JP2001519036A - 光源の距離を非接触測定するための光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 基本的センサーで形成された光学的検出手段（7）を備え、光源（4）の距離を非接触測定するための光学装置であって、この装置は、更に、前記検出手段の平面の近傍の平面上に光源を結像することが可能で、もって、前記手段上に１組の光スポット（各スポットは少なくとも２つの基本的センサーに跨る）を形成する１組のＮ個（Ｎ≧３）の結像手段（SP1、SP2、SP3）と、少なくとも３つの光スポットの相対位置に基づいて、光源から装置までの距離に特徴的な少なくとも１つのパラメータを光スポットの数Ｎに依存する精度で計算することの可能な計算回路を有する。本発明の測定装置は特に工業的測定（寸法、組織、位置、振動、変位の測定）の分野に使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 光源の距離を非接触測定するための光学装置 本発明は、光源の距離を非接触測定するための光学装置に関する。本発明は、 例えば、産業分野において非破壊的な寸法管理（高さ或いは厚さの測定、部品の プロフィルの管理、製図、ロボットの位置決め）に適用される。 距離を非接触測定するための光学装置の中で、三角測量システムは産業分野に おいて非常に普及しており、廉価で使用の容易な装置を構成している。対象物体 から測定装置までの距離の測定の原理は、対象物体を見る角度を計算するという ものである。光軸外に（即ち、システムの光軸とは異なる軸線に沿って）物体に 投影された光の点若しくは線は、光スポットを形成するセンサーの近傍の平面に 再結像される。この形式の装置においては、対象物体は点と看做される。センサ ー上のスポットの位置（例えば、強度分布の重心によって画定される）は、投影 された点若しくは線を見る角度の正接に比例する。この装置は映像の認識を行う ものではなく、良好な解像度を有する必要がない。反対に、この装置は開口数の 小さな光学で作用し、良好な測定視野深度を提供する。この方式の主たる難点は 光源の照明装置による光軸外投影であり、これは、特に非測定物体が高い空間的 頻度（即ち、強度の傾斜）を含む場合には、測定不可能な陰領域を生じさせる。 更に、投光路と受光路との間に角度が必要であるので、斯るシステムの寸法は作 用距離に伴い顕著に増大する。 例えば自動車用に開発された立体視法の原理に基づく装置はより優れている。 この装置は距離Ｌで隔てられた２つの光学的検出手段に結合された２つの光学装 置を用いており、夫々の光学装置は物体の１つの像を形成し、物体の距離は２つ の検出手段によって求められた２つの像の間のずれｌを測定することにより決定 される。この形式の装置においては、距離測定の精度は直接に距離Ｌに比例して いるので、互いに充分に離間された異なる２つの検出手段を備えていることが必 要になる。このため、この種の装置は大型となり、検出手段の相対位置につき非 常に良好な安定性を必要とするので使用に制約を受ける。精度を得るため、斯る 装置のある種のものは、ずれｌをより良く評価するのを可能にする改良された画 像認識・処理アルゴリズムを備えている（例えば、ヨーロッパ特許0558,026参照 ）。この装置は非常に良好な光学的解像度を有するためには開口数の大きな（焦 点／口径比の小さな）光学系を必要とし、従って測定視野深度が小さくなるので 、視野を適合するための対物レンズを用いることが必要となる。 本発明は、コンパクトで、精度に優れ、良好な測定視野深度を有し、装置の軸 線上で作動することの可能な距離測定用光学装置を提供するものである。この装 置は検出手段上に１つの光源から１組の光スポットを形成する１組の結像手段（ イメージング手段）を備え、光源の距離はスポットの相対位置に基づいて決定さ れる。これらの結像手段は瞳孔面の近傍の平面内に配置してあり、各結像手段は サブ瞳孔を形成している。本発明の装置においては、距離の精度は光スポットの 数に依存する。この数が大きければ大きいほど、測定はより高精度になる。