(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値を出力波形のピーク値と推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
【請求項２】
被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出してそれぞれ直線で近似し、２つの直線の交点から出力波形のピーク値を推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
【請求項３】
被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第１のしきい値以上となる光電変換素子の数と出力波形のピーク値との関係を示す関係式を有し、出力が第１のしきい値以上となる光電変換素子の数を上記関係式に当てはめて出力波形のピーク値を推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
【請求項４】
上記第１のしきい値は、各光電変換素子の最大出力の略半分の値であることを特徴とする請求項３記載の光学式変位測定装置。
【請求項５】
被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第２のしきい値以上となる光電変換素子の数と、出力のピーク値との対応関係を示すテーブルを有し、出力が所定のしきい値以上となる光電変換素子の数から上記テーブルを用いてピーク値を推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
【請求項６】
上記受光部は、ＰＮ接合からなる複数の受光セルが配列されたＣＣＤ素子からなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光学式変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物体までの距離やその変位を測定する光学式変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、図５に示すように、半導体レーザのような発光素子１から放射された光を投光レンズ２を通すことにより得たビーム光を被測定物体Ｂに照射し、被測定物体Ｂからの拡散反射光を受光光学系である受光レンズ３を通してＰＳＤのような光位置検出素子４’で受光することにより、三角測量法の原理を用いて被測定物体Ｂまでの距離（あるいは基準位置からの変位）を求めるようにした光学式変位測定装置Ａが知られている。この変位測定装置では、被測定物体Ｂで反射された拡散反射光が受光レンズ３により集光され光位置検出素子４’の受光面に結像して、スポット光を形成し、被測定物体Ｂまでの距離が変化するとスポット光の形成される位置が変化することを利用し、被測定物体Ｂまでの距離を検出している（例えば特開平９−３１８３２２号公報参照）。
【０００３】
ここで、発光素子１から被測定物体Ｂまでの距離がＲｃの時のスポット光の位置をＰ１、反射角をθ、距離が（Ｒｃ＋Δｒ）の時のスポット光の位置をＰ２とし、受光レンズ３から光位置検出素子４’までの距離をｆとすると、被測定物体Ｂの変位Δｒと、スポット光の位置の変化分ΔＸ（＝Ｐ２−Ｐ１）との間には次式のような関係が成り立つ。
【０００４】
ΔＸ＝ａ×Δｒ／（ｂ＋Δｒ）  …（１）
但し、ａ＝ｆ×ｔａｎθ、ｂ＝Ｒｃ／ｃｏｓ2θとする。
【０００５】
従って、光位置検出素子４’の受光面におけるスポット光の位置を検出すれば、そのスポット光の位置から被測定物体Ｂまでの距離（Ｒｃ＋Δｒ）、すなわち基準位置からの変位Δｒを検出することができる。
【０００６】
ところで、図６に示すように光位置検出素子４’としてＣＣＤ素子（電荷結合素子）４を用いた光学式変位測定装置Ａも従来より知られている。図７（ａ）はＣＣＤ素子４の受光面１２を示しており、ＣＣＤ素子４の受光面１２にはＰＮ接合からなる複数の受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎが、被測定物体Ｂの変位によりスポット光Ｄの位置が変化する方向に沿って一列に一定のピッチで配列されている。
【０００７】
ＣＣＤ制御回路６は、ＣＰＵ５から入力される制御信号に応じて、ＣＣＤ素子４の動作を制御しており、所定のタイミングでＣＣＤ素子４の各受光セルＣ１…に光電変換を行わせた後、各受光セルＣ１…に蓄積された電荷をＣＣＤ信号処理回路７へ順番に出力させる。ＣＣＤ信号処理回路７は、ＣＣＤ素子４から入力された各受光セルＣ１…の出力信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換回路８がＡ／Ｄ変換を行ってＣＰＵ５に出力する。また、光量制御回路１０はＣＰＵ５から入力されるフィードバック信号Ｓ１に応じて発光素子１の出力を制御している。
【０００８】
