CN103140735B - 位移传感器 - Google Patents

Abstract

在将CMOS线性图像传感器（100）嵌入受光部（1）的位移传感器中，CPU（3）在利用复位信号RSET将CMOS线性图像传感器（100）的各像素部的蓄积电荷复位之后，输出投光控制信号LDON，接着，输出受光控制信号PDSW，来开始在各像素部蓄积电荷。另外，在结束投光控制信号LDON的输出之前，结束受光控制信号PDSW的输出，并利用读取控制信号ST，指示图像的输出。另外，CPU（3）以维持受光控制信号PDSW与投光控制信号LDON的输出的关系为条件，基于从CMOS线性图像传感器（100）输出的图像中的峰值，对输出受光控制信号PDSW的期间的长度进行调整。

Description

位移传感器

技术领域

本发明涉及一种利用CMOS(Complementary Metal-Oxide-SemiconductorTransistor互补型金属氧化物半导体)线性图像传感器进行位移量的计测的位移传感器。

背景技术

在利用了三角测距的原理的位移传感器中，从包括激光二极管等发光元件的投光部射出光，并且通过包括摄像元件的受光部接受来自对象物的该光的反射光，基于由摄像元件生成的图像中的峰值的位置，来求出位移量(与传感器相距的距离)。

作为适合上述的受光部的摄像元件之一，有构成为同时实施所有的像素部的电荷的蓄积或释放的CMOS线性图像传感器。

在例如非专利文献1中记载了如下的技术：从外部输入时钟信号和启动脉冲信号，基于从启动脉冲信号的上升沿起的时钟数，来对开始以及结束电荷蓄积的时刻、读取图像数据的时刻进行控制。

另外，在专利文献1中记载了如下的技术：在各像素部的光电二极管与用于蓄积电荷的电容之间利用晶体管来设置开关部，并且利用各像素部共用的全局快门(shutter)信号来控制该开关部的导通/截止(ON/OFF)，由此将构成为几乎同时开始或停止所有的像素部的电荷蓄积的图像传感器嵌入位移传感器。

接着，在现有的位移传感器中，提出了一种如下的技术：根据受光量的变动来调整检测灵敏度，以适用于反射光不同的各种各样对象物。在例如专利文献2中，记载了如下的技术：针对在图像中出现的受光量的峰值，求出该峰值相对于事先规定的最优值的比率，基于该比率，对放大电路的增益、投光部的发光时间和发光强度、受光部的快门时间(电荷蓄积时间)进行调整。

另外，在前面例举的专利文献1中，记载了如下的技术：通过将比较器组装到各像素部，将蓄积电荷与规定的基准电压进行比较，在任一个像素部的蓄积电荷到达基准电压时，停止蓄积各像素的电荷，来避免受光量的饱和。

此外，作为其它的观点的现有技术文献，在专利文献3中记载了如下的技术：为了分别计测具有透光性的面和其背面(例如玻璃的表面和背面)，一边调整灵敏度，一边实施多个周期的投光处理及受光处理，以获取适合对各表面进行计测的图像。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-326340号公报

专利文献2：日本特开2001-280951号公报

专利文献3：日本特开2006-292731号公报

非专利文献

非专利文献1：“CMOS线性图像传感器S9227”目录[online]、滨松光子株式会社发行、互联网、[平成22年9月24日检索]、＜http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/s9227_kmpd1074j03.pdf＞

发明内容

发明要解决的问题

在非专利文献1记载的CMOS线性图像传感器中，由于将表示电荷的蓄积时间的时钟数设定在11个时钟以上，所以不能将电荷的蓄积时间缩短至短于最小的时钟数，从而难以对反射率很高的对象物进行灵敏度调整。

根据专利文献1所记载的位移传感器，虽然在受光量饱和之前能够停止电荷的蓄积，但是由于在该位移传感器中，在各像素部设置有用于确认蓄积电荷的电路(比较器等)，所以结构复杂，成本很高。

另外，在专利文献1记载的发明中，虽然在摄像部的内部检测出像素部的蓄积电荷到达基准电压之后，停止蓄积电荷，但不能准确地把握电荷的蓄积期间，不能从摄像部的外部控制增益、蓄积时间等，来达到最优灵敏度。因此，不能根据与用户所希望的处理时间、计测对象物，来定义摄像动作，缺乏便利性。另外，在刚开始使投光部投光不久或刚结束不久时，有可能照射出强度不稳定的光，但是在对比文献1记载的结构中，却没有设置避免接收起因于这种不稳定的信号成分的反射光的单元。

