JP5218513B2 - 変位センサ - Google Patents

Description

本発明は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサを用いて変位量の計測を行う変位センサに関する。

三角測距の原理を用いた変位センサでは、レーザダイオード等の発光素子を含む投光部から光を出射すると共に、この光に対する対象物からの反射光を撮像素子を含む受光部により受光し、撮像素子により生成された画像中のピークの位置に基づいて変位量（センサからの距離）を求める。

上記の受光部に適した撮像素子の１つとして、全ての画素部における電荷の蓄積や放出が同時に実施されるように構成されたＣＭＯＳリニアイメージセンサがある。
たとえば非特許文献１には、外部からクロック信号とスタートパルス信号とを入力し、スタートパルス信号の立ち上がりからのクロック数に基づいて、電荷の蓄積の開始および終了や、画像データの読み出しのタイミングをコントロールすることが記載されている。

また、特許文献１には、各画素部のフォトダイオードと電荷を蓄積するコンデンサとの間にトランジスタによるスイッチ部を設け、このスイッチ部を各画素部に共通のグローバルシャッタ信号によりオン・オフ制御することにより、全ての画素部における電荷の蓄積の開始や停止がほぼ同時に実施されるように構成されたイメージセンサを、変位センサに導入することが記載されている。

つぎに、従来の変位センサでは、反射光の異なる様々な対象物に対応するために、受光量の変動に応じて検出感度を調整することが提案されている。たとえば特許文献２には、画像中に現れた受光量のピーク値について、あらかじめ定めた最適値に対する比率を求め、この比率に基づいて増幅回路のゲイン、投光部の発光時間や発光強度、受光部のシャッタ時間（電荷蓄積時間）を調整することが記載されている。

また、先にあげた特許文献１には、各画素部にコンパレータを組み込んで蓄積電荷を所定の基準電圧と比較し、いずれかの画素部における蓄積電荷が基準電圧に達したときに各画素の電荷の蓄積を停止させることによって、受光量の飽和を回避することが記載されている。

このほか、別の観点による先行技術文献として、特許文献３には、透光性を有する面とその背後の面（たとえばガラスの表面と裏面）とを個別に計測するために、感度を調整しながら投光処理および受光処理を複数サイクル実施して、各面の計測に適した画像を取得することが記載されている。

特開２００５−３２６３４０号公報 特開２００１−２８０９５１号公報 特開２００６−２９２７３１号公報

「ＣＭＯＳリニアイメージセンサ Ｓ９２２７」カタログ［online］、浜松ホトニクス株式会社発行、インターネット、［平成２２年９月２４日検索］、＜http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/s9227_kmpd1074j03.pdf＞

非特許文献１に記載されたＣＭＯＳリニアイメージセンサでは、電荷の蓄積時間を表すクロック数が１１クロック以上に設定されているため、電荷の蓄積時間を最小のクロック数による時間より短くすることができず、反射率が高い対象物に対する感度調整が困難になるおそれがある。

特許文献１に記載された変位センサによれば、受光量が飽和する前に電荷の蓄積を停止することができるが、この変位センサでは、各画素部に蓄積電荷をチェックするための回路（コンパレータなど）を設けているので、構成が複雑でコスト高となる。

また、特許文献１に記載された発明では、画素部の蓄積電荷が基準電圧に達したことを撮像部の内部で検出して電荷の蓄積を停止させているが、電荷の蓄積期間を正確に把握することができず、最適感度となるようにゲインや蓄積時間などを撮像部の外部からコントロールすることはできない。このため、ユーザが求める処理時間や計測対象物に応じて撮像動作を定義することができず、利便性に欠ける。また、投光部の投光が開始された直後や終了された直後には強度が不安定な光が照射される可能性があるが、引用文献１に記載された構成では、このような不安定な信号成分による反射光の受光を回避する手段は設けられていない。

特許文献３に記載された発明では、計測対象の全ての面につき計測に適した受光量が得られるまで投光および受光を繰り返す必要がある。このため、各面に対する計測値が得られるまでの時間が長くなり、処理を高速にするのが困難である。

本発明は上記の問題点に着目し、計測や感度調整の精度を保証しながら、対象物の種類や計測目的に応じて受光処理の内容を容易に変更できるようにすることを、課題とする。

本発明による変位センサは、受光素子と電荷蓄積部とを有する画素部を複数具備し、各画素部の電荷蓄積部に蓄積された電荷による画像が受光素子の配列に沿う順序で出力されるＣＭＯＳリニアイメージセンサを含む受光部と、検出用の光を発する投光部と、投光部および受光部の動作およびＣＭＯＳリニアイメージセンサからの画像の出力を制御しながら、ＣＭＯＳリニアイメージセンサから出力された画像を用いて対象物の変位を計測する制御処理部とを具備する。

