JP3319720B2 - エッジ検出装置 - Google Patents
エッジ検出装置Info
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- JP3319720B2 JP3319720B2 JP35020898A JP35020898A JP3319720B2 JP 3319720 B2 JP3319720 B2 JP 3319720B2 JP 35020898 A JP35020898 A JP 35020898A JP 35020898 A JP35020898 A JP 35020898A JP 3319720 B2 JP3319720 B2 JP 3319720B2
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、平行な目盛り線
が複数本配列形成された標準スケールの校正装置等に用
いられる目盛り線のエッジを光学的に検出するエッジ検
出装置に関し、特に目盛り線と平行な3つのスリットを
用いた3スリット法によるエッジ検出装置に関する。
が複数本配列形成された標準スケールの校正装置等に用
いられる目盛り線のエッジを光学的に検出するエッジ検
出装置に関し、特に目盛り線と平行な3つのスリットを
用いた3スリット法によるエッジ検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来この種の標準スケールの目盛り線エ
ッジを光学的に検出する方法として、大きく分けて、目
盛り線エッジ像の明暗の変曲点を計測する変曲点法と、
目盛り線エッジ像の光相対強度を所定のレベルでスライ
スしてエッジ位置を求める光相対強度法とがある。前者
には、受光素子前面に配置したスリットを振動させて得
られる受光信号から変曲点を求める振動スリット法、二
つの受光素子の出力信号を処理してその差動信号から変
曲点を求める二元配置センサ法等がある。後者にも、ピ
ンホール法、スリット法、画像処理法等がある。
ッジを光学的に検出する方法として、大きく分けて、目
盛り線エッジ像の明暗の変曲点を計測する変曲点法と、
目盛り線エッジ像の光相対強度を所定のレベルでスライ
スしてエッジ位置を求める光相対強度法とがある。前者
には、受光素子前面に配置したスリットを振動させて得
られる受光信号から変曲点を求める振動スリット法、二
つの受光素子の出力信号を処理してその差動信号から変
曲点を求める二元配置センサ法等がある。後者にも、ピ
ンホール法、スリット法、画像処理法等がある。
【0003】従来のエッジ検出法には、一長一短があっ
た。例えば変曲点法は、再現性がよく、操作性にも優れ
ており、目盛り線のエッジ間隔の測定は高精度にできる
が、エッジ位置の正確な検出は難しい。光相対強度法
は、高精度のエッジ位置測定が可能であるが、反面、明
暗の100%,0%合わせと、これらとの関係でスライ
スレベルの設定が必要である。
た。例えば変曲点法は、再現性がよく、操作性にも優れ
ており、目盛り線のエッジ間隔の測定は高精度にできる
が、エッジ位置の正確な検出は難しい。光相対強度法
は、高精度のエッジ位置測定が可能であるが、反面、明
暗の100%,0%合わせと、これらとの関係でスライ
スレベルの設定が必要である。
【0004】そこで、本出願人は、エッジ像に対する位
置を少しずつずらして配置された3つのスリットを使用
した3スリット法によるエッジ検出装置を提案している
(特開平8−145621号)。この方式は、2つのビ
ームスプリッタを用いてエッジ像を形成する光を3つに
分岐して、これら分岐された3つの光を、それぞれの受
光面にスリットが形成された3つの受光素子で検出する
ことにより、エッジの位置を検出する方式である。ま
た、同じ公報には、平行な3つのスリットが形成された
受光面を持つ1つの受光素子を用いて、エッジ位置を検
出する方式も提案されている。
置を少しずつずらして配置された3つのスリットを使用
した3スリット法によるエッジ検出装置を提案している
(特開平8−145621号)。この方式は、2つのビ
ームスプリッタを用いてエッジ像を形成する光を3つに
分岐して、これら分岐された3つの光を、それぞれの受
光面にスリットが形成された3つの受光素子で検出する
ことにより、エッジの位置を検出する方式である。ま
た、同じ公報には、平行な3つのスリットが形成された
