JP2019082408A - 光学式センサ及び検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱光の影響を抑制して、対象物を検出することのできる光学式センサ及び検出方法を提供する。【解決手段】対象物ＴＡを検出する光学式センサ１００であって、複数の画素がそれぞれ光を受け、画素毎の受光量を示す受光分布信号を得る受光部２０と、受光分布信号を画素毎にデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３０と、複数の変換された受光分布信号を画素毎に積算する積算部５５と、積算された受光分布信号に基づいて対象物ＴＡの有無を判定する判定部５８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光学式センサ及び検出方法に関する。

従来、対象物からの反射光を受光し、受光の状態に基づいて物体を検出する光学式センサにおいて、撮像素子からＡ／Ｄ変換回路を経て生成した受光量分布データから最大ピークを検出し、この最大ピークを用いて感度調整処理を行うものが知られている（特許文献１参照）。ここで、撮像素子の露光時間が長いと、Ａ／Ｄ変換回路に入力される信号はＡ／Ｄ変換回路の入力信号範囲の上限を超えてしまい、受光量分布データの受光量が飽和することがあった。受光量が飽和すると、最大ピークを正確に検出できないおそれがあった。そこで、特許文献１の感度調整処理では、受光量分布データの最大ピークの受光量が飽和した場合に露光時間を引き下げている。

特開２０１３−１９０３７８号公報

しかしながら、反射率の低い対象物を検出する場合、特許文献１の光学式センサでは、最大ピークの受光量が目標値より低くなり、露光時間が長くなる傾向にあった。露光時間を長くすると、受光量分布は外乱光の影響を受けやすくなる。その結果、前述したように、Ａ／Ｄ変換回路を介して得られた受光量分布において、最大ピークの受光量が飽和してしまうことがあった。

そこで、本発明は、外乱光の影響を抑制して、対象物を検出することのできる光学式センサ及び検出方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る光学式センサは、対象物を検出する光学式センサであって、複数の画素がそれぞれ光を受け、受光量を示す受光分布信号を得る受光部と、受光分布信号を画素毎にデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、複数の変換された受光分布信号を画素毎に積算する積算部と、積算された受光分布信号対象物の有無を判定する判定部と、を備える。

この態様によれば、画素毎の受光量を示す受光量分布信号を得て、受光量分布信号を画素毎にデジタル信号に変換し、複数の変換された受光分布信号が画素毎に積算される。これにより、積算された受光分布信号において、各受光分布信号の露光時間を長くすることなく、対象物からの反射光と外乱光とを区別するのに十分に、対象物の反射光による受光量と外乱光による受光量との差を大きくすることができる。このように、露光時間を長くする必要がないため、外乱光の影響を抑制して、対象物を検出することができる。

前述した態様において、対象物に投光するための光を発する投光部と、変換された投光時の受光分布信号と変換された非投光時の受光分布信号との差分の受光分布信号を得る差分処理部と、をさらに備え、積算部は、複数の差分の受光分布信号を画素毎に積算してもよい。

この態様によれば、投光時の受光分布信号と非投光時の受光分布信号との差分の受光分布信号を得ることにより、投光時の受光分布信号から外乱光に起因する外乱光成分が除去される。

前述した態様において、積算された受光分布信号におけるピークを検出し、光学式センサからピークに対応する位置までの距離を算出する距離算出部をさらに備え、判定部は、距離に基づいて対象物の有無を判定してもよい。

この態様によれば、積算された受光分布信号におけるピークを検出し、光学式センサからピークに対応する位置までの距離を算出し、当該距離に基づいて対象物の有無を判定することにより、対象物までの距離以外のもの、例えば異なる距離にある背景を検出することなく、対象物を検出することができる。

前述した態様において、受光部は、複数の画素が一次元又は二次元にそれぞれ配列された撮像素子を含み、受光部が得る受光分布信号は、撮像素子の画素毎の受光量であってもよい。

この態様によれば、各画素が一次元又は二次元に配列された撮像素子を受光部が含むことにより、光学式センサからの距離に応じた画素毎の受光量すなわち受光分布信号を得る受光部を、容易に実現することができる。

また、本発明の他の態様に係る光学式センサの検出方法は、対象物を検出する検出方法であって、複数の画素がそれぞれ光を受け、画素毎の受光量を示す受光分布信号を受光部が得るステップと、受光分布信号を画素毎にデジタル信号にアナログ−デジタル変換部が変換するステップと、複数の変換された受光分布信号を画素毎に積算部が積算するステップと、積算された受光分布信号に基づいて対象物の有無を判定部が判定するステップと、を含む。