在专利文献3记载的发明中，需要直到就计测对象的所有的面获得适合计测的受光量为止，重复进行投光及受光。因此，直到获得对各表面的计测值为止的时间变长，导致难以高速地进行处理。

本发明是鉴于上述的问题点而提出的，本发明的课题在于，在保证计测、灵敏度调整的精度的同时，能够根据对象物的种类、计测目的，容易地改变受光处理的内容。

用于解决问题的手段

本发明的位移传感器具备：受光部，其包括CMOS线性图像传感器，CMOS线性图像传感器具备多个具有受光元件和电荷蓄积部的像素部，CMOS线性图像传感器沿着受光元件的排列按顺序输出通过在各像素部的电荷蓄积部中蓄积的电荷而得到的图像；投光部，其发出检测用的光；控制处理部，其一边对投光部、受光部的动作以及从CMOS线性图像传感器输出图像的动作进行控制，一边利用从CMOS线性图像传感器输出的图像来计测对象物的位移。

在本发明的CMOS线性图像传感器中，经由开关部来连接各像素部的受光元件与电荷蓄积部，并且具有三个输入端子，三个上述输入端子分别用于输入如下各信号：用于使该开关部导通的受光控制信号、指示输出图像的读取控制信号及用于将在各像素部的电荷蓄积部中蓄积的电荷复位的复位信号。另外，控制处理部具备：受光控制单元，其与CMOS线性图像传感器的各输入端子连接，分别输出与各端子相对应的信号，并且在已经通过复位信号使各像素部的电荷蓄积部复位的状态下，使开始输出所述受光控制信号的时刻滞后于投光部开始投光的时刻，来使电荷蓄积在各像素部的电荷蓄积部；设定单元，其以使输出受光控制信号的期间比投光部的投光期间结束得早为条件，以能够改变的方式设定输出受光控制信号的期间的长度。

根据上述的结构，能够通过不同的控制信号独立地控制使电荷蓄积在各像素部内的处理、输出通过蓄积在各电荷蓄积部的电荷而得到的图像的处理以及电荷蓄积部的复位处理，所以能够提高改变CMOS线性图像传感器的动作内容的自由度。例如，可以按顺序实施上述三个处理，还可以并行实施电荷的蓄积处理和输出通过在一个阶段之前蓄积的电荷而得到的图像的处理。

而且，在从CMOS线性图像传感器输出的受光量的峰值饱和，或者相反地，该峰值低于适当的振幅的情况下，通过对输出受光控制信号的期间的长度进行调整，能够快速地将受光量的峰值的强度调整为适当的强度。因此，易于进行灵敏度的调整。

另外，在将各像素部的电荷蓄积部复位的状态下，在投光部开始投光之后开始蓄积电荷，并且在结束投光之前结束电荷的蓄积处理，所以能够接受在投射稳定的强度的光的期间内的反射光。由此，能够获得恰当地表示反射光的受光状态的图像，从而能够确保计测和调整灵敏度的精度。

本发明的优选的实施方式的位移传感器还具有：第二设定单元，其以能够改变的方式设定与受光控制信号的输出相对应的读取控制信号的输出次数及各输出的时刻；复位单元，其在针对受光控制信号的输出而设定的读取控制信号的输出全部结束之后，输出复位信号。另外，第二设定单元，在针对受光控制信号的输出而多次输出读取控制信号的情况下，以在输出受光控制信号的期间内，实施所述多次输出中的除了最后输出以外的各输出的方式，设定各输出的时刻。

根据上述的结构，根据计测的目的、对象物的种类，能够改变针对一次电荷蓄积的图像的输出次数或时刻。特别是，在多次输出图像的情况下，在进行第二次以后的输出时，输出表示在上一次输出的图像所表示的受光量上叠加了之后接受的光量而得到的电平的图像。因此，在分别计测具有透光性的面和其背后的面的情况下，将投光的期间及输出受光控制信号的期间设定为稍微长一些，输出与计测对象的面的数量相对应的次数的读取控制信号，从而能够通过一个周期的投光及受光，获得适合各面的计测的图像数据。因此，能够采用比专利文献3所记载的发明更短的时间来实施作为目的的计测。

在上述位移传感器的另一个优选的实施方式中，CMOS线性图像传感器具有输入端子，该输入端子用于输入用于表示多个像素部中的任意像素部的位置的地址数据，并且，CMOS线性图像传感器输出将特定的图像作为起始的像素的图像，其中，所述特定的图像是通过与从该输入端子输入的地址数据相对应的像素部所积蓄的电荷而得到的。另外，控制处理部，通过向CMOS线性图像传感器的地址数据的输入端子输出任意像素部的地址数据，以能够改变的方式设定CMOS线性图像传感器输出图像的输出范围。

