JP3951087B2 - 光学式変位計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、計測光の照射により光スポットが形成された計測対象物表面を撮像素子を介して撮影し、得られた画像中の光スポット像の位置情報に基づいて目的とする変位を求める光学式変位計に係り、特に、高反射率物体等に対応して計測光の光量が自動制御により極端に絞られた場合にも、計測位置の視認性を良好に維持でき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、計測光の照射により光スポットが形成された計測対象物表面を撮像素子を介して撮影し、得られた画像中の光スポット像の位置情報に基づいて目的とする変位を所定の測距原理を利用して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】
計測対象物体上の光スポットから撮像素子への入射光量は、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スポット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、計測光による光スポット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、計測光による光スポット像は不鮮明となる。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スポット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スポット像は、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、サーボ制御技術を用いて投光ゲイン調整要素（発光素子の点灯時間や発光パワー等）を操作することにより、撮像素子への入射光量を適正値に制御するため、検出対象物体が高反射率物体であるような場合には、計測光の光量がサーボ制御により極端に絞られてしまい、計測光の光スポットによる計測位置の目視確認に支障を来す虞がある。
【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、高反射率物体等に対応して計測光の光量が自動制御により極端に絞られた場合にも、計測位置の視認性を良好に維持でき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】
この発明の光学式変位計は、周期的にシャッタを開いて計測対象物体を撮影する撮像素子を含む受光手段と、撮像素子のシャッタ開期間に同期して周期的に発光する発光素子からの光を計測対象物体上に投光して計測用光スポットを形成するする投光手段と、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、投光手段の投光ゲイン調整要素を操作することにより、撮像素子への入射光量を適正値に制御する制御手段と、を有している。また、光学式変位計には、撮像素子のシャッタ閉期間に同期して、計測対象物体上の計測用光スポットと同位置に投光して視認用光スポットを形成する視認用投光手段が具備されている。
【００１０】
このような基本構成によれば、高反射率物体等に対応して計測光の光量がサーボ制御により極端に絞られた場合にも、視認用光スポットの投光は撮像素子のシャッタ閉期間に行われるため、変位計測処理には支障を与えることなく、計測位置の視認性を良好に維持できる。
【００１１】
本発明の光学式変位計は、上述の基本構成に加えて、視認用光スポットの光源となる発光素子と計測用光スポットの光源となる発光素子とは同一であり、かついずれの光スポットを形成する場合にも同一波長の可視光を発光する、と言う特徴を有するものである。このような構成によれば、人間の目に感ずる明るさは、両光スポットの照射光量の総和に比例するから、視認用光スポットの照射光量を極端に上げずとも、適切な視認性を得ることができる。また、本発明によれば、視認用光スポットの光源となる発光素子と計測用光スポットの光源となる発光素子とが同一であるので、コスト的にも有利である。
【００１２】
実施の形態においては、計測用光スポットの照射光量が増加すれば、視認用光スポットの照射光量は減少し、計測用光スポットの照射光量が減少すれば、視認用光スポットの照射光量は増加するように設定し、あるいは、視認用光スポットの照射光量と計測用光スポットの照射光量との間には相補的関係が設定されている、ことが好ましい。このような構成によれば、人間の目に感ずる明るさは、両光スポットの照射光量の総和に比例するから、計測位置を示す光スポットの明るさは常にほぼ一定となり、違和感を与えない利点がある。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、ＣＣＤ１２２、増幅回路１２３、ＨＰＦ１２４、Ｐ／Ｈ回路１２５、ＡＧＣ増幅回路１２６）とが含まれている。
【００１７】
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ＬＤ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。
【００１８】
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１２１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、ＭＯＳリニアイメージセンサ等を採用することもできる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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２１４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。
【００２５】
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２２４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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
マイコン２２０にて実行される演算処理２２２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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、ＣＣＤ１２２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シャッター時間、ＬＤ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。
【００３７】
ＣＣＤシャッター時間を長くすると、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シャッター時間の場合）。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。
【００３８】
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ＣＯＮＴ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ＣＯＮＴ値が１００００の場合と同じ結果となる。
【００３９】
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。
【００４０】
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８０７）、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２００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８０２ＹＥＳ、８０３ＹＥＳ、８０４）。
【００４１】
【数１】
【００４２】
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、８０３ＮＯ、８０５）。図９に式（２）の求め方を示す。
【００４３】
【数２】
【００４３】
