光学式変位計
【課題】ユーザの判断や操作の負担をできるだけ軽減しながら、対象物の種類等に応じて適切な計測アルゴリズムを選択することによって高い計測精度を維持することが可能な光学式変位計を提供する。
【解決手段】光学式変位計は、ワークに光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれがワークからの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって対象物までの距離又は対象物の変位を計測する計測処理を実行する処理ユニットを備えている。計測処理部は、ピーク位置又は重心位置の算出方法が異なる複数の計測モードを有し、受光波形の山部の幅のような特徴量を抽出し（＃１０３）、その特徴量に応じて適切な計測モードを選択する（＃１０４〜＃１０８）。
【解決手段】光学式変位計は、ワークに光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれがワークからの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって対象物までの距離又は対象物の変位を計測する計測処理を実行する処理ユニットを備えている。計測処理部は、ピーク位置又は重心位置の算出方法が異なる複数の計測モードを有し、受光波形の山部の幅のような特徴量を抽出し（＃１０３）、その特徴量に応じて適切な計測モードを選択する（＃１０４〜＃１０８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に光を照射し、対象物からの光をイメージセンサーで受光して得られる電気信号から対象物までの距離又は対象物の変位を計測する光学式変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光学式変位計として、三角測量の原理を用いて対象物（以下、ワークともいう）までの距離又は変位を計測するものがある。この光学式変位計は、ワークに光を照射するための発光素子としてのレーザダイオードと、複数の画素構成部のそれぞれがワークからの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号に基づいてワークまでの距離又はワークの変位を計測する計測処理部とを備えている。イメージセンサーからの電気信号は、ＡＤコンバータでディジタル値に変換されて計測処理部に入力される。
【０００３】
計測処理部は受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を求めることによって三角測量の原理を用いてワークまでの距離を算出する。受光波形における山部は、受光量に相当する電気信号（例えば電圧）が一旦増加したのち減少する部分であり、厳密には高さ及び幅があらかじめ定めた値を超えているものが山部として検出される。
【０００４】
上記のような光学式変位計による計測の対象となるワークには、プリント配線板、半導体基板、金属製品、樹脂製品、その他種々のものが含まれる。例えば、ワークの表面の状態に応じて光の反射率、ひいては受光量が大きく変動する。ワークの表面が鏡面のように光反射率が高い面の場合は、非常に多くの反射光が光学式変位計に戻りイメージセンサーによる受光量が非常に大きくなる。他方、ワークの表面が粗く光の乱反射が生じやすいような場合は、光学式変位計のイメージセンサーによる受光量が非常に小さくなる。
【０００５】
上記のようにワークの材質や表面状態の相違によって受光量が大きく変動すると、イメージセンサーの蓄積電荷の飽和を回避しながらダイナミックレンジを有効活用することが困難になる。そこで、受光量（例えば山部のピーク値）が目標値になるように、発光素子の発光量やイメージセンサーからの電気信号を増幅する増幅器の増幅率を調整するフィードバック制御を行うことが一般的である（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
ワークの材質や表面状態の相違は、受光波形の山部のピーク値に代表される受光量の変動だけでなく、受光波形の山部の形状にも影響を与える。典型的なワークでは表面で光が適度の拡散反射を生じ、受光波形に比較的きれいな山部が現れるが、例えば鏡面のような光反射率が高い表面を有するワークの場合は裾野の幅が狭い急峻な山部が現れる。逆に、表面の凹凸が大きいワークでは、潜り光と呼称される乱反射光が生じるために山部の形状が乱れたり、なだらかになったりすることが多い。このように山部の形状が大きく変化すると、山部のピーク位置又は重心位置を求めてワークまでの距離を計測するアルゴリズムが一律では高い計測精度を維持することが困難になる。
【０００７】
そこで、例えば鏡面ワーク、乱反射の多いワークのように、ワークの種類に応じて山部のピーク位置又は重心位置を求めてワークまでの距離を計測するアルゴリズムを変えることが考えられる。計測アルゴリズムの異なる複数種類のモードをあらかじめ用意しておき、ワークの種類等に応じてユーザが使用するモードを設定するように構成すればよい。
【特許文献１】特開２００１−１５９５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ワークの種類等に応じて、計測アルゴリズムの異なる複数種類のモードのうちの１つを設定することは、不慣れなユーザにとって判断が難しいと考えられる。また、そのような設定操作を煩わしく感じるユーザもいるであろう。
【０００９】
そこで、本発明は、ユーザの判断や操作の負担をできるだけ軽減しながら、対象物の種類等に応じて適切な計測アルゴリズムを選択することによって高い計測精度を維持することが可能な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、対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって対象物までの距離又は対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部とを備え、計測処理部は、受光波形から抽出した特徴量にしたがってピーク位置又は重心位置の算出方法を変更することを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、計測処理部が受光波形から抽出した特徴量にしたがってピーク位置又は重心位置の算出方法を自動的に変更して計測処理を実行する。したがって、ユーザに対象物の種類等に関する判断や操作の負担をかけることなく、対象物の種類等に応じて適切な計測アルゴリズムが選択され、高い計測精度を維持することが可能となる。なお、「ピーク位置又は重心位置の算出方法を変更」は、ピーク位置の算出方法を変更する場合、重心位置の算出方法を変更する場合、そして、ピーク位置又は重心位置のいずれを算出するか（対象物までの距離に対応する値としていずれを採用するか）を変更する場合を含む。
【００１２】
本発明による光学式変位計の第２の構成は、上記第１の構成における好ましい実施形態を示すものであり、受光波形から抽出した特徴量が受光波形の山部の幅であることを特徴とする。ここでいう「山部の幅」は、例えば山部の裾野付近に設定される一定レベルの直線と受光波形の山部とが交わる２点間の距離を意味する。一般に、対象物の表面が鏡面のように光反射率が高い面の場合は山部の幅が狭くなり、逆に、表面が粗く光の乱反射が生じやすい対象物の場合は山部の幅が広くなる。「受光波形から抽出した特徴量」として、山部の幅以外にも、対象物の種類等に応じて変化する種々のパラメータを採用することができる。例えば、受光波形に現れる山部の数、山部のピークを通る垂直線に関する山部の形状の対称性、山部の一定レベルより上の面積と下の面積との比率等が考えられる。
【００１３】
本発明による光学式変位計の第３の構成は、上記いずれかの構成における好ましい実施形態を示すものであり、計測処理部は、ピーク位置又は重心位置の算出方法が異なる複数のモードを有し、受光波形から抽出した特徴量にしたがって複数のモードのうちの１つを選択するように構成されている。このような構成とすることにより、計測アルゴリズムの組み立てが容易になる。また、第４の構成と相まってユーザが計測アルゴリズムを理解しやすくなる。
【００１４】
本発明による光学式変位計の第４の構成は、上記第３の構成において、選択された１つのモードを表す情報を表示する表示器を更に備えていることを特徴とする。このような構成によれば、計測処理部によって自動的に選択され実行される計測アルゴリズムのモードが表示器に表示されるので、ユーザは実行中のモードをその表示から知ることができ、計測中の対象物とモードの関連を確認することができる。なお、「モードを表す情報」は、モードの番号や記号を含む文字列のように、ユーザが実行中のモードを特定できる情報であれば何でもよい。したがって、表示器は少なくとも数字表示が可能な７セグメント表示器で足りる。
【００１５】
