CN101639341A - 边缘检测装置及边缘检测装置用线传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边缘检测装置。即使测量介质是胶片那样的薄透明体，也不受插入状况影响，并且在测量空间内的周围温度发生变动的条件下，也能进行正确的边缘部分的检测，不管构成的各部件的制造偏差如何，都能容易地避免遮挡物的边缘误检测。具有：投光器，其激光光源、投光透镜、投光窗构成；接收单色平行光的受光窗；在长度方向上配列了多个受光单元的线传感器；将从受光窗侵入的单色平行光变更到相对于受光元件垂直方向的多个光路上的光路变更部；根据经由光路变更部而发生的、由存在于投光窗和受光窗的光路上的遮挡物的边缘部的单色平行光的菲涅耳衍射所引起的线传感器的光强度分布来检知遮挡物的边缘位置的检知部。

Description

边缘检测装置及边缘检测装置用线传感器

技术领域

本发明是涉及用受光器接收由投光器射出的单色平行光束，检测遮挡该单色平行光束的遮挡物的边缘位置的光学式边缘检测装置及该边缘检测装置中所使用的线传感器的技术。

背景技术

图9是表示专利文献1所公开的以往的边缘检测装置的构成的图。在图9中，该边缘检测装置具有线传感器100、投光器101以及边缘检测部102。线传感器100，在一定方向上以规定的间距排列有多个受光单元(像素)，接收由投光器101射出的单色平行光。投光器101，以与线传感器100的受光面相对置的方式被配置，具有由激光二极管(LD)构成的光源101a、引导单色光(激光)的光纤101b、投光透镜101c以及控制LD的驱动IC101d。

在投光器101中，由光源101a产生的单色光(激光)，通过光纤101b而被导入投光透镜101c，由投光透镜101c转换成单色平行光束之后，照射到线传感器100上。在遮挡物104通过在投光器101和线传感器100的受光面之间所形成的测量空间103时，照向线传感器100的单色平行光被遮挡。边缘检测部102由微型计算机构成，对线传感器100的输出进行解析，并对在测量空间103中遮挡了单色平行光的遮挡物104在受光单元的排列方向上的边缘位置进行检测。

由边缘检测部102所进行的遮挡物104的边缘位置检测，是通过对在测量空间103中因遮挡物104遮挡单色平行光的一部分而产生的线传感器100的全部受光量的变化、或起因于产生在遮挡物104边缘部分的菲涅耳衍射的受光图案(受光量分布)进行解析来进行的。这样一来，以往的边缘检测装置，根据线传感器100的受光面上的光强度分布来高精度地检测遮挡物104的边缘位置。(例如，参照专利文献1)

专利文献1：日本特开2004-177335号公报

以往的边缘检测装置，由于被构成为上述那样，所以可以根据线传感器100的受光单元上未被照射单色平行光的宽度103a来检测遮挡物104的位置。但是，当遮挡物104为如玻璃或薄胶片那样的透明体的情况下，由于激光单色光透过遮挡物104，所以和遮挡物104为不透明体的遮挡物104的情况比较，边缘部分的检测非常困难。特别是，根据透明体的遮挡物104的插入状况(插入位置)，通过使用在遮挡物104的边缘部分产生的菲涅耳衍射，有时即使是透明体也可能产生受光量的衰减，不过衰减因遮挡物104的位置等减小，难以进行边缘判断。例如，有下述情况：如果将作为遮挡物104的透明胶片相对于单色激光垂直插入，则受光量的衰减很大，可以检测出边缘部分，但是以倾斜的状态插入时，受光量的衰减小，不能正确地检测出边缘部分。作为边缘检测装置的用途，有下述情况，即有薄胶片卷起时的蛇行检测，由于此时胶片的插入方向不一定，所以受光量的衰减小而不稳定，很难正确判断边缘部分的检测。

