JP4165010B2

JP4165010B2 - 光学式変位測定装置及びその投光光量補正方法

Info

Publication number: JP4165010B2
Application number: JP2000393884A
Authority: JP
Inventors: 隆康伊藤; 真生雄浅井; 敦紙谷; 浩昭大友
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2020-12-25
Also published as: JP2002195807A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物体までの距離やその変位を測定する光学式変位測定装置及びその投光光量補正方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、図４に示すように、半導体レーザのような発光素子１から放射された光を投光レンズ２を通すことにより得たビーム光を被測定物体Ｂに照射し、被測定物体Ｂの表面で反射された拡散反射光の一部を受光光学系である受光レンズ３を通してＰＳＤのような光位置検出素子４’で受光することにより、三角測量法の原理を用いて被測定物体Ｂまでの距離（あるいは基準位置からの変位）を求めるようにした光学式変位測定装置Ａが知られている。この変位測定装置では、被測定物体Ｂで反射された拡散反射光の一部が受光レンズ３により集光されて光位置検出素子４’の受光面に結像し、スポット光を形成する。そして、発光素子１から被測定物体Ｂまでの距離が変化するとスポット光の形成される位置が変化することを利用して、被測定物体Ｂまでの距離を検出している（例えば特開平９−３１８３２２号公報参照）。
【０００３】
ここで、発光素子１から被測定物体Ｂまでの距離がＲｃの時のスポット光の位置をＰ１、反射角をθ、距離が（Ｒｃ＋Δｒ）の時のスポット光の位置をＰ２とし、受光レンズ３から光位置検出素子４’までの距離をｆとすると、被測定物体Ｂの変位Δｒと、スポット光の位置の変化分ΔＸ（＝Ｐ２−Ｐ１）との間には次式のような関係が成り立つ。
【０００４】
ΔＸ＝ａ×Δｒ／（ｂ＋Δｒ） …（１）
但し、ａ＝ｆ×ｔａｎθ、ｂ＝Ｒｃ／ｃｏｓ²θとする。
【０００５】
従って、光位置検出素子４’の受光面におけるスポット光の位置を検出すれば、そのスポット光の位置から被測定物体Ｂまでの距離（Ｒｃ＋Δｒ）、すなわち基準位置からの変位Δｒを検出することができる。
【０００６】
ところで、光位置検出素子４’としてＭＯＳイメージセンサを用いた光学式変位測定装置も従来より知られている。ＭＯＳイメージセンサは、複数の画素配列と、画素配列の信号電荷を順次読み出すＭＯＳトランジスタのスイッチ回路からなるイメージセンサであり、図５（ａ）に示すように、ＭＯＳイメージセンサ４の受光面１２には例えばｐｎ接合フォトダイオードからなる複数の画素（以下では、受光セルと言う。）Ｃ１、Ｃ２…Ｃｎが、被測定物体Ｂの変位によりスポット光Ｄの位置が変化する方向に沿って一定のピッチで配列されている。
【０００７】
図５（ｂ）は、ＭＯＳイメージセンサ４の受光面１２にスポット光Ｄが照射された時の各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの出力を示しており、各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎは入射した光エネルギーに相当する大きさの出力を発生するので、その出力はスポット光Ｄの中心位置に近いほど大きくなる。したがって、受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの内出力が最大の受光セルの位置を求めたり、受光量分布の中心位置を演算により求めるなどしてスポット光Ｄの中心位置を検出し、スポット光Ｄの中心位置から三角測量法の原理を用いて発光素子１と被測定物体Ｂとの間の距離を求めている。
【０００８】
ところで、ＭＯＳイメージセンサ４を用いる光学式変位測定装置では、各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの出力を、一方の端に位置する受光セルから順番に読み取っているので、一方の端に位置する受光セルＣ１から出力を読み取るタイミングと、他方の端に位置する受光セルＣｎから出力を読み取るタイミングとの間に時間的なずれが発生する。
【０００９】
図６に示すように、各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの出力の読み取り開始と同時（時刻ｔ１１）に発光素子１を点灯させて、全ての受光セルＣ１〜Ｃｎに一定の光を照射させ、その出力を２回サンプリングした時点（時刻ｔ１３）で発光素子１を消灯させた場合、点灯開始後の１回目のサンプリング（時刻ｔ１１〜ｔ１２）では、一番最初に読み取られる受光セルＣ１は照射時間が短いためにその出力は殆ど零になる。そして、読み取りの順番が遅い受光セルほど照射時間が長くなるので、その出力は増加し、最後に読み取られる受光セルＣｎでは出力が最大となる。
【００１０】
