(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離情報を得る光式センサであって、
前記投光手段は、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、
前記受光手段は、画素の集合で構成された２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記２次元受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、
前記信号処理手段は、
前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿った各ラインの受光量分布のピーク位置を平均値処理して第１次平均値を算出し、該第１次平均値から所定範囲内の距離にあるピーク位置を対象とした平均値算出処理により第２次平均値を算出するピーク位置算出手段と、
前記ピーク位置算出手段によって算出されたピーク位置の第２次平均値から前記検出域に存在する検出物体の距離情報を求める演算処理手段と、を有するものであることを特徴とする光式センサ。
【請求項２】
投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサであって、
前記投光手段は、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、
前記受光手段は、画素の集合で構成された２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記２次元受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、
前記信号処理手段は、
前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿った各ラインから検出される受光量分布のピーク位置の数が所定の閾値を超える位置を抽出し、抽出したピーク位置が隣接するグループをピーク位置の集中する集中領域として検出し、各集中領域毎のピーク位置の平均値を算出し、夫々算出されたピーク位置の平均値を中心として所定の範囲にあるピーク位置を対象とした平均値演算処理により各集中領域の平均値を算出するピーク位置算出手段と、
前記ピーク位置算出手段によって夫々算出されたピーク位置の平均値から前記検出域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算処理手段と、を有するものであることを特徴とする光式センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は検知領域に存在する物体に向けて光を出射し、その反射光を受光することによって物体までの距離や物体の段差や厚さ等を測定するようにした光式センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来物体までの距離を検出する光式変位センサにおいては受光素子にＰＳＤやＣＣＤが用いられている。ＣＣＤを用いた光式変位センサは投光ビームを物体検知領域に向けて照射し、その反射光をＣＣＤで受光する。そして検出物体の受光位置に応じてＣＣＤで受光できる反射光の位置も変化するため、各水平ライン毎に受光レベルがピークとなる受光位置（以下、ピーク位置という）を算出し、各ライン毎に得られるピーク位置の平均値から対象物までの距離を算出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしＣＣＤに受光される画像にノイズがあって、誤った位置にピーク位置があるとして算出された場合には、ピーク位置の平均値処理にも誤差が生じ、精度のよいピーク位置を算出することができず、距離の検出精度が低下するという問題点があった。一般的にノイズを除去するためには、信号を周波数フィルタに通したり所定の閾値以下の信号を除去したりする方法が考えられる。本願の課題の状況においては周波数フィルタを用いる方法はピーク位置が変動して望ましくなく、又閾値処理では除去できないほどの大きさの光的・電気的ノイズが発生することがあるので、上記方法では十分なピーク位置算出精度を確保できなかった。
【０００４】
