JP4521260B2 - Absolute position detector - Google Patents
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本発明は、絶対位置検出装置に係り、特に、直線上の絶対位置を検出することができる絶対位置検出装置に関する。 The present invention relates to an absolute position detection device, and more particularly to an absolute position detection device capable of detecting an absolute position on a straight line.
従来、直線上の絶対位置を検出する絶対位置検出装置として、例えば、アブソリュート型リニアエンコーダが知られている。このアブソリュート型リニアエンコーダは、図8に示すように、所定の語長の位置情報を表すアブソリュートコード(ABSコード)1205がX方向に記録されたシリアルアブソリュートスケール1200と、スケール1200と相対向して配置されて、スケール1200上のアブソリュートコード1205における金属蒸着膜部分1205aあるいは非蒸着部分1205bを透過した透過光を検出するABSコード検出器101と、ABSコード検出器101の検出による透過光をその明暗に応じて2値情報に変換する変換回路104と、変換回路104の出力による2値情報を格納するシフトレジスタ103と、シフトレジスタ103に記憶された2値情報を基に演算処理するコンピュータ(図示せず)とを備え、スライダー(図示せず)がスケール1200に対して相対的に静止しているときに、ABSコード検出器101は検出ヘッド100とともにX方向に沿って所定の語長に相当する距離だけ変位して2値情報を検出し、ABSコード検出器101の検出による2値情報を変換回路104を介して順次シフトレジスタ103に格納し、シフトレジスタ103に格納された2値情報(位置情報)を基に、ABSコード検出器101の変位量をスライダーの移動の初期位置から減算して、スライダーの初期位置を検出するようにしたものが提案されている(特許文献1参照)。
Conventionally, for example, an absolute linear encoder is known as an absolute position detection device that detects an absolute position on a straight line. As shown in FIG. 8, this absolute type linear encoder has a serial
従来技術においては、直線上の絶対位置を求めるに際して、シフトレジスタ103に格納された2値情報の配列を位置情報を表すシリアルアブソリュート信号に変換し、変換されたシリアルアブソリュート信号に基づいてコンピュータが初期位置を求めるための演算を行ったり、スケール1200にABSコード1205を記録したりしなければならない。このため、従来技術の構成を移動体の直線上における絶対位置、例えば、測量機のオートフォーカス機構に用いられる合焦レンズの直線上の絶対位置を求めるものに適用しても、直線上の絶対位置を高速に求めたり、位置情報の分解能を高めたりするには十分ではない。
In the prior art, when obtaining the absolute position on the straight line, the binary information array stored in the
本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、直線上の絶対位置を高分解能で、かつ高速に求めることにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to obtain an absolute position on a straight line with high resolution and at high speed.
前記目的を達成するため、複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列され、前記各光電変換素子に対応して発生するシフトクロックに応答して前記各光電変換素子の光電変換に伴う信号電荷に応じた電気信号を順次出力するリニアイメージセンサと、前記リニアイメージセンサと相対向して配置され、かつ前記複数の光電変換素子の配列方向に沿って相対移動可能に配置されて前記リニアイメージセンサのいずれかの光電変換素子に向けて光を照射する光源と、前記光源と前記リニアイメージセンサとの間に配置されたコリメータレンズと、該コリメータレンズと前記リニアイメージセンサとの間に配置されて、前記光源から発生する光を複数の光に分岐させて出射する光分岐手段と、前記複数の光電変換素子の出力を前記リニアイメージセンサ上の1番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較する比較器と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベルを超えたことを検出する立上りエッジ検出手段と、前記比較器の比較結果を監視して、前記いずれかの光電変換素子の出力が前記判定レベル以下になったことを検出する立下りエッジ検出手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立上りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶する第1の記憶手段と、前記シフトクロックに応答してシフトクロック数を計数するとともに、この計数値を前記立下りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶する第2の記憶手段と、前記第1の記憶手段に記憶された複数の計数値と前記第2の記憶手段に記憶された複数の計数値とを基に前記リニアイメージセンサ上における前記光の照射位置を前記1番目の光電変換素子を基準として検出する位置検出手段とを備えて構成した。 In order to achieve the object, a plurality of photoelectric conversion elements are linearly arranged at equal intervals, and a signal accompanying photoelectric conversion of each photoelectric conversion element in response to a shift clock generated corresponding to each photoelectric conversion element A linear image sensor that sequentially outputs electrical signals according to electric charge; and the linear image sensor disposed opposite to the linear image sensor and arranged to be relatively movable along an arrangement direction of the plurality of photoelectric conversion elements. A light source that emits light toward one of the photoelectric conversion elements of the sensor, a collimator lens disposed between the light source and the linear image sensor, and disposed between the collimator lens and the linear image sensor. A light branching means for branching the light generated from the light source into a plurality of lights, and outputting the outputs of the plurality of photoelectric conversion elements to the linear image A comparator that sequentially captures the first photoelectric conversion elements on the sensor in accordance with the arrangement order and compares them with the determination level, and monitors the comparison result of the comparator, and the output of any one of the photoelectric conversion elements is the determination level. Rising edge detecting means for detecting that the output exceeds one of the above, and a falling edge detecting means for monitoring the comparison result of the comparator and detecting that the output of any one of the photoelectric conversion elements is below the determination level And a first storage means for counting the number of shift clocks in response to the shift clock and storing the count value every time a detection output is generated from the rising edge detection means, and in response to the shift clock. A second storage means for counting the number of shift clocks and storing the count value every time a detection output is generated from the falling edge detection means; Based on the plurality of count values stored in the storage means and the plurality of count values stored in the second storage means, the irradiation position of the light on the linear image sensor is referred to the first photoelectric conversion element. And a position detecting means for detecting as described above.