本発明による光学式変位計の第５の構成は、対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって対象物までの距離又は対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部と、受光波形から抽出した特徴量を表示する表示器とを備え、計測処理部は、ピーク位置又は重心位置の算出方法をあらかじめ複数種類記憶し、選択入力に従って複数種類のピーク位置又は重心位置の算出方法のうちの１つを選択して計測処理を実行することを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、対象物の種類等に応じて変化する受光波形から抽出された特徴量が表示器に表示され、ユーザは、その特徴量の表示から適切なピーク位置又は重心位置の算出方法（計測モード）を選択することができる。例えば、マニュアル等に記載されている対応表にしたがって、ユーザは、表示器に表示された特徴量に対応する算出方法（計測モード）を選択すればよい。したがって、対象物の種類等に応じて算出方法（計測モード）を選択する場合に比べてユーザの選択のための判断に関する負担が軽減される。なお、特徴量は数値として表示されるので、その表示に使用される表示器は、少なくとも数字表示が可能な７セグメント表示器で足りる。
【００１７】
本発明による光学式変位計の第６の構成は、上記第５の構成において、受光波形から抽出した特徴量が、受光波形の山部の幅であることを特徴とする。ここでいう「山部の幅」は、例えば山部の裾野付近に設定される一定レベルの直線と受光波形の山部とが交わる２点間の距離を意味する。一般に、対象物の表面が鏡面のように光反射率が高い面の場合は山部の幅が狭くなり、逆に、表面が粗く光の乱反射が生じやすい対象物の場合は山部の幅が狭くなる。「受光波形から抽出した特徴量」として、山部の幅以外にも、対象物の種類等に応じて変化する種々のパラメータを採用することができる。例えば、受光波形に現れる山部の数、山部のピークを通る垂直線に関する山部の形状の対称性、山部の一定レベルより上の面積と下の面積との比率等が考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係る光学式変位計の計測原理を示す図である。この光学式変位計はレーザ変位計ともいわれ、三角測量の原理を用いて対象物（以下、ワークという）の変位を非接触で計測するのに用いられる。ＬＤドライバ１１の制御によってレーザダイオード１２から発せられたレーザ光は、投光レンズ１３を通りワークＷＫを照射する。ワークＷＫで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ１４を通ってリニアイメージセンサー１５により受光される。リニアイメージセンサー１５は、複数の画素構成部が一列に配列されたＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサーであり、受光量に相当する電荷が画素構成部ごとに蓄積され、取り出される。
【００２０】
ワークＷＫが図１に破線で示すように変位すると、ワークＷＫで反射してリニアイメージセンサー１５に達するレーザ光の光路が破線のように変化する。その結果、リニアイメージセンサー１５の受光面における受光スポットの位置が移動し、上記の受光波形、すなわち受光量のピーク位置又は重心位置が変化する。リニアイメージセンサー１５の各画素構成部における受光量に応じた蓄積電荷が読み出し回路１６によって読み出され、信号処理によって一次元の受光量分布である受光波形が得られる。この受光波形のピーク位置又は重心位置からワークＷＫの変位が求まる。
【００２１】
図２は、光学式変位計の外観を示し、図２（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この光学式変位計は、センサーヘッド部２１とコントローラ部２２からなる。センサーヘッド部２１は、上記のＬＤドライバ１１、レーザダイオード１２、投光レンズ１３、受光レンズ１４、リニアイメージセンサー１５及び読み出し回路１６を内蔵している。
【００２２】
コントローラ部２２には、センサーヘッド部２１のＬＤドライバ１１を介してレーザダイオード１２の出力（発光量）を制御すると共に、リニアイメージセンサー１５から読み出された信号からワークＷＫの変位を求める処理を実行する電子回路が内蔵されている。また、コントローラ部２２の上面には、７セグメントＬＥＤを用いた表示器２２１と、目標値の設定等に使用されるシーソータイプの押ボタンスイッチである増減キー２２２等が設けられている。表示器２２１は、計測結果の数値表示や後述する計測モードの表示又はその選択のための情報の表示に使用され、それらを上下２段に同時に表示することができる。
【００２３】
センサーヘッド部２１とコントローラ部２２は電気ケーブル２３で接続され、相互に電気信号がやりとりされると共に、電源電圧がコントローラ部２２からセンサーヘッド部２１に供給される。また、センサーヘッド部２１は、２本のボルト２４を用いて所定の取付け台２５に固定される。ボルト２４が挿通される２箇所の取付け孔はセンサーヘッド部２１の基準面２６に沿って設けられている。この基準面２６は、計測用のレーザ光が出射すると共にワークＷＫからの反射光が入射する面である。
【００２４】
図３は、光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。センサーヘッド部２１は、レーザダイオード１２とそのドライブ回路（ＬＤドライバ）１１、リニアイメージセンサー１５とその読み出し回路１６、投光レンズ１３及び受光レンズ１４を含む。コントローラ部２２はローパスフィルタ（ＬＰＦ）４１、増幅器４６、ＡＤコンバータ４７、処理ユニット（計測処理部）４４、ＤＡコンバータ４５、及びリセット・制御回路４８を含む。処理ユニット４４は、マイクロプロセッサとその周辺回路、及び画像信号処理用の専用回路等を統合した集積回路（ＬＳＩ）である。
【００２５】
レーザダイオード１２から発せられたレーザ光は、投光レンズ１３を通りワークＷＫを照射する。ワークＷＫで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ１４を通ってリニアイメージセンサー１５に入射する。リニアイメージセンサー１５の各画素構成部に蓄積された電荷は、読み出し回路１６によって読み出される。読み出し回路１６は、読み出し用パルス信号である画素選択信号をリニアイメージセンサー１５に与えて各画素構成部を順次走査することによって、一次元の受光量分布に相当する時系列の電圧信号を得る。
【００２６】
例えば、リニアイメージセンサー１５が２５６画素からなり、画素ごとの転送レートが１マイクロ秒の場合は、２５６マイクロ秒かかって全画素構成部の蓄積電荷が読み出され、読み出し回路１６から時系列の電圧信号として出力される。この全画素の蓄積電荷を読み出すのに要する時間がサンプリング周期である。読み出し回路１６の出力信号は、コントローラ部２２に渡される。
【００２７】
読み出し回路１６からの電圧信号は、リニアイメージセンサー１５における画素位置に関する受光量の分布の情報を含んでいる。電圧値が高いほど、その画素位置における受光量が多いことを意味する。この電圧信号の波形が前述の受光波形であり、受光波形には一旦増加したのち減少するように変化する山部が含まれている。この山部のピーク位置は、ワークＷＫまでの距離に対応する受光量の最も多い画素位置に相当する。
【００２８】
図３に示すように、ローパスフィルタ４１から出力される電圧信号は増幅器４６で増幅された後にＡＤコンバータ４７でディジタル値に変換され、そのディジタル値が処理ユニット４４に逐次与えられる。処理ユニット４４は、ＡＤコンバータ４７を経て入力される逐次データから受光波形の山部を検出し、そのピーク位置又は（及び）重心位置を求める。受光波形が比較的きれいで急峻な形状の山部を有する場合は上述のようにピーク位置がワークＷＫまでの距離に対応しているので、ピーク位置を求めれば、ワークＷＫまでの距離を精度良く計測することができる。
【００２９】
しかし、山部のピーク位置を精度良く算出することが難しい場合も多いので、通常は山部の重心位置を算出することが多い。山部のピーク位置又は重心位置が算出されると、前述の三角測量の原理からワークＷＫまでの距離又は変位が計測される。計測結果は、表示器２２１に表示されると共に、処理ユニット４４からＤＡコンバータ４５に与えられ、アナログ電圧に変換されて外部機器に出力される。なお、本実施例の光学式変位計は、ワークＷＫの種類等に応じて変化する受光波形の特徴量を抽出し、これを表示器２２１に表示したり、山部のピーク位置又は重心位置が算出方法（計測モード）を自動的に切り替えたりする機能を備えている。この機能については後述する。
【００３０】
図３において、レーザダイオード１２から発せられるレーザ光の強さ（発光量）はＬＤドライバ１１を介して処理ユニット４４によって制御される。レーザ光の強さが変われば、ワークＷＫで反射され、リニアイメージセンサー１５に入射する光量（受光量）も変化する。そこで、ワークＷＫの光反射率（明るさ）に応じてレーザダイオード１２から発せられるレーザ光の強さを調節することにより、リニアイメージセンサー１５の各画素構成部における蓄積電荷の飽和を回避しながら、そのダイナミックレンジを十分に活用できるようにしている。具体的には、レーザダイオード１２を駆動するパルスのパルス幅又はデューティ比を変えることによってレーザ光の強さを調節する。もちろん、パルス電圧（ピーク値）を変えることによって、レーザ光の強さを調節してもよい。
【００３１】
