CN101639342B - 边缘检测装置及边缘检测装置用线传感器 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种边缘检测装置，其即使在测量空间内的周围温度变动、和各构成部件在制造时存在特性偏差的情况下，也能正确地检测出遮挡物的边缘部分。该边缘检测装置具有：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、以及发射该单色平行光的投光窗构成；受光部，其由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在规定的范围内进行扩散的光扩散元件构成；以及检测部，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。

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照射的单色光，检测遮挡该单色光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10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10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隔排列有多个收光单元(像素)，接收由投光器101照射的单色平行光。投光器101，以和线传感器100的受光面相对的方式被配置，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。并且，在图10中，投光部1、受光部2等被收纳在框体内。 

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，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进行的遮挡物104的边缘位置的检测，是通过对在测量空间103中由遮挡物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的边缘部分的菲涅耳衍射的受光图案(受光量的分布)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可以检测遮挡物104的位置。但是，有时由于线传感器的受光单元或投光透镜在制造时的特性偏差等，而在每件产品上产生激光的发光或受光的量、进而在所发射激光的干涉图案上会产生偏差。这里，所谓干涉图案是指多个激光在框体内散射、反射，叠加在一起而产生的图案。另外，光源101a所输出的激光的发光波长依周围温度而不同，所以，干涉图案因周围温度而变化，被照射到线传感器100上的单色平行光的图案发生变化。此外，由于控制激光的驱动IC100d也具有温度特性，所以光源的输出功率等因周围温度而变化。因为这些制造偏差和周围温度所引起的各元件特性的变动，各受光单元输出的受光信号产生变动，从而妨碍检测精度的提高。特别是，由于电源投入后经过几十分钟，驱动IC100d因表面温度上升而发热，由此导致投光器内部的温度上升，所以从边缘检测装置的电源投入开始到能稳定而正确地进行计量的程度需要时间。 

而且，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。本来为了使该保护玻璃不对受光特性产生影响，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和新的干涉、使各受光单元的输出信号产生变动的问题。 

图11是表示在图10中向测量空间103插入玻璃等透明的遮挡物104时的线传感器100的各受光单元的受光量的图。如图11-(1)所示，向线传感器100照射激光，受光单元输出基于该受光量的信号。并且，设投光透镜101c和光源101a为理想的特性时，在受光侧，有时会呈现以线传感器100的正中间为中心圆弧状的受光特性。在这里，在图11-(1)中，A部分表示有玻璃的边缘部分。由于菲涅耳衍射，在边缘部分比玻璃的表面部分受光量的衰减加大，所以边缘检测部102根据该衰减的情况来判断为边缘部分。 

另一方面，图11-(2)是表示由于周围温度发生了变化，而激光波长及输出功率发生变化，向线传感器100的照射状态发生变化，受光单 元的受光量发生变化了的图。在这里，和图11-(1)同样，插入玻璃作为遮挡物104时，在A部分发生由玻璃边缘所引起的受光量的衰减，不过有时在作为自由空间的B部分，也发生由温度变化或激光干涉图案的变动所引起的受光量的衰减。在该情况下，由于边缘检测部102以规定的受光量的衰减为基准阈值进行判断，所以会误判断为在作为自由空间部分的B部分也存在边缘。以往，作为避免这种误判的方法，人们提出根据不存在检测对象时的受光量的最小值设定规定大小的基准值，并仅将检测到该基准值以下的受光量的情况判断为边缘部分的方法。但是，周围温度经常变化，受光量也随之发生变化，所以在周围温度变动的环境中不能采用。另外，另一方面，也有具备利用温度传感器等测量周围温度，随着周围温度的变化来可变地设定基准值的功能的方法，但是需要非常复杂的控制。因此，在实际中存在需要使光源周围部分的周围温度稳定，不得不采用昂贵且大规模的系统构筑的问题。 

这样，以往的边缘检测装置存在因激光波长和输出功率随周围温度而变化，各受光单元输出的受光信号不同，而给装置性能带来不良影响的问题。另外，还存在由于线传感器的受光单元或投光透镜在制造时的特性偏差等，每件产品的激光发光或受光量产生偏差，给装置性能带来不良影响的问题。再有，在便宜的线传感器中，在入射到线传感器的保护玻璃的激光发生漫反射和新的干涉，使各受光单元输出的受光信号所产生变动的程度增大，所以，在进行高精度的边缘检测时不能使用便宜的线传感器。 