受光面を持つ1つの受光素子を用いて、エッジ位置を検
出する方式も提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の3スリット法によるエッジ検出装置のうち、前者の方
式では、3スリットの相対位置の調整や3つの受光素子
の感度調整が面倒であった。また、後者の方式では、真
ん中のスリットに対応した受光出力を減算のために分離
抽出しなければならないため、受光面をスリットと同等
かそれよりも僅かに大きい面積でしか形成することがで
きず、十分な出力が得られないという問題があった。
の3スリット法によるエッジ検出装置のうち、前者の方
式では、3スリットの相対位置の調整や3つの受光素子
の感度調整が面倒であった。また、後者の方式では、真
ん中のスリットに対応した受光出力を減算のために分離
抽出しなければならないため、受光面をスリットと同等
かそれよりも僅かに大きい面積でしか形成することがで
きず、十分な出力が得られないという問題があった。
【0006】この発明は、上述した従来の3スリット法
を更に改良し、調整がより容易で、受光感度も高めるこ
とができるエッジ検出装置を提供することを目的として
いる。
を更に改良し、調整がより容易で、受光感度も高めるこ
とができるエッジ検出装置を提供することを目的として
いる。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は、平行な目盛
り線が複数本配列形成されたスケールの目盛り線エッジ
を光学的に検出する装置であって、前記スケールの目盛
り線のエッジ像を拡大する対物レンズと、この対物レン
ズにより拡大されたエッジ像を形成する光を2つに分岐
させるビームスプリッタと、このビームスプリッタで分
岐された一方の光を目盛り線エッジと平行な第1及び第
2のスリットを介して検出する受光面を持つ第1の受光
手段と、前記ビームスプリッタで分岐された他方の光を
目盛り線エッジと平行な第3のスリットを介して検出す
る受光面を持つ第2の受光手段と、前記第1及び第2の
受光手段の出力からエッジ検出信号を生成する演算手段
とを備え、前記エッジ像を基準として前記第1及び第3
のスリットが、前記第2のスリットの両側の均等位置に
配置されていることを特徴としている。
り線が複数本配列形成されたスケールの目盛り線エッジ
を光学的に検出する装置であって、前記スケールの目盛
り線のエッジ像を拡大する対物レンズと、この対物レン
ズにより拡大されたエッジ像を形成する光を2つに分岐
させるビームスプリッタと、このビームスプリッタで分
岐された一方の光を目盛り線エッジと平行な第1及び第
2のスリットを介して検出する受光面を持つ第1の受光
手段と、前記ビームスプリッタで分岐された他方の光を
目盛り線エッジと平行な第3のスリットを介して検出す
る受光面を持つ第2の受光手段と、前記第1及び第2の
受光手段の出力からエッジ検出信号を生成する演算手段
とを備え、前記エッジ像を基準として前記第1及び第3
のスリットが、前記第2のスリットの両側の均等位置に
配置されていることを特徴としている。
【0008】前記第1及び第2のスリットを介した光を
受光する前記第1の受光手段の出力をa+c、前記第3
のスリットを介した光を受光する前記第2の受光手段の
出力をb、前記第1の受光手段の出力振幅が前記第2の
受光手段の出力振幅の2倍であるとしたとき、前記演算
手段は、エッジ検出信号sを、s=a+c−mbによっ
て生成するものである。
受光する前記第1の受光手段の出力をa+c、前記第3
のスリットを介した光を受光する前記第2の受光手段の
出力をb、前記第1の受光手段の出力振幅が前記第2の
受光手段の出力振幅の2倍であるとしたとき、前記演算
手段は、エッジ検出信号sを、s=a+c−mbによっ
て生成するものである。
【0009】3スリット法では、3つのスリットのうち
両端に配置されたスリットを介した受光出力が加算さ
れ、これから真ん中のスリットを介した受光出力が減算
される。この発明では、両側の第1及び第2のスリット
を介した光が、同一の受光手段(第1の受光手段)で受
光され、一度に加算出力が得られる。これにより、第1
及び第2のスリットを介した光は、別々の受光素子で独
立に受光する必要がないので、受光手段としてフォトマ
ルチプライヤ(光電子倍増管)のように感度の高い素子
を使用することができ、その感度調整も一本化すること
