(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサヘッドとコントローラとを一体又は別体に有するものであって、
センサヘッドは、
計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を計測用投光光学系とは異なる角度から視た画像を取得することができる画像取得光学系と、
画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換して画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子と、を１つのハウジング内に含むユニットであり、
計測光を投光する方向はセンサヘッドのハウジングに対して固定されており、
コントローラは、
映像信号としての画像の明るさに関連する撮影条件を制御することが可能であり、
計測モードと観測モードとで動作可能であり、
計測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整し、二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて目的とする変位量を算出し、
観測モードに設定された状態においては、計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るように撮影条件を調整し、二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて、計測対象物表面の計測位置を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる、
ように構成されている変位センサ。
【請求項２】
計測モード設定時における撮影条件には、計測用光源の輝度及び／又は二次元撮像素子の露光時間が含まれている、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
コントローラは、観測モードに設定された状態においては、計測光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整する、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項４】
観測モード設定時における撮影条件には、計測用光源が点灯か消灯か、計測用光源の輝度及び／又は二次元撮像素子の露光時間が含まれている、請求項３に記載の変位センサ。
【請求項５】
コントローラは、観測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を調整する、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項６】
観測モード設定時における撮影条件には、計測用光源の輝度及び／又は二次元撮像素子の露光時間が含まれている請求項５に記載の変位センサ。
【請求項７】
観測モードとして第１及び第２の観測モードが用意されており、
コントローラは、第１の観測モードに設定された状態においては、計測光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整し、第２の観測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を調整する、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項８】
コントローラは、観測モードに設定された状態においては、軽装光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らず、計測位置を含むその周辺の計測対象物が適切な明るさで写るようにした条件による１回又は複数回の撮影と、計測用光源を点灯し、計測光照射光像は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないようにした条件による１回又は複数回の撮影とを交互に繰り返す、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項９】
コントローラは、撮影した画像を撮影の都度画像モニタの画面に表示させる、請求項８に記載の変位センサ。
【請求項１０】
コントローラは、撮影条件の異なる２種類の画像を重ね合わせた画像を画像モニタの画面に表示させる、請求項８に記載の変位センサ。
【請求項１１】
コントローラは、計測モードに設定された状態での１回又は複数回の撮影と、観測モードに設定された状態での１回又は複数回の撮影とを交互に繰り返す、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項１２】
コントローラは、画像モニタの画面に、計測モードに設定された状態で撮影した画像は表示せず、観測モードに設定された状態で撮影した画像は表示させる、請求項１１に記載の変位センサ。
【請求項１３】
コントローラは、選択により、計測モードに設定された状態で撮影した画像と観測モードに設定された状態で撮影した画像のいずれかを画像モニタの画面に表示させる請求項１１に記載の変位センサ。
【請求項１４】
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器をさらに具備し、
コントローラは、観測モードに設定された状態において照明器を点灯する、請求項１から１３のいずれかに記載の変位センサ。
【請求項１５】
観測モード設定時における撮影条件には、照明器による照明の明るさが含まれている請求項１４に記載の変位センサ。
【請求項１６】
センサヘッドとコントローラとを一体又は別体に有するものであって、
センサヘッドは、
計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を計測用投光光学系とは異なる角度から視た画像を取得することができる画像取得光学系と、
画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換して画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子と、を含み、
画像取得光学系は、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系とを含み、
二次元撮像素子は、斜視画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換する斜視画像用二次元撮像素子と、正視画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換する正視画像用二次元撮像素子とを含み、
コントローラは、
映像信号としての画像の明るさに関連する撮影条件を制御することが可能であり、
計測モードと観測モードとで動作可能であり、
計測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整し、斜視画像用二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて目的とする変位量を算出し、
観測モードに設定された状態においては、計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るように撮影条件を調整し、正視画像用二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて、計測対象物表面の計測位置を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる、
ように構成されている変位センサ。
【請求項１７】
コントローラには、斜視画像取得光学系を介して取得された斜視画像に基づいて算出された変位量により、正視画像取得光学系を介して取得された画像の倍率を補正することにより、計測対象物体表面に表れた長さや面積を算出する画像処理モードがさらに設けられている、請求項１６に記載の変位センサ。
【請求項１８】
センサヘッドとコントローラとを一体又は別体に有するものであって、
センサヘッドは、
計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を計測用投光光学系とは異なる角度から視た画像を取得することができる画像取得光学系と、
画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換して画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子と、を含み、
画像取得光学系は、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系とを含み、
二次元撮像素子は、それら２つの画像取得光学系に共通な単一のものであり、
コントローラは、
映像信号としての画像の明るさに関連する撮影条件を制御することが可能であり、
計測モードと観測モードとで動作可能であり、
計測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整し、二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて目的とする変位量を算出し、
観測モードに設定された状態においては、計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るように撮影条件を調整し、二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて、計測対象物表面の計測位置を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる、
ように構成されている変位センサ。
【請求項１９】
二次元撮像素子は、斜視画像取得光学系の光路と正視画像取得光学系の光路とが交叉する位置に配置された、請求項１８に記載の変位センサ。
【請求項２０】
計測用投光光学系の出射光軸と斜視画像取得光学系の入射光軸とは同一傾斜角度で対照的に配置され、二次元撮像素子は正視画像取得光学系の入射光軸の延長線上に配置され、斜視画像取得光学系には入射光軸を折り曲げて二次元撮像素子に入射させる光軸折り曲げ機構が含まれている、請求項１９に記載の変位センサ。
【請求項２１】
光軸折り曲げ機構は、正視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像と斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像とが、計測変位の変化に応じて同一方向へと二次元撮像素子受光面上に移動するように仕組まれている、請求項２０に記載の変位センサ。
【請求項２２】
斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子へ至る第１の光路及び正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路のいずれかを、手動又は電気的制御により、択一的に遮光することが可能なシャッタをさらに具備することにより、計測モード設定時には正視画像取得光学系の光路を遮光し、観測モード設定時には斜視画像取得光学系の光路を遮光することを可能にした、請求項１８に記載の変位センサ。
【請求項２３】
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器と、
斜視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第１の光路に介在され、主として計測光を透過する帯域通過特性を有する第１の光学フィルタと、正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路に介在され、主として照明光を透過する帯域通過特性を有する第２の光学フィルタと、をさらに具備し、
コントローラは、観測モードに設定された状態において照明光を点灯する、
請求項１８に記載の変位センサ。
【請求項２４】
コントローラには、斜視画像取得光学系を介して取得された斜視画像に基づいて算出された変位量により、正視画像取得光学系を介して取得された画像の倍率を補正することにより、計測対象物体表面に表れた長さや面積を算出する画像処理モードがさらに設けられている、請求項１８に記載の変位センサ。
【請求項２５】
計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系と、
斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから視た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から視た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子とを、１つのハウジング内に具備した光学式変位センサのセンサヘッド。
【請求項２６】
計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系と、
斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから視た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から視た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子とを、少なくとも具備し、
二次元撮像素子は、斜視画像取得光学系の光路と正視画像取得光学系の光路とが交叉する位置に配置された、光学式変位センサのセンサヘッド。
【請求項２７】
計測用投光光学系の出射光軸と斜視画像取得光学系の入射光軸とは同一傾斜角度で対照的に配置され、二次元撮像素子は正視画像取得光学系の入射光軸の延長上に配置され、斜視画像取得光学系には入射光軸を折り曲げて二次元撮像素子に入射させる光軸折り曲げ機構が含まれている、請求項２６に記載の光学式変位センサのセンサヘッド。
【請求項２８】
光軸折り曲げ機構が、正視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像と斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像とが、計測変位の変化に応じて同一方向へと二次元撮像素子受光面上に移動するように仕組まれている、請求項２７に記載の光学式変位センサのセンサヘッド。
【請求項２９】
計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系と、
斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから視た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から視た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子とを、少なくとも具備し、
斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子へ至る第１の光路及び正視画像取得光学系を経由して撮像素子に至る第２の光路のいずれかを手動又は遠隔制御により、択一的に遮光することが可能なシャッタをさらに具備する、光学式変位センサのセンサヘッド。
【請求項３０】
計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系と、
斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから視た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から視た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子とを、少なくとも具備し、
計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器をさらに具備する、光学式変位センサのセンサヘッド。
【請求項３１】
斜視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第１の光路に介在され、主として計測光を通過する帯域通過特性を有する第１の光学フィルタと、
正視画像取得光学系を経由して撮図素子へ至る第２の光路に介在され、主として照明光を透過する帯域通過特性を有する第２の光学フィルタと、
をさらに具備する、請求項３０に記載の光学式変位センサのセンサヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光切断法又は三角測距法等の原理で計測対象物体の例えば高さ方向変位等を計測する光学式の変位センサに係り、特に、計測対象物体表面の性状等を画像モニタの画面で観察可能とした光学式の変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の光学式変位センサにおけるセンサヘッドユニットの二つの例が図４３（正反射物体対応型）と図４４（乱反射物体対応型）とに示されている。
【０００３】
図４３において、ａはセンサヘッドユニット、ｂは規定の取付姿勢にあるセンサヘッドユニットから計測対象物体に向けて斜め下向きに投光される計測光（例えば、断面スポット状や断面ライン状の赤色レーザビーム）、ｃは計測対象物体の表面で反射されたのち、斜め上向きに進んでセンサヘッドユニットに取り込まれる計測光、ｄはガラス板や表面が平滑な金属板等の正反射型の計測対象物体、ｅは計測対象物体の表面で生ずる計測光の拡散反射光である。なお、ユニットａから出射される計測光ｂの光軸とユニットａに入射される計測光ｃの光軸とは、同一傾斜角度で対称的に配置されている。
【０００４】