従っ て、充分に小さな結像手段（例えば、マイクロレンズ）を使用すれば、この装置 は只１つの検出手段（例えば、センサーのアレー若しくはマトリックス）しか必 要としない。 より詳しくは、本発明は光源からの距離を非接触測定するための装置を提供す るもので、この装置は基本的センサーで形成された光学的検出手段を備え、この 装置は、更に： −１組のＮ個（Ｎ≧３）の結像手段であって、前記検出手段の平面の近傍の平 面上に光源を結像することが可能で、もって、前記手段上に１組の少なくとも３ つの光スポットを形成し、各スポットが少なくとも２つの基本的センサーに跨る ものと、 −少なくとも３つの光スポットの相対位置に基づいて、光源から装置までの距 離に特徴的な少なくとも１つのパラメータを光スポットの数Ｎに依存する精度で 計算することの可能な計算回路、 を備えていることを特徴とする。 好ましくは、計算回路は少なくとも１つの較正パラメータを含む較正テーブル を有し、パラメータの値は光源からのある種の距離について定められ、計算回路 は較正パラメータの値に特徴的なパラメータを比較する。ある実施態様において は、この装置は、更に、光スポットを検出手段上に空間的に位置決定するための 回路を有し、この回路は各光スポットについて基準原点に対するその位置を決定 する。 本発明の装置は、コンパクトで、使用が簡単で、簡単な計算アルゴリズムを使 用しているので迅速であるという利点を呈する。この装置は、光学的解像度を必 要とせず、従って、視野適合用対物レンズを用いることなく（用いることも可能 である）大きな視野深度を提供するので、開口数の小さな結像手段で作動する。 更に、この装置は光軸上で作動することができ、その結像手段は多数あるので測 定不可能な陰領域が限定される。 本発明の他の特徴や効果は以下の図面に基づく記載から明らかとなろう。 図１は本発明の装置の第１実施例を示す。 図２は光軸外配置された照明システムと成型用対物レンズを用いた装置の変化 形を示す。 図３は本発明の装置の実施例における光スポットのプロフィルを示す。 図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは本発明の一作動モードに基づく距離計算原理を示す。 図５は前記作動モードのための可能な計算方法を模式的に示す。 図６Ａおよび６Ｂは二次光源が線である特定の構成における装置の変化形を示 す。 図１および図２は光源４からの距離を測定するための本発明の実施例を示す。 先ず、光源は点状ないしほぼ点状であると見なす。一般に、この光源は自然のも の（例えば、蛍光分子）でもよいし、或いは照明器を用いて照された対象物体の 基本的（要素的）表面からなる光源でもよく、後者の光源は二次的光源と言う。 従って、図１および図２に示した装置は、システムまでの距離を測定したい対象 物体に例えば光の点を投影するのを可能にする照明器（１、２）を備えている。 この光点は二次光源４として作用する。照明に用いる光エミッター１は、名目的 作動距離のところに焦点を結ぶ対物レンズ２に連結されたレーザダイオードであ り得る。この焦点合わせは、また、図６Ａおよび６Ｂに示したように、かつ、後 述するように、線に沿って行うことができる。照明器はシステム９の受光路の光 軸に整線させることができる（図１）。この場合には、同一線上にあるので、測 定不可能な陰領域が生じる危険を克服することが可能になる。光軸に照明器を整 線させるのは分離板３を用いて行うことができる。照明器は光軸外（光軸越し） 配置でもよく（図２）、これはシステムを簡素化する。この構成は特に陰領域を 無視できるような“長距離”用途に使用することができる。従来技術の三角測量 方式に対比して、非共線状の構成には照明器の位置決めについて何等の角度的な 制約がない。 対象物体が散乱性である場合には、光源は光を全方向に送り返し、光の一部は 受光系に帰来する。対象物体が反射性である場合には、光源は光を円錐状に送り 返し、この円錐の開口は照明器によって定まり、円錐の光軸の方向は対象物体の 方位によって定まる。従って、対象物体の物理的方位によるか、顕微鏡において 遭遇するように照明器光学的開口を大きくするかのいづれかにより、充分に適合 させる必要がある。 