JP4879087B2 - エッジ検出装置及びエッジ検出装置用ラインセセンサ - Google Patents

Description

この発明は、投光器から照射された単色光を受光器で受光し、該単色光を遮る遮蔽物のエッジ位置を検出する光学式のエッジ検出装置及び該エッジ検出装置に用いるラインセンサに関するものである。

図１０は、特許文献１に開示される従来のエッジ検出装置の構成を示す図である。図１０において、このエッジ検出装置は、ラインセンサ１００、投光器１０１及びエッジ検出部１０２を備える。ラインセンサ１００は、一定方向に所定のピッチで複数の受光セル（画素）が配列されており、投光器１０１から照射された単色平行光を受光する。投光器１０１は、ラインセンサ１００の受光面に対向して配置され、レーザダイオード（ＬＤ）からなる光源１０１ａ、単色光（レーザ光）を導く光ファイバ１０１ｂ、投光レンズ１０１ｃおよびＬＤを制御するドライバＩＣ１０１ｄを備える。尚、図１０において投光部１、受光部２等は筐体内に収納されている。

投光器１０１において、光源１０１ａにより発生された単色光（レーザ光）は、光ファイバ１０１ｂを介して投光レンズ１０１ｃに導かれ、投光レンズ１０１ｃによって単色平行光に変換された後、ラインセンサ１００に照射される。投光器１０１とラインセンサ１００の受光面の間に形成された測定空間１０３を遮蔽物１０４が通過すると、ラインセンサ１００へ照射される単色平行光が遮蔽される。エッジ検出部１０２は、マイクロコンピュータから構成されており、ラインセンサ１００の出力を解析して測定空間１０３で単色平行光を遮蔽した遮蔽物１０４の受光セルの配列方向におけるエッジ位置を検出する。

エッジ検出部１０２による遮蔽物１０４のエッジ位置の検出は、測定空間１０３で遮蔽物１０４が単色平行光の一部を遮ることにより生じた、ラインセンサ１００の全受光量の変化あるいは遮蔽物１０４のエッジ部分に生じるフレネル回折に起因した受光パターン（受光量の分布）を解析することによりなされる。このようにして、従来のエッジ検出装置は、ラインセンサ１００の受光面上の光強度分布に従って遮蔽物１０４のエッジ位置を高精度に検出する。（例えば、特許文献１を参照）

特開２００４−１７７３３５号公報

従来のエッジ検出装置は、上記のように構成されているので、ラインセンサ１００の受光セルに単色平行光が照射されていない幅１０３aから遮蔽物１０４の位置を検出することが可能である。しかしながら、ラインセンサの受光セルや投光レンズの製造時の特性ばらつきなどにより、製品毎にレーザ光の発光または受光の量、さらには放射されるレーザの干渉パターンにばらつきが生じる場合がある。尚、干渉パターンとは、筐体内での散乱、反射して複数のレーザ光が合わさって生じるものをいう。また光源１０１ａは周囲温度によって出力するレーザ光の発光波長が異なることから、周囲温度により干渉パターンが変化し、ラインセンサ１００に照射される単色平行光のパターンが変化してしまう。更にレーザ光を制御するドライバＩＣ１００ｄも温度特性を持っているため、周囲温度により光源の出力パワーなどが変わってしまう。これら製造ばらつきや周囲温度による各素子の特性の変動により、各受光セルが出力する受光信号が変動し、検出精度の向上の妨げとなる。特にドライバＩＣ１００ｄは電源投入後数十分かけて表面温度が上昇して放熱するので、それにより投光器内部の温度上昇を招くことから、エッジ検出装置の電源投入から温度が安定して正確に計測できるまでにある程度の時間が必要となってしまう。

次に、ラインセンサ１００は受光セルを機械的損傷から保護するため、透明な保護ガラスを受光セルと非接触に配置する構造が一般的である。本来この保護ガラスは受光特性に影響を与えないようにするため非常に透明度の高いガラスを使用することが望ましいが、ラインセンサ１００のコストを下げるために、透明度の低い安価なガラスが採用される場合がある。このため、保護ガラスに入光したレーザ光は乱反射や新たな干渉が発生し、各受光セルの出力信号を変動させてしまうという問題があった。