在利用了CMOS线性图像传感器的现有的位移传感器中，有能够限定图像的读取范围以高速地进行处理的位移传感器，但是由于始终将由最小的地址的像素部生成的图像作为起始的像素，所以在限定读取范围的情况下，能够计测的范围会产生偏差，难以生成将用户想要计测的范围作为中心部的图像。

为了解决这些问题，上述的实施方式通过从控制处理部向CMOS线性图像传感器输出表示开始读取图像的位置的地址数据，能够自由地改变起始的像素的位置或所读取的图像的大小。另外，能够缩短处理时间。

而且，通过以稳定地包括用户想要计测的范围的方式规定读取的范围，向CMOS线性图像传感器输出与该范围的起始端对应的像素部的地址数据，能够生成可以稳定地检测受光量的峰值的图像。

在另一个实施方式的位移传感器中，CMOS线性图像传感器，具有时钟信号的输入端子，该时钟信号用于决定读取像素单位的图像的时刻，并且，使得构成受光元件的排列的末尾的规定数量的受光元件被遮光。另外，控制处理部，在输出读取控制信号之后接着输出时钟信号，从而从CMOS线性图像传感器的各像素部按顺序读取图像(像素单位的图像)，并且，在对由受光元件被遮光的像素部生成的图像进行读取的期间内，停止输出时钟信号。

通常，从CMOS线性图像传感器输出的图像放大之后，用于计测处理，但若在像素的读取结束之后，仍旧继续输出用于决定读取像素单位的图像的时刻的时钟信号，则会变成所谓的空转状态，输出电平低于受光量的最小电平的信号。其结果为，成为放大来自CMOS线性图像传感器的图像的基准的基准电位产生变动，有不能够恰当地放大受光量的峰值的可能。

上述的实施方式的课题为解决这些问题，遮挡构成受光元件的排列的末尾的规定数量的受光元件，在读取由这些受光元件的像素部生成的图像的期间内，停止输出时钟信号，由此能够将从CMOS线性图像传感器输出的信号的基准电位维持在表示最小的受光量的电平。因此，能够稳定地放大受光量的峰值。

发明的效果

根据本发明，利用受光控制信号，能够易于控制在各像素部的电荷蓄积部进行蓄积处理的时刻和蓄积期间的长度，另外，始终能够接受强度稳定的反射光，从而能够确保计测和灵敏度调整的精度。另外，由于分别利用独立的控制信号对进行图像的读取的时刻和蓄积电荷的期间进行控制，所以能够根据计测的目的，容易地改变CMOS线性图像传感器的动作内容，提高便利性。

附图说明

图1是表示适用本发明的位移传感器的外观的立体图。

图2是表示位移传感器的电气结构的框图。

图3是表示CMOS线性图像传感器的电路结构的示意图。

图4是表示对投光部及受光部进行控制的控制顺序的时间图。

图5是说明用于排除投射的光的不稳定的强度变化的影响的原理的时间图。

图6是与切换复位信号的时刻对应地表示偏置信号及时钟信号的关系的时间图。

图7是表示在测定多个表面的情况下的控制顺序的时间图。

图8是说明改变了图像的读取范围的例子的图。

图9是表示对从CMOS线性图像传感器输出的基准电位因空转(无用操作)而产生变动的例子和解决了该问题的例子进行了比较的图。

图10是表示对光电二极管的排列进行屏蔽的范围的图。

具体实施方式

图1表示适用了本发明的位移传感器的外观及使用状态。

本实施例的位移传感器S向作为检测对象的工件W投射激光光束L1，并且接受来自工件W的该激光光束L1的反射光L2，基于三角测距的原理，计测从传感器到工件W为止的距离，来作为位移量。

如图2所示，在传感器S的框体内组装有受光部1、投光部2、CPU3、存储器4、输入输出接口5等。

在投光部2内嵌入激光二极管(LD)20，来作为发光元件，并且还设置有投光控制电路21、图中省略的投光用的透镜等。受光部1由CMOS线性图像传感器100、增益可变放大器101、A/D转换电路102及图中省略的受光用的透镜等构成。

CPU3基于保存在存储器4内的程序，一边对投光部2及受光部1的动作进行控制，一边输入从受光部1输出的图像数据并实施位移量的计测。根据投光控制信号LDON，针对投光部2的投光的时刻及投光时间进行控制。针对受光部1的CMOS线性图像传感器100，利用受光控制信号PDSW、读取控制信号ST、复位信号RESET、时钟信号CLK这四种信号，对各像素部的受光动作、图像的输出进行控制。

