(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に線状の光を照射する投光手段と、前記投光手段から照射され前記対象物で反射した線状の反射光を受光する二次元撮像手段と、前記二次元撮像手段の走査線毎に受光量に応じた受光信号を出力する受光処理手段と、前記受光処理手段から入力した受光信号に基づいて前記対象物の受光位置を検出する受光位置検出手段とを備えた測定装置であって、
前記投光手段の投光量を予め決められた複数段階の量に変更することにより前記二次元撮像手段の受光量を変更して、前記受光位置検出手段に入力される受光信号のレベルを変更する変更手段と、
前記変更手段により受光信号のレベルを変更するとともに、各レベルにおいて検出された受光位置の選択に基づいて前記各走査線毎に前記対象物の受光位置を求める制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記受光位置検出手段により一つの走査線において複数の受光位置が検出された場合は、同じ投光量において検出された他の走査線の受光位置との平均位置をその走査線での受光位置とすることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、
前記制御手段は、前記変更手段による受光信号のレベルの変更によって一つの走査線において複数の受光位置が検出された場合は、それら複数の受光位置の平均位置をその走査線での受光位置とすることを特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の測定装置において、
前記変更手段により変更する前記投光手段の投光量を調整する調整手段を備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうち何れか１項に記載の測定装置において、
前記受光位置検出手段は、前記受光信号が所定の範囲内である場合に受光位置を検出することを特徴とする測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうち何れか１項に記載の測定装置において、
前記受光位置検出手段が受光位置を検出しない場合は、その旨を報知する報知手段を備えたことを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物にレーザ光を照射し、その反射光を受光して対象物の変位や形状を検出する測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物の変位や表面形状を測定するための技術として、対象物までの距離を三角測距法で測定する技術が開示されている。例えば、特許文献１に記載されている装置では、投光素子から対象物に線状の光が照射され、その反射光がイメージセンサの撮像面に受光される。そして、イメージセンサの撮像面上に形成された照射像に基づいて、対象物の表面形状が測定される。
【０００３】
具体的には、撮像面は行列状に配列された複数の画素により構成されているが、これら各画素の受光信号を、照射像の厚み方向に沿った走査線毎に読み出す。そして、読み出された走査線上の各画素について、受光信号レベルがピークとなる画素を特定し、その位置を受光位置として検出する。このように、ピークとなる画素の走査線上における受光位置を特定する処理を各走査線について行うことで、対象物の光が照射された部位の表面形状を検出することができる。
【特許文献１】特開２００６−１３３０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような従来の技術であると、対象物の表面に反射率の高い部分と低い部分とが混在する場合は、イメージセンサのダイナミックレンジが不足し、部分的に対象物の位置を検出できない場合があった。例えば、投光素子から照射されるレーザ光の投光量を対象物の反射率が高い部分に合わせて少なく設定すると、反射率が低い部分では受光量が不足して検出値がノイズに埋もれ、対象物の受光位置を検出できない。また、投光素子から照射されるレーザ光の投光量を対象物の反射率が低い部分に合わせて多く設定すると、反射率が高い部分では受光量が飽和し、受光量のピーク位置が検出できない。このため、対象物の反射率にバラツキがあると、対象物の測定を安定して行うことができないという問題があった。
