JP2014232005A

JP2014232005A - 計測装置

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Publication number: JP2014232005A
Application number: JP2013111891A
Authority: JP
Inventors: 堀田　宏之; Hiroyuki Hotta; 宏之堀田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2014-12-11
Also published as: US9329025B2; US20140355006A1

Abstract

【課題】簡単な仕組みで位置計測ができる計測装置を得る。
【解決手段】計測装置１０は、位置計測対象から出射された光を、光路長を異ならせて各々受光することが可能に構成され、光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力する光電変換部３０と、光電変換部３０で得られた光路長毎の電気信号のうち２つの電気信号の比率に基づいて、位置計測対象の位置を計測する計測部１２と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置に関する。

工作機械の固定部に取付けられ、平行光線ビームを送出する光源と、工作機械の移動部に取付けられ、前記光源からの光線ビームを法線として受光する位置センサと、を具備することを特徴とする工作機械の変位測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

測定用レーザ光束を被測定物体の表面に対して０〜180 度の範囲内の調整可能な角度で照射し、前記表面からの散乱／反射光束を結像光学系で集光したうえで光電検出することにより、前記表面の形状、特に表面粗さの非接触測定のために三角測量法に従って前記表面上の照射点からの距離を測定する方法において、前記表面からの前記散乱／反射光束を、各々の光軸を横切る断面内で互いに近似的に同等の光強度面分布を有する二つの光束に分離し、これら二つの光束を個々に光検出器で光電検出することを特徴とする距離測定方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

光源と、光源からの光を被測定物に投光する投光手段と、被測定物からの反射光を受光する光検出器とを備え、光学的に被測定物の変位及び傾きを計測する光学式変位センサにおいて、前記被測定物からの反射光を光源光から分離する分離手段と、反射光を分割するビーム分割手段と、分割された複数条のビームを夫々集光する集光手段と、集光されたビームをそれぞれ受光する複数組の光検出器とを有し、これら複数の光検出器のうちの１つを前記集光手段の焦点面より前方に、他を前記集光手段の焦点面より後方に配置したことを特徴とする光学式変位センサも知られている（例えば、特許文献３参照）。

被加工物を保持する保持面を備えたチャックテーブルと、該チャックテーブルをX軸方向に移動するX軸移動手段と、該チャックテーブルをX軸方向と直交するY軸方向に移動するY軸移動手段とを具備し、該チャックテーブルの保持面に保持された被加工物の露出部の高さ位置を検出する表面位置検出装置であって、検査用レーザ光線を発振する検査用レーザ光線発振手段と、該検査用レーザ光線発振手段から発振された検査用レーザ光線を集光し該チャックテーブルに保持された被加工物の露出部に照射する集光器と、該検査用レーザ光線発振手段と該集光器とを結ぶ第１の光路に配設され被加工物の露出部で反射した検査用レーザ光線の反射光を第２の光路に分岐する第１のビームスプリッターと、該第２の光路に配設され該第１のビームスプリッターによって分岐された検査用レーザ光線の反射光を第３の光路と第４の光路に分岐する第２のビームスプリッターと、該第２のビームスプリッターによって該第３の光路に分岐された反射光を１００％受光する第1の受光素子と、該第２のビームスプリッターによって該第４の光路に分光された反射光を受光する第２の受光素子と、該第４の光路に配設され該第２の受光素子が受光する反射光の受光領域を規制する受光領域規制手段と、該第1の受光素子と該第２の受光素子の検出信号に基づいて被加工物の露出部の高さ位置を求める制御手段と、を具備し、該制御手段は、該第1の受光素子と該第２の受光素子の検出信号に基づいて該第1の受光素子が受光した光量と該第２の受光素子が受光した光量との比を演算し、該光量の比に基づいて被加工物の露出部の高さ位置を求める、ことを特徴とする表面位置検出装置も知られている（例えば、特許文献４参照）。

１８０°より小さい角で対向する第１及び第２の光電変換面と、前記第２の光電変換面となす角が１８０°より大きい第３の光電変換面とを備え、前記第１、第２及び第３の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置され、さらに、１８０°より小さい角で対向する第４及び第５の光電変換面と、前記第５の光電変換面となす角が１８０°より大きい第６の光電変換面とを備え、前記第４、第５及び第６の光電変換面は拡散光源に同時に対向するように配置されていることを特徴とする光電変換ユニットも知られている（例えば、特許文献５参照）。

特開平０６−２５４７４８号公報特開平０６−２１３６５８号公報特開平０６−２１３６２３号公報特開２００８−４６０７９号公報特許第４１２３８７８号

本発明は、従来に比べて簡単な仕組みで位置計測ができる計測装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明の計測装置は、位置計測対象から出射された光を、光路長を異ならせて各々受光することが可能に構成され、光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力する光電変換部と、前記光電変換部で得られた光路長毎の電気信号のうち２つの電気信号の比率に基づいて、前記位置計測対象の位置を計測する計測部と、を含む。

請求項２の発明は、請求項１に記載の計測装置において、前記光電変換部は、前記光路長が互いに異なる複数の光電変換面を含んで構成され、該複数の光電変換面により前記位置計測対象から出射された光を受光することにより、光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力する。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の計測装置において、各々前記位置計測対象に入射され、且つ光軸位置が互いに異なる複数の光を順次出射することが可能な光源を更に備え、前記計測部は、前記光源から順次出射された前記複数の光の各々について、前記２つの電気信号を取得して前記比率を求め、前記複数の光毎の前記比率に基づいて、前記位置計測対象の複数箇所の位置を計測する。

請求項４の発明は、請求項２又は請求項３に記載の計測装置において、前記位置計測対象が予め定められた基準位置に配置された状態で、前記複数の光電変換面のうち２つの光電変換面から出力された電気信号の比率が１又は１を含む予め定められた範囲内となるように、該２つの光電変換面の前記基準位置からの光路長及び受光面積の少なくとも一方を予め調整して構成し、前記計測部は、前記比率が１又は１を含む予め定められた範囲内となるように調整された２つの光電変換面から出力された電気信号の比率に基づいて、前記位置計測対象の位置を計測する。

請求項５の発明は、請求項４に記載の計測装置において、前記位置計測対象が予め定められた基準位置に配置された状態で、前記基準位置から前記２つの光電変換面までの光路長の差分が予め定められた値以上となるように前記光電変換部を構成したものである。

請求項６の発明は、請求項４又は請求項５に記載の計測装置において、前記計測部は、前記位置計測対象において前記複数の光のうち何れか１つの光が照射される照射位置が前記基準位置となるように前記位置計測対象が配置された状態で、前記光源から順次出射された前記複数の光の各々について、前記２つの光電変換面から出力された電気信号を取得して前記比率を求め、前記複数の光毎の前記比率に基づいて、前記位置計測対象の複数箇所の位置を計測する。

請求項７の発明は、請求項２〜請求項６に記載の計測装置において、前記計測装置は、前記複数の光電変換面を、前記光路長が長い光電変換部ほど受光面積が大きくなるように構成したものである。

請求項８の発明は、請求項２〜請求項７の何れか１項記載の計測装置において、前記複数の光電変換面の少なくとも１つの受光領域が可変となるように構成したものである。

請求項９の発明は、請求項２〜請求項８の何れか１項記載の計測装置において、前記複数の光電変換面の少なくとも１つに、該光電変換面の位置を移動させ、該光電変換面から前記位置計測対象までの距離を調整する移動機構を設けたものである。

請求項１０の発明は、請求項２〜請求項９の何れか１項記載の計測装置において、前記複数の光電変換面のうち、少なくとも前記位置計測対象からの光路長が最も長い光電変換面を除く光電変換面を、入射した光を光電変換すると共に入射側と反対側に出射する光透過部材で構成し、各々の中心点が直線上に位置するように前記複数の光電変換面の各々を配置したものである。

請求項１１の発明は、請求項１〜請求項１０の何れか１項記載の計測装置において、前記位置計測対象は、入射した光を前記光電変換部に対して出射し、前記位置計測対象に入射する光の光路上に、入射した光を集光して出射する集光部を設けたものである。

請求項１２の発明は、請求項１〜請求項１１の何れか１項記載の計測装置において、前記光電変換部は、前記位置計測対象からの反射光を受光し、前記光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力し、前記光電変換部で得られた光路長毎の電気信号のうち１つの電気信号を用いて前記位置計測対象の反射率を検出する検出部と、前記計測部の計測結果を用いて前記検出された反射率を補正する補正部と、を更に含むものである。

