特許 6890797 測定装置、光学式センサ、測定方法及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6890797

(24)【登録日】2021年5月28日

(45)【発行日】2021年6月18日

(54)【発明の名称】測定装置、光学式センサ、測定方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20210607BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20210607BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 A

   G01C3/06 110A

【請求項の数】13

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2016-254494(P2016-254494)

(22)【出願日】2016年12月27日

(65)【公開番号】特開2018-105796(P2018-105796A)

(43)【公開日】2018年7月5日

【審査請求日】2019年12月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】丸山 真幸

(72)【発明者】

【氏名】和田 智之

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 徳人

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０６６１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１１１１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−０５２６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０７１９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５０３２０２３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｃ ３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の形状を光により測定する測定装置であって、
前記対象物からの光を検出するための受光部に対する、前記対象物に入射する光及び前記対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる制御部と、
前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する測定部と
を備え、
前記受光部は、エリアセンサであり、
前記制御部は、
前記対象物からの光の光路を第１の光路にして、前記対象物からの光を前記エリアセンサの第１の領域に入射させ、
前記対象物からの光の光路を前記第１の光路から第２の光路に変化させて、前記対象物からの光を前記エリアセンサの第２の領域に入射させ、
前記測定部は、前記エリアセンサの前記第１の領域に設けられた複数の受光素子による前記対象物からの光の検出結果と、前記エリアセンサの前記第２の領域に設けられた複数の受光素子による前記対象物からの光の検出結果とに基づいて、前記対象物の形状を測定する測定装置。

【請求項2】

対象物の形状を光により測定する測定装置であって、
前記対象物からの光を検出するための受光部に対する、前記対象物に入射する光及び前記対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる制御部と、
前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する測定部と
を備え、
前記受光部は、エリアセンサであり、
前記測定装置は、
第１の測定モードにおいて、前記制御部は、前記エリアセンサに対して前記光路を変化させ、前記測定部は、前記エリアセンサ上の予め定められた位置で前記対象物からの光が検出された場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定し、
第２の測定モードにおいて、前記制御部は、前記エリアセンサに対して前記光路が固定された状態で前記エリアセンサに前記対象物からの光を受光させ、前記測定部は、前記エリアセンサ上における、前記対象物からの光が検出された位置に基づいて、前記対象物の形状を測定し、
前記測定装置は、
前記第１の測定モードと前記第２の測定モードとを切り換える切替部
をさらに備える測定装置。

【請求項3】

前記光路を変更する光素子
をさらに備え、
前記制御部は、前記光素子の状態を変化させることにより、前記受光部に対して前記光路を変化させる
請求項１又は２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記光素子は、屈折又は回折により前記光路を変更し、
前記制御部は、前記光素子の向きを変化させることにより、前記受光部に対して前記光路を変化させ、
前記測定部は、前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光素子の向きに基づいて、前記対象物の形状を測定する
請求項３に記載の測定装置。

【請求項5】

前記光素子は、１つ以上のプリズムを有し、
前記制御部は、前記プリズムの向きを変化させることにより、前記受光部に対して前記光路を変化させ、
前記測定部は、前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記プリズムの向きに基づいて、前記対象物の形状を測定する
請求項３又は４に記載の測定装置。

【請求項6】

前記光素子は、反射により前記光路を変更し、
前記制御部は、前記光素子の向きを変化させることにより、前記受光部に対して前記光路を変化させ、
前記測定部は、前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光素子の向きに基づいて、前記対象物の形状を測定する
請求項３に記載の測定装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記受光部によって前記対象物からの光が検出されるまで、前記受光部に対して前記光路を変化させる
請求項３から６のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の測定装置と、
前記受光部と
を備える光学式センサ。

【請求項9】

前記対象物に入射する光を出射する発光部
をさらに備える請求項８に記載の光学式センサ。

【請求項10】

対象物の形状を光により測定する測定方法であって、
前記対象物からの光を検出するための受光部に対する、前記対象物に入射する光及び前記対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる段階と、
前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する段階と
を備え、
前記受光部は、エリアセンサであり、
前記光路を変化させる段階は、
前記対象物からの光の光路を第１の光路にして、前記対象物からの光を前記エリアセンサの第１の領域に入射させる段階と、
前記対象物からの光の光路を前記第１の光路から第２の光路に変化させて、前記対象物からの光を前記エリアセンサの第２の領域に入射させる段階と
を備え、
前記対象物の形状を測定する段階は、前記エリアセンサの前記第１の領域に設けられた複数の受光素子による前記対象物からの光の検出結果と、前記エリアセンサの前記第２の領域に設けられた複数の受光素子による前記対象物からの光の検出結果とに基づいて、前記対象物の形状を測定する段階を備える測定方法。

【請求項11】

対象物の形状を光により測定するためのプログラムであって、コンピュータに、
前記対象物からの光を検出するための受光部に対する、前記対象物に入射する光及び前記対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる手順と、
前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する手順と
を実行させ、
前記受光部は、エリアセンサであり、
前記光路を変化させる手順は、
前記対象物からの光の光路を第１の光路にして、前記対象物からの光を前記エリアセンサの第１の領域に入射させる手順と、
前記対象物からの光の光路を前記第１の光路から第２の光路に変化させて、前記対象物からの光を前記エリアセンサの第２の領域に入射させる手順と
を備え、
前記対象物の形状を測定する手順は、前記エリアセンサの前記第１の領域に設けられた複数の受光素子による前記対象物からの光の検出結果と、前記エリアセンサの前記第２の領域に設けられた複数の受光素子による前記対象物からの光の検出結果とに基づいて、前記対象物の形状を測定する手順を備えるプログラム。

【請求項12】

対象物の形状を光により測定する測定方法であって、
前記対象物からの光を検出するための受光部に対する、前記対象物に入射する光及び前記対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる段階と、
前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する段階と
を備え、
前記受光部は、エリアセンサであり、
前記光路を変化させる段階は、第１の測定モードにおいて、前記エリアセンサに対して前記光路を変化させる段階を備え、前記対象物の形状を測定する段階は、前記第１の測定モードにおいて、前記エリアセンサ上の予め定められた位置で前記対象物からの光が検出された場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する段階を備え、
前記光路を変化させる段階は、第２の測定モードにおいて、前記エリアセンサに対して前記光路が固定された状態で前記エリアセンサに前記対象物からの光を受光させる段階を備え、前記対象物の形状を測定する段階は、前記第２の測定モードにおいて、前記エリアセンサ上における、前記対象物からの光が検出された位置に基づいて、前記対象物の形状を測定する段階を備え、
前記測定方法は、
前記第１の測定モードと前記第２の測定モードとを切り換える段階
をさらに備える測定方法。

【請求項13】

対象物の形状を光により測定するためのプログラムであって、コンピュータに、
前記対象物からの光を検出するための受光部に対する、前記対象物に入射する光及び前記対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる手順と、
前記受光部が前記対象物からの光を検出した場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する手順と
を実行させ、
前記受光部は、エリアセンサであり、
前記光路を変化させる手順は、第１の測定モードにおいて、前記エリアセンサに対して前記光路を変化させる手順を備え、前記対象物の形状を測定する手順は、前記第１の測定モードにおいて、前記エリアセンサ上の予め定められた位置で前記対象物からの光が検出された場合の前記光路に基づいて、前記対象物の形状を測定する手順を備え、
前記光路を変化させる手順は、第２の測定モードにおいて、前記エリアセンサに対して前記光路が固定された状態で前記エリアセンサに前記対象物からの光を受光させる手順を備え、前記対象物の形状を測定する手順は、前記第２の測定モードにおいて、前記エリアセンサ上における、前記対象物からの光が検出された位置に基づいて、前記対象物の形状を測定する手順を備え、
前記プログラムは、コンピュータに、
前記第１の測定モードと前記第２の測定モードとを切り換える手順
をさらに実行させるプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定装置、光学式センサ、測定方法及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象物に照射した投光ビームの反射光を２次元イメージセンサによって受光して、受光レベルのピーク位置から物体の表面までの変位又は距離を算出する光式変位センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００４−１７０４３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