各受光セルＣ１…では出力を読み出されると同時に、電荷の蓄積を開始しており、２回目のサンプリング（時刻ｔ１２〜ｔ１３）では、何れの受光セルＣ１〜Ｃｎも、前回出力を読み出してからサンプリング周期Ｔ１の間、発光素子１の光を受光しているので、全ての受光セルＣ１〜Ｃｎでその出力が最大となる。
【００１１】
次に３回目のサンプリング（時刻ｔ１３〜ｔ１４）では、発光素子１は消灯しているが、最初に読み取られる受光セルＣ１では、前回のサンプリング時からサンプリング周期Ｔ１の間、発光素子１の光を受光しているので、その出力は最大出力に略等しい出力となる。そして、読み取りの順番が遅い受光セルＣ２…ほど、前回のサンプリング時から発光素子１が消灯するまでの時間（照射時間）が短くなるため、その出力は徐々に低下し、最後に読み取られる受光セルＣｎでは出力が略零になる。
【００１２】
このように、ＭＯＳイメージセンサ４では、複数の受光セルＣ１〜Ｃｎの出力を順番に読み出しており、各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力を読み出すタイミングが異なっているので、最適な出力を得るためには発光素子１を点灯させるタイミングを考慮する必要がある。尚、上述の説明では各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力を読み出すサンプリング周期毎に発光素子１の点灯状態と消灯状態とを切り換えているだけであるが、受光セルＣ１〜Ｃｎの受光量を精度良く制御するためには、発光素子１の点灯時間や光出力を変化させることによって受光量を制御すれば良い。
【００１３】
ところで、ＭＯＳイメージセンサ４の受光面に入射するスポット光の光量は、発光素子１の発光量や、被測定物体Ｂの反射率によって決定されるため、被測定物体Ｂの反射面に鏡面加工が施されている場合は、スポット光の光量が非常に大きくなり、受光セルＣ１…の出力が飽和してしまう虞がある。また、上述とは逆に、被測定物体Ｂの反射面が黒色であって、その反射率が低い場合は、スポット光の光量が小さくなり、受光セルＣ１…の出力が非常に小さい値になってしまう。
【００１４】
ここで、ＭＯＳイメージセンサ４を用いる光学式変位測定装置では、各受光セルＣ１…の出力信号をその配列順に並べた出力波形を解析して、スポット光の中心位置を求めているので、被測定物体Ｂから入射する反射光の変化によって、受光セルＣ１…の出力が過大になって飽和したり、出力が過小になって読み取りが不能にならないように、ＭＯＳイメージセンサ４に入射するスポット光の光量を制御する必要があり、被測定物体Ｂによる反射光量に応じて発光素子１の投光光量を制御する必要がある（光量フィードバック）。すなわち、受光セルＣ１…の出力をその配列順に並べた出力波形が適切な波形となるように（出力波形が飽和したり、微少な出力波形とならないように）、発光素子１の投光光量を制御する。例えば、図７（ａ）に示すように出力波形のピーク値が飽和している場合は、発光素子１の投光光量を低下させ、図７（ｂ）に示すように、出力波形のピーク値が飽和出力値Ｐ１よりも小さくなるように発光素子１の投光光量を制御する。ここで、発光素子１の投光光量を制御する場合、従来の光学式変位測定装置では発光素子１の点灯時間を変化させることによって投光光量を制御している。つまり発光素子１の点灯時間が長いほど、投光光量が大きくなるので、前回の受光セルＣ１…の出力に応じて発光素子１の点灯時間を変化させ、投光光量を調整している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の光学式変位測定装置では、前回の受光セルＣ１〜Ｃｎの出力に応じて発光素子１の点灯時間を変化させ、投光光量を制御しているのであるが、各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力は逐次読み出されており、発光素子１の発光光量を変化させたとしても、投光光量の変化に応じて受光セルＣ１〜Ｃｎの出力が変化するまでの間に時間遅れがあり、次回の出力に投光光量を変化させたことによる変化が現れない場合があるため、受光光量を最適な光量に制御できない虞がある。
【００１６】
ここで、複数の受光セルＣ１〜Ｃｎの内、ただ１つの受光セルのみにスポット光が照射されている場合を例に、図８を参照して説明を行う。この光学式変位測定装置では、時刻ｔ２１から時間Ｔ３１の間だけ発光素子１を点灯させるとともに、１回目の読み出し動作を開始しており、受光セルＣ１…の出力を検出する。１回目の読み出し動作が終了した時点では、受光セルの出力が最適な値となっているので、受光セルＣ１…の出力を解析する信号処理部は、次回読み出し動作を行う際の発光素子１の投光光量を前回と略同じ投光光量とし、発光素子１の点灯時間をＴ３１のままとする。
【００１７】
次に１回目の読み出し動作が終了した時点（時刻ｔ２２）で、被測定物体Ｂが反射係数の高い白物体から、反射係数の低い黒物体に切り換わると、被測定物体Ｂによる反射光が急激に減少して、受光セルの出力が大幅に低下するので、信号処理部ではこの時の出力信号から発光素子１の最適な発光光量を演算により求め、発光素子１の点灯時間をＴ３２（＞Ｔ３１）に設定する。
【００１８】
