JP5082314B2 - 変位センサ - Google Patents

Description

本発明は変位センサに関し、特にユーザにとっての使い勝手を向上させることが可能な変位センサに関する。

変位センサとは対象物の物理変化量を様々な素子で検知し、その変化量を距離に演算することによってセンサから対象物までの距離変位を計測する機器である。検知に用いられる素子の種類に応じて、光学式変位センサ、リニア近接センサ、超音波変位センサ等の様々な種類の変位センサが存在する。たとえば特許第３５９９２３９号公報（特許文献１）は、細長い視野を有するＣＣＤ（Charge Coupled Device）を用いることによって多様な計測処理が実施可能な光学式変位センサを開示する。
特許第３５９９２３９号公報

上記文献に開示される変位センサでは、求められる計測処理の内容に応じて１回の電荷転送処理の対象となるＣＣＤの水平ラインの本数を異ならせる。たとえば高速に計測を行なう場合には１回の処理あたりの水平ライン本数を多くし、高精度で計測を行なう場合には１回の処理あたりの水平ライン本数を少なくする。

たとえば変位センサは工場の製造ラインにおける製品の検査等に利用される。実用上の観点から計測に要する時間は短いほど好ましい。しかし高精度で計測を行なう場合には電荷転送処理の回数が増えるために処理時間は全体的に長くなる傾向にある。その一方で高精度の計測が必要となるのは、たとえば平面の微小な凹凸等の検査のように微小な範囲で変位を計測する場合である。

そこで上記文献に記載の技術を応用して、処理時間を増やさずに高精度で計測を行なう方法が考えられる。具体的には１回の電荷転送処理あたりの水平ライン本数を少なくして何回か電荷転送処理を行ない、その後に１回の電荷転送処理あたりの水平ライン本数を多くする。前者の転送処理により得られた画像情報に基づいて変位量を計測する。この方法によればＣＣＤの全水平ラインから電荷を転送するのに要する時間を大幅に増やさずに高解像度の画像を得ることができる。よって処理時間を増やさずに高精度で計測を行なうことが可能になる。

しかしながらこの方法は、いわばＣＣＤの視野をある大きさから狭くする方法である。ＣＣＤの視野を狭くした場合には、計測対象の部分がＣＣＤの視野から外れるという問題が生じやすくなる。この問題について以下図示しながら説明する。

図１６は、従来技術を用いてＣＣＤの視野を意図的に狭くした場合に想定される問題点を説明する図である。

図１６を参照して、Ｘ方向はＣＣＤの水平方向（図示しない水平シフトレジスタの延在方向）を示し、Ｙ方向はＣＣＤの垂直方向（図示しない垂直シフトレジスタの延在方向）を示す。

周知のようにＣＣＤにおいては受光画素からの信号電荷を転送する順番と方向とが定められている。より具体的に説明すると信号電荷は垂直レジスタ、水平レジスタの順に転送される。このため１回の電荷転送処理の対象となる水平ラインの本数に拘らず、水平ラインＨＬ１から信号電荷の読み出しが開始される。

視野Ａ１は比較的高い精度で計測処理を行なうときのＣＣＤの視野を示し、視野Ａ２は、比較的低い精度で計測処理を行なうときのＣＣＤの視野を示す。水平ラインＨＬ１〜ＨＬｍが視野Ａ１に対応する水平ラインであり、水平ラインＨＬ１〜ＨＬｎが視野Ａ２に対応する水平ラインである。ＣＣＤの受光面に結像した光像Ｌは視野Ａ２に収まるものの、視野Ａ１が選択された場合には光像Ｌの一部が視野Ａ１からはみ出る。もし、この部分が計測対象部分に対応する像である場合には、この部分を視野Ａ１に収める必要がある。そのためには変位センサと計測対象物との距離を調整し直す必要がある。

上述したように変位センサは工場の製造ライン等に利用される。このような場所では変位センサと計測対象物との距離が制約される場合が多い。したがってセンサと計測対象物との距離を変更することが困難になる場合が多い。しかしながら特許第３５９９２３９号公報（特許文献１）にはこのような問題については開示されていない。

