JP2000088519A

JP2000088519A - 光式センサ

Info

Publication number: JP2000088519A
Application number: JP10263354A
Authority: JP
Inventors: Michitoshi Okada; 道俊岡田; Yuichi Inoue; 祐一井上; Koichi Egawa; 弘一江川
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2000-03-31
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: JP3695170B2

Abstract

(57)【要約】【課題】投光部より光を投光し、検出物体からの反射
によって距離関連情報を得る光式センサにおいて、受光
レベルがピークとなる受光素子上の位置を正確に検出す
ること。【解決手段】投光手段より投光ビームを物体検知領域
に投光し、その反射光を集光して受光素子で受光する。
そして受光レベルが閾値ＴＨを越える画素について受光
レベルがピークとなるピーク位置を算出する。こうして
得られたピーク位置に基づいて正確な距離関連情報を得
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は検知領域に存在する
物体に向けて光を出射し、その反射光を受光することに
よって物体までの距離や物体の段差や厚さ等を測定する
ようにした光式センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来物体までの距離を検出する光式変位
センサにおいては受光素子にＰＳＤやＣＣＤが用いられ
ている。ＣＣＤを用いた光式センサは投光ビームを物体
検知領域に向けて照射し、その反射光を１次元又は２次
元のＣＣＤ等の受光素子で受光する。そうすれば図１９
（ａ）に示すように受光位置に応じて受光レベルが変化
するため、受光レベルがピークとなる受光位置（以下、
ピーク位置という）に基づいて物体までの距離を算出し
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなＣＣＤを受
光素子として用いた光式センサにおいて、図１９（ｂ）
に示すように受光レベルに外乱等が生じて電気的又は光
学的にノイズが発生した場合に、異なった位置を誤って
ピーク位置と判断してしまう可能性があった。そこで幅
の狭いノイズを除くためにピーク検出前に信号を平滑化
することも考えられる。しかしながら平滑処理を行え
ば、ピーク位置を正確に判別することができなくなった
り、平滑化により回路規模が大きくなったり、又はソフ
トウェアで実現する場合に信号処理に時間がかかるとい
う欠点があった。

【０００４】本発明はこのような従来の光式センサの問
題点に着目してなされたものであって、ノイズによる影
響をなくし、ピーク位置を正確に検出できるようにする
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出
物体からの距離関連情報を得る光式センサであって、前
記投光手段は、投光ビームを検出域に出射するものであ
り、前記受光手段は、画素の集合で構成された受光素子
と、前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する
集光手段と、を有するものであり、前記信号処理手段
は、受光レベルが所定の閾値を越える前記各画素の受光
レベルを対象に、これらの受光レベルの分布のピーク位
置を算出するピーク位置算出手段と、前記ピーク位置算
出手段によって得られる前記受光素子上のピーク位置に
基づいて検出物体までの距離関連情報を得る距離情報検
出部と、を有することを特徴とするものである。

【０００６】ここでピーク位置算出手段は受光素子上の
受光レベルに所定の閾値を設定し、これを越えるレベル
が得られる画素群から受光レベルがピークとなる画素の
位置を算出するものである。

【０００７】本願の請求項２の発明は、投光手段と受光
手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連
情報を得る光式センサであって、前記投光手段は、投光
ビームを検出域に出射するものであり、前記受光手段
は、画素の集合で構成された受光素子と、前記検出域か
らの反射光を前記受光素子に集光する集光手段と、を有
するものであり、前記信号処理手段は、前記受光素子上
の受光スポットが所定の大きさを越える場合にその受光
スポットの受光レベルがピークとなる受光素子上のピー
ク位置を算出するピーク位置算出手段と、前記ピーク位
置算出手段によって得られる前記受光素子上のピーク位
置に基づいて検出物体までの距離関連情報を得る距離情
報検出部と、を有することを特徴とするものである。

【０００８】ここで受光スポットとは受光量のピーク周
辺の領域であり、受光スポットの大きさは、その受光ス
ポットの面積や幅として表される。面積や幅は受光素子
上の隣接する画素の数として示すことができる。ピーク
位置算出手段には、受光素子の各画素の受光レベルを所
定の閾値で二値化する二値化部と、二値化部で設定され
た閾値レベルを越える受光量の隣接する画素数を計数す
る明部カウンタを設け、明部カウンタの計数値が所定値
を越える場合にピーク位置の算出処理を開始するように
してもよい。

【０００９】本願の請求項３の発明は、投光手段と受光
手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連
情報を得る光式センサであって、前記投光手段は、投光
ビームを検出域に出射するものであり、前記受光手段
は、画素の集合で構成された受光素子と、前記検出域か
らの反射光を前記受光素子に集光する集光手段と、を有
するものであり、前記信号処理手段は、前記受光素子の
受光量分布の各位置の受光量レベルとその幅との積の加
算値に基づく値が所定値を越える受光スポットについ
て、その受光スポットの受光レベルがピークとなる受光
素子上のピーク位置を算出するピーク位置算出手段と、
前記ピーク位置算出手段によって得られる前記受光素子
上のピーク位置に基づいて検出物体までの距離関連情報
を得る距離情報検出部と、を有することを特徴とするも
のである。

【００１０】ここで受光量分布の各位置の受光量レベル
とその幅との積の加算値に基づく値とは、各位置の受光
レベルとその幅の積を加算して得られるグラフ上の面積
だけでなく、このグラフ上の面積をピークの高さで除算
した値も含まれる。ピーク位置算出手段はそのいずれか
の値が所定の閾値を越える受光スポットについて、ピー
ク位置を算出するものとする。

