JP4728609B2

JP4728609B2 - 光学式変位計

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Publication number: JP4728609B2
Application number: JP2004212345A
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Inventors: 佳晃西尾
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: JP2006030095A

Description

本発明は、対象物に光を照射し、対象物からの光を受光して得られる画像信号から対象物の変位を計測する光学式変位計に関する。

この種の光学式変位計として、三角測量の原理を用いて対象物までの距離又は変位を計測するものがある。この光学式変位計は、対象物に光を照射するための発光素子としてのレーザダイオードと、複数の画素構成部のそれぞれが対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を増幅する増幅器を含む信号処理回路と、マイクロプロセッサを用いた制御部とを備えている。

信号処理回路から得られた画像信号は、ＡＤコンバータでディジタル値に変換されて制御部に与えられる。制御部は、画像信号の波形における山部を検出し、そのピーク位置又は重心位置を算出し、この位置から三角測量の原理に基づいて対象物までの距離又は変位を算出する。

制御部は、信号処理回路から得られた画像信号の波形における山部を検出して対象物までの距離又は対象物の変位を求める計測処理を実行する。画像信号の波形（以下、受光波形という）における山部は、受光量に相当する電気信号（例えば電圧）が一旦増加したのち減少する部分であり、厳密には高さ及び幅があらかじめ定めた値を超えているものが山部として検出される。

また、光学式変位計では、対象物の色、表面の粗さ、角度等の条件に応じて光の反射率、ひいては受光量が大きく変動する。そこで、受光量（例えば山部のピーク値）が目標値になるように、発光素子の発光量や増幅器の増幅率（ゲイン）を調整するフィードバック制御を行うことが一般的である。これにより、イメージセンサーの各画素構成部における蓄積電荷の飽和を回避しながらダイナミックレンジを有効活用することができる。

上記のような受光波形における山部は１つだけとは限らず、対象物によっては複数の山部が受光波形に現れる場合がある。例えば、非透明の平坦な表面形状の対象物の場合は受光波形における山部が１つだけ現れるが、ガラス板のような透明の対象物では通常は２つの山部が受光波形に現れる。一方の山部はガラス板の表面で反射した光によるものであり、他方の山部はガラス板を通過した後にその裏面で反射して戻ってきた光によるものである。また、多層構造のガラス板のような場合は、層と層との界面でも反射が生ずるので、３つ以上の山部が受光波形に現れることもある。

このように複数の山部が受光波形に現れる場合は、いずれの山部に基づいて対象物までの距離又は変位を計測するのかを決定する必要がある。例えば最初に現れる（すなわち、リニアイメージセンサーの一端側に最も近い）山部が選択される。あるいは、最後に現れる（すなわち、リニアイメージセンサーの他端側に最も近い）山部が選択される。この選択は制御部が計測アルゴリズムにおける一処理として実行する。

また、特許文献１に記載されている光学式変位計では、ユーザが位置検出を行いたい所望のピーク（計測の基礎としたい山部）をピーク選択手段によって選択できるように構成している。
特開２００１−１５９５１６号公報

上記のような計測の基礎となる山部が選択可能な光学式変位計によってガラス板の厚みを計測しようとすれば、まず表面で反射した光による第１の山部を選択して距離の計測を行い、つぎに裏面で反射した光による第２の山部を選択して距離の計測を行い、２つの計測結果（距離）の差を算出すれば厚みが求まる。しかし、このように山部の選択とそれに伴う計測を２度に分けて行うのは面倒である。

また、別の問題として、前述のようなフィードバック制御によって１つの山部のピーク値が目標値になるように発光素子の発光量や増幅器の増幅率が調整されたときに、別の山部に基づく距離又は変位の計測精度が悪くなる場合がある。例えば、表面反射が少なくなるような表面処理を施した特殊なガラス板の場合に、裏面からの反射光による第１の山部の受光量に比べて表面からの反射光による第２の山部の受光量が非常に小さくなる。このため、第１の山部のピーク値が目標値になるようにフィードバック制御が行われると、第２の山部のピーク位置又は重心位置の検出精度が悪くなり、その結果、ガラス板の表面までの距離の計測の精度が悪くなる。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑み、透明の対象物を計測する際に、複数の山部のピーク位置又は重心位置が適切に検出されて対象物の変位や厚みが精度良く計測可能な光学式変位計を提供することを目的とする。

