(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に光を投光する投光手段と、
前記投光手段により投光され、前記測定対象物による反射光を受光する複数の画素からな
る１次元イメージセンサと、
前記１次元イメージセンサの奇数番目の画素の受光量を順に出力する第１の出力手段と、
前記１次元イメージセンサの偶数番目の画素の受光量を順に出力する第２の出力手段と、
前記第１の出力手段により出力された前記奇数番目の画素の受光量を増幅する第１の増幅
手段と、
前記第２の出力手段により出力された前記偶数番目の画素の受光量を増幅する第２の増幅
手段と、
前記第１の増幅手段により増幅された前記奇数番目の各画素の受光量に基づいて形成され
た受光波形から前記反射光の第１のスポット位置を検出する第１の検出手段と、
前記第２の増幅手段により増幅された前記偶数番目の各画素の受光量に基づいて形成され
た受光波形から前記反射光の第２のスポット位置を検出する第２の検出手段と、
前記第１の検出手段及び第２の検出手段により検出された第１及び第２のスポット位置に
基づいて、前記測定対象物までの距離又は変位を計測する計測手段とを備えることを特徴
とする光学式変位計。
【請求項２】
前記第１の検出手段及び第２の検出手段により検出された前記反射光の第１及び第２のス
ポット位置の中点位置を算出する算出手段を更に備え、
前記計測手段は前記算出手段により算出された中点位置に基いて前記測定対象物までの距
離又は変位を計測することを特徴とする請求項１に記載の光学式変位計。
【請求項３】
前記第１の検出手段及び第２の検出手段は、前記奇数番目の画素の受光波形及び前記偶数
番目の画素の受光波形から、画素単位よりも小さい単位で前記反射光のスポット位置を検
出することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式変位計。
【請求項４】
前記奇数番目の画素と、前記偶数番目の画素を、異なるシャッター信号に基づいて、独立して露光時間の長さ及び露光するタイミングを制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学式変位計。
【請求項５】
前記１次元イメージセンサを構成する画素のうち、受光量を前記第１の出力手段及び第２の出力手段に出力させる画素を指定するための撮影エリア指定手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学式変位計。
【請求項６】
前記第１の検出手段及び第２の検出手段は、前記第１の増幅手段及び第２の増幅手段により増幅された各画素の受光量に基づいて形成された受光波形に近似曲線をそれぞれフィッティングすることにより、前記第１のスポット位置及び第２のスポット位置を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学式変位計。
【請求項７】
前記第１の検出手段及び第２の検出手段は、受光量の大きい順に複数のプロット点を抽出し、前記近似曲線の生成に用いる該プロット点を限定することにより、前記近似曲線の生成にかかる時間を短縮することを特徴とする請求項６に記載の光学式変位計。
【請求項８】
前記第１の検出手段及び第２の検出手段は、予め定められたしきい値以上の受光量を示す前記プロット点のみを抽出し、抽出されたプロット点の受光量分布に従って前記近似曲線を生成することを特徴とする請求項７に記載の光学式変位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式変位計に係り、さらに詳しくは、測定対象物からの反射光を１次元イメージセンサで受光し、測定対象物までの距離又は変位を測定するための光学式変位計の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式変位計は、投光レンズを介して検出光を測定対象物へ照射し、その反射光を受光レンズを介して光センサに集光し、測定対象物までの距離又は変位を計測する装置である。測定対象物までの距離は、投光レンズ及び受光レンズの光軸を交差させ、光センサの受光面上に形成された集光スポットの位置を検出することにより、三角測距法の原理を利用して求められる。従来の光学式変位計は、光センサとしてＰＳＤ素子（Position Sensitive Detector）を採用するものが多かったが、最近では、多数の画素を１次元配列させた１次元イメージセンサを採用しているものもある。
【０００３】
ＰＳＤ素子は、受光量に応じた電圧を発生する材料で形成された受光面を有し、その両端の電位を計測することによって、受光面上における集光スポットの重心を求める光センサである。このため、ＰＳＤ素子では受光量分布を取得することができず、受光面上に理想的な集光スポットが形成されていない場合、例えば、受光面上に2以上の集光スポットが形成されていたり、裾野が非対称に広がるような集光スポットが形成されているような場合には、受光量のピーク位置を高い精度で検出することができないという問題があった。
【０００４】
