特開 2022-135347 形状測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022135347

(43)【公開日】2022-09-15

(54)【発明の名称】形状測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20220908BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021035091

(22)【出願日】2021-03-05

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100110582

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 昌聰

(72)【発明者】

【氏名】内田 圭祐

(72)【発明者】

【氏名】宅見 宗則

(72)【発明者】

【氏名】加藤 尚明

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065DD03

2F065GG06

2F065GG07

2F065HH05

2F065HH13

2F065JJ02

2F065JJ03

2F065JJ25

2F065JJ26

2F065LL04

2F065LL08

2F065LL53

2F065QQ31

2F065SS13

(57)【要約】

【課題】対象物の形状を高精度に再構成することができる形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置１Ａは、光源２、照射光学系３、結像光学系４、空間光変調器５、集光光学系６、リニアセンサ７および処理部９Ａを備える。照射光学系３は、光をライン状にして対象物Ｓに照射する。結像光学系４は、対象物Ｓで反射された光を入力して結像する。空間光変調器５は、光変調面において１次元状の強度変調パターンが設定され、光変調面に入力した光を空間的に強度変調して出力する。集光光学系６は、空間光変調器５から出力された光をライン状に集光する。リニアセンサ７は、集光光学系６によりライン状に集光された光を複数の画素により受光する。処理部９Ａは、強度変調パターンおよびリニアセンサ７からの出力信号に基づいて、リニアセンサ７の複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術による解析を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物の形状を測定する装置であって、
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を第１方向に延びるライン状にして前記対象物に照射する照射光学系と、
前記照射光学系により前記対象物に照射されて前記対象物で照射方向と異なる方向へ反射された光を入力して結像する結像光学系と、
前記第１方向と異なる方向の１次元状の強度変調パターンが設定され、前記結像光学系を経た光を入力して、その入力した光を前記強度変調パターンに基づいて空間的に強度変調して出力する空間光変調器と、
前記空間光変調器から出力された光を入力して、その入力した光を前記第１方向に延びるライン状に集光する集光光学系と、
フォトダイオードを各々含み１次元配列された複数の画素を有し、前記集光光学系によりライン状に集光された光を前記複数の画素により受光して、前記複数の画素それぞれの受光量に応じた信号を出力するリニアセンサと、
前記空間光変調器において複数の前記強度変調パターンそれぞれが設定された場合に前記リニアセンサから出力された信号に基づいて、前記リニアセンサの前記複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術による解析を行って、前記対象物の形状を求める処理部と、
を備える形状測定装置。

【請求項2】

対象物の形状を測定する装置であって、
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を第１方向に延びるライン状にして前記対象物に照射する照射光学系と、
前記照射光学系により前記対象物に照射されて前記対象物で照射方向と異なる方向へ反射された光を入力して結像する結像光学系と、
フォトダイオードを各々含み２次元配列された複数の画素を有し、前記結像光学系を経た光を前記複数の画素により受光して、行毎に与えられる制御信号が第１論理値である行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に出力するエリアセンサと、
前記エリアセンサにおいて複数の前記制御信号のパターンそれぞれが設定された場合に前記エリアセンサから列毎に積算されて出力された信号に基づいて、前記エリアセンサの列毎に圧縮センシング技術による解析を行って、前記対象物の形状を求める処理部と、
を備える形状測定装置。

【請求項3】

前記エリアセンサは、行毎に与えられる制御信号が第２論理値である行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に出力し、
前記処理部は、前記エリアセンサにおいて複数の前記制御信号のパターンそれぞれが設定された場合に前記制御信号の各論理値について前記エリアセンサから列毎に積算されて出力された信号に基づいて、前記エリアセンサの列毎に圧縮センシング技術による解析を行って、前記対象物の形状を求める、
請求項２に記載の形状測定装置。

【請求項4】

前記照射光学系は、複数本の光束を第１方向に延びるライン状にして前記対象物に照射する、
請求項１～３の何れか１項に記載の形状測定装置。

【請求項5】

前記第１方向と異なる方向に前記対象物を相対的に搬送する搬送機構を更に備え、
前記処理部は、前記搬送機構による搬送時の前記対象物の各位置において前記対象物の形状を求める、
請求項１～４の何れか１項に記載の形状測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、形状測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

対象物の形状を測定する技術として光切断法がある。光切断法では、光源から出力された光を一方向に延びるライン状にして対象物に照射し、その対象物で反射された光をエリアセンサ（複数の画素が２次元配列されたイメージセンサ）により受光して撮像し、その撮像により取得された２次元画像を解析することで、対象物の形状を測定する。撮像により取得された画像の解析に際しては、列毎に重心演算を行うことで、対象物におけるライン状光の照射位置を求める。また、対象物を相対的に移動させて、その移動時の各位置において対象物の形状を求めることにより、対象物の３次元形状を測定することができる。

【0003】

光切断法による３次元形状計測は、例えば、工場ラインでの製品検査に使用され、自動車や鉄鋼、建築、食品業界など様々な製品検査で使用されている。ファクトリーオートメーションなどにより製造や検査の自動化が進むにつれ、ますます光切断法を用いた製品検査が重要となっている。