本発明による光学式変位計の第１の構成は、対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが前記対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、前記イメージセンサーからの電気信号を増幅する増幅器を含む信号処理回路と、前記信号処理回路から得られた画像信号の波形における山部を検出する検出処理及び前記対象物までの距離又は前記対象物の変位を求める計測処理を実行する制御部とを備えた光学式変位計であって、前記制御部は、前記画像信号の波形において検出した山部の受光量ピーク値が目標値に近づくように前記発光素子の発光量及び前記増幅器の増幅率を含む操作量の少なくとも一つを制御するフィードバック制御を実行可能であって、前記画像信号の波形に複数の山部が存在するときに、前記検出処理により複数の山部を検出し、検出された複数の山部から一つの山部を一又は複数の制御サイクルごとに順番に特定する特定処理を行いながら、当該特定処理により特定される山部のそれぞれについて前記フィードバック制御を時分割で実行するとともに、当該特定処理により特定される山部のそれぞれについて前記計測処理を実行することを特徴とする。

このような構成によれば、画像信号の波形に複数の山部が存在するときに、ユーザが山部を選択しなくても、それぞれの山部について計測処理が時分割で実行され計測結果が得られる。したがって、例えばガラス板の表面までの距離と裏面までの距離が一度に計測され、それらの差からガラス板の厚みを算出することも容易である。

また、計測処理と同時にフィードバック制御についても、それぞれの山部について時分割で実行される。つまり、複数の山部の受光量が大きく異なる場合であっても、各山部のピーク値が目標値になるように調整される。したがって、各山部のピーク位置又は重心位置が適切に検出されるので、対象物の変位や厚みを精度良く計測することができる。

本発明による光学式変位計の第２の構成は、上記第１の構成における一実施形態を示すものであり、制御部が、フィードバック制御及び計測処理を実行する対象の山部を一制御サイクルごとに順番に変更することを特徴とする。

本発明による光学式変位計の第３の構成は、上記第１の構成における別の実施形態を示すものであり、制御部が、フィードバック制御及び計測処理を行う対象の山部を複数の制御サイクルごとに順番に変更することを特徴とする。

本発明による光学式変位計の第４の構成は、上記第１の構成における更に別の実施形態を示すものであり、制御部が、フィードバック制御における目標値と操作量との誤差が所定値以下になるまで同一の山部についてフィードバック制御及び計測処理を繰り返した後に、フィードバック制御及び計測処理を実行する対象の山部を変更することを特徴とする。

第２乃至第４の構成はいずれか１つを選択的に採用することができる。第２の構成では、フィードバック制御及び計測処理が各山部について比較的速い周期で順番に実行される。例えば、第１の山部についてフィードバック制御が安定する前であっても次の制御サイクルでは第２の山部についてのフィードバック制御及び計測処理に移行している。再び第１の山部に戻ってきたときは、前回の続きとしてフィードバック制御が実行される。第３の構成は１制御サイクルではなく複数の制御サイクルごとに対象の山部が変更されるが、フィードバック制御が安定する前であっても所定の時間がくれば次の山部に移行する点は第２の構成と同じである。これに対して、第４の構成では各山部についてフィードバック制御が安定した後に、次の山部に移行してフィードバック制御及び計測処理を実行する。したがって、計測処理が確実であるが、計測処理時間が山部ごとに不定となる。

本発明による光学式変位計の第５の構成は、対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を増幅する増幅器を含む信号処理回路と、信号処理回路から得られた画像信号の波形における山部を検出して対象物までの距離又は対象物の変位を求める計測処理を実行する制御部とを備えた光学式変位計であって、画像信号の波形に複数の山部が存在するときに、制御部は、画像信号に基づいて発光素子の発光量及び増幅器の増幅率を含む操作量の少なくとも一つを調整するフィードバック制御と計測処理とを第１の山部と第２の山部について交互に時分割で実行することを特徴とする。

この構成では、画像信号の波形に３つ以上の山部が存在する場合であっても、そのうちの２つの山部（第１及び第２の山部）についてフィードバック制御と計測処理が交互に時分割で行われる。いわば第１の構成を簡略化したものであるが、対象となる２つの山部については、第１の構成と同様の効果が得られる。３つ以上の山部がある場合に、そのうちの２つの山部を選択する方法については特に限定しないが、例えば最初と最後の山部を選ぶようにしてもよいし、最初と２番目の山部を選ぶようにしてもよい。最も適切な選択方法を計測アルゴリズムにあらかじめ組み込んでおけばよい。

本発明による光学式変位計の第６の構成は、上記第１の構成において、制御部は、第１の山部から求めた対象物までの第１の距離と第２の山部から求めた対象物までの第２の距離とを個別に出力すると共に、第１の距離と第２の距離との差を出力することを特徴とする。