ここで、発光素子１を時間Ｔ３２だけ点灯させれば、受光光量が十分大きくなり、最適な出力を得ることができるが、発光素子１の点灯時間Ｔ３２が経過するまでの間に、スポット光が照射されている受光セルの出力が読み出されてしまうので、受光セルの受光光量を十分大きくすることができず、したがって３回目の読み出し動作で得られるセル出力が、予め予想した出力よりも低くなる。そのため、信号処理部では３回目の読み出し動作で得られたセル出力から発光素子１の発光光量が不足していると判断し、信号処理部が発光素子１の点灯時間をさらに長い時間Ｔ３３（＞Ｔ３２）に設定してしまい、発光素子１の投光光量を最適な値に補正できないという問題があった。
【００１９】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、受光部の受光光量に応じて投光部の投光光量を正確に補正することのできる光学式変位測定装置及びその投光光量補正方法を提供するにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体の表面での光ビームによる反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列された受光部と、各光電変換素子の出力信号をその配列順に読み込み、その出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位より被測定物体の基準位置からの変位を求める動作を所定のサンプリング周期で繰り返し行う変位検出部と、投光部の投光光量を制御する光量制御部とを備え、前記投光部は、前記サンプリング周期が経過する毎に、変位検出部がサンプリング動作を開始した時点から所定の点灯時間だけ光ビームを照射し、前記光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて、出力信号が光電変換素子の出力飽和値内に収まるように次の２回のサンプリング時の点灯時間を変化させることを特徴とし、変位検出部は複数の光電変換素子の出力をその配列順に読み込んでおり、最初に読み込まれる光電変換素子では、サンプリングを開始してから出力を読み込むまでの時間が短く、投光光量を変化させたことによる出力変化がすぐには現れないため、変位検出部が光電変換素子の出力を１回サンプリングする毎に前回の出力に応じて投光光量を変化させた場合は、投光光量を正確に補正することができない虞があるが、光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて投光部の投光光量を制御しており、１回目のサンプリング時に投光光量を変化させたことによる出力の変化が２回目のサンプリング時には確実に現れるので、２回目のサンプリング結果に応じて投光光量を制御することにより、投光光量を正確に補正することのできる光学式変位測定装置を実現できる。
【００２１】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、光量制御部は、複数の光電変換素子の内、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御することを特徴とし、光電変換素子の出力が小さすぎると、ノイズの影響が大きくなり、逆に大きすぎると、被測定物体の反射率の変化などによって受光光量が変化した際に、光電変換素子の出力が飽和してしまうが、光量制御部は、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御しているので、光電変換素子の出力が小さすぎたり、大きすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出できる光学式変位測定装置を実現できる。
【００２２】
請求項３の発明では、投光部が被測定物体に光ビームを照射し、被測定物体の表面での光ビームによる反射光をスポット光として受光部に照射させ、受光部の受光面に配列された複数の光電変換素子が受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生し、変位検出部が各光電変換素子の出力信号をその配列順に読み込み、その出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位より被測定物体の基準位置からの変位を求める動作を所定のサンプリング周期で繰り返し行っており、投光部は、前記サンプリング周期が経過する毎に、変位検出部がサンプリング動作を開始した時点から所定の点灯時間だけ光ビームを照射し、光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて、出力信号が光電変換素子の出力飽和値内に収まるように次の２回のサンプリング時の点灯時間を変化させることを特徴とし、変位検出部は複数の光電変換素子の出力をその配列順に読み込んでおり、最初に読み込まれる光電変換素子では、サンプリングを開始してから出力を読み込むまでの時間が短く、投光光量を変化させたことによる出力変化がすぐには現れないため、変位検出部が光電変換素子の出力を１回サンプリングする毎に前回の出力に応じて投光光量を変化させた場合は、投光光量を正確に補正することができない虞があるが、光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて投光部の投光光量を制御しており、１回目のサンプリング時に投光光量を変化させたことによる出力の変化が２回目のサンプリング時には確実に現れるので、２回目のサンプリング結果に応じて投光光量を制御することにより、投光光量を正確に補正することができる。