发明内容

本发明是为解决如上所述的问题而做出的，其目的是减小测量空间内的周围温度的变动或各构成部件的制造偏差的影响，获得能容易地避免遮挡物边缘部分的误检测的边缘检测装置。 

本发明中的边缘检测装置，其具有：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、发射该平行单色光的投光窗构成；受光部，其由与上述投光窗对置地设置的受光窗、通过将从该受光窗侵入的上述单色平行光在规定范围内进行扩散而降低上述单色平行光的干涉影响的光扩散元件、以及在一个方向 上以规定的间距排列了多个接收该扩散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，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。 

此外，在本发明的边缘检测装置中，上述光扩散元件根据依上述遮挡物的种类而变化的该遮挡物的透射率来选择雾度而使用。 

在本发明的边缘检测装置中，上述光扩散元件的雾度在50％以下。 

在本发明的边缘检测装置中，在上述线传感器的受光单元上装备保护用玻璃，上述光扩散元件与该保护用玻璃粘接在一起。 

发明效果 

根据本发明的边缘检测装置，其具有投光部、受光部和检测部，上述投光部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、发射该平行单色光的投光窗构成；上述受光部由与上述投光窗对置地设置的受光窗、在规定的范围内扩散从该受光窗侵入的上述单色平行光的光扩散元件、以及在一个方向上以规定的间距排列了多个接收该扩散单色光的受光单元的线传感器构成；上述检测部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，所以有下述效果：即使在激光波长或输出功率随周围温度的变化而变化的情况下，来自受光单元的输出信号也不会产生急剧地变化，另外，即使在线传感器的受光单元或投光透镜在制造时存在特性偏差的情况下，也能向边缘检测部提供稳定的输出信号，能防止将没有遮挡物的空间部分误检测为边缘部分的情况。 

此外，根据本发明，还有如下效果：由于匹配上述遮挡物的透射率来选择上述光扩散元件的雾度(模糊度)，所以来自受光单元的输出信号不会产生偏差和急剧的变化，即使遮挡物的种类发生变化，也能向边缘检测部提供稳定的输出信号。 

此外，根据本发明，有如下效果：通过将光扩散元件的雾度设置在 50％以下，来自受光单元的输出信号不会产生偏差和急剧的变化，能向边缘检测部提供稳定的输出信号，并且还能正确地检测玻璃等透明体的边缘部分。 

此外，根据本发明，有如下效果：通过在线传感器元件的受光单元上装备保护用玻璃，使光扩散元件与该保护用玻璃粘接在一起，能去除由保护用玻璃所引起的激光漫反射或新的干涉图案的影响，能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是表示实施方式1中的线传感器的各受光单元的受光量的图。 

图3是对在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是对由光扩散元件的雾度差异而引起的各受光单元的受光量分布进行说明的图。 

图5是对由周围温度所引起的受光量的变动进行说明的图。 

图6是表示插入了不透明体的遮挡物时的受光量的图。 

图7是表示插入了透明体的遮挡物时的受光量的图。 

图8是表示线传感器和光扩散元件的构成的图。 

图9是表示线传感器和光扩散元件的位置关系的图。 

图10是表示以往的边缘检测装置的构成的图。 

图11是对以往的边缘检测装置的各受光单元的受光量分布进行说明的图。 

图中符号说明 

1：投光部，2：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：光扩散元件，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是表示本发明实施方式的边缘检测装置的构成的图。本边缘检测装置，具有投光部1、受光部2以及边缘检测部3。投光部1，与受光部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，向受光部2的线传感器21的中间部发射由光源10发生的单色光。并且，这里所说的单色光，是指具有使用工业方法生成的激光二极管和光纤所能得到的程度的波长分布特性的光。并且，投光窗13为透明玻璃。 

受光部2具有受光窗23、光扩散元件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的多个受光单元(像素)，接收由投光部1照射的单色光。在这里，受光窗23由于具有与光源10的单色光波长匹配的滤波器功能，所以，能缓和干扰光对线传感器21的影响。 

边缘检测部3，具有A/D转换部31、处理器32以及显示部33。A/D转换部31将由受光部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进行了数字转换的线传感器21的输出信号进行解析，检测在测量空间4中遮挡单色平行光的一部分的遮挡物5在受光单元的排列方向上的边缘位置。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也可以设置在受光部2内。在此情况下，由于受光部2和边缘检测部3之间为数字通信，所以抗噪性能增强、延长布线距离。再有，也可以将整个边缘检测部3设置在受光部2内。 

图2是表示线传感器21的各受光单元的受光量的图。横轴为各受 光单元的位置，纵轴为所接收的单色光的强度(受光量)。测量空间4为投光窗13和受光窗14之间的空间，在遮挡物5为不透明体的情况下，遮挡测量空间4时，被遮挡部分5a的受光单元的受光量就基本变为0。在边缘检测部3中，根据线传感器21的受光单元的排列长度21a和被遮挡部分5a的比率，来计算判断遮挡物5的边缘部分的位置。并且，在为玻璃及胶片之类的透明物体(透明体)的情况下，被遮挡部分5a的受光单元的受光量不会变为0，但与遮挡物5完全未进入的状态相比为受光量减少的状态。并且，关于减少的比例，依存于遮挡物5的透明度等。 