【００１１】本願の請求項４の発明は、投光手段と受光
手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連
情報を得る光式センサであって、前記投光手段は、投光
ビームを検出域に出射するものであり、前記受光手段
は、画素の集合で構成された受光素子と、前記検出域か
らの反射光を前記受光素子に集光する集光手段と、を有
するものであり、前記信号処理手段は、前記受光素子の
各画素の受光レベルを所定方向に順次走査し、受光レベ
ルが所定の閾値を越える受光スポットの画素から受光レ
ベルのピーク位置を算出するピーク位置算出手段と、前
記受光素子の各画素の受光レベルを順次走査し、受光レ
ベルが所定の閾値以下となったときにその受光スポット
が所定以上の大きさかどうかを判別し、所定以上の大き
さであるときに前記ピーク位置算出手段によって得られ
るピーク位置に基づいて検出物体までの距離関連情報を
得る距離情報検出部と、を有することを特徴とするもの
である。

【００１２】ここでピーク位置算出手段は閾値より低い
レベルから閾値を越えて変化する受光素子上の位置と閾
値より高い状態から低い状態に変化する受光素子上の位
置を保持しておき、その差が所定値を越える場合に既に
算出したピーク位置を有効と判別するようにしてもよ
く、その場合にピーク位置の検出を開始してもよい。又
閾値を越えた場合に計数を開始し、受光素子の画素を順
次走査する毎に計数を行い、受光レベルが閾値より低下
したときその計数値が所定の値を越えている場合に、既
に算出したピーク位置を有効とするようにしてもよく、
その場合にピーク位置の検出を開始してもよい。

【００１３】更に請求項１〜４において、距離関連情報
を得る測定距離範囲が所定範囲に定められている場合に
は、投光手段より出射する投光ビームを測定距離範囲の
最も近い位置と光式センサとの間の位置に集束するよう
にしておいてもよい。この場合には検出物体までの距離
にかかわらず受光素子の受光面上で得られる受光レベル
のピーク値や幅がそれほど変化しない。そのため請求項
１，３で設定する閾値を高くしてノイズの影響を少なく
して正確なピーク位置及び距離関連情報を得ることがで
きる。又投光ビームは断面が円形等のビームであっても
よく、一定方向に偏平なスリット状のビームであっても
よい。スリットビームの場合はスリットビームの光軸に
垂直な投光ビームの断面における短手方向を集束し、そ
の最小幅の位置を集束位置とする。

【００１４】受光素子としてはＰＳＤでなく多数の画素
から成るＣＣＤ等の受光素子を用いる。受光素子は１次
元であってもよく、２次元であってもよいが、スリット
光を用いる場合は２次元の受光素子を用いる。受光素子
は、受光面上の座標で表される各位置における受光量を
電気信号に変換して位置毎の受光量がわかるように出力
するイメージセンサである。１次元イメージセンサの場
合には投光軸と受光軸で定まる面内に１次元イメージセ
ンサを配置しておくものとする。又２次元のイメージセ
ンサの場合にはスリットビームを用いる。スリットビー
ムの光軸に垂直なビーム断面における長手方向は投受光
手段の並び方向に垂直とする。この場合には投受光手段
の並び方向に受光素子の画素を走査するものとする。投
受光手段の並び方向に垂直な方向の各画素の受光レベル
を一旦加算処理し、加算した受光レベル分布からピーク
位置を求めてもよい。

【００１５】又信号処理手段によって検出される距離関
連情報とは、検出物体までの距離だけでなく、段差があ
る検出物体については段差の上下から得られる距離情報
やその差から求まる段差の高さの情報も含まれる。又検
出物体が透明な板状であり、その表面と裏面で反射する
場合には夫々の反射面までの距離を求めることができ、
更にその距離の差から厚さを求めることができるため、
厚さの情報も含まれる。又検出物体が透明でその背景物
体から反射する場合に、背景物体に対する検出物体の高
さを検出することができ、これらを含めて距離関連情報
とする。信号処理手段は、投光手段と受光手段との間の
距離を基線長とし、受光素子上の受光量分布のピーク位
置から三角測量の原理によって検出物体までの距離関連
情報を求める。

【００１６】又距離測定範囲内で投光軸上の夫々の点か
ら受光レンズによって反射光を夫々集束する点の軌跡を
求め、受光素子の面をこの軌跡と一致するように受光素
子を配置することが好ましい。このような関係を共役の
関係という。このように配置すれば距離によらずビーム
照射位置と受光面とが結像関係になるので、受光面上の
像が不必要に広がらず、正反射面が傾いても誤差が生じ
ない。従って検出物体が正反射物体及び拡散反射物体の
いずれの場合にも、物体までの距離関連情報を得ること
ができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は本発
明の第１の実施の形態による光式センサ１０の全体構成
を示すブロック図、図２はその内部の構造を示す図であ
る。図１において投光手段１１は、駆動回路１２によっ
て駆動される発光ダイオードやレーザダイオード等の投
光素子１３と、投光素子１３の光を平行光とするコリメ
ートレンズ１４、スリット板１５及びシリンドリカルレ
ンズ１６を有している。スリット板１５には図示のよう
に細長いスリット１５ａが形成されており、このスリッ
ト１５ａは投光手段１１と受光手段１７の並び方向（Ｘ
軸方向）に対して垂直な方向（Ｙ軸方向）に形成されて
いる。シリンドリカルレンズ１６はスリット板１５のス
リット１５ａを通過した狭いスリット状の光を更にＸ軸
方向に集束する。そして図示のようにＹ軸方向に一定の
幅を持ち、Ｘ軸方向に狭くしたスリット状の光ビーム
（以下、スリットビームという）を検出物体１８に向け
て照射するためのものである。ここでシリンドリカルレ
ンズ１６は、この実施の形態による光式センサの測定距
離範囲より光式センサ１０に近い点を集束点として、ス
リットビームをＸ軸方向に集束させるものとする。又ス
リットビームのＹ軸方向の幅は投光軸方向に沿って一定
である必要はなく、例えばＺ軸の座標値が大となるに従
ってスリットビームのＹ軸方向の幅が大きくなるように
してもよい。

