WO2012032805A1 - 変位センサ - Google Patents

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WO2012032805A1
WO2012032805A1 PCT/JP2011/056346 JP2011056346W WO2012032805A1 WO 2012032805 A1 WO2012032805 A1 WO 2012032805A1 JP 2011056346 W JP2011056346 W JP 2011056346W WO 2012032805 A1 WO2012032805 A1 WO 2012032805A1
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WO
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signal processing
received light
light amount
processing unit
amount data
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PCT/JP2011/056346
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雄介 飯田
滝政　宏章
Original Assignee
オムロン株式会社
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Publication date
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Priority to US13/636,003 priority patent/US8773668B2/en
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    • G—PHYSICS
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    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4918—Controlling received signal intensity, gain or exposure of sensor

Definitions

  • the present invention relates to a displacement sensor that measures the amount of displacement of an object by optical detection processing, and more particularly, to a displacement sensor having a function of adjusting detection sensitivity while repeating detection processing and measurement processing.
  • a conventional displacement sensor includes a light projecting unit including a light emitting element such as a laser diode and a light receiving unit including a light receiving element such as PSD, CCD, and CMOS, and emits light from the light projecting unit toward a detection target.
  • the amount of displacement of the object is measured using the process of receiving the reflected light from the object to be detected (this process is referred to as “detection process” in this specification) and the amount of light received by the light receiving unit. Repeatedly execute the process.
  • a measurement method there are many triangular distance measurement methods that use the incident position of the reflected light with respect to the light receiving element, but in addition to this, a TOF (Time of Flight) method that uses the length of time from light projection to light reception is used.
  • a phase difference ranging method that utilizes the phase difference between the light and the reflected light received, PN that projects light that has been intensity-modulated by a PN code, and performs measurement using the correlation calculation result between the light and the reflected light
  • code-type ranging methods There are code-type ranging methods.
  • Patent Document 1 is cited as a document showing the conventional example.
  • a laser diode is introduced as a light emitting element, and a CCD is introduced as a light receiving element.
  • the image signal output from the CCD is processed by an amplification circuit, an AD conversion circuit, or the like and used for measurement processing.
  • Patent Document 1 the ratio of the optimum value of the peak value to the peak value of the received light amount appearing in the image (specifically, the average value of the maximum density value of each horizontal line) is obtained, and based on the ratio. It describes that parameters for determining the sensitivity of detection processing (amplifier gain, laser diode emission time and emission intensity, CCD shutter time) are adjusted.
  • Patent Document 1 when the peak value of the received light amount of an image reaches a saturation level, the peak value is estimated by calculation, and the sensitivity is obtained using the ratio of the optimum value to the estimated value of the peak value. It describes that adjustment processing is performed, and that the sensitivity setting is returned to the initial state when the peak value is insufficient.
  • the ratio between the received light amount data acquired by the process and the optimum value is obtained for each detection process, and the sensitivity of the next detection process is adjusted based on the ratio.
  • the method is based on the premise that reflected light having substantially the same intensity as that of the previous time is incident on the light receiving unit in the next detection process.
  • FIG. 7A shows an example in which the displacement sensor 300 is arranged above the conveyance path of the substrate 200 on which a plurality of components 201 are mounted, and measurement is performed on the moving substrate 200.
  • FIG. 7 (2) shows the change along the time axis of the measured value obtained by the above processing as a graph.
  • the measured values shown here are obtained by replacing the distance from the sensor 300 to the detection target with the height viewed from a predetermined reference plane, and the low values in the graph are measured values for the substrate 200.
  • a high value portion in the graph indicates a measured value for the component 201.
  • the detection target of the sensor 300 is changed from the board 200 to the component 201 or when the detection target is changed from the component 201 to the board 200.
  • the sensitivity adjusted to is not appropriate.
  • the component 201 has a higher reflectance than the substrate 200
  • the reflection is greatly increased. Since the light is detected with high sensitivity, the received light amount data may be saturated.
  • the detection target is changed to the substrate 200 in a state where the sensitivity is set to be low in accordance with the component 201, the value of the received light amount data becomes very low, and it is difficult to recognize whether the reflected light is incident. Become.
  • the received light amount data is saturated or deficient in this way, the ratio between the received light amount data and the optimum value cannot be obtained correctly, making it difficult to adjust the sensitivity. For this reason, sensitivity adjustment over a plurality of cycles is necessary, and measurement during that time may become unstable, or a measurement error may occur.
  • the measurement data obtained with the sensitivity adjusted appropriately is indicated by a thick solid line, and the measurement is unstable or measurement error due to insufficient adjustment of the sensitivity.
  • measured values that should be theoretically obtained are indicated by dotted lines.
  • the measurement immediately after the detection object is changed, the measurement may become unstable because the sensitivity is not appropriate. It becomes difficult to correctly recognize the change in the surface shape of the object.
  • the object may come out of the detection area of the sensor 300 while the sensitivity is adjusted, and there is a possibility that complete measurement leakage may occur. is there.
  • the present invention pays attention to the above-mentioned problem, and even if the received light amount data used for the measurement processing is saturated or insufficient due to switching of the detection target, the received light amount data is quickly returned to an appropriate state. It is an issue to perform an appropriate sensitivity adjustment.
  • the displacement sensor receives a light projecting unit that projects light for detection and reflected light from an object with respect to the light from the light projecting unit, and generates received light amount data indicating the light receiving state.
  • the light receiving unit includes a light receiving element and a plurality of signal processing units that generate received light amount data by applying different magnifications to the received light amount signal output from the light receiving element.
  • the measurement means performs a displacement amount measurement process using received light amount data generated by a specific signal processing unit among the plurality of signal processing units.
  • the sensitivity adjusting means selects one of the received light amount data generated by the plurality of signal processing units according to the detection processing based on a predetermined rule. Then, based on the ratio of the magnification applied to the signal processing unit that generated the selected light reception amount data with respect to the magnification applied to the specific signal processing unit and the selected light reception amount data, the specific signal processing unit The relative relationship between the value of the received light amount data generated by the above and a predetermined appropriate value is obtained, and the sensitivity in the subsequent detection processing is adjusted based on this relative relationship. As the relative relationship, the ratio between the received light amount data and the appropriate value or the difference between the two can be obtained.
  • a plurality of received light amount data to which different magnifications are applied are generated by processing the received light amount signal output from the light receiving element by the plurality of signal processing units.
  • the measurement process uses received light amount data from a specific signal processing unit, so the measurement results can be matched each time, and stable measurement is possible as long as the received light amount data is not saturated or greatly reduced. become.
  • sensitivity adjustment processing received light amount data generated by a signal processing unit other than the specific signal processing unit is selected and applied to the selected signal processing unit for the magnification applied to the specific signal processing unit. Based on the ratio of the magnification and the selected received light amount data, the relative relationship between the value of the received light amount data by the specific signal processing unit and the appropriate value is obtained, and the sensitivity in the next detection processing is adjusted based on this relationship can do. Therefore, even if saturation or deficiency occurs in the amount of light received by a specific signal processing unit, subsequent detection is possible by selecting the amount of light received by the reflected light incident on the light receiving element as an appropriate value. Sensitivity in processing can be adjusted appropriately.
  • the sensitivity adjustment described above is preferably performed according to each detection process. However, while the received light amount data by a specific signal processing unit is included in a predetermined numerical range including an appropriate value, the sensitivity adjustment is substantially performed. Sensitive sensitivity adjustment processing may be skipped.
  • the sensitivity adjustment means selects the received light amount data when the value of the received light amount data by the specific signal processing unit is in a range from a predetermined allowable value to a saturation level. .