図１１は、図１０において測定空間１０３にガラスなどの透明な遮蔽物１０４を挿入したときのラインセンサ１００の各受光セルの受光量を示した図である。図１１−（１）に示すようにラインセンサ１００にレーザ光が照射されると、受光セルはその受光量に応じた信号を出力する。尚、投光レンズ１０１ｃや光源１０１ａの理想的な特性としては、受光側においてラインセンサ１００の真ん中を中心に弧を描くような受光特性となることである。ここで、図１１−（１）では、Ａの部分にガラスのエッジ部分があることを示している。エッジ部分ではフレネル回折によりガラス表面部分よりも受光量の落ち込みが大きくなるため、エッジ検出部１０２がその落ち込み具合からエッジ部分と判断する。

一方、図１１−（２）は周囲温度が変化したことにより、レーザ光の波長、出力パワーが変化し、ラインセンサ１００への照射状態が変化し、受光セルの受光量が変化したことを示す図である。ここで、図１１−（１）と同様に遮蔽物１０４としてガラスを挿入した場合、Ａの部分にガラスのエッジによる受光量の落ち込みが発生するが、自由空間部分であるＢの部分にも温度変化やレーザ光の干渉パターンの変動による受光量の落ち込みが発生する場合がある。この場合、エッジ検出部１０２は所定の受光量の落ち込みを基準しきい値として判断しているので、自由空間部分であるＢの部分にもエッジがあると誤って判断してしまうことになる。従来、この誤判断を回避する方法として、検出対象が存在しない場合の受光量の最小値から所定レベルの基準値を設定して、この基準値以下の受光量を検出した場合にのみエッジ部分と判断する方法が提案されている。しかしながら、周囲温度は常時変化するものであり、それに合わせて受光量が変化してしまうことから、周囲温度が変動する環境では採用することができない。また一方では温度センサー等で周囲温度を測定し、周囲温度の変化に合わせて基準値を可変にする機能を具備させる方法もあるが、非常に複雑な制御が必要となってしまう。従って、実際には光源周辺部の周囲温度を安定させる必要が生じ、高価で大規模なシステムの構築を余儀なくされるという問題があった。

このように、従来のエッジ検出装置は、周囲温度によってレーザ光の波長や出力パワーの変化により各受光セルが出力する受光信号が異なってしまい、装置の性能に悪影響を及ぼすという問題があった。また、ラインセンサの受光セルや投光レンズの製造時の特性ばらつきなどにより、製品毎にレーザ光の発光または受光の量にばらつきが生じ、装置の性能に悪影響を及ぼすという問題があった。さらには安価なラインセンサにおいてはラインセンサの保護ガラスに入光したレーザ光に乱反射や新たな干渉が発生し、各受光セルが出力する受光信号を変動させる程度が大きくなってしまうため、高精度なエッジの検知をする場合には安価なラインセンサを使用することは不可能であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、測定空間内の周囲温度の変動や構成する各部品の製造ばらつきの影響を低減して、容易に遮蔽物のエッジ部分の誤検知を回避できるエッジ検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係るエッジ検出装置は、単色光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源からの単色光を単色平行光に変換する投光レンズと、該単色平行光を放射する投光窓とからなる投光部と、前記投光窓に対向して設けられた受光窓と、該受光窓から侵入する前記単色平行光を所定の範囲で拡散する光拡散素子と、該拡散させた単色光を受光する複数の受光セルを一方向に所定のピッチで配列したラインセンサとからなる受光部と、前記ラインセンサの受光量分布を解析して前記単色平行光の光路に存在する遮蔽物の前記受光セルの配列方向におけるエッジ位置を検出する検出部とを備えたエッジ検出装置である。