【００１８】図１，図２に示すように投光手段１１に対
してＸ軸方向に受光手段１７が設けられる。受光手段１
７は反射光を集光する集光手段である受光レンズ１９
と、受光素子、例えば２次元ＣＣＤ２０を含んで構成さ
れている。受光素子は多数の画素から成り、受光面上の
２次元座標に表される各位置における受光量を電気信号
に変換して、位置毎の受光量がわかるように出力する２
次元のイメージセンサである。２次元受光素子として
は、この実施の形態で用いたＣＣＤに限らず、例えばＢ
ＢＤ，ＣＰＤ等の他の固体撮像ディバイスや、ビジコン
撮像管等を使用することもできる。ここでは例えば２５
６画素×２５６画素のＣＣＤ２０を用いるものとする。

【００１９】ＣＣＤ２０には図示のようにＣＣＤドライ
バ２１が接続され、各画素信号はＣＣＤドライバ２１に
よって読出される。読出された信号はＡ／Ｄ変換器２２
によってディジタル値に変換され、画像メモリ２３に転
送される。画像メモリ２３は例えば転送された一画面分
の画素信号を記憶するものである。又画像メモリ２３に
は演算処理部２４Ａが接続されている。演算処理部２４
Ａは後述するようにピーク位置算出のためのレジスタや
マイクロコンピュータを有し、画像メモリ２３のデータ
に基づいて物体までの距離や検出物体の厚み等を検出す
るものである。ＣＣＤドライバ２１，Ａ／Ｄ変換器２
２，画像メモリ２３及び演算処理部２４Ａは、受光素子
に得られる受光量分布に基づいて物体までの距離を算出
する信号処理手段２５を構成している。

【００２０】次にこの実施の形態による投受光手段の配
置について、図２を用いて更に詳細に説明する。この実
施の形態による光式センサは正反射物体と拡散反射物体
との双方について距離が測定できるように、投光手段１
１はＺ軸から所定角度θだけ傾けて配置する。受光手段
１７も受光軸をＺ軸から角度θだけ傾けて、投光手段１
１より照射され検出物体１８の表面で反射した正反射光
を受光できる位置に配置する。ここで投光軸上の夫々の
点からの反射光を受光レンズ１９によって集束する位置
の軌跡を求め、２次元受光手段であるＣＣＤ２０の面を
この軌跡と一致するように配置しておく。このような投
光軸に対する受光レンズ１９とＣＣＤ２０の配置の関係
を共役な関係という。

【００２１】次に演算処理部２４Ａの構成について図３
を用いて説明する。演算処理部２４Ａは前述したように
画像メモリ２３からのデータを読出す読出回路３１を有
しており、その読出出力をバス３２上に出力する。バス
３２上には閾値を保持する二値化レベルレジスタ３３、
二値化レベルレジスタ３３に保持されている閾値によっ
て二値化した結果を保持する二値化部３４、受光した各
画素のうちの最大値（ＭＡＸ）を保持する最大値保持レ
ジスタ３５、ピーク位置（Ｐ）を保持するピーク位置レ
ジスタ３６、及び読出した画素の番号ｉを保持する画素
カウンタ３７が接続され、最大値を得るピーク位置を検
出するピーク位置検出部３８が接続される。二値化レベ
ルレジスタ３３，二値化部３４は受光レベルを二値化す
る二値化手段を構成している。更にこのバス３２上に
は、ＣＰＵによって構成される距離情報検出部３９が接
続される。距離情報検出部３９は受光素子上のピーク位
置と投受光部間の距離に基づいて物体までの距離に関連
した情報を検出するものであり、その出力は出力部４０
より出力される。

【００２２】図４（ａ），（ｂ）はこの場合の反射光の
軌跡を示しており、図４（ａ）は検出物体１８の表面が
Ｚ軸に垂直、即ちＸＹ平面に平行で光式センサ１０から
の距離が変化する場合、図４（ｂ）は更に検出物体１８
の表面がＹ方向を軸として傾く場合の反射光の軌跡を示
している。投光軸に対する受光レンズ１９とＣＣＤ２０
を共役な関係に配置しておけば、検出物体１８が拡散反
射物体とすると、図４（ａ），（ｂ）に検出物体の表面
からの反射光の軌跡を示すように、いずれの距離にあっ
ても、又傾いていても、スリットビームで照射されてい
る部分はＣＣＤ２０の受光面上に正しく結像される。又
図４（ａ）に示すように検出物体１８が正反射物体の場
合も、正反射光が受光レンズ１９を通過してＣＣＤ２０
の受光面上に結像される。検出物体１８が図４（ｂ）に
示すようにＹ軸に沿って傾いても、正反射光が受光レン
ズ１９に入射している限り、ＣＣＤ２０上の面に結像す
る。更に検出物体がＸ方向を軸としてわずかに傾いた場
合も同様である。そしてこれらのいずれの場合にも、結
像する位置は検出物体までの距離によって異なってい
る。このため検出物体１８の表面が拡散反射面か正反射
面かを問わず、ＣＣＤ２０上の結像の位置から正確な距
離関連情報を得ることができる。