  • the received light amount data by the signal processing unit set with a higher magnification than the specific signal processing unit is selected.
  • the light reception amount data by the specific signal processing unit has reached the saturation level, the light reception amount data by the signal processing unit to which a lower magnification than the specific signal processing unit is applied is selected.
  • the received light amount data when the value of the received light amount data used in the measurement process can be correctly acquired, the received light amount data is appropriately set by selecting the received light amount data and performing sensitivity adjustment. Can be maintained in a state.
  • the signal processing at a different magnification from the specific signal processing unit By using the received light amount data from which an appropriate value is obtained, appropriate sensitivity adjustment can be performed.
  • the sensitivity adjustment unit selects the received light amount data closest to the appropriate value from the received light amount data generated by the plurality of signal processing units. In this way, it is possible to select the most suitable data for sensitivity adjustment from among a plurality of received light amount data and perform sensitivity adjustment with high accuracy.
  • an image sensor having a plurality of pixels is provided as a light receiving element.
  • the received light amount data representing the received light amount of all the pixels of the image sensor is generated in the specific signal processing unit, and the received light representing at least the peak value of the received light amount of each pixel of the image sensor in the other signal processing unit. Quantity data is generated.
  • the sensitivity adjustment unit is configured to determine a ratio between the peak value of the selected received light amount data and the magnification applied to the signal processing unit that generated the selected received light amount data with respect to the magnification applied to the specific signal processing unit. Based on this, the relative relationship between the peak value of the received light amount data by the specific signal processing unit and the appropriate value is obtained.
  • the measuring unit specifies a position where the peak value of the received light amount is obtained in the image sensor using the received light amount data by the specific signal processing unit, and measures the displacement amount based on the specified position.
  • the received light amount data by the specific signal processing unit is selected by performing the sensitivity adjustment processing by selecting the light receiving amount peak value indicating the appropriate intensity from among the plurality of received light amount data.
  • the peak value at can be adjusted to a sufficient size. Therefore, the position corresponding to the peak value in the image sensor can be specified with high accuracy, and the displacement amount can be measured with high accuracy.
  • a plurality of received light amount data to which different magnifications are applied are generated from the received light amount signals output from the light receiving elements, and the light receiving amount data suitable for sensitivity adjustment is selected and adjusted. Processing can be performed. Therefore, even if it is not possible to obtain received light amount data suitable for measurement with the sensitivity adjusted immediately before the detection object is switched, the sensitivity is quickly changed and the received light amount data is returned to an appropriate state. Can be made. Therefore, even when an object that moves at high speed or a minute object is a detection target, measurement processing can be performed without any problem.
  • FIG. 1 shows the appearance and use state of a displacement sensor to which the present invention is applied.
  • the displacement sensor 1 of this embodiment projects a laser beam L1 on a workpiece W to be detected and receives reflected light L2 from the workpiece W with respect to the laser beam L1, and based on the principle of triangulation, the sensor The distance from 1 to the surface of the workpiece W is measured as a displacement amount.
  • the light emitting element 11 and the imaging element 12 shown in FIG. 2, a control board on which a processing circuit is mounted, and the like are provided inside the housing 10 of the sensor 1.
  • FIG. 2 shows a main circuit configuration of the displacement sensor 1 described above.
  • the light projecting unit 101 of the displacement sensor 1 uses a laser diode as the light emitting element 11.
  • the light projecting unit 1 includes a lens for light projection (not shown) and a drive circuit for the light emitting element 11.
  • the light receiving unit 102 includes a light receiving lens (not shown), a two-dimensional image sensor 12 (using a CMOS or a CCD), and an image signal output from the image sensor 12 (the amount of reflected light received).
  • the light receiving circuit 13 for processing the “light receiving amount signal”) is included.
  • the light receiving circuit 13 is mounted on the control board described above.
  • a CPU 14 one-chip with memory
  • an FPGA Field Programmable Gate Aray
  • an input / output interface 16 and the like are mounted on the control board.
  • the light receiving circuit 13 includes three signal processing units C1, C2, and C3.
  • the output line from the image pickup device 12 is divided into two, one line is connected to the signal processing unit C1, and the other line is connected to the signal processing unit C3.
  • the signal processing unit C1 includes amplifiers 21 and 23 and an AD conversion circuit 41.
  • the gain of the amplifier 21 is set to about 10 times.
  • the amplifier 23 is a variable gain amplifier and can change the gain g in the range of 1 to 100 times.
  • the received light amount signal output from each pixel of the image sensor 12 is amplified by the amplifiers 21 and 23 and then guided to the AD conversion circuit 41 to be digitally converted. Thereby, an image indicating a light receiving state in all the pixels of the image sensor 12 is generated. This image is input to the FPGA 15.
  • the output line from the variable gain amplifier 23 to the AD conversion circuit 41 is branched, and the signal processing unit C2 is connected to the branched line.
  • the signal processing unit C2 includes an amplifier 22, a peak hold circuit 32, and an AD conversion circuit 42.
  • the gain of the amplifier 22 is set to about 100 times.
  • the received light amount signals amplified by the amplifiers 21 and 23 of the signal processing unit C 1 are further amplified by the amplifier 22 and input to the peak hold circuit 32.
  • the maximum received light amount signal held by the peak hold circuit 32 is digitally converted by the AD conversion circuit 42.
  • the peak value extracted by this conversion process is input to the CPU 14.
  • the signal processing unit C3 includes a peak hold circuit 33 and an AD conversion circuit 43.
  • the received light amount signal output from each pixel of the image sensor 12 is input to the peak hold circuit 33 without being amplified.
  • the maximum received light amount signal held by the peak hold circuit 33 is digitally converted by the AD conversion circuit 43.
  • the peak value extracted by this conversion process is also input to the CPU 14.
  • the AD conversion circuits 42 and 43 of the signal processing units C2 and C3 can be integrated on the same chip as the CPU 14.
  • the value indicated by the image generated by the processing of the signal processing unit C1 and input to the FPGA 15 is (10 ⁇ g) times the original value (the amount of received light output from the image sensor 12).
  • the peak value extracted by the signal processing unit C2 is (1000 ⁇ g) times the original value.
  • the peak value extracted by the signal processing unit C3 indicates the original value as it is. That is, the magnification is 1.
  • the CPU 14 controls the operations of the light emitting element 11 and the image sensor 12 and performs a process of changing the gain g of the variable gain amplifier 23. In addition, the CPU 14 performs input / output processing with respect to the outside via the input / output interface 16.
  • the FPGA 15 processes the image input from the AD conversion circuit 41 of the signal processing unit C1, specifies the coordinates of the position where the peak value of the received light amount occurs in the image, and the displacement of the workpiece W based on the coordinates. Measure the amount.
  • the position of the peak value for example, for each line along the direction in which the fluctuation of the incident position of the reflected light in the image occurs, the coordinates of the peak position of the received light amount in that line are extracted and the average of these coordinates is extracted. Find the value.
  • the peak value the average value or the maximum value of the peak values for each line can be obtained.
  • the measurement result by the FPGA 15 is output to the CPU 14, and is further output from the CPU 14 to an external device or display unit (not shown) via the input / output interface 16.
  • the gain g of the variable gain amplifier 23 in the light receiving circuit 13, the light emission intensity q of the light emitting element 11, and the exposure time t of the detection process are used as parameters for sensitivity adjustment.
  • the period during which the light emitting element 11 emits light and the exposure period of the imaging element 12 are synchronized, and the length of these periods is defined as the exposure time t.
