JP2000097635A - 光式センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２次元受光素子を有する光センサにおいて、
受光手段からの出力をモニタできるようにすること。 【解決手段】 投光手段１１よりスリットビームを検出
域に出射し、その反射光を受光素子であるＣＣＤ２０で
受光する。ＣＣＤ２０からの反射光のピーク位置によっ
て距離関連情報を算出する。ＣＣＤの画像はビデオ出力
端子２７より出力可能とし、調整時にはこの端子に画像
表示手段を接続する。こうすればモニタ画像から感度や
取付位置を確認することができる。

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ＣＣＤ等の受光素子
で受光する。図８（ａ）はＣＣＤの特定の水平ラインの
受光レベルを示している。本図に示すように検出物体の
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、距離が検出可
能な領域は所定の測定範囲内であり、この範囲内に測定
対象となる検出物体を配置する必要がある。そして検出
物体が測定範囲の中心位置にあるときにその反射光がＣ
ＣＤの中心位置で受光できるように配置することが好ま
しく、又測定範囲の端部でもＣＣＤの受光範囲内とする
必要がある。しかし光式センサを物体検知領域に合わせ
て配置することが難しいという欠点があった。

【０００４】又投光レベルが低い場合や受光部自体の感
度が低い場合には、受光部からの出力レベルが低くな
る。受光部より出力される出力レベルが低すぎる場合
（感度が低すぎる場合）、図８（ｂ）に示すようにピー
ク周辺の分布がノイズに埋もれ、正確な反射光のピーク
位置を検出することができなくなるという欠点があっ
た。一方感度が高すぎれば、図８（ｃ）に示すようにピ
ーク位置周辺で受光部の出力が飽和してしまい、正確な
ピーク位置を判別することができなくなるという欠点が
あった。そのため感度、即ち受光部からの出力レベルを
最適なレベルとなるように調整しておく必要がある。

【０００５】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、検出物体の受光
状態を容易に確認できるようにすることを目的とする。

【０００６】

【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、前記投光手段及び前記受光手段の並び方
向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリ
ット状の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２次元受光素子
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量分布のピーク位置から前記
検出域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算
処理手段と、前記２次元受光素子の出力を画像信号とし
て出力するビデオ出力端子と、を有することを特徴とす
るものである。

【０００７】本願の請求項２の発明は、請求項１の光式
センサにおいて、前記投光手段及び前記受光手段に収納
したセンサヘッド部と、前記信号処理手段を有するセン
サ本体部とを分離したことを特徴とするものである。

【０００８】本願の請求項３の発明は、請求項１又は２
の光式センサにおいて、前記信号処理手段は、前記ビデ
オ出力端子に代えて前記２次元受光素子の出力を画像と
して表示する画像表示手段を有することを特徴とするも
のである。

【０００９】ここで２次元受光素子は、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。

【００１０】又演算処理手段によって検出されるピーク
位置とは、受光レベルがピークとなる受光素子上の位置
であり、投受光手段の並び方向に受光素子の画素を各ラ
イン毎に走査してピーク位置を算出するものとする。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。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してもよい。

【００１１】又演算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。

【００１２】

【発明の実施の形態】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１
５ａ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Ｌｆ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。

【００１３】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、２次元の受光素子、例えば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。

【００１４】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。読出された信号は増幅器２２によっ
て増幅され、Ａ／Ｄ変換器２３によってＡ／Ｄ変換され
て画像メモリ２４に転送される。画像メモリ２４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２４には演算処理手段２５が接続され
ている。演算処理手段２５は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２４
のデータに基づいてピーク位置を検出し、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。又増幅器
２２の出力端には映像信号を外部に出力するためのバッ
ファアンプ２６及びビデオ出力端子２７が接続されてい
る。増幅器２２，Ａ／Ｄ変換器２３，画像メモリ２４及
び演算処理手段２５，バッファアンプ２６，ビデオ出力
端子２７は、受光素子に得られる受光量分布に基づいて
物体までの距離情報を算出する信号処理手段２８を構成
している。