ができる。これと同時に、この発明によれば、第1及び
第2のスリットが同一の受光面上に配置されるので、こ
れら第1及び第2のスリットの相対位置を、正確に位置
決めすることができる。そして、ビームスプリッタが1
つであることと併せ、この発明によれば、3つのスリッ
トの位置関係の調整が極めて容易になる。
両端に配置されたスリットを介した受光出力が加算さ
れ、これから真ん中のスリットを介した受光出力が減算
される。この発明では、両側の第1及び第2のスリット
を介した光が、同一の受光手段(第1の受光手段)で受
光され、一度に加算出力が得られる。これにより、第1
及び第2のスリットを介した光は、別々の受光素子で独
立に受光する必要がないので、受光手段としてフォトマ
ルチプライヤ(光電子倍増管)のように感度の高い素子
を使用することができ、その感度調整も一本化すること
ができる。これと同時に、この発明によれば、第1及び
第2のスリットが同一の受光面上に配置されるので、こ
れら第1及び第2のスリットの相対位置を、正確に位置
決めすることができる。そして、ビームスプリッタが1
つであることと併せ、この発明によれば、3つのスリッ
トの位置関係の調整が極めて容易になる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図1は、この発明の一実施例に係
るエッジ検出装置の構成を示す図ある。標準スケール1
には、平行な目盛り線が多数配列形成されている。この
標準スケール1は例えば、ガラスに金属膜を蒸着した目
盛りが形成されたもの、又は金属に彫刻した目盛りが形
成されたものである。
の実施例を説明する。図1は、この発明の一実施例に係
るエッジ検出装置の構成を示す図ある。標準スケール1
には、平行な目盛り線が多数配列形成されている。この
標準スケール1は例えば、ガラスに金属膜を蒸着した目
盛りが形成されたもの、又は金属に彫刻した目盛りが形
成されたものである。
【0011】この標準スケール1の目盛り線の例えば裏
面から図示しない光源より光が照射される。その透過照
明によるエッジ像は対物レンズ2で拡大され、ビームス
プリッタ3に入射される。このビームスプリッタ3は、
一部の光を透過し、残りの光を反射する。ビームスプリ
ッタ3の透過光は第1の受光素子4で受光され、ビーム
スプリッタ3の反射光は第2の受光素子5で受光され
る。受光素子4の受光面の前面には、スリット6a,6
cが形成されたスリット板7が配置され、受光素子5の
受光面の前面には、スリット6bが形成されたスリット
板8が配置されている。受光素子4,5の出力は、それ
ぞれアンプ9,10で増幅された後、演算部11に供給
される。演算部11は、これらの受光出力からエッジ検
出信号を生成すると共に、生成されたエッジ検出信号か
らエッジ位置を検出する。
面から図示しない光源より光が照射される。その透過照
明によるエッジ像は対物レンズ2で拡大され、ビームス
プリッタ3に入射される。このビームスプリッタ3は、
一部の光を透過し、残りの光を反射する。ビームスプリ
ッタ3の透過光は第1の受光素子4で受光され、ビーム
スプリッタ3の反射光は第2の受光素子5で受光され
る。受光素子4の受光面の前面には、スリット6a,6
cが形成されたスリット板7が配置され、受光素子5の
受光面の前面には、スリット6bが形成されたスリット
板8が配置されている。受光素子4,5の出力は、それ
ぞれアンプ9,10で増幅された後、演算部11に供給
される。演算部11は、これらの受光出力からエッジ検
出信号を生成すると共に、生成されたエッジ検出信号か
らエッジ位置を検出する。
【0012】図2(a)はスリット6a,6cの詳細
を、また同図(b)はスリット6bの詳細をそれぞれ示
している。スリット6a,6cは、等しい幅W1で形成
され、受光面の中心から両側に均等に距離Dだけ離れた
位置に配置されている。また、スリット6bは、受光面
の中心位置に配置され、その幅がW2となっている。こ
こでW1=W2、ビームスプリッタ3の透過/反射比が
50%/50%であれば、受光素子4からの出力振幅
は、受光素子5からの出力振幅の2倍となる。
を、また同図(b)はスリット6bの詳細をそれぞれ示
している。スリット6a,6cは、等しい幅W1で形成
され、受光面の中心から両側に均等に距離Dだけ離れた
位置に配置されている。また、スリット6bは、受光面
