JPS6045361B2

JPS6045361B2 - 物体の計測方法

Info

Publication number: JPS6045361B2
Application number: JP2393777A
Authority: JP
Inventors: 悦四鈴木; 伸一宇野; 克彦青柳
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-03-07
Filing date: 1977-03-07
Publication date: 1985-10-09
Also published as: JPS53109658A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は寸法、位置、形状等に係る物体の計測方法
に関する。

例えば小さい単位光電素子を一列状に、或いはマトリ
ックス状に規則的に配列させた固体撮像素子を用いて、
物体の寸法或いは位置を計測でする場合、物体像を適当
な光学系を介して固体撮像素子上に結像させ、この固体
撮像素子からの受光の強弱に応じた光電出力を電気的に
処理することが行われる。

このような光学系の一例を第１図に示す。第１図で計測
される物体１はレンズ２で拡大された光学像３を介して
固体撮像素子１上に結像を得させる。省略されている駆
動回路によつて、この固体撮像素子の各単位光電素子は
受光状態を調べられ、この駆動回路から受光強度に応
じた電気出力が得られる。そして電気出力は適当な処理
回路によつて２値化され、物体の寸法或いは位置が計測
される。この例では物体の計測可能最小単位が単位光電
素子の大きさと各単位光電素子間の間隔によつて左右さ
れる。いま単位光電素子を一列に配列した一次元固体
撮像素子により物体の寸法を計測するとする。

この固体撮像素子は第２図ａでｎ個のビットと称される
単位光電素子例えば一定面積を持つたケイ素フオード４
、、４２、４３、４４、４５、・・・・・・・・・、４
ｎ−３、４ｎ−２、４ｎ−、、４ｎが一列に並んでいる
ものである。斜線を施した部分を物体の光学像３の結像
域とし、任意のビット内で斜線部分が５０％以上に達す
るとき電気的に’’１’’信号が得られ、そうでない時
’゛０’’信号が得られるとする。従つて第２図ａの結
像域から得られるデジタル信号はａ’に示される通りと
なり、゛’１’’信号の数によつて物体の寸法が計測さ
れる。光学像の一端及・び他端が第３図に示す隣接ビッ
ト境界から±０．５ビット内の５、、５０及びＳ’、、
５’。に結像する時には各端のデジタル信号は等しくて
変らない。従つて光学像は両端で±０．５ビットの誤差
を許す。この計測誤差は、一次元固体撮像素子による計
測に限らず二次元固体撮像素子による場合成いはテレビ
撮像管を用いアナログ信号を採取してデジタル信号を得
る場合にも伴われる。このため誤差の軽減には固体撮像
素子ではビット数を増加し、又テレビ撮像管ではアナロ
グ信号採取時点を増加して計測を煩雑にして、装置を高
価にしている。この発明は、前記現行の方法の欠点を除
き、例えは単位光電素子数を可及的に低減した固体撮像
素子或いはアナログ信号採取時点を少なくしたテレビ撮
像管を用い、使用装置価額を低減し或いは少い処理デー
タ数にもとずき簡易電子回路装置を使用させ、短時間に
行なわせることを可能にする物体の計測方法を提供する
ものである。即ちこの発明は物体の光学像を光電検出し
、その光電検出出力をデジタル処理することにより、前
記物体の寸法位置、形状等を計測するにあたり、前記光
学像と光電検出素子の相対位置関係を光電検出単位長の
整数（Ｚ）の１すつ光電検出単位片の範囲て（Ｚ−１）
回変動し、変更前と変更後とに得られる前記光電検出出
力から前記物体の計測値を得る物体の計測方法にある。
このようなこの発明の物体の計測方法で、物体は光学像
を得られるあらゆる形状の、少くとも計測時静止状態を
とるものでよく、光学像は、この物体を光学系を介して
得られるものでよい。

光電検出は、一次元又は二次元固体撮像素子或いはテレ
ビ撮像管を用いる。デジタル量の光電検出単位片は、光
電検出を固体撮像素子によつて行う場合単位光電素子即
ちビットを意味し、テレビ撮像管．によつて行う場合ア
ナログ信号を採取してデジタル信号を得る時間的な単位
サンプリング間隔を意味する。従つて光学像の任意の点
と１デジタル量の光電検出単位片に於ける結像との対応
は、ビットに対しては光学像の任意の点とビット内で占
め．一るこの点の結像位置との対応であり、この対応を
何れかデジタル量検出単位片に対して異にする相対位置
変更ョは同一ビット内又は他のビット内で前記光学像の
任意の点の結像が占める位置を変更することである。従
つてビットを整数個移動する・如き無意味な位置変更は
含まない。又アナログ信号の単位サンプリング間隔に対
しては光学像の任意の点と１デジタル量の光電検出単位
片に於ける結像との対応ョは光学像の任意の点と単位サ
ンプリング間隔で占めるこの点の結像時点であり、この
対応を１何れかデジタル量の光電検出単位片に対して異
にする相対位置変更ョは、同一単位サンプリング間隔又
は他の単位サンプリング間隔内で時点を変更することで
ある。従つてこの場合には単位サンプリング間隔の整数
倍のサンプリング位相変更は含まれない。そして相対位
置の変更は物体を直接に移動させ、又は光学系を用いる
か、或いは例えば固体撮像素子を移動するか、もしくは
ノアナログ信号のサンプリング位相を変更することでな
される。始めの対応並びに相対位置を変更された後の対
応の各対応毎に得られる量は電圧で、演算回路を用いデ
ジタル変換を行う点については説明が省略されているが
、常法に従つてよろし−い。以下実施例について述べる
。