本発明のＣＭＯＳリニアイメージセンサでは、各画素部の受光素子と電荷蓄積部とがスイッチ部を介して接続されると共に、このスイッチ部を導通させるための受光制御信号、画像の出力を指示する読出制御信号、および各画素部の電荷蓄積部に蓄積された電荷をリセットするためのリセット信号の各信号の入力端子を備える。また、制御処理部は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサの各入力端子に接続されてそれぞれの端子に対応する信号を出力するように構成されると共に、リセット信号により各画素部の電荷蓄積部がリセットされている状態下において、投光部の投光開始より遅れて受光制御信号の出力を開始して各画素部の電荷蓄積部に電荷を蓄積させる受光制御手段と、投光部の投光期間より早く終了することを条件に受光制御信号を出力する期間の長さを可変設定する設定手段とを具備する。

上記の構成によれば、電荷蓄積部における電荷の蓄積処理、および各電荷蓄積部に蓄積された電荷による画像を出力する処理、ならびに電荷蓄積部のリセット処理を、それぞれ個別の制御信号により独立して制御することができるので、ＣＭＯＳリニアイメージセンサの動作内容の変更にかかる自由度が高められる。たとえば、上記３つの処理を順に実施してもよいし、電荷の蓄積処理と一段階前に蓄積された電荷による画像を出力する処理とを並列で実施してもよい。

さらに、ＣＭＯＳリニアイメージセンサから出力された受光量のピークが飽和したり、反対に適正な振幅より低くなっている場合には、受光制御信号を出力する期間の長さを調整することによって、受光量のピークの強度を速やかに適切にすることができる。よって、感度の調整が容易になる。

また各画素部の電荷蓄積部がリセットされている状態下で、投光部の投光が開始された後に電荷の蓄積を開始し、その蓄積処理を投光が終了する前に終了するので、安定した強度の光が投光されている間の反射光を受光することができる。これにより、反射光の受光状態を適切に示した画像を得ることができ、計測や感度の調整の精度を確保することが可能になる。

本発明の好ましい実施態様による変位センサは、受光制御信号の出力に対する読出制御信号の出力の回数および各出力のタイミングを可変設定する第２の設定手段と、受光制御信号の出力に対して設定された読出制御信号の出力がすべて終了した後にリセット信号を出力するリセット手段をさらに具備する。また、第２の設定手段は、受光制御信号の出力に対して読出制御信号を複数回出力する場合には、これら複数回のうちの最後の出力を除く各出力が受光制御信号が出力されている期間内に実施されるように各出力のタイミングを設定する。

上記の構成によれば、計測の目的や対象物の種類に応じて、１回分の電荷の蓄積に対する画像の出力回数やタイミングを変更することが可能になる。特に、画像の出力を複数回行う場合には、２回目以降の出力では、前回出力された画像が示す受光量にその後に受光した光量を重畳したレベルを示す画像が出力される。したがって、透光性を有する面とその背後の面とを個別に計測する場合には、投光の期間および受光制御信号を出力する期間をやや長めにして、計測対象の面の数に対応する回数分の読出制御信号を出力することにより、１サイクル分の投光および受光により各面の計測に適した画像データを得ることが可能になる。よって、特許文献３に記載された発明よりも短い時間で目的とする計測を実施することが可能になる。

上記変位センサの他の好ましい実施態様では、ＣＭＯＳリニアイメージセンサは、複数の画素部のいずれかの位置を表すアドレスデータを入力するための入力端子を備えると共に、この入力端子から入力されたアドレスデータに対応する画素部に蓄積された電荷による画像を先頭の画素とする画像を出力する。また、制御処理部は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサのアドレスデータの入力端子にいずれかの画素部のアドレスデータを出力することによって、ＣＭＯＳリニアイメージセンサにおける画像の出力範囲を可変設定する。

ＣＭＯＳリニアイメージセンサを用いた従来の変位センサには、処理を高速にするために画像の読み出し範囲を限定することができるものがあるが、常に１番若いアドレスの画素部により生成された画像が先頭の画素となるため、読み出し範囲を限定する場合に計測ができる範囲に偏りが生じたり、ユーザが計測したい範囲を中心部にした画像を生成するのが困難であった。

上記の実施態様はこれらの問題を解消することを課題とするもので、制御処理部からＣＭＯＳリニアイメージセンサに、画像の読み出しの開始位置を表すアドレスデータを出力することにより、先頭画素の位置や読み出される画像のサイズを自由に変更することができる。また処理時間を短縮することができる。
さらに、ユーザが計測したい範囲が安定して含まれるように読出の範囲を定めて、この範囲の先頭に対応する画素部のアドレスデータをＣＭＯＳリニアイメージセンサに出力することによって、受光量のピークを安定して検出可能な画像を生成することができる。

他の実施形態による変位センサでは、ＣＭＯＳリニアイメージセンサは、画素単位の画像の読み出しのタイミングを定めるクロック信号の入力端子を備えると共に、受光素子の配列の後尾を構成する所定数の受光素子が遮光されている。また制御処理部は、読出制御信号の出力後にクロック信号の出力を続けることによってＣＭＯＳリニアイメージセンサの各画素部により生成された画像（画素単位の画像）を順に読み出すと共に、受光素子が遮光されている画素部により生成された画像が読み出されている間にクロック信号の出力を停止する。