【００２３】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、光量制御部は、複数の光電変換素子の内、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御することを特徴とし、光電変換素子の出力が小さすぎると、ノイズの影響が大きくなり、逆に大きすぎると、被測定物体の反射率の変化などによって受光光量が変化した際に、光電変換素子の出力が飽和してしまうが、光量制御部は、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御しているので、光電変換素子の出力が小さすぎたり、大きすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本実施形態の光学式変位測定装置を図１乃至図３を参照して説明する。この光学式変位測定装置では、レーザダイオードのような発光素子（投光部）１から放射された光を投光レンズ２を通すことにより得たビーム光を被測定物体Ｂに照射している。そして、被測定物体Ｂの表面で反射された拡散反射光の一部は受光光学系である受光レンズ３により集光され、受光部たるＭＯＳイメージセンサ４の受光面に受光スポットを形成する。
【００２５】
ＭＯＳ制御回路６は、ＣＰＵ５から入力される制御信号に応じて、ＭＯＳイメージセンサ４の動作を制御しており、ＭＯＳイメージセンサ４の受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの出力をその配列順に読み出して、逐次ＭＯＳ信号処理回路７に出力させており、各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの出力信号はＭＯＳ信号処理回路７で増幅などの処理を施された後、Ａ／Ｄ変換回路８によりデジタル信号に変換されてＣＰＵ５に取り込まれる。
【００２６】
ところで、図５（ａ）に示すように、ＭＯＳイメージセンサ４の受光面１２には、被測定物体Ｂの変位に応じてスポット光Ｄの位置が変化する方向に沿って、ｐｎ接合フォトダイオードよりなる複数の受光セル（光電変換素子）Ｃ１、Ｃ２…Ｃｎが一定のピッチで配列されている。各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎは入射した光エネルギーに相当する大きさの出力を発生し、その出力はスポット光Ｄの中心位置に近いほど大きくなるので、各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの出力をその配列順に並べた出力波形（図５（ｂ）参照）からＭＯＳイメージセンサ４の受光面１２に入射したスポット光の形状や中心位置を検出することができる。
【００２７】
ここで、変位検出部としてのＣＰＵ５は、例えば受光セルＣ１〜Ｃｎの出力をその配列順に並べた出力波形を生成し、隣接する受光セルの出力の相対的な差から、出力波形の中心位置を検出する。すなわち、図３（ａ）に示すように、出力が最大の受光セルに対して、両側に位置する受光セルの出力が略同じであれば、出力が最大の受光セルの中心位置が出力波形の中心であるとＣＰＵ５は判定する。また、図３（ｂ）に示すように、出力が最大の受光セルに対して、図中右側の受光セルの出力が、図中左側の受光セルの出力よりも大きい場合は、出力が最大の受光セルの中心位置から、左右の受光セルの出力比に応じた距離だけ図中右側に偏心した位置が出力波形の中心位置であるとＣＰＵ５は判定する。そして、ＣＰＵ５は、スポット光の中心位置から三角測量法の原理を用いて発光素子１と被測定物体Ｂとの間の距離や被測定物体Ｂの変位を求めており、被測定物体Ｂまでの距離或いは被測定物体Ｂの変位に相当する信号をＤ／Ａ変換回路９に出力し、Ｄ／Ａ変換回路９がアナログ信号に変換して外部に出力する。
【００２８】
また、ＣＰＵ５では被測定物体Ｂまでの距離を演算すると同時に、各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力が所定の出力範囲内に収まるように発光素子１の投光光量を決定しており、発光素子１の光量を制御するための制御信号Ｓ１を光量制御回路１０に出力し、この制御信号Ｓ１に応じて光量制御回路１０が発光素子１の点灯時間を変化させ、その投光光量を変化させている。ここで、ＣＰＵ５では、各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力をその配列順に読み取る動作（サンプリング動作）を２回行う毎に発光素子１の投光光量を変化させており、１回目に読み込んだ各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力は無視し、２回目に読み込んだ各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力が所望の大きさになるように、発光素子１の発光光量を変化させている。ここに、ＣＰＵ５及び光量制御回路１０から発光素子１の投光光量を制御する光量制御部が構成される。
