(57)【要約】【課題】反射率が不均一な対象物でも表面形状等を測定することが可能な変位センサシステム及び変位センサを提供する。【解決手段】変位センサシステム１は、二次元撮像素子１５の撮像面１５Ａ上の複数の領域Ｅを指定する領域指定部３３と、指定された領域Ｅごとに対応して個別の投受光感度を設定可能な感度設定部２０と、各領域内の走査線Ｌの受光信号を、当該領域に対応する投受光感度下で受光処理部１７に取り出させ、その取り出された受光信号に応じた検出処理を実行する受光制御部２０と、を備える．【選択図】図６
2010237176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に線状の光を照射する投光部と、
前記投光部から照射され前記対象物で反射した線状の反射光を受光可能な撮像面を有する二次元撮像素子と、
前記撮像面上の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記線状の反射光の受光像に交差する走査線ごとに取り出す受光処理部と、
前記撮像面上の複数の領域を走査線単位で指定する領域指定部と、
前記領域指定部で指定された領域ごとに対応して個別の投受光感度を設定可能な感度設定部と、
前記各領域内の走査線の受光信号を、当該領域に対応する投受光感度下で前記受光処理部に取り出させ、その取り出された受光信号に応じた検出処理を実行する受光制御部と、を備える変位センサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の変位センサシステムであって、
表示部と、
前記受光処理部により取り出された受光信号に基づき前記各走査線における受光位置及び受光量の少なくとも一方に関する情報を前記表示部に表示させる表示制御部と、
操作部と、を備え、
前記領域指定部は、前記操作部でのユーザによる操作に基づき前記領域を指定する構成である、変位センサシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の変位センサシステムであって、
前記表示制御部は、前記各領域に対応する投受光感度下で取り出された受光信号に基づく受光位置を、前記表示部に同時に図形表示させる、変位センサシステム。
【請求項４】
対象物に線状の光を照射する投光部と、
前記投光部から照射され前記対象物で反射した線状の反射光を受光可能な撮像面を有する二次元撮像素子と、
前記撮像面上の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記線状の反射光の受光像に交差する走査線ごとに取り出す受光処理部と、
前記撮像面上の異なる領域ごとに対応して個別の投受光感度を設定可能な感度設定部と、
前記各領域内の走査線の受光信号を、当該領域に対応する投受光感度下で前記受光処理部に取り出させ、その取り出された受光信号に基づく検出処理を実行する受光制御部と、を備える変位センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の変位センサであって、
前記領域ごとに対応する投受光感度で取り出された受光信号に基づく受光位置及び受光量の少なくとも一方に関する情報を外部出力する出力部を備える、変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の表面形状等を測定するための変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、対象物の表面形状等を測定するための変位センサが知られている（特許文献１参照）。この変位センサは、投光部及び二次元ＣＣＤを有し、投光部から出射した線状の光を対象物の表面に照射させ、その反射光を二次元ＣＣＤの撮像面にて受光する。反射光が撮像面上に形成する受光像は、対象物の表面形状に応じた形状となるため、撮像面上の受光位置に基づき対象物の表面形状等を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１３９４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、表面形状等を測定したい対象物は、反射率が表面全体で均一なものに限られず、反射率が互いに異なる複数の領域が存在し、反射率が不均一なものもある。