これに対し、１次元イメージセンサは、その受光面が多数の画素で構成され、各画素毎の受光量を検出することができるため、受光面上における受光量分布を取得することができる。従って、上述したような理想的でない集光スポットが形成されている場合であっても、受光面上における受光量のピーク位置を高い精度で検出することができる。
【０００５】
しかしながら、１次元イメージセンサは、ＰＳＤ素子に比べて応答速度が遅いという問題がある。この種の光センサは、多数の画素からの受光量を１つの出力ポートから読み出す必要があり、この読み出し時間が受光時間に比べて長く、１回の検出サイクルが長くなってしまう。このため、応答速度が要求される用途には使用することができないという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような1次元イメージセンサの応答速度を向上させるために、1次元イメージセンサを構成する画素を２つの区分に分割し、分割された各画素群毎に、露光期間中に蓄積した電気信号の積分値を受光量として異なる出力ポートに並行して出力させる構成が考えられる。このような構成によれば、従来の1次元イメージセンサに比べて読み出し時間を半分に短縮することが可能となる。
【０００７】
上述した構成によれば、２つの出力ポートのそれぞれに出力された１次元イメージセンサの各画素の受光量がそれぞれ独立して増幅されてから、デジタル値に変換され、２つの受光量分布が得られる。その後、１次元イメージセンサの本来の測定分解能による測定を行う為に、２つの出力ポートのそれぞれから得られた受光量分布を合成して、１つの受光波形を形成し、この受光波形のピーク位置又は重心位置が検出される。
【０００８】
一般に増幅回路はゲインとオフセット量に個体ばらつきがある。そのため、２つの出力ポートから得られた受光量分布はそれぞれ異なるゲイン及びオフセット量を持つ増幅回路により処理されることになる。異なる増幅回路により処理された２つの受光量分布を合成し、合成受光量分布を生成すると、２つの画素区分の接続位置において受光量の段差が生じてしまう。このような合成受光量分布からは、測定対象物までの距離を示す受光量のピーク位置又は重心位置を正確に検出することができない。すなわち、１次元イメージセンサを構成する各画素を２つの画素群に分割し、各々の画素群の受光量をそれぞれ異なる出力ポートから並行して出力させることで読出しにかかる時間が半分に短縮される反面、最終的に得られる受光量分布が２つの増幅回路のゲインとオフセット量の個体ばらつきの影響を受けてしまうことにより測定精度が悪化してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、測定精度を低下させることなく、読出し速度を向上させた光学式変位計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による光学式変位計の第１の構成は、測定対象物に光を投光する投光手段と、１列に配列した複数の画素で構成され、複数の画素のそれぞれが測定対象物からの反射光の受光量に応じた電気信号を蓄積する１次元イメージセンサと、１次元イメージセンサの奇数画素に蓄積した電気信号を順に出力する第１の出力手段と、１次元イメージセンサの偶数画素に蓄積した電気信号を順に出力する第２の出力手段と、第１の出力手段の出力値に基いて、奇数画素の各画素の受光量により形成された受光波形のピーク位置又は重心位置を検出する第１の検出手段と、第２の出力手段の出力値に基いて、偶数画素の各画素の受光量により形成された受光波形のピーク位置又は重心位置を検出する第２の検出手段と、第１の検出手段及び第２の検出手段により検出されたピーク位置又は重心位置に基づいて、測定対象物までの距離又は変位を計測する計測手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、奇数画素の受光量分布と偶数画素の受光量分布がそれぞれ異なる出力手段から従来の半分の読出し時間で出力される。一般に、測定対象物までの距離を示す反射光のスポットはある程度の広がりを有しており、複数の画素に跨る山形状となる。したがって、奇数、偶数という区分で分けられた２つの受光量分布にはそれぞれ測定対象物までの距離を示す受光量のスポット位置が、例えば受光量のピーク位置や重心位置として、互いに近傍の位置に検出される。本発明では、この検出された２つのスポット位置に基づいて、測定対象物までの距離を計測するようにした為、２つの増幅回路のゲインやオフセット量の個体差の影響を一切受けずに、精度の高い測定を行うことが可能となる。
【００１２】
本発明による光学式変位計の第２の構成は、上記第１の構成における一実施形態を示すものであり、上記第１の検出手段及び第２の検出手段により検出されたピーク位置又は重心位置の中点位置を算出する算出手段を更に備え、上記計測手段は上記算出手段により算出された中点位置に基いて測定対象物までの距離又は変位を計測することを特徴とする。
【００１３】
本発明による光学式変位計の第３の構成は、上記第１の構成における一実施形態を示すものであり、上記第１の検出手段及び第２の検出手段は、奇数画素の受光波形及び偶数画素の受光波形から、画素単位よりも小さい単位でピーク位置又は重心位置を検出することを特徴とする。