の中心位置に配置され、その幅がW2となっている。こ
こでW1=W2、ビームスプリッタ3の透過/反射比が
50%/50%であれば、受光素子4からの出力振幅
は、受光素子5からの出力振幅の2倍となる。
【0013】図3は、この実施例でのエッジ検出原理を
分かり易く示したものである。ここで各スリット6a,
6b,6cは、同図(D)のように、スリット6bを中
心として、その両側に均等距離Dをおいてスリット6
a,6cが配置され、標準スケール1をその目盛り線と
直交する図中矢印で示す方向に移動させたときに、目盛
り線エッジ21の像が、スリット6a,6b,6cを順
に介して第1の受光素子4,第2の受光素子5,第1の
受光素子4の順で受光されるように、目盛り線エッジ2
1と平行に配置されている。目盛り線エッジ21の右側
斜線部は暗部、左側が明部を示している。
分かり易く示したものである。ここで各スリット6a,
6b,6cは、同図(D)のように、スリット6bを中
心として、その両側に均等距離Dをおいてスリット6
a,6cが配置され、標準スケール1をその目盛り線と
直交する図中矢印で示す方向に移動させたときに、目盛
り線エッジ21の像が、スリット6a,6b,6cを順
に介して第1の受光素子4,第2の受光素子5,第1の
受光素子4の順で受光されるように、目盛り線エッジ2
1と平行に配置されている。目盛り線エッジ21の右側
斜線部は暗部、左側が明部を示している。
【0014】ここで、図示のようにスケール1の目盛り
線の拡大像のエッジ21が移動したとき、スリット6
a,6b,6cをそれぞれ介した光が受光素子4,5に
受光されることにより得られる出力をそれぞれa,b,
cとすると、第1の受光素子4からの出力信号はa+c
となるので、同図(E)に示すように、目盛り線エッジ
21がスリット6a→6b→6cの順に移動するのに従
ってそのレベルが段階的に大きくなるような出力とな
る。また、第2の受光素子4からの出力信号bは、同図
(F)に示すように、スリット6bの通過を境にして高
レベルに変化する。演算部11では、エッジ検出信号s
を、
線の拡大像のエッジ21が移動したとき、スリット6
a,6b,6cをそれぞれ介した光が受光素子4,5に
受光されることにより得られる出力をそれぞれa,b,
cとすると、第1の受光素子4からの出力信号はa+c
となるので、同図(E)に示すように、目盛り線エッジ
21がスリット6a→6b→6cの順に移動するのに従
ってそのレベルが段階的に大きくなるような出力とな
る。また、第2の受光素子4からの出力信号bは、同図
(F)に示すように、スリット6bの通過を境にして高
レベルに変化する。演算部11では、エッジ検出信号s
を、
【0015】
【数1】s=a+c−2b
【0016】なる演算によって求める。求められるエッ
ジ検出信号sは、同図(G)のように、スリット6bの
中央が0で、その前後が一定の傾きで急峻に変化する信
号となる。このエッジ検出信号sのゼロクロス点を検出
することにより、目盛り線エッジ21の正確な位置を検
出することができる。
ジ検出信号sは、同図(G)のように、スリット6bの
中央が0で、その前後が一定の傾きで急峻に変化する信
号となる。このエッジ検出信号sのゼロクロス点を検出
することにより、目盛り線エッジ21の正確な位置を検
出することができる。
【0017】なお、以上は、ビームスプリッタ3の透過
/反射比が50%/50%であり、且つ受光素子4,5
の受光感度及びアンプ9,10のゲインがそれぞれ等し
いことが前提となっている。もし、ビームスプリッタ3
の透過/反射比を33.33%/66.67%とする
と、エッジ検出信号sは、s=a+c−bにより求めら
れる。一般的には、(信号a+cの振幅)/(信号bの
振幅)=mとしたとき、
/反射比が50%/50%であり、且つ受光素子4,5
の受光感度及びアンプ9,10のゲインがそれぞれ等し
いことが前提となっている。もし、ビームスプリッタ3
の透過/反射比を33.33%/66.67%とする
と、エッジ検出信号sは、s=a+c−bにより求めら
れる。一般的には、(信号a+cの振幅)/(信号bの
振幅)=mとしたとき、
【0018】
【数2】s=a+c−mb
【0019】により、エッジ検出信号sが求められる。
また、上記実施例では、図4(a)に示すように、スリ
ット6a,6cの幅W1とスリット6bの幅W2とが等
しいことを条件としたが、図4(b)のように、スリッ