このような反射率が不均一な対象物の表面形状等を、上記従来の変位センサにより測定しようとすると、反射率の高い領域からの反射光を受光する画素では受光量が飽和してしまう一方で、反射率の低い領域からの反射光を受光する画素では受光量が小さく耐ノイズ性が低くなるため、表面形状等を精度よく測定することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は、反射率が不均一な対象物でも表面形状等を測定することが可能な変位センサシステム及び変位センサを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための手段として、第１発明に係る変位センサシステムは、対象物に線状の光を照射する投光部と、前記投光部から照射され前記対象物で反射した線状の反射光を受光可能な撮像面を有する二次元撮像素子と、前記撮像面上の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記線状の反射光の受光像に交差する走査線ごとに取り出す受光処理部と、前記撮像面上の複数の領域を走査線単位で指定する領域指定部と、前記領域指定部で指定された領域ごとに対応して個別の投受光感度を設定可能な感度設定部と、前記各領域内の走査線の受光信号を、当該領域に対応する投受光感度下で前記受光処理部に取り出させ、その取り出された受光信号に応じた検出処理を実行する受光制御部と、を備える。
【０００７】
この発明の変位センサによれば、撮像面上の異なる領域ごとに対応して個別の投受光感度を設定可能であり、各領域内の走査線の受光信号を、当該領域に対応する投受光感度下で取り出すことができる。従って、反射率が不均一な対象物でも、各部分に対応する撮像面上の領域ごとに当該部分の反射率に応じた投受光感度を設定することで表面形状等を測定することが可能である。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明の変位センサシステムであって、表示部と、前記受光処理部により取り出された受光信号に基づき前記各走査線における受光位置及び受光量の少なくとも一方に関する情報を前記表示部に表示させる表示制御部と、操作部と、を備え、前記領域指定部は、前記操作部でのユーザによる操作に基づき前記領域を指定する構成である。
【０００９】
この発明によれば、表示部には、各走査線における受光位置及び受光量に関する情報が表示されるから、ユーザはその表示部の表示を見ながら領域指定を行うことができる。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明の変位センサシステムであって、前記表示制御部は、前記各領域に対応する投受光感度下で取り出された受光信号に基づく受光位置を、前記表示部に同時に図形表示させる。
【００１１】
この発明によれば、各領域に対応する投受光感度下で取り出された受光信号に基づく受光位置が、表示部に同時に図形表示されるから、ユーザはその表示から領域指定の適否を判断することが可能である。
【００１２】
第４の発明の変位センサは、対象物に線状の光を照射する投光部と、前記投光部から照射され前記対象物で反射した線状の反射光を受光可能な撮像面を有する二次元撮像素子と、前記撮像面上の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記線状の反射光の受光像に交差する走査線ごとに取り出す受光処理部と、前記撮像面上の異なる領域ごとに対応して個別の投受光感度を設定可能な感度設定部と、前記各領域内の走査線の受光信号を、当該領域に対応する投受光感度下で前記受光処理部に取り出させ、その取り出された受光信号に基づく検出処理を実行する受光制御部と、を備える。
【００１３】
第５の発明は、第４の発明の変位センサであって、前記領域ごとに対応する投受光感度で取り出された受光信号に基づく受光位置及び受光量の少なくとも一方に関する情報を外部出力する出力部を備える。
この発明によれば、領域ごとに対応する投受光感度で取り出された受光信号に基づく受光位置及び受光量の少なくとも一方に関する情報を、例えば上位機器等に伝送することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、反射率が不均一な対象物でも表面形状等を測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る変位センサの一部を示す概要構成図
【図２】変位センサの一部を示す斜視図
【図３】受光像と走査線との関係を示す模式図
【図４】変位センサシステムの電気的構成を示すブロック図
【図５】領域指定処理を示すフローチャート