図４４において、ａはセンサヘッドユニット、ｄは表面が乱反射型の計測対象物体、ｆはセンサヘッドユニットから計測対象物体に向けて垂直下向きに投光される計測光（例えば、断面スポット状や断面ライン状の赤色レーザビーム）、ｇは計測対象物体の表面で反射されたのち、斜め上向きに進んでセンサヘッドユニットに取り込まれる計測光、ｈは計測対象物体の表面で生ずる計測光の拡散反射成分である。
【０００５】
センサヘッドユニットａに取り込まれた計測光の反射光ｃ，ｇは、受光光学系（レンズ組立体等）を経由して撮像素子（例えば、一次元ＣＣＤや二次元ＣＣＤ）の受光面上に結像され、撮像素子の光電変換作用により計測光の照射光像（スポット状やライン状の輝跡）を含む映像信号に変換される。こうして得られた映像信号は、図示しないコントローラユニットへと送出されて、三角測距原理を用いた変位計測のための演算に供せられる。
【０００６】
計測対象物体上の所望位置の変位（例えば、高さ方向変位）を正確に測定するためには、計測光ｂ，ｆの照射位置を目的とする計測位置に正確に一致させなければならない。計測光が可視レーザ光（赤色レーザ光等）の場合、目的とする計測位置と計測光の照射位置との整合は、計測光の照射光像を肉眼で観察しつつ、これを目的とする計測位置に移動させる操作を通して行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の変位センサにおいては幾つかの問題点が指摘されている。
（１）計測対象物に細かな凹凸がある場合など、計測対象とすべき場所に正確に計測光が照射されるよう位置調整する作業や、計測光が正確に照射されていることを確認する作業が、肉眼による直接観察では困難なことがある。
（２）図４３及び４４において、変位計測レンジである測定距離Ｌが短く、センサヘッドユニットａと計測対象物体ｄとが近接していると、センサヘッドユニットａが目的とする計測位置の上に覆い被さってしまうため、作業者の視野がセンサヘッドユニットａに邪魔されて計測光の照射光像が見えにくくなり、計測光の照射位置と計測希望位置との位置合わせ作業に支障を来す。
（３）従来の二次元撮像素子を使用した変位センサでは、二次元撮像素子で撮影した計測光の照射光像を画像モニタに表示できるようにしたものがあるが、計測光の照射光像はその周囲の計測対象物表面よりも極端に明るく写る。なぜなら、計測に使用する画像に周囲の計測対象物表面の形状や模様が写っていたのでは計測の妨げとなるため、計測光の照射光像が適切な明るさで写るようにしたときには、周囲の計測対象物表面が相対的に暗くてほとんど写らないように、計測光の光量や計測光の点灯タイミングと二次元撮像素子のシャッタタイミングとの関係が設計されているからである。したがって、画像モニタでは計測光の照射光像を観察することはできるものの、周囲の計測対象物表面は写らないから、照射光像と計測対象物表面との位置関係を画像モニタで確認することはできない。
【０００８】
この発明は、上述の問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、計測光の照射光像と計測対象物表面との位置関係を画像モニタで確認できるようにした変位センサ並びにその要素技術を提供することにある。
【０００９】
この発明の他の目的並びに作用効果については、以下の記述を参照することにより、当業者であれば容易に理解されるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の変位センサは、センサヘッドとコントローラとを一体又は別体に有するものである。ここで、『一体』とは、センサヘット部とコントローラ部とが同一のハウジングに収容されていることを意味している。また、『別体』とは、センサヘッド部とコントローラ部とが別々のハウジングに収容されていることを意味している。なお、本発明変位センサからの映像を写し出す画像モニタに関しては、独立したハウジングを有するものでもよいし、例えばコントローラ部のハウジングに内蔵されていてもよいであろう。
【００１１】
センサヘッドは、計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を計測用投光光学系とは異なる角度から視た画像を取得することができる画像取得光学系と、画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換して画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子と、を含んでいる。
【００１２】
ここで、『計測用投光光学系』には、投光用光路を定義するためのレンズ列を含むほか、必要によりミラーやフィルタ等の光学要素を含んでいてもよい。なお、投光用光源については、内蔵してもよいし、他の箇所から光ファイバで導入するものであってもよい。投光用光源の一例としては、赤色レーザダイオードを挙げることができる。また、『投光角度』については、先に図４３を参照して説明した正反射光学系と、図４４を参照して説明した乱反射光学系とのいずれでも差し支えない。
【００１３】
コントローラは、映像信号としての画像の明るさに関連する撮影条件を制御することが可能であり、かつ計測モードと観測モードとで動作可能である。
【００１４】
そして、コントローラは、計測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整し、二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて目的とする変位量を算出し、観測モードに設定された状態においては、計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るように撮影条件を調整し、二次元撮像素子から得られる映像信号に基づいて、計測対象物表面の計測位置を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる。
【００１５】
このような構成によれば、計測光の照射光像と計測対象物の位置関係を画像モニタで確認できる。そのため、センサヘッドが目的とする計測位置の上に覆い被さっている場合や、目的とする計測位置に肉眼による直接観察では形状が見えにくいほど微細な凹凸等があってそのどの部分に計測光が照射されているか確認しにくい場合であっても、計測先の照射光像を計測位置に正確に位置合わせして、目的とする計測結果を確実に得ることができる。
【００１６】
『計測モード設定時における撮影条件』には、計測用光源の輝度及び／又は二次元撮像素子の露光時間が含まれるようにしてもよい。ここで、計測用光源の輝度というときは、計測用光源がパルス点灯している場合には、その瞬時輝度と点灯時間との積に比例する平均の明るさを意味する。
【００１７】
コントローラは、観測モードに設定された状態においては、計測光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整するようにしてもよい。このとき、『観測モード設定時における撮影条件』には、計測用光源が点灯か消灯か、計測用光源の輝度及び／又は二次元撮像素子の露光時間が含まれるようにしてもよい。
【００１８】
計測光照射光像が全く写らない適切な明るさより暗くしか写らないようにするためには、例えば、計測用光源を消灯する、計測用光源の輝度を小さくする、計測用光源をパルス点灯し、点灯から点灯までの間の消灯している期間を二次元撮像素子の露光時間とする、などの撮影条件とすればよい。
【００１９】
また、コントローラは、観測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を調整するようにしてもよい。このとき、『観測モード設定時における撮影条件』には、計測用光源の輝度及び／又は二次元撮像素子の露光時間が含まれるようにしてもよい。
【００２０】
さらに、本発明の変位センサでは、観測モードとして第１及び第２の観測モードを用意し、コントローラは、第１の観測モードに設定された状態においては、計測光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を調整し、第２の観測モードに設定された状態においては、計測用光源を点灯し、計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を調整するようにしてもよい。
【００２１】
さらにまた本発明の変位センサでは、コントローラは、観測モードに設定された状態においては、計測光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らず、計測位置を含むその周辺の計測対象物が適切な明るさで写るようにした条件による１回又は複数回の撮影と、計測用光源を点灯し、計測光照射光像は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないようにした条件による１回又は複数回の撮影とを交互に繰り返すようにしてもよい。
【００２２】
このとき、コントローラは、撮影した画像を撮影の都度画像モニタの画面に表示させるようにしてもよい。実質的に計測対象物表面像だけが写った画像と計測光照射光像だけが写った画像が素早く交互に表示される場合には、これを見る人は双方が適切な明るさで写っているように認知する。また、１つの条件で複数回連続して撮影することを交互に行うようにして、撮影条件切替の周期を適当に長くすれば、これを見る人は、各撮影条件の画像を別々の画像として、かつ、両者の位置関係を理解して観察することができる。
【００２３】
このとき、コントローラは、撮影条件の異なる２種類の画像を重ね合わせた画像を画像モニタの画面に表示させるようにしてもよい。このようにしても、画像モニタの画面に計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで表示させることができる。
【００２４】
また、コントローラは、計測モードに設定された状態での１回又は複数回の撮影と、観測モードに設定された状態での１回又は複数回の撮影とを交互に繰り返すようにしてもよい。このようにすれば、計測対象物表面像を画像モニタに表示しながら変位計測をすることができる。このとき、コントローラは、画像モニタの画面に、計測モードに設定された状態で撮影した画像は表示させず、観測モードに設定された状態で撮影した画像は表示させるようにしてもよい。このようにすれば、計測モードに設定された状態で撮影した画像にて計測位置の状態を確認しながら変位計測をすることができる。あるいは、コントローラは、選択により、計測モードに設定された状態で撮影した画像と観測モードに設定された状態で撮影した画像のいずれかを画像モニタの画面に表示させるようにしてもよい。このようにすれば、実際に計測に使用されている画像の状態を随時確認することができる。
【００２５】
本発明の変位センサにおいては、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器をさらに具備し、コントローラは、観測モードに設定された状態において照明器を点灯するようにしてもよい。
【００２６】
このとき、『観測モード設定時における撮影条件』には、照明器による照明の明るさが含まれているようにしてもよい。このような構成によれば、周囲環境の照明の明るさが十分でない場合や、計測対象物とセンサヘッドとの距離が短く、センサヘッドが計測対象物の上に覆い被さっていることにより、計測対象物表面の明るさが十分でないような場合であっても、これを照明することにより鮮明な画像を取得することが可能となる。
【００２７】
ここで、照明器に使用する光源としては、発光ダイオード、白熱電球、その他、任意の小型光源を採用することができる。照明用光源の具体的な一例としては、緑色発光ダイオードを挙げることができる。照明器には、計測位置を含む一定の小領域を一定形状（例えば、円形や正方形等）に照射する投光光学系を含むことが好ましい。
【００２８】
本発明の変位センサでは、画像取得光学系は、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系とを含み、二次元撮像素子は、斜視画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換する斜視画像用二次元撮像素子と、正視画像取得光学系を介して取得される画像を光電変換する正視画像用二次元撮像素子とを含み、コントローラは、計測モードに設定された状態においては、斜視画像用二次元撮像素子からの映像信号に基づいて目的とする変位量を算出し、観測モードに設定された状態においては、正視画像用二次元撮像素子からの映像信号に基づいて計測対象物表面の計測位置を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させるようにしてもよい。
【００２９】
『斜視画像取得光学系』には、受光用光路を定義するためのレンズ列を含むほか、必要によりミラーやフィルタ等の光学要素を含むことができる。また、『斜めから視た』とあるのは、「規定のセンサ取付姿勢において斜めから視た」の意味であり、例えば計測対象物体が水平に置かれている場合を想定すると、斜め上から見た場合がこれに相当する。より具体的には、従前の変位センサのセンサヘッドにおける計測用受光光学系の入射角度が一つの参考となるであろう（図４３のｃ、図４４のｇ参照）。
【００３０】
『正視画像取得光学系』についても、受光用光路を定義するためのレンズ列を含むほか、必要によりミラーやフィルタ等の光学要素を含むことができる。また、『正面から視た』とあるのは、「規定のセンサ取付姿勢において正面から視た」の意味であり、例えば計測対象物体が水平に置かれている場合を想定すると、真上から見た場合がこれに相当する。より具体的には、従前の変位センサのセンサヘッドにおける乱反射物体対応の投光光学系の出射角度が一つの参考となるであろう（図４４のｆ参照）。
【００３１】
このような構成によれば、計測モードにおいては、正視画像取得光学系からの光像を排除しつつ、斜視画像取得光学系からの光像のみに基づいて、信頼性の高い計測動作を行うことができる。一方、観測モードにおいては、斜視画像取得光学系からの光像を排除しつつ、正視画像取得光学系からの光像のみに基づいて、歪みのない周辺画像（計測対象物体の計測位置及びその周辺領域の画像）を画像モニタの画面上に表示させることができる。
【００３２】
コントローラには、斜視画像取得光学系を介して取得された斜視画像に基づいて算出された変位量により、正視画像取得光学系を介して取得された画像の倍率を補正することにより、計測対象物体表面に表れた長さや面積を算出する画像処理モードがさらに設けられていてもよい。
【００３３】
画像取得光学系は、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系とを含み、二次元撮像素子は、それら２つの画像取得光学系に共通な単一のものであるようにしてもよい。
【００３４】
このとき、二次元撮像素子は、斜視画像取得光学系の光路と正視画像取得光学系の光路とが交叉する位置に配置されたものであってもよい。
【００３５】
このような構成によれば、斜視画像の光電変換と正視画像の光電変換とに１個の撮像素子を共用可能となり、センサヘッドユニットから得られる映像信号に基づいて、画像モニタの画面上に計測対象物体表面の歪みのない画像を表示させる機能を、本来の変位計測機能を損ねることなく、低コストで実現することができる。
【００３６】
このとき、計測用投光光学系の出射光軸と斜視画像取得光学系の入射光軸とは同一傾斜角度で対照的に配置され、二次元撮像素子は正視画像取得光学系の入射光軸の延長線上に配置され、斜視画像取得光学系には入射光軸を折り曲げて二次元撮像素子に入射させる光軸折り曲げ機構が含まれているようにしてもよい。
【００３７】
このような構成によれば、表面正反射物体と表面乱反射物体との双方に適用が可能となり、しかも、センサヘッドのハウジング内に、計測用投光光学系と斜視画像取得光学系と正視画像取得光学系とを、バランスよくコンパクトに収容可能となる。
【００３８】
光軸折り曲げ機構は、正視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像と斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像とが、計測変位の変化に応じて同一方向へと二次元撮像素子受光面上に移動するように仕組まれているようにしてもよい。
【００３９】
このような構成によれば、斜視画像と正視画像とを重ねて画像モニタの画面上に表示すると、測定変位の変動に連れて斜視画像と正視画像とが同じ方向へと移動することとなり、利用者に違和感を与えない。
【００４０】
本発明の変位センサでは、斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子へ至る第１の光路及び正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路のいずれかを、手動又は電気的制御により、択一的に遮光することが可能なシャッタをさらに具備することにより、計測モード設定時には正視画像取得光学系の光路を遮光し、観測モード設定時には斜視画像取得光学系の光路を遮光することを可能にしてもよい。
【００４１】
このような構成によれば、斜視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第１の光路と、正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路とを、択一的に有効化することが可能となり、変位計測中は撮像素子への正視画像を遮断することにより外乱による計測ミスを回避する一方、物体観測中は撮像素子への斜視画像を遮断することにより、歪みのない画像による計測物体表面の観察が可能となる。
【００４２】
シャッタ手段の取付位置は、光学系の光路入口、光路途中、光路終端のいずれであってもよい。なお、シャッタ手段としては、シャッタ板で光路を塞ぐ機械式のもの、透明、不透明を電気的に制御する電気光学素子（液晶やＰＺＴ等）を使用するもの、その他、様々な構造のものを採用することができる。また、『択一的』とは、結果としてそのような機能を実現できれば足り、双方の光路を共に開状態、閉状態とできるものを排除する意図ではない。
