(57)【要約】【課題】より精度の高い計測を可能にする光学式変位センサおよびその制御方法を提供する。【解決手段】制御部２０１は、まず照射指示を出力して（信号ＤＲをＬレベルからＨレベルに変化させて）、投光部２０２に含まれるレーザダイオードの発光を開始させる。そして、制御部２０１は、照射指示を出力してから所定の期間が経過した後に撮像指示を出力して（信号ＳＨＴをＨレベルからＬレベルに変化させて）、受光部２０３に含まれる２次元撮像素子の撮像を開始させる。この「所定の期間」は、レーザダイオードが光ビームを発してから、その光ビームの強度の値が所定値に実質的に達するまでの期間に設定される。これにより２次元撮像素子のシャッタの開放直後から安定した投光条件が維持される。【選択図】図４
2008045926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物体の表面に光ビームを照射する投光部と、
照射指示に応じて前記投光部を駆動する駆動回路と、
撮像指示に応じ、前記計測対象物体の表面において前記光ビームにより照射された照射領域を撮像する撮像部とを備え、
前記撮像部は、前記計測対象物体の表面の変位に応じて撮像面における前記照射領域の結像位置が変化する方向から、前記照射領域を撮像し、
前記照射指示を出力し、かつ、前記照射指示を出力してから所定の期間が経過した後に前記撮像指示を出力する撮像制御部と、
前記撮像部が撮像した前記照射領域の画像を用いて、所定の計測処理を実行する計測処理部とをさらに備える、光学式変位センサ。
【請求項２】
前記駆動回路は、前記光ビームの強度を観測して、前記光ビームの強度が所定値に保たれるように前記投光部を駆動する、請求項１に記載の光学式変位センサ。
【請求項３】
前記所定の期間は、前記投光部が前記光ビームを発してから、前記光ビームの強度が前記所定値に実質的に達するまでの期間に等しい、請求項２に記載の光学式変位センサ。
【請求項４】
前記投光部は、前記光ビームをパルス光として照射し、
前記撮像制御部は、前記計測対象物体に応じて前記駆動回路を制御して、前記撮像部の受光量が所定の条件を満たすように前記パルス光の照射時間を制御する、請求項３に記載の光学式変位センサ。
【請求項５】
前記計測処理部は、外部からの指示に応じて、前記撮像制御部に前記照射指示と前記撮像照射指示を出力させる開始指示を出力し、
前記撮像制御部は、前記開始指示に応じて、前記照射指示と前記撮像指示とを１度ずつ出力する、請求項２に記載の光学式変位センサ。
【請求項６】
前記計測処理部は、外部からの指示に応じて、前記撮像制御部に前記照射指示と前記撮像照射指示を出力させる開始指示を出力し、
前記撮像制御部は、前記開始指示に応じて、所定の周期で前記照射指示と前記撮像指示とを交互に繰返して出力する、請求項２に記載の光学式変位センサ。
【請求項７】
前記投光部は、前記照射領域をスポット状に照射するように前記光ビームを発し、
前記計測処理部は、前記所定の計測処理として、前記照射領域の変位を計測する、請求項２に記載の光学式変位センサ。
【請求項８】
前記投光部は、前記照射領域が線状に延びるように前記光ビームを発し、
前記計測処理部は、前記所定の計測処理として、前記照射領域の延びる方向に沿う前記照射領域の変位の分布を算出して、前記照射領域における前記計測対象物体の表面の形状を計測する、請求項２に記載の光学式変位センサ。
【請求項９】
前記投光部は、前記光ビームを発するレーザダイオードを含み、
前記駆動回路は、前記レーザダイオードをパルス駆動する、請求項１に記載の光学式変位センサ。
【請求項１０】
光学式変位センサの制御方法であって、
前記光学式変位センサは、計測対象物体の表面に光ビームを照射する投光部と、
照射指示に応じて前記投光部を駆動する駆動回路と、
撮像指示に応じ、前記計測対象物体の表面において前記光ビームにより照射された照射領域を撮像する撮像部とを備え、
前記撮像部は、前記計測対象物体の表面の変位に応じて撮像面における前記照射領域の結像位置が変化する方向から、前記照射領域を撮像し、
前記制御方法は、
前記光ビームを照射してから所定の期間が経過した後に前記照射領域を撮像するステップと、
前記撮像部が撮像した前記照射領域の画像を用いて、所定の計測処理を実行するステップとを備える、光学式変位センサの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式変位センサおよびその制御方法に関し、特に、光源からの投光タイミングを計測対象物体の撮像タイミングに応じて適切に制御可能な光学式変位センサ、および、その制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な計測対象物体の変位、長さ、角度などを計測するためのセンサ装置が知られている。例えば、光源からの光をスリット光に整形して計測対象物体表面に所定角度で照射する投光部と、計測対象物体表面のスリット光照射位置をスリット光照射角度とは異なる角度から二次元撮像素子を使用して撮影して光切断面の断面輪郭線像を含む画像を取得する撮影部と、この撮影手段を介して得られる光切断面の断面輪郭線像に基づいて、所定の計測処理を実行することにより計測値及び／又は判定値を生成する計測部と、を具備する、光切断法を利用した光学式計測装置（『変位センサ』とも称される）が知られている。
【０００３】
図１３は、従来の光学式変位センサにおける投光タイミングと撮像タイミングとの関係を説明する図である。