この態様によれば、画素毎の受光量を示す受光量分布信号を得て、受光量分布信号を画素毎にデジタル信号に変換し、複数の変換された受光分布信号が画素毎に積算される。これにより、積算された受光分布信号において、各受光分布信号の露光時間を長くすることなく、対象物からの反射光と外乱光とを区別するのに十分に、対象物の反射光による受光量と外乱光による受光量との差を大きくすることができる。このように、露光時間を長くする必要がないため、外乱光の影響を抑制して、対象物を検出することができる。

前述した態様において、検出方法は、対象物に投光するための光を投光部が発するステップと、変換された投光時の受光分布信号と変換された非投光時の受光分布信号との差分の受光分布信号を差分処理部が得るステップと、をさらに含み、積算するステップは、複数の差分の受光分布信号を画素毎に積算部が積算することを含んでもよい。

この態様によれば、投光時の受光分布信号と非投光時の受光分布信号との差分の受光分布信号を得ることにより、投光時の受光分布信号から外乱光に起因する外乱光成分が除去される。

前述した態様において、検出方法は、積算された受光分布信号におけるピークを検出し、光学式センサからピークに対応する位置までの距離を距離算出部が算出するステップをさらに備え、判定するステップは、距離に基づいて対象物の有無を判定部が判定することを含んでもよい。

この態様によれば、積算された受光分布信号におけるピークを検出し、光学式センサからピークに対応する位置までの距離を算出し、当該距離に基づいて対象物の有無を判定することにより、対象物までの距離以外のもの、例えば異なる距離にある背景を検出することなく、対象物を検出することができる。

本発明によれば、外乱光の影響を抑制して、対象物を検出することのできる光学式センサ及び検出方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る光学式センサの適用場面の一例を模式的に例示する図である。 図２は、実施形態に係る光学式センサの構成を例示するブロック図である。 図３は、図２に示した光学式センサの検出原理を例示する模式図である。 図４は、光学式センサの検出方法を例示するフローチャートである。 図５は、投光部が発する光の波形を例示する図である。 図６は、差分の受光分布信号の波形を例示する図である。 図７は、積算しない場合の差分の受光分布信号の波形を例示する参考図である。 図８は、積算された受光分布信号の波形を例示する図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

［適用例］
まず、図１を用いて、本発明が適用される場面の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る光学式センサ１００の適用場面の一例を模式的に例示する図である。光学式センサ１００は、対象物ＴＡを検出するセンサである。

図１に示すように、光学式センサ１００は、複数の画素がそれぞれ光を受け、画素毎の受光量を示す受光分布信号を得る受光部２０と、受光分布信号を画素毎にデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３０と、複数の受光分布信号を画素毎に積算する積算部５５と、積算された受光分布信号に基づいて対象物ＴＡの有無を判定する判定部５８と、を備えている。受光分布信号は、画素毎の受光量を示す受光分布の電気信号（以下、「受光分布信号」と呼ぶ）である。対象物ＴＡは、光を反射するあらゆるものを含んでよい。対象物ＴＡは、例えば、光沢金属物、白色セラミック体、黒色ゴム、鋳物等であってよい。また、対象物ＴＡの表面は、凹凸を有したり、他の部分と異なる色を有したりしてもよい。さらに、対象物ＴＡは、コンベア等によって移動するものであってもよい。

受光部２０は、例えば、複数の画素が一次元、図1に示す例では上下方向にそれぞれ配列された撮像素子２１を含んでいる。各画素は、所定の露光時間に受光した光の受光量に応じて電荷を蓄積する。ここで、受光部２０が受ける光は、光学式センサ１００からの距離Ｌに応じて、撮像素子２１の異なる画素に入射する。一例を挙げると、対象物ＴＡまでの距離Ｌ１とは異なる距離にあるもの、例えば背景ＢＧによって反射された光は、対象物ＴＡによって反射された光とは別の画素に入射する。このように、一次元に配列された撮像素子２１の各画素は、光学式センサ１００からの距離Ｌに対応する。そして、各画素は、蓄積した電荷に応じた電気信号を出力する。これにより、受光部２０は、光学式センサ１００からの距離Ｌに応じた画素毎の受光量すなわち受光分布信号を得ることができる。

なお、撮像素子２１は、各画素が一次元に配列される構成に限定されるものではない。撮像素子２１の各画素は、二次元に配列されていてもよい。

Ａ／Ｄ変換部３０は、アナログ信号の受光分布信号に対して、標本化、量子化、及び符号化を行って、画素毎に受光量をデジタル値に変換する。そして、Ａ／Ｄ変換部３０は、デジタル信号に変換された受光分布信号（以下、「Ａ／Ｄ変換された受光分布信号」と呼ぶ）を出力する。Ａ／Ｄ変換された受光分布信号は、本発明の「変換された受光分布信号」の一例に相当する。