請求項１に記載の発明によれば、従来に比べて簡単な仕組みで位置計測ができる。

請求項２に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、より簡単な仕組みで位置計測ができる。

請求項３に記載の発明によれば、複数箇所を計測できる。

請求項４に記載の発明によれば、基準位置を基準として位置を計測でき、計測位置が基準位置に対して上下した場合でも計測誤差を小さくできる。

請求項５に記載の発明によれば、光路長の差分を十分異ならせて位置計測ができる。

請求項６に記載の発明によれば、複数箇所を計測する場合も、基準位置を基準として位置を計測でき、計測位置が基準位置に対して上下した場合でも計測誤差を小さくできる。

請求項７に記載の発明によれば、受光面積を一律にする場合に比べて計測に好適な出力が得られるように調整できる。

請求項８に記載の発明によれば、計測に適した受光領域となるように調整できる。

請求項９に記載の発明によれば、計測に適した受光位置となるように調整できる。

請求項１０に記載の発明によれば、ハーフミラー等、光路を変更するための部材が不要となり、計測装置を簡易な構成とすることができる。

請求項１１に記載の発明によれば、位置計測対象に対する光の入射領域を微調整でき、位置計測対象に複数の光を入射させて計測する場合であっても、各光の間隔を調整できる。

請求項１２に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、正確に反射率を計測できる。

第１実施形態に係る計測装置の構成例を示す図である。同一面積の光電変換面ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３を、計測対象物ＯＢからの距離（光路長）が異なるように配置した場合において、光電変換面ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３における計測対象物ＯＢからの出射光の受光状態を模式的に説明する説明図である。図２に示す光電変換面ＰＤ１、ＰＤ２に入射する光の光軸を重ね合せて表現した図である。計測部による計測処理を説明する説明図である。計測部の計測処理の流れを示すフローチャートである。第２実施形態の計測装置の構成例を示す図である。第２実施形態の計測装置の他の構成例を示す図である。第２実施形態の計測装置の他の構成例を示す図である。第２実施形態の計測装置の他の構成例を示す図である。第２実施形態の計測装置の他の構成例を示す図である。第２実施形態の計測装置の他の構成例を示す図である。両側テレセントリックレンズの構成例を示す図である。第３実施形態の計測装置の構成例を示す図である。計測対象の高さ方向に設定された基準位置を例示した図である。基準位置を説明する説明図である。第１の光電変換面及び第２の光電変換面の出力比と計測対象物ＯＢの反射点Ｒ（計測対象）の位置ｈとの関係を示すグラフの例である。第３実施形態の計測装置の他の構成例を示す図である。図１２に示す両側テレセントリックレンズを図１７に示す計測装置のコリメートレンズとして用いた場合において、光源から複数の光ビームを照射したときの様子を模式的に示した図である。計測装置の計測対象を集光点とする場合を示した図である。光電変換面に、光電変換面に入射する光を一部遮蔽する遮蔽部材を設けた実施形態を模式的に示した図である。図２０に示す遮蔽部材の開口部にレンズを設置した場合の構成を模式的に示した図である。２つの光電変換面のうち少なくとも一方を移動可能に構成した例を模式的に示した図である。２つの光電変換面のうち少なくとも一方の受光領域を変更可能に構成した例を模式的に示した図である。光電変換面に、光電変換面に入射する光を一部遮蔽する移動可能な遮蔽部材を設けた実施形態を模式的に示した図である。光電変換面として、ＰＤの代わりにＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用い、受光領域を電気的に変更する場合の構成を模式的に示した図である。光電変換面の受光領域を光ビーム毎に電子的に変更する様子を模式的に示した図である。同一の基板上に成形された複数の光電変換面を含む光電変換部の一例を示す図である。同一の基板上に成形された複数の光電変換面を含む光電変換部の他の例を示す図である。３枚の光電変換面の配置状態の一例を模式的に示した図である。３枚の光電変換面の配置状態の一例を模式的に示した図である。各々の中心部が直線上に配置された２つの光電変換面を有する光電変換部を模式的に示した図である。図３１に示す構成において、光路長が短い光電変換面を支持する支持部材によって光路長が長い光電変換面に到達するはずの光が遮光される様子を模式的に示した図である。計測対象が上下に移動した場合であっても、光路長が短い光電変換面を通過する光が光路長の長い光電変換面の受光面内に到達するように各光電変換面を設計したときの構成図である。計測部に加え、計測対象の反射率を検出する検出部、及び検出部で検出された反射率を補正する補正部として機能するコンピュータの機能構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。

［第１実施形態］

図１は、本実施形態に係る計測装置１０の構成例を示す図である。計測装置１０は、計測対象物ＯＢの高さ方向の位置ｈを計測する。ここで、高さ方向とは、図１に示される矢印方向をいう。本実施形態において、計測対象物ＯＢは光源を含み、光源の発光光が計測対象物ＯＢの発光点Ｐから出射される。第１実施形態では、計測対象物ＯＢにおける計測部位（ここでは発光点Ｐ）が、計測装置１０の位置計測対象（以下、単に計測対象という）とされる。

計測装置１０は、計測部１２及び光電変換部３０を備えている。光電変換部３０は、計測対象物ＯＢの発光点Ｐから出射された光（発光光）を受光可能な位置に配置されている。発光点Ｐは、広がり角を有する拡散光を出射する。

なお、計測対象物ＯＢの光源をＬＥＤにより構成し、発光点ＰからＬＥＤの光が出射されるようにしてもよい。また、計測対象物ＯＢの光源を半導体レーザにより構成し、発光点Ｐからレーザビームが出射されるようにしてもよい。半導体レーザとしては、具体的には、光が半導体基板と垂直に出射する面発光レーザ（Surface Emitting Laser（SEL）)、より具体的には、共振器を半導体基板と垂直に作り込んだ垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser（VCSEL））を用いてもよい。また、半導体レーザは、例えば、共振器を半導体基板に沿った方向に作り込み、へき開した側面から光を半導体基板に沿った方向へ出射する端面発光レーザ（Edge Emitting Laser（EEL）)であってもよい。

光電変換部３０は、発光点Ｐから出射された光を、光路長を異ならせて各々受光することが可能に構成され、光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力する。

光電変換部３０は、第１の光電変換面３２、第２の光電変換面３４、及びハーフミラー３６を備えている。第１の光電変換面３２は、発光点Ｐの光の出射方向に配置され、第１の光電変換面３２と発光点Ｐとの間にはハーフミラー３６が設置される。ハーフミラー３６には、発光点Ｐから出射された光が入射される。ハーフミラー３６は入射された光を透過及び反射する。ハーフミラー３６の透過と反射の比率は、１：１である。ハーフミラー３６の透過光の出射方向に第１の光電変換面３２が配置され、反射光の出射方向に第２の光電変換面３４が配置される。第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４は、ハーフミラー３６を介して入射した発光点Ｐからの光を受光し、各々光電変換して受光量に応じた電気信号を出力する。

第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子を用いることもできるが、ここでは、フォトダイオード（Photodiode（ＰＤ））を用いるものとする。フォトダイオードは、受光量に応じた電気信号を出力する。受光量が大きくなるほど、フォトダイオードの出力値は高くなる。フォトダイオードは、光電変換処理に要する時間がＣＣＤなどの撮像素子に比べて速い。これは、撮像素子を使用する場合に行なわれる外乱光の補正がフォトダイオードでは不要となるため、信号処理に時間を要しないためである。また、高速に処理できる高性能な撮像素子に比べてコストも抑えられる。本実施形態では、第１の光電変換面３２を１つのフォトダイオードで構成し、第２の光電変換面３４も、１つのフォトダイオードで構成するものとする。

発光点Ｐから第１の光電変換面３２までの光路長は、Ａ＋Ｂで表わされ、発光点Ｐから第２の光電変換面３４までの光路長は、Ａ＋Ｃで表わされる。ここで、Ａは、発光点Ｐからハーフミラー３６までの光路長であり、Ｂは、ハーフミラー３６から第１の光電変換面３２までの光路長であり、Ｃは、ハーフミラー３６から第２の光電変換面３４までの光路長である。また、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４は、光路長Ｂが光路長Ｃよりも短くなるように配置されている（すなわち、Ｂ＜Ｃ）。

なお、計測対象から出射された光線は、ハーフミラー３６により光路が折り曲げられるものの、仮想的に第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の各々が直線状に配置されているものとして、光路が折り曲げられず直線のまま第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４に入射すると仮定すれば、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の受光面は、計測対象から出射された光線の中心軸に対して互いに垂直又は略垂直な角度となる（第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の受光面の光路に対する角度は略同じ）。

