JP2007064733A - エッジ検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 透明体による全遮光状態を判定することのできる機能を備え、例えば透明体の位置制御に用いるに好適なエッジ検出装置を提供する。
【解決手段】 ラインセンサと、このラインセンサに向けて単色光を照射する光源と、上記単色光の光路に位置付けられた透明体のエッジにおけるフレネル回折の光強度分布から前記ラインセンサの画素配列方向における上記透明体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段と、更に上記エッジ位置解析手段にて前記透明体のエッジ位置が検出できないとき、前記ラインセンサによる全受光量が予め記憶した該ラインセンサの全入光状態での全受光量よりも小さいときには前記透明体による全遮光状態として判断する全遮光状態判断手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透明フィルムやガラス等の透明体のエッジ位置を検出し、例えば上記透明体の位置制御に用いるに好適なエッジ検出装置に関する。

レーザ光に代表される単色光の光路に物体が存在すると、該物体のエッジ位置にてフレネル回折が生じる。そこでラインセンサを用いて上記フレネル回折の光強度分布を求め、この光強度分布を解析することで上記物体のエッジ位置を検出するエッジ検出装置が開発されている。即ち、図６に示すように複数の画素を配列したラインセンサ１に向けて投光部２から単色平行光を照射した光路の一部を遮るように検出対象物３を位置付けると、上記ラインセンサ１の出力は図７に示すように上記検出対象物３のエッジ位置を境として大きく変化する。特にラインセンサ１上の光強度分布は、エッジ位置の近傍におけるフレネル回折の影響を受けて一定の変化傾向を示す。

従ってラインセンサ１の各画素の出力を正規化すれば、その光量が２５％となる位置をラインセンサ１の画素配列方向における前記検出対象物３のエッジ位置として検出することができる。またこのようにしてフレネル回折の光強度分布を解析する場合には、仮に上記検出対象物３が透明フィルムやガラス等の透明体であっても、そのエッジ位置を精度良く検出することができる（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−１７７３３５号公報

しかしながら検出対象物３が透明体である場合、図８(ａ)〜(ｃ)に検出対象物３が存在しないとき（ラインセンサ１の全入光状態）、検出対象物３光路の略半分を遮るとき（エッジ検出状態）、そして検出対象物３が上記光路の全てを覆うとき（ラインセンサ１の全遮光状態）のそれぞれにおける前記ラインセンサ１の出力（光強度分布）を示すように、全入光状態と全遮光状態との区別が非常に付き難い。換言すれば全入光状態および全遮光状態においては、検出対象物３のエッジにおけるフレネル回折が生じないので、ラインセンサ１の出力からその光量が前述した２５％となる位置を検出することができない。

これ故、エッジ検出装置の検出特性を図９に示すように、検出対象物３による全遮光状態であっても、これを全入光状態として誤検出してしまうことになる。従って、例えば検出対象物３のエッジ位置を検出しながら上記検出対象物３の位置を調整するような場合、全入光状態であるか、或いは全遮光状態であるかが不明なので、検出対象物３の位置を修正すべき向きが判定できない等の不具合が生じる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、透明体のエッジ位置を正確に検出することのできることは勿論のこと、ラインセンサが全入光状態であるか、或いは全遮光状態であるかを確実に判定することができ、例えば上記透明体の位置制御に用いるに好適なエッジ検出装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係るエッジ検出装置は、複数の画素を所定のピッチで配列したラインセンサと、このラインセンサに向けて単色光を照射する光源と、上記単色光の光路に位置付けられた透明体のエッジにおけるフレネル回折の光強度分布から前記ラインセンサの画素配列方向における上記透明体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段とを備え、
更に上記エッジ位置解析手段にて前記透明体のエッジ位置が検出できないとき、前記ラインセンサによる全受光量が予め記憶した該ラインセンサの全入光状態での全受光量よりも小さいときには前記透明体による全遮光状態として判断する全遮光状態判断手段を備えたことを特徴としている。