対象物からの光を２次元センサで受光する方式は、測定精度又は測定範囲が２次元センサの素子配置の影響を受け易いという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様においては、対象物の形状を光により測定する測定装置であって、対象物からの光を検出するための受光部に対する、対象物に入射する光及び対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる制御部と、受光部が対象物からの光を検出した場合の光路に基づいて、対象物の形状を測定する測定部とを備える。

【0005】

光路を変更する光素子をさらに備え、制御部は、光素子の状態を変化させることにより、受光部に対して光路を変化させてよい。

【0006】

光素子は、屈折又は回折により光路を変更し、制御部は、光素子の向きを変化させることにより、受光部に対して光路を変化させ、測定部は、受光部が対象物からの光を検出した場合の光素子の向きに基づいて、対象物の形状を測定してよい。

【0007】

光素子は、１つ以上のプリズムを有し、制御部は、プリズムの向きを変化させることにより、受光部に対して光路を変化させ、測定部は、受光部が対象物からの光を検出した場合のプリズムの向きに基づいて、対象物の形状を測定してよい。

【0008】

光素子は、反射により光路を変更し、制御部は、光素子の向きを変化させることにより、受光部に対して光路を変化させ、測定部は、受光部が対象物からの光を検出した場合の光素子の向きに基づいて、対象物の形状を測定してよい。

【0009】

制御部は、受光部によって対象物からの光が検出されるまで、受光部に対して光路を変化させてよい。

【0010】

制御部は、受光部によって対象物からの光が検出されるまで、受光部の位置を変化させてよい。

【0011】

受光部は、光路の変化方向に略直交するように設けられたラインセンサであってよい。

【0012】

受光部は、エリアセンサであり、制御部は、対象物からの光の光路を第１の光路にして、対象物からの光をエリアセンサの第１の領域に入射させ、対象物からの光の光路を第１の光路から第２の光路に変化させて、対象物からの光をエリアセンサの第２の領域に入射させ、測定部は、エリアセンサの第１の領域に設けられた複数の受光素子による対象物からの光の検出結果と、エリアセンサの第２の領域に設けられた複数の受光素子による対象物からの光の検出結果とに基づいて、対象物の形状を測定してよい。

【0013】

受光部は、エリアセンサであり、測定装置は、第１の測定モードにおいて、制御部は、エリアセンサに対して光路を変化させ、測定部は、エリアセンサ上の予め定められた位置で対象物からの光が検出された場合の光路に基づいて、対象物の形状を測定し、第２の測定モードにおいて、制御部は、エリアセンサに対して光路が固定された状態でエリアセンサに対象物からの光を受光させ、測定部は、エリアセンサ上における、対象物からの光が検出された位置に基づいて、対象物の形状を測定し、測定装置は、第１の測定モードと第２の測定モードとを切り換える切替部をさらに備えてよい。

【0014】

本発明の第２の態様においては、光学式センサは、上記の測定装置と、受光部とを備える。

【0015】

対象物に入射する光を出射する発光部をさらに備えてよい。

【0016】

本発明の第３の態様においては、対象物の形状を光により測定する測定方法であって、対象物からの光を検出するための受光部に対する、対象物に入射する光及び対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる段階と、受光部が対象物からの光を検出した場合の光路に基づいて、対象物の形状を測定する段階とを備える。

【0017】

本発明の第４の態様においては、対象物の形状を測定するためのプログラムであって、コンピュータに、対象物からの光を検出するための受光部に対する、対象物に入射する光及び対象物からの光の少なくとも一方の光路を変化させる手順と、受光部が対象物からの光を検出した場合の光路に基づいて、対象物の形状を測定する手順とを実行させる。

【0018】

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態における光学式センサ１０の機能構成の一例を概略的に示す。

【図2】光素子１００の一例としてのプリズム系２００を概略的に示す。

【図3】Ｈ１位置からの光が受光部１３０に入射する場合のプリズム系２００の状態を示す。

【図4】Ｈ２位置からの光が受光部１３０に入射する場合のプリズム系２００の状態を示す。

【図5】Ｈ３位置からの光が受光部１３０に入射する場合のプリズム系２００の状態を示す。

【図6】プリズム系２００の回転角度θに対する受光強度Ｉの依存性を示すグラフである。

【図7】プリズム系２００の回転角度θと対象物の高さＨとの対応関係をテーブル形式で示す。

【図8】対象物の形状を光により測定する測定方法の一例を示すフローチャートである。

【図9】第２実施形態における光学式センサ９１０の機能構成の一例を概略的に示す。

【図10】照射されるライン光を、受光部１３０で得られる受光強度Ｉの信号ととともに概略的に示す。

【図11】第３実施形態における光学式センサ１１１０の機能構成の一例を概略的に示す。

【図12】受光部１１３０における受光素子配置と反射光の強度分布を概略的に示す。

【図13】プリズム系２００の回転角度θを変化させた場合の反射光の強度分布を概略的に示す。

【図14】第１実施形態の第１変形例としての光学式センサ１４１０の投光系９０及び受光系１４６０を概略的に示す。

【図15】第１実施形態の第２変形例としての光学式センサ１５１０の投光系９０及び受光系１５６０を概略的に示す。

【図16】第１実施形態の第３変形例としての光学式センサ１６１０の投光系９０及び受光系１６６０を概略的に示す。

【図17】第４実施形態における光学式センサ１７１０の機能構成の一例を概略的に示す。

【図18】第５実施形態における光学式センサ１８１０の機能構成の一例を概略的に示す。

【図19】複数の実施形態が全体的または部分的に具現化され得るコンピュータ２０００の例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0021】

図１は、第１実施形態における光学式センサ１０の機能構成の一例を概略的に示す。光学式センサ１０は、測定装置２０と、駆動装置１１０と、投光系９０と、受光系６０とを備える。投光系９０は、発光部１８０と、レンズ１７０とを備える。受光系６０は、光素子１００と、レンズ１２０と、受光部１３０とを備える。測定装置２０は、制御部１４０と、測定部１５０とを有する。

【0022】

測定装置２０は、対象物の形状を光により測定する。具体的には、測定装置２０は、対象物の高さを測定することにより、対象物の形状を測定する。本実施形態において、測定装置２０は、対象物の表面の、予め定められた基準面からの高さＨを測定する。本実施形態において、「高さ」は、投光系９０の光軸に沿う方向における、基準面からの距離を示す。本実施形態において、対象物の表面の、予め定められた基準面からの高さのことを「対象物の高さ」と呼ぶ場合がある。

【0023】

本実施形態において、対象物の表面が基準面から高さＨ１にある場合と、対象物の表面が基準面から高さＨ２にある場合と、対象物の表面が基準面から高さＨ３にある場合とを特に取り上げて説明する場合がある。本実施形態の説明において、表面が基準面からＨ１の高さにある対象物の反射光を、Ｈ１位置からの光と呼ぶ場合がある。同様に、表面が基準面からＨ２の高さにある対象物の反射光を、Ｈ２位置からの光と呼び、表面が基準面からＨ３の高さにある対象物の反射光を、Ｈ３位置からの光と呼ぶ場合がある。

【0024】

また、実施形態の説明において、ｘｙｚ座標系を用いて方向等を表す場合がある。直交座標系のｚ軸を、投光系９０の光軸に平行な向きに定める。投光系９０からの光が進む方向を、ｚ軸マイナス方向とする。また、投光系９０の光軸及び受光系６０の光軸を含む面がｙｚ面に平行になるように、ｙ軸を定める。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は右手系の直交座標系とする。また、実施形態の説明において、受光部１３０の方向等を表す場合に、ＸＹＺ座標系を用いる場合がある。Ｚ軸は、受光部１３０の光軸に平行な方向に定める。Ｘ軸は、ｘ軸と同じ方向に定める。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は右手系の直交座標系とする。