またこの発明に係るエッジ検出装置は、前記遮蔽物の種類により変わる該遮蔽物の透過率に応じて前記光拡散素子のヘイズを選択して使用するものである。

好ましくは、前記光拡散素子のヘイズが５０％以下であるエッジ検出装置である。

またこの発明に係るエッジ検出装置は、前記ラインセンサの受光セル上に保護用ガラスが装備され、該保護用ガラスに前記光拡散素子が接着されたものである。

この発明に係るエッジ検出装置によれば、単色光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源からの単色光を単色平行光に変換する投光レンズと、該単色平行光を放射する投光窓とからなる投光部と、前記投光窓に対向して設けられた受光窓と、該受光窓から侵入する前記単色平行光を所定の範囲で拡散する光拡散素子と、該拡散させた単色光を受光する複数の受光セルを一方向に所定のピッチで配列したラインセンサとからなる受光部と、前記ラインセンサの受光量分布を解析して前記単色平行光の光路に存在する遮蔽物の前記受光セルの配列方向におけるエッジ位置を検出する検出部とを備えるので、周囲温度の変化により、レーザ光の波長や出力パワーが変化した場合でも、受光セルからの出力信号に急激な変化を生じることなく、また、ラインセンサの受光セルや投光レンズに製造時の特性ばらつきがある場合でも、安定した出力信号をエッジ検出部に供給することができ、遮蔽物のない空間部分をエッジ部分と誤って検出することを防止できるという効果がある。

またこの発明によれば、前記遮蔽物の透過率にあわせて前記光拡散素子のヘイズ（曇度）を選択するので、受光セルからの出力信号のばらつきや急激な変化を生じることなく、遮蔽物の種別が変わっても安定した出力信号をエッジ検出部に供給することができるという効果がある。

またこの発明によれば、光拡散素子のヘイズを５０％以下とすることで、受光セルからの出力信号のばらつきや急激な変化を生じることなく、安定した出力信号をエッジ検出部に供給するとともに、ガラスなどの透明体のエッジ部分も正確に検出できるという効果がある。

更にこの発明によれば、ラインセンサ素子の受光セル上に保護用ガラスが装備され、該保護用ガラスに光拡散素子を接着することにより、保護用ガラスによるレーザ光の乱反射や新たな干渉パターンの影響を除去でき、安価なラインセンサを使用できるという効果がある。

図１は、この発明の実施の形態によるエッジ検出装置の構成を示す図である。本エッジ検出装置は、投光部１、受光部２及びエッジ検出部３を備える。投光部１は、受光部２の受光窓２３の受光面に対向して配置され、レーザダイオード（ＬＤ）からなる光源１０、光源１０を制御するドライバＩＣ１１、投光レンズ１２及び投光窓１３を備える。投光レンズ１２は、光源１０により発生された単色光を、受光部２のラインセンサ２１の中央部にむけて投光窓１３を介して放射する。なお、ここでいう単色光は、工業的に生産されているレーザダイオードや光フィルタを用いて得られる程度の波長分布特性を有する光のことである。なお、投光窓１３は透明なガラスである。

受光部２は、受光窓２３、光拡散素子２２及びラインセンサ２１を備える。ラインセンサ２１は、一定方向に所定のピッチで配列された複数の受光セル（画素）を有しており、投光部１から照射された単色光を受光する。ここで受光窓２３は使用する光源１０の単色光の波長に合わせたフィルタ機能を持たせることにより、ラインセンサ２１への外乱光の影響を緩和できる。

エッジ検出部３は、Ａ／Ｄ変換部３１、プロセッサ３２及び表示部３３を備える。Ａ／Ｄ変換部３１は受光部２のラインセンサ２１から出力される受光セルの出力信号をアナログ値からデジタル値に変換する。プロセッサ３２は、Ａ／Ｄ変換部３１によってデジタル変換されたラインセンサ２１の出力信号を解析して、測定空間４で単色平行光の一部を遮蔽した遮蔽物５の受光セルの配列方向におけるエッジ位置を検出する。表示部３３は、プロセッサ３２による検出結果を表示する。なお、Ａ／Ｄ変換部３１かつ／またはプロセッサ３２は、受光部２内に設けてもよい。その場合には、受光部２とエッジ検出部３との間はデジタル通信となることから、ノイズに強くなり、配線距離を延ばすことが可能となる。また、エッジ検出部３全てを受光部２内に設けても良い。

