JP2001280951A

JP2001280951A - 光学式変位計

Info

Publication number: JP2001280951A
Application number: JP2000099898A
Authority: JP
Inventors: Nobuharu Ishikawa; 展玄石川; Masahiro Kawachi; 雅弘河内; Koji Shimada; 浩二嶋田; Yoshihiro Yamashita; 吉弘山下
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】計測開始時や計測対象変更時等において、最
適計測条件への設定や再設定を可及的速やかに行ない得
るようにした光学式変位計を提供すること。【解決手段】計測対象物体上に計測用の光スポットを
形成するための発光素子を含む投光手段と、光スポット
が形成された計測対象物体を所定の角度から撮影する撮
像素子を含む受光手段と、受光手段から得られる画像中
の光スポット像の位置情報に基づいて目的とする変位を
算出する演算手段と、を有する光学式変位計であって、
受光手段から得られる画像から光スポット像の映像信号
の大きさと相関のある画像的特徴を抽出する特徴抽出手
段と、抽出された画像的特徴と所定の基準値との比較に
基づいて、投光手段の投光ゲイン調整要素および／また
は受光手段の受光ゲイン調整要素を操作することによ
り、変位算出演算に用いる光スポット像の映像信号の大
きさを適正状態に制御する制御手段と、を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、計測光（例え
ば、レーザビーム）の照射された計測対象物表面を撮像
素子を介して撮影し、得られた画像中の計測光による光
像位置から、所定の測距原理にしたがって、目的とする
変位（移動量や寸法等）を求める光学式変位計に係り、
特に、計測開始時や計測対象変更時等において、最適計
測条件（例えば、撮像素子の入射光量等）への設定や再
設定を可及的速やかに行ない得るようにした光学式変位
計に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の光学式変位計は、計測光（例え
ば、レーザビーム）の照射された計測対象物表面を撮像
素子を介して撮影し、得られた画像中の計測光による光
像位置から所定の測距原理にしたがって、目的とする変
位（移動量や寸法等）を求めるように構成されている。
測距原理として代表的なものとしては、三角測距応用の
光切断法が挙げられる。

【０００３】撮像素子への計測光入射光量は、計測対象
物の表面反射率や計測対象物との位置関係等に応じて様
々である。実際、黒色物体である場合や高反射率物体で
あっても直接反射光が到来しにくい位置関係にある場合
と、白色物体である場合や高反射率物体であって直接反
射光が到来する位置関係にある場合とでは、撮像素子へ
の計測光入射光量には約数万倍の差がある。

【０００４】高精度計測のためには、撮像素子からの画
像の中に計測光による光像が鮮明に現れることが必要で
ある。撮像素子への計測光入射光量が多すぎると、その
部分の映像信号が飽和して、計測光による光像が潰れ計
測に必要な特徴は失われる。撮像素子への計測光入射光
量が少なすぎると、ＳＮが悪化して、計測光による光像
は不鮮明となる。いずれの場合にも、計測精度は著しく
低下する。したがって、計測対象物の表面反射率や計測
対象物との位置関係等に拘わらず、撮像素子からの映像
中の計測光による光像を鮮明に維持する必要がある。

【０００５】特開平１０−２６７６４８号公報に記載さ
れた従来技術では、撮像素子からの画像中の計測光の光
像は、デジタルサーボ技術により適正な輝度に制御され
る。すなわち、撮像素子からの映像信号は一旦画素毎に
デジタル化され、その後、それらの中でピークデジタル
値が撮像素子への計測光入射光量の『検出値』と推定さ
れる。推定された『検出値』は予め設定された撮像素子
への計測光入射光量の『目標値』と比較され、それらの
『偏差』が求められる。その後、『偏差』が減少する方
向へと、発光素子の点灯時間や発光パワーが『操作』さ
れる。なお、鈎括弧の語は、サーボ系の技術用語であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術におい
ては、映像信号のピークデジタル値が撮像素子への計測
光入射光量の『検出値』と推定される。この推定は、必
ずしも正確であるとは限らない。殊に、映像信号が一部
飽和している場合には、実際の計測光入射光量と推定さ
れる計測光入射光量とは大きく異なる可能性がある。推
定が大きく外れていると、サーボ系のフィードバックル
ープが収束するのに時間がかかり、最適計測条件への設
定や再設定を速やかに行なうことができない。

【０００７】この発明は、このような従来の問題点に着
目してなされたもので、その目的とするところは、計測
開始時や計測対象変更時等において、最適計測条件への
設定や再設定を可及的速やかに行ない得るようにした光
学式変位計を提供することにある。

【０００８】この発明の他の目的並びに作用効果につい
ては、以下の明細書の記載に基づいて、当業者であれば
容易に理解されるであろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の光学式変位計
は、計測対象物体上に計測用の光スポットを形成するた
めの発光素子を含む投光手段と、光スポットが形成され
た計測対象物体を所定の角度から撮影する撮像素子を含
む受光手段と、受光手段から得られる画像中の光スポッ
ト像の位置情報に基づいて目的とする変位を算出する演
算手段と、を有することを基本的な前提としている。