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、８０６）。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８０６、８０７）。これによりＣＯＮＴ値は、仮に最初のＣＯＮＴ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。
【００４４】
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、ＬＤ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。
【００４５】
これらの要素のうち、ＬＤ発光時間、ＣＣＤ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。ＡＧＣ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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１０〜１００、（ｃ）のところでは１〜１０の範囲の実数値をとる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
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、ＬＤ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ＬＤ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。
【００５６】
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。
【００５７】
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１１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。
【００５８】
ＣＣＤシャッタ時間は、区分１のときに１０、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。
【００５９】
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。
【００６０】
（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。
【００６１】
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。
【００６２】
視認用レーザ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。ＬＤ発光時間で受光量を調整しても視認性の低下を回避できる。同図に示されるように、視認用レーザ光の投光には２通りの方法が考えられる。
【００６３】
第１の方法の投光は、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。すなわち、図１１（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、視認用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１２（ｃ）とを比較して明らかなように、計測用ＬＤの発光期間と視認用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、視認用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、視認用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。
【００６４】
第２の方法の投光は、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、ダ視認用ＬＤの発光はＣＣＤシャッタの閉期間に行われる。しかも、視認用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、視認用投光が無い場合に比べると、明るく、視認性は確保できる。
【００６５】
なお、以上の例では、視認用レーザ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と視認用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。
【００６６】
視認用光スポットの形成と計測用光スポットの形成とを同一の発光素子で行う例が図１３に、又その場合における発光素子の点灯制御態様が図１５（ａ）に示されている。
【００６７】
それらの図に示されるように、この場合には、レーザダイオードＬＤ１（１１２）は、視認用光スポット形成と計測用光スポット形成のために兼用されており、シャッタ開期間とシャッタ閉期間とにおいて、それぞれ毎周期に一回づつ点灯される。なお、図において、符号６で示されるのは、計測対象物体が載置されるステージである。
【００６８】
視認用光スポットの形成と計測用光スポットの形成とを別々の発光素子で行う例が図１４に、又その場合における発光素子の点灯制御態様が図１５（ｂ）に示されている。
【００６９】
それらの図に示されるように、この場合には、レーザダイオードＬＤ１（１１２）は計測用光スポット形成のために、レーザダイオードＬＤ２（１１２ａ）は視認用光スポット形成のために使用される。レーザダイオードＬＤ１（１１２）はシャッタ開期間に毎周期１回点灯され、レーザダイオードＬＤ２（１１２ａ）はシャッタ閉期間に毎周期１回点灯される。
【００７０】
【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、高反射率物体等に対応して計測光の光量が自動制御により極端に絞られた場合にも、視認用光スポットの投光は撮像素子のシャッタ閉期間に行われるため、変位計測処理には支障を与えることなく、計測位置の視認性を良好に維持できる。しかも、本発明によれば、視認用光スポットの光源となる発光素子と計測用光スポットの光源となる発光素子とは同一であるため、コスト的に有利であり、さらに、人間の目には、常に両スポットの光量加算値が視認性に貢献するため、視認用光スポットの光量を極端に上げずとも、適正な視認性を得ることができる利点がある。
【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視認用並びに計測用発光タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【図１３】 視認用光スポットと計測用光スポットとを同の発光素子で行う例を示す光学系の構成図である。
【図１４】 視認用光スポットと計測用光スポットとを別々の発光素子で行う例を示す光学系の構成図である。
【図１５】 ２つの例のそれぞれについてレーザダイオードの駆動タイミング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
６ ステージ
１００ 光学式変位計
１０１ タイミング信号発生回路
１１１ ＬＤ駆動回路
１１２ ＬＤ，ＬＤ１（計測用レーザダイオード）
１１２ａ ＬＤ２（視認用レーザダイオード）
１１３ 投光レンズ（計測用）
１１３ａ 投光レンズ（視認用）
１２１ 受光レンズ
１２２ ＣＣＤ
１２３ 増幅回路
１２４ ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）
１２５ Ｐ／Ｈ（ピークホールド）回路
１２６ ＡＧＣ増幅回路
２０１ 電源回路
２０２ ＯＳＣ（発振回路）
２０３ 同期信号生成回路
２０４ ＯＳＣ（発振回路）
２０５ Ｄ／Ａ変換器
２１１ Ａ／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
【発明の属する技術分野】
この発明は、計測光の照射により光スポットが形成された計測対象物表面を撮像素子を介して撮影し、得られた画像中の光スポット像の位置情報に基づいて目的とする変位を求める光学式変位計に係り、特に、高反射率物体等に対応して計測光の光量が自動制御により極端に絞られた場合にも、計測位置の視認性を良好に維持でき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、計測光の照射により光スポットが形成された計測対象物表面を撮像素子を介して撮影し、得られた画像中の光スポット像の位置情報に基づいて目的とする変位を所定の測距原理を利用して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】