在通过增益可变放大器101将从CMOS线性图像传感器100输出的图像放大之后，通过A/D转换电路102转换成数字图像，并输入至CPU3。CPU3基于所输入的图像，检测受光量的峰值，并且基于该峰值的坐标，导出工件W的位移量(从位移传感器1到工件W为止的距离)。此外，CPU3能够根据需要，调整增益可变放大器101的放大率。

输入输出接口5与图中省略的外部设备连接，将从外部设备输入的设定数据传送至CPU3，另外，将由CPU3输出的计测结果数据输出至外部设备。

图3表示CMOS线性图像传感器100内的电路结构。

本实施例的CMOS线性图像传感器100具有多个像素部10、针对每个像素部10设置的多个保持电路15、输出用的放大器16等。各像素部10分别经由开关部S1与对应的保持电路15连接。各保持电路15经由开关部S2与放大器16连接。

各像素部10由光电二极管11及电荷蓄积部12以及连接两者的开关部Sa等构成。各像素部10的光电二极管11以排列成一列的状态配置于CMOS线性图像传感器100的前表面的窗部(图中省略)。

电荷蓄积部12包括电容13、放大器14及用于切换电容13的充电/放电的开关部Sb。

各开关部Sa、Sb、S1、S2的实体为MOS型晶体管。通过受光控制信号PDSW，一并导通位于光电二极管11与电荷蓄积部12之间的开关部Sa，由此，使从光电二极管11输出的电荷导入电荷蓄积部12。

在复位信号RESET为低电平的期间内，开关部Sb处于截止(OFF)状态，在该期间内，能够将电荷蓄积到电荷蓄积部12的电容13。若复位信号RESET从低电平切换至高电平，则开关部Sb导通，由此，电容13放电，所积蓄的电荷复位。

通过根据读取控制信号ST而产生的内部信号，一并导通位于像素部10与保持电路15之间的开关部S1。由于开关部S1导通，所以向对应的保持电路15传递蓄积在各电荷蓄积部12的电容13内的电荷，并由保持电路15保持电荷。由此，在各像素部10中，伴随着受光而蓄积的电荷传送至各保持电路15，换言之，受光量信号传送至各保持电路15。当该传送结束时，根据时钟信号CLK，连接各保持电路15和放大器16的开关部S2按顺序导通，并且串行输出由各自的保持电路15保持的受光量信号。

图4是利用各种控制信号的两个周期的时间图，来表示控制投光部2及受光部1的顺序的图。此外，在本实施例中，始终输出时钟信号CLK，但是由于时钟信号CLK的周期很短，所以在图4中省略图示。

投光控制信号LDON及受光控制信号PDSW在高电平时有效(ON状态)。读取控制信号ST通常为高电平，其以规定的周期，在规定时间内变为低电平，从高电平向低电平的切换起开始读取图像数据的触发信号的作用。

下面，参照图4中的附图标记A～I，来说明由CPU实施的控制的顺序。首先，CPU3通过在从图4的A到B为止的期间内，使投光控制信号LDON上升，来使投光部2射出激光光束L1。另外，CPU3与投光控制信号LDON的上升对应地将复位信号RESET从高电平切换至低电平。通过该切换，来断开电荷存储部10的开关部Sb，使电容13变为能够蓄积电荷的状态，但是由于在该时间点，位于光电二极管11与电荷连接部12之间的开关部Sa还没有导通，所以不蓄积表示受光量的电荷。

CPU3使受光控制信号PDSW上升(图4的E)，该受光控制信号PDSW的上升沿与投光控制信号LDON的上升沿相比，稍有延迟。由此，开关部Sa导通，从光电二极管11向电荷蓄积部12传送与该受光量对应的电荷，并蓄积在电容13内。

CPU3使受光控制信号PDSW比投光控制信号LDON先恢复为低电平(图4的F、B)。由此，表示受光量的电荷不会传递给电容13，但是由于复位信号RESET维持低电平，所以直到RESET变为高电平为止，保持蓄积在电容13内的电荷。

当PDSW、LDON都变为截止(OFF)状态之后经过一段时间后，CPU3将读取控制信号从高电平切换至低电平(图4的G)。根据该切换，连接CMOS线性图像传感器100内的各像素部10和保持电路15的开关部S1导通，受光量信号传送至保持电路15。当传送结束时，与此后的时钟信号CLK对应地，各保持电路15依次与输出用放大器16连接，各自的保持电路15所保持的受光量信号被输出(图4的I)。

当读取控制信号ST切换至低电平之后，经过了向保持电路15传送受光量信号所需的时间时，如图4的D所示，复位信号从低电平切换至高电平。由此，各电荷蓄积部12的开关部Sb导通，蓄积在电容13内的电荷复位。复位信号RESET直到下一次投光控制信号LDON上升为止，维持在高电平(图4的A、C)，在此期间内，维持开关部Sb的导通状态。