【0025】

投光系９０において、発光部１８０は、対象物の形状を測定するための光を出射する。発光部１８０は、例えばレーザダイオード（ＬＤ）であり、レーザ光を出射する。発光部１８０が出射した光は、対象物に入射する。対象物に入射した光は、対象物の表面で反射する。受光系６０には、対象物の表面で反射した光のうちの少なくとも一部の光が入射する。

【0026】

受光系６０に入射した光は、光素子１００及びレンズ１２０を通過して、受光部１３０に入射する。受光部１３０は、対象物からの光を検出するための部材である。本実施形態において、受光部１３０は、単一の受光素子を備えるとする。受光素子は、例えばフォトダイオード等の光電変換素子であってよい。

【0027】

光素子１００は、対象物からの光の光路中に設けられる。光素子１００は、対象物からの光の光路を変化させる。光素子１００は、光路の変更量が可変な光素子である。制御部１４０は、光素子１００の状態を変化させることにより、受光部１３０に対して光路を変化させる。

【0028】

駆動装置１１０は、制御部１４０の制御に従って、光素子１００が変更する光路の変更量を変化させる。対象物の表面が基準面からＨ１の高さにある場合、Ｈ１位置からの光は、光素子１００を通過して受光部１３０に入射する。駆動装置１１０は、Ｈ２位置からの光が、受光部１３０に入射するように、光素子１００による光路の変更量を変化させることができる。また、駆動装置１１０は、Ｈ３位置からの光が、受光部１３０に入射するように、光素子１００による光路の変更量を変化させることができる。

【0029】

このように、制御部１４０は、受光部１３０に対する、対象物からの光の光路を変化させる。具体的には、制御部１４０は、駆動装置１１０を制御することにより、光素子１００による光路の変更量を変化させる。そして、測定部１５０は、受光部１３０が対象物からの光を検出した場合の光路に基づいて、対象物の形状を測定する。例えば、測定部１５０は、駆動装置１１０の駆動量を、制御部１４０から取得する。測定部１５０は、受光部１３０が対象物からの光を検出した場合における駆動量に基づいて、基準面からの対象物の表面の高さＨを算出する。これにより、測定部１５０は、対象物の表面形状を測定する。

【0030】

光学式センサ１０によれば、受光部１３０が対象物からの光を受光するように光素子１００を制御することによって、対象物の形状を測定することができる。そのため、対象物の形状を２次元センサの受光レベルから測定する場合に比べて、対象物の形状の測定結果が２次元センサの素子配列の影響を受けにくくすることができる。

【0031】

図２は、光素子１００の一例としてのプリズム系２００を概略的に示す。プリズム系２００は、第１プリズム１０１と第２プリズム１０２とを備える。第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２は、それぞれウェッジプリズムである。プリズム系２００は、リズレープリズム対を形成する。

【0032】

プリズム系２００は、プリズム系２００を通過する光の光路を変更する。具体的には、図２に示されるように、プリズム系２００は、プリズム系２００への入射光を偏向する。より具体的には、プリズム系２００への入射光は、第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２によってそれぞれ偏向される。これにより、プリズム系２００からの出射光は、入射光とは異なる向きに進む。

【0033】

第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２は、プリズム系２００の光軸ＡＸを中心に回転可能に設けられる。駆動装置１１０は、第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２を互いに逆回りに回転させる。制御部１４０は、第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２の回転角度を示す角度θを、駆動量として駆動装置１１０に出力する。この場合、駆動装置１１０は、第１プリズム１０１の回転角度が基準角度からθになり、第２プリズム１０２の回転角度が基準角度から−θになるように、第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２を回転させる。これにより、入射光に対する出射光の偏向角φが、回転角度θに応じて変化する。

【0034】

このように、制御部１４０は、第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２の向きを変化させることにより、受光部１３０に対して光路を変化させる。プリズム系２００において、第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２の向きとは、プリズム系２００の光軸ＡＸのまわりの回転角度に対応する。測定部１５０は、受光部１３０が対象物からの光を検出した場合のプリズムの向きに基づいて、対象物の形状を測定することができる。後述する。なお、プリズム系２００は、屈折により光路を変更する光素子の一例である。

【0035】

なお、駆動装置１１０はガルバノモータであってよい。駆動装置１１０として、ガルバノモータの他に、サーボモータ、ステッピングモータ等、様々なアクチュエータを適用できる。

【0036】

なお、本実施形態では、回転角度θの符号について、入射光の進行方向に見た場合の右回り方向をプラス方向として説明する場合がある。また、基準角度に対する第１プリズム１０１の回転角度を、「プリズム系２００の回転角度」と呼ぶ場合がある。

【0037】

図３は、Ｈ１位置からの光が受光部１３０に入射する場合のプリズム系２００の状態を示す。この状態を第１の状態と呼ぶ。第１の状態において、第１プリズム１０１の入射側の面は、第２プリズム１０２の出射側の面と平行となっている。この場合、Ｈ１位置からの光は、ｙｚ面内において実質的に直進する。

【0038】

図４は、Ｈ２位置からの光が受光部１３０に入射する場合のプリズム系２００の状態を示す。この状態を第２の状態と呼ぶ。第２の状態は、図３の第１の状態に対して、第１プリズム１０１を−９０°回転させ、第２プリズム１０２を９０°回転させた状態である。

【0039】

図５は、Ｈ３位置からの光が受光部１３０に入射する場合のプリズム系２００の状態を示す。この状態を第２の状態と呼ぶ。第２の状態は、図３の第１の状態に対して、第１プリズム１０１を９０°回転させ、第２プリズム１０２を−９０°回転させた状態である。

【0040】

図６は、プリズム系２００の回転角度θに対する受光強度Ｉの依存性を示すグラフである。制御部１４０は、駆動装置１１０を制御することにより、プリズム系２００の回転角度θを時間的に変化させる。測定部１５０は、受光部１３０が出力する受光量信号に基づいて、受光部１３０の受光強度Ｉの時間変化を検出する。上述したように、プリズム系２００の回転角度θを変化させていくと、対象物の表面の位置に対応する角度において、受光部１３０の受光強度Ｉのピークが得られる。

【0041】

測定部１５０は、受光部１３０の受光強度Ｉを解析することにより、受光強度Ｉのピークが得られたときのプリズム系２００の回転角度θ１を特定する。測定部１５０は、特定した回転角度θ１に基づいて、対象物の表面の高さＨを算出する。

【0042】

図７は、プリズム系２００の回転角度θと対象物の高さＨとの対応関係をテーブル形式で示す。測定部１５０は、プリズム系２００の回転角度θを対象物の高さＨを対応付ける対応付け情報を記憶する。ここで回転角度θは、受光強度Ｉのピークが得られたときの回転角度である。図７では、対応付け情報の一例としてのテーブルを示す。テーブルは、複数の回転角度θのそれぞれに対して、対象物の高さＨを対応付ける。

【0043】

測定部１５０は、受光強度Ｉのピークが得られたときのプリズム系２００の回転角度θが得られた場合、当該テーブルを参照して、テーブルによって回転角度θに対応づけられているＨを、物体の高さとして特定する。例えば、測定部１５０は、受光強度Ｉのピークが得られたときのプリズム系２００の回転角度がθ１である場合、θ１に対応づけられているＨ１を、物体の高さとして特定する。なお、対応付け情報において参照する回転角度θが離散値である場合、測定部１５０は、特定した回転角度に最も近い回転角度θに対応付けられている物体の高さＨを、物体の高さとして算出してよい。また、測定部１５０は、複数の回転角度θに対応づけられた複数のＨを用いて補間演算等をすることによって、物体の高さを算出してもよい。

