JP7202964B2

JP7202964B2 - 光学式変位計

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Publication number: JP7202964B2
Application number: JP2019085199A
Authority: JP
Inventors: 佳孝土田; 隆跡路
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: JP2020180917A

Description

本発明は光学式変位計に関する。

コンベイヤによってＹ方向に搬送される測定対象物（ワーク）についてＺ方向における高さを測定するために、光切断方式の光学式変位計が提案されている（特許文献１、２）。Ｙ方向とＺ方向とに直交する方向がＸ方向であり、ＸＹ平面にワークが載置されている。光学式変位計は、Ｘ方向に幅を有するスリット光をワークに照射し、ワークからの反射光を二次元配列の画像センサで受光する。スリット光の投光方向と画像センサの受光方向とは傾いており、三角測距の原理に基づき、ワークの高さが算出される。このような、光切断方式の光学式変位計はワークのＸ－Ｚ断面の輪郭（プロファイル）を一度に取得できる。Ｙ方向にワークを搬送しながら繰り返し撮像を実行することで、Ｙ方向における異なる位置でのプロファイルが取得される。また、複数のプロファイルからワークの三次元形状を示すデータが取得される。

特開２００８－０９６１２５号公報特開２０１２－１０３２６６号公報

画像センサを構成する複数の画素はＵＶ平面に並んでいる。画像センサのＵ方向はワークのＸ方向に対応している。画像センサのＶ方向はワークのＺ方向に対応している。つまり、Ｖ方向において反射光が入射する画素の位置は、Ｚ方向におけるワークの高さを示している。

Ｕ方向に並んだ複数の画素列のそれぞれについて、Ｖ方向における受光量のピーク位置が、ワークの高さを示すものとして求められる。ここで、反射光が強すぎると、画素が出力する受光量が飽和してしまう。反射光が弱すぎると、画素が出力する受光量が少なくなりすぎてしまう。いずれの場合も正しいピークの位置を求めることが不可能となる。画素列ごとに露光時間または光源の発光量を調整すれば、受光量の飽和や不足はなくなるものの、正しいワークの高さが得られなくなってしまう。そこで、本発明は光切断方式の光学式変位計において測定対象物の測定精度を向上させることを目的とする。

本発明は、たとえば、
Ｙ方向に搬送される測定対象物のＸ－Ｚ断面のプロファイルを三角測距の原理に基づき測定する光切断方式の光学式変位計であって、
Ｘ方向に幅を有するスリット光を前記測定対象物に照射する光源と、
前記測定対象物からの反射光を受光する画像センサであって、前記Ｘ方向に対応するＵ方向とＺ方向に対応するＶ方向とに二次元配列された複数の画素を有し、前記複数の画素による前記反射光の受光量を出力する画像センサと、
前記Ｕ方向に並んだ複数の画素列のそれぞれについて受光量のピークとなる前記Ｖ方向における画素の位置をピーク位置として検出する検出手段と、
前記Ｕ方向における前記複数の画素列のそれぞれの位置と、前記Ｖ方向における前記ピーク位置とからＸ－Ｚ断面のプロファイルを生成する生成手段と、
前記画像センサを制御する制御手段と
を有し、
前記画像センサは予め設定された露光時間ごとに前記反射光の受光量を出力するように構成されており、
前記露光時間は、第一期間と、前記第一期間の後に続く第二期間とを有し、
前記制御手段は、前記複数の画素のそれぞれについて、
前記第一期間において画素に蓄積された電荷に基づく電圧がハーフリセット電圧を超えた場合、
当該画素の電圧が前記ハーフリセット電圧となるようにハーフリセットを実行し、前記第二期間において電荷の蓄積を再開し、
前記第一期間において画素に蓄積された電荷に基づく電圧がハーフリセット電圧を超えていない場合、
当該画素について前記第一期間および前記第二期間にわたって継続的に電荷の蓄積を実行する
ように前記画像センサを制御し、
前記制御手段は、さらに、前記第一期間において前記光源を継続的に点灯させ、前記第二期間において前記第二期間よりも短い第三期間が経過すると前記光源を消灯するように構成されていることを特徴とする光学式変位計を提供する。

本発明によれば、光切断方式の光学式変位計において測定対象物の測定精度が向上する。

光学式変位計を説明する図三角測距の原理を説明する図プロファイルの測定を説明する図ピーク位置の検出方法を説明する図ワンショットＨＤＲを説明する図光学式変位計を構成する機能を説明するブロック図ユーザインタフェースを説明する図設定方法を説明する図感度テーブルを説明する図