なお、第２実施形態、第３実施形態において後述する光電変換部３０Ａ及び光電変換部３０Ｂや、様々な変形例においても、複数の光電変換面の受光面の光路に対する角度は等しいか又は略等しい。

計測部１２は、光電変換部３０で得られた光路長毎の電気信号のうち２つの電気信号の比率（以下、出力比という）に基づいて、発光点Ｐの高さ方向の位置ｈを計測する。本実施形態において、光電変換部３０が有する光電変換面は２つであるため、計測部１２は、該２つの光電変換面の出力比を求め、該出力比に基づいて位置ｈを計測する。

なお、前述したように、本実施形態では、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４により光路長が異なる２つの電気信号が得られる。計測部１２は、これら２つの電気信号の各々を取得して出力比を求め、発光点Ｐの高さ方向の位置ｈを計測する。

計測部１２は、図１に示すように、コンピュータ２００で実現することができる。コンピュータ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４、ＲＯＭ（Read Only Memory）１６、ＲＡＭ（Random Access Memory）１８、及び入出力インタフェース（入出力ＩＦ）２０を備え、これらは各々バス２２により接続されている。

ＲＯＭ１６には、主としてＣＰＵ１４により実行される各種プログラムや各種データ等が予め記憶されている。各種プログラムには、光電変換部３０の第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４からの出力値を取得して、発光点Ｐの位置を計測するためのプログラムも含まれる。また、ＲＯＭ１６には、後述するように、高さ方向の位置ｈと、出力比Ｖ１／Ｖ２とを対応付けたテーブル、又は、高さ方向の位置ｈと、出力比Ｖ１／Ｖ２との関係式も記憶されている。また、ＲＡＭ１８には、ＣＰＵ１４の処理に伴う各種データ等が一時的に記憶される。

なお、ＣＰＵ１４が実行するプログラムが記憶される記録媒体は、ＲＯＭ１６に限定されず、例えば、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭであってもよいし、ＤＶＤディスク、光磁気ディスク、ＩＣカードなどの可搬型記録媒体や計測部１２の外部に備えられたＨＤＤ等の記憶装置等であってもよく、更にまたネットワークを介して接続されたデータベース、又は他のコンピュータシステム並びにそのデータベースであってもよい。

また、入出力ＩＦ２０は、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４に接続されている。入出力ＩＦ２０は、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４から出力された電気信号をＣＰＵ１４に出力する。なお、入出力ＩＦ２０と第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の各々との間に、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４から出力された電気信号を増幅する増幅装置等の信号処理回路を設けることもできる。

次に、本実施形態の位置計測の原理についての概略を説明する。

本実施形態では、発光点Ｐから受光面までの光路長が各々異なる第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の各々の出力の比に基づいて、計測対象物ＯＢの発光点Ｐの高さ方向の位置ｈを計測する。

図２は、同一面積の光電変換面ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３を、計測対象物ＯＢからの距離（光路長）が異なるように配置した場合において、光電変換面ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３における計測対象物ＯＢからの出射光の受光状態を模式的に説明する説明図である。計測対象物ＯＢの光の出射点から（１）〜（３）までの距離は各光電変換面ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３毎の光路長を表わす。また、図３は、図２に示す光電変換面ＰＤ１、ＰＤ２に入射する光の光軸を重ね合せて表現した図である。図２及び図３に示すように、計測対象物ＯＢからの距離が短い（光路長が短い）光電変換面のほうが、計測対象物ＯＢからの距離が長い（光路長が長い）光電変換面よりも広がり角が大きな広角度の入射光を受光するため、出力が高くなる。

実際の構成においては、計測対象物ＯＢの１点（本実施形態では発光点Ｐ）からの距離を計測するため、複数の光電変換面の各々が同じ点から出射された光を受光できるように配置する必要がある。そこで、本実施形態では、図１に示すように、光電変換部３０を、ハーフミラー３６を用いて光路長を異ならせ、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４を１セットとして計測対象物ＯＢの発光点Ｐからの出射光を受光させる構成とした。

図１において、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の出力値を比較すると、第２の光電変換面３４の出力値よりも第１の光電変換面３２の出力値のほうが大きくなる割合が大きい。このことを利用して、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の出力比から距離（高さ方向の位置ｈ）を計算することができる。

出力の計算手順は、図４に示すように、事前に計測対象物ＯＢからの高さ方向の位置ｈを変化させることが可能な計測系において、計測対象物ＯＢの高さ方向の位置ｈを変えながら（図４（１）参照）、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の各々の出力値を取得してその出力比を求める（図４（２））。ここでは、第１の光電変換面３２の出力値をＶ１で表わし、第２の光電変換面３４の出力値をＶ２で表わし、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の出力比をＶ１／Ｖ２で表わすものとする。

こうして、高さ方向の位置ｈと、出力比Ｖ１／Ｖ２とを対応付けたテーブル、又は高さ方向の位置ｈと、出力比Ｖ１／Ｖ２との関係式（出力比Ｖ１／Ｖ２から位置ｈを求める近似式）を作成しておき（図４（３）参照）、実際の計測においては出力比に基づいて、テーブル又は近似式を参照して位置ｈを算出する（図４（４）参照）。なお、図４（３）では、縦軸が出力比Ｖ１／Ｖ２、横軸が位置ｈとなっている。また、出力比として、Ｖ１／Ｖ２の代わりに、Ｖ２／Ｖ１を用いてもよい。

なお、上記求めたテーブル又は近似式は、予めＲＯＭ１６に記憶しておく。

図５は、ＣＰＵ１４がプログラムを実行することにより実現される計測部１２の計測処理の流れを示すフローチャートである。

ステップ１００において、ＣＰＵ１４は、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の出力値Ｖ１、Ｖ２を取得する。

ステップ１０２において、ＣＰＵ１４は、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の出力値Ｖ１、Ｖ２から、出力比Ｖ１／Ｖ２を求める。

ステップ１０４において、ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１６に記憶されているテーブル又は近似式を用いて、出力比Ｖ１／Ｖ２から位置ｈを求める。

なお、光電変換部３０内の光電変換面の数は２個であっても３個以上であっても構わない。光電変換面を３個以上設けた場合には、何れか２つを選択してその出力比を求め、位置ｈを求める。ただし、光電変換面の数が増えるとハーフミラー数も増えて光が減衰するため、光電変換面の数は少ないほうが望ましい。また、出力比を求めるための２つの光電変換面の組み合わせを２セット以上設けても良い。これにより、放射方向の違いに依存する特性を計測あるいは相殺することが可能である。

第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の各々の受光面積は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。受光面積を異ならせる場合の実施形態については「第３実施形態」及び「様々な変形例」でも詳述する。

［第２実施形態］

第１実施形態では、光電変換部３０により計測対象物ＯＢの発光点Ｐから出射された光を受光して、発光点Ｐの位置ｈを求めた。第２実施形態では、計測対象物ＯＢに対して光源から光を照射し、計測対象物ＯＢからの反射光を受光して計測対象物ＯＢの計測部位の位置ｈ、すなわち、反射光の出射位置である反射点Ｒの位置ｈを求める。従って、第２実施形態の計測対象は反射点Ｒであるため、本実施形態の計測対象物ＯＢに、光を出射する発光点Ｐが設けられていなくてもよい。

以下、本実施形態において、第１実施形態の計測装置１０と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。

図６に、第２実施形態の計測装置の構成例を示す。本実施形態の計測装置１０Ａは、計測部１２、光電変換部３０、及び光源４０を備えている。計測部１２及び光電変換部３０は、第１実施形態と同様の構成である。光電変換部３０内の第１の光電変換面３２、第２の光電変換面３４、及びハーフミラー３６の配置も、第１実施形態と同様である。

図６に示すように、光電変換部３０は、計測対象物ＯＢの表面（光の照射位置）に対して略垂直となる方向（略法線方向）に反射した反射光を受光するように設置されている。

光源４０は、計測対象物ＯＢの表面（光の照射位置）に対して斜め方向から光を照射するように配置されている。これにより、計測対象物ＯＢに対して予め定められた大きさ以上の入射角度で光が照射される。光源４０は、半導体レーザや、ＬＥＤ等とすることができる。半導体レーザとしては、具体的には、面発光レーザ（Surface Emitting Laser（SEL）)、より具体的には、垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser（VCSEL））を用いてもよい。また、半導体レーザは、例えば、端面発光レーザ（Edge Emitting Laser（EEL）)であってもよい。

光源４０から計測対象物ＯＢに対して光を照射し、その反射光（拡散反射光）をハーフミラー３６を介して第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４で受光させる。第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４は、第１実施形態と同様に、計測対象物ＯＢから出射（反射）された光を受光するまでの光路長が異なるように設置されており、計測部１２は、第１実施形態と同様に、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の出力比から計測対象物ＯＢの計測部位の高さ方向の位置ｈを計測する。