この構成によれば、例えばガラス板のような透明の対象物の厚みを第１の距離と第２の距離との差として算出し出力することができる。なお、多層ガラス板のような対象物で３つ以上の山部が存在する場合は、最初と最後の山部を第１及び第２の山部として選択するようにしておけば、対象物の厚みが出力される。最初と２番目の山部を第１及び第２の山部として選択する場合は、１層目の厚みが第１の距離と第２の距離との差として算出され出力されることになる。

本発明による光学式変位計の第７の構成は、上記第５又は第６の構成における一実施形態を示すものであり、制御部が、フィードバック制御及び計測処理を実行する対象の山部を１制御サイクルごとに交互に変更することを特徴とする。

本発明による光学式変位計の第８の構成は、上記第５又は第６の構成における別の実施形態を示すものであり、制御部が、フィードバック制御及び計測処理を行う対象の山部を複数制御サイクルごとに交互に変更することを特徴とする。

本発明による光学式変位計の第９の構成は、上記第５又は第６の構成における別の実施形態を示すものであり、制御部が、フィードバック制御における目標値と操作量との誤差が所定値以下になるまで同一の山部についてフィードバック制御及び計測処理を繰り返した後に、フィードバック制御及び計測処理を実行する対象の山部を変更することを特徴とする。

第７乃至第９の構成はいずれか１つを選択的に採用することができる。それらの相違点については、第２乃至第４の構成について上述した相違点と同様である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例に係る光学式変位計の測定原理を示す図である。この光学式変位計はレーザ変位計ともいわれ、三角測量の原理を用いて対象物の変位を非接触で測定するのに用いられる。ＬＤドライバ１１の制御によってレーザダイオード１２から発せられたレーザ光は、投光レンズ１３を通り対象物ＷＫを照射する。対象物ＷＫで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ１４を通ってリニアイメージセンサー１５により受光される。リニアイメージセンサー１５は、複数の画素構成部が一列に配列されたＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサーであり、受光量に相当する電荷が画素構成部ごとに蓄積され、取り出される。

対象物ＷＫが図１に破線で示すように変位すると、対象物ＷＫで反射してリニアイメージセンサー１５に達するレーザ光の光路が破線のように変化する。その結果、リニアイメージセンサー１５の受光面における受光スポットの位置が移動し、上記の受光波形、すなわち受光量のピーク位置又は重心位置が変化する。リニアイメージセンサー１５の各画素構成部における受光量に応じた蓄積電荷が読み出し回路１６によって読み出され、信号処理によって一次元の受光量分布である受光波形が得られる。この受光波形のピーク位置又は重心位置から対象物ＷＫの変位が求まる。

図２は、光学式変位計の外観を示し、図２（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この光学式変位計は、センサーヘッド部２１とコントローラ部２２からなる。センサーヘッド部２１は、上記のＬＤドライバ１１、レーザダイオード１２、投光レンズ１３、受光レンズ１４、リニアイメージセンサー１５及び読み出し回路１６を内蔵している。

コントローラ部２２は、マイクロプロセッサ（制御部）を有し、センサーヘッド部２１のＬＤドライバを介してレーザダイオード１２の出力（発光量）を制御すると共に、リニアイメージセンサー１５から読み出された信号から対象物ＷＫの変位を求める処理を実行する。また、コントローラ部２２の上面には、７セグメントＬＥＤを用いた表示器２２１と、目標値の設定等に使用されるシーソータイプの押ボタンスイッチである増減キー２２２等が設けられている。表示器２２１は、計測結果の数値表示や各種設定値の表示に使用され、２つの計測結果又は設定値を上下２段に同時に表示することができる。

センサーヘッド部２１とコントローラ部２２は電気ケーブル２３で接続され、相互に電気信号がやりとりされると共に、電源電圧がコントローラ部２２からセンサーヘッド部２１に供給される。また、センサーヘッド部２１は、２本のボルト２４を用いて所定の取付け台２５に固定される。ボルト２４が挿通される２箇所の取付け孔はセンサーヘッド部２１の基準面２６に沿って設けられている。この基準面２６は、測定用のレーザ光が出射すると共に対象物ＷＫからの反射光が入射する面である。

図３は、光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。センサーヘッド部２１は、レーザダイオード１２とそのドライブ回路（ＬＤドライバ）１１、リニアイメージセンサー１５とその読み出し回路１６、投光レンズ１３及び受光レンズ１４を含む。コントローラ部２２はローパスフィルタ（ＬＰＦ）４１、ＡＤコンバータ（Ａ／Ｄ）４７、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）４４、ＤＡコンバータ（Ｄ／Ａ）４５、増幅器４６及びリセット・制御回路４８を含む。