  • FIG. 3 shows the flow of operation in the displacement sensor 1 described above. This process is started when the sensor 1 is powered on and the CPU 14 and FPGA 15 are activated. First, in the first step A, the CPU 14 initializes parameters g, q, and t related to sensitivity adjustment. Thereafter, the infinite loop of steps B, C, and D is repeated in cooperation with the CPU 14 and the FPGA 15.
  • step B detection processing (light projection and light reception) is performed by controlling the operations of the light emitting element 11 and the imaging element 12 based on the parameters q and t.
  • the signal processing units C1, C2, and C3 of the light receiving circuit 13 move, image data is input to the FPGA 15, and two types of peak values are input to the CPU.
  • step C the peak value is extracted from the image generated in step B above, and the displacement is measured using the coordinates of the peak value. Note that this measurement processing includes output processing of measurement results by the CPU 14.
  • step D the sensitivity in the next detection process is adjusted. Specifically, when the peak value used in the immediately preceding measurement process in Step C deviates from a predetermined appropriate range, the ratio V of the optimum value R to the peak value is obtained. Then, the parameters g, q, and t are adjusted so that the intensity of the image input to the FPGA 15 in the next detection process is increased or decreased by an amount corresponding to the ratio V.
  • the internal memory of the CPU 14 divides the value of the ratio V for sensitivity adjustment (hereinafter referred to as “sensitivity adjustment value V”) into a plurality of numerical ranges, and sets each range. Is provided with a table in which specific adjustment values of the parameters g, q, and t are associated with each other.
  • the above-described sensitivity adjustment value V is calculated using, in principle, the peak value used for the measurement process (extracted from the image input to the FPGA 15 from the signal processing unit C1). However, if the intensity of reflected light changes abruptly, for example, immediately after the object to be detected is changed, the peak level input to the AD conversion circuit 41 becomes a value close to 0 in the sensitivity setting up to that point, and vice versa. It may be difficult to obtain the sensitivity adjustment value V because the state exceeds the maximum value of AD conversion (saturation). Therefore, in this embodiment, in addition to the peak value extracted from the measurement image generated by the signal processing unit C1, the high-magnification peak value extracted by the signal processing unit C2 and the signal processing unit C3 are extracted. The sensitivity adjustment value V is calculated using the low magnification peak value.
  • a peak value extracted from the image generated by the signal processing unit C1 is defined as a reference value P1 (hereinafter referred to as “reference peak value P1”), and a peak value extracted by the signal processing unit C2 is defined as P2.
  • the peak value P2 is about 100 times the reference peak value P1. Therefore, even if the reference peak value P1 is a value close to 0, the peak value P2 shows a certain height, so that the sensitivity adjustment value V can be calculated using the peak value P2.
  • the peak value P3 corresponds to the peak value in the received light amount signal before amplification. Therefore, even if the reference peak value P1 in the image by the signal processing unit C1 is saturated, if the peak value P3 of the received light amount before amplification does not reach the saturation level, the sensitivity adjustment value is obtained using this peak value P3. Can be calculated.
  • FIG. 4 shows a detailed procedure of the sensitivity adjustment process (step D).
  • a numerical range including the optimum value R
  • sensitivity adjustment processing is performed when P1 is outside the appropriate range.
  • step D2 If the value of the reference peak value P1 is below the appropriate range, adjustment is required to increase the sensitivity in the next detection process (increase the signal level input to the AD conversion circuit 41). In this case, if the reference peak value P1 is not a value that approximates 0 (for example, P1 ⁇ 1), the process proceeds from step D2 to step D4.
  • step D4 the ratio R / P1 of the optimum value R with respect to the reference peak value P1 is obtained, and this is set as the sensitivity adjustment value V. Thereafter, the process proceeds to step D7, and the parameters of the variable gain g, the light emission intensity q, and the exposure time t are adjusted based on the sensitivity adjustment value V.
  • step D5 the optimum value R is converted into a value (R ⁇ 100) corresponding to the level of the peak value P2, and the sensitivity adjustment value V is calculated by obtaining the ratio of the converted optimum value to the peak value P2.
  • step D7 each parameter g, q, t is adjusted based on the value of the sensitivity adjustment value V.
  • step D6 the optimum value R is converted into a value (R / (10 ⁇ g)) corresponding to the level of the peak value P3, and the sensitivity adjustment value V is calculated by calculating the ratio of the optimum value to the peak value P3. calculate. Thereafter, the process proceeds to step D7, and each parameter g, q, t is adjusted based on the value of the sensitivity adjustment value V.
  • the other peak values P2 and P3 appropriately represent values corresponding to the reference peak value P1.
  • the sensitivity adjustment value V can be obtained with high accuracy by step D5 or step D6. Therefore, when the next detection process is performed using the parameters g, q, and t adjusted based on the sensitivity adjustment value V, the reference peak in the image input to the FPGA 15 can be within an appropriate range. Become.
  • the sensitivity is quickly changed according to the change of the workpiece to be detected, and the measurement is performed.
  • a suitable image can be input to the FPGA 15. Therefore, accurate measurement processing can be performed following the movement of the workpiece W.
  • a workpiece having a plurality of parts with different reflectivities such as the substrate 200 and the component 201 shown in FIG. 7, is a measurement target
  • the reflection of the detection target part is similarly performed. Since the sensitivity can be changed quickly according to the change in the rate, measurement data suitable for the recognition of the surface shape can be obtained. Further, even when a small object that moves is a detection target, the sensitivity can be quickly adjusted when the object becomes a detection target, and measurement can be omitted.
  • the displacement sensor 1 of this embodiment performs the sensitivity adjustment process (step D) after performing the detection process (step B) and the measurement process (step C).
  • the sensitivity adjustment process may be performed before the measurement process.
  • the processing may be performed in parallel so that the FPGA 15 is in charge of the measurement process and the CPU 14 is in charge of the sensitivity adjustment process.
  • the received light amount data of all the pixels is input to the FPGA 15 to extract the reference peak value P1 and its coordinates, while other peaks
  • the values P2 and P3 are extracted using the peak hold circuits 32 and 33 because the CPU 14 considers that the processing speed is slower than that of the FPGA 15.
  • the signal processing units C2 and C3 may also perform AD conversion processing for all the pixels, respectively, and guide the generated image to the FPGA 15 to extract the peak values P2 and P3. .
  • FIG. 5 shows a circuit configuration of a second displacement sensor 1A to which the present invention is applied.
  • the sensor 1 ⁇ / b> A of this embodiment also includes a light projecting unit 101 including the light emitting element 11, a light receiving unit 102 including the image sensor 12, a CPU 14, an FPGA 15, and an input / output interface 16.
  • the light receiving unit 102 is provided with a light receiving circuit 13A having a configuration different from that of the previous embodiment.
  • the light receiving circuit 13A of this embodiment includes a variable gain amplifier 30 that receives an output from the image sensor 12, and five signal processes that are interposed in parallel between the variable gain amplifier 30 and the FPGA 15. Portions E1, E2, E3, E4 and E5 are included.
  • Each signal processing unit E1 to E5 includes amplifiers 51 to 55 and AD conversion circuits 61 to 65, respectively.
  • the gains k1, k2, k3, k4, k5 of the amplifiers 51 to 55 are fixed, but the gain k1 of the amplifier 1 is the smallest, and thereafter increases in the order of k2, k3, k4, k5.
  • CPU14 controls operation
  • the received light amount signal output from each pixel of the image sensor 12 is input to each signal processing unit E1 to E5 via the variable gain amplifier 30, and is processed by each amplifier 51 to 55 and AD conversion circuits 61 to 65. .
  • five images with different amplitudes of the received light amount waveform are input to the FPGA 15.
  • the FPGA 15 executes a displacement measurement process using an image from the signal processing unit E3 to which the intermediate position gain k3 is applied among the five input images.
