JP2004170437A

JP2004170437A - 光式変位センサ及び光式厚さセンサ

Info

Publication number: JP2004170437A
Application number: JP2004072093A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Inoue; 祐一井上; Hiroshi Tarukawa; 啓樽川
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】光式変位センサにおいて透明物体の表面までの変位及びその厚みを測定できるようにすること。
【解決手段】投光素子２を光源駆動回路１により駆動し、測定対象物に投光ビームを照射する。反射光を２次元イメージセンサ２０によって受光する。信号処理部３０のマイクロコンピュータ３１により受光レベルのピーク位置を算出する。このとき変位方向をＸ方向とすると、Ｙ方向の受光レベルをたし合わせてＸ方向にまとめ、まとめた受光分布を用いてピーク位置を算出する。そしてピーク位置から透明物体の表面までの変位又は距離を算出するようにしている。
【選択図】図５

Description

本発明は投光ビームを検知領域に照射し、三角測量法によって物体までの距離や変位又は透明物体の厚さを測定するための光式変位センサ及び光式厚さセンサに関するものである。

従来の光式変位センサは、光ビームを検知領域に照射し、それと一定距離隔てて配置された位置検出素子であるポジションセンシティブディバイス（ＰＳＤ）に得られる反射光の受光位置に基づいて物体までの距離を検知するようにしている。図６は従来の光式変位センサの構成を示すブロック図である。本図において光源駆動回路１より投光素子２を駆動して集束レンズ３を介して検知領域に投光ビームを照射しており、これと所定角度隔てた位置に受光レンズ４を介して位置検出素子としてＰＳＤ５を配置する。このとき光ビームの照射方向に物体があれば反射光が得られるが、物体の位置によってＰＳＤ５の受光位置が変化し、その両端の電流出力も変化する。従ってＰＳＤ５の両端に得られる光電流出力をＩ／Ｖ変換器６及び７によって電圧信号に変換し、その出力を加算器８，減算器９によって加算及び減算する。そしてこれらの出力の比を割算器１０によって算出することによって、物体までの変位を示す信号を出力している。こうすれば物体の表面に反射率や受光量の総和にかかわらず受光信号を正規化して、物体までの距離又は変位に対応する信号が得られる。ここで変位は光式変位センサから物体までの所定の距離を基準位置とすると、その変化分を示している。
特公昭３５−０１１０８９号公報特開昭６２−２１８８０２号公報

ここで被測定対象物がガラス板等のような透明物体である場合、図７に示すように物体に対して投光ビームを傾け、物体からの正反射光を受光するようにすればガラス板の表面から十分な反射光が受光できる。しかし透明なガラス板等の物体の場合には、その裏面からの反射光も同時に受光することとなる。従ってＰＳＤ５の位置に対して図８（ａ）に示すように表面に対応するｘs 及び裏面のｘb にピークを持つ反射光が得られる。ＰＳＤ５では受光した光の重心の位置ｘ1 が電流出力として得られ、この光電流がＩ／Ｖ変換器６，７によって電圧信号に変換される。このため結果的に物体までの変位出力はガラス表面より遠い場所に位置するものとして検出されてしまうという欠点があった。

特にガラス板の背景に不透明の物体が存在する場合には、例えば図８（ｂ）に示すように背景の不透明物体からの反射光（ｘ0 ）の方がガラス表面の反射光のレベルより大きく、受光の重心位置が例えばｘ2 のように大きくずれるため、透明ガラス板の正確な変位や距離の測定ができなくなるという欠点があった。

本願の請求項１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あって、検出対象が透明物体である場合にも正確にその距離や変位を測定できるようにすることを目的とし、請求項２の発明は反射光から透明物体の厚さを測定できるようにすることを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の光式変位センサは、投光素子を有し、投光ビームを被測定対象物に対して斜め方向に照射する投光部と、被測定対象物までの距離に対応して受光位置が変化するイメージセンサを有し、投光ビームに対する測定対象物からの反射光を受光する受光部と、前記イメージセンサ上の受光分布のピーク位置から前記測定対象物の表面に対応する受光位置を識別する信号処理部と、を具備する光式変位センサであって、前記信号処理部は、前記イメージセンサとして２次元イメージセンサを用い、２次元イメージ上の変位方向をＸ方向としたときに、これと垂直なＹ方向の座標の夫々の受光レベルをたし合わせてＸ方向にまとめ、このまとめた受光分布を用いて前記ピーク位置を求めることを特徴とするものである。

