(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサであって、
前記受光手段は、画素の集合で構成され、受光レベルに対応して電荷蓄積時間に蓄積された電荷量を電気信号に変換し周期的に出力すると共に、前記電荷蓄積時間を制御するシャッター機能を有する２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、
前記投光手段は、少なくとも前記電荷蓄積時間を含んで前記２次元受光素子の周期と同期して点灯し、その駆動電流によって投光レベルを変化させる投光素子を有し、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、
前記信号処理手段は、
前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿ったラインのうち所定の基準を満たすピークが検出できるラインが所定数となるように、前記投光素子の投光レベルを変化させることにより、前記受光手段の出力レベルを調整すると共に、前記２次元受光素子のシャッター機能により電荷蓄積時間を変化させることによって感度を調整する感度調整手段と、
前記受光素子上の受光量分布のピーク位置から前記検出域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算処理手段と、を有するものであることを特徴とする光式センサ。
【請求項２】
投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサであって、
前記受光手段は、画素の集合で構成され、受光レベルに応じて電荷蓄積時間に蓄積された電荷量を電気信号に変換し、周期的に出力する２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、
前記投光手段は、点灯終了時刻を前記電荷蓄積時間の終了時刻と一致させて、点灯時間を変化させることで前記電荷蓄積時間の間に前記２次元受光素子に蓄積させる電荷を変化させるように点灯する投光素子を有し、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、
前記信号処理手段は、
前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿ったラインのうち所定の基準を満たすピークが検出できるラインが所定数となるように、前記投光素子の前記点灯期間を変化させることにより、前記受光手段の出力レベルを調整する感度調整手段と、
感度調整後に前記受光素子上の受光量分布のピーク位置から前記検出域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算処理手段と、を有するものであることを特徴とする光式センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は検知領域に存在する物体に向けて光を出射し、その反射光を受光することによって物体までの距離や物体の段差や厚さ等を測定するようにした光式センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来物体までの距離を検出する光式変位センサにおいては受光素子にＰＳＤやＣＣＤが用いられている。ＣＣＤを用いた光式センサは投光ビームを物体検知領域に向けて照射し、その反射光をＣＣＤ等の受光素子で受光する。図８（ａ）はＣＣＤの特定の水平ラインの受光レベルを示している。本図に示すように受光位置に応じて受光レベルが変化するため、受光レベルがピークとなる受光位置（以下、ピーク位置という）に基づいて物体までの距離を算出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＣＣＤを受光素子として用いた光式センサにおいて、投光レベルが低い場合や受光部自体の感度が低い場合には、受光部から出力レベルが低くなる。受光部より出力される出力レベルが低すぎる場合（感度が低すぎる場合）、図８（ｂ）に示すようにピーク周辺の分布がノイズに埋もれ、正確な反射光のピーク位置を検出することができなくなるという欠点があった。一方感度が高すぎれば、図８（ｃ）に示すようにピーク位置周辺で受光部の出力が飽和してしまい、正確なピーク位置を判別することができなくなるという欠点があった。そのため感度、即ち受光部からの出力レベルを最適なレベルとなるように調整しておく必要がある。
【０００４】