【００４３】
本発明の変位センサにあっては、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器と、斜視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第１の光路に介在され、主として計測光を透過する帯域通過特性を有する第１の光学フィルタと、正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路に介在され、主として照明光を透過する帯域通過特性を有する第２の光学フィルタと、をさらに具備し、コントローラは、観測モードに設定された状態において照明器を点灯するようにしてもよい。
【００４４】
このような構成によれば、計測光の波長と照明光の波長とを適切に設定することにより、特別なシャッタ手段を用いることなく、光路の選択を自動的に行わせることができる。
【００４５】
ここで、計測用光源、照明用光源、第１の光学フィルタ、第２の光学フィルタの一例としては、計測用光源として赤色レーザダイオード、照明用光源として緑色発光ダイオード、第１の光学フィルタとして赤色レーザの周波数成分を中心とした狭い通過帯域を有する光学バンドパスフィルタ、第２の光学フィルタとして緑色発光ダイオードの周波数成分を中心とした狭い通過帯域を有する光学バンドパスフィルタを挙げることができる。
【００４６】
本発明の変位センサにあっては、コントローラには、斜視画像取得光学系を介して取得された斜視画像に基づいて算出された変位量により、正視画像取得光学系を介して取得された画像の倍率を補正することにより、計測対象物体表面に表れた長さや面積を算出する画像処理モードがさらに設けられるようにしてもよい。
【００４７】
次に、本発明のセンサヘッドは、計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系と、斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから視た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から視た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子とを、少なくとも具備している。
【００４８】
ここで、『計測用投光光学系』には、投光用光路を定義するためのレンズ列を含むほか、必要によりミラーやフィルタ等の光学要素を含んでいてもよい。なお、投光用光源については、内蔵してもよいし、他の箇所から光ファイバで導入するものであってもよい。投光用光源の一例としては、赤色レーザダイオードを挙げることができる。また、投光角度については、先に図４３を参照して説明した正反射光学系と、図４４を参照して説明した乱反射光学系とのいずれでも差し支えない。
【００４９】
『斜視画像取得光学系』についても、受光用光路を定義するためのレンズ列を含むほか、必要によりミラーやフィルタ等の光学要素を含むことができる。また、『斜めから視た』とあるのは、「規定のセンサ取付姿勢において斜めから視た」の意味であり、例えば計測対象物体が水平に置かれている場合を想定すると、斜め上から見た場合がこれに相当する。より具体的には、従前の変位センサのセンサヘッドにおける計測用受光光学系の入射角度が一つの参考となるであろう（図４３のｃ、図４４のｇ参照）。
【００５０】
『正視画像取得光学系』についても、受光用光路を定義するためのレンズ列を含むほか、必要によりミラーやフィルタ等の光学要素を含むことができる。また、『正面から視た』とあるのは、「規定のセンサ取付姿勢において正面から視た」の意味であり、例えば計測対象物体が水平に置かれている場合を想定すると、真上から見た場合がこれに相当する。より具体的には、従前の変位センサのセンサヘッドにおける乱反射物体対応の投光光学系の出射角度が一つの参考となるであろう（図４４のｆ参照）。
【００５１】
このような構成によれば、計測対象物体表面を斜めから視た画像と計測対象物体を正面から視た画像とにそれぞれ対応する映像信号が得られるため、斜めから視た画像相当の映像信号を用いて変位計測を行う一方、正面から視た画像相当の映像信号を用いて物体表面観測を行うことで、本来の変位計測機能を損ねることなく、センサヘッドから得られる映像信号に基づいて、画像モニタの画面上に、計測対象物体表面の歪みのない画像を表示させることができる。
【００５２】
二次元撮像素子は、斜視画像取得光学系の光路正視画像取得光学系の光路とが交叉する位置に配置するようにしてもよい。
【００５３】
このような構成によれば、斜視画像の光電変換と正視画像の光電変換とに１個の撮像素子を共用可能となり、センサヘッドユニットから得られる映像信号に基づいて、画像モニタの画面上に計測対象物体表面の歪みのない画像を表示させる機能を、本来の変位計測機能を損ねることなく、低コストで実現することができる。
【００５４】
計測用投光光学系の出射光軸と斜視画像取得光学系の入射光軸とは同一傾斜角度で対照的に配置され、二次元撮像素子は正視画像取得光学系の入射光軸の延長線上に配置され、斜視画像取得光学系には入射光軸を折り曲げて二次元撮像素子に入射させる光軸折り曲げ機構が含まれているようにしてもよい。
【００５５】
このような構成によれば、表面正反射物体と表面乱反射物体との双方に適用が可能となり、しかも、センサヘッドのハウジング内に、計測用投光光学系と斜視画像取得光学系と正視画像取得光学系とを、バランスよくコンパクトに収容可能となる。
【００５６】
光軸折り曲げ機構が、正視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像と斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子受光面に結像する計測光の光像とが、計測変位の変化に応じて同一方向へと二次元撮像素子受光面上に移動するように仕組まれているようにしてもよい。
【００５７】
このような構成によれば、斜視画像と正視画像とを重ねて画像モニタの画面上に表示すると、測定変位の変動に連れて斜視画像と正視画像とが同じ方向へと移動することとなり、利用者に違和感を与えない。
【００５８】
斜視画像取得光学系を経由して二次元撮像素子へ至る第１の光路及び正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路のいずれかを、手動又は遠隔制御により、択一的に遮光することが可能なシャッタをさらに具備するようにしてもよい。
【００５９】
このような構成によれば、斜視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第１の光路と、正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路とを、択一的に有効化することが可能となり、変位計測中は撮像素子への正視画像を遮断することにより外乱による計測ミスを回避する一方、物体観測中は撮像素子への斜視画像を遮断することにより、歪みのない画像による計測物体表面の観察が可能となる。
【００６０】
本発明のセンサヘッドにあっては、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器をさらに具備するようにしてもよい。
【００６１】
このような構成によれば、周囲環境の照明の明るさが十分でない場合や、計測対象物とセンサヘッドとの距離が短く、センサヘッドが計測対象物の上に覆い被さっていることにより、計測対象物表面の明るさが十分でないような場合であっても、これを照明することにより鮮明な画像を取得することが可能となる。
【００６２】
本発明のセンサヘッドにあっては、斜視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第１の光路に介在され、主として計測光を通過する帯域通過特性を有する第１の光学フィルタと、正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路に介在され、主として照明光を透過する帯域通過特性を有する第２の光学フィルタと、をさらに具備するようにしてもよい。
【００６３】
このような構成によれば、計測光の波長と照明光の波長とを適切に設定することにより、特別なシャッタ手段を用いることなく、光路の選択を自動的に行わせることができる。
【００６４】
以上説明した本発明の各構成は、技術的に可能である限り任意に組み合わせることができる。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の好適な実施の一形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６６】
先に述べた問題のほかにも、従前のセンサヘッドは、正反射物体対応型及び乱反射物体対応型のいずれの形式のものにあっても、内蔵二次元撮像素子の受光面に結像される画像は、計測対象物体上の計測位置を斜め上から見下ろした状態で得られる幾分歪んだ画像であるため、たとえ計測光照射光像の周囲の計測対象物表面が適切な明るさで写るように撮影条件を調整したとしても、計測希望位置と計測光照射光像との位置関係を確認するには必ずしも適さないことが知見された。特に、この画像歪みの問題は、測定距離Ｌが短い場合における正反射物体対応型のセンサヘッドユニットにおいて一層深刻なものとなる。
【００６７】
そこで、本発明者等は、計測対象物体上の計測位置を斜め上から見下ろした状態で得られる画像のみならず、計測対象物体上の計測位置を真上から見下ろした状態で得られる画像についても得ることが可能な新規な構造のセンサヘッドを開発した。すなわち、このセンサヘッドは、計測対称物体上の計測位置に向けて計測光を所定方向から投光することができる計測用投光光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから視た画像を取得することができる斜視画像取得光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から視た画像を取得することができる正視画像取得光学系と、斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから視た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から視た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する二次元撮像素子とを、少なくとも具備したことを特徴とするものである。
【００６８】
斯かる新規な構造を有するセンサヘッドを使用した光学式変位センサによれば、別途特別なカメラ等を用意せずとも、センサヘッド自体から得られる映像信号を利用して、画像モニタの画面上に、計測対象物体表面の状態を映し出すことができる。
【００６９】
このとき、画像モニタの画面に映し出される映像としては、（１）計測光が照射されていない状態における計測対象物体表面の映像、（２）計測光が照射されている状態における計測対象物体表面の映像、（３）計測対象物体表面に照射された計測光の照射光像のみを浮き出させた映像、等を挙げることができる。
【００７０】
本発明が適用された変位センサシステム全体の外観図が図１に、また本発明が適用された変位センサシステム全体の電気的ハードウェア構成を示すブロック図が図２にそれぞれ示されている。
【００７１】
それらの図から明らかなように、この変位センサシステム１０は、センサヘッドユニット１と、コントローラユニット２と、コンソールユニット３と、画像モニタ４と、同期用センサ５とを備えている。尚、外部機器６は、コントローラユニット２から出力される変位量データ出力Ｄ１並びに判定出力Ｄ２を用いて制御されるＰＬＣ（プログラマブル・コントローラ）等を表している。
【００７２】
図１に示されるように、センサヘッドユニット１、コントローラユニット２、コンソールユニット３、及び画像モニタ４は、それぞれ別々のハウジングを有するが、これは単なる一例に過ぎない。センサヘッドユニット１とコントローラユニット２とを同一のハウジングに収容したり、コントローラユニット２とコンソールユニット３とを同一のハウジングに収容したり、さらには、コントローラユニット２とコンソールユニット３と画像モニタ１とを同一のハウジングに収容するなどのハウジング構成の変形は、任意に行うことが可能である。
【００７３】
この例に示されたセンサヘッドユニット１内には、後に図６，図１４〜図２１などを参照して詳細に説明するように、計測対象物体上の計測位置に向けて計測光を投光する計測用投光光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから見た画像を取得するための斜視画像取得光学系と、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から見た画像を取得するための正視画像取得光学系と、斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから見た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から見た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する撮像手段とが少なくとも備えられている。
【００７４】
尚、図１において、７は計測対象物体、８１は斜め下向きに投光された計測光（ラインビーム）、８２ａは斜め上向きに反射された計測光、８３は計測対象物体７の表面に生ずる計測光のライン状照射光像である。
【００７５】
センサヘッドユニット１の電気的な内部構成を示すブロック図が図４に示されている。同図に示されるように、センサヘッドユニット１の内部には、計測光を計測対象物体７へと投光するための投光系要素（ＬＤ駆動回路１１１、ＬＤ１１２など）と、計測対象物体７の画像を取り込むための受光系要素（ＣＣＤ制御回路１２１、ＣＣＤ１２２、増幅回路１２３、ＨＰＦ１２４、Ｐ／Ｈ回路１２５、ＡＧＣ増幅回路１２６など）と、計測物体７上の計測位置を含むその周辺を例えば円形に照明するための照明系要素（ＬＥＤ駆動回路１３１、ＬＥＤ１３２など）とが含まれている。
【００７６】
投光系要素について説明する。タイミング信号発生回路１０１は、レーザダイオード（以下、ＬＤという）１１２を発光させるためのＬＤ駆動パルス信号Ｐ１を発生する。ＬＤ駆動パルス信号Ｐ１に応答してＬＤ駆動回路１１１がＬＤ１１２をパルス発光させる。また、タイミング信号発生回路１０１はＬＤ駆動回路１１１を介してパルス状レーザ光のピークパワーを制御する。ＬＤ１１２から出射されたパルス状レーザ光は、図示しない計測用投光光学系を介して、計測対象物体７の表面に計測光８１として照射される。これにより、計測対象物体７の表面には、計測光８１の照射による線状の光像（ラインビームの光像）８３（図１参照）が形成される。
【００７７】
受光系要素について説明する。計測対象物体７の表面で反射したラインビームは、図示しない２系統の画像取得光学系（斜視画像取得光学系と正視画像取得光学系）の何れかを通って撮像素子である２次元ＣＣＤ１２２の受光面へと入射される。
【００７８】
尚、後に詳述するように、斜視画像取得光学系とは、計測対象物体７上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから見た画像を取得するための光学系であり、正視画像取得光学系とは計測物体７上の計測位置を含むその周辺領域を正面から見た画像を取得するための光学系である。ちなみに、符号８２ａが計測対象物体７の表面で斜め上向きに反射された計測光、８２ｂが計測対象物体７の表面で真上に反射された計測光、１５０がそれら反射光８２ａ，８２ｂの何れか一方を択一的に取り込むための機械的シャッタをそれぞれ示している。
【００７９】
ＣＣＤ１２２の受光面上におけるラインビームの照射光像位置が、目的とする変位（例えば、センサヘッドユニット１と計測対象物体７との距離）に応じて変化するように、計測用投光光学系と斜視画像取得光学系との位置関係が決定されている。この位置関係の決定には、例えば、三角測距方式応用の光切断法などが利用される。
【００８０】
ＣＣＤ１２２から出力される映像信号は、各画素毎に増幅回路１２３で増幅された後、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１２４及びピークホールド（Ｐ／Ｈ）回路１２５により各画素毎に現れる零レベル信号の揺らぎが除去されて、各画素信号が正しく受光量を表すように整形される。その後、ＡＧＣ増幅回路１２６により信号値の大きさが適切に制御され、映像信号ｖｓとしてコントローラユニット２へと送られる。
【００８１】
タイミング信号発生回路１０１より出力されるパルス信号Ｐ２により、ＣＣＤ制御回路１２１を介してシャッタ時間を含むＣＣＤ１２２の駆動態様が制御される。同様にして、パルス信号Ｐ３〜Ｐ５により、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１２４のフィルタタイミング、ピークホールド回路（Ｐ／Ｈ）１２５のピークホールドタイミング、ＡＧＣ増幅回路１２６のゲインとその切替タイミングが制御される。
【００８２】
更に、タイミング信号発生回路１０１から出力されるパルス信号Ｐ６により、ＬＥＤ駆動回路１３１が制御されて、照明器を構成するＬＥＤ１３２がパルス駆動されて、計測対象物体７の表面の計測位置を含むその周辺領域が例えば円形に照明される。
【００８３】
尚、計測用光源を構成するレーザダイオード１１２としては、例えば赤色レーザダイオードが使用され、照明器を構成するＬＥＤ１３２としては、例えば緑色発光ダイオードが使用される。図中符号８４は照明光、１２８はミラーを示している。
【００８４】