【0044】

対象物の高さＨは、三角測量の原理に基づいて、発光部１８０及び受光部１３０の位置、発光部１８０からの照射光の光軸の角度、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度、並びに、プリズム系２００による光路変更量から定まる。一般に、三角測量においては、２つの基準点のそれぞれから測定対象点への角度を測定して、測定された角度と、２つの基準点の位置とに基づいて、２つの基準点を結ぶ基線に対する測定対象点の位置を算出する。光学式センサ１０において、プリズム系２００が入射光の光路を変更しないとすると、発光部１８０及び受光部１３０が、三角測量における２つの基準点に対応し、発光部１８０からの照射光の光軸の角度、及び、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度が、三角測量における各基準点から測定対象点への角度に対応する。これにより、三角測量の原理に基づいて、発光部１８０と発光部１８０とを結ぶ基線に対する対象物の位置を測定することができ、それにより、特定の基準面からの対象物の高さＨを測定できる。光学式センサ１０においてはプリズム系２００が光路を変更する。そのため、受光部１３０の位置に対応する三角測量の基準点の位置、及び、当該基準点から測定対象点の角度の少なくとも一方が、プリズム系２００の光路変更量に応じて変化するが、それらは、プリズム系２００の回転角度θと、受光部１３０の位置と、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度とによって定まる。よって、対象物の高さＨは、発光部１８０及び受光部１３０の位置、発光部１８０からの照射光の光軸の角度、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度、並びに、プリズム系２００の回転角度θから算出することができる。よって、発光部１８０及び受光部１３０の位置、発光部１８０からの照射光の光軸の角度、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度が固定の場合、複数の回転角度θのそれぞれについて対象物の高さＨを予め算出しておき、図７に示すように回転角度θと対象物の高さＨとの対応関係をテーブルとして格納することができる。

【0045】

なお、測定部１５０は、テーブルを用いることなく、上述した対象物の高さＨの算出方法を適用して、発光部１８０及び受光部１３０の位置、発光部１８０からの照射光の光軸の角度、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度、並びに、受光強度Ｉのピークが得られたときのプリズム系２００の回転角度θを用いた演算により、対象物の高さＨを算出してよい。発光部１８０及び受光部１３０の位置、発光部１８０からの照射光の光軸の角度、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度が固定の場合は、測定部１５０は、受光強度Ｉのピークが得られたときのプリズム系２００の回転角度θを用いた演算により、対象物の高さＨを算出してよい。対象物の高さＨを算出するための演算の実現方法として、発光部１８０及び受光部１３０の位置、発光部１８０からの照射光の光軸の角度、受光部１３０及びレンズ１２０からなる光学系の光軸の角度、並びに、プリズム系２００の回転角度θを引数とする関数を用いてよい。

【0046】

上述したテーブルや関数は、プリズム系２００の回転角度θに基づいて対象物の高さＨを特定するための対応付け情報の一例である。対応付け情報は、テーブルや関数に限られない。対応付け情報として、テーブル及び関数以外の様々なデータを採用できる。

【0047】

図８は、対象物の形状を光により測定する測定方法の一例を示すフローチャートである。

【0048】

Ｓ８０２において、制御部１４０は、駆動装置１１０を制御して、プリズム系２００の回転角度が予め定められた走査開始角度になるまで、プリズム系２００を回転させる。Ｓ８０４において、制御部１４０は、発光部１８０を制御して、発光部１８０から光を出射させる。

【0049】

Ｓ８０６において、測定部１５０は、受光部１３０からの受光量信号の読み出しを開始する。Ｓ８０８において、制御部１４０は、駆動装置１１０を制御して、プリズム系２００の回転を開始させる。ステップＳ８１０において、制御部１４０は、プリズム系２００の回転角度が予め定められた走査終了角度に到達したか否かを判断する。Ｓ８１０において、プリズム系２００の回転角度が走査終了角度に到達していないと判断した場合、プリズム系２００の回転角度が走査終了角度に到達するまで、Ｓ８１０の判断を繰り返す。

【0050】

Ｓ８１０においてプリズム系２００の回転角度が走査終了角度に到達したと判断された場合、Ｓ８１２において、測定部１５０は、受光部１３０から得られた受光強度Ｉのデータに基づいて、受光部１３０の受光強度Ｉがピークとなる回転角度θを算出する。測定部１５０は、Ｓ８１４において、受光部１３０の受光強度Ｉがピークとなる回転角度θに基づいて、対象物の高さＨを算出する。測定装置２０は、Ｓ８１６において、Ｓ８１４で算出した対象物の高さＨのデータを、測定部１５０の外部に出力して、処理を終了する。

【0051】

なお、本フローチャートによれば、Ｓ８１０において、走査終了角度に到達するまでプリズム系２００を回転させる。これに代えて、制御部１４０は、受光強度Ｉのピークが検出された場合には、プリズム系２００の回転を停止してよい。このように、制御部１４０は、受光部１３０によって対象物からの光が検出されるまで、受光部１３０に対して光路を変化させてよい。

【0052】

なお、測定装置２０の機能は、コンピュータによって実現されてよい。例えば、制御部１４０及び測定部１５０の機能は、コンピュータが備えるプロセッサによって実現されてよい。例えば、コンピュータにロードされるプログラムが、図８のフローチャートで示される手順や、制御部１４０及び測定部１５０の機能を実現するための手順をプロセッサに実行させてよい。また、コンピュータが備えるプロセッサがプログラムを実行することによって、制御部１４０に、駆動装置１１０、受光部１３０及び発光部１８０のそれぞれに対する制御信号を出力させ、測定部１５０に、受光部１３０が受光した光量を示す受光量信号を受光部１３０から取得させてよい。測定装置２０の具体的なハードウェア構成については後述する。

【0053】

以上に説明した光学式センサ１０によれば、２次元センサのように複数の受光素子を２次元的に設ける必要がない。また、２次元センサの複数の受光素子の出力からピークを算出する必要がない。そのため、測定結果が２次元センサの複数の受光素子の解像力の影響を受けにくい。例えば、対象物の高さＨの測定精度が２次元センサの受光素子のピッチ幅の広さによって低下することを抑制できる。また、光学式センサ１０においては、光素子１００としてプリズム系２００を用いている。これにより、光路を変更しても、光路長が大きく変化することがない。そのため、光の歪みや広がりが光路によって大きな差異が生じないようにすることができる。そのため、対象物の高さＨの測定精度を高めることができる。

【0054】

第１実施形態の光学式センサ１０は、受光部１３０が単一の受光素子を備えるとした。受光部１３０に代えて、ラインセンサを用いることができる。受光部としてラインセンサを用いる形態を第２実施形態として説明する。

【0055】

図９は、第２実施形態における光学式センサ９１０の機能構成の一例を概略的に示す。光学式センサ９１０は、測定装置２０と、駆動装置１１０と、投光系９９０と、受光系９６０とを備える。投光系９９０は、発光部９８０と、レンズ９７０とを備える。受光系９６０は、光素子１００と、レンズ１２０と、受光部９３０とを備える。測定装置２０は、制御部１４０と、測定部１５０とを有する。

【0056】

光学式センサ９１０が備える構成要素のうち、第１実施形態における光学式センサ１０が備える構成要素と略同一の機能を有する構成要素には、同じ符号が付されている。そのため、光学式センサ９１０については、主として光学式センサ１０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

【0057】

発光部９８０は、少なくともｘ軸方向に広がりを有する光を発する。レンズ９７０は、発光部９８０からの光を、ｘ軸方向に広がりを有するライン光に変換して対象物に照射する。このように、投光系９９０は、ｘ軸方向に広がりを有するライン光を対象物に照射する。すなわち、投光系９９０は、ｙｚ面に略直交する方向に広がったライン光を照射する。

【0058】

受光部９３０は、ラインセンサである。受光部９３０は、長手方向がｘ軸に沿うように配置される。具体的には、受光部９３０の複数の受光素子が、ｘ軸に沿う方向に配列される。すなわち、受光部９３０は、照射光の光軸及び受光部９３０の光軸を含む面に略直交するように設けられる。光素子１００は、光路をｙｚ面内で変化させる。よって、受光部９３０は、光素子１００による光路の変化方向に略直交するよう設けられていることになる。