【0004】

光切断法による画像解析では、画像において必要な情報（対象物におけるライン状光の照射位置に関する情報）がある画素の数は全画素数に比べて非常に少ないにも拘わらず、全画素の信号を読み出した上で画像解析を行っていた。

【0005】

一方、画像において必要な情報がある画素の数が全画素数に比べて非常に少ない場合（スパースである場合）には、圧縮センシング技術を適用することで、信号を読み出すべき画素の数を少なくすることができる。例えば、非特許文献１に記載された技術を用いれば、対象物からの反射光による像を２次元空間光変調器により空間的に強度変調し、その変調後の光をシリンドリカルレンズによりライン状にしてリニアセンサ（複数の画素が１次元配列されたイメージセンサ）により受光して撮像し、その撮像により取得された１次元画像を圧縮センシング技術により解析することで、対象物の形状を測定することができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】塩見日隆、他、「ベクトルピクセルイメージングの提案」、(一社)日本光学会、Optics & Photonics Japan 2020、予稿17aB7

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

非特許文献１に記載された技術を利用した形状測定は、画像全体のスパース性を制約としていることから、画像再構成の精度が低い。

【0008】

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光切断法および圧縮センシング技術を利用して対象物の形状を高精度に再構成することができる形状測定装置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】

本発明の第１態様の形状測定装置は、対象物の形状を測定する装置であって、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を第１方向に延びるライン状にして対象物に照射する照射光学系と、(3) 照射光学系により対象物に照射されて対象物で照射方向と異なる方向へ反射された光を入力して結像する結像光学系と、(4) 第１方向と異なる方向の１次元状の強度変調パターンが設定され、結像光学系を経た光を入力して、その入力した光を強度変調パターンに基づいて空間的に強度変調して出力する空間光変調器と、(5) 空間光変調器から出力された光を入力して、その入力した光を第１方向に延びるライン状に集光する集光光学系と、(6) フォトダイオードを各々含み１次元配列された複数の画素を有し、集光光学系によりライン状に集光された光を複数の画素により受光して、複数の画素それぞれの受光量に応じた信号を出力するリニアセンサと、(7) 空間光変調器において複数の強度変調パターンそれぞれが設定された場合にリニアセンサから出力された信号に基づいて、リニアセンサの複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術による解析を行って、対象物の形状を求める処理部と、を備える。

【0010】

本発明の第２態様の形状測定装置は、対象物の形状を測定する装置であって、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を第１方向に延びるライン状にして対象物に照射する照射光学系と、(3) 照射光学系により対象物に照射されて対象物で照射方向と異なる方向へ反射された光を入力して結像する結像光学系と、(4) フォトダイオードを各々含み２次元配列された複数の画素を有し、結像光学系を経た光を複数の画素により受光して、行毎に与えられる制御信号が第１論理値である行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に出力するエリアセンサと、(5) エリアセンサにおいて複数の制御信号のパターンそれぞれが設定された場合にエリアセンサから列毎に積算されて出力された信号に基づいて、エリアセンサの列毎に圧縮センシング技術による解析を行って、対象物の形状を求める処理部と、を備える。

【0011】

本発明の第２態様の形状測定装置において、エリアセンサは、行毎に与えられる制御信号が第２論理値である行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に出力し、処理部は、エリアセンサにおいて複数の制御信号のパターンそれぞれが設定された場合に制御信号の各論理値についてエリアセンサから列毎に積算されて出力された信号に基づいて、エリアセンサの列毎に圧縮センシング技術による解析を行って、対象物の形状を求めるのが好適である。

【0012】

本発明の第１態様および第２態様の形状測定装置において、照射光学系は、複数本の光束を第１方向に延びるライン状にして対象物に照射するのが好適である。また、第１方向と異なる方向に対象物を相対的に搬送する搬送機構が備えられており、処理部は、搬送機構による搬送時の対象物の各位置において対象物の形状を求めるのが好適である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、光切断法および圧縮センシング技術を利用して対象物の形状を高精度に再構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、第１実施形態の形状測定装置１Ａの構成を示す図である。

【図2】図２は、対象物Ｓにライン状の光Ｌが照射されている様子を模式的に示す図である。

【図3】図３は、空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像および強度変調パターンを説明する図である。

【図4】図４は、空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像とリニアセンサ７の各画素との関係を説明する図である。

【図5】図５は、第２実施形態の形状測定装置１Ｂの構成を示す図である。

【図6】図６は、空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像を説明する図である。

【図7】図７は、空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像の他の例を説明する図である。

【図8】図８は、第３実施形態の形状測定装置１Ｃの構成を示す図である。

【図9】図９は、エリアセンサ８の構成を示す図である。

【図10】図１０は、列読出部３２の回路構成例を示す図である。

【図11】図１１は、列読出部３２の他の回路構成例を示す図である。

【図12】図１２は、列読出部３２の更に他の回路構成例を示す図である。

【図13】図１３は、行制御部２１の回路構成例を示す図である。

【図14】図１４は、画素Ｐ_m,nの回路構成例を示す図である。

【図15】図１５は、図１４に示された画素Ｐ_m,nの回路構成例の場合に全画素から電荷を出力する場合の露光から読出までのタイミングの態様の例を示す図である。

【図16】図１６は、図１４に示された画素Ｐ_m,nの回路構成例の場合に全画素から電荷を出力する場合の露光から読出までのタイミングの態様の例を示す図である。

【図17】図１７は、図１４に示された画素Ｐ_m,nの回路構成例の場合に全画素から電荷を出力する場合の露光から読出までのタイミングの態様の例を示す図である。

【図18】図１８は、図１４に示された画素Ｐ_m,nの回路構成例の場合に全画素から電荷を出力する場合の露光から読出までのタイミングの態様の例を示す図である。

【図19】図１９は、画素Ｐ_m,nの他の回路構成例を示す図である。

【図20】図２０は、第４実施形態の形状測定装置１Ｄの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0016】