图3是表示对边缘部分检测中所使用的菲涅耳衍射进行说明的图。基于菲涅耳衍射的光强度分布，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缩。此外，当利用基于单色平行光的菲涅耳衍射的线传感器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特性，有关本特性的高精度的近似方法，已由日本特开2004-177335号公报所公开。 

在受光部2中，通过在受光窗23和线传感器21之间设置光扩散元件22，将透过光扩散元件22的单色光以规定的扩散宽度进行扩散，照射到线传感器21上，所以能实现本发明中的线传感器21的输出信号的稳定化。即通过将光扩散元件22设置在线传感器21的前面，输入受光单元的单色光被扩散，并从多个方向照射到各受光单元上，所以受光量稳定，并且，另一方面，可以将平行的单色光照射到遮挡物5，将其边缘部分的菲涅耳衍射输入线传感器21。而且，理所当然的是，由于将扩散了的激光照射到遮挡物5上不会引起菲涅耳衍射，所以不能将光扩散元件22例如贴设在投光窗13的表面来使用。另外，光扩散元件22，考虑耐久性等的同时选择薄胶片或板状的光扩散元件。具体而言，可以使用透明性塑料或磨砂玻璃等，特别是在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等基材上实施了涂覆处理后的光扩散胶片比较有效。透过光扩散元件22的单色光以规定的扩散宽度被扩散，并被照射到线传感器21上。 

此外，线传感器的受光单元所接收的受光量等特性，因光扩散元件22的雾度(浊度或模糊度)的不同而不一样。在这里，雾度(Haze)是根据扩散透过光相对于全部光线透过光的比例而求得的，受光扩散元 件22的表面的粗糙度影响，以百分比(％)表示。图4表示由雾度的不同而引起的受光量分布输出不同。图4-(1)表示未设置光扩散元件22的状态下的各受光单元的受光量分布，由于单色光的干涉图案而导致单色光未均匀地向各受光单元照射，产生±20％以上的受光量的偏差。特别是由于干涉，以每几十个单元为单位中在受光量分布上产生波动。在这里在图4-(2)中为设置了雾度为50％的光扩散元件22的情况下的受光量分布，去除了每几十个单元所发生的受光量分布的波动。此外，图4-(3)为设置了雾度90％的光扩散元件22的情况下的受光量分布，连邻接的每个单元的受光量的偏差也被抑制了，从而能得到更加稳定的受光量分布。这是通过在入射线传感器21之前设置光扩散原件22，激光被扩散了，通过向受光单元照射被扩散了的激光单色光，被照射来自多个方向的单色光的缘故，而且还减小了干涉图案的影响。另外，即使单色光的波长因为周围温度而发生变化、干涉图案发生改变，由于单色光的变化被限定了，所以只停留在微量的受光量的变化，从而可以构成不受周围温度影响的边缘检测装置。 

图5是表示由周围温度引起的受光量的变动的图。以未向测量空间4插入遮挡物5时的各单元的受光量为基准量1.0，试着使周围温度发生变化。在图10所示的以往的边缘检测装置中，如图5-(1)所示，由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5-(2)为设置了雾度90％的光扩散元件22的情况，即使周围温度发生变化，也基本不会发生受光量的变动。特别是，越是插入雾度大的光扩散元件22，单色光的扩散越大、单色光的波长变动性能越强。 

在这里，图6是表示设置雾度90％的扩散原件22，向测量空间4插入不透明体的遮挡物5时的受光量的图。和图10所示的以往的不使用光扩散元件22的检测装置同样，发生菲涅耳衍射，能毫无问题地检测出遮挡物5的边缘部分。 

另一方面，图7是表示向测量空间4插入了如玻璃那样的透明体的遮挡物5时的受光量的图。图7-(1)为图10所示的以往的边缘检测装置，5a是插入有玻璃的部分，5b是没有遮挡物5的自由空间。这种情况下，由于菲涅耳衍射而在边缘部分产生如5c那样的大的受光量的衰 减，根据该衰减能够检测边缘的位置。例如，在图7-(1)中，设判断为边缘的受光量的变动阈值为0.5时，由于插入有玻璃的部分5a的受光量(换算值)的衰减为0.8左右，所以能正确地检测边缘部分。 