  • the measurement result is output to the CPU 14 and further output from the CPU 14 to an external device or the like via the input / output interface 16.
  • the FPGA 15 also extracts peak values for the images from the other signal processing units E1, E2, E4, and E5. Further, the CPU 14 and the FPGA 15 cooperate to execute the sensitivity adjustment process according to the procedure shown in FIG.
  • the peak Pi (i is 1, 2, 3, or the like) closest to the optimum peak value R for measurement among the peaks extracted from the images by the signal processing units E1 to E5. 4 or 5) is selected.
  • the optimum value R is the optimum value for the peak P3 used for measurement.
  • the above arithmetic expression calculates the ratio of the optimal value after conversion to Pi after converting the optimal value R to a level corresponding to the peak value Pi. Therefore, even if the peak value P3 used in the immediately preceding measurement process is saturated or close to 0 and it is difficult to specify the value correctly, the current light receiving state is changed to an appropriate light receiving state by the above calculation. Sensitivity adjustment value V suitable for this can be obtained.
  • step S103 the gain g of the variable gain amplifier 30, the light emission intensity q of the light emitting element 11, and the exposure time t are adjusted based on the sensitivity adjustment value V. Thereby, in the next detection process, the peak value P3 in the image from the signal processing unit E3 can be brought into a state close to the optimum value R.
  • steps D12 and D13 are always executed regardless of whether or not the peak value P3 is within the proper range.
  • the peak value P3 is first within the proper range. It is checked whether or not there is, and if P3 is within an appropriate range, steps D12 and D13 may be skipped.
  • step D13 may be skipped when the difference between the sensitivity adjustment value V and the value 1 is within a predetermined allowable value.
  • the number of the signal processing units of the light receiving circuit 13A is five.
  • the number of the signal processing units is not limited to this, and an arbitrary number of signal processing units of three or more are provided, and the middle of them.
  • Sensitivity adjustment can be performed in the same manner as described above while using a signal processing unit in which gain is set at a position for measurement.
  • all the signal processing units E1 to E5 are configured to perform AD conversion after amplifying the received light amount signal of each pixel.
  • the received light amount signal from the image sensor 12 is directly input.
  • a signal processing unit (a signal processing unit to which a magnification of 1 is applied) having a configuration for digital conversion without amplification may be provided.
  • the displacement sensors 1 and 1A of the two embodiments described above perform measurement based on the principle of triangulation using the position where the peak value of the received light amount appears, but the displacement amount is different from this.
  • the received light amount signal output from the light receiving element is processed by a plurality of signal processing units to which different magnifications are applied, and the received light amount data generated by each signal processing unit is specified.
  • This data can be used for measurement, and light reception amount data indicating an appropriate amount of light reception can be selected to calculate the sensitivity adjustment value.
  • the next detection process is performed using received light amount data other than the received light amount data used for the measurement. Since the sensitivity in can be adjusted appropriately, it is possible to quickly return to a state in which measurement is possible. Therefore, even when the object moves at high speed or when a minute object is measured, it is possible to quickly set the sensitivity according to each object and perform measurement.