図１は、第１実施形態の形状測定装置１Ａの構成を示す図である。形状測定装置１Ａは、搬送機構１００により搬送されている対象物Ｓの形状を測定する装置であって、光源２、照射光学系３、結像光学系４、空間光変調器５、集光光学系６、リニアセンサ７および処理部９Ａを備える。

【0017】

搬送機構１００は、例えば、対象物Ｓを載置して相対的に搬送するベルトコンベアである。この図には説明の便宜のために、搬送方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系が示されている。対象物Ｓが載置される面に垂直な方向をｙ方向とする。

【0018】

光源２は、対象物Ｓに照射すべき光を出力する。光源２は、任意のものでよいが、例えばレーザダイオードや発光ダイオードである。照射光学系３は、光源２から出力された光を第１方向（ｘ方向）に延びるライン状にして対象物Ｓに照射する。照射光学系３は、シリンドリカルレンズを含んで構成され得る。搬送機構１００による対象物Ｓの搬送方向（ｚ方向）は、照射光学系３により対象物Ｓに照射されるライン状の光の延びる方向（ｘ方向）と異なる。図２は、対象物Ｓにライン状の光Ｌが照射されている様子を模式的に示す図である。

【0019】

結像光学系４は、照射光学系３により対象物Ｓに照射されて対象物Ｓで照射方向と異なる方向へ反射された光を入力して結像する。結像光学系４は、球面レンズを含んで構成され得る。このとき、結像光学系４による対象物Ｓにおけるライン状の光Ｌの像は、対象物Ｓへの照射方向と異なる方向に見たものであるから、対象物Ｓの形状に応じたものとなる。

【0020】

空間光変調器５は、結像光学系４を経た光を光変調面に入力して、その入力した光を強度変調パターンに基づいて空間的に強度変調して出力する。空間光変調器５は、光変調面において２次元の強度変調パターンが設定されてもよいが、本実施形態では第１方向（ｘ方向）と異なる方向の１次元状の強度変調パターンが設定される。強度変調パターンは、ランダムに設定されたものであってもよいし、アダマール行列等に基づいて設定されたものであってもよい。空間光変調器５は、図１に示されるように反射型のものであってもよいし、透過型のものであってもよい。空間光変調器５は、ＭＥＭＳ技術により作製されたＤＭＤ（Digital Micromirror Device）であってもよいし、液晶を用いた空間光変調器であってもよい。

【0021】

集光光学系６は、空間光変調器５から出力された光を入力して、その入力した光を第１方向（ｘ方向）に延びるライン状に集光する。集光光学系６は、シリンドリカルレンズを含んで構成され得る。

【0022】

リニアセンサ７は、１次元配列された複数の画素を有する。複数の画素それぞれは、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードを含む。リニアセンサ７は、集光光学系６によりライン状に集光された光を複数の画素により受光して、複数の画素それぞれの受光量に応じた信号を出力する。

【0023】

処理部９Ａは、空間光変調器５において複数の強度変調パターンを順次に設定させる。処理部９Ａは、空間光変調器５において複数の強度変調パターンそれぞれを設定した場合にリニアセンサ７から出力された信号に基づいて、リニアセンサ７の複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術による解析を行う。処理部９Ａは、この解析により、結像光学系４による対象物Ｓにおけるライン状の光Ｌの像を求め、対象物Ｓの形状を求める。また、処理部９Ａは、搬送機構１００による搬送時の対象物Ｓの各位置において対象物Ｓの形状を求めることで、対象物Ｓの３次元形状を求めることができる。

【0024】

処理部９Ａはコンピュータであってよい。処理部９Ａは、強度変調パターンや解析により得られた復元画像などを記憶する記憶部（例えば、ハードディスクドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等）、強度変調パターンや復元画像などを表示する表示部（例えば液晶ディスプレイ等）、測定開始の指示や測定条件の入力などを受け付ける入力部（例えばキーボード、マウス等）、装置全体の動作を制御する制御部（例えばＣＰＵ、ＦＰＧＡ等）を備える。

【0025】

図３は、空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像および強度変調パターンを説明する図である。この図において、縦方向に区分された複数の矩形は、空間光変調器５の光変調面における画素を表している。強度変調パターンは、各画素におけるハッチングの有無により表されている。空間光変調器５は、例えば、ハッチングが施された画素に入力された光をリニアセンサ７に入射させず、ハッチングが施されていない画素に入力された光をリニアセンサ７に入射させる。