上記のような処理ユニット４４による発光量（レーザ光の強さ）の制御は、一種のフィードバック制御として行われる。つまり、受光量に相当する値（例えばピーク値）が所定の目標値になるように、発光量（レーザ光の強さ）のフィードバック制御が行われる。発光量のフィードバック制御に代えて、図３に破線で示すように、増幅器４６のゲイン（増幅率）のフィードバック制御を行ってもよい。あるいは、発光量のフィードバック制御と増幅器４６の増幅率のフィードバック制御とを併用するようにしてもよい。例えば目標値に対するフィードバック量の誤差が所定の範囲内に収まっている間は増幅器４６の増幅率のフィードバック制御を行い、フィードバック量の誤差が所定の範囲を超えたときは発光量のフィードバック制御を行うように構成することが可能である。
【００３２】
図４は、処理ユニット４４によるフィードバック制御の構成を示すブロック図である。処理ユニット４４によって、比較部４４１、操作量算出部４４２及び出力部４４３が構成されている。また、図３におけるＬＤドライバ１１及びレーザダイオード１２が制御対象５１に相当し、リニアイメージセンサー１５、読出し回路１６、ＡＤコンバータ４７等がフィードバック回路（ＦＢ回路）５２に相当する。この例では、受光量に相当する電圧信号のピーク値（のディジタル変換値）がフィードバック量（ＦＢ量）として処理ユニット４４の比較部４４１に入力される。
【００３３】
比較部４４１は、あらかじめ定められた目標値とフィードバック量とを比較し、その誤差を出力する。この誤差に基づいて操作量算出部４４２が操作量を算出し、出力部４４３に与える。この操作量は、上述の発光量又は（及び）増幅率に相当する。操作量は、処理ユニット４４の出力部４４３から制御信号として制御対象５１に与えられる。すなわち、ＬＤドライバ１１又は（及び）増幅器４６に制御信号が与えられ、レーザダイオード１２の発光量又は（及び）増幅器４６の増幅率が制御される。そして、フィードバック回路５２（リニアイメージセンサー１５、読出し回路１６、ＡＤコンバータ４７等）によって得られる受光量のピーク値が再び処理ユニット４４の比較部４４１にフィードバックされることにより、フィードバックループが形成されている。
【００３４】
次に、本実施例の光学式変位計が備える計測アルゴリズムのいくつかの実施例について説明する。本実施例の光学式変位計は、ワークＷＫの種類等に応じて変化する受光波形の特徴量を抽出し、これを表示器２２１に表示したり、計測アルゴリズム（山部のピーク位置又は重心位置の算出方法）を自動的に切り替えたりする機能を有する。これによって、ユーザの判断や操作の負担をできるだけ軽減しながら、ワークＷＫの種類等が変化しても高い計測精度を維持することを可能にしている。なお、計測アルゴリズム、すなわち山部のピーク位置又は重心位置の算出方法は、処理ユニット４４に含まれるマイクロプロセッサのプログラムによって構成される。
【実施例１】
【００３５】
図５は、本発明の実施例１に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。処理ユニット４４は、ステップ＃１０１において、前述のフィードバック制御を実行し、発光量又は（及び）増幅率が適正値となるように調整する。続くステップ＃１０２において、リニアイメージセンサー１５の出力信号から得られた受光波形の山部を検出する。受光量に相当する電気信号（電圧）が一旦増加したのち減少する部分のうち、ピーク値がしきい値以上であり、幅があらかじめ定めた値を超えているものが山部として検出される。
【００３６】
次のステップ＃１０３において、受光波形の特徴量として山部の幅Ｄが抽出される。図６に例示するように、受光波形６３は山部６４を有し、その付近に設定された一定レベル（しきい値）の直線と山部６４とが交わる２点間の距離Ｄが山部の幅に相当する。なお、図６は、前述のフィードバック制御によって山部６４のピーク値が目標値となるように調整された状態を示している。
【００３７】
続くステップ＃１０４において山部の幅Ｄを判別する。すなわち、基準値ｄ１及びｄ２（ｄ１＜ｄ２）と山部の幅Ｄとを比較することによって３通りに分岐する。山部の幅Ｄが基準値ｄ１より小さい場合はステップ＃１０５でモード１を選択し、山部の幅Ｄが基準値ｄ１以上ｄ２以下である場合はステップ＃１０６でモード２を選択し、山部の幅Ｄが基準値ｄ２より大きい場合はステップ＃１０７でモード３を選択する。
【００３８】
山部の幅Ｄは、例えばリニアイメージセンサー１５の最大幅に相当する２５６画素に占める画素の数で表すことができる。例えば、標準的なワークでは山部の幅Ｄは５〜１０画素に相当する。そこで、基準値ｄ１及びｄ２の値として５及び１０を設定すると、モード１は表面の光反射率が高いワークの計測モードに相当し、モード２は標準的なワークの計測モードに相当し、モード３は表面で光が乱反射しやすいワークの計測モードに相当する。
【００３９】
図７は、実施例１に係る３通りの計測モードにおける重心位置の計算方法を例示する図である。（ａ）は山部の幅Ｄが基準値ｄ１より小さい場合に実行されるモード１を示し、（ｂ）は山部の幅Ｄが基準値ｄ１以上ｄ２以下である場合に実行されるモード２を示し、（ｃ）は山部の幅Ｄが基準値ｄ２より大きい場合に実行されるモード３を示している。それぞれのモードにおいて山部６４の重心位置を計算するに際し、横軸に平行な直線（重心計算ライン）Ｌ１、Ｌ２又はＬ３から上の部分について重心計算が行われる。図示の例では、この重心計算ラインがモード１、モード２、モード３の順番に高くなっている。なお、モード１における重心計算ラインＬ１は、山部の幅Ｄを求めた際のしきい値の直線と一致しているが、必ずしも一致させる必要はない。
【００４０】
上記のように山部の幅Ｄに応じて重心計算ラインＬ１の上下位置を変更する理由は次の通りである。すなわち、標準的なワークを計測する場合のモード２に比べて、山部の幅Ｄが狭いワークを計測する場合のモード１では、重心計算ラインＬ１をＬ２より下げることによって、重心計算に使用されるデータの数を増やす。そうしない場合は、山部の幅Ｄが狭いために重心計算に使用されるデータの数が少なく、計算結果の精度が十分に確保されないおそれがある。他方、山部の幅Ｄが広いワークを計測する場合のモード３では、重心計算ラインＬ３をＬ２より上げることによって、重心計算に使用されるデータの数を減らす。こうすることによって、乱反射光や多重反射光によって裾野付近に生じた寄生山部（図７（ｃ）における６５）が重心計算に与える悪影響（ずれ）を抑え、ワークまでの距離に対応する真の重心位置を精度良く算出することができる。また、山部の幅Ｄが広い場合は重心計算に使用されるデータの数が十分多いので、重心計算ラインＬ３を上げることによって、重心計算に使用されるデータの数を減らしても問題ない。
【００４１】
図５のフローチャートに戻り、ステップ＃１０５からステップ＃１０７の３通りのモードにおいて、上記のような重心計算によって山部６４の重心位置が算出される（ステップ＃１０８）。そして算出結果からワークまでの距離が求められ、計測結果として前述のように表示器２２１に表示されると共に、外部機器へ出力される（ステップ＃１０９）。
（実施例１の変形例）
【００４２】
上記の実施例１の変形例として、山部６４の重心位置を算出する代わりに、ピーク位置を算出することによってワークまでの距離を求めてもよい。ピーク位置は、公知のピーク検出処理によって容易に求めることができる。あるいは、山部６４のピーク位置の前後でサンプリングされた３点を通る二次曲線を推定し、そのピーク位置を求める方法も知られている。ピーク位置についても、ワークの種類等に応じてずれる傾向に一定の規則性がある場合は、ずれの補正方向及び補正量が異なる複数の計測モードを用意しておいて、山部の幅等の特徴量に応じて処理ユニット４４が適切な計測モードを選択して実行するように構成することが可能である。
【００４３】
また、ワークまでの距離に対応する量として山部６４の重心位置を算出するかピーク位置を算出するかを計測モードによって切り替えるようにしてもよい。例えば、図７の（ａ）及び（ｂ）のような受光波形の場合は重心位置を算出し、（ｃ）のような受光波形の場合はピーク位置を算出するようにしてもよい。すなわち、実施例１では図７（ｃ）の受光波形の場合に重心計算ラインＬ３を上げることによって裾野付近に生じた寄生山部６５の悪影響を除いているが、（ｃ）の場合に限って山部６４の重心位置ではなくピーク位置を計算するようにすれば、やはり寄生山部６５の悪影響を除くことが可能である。
【００４４】
また、受光波形の特徴量として、山部の幅に限らず種々の特徴量を抽出して計測モードの切り替えに用いることが可能である。例えば、山部６４のピークを通る垂直線に関する対象性を特徴量として抽出し、計測モードの切り替えに用いてもよい。図８は、山部６４のピークを通る垂直線に関する対象性が崩れている場合を例示している。図８（ａ）は、図７（ｃ）に示した受光波形と同様であり、寄生山部６５が生じることによってピークを通る垂直線６６に関する対象性が崩れている。図８（ｂ）では寄生山部は生じていないが、やはりワークの表面での乱反射や多重反射光の影響によって、ピークを通る垂直線６６に関する対象性が崩れている。
【００４５】
