JP4438603B2 - 光学式変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物を撮像した受光データに基づき、測定対象物までの距離の検出を行う光学式変位センサに関する。

従来から、ライン状の投光ビームで照射された測定対象物を受光素子によりライン状で撮像して、三角測距方式で測定対象物までの距離測定をライン状に行う光学式変位センサが知られている。一例として、受光レベルのピーク位置を算出して、そのピーク位置から測定対象物までの距離を算出する光学式変位センサ（例えば、特許文献１）などが挙げられる。

図４に、従来の光学式変位センサの動作の一例を示す。図４（ａ）のように、例えば、白色の背景（Ａ）における黒色の測定対象物（Ｂ）を同時に見て測定する場合、投光素子に対する投光パワーや受光素子に対するサンプリング周期を一定にすると、Ａ点では受光量が適正範囲内になり測定できるものの、図４（ｂ）のように、Ｂ点では受光量が適正範囲外となり測定できない。

このため、従来では、測定対象物の色むらや測定対象物と背景の色などの状態に応じて、イメージセンサの各画素の受光量が所定の上下限値内に収まるように、測定エリアごとに投光パワーやサンプリング周期などの制御条件を変える受光量制御を行っていた。
特開平１０−１９７２１２号公報

しかし、上記したように従来では、測定対象物の状態に応じて、その都度、投光パワーやサンプリング周期などの制御を行っていたため、制御が複雑となり測定速度を向上できなかった。すなわち、従来では、測定対象物の状態にかかわらず、一定の制御条件での測定を可能として、高速測定を可能とした光学式変位センサを実現できなかった。

本発明は、前記の問題点を解決して、測定対象物の状態にかかわらず、一定の制御条件での測定を可能として、高速測定を可能とした光学式変位センサを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明にかかる光学式変位センサは、ライン状の投光ビームで照射された測定対象物を受光素子によりライン状で撮像して、その受光データに基づいて測定対象物までの距離をライン状に検出するものであって、測定エリア内で測定対象物を撮像した各画素の受光量が一律に飽和した状態となるように、受光素子の受光量制御条件を一定に保持する制御を行う受光量飽和制御手段と、前記飽和された飽和画素をサーチし、飽和画素群の両端の情報に基づきピーク位置の距離を計算して、測定対象物までの距離をライン状に検出する飽和状態距離検出手段とを備えている。

この構成によれば、一定の受光量制御条件の下で測定対象物を撮像した各画素の受光量を一律に飽和させることで、飽和画素群の両端の情報に基づいて計算された受光量のピーク位置の距離により測定対象物までの距離が検出されるので、測定対象物の状態にかかわらず、一定の受光量制御条件で測定が可能となるから、制御が容易で高速に測定を行うことができる。

好ましくは、前記飽和状態距離検出手段は、飽和画素群の両端の中心値によりピーク位置を計算するものである。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る光学式変位センサを示す構成図である。本センサは、ライン状の投光ビームを測定対象物Ｍに照射する投光素子１、２次元配列されて測定対象物Ｍからの反射光をライン状で受光して測定対象物Ｍを撮像する受光素子（イメージセンサ）２、イメージセンサ２に対して例えばシャッタ時間制御による受光量制御を行うほかに、本センサ全体の制御を行う制御部（例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array））３、および表示部（ＬＣＤ）１０を備えている。本センサは、測定対象物Ｍまでの距離を測定対象物Ｍの状態にかかわらず一定の受光量制御条件で測定し、この測定対象物Ｍまでの距離に基づき例えば高さ形状を検出するものである。なお、測定対象物Ｍまでの距離に基づき測定対象物Ｍの厚さや孔形状有無などを検出してもよい。

図２は、本センサのブロック図を示す。図２（ａ）のイメージセンサ２は例えばＣＭＯＳイメージセンサであり、レンズユニットを有し、Ａ／Ｄ変換器を内蔵している。また投光素子１は例えばレーザーダイオード（ＬＤ）であり、同様にレンズユニットを有し、ＬＤ駆動回路４により駆動される。この例では、図１のＬＤ１は、紙面に直交する方向にライン状に投光（スポット）し、イメージセンサ２も紙面に直交する方向にライン状に受光する。

図２（ｂ）の制御部３は、測定エリア内で測定対象物Ｍを撮像した各画素の受光量が一律に飽和した（過多となる）状態となるように、イメージセンサ２の受光量制御条件を一定に保持する制御を行う受光量飽和制御手段２３を備えている。この場合、測定対象物Ｍの色むらや測定対象物Ｍと背景の色などの状態にかかわらず、測定対象物Ｍの最も反射率の低いものでも一律に各画素の受光量が飽和するように、例えばイメージセンサ２に対してシャッタ開時間を制御するシャッタ時間制御による受光量制御条件を一定に保持する制御が行われる。なお、シャッタ制御に代えて、イメージセンサ２に対してサンプリング周期を制御するサンプリング制御や、ＬＤ１に対して投光パワー（投光時間）の制御などの受光量制御条件を一定にする制御を行ってもよい。