図７（ｂ）は、ＣＣＤ素子４の受光面１２にスポット光Ｄが照射された時の各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの出力を示しており、各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎは入射した光エネルギーに相当する大きさの出力を発生するので、その出力はスポット光Ｄの中心位置に近いほど大きくなる。したがって、ＣＰＵ５では、受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの内出力が最大の受光セルの位置や、受光量分布の中心位置を演算により求めるなどしてスポット光Ｄの中心位置を検出しており、スポット光Ｄの中心位置から上述の方法で発光素子１と被測定物体Ｂとの間の距離を求めている。そして、ＣＰＵ５は、被測定物体Ｂまでの距離に相当する信号をＤ／Ａ変換回路９に出力し、Ｄ／Ａ変換回路９がアナログ信号に変換して外部に出力する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＣＤ素子４の受光面１２に入射するスポット光Ｄの光量は、発光素子１から照射される光の強さと、被測定物体Ｂの反射率などによって決定される。スポット光Ｄの光量が大きすぎたり、小さすぎたりすると、各受光セルＣ１…の出力が飽和したり、小さすぎたりして、スポット光Ｄの中心位置を正確に検出できない虞がある。そこで、ＣＰＵ５はＡ／Ｄ変換回路８の出力からピーク値を検出し、ピーク値が受光セルＣ１…の出力範囲の中央付近になるように、光量制御回路１０にフィードバック信号Ｓ１を出力して、発光素子１の光量を変化させている。例えば、図８（ａ）に示すように出力波形のピーク値Ｖｐが出力の飽和値Ｖｏの約８０％であれば、ＣＰＵ５は発光素子１の出力を約５／８倍に変化させるようなフィードバック信号Ｓ１を光量制御回路１０に出力して、発光素子１の光量を変化させ、図８（ｂ）に示すようにピーク値Ｖｐを出力範囲の中央付近に制御している。
【００１０】
しかしながら、被測定物体Ｂの反射率が急激に高くなるなどして、スポット光Ｄの光量が急激に増加し、図９に示すように複数の受光セルの出力が飽和した場合、発光素子１の光量をどの程度低下させれば、出力波形のピーク値が受光セルＣ１…の出力範囲の中央付近になるか判らないので、ＣＰＵ５では発光素子１の光量を一定量減光させた後、各受光セルＣ１…の出力をモニタし、不十分であれば更に減光するというように、出力波形のピーク値が所望の値となるまで上述の動作を繰り返すしかなく、発光素子１の光量を短時間で補正することができなかった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、発光素子の光量を短時間で補正することのできる光電式変位測定装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値を出力波形のピーク値と推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することのできる光学式変位測定装置を実現できる。
【００１３】
しかも、各光電変換素子の出力が飽和していない場合、その出力を配列順に並べた出力波形は正規分布曲線に近い波形になるので、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値から出力波形のピーク値を推定することにより、本来のピーク値を精度良く求めることができる。
【００１４】
請求項２の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出してそれぞれ直線で近似し、２つの直線の交点から出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することができる。しかも、請求項１の発明ではピーク値推定部が光電変換素子の出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、逐次比較するため、ピーク値の推定に長い時間がかかるが、ピーク値推定部は、飽和領域以外の部分をそれぞれ直線で近似し、２つの直線の交点から出力波形のピーク値を求めているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて、ピーク値の推定にかかる時間を短くでき、光量の補正動作を高速に行うことができる。
【００１５】
請求項３の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第１のしきい値以上となる光電変換素子の数と出力波形のピーク値との関係を示す関係式を有し、出力が第１のしきい値以上となる光電変換素子の数を上記関係式に当てはめて出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することができる。しかも、ピーク値推定部は、出力が第１のしきい値以上となる部分の出力波形の幅、すなわち第１のしきい値以上となる光電変換素子の数を関係式に当てはめることによって、出力波形のピーク値を推定しているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて演算処理が簡単であり、光量の補正動作を高速に行うことができる。