本発明はこのような従来の光式センサの問題点に着目してなされたものであって、ノイズ等の影響なく正確にピーク位置を算出できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離情報を得る光式センサであって、前記投光手段は、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、前記受光手段は、画素の集合で構成された２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記２次元受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、前記信号処理手段は、前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿った各ラインの受光量分布のピーク位置を平均値処理して第１次平均値を算出し、該第１次平均値から所定範囲内の距離にあるピーク位置を対象とした平均値算出処理により第２次平均値を算出するピーク位置算出手段と、前記ピーク位置算出手段によって算出されたピーク位置の第２次平均値から前記検出域に存在する検出物体の距離情報を求める演算処理手段と、を有することを特徴とするものである。
【０００６】
ここで２次元受光素子は、受光面上の座標で表される各位置における受光量を電気信号に変換して位置毎の受光量がわかるように出力するイメージセンサである。後述する請求項２で用いられる２次元受光素子についても同様である。
【０００７】
又ピーク位置算出手段は、２次元受光素子の各ラインのピーク位置から第１次平均値を算出し、第１次平均値を中心として所定範囲内のピーク位置のみを対象として再びピーク位置の平均を算出し、第２次平均値を算出するものである。この場合は検出物体は１つのピーク位置のみを有する物体となる。
【０００８】
本願の請求項２の発明は、投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサであって、前記投光手段は、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、前記受光手段は、画素の集合で構成された２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記２次元受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、前記信号処理手段は、前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿った各ラインから検出される受光量分布のピーク位置の数が所定の閾値を超える位置を抽出し、抽出したピーク位置が隣接するグループをピーク位置の集中する集中領域として検出し、各集中領域毎のピーク位置の平均値を算出し、夫々算出されたピーク位置の平均値を中心として所定の範囲にあるピーク位置を対象とした平均値演算処理により各集中領域の平均値を算出するピーク位置算出手段と、前記ピーク位置算出手段によって夫々算出されたピーク位置の平均値から前記検出域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算処理手段と、を有することを特徴とするものである。
【０００９】
又ピーク位置算出手段によって検出されるピーク位置の集中する領域は、２次元受光手段の投受光手段の並び方向の各ラインから検出される受光レベルがピークとなる受光素子上の位置をヒストグラムとして表したときに、所定値を越えて並び方向にほぼ連続する領域として求めることができる。この各集中領域毎に平均を算出することによって夫々のピーク位置を算出している。
【００１０】
又演算処理手段によって検出される距離関連情報とは、検出物体までの距離だけでなく、段差がある検出物体については段差の上下から得られる距離情報やその差から求まる段差の高さの情報も含まれる。又検出物体が透明な板状であり、その表面と裏面で反射する場合には夫々の反射面までの距離を求めることができ、更にその距離の差から厚さを求めることができるため、厚さの情報も含まれる。又検出物体が透明でその背景物体から反射する場合に、背景物体に対する検出物体の高さを検出することができ、これらを含めて距離関連情報とする。演算処理手段は、投光手段と受光手段との間の距離を基線長とし、受光素子上の受光量分布のピーク位置から三角測量の原理によって検出物体までの距離関連情報を求める。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による光式センサ１０の全体構成を示すブロック図、図２はその内部の構造を示す図である。図１において投光手段１１は、駆動回路１２によって駆動される発光ダイオードやレーザダイオード等の投光素子１３と、投光素子１３の光を平行光とするコリメートレンズ１４、スリット板１５及びシリンドリカルレンズ１６を有している。スリット板１５には図示のように細長いスリット１５ａが形成されており、このスリット１５ａは投光手段１１と受光手段１７の並び方向（Ｘ軸方向）に対して垂直な方向（Ｙ軸方向）に形成されている。シリンドリカルレンズ１６はスリット板１５のスリット１５ａを通過した狭いスリット状の光を更にＸ軸方向に集束する。そして図示のようにＹ軸方向に一定の幅を持ち、Ｘ軸方向に狭くしたスリット状の光ビーム（以下、スリットビームという）を検出物体１８に向けて照射するためのものである。ここでシリンドリカルレンズ１６は、この実施の形態による光式センサの測定距離範囲より光式センサ１０に近い点を集束点Ｌｆとして、スリットビームをＸ軸方向に集束させるものとする。又スリットビームのＹ軸方向の幅は投光軸方向に沿って一定である必要はなく、例えばＺ軸の座標値が大となるに従ってスリットビームのＹ軸方向の幅が大きくなるようにしてもよい。