(作用)複数の光電変換素子が直線状に等間隔に配列されたリニアイメージセンサに向けて光源から光を照射したときに、シフトクロックに同期して各光電変換素子の出力をリニアイメージセンサ上の1番目の光電変換素子から配列順序に従って順番に取り込んで判定レベルと比較するとともに、シフトクロック数を計数し、シフトクロック数の計数値を立上りエッジ検出手段から検出出力が発生する毎に記憶するとともに、立下りエッジ検出出力から検出出力が発生する毎に記憶し、記憶された各計数値を基にリニアイメージセンサ上における光の照射位置を1番目の光電変換素子を基準とした直線上の絶対位置として検出するようにしたため、簡単な演算によってリニアイメージセンサ上における光の照射位置を直線上の絶対位置として高速に求めることができるとともに、検出値に異常が生じたときには、光源とリニアイメージセンサとの間にゴミなどが存在していると判断することができる。また、光の照射位置の分解能は、光電変換素子の数に比例して高くなるので、光電変換素子の数を多くすることで、光の照射位置に関する分解能を高めることができる。 (Operation) When light is emitted from a light source toward a linear image sensor in which a plurality of photoelectric conversion elements are linearly arranged at equal intervals, the output of each photoelectric conversion element is synchronized with a shift clock on the linear image sensor. Are taken in order from the first photoelectric conversion element according to the arrangement order and compared with the determination level, the number of shift clocks is counted, and the count value of the number of shift clocks is stored each time a detection output is generated from the rising edge detection means. At the same time, each time a detection output is generated from the falling edge detection output, it is stored, and the irradiation position of light on the linear image sensor based on each stored count value is on a straight line with the first photoelectric conversion element as a reference. Since it is detected as an absolute position, the light irradiation position on the linear image sensor is made an absolute position on a straight line by simple calculation. It is possible to determine the speed, when the abnormality in the detection value occurs, dust between the light source and the linear image sensor can be determined to be present. Moreover, since the resolution of the light irradiation position increases in proportion to the number of photoelectric conversion elements, the resolution related to the light irradiation position can be increased by increasing the number of photoelectric conversion elements.
そして、図1(c)に示すように、光分岐手段としてスリットが2個の場合、光電変換素子の出力が最初に判定レベルを越えたときのシフトクロック数をC1とし、光電変換素子の出力が最初に判定レベルを超えた後、判定レベル以下になったときのシフトクロック数をC2とし、光電変換素子の出力が2番目に判定レベルを越えたときのシフトクロック数をC3とし、光電変換素子の出力が2番目に判定レベルを超えた後、判定レベル以下になったときのシフトクロック数をC4とし、各光電変換素子の素子間隔をPとすると、リニアイメージセンサ上の1番目の光電変換素子を基準とした第1の立上りエッジ位置(光電変換素子の出力が最初に判定レベルを越えたときの基準位置からの距離)L1は、L1=C1×Pとして求められ、リニアイメージセンサ上の1番目の光電変換素子を基準とした第1の立下りエッジ位置(光電変換素子の出力が最初に判定レベルを超え、そのあと判定レベル以下になったときの基準位置からの距離)L2は、L2=C2×Pとして求められ、リニアイメージセンサ上の1番目の光電変換素子を基準とした第2の立上りエッジ位置(光電変換素子の出力が2番目に判定レベルを越えたときの基準位置からの距離)L3は、L3=C3×Pとして求められ、リニアイメージセンサ上の1番目の光電変換素子を基準とした第2の立下りエッジ位置(光電変換素子の出力が2番目に判定レベルを超え、そのあと判定レベル以下になったときの基準位置からの距離)L4は、L4=C4×Pとして求められ、リニアイメージセンサ上に照射された光の中心位置Psnは、Psn=(L1+L2+L3+L4)/4として求められる。 As shown in FIG. 1C, when there are two slits as the light branching means, the number of shift clocks when the output of the photoelectric conversion element first exceeds the determination level is C1, and the output of the photoelectric conversion element After the first exceeds the judgment level, the number of shift clocks when the level falls below the judgment level is C2, and the number of shift clocks when the output of the photoelectric conversion element second exceeds the judgment level is C3. When the number of shift clocks when the output of the element exceeds