【図６】領域別投受光処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態を図１〜図６を参照しつつ説明する。
本実施形態の変位センサシステム１は、変位センサ１０（表面形状検出器）とコントローラ３０とが通信可能に接続された構成である。
【００１７】
（変位センサの概要構成）
図１，２は変位センサ１０の一部を示す概要構成図及び斜視図である。
図１に示すように、変位センサ１０は、レーザ光源１１（投光部の一例）及び二次元ＣＣＤ１５（二次元撮像素子の一例）を備え、レーザ光源１１から出射された光を挿通板１２のスリット１２Ａを通過させて線状にし、それを対象物Ｗの表面に照射させる。そして、その反射光を二次元ＣＣＤ１５の撮像面１５Ａ上にて受光するものである。
【００１８】
反射光が撮像面１５Ａ上に形成する受光像は、対象物Ｗの表面（被照射面）が平坦であれば、上記スリット１２Ａの開口形状と同じ形状（例えば直線状）をなす。一方、対象物Ｗの表面が凸凹状をなす場合には、凸凹に倣った形状をなす（図２参照）。従って、撮像面１５Ａ上に形成される受光像（受講位置）に基づいて対象物Ｗの表面形状等を測定することができる。
【００１９】
図２に示すように、対象物Ｗは、反射率が互いに異なる複数の部分を有し、反射率が不均一なものである。具体的には、対象物Ｗは、低反射率の材料（例えば黒色樹脂）からなり上面に開口部Ｗ１Ａが形成された本体部Ｗ１と、高反射率の材料（例えばアルミなどの金属）からなり当該開口部Ｗ１Ａを塞ぐための蓋部Ｗ２とを有する。
【００２０】
（受光像と走査線との関係）
図３は受光像と走査線Ｌとの関係を示す模式図であり、後述する表示部３１の表示内容を示す図でもある。
撮像面１５Ａは行列状に配された複数の画素（受光素子）より構成されるが、これら各画素の受光信号を受光像の厚み方向（受光像に交差する方向の一例）に沿った走査線Ｌ毎に読み出す。そして、読み出された走査線Ｌ上の各画素について、例えば、受光量（受光信号レベル）の比較を行って、受光量がピークとなる画素を特定し、その位置（以下、受光位置という）を検出する。
【００２１】
このように、走査線Ｌ上における受光位置を検出する処理を、各走査線Ｌについてそれぞれ行うことで、光が照射された部位の表面形状や高低差等を測定することができる。また、対象物Ｗと変位センサ１０とを相対的に移動させつつ同様の表面形状測定を各部位について行うことで、対象物Ｗ全体の表面形状についても測定することができる。
【００２２】
（変位センサシステムの電気的構成）
図４は、変位センサシステム１の電気的構成を示すブロック図である。
【００２３】
１．変位センサ
変位センサ１０には、変位センサ１０の全体を制御する第１制御部２０（受光制御部、感度設定部、領域指定部の一例）、レーザ光源１１、レーザ駆動回路１３、二次元ＣＣＤ１５、ＣＣＤ駆動回路１７（受光処理部の一例）、データ処理部２１（出力部の一例）、メモリ２５を備える。
【００２４】
レーザ駆動回路１３は第１制御部２０からの動作信号Ｓａに基づいてドライブして、レーザ光源１１に駆動電流を供給させる。また、動作信号ＳａはＰＷＭ信号であり、第１制御部２０はそのデューティ比を変えることで駆動電流の電流量を増減調整し、レーザ光源１１からの投光量を変更することができる。
【００２５】
二次元ＣＣＤ１５は、受光素子を行列状に配した撮像面１５Ａを有し、撮像面１５Ａに入光する光をその光量に応じたレベルの電気信号（受光信号）に変換する。ＣＣＤ駆動回路１７は撮像面１５Ａの各受光素子から出力される受光信号を、走査線Ｌ毎に順次読み取るものである。なお、走査線Ｌは撮像面１５Ａの上下方向に延びる設定とされており、線状の受光像と直交する。
【００２６】
第１制御部２０は、レーザ駆動回路１３を介してレーザ光源１１に投光動作をさせつつＣＣＤ駆動回路１７に二次元ＣＣＤ１５から受光信号を読み取らせる（投受光動作）。そして、当該受光信号に基づき走査線Ｌごとの受光位置データを、データ処理部２１を介して外部出力する。
【００２７】
２．コントローラ
コントローラ３０は、表示部３１、第２制御部３３（表示制御部の一例）、データ処理部３５、操作部３７を備える。データ処理部３５は、有線または無線により変位センサ１０のデータ処理部２１との間でデータの双方向通信が可能である。第２制御部３３は、表示部３１の表示制御等を行うものであり、例えば変位センサ１０から受信した受光位置データに基づき、図３に示すように撮像面１５Ａ上における各走査線Ｌ、及び、各走査線Ｌの受光位置に基づく形状を表示部３１に表示させる。操作部３７は、ユーザが各種の入力操作を行うものである。