【００１０】このような光学式変位計には、受光手段か
ら得られる画像から光スポット像の映像信号の大きさと
相関のある画像的特徴を抽出する特徴抽出手段と、抽出
された画像的特徴と所定の基準値との比較に基づいて、
投光手段の投光ゲイン調整要素および／または受光手段
の受光ゲイン調整要素を操作することにより、変位算出
演算に用いる光スポット像の映像信号の大きさを適正状
態に制御する制御手段と、が具備される。

【００１１】このような構成によれば、入射光量が大き
すぎていずれかの画素が飽和しているような場合には、
そのことは画素的特徴にそのまま現れるため、単に画素
値最大値に基づいて撮像素子への入射光量を推定する従
来例とは異なり、常に正確に入射光量を推定することが
できる。そのため、この推定値に基づいて制御手段が作
動する結果、計測対象物体の反射率が大きく変動した場
合にも、光スポット像の映像信号の大きさは常に計測に
適したものとなるように迅速に制御され、計測対象物が
変わった場合にも、瞬時に計測条件を最適化して、高精
度の計測を開始することができる。

【００１２】好ましい実施の形態では、撮像素子への入
射光量と相関のある画像的特徴には光スポット像の幅ま
たは演算に光スポット像の幅を用い光スポット像の幅の
変化を反映して変化する演算値や飽和画素数または演算
に飽和画素数を用い飽和画素数の変化を反映して変化す
る演算値が含まれる。

【００１３】好ましい実施の形態では、投光ゲイン調整
要素には、発光素子の発光時間および／または発光パワ
ーが含まれる。

【００１４】好ましい実施の形態では、受光ゲイン調整
要素には、撮像素子のシャッタ開時間および／または撮
像素子出力増幅器の増幅度が含まれる。

【００１５】別の面から見た本発明の光学式変位計は、
計測対象物体上に計測用の光スポットを形成するための
発光素子を含む投光手段と、光スポットが形成された計
測対象物体を所定の角度から撮影する撮像素子を含む受
光手段と、受光手段から得られる画像中の光スポット像
の位置情報に基づいて目的とする変位を算出する演算手
段と、受光手段の受光ゲイン調整要素を操作することに
より、光スポット像の映像信号の大きさを適正値に制御
する制御手段と、を有することを基本的な前提としてい
る。

【００１６】このような光学式変位計には、制御手段に
おいて、光スポット像の映像信号の大きさを適正値に制
御するための操作対象となる受光ゲイン調整要素とし
て、少なくともシャッタ時間が含まれている。

【００１７】このような構成によれば、発光素子の発光
時間調整幅、発光素子の発光パワー調整幅、並びに、受
光増幅器の増幅度調整幅に比べて、シャッタ時間の調整
幅は遙かに大きいため、計測対象物体の変更に伴う撮像
素子受光量変動を吸収する十分な受光量調整ダイナミッ
クレンジを確保して、画素が飽和する事態を確実に回避
することができ、これによりスポット光の光像を鮮明化
して計測精度を適切に維持することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る光学式変位
計の実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明
する。

【００１９】本発明の一実施形態である光学式変位計の
電気的構成の全体を示すブロック図が図１に示されてい
る。同図に示されるように、この光学式変位計（一般
に、変位センサとも称される）１００は、センサヘッド
部１とセンサ本体部２とを含んでいる。

【００２０】センサヘッド部１は、計測対象物体３の表
面に計測光を照射し、その状態で計測対象物体３の表面
を撮影して、計測光の光像を含む計測対象物体表面の映
像信号ｖｓを生成する。なお、図中、４は計測光の照射
光、５は計測光の反射光である。センサ本体部２は、セ
ンサヘッド部１から得られた映像中の計測光による光像
位置から、所定の測距原理（例えば三角測量法等）にし
たがって、目的とする変位量（移動量や寸法等）を計測
し、変位量計測値として出力する。

【００２１】センサヘッド部１の内部構成が図２に詳細
に示されている。同図に示されるように、センサヘッド
部１の内部には、計測光を計測対象物体３へと照射する
ための投光系要素（ＬＤ駆動回路１１１、ＬＤ１１２、
投光レンズ１１３）と、計測対象物体３からの反射光を
受光するための受光系要素（受光レンズ１２１、ＣＣＤ
１２２、増幅回路１２３、ＨＰＦ１２４、Ｐ／Ｈ回路１
２５、ＡＧＣ増幅回路１２６）とが含まれている。

【００２２】投光系要素について説明する。タイミング
信号発生回路１０１は、レーザダイオード（以下、ＬＤ
と言う）１１２を発光させるためのＬＤ駆動パルス信号
Ｐ１を発生する。ＬＤ駆動パルス信号Ｐ１に応答してＬ
Ｄ駆動回路１１１がＬＤ１１２をパルス発光させる。ま
た、タイミング信号発生回路はＬＤ駆動回路を介してパ
ルス状レーザ光のピークパワーを制御する。ＬＤ１１２
から出射されたパルス状レーザ光は、投光レンズ１１３
を通して、計測対象物体３の表面に計測光（照射光４）
として照射される。これにより、計測対象物体３の表面
には、計測光の照射による線状或いは点状の光像（光ス
ポット）が形成される。