計測部１２のＲＯＭ１６には、第１実施形態と同様に、高さ方向の位置ｈと、出力比とを対応付けたテーブル、又は、高さ方向の位置ｈと、出力比との関係式が記憶されている。図６に示す構成と同等の構成を有する計測装置により、事前に計測対象物ＯＢの高さ方向の位置ｈを変えながら、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の各々の出力値を取得してその出力比を求め、上記テーブル又は関係式を作成して、ＲＯＭ１６に記憶しておくものとする。

なお、計測対象物ＯＢの表面（光の照射位置）に対して略垂直となる方向（略法線方向）から光を照射するように光源４０を配置するようにしてもよい。この場合、図７に示すように、光電変換部３０Ａ（図７の光電変換部は、図１及び図６の光電変換部３０の配置と異なるため、符号を３０Ａとして図示した）内の、第１の光電変換面３２、第２の光電変換面３４、及びハーフミラー３６の配置を、図１や図６の光電変換部３０とは異ならせる。ここでは、光源４０から計測対象物ＯＢに対して光を照射し、その反射光（拡散反射光）がハーフミラー３６を介して第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４で受光されるように、第１の光電変換面３２、第２の光電変換面３４、及び第２の光電変換面３４を配置する。また、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４は、第１実施形態と同様に、計測対象物ＯＢから出射（反射）された光を受光するまでの光路長が異なるように設置する。

また、図８に示すように、図７に示した計測装置１０Ｂと同様に光電変換部３０Ａを配置し、光源４０を、計測対象物ＯＢの表面（光の照射位置）に対して斜め方向から光を照射するように配置する。図８に示す計測装置１０Ｃにより、光源４０から計測対象物ＯＢに対して斜め方向から光が照射され、その反射光（正反射光）がハーフミラー３６を介して第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４で受光される。

このように、照射と反射の方向は、図６〜図８に例示したように任意に設定することができるが、図６及び図８に示す構成は、計測対象物ＯＢの高さの変化によって照射位置が水平方向に変化するため、これを避けるためには図７に示す構成が望ましい。

なお、光電変換部３０、３０Ａ内の光電変換面の数は２個であっても３個以上であっても構わない。光電変換面を３個以上設けた場合には、何れか２つを選択してその出力比を求め、計測対象物ＯＢの計測部位の位置ｈを求める。ただし、光電変換面の数が増えるとハーフミラー数も増えて光が減衰するため、光電変換面の数は少ないほうが望ましい。

出力比を求めるための２つの光電変換面の組み合わせを２セット以上設けても良い。これにより、反射方向の違いに依存する特性を計測あるいは相殺することが可能であり、例えば、正反射光を受光する光電変換面のセットと、拡散反射光を受光する光電変換面のセットとを設ければ、正反射光と拡散反射光を区別して計測することも可能である。

また、図９に示す計測装置１０Ｄは、光源４０からの照射光の照射方向と同じ又は略同じ方向に反射された反射光を受光して、計測対象物ＯＢの反射点Ｒの位置ｈを計測することが可能に構成されている。図９に示す例では、図１及び図６と同様に、光電変換部３０の各構成要素を配置し、ハーフミラー３６と計測対象物ＯＢとの間に、更にハーフミラー４２を配置する。光源４０は、ハーフミラー４２に光を入射することが可能な位置に配置される。光源４０からの照射光はハーフミラー４２を介して計測対象物ＯＢに照射される。計測対象物ＯＢの計測部位（反射点Ｒ）において反射した反射光は、再びハーフミラー４２に入射する。ハーフミラー４２は、計測対象物ＯＢから入射した反射光をハーフミラー３６に向けて出射する。

ハーフミラー３６には、ハーフミラー４２から出射された光が入射される。ハーフミラー３６は、入射した光を透過して第１の光電変換面３２に向けて出射し、入射した光を反射して第２の光電変換面３４に向けて出射する。

計測部１２は、第１実施形態で説明したように、計測対象物ＯＢの反射点Ｒの位置ｈを計測する。

なお、図９に示す計測装置１０Ｄでは、計測対象物ＯＢの計測部位に対する光の照射方向及び反射方向は計測対象物ＯＢの計測部位に対して略垂直な方向（法線方向）となっているが、図１０に示す計測装置１０Ｅのように、計測対象物ＯＢの計測部位に対して必ずしも垂直な方向でなくてもよい。

また、図１１に示すように計測装置を構成してもよい。図１１の計測装置１０Ｆは、計測部１２、光電変換部３０、光源４０及びハーフミラー４２の他に、コリメートレンズ４４が設けられている。計測部１２、光電変換部３０、光源４０、及びハーフミラー４２は、図９を用いて説明した計測装置１０Ｄと同様に構成され配置されている。光源４０からハーフミラー４２までの光路上には、コリメートレンズ４４が配置されている。コリメートレンズ４４は、光源４０から出射された光の拡散を抑制する。コリメートレンズ４４には、例えば、両側テレセントリックレンズ４４Ａを用いてもよい。

両側テレセントリックレンズ４４Ａは、図１２に示すように、一対のレンズ５０、５２と、その一対のレンズ５０、５２の間に配置された絞り５４と、を備えている。２個のレンズ５０、５２として、アクロマティックレンズを用いることができる。本実施形態では、２個のアクロマティックレンズを、曲率が小さい側を向かい合わせて配置する。これにより、レンズ系としての収差を小さくすることができる。絞り５４は、レンズ５０、５２の各々の焦点面に合わせて設置する。なお、絞り５４の大きさを小さくすることで、平行光成分のみを取り込める一方で光量が低下する。したがって、絞り５４の大きさは、要求される精度と要求される光量とに応じて設定される。

なお、第２実施形態で例示した何れの計測装置においても、第１の光電変換面３２及び第２の光電変換面３４の各々の受光面積は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。受光面積を異ならせる場合の実施形態については「第３実施形態」及び「様々な変形例」でも詳述する。

ところで、第１実施形態では発光点Ｐの位置ｈを計測する例について説明したが、図１の計測装置１０の光電変換部３０に変えて、第２実施形態の光電変換部３０Ａを設けてもよい。すなわち、第１実施形態においても、計測対象物ＯＢの発光点Ｐから斜め方向に出射された光を受光して光電変換するように光電変換部を構成してもよい。

［第３実施形態］

第３実施形態では、光電変換部に含まれる複数の光電変換面の受光面積を異ならせる実施形態について詳細に説明する。

以下、本実施形態において、第１実施形態及び第２実施形態で例示した計測装置１０〜１０Ｆと同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。

図１３には、本実施形態に係る計測装置１０Ｇが図示されている。図１３に示すように、計測装置１０Ｇは、計測部１２、光電変換部３０Ｂ、光源４０、ハーフミラー４２、及びコリメートレンズ４４を備えている。図１３の計測装置１０Ｇは、図１１の計測装置１０Ｆと略同じ構成であるが、光電変換部３０に変えて光電変換部３０Ｂが設けられている。

本実施形態の光電変換部３０Ｂは、第１の光電変換面６０、第２の光電変換面６２、及びハーフミラー３６を備えている。第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子を用いることもできるが、ここでは、フォトダイオード（Photodiode（ＰＤ））を用いるものとする。

第１の光電変換面６０の受光面積と第２の光電変換面６２の受光面積は各々異なる。ここでは、計測対象物ＯＢに近いほうの光電変換面、すなわち光路長が短い光電変換面（第１の光電変換面６０）の受光面積を小さく、遠いほうの光電変換面、すなわち光路長が長い光電変換面（第２の光電変換面６２）の受光面積を大きくしている。なお、受光面積の調整については、例えば、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２の元々のサイズ（受光可能な最大領域のサイズ）を異ならせたり、何らかの遮蔽部材を用いて受光面積を異ならせたりするなど（「その他の実施形態」も参照）、様々な手法を採用することができるが、本実施形態では、遮蔽部材等は何ら設けず、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２の元々のサイズを異ならせるものとする。また、本実施形態では、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２として、フォトダイオードを用いる。

計測装置１０Ｇにおいても、図１１の計測装置１０Ｆと同様、光源４０からコリメートレンズ４４及びハーフミラー４２を介して計測対象物ＯＢに対して光を照射し、その反射光をハーフミラー４２及びハーフミラー３６を介して第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２で受光させる。第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２は、計測対象物ＯＢから出射（ここでは反射）された光を受光するまでの光路長が異なるように設置されており、計測部１２は、第１実施形態と同様に、第１の光電変換面６０の出力値及び第２の光電変換面６２の出力値から計算された出力比に基づいて、計測対象物ＯＢの計測部位（ここでは反射点Ｒ）の高さ方向の位置ｈを計測する。