【０００４】
図１３を参照して、信号ＳＨＴは２次元撮像素子（たとえばＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）の電子シャッタを制御するための信号である。信号ＳＨＴがＨレベルからＬレベルに変化するに応じてシャッタが開き、撮像素子は受けた光を電気信号に変換する。また、信号ＳＨＴがＬレベルからＨレベルに変化するとシャッタが閉じる。すなわち信号ＳＨＴがＬレベルである期間（期間ｔ）が２次元撮像素子のシャッタ開放期間に等しい。
【０００５】
信号ＬＤは投光素子（以下ではレーザダイオードとする）の光出力を示す信号である。信号ＳＨＴがＨレベルからＬレベルに変化するのと同期して信号ＬＤは立ち上がる。すなわちシャッタの開放とレーザダイオードの発光とが同時に開始される。
【０００６】
なお、信号ＬＤの波形から分かるようにレーザダイオードはパルス光を発する。これによりレーザダイオードの消費電力が大きくなるのを防ぐことができる。また、レーザダイオードの温度上昇を抑えることができるので、光出力の低下を抑えることができる。また、レーザダイオードを長持ちさせることができる。
【０００７】
従来の光学式変位センサの例が、たとえば特開２００５−２９１７１９号公報（特許文献１）に開示される。この文献に開示されるセンサ装置では、高速差動伝送方式を用いてコントローラとセンサヘッドとの間でデータ伝送を行なう。コントローラはセンサヘッドに対してセンシング態様を設定するための制御データを送信する。このセンシング態様の中にはセンサヘッドに含まれる投光素子の発光制御が含まれる。センサヘッド側の制御手段はこの制御データに基づいて投光素子が行なうパルス発光のパルス幅、周期、強度や撮像素子のシャッタ時間等を計測対象物体に応じて最適な受光量が得られるように制御する。これにより上記のセンサ装置においては計測動作を高速、かつ、高精度に行なうことが可能になる。
【特許文献１】特開２００５−２９１７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
レーザダイオードの駆動回路は、一般的に、光出力を安定させるＡＰＣ（Auto Power Control）機能を有している。このような駆動回路（以下、「ＡＰＣ回路」と称する）は、レーザダイオードの光出力をモニタして、その結果をレーザダイオードの駆動電流にフィードバックする。
【０００９】
ＡＰＣ回路の特性上、動作開始から定常動作（すなわちフィードバック制御）が可能になるまでには、たとえば数μｓ程度の期間を必要とする。このため従来の光学式変位センサにおいて、シャッタ開放期間をＡＰＣ回路の立上り時間程度まで短くすると以下のような課題が生じる。
【００１０】
図１４は、従来の光学式変位センサにおいてシャッタ開放期間を短くしたときの課題を説明する図である。
【００１１】
図１４を参照して、信号ＳＨＴにおけるＬレベルの期間（期間ｔ）を短くすることでシャッタ開放期間が短くなる。しかし、シャッタ開放期間を短くするとシャッタ開放直後（ＡＰＣ回路の駆動開始直後）からレーザダイオードが定電流駆動するまでの過渡応答期間におけるレーザダイオードの光出力が変位センサの計測結果に影響を及ぼす。
【００１２】
図１４に示すように、過渡応答期間においてレーザダイオードの光出力が立ち上がるために、シャッタ開放期間においては光出力が安定していない。このためレーザダイオードの投光量が不足する。また、過渡応答期間ではレーザダイオードの温度に応じて光出力が変動するので投光量が不安定になる。また、レーザダイオードの光出力が安定しないため、レーザビームの空間強度分布が微妙に変化することが考えられる。そうすると計測対象物体の表面において最も強く照射される位置も微妙に変化する。
【００１３】
これらの理由により、２次元撮像素子が撮像した画像に基づいて計測処理を行なったとしても、正確な結果が得られないことが起こり得る。
【００１４】
特に、計測対象物体の表面が鏡面状であれば反射光量が大きくなるため上記の問題が生じやすくなる。このような物体に光を当てると反射光の光量が大きくなるために、２次元撮像素子の出力が飽和する可能性がある。これを防ぐためには、シャッタ開放期間を短くする（たとえばシャッタ開放期間を数μｓ以下に設定する）とともにレーザダイオードの発光期間も短くする必要がある。
【００１５】
しかしながら、上述したように、従来の光学式変位センサの場合、レーザダイオードの駆動回路の時定数が影響するほど短い期間内でレーザダイオードの発光を制御することが困難であるため、表面での光の反射が大きな物体の変位を計測するのが困難である。
【００１６】
このように、従来の変位センサにおいてはシャッタ開放時における発光が不安定なために、精度の高い計測を行なうことが困難となる可能性が存在した。
【００１７】
本発明の目的は、より精度の高い計測を可能にする光学式変位センサおよびその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は要約すれば、光学式変位センサであって、計測対象物体の表面に光ビームを照射する投光部と、照射指示に応じて投光部を駆動する駆動回路と、撮像指示に応じ、計測対象物体の表面において光ビームにより照射された照射領域を撮像する撮像部とを備える。撮像部は、計測対象物体の表面の変位に応じて撮像面における照射領域の結像位置が変化する方向から、照射領域を撮像する。光学式変位センサは、照射指示を出力し、かつ、照射指示を出力してから所定の期間が経過した後に撮像指示を出力する撮像制御部と、撮像部が撮像した照射領域の画像を用いて、所定の計測処理を実行する計測処理部とをさらに備える。