【００１６】
請求項４の発明では、請求項３の発明において、上記第１のしきい値は、各光電変換素子の最大出力の略半分の値であることを特徴とし、飽和値付近では光量変化に対する光電変換素子の出力変化が少なく、光電変換素子の感度が悪くなっているので、最大出力の略半分の値における出力波形の幅からピーク値を推定することによって、本来のピーク値を精度良く検出することができる。
【００１７】
請求項５の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第２のしきい値以上となる光電変換素子の数と、出力のピーク値との対応関係を示すテーブルを有し、出力が所定のしきい値以上となる光電変換素子の数から上記テーブルを用いてピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することができる。しかも、ピーク値推定部はテーブルからピーク値を読み取るだけなので、出力波形を正規分布曲線や三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単になり、フィードバック動作を高速に行うことができる。
【００１８】
請求項６の発明では、請求項１乃至５の何れかの発明において、上記受光部は、ＰＮ接合からなる複数の受光セルが配列されたＣＣＤ素子からなることを特徴とし、請求項１乃至５の発明と同様の作用を奏する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
（実施形態１）
本発明の実施形態１を図１及び図２を参照して説明する。図１は本実施形態の光学式変位測定装置Ａの概略構成図である。本実施形態では、上述した従来の光学式変位測定装置において、受光部たるＣＣＤ素子４の各受光セル（光電変換素子）Ｃ１…の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位から被測定物体Ｂの変位を求める変位検出部５ａと、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合に各受光セルＣ１…の出力を配列順に並べた出力波形から出力のピーク値を推定するピーク値推定部５ｂと、ピーク値推定部５ｂの推定したピーク値が受光セルＣ１…の出力範囲内となるよう発光素子１の光量を制御するフィードバック信号Ｓ１を光量制御回路１０に出力する光量制御部５ｃとを設けており、変位検出部５ａとピーク値推定部５ｂと光量制御部５ｃとはＣＰＵ５により構成している。尚、変位検出部５ａ、ピーク値推定部５ｂ、光量制御部５ｃ以外の構成は上述した従来の光学式変位測定装置と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２２】
この光学式変位測定装置Ａでは、半導体レーザのような発光素子（投光部）１から放射された光を投光レンズ２に通すことにより得たビーム光を被測定物体Ｂに照射し、被測定物体Ｂで反射された拡散反射光の一部を受光レンズ３で集光することにより、ＣＣＤ素子４の受光面１２にスポット光を照射させる。ＣＣＤ素子４の受光面１２には、従来例で説明したように、ＰＮ接合からなる複数の受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎが一定のピッチで直線上に配列される。受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎは入射した光エネルギーに相当する大きさの出力をそれぞれ発生するので、その出力はスポット光の中心位置に近いほど大きくなる。
【００２３】
ＣＣＤ素子４はＣＣＤ制御回路６によって動作が制御されており、所定のタイミングで各受光セルＣ１…が光電変換を行った後、各受光セルＣ１…の出力はその配列順にＣＣＤ信号処理回路７へ出力される。そして、ＣＣＤ信号処理回路７が各受光セルＣ１…の出力信号に増幅等の信号処理を施した後、Ａ／Ｄ変換回路８がデジタル値に変換して、変位検出部５ａに出力する。変位検出部５ａは、各受光セルＣ１…の出力からスポット光の形状を読み取り、所定の演算を行ってスポット光の中心位置を決定し、三角測量法の原理を用いて被測定物体Ｂまでの距離（あるいは基準位置からの変位）を求めている。そして、変位検出部５ａは、被測定物体Ｂまでの距離に相当する信号をＤ／Ａ変換回路９に出力し、Ｄ／Ａ変換回路９がアナログ信号に変換して外部に出力する。尚、変位検出部５ａでは、各受光セルＣ１、Ｃ２…Ｃｎの内出力が最大の受光セルの位置や、受光量分布の中心位置を演算により求めるなどしてスポット光の中心位置を検出している。
【００２４】
ところで、ＣＣＤ素子４の受光面１２に入射するスポット光Ｄの光量は、発光素子１から照射される光の強さと、被測定物体Ｂの反射率などによって決定される。スポット光Ｄの光量が大きすぎたり、小さすぎたりすると、各受光セルＣ１…の出力が飽和したり、小さすぎたりして、スポット光Ｄの中心位置を正確に検出できない場合がある。