本発明の装置は検出手段７（センサーとも言う）を備え、これは基本的（要素 的）センサーによって構成されている。本発明の装置は、更に、Ｎ個（Ｎ≧３） の結像手段６を備えており、これらの結像手段は、検出手段７の平面の近傍の平 面上に光源４を結像することが可能であり、従って、当該検出手段上に少なくと も３つの光スポット８（各スポットは少なくとも２つの基本的センサーに跨って いる）を形成する。瞳孔面に配置されているので、これらの結像手段は光源から 来るビームを同数のサブ瞳孔に分解するのを可能にする。 図１および図２に示した実施例では、検出手段は基本的センサーの線形アレー であり（センサーは線形に配置されている）、結像手段はほぼ一定のピッチで並 置されたほぼ同一のマイクロレンズのアレーからなる。光源からの距離を計算す るためにはピッチが一定であることは必要ではなく、結像手段の周期的分布が( 周期が一定でなくても)計算を簡素化し距離の計算を可能にすることが以下の記 載から分かるであろう。マイクロレンズのアレーはセンサーのアレーの前方にそ れ に平行に配置されている。例えば、14μｍ（標準フォーマット）の2048の基本的 センサー又はピクセルからなる28ｍｍのＣＣＤアレーを使用することができる。 この場合、直径287μｍの100のマイクロレンズのアレーを選ぶことが可能である 。そうすれば、マイクロレンズの各サブ瞳孔はセンサー上の約20の基本的センサ ーに対応する。例えば10ｍｍの焦点距離を選ぶことができ、これはマイクロレン ズの直径に対して比較的大きいので光スポットのプロフィルは回折限界内にとど まる。図示した実施例においては、回折限界は約50μｍであり、これは３〜４の 基本的センサーに相当する。図３はセンサー(この場合にはＣＣＤアレー)上に実 験的に得られた光スポットのプロフィルを示す。マイクロレンズは、例えば、球 形若しくは円柱形であり得る。後者の場合、円柱形レンズの母線は実質的に平行 であり、センサーのアレーの軸線は母線の軸線に垂直である。 図２はビームを成形するための光学装置１０を備えた変化形を示す。これは( このシステムの焦点における)測定すべき光源の名目的位置を定義するのを可能 にするもので、後者には光スポットの特定の分布が対応し、光源からの距離の計 算における利点を以下に述べる。この光学装置は単一のレンズでもよいし、組合 せレンズでも良い。更に、この光学装置はセンサーのアレーに光を収束させるこ とを可能にする円柱形レンズを有することができる（何故ならば、一般にこのア レーはあまり広くなく、数ミクロンから数百ミクロンであるからである）。この 構成はこの装置に結像手段として円柱形レンズのアレーが使用してある場合に特 に有利である。 ある変化形においては、基本的センサーのマトリックスの前方に配置した円柱 形マイクロレンズのアレーを用いることも可能である。この場合には、各マイク ロレンズは、光源から、センサーのマトリックスに対する母線の軸線に平行な線 を形成する。この場合には、信号は信号対ノイズ比を向上させるべく線に沿って 加算することができる。 結像手段は、他の変化形に従えば、球形若しくは、基本的センサーのマトリッ クス上に１組の光スポットを形成する非球形のマイクロレンズのマトリックスで もよい。 本発明の装置は、更に、少なくとも３つの光スポットの相対位置に基づいて、 光源から装置までの距離に特徴的な少なくとも１つのパラメータを計算すること の可能な計算回路を有する。ある変化形に従えば、本発明の装置は、更に、光ス ポットを検出手段上に空間的に位置決定するための回路を有し、この回路は各光 スポットについて基準原点に対するその位置を決定する。図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは 光源からの距離を計算するための可能なやり方を示す。 位置決定用回路は基準原点に対する各スポットの中心の位置を決定するのを可 能にする。各スポットの中心の計算に関しては種々のやり方が存在する。即ち、 スポットが跨った２〜３の基本的センサーの空間的重心は、例えば、各基本的セ ンサー毎に、照明レベルに関する係数を付与することにより計算される。