【０００５】
また、光量のフィードバック制御により投光量やゲイン調整を行うと、フィードバック処理に時間を要するため、イメージセンサによる画像取得時間が長くなり、測定値の確定まで時間が長くなってしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、対象物に反射率の高い部分と低い部分とが混在していても、対象物の測定を迅速かつ正確に行うことができるレーザセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、対象物に線状の光を照射する投光手段と、前記投光手段から照射され前記対象物で反射した線状の反射光を受光する二次元撮像手段と、前記二次元撮像手段の走査線毎に受光量に応じた受光信号を出力する受光処理手段と、前記受光処理手段から入力した受光信号に基づいて前記対象物の受光位置を検出する受光位置検出手段とを備えた測定装置であって、前記投光手段の投光量を予め決められた複数段階の量に変更することにより前記二次元撮像手段の受光量を変更して、前記受光位置検出手段に入力される受光信号のレベルを変更する変更手段と、前記変更手段により受光信号のレベルを変更するとともに、各レベルにおいて検出された受光位置の選択に基づいて前記各走査線毎に前記対象物の受光位置を求める制御手段とを備え、前記制御手段は、前記受光位置検出手段により一つの走査線において複数の受光位置が検出された場合は、同じ投光量において検出された他の走査線の受光位置との平均位置をその走査線での受光位置とするものである。
【０００８】
同構成によれば、受光位置の検出に用いられる受光信号のレベルが順次変更され、それぞれのレベルにおいて検出された受光位置に基づいて、対象物の受光位置が求められる。これにより、受光信号のレベルを高くすることで反射率が低い部分の測定を行うことができ、受光信号のレベルを低くすることで反射率が高い部分の測定を行うことができ、対象物に反射率の高い部分と低い部分が混在していても、正確に測定を行うことができる。また、フィードバック制御を行う必要がないため、迅速にデータを得ることができる。
また、一つの走査線において受光位置のピーク値が明確とならず、受光位置が確定できない場合でも、その走査線において検出されたデータと同じ投光量において検出された他の走査線で検出されたデータに基づいて、好適に受光位置が推定される。
【００１０】
請求項２に記載のように、前記制御手段は、前記変更手段による受光信号のレベルの変更によって一つの走査線において複数の受光位置が検出された場合は、それら複数の受光位置の平均位置をその走査線での受光位置とする。同構成によれば、一つの走査線において受光位置のピーク値が明確とならず、受光位置が確定できない場合でも、その走査線において検出されたデータから好適に受光位置が推定される。
【００１２】
請求項３に記載のように、前記変更手段により変更する前記投光手段の投光量を調整する調整手段を備えた。同構成によれば、受光位置の検出に用いられる受光信号の変化量が調整されるため、対象物に対応した変更量とすることで、対象物をより正確に測定することが可能となる。
【００１３】
請求項４に記載のように、前記受光位置検出手段は、前記受光信号が所定の範囲内である場合に受光位置を検出する。同構成によれば、受光位置検出手段は所定の範囲内のみで受光位置を検出するため、受光位置を検出するための処理が高速で行われる。
【００１４】
請求項５に記載のように、前記受光位置検出手段が受光位置を検出しない場合は、その旨を報知する報知手段を備えた。同構成によれば、受光位置検出手段により受光位置が検出されない場合はその旨が報知されるため、ユーザは受光位置が検出されるように対応することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
従って、上記記載の発明によれば、対象物に反射率の高い部分と低い部分とが混在していても、対象物の測定を迅速かつ正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施の形態にかかる測定装置１０は、投光手段としての投光素子１１から対象物としてのワークＷ及びワークＷが載置された測定台Ｔに対して線状のレーザ光を照射し、ワークＷにて反射された光をイメージセンサ１２で受光するように構成されている。なお、測定台Ｔの表面は反射率が低く、ワークＷの表面は光沢があり非常に反射率が高い。