山部６４のピークを通る垂直線６６に関する対象性の崩れは、図８に示すように、しきい値ライン６７と山部６４とが交わる２点間の距離Ｄを垂直線６６でＤ１とＤ２とに分割したときに、Ｄ１とＤ２との差を求めることによって判別することが可能である。あるいは、しきい値ライン６７から上の山部６４の面積を垂直線６６で分割して個別に求め、両者を比較することによって対象性の崩れを判別してもよい。
【００４６】
特徴量として抽出された対象性に応じて計測モードを切り替える例として、対象性の崩れの有無（左右の差が所定値より多いか否か）に応じて、重心位置を算出するかピーク位置を算出するかを切り替えることが可能である。あるいは、対象性の崩れが有る場合に、その方向（左右いずれが膨らんでいるか）に応じて、ピーク位置又は重心位置の算出結果に正又は負の補正量を加えることが可能である。
【００４７】
その他の受光波形の特徴量の例として、しきい値ライン６７より上の山部６４の面積をピーク値レベルとしきい値との間の適当なレベルのラインで上下に分割し、上下の面積を個別に算出し、両者の比を特徴量として算出してもよい。また、ワークの種類によっては、複数の山部が受光波形に現れる場合があるので、検出された山部の数を受光波形の特徴量として計測モードを切り替えるようにしてもよい。
【００４８】
実施例１の別の変形例として、上記のように受光波形から抽出された特徴量に基づいて処理ユニット４４が選択した計測モードを表す情報を表示器２２１に表示するようにしてもよい。これによって、ユーザは実行中の計測モードをその表示から知ることができ、計測中のワークと計測モードの関連を確認することができる。なお、計測モードを表す情報として、例えば、モード１を示す表示「Ａ−１」、モード２を示す表示「Ａ−２」、又はモード３を示す表示「Ａ−３」を表示器２２１の上段又は下段（図２参照）の３桁×７セグメントを用いて表示することが可能である。
【実施例２】
【００４９】
図９は、本発明の実施例２に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。処理ユニット４４は、ステップ＃２０１において、前述のフィードバック制御を実行し、発光量又は（及び）増幅率が適正値となるように調整する。続くステップ＃２０２において、リニアイメージセンサー１５の出力信号から得られた受光波形の山部を検出する。受光量に相当する電気信号（電圧）が一旦増加したのち減少する部分のうち、ピーク値がしきい値以上であり、幅があらかじめ定めた値を超えているものが山部として検出される。
【００５０】
次のステップ＃２０３において、受光波形の特徴量として山部の幅Ｄが抽出される。実施例１の説明において図６に例示したように、受光波形６３は山部６４を有し、その付近に設定された一定レベル（しきい値）の直線と山部６４とが交わる２点間の距離Ｄが山部の幅に相当する。この特徴量として抽出された山部の幅Ｄの値は、次のステップ＃２０４で表示器２２１に表示される。山部の幅Ｄは、例えばリニアイメージセンサー１５の最大幅に相当する２５６画素に占める画素の数で表すことができる。例えば、標準的なワークでは山部の幅Ｄは５〜１０画素に相当する。そこで、表示器２２１の上段又は下段（図２参照）の３桁×７セグメント表示を用いて、山部の幅Ｄに相当する画素数を数値表示する。
【００５１】
ユーザは、表示器２２１に表示された受光波形の特徴量、すなわち山部の幅Ｄに相当する画素数を見て、適切な計測モードの選択入力を行う。例えば、図２に示した設定用の増減キー２２２を用いて計測モードの選択入力を行う。実施例１では、受光波形の特徴量に基づいて処理ユニット４４が自動的に適切な計測モードを選択するが、本実施例では抽出した受光波形の特徴量を表示するのにとどめ、ユーザがその表示を見て計測モードの選択入力を行う。この場合、ユーザは、ワークの種類等と受光波形の特徴量との関係を確認しながら、必要な場合は他の要素も考慮した上で実行すべき計測モードを決定することができる。なお、受光波形の特徴量と計測モードとの標準的な関係は、対応表としてマニュアル等に記載しておけば、ユーザがあらかじめ知ることができる。光学式変位計の側面等のスペースに対応表を印刷し、又は印刷シールを貼付しておいてもよい。
【００５２】
図９に示すフローチャートの例では、図５に示した実施例１の場合と同様に、３通りの計測モードが用意されている。ステップ＃２０５で選択入力の有無がチェックされ、選択入力があった場合は選択された計測モードが次のステップ＃２０６で判別され、各計測モード（ステップ＃２０７〜＃２０９）に分岐する。各計測モードでの山部の重心位置（又はピーク位置）の算出方法の相違については、実施例１及びその変形例で説明したとおりである。ステップ＃２１０で山部の重心位置（又はピーク位置）の算出が行われると、その算出結果からワークまでの距離が求められ、計測結果として前述のように表示器２２１に表示されると共に、外部機器へ出力される（ステップ＃２１１）。
（実施例２の変形例）
【００５３】
実施例１の変形例として説明した前述の各構成は、処理ユニット４４が自動的に適切な計測モードを選択して実行する点を除いて、実施例２にも同様に適用することが可能である。つまり、実施例２は、処理ユニット４４が抽出した受光波形の特徴量を表示器２２１に表示して、ユーザが計測モードの選択入力を行う際の判断の支援とすることが特徴であるが、山部の幅Ｄ以外の特徴量の例や複数の計測モードで実行される山部の重心位置（又はピーク位置）の算出方法の他の例に関する前述の説明は、実施例２にも適用することができる。
【００５４】
以上、本発明の実施例及びその変形例について説明したが、本発明は、これらの実施例や変形例に限らず、他の形態で実施することも可能である。例えば、上述の実施例や変形例ではあらかじめ複数の計測モードが用意され、受光波形から抽出した特徴量にしたがって、あるいは特徴量の表示に見たユーザの選択入力にしたがって、処理ユニット４４が１つの計測モードを選択して実行する。しかし、そのような複数の計測モードを用意しないで、１つの計測モードの中で、特徴量にしたがって処理ユニット４４が山部の重心位置（又はピーク位置）の算出方法（例えば重心計算ラインのようなパラメータ）を変更するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例に係る光学式変位計の計測原理を示す図である。
【図２】光学式変位計の外観を示す平面図及び側面図である。
【図３】光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。
【図４】処理ユニットによるフィードバック制御の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例１に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】受光波形の特徴量として抽出される山部の幅を例示する図である。
【図７】実施例１に係る３通りの計測モードにおける重心位置の計算方法を例示する図である。
【図８】受光波形の山部のピークを通る垂直線に関する対象性が崩れている場合を例示する図である。
【図９】本発明の実施例２に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１２ レーザダイオード（発光素子）
１５ リニアイメージセンサー
４４ 処理ユニット（計測処理部）
６３ 受光波形
６４ 山部
２２１ 表示器
Ｄ 山部の幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に光を照射し、対象物からの光をイメージセンサーで受光して得られる電気信号から対象物までの距離又は対象物の変位を計測する光学式変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の光学式変位計として、三角測量の原理を用いて対象物（以下、ワークともいう）までの距離又は変位を計測するものがある。この光学式変位計は、ワークに光を照射するための発光素子としてのレーザダイオードと、複数の画素構成部のそれぞれがワークからの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号に基づいてワークまでの距離又はワークの変位を計測する計測処理部とを備えている。イメージセンサーからの電気信号は、ＡＤコンバータでディジタル値に変換されて計測処理部に入力される。
【０００３】
計測処理部は受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を求めることによって三角測量の原理を用いてワークまでの距離を算出する。受光波形における山部は、受光量に相当する電気信号（例えば電圧）が一旦増加したのち減少する部分であり、厳密には高さ及び幅があらかじめ定めた値を超えているものが山部として検出される。
【０００４】
上記のような光学式変位計による計測の対象となるワークには、プリント配線板、半導体基板、金属製品、樹脂製品、その他種々のものが含まれる。例えば、ワークの表面の状態に応じて光の反射率、ひいては受光量が大きく変動する。ワークの表面が鏡面のように光反射率が高い面の場合は、非常に多くの反射光が光学式変位計に戻りイメージセンサーによる受光量が非常に大きくなる。他方、ワークの表面が粗く光の乱反射が生じやすいような場合は、光学式変位計のイメージセンサーによる受光量が非常に小さくなる。
【０００５】