そうす れば重心はスポットの中心を構成することになり、重心は基本的センサーの幅の 分数内で決定される。また、スポットの理論的形状又はそれを近似した数学的関 数（基数サイン（sin(x)/(x)）、ガウス関数（cxp(-x²)、・・・）、天文学の分 野で知られ実用されている方法、によってスポットを補間計算することも可能で ある。各光スポットの中心の位置は種々の原点を考慮することにより測定するこ とができる。即ち、センサーの固定点に関する原点、又は、センサー上の対応す るサブ瞳孔の幾何学的投影の各々の端部若しくは中心に関する原点（この場合、 原点は“浮動”していると言う）。 光源からの距離を計算する可能なやり方を説明するに、３つの結像手段、例え ば、マイクロレンズのアレーの中央部から抽出され、この装置の３つのサブ瞳孔 を形成する、並置された３つのマイクロレンズ（図４Ａに参照符号ＳＰ₁、ＳＰ₂ 、ＳＰ₃で示す）、を想定する。マイクロレンズは実質的に一定のピッチで分配 されているとみなす。光源４（点状又はほぼ点状であるとみなす）は、順次に任 意の位置ＡおよびＢ（ＡおよびＢは後述する測定視野内にある）から装置へと光 線を送る。光源から来た光線はマイクロレンズの平面５を通過する。その結果、 ビームは対応するサブ瞳孔に沿って分解される。レンズは、光源の名目的位置に ついてセンサー７の平面内で光源を再結像する（図示した実施例では、この時、 光源とセンサーとの間に共役がある）と共に、他の位置についてその近傍の平面 内 で光源を再結像する（センサーの平面内には収束ずれがある）。いづれの場合に も、センサー上には１組の光スポットが形成され、この実施例ではこれらは線形 に分配され、各スポットは１つのサブ瞳孔に対応する。焦点ずれは問題を生じな い。何故ならば、結像手段の開口は非常に小さいので、それらは回折モードで作 動し、結像を実行しない（即ち、光スポットの寸法は結像手段の回折スポットの 寸法に対応する）からである。 これらの光スポットは、光源から由来し、かつ、図４Ａ（実線で示した光線は 位置Ａに関し、位置Ｂの光線は鎖線で示してある）に示したようにサブ瞳孔ＳＰ_n に対応するマイクロレンズの光学中心Ｏ_nを通る光線に芯合わせされる。同図に おいて、焦点ずれは意図的に無視されており（ＡとＢはセンサー平面内に再結像 されている）、その唯一の帰結は光スポットが大なり小なり広範囲に拡がること である（しかし、光スポットは前述した光線に芯合わせされたままである）。図 ４Ａに示した特定の場合には、ＳＰ₂に内接するレンズの光軸（光軸は（ＡＢ） で定義される）は光源の移動軸線に一致するので、サブ瞳孔ＳＰ₂に対応する光 スポットの位置は不変である。実際にこの装置を使用する時には、中央のサブ瞳 孔は必ずしも充分に芯合わせされないが、それはなお中心に近く、その結果、光 スポットの位置は殆ど変化しない。 図４Ａは図２に示した光学的成形装置１０の利点を示す。即ち、この装置は、 一方において（光学装置を変えることにより）作用距離を容易に適合させるのを 可能にすると共に、他方においてこの装置の可能な全ダイナミックレンジを利用 するのを可能にする。即ち、図４Ａは、成形用対物レンズがない場合には、光ス ポットは常に芯ずれし、サブ瞳孔の半数はアクセス不可能であることを示してい る。これに対して、図１は、名目的距離においては、光スポットはサブ瞳孔（レ ンズの焦点）に芯合わせされることを示している。光学的成形装置１０を省略す る場合には、レンズのマトリックスは、ビームをサブ瞳孔に分解することと、そ れをセンサー上の光スポットに収束することとの両者を単独かつ直接に実行する 。 １つの計算方法は、２つずつ順次連続する光スポットを隔てる平均空間的ずれ を決定することからなる。このやり方が可能であるのは、実施の多くの場合にお いて、光スポットは互いに等距離にあるからである（これは光スポットの位置の 線形分布にたとえることができる）。これは結像手段がほぼ同一であってほぼ一 定のピッチで分散されている場合である。このずれは光源から測定装置までの距 離に特徴的なパラメータである。