JP6285376B2

JP6285376B2 - エッジ検出装置

Info

Publication number: JP6285376B2
Application number: JP2015030486A
Authority: JP
Inventors: 亮平落合
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: JP2016151543A

Description

この発明は、検出物体である被検出物体（ワーク）のエッジ位置を検出するエッジ検出装置に関する。

レーザー光に代表される単色光の光路に物体が存在すると、該物体のエッジ位置にてフレネル回折が生じる。そこでラインセンサを用いて上記フレネル回折の光強度分布を求め、この光強度分布を解析することで上記物体のエッジ位置を検出するエッジ検出装置が開発されている。即ち、複数の画素を配列したラインセンサに向けて投光部から単色平行光を照射した光路の一部を遮るように検出物体を位置付けると、上記ラインセンサの出力は上記検出物体のエッジ位置を境として大きく変化する。特にラインセンサ上の光強度分布は、エッジ位置の近傍におけるフレネル回折の影響を受けて一定の変化傾向を示すことが知られている。

特許文献１に示された発明は、被検出物体のエッジ位置を正確に検出することのできることは勿論のこと、ラインセンサが全入光状態であるか、或いは透明体による全遮光状態であるかを判定することができる。例えば上記被検出物体の位置制御に用いるに好適なエッジ検出装置を提供するために、被検出物体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段を備え、更に上記エッジ位置解析手段にて前記被検出物体のエッジ位置が検出できないとき、前記ラインセンサによる全受光量が予め記憶した該ラインセンサの全入光状態での全受光量よりも小さいときに前記被検出物体による全遮光状態として判定する全遮光状態判定手段を備えたことを特徴としている。

特許文献２に示された発明は、複数の受光セルを所定のピッチで配列したラインセンサの出力から単色平行光の光路中に位置付けられた被検出物体のエッジ位置を検出するに際し、ラインセンサの出力を自由空間側からサーチして物体のエッジで生じた光量分布パターンからその光量が第１の光量閾値まで低下した位置を第１の検出位置として検出すると共に、更に光量が低下した後に第２の光量閾値まで増加した位置を前記物体の第２の検出位置として検出する。そしてエッジに沿って検査部位を走査したときの第１および第２の検出位置の変化から欠けやひび割れ等の欠陥を検出する。

特開２００７−６４７３３号公報特開２００９−７５０７８号公報

特許文献１または特許文献２のエッジ検出装置では、あくまでも投光部であるレーザー光源と受光部であるラインセンサの位置関係は整合していることが前提となっている。機器校正時に、光軸にかかる位置は調整されているものであるが、経時的な設備の変化、振動衝撃などによってその光軸にズレが生じる問題があった。

本願発明は、そもそもラインセンサの両端は計測に適さないことの性質を利用して、両端部（未使用領域）の光量を監視することで、運転中であっても速やかに光軸ズレを検知することで課題を解決する。

本願発明は、ラインセンサと、このラインセンサに向けて単色光を照射する光源と、上記単色光の光路に位置付けられた被検出物体のエッジにおけるフレネル回折の光強度分布から前記ラインセンサの画素配列方向における上記被検出物体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段と、
前記エッジ位置解析手段では使用しない前記ラインセンサの両端部の光量データによって光軸のズレを検知する光軸ズレ判定手段と、を備えるエッジ検出装置である。

前記光軸ズレ判定手段は前記ラインセンサの両端部の光量データによって、前記被検出物体がある方と被検出物体がない方を見極めて、この被検出物体がない方の光量が所定の光量ズレ条件に合致した場合に光軸のズレを検知することを特徴とするエッジ検出装置である。

より具体的には、前記光量ズレ条件とは、
前記被検出物体がない方の光量が所定の閾値より大きい場合、
前記被検出物体がない方の光量が所定の閾値より小さい場合、
のうちいずれかであることを特徴とするエッジ検出装置である。

本願発明によれば、運転中であっても、透過型ラインセンサにより被検出物体を検出できる機能と並行しながら、光源とラインセンサの光軸ズレが発生したことを検知する機能を備えるエッジ検出装置を提供する。もちろん、被検出物体が存在しない場合にはフリーな条件で校正機能も実施できる。