積算部５５は、所定の露光時間毎の受光分布信号を、画素毎にデジタル値となった受光量をＮ回（Ｎは２以上の整数）積算する。Ｎを積算数と呼ぶ。これにより、各受光分布信号の１回の露光時間を長くすることなく、積算された受光分布信号において、対象物ＴＡを検出するために十分な受光量のピークを形成することができる。

判定部５８は、積算された受光分布信号における最大ピークの位置を検出し、検出したピーク位置とあらかじめ設定された対象物ＴＡまでの距離Ｌ１との関係に基づいて、対象物ＴＡが有るか否かを判定する。

ここで、従来のように受光分布信号を積算しない場合、対象物ＴＡからの反射光と外乱光とを区別するために、露光時間を長くして対象物ＴＡの反射光による受光量と外乱光による受光量との差を大きくする必要がある。しかしながら、露光時間が長くなると外乱光による外乱光成分も増加するので、受光分布信号の最大ピーク付近がＡ／Ｄ変換部の入力信号の上限、つまり、飽和電圧を超えてしまうことがあった。このため、受光分布信号において最大ピークを正確に検出できないおそれがあった。

これに対し、本実施形態に係る光学式センサ１００によれば、受光分布信号を画素毎にＡ／Ｄ変換し、Ｎ回積算することにより、積算された受光分布信号において、受光分布信号の露光時間を長くすることなく、対象物ＴＡからの反射光と外乱光とを区別するのに十分に、対象物ＴＡの反射光による受光量と外乱光による受光量との差を大きくすることができる。このように、露光時間を長くする必要がないため、外乱光の影響を抑制して、対象物ＴＡでも検出することができる。

［構成例］
＜光学式センサ＞
次に、図２及び図３を参照しつつ、本実施形態に係る光学式センサの構成の一例について説明する。図２は、本実施形態に係る光学式センサ１００Ａの構成を例示するブロック図であり、図３は、図２に示した光学式センサ１００Ａの検出原理を例示する模式図である。

図２に示す例において、本実施形態に係る光学式センサ１００Ａは、投光部１０と、受光部２０と、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル）変換部３０と、検出部５０と、制御部６０と、記憶部６１と、表示部６２と、操作部６３と、入出力Ｉ／Ｆ（インターフェース）６４と、を備える。投光部１０、受光部２０、及びＡ／Ｄ変換部３０は、センサヘッド４０に収容されている。一方、検出部５０、制御部６０、記憶部６１、表示部６２、操作部６３、及び入出力Ｉ／Ｆ６４は、筐体７０に収容されている。

但し、光学式センサ１００Ａの各部のセンサヘッド４０又は筐体７０への配置は、図２に示す例に限定されるものではない。また、光学式センサ１００Ａの各部は、センサヘッド４０又は筐体７０の２つに収容される構成に限定されるものではない。光学式センサ１００Ａの各部は、３つ以上に分けて収容されていてもよいし、その全てが１つの筐体に収容されていてもよい。

投光部１０は、対象物ＴＡに投光するためのものである。投光部１０は、例えば、投光素子１１と、投光駆動回路１２と、を含む。投光素子１１は、例えばレーザダイオードである。あるいは、投光素子１１は、発光ダイオード等の発光素子であってもよい。投光駆動回路１２は、投光素子１１を駆動するためのものである。具体的には、投光駆動回路１２は、検出部５０から入力される制御信号に基づいて、投光素子１１に駆動信号を出力する。投光素子１１は、駆動信号によって駆動され、光を発する。

受光部２０は、複数の画素がそれぞれ光を受け、受光分布信号を得るためのものである。受光部２０は、例えば、撮像素子２１と、信号処理回路２２と、を含む。撮像素子２１は、例えばＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳＦＥＴ）イメージセンサである。あるいは、撮像素子２１はＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサであってもよい。撮像素子２１は、複数の画素を含んでいる。各画素は、一次元、例えば所定の直線上に配列されている。あるいは、各画素は、二次元に配列されていてもよい。各画素は、所定の露光時間に受光した光の受光量に応じて電荷を蓄積する。そして、各画素は、蓄積した電荷に応じた電気信号を出力する。