【００１４】
本発明による光学式変位計の第４の構成は、測定対象物に光を投光する投光手段と、それぞれ複数の画素からなる第１画素群及び第２画素群が一列に配列し、前記第１画素群及び第２画素群を構成する各画素が前記測定対象物からの反射光の受光量に応じた電気信号を蓄積する１次元イメージセンサと、前記第１画素群に蓄積した電気信号を順に出力する第１の出力手段と、前記第２画素群に蓄積した電気信号を順に出力する第２の出力手段と、前記第１の出力手段の出力値を増幅する第１の増幅手段と、前記第２の出力手段の出力値を増幅する第２の増幅手段と、前記第１の増幅手段及び第２の増幅手段により増幅された出力値の少なくとも一方を補正することにより、前記第１の増幅手段と第２の増幅手段のオフセット量及び／又はゲインの個体ばらつきを補正する補正手段と、前記補正手段により少なくとも一方が補正された前記第１の増幅手段の出力値に基づく前記第１画素群の受光量分布と、前記第２の増幅手段の出力値に基づく前記第２画素群の受光量分布を合成する合成手段と、前記合成手段により合成された受光量分布から形成される受光波形のピーク位置又は重心位置を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたピーク位置又は重心位置に基づいて、前記測定対象物までの距離又は変位を計測する計測手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
このような構成によれば、まず１次元イメージセンサを構成する各画素を２つの画素群に分割し、各画素群毎に蓄積した電気信号を異なる出力ポートに出力させるように構成した為、２つの受光量分布が従来の半分の読出し時間で得られる。本発明では、２つの増幅手段のオフセット量やゲインの個体ばらつきを補正する補正手段を備えており、少なくとも奇数画素の受光量分布と偶数画素の受光量分布の一方が補正された後に、２つの受光量分布が合成される。この合成された受光量分布から形成される受光波形から、受光量のピーク位置又は重心位置を検出するようにした為、２つの増幅回路のゲインやオフセット量の個体差の影響を受けずに、精度の高い測定を行うことが可能となる。
【００１６】
本発明による光学式変位計の第５の構成は、上記第２の構成の一実施形態を示すものであり、上記検出手段が画素単位よりも細かい単位で前記ピーク位置及び重心位置を検出することを特徴とする。
【００１７】
本発明による光学式変位計の第６の構成は、上記第２の構成の一実施形態を示すものであり、上記第１画素群は、1次元イメージセンサの一端部から数えて奇数番目に位置する奇数画素で構成され、第２画素群は、１次元イメージセンサの一端部から数えて偶数番目に位置する偶数画素で構成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明による光学式変位計の第７の構成は、上記補正手段が、第１の出力手段及び第２の出力手段から出力される出力値に各々対応した互いに異なる補正値に基づいて補正を行うことを特徴とする。
【００１９】
本発明による光学式変位計の第８の構成は、上記補正手段は、１次元イメージセンサを構成する各画素の各々に対応した異なる補正値に基づいて補正を行うことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
図１は、本発明による光学式変位計の一構成例を示した図である。この光学式変位計１は、測定対象物２へ検出光を照射し、その反射光を検出することによって、測定対象物２までの距離を求める計測装置であり、例えば、ＦＡ（Factory Automation）システムを構成する計測装置として、測定対象物の位置を検出し、プログラマブルコントローラへ出力する用途に使用される。
【００２１】
投光部１０は、測定対象物２へ照射するための検出光を生成する発光手段であり、例えば、レーザダイオード及びその駆動回路によって構成される。投光レンズ１１は、投光部１０で生成された検出光を測定対象物２の表面に集光させる光学レンズである。
【００２２】
１次元イメージセンサ２０は、受光面を形成する１次元に配列した多数の画素からなり、光センサチップ１３内部に配置されている。光センサチップ１３には、１次元イメージセンサ２０と、この１次元イメージセンサ２０の動作制御や受光量出力を行うための周辺回路とが形成されている。測定対象物２から反射した光は受光レンズ１２によって、光センサチップ１３内部の１次元イメージセンサ２０の受光面上に集光される。
【００２３】
受光レンズ１２によって１次元イメージセンサ２０上に集光された反射光のスポット位置は、投光部１０から測定対象物２までの距離に応じて移動する。画素の配列方向をこの移動方向に一致させておくことにより、反射光のスポット位置を１次元イメージセンサ２０上における受光量分布に基づいて形成される受光波形のピーク位置として検出し、測定対象物２までの距離を求めることができる。従って、変位計の距離測定精度を向上させるためには、上述した受光波形のピーク位置の検出精度を向上させる必要がある。
【００２４】