the determination level for the second time and then becomes equal to or less than the determination level is C4, and the element interval of each photoelectric conversion element is P, the first photoelectric on the linear image sensor. The first rising edge position with respect to the conversion element (the distance from the reference position when the output of the photoelectric conversion element first exceeds the determination level) L1 is obtained as L1 = C1 × P. The first falling edge position with respect to the first photoelectric conversion element on the image sensor (from the reference position when the output of the photoelectric conversion element first exceeds the determination level and then falls below the determination level) The distance (L2) is obtained as L2 = C2 × P, and the second rising edge position with the first photoelectric conversion element on the linear image sensor as a reference (the output of the photoelectric conversion element has exceeded the determination level second) (Distance from the reference position) L3 is obtained as L3 = C3 × P, and the second falling edge position (the output of the photoelectric conversion element is 2 based on the first photoelectric conversion element on the linear image sensor) The distance from the reference position (L4) when L4 exceeds the determination level and then falls below the determination level) is determined as L4 = C4 × P, and the center position of the light irradiated on the linear image sensor The device Psn is obtained as Psn = (L1 + L2 + L3 + L4) / 4.
以上の説明から明らかなように、請求項1に係る発明によれば、簡単な演算で光の照射位置を直線上の絶対位置として高速に求めることができるとともに、光電変換素子の数に応じて分解能を高めることができる。特に、各光電変換素子の出力と判定レベルとの比較をより正確に行なうことができ、絶対位置検出精度を高めることができる。さらに、検出値に異常が生じたときには、光源とリニアイメージセンサとの間にゴミなどが存在していると判断することができる。 As is apparent from the above description , according to the invention of claim 1, the light irradiation position can be obtained at high speed as an absolute position on a straight line with a simple calculation, and according to the number of photoelectric conversion elements. The resolution can be increased. In particular, the output of each photoelectric conversion element and the determination level can be compared more accurately, and the absolute position detection accuracy can be increased. Furthermore, when an abnormality occurs in the detection value, it can be determined that dust or the like exists between the light source and the linear image sensor.
次に、本発明の実施形態を、実施例に基づいて説明する。図1(a)は本発明の一実施例を示す絶対位置検出装置の概略構成図、図1(b)は、1個のスリットを有するスリット板を光源とリニアイメージセンサとの間に配置したときの側面図、図1(c)は、2個のスリットを有するスリット板を光源とリニアイメージセンサとの間に配置したときの側面図、図2は図1に示す絶対位置検出装置のブロック構成図、図3は図2に示す絶対位置検出装置の動作を説明するための波形図である。 Next, embodiments of the present invention will be described based on examples. FIG. 1A is a schematic configuration diagram of an absolute position detection device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 1B shows a slit plate having one slit disposed between a light source and a linear image sensor. 1C is a side view when a slit plate having two slits is arranged between the light source and the linear image sensor, and FIG. 2 is a block diagram of the absolute position detection device shown in FIG. FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the operation of the absolute position detecting device shown in FIG.