并且，光源101a还有下述问题：由于输出的激光单色光的发光波长随周围温度的不同而不同，所以照射的激光单色光的干涉图案根据温度而变化，照射到线传感器100上的平行光的图案发生变化。特别是，对如透明体那样存在受光量的衰减减小的可能性的遮挡物104进行计量时，需要使线传感器100的信号输出稳定。但是，激光单色光的干涉图案随周围温度而发生变化时，输出信号就产生变动，甚至在不存在遮挡物104的自由空间也发生了受光量的衰减，从而存在将该衰减部分误检测为由边缘部分的菲涅耳衍射所引起的受光量的衰减的误检知可能性。

另一方面，为了保护受光单元免受机械损伤，一般线传感器100采取与受光单元非接触地配置透明的保护玻璃的构造。本来为了该保护玻璃不影响受光特性，最好使用透明度非常高的玻璃，但是为了降低线传感器100的成本，有时采用透明度低的便宜玻璃。因此，存在入射到保护玻璃上的激光发生漫反射或新的干涉，使各受光单元输出的受光信号变动的问题。

这样，以往的边缘检测装置存在单色激光的波长或输出功率随周围温度的变化而变化，各受光单元输出的受光信号变动，对装置性能带来不良影响，难以进行正确的边缘检测的问题。特别是，由于胶片等透明体使边缘部分的菲涅耳衍射所引起的受光量的衰减小，所以在不稳定的受光量分布中很难检测出边缘部分。此外，由于入射在线传感器的保护玻璃中的单色激光发生漫反射或新的干涉，使各受光单元输出的受光信号变动的程度增大，因而在进行高精度的边缘部分的检测时，不能使用便宜的线传感器。

发明内容

本发明就是为解决上述问题而做出的，其目的在于获得即使是透明的遮挡物也能正确地检测出边缘部分，即使在测量空间内的周围温度存在变动的情况下，也能进行稳定的边缘部分的检测。

本发明中的边缘检测装置，为具有下述部分的边缘检测装置：投光器投光部，其包括由发生单色光的激光光源、将来自该激光光源的单色光转换为单色平行光束的投光透镜、以及发射该单色平行光的投光窗；受光部，其包括与上述投光窗相对置地设置的接收单色平行光的受光窗、将从该受光窗侵入的上述单色平行光变更到规定方向的多个光路上的光路变更元件、以及线传感器，该线传感器在长度方向上以规定的间距排列了多个用于接收从该光路变更元件入射的单色光的受光单元；光路变更部，其将从受光窗侵入的单色平行光变更到相对于受光单元垂直方向的多个光路上；检知部检测部，其对上述线传感器的受光量分布进行解析，对存在于上述单色平行光的光路上的遮挡物在上述受光单元的排列方向上的边缘位置进行检测，根据经由上述光路变更部而发生的、由存在于投光窗和受光窗的光路上的遮挡物的边缘部的单色平行光的菲涅耳衍射所引起的线传感器的光强度分布来检测遮挡物的边缘位置。