計測対象物体上の光スポットから撮像素子への入射光量は、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スポット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、計測光による光スポット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、計測光による光スポット像は不鮮明となる。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スポット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スポット像は、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、サーボ制御技術を用いて投光ゲイン調整要素（発光素子の点灯時間や発光パワー等）を操作することにより、撮像素子への入射光量を適正値に制御するため、検出対象物体が高反射率物体であるような場合には、計測光の光量がサーボ制御により極端に絞られてしまい、計測光の光スポットによる計測位置の目視確認に支障を来す虞がある。
【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、高反射率物体等に対応して計測光の光量が自動制御により極端に絞られた場合にも、計測位置の視認性を良好に維持でき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】
この発明の光学式変位計は、周期的にシャッタを開いて計測対象物体を撮影する撮像素子を含む受光手段と、撮像素子のシャッタ開期間に同期して周期的に発光する発光素子からの光を計測対象物体上に投光して計測用光スポットを形成するする投光手段と、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、投光手段の投光ゲイン調整要素を操作することにより、撮像素子への入射光量を適正値に制御する制御手段と、を有している。また、光学式変位計には、撮像素子のシャッタ閉期間に同期して、計測対象物体上の計測用光スポットと同位置に投光して視認用光スポットを形成する視認用投光手段が具備されている。
【００１０】
このような基本構成によれば、高反射率物体等に対応して計測光の光量がサーボ制御により極端に絞られた場合にも、視認用光スポットの投光は撮像素子のシャッタ閉期間に行われるため、変位計測処理には支障を与えることなく、計測位置の視認性を良好に維持できる。
【００１１】
本発明の光学式変位計は、上述の基本構成に加えて、視認用光スポットの光源となる発光素子と計測用光スポットの光源となる発光素子とは同一であり、かついずれの光スポットを形成する場合にも同一波長の可視光を発光する、と言う特徴を有するものである。このような構成によれば、人間の目に感ずる明るさは、両光スポットの照射光量の総和に比例するから、視認用光スポットの照射光量を極端に上げずとも、適切な視認性を得ることができる。また、本発明によれば、視認用光スポットの光源となる発光素子と計測用光スポットの光源となる発光素子とが同一であるので、コスト的にも有利である。
【００１２】
実施の形態においては、計測用光スポットの照射光量が増加すれば、視認用光スポットの照射光量は減少し、計測用光スポットの照射光量が減少すれば、視認用光スポットの照射光量は増加するように設定し、あるいは、視認用光スポットの照射光量と計測用光スポットの照射光量との間には相補的関係が設定されている、ことが好ましい。このような構成によれば、人間の目に感ずる明るさは、両光スポットの照射光量の総和に比例するから、計測位置を示す光スポットの明るさは常にほぼ一定となり、違和感を与えない利点がある。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、ＣＣＤ１２２、増幅回路１２３、ＨＰＦ１２４、Ｐ／Ｈ回路１２５、ＡＧＣ増幅回路１２６）とが含まれている。
【００１７】
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ＬＤ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。
【００１８】
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１２１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、ＭＯＳリニアイメージセンサ等を採用することもできる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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２１４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。
【００２５】
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２２４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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
マイコン２２０にて実行される演算処理２２２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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、ＣＣＤ１２２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シャッター時間、ＬＤ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。
【００３７】
ＣＣＤシャッター時間を長くすると、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シャッター時間の場合）。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。
【００３８】
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ＣＯＮＴ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ＣＯＮＴ値が１００００の場合と同じ結果となる。
【００３９】
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。
【００４０】
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８０７）、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２００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８０２ＹＥＳ、８０３ＹＥＳ、８０４）。
【００４１】
【数１】
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、８０３ＮＯ、８０５）。図９に式（２）の求め方を示す。
【００４３】
【数２】
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、８０６）。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８０６、８０７）。これによりＣＯＮＴ値は、仮に最初のＣＯＮＴ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。
【００４４】
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、ＬＤ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。
【００４５】