本発明の目的は、ユーザにとっての使い勝手を向上させることが可能な変位センサを提供することである。

本発明は要約すれば、基準位置からの変位を計測する変位センサであって、計測対象の照射領域に光ビームを照射する照射部と、照射領域において光ビームが反射することにより生じた反射光を受けて照射領域を撮像する撮像素子とを備える。撮像素子は、照射領域の一部が基準位置にあるときに、撮像領域に照射領域の一部が撮像されるように配置される。撮像領域には、反射光の受光に応じた受光情報を各々生成する複数の受光画素が、変位の方向に対応する第１の方向に沿って配置される。変位センサは、撮像領域の中から処理対象領域を特定し、複数の受光画素のうちの処理対象領域に含まれる受光画素から読み出した受光情報に基づいて、変位の方向における照射領域の変位量を計測する計測処理部をさらに備える。計測処理部は、照射領域の一部からの反射光を受ける位置を含むように、撮像素子の全撮像範囲の中から処理対象領域を特定する。

好ましくは、変位の方向は、基準位置から照射部に向かう方向に等しい。
より好ましくは、光ビームは、計測対象上で線状に広がる。複数の受光画素は、さらに、第１の方向に交差する第２の方向に沿って並べられる。

さらに好ましくは、計測処理部は、第１および第２の方向に広がるように処理対象領域を特定する。第１の方向は、受光情報の垂直転送方向である。

より好ましくは、計測処理部は、基準位置に対応する受光位置を基準として、処理対象領域の範囲を特定する。

さらに好ましくは、計測処理部は、基準位置に対応する受光位置が処理対象領域の中央となるように、処理対象領域の範囲を特定する。

さらに好ましくは、計測処理部は、基準位置に対応する受光位置を処理対象領域の中心に保ったまま処理対象領域の範囲を変更する。

好ましくは、変位の方向は、基準位置から照射部に向かう方向と垂直である。複数の受光画素は、さらに、第１の方向に交差する第２の方向に沿って並べられる。光ビームは、照射部から計測対象に向かうにつれて、第２の方向に対応する方向に線状に広がる。計測処理部は、第１および第２の方向に広がるように処理対象領域を特定する。

より好ましくは、計測処理部は、基準位置に対応する受光位置を基準として、処理対象領域の範囲を定める。

好ましくは、計測処理部は、基準位置に対応する受光位置の情報を記憶し、かつ、受光位置の情報を書換可能であり、受光位置の情報を書換えた場合には、書換え後の受光位置の情報に基づいて処理対象領域の範囲を特定する。

より好ましくは、計測処理部は、外部からの指示に応じて受光位置の情報を書き換える。

本発明によれば、ユーザにとっての使い勝手を向上させることができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の変位センサの外観図である。

図１を参照して、変位センサ１は、センサ本体部１００とセンサヘッド部２００とを備える。

センサヘッド部２００は投光窓２５１から計測対象にビーム光を照射し、受光窓２５２に計測対象からの反射光を受ける。センサヘッド部２００は、計測対象変位に応じて光像位置が変化して見える角度から計測対象の表面を撮影する。センサ本体部１００はセンサヘッド部２００から得られる画像を処理することにより計測対象変位を算出し、算出結果を変位データとして出力する。

図２は、図１に示す変位センサ１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
図２を参照して、センサ本体部１００は、ＣＰＵ１０１と、表示用ＬＥＤ１０２と、操作スイッチ１０３と、入出力回路（Ｉ／Ｏ）１０４と、演算部１０５と、メモリ制御部１０６と、フレームバッファ１０７と、Ｄ／Ａ変換器１０８と、レジスタ１０９と、同期信号発生部１１０と、発振器（ＯＳＣ）１１１とを備える。センサ本体部１００は、さらに、同期バスＢＵＳ１と、ＣＰＵバスＢＵＳ２とを備える。

ＣＰＵ（あるいは１チップマイコン）１０１は、センサ本体部１００の全体を統括制御する。演算部１０５は画像処理に必要な各種の演算を行なう専用のハードウェア回路である。演算部１０５ではＡ／Ｄ変換器１１２を介して取り込まれた画像データに対し各種の処理が行なわれる。ここで処理された画像はメモリ制御部１０６を介してフレームバッファ１０７に格納され、必要に応じてＤ／Ａ変換器１０８を介してＮＴＳＣ画像として外部のＣＲＴディスプレイ等に送られる。

レジスタ１０９はセンサヘッド部２００の動作に必要とされる転送仕様テーブルを格納するものである。表示用ＬＥＤ１０２はセンサ本体部１００の動作状態を外部に表示するものである。操作スイッチ１０３はセンサ本体部１００に対して各種の指示を与えるためのものである。入出力回路（Ｉ／Ｏ）１０４は、センサ本体部１００にて計測された変位データを外部へと出力するものである。なお、この変位データには計測値そのものの他に、計測値と基準値との比較結果を示すスイッチング信号を含んでもよい。