此外，本发明中的边缘检测装置的光路变更部变更元件，为三角形三棱柱的棱镜，将该棱镜的三个侧面中的一个面与上述线传感器的受光单元平行地配置。

此外，本发明中的边缘检测装置的光路变更部变更元件，为任意形状的圆柱状透镜，将该透镜的水平侧面半圆面与上述线传感器的受光单元垂直平行地配置。

再有，本发明中的边缘检测装置，在上述线传感器的受光单元上装备保护用玻璃，上述光路变更部变更元件固定在该保护用玻璃上。

根据该发明，由于具有：投光部，其由发生单色光的激光光源、将来自该激光光源的单色光转换为单色平行光的投光透镜、发射该单色平行光的投光窗构成；受光部，其由与上述投光部相对置地配置的受光窗、将从该受光窗侵入的上述单色平行光变更到规定方向的多条光路上的光路变更元件、以及在长度方向上以规定的间距排列多个用于接收从该光路变更元件入射的单色光的受光单元的线传感器构成；检测部，其对上述线传感器的受光量分布进行解析来检测存在于上述单色平行光的光路上的遮挡物在上述受光单元的排列方向上的边缘位置，还具有：投光器，其具有发生单色光的激光光源、将来自激光光源的单色光转换为单色平行光的投光透镜、以及发射单色平行光的投光窗；接收单色平行光的受光窗；在长度方向上排列了多个受光单元的线传感器；将从受光窗侵入的单色平行光变更到相对于受光单元垂直方向的多个光路上的光路变更部；以及检知部，其根据经由上述光路变更部而发生的、由存在于投光窗和受光窗的光路上的遮挡物的边缘部的单色平行光的菲涅耳衍射所引起的线传感器的光强度分布来检测遮挡物的边缘位置，所以有下述效果：即使遮挡物为透明体的情况下，由多条光路生成的边缘部分的菲涅耳衍射所引起光强度分布的衰减增大，也能够正确地检测边缘位置。此外，即使在激光单色光的波长随周围温度的变化而变化了的情况下，来自受光单元的输出信号也不会产生急剧的变化，可以向边缘检测部提供稳定的输出信号。

此外，根据本发明，作为光路变更部变更元件使用三角形三棱柱的棱镜、将该棱镜的顶点三个侧面中的一个面与上述线传感器的受光单元平行的配置，所以即使在平行单色光上发生漫反射和新的干涉图案，也能确保对受光单元的稳定的入射，所以可以利用便宜的结构来使遮挡物的边缘部分发生大的衰减，并且来自受光单元的输出信号不产生偏差和急剧的变化，能够向边缘检测部提供稳定的输出信号。

此外，根据本发明，有下述效果：作为光路变更部光路变更元件，使用任意形状的圆柱状透镜，通过将该透镜的半圆面水平侧面和上述线传感器的受光单元垂直平行地配置，即使在平行单色光上发生漫反射和新的干涉图案，也能确保对受光元件的稳定的入射，所以，利用多个光路来收集由边缘部分引起的菲涅耳衍射的结果，能够使之发生更大的受光量的衰减，即使是透明度非常高的遮挡物，也能进行边缘部分的正确的检测。

另外，根据本发明，通过设为在上述线传感器元件的受光单元上装备保护用玻璃、上述光路变更部变更元件为固定在该保护用玻璃上的构造，能去除由保护用玻璃所引起的激光单色光的漫反射和新的干涉图案的影响，能够使用便宜的线传感器。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的边缘检测装置的构成的图。

图2是表示图1的实施方式1中的线传感器的各受光单元的输出信号受光量的图。

图3是对边缘部分的检测中所使用的菲涅耳衍射进行说明的图。

图4是表示线传感器和光路变更部变更元件的位置关系的实施例的图。

图5是表示线传感器和光路变更部变更元件的位置关系的其他实施例的图。

图6是表示对配置了光路变更部变更元件时的受光量的变动值进行说明的图。

图7是表示比较了周围温度发生了变化所引起的受光量的变动值的图。

图8是表示对插入了薄胶片时的受光量的变动值进行比较的图。

图9是表示以往的边缘检测装置的构成的图。

图中符号说明

1：投光器投光部，2：受光器受光部，3：边缘检测部，4：测量空间，5：遮挡物，10：光源，11：驱动IC，12：投光透镜，13：投光窗，21：线传感器，211：受光单元，212：保护用玻璃，22：光路变更部变更元件，221：直角棱镜，222：圆柱状透镜，23：受光窗，31：A/D转换部，32：处理器，33：显示部，100：线传感器，102：投光器，101a：光源，101b：光纤，101c：投光透镜，101d：驱动IC，102：边缘检测部，103：测量空间，104、104a、104b：遮挡物，105：受光单元。

