(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スポット光を測定対象に照射する照射手段と、
前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、
前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換して出力する高さ情報変換手段と、
前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数個の光強度検出手段と、
前記複数の光強度検出手段の出力信号のバラツキに基づいて、前記高さ情報変換手段により変換された高さ情報の信頼性を示す情報を計算して出力する信頼性情報取得手段と、
を備えたことを特徴とする高さ測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高さ測定装置において、
前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の周囲に配置されていることを特徴とする高さ測定装置。
【請求項３】
スポット光を測定対象に照射する照射手段と、
前記スポット光の測定対象からの反射光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、
前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数の光強度検出手段と、
前記光位置検出手段の出力信号から、前記複数の光強度検出手段の出力信号から得られる、該光位置検出手段近傍での光強度分布に基づいて、該光位置検出手段に入射した迷光による信号成分を除去し、該迷光による信号成分を除去した前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段と、
を備えたことを特徴とする高さ測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の高さ測定装置において、
前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の光位置検出方向に対して平行に並べて配置されていることを特徴とする高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高さ測定装置に関し、さらに詳しくはレーザ光などのスポット光を測定対象に照射し反射光をＰＳＤなどの光位置検出手段で計測し、三角測量の原理により測定対象の高さを導出する高さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体形状を幾何光学的に測定する方法として、さまざまな光を物体に投影してその反射光を光検出器で測定する方法と、自然光や一般的な照明下で物体を複数の方向からカメラで測定し複数の画像間の相関により立体形状を求める方法との、大きく分けて２つの方法が存在している。そして前者は更に光の投影方法、光検出器の種類、さらにその間の位置関係などにより、さまざまに分類される。
【０００３】
産業機器などによく使われている三角測量法による高さ測定装置の例を図１１（ａ）に示す。
図１１（ａ）において、光源１０１から出た光１０２は測定対象１０３上でスポット光Ｂを形成し、反射光１０４ａは集光レンズ１０５で集光され光位置検出手段１０６、例えばPosition Sensitive Detector（以下、ＰＳＤ素子と称す）上で像Ｂ’を結像する。一方、測定対象１０３が配置されている基板表面におけるスポット光はＡとなり光位置検出手段１０６上の像はＡ’となる。この場合、スポット光Ａとスポット光Ｂとの距離Ｈが基板表面上のある測定対象１０３の高さＨとなり、また、三角測量の原理によれば高さＨは光位置検出手段１０６上の像Ａ’と像Ｂ’との距離ｈに比例する。
【０００４】
ここで、光位置検出手段１０６がＰＳＤ素子の場合、入射光によりＰＳＤ素子から得られる２つの出力信号Ｉａ、Ｉｂと入射光の重心位置ｈとは以下の（式１）に示すとおりの関係を有するため、測定対象１０３の予め設定された基準面からの高さＨは、このようにｈを介して求めることができる。
ｈ＝Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ）            （式１）
また三角測量の原理に基づいて高さを計測する場合、図１１（ｂ）に示すようにスポット光の近傍に背高部品１０７があると測定できない死角領域が発生するため、集光レンズ１０５ｂ及び光位置検出手段１０６ｂをさらに設け、複数の方向から測定対象を測定し、測定対象の凹凸による死角領域、即ち測定不能領域の低減を図ることもよくある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうしたＰＳＤ素子を用いて三角測量により測定対象の高さ測定を行う場合、何らかの理由で、スポット光の測定対象１０３上における反射によって直接的に得られる反射光以外の光（以下、迷光と称す）がＰＳＤ素子６に到達した場合、測定高さに誤差が生じる。
【０００６】
図１２（ａ）は、二重反射により測定高さに異常をもたらした例を示す。図において、図１１と同一符号は同一または相当する部分を示している。スポット光の反射光は一般に全方向に進むため、測定対象の近傍に物体１０８がある場合、スポット光に対する反射率や物体１０８の位置や形状によっては、物体１０８の側面で反射した光がＰＳＤ素子１０６に迷光像Ｃ’として達することがある。そのとき図１２（ｂ）に示すようにＰＳＤ素子１０６上の光強度分布はスポット光Ａの反射光による像Ａ’と迷光像Ｃ’とが重なったものとなり、その結果ＰＳＤ素子１０６への入射光の重心位置ｈｅは、像Ａ’の重心位置ｈｔとは異なり、測定高さにｈｔ−ｈｅのような誤差が生じてしまう。