【００１７】
詳しくは、投光素子１１は対象物としてのワークＷ及び測定台Ｔの鉛直上方に設置されている。投光素子１１から照射されたレーザ光は、長方形の開口部を有するスリット板（図示略）を介して照射されることで、図２中斜線で示されるようにワークＷ及び測定台Ｔ上に線状の光を照射する。イメージセンサ１２は、測定台Ｔの斜め上方に配置され、測定台Ｔ及びワークＷからの反射光を受光する。
【００１８】
また、測定装置１０はＣＰＵ１３により統括的に制御されるものであり、ＣＰＵ１３は投光素子１１を駆動する投光制御回路１４、及びイメージセンサ１２を駆動する受光制御回路１５を制御する。また、ＣＰＵ１３にはメモリ１３ａが接続されている。
【００１９】
投光素子１１には、例えば複数のＬＤ（レーザダイオード）が用いられる。ＣＰＵ１３は、変更手段及び投光量変更手段として機能し、投光素子１１を構成する複数のＬＤのうち所定の数のＬＤに電流を流すように投光制御回路１４を制御することで、投光素子１１から照射されるレーザ光の光量を増減させる。例えば、ＣＰＵ１３は、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を多くするときは、電流を流すＬＤの数を多くし、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を少なくするときは、電流を流すＬＤの数を少なくする。本実施形態では、ＣＰＵ１３は、投光素子１１から照射されるレーザ光を、投光量が比較的多い場合と、投光量が比較的少ない場合の２段階に切替える。
【００２０】
イメージセンサ１２は、受光したワークＷ及び測定台Ｔからの反射光を、走査線毎に受光量に応じた受光信号に変換して出力する。イメージセンサ１２の走査線の方向は、投光素子１１が投光する線状の光の反射光を受光して形成される線状の照射像に直交する方向に沿っている。イメージセンサ１２には、例えばＣＣＤ（Charge-Coupled Device）が用いられる。ＣＣＤは、表面を構成する受光素子（フォトダイオード）において受光した光の強度に比例した信号電荷を個々に蓄積し、各受光素子に蓄積された各信号電荷(受光信号)をシフトレジスタで順次転送する。本実施形態では、イメージセンサ１２のＣＣＤを構成する受光素子が二次元撮像手段に相当し、シフトレジスタが受光処理手段に相当する。
【００２１】
ＣＰＵ１３は、投光素子１１に電流を印加するタイミングに合わせて、イメージセンサ１２を構成するＣＣＤを駆動するように受光制御回路１５を制御する。これにより、投光素子１１から照射されたレーザ光のワークＷ及び測定台Ｔからの反射光が、イメージセンサ１２にて受光され、その受光量が受光信号に変換されてＣＰＵ１３に出力される。
【００２２】
ＣＰＵ１３は、受光位置検出手段として機能し、イメージセンサ１２から入力した受光信号に基づいて、イメージセンサ１２の走査線毎に、例えば図３に示すような受光量の分布図を得る。そして、その分布図においてピーク値となる位置（画素）を検出することで、ワークＷの受光位置Ｘを検出する。ＣＰＵ１３は、各走査線における受光位置を検出することで、ワークＷ及び測定台Ｔ全体の変位量や形状等を測定することができる。
【００２３】
また、ＣＰＵ１３は、上述したように投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を、投光量が比較的多い場合と比較的少ない場合の２段階に変更することで、イメージセンサ１２から入力される受光信号のレベルを変更するとともに、各投光量において受光位置を検出し、ワークＷ及び測定台Ｔの全体における受光位置を求める。
【００２４】
具体的には、ＣＰＵ１３は、各走査線において、投光素子１１から照射される光の投光量を多くして検出された受光位置をメモリ１３ａに書き込んだ後、投光素子１１から照射される光の投光量を少なくして検出された受光位置をメモリ１３ａに書き込む。投光素子１１からの投光量を多くした場合は、反射率が低い部分（測定台Ｔ）の受光位置が検出され、投光素子１１からの投光量を少なくした場合は、反射率が高い部分（ワークＷ）の受光位置が検出される。そして、ＣＰＵ１３は、各走査線において、各投光量で検出された受光位置をメモリ１３ａから読み出して合成することで、ワークＷ及び測定台Ｔの全体の測定を行う。