この課題を解決するために、本発明の光式厚さセンサは、投光素子を有し、投光ビームを被測定対象物に対して斜め方向に照射する投光部と、被測定対象物までの距離に対応して受光位置が変化するイメージセンサを有し、投光ビームに対する測定対象物からの反射光を受光する受光部と、前記イメージセンサ上の第１, 第２の受光分布のピーク位置から前記被測定対象物の厚さを算出する信号処理部と、を具備する光式厚さセンサであって、前記イメージセンサとして２次元イメージセンサを用い、２次元イメージ上の変位方向をＸ方向としたときに、これと垂直なＹ方向の座標の夫々の受光レベルをたし合わせてＸ方向にまとめ、このまとめた受光分布を用いて前記第１, 第２のピーク位置を求めることを特徴とするものである。

以上詳細に説明したように本願の請求項１の発明によれば、変位センサの受光素子を２次元のイメージセンサとし、イメージセンサの出力のピーク位置に基づいて物体までの距離又は変位を検出している。従って被測定対象物が透明物体である場合にも正確に物体表面等の変位を検出することができる。又本願の請求項２の発明によれば、２つのピーク位置の間隔から透明物体の厚さを検出することができる。従って液晶ガラス板のそりや厚みの測定が可能となるという効果が得られる。

図１は本発明の第１の実施の形態による光式変位センサの全体構成を示すブロック図である。本図において前述した従来例と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態においても光源駆動回路１より投光素子２を駆動し、投光レンズ３を介して投光ビームを物体検知領域に投光する。物体検知領域にガラス板等の被測定対象物があれば、その反射光が受光レンズ４を介して受光素子に受光される。この実施の形態では受光素子として従来のＰＳＤでなく、１次元のＣＣＤラインセンサ２０を用いている。ＣＣＤラインセンサ２０はＣＣＤ駆動回路２１によって駆動され、１ビット出力毎にサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ回路）２２にその出力が与えられる。そしてこのヘッド部に対して信号処理部３０が接続される。信号処理部３０には、マイクロコンピュータ３１、及びサンプルホールド回路２２の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器３２、メモリ３３及びマイクロコンピュータ３１の出力をアナログ変位信号として出力するＤ／Ａ変換器３４が設けられている。マイクロコンピュータ３１は前述した光源駆動回路１を駆動すると共に、ＣＣＤ駆動回路２１に駆動信号を出力する。そしてＣＣＤラインセンサ２０からの全ライン出力をサンプルホールド回路２２，Ａ／Ｄ変換器３２を介して取込み、そのピーク位置に基づいて被測定対象物までの距離又は変位及び透明物体の厚さを算出するものである。

次にこのマイクロコンピュータ３１の動作例について詳細に説明する。図２はＣＣＤラインセンサ２０の位置に対する受光レベルの変化を示す図である。被測定対象物がガラス板等の透明物体であれば、前述したようにその表面と裏面からの反射光とが同時にＣＣＤラインセンサ２０に受光される。従って受光レベルは２つのピークを有するものとなる。ここでＣＣＤラインセンサ２０の光源から離れた端点をｘ＝０とし、Ｘ軸の正方向、即ち光源に向けてＣＣＤラインセンサ２０を駆動するものとすると、受光信号は図２（ｂ）に示すように第１，第２のピークを有する。ここで第１のピークはガラス板の表面からの反射光であり、第２のピークはガラス板の裏面からの反射光である。従ってガラス板の表面までの距離又はガラス板の変位を検出する場合には、第１のピークが得られる点のみを検出すれば足りる。

図３は信号処理部３０のピーク位置検出処理の第１の手法を示すフローチャートである。ＣＣＤラインセンサ２０の受光位置の座標をｘとし、その位置でのＣＣＤの受光レベルをＶ（ｘ）とすると、図３のフローチャートにおいてまずステップＳ１で初期設定として位置座標ｘを０とする。そしてステップＳ２に進んでｘをインクリメントし、Ｖ（ｘ＋１）とＶ（ｘ）とを比較する。Ｖ（ｘ）の方が小さければステップＳ２に戻って同様の処理を繰り返し、Ｖ（ｘ＋１）が小さくなればステップＳ４に進んでそのときの位置座標ｘを第１のピーク位置Ｐ１とする。次いでステップＳ５に進んで位置座標ｘをインクリメントし、ステップＳ６においてＶ（ｘ＋１）とＶ（ｘ）とを比較する。Ｖ（ｘ）の方が大きければステップＳ５に戻って同様の処理を繰り返し、Ｖ（ｘ＋１）の方が大きくなればステップＳ７に進んで位置座標ｘをインクリメントし、ステップＳ８においてＶ（ｘ＋１）とＶ（ｘ）とを比較する。Ｖ（ｘ）の方が小さければステップＳ７に戻って同様の処理を繰り返し、Ｖ（ｘ＋１）の方が小さくなればステップＳ９に進んでそのときのｘ座標の位置を第２のピーク位置Ｐ２として保持する。こうすれば２つのピーク位置を確認することができる。物体の表面までの距離又は変位は第１のピーク位置Ｐ１に対応するものであるため、Ｐ１から物体までの距離又は変位を検出することができる。又ピーク位置Ｐ１，Ｐ２の差からガラス板の厚さを検出することが可能となる。

