(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単色平行光の光路内に位置付けられた被検出体によりフレネル回折を生じた光をラインセンサにて受光し、上記ラインセンサによる受光分布パターンを解析して前記被検出体のエッジ位置を検出するエッジ検出方法であって、
前記ラインセンサにおける各画素の出力をそれぞれ正規化処理して求められる正規化光量分布と、予め前記フレネル回折による光量分布パターンを近似して求めた近似式により示される各画素中心位置での光量との差の絶対値の総和を前記正規化光量分布と前記近似式との相関として求め、前記相関を、エッジ位置を示す基準位置を前記ラインセンサの画素幅の範囲内で微少量ずつずらした複数の前記近似式と前記正規化光量分布との間でそれぞれ計算し、相関値がピークとなるときの前記近似式での基準位置を前記被検出体のエッジ位置として検出することを特徴とするエッジ検出方法。
【請求項２】
前記相関演算は、前記正規化出力における光量が前記ラインセンサの全受光状態における出力を１．０とした場合に相対値で０.２５となる位置を含む所定の受光幅の前記正規化光量分布パターンについて、基準位置を異ならせた近似式の上記受光幅に該当する範囲に対して行われるものである請求項１に記載のエッジ検出方法。
【請求項３】
ラインセンサと、このラインセンサに向けて単色平行光を照射する光源と、上記単色平行光の光路内に位置付けられた被検出体により生じたフレネル回折による受光パターンを前記ラインセンサの出力として求め、この受光分布パターンを解析して前記被検出体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段とを具備したエッジ検出装置であって、
前記エッジ位置解析手段は、前記ラインセンサにおける各画素の出力をそれぞれ正規化して正規化光量分布を求める正規化手段と、
予め前記フレネル回折による光量分布パターンを近似して求めた近似式により示される各画素中心位置での光量と前記正規化光量分布との差の絶対値の総和を前記正規化光量分布と前記近似式との相関として計算する相関演算手段と、
エッジ位置を示す基準位置を前記ラインセンサの画素幅の範囲内で微少量ずつずらした複数の前記近似式と前記正規化光量分布との間で前記相関演算手段にてそれぞれ求められる相関値がピークとなるときの前記近似式での基準位置を前記被検出体のエッジ位置として検出する相関値判定手段と
を具備したことを特徴とするエッジ検出装置。
【請求項４】
前記相関演算手段は、前記正規化出力における光量が前記ラインセンサの全受光状態における出力を１．０とした場合に相対値で０.２５となる位置を含む所定の受光幅の前記正規化光量分布パターンについて、基準位置を異ならせた近似式の上記受光幅に該当する範囲に対して相関演算を実行するものである請求項３に記載のエッジ検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光路中に位置付けられた被検出体のエッジ位置を、上記被検出体によってフレネル回折を生じた光のラインセンサによる受光分布パターンから高精度に求めることのできるエッジ検出方法およびエッジ検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単色平行光の光路に被検出体が侵入した際、そのエッジ位置においてフレネル回折が生じる。そこで本出願人は、先に上記フレネル回折を生じた光をラインセンサにて受光し、その受光分布パターンを解析して上記被検出体のエッジ位置を高精度に検出することを提唱した（例えば特許文献１,２を参照）。ちなみにこのエッジ位置の検出手法は、フレネル回折を生じた光の受光分布パターンを正規化したとき、そのエッジ位置での光量が［０.２５］となることに着目している。そして光量が［０.２５］の近傍となる前記ラインセンサの少なくとも２つの画素の各受光量から、フレネル回折による光量分布パターンを近似した近似式（例えばハイパボリックセカンド関数）を用いた補間処理によって光量が［０.２５］となる位置を求め、これによって前記ラインセンサの画素配列ピッチを上回る検出精度で前記被検出体のエッジ位置を検出するものである。