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Abstract

変位センサ（１）の受光部（１０２）に撮像素子（１２）からの受光信号をそれぞれ異なる倍率で処理する信号処理部（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）を設ける。このセンサ（１）では、投光部（１０１）および受光部（１０２）による検出処理の都度、信号処理部（Ｃ１）により生成された受光量データを用いて変位量を計測し、さらに次の検出処理の感度を調整する。感度の調整処理において、信号処理部（Ｃ１）による受光量データ中のピーク値が０に近似する場合には、より高い倍率が適用された信号処理部（Ｃ２）により抽出されたピーク値を使用する。また信号処理部（Ｃ１）による受光量データ中のピーク値が飽和している場合には、１倍の倍率が適用された信号処理部（Ｃ３）により抽出されたピーク値を使用する。

Description

変位センサ
　本発明は、光学的な検出処理により対象物の変位量を計測する変位センサに関するもので、特に、検出処理や計測処理を繰り返しながら検出の感度を調整する機能を有する変位センサに関する。
　従来の変位センサは、レーザダイオード等の発光素子を含む投光部と、ＰＳＤ，ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の受光素子を含む受光部とを具備し、投光部から検出対象物に向けて光を出射すると共に検出対象物からの反射光を受光する処理（この明細書では、この処理を「検出処理」という。）と、受光部により生成された受光量データを用いて対象物の変位量を計測する処理とを繰り返し実行する。計測方式としては、受光素子に対する反射光の入射位置を用いる三角測距方式が多いが、このほかに、投光から受光までの時間の長さを用いるＴＯＦ（Time　of　Flight）方式、投光した光と受光した反射光との位相差を利用する位相差測距方式、ＰＮ符号により強度変調を施した光を投光し、その光と反射光との相関演算結果を用いた計測を行うＰＮコード式測距方式などがある。
　また、従来の変位センサには、検出対象物の移動経路に配備されて、検出処理や計測処理を繰り返しながら、反射光の受光状態に応じて検出の感度を調整する機能を持つものがある。その従来例を示す文献として特許文献１をあげる。
　特許文献１に記載された変位センサには、発光素子としてレーザダイオードが、受光素子としてＣＣＤが、それぞれ導入される。ＣＣＤから出力された画像信号は、増幅回路やＡＤ変換回路などにより処理されて、計測処理に使用される。
　この特許文献１には、画像中に現れた受光量のピーク値（具体的には各水平ラインの濃度最大値の平均値）に対する当該ピーク値の最適値の比率を求め、その比率に基づいて検出処理の感度を決めるパラメータ（増幅回路のゲイン、レーザダイオードの発光時間および発光強度、ＣＣＤのシャッタ時間）を調整することが記載されている。
　さらに、特許文献１には、画像の受光量のピーク値が飽和レベルに達した場合には、そのピーク値を演算により推定して、そのピーク値の推定値に対する最適値の比率を用いて感度調整処理を行うことや、ピーク値が不足している場合には感度の設定を初期状態に戻すことが、記載されている。
特開２００１－２８０９５１号公報
　感度調整機能を有する従来の変位センサでは、検出処理の都度、その処理により取得した受光量データと最適値との比率を求め、その比率に基づき次回の検出処理の感度を調整するが、この調整方法は、次の検出処理でも受光部に前回とほぼ同じ強度の反射光が入射することを前提とするものである。検出対象物が入れ替わって受光部への入射光量が大幅に変動した場合には、適切な感度調整が困難になる。
　上記の問題点を、図７を用いて具体的に説明する。
　図７（１）は、複数の部品２０１が搭載された基板２００の搬送経路の上方に変位センサ３００を配置して、移動中の基板２００に対する計測を行う例を示す。図７（２）は、上記の処理により得られる計測値の時間軸に沿った変化を、グラフとして示す。なお、ここに示す計測値は、センサ３００から検出対象物までの距離を所定の基準面から見た高さに置き換えたもので、グラフ中の値の低い箇所は基板２００を対象にした計測値を示し、グラフ中の値の高い箇所は部品２０１を対象にした計測値を示す。
　この例では、基板２００と部品２０１との反射率が大きく異なるため、センサ３００の検出対象が基板２００から部品２０１に替わったときや、検出対象が部品２０１から基板２００に替わったときに、直前に調整された感度が適切でない状態となる。
　たとえば、基板２００より部品２０１の方が反射率が高いものとすると、基板２００に合わせて感度を高く設定している状態下で検出対象が部品２０１に替わった場合には、大幅に増加した反射光が高い感度で検出されるため、受光量データが飽和するおそれがある。また、部品２０１に合わせて感度を低く設定している状態下で検出対象が基板２００に替わると、受光量データの値が非常に低くなり、反射光の入射の有無を認識するのが困難になる。
　このように受光量データに飽和や不足が生じると、受光量データと最適値との比率を正しく求めることができないため、感度の調整が困難になる。このため、複数サイクルにわたる感度調整が必要になり、その間の計測が不安定になったり、計測エラーが生じたりする可能性がある。
　図７（２）のグラフでは、感度が適切に調整された状態で得られた計測データを極太実線で示すと共に、感度の調整が不十分であるために計測が不安定または計測エラーとなる期間ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆにおいて、理論上得られるはずの計測値を点線により示している。これら２種類の線により示されるように、検出対象が替わった直後には、感度が適切でないために計測が不安定となることがあるので、この計測が不安定な期間ａ～ｅが長くなると、物体の表面形状の変化を正しく認識するのが困難になる。また、物体が高速で移動する場合や微小な物体を計測対象とする場合には、感度が調整される間に物体がセンサ３００の検出エリアから出てしまい、完全な計測もれが生じるおそれがある。
　特許文献１に記載された発明では、受光量が飽和している場合には、その受光量を推定して感度を調整するが、推定の結果は必ずしも正しいとは限らず、感度を迅速に調整できない可能性がある。また受光量が不足している場合に初期の感度に戻しても、計測に適した受光量が得られるとは考えにくい。したがって、特許文献１に記載された発明でも、上記の問題を完全に解決するまでには至らない。
　本発明は上記の問題点に着目し、検出対象が切り替わるなどして、計測処理に用いられる受光量データに飽和や不足が生じた場合でも、受光量データが速やかに適切な状態に復帰するような感度調整を行うことを、課題とする。
　本発明による変位センサは、検出用の光を投光する投光部と、投光部からの光に対する対象物からの反射光を受光して、その受光状態を示す受光量データを生成する受光部と、投光部および受光部による検出処理を繰り返しながら、毎回の検出処理により得た受光量データを用いて対象物の変位量を計測する計測手段と、検出処理における感度を調整する感度調整手段とを具備する。
　受光部には、受光素子と、この受光素子から出力される受光量信号にそれぞれ異なる倍率を適用して受光量データを生成する複数の信号処理部とが含まれる。計測手段は、これら複数の信号処理部のうちの特定の信号処理部により生成された受光量データを用いて変位量の計測処理を実行する。
　感度調整手段は、検出処理に応じて複数の信号処理部により生成された受光量データの中の１つを所定のルールに基づき選択する。そして、特定の信号処理部に適用された倍率に対する前記選択された受光量データを生成した信号処理部に適用された倍率の比率と当該選択された受光量データとに基づき、特定の信号処理部により生成された受光量データの値とあらかじめ定められた適正値との相対関係を求め、この相対関係に基づいて以後の検出処理における感度を調整する。なお、相対関係としては、受光量データと適正値との比率または両者の差を求めることができる。
　上記の構成によれば、受光素子から出力された受光量信号を複数の信号処理部により処理することによって、それぞれ異なる倍率が適用された複数の受光量データが生成される。計測処理には特定の信号処理部による受光量データが用いられるので、毎回の計測結果を整合させることができ、受光量データが飽和したり、大きく低下することがない限り、安定した計測が可能になる。