【００１９】
好ましくは、駆動回路は、光ビームの強度を観測して、光ビームの強度が所定値に保たれるように投光部を駆動する。
【００２０】
より好ましくは、所定の期間は、投光部が光ビームを発してから、光ビームの強度が所定値に実質的に達するまでの期間に等しい。
【００２１】
さらに好ましくは、投光部は、光ビームをパルス光として照射する。撮像制御部は、計測対象物体に応じて駆動回路を制御して、撮像部の受光量が所定の条件を満たすようにパルス光の照射時間を制御する。
【００２２】
より好ましくは、計測処理部は、外部からの指示に応じて、撮像制御部に照射指示と撮像照射指示を出力させる開始指示を出力する。撮像制御部は、開始指示に応じて、照射指示と撮像指示とを１度ずつ出力する。
【００２３】
より好ましくは、計測処理部は、外部からの指示に応じて、撮像制御部に照射指示と撮像照射指示を出力させる開始指示を出力する。撮像制御部は、開始指示に応じて、所定の周期で照射指示と撮像指示とを交互に繰返して出力する。
【００２４】
より好ましくは、投光部は、照射領域をスポット状に照射するように光ビームを発する。計測処理部は、所定の計測処理として、照射領域の変位を計測する。
【００２５】
より好ましくは、投光部は、照射領域が線状に延びるように光ビームを発する。計測処理部は、所定の計測処理として、照射領域の延びる方向に沿う照射領域の変位の分布を算出して、照射領域における計測対象物体の表面の形状を計測する。
【００２６】
好ましくは、投光部は、光ビームを発するレーザダイオードを含む。駆動回路は、レーザダイオードをパルス駆動する。
【００２７】
本発明の他の局面に従うと、光学式変位センサの制御方法である。光学式変位センサは、計測対象物体の表面に光ビームを照射する投光部と、照射指示に応じて投光部を駆動する駆動回路と、撮像指示に応じ、計測対象物体の表面において光ビームにより照射された照射領域を撮像する撮像部とを備える。撮像部は、計測対象物体の表面の変位に応じて撮像面における照射領域の結像位置が変化する方向から、照射領域を撮像する。制御方法は、光ビームを照射してから所定の期間が経過した後に照射領域を撮像するステップと、撮像部が撮像した照射領域の画像を用いて、所定の計測処理を実行するステップとを備える。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、撮像開始直後から一定強度の光ビームを計測対象物体の表面に照射することで撮像に十分な光量の光が得られるので、高精度の計測が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３０】
［光学式変位センサの構成］
まず、図１〜図４を用いて、本実施形態に係る光学式変位センサの構成について説明する。なお、以下では「光学式変位センサ」を単に「変位センサ」と称する。
【００３１】
本実施形態の変位センサは、制御盤などへのコンパクトな収容を可能とするために、また狭小な計測環境への据え付けを容易とするために、信号処理部とセンサヘッド部が分離されたいわゆるアンプ分離型の変位センサである。
【００３２】
図１は、本実施形態の変位センサの信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。
【００３３】
図１を参照して、信号処理部１の外殻ケース１０は、やや細長い直方体形状の形態を有している。外殻ケース１０の前面からは、図示されていないが外部接続コードが引き出されている。この外部接続コードには、外部入力線、外部出力線、電源線等が含まれている。外部入力線は、例えば上位装置としてのＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等から信号処理部１に対して各種の指令を外部から与えるためのものである。外部出力線は、信号処理部１の内部で生成されたスイッチング出力やアナログ出力などをＰＬＣ等へ出力するためのものである。電源線は、信号処理部の内部回路に対する電源を供給するためのものである。また、外殻ケース１０の下面には、図示されていないがＵＳＢ（Universal Serial Bus）コネクタと、ＲＳ-２３２Ｃコネクタとが設けられている。
【００３４】
外殻ケース１０の上面には開閉可能な操作部蓋１４が設けられている。この操作部蓋１４の下には、信号処理部１における各種の指令操作などを行なうための操作部が設けられている。また、外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部２により取得された計測対象画像情報や計測結果、計測値、設定画面等の表示を行なうための表示部１５が配置されている。
【００３５】
外殻ケース１０の左右側面には、信号処理部間コネクタ蓋１６が設けられている。この信号処理部間コネクタ蓋１６の内部には、他の信号処理部１を接続するための信号処理部間コネクタが設けられている。複数の信号処理部１は、ＤＩＮレールを介して隣接結合状態で１列に連装可能とされる。信号処理部１の外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部接続用コネクタ１７が設けられている。信号処理部１はこのセンサヘッド部接続用コネクタ１７を介して後述するセンサヘッド部２に接続されている。