これらの図において、絶対位置検出装置は、例えば、アブソリュート型リニアエンコーダとして、長方形形状に形成されたベース10を備えており、ベース10にはリニアイメージセンサ(ラインセンサ)12が固定されている。リニアイメージセンサ12は、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの半導体素子を備えて構成されており、これら半導体素子のうち複数個の光電変換素子S1〜Snが、例えば、5、000〜10、000個直線状に等間隔(例えば、7μmピッチ)で配列されている。
In these drawings, the absolute position detection device includes a
一方、リニアイメージセンサ12に相対向して移動体14が配置されており、移動体14の前面(リニアイメージセンサ12と相対向する面)のほぼ中央部には光源16が固定されている。移動体14はベース10と平行になって配置され、モータやリンク機構(図示せず)などの駆動手段により、各光電変換素子(Si)の配列方向に沿って直線状に往復動可能に配置されている。そして光源16からコリメータレンズ17を介してリニアイメージセンサ12に光が照射されるようになっている。
On the other hand, a moving
光源16からの光がコリメータレンズ17を介してリニアイメージセンサ12のいずれかの光電変換素子(Si)に照射されたときに、光の照射位置を直線上の絶対位置として検出するに際して、クロックドライバ18からリニアイメージセンサ12とCPU(マイクロプロセッサ)20に対して、1フレーム毎、例えば、1ms毎にシフトパルスSPが出力されるとともに、クロックドライバ18からリニアイメージセンサ12に対して、1フレームの間、各光電変換素子に対応してシフトクロックSCが一定の間隔で順次出力されるようになっている。シフトパルスSPは、CPU20に対して、データの読み始めまたは読み終わりを規定するタイミング信号として用いられ、シフトパルスSPが発生した後、シフトクロックSCが順次リニアイメージセンサ12に入力されると、リニアイメージセンサ12からは、シフトクロックSCの立上りまたは立下りに応答して、各光電変換素子の光電変換に伴う信号電荷に応じた電気信号が1番目の光電変換素子S1から配列順序にしたがって順次増幅器22に出力されるようになっている。増幅器22はリニアイメージセンサ12の出力による電気信号を順次増幅し、増幅した信号を比較器24に出力するようになっている。比較器24は、増幅器22の出力による電気信号を順次取り込んで判定レベル(エッジ判定レベル電圧)26と比較し、各比較結果を立上りエッジ検出回路28と立下りエッジ検出回路30に出力するようになっている。
When light from the
立上りエッジ検出回路28は、比較器24の比較結果を監視して、増幅器22の出力が判定レベル26を超えたときに、いずれかの光電変換素子の出力が判定レベル26を超えたとして、立上りエッジ検出出力をカウンタ値ラッチ回路32に出力する立上りエッジ検出手段として構成されている。一方、立下りエッジ検出回路30は、比較器24の比較結果を監視して、増幅器22の出力が判定レベル26以下になったときに、いずれかの光電変換素子の出力が判定レベル26以下になったとして、立下りエッジ検出出力をカウンタ値ラッチ回路34に出力する立下りエッジ検出手段として構成されている。
The rising
カウンタ値ラッチ回路32は、シフトクロックSCの立上りおよび立下りに応答してシフトクロックSCを計数し、この計数値(カウンタ値)を立上りエッジ検出回路28からの立上りエッジ検出出力に応答して記憶し、記憶した計数値を加算回路36に出力する第1の記録手段として構成されている。このカウンタ値ラッチ回路32は、例えば、図3に示すように、立上りエッジ検出回路28からタイミングt1で立上りエッジ検出出力が発生したときには、タイミングt1における計数値(シフトクロック数)C1をラッチし、ラッチした計数値(シフトクロック数)C1を加算回路36に出力するようになっている。カウンタ値ラッチ回路34はシフトクロックSCの立上りおよび立下りに応答してシフトクロックSCを計数して、この計数値(カウンタ値)を立下りエッジ検出回路30からの立下りエッジ検出出力に応答してラッチし、ラッチした計数値を加算回路36に出力する第2の記録手段として構成されている。このカウンタ値ラッチ回路34は、例えば、図3に示すように、タイミングt2で立下りエッジ検出回路30から立下りエッジ検出出力が発生したときに、タイミングt2における計数値(シフトクロック数)C2をラッチし、このラッチした計数値(シフトクロック数)C2を加算回路36に出力するようになっている。
The counter
加算回路36は、カウンタ値ラッチ回路34でラッチされた計数値(シフトクロック数)C1とカウンタ値ラッチ回路34でラッチされた計数値(シフトクロック数)C2とを加算し、加算値をビットシフト回路38に出力するようになっている。ビットシフト回路38においては、加算値を2で割るための演算を行い、この演算値によるデータを、リニアイメージセンサ12上における光の照射位置に関するデータ、すなわち、光スポットの中心位置Psnに関するデータとしてCPU20に出力するようになっている。CPU20においては、ビットシフト回路38からのデータを基に、リニアイメージセンサ12上における光の照射位置を直線上の絶対位置として演算するようになっている。
The