【００１５】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。

【００１６】図３は本実施の形態のビデオ出力端子２７
に液晶表示器等の図示しない画像表示手段を接続して、
ＣＣＤ２０から出力される画像をモニタした状態を示し
ている。この画像の水平方向はＣＣＤ２０の水平方向、
即ち投光手段１１と受光手段１７との並び方向（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。

【００１７】このモニタ画像は受光レベルの確認に用い
ることができる。即ち受光部の出力レベルが低いと図３
（ａ）に示すようにピーク位置が検出できず、受光部の
出力レベルが高すぎれば正確なピーク位置が判別できな
くなる。従ってビデオ出力端子２７に接続した画像表示
手段の画像から、適切なレベルの反射光が得られている
かどうかを確認する。適切なレベルが得られていなけれ
ば投光手段の投光レベルを上昇させたり、受光手段１７
の受光感度を増加させることによって感度を調整する。

【００１８】次に感度調整処理について説明する。図４
（ａ）は受光素子であるＣＣＤ２０の電荷蓄積時間と垂
直同期タイミング、図４（ｂ）〜（ｄ）はこれに同期し
た駆動回路１２の投光パルス信号を示している。ＣＣＤ
２０は周期的に電荷蓄積時間Ｔ１と電荷転送時間Ｔ２と
を繰り返しており、電荷蓄積時間Ｔ１で蓄積された電荷
が画像メモリ２４に転送される。従って図４（ｂ）〜
（ｄ）に示すように投光時間のパルス幅を変化させれば
投光レベルを調整することができる。又駆動回路１２内
の投光電流調整回路を制御し、投光電流を変えることに
よっても投光レベルを変化させることができる。又駆動
回路１２により投光素子１３を断続的に駆動するのでな
く連続的に駆動し、その投光レベルを変化させるように
することもできる。

【００１９】又受光素子であるＣＣＤにシャッター機能
を有するＣＣＤを用いてその感度を調整することができ
る。この場合には図５（ａ），（ｂ）に示すように、電
荷蓄積時間Ｔ１内で、電荷転送パルスに同期したシャッ
ターゲートパルスを印加すると、この時点までの電荷は
消去され、それ以降の電荷蓄積時間で蓄積された電荷の
みがＣＣＤからの信号として出力される。従ってシャッ
ターゲートパルスの印加タイミングを変化させることに
よって、ＣＣＤの信号となる有効電荷蓄積時間Ｔ１ａを
変化させることができ、ＣＣＤ２０の感度を調整するこ
とができる。

【００２０】感度調整は例えば受光素子のダイナミック
レンジの範囲内で出力が直線的に得られる比較的高いレ
ベルとすることが好ましい。このようなレベルに感度を
調整しておくことによって、ピーク位置の検出を正確に
行うことができる。ピーク位置を算出する際には、受光
レベルに対して閾値を比較的高いレベル、即ち飽和する
レベルより少し低いレベルに設定しておき、閾値を越え
る画素からピーク位置を算出するようにしてもよい。又
閾値を越える画素分が所定幅以上連続する場合にのみピ
ーク位置を算出するようにしてもよい。こうすれば閾値
を越えるノイズがあっても誤ったピーク位置を算出する
ことがなくなる。

【００２１】こうしてピーク位置が検出できれば、その
位置は検出物体までの距離に対応しているため、物体ま
での距離が近ければ図３（ｂ）においてピーク位置が左
方向に移動し、距離が遠ければ右方向に移動する。従っ
て検出物体１８を所定の位置に配置したときにその反射
光がほぼモニタ画像の中心位置にピークが得られるよう
に、光式センサを取付ける。こうすれば位置合わせが容
易に行えることとなる。こうすれば所定の範囲で検出物
体の表面までの距離をピーク位置に基づいて算出するこ
とができる。

【００２２】このようにＣＣＤで受光される画像をビデ
オ出力端子２７を介して外部に出力することによって、
受光状態を確認することができる。又検出対象物をＣＣ
Ｄのほぼ中心位置となるようにセンサヘッドを固定する
ことが容易となる。又測定範囲の両端まで受光信号が得
られ、測定動作が可能かどうかを確認することができ
る。そして一旦感度調整を終えたり位置調整を終えた後
は、画像表示は不必要であることが多いので、液晶表示
器を取り外すことができる。従って調整時にのみモニタ
画像で確認することができ、光式センサを大型化させる
ことがない。