【００３６】
センサヘッド部２は、センサヘッド部接続用コネクタ１７に対応する信号処理部接続用コネクタ２７と、ケーブル２１と、センサヘッド本体部２０とを含む。
【００３７】
センサヘッド本体部２０は、投光窓５１から計測対象物体にレーザ光を照射し、受光窓５２に計測対象物体からの反射光を受ける。センサヘッド本体部２０は、計測対象物体の形状に応じて光像位置が変化して見える角度から計測対象物体の表面を撮影する。
【００３８】
図２は、センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。
【００３９】
図２に示すように、センサヘッド本体部２０に内蔵された投光素子（レーザダイオード）から出射されるパルス状レーザ光（パルス光）が、図示しない投光レンズを通して、計測対象物体５の表面にスリット光Ｌ１として照射される。これにより、計測対象物体５の表面にはスリット光の照射光像ＬＭ（以下ラインビーム像とも称する）が形成される。
【００４０】
計測対象物体５で反射したスリット光の反射光Ｌ２はセンサヘッド部２内の図示しない受光レンズを通して２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）へと入射される。
【００４１】
すなわち、計測対象物体５の表面を、２次元撮像素子により異なる角度から撮影することにより、スリット光の照射光像ＬＭを含む映像信号を取得する。そして、この映像信号に基づいて、所定の特徴量が抽出されて、目的とする変位量（この例ではセンサヘッド部２と計測対象物体５との距離）のＬＭに沿った分布が求められる。
【００４２】
図３は、図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。なお信号処理部１は本発明の「計測処理部」に対応する。
【００４３】
図３に示されるように、信号処理部１は、制御部１０１と、記憶部１０２と、表示部１０３と、センサヘッド部２との通信部１０４と、外部機器との通信部１０５と、キー入力部１０６と、外部入力部１０７と、出力部１０８と、電源部１０９とを含む。
【００４４】
制御部１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）とにより構成され、信号処理部１全体の統括制御を担う。この制御部１０１は、センサヘッド部２から受ける受光信号（画像情報）に基づいて所定の計測処理を実行する。
【００４５】
記憶部１０２は、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１０２ａと、表示部１０３に表示される画像データを記憶する画像メモリ１０２ｂとを含む。
【００４６】
表示部１０３は、閾値や計測対象物体までの距離等に係る各種数値等が表示される液晶表示部１０３ａと、目的とする出力であるオン／オフ状態等を示す表示灯ＬＥＤ１０３ｂとを含む。
【００４７】
通信部１０４は、センサヘッド部２との通信を担うものである。
通信部１０５は、外部のパソコン（ＰＣ）１１０に接続するためのＵＳＢ通信部１０５ａと、コマンドやプログラムデータの送受信などに使用されるシリアル通信部１０５ｂと、所定のプロトコル並びに送受信フォーマットに従って、左右の隣接する他の信号処理部との間でデータ通信を行なう信号処理部間通信部１０５ｃとを備えている。
【００４８】
キー入力部１０６は、図示しない各種設定のためのスイッチや操作ボタン等で構成される。外部入力部１０７は例えばＰＬＣ等の上位装置から、信号処理部１に対して各種の指令を受信するためのものである。出力部１０８は、目的とするオン／オフ出力をＰＬＣ等の上位装置に出力するために使用される。電源部１０９は、制御部１０１並びに外部のハードウェア回路に対し電源を供給するものである。
【００４９】
図４は、センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。
図４に示されるように、センサヘッド部２は、制御部２０１と、計測対象物体５へと向けてスリット光を照射するための投光部２０２と、計測対象物体５により反射されて到来するスリット光を受光する受光部２０３と、表示灯ＬＥＤ２０４と、記憶部２０５と、通信部２０６と、ＡＰＣ回路２０７とを備えている。
【００５０】
制御部２０１は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）とＰＬＤ（Programmable Logic Device）とにより構成され、センサヘッド部２の各構成要素２０２〜２０７を統括制御するとともに、受光信号を受光部２０３から取り出し、信号処理部１に送り出す処理を担うものである。すなわち制御部２０１は本発明の「撮像制御部」に対応する。
【００５１】
また、後述するように、制御部２０１は図３の信号処理部１から信号ＴＲＧ（開始指示）を受けて、ＡＰＣ回路２０７と受光部２０３とに信号ＤＲ，ＳＨＴをそれぞれ出力する。信号ＤＲ，ＳＨＴは本発明の「照射指示」および「撮像指示」にそれぞれ対応する。
【００５２】
投光部２０２は、この例では投光素子としてのレーザダイオードを備え、計測対象物体の照射領域へ向けてスリット光（光ビーム）を照射する。
【００５３】