信号処理回路２２は、撮像素子２１による受光を制御する。信号処理回路２２は、例えば、各画素が、前述した露光時間に電荷を蓄積し、露光時間以外の期間、つまり非露光期間に、電気信号を出力するように、撮像素子２１に制御信号を出力している。また、信号処理回路２２には、撮像素子２１から電気信号が入力される。信号処理回路２２は、増幅回路（図示省略）を含み、入力された電気信号を所定のゲインで増幅して出力する。なお、撮像素子２１の電気信号が電流信号である場合、信号処理回路２２は、電流電圧変換回路を含んでいてもよい。この場合、信号処理回路２２は、入力された電流信号において、電流値に対応した電圧値に変換する。そして、信号処理回路２２は、変換された電圧信号を増幅回路で増幅して出力する。

ここで、光学式センサ１００Ａが対象物を検出する原理の一例を説明する。

図３に示す例において、光学式センサ１００Ａのセンサヘッド４０は、対象物ＴＡに対して、あらかじめ定められた距離Ｌ１だけ離れて配置される。投光素子１１から投光レンズ１３を介して出射された光は、対象物ＴＡによって反射される。反射された光は、受光レンズ２３を介して撮像素子２１の一部の画素に入射する。一方、センサヘッド４０から距離Ｌ２（距離Ｌ２＞距離Ｌ１）だけ離れた位置には、例えば背景ＢＧが配置されている。背景ＢＧによって反射された光は、受光レンズ２３を介して撮像素子２１の別の画素に入射する。このように、一次元、図３の例では上下方向に配列された撮像素子２１の各画素は、センサヘッド４０からの距離Ｌに対応する。また、撮像素子２１の各画素は、図３に示す例において、上下方向及び奥行き方向（紙面に対する垂直方向）の二次元に配列されていてもよい。よって、撮像素子２１の各画素が一次元又は二次元に配列されていることにより、センサヘッド４０からの距離Ｌに応じた受光量を示す受光分布信号が得られる受光部２０を、容易に実現することができる。

受光分布信号において、最大ピークの位置は、受光量が最大である距離Ｌに対応する。従って、受光分布信号の最大ピークの位置が、例えば対象物ＴＡまでの距離Ｌ１から所定の範囲（±ΔＬ）内であるか否かを判定することによって、センサヘッド４０から距離Ｌ１にある対象物ＴＡを検出することができる。

撮像素子２１の露光時間は、従来の受光分布信号を積算しない場合と比較して、相対的に短い時間に設定されている。具体的には、撮像素子２１の露光時間は、Ａ／Ｄ変換部３０の入力信号が飽和しないような時間に設定されている。例えば、受光分布信号を積算しない場合の露光時間が２００［μｓ］であるのに対して、２２個の受光分布信号を積算する場合に、露光時間を１／２２以下である６［μｓ］に設定する。但し、露光時間の下限は、受光部２０のシャッター速度の性能に依存し、例えば４［μｓ］程度である。このように、撮像素子２１の露光時間を短い時間に設定することにより、受光部２０による受光の開始から検出結果が得られるまでの応答時間は、受光分布信号を積算しない場合とほぼ同じになる。

図２に示す例において、Ａ／Ｄ変換部３０は、受光分布信号をデジタル信号に変換するためのものである。具体的には、Ａ／Ｄ変換部３０は、信号処理回路２２から入力されたアナログ信号の受光分布信号に対して、標本化、量子化、及び符号化を行って画素毎に受光量をデジタル値に変換する。そして、Ａ／Ｄ変換部３０は、デジタル信号に変換された受光分布信号すなわちＡ／Ｄ変換された受光分布信号を出力する。

検出部５０は、対象物ＴＡを検出するためのものである。検出部５０は、例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）で構成され、対象物ＴＡを検出するためのプログラム及びデータが組み込まれている。検出部５０は、例えば、制御部Ｉ／Ｆ（インターフェース）５１と、レジスタ群５２と、投光制御部５３と、差分処理部５４、積算部５５と、特徴量算出部５６と、距離換算部５７と、判定部５８と、を備える。

なお、本実施形態の特徴量算出部５６及び距離換算部５７は、本発明の「距離算出部」の一例に相当する。

制御部Ｉ／Ｆ５１は、後述する制御部６０とのインターフェースである。制御部Ｉ／Ｆ５１は、制御部６０との間でデータや信号をやり取りするように構成されている。

レジスタ群５２は、複数のレジスタで構成されている。各レジスタは、検出部５０の各部に接続されている。レジスタ群５２は、例えば、各部の演算結果、状態、又はメモリ（図示省略）にアクセスする際のアドレス等を保持するように構成されている。