【０００７】
以上は、迷光についてスポット光Ａ近傍の物体による二重反射を例に述べたが、測定対象の凹凸の状態によっては三重反射などの多重反射や、透過物体による内部乱反射、あるいは外乱光によるものなど様々なものがある。
【０００８】
こうした迷光による高さ測定誤差を回避するために、光位置検出手段１０６のＰＳＤ素子に変わるものとしてＣＣＤ素子やフォトダイオードアレイなどの入射光の強度分布も測定できる素子を用いて、入射光のピーク位置を求めるなどの処理を通して、光強度の低い迷光像Ｃ’の影響を除去する方法もある。ただし、この場合、素子の特性としてダイナミックレンジが小さい、かつ応答速度が遅いため、信号処理が複雑になり大規模な処理回路が必要になる、等の問題が生じ、その用途が限られてしまう。
【０００９】
また、それ以外の方法として図１１（ｂ）でも述べたように、一つのスポット光Ａを多方向から同時に計測して、迷光が入射して測定高さに誤差が含まれる方向の測定高さ結果を除いて、誤差を含まない方向の測定高さを採用する方法もある。この場合、複数方向から計測した複数の測定高さから異常な高さを除く方法として、複数の測定高さや測定輝度を比較・演算して誤差の無い高さを求める方法がある。しかし、測定対象の凹凸や表面反射状態が複雑になると、様々な迷光の発生要因があり全ての要因に対して有効な高さ選択方法を取るのが困難となり、特別な形状や反射率・透過率の分布をもつ等の特殊な条件を有する測定対象に関してはどうしても測定高さに異常が発生してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みて創案されたもので、多重反射などによる迷光が混在した場合、迷光の影響を検知測定して、測定対象の測定高さの信頼性情報を提示し、更に測定高さの誤差を改善して測定の精度を向上することのできる高さ測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の高さ測定装置は、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換して出力する高さ情報変換手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数個の光強度検出手段と、前記複数の光強度検出手段の出力信号のバラツキに基づいて、前記高さ情報変換手段により変換された高さ情報の信頼性を示す情報を計算して出力する信頼性情報取得手段と、を備えたものである。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の高さ測定装置は、前記高さ測定装置において、前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の周囲に配置されているものである。
【００１６】
また、本発明の請求項３に記載の高さ測定装置は、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、前記スポット光の測定対象からの反射光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数の光強度検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号から、前記複数の光強度検出手段の出力信号から得られる、該光位置検出手段近傍での光強度分布に基づいて、該光位置検出手段に入射した迷光による信号成分を除去し、該迷光による信号成分を除去した前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段と、を備えたものである。
【００１７】
また、本発明の請求項４に記載の高さ測定装置は、請求項３に記載の高さ測定装置において、前記複数の光強度検出手段は、前記光位置検出手段の光位置検出方向に対して平行に並べて配置されているものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下に、本発明の請求項１及び請求項２に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態１として、図１、図２、図３を用いて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態１による高さ測定装置の構成を示すブロック図であり、図において、１は測定用のレーザ光等のスポット状の光を測定対象に照射する光源、５は測定対象から反射光を集光する集光レンズ５、６は集光レンズ５により集光された光を受光して、受光位置に対応した電気信号、即ち測定対象の高さ情報に関する電気信号を出力する光位置検出手段であり、本実施の形態１においては特にＰＳＤ素子を用いている。９は光位置検出手段６の近傍に配置される、入射される光を検知し、その強度を測定する光強度検出手段であり、測定対象から直接的に得られる反射光以外の光を検知するために配置されている。１５は光位置検出手段６の出力信号を測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段、１６は光位置検出手段６、光強度検出手段９の出力信号を用いて、高さ情報変換手段１５により得られた高さ情報の信頼性を示す情報である信頼性情報を求め、これを出力する信頼性情報取得手段である。