【００１２】
図１，図２に示すように投光手段１１に対してＸ軸方向に受光手段１７が設けられる。受光手段１７は反射光を集光する集光手段である受光レンズ１９と、２次元の受光素子、例えばＣＣＤ２０を含んで構成されている。受光素子は多数の画素から成り、受光面上の２次元座標に表される各位置における受光量を電気信号に変換して、位置毎の受光量がわかるように出力する２次元のイメージセンサである。２次元受光素子としては、この実施の形態で用いたＣＣＤに限らず、例えばＢＢＤ，ＣＰＤ等の他の固体撮像ディバイスや、ビジコン撮像管等を使用することもできる。ここでは例えば２５６画素×２５６画素のＣＣＤ２０を用いるものとする。
【００１３】
ＣＣＤ２０には図示のようにＣＣＤドライバ２１が接続され、各画素信号はＣＣＤドライバ２１によって読出される。読出された信号は増幅器２２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器２３によってＡ／Ｄ変換されて画像メモリ２４に転送される。画像メモリ２４は例えば転送された一画面分の画素信号を記憶するものである。又画像メモリ２４にはピーク位置算出手段２５Ａ及び演算処理手段２６Ａが接続されている。ピーク位置算出手段２５Ａは後述する処理によって２次元ＣＣＤの各ラインの平均のピーク位置を算出するものである。又演算処理手段２６Ａは検出されたピーク位置に基づいて検出物体までの距離を検出するものである。ＣＣＤドライバ２１，増幅器２２，Ａ／Ｄ変換器２３，画像メモリ２４及びピーク位置算出手段２５Ａ，演算処理手段２６Ａは、受光素子に得られる受光量分布に基づいて物体までの距離を算出する信号処理手段２７Ａを構成している。
【００１４】
次にこの実施の形態による投受光手段の配置について、図２を用いて更に詳細に説明する。この実施の形態による光式センサは正反射物体と拡散反射物体との双方について距離が測定できるように、投光手段１１はＺ軸から所定角度θだけ傾けて配置する。受光手段１７も受光軸をＺ軸から角度θだけ傾けて、投光手段１１より照射され検出物体１８の表面で反射した正反射光を受光できる位置に配置する。ここで投光軸上の夫々の点からの反射光を受光レンズ１９によって集束する位置の軌跡を求め、２次元受光手段であるＣＣＤ２０の面をこの軌跡と一致するように配置しておく。このような投光軸に対する受光レンズ１９とＣＣＤ２０の配置の関係を共役な関係という。
【００１５】
さて図３（ａ）は本実施の形態のＣＣＤ２０を受光レンズ１９とは逆の面から見たもの、即ちモニタ画像として示している。ＣＣＤ２０の水平方向は投光手段１１と受光手段１７との並び方向、即ちＸ軸方向であり、検出物体１８が変位すると反射光の像がこれに伴って移動する方向でもある。又垂直方向はこれに垂直なＹ軸方向である。さて図３（ａ）に示すように、ノイズ等によって複数のラインでピークが生じているものとする。このようなノイズを含んだＣＣＤに得られるモニタ画像から正確なピーク位置を算出する処理について、図３（ｂ），（ｃ）のヒストグラム及び図４のフローチャートを用いて説明する。
【００１６】
まずこの処理で用いる符号について説明する。ポインタｉはＣＣＤ２０の水平ラインを示すポインタであり、１〜Ｉまで変化するものとする。ポインタｊは各ピークに１から順に割当てられる整数である。ｎは検出されたピーク数である。又Ｐ（ｊ）は各ピークの水平ライン中におけるピーク位置である。又ピーク位置Ｐ（ｊ）の総和をＳ、全Ｐ（ｊ）から算出された第１次平均値をＰ、第１次平均値Ｐから所定範囲内の距離にあるピークに１から順に割当てられる整数値をｋ、その所定範囲内のピーク位置の総和をＳ′、所定範囲内の平均値処理で算出される第２次平均値をＰ′とする。まずステップ３１の初期化処理ではポインタｉを１、ｊ，ｋ，ｎ，Ｓ，Ｓ′を０とする。そして次いでステップ３２に進んでラインｉについてピーク位置を検出する。ピーク位置が検出されればステップ３３に進んでｊ及びｎをインクリメントし、検出したピーク位置をＰ（ｊ）とする（ステップ３４）。次いでステップ３２に戻って同様の処理を繰り返す。ラインｉの中でピークの数は１つとは限らず、０の場合も複数の場合もある。ラインｉについてピークが検出できなくなれば、ステップ３５に進んで水平ラインポインタｉがＩに達したかどうかを判別し、Ｉに達していなければｉをインクリメントして（ステップ３６）ステップ３２〜３４のループに戻る。こうすればＰ（ｊ）に夫々のピーク位置が得られることとなる。