【特許文献１】特開２００４−１７７３３５号公報
【特許文献２】特開２００４−２５７９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところでエッジ位置の検出精度を更に高めるべく、画素配列ピッチが細かくて画素数の多いラインセンサを用いることが考えられている。しかしこのようなセインセンサにあっては、画素面積の微小化に伴って雑音が多くなることが否めない。しかもラインセンサからの読み出し速度の高速化に伴って高速型のＡ／Ｄ変換器を用いることが必要となり、このＡ／Ｄ変換器における雑音の発生も問題となる。これ故、エッジ位置の検出精度を高めるにも限界がある。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、高解像度のラインセンサを用いる場合であっても、その解像度に見合った高い検出精度でエッジ位置を検出することのできるエッジ検出方法およびエッジ検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した目的を達成するべく本発明に係るエッジ検出方法は、単色平行光の光路内に位置付けられた被検出体によりフレネル回折を生じた光をラインセンサにて受光し、上記ラインセンサによる受光分布パターンを解析して前記被検出体のエッジ位置を検出するに際し、
前記ラインセンサにおける各画素の出力をそれぞれ正規化処理して求められる正規化光量分布と、予め前記フレネル回折による光量分布パターンを近似して求めた近似式により示される各画素中心位置での光量との差の絶対値の総和を前記正規化光量分布と前記近似式との相関として求め、前記相関を、エッジ位置を示す基準位置を前記ラインセンサの画素幅の範囲内で微少量ずつずらした複数の前記近似式と前記正規化光量分布との間でそれぞれ計算し、相関値がピークとなるときの前記近似式での基準位置を前記被検出体のエッジ位置として検出することを特徴としている。
【０００６】
即ち、フレネル回折による光量分布パターンを近似した近似式は、正規化出力における光量がラインセンサの全受光状態における出力を１．０とした場合に相対値で０.２５となるエッジ位置を基準位置として、その基準位置からの距離に応じた受光量の変化を示すものであるから、この近似式と前記ラインセンサにて求められた実測受光量パターンとの相関を上記近似式の基準位置を変えながら求めれば、実測受光量パターンにおけるエッジ位置が前記近似式の基準位置と一致したとき、その相関が最も強くなる。従って基準位置を変えながら求められる上記相関を評価することにより、基準位置のずれ量から被検出体のエッジ位置を正確に求めることが可能となる。
【０００７】
また本発明に係るエッジ検出装置は、ラインセンサと、このラインセンサに向けて単色平行光を照射する光源と、上記単色平行光の光路内に位置付けられた被検出体により生じたフレネル回折による受光パターンを前記ラインセンサの出力として求め、この受光分布パターンを解析して前記被検出体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段とを具備したものであって、前記エッジ位置解析手段として、
前記ラインセンサにおける各画素の出力をそれぞれ正規化して正規化光量分布を求める正規化手段と、
予め前記フレネル回折による光量分布パターンを近似して求めた近似式により示される各画素中心位置での光量と前記正規化光量分布との差の絶対値の総和を前記正規化光量分布と前記近似式との相関として計算する相関演算手段と、
エッジ位置を示す基準位置を前記ラインセンサの画素幅の範囲内で微少量ずつずらした複数の前記近似式と前記正規化光量分布との間で前記相関演算手段にてそれぞれ求められる相関値がピークとなるときの前記近似式での基準位置を前記被検出体のエッジ位置として検出する相関値判定手段と
を具備したことを特徴としている。
【０００８】