【００２３】次に測定距離範囲と集束距離Ｌｆ、及びＣ
ＣＤ２０上の受光分布の関係について説明する。まず図
５（ａ）に示すように、集束距離Ｌｆが測定距離範囲の
中心Ｌｄに等しい場合（Ｌｆ＝Ｌｄ）について説明す
る。この場合には、図６（ａ）に示すように正反射物体
では距離に対するピーク高さの比率は実線Ａに示すもの
となる。本図より検出物体までの距離が測定距離範囲の
中心Ｌｄと一致するときに比率が最高となり、これを１
とすると、Ｌｄ−ΔＬ，Ｌｄ＋ΔＬにかけていずれも大
幅に比率が低下する。図６（ｂ）は拡散反射物体の場合
であり、この場合実線Ａに示すように距離Ｌｄのときを
１とすると、距離がＬｄ−ΔＬのときにピークレベルが
低くなる。

【００２４】次に図５（ｂ）に示す本実施の形態のよう
に、集束距離Ｌｆが測定距離範囲より内側にある場合
（Ｌｆ＜Ｌｄ−ΔＬ）について説明する。この場合に
は、正反射物体の距離に対するピーク高さ比率は図６
（ａ）に破線Ｂで示すように、測定距離範囲内でほぼ一
定となる。又拡散反射物体の場合にも図６（ｂ）の破線
Ｂで示すように、ピーク高さの比率は測定距離範囲でほ
ぼ一定となる。又図５（ｂ）に示すように、測定距離範
囲で距離が遠くなるにつれて投光スポット径が大きくな
っている。一方投光スポットの径が一定とすると、その
反射光がＣＣＤの面上に受光される面積（以下、倍率と
いう）は距離が近くなれば受光面積が大きく、遠くなれ
ば受光面積が小さくなる。従って図５（ｂ）の場合には
投光スポットの径と倍率とが相殺することとなって、Ｃ
ＣＤ２０の面上ではピークの幅がほぼ一定となる。

【００２５】次に図５（ｃ）に示すように、一方集束距
離Ｌｆが測定距離範囲の外側にある場合（Ｌｆ＞Ｌｄ＋
ΔＬ）について説明する。この場合距離に対するピーク
高さ比率は図６（ｂ）に一点鎖線Ｃで示すように、拡散
反射物体ではあまり比率は変わらないが、図６（ａ）に
一点鎖線Ｃで示すように、正反射物体では測定範囲で距
離が遠ざかるにつれてピーク高さの比率が順次大きくな
っている。又測定距離範囲では距離が遠くなるにつれて
スポット径が徐々に小さくなり、倍率も同様にして小さ
くなるため、遠距離では受光面積が狭く、近距離では受
光面積が広くなる。

【００２６】図７はこれらのことから集束距離Ｌｆを変
えたときにＣＣＤ２０の面上で得られる１本の水平ライ
ンでの受光レベルの分布を示している。尚図７では検出
物体が異なった位置にある場合の受光分布を同時に示し
ているが、実際には検出物体が不透明であれば、その表
面までの距離によっていずれか１つのピークを持つ受光
分布となる。集束距離Ｌｆが測定距離範囲内にある場
合、典型的にはＬｆ＝Ｌｄの場合には、図７（ａ）に示
すようにピーク値の変化が大きくなる。又集束距離Ｌｆ
を測定距離範囲の外側とした場合には、図７（ｃ）に示
すようにピーク値の変動は図７（ａ）よりも小さくなる
が、受光分布のピークの幅の変化が距離によって異なる
こととなる。図７（ｂ）は集束距離Ｌｆが測定距離範囲
よりも近い本実施の形態の距離に対するピークの分布の
変化を示している。このように集束距離Ｌｆが測定距離
範囲よりも近い位置にある場合には、ピークの分布の幅
がほぼ一定でピーク値もほぼ一定となるため、最も好ま
しい受光量の分布が得られる。ピーク値を一定とすれ
ば、ノイズと区別するための閾値を高くすることができ
る。

【００２７】さて図８（ａ）は本実施の形態のＣＣＤ２
０を受光レンズ１９とは逆の面から見たもの、即ちモニ
タ画像として示している。ＣＣＤ２０の水平方向は投光
手段１１と受光手段１７との並び方向、即ちＸ軸方向で
あり、検出物体１８が変位すると反射光の像がこれに伴
って移動する方向でもある。又垂直方向はこれに垂直な
Ｙ軸方向である。又図８（ｂ）は図８（ａ）に破線で示
すＣＣＤ２０の水平方向の画素信号のピーク部分周辺の
分布を示している。図８（ｂ）の両側の小さな山は電気
的なノイズによって生じたものである。なお迷光がノイ
ズとなる場合もある。この場合検出物体までの距離にか
かわらず２つのピークのレベルや幅はほとんど一定であ
るため、誤検知の恐れがなくなり、検出物体の表面まで
の距離を算出することができる。