上記のようにワークの材質や表面状態の相違によって受光量が大きく変動すると、イメージセンサーの蓄積電荷の飽和を回避しながらダイナミックレンジを有効活用することが困難になる。そこで、受光量（例えば山部のピーク値）が目標値になるように、発光素子の発光量やイメージセンサーからの電気信号を増幅する増幅器の増幅率を調整するフィードバック制御を行うことが一般的である（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
ワークの材質や表面状態の相違は、受光波形の山部のピーク値に代表される受光量の変動だけでなく、受光波形の山部の形状にも影響を与える。典型的なワークでは表面で光が適度の拡散反射を生じ、受光波形に比較的きれいな山部が現れるが、例えば鏡面のような光反射率が高い表面を有するワークの場合は裾野の幅が狭い急峻な山部が現れる。逆に、表面の凹凸が大きいワークでは、潜り光と呼称される乱反射光が生じるために山部の形状が乱れたり、なだらかになったりすることが多い。このように山部の形状が大きく変化すると、山部のピーク位置又は重心位置を求めてワークまでの距離を計測するアルゴリズムが一律では高い計測精度を維持することが困難になる。
【０００７】
そこで、例えば鏡面ワーク、乱反射の多いワークのように、ワークの種類に応じて山部のピーク位置又は重心位置を求めてワークまでの距離を計測するアルゴリズムを変えることが考えられる。計測アルゴリズムの異なる複数種類のモードをあらかじめ用意しておき、ワークの種類等に応じてユーザが使用するモードを設定するように構成すればよい。
【特許文献１】特開２００１−１５９５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ワークの種類等に応じて、計測アルゴリズムの異なる複数種類のモードのうちの１つを設定することは、不慣れなユーザにとって判断が難しいと考えられる。また、そのような設定操作を煩わしく感じるユーザもいるであろう。
【０００９】
そこで、本発明は、ユーザの判断や操作の負担をできるだけ軽減しながら、対象物の種類等に応じて適切な計測アルゴリズムを選択することによって高い計測精度を維持することが可能な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、対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって対象物までの距離又は対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部とを備え、計測処理部は、受光波形から抽出した特徴量にしたがってピーク位置又は重心位置の算出方法を変更することを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、計測処理部が受光波形から抽出した特徴量にしたがってピーク位置又は重心位置の算出方法を自動的に変更して計測処理を実行する。したがって、ユーザに対象物の種類等に関する判断や操作の負担をかけることなく、対象物の種類等に応じて適切な計測アルゴリズムが選択され、高い計測精度を維持することが可能となる。なお、「ピーク位置又は重心位置の算出方法を変更」は、ピーク位置の算出方法を変更する場合、重心位置の算出方法を変更する場合、そして、ピーク位置又は重心位置のいずれを算出するか（対象物までの距離に対応する値としていずれを採用するか）を変更する場合を含む。
【００１２】
本発明による光学式変位計の第２の構成は、上記第１の構成における好ましい実施形態を示すものであり、受光波形から抽出した特徴量が受光波形の山部の幅であることを特徴とする。ここでいう「山部の幅」は、例えば山部の裾野付近に設定される一定レベルの直線と受光波形の山部とが交わる２点間の距離を意味する。一般に、対象物の表面が鏡面のように光反射率が高い面の場合は山部の幅が狭くなり、逆に、表面が粗く光の乱反射が生じやすい対象物の場合は山部の幅が広くなる。「受光波形から抽出した特徴量」として、山部の幅以外にも、対象物の種類等に応じて変化する種々のパラメータを採用することができる。例えば、受光波形に現れる山部の数、山部のピークを通る垂直線に関する山部の形状の対称性、山部の一定レベルより上の面積と下の面積との比率等が考えられる。
【００１３】
本発明による光学式変位計の第３の構成は、上記いずれかの構成における好ましい実施形態を示すものであり、計測処理部は、ピーク位置又は重心位置の算出方法が異なる複数のモードを有し、受光波形から抽出した特徴量にしたがって複数のモードのうちの１つを選択するように構成されている。このような構成とすることにより、計測アルゴリズムの組み立てが容易になる。また、第４の構成と相まってユーザが計測アルゴリズムを理解しやすくなる。
【００１４】
本発明による光学式変位計の第４の構成は、上記第３の構成において、選択された１つのモードを表す情報を表示する表示器を更に備えていることを特徴とする。このような構成によれば、計測処理部によって自動的に選択され実行される計測アルゴリズムのモードが表示器に表示されるので、ユーザは実行中のモードをその表示から知ることができ、計測中の対象物とモードの関連を確認することができる。なお、「モードを表す情報」は、モードの番号や記号を含む文字列のように、ユーザが実行中のモードを特定できる情報であれば何でもよい。したがって、表示器は少なくとも数字表示が可能な７セグメント表示器で足りる。
【００１５】
本発明による光学式変位計の第５の構成は、対象物に光を照射するための発光素子と、複数の画素構成部のそれぞれが対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって対象物までの距離又は対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部と、受光波形から抽出した特徴量を表示する表示器とを備え、計測処理部は、ピーク位置又は重心位置の算出方法をあらかじめ複数種類記憶し、選択入力に従って複数種類のピーク位置又は重心位置の算出方法のうちの１つを選択して計測処理を実行することを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、対象物の種類等に応じて変化する受光波形から抽出された特徴量が表示器に表示され、ユーザは、その特徴量の表示から適切なピーク位置又は重心位置の算出方法（計測モード）を選択することができる。例えば、マニュアル等に記載されている対応表にしたがって、ユーザは、表示器に表示された特徴量に対応する算出方法（計測モード）を選択すればよい。したがって、対象物の種類等に応じて算出方法（計測モード）を選択する場合に比べてユーザの選択のための判断に関する負担が軽減される。なお、特徴量は数値として表示されるので、その表示に使用される表示器は、少なくとも数字表示が可能な７セグメント表示器で足りる。
【００１７】
本発明による光学式変位計の第６の構成は、上記第５の構成において、受光波形から抽出した特徴量が、受光波形の山部の幅であることを特徴とする。ここでいう「山部の幅」は、例えば山部の裾野付近に設定される一定レベルの直線と受光波形の山部とが交わる２点間の距離を意味する。一般に、対象物の表面が鏡面のように光反射率が高い面の場合は山部の幅が狭くなり、逆に、表面が粗く光の乱反射が生じやすい対象物の場合は山部の幅が狭くなる。「受光波形から抽出した特徴量」として、山部の幅以外にも、対象物の種類等に応じて変化する種々のパラメータを採用することができる。例えば、受光波形に現れる山部の数、山部のピークを通る垂直線に関する山部の形状の対称性、山部の一定レベルより上の面積と下の面積との比率等が考えられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施例に係る光学式変位計の計測原理を示す図である。この光学式変位計はレーザ変位計ともいわれ、三角測量の原理を用いて対象物（以下、ワークという）の変位を非接触で計測するのに用いられる。ＬＤドライバ１１の制御によってレーザダイオード１２から発せられたレーザ光は、投光レンズ１３を通りワークＷＫを照射する。ワークＷＫで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ１４を通ってリニアイメージセンサー１５により受光される。リニアイメージセンサー１５は、複数の画素構成部が一列に配列されたＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサーであり、受光量に相当する電荷が画素構成部ごとに蓄積され、取り出される。
【００２０】
ワークＷＫが図１に破線で示すように変位すると、ワークＷＫで反射してリニアイメージセンサー１５に達するレーザ光の光路が破線のように変化する。その結果、リニアイメージセンサー１５の受光面における受光スポットの位置が移動し、上記の受光波形、すなわち受光量のピーク位置又は重心位置が変化する。リニアイメージセンサー１５の各画素構成部における受光量に応じた蓄積電荷が読み出し回路１６によって読み出され、信号処理によって一次元の受光量分布である受光波形が得られる。この受光波形のピーク位置又は重心位置からワークＷＫの変位が求まる。
【００２１】