此外，在该例子中，在与输出图像几乎相同的时刻将复位信号RESET切换至高电平，但不限于此。能够在从向保持电路15传送受光量信号到下一次受光控制信号PDSW上升为止的期间内的任意的时间点，将复位信号RESET切换至高电平。

CPU3一边执行上述的控制，一边对从CMOS线性图像传感器100输出的图像进行处理，并提取受光量的峰值，基于该峰值的坐标，导出位移量。CPU3还对受光量的峰值与事先登记在存储器4内的基准值进行比较，在峰值与基准值之差超过容许值的情况下，通过改变投光控制信号LDON、受光控制信号PDSW的输出期间的长度，来调整灵敏度。在对灵敏度进行调整的过程中，以维持如下的规则为条件：开始输出受光量控制信号PDSW的时间晚于开始输出投光控制信号LDON的时间，并且结束受光量控制信号PDSW的输出的时间早于结束投光控制信号LDON的输出的时间。参照图5，说明其理由。

在图5中，将时间轴(横轴)扩大为图4的时间轴(横轴)的几倍，显示时钟信号CLK的变化。另外，与投光控制信号LDON、复位信号RESET、受光控制信号PDSW的各信号对应地显示从投光部射出的激光光束L1的强度的变化及蓄积在电荷蓄积部12的电荷的强度的变化。

在图5(1)的例子中，实施与图4顺序相同的控制。根据投光控制信号LDON，从投光部2射出激光光束L1，但是该激光光束L1的强度不随着控制信号而变化，特别是在上升沿、下降沿的强度的变化不稳定。由于来自工件W的反射光L2的强度也以与激光光束L1相同的方式发生变化，所以在本实施例中，在开始投光控制信号LDON的输出之后，经过激光光束L1的强度变稳定所需的时间后开始输出受光控制信号PDSW，并且在结束投光控制信号LDON的输出之前，结束受光控制信号PDSW的输出。由此，能够防止刚开始投光不久及刚结束投光不久的不稳定的信号成分所产生的电荷被蓄积。

为了与图5(1)的例子进行比较，图5(2)的例子表示不使用受光控制信号PDSW而根据复位信号RESET和时钟信号CLK的脉冲数来控制电荷的蓄积处理的例子。在该例子中，在开始投光控制信号LDON的输出之后，经过激光光束L1的强度变稳定所需的时间后将复位信号RESET从高电平切换至低电平，由此开始蓄积表示受光量的电荷。由此，能够避免刚开始投光不久的不稳定的信号成分所产生的电荷被蓄积。然而，在该例子中，由于根据时钟信号CLK的脉冲数来管理电荷的蓄积时间，并且在投光期间结束之后也进行电荷的蓄积，因此，刚结束投光不久的不稳定的信号成分所产生的电荷被蓄积。其结果为，由于生成不恰当地表示反射光L2的受光强度的受光量信号，所以有可能会导致计测位移量和调整灵敏度的精度下降。

与此相对地，如图5(1)的例子所示，若仅在能够以稳定的强度接受反射光L2的期间内蓄积电荷，则能够生成恰当地表示反射光L2的受光强度的受光量信号。因此，能够稳定地进行位移量的计测和灵敏度的调整。

另外，在上述的控制中，为了不受到不稳定的信号成分的影响，优选地，将投光控制信号LDON的有效(ON)期间设定为足够长。在如此设定的情况下，作为次要的效果，由于能够向计测对象的位置照射能够被人视觉辨认的光，所以用户能够易于把握计测的位置。

接着，如图5(1)所示，在本实施例中，在时钟信号CLK的上升沿与下降沿的中间点附近将复位信号RESET从高电平向低电平的切换，该处理也是为了稳定地进行计测和灵敏度调整而下的工夫。下面，利用图6，说明上述的处理的宗旨。

为了获取读取由各保持电路15保持的以像素为单位的图像的时刻，向本实施例的CMOS线性图像传感器100输入时钟信号CLK。由于将该时钟信号CLK提供给与开关部S1相关的电路，所以会给与开关部S1连接的电荷蓄积部12的偏置电压带来影响，如图6所示，在时钟信号CLK的上升沿和下降沿，偏置电压变动很大。

由于在复位信号RESET从高(H)电平切换到低(L)电平时，电荷蓄积部12的电容13变成能够蓄积电荷的状态，所以由此时的电路内的偏置电压产生的电荷作为初始电荷蓄积到电容13内。因此，若在与时钟信号CLK的上升沿或下降沿同步的时刻切换复位信号RESET，则有可能时钟信号CLK所引起的噪声成分被设定为电容13的初始电荷，从而对受光量信号的波形造成很大的影响。