レーザダイオード１２から発せられたレーザ光は、投光レンズ１３を通り対象物ＷＫを照射する。対象物ＷＫで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ１４を通ってリニアイメージセンサー１５に入射する。リニアイメージセンサー１５の各画素構成部に蓄積された電荷は、読み出し回路１６によって読み出される。読み出し回路１６は、読み出し用パルス信号である画素選択信号をリニアイメージセンサー１５に与えて各画素構成部を順次走査することによって、一次元の受光量分布に相当する時系列の電圧信号を得る。

例えば、リニアイメージセンサー１５が２５６画素からなり、画素ごとの転送レートが１マイクロ秒の場合は、２５６マイクロ秒かかって全画素構成部の蓄積電荷が読み出され、読み出し回路１６から時系列の電圧信号として出力される。この全画素の蓄積電荷を読み出すのに要する時間がサンプリング周期である。読み出し回路１６の出力信号は、コントローラ部２２に渡され、まずローパスフィルタ４１によって高周波成分を除かれる。この高周波成分には、リニアイメージセンサー１５に与えられる画素選択信号の周波数成分が含まれる。

読み出し回路１６の出力信号がローパスフィルタ４１を通過すると、画素選択信号の周波数に相当する高周波成分が除かれ、その包絡線に相当する低周波成分のみの電圧信号となる。この電圧信号は、リニアイメージセンサー１５における画素位置に関する受光量の分布の情報を含んでいる。電圧値が高いほど、その画素位置における受光量が多いことを意味する。この電圧信号の波形が前述の受光波形であり、受光波形には一旦増加したのち減少するように変化する山部が含まれている。この山部のピーク位置は、ワークＷＫまでの距離に対応する受光量の最も多い画素位置に相当する。

図３に示すように、ローパスフィルタ４１から出力される電圧信号は増幅器４６で増幅された後にＡＤコンバータ４７でディジタル値に変換され、そのディジタル値がマイクロプロセッサ４４に逐次与えられる。マイクロプロセッサ４４は、ＡＤコンバータ４７を経て入力される逐次データから受光波形の山部を検出し、そのピーク位置又は重心位置を求める。山部のピーク位置又は重心位置が算出されると、前述の三角測量の原理からワークＷＫまでの距離又は変位が計測される。計測結果は、表示器２２１に表示されると共に、マイクロプロセッサ４４からＤＡコンバータ４５に与えられ、アナログ電圧に変換されて外部機器に出力される。

また、図３に示すように、マイクロプロセッサ４４が外部コンピュータＰＣとの通信を行うための通信インターフェイス（通信Ｉ／Ｆ）４９が光学式変位計に備えられている。つまり、図２に示した光学式変位計のコントローラ部２２には、外部コンピュータとの通信ケーブルを接続するコネクタ（ＲＳ２３２Ｃポート、ＵＳＢポート、その他）が備えられている。あるいは無線通信によってコントローラ部２２と外部コンピュータＰＣとの通信を行ってもよい。外部コンピュータＰＣには、オンラインで光学式変位計の設定や制御、計測結果のグラフィック表示等を行うための専用のソフトウェアがインストールされている。

図３において、レーザダイオード１２から発せられるレーザ光の強さ（発光量）はＬＤドライバ１１を介してマイクロプロセッサ４４によって制御される。レーザ光の強さが変われば、対象物ＷＫで反射され、リニアイメージセンサー１５に入射する光量（受光量）も変化する。そこで、対象物ＷＫの光反射率（明るさ）に応じてレーザダイオード１２から発せられるレーザ光の強さを調節することにより、リニアイメージセンサー１５の各画素構成部における蓄積電荷の飽和を回避しながら、そのダイナミックレンジを十分に活用できるようにしている。具体的には、レーザダイオード１２を駆動するパルスのパルス幅又はデューティ比を変えることによってレーザ光の強さを調節する。もちろん、パルス電圧（ピーク値）を変えることによって、レーザ光の強さを調節してもよい。

上記のようなマイクロプロセッサ４４による発光量（レーザ光の強さ）の制御は、一種のフィードバック制御として行われる。つまり、受光量に相当する値（例えばピーク値）が所定の目標値になるように、発光量（レーザ光の強さ）のフィードバック制御が行われる。発光量のフィードバック制御に代えて、図３に破線で示すように、増幅器４６のゲイン（増幅率）のフィードバック制御を行ってもよい。あるいは、発光量のフィードバック制御と増幅器４６の増幅率のフィードバック制御とを併用するようにしてもよい。例えば目標値に対するフィードバック量の誤差が所定の範囲内に収まっている間は増幅器４６の増幅率のフィードバック制御を行い、フィードバック量の誤差が所定の範囲を超えたときは発光量のフィードバック制御を行うように構成することが可能である。したがって、レーザダイオード１２の発光量及び増幅器４６の増幅率を含む操作量の少なくとも一つのフィードバック制御を実行すればよい。