【００２３】受光系要素について説明する。計測対象物
体３で反射した計測光（反射光５）は、受光レンズ１２
１を通して撮像素子であるＣＣＤ２次元イメージセンサ
（以下、単にＣＣＤと言う）１２２へと入射される。す
なわち、計測対象物体３の表面は、ＣＣＤ１２２により
撮影されて、計測光の光像を含む映像信号に変換され
る。なお、撮像素子としては、ＣＣＤ２次元イメージセ
ンサ１２２に代えて、ＣＣＤ一次元イメージセンサ、Ｍ
ＯＳリニアイメージセンサ等を採用することもできる。

【００２４】ＣＣＤ１２２の受光面上における計測光の
光像位置が、目的とする変位（例えば、センサヘッド部
１と計測対象物体３との距離）に応じて変化するよう
に、ＬＤ１１２、ＣＣＤ１２２、投光レンズ１１３、受
光レンズ１２１の位置関係が決められる。この位置関係
の決定には、例えば、三角測距方式応用の光切断法等が
利用される。

【００２５】ＣＣＤ１２２から出力される映像信号は、
各画素毎に増幅回路１２３で増幅されたのち、ハイパス
フィルタ（ＨＰＦ）１２４およびピークホールド（Ｐ／
Ｈ）回路１２５により各画素間に現れるゼロレベル信号
のゆらぎが除去されて、各画素信号が正しく受光量を表
すようにする。その後、ＡＧＣ増幅回路１２６により信
号値の大きさを適切に制御され、映像信号ｖｓとしてセ
ンサ本体部２へと送られる。

【００２６】タイミング信号発生回路１０１より送られ
るパルス信号Ｐ２により、ＣＣＤ制御回路１３１を介し
てシャッタ時間を含むＣＣＤ１２２の駆動態様が制御さ
れる。同様にして、パルス信号Ｐ３〜Ｐ５により、ハイ
パスフィルタ（ＨＰＦ）１２４のフィルタタイミング、
ピークホールド回路（Ｐ／Ｈ）１２５のピークホールド
タイミング、ＡＧＣ増幅回路１２６のゲインとその切替
タイミングが制御される。

【００２７】計測条件格納部１４１には、ＣＣＤシャッ
タ時間、ＬＤ発光時間、ＬＤピークパワー、ＡＧＣ増幅
回路のゲインからなる計測条件が複数パターン格納され
ており、センサ本体部２からの受光量制御信号ＣＯＮＴ
により最適な計測条件が選択される。

【００２８】センサ本体部２の内部構成が図３に詳細に
示されている。同図に示されるように、センサ本体部２
の内部には、ハードウェア的に実現された信号処理要素
と、マイコン２２０によりソフトウェア的に実現された
信号処理要素とが含まれている。

【００２９】ハードウェア的に実現された信号処理要素
には、Ａ／Ｄ変換器２１１と、画像前処理回路２１２
と、濃淡データ選択回路２１３と、特徴量算出回路２１
４と、濃淡重心算出回路２１５とが含まれている。これ
らの回路２１１〜２１５は、同期信号生成回路２０３に
て生成される同期信号ＳＹＮＣにより同期制御される。
同期信号生成回路２０３は、発振器（ＯＳＣ）２０２か
ら出力される基準クロックＣＫ１に基づいて、同期信号
ＳＹＮＣを生成する。

【００３０】マイコン２２０によりソフトウェア的に実
現された信号処理要素には、演算処理２２２と、本発明
の要部である受光量制御処理２２３と、高さ変換処理２
２４と、濃淡データ指定処理２２５とが含まれている。
なお、クロック生成部２２１は、発振器２０４からの基
準クロックＣＫ２に基づいてマイコン２２０の各種動作
クロックを生成する。

【００３１】Ｄ／Ａ変換器２０５は、計測された変位量
をアナログ値に変換して外部へ出力するためのものであ
る。また、検出面指定入力２３０は、計測対象となる検
出面（検出領域）を指定する入力信号を意味している。
この検出面指定入力２３０は例えばオペレータが所定の
キー操作等を行うことにより生成される。さらに、電源
回路２０１は、センサヘッド部１並びにセンサ本体部２
へと電源ＰＷＲを供給する。

【００３２】次に、センサ本体部２の動作を系統的に説
明する。センサヘッド部１から到来する映像信号ｖｓ
は、Ａ／Ｄ変換器２１１によりデジタルデータ（以下、
画像データと言う）に変換されたのち、画像前処理回路
２１２へと送られる。