因此，在本实施例中，通过在时钟信号CLK的上升沿和下降沿的中间点附近切换复位信号RESET，使电容13在偏置电压的变动消失之后起动。这样，能够将电容13的初始电荷设定为很小的值，所以对受光量信号的波形产生的影响也很小，能够检测出没有问题的受光量的峰值。

总结图4及图5(1)示出的控制的优点为，通过受光控制信号PDSW这一个控制信号，即能够一并控制开始蓄积各像素部10的电荷的时刻及蓄积期间的长度。另外，通过对输出受光控制信号PDSW的期间的长度进行调整，能够针对反射率不同的各种各样的工件，获得受光量的峰值以适当的值出现的图像数据。

另外，在本实施例的位移传感器中，一边实施投光处理及受光处理，一边对灵敏度进行调整，以使每次的受光量的峰值在适当的范围内，而这样的调整也能够通过对受光控制信号PDSW的输出期间的长度进行调整的处理来容易地进行。

例如，在将对象切换成反射率高的工件，使得受光量饱和的情况下，能够通过缩短受光控制信号PDSW的输出期间，来快速地消除受光量的饱和状态。在将对象切换成反射率低的工件，使得受光量的峰值变为极小的情况下，也能够通过延长受光控制信号PDSW的输出期间，来提高受光量的峰值的电平(level)。另外，在仅对受光控制信号PDSW的输出期间进行调整而不足以提高受光量的峰值的电平的情况下，延长投光控制信号LDON的输出期间，由此，能够进一步延长受光控制信号PDSW的输出期间。以这种方式，按照工件W的反射率能够容易调整灵敏度。

而且，在本实施例中，由于分别通过个别的控制信号来分别控制使电荷蓄积在各像素部10内的处理、读取与所蓄积的电荷相对应的图像的处理、将所蓄积的电荷复位的处理，所以能够自由地改变相对于电荷的蓄积处理的图像读取时期。因此，例如，在要求以紧密的间隔对移动的工件W的位移量进行计测的情况下，通过一边实施电荷的蓄积处理，一边读取与在一个阶段之前蓄积并传送给保持电路15的电荷相对应的图像，能够缩短一个周期的计测所需的时间，从而能够满足上述的需求。

而且，通过能够改变地设定相对于受光控制信号PDSW的输出的读取控制信号ST的输出次数及输出的时刻，针对一次的电荷的蓄积处理，能够读取多次图像。根据该功能，在计测具有透光性的表面和位于其背后的表面的位移量的情况下，能够实施下面的图7示出的控制。

在图7的实施例中，将投光控制信号LDON及受光控制信号PDSW的输出期间的长度设定为比图4的实施例中的两者的输出期间的长度长。但是，就使开始输出受光控制信号PDSW的时间晚于开始输出投光控制信号LDON的时间(图7的a、e)并且使结束受光控制信号PDSW的输出的时间早于结束投光控制信号LDON的输出的时间(图7的b、f)这一点而言，与之前的实施例相同。

而且，在本实施例中，在输出受光控制信号PDSW的期间内，设定两次使读取控制信号ST处于低电平的期间(图7的g1-h1、g2-h2)，在受光控制信号PDSW的输出结束之后，也设定一次使读取控制信号ST处于低电平的期间(图7的g3-h3)。另外，就复位信号RESET而言，与开始输出读取控制信号LDON的时间几乎同时地将复位信号RESET从高电平切换至低电平(图7的a、c)，直到读取控制信号ST最后一次切换至低电平(图7的g3)为止，维持复位信号RESET的低电平，此后，将复位信号RESET恢复成高电平(图7的d)。

每当读取控制信号ST从高电平切换至低电平时，都向保持电路15传送蓄积在各像素部10的电荷蓄积部12内的电荷，并输出与所传送的电荷相对应的图像(图7的i1、i2、i3)。由于在进行第一次及第二次的传送时，复位信号RESET维持在低电平，所以保持电荷蓄积部12的蓄积电荷。因此，在第二次及第三次传送受光量信号时，在上一次传送的受光量信号上叠加了之后的受光量而得的信号被传送。由此，在输出的图像中出现的受光量的峰值逐渐变大。

在图7中，相对应地表示了每次的输出图像(图7的i1、i2、i3)和该图像所表示的受光量信号的波形的变化。如该例子所示，在第一次传送的图像数据中振幅极小的峰值随着叠加输出而变为很大的振幅。利用该特性，例如，从每次的输入图像提取显示为事先规定的值以上的受光量的部分来作为峰值，合并这些提取结果，来确定各峰值的坐标，利用各坐标能够高精度地对计测对象的各表面的位移量进行计测。