センサ本体部１００の動作は、発振器（ＯＳＣ）１１１および同期信号発生部１１０を介して得られる同期信号によって制御される。

センサヘッド部２００は、発振器（ＯＳＣ）２０１と、タイミング信号発生回路２０２とを備える。これらの回路はセンサ本体部１００内のレジスタ１０９に格納される転送仕様設定データに基づいて必要なタイミング信号を発生し、これをドライブ回路２０３並びに光源２０６へと送り出す。

光源２０６は本発明における「照射部」に対応する。後述するように、光源２０６はレーザダイオード２０７とスリット２０８とから構成されており、いわゆる光切断法における切断光を発生して計測対象３００へと照射する。この計測用の光切断光によって計測対象３００の表面には切断光の照射光像（ライン状輝線）が形成される。ライン状輝線が形成された計測対象の表面は撮像素子２０５により撮影される。なお実施の形態１では撮像素子２０５はＣＣＤである。

後述するように、この撮像素子２０５はドライブ回路２０３から送られる転送パルスＴＰ１〜ＴＰ３によって転送動作が制御される。撮像素子２０５から読み出された映像信号はサンプルホールド回路２０４にて滑らかに整形されてセンサ本体部１００へと送り出される。

図３は、図１に示すセンサヘッド部２００の光学系を概略的に説明する図である。
図３を参照して、レーザダイオード２０７から発せられたレーザビームはスリット２０８を通ることで断面線状の光線（いわゆるラインビーム）に成形される。スリット２０８を通過したレーザビームＬ１は投光レンズ２０９を介して計測対象３００の表面に照射される。レーザダイオード２０７、スリット２０８は光源２０６を構成する。

計測対象３００の表面にレーザビームＬ１が照射されると、照射領域から反射光Ｌ２が生じる。切断光の照射光像２１０（すなわち照射領域の像）は、所定の角度から受光レンズ２１１を介して撮像素子２０５で撮影される。よく知られているように、変位センサにおける撮像素子２０５の撮影角度は計測対象３００の高さ方向の変化によって撮像素子２０５における撮像領域２１２での結像位置が変化するように決められている。

ここで高さ方向とは、測定基準面４００からレーザダイオード２０７に向かう方向を意味する。センサヘッド部２００から測定基準面４００までの距離を距離Ｂとする。つまり高さ方向の変位量とは、センサヘッド部２００から照射光像２１０までの距離が距離Ｂに対してどれだけ異なっているかを示す量である。

また、測定基準面４００は計測対象３００の高さ方向の変位を測定する際の基準位置である。この基準位置を「測定基準位置」と以後称する。測定基準位置から照射領域の位置までの変位量に応じて撮像領域２１２における反射光の受光位置が変化するようにＣＣＤ２０５は配置されている。

図４は、実施の形態１の変位センサによる計測を説明する図である。
図４を参照して、センサヘッド部２００の内部の構成については図３に示す構成と同様であるので以後の説明は繰返さない。本実施の形態の変位センサは計測対象３００の高さ方向の変位量Ｈだけでなく計測対象３００の幅方向の変位量Ｗも測定することができる。ここで「幅方向」とは上述の高さ方向に直交する方向である。計測対象の表面においてレーザビームは計測対象の幅方向に延びる。また、本実施の形態の変位センサは変位測定を行なう際の計測モードとして、標準モード、高速モード、および高精度モードを有する。

図５は、本実施の形態の変位センサが有する計測モードを具体的に説明する図である。
図５および図４を参照して、標準モードはデフォルト状態の計測モードである。標準モードにおける測定範囲をＡとし、センサヘッド部２００の位置から測定範囲Ａの中心までの距離をＢとする。図５に示すＡの値は６０ｍｍ（中心位置から±３０ｍｍ）であり、Ｂの値は２１０ｍｍである。ただしこれらの値は本実施の形態の変位センサを具体的に説明するために用いた例であり、Ａ，Ｂの値がこの値に特に限定されるものではない。

測定範囲Ａの中心位置は上述の測定基準位置に対応する。なお、以後においては測定範囲Ａの中心位置を「測定中心」と称する。

高速モードでは、スピードが要求される検査工程に対応できるように、測定範囲が標準モードの測定範囲Ａの１／２（測定中心から±１５ｍｍ）に設定される。このときの測定中心はセンサヘッド部２００の位置から距離Ｂだけ離れている。

高精度モードでは、たとえば計測対象の形状を忠実に再現して変位量が高精度に測定される。この場合には解像度を標準モードの４倍に設定する。従ってＣＣＤから得られる画像における画素のサイズは標準モードの１／４になる。なお高精度モードにおける測定中心はセンサヘッド部２００の位置から距離Ｂだけ離れている。