【００３３】画像前処理回路２１２では、目的とする変
位量を正確に計測するために、計測対象物体表面の計測
対象箇所以外からの光（以下、迷光と言う）を除去す
る。迷光としては、例えば、透明体裏面からの反射光、
投光ビームの干渉縞からの反射光、センサヘッド内部の
投光ビーム漏れ光、投光ビーム以外の外乱光等が挙げら
れる。

【００３４】具体的には、映像信号ｖｓの１水平ライン
ごとに次のような処理を行う。画像データから迷光成分
を除去して目的とする濃淡データを得るためには、図５
に示されるように、画像データと既定の濃淡スレショル
ドレベルとの差分処理を行えばよい。このとき、濃度値
が０以上の濃淡データが既定のノイズスレッシュ個以上
連続したときには、それらの濃淡データは有効濃淡デー
タとして計測に使用され、そうでない場合は、迷光とし
て除去される。図６（ａ）と図６（ｂ）との比較から明
らかなように、連続個数Ｂ，Ｃ，Ｄは既定のスレッシュ
個数を超えているため、それらの濃淡データは有効濃淡
データとされる。連続個数Ａ，Ｅは既定のスレッシュ個
数を越えていないため、それらの濃淡データは迷光とし
て除去される。

【００３５】有効濃淡データが複数存在するときには、
オペレータが検出面指定入力２３０を与えると、濃淡デ
ータ指定処理２２５が実行されて、濃淡データの指定が
行われ、濃淡データ選択回路２１３が動作して、指定さ
れた濃淡データのみが濃淡データ選択回路２１３から出
力される。有効濃淡データが複数存在する場合の例とし
ては、検出対象物が透明な板であり、その表面からの反
射と裏面からの反射があり、さらに透明板の背後にある
物体からの反射があるといった場合がある。図６（ｂ）
と図６（ｃ）との比較から明らかなように、図６（ｂ）
に示される３個の有効濃淡データＢ，Ｃ，Ｄのうちで、
データＢが指定されると、図６（ｃ）に示されるよう
に、データＢのみが指定濃淡データとして出力される。

【００３６】濃淡重心算出回路２１５では、濃淡データ
選択回路２１３で選択された指定濃淡データについて、
各水平ライン毎の重心値（濃淡重心値）を算出する。図
６（ｃ）と図６（ｄ）との比較から明らかなように、指
定濃淡データについて、重心値が求められる。

【００３７】特徴量算出回路２１４では、濃淡データ選
択回路２１３で選択された指定濃淡データについて、各
水平ライン毎の指定濃淡データの総和（濃淡総和）、指
定濃淡データの最大値（濃淡最大値）、指定濃淡データ
の最大データ幅（濃淡最大データ幅）、指定濃淡データ
の飽和画素数（飽和画素数）を特徴量として算出する。
ここで、濃淡最大値および濃淡最大データ幅並びに濃淡
総和は図６（ｄ）に示されており、飽和画素数は図７に
示されている。

【００３８】マイコン２２０にて実行される演算処理２
２２では、図４に示されるように、全ラインの濃淡重心
値の総和の平均（全濃淡重心値平均）、全ラインの濃淡
総和の総和の平均（全濃淡総和平均）、全ラインの濃淡
最大値の総和の平均（全濃淡最大値平均）、全ラインの
濃淡最大データ幅の総和の平均（全濃淡最大データ幅平
均）、全ラインの飽和画素数の総和の平均（全飽和画素
数平均）が算出される。

【００３９】このとき、全濃淡総和平均、全濃淡最大値
平均、全濃淡最大データ幅平均、全飽和画素数平均の代
わりに、それぞれが最大となる水平ラインのデータを用
いても良い。

【００４０】その後、高さ変換処理２２４の実行によ
り、全濃淡重心値平均に高さ変換処理を行えば、目的と
する変位量である高さデータを得ることができる。こう
して得られた高さデータは、Ｄ／Ａ変換器２０５を介し
てアナログデータに変換され、アナログ信号として外部
に出力される。

【００４１】ここで、濃淡重心算出に用いられる画像デ
ータが最適でなく、あまりにも大きく信号が飽和してい
たり、小さすぎて十分な濃淡データが得られないと、演
算結果に誤差を生じ、正確な高さデータが得られない。
そのため、画像データが演算に最適となるように、ＣＣ
Ｄ１２２の受光量や受光回路の増幅度をコントロールす
る。ＣＣＤ１２２の受光量は、ＣＣＤシャッタ時間、Ｌ
Ｄ発光時間、ＬＤピークパワーにより、また、受光回路
の増幅度は、ＡＧＣ増幅回路１２６のゲインにより制御
することができる。

【００４２】ＣＣＤシャッタ時間を長くすると、受光素
子への電荷蓄積時間が長くなるため、その時間に比例し
て受光量が増加し、画像データの値（画素値）は大きく
なる（ただし、ＬＤ発光時間＞ＣＣＤシャッタ時間の場
合）。ＬＤ発光時間を長くすると、結果的に受光素子へ
の電荷蓄積時間を長くすることになるため、その時間に
比例して受光量が増加し、画像データの値（画素値）は
大きくなる（ただし、ＬＤ発光時間＜ＣＣＤシャッタ時
間の場合）。ＬＤピークパワーにＣＣＤの電荷蓄積量は
比例するため、ピークパワーの変動に比例して、受光量
が増減し、画像データの値も増減する。ＡＧＣ増幅回路
のゲインを増減すると、Ａ／Ｄ変換器２１１へ入力され
る受光信号量も増減するため、画像データも増減する。