本発明はこのような従来の光式センサの問題点に着目してなされたものであって、受光部の出力レベルを最適値に調整できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１の発明は、投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサであって、前記受光手段は、画素の集合で構成され、受光レベルに対応して電荷蓄積時間に蓄積された電荷量を電気信号に変換し周期的に出力すると共に、前記電荷蓄積時間を制御するシャッター機能を有する２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、前記投光手段は、少なくとも前記電荷蓄積時間を含んで前記２次元受光素子の周期と同期して点灯し、その駆動電流によって投光レベルを変化させる投光素子を有し、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、前記信号処理手段は、前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿ったラインのうち所定の基準を満たすピークが検出できるラインが所定数となるように、前記投光素子の投光レベルを変化させることにより、前記受光手段の出力レベルを調整すると共に、前記２次元受光素子のシャッター機能により電荷蓄積時間を変化させることによって感度を調整する感度調整手段と、前記受光素子上の受光量分布のピーク位置から前記検出域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算処理手段と、を有することを特徴とするものである。
【０００６】
本願の請求項２の発明は、投光手段と受光手段及び信号処理手段を備え、検出物体からの距離関連情報を得る光式センサであって、前記受光手段は、画素の集合で構成され、受光レベルに応じて電荷蓄積時間に蓄積された電荷量を電気信号に変換し、周期的に出力する２次元受光素子と、前記検出域からの反射光を前記受光素子に集光する集光手段と、を有するものであり、前記投光手段は、点灯終了時刻を前記電荷蓄積時間の終了時刻と一致させて、点灯時間を変化させることで前記電荷蓄積時間の間に前記２次元受光素子に蓄積させる電荷を変化させるように点灯する投光素子を有し、前記投光手段及び前記受光手段の並び方向に対して垂直な方向を長手方向として形成されるスリット状の投光ビームを検出域に出射するものであり、前記信号処理手段は、前記２次元受光素子の前記投受光手段の並び方向に沿ったラインのうち所定の基準を満たすピークが検出できるラインが所定数となるように、前記投光素子の前記点灯期間を変化させることにより、前記受光手段の出力レベルを調整する感度調整手段と、感度調整後に前記受光素子上の受光量分布のピーク位置から前記検出域に存在する検出物体の距離関連情報を求める演算処理手段と、を有することを特徴とするものである。
【０００７】
ここで２次元受光素子は、受光面上の座標で表される各位置における受光量を電気信号に変換して位置毎の受光量がわかるように出力するイメージセンサである。又ピークが検出できるラインが所定数となるとは、ピークが検出できるラインが単一の所定数となる場合だけでなく、所定の範囲の数となる場合を含む。
【０００８】
又感度調整手段による感度調整とは、受光部からの出力レベルを適性なレベルに調整することを示しており、投光部又は受光部によって調整する。投光部の調整には、投光素子の投光レベルを変化させたり、投光時間を変化させるだけでなく、投光素子の前面にフィルタを設けてその投光レベルを変化させることも含まれる。又受光部の調整には、受光素子の感度自体を調整するだけでなく、受光素子の出力を増幅する増幅器のゲインを変化させたり、受光素子の前面にフィルタや絞り機構を設け、その調整により受光レベルを設定するものも含まれる。
【０００９】
又演算処理手段によって検出されるピーク位置とは、受光レベルがピークとなる受光素子上の位置であり、投受光手段の並び方向に受光素子の画素を各ライン毎に走査してピーク位置を算出するものとする。投受光手段の並び方向に垂直な方向の各画素の受光レベルを一旦加算処理し、加算した受光レベル分布からピーク位置を求めてもよい。所定の閾値を設定し、これを越えるレベルが得られる画素群から受光レベルがピークとなる画素の位置を算出してもよい。
【００１０】
又演算処理手段によって検出される距離関連情報とは、検出物体までの距離だけでなく、段差がある検出物体については段差の上下から得られる距離情報やその差から求まる段差の高さの情報も含まれる。又検出物体が透明な板状であり、その表面と裏面で反射する場合には夫々の反射面までの距離を求めることができ、更にその距離の差から厚さを求めることができるため、厚さの情報も含まれる。又検出物体が透明でその背景物体から反射する場合に、背景物体に対する検出物体の高さを検出することができ、これらを含めて距離関連情報とする。信号処理手段は、投光手段と受光手段との間の距離を基線長とし、受光素子上の受光量分布のピーク位置から三角測量の原理によって検出物体までの距離関連情報を求める。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による光式センサ１０の全体構成を示すブロック図、図２はその内部の構造を示す図である。