【００２３】
図２（ａ）は本実施の形態１による高さ測定装置の高さ測定の動作を説明するための断面図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示しており、光源１は測定用の入射光２を測定対象３に照射する。この入射光２が測定対象３に到達し、その上でスポット光Ａが形成される。４はスポットＡからの反射光、５は反射光４を集光するレンズ（集光手段）、６は測定対象の高さに関する電気信号を出力する光位置検出手段、９は物体８により反射される迷光を検知測定する光強度検出手段である。Ａ’はスポット光Ａが光位置検出手段６において結像した像、Ｃ’は迷光が光位置検出手段６において結像した像である。また、Ｉａ、Ｉｂは光位置検出手段６の出力信号、Ｉｅは光強度検出手段９の出力信号である。
【００２４】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態１による高さ測定装置の動作について、図２、図３を参照しながら説明する。
図２（ａ）に示すように、光源１から出た光２は測定対象３上でスポット光Ａを形成し、スポットＡからの反射光４は集光レンズ５により集光され、光位置検出手段６上で像Ａ’として結像する。三角測量の原理によりこの像Ａ’の入射光の光位置検出手段６上での重心位置はスポット光Ａにおける測定対象３の高さＨを表している。
【００２５】
ここで、スポット光Ａの近傍に物体８があり、ある条件下でスポット光Ａでの反射光が物体８の側面で再度反射して、集光レンズ５を経由して光位置検出手段６とその近傍に配置している光強度検出手段９に入射して像Ｃ’とする。
【００２６】
この時、像Ａ’ の入射光と像Ｃ’の入射光とは同時に光位置検出手段６に入射し、光位置検出手段にて複合される。光位置検出手段６がＰＳＤ素子の場合、ＰＳＤ素子６からは、図２（ｂ）に示すように、複合された入射光の重心位置及び光量に応じた２つの信号Ｉａ、Ｉbが出力される。また、光強度検出手段９からは迷光量に応じた信号Ｉｅが出力される。
【００２７】
図２（ｃ）に示すように、高さ情報変換手段はＰＳＤ素子６の２つの出力信号Ｉａ、ＩbからＰＳＤ素子６への入射光の重心位置ｈを求める。ＰＳＤ素子６への入射光がスポット光Ａの反射像Ａ’のみの場合は、この重心位置ｈがスポット光Ａにおける測定対象３の高さＨを表している。
【００２８】
しかし、像Ｃ’のようなノイズになる迷光がＰＳＤ素子６に入射した場合、重心位置ｈは高さＨと等しくなくなる。ＰＳＤ素子６の近傍に配置した光強度検出手段９の出力Ｉｅのレベルが大きい場合は迷光がＰＳＤ素子６にも入射している可能性が高くなり、ＰＳＤ素子６の２つの信号Ｉａ、Ｉbから求まる重心位置ｈとスポット光Ａでの測定対象３の高さＨとの間の差異も大きくなる可能性が高くなる。
【００２９】
これに対し、本実施の形態１に係る高さ測定装置によれば、図２（ｃ）に示すように、信頼性情報取得手段１６はＰＳＤ素子６の出力ＩａとＩｂおよび光強度検出手段９の出力Ｉeを用い、測定高さの信頼性情報Ｅを求めて、この信頼性情報Ｅに基づいて高さ情報変換手段１５から得られる高さ情報が信頼性の高いものであるか否かを判定することができ、精度の低い測定データの使用を未然に防ぐことができる。
【００３０】
具体的な高さ信頼性情報Ｅの求め方としては、光強度検出手段９が１個の場合、例えば以下の（式２）で示すように単純に光強度検出手段９の出力Ｉeと、ＰＳＤ素子６の出力の和Ｂ（Ｂ＝Ｉａ＋Ｉb、入射光量を示す）との比などが考えられる。
Ｅ＝Ｉe／（Ｉａ＋Ｉｂ）    （式２）
これは、Ｉａ＋Ｉｂが像Ａ’の光強度つまり信号強度を示していると考え、ノイズ強度Ｉｅを信号強度Ｂで正規化し、像Ａ’の強度に依存しないようにしたことでより汎用性のある高さ信頼性情報を得ることができる。この場合のＥが大きいと測定高さｈの信頼性が低く、Ｅが小さいと測定高さｈの信頼性が高いことになる。
【００３１】
ここで、変形例として、光位置検出手段６の周囲に複数の光強度検出手段を配置した場合について説明する。
【００３２】
図３（ａ）は、光位置検出手段６の周囲に４個の光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを配置した場合の光学的な構成を示す断面図である。Ｉｅａ、Ｉｅｂ、Ｉｅｃ、Ｉｅｄはそれぞれ４個光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの出力である。
【００３３】
迷光による像Ｃ’が広く広がって光位置検出手段６と４個の光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ全体に入射している場合は、図２の説明で述べたように、４個の光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの出力合計値Ｉｅａ＋Ｉｅｂ＋Ｉｅｃ＋Ｉｅｄで測定高さｈの信頼性情報Ｅとすることができるが、図３（ｂ）に示すように迷光像Ｃ’が小さく局所的な場合は、一部の光強度検出手段のみ、図の例では光強度検出手段９ａのみに入射することになる。この場合は光強度検出手段９ａの出力Ｉｅａのレベルが大きく、ほかの光強度検出手段９ｂ、９ｃ、９ｄのそれぞれの出力Ｉｅｂ、Ｉｅｃ、Ｉｅｄが小さいため、４個の光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの出力のばらつきは迷光像Ｃ’の有無を示すことになる。