本実施の形態における光センサチップ１３は、１次元イメージセンサ２０を構成する奇数画素２０ａと偶数画素２０ｂがそれぞれ受光した受光量に相当する電気信号を異なる出力ポートＰ１及びＰ２に出力するよう構成されている。詳細については後述するが、２つの出力ポートＰ１及びＰ２から奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂの受光量を並行して読み出すことによって、従来の光センサチップ１３に比べて半分の時間で、全ての画素の受光量を読み出すことができる。
【００２５】
１次元イメージセンサ２０を構成する奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂは、異なるシャッター信号ＳＴａ、ＳＴｂに基づいて、独立して露光時間の長さや露光するタイミングを制御することができる。奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂの露光時間や露光タイミングを個別に制御することで、投受光条件決定の為のフィードバック制御を高速に行うことが可能になる。
【００２６】
撮影エリア指定部１４は、読み出し速度を更に向上させる為に、１次元イメージセンサ２０を構成する画素のうち、一部のエリアの画素の受光量のみを出力させる場合に、出力ポートＰ１、Ｐ２から受光量を出力させる画素を指定する手段であり、１次元イメージセンサ２０内の任意のエリアの画素を指定することができる。この撮影エリア指定部１４は、受光量を出力させる画素を指定するためのエリア指定信号を生成し、光センサチップ１３へ出力している。なお、本実施の形態では、撮影エリア指定部１４により全てのエリアを指定し、１次元イメージセンサ２０の全ての画素から受光量を出力させた場合の動作について説明する。
【００２７】
奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂの受光量は、それぞれ出力ポートＰ１、Ｐ２から時系列的に順に出力され、それぞれ増幅回路１５ａ、１５ｂにおいて増幅が行われた後、Ａ／Ｄ変換回路１６ａ，１６ｂにおいてデジタルデータに変換され、投受光条件演算部１７及び測距演算部１８に入力される。
【００２８】
１次元イメージセンサ２０上における受光量のピーク位置を検出するためには、受光量が小さすぎたり、あるいは、飽和していない適切なレベルになっていることが必要となる。しかしながら、一般に、１次元イメージセンサ２０の各画素における受光量は、測定対象物２の表面状態、測定対象物２までの距離、その他の周辺環境に応じて変化する。このため、投受光条件演算部１７は奇数画素２０ａ、偶数画素２０ｂの受光量が入力される度に受光量が適切なレベルになるように、投受光条件を決定し、この投受光条件を投受光制御部１９に出力する。投受光制御部１９は投光部１０の明るさを制御する発光制御部３２、１次元イメージセンサ２０の露光時間を制御するシャッター制御部３１、増幅回路１５ａ、１５ｂのゲイン（増幅率）を制御するゲイン制御部３０とからなり、投受光条件演算部１７により決定された投受光条件に基づいてそれらを制御する。
【００２９】
測距演算部１８は、測定対象物２までの距離を求める測距手段である。詳細については後述するが、測距演算部１８は光センサチップ１３から出力される奇数画素２０ａの受光量分布と偶数画素２０ｂの受光量分布に基づいて、測定対象物２までの距離を求めている。
【００３０】
図２は、図１の光センサチップ１３内の一構成例を示したブロック図である。この光センサチップ１３は、１次元イメージセンサ２０、２つのシリアル出力部２１ａ、２１ｂ、露光制御部２２及び出力エリア制御部２３により構成される。
【００３１】
シリアル出力部２１ａ、２１ｂは、１次元イメージセンサ２０から受光量を読み出すための読出回路であり、多数の画素の受光量が同時に入力され、これらの受光量を時系列的に順に出力させるためのシフトレジスタからなる。シリアル出力部２１ａは、各奇数画素２０ａの受光量が入力され、これらの受光量を出力ポートＰ１へ順に出力する。同様にして、シリアル出力部２１ｂは、各偶数画素２０ｂの受光量が入力され、これらの受光量を出力ポートＰ２へ順に出力する。このような構成により、奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂの受光量は、互いに独立して読み出すことができ、また同時に読み出すことも可能である。
【００３２】
露光制御部２２は、シャッター制御部３１からのシャッター信号に基づいて、１次元イメージセンサ２０の露光時間の制御を行っている。シャッター制御部３１では、奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂ用のシャッター信号ＳＴａ、ＳＴｂがそれぞれ生成されており、露光制御部２２は、シャッター信号ＳＴａに基づいて奇数画素２０ａの露光時間の制御を行い、シャッター信号ＳＴｂに基づいて偶数画素２０ｂの露光時間の制御を行っている。従って、奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂの露光制御を互いに独立して行うことができる。
【００３３】