ＣＭＯＳリニアイメージセンサから出力される画像は、通常は、増幅されてから計測処理に使用されるが、画素単位の画像の読み出しのタイミングを定めるクロック信号が画素の読み出しが終了した後も出力され続けると、いわゆる空打ち状態となって受光量の最小レベルより低いレベルの信号が出力される。この結果、ＣＭＯＳリニアイメージセンサからの画像の増幅の基準となる基準電位が変動し、受光量のピークを適切に増幅できなくなるおそれがある。

上記の実施態様は、この問題を解消することを課題とするもので、受光素子の配列の後尾を構成する所定数の受光素子を遮光し、これらの受光素子による画素部が生成した画像が読み出されている間にクロック信号の出力を停止することにより、ＣＭＯＳリニアイメージセンサから出力される信号の基準電位を、最小の受光量を示すレベルに維持することができる。よって、受光量のピークを安定して増幅することが可能になる。

本発明によれば、各画素部の電荷蓄積部における蓄積処理のタイミングや蓄積期間の長さを受光制御信号により容易に制御することができ、また常に安定した強度の反射光を受光し、計測や感度調整の精度を確保することができる。また、画像の読み出しを行うタイミングと電荷を蓄積する期間とが、それぞれ独立の制御信号により制御されるので、計測の目的に応じて、ＣＭＯＳリニアイメージセンサの動作内容を容易に変更することができ、利便性が高められる。

本発明が適用される変位センサの外観を示す斜視図である。 変位センサの電気構成を示すブロック図である。 ＣＭＯＳリニアイメージセンサの回路構成を模式的に示す図である。 投光部および受光部に対する制御手順を示すタイミングチャートである。 投光される光の不安定な強度変化の影響を除外するための原理を説明するタイミングチャートである。 バイアス信号およびクロック信号の関係をリセット信号の切り替えのタイミングに対応づけて示すタイミングチャートである。 複数の面を計測する場合の制御手順を示すタイミングチャートである。 画像の読み出し範囲を変更した例を説明する図である。 ＣＭＯＳリニアイメージセンサから出力される基準電位が空打ちにより変動している例とこの問題を解決した例とを対比して示した図である。 フォトダイオードの配列に対するマスクの範囲を示す図である。

図１は、本発明が適用される変位センサの外観および使用状態を示す。
この実施例の変位センサＳは、検出対象のワークＷに対してレーザビームＬ１を投光すると共にこのレーザビームＬ１に対するワークＷからの反射光Ｌ２を受光し、三角測距の原理に基づき、センサからワークＷまでの距離を変位量として計測するものである。

センサＳの筐体内には、図２に示すように、受光部１，投光部２，ＣＰＵ３，メモリ４，入出力インターフェース５などが組み込まれる。
投光部２には、発光素子としてレーザダイオード（ＬＤ）２０が導入され、さらに投光制御回路２１や図示しない投光用のレンズなどが設けられる。受光部１は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００，可変ゲインアンプ１０１，Ａ／Ｄ変換回路１０２，および図示しない受光用のレンズなどにより構成される。

ＣＰＵ３は、メモリ４に格納されたプログラムに基づき、投光部２および受光部１の動作を制御しつつ、受光部１から出力された画像データを入力して変位量の計測を実施する。投光部２に対しては、投光制御信号ＬＤＯＮによって投光のタイミングおよび投光時間を制御する。受光部１のＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００に対しては、受光制御信号ＰＤＳＷ，読出制御信号ＳＴ，リセット信号ＲＥＳＥＴ，クロック信号ＣＬＫの４種類の信号を用いて、各画素部による受光動作や画像の出力を制御する。

ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００から出力された画像は可変ゲインアンプ１０１により増幅された後、Ａ／Ｄ変換回路１０２によりディジタル変換され、ＣＰＵ３に入力される。ＣＰＵ３は、入力された画像から受光量のピークを検出し、そのピークの座標からワークＷの変位量（変位センサ１からワークＷまでの距離）を導出する。なお、ＣＰＵ３は、必要に応じて可変ゲインアンプ１０１の増幅率を調整することができる。

入出力インターフェース５は図示しない外部機器に接続されて、外部機器から入力された設定データをＣＰＵ３に伝送し、また、ＣＰＵ３から出力された計測結果データを外部機器に出力する。

図３は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００内の回路構成を示す。
この実施例のＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００は、複数の画素部１０、画素部１０毎に設けられた複数のホールド回路１５、出力用のアンプ１６などを有する。各画素部１０は、それぞれスイッチ部Ｓ１を介して対応するホールド回路１５に接続される。各ホールド回路１５は、スイッチ部Ｓ２を介してアンプ１６に接続される。

各画素部１０は、フォトダイオード１１および電荷蓄積部１２、ならびに両者を接続するスイッチ部Ｓａなどにより構成される。各画素部１０のフォトダイオード１１は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００の前面の窓部（図示せず。）に、一列に並んだ状態で配備される。
電荷蓄積部１２には、コンデンサ１３、アンプ１４、およびコンデンサ１３の充電・放電を切り替えるためのスイッチ部Ｓｂが含まれる。