【００２５】
そこで、ピーク値推定部５ｂはＡ／Ｄ変換回路８の出力から各受光セルＣ１…の出力のピーク値を推定し、光量制御部５ｃがピーク値推定部５ｂの推定結果から最適な光量を決定して、光量制御回路１０にフィードバック信号Ｓ１を出力する。光量制御回路１０では、ピーク値推定部５ｂから入力されたフィードバック信号Ｓ１に応じた光量となるように、発光素子１の光量を制御する。ここで、光量制御回路１０は、例えば発光素子１への注入電流や発光時間を制御することによって、単位時間当たりの光量を制御している。
【００２６】
ＣＰＵ５は、従来例で説明したように、各受光セルＣ１…の出力のピーク値が各受光セルＣ１…の出力範囲の中央付近になるように発光素子１の光量を制御している。出力のピーク値を出力範囲の中央付近に制御するのは、ピーク値が小さいと各受光セルＣ１…の出力の差が小さくなって、中心位置を判別しづらくなり、また各受光セルＣ１…の出力がノイズに埋もれてしまう虞があり、逆にピーク値が大きいと被測定物体Ｂの反射率が急激に変化して、受光セルＣ１…の出力が飽和してしまう虞があるからである。
【００２７】
しかしながら、被測定物体Ｂの反射率が急激に変化することによって発生するスポット光の光量変化よりも、ＣＣＤ素子４のダイナミックレンジの方が小さいので、ＣＰＵ５が発光素子１の光量をフィードバック制御していたとしても、スポット光の光量が急激に増加した場合、受光セルＣ１…の出力が飽和してしまう虞がある。何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合、出力のピーク値が判別できないため、従来例のようにピーク値の大きさを検出して発光素子１の光量を制御する場合は、発光素子１の光量を一定量減光させた後、受光セルＣ１…の出力をモニタし、不十分であれば更に減光するというように、出力のピーク値が所望の値となるまでフィードバック動作を繰り返すしかなく、受光セルＣ１…の受光量を短時間で補正することができなかった。
【００２８】
そこで、本実施形態では何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合に各受光セルＣ１…の出力を配列順に並べた出力波形から出力のピーク値を推定するピーク値推定部５ｂを設けている。各受光セルＣ１…の出力を配列順に並べた包絡波形は正規分布曲線（ガウシャンカーブ）に近い波形になるので、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和すると、その包絡波形は正規分布曲線のピーク部分が欠けたような波形になる。したがって、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部５ｂは、図２（ａ）に示すように、受光セルＣ１の出力を配列順に並べた出力波形（同図中のイ）に様々な形状の正規分布曲線（同図中のロ）を重ね合わせ、例えば両者の重なった部分の面積を比較し、重なった部分の面積が最も大きい正規分布曲線（図２（ｂ）中のハ）のピーク値を、飽和した部分の推定ピーク値Ｐ１とする。そして、光量制御部５ｃは、ピーク値推定部５ｂの推定結果に基づいて、各受光セルＣ１…の出力のピーク値が出力範囲の中央付近になるように発光素子１の光量を制御する。
【００２９】
このように、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部５ｂは、各受光セルＣ１…の出力を順番に並べた出力波形を正規分布曲線で近似することによって、飽和した出力のピーク値を推定し、その推定値に基づいて発光素子１の光量を補正しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、補正動作にかかる時間を短くできる。
【００３０】
（実施形態２）
本発明の実施形態２を図３（ａ）（ｂ）を参照して説明する。尚、光学式変位測定装置Ａの構成は実施形態１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、図示及び説明は省略する。
【００３１】
実施形態１では、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部５ｂが、受光セルＣ１…の出力を配列順に並べた波形を正規分布曲線で近似することによって、飽和した部分のピーク値を推定しているが、本実施形態では、三角波形で近似することによって、飽和した部分のピーク値を推定している。
【００３２】
すなわち、ピーク値推定部５ｂは、各受光セルＣ１…の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出して、飽和領域を挟む両側部分の波形をそれぞれ直線Ｌ１，Ｌ２で近似する。例えばピーク値推定部５ｂは、飽和領域の左端に対応する受光セルの出力と、出力波形の左端に対応する受光セルの出力とを結んで直線Ｌ１を求めると共に、飽和領域の右端に対応する受光セルの出力と、出力波形の右端に対応する受光セルの出力とを結んで直線Ｌ２を求めており、２つの直線Ｌ１，Ｌ２の交点から飽和した出力のピーク値を推定している。
