JP2016080384A - 透明材検出装置及び透明材検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光透過性物体を高精度に検知する透明材検出装置を提供する。
【解決手段】光透過性物体Ｗ１の検知対象部位を含む所定領域に、少なくとも検知対象部位において入射角θが所定のしきい値角以上となるように検査光を照射する照射部１と、検査光のうち、光透過性物体を通過しない検査光を少なくとも受光する受光部２と、光受光部が出力する受光信号の輝度分布に基づいて検知対象部位を判定する判定部３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明材検出装置及び透明材検出方法に関する。

下記特許文献１には、搬送物の位置を各種の位置センサを用いることにより非接触で検出する位置検出装置が開示されている。この位置検出装置は、例えば反射型のレーザセンサを上記位置センサとして用いる場合、ベルトコンベア上を搬送される搬送物に向けてレーザ光を出射し、搬送物から反射したレーザ光を受光することにより搬送物の位置を特定する。

特開２００９−１４９３８７号公報

ところで、上記従来の位置検出装置は、光透過性を有する搬送物を検出対象とするものである。搬送物が光透過性を有する場合には、光透過度にも依るが、レーザ光は搬送物によって十分に反射されないので、搬送物の位置を検出をすることができない。しかしながら、例えば透明シートやガラス等、光透過性を有する物体（光透過性物体）に関する位置検出の需要は実際に存在し、特に光透過性物体を高精度に位置検出したいという要望がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、光透過性物体を検知すること、より好ましくは光透過性物体を高精度に検知することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、透明材検出装置に係る第１の解決手段として、光透過性物体の検知対象部位を含む所定領域に、少なくとも前記検知対象部位において入射角が所定のしきい値角以上となるように検査光を照射する照射部と、前記検査光のうち、前記光透過性物体を通過しない前記検査光を少なくとも受光する受光部と、前記受光部が出力する受光信号の輝度分布に基づいて前記検知対象部位を判定する判定部とを備える、という手段を採用する。

本発明では、透明材検出装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、光透過性シートの折り返し部を前記検知対象部位とする場合、前記照射部と前記受光部とは、前記折り返し部を挟んで対向配置される、という手段を採用する。

本発明では、透明材検出装置に係る第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、光透過性シートの端部を前記検知対象部位とする場合、前記照射部と前記受光部とは、前記端部を挟んで対向配置される、という手段を採用する。

本発明では、透明材検出装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記照射部と前記受光部との間に前記検査光を反射する反射板が設けられる、という手段を採用する。

さらに、本発明では、透明材検出方法に係る解決手段として、光透過性物体の検知対象部位を含む所定領域に、少なくとも前記検知対象部位において入射角が所定のしきい値角以上となるように検査光を照射する第１工程と、前記検査光のうち、前記光透過性物体を通過しない前記検査光を少なくとも受光する第２工程と、前記第２工程で得られる受光信号の輝度分布に基づいて前記検知対象部位を判定する第３工程とを有する、という手段を採用する。

本発明によれば、光透過性物体の検知対象部位を含む所定領域に、少なくとも検知対象部位において入射角が所定のしきい値角以上となるように検査光を照射するので、検知対象部位に照射された検査光は光透過性物体の表面で反射し、一方、検知対象部位に照射されなかった検査光、また検知対象部位以外で上記しきい値角よりも小さな入射角で光透過性物体に入射した検査光は、光透過性物体の表面で反射することなく受光部で受光される。したがって、本発明によれば、光透過性物体の検知対象部位を検知できるだけではなく、検知対象部位を高精度に検知することができる。

本発明の一実施形態に係る透明材検出装置の機能構成及び湾曲透明ワークとの正面視での位置関係を示すブロック図である。 本発明の一実施形態におけるしきい値角θrを説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る透明材検出装置における湾曲透明ワークとの位置関係を示す側面図（ａ）及び検査光と湾曲透明ワークと輝度分布（受光輝度）との関係を示す模式図（ｂ）である。 本発明の第１実施形態に係る透明材検出装置と平面透明ワークとの位置関係を示す第１の正面図（ａ）及び第１の側面図（ｂ）である。 本発明の第１実施形態に係る透明材検出装置と平面透明ワークとの位置関係を示す第２の正面図（ａ）及び第２の側面図（ｂ）である。 本発明の第２実施形態に係る透明材検出装置と平面透明ワークとの位置関係を示す第１の正面図（ａ）及び第１の側面図（ｂ）である。 本発明の第２実施形態に係る透明材検出装置と平面透明ワークとの位置関係を示す第２の正面図（ａ）及び第２の側面図（ｂ）である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
最初に、本発明の第１実施形態に係る透明材検出装置及び透明材検出方法について、図１〜図５を参照して説明する。本第１実施形態に係る透明材検出装置は、図１に示すように、照射部１、受光部２、信号処理部３（判定部）、出力部４、操作部５及び制御部６を備えている。