以下、添付図面を参照して実施形態が詳しく説明される。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一または同様の構成には同一の参照番号が付され、重複した説明は省略される。

＜光学式変位計＞
図１は光学式変位計１００を示す図である。光学式変位計１００はベルトコンベイヤ４によりＹ方向に搬送されるワークＷのプロファイルおよび三次元形状を測定する装置である。この例では、Ｚ方向はワークＷの高さ方向に対応している。ヘッド部１はＸＺ平面と平行なスリット光Ｌ１を出力し、ワークＷからの反射光Ｌ２を受光することで、受光結果を制御部２に出力する。制御部２は、ヘッド部１が出力する受光結果に基づきワークＷのプロファイルを演算する。なお、制御部２はヘッド部１に統合されてもよい。プロファイルとはＸＺ平面と平行なワークＷの切断面の外縁を示すデータである。たとえば、プロファイルは（ｘｉ，ｚｉ）の集合体である（ｉはインデックス）。ｘｉはＸ方向における位置を示す。ｚｉはＺ方向における高さを示す。なお、３次元形状は、（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）の集合体である。ｙｉは、Ｙ方向における位置を示す。制御部２は、一定周期ごとに、ヘッド部１に撮像を実行させることで、ｙｉが異なるワークＷのプロファイル（ｘｉ，ｚｉ）を求める。表示装置３は、光学式変位計１００によるワークＷの測定結果を表示したり、光学式変位計１００の設定を行うためのＵＩ（ユーザインタフェース）を表示したりする。操作部５は、光学式変位計１００に対するユーザ入力を受け付けるための入力装置である。

＜三次元測距の原理＞
図２は光切断方式（三角測距）の原理を説明する図である。ヘッド部１の筐体１５の内部には、光源６、投光レンズ７、受光レンズ１２および画像センサ１３が内蔵されている。光源６から出力された光は投光レンズ７を通過することでスリット光Ｌ１に変換される。筐体１５には、スリット光Ｌ１が通過するための透光窓８が設けられている。透光窓８には、防塵のための透光ガラス９ａが設けられている。同様に、筐体１５には反射光Ｌ２を筐体１５の内部に導くための受光窓１０が設けられている。受光窓１０には、防塵のための透光ガラス９ｂが設けられている。受光レンズ１２は反射光Ｌ２を画像センサ１３に結像させるためのレンズである。画像センサ１３は二次元配列された複数の画素（受光素子や光電変換素子と呼ばれてもよい）を有するセンサである。図２が示すように、光源６の投光軸に対して、画像センサ１３の受光軸は角度θだけ傾いている。つまり、高さＺ０からの反射光Ｌ２は画像センサ１３のＶ方向におけるＶ０の位置に結像する。高さＺ１からの反射光Ｌ２は画像センサ１３のＶ方向におけるＶ１の位置に結像する。高さＺ２からの反射光Ｌ２は画像センサ１３のＶ方向におけるＶ２の位置に結像する。このように画像センサ１３のＶ方向は、ワークＷのＺ方向に対応している。画像センサ１３のＵ方向は図示されていないが、Ｕ方向はワークＷのＸ方向に対応している。つまり、画像センサ１３が出力する受光結果である画像の縦方向はＶ方向であり、横方向はＵ方向である。

図２においてはスリット光Ｌ１がＺ軸方向に出力されるように光源６が配置されているが、光源６および投光レンズ７のペアと、画像センサ１３および結像レンズ１２とのペアとの位置関係は逆であってもよい。

図３は画像センサ１３が出力する画像Ｉ１と、ワークＷの断面との関係を説明する図である。この例では、ワークＷのＸＺ断面において高さが三段階に変化している。より具体的には、Ｘ方向における位置Ｘ０から位置Ｘ１までの高さはＺ０である。位置Ｘ１からＸ２までの高さはＺ２である。位置Ｘ２からＸ３までの高さはＺ１である。画像Ｉ１は、このようなワークＷをヘッド部１により撮像して得られる画像である。なお、画像Ｉ１のＵ方向（横方向）はワークＷのＸ方向に対応している。つまり、画像Ｉ１の位置Ｕ０、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３はそれぞれ位置Ｘ０、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３に対応している。同様に、画像Ｉ１のＶ方向における位置Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ高さＺ０、Ｚ１、Ｚ２に対応している。スリット光Ｌ１がＸＹ平面に入射することで形成される光スポット（反射位置の集合）は直線状である。つまり、ベルトコンベイヤ４上にワークＷが存在しないときにヘッド部１が出力する画像には、ほぼ一直線状の光スポットが並ぶことになる。その一方で、一般的なワークＷの切断面のエッジの高さは一定でないことが多い。この場合、図３が示すように、複数の高さのそれぞれに対応したＶ方向の位置に光スポットが並ぶことになる。高さに応じてＶ方向の位置が変わることは、図２が示す通りである。このように制御部２は、あるＹ方向の位置で取得された画像ＩＭから各Ｕ方向の位置ごとにＶ方向の位置を演算することでプロファイルを生成する。なお、なお、ＸＺ座標系とＵＶ座標系との間には一定の縮尺関係があるため、制御部２は、簡単な演算により、ＵＶ座標系におけるプロファイルをＸＺ座標系におけるプロファイルに変換できる。