この例で使用する光学系は前記第１図例光学系でよい。
しかしこの例ては物体１の載置台５は矢印方向にモータ
６で移動出来る点で相違している。さてこの光学系で一
次元固体撮像素子』の結像と光学像３との始めに得られ
る対応を第２図ａとし、斜線領域で示され光学像の対応
結像域がビットの面積の５０％以上を占める時このビッ
トは“゜１゛信号を出力するものとすると、デジタル信
号はａ″に示す通りに得られる。次に第１図で載置台５
をモータ６て一次元固体撮像素子Ａの長手方向に半ビッ
トに相当する距離だけ移動する。この状態で変更されて
得られる光学像の一次元固体撮像素子での対応結像域を
第２図ｂに示す。相対位置を変更されたこの状態でデジ
タル信号はｂ″に示す通りに得られる。ｂ″でビット４
４の信号は“１゛から“０゛に変化し、一次元固体撮像
素子の左端からの゜゜０゛の数はａ″での１１からｂ″
での１２で変化する。これに対し右端からの“゜０゛の
数はａ″でのｍ１がｂ″のＭ２にあつても変化しない。
即ち第３図に示すように光学像の各端が隣接ビット境界
から０．５ビットの部分Ｓｌ，Ｓ″１に対応結像する時
デジタル信号は変化せず、各端力ＳＳ２，Ｓ″２に対応
結像する時１２は１１より１増加し、Ｍ２はｍ１より１
減少する。そして第２図ａで正確な状態を把握するとす
れば、一次元固体撮像素子の両端から対応結像域境界ま
でのビット数を次式（１）、（２）から求めると、±０
．２５ビットの精度で光学像各端位置を求めることが出
来る。固体撮像素子左端からのビット数固体撮像素子右
端からのビット数第２図ａの状態ではｌ＝３．２５ビット、ｍ＝２．２５
ビットとなり、それぞれＳ２，Ｓ″２の中央に合致する
。

前記例は固体撮像素子の単位光電素子が、５０％以上の
面積に光学像を結像するとぎ１゛信号として扱つている
が、電気的処理或いは物体への照明強度の変更によりａ
″％以上の面積に光学像が結像する場合に゜“１゛信号
となる場合も同様に扱うことが出来る。

この場合の光学像の一次元固体撮像素子ての対応結像域
を第４図ａに示す。第４図ａで光学像の各端が、隣接ビ
ットからａ″％の領域にあるビットＳ３，Ｓ゛３にそれ
ぞれ対応結像する時、同じデジタル信号が得られること
は明らかである。それ故Ｓ３の中心を隣接ビットの境界
におきかえた一次元固体撮像素子を考えると、第４図Ｂ
，が描かれ第３図と同様に考えてよいことが理解される
。この場合物体の寸法の絶対値を知ろうとする場合には
、予じめ物体の長さＬに対応するビット数ｎしを正確に
求めておき次式を用いて算出する。但しこの式てａは１
ビット当りの物体の長さである。

このように光学像と固体撮像素子に於ける結像との対応
を半ビットずらせ、前後の光電検出出力を用いることに
より、＋０．５ビットの精度で得られていた光学像境界
は±０．２５ビットの精度に向上出来る。

更に１１３ビットずつ２回、１１４ビットずつ３回・・
・・・・１／Ｚビットずつ（Ｚ−１）回物体を移動し
、各回て得られる複数個の光電検出出力を用いれば計測
精度は一層向上する。第５図Ａ，ｂ，ｃ，ｄに１１４ビ
ットずつ３回相対位置を変更し変更前後で光学像の一次
元固体撮像素子での対応結像域を示す。ａ″，ｂ″，ｃ
″，ｄ″はそれぞれの場合に得られるデジタル信号であ
る。この場合一次元固体撮像素子の一方端及び他方端が
光学像の対応結像端に到るビット数１，ｍ及び精度は、
次の（３）、（４）、（５）式から求められ、１＝３−
１１８ビット、ｍ＝２＋３１８ビット、精度は±１１８
ビットとなる。例えば固体撮像素子が、単位光電素子を
マトリックス状に配列している二次元固体撮像素子てあ
つても精度を同様に向上出来る。