最初に、第１実施形態における検知対象物は、図１及び図３（ａ）に示すように、空気中において湾曲させて所定方向に折り返した透明湾曲シートＷ１（光透過性物体、光透過性シート）である。すなわち、この透明湾曲シートＷ１は、光透過性を有する材料、例えば透明樹脂シートや極薄板ガラス等からなり、一部に折り返し部（湾曲部）を備える。第１実施形態に係る透明材検出装置は、このような透明湾曲シートＷ１の折り返し部を検知対象部位とする。

照射部１は、透明湾曲シートＷ１の折り返し部（検知対象部位）を含む所定領域に、少なくとも折り返し部の先端部（エッジ部）において入射角θが所定のしきい値角θr以上となるように検査光を照射する。より具体的には、照射部１は、制御部６から入力される制御信号に基づいて所定性状のレーザ光を発生させ、検査光として受光部２に向けて出射する。この照射部１は、例えば複数のレーザダイオードが直線状に配列したものであり、上記レーザダイオードの配列方向に対応した帯状の検査光（レーザ光）を受光部２に向けて出射する。なお、図１における上下方向は、上記帯状の検査光の延在方向（帯方向）である。

ここで、上記しきい値角θrについて図２を参照して補足説明する。フレネルの式より、光の透過率及び反射率は、空気と透明体の屈折率および入射角度のみによって影響される。例えば空気の屈折率＝１、透明体の屈折率＝１．５のとき、光の透過率は、図２（ａ）に示すように、光の入射角（反射面の法線と光軸との成す角）によって変化する。すなわち、光がある媒質から他の媒質に入射する場合、入射角がある角度（しきい値角θr）よりも小さい場合は透過率が比較的大きく変化するが、入射角が上記しきい値角θrを越えると、透過率が急激に減少する。なお、このような反射率の入射角依存性は、光のp波（p偏光）およびs波(s偏光)のいずれも顕著である。

光の反射率は、図２（ｂ）に示すように、光の入射角（反射面の法線と光軸との成す角）によって変化する。すなわち、光がある媒質から他の媒質に入射する場合、入射角がある角度（しきい値角θr）よりも小さい場合は反射率が比較的小さいが、入射角が上記しきい値角θrを越えると、反射率が急激に増加する。なお、このような反射率の入射角依存性は、光のp波（p偏光）およびs波(s偏光)のいずれも顕著である。

本実施形態では、透明湾曲シートＷ１の折り返し部の先端部における検査光の入射角が例えば８０°付近になるように、つまり上記しきい値角θrを８０°付近に設定して上記先端部における反射率を比較的大きな値とすることにより、透明湾曲シートＷ１の折り返し部の存在領域と非存在領域とにおける反射率の差異を際立たせる。この結果として、後述するように透明湾曲シートＷ１の折り返し部の先端部（エッジ部）を精度良くつまり高コントラストで検出する。

受光部２は、透明湾曲シートＷ１を挟んで照射部１に対向配置されており、当該検査光のうち透明湾曲シートＷ１を通過しない検査光を少なくとも受光する。この受光部２は、例えば複数の受光素子（フォトトランジスタ）が直線状に配列したラインセンサである。この受光部２は、複数の受光素子の配列方向が上記複数のレーザダイオードの配列方向と一致するように、つまりライン状の受光面が帯状の検査光を余すことなく受光可能なように、位置及び姿勢が設定されている。このような受光部２は、受光面の延在方向（検査光の延在方向）における受光の輝度分布（受光輝度）を示す電気信号を受光信号として信号処理部３に出力する。

信号処理部３は、制御部６から入力される制御信号に基づいて上記受光信号を信号処理することにより、上記受光面の延在方向（検査光の延在方向）における受光の輝度分布を判定し、当該輝度分布を出力部４に出力する。出力部４は、例えば記憶装置、表示装置あるいは通信装置であり、信号処理部３が判定した輝度分布を記憶、表示あるいは外部に送信する。