＜位置（高さの演算）＞
図４は画像Ｉ１からプロファイルを構成する高さを演算する方法を説明する図である。スリット光Ｌ１はＹ方向において、ある程度の幅を持っている。そのため、反射光Ｌ２が画像センサ１３にもたらす光スポットの幅も複数画素にまたがるような幅となる。そこで、制御部２は各画素の輝度値から輝度値の変化を示す近似曲線Ｐ１を求め、近似曲線Ｐ１においてピーク値をもたらすＶ方向における位置を演算する。図４では一番左の列が注目列であり、注目列の輝度値の分布（近似曲線Ｐ１）が例示されている。近似曲線Ｐ１は、複数のサンプル値をカーブフィッティングするなどして求められる。検出閾値未満のサンプル値は考慮されない。このピーク値をもたらすＶ方向における位置がワークＷの高さを示している。制御部２は、Ｕ方向における各位置（各画素列）ごとに近似曲線Ｐ１を求め、近似曲線Ｐ１からピーク値をもたらすＶ方向の位置（高さ）を演算する。この演算処理をＵ方向における各位置で実行することで、一つのプロファイルが得られる。このような演算処理はサブピクセル処理と呼ばれてもよい。

＜ＨＤＲ＞
すでに説明されたように画像センサ１３の画素に入射する光が強すぎると画素が出力する輝度値が飽和してしまい、制御部２は、正しいピーク位置を求めることができなくなる。画素に入射する光が弱すぎると画素が出力する輝度値がピーク検出閾値を下回ってしまうため、やはり、制御部２は、正しいピーク位置を求めることができなくなる。より精度よくプロファイルを求めるには、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）が有効である。一般的なＨＤＲでは露光時間を変えながら複数の画像が取得され、複数の画像からダイナミックレンジが拡張された一つの画像が合成される。しかし、この手法では、複数の画像が必要となることから、単位時間あたりに測定可能なワークＷの数が減少してしまう。そこで、本実施例の制御部２は一度の露光でＨＤＲ処理された画像を取得する。

図５は本実施例のＨＤＲ処理を説明する図である。画像センサ１３の各画素は、光を電荷に変換する光電変換素子と、当該電荷を蓄積するキャパシタ（ポテンシャルウェル）とを有している。各画素は、ある露光時間内に発生した電荷をキャパシタに蓄積することでキャパシタに生じる電圧を受光結果として出力する。これは受光結果の読み出し処理と呼ばれる。図５において横軸は時間を示し、縦軸は画素の電圧を示している。この例では露光時間は第一期間Ｄ１と第二期間Ｄ２とから構成されている。ここで、露光時間は時刻ｔ０から時刻ｔ２までの期間である。時刻ｔ０は露光（点灯）の開始時刻である。第一期間Ｄ１は時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間である。第二期間Ｄ２は時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間である。

この例では第一画素の電圧Ｖａと第二画素の電圧Ｖｂが例示されている。第一画素には強く光が入射しているため、第一期間Ｄ１の途中で電圧Ｖａは電圧Ｖｍａｘに飽和してしまう。電圧Ｖｍａｘは、画素のキャパシタにおける電荷の蓄積率が１００％であるときの画素の出力電圧である。