【００２９】
以下にＣＰＵ５が発光素子１の投光光量を制御する動作について図２を参照して簡単に説明する。ここでは、説明を簡単にするために複数の受光セルＣ１〜Ｃｎの内、ただ１つの受光セルにスポット光が照射されるものとし、１回目のサンプリング動作が終了した時点（時刻ｔ２）で被測定物体Ｂが反射係数の高い白物体から反射係数の低い黒物体に変化した時の受光セルＣ１〜Ｃｎの出力変化を図２（ｂ）に示す。
【００３０】
ここで、時刻ｔ１から時間ｔ３１の間、発光素子１を点灯させるとともに、１回目のサンプリング動作を開始し、各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力をその配列順に読み出す。なお、１回目のサンプリング動作を行う際には、受光セルの出力が最適な値になっているものとする。また、ＭＯＳ信号処理回路７では受光セルＣ１〜Ｃｎの出力をその配列順に読み出しており、スキャン動作を開始してから特定の受光セルの出力を読み出すまでの時間は略一定となる。
【００３１】
次に１回目のサンプリング動作が終了した時点（時刻ｔ２）で、対象物が白物体から黒物体に切り換わると、対象物による反射光が急激に減少して、受光セルの出力が大幅に低下するので、２回目のサンプリング動作が終了した時点で、ＣＰＵ５は受光セルの出力が大幅に低下したと判断し、この時のセル出力から発光素子１の最適な発光光量を演算により求め、発光素子１の点灯時間をｔ３２（＞ｔ３１）に設定する。
【００３２】
その後、時刻ｔ３において、発光素子１を時間ｔ３２だけ点灯させるとともに、３回目のサンプリング動作を開始した場合、発光素子１を時間ｔ３２だけ点灯させれば、受光光量が十分大きくなって最適なセル出力を得ることができるが、スポット光の当たっている受光セルは、３回目のサンプリング動作を開始してから点灯時間ｔ３が経過するまでの間に出力が読み出されてしまうので、この受光セルから十分な大きさの出力が得られなくなる。ここで、ＣＰＵ５はサンプリング動作を２回行う毎に発光素子１の投光光量を変化させているので、３回目のサンプリング動作が終了した時点では発光素子１の発光光量を変化させることはなく、発光素子１の点灯時間を前回の時間ｔ３２のままとして、４回目のサンプリング動作を行う。
【００３３】
ところで、３回目のサンプリング動作を行う間の時刻ｔ４において、スポット光の照射された受光セルの出力を読み出した後も発光素子１は点灯しているので、この受光セルでは、出力を読み出された後、直ぐに光量の蓄積動作を行っている。つまり、この受光セルでは、その出力が読み出されてから発光素子１が消灯するまでの間（すなわち、図２の期間Ｔａ）、発光素子１の発光による反射光の光量を蓄積し、受光光量に応じた出力を発生する。ここで、サンプリング動作を開始してから、スポット光の照射された受光セルの出力を読み取るまでの時間をｔｘ（＝ｔ４−ｔ３）とすると、期間Ｔａ＝ｔ３２−ｔｘとなる。
【００３４】
次に、時刻ｔ５において、発光素子１を時間ｔ３２だけ点灯させるとともに、４回目のサンプリング動作を開始すると、この場合もスポット光の照射された受光セルは発光素子１の点灯途中に出力を読み出されてしまい、この受光セルには発光素子１が点灯してから、その出力が読み出されるまでの間だけ（すなわち図２の期間Ｔｂ）、発光素子１の発光による反射光の光量を蓄積し、受光光量に応じた出力を発生する。ここで、期間Ｔｂ＝ｔｘとなる。
【００３５】
したがって、４回目のサンプリング動作時において、スポット光の照射された受光セルから読み出される出力は、期間Ｔａ（＝ｔ３１−ｔｘ）に受光した受光光量と、期間Ｔｂ（＝ｔｘ）に受光した受光光量との和に比例した値になり、結局期間（Ｔａ＋Ｔｂ）＝ｔ３１の間に受光した受光光量に比例した値となるので、スポット光の照射される受光セルの出力は、ＣＰＵ５が補正しようとした値に略等しい値となり、発光素子１の投光光量を正確に補正することができる。なお、３回目のサンプリング動作時に得られた各受光セルＣ１〜Ｃｎの出力は無視し、この出力は測距用のデータとしては使用しない。また、上述の説明では、説明を簡単にするために、１つの受光セルのみにスポット光が照射される場合について説明を行ったが、実際には複数の受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎにまたがってスポット光が照射されることになる。
【００３６】
なお、ＣＰＵ５では、各受光セルＣ１〜Ｃｎの内、出力が最大となる受光セルの出力信号が出力範囲の略中央の値（すなわち出力飽和値の約４０〜６０％の値）となるように発光素子１の投光光量を決定している。ここで、対象物の反射率が小さかったり、発光素子１の発光光量が小さいなどの理由で、出力波形のピーク値が低い場合（図３（ｃ）参照）、出力が最大の受光セルに対して、図中左側の受光セルの出力と、図中右側の受光セルの出力との比率を正確に求めることができず、また各受光セルＣ１…の出力がノイズに埋もれてしまう虞がある。逆にピーク値が大きいと被測定物体Ｂの反射率が急激に変化して、受光セルＣ１…の出力が飽和してしまう虞がある。したがって、ＣＰＵ５では、出力波形のピーク値が各受光セルＣ１…の出力範囲の中心付近の値となるように発光素子１の発光光量を制御しており、出力波形の中心位置を安定的に検出することができる。