ト6bの幅W2をスリット6a,6cの幅W1よりも狭
くすると、その分検出信号sのゼロクロスの立ち上がり
を急峻にすることができ、エッジ検出精度が向上する。
mとW1,W2との関係は、m=2W1/W2となる。
また、上記実施例では、図4(a)に示すように、スリ
ット6a,6cの幅W1とスリット6bの幅W2とが等
しいことを条件としたが、図4(b)のように、スリッ
ト6bの幅W2をスリット6a,6cの幅W1よりも狭
くすると、その分検出信号sのゼロクロスの立ち上がり
を急峻にすることができ、エッジ検出精度が向上する。
mとW1,W2との関係は、m=2W1/W2となる。
【0020】第1及び第2のスリット6a,6cの相対
位置は、固定でもよいし、図5に示すように、2枚のス
リット板7a,7bをスライド可能に配置することによ
り調整可能としてもよい。調整可能とする場合には、ス
ケールの目盛り線の間隔に応じて最適な間隔を選択する
ことができるという利点がある。
位置は、固定でもよいし、図5に示すように、2枚のス
リット板7a,7bをスライド可能に配置することによ
り調整可能としてもよい。調整可能とする場合には、ス
ケールの目盛り線の間隔に応じて最適な間隔を選択する
ことができるという利点がある。
【0021】目盛り線の幅及び間隔が狭くなり、レンズ
の分解能に近づいてくると、目盛り線像の強度分布が重
なって、エッジ像のコントラストが低下してくる。この
ような場合には、スリット間隔をレンズの強度分布の周
期と一致させることにより、検出感度を向上させること
ができる。図6は、これを説明したものである。例えば
スケール1の目盛り幅が0.8μm/0.8μm(周期
1.6μm)位になると、幅自体が光の波長やレンズの
分解能に近づいてくるため、同図(B),(C),
(D)に示すように、明暗の境がはっきりしなくなって
くる。そこで、スリット間隔2Dをスケール1の目盛り
周期と一致するように設定すると、(F),(G)のよ
うに受光素子4,5自体の出力変化に差がなくても、セ
ンサ出力sは、(H)のように、急峻な変化を示す信号
となる。
の分解能に近づいてくると、目盛り線像の強度分布が重
なって、エッジ像のコントラストが低下してくる。この
ような場合には、スリット間隔をレンズの強度分布の周
期と一致させることにより、検出感度を向上させること
ができる。図6は、これを説明したものである。例えば
スケール1の目盛り幅が0.8μm/0.8μm(周期
1.6μm)位になると、幅自体が光の波長やレンズの
分解能に近づいてくるため、同図(B),(C),
(D)に示すように、明暗の境がはっきりしなくなって
くる。そこで、スリット間隔2Dをスケール1の目盛り
周期と一致するように設定すると、(F),(G)のよ
うに受光素子4,5自体の出力変化に差がなくても、セ
ンサ出力sは、(H)のように、急峻な変化を示す信号
となる。
【0022】以上のように構成することにより、従来の
3スリット法では、3つのシングルスリットを独立に調
整する機構が必要であったが、両端の2つのスリットを
同じ受光面に配置することで、ダブルスリットに構成す
ることができ、このダブルスリットの真ん中に中央のシ
ングルスリットを配置するように調整するだけでよく、
調整機構が少なくなり、部品点数が軽減でき、コスト低
減を図ることができる。また、この発明によれば、ダブ
ルスリットを介した光が加算されるので、これら光を分
離する必要がなく、この結果、シングルスリット側も含
めて、受光手段として受光面が広いフォトマルチプライ
ヤ等を使用することができる。フォトマルチプライヤ
は、通常のシリコンに比べて1万倍程度の感度を有して
おり、極めて精度の良いエッジ検出が可能になる。更
に、ダブルスリット側の感度調整を1本化することがで
きる。
3スリット法では、3つのシングルスリットを独立に調
整する機構が必要であったが、両端の2つのスリットを
同じ受光面に配置することで、ダブルスリットに構成す
ることができ、このダブルスリットの真ん中に中央のシ
ングルスリットを配置するように調整するだけでよく、
調整機構が少なくなり、部品点数が軽減でき、コスト低
減を図ることができる。また、この発明によれば、ダブ
ルスリットを介した光が加算されるので、これら光を分
離する必要がなく、この結果、シングルスリット側も含
めて、受光手段として受光面が広いフォトマルチプライ