操作部５は、透明材検出装置のユーザによって操作されるものであり、例えばキーボードや各種のポインティングデバイスである。操作部５に対するユーザがの操作情報（指示情報）は、操作部５から制御部に入力される。制御部６は、上記操作情報（指示情報）に基づいて照射部１、信号処理部３及び出力部４に制御信号を出力することにより、透明材検出装置の全体的な動作を制御する。この制御部６は、例えば予め記憶された制御プログラムに基づいて動作するものである。

次に、このように構成された透明材検出装置の動作について詳しく説明する。
上記透明湾曲シートＷ１（光透過性物体）の折り返し部を検知対象部位とする場合、照射部１と受光部２とは、図１及び図３（ａ）に示すように、折り返し部を挟むと共に検査光の帯長さ方向（上下方向）の途中部位に折り返し部が位置するように位置設定される。また、図１に示すように、照射部１及び受光部２と透明湾曲シートＷ１との位置関係を設定する。

すなわち、照射部１は、透明湾曲シートＷ１の折り返し部（検知対象部位）を含むと共に検査光の帯長さ方向（上下方向）が折り返し方向（上下方向）に一致するように透明湾曲シートＷ１の幅方向に直交する方向（水平方向）から透明湾曲シートＷ１に向けて検査光を照射する（第１工程）。この結果、検査光は、透明湾曲シートＷ１の折り返し部（検知対象部位）を含む所定領域、つまり透明湾曲シートＷ１の存在領域と非存在領域との両領域に照射されることになる。

また、このような透明湾曲シートＷ１に対する検査光の照射状態では、上下方向に湾曲するように折り返した透明湾曲シートＷ１の幅方向に直交する方向（水平方向）から透明湾曲シートＷ１に向けて帯状の検査光を照射するので、折り返し部の先端近傍部位における検査光の入射角は上記しきい値角θr以上となる一方、当該先端近傍部位以外の部位では検査光の入射角は上記しきい値角θrよりも小さくなる。

したがって、透明湾曲シートＷ１において折り返し部の先端近傍部位以外の部位に照射された検査光Ｒ１は、透明湾曲シートＷ１を透過して受光部２に入射する。また、折り返し部の先端近傍部位に照射された検査光Ｒ２は、反射するので透明湾曲シートＷ１を通過（透過）せず、よって受光部２に入射しない。さらに、透明湾曲シートＷ１に照射されない検査光Ｒ３は、受光部２に直接入射する。

受光部２は、このような検査光Ｒ１〜Ｒ３を受光し、検査光Ｒ１〜Ｒ３の受光強度（輝度）に応じた輝度分布の受光信号を信号処理部３に出力する（第２工程）。そして、この輝度分布（受光輝度）は、図３（ｂ）に示すように検査光Ｒ２に相当する部位の輝度が極端に低く、かつ、検査光Ｒ１、Ｒ３に相当する部位の輝度が高いものとなる。

信号処理部３は、上記第２工程で得られる受光信号の輝度分布に基づいて透明湾曲シートＷ１の折り返し部を判定する。すなわち、信号処理部３は、上記輝度分布（受光輝度）を示す受光信号を制御部６から入力される制御信号に基づいて受光部２から取り込む。検査光Ｒ２に相当する部位の輝度と検査光Ｒ１、Ｒ３に相当する部位の輝度とは極端に異なるので、信号処理部３は、このような輝度の極端な変化部Ｐに相当する受光部２の位置（受光面の延在方向における位置＝上下方向の位置）を透明湾曲シートＷ１における折り返し部の先端部の位置と判定する（第３工程）。

そして、信号処理部３は、透明湾曲シートＷ１の折り返し部の先端部の位置を処理結果データとして出力部４に出力する。そして、出力部４は、制御部６から入力される制御信号に基づいて上記処理結果データを記憶、表示あるいは外部に送信する。

このような透明材検出装置によれば、検査光の透過率の入射角依存性（フレネルの式）を利用することにより透明湾曲シートＷ１（光透過性物体）の折り返し部の先端部（検知対象部位）を容易に検知することができる。また、検査光Ｒ２に相当する部位の輝度と検査光Ｒ１、Ｒ３に相当する部位の輝度とは極端に異なるので、折り返し部の先端部（検知対象部位）を高精度に検知することができる。