本願発明にかかるエッジ検出装置の全体構成図本願発明の実施例である光軸のズレに対する光量データ特性図本願発明にかかるエッジ検出装置の要部フローチャート

（１）本願発明の実施の形態を以下、図面に基づいて説明する。まず、図１はこの実施形態にかかるエッジ検出装置の概略構成を示す図で、１は複数の画素を所定のピッチで配列したラインセンサである。その内訳はCMOSリニアイメージセンサ、ADコンバータおよび通信制御部で構成される。一方、２はこのラインセンサ１に対峙させて設けられて上記ラインセンサ１に向けて単色平行光を照射する光源である。この光源２は、例えばレーザー素子と、このレーザー素子が発したレーザー光を平行光として前記ラインセンサ１に照射する投光レンズとを備えた投光器である。後述するマイクロコンピュータ４の投光制御部４ｃから駆動される。そして、上記ラインセンサ１と光源２との間の上記単色平行光が照射される光路は、被検出物体３のエッジを検出する為の検出領域として用いられる。なお、ラインセンサ１の両端部は計測に適さないため、中心部を使用領域、両端部（概ね数パーセントの画素領域）を未使用領域とする。

上記ラインセンサ１の出力信号（光強度信号）を入力するマイクロコンピュータ４は、上記出力信号を解析して前記ラインセンサ１の画素配列方向における前記被検出物体３のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段４ａを備える。エッジ位置解析手段４ａは、ラインセンサ１からの出力信号を受けて、まず外乱光除去を行い、信号データの正規化を行う。その正規化された光量データを用いてエッジ探索を行う。そこでは、サブピクセル処理その他の演算処理を行って、光量データが所定値以下となる位置をエッジ位置として検出する。そしてエッジ検出の結果を出力制御部４ｄに渡す。

次に、上記エッジ位置解析手段４ａにて被検出物体３のエッジ位置が検出できたときには、前記ラインセンサ１の両端部の光量データから実行する光軸ズレ判定手段４ｂを実行する。なお、光軸ズレ判定手段４ｂはエッジ位置解析手段４ａで行った外乱光除去および正規化が行われた後の光量データを用いることでよい。

光軸ズレ判定手段４ｂは、予め該エッジ検出装置の初期起動時等に、光路中に被検出物体３を介在させない状態で検出される全入光状態でのラインセンサ１の出力信号からその全受光量を求め、これを初期値として記憶する手段を備える。ちなみに上記全受光量とは、ラインセンサ１を構成する複数の画素１~ ｎの光量データの総和を求めることによって求められる。そして光軸ズレ判定手段４ｂは、その初期時のラインセンサ１両端部の光量データも記憶しておく。そして運転時に、被検出物体３にて覆われない部分の光量データで所定値として比較判定することに用いることでもよい。後述するＭ＿Ｂｏｔｔｏｍのことである。

ラインセンサ１を構成する複数の画素１~ ｎの中央の計測領域を使用領域とするが、両端部の未使用領域をＴｏｐとＢｏｔｔｏｍと呼ぶが、ここでは便宜上、マイクロコンピュータから遠い方をＴｏｐ，近い方をＢｏｔｔｏｍと呼ぶが、呼び方は任意である。いま初期時から光源２が先頭（Ｔｏｐ）側にずれた場合を想定すると、Ｂｏｔｔｏｍ側の光量データが小さくなることがわかる。図１中の光路の一端を破線で示すように、光軸がずれて光線が届かなくなるからである。このような異常が見つかった場合に、光軸ズレが発生したと判定するのが光軸ズレ判定手段４ｂである。

（２）次に、図２の光軸のズレに対する光量データ特性図を用いて、光軸ズレの判定ロジックを説明する。図２は光源２からラインセンサ１を見た平面図で表すものである。図２の最上段で、ラインセンサ１の使用未使用領域を示す矩形を示し、その外郭に角丸矩形でレーザー光芒１０が照射される様を示す。最上段左のＸ−Ｙ座標に示すとおり、通常はＴｏｐからＢｏｔｔｏｍのＸ軸方向で光軸ズレが発生すると想定する。

さて、図２Ａから図２Ｄまで、被検出物体（図では検出体と表記）３がＴｏｐ側から挿入されている例を示す。
図２Ａでは、光軸（すなわちレーザー光芒１０）のズレはなく、正常な状態を示し、図２Ａ右側の特性図における光量データの分布は正規なものである。
図２Ｂでは、光軸がＢｏｔｔｏｍ側にずれており、図２Ｂ右側でＢｏｏｔｏｍ側の光量データが大きくなっていることがわかる。
図２Ｃでは、光軸がＴｏｐ側にずれた場合であり、図２Ｃ右側でＢｏｏｔｏｍ側の光量データが小さくなっていることがわかる。
図２Ｄでは、光軸がＹ軸（−）方向にずれた場合であり、図２Ｄ右側ではＢｏｏｔｏｍ側の光量データはさほどの変化を示さないことがわかる。

このように、光軸ズレがあった場合にそれを検知するための、光軸ズレによる異常を検知する条件を説明する。光量データはＭ＿の符号をつけて述べる。ここでの所定値とは、全受光量の平均値でもよいし、初期校正時のＭ＿Ｂｏｔｔｏｍ値を用いる。そしてこれにパラメータを乗じて閾値とする。