図４は、マイクロプロセッサ４４によるフィードバック制御の構成を示すブロック図である。マイクロプロセッサ４４によって、比較部４４１、操作量算出部４４２及び出力部４４３が構成されている。また、図３におけるＬＤドライバ１１及びレーザダイオード１２が制御対象５１に相当し、リニアイメージセンサー１５、読出し回路１６、ＡＤコンバータ４７等がフィードバック回路（ＦＢ回路）５２に相当する。この例では、受光量に相当する電圧信号のピーク値（のディジタル変換値）がフィードバック量（ＦＢ量）としてマイクロプロセッサ４４の比較部４４１に入力される。

比較部４４１は、あらかじめ定められた目標値とフィードバック量とを比較し、その誤差を出力する。この誤差に基づいて操作量算出部４４２が操作量を算出し、出力部４４３に与える。この操作量は、上述の発光量又は（及び）増幅率に相当する。操作量は、マイクロプロセッサ４４の出力部４４３から制御信号として制御対象５１に与えられる。すなわち、ＬＤドライバ１１又は（及び）増幅器４６に制御信号が与えられ、レーザダイオード１２の発光量又は（及び）増幅器４６の増幅率が制御される。そして、フィードバック回路５２（リニアイメージセンサー１５、読出し回路１６、ＡＤコンバータ４７等）によって得られる受光量のピーク値が再びマイクロプロセッサ４４の比較部４４１にフィードバックされることにより、フィードバックループが形成されている。

本実施例の光学式変位計では、上述のようなフィードバック制御と計測処理が、複数の山部のそれぞれについて時分割で実行される。つまり、受光波形における山部は１つだけとは限らず、対象物ＷＫによっては複数の山部が受光波形に現れる場合がある。例えば、図５に示すように、ガラス板のような透明の対象物ＷＫを計測する場合に、対象物ＷＫの表面ＦＲで反射した光は実線の光路を辿ってリニアイメージセンサー１５における第１の画素位置Ｐ１に入射する。他方、対象物ＷＫを通過して裏面ＢＫで反射した光は破線の光路を辿ってリニアイメージセンサー１５における第２の画素位置Ｐ２に入射する。この結果、図６に示すように、受光波形に２つの山部Ｃ１及びＣ２が現れる。対象物ＷＫの表面ＦＲで反射した光（画素位置Ｐ１に入射した光）による山部Ｃ１と対象物ＷＫを通過して裏面ＢＫで反射した光（画素位置Ｐ２に入射した光）による山部Ｃ２である。

対象物ＷＫの表面ＦＲで反射した光による山部Ｃ１の受光量と対象物ＷＫの裏面ＢＫで反射した光による山部Ｃ２の受光量との大小関係は、対象物ＷＫの種類、表面処理、レーザ光の入射角度等によって変化する。図６に例示した受光波形（実線）では、山部Ｃ１のピーク値より山部Ｃ２のピーク値が高くなっている。例えば、光反射を抑えるような表面処理が施されたガラス板の場合は、裏面からの反射光による山部Ｃ２の受光量に比べて表面からの反射光による山部Ｃ１の受光量が非常に小さくなる。

図６において、実線の受光波形は山部Ｃ２の受光量ピーク値が目標値になるようにフィードバック制御が行われた状態を示し、破線の受光波形は山部Ｃ１の受光量ピーク値が目標値になるようにフィードバック制御が行われた状態を示している。後者の状態では、山部Ｃ２の受光量のピーク値が飽和レベルでクランプされており、ピーク位置を正確に判断することが難しくなっている。しかし、この状態でも山部Ｃ１に基づく計測結果のみを有効とすれば問題ない。

図７は、本実施例の光学式変位計においてマイクロプロセッサ４４が実行するフィードバック制御及び計測処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、マイクロプロセッサ４４が繰り返し実行する処理ルーチンの一部を抜き出したものであり、図６に示した受光波形を例にとっている。マイクロプロセッサ４４は、ステップ＃１０１において、フラグをチェックする。このフラグは０又は１の値をとり、今回の処理サイクルでフィードバック制御及び計測処理の対象とすべき山部を特定するためのものである。