　一方、感度の調整処理では、特定の信号処理部以外の信号処理部により生成された受光量データを選択して、特定の信号処理部に適用された倍率に対する選択された信号処理部に適用された倍率の比率と当該選択された受光量データとに基づき、特定の信号処理部による受光量データの値と適正値との相対関係を求め、この関係に基づいて次の検出処理における感度を調整することができる。したがって、特定の信号処理部による受光量データに飽和や不足が生じている場合でも、受光素子に入射した反射光が適切な値で表されている受光量データを選択することにより、以後の検出処理における感度を適切に調整することができる。
　なお、上記の感度の調整は、毎回の検出処理に応じて実行されるのが望ましいが、特定の信号処理部による受光量データが適正値を含む所定の数値範囲に含まれる間は、実質的な感度調整処理をスキップしてもよい。
　上記の変位センサの好ましい一実施態様では、感度調整手段は、特定の信号処理部による受光量データの値が所定の許容値から飽和レベルまでの範囲にある場合には当該受光量データを選択する。一方、特定の信号処理部による受光量データの値が許容値を下回る場合には特定の信号処理部よりも高い倍率が設定された信号処理部による受光量データを選択する。また特定の信号処理部による受光量データが飽和レベルに達している場合には、特定の信号処理部よりも低い倍率が適用された信号処理部による受光量データを選択する。
　上記の構成によれば、計測処理に使用される受光量データの値を正しく取得することができる場合には、当該受光量データを選択して感度調整を行うことによって、受光量データを適切な状態で維持することができる。一方、計測処理に使用される受光量データが許容値を下回ったり、飽和したために、受光量データの正しい値を得ることが困難な場合には、特定の信号処理部とは異なる倍率による信号処理により適切な値が得られている受光量データを使用することによって、適切な感度調整を行うことができる。
　他の好ましい実施態様では、感度調整手段は、複数の信号処理部により生成された受光量データのうち、適正値に最も近い受光量データを選択する。このようにすれば、複数の受光量データの中で感度調整に最も適したデータを選択して、確度の高い感度調整を行うことが可能になる。
　他の好ましい実施態様による変位センサでは、受光素子として複数の画素を有する撮像素子が設けられる。また、特定の信号処理部において撮像素子の全画素の受光量を表す受光量データが生成されると共に、その他の信号処理部において撮像素子の各画素の受光量のうちの少なくともピーク値を表す受光量データが生成される。
　感度調整手段は、選択された受光量データのピーク値と、特定の信号処理部に適用された倍率に対する前記選択された受光量データを生成した信号処理部に適用された倍率との比率とに基づき、特定の信号処理部による受光量データのピーク値と適正値との相対関係を求める。また、計測手段は、特定の信号処理部による受光量データを用いて撮像素子において受光量のピーク値が得られた位置を特定し、この特定された位置に基づき変位量を計測する。
　上記の構成によれば、複数の受光量データのうち受光量のピーク値が適切な強度を示しているものを選択して感度の調整処理を行うことにより、特定の信号処理部による受光量データにおけるピーク値を十分な大きさに調整することができる。よって、撮像素子においてこのピーク値に対応する位置を精度良く特定し、高精度の変位量計測を行うことが可能になる。
　本発明では、受光素子より出力される受光量信号からそれぞれ異なる倍率が適用された複数の受光量データを生成し、これらの受光量データの中で感度の調整に適したものを選択して調整処理を行うことができる。よって、検出対象物が入れ替わるなどして直前に調整された感度では計測に適した受光量データを得ることができなくなった場合でも、速やかに感度を変更し、受光量データを適切な状態に復帰させることができる。よって、高速で移動する物体や微小な物体を検出対象とする場合にも、計測処理を支障なく行うことが可能になる。
変位センサの外観および使用状態を示す斜視図である。 第１実施例にかかるセンサの回路構成を示すブロック図である。 センサの動作手順を示すフローチャートである。 第１実施例の感度調整処理の手順を示すフローチャートである。 第２実施例にかかるセンサの回路構成を示すブロック図である。 第２実施例の感度調整処理の手順を示すフローチャートである。 従来の感度調整機能を有する変位センサの使用例を示す図、およびこのセンサによる計測に生じる問題点を示すグラフである。
　図１は、本発明が適用される変位センサの外観および使用状態を示す。
　この実施例の変位センサ１は、検出対象のワークＷに対してレーザビームＬ１を投光すると共にこのレーザビームＬ１に対するワークＷからの反射光Ｌ２を受光し、三角測距の原理に基づき、センサ１からワークＷの表面までの距離を変位量として計測する。この処理のために、センサ１の筐体１０の内部には、図２に示す発光素子１１および撮像素子１２や、処理回路が搭載された制御基板などが設けられる。
　図２は、上記の変位センサ１の主要な回路構成を示す。
　この変位センサ１の投光部１０１は、発光素子１１としてレーザダイオードを使用する。投光部１には、このほか、図示しない投光用のレンズや発光素子１１の駆動回路が含まれる。受光部１０２には、受光用のレンズ（図示せず。）、２次元の撮像素子１２（ＣＭＯＳまたはＣＣＤを使用する。）、および撮像素子１２から出力される画像信号（反射光の受光量を示す画像となるので、以下では「受光量信号」という。）を処理する受光回路１３が含まれる。
　受光回路１３は、前述した制御基板に搭載される。制御基板には、このほかに、ＣＰＵ１４（メモリと共にワンチップ化されたもの）、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Aray）１５、入出力インターフェース１６などが搭載される。
　受光回路１３には、３つの信号処理部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が含まれる。
　撮像素子１２からの出力ラインは２つに分かれ、一方のラインは信号処理部Ｃ１に接続され、他方のラインは信号処理部Ｃ３に接続される。
　信号処理部Ｃ１には、アンプ２１，２３とＡＤ変換回路４１とが含まれる。アンプ２１のゲインは約１０倍に設定されている。アンプ２３は可変ゲインアンプであって、１倍から１００倍までの範囲でゲインｇを変更することができる。撮像素子１２の各画素から出力された受光量信号は、これらのアンプ２１，２３により増幅された後にＡＤ変換回路４１に導かれ、ディジタル変換される。これにより、撮像素子１２の全画素における受光状態を示す画像が生成される。この画像はＦＰＧＡ１５に入力される。
　可変ゲインアンプ２３からＡＤ変換回路４１への出力ラインは分岐されており、その分岐ラインに信号処理部Ｃ２が接続される。
　信号処理部Ｃ２には、アンプ２２とピークホールド回路３２とＡＤ変換回路４２とが含まれる。アンプ２２のゲインは約１００倍に設定される。信号処理部Ｃ１のアンプ２１，２３により増幅された受光量信号は、このアンプ２２によりさらに増幅されて、ピークホールド回路３２に入力される。ピークホールド回路３２でホールドされた最大レベルの受光量信号はＡＤ変換回路４２によりディジタル変換される。この変換処理により抽出されたピーク値はＣＰＵ１４に入力される。
　信号処理部Ｃ３には、ピークホールド回路３３とＡＤ変換回路４３とが含まれる。ピークホールド回路３３には、撮像素子１２の各画素から出力された受光量信号が増幅されずに入力される。ピークホールド回路３３でホールドされた最大レベルの受光量信号はＡＤ変換回路４３によりディジタル変換される。この変換処理により抽出されたピーク値もＣＰＵ１４に入力される。
　なお、信号処理部Ｃ２，Ｃ３のＡＤ変換回路４２，４３は、ＣＰＵ１４と同じチップに一体化することも可能である。
　上記の構成によれば、信号処理部Ｃ１の処理により生成されてＦＰＧＡ１５に入力された画像が示す値は元の値（撮像素子１２から出力された受光量）の（１０×ｇ）倍となる。また、信号処理部Ｃ２により抽出されたピーク値は元の値の（１０００×ｇ）倍となる。一方、信号処理部Ｃ３により抽出されたピーク値は、元の値をそのまま示すことになる。すなわち倍率は１倍である。
　ＣＰＵ１４は、発光素子１１および撮像素子１２の動作を制御すると共に、可変ゲインアンプ２３のゲインｇを変更する処理を行う。また、ＣＰＵ１４は、入出力インターフェース１６を介して外部に対する入出力処理を実行する。