【００２５】
なお、ＣＰＵ１３は、イメージセンサ１２から入力する受光信号が所定の範囲内である場合に、受光位置を検出する。具体的には、図３に示すように、受光量Ｒ１〜Ｒ２までの範囲内において、受光位置を検出する。
【００２６】
また、ＣＰＵ１３には、ユーザにより操作されることで、投光素子１１からの投光量等の各種設定を指示する電気信号をＣＰＵ１３に出力する操作部１６が接続されるとともに、イメージセンサ１２から入力した受光信号に基づいてＣＰＵ１３が検出した測定位置を表示する表示部１７が接続されている。
【００２７】
表示部１７には、例えば図４に示すような検出結果が表示される。ワークＷ及び測定台Ｔに照射された線状のレーザ光は、測定台Ｔの上面とワークＷの上面とで高さが異なるため、イメージセンサ１２の受光面で光を受ける位置（画素）が異なる。そのため、イメージセンサ１２の受光面の位置に対応して、線分Ｓ１〜Ｓ３に分かれて表示部１７に表示される。なお、図４中の線分Ｓ２の長さは、図２中のワークＷの幅Ｗｗに対応し、図４中の線分Ｓ１，Ｓ３と線分Ｓ２の差Ｈは、図２中のワークＷの高さＷｈに対応する。
【００２８】
詳述すると、図５に示すように、ＣＰＵ１３は、各走査線２１〜３４において、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を変更し、各投光量において受光位置を検出する。ＣＰＵ１３は、投光量を多くしたときに検出された受光位置Ｓａ〜Ｓｄに基づいて線分Ｓ１を表示し、同じく投光量を多くしたときに検出された受光位置Ｓｋ〜Ｓｎに基づいて線分Ｓ３を表示する。また、ＣＰＵ１３は、投光量を少なくしたときに検出された受光位置Ｓｅ〜Ｓｊに基づいて線分Ｓ２を表示する。測定台Ｔの表面は反射率が低いため、受光位置Ｓａ〜Ｓｄ，Ｓｋ〜Ｓｎは投光量が高いときに検出され、ワークＷの表面は反射率が高いため、受光位置Ｓｅ〜Ｓｊは投光量が低いときに検出される。そして、ＣＰＵ１３は、各走査線で検出された受光位置を合成することで、ワークＷ及び測定台Ｔに対応する線分Ｓ１〜Ｓ３を表示する。
【００２９】
ここで、例えば走査線２３においては、測定台ＴとワークＷとの境目部分であるため、投光量が高いときも投光量が低いときも受光位置が検出され、一つの走査線において２箇所の受光位置Ｓｃ１，Ｓｃ２が検出されている。このとき、図６に示すように、走査線２３において各投光量で出力された受光量の分布図のピーク位置がずれている。この場合、ＣＰＵ１３は、投光量が高いときに検出された受光位置Ｓｃ１と投光量が低いときに検出された受光位置Ｓｃ２との間の平均位置を、走査線２３における受光位置Ｓｃとして求められる。また、走査線２４，３１，３２についても同様に、受光位置がそれぞれ２箇所検出されており、ＣＰＵ１３はそれらの平均位置を受光位置としている。そして、ＣＰＵ１３は、受光位置Ｓａ〜Ｓｄの平均位置を線分Ｓ１とし、受光位置Ｓｋ〜Ｓｎの平均位置を線分Ｓ３として、表示部１７に表示させている。
【００３０】
また、ＣＰＵ１３は、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量の変更量を調整することが可能である。詳しくは、ユーザにより操作部１６が操作されて、投光素子１１から照射される光の投光量を変更するように指示されると、ＣＰＵ１３は投光素子１１において電流を流すＬＤの数を増減することで、投光素子１１から照射される光の投光量を調整することができる。このとき、操作部１６及びＣＰＵ１３は、ＣＰＵ１３に入力される受光信号を調整する調整手段に相当する。
【００３１】
また、ＣＰＵ１３は、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を変更しても、受光位置を検出しない場合には、その旨を表示部１７に表示してユーザに報知する。このとき、ＣＰＵ１３及び表示部１７は報知手段に相当する。例えば、図７（ａ）に示すように、投光量を多くしても、イメージセンサ１２からＣＰＵ１３に出力される受光量の範囲が受光量Ｒ１〜Ｒ２に含まれない場合、受光位置は検出されない。こういった場合、ＣＰＵ１３は、イメージセンサ１２での受光量が少な過ぎる旨を表示部１７に表示する。ユーザは例えば操作部１６を操作して、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を多くするように調整する。