各スイッチ部Ｓａ，Ｓｂ，Ｓ１，Ｓ２の実体は、ＭＯＳ型トランジスタである。フォトダイオード１１と電荷蓄積部１２との間のスイッチ部Ｓａは受光制御信号ＰＤＳＷにより一斉に導通し、これによりフォトダイオード１１から出力された電荷が電荷蓄積部１２に導かれる。

スイッチ部Ｓｂは、リセット信号ＲＥＳＥＴがローレベルの間はオフ状態となり、この間に、電荷蓄積部１２のコンデンサ１３に電荷を蓄積することができる。リセット信号ＲＥＳＥＴがローレベルからハイレベルに切り替えらると、スイッチ部Ｓｂが導通するためコンデンサ１３は放電し、蓄積された電荷はリセットされる。

画素部１０とホールド回路１５との間のスイッチ部Ｓ１は、読出制御信号ＳＴに応じて発生した内部信号により一斉に導通する。スイッチ部Ｓ１の導通により、各電荷蓄積部１２のコンデンサ１３に蓄積された電荷が対応するホールド回路１５に伝えられ、保持される。これにより、各画素部１０において受光に伴い蓄積された電荷、言い替えると受光量信号が各ホールド回路１５に転送されたことになる。この転送が終了すると、クロック信号ＣＬＫに応じて各ホールド回路１５とアンプ１６とを接続するスイッチ部Ｓ２が順に導通し、それぞれのホールド回路１５で保持されていた受光量信号がシリアル出力される。

図４は、投光部２および受光部１に対する制御の手順を、各種制御信号の２周期分のタイミングチャートにより表したものである。なお、この実施例では、クロック信号ＣＬＫは常時出力されているが、周期が短いので、図４では図示を省略する。

投光制御信号ＬＤＯＮおよび受光制御信号ＰＤＳＷは、ハイレベルのときが有効（オン状態）となる。読出制御信号ＳＴは、通常はハイレベルで、一定の周期で所定時間ローレベルとなるが、ハイレベルからローレベルへの切り替わりが画像データの読出開始のトリガとして機能する。

以下、図４中の符号Ａ〜Ｉを参照して、ＣＰＵ３により実施される制御の手順を説明する。まず、ＣＰＵ３は、図４のＡからＢまでの期間、投光制御信号ＬＤＯＮを立ち上げることにより、投光部２にレーザビームＬ１を出射させる。また、ＣＰＵ３は、投光制御信号ＬＤＯＮの立ち上がりに応じて、リセット信号ＲＥＳＥＴをハイレベルからローレベルに切り替える。この切替により電荷蓄積部１０のスイッチ部Ｓｂが開放されて、コンデンサ１３は電荷を蓄積できる状態になるが、この時点では、まだフォトダイオード１１と電荷接続部１２との間のスイッチ部Ｓａが導通していないため、受光量を示す電荷が蓄積されることはない。

ＣＰＵ３は、投光制御信号ＬＤＯＮの立ち上がりから少し遅れて受光制御信号ＰＤＳＷを立ち上げる（図４のＥ）。これにより、スイッチ部Ｓａが導通して、フォトダイオード１１からその受光量に応じた電荷が電荷蓄積部１２に伝送され、コンデンサ１３に蓄積される。

ＣＰＵ３は、受光制御信号ＰＤＳＷを、投光制御信号ＬＤＯＮより先にローレベルに復帰させる（図４のＦ，Ｂ）。これにより受光量を表す電荷はコンデンサ１３には伝わらなくなるが、リセット信号ＲＥＳＥＴのローレベルが維持されているため、それまでにコンデンサ１３に蓄積された電荷は保持される。
ＰＤＳＷ，ＬＤＯＮがともにオフ状態になってからしばらくすると、ＣＰＵ３は、読出制御信号をハイレベルからローレベルに切り替える（図４のＧ）。この切替に応じてＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００内の各画素部１０とホールド回路１５とを結ぶスイッチ部Ｓ１が導通し、受光量信号がホールド回路１５に転送される。転送が終了すると、その後のクロック信号ＣＬＫに応じて各ホールド回路１５が出力用アンプ１６に順に接続され、それぞれのホールド回路１５に保持された受光量信号が出力される（図４のＩ）。

読出制御信号ＳＴがローレベルに切り替えられ、ホールド回路１５に受光量信号を転送するのに必要な時間が経過すると、図４のＤに示すように、リセット信号がローレベルからハイレベルに切り替えられる。これにより各電荷蓄積部１２のスイッチ部Ｓｂが導通し、コンデンサ１３に蓄積された電荷がリセットされる。リセット信号ＲＥＳＥＴは、次に投光制御信号ＬＤＯＮが立ち上げられるまでハイレベルで維持され（図４のＡ，Ｃ）、この間、スイッチ部Ｓｂの導通状態が維持される。
なお、この例では、画像の出力とほぼ同じタイミングでリセット信号ＲＥＳＥＴをハイレベルに切り替えているが、これに限定されるものではない。リセット信号ＲＥＳＥＴのハイレベルへの切り替えは、受光量信号がホールド回路１５に転送されてから次に受光制御信号ＰＤＳＷが立ち上がるまでの間の任意の時点に行うことができる。