投光制御部５３は、投光部１０による投光を制御するためのものである。投光制御部４３は、例えば、投光の強度（パワー）、投光期間、投光周期又は投光間隔、及びタイミング等を制御するように、投光部１０に制御信号を出力する。この制御信号は、例えばパルス信号である。この場合、投光部１０はパルス光を発する。

差分処理部５４は、投光時の受光分布信号と非投光時の受光分布信号との差分の受光分布信号を得るためのものである。差分処理部５４には、例えば、Ａ／Ｄ変換部３０からＡ／Ｄ変換された受光分布信号が入力される。差分処理部５４は、例えば投光部１０による投光中にＡ／Ｄ変換部３０から入力されるＡ／Ｄ変換された受光分布信号を、例えばレジスタ群５２や検出部５０のメモリ（図示省略）に、投光時の受光分布信号として記憶する。同様に、差分処理部５４は、例えば投光部１０による投光停止中にＡ／Ｄ変換部３０から入力されるＡ／Ｄ変換された受光分布信号を、レジスタ群５２や検出部５０のメモリに非投光時の受光分布信号として記憶する。そして、投光時の受光分布信号及び非投光時の受光分布信号の両方が記憶されているときに、差分処理部５４は、画素毎に投光時の受光分布信号と非投光時の受光分布信号との差分の受光量を算出し、差分の受光分布信号を得る。

積算部５５は、複数の受光分布信号を画素毎に積算するように構成されている。積算部５５には、例えば、差分処理部５４から差分分布信号が入力される。あるいは、差分処理部５４を省略して、Ａ／Ｄ変換部３０からＡ／Ｄ変換された受光分布信号が入力されてもよい。積算部５５には、所定の積算数Ｎの受光分布信号が入力され、積算部５５は、画素毎に各受光分布信号の受光量を積算する。

積算部５５は、積算に使用するプロセッサやレジスタ等が受光分布信号の電圧値に対して十分なビット長を有するように、構成されている。これにより、複数の受光分布信号を積算するときに、オーバーフローが発生する可能性を低減することができる。

特徴量算出部５６は、積算結果における特徴量を算出するように構成されている。特徴量は、例えば最大ピークの重心の座標である。特徴量算出部５６は、積算部５５によって積算された受信分布信号において、最大ピークの重心の座標を算出する。この座標は，配列された特定の画素の位置に相当する。

距離換算部５７は、特徴量をセンサヘッド４０からの距離Ｌｃに換算するように構成されている。具体的には、特徴量算出部５６によって算出された最大ピークの重心の座標を、当該座標に対応する位置までの距離Ｌｃに換算する。距離換算部５７は、例えば受信分布信号の座標とセンサヘッド４０からの距離Ｌとの関係を表す換算式又は換算テーブルを用いて、センサヘッド４０から最大ピークの重心座標に対応する位置までの距離Ｌｃに換算する。

判定部５８は、積算部５５によって積算された受光分布信号に基づいて、対象物ＴＡの有無を判定するように構成されている。具体的には、判定部５８は、距離換算部５７によって換算された距離Ｌｃが、あらかじめ定められた距離Ｌ１から所定の範囲（±ΔＬ）内であるか否か（Ｌ１−ΔＬ≦Ｌｃ≦Ｌ１＋ΔＬ）に基づいて、対象物ＴＡの有無を判定する。判定部５８は、距離Ｌｃが距離Ｌ１から所定の範囲（±ΔＬ）内である場合、対象物ＴＡがあると判定する。一方、判定部５８は、距離Ｌｃが距離Ｌ１から所定の範囲（±ΔＬ）内でない場合、対象物ＴＡがないと判定する。判定部５８の判定結果は、制御部６０に出力される。

前述した例では、距離Ｌｃが距離Ｌ１から所定の範囲（±ΔＬ）内であるか否かを判定していたが、これに限定されるものではない。距離Ｌｃがあらかじめ定められた距離Ｌ１と等しいか否かを判定するようにしてもよい。あるいは、距離Ｌｃが所定の範囲であるか否かの判定は、正負一方のみで判定してもよいし（Ｌ１−ΔＬ≦Ｌｃ又はＬｃ≦Ｌ１＋ΔＬ）、正負で異なる値を用いてもよい（Ｌ１−ΔＬ１≦Ｌｃ≦Ｌ１＋ΔＬ２、ΔＬ１≠ΔＬ２）。

制御部６０は、光学式センサ１００Ａの各部の動作を制御するように構成されている。制御部６０は、例えば、検出部５０から入力された検出結果を、表示部６２に表示させる。制御部６０は、例えば、ＣＰＵ(Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ)等のマイクロプロセッサを含んで構成される。