　ＦＰＧＡ１５は、信号処理部Ｃ１のＡＤ変換回路４１から入力された画像を処理して、当該画像において受光量のピーク値が発生している位置の座標を特定し、その座標に基づきワークＷの変位量を計測する。ピーク値の位置を特定する処理では、たとえば、画像中の反射光の入射位置の変動が生じる方向に沿うライン毎に、そのラインにおける受光量のピーク位置の座標を抽出し、これらの座標の平均値を求める。また、ピーク値に関しては、ライン毎のピーク値の平均値または最大値を求めることができる。
　ＦＰＧＡ１５による計測結果はＣＰＵ１４に出力され、さらにＣＰＵ１４から入出力インターフェース１６を介して図示しない外部装置や表示部などに出力される。
　上記構成の変位センサ１では、受光回路１３内の可変ゲインアンプ２３のゲインｇのほか、発光素子１１の発光強度ｑや、検出処理の露光時間ｔを感度調整のパラメータとしている。なお、この実施例では、発光素子１１を発光させる期間と撮像素子１２の露光の期間とを同期させて、これらの期間の長さを露光時間ｔとする。
　図３は、上記の変位センサ１における動作の流れを示す。
　この処理は、センサ１に電源が投入されて、ＣＰＵ１４およびＦＰＧＡ１５が起動することにより開始される。まず、最初のステップＡでは、ＣＰＵ１４により感度調整に係る各パラメータｇ，ｑ，ｔが初期設定される。その後は、ＣＰＵ１４とＦＰＧＡ１５との協働により、ステップＢ，Ｃ，Ｄによる無限ループを繰り返す。
　ステップＢでは、パラメータｑおよびｔに基づき発光素子１１および撮像素子１２の動作を制御して検出処理（投光および受光）を行う。これに応じて、受光回路１３の各信号処理部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が動き、ＦＰＧＡ１５に画像データが入力されると共に、ＣＰＵ１４に２種類のピーク値が入力される。
　ステップＣでは、上記のステップＢで生成された画像からピーク値を抽出し、そのピーク値の座標を用いて変位量を計測する。なお、この計測処理には、ＣＰＵ１４による計測結果の出力処理も含まれる。
　ステップＤでは、次の検出処理における感度を調整する。具体的には、直前のステップＣの計測処理に用いられたピーク値があらかじめ定めた適正範囲から逸脱している場合に、そのピーク値に対する最適値Ｒの比率Ｖを求める。そして、次回の検出処理でＦＰＧＡ１５に入力される画像の強度が比率Ｖに対応する量だけ増加または減少するように、各パラメータｇ，ｑ，ｔを調整する。なお、この調整処理のために、ＣＰＵ１４の内部メモリには、感度調整のための比率Ｖ（以下、「感度調整値Ｖ」という。）の値を複数の数値範囲に分けて、それぞれの範囲毎に各パラメータｇ，ｑ，ｔの具体的な調整値を対応づけたテーブルが設けられる。
　上記の感度調整値Ｖは、原則として、計測処理に用いられたピーク値（信号処理部Ｃ１よりＦＰＧＡ１５に入力された画像から抽出されたもの）を用いて算出される。しかし、検出対象物が入れ替わった直後などに反射光の強度が急激に変化すると、それまでの感度設定では、ＡＤ変換回路４１に入力されるピークレベルが０に近い値になったり、その反対にＡＤ変換の最大値を超える（飽和）状態となって、感度調整値Ｖを求めるのが困難になることがある。そこで、この実施例では、信号処理部Ｃ１により生成された計測用の画像から抽出されたピーク値のほか、信号処理部Ｃ２により抽出された高倍率のピーク値と、信号処理部Ｃ３により抽出された低倍率のピーク値とを用いて、感度調整値Ｖを算出するようにしている。
　ここで、信号処理部Ｃ１により生成された画像から抽出されるピーク値を基準値Ｐ１（以下、「基準ピーク値Ｐ１」という。）とし、信号処理部Ｃ２により抽出されるピーク値をＰ２とすると、図２に示した回路構成によれば、ピーク値Ｐ２は基準ピーク値Ｐ１の約１００倍となる。よって、基準ピーク値Ｐ１が０に近い値となっても、ピーク値Ｐ２はある程度の高さの値を示すので、このピーク値Ｐ２を用いて感度調整値Ｖを算出することができる。
　また、信号処理部Ｃ３により抽出されるピーク値をＰ３とすると、このピーク値Ｐ３は、増幅前の受光量信号におけるピーク値に相当する。よって、信号処理部Ｃ１による画像中の基準ピーク値Ｐ１が飽和しても、増幅前の受光量のピーク値Ｐ３が飽和レベルに達していない場合には、このピーク値Ｐ３を用いて感度調整値を算出することができる。
　図４は、感度調整処理（ステップＤ）の詳細な手順を示す。
　この実施例のＣＰＵ１４の内部メモリには、感度の調整処理のために、基準ピーク値Ｐ１の適正範囲を示す数値範囲（最適値Ｒを含む。）が登録されている。ステップＤ１では直前の計測処理に用いられた基準ピーク値Ｐ１をこの適正範囲と照合し、Ｐ１が適正範囲を逸脱している場合に、感度の調整処理を行うようにしている。
　基準ピーク値Ｐ１の値が適正範囲を下回っている場合には、次回の検出処理における感度を上げる（ＡＤ変換回路４１に入力される信号レベルを上げる）調整が必要となる。この場合に、基準ピーク値Ｐ１が０に近似する値でなければ（たとえばＰ１≧１）、ステップＤ２からステップＤ４に進む。
　ステップＤ４では、基準ピーク値Ｐ１に対する最適値Ｒの比率Ｒ／Ｐ１を求め、これを感度調整値Ｖとする。この後はステップＤ７に進み、感度調整値Ｖの値に基づいて、可変ゲインｇ、発光強度ｑ、および露光時間ｔの各パラメータを調整する。
　一方、基準ピーク値Ｐ１が０に近似する場合には、ステップＤ２からステップＤ５に進む。このステップＤ５では、最適値Ｒをピーク値Ｐ２のレベルに応じた値（Ｒ×１００）に変換し、この変換後の最適値のピーク値Ｐ２に対する比率を求めることにより、感度調整値Ｖを算出する。
　この後はステップＤ７に進み、感度調整値Ｖの値に基づいて、各パラメータｇ，ｑ，ｔを調整する。
　つぎに、基準ピーク値Ｐ１の値が適正範囲を上回っている場合には、次回の検出処理における感度を下げる（ＡＤ変換回路４１に入力される信号レベルを下げる）調整が必要となる。基準ピーク値Ｐ１が飽和していない場合には、ステップＤ３からステップＤ４に進み、先に述べた演算式：Ｖ＝Ｒ／Ｐ１により感度調整値Ｖを算出する。しかる後にステップＤ７に進み、各パラメータｇ，ｑ，ｔを調整する。
　一方、基準ピーク値Ｐ１が飽和している場合には、ステップＤ３からステップＤ６に進む。このステップＤ６では、最適値Ｒをピーク値Ｐ３のレベルに応じた値（Ｒ／（１０×ｇ））に変換し、当該最適値のピーク値Ｐ３に対する比率を求める演算により、感度調整値Ｖを算出する。この後はステップＤ７に進み、感度調整値Ｖの値に基づいて、各パラメータｇ，ｑ，ｔを調整する。
　上記の処理によれば、基準ピーク値Ｐ１が飽和または０に近似するために正しい値を取得できない場合でも、他のピーク値Ｐ２，Ｐ３が基準ピーク値Ｐ１に対応する値を適切に表している場合には、ステップＤ５またはステップＤ６により、感度調整値Ｖを精度良く求めることができる。よって、この感度調整値Ｖに基づき調整されたパラメータｇ，ｑ，ｔを用いて次の検出処理が行われたときに、ＦＰＧＡ１５に入力される画像における基準ピークを適正範囲に収めることが可能になる。
　上記の変位センサ１によれば、たとえば、反射率の異なる複数種のワークが高速で搬送されるような現場でも、検出対象のワークが替わったことに応じて速やかに感度を変更し、計測に適した画像をＦＰＧＡ１５に入力することができる。よって、ワークＷの移動に追従して精度の良い計測処理を行うことができる。また、図７に示した基板２００および部品２０１のように、一体物であるが、反射率が異なる複数の部位を有するワークを計測対象とする場合にも、同様に、検出対象の部位の反射率が変わったことに応じて速やかに感度を変更することができるので、表面形状の認識に適した計測データを得ることができる。また、微小な物体で移動するものを検出対象とする場合にも、その物体が検出対象となったときに速やかに感度を調整することができ、計測の取りこぼしをなくすことができる。
　なお、図３の手順によれば、この実施例の変位センサ１では、検出処理（ステップＢ）および計測処理（ステップＣ）を実行してから感度の調整処理（ステップＤ）を行っているが、感度の調整処理を計測処理より前に行うようにしてもよい。または、ＦＰＧＡ１５が計測処理を担当し、ＣＰＵ１４が感度の調整処理を担当するようにして、各処理を並列で実施してもよい。
　また、上記の実施例の変位センサ１では、変位量を精度良く計測するために、全画素の受光量データをＦＰＧＡ１５に入力して、基準ピーク値Ｐ１およびその座標を抽出する一方、その他のピーク値Ｐ２，Ｐ３をピークホールド回路３２，３３を用いて抽出しているが、これはＣＰＵ１４がＦＰＧＡ１５より処理速度が遅いことを考慮したためである。これに代えて、信号処理部Ｃ２，Ｃ３においてもそれぞれ全画素を対象にしたＡＤ変換処理を実行し、生成された画像をＦＰＧＡ１５に導いて、ピーク値Ｐ２，Ｐ３を抽出するようにしてもよい。
　図５は、本発明が適用される第２の変位センサ１Ａの回路構成を示す。