出力エリア制御部２３は、撮像エリア指定部１４からのエリア指定信号に基づいて、出力ポートＰ１及びＰ２のそれぞれに受光量を読み出すべき画素の受光量を順に出力するように制御している。
【００３４】
図３は、図２の１次元イメージセンサ２０及びシリアル出力部２１ａ、２１ｂの詳細構成例を示したブロック図である。図３に示すように、１次元イメージセンサ２０の奇数画素２０ａで検出された受光量はシリアル出力部２１ａへ出力され、偶数画素２０ｂで検出された受光量はシリアル出力部２１ｂへ出力されるように構成されている。
【００３５】
シリアル出力部２１ａは、多数のレジスタａ１〜ａ１２８によって構成されるシフトレジスタであり、各レジスタａ１〜ａ１２８は奇数画素２０ａのそれぞれの画素に対応している。また、各奇数画素２０ａの受光量は露光終了時にシリアル出力部内の対応するレジスタａ１〜ａ１２８へ同時に書き込まれ、その後、レジスタａ１〜ａ１２８間で受光量を一方向に移動させていくことにより、全ての受光量が出力ポートＰ１から順に出力される。同様に、シリアル出力部２１ｂも、多数のレジスタｂ１〜ｂ１２８によって構成されるシフトレジスタであり、各レジスタｂ１〜ｂ１２８が偶数画素２０ｂの各画素に対応している。
【００３６】
以上のように構成された光センサチップ１３の受光量の読出し動作を図４に従って説明する。図４は、光センサチップ１３からの受光量の読出し動作の一例を示したタイミングチャートであり、図中の（ａ）はクロック信号、（ｂ）はシャッター信号ＳＴａ及びＳＴｂ、（ｃ）は出力ポートＰ１からの出力データ、（ｄ）は出力ポートＰ２からの出力データである。また、（ｅ）には、比較例として、従来の光センサチップ１３において出力ポートから出力されるデータが示されている。シャッター信号ＳＴａ、ＳＴｂはそれぞれ奇数画素２０ａ、偶数画素２０ｂの露光時間を制御するための信号であり、ハイレベルの期間において奇数画素２０ａ、偶数画素２０ｂの露光を行い、ローレベルになると露光を終了する。
【００３７】
光センサチップ１３は、シャッター信号ＳＴａ及びＳＴｂがローレベルになると、クロック信号に同期して各画素の受光量を順に出力する。このとき、奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂの受光量は、出力ポートＰ１及びＰ２からそれぞれ同時に出力される。ここでは、１次元イメージセンサ２０が２５６個の画素で構成されているものとし、図中の（ｃ）~（ｅ）に記載された数値は、各受光量が何番目の画素によって検出された値であるのかを示している。
【００３８】
出力ポートＰ１からは１、３、５、‥、２５３、２５５番目の奇数画素２０ａの受光量が順に出力され、出力ポートＰ２からは２、４、６、‥、２５４、２５６番目の偶数画素２０ｂの受光量が順に出力されている。一方、図中の（ｅ）に示した通り、従来の光センサチップ１３では、全ての受光量が１つのシフトレジスタから順に出力されるため、同一の出力ポートから２５６個の受光量が順に出力される。従って、本実施の形態による光センサチップ１３では、２つの出力ポートＰ１及びＰ２から受光量を並行して出力させることによって、従来の光センサチップ１３に比べて半分の時間で、全ての受光量を読み出すことができる。
【００３９】
このようにして１次元イメージセンサ２０から読み出された奇数画素２０ａ及び偶数画素２０ｂの受光量は、それぞれ時系列的に増幅回路１５ａ、１５ｂによって増幅され、Ａ／Ｄ変換回路１６ａ、１６ｂによってデジタル値に変換された後に測距演算部１８に個別に入力される。
【００４０】
図５は、測距演算部１８に入力される奇数画素２０ａの受光量分布と、偶数画素２０ｂの受光量分布を模式的に示した図である。同図の黒丸のプロット点は奇数画素２０ａの受光量、白抜きのプロット点は偶数画素２０ｂの受光量を示している。横軸は１次元イメージセンサ２０上での画素位置を示し、縦軸は各画素位置における受光量を示している。また、図６は１次元イメージセンサ２０上における実際の輝度分布の例を比較例として示したものである。図６に示すように、１次元イメージセンサ２０上の実際の輝度分布は、集光スポットの中心で最も輝度が高くなり、中心から離れるに従い滑らかに輝度が小さくなるように分布する。
【００４１】
上述したように、一般に増幅回路にはゲインとオフセット量に個体ばらつきがある。したがって、図５に示すように奇数画素２０ａと偶数画素２０ｂの２つの受光量分布はその個体ばらつきの影響を受けて、互いに異なる形状の受光量分布となる。図５の例では、増幅回路１５ａのオフセット量が増幅回路１５ｂのオフセット量よりも大きく、増幅回路１５ｂのゲインが増幅回路１５ａのゲインよりも大きい場合の例を示している。したがって、奇数画素２０ａの受光量分布は偶数画素２０ｂの受光量分布よりも全体的に受光量の大きい方向にシフトしている一方、偶数画素２０ｂの受光量が最も大きくなるピーク位置の受光量は、奇数画素２０ａのピーク位置の受光量よりも大きくなっている。
【００４２】