ＣＰＵ３は、上記の制御を実行しながら、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００から出力された画像を処理して受光量のピークを抽出し、そのピークの座標に基づき変位量を導出する。さらに、ＣＰＵ３は、受光量のピーク値をメモリ４にあらかじめ登録された基準値と比較し、ピーク値と基準値との間に許容値を超える差が生じている場合には、投光制御信号ＬＤＯＮや受光制御信号ＰＤＳＷの出力期間の長さを変更することによって感度を調整する。この感度調整では、受光量制御信号ＰＤＳＷの出力を投光制御信号ＬＤＯＮの出力より遅れて開始し、かつ受光量制御信号ＰＤＳＷの出力を投光制御信号ＬＤＯＮの出力より早く終了する、というルールを維持することを条件とする。その理由を図５を参照して説明する。

図５では、図４よりも時間軸（横軸）の倍率を拡大して、クロック信号ＣＬＫの変化を示す。また、投光制御信号ＬＤＯＮ、リセット信号ＲＥＳＥＴ、受光制御信号ＰＤＳＷの各信号に、投光部から出射されるレーザビームＬ１の強度の変化、および電荷蓄積部１２に蓄積される電荷の強度の変化を対応づけて示す。

図５（１）の例では、図４と同じ手順による制御が実施されている。投光部２からのレーザビームＬ１は、投光制御信号ＬＤＯＮに従って出射されるが、その強度は制御信号どおりには変化せず、特に立ち上がり時や立ち下がり時の強度の変化は不安定になる。ワークＷからの反射光Ｌ２の強度もレーザビームＬ１と同じように変化するので、この実施例では、投光制御信号ＬＤＯＮの出力を開始した後に、レーザビームＬ１の強度が安定するのに必要な時間をおいて受光制御信号ＰＤＳＷの出力を開始し、投光制御信号ＬＤＯＮの出力を終了する前に受光制御信号ＰＤＳＷの出力を終了する。これにより、投光を開始した直後および投光を終了した直後の不安定な信号成分による電荷が蓄積されるのを防止することができる。

図５（２）の例は、図５（１）の例と比較するために、受光制御信号ＰＤＳＷを用いずに、リセット信号ＲＥＳＥＴとクロック信号ＣＬＫのパルス数とにより電荷の蓄積処理を制御した例を示す。この例では、投光制御信号ＬＤＯＮの出力を開始した後に、レーザビームＬ１の強度が安定するのに必要な時間をおいてリセット信号ＲＥＳＥＴをハイレベルからローレベルに切り替えることにより、受光量を示す電荷の蓄積を開始する。これにより投光開始直後の不安定な信号成分による電荷が蓄積されるのを回避することができる。しかし、この例ではクロック信号ＣＬＫのパルス数によって電荷の蓄積時間を管理しており、投光期間の終了後も電荷の蓄積が行われているので、投光直後の不安定な信号成分による電荷が蓄積されている。この結果、反射光Ｌ２の受光強度を適切に示さない受光量信号が生成されるので、変位量の計測や感度の調整の精度が低下するおそれがある。

これに対し、図５（１）の例のように、反射光Ｌ２を安定した強度で受光できる期間にのみ電荷を蓄積すれば、反射光Ｌ２の受光強度を適切に表した受光量信号を生成することができる。よって、変位量の計測や感度の調整を安定して行うことが可能になる。

また、上記の制御において、不安定な信号成分の影響を受けないようにするには、投光制御信号ＬＤＯＮのオン期間を十分に長く設定するのが望ましい。このような設定をした場合には、副次的な効果として、計測対象の位置に人が視認することが可能な光を照射することができるので、ユーザは、計測されている位置を容易に把握することが可能になる。

つぎに、図５（１）に示すように、この実施例では、リセット信号ＲＥＳＥＴのハイレベルからローレベルへの切り替えを、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりと立ち下がりとの中間点付近で実施しているが、この処理も、計測や感度の調整を安定して行うための工夫である。以下、図６を用いて上記の処理の趣旨を説明する。

この実施例のＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００には、各ホールド回路１５に保持された画素単位での画像を読み出すタイミングをとるために、クロック信号ＣＬＫが入力されている。このクロック信号ＣＬＫはスイッチ部Ｓ１に関係する回路に与えられるため、スイッチ部Ｓ１に接続されている電荷蓄積部１２のバイアス電圧に影響が及び、図６に示すように、クロック信号ＣＬＫの立ち上がり時や立ち下がり時のバイアス電圧を大きく変動させてしまう。

電荷蓄積部１２のコンデンサ１３は、リセット信号ＲＥＳＥＴがＨレベルからＬレベルに切り替えたときに電荷を蓄積できる状態となるため、このときの回路内のバイアス電圧による電荷が初期電荷としてコンデンサ１３に取り込まれる。このため、クロック信号ＣＬＫの立ち上がり又は立ち下がりに同期するタイミングでリセット信号ＲＥＳＥＴを切り替えると、クロック信号ＣＬＫによるノイズ成分がコンデンサ１３の初期電荷に設定され、受光量信号の波形に大きな影響を及ぼすおそれがある。