計測条件格納部１４１は、ＣＣＤ１２２のシャッタ時間、ＬＤ１１２の発光時間、ＬＤ１１２のピークパワー、ＡＧＣ増幅回路１２６のゲインなどからなる計測条件に加えて、照明器の光源を構成するＬＥＤ１３２の発光時間が格納されており、コントローラユニット２からの制御信号ＣＯＮＴにより最適な計測条件や撮影条件等が選択される。
【００８５】
次に、コントローラユニット２の内部機能構成を示すブロック図が図３に示されている。同図に示されるように、このコントローラユニット２は、制御部２１０と計測部２２０とから概略構成されている。計測部２２０内には、センサヘッドユニット１用のインタフェース部２２１と、インタフェース部２２１を介してセンサヘッドユニット１から取り込まれた画像データを処理する画像演算部２２２とが含まれている。
【００８６】
一方、制御部２１０内には、コンソールユニット３並びに画像モニタ４とのインタフェースとして機能するグラフィック・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）部２１１と、計測部２２０から送られてくる画像データに対して適当な処理を加えてＧＵＩ部２１１へと送り出す画像処理部２１２と、先ほど説明した変位量データ出力Ｄ１並びに判定出力Ｄ２を外部機器へと送り出すための外部出力インタフェース部２１４と、装置全体を統括制御するための制御処理部２１３とを含んでいる。
【００８７】
次に、同装置におけるデータの流れについて説明する。インタフェース部２２１に含まれるセンサヘッド制御部２２１Ｂは、センサヘッドユニット１に内蔵されたＣＣＤ１２２の受光量が適切となるように、計測用光源であるレーザダイオード１１２の光量制御、並びに、照明用光源であるＬＥＤ１３２の光量制御を行う。同時に、センサヘッド制御部２２１Ｂは、撮像素子であるＣＣＤ１２２の露光時間が適切となるように、内蔵された電子シャッタ機構に対して、シャッタ時間制御を行う。この状態で、センサヘッドユニット１内のＣＣＤ１２２が撮影した画像データＤ３は、画像取込部２２１Ａの作用で、計測部２２０内に取り込まれる。
【００８８】
こうして計測部２２０に取り込まれた画像データは、画像演算部２２２内の画像転送部２２２Ａ並びに計測処理部２２２Ｂへと送られる。画像転送部２２２Ａは、画像取込部２２１Ａから到来する画像データＤ３を、制御部２１０内の画像処理部２１２へと送出する。又、計測処理部２２２Ｂでは、画像データＤ３に基づいて計測処理を行い、変位量データＤ１や判定出力Ｄ２を求め、これらのデータＤ７を制御部２１０内の制御処理部２１３へと送出する。
【００８９】
制御部２１０内の制御処理部２１３は、計測処理部２２２Ｂから送られてきたデータＤ７に基づき、ラインビーム方向測定点座標データＤ８を求め、これを画像処理部２１２へと送出する。画像処理部２１２は、画像データ並びにラインブライトを含むデータＤ４をＧＵＩ部２１１へと送出する。ＧＵＩ部２１１はコンソールユニット３からの各種指令を受け付けると共に、表示用データを編集し、これをモニタ出力Ｄ５として画像モニタ４へと送出する。
【００９０】
後に詳細に説明するように、この実施形態に示されるコントローラユニット２には、計測モードと第１及び第２の観測モードとが用意されている。そして、計測モードに設定された状態においては、正視画像取得光学系の光路をシャッタ手段（例えば機械的シャッタ１５０がこれに相当）で遮光したまま、計測用光源（例えばレーザダイオード１１２がこれに相当）を点灯すると共に照明器（例えば、ＬＥＤ１３２がこれに相当）を消灯し、かつ計測光照射光像は適切な明るさで写るものの、その周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子（例えばＣＣＤ１２２がこれに相当）から得られる斜視画像相当の映像信号ｖｓに基づいて目的とする変位量を算出する制御動作を実行する。
【００９１】
また、第１の観測モードに設定された状態においては、斜視画像取得光学系の光路をシャッタ手段で遮光したまま、計測用光源を消灯すると共に照明器を点灯し、かつ計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子から得られる正視画像相当の映像信号に基づいて、計測対象物表面の計測光照射位置を含むその周辺の画像を画像モニタ（例えば、画像モニタ４がこれに相当）の画面上に表示させる制御動作を実行する。
【００９２】
更に、第２の観測モードに設定された状態においては、斜視画像取得光学系の光路をシャッタ手段で遮光したまま、計測用光源及び照明器を点灯し、かつ計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子から得られる正視画像相当の映像信号に基づいて、計測対象物表面の計測光照射光像を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる制御動作を実行する。
【００９３】
以上、３つの制御動作に必要な、測定点座標の自動抽出処理や変位量測定処理は、主として計測処理部２２２Ｂにて実現され、表示データ編集処理は主として画像処理部２１２やＧＵＩ部２１１にて実現され、撮影条件調整処理は主としてセンサヘッド制御部２２１Ｂにて実現される。
【００９４】
図１及び図２に戻って、コンソールユニット３はハンディタイプのものであり、その表面には各種ファンクションキーの他に、カーソル移動用の４方向キーが配置されている。このコンソールユニット３は、所定の電気コードを介してコントローラユニット２に接続される。
【００９５】
画像モニタ４は、コントローラユニット２から出力されるモニタ出力（表示データ）を受けて、対応する画像を画面上に表示するものである。この画像モニタ４としては、ＣＲＴ表示器、液晶表示器などの任意の市販の表示器が採用可能となっている。
【００９６】
次に、本発明にかかる変位センサユニット１の光学的構造について詳細に説明する。本発明変位センサの計測モード時の動作を説明するための図が図６に、また本発明変位センサの観測モード時の動作を説明するための図が図１５にそれぞれ示されている。
【００９７】
それらの図から明らかなように、このセンサヘッドユニット１のハウジングには、計測対象物体７上の計測位置に向けて計測光８１を斜め下向きに投光する計測用投光光学系（この例では、１若しくは２枚以上のレンズ列を含むレンズ組立体１１３で構成される）と、計測対象物体７上の計測位置を含むその周辺領域を斜め上から見た画像を取得するための斜視画像取得光学系（この例では、レンズ組立体１２７ａとミラー１２８とで構成される）と、計測対象物体７上の計測位置を含むその周辺領域を真上から見た画像を取得するための正視画像取得光学系（この例では、レンズ組立体１２７ｂで構成される）と、斜視画像取得光学系の光路と正視画像取得光学系の経路とが交差する位置に配置された２次元撮像素子（この例では、２次元ＣＣＤ１２２で構成される）と、斜視画像取得光学系と正視画像取得光沢系とを択一的に遮光するシャッタ手段（この例では矢印９１のように往復移動して、２つの光路を択一的に遮光する機械的シャッタ１５０により構成される）と、照明用光源からの光により計測対象物体７上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器（この例では、レンズ機能の組み込まれた緑色発光ダイオード１３２で構成される）とが含まれている。
【００９８】
より具体的に説明すると、計測用投光光学系の出射光軸（符号８１が付される）と斜視画像取得光学系の入射光軸（符号８２ａが付される）とは、図６に明示されるように、同一傾斜角度で対称的に配置されており、これによりいわゆる正反射物体対応型の光学系が構成されている。そのため、このセンサヘッドユニット１は、表面乱反射物体のみならず、ガラスなどの表面正反射物体にも適用可能となされている。
【００９９】
ハウジング内の上部に配置された撮像素子であるＣＣＤ１２２は、図１５に明示されるように、正視画像取得光学系を構成するレンズ組立体１２７ｂの入射光軸の延長上に位置決めされている。一方、斜視画像取得光学系には、入射光軸（符号８２ａが付される）を折り曲げて撮像素子であるＣＣＤ１２２に入射させる光軸折り曲げ機構（この例では、１枚のミラー１２８で構成される）が含まれている。そのため、撮像素子を構成するＣＣＤ１２２は、正視画像取得光学系で取得された画像と斜視画像取得光学系で取得された画像との双方を受光可能である。すなわち、２系統の画像取得光学系に対して撮像素子が１個で済むことから、コストダウンが図られている。
【０１００】
照明器を構成する緑色発光ダイオード１３２は、好ましくはある程度のビーム機能を有している。この例では、図１５に明示されるように、基準距離に存在する計測物体７の上面に、所定サイズの円形照射光像８５を形成するようになっている。
【０１０１】
尚、図６（ｂ）並びに図１５（ｂ）に示されるように、この例で示される計測対象物体７は、表面が平坦な板状物体とされている。この板状物体７のほぼ中央には、表裏に貫通する円形穴７１が開けられている。換言すれば、計測対象物体７を構成する板状物体には、板の厚さに相当する段差が存在する。そして、この変位センサでは、円形穴７１の部分に、ラインビームの照射光像８３を位置合わせした状態で、板厚分の段差を変位量として検出するものとする。
【０１０２】
センサヘッドユニット１内における各光学的要素のより具体的な配置の一例が図１９に示されている。同図は、センサヘッドユニットのケース側面を開口してその内部を示すものである。
【０１０３】
図において、１１２は計測用光源を構成する赤色レーザダイオード素子、１１３は計測用投光光学系を構成するレンズ組立体、１２７ａは計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜めから見た画像を取得するための斜視画像取得光学系を構成するレンズ組立体、１２８はレンズ組立体１２７ａの光軸を折り曲げるためのミラー、１２７ｂは計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を正面から見た画像を取得するための正視画像取得光学系を構成するレンズ組立体、１２２は斜視画像取得光学系を介して取得される斜めから見た画像と正視画像取得光学系を介して取得される正面から見た画像とをそれぞれ光電変換して各画像に対応する映像信号を生成する撮像手段としての２次元ＣＣＤ素子である。
【０１０４】
同図から明らかなように、これらの光学要素（１１２，１１３，１２７ａ，１２７ｂ，１２８及び１２２）は、センサヘッドのハウジング内に、バランス良くコンパクトに収容されている。
【０１０５】
機械的シャッタ１５０のより具体的な機械的構造の一例が図２０及び図２１に示されている。図２０（ａ）に示されるように、センサユニットケース１Ａの下面開口には、平板状のシャッタユニット１５０Ａがねじ止めされている。このシャッタユニット１５０Ａには、投光用窓１５１と、斜め上向き取込用窓１５２と、真上向き取込用窓１５３と、照明用窓１５４とからなる４つの窓が開けられている。投光用窓１５１からは計測光８１が出射される。斜め上向き取込用窓１５２からは、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を斜め上から見た画像に相当する計測反射光が入射される。真上向き取込用窓１５３からは、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を真上から見た画像に相当する計測反射光が入射される。照明用窓１５４からは照明用緑色発光ダイオード１３２からの照明光８４が出射される。
【０１０６】
図２１（ａ），（ｂ）に示されるように、シャッタユニット１５０Ａの内部にはシャッタ板１５７がスライド自在に設けられている。このシャッタ板１５７のスライド方向の幅は、窓１５２，１５３，１５４の直径よりもやや大きめに設定され、そのスライドストロークは図２１（ｂ）に示されるように、窓１５２と窓１５３との間を交互に往復移動可能となされている。また、シャッタ板１５７が真上向き取込用窓１５３を塞ぐ位置にあるとき、照明用窓１５４も同時に塞がれ、これにより照明光が遮断される。シャッタユニット１５０Ａの側面に設けられたシャッタ板ガイドスロット１５６からは、シャッタ板操作用つまみ１５５が突出している。このつまみ１５５を指でつまんで、往復移動させることにより、シャッタ板１５７を介して、斜め上向き取込用窓１５２と真上向き取込用窓１５３とを択一的に塞ぐことが可能となっている。
【０１０７】
次に、この変位センサにおける計測モード時の動作を図５〜図１３を参照しながら説明する。
【０１０８】
本発明変位センサの計測モード時の動作を説明するための図が図６に示されている。同図に示されるように、計測モードに設定された状態においては、正視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ｂを含む）の光路をシャッタ手段（機械的シャッタ１５０）で遮光したまま、計測用光源（赤色レーザダイオード１１２）を点灯すると共に照明器を消灯（緑色発光ダイオード１３２の消灯またはシャッタ板１５７による照明用窓１５４の遮光）し、かつ計測光照射光像８３は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像はほとんど写らないように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子（２次元ＣＣＤ１２２）から得られる斜視画像相当の映像信号ｖｓに基づいて目的とする変位量を算出する制御動作を実行する。
【０１０９】
コントローラユニット２における変位量測定動作を概略的に示すゼネラルフローチャートが図５に示されている。同図において、まず最初のステップでは、センサヘッド１内のＣＣＤ１２２で撮影された画像をコントローラユニット１へと取り込む（ステップ５０１）。
【０１１０】
センサヘッド１内のＣＣＤ１２２で撮像された画像の説明図が図７に示されている。同図に示されるように、センサヘッド１に内蔵されたＣＣＤ１２２は、細長い長方形状の視野１２２ａを有する。この視野の長辺に沿うＸ方向は変位方向とされており、また短辺に沿うＹ方向はラインビーム方向（以下、単にライン方向ともいう）とされている。また、センサの視野１２２ａ内には、この例ではジグザグ状の直線としてラインビームの像（照射光像）Ａ１が描かれている。また、変位方向において、図中左側がセンサヘッドに近い方向、逆に右側がセンサヘッドに遠い方向とされている。
【０１１１】
図５に戻って、次のステップとして、測定範囲内の特徴点抽出処理を実行する（ステップ５０２）。測定範囲内における測定点抽出処理の説明図が図８に示されている。同図に示されるように、センサの視野１２２ａ内には、図中左右方向へ延びる２本の互いに平行な点線Ａ２，Ａ３によって測定範囲Ａ４が示されている。そして、この測定点抽出処理では、この測定範囲（測定点抽出範囲）Ａ４内において、所定の特徴点抽出アルゴリズムを使用することにより、ピーク位置（Ｐｘ，Ｐｙ）並びにボトム位置（Ｂｘ，Ｂｙ）が抽出される。尚、後述するように、測定範囲（測定点抽出範囲）Ａ４を特定する始点直線Ａ２及び終点直線Ａ３は予めユーザによって設定されたものである。
【０１１２】
図５に戻って、次のステップでは特徴点を含むラインのラインブライトを抽出する（ステップ５０３）。ＣＣＤによる撮像画像とラインブライト波形との関係を示す説明図が図９に示されている。同図に示されるように、このラインブライト抽出処理では、図中一点鎖線で示されるピーク位置を含むライン上において、各ピクセルの受光輝度が抽出され、これが変位方向に配列されることによって図に示されるラインブライト波形Ａ５が生成される。図９に示されるように、このラインブライト波形Ａ５は、横軸を変位方向及び縦軸を階調とする直交座標上において描かれている。
【０１１３】
図５に戻って、次のステップでは、所定の抽出アルゴリズムに従って、ラインブライト波形上の測定点座標が抽出される（ステップ５０４）。この測定点座標の抽出は、しきい値決定処理と測定点座標抽出処理を経て行われる。しきい値決定方法の一例を示す説明図が図１０に示されている。同図に示されるように、しきい値ＴＨの決定はピーク値を示すピクセルＰＰの輝度Ｖｐに対してａ％として決定される。すなわち、ＴＨ＝Ｖｐ×ａ％として自動的に決定される。また、測定点座標抽出処理の説明図が図１１に示されている。測定点座標抽出方法には、この例では、重心モードとエッジ中心モードと片側エッジモードとの３種類のモードが用意されている。重心モードにおいては、図１０（ａ）に示されるように、図中ハッチングで示されるしきい値ＴＨを超える部分の濃淡重心として測定点が求められる。また、エッジ中心モードにおいては、図１０（ｂ）に示されるように、ラインブライト波形としきい値ＴＨとの交点である２つのエッジの中心として測定点が求められる。更に、片側エッジモードにおいては、図１０（ｃ）に示されるように、ラインブライト波形としきい値ＴＨとの片側エッジとして測定点が求められる。
【０１１４】
図５に戻って、次のステップでは、測定点座標から変位量が算出される（ステップ５０５）。この変位量算出処理は例えば光学系が三角測距である場合、変位量Ｚ＝Ａ×Ｂ／（Ｃ×Ｘ）として求められる。ここで、Ｘは変位方向座標、Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ光学系により決定される乗数である。
【０１１５】
図５に戻って、次のステップでは、得られた変位量（必要であれば判定出力）を画像モニタ４及び外部機器６へと出力する（ステップ５０６）。
【０１１６】
モニタ画面上に画像を生成する方法の説明図が図１２に示されている。同図に示されるように、この実施の形態においては、４枚（層）の画像メモリ（０）〜（３）が使用される。それらのうちで、画像メモリ（０）はセンサヘッドから取り込まれた生画像が、画像メモリ（１）には画面枠判定値や固定枠画面部分などが、画像メモリ（２）にはラインブライト並びに測定値が、画像メモリ（３）には変位量並びに判定基準などがそれぞれ格納可能となされている。そして、これらの画像メモリ（０）〜（３）上のデータは、ＧＵＩ部１２１及び画像処理部１２２の作用により、互いに重ねて、並べて、又は単独で読み出され、モニタ出力（表示データ）Ｄ５として画像モニタ４へと送られる。