図２はラインセンサ２１の各受光セルの受光量を示す図である。横軸は各受光セルの位置であり、縦軸は受光した単色光の強さ（受光量）である。測定空間４は投光窓１３と受光窓２３の間の空間であり、遮蔽物５が不透明体の場合、測定空間４を遮蔽すると、遮蔽された部分５ａは受光セルの受光量がほぼ０となる。エッジ検出部３において、ラインセンサ２１における受光セルの配列長２１ａと遮蔽された部分５ａの比率から、遮蔽物５のエッジ部分の位置を計算して判断する。なお、ガラスやフィルムのような透明な物体（透明体）の場合には、遮蔽された部分５ａの受光セルの受光量は０にはならず、遮蔽物５が何も入っていない状態に比べて受光量が減少する状態となる。尚、減少の割合に関しては、遮蔽物５の透明度などに依存する。

図３はエッジ部分の検出に使用するフレネル回折を説明する図である。フレネル回折による光強度分布は、図３に示すようにエッジ位置近傍で急峻に立ち上がり、エッジ位置から離れるに従って振動しながら収束する。なお、単色平行光のフレネル回折によるラインセンサ２１の受光面上における光強度分布を利用して遮蔽物５のエッジ部分の位置を検出する場合、予め光強度分布の特性を高精度に求めておくことが必要であるが、本特性の高精度な近似方法に関しては、特開２００４−１７７３３５号公報に開示されている。

受光部２において、受光窓２３とラインセンサ２１の間に光拡散素子２２を設置することにより、光拡散素子２２を透過した単色光は所定の拡散幅にて拡散され、ラインセンサ２１に照射されため、本発明の係るラインセンサ２１の出力信号の安定化を実現する。すなわち、光拡散素子２２をラインセンサ２１の前面に設置することにより、受光セルに入力する単色光が拡散され、多方向から各受光セルに照射するので受光量が安定するとともに、一方で平行な単色光を遮蔽物５に照射してそのエッジ部分のフレネル回折をラインセンサ２１に入力することが可能となる。なお、当然のことながら拡散したレーザ光を遮蔽物５に照射してもフレネル回折は起こらないので、例えば投光窓１３の表面に光拡散素子２２を貼付して用いることはできない。尚、光拡散素子２２は薄いフィルム状や板状のものなど、耐久性などを考慮しながら選択する。具体的には、透明性プラスチックスやすりガラス等を用いることができ、特にポリエチレンテレフタレート（PET）等の基材にコーティング処理を施した光拡散フィルムが有効である。光拡散素子２２を透過した単色光は所定の拡散幅にて拡散され、ラインセンサ２１に照射される。

また、ラインセンサの受光セルが受光する受光量等の特性は、光拡散素子２２のヘイズ（濁度または曇度）の違いで異なってくる。ここで、ヘイズ（Ｈａｚｅ）とは拡散透過光の全光線透過光に対する割合から求められるもので、光拡散素子２２の表面の粗さに影響されるものであり、パーセンテージ（％）で表される。ヘイズの違いによる受光量分布出力の違いを図４に示す。図４−（１）は光拡散素子２２を設置しない状態の各受光セルの受光量分布を示すものであり、単色光の干渉パターンによって各受光セルに均等に単色光が照射されず、±２０％以上の受光量のばらつきが生じる。特に干渉によっては数十セル毎の単位で受光量分布にうねりが生じている。ここで図４−（２）ではヘイズが５０％の光拡散素子２２を設置した場合の受光量分布であり、数十セル毎に発生していた受光量分布のうねりが除去されている。さらに、図４−（３）はヘイズ９０％の光拡散素子２２を設置した場合の受光量分布であり、隣接するセル毎の受光量のばらつきも抑えられ、更に安定した受光量分布を得ることができる。これはラインセンサ２１に入光する直前に光拡散素子２２を設置することでレーザ光が拡散され、受光セルには拡散されたレーザ光単色光が照射されることから、複数方向からの単色光が照射されるからであり、干渉パターンの影響も小さくなる。さらには、周囲温度により単色光の波長が変化して干渉パターンが変わったとしても、単色光の変化は限定され、微量な受光量の変化に留まることから、周囲温度に影響されないエッジ検出装置を構成することが可能となる。

図５は周囲温度による受光量の変動を示した図である。遮蔽物５が測定空間４に入っていないときの各セルの受光量を基準量１．００として、周囲温度を変化させてみる。図１０に示す従来のエッジ検出装置では図５−（１）のように単色光の波長変化による干渉パターンの変動により±２０％程度の受光量の変動が生じている。一方、図５−（２）はヘイズ９０％の光拡散素子２２を設置した場合であり、周囲温度を変化させても受光量の変動はほとんど発生しない。特にヘイズの大きい光拡散素子２２を挿入する程、単色光の拡散が大きくなり、単色光の波長の変動に強くなる。