【００４３】受光量制御信号ＣＯＮＴは、ＣＣＤシャッ
タ時間、ＬＤ発光時間、ＬＤピークパワーおよびＡＧＣ
増幅回路１２６のゲインの組み合わせで決まる総合ゲイ
ンを表す整数値の信号である。ＣＯＮＴは、受光量制御
処理２２３において図８のフローチャートの処理を実行
することにより、映像信号ｖｓが１画面分処理されるご
とに決定されて出力される。制御出力として有効なＣＯ
ＮＴ値の範囲は１〜１００００である。後の説明からわ
かるように、ＣＯＮＴ値が１００００を超えた場合はＣ
ＯＮＴ値が１００００の場合と同じ結果となる。

【００４４】図８のフローチャートに従って受光量制御
処理２２３の内容を説明する。

【００４５】まず、ＣＯＮＴ値の初期値として１００を
セットする（ステップ８０１）。次に全濃度最大値平均
の値によって場合分けしてゲイン倍率を決定する（ステ
ップ８０２〜８０６）。このゲイン倍率をＣＯＮＴ値に
乗じた値を新たなＣＯＮＴ値として（ステップ８０
７）、このＣＯＮＴ値を出力する（ステップ８０８）。
ゲイン倍率の決定についてより詳しく説明する。全濃度
最大値平均は０〜２５５の範囲の整数値をとる。１５０
〜２４９が計測にとっての適正範囲であり、最適値は２
００である。全濃度最大値平均が１１から２４９のとき
は式（１）によりゲイン倍率を決定する（ステップ８０
２ＹＥＳ、８０３ＹＥＳ、８０４）。

【００４６】

【数１】

【００４７】全濃度最大値平均が２５０以上のときは飽
和状態とみなす。平均値が２５０以上あるということは
実際に最大値が飽和値の２５５に達している水平ライン
が現れている可能性が高い。このときは式（２）により
ゲイン倍率を決定する（ステップ８０２ＹＥＳ、８０３
ＮＯ、８０５）。図９に式（２）の求め方を示す。

【００４８】

【数２】

【００４９】全濃淡最大値平均が１０以下のときはノイ
ズ成分が大きく影響するほどに微少な映像信号である。
このような微少な映像信号は、センサと対象物が相対移
動しているときに計測対象領域の対象物が反射率の高い
ものから低いものに突然入れ替わったような場合に発生
する。式（１）を適用しても数回以内のＣＯＮＴ値更新
で適正なＣＯＮＴ値が得られる保証はない。そこでゲイ
ン倍率を１００に設定する（ステップ８０２ＮＯ、８０
６）。そうするとステップ８０７でＣＯＮＴ値は１００
倍されるので、次に得られる全濃淡値平均は飽和する可
能性が高いが、飽和状態から適正範囲へはたいてい１回
で更新することができる。ＣＯＮＴ値を１００倍しても
なお全濃度最大平均値が１０以下であれば、次のループ
でＣＯＮＴ値はもう１回１００倍される（ステップ８０
６、８０７）。これによりＣＯＮＴ値は、仮に最初のＣ
ＯＮＴ値が最小値の１であったとしても、有効最大値で
ある１００００に達する。このように総合ゲインの制御
をきわめて迅速に行うことができる。尚、式（１）の全
濃淡最大値平均に代えて、全濃淡総和平均を用いてもよ
い。この場合には、最適値としても濃淡総和平均の最適
値を使用する。

【００５０】センサヘッド部１において、センサ本体部
２から与えられたＣＯＮＴ値に基づいて、実際に総合ゲ
インを実現する要素であるＡＧＣ増幅回路のゲイン、Ｌ
Ｄ発光時間、ＣＣＤシャッタ時間およびＬＤピークパワ
ーをどのように決定するかについての考え方を説明す
る。

【００５１】これらの要素のうち、ＬＤ発光時間、ＣＣ
Ｄシャッタ時間およびＬＤピークパワーは受光量にかか
わる。これらの要素の組み合わせにより、適正な受光量
が得られるようにする。計測対象面の反射率が非常に低
い場合のように、これらの要素の組み合わせでは適正な
受光量に届かない場合には、ＡＧＣ増幅回路のゲインを
大きくして必要な信号レベルが得られるようにする。Ａ
ＧＣ増幅回路のゲインを大きくすると、信号のノイズ成
分も増幅されるので、他の要素の調整で適正な受光量が
得られる場合は、ＡＧＣ増幅回路のゲインは最小の状態
にしておくのがよい。