計測部１２のＲＯＭ１６には、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、高さ方向の位置ｈと、出力比とを対応付けたテーブル、又は、高さ方向の位置ｈと、出力比との関係式が記憶されている。図１３に示す構成と同等の構成を有する計測装置により、事前に計測対象物ＯＢの反射点Ｒの高さ方向の位置ｈを変えながら、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２の各々の出力値を取得してその出力比を求め、上記テーブル又は関係式を作成して、ＲＯＭ１６に記憶しておくものとする。

計測部１２は、ＲＯＭ１６に記憶されているテーブル又は関係式を参照し、２つの電気信号の出力比に基づいて、反射点Ｒの高さ方向の位置ｈを計測する。

なお、図１４に示すように、事前に計測対象の高さ方向の基準位置を設定しておくようにしてもよい。基準位置に対するずれ量を位置ｈとして計測することができる。

ここでは、計測対象の高さ方向の位置ｈが基準位置となったときに、第１の光電変換面６０と第２の光電変換面６２とに入射する光量は、ハーフミラー３６の透過／反射光の比率と同等（ハーフミラーの透過／反射光が等しく５０％、かつ、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２の感度が同一となるように補正済であれば、第１の光電変換面６０と第２の光電変換面６２の出力は等しく、出力比は１となる）となるように第１の光電変換面６０、及び第２の光電変換面６２を設置する。

この基準位置について、図１５の模式図を参照してより詳しく説明する。図１５は、計測装置１０Ｇの反射点Ｒから第１の光電変換面６０に入射される光と、反射点Ｒから第２の光電変換面６２に入射される光とを模式的に重ねて表示した図である。図１５に示すように、基準位置からの反射光のうち第１の光電変換面６０の素子の外縁部を通る反射光が、第２の光電変換面６２の素子の外縁部をも通るように設置する。ここで、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２は矩形であるため、各々の外縁部には、頂点及び辺が含まれる。該配置にした上で、基準位置から出射された光を第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２により受光させた場合、その出力比は１になる。

図１６は、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２の出力比と計測対象物ＯＢの反射点Ｒ（計測対象）の位置ｈとの関係を示すグラフの例である。この例では、計測対象物ＯＢからの反射光を完全拡散の反射光としている。横軸は計測対象物ＯＢの反射点Ｒの高さ方向の位置ｈ（基準位置を０とし、基準位置より光電変換部から遠くなる（低くなる）とマイナス方向、基準位置より光電変換部に近くなる（高くなる）とプラス方向）を表し、縦軸は第１の光電変換面６０の出力値Ｖ１と第２の光電変換面６２の出力値Ｖ２の比率Ｖ１／Ｖ２（変化量％）を表している。グラフは曲線となるため、曲線の近似式を求めるか又は対応関係を示すテーブルを作成しておくことで、出力比Ｖ１／Ｖ２から計測対象の高さ方向の位置ｈを求めることができる。図１６のグラフは、図１４に示した計測装置１０Ｇの構成を用い、図１５に示すように基準位置に合わせて光電変換部３０Ｂを設置した場合のグラフ例であり、横軸＝０のときに縦軸＝１、すなわち、第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２の出力値が同一となる。

このように光電変換部３０Ｂの第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２を構成することにより、反射光の光量分布に偏りがあった場合でも、基準位置では全く同一の角度範囲内の光を受光することになるため、位置ｈが基準位置から変化した場合も含めて、計測誤差が小さくなるという利点を有する。

なお、上記では出力比を１とする例について説明したが、出力比が略１（１を含む予め定められた範囲内）となるように構成してもよい。

また、計測対象が上記基準位置に配置された状態で、基準位置から２つの光電変換面までの光路長の差分が予め定められた値以上となるように光電変換部を構成するとよい。差分が小さすぎると位置ｈが計測できない場合があるためである。従って、光路長の差分が位置計測に適した値以上となるように光電変換部を構成する。例えば、基準位置から２つの光電変換面までの光路長の差分を、長さが短い方の光路長の５％以上となるように構成すれば、位置ｈの計測を十分に行なうことができるが、より厳密には、上記光路長の差分として位置ｈの計測に適した差分の下限値を予め実験等により求めておき、光路長の差分がこの下限値以上となるように光電変換部を構成すればよい。

なお、上記では、計測装置１０Ａ〜１０Ｇまでの計測装置の全てに、コリメートレンズ４４が設けられている例について説明したが、コリメートレンズ４４は設けられていなくてもよい。

なお、上記計測装置１０Ａ〜１０Ｇに含まれる光源４０を、光源４０に設けられた１つの発光点から光を照射する光源として説明したが、これに限定されない。例えば、計測対象物ＯＢに光を照射する光源が、複数の発光点を有し、各発光点から順次光を照射する構成であってもよい。

図１７に、複数の発光点を有する光源を有する計測装置１０Ｈを示す。計測装置１０Ｈは、計測部１２、光電変換部３０Ｂ、光源４６、コリメートレンズ４４及びハーフミラー４２を備えている。

光電変換部３０Ｂは、図１３に示す計測装置１０Ｇの光電変換部３０Ｂと同様である。

光源４６は、略等間隔に配列された複数の発光点を有し、複数の光を順次照射することが可能に構成されている。なお、複数の光の照射角度も略等しい。例えば、光源４６は、複数の発光点を有する半導体レーザや、ＬＥＤが複数個配列されたＬＥＤアレイとすることができる。半導体レーザとしては、具体的には、端面発光レーザ（Edge Emitting Laser（EEL）)を用いることもできるが、垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser（VCSEL））を用いるとよい。本例では、VCSELを用い、VCSELからの照射光として複数の光ビームが出射される場合を例に挙げて説明する。

計測装置１０Ｈの光源４６の各発光点から、光ビームを順次出射する。出射された光ビームの各々は、コリメートレンズ４４及びハーフミラー４２を介して計測対象物ＯＢに対して照射され、その反射光がハーフミラー４２及びハーフミラー３６を介して第１の光電変換面６０及び第２の光電変換面６２で受光される。計測部１２は、第１の光電変換面６０の出力値及び第２の光電変換面６２の出力値から計算された出力比の各々に基づいて、光ビーム毎に計測対象物ＯＢの計測部位（反射点Ｒ）の高さ方向の位置ｈを計測する。なお、計測対象物ＯＢにおける各光ビームの照射領域は、互いに重ならないか、又は重なったとしてもその重なり領域が予め定められた面積未満となるように設計する。これにより、各光ビーム毎に（すなわち、照射領域毎に）位置ｈを計測する（すなわち、計測対象物ＯＢの表面の凹凸状態を計測できる）ことができ、また、各計測値が各々独立した値となるように計測することができる。

なお、複数の発光点から選択された１つの発光点から照射される光ビームの計測対象物ＯＢに対する照射位置が基準位置となるように計測対象物ＯＢを設置した上で、計測するようにしてもよい。例えば、図１７の拡大図（模式図）に示すように、複数の発光点のうち中央に位置する発光点から照射された光ビームの照射位置が基準位置となるようにする。

このように設置した場合には、基準位置に照射される照射光に加えて、水平方向に並列に複数本の照射光が照射されるため、基準位置以外からの反射光が生じることになる。ただし、複数本のうちの中央の照射光を基準位置に設定しておくことによって、各照射位置の計測値として基準位置からの偏差を得ることができ、計測誤差を最小限に抑えることが可能となる。

なお、本構成においても、コリメートレンズ４４は設置しなくてもよいが、コリメートレンズ４４を設置した場合、以下の利点がある。この利点について、図１８を参照して説明する。

図１８は、図１２に図示した両側テレセントリックレンズ４４Ａを計測装置１０Ｈのコリメートレンズ４４として用いた場合において、光源４６から複数の光ビームを照射したときの様子を模式的に示した図である。

前述したように、両側テレセントリックレンズ４４Ａは、一対のレンズ５０、５２と、その一対のレンズ５０、５２の間に配置された絞り５４と、を備えている。２個のレンズ５０、５２として、アクロマティックレンズを用い、２個のアクロマティックレンズを、曲率が小さい側を向かい合わせて配置する。これにより、レンズ系としての収差を小さくすることができる。絞り５４は、レンズ５０、５２の各々の焦点面に合わせて設置する。