【００３４】
つまり、高さ信頼性情報Ｅの求め方としては、光位置検出手段６の近傍に配置した複数の光強度検出手段９の出力Ｉeのバラツキを示す値、例えば最大値と最小値との差や標準偏差等を用いることが考えられる。これにより、局所的な迷光像Ｃ’が入射した場合でも、測定高さｈの信頼性情報は依然として求められ、その効果を発揮することができる。さらに像Ａ’の強度、つまり信号強度を示す光位置検出手段６の出力、即ち光位置検出手段６がＰＳＤ素子の場合はＩa＋Ｉb、とＩeのバラツキとの比をとることにより、像Ａ’の強度に依存しないより汎用性のある高さ信頼性情報を得ることができる。
【００３５】
このように、本実施の形態１による高さ測定装置では、光位置検出手段の近傍に一個もしくは複数個の光強度検出手段と、前記光強度検出手段の出力を用いて測定高さ情報の信頼性情報を求める信頼性情報取得手段とを備えたので、一個の光強度検出手段の出力、または複数個の光強度検出手段の出力の合計値もしくはバラツキを、さらに前記３指標のそれぞれと光位置検出手段の信号強度との比を測定高さの信頼性情報として用いることができ、対象物の高さ計測において迷光の入射による影響を検出し、計測された対象物の高さデータの信頼性を評価して信頼性の低い高さ測定データの使用を未然に防ぐことができる。
【００３６】
なお、本実施の形態１では、光位置検出手段６についてはＰＳＤ素子を例として説明してきたが、ＣＣＤ素子やフォトダイオードアレイなどに置き換えても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００３７】
（実施の形態２）
次に、本発明の請求項６及び請求項９及び請求項１０に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態２として、図４、図５、図６を用いて説明する。
図４は、本実施の形態２による高さ測定装置の構成を示すブロック図であり、図において図１と同一符号は同一または相当する部分を示している。なお、本実施の形態２の構成は、信頼性情報取得手段を設けないようにするとともに、光強度検出手段９の出力を高さ情報変換手段１７にも入力するようにし、高さ情報変換手段１７において、光位置検出手段６の出力信号を、光強度検出手段の出力を用いて高さ情報に変換するようにした点においてのみ、前述した実施の形態１の構成と異なるものであり、同一または相当する部分についてのここでの説明を省略する。
【００３８】
図５（ａ）は本実施の形態２による高さ測定装置の高さ測定の動作を説明するための断面図であり、複数の光強度検出手段９を光位置検出手段６の光位置検出が行われる方向（以下、光位置検出方向と称す）上の光位置検出手段６の両側に配置している例を示している。図において、９ａと９ｂは光位置検出手段６の近傍の、測定高さ検出方向の両側に配置されている光強度検出手段である。その他の構成は、前述した実施の形態１において図２（ａ）に示した構成と同様である。
【００３９】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態２による高さ測定装置の動作について、図５、図６を参照しながら説明する。
図５（ａ）に示すように、物体８による照射光２の二重反射光は大きく広がり、光位置検出手段であるＰＳＤ素子６と、その近傍にある２つの光強度検出手段９ａ及び９ｂの全体に像Ｃ’として入射している。このときのＰＳＤ素子６と２つの光強度検出手段９ａ及び９ｂの上における、スポット光Ａによる像Ａ’と迷光による像Ｃ’との位置関係を図５（ｂ）に示す。図５（ｃ）には各検出手段の信号出力を示したものである。
【００４０】
このとき、ＰＳＤ素子６の出力Ｉａ、Ｉｂは、像Ａ’と像Ｃ’とが複合した入射光の重心位置と光強度とにより定まる値となる。また光強度検出手段９ａの出力Ｉｅａは迷光像Ｃ’の光強度検出手段９ａへの入射光量に対応する出力、同じく光強度検出手段９ｂの出力Ｉｅｂは迷光像Ｃ’の光強度検出手段９ｂへの入射光量に対応する出力となる。ここで、迷光像Ｃ’の強度分布が３つの検出手段において直線に近いものとすると、ＰＳＤ素子６中における像Ｃ’の光強度分布は台形形状となり、光強度検出手段９ａの出力Ｉｅａと光強度検出手段９ｂの出力ＩｅｂとＰＳＤ素子６のサイズＬとから、この迷光像強度分布の台形形状の各辺の長さを求めることができる。ここで、迷光像Ｃ’によるＰＳＤ素子６の出力分（Ｉａｏ、Ｉｂｏとする）は和（＝Ｉａｏ＋Ｉｂｏ）が台形光強度分布の面積、比（＝Ｉａｏ／（Ｉａｏ＋Ｉｂｏ））が台形強度分布の重心位置となるから、Ｉａｏ及びＩｂｏはＩｅａとＩｅｂとＬから計算により求めることができる。つまり、ＰＳＤ素子６の出力ＩａとＩｂから、Ｉｅａ及びＩｅｂに基づいて求まる迷光像Ｃ’による成分（Ｉａｏ、Ｉｂｏ）を除去した、像Ａ’による成分（Ｉａｔ、Ｉｂｔとする）を用いることにより、高さ情報変換手段１７において測定高さｈを精度良く求めることができる。
以上の関係を数式で述べると以下の（式３）のとおりとなる。
【数１】
0003967607.tif 000002
係数Ｃａａ、Ｃａｂ、Ｃｂａ、ＣｂｂはＰＳＤ素子６のサイズＬと光強度検出手段９ａ及び９ｂのサイズＬａ及びＬｂから求まる。すなわち、像Ａ’の信号成分Ｉａｔ、Ｉｂｔは、ＰＳＤ素子６の出力Ｉａ、Ｉｂと光強度検出手段９ａ、９ｂの出力Ｉｅａ、Ｉｅｂの１次結合として求めることができる。こうした関係はＰＳＤ素子６や光強度検出手段９ａ、９ｂの面積が異なっても成り立つ。