図１において投光手段１１は、駆動回路１２によって駆動される発光ダイオードやレーザダイオード等の投光素子１３と、投光素子１３の光を平行光とするコリメートレンズ１４、スリット板１５及びシリンドリカルレンズ１６を有している。スリット板１５には図示のように細長いスリット１５ａが形成されており、このスリット１５ａは投光手段１１と受光手段１７の並び方向（Ｘ軸方向）に対して垂直な方向（Ｙ軸方向）に形成されている。シリンドリカルレンズ１６はスリット板１５のスリット１５ａを通過した狭いスリット状の光を更にＸ軸方向に集束する。そして図示のようにＹ軸方向に一定の幅を持ち、Ｘ軸方向に狭くしたスリット状の光ビーム（以下、スリットビームという）を検出物体１８に向けて照射するためのものである。ここでシリンドリカルレンズ１６は、この実施の形態による光式センサの測定距離範囲より光式センサ１０に近い点を集束点Ｌｆとして、スリットビームをＸ軸方向に集束させるものとする。又スリットビームのＹ軸方向の幅は投光軸方向に沿って一定である必要はなく、例えばＺ軸の座標値が大となるに従ってスリットビームのＹ軸方向の幅が大きくなるようにしてもよい。
【００１５】
図１，図２に示すように投光手段１１に対してＸ軸方向に受光手段１７が設けられる。受光手段１７は反射光を集光する集光手段である受光レンズ１９と、２次元の受光素子、例えばＣＣＤ２０を含んで構成されている。受光素子は多数の画素から成り、受光面上の２次元座標に表される各位置における受光量を電気信号に変換して、位置毎の受光量がわかるように出力する２次元のイメージセンサである。２次元受光素子としては、この実施の形態で用いたＣＣＤに限らず、例えばＢＢＤ，ＣＰＤ等の他の固体撮像ディバイスや、ビジコン撮像管等を使用することもできる。ここでは例えば２５６画素×２５６画素のＣＣＤ２０を用いるものとする。
【００１６】
ＣＣＤ２０には図示のようにＣＣＤドライバ２１が接続され、各画素信号はＣＣＤドライバ２１によって読出される。読出された信号は増幅器２２によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器２３によってＡ／Ｄ変換されて画像メモリ２４に転送される。画像メモリ２４は例えば転送された一画面分の画素信号を記憶するものである。又画像メモリ２４には感度調整手段２５及び演算処理手段２６が接続されている。感度調整手段２５は後述するように駆動回路１２に制御信号を与えて投光素子１３の駆動のタイミングを制御することによって、受光手段１７の出力レベルを調整するものである。又演算処理手段２６はピーク位置算出のためのレジスタやマイクロコンピュータを有し、画像メモリ２４のデータに基づいてピーク位置を検出し、物体までの距離や検出物体の厚み等を検出するものである。ＣＣＤドライバ２１，増幅器２２，Ａ／Ｄ変換器２３，画像メモリ２４及び感度調整手段２５，演算処理手段２６は、受光素子に得られる受光量分布に基づいて物体までの距離情報を算出する信号処理手段２７を構成している。
【００１７】
次にこの実施の形態による投受光手段の配置について、図２を用いて更に詳細に説明する。この実施の形態による光式センサは正反射物体と拡散反射物体との双方について距離が測定できるように、投光手段１１はＺ軸から所定角度θだけ傾けて配置する。受光手段１７も受光軸をＺ軸から角度θだけ傾けて、投光手段１１より照射され検出物体１８の表面で反射した正反射光を受光できる位置に配置する。ここで投光軸上の夫々の点からの反射光を受光レンズ１９によって集束する位置の軌跡を求め、２次元受光手段であるＣＣＤ２０の面をこの軌跡と一致するように配置しておく。このような投光軸に対する受光レンズ１９とＣＣＤ２０の配置の関係を共役な関係という。
【００１８】
さて図３（ａ），（ｂ）は本実施の形態のＣＣＤ２０を受光レンズ１９とは逆の面から見たもの、即ちモニタ画像として示している。ＣＣＤ２０の水平方向は投光手段１１と受光手段１７との並び方向、即ちＸ軸方向であり、検出物体１８が変位すると反射光の像がこれに伴って移動する方向でもある。又垂直方向はこれに垂直なＹ軸方向である。受光部の出力レベルが低いと図３（ａ）に示すようにピーク位置が検出できず、受光部の出力レベルが高すぎれば正確なピーク位置が判別できなくなる。正しいピーク位置が検出できれば、その位置は検出物体までの距離に対応しているため、物体までの距離が近ければ図３（ｂ）においてピーク位置が左方向に移動し、距離が遠ければ右方向に移動する。従ってピーク位置から検出物体の表面までの距離を算出することができる。又透明な平板等でその表面と裏面から同時に反射光が得られる場合には、夫々のピーク位置を算出することができ、これに基づいて透明板の厚さを算出することができる。
【００１９】