第一期間Ｄ１において第一画素に蓄積された電荷により第一画素の電圧Ｖａがハーフリセット電圧Ｖｈａｌｆを超えることがある。この場合、画像センサ１３は、第一画素の電圧Ｖａがハーフリセット電圧Ｖｈａｌｆとなるように時刻ｔ１にハーフリセットを実行する。その後、画像センサ１３は、第二期間Ｄ２において第一画素について電荷の蓄積を再開し、露光時間の終了とともに第一画素の電圧を読み出す。一方、第一期間Ｄ１において第二画素に蓄積された電荷により第二画素の電圧Ｖｂがハーフリセット電圧ＶＨａｌｆを超えない場合もある。この場合、画像センサ１３は、第二画素について第一期間Ｄ１および第二期間Ｄ２にわたって継続的に電荷の蓄積を実行する。画像センサ１３は、露光時間（Ｄ１＋Ｄ２）の終了とともに第二画素の電圧を読み出す。なお、（Ｄ１＋Ｄ２）／Ｄ２はＨＤＲ倍率と呼ばれる。ＨＤＲ倍率が大きいほど、ダイナミックレンジが拡張される。つまり、露光時間が長くなるほど、ＨＤＲ倍率が増加する。また、第二期間Ｄ２が短くなればなるほど、ＨＤＲ倍率が増加する。ただし、露光時間は撮影条件に応じて決定されるため、無限に大きくできるわけではない。制御部２は、時刻ｔ２に読み出された電圧Ｖａに対してＨＤＲ倍率を乗算することで実際の測定電圧を求める。

ところで、画像センサ１３は所定の動作クロックにしたがって動作する。したがって、第二期間Ｄ２をこの動作クロックの周期よりも短くすることができない。つまり、ＨＤＲ倍率は画像センサ１３の動作クロックに制約されてしまう。

さらに、各画素は寄生感度（ＰＬＳ）を有している。寄生感度とは、露光時間後に入射した光によって各画素の出力電圧が増加してしまう現象である。これもダイナミックレンジを低下させてしまう。

一方で、制御部２の動作クロックの周期は画像センサ１３の動作クロックの周期よりも短いため、より細かい時間を単位として光源６の点灯と消灯とを制御できる。たとえば、第二期間Ｄ２において画素が電荷を蓄積している途中で、光源６を消灯すればＰＬＳの影響が低減される。そこで、制御部２は、第一期間Ｄ１において光源６を継続的に点灯させるが、第二期間Ｄ２において第二期間Ｄ２よりも短い第三期間Ｄ３が経過すると光源６を消灯する。つまり、制御部２は、時刻ｔ１'が到来すると、光源６を消灯する。時刻ｔ１'は消灯時刻と呼ばれてもよい。第三期間Ｄ３は時刻ｔ１から時刻ｔ１'までの期間である。これにより、ＨＤＲ倍率を（Ｄ１＋Ｄ３）／Ｄ３に改善することが可能となる。さらに、寄生感度の影響が低減される。

＜内部機能＞
図６は光学式変位計１００の内部機能を示している。ヘッド部１の通信部２１ａは、制御部２と通信するための通信回路である。駆動部２２は、通信部２１ａを介して受信される制御部２からの指示にしたがって駆動電流を光源６に流すことで光源６を点灯させる駆動回路である。センサ制御部２３は、通信部２１ａを介して受信される制御部２からの指示にしたがった所定の露光時間により画像センサ１３に撮像を実行させる制御回路である。なお、本実施形態では、センサ制御部２３は、通信部２１ａを介して受信される制御部２からの指示にしたがって所定のビニングを画像センサ１３に実行させる。

制御部２の通信部２１ｂはヘッド部１と通信するための通信回路である。ＣＰＵ２５は記憶部３０に記憶されている制御プログラムを実行することでヘッド部１を制御し、ヘッド部１から出力される受光結果に基づきワークＷのプロファイルおよび三次元形状を測定する。ピーク検出部２６は、画像センサ１３が出力する受光結果に基づき輝度値のピークをもたらすＶ方向の位置（ピーク位置）を検出する。ピーク位置はワークＷの高さに対応している。つまり、ピーク検出部２６は、Ｘ方向における各位置ごとのワークＷの高さを演算により求める。プロファイル生成部２７は、ピーク検出部２６により求められたＸ方向における各位置（ｘｉ）ごとのワークＷの高さ（ｚｉ）をまとめることで、一つのプロファイルデータを生成する。つまり、一つのプロファイルデータは、複数の高さ（ｚｉ）の集合体である。プロファイル生成部２７は、Ｙ方向における異なる位置（ｙｉ）ごとにプロファイルデータを求め、求められた複数のプロファイルデータからワークＷの三次元形状を示すデータを生成する。なお、ワークＷの三次元形状のデータは、求められた複数のプロファイルデータの集合体である。ＨＤＲ部２８は各画素の出力電圧にＨＤＲ倍率を乗算することで輝度値を求める。ＵＩ部２９は、プロファイル生成部２７により求められたプロファイルデータまたは画像Ｉ１を表示装置３に表示したり、画像測定を設定するためのＵＩを表示装置３に表示したりする。ＵＩはユーザインタフェースの略称である。