【００５２】一方、計測対象面の反射率が高い場合や反
射光の拡散範囲が比較的狭い角度範囲（受光部はこの範
囲に含まれる）に集中しているような場合は、ＬＤ発光
時間、ＣＣＤシャッタ時間またはＬＤピークパワーを小
さくしなければならない。しかし、ＣＣＤシャッタ時間
は素子の動作速度の制約からあまり短い時間にすること
ができず、また、ＬＤピークパワーはパワーの小さい領
域でパワー制御が不安定になりやすい。一方、ＬＤ発光
時間は容易に短くすることができるので、ＬＤ発光時間
を調整するのがよい。

【００５３】ＬＤ発光時間を調整する場合に、ＣＣＤシ
ャッタ時間はＬＤ発光時間の可変範囲の最大値に等しい
かそれよりも大きな値の固定時間としておいてもよい
が、ＬＤが発光していない期間にシャッタが開いている
と外乱光を蓄積するだけであるので、ＣＣＤシャッタ時
間はＬＤ発光時間の短縮と連動して短縮するのがより好
ましい。ただし、ＣＣＤ素子の動作速度の限界よりも短
縮することはできない。

【００５４】ＬＤピークパワーは、ＬＤ発光時間を最小
にしてもなお受光量が飽和する場合に限って小さくする
のがよい。

【００５５】図１０は、上記考え方を具現すべく設計さ
れた計測条件格納部１４１の内容を表す。ＣＯＮＴ値に
より５つの区分が設定されており、この区分に応じて、
ＡＧＣ増幅回路のゲイン、ＬＤ発光時間、ＣＣＤシャッ
タ時間、ＬＤピークパワーの値が与えられる。この値は
規格化されており、実際のゲイン値、時間等はこの値に
適当な係数を乗じて求められる。

【００５６】ＡＧＣ増幅回路のゲインは、区分１〜３の
ときに１、区分５のときに１０である。区分４の（ａ）
と表記されているところは、ＣＯＮＴ値／１０００の演
算結果の値であり、１〜１０の範囲の実数値をとる。

【００５７】ＬＤ発光時間は、区分１のときに１、区分
４または５のときに１００である。区分３の（ｂ）およ
び区分２の（ｃ）と表記されているところは、ＣＯＮＴ
値／１０の演算結果の値であり、（ｂ）のところでは１
０〜１００、（ｃ）のところでは１〜１０の範囲の実数
値をとる。

【００５８】ＣＣＤシャッタ時間は、区分１または２の
ときに１０、区分４または５のときに１００である。区
分３の（ｂ）と表記されているところは、ＬＤ発光時間
の場合と同じく、ＣＯＮＴ値／１０の演算結果の値であ
り、１０〜１００の範囲の実数値をとる。ＣＣＤシャッ
タ時間の値とＬＤ発光時間の値については同一の時間単
位が採用されており、これらの値が等しいときは実際の
時間も等しい。ＬＤ発光のタイミングはＣＣＤシャッタ
のタイミングと同期しており、ＬＤ発光期間はＣＣＤシ
ャッタ開期間に等しいかこれに含まれる。

【００５９】ＬＤピークパワーは、区分２〜５のときに
１０である。区分１の（ｄ）と表記されているところ
は、ＣＯＮＴ値そのままである。

【００６０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の部分の
値は、計測条件格納部１４１において実際に毎回演算を
して求めてよいし、あらかじめ演算した結果をＣＯＮＴ
値に対応させて記憶しておいてもよい。

【００６１】ＡＧＣ増幅回路のゲインおよびＬＤピーク
パワーは可変範囲が１０倍のレンジであるのに対し、Ｌ
Ｄ発光時間は可変範囲が１００倍のレンジとなってい
る。しかも、総合ゲインの全可変範囲の中央の部分をＬ
Ｄ発光時間の変化が担っている。したがって、計測対象
面からの反射が特に強いか弱い場合以外は、ＬＤ発光時
間の変化によって総合ゲインが調整される。

【００６２】センサの適用状況から、受光量が大きすぎ
るようになることが想定されず、むしろ反射率が非常に
小さい計測対象面に対応しなければならないような場合
は、ＣＣＤシャッタ時間の変化を中心として総合ゲイン
を調整する考え方を採用することもできる。ＬＤ発光時
間を小さくすると、たとえ計測対象面の反射率が高くて
も、反射光の拡散角度範囲が限られている場合には斜め
横方向から見たときに光スポットの視認性が低下するこ
とがある。総合ゲインをＣＣＤシャッタ時間の変化によ
って調整し、ＬＤ発光時間を固定すれば、そのような視
認性の低下を避けることができる。

【００６３】図１１は、この考え方を具現すべく設計さ
れた計測条件格納部１４１の内容を表す。区分について
は図１０と同じである。ＡＧＣ増幅回路のゲインおよび
ＬＤピークパワーについても図１０と同じである。図１
１の時間値のスケールは図１０と同じであり、図１１の
時間値が図１０の時間値と同じ場合は実際の時間も等し
い。