【００２８】
（領域指定処理）
図５は領域指定処理を示すフローチャートである。ユーザが操作部３７にて領域指定モードの実行を指示すると、第２制御部３３がその実行を変位センサ１０の第１制御部２０に指示し、これにより第１制御部２０が領域指定処理を実行する。このとき第１制御部２０は領域指定部として機能する。
【００２９】
第１制御部２０は、投受光動作を実行し（Ｓ１）、全走査線Ｌの受光位置データを取得する（Ｓ３）。なお、このときの投受光動作では、例えば全走査線Ｌについて投受光感度（本実施形態ではレーザ光源の投光量）が一律、所定の初期値に設定されている。そして、取得した受光位置データをコントローラ３０に送信する。これにより第２制御部３３は、上記受光位置データに基づき受光像の形状を表示部３１に表示させる（Ｓ５）。
【００３０】
ここで、上述したように対象物Ｗは反射率が不均一である。このため、撮像面１５Ａ上において、低反射率の本体部Ｗ１に対応する領域では受光量が少なくノイズに埋もれてしまい、高反射率の蓋部Ｗ２に対応する領域では受光量が多く飽和レベルに達してしまうおそれがある。そして、その結果、各走査線Ｌ上のおける受光位置を正確に検出できず、表示部３１には対象物Ｗの実際の形状に対して不正確な受光像の形状が表示されることがある。
【００３１】
但し、不正確な受光像の形状とは言っても、ユーザは、その受光像の形状から、反射率の異なる各領域を概ね視認することができる。そこで、ユーザは、表示部３１を見ながら、操作部３７での操作により、各領域をそれぞれ走査線Ｌ単位で指定する。図３の例では、例えば走査線Ｌ１〜Ｌ５の領域（第１領域Ｅ１）、走査線Ｌ６〜Ｌ１６の領域（第２領域Ｅ２）、Ｌ１７〜Ｌ２１の領域（第３領域Ｅ３）の３つ領域を指定する。
【００３２】
そして、ユーザにより領域が指定されると（Ｓ７：ＹＥＳ）、第２制御部３３は、その領域指定情報（走査線Ｌの指定番号）を変位センサ１０に送信する。そして、第１制御部２０は、受信した領域指定情報をメモリ２５に格納し、本領域指定処理を終了する。
【００３３】
（測定処理）
図６は、領域別投受光処理を示すフローチャートである。
ユーザが操作部３７にて測定モードの実行を指示すると、第２制御部３３は領域別投受光処理の実行コマンドを変位センサ１０に送信する。そして、第１制御部２０は、実行コマンドの受信に基づき領域別投受光処理を実行する。このとき第１制御部２０は感度設定部、受光制御部として機能する。
【００３４】
第１制御部２０は、領域指定番号Ｋを「１」に初期化し、各領域Ｅにおける代表走査線Ｌ（例えば各領域Ｅの中央の位置する走査線  第１領域Ｅ１であれば走査線Ｌ３）について投受光動作を実行する（Ｓ１３）。即ち、現在設定されている投光量レベルでレーザ光源１１に投光動作をさせ、二次元ＣＣＤ１５から上記代表走査線Ｌ３のみの受光信号を読み出す。
【００３５】
次に第１制御部２０は、読み出した受光信号に基づき、代表走査線における受光量（ピーク値）が適切か否かを判断する（Ｓ１５）。具体的には、受光量が所定の基準範囲（飽和レベルよりも低く、且つ、ノイズよりも高い範囲）内か否かを判断する。受光量が適切であれば（Ｓ１５：ＹＥＳ）、Ｓ１９にそのまま進む。
【００３６】
一方、受光量が不適切である場合には（Ｓ１５：ＮＯ）、受光量が基準範囲内になるよう投受光感度（第１制御部２０が受ける受光信号レベル）を変更し（Ｓ１７）、その後、Ｓ１９に進む。本実施形態では、第１制御部２０は、レーザ駆動回路１３に与える動作信号Ｓａのデューティ比を変更しレーザ光源１１の投光量を変更することにより、投受光感度を変更する。具体的には、受光量が基準範囲よりも低ければ投光量を多くし、受光量が基準範囲よりも高ければ投光量を少なくする。なお、投受光感度を変更する方法としては、例えばＣＣＤ駆動回路１７における受光信号の増幅度を変更してもよい。
【００３７】
受光量が適切になると（Ｓ１５：ＹＥＳ）、受光信号に基づく受光位置データを、各領域Ｅ（または代表走査線Ｌ）に対応付けてコントローラ３０に送信する。そして、第１制御部２０は、未処理の領域が残っている場合には（Ｓ２１：ＮＯ）、領域指定番号Ｋに「１」を加えてＳ１３に戻り、第２領域以降についても同様の処理を繰り返す。
【００３８】