測定制御部３１は、設定部３５により設定された制御パラメータにしたがって光源６や画像センサ１３を制御する。たとえば、測定制御部３１は、センサ制御部２３に撮像指示であるトリガ信号を出力したり、センサ制御部２３に露光時間を設定したり、駆動部２２に光源の発光量を設定したりする。設定部３５は、プロファイルおよび三次元形状の測定に関する各種の制御パラメータを設定する。たとえば、感度指定部３２は、ユーザ指示に基づく感度の指定を受け付け、指定された感度を決定部３３に設定する。ここでの感度は、ユーザにとっての感覚的な尺度にすぎず、別の名称が採用されてもよい。決定部３３は、指定された感度に基づきＨＤＲ倍率および発光量を決定する。記憶部３０には、感度を、ＨＤＲ倍率および発光量に変換する感度テーブルが記憶されていてもよい。決定部３３は、感度テーブルを参照することで、指定された感度に基づきＨＤＲ倍率および発光量を決定してもよい。統計部３４は、各列を構成する複数の画素の画素値（輝度値）を比較し、各列ごとの統計値（例：最大値（最大受光量））を求める。さらに、統計部３４は、Ｎ枚の画像を取得し、Ｎ枚の画像にわたる別の統計値を求めてもよい。制御部２は、設定モードと測定モードとを有しており、設定部３５は設定モードにおいて動作する。設定モードにおいてワークＷは静止しているが、測定モードにおいてはワークＷが搬送される。

＜ユーザインタフェース＞
図７はＵＩ部２９が表示装置３に表示するＵＩ７０を示している。ＵＩ７０は、画像センサ１３により取得された画像Ｉ１を表示する表示領域７１を有している。スライドバー７２は感度を指定するためのコントロールオブジェクトである。ユーザは操作部５を通じてポインタ７３を操作することでスライドバー７２を左右に動かすことで、好みの感度を指定する。感度指定部３２はＵＩ部２９からスライドバー７２の位置を示す情報を受け取り、当該情報に基づきユーザにより指定された感度を認識する。なお、感度は、ＨＤＲ倍率や光源６の発光量（駆動電流）を決定するために使用される制御パラメータである。数値ボックス７４はサンプリング周期が入力されるコントロールオブジェクトである。

＜ＨＤＲ倍率の決定を含む制御パラメータの設定方法＞
図８はＣＰＵ２５により実行される制御パラメータの設定方法を示すフローチャートである。操作部５を通じて制御パラメータの設定方法（設定モード）が起動されると、ＣＰＵ２５は以下の処理を実行する。ＣＰＵ２５は、記憶部３０のＲＯＭ領域に記憶されている制御プログラムにしたがって以下の処理を実行する。

Ｓ１でＣＰＵ２５（感度指定部３２）はＵＩ７０を通じて感度の指定を受け付ける。

Ｓ２でＣＰＵ２５（決定部３３）はユーザにより指定された感度に基づきＨＤＲ倍率と光源６の発光量を決定する。

図９は記憶部３０に記憶されている感度テーブル９０の一例を示している。感度テーブル９０は、感度、ＨＤＲ倍率、発光量および制御目標（下限値および上限値）についての複数の組を有している。決定部３３は、ユーザにより指定された感度に関連付けられているＨＤＲ倍率、発光量および制御目標（下限値および上限値）を感度テーブル９０から取得する。図９において感度"１"の制御目標は"３００～７００"と記述されているが、"３００"は下限値を示し、"７００"は上限値を示している。

Ｓ３でＣＰＵ２５（測定制御部３１）は画像センサ１３を制御してＮ枚の画像を取得する（Ｎは２以上の整数）。たとえば、測定制御部３１は、決定部３３により決定された発光量を駆動部２２に設定し、露光時間の初期値をセンサ制御部２３に設定する。露光時間の初期値も予め記憶部３０に記憶されているものとする。さらに、測定制御部３１は、駆動部２２に点灯を指示するとともに、センサ制御部２３にトリガ信号を送信する。また、測定制御部３１は、時刻ｔ１から第三期間が経過すると、駆動部２２に点灯を指示する。測定制御部３１は、時刻を管理するためのタイマーまたはカウンタを有している。センサ制御部２３は時刻ｔ２に画像センサ１３から輝度値（出力電圧）を読み出してＣＰＵ２５に出力する。ＨＤＲ部２８は、画像センサ１３から出力される各画素の輝度値にＨＤＲ倍率を乗算することで一枚の画像データを作成し、記憶部３０のＲＡＭ領域に記憶する。測定制御部３１は、ノイズを低減するために、Ｎ枚の画像を取得する。