前述したように、光源４６の隣接する発光点からの光ビームの照射領域同士が重ならない範囲に計測対象物ＯＢを設置することが好ましい。１つ１つの発光点から順次光ビームを照射するとはいえ、計測対象物ＯＢ上で、隣接する光ビームによる照射領域の重なりが大きくなると、その出力値が互いに独立した値にならないためである。図１８において、例えば、矢印で示した範囲は、隣接する光ビームによる照射領域が重ならない。従って、この範囲内に計測対象物ＯＢの計測部位が位置するように配置するとよい。

更に、光源４６を、両側テレセントリックレンズ４４Ａの光源４６に近いほうのレンズ５０の焦点面に設置するとよい。これにより、絞り５４を通過する光束は平行光となり、絞り５４の位置ずれに対する照射角度の誤差を少なくできる。

なお、光源４６の発光点から出射される複数の光の一部(例えば、予め定められた方向に沿って配列された複数の発光点の両端の発光点又は両端の発光点を含む予め定められた範囲の発光点の光)を可視光とすることもできる。これにより、計測範囲を目視できる。

以上、第３実施形態において、複数の光電変換面の受光面積を異ならせる実施形態を複数例説明したが、上記各形態は、図１に示すように、光源が無い計測装置１０であっても、同様に構成できる。すなわち、第３実施形態の光電変換部により受光される光は、計測対象物ＯＢからの発光光であっても反射光であってもかまわない。

また、複数の発光点を備えた光源４６から光を照射して計測する構成は、第２実施形態で例示した各計測装置にも適用できる。

［様々な変形例］

計測装置は、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態で説明した構成の他にも、以下に説明する様々な構成をとることができる。

（変形例１）

第１実施形態では、計測対象物ＯＢの発光点Ｐからの発光光を受光して発光点Ｐの高さ方向の位置ｈを計測する計測装置１０について説明した。また、第２実施形態及び第３実施形態では、計測対象物ＯＢに光源から照射された光の反射光を受光して計測対象物ＯＢの反射点Ｒの高さ方向の位置ｈを計測する計測装置１０Ａ〜１０Ｈについて説明した。

しかしながら、上記各計測装置の計測対象は、発光点や反射点に限定されない。例えば、集光点を計測対象として、集光点の高さ方向の位置ｈを計測するようにしてもよい。

すなわち、例えば、第１実施形態において、図１において発光点Ｐを計測対象としていたが、図１９に示すように、計測対象を、いったん集光して拡散していく光の集光点としてもよい。また、例えば、第２実施形態や第３実施形態において、計測対象としていた反射点Ｒについても同様に、計測対象をいったん集光して拡散していく光の集光点としてもよい。このように、集光点を計測する場合であっても、上記第１〜第３実施形態で例示した各計測装置を適用して、物理的に発光点や反射点が存在するのではなく、空間に集光した点の位置ｈを計測することができる。

（変形例２）

また、上記例示した計測装置１０〜計測装置１０Ｈに設けられる光電変換面（例えば、第１の光電変換面３２、６０、及び第２の光電変換面３４、６２）の少なくとも１つに対して、光電変換面の受光面積を制限して各光電変換面に入射する光を遮蔽する遮蔽部材を設けてもよい。

以下、本変形例及び以降に説明する各変形例において、第１の光電変換面３２、６０、及び第２の光電変換面３４、６２等の各光電変換面を区別せずに説明する場合には、単に光電変換面と総称し、符号８０（変形例７においては９０）を付して説明する。また、複数の光電変換面について区別して説明する場合には、符号８０（変形例７においては９０）に更に添え字１，２，３・・・を付して区別して説明することとする。なお、光電変換面８０は、ＰＤであってもよいし、ＰＤが複数並んで構成されていてもよいし、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いて構成されていてもよい。

図２０は、光電変換面８０に、光電変換面８０に入射する光を一部遮蔽する遮蔽部材７０を設けた実施形態を模式的に示した図である。遮蔽部材７０には、開口部７２が設けられており、遮蔽部材７０の開口部７２を通過した光が光電変換面８０に到達する。

第１実施形態から第３実施形態までの各実施形態で説明した計測装置１０〜計測装置１０Ｈの各々に含まれる光電変換面の役割は、拡散する光の中からある特定領域の光に制限して受光すること（上記各実施形態では光電変換面の元々のサイズを調整して形成し受光を制限していた）、及びその特定領域に入射した光を光電変換すること、の２つの機能を兼ねていたが、図２０に示すように、それぞれ遮蔽部材７０及び光電変換面８０という２つの部材に分けて上記各機能が実現されるように構成することが可能である。

また、図２１に示すように、遮蔽部材７０の開口部にレンズ７４を設置してもよい。光電変換面８０の元々のサイズが小さい場合には、遮蔽部材７０の開口部にレンズ７４を設置することで光電変換面８０に入射する光束を絞って該小さいサイズの光電変換面８０に入射させることができる。

（変形例３）

図２２には、２つの光電変換面８０_１、８０_２のうち少なくとも一方を移動可能に構成した例が図示されている。本例では、少なくとも一方の光電変換面８０を上下動させるための移動機構（図示を省略）を設け、計測部１２のＣＰＵ１４により移動機構を制御して光電変換面８０を移動させる。また、ここでは、ハーフミラー及びハーフミラーでの光線の反射の図示も省略した。

高精度の位置計測が必要な場合には可能な限り、計測対象の位置変動範囲の中央が前述した基準位置となるように、２つの光電変換面８０_１、８０_２の位置関係を調整することが望まれる（図１５も参照）。

そこで、図２２に示すように、少なくとも一方の光電変換面８０を移動可能に構成する。具体的には、例えば、光電変換面８０を支持する支持部材に、移動機構を設け、当該移動機構を制御することで光電変換面８０の位置を調整する。位置の調整制御は、計測部１２のＣＰＵ１４により行なわれる。

例えば、計測対象の位置ｈの変動範囲が光電変換面８０側に近くなる方向に変動した場合（変動範囲が上昇した）場合には、図２２に示すように調整する。すなわち、光電変換面８０_２を光電変換面８０_１に近づくように移動させる。

本変形例で例示した受光位置を変更する構成とは別に、計測対象の位置変動範囲の中央が前述した基準位置となるように調整することができる他の構成を次の変形例４で説明する。

（変形例４）

２つの光電変換面８０_１、８０_２のうち少なくとも一方の受光領域を変更可能に構成するようにしてもよい。

図２３は、２つの光電変換面８０_１、８０_２のうち少なくとも一方の受光領域を変更可能に構成する例を模式的に示した図である。例えば、計測対象の位置ｈの変動範囲が光電変換面８０側に近くなる方向に変動した場合（変動範囲が上昇した）場合には、図２３に示すように受光面積が大きくなるように受光領域を調整する。

以下、受光領域を変更するための具体的な構成例について説明する。

図２４は、光電変換面８０に、光電変換面８０に入射する光を一部遮蔽する移動可能な遮蔽部材７８を設けた実施形態を模式的に示した図である。

遮蔽部材７８には、開口部７２が設けられており、遮蔽部材７８の開口部７２を通過した光が光電変換面８０に到達する。遮蔽部材７８を構成する各部材７８ａ、７８ｂは、水平方向に移動可能に構成されている。例えば、部材７８ａ、７８ｂを支持する支持部材に、光電変換面８０の受光面に対して水平方向に移動する移動機構を設け、当該移動機構を制御することで開口部７２の面積を調整する。計測部１２のＣＰＵ１４により該移動機構の移動制御がなされる。

また、光電変換面８０を複数の受光部を備えた撮像素子により構成してもよい。撮像素子を用いることで、電子的に受光領域を選択することができる。撮像素子はＰＤの集合体によって構成しても構わない。より具体的には、光電変換面８０として、複数のＰＤを配列したＰＤユニットを設け、ＰＤユニットに含まれるＰＤのうち受光するＰＤを選択して、該選択したＰＤの出力を取得するようにしてもよい。これにより、受光面積が調整される。

また、図２５に示すように、光電変換面として、ＰＤの代わりにＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用い、受光領域を電気的に変更する（使用しない範囲の画素は駆動させない等）ようにしてもよい。このような構成によっても、受光領域が調整される。本例では、受光領域が電気的に変更される光電変換面を、通常の光電変換面８０と区別するため、符号に８５を付して図示した。

なお、計測対象の位置変動範囲の中央が基準位置となるように受光面積を調整するという目的に限らず、例えば、受光面積は変更しないが、受光領域を変更するという目的で、複数の受光素子を備えた撮像素子により光電変換面８０を構成することもできる。