次にこの実施の形態による感度調整処理について説明する。図４（ａ）は受光素子であるＣＣＤ２０の電荷蓄積時間と垂直同期タイミング、図４（ｂ）〜（ｄ）はこれに同期した駆動回路１２の投光パルス信号を示している。ＣＣＤ２０は周期的に電荷蓄積時間Ｔ１と電荷転送時間Ｔ２とを繰り返しており、電荷蓄積時間Ｔ１で蓄積された電荷が画像メモリ２４に転送される。この実施の形態では点灯終了時刻ｔ2 ，ｔ4 を電荷蓄積時間Ｔ１の終了時刻と一致させ、点灯開始時刻をｔ1 ，ｔ1 ′，ｔ1 ″，・・・，ｔ3 ，ｔ3 ′，ｔ3 ″，・・・のように変化させることによって、電荷蓄積時間Ｔ１の間にＣＣＤ２０に入射する累積光量を変化させるものとする。又投光時間のパルス幅は例えば５μｓ〜２ｍｓの範囲で４００段階で選択可能とする。
【００２０】
さて図５に示すように感度調整処理動作を開始すると、まずステップ４１においてパルス幅を最小幅となる段階１、即ち５μｓとする。そしてステップ４２においてパルス幅を２０段階、即ち１００μｓとし、ステップ４３に進んでピークを検出可能なライン数が所定数を越えているかどうかを判別する。２次元ＣＣＤ２０の有効水平ライン数を２４６とすると、例えば１５０ライン以上にピーク値が検出できるかどうか、即ち各ラインの走査により閾値を越えるピークが得られるライン数が１５０以上かどうかを判別する。１５０ライン以下であればステップ４４に進んでパルス幅が４０１段階を越えているかどうかを判別する。４０１段階を越えている場合には、これ以上パルス幅を広げることができないので、設定エラーとして処理を終える。４０１段階を越えていなければステップ４２に戻って同様の処理を繰り返す。こうすればステップ４２〜４４のループを繰り返すことによって、２０段階づつおおまかにパルス幅を広くし、感度を上昇させる。図４（ｅ）はあるラインの受光レベル分布を示すものとすると、パルス幅を広げるにつれて受光レベルが上昇するため、閾値を越えるライン数が増加する。
【００２１】
さてステップ４３においてピークが検出されるライン数が１５０を越えると、ステップ４５に進んでパルス幅を２０段階少なくする。そしてステップ４６に進んでパルス幅を１段階増加させ、ピークのあるライン数が１５０を越えているかどうかを判別する。ピークのあるライン数が１５０未満であり、パルス幅が４０１段階を越えなければ、ステップ４６に戻って同様の処理を繰り返す。こうすれば徐々に最適のパルス幅となるように設定することができる。こうしてピークのあるライン数が１５０を越えれば、ステップ４７よりステップ４９に進んでパルス幅を確定して処理を終える。以後はそのパルス幅で電荷蓄積時間と同期させて駆動回路１２より投光素子１３を駆動することによって、所望の感度で動作させることができる。又一定の周期で受光信号が得られるため、応答速度を一定とすることができる。
【００２２】
感度調整は例えば受光素子のダイナミックレンジの範囲内で出力が直線的に得られる比較的高いレベルとすることが好ましい。このようなレベルに感度を調整しておくことによって、ピーク位置の検出を正確に行うことができる。ピーク位置を算出する際には、受光レベルに対して閾値を比較的高いレベル、即ち飽和するレベルより少し低いレベルに設定しておき、閾値を越える画素からピーク位置を算出するようにしてもよい。又閾値を越える画素分が所定幅以上連続する場合にのみピーク位置を算出するようにしてもよい。こうすれば閾値を越えるノイズがあっても誤ったピーク位置を算出することがなくなる。
【００２３】
ここで投光レベルが最も低い段階から徐々に高くしているが、これによって光軸の投光幅の調整開始直後に画像が飽和してライン数が大幅に上昇することを避けることができる。又初期状態での画像の飽和によりピーク位置と誤認識することをなくすることができる。更にこの実施の形態では点灯期間の幅をデジタル処理により切換えているが、このような時間幅の制御はアナログ量である電流値の制御を含まないため、比較的デジタル制御に適合しており、感度調整を容易に行うことができる。
【００２４】
尚前述した第１の実施の形態では、駆動回路１２より駆動される投光素子のパルス点灯期間を変化させ感度を調整するようにしているが、点灯期間を一定とし、投光レベルを変化させて感度を調整してもよい。この場合には、感度調整手段２５内でデジタル値として選択された投光レベルを感度調整手段２５内でＤ／Ａ変換して駆動回路１２に出力し、この出力で駆動回路１２内の投光電流調整回路を制御し、投光電流を変えることによって投光レベルを変化させることができる。
【００２５】