このように本実施の形態では計測モードが変化してもＣＣＤから得られる画像における測定中心の位置は変化しない。言い換えると解像度や測定範囲にかかわらずＣＣＤは測定中心に位置する計測対象の領域を撮像している。

図６は、高速モードでの計測時にセンサ本体部１００がＣＣＤから取得した画像を説明する図である。

図７は、標準モードでの計測時にセンサ本体部１００がＣＣＤから取得した画像を説明する図である。

図６および図７を参照して、画像ＩＭＧを含む領域ＡＲの大きさ（縦方向の長さ）は測定範囲Ａの大きさに対応する。高速モードにおける測定範囲は標準モードにおける測定範囲の半分であるため、図６に示す領域ＡＲ（画像領域）の大きさは図７に示す領域ＡＲの大きさの１／２である。

図７において画像ＩＭＧに含まれる画像ＩＡ，ＩＢは図４に示す高さ方向の変位量Ｈおよび幅方向の変位量Ｗをそれぞれ反映した像であり、画像ＩＣは測定中心を反映した画像である。このように本実施の形態ではＣＣＤは、計測対象の一部（測定中心に位置する部分）が撮像されるように配置される。

図６および図７に示す長方形は、画像ＩＭＧを構成する画素のサイズを模式的に示したものである。ただし図示した画素の大きさは実際の大きさとは異なる。具体的に説明すると、長方形の垂直方向の大きさは４ａであり、長方形の水平方向の大きさはａである。

図８は、高精度モードでの計測時にセンサ本体部１００がＣＣＤから取得した画像を説明する図である。

図８を参照して、高精度モードでは画像ＩＭＧを構成する画素のサイズは水平方向、垂直方向ともにａとなる。つまり高精度モードではＣＣＤから読み出される画像を構成する画素の垂直方向の大きさは標準モードにおける画素の垂直方向の大きさの１／４である。なお高精度モードと標準モードとでは領域ＡＲの大きさは等しい。

続いてＣＣＤの構成についてより詳細に説明する。
図９は、ＣＣＤにおける電荷転送回路を説明するブロック図である。

図９を参照して、外部から第１の転送パルスＴＰ１が与えられると、各垂直ラインに属する受光画素Ｐｈの出力（電子シャッタ開期間の蓄積電荷）は隣接する垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎの該当ステージへと転送される。

外部から第２の転送パルスＴＰ２が与えられると、各垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎは図中上方へ１ステージ分だけシフトされ、各垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎの先頭ステージに格納された電荷は水平シフトレジスタＨＲの該当ステージへと転送される。

外部から第３の転送パルスＴＰ３が与えられると、水平シフトレジスタＨＲは１ステージ分だけ図中左方へシフトされ、水平シフトレジスタＨＲの先頭ステージに格納された電荷は出力部Ａｏｕｔを介して外部へと出力される。

したがって、たとえば高精度モードでは第２の転送パルスＴＰ２と第３の転送パルスＴＰ３とが交互に与えられる。

標準モードでは第２の転送パルスＴＰ２が４回与えられた後に第３の転送パルスＴＰ３が与えられる。標準モードでは、まず水平シフトレジスタＨＲの各ステージに４ライン分の信号電荷が重畳される。重畳された４ライン分の信号電荷は第３の転送パルスＴＰ３に応じて水平シフトレジスタＨＲから出力される。

高速モードにおいて、図６に示す領域ＡＲに対応する部分の電荷転送の動作は標準モードにおける動作と同様である。図６において領域ＡＲを除く領域ＡＲ１，ＡＲ２については、できるだけ多数（たとえば７つ）の第２の転送パルスＴＰ２が与えられ、水平シフトレジスタＨＲの各ステージに多数ライン分（たとえば７ライン分）の信号電荷が重畳された後に第３の転送パルスＴＰ３が与えられる。

ＣＣＤの場合には信号電荷を読み出すべき水平ラインを選択できない。したがって、高速モードにおいて領域ＡＲに対応する水平ラインのみから信号電荷を読み出すことができない。このため領域ＡＲ１，ＡＲ２に対応する水平ラインからも信号電荷を読み出す処理が必要であるが、この処理は計測処理に関係しないためできるだけ短時間で行なわれる必要がある。このため水平シフトレジスタにできるだけ多数本の水平ラインの信号電荷を転送させた後に、水平シフトレジスタから外部に信号電荷を出力する処理が行なわれる。なおこれらの転送仕様を定める情報は図２に示すセンサ本体部１００内のレジスタ１０９にテーブル形式にて格納される。