ちなみに前記相関演算は、例えば前記ラインセンサの各画素における正規化光量と前記フレネル回折による光量分布パターンの近似式により示される各画素位置での光量との差の絶対値の総和を計算することにより実行される。また前記相関演算については、正規化出力における光量がラインセンサの全受光状態における出力を１．０とした場合に相対値で０.２５となる位置を含む所定の受光幅の前記正規化光量分布パターンについて、基準位置を異ならせた近似式の上記受光幅に該当する範囲に対して行うようにすれば十分である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、実測光量分布パターンとフレネル回折パターンの近似式との相関を該近似式の基準位置をずらしながらそれぞれ計算し、その相関が最も強くなる位置を近似式の基準位置と実測光量分布パターンにおけるエッジ位置とが一致した状態であるとして検出するので、正規化出力における光量がラインセンサの全受光状態における出力を１．０とした場合に相対値で０.２５となる位置の近傍の数多くの画素での受光量を有効に活用してエッジ位置を高精度に検出することが可能となる。
【００１０】
この結果、ラインセンサの高解像度化に伴ってその出力にスパイク状のランダム雑音が含まれる場合であっても、その影響を最小限に抑えて被検出体のエッジ位置を高精度に検出することができる。しかも上述した実測光量分布パターンとフレネル回折パターンの近似式との相関に着目してエッジ位置を検出するので、容易にその検出精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るエッジ検出方法およびエッジ検出装置について説明する。
図１はエッジ検出装置に概略的な構成図であって、１はレーザ素子（ＬＤ）からなる光源であり、２は上記光源１から発せられた所定波長の単色光を平行光束として照射する照射レンズである。ラインセンサ３は、上記光源１に対峙させて上記単色平行光を受光するように設けられる。特にラインセンサ３は、上記光路中に位置付けられる被検出体４のエッジ位置を検出するべく、エッジ位置が変化する向き（図中ｘ方向）にその画素配列方向を合わせて設けられている。そしてラインセンサ３は、前記単色平行光の被検出体４のエッジにおいて生じたフレネル回折による光分布パターンを個々の画素による受光量の変化として検出するようになっている。
【００１２】
またマイクロプロセッサ等によって構成される検出装置本体５は、基本的には前記ラインセンサ３から読み出される受光信号をデジタル変換して取り込むＡ／Ｄ変換器５ａと、このＡ／Ｄ変換器５ａを介して取り込んだ受光信号を正規化する正規化処理手段５ｂとを備える。この正規化処理手段５ｂは、前記光路中に被検出体４が位置付けられない状態、つまり前記単色平行光の全受光状態における前記ラインセンサ３の出力を基準として、計測時におけるラインセンサ３の出力（受光信号）を、その最大値を［１.００］として正規化する役割を担う。この正規化処理によってラインセンサ３を構成する複数の画素の個体差が補正され、個々の画素での受光量が全画素に亘って相対値化される。
【００１３】
そしてこの検出装置本体５が特徴とするところは、上述した如く正規化処理した前記ラインセンサ３による受光分布パターン（実測光量分布）５ｃと、フレネル回折による光分布パターンを近似した近似式５ｄとの間で、該近似式の基準位置を少しずつ変化させながらその相関を求める相関演算手段５ｅを備えている点にある。そしてエッジ位置検出手段５ｆにおいては、上記相関が最大または最小となったときの前記近似式の基準位置から、前記被検出体４のエッジ位置を求めることを特徴としている。
【００１４】
即ち、複数の画素における受光量の変化として示される受光分布パターン５ｃそのものに着目し、前述した近似式５ｄの基準位置を少しずつ変化させて該近似式５ｄと受光分布パターン５ｃとの重なり具合（相関）を調べれば、例えば図２(ａ)に示すように両者のパターンが重なり合ったときにその相関が最も強くなり、図２(ｂ)に示すように両者のパターンにずれがある場合には、その相関が弱くなる。そして近似式５ｄと受光分布パターン５ｃとが重なり合い、その相関が最も強くなったとき、少しずつ変化させた近似式５ｄの基準位置（エッジ位置）が実測受光分布パターン５ｃによって示される被検出体４のエッジ位置に一致したと言える。
【００１５】