次に信号処理部３０のピーク位置検出処理の第２の手法について図４のフローチャートを用いて説明する。ピーク位置検出処理の第２の手法は図２（ｃ）に示すようにＣＣＤラインセンサ２０の位置ｘに対して受光される受光レベルにつき２つの閾値Ｌ１，Ｌ2 を設定し、このレベルを越えて変化する受光位置から直線Ａ，Ｂを求め、その交点をピーク位置として検出するものである。即ち直交座標系（Ｘ，Ｌ）について受光レベルと閾値の交差する点１（Ｔ１，Ｌ１），点２（Ｔ３，Ｌ２），点３（Ｔ２，Ｌ１），点４（Ｔ４，Ｌ２）が求まり、これらを結ぶ直線Ａ，Ｂの交点（ＴP ，ＬP ）のｘ座標ＴP をピーク値の位置とする。図４のフローチャートにおいてまずＴ１〜Ｔ４を算出する。即ちステップＳ１１において位置ｘを０、ピーク数ｓを１とする。そしてステップＳ１２においてｘをインクリメントし、Ｖ（ｘ）が第１の閾値Ｌ１を越えているかどうかをチェックする。この値以下であればステップＳ１２に戻って同様の処理を繰り返し、閾値Ｌ１を越えている場合にはそのときのｘの値をＴ１とする。次いでステップＳ１５に進んで更にｘをインクリメントし、そのときの受光レベルＶ（ｘ）が第２の閾値Ｌ２を越えているかどうかをチェックする。この値以下であればステップＳ１５に戻って同様の処理を繰り返し、Ｌ２を越えている場合にはそのときのｘの値をＴ３とする。そしてステップＳ１８に進んでｘをインクリメントし、受光レベルＶ（ｘ）が第２の閾値Ｌ２より小さくなるかどうかをチェックする。このＬ２以上であればステップＳ１８によって同様の処理を繰り返し、Ｌ２より小さくなればステップＳ２０においてそのときの位置ｘをＴ４とする。そしてステップＳ２１に進んでｘをインクリメントし、受光レベルＶ（ｘ）がＬ１より小さくなるかどうかをチェックする。Ｌ１以上である場合にはステップＳ２１に戻り、Ｌ１より小さくなればステップＳ２３に進んでそのときのｘをＴ２とする。こうすれば前述した４点の座標が求められる。

次いでステップＳ２４に進んで以下に算出したＴ１〜Ｔ４と閾値Ｔ１，Ｔ２を用いて直線Ａ，Ｂを算出する。ここで直線Ａは次式で示される。
Ｌ＝ａｘ＋Ｖｂ
又直線Ｂは次式で示される。
Ｌ＝ｃｘ＋ｄ
これらの係数ａ〜ｄは夫々直線Ａ，Ｂが夫々点１，３及び２，４を通ることから、Ｓ２４において次式のように算出することができる。
ａ＝（Ｌ１−Ｌ２）／（Ｔ１−Ｔ３）
ｂ＝（Ｔ１Ｌ２−Ｔ３Ｌ１）／（Ｔ１−Ｔ３）
ｃ＝（Ｌ１−Ｌ２）／（Ｔ２−Ｔ４）
ｄ＝（Ｔ２Ｌ２−Ｔ４Ｌ１）／（Ｔ２−Ｔ４）
更にステップＳ２５において次式によりピーク対応の位置ＴP を算出する。
ＴP ＝（ｄ−ａ）／（ａ−ｃ）
このときの位置ＴP がピークの位置となる。そしてステップＳ２６に進んでピーク数ｓをインクリメントし、このピーク数が３に達しているかどうかをチェックする（ステップＳ２７）。３以下であればステップＳ１２に戻って同様の処理を繰り返す。こうすれば２つのピーク値の位置ＴP1，ＴP2を算出することができる。