【０１１７】
本発明変位センサの計測モード時のモニタ画面の一例を示す図が図１３に示されている。同図に示されるように、画像モニタの表示画面４１には、グラフ表示領域４２と数値表示領域４３とが設けられる。グラフ表示領域４２には、ラインブライト波形Ａ５と決定された測定点を示す十字記号Ａ６とが表示される。数値表示領域４３には、測定された変位量を示す数値Ａ８と出力ポートを示す文字Ａ９とが表示される。尚、表示画面４１の頂部枠内には、動作モードが『計測モード』であることを示す文字Ａ７が表示される。
【０１１８】
図１４に示されるように、計測対象物体が近づいたり遠ざかったりすると、遠ざかった場合の光路８２ａ−１並びに近づいた場合の光路８２ａ−２で示されるように、撮像素子である２次元ＣＣＤ１２２の受光面上における光像の位置は左右方向へ移動する。具体的には、対象物体表面から遠ざかるにつれて、ＣＣＤ１２２の受光面上における光像到達位置は右方向へ移動し、対象物体表面が近づくにつれて、２次元ＣＣＤ１２２の受光面上における光像到達位置は左方向へ移動する。そのため、ＣＣＤ１２２上における光像の変位方向座標に基づいて、対象物体表面の変位量を正確に測定することができる。
【０１１９】
次に、このコントローラユニットにおける観測モード時の動作を図１５を参照しながら説明する。先に述べたように、観測モードには第１の観測モードと第２の観測モードとが用意されている。
【０１２０】
そして、コントローラユニット２は、第１の観測モードに設定された状態においては、図１５に明示されるように、斜視画像取得光学系（この例では、レンズ組立体１２７ａとミラー１２８とで構成される）の光路をシャッタ手段（この例では機械的シャッタ１５０）で遮光したまま、計測用光源（この例では赤色レーザダイオード１１２）を消灯すると共に、照明器（この例では、緑色発光ダイオード１３２）を点灯し、かつ計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子（この例では、２次元ＣＣＤ１２２）から得られる正視画像相当の映像信号ｖｓに基づいて、計測対象物表面の計測光照射位置を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる制御動作を実行する。もっとも、計測用光源を点灯させたままでも、その輝度を小さくしたり、２次元撮像素子のシャッタ開期間（電荷蓄積期間）が計測用光源の点灯期間を含まない撮影条件にすることにより、計測光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らないようにすることは可能である。
【０１２１】
この第１の観測モード設定値における撮像条件の自動調整には、照明器の輝度調整及び／又は２次元撮像素子の露光時間調整が含まれる。すなわち、図３を参照して先に説明したように、センサヘッド制御部２２１Ｂから制御信号ＣＯＮＴをセンサヘッドユニット１へ送ることにより、計測条件格納部１４１から最適な画像取得条件を読み出し、これに基づきタイミング信号発生回路１０１を介して、ＣＣＤ制御回路１２１並びにＬＥＤ駆動回路１３１を制御することにより、ＣＣＤ１２２のシャッタ時間やＬＥＤ１３２のピーク輝度や点灯時間を変更することにより、照明器の輝度調整及び／又はＣＣＤの露光時間調整を実現するのである。
【０１２２】
この第１の観測モードによれば、図示しないが、画像モニタ４の画面上には、計測対象物体７の表面に存在する円形穴７１の像と、これを円形に囲んで照らす照明光の円形照射光像８５とが写し出される。このときには、画像モニタ４の画面上で計測光の光像を見ることはできないが、画面の中心を計測位置と考えてセンサヘッドと計測対象物体との位置合わせをすることができる。
【０１２３】
次に、第２の観測モードに設定された状態における制御動作について説明する。コントローラユニット２は、第２の観測モードに設定された状態においては、斜視画像取得光学系（この例では、レンズ組立体１２７ａとミラー１２８とで構成される）の光路をシャッタ手段（この例では機械的シャッタ１５０）で遮光したまま、計測用光源（この例では、赤色レーザダイオード１１２）及び照明器（この例では、緑色発光ダイオード１３２）を点灯し、かつ計測光照射光像８３及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子（この例では、２次元ＣＣＤ１２２）から得られる正視画像相当の映像信号ｖｓに基づいて、計測対象物体表面の計測光照射光像８３を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる制御動作を実行する。
【０１２４】
このとき、撮影条件の自動調整には、計測用光源（この例では赤色レーザダイオード１１２）の輝度調整、照明器（この例では、緑色発光ダイオード１３２）の輝度調整、及び／又は２次元撮像素子（この例では、２次元ＣＣＤ１２２）の露光時間調整を含むことができる。すなわち、先に図３を参照して説明したように、センサヘッド制御部２２１Ｂから出力される制御信号ＣＯＮＴを、センサヘッドユニット１へ与えることにより、図４に示される計測条件格納部１４１から、最適な画像取得条件を求め、タイミング信号発生回路１０１を介して、ＬＤ駆動回路１１１、ＣＣＤ制御回路１２１、ＬＥＤ駆動回路１３１を適宜に制御することにより、レーザダイオード１１１の点灯時間やピーク輝度、ＣＣＤ１２２のシャッタ時間、発光ダイオード１３２の点灯時間やピーク輝度を変更することにより、最適な撮影条件を求める。
【０１２５】
図１５（ｂ）には、この第２の観測モード時における計測対象物上面を真上から見た図が示されている。同図において、７は計測対象物体、７１は計測対象物体に設けられた円形の貫通穴、８３はラインビームが照射してできた照射光像、８５は照明光８４が照射されて生じた円形照射光像である。そして、先に述べた第１の観測モード時における最適撮影条件とは、照明光８４で照らされて生じた円形像８５内の円形穴７１が鮮明に画像表示される状態があり、第２の観測モード時における最適撮影条件とは、照明光８４で照らされて生じた円形像８５内において、円形穴７１とラインビームの照射光像８３とが共に鮮明に写し出される状態である。
【０１２６】
図１７には、正視画像取得光学を用いた観測モード時（図１５参照）のモニタ画面の一例を示す図と、斜視画像取得光学系（計測用光路）を用いた観測モード時（図１６参照）のモニタ画面の一例を示す図が、上下に並べて示されている。尚、図１７（ａ）に示されるモニタ画面は図１５（ａ）に示される受光光路に対応しており、図１７（ｂ）に示されるモニタ画面は、図１６（ａ）に示される光路に対応している。
【０１２７】
それらの図から明らかなように、計測対象物体上の計測位置を含むその周辺領域を真上から見た画像を取得することができる正視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ａに相当）を設けることなく、斜視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ａ及びミラー１２８で構成される）だけで画像観測を行おうとすると、図１７（ｂ）に示されるように、円形穴に相当する画像Ａ１０−２は楕円形に歪んでしまう。そのため、ラインビーム照射光像８３と円形穴７１との位置関係を正確に確認することができない。
【０１２８】
これに対して、図１５（ａ）に示されるように、正視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ｂに相当）を用いて画像観測を行うと、図１７（ａ）に示されるように、円形穴７１に相当する画像Ａ１０−１は歪みのない真円形状として写し出される。そのため、ラインビームの照射光像８３と円形穴７１との位置関係を正確に認識し、これを用いて計測希望点とラインビーム照射位置との位置合わせを適切に行うことが可能となる。
【０１２９】
以上説明した本発明変位センサの基本実施形態によれば、計測モードにおいては、正視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ｂに相当）からの光像を排除しつつ、斜視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ｂ及びミラー１２８に相当）からの光像のみに基づいて、信頼性の高い計測動作を行うことができる。
【０１３０】
また、第１の観測モードにおいては、斜視画像取得光学系からの光像を排除しつつ、正視画像取得光学系からの光像のみに基づいて歪みのない周辺画像（計測対象物体の計測位置及びその周辺領域の画像）を画像モニタ４の画面上に表示させることができる。しかも、計測対象物７とセンサヘッド１との距離が短く、センサヘッド１が計測対象物体７の上に覆い被さっていることにより、計測対象物表面の明るさが十分でないような場合であっても、計測対象物体７の表面を明るく照明することにより、画像モニタ４の画面上に鮮明な映像を表示させることができる。
【０１３１】
更に、第２の観測モードにおいては、斜視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ａ及びミラー１２８に相当）からの光像を排除しつつ、正視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ｂに相当）からの光像のみに基づいて、歪みのない周辺像（計測対象物体表面の計測位置及びその周辺領域の像）と計測光照射光像（計測対象物体表面に計測光が照射されて生ずるスポット状やライン状の光像）とが重ねられた画像を、画像モニタ４の画面上に表示させることができる。しかも、計測対象物７とセンサヘッド１との距離が短く、センサヘッド１が計測対象物の上に覆い被さっていることにより、計測対象物表面の明るさが十分でないような場合であっても、計測対象物体７の表面を明るく照明することにより、画像モニタの画面上に鮮明な周辺画像を表示させることができる。
【０１３２】
本発明の変位センサシステムにおいては、以上説明した基本実施形態のように、観測モードを必ずしも２種類設ける必要はない。すなわち、本発明においては、計測モードと第１の観測モードのみの組み合わせ、または計測モードと第２の観測モードのみの組み合わせを任意に採用可能である。
【０１３３】
また、本発明の変位センサにおいては、以上の基本実施形態のように、照明器を設けることを必須の要件とするものではない。照明器を設けない場合には、計測対象物体上の明るさ不足を、観測モード設定時における撮影条件を自動調整して、計測用光源の輝度調整及び／又は２次元撮像素子の露光時間調整などで補うことができる。
【０１３４】
更に、以上の基本実施形態において、正視画像取得光学系並びに斜視画像取得光学系の光路は単なる一例として理解されるべきである。例えば、ＣＣＤ撮像素子１２２をミラー１２８の位置に取り付け、正視画像取得光学系の光路をミラーで折り曲げることによって斜視画像取得光学系の延長線上に置かれたＣＣＤに導くなどの変形は本発明の範囲と理解されるべきである。
【０１３５】
また、本発明の変位センサにおいては、以上の基本実施形態のように、単一の二次元撮像素子を斜視画像取得光学系と正視画像取得光学系とに共通して使用することを必須の要件とするものではない。これら２つの光学系にそれぞれ別の二次元撮像素子を設けてもよい。例えば、正視画像取得光学系用のＣＣＤ撮像素子を基本実施形態のＣＣＤ撮像素子１２２の位置に設け、斜視画像取得光学系用のＣＣＤ撮像素子をミラー１２８の位置のあたりに設けることができる。
【０１３６】
また、シャッタは斜視画像取得光学系の光路及び正視画像取得光学系の光路を択一的に遮光するものである必要はなく、正視画像取得光学系の光路だけを遮光可能なものとし、計測モードのときに正視画像取得光学系の光路を遮光するようにしてもよい。この場合には、観測モードのときに計測光を消灯するようにすれば、計測光の光像が二重写しに見える問題は生じない。
【０１３７】
シャッタは、開閉が電気的に制御可能であるようにしてもよい。そうすれば、計測モードと観測モードとの切替に応じて、自動的にシャッタを開閉するように構成することが可能になる。必要に応じて遠隔制御も可能になる。シャッタを電気的に制御するためには、機械式のシャッタをモータやソレノイドで動かしてもよいし、シャッタを液晶パネルの透明状態と不透明状態とで構成してもよい。
【０１３８】
また、本発明の変位センサにおいては、以上の基本実施形態のように、２つの画像取得光学系を必須の要件とするものではない。画像取得光学系は少なくとも１つあればよい。例えば、斜視画像取得光学系または正視画像取得光学系のいずれか一方だけを備え、その画像取得光学系を計測モードと観測モードとに共通して使用するようにすることができる。
【０１３９】
次に、本発明センサヘッドの変形例を示す図が図１８に示されている。この変形例に示されるセンサヘッドは、２つの特徴を有している。第１の特徴は、斜視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第１の光路と正視画像取得光学系を経由して撮像素子へ至る第２の光路との切替を光学フィルタを介して自動的に行うようにした点にある。第２の特徴は、正視画像取得光学系を経由して撮像素子受光面に結像する計測光の光像と斜視画像取得光学系を経由して撮像素子受光面に結像する光像とが、計測変位の変化に応じて同一方向へと撮像素子受光面上にて移動するように仕組まれた光軸折り曲げ機構を設けた点にある。
【０１４０】
すなわち、図１８に示されるように、斜視画像取得光学系を構成するレンズ組立体１２７ａの入口には、主として計測光（この例では、赤色レーザダイオード１１２からの光）を透過する帯域通過特性を有する第１の光学フィルタ１６１が設けられる。また、正視画像取得光学系を構成するレンズ組立体１２７ｂの入口には、照明光（この例では、緑色発光ダイオード１３２からの光）８４を透過する帯域通過特性を有する第２の光学フィルタ１６２が設けられる。
【０１４１】
そのため、赤色レーザダイオード１１２と緑色発光ダイオード１３２とを共に点灯した状態においても、斜視画像取得光学系を通過する光は計測光に限られる一方、正視画像取得系を通過する光も照明光に限られる。その結果、基本実施形態のように、手動や電気的制御によって、シャッタ機構を作動させずとも、光自体の性質によって、光路を自動的に選択させることができる。
【０１４２】
光学フィルタについては、第１の光学フィルタを設けず、第２の光学フィルタだけを設けるようにすることもできる。この場合には、計測モードのときに照明器を点灯しないようにすれば、計測光の光像以外はほとんど写っていない、計測に適した画像を得ることができる。また、観測モードのときに計測光を消灯するようにすれば、計測光の光像が二重写しに見える問題は生じない。
【０１４３】
次に、斜視画像取得光学系を構成するレンズ組立体１２７ａの入射光軸延長線上には、光路を折り返してＣＣＤ１２２よりも左側へ向けるための第１のミラー１２８ａが設けられる。同様にして、ＣＣＤ１２２の左側には、第１のミラー１２８ａにて折り返された光軸を、さらに折り返してＣＣＤ１２２の受光面上に結像させるための第２のミラー１２８ｂが設けられる。
【０１４４】
このような構成によれば、対象物体表面が近づいたり遠ざかったりした場合、正視画像取得光学系を経由して撮像素子受光面に結像する計測光の光像と斜視画像取得光学系を経由して撮像素子受光面に結像する光像とは、計測変位の変化に応じて同一方向へと撮像素子受光面上にて移動することとなる。
【０１４５】
より具体的には、斜視画像取得光学系についてみると、対象物体表面が遠い側にあるときの光軸８２ａ−１と近い側にあるときの光軸８２ａ−２との比較から明らかなように、対象物体表面が近づくにつれて、ＣＣＤ１２２の受光光面上における光像は右側へ移動することが理解される。同様にして、正視画像取得光学系についてみると、対象物体表面が遠い側にあるときの光軸８２ｂ−１と近い側にあるときの光軸８２ｂ−２との比較から明らかなように、対象物体表面が近づくにつれて、ＣＣＤ１２２の受光面上における光像は、右側へ移動することが理解される。つまり、対象物体表面が近づくにつれて、各光学系をそれぞれ経由してＣＣＤ１２２の受光面上に結像される光像は、何れも右方向へ移動する。
【０１４６】
従って、このような構成によれば、斜視画像と正視画像とを重ねて画像モニタの画面上に表示すると、測定変位の変動につれて斜視画像と正視画像とが同じ方向へと移動することとなり、利用者に違和感を与えることがない。
【０１４７】
さらに、対象物体表面がある値だけ変位したときに、ＣＣＤ１２２の受光面上での計測光照射光像の移動量が斜視画像と正視画像とで同じになるように光学系を設計すれば両画像を一体のものとして観察することができる。
【０１４８】
当業者であれば容易に理解できるように、図１８に示されるセンサヘッドの変形例を用いた場合にも、先の基本実施形態と同じように、計測モードと第１及び第２の観測モードとを有する変位センサを構成することができる。
【０１４９】
すなわち、このように光学フィルタを用いて光軸選択を行うようにしたセンサヘッドを用いた変位センサの具体的な一実施形態においては、センサヘッド１とコントローラユニット２とが一体又は別体に設けられる。
【０１５０】
そして、センサヘッド１には、計測対象物体７上の計測位置に向けて計測光８１を斜め下向きに投光することができる計測用投光光学系（レンズ組立体１１３がこれに相当）と、計測対象物体７上の計測位置を含むその周辺領域を斜め上から見た画像を取得することができる斜視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ａ，第１のミラー１２８ａ，第２のミラー１２８ｂを含む）と、計測対象物体７上の計測位置を含むその周辺領域を真上から見た画像を取得することができる正視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ｂに相当）と、それら２つの画像取得光学系に共通な２次元撮像素子（２次元ＣＣＤ１２２に相当）と、照明用光源（緑色発光ダイオード１３２に相当）からの光により計測対象物体７上の計測位置を含むその周辺領域を照明する照明器と、斜視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ａ，第１のミラー１２８ａ，第２のミラー１２８ｂを含む）を経由して撮像素子（２次元ＣＣＤ１２２に相当）へ至る第１の光路に介在され、主として計測光（赤色レーザダイオード１１２からの光）を通過する帯域通過特性を有する第１の光学フィルタ１６１と、正視画像取得光学系（レンズ組立体１２７ｂを含む）を経由して撮像素子（２次元ＣＣＤ１２２に相当）へ至る第２の光路に介在され、主として照明光（緑色ＬＥＤ１３２からの光に相当）を透過する通過帯域特性を有する第２の光学フィルタ１６２とが含まれている。尚、ここで言う帯域通過特性とは、計測光のみ、あるいは照明光のみを通過できるものであることが好ましい。