Ｓ４でＣＰＵ２５（統計部３４）は、Ｎ枚の画像のそれぞれについて、各画像を形成している各画素列ごとに輝度値の最大値（最大光量）を求める。これにより、列ごとにＮ個の最大光量が得られる。たとえば、ｉ枚目の画像におけるｊ列目の最大値はＱｉｊと表記されてもよい。

Ｓ５でＣＰＵ２５（統計部３４）は、各列ごとに得られたＮ個の最大光量Ｑｉｊの統計値Ｒｊ（例：平均値）を求める。たとえば、Ｎ枚の画像における１列目の平均値Ｒ１は、（Ｑ１１＋Ｑ２１＋Ｑ３１＋・・・＋ＱＮ１）／Ｎにより算出される。Ｎ枚の画像におけるＫ列目の平均値ＲＫは、（Ｑ１Ｋ＋Ｑ２Ｋ＋Ｑ３Ｋ＋・・・＋ＱＮＫ）／Ｎにより算出される。

Ｓ６でＣＰＵ２５（統計部３４）は、統計値Ｓが制御目標の上限値Ｓｈｉ以下であるかどうかを判定する。制御目標の上限値Ｓｈｉは、指定感度に基づき感度テーブル９０を参照することで決定される。ここで、制御目標と比較される統計値Ｓは、たとえば、一枚の画像を形成するＫ個の画像列の全体から得られたＫ個の統計値Ｒ１～ＲＫのうちの最大値であってもよい。あるいは、統計値Ｓは、統計値Ｒ１～ＲＫのうちで上位１０％に相当する複数の統計値の平均値であってもよい。あるいは、統計値Ｓは、統計値Ｒ１～ＲＫのうちで１０番目に大きな統計値であってもよい。統計値Ｓが制御目標の上限値Ｓｈｉ以下であれば、ＣＰＵ２５はＳ７に進む。統計値Ｓが制御目標の上限値Ｓｈｉを超えていれば、ＣＰＵ２５はＳ１０に進む。

Ｓ７でＣＰＵ２５（統計部３４）は、統計値Ｓが制御目標の下限値Ｓｌｏ未満であるかどうかを判定する。制御目標の下限値Ｓｌｏは、指定感度に基づき感度テーブル９０を参照することで決定される。統計値Ｓが制御目標の下限値Ｓｌｏ以上であれば、各種の制御パラメータが適切に調整されているため、ＣＰＵ２５は設定方法を終了する。つまり、ＣＰＵ２５は設定モードを終了し、測定モードに復帰する。一方、統計値Ｓが制御目標の下限値Ｓｌｏ未満であれば、ＣＰＵ２５はＳ２０に進む。Ｓ２０でＣＰＵ２５（決定部３３）は、露光時間を所定値だけ増加させる。ただし、露光時間がサンプリング周期を超えている場合、決定部３３は露光時間を増加させない。つまり、露光時間がサンプリング周期を超えていない場合に限り、決定部３３は露光時間を増加させる。その後、ＣＰＵ２５はＳ３に戻る。サンプリング周期とは、Ｙ方向においてプロファイルを測定する周期のことである。

Ｓ１０でＣＰＵ２５（決定部３３）は、現在において画像センサ１３に設定されている露光時間が設定可能な最小値（例：１５マイクロ秒）であるかどうかを判定する。露光時間が設定可能な最小値でなければ、ＣＰＵ２５はＳ１１に進む。Ｓ１１でＣＰＵ２５（決定部３３）は、露光時間を所定値だけ削減し、Ｓ３に戻る。一方で、Ｓ１０において露光時間が設定可能な最小値であれば、ＣＰＵ２５はＳ１２に進む。Ｓ１２でＣＰＵ２５（決定部３３）は、発光量を所定値だけ削減し、Ｓ３に戻る。このようにＳ３ないしＳ２０を繰り返すことで、適切な制御パラメータが決定される。なお、露光時間や発光量の増減幅は一定値であってもよいし、一定値でなくてもよい。たとえば、発光量は離散的に変化してもよい（例：８０→６０→４０→２０→５）。