記憶部６１は、プログラムやデータ等を記憶するように構成されている。記憶部６１、例えば、ＲＯＭ(Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ)、ＲＡＭ(Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)、バッファメモリ等のメモリを含んで構成される。また、記憶部６１は、制御部６０が実行するプログラムを記憶していてもよい。

表示部６２は、情報を出力するように構成されている。表示部６２は、例えば、検出結果や設定内容等を表示する。表示部６２は、例えば、７セグメントディスプレイを含んで構成される。また、表示部６２は、例えば警告等を知らせるための表示灯を含んでいてもよい。

操作部６３は、情報を入力可能に構成されている。操作部６３は、例えば、スイッチ、ボタン等を含んで構成される。例えば、利用者（ユーザ）が操作部６３を操作したときに、制御部６０が操作に対応するデータを生成することで、光学式センサ１００Ａに情報を入力することが可能になる。

入出力Ｉ／Ｆ６４は、光学式センサ１００Ａの外部の機器とのインターフェースである。入出力Ｉ／Ｆ６４は、外部の機器との間でデータや信号をやり取りするように構成されている。

［動作例］
＜検出方法＞
次に、図４から図８を参照しつつ、本実施形態に係る検出方法の一例について説明する。図４は、光学式センサ１００Ａの検出方法を例示するフローチャートであり、図５は、投光部１０が発する光の波形を例示する図であり、図６は、差分の受光分布信号の波形を例示する図であり、図７は、積算しない場合の差分の受光分布信号の波形を例示する参考図であり、図８は、積算された受光分布信号の波形を例示する図である。

図４に示す例では、最初に、投光部１０は投光処理を行う（Ｓ２０１）。具体的には、投光部１０は、投光制御部５３からの制御信号に基づいてパルス光を発する。

図５に示す例では、パルス光は、所定の投光強度Ｐ１及び所定の投光期間（パルス幅）ｔ１を有する。また、パルス光は、所定の投光周期Ｔ１で繰り返し出力される。ここで、投光期間ｔ１は本発明の「投光時」の一例に相当し、パルス光とパルス光の間の非投光期間ｔ２は本発明の「非投光時」の一例に相当する。本実施形態では、投光強度Ｐ１、投光期間ｔ１、非投光期間ｔ２、及び投光周期Ｔ１は、一定であるものとして説明するが、それぞれ変更可能である。

投光部１０は、例えば操作部６３の操作によって投光が停止されるまで、投光周期Ｔ１でパルス光を出力し続ける。

図４に示す例では、次に、受光部２０は、投光期間ｔ１の間に光を受け、投光時の受光分布信号を得る（Ｓ２０２）。Ａ／Ｄ変換部３０は、Ｓ２０２で得られた投光時の受光分布信号を画素毎にデジタル信号に変換する（Ｓ２０３）。

次に、受光部２０は、非投光期間ｔ２の間に光を受け、非投光時の受光分布信号を得る（Ｓ２０４）。Ａ／Ｄ変換部３０は、Ｓ２０４で得られた非投光時の受光分布信号を画素毎にデジタル信号に変換する（Ｓ２０５）。

次に、差分処理部５４は、Ｓ２０３でＡ／Ｄ変換された投光時の受光分布信号と、Ｓ２０５でＡ／Ｄ変換された非投光時の受光分布信号との差分の受光分布信号を得る（Ｓ２０６）。

図６に示す例において、左側に示す波形は投光時の受光分布信号であり、中央部の波形は非投光時の受光分布信号であり、右側に示す波形は差分の受光分布信号である。各波形の横軸は撮像素子２１の画素であり、縦軸は受光量を示す電圧である。ここで、センサヘッド４０が配置される環境には、投光による光以外の光、つまり外乱光が存在している。この外乱光が撮像素子２１に入射すると、受光分布信号における外乱光成分として、受光分布信号全体の電圧値を引き上げる。外乱光は、投光期間及び非投光期間の両方の期間において、同じように撮像素子２１に入射するので、受光部２０は、非投光期間中に外乱光による受光分布信号を得ることができる。よって、差分処理部５４が、投光時の受光分布信号と非投光時の受光分布信号との差分の受光分布信号を得ることにより、投光時の受光分布信号から外乱光成分が除去される。

ここで、参考のために、従来のように積算しない場合の差分の受光分布信号の一例を説明する。

図７に示す例において、左側に示す波形は投光時の受光分布信号であり、中央部の波形は非投光時の受光分布信号であり、右側に示す波形は差分の受光分布信号である。各波形の横軸は撮像素子の画素であり、縦軸は受光量を示す電圧である。受光分布信号を積算しない場合、対象物ＴＡからの反射光と外乱光とを区別するために、露光時間を長くして対象物ＴＡの反射光による受光量と外乱光による受光量との差を大きくする必要がある。特に、対象物ＴＡの反射率が低いときは、対象物ＴＡの反射光による受光量と外乱光による受光量との差が小さくなるので、露光時間が長時間になる傾向にあった。