【００２８】次に演算処理部２４Ａでのピーク値算出処
理について図８（ｂ）の受光分布及び図９のフローチャ
ートを用いて説明する。図９は演算処理部２４での１ラ
インにおけるピーク値の算出処理を示すフローチャート
である。１ラインのピーク値算出処理を開始すると、ま
ずステップ５１において画素カウンタｉを１とし、最大
値ＭＡＸ及びピーク位置Ｐをリセットする。そしてステ
ップ５２に進んで読出回路３１より得られる所定のライ
ン中のｉ番目の画素の受光レベルを取込む。そしてステ
ップ５３に進んでＸ_iが閾値ＴＨを越えているかどうか
を判別する。この閾値ＴＨはあらかじめ二値化レベルレ
ジスタ３３に保持されている値である。閾値レベルを越
えていなければステップ５４，５５に進んで画素カウン
タｉをインクリメントし、ｉの値が１ラインの画素数Ｌ
に達したかどうかを判別する。１ラインの画素数Ｌに達
していなければ、ステップ５２に戻って同様の処理を繰
り返す。ステップ５３において閾値ＴＨを越えている場
合には、ステップ５６に進んでＸ_iとＭＡＸ値とを比較
する。Ｘ_iがＭＡＸ値を越えている場合にはステップ５
７に進んでこのときの受光レベルＸ_iを最大値ＭＡＸ値
に保持すると共に、ピーク位置Ｐに画素カウンタｉの値
を保持する。こうすれば順次ｉをインクリメントするこ
とにより図８（ｂ）に示すように閾値を越える受光レベ
ルのうちのピーク位置を算出することができる。ステッ
プ５５において画素カウンタｉの値が１ラインの画素数
Ｌに達すると、このとき最大値レジスタ３５に保持され
ているＭＡＸ値が最大値、Ｐをピーク位置と判断して処
理を終える。

【００２９】２次元のＣＣＤを用いる場合には、このよ
うな処理を各ライン毎に行い、距離情報検出部３９では
ピーク位置Ｐを集計し、その頻度の高い位置を最大レベ
ルを与える位置とすることができる。この値に基づいて
距離関連情報が出力できる。こうすれば閾値ＴＨ以下の
ノイズ成分であれば判別処理を行わないため、誤動作が
少なくなり、高速での処理が可能となる。

【００３０】さて本実施の形態による光式センサでは物
体までの距離をそのまま測定するようにしているが、図
１０に示すように、ベルトコンベア上を搬送する比較的
小さい検出物体までの距離を検出する場合等には、スリ
ットビームを用いることによってベルトコンベア４１上
の表面の大部分に光を入射させることができる。そして
ベルトコンベア４１上で検出物体４２の通過位置がずれ
ても支障なく距離が測定できる。又ベルトコンベア４１
と検出物体までの距離が相違するため、異なった距離に
ピークが得られる。従って複数のピーク位置を検出し、
夫々の距離を求めてその差分値から背景物体であるベル
トコンベア４１の面と対象となる検出物体４２との段差
を検出したり、検出物体自体の高さを求める用途に光式
センサを用いることができる。即ちＣＣＤ２０上の近側
の第１のピーク位置に基づく距離Ｌａと、遠側の第２の
ピーク位置に基づく距離Ｌｂとを求め、その差によって
段差や検出物体自体の高さを算出することができる。

【００３１】又検出すべき物体が透明物体であれば、物
体の表面と裏面で一部の光が反射して反射光が得られ
る。これらの反射光のレベルが十分大きければ透明物体
までの距離やピークの差から厚さを検出することができ
る。更に検出物体に段差がある場合には段差を検出する
ことも可能となる。

【００３２】（第２の実施の形態）次に本発明の第２の
実施の形態について説明する。この実施の形態において
投受光部の構成については前述した第１の実施の形態と
同一であり、これらについての説明は省略する。本実施
の形態では演算処理部２４Ｂの構成及びピーク位置を算
出する処理のみが異なっている。演算処理部２４Ｂは図
１１に示すように、第１の実施の形態による演算処理部
２４Ａの構成に加えて、閾値ＴＨを越える明部の画素数
ｊを計数する明部カウンタ４３を有している。その他の
構成は前述した第１の実施の形態と同一である。