そこでこの実施例では、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりと立ち下がりとの中間点付近でリセット信号ＲＥＳＥＴを切り替えることにより、バイアス電圧の変動が収まってからコンデンサ１３を起動させるようにしている。このようにすれば、コンデンサ１３の初期電荷を小さな値にすることができるので、受光量信号の波形に及ぼす影響も小さくなり、受光量のピークを問題なく検出することが可能になる。

図４および図５（１）に示した制御の利点をまとめると、受光制御信号ＰＤＳＷという単一の制御信号によって、各画素部１０における電荷の蓄積開始のタイミングおよび蓄積期間の長さを統括して制御することができる。また、受光制御信号ＰＤＳＷを出力する期間の長さを調整することによって、反射率が異なる様々なワークに対し、受光量のピークが適切な値で現れた画像データを得ることが可能になる。

また、この実施例の変位センサでは、投光処理および受光処理を実施しながら、毎回の受光量のピークの値が適切な範囲になるように感度を調整するが、この調整も受光制御信号ＰＤＳＷの出力期間の長さを調整する処理によって容易に行うことができる。
たとえば、反射率が高いワークに対象が切り替えられて受光量が飽和した場合には、受光制御信号ＰＤＳＷの出力期間を短縮することによって、受光量の飽和状態を速やかに解消することができる。反射率が低いワークに対象が切り替えられて受光量のピークが微小になった場合にも、受光制御信号ＰＤＳＷの出力期間を延ばすことによって、受光量のピークのレベルを上げることができる。また、受光制御信号ＰＤＳＷの出力期間を調整するだけでは足りない場合には、投光制御信号ＬＤＯＮの出力期間を延ばし、これに応じて受光制御信号ＰＤＳＷの出力期間をより長くすることもできる。このようにして、ワークＷの反射率に応じた感度調整を容易に行うことができる。

さらに、この実施例では、各画素部１０に電荷を蓄積させる処理と、蓄積された電荷による画像を読み出す処理と、蓄積された電荷をリセットする処理とを、それぞれ個別の制御信号によりコントロールしているので、電荷の蓄積処理に対する画像の読出の時期を自由に変更することができる。よって、たとえば、移動するワークＷの変位量を密な間隔で計測することが求められる場合には、電荷の蓄積処理を実施しながら、一段階前に蓄積されてホールド回路１５に転送された電荷による画像を読み出すことにより、１サイクル分の計測に要する時間を短縮することができ、上記の要望に応えることができる。

さらに、受光制御信号ＰＤＳＷの出力に対する読出制御信号ＳＴの出力回数および出力のタイミングを可変設定することにより、１回分の電荷の蓄積処理に対して複数回の画像の読出を行うこともできる。この機能によれば、透光性を有する面とその背後にある面との変位量を計測する場合には、つぎの図７に示すような制御を実施することができる。

図７の実施例では、投光制御信号ＬＤＯＮおよび受光制御信号ＰＤＳＷの出力期間の長さを図４の実施例よりも長く設定している。ただし、受光制御信号ＰＤＳＷの出力の開始を投光制御信号ＬＤＯＮの出力の開始よりも遅くし（図７のａ，ｅ）、受光制御信号ＰＤＳＷの出力の終了を投光制御信号ＬＤＯＮの出力の終了より早くする（図７のｂ，ｆ）点は、先の実施例と同様である。

さらに、この実施例では、読出制御信号ＳＴをローレベルにする期間を、受光制御信号ＰＤＳＷが出力されている間に２回設定し（図７のｇ１−ｈ１，ｇ２−ｈ２）、受光制御信号ＰＤＳＷの出力が終了した後にも、読出制御信号ＳＴをローレベルにする期間を１回設定する（図７のｇ３−ｈ３）。また、リセット信号ＲＥＳＥＴに関しては、読出制御信号ＬＤＯＮの出力の開始とほぼ同時にリセット信号ＲＥＳＥＴをハイレベルからローレベルに切り替え（図７のａ，ｃ）、読出制御信号ＳＴの最後のローレベルへの切り替え（図７のｇ３）が生じるまでリセット信号ＲＥＳＥＴのローレベルを維持し、しかる後にリセット信号ＲＥＳＥＴをハイレベルに復帰させる（図７のｄ）。

各画素部１０の電荷蓄積部１２に蓄積されている電荷は、読出制御信号ＳＴがハイレベルからローレベルに切り替えられる都度、ホールド回路１５に転送され、転送された電荷による画像が出力される（図７のｉ１，ｉ２，ｉ３）。１回目および２回目の転送の際には、リセット信号ＲＥＳＥＴがローレベルで維持されているため、電荷蓄積部１２の蓄積電荷は保持される。よって、２回目および３回目の受光量信号の転送では、前回転送された受光量信号にその後の受光量が重畳された信号が転送される。これにより、出力される画像に現れる受光量のピーク値はしだいに大きくなる。

図７では、毎回の画像出力（図７のｉ１，ｉ２，ｉ３）と当該画像が表す受光量信号の波形の変化とを対応づけて示している。この例に示すように、１回目の転送による画像データでは振幅が微小であったピークも、出力を重ねるにつれて大きな振幅を示すようになる。これを利用して、たとえば、毎回の入力画像からあらかじめ定めた値以上の受光量を示す箇所をピークとして抽出し、これらの抽出結果を統合して各ピークの座標を特定し、各座標を用いて計測対象の各面の変位量を精度良く計測することができる。