＜まとめ＞
［観点１］
図１が示すように、光学式変位計１００はＹ方向に搬送される測定対象物のＸ－Ｚ断面のプロファイルを三角測距の原理に基づき測定する光切断方式の光学式変位計の一例である。光源６はＸ方向とＺ方向との両方に平行なスリット光を測定対象物に照射する光源の一例である。また、光源６はＸ方向に幅を有するスリット光を測定対象物に照射する光源の一例である。画像センサ１３は測定対象物からの反射光を受光する画像センサであって、Ｘ方向に対応するＵ方向とＺ方向に対応するＶ方向とに二次元配列された複数の画素を有し、複数の画素による反射光の受光量を出力する画像センサの一例である。ピーク検出部２６はＵ方向に並んだ複数の画素列のそれぞれについて受光量のピークとなるＶ方向における画素の位置をピーク位置として検出する検出手段として機能する。プロファイル生成部２７は、Ｕ方向における複数の画素列のそれぞれの位置と、Ｖ方向におけるピーク位置とからＸ－Ｚ断面のプロファイルを生成する生成手段として機能する。ＣＰＵ２５およびセンサ制御部２３は画像センサ１３を制御する制御手段として機能する。画像センサ１３は予め設定された露光時間ごとに反射光Ｌ２の受光量（輝度値）を出力するように構成されていてもよい。図５が示すように、露光時間は、第一期間Ｄ１と、第一期間の後に続く第二期間Ｄ２とを有していてもよい。ＣＰＵ２５およびセンサ制御部２３は、複数の画素のそれぞれについて、次のように画像センサ１３を制御する。第一期間において画素に蓄積された電荷に基づく電圧がハーフリセット電圧を超えた場合、ＣＰＵ２５およびセンサ制御部２３は、当該画素の電圧がハーフリセット電圧となるようにハーフリセットを実行し、第二期間において電荷の蓄積を再開するように画像センサ１３を制御する。一方で、第一期間において画素に蓄積された電荷に基づく電圧がハーフリセット電圧を超えていない場合、ＣＰＵ２５およびセンサ制御部２３は、当該画素について第一期間および第二期間にわたって継続的に電荷の蓄積を実行するように画像センサ１３を制御する。ＣＰＵ２５およびセンサ制御部２３は、さらに、第一期間Ｄ１において光源６を継続的に点灯させ、第二期間Ｄ２において第二期間よりも短い第三期間Ｄ３が経過すると光源６を消灯する。これにより、光切断方式の光学式変位計において測定対象物の測定精度が向上する。

［観点２］
画像センサ１３の動作クロックの周期は第二期間に等しくてもよい。制御手段であるＣＰＵ２５の動作クロックの周期は、画像センサ１３の動作クロックの周期よりも短い。これは、ＨＤＲ倍率の拡大やＰＬＳの削減に貢献するであろう。

［観点３］
第三期間Ｄ３は、制御手段であるＣＰＵ２５の動作クロックの周期のｎ（ｎは１以上の整数）倍であってもよい。

［観点４］
設定部３５は第一期間Ｄ１と第二期間Ｄ２との比率（ＨＤＲ倍率）を制御手段に設定する設定手段として機能する。

［観点５］
図９が示すように、記憶部３０は、感度と、比率（ＨＤＲ倍率）と、光源の発光量とを関連付けた複数の組を記憶した記憶手段として機能してもよい。感度指定部３２やスライドバー７２は感度を指定する指定手段として機能してもよい。設定部３５は、指定手段により設定された感度に対応する比率と発光量を記憶手段から読み出して制御手段（例：測定制御部３１、センサ制御部２３、駆動部２２）に設定してもよい。

［観点６］
記憶部３０および感度テーブル９０は、感度と、比率と、光源の発光量と、一画素あたりの輝度の目標範囲（制御目標）とを関連付けた複数の組を記憶していてもよい。設定部３５は、指定手段により設定された感度に対応する比率、発光量および輝度の目標範囲を記憶手段から読み出して制御手段に設定してもよい。決定部３３は、画像センサ１３を構成する複数の画素の輝度値のうちで相対的に高い輝度値が目標範囲を超えていれば露光時間を削減してもよい。決定部３３は、相対的に高い輝度値が目標範囲よりも小さければ露光時間を増加してもよい。これにより適切に制御パラメータが調整されよう。

［観点７］
図８に関連して説明されたように、相対的に高い輝度値は、複数の画素の輝度値のうちでの最大値であってもよい。

［観点８］
図８に関連して説明されたように、相対的に高い輝度値は、複数の画素の輝度値のうちで上位に位置する複数の輝度値の平均値であってもよい。

［観点９］
図８に関連して説明されたように、相対的に高い輝度値は、複数の画素の輝度値のうちでｎ番目に大きな輝度値であってもよい。

［観点１０］
図８に関連して説明されたように、相対的に高い輝度値は、複数の画素列ごとに輝度値の最大値を求め、当該求められた複数の画素列ごとの最大値のグループのうちで上位に位置する複数の最大値の平均値であってもよい。