具体的には、シフトクロックSCは、一番目の光電変換素子S1からn番目の光電変換素子Snに対応して順番に出力され、カウンタ値ラッチ回路32、34にラッチされたシフトクロック数C1、C2はそれぞれ1番目の光電変換素子S1を基準とした素子数に相当する。このため、CPU20は、増幅器22の出力が判定レベル26を超えたとき、すなわち、光スポット光量分布特性が立上るときのシフトクロック数をC1とし、増幅器22の出力が判定レベル26以下になったとき、すなわち、光スポット光量分布特性が立下がるときのシフトクロック数をC2とし、光電変換素子の素子間隔の寸法をPとし、リニアイメージセンサ12上の1番目の光電変換素子S1からの立上りエッジ位置(基準位置からの距離)L1を、L1=C1×Pとして演算し、リニアイメージセンサ12上の1番目の光電変換素子S1からの立下りエッジ位置(基準位置からの距離)L2を、L2=C2×Pとして演算し、リニアイメージセンサ12上の光の照射位置、すなわち、光スポットの中心位置Psnを、Psn=(L1+L2)/2として演算するようになっている。
Specifically, the shift clock SC is sequentially output corresponding to the first photoelectric conversion element S1 to the nth photoelectric conversion element Sn, and the number of shift clocks C1 latched in the counter
この場合、加算回路36、ビットシフト回路38、CPU20はシフトクロック数C1、C2を基にリニアイメージセンサ12上における光の照射位置である光スポットの中心位置Psnを1番目の光電変換素子S1を基準として検出する位置検出手段として構成されている。また、立上りエッジ検出回路28、立下りエッジ検出回路30、カウンタ値ラッチ回路32、34は、比較器24の比較結果を各光電変換素子に関連付けて監視し、複数の光電変換素子S1〜Snのうちその出力が最初に判定レベル26越えた光電変換素子と、その出力が判定レベル26を超えた後最初に判定レベル26以下になった光電変換素子を特定する光電変換素子特定手段を構成することになる。
In this case, the
本実施例においては、リニアイメージセンサ12として、複数の光電変換素子が数ミクロメートルの間隔で配置されたものを用いて、各光電変換素子に向けて光源16からの光をコリメータレンズ17を介して照射し、リニアイメージセンサ12から輝度に応じた電気信号を出力し、電気信号のレベルが判定レベル26を超えるか否かを判定し、この判定結果を基に光スポットの立上りエッジ位置と立下りエッジ位置を算出し、この算出結果から光スポットの中心位置を算出するようにしたため、簡単な演算によって光スポットの中心位置をリニアイメージセンサ12上の絶対位置として求めることができ、高速化および高分解能化に寄与することができる。
In the present embodiment, a
以上の説明では、光源16として単に光スポットを形成するものについて述べたが、光スポットの光量分布のエッジを鋭くする工夫として、コリメータレンズ17とリニアイメージセンサ12との間に、例えば、コリメータレンズ17の前面に、光源16から発生する光の光束を制限して出射するピンホールやスリットを1または2つ以上設けることができる。例えば、図1(b)に示すように、スリットSL1を有するスリット板19を設けると、リニアイメージセンサ12から出力される電気信号のレベルが輝度の変化に対して急峻な特性を示すため、エッジの判定をより正確に行うことができ、直線上の絶対位置として精度の高いものを求めることができる。
In the above description , the
本実施例においては、コリメータレンズ17とリニアイメージセンサ12との間に、光源16からの光を複数の光に分岐させて出射する光分岐手段として、例えば、図1(c)に示すように、光源16からの光をコリメータレンズ17を介して取り込んで、光電変換素子の配列方向に沿って2つの光に分岐させるスリット板21を配置し、リニアイメージセンサ12上に2つの光スポットを形成する構成を採用する。
In this embodiment, as a light branching means for splitting the light from the
この場合、2つの光がリニアイメージセンサ12上に照射されることに伴って、リニアイメージセンサ12からはスリット板21のスリットSL1、SL2の間隔に対応して2つのパルス(第1のパルスと第2のパルス)が出力されるため、各パルスの立上りおよび立下りに応答してシフトクロック数をラッチするカウンタ値ラッチ回路として、それぞれ第1のパルスの立上りエッジおよび立下りエッジに応答してシフトクロック数をラッチするラッチ回路を設けるとともに、第2のパルスの立上りエッジおよび立下りエッジに応答してシフトクロック数をラッチするラッチ回路を設け、第1のパルスから得られた光スポットの中心位置と第2のパルスから得られた光スポットの中心位置とから両者の平均値を求めることで、全体の光スポットの中心位置を求めることができる。
In this case, as the two light beams are irradiated onto the