【0026】

図４は、空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像とリニアセンサ７の各画素との関係を説明する図である。この図において、横方向に区分された複数の矩形は、リニアセンサ７の画素を模式的に表している。リニアセンサ７の第ｎ画素に入力される光は、図３中の空間光変調器５の光変調面において強度変調パターンにより指定された画素（ハッチングが施されていない画素）のうち、リニアセンサ７の該第ｎ画素に対応する領域から到達した光である。

【0027】

以下では、空間光変調器５の画素の個数をＮとし、リニアセンサ７の画素の個数をＮとし、強度変調パターンの個数をＭとする。強度変調パターンを表す行列をΦとし、リニアセンサ７から出力される信号値をｙとし、圧縮センシング技術により復元したい画像（空間光変調器５の光変調面における像）をｘとする。このとき、これらの間に下記（１）式の関係が成り立つ。

【0028】

【数1】

下記（２）式は、リニアセンサ７の第１画素からの信号値に関して上記（１）式を具体的に表したものである。下記（３）式は、リニアセンサ７の第２画素からの信号値に関して上記（１）式を具体的に表したものである。このような式がリニアセンサ７の画素毎にある。ｙ_n,mは、Ｍ個の強度変調パターンのうちの第ｍの強度変調パターンを用いたときのリニアセンサ７のＮ個の画素のうちの第ｎ画素からの信号値を表す。ｘ_n1,n2は、空間光変調器５のＮ個の画素のうちの第ｎ1画素であってリニアセンサ７のＮ個の画素のうちの第ｎ2画素に対応する領域の光強度を表す。φ_m,nは、第ｍの強度変調パターンを用いたときの空間光変調器５の第ｎ画素の光強度変調を表す。ｍは１以上Ｍ以下の整数である。ｎ、ｎ1、ｎ2は１以上Ｎ以下の整数である。

【0029】

【数2】

【0030】

【数3】

Ｍ＝Ｎであって、行列Φの逆行列が存在すれば、列毎の画像ｘは一意的に求められる。これに対し、Ｍ＜Ｎである場合、上記の式は劣決定系となり、列毎の画像ｘは数学的に解くことができない。しかし、Ｍ＜Ｎの場合であっても、列毎の画像ｘがスパースであれば（または、フーリエ変換などの線形変換によりスパースとなれば）、圧縮センシング技術により画像ｘを復元することができる。具体的には、次の式で表される最適化問題を列毎に解くことにより、画像ｘを復元することができる。λは、誤差の許容値を表すパラメータである。

【0031】

【数4】

本実施形態では、図３に示された空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像を復元する際に、列毎に圧縮センシング技術を適用することにより求める。すなわち、本実施形態では、画像全体のスパース性を制約とするのではなく、画像を複数列に区分して列毎のスパース性を制約とするので、全ての値が０となる列が存在する可能性を低くすることができて、画像再構成の精度が高い。

【0032】

本実施形態では、空間光変調器５として１次元状の強度変調パターンを設定することができるものを用いるので、装置を安価に構成することができ、消費電力を低減することができ、フレームレートを高速にすることができる。また、本実施形態では、列毎に圧縮センシング技術を適用するので並列処理が可能であり、並列処理することにより更にフレームレートを高速にすることができる。

【0033】

本実施形態では、空間光変調器５の画素のサイズと比べて、光変調面における像中のライン光が十分細ければ、１画素精度の高さ位置測定が可能である。しかし、空間光変調器５の画素サイズより太いライン光を入射させても画像を再構成することができるので、更に重心演算を行えばサブ画素精度の高さ位置測定が可能である。

【0034】

図５は、第２実施形態の形状測定装置１Ｂの構成を示す図である。第１実施形態の形状測定装置１Ａ（図１）と比較すると、第２実施形態の形状測定装置１Ｂ（図５）は、複数組の光源２および照射光学系３を備え、複数本の光束を第１方向（ｘ方向）に延びるライン状にして対象物Ｓに照射する点で相違する。図６は、第２実施形態の場合の空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像を説明する図である。第２実施形態では、この図に示されるように、空間光変調器５の光変調面においてライン状の光Ｌの像が複数現れることになるが、列毎の画像ｘがスパースであれば（または、フーリエ変換などの線形変換によりスパースとなれば）、第１実施形態の場合と同様にして、圧縮センシング技術により画像ｘを復元することができる。第２実施形態は、複数のライン光を用いることで測定回数を減らすことが可能であるので、計測時間を減らすことが可能となる。

【0035】

図７は、空間光変調器５の光変調面におけるライン状の光Ｌの像の他の例を説明する図である。このような像は、例えば、対象物が、ガラスのような半透明物体と、この半透明物体の背後にある物体と、を含むものである場合に得られる。この場合、半透明物体で反射した光と、半透明物体を透過して背後の物体で反射した光とが、空間光変調器５の光変調面に到達し得る。このような場合であっても、列毎の画像ｘがスパースであれば（または、フーリエ変換などの線形変換によりスパースとなれば）、第１実施形態の場合と同様にして、圧縮センシング技術により画像ｘを復元することができる。