【００６４】ＣＣＤシャッタ時間は、区分１のときに１
０、区分４または５のときに１０００である。区分３の
（ｅ）と表記されているところおよび区分４の（ｆ）と
表記されているところは、ＣＯＮＴ値そのままの値であ
り、区分３では１００〜９９９、区分４では１０〜９９
の範囲の値をとる。図１０の区分と合わせるために区分
３と区分４を分けているが、これらは連続した一つの区
分と考えてもよい。

【００６５】ＬＤ発光時間は、全区分において１０００
である。この時間はＣＣＤシャッタ時間が１０００のと
きの時間に等しく、発光タイミングはＣＣＤシャッタ開
のタイミングに同期している。ＬＤ発光時間はＣＣＤシ
ャッタ時間以上であればよく、また、発光時間が長いほ
ど光スポットの視認性がよくなるが、ＬＤの寿命の観点
からは必要以上に発光時間を長くしない方がよい。

【００６６】（ａ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の部分の
値は、計測条件格納部１４１において実際に毎回演算を
してもよいし、あらかじめ演算した結果をＣＯＮＴ値に
対応させて記憶しておいてもよい。

【００６７】ＬＤ発光時間を変化させる図１０の場合で
も、計測用のレーザ光とは別に、ダミーでレーザ光を投
光することにより、光スポットの視認性の低下を避ける
ことができる。

【００６８】ダミー投光の発光タイミングが図１２のタ
イムチャートに示されている。同図に示されるように、
ダミー投光の方法には２通りの方法が考えられる。

【００６９】第１の方法のダミー投光は、図１２
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されるように、レーザ光の
発光時間やパワーが減少した分を補うようにして行われ
る。尚、説明の便宜のため、ＣＣＤシャッタタイミング
を固定されたものとして表現している。すなわち、図１
１（ａ）と図１２（ｂ）とを比較して明らかなように、
計測用ＬＤの発光はＣＣＤシャッタの開期間に行われ
る。これに対して、図１１（ａ）と図１２（ｃ）とを比
較して明らかなように、ダミーＬＤの発光はＣＣＤシャ
ッタの閉期間に行われる。しかも、図１２（ｂ）と図１
２（ｃ）とを比較して明らかなように、計測用ＬＤの発
光期間とダミーＬＤの発光期間との間には、互いに相補
的な関係が設定されている。発光期間の変化方向を示す
矢印の向きが異なることがこのことを表現している。換
言すれば、計測用ＬＤの発光期間が増加すればに、ダミ
ーＬＤの発光期間は減少し、逆に、計測用ＬＤの発光期
間が減少すれば、ダミーＬＤの発光期間は増加する。従
って、両ＬＤの発光輝度が同一とすれば、ＣＣＤシャッ
タの１周期でみると、発光総量は常に一定となり、人間
の目に見える明るさも一定となる。そうすると、計測ポ
イントへ照射する光量は一定となり、計測ポイント視認
時、人間の目には違和感を感じない。

【００７０】第２の方法のダミー投光は、図１２
（ａ），（ｂ），（ｄ）に示されるように、計測用ＬＤ
の発光期間に拘わらず常に一定時間をもって行われる。
すなわち、図１２（ａ）と図１２（ｂ）とを比較して明
らかなように、計測用ＬＤの発光はＣＣＤシャッタの開
期間に行われる。これに対して、図１２（ａ）と図１２
（ｄ）とを比較して明らかなように、ダミーＬＤの発光
はＣＣＤシャッタの閉期間に行われる。しかも、ダミー
ＬＤの発光期間は、計測用ＬＤの発光期間の変化に拘わ
らず常に一定とされる。このようにすると、投光の制御
が簡単になり、かつ、高反射率物体検出時は、それ以外
の場合に比べて投光量が減少するため、反射光による危
険度は減少する、という利点がある。高反射率物体検出
時に少し暗くなるが、ダミー投光が無い場合に比べる
と、明るく、視認性は確保できる。

【００７１】なお、以上の例では、ダミー投光の発光量
の変化を発光期間の変更により行ったが、これに代え
て、発光パワーの変更により行っても良い。また、計測
用ＬＤとダミーＬＤとの発光期間が重なることはないか
ら、両ＬＤは共通の素子でも別々の素子でも差し支えな
い。

【００７２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、この発明
によれば、入射光量が大きすぎていずれかの画素が飽和
しているような場合には、そのことは画素的特徴にその
まま現れるため、単に画素値最大値に基づいて撮像素子
への入射光量を推定する従来例とは異なり、常に正確に
入射光量を推定することができる。そのため、この推定
値に基づいてサーボ制御手段が作動する結果、計測対象
物体の反射率が大きく変動した場合にも、撮像素子への
入射光量は常に計測に適した光スポット像が得られるよ
うに迅速に制御され、計測対象物が変わった場合にも、
瞬時に計測条件を最適化して、高精度の計測を開始する
ことができる。