具体的には、CPU20は、増幅器22の出力(第1のパルス)が最初に判定レベル26を超えたとき(光スポット光量分布特性が最初に立上るとき)のシフトクロック数をC1とし、その後、増幅器22の出力が判定レベル26以下になったとき(光スポット光量分布特性が立下がるとき)のシフトクロック数をC2とし、次に、増幅器22の出力(第2のパルス)が2番目に判定レベル26を超えたとき(光スポット光量分布特性が2番目に立上るとき)のシフトクロック数をC3とし、その後、増幅器22の出力が判定レベル26以下になったとき(光スポット光量分布特性が2番目に立下がるとき)のシフトクロック数をC4とし、光電変換素子の素子間隔の寸法をPとし、リニアイメージセンサ12上の1番目の光電変換素子S1からの第1の立上りエッジ位置(基準位置からの距離)L1を、L1=C1×Pとして演算し、リニアイメージセンサ12上の1番目の光電変換素子S1からの第1の立下りエッジ位置(基準位置からの距離)L2を、L2=C2×Pとして演算し、リニアイメージセンサ12上の1番目の光電変換素子S1からの第2の立上りエッジ位置(基準位置からの距離)L3を、L3=C3×Pとして演算し、リニアイメージセンサ12上の1番目の光電変換素子S1からの第2の立下りエッジ位置(基準位置からの距離)L4を、L4=C4×Pとして演算し、リニアイメージセンサ12上の光の照射位置、すなわち、全体としての光スポットの中心位置Psnを、Psn={(L1+L2)/2+(L3+L4)/2}/2=(L1+L2+L3+L4)/4として演算するようになっている。
Specifically, the
この場合、2つのパルスによって、光スポットの中心位置を求めているため、単一のパルスから光スポットの中心位置を求めるときよりも、より精度の高い絶対位置を求めることができる。また、検出値に異常が生じたとき、例えば、一方のパルスによる光スポットの中心位置が求められないときには、光源16とリニアイメージセンサ12との間にゴミなどが存在しているという、エラーの検出を行なうこともできる。
In this case, since the center position of the light spot is obtained by two pulses, the absolute position can be obtained with higher accuracy than when the center position of the light spot is obtained from a single pulse. Further, when an abnormality occurs in the detected value, for example, when the center position of the light spot by one pulse cannot be obtained, an error that dust or the like exists between the
また、本実施例においては、カウンタ値ラッチ回路32、34、加算回路36、ビットシフト回路38をハードウエアで構成したものについて述べたが、これらを外部クロックのカウンタ機能を有するマイクロコンピュータで構成することもできる。
In this embodiment, the counter
また、本実施例においては、光源16を移動させるものについて述べたが、光源16を固定し、リニアイメージセンサ12を光電変換素子の配列方向に沿って往復動させる構成を採用することもできる。すなわち、光源16とリニアイメージセンサ12を相対移動させることで、光スポットの中心位置をリニアイメージセンサ12上の絶対位置として求めることができる。
In this embodiment, the
次に、本発明に係る絶対位置検出装置を測量機、例えば、電子レベルのオートフォーカス機構に適用したときの実施例について説明する。図4は、電子レベルのオートフォーカス機構の縦断面図、図5は、電子レベルのブロック構成図である。 Next, an embodiment when the absolute position detection apparatus according to the present invention is applied to a surveying instrument, for example, an electronic level autofocus mechanism will be described. FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the electronic level autofocus mechanism, and FIG. 5 is a block diagram of the electronic level.
これらの図において、電子レベル50は、絶対位置検出装置が搭載された測量機として、望遠鏡52を備えており、円筒状に形成された望遠鏡鏡筒54内には対物レンズ56、合焦レンズ58、自動補正機構60、ビームスプリッタ62、焦点板64、接眼レンズ66、オートフォーカス検出用受光センサ68が収納されており、対物レンズ56、合焦レンズ58、自動補正機構60、ビームスプリッタ62、焦点板64は光軸Lに沿って直線状に配置されている。対物レンズ56に入射した光は合焦レンズ58、自動補正機構60を介してビームスプリッタ62に入射し、入射した光が焦点板64と受光センサ68に分岐されるようになっている。焦点板64上には望遠鏡52で視準した対象物の像が結像するようになっており、対象物の像を接眼レンズ66を介して確認できるようになっている。すなわち、合焦レンズ58が合焦する位置に配置されているときには、合焦したときの対象物の画像が焦点板64に結像するようになっている。そして、焦点板64と共役の位置に受光センサ68が配置されており、対象物に関する画像が受光センサ68によって検出され、検出された画像を基に測距などが行なわれるようになっている。