【００３２】
また、例えば、図７（ｂ）に示すように、投光量を少なくしても、イメージセンサ１２からＣＰＵ１３に出力される受光量のピーク位置付近が受光量Ｒ１〜Ｒ２の範囲を超えてしまう場合、受光位置は検出されない。こういった場合、ＣＰＵ１３は、イメージセンサ１２での受光量が多過ぎる旨を表示部１７に表示する。ユーザは例えば操作部１６を操作して、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を少なくするように調整する。
【００３３】
また、例えば、投光量を少なくしても、イメージセンサ１２からＣＰＵ１３に出力される受光信号のピーク位置が飽和して受光位置が検出されない場合、その旨が表示部１７に表示されると、ユーザは例えば操作部１６を操作して、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を少なくするように調整する。また、例えば、投光量を多くしても、イメージセンサ１２からＣＰＵ１３に出力される受光信号が低くノイズに埋もれてしまい、受光位置が検出されない場合、その旨が表示部１７に表示されると、ユーザは例えば操作部１６を操作して、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を多くするように調整する。
【００３４】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）測定装置１０では、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を増減させることで、受光位置の検出に用いられる受光信号のレベルが変更され、それぞれのレベルにおいて検出された受光位置に基づいて、ワークＷ及び測定台Ｔの受光位置が求められる。これにより、受光信号のレベルを強くすることで反射率が低い部分（測定台Ｔ）の測定を行うことができ、受光量のレベルを弱くすることで反射率が高い部分（ワークＷ）の測定を行うことができ、対象物に反射率の高い部分と低い部分が混在していても、正確に測定を行うことができる。
【００３５】
（２）ＣＰＵ１３は、投光素子１１から照射される投光量を多くして受光位置を検出した後、投光量を少なくして受光位置を検出し、それらの受光位置を合成することでワークＷ及び測定台Ｔの受光位置を合成するため、フィードバック制御を行う必要がない。このため、迅速にデータを得ることができる。
【００３６】
（３）ワークＷ及び測定台Ｔの表面の反射率に適した投光量の光が照射されたときに、ワークＷ及び測定台Ｔの受光位置が検出されるため、ワークＷ及び測定台Ｔの表面の反射率に適応した結果を得ることができる。
【００３７】
（４）一つの走査線２３において複数の受光位置Ｓｃ１，Ｓｃ２が検出された場合は、それら複数の受光位置Ｓｃ１，Ｓｃ２の平均位置が受光位置Ｓｃとされるため、一つの走査線２３において受光位置のピーク値が明確とならず、受光位置が確定できない場合でも、その走査線２３において検出されたデータから好適に受光位置が推定される。
【００３８】
（５）ＣＰＵ１３により、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量が調整可能でるため、ワークＷ及び測定台Ｔに対応した変更量とすることで、ワークＷ及び測定台Ｔをより正確に測定することが可能となる。
【００３９】
（６）ＣＰＵ１３は、イメージセンサ１２から入力する受光量が受光量Ｒ１〜Ｒ２の範囲内にあるときのみ受光位置を検出するため、受光位置を検出するための処理が高速で行われる。
【００４０】
（７）ＣＰＵ１３は、受光位置を検出しない場合は、その旨を表示部１７に表示する。受光位置が検出されない場合はその旨が報知されるため、ユーザは受光位置が検出されるように対応することが可能となる。
【００４１】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、投光素子１１を構成する複数のＬＤに対して、投光させるＬＤの数を変更して投光量を調整するようにしたが、１つのＬＤに対して供給する電流量を制御して投光量を調整するようにしてもよい。また、投光素子１１と対象物との間にフィルタ等の透過光の光量を調整可能な光学素子と、その光学素子を移動させるモータ等のアクチュエータとを投光制御手段として備える構成としてもよい。