１次元イメージセンサ２０の本来の測定分解能で測定を行うために、このような奇数画素２０ａの受光量分布と偶数画素２０ｂの受光量分布を合成すると、図５の一点鎖線に示すような凸凹な合成受光量分布となってしまう。このことからも分かるように、奇数画素２０ａと偶数画素２０ｂに分割し、異なる増幅回路により処理された２つの受光量分布を合成しても、増幅回路の個体ばらつきが原因で図６に示す凸凹の無い実際の輝度分布を再現することはできない。当然のことながら、このような凸凹のある合成受光量分布からは精度良く受光量のピーク位置を検出することはできない。
【００４３】
そこで、本実施の形態では、奇数画素２０ａの受光量分布と偶数画素２０ｂの受光量分布を合成するのではなく、２つの受光量分布の各々から受光量のピークとなる画素位置を検出し、検出された２つの画素位置に基づいて、測定対象物２までの距離を計測するようにしている。奇数画素２０ａ、偶数画素２０ｂという区分で１次元イメージセンサ２０を分割すると、得られた２つの受光量分布にはそれぞれ測定対象物２までの距離を示す受光量のピークが出現する。この２つの受光量分布のピークとなる画素位置は、増幅回路１５ａ、１５ｂのオフセット量やゲインが変化しても位置が変わらない為、増幅回路１５ａ、１５ｂのオフセット量やゲインに個体ばらつきがあったとしても、これら２つの受光量のピークとなる画素位置は理論上はほぼ一致する。したがって、奇数画素２０ａの受光量分布のピークとなる画素位置と偶数画素２０ｂの受光量分布のピークとなる画素位置の中点位置を算出し、算出された中点位置に基づいて測定対象物２までの距離を計測するようにすれば、２つの受光量分布を合成する必要が無いので上述した増幅回路１５ａ、１５ｂの個体ばらつきに起因する問題が発生しない上、理論上一致する２つの受光量分布のピークとなる画素位置の中点を取ることにより、ピーク検出精度のばらつきが軽減され、安定した測定が可能となる。
【００４４】
以下、測距演算部１８の詳細な構成について説明する。図７は測距演算部１８の構成を示すブロック図である。測距演算部１８はピーク検出部４１ａ、ピーク検出部４１ｂ、中点算出部４２、距離計測部４３により構成されている。ピーク検出部４１ａは出力ポートＰ１から出力され、増幅回路１５ａにより増幅された奇数画素２０ａの受光量分布に基づいて受光量のピークとなる画素位置Ｆ１を検出する。同様にして、ピーク検出部４１ｂは出力ポートＰ２から出力され、増幅回路１５ｂにより増幅された偶数画素２０ｂの受光量分布に基づいて受光量のピークとなる画素位置Ｆ２を検出する。
【００４５】
ピーク検出部４１ａは奇数画素２０ａの受光量分布に近似曲線をフィッティングすることにより奇数画素の受光波形Ｗ１を生成する。同様にしてピーク検出部４１ｂは偶数画素２０ｂの受光量分布に近似曲線をフィッティングすることにより偶数画素の受光波形Ｗ２を生成する。なお、近似曲線としてはガウス曲線、二次曲線などを求める精度や応答性によって適宜採用することができるが、本実施の形態では二次曲線を近似曲線として採用している。
【００４６】
図８は受光波形Ｗ１と受光波形Ｗ２を拡大したイメージ図である。ピーク検出部４１ａ、４１ｂはそれぞれ奇数画素２０ａの受光波形Ｗ１のピークとなる画素位置Ｆ１と、偶数画素２０ｂの受光波形Ｗ２のピークとなる画素位置Ｆ２を画素単位よりも小さなサブピクセル単位で検出する。上述したように画素位置Ｆ１、Ｆ２は増幅回路のオフセット量やゲインのばらつきの影響を受けて位置が移動することがないため、２つの画素位置Ｆ１とＦ２は理論上は一致する。したがって、増幅回路１５ａ、１５ｂに個体ばらつきがあったとしても検出される２つの画素位置Ｆ１とＦ２は共に、僅かな誤差の範囲内に検出される。
【００４７】
中点算出部４２は互いに近傍の位置に検出される２つの画素位置Ｆ１、Ｆ２の中点Ｍとなる画素位置を算出する。距離計測部４３はこの時算出された中点Ｍを測定対象物２までの距離に変換して出力する。２つのピーク位置Ｆ１とＦ２の中点Ｍを算出し、最終的にはこの中点Ｍに基づいて測定対象物２までの距離を計測するようにしたことで、上述した２つのピーク検出部４１ａ、４１ｂのピーク検出精度のバラツキを軽減し、安定した測定が可能となる。
【００４８】
なお、近似曲線のフィッティングは受光量がピークとなる画素位置をサブピクセル単位で検出することが目的である。したがって、近似曲線は全ての画素の受光量に基づいて生成される必要はない。例えば、予め定められたあるしきい値以上の受光量を示すプロット点のみを抽出し、抽出されたプロット点の受光量分布に従って近似曲線を生成してもよい。又は、受光量の大きい順に複数のプロット点を抽出し、抽出されたプロット点の受光量分布に従って近似曲線を生成するようにしてもよい。この場合にはプロット点は生成する近似曲線の種類によって、必要な点数だけ抽出されればよい。例えば、生成する近似曲線が二次曲線又はガウス曲線の場合は最低でも３点を抽出する必要がある。このように近似曲線の生成に用いるプロット点を限定することで、近似曲線の生成にかかる時間を短縮することができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、受光量のピーク位置をサブピクセル単位で検出するようにしたが、処理の簡素化が求められる場合には単純に受光量が最大となるピーク位置をピクセル単位で検出するようにしてもよい。また、本実施の形態では各画素の受光量が最大となるピーク位置を検出するようにしたが、受光量分布の各プロット点から重心位置を検出するようにしてもよい。上記の場合には近似曲線のフィッティングは必ずしも必要としない。