【０１５１】
一方、コントローラユニット２には、計測モードと第１及び第２の観測モードとが用意される。これらの観測モードの切り替えは、例えばコンソールユニット３の操作で行うことができる。
【０１５２】
計測モードに設定された状態においては、計測用光源（赤色レーザダイオードに相当）を点灯すると共に、照明器（緑色発光ダイオード１３２に相当）を消灯し、かつ計測光照射光像８３が適切な明るさで写るように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子（２次元ＣＤＤ１２２に相当）から得られる斜視画像相当の映像信号ｖｓに基づいて目的とする変位量を算出する制御動作を実行する。
【０１５３】
第１の観測モードに設定された状態においては、計測用光源（赤色レーザダイオード１１２に相当）を消灯すると共に照明器（緑色発光ダイオード１３２に相当）を点灯し、かつ計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子（２次元ＣＣＤ１２２に相当）から得られる映像信号ｖｓに基づいて、計測対象物表面の計測光照射位置を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる制御動作を実行する。
【０１５４】
第２の観測モードに設定された状態においては、計測用光源（赤色レーザダイオード１１２に相当）及び照明器（緑色発光ダイオード１３２に相当）を共に点灯し、かつ計測光照射光像８３及びその周辺の計測対象物表面像（例えば円形穴７１）の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を自動調整しつつ、２次元撮像素子（２次元ＣＣＤ１２２）から得られる映像信号ｖｓに基づいて、計測対象物表面の計測光照射光像８３を含むその周辺の画像を画像モニタの画面に表示させる制御動作を実行する。
【０１５５】
尚、計測モード設定時における撮影条件の自動調整は、計測用光源の輝度調整、及び／又は２次元撮像素子の露光時間調整を用いて行えばよい。また、第１の観測モード設定時における撮影条件の自動調整については、照明器の輝度調整及び／又は２次元撮像素子の露光時間調整を使用すればよい。更に、第２の観測モード設定時における撮影条件の自動調整には、計測用光源の輝度調整、照明器の輝度調整、及び／又は２次元撮像素子の露光時間調整を使用すればよい。
【０１５６】
以上説明した本発明変位センサの変形実施形態においても、図１７に示されるように、画像モニタの画面上に、歪みのない周辺映像を必要によりラインビームの照射光像８３と共に写し出し、これを利用して据付時の位置決め調整などを手軽に行うことが可能となる。しかも、据付時の距離調整などにおいては、ラインビームの照射光像８３と周辺画像とが変位の変動につれて一緒に移動するため、利用者に違和感を与えることなく使い勝手が良好であるという利点を有する。
【０１５７】
計測光と照明光との双方を使用した撮影における撮影条件自動調整の好適な例が図２２に示されている。同図に示されるように、計測モードにおいては、計測用レーザの投光電流を高めに設定する一方、照明用ＬＥＤは消灯し、受光素子（ＣＣＤ）のシャッタ開閉状態についてシャッタ開期間を多めに設定する。このような構成により、計測光の鮮明な照射光像を含む計測に最適な映像信号を得ることができる。これに対して、観測モードにあっては、計測用レーザの投光電流を低めに設定する一方、照明用ＬＥＤを点灯し、受光素子（ＣＣＤ）のシャッタ開閉状態については、シャッタ開期間を少なめに設定する。このような制御態様によれば、照明光の輝度を上げつつも、計測用光源の輝度を下げ、しかも受光素子の露光時間を短くすることにより、計測光の照射光像と周辺映像とが共に鮮明に含まれた映像信号を得ることができる。計測用レーザ及び／又は照明用ＬＥＤはパルス点灯としてもよい。この場合は点灯時間の長さによっても平均輝度を調整することができる。
【０１５８】
本発明変位センサのアプリケーションの一例を示すための図が図２３に示されている。同図において、Ｗはコンベアなどに乗せて順次搬送されてくるワーク、１７０は搬送ラインの途中に設けられて、ワークＷに対して穴径の異なる様々な穴開け加工が可能なドリル、１７１はドリル１７０の使用するドリル刃を置くためのドリル刃置き場１７１、１は本発明のセンサヘッドユニット、２は本発明のコントローラユニットである。
【０１５９】
この例にあっては、板厚の異なる様々なワークＷが搬送される状態において、ドリル１７０を用いて決められた穴開け加工を行い、そのうちセンサヘッド１とコントローラユニット２を用いて、正しい穴開け加工が行われたか否かを確認するようにしている。
【０１６０】
ここで、センサヘッド１における穴径の確認は、正視画像取得光学系を経由して取り込まれた画像において、円形像の画素数を数えることで行うことができる。もっとも、ワークＷの厚さが様々に変化すると、センサヘッド１とワークＷ上面との位置も変動するため、単なる画素数の計数だけでは正しい穴径を確認することはできない。そこで、この実施形態においては、斜視画像取得光学系を介してセンサヘッド１とワークＷの上面との距離を測定する一方、この測定された距離に基づき画素数計測結果を補正する処理を行うことによって、ワークＷの板厚がいかように変化しようとも、正しい穴径計測を可能としている。
【０１６１】
このように、本発明の変位センサにおいては、正視画像取得光学系を経由してＣＣＤ１２２に結像された画像に基づき、計測対象物体上の距離や面積なども計測することができ、しかもこれを本来の変位測定結果で補正することにより、高精度の面積計算や距離計算が可能となるのである。
【０１６２】
以上説明した各実施の形態において、コントローラユニット２が計測モードとして動作するか観測モードとして動作するかは、コンソールユニット３から入力する指示によって決定される。基本実施形態の変位センサは次のように使用することができる。
【０１６３】
図１，図６等を参照して、まずコンソールユニット３を操作してコントローラユニット２を第１の観測モードまたは第２の観測モードに設定するとともにシャッタ１５０を斜視画像取得光学系の光路を遮光する位置とし、計測光８１が計測したい位置の付近に照射されるようにセンサヘッドユニット１と計測対象物体７とを位置合わせし、さらに画像モニタ４に表示される計測位置付近の画像を見ながら、センサヘッドユニット１と計測対象物体７との位置の調整を行う。
【０１６４】
次に、コンソールユニット３を操作してコントローラユニット２を計測モードに設定するとともにシャッタ１５０を正視画像取得光学系の光を遮光する位置に動かし、計測を実行する。コントローラユニット２は、計測モードとして動作している間は、画像モニタ４に斜視画像取得光学系を介して取得された画像を表示させることができる。
【０１６５】
基本実施形態の第２の観測モードでは、計測用光源を点灯し、計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで写るように撮影条件を調整したのであるが、第２の観測モードの実施形態は次のように変形することができる。すなわち、コントローラユニット２は、計測光照射光像が全く写らないか適切な明るさより暗くしか写らず、計測位置を含むその周辺の計測対象物表面像が適切な明るさで写るようにした条件による撮影と、計測用光源を点灯し、計測光照射光像は適切な明るさで写るもののその周辺の計測対象物表面像は適切な明るさより暗くしか写らないようにした条件による撮影とを交互に繰り返す。そして、撮影した画像を撮影の都度画像モニタ４に表示させる。そうすると、実質的に計測対象物表面像だけが写った画像と計測光照射光像だけが写った画像が素早く交互に表示されることになるので、これを見る人は双方が適切な明るさで写っているように認知する。この場合に、各条件の撮影を１回ずつ交互にするのでなく、１つの条件で複数回連続して撮影することを交互に行うようにしてもよい。撮影条件切替の周期が適当に長ければ、各撮影条件の画像を別々の画像として、かつ、両者の位置関係を理解しつつ観察することができる。
【０１６６】
また、他の表示態様として、上の場合と同様に２つの条件で交互に撮影し、それらの画像をコントローラユニット２において１つの画像に合成した後に画像モニタ４に表示することによっても、計測光照射光像及びその周辺の計測対象物表面像の双方が適切な明るさで表示されるようにすることができる。
【０１６７】
基本実施形態では、コンソールユニット３の操作で計測モードと観測モードとを切り換えるようにしたが、他の実施形態として、コントローラユニット２が計測モードとしての動作と観測モードとしての動作を時分割で行うように構成することも可能である。すなわち、この実施形態のコントローラユニット２は、計測モードに設定された状態での１回又は複数回の撮影と、観測モードに設定された状態での１回又は複数回の撮影とを交互に繰り返す。このようにすれば、計測対象物表面像を画像モニタに表示しながら変位計測をすることができる。画像モニタ４には、計測モードに設定された状態で撮影した画像は表示させず、観測モードに設定された状態で撮影した画像は表示させることにすれば、正視画像にて計測位置の状態を確認しながら変位計測をすることができる。また、計測モードに設定された状態で撮影した画像と観測モードに設定された状態で撮影した画像のいずれを表示するかについて、コンソールユニット３を操作して選択をすることを可能に構成し、選択された方の画像モニタの画面に表示させることにすれば、実際に計測に使用されている画像の状態を随時確認することができる。
【０１６８】
次に、この発明の他の実施形態である変位センサの電気的なハードウェア構成を示すブロック図が図２４に示されている。
【０１６９】
同図に示されるように、この変位センサシステム１０は、計測光が照射された計測対象物体７の表面を計測対象変位に応じて計測光照射光像位置が変化して見える角度から撮影する撮像部であるセンサヘッドユニット１と、センサヘッドユニット１から得られる画像を処理することにより、計測対象変位を算出して変位データとして出力する画像処理部であるコントローラユニット２とを、主要構成として備えている。
【０１７０】
センサヘッドユニット１は、発振器（ＯＳＣ）２０１と、コントローラユニット２内のレジスタ２３１に格納される転送仕様テーブルに基づいて、必要なタイミング信号を発生し、これをＣＣＤドライブ１２１並びにスリット光源（計測用投光光学系）１１２ａへと送り出す。スリット光源１１２ａは、後述するように、レーザダイオード（計測用光源）１１２とスリット２０８とから構成されており、いわゆる光切断法における切断光（計測光）を発生して計測対象物体７へと照射する。この計測光の照射によって検出対象物体７の表面には計測光照射光像（ライン状輝線）８３が形成される。このようにしてライン状輝線が検出された検出対象物体の表面は二次元撮像素子であるＣＣＤ１２２によって撮影される。このＣＣＤ１２２は後述するように、ＣＣＤドライブ１２１から送られてくる転送パルスＴＰ１〜ＴＰ３によって転送制御される。ＣＣＤ１２２から読み出された映像信号は、サンプルホールド回路１２５ａにて滑らかに整形され映像信号としてコントローラユニット２へと送り出される。
【０１７１】
センサヘッドユニット１の光学系が図２５に示されている。同図において、１１２はレーザダイオード、１１２−１はスリット、１１２−２は投光レンズ、８３は計測光照射光像、１２２−１は受光レンズ、１２２はＣＣＤ、７は計測対象物体、７Ａは計測対象物体の置かれたステージである。このようにレーザダイオード１１２から発せられたレーザビームはスリット１１２−１を通して断面線状の光線（いわゆるラインビーム）に成形された後、投光レンズ１１２−２を介して計測対象物体７の表面に照射される。一方、この照射により生じた計測光照射光像８３は、所定の角度から受光レンズ（画像取得光学系）１２２−１を介してＣＣＤ１２２で撮影される。よく知られているように、ＣＣＤ１２２の撮影角度は、計測対象物体７の高さ変化によって、光像８３の位置が変化するように位置決めされている。尚、ＣＣＤ１２２の詳細とその駆動方法については後に説明することとする。
【０１７２】
次に、画像モニタ処理について説明する。図２４に示されるように、コントローラユニット２は、ワンチップマイコンであるＣＰＵ２３２と、表示用ＬＥＤ２３３と、操作スイッチ２３４と、入出力回路（Ｉ／Ｏ）２３５と、演算部２３６と、メモリ制御部２３７と、フレームバッファ２３８と、Ｄ／Ａ変換器２３９と、レジスタ２３１と、同期信号発生部２４０と、発振器（ＯＳＣ）２４１とを備えている。なお、ＢＵＳ１は同期バス、ＢＵＳ２はＣＰＵバスである。
【０１７３】
ワンチップマイコンを構成するＣＰＵ２３２は、コントローラユニット２の全体を統括制御するものである。演算部２３６は画像処理に必要な各種の演算を行う専用のハードウェア回路であり、この演算部２３６ではＡ／Ｄ変換器２４２を介して取り込まれた画像データに対し各種の処理が行われる。ここで処理された画像は、メモリ制御部２３７を介してフレームバッファ２３８に格納され、その必要に応じてＤ／Ａ変換器２３９を介してＮＴＳＣ画像として外部のＣＲＴディスプレイ等の画像モニタに送られる。
【０１７４】
レジスタ２３１は、センサヘッド部２００の動作に必要とされる転送仕様テーブルを格納するものであり、この転送仕様テーブルの内容は後に図３６を参照して説明するように、各水平期間カウンタ値に対応させてコード信号Ｌ１，Ｌ２，ＯＥを設定したものである。
【０１７５】
表示用ＬＥＤ２３３は、コントローラユニット２の動作状態を外部に表示するものであり、操作スイッチ２３４はコントローラユニット２に対して各種の指示を与えるためのものである。又、入出力回路（Ｉ／Ｏ）２３５は、コントローラユニット２にて計測された変位データを外部へと出力したり、外部から同期用センサ５の信号を入力したりするものである。
【０１７６】
なお、この変位データには計測値そのものの他に、計測値と基準値との比較結果を示すスイッチング信号も含まれる。コントローラユニット２の動作は、発振器（ＯＳＣ）２４１及び同期信号発生部２４０を介して得られる同期信号によって制御される。
【０１７７】
次に、以上の構成よりなる変位センサシステム１０におけるモニタ処理を具体的な例を挙げて説明する。
【０１７８】
スリット光画像（ラインビーム照射光像）とワーク表面画像との重ね合わせ処理を示すタイムチャートが図２６に示されている。同図において、ＶＤは垂直基準信号、ＶＢＬＫは映像信号中に画像の有無を示す信号、転送パルスＴＰ１は各受光画素から垂直転送シフトレジスタＶＲ（詳細は後述）へと電荷を転送するためのパルスである。
【０１７９】
最初の周期（１）の開始と共にシャッタが開く。すなわち、それまでの光電変換により蓄積されていた電荷を捨て、新たに電荷蓄積を開始する。同時に、レーザダイオード１１２が短時間ＯＮされる。その後２番目の周期（２）においてもシャッタは開き続ける。その後３番目の周期の開始と共にシャッタは閉じられる。同時に、転送パルスＴＰ１が発生する。すると、画素に蓄積された電荷は垂直シフトレジスタＶＲへと転送される。その結果、３番目の周期（３）になると、計測対象物体の表面の生画像と計測用レーザ光による照射光像とが重なった画像が有効画像として得られる。このように、この実施形態においては、２垂直周期にわたってシャッタを開き続ける一方、最初の周期の始めにレーザダイオード１１２を短時間オンすることによって、スリット光画像とワーク表面画像とが重なった画像をモニタすることができる。これは先の実施形態において説明した第２の観測モードの一例である。
【０１８０】
他の実施形態として、シャッタの開期間をレーザダイオードの発光期間に限定すれば生画像をワーク表面の画像を殆ど含まないスリット光画像を得ることができる。これは計測モードの一例である。また、シャッタの開期間をレーザダイオードの発光期間から外しかつシャッタの開期間を同様に２周期程度に長めに設定すればスリット光画像を含まないワーク表面画像を得ることができる。これは第１の観測モードの一例である。
【０１８１】
このようにして得られた画像の例が図２７にまとめて示されている。同図（ａ）はワーク表面画像を含まないスリット光画像である。同図（ｂ）はスリット光画像を含まないワーク表面画像である。同図（ｃ）はスリット光画像とワーク表面画像とが重なった画像である。
【０１８２】
尚、周囲の環境が暗いような場合にはワーク表面を照明することが好ましい。このような例が図２８〜３０に示されている。図２８のブロック図に示されるようにセンサヘッドユニット１には新たに照明コントロール部１５１ａと照明用発光ダイオード１５２ａとからなる照明器が内蔵される。図２９に示されるように照明用発光ダイオード１５２ａはセンサヘッドユニット１内に取り付けられて計測対象物体７を照明する。
【０１８３】
照明用発光ダイオード１５２ａの点灯タイミングが図３０に示されている。最初の周期（１）の開始と共にシャッタが開き同時にレーザダイオード１１２が短時間点灯し、加えて照明用発光ダイオード１５２ａも点灯する。その後照明用発光ダイオード１５２ａは最初の周期（１）の間継続的に点灯される。最初の周期（１）の終了と共にシャッタは閉じられ、同時に転送パルスＴＰ１が出力されて最初の周期（１）に蓄積された電荷は垂直シフトレジスタＶＲへと転送され、有効画像として出力される。この例では照明用発光ダイオード１５２ａによる照明を加えたことでワーク表面の明るさが増し、１周期分のシャッタ開期間だけで充分な輝度のワーク表面画像が得られる。