全領域Ｅについて処理が終了していれば（Ｓ２１：ＹＥＳ）、本領域別投受光処理を終了する。これにより、変位センサ１０は、各領域Ｅごとに適切な投受光感度下で取得した受光位置データをコントローラ３０に送信することができる。そして、コントローラ３０の第２制御部３３は、受信した各領域Ｅごとの受光位置データに基づき、各領域Ｅ間の高低差を所定の閾値と比較することにより、本体部Ｗ１に対して蓋部Ｗ２が適切に嵌められているか否かを判定し、その判定結果に応じた判定信号を図示しない上位機器に出力する。このとき第２制御部３３は受光制御部として機能する。なお、他の検出処理としては、例えば変位センサ１０に設けられた図示しない表示灯を点灯動作させたり、コントローラ３０の表示部３１に判定結果を表示させたりしてもよい。また、変位センサ１０と対象物Ｗの各部位との距離（変位）を検出（測定）してもよい。
【００３９】
（本実施形態の効果）
この実施形態の変位センサシステム１によれば、撮像面１５Ａ上の異なる領域Ｅごとに対応して個別の投受光感度を設定可能であり、各領域Ｅ内の走査線Ｌの受光信号を、当該領域Ｅに対応する投受光感度下で取り出すことができる。従って、反射率が不均一な対象物Ｗでも、各部分に対応する撮像面１５Ａ上の領域Ｅごとに当該部分の反射率に応じた投受光感度を設定することで対象物Ｗの蓋部Ｗ２が正常に嵌っているかを判定することが可能である。
【００４０】
しかも、各領域Ｅの代表走査線Ｌのみの受光信号に基づき上記判定が可能であるから、撮像面上の全走査線の受光信号を利用する構成に比べて高速で処理することができる。
【００４１】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も本発明の技術的範囲に含まれる。特に、各実施形態の構成要素のうち、最上位の発明の構成要素以外の構成要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。
（１）上記実施形態では、変位センサ１０及びコントローラ３０を備えた変位センサシステムについて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば表示部３１及び操作部３７の少なくとも一方を変位センサ１０側に設けた構成や、コントローラ３０の第２制御部３３が領域指定処理を実行する構成であってもよい。
【００４２】
（２）上記実施形態では、受光量がピークとなる画素の位置を、走査線Ｌ上の受光位置として検出したが、本発明はこれに限られない。例えば走査線Ｌの画素のうち受光レベルが所定値以上の画素を抽出し、その抽出された画素群の中心位置や重心位置（各画素の位置にそれぞれの受光量に応じた重み付けをして求めた平均位置）を、受光位置としてもよい。
【００４３】
（３）上記実施形態では、各走査線Ｌ及び各走査線Ｌの受光位置に基づく形状を表示部３１に表示（図形表示）したが、本発明はこれに限られない。例えば各走査線Ｌの特定情報、受光位置の位置情報を文字、記号等で数値表示してもよい。
【００４４】
（４）また、領域別投受光処理を行った後に、各領域Ｅについて各走査線Ｌ及び各走査線Ｌの受光位置に基づく形状を表示部３１に表示させ、領域指定を変更できるようにしてもよい。このような構成であれば、より正確に領域指定を行うことができる。このとき、全ての領域Ｅについて、受光位置に基づく形状を同時に表示部３１に表示するのが好ましい。
【００４５】
（５）上記実施形態では、測定処理において各領域Ｅの代表走査線Ｌのみの受光信号に基づき対象物Ｗの高低差を測定したが、本発明はこれに限られない。例えば各領域Ｅの全走査線Ｌの受光信号に基づき対象物Ｗの表面形状を測定してもよい。
【００４６】
（６）上記実施形態では、測定処理において各領域Ｅごとに受光信号に基づき投受光感度を調整したが、本発明はこれに限られない。例えば各領域Ｅごとに予め定めた値を投受光感度として設定してもよい。但し、上記実施形態の構成であれば、周囲環境変化に応じて適切な値に投受光感度を設定することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１...変位センサシステム
１０...変位センサ
１１...レーザ光源（投光部）
１５...二次元ＣＣＤ（二次元撮像素子）
１５Ａ...撮像面
１７...ＣＣＤ駆動回路（受光処理部）
２０...第１制御部（受光制御部、感度設定部、領域指定部）
２１...データ処理部（出力部）
Ｌ...走査線
Ｗ...対象物
【図１】
2010237176.tif 000003
【図２】
2010237176.tif 000004
【図３】
2010237176.tif 000005
【図４】
2010237176.tif 000006
【図５】
2010237176.tif 000007
【図６】
2010237176.tif 000008