この場合には２つの閾値Ｌ１，Ｌ２を用いて２本の直線からピークの位置を算出しているため、受光レベルの全体形状から正確にピーク位置が算出できる。又２つのピーク位置の差（ＴP2−ＴP1）からガラス板等の測定対象物の厚さを検出することができることはピーク位置検出処理の第１の手法と同様である。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態ではＣＣＤラインセンサ２０に代えて２次元の受光領域を有する２次元ＣＣＤ２３を用いたものである。その他の構成は第１の実施の形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。この場合には受光した後に図５（ａ）に示すよう変位方向ＸのＸ座標，これと垂直なＹ方向の座標の夫々の受光レベルをＶ（ｘ，ｙ）とすると、Ｙ方向の全ての座標の受光レベルをＸ軸方向にまとめる前処理を行う。即ち図５（ｂ）に示すフローチャートにおいて、まずステップＳ３１でｘを０とし、ステップＳ３２に進んでｘをインクリメントする。次いでステップＳ３３においてｙを０とし、ステップＳ３４においてｙをインクリメントする。そしてステップＳ３５に進んでＶ（ｘ）をＶ（ｘ）＋Ｖ（ｘ＋ｙ）とし、Ｙ軸の座標ｙがＹ軸の最大値Ｙに達したかどうかをチェックする（ステップＳ３６）。最大値に達していなければステップＳ３４に戻って同様の処理を繰り返し、最大値Ｙに達するとステップＳ３７においてＸ軸の値ｘがＸ軸の最大値Ｘに達したかどうかをチェックする。この値に達していなければステップＳ３２に戻って同様の処理を繰り返す。Ｘ軸方向も最大値Ｘに達すると前処理を終え、前述した図３又は図４のフローチャートを用いてピーク位置の検出処理を行う。こうすれば光が正確に１次元ＣＣＤラインセンサに受光されず、そのＹ軸方向に分散する場合にも正確に被測定対象物までの距離又は変位を検出することができる。

本発明はイメージセンサの出力のピーク位置に基づいて物体までの距離を検出しており、これによって検出物体が透明体で背景に物体がある場合にも、使用できる光式変位センサや光式厚さセンサに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態による光式変位センサの全体構成を示すブロック図である。（ａ）は第１の実施の形態の受光素子であるＣＣＤイメージセンサとその受光レベルを示す図、（ｂ）はＣＣＤラインセンサの位置に対する受光レベルの変化を示す図、（ｃ）はこの受光センサの位置と受光レベルからピーク位置を算出するための算出処理を示す説明図である。第１の実施の形態による光式変位センサのピーク位置検出処理の第1の手法を示すフローチャートである。第１の実施の形態による光式変位センサのピーク位置検出処理の第２の手法を示すフローチャートである。（ａ）は二次元ＣＣＤの座標と受光レベルを示す図、（ｂ）は本発明の第２の実施の形態による光式変位センサの出力信号の前処理を示すフローチャートである。従来の光式変位センサの構成を示すブロック図である。従来の光式変位センサにおいて透明体を検出する場合の光学系の構成を示す図である。従来の光式変位センサにおいてＰＳＤの位置に対する受光レベルの変化を示すグラフである。

符号の説明

１光源駆動回路
２投光素子
３集束レンズ
４受光レンズ
５ＰＳＤ
２０ＣＣＤラインセンサ
２１ＣＣＤ駆動回路
２２サンプルホールド回路
２３２次元ＣＣＤ
３０信号処理部
３１マイクロコンピュータ
３２Ａ／Ｄ変換器
３３メモリ
３４Ｄ／Ａ変換器

Claims

投光素子を有し、投光ビームを被測定対象物に対して斜め方向に照射する投光部と、
被測定対象物までの距離に対応して受光位置が変化するイメージセンサを有し、投光ビームに対する測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記イメージセンサ上の受光分布のピーク位置から前記測定対象物の表面に対応する受光位置を識別する信号処理部と、を具備する光式変位センサであって、
前記信号処理部は、前記イメージセンサとして２次元イメージセンサを用い、２次元イメージ上の変位方向をＸ方向としたときに、これと垂直なＹ方向の座標の夫々の受光レベルをたし合わせてＸ方向にまとめ、このまとめた受光分布を用いて前記ピーク位置を求めることを特徴とする光式変位センサ。
投光素子を有し、投光ビームを被測定対象物に対して斜め方向に照射する投光部と、
被測定対象物までの距離に対応して受光位置が変化するイメージセンサを有し、投光ビームに対する測定対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記イメージセンサ上の第１, 第２の受光分布のピーク位置から前記被測定対象物の厚さを算出する信号処理部と、を具備する光式厚さセンサであって、
前記イメージセンサとして２次元イメージセンサを用い、２次元イメージ上の変位方向をＸ方向としたときに、これと垂直なＹ方向の座標の夫々の受光レベルをたし合わせてＸ方向にまとめ、このまとめた受光分布を用いて前記第１, 第２のピーク位置を求めることを特徴とする光式厚さセンサ。