なお、第１実施形態に係る透明材検出装置は、折り返し部を有する透明湾曲シートＷ１のみを位置検知対象とするものではなく、種々の形状の光透過性物体を位置検知対象とするものである。例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すような透明平板シートＷ２（例えば表面形状が矩形）を位置検知対象とし、当該透明平板シートＷ２の一辺（エッジ部）を検知対象部位とする場合には、透明平板シートＷ２の垂線を含む面と検査光の帯長さ方向とが平行となるように、かつ、透明平板シートＷ２の検査光の入射角が上記しきい値角θr以上となるように照射部１と受光部２との対向方向と透明平板シートＷ２の相対姿勢を設定する。

この結果、透明平板シートＷ２に照射された検査光Ｒ４は、透明平板シートＷ２の表面で反射する一方、透明平板シートＷ２に照射されなかった検査光Ｒ５は、受光部２に直接入射する。すなわち、受光部２が信号処理部３に出力する受光信号の輝度分布（受光輝度）は、図４（ａ）に示すように検査光Ｒ４に相当する部位が極端に低輝度、検査光Ｒ５に相当する部位が高輝度となる。したがって、信号処理部３は、上記低輝度と高輝度との境界部を透明平板シートＷ２の端部として判定する。

また、透明平板シートＷ２に対する照射部１と受光部２との対向方向の相対姿勢については、図５（ａ）、（ｂ）に示すような形態も考えられる。すなわち、矩形状の透明平板シートＷ２の互いに直交する２対の辺（合計４辺）のうち、一方の対と検査光の帯長さ方向とを平行とし、他方の対の一方の辺を検知対象部位とする場合、つまり図５（ａ）に示すように検査光の帯長さ方向と検知対象部位とが正面視で平行となる場合において、透明平板シートＷ２の検査光の入射角が上記しきい値角θr以上となるように照射部１と受光部２との対向方向と透明平板シートＷ２の相対姿勢を設定する。

この結果、透明平板シートＷ２に照射された検査光Ｒ６は、透明平板シートＷ２の表面で反射する一方、透明平板シートＷ２に照射されなかった検査光Ｒ７は、受光部２に直接入射する。すなわち、受光部２が信号処理部３に出力する受光信号の輝度分布（受光輝度）は、検査光Ｒ６に相当する部位が極端に低輝度、検査光Ｒ７に相当する部位が高輝度となる。したがって、信号処理部３は、上記低輝度と高輝度との境界部を透明平板シートＷ２の一辺の位置を判定する。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る透明材検出装置について、図６及び図７を参照して説明する。本第２実施形態に係る透明材検出装置は、図６及び図７に示すように、照射部１と受光部２との間に反射板８を備えるものである。すなわち、本第２実施形態に係る透明材検出装置は、第１実施形態に係る透明材検出装置に反射板８を付加したものであり、図６及び図７では照射部１と受光部２以外の構成要素については便宜的に省略している。

図６に示す透明材検出装置は、透明平板シートＷ２の端部を検知対象部位とするものであり、照射部１と透明平板シートＷ２との相対姿勢は、透明平板シートＷ２に対する検査光の入射角が上記しきい値角θr以上となるように設定されている。反射板８は、照射部１から入射された検査光のうち、透明平板シートＷ２に照射される検査光Ｒ８を除く検査光、つまり透明平板シートＷ２に照射されない検査光Ｒ９を反射するように反射板８に対して姿勢設定されている。

受光部２は、反射板８で反射された検査光Ｒ９の光軸上に位置設定及び姿勢設定されている。また、受光部２は、照射部１から出射される帯状の検査光の帯長さ方向と受光部２における受光面の延在方向とが同一平面内に含まれるように照射部１に対して姿勢設定されている。また、この場合における透明平板シートＷ２の表面と反射板８の反射面との姿勢関係は、図６（ａ）に示すように直交関係である。

このように構成された図６の透明材検出装置では、透明平板シートＷ２に照射された検査光Ｒ８は、透明平板シートＷ２の表面で反射する一方、透明平板シートＷ２に照射されなかった検査光Ｒ９は、反射板８で反射して受光部２に入射する。すなわち、受光部２が信号処理部３に出力する受光信号の輝度分布（受光輝度）は、検査光Ｒ８に相当する部位が極端に低輝度、検査光Ｒ９に相当する部位が高輝度となる。したがって、信号処理部３は、上記低輝度と高輝度との境界部を透明平板シートＷ２の端部の位置を判定する。