In these drawings, an electronic level 50 includes a
合焦レンズ58は光軸Lに沿って所定の範囲に亘って往復動自在に配置されており、この合焦レンズ58は合焦レンズ枠70に固定されている。合焦レンズ枠70には、合焦レンズ駆動伝達機構としてのラック72が固定されており、このラック72にはピニオン(図示せず)が連結されている。ピニオンはシャフト74を介して手動合焦操作つまみ76に連結されており、シャフト74は軸受78に回転自在に軸支されている。シャフト74の周囲にはクラッチ機構80が設けられており、このクラッチ機構80は減速ギア機構82を介して駆動モータ84に連結されている。減速ギア機構82は望遠鏡枠54に固定されており、駆動モータ84の回転駆動による駆動力が減速ギア機構82、クラッチ機構80を介してシャフト74に伝達されるようになっている。すなわち、シャフト74とクラッチ機構80とは摩擦力によって接触するようになっており、駆動モータ84が正転また逆転駆動されると、駆動モータ84の回転駆動に伴う駆動力に従ってシャフト74が正転または逆転し、シャフト74の回転運動がピニオン79を介してラック72に伝達されると、ラック72が光軸Lに沿って直線運動するようになっている。このため、駆動モータ84を回転駆動することによって、合焦レンズ58を光軸Lに沿って移動させることができる。なお、手動合焦操作つまみ76を回転操作したときに、この操作力がシャフト74とクラッチ機構80との間に作用する摩擦力よりも大きいときには、手動合焦操作つまみ76の回転操作によって合焦レンズ58を光軸Lに沿って移動させることができる。また、駆動モータ84の回転数は、例えば、インクリメンタルエンコーダで構成された回転数検出器86によって検出されるようになっている。
The focusing
一方、合焦レンズ58と望遠鏡鏡筒54との相対的な位置関係を絶対量として検出するために、望遠鏡鏡筒54には合焦レンズ58の移動量に相当する長さの長穴88が形成されており、長穴88内には合焦レンズ枠70に連結されたロッド90が挿入されている。ロッド90の軸方向端部はケース92に固定されており、ケース92内には、光源16が固定されている。光源16としては、例えば、発光ダイオードが用いられている。ケース92の前面にはスリット94が形成されており、光源16から出射された光はスリット94を介してリニアイメージセンサ12上に照射されるようになっている。すなわち、光源16は、移動体としての合焦レンズ58に連結され、合焦レンズ58の移動に伴って光軸Lに沿って往復移動するようになっている。そして、リニアイメージセンサ12上には合焦レンズ58の位置に伴って光が順次照射されるようになっている。リニアイメージセンサ12はケース96に固定されており、ケース96は、長穴88の周囲を囲むように配置されて望遠鏡鏡筒54に固定されている。この場合、リニアイメージセンサ12上の光電変換素子の有効な長さは、光源16の移動範囲、すなわち、合焦レンズ58の合焦範囲をカバーできる長さに設定されている。
On the other hand, in order to detect the relative positional relationship between the focusing
望遠鏡鏡筒54に連結された駆動モータ84は駆動モータ制御回路98を介してCPU20に接続され、回転数検出器86はCPU20に接続され、望遠鏡鏡筒54内の受光センサ68はドライブ回路100に接続されているとともに、増幅器102、A/Dコンバータ104を介してCPU20に接続されている。CPU20には、光源ドライブ回路106を介して光源16が接続されているとともに、メモリとしてRAM108、ROM110が接続されている。また、CPU20には、表示装置112が接続されているとともに、オートフォーカス開始/停止に関する指示を入力するための入力キー114が接続されている。
A
CPU20は、受光センサ68の受光による画像データを基に、対象物を視準したときの測距演算を行い、演算結果を表示装置112の画面上に表示させるとともに、回転数検出器86に検出出力に基づいて駆動モータ制御回路98を介して駆動モータ84の駆動量と駆動速度を制御し、また、光源ドライブ回路106を介して光源16の駆動を制御するようになっている。さらに、CPU20は、クロックドライバ18から発生するシフトパルスSPに応答してビットシフト回路38からのデータを1フレーム毎に演算し、合焦レンズ58の光軸L上における現在位置を算出するようになっている。なお、受光センサ68の受光による画像データや各種計算変数に関すデータはRAM108に格納され、オートフォーカス制御に必要な各種定数やプログラムなどはROM110に格納されている。
The