ちなみに前記全遮光状態判断手段は、前記ラインセンサを構成する複数の画素での各受光量の総和または平均を全受光量として検出するものであって、予め記憶した全入光状態での全受光量に比較して前記透明体のエッジ位置検出時における全受光量が予め設定した割合（例えば１０％の光量変動を見込んで設定される９０％の光量）よりも低下しているとき、前記透明体による全遮光状態として判断するように構成される。

また前記エッジ位置解析手段は、前記ラインセンサの各画素での受光量を全入光状態となっている画素側から順に辿ってその受光量が全受光状態から所定の割合だけ低下した画素の位置、具体的には検出対象物が透明体であることを考慮して、例えば光量が７５％または５０％となる画素の位置を検出し、この画素位置と上記受光量の低下の割合とから前記透明体のエッジ位置（光量が２５％となる位置）を検出するように構成すれば良い。

尚、透明体の透明度が高い場合には、例えば前記ラインセンサと光源を、前記透明体の表面に対して傾斜した光路を形成するように位置決めすれば良い。また前記エッジ位置解析手段においては、前記フレネル回折により生じた前記ラインセンサの各画素での受光量の変化を近似曲線関数（例えばハイパボリック関数）を用いて近似し、上記近似曲線関数を用いて前記ラインセンサでの画素配列方向において所定光量となる位置を前記透明体のエッジ位置として解析するように構成すれば良い。

上記構成のエッジ検出装置によれば、ラインセンサの出力を解析して透明体のエッジ位置を検出することができないとき、即ち、フレネル回折により光量が大きく低下した位置を検出することができないときには、透明体であると雖も多少の反射があることに着目して上記ラインセンサを構成する複数の画素の各受光量の総和、またはその平均としてその全受光量を求め、この受光量が全入光時における全受光量に比較してどの程度変化しているかを調べるので、この比較結果から全入光状態（光路に透明体が存在しない状態）であるか、或いは全遮光状態（ラインセンサが透明体により覆われている状態）であるかを簡易に判定することができる。

従って透明体のエッジ位置が検出できない場合であっても、その状態が全入光状態であるか、或いは全遮光状態であるかを判定することができるので、例えば透明体のエッジ位置を検出しながら該透明体の位置を調整するような場合であっても、上記透明体の位置を修正すべき向きを正確に判定することが可能となる。特にラインセンサの出力から光路中における透明体の有無を簡易に判定することができるので、例えば透明体の製造・検査ラインにエッジ検出装置を組み込んで該透明体の位置合わせを行うような場合、例えば透明体の有無を検出するための専用のセンサを必要としないので、その工業的利点が非常に大きい。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るエッジ検出装置について説明する。
図１はこの実施形態に係るエッジ検出装置の要部概略構成を示す図で、１は複数の画素を所定のピッチで配列したラインセンサ、２はこのラインセンサ１に対峙させて設けられて上記ラインセンサ１に向けて単色平行光を照射する光源である。この光源２は、例えばレーザ素子２ａと、このレーザ素子２ａが発したレーザ光を平行光として前記ラインセンサ１に照射する投光レンズ２ｂとを備えて構成される。上記ラインセンサ１と光源２との間の上記単色平行光が照射される光路は、被検出対象物３のエッジを検出する為の検出領域として用いられる。

また上記ラインセンサ１の出力信号（光強度信号）を入力するマイクロコンピュータ４は、上記出力信号を解析して前記ラインセンサ１の画素配列方向における前記被検出対象物３のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段４ａを備える。更にこのマイクロコンピュータ４は、前記被検出対象物３が透明体であり、上記エッジ位置解析手段４ａにて被検出対象物（透明体）３のエッジ位置が検出できないとき、前記ラインセンサ１の出力信号から前記被検出対象物（透明体）３によってラインセンサ１が覆われた状態である否かを判定する全遮光状態判定手段４ｂを備えている。