例えば、第３実施形態において、図１７を参照して説明した計測装置１０Ｈの光源４６から光ビームを順次出射することで、計測対象物ＯＢにおける複数の反射点の高さ方向の位置ｈを計測する場合、反射点は、光ビーム毎に横方向にずれていくことになる。従って、光電変換部に含まれる光電変換面８０の受光位置も次第にずれていく。また、複数の発光点の位置を計測する場合及び複数の集光点の位置を計測する場合も同様である。従って、図２６に示すように、受光領域を光ビーム毎に電気的に変更する（使用しない範囲の画素は駆動させない等）ようにしてもよい。

なお、計測装置は、変形例３で説明した光電変換面８０の受光位置を変更可能とする構成と、変形例４で説明した光電変換面８０の受光領域を変更可能とする構成とを組み合わせて形成してもよい。

（変形例３及び変形例４の詳細な説明）

ここで、上記変形例３及び変形例４で説明した構成において、受光位置又は受光領域を変更する手順の一例をより詳細に説明する。

事前のキャリブレーションで計測した２つの光電変換面８０の出力値から出力比を求め、出力比が１となる最適設定（光電変換面８０の設置位置及び受光領域の少なくとも一方の最適設定）とのズレ量及びズレ方向を計算し、２つの光電変換面８０のうち少なくとも一方の設置位置及び受光領域の少なくとも一方を最適設定に修正してから実際の計測対象を計測する。ただし、出力比はハーフミラーの透過／反射光の比率や光電変換面８０の感度を補正した後の誤差を含まない値とする。なお、計測前にズレ量及びズレ方向が分かっている場合は、計測前に設定を修正するようにしてもよい。修正範囲は無段階であってもよいが、複数の段階を設けても構わない。

また、計測時間に余裕がある場合には、複数の設定における計測を行い複数の出力比を求めておき、出力比が１となるときの設定による結果を選択して出力するようにしてもよい。

（変形例５）

第１〜第３実施形態、及び上記各種変形例では、複数の光電変換面８０の各々が、別体で構成されている例について説明したが、これに限定されない。例えば、複数の光電変換面８０の各々を同一の基板上に成形してもよい。

図２７に、同一の基板上に成形された複数の光電変換面８０を含む光電変換部の一例を示す。図２７に示す光電変換部３０Ｃは、設置基板９２、２つの光電変換面８０_１、８０_２、ハーフミラー９４、及びミラー９６を備えている。

図２７に示すように、２つの光電変換面８０_１、８０_２は設置基板９２上に成形されている。計測対象（発光点、反射点、又は集光点）からの光は、ハーフミラー９４に入射される。ハーフミラー９４は入射された光を透過及び反射する。ハーフミラー９４の反射光の出射方向には、設置基板９２上に成形された光電変換面８０_１が配置される。ハーフミラー９４の透過光の出射方向にはミラー９６が配置され、ミラー９６の反射光の出射方向に設置基板９２上に成形された光電変換面８０_２が配置される。ミラー９６は、ハーフミラー９４から入射された光を光電変換面８０_２側に反射する。すなわち、光電変換面８０_２には、ハーフミラー９４及びミラー９６を介して計測対象から出射された光が入射される。

図２８に、同一の基板上に成形された複数の光電変換面８０を含む光電変換部の他の例を示す。図２８に示す光電変換部３０Ｄも光電変換部３０Ｃと同様に、設置基板９２、２つの光電変換面８０_１、８０_２、ハーフミラー９４、及びミラー９６を備えている。

図２８に示すように、２つの光電変換面８０_１、８０_２は設置基板９２上に成形されている。計測対象（発光点、反射点、又は集光点）からの光は、ハーフミラー９４に入射される。光電変換部３０Ｄでは、設置基板９２の光電変換面８０_１及び光電変換面８０_２が成形された面が、計測対象に対向するように設置されている。

光電変換部３０Ｄにおいて、ハーフミラー９４の透過光の出射方向には、設置基板９２上に成形された光電変換面８０_１が配置される。ハーフミラー９４の反射光の出射方向にはミラー９６が配置され、ミラー９６の反射光の出射方向に設置基板９２上に成形された光電変換面８０_２が配置される。ミラー９６は、ハーフミラー９４から入射された光を反射する。すなわち、光電変換面８０_２には、ハーフミラー９４及びミラー９６を介して計測対象から出射された光が入射される。

なお、光電変換部３０Ｃ、３０Ｄの何れにおいても、ミラー９６を介する光線のほうが、ミラー９６を介さない光線よりも計測対象からの距離（光路長）が長くなるため、光電変換面８０_２を光路長の長い光電変換面８０として扱い、光電変換面８０_１を光路長の短い光電変換面８０として扱うことが望ましい。

なお、光電変換部３０Ｃ、３０Ｄにおいても、上記説明したように、光電変換面８０に対して遮蔽部材７０やレンズ７４等を設けてもよい。また、光電変換面８０として、複数のＰＤを備えた光電変換面を適用してもよいし、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を適用してもよい。

（変形例６）

上記光電変換部３０〜３０Ｄに設ける光電変換面８０は３枚以上であってもかまわない。その場合の構成としては、例えば、計測対象（発光点、反射点、又は集光点）が様々な変動範囲で変動するときに、変動範囲の中央を基準位置として、複数の光電変換面８０のうちの２つを前述の図１５に示す関係となるように構成してもよい。

図２９及び図３０は、３枚の光電変換面８０_１〜８０_３の配置状態を模式的に示した図である。各々の受光面積は異なる。ここでは、ハーフミラー及びハーフミラーによる光線の反射の図示を省略したが、例えば、計測対象の変動範囲が、図２９に示す範囲である場合には、３枚の光電変換面８０_１〜８０_３のうちの２枚、具体的には、計測対象からの光が、光電変換面８０_１及び光電変換面８０_２の各々の外縁部を通るように、各光電変換面８０の設置位置（又は各光電変換面８０の受光領域）を調整しておく。また、計測対象の変動範囲が、図２９に示す範囲より上昇して、図３０に示す範囲となった場合には、計測対象からの光が、光電変換面８０_１及び光電変換面８０_３の各々外縁部を通るように、各光電変換面８０の設置位置（又は各光電変換面８０の受光領域）を調整しておく。

このように、複数の光電変換面８０のうちの２枚を、計測対象が基準位置にあるときにその出力比が１となるように調整する。そして、計測部１２は、出力比が１となるように調整された光電変換面８０の各々の出力値を用いて、上述したように計測対象の位置ｈを計測する。

（変形例７）

複数の光電変換面８０のうち、少なくとも計測対象からの光路長が最も長い光電変換面８０を除く光電変換面８０を、入射した光を光電変換すると共に入射側と反対側に出射する（すなわち、透過する）光透過部材で構成し、複数の光電変換面９０の各々の受光面が互いに平行又は略平行となるようにして複数の光電変換面９０の各々の中心点を直線上に配置するようにしてもよい。本例では、上記変形例で説明した光電変換面８０とは符号を異ならせ、符号９０を付して説明する。

図３１は、中心点が直線上に位置するように配置された２つの光電変換面９０_１、９０_２を有する光電変換部３０Ｅを模式的に示した図である。少なくとも計測対象から光路長が短いほうの光電変換面９０_１を光が透過可能な材料（光透過部材）で形成した。光電変換面９０_１は、入射した光を光電変換すると共に、後段の光電変換面９０_２に出射する。後段の光電変換面９０_２は、光透過部材であってもよいし、光透過部材でなくてもよい。

このような構成によって、２つの光電変換面９０_１及び光電変換面９０_２への光路を分けるためのハーフミラーは不要となる。

ただし、光電変換部を図３１に示す構成とすると、図３２に示すように、光電変換面９０_１を支持する支持部材８８によって光電変換面９０_２に到達するはずの光が遮光される可能性もある。このため、図３３に示すように、計測対象が上下に移動した場合であっても、光電変換面９０_１を通過する光が光電変換面９０_２の受光面内に到達するように、余裕を持って各光電変換面９０の位置や大きさを設計する必要がある。従って、設計によっては、光電変換面９０_２の受光面積は、光電変換面９０_１の受光面積より小さくなる場合もあり得る。

（変形例８）

上記各実施形態及び変形例で説明した計測装置は、計測対象の高さ方向の位置ｈのみを計測する装置に限定されない。例えば、計測装置が、計測対象の高さ方向の位置ｈを計測する機能だけでなく、更に計測対象の反射率を検出する機能を有していてもよい。また、更に、検出した反射率を高さ方向の位置ｈの計測結果に基づいて補正する機能を有していてもよい。

例えば、上記各実施形態では、コンピュータ２００を用いて計測部１２を実現する例について説明したが、当該コンピュータ２００に反射率を検出する機能及び補正する機能を更に設けることができる。