【0059】

図１０は、照射されるライン光を、受光部１３０で得られる受光強度Ｉの信号ととともに概略的に示す。図１０は、受光部９３０、発光部９８０及びレンズ９７０の配置及びライン光の状態を、ｙ軸に沿う方向から見た図である。図１０において、ライン光は実線で表される。受光部９３０が受光し得る反射光の範囲は、図１０において破線で表される。

【0060】

一点鎖線は、対象物１０００の高さＨが低い部分の表面からの反射光の光路を示す。グラフ１００１は、対象物１０００の高さＨが低い部分の表面からの反射光の受光強度Ｉを示す。二点鎖線は、対象物１０００の高さＨが高い部分の表面からの反射光の光路を示す。グラフ１００２は、対象物１０００の高さＨが高い部分の表面からの反射光の受光強度Ｉのグラフである。グラフ１００１及びグラフ１００２は共に、プリズム系２００の回転角度θに対する依存性を示す。

【0061】

グラフ１００１及びグラフ１００２に示されるように、受光強度Ｉのピークが得られる回転角度θが、対象物１０００の表面の高さＨによって変化する。測定部１５０は、受光部９３０が有する各受光素子で受光強度Ｉのピークが得られる回転角度θから、各受光素子に対応する位置の高さＨを算出することができる。このように、光学式センサ９１０によれば、光切断法を適用して対象物１０００の形状を測定することができる。

【0062】

一般に、エリアセンサに比べると、ラインセンサにおいては、一列あたりの受光素子数を容易に高めることができる。そのため、受光部９３０としてラインセンサを適用することで、エリアセンサを適用する場合に比べて、対象物１０００の表面形状の測定可能範囲を広げることができる。

【0063】

また、エリアセンサに比べると、ラインセンサにおいては、一列に配置する受光素子の配置密度を比較的容易に高めることができる。そのため、受光部９３０としてラインセンサを適用することで、エリアセンサを適用する場合に比べて、対象物１０００のｘ軸方向の空間分解能を高めることができる。また、第１実施形態の光学式センサ１０に関連して説明したように、光素子１００により光路を変更して受光部９３０で検出するので、測定結果が複数の受光素子の解像力の影響を受けにくい。そのため、例えば、対象物１０００の高さＨの測定精度が複数の受光素子のピッチ幅の広さによって低下することを抑制できる。

【0064】

図１１は、第３実施形態における光学式センサ１１１０の機能構成の一例を概略的に示す。光学式センサ１１１０は、測定装置１１２０と、駆動装置１１０と、投光系９９０と、受光系１１６０とを備える。投光系９９０は、発光部９８０と、レンズ９７０とを備える。受光系１１６０は、光素子１００と、レンズ１２０と、受光部１１３０とを備える。測定装置１１２０は、制御部１４０と、測定部１５０と、切換部１１４２とを有する。

【0065】

光学式センサ１１１０が備える構成要素のうち、第２実施形態における光学式センサ９１０が備える構成要素と略同一の機能を有する構成要素には、同じ符号が付されている。そのため、光学式センサ１１１０については、主として光学式センサ９１０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

【0066】

受光部１１３０は、エリアセンサである。受光部１１３０は、長手方向がｘ軸に沿うように配置される。第１の測定モードにおいては、制御部１４０は、受光部１１３０に対して光路を変化させる。そして、測定部１５０は、受光部１１３０上の予め定められた位置で対象物からの光が検出された場合の光路に基づいて、対象物の形状を測定する。具体的には、第１の測定モードにおいて、第２実施形態に関連して説明したように、光素子１００により光路を変化させながら、特定の行に設けられた複数の受光素子のそれぞれの受光強度Ｉを検出することによって、光切断法を適用して、対象物の高さＨを測定する。なお、第１実施形態に関連して説明したように、光素子１００により光路を変化させながら、受光部１１３０が有する複数の受光素子のうち、特定位置にある単一の受光素子の受光強度Ｉを検出することによって、対象物の高さＨを測定してよい。

【0067】

一方、第２の測定モードにおいて、制御部１４０は、受光部１１３０に対して光路が固定された状態で受光部１１３０に対象物からの光を受光させる。そして、制御部１４０は、受光部１１３０上における、対象物からの光が検出された位置に基づいて、対象物の形状を測定する。具体的には、測定部１５０は、受光部１１３０においてＹ方向に配置された複数の受光素子から得られる受光強度分布から、対象物の高さＨを算出する。

【0068】

切換部１１４２は、第１の測定モードと第２の測定モードとを切り換える。切換部１１４２は、光学式センサ１１１０を使用するユーザの選択に基づいて、第１の測定モードと第２の測定モードとを切り換えてよい。切換部１１４２は、要求される測定精度に基づいて、第１の測定モードと第２の測定モードとを切り換えてよい。一例として、測定精度が要求される場合に第１の測定モードに切り換え、測定精度が要求される場合に第２の測定モードに切り換えてよい。

【0069】

図１２は、受光部１１３０における受光素子配置と反射光の強度分布を概略的に示す。図１２において、○は受光素子の位置を示す。対象物の高さＨがｘ軸方向に一定な部分からの反射光は、図１２の強度分布１２００に示す帯状の強度分布を持って受光部１１３０に入射する。強度分布１２００の濃淡は、光強度の大きさを示す。濃淡の濃い部分が、光強度の大きい部分を表す。

【0070】

受光部１１３０のＹ軸方向における強度分布のピーク位置は、行１２０１と行１２０２との間に存在する。Ｙ軸方向における強度分布のピーク位置を演算で算出する場合、ピーク位置の算出結果には、Ｙ軸方向の受光素子のピッチ幅に応じた誤差が含まれ得る。したがって、対象物の形状の測定結果には、Ｙ軸方向の受光素子のピッチ幅に応じた誤差が含まれ得る。

【0071】

図１３は、プリズム系２００の回転角度θを変化させた場合の反射光の強度分布を概略的に示す。プリズム系２００の回転角度θを変化させると、図１２の強度分布１２００に対応する部分はＹ軸方向にシフトする。測定部１５０は、強度分布のピーク位置が行１２０１と一致したときの回転角度θと、行１２０１の位置とに基づいて、対象物の高さＨを算出する。これにより、ピーク位置を高い精度で特定できるので、対象物の高さＨの測定誤差を低減することができる。

【0072】

このように、制御部１４０は、強度分布のピーク位置が受光素子の行と一致するように、対象物からの光の光路をｙｚ面内において変化させる。測定部１５０は、制御部１４０が光路を変化させることによって得られた複数回の測定結果を用いて、対象物の高さＨの測定誤差を低減することができる。

【0073】

ここで、光素子１００は、光路をｙｚ面内において変更することに代えて、又は、光路をｙｚ面内において変更することに加えて、ｘｚ面内において光路を変化させることができるように構成されてよい。「ｘｚ面内において光路を変更する」とは、ｘｚ面に投影した場合の光路を変更することを意味する。ｘｚ面内において光路を変更すれば、受光部１１３０の受光素子が検出可能な対象物の位置をｘ軸方向にずらすことができる。そこで、制御部１４０は、受光部１１３０の受光素子が検出可能な対象物の位置が受光素子のピッチ幅未満の距離だけずれるように、光素子１００を用いて対象物からの光の光路を変更する。そして、測定部１５０は、制御部１４０が光路を変化させることによって得られた複数回の測定結果を用いて、対象物の高さＨを高い空間分解能で算出することができる。

【0074】

このように、制御部１４０は、対象物からの光の光路を第１の光路にして、対象物からの光を受光部１１３０の第１の領域に入射させる。また、制御部１４０は、対象物からの光の光路を第１の光路から第２の光路に変化させて、対象物からの光を受光部１１３０の第２の領域に入射させる。そして、測定部１５０は、受光部１１３０の第１の領域に設けられた複数の受光素子による対象物からの光の検出結果と、受光部１１３０の第２の領域に設けられた複数の受光素子による対象物からの光の検出結果とに基づいて、対象物の形状を測定する。