【0036】

図８は、第３実施形態の形状測定装置１Ｃの構成を示す図である。形状測定装置１Ｃは、搬送機構１００により搬送されている対象物Ｓの形状を測定する装置であって、光源２、照射光学系３、結像光学系４、エリアセンサ８および処理部９Ｃを備える。第１実施形態の形状測定装置１Ａ（図１）と比較すると、第３実施形態の形状測定装置１Ｃ（図８）は、空間光変調器５、集光光学系６およびリニアセンサ７に替えてエリアセンサ８を備える点で相違し、処理部９Ａに替えて処理部９Ｃを備える点で相違する。

【0037】

エリアセンサ８は、２次元配列された複数の画素を有する。複数の画素それぞれは、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードを含む。エリアセンサ８は、結像光学系４を経た光を複数の画素により受光する。エリアセンサ８は、行毎に与えられる制御信号が第１論理値である行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に出力する。また、エリアセンサ８は、行毎に与えられる制御信号が第２論理値である行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に出力してもよい。第１論理値および第２論理値のうち一方は、第１論理値および第２論理値のうち一方は論理値Ｈであり、他方は論理値Ｌである。

【0038】

処理部９Ｃは、エリアセンサ８の行毎に与えられる制御信号の複数のパターンを順次に設定させる。処理部９Ｃは、エリアセンサ８において複数の制御信号のパターンそれぞれが設定された場合にエリアセンサ８から列毎に積算されて出力された信号に基づいて、エリアセンサ８の列毎に圧縮センシング技術による解析を行う。或いは、処理部９Ｃは、エリアセンサ８において複数の制御信号のパターンそれぞれが設定された場合に制御信号が第１論理値および第２論理値それぞれであるときにエリアセンサ８から列毎に積算されて出力された信号に基づいて、エリアセンサ８の列毎に圧縮センシング技術による解析を行う。処理部９Ｃは、この解析により、結像光学系４による対象物Ｓにおけるライン状の光Ｌの像を求め、対象物Ｓの形状を求める。また、処理部９Ｃは、搬送機構１００による搬送時の対象物Ｓの各位置において対象物Ｓの形状を求めることで、対象物Ｓの３次元形状を求めることができる。

【0039】

図９は、エリアセンサ８の構成を示す図である。エリアセンサ８は、画素アレイ部１０、行制御部２１および列読出部３２を備える。

【0040】

画素アレイ部１０は、２次元配列されたＮ^２個の画素Ｐ_1,1～Ｐ_N,Nを含む。Ｎ^２個の画素Ｐ_1,1～Ｐ_N,Nは共通の構成を有する。画素Ｐ_n1,n2は第ｎ1行第ｎ2列に位置する。各画素は、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を出力する否かを選択するスイッチとを含む。ここで、Ｎは２以上の整数である。ｎ、ｎ1、ｎ2は１以上Ｎ以下の各整数である。

【0041】

行制御部２１は、第ｎ行のＮ個の画素Ｐ_n,1～Ｐ_n,Nと第ｎ行制御線２３_ｎにより接続されている。行制御部２１は、この第ｎ行制御線２３_nを介して第ｎ行制御信号を第ｎ行のＮ個の画素Ｐ_n,1～Ｐ_n,Nへ与える。行制御部２１は、第１～第Ｎの行制御信号により、フォトダイオードで発生した電荷を出力すべき行を指定する。

【0042】

列読出部３２は、第ｎ列のＮ個の画素Ｐ_1,n～Ｐ_N,nと第ｎ列出力線３４_ｎにより接続されている。列読出部３２は、この第ｎ列出力線３４_ｎを介して、第ｎ列のＮ個の画素Ｐ_1,n～Ｐ_N,nのうちの何れかの画素から出力された電荷を入力する。列読出部３２は、入力した電荷量に応じた電圧値を出力するチャージアンプと、このチャージアンプから出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換器とを含んでいてもよい。

【0043】

このエリアセンサ８では、行制御部２１から出力される制御信号により第１行～第Ｎ行の何れかが選択されて、その選択された行のＮ個の画素Ｐ_n,1～Ｐ_n,Nから出力された電荷が第１～第Ｎの列出力線３４_１～３４_Ｎを介して列読出部３２に入力される。このとき、複数の行が選択された場合には、その選択された複数の行の画素から第ｎ列出力線３４_ｎへ出力された電荷が加算されて、列読出部３２に入力される。

【0044】

次に、列読出部３２の回路構成例について図１０～図１２を用いて説明する。図１０は、列読出部３２の回路構成例を示す図である。この図に示される列読出部３２は、ＮＭＯＳトランジスタ４１_１～４１_Ｎおよび変換部４９を含む。ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎのドレインは第ｎ列出力線３４_ｎと接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎのソースは変換部４９と接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎは、ゲートに与えられる信号のレベルに応じて、ドレインとソースとの間が導通（オン）および非導通（オフ）の何れかに設定されるスイッチとして作用する。

【0045】

変換部４９は、ＮＭＯＳトランジスタ４１_１～４１_Ｎそれぞれのソースと接続されている。変換部４９は、入力された電荷の量に応じた電圧値を出力するチャージアンプ、および、このチャージアンプから出力される電圧値に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換器を含む。