又駆動回路１２により投光素子１３を断続的に駆動するのでなく連続的に駆動し、その投光レベルを変化させるようにすることもできる。この場合にも所定のライン数以上のラインでピーク値が算出されるようになるまで投光レベルを連続して変化させることによって同様の効果を得ることができる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は第２の実施の形態による光式センサの構成を示すブロック図であり、前述した第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。前述した第１の実施の形態では、投光素子１３の点灯時間を変化させて感度を調整するようにしているが、この実施の形態では、感度調整手段２８は画像メモリ２４からの信号に基づいてＣＣＤドライバ２１によってＣＣＤの感度を調整するものである。この場合には駆動回路１２は投光素子１３を連続して一定のレベルで投光する。又受光素子であるＣＣＤにはシャッター機能を有するＣＣＤ２０Ａを用いる。
【００２７】
図７（ａ）はＣＣＤ２０Ａの電荷転送パルスを示しており、ＣＣＤ２０Ａの電荷蓄積時間Ｔ１と転送時間Ｔ２とが周期的に繰り返される。図７（ｂ）は電荷蓄積時間Ｔ１内でＣＣＤ２０の各画素に電荷が蓄積されている状態を模式的に示すものである。本図に示すように電荷蓄積時間Ｔ１内で徐々に電荷が蓄積されている。そして図７（ｃ）では電荷蓄積時間Ｔ１内で電荷転送パルスに同期したシャッターゲート信号を示している。電荷蓄積時間内でシャッターゲートパルスを印加すると、この時点までの電荷は消去され、それ以降の電荷蓄積時間で蓄積された電荷のみがＣＣＤからの信号として出力される。従って図７（ｃ）に示すシャッターゲートパルスの印加タイミングを変化させることによって、ＣＣＤの信号となる有効電荷蓄積時間Ｔ１ａを変化させることができ、ＣＣＤ２０Ａの感度を調整することができる。
【００２８】
本実施の形態では、シャッターゲートがオン状態となってから転送パルスによる転送が始まるまでの時間が有効電荷蓄積時間となるため、この時間と同期させて投光素子１３を駆動するようにしてもよい。この場合には少なくとも有効電荷蓄積時間Ｔ１ａを含む間、投光素子１３を点灯させる。こうすれば有効電荷蓄積時間には反射光を受光することができ、外乱のノイズの影響を少なくすると共に、点灯時間を最小限にとどめることができる。点灯時間が短いことは投光素子の寿命を長くし、又人の目に対する危険を少なくする点で望ましい。
【００２９】
尚前述した第２の実施の形態ではＣＣＤ２０Ａの感度を調整するため、シャッター機能を有するＣＣＤを用いているが、ＣＣＤ２０から出力を増幅する増幅器２２のゲインを変化させて感度を調整するようにしてもよい。
【００３０】
更に受光レベルが大幅に高い場合等には、投光素子の前面に光量を減衰させるＮＤフィルタを設け、このフィルタの減衰レベルを選択することによって光量を制御するようにしてもよい。更に受光素子に入光する光の強度を調整するため、ＣＣＤの前面に同様にＮＤフィルタを設け、その減衰レベルを調整したり、絞り機構を設け絞りの開口度を変化させて光の強度を調整することも可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、感度調整時に投光素子の投光時間や投光レベルを変化させて感度を調整しているため、感度の調整が容易となり、応答時間を一定とすることができる。更に請求項１の発明では、受光素子にシャッター機能を有する素子を用いて電荷蓄積時間を変化させるようにしているため、外乱光等が入射する可能性を少なくすることができる。又有効電荷蓄積時間と同期させて投光素子を点灯するようにすれば、点灯時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光式センサの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態による光式センサの光学系の内部構成を示す図である。
【図３】本実施の形態による光式センサのＣＣＤ２０上の受光量分布を示す図である。
【図４】受光素子の電荷転送パルスと点灯信号及び受光レベルの関係を示す図である。
【図５】本実施の形態による信号処理部の感度調整処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態による光式センサの構成を示すブロック図である。
【図７】ＣＣＤの転送パルスと電荷蓄積時間及びシャッターゲートの関係を示すタイムチャートである。
【図８】光式センサにおけるあるラインの受光レベルと低感度及び高感度の受光レベルの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  光式センサ
１１  投光手段
１２  駆動回路
１３  投光素子
１４  コリメートレンズ
１５  スリット板
１５ａ  スリット
１６  シリンドリカルレンズ
１７  受光手段
１８  検出物体
１９  受光レンズ
２０  ＣＣＤ
２１  ＣＣＤドライバ
２２  増幅器
２３  Ａ／Ｄ変換器
２４  画像メモリ
２５，２８  感度調整手段
２６  演算処理手段
２７  信号処理手段
【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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