在这里，在设置雾度90％的光扩散元件22的情况下，如图7-(2)所示由边缘所引起的受光量的变动的衰减变得非常小。这是由于光扩散元件22而单色光的扩散变大，多数被扩散了的单色光从各个方向入射到受光单元，从而变为如同设置了滤波器的状态的缘故。由于只要是不透明体，则由遮挡物5所引起的遮光部分是明确的，所以能正确地进行边缘检测，不过另一方面，在遮挡物5为透明体的情况下，边缘部分的菲涅耳衍射效果减小，就会产生不能进行正确的边缘检测的问题。 

因此，本发明人确认了通过降低光扩散元件的雾度值来解决该问题的事实。图7-(3)表示配置了雾度50％的光扩散元件22的情况下的受光量，虽然和图7-(1)所示的没有光扩散元件22的情况相比由边缘引起的衰减稍微减小了，不过如果将边缘的判断阈值设为0.6，就能够充分检测出边缘部分。并且，因为插入有玻璃的5a部分由于插入光扩散元件22而被稳定化，所以受光量的衰减小且稳定，并且由周围温度所引起的自由空间5b部分的受光量的变动也少，所以可以提高边缘判断的阈值，可以充分地进行边缘部分的检测。并且，当遮挡物5为透明度高的玻璃和非常薄的胶片的情况下，选择更小雾度的光扩散元件22是较为有效的。另一方面，当遮挡物5为如刀刃等不透明体的情况下，雾度越高受光量的变动越小，越能进行稳定的计量。由此，光扩散元件22匹配遮挡物5的透射率来选择雾度使用更为有效。如果光扩散元件的雾度在50％以下，则更能兼顾透明体的边缘部分的正确检测和各受光单元的受光量的稳定。 

图8是表示线传感器21和光扩散元件22的构成的一个例子。线传感器21利用在一个方向上以规定的间距排列的多个受光单元211来接收单色光，在离受光单元上数mm的位置配置用于保护受光单元免受灰尘等的保护用玻璃212。各个位置关系如图9所示，以线传感器21进入受光窗23之下的方式配置。在这里，由于将光扩散元件22粘接到保护用玻璃212的上面，受光单元211和光扩散元件22的位置关系被固定，所以能抑制受光量分布特性的变动。此外，由于越将光扩散元件22靠 近受光单元211越能够避免由扩散引起的边缘部分的菲涅耳衍射的衰减降低，所以优选靠近为好。此外，从抑制单色光的漫反射和干涉的角度考虑，保护用玻璃212没有限制，最好采用透明的玻璃，不过由于线传感器21的成本会升高，所以一般采用透明度低的玻璃。但是，通过将本发明的光扩散元件22配置在受光窗23和保护用玻璃212之间，并进一步和线传感器21的保护用玻璃212粘接，由能够收到减轻激光的漫反射或干涉的效果。并且，将光扩散元件22设置在保护用玻璃212和受光单元211之间也有同样的效果。另外，光扩散元件与保护用玻璃的粘接，例如利用光学部件用的粘接剂等具有透光性的粘接剂进行。 

如上述那样，通过实施本发明，即使在激光波长和输出功率随周围温度的变化而变化的情况下，来自受光单元的输出信号也不会产生急剧的变化，另外，即使线传感器的受光单元或投光透镜在制造时存在特性偏差的情况下，也能向边缘检测部提供稳定的输出信号，收到可防止将没有遮挡物的空间部分误检测为边缘部分的效果。再有，作为次要效果，在去除光源附近的驱动IC所引起的发热的影响上也是有效地，有能缩短从电源投入到可进行计量为止的稳定时间的效果。作为另一个次要效果，能去除由线传感器的保护用玻璃所引起的激光的漫反射和新的干涉图案的影响，由能使用便宜的线传感器的效果。 

Claims (4)

1.一种边缘检测装置，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、以及发射该单色平行光的投光窗构成；

受光部，其由与上述投光窗相对置地设置的受光窗、通过将从该受光窗侵入的上述单色平行光在规定范围内进行扩散而降低上述单色平行光的干涉影响的光扩散元件、以及在一定方向上以规定的间距排列了多个接收该扩散的单色光的受光单元的线传感器构成；以及

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。

2.根据权利要求1所述的边缘检测装置，其特征在于，

上述光扩散元件，根据依上述遮挡物的种类而变化的透射率来选择雾度而使用。

3.根据权利要求1所述的边缘检测装置，其特征在于，

上述光扩散元件，雾度在50％以下。

4.根据权利要求1所述的边缘检测装置，其特征在于，

在上述线传感器的受光单元上装备保护用玻璃，上述光扩散元件和该保护用玻璃粘接在一起。

Images