しかしながら、露光時間が長くなると外乱光による外乱光成分も増加するので、投光時の受光分布信号の最大ピーク付近がＡ／Ｄ変換部３０の入力信号の上限、つまり、飽和電圧Ｖｓを超えてしまうことがあった。このため、差分の受光分布信号において最大ピークを正確に検出できないおそれがあった。

これに対して、図８の例において、例えば４個の差分分布信号を積算する場合、左側に示す各受光分布信号における露光時間は、図７に示す例の露光時間の１／４である。その結果、各受光分布信号の電圧、つまり受光量は、約１／４になる。よって、各受光分布信号は、図７の例に示した積算しない場合とは異なり、Ａ／Ｄ変換部３０の飽和電圧Ｖｓを超えることはない。

図４に示す例において、次に、積算部５５は、Ｓ２０６で得られた差分分布信号を、レジスタ群５２又は検出部５０のメモリに記憶する（Ｓ２０７）。そして、積算部５５は、レジスタ群５２又は検出部５０のメモリを利用し、露光回数をカウントアップする（Ｓ２０８）。露光回数の初期値は、例えば「ゼロ」が設定される。あるいは、積算部５５は露光回数をカウントダウンするようにしてもよい。この場合、露光回数の初期値は、前述した積算数Ｎが設定される。

次に、積算部５５は、露光回数が所定の積算数Ｎに達しているか否かを判定する（Ｓ２０９）。

Ｓ２０９の判定の結果、露光回数が所定の積算数Ｎに達していない場合、Ｓ２０２からＳ２０８の各ステップを再度繰り返す。

一方、Ｓ２０９の判定の結果、露光回数が所定の積算数Ｎに達している場合、積算部５５は、積算数Ｎの差分の受光分布信号を記憶したことになる。よって、積算部５５は、Ｎ個の差分の受光分布信号をレジスタ群５２又は検出部５０のメモリから読み出し、画素毎に積算数Ｎの差分の受光分布信号の受光量を積算する（Ｓ２１０）。積算後、積算部５５は、露光回数をリセットする（Ｓ２１１）。リセットされた露光回数は、前述した初期値に戻る。

図８に示す例において、左側に示す波形は４個の差分の受光分布信号であり、右側に示す波形は積算結果の受光分布信号である。４個の差分の受光分布信号は、それぞれ露光回数１回目から４回目のものである。各波形の横軸は撮像素子２１の画素であり、縦軸は受光量を示す電圧である。図８に示す例における４個の差分の受光分布信号の電圧は、図７に示す例の差分の受光分布信号と比較して、それぞれ約１／４である。これら４個の差分の受光分布信号を画素毎に積算することによって、積算された受光分布信号において、各受光分布信号の露光時間を長くすることなく、対象物ＴＡからの反射光と外乱光とを区別するのに十分に、対象物ＴＡの反射光による受光量と外乱光による受光量との差を大きくすることができる。このように、露光時間を長くする必要がないため、外乱光の影響を抑制して、対象物ＴＡを検出することができる。

また、受光分布信号を画素毎にデジタル信号に変換することにより、複数のＡ／Ｄ変換された受光分布信号を画素毎に積算した受光分布信号において、Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を向上させることができる。理論的には、Ｎ個のＡ／Ｄ変換された受光分布信号を画素毎に積算した受光分布信号において、ランダムノイズを１／√Ｎに低減し、ダイナミックレンジをＮ倍にすることが可能になる。

次に、特徴量算出部５６は、Ｓ２１０で積算された受光分布信号における最大ピークの重心の座標を算出する（Ｓ２１２）。特徴量算出部５６は、例えば、図８に示す例において、受光量Ｖｍである画素Ｐｍの座標を算出する。次に、距離換算部５７は、Ｓ２１２で算出された重心の座標をセンサヘッド４０からの距離Ｌｃに換算する（Ｓ２１３）。