【００５０】
更に、本実施の形態ではピーク検出部４１ａ、４１ｂにより検出されたピーク位置の中点となる画素位置を算出するようにしたが、必ずしも中点である必要は無く、受光波形の形状に応じて、２つのピーク位置間を所定の比率で分割した内分点を算出し、算出された内分点に基づいて測定対象物２までの距離を算出するようにしてもよい。
【００５１】
以下に２つのピーク位置間を所定の比率で分割した内分点に基づいて測定対象物２までの距離を算出する１例を示す。図９は裾野が非対称に広がる受光波形を模式的に示した図である。受光波形の形状は、例えば以下のようにして定量的に示すことが出来る。まず、得られた受光波形に対して所定のしきい値を設定する。検出されたピーク位置よりも右側に存在し、且つ上記しきい値以上の受光量を示すプロット点の数と、検出されたピーク位置よりも左側に存在し、且つ上記しきい値以上の受光量を示すプロット点の数の比率を算出する。例えば図９の例ではしきい値以上の受光量を有するプロット点が、ピーク位置に対して左側に４点、右側に１点となる。この点数の比率が受光波形の非対称性を示す１つの指標となる。ピーク位置よりも右側の裾野が重い図９の受光波形では、真の受光量のピーク位置が２つのピーク位置間の中点よりもやや右に位置する可能性が高くなる。したがって上述した受光波形の形状を示す比率に応じて分割した内分点を算出し、この内分点に基づいて測定対象物２までの距離を算出することで更に精度よく受光量のピーク位置を算出することが出来る。
【００５２】
以上のように、本実施の形態によれば、奇数画素２０ａの受光量分布に基づいて検出されたピーク位置Ｆ１と、偶数画素２０ｂの受光量分布に基づいて検出されたピーク位置Ｆ２に基づいて測定対象物２までの距離を計測するようにしたので、通常の２倍の読出し速度を維持しつつ、２つの増幅回路１５ａ，１５ｂのゲイン及びオフセット量のばらつきの影響を受けずに測定対象物２までの距離が精度良く計測できる。
【００５３】
実施の形態２．
次に第２の実施の形態について説明する。測距演算部１８以外の構成については第１の実施の形態と同一である為、説明を省略し、また、実施の形態１と対応する構成については実施の形態１と同一の符号を与えている。図５に示したように奇数画素２０ａの受光量分布と偶数画素２０ｂの受光量分布をそのまま合成すると、凸凹の合成受光量分布となってしまうことがある。そこで、本実施の形態では奇数画素２０ａの受光量分布と偶数画素２０ｂの受光量分布をそれぞれ補正した上で合成し、合成された受光量分布の受光量のピーク位置を検出し、検出されたピーク位置に基づいて測定対象物２までの距離を計測する。
【００５４】
図１０は第２の実施の形態における測距演算部１８の構成を示すブロック図である。測距演算部１８は補正部４５ａ、補正部４５ｂ、合成部４６、ピーク検出部４１ｃ、距離計測部４３により構成される。補正部４５ａには奇数画素２０ａの受光量分布が入力され、補正部４５ｂには偶数画素２０ｂの受光量分布が入力される。各補正部４５ａ，４５ｂにはそれぞれ異なる２つの補正値が格納されており、これらは増幅回路１５ａ、１５ｂのオフセット量及びゲインのばらつき量を補正するためのものである。補正部４５ａに入力された奇数画素２０ａの受光量分布は補正部４５ａに格納された補正値によって補正され、補正された受光量分布を出力する。同様にして補正部４５ｂに入力された偶数画素２０ｂの受光量分布は補正部４５ｂに格納された補正値によって補正され、補正された受光量分布を出力する。
【００５５】
補正された奇数画素２０ａの受光量分布並びに偶数画素２０ｂの受光量分布は、合成部４７に入力されて合成受光量分布が生成される。奇数画素２０ａと偶数画素２０ｂの受光量分布が増幅回路１５ａ、１５ｂのゲイン及びオフセット量の個体ばらつきが補正されたものである為、合成された受光量分布は図６に示したような凸凹の無い受光量分布が得られる。
【００５６】
ピーク検出部４１ｃは合成部４６によって合成された受光量分布から受光量のピーク位置をサブピクセル単位で検出する。距離計測部４３はこの時に検出された合成受光量分布のピーク位置を測定対象物２までの距離に変換して出力する。
【００５７】
本実施の形態は、実施の形態１とは異なり、得られた２つの受光量分布の合成受光量分布のピーク位置を検出するものである為、測定対象物２からの反射光の集光スポットが一方の受光量分布のみに存在するように１次元イメージセンサ２０を分割する構成でもよい。図１１は実施の形態２に用いられる１次元イメージセンサ２０の変形例を示す図である。この変形例では、１次元イメージセンサ２０の中央位置から左側の第１画素群５ａと右側の第２画素群５ｂが各々別々の出力ポートＰ１、Ｐ２に出力されるように構成されている。この場合、第１画素群５ａにより形成された受光量分布と、第２画素群５ｂにより形成された受光量分布の少なくとも一方を補正した上で合成することにより、第１画素群５ａと第２画素群５ｂの分割位置において段差の無い合成受光量分布を得ることができる。
【００５８】