如果要利用上述的专利文献3的方法进行与图7的例子相同的计测处理，则需要重复进行几个周期的投光处理及受光处理，存在获取计测结果为止的时间变长的问题。与此相对地，根据图7的实施例，利用一个周期的投光及受光就能够获取计测所需的图像数据，所以与以往相比，能够大幅度地缩短处理时间。

图1及图2示出的位移传感器S还能够应用以下的(A)及(B)的实施例。

(A)追加了改变开始读取图像的位置的功能的实施例

在本实施例的CMOS线性图像传感器100追加了用于输入像素的地址数据的输入端子。从CPU3输出几比特结构的并行信号，来作为地址数据。CMOS线性图像传感器100输出如下的图像：将与所输入的地址数据对应的像素部10生成的受光量信号作为起始的像素的图像。CPU3除了向CMOS线性图像传感器100输出地址数据以外，还实施与图4及图5的例子相同的控制。

图8利用表示从各像素部10读取并向CPU3输入的图像所表示的受光量的分布的曲线，来改变图像数据的读取范围的例子。此外，与该图的曲线的横轴对应地一并显示表示图像中的各像素的排列顺序的地址和表示图像的读取时刻的时间轴。若计测对象的表面朝向靠近传感器S的方向位移，则图像中的受光量的峰值P朝向图中的曲线的左侧即地址变小的方向移动。

图8(1)的曲线表示在以CMOS线性图像传感器100的所有的像素部10(在该例子中为225)为对象读取了图像的情况下的受光量的波形。在该例子中，在读取期间的后半期间读取出的像素出现受光量的峰值P。

图8(2)是表示在向CMOS线性图像传感器100输入地址n来作为地址数据的情况下读取的图像的波形，其中，上述地址n表示与上述的峰值P的地址所表示的位置相比向传感器S靠近规定距离的位置。根据图示例，能够将读取所有的像素所需的时间长度T缩短为减去读取地址n的像素为止所需的时间t而得的时间即时间(T-t)。另外，由于不需要对无需计测的图像进行处理，所以能够大幅度地缩短处理时间。另外，通过以充分保证会出现峰值P的范围的方式来规定地址n，能够稳定地提取峰值P。

为了限定上述的读取范围，在本实施例的位移传感器1设置根据用户的指定操作来决定表示开始读取图像的位置的地址数据的设定模式。在该设定模式中，使用户输入计测所需的位移量的数值范围，并将稍微偏离该范围的位置的地址n决定为向CMOS线性图像传感器100输入的地址数据。

此外，能够利用外部设备，来接受用户的指定操作。例如，能够将从CMOS线性图像传感器100输入的图像传送到个人计算机等的外部设备来进行显示，并一边将工件W的模型导入位移传感器1的检测区域来实验性地进行投光受光，一边在显示画面上指定计测的对象范围。

根据上述的实施例，能够根据应该计测的位移量的范围，自由地改变图像的读取范围，从而提高便利性。此外，图像数据的读取范围的最终位置也能够通过提前将读取控制信号ST恢复成高电平来改变。或者，如下面的实施例所示，也能够通过停止时钟信号CLK来改变最后的读取对象的像素。

(B)使受光量的基准电平稳定的功能

在之前的图4、图7示出的控制中，始终输出时钟信号CLK，这样，即使已经没有读取对象的像素，CMOS线性图像传感器100仍旧继续进行输出动作(称为“空转”)。

图9(1)是与针对像素的读取期间及空转的期间对应地显示表示来自CMOS线性图像传感器100的输出的时间序列变化的曲线的图。如该图9(1)所示，在空转的期间内，输出不显示出受光量的低电平的信号。由于该低电平的信号，降低了来自CMOS线性图像传感器100的输出的基准电位(AC接地)，所以若放大信号，则放大对像素的读取期间内的基础(base)波形本身，基础的电位上升，图像中的受光量的峰值虚拟地变为很大的振幅，通过增益可变放大器101的放大有可能使峰值饱和。

为了解决上述的问题，在本实施例中，如图10所示，屏蔽构成各像素部10的光电二极管11的排列中的末尾的规定数量的光电二极管(遮挡受光面)，在读取与这些被屏蔽的像素部10对应的图像的期间内，使时钟信号CLK停止。