【００１７】
図３（ｂ）は第１次平均値Ｐから所定範囲内の距離にあるピーク位置の分布を示すヒストグラムである。次いでステップ３７に進んでＰ（ｊ）（ｊ＝１〜ｎ）の総和をＳとし、ステップ３８に進んで第１次平均値Ｐ（＝Ｓ／ｎ）を算出する。図３（ａ），（ｂ）に示すように多数のラインのピーク位置より左側にノイズ成分が多ければ、第１次平均値Ｐはノイズによるピークを除いたピーク位置の平均である第２次平均値Ｐ′よりも左側にずれることとなる。
【００１８】
次いでステップ３９に進んでポインタｊを１とし、ステップ４０に進んでＰ（ｊ）が第１次平均値Ｐに対して所定の幅αの範囲内にあるかどうかを判別する。αはあらかじめ定めた所定幅であり、この範囲Ｐ−α〜Ｐ＋αを第２次平均値を算出する対象領域とする。そしてこの範囲内にある場合にはステップ４１に進んでＳ′にＰ（ｊ）の値を加算し、ｋをインクリメントする（ステップ４２）。そしてステップ４３においてポインタｊが検出されたピークの数ｎに達したかどうかを判別し、ｎに達していなければｊをインクリメントし（ステップ４４）、ステップ４０に戻って同様の処理を繰り返す。一方ステップ４０においてＰ（ｊ）がＰ±αの範囲内になければ、ステップ４１，４２の処理を行うことなくステップ４３に進んでｊ＝ｎかどうかを判別し、同様の処理を繰り返す。そして全てのラインからＰ±αの範囲内のピーク数ｋ及びその範囲内での受光レベルのピーク位置の加算値Ｓ′を算出する。次いでステップ４５に進んでｋ及びＳ′から２次平均値Ｐ′（＝Ｓ′／ｋ）の演算処理を行って処理を終了する。こうすれば所定の範囲内でのみ平均したピーク位置を算出することができる。従ってノイズ等で異常な位置にピークが発生した場合であっても、ステップ４５のピーク位置の平均値演算処理には影響を与えることがなく、精度の高いピーク位置算出が行える。
【００１９】
こうして得られたピーク位置に基づいて物体までの距離情報を算出することによって距離を判別する。正しいピーク位置が検出できれば、その位置は検出物体までの距離に対応しているため、検出物体までの距離が近ければ図３（ａ）においてピーク位置が左方向に移動し、距離が遠ければ右方向に移動する。従ってピーク位置から検出物体の表面までの距離を算出することができる。
【００２０】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は第２の実施の形態による光式センサの構成を示すブロック図であり、前述した第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。前述した第１の実施の形態ではピーク位置が１つの場合に検出したピーク位置から検出物体までの距離をそのまま測定するようにしている。しかし検出物体が透明物体であれば、物体の表面と裏面とで一部の光が反射するため、ピーク位置が複数得られることとなる。この実施の形態ではピーク位置算出手段２５Ｂはノイズの影響を除いて複数のピーク位置を算出するものであり、演算処理手段２６Ｂは複数のピーク位置に基づいて物体までの距離と同時に段差や透明物体等の厚さを演算するものである。その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様である。
【００２１】
次に複数のピーク位置の算出処理について説明する。図６（ａ）は複数のピーク位置を有する場合のＣＣＤ２０の画像を示している。又図７はピーク位置算出手段２５Ｂにおけるピーク位置算出処理を示すフローチャートである。動作を開始するとまずステップ５１において第１の実施の形態と同様にピーク位置Ｐ（ｊ）を求める。次いでステップ５２に進んで走査線方向の位置ｈに対するピーク数のヒストグラムを作成する。図６（ｂ）はピークの数Ｆ（ｈ）を示すヒストグラムであり、走査線方向の位置ｈに対するピークの度数分布を示している。次いでステップ５３に進んでピーク数が所定の閾値Ｔｈを越える走査線方向の位置を抽出する。この場合には位置ｈとして「１２７」，「１２８」及び「１６１」，「１６２」が抽出されたものとする。次いでステップ５４に進んで位置が隣接するグループをピーク位置が集中する領域としてグループ分けする。この例ではグループ１として「１２７」〜「１２８」、グループ２として「１６１」〜「１６２」が得られる。次いでステップ５５に進んで各グループ毎にピーク位置の平均を算出する。図６（ｂ）の場合にはグループ１として「１２７．４」、グループ２として「１６１．８」が平均値として求められたものとする。次いで各グループの平均値から所定範囲、例えば±α以内を測定範囲と定める。例えば所定範囲αを３とし、位置ｈが整数であるため四捨五入すると、第１のグループでは「１２４」〜「１３０」、グループ２では「１５９」〜「１６５」が測定の対象となる範囲となる。従ってステップ５７に進んで各グループの測定範囲毎にピーク位置の平均を算出する。こうすればＣＣＤより複数のピーク位置を算出することができる。