このように、センサ本体部１００は、ＣＣＤにおける撮像面の中から受光情報（信号電荷）を取り出すべき領域（処理対象領域）を特定する。この処理対象領域に計測対象が撮像される。センサ本体部１００は、複数の受光画素のうちの処理対象領域に含まれる受光画素から読み出した受光情報に基づいて、変位の方向における照射領域の変位量を計測する。次に、この処理対象領域についてより詳細に説明する。

図１０は、図３に示す撮像素子２０５の撮像領域２１２をより詳細に説明する模式図である。

図１０および図３を参照して、撮像領域２１２には、反射光Ｌ２の受光位置が変化する方向であるＹ方向に沿って複数の受光画素Ｐｈが配置される。撮像領域２１２において領域ＡＲ０（処理対象領域）以外の部分については、たとえば多数の水平ラインの信号電荷を水平シフトレジスタに転送させ、センサ本体部１００が水平シフトレジスタから信号電荷を反映した信号を読み出す。ただしこの信号はセンサ本体部１００での変位計測処理には用いられない。一方、センサ本体部１００は領域ＡＲ０に属する画素から読み出した信号を変位計測処理に用いる。これにより、撮像領域２１２において領域ＡＲ０が特定された状態になる。

受光基準位置Ｐ１は照射光像２１０の一部の位置が測定基準位置（図３の測定基準面４００）に等しいときの反射光Ｌ２の受光位置である。受光画素Ｐｈ１は受光基準位置Ｐ１上に位置する受光画素である。受光画素Ｐｈ１はＹ方向に交差するＸ方向に沿って並べられている。なおＸ方向は図４に示すレーザビームの延びる方向（計測対象の幅方向）に対応する方向である。

センサ本体部１００は受光基準位置Ｐ１を含むように領域ＡＲ０を定める。図１０に示すように領域ＡＲ０は受光基準位置Ｐ１に対応する受光画素Ｐｈ１を必ず含むように設定される。

図１６に示す例ではＣＣＤの視野の大きさが変更されると変位量を測定できない可能性がある。これに対し、本実施の形態ではいわばＣＣＤの視野の大きさが変わっても変位量を測定できる。よって実施の形態１によればユーザの使い勝手が向上する。

複数の受光画素Ｐｈは、Ｘ方向だけでなくＹ方向にも並べられている。つまり複数の受光画素Ｐｈは行列状に配置されている。ここで図１０には示していないが複数の受光画素Ｐｈの列ごとに設けられる複数の垂直シフトレジスタ（図９参照）はＹ方向に沿って広がるよう配置される。また複数の垂直シフトレジスタの出力を先頭から順に受ける水平シフトレジスタはＸ方向に沿って延びるように設けられる。つまり反射光Ｌ２の受光位置の移動方向は垂直シフトレジスタの出力のシフト方向に等しい。

このように撮像領域２１２には複数の受光画素、水平シフトレジスタ、および垂直シフトレジスタを配置する。さらに光源からは線状のビーム光が計測対象に向けて発せられる。これにより、図７を参照すれば分かるように画像ＩＭＧには計測対象３００の高さ方向の変位を反映した画像ＩＡと幅方向の変位を反映した画像ＩＢとが含まれる。よって１度の撮像により計測対象の高さ方向の変位および幅方向の一方または両方を計測することができる。

また、領域ＡＲ０は受光基準位置Ｐ１を基準にして定められる。具体的に説明すると受光基準位置Ｐ１は領域ＡＲ０の中心位置に固定される。センサ本体部１００（特にＣＰＵ１０１）は計測モードを標準モードと高速モードとの間で切り換える場合には、受光基準位置を領域ＡＲ０の中心に保ったまま領域ＡＲ０の範囲（Ｙ方向の長さ）を変更する。

これにより計測モードを変えたとしてもＣＣＤから得られる画像において測定中心の位置が変わらない。計測モードを変えるたびに画像中の測定中心の位置が移動する（画像が移動する）とユーザの違和感が生じやすい。本実施の形態によればこのようなユーザの違和感を少なくすることができる。よってユーザの使い勝手が向上する。

図１１は、計測対象の幅方向の変位の計測について説明する図である。
図１１を参照して、計測対象３００の幅方向の変位の計測についても高さ方向の変位の計測と同様に、測定基準位置Ｃおよび測定範囲Ａが設定される。測定基準位置Ｃから照射光像２１０に向かう方向が幅方向である。なお、図１１に示す測定基準位置Ｃは一例であり、たとえば計測対象３００のエッジの位置を測定基準位置Ｃに設定してもよい。