フラグが１のときは、第１の山部Ｃ１に基づく前述のようなフィードバック制御と計測処理が行われる（ステップ＃１０２及びステップ＃１０３）。他方、フラグが１でないとき（０であるとき）は、第２の山部Ｃ２に基づいて同様のフィードバック制御と計測処理が行われる（ステップ＃１０４及びステップ＃１０５）。

続くステップ＃１０６において、計測結果が表示されると共に外部に出力される。例えば、第１の山部Ｃ１に基づく計測結果は図２に示した表示器２２１の上段に表示され、第２の山部Ｃ１に基づく計測結果は表示器２２１の下段に表示される。また、図３を用いて説明したように、マイクロプロセッサ４４からＤＡコンバータ４５を経て計測結果がアナログ電圧として外部に出力される。なお、計測結果はフィードバック制御が安定した後の最終結果とは限らず、フィードバック制御が安定するまでの途中経過の場合がある。

続くステップ＃１０７においてフラグを反転する。すなわち、フラグの値を１から０へ、又は０から１へ変更する。これにより、次回の処理サイクルでは今回の処理サイクルと異なる山部に基づいてフィードバック制御と計測処理が行われることになる。次のステップ＃１０８では計測停止が指示されたか否かをチェックし、計測停止が指示された場合は計測終了処理を実行する。そうでない場合は次の処理に移行する。

上記のように、図７に示したフローチャートの処理では、フィードバック制御及び計測処理の対象となる山部がＣ１とＣ２との間で制御サイクルごとに交互に変更される。すなわち、第１の山部Ｃ１に基づくフィードバック制御及び計測処理と、第２の山部Ｃ２に基づくフィードバック制御及び計測処理が交互に時分割で実行される。

これにより、山部Ｃ１の受光量ピークと山部Ｃ２の受光量ピークが大きく異なる場合であっても、それぞれの山部についてフィードバック制御と計測処理がセットで行われるので、それぞれの山部のピーク位置又は重心位置が適切に検出され、対象物ＷＫ（例えばガラス板）の表面までの距離と裏面までの距離が精度良く計測される。両者の差を求めることにより、対象物ＷＫの厚みも精度良く計測される。

また、対象物ＷＫの表面までの距離と裏面までの距離が一度に計測され、表示されるので、表示された計測結果から対象物ＷＫの厚みを判断することも容易である。マイクロプロセッサ４４が厚みの算出も行う場合は、例えば図２に示した表示器２２１の下段に厚みを表示するようにしてもよい。図７のフローチャートにおいて、ステップ＃１０６の後に、計測結果を記憶するステップと、前回の計測結果と今回の計測結果との差を対象物ＷＫの厚みとして算出するステップと、その算出結果を表示し、又は（及び）出力するステップを加えればよい。

図７に示したフローチャートの処理では、フィードバック制御及び計測処理の対象となる山部がＣ１とＣ２との間で制御サイクルごとに無条件で変更される。したがって、フィードバック制御の対象である山部のピーク値が目標値に達して安定するまでに複数の制御サイクルを要する場合は、安定するまでの計測結果は最終結果ではなく途中段階のものとなる。しかし、このような構成によれば、複数の山部について並列に計測結果が早く出るメリットが得られる。

他方、本実施例の変形例として、フィードバック制御が安定するまで、すなわち対象の山部のピーク値が目標値に達するまでフィードバック制御及び計測処理の対象となる山部を変更しないようにしてもよい。そのような変形例のフローチャートを図８に示す。図８に示すフローチャートでは、図７におけるステップ＃１０７が削除され、代わりにステップ＃１０２に続くステップ＃１０２−１及びステップ＃１０２−２、そしてステップ＃１０４に続くステップ＃１０４−１及びステップ＃１０４−２が追加されている。

すなわち、制御サイクルごとに無条件でフラグを反転する（ステップ＃１０７）のではなく、フィードバック制御が安定したときに初めてフラグを反転する（ステップ＃１０２−１、ステップ＃１０２−２、ステップ＃１０４−１、ステップ＃１０４−２）。ステップ＃１０２−１及びステップ＃１０４−１におけるフィードバック制御が安定したか否かの判断は、目標値とフィードバック量との誤差が所定値未満になったか否かによって判断することができる。

図８の変形例では、各山部についてフィードバック制御が安定するまで連続してフィードバック制御及び計測処理が実行されるので、各山部についてフィードバック制御が安定するまでの時間が短くなるが、全体として計測時間に要する時間が短くなるわけではない。また、計測処理時間が山部ごとに不定となる。