図３４に、計測部１２に加え、計測対象の反射率を検出する検出部１３、及び検出部１３で検出された反射率を補正する補正部１５として機能するコンピュータ２００Ａの機能構成図を示す。ここで、コンピュータ２００Ａのハードウェア構成は図１のコンピュータ２００と同様であるが、ＲＯＭ１６に記憶されているプログラムは、コンピュータ２００Ａが計測部１２として機能するためのプログラムだけでなく、検出部１３として機能するためのプログラム、及び補正部１５として機能するためのプログラムも記憶されているため、添え字Ａを付してコンピュータ２００と区別して説明する。

本変形例では、前述した計測装置１０Ａ〜１０Ｈのコンピュータ２００に代えて、コンピュータ２００Ａを採用するものとする。ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ１６に記憶されている各プログラムを実行する。

ここで、反射率の検出方法について簡単に説明する。まず、事前に、前述した計測装置１０Ａ〜１０Ｈに含まれる光源４０から反射率１００％の部材に光を照射して、１つの光電変換面８０によって該部材からの反射光を受光し、その電気信号の大きさ（基準値）を記憶しておく。そして、実際に計測対象物の反射率を検出する場合には、検出部１３は、光源４０から計測対象物に光を照射してその反射光を光電変換して得られた電気信号の、上記事前に記憶しておいた基準値に対する割合を反射率として計算して検出する。

通常、計測対象物から光電変換面８０までの高さ方向の位置ｈが変動すると反射率も変動する。そこで、補正部１５は、計測部１２により計測された、計測対象物の高さ方向の位置ｈの計測値を用いて、反射率を補正する。位置ｈと補正値との関係は、予め実験等により求めておき、記憶しておくことができる。補正部１５は、検出部１３により検出された反射率を、位置ｈに対応して予め記憶されている補正値により補正する。例えば、補正部１５は、検出部１３により検出された反射率に補正値を乗算する、補正値を減算する、等、予め設定されている計算方法により補正する。これにより、より正確な反射率を得ることができる。

（変形例９）

光電変換面８０、９０は光を受光して光電変換を行ない電気信号を出力するが、このとき、外乱光が光電変換面８０、９０に入射することがある。そこで、外乱光を除去するために、発光点Ｐ又は光源４０が消灯しているときの光電変換面８０、９０の出力値を予め計測しておき、基準値としてＲＯＭ１６等の記憶媒体に記憶しておく。そして、発光点Ｐ又は光源４０が点灯しているとき（光を計測対象に照射しているとき）の光電変換面８０、９０の出力値から上記基準値を差し引いた値を求め、その後、２つの光電変換面８０、９０の各々の出力比を求めるようにしてもよい。

（変形例１０）

なお、各光電変換面８０、９０が受光する光は、発光光や反射光だけに限定されない。例えば、計測対象物ＯＢを透過した透過光を受光して光電変換するように構成してもよい。

この場合には、光電変換面８０、９０は、計測対象物ＯＢに照射された光が透過する側、すなわち、光源４０が配置された側とは反対側に光電変換部（光電変換部３０Ａ〜３０Ｅに示すように、光電変換面やハーフミラー等を含む）が配置される。

（変形例１１）

上記第１〜第３実施形態及び各変形例では、光電変換部が複数の光電変換面を有する例について説明したが、光電変換面の数は１つであってもよい。ただし、光電変換面の数を１つにする場合には、１つの光電変換面に移動機構を設けて移動可能に構成し、当該１つの光電変換面を上記移動機構により移動させて光路長を変更し、光路長毎に光電変換面からの出力値を取得し、２つの出力値を用いて出力比を求め、上述したように計測対象の位置ｈを計測するようにしてもよい。このような構成により、光電変換面の数が１つであっても、計測対象の位置ｈを簡単に計測できる。複数の光電変換面を用い、光電変換面を移動せずに計測するほうが高速に計測できるが、光電変換面の数がコスト面で制限される場合には本変形例は有用な構成となる。

以上、様々な計測装置を例に挙げて説明したが、計測装置は上記の実施形態に限るものではなく、種々の変形、変更、改良が可能である。例えば、上記に示した実施形態や変形例を、適宜組み合わせて構成しても良い。

１０、１０Ａ〜１０Ｈ計測装置
１２計測部
１３検出部
１４ＣＰＵ
１５補正部
１６ＲＯＭ
１８ＲＡＭ
２０入出力ＩＦ
３０、３０Ａ〜３０Ｅ光電変換部
３２第１の光電変換面
３４第２の光電変換面
３６ハーフミラー
４０光源
４２ハーフミラー
４４コリメートレンズ
４４Ａ両側テレセントリックレンズ
４６光源
５０レンズ
６０第１の光電変換面
６２第２の光電変換面
７０遮蔽部材
７２開口部
７４レンズ
７８遮蔽部材
８０光電変換面
８８支持部材
９２設置基板
９４ハーフミラー
９６ミラー

Claims

位置計測対象から出射された光を、光路長を異ならせて各々受光することが可能に構成され、光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力する光電変換部と、
前記光電変換部で得られた光路長毎の電気信号のうち２つの電気信号の比率に基づいて、前記位置計測対象の位置を計測する計測部と、
を含む計測装置。
前記光電変換部は、前記光路長が互いに異なる複数の光電変換面を含んで構成され、該複数の光電変換面により前記位置計測対象から出射された光を受光することにより、光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力する
請求項１に記載の計測装置。
各々前記位置計測対象に入射され、且つ光軸位置が互いに異なる複数の光を順次出射することが可能な光源を更に備え、
前記計測部は、前記光源から順次出射された前記複数の光の各々について、前記２つの電気信号を取得して前記比率を求め、前記複数の光毎の前記比率に基づいて、前記位置計測対象の複数箇所の位置を計測する
請求項１又は請求項２に記載の計測装置。
前記位置計測対象が予め定められた基準位置に配置された状態で、前記複数の光電変換面のうち２つの光電変換面から出力された電気信号の比率が１又は１を含む予め定められた範囲内となるように、該２つの光電変換面の前記基準位置からの光路長及び受光面積の少なくとも一方を予め調整して構成し、
前記計測部は、前記比率が１又は１を含む予め定められた範囲内となるように調整された２つの光電変換面から出力された電気信号の比率に基づいて、前記位置計測対象の位置を計測する
請求項２又は請求項３に記載の計測装置。
前記位置計測対象が予め定められた基準位置に配置された状態で、前記基準位置から前記２つの光電変換面までの光路長の差分が予め定められた値以上となるように前記光電変換部を構成した
請求項４に記載の計測装置。
前記計測部は、前記位置計測対象において前記複数の光のうち何れか１つの光が照射される照射位置が前記基準位置となるように前記位置計測対象が配置された状態で、前記光源から順次出射された前記複数の光の各々について、前記２つの光電変換面から出力された電気信号を取得して前記比率を求め、前記複数の光毎の前記比率に基づいて、前記位置計測対象の複数箇所の位置を計測する
請求項４又は請求項５に記載の計測装置。
前記計測装置は、前記複数の光電変換面を、前記光路長が長い光電変換部ほど受光面積が大きくなるように構成する
請求項２〜請求項６に記載の計測装置。
前記複数の光電変換面の少なくとも１つの受光領域が可変となるように構成した
請求項２〜請求項７の何れか１項記載の計測装置。
前記複数の光電変換面の少なくとも１つに、該光電変換面の位置を移動させ、該光電変換面から前記位置計測対象までの距離を調整する移動機構を設けた
請求項２〜請求項８の何れか１項記載の計測装置。
前記複数の光電変換面のうち、少なくとも前記位置計測対象からの光路長が最も長い光電変換面を除く光電変換面を、入射した光を光電変換すると共に入射側と反対側に出射する光透過部材で構成し、各々の中心点が直線上に位置するように前記複数の光電変換面の各々を配置した
請求項２〜請求項９の何れか１項記載の計測装置。
前記位置計測対象は、入射した光を前記光電変換部に対して出射し、
前記位置計測対象に入射する光の光路上に、入射した光を集光して出射する集光部を設けた
請求項１〜請求項１０の何れか１項記載の計測装置。
前記光電変換部は、前記位置計測対象からの反射光を受光し、前記光路長毎に受光量に応じた電気信号を出力し、
前記光電変換部で得られた光路長毎の電気信号のうち１つの電気信号を用いて前記位置計測対象の反射率を検出する検出部と、
前記計測部の計測結果を用いて前記検出された反射率を補正する補正部と、
を更に含む請求項１〜請求項１１の何れか１項記載の計測装置。