【００４１】
ここで本実施の形態２に係る高さ測定装置の変形例として、光位置検出手段６の光位置検出方向とは異なる側に配置、即ち複数の光強度検出手段を光位置検出手段６の光位置検出方向に平行に並べて配置した場合について説明する。
図６（ａ）において、ＰＳＤ素子６の光位置検出方向ではない側に５個の光強度検出手段９ａ〜９ｅをＰＳＤ素子６の光位置検出方向に並べている。迷光による像Ｃ’がＰＳＤ素子６と５個の光強度検出手段９ａ〜９ｅの全体に入射し、なお像Ｃ’の光強度分布がＰＳＤ素子６の光位置検出方向の直角方向に変化が少ないとき、図６（ｂ）に示すように５個の光強度検出手段９ａ〜９ｅのそれぞれの出力Ｉｅａ〜Ｉｅｅから、ＰＳＤ素子６中の像Ｃ’の強度分布の近似を求めることができる。すなわち、ＰＳＤ素子６の出力ＩａとＩｂから、Ｉｅａ〜Ｉｅｅに基づいて求まる迷光像Ｃ’による成分Ｉａｏ、Ｉｂｏを除去した像Ａ’による成分Ｉａｔ、Ｉｂｔを用いることにより、高さ情報変換手段１７において測定高さｈを精度良く求めることができる。
【００４２】
以上の関係を数式で述べると以下の（式４）のとおりとなる。
【数２】
0003967607.tif 000003
ここで係数Ｃａａ〜Ｃａｅ、Ｃｂａ〜ＣｂｅはＰＳＤ素子６のサイズと光強度検出手段９ａ〜９ｅのそれぞれのサイズから求まる。つまり、ＰＳＤ素子６の出力において像Ａ’の信号成分Ｉａｔ、Ｉｂｔは、ＰＳＤ素子６の出力Ｉａ、Ｉｂと光強度検出手段９ａ〜９eの出力Ｉｅａ〜Ｉｅeの１次結合として求めることができる。
【００４３】
なお、以上の図６においては光強度検出手段９の数を５個として述べたが、１個以上のその他の任意の個数としても同様な効果が得られる。また、光強度検出手段９の個数が多いほどＩａｏ、Ｉｂｏを求める精度が良くなり、測定高さの精度を向上することができる。
また、上記説明ではＰＳＤ素子６の片側にのみ光強度検出手段９を配置したが、両側に配置しても同様の効果がある。
【００４４】
このように、本実施の形態２では複数の光強度検出手段を光位置検出手段６の近傍に配置し、光強度検出手段の出力から光位置検出手段６における迷光像の強度分布を推定して、光位置検出手段６の出力を補正することにより、光位置検出手段における対象物の反射光が形成する像に対応する出力を求めて、精度のよい対象物の測定高さに変換することができる。
【００４５】
（実施の形態３）
次に、本発明の請求項７、請求項８に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態３として、図７、図８を用いて説明する。
図７は、本実施の形態３による高さ測定装置の構成を示すブロック図であり、図において図１と同一符号は同一または相当する部分を示している。なお、本実施の形態３の構成は、光強度検出手段９の出力を高さ情報変換手段１８にも入力するようにし、この高さ情報変換手段１８により光位置検出手段６の出力を光強度検出手段９の出力を用いて高さ情報に変換するようにした点においてのみ、前述した実施の形態１の構成と異なるものであり、同一または相当する部分についてのここでの説明を省略する。
【００４６】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態３による高さ測定装置の動作について、図８を参照しながら説明する。
図８（ａ）は本実施の形態３による高さ測定装置の光位置検出手段及び光強度検出手段における受光像の位置関係の一例を示した図である。
図８（ａ）において、６は光位置検出手段であるＰＳＤ素子、９ａ、９ｂ、９ｃは光強度検出手段である。像Ａ’は、照射光の対象物体において形成したスポット光Ａからの反射光による像、像Ｃ’は迷光による像である。Ｉａ、Ｉｂは光位置検出手段６の出力信号で、Ｉｅａ、Ｉｅｂ及びＩｅｃはそれぞれ光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの出力信号である。
【００４７】
図８（ａ）に示すように、ＰＳＤ素子６の周囲に３個の光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃが配置されており、そこにスポット光Ａの像Ａ’はＰＳＤ素子６上にあり、迷光による像Ｃ’はＰＳＤ素子６と光強度検出手段９ｂ、９ｃに入射している。この場合、図８（ｂ）に示すように迷光像Ｃ’の分布がＰＳＤ素子６の光位置検出方向に直線状分布であっても、光強度検出手段９ａに像Ｃ’は入射していないので、２個の迷光強度検出手段出力ＩｅｂとＩｅｃにより、ＰＳＤ素子６の出力信号Ｉａ、Ｉｂから迷光像Ｃ’成分を除いたＩａｔ、Ｉｂｔを求めることはできない。
【００４８】
そこで、図８（ｃ）に示すように、ＰＳＤ素子６の２つの出力Ｉａ、Ｉｂと３つの光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの出力Ｉｅａ、Ｉｅｂ、Ｉｅｃとをそれぞれ２つのグループに出力し、１つのグループでは高さ情報変換手段１８を介して測定高さｈを演算し、もう１つのグループでは信頼性情報取得手段１６を介して高さ信頼性情報Ｅの演算を行う。
【００４９】
こうすることにより、光強度検出手段９により検出された迷光像Ｃ’が測定高さｈの精度向上に寄与できないような光強度分布の場合でも、高さ信頼性情報Ｅを提供することにより信頼性の低い測定高さデータの使用を未然に防ぐことができる。
【００５０】