【００３３】次にこの第２の実施の形態によるピーク位
置算出処理について図１２のフローチャート及び図１３
（ａ）の受光分布を用いて説明する。動作を開始すると
まずステップ６１において初期化処理を行う。初期化処
理は画素カウンタｉを１とし、明部カウンタｊ及び最大
値ＭＡＸ，ピーク位置Ｐをリセットする。次いでステッ
プ６２に進んでｉ番の画素のＡ／Ｄ変換値をＸ_iとす
る。次いでステップ６３においてＸ_iが閾値ＴＨを越え
ているかどうかを判別する。閾値ＴＨを越えていなけれ
ばステップ６４に進んで明部カウンタｊを０とし、ステ
ップ６５に進んで画素カウンタｉをインクリメントす
る。そしてステップ６６に進んで画素カウンタｉが１ラ
インの画素数Ｌを越えているかどうかを判別する。１ラ
インの画素数Ｌを越えていなければステップ６２に戻っ
て同様の処理を繰り返す。一方ステップ６３においてＸ
_iが閾値ＴＨを越えている場合には、ステップ６７に進
んで明部カウンタｊをインクリメントし、このカウンタ
ｊの計数値が有効な明部の幅Ｗを越えているかどうかを
判別する。明部幅Ｗ以下であればステップ６５に進み、
同様の処理を繰り返す。明部幅Ｗを越えている場合には
最大値及びピーク位置の探索を開始し、ステップ６９に
進んでこのとき得られた受光レベルＸ_iが最大値ＭＡＸ
を越えているかどうかを判別する。ＭＡＸ以下であれば
ステップ６５に戻ってｉをインクリメントし、１ライン
の終了かどうかを判別して同様の処理を繰り返す。ステ
ップ６９において受光レベルＸ_iがＭＡＸを越えている
場合には、ステップ７０に進んでそのとき得られる受光
レベルＸ_iをＭＡＸ値に保持する。更にそのときの画素
カンウタｉの値をピーク位置Ｐに保持する。そしてステ
ップ６５に進んでｉをインクリメントして同様の処理を
繰り返す。

【００３４】こうすれば図１３（ａ）に示すようにｉを
順次インクリメントしてピーク位置判別処理を行うと、
ピークが閾値ＴＨ以下の場合や閾値を越えていても所定
幅Ｗの以下の場合にはノイズであると判別できる。そし
て閾値を越え、且つ所定幅Ｗ以上の受光レベルが得られ
た場合のみピーク位置の探索を開始することにより、ノ
イズの影響を除いて正確にピーク位置を判別することが
できる。距離情報検出部３９では判別したピーク位置に
基づいて物体までの距離関連情報を出力することは前述
した第１の実施の形態と同様である。

【００３５】（第３の実施の形態）次に本発明の第３の
実施の形態について説明する。本実施の形態において、
光学系及び投受光部の構成については前述した第１の実
施の形態と同様であり、演算処理部の構成及びピーク位
置の算出処理のみが異なっている。演算処理部２４Ｃは
図１４に示すように第１の実施の形態による演算処理部
２４Ａの構成に加えて、暗状態から明状態へのエッジ位
置（Ｅ_DL）を検出するエッジ位置レジスタ４４と、明状
態から暗状態へのエッジ位置（Ｅ_LD）を検出するエッジ
位置レジスタ４５とを設けている。その他の構成は前述
した第１又は第２の実施の形態と同様である。

【００３６】次にこの実施の形態の動作について図１
５，図１６のフローチャート及び図１３（ｂ）の受光分
布を用いて説明する。動作を開始するとまずステップ７
１において初期化処理を行う。初期化処理は画素カウン
タｉを１とし、最大値ＭＡＸ，ピーク位置Ｐをリセット
し、更にエッジ位置レジスタ４４，４５のＥ_DL，Ｅ_LDを
リセットする。次いでステップ７２に進んでｉ番目の画
素データのＡ／Ｄ変換値をＸ_iとする。そしてステップ
７３においてＸ_iが閾値ＴＨを越えているかどうか、及
びステップ７４において前回の画素データのＡ／Ｄ変換
値Ｘ_i-1がＴＨを越えているかどうかを判別する。これ
らの値以下であればステップ７５に進んでｉをインクリ
メントする。そして画素カウンタｉの値が１ラインの画
素数Ｌを越えているかどうかを判別し、この値以下であ
ればステップ７２に戻って同様の処理を繰り返す（ステ
ップ７６）。さてステップ７３において閾値ＴＨを越え
た場合にはステップ７３からステップ７７に進んで前回
の画素データＸ_i-1が閾値ＴＨ以下かどうかを判別す
る。ＴＨ以下であればステップ７８においてエッジ位置
レジスタＥ_DLに画素カウンタｉの値をセットし、暗から
明へのエッジ位置として保持する。そしてステップ７９
に進んで最大値ＭＡＸと受光レベルＸ_iとを比較する。
受光レベルが最大値ＭＡＸ以下であればステップ７５に
進んで同様の処理を繰り返す。Ｘ_iがＭＡＸ値を越えて
いる場合には、ステップ８０に進んでピーク位置Ｐを更
新する。即ち受光レベルＸ_iの値を最大値ＭＡＸとして
保持し、画素カウンタｉの値をピーク位置Ｐとして保持
する。そしてステップ７５に戻ってｉをインクリメント
し、同様の処理を繰り返す。

【００３７】一方ステップ７４においてＸ_i-1が閾値Ｔ
Ｈを越えている場合には、ステップ８１において画素カ
ウンタｉの値をエッジ位置レジスタＥ_LDに保持し、明か
ら暗へのエッジ位置とする。そしてステップ８２に進ん
でピーク位置Ｐが既にセットされているかどうかを判別
する。セットされていなければステップ７５に戻って同
様の処理を繰り返し、セットされている場合にはステッ
プ８３に進んで、エッジ位置レジスタＥ_DLとＥ_LDとの差
が有効明暗幅Ｗを越えているかどうかを判別する。この
幅以下であればステップ７５に戻って同様の処理を繰り
返す。この差がＷを越えている場合には、ステップ８４
に進んでピーク位置の確定処理を行う。こうすれば閾値
ＴＨ以上で一定幅を越える受光レベルからピーク位置を
求めることができ、ノイズの影響を除いて正確にピーク
位置を判別することができる。距離情報検出部３９では
判別したピーク位置に基づいて物体までの距離関連情報
を出力することは前述した第１の実施の形態と同様であ
る。