具体实施方式

图1是表示本发明的实施方式的边缘检测装置的构成的图。在图1中，实施方式的该边缘检测装置，具有投光器投光部1、受光器受光部2、以及边缘检测部3。投光器投光部1，与受光器受光部2的受光窗23的受光面相对置地配置，并具有由激光二极管(LD)构成的光源10、控制光源10的驱动IC11、投光透镜12以及投光窗13。投光透镜12通过投光窗13向受光器2的线传感器21的中间部发射输出由光源10发生的单色光。其中，这里所说的单色光，是指具有使用工业方法生产的激光二极管和光滤波器所能获得的程度的波长分布特性的光。并且，投光窗13为设置在不透明框体1上的透明玻璃。

受光器受光部2，具有受光窗23、光路变更部变更元件22以及线传感器21。线传感器21，具有在一定方向上以规定间距排列了多个受光单元(像素)的受光面，接收由投光器投光部1照射的单色平行光束。在这里，由于受光窗23具有与所使用的光源10的激光单色光的波长匹配的滤波器功能，所以能缓和杂散光对线传感器21的影响。

边缘检测部3，具有A/D转换部31、处理器32和显示部33。A/D转换部31将由受光器受光部2的线传感器21输出的受光单元的输出信号从模拟值转换为数字值。处理器32对由A/D转换部31进行了数字转换后的线传感器21的输出信号进行解析，对在测量空间4中遮挡了单色平行光束的一部分的遮挡物5在受光单元的排列方向上的边缘位置进行检测。显示部33显示处理器32的检测结果。并且，A/D转换部31和/或处理器32，也而可以设置在受光器受光部2之内。在此情况下，受光器受光部2和边缘检测器3之间为数字通信，所以抗噪性能增强，延长布线距离。此外，也可以将整个边缘检测部3设置包含在受光器受光部2内。

图2是表示线传感器21的各受光单元的输出信号受光量的图。横轴为各受光单元的位置，纵轴为所接收的激光单色光的强度(受光量)。测量空间4表示投光窗13和受光窗23之间的空间，在遮挡物5为透明体的情况下遮挡测量空间4时，被遮挡了的部分5a与没有遮挡物的自由空间相比受光单元的输出受光量略微衰减。另一方面，在遮挡物的边缘部分5b处产生由菲涅耳衍射引起的急剧的受光量的衰减。在边缘检测部3，检测受光量衰减的边缘部分5b，根据其与线传感器21上的受光单元的排列长度21a之间的比率，来计算、判断遮挡物5的边缘部分的位置。并且，有关与没插入遮挡物5的状态相比受光量减少的比例，依存于遮挡物5的透明度等。

图3是对在边缘部分检测中所使用的菲涅耳衍射进行说明的图。由菲涅耳衍射引起的光强度分布，如图3所示，在边缘位置附近急剧上升，随着远离边缘位置而边振荡边收敛。并且，在利用单色平行光的由菲涅耳衍射引起的线传感器21的受光面上的光强度分布来检测遮挡物5的边缘部分的位置时，需要预先高精度地求得光强度分布的特性。其中，有关本特性的高精度的近似方法，已在日本特开2004-177335号公报中公开。

在受光器受光部2中，通过在受光窗23和线传感器21之间设置光路变更部变更元件22，即使在平行单色光上发生漫反射及新的干涉图案，也能确保对受光单元的稳定的入射，所以，依据本发明能实现透明体的边缘检测和线传感器21的输出信号的稳定化。图4、图5表示其构成和位置关系。图4是作为光路变更部变更元件22使用了剖面为等腰直角三角形的三棱镜221的一个例子。该三角形的棱镜，一般为被人们称为直角棱镜，剖面为等腰直角三角形。如图4-(1)所示，直角棱镜221，将与90°的顶点相对置的侧面配置为与线传感器21的受光单元211排列的方向平行。此外，如图4-(2)所示，线传感器21在单元上面的数mm的位置配置有用于保护受光单元211免受污染等的保护用玻璃212。保护用玻璃212没有什么限制，优选采用透明的玻璃，不过线传感器21的成本会升高，所以一般来说很难提高透明度。

在该保护用玻璃212之上配置直角棱镜221。并且，作为光路变更单元，从获得容易性和聚光性能的角度说，最好使用直角棱镜，不过并不限于此。也可以替代直角棱镜，使用顶角为锐角或钝角的三棱镜。