受光部２０３は、本発明における「撮像部」に対応する。受光部２０３はスリット光の反射光を受光する２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）と、制御部２０１からのタイミング制御信号に同期して、２次元撮像素子から得られる受光信号を増幅して制御部２０１に出力する受光信号処理部とを含む。なお信号ＳＨＴに応じて２次元撮像素子の電子シャッタが制御される。これにより２次元撮像素子は撮像を行なって受光信号（画像データ）を出力する。
【００５４】
表示灯ＬＥＤ２０４は、センサヘッド部２の各種動作状態に対応して点消灯する。記憶部２０５は、例えば不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）から構成され、この例では、センサヘッド部２を同定するためのＩＤ（識別情報）等が記録される。通信部２０６は、制御部２０１の命令に従って、信号処理部１との通信を担うものである。
【００５５】
ＡＰＣ回路２０７は、レーザダイオードから発せられるレーザビーム（光ビーム）の強度を観測してレーザダイオードの光出力が一定（所定値）に保たれるようにレーザダイオードに印加する駆動電流を制御する。ＡＰＣ回路２０７の動作の開始および終了は信号ＤＲによって制御される。
【００５６】
レーザダイオードの光出力は、周囲の温度あるいは半導体チップの温度に応じて変動しやすい。温度変動が生じても一定の光出力が得られるように、ＡＰＣ回路２０７はレーザダイオードに印加する電流に対して光出力の変動をフィードバックする。なお一般的にレーザダイオードのパッケージの内部にはレーザビームを発する半導体チップとそのレーザビームの強度をモニタするためのフォトダイオードとが実装されている。ＡＰＣ回路２０７はフォトダイオードの出力を受けてレーザビームの強度を観測する。
【００５７】
また、信号ＤＲはパルス信号である。よってＡＰＣ回路２０７はレーザダイオードをパルス駆動する。これによりレーザダイオードの消費電力が大きくなるのを防ぐことができる。また、レーザダイオードの温度上昇を抑えることができるので、光出力の低下を抑えることができる。また、レーザダイオードを長持ちさせることができる。
【００５８】
［計測原理の説明］
次に、図５〜図７を用いて、本実施形態に係る光学式変位センサの計測の原理と計測動作の一例を説明する。
【００５９】
図５は、センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。
図５において、レーザダイオード２０２ａから発せられたレーザビームはスリット２０２ｂを通して断面線状の光線（スリット光）に成形された後、投光レンズ２０２ｃを介して計測対象物体５の表面の線状領域にラインビームとして照射される。なお、図５では断面図を示しているので、図中、断面内においてレーザビームは収束光として絞られて計測対象物体へ照射される図として示しているが、断面に垂直な方向に関しては広がった光束となっており、スリット光として計測対象物体へ照射されている。
【００６０】
一方、このラインビームの照射により生じた切断光の照射光像（照射領域）は、所定の角度から受光レンズ２０３ｂを介して２次元撮像素子（ここでは２次元ＣＣＤ）２０３ａで撮影される。よく知られているように、２次元ＣＣＤの撮影角度は、計測対象物体５の高さ変化に対応して、光像のＣＣＤ上への結像位置（ＣＣＤの撮像面における結像位置）が変化するように位置決めされている。このように、三角測量の原理に基づいて断面内に垂直な方向に沿うラインビーム像の各位置毎に高さ（ステージ５Ｓの位置を基準としたときのステージ５Ｓから計測対象物体５の表面まで変位）が計測される。
【００６１】
図６は、センサヘッド部からの照射光と反射光を示した図である。
図７は、２次元撮像素子で反射光をラインビーム像として撮像した画像である。
【００６２】
図６、図７を参照して、一例として、蒲鉾型（扁平に変形した半円型）の計測対象物体の段差の計測について説明する。図６に示すようにレーザ光が照射された計測対象物体の表面を撮影すると、表面高さに応じて撮像素子の受光面上の輝点の位置が変化する図７のようなラインビーム像が得られる。
【００６３】
物体表面の高さが変化すると撮像素子の受光面上で所定の方向（変位方向）に像が移動することになる。この像から、各ラインビームが照射されている物体表面上のトップとボトムの差を算出し、照射角と受光角を用いて演算を行なえば計測対象物体の段差の測定が可能となる。
【００６４】
また、このラインビームの延びる方向に沿って、物体表面におけるラインビーム上の位置（ラインビーム上の点）と物体表面のボトムとの段差の分布を算出すればラインビームが照射されている物体の表面の形状を計測することができる。
【００６５】
［投光制御処理の説明］
図８は、信号処理部１の操作部蓋１４を開けた状態を示す図である。
【００６６】
図８を参照して、センサヘッド本体部２０からレーザビームが照射されているときに点灯するＬＤＯＮ表示灯７０１、設定したオフセット値を差し引いて演算を行なうゼロリセット機能が有効な場合に点灯するＺＥＲＯ表示灯７０２、計測可能な状態であることを示すＥＮＡＢＬＥ表示灯が外殻ケース１０の上面の上側に並べられている。左側に並べられた表示灯７０４は、計測結果を閾値等により判定を行なった結果を表示する等に用いられる表示灯であり、例えば計測値が２つの閾値の間にあるときに点灯する。計測条件はＴ１〜Ｔ４の４つまで設定可能である。
【００６７】