ちなみにエッジ位置解析手段４ａは、前述した特許文献１に記載されるように前記ラインセンサ１の出力信号を画素毎に正規化する正規化手段と、正規化された各画素による受光強度を示す出力信号（光強度）を解析して、光強度が２５％となる位置を前記ラインセンサ１の画素配列方向における前記被検出対象物（透明体）３のエッジ位置として検出するように構成される。より具体的には上記エッジ位置解析手段４ａは、正規化された各画素１_１,１_２〜１_ｎの出力信号（光強度）を調べて、例えばその光強度が２５％の前後となる２つの画素１_ｋ,１_ｋ＋１（ｋ＝１〜ｎ−１）を求める。そしてこれらの画素１_ｋ,１_ｋ＋１の各光強度の違いは、フレネル回折により生じた光強度分布に依存しているとしてその光強度の変化（光強度分布）をハイパボリック関数等の近似曲線関数を用いて近似する。その上でこの近似曲線関数（光強度分布）を用いて前記画素の配列方向において光強度が２５％となる位置を前記被検出対象物（透明体）３のエッジ位置として求めるものとなっている。

一方、前記全遮光状態判定手段４ｂは、予め該エッジ検出装置の起動時等に、前述した光路中に被検出対象物（透明体）３を介在させない状態で検出される全入光状態でのラインセンサ１の出力信号からその全受光量を求め、これを初期値として記憶する手段を備える。ちなみに上記全受光量は、ラインセンサ１を構成する複数の画素１_１,１_２〜１_ｎの各出力信号（光強度）の総和を求めることによって求められる。そして全遮光状態判定手段４ｂは、その運用時（エッジ検出時）に前記エッジ位置解析手段４ａにおいて被検出対象物（透明体）３のエッジ位置を検出できないとき、そのときのラインセンサ１の各画素１_１,１_２〜１_ｎの出力信号（光強度）の総和を求めることで全受光量を求めている。そしてこの全受光量が前述した如く記憶した初期値としての全受光量よりも所定の割合以上に低いとき、これを前記ラインセンサ１が被検出対象物（透明体）３にて覆われた全遮光状態であるとして判定している。

この判定結果に従って前記エッジ位置解析手段４ａの出力が制御され、エッジ位置が検出されない場合であっても、全遮光状態の場合と全入光状態の場合とで異なる出力結果が得られるようになっている。具体的には全入光状態でエッジ位置（エッジ検出位置）が最大となり、光路への被検出対象物（透明体）３の進入量（遮光幅）が増えるに従って上記エッジ位置が減少するようにその検出特性が定められている場合、図２に示すように全遮光状態となったときにはそのエッジ位置を最小に維持することが可能となる。換言すれば従来のように全遮光状態となったとき、これを全入光状態と区別することができないことに起因してそのエッジ位置が急激に最大値に変化するような不具合を抑えることが可能となる。

この結果、光路への被検出対象物（透明体）３の進入量（遮光幅）に応じたエッジ位置を正確に得ることが可能となるので、例えばそのエッジ位置に応じて被検出対象物（透明体）３をラインセンサ１の画素配列方向に変位させてそのエッジ位置を調整することが可能となる。特にエッジ位置を検出することができなかった場合であっても、被検出対象物（透明体）３をどの向きに変位させれば、光路中に被検出対象物（透明体）３のエッジ位置を位置付けて、そのエッジ位置の検出を可能とし得るかを容易に判断することが可能となるので、被検出対象物（透明体）３の位置調整に有効に役立てることが可能となる。

ところで被検出対象物３が透明体である場合、光源２からの単色光を完全に遮光することができないので、該被検出対象物（透明体）３のエッジで生じたフレネル回折の光強度分布が上記被検出対象物（透明体）３の透過光に埋もれ、前述した２５％となる光量の位置が検出し難くなることがある。特に被検出対象物（透明体）３の透明度が高い場合、２５％となる光量の位置からのエッジ位置検出が難しくなることがある。従ってこのような場合には前述したエッジ位置解析手段４ａにおいて、例えば図３に示すように光量が７５％となる位置を求めるようにしても良い。