［観点１１］
図８に関連して説明されたように、相対的に高い輝度値は、複数の画素列ごとに輝度値の最大値を求め、当該求められた複数の画素列ごとの最大値のグループのうちでｎ番目に大きな最大値であってもよい。

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

Claims

Ｙ方向に搬送される測定対象物のＸ－Ｚ断面のプロファイルを三角測距の原理に基づき測定する光切断方式の光学式変位計であって、
Ｘ方向に幅を有するスリット光を前記測定対象物に照射する光源と、
前記測定対象物からの反射光を受光する画像センサであって、前記Ｘ方向に対応するＵ方向とＺ方向に対応するＶ方向とに二次元配列された複数の画素を有し、前記複数の画素による前記反射光の受光量を出力する画像センサと、
前記Ｕ方向に並んだ複数の画素列のそれぞれについて受光量のピークとなる前記Ｖ方向における画素の位置をピーク位置として検出する検出手段と、
前記Ｕ方向における前記複数の画素列のそれぞれの位置と、前記Ｖ方向における前記ピーク位置とからＸ－Ｚ断面のプロファイルを生成する生成手段と、
前記画像センサを制御する制御手段と
を有し、
前記画像センサは予め設定された露光時間ごとに前記反射光の受光量を出力するように構成されており、
前記露光時間は、第一期間と、前記第一期間の後に続く第二期間とを有し、
前記制御手段は、前記複数の画素のそれぞれについて、
前記第一期間において画素に蓄積された電荷に基づく電圧がハーフリセット電圧を超えた場合、
当該画素の電圧が前記ハーフリセット電圧となるようにハーフリセットを実行し、前記第二期間において電荷の蓄積を再開し、
前記第一期間において画素に蓄積された電荷に基づく電圧がハーフリセット電圧を超えていない場合、
当該画素について前記第一期間および前記第二期間にわたって継続的に電荷の蓄積を実行する
ように前記画像センサを制御し、
前記制御手段は、さらに、前記第一期間において前記光源を継続的に点灯させ、前記第二期間において前記第二期間よりも短い第三期間が経過すると前記光源を消灯するように構成されていることを特徴とする光学式変位計。
前記画像センサの動作クロックの周期は前記第二期間に等しく、
前記制御手段の動作クロックの周期は、前記画像センサの動作クロックの周期よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位計。
前記第三期間は、前記制御手段の動作クロックの周期のｎ（ｎは１以上の整数）倍であることを特徴とする請求項２に記載の光学式変位計。
前記第一期間と前記第二期間との比率を前記制御手段に設定する設定手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光学式変位計。
感度と、前記比率と、前記光源の発光量とを関連付けた複数の組を記憶した記憶手段と、
前記感度を指定する指定手段と、をさらに有し、
前記設定手段は、前記指定手段により設定された感度に対応する比率と発光量を前記記憶手段から読み出して前記制御手段に設定することを特徴とする請求項４に記載の光学式変位計。
前記記憶手段は、前記感度と、前記比率と、前記光源の発光量と、一画素あたりの輝度の目標範囲とを関連付けた前記複数の組を記憶しており、
前記設定手段は、前記指定手段により設定された感度に対応する比率、発光量および輝度の目標範囲を前記記憶手段から読み出して前記制御手段に設定し、
前記制御手段は、
前記画像センサを構成する前記複数の画素の輝度値のうちで相対的に高い輝度値が前記目標範囲を超えていれば前記露光時間を削減し、
前記相対的に高い輝度値が前記目標範囲よりも小さければ前記露光時間を増加することを特徴とする請求項５に記載の光学式変位計。
前記相対的に高い輝度値は、前記複数の画素の輝度値のうちでの最大値であることを特徴とする請求項６に記載の光学式変位計。
前記相対的に高い輝度値は、前記複数の画素の輝度値のうちで上位に位置する複数の輝度値の平均値であることを特徴とする請求項６に記載の光学式変位計。
前記相対的に高い輝度値は、前記複数の画素の輝度値のうちでｎ番目に大きな輝度値であることを特徴とする請求項６に記載の光学式変位計。
前記相対的に高い輝度値は、前記複数の画素列ごとに輝度値の最大値を求め、当該求められた前記複数の画素列ごとの最大値のグループのうちで上位に位置する複数の最大値の平均値であることを特徴とする請求項６に記載の光学式変位計。
前記相対的に高い輝度値は、前記複数の画素列ごとに輝度値の最大値を求め、当該求められた前記複数の画素列ごとの最大値のグループのうちでｎ番目に大きな最大値であることを特徴とする請求項６に記載の光学式変位計。