図２（ａ）の制御部３は、特徴抽出部５および高さ変換処理部６からなる飽和状態距離検出手段７を備えている。図２（ｂ）に示すように、特徴抽出部５は、前記受光量飽和制御手段２３により飽和された飽和画素をサーチする飽和画素サーチ部１２および飽和画素群の両端の情報に基づきピーク位置の距離を計算するピーク位置計算部１３を備えている。例えば、ピーク位置計算部１３は飽和画素群の両端の中心値によりピーク位置Ｐ１を計算する。高さ変換処理部６は、ピーク位置の距離を高さ形状のデータに変換処理する。

また、図２（ａ）の制御部３は、演算処理手段（各機能処理部）８および判定手段（しきい値判定部）９を備えている。各機能処理部８は、前記したように、この例における測定対象物Ｍの高さ形状のほかに厚さや孔形状有無などの処理機能を有する。各機能処理部８は、形状記憶部１５に記憶されたライン状の基準となる登録形状と、測定対象物Ｍの検出された距離に基づくライン状の検出形状とを比較して一致度を算出する。しきい値判定部９は、算出された一致度と設定された一致度のしきい値との比較で測定対象物Ｍの良否を判定する。

また、制御部３は、機能選択、シャッタ時間、各機能しきい値などを設定する設定値Ｒ／Ｗ部１１、表示データを表示部（ＬＣＤ）１０に転送する表示データ転送部１４などを備えている。設定値Ｒ／Ｗ部１１は、前記した設定値について、これらを記憶する設定値記憶部（ＥＥＰＲＯＭ）２２に対して読み込み、書き込みを行う。これらは、スイッチ操作部１６の操作により、ＣＰＵ１７を介して行われる。本センサは表示部１０を内蔵した一体型センサとなっており、小型化を図ることができる。

その他、本センサは、前記しきい値判定部９から判定結果を出力する出力回路１８、本センサに電源を供給する電源回路１９、クロック回路２０、リセット回路２１なども備えている。

図３は、本センサの動作を示す。図３（ａ）は、例えば白色の背景（Ａ）における黒色の測定対象物（Ｂ）を同時に見て測定する場合を示す。本センサでは、受光量飽和制御手段２３により、測定対象物の状態にかかわらず、測定エリア内で測定対象物の最も反射率の低いものでも一律に各画素の受光量が飽和するように、シャッタの開時間を一定にする制御が行われる。反射率の低いもの（黒色）でも各画素の受光量が飽和するように制御されるので、反射率の高いもの（白色）は当然に各画素の受光量が飽和する。このように、測定対象物の状態にかかわらず、シャッタの開時間が一定の値に設定されて、常に各画素の受光量が飽和するように制御される。

このとき、白色の背景（Ａ）では、図３（ｂ）のような測定距離に対する受光量となる。黒色の測定対象物では、図３（ｃ）のような測定距離に対する受光量となる。

つぎに、飽和画素サーチ部１２により飽和画素がサーチされ、ピーク位置計算部１３により飽和画素群の両端の情報に基づきピーク位置が計算される。図３（ｃ）の黒色の測定対象物では飽和画素群の両端の中心値によりピーク位置Ｐ１が計算され、図３（ｂ）の白色の背景（Ａ）では同様にピーク位置Ｐ２が計算される。高さ変換処理部６により、ピーク位置の距離が高さ形状のデータに変換処理される。図３（ｃ）ではｈ１、図３（ｂ）ではｈ２の高さ形状のデータが算出される。本発明では、一定の受光量制御条件で各画素の受光量を飽和させることで、受光量そのものではなく、受光量が飽和した飽和画素群の両端の位置情報に基いて、測定対象物Ｍまでの距離を検出しているので、測定対象物の反射率などの状態の影響を受けることなく、受光量のピーク位置の距離から高さ形状を算出することができる。

このように、本発明は、従来のように測定対象物の状態に応じて、測定エリアごとにイメージセンサの受光量を変化させる制御を行っていたため、制御が複雑で測定速度を向上できなかったのと異なり、各画素の受光量を飽和させることで、受光量のピーク位置の距離から高さ形状が算出されるので、測定対象物の状態にかかわらず、一定の受光量制御条件で測定が可能となるから、制御が容易で高速の測定を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る光学式変位センサを示す構成図である。 図１の光学式変位センサを示すブロック図である。 図１の光学式変位センサの動作を示す図である。 従来の光学式変位センサの動作の一例を示す図である。

符号の説明

１：投光素子（ＬＤ）
２：受光素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）
３：制御部
５：特徴抽出部
７：飽和状態距離検出手段
１２：飽和画素サーチ部
１３：ピーク位置計算部
２３：受光量飽和制御手段

Claims (2)

1. ライン状の投光ビームで照射された測定対象物を受光素子によりライン状で撮像して、その受光データに基づいて測定対象物までの距離をライン状に検出する光学式変位センサであって、
   測定エリア内で測定対象物を撮像した各画素の受光量が一律に飽和した状態となるように、受光素子の受光量制御条件を一定に保持する制御を行う受光量飽和制御手段と、
   前記飽和された飽和画素をサーチし、飽和画素群の両端の情報に基づきピーク位置の距離を計算して、測定対象物までの距離をライン状に検出する飽和状態距離検出手段とを備えた光学式変位センサ。
2. 請求項１において、
   前記飽和状態距離検出手段は、飽和画素群の両端の中心値によりピーク位置を計算するものである光学式変位センサ。