具体的には前記エッジ位置解析手段４ａにおいて、正規化された各画素１_１,１_２〜１_ｎの出力信号（光強度）を調べて、例えばその光強度が７５％の前後となる２つの画素１_ｇ,１_ｇ＋１（ｇ＝１〜ｎ−１）を求める。これらの画素１_ｇ,１_ｇ＋１の各光強度の違いも前述したフレネル回折により生じた光強度分布に依存しているので、その光強度の変化（光強度分布）をハイパボリック関数等の近似曲線関数を用いて近似する。その上でこの近似曲線関数（光強度分布）を用いて前記画素の配列方向において光強度が２５％となる位置を前記被検出対象物（透明体）３のエッジ位置として求めるようにすれば良い。換言すれば上述した光強度が７５％となる位置は、図３に示すように光強度が２５％となるエッジ位置からΔｘだけオフセットしたものであり、そのオフセット量は単色光の波長λ、ラインセンサ１と被検出対象物（透明体）３との距離ｚ等によって定まる。従って上述したように光強度が２５％となる位置を直接的に求めなくても、上述した如く求められる光強度が７５％となる位置から上記オフセットΔｘの補正を施すことにより、被検出対象物（透明体）３のエッジ位置を間接的に求めることができる。

尚、上述した如くしてエッジ位置を検出するに際しては、被検出対象物（透明体）３を透過する光の影響を受けることのない、いわゆる入光側のラインセンサ１の端部からその受光量をサーチし、受光量が低下する、いわゆる光強度分布の立ち下がり部分にエッジ位置が存在するとして上記エッジ位置の検出処理を実行することが好ましい。このようにすれば被検出対象物（透明体）３の表面に付着した汚れ等の影響を受けることなしに、そのエッジ位置を正確に検出することが可能となる。

また前述した全遮光状態判定手段４ｂにおいては、ラインセンサ１による全受光量に着目して全遮光状態を判定したが、全遮光状態においては前述した図７(ｃ)に示すようにラインセンサ１の各画素１_１,１_２〜１_ｎの出力信号（光強度）にバラツキが生じるので、このバラツキの度合いを調べて全遮光状態であるか否かを判定するようにしても良い。但し、ラインセンサ１の経年変化に起因して各画素１_１,１_２〜１_ｎの出力信号（光強度）にバラツキが生じるので、定期的にラインセンサ１の出力特性をチェックした上で上述した各画素１_１,１_２〜１_ｎの出力信号（光強度）のバラツキを判定することが望ましい。また被検出対象物（透明体）３の仕様によっても上述したバラツキの程度が変化するので、これを考慮して全遮光状態であるか否かの判定を行うことが好ましい。

ところで被検出対象物（透明体）３の透明度が高い場合、前述したように全遮光状態判定手段４ｂにてラインセンサ１での受光量の総和（全受光量）を調べても、１０％以上の受光量の変化が生じないことが想定される。このような不具合を回避するには、例えば図４にその概念を示すように、ラインセンサ１と光源２との間に形成される光路を、前記被検出対象物（透明体）３の表面に対して傾斜させて設けるようにすれば良い。そして上記被検出対象物（透明体）３の表面に対して光路が傾いている分、エッジ位置解析手段４ａにおいて検出されるエッジ位置を上記傾きの角度θに従って補正すれば、これによって被検出対象物（透明体）３のエッジ位置を正確に検出することが可能となる。