前出の特許文献３による方法で図７の例と同じ計測処理を行うには、投光処理および受光処理を複数サイクル繰り返す必要があり、計測結果を取得するまでの時間が長くなる、という問題があった。これに対し、図７の実施例によれば、１サイクル分の投光および受光によって計測に必要な画像データを取得することができるので、従来よりも処理時間を大幅に短縮することができる。

さらに、図１および図２に示した変位センサＳには、以下の（イ）および（ロ）の実施例を適用することができる。

（イ）画像の読み出しの開始位置を変更する機能を付加した実施例
この実施例のＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００には、画素のアドレスデータを入力するための入力端子が追加される。アドレスデータは、数ビット構成のパラレル信号としてＣＰＵ３から出力される。ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００では、入力されたアドレスデータに対応する画素部１０が生成した受光量信号を先頭の画素とする画像を出力する。ＣＰＵ３は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００にアドレスデータを出力するほかは、図４および図５の例と同様の制御を実施する。

図８は、各画素部１０から読み出されてＣＰＵ３に入力された画像が示す受光量の分布を示すグラフを用いて、画像データの読み出し範囲を変更する例を示す。なお、この図のグラフの横軸には、画像中の各画素の配列順序を示すアドレスと共に画像の読み出し時刻を表す時間軸が対応づけられている。計測対象の面がセンサＳに対して近づく方向に変位すると、画像中の受光量のピークＰは、図中のグラフの左側、すなわちアドレスが若くなる方向に移動する。

図８（１）のグラフは、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００の全ての画素部１０（この例では２２５個）を対象にして、画像を読み出した場合の受光量の波形を示す。この例では、読み出し期間の後半に読み出される画素に受光量のピークＰが生じている。

図８（２）は、上記のピークＰのアドレスが示す位置よりも所定距離分センサＳに近い位置を示すアドレスｎを、アドレスデータとしてＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００に入力した場合に読み出される画像の波形を示す。図示例によれば、全ての画素を読み出すのに要した時間長さＴを、アドレスｎの画素を読み出すまでに要した時間ｔを差し引いた時間（Ｔ−ｔ）に短縮することができる。また、計測に不必要な画像を処理する必要がなくなるので、処理時間を大幅に短縮することができる。また、ピークＰが現れると考えられる範囲に対して十分に余裕をもってアドレスｎを定めることにより、ピークＰを安定して抽出することが可能になる。

上記の読み出し範囲の限定のために、この実施例の変位センサ１には、ユーザの指定操作に応じて画像の読み出し開始位置を示すアドレスデータを決定する設定モードが設けられる。この設定モードでは、ユーザに計測が必要な変位量の数値範囲を入力させ、この範囲よりやや離れた位置のアドレスｎを、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００に入力するアドレスデータに決定する。

なお、ユーザによる指定操作を受け付けるには、外部機器を利用することができる。たとえば、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００から入力された画像をパーソナルコンピュータなどの外部機器に転送して表示させるようにし、ワークＷのモデルを変位センサ１の検出エリアに導入して試験的な投受光を行いながら、表示画面上で計測の対象範囲を指定させることができる。

上記の実施例によれば、計測すべき変位量の範囲に応じて画像の読み出し範囲を自由に変更することができ、利便性が高められる。なお、画像データの読み出し範囲の最終位置も、読出制御信号ＳＴを早期にハイレベルに戻すことにより変更することができる。または、次の実施例に示すようにクロック信号ＣＬＫを停止することによって、最後の読み出し対象の画素を変更することもできる。

（ロ）受光量の基準レベルを安定させる機能
先の図４や図７に示した制御では、クロック信号ＣＬＫを常時出力するとしたが、このようにすると、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００は、読み出し対象の画素がなくなっても出力動作を続ける（これを「空打ち」という。）。

図９（１）は、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００からの出力の時系列変化を示すグラフを、画素に対する読出期間および空打ちの期間に対応づけて示したものである。この図９（１）に示すように、空打ちの期間には受光量を表さない低レベルの信号が出力される。この低レベルの信号によって、ＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００からの出力の基準電位（ＡＣグランド）が引き下げられるため、信号を増幅すると画素に対する読出期間のベース波形自体が増幅されて、ベースの電位が上がり、画像中の受光量のピークは擬似的に大きな振幅になり、可変ゲインアンプ１０１による増幅によってピークが飽和するおそれがある。

上記の問題を解決するために、この実施例では、図１０に示すように、各画素部１０のフォトダイオード１１の配列のうちの後尾を構成する所定数のフォトダイオードをマスク（受光面を遮光）し、これらマスクされた画素部１０に対応する画像が読み出されている間にクロック信号ＣＬＫを停止させる。