ここで図６は、ヘイズ９０％の光拡散素子２２を設置して測定空間４に不透明体の遮蔽物５を挿入したときの受光量を示した図である。図１０に示す従来の光拡散素子２２を使用しないエッジ検出装置同様に、フレネル回折が発生し、問題なく遮蔽物５のエッジ部分を検出することができる。

一方図７は、測定空間４にガラスのような透明体の遮蔽物５を挿入したときの受光量を示した図である。図７−（１）は図１０に示す従来のエッジ検出装置であり、５ａはガラスが挿入されている部分であり、５ｂは遮蔽物５の無い自由空間である。この場合、エッジ部分にはフレネル回折により５ｃのような大きな受光量の落ち込みが発生し、この落ち込みからエッジの位置を検出することが可能となる。例えば、図７−（１）において、エッジと判断する受光量の変動のしきい値を０．５とすると、ガラスの挿入されている部分５ａの受光量（換算値）の落ち込みは０．８程度であるので、エッジ部分を正確に検知することが可能となる。

ここで、ヘイズ９０％の光拡散素子２２を配置した場合、図７−（２）のようにエッジによる受光量の変動の落ち込みは非常に小さくなる。これは光拡散素子２２により単色光の拡散が大きくなり、多数の拡散された単色光が各方向から受光セルに入光され、フィルタがかかったような状態となるからである。不透明体であれば遮蔽物５による遮光部分が明確であるためエッジ検出を正確におこなうことができるが、一方、遮蔽物５が透明体の場合にはエッジ部分におけるフレネル回折の効果が減少してしまい、正確なエッジ検出ができなくなるという課題が生じる。

そこで、本発明者は、光拡散素子のヘイズ値を低くすることでその課題が解決することを確認した。図７−（３）はヘイズ５０％の光拡散素子２２を配置した場合の受光量を示したものであり、図７−（１）に示す光拡散素子２２が無い場合に比べてややエッジによる落ち込みは小さくなるが、エッジの判断しきい値を０．６にすれば十分にエッジ部分を検出することができる。さらには、ガラスが挿入されている５ａの部分は光拡散素子２２により安定化されるので、受光量の落ち込みが小さく安定しており、かつ周囲温度による自由空間５ｂ部分の受光量の変動も少ないので、エッジ判断のしきい値を高くすることが可能となり、エッジ部分の検出は十分可能である。なお、遮蔽物５が透明度の高いガラスや非常に薄いフィルムの場合には、更にヘイズが小さいものを選択することが有効となる。一方、遮蔽物５がナイフエッジのような不透明体の場合には、ヘイズが高いほうが受光量の変動が少なく安定した計測ができる。このように、光拡散素子２２は遮蔽物５の透過率に合わせてヘイズを選択することすることが有効である。なお、光拡散素子のヘイズが５０％以下であれば、透明体のエッジ部分の正確な検出と各受光セルの受光量の安定の両立ができより好ましい。

図８はラインセンサ２１と光拡散素子２２の構成を示す一例である。ラインセンサ２１は一方向に所定のピッチで配列された複数の受光セル２１１により単色光を受光するが、受光セル２１１をゴミなどから保護するための保護用ガラス２１２がセル上数ｍｍの位置に配置される。各々の位置関係は図９に示す通り、受光窓２３の下にラインセンサ２１がくるように配置する。ここで、光拡散素子２２を保護用ガラス２１２の上に接着することにより、受光セル２１１と光拡散素子２２の位置関係が固定されるため、受光量分布の特性の変動が抑えられる。また、光拡散素子２２を受光セル２１１に近づけるほど拡散によるエッジ部分のフレネル回折の落ち込み低下を回避できるのでより近づけることが好ましい。更に、保護用ガラス２１２には単色光の乱反射や干渉を抑える観点から限りなく透明なガラスを採用することが好ましいが、ラインセンサ２１のコストが高くなってしまうことから、一般には透明度の低いガラスが採用されている。しかし、本発明の光拡散素子２２を受光窓２３と保護用ガラス２１２の間に配置し、さらにはラインセンサ２１の保護用ガラス２１２と接着することで、レーザ光の乱反射や干渉を軽減できるという効果がある。なお、保護用ガラス２１２と受光セル２１１の間に光拡散素子２２を設置しても同様の効果がある。尚、光拡散素子と保護用ガラスの接着は、例えば光学部品用の接着剤など透光性を有する接着剤で行う。