另一方面，图5中为作为光路变更部变更元件22使用了半圆柱状的圆柱状透镜222的例子。本圆柱状透镜222为将圆柱在轴向分割所得的形状。如图5-(1)所示，圆柱状透镜222将其半圆柱的顶点水平的侧面与线传感器21的受光单元211的排列方向平行配置。圆柱状透镜222具有下述特性：由于在剖面222a方向上具有曲率，所以光被弯曲，而在剖面222b方向上没有曲率，所以为了使光同样地通过平行平面玻璃，只要稍微改变一下方向就直接通过。再有，如图5-(2)所示，在线传感器21的保护用玻璃212之上配置圆柱状透镜222。此外，作为固定方法，考虑使用用于粘接透镜等光学部件的透光性粘接剂等，以不影响光学系统。还有，作为光路变更元件不限于半圆柱状的圆柱状透镜，还可以使用任意形状的圆柱状透镜。

在这里，图6表示由光路变更部变更元件22引起的受光量分布输出的差异。图6-(1)表示未设置光路变更部变更元件22的状态的各受光单元的受光量分布，由于激光单色光的干涉图案，各受光单元未被均匀地照射单色激光，产生±20％以上的受光量偏差。特别是，由于干涉而以数十个单元为单位在受光量分布上产生波动。在这里，一方面，图6-(2)为设置了光路变更部变更元件22情况下的受光量分布，整体受光量增加，去除了每数十个单元地发生的受光量分布的波动，并且连邻接的每个单元的受光量分布的偏差也被抑制了，能得到稳定的受光量分布。这是由于通过在光入射到线传感器21之前设置光路变更部变更元件22，从相对于受光单元垂直的多个方向收集激光单色光，并向受光单元照射所收集的激光单色光的缘故。此外，加上从垂直方向以规定的宽度进行收集，所以抑制了邻接的受光元件之间的受光量的偏差，减小了干涉图案的影响。再有，即使激光波长因周围温度的变动而变化，干涉图案改变，也不受被限定的激光平行单色光的大的变化所左右，仅限于微量的受光量的变化，所以可以构成不受周围温度影响的边缘检测装置。另外，考虑受光量的增加量可以减小来自投光器投光部1的单色光输出，所以只要边缘检测所需要的激光输出为一半就够了，从而可以实现低功耗化。并且，在光路变更元件为圆柱状透镜222的情况下，由于受光面为圆柱状，所以能够从更多的方向收集激光。

图7是表示周围温度所引起的受光量的变动的图。设以遮挡物5未进入测量空间4时的各单元的受光量为单位量基准量1.00时，试着多次改变周围温度。在图9所示的以往的边缘检测装置中，如图7-(1)所示，由于激光单色光的波长变化所引起的干涉图案的变动，产生±20％左右的受光量的变动。另一方面，图7-(2)为设置了光路变更部变更元件22的情况，即使改变周围温度，受光量也基本没有发生变动。这对消除由光源附近的驱动IC11散热的影响上也是有效的，有能缩短自电源投入到可进行计量的稳定时间的效果。

图8是表示对向测量空间4中插入了如薄胶片那样的透明体的遮挡物5时的受光量的变动值进行比较的图。图8-(1)为图9所示的以往的边缘检测装置，5a为插入有胶片的部分，5b为没有遮挡物5的自由空间。这种情况下，在胶片的边缘部分由于菲涅耳衍射发生如5c所示的受光量的衰减，可以根据该衰减来检测边缘的位置。但是，当遮挡物5为非常薄的胶片的情况下，受光量的衰减很难到0.5以下，进一步考虑由胶片的方向引起的、倾斜插入时的受光量的衰减降低，将判断为边缘部分的受光量的变动阈值设为0.75左右，即使是这个阈值，只要受光量稳定就没有问题，不过，如前所述，在周围温度变动的条件下，产生由于激光单色光的波长变动引起的干涉图案的变化，从而产生±20％左右的受光量变动，所以，对于0.75的阈值来说，尽管不插入胶片，在自由空间5b中由受光量的变动引起的衰减至0.75左右而误判断为是边缘部分的可能性很高。