一方、図７に示す透明材検出装置は、透明平板シートＷ２の表面と反射板８の反射面との姿勢関係が平行な場合を示している。反射板８は、照射部１から出射された検査光の全てを反射して透明平板シートＷ２及び受光部２に向けて出射する。照射部１、反射板８及び透明平板シートＷ２の相対姿勢は、透明平板シートＷ２に対する検査光の入射角が上記しきい値角θr以上となるように設定されている。また、受光部２は、照射部１から出射される帯状の検査光の帯長さ方向と受光部２における受光面の延在方向とが同一平面内に含まれるように照射部１に対して姿勢設定されている。

このように構成された図７の透明材検出装置では、反射板８で反射された検査光のうち、透明平板シートＷ２に照射された検査光Ｒ１０は、透明平板シートＷ２の表面で反射する一方、透明平板シートＷ２に照射されなかった検査光Ｒ１１は、受光部２に入射する。すなわち、受光部２が信号処理部３に出力する受光信号の輝度分布（受光輝度）は、検査光Ｒ１０に相当する部位が極端に低輝度、検査光Ｒ１１に相当する部位が高輝度となる。したがって、信号処理部３は、上記低輝度と高輝度との境界部を透明平板シートＷ２の端部の位置を判定する。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、検査光として帯状のレーザ光つまり一次元状のスポット形状を有するレーザ光を採用したが、本発明はこれに限定されない。帯状のレーザ光に代えて、スポット系が比較的大きなレーザ光、つまり２次元状のスポット形状を有するレーザ光を採用してもよい。また、検査光はレーザ光に限定されず、例えば照射部の光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用してもよい。さらに、検査光の波長は特に限定するものではないが、例えば赤外領域が好ましい。

（２）上記各実施形態では、光透過性物体の一例である透明湾曲シートＷ１あるいは透明平板シートＷ２を位置検出対象としてしたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、各種形状の光透過性物体に適用可能であり、例えば透明なガラス棒、透明な球体や多面体を位置検出対象とすることができる。上記ガラス棒を位置検出対象とする場合、その端面、当該端面の外周部あるいはガラス棒の周面を検知対象部位としてもよい。

（３）上述したように透過率および反射率の入射角依存性は光のｐ波（ｐ偏光）及びｓ波（ｓ偏光）のいずれも顕著なので、検査光としてｐ波またはs波を単独に使ってもよいが、偏光方向が一定していない非偏光な検査光を用いてもよい。

（４）上記第２実施形態では、１枚の反射板８を用いたが、本発明はこれに限定されない。検査光の光路に複数の反射板を配置してもよい。

１…照射部、２…受光部、３…信号処理部（判定部）、４…出力部、５…操作部、６…制御部、Ｗ１…透明湾曲シート（光透過性物体、光透過性シート）、Ｗ２…透明平板シート（光透過性物体、光透過性シート）、Ｒ１〜Ｒ１１…検査光

Claims (5)

1. 光透過性物体の検知対象部位を含む所定領域に、少なくとも前記検知対象部位において入射角が所定のしきい値角以上となるように検査光を照射する照射部と、
   前記検査光のうち、前記光透過性物体を通過しない前記検査光を少なくとも受光する受光部と、
   前記受光部が出力する受光信号の輝度分布に基づいて前記検知対象部位を判定する判定部と
   を備えることを特徴とする透明材検出装置。
2. 光透過性シートの折り返し部を前記検知対象部位とする場合、前記照射部と前記受光部とは、前記折り返し部を挟んで対向配置されることを特徴とする請求項１記載の透明材検出装置。
3. 光透過性シートの端部を前記検知対象部位とする場合、前記照射部と前記受光部とは、前記端部を挟んで対向配置されることを特徴とする請求項１記載の透明材検出装置。
4. 前記照射部と前記受光部との間に前記検査光を反射する反射板が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の透明材検出装置。
5. 光透過性物体の検知対象部位を含む所定領域に、少なくとも前記検知対象部位において入射角が所定のしきい値角以上となるように検査光を照射する第１工程と、
   前記検査光のうち、前記光透過性物体を通過しない前記検査光を少なくとも受光する第２工程と、
   前記第２工程で得られる受光信号の輝度分布に基づいて前記検知対象部位を判定する第３工程と
   を有することを特徴とする透明材検出方法。
   
   

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