【００３８】この実施の形態においては、ステップ８４
のピーク位置確定後に最大値ＭＡＸをリセットするよう
にすれば、透明物体等で複数のピーク位置が存在する場
合にも夫々のピーク位置を判別することができ、これに
よって透明物体の表面までの距離及び裏面までの距離を
独立して検出することができる。又これらの差に基づい
て透明物体の厚さを検出することができる。

【００３９】（第４の実施の形態）次に本発明の第４の
実施の形態について説明する。この実施の形態において
はピーク位置算出処理以外の点については第２の実施の
形態と同様であり、第１の実施の形態の構成に加えて、
バスライン３２に明部の画素数を計数する明部カウンタ
４３が接続されている。

【００４０】さてこの実施の形態によるピーク位置算出
処理について図１７，図１８のフローチャート及び図１
３（ｃ）の受光分布を参照しつつ説明する。動作を開始
するとまずステップ８１において初期化処理を行う。初
期化処理では画素カウンタｉを１とし、明部カウンタ
ｊ，ピーク位置Ｐ及び最大値ＭＡＸの値をリセットす
る。そしてステップ８２に進んでｉ番目の画素の受光レ
ベルをＸ_iとする。そしてステップ８３，８４において
Ｘ_iが閾値ＴＨを越えているかどうか、及びＸ_i-1が閾
値ＴＨを越えているかどうかを判別する。いずれもＴＨ
以下であればステップ８４からステップ８５に進んで画
素カウンタｉをインクリメントし、ｉが１ラインの画素
数Ｌを越えているかどうかを判別する。画素カウンタｉ
が１ラインの画素数Ｌに達していなければステップ８２
に戻って同様の処理を繰り返す。さてステップ８３にお
いてＸ_iが閾値ＴＨを越えている場合には、図１８のス
テップ８７に進んでＸ_i-1が閾値ＴＨ以下かどうかを判
別する。ＴＨ以下でなければステップ８８において明部
カウンタｊをインクリメントし、ＴＨ以下であればステ
ップ８９において明部カウンタｊをリセットする。そし
てステップ９０においてＸ_iが最大値ＭＡＸを越えてい
るかどうかを判別する。このレベルを越えていなければ
ステップ８５に戻って同様の処理を繰り返し、ＭＡＸを
越えている場合にはステップ９１においてそのときのＸ
_iをＭＡＸとして仮決定し、画素カウンタｉの値をピー
ク位置Ｐにセットする。

【００４１】さてステップ８４においてＸ_i-1が閾値Ｔ
Ｈを越えている場合には、ステップ９２においてピーク
位置が既にセットされているかどうかを判別する。ピー
ク位置がセットされていなければステップ８５に戻って
同様の処理を繰り返し、セットされている場合にはステ
ップ９３に進んで明部カウンタの計数値ｊが所定値Ｗを
越えているかどうかを判別する。Ｗを越えていなければ
ステップ８５に戻って同様の処理を繰り返し、Ｗを越え
ている場合にはステップ９４に進んでピーク位置を確定
する。こうして画素カウンタｉが１ラインの画素数Ｌに
達するまで同様の処理を繰り返すことによってピーク位
置を確定することができる。この場合も閾値を越えてい
るノイズの影響を除いて正確にピーク位置を判別するこ
とができる。距離情報検出部３９では判別したピーク位
置に基づいて物体までの距離関連情報を出力することは
前述した第１の実施の形態と同様である。

【００４２】この実施の形態においては、ステップ９４
のピーク位置確定後に最大値ＭＡＸをリセットするよう
にすれば、透明物体等で複数のピーク位置が存在する場
合にも夫々ピーク位置を判別することができ、これによ
って透明物体の表面までの距離及び裏面までの距離を独
立して検出することができる。又これらの差に基づいて
透明物体の厚さを検出することができる。

【００４３】尚前述した各実施の形態では光式センサの
投受光手段と信号処理手段とを１つの筐体に収納してい
るため、種々の検出物体の検出用途に適用することがで
き、使い易さを向上させることができる。

【００４４】又前述した各実施の形態では、スリット光
を用い２次元のＣＣＤによって物体までの距離を検出す
るようにした光式センサについて説明しているが、本発
明はスリット光にすることなく断面が略円形の光式セン
サに適用することができる。この場合には受光素子とし
て１次元の画素による受光素子を用いることができ、こ
の場合も前述した各実施の形態によるピーク検出処理を
適用することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本願の請求項
１〜４の発明によれば、受光素子の受光面上で得られる
ピーク位置を検出する場合に、ノイズ等の影響をなくし
てピーク位置を算出することができる。又請求項２〜４
の発明では、受光スポットが一定の大きさを持つ場合に
その受光レベルのピーク位置を算出することができる。
従って閾値を越えた高いレベルのノイズがあっても、ノ
イズと信号とを識別してピーク位置を検出することがで
き、物体までの距離や段差，透明物体の厚さ等をより正
確に検出することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光式センサの
構成を示すブロック図である。