【００３７】
ところで、本実施形態では複数の光電変換素子が配列された受光部としてＭＯＳイメージセンサを例に説明を行ったが、受光部をＭＯＳイメージセンサに限定する趣旨のものではなく、受光セルがアレイ状に配列されていれば、フォトダイオードをアレイ状に配列したセンサや、ＣＣＤ素子をアレイ状に配列したＣＣＤイメージセンサなどを用いても良いことは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
上述のように、請求項１の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体の表面での光ビームによる反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列された受光部と、各光電変換素子の出力信号をその配列順に読み込み、その出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位より被測定物体の基準位置からの変位を求める動作を所定のサンプリング周期で繰り返し行う変位検出部と、投光部の投光光量を制御する光量制御部とを備え、前記投光部は、前記サンプリング周期が経過する毎に、変位検出部がサンプリング動作を開始した時点から所定の点灯時間だけ光ビームを照射し、前記光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて、出力信号が光電変換素子の出力飽和値内に収まるように次の２回のサンプリング時の点灯時間を変化させることを特徴とし、変位検出部は複数の光電変換素子の出力をその配列順に読み込んでおり、最初に読み込まれる光電変換素子では、サンプリングを開始してから出力を読み込むまでの時間が短く、投光光量を変化させたことによる出力変化がすぐには現れないため、変位検出部が光電変換素子の出力を１回サンプリングする毎に前回の出力に応じて投光光量を変化させた場合は、投光光量を正確に補正することができない虞があるが、光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて投光部の投光光量を制御しており、１回目のサンプリング時に投光光量を変化させたことによる出力の変化が２回目のサンプリング時には確実に現れるので、２回目のサンプリング結果に応じて投光光量を制御することにより、投光光量を正確に補正することのできる光学式変位測定装置を実現できるという効果がある。
【００３９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、光量制御部は、複数の光電変換素子の内、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御することを特徴とし、光電変換素子の出力が小さすぎると、ノイズの影響が大きくなり、逆に大きすぎると、被測定物体の反射率の変化などによって受光光量が変化した際に、光電変換素子の出力が飽和してしまうが、光量制御部は、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御しているので、光電変換素子の出力が小さすぎたり、大きすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出できる光学式変位測定装置を実現できるという効果がある。
【００４０】
請求項３の発明は、投光部が被測定物体に光ビームを照射し、被測定物体の表面での光ビームによる反射光をスポット光として受光部に照射させ、受光部の受光面に配列された複数の光電変換素子が受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生し、変位検出部が各光電変換素子の出力信号をその配列順に読み込み、その出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位より被測定物体の基準位置からの変位を求める動作を所定のサンプリング周期で繰り返し行っており、投光部は、前記サンプリング周期が経過する毎に、変位検出部がサンプリング動作を開始した時点から所定の点灯時間だけ光ビームを照射し、光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて、出力信号が光電変換素子の出力飽和値内に収まるように次の２回のサンプリング時の点灯時間を変化させることを特徴とし、変位検出部は複数の光電変換素子の出力をその配列順に読み込んでおり、最初に読み込まれる光電変換素子では、サンプリングを開始してから出力を読み込むまでの時間が短く、投光光量を変化させたことによる出力変化がすぐには現れないため、変位検出部が光電変換素子の出力を１回サンプリングする毎に前回の出力に応じて投光光量を変化させた場合は、投光光量を正確に補正することができない虞があるが、光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて投光部の投光光量を制御しており、１回目のサンプリング時に投光光量を変化させたことによる出力の変化が２回目のサンプリング時には確実に現れるので、２回目のサンプリング結果に応じて投光光量を制御することにより、投光光量を正確に補正することができるという効果がある。
