）、２１…位置計測装置。
【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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