いま光学像の対応結像域が、第６図斜線域からＸ．．Ｙ
方向に半ビットずれ、且つこの二次元固体撮像素子は７
×７のビット配列にあるとする。又ビットの半分以上を
斜線域とする時゛１゛信号が、そうでない時“゜０゛信
号が得られようとする。斜線を施した始めの結像位置で
はＸ１、Ｘ７行、ｙ１、Ｙ６、Ｙ７列には゛１゛信号が
含まれず、点線で囲まれた対応変更後の結像位置はＸ１
、Ｘ２、Ｘ７行、ｙ１、Ｙ７列に゜゜１゛信号が含まれ
ない。従つて二次元固体撮像素子の各辺から始めの光学
像結像端ませの距離は（１）、（２）式からとなる。

光学像即ち物体の大きさ或いは位置は、始めの結像位置
でのデジタル信号のみで計測する場合よりもより正確に
求めることが出来る。又この発明の方法を物体のＸ．Ｙ
方向の位置ずれ量を計測することにも利用出来る。例え
ば第７図で物体の光学像３は０の角度で交わる２辺であ
り、固体撮像素子μはこの２辺を横切るように置かれて
いる。この場合光学像を検出しているビットは第２図ａ
の斜線領域に相当しｉ１値ぱ゜１゛信号を選出する光電
受光端子の数である。物体がＹ・方向に移動すれは１１
値が変化し、Ｘ方向に移動すれば１１、ｍ１が変化する
。いま説明を簡単にするためθ＝π／２とし、１１＝λ
０１１１＝ｍ１が正規の位置とすると、物体のＸ，．Ｙ
方向正規位置からのずれ量は次式（６）、（７）から算
出される。但しβは光学系の倍率や光電受光素子から決
まる定数である。このようなＸ．．Ｙ方向位置ずれ量は
光学像をＸ方向に規定に従つてずらし、複数個の光電検
出出力を得ることから正確に得られる。しかし第７図例
ては光学像を移動してもさし支えない。この時には１１
、ｍ１が共に増加するか又は減少することになるが、光
学像を１／Ｚビットずつずらしたときの１、ｍ値は次式
（８）、（９）から算出される。光電検出は固体撮像素
子の他テレビ撮像管によつてもよろしい。

この場合には連続ビデオ信号を採取してデジタルを得る
のであるが、単位サンプリング間隔を固体撮像素子の場
合のビットと同様にデジタル量の光電検出単位片として
考慮すれがよい。各例は何れも光学像の任意の点とデジ
タル量の光電検出単位片ての結像との対応を、規定され
ているように異にして得られる各光電検出出力を、個々
にデジタル処理し、個々に光学像のデジタル計測を行い
、得られる計測値を用い一定演算を行わせている。

演算はコンピュータ等電気的手法により容易になされる
。光学像の移動は第１図例の，ように物体を直接移動す
るほか、光学手法によつて光学像を移動させてよく、例
えは固体撮像素子を移動してもよい。第７図例は物体１
と光学像３の間に透明ガラス７を配置し、この７の傾斜
により光学像を移動する光学系を示す。このようなこの
発明の計測方法に於いては、光学像とデジタル量の光電
検出単位片に於ける結像の始めの対応と、相対位置を変
更された後の対応の各対応毎に別途に行つたデータ処理
結果を用い簡単な計算を行うことで足り、毎回のデータ
処理に用いるデータ数が少く、データ処理装置を簡単安
価にする。

又例えば位置決めでは光学像と結像との始めの対応に対
して位置誤差を算出し、この）誤差が所定外である場合
誤差を基にＸＹテーブル等を用いて物体の粗位置決めを
なし、この後始めの対応と相対位置変更後の対応でのそ
れぞれデータ処理により正確に位置誤差を算出し、正確
な位置決めを行うことが出来、位置決めに要する時間．
も短縮される。

【図面の簡単な説明】

第１図及ひ第８図はこの発明の物体の計測方法に使用出
来る光学系簡略図、第２図Ａ，ｂｌ第３図、第４図Ａ，
ｂｌ第５図Ａ，ｂ，ｃ，ｄは何れもこの発明の実施例方
法を説明するため一次元固体撮像素子の光学像対応結像
領域を示し、第２図ａ″，ｂ″又は第５鄭″，ｂ″，ｃ
″，ｄ″は各対応のデジタル信号変化を示し、第６図は
二次元固体撮像素子の光学像対応結像領域を示し、第７
図は位置決め例に於ける一次元固体撮像素子の光学像対
応結像領域を示す。第１図及び第８図で１・・・・・・物体、３・・・・・
光学像、』・・・・・・一次元固体撮像素子、５・・・
・・・物体載置台、６・・・・・・モータ、７・・・・
傾斜可能の透明ガラス。

Claims

【特許請求の範囲】

１物体の光学像を光電検出し、その光電検出出力をデ
ィジタル処理することにより、前記物体を計測するにあ
たり、前記物体の光学像と光電検出素子の相対位置関係
を光電検出単位長の整数（Ｚ）分の１ずつ、光電検出単
位片の範囲で（Ｚ−１）回変更し、変更前と変更後に得
られる光電検出出力から前記物体の計測値を得ることを
特徴とする物体の計測方法。