図１２は、計測対象の幅方向の変位の計測時における撮像素子２０５の撮像領域２１２を説明する模式図である。なお、図１２に示すＸ，Ｙ方向は図１０に示すＸ，Ｙ方向とそれぞれ同じである。

図１２および図１１を参照して、受光基準位置Ｐ２はビーム光が測定基準位置Ｃを照射するときの領域ＡＲ０における受光位置を示す。図１０と同様に領域ＡＲ０に含まれる複数の画素Ｐｈのうち、受光基準位置Ｐ２上に位置する画素を受光画素Ｐｈ１と示す。図１２と図１０とを比較すれば分かるように、図１２では受光画素Ｐｈ１はＹ方向に沿って並べられる。

また、照射光像２１０が測定範囲Ａ内を移動しても、その像が領域ＡＲ０内に収まるように領域ＡＲのＸ方向の範囲が定められる。これにより計測対象３００の高さ方向の変位量の計測と同様に幅方向の変位量も測定することができる。

なお、以上の説明では計測対象３００の高さ方向および幅方向が撮像領域２１２におけるＹ方向およびＸ方向にそれぞれ対応するものとしたが、計測対象３００の高さ方向および幅方向を撮像領域２１２におけるＸ方向およびＹ方向にそれぞれ対応させてもよい。つまりＣＣＤの撮像領域（撮像面）の向きを９０度回転させてもよい。この場合にも上述の原理に従って計測対象の高さ方向の変位量および幅方向の変位量を計測することができる。

以上のように実施の形態１によれば、測定基準位置に対応する受光位置を含むように撮像領域上に処理対象領域が特定される。測定範囲あるいは測定精度が変更された場合にも変位センサと計測対象との距離を変えることなく変位量の計測が可能になる。よって実施の形態１によればユーザの利便性が向上する。

［実施の形態２］
実施の形態２の変位センサの外観は図１に示す変位センサ１の外観と同様である。また、実施の形態２の変位センサの電気的なハードウェア構成は図２に示す構成と同様である。このため実施の形態２の変位センサの外観およびハードウェア構成については以後の説明を繰返さない。

実施の形態２では図２に示す撮像素子２０５としてＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを用いる。ＣＣＤの場合には信号電荷を転送する順序と方向が決まっているのに対し、ＣＭＯＳセンサではスイッチのタイミングをコントロールすることによって信号を読み出す画素や信号を読み出す順序を変えることができる。つまりＣＭＯＳイメージセンサの場合、複数の受光画素に対するランダムアクセスが可能である。

図１３は、ＣＭＯＳセンサの電荷転送回路の構成を示す模式図である。
図１３を参照して、ＣＭＯＳセンサは、２次元（行列状）に配置された複数の受光画素Ｐｈａを含む。受光画素Ｐｈａに入射した光は受光画素Ｐｈａの内部において信号電荷に変換され、さらに電圧信号に変換される。

垂直走査回路ＶＳからの電圧により受光画素Ｐｈａの内部に設けられるゲートスイッチ（図示せず）がオンすると、その画素と同じ行に設けられた複数の画素から読み出された信号は各受光画素Ｐｈａが結ばれている列方向の出力線Ｌｎに出力される。次に水平走査回路ＨＳが読出対象の受光画素Ｐｈａに対応する出力線Ｌｎに接続されるスイッチＳＷを駆動する。これにより該当の受光画素Ｐｈａからの信号が読み出される。

たとえば製造ラインに変位センサを設置した際に、変位センサに対する測定中心の位置が設計値と異なることが考えられる。この場合には撮像素子における受光基準位置が予め設定された位置と異なる。

実施の形態２によれば、二次元撮像素子にＣＭＯＳセンサを用いることで、読出対象となる画素の指定を適宜変更することが可能になる。上述の例の場合には、製造ラインに変位センサを設置した際に受光基準位置および処理対象領域を再設定することが可能になる。

受光基準位置の設定処理（以後、「ティーチング処理」とも称する）は図２に示すセンサ本体部１００の操作スイッチ１０３をユーザが操作することによって実行される。よって一旦設置した変位センサを外す必要なく受光基準位置を変更できる。このため実施の形態２によればユーザの使い勝手を向上させることができる。

図１４は、実施の形態２の変位センサにおける受光基準位置の再設定処理を説明するフローチャートである。

図１４および図２を参照して、処理が開始されると、ステップＳ１においてユーザは計測対象を測定基準位置に設置する。次にステップＳ２においてユーザは操作スイッチ１０３を押してティーチング処理を開始するためのコマンド入力を行なう。ＣＰＵ１０１はコマンド入力に応じてティーチング処理を開始する。この場合、ＣＰＵ１０１は光源２０６がライン状のビーム光を発するように光源２０６を制御する。