【００４２】
・上記実施形態では、一つの走査線２３において複数の受光位置Ｓｃ１，Ｓｃ２が検出された場合は、それらの平均位置を受光位置Ｓｃとして検出するものとしたが、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量が同じときに検出された他の走査線２１，２２の受光位置Ｓａ，Ｓｂとの平均位置を、その走査線２３での受光位置としてもよい。その場合、図８に示すように、走査線２３において、受光位置Ｓａ，Ｓｂと略同じ画素が受光位置Ｓｃとして求められる。同構成によれば、一つの走査線２３において受光位置のピーク値が明確とならず、受光位置が確定できない場合でも、その走査線２３において検出されたデータと他の走査線２１，２２で検出されたデータに基づいて好適に受光位置が推定される。
【００４３】
・上記実施形態では、一つの走査線２３において、投光素子１１において変更される各投光量において受光位置Ｓｃ１，Ｓｃ２が２箇所検出される場合について説明したが、同じ投光量にて複数の受光位置が検出されても、それらの受光位置の平均位置を受光位置とすればよい。また、一つの走査線において２箇所以上の受光位置が検出された場合も、それらの受光位置に基づいて、その走査線における受光位置を求めればよい。
【００４４】
・上記実施形態では、投光素子１１から照射されるレーザ光の投光量を、比較的多い場合と比較的少ない場合の２段階に順次変更するものとしたが、レーザ光の投光量を３段階以上変更してもよい。つまり、ＣＰＵ１３に入力される受光信号のレベルを、３段階以上に順次変更してもよい。要は、対象物に対応するように、ＣＰＵ１３に入力される受光信号のレベルを変更すればよい。
【００４５】
・上記実施形態では、ＣＰＵ１３は、受光信号が受光量Ｒ１〜Ｒ２の範囲内にあるときに受光位置を検出するものとしたが、受光位置を検出する範囲を限定しなくてもよい。
・上記実施形態において、投光素子１１はＬＤに限定されず、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）を用いてもよい。
【００４６】
・上記実施形態では、投光素子１１をワークＷ及び測定台Ｔの鉛直上方に配置し、イメージセンサ１２を測定台Ｔの斜め上方に配置したが、イメージセンサ１２によりワークＷの形状（ワークＷと測定台Ｔの高さの差）に応じて反射光が異なる位置に受光されれば配置位置は上記に限定されない。例えば、イメージセンサ１２をワークＷ及び測定台Ｔの鉛直上方に配置し、投光素子１１を測定台Ｔの斜め上方に配置してもよい。
【００４７】
・上記実施形態において、イメージセンサ１２はＣＣＤに限定されず、例えばＣＭＯＳを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】測定装置の概略構成図。
【図２】ワーク及び測定台の斜視図。
【図３】受光信号の受光量の分布図。
【図４】表示部に表示される検出結果の説明図。
【図５】表示部に表示される検出結果の説明図。
【図６】受光信号の受光量の分布図。
【図７】（ａ），（ｂ）は、受光信号の受光量の分布図。
【図８】別例の表示部に表示される検出結果の説明図。
【符号の説明】
【００４９】
１０…測定装置、１１…投光手段としての投光素子、１２…二次元撮像手段及び受光処理手段としてのイメージセンサ、１３…受光位置検出手段、変更手段、制御手段、投光量変更手段、受光量変更手段、調整手段、報知手段としてのＣＰＵ、１６…調整手段としての操作部、１７…報知手段としての表示部、２１〜３４…走査線、Ｗ…対象物としてのワーク、Ｔ…対象物としての測定台、Ｓａ〜Ｓｎ，Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｄ１，Ｓｄ２，Ｓｋ１，Ｓｋ２，Ｓｌ１，Ｓｌ２，Ｘ…受光位置。
【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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