【００７３】また、本発明によれば、発光素子の発光時
間調整幅、発光素子の発光パワー調整幅、並びに、受光
増幅器の増幅度調整幅に比べて、シャッタ時間の調整幅
は遙かに大きいため、計測対象物体の変更に伴う撮像素
子受光量変動を吸収する十分な受光量調整ダイナミック
レンジを確保して、画素が飽和する事態を確実に回避す
ることができ、これによりスポット光の光像を鮮明化し
て計測精度を適切に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学式変位センサの全体図である。

【図２】センサヘッド部の内部構成を示す図である。

【図３】センサ本体部の内部構成を示す図である。

【図４】図３に示す各ブロックで得られるデータを示す
図である。

【図５】画像データと迷光除去後の濃淡データとの関係
を示す説明図である。

【図６】複数の濃淡データの１つを指定した場合の処理
を示す説明図である。

【図７】濃淡データと飽和画素数との関係を示す説明図
である。

【図８】受光量制御処理２２３の処理内容を示すフロー
チャートである。

【図９】式（２）の求め方を説明するための図である。

【図１０】計測条件格納部の内容を示す図である。

【図１１】計測条件格納部の内容を示す図である。

【図１２】ＣＣＤシャッタタイミングとダミー発光タイ
ミングとの関係を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１センサヘッド部２センサ本体部３計測対象物体４計測光の照射光５計測光の反射光１００光学式変位計１０１タイミング信号発生回路１１１ＬＤ駆動回路１１２ＬＤ（レーザダイオード）１１３投光レンズ１２１受光レンズ１２２ＣＣＤ１２３増幅回路１２４ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）１２５Ｐ／Ｈ（ピークホールド）回路１２６ＡＧＣ増幅回路２０１電源回路２０２ＯＳＣ（発振回路）２０３同期信号生成回路２０４ＯＳＣ（発振回路）２０５Ｄ／Ａ変換器２１１Ａ／Ｄ変換器２１２画像前処理回路２１３濃淡データ選択回路２１４特徴量算出回路２１５濃淡重心算出回路２２１クロック生成部２２２演算処理２２３受光量制御処理２２４高さ変換処理２２５濃淡データ指定処理２３０検出面指定入力

フロントページの続き (72)発明者嶋田浩二京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 (72)発明者山下吉弘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 AA06 AA09 AA17 AA19 AA24 BB29 DD00 DD06 DD09 FF01 FF02 FF09 GG06 GG08 GG13 HH04 HH05 HH12 JJ01 JJ07 JJ26 LL04 LL30 NN02 NN13 NN17 PP22 QQ00 QQ02 QQ03 QQ21 QQ23 QQ25 QQ26 QQ27 QQ28 QQ33 QQ34 QQ41 QQ42 2F112 AA09 BA05 CA13 DA25 DA28 EA09 FA03 FA05 FA07 FA21 FA32 FA39 FA41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象物体上に計測用の光スポットを
形成するための発光素子を含む投光手段と、光スポット
が形成された計測対象物体を所定の角度から撮影する撮
像素子を含む受光手段と、受光手段から得られる画像中
の光スポット像の位置情報に基づいて目的とする変位を
算出する演算手段と、を有する光学式変位計であって、受光手段から得られる画像から光スポット像の映像信号
の大きさと相関のある画像的特徴を抽出する特徴抽出手
段と、抽出された画像的特徴と所定の基準値との比較に基づい
て、投光手段の投光ゲイン調整要素および／または受光
手段の受光ゲイン調整要素を操作することにより、変位
算出演算に用いる光スポット像の映像信号の大きさを適
正状態に制御する制御手段と、を具備する、光学式変位
計。
【請求項２】撮像素子への入射光量と相関のある画像
的特徴には光スポット像の幅または演算に光スポット像
の幅を用い光スポット像の幅の変化を反映して変化する
演算値が含まれている、請求項１に記載の光学的変位
計。
【請求項３】撮像素子への入射光量と相関のある画像
的特徴には飽和画素数または演算に飽和画素数を用い飽
和画素数の変化を反映して変化する演算値が含まれてい
る、請求項１に記載の光学的変位計。
【請求項４】投光ゲイン調整要素が発光素子の発光時
間および／または発光パワーである、請求項１に記載の
光学式変位計。
【請求項５】受光ゲイン調整要素が撮像素子のシャッ
タ時間および／または撮像素子出力増幅器の増幅度であ
る、請求項１に記載の光学式変位計。
【請求項６】計測対象物体上に計測用の光スポットを
形成するための発光素子を含む投光手段と、光スポット
が形成された計測対象物体を所定の角度から撮影する撮
像素子を含む受光手段と、受光手段から得られる画像中
の光スポット像の位置情報に基づいて目的とする変位を
算出する演算手段と、受光手段の受光ゲイン調整要素を
操作することにより、光スポット像の映像信号の大きさ
を適正値に制御する制御手段と、を有する光学式変位計
であって、制御手段において、光スポット像の映像信号の大きさを
適正値に制御するための操作対象となる受光ゲイン調整
要素には少なくともシャッタ時間が含まれている、光学
的変位計。