何故ならば、２つの順次連続する光スポットの 間のずれをｄ_Aおよびｄ_Bと呼べば、光源の夫々の位置ＡおよびＢについては、図 ４Ａの実施例によれば、 ここで、［Ｏ₁Ｏ₂］＝ｐはサブ瞳孔のピッチであり、［ＤＰ］＝ｆ（サブ瞳孔 の平面をセンサーから隔てる距離）は装置の幾何学的パラメータである。従って 、パラメータ［ＡＤ］および［ＢＤ］を抽出して次のように定めることができる 。 このやり方は装置が供給する情報が冗長であることを示す（Ｎをスポットの数 とすれば、ｄＡは（Ｎ−１）回測定され、ｄＢは（Ｎ−１）倍測定される）。 この平均的ずれを計算する実用的なやり方は、例えば数によってインデックス （サブ瞳孔０又は１は１組のサブ瞳孔の中から平等に選ばれる）を付した対応す るサブ瞳孔に応じて各スポットの中心の位置を表す直線の傾斜を決定することか らなる。図４Ｂは各サブ瞳孔の位置と各光スポットの中心の位置との対によって 画定される点の直線に沿った分布を示す。この直線を中心とする分布はこの装置 中の欠陥、特に、マイクロレンズのマトリックスを製造する際の欠陥に関する。 この直線の傾斜の計算は、例えば、従来の線形回帰法（最小スクエア法）により 行うことができる。測定と推算直線の対応する数値との間のずれのスクエアの総 和は最小化される（従って、最小スクエアの直線が得られる）。 図４Ｃは図４Ａのサブ瞳孔ＳＰ₁およびＳＰ₂内におけるセンサー上のエネルギ の分布の詳細を示す。形成された光スポット（Ａに置かれた光源については太線 、Ｂに置かれた光源については細線）の中心を隔てる距離は光源の長手方向変位 のために異なる。この図は、何故この装置はかなりの焦点ずれがあっても焦点ず れを許容するのか（つまり、スポットはより拡がるが、その中心は不変であるこ と）を理解するのを可能にするものである。更に、結像手段の開口数が小さい ことと回折モードは焦点ずれの重要性を制限する。 前述した関数は、測定されたずれは光源の長手方向位置の一対一関数であるこ とを示している。この事は傾斜についても同じである。測定の長手方向視野（又 は視野の深度）の定義は、選んだ幾何学的パラメータ（サブ瞳孔の数、レンズの 直径と焦点長さ）に依存している。即ち、センサー上に形成された全ての光スポ ットが使用可能であり続けること、つまり、各光スポットが満足すべきプロフィ ル（収差があまりにも大きくなく、焦点ずれが過剰でないこと）を保持すること が必要である。 測定視野に関しては、より一般的には測定容積を定義することが可能である。 光源は、測定されることが可能であるためには、この容積内に存在しなければな らない。前記容積は、位置および光スポットの関数として定義される。即ち、Ｘ 軸（図４Ａ参照）に沿っては、光スポットはセンサー上に留まることが必要であ る。Ｙ軸に沿っては、光スポットは品質が良好であり続け、かつ、数が充分であ ることが必要である（光スポットは隣接するサブ瞳孔上に、従って光軸外に結像 される）。Ｚ軸に沿っては、前述の視野の深度の問題である。従って、測定容積 はこの装置の特性の関数として変化する。 前述した関数は、どのようにすれば、測定装置の幾何学的パラメータの知識に 基づいて、光源から測定装置までの距離を直接に決定することができるかを示し ている。実際には、計算回路は少なくとも１つの較正パラメータ（例えば、前述 したような平均ずれ又は直線の傾斜）を含んだ較正テーブルを備え、斯るパラメ ータの値は光源からのある種の距離について決定される。これらの値は実験的な 或いは理論的な方法で予め定めることができる。計算回路は、次に、測定の最中 に決定された距離に特徴的なパラメータを較正パラメータの値と比較する。図５ は本発明の測定装置のある作動モードの段階を示すもので、位置決定用回路５１ と較正テーブル５３を有する計算回路５２とを備え、後者の計算回路は測定の最 中に決定された平均ずれ又は傾斜を較正パラメータの値と比較することにより光 源の距離の値を抽出する。 前述した実施例は線形に配置された光スポットを取り扱っている。より一般的 には、各結像手段はインデックスしてあるので、光源からの距離は結像手段のイ ンデックスに応じた各光スポットの関数位置を表すカーブに特徴的なパラメータ に基づいて決定することができる。