若在读取规定的像素的过程中停止时钟信号CLK，则此后的从CMOS线性图像传感器100输出的信号的电位维持在最后读取出的像素所表示的受光量的电平附近。因此，若某种光入射到生成最后的读取对象的像素的像素部10，则由于该入射光的电平，从CMOS线性图像传感器100输出的基准电位会不恰当地上升，有可能会妨碍图像的主要部分的放大处理。然而，在本实施例中，由于由被屏蔽的像素部10生成的黑电平(受光量为0)的受光量信号成为最后的读取对象，所以作为最后的读取对象的像素的受光量电平不会变高，如图9(2)所示，时钟信号CLK停止之后也能够使输出的电位维持在黑电平附近。因此，基于该黑电平的电位，能够适当地放大受光量的峰值。

通常，为了使从摄像元件输出的基准电位稳定，大多使用钳位电路，但是根据上述的实施例，能够不设置钳位电路，利用简单的结构使从CMOS线性图像传感器100输出的基准电位稳定。

此外，在本实施例中，在读取图像的过程中实现下一个周期的投光/受光处理的情况下，优选进行图5示出的控制，即在因时钟信号CLK而产生变动的偏置电压不存储到电容13内的时刻，切换复位信号RESET。

附图标记说明

100CMOS线性图像传感器，1受光部，2投光部，3CPU，10像素部，11光电二极管，12电荷蓄积部，13电容，14放大器，15保持电路，16输出用放大器，Sa、Sb、S1、S2开关部，S位移传感器，L1激光，L2反射光，LDON投光控制信号，PDSW受光控制信号，ST读取控制信号，RESET复位信号，CLK时钟信号。

Claims (4)

1.一种位移传感器，其具备：

受光部，其包括CMOS线性图像传感器，所述CMOS线性图像传感器具备多个具有受光元件和电荷蓄积部的像素部，所述CMOS线性图像传感器沿着受光元件的排列按顺序输出通过在各像素部的电荷蓄积部中蓄积的电荷而得到的图像；

投光部，其发出检测用的光；

控制处理部，其一边对所述投光部、受光部的动作以及从所述CMOS线性图像传感器输出图像的动作进行控制，一边利用从CMOS线性图像传感器输出的图像来计测对象物的位移，

所述位移传感器的特征在于，

在所述CMOS线性图像传感器中，经由开关部来连接各像素部的受光元件与电荷蓄积部，并且具有三个输入端子，三个上述输入端子分别用于输入如下各信号：用于使所述开关部导通的受光控制信号、指示输出图像的读取控制信号及用于将在各像素部的电荷蓄积部中蓄积的电荷复位的复位信号，

所述控制处理部具备：

受光控制单元，其与所述CMOS线性图像传感器的各输入端子连接，分别输出与各端子相对应的信号，并且在已经通过所述复位信号使各像素部的电荷蓄积部复位的状态下，使开始输出所述受光控制信号的时刻滞后于所述投光部开始投光的时刻，来使电荷蓄积在各像素部的电荷蓄积部；

设定单元，其以使输出所述受光控制信号的期间比所述投光部的投光期间结束得早为条件，以能够改变的方式设定输出所述受光控制信号的期间的长度。

2.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，

还具有：

第二设定单元，其以能够改变的方式设定与所述受光控制信号的输出相对应的读取控制信号的输出次数及各输出的时刻；

复位单元，其在针对所述受光控制信号的输出而设定的读取控制信号的输出全部结束之后，输出所述复位信号，

所述第二设定单元，在针对受光控制信号的输出而多次输出读取控制信号的情况下，以在输出所述受光控制信号的期间内，实施所述多次输出中的除了最后输出以外的各输出的方式，设定各输出的时刻。

3.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，

所述CMOS线性图像传感器具有输入端子，该输入端子用于输入用于表示多个所述像素部中任意像素部的位置的地址数据，

并且，所述CMOS线性图像传感器输出将特定的图像作为起始的像素的图像，其中，所述特定的图像是通过与从该输入端子输入的地址数据相对应的像素部所积蓄的电荷而得到的，

所述控制处理部，通过向所述CMOS线性图像传感器的所述地址数据的输入端子输出任意像素部的地址数据，以能够改变的方式设定CMOS线性图像传感器输出图像的输出范围。

4.如权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，

所述CMOS线性图像传感器，具有时钟信号的输入端子，该时钟信号用于决定读取像素单位的图像的时刻，并且，使得构成受光元件的排列的末尾的规定数量的受光元件被遮光，

所述控制处理部，在输出所述读取控制信号之后接着输出所述时钟信号，从而从所述CMOS线性图像传感器的各像素部按顺序读取图像数据，并且，在对由受光元件被遮光的像素部生成的图像进行读取的期间内，停止输出所述时钟信号。