操作部蓋１４を開けた下には、１から４までのファンクションキー７０５が設けられおり、計測内容の設定を行なうための設定モード（ＦＵＮモード）では、表示部１５に縦横２個ずつ並べて表示されるアイコンを選択するための選択キーとして、あるいは、１から４までの番号が付されて表示される選択候補を選択するための選択キーとして機能する。
【００６８】
左下の切替スイッチ７０６は、スタンダードモード（ＳＴＤ）とエキスパートモード（ＥＸＰ）のいずれの動作を行なうかを選択するためのスイッチである。スタンダードモードに切り替えたときには簡単に標準的な設定が可能な設定方法が有効になり、エキスパートモードに切り替えたときには従来方法のような各計測点や領域を個々に設定する設定方法が有効となる。
【００６９】
モード切替スイッチ７０７は、左端位置は設定を行なう為のＦＵＮモード、中央位置では計測結果の判定を行なう為の閾値設定やその調整のためのＡＤＪモード、右端位置は計測処理を実行するＲＵＮモードであり、それぞれの位置に切り替えられることでそれぞれに応じたモードの動作が実行される。
【００７０】
ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキーはメニュー画面と計測対象画像や計測結果の画面の表示をキー押下毎に切り替える場合や、設定時に対象画像を決定する設定を行なうための場合の、いわゆるティーチングキーとしても機能する。十字キー７０９は、設定領域の移動や表示部１５に表示された選択候補を上下左右に移動させるため等に用いられる。右下のＳＥＴキー７１１は、選択候補の決定を行なう。ＥＳＣキー７１１は、先に行なった操作の取消しを行なう。
【００７１】
図９は、本実施形態における変位センサの投光制御処理を説明する図である。
図９および図４を参照して、時刻ｔ１では通信部２０６を介して制御部２０１に入力される信号ＴＲＧがＬレベルからＨレベルに立ち上がる。制御部２０１は、信号ＴＲＧの変化に応じ、時刻ｔ２において、信号ＤＲをＬレベルからＨレベルに変化させる。なお制御部２０１が信号ＤＲをＬレベルからＨレベルに変化させることは、本発明において撮像制御部が照射指示を出力することに対応する。
【００７２】
ＡＰＣ回路２０７は信号ＤＲがＬレベルからＨレベルに変化すると、投光部２０２に含まれるレーザダイオードの駆動を開始し、レーザダイオードから発せられる光ビームの強度が所定値に保たれるように制御する。
【００７３】
信号ＬＤはレーザダイオードの光出力を示す。時刻ｔ２においてＡＰＣ回路２０７からレーザダイオードへの電流の印加が開始されるので信号ＬＤは立ち上がり、時刻ｔ３においてレーザダイオードの光出力は所定値の１００％に達する。時刻ｔ３以後、レーザダイオードの光出力は所定値の１００％に保たれる。
【００７４】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、本発明における「所定の期間」に対応する。この期間はＡＰＣ回路２０７の過渡応答期間であり、レーザダイオードの光出力が温度や個体特性ばらつきに応じて変化する。この期間にはレーザダイオードの光出力を補償することが困難である。
【００７５】
よって本実施形態では時刻ｔ３以後において撮像を開始する。時刻ｔ４において制御部２０１は信号ＳＨＴをＨレベルからＬレベルに変化させる。これにより２次元撮像素子のシャッタが開放されて２次元撮像素子は撮像を開始する。なお制御部２０１が信号ＳＨＴをＨレベルからＬレベルに変化させることは、本発明において撮像制御部が撮像指示を出力することに対応する。
【００７６】
次に時刻ｔ５において制御部２０１は信号ＤＲをＨレベルからＬレベルに変化させる。これによりＡＰＣ回路２０７はレーザダイオードの駆動を停止する。よって、信号ＬＤの強度は所定値の１００％から０％に減少する。
【００７７】
続いて時刻ｔ６において制御部２０１は、信号ＳＨＴをＬレベルからＨレベルに変化させる。これにより２次元撮像素子のシャッタが閉じるので、２次元撮像素子の撮像が終了する。なお、制御部２０１は信号ＳＨＴをＬレベルからＨレベルに変化させた後に信号ＤＲをＨレベルからＬレベルに変化させてもよい。
【００７８】
このように本実施形態では、制御部２０１は、まず照射指示を出力して（信号ＤＲをＬレベルからＨレベルに変化させて）、投光部２０２に含まれるレーザダイオードの発光を開始させる。そして、制御部２０１は、照射指示を出力してから所定の期間が経過した後に撮像指示を出力して（信号ＳＨＴをＨレベルからＬレベルに変化させて）、受光部２０３に含まれる２次元撮像素子の撮像を開始させる。この「所定の期間」は、レーザダイオードが光ビームを発してから、その光ビームの強度の値が所定値に実質的に達するまでの期間に設定される。これにより２次元撮像素子のシャッタの開放直後から安定した投光条件が維持される。
【００７９】
よって本実施形態によれば、シャッタの開放期間を短くしても撮像素子は計測対象物体の撮像に十分な光量の光を受けることができるので高精度の計測が可能になる。
【００８０】
図１０は、本実施形態における変位センサのメインの動作フローを示すフローチャートである。
【００８１】
図１０および図３を参照して、処理が開始されると、まずステップＳ１において、投光条件の設定が行なわれる。ステップＳ１において、たとえば計測者は信号処理部１のキー入力部１０６に設けられた各種スイッチや操作ボタンを操作して、レーザダイオードを発光させる期間、レーザダイオードの発光の周期、および発光モード（後述）等の各種の発光条件を設定する。投光条件の設定に関する情報はたとえば制御部１０１の内部に記憶される。