次に、電子レベルのオートフォーカス動作を図6のフローチャートに従って説明する。まず、概略電子レベルを測定対象物のバーコード標尺に望遠鏡52を向ける。入力キー114の操作によりオートフォーカス動作の開始が指示されると、CPU20による演算処理が開始されるとともに、クロックドライバ18からシフトパルスSPとシフトクロックSCが出力され、光源16からリニアイメージセンサ12に向けて光が照射される。これにより、CPU20は、ビットシフト回路38からのデータを基に合焦レンズ58の現在位置を取得する(ステップS1)。次に、CPU20において、合焦レンズ58の現在位置と所定の設定条件を基に合焦レンズ58の移動方向と駆動モータ84の速度が設定され(ステップS2)、この設定に従って駆動モータ84の駆動が開始される(ステップS3)。駆動モータ84が正転または逆転駆動されると、この回転駆動に伴って合焦レンズ58が光軸Lに沿って移動する。このとき合焦レンズ58の位置に応じた画像データが受光センサ68によって取得され(ステップS4)、取得された画像データを基に対象物に対する測量が行なわれる(ステップS5)。例えば、対象物として、白地の表面に黒色のマークが複数個上下方向に等ピッチで印刷されている標尺を視準したときには、複数のマークで形成される標尺上のパターンのピッチから標尺までの距離をスタジア測量方法により求める。この後、測距の結果から測距が完了したか否かを判定し(ステップS6)、測距が完了していないとき、すなわち、測距結果から合焦レンズ58が合焦位置にないと判定したときには、合焦レンズ58の現在位置を取得し(ステップS7)、合焦レンズ58の現在位置からサーチ範囲を終了したか否かの判定を行なう(ステップS8)。すなわち、合焦レンズ58の現在位置を求め、合焦レンズ58をさらに移動させる必要があるか否かの判定を行なう。サーチ範囲を終了していないときには、合焦レンズ58の現在位置を求め、合焦レンズ58の移動方向と駆動モータ84の速度を設定し(ステップS9)、この設定にしたがって駆動モータ84を駆動して(ステップS10)、ステップS4の処理に戻り、引き続き次の画像データを取得するための処理に移行する。
Next, the electronic level autofocus operation will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the
一方、ステップS8でサーチ範囲を終了したと判定したときには、合焦レンズ58が移動範囲内を全て動いたとして、合焦レンズ58の駆動を停止するために、駆動モータ84の駆動を停止する(ステップS11)。このとき、合焦レンズ58は合焦位置にない、すなわち、合焦未完了として、このルーチンでの処理を終了する。
On the other hand, when it is determined in step S8 that the search range has ended, the drive of the
また、ステップS6において、測距完了と判定したときには、合焦レンズ58の駆動(移動)を停止するために、駆動モータ84の駆動を停止し(ステップS13)、測距結果から合焦状態となる合焦レンズ58の合焦点レンズ位置を計算し(ステップS14)、計算された位置に合焦レンズ58を位置決めするための処理を行ない(ステップS15)、合焦動作を完了する(ステップS16)。すなわち、望遠鏡52の光学系から決定される合焦点レンズ位置と対象物までの距離との関係を示す計算式が設定されているので、測距が完了したら、測距値を前記計算式に代入することで、測距値から合焦レンズ58の合焦点レンズ位置を算出することができる。そして、算出された合焦点レンズ位置と合焦レンズ58の現在位置との差が0になるように、駆動モータ84を回転駆動することで、合焦レンズ58を合焦位置に位置決めすることができる。
If it is determined in step S6 that the distance measurement is completed, the
具体的には、合焦レンズ58を合焦点レンズ位置に位置決めするに際しては、図7に示すように、合焦レンズ58の現在位置を取得し(ステップS21)、合焦レンズ58の現在位置と合焦点レンズ位置との差を計算し(ステップS22)、この差が0か否かの判定を行い(ステップS23)、差が0でないときには、差を0にするために、差を駆動モータ84の回転量(駆動量)に変換し(ステップS24)、変換された回転量に従って駆動モータ84を駆動し(ステップS25)、ステップS21の処理に戻る。これらの処理を繰り返すことで、合焦レンズ58を合焦点レンズ位置に位置決めすることができる。
Specifically, when positioning the focusing
この際、減速ギア機構82やクラッチ機構80には機械的なクリアランスが存在するため、指定の回転量に従って駆動モータ84を駆動しても、駆動モータ84の回転量と合焦レンズ58が実際に移動したときの移動量とが必ずしも一致しない現象が発生することもあるが、合焦レンズ58の絶対位置は常に瞬時に、すなわち、1フレーム毎に検出することが可能であるため、合焦レンズ58に対する位置決め処理を迅速にかつ確実に行なうことが可能になる。
At this time, since the
本実施例においては、合焦レンズ58の光軸Lにおける絶対位置を迅速に求めて、合焦レンズ58を合焦点レンズ位置に位置決めすることができ、合焦レンズ58に対するオートフォーカス動作を迅速にかつ正確に行うことができる。
In the present embodiment, the absolute position of the focusing
12 リニアイメージセンサ
14 移動体
16 光源
17 コリメータレンズ
18 クロックドライバ
20 CPU
21 スリット板
22 比較器
28 立上りエッジ検出回路
30 立下りエッジ検出回路
32、34 カウンタ値ラッチ回路
36 加算回路
38 ビットシフト回路
52 望遠鏡
56 対物レンズ
58 合焦レンズ
62 ビームスプリッタ
64 焦点鏡
66 接眼レンズ
68 受光センサ
80 クラッチ機構
82 減速ギア機構
84 駆動モータ
12
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