【図２】第１の実施の形態による光式センサの光学系の
内部構成を示す図である。

【図３】第１の実施の形態による信号処理部の構成を示
すブロック図である。

【図４】第１の実施の形態による光式センサにおいて、
レンズ１９とＣＣＤ２０を共益な位置に配置した場合の
受光位置の構成を示す図である。

【図５】シリンドリカルレンズの集束位置Ｌｄと測定距
離範囲の関係を示す図である。

【図６】（ａ）は正反射物体の測定距離範囲と集束距離
に対する受光ピーク値の変化を示す図であり、（ｂ）は
拡散反射物体における距離に対する受光比率の関係を示
すグラフである。

【図７】ＣＣＤ上の任意の水平ラインにおける位置に対
する受光レベルの変化を示すグラフである。

【図８】第１の実施の形態による光式センサのＣＣＤ２
０上の受光量分布及びある水平ラインの受光量分布を示
すグラフである。

【図９】第１の実施の形態による信号処理部のピーク位
置算出処理を示すフローチャートである。

【図１０】第１の実施の形態による光式センサの使用例
を示す斜視図である。

【図１１】本発明の第２の実施の形態による演算処理部
の構成を示すブロック図である。

【図１２】第２の実施の形態による信号処理部のピーク
位置算出処理を示すフローチャートである。

【図１３】第２〜第４の実施の形態による受光素子の特
定のライン上の受光量分布を示すグラフである。

【図１４】本発明の第３の実施の形態による演算処理部
の構成を示すブロック図である。

【図１５】本実施の形態による信号処理部のピーク位置
算出処理を示すフローチャート（その１）である。

【図１６】本実施の形態による信号処理部のピーク位置
算出処理を示すフローチャート（その２）である。

【図１７】本発明の第４の実施の形態による信号処理部
のピーク位置算出処理を示すフローチャート（その１）
である。

【図１８】本発明の第４の実施の形態による信号処理部
のピーク位置算出処理を示すフローチャート（その２）
である。

【図１９】従来のＣＣＤを用いた光式変位センサにおい
て、検出物体までの距離と受光レベルの関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１０光式センサ１１投光手段１２駆動回路１３投光素子１４コリメートレンズ１５スリット板１５ａスリット１６シリンドリカルレンズ１７受光手段１８検出物体１９受光レンズ２０ＣＣＤ２１ＣＣＤドライバ２２Ａ／Ｄ変換器２３画像メモリ２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ演算処理部２５信号処理手段３１読出回路３２バスライン３３二値化レベルレジスタ３４二値化部３５最大値保持レジスタ３６ピーク位置レジスタ３７画素カウンタ３８ピーク位置検出部３９距離情報検出部４０出力部４３明部カウンタ４４，４５ピーク位置レジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投光手段と受光手段及び信号処理手段を
備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサで
あって、前記投光手段は、投光ビームを検出域に出射するもので
あり、前記受光手段は、画素の集合で構成された受光素子と、
前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光
手段と、を有するものであり、前記信号処理手段は、受光レベルが所定の閾値を越える前記各画素の受光レベ
ルを対象に、これらの受光レベルの分布のピーク位置を
算出するピーク位置算出手段と、前記ピーク位置算出手段によって得られる前記受光素子
上のピーク位置に基づいて検出物体までの距離関連情報
を得る距離情報検出部と、を有するものであることを特
徴とする光式センサ。
【請求項２】投光手段と受光手段及び信号処理手段を
備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサで
あって、前記投光手段は、投光ビームを検出域に出射するもので
あり、前記受光手段は、画素の集合で構成された受光素子と、
前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光
手段と、を有するものであり、前記信号処理手段は、前記受光素子上の受光スポットが所定の大きさを越える
場合にその受光スポットの受光レベルがピークとなる受
光素子上のピーク位置を算出するピーク位置算出手段
と、前記ピーク位置算出手段によって得られる前記受光素子
上のピーク位置に基づいて検出物体までの距離関連情報
を得る距離情報検出部と、を有するものであることを特
徴とする光式センサ。
【請求項３】投光手段と受光手段及び信号処理手段を
備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサで
あって、前記投光手段は、投光ビームを検出域に出射するもので
あり、前記受光手段は、画素の集合で構成された受光素子と、
前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光
手段と、を有するものであり、前記信号処理手段は、前記受光素子の受光量分布の各位置の受光量レベルとそ
の幅との積の加算値に基づく値が所定値を越える受光ス
ポットについて、その受光スポットの受光レベルがピー
クとなる受光素子上のピーク位置を算出するピーク位置
算出手段と、前記ピーク位置算出手段によって得られる前記受光素子
上のピーク位置に基づいて検出物体までの距離関連情報
を得る距離情報検出部と、を有するものであることを特
徴とする光式センサ。
【請求項４】投光手段と受光手段及び信号処理手段を
備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサで
あって、前記投光手段は、投光ビームを検出域に出射するもので
あり、前記受光手段は、画素の集合で構成された受光素子と、
前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光
手段と、を有するものであり、前記信号処理手段は、前記受光素子の各画素の受光レベルを所定方向に順次走
査し、受光レベルが所定の閾値を越える受光スポットの
画素から受光レベルのピーク位置を算出するピーク位置
算出手段と、前記受光素子の各画素の受光レベルを順次走査し、受光
レベルが所定の閾値以下となったときにその受光スポッ
トが所定以上の大きさかどうかを判別し、所定以上の大
きさであるときに前記ピーク位置算出手段によって得ら
れるピーク位置に基づいて検出物体までの距離関連情報
を得る距離情報検出部と、を有するものであることを特
徴とする光式センサ。