【0046】

ＮＭＯＳトランジスタ４１_１～４１_Ｎのうちの何れかがオン状態であると、そのオン状態であるＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎと第ｎ列出力線３４_ｎを介して接続された第ｎ列のＮ個の画素Ｐ_1,n～Ｐ_N,nの何れかの画素から出力された電荷が変換部４９へ入力され、その電荷量に応じたデジタル値が変換部４９から出力される。ＮＭＯＳトランジスタ４１_１～４１_Ｎは、同時にオン状態となってもよいし、一つずつ順次にオン状態となってもよい。

【0047】

この図には、ＮＭＯＳトランジスタ４８_１～４８_Ｎも示されている。ＮＭＯＳトランジスタ４８_ｎのドレインは電源電位供給端に接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ４８_ｎのソースは第ｎ列出力線３４_ｎと接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ４８_ｎもスイッチとして作用する。ＮＭＯＳトランジスタ４８_ｎは、オン状態であるとき、第ｎ列出力線３４_ｎに接続された第ｎ列のＮ個の画素Ｐ_1,n～Ｐ_N,nそれぞれのフォトダイオードで発生した電荷を初期化することができる。

【0048】

図１１は、列読出部３２の他の回路構成例を示す図である。この図に示される列読出部３２は、ＮＭＯＳトランジスタ４１_１～４１_Ｎおよび変換部４９に加えて、ＮＭＯＳトランジスタ４２_１～４２_Ｎおよびキャパシタ４３_１～４３_Ｎを含む。ＮＭＯＳトランジスタ４２_ｎのドレインは第ｎ列出力線３４_ｎと接続されている。ＮＭＯＳトランジスタ４２_ｎのソースはＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎのドレインと接続されている。キャパシタ４３_ｎは、ＮＭＯＳトランジスタ４２_ｎのソースと接地電位供給端との間に設けられている。ＮＭＯＳトランジスタ４２_ｎもスイッチとして作用する。

【0049】

この回路構成例では、ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎがオフ状態であるとき、ＮＭＯＳトランジスタ４２_ｎがオン状態であると、第ｎ列出力線３４_ｎから到達した電荷がキャパシタ４３_ｎに転送されて蓄積される。その後、ＮＭＯＳトランジスタ４２_ｎがオフ状態であるとき、ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎがオン状態であると、キャパシタ４３_ｎに蓄積されていた電荷が変換部４９へ入力され、その電荷量に応じたデジタル値が変換部４９から出力される。ＮＭＯＳトランジスタ４１_１～４１_Ｎも、同時にオン状態となってもよいし、一つずつ順次にオン状態となってもよい。

【0050】

図１２は、列読出部３２の更に他の回路構成例を示す図である。この図に示される列読出部３２は、ＮＭＯＳトランジスタ４１_１～４１_Ｎ、ＮＭＯＳトランジスタ４２_１～４２_Ｎ、キャパシタ４３_１～４３_Ｎ、ＮＭＯＳトランジスタ４４_１～４４_Ｎ、ＮＭＯＳトランジスタ４５_１～４５_Ｎ、キャパシタ４６_１～４６_Ｎ、ＮＭＯＳトランジスタ４７_１～４７_Ｎおよび変換部４９を含む。ＮＭＯＳトランジスタ４４_ｎ，４５_ｎおよびキャパシタ４６_ｎは、ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎ，４２_ｎおよびキャパシタ４３_ｎと同様の構成を有する。ＮＭＯＳトランジスタ４７_ｎのドレインは、ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎ，４４_ｎそれぞれのソースと接続されている。変換部４９は、ＮＭＯＳトランジスタ４７_１～４７_Ｎそれぞれのソースと接続されている。

【0051】

この回路構成例では、第ｎ列出力線３４_ｎに対し２つのキャパシタ４３_ｎ，４６_ｎが設けられていることにより、各第ｎ列出力線３４_ｎから到達した電荷が一方のキャパシタに転送され蓄積されている間に、他方のキャパシタに蓄積されていた電荷が変換部４９に入力されて電荷量に応じたデジタル値が変換部４９から出力される。例えば、ＮＭＯＳトランジスタ４１_ｎ，４５_ｎがオフ状態であるときに、ＮＭＯＳトランジスタ４２_ｎがオン状態であると、第ｎ列出力線３４_ｎから到達した電荷がキャパシタ４３_ｎに転送されて蓄積され、また、ＮＭＯＳトランジスタ４４_ｎ，４７_ｎがオン状態であると、キャパシタ４６_ｎに蓄積されていた電荷が変換部４９へ入力され、その電荷量に応じたデジタル値が変換部４９から出力される。

【0052】

なお、電荷量に応じたデジタル値を出力する変換部は、列読出部３２において一つのみ設けられてもよいし、列読出部３２において列毎に設けられてもよい。

【0053】

次に、行制御部２１の回路構成例について説明する。行制御部２１は、第１～第Ｎ行制御信号Ｘ_１～Ｘ_Ｎをパラレル入力して第ｎ行制御信号Ｘ_ｎを第ｎ行制御線２３_ｎへ出力してもよいし、また、第１～第Ｎ行制御信号Ｘ_１～Ｘ_Ｎをシリアルデータとして入力して第ｎ行制御信号Ｘ_ｎを第ｎ行制御線２３_ｎへ出力してもよい。好適には行制御部２１は図１３に示される構成とすることができる。