光量データＭ＿Ｂｏｔｔｏｍの変化を検知するが、図２のケースにしたがって説明する：
Ｍ＿Ｂｏｔｔｏｍ＞１１０％Ｏｆ所定値・・・・・数（１）
これは図２Ｂのように光が過剰に当たりすぎるケースを考慮するものである。
次に、
Ｍ＿Ｂｏｔｔｏｍ＜１０％Ｏｆ所定値・・・・・数（２）
図２Ｃのように光が異常に当たらなくなったケースを考慮するものである。
その他、図２ＤのようにＹ軸で光軸がずれた場合には、より特殊な演算を行う必要があるが（全受光量との相関などで）、本願発明ではそこまでは訴求しない。

（３）エッジ位置解析手段４ａと光軸ズレ判定手段４ｂを中心にした動作を、エッジ検出装置のフローチャート図３で説明する。
初めに、電源投入でスタートする（Ｓ０）（以降、図３中ステップをＳｎで示す）。ここでは、光源２を駆動するなどの初期化処理が行われる。全受光量などの記憶を行う。また光軸校正処理も行ってよい。

続いて、ラインセンサ１から出力信号（光強度信号）を取得して、正規化などの受光処理を実行する（Ｓ１）。次に、エッジ検出用の閾値と比較してエッジ位置を検知する演算処理が行われる（Ｓ２）。そして、所定のエッジが検出された（Ｙｅｓ）ならステップＳ３のエッジ検出処理（Ｓ３）にすすむ。このような通常処理については、特許文献１などに説明されているものと同様であるので、これ以上の説明は省略する。

エッジが検出できない（Ｎｏ）なら、被検出物体が存在しない（フリー）状態で初期的な校正データから乖離していないかをラインセンサ1の両端部の光量データからチェックする校正検知処理（Ｓ１０）へ飛ぶ。これは簡単なチェックでよいだろう。

エッジ検出処理（Ｓ３）の後は、光軸ズレ判定手段４ｂにかかる領域検知処理を行う（Ｓ４）。ここでは、ラインセンサ1の両端部の光量データを用いて、被検出物体の有無をＴｏｐ／Ｂｏｔｔｏｍ両方向で調べ、被検出物体がない方の光量データに基づいて異常がないかチェックする。その判断条件は上で述べた数式（１）（２）による。

両端部の光量データにズレ異常は見つからなければ（Ｎｏ）場合には、ループエンドへ帰結する。
光量データにズレ異常が見つかった（Ｙｅｓ）場合には、速やかに光軸ズレが発生した旨を通知する光軸ズレ通知処理（Ｓ６）へ進む。そこで、その旨のイベント出力の準備を行う。

エッジ検出なし時の校正検知処理（Ｓ１０）、または光軸ズレ通知処理（Ｓ６）を実行後は、外部へイベント出力するなどの出力制御処理を行う（Ｓ２０）。なお、当該イベント発生時に種々の光信号データをロギングするなどの機能を付加することもよい。

以上のとおり、全処理を終えてループしてステップＳ１へ戻り、これを繰り返す。

本願発明にかかるエッジ検出装置の実施の形態を述べたが、閾値その他のパラメータは例示の値にこだわる必要はなく、種々の設計上のチューニングは可能である。

被検出物体被検出物体はガラスに限らず、薄膜のフィルムなどの加工プロセスに関わるものである。本願発明の全遮光状態判定は瞬時に実行できるので、リアルタイム性を求められるプロセス制御システムに利用できる。

１ラインセンサ
２光源
３被検出物体
４マイクロコンピュータ
１０レーザー光芒

Claims

ラインセンサと、このラインセンサに向けて単色光を照射する光源と、
上記単色光の光路に位置付けられた被検出物体のエッジにおけるフレネル回折の光強度分布から前記ラインセンサの画素配列方向における上記被検出物体のエッジ位置を検出するエッジ位置解析手段と、
前記エッジ位置解析手段では使用しない前記ラインセンサの両端部の光量データによって光軸のズレを検知する光軸ズレ判定手段と、を備えるエッジ検出装置。
請求項１に記載のエッジ検出装置において、
前記光軸ズレ判定手段は前記ラインセンサの両端部の光量データによって、前記被検出物体がある方と被検出物体がない方の端部を見極めて、この被検出物体がない方の光量が所定の光量ズレ条件に合致した場合に光軸のズレを検知することを特徴とするエッジ検出装置。
請求項２に記載のエッジ検出装置において
前記光量ズレ条件とは、
前記被検出物体がない方の光量が所定の閾値より大きい場合、または、
前記被検出物体がない方の光量が所定の閾値より小さい場合、
のうちいずれかであることを特徴とするエッジ検出装置。