【0075】

図１４は、第１実施形態の第１変形例としての光学式センサ１４１０の投光系９０及び受光系１４６０を概略的に示す。光学式センサ１４１０は、光素子１００としてのプリズム系２００に代えて、平板１４００を用いた点で、光学式センサ１０と異なる。そのため、光学式センサ１４１０については、主として光学式センサ１０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

【0076】

平板１４００は、光が入射する面である入射面と光が出射する面である出射面とを有する。入射面は出射面と平行である。入射面及び出射面はｘ軸に平行に設けられる。平板１４００は、ｘ軸に平行な軸ＡＸ１を中心に回転可能に設けられる。制御部１４０は、駆動装置１１０を制御して、平板１４００を軸ＡＸ１まわりに回転させる。制御部１４０は、予め定められた基準角度を基準にした平板１４００の角度αを示す情報を、駆動装置１１０に出力する。

【0077】

図１４において、Ｈ２位置からの光路が実線で示され、Ｈ３位置からの光路が破線で示されている。平板１４００が図１４の実線で示される角度の状態にある場合、Ｈ２位置からの光は受光部１３０に入射し得る。また、平板１４００が図１４の破線で示される角度の状態にある場合、Ｈ３位置からの光は受光部１３０に入射し得る。したがって、測定部１５０は、受光部１３０で光が検出された場合の平板１４００の角度αに基づいて、対象物の高さＨを算出する。

【0078】

このように、制御部１４０は、平板１４００の向きを変化させることにより、受光部１３０に対して光路を変化させる。そして、測定部１５０は、受光部１３０が対象物からの光を検出した場合の平板１４００の向きに基づいて、対象物の形状を測定する。なお、平板１４００は、屈折により光路を変更する光素子の一例である。

【0079】

図１５は、第１実施形態の第２変形例としての光学式センサ１５１０の投光系９０及び受光系１５６０を概略的に示す。光学式センサ１５１０は、光素子１００としてのプリズム系２００に代えて、平板ミラー１５００を用いた点で、光学式センサ１０と異なる。そのため、光学式センサ１５１０については、主として光学式センサ１０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

【0080】

平板ミラー１５００は、ｘ軸に平行な軸ＡＸ２を中心に回転可能に設けられる。制御部１４０は、駆動装置１１０を制御して、平板ミラー１５００を軸ＡＸ２まわりに回転させる。制御部１４０は、予め定められた基準角度を基準にした平板ミラー１５００の角度βを示す情報を、駆動装置１１０に出力する。

【0081】

図１５において、Ｈ２位置からの光路が実線で示され、Ｈ３位置からの光路が破線で示されている。平板ミラー１５００が図１５の実線で示される角度の状態にある場合、Ｈ２位置からの光は受光部１３０に入射し得る。また、平板ミラー１５００が図１５の破線で示される角度の状態にある場合、Ｈ３位置からの光は受光部１３０に入射し得る。制御部１４０は、平板ミラー１５００の向きを変化させることにより、受光部１３０に対する、対象物からの光の光路を変化させる。そして、測定部１５０は、受光部１３０で光が検出された場合の平板ミラー１５００の角度に基づいて、対象物の高さＨを算出する。このようにして、測定部１５０は、受光部１３０が対象物からの光を検出した場合の平板ミラー１５００の向きに基づいて、対象物の形状を測定する。

【0082】

なお、光学式センサ１５１０においては、１つの反射面を有する平板ミラー１５００を例示した。平板ミラー１５００は、反射により光路を変更する光素子の一例である。他の変形例として、平板ミラー１５００に代えて、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等を適用することができる。

【0083】

図１６は、第１実施形態の第３変形例としての光学式センサ１６１０の投光系９０及び受光系１６６０を概略的に示す。光学式センサ１６１０は、光素子１００としてのプリズム系２００に代えて、音響光学偏向器１６００を用いた点で、光学式センサ１０と異なる。そのため、光学式センサ１６１０については、主として光学式センサ１０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

【0084】

音響光学偏向器１６００は、第１音響光学偏向器１６０１と、第２音響光学偏向器１６０２とを備える。第１音響光学偏向器１６０１及び第２音響光学偏向器１６０２は、いずれも、圧電素子等の振動子により超音波が加えられる弾性媒体を有する。超音波により弾性媒体内に生成された粗密波の回折格子によって、入射光が回折され得る。例えば、第１音響光学偏向器１６０１及び第２音響光学偏向器１６０２は、ブラッグ効果により入射光を回折する。回折が生じる入射角度は超音波の周波数によって変化する。したがって、制御部１４０は、第１音響光学偏向器１６０１及び第２音響光学偏向器１６０２に設けられた振動子に印加する電気信号の周波数ｆを示す情報を駆動装置１１０に出力する。駆動装置１１０は、制御部１４０から指定された周波数ｆで第１音響光学偏向器１６０１及び第２音響光学偏向器１６０２のそれぞれの振動子を駆動することにより、特定の入射角で入射する光を偏向させる。

【0085】

図１６において、Ｈ２位置からの光路が実線で示され、Ｈ３位置からの光路が破線で示されている。音響光学偏向器１６００が図１６の実線で示される入射角の光を偏向する状態にある場合、Ｈ２位置からの光が受光部１３０に入射し得る。また、音響光学偏向器１６００が図１６の破線で示される入射角の光を偏向する状態にある場合、Ｈ３位置からの光が受光部１３０に入射し得る。したがって、測定部１５０は、受光部１３０で光が検出された場合の音響光学偏向器１６００に供給された周波数ｆに基づいて、対象物の高さＨを算出する。

【0086】

なお、光学式センサ１６１０においては、２つの音響光学偏向器を用いて対象物からの光の光路を移動させて受光部１３０に受光させるが、音響光学偏向器の数は２つに限られない。例えば、１つの音響光学偏向器を用いて光路の角度を変化させることで、対象物からの光を受光部１３０に受光させてよい。また、受光部１３０に代えて、受光部９３０のようなラインセンサ又は受光部１１３０のようなエリアセンサを用いる場合も同様に、１つ以上の音響光学偏向器を用いて光路を変化させることで、ラインセンサ又はエリアセンサ上のいずれかの受光素子に対象物からの光を受光させてよい。

【0087】

なお、光学式センサ１６１０における音響光学偏向器１６００に代えて、電気光学偏向光器を適用してよい。電気光学偏向器としては、ＫＴＮ結晶や液晶等の、電界に応じて屈折率が変化する電気光学効果を持つ光素子を例示できる。電気光学偏向器を用いる場合、制御部１４０は、電気光学偏向器への印加電圧を制御することにより、対象物からの光の光路を制御する。そして、測定部１５０は、受光部１３０で光が検出された場合の電気光学偏向器への印加電圧に基づいて、対象物の高さＨを算出する。電気光学偏向器は、屈折により光路を変更する光素子の一例である。

【0088】

図１７は、第４実施形態における光学式センサ１７１０の機能構成の一例を概略的に示す。光学式センサ１７１０は、測定装置２０と、駆動装置１１０と、投光系１７９０と、受光系１７６０とを備える。投光系１７９０は、発光部９８０と、レンズ９７０と、光素子１７００とを備える。受光系１７６０は、レンズ１２０と、受光部９３０とを備える。測定装置２０は、制御部１４０と、測定部１５０とを有する。

【0089】

光学式センサ１７１０が備える構成要素のうち、第２実施形態における光学式センサ９１０が備える構成要素と略同一の機能を有する構成要素には、同じ符号が付されている。そのため、光学式センサ１７１０については、主として光学式センサ９１０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

【0090】

光素子１７００は、対象物に入射する光である入射光の光路中に設けられる。光素子１７００は、ｙ軸方向及びｘ軸方向の少なくとも一方において、対象物への入射光の光路を変更する。例えば、光素子１７００は、対象物への入射光を偏向する。