ヤ等を使用することができる。フォトマルチプライヤ
は、通常のシリコンに比べて1万倍程度の感度を有して
おり、極めて精度の良いエッジ検出が可能になる。更
に、ダブルスリット側の感度調整を1本化することがで
きる。
【0023】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によるエッジ
検出装置によれば、第1及び第2のスリットが同一の受
光面上に配置されるので、これら第1及び第2のスリッ
トの相対位置を、正確に位置決めすることができる。そ
して、ビームスプリッタが1つであることと併せ、この
発明によれば、3つのスリットの位置関係の調整が極め
て容易になるという効果を奏する。
検出装置によれば、第1及び第2のスリットが同一の受
光面上に配置されるので、これら第1及び第2のスリッ
トの相対位置を、正確に位置決めすることができる。そ
して、ビームスプリッタが1つであることと併せ、この
発明によれば、3つのスリットの位置関係の調整が極め
て容易になるという効果を奏する。
【図1】 この発明の一実施例に係るエッジ検出装置の
構成を示す。
構成を示す。
【図2】 同実施例の受光素子とスリットの配置関係を
示す。
示す。
【図3】 同実施例のエッジ検出原理を説明する図であ
る。
る。
【図4】 この発明の他の実施例に係るエッジ検出装置
のスリット配置を示す。
のスリット配置を示す。
【図5】 この発明の更に他の実施例に係るエッジ検出
装置のスリット板の構成を示す。
装置のスリット板の構成を示す。
【図6】 この発明の更に他の実施例のエッジ検出原理
を説明する図である。
を説明する図である。
1…標準スケール、2…対物レンズ、3…ビームスプリ
ッタ、4…第1の受光素子、5…第2の受光素子、6
a,6b,6c…スリット、9,10…アンプ、11…
演算部。
ッタ、4…第1の受光素子、5…第2の受光素子、6
a,6b,6c…スリット、9,10…アンプ、11…
演算部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−145621(JP,A) 特開 平7−253306(JP,A) 特開 平7−159136(JP,A) 特開 平5−332944(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102
Claims (2)
- 【請求項1】 平行な目盛り線が複数本配列形成された
スケールの目盛り線エッジを光学的に検出する装置であ
って、 前記スケールの目盛り線のエッジ像を拡大する対物レン
ズと、 この対物レンズにより拡大されたエッジ像を形成する光
を2つに分岐させるビームスプリッタと、 このビームスプリッタで分岐された一方の光を目盛り線
エッジと平行な第1及び第2のスリットを介して検出す
る受光面を持つ第1の受光手段と、 前記ビームスプリッタで分岐された他方の光を目盛り線
エッジと平行な第3のスリットを介して検出する受光面
を持つ第2の受光手段と、 前記第1及び第2の受光手段の出力からエッジ検出信号
を生成する演算手段とを備え、 前記エッジ像を基準として前記第1及び第2のスリット
が、前記第3のスリットの両側の均等位置に配置されて
いることを特徴とするエッジ検出装置。 - 【請求項2】 前記第1及び第2のスリットを介した光
を受光する前記第1の受光手段の出力をa+c、前記第
3のスリットを介した光を受光する前記第2の受光手段
の出力をb、前記第1の受光手段の出力振幅が前記第2
の受光手段の出力振幅のm倍であるとしたとき、 前記演算手段は、エッジ検出信号sを、 s=a+c−mb によって生成するものであることを特徴とする請求項1
記載のエッジ検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP35020898A JP3319720B2 (ja) | 1998-12-09 | 1998-12-09 | エッジ検出装置 |
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Family Applications (1)
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-
1998
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