逆に、図８（ａ）に示した３つの光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの出力Ｉｅａ、Ｉｅｂ、Ｉｅｃのバラツキを示す値、例えば最大値と最小値との差が大きい場合、迷光像Ｃ’の分布が偏って分布していると推測することができ、その場合の高さ補正演算をしていても測定高さｈの信頼性が低いことになるのが分かる。
【００５１】
もちろん、図８（ａ）に示した３つの光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの出力Ｉｅａ、Ｉｅｂ、Ｉｅｃのバラツキが小さい場合、迷光像Ｃ’が３つの光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの全般にわたって入射していることが分かり、３つの出力Ｉｅａ、Ｉｅｂ、Ｉｅｃを高さ情報変換手段に入力させることにより、高さ演算補正をして、精度の高い高さ測定データｈを得ることができる。
【００５２】
このように、本実施の形態３では、光位置検出手段６の周囲に設けられている光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの出力を高さ情報変換手段１８、信頼性情報取得手段１６に入力させるようにしたので、光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの出力のばらつきが小さいときは、高さ補正計算を通じて精度の良い高さ測定データを得ることができる。また、光強度検出手段９ａ、９ｂ、９ｃの出力のばらつきが大きいときは、信頼性情報を求めて信頼性の低い測定データの使用を未然に防ぐことができる。
【００５３】
（実施の形態４）
次に、本発明の請求項３乃至請求項５に記載された発明に対応する高さ測定装置を実施の形態４として、図９及び図１０を用いて説明する。
図９は、本実施の形態４に係る高さ測定装置の構成を説明するためのブロック図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示しており、５ａと５ｂは測定対象からの反射光を互いに異なる方向において集光する集光レンズ、６ａ、６ｂは集光レンズ５ａ，５ｂによりそれぞれ集光された光を受光して、受光位置に対応した電気信号、即ち測定対象の高さ情報に関する電気信号を出力する光位置検出手段であり、本実施の形態４においては特にＰＳＤ素子を用いている。１９ａ，１９ｂは光位置検出手段６ａ，６ｂのそれぞれの近傍に配置された、入射される光を検知し、その強度を測定する光強度検出手段であり、測定対象から直接的に得られる反射光以外の光を検知するために配置されている。１５ａ，１５ｂは光位置検出手段６ａ，６ｂの出力信号を測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段、１６ａ，１６ｂは光位置検出手段６ａ，６ｂ、光強度検出手段１９ａ，１９ｂの出力信号を用いて、高さ情報変換手段１５ａ，１５ｂにより個別に得られた高さ情報の信頼性を示す情報である信頼性情報を個別に求め、これを出力する信頼性情報取得手段である。また、２０は信頼性情報を用いて各高さ情報変換手段の出力に基づいて測定対象の高さを決定する高さ情報決定手段である。
【００５４】
図１０（ａ）は、本実施の形態４に係る高さ測定装置の動作を説明するための図であり、図において、図２及び図９と同一符号は同一または相当する部分を示しており、４ａと４ｂはスポットＡから互いに異なる方向である光位置検出手段６ａ、６ｂの方向へと進む反射光、像Ａａ’及び像Ａｂ’のそれぞれは集光されたスポット光Ａの反射光が光位置検出手段６ａ、６ｂにおいて形成される像、像Ｃ’はスポット光Ａの物体８における反射光が光位置検出手段６ａにおいて形成される像である。
【００５５】
次に、上記のような構成を有する本実施の形態４による高さ測定装置の動作について、図１０を参照しながら説明する。
光源１より照射光２を測定対象物体３に照射し、物体３においてスポット光Ａが形成されると同時に、スポット光Ａが物体３より反射される。その反射光のうち、２方向の反射光４ａと４ｂがそれぞれ２つの集光レンズ５ａと５ｂを経由して２つの光位置検出手段６ａと６ｂ上で、像Ａａ’と像Ａｂ’として集光される。
【００５６】
高さ情報変換手段１５ａにおいて光位置検出手段６ａの出力信号から像Ａａ’の重心位置ｈａが求まり、また高さ情報変換手段１５ｂにおいて光位置検出手段６ｂの出力信号から像Ａｂ’の重心位置ｈbが求まり、これに基づいて三角測量の原理から、スポット光Ａにおける測定対象３の高さの２つの測定値が求まることになる。
【００５７】
スポット光Ａの反射光のみが２つの光位置検出手段６ａと６ｂに到達した場合は、２つの測定高さｈａとｈｂはともに測定対象３のスポット光Ａにおける高さを表しており、この２つの測定高さｈａとｈｂとを使用し、これらを補正して新たな測定高さｈを求めると、測定誤差は非常に小さなものとなる。例えば、この測定高さｈの補正する方法としては平均値（ｈａ＋ｈｂ）／２を取る方法がある。
【００５８】
しかし、これまでも説明してきたように、スポット光Ａの反射光の一部が近傍の物体８の側面で二重反射し、集光レンズ５ａを経由して光位置検出手段６ａに入射して像Ｃ’となった場合は、２つの測定高さｈａとｈｂのうち、ｈｂは正しいがｈａは正しくなくなる。この場合では測定高さとして、ｈｂをのみ出力すれば誤差は依然として小さなものとなるが、通常２つの測定高さｈａとｈｂのうちどちらが正しいかを判断することは困難である。
【００５９】