【００８２】
計測開始時には、計測者はキー入力部１０６のスイッチを操作する。これによりキー入力部１０６から指示（信号ＳＴ）が送られる。なお計測者がパソコン１１０を操作して信号処理部１に指示（信号ＳＴ）を与えてもよい。制御部１０１は外部からの指示に相当する信号ＳＴに応じて信号ＴＲＧを出力する。
【００８３】
次に図１０および図４を参照して、ステップＳ２において、センサヘッド部２の制御部２０１は、信号ＴＲＧ（開始指示）が入力されたか否かを判定する。信号ＴＲＧが制御部２０１に入力された場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、処理はステップＳ３に進み、そうでない場合（ステップＳ２においてＮＯ）、ステップＳ２の処理が繰返される。
【００８４】
ステップＳ３において、制御部２０１は信号ＴＲＧに基づき、内部のレジスタに記憶される内容を設定する。そしてステップＳ３において制御部２０１は設定された発光モードがトリガ発光モードと連続発光モードとのいずれであるかを判定する。
【００８５】
発光モードがトリガ発光モードであれば、ステップＳ４において制御部２０１はトリガ発光処理を行なう。発光モードが連続発光モードであれば、ステップＳ５において制御部２０１は連続発光処理を行なう。以後はステップＳ４あるいはステップＳ５の処理が繰返される。
【００８６】
図１１は、図１０のトリガ発光処理および連続発光処理を説明するフローチャートである。
【００８７】
図１１および図４を参照して処理が開始されると、ステップＳ１１において、制御部２０１はＡＰＣ回路２０７に対してＨレベルの信号ＤＲを与える。ＡＰＣ回路２０７は投光部２０２に含まれるレーザダイオードに電流を印加する。これによりレーザダイオード（ＬＤ）の発光が開始する。
【００８８】
レーザダイオードの発光開始から所定の期間が経過すると、ステップＳ１２において制御部２０１はＬレベルの信号ＳＨＴを受光部２０３に与える。受光部２０３に含まれる２次元撮像素子の電子シャッタが開き、計測対象物体の撮像が開始される。
【００８９】
続いてステップＳ１３において制御部２０１は信号ＤＲをＬレベルに変化させる。これによりレーザダイオードの発光が終了する。続いてステップＳ１４において制御部２０１は信号ＳＨＴをＨレベルに変化させる。これにより２次元撮像素子の電子シャッタが閉じるので撮像が終了する。このようにトリガ発光モードでは開始指示に応じて照射指示と撮像指示とを１度ずつ出力する。
【００９０】
続いてステップＳ１５において、制御部２０１は受光信号（画像情報）を受光部２０３から取り出し、図１に示す信号処理部１に送り出す。信号処理部１（より特定的には制御部１０１）は受光信号に基づいて、変位の計測あるいは物体表面の形状の計測等の計測処理を実行する。
【００９１】
なお、連続発光モードの場合には制御部２０１は所定の周期で照射指示と撮像指示と交互に繰返して出力する。この場合には図１１において破線の矢印で示すように、ステップＳ１１〜Ｓ１５の処理が所定の周期で繰返される。
【００９２】
本実施形態に係る変位センサはトリガ発光モードを有するので、任意のタイミングで計測が可能になる。このため、たとえばトリガセンサをコンベア周辺に配置した製造ラインに本実施形態の変位センサを設置することで、コンベア上を流れる製品がトリガセンサの光軸を通過すると同時に、あるいは通過してから所定期間後にその製品の表面の所望の場所における段差、幅、および表面形状等を計測できる。これにより検査工程における検査精度を向上させることができる。
【００９３】
また、従来の変位センサは、発光モードとして連続発光モードのみを有していた。本実施形態に係る変位センサも連続発光モードを有する。よって従来の変位センサが設置された製造ラインを大幅に変更することなく、本実施形態に係る変位センサを新たに設置したり、従来の変位センサを本実施形態に係る変位センサに置き換えたりすることができる。
【００９４】
また、表面からの反射光量が大きい物体の表面の変位を計測するためには、２次元撮像素子の出力の飽和を防ぐ必要がある。このため、このような物体の表面の変位を計測するためには、物体の表面に一定強度の光ビームを短時間だけ照射しながら、撮像期間（シャッタ開放期間）を短くする必要がある。
【００９５】
本実施形態によれば、シャッタ開放期間を短くしてもシャッタ開放直後から安定した強度の光を計測対象物体に照射することが可能であるので、シャッタ開放期間（およびレーザダイオードの発光期間）を短くすることが可能になる。よって、本実施形態によれば上述したような物体の表面の変位を高精度で計測できる。
【００９６】
図１２は、本実施形態による効果を具体的に説明する図である。
図１２を参照して、２次元撮像素子のシャッタ開放期間（信号ＳＨＴがＬレベルの期間）は約３ｍｓである。また、８ｍｓ間隔で撮像が連続的に開始される。
【００９７】
たとえば回路基板上のはんだ等のように計測対象物体の表面が鏡面である場合（第１の例）、計測対象物体からの反射光の光量は大きくなる。この場合、レーザダイオードの発光期間はたとえば約１μｓに設定される。
【００９８】
たとえば計測対象物体が黒い布である場合（第２の例）、計測対象物体からの反射光の光量は小さくなる。この場合、レーザダイオードの発光期間はシャッタ開放期間と同じく約３ｍｓに設定される。
【００９９】