図７に示したフローチャートの別の変形例として、フィードバック制御及び計測処理を実行する対象の山部を複数の制御サイクルごとに交互に変更するようにしてもよい。つまり、ステップ＃１０７におけるフラグの反転を毎回行うのではなく、複数の制御サイクルに１回行うようにする。例えば、０から３の値をとり得るカウンタを毎回カウントし、オーバーフローが出るたびにフラグの反転を行えば、フィードバック制御及び計測処理を実行する対象の山部を４制御サイクルに１回変更することができる。

なお、図３を参照して説明したように、本実施例の光学式変位計には、専用のソフトウェアがインストールされた外部コンピュータＰＣが接続され、その表示装置を用いて光学式変位計の設定や計測結果の表示等を行うことができる。そのような表示には、図６に示したような受光波形のグラフィック表示が含まれている。この場合に、上述のように１又は複数の制御サイクルごとにフィードバック制御及び計測処理を実行する対象の山部が変化すると、例えば図６の実線の受光波形と破線の受光波形が早い周期で交互に表示されることになる。これでは受光波形のグラフィック表示が見にくいものとなってしまうので、特定の山部についてフィードバック制御を実行したときの受光波形を表示する必要がある。例えば、図６においてピーク値が高いほうの山部Ｃ２についてフィードバック制御を実行したときの受光波形（実線）のみを表示するようにすればよい。

上記の実施例及び変形例において、ガラス板のような対象物の表面及び裏面で光が反射し、それによって受光波形に２つの山部が出現する場合について説明した。しかし、受光波形に３つ以上の山部が出現する場合もある。例えば、対象物ＷＫが多層構造のガラス板のような場合は、層と層との界面でも反射が生ずるので、層の数に応じて複数の（３つ以上の）山部が受光波形に出現する。このような場合は、複数の山部の中から２つの山部を抽出して上記の実施例と同様の処理を実行することが可能である。

例えば、最初に現れる（リニアイメージセンサーの一端側に最も近い）山部を第１の山部とし、最後に現れる（リニアイメージセンサーの他端側に最も近い）山部を第２の山部として選択すれば、上記実施例と同様にして２つの計測結果が一度に得られ、それらの差を対象物ＷＫの厚みとして算出することができる。あるいは、最初に現れる山部と２番目に現れる山部とを第１及び第２の山部として選択すれば、やはり２つの計測結果が一度に得られ、それらの差を対象物ＷＫの１層目の厚みとして算出することができる。

また、受光波形に３つ以上の山部が出現する場合に、それら複数の山部のすべてについてフィードバック制御と計測処理を順番に時分割で実行するように構成してもよい。図９は、３つの山部についてフィードバック制御と計測処理を順番に時分割で実行する実施例のフローチャートである。このフローチャートは、図７に示したフローチャートと同様に、マイクロプロセッサ４４が繰り返し実行する処理ルーチンの一部を抜き出したものである。

マイクロプロセッサ４４は、ステップ＃２０１において、カウンタの値をチェックする。このカウンタは０、１又は２の３通りの値をとり、今回の処理サイクルでフィードバック制御及び計測処理の対象とすべき山部を特定するためのものである。

カウンタの値が０のときは、第１の山部に基づく前述のようなフィードバック制御と計測処理が行われる（ステップ＃２０２及びステップ＃２０３）。カウンタの値が１のときは、第２の山部に基づいて同様のフィードバック制御と計測処理が行われる（ステップ＃２０４及びステップ＃２０５）。カウンタの値が２のときは、第３の山部に基づいて同様のフィードバック制御と計測処理が行われる（ステップ＃２０６及びステップ＃２０７）。

続くステップ＃２０８において、計測結果が表示されると共に外部に出力される。なお、計測結果はフィードバック制御が安定した後の最終結果とは限らず、フィードバック制御が安定するまでの途中経過の場合がある。続くステップ＃２０９においてカウンタをインクリメントする。これにより、カウンタの値は０から３まで１ずつ増加し、３の次は０に戻る。したがって、次回の処理サイクルでは今回の処理サイクルと異なる次の山部に基づいてフィードバック制御と計測処理が行われることになる。次のステップ＃２１０では計測停止が指示されたか否かをチェックし、計測停止が指示された場合は計測終了処理を実行する。そうでない場合は次の処理に移行する。