【００３３】
このように、ピーク値推定部５ｂは、出力波形の飽和領域以外の部分を直線で近似し、２つの直線の交点から出力のピーク値を推定しているので、実施形態１で説明したように出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて、ピーク値の推定にかかる時間を短くでき、光量の補正動作を高速に行える。
【００３４】
（実施形態３）
上述した実施形態１又は２の光学式変位測定装置では、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部５ｂが各受光セルＣ１…の出力波形を正規分布曲線又は三角波形で近似することによって、出力のピーク値を推定しているが、本実施形態では、出力が第１のしきい値以上となる受光セルＣ１…の数から、飽和した出力のピーク値を推定している。尚、光学式変位測定装置Ａの構成は実施形態１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、図示及び説明は省略する。
【００３５】
ところで、材質や表面状態が同じ被測定物体Ｂの変位を測定する場合、受光セルＣ１…の出力を配列順に並べた出力波形は相似な波形になるので、図４に示すように、出力が第１のしきい値Ｖ１以上となる受光セルＣ１…の数を検出することによって、飽和した出力のピーク値を推定することができる。すなわち、受光セルＣ１…の出力を配列順に並べた出力波形を、正規分布曲線或いは三角波形状で近似した関係式を予め求めておき、この関係式に出力が第１のしきい値Ｖ１以上となる受光セルＣ１…の数を代入することにより、飽和したピーク値を求めることができる。
【００３６】
このように、ピーク値推定部５ｂは、出力が第１のしきい値Ｖ１以上となる部分の出力波形の幅、すなわち出力が第１のしきい値Ｖ１以上となる受光セルＣ１…の数を関係式に当てはめることによって、出力波形のピーク値を推定しているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較したり、三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単であり、光量の補正動作を高速に行える。
【００３７】
なお、受光セルＣ１…の出力が飽和値付近では、光量変化に対する受光セルＣ１…の出力変化が少なく、感度が悪くなっているので、第１のしきい値Ｖ１としては、各受光セルＣ１…の最大出力の略半分の値とするのが好ましく、最大出力の略半分の値における出力波形の幅からピーク値を推定することによって、本来のピーク値を精度良く検出できる。
【００３８】
（実施形態４）
実施形態３では、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部５ｂが、出力が第１のしきい値Ｖ１以上になる受光セルＣ１…の数を予め求めた関係式に当てはめて、飽和した出力のピーク値を推定しているが、本実施形態では、出力が第２のしきい値以上になる受光セルＣ１…の数と、受光セルＣ１…の出力のピーク値との関係を示すテーブルをメモリ（図示せず）に予め記憶させている。そして、何れかの受光セルＣ１…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部５ｂでは、出力が第２のしきい値以上になる受光セルＣ１…の数を検出し、受光セルＣ１…の数に基づいてメモリに記憶されたテーブルからピーク値を読み込み、ピーク値の推定値としている。尚、光学式変位測定装置Ａの構成は実施形態１と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、図示及び説明は省略する。
【００３９】
このようにピーク値推定部５ｂは、メモリに記憶されたテーブルからピーク値を読み取るだけなので、出力波形を正規分布曲線や三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単になり、フィードバック動作を高速に行える。
【００４０】
【発明の効果】
上述のように、請求項１の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値を出力波形のピーク値と推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することのできる光学式変位測定装置を実現できるという効果がある。
【００４１】
しかも、各光電変換素子の出力が飽和していない場合、その出力を配列順に並べた出力波形は正規分布曲線に近い波形になるので、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値から出力波形のピーク値を推定することにより、本来のピーク値を精度良く求めることができるという効果がある。
【００４２】