これらの要素のうち、ＬＤ発光時間、ＣＣＤ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。ＡＧＣ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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１０〜１００、（ｃ）のところでは１〜１０の範囲の実数値をとる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
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、ＬＤ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ＬＤ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。
【００５６】
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。
【００５７】
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１１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。
【００５８】
ＣＣＤシャッタ時間は、区分１のときに１０、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。
【００５９】
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。
【００６０】
（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。
【００６１】
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。
【００６２】
視認用レーザ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。ＬＤ発光時間で受光量を調整しても視認性の低下を回避できる。同図に示されるように、視認用レーザ光の投光には２通りの方法が考えられる。
【００６３】
第１の方法の投光は、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。すなわち、図１１（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、視認用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１２（ｃ）とを比較して明らかなように、計測用ＬＤの発光期間と視認用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、視認用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、視認用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。
【００６４】
第２の方法の投光は、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、ダ視認用ＬＤの発光はＣＣＤシャッタの閉期間に行われる。しかも、視認用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、視認用投光が無い場合に比べると、明るく、視認性は確保できる。
【００６５】
なお、以上の例では、視認用レーザ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と視認用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。
【００６６】
視認用光スポットの形成と計測用光スポットの形成とを同一の発光素子で行う例が図１３に、又その場合における発光素子の点灯制御態様が図１５（ａ）に示されている。
【００６７】
それらの図に示されるように、この場合には、レーザダイオードＬＤ１（１１２）は、視認用光スポット形成と計測用光スポット形成のために兼用されており、シャッタ開期間とシャッタ閉期間とにおいて、それぞれ毎周期に一回づつ点灯される。なお、図において、符号６で示されるのは、計測対象物体が載置されるステージである。
【００６８】
視認用光スポットの形成と計測用光スポットの形成とを別々の発光素子で行う例が図１４に、又その場合における発光素子の点灯制御態様が図１５（ｂ）に示されている。
【００６９】
それらの図に示されるように、この場合には、レーザダイオードＬＤ１（１１２）は計測用光スポット形成のために、レーザダイオードＬＤ２（１１２ａ）は視認用光スポット形成のために使用される。レーザダイオードＬＤ１（１１２）はシャッタ開期間に毎周期１回点灯され、レーザダイオードＬＤ２（１１２ａ）はシャッタ閉期間に毎周期１回点灯される。
【００７０】
【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、高反射率物体等に対応して計測光の光量が自動制御により極端に絞られた場合にも、視認用光スポットの投光は撮像素子のシャッタ閉期間に行われるため、変位計測処理には支障を与えることなく、計測位置の視認性を良好に維持できる。しかも、本発明によれば、視認用光スポットの光源となる発光素子と計測用光スポットの光源となる発光素子とは同一であるため、コスト的に有利であり、さらに、人間の目には、常に両スポットの光量加算値が視認性に貢献するため、視認用光スポットの光量を極端に上げずとも、適正な視認性を得ることができる利点がある。
【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視認用並びに計測用発光タイミングとの関係を示すタイムチャートである。
【図１３】 視認用光スポットと計測用光スポットとを同の発光素子で行う例を示す光学系の構成図である。
【図１４】 視認用光スポットと計測用光スポットとを別々の発光素子で行う例を示す光学系の構成図である。
【図１５】 ２つの例のそれぞれについてレーザダイオードの駆動タイミング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
６ ステージ
１００ 光学式変位計
１０１ タイミング信号発生回路
１１１ ＬＤ駆動回路
１１２ ＬＤ，ＬＤ１（計測用レーザダイオード）
１１２ａ ＬＤ２（視認用レーザダイオード）
１１３ 投光レンズ（計測用）
１１３ａ 投光レンズ（視認用）
１２１ 受光レンズ
１２２ ＣＣＤ
１２３ 増幅回路
１２４ ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）
１２５ Ｐ／Ｈ（ピークホールド）回路
１２６ ＡＧＣ増幅回路
２０１ 電源回路
２０２ ＯＳＣ（発振回路）
２０３ 同期信号生成回路
２０４ ＯＳＣ（発振回路）
２０５ Ｄ／Ａ変換器
２１１ Ａ／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
Claims (3)
- 周期的にシャッタを開いて計測対象物体を撮影する撮像素子を含む受光手段と、撮像素子のシャッタ開期間に同期して周期的に発光する発光素子からの光を計測対象物体上に投光して計測用光スポットを形成するする投光手段と、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、投光手段の投光ゲイン調整要素を操作することにより、撮像素子への入射光量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、
撮像素子のシャッタ閉期間に同期して、計測対象物体上の計測用光スポットと同位置に投光して視認用光スポットを形成する視認用投光手段を備え、
視認用光スポットの光源となる発光素子と計測用光スポットの光源となる発光素子とは同一であり、かついずれの光スポットを形成する場合にも同一波長の可視光を発光する、
ことを特徴とする光学的変位計。 - 計測用光スポットの照射光量が増加すれば、視認用光スポットの照射光量は減少し、計測用光スポットの照射光量が減少すれば、視認用光スポットの照射光量は増加するように設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学的変位計。 - 視認用光スポットの照射光量と計測用光スポットの照射光量との間には相補的関係が設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位計。
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