光源からのある種の距離について定めた較正 パラメータを含んだ較正テーブルは、この場合にも、光源からの距離を抽出する ために計算回路によって使用することができる。 本発明の測定装置の他の作動モードにおいては、位置決定回路によって光スポ ットの位置を決定する必要はない。計算回路は光スポットの分布の空間的頻度分 析を実行することができ、この場合には光源からの距離に特徴的なパラメータは 頻度のスペクトルに基づいて決定する。例えば、一連の光スポットがほぼ周期的 に分布している場合には、頻度スペクトルに基づいて定めるパラメータの１つは 周期の逆数である。頻度分析は、例えば、従来の迅速フーリエ変換アルゴリズム によって実施することができる。 図６Ａおよび図６Ｂは、複数の点状光源からの距離を同時に測定するための前 述した実施例の変化形を示す。より詳しくは、線を形成する一連の光スポットに 関する。 光エミッター１とその対物レンズ２は必ずしも受光系の光軸９に整列させる必 要はない。二次光源は光線４および４乙に沿って投影された光エミッターによっ て生成される。図６Ａ（平面図）は投影線４に垂直な平面における図であり、図 ６Ｂ（側面図）は投影線４乙を含む平面における装置を表す。センサーとしては マトリックスＣＣＤカメラ７を用いることができる。 戻り光は成形用光学系１０によって収集される。次にビームは（前述した第１ 実施例の場合と同様に）サブ瞳孔の平面５内でサブ瞳孔６に沿って分解され、セ ンサー７上に収束される。図６Ａは、１つの点状又はほぼ点状の光源からの距離 を測定する装置と、１本の線に沿って配置された一連の点状又はほぼ点状の光源 からなる光源からの距離を測定する装置との間の測定の類似性を示している。こ の線に垂直な夫々の平面内には、前述した第１実施例と同じ構成要素が見出され る。即ち、光源（線と検討中の垂直平面との交わり）と、結像手段（例えば、マ イクロレンズ）のアレーと、リニアセンサー（検討中の垂直平面内におけるマト リックスセンサーの線１１）の等価物である。前記光源をこの装置から隔てる距 離は、前記リニアセンサー（マトリックスセンサー７の線１１）上に位置する対 応する光スポットの重心間のずれの関数である。しかしながら、追加的な実施上 の制約を考慮しなければならない。即ち、投影した光線は結像手段のアレーの方 向に対して直交する平面内のセンサーと共役し或いはほぼ共役しなければならな い。そうでない場合には、空間的解像度が悪化する。斯る装置の空間的解像度（ 即ち、プロフィル上に得られる測定点の数）は、投影された光線に平行な方向に おける基本的センサーの数の関数であると共に、その収束ずれの関数である。 本発明の装置は、寸法管理の産業分野においてあらゆる範囲のセンサー（特に 三角測量センサー）と置換することを目的としたものである。更に、この装置は 、（非破壊検査用の）産業的ビジョン、生物学（例えば、蛍光物体の軌跡の追跡 ）、ロボット技術、などのような分野において新規な用途を開くものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年３月８日（１９９９．３．８） 【補正内容】 される。この形式の装置においては、距離測定の精度は直接に距離Ｌに比例して いるので、互いに充分に離間された異なる２つの検出手段を備えていることが必 要になる。このため、この種の装置は大型となり、検出手段の相対位置につき非 常に良好な安定性を必要とするので使用に制約を受ける。精度を得るため、斯る 装置のある種のものは、ずれｌをより良く評価するのを可能にする改良された画 像認識・処理アルゴリズムを備えている(例えば、ヨーロッパ特許0558,026参照) 。この装置は非常に良好な光学的解像度を有するためには開口数の大きな（焦点 ／口径比の小さな）光学系を必要とし、従って測定視野深度が小さくなるので、 視野を適合するための対物レンズを用いることが必要となる。 他の距離測定装置は、物体の点が名目的位置のいづれかの側にずれた時に主レ ンズを介して物体の点の結像点が焦点ずれすることの解明に基づいている（例え ば、IEEE文献、『パターン分析と機械インテリジェンスに関する処理』、14巻、 ２号、1992年２月、99-106頁、エイデルソン外）。 