上述のように、本発明を実施することで、周囲温度の変化によりレーザ光の波長や出力パワーが変化した場合でも、受光セルからの出力信号に急激な変化を生じることなく、また、ラインセンサの受光セルや投光レンズに製造時の特性ばらつきがある場合でも、安定した出力信号をエッジ検出部に供給することがすることができ、遮蔽物のない空間部分をエッジ部分と誤って検出することを防止できるという効果がある。また副次的な効果として、光源付近のドライバＩＣによる発熱の影響を除去する上でも有効であり、電源投入してから計測可能となるまでの安定時間を短くできる効果がある。さらに副次的な効果として、ラインセンサの保護用ガラスによるレーザ光の乱反射や新たな干渉パターンの影響を除去でき、安価なラインセンサを使用できるという効果がある。

この発明の実施の形態１によるエッジ検出装置の構成を示す図である。 実施形態１におけるラインセンサの各受光セルの受光量を示す図である。 エッジ部分の検出に使用するフレネル回折を説明する図である。 光拡散素子のヘイズの違いによる各受光セルの受光量分布を説明する図である。 周囲温度による受光量の変動を説明する図である。 不透明体の遮蔽物を挿入したときの受光量を示した図である。 透明体の遮蔽物を挿入したときの受光量を示した図である。 ラインセンサと光拡散素子の構成を示す図である。 ラインセンサと光拡散素子の位置関係を示す図である。 従来のエッジ検出装置の構成を示す図である。 従来のエッジ検出装置の各受光セルの受光量分布を説明する図である。

符号の説明

１ 投光部
２ 受光部
３ エッジ検出部
４ 測定空間
５ 遮蔽物
１０ 光源
１１ ドライバＩＣ
１２ 投光レンズ
１３ 投光窓
２１ ラインセンサ
２１１ 受光セル
２１２ 保護用ガラス
２２ 光拡散素子
２３ 受光窓
３１ Ａ／Ｄ変換部
３２ プロセッサ
３３ 表示部
１００ ラインセンサ
１０１ 投光器
１０１ａ 光源
１０１ｂ 光ファイバ
１０１ｃ 投光レンズ
１０１ｄ ドライバＩＣ
１０２ エッジ検出部
１０３ 測定空間
１０４，１０４ａ，１０４ｂ 遮蔽物
１０５ 受光セル

Claims (5)

1. 単色光を発生するレーザ光源と、該レーザ光源からの単色光を単色平行光に変換する投光レンズと、該単色平行光を放射する投光窓とからなる投光部と、
   前記投光窓に対向して設けられた受光窓と、該受光窓から侵入する前記単色平行光を所定の範囲で拡散する光拡散素子と、該拡散させた単色光を受光する複数の受光セルを一方向に所定のピッチで配列したラインセンサとからなる受光部と、
   前記ラインセンサの受光量分布を解析して前記単色平行光の光路に存在する遮蔽物の前記受光セルの配列方向におけるエッジ位置を検出する検出部と
   を備えたエッジ検出装置。
2. 前記光拡散素子は、前記遮蔽物の種類により変わる透過率に応じてヘイズを選択して使用することを特徴とする請求項１記載のエッジ検出装置。
3. 前記光拡散素子は、ヘイズが５０％以下であることを特徴とする請求項１記載のエッジ検出装置。
4. 前記ラインセンサの受光セル上に保護用ガラスが装備され、該保護用ガラスに前記光拡散素子が接着されたことを特徴とする請求項１記載のエッジ検出装置。
5. 複数の受光セルが一方向に所定のピッチで配列され、該受光セル上に保護用ガラスを備え、該保護用ガラスに所定のヘイズを有する光拡散素子を接着させたことを特徴とするエッジ検出装置用ライセンサ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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