【0054】

図１３は、行制御部２１の回路構成例を示す図である。この図に示される行制御部２１は、シフトレジスタ５１およびフリップフロップ５２_１～５２_Ｎを含む。シフトレジスタ５１は、第１～第Ｎ行制御信号Ｘ_１～Ｘ_Ｎをシリアル入力して、第ｎ行制御信号Ｘ_ｎをフリップフロップ５２_ｎへ出力する。フリップフロップ５２_ｎは、シフトレジスタ５１から出力された第ｎ行制御信号Ｘ_ｎをラッチして、そのラッチした第ｎ行制御信号Ｘ_ｎを第ｎ行制御線２３_ｎへ出力する。

【0055】

フリップフロップ５２_ｎはＲＳフリップフロップであるのが好適である。この場合、フリップフロップ５２_ｎは、latchがオンであるとき、ラッチしていた第ｎ行制御信号Ｘ_ｎを第ｎ行制御線２３_ｎへ出力することができる。フリップフロップ５２_ｎは、setがオンであるとき、論理値Ｈを第ｎ行制御線２３_ｎへ出力することで、画素Ｐ_n,1～Ｐ_n,Nをリセットすることができる。また、フリップフロップ５２_ｎは、resetがオンであるとき、論理値Ｌを第ｎ行制御線２３_ｎへ出力することで、画素Ｐ_n,1～Ｐ_n,Nをオフとすることができる。

【0056】

この回路構成例のように、行制御部２１がシフトレジスタ５１およびフリップフロップ５２_１～５２_Ｎを含む場合、フリップフロップ５２_ｎから第ｎ行制御信号Ｘ_ｎを第ｎ行制御線２３_ｎへ出力している間に、シフトレジスタ５１は次の第１～第Ｎ行制御信号Ｘ_１～Ｙ_Ｎをシリアル入力することができる。

【0057】

次に、画素Ｐ_m,nの回路構成例について説明する。画素Ｐ_m,nは、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードを含み、また、そのフォトダイオードで発生した電荷を列出力線へ出力するか否かを選択するスイッチを含む。図１４は、画素Ｐ_m,nの回路構成例を示す図である。この図に示される画素Ｐ_m,nは、フォトダイオードＰＤおよびスイッチＳＷを含む。スイッチＳＷは、ＭＯＳトランジスタにより構成され得る。

【0058】

スイッチＳＷは、フォトダイオードＰＤと列出力線３４_ｎとの間に設けられている。行制御部２１から行制御線２３_ｍを介して送られてきた行制御信号Ｘ_ｍが論理値Ｈであるとき、スイッチＳＷは、オン状態となって、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を列出力線３４_ｎへ出力させる。行制御信号Ｘ_ｍが論理値Ｌであるとき、スイッチＳＷは、オフ状態となって、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を列出力線３４_ｎへ出力させない。

【0059】

図１４に示された画素Ｐ_m,nの回路構成例では、各行制御信号Ｘ_ｍの論理値を反転することで、全ての画素から電荷を読み出すことができる。これにより測定時間を短縮することができる。図１５～図１８は、全画素から電荷を出力する場合の露光から読出までのタイミングの態様の例を示す図である。

【0060】

図１５に示されるタイミングの態様例では、全ての画素が同時に露光を開始し、一定期間経過後に１または複数の行の画素から電荷が読み出される。この１回目の電荷読出が終了した後に他の行の画素（１回目に電荷読出をしなかった行の画素）から電荷が読み出される。１回目に電荷読出が行われた行の画素と、２回目に電荷読出が行われた行の画素とでは、露光時間が異なることになるが、圧縮センシング技術による最適化問題を解く際に露光時間の差異を容易に補正することができる。このタイミングの態様は、図１０に示された列読出部３２の回路構成例の場合に適用が可能である。

【0061】

図１６に示されるタイミングの態様例では、各画素のリセットを適切なタイミングで行うことにより、全ての画素の露光時間を一定にする。一定期間の露光が終了した１または複数の行の画素から電荷が読み出される。この１回目の電荷読出が終了した後に他の行の画素（１回目に電荷読出をしなかった行の画素）から電荷が読み出される。このタイミングの態様は、図１１に示された列読出部３２の回路構成例の場合であって、露光時間が読出時間以上である場合に適用が可能である。

【0062】

図１７に示されるタイミングの態様例でも、各画素のリセットを適切なタイミングで行うことにより、全ての画素の露光時間を一定にする。一定期間の露光が終了した１または複数の行の画素から電荷が列読出部３２に転送され、その後、電荷量に応じたデジタル値が列読出部３２から出力される。この１回目の電荷転送が終了した後に他の行の画素（１回目に電荷読出をしなかった行の画素）において、リセットおよび一定期間の露光が行われた後、電荷が列読出部３２に転送され、その後、電荷量に応じたデジタル値が列読出部３２から出力される。このタイミングの態様は、図１１に示された列読出部３２の回路構成例の場合に適用が可能であり、露光時間が読出時間より短い場合であっても適用が可能である。