ステップＳ３において、撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）２０５、ドライブ回路２０３等により計測対象の撮像が行なわれる。ＣＭＯＳセンサから読み出される受光信号に基づいて、ＣＰＵ１０１はＣＭＯＳセンサに含まれる複数の受光画素のうち反射光を受けた受光画素を特定する。

ステップＳ４においてＣＰＵ１０１は該当の受光画素のアドレス情報を受光位置の情報として内部に記憶する。あるいはＣＰＵ１０１はセンサ本体部１００内に設けられた記憶装置（図示せず）に上記のアドレス情報を記憶させてもよい。出荷時の設定あるいは前回のティーチング処理によりアドレス情報はセンサ本体部１００の内部に記憶されている。ステップＳ４の処理によりアドレス情報は書換わる。ステップＳ４の処理が終了すると全体の処理が終了する。

図１５は、実施の形態２の変位センサにおいて撮像素子からの信号読出処理を概略的に説明するフローチャートである。

図１５を参照して、処理が開始されると、まずステップＳ１１において、ＣＰＵ１０１は内部（あるいはＣＰＵ１０１とは別に設けられる記憶装置）に記憶されたアドレス情報を読み出す。すなわちＣＰＵ１０１は受光基準位置の情報を読み出す。

次にステップＳ１２において、ＣＰＵ１０１はＣＭＯＳセンサから受光信号を読み出す処理を実行する。この場合、ＣＰＵ１０１は受光基準位置に基づいて定めたＣＭＯＳセンサの受光面上の処理対象領域に属する受光画素から受光信号を読み出す。

なお計測モードに応じて処理対象領域の大きさが異なるものの受光基準位置は変更されずに処理対象領域の中心に固定される。この点では実施の形態２は実施の形態１と同様である。

続いてステップＳ１３において、ＣＰＵ１０１は受光信号に基づいて変位計測処理を実行する。ステップＳ１３の処理が終了すると全体の処理が終了する。

このように実施の形態２では受光基準位置を変更可能であるのでユーザの使い勝手を向上させることが可能になる。

なお、実施の形態１，２ではライン状のビーム光を計測対象に照射するものとした。しかしながら本実施の形態では、ビーム光をライン状に広げることが必要であると限定されるものではない。たとえば計測対象の表面においてスポットが形成されるよう光源からビーム光を照射してもよい。

また、実施の形態１，２では撮像素子は、二次元に配置された受光画素を有する。しかしながら本実施の形態に用いられる撮像素子は、受光画素が一次元に配置されたリニアセンサであってもよい。この場合、受光位置が変化する方向に受光画素が並ぶようにリニアイメージセンサを配置する必要がある。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態の変位センサの外観図である。 図１に示す変位センサ１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図１に示すセンサヘッド部２００の光学系を概略的に説明する図である。 実施の形態１の変位センサによる計測を説明する図である。 本実施の形態の変位センサが有する計測モードを具体的に説明する図である。 高速モードでの計測時にＣＣＤから得られる画像を説明する図である。 標準モードでの計測時にＣＣＤから得られる画像を説明する図である。 高精度モードでの計測時にＣＣＤから得られる画像を説明する図である。 ＣＣＤにおける電荷転送回路を説明するブロック図である。 図３に示す撮像素子２０５の撮像領域２１２をより詳細に説明する模式図である。 計測対象の幅方向の変位の計測について説明する図である。 計測対象の幅方向の変位の計測時における撮像素子２０５の撮像領域２１２を説明する模式図である。 ＣＭＯＳセンサの電荷転送回路の構成を示す模式図である。 実施の形態２の変位センサにおける受光基準位置の再設定処理を説明するフローチャートである。 実施の形態２の変位センサにおいて撮像素子からの信号読出処理を概略的に説明するフローチャートである。 従来技術を用いてＣＣＤの視野を意図的に狭くした場合に想定される問題点を説明する図である。