即ち、被検出対象物（透明体）３の透明度が高くても、該被検出対象物（透明体）３の表面に対して光路が傾くことによりその表面での反射が増えるので、被検出対象物（透明体）３を透過してラインセンサ１に到達する光量が減少する。この結果、図５(ａ)(ｂ)に被検出対象物（透明体）３の表面に対して光路を直角に設定した場合と、上記光路を斜めに設定した場合とにおけるラインセンサ１の出力を対比して示すように、光路を斜めに設定した場合にはその受光量が低下すると共に、各画素１_１,１_２〜１_ｎでの受光量のバラツキが大きくなる。従って被検出対象物（透明体）３の表面に対して光路を傾けて設定すれば、被検出対象物（透明体）３の透明度が高い場合であってもその表面反射を大きくすることができるので、光路を遮る被検出対象物（透明体）３の存在を確実に検出することが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えばエッジ位置解析手段４ａにおいては、ここではハイパボリックセカンド関数を用いてフレネル回折の光強度分布を解析するものとして説明したが、他の近似曲線関数を用いても良いことは勿論のことである。またラインセンサ１の全受光量の情報として、複数の画素の各受光量の平均を求めるようにしても良いことは言うまでもない。更には全遮光状態の判定条件についても、エッジ検出対象とする透明体３の透明度や外光等の外乱要因を考慮して設定すれば良いものである。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係るエッジ検出装置の要部概略構成図。 本発明に係るエッジ検出装置のエッジ位置検出特性を示す図。 エッジ位置検出の別の手法を示す図。 透明体の透明度が高い場合におけるエッジ位置検出の手法を示す図。 透明体の表面に対して光路が直角の場合と傾斜している場合とにおける受光量の変化を対比して示す図。 従来のエッジ検出装置の概略構成図。 エッジ検出器におけるエッジ検出原理を説明するためのラインセンサの出力例を示す図。 透明体の有無によるラインセンサの出力の変化の例を示す図。 従来のエッジ検出器におけるエッジ検出特性を示す図。

符号の説明

１ ラインセンサ
２ 光源
３ 被検出物（透明体）
４ マイクロコンピュータ
４ａ エッジ位置解析手段
４ｂ 全遮光状態判定手段

Claims (5)

1. 複数の画素を所定のピッチで配列したラインセンサと、
   このラインセンサに向けて単色光を照射する光源と、
   上記単色光の光路に位置付けられた透明体のエッジにおけるフレネル回折の光強度分布から前記ラインセンサの画素配列方向における上記透明体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段と、
   このエッジ位置解析手段にて前記透明体のエッジ位置が検出できないとき、前記ラインセンサによる全受光量が予め記憶した該ラインセンサの全入光状態での全受光量よりも小さいときには前記透明体による全遮光状態として判断する全遮光状態判断手段と
   を具備したことを特徴とするエッジ検出装置。
2. 前記全遮光状態判断手段は、前記ラインセンサを構成する複数の画素での各受光量の総和または平均を全受光量として検出するものであって、予め記憶した全入光状態での全受光量に比較して前記透明体のエッジ位置検出時における全受光量が予め設定した割合よりも低下しているとき、前記透明体による全遮光状態として判断するものである請求項１に記載のエッジ検出装置。
3. 前記エッジ位置解析手段は、前記ラインセンサの各画素での受光量を全入光状態となっている画素側から順に辿ってその受光量が全受光状態から所定の割合だけ低下した画素の位置を検出し、この画素位置と上記受光量の低下の割合とから前記透明体のエッジ位置を検出するものである請求項１に記載のエッジ検出装置。
4. 前記ラインセンサと光源は、前記透明体の表面に対して傾斜した光路を形成したものである請求項１に記載のエッジ検出装置。
5. 前記エッジ位置解析手段は、前記フレネル回折により生じた前記ラインセンサの各画素での受光量の変化を近似曲線関数を用いて近似し、上記近似曲線関数を用いて前記ラインセンサでの画素配列方向において所定光量となる位置を前記透明体のエッジ位置として解析するものである請求項１に記載のエッジ検出装置。

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