【０１８４】
このように、本実施形態ではシャッタの開期間と照明用発光ダイオード１５２ａの点灯期間とを適宜に組み合わせることによってスリット光画像とワーク表面画像と両者の重ね合わせた画像とを適宜に取得して、計測状態のモニタを行うことができる。しかも計測用の撮像素子とモニタ用の撮像素子とを兼用しているため、低コストにモニタ機能を実現することができる。その上、モニタ画像は計測時と同じ視点で得られたものであるから、計測値に不具合が生じたような場合重ね合わせ画像からその原因（例えば外乱光の有無など）を的確に判断することができる。
【０１８５】
図２４および図２８のＣＣＤ１２１は、本発明者が提案した新規な構成を有する。ＣＣＤ撮像素子の受光面の画素配列の一例が図３１に模式的に示されている。なお、画素の大きさは実際よりもかなり誇張して描かれていることに注意されたい。
【０１８６】
同図において、Ｐｈは標準的な撮像装置であるデジタルスチルカメラの視野に対応して垂直方向７８８行×水平方向１０７７列のマトリクス状に配列された受光画素群を構成する各受光画素、ＶＲは受光画素群を構成する各受光画素Ｐｈの出力を各列毎に垂直方向へと移送する垂直シフトレジスタ、ＨＲは各列の垂直シフトレジスタＶＲから移送されてくる電荷を受け取ると共にこれを水平方向へと移送する水平シフトレジスタ、Ａｏｕｔは水平シフトレジスタＨＲから移送されてくる電荷を外部へ出力するための出力バッファである。
【０１８７】
受光画素Ｐｈの中で図中ハッチングにて塗りつぶされた受光画素Ｐｈ２は所謂オプティカルブラック画素（ＯＢ画素）であり、図中ハッチングにて塗りつぶされていない白抜きの受光画素Ｐｈ１は光感応画素である。それらの受光画素Ｐｈ１，Ｐｈ２はいずれもフォトダイオードを基本とする素子構造を有する。垂直並びに水平シフトレジスタＶＲ，ＨＲはＣＣＤを基本とする素子構造を有する。
【０１８８】
先に述べたように、オプティカルブラック画素Ｐｈ２とは遮光マスクにより受光不能としたり、受光しても電荷が蓄積されないようにしたり、或いは、受光により蓄積された電荷が取り出せないようにした受光画素のことで、その出力は受光量に拘わらず常に規定の暗レベル（殆どゼロ電荷相当）に固定されている。光感応画素Ｐｈ１とはそのような特別の構造を採用しない通常の受光画素のことで、その出力は受光量に応じた明レベルとなる。
【０１８９】
目的とする画素を、光感応画素Ｐｈ１ではなくて、オプティカルブラック画素Ｐｈ２とするための方法としては、様々な方法が考えられる。第１の方法としては、目的とする受光画素を構成する光電変換素子（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等）を遮光マスクで覆った構造とすることが挙げられる。具体的には、半導体製造プロセスにおいて、受光画素を構成するフォトダイオードの上に光を透過しないメタルマスクを形成することで遮光マスクを実現することができる。半導体製造プロセスの終了後の段階（例えば、製品購入後の段階）において、デバイスの受光面上に光を透過しないマスク（例えば、アルミ箔等）を張り付けることによっても、遮光マスクを実現することができる。
【０１９０】
第２の方法としては、半導体製造プロセスにおいて、目的とする受光画素を構成するフォトダイオードの素子構造それ自体を改変することで、当該素子を受光不可乃至光電変換作用不能とすることが挙げられる。
【０１９１】
第３の方法としては、半導体製造プロセスにおいて、目的とする受光画素を構成するフォトダイオードから垂直シフトレジスタへの電荷移動路を切断することが挙げられる。
【０１９２】
第１乃至第３のいずれの方法を採用したとしても、計測用の細長い長方形視野に合うような、水平ライン総数の少ない（例えば、６０〜７０本程度）専用のＣＣＤ撮像素子を初めから設計し直す場合よりは、設計費用と設計時間を大幅に節減することができる。なお、第１乃至第３の方法の併用も可能であることは言うまでもない。
【０１９３】
図３１に戻って、マトリクス状に配列された受光画素群は、水平ライン総数（７８８本）に比べて十分に少ないライン本数（６０本）の特定水平ライン帯ＨＬＢに属する第１の画素群と、特定水平ライン帯ＨＬＢに属さない第２の画素群とに分けられている。
【０１９４】
すなわち、この例では、画面最上段から第８番目の水平ラインから第６７番目の水平ラインに至る６０本の水平ラインが特定水平ライン帯ＨＬＢとされ、この特定水平ライン帯ＨＬＢに含まれる画素群が第１の画素群とされている。また、画面最上段から第１番目の水平ラインから第７番目の水平ラインに至る７本の水平ライン帯、並びに、第６８番目の水平ラインから最下段である第７８８番目の水平ラインに至る７２１本の水平ライン帯に含まれる画素群が第２の画素群とされている。
【０１９５】
第１の画素群を構成する画素Ｐｈの全部又は大部分は光感応画素Ｐｈ１とされており、かつ前記第２の画素群を構成する画素Ｐｈの全部又は大部分（この例では、全部）はオプティカルブラック画素Ｐｈ２とされている。
【０１９６】
より厳密に言えば、特定水平ライン帯ＨＬＢを構成する６０本の水平ラインに属する画素の中で、画面左縁部近傍の３本の垂直ラインに属する画素と画面右縁部近傍の４０本の垂直ラインに属する画素は全てオプティカルブラック画素Ｐｈ２とされている。それら左縁部３本の垂直ライン並びに右縁部４０本の垂直ラインに挟まれた中央部に位置する１０３４本の垂直ラインに属する画素は全て光感応画素Ｐｈ１とされている。その結果、光感応画素領域（６０行×１０３４列）は、その周囲をオプティカルブラック画素領域により囲まれ、有効画像領域の輪郭が明確化される。
【０１９７】
同ＣＣＤ撮像素子における光感応画素領域とオプティカルブラック画素領域との大小関係が実際の画面縦横比で図３２に示されている。同図に示されるように、光感応画素領域（６０行×１０３４列）は、受光面全体（７８８行×１０７７列）のほんの一部を占めるに過ぎないことが理解される。また、光感応画素領域を構成する特定水平ライン帯ＨＬＢは、水平シフトレジスタＨＲの存在する画面最上段に近接して配置されていることも理解される。さらに、受光面全体（７８８行×１０７７列）の大部分はオプティカルブラック画素領域により占められていることも理解される。
【０１９８】
このようなＣＣＤ撮像素子において、図３３に示されるように、外部から第１の転送パルスＴＰ１が与えられると、各垂直ラインに属する受光画素Ｐｈの出力（光感応画素Ｐｈ１の場合は電子シャッタ開期間の蓄積電荷、又オプティカルブラック画素Ｐｈ２の場合には規定の暗レベル相当のほぼゼロ電荷）は隣接する垂直シフトレジスタＶＲの該当ステージへと転送される。外部から第２の転送パルスＴＰ２が与えられると、各垂直シフトレジスタＶＲは図中上方へ１ステージ分だけシフトされ、各垂直シフトレジスタＶＲの先頭ステージに格納された電荷は水平シフトレジスタＨＲの該当ステージへと転送される。外部から第３の転送パルスＴＰ３が与えられると、水平シフトレジスタＨＲは１ステージ分だけ図中左方へシフトされ、水平シフトレジスタＨＲの先頭ステージに格納された電荷は出力部Ａｏｕｔを介して外部へと出力される。
【０１９９】
以上説明したＣＣＤ撮像素子の駆動制御部の構成について説明する。この駆動制御部は、図２４及び図２８を参照して説明したように、タイミング信号発生部１０１とＣＣＤドライブ１２１とを含んでいる。タイミング信号発生部１０１内には、転送パルス発生部ＰＧ（図３４参照）と転送制御部（図３８のフローチャート参照）とが含まれている。
【０２００】
転送制御部は、１水平期間内に何ライン分の画像データを転送するか、並びに、各水平期間において第３の転送パルスＴＰ３を１水平ライン画素相当数だけ出力して外部へ画像データを出力するか否かを設定するためのもので、設定された転送ライン数は２ビット構成の転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２に変換され、又外部出力の有無は出力有無信号ＯＥに変換され、転送パルス発生部ＰＧに出力される。
【０２０１】
転送ライン数毎の転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに外部出力有無信号ＯＥのデータ構成が図３７（ａ），（ｂ）にそれぞれ示されている。同図に示されるように、１，２，４，７の各転送ライン数について、それぞれ「００」，「１０」，「０１」，「１１」のコードが割り当てられており、そのコードの上位ビットがＬ１として、下位ビットがＬ２として、それぞれ設定されている。また、出力有無信号ＯＥについては、ＴＰ３出力無しが「０」又ＴＰ３出力有りが「１」に設定されている。
【０２０２】
転送パルス発生部ＰＧにおける第１、第２、第３の転送パルスＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３の生成部の内部構成が図３４に示されている。そのうち、第１の転送パルス生成部ＰＧ１には、外部から与えられる垂直期間開始指令ＸＶＤに応答して画素電荷転用の第１の転送パルスＴＰ１を生成出力するタイミング発生部ＴＧ１が含まれている。
【０２０３】
第２の転送パルス生成部ＰＧ２には、４個のタイミング発生部ＴＧ２１，ＴＧ２２，ＴＧ２３，ＴＧ２４と、各タイミング発生部２２ａ〜２２ｄからのパルス列を選択的に出力するマルチプレクサＭＰＸとが含まれている。
【０２０４】
各タイミング発生部ＴＧ２１〜ＴＧ２４は、それぞれ１，２，４，７ライン分の転送用に用いられるもので、通常のビデオ規格の水平期間と同じ長さの期間内に、対応する転送ライン数分の第２の転送パルスＴＰ２を出力する。各タイミング発生部２２ａ〜２２ｄからの転送パルスＴＰ２の出力態様が図３５に示されている。
【０２０５】
同図に示されるように、１ライン転送用のタイミング発生部ＴＧ２１は、水平ブランキング期間内に１個のパルスを出力する。２ライン転送用のタイミング発生部ＴＧ２２は、水平ブランキング期間内に２個のパルスを出力する。４ライン転送用のタイミング発生部ＴＧ２３は、水平ブランキング期間内に２個のパルスを、また水平ブランキング期間外に２個のパルスを出力する。７ライン転送用のタイミング発生部ＴＧ２４は、水平ブランキング期間内に２個のパルスを、また水平ブランキング期間外に５個のパルスを出力する。
【０２０６】
マルチプレクサＭＰＸは、これらタイミング発生部ＴＧ２１〜ＴＧ２４の中から転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２の示す転送ライン数用のタイミング発生部を選択し、その信号の入力経路をＣＣＤ撮像素子１２２への出力経路に接続する。これにより選択されたタイミング発生部の出力パルスが転送パルスＴＰ２として採用され、ＣＣＤ撮像素子１２２へと与えられる。
【０２０７】
なお、ここでは図示しないが、第１の転送パルスＴＰ１の生成部も、上記と同様に、各転送ライン数用の４個のタイミング発生部とマルチプレクサとにより構成される。このうち１ライン転送用のタイミング発生部は、通常のビデオ規格に基づくタイミングでパルス信号を１個出力するのに対し、２ライン〜７ライン転送用の各タイミング発生部は、転送ライン数で定まる１画面分の電荷の出力期間毎にパルス信号を１個出力する。マルチプレクサが前記と同様に転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２に対応するタイミング発生部を選択することにより、そのタイミング発生部の出力パルスが転送パルスＴＰ１として出力され、ＣＣＤ撮像素子１２２に与えられる。
【０２０８】
第３の転送パルス生成部ＰＧ３には、１ライン画素相当数分の第３の転送パルスＴＰ３を生成出力するタイミング発生部ＴＧ３と、出力有無信号ＯＥに応答して第３の転送パルスＴＰ３の外部出力可否を制御するゲート回路Ｇが含まれている。出力有無信号ＯＥが「１」のときにゲートＧは開き、出力有無信号ＯＥが「０」のとき、ゲートＧは閉じる。
【０２０９】
図３１を参照して先に説明したように、この実施形態のＣＣＤ撮像素子１２２にあっては、受光面上の８〜６７ラインの６０ラインが光感応画素領域（有効画像領域と）とされ、１〜７ラインの７ライン並びに６８〜７８８の７２０ラインが前段及び後段のオプティカルブラック画素領域（不要画像領域）とされる。応答性の良好なビジュアル計測装置を実現するためには、このような一画面分の画像データ（信号電荷）を、有効画像領域のデータを壊すことなく、できる限り速やかに読み出す必要がある。
【０２１０】
本実施形態で採用している高速画像読出方式では、前記駆動制御部は、毎垂直期間の初めに、受光画素Ｐｈから各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎへと信号電荷を取り込ませる信号電荷取込処理と、前段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上の信号電荷を水平シフトレジスタＨＲへと落し込ませる前段オプティカルブラック画素領域対応処理と、光感応画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎの転送と水平シフトレジスタＨＲの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理とを、後段オプティカルブラック画素領域から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上の信号電荷を水平シフトレジスタＨＲへと落し込ませる後段オプティカルブラック画素領域対応処理を途中に挟むことなく繰り返すように構成され、それにより、後段オプティカルブラック画素領域対応処理を行わない分だけ、１画面読出周期を短縮する。
【０２１１】
ここで、信号電荷取込処理（Ａ）とは、毎垂直期間の初めに、受光画素Ｐｈ（ｍ，ｎ）から各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎへと信号電荷を取り込ませる処理である。
【０２１２】
また、前段オプティカルブラック画素対応処理（Ｂ）とは、前段オプティカルブラック画素領域（１〜７ライン）から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上の信号電荷を水平シフトレジスタＨＲへと落し込ませる処理である。
【０２１３】
また、光感応画素領域対応処理（Ｃ）とは、光感応画素領域（８〜６７ライン）から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上の信号電荷を、各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎの転送と水平シフトレジスタＨＲの転送とを適宜に連繋して外部に読み出させる光感応画素領域対応処理である。
【０２１４】
さらに、後段オプティカル画素領域対応処理（Ｄ）とは、後段オプティカルブラック画素領域（６８〜７８８ライン）から取り込まれた各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上の信号電荷を水平シフトレジスタＨＲへと落し込ませる後処理である。
【０２１５】
前段オプティカルブラック画素領域対応処理（Ｂ）は、この例では、１水平期間毎に７段の連続垂直転送を行う動作を含んでいる。そして、この１水平期間毎に７段の連続垂直転送を行う動作は、水平シフトレジスタの転送を当該水平期間中に停止したまで行なわれる（図３９，図４０参照）。
【０２１６】
光感応画素領域対応処理（Ｃ）は、この例では、２段の連続垂直転送動作と１水平ライン画素数に相当する段数の連続水平転送動作とを、１水平期間内において時間帯を前後にずらして行わせる処理を含んでいる。後述するように、この例では、２段の連続垂直転送動作は水平ブランキング期間内に行われる（図３９，図４１参照）。
【０２１７】
この高速画像読出方式にて使用される転送仕様テーブル（後述するレジスタ１０９に格納される）の設定例が図３６に示されている。同図に示されるように、この転送仕様テーブルには、何度目の水平期間であるかを示す水平期間カウンタ値に対応させて、それぞれその水平期間における転送ライン数並びに出力有無の設定値が、転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２の形式により記憶されている。
【０２１８】
この例は、前段オプティカルブラック画素領域に対応する映像信号を１水平期間に７ライン連続して転送し、続く光感応画素領域に対応する映像信号を１水平期間毎に２ラインずつ転送するように設定した例であって、最初の１回の水平期間における転送ライン数を７ラインとした後、２〜３１番目の水平期間における転送ラインを２ラインに設定している。また、水平転送による出力の有無については、最初の１回の水平期間における出力有無は『無し』、その後、２〜３１番目の水平期間における出力有無は『有り』とされる。
【０２１９】
転送制御部（図３８のフローチャートに動作が示される）は、各水平期間毎に転送仕様テーブルに記憶された各転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに出力有無信号ＯＥの設定値を読み込んで、各転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに出力有無信号ＯＥをその設定値に応じたレベルに設定し、転送パルス発生部２に出力する。転送パルス発生部２は、転送仕様テーブルにセットされた水平期間カウンタのＭＡＸ値（図３６では「３１」）に基づき第１の転送パルスの出力タイミングを設定する（すなわち、ビデオ規格の垂直期間の３１／７８８の時間間隔で転送パルスＴＰ１を出力することになる）。
【０２２０】
転送パルス発生部２は、各水平期間毎に、転送制御部より与えられた転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに出力有無信号ＯＥに基づき第２の転送パルスＴＰ２の出力回数並びに第３の転送パルスＴＰ３の出力有無を設定して、ＣＣＤ撮像素子１２２に対する一連の制御を実施する。