そこで本発明においては、特にフレネル回折によって生じた被検出体４のエッジ位置を含む受光パターンの立ち上がり部分に着目し、例えば図３に示すような手順に従って受光分布パターン（実測光量分布）５ｃと前記近似式５ｅとの相関を計算している。特に近似式５ｃの基準位置（エッジ位置）少しずつずらしながら上記相関をそれぞれ求め、これらの相関を相互に比較してその相関が最も強くなるときの条件（近似式５ｃの基準位置のずれ量）から被検出体４のエッジ位置を検出している。
【００１６】
具体的には前述した如く正規化したラインセンサ３の出力（正規化光量分布）から、光量が［０.２５］の近傍となる画素Ｙnを探し出し［ステップＳ１］、例えばこの画素Ｙnを中心として所定幅に亘る実測光量分布パターン５ｃを求める。そして上記画素Ｙnの中心位置を仮のエッジ位置（基準位置）とする前記フレネル回折の近似式５ｄを求めると共に、この近似式５ｄのエッジ位置（基準位置）を上記画素Ｙnの中心位置からΔｘずつ変化させる。そしてエッジ位置（基準位置）をΔｘずつ変化させた近似式５ｄと前記実測光量分布パターン５ｃとの間で、それぞれその相関Ｒ(Δｘ)を求める［ステップＳ２］。その上で前記近似式５ｄと前記実測光量分布パターン５ｃとの相関Ｒ(Δｘ)が最大となるときの上記近似式５ａの前記エッジ位置（基準位置）のずれ量Δｘを求め［ステップＳ３］、前記画素Ｙnの中心位置から上記ずれ量Δｘだけ変位した位置を被検出体４のエッジ位置として求める［ステップＳ４］。
【００１７】
尚、ラインセンサ３の受光面ｘでの光強度分布Ａ(ｘ)は、前述した特許文献１に詳しく紹介されるように、単色平行光の波長をλ、被検出体４のエッジから受光面ｘまでの距離をｚとしたとき次式で表される。
【００１８】
【数１】
0004726063.tif 000002
【００１９】
そして
ｐ＝（２／λｚ）１／２  ,  ｑ＝（π／λｚ）
としたとき、［ｘ＜π／１.９８ｐ］において前記光強度分布Ａ(ｘ)は、
Ａ(ｘ)＝１.３７・sech（１.９８ｐｘ−２.３８）
となる。また［ｘ≧π／１.９８ｐ］においては、前記光強度分布Ａ(ｘ)は次のようになる。
【００２０】
【数２】
0004726063.tif 000003
【００２１】
更にラインセンサ３の各画素はそれぞれ所定面積の受光面を持つので、その画素幅で積分したときの光量Ｂ(ｘ)は上記各式に示される光強度分布Ａ(ｘ)をそれぞれ積分することで次のようになる。
【００２２】
【数３】
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【００２３】
【数４】
0004726063.tif 000005
【００２４】
従って画素Ｙnにおける受光量Ａ(ｘｎ)は、該画素Ｙnの先頭位置をｘｎｓ、画素Ｙnの最終位置をｘｎｅとしたとき、その定積分を
Ａ(ｘｎ)＝Ｂ(ｘｎｓ)−Ｂ(ｘｎｅ)
として表すことができる。故に前述した相関Ｒ(Δｘ)については、例えばＡaveをフレネル回折のパターンを近似した近似式にて示される受光データの平均、Ｙave測定データの平均とし、σＡを上記受光データの分散、σＹを測定データの分散としたとき、次のように計算するようにすれば良い。
【００２５】
【数５】
0004726063.tif 000006
【００２６】
そしてこのような相関計算により求められる相関値は、実測光量分布パターン５ｃと前記フレネル回折の近似式５ｄとのずれ量Δｘに応じて、例えば図４に実線で示すように変化する。従って前述したように相関値が最大となるときの近似式５ｄの基準位置からのずれ量Δｘを求めれば、このずれ量Δｘは画素Ｙnの中心位置からのずれを示すことになるので、これによって被検出体４のエッジ位置を正確に検出することが可能となる。
【００２７】
ところで上述したずれ量に応じた相関値は略放物線状の変化を示すので、実際的にはその最大値を見出すことが困難である。従って、例えば実測光量分布パターン５ｃと前記フレネル回折の近似式５ｄとの差の絶対値の総和に着目し、この差の絶対値の総和ＳＡＤ(Δｘ)を上記実測光量分布パターン５ｃと前記フレネル回折の近似式５ｄとの相関として求めるようにしても良い。ちなみに上記差の絶対値の総和ＳＡＤ(Δｘ)は、次のように与えられる。