上記のように、図９に示したフローチャートの処理では、フィードバック制御及び計測処理の対象となる山部が第１、第２及び第３の山部の間で制御サイクルごとに順番に変更される。すなわち、第１、第２及び第３の山部に基づくフィードバック制御及び計測処理が順番に時分割で実行される。これにより、複数の山部の受光量ピークが大きく異なる場合であっても、それぞれの山部についてフィードバック制御と計測処理がセットで行われるので、それぞれの山部のピーク位置又は重心位置が適切に検出され、対象物ＷＫ（例えば多層ガラス板）の表面、裏面、及び層と層との界面までの距離が精度良く計測される。また、それら複数の計測値が一度に得られ、２つの計測値の差を算出することにより、対象物ＷＫの厚みや各層の厚みを精度良く求めることもできる。

図９に示したフローチャートの実施例にあっても、図７に示したフローチャートの実施例に関して上述した種々の変形例を適用することが可能である。つまり、フィードバック制御及び計測処理の対象となる山部を制御サイクルごとに毎回変更するのではなく、複数の制御サイクルごとに順番に変更するようにしてもよい。あるいは、各山部についてフィードバック制御が安定するまで連続してフィードバック制御及び計測処理を実行し、安定した後に対象となる山部を変更するようにしてもよい。

以上、本発明の実施例と変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例及び変形例に限らず、種々の形態で実施することができる。

本発明の実施例に係る光学式変位計の測定原理を示す図である。光学式変位計の外観を示す平面図及び側面図である。光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。マイクロプロセッサによるフィードバック制御の構成を示すブロック図である。本実施例の光学式変位計で透明の対象物を計測する場合の例を示す図である。図５の計測における受光波形の例を示す図である。本実施例の光学式変位計においてマイクロプロセッサが実行するフィードバック制御及び計測処理の一例を示すフローチャートである。図７の変形例に係るフローチャートである。別実施例に係るフィードバック制御及び計測処理のフローチャートである。

符号の説明

１２レーザダイオード（発光素子）
１５イメージセンサー
４４マイクロプロセッサ（制御部）
４６増幅器

Claims

対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが前記対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、前記イメージセンサーからの電気信号を増幅する増幅器を含む信号処理回路と、前記信号処理回路から得られた画像信号の波形における山部を検出する検出処理及び前記対象物までの距離又は前記対象物の変位を求める計測処理を実行する制御部とを備えた光学式変位計であって、
前記制御部は、前記画像信号の波形において検出した山部の受光量ピーク値が目標値に近づくように前記発光素子の発光量及び前記増幅器の増幅率を含む操作量の少なくとも一つを制御するフィードバック制御を実行可能であって、
前記画像信号の波形に複数の山部が存在するときに、前記検出処理により複数の山部を検出し、検出された複数の山部から一つの山部を一又は複数の制御サイクルごとに順番に特定する特定処理を行いながら、当該特定処理により特定される山部のそれぞれについて前記フィードバック制御を時分割で実行するとともに、当該特定処理により特定される山部のそれぞれについて前記計測処理を実行することを特徴とする光学式変位計。
前記制御部は、前記フィードバック制御における目標値と操作量との誤差が所定値以下になるまで同一の山部について前記フィードバック制御を繰り返した後に、前記フィードバック制御を実行する対象の山部を変更することを特徴とする請求項１記載の光学式変位計。
対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが前記対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、前記イメージセンサーからの電気信号を増幅する増幅器を含む信号処理回路と、前記信号処理回路から得られた画像信号の波形における山部を検出して前記対象物までの距離又は前記対象物の変位を求める計測処理を実行する制御部とを備えた光学式変位計であって、
前記制御部は、前記画像信号の波形において検出した山部の受光量ピーク値が目標値に近づくように前記発光素子の発光量及び前記増幅器の増幅率を含む操作量の少なくとも一つを制御するフィードバック制御を実行可能であって、
前記画像信号の波形に複数の山部が存在するときに、前記検出処理により複数の山部を検出し、検出された複数の山部から一つの山部を一又は複数の制御サイクルごとに順番に特定する特定処理を行いながら、当該特定処理により特定される第１の山部と第２の山部について前記フィードバック制御を交互に時分割で実行するとともに、当該特定処理により特定される第１の山部と第２の山部について前記計測処理を実行することを特徴とする光学式変位計。
前記制御部は、前記第１の山部から求めた前記対象物までの第１の距離と前記第２の山部から求めた前記対象物までの第２の距離とを個別に出力すると共に、前記第１の距離と前記第２の距離との差を出力することを特徴とする請求項３記載の光学式変位計。
前記制御部は、前記フィードバック制御における目標値と操作量との誤差が所定値以下になるまで同一の山部について前記フィードバック制御を繰り返した後に、前記フィードバック制御を実行する対象の山部を変更することを特徴とする請求項３又は４記載の光学式変位計。