【0091】

受光部９３０には、受光部９３０の光軸上の位置からの光が入射する。ここで、図１７に示されるように、光素子１７００が入射光をｙ軸方向に点線で示される角度に偏向した場合に受光部９３０で光が検出されたとする。測定部１５０は、光素子１７００が入射光を偏向する角度に基づいて、ｙ軸方向の位置Ｐにおける対象物の高さＨ３を算出する。

【0092】

また、光素子１７００が入射光をｘ軸方向に偏向した場合において、測定部１５０は、受光部９３０が備える複数の受光素子のうち、光が検出された受光素子の位置と光素子１７００による入射光の偏向角度から、高さがＨ１の位置を算出する。これにより、測定部１５０は、対象物への入射光の光路を変更することで、対象物の形状を測定することができる。また、光素子１７００が入射光をｘ軸方向に偏向することで、受光部９３０が有する受光素子が検出できる対象物の位置をずらすことができる。そのため、光学式センサ１７１０によれば、対象物において高さＨ１を有する位置を高い空間分解能で検出することができる。

【0093】

このように、制御部１４０は、受光部９３０に対する、対象物に入射する光の光路を変化させる。そして、測定部１５０は、受光部９３０が対象物からの光を検出した場合の光路に基づいて、対象物の形状を測定する。なお、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態の変形例として、それぞれの投光系が光素子１７００を備える形態を採用できる。すなわち、制御部１４０は、受光部９３０に対する、対象物に入射する光及び対象物からの光の両方の光路を変化させてよい。

【0094】

図１８は、第５実施形態における光学式センサ１８１０の機能構成の一例を概略的に示す。光学式センサ１８１０は、測定装置２０と、駆動装置１１０と、投光系９９０と、受光系１８６０とを備える。投光系９９０は、発光部９８０と、レンズ９７０とを備える。受光系１８６０は、レンズ１２０と、受光部９３０とを備える。測定装置２０は、制御部１４０と、測定部１５０とを有する。

【0095】

光学式センサ１８１０が備える構成要素のうち、第２実施形態における光学式センサ９１０が備える構成要素と略同一の機能を有する構成要素には、同じ符号が付されている。そのため、光学式センサ１８１０については、主として光学式センサ９１０との相違点を説明し、重複する説明を省略する場合がある。

【0096】

受光部９３０は、受光部９３０の光軸に直交する方向に移動可能に設けられる。例えば、駆動装置１１０は、Ｙ軸に直交する方向に、受光部９３０を移動させる。駆動装置１１０は、制御部１４０から、受光部９３０の基準位置からの移動量を示す情報を取得する。駆動装置１１０は、制御部１４０から取得した情報に従って、受光部９３０のＹ軸方向に受光部９３０を移動する。このようにして、制御部１４０は、対象物からの光の光路に対する受光部９３０の位置を変化させる。

【0097】

これにより、受光部９３０は、対象物からの光をＹ軸方向に走査することができる。測定部１５０は、受光部９３０の受光強度のピークが得られた場合のＹ軸方向の受光部９３０の位置に基づいて、対象物からの高さＨを算出する。

【0098】

上述したように、エリアセンサに比べて、ラインセンサにおいては、一列あたりの受光素子数を容易に高めることができる。そのため、受光部９３０としてラインセンサを適用することで、エリアセンサを適用する場合に比べて、ｘ軸方向の対象物の表面形状の測定可能範囲を広げることができる。また、受光部９３０としてラインセンサを適用することで、エリアセンサを適用する場合に比べて、対象物の表面形状のｘ軸方向の空間分解能を高めることができる。これに加えて、光学式センサ１８１０においては、受光部９３０をＹ軸方向に走査することができるので、Ｙ軸方向の測定可能範囲及び空間分解能を高めることができる。

【0099】

なお、制御部１４０は、受光部９３０によって対象物からの光が検出されるまで、受光部９３０の位置を変化させてよい。例えば、制御部１４０は、受光部９３０によって対象物からの光が検出された場合に、受光部９３０の位置の変化を停止させてよい。

【0100】

以上に説明した実施形態においては、受光系は対象物で生じた拡散反射光の一部を検出する。拡散反射光を検出する方式に代えて、対象物で生じた全反射光を検出する方式を適用してよい。

【0101】

以上に説明した各実施形態における光学式センサの測定対象は、一例として、基板に形成された電極である。光学式センサの測定対象は、基板に形成されたバンプ等であってよい。光学式センサの測定対象は、トンネルの内壁であってよい。光学式センサの測定対象は、これらに限られない。

【0102】

以上に説明したように各実施形態における光学式センサによれば、２次元センサのみを用いる場合に比べて、測定精度や測定範囲が２次元センサの素子配置の影響を受けにくくすることができる。

【0103】

様々な実施形態が、フローチャートおよびブロック図等を参照して説明された。ブロック図において各ブロックは、（１）オペレーションが実行されるプロセスの段階または（２）オペレーションを実行する役割を持つ装置のセクションを表わしてよい。例えば、制御部１４０及び測定部１５０のそれぞれは、測定装置２０の１つのセクションを表してよい。特定の段階およびセクションが、専用回路、コンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプログラマブル回路、および／またはコンピュータ可読媒体上に格納されるコンピュータ可読命令と共に供給されるプロセッサによって実装されてよい。専用回路は、デジタルおよび／またはアナログハードウェア回路を含んでよく、集積回路（ＩＣ）および／またはディスクリート回路を含んでよい。プログラマブル回路は、論理ＡＮＤ、論理ＯＲ、論理ＸＯＲ、論理ＮＡＮＤ、論理ＮＯＲ、および他の論理オペレーション、フリップフロップ、レジスタ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）等のようなメモリ要素等を含む、再構成可能なハードウェア回路を含んでよい。

【0104】

コンピュータ可読媒体は、適切なデバイスによって実行される命令を格納可能な任意の有形なデバイスを含んでよく、その結果、そこに格納される命令を有するコンピュータ可読媒体は、フローチャートまたはブロック図で指定されたオペレーションを実行するための手段をもたらすべく実行され得る命令を含む製品の少なくとも一部を構成する。コンピュータ可読媒体の例としては、電子記憶媒体、磁気記憶媒体、光記憶媒体、電磁記憶媒体、半導体記憶媒体等が含まれてよい。コンピュータ可読媒体のより具体的な例としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、静的ランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、コンパクトディスクリードオンリメモリ（ＣＤ-ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイ（ＲＴＭ）ディスク、メモリスティック、集積回路カード等が含まれてよい。

【0105】

コンピュータ可読命令は、アセンブラ命令、命令セットアーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはＳｍａｌｌｔａｌｋ、ＪＡＶＡ（登録商標）、Ｃ＋＋等のようなオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語のような従来の手続型プログラミング言語を含む、１または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述されたソースコードまたはオブジェクトコードのいずれかを含んでよい。

【0106】

コンピュータ可読命令は、汎用コンピュータ、特殊目的のコンピュータ、若しくは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサまたはプログラマブル回路に対し、ローカルにまたはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、インターネット等のようなワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を介して提供され、フローチャートまたはブロック図で指定されたオペレーションを実行するための手段をもたらすべく、コンピュータ可読命令を実行してよい。プロセッサの例としては、コンピュータプロセッサ、処理ユニット、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ等を含む。

【0107】

図１９は、複数の実施形態が全体的または部分的に具現化され得るコンピュータ２０００の例を示す。コンピュータ２０００にインストールされたプログラムは、コンピュータ２０００に、実施形態に係る装置または当該装置の１または複数のセクションとして機能させる、当該装置または当該装置の１または複数のセクションに関連付けられるオペレーションを実行させる、および／または、実施形態に係るプロセスまたは当該プロセスの段階を実行させることができる。そのようなプログラムは、コンピュータ２０００に、本明細書に記載のフローチャートおよびブロック図のブロックのうちのいくつかまたはすべてに関連付けられた特定のオペレーションを実行させるべく、ＣＰＵ２０１２によって実行されてよい。