【００２２】
このため透明検出物体の場合、これらの反射光のレベルが十分大きければ最も近い距離を透明物体までの距離として検出でき、更に２つのピーク位置の差から厚さを検出することができる。
【００２３】
図８は本実施の形態による光式センサの使用例を示す図である。本図に示すように、ベルトコンベア６１上を搬送する比較的小さい検出物体までの距離を検出する場合等には、スリットビームを用いることによってベルトコンベア６１上の表面の大部分に光を入射させることができる。そしてベルトコンベア６１上で検出物体６２が通過すると、その上面に入射した光が反射するため、図９に示すようにベルトコンベア６１と検出物体までの距離が相違し、夫々異なった距離にピークが得られる。
【００２４】
図９はこの場合のＣＣＤ２０を受光レンズ１９とは逆の面から見たもの、即ちモニタ画像として示している。即ちＣＣＤ２０上の近側の像２０ａ、即ち第１の受光分布に基づく距離Ｌａと、遠側の像２０ｂ、即ち第２の受光分布に基づく距離Ｌｂとを求め、その差によって段差や検出物体自体の高さを算出することができる。ＣＣＤ２０の水平方向は投光手段１１と受光手段１７との並び方向、即ちＸ軸方向（但しＹＺ面内で所定角度傾いている）であり、検出物体１８が変位すると反射光の像がこれに伴って移動する方向でもある。又垂直方向はこれに垂直なＹ軸方向である。この場合も前述したように複数のピーク位置をノイズの影響を除いて検出することができるため、検出物体とベルトコンベア等の背景物体とが混在していても検出の対象となる物体までの距離を求めることができる。この場合には通過位置がずれても支障なく距離が測定できる。又背景物体であるベルトコンベア６１の面と対象となる検出物体６２との夫々の距離を求めてその差分値から検出物体自体の高さを求める用途に光式センサを用いることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本願の請求項１の発明によれば、ノイズ等で異常な位置がピークとなるラインがあっても平均値の演算に影響を与えることがなく、正確にピーク位置を算出することができる。そのためピーク位置に基づいて正確に物体までの距離情報を得ることができるという効果が得られる。又請求項２の発明では、ピーク位置が複数の場合であっても夫々のピーク位置を正確に判別することができ、これに基づいて検出物体の高さや段差，透明物体の場合にはその厚さ等の種々の距離関連情報を得ることができる。いずれの発明においても、本来のピークを構成する信号と同程度以上の大きなノイズが混入する場合でも、ピーク位置の算出精度を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光式センサの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態による光式センサの光学系の内部構成を示す図である。
【図３】本実施の形態による光式センサのＣＣＤ２０上の受光量分布及びピーク位置の分布を示す図である。
【図４】本実施の形態による信号処理部のピーク位置検出処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態による光式センサの構成を示すブロック図である。
【図６】本実施の形態による光式センサのＣＣＤ２０上の受光量分布及びピーク位置の分布を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態による光式センサのピーク位置算出処理を示すフローチャートである。
【図８】本実施の形態による光式センサの使用例を示す斜視図である。
【図９】本実施の形態による光式センサのＣＣＤ２０上の受光量分布を示す図である。
【符号の説明】
１０  光式センサ
１１  投光手段
１２  駆動回路
１３  投光素子
１４  コリメートレンズ
１５  スリット板
１５ａ  スリット
１６  シリンドリカルレンズ
１７  受光手段
１８  検出物体
１９  受光レンズ
２０  ＣＣＤ
２１  ＣＣＤドライバ
２２  増幅器
２３  Ａ／Ｄ変換器
２４  画像メモリ
２５Ａ，２５Ｂ  ピーク位置算出手段
２６Ａ，２６Ｂ  演算処理手段
２７Ａ，２７Ｂ  信号処理手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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