　この実施例のセンサ１Ａにも、図２の例と同様に、発光素子１１を含む投光部１０１、撮像素子１２を含む受光部１０２、ＣＰＵ１４、ＦＰＧＡ１５、および入出力インターフェース１６が含まれる。ただし、受光部１０２には、先の実施例とは異なる構成の受光回路１３Ａが設けられる。
　具体的に、この実施例の受光回路１３Ａには、撮像素子１２からの出力を受ける可変ゲインアンプ３０と、可変ゲインアンプ３０とＦＰＧＡ１５との間に並列状態で介装される５個の信号処理部Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５とが含まれる。
　各信号処理部Ｅ１～Ｅ５は、それぞれアンプ５１～５５とＡＤ変換回路６１～６５とにより構成される。各アンプ５１～５５のゲインｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ４，ｋ５は固定されているが、アンプ１のゲインｋ１が最も小さく、以下、ｋ２，ｋ３，ｋ４，ｋ５の順に大きくなる。
　ＣＰＵ１４は、第１実施例と同様に、発光素子１１および撮像素子１２の動作を制御する。また、可変ゲインアンプ３０のゲインｇを変更したり、入出力インターフェース１６を介して外部との入出力処理を行う。
　撮像素子１２の各画素から出力された受光量信号は、可変ゲインアンプ３０を介して各信号処理部Ｅ１～Ｅ５に入力され、それぞれのアンプ５１～５５およびＡＤ変換回路６１～６５により処理される。これによりＦＰＧＡ１５には、受光量の波形の振幅が異なる５枚の画像が入力されることになる。
　ＦＰＧＡ１５では、上記５枚の入力画像のうち、中間位置のゲインｋ３が適用された信号処理部Ｅ３からの画像を用いて変位量の計測処理を実行する。この計測結果はＣＰＵ１４に出力され、さらにＣＰＵ１４から入出力インターフェース１６を介して外部装置などに出力される。
　ＦＰＧＡ１５は、その他の信号処理部Ｅ１，Ｅ２，Ｅ４，Ｅ５からの画像に対しても、それぞれピーク値を抽出する。さらに、ＣＰＵ１４とＦＰＧＡ１５とが協働して、図６に示すような手順で感度調整処理を実行する。
　この処理の最初のステップＤ１１では、各信号処理部Ｅ１～Ｅ５による画像から抽出されたピークの中から、計測用のピーク値の最適値Ｒに最も近いピークＰｉ（ｉは１，２，３，４，５のうちのいずれか）を選択する。
　つぎのステップＤ１２では、選択されたピーク値Ｐｉおよび最適値Ｒと、ピーク値Ｐｉに対応する信号処理部Ｅｉに適用された倍率ｋｉと、ピーク値Ｐ３に対応する信号処理部に適用された倍率ｋ３とを用いて、演算式：Ｖ＝Ｒ×（ｋｉ／ｋ３）×（１／Ｐｉ）を実行する。
　この実施例において、最適値Ｒは計測に用いられるピークＰ３にとっての最適値である。上記の演算式は、最適値Ｒをピーク値Ｐｉに対応するレベルに変換してから、変換後の最適値のＰｉに対する比率を算出するものである。よって、直前の計測処理に用いられたピーク値Ｐ３が飽和または０に近いために、その値を正しく特定することが困難な場合でも、上記の演算により、現在の受光状態を適切な受光状態にするのに適した感度調整値Ｖを得ることができる。
　ステップＳ１０３では、この感度調整値Ｖに基づき、可変ゲインアンプ３０のゲインｇ、発光素子１１の発光強度ｑ、および露光時間ｔの各パラメータを調整する。これにより次回の検出処理では、信号処理部Ｅ３からの画像におけるピーク値Ｐ３を最適値Ｒに近い状態にすることができる。
　なお、図６の手順では、ピーク値Ｐ３が適正範囲内であるか否かに関わらず、常にステップＤ１２およびＤ１３を実行しているが、この場合にも、まずピーク値Ｐ３が適正範囲内にあるか否かをチェックし、Ｐ３が適正範囲内であれば、ステップＤ１２およびＤ１３をスキップしてもよい。
　また、ピーク値Ｐ３を適正範囲と照合しない場合でも、ピーク値Ｐ３が最適値Ｒ付近にある場合には、ステップＤ１１においてピーク値Ｐ３が選択され、ステップＤ１２で求められる感度調整値Ｖが１に近い値となる。したがって、値１に対する感度調整値Ｖの差が所定の許容値以内となったことをもって、ステップＤ１３をスキップしてもよい。
　また、図５の回路構成では、受光回路１３Ａの信号処理部を５つとしたが、信号処理部の数はこれに限らず、３以上の任意の数の信号処理部を設け、その中の中間位置でゲインが設定されている信号処理部を計測に使用しつつ、上記と同様の方法で感度調整を行うことができる。また、上記の実施例では、全ての信号処理部Ｅ１～Ｅ５を、各画素の受光量信号を増幅してからＡＤ変換するような構成にしたが、撮像素子１２からの受光量信号を直接入力して、これを増幅せずにディジタル変換する構成の信号処理部（倍率１倍が適用されている信号処理部）を設けてもよい。
　また、上記した２つの実施例の変位センサ１，１Ａは、受光量のピーク値が現れた位置を用いて三角測距の原理に基づく計測を行っているが、これとは異なる原理で変位量を計測するセンサにおいても同様に、受光素子から出力された受光量信号をそれぞれ異なる倍率が適用された複数の信号処理部により処理し、各信号処理部により生成された受光量データのうちの特定のデータを計測に使用すると共に、適切な受光量を示す受光量データを選択して、感度調整値を求める演算を行うことができる。このようにすれば、検出対象が替わった直後に適切な受光量が得られずに計測に失敗したとしても、その計測に用いられた受光量データ以外の受光量データを用いて次の検出処理における感度を適切に調整することができるので、速やかに計測が可能な状態に復帰することができる。よって、対象物が高速で移動する場合や微小な対象物を計測する場合にも、各対象物に応じた感度を迅速に設定して、計測を行うことが可能になる。
　１，１Ａ　変位センサ、　１１　発光素子、　１２　撮像素子、　１３，１３Ａ　受光回路、　１４　ＣＰＵ、　１５　ＦＰＧＡ、　１０１　投光部、　１０２　受光部、　Ｃ１～Ｃ３，Ｅ１～Ｅ５　信号処理部

Claims (4)

  1. 　検出用の光を投光する投光部と、投光部からの光に対する対象物からの反射光を受光して、その受光状態を示す受光量データを生成する受光部と、前記投光部および受光部による検出処理を繰り返しながら、毎回の検出処理により得た受光量データを用いて対象物の変位量を計測する計測手段と、前記検出処理における感度を調整する感度調整手段とを具備する変位センサであって、
    　前記受光部には、受光素子と、この受光素子から出力される受光量信号にそれぞれ異なる倍率を適用して前記受光量データを生成する複数の信号処理部とが含まれており、
    　前記計測手段は、前記複数の信号処理部のうちの特定の信号処理部により生成された受光量データを用いて前記変位量の計測処理を実行し、
    　前記感度調整手段は、前記検出処理に応じて前記複数の信号処理部により生成された受光量データの中の１つを所定のルールに基づき選択し、前記特定の信号処理部に適用された倍率に対する前記選択された受光量データを生成した信号処理部に適用された倍率の比率と当該選択された受光量データとに基づき、前記特定の信号処理部により生成された受光量データの値とあらかじめ定められた適正値との相対関係を求め、この相対関係に基づいて以後の検出処理における感度を調整する、
    ことを特徴とする変位センサ。
  2. 　前記感度調整手段は、前記特定の信号処理部による受光量データの値が所定の許容値から飽和レベルまでの範囲にある場合には当該受光量データを選択し、前記特定の信号処理部による受光量データの値が前記許容値を下回る場合には特定の信号処理部よりも高い倍率が適用された信号処理部による受光量データを選択し、前記特定の信号処理部による受光量データが前記飽和レベルに達している場合には特定の信号処理部よりも低い倍率が適用された信号処理部による受光量データを選択する、請求項１に記載された変位センサ。
  3. 　前記感度調整手段は、前記複数の信号処理部により生成された受光量データのうち、前記適正値に最も近い受光量データを選択する、請求項１に記載された変位センサ。
  4. 　請求項１～３のいずれかに記載された変位センサであって、
    　前記受光素子として複数の画素を有する撮像素子が設けられ、
    　前記特定の信号処理部において前記撮像素子の全画素の受光量を表す受光量データが生成されると共に、その他の信号処理部において前記撮像素子の各画素の受光量のうちの少なくともピーク値を表す受光量データが生成され、
    　前記感度調整手段は、選択された受光量データのピーク値と、前記特定の信号処理部に適用された倍率に対する前記選択された受光量データを生成した信号処理部に適用された倍率の比率とに基づき、前記特定の信号処理部による受光量データのピーク値と前記適正値との相対関係を求め、
    　前記計測手段は、前記特定の信号処理部による受光量データを用いて前記撮像素子において受光量のピーク値が得られた位置を特定し、この特定された位置に基づき前記変位量を計測する、変位センサ。
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