【００２３】透明な平板等でその表面と裏面から同時に
反射光が得られる場合には、夫々のピーク位置を算出す
ることができ、これに基づいて夫々の面までの距離が算
出でき、その差から透明板の厚さも算出することができ
る。又検出物体に段差がある場合や、背景の物体があり
夫々から反射光が得られる場合には、段差の高さや背景
物体に対する検出物体の高さを検出することができる。

【００２４】次に本発明の第２の実施の形態について説
明する。この実施の形態による光式センサは、図６に示
すように投光手段１１と受光手段１７とをセンサヘッド
３１内に一体化して保持すると共に、信号処理手段２８
をセンサヘッドと分離してケーブルを介して接続するよ
うにしたものである。この場合には図示のようにセンサ
ヘッド３１内に駆動回路１２，ＣＣＤドライバ２１を含
めており、ＣＣＤ２０からの出力を処理する信号処理手
段のみをセンサ本体部３２としている。こうすればセン
サヘッド３１を小型化することができるため、測定部分
が狭い場所にあってもセンサヘッド３１を所望の位置に
固定することができる。

【００２５】次に本願の第３の実施の形態について説明
する。前述した第１，第２の実施の形態では、必要なと
きにのみビデオ出力端子２７に画像表示手段を接続する
ようにしているが、ビデオ出力端子に代えて信号処理手
段内に小型の液晶表示器等の画像表示手段４１を設けて
おいてもよい。この場合には常に受光状態を確認するこ
とができるため、検出物体が変化した場合等にも正常な
レベルの反射光が得られているかどうか、及び光式セン
サの取付位置が適切かどうかを常に確認することができ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本願の請求項
１又は２の発明によれば、必要なときに画像表示手段を
接続することによって光式センサの受光状態を確認する
ことができる。不要なときには画像表示手段の取外しが
可能である。従って光式センサ自体の大きさを保ったま
まで、受光素子の画像が確認でき、受光レベルや取付位
置を確認することが容易となる。又請求項３の発明によ
れば、常に画像表示手段を取付けているため、常に受光
状態を確認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】画像表示手段に表示されるモニタ画像の一例を
示す図である。

【図４】第１の実施の形態によるＣＣＤの電荷転送パル
スと投光パルスを示す波形図である。

【図５】第１の実施の形態によるＣＣＤの電荷転送パル
スとシャッターゲートパルスを示す波形図である。

【図６】本発明の第２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７】本発明の第３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８】従来の光式センサにおけるあるラインの低感度
及び高感度時の受光レベル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 ２０ ＣＣＤ ２１ ＣＣＤドライバ ２２ 増幅器 ２３ Ａ／Ｄ変換器 ２４ 画像メモリ ２５ 演算処理手段 ２６ バッファアンプ ２７ ビデオ出力端子 ２８ 信号処理手段 ３１ センサヘッド ３２ センサ本体部 ４１ 画像表示手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 道俊 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA06 AA25 AA30 BB22 BB24 DD04 DD05 EE03 FF26 GG06 GG07 GG12 GG16 HH05 JJ03 JJ19 KK01 KK02 LL08 LL09 LL28 LL30 NN02 NN12 PP22 QQ03 QQ08 QQ24 QQ29 QQ31 QQ34 SS13

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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、前記投光手段及び前記受光手段の並び
   方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるス
   リット状の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２次元受光素
   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量分布のピーク位置から前記検出
   域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算処理
   手段と、 前記２次元受光素子の出力を画像信号として出力するビ
   デオ出力端子と、を有するものであることを特徴とする
   光式センサ。
2. 【請求項２】 前記投光手段及び前記受光手段に収納し
   たセンサヘッド部と、 前記信号処理手段を有するセンサ本体部とを分離したこ
   とを特徴とする請求項１記載の光式センサ。
3. 【請求項３】 前記信号処理手段は、前記ビデオ出力端
   子に代えて前記２次元受光素子の出力を画像として表示
   する画像表示手段を有するものであることを特徴とする
   請求項１又は２記載の光式センサ。