因此，本发明人，确认了通过配置光路变更部变更元件22来解决上述问题的情况。图8-(2)是表示使用圆柱状透镜222作为光路变更部变更元件22，插入了薄胶片时的受光量分布的归一化的图。由于圆柱状透镜222仅在一维方向上成像聚光，所以当设置在线传感器21之上并以规定宽度入射激光单色光时，收集胶片边缘部分的菲涅耳衍射，并且能够使该现象进一步加强。由此，尽管以往的由菲涅耳衍射引起的受光量的衰减为图8-(1)的5c(1)，但却能如图8-(2)的5c(2)所示，衰减到0.3左右。另外，由于以往产生的由周围温度引起的受光量的变动也能通过上述理由而被稳定地抑制，所以可以进行稳定的边缘检测。并且，为了利用圆柱状透镜222体现出上述效果，如图5所示，优选按照该透镜半圆面的水平侧面尽量与受光单元211垂直平行的方式进行定位。

如上所述，通过实施本发明，即使是以往困难的薄胶片等透明体，也能进行不受插入状态影响的稳定的边缘部分检测。另外，即使在激光单色光的波长和输出功率随周围温度的变化而变化了的情况下，来自受光单元的输出信号也不会产生急剧的变化，能构筑稳定的系统。再有作为更次要的效果，有能去除线传感器的保护用玻璃所引起的激光的漫反射及新的干涉图案的影响，能使用便宜的线传感器的效果。

Claims (5)

1.一种边缘检测装置，具有：

投光部，其包括发生单色光的激光光源、将来自该激光光源的单色光转换为单色平行光的投光透镜、发射该单色平行光的投光窗；

受光部，其包括与上述投光窗相对置地设置的受光窗、将从该受光窗侵入的上述单色平行光变更到规定方向的多个光路上的光路变更元件、以及线传感器，该线传感器在长度方向上以规定的间距配置了多个用于接收从该光路变更元件入射的单色光的受光单元；

检测部，其对上述线传感器的受光量分布进行解析，检测存在于上述单色平行光的光路上的遮挡物在上述受光单元的排列方向上的边缘位置；

投光器，其包括发生单色光的激光光源、将来自上述激光光源的单色光转换为单色平行光的投光透镜、发射上述单色平行光的投光窗；

受光窗，其接收上述单色平行光；线传感器，其在长度方向上配列了多个受光单元；光路变更部，其将从上述受光窗侵入的单色平行光变更到相对于受光元件垂直方向的多个光路上；检知部，其根据经由上述光路变更部而发生的、由存在于投光窗和受光窗的光路上的遮挡物的边缘部的单色平行光的菲涅耳衍射所引起的上述线传感器的光强度分布来检知上述遮挡物的边缘位置。

2.根据权利要求1所述的边缘检测装置，其特征在于，

上述光路变更部变更元件是三棱柱的棱镜，是将该棱镜的三个侧面中的一个面和上述线传感器的受光单元平行配置的三角形的棱镜，将上述棱镜的顶点和上述线传感器的受光单元平行地配置。

3.根据权利要求1所述的边缘检测装置，其特征在于，

上述光路变更部变更元件，是圆柱状透镜，是将该透镜的水平侧面与上述线传感器的受光单元平行地配置的圆柱状透镜，将透镜的半圆面与上述线传感器的受光单元垂直地配置。

4.根据权利要求1所述的边缘检测装置，其特征在于，

在上述线传感器元件的受光单元上装备保护用玻璃，上述光路变更部在上述该保护用玻璃上固定上述光路变更元件。

5.一种边缘检测装置用线传感器，其特征在于，

在长度方向上以规定的间距配置多个受光单元，在该受光单元上具有保护用玻璃，在该保护用玻璃上固定规定形状的棱镜。

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