そこで、光位置検出手段６ａと６ｂの近傍に光強度検出手段９ａと９ｂを配置して、二重反射などによる迷光像Ｃ’が入射しているかどうかについて、光強度検出手段９ａと９ｂの出力信号から、信頼性情報取得手段１６ａ，１６ｂにより測定高さｈａ及びｈｂのそれぞれについての信頼性情報Ｅａ、Ｅｂを求めて調べる。ｈａとｈｂ、ＥａとＥｂについては前述した各実施の形態でも述べたようにそれぞれ求めることとする。
【００６０】
そして、高さ情報決定手段２０においては、図１０（ｂ）に示すように、２つの測定高さｈａとｈｂから補正により新たな１つの測定高さｈを求める際に、まず、ステップＳ１としてそれぞれの信頼性情報ＥａとＥｂとの両者が信頼性が高いことを示すものであるか否かを判定し、２つとも信頼性が高いことを示す場合には測定高さｈａとｈｂとの両方を使用して測定高さｈを求める。両方の信頼性が高くない場合には、ステップＳ２、及びステップＳ３において、信頼性情報Ｅａ及びＥｂのいずれか一方が、信頼性が高いことを示しているか否か判定し、一方のみが信頼性が高いことを示している場合には、信頼性の高さを示している信頼性情報に対応した測定高さを採用する。そして、信頼性情報Ｅａ、Ｅｂの両者が信頼性が低いことを示す場合には、測定不能とする。
【００６１】
なお、２つの測定高さｈａとｈｂとから測定高さｈの演算方法として、例えば上述した平均値（ｈａ＋ｈｂ）／２を求める方法や、各光位置検出手段６ａ，６ｂの光強度出力を使用して加重平均を求める方法などがある。
【００６２】
このように、本実施の形態４では、２つの光位置検出手段６ａ，６ｂを設け、さらにそれぞれの光位置検出手段６ａ，６ｂの近傍に光強度検出手段１９ａ，１９ｂを設けて、最後に高さ情報決定手段により測定対象の高さを決定するようにしたので、それぞれの光位置検出手段１９ａ，１９ｂにより導出された測定対象の高さ情報から信頼性の低い高さ測定データを除き、信頼性の高い測定データのみを使って、対象物の測定高さを決定することができ、測定対象３の形状や反射率・透過率の分布等の光学的な条件の影響を受けない、精度の良い高さ測定を実現することができる。
【００６３】
なお、本実施の形態４では、測定する方向は例として２方向で述べたが、本発明においては、さらに集光レンズ、光位置検出手段、光強度検出手段、高さ情報変換手段、及び信頼性情報取得手段を備えた構成を異なる方向の反射光を受光できるように一以上追加して設けるようにし、より多くの方向から反射光を同時測定できるようにしてもよく、このような場合においても、上記実施の形態４と同様の効果を奏する。
【００６４】
また、本実施の形態４では、各光位置検出手段の近傍に一個の光強度検出手段を設けたのを例として説明したが、複数個の光強度検出手段にしても同様な効果を得られることができる。
また、本実施の形態４では、高さ情報の変換において光位置検出手段の出力のみを用いて行う例を説明したが、光強度検出手段の出力のバラツキが小さいとき、光強度検出手段の出力をも高さ情報変換手段に入力させて、高さ情報を求めることにしてもよい。この場合、一層精度の高い高さ情報を得られる効果がある。
【００６５】
さらに、前述したいずれの実施の形態においても、迷光像Ｃ’の原因として、スポット光Ａ近傍の物体８における二重反射を例としてあげたが、複数の物体間の３回以上の多重反射や、物体内部への透過による内部反射、また外部の光源による入射などの様々な迷光に対しても、本発明により同様の効果がある。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の高さ測定装置によれば、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、前記スポット光の前記測定対象からの反射光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換して出力する高さ情報変換手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数個の光強度検出手段と、前記複数の光強度検出手段の出力信号のバラツキに基づいて、前記高さ情報変換手段により変換された高さ情報の信頼性を示す情報を計算して出力する信頼性情報取得手段と、を備えようにしたので、二重反射や外乱光などによる迷光が光位置検出手段とその近傍に分布をもって入射した場合、複数の光強度検出手段の間での測定高さ出力のバラツキが大きくなり、それをもって信頼性情報を計算し、光位置検出手段の測定高さ出力に誤差が含まれていることを信頼性情報で示し、精度の低い測定高さデータの使用を未然に防ぐことができるという効果がある。
【００６７】
また、本発明の高さ測定装置によれば、前記高さ測定装置において、前記光強度検出手段を前記光位置検出手段の光位置検出方向の両側に配置するようにしたので、二重反射や外乱光などによる迷光が光位置検出手段とその近傍に分布をもって入射した場合は、このような迷光の発生を上記複数の光強度検出手段からの光検出出力のバラツキによって検知して、迷光により精度の低下した測定高さデータの使用を未然に防ぐことができるという効果がある。
【００７１】