【0063】

図１８に示されるタイミングの態様例でも、各画素のリセットを適切なタイミングで行うことにより、全ての画素の露光時間を一定にする。一定期間の露光が終了した１または複数の行の画素から電荷が列読出部３２に転送され、その後、電荷量に応じたデジタル値が列読出部３２から出力される。他の行の画素（１回目に電荷読出をしなかった行の画素）において、リセットおよび一定期間の露光が行われた後、電荷が列読出部３２に転送され、その後、電荷量に応じたデジタル値が列読出部３２から出力される。１回目の電荷転送の後に２回目の電荷転送が行われる。このタイミングの態様は、図１２に示された列読出部３２の回路構成例の場合に適用が可能である。

【0064】

次に、画素Ｐ_m,nの他の回路構成例について説明する。図１９は、画素Ｐ_m,nの他の回路構成例を示す図である。この図に示される画素Ｐ_m,nは、フォトダイオードＰＤおよび２個のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を含む。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、ＭＯＳトランジスタにより構成され得る。

【0065】

行制御信号Ｘ_ｍが論理値Ｈであるとき、スイッチＳＷ１はオン状態となり、スイッチＳＷ２はオフ状態となる。行制御信号Ｘ_ｍが論理値Ｌであるとき、スイッチＳＷ１はオフ状態となり、スイッチＳＷ２はオン状態となる。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、一方がオン状態であるとき、他方がオフ状態となる。スイッチＳＷ１は、オン状態であるとき、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を列出力線３４_n,1へ出力させる。スイッチＳＷ２は、オン状態であるとき、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を列出力線３４_n,2へ出力させる。

【0066】

この回路構成例では、エリアセンサ８は、行毎に与えられる制御信号が論理値Ｈである行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に列出力線へ出力するとともに、行毎に与えられる制御信号が論理値Ｌである行の画素それぞれの受光量に応じた信号を列方向に積算して列毎に別の列出力線へ出力することができる。

【0067】

そして、処理部９Ｃは、エリアセンサ８において複数の制御信号のパターンそれぞれが設定された場合に制御信号の各論理値についてエリアセンサ８から列毎に積算されて出力された信号に基づいて、エリアセンサ８の列毎に圧縮センシング技術による解析を行って、対象物Ｓの形状を求めることができる。これにより測定時間を短縮することができる。

【0068】

本実施形態でも、エリアセンサ８の受光面におけるライン状の光Ｌの像を復元する際に、列毎に圧縮センシング技術を適用することにより求める。すなわち、本実施形態でも、画像全体のスパース性を制約とするのではなく、画像を複数列に区分して列毎のスパース性を制約とするので、全ての値が０となる列が存在する可能性を低くすることができて、画像再構成の精度が高い。

【0069】

本実施形態では、空間光変調器を用いる必要がないので、更に装置を安価にかつ容易に構成することができ、更に消費電力を低減することができる。また、本実施形態でも、列毎に圧縮センシング技術を適用するので並列処理が可能であり、並列処理することにより更にフレームレートを高速にすることができる。

【0070】

本実施形態でも、エリアセンサ８の画素のサイズと比べて、受光面における像中のライン光が十分細ければ、１画素精度の高さ位置測定が可能である。しかし、エリアセンサ８の画素サイズより太いライン光を入射させても画像を再構成することができるので、更に重心演算を行えばサブ画素精度の高さ位置測定が可能である。

【0071】

図２０は、第４実施形態の形状測定装置１Ｄの構成を示す図である。第３実施形態の形状測定装置１Ｃ（図８）と比較すると、第４実施形態の形状測定装置１Ｄ（図２０）は、複数組の光源２および照射光学系３を備え、複数本の光束を第１方向（ｘ方向）に延びるライン状にして対象物Ｓに照射する点で相違する。第４実施形態の場合のエリアセンサ８の受光面におけるライン状の光Ｌの像は、図６に示されたものと同様である。第４実施形態では、図６に示されるように、エリアセンサ８の受光面においてライン状の光Ｌの像が複数現れることになるが、列毎の画像ｘがスパースであれば（または、フーリエ変換などの線形変換によりスパースとなれば）、第３実施形態の場合と同様にして、圧縮センシング技術により画像ｘを復元することができる。第４実施形態は、複数のライン光を用いることで測定回数を減らすことが可能であるので、計測時間を減らすことが可能となる。

【0072】

また、例えば、対象物が、ガラスのような半透明物体と、この半透明物体の背後にある物体と、を含むものである場合に、エリアセンサ８の受光面におけるライン状の光Ｌの像が図７に示されるような場合であっても、列毎の画像ｘがスパースであれば（または、フーリエ変換などの線形変換によりスパースとなれば）、第１実施形態の場合と同様にして、圧縮センシング技術により画像ｘを復元することができる。

【符号の説明】

【0073】

１Ａ～１Ｄ…形状測定装置、２…光源、３…照射光学系、４…結像光学系、５…空間光変調器、６…集光光学系、７…リニアセンサ、８…エリアセンサ、９Ａ，９Ｃ…処理部、１０…画素アレイ部、２１…行制御部、２３…行制御線、３２…列読出部、３４…列出力線、Ｐ_1,1～Ｐ_N,N…画素。

【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】

【図20】