図２は、光学式変位計の外観を示し、図２（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この光学式変位計は、センサーヘッド部２１とコントローラ部２２からなる。センサーヘッド部２１は、上記のＬＤドライバ１１、レーザダイオード１２、投光レンズ１３、受光レンズ１４、リニアイメージセンサー１５及び読み出し回路１６を内蔵している。
【００２２】
コントローラ部２２には、センサーヘッド部２１のＬＤドライバ１１を介してレーザダイオード１２の出力（発光量）を制御すると共に、リニアイメージセンサー１５から読み出された信号からワークＷＫの変位を求める処理を実行する電子回路が内蔵されている。また、コントローラ部２２の上面には、７セグメントＬＥＤを用いた表示器２２１と、目標値の設定等に使用されるシーソータイプの押ボタンスイッチである増減キー２２２等が設けられている。表示器２２１は、計測結果の数値表示や後述する計測モードの表示又はその選択のための情報の表示に使用され、それらを上下２段に同時に表示することができる。
【００２３】
センサーヘッド部２１とコントローラ部２２は電気ケーブル２３で接続され、相互に電気信号がやりとりされると共に、電源電圧がコントローラ部２２からセンサーヘッド部２１に供給される。また、センサーヘッド部２１は、２本のボルト２４を用いて所定の取付け台２５に固定される。ボルト２４が挿通される２箇所の取付け孔はセンサーヘッド部２１の基準面２６に沿って設けられている。この基準面２６は、計測用のレーザ光が出射すると共にワークＷＫからの反射光が入射する面である。
【００２４】
図３は、光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。センサーヘッド部２１は、レーザダイオード１２とそのドライブ回路（ＬＤドライバ）１１、リニアイメージセンサー１５とその読み出し回路１６、投光レンズ１３及び受光レンズ１４を含む。コントローラ部２２はローパスフィルタ（ＬＰＦ）４１、増幅器４６、ＡＤコンバータ４７、処理ユニット（計測処理部）４４、ＤＡコンバータ４５、及びリセット・制御回路４８を含む。処理ユニット４４は、マイクロプロセッサとその周辺回路、及び画像信号処理用の専用回路等を統合した集積回路（ＬＳＩ）である。
【００２５】
レーザダイオード１２から発せられたレーザ光は、投光レンズ１３を通りワークＷＫを照射する。ワークＷＫで反射したレーザ光の一部は、受光レンズ１４を通ってリニアイメージセンサー１５に入射する。リニアイメージセンサー１５の各画素構成部に蓄積された電荷は、読み出し回路１６によって読み出される。読み出し回路１６は、読み出し用パルス信号である画素選択信号をリニアイメージセンサー１５に与えて各画素構成部を順次走査することによって、一次元の受光量分布に相当する時系列の電圧信号を得る。
【００２６】
例えば、リニアイメージセンサー１５が２５６画素からなり、画素ごとの転送レートが１マイクロ秒の場合は、２５６マイクロ秒かかって全画素構成部の蓄積電荷が読み出され、読み出し回路１６から時系列の電圧信号として出力される。この全画素の蓄積電荷を読み出すのに要する時間がサンプリング周期である。読み出し回路１６の出力信号は、コントローラ部２２に渡される。
【００２７】
読み出し回路１６からの電圧信号は、リニアイメージセンサー１５における画素位置に関する受光量の分布の情報を含んでいる。電圧値が高いほど、その画素位置における受光量が多いことを意味する。この電圧信号の波形が前述の受光波形であり、受光波形には一旦増加したのち減少するように変化する山部が含まれている。この山部のピーク位置は、ワークＷＫまでの距離に対応する受光量の最も多い画素位置に相当する。
【００２８】
図３に示すように、ローパスフィルタ４１から出力される電圧信号は増幅器４６で増幅された後にＡＤコンバータ４７でディジタル値に変換され、そのディジタル値が処理ユニット４４に逐次与えられる。処理ユニット４４は、ＡＤコンバータ４７を経て入力される逐次データから受光波形の山部を検出し、そのピーク位置又は（及び）重心位置を求める。受光波形が比較的きれいで急峻な形状の山部を有する場合は上述のようにピーク位置がワークＷＫまでの距離に対応しているので、ピーク位置を求めれば、ワークＷＫまでの距離を精度良く計測することができる。
【００２９】
しかし、山部のピーク位置を精度良く算出することが難しい場合も多いので、通常は山部の重心位置を算出することが多い。山部のピーク位置又は重心位置が算出されると、前述の三角測量の原理からワークＷＫまでの距離又は変位が計測される。計測結果は、表示器２２１に表示されると共に、処理ユニット４４からＤＡコンバータ４５に与えられ、アナログ電圧に変換されて外部機器に出力される。なお、本実施例の光学式変位計は、ワークＷＫの種類等に応じて変化する受光波形の特徴量を抽出し、これを表示器２２１に表示したり、山部のピーク位置又は重心位置が算出方法（計測モード）を自動的に切り替えたりする機能を備えている。この機能については後述する。
【００３０】
図３において、レーザダイオード１２から発せられるレーザ光の強さ（発光量）はＬＤドライバ１１を介して処理ユニット４４によって制御される。レーザ光の強さが変われば、ワークＷＫで反射され、リニアイメージセンサー１５に入射する光量（受光量）も変化する。そこで、ワークＷＫの光反射率（明るさ）に応じてレーザダイオード１２から発せられるレーザ光の強さを調節することにより、リニアイメージセンサー１５の各画素構成部における蓄積電荷の飽和を回避しながら、そのダイナミックレンジを十分に活用できるようにしている。具体的には、レーザダイオード１２を駆動するパルスのパルス幅又はデューティ比を変えることによってレーザ光の強さを調節する。もちろん、パルス電圧（ピーク値）を変えることによって、レーザ光の強さを調節してもよい。
【００３１】
上記のような処理ユニット４４による発光量（レーザ光の強さ）の制御は、一種のフィードバック制御として行われる。つまり、受光量に相当する値（例えばピーク値）が所定の目標値になるように、発光量（レーザ光の強さ）のフィードバック制御が行われる。発光量のフィードバック制御に代えて、図３に破線で示すように、増幅器４６のゲイン（増幅率）のフィードバック制御を行ってもよい。あるいは、発光量のフィードバック制御と増幅器４６の増幅率のフィードバック制御とを併用するようにしてもよい。例えば目標値に対するフィードバック量の誤差が所定の範囲内に収まっている間は増幅器４６の増幅率のフィードバック制御を行い、フィードバック量の誤差が所定の範囲を超えたときは発光量のフィードバック制御を行うように構成することが可能である。
【００３２】
図４は、処理ユニット４４によるフィードバック制御の構成を示すブロック図である。処理ユニット４４によって、比較部４４１、操作量算出部４４２及び出力部４４３が構成されている。また、図３におけるＬＤドライバ１１及びレーザダイオード１２が制御対象５１に相当し、リニアイメージセンサー１５、読出し回路１６、ＡＤコンバータ４７等がフィードバック回路（ＦＢ回路）５２に相当する。この例では、受光量に相当する電圧信号のピーク値（のディジタル変換値）がフィードバック量（ＦＢ量）として処理ユニット４４の比較部４４１に入力される。
【００３３】
比較部４４１は、あらかじめ定められた目標値とフィードバック量とを比較し、その誤差を出力する。この誤差に基づいて操作量算出部４４２が操作量を算出し、出力部４４３に与える。この操作量は、上述の発光量又は（及び）増幅率に相当する。操作量は、処理ユニット４４の出力部４４３から制御信号として制御対象５１に与えられる。すなわち、ＬＤドライバ１１又は（及び）増幅器４６に制御信号が与えられ、レーザダイオード１２の発光量又は（及び）増幅器４６の増幅率が制御される。そして、フィードバック回路５２（リニアイメージセンサー１５、読出し回路１６、ＡＤコンバータ４７等）によって得られる受光量のピーク値が再び処理ユニット４４の比較部４４１にフィードバックされることにより、フィードバックループが形成されている。
【００３４】
次に、本実施例の光学式変位計が備える計測アルゴリズムのいくつかの実施例について説明する。本実施例の光学式変位計は、ワークＷＫの種類等に応じて変化する受光波形の特徴量を抽出し、これを表示器２２１に表示したり、計測アルゴリズム（山部のピーク位置又は重心位置の算出方法）を自動的に切り替えたりする機能を有する。これによって、ユーザの判断や操作の負担をできるだけ軽減しながら、ワークＷＫの種類等が変化しても高い計測精度を維持することを可能にしている。なお、計測アルゴリズム、すなわち山部のピーク位置又は重心位置の算出方法は、処理ユニット４４に含まれるマイクロプロセッサのプログラムによって構成される。
【実施例１】
【００３５】
図５は、本発明の実施例１に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。処理ユニット４４は、ステップ＃１０１において、前述のフィードバック制御を実行し、発光量又は（及び）増幅率が適正値となるように調整する。続くステップ＃１０２において、リニアイメージセンサー１５の出力信号から得られた受光波形の山部を検出する。受光量に相当する電気信号（電圧）が一旦増加したのち減少する部分のうち、ピーク値がしきい値以上であり、幅があらかじめ定めた値を超えているものが山部として検出される。