また、本発明の高さ測定装置によれば、スポット光を測定対象に照射する照射手段と、前記スポット光の測定対象からの反射光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光された反射光を受光し、該反射光の受光位置に対応した電気信号を出力する光位置検出手段と、前記光位置検出手段の近傍に配置された、入射される光の強度を検出して該入射光の強度に対応した信号を出力する複数の光強度検出手段と、前記光位置検出手段の出力信号から、前記複数の光強度検出手段の出力信号から得られる、該光位置検出手段近傍での光強度分布に基づいて、該光位置検出手段に入射した迷光による信号成分を除去し、該迷光による信号成分を除去した前記光位置検出手段の出力信号を前記測定対象の高さ情報に変換する高さ情報変換手段とを備えるようにしたので、複数の光強度検出手段の出力から光位置検出手段に入射している迷光による誤差量を求めて、光位置検出手段の出力に対して誤差量をキャンセルすることにより迷光の影響を低減した高精度な測定高さを実現することができるという効果がある。
【００７２】
また、本発明の高さ測定装置によれば、前記高さ測定装置において、前記光強度検出手段を前記光位置検出手段の光位置検出方向に対して平行に並べて配置するようにしたので、光位置検出手段の光位置検出方向の迷光分布は直線分布となっていないときでも、光位置検出しない方向の迷光分布が同じである場合、複数の光強度検出手段の出力から光位置検出手段に入射している迷光による誤差量を高精度に求めて、光位置検出手段の出力に対して誤差量をキャンセルすることにより迷光の影響を排除した高精度な測定高さを得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は本実施の形態１による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、（ｂ）は光強度分布および各検出手段の出力信号の説明図、（ｃ）は各検出手段の出力信号の関係を示す図である。
【図３】（ａ）は本実施の形態１による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、（ｂ）は光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】（ａ）は本実施の形態２による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、（ｂ）は光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図、（ｃ）は各検出手段の出力信号の関係を示す図である。
【図６】（ａ）は本実施の形態２による高さ測定装置の光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図、（ｂ）は光強度分布と光強度検出手段の出力信号を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態３による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図８】（ａ）は本実施の形態３による高さ測定装置の光位置検出手段、光強度検出手段における受光像の位置関係を示す図、（ｂ）は光強度分布と各検出手段の出力信号を説明する図、（ｃ）は各検出手段の出力信号の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４による高さ測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】（ａ）は本実施の形態４による高さ測定装置の高さ測定の様子を説明する一例の光学的な断面図、（ｂ）は出力信号の流れと測定高さの出力の関係を示す図である。
【図１１】従来の高さ測定装置を説明する図であり、（ａ）は三角測量による高さ計測原理を示す光学的断面図、（ｂ）は死角の発生と２方向受光を示す光学的な断面図である。
【図１２】迷光による計測高さの誤差発生を説明する図であり、（ａ）は二重反射による計測高さ誤差を光学的な断面図、（ｂ）は迷光の影響を受けたときの光位置検出手段上の光強度分布例を示す図である。
【符号の説明】
１  光源
２  照射光
３  測定対象
４、４ａ、４ｂ  反射光
５、５ａ、５ｂ  集光レンズ
６、６ａ、６ｂ、  光位置検出手段
７  障害物
８  二重反射を生じるスポット光Ａ近傍の物体
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、１９ａ、１９ｂ  光強度検出手段
１５、１７、１８、１５ａ、１５ｂ  高さ情報変換手段
１６、１６ａ、１６ｂ  信頼性情報取得手段
２０  高さ情報決定手段
Ａ、Ｂ  照射光が測定対象を照射しているスポット光
Ａ’、Ａa’、Ａb’、Ｂ’  スポット光Ａによる光位置検出手段上の像
Ｃ’  二重反射などの迷光による光位置検出手段上や光強度検出手段上の像
Ｈ  測定対象３の高さ
ｈ  光位置検出手段が出力する測定した高さ
Ｉａ、Ｉｂ  光位置検出手段の出力信号
Ｉｅ、Ｉｅａ、Ｉｅｂ、Ｉｅｃ、Ｉｅｄ、Ｉｅｅ  光強度検出手段の出力信号
Ｅ  高さ信頼性情報
Ｌ、Ｌａ、Ｌｂ  光位置検出手段や光強度検出手段のサイズ
【図１】
0003967607.tif 000004
【図２】
0003967607.tif 000005
【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】
0003967607.tif 000010
【図８】
0003967607.tif 000011
【図９】
0003967607.tif 000012
【図１０】
0003967607.tif 000013
【図１１】
0003967607.tif 000014
【図１２】
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