【００２８】
【数６】
0004726063.tif 000007
【００２９】
このような差の絶対値の総和ＳＡＤ(Δｘ)により示される相関を求めれば、画素Ｙnの中心位置からのずれ量に応じてその相関値ＳＡＤ(Δｘ)は、図３に一点鎖線で示すようにＶ字状の変化特性を示すので、その最小値としてエッジ位置を検出することが容易となる。ちなみにこのような相関演算よるエッジ検出については、例えば図４に示す手順に従って実行するようにすれば良い。
【００３０】
即ち、正規化したラインセンサ３の出力（正規化光量分布）から、光量が［０.２５］の近傍となる画素Ｙnを探し出し、例えばこの画素Ｙnを中心とする±１５画素を抽出する［ステップＳ１１］。そして被検出体４のエッジと受光面との距離ｚに応じて、そのフレネル回折の受光分布パターン（近似式）と実測データとの間で前述した差の絶対値の総和ＳＡＤ(Δｘ)を計算する［ステップＳ１２］。そして上記ＳＡＤ相関におけるずれ量Δｘの範囲を画素幅として、ＳＡＤ相関をそれぞれ計算する［ステップＳ１３］。その上で前記近似式５ｄと前記実測光量分布パターン５ｃとの相関ＳＡＤ(Δｘ)が最小となるときの上記近似式５ａの前記エッジ位置（基準位置）のずれ量Δｘを求め［ステップＳ１４］、前記画素Ｙnの中心位置から上記ずれ量Δｘだけ変位した位置を被検出体４のエッジ位置として求めるようにすれば良い［ステップＳ１５］。
【００３１】
上述したようにフレネル回折による光分布パターンを近似した近似式５ｄと、ラインセンサ３の出力として求められる計測受光パターン５ｃとの相関に着目し、特に上記近似式５ｄの基準位置を微少量Δｘずつずらしながら計測受光パターン５ｃとの相関を計算し、その相関が最も強くなるときに上記ずれ量Δｘから被検出体４のエッジ位置を検出する本発明によれば、ラインセンサ３における複数の画素での受光量の情報を有効に活用してエッジ検出を行い得るので、その検出精度を十分に高めることができる。
【００３２】
尚、上述した手法を採用してエッジ検出を行う場合、フレネル回折による光分布パターンを正確に求めておくことが必要である。従って予め被検出体４のエッジとラインセンサ３の受光面との距離ｚを計測しておくことが必要となる。しかしフレネル回折の立ち上がり部分での特性はラインセンサ３の出力から近似することができるので、予めそのキャリブレーション時に複数回に亘ってその光量分布を測定し、その平均値として求めるようにしても良い。或いは被検出体４のエッジとラインセンサ３の受光面との距離ｚが未知である場合には、例えば特許文献２に紹介されるように、ラインセンサ３における２点の光量差からの上記距離ｚを下記の演算式に従って求めるようにしても良い。
【００３３】
【数７】
0004726063.tif 000008
【００３４】
また相関演算の範囲については、フレネル回折の光分布パターンにおける立ち上がり部分について行えば十分である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るエッジ検出方法およびエッジ検出装置を説明する為の概略構成図。
【図２】本発明の相関を用いたエッジ検出の概念を示す図。
【図３】相関演算によるエッジ検出の処理手順を示す図。
【図４】ずれ量に対する相関値の変化を示す図。
【図５】差の絶対値の総和に着目した相関演算によるエッジ検出の処理手順を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１  光源
２  レンズ
３  ラインセンサ
４  被検出体
５  検出装置本体
５ａ  Ａ／Ｄ変換器
５ｂ  正規化処理手段
５ｃ  受光分布パターン（実測光量分布）
５ｄ  近似式
５ｅ  相関演算手段
５ｆ  エッジ検出手段
【図１】
0004726063.tif 000009
【図２】
0004726063.tif 000010
【図３】
0004726063.tif 000011
【図４】
0004726063.tif 000012
【図５】
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