請求項２の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出してそれぞれ直線で近似し、２つの直線の交点から出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正できるという効果がある。しかも、請求項１の発明はピーク値推定部が光電変換素子の出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、逐次比較するため、ピーク値の推定に長い時間がかかるが、ピーク値推定部は、飽和領域以外の部分をそれぞれ直線で近似し、２つの直線の交点から出力波形のピーク値を求めているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて、ピーク値の推定にかかる時間を短くでき、光量の補正動作を高速に行えるという効果がある。
【００４３】
請求項３の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第１のしきい値以上となる光電変換素子の数と出力波形のピーク値との関係を示す関係式を有し、出力が第１のしきい値以上となる光電変換素子の数を上記関係式に当てはめて出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正できるという効果がある。しかも、ピーク値推定部は、出力が第１のしきい値以上となる部分の出力波形の幅、すなわち第１のしきい値以上となる光電変換素子の数を関係式に当てはめることによって、出力波形のピーク値を推定しているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて演算処理が簡単であり、光量の補正動作を高速に行えるという効果がある。
【００４４】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、上記第１のしきい値は、各光電変換素子の最大出力の略半分の値であることを特徴とし、飽和値付近では光量変化に対する光電変換素子の出力変化が少なく、光電変換素子の感度が悪くなっているので、最大出力の略半分の値における出力波形の幅からピーク値を推定することによって、本来のピーク値を精度良く検出できるという効果がある。
【００４５】
請求項５の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第２のしきい値以上となる光電変換素子の数と、出力のピーク値との対応関係を示すテーブルを有し、出力が所定のしきい値以上となる光電変換素子の数から上記テーブルを用いてピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を１回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正できるという効果がある。しかも、ピーク値推定部はテーブルからピーク値を読み取るだけなので、出力波形を正規分布曲線や三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単になり、フィードバック動作を高速に行えるという効果がある。
【００４６】
請求項６の発明は、請求項１乃至５の何れかの発明において、上記受光部は、ＰＮ接合からなる複数の受光セルが配列されたＣＣＤ素子からなることを特徴とし、請求項１乃至５の発明と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の光学式変位測定装置の概略構成図である。
【図２】同上の動作を説明する波形図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は実施形態２の光学式変位測定装置の動作を説明する波形図である。
【図４】実施形態３の光学式変位測定装置の動作を説明する波形図である。
【図５】光学式変位測定装置の測定原理を説明する説明図である。
【図６】従来の光学式変位測定装置の概略構成図である。
【図７】（ａ）は同上に用いるＣＣＤ素子の受光面にスポット光が入射した状態を示す正面図、（ｂ）はスポット光による各受光セルの出力波形である。
【図８】（ａ）（ｂ）は同上の動作を説明する波形図である。
【図９】同上の動作を説明する波形図である。
【符号の説明】
１  発光素子
２  投光レンズ
３  受光レンズ
４  ＣＣＤ素子
５ａ  変位検出部
５ｂ  ピーク値推定部
５ｃ  光量制御部
Ｂ  被測定物体
【図１】
0004000760.tif 000002
【図２】
0004000760.tif 000003
【図３】
0004000760.tif 000004
【図４】
0004000760.tif 000005
【図５】
0004000760.tif 000006
【図６】
0004000760.tif 000007
【図７】
0004000760.tif 000008
【図８】
0004000760.tif 000009
【図９】
0004000760.tif 000010