【0108】

本実施形態によるコンピュータ２０００は、ＣＰＵ２０１２、ＲＡＭ２０１４、グラフィックコントローラ２０１６、および表示デバイス２０１８を含み、それらはホストコントローラ２０１０によって相互に接続されている。コンピュータ２０００はまた、ＲＯＭ２０３０を含む。ＲＯＭ２０３０は、入力／出力コントローラ２０２０を介してホストコントローラ２０１０に接続されている。コンピュータ２０００はまた、通信インタフェース２０２２、ハードディスクドライブ２０２４、ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２０２６、およびメモリカードドライブ２０２８のような入出力ユニットを含み、それらは入力／出力コントローラ２０２０を介してホストコントローラ２０１０に接続されている。コンピュータ２０００はまた、キーボード２０４２のようなレガシの入出力ユニットを含み、それらは入力／出力チップ２０４０を介して入力／出力コントローラ２０２０に接続されている。

【0109】

ＣＰＵ２０１２は、ＲＯＭ２０３０および／またはＲＡＭ２０１４内に格納されたプログラムに従い動作し、それにより各ユニットを制御する。グラフィックコントローラ２０１６は、ＲＡＭ２０１４内に提供されるフレームバッファ等またはＲＡＭ２０１４内にＣＰＵ２０１２によって生成されたイメージデータを取得し、イメージデータを表示デバイス２０１８上に表示せせる。

【0110】

通信インタフェース２０２２は、ネットワークを介して他の電子デバイスと通信する。ハードディスクドライブ２０２４は、コンピュータ２０００内のＣＰＵ２０１２によって使用されるプログラムおよびデータを格納する。ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ２０２６は、プログラムおよび／またはデータをＤＶＤ‐ＲＯＭ２００１から読み取り、ＲＡＭ２０１４を介してハードディスクドライブ２０２４にプログラムおよび／またはデータを提供する。メモリカードドライブ２０２８は、プログラムおよび／またはデータをメモリカード２００３から読み取り、ＲＡＭ２０１４を介してハードディスクドライブ２０２４にプログラムおよび／またはデータを提供する。メモリカードドライブ２０２８は、プログラムおよび／またはデータをメモリカード２００３に書き込んでよい。

【0111】

ＲＯＭ２０３０はその中に、アクティブ化時にコンピュータ２０００によって実行されるブートプログラム等、および／またはコンピュータ２０００のハードウェアに依存するプログラムを格納する。入力／出力チップ２０４０はまた、様々な入力／出力ユニットをパラレルポート、シリアルポート、キーボードポート、マウスポート等を介して、入力／出力コントローラ２０２０に接続してよい。

【0112】

プログラムが、ＤＶＤ−ＲＯＭ２００１またはメモリカード２００３のようなコンピュータ可読媒体によって提供される。プログラムは、コンピュータ可読媒体から読み取られ、コンピュータ可読媒体の例でもあるハードディスクドライブ２０２４、ＲＡＭ２０１４、および／またはＲＯＭ２０３０にインストールされ、ＣＰＵ２０１２によって実行される。これらのプログラム内に記述される情報処理は、コンピュータ２０００に読み取られ、プログラムと、上記様々な種類のハードウェアリソースとの間の連携をもたらす。装置または方法は、コンピュータ２０００の使用に従い情報のオペレーションまたは処理を実現することによって構成されてよい。

【0113】

例えば、通信がコンピュータ２０００および外部デバイス間で実行される場合、ＣＰＵ２０１２は、ＲＡＭ２０１４にロードされた通信プログラムを実行し、通信プログラムに記述された処理に基づいて、通信インタフェース２０２２に対し、通信処理を命令してよい。通信インタフェース２０２２は、ＣＰＵ２０１２の制御下、ＲＡＭ２０１４、ハードディスクドライブ２０２４、ＤＶＤ‐ＲＯＭ２００１、またはメモリカード２００３のような記録媒体内に提供される送信バッファ処理領域に格納された送信データを読み取り、読み取られた送信データをネットワークに送信し、またはネットワークから受信した受信データを、記録媒体上に提供される受信バッファ処理領域等に書き込む。

【0114】

また、ＣＰＵ２０１２は、ハードディスクドライブ２０２４、ＤＶＤ‐ＲＯＭ２００１、メモリカード２００３等のような外部記録媒体に格納されたファイルまたはデータベースの全部または必要な部分がＲＡＭ２０１４に読み取られるようにし、ＲＡＭ２０１４上のデータに対し様々な種類の処理を実行してよい。ＣＰＵ２０１２は次に、処理されたデータを外部記録媒体にライトバックする。

【0115】

様々な種類のプログラム、データ、テーブル、およびデータベースのような、様々な種類の情報が記録媒体に格納され、情報処理にかけられてよい。ＣＰＵ２０１２は、ＲＡＭ２０１４から読み取られたデータに対し、本明細書に記載され、プログラムの命令シーケンスによって指定される様々な種類のオペレーション、情報処理、条件判断、条件分岐、無条件分岐、情報の検索／置換等を含む、様々な種類の処理を実行してよく、結果をＲＡＭ２０１４にライトバックする。また、ＣＰＵ２０１２は、記録媒体内のファイル、データベース等における情報を検索してよい。例えば、各々が第２の属性の属性値に関連付けられた第１の属性の属性値を有する複数のエントリが記録媒体内に格納される場合、ＣＰＵ２０１２は、第１の属性の属性値が指定されている、条件に一致するエントリを当該複数のエントリの中から検索し、当該エントリ内に格納された第２の属性の属性値を読み取り、それにより予め定められた条件を満たす第１の属性に関連付けられた第２の属性の属性値を取得してよい。

【0116】

上述したプログラムまたはソフトウェアモジュールは、コンピュータ２０００上またはコンピュータ２０００近傍のコンピュータ可読媒体に格納されてよい。また、専用通信ネットワークまたはインターネットに接続されたサーバーシステム内に提供されるハードディスクまたはＲＡＭのような記録媒体が、コンピュータ可読媒体として使用可能であり、それによりプログラムを、ネットワークを介してコンピュータ２０００に提供してよい。

【0117】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0118】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0119】

制御システム１０
１０ 光学式センサ
２０ ２次元イメージセンサ
６０ 受光系
９０ 投光系
１００ 光素子
１０１ 第１プリズム
１０２ 第２プリズム
１１０ 駆動装置
１２０ レンズ
１３０ 受光部
１４０ 制御部
１５０ 測定部
１７０ レンズ
１８０ 発光部
２００ プリズム系
９１０ 光学式センサ
９３０ 受光部
９６０ 受光系
９７０ レンズ
９８０ 発光部
９９０ 投光系
１００１ グラフ
１００２ グラフ
１１１０ 光学式センサ
１１２０ 測定装置
１１３０ 受光部
１１４２ 切換部
１１６０ 受光系
１２００ 強度分布
１２０１ 行
１２０２ 行
１４００ 平板
１４１０ 光学式センサ
１４６０ 受光系
１５００ 平板ミラー
１５１０ 光学式センサ
１５６０ 受光系
１６００ 音響光学偏向器
１６０１ 第１音響光学偏向器
１６０２ 第２音響光学偏向器
１６１０ 光学式センサ
１６６０ 受光系
１７００ 光素子
１７１０ 光学式センサ
１７６０ 受光系
１７９０ 投光系
１８１０ 光学式センサ
１８６０ 受光系
２０００ コンピュータ
２００１ ＤＶＤ‐ＲＯＭ
２００３ メモリカード
２０１０ ホストコントローラ
２０１２ ＣＰＵ
２０１４ ＲＡＭ
２０１６ グラフィックコントローラ
２０１８ 表示デバイス
２０２０ 入力／出力コントローラ
２０２２ 通信インタフェース
２０２４ ハードディスクドライブ
２０２６ ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ
２０２８ メモリカードドライブ
２０３０ ＲＯＭ
２０４０ 入力／出力チップ
２０４２ キーボード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】