本発明は、コンパクトで、精度に優れ、良好な測定視野深度を有し、装置の軸 線上で作動することの可能な距離測定用光学装置を提供するものである。この装 置は検出手段上に１つの光源から１組の光スポットを形成する１組の結像手段（ イメージング手段）を備え、光源の距離はスポットの相対位置に基づいて決定さ れる。これらの結像手段は瞳孔面の近傍の平面内に配置してあり、各結像手段は サブ瞳孔を形成している。本発明の装置においては、距離の精度は光スポットの 数に依存する。この数が大きければ大きいほど、測定はより高精度になる。従っ て、充分に小さな結像手段（例えば、マイクロレンズ）を使用すれば、この装置 は只１つの検出手段（例えば、センサーのアレー若しくはマトリックス）しか必 要としない。 より詳しくは、本発明は光源からの距離を非接触測定するための装置を提供す るもので、この装置は、基本的センサーで形成された光学的検出手段（７）と、 １組のＮ個（Ｎ≧３）の結像手段（６）とを備え： −前記結像手段は前記検出手段の平面の近傍の平面上に光源を結像することが 可能で、もって、前記手段上に１組の少なくとも３つの光スポットを形成し、各 スポットは少なくとも２つの基本的センサーに跨り、 −前記装置は、少なくとも３つの光スポットの相対位置に基づいて、光源から 装置までの距離に特徴的な少なくとも１つのパラメータを光スポットの数Ｎに依 存する精度で計算することの可能な計算回路を更に備えていることを特徴とする 。 好ましくは、計算回路は少なくとも１つの較正パラメータを含む較正テーブル を有し、パラメータの値は光源からのある種の距離について定められ、計算回路 は較正パラメータの値に特徴的なパラメータを比較する。ある実施態様において は、この装置は、更に、光スポットを検出手段上に空間的に位置決定するための 回路を有し、この回路は各光スポットについて基準原点に対するその位置を決定 する。 本発明の装置は、コンパクトで、使用が簡単で、簡単な計算アルゴリズムを使 用しているので迅速であるという利点を呈する。この装置は、光学的解像度を必 要とせず、従って、視野適合用対物レンズを用いることなく（用いることも可能 である）大きな視野深度を提供するので、開口数の小さな結像手段で作動する。 更に、この装置は光軸上で作動することができ、その結像手段は多数あるので測 定不可能な陰領域が限定される。 本発明の他の特徴や効果は以下の図面に基づく記載から明らかとなろう。 図１は本発明の装置の第１実施例を示す。 図２は光軸外配置された照明システムと成型用対物レンズを用いた装置の変化 形を示す。 図３は本発明の装置の実施例における光スポットのプロフィルを示す。 図４−１、４−２、４−３は本発明の一作動モードに基づく距離計算原理を示 す。 図５は前記作動モードのための可能な計算方法を模式的に示す。 請求の範囲 １．光源からの距離を非接触測定するための装置であって、基本的センサーで形 成された光学的検出手段（７）と、１組のＮ個（Ｎ≧３）の結像手段（６）とを 備え： −前記結像手段は前記検出手段の平面の近傍の平面上に光源を結像することが 可能で、もって、前記手段上に１組の少なくとも３つの光スポットを形成し、各 スポットは少なくとも２つの基本的センサーに跨り、 −前記装置は、少なくとも３つの光スポットの相対位置に基づいて、光源から 装置までの距離に特徴的な少なくとも１つのパラメータを光スポットの数Ｎに依 存する精度で計算することの可能な計算回路を更に備えていることを特徴とする 測定装置。 ２．前記計算回路は少なくとも１つの較正パラメータを含む較正テーブルを有し ，前記パラメータの値は光源からのある種の距離について定められ、前記計算回 路は前記較正パラメータの値に特徴的なパラメータを比較することを特徴とする 請求項１に基づく測定装置。 ３．更に、光スポットを前記検出手段上に空間的に位置決定するための回路を有 し、この回路は各光スポットについて基準原点に対するその位置（ｄＡ）を決定 することを特徴とする請求項１又は２に基づく測定装置。 ４．請求項３に基づく測定装置であって： −各結像手段はインデックス（SP1、SP2、…）されており； −計算回路によって計算された距離に特徴的なパラメータは少なくとも結像手 段のインデックスの関数（ｄＡ＝ｆ（SP1、SP2、…））としての各光スポットの 関数位置（ｄＡ）を表すカーブに特徴的なパラメータの１つであることを特徴と する測定装置。 ５．位置決定回路によって決定された光スポットの位置は１本の線に沿ってほぼ 分散されているので、前記カーブはほぼ直線であり、計算回路によって計算され たパラメータは直線の傾斜であることを特徴とする請求項４に基づく測定装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基本的センサーで形成された光学的検出手段（７）を備え、光源からの距離 を非接触測定するための装置であって： −１組のＮ個（Ｎ≧３）の結像手段（６）であって、前記検出手段の平面の近 傍の平面上に光源を結像することが可能で、もって、前記手段上に１組の少なく とも３つの光スポットを形成し、各スポットが少なくとも２つの基本的センサー に跨るもの、 −少なくとも３つの光スポットの相対位置に基づいて、光源から装置までの距 離に特徴的な少なくとも１つのパラメータを光スポットの数Ｎに依存する精度で 計算することの可能な計算回路、 を更に備えていることを特徴とする測定装置。 ２．前記計算回路は少なくとも１つの較正パラメータを含む較正テーブルを有し 、前記パラメータの値は光源からのある種の距離について定められ、前記計算回 路は前記較正パラメータの値に特徴的なパラメータを比較することを特徴とする 請求項１に基づく測定装置。 ３．更に、光スポットを前記検出手段上に空間的に位置決定するための回路を有 し、この回路は各光スポットについて基準原点に対するその位置（ｄＡ）を決定 することを特徴とする請求項１又は２に基づく測定装置。 ４．請求項３に基づく測定装置であって： −各結像手段はインデックス（SP1、SP2、…）されており； −計算回路によって計算された距離に特徴的なパラメータは少なくとも結像手 段のインデックスの関数（ｄＡ＝ｆ（SP1、SP2、…））としての各光スポットの 関数位置（ｄＡ）を表すカーブに特徴的なパラメータの１つであることを特徴と する測定装置。 ５．位置決定回路によって決定された光スポットの位置は１本の線に沿ってほぼ 分散されているので、前記カーブはほぼ直線であり、計算回路によって計算され たパラメータは直線の傾斜であることを特徴とする請求項４に基づく測定装置。 ６．前記計算回路は光スポットの分布の空間的頻度分析を実行し、光源からの距 離に特徴的なパラメータは頻度のスペクトルに基づいて決定されることを特徴と する請求項１又は２に基づく測定装置。 ７．１組の光スポットはほぼ周期的に分配されており、パラメータの１つは頻度 スペクトルに基づいて定めるパラメータの１つは周期の逆数であることを特徴と する請求項６に基づく測定装置。 ８．結像手段はほぼ一定のピッチで並置されたほぼ同一の円柱形マイクロレンズ のアレーからなり、円柱形の母線はほぼ平行であり、前記検出手段は基本的セン サーのマトリックス又はマイクロレンズの母線に垂直な軸線を有する基本的セン サーのアレーであることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく測定装置。 ９．前記光源は照射された物体の基本的表面であって、もって二次的光源を形成 しており、当該測定装置は前記二次的光源を生成するための照明装置を備えてい ることを特徴とする前記請求項のいづれかに基づく測定装置。 １０．前記二次的光源と結像手段との間に配置されたビーム分離器を備え、前記 分離器は照明装置から来る光を前記基本的表面に送ると共に二次的光源から来る 光を前記結像手段に送り、もって照明装置の軸線と測定装置の光軸とを同一にす ることを特徴とする請求項９に基づく測定装置。 １１．光源からの距離の測定の視野を適合させるため光源と結像手段との間に配 置された成形用光学系を備えていることを特徴とする前記請求項のいづれかに基 づく測定装置。