【００３６】
次のステップ＃１０３において、受光波形の特徴量として山部の幅Ｄが抽出される。図６に例示するように、受光波形６３は山部６４を有し、その付近に設定された一定レベル（しきい値）の直線と山部６４とが交わる２点間の距離Ｄが山部の幅に相当する。なお、図６は、前述のフィードバック制御によって山部６４のピーク値が目標値となるように調整された状態を示している。
【００３７】
続くステップ＃１０４において山部の幅Ｄを判別する。すなわち、基準値ｄ１及びｄ２（ｄ１＜ｄ２）と山部の幅Ｄとを比較することによって３通りに分岐する。山部の幅Ｄが基準値ｄ１より小さい場合はステップ＃１０５でモード１を選択し、山部の幅Ｄが基準値ｄ１以上ｄ２以下である場合はステップ＃１０６でモード２を選択し、山部の幅Ｄが基準値ｄ２より大きい場合はステップ＃１０７でモード３を選択する。
【００３８】
山部の幅Ｄは、例えばリニアイメージセンサー１５の最大幅に相当する２５６画素に占める画素の数で表すことができる。例えば、標準的なワークでは山部の幅Ｄは５〜１０画素に相当する。そこで、基準値ｄ１及びｄ２の値として５及び１０を設定すると、モード１は表面の光反射率が高いワークの計測モードに相当し、モード２は標準的なワークの計測モードに相当し、モード３は表面で光が乱反射しやすいワークの計測モードに相当する。
【００３９】
図７は、実施例１に係る３通りの計測モードにおける重心位置の計算方法を例示する図である。（ａ）は山部の幅Ｄが基準値ｄ１より小さい場合に実行されるモード１を示し、（ｂ）は山部の幅Ｄが基準値ｄ１以上ｄ２以下である場合に実行されるモード２を示し、（ｃ）は山部の幅Ｄが基準値ｄ２より大きい場合に実行されるモード３を示している。それぞれのモードにおいて山部６４の重心位置を計算するに際し、横軸に平行な直線（重心計算ライン）Ｌ１、Ｌ２又はＬ３から上の部分について重心計算が行われる。図示の例では、この重心計算ラインがモード１、モード２、モード３の順番に高くなっている。なお、モード１における重心計算ラインＬ１は、山部の幅Ｄを求めた際のしきい値の直線と一致しているが、必ずしも一致させる必要はない。
【００４０】
上記のように山部の幅Ｄに応じて重心計算ラインＬ１の上下位置を変更する理由は次の通りである。すなわち、標準的なワークを計測する場合のモード２に比べて、山部の幅Ｄが狭いワークを計測する場合のモード１では、重心計算ラインＬ１をＬ２より下げることによって、重心計算に使用されるデータの数を増やす。そうしない場合は、山部の幅Ｄが狭いために重心計算に使用されるデータの数が少なく、計算結果の精度が十分に確保されないおそれがある。他方、山部の幅Ｄが広いワークを計測する場合のモード３では、重心計算ラインＬ３をＬ２より上げることによって、重心計算に使用されるデータの数を減らす。こうすることによって、乱反射光や多重反射光によって裾野付近に生じた寄生山部（図７（ｃ）における６５）が重心計算に与える悪影響（ずれ）を抑え、ワークまでの距離に対応する真の重心位置を精度良く算出することができる。また、山部の幅Ｄが広い場合は重心計算に使用されるデータの数が十分多いので、重心計算ラインＬ３を上げることによって、重心計算に使用されるデータの数を減らしても問題ない。
【００４１】
図５のフローチャートに戻り、ステップ＃１０５からステップ＃１０７の３通りのモードにおいて、上記のような重心計算によって山部６４の重心位置が算出される（ステップ＃１０８）。そして算出結果からワークまでの距離が求められ、計測結果として前述のように表示器２２１に表示されると共に、外部機器へ出力される（ステップ＃１０９）。
（実施例１の変形例）
【００４２】
上記の実施例１の変形例として、山部６４の重心位置を算出する代わりに、ピーク位置を算出することによってワークまでの距離を求めてもよい。ピーク位置は、公知のピーク検出処理によって容易に求めることができる。あるいは、山部６４のピーク位置の前後でサンプリングされた３点を通る二次曲線を推定し、そのピーク位置を求める方法も知られている。ピーク位置についても、ワークの種類等に応じてずれる傾向に一定の規則性がある場合は、ずれの補正方向及び補正量が異なる複数の計測モードを用意しておいて、山部の幅等の特徴量に応じて処理ユニット４４が適切な計測モードを選択して実行するように構成することが可能である。
【００４３】
また、ワークまでの距離に対応する量として山部６４の重心位置を算出するかピーク位置を算出するかを計測モードによって切り替えるようにしてもよい。例えば、図７の（ａ）及び（ｂ）のような受光波形の場合は重心位置を算出し、（ｃ）のような受光波形の場合はピーク位置を算出するようにしてもよい。すなわち、実施例１では図７（ｃ）の受光波形の場合に重心計算ラインＬ３を上げることによって裾野付近に生じた寄生山部６５の悪影響を除いているが、（ｃ）の場合に限って山部６４の重心位置ではなくピーク位置を計算するようにすれば、やはり寄生山部６５の悪影響を除くことが可能である。
【００４４】
また、受光波形の特徴量として、山部の幅に限らず種々の特徴量を抽出して計測モードの切り替えに用いることが可能である。例えば、山部６４のピークを通る垂直線に関する対象性を特徴量として抽出し、計測モードの切り替えに用いてもよい。図８は、山部６４のピークを通る垂直線に関する対象性が崩れている場合を例示している。図８（ａ）は、図７（ｃ）に示した受光波形と同様であり、寄生山部６５が生じることによってピークを通る垂直線６６に関する対象性が崩れている。図８（ｂ）では寄生山部は生じていないが、やはりワークの表面での乱反射や多重反射光の影響によって、ピークを通る垂直線６６に関する対象性が崩れている。
【００４５】
山部６４のピークを通る垂直線６６に関する対象性の崩れは、図８に示すように、しきい値ライン６７と山部６４とが交わる２点間の距離Ｄを垂直線６６でＤ１とＤ２とに分割したときに、Ｄ１とＤ２との差を求めることによって判別することが可能である。あるいは、しきい値ライン６７から上の山部６４の面積を垂直線６６で分割して個別に求め、両者を比較することによって対象性の崩れを判別してもよい。
【００４６】
特徴量として抽出された対象性に応じて計測モードを切り替える例として、対象性の崩れの有無（左右の差が所定値より多いか否か）に応じて、重心位置を算出するかピーク位置を算出するかを切り替えることが可能である。あるいは、対象性の崩れが有る場合に、その方向（左右いずれが膨らんでいるか）に応じて、ピーク位置又は重心位置の算出結果に正又は負の補正量を加えることが可能である。
【００４７】
その他の受光波形の特徴量の例として、しきい値ライン６７より上の山部６４の面積をピーク値レベルとしきい値との間の適当なレベルのラインで上下に分割し、上下の面積を個別に算出し、両者の比を特徴量として算出してもよい。また、ワークの種類によっては、複数の山部が受光波形に現れる場合があるので、検出された山部の数を受光波形の特徴量として計測モードを切り替えるようにしてもよい。
【００４８】
実施例１の別の変形例として、上記のように受光波形から抽出された特徴量に基づいて処理ユニット４４が選択した計測モードを表す情報を表示器２２１に表示するようにしてもよい。これによって、ユーザは実行中の計測モードをその表示から知ることができ、計測中のワークと計測モードの関連を確認することができる。なお、計測モードを表す情報として、例えば、モード１を示す表示「Ａ−１」、モード２を示す表示「Ａ−２」、又はモード３を示す表示「Ａ−３」を表示器２２１の上段又は下段（図２参照）の３桁×７セグメントを用いて表示することが可能である。
【実施例２】
【００４９】
図９は、本発明の実施例２に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。処理ユニット４４は、ステップ＃２０１において、前述のフィードバック制御を実行し、発光量又は（及び）増幅率が適正値となるように調整する。続くステップ＃２０２において、リニアイメージセンサー１５の出力信号から得られた受光波形の山部を検出する。受光量に相当する電気信号（電圧）が一旦増加したのち減少する部分のうち、ピーク値がしきい値以上であり、幅があらかじめ定めた値を超えているものが山部として検出される。
【００５０】
次のステップ＃２０３において、受光波形の特徴量として山部の幅Ｄが抽出される。実施例１の説明において図６に例示したように、受光波形６３は山部６４を有し、その付近に設定された一定レベル（しきい値）の直線と山部６４とが交わる２点間の距離Ｄが山部の幅に相当する。この特徴量として抽出された山部の幅Ｄの値は、次のステップ＃２０４で表示器２２１に表示される。山部の幅Ｄは、例えばリニアイメージセンサー１５の最大幅に相当する２５６画素に占める画素の数で表すことができる。例えば、標準的なワークでは山部の幅Ｄは５〜１０画素に相当する。そこで、表示器２２１の上段又は下段（図２参照）の３桁×７セグメント表示を用いて、山部の幅Ｄに相当する画素数を数値表示する。
【００５１】