なお、本実施の形態では補正部を２つ設け、２つの出力ポートから出力された受光量分布の双方を補正して、増幅回路１，２のオフセット量並びにゲインのばらつきを補正するようにしたが、ばらつきを補正するには必ずしも補正部を２つ設ける必要は無く、一方の増幅回路のゲイン及びオフセット量を他方の増幅回路のゲイン及びオフセット量に一致させるように、一方の受光量分布のみを補正するようにしてもよい。
【００５９】
次に各補正部４５ａ及び４５ｂに格納された補正値の詳細について説明する。各補正部４５ａ、４５ｂはそれぞれ異なるゲイン補正値αならびにオフセット補正値βを有しており、補正受光量は以下の式によって求められる。
（補正受光量）＝α×｛（得られた受光量）−β｝
オフセット補正値βは１次元イメージセンサ２０に光を一切入光させない状態の時に出力される増幅回路１５ａ、１５ｂの出力値の差分に基づいて算出することができる。一方ゲイン補正値αは１次元イメージセンサ２０に一様な光を入光させた時に出力される増幅回路１５ａ、１５ｂの出力値の差分から算出することができる。これらは出荷時に各光学式変位計ごとに算出され、各補正部４５ａ、４５ｂに格納される。
【００６０】
また、一般に１次元イメージセンサ２０を構成する各画素が出力する電気信号は、増幅回路１５ａ、１５ｂによって増幅される前に、各画素ごとに設けられた増幅器によってプレ増幅されてから出力ポートＰ１、Ｐ２から出力される。したがって、各画素に対応した異なる補正値を上述した補正部４５ａ、４５ｂに格納し、増幅回路１５ａ、１５ｂの個体ばらつきだけではなく、各画素間の個体ばらつきを補正するようにしてもよい。このような構成により更に測定精度を向上させることができる。
【００６１】
以上示したように、本実施の形態では１次元イメージセンサ２０を構成する各画素を第１画素群と第２画素群に分割し、各画素群の受光量分布をそれぞれ補正した上で合成することにより、本来得られるべき受光量分布に極めて近い受光量分布が得られる。このような構成により、通常の２倍の読出し速度を維持しつつ、２つの増幅回路１５ａ，１５ｂのゲイン及びオフセット量のばらつきの影響を一切受けずに測定対象物２までの距離が精度良く計測できる。
【００６２】
以上、本発明の実施例と変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例及び変形例に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない程度に種々の形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明による光学式変位計の一構成例を示した図である。
【図２】図１の光センサチップ１３内の一構成例を示したブロック図である。
【図３】図２の１次元イメージセンサ２０及びシリアル出力部２１ａ、２１ｂの詳細構成例を示したブロック図である。
【図４】光センサチップ１３からの受光量の読出し動作の一例を示したタイミングチャートである。
【図５】奇数画素の受光量分布、偶数画素の受光量分布を示した分布図である。
【図６】１次元イメージセンサ２０上の実際の輝度分布を示した分布図である。
【図７】測距演算部１８の詳細構成例を示した図である。
【図８】奇数側受光波形Ｗ１及び偶数側受光波形Ｗ２の拡大イメージ図である。
【図９】非対称な受光波形の１例を示した図である。
【図１０】第２の実施の形態の測距演算部１８の詳細構成例を示した図である。
【図１１】第２の実施の形態の光センサチップ１３の変形例を示した図である。
【符号の説明】
【００６４】
１      光学式変位計
１０    投光手段
１１    投光レンズ
１２    受光レンズ
１３    光センサチップ
１４    撮像エリア指定部
１５ａ  増幅回路（奇数側）
１５ｂ  増幅回路（偶数側）
１６ａ  Ａ／Ｄ変換回路（奇数側）
１６ｂ  Ａ／Ｄ変換回路（偶数側）
１７    投受光条件演算部
１８    測距演算部
１９    投受光制御部
２０    １次元イメージセンサ
２０ａ  奇数画素
２０ｂ  偶数画素
２１ａ  シリアル出力部（奇数側）
２１ｂ  シリアル出力部（偶数側）
２２    露光制御部
２３    出力エリア制御部
３０    ゲイン制御部
３１    シャッター制御部
３２    発光制御部
４１ａ  ピーク検出部（奇数側）
４１ｂ  ピーク検出部（偶数側）
４２    中点算出部
４３    距離計測部
４５ａ  補正部（奇数側）
４５ｂ  補正部（偶数側）
４６    合成部
【図１】
0005202012.tif 000002
【図２】
0005202012.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005202012.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005202012.tif 000007
【図７】
0005202012.tif 000008
【図８】
0005202012.tif 000009
【図９】
0005202012.tif 000010
【図１０】
0005202012.tif 000011
【図１１】
0005202012.tif 000012