【０２２１】
なお、コントローラユニット２は、計測に必要な画像処理の内容に応じて転送仕様テーブルの各転送ライン数並びに出力有無の値を設定するように構成される。
【０２２２】
転送制御部において実行される転送制御処理の概略が図３８のフローチャートに示されている。なお、この転送制御処理は、転送パルス発生部２から到来する水平期間開始信号ＨＤ（図３９参照）の到来に応答して起動される。その後の一連の動作は、転送制御部に内蔵される水平期間カウンタＬＣの値に基づき周期的に繰り返される。
【０２２３】
今仮に、水平期間カウンタＬＣがクリアされていると想定する。この状態において、水平期間開始信号ＨＤが到来すると、図３８の処理が起動されて、水平期間カウンタＬＣの値は「０」から「１」へとカウントアップされる（ステップ１００１）。
【０２２４】
水平期間カウンタＬＣの値が「１」になると、カウント値「１」を引数として転送仕様テーブルが参照され、これにより転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに出力有無信号ＯＥの設定値が読み出される。図３７の換算表から明らかように、このとき、転送ライン数は「７」となり、水平転送による外部出力は「無し」とされる（ステップ１００２）。
【０２２５】
転送仕様テーブルから読み出された設定値の内容に応じて、転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに水平転送有無信号ＯＥの値は、Ｌ１＝１，Ｌ２＝１，ＯＥ＝０にそれぞれ設定される（ステップ１００３）。すると、図３９並びに図４０に示されるように、カウント値「１」に対応する最初の水平期間では、水平転送用の第３の転送パルスを出力することなく、垂直転送用の第２の転送パルスだけが７個連続して転送パルス発生部２から出力される。その結果、映像信号中にはなにも出力されない（空状態）ものの、水平シフトレジスタＨＲの各ステージには、１〜７ラインの７ライン分の電荷が落とし込まれて重畳される。その後、処理は終了して（ステップ１００４ＮＯ）、次の水平期間開始信号ＨＤの到来を待機する状態となる。
【０２２６】
２番目の水平期間開始信号ＨＤが到来すると、図３８の処理が起動されて、水平期間カウンタＬＣの値は「１」から「２」へとカウントアップされる（ステップ１００１）。
【０２２７】
水平期間カウンタＬＣの値が「２」になると、カウント値「２」を引数として転送仕様テーブルが参照され、これにより転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに出力有無信号ＯＥの設定値が読み出される。図３６の換算表から明らかように、このとき、転送ライン数は「２」となり、水平転送による外部出力は「有り」とされる（ステップ１００２）。
【０２２８】
転送仕様テーブルから読み出された設定値の内容に応じて、転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに水平転送有無信号ＯＥの値は、Ｌ１＝０，Ｌ２＝１，ＯＥ＝１にそれぞれ設定される（ステップ８０３）。すると、図３９並びに図４１に示されるように、カウント値「２」に対応する２番目の水平期間では、転送パルス発生部２からは、垂直転送用の第２の転送パルスＴＰ２が水平ブランキング期間中に２個出力されたのち、水平ブランキング期間の終了を待って、水平転送用の第３の転送パルスＴＰ３が１水平ライン画素相当数だけ出力される。
【０２２９】
第２の転送パルスＴＰ２が水平ブランキング期間中に２個出力されると、水平シフトレジスタＨＲの各ステージに蓄積された１〜７ラインの７ライン分の電荷の上に、さらに、８，９ラインの２ライン分の電荷が落とし込まれ、全体として１〜９ラインの９ライン分の電荷が重畳される。その後、水平転送用の第３の転送パルスＴＰ３が１水平ライン画素相当数だけ出力されると、上記の重畳された９ライン分の電荷は映像信号中に出力される。図３９にハッチングにて又図４１に点線で囲んで示されるように、この９ライン分の電荷が重畳された映像信号部分は、ＯＢ不要映像信号となる。結果として、映像信号中の最初の２ラインは無効画像部分となる。その後、処理は終了して（ステップ１００４ＮＯ）、次の水平期間開始信号ＨＤの到来を待機する状態となる。
【０２３０】
３番目の水平期間開始信号ＨＤが到来すると、図３８の処理が起動されて、水平期間カウンタＬＣの値は「２」から「３」へとカウントアップされる（ステップ１００１）。
【０２３１】
水平期間カウンタＬＣの値が「３」になると、カウント値「３」を引数として転送仕様テーブル１５が参照され、これにより転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに出力有無信号ＯＥの設定値が読み出される。図３６の換算表から明らかように、このときも転送ライン数は「２」となり、水平転送による外部出力は「有り」とされる（ステップ１００２）。
【０２３２】
転送仕様テーブルから読み出された設定値の内容に応じて、転送ライン数信号Ｌ１，Ｌ２並びに水平転送有無信号ＯＥの値は、Ｌ１＝０，Ｌ２＝１，ＯＥ＝１にそれぞれ設定される（ステップ１００３）。すると、図３９並びに図４１に示されるように、カウント値「３」に対応する３番目の水平期間では、転送パルス発生部２からは、垂直転送用の第２の転送パルスＴＰ２が水平ブランキング期間中に２個出力されたのち、水平ブランキング期間の終了を待って、水平転送用の第３の転送パルスＴＰ３が１水平ライン画素相当数だけ出力される。
【０２３３】
第２の転送パルスＴＰ２が水平ブランキング期間中に２個出力されると、水平シフトレジスタＨＲの空の状態にある各ステージには、１０，１１ラインの２ライン分の電荷が落とし込まれて重畳される。このとき、水平シフトレジスタＨＲの各ステージ上の電荷は、２ライン分が重畳されているとは言え、未だ、原画像の特徴を十分に残している。その後、水平転送用の第３の転送パルスＴＰ３が１水平ライン画素相当数だけ出力されると、上記の重畳された２ライン分の電荷は映像信号中に出力される。図３９および図４１に示されるように、この１０〜１１の２ライン分の電荷が重畳された映像信号部分は、有効映像信号となる。
【０２３４】
以後、４番目〜３１番目の水平期間開始信号ＨＤが到来したときの動作は、３番目の垂直期間開始信号ＨＤが到来したときの動作と同様である。そのため、４番目〜３１番目の垂直期間開始信号ＨＤの到来に際しては、図３９および図４１に示されるように、１２，１３ライン、１４，１５ライン、〜６６，６７ラインの各２ラインが重畳された映像信号が順次に出力される。
【０２３５】
３１番目の水平期間開始信号が到来すると、ラインカウンタＬＣの値が最大値に達して（ステップ１００４ＹＥＳ）、垂直期間開始指令ＸＶＤが出力され（ステップ１００５）、その後、水平期間カウンタＬＣの内容は「０」にクリアされる（ステップ１００６）。この垂直期間開始指令ＸＶＤを受けて、転送パルス発生部１２から画素電荷取込用の第１の転送パルスＴＰ１が出力され、以後、６８〜７８８ラインの信号電荷は垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上に取り残したまま、以上説明した１番目乃至３１番目の水平期間開始信号到来時の処理が繰り返される。
【０２３６】
２番目以降の画素電荷取込用の転送パルスＴＰ１が出力されると、各受光画素Ｐｈ（ｍ，ｎ）から各列の垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎに対して、再び、信号電荷が取り込まれる。このとき、光感応画素領域に位置する垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎの各ステージには、後段オプティカルブラック画素領域から転送されてきた電荷が存在する筈である。しかし、この後段オプティカルブラック画素領域からの電荷は極めて僅か若しくはゼロに等しいものであるから、その上に有効画像電荷が取り込まれて重畳されたとしても、所謂二重取り現象のために有効画像が劣化する虞はない。すなわち、後段オプティカルブラック画素領域からの電荷の上に上書きしても二重取り現象は生じないのである。
【０２３７】
したがって、この高速画像読出方式によれば、６８〜７８８ラインの信号電荷を垂直シフトレジスタＶＲ１〜ＶＲｎ上に取り残したまま、次の撮影に移ることができるため、単位時間毎の撮影コマ数を増加させて、所謂高速撮影が可能となる。
【０２３８】
この高速画像読出方式を採用して取得された１画面分の画像データが図４２に表にして示されている。同図に示されるように、１〜２ラインの２ライン分が無効画像とされ、３〜３１ラインの２９ライン分が有効画像とされる。
【０２３９】
このとき、１画面分の画像データは通常の約１／２５の時間で取り込まれるので、画像入力にかかる時間が大幅に短縮され、処理効率が向上する。しかも、水平シフトレジスタＨＲ上で電荷が飽和することがないため、飽和によるスミヤ発生により有効画像領域の画像が劣化する虞もない。加えて、詳細な処理が必要な有効画像領域については、通常のビデオ規格で生成された画像データと同様の解像度の画像データを取得できるので、計測処理の精度を維持できる。
【０２４０】
その後、さらに必要に応じてこの計測結果をあらかじめ設定された基準値と比較して対象物の良否を判定する。この計測結果や判定結果は、出力部２３を介してモニタなどの外部装置に出力される。
【０２４１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の変位センサによれば、計測光の照射光像と計測対象物表面との位置関係を画像モニタで確認できるから、目的とする計測位置に計測光を照射して、正確な計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された変位センサシステム全体の外観図である。
【図２】本発明が適用された変位センサシステム全体の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】コントローラユニットの内部機能構成を示すブロック図である。
【図４】センサヘッドユニットの内部構成を示す図である。
【図５】コントローラユニットの変位量測定動作を概略的に示すゼネラルフローチャートである。
【図６】本発明変位センサの計測モード時の動作を説明するための図である。
【図７】センサヘッドユニット内のＣＣＤで撮像された画像の説明図である。
【図８】測定範囲内における測定点抽出処理の説明図である。
【図９】ＣＣＤによる撮像画像とラインブライト波形との関係を示す説明図である。
【図１０】しきい値決定方法の説明図である。
【図１１】測定点座標抽出処理の説明図である。
【図１２】モニタ画面生成方法の説明図である。
【図１３】本発明変位センサの計測モード時のモニタ画面の一例を示す図である。
【図１４】本発明変位センサにおいて計測対象物体が上下動した場合における受光光路の変化を示す図である。
【図１５】本発明変位センサの観測モード時の動作を説明するための図である。
【図１６】計測用光路を用いた観測モード時の動作を説明するための図である。
【図１７】本発明変位センサと従前の変位センサとで観測モード時のモニタ画面を比較して示す図である。
【図１８】本発明センサヘッドの変形例を示す図である。
【図１９】センサヘッドユニットのケース側面を開口してその内部を示す図である。
【図２０】シャッタユニット付のセンサユニットケースの構造を説明するための図である。
【図２１】シャッタユニットの構造を説明するための図である。
【図２２】計測用レーザ、照明用ＬＥＤ及びＣＣＤの動作を計測モード時と観測モード時とで比較して示す図である。
【図２３】本発明変位センサのアプリケーションの一例を説明するための図である。
【図２４】本発明変位センサの電気的な構成を示すブロック図である。
【図２５】本発明の変位センサのセンサヘッド部の光学系を示す図である。
【図２６】スリット光画像のワーク表面画像との重ね合わせ処理を示すタイムチャートである。
【図２７】モニタ画像の例を示す図である。
【図２８】本発明変位センサの電気的な構成を示すブロック図である。
【図２９】本発明の変位センサにおけるセンサヘッド部の光学系の別の例を示す図である。
【図３０】スリット光画像とワーク表面画像との重ね合わせ処理を示すタイムチャートである。
【図３１】センサヘッド部の撮像素子における受光面上の画素配列を模式的に示す図である。
【図３２】センサヘッド部の撮像素子における光感応画素領域とオプティカルブラック画素領域との関係を実際の画面縦横比で示す図である。
【図３３】撮像素子における電荷移送回路を説明するためのブロック図である。
【図３４】転送パルス発生部の内部構成を示す図である。
【図３５】水平転送用パルス（ＴＰ２）の出力態様を示すタイムチャートである。
【図３６】転送仕様テーブルの内容を示す図である。
【図３７】Ｌ１，Ｌ２，ＯＥの意味内容を示す図である。
【図３８】転送制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３９】撮像素子の一駆動例を示すタイムチャートである。
【図４０】図３９のタイムチャートの要部を説明する図である。
【図４１】図３９のタイムチャートの要部を説明する図である。
【図４２】撮像素子の一駆動例における１画面分のデータ構成を表にして示す図である。
【図４３】正反射物体用変位センサの光学系説明図である。
【図４４】乱反射物体用変位センサの光学系説明図である。
【符号の説明】
１  センサヘッドユニット
１Ａ  センサユニットケース
２  コントローラユニット
３  コンソールユニット
４  画像モニタ
５  同期用センサ
６  外部機器
７  計測対象物体
１０  変位センサシステム
４２  グラフ表示領域
４３  数値表示領域
７１  円形穴
８１  計測光（ラインビーム）
８２ａ  反射された計測光（斜め上向き）
８２ａ−１  計測対象物体が遠ざかった場合の光路
８２ａ−２  計測対象物体が近づいた場合の光路
８２ｂ  反射された計測光（真上）
８２ｂ−１  計測対象物体が遠ざかった場合の光路
８２ｂ−２  計測対象物体が近づいた場合の光路
８３  ライン状照射光像（ラインビームの光像）
８４  照明光
８５  円形照射光像
９１  機械的シャッタ１５０の移動方向
１０１  タイミング信号発生回路
１１１  ＬＤ駆動回路
１１２  ＬＤ
１１２ａ  スリット光源
１１２−１  スリット
１１２−２  投光レンズ
１１３  レンズ組立体
１２１  ＣＣＤ制御回路
１２２  ＣＣＤ
１２２ａ  センサの視野
１２３  増幅回路
１２４  ＨＰＦ
１２５  Ｐ／Ｈ回路
１２５ａ  サンプルホールド回路
１２６  ＡＧＣ増幅回路
１２７ａ  レンズ組立体（斜視画像取得光学系）
１２７ｂ  レンズ組立体（正視画像取得光学系）
１２８  ミラー
１２８ａ  第１のミラー
１２８ｂ  第２のミラー
１３１  ＬＥＤ駆動回路
１３２  ＬＥＤ
１４１  計測条件格納部
１５０  機械的シャッタ
１５０Ａ  シャッタユニット
１５１  投光用窓
１５１ａ  照明コントロール部
１５２  斜め上向き取込用窓
１５２ａ  照明用発光ダイオード
１５３  真上向き取込用窓
１５４  照明用窓
１５５  シャッタ板操作用つまみ
１５６  シャッタ板ガイドスロット
１５７  シャッタ板
１６１  第１の光学フィルタ
１６２  第２の光学フィルタ
１７０  ドリル
１７１  ドリル刃置き場
２００  センサヘッド部
２０１  発振器（ＯＳＣ）
２０８  スリット
２１０  制御部
２１１  グラフィック・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）部
２１２  画像処理部
２１３  制御処理部
２１４  外部出力インタフェース部
２２０  計測部
２２１  インターフェース部
２２１Ａ  画像取込部
２２１Ｂ  センサヘッド制御部
２２２  画像演算部
２２２Ａ  画像転送部
２２２Ｂ  計測処理部
２３１  レジスタ
２３２  ＣＰＵ
２３３  表示用ＬＥＤ
２３４  操作スイッチ
２３５  入出力回路（Ｉ／Ｏ）
２３６  演算部
２３７  メモリ制御部
２３８  フレームバッファ
２３９  Ｄ／Ａ変換器
２４０  同期信号発生部
２４１  発振器（ＯＳＣ）
２４２  Ａ／Ｄ変換器
Ａ１  ラインビームの像
Ａ２  始点直線
Ａ３  終点直線
Ａ４  測定範囲（測定点抽出範囲）
Ａ５  ラインブライト波形
Ａ６  測定点を示す十字記号
Ａ７  動作モードが『計測モード』であることを示す文字
Ａ８  測定された変位量
Ａ９  出力ポート
Ａ１０−１  円形穴に相当する画像（歪みのない真円形状）
Ａ１０−２  円形穴に相当する画像（楕円形に歪んでいる）
Ａｏｕｔ  出力バッファ
ａ  センサヘッドユニット
ＢＵＳ１  同期バス
ＢＵＳ２  ＣＰＵバス
ｂ  計測光（斜め下向き）
ＣＯＮＴ  制御信号
ｃ  反射された計測光
ｄ  計測対象物体
ｅ  拡散反射光
ｆ  計測光（垂直下向き）
Ｇ  ゲート回路
ｇ  反射された後センサヘッドに取り込まれる計測光
ＨＬＢ  特定水平ライン帯
ＨＲ  水平転送シフトレジスタ
ｈ  計測光の拡散反射成分
Ｌ１，Ｌ２  転送ライン数信号
ＭＰＸ  マルチプレクサ
ＯＥ  外部出力有無信号
ＰＧ  転送パルス発生部
ＰＧ１  第１転送パルス発生部
ＰＧ２  第２転送パルス発生部
ＰＧ３  第３転送パルス発生部
Ｐｈ  受光画素
Ｐｈ１  光感応画素
Ｐｈ２  オプティカルブラック画素（ＯＢ画素）
ＴＧ１，ＴＧ３，ＴＧ２１〜ＴＧ２４  タイミング発生部
ＴＨ  しきい値
ｖｓ  映像信号
ＶＢＬＫ  映像信号中に画像の有無を示す信号
ＶＤ  垂直基準信号
ＶＲ  垂直転送シフトレジスタ
Ｗ  ワーク
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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