たとえば計測対象物体が白色セラミックチップ（たとえばチップ抵抗等）である場合、計測対象物体からの反射光の光量は上記の第１の例での光量と第２の例での光量との間の大きさとなる。この場合、たとえばレーザダイオードの発光期間はシャッタ開放期間の半分の長さである約１．５ｍｓに設定される。
【０１００】
レーザダイオードの発光期間は制御部２０１により制御される。従来であれば、第１の例のような物体に対しては表面の変位を高精度に計測できなかった。しかしながら本実施形態によれば、投光部２０２（レーザダイオード）は、光ビームをパルス光として照射する。制御部２０１は、計測対象物体５に応じてＡＰＣ回路２０７を制御して、受光部２０３における受光量、すなわち受光部２０３が受けた計測対象物体５の表面からの反射光の光量が所定の条件（たとえば撮像素子の出力が飽和しない範囲でノイズに対して十分な大きさとなるという条件）を満たすようにパルス光の照射時間を制御する。これにより本実施形態によれば表面からの反射光の光量が様々な物体を対象として物体表面の変位を計測できる。このように本実施形態によれば、変位センサのダイナミックレンジを拡大できる。
【０１０１】
なお、上述の説明では、投光部から照射される光ビームは計測対象領域表面において線状に広がる光ビームであるとした。ただし投光部から発せられる光ビームは、計測対象物体の表面をスポット状に照射してもよい。この場合には、光スポットが照射された位置における計測対象物体の表面の高さを計測することが可能になる。
【０１０２】
また、この場合には撮像素子は２次元撮像素子でもよいし１次元撮像素子でもよい。ただし１次元撮像素子の場合には、複数の受光画素の配置方向が撮像面において結像位置の変化する方向と同じとなるように１次元撮像素子が配置される必要がある。
【０１０３】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本実施形態の変位センサの信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。
【図２】センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。
【図３】図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。
【図４】センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。
【図５】センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。
【図６】センサヘッド部からの照射光と反射光を示した図である。
【図７】２次元撮像素子で反射光をラインビーム像として撮像した画像である。
【図８】信号処理部１の操作部蓋１４を開けた状態を示す図である。
【図９】本実施形態における変位センサの投光制御処理を説明する図である。
【図１０】本実施形態における変位センサのメインの動作フローを示すフローチャートである。
【図１１】図１０のトリガ発光処理および連続発光処理を説明するフローチャートである。
【図１２】実施形態による効果を具体的に説明する図である。
【図１３】従来の光学式変位センサにおける投光タイミングと撮像タイミングとの関係を説明する図である。
【図１４】従来の光学式変位センサにおいてシャッタ開放期間を短くしたときの課題を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１  信号処理部、２  センサヘッド部、５  計測対象物体、５Ｓ  ステージ、１０  外殻ケース、１４  操作部蓋、１５  表示部、１６  信号処理部間コネクタ蓋、１７  センサヘッド部接続用コネクタ、２０  センサヘッド本体部、２１  ケーブル、２７  信号処理部接続用コネクタ、５１  投光窓、５２  受光窓、１０１，２０１  制御部、１０２，２０５  記憶部、１０２ａ  ＥＥＰＲＯＭ、１０２ｂ  画像メモリ、１０３  表示部、１０３ａ  液晶表示部、１０３ｂ  表示灯ＬＥＤ、１０４，１０５，２０６  通信部、１０５ａ  ＵＳＢ通信部、１０５ｂ  シリアル通信部、１０５ｃ  信号処理部間通信部、１０６  キー入力部、１０７  外部入力部、１０８  出力部、１０９  電源部、１１０  パソコン、２０２  投光部、２０２ａ  レーザダイオード、２０２ｂ  スリット、２０２ｃ  投光レンズ、２０３  受光部、２０３ａ  ２次元ＣＣＤ、２０３ｂ  受光レンズ、２０４  表示灯ＬＥＤ、２０７  ＡＰＣ回路、７０１，７０２，７０４  表示灯、７０５  ファンクションキー、７０６  切替スイッチ、７０７  モード切替スイッチ、７０８  ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキー、７０９  十字キー、７１１  ＳＥＴキー、Ｌ１  スリット光、Ｌ２  反射光、ＬＭ  照射光像、Ｓ１〜Ｓ１５  ステップ。
【図１】
2008045926.tif 000003
【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】
2008045926.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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