所定の画素に対する読み出し中にクロック信号ＣＬＫを停止すると、その後のＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００から出力される信号の電位は、最後に読み出された画素が示す受光量のレベル付近で維持される。このため、最後の読出対象の画素を生成する画素部１０に何らかの光が入光すると、その入光レベルによりＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００からの出力の基準電位が不適当に上がってしまい、画像の主要部の増幅処理に支障が生じるおそれがある。しかし、この実施例では、マスクされた画素部１０により生成された暗レベル（受光量ゼロ）の受光量信号が最後の読み出し対象となるので、最後の読み出し対象の画素の受光量レベルが高くなることはなく、図９（２）に示すように、クロック信号ＣＬＫの停止後も、出力の電位を暗レベル付近で維持することができる。よって、この暗レベルの電位に基づき、受光量のピークを適切に増幅することが可能になる。

撮像素子からの出力の基準電位を安定させるためには、一般的にはクランプ回路が用いられることが多いが、上記の実施例によれば、クランプ回路を設けることなく、簡単な構成でＣＭＯＳリニアイメージセンサ１００からの出力の基準電位を安定させることができる。
なお、この実施例において画像の読み出し中に次のサイクルの投受光処理を実施する場合には、図５に示した制御、すなわちクロック信号ＣＬＫにより変動したバイアス電圧がコンデンサ１３に取り込まれないタイミングでリセット信号ＲＥＳＥＴを切り替えるのが望ましい。

１００ ＣＭＯＳリニアイメージセンサ
１ 受光部
２ 投光部
３ ＣＰＵ
１０ 画素部
１１ フォトダイオード
１２ 電荷蓄積部
１３ コンデンサ
１４ アンプ
１５ ホールド回路
１６ 出力用アンプ
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓ１，Ｓ２ スイッチ部
Ｓ 変位センサ
Ｌ１ レーザ光
Ｌ２ 反射光
ＬＤＯＮ 投光制御信号
ＰＤＳＷ 受光制御信号
ＳＴ 読出制御信号
ＲＥＳＥＴ リセット信号
ＣＬＫ クロック信号

Claims (4)

1. 受光素子と電荷蓄積部とを有する画素部を複数具備し、各画素部の電荷蓄積部に蓄積された電荷による画像が受光素子の配列に沿う順序で出力されるＣＭＯＳリニアイメージセンサを含む受光部と、検出用の光を発する投光部と、前記投光部および受光部の動作および前記ＣＭＯＳリニアイメージセンサからの画像の出力を制御しながら、ＣＭＯＳリニアイメージセンサから出力された画像を用いて対象物の変位を計測する制御処理部とを具備する変位センサであって、
   前記ＣＭＯＳリニアイメージセンサでは、各画素部の受光素子と電荷蓄積部とがスイッチ部を介して接続されると共に、前記スイッチ部を導通させるための受光制御信号、画像の出力を指示する読出制御信号、および各画素部の電荷蓄積部に蓄積された電荷をリセットするためのリセット信号の各信号の入力端子を備え、
   前記制御処理部は、前記ＣＭＯＳリニアイメージセンサの各入力端子に接続されてそれぞれの端子に対応する信号を出力するように構成されると共に、前記リセット信号により各画素部の電荷蓄積部がリセットされている状態下において、前記投光部の投光開始より遅れて前記受光制御信号の出力を開始して各画素部の電荷蓄積部に電荷を蓄積させる受光制御手段と、前記投光部の投光期間より早く終了することを条件に前記受光制御信号を出力する期間の長さを可変設定する設定手段とを具備する、変位センサ。
2. 前記受光制御信号の出力に対する読出制御信号の出力の回数および各出力のタイミングを可変設定する第２の設定手段と、前記受光制御信号の出力に対して設定された読出制御信号の出力がすべて終了した後に前記リセット信号を出力するリセット手段とをさらに備え、
   前記第２の設定手段は、受光制御信号の出力に対して読出制御信号を複数回出力する場合には、これら複数回のうちの最後の出力を除く各出力が前記受光制御信号が出力されている期間内に実施されるように各出力のタイミングを設定する、請求項１に記載された変位センサ。
3. 前記ＣＭＯＳリニアイメージセンサは、前記複数の画素部のいずれかの位置を表すアドレスデータを入力するための入力端子を備えると共に、この入力端子から入力されたアドレスデータに対応する画素部に蓄積された電荷による画像を先頭の画素とする画像を出力し、
   前記制御処理部は、前記ＣＭＯＳリニアイメージセンサの前記アドレスデータの入力端子にいずれかの画素部のアドレスデータを出力することによって、ＣＭＯＳリニアイメージセンサにおける画像の出力範囲を可変設定する、請求項１に記載された変位センサ。
4. 前記ＣＭＯＳリニアイメージセンサは、画素単位の画像の読み出しのタイミングを定めるクロック信号の入力端子を備えると共に、受光素子の配列の後尾を構成する所定数の受光素子が遮光されており、
   前記制御処理部は、前記読出制御信号の出力後に前記クロック信号の出力を続けることによって前記ＣＭＯＳリニアイメージセンサの各画素部から画像データを順に読み出すと共に、受光素子が遮光されている画素部により生成された画像が読み出されている間に前記クロック信号の出力を停止する、請求項１に記載された変位センサ。

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