ユーザは、表示器２２１に表示された受光波形の特徴量、すなわち山部の幅Ｄに相当する画素数を見て、適切な計測モードの選択入力を行う。例えば、図２に示した設定用の増減キー２２２を用いて計測モードの選択入力を行う。実施例１では、受光波形の特徴量に基づいて処理ユニット４４が自動的に適切な計測モードを選択するが、本実施例では抽出した受光波形の特徴量を表示するのにとどめ、ユーザがその表示を見て計測モードの選択入力を行う。この場合、ユーザは、ワークの種類等と受光波形の特徴量との関係を確認しながら、必要な場合は他の要素も考慮した上で実行すべき計測モードを決定することができる。なお、受光波形の特徴量と計測モードとの標準的な関係は、対応表としてマニュアル等に記載しておけば、ユーザがあらかじめ知ることができる。光学式変位計の側面等のスペースに対応表を印刷し、又は印刷シールを貼付しておいてもよい。
【００５２】
図９に示すフローチャートの例では、図５に示した実施例１の場合と同様に、３通りの計測モードが用意されている。ステップ＃２０５で選択入力の有無がチェックされ、選択入力があった場合は選択された計測モードが次のステップ＃２０６で判別され、各計測モード（ステップ＃２０７〜＃２０９）に分岐する。各計測モードでの山部の重心位置（又はピーク位置）の算出方法の相違については、実施例１及びその変形例で説明したとおりである。ステップ＃２１０で山部の重心位置（又はピーク位置）の算出が行われると、その算出結果からワークまでの距離が求められ、計測結果として前述のように表示器２２１に表示されると共に、外部機器へ出力される（ステップ＃２１１）。
（実施例２の変形例）
【００５３】
実施例１の変形例として説明した前述の各構成は、処理ユニット４４が自動的に適切な計測モードを選択して実行する点を除いて、実施例２にも同様に適用することが可能である。つまり、実施例２は、処理ユニット４４が抽出した受光波形の特徴量を表示器２２１に表示して、ユーザが計測モードの選択入力を行う際の判断の支援とすることが特徴であるが、山部の幅Ｄ以外の特徴量の例や複数の計測モードで実行される山部の重心位置（又はピーク位置）の算出方法の他の例に関する前述の説明は、実施例２にも適用することができる。
【００５４】
以上、本発明の実施例及びその変形例について説明したが、本発明は、これらの実施例や変形例に限らず、他の形態で実施することも可能である。例えば、上述の実施例や変形例ではあらかじめ複数の計測モードが用意され、受光波形から抽出した特徴量にしたがって、あるいは特徴量の表示に見たユーザの選択入力にしたがって、処理ユニット４４が１つの計測モードを選択して実行する。しかし、そのような複数の計測モードを用意しないで、１つの計測モードの中で、特徴量にしたがって処理ユニット４４が山部の重心位置（又はピーク位置）の算出方法（例えば重心計算ラインのようなパラメータ）を変更するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例に係る光学式変位計の計測原理を示す図である。
【図２】光学式変位計の外観を示す平面図及び側面図である。
【図３】光学式変位計の主な回路構成を示すブロック図である。
【図４】処理ユニットによるフィードバック制御の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例１に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】受光波形の特徴量として抽出される山部の幅を例示する図である。
【図７】実施例１に係る３通りの計測モードにおける重心位置の計算方法を例示する図である。
【図８】受光波形の山部のピークを通る垂直線に関する対象性が崩れている場合を例示する図である。
【図９】本発明の実施例２に係る計測処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１２ レーザダイオード（発光素子）
１５ リニアイメージセンサー
４４ 処理ユニット（計測処理部）
６３ 受光波形
６４ 山部
２２１ 表示器
Ｄ 山部の幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に光を照射するための発光素子と、
複数の画素構成部のそれぞれが前記対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、
前記イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、前記山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって前記対象物までの距離又は前記対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部とを備え、
前記計測処理部は、前記受光波形から抽出した特徴量にしたがって前記ピーク位置又は重心位置の算出方法を変更することを特徴とする光学式変位計。
【請求項２】
前記受光波形から抽出した特徴量が、前記受光波形の山部の幅であることを特徴とする
請求項１記載の光学式変位計。
【請求項３】
前記計測処理部は、前記ピーク位置又は重心位置の算出方法が異なる複数のモードを有し、前記受光波形から抽出した特徴量にしたがって前記複数のモードのうちの１つを選択するように構成されていることを特徴とする
請求項１又は２記載の光学式変位計。
【請求項４】
前記選択された１つのモードを表す情報を表示する表示器を更に備えていることを特徴とする
請求項３記載の光学式変位計。
【請求項５】
対象物に光を照射するための発光素子と、
複数の画素構成部のそれぞれが前記対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、
前記イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、前記山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって前記対象物までの距離又は前記対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部と、
前記受光波形から抽出した特徴量を表示する表示器とを備え、
前記計測処理部は、前記ピーク位置又は重心位置の算出方法をあらかじめ複数種類記憶し、選択入力に従って前記複数種類のピーク位置又は重心位置の算出方法のうちの１つを選択して前記計測処理を実行することを特徴とする光学式変位計。
【請求項６】
前記受光波形から抽出した特徴量が、前記受光波形の山部の幅であることを特徴とする
請求項４記載の光学式変位計。
【請求項１】
対象物に光を照射するための発光素子と、
複数の画素構成部のそれぞれが前記対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、
前記イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、前記山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって前記対象物までの距離又は前記対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部とを備え、
前記計測処理部は、前記受光波形から抽出した特徴量にしたがって前記ピーク位置又は重心位置の算出方法を変更することを特徴とする光学式変位計。
【請求項２】
前記受光波形から抽出した特徴量が、前記受光波形の山部の幅であることを特徴とする
請求項１記載の光学式変位計。
【請求項３】
前記計測処理部は、前記ピーク位置又は重心位置の算出方法が異なる複数のモードを有し、前記受光波形から抽出した特徴量にしたがって前記複数のモードのうちの１つを選択するように構成されていることを特徴とする
請求項１又は２記載の光学式変位計。
【請求項４】
前記選択された１つのモードを表す情報を表示する表示器を更に備えていることを特徴とする
請求項３記載の光学式変位計。
【請求項５】
対象物に光を照射するための発光素子と、
複数の画素構成部のそれぞれが前記対象物からの光を受光して受光量に応じた電気信号を出力するイメージセンサーと、
前記イメージセンサーからの電気信号を処理して受光量の分布に相当する受光波形の山部を検出し、前記山部のピーク位置又は重心位置を算出することによって前記対象物までの距離又は前記対象物の変位を計測する計測処理を実行する計測処理部と、
前記受光波形から抽出した特徴量を表示する表示器とを備え、
前記計測処理部は、前記ピーク位置又は重心位置の算出方法をあらかじめ複数種類記憶し、選択入力に従って前記複数種類のピーク位置又は重心位置の算出方法のうちの１つを選択して前記計測処理を実行することを特徴とする光学式変位計。
【請求項６】
前記受光波形から抽出した特徴量が、前記受光波形の山部の幅であることを特徴とする
請求項４記載の光学式変位計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−３８５７１（Ｐ２００６−３８５７１Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１７４７８（Ｐ２００４−２１７４７８）
【出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００１２９２５３）株式会社キーエンス (681)
【Ｆターム（参考）】
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