【００４１】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、光量制御部は、複数の光電変換素子の内、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御することを特徴とし、光電変換素子の出力が小さすぎると、ノイズの影響が大きくなり、逆に大きすぎると、被測定物体の反射率の変化などによって受光光量が変化した際に、光電変換素子の出力が飽和してしまうが、光量制御部は、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御しているので、光電変換素子の出力が小さすぎたり、大きすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光学式変位測定装置の概略構成図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は同上の動作を説明する説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は同上に用いるＭＯＳイメージセンサの出力波形を示す波形図である。
【図４】従来の光学式変位測定装置の概略構成図である。
【図５】（ａ）は同上に用いるＭＯＳイメージセンサの受光面にスポット光が入射した状態を示す正面図、（ｂ）はスポット光による各受光セルの出力波形である。
【図６】（ａ）（ｂ）は同上の動作を説明する説明図である。
【図７】同上に用いるＭＯＳイメージセンサの出力波形を示す波形図であり、（ａ）は発光素子の発光光量を補正する前の波形図、（ｂ）は補正後の波形図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は同上の動作を説明する説明図である。
【符号の説明】
Ａ光学式変位測定装置
Ｂ被測定物体
１発光素子
４ＭＯＳイメージセンサ
５ＣＰＵ
１０光量制御回路

Claims

被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体の表面での光ビームによる反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列された受光部と、各光電変換素子の出力信号をその配列順に読み込み、その出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位より被測定物体の基準位置からの変位を求める動作を所定のサンプリング周期で繰り返し行う変位検出部と、投光部の投光光量を制御する光量制御部とを備え、前記投光部は、前記サンプリング周期が経過する毎に、変位検出部がサンプリング動作を開始した時点から所定の点灯時間だけ光ビームを照射し、前記光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて、出力信号が光電変換素子の出力飽和値内に収まるように次の２回のサンプリング時の点灯時間を変化させることを特徴とする光学式変位測定装置。
光量制御部は、複数の光電変換素子の内、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御することを特徴とする請求項１記載の光学式変位測定装置。
投光部が被測定物体に光ビームを照射し、被測定物体の表面での光ビームによる反射光をスポット光として受光部に照射させ、受光部の受光面に配列された複数の光電変換素子が受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生し、変位検出部が各光電変換素子の出力信号をその配列順に読み込み、その出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位より被測定物体の基準位置からの変位を求める動作を所定のサンプリング周期で繰り返し行っており、投光部は、前記サンプリング周期が経過する毎に、変位検出部がサンプリング動作を開始した時点から所定の点灯時間だけ光ビームを照射し、光量制御部は、変位検出部が光電変換素子の出力信号を２回サンプリングする毎に、２回目にサンプリングした際の各光電変換素子の出力信号の大きさに応じて、出力信号が光電変換素子の出力飽和値内に収まるように次の２回のサンプリング時の点灯時間を変化させることを特徴とする光学式変位測定装置の投光光量補正方法。
光量制御部は、複数の光電変換素子の内、出力が最大となる光電変換素子の出力信号が、光電変換素子の出力飽和値の略半分の値となるように、投光部の投光光量を制御することを特徴とする請求項３記載の光学式変位測定装置の投光光量補正方法。