符号の説明

１ 変位センサ、１００ センサ本体部、１０１ ＣＰＵ、１０２ 表示用ＬＥＤ、１０３ 操作スイッチ、１０４ 入出力回路、１０５ 演算部、１０６ メモリ制御部、１０７ フレームバッファ、１０８ Ｄ／Ａ変換器、１０９ レジスタ、１１０ 同期信号発生部、１１１，２０１ 発振器、１１２ Ａ／Ｄ変換器、２００ センサヘッド部、２０２ タイミング信号発生回路、２０３ ドライブ回路、２０４ サンプルホールド回路、２０５ 撮像素子、２０６ 光源、２０７ レーザダイオード、２０８ スリット、２０９ 投光レンズ、２１０ 照射光像、２１１ 受光レンズ、２１２ 撮像領域、２５１ 投光窓、２５２ 受光窓、３００ 計測対象、４００ 測定基準面、Ａ 測定範囲、Ａ１，Ａ２ 視野、Ａｏｕｔ 出力部、ＡＲ０，ＡＲ，ＡＲ１，ＡＲ２ 領域、ＢＵＳ１ 同期バス、ＢＵＳ２ ＣＰＵバス、Ｃ 測定基準位置、ＨＬ１〜ＨＬｎ 水平ライン、ＨＲ 水平シフトレジスタ、ＨＳ 水平走査回路、ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ，ＩＭＧ 画像、Ｌ 光像、Ｌ１ レーザビーム、Ｌ２ 反射光、Ｌｎ 出力線、Ｐ１，Ｐ２ 受光基準位置、Ｐｈ，Ｐｈ１，Ｐｈ２，Ｐｈａ 受光画素、Ｓ１〜Ｓ１３ ステップ、ＳＷ スイッチ、ＶＲ１〜ＶＲｎ 垂直シフトレジスタ、ＶＳ 垂直走査回路。

Claims (10)

1. 基準位置からの変位を計測する変位センサであって、
   計測対象の照射領域に光ビームを照射する照射部と、
   前記照射領域において前記光ビームが反射することにより生じた反射光を受けて前記照射領域を撮像する撮像素子とを備え、
   前記撮像素子は、
   前記照射領域の一部が前記基準位置にあるときに、撮像領域に前記一部が撮像されるように配置され、
   前記撮像領域には、前記反射光の受光に応じた受光情報を各々生成する複数の受光画素が、前記変位の方向に対応する第１の方向に沿って配置され、
   前記撮像領域の中から処理対象領域を特定し、前記複数の受光画素のうちの前記処理対象領域に含まれる受光画素から読み出した前記受光情報に基づいて、前記変位の方向における前記照射領域の変位量を計測する計測処理部をさらに備え、
   前記計測処理部は、前記一部からの前記反射光を受ける位置を含むように、前記撮像素子の全撮像範囲の中から前記処理対象領域を特定し、
   前記変位センサは、前記撮像領域からの前記受光情報の読出しの速度が異なるように計測モードを切換えることが可能であり、
   前記計測モードが変更された場合には、前記計測処理部は、前記基準位置に対応する受光位置を前記処理対象領域の中心に保ったまま前記処理対象領域の範囲を変更する、変位センサ。
2. 前記変位の方向は、前記基準位置から前記照射部に向かう方向に等しい、請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記光ビームは、前記計測対象上で線状に広がり、
   前記複数の受光画素は、さらに、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って並べられる、請求項２に記載の変位センサ。
4. 前記計測処理部は、前記第１および第２の方向に広がるように前記処理対象領域を特定し、
   前記第１の方向は、前記受光情報の垂直転送方向である、請求項３に記載の変位センサ。
5. 前記計測処理部は、前記基準位置に対応する受光位置を基準として、前記処理対象領域の範囲を特定する、請求項２に記載の変位センサ。
6. 前記計測処理部は、前記基準位置に対応する受光位置が前記処理対象領域の中央となるように、前記処理対象領域の範囲を特定する、請求項５に記載の変位センサ。
7. 前記変位の方向は、前記基準位置から前記照射部に向かう方向と垂直であり、
   前記複数の受光画素は、さらに、前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って並べられ、
   前記光ビームは、前記照射部から前記計測対象に向かうにつれて、前記第２の方向に対応する方向に線状に広がり、
   前記計測処理部は、前記第１および第２の方向に広がるように前記処理対象領域を特定する、請求項１に記載の変位センサ。
8. 前記計測処理部は、前記基準位置に対応する受光位置を基準として、前記処理対象領域の範囲を特定する、請求項７に記載の変位センサ。
9. 前記計測処理部は、
   前記基準位置に対応する受光位置の情報を記憶し、かつ、前記受光位置の情報を書換可能であり、
   前記受光位置の情報を書換えた場合には、書換え後の前記受光位置の情報に基づいて前記処理対象領域の範囲を特定する、請求項１に記載の変位センサ。
10. 前記計測処理部は、外部からの指示に応じて前記受光位置の情報を書き換える、請求項９に記載の変位センサ。

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