次に、判定部５８は、Ｓ２１３で換算された距離Ｌｃに基づいて、対象物ＴＡの有無を判定する（Ｓ２１４）。例えば、距離Ｌｃがあらかじめ定められた距離Ｌ１から所定の範囲（±ΔＬ）内である場合、判定部５８は対象物ＴＡが有ると判定する。一方、距離Ｌｃがあらかじめ定められた距離Ｌ１から所定の範囲（±ΔＬ）内でない場合、判定部５８は対象物ＴＡが無いと判定する。そして、判定部５８は、判定結果を制御部６０に出力する（Ｓ２１５）。このように、積算された受光分布信号におけるピークを検出し、センサヘッド４０から当該ピークに対応する位置までの距離Ｌｃを算出し、当該距離Ｌｃに基づいて対象物ＴＡの有無を判定することにより、対象物までの距離Ｌ１以外のもの、例えば異なる距離Ｌ２にある背景ＢＧを検出することなく、対象物ＴＡを検出することができる。

Ｓ２１５のステップの後、光学式センサ１００Ａは、例えば操作部６３の操作によって対象物ＴＡの検出が停止されまで、Ｓ２０２からＳ２１５までの各ステップを繰り返す。

本実施形態では、積算数Ｎの差分の受光分布信号を記憶し、Ｎ個の差分の受光分布信号を画素毎に合計することによって積算したが、これに限定されるものではない。差分の受光分布信号が得られる毎に、画素毎に受光量を順次加算することによって、積算数Ｎの差分の受光分布信号を画素毎に積算するようにしてもよい。

以上のように、本実施形態では、画素毎の受光量を示す受光量分布信号を得て、受光量分布信号を画素毎にデジタル信号に変換し、積算数ＮのＡ／Ｄ変換された受光分布信号が画素毎に積算される。これにより、積算された受光分布信号において、各受光分布信号の露光時間を長くすることなく、対象物ＴＡからの反射光と外乱光とを区別するのに十分に、対象物ＴＡの反射光による受光量と外乱光による受光量との差を大きくすることができる。このように、露光時間を長くする必要がないため、外乱光の影響を抑制して、対象物ＴＡでも検出することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

（附記）
１．対象物ＴＡを検出する光学式センサ１００Ａであって、
複数の画素がそれぞれ光を受け、画素毎の受光量を示す受光分布信号を得る受光部２０と、
受光分布信号を画素毎にデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３０と、
複数のＡ／Ｄ変換された受光分布信号を画素毎に積算する積算部５５と、
積算された受光分布信号に基づいて対象物ＴＡの有無を判定する判定部５８と、を備える、
光学式センサ。
５．対象物ＴＡを検出する検出方法であって、
複数の画素がそれぞれ光を受け、画素毎の受光量を示す受光分布信号を受光部２０が得るステップと、
受光分布信号を画素毎にデジタル信号にＡ／Ｄ変換部３０が変換するステップと、
複数のＡ／Ｄ変換された受光分布信号を画素毎に積算部５５が積算するステップと、
積算された受光分布信号に基づいて対象物ＴＡの有無を判定部５８が判定するステップと、を含む、
検出方法。

１０…投光部、１１…投光素子、１２…投光駆動回路、１３…投光レンズ、２０…受光部、２１…撮像素子、２２…信号処理回路、２３…受光レンズ、３０…Ａ／Ｄ変換部、４０…センサヘッド、４３…投光制御部、５０…検出部、５１…制御部Ｉ／Ｆ、５２…レジスタ群、５３…投光制御部、５４…差分処理部、５５…積算部、５６…特徴量算出部、５７…距離換算部、５８…判定部、６０…制御部、６１…記憶部、６２…表示部、６３…操作部、６４…入出力Ｉ／Ｆ、７０…筐体、１００，１００Ａ…光学式センサ、ＢＧ…背景、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌｃ…距離、Ｎ…積算数、Ｐ１…投光強度、ｔ１…投光期間（パルス幅）、ｔ１…投光期間、ｔ２…非投光期間、Ｔ１…投光周期、ＴＡ…対象物、Ｖｓ…飽和電圧

Claims (7)

1. 対象物を検出する光学式センサであって、
   複数の画素がそれぞれ光を受け、前記画素毎の受光量を示す受光分布信号を得る受光部と、
   前記受光分布信号を前記画素毎にデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、
   複数の前記変換された受光分布信号を前記画素毎に積算する積算部と、
   前記積算された受光分布信号に基づいて前記対象物の有無を判定する判定部と、を備える、
   光学式センサ。
2. 前記対象物に投光するための光を発する投光部と、
   変換された投光時の前記受光分布信号と変換された非投光時の前記受光分布信号との差分の受光分布信号を得る差分処理部と、をさらに備え、
   前記積算部は、複数の前記差分の受光分布信号を前記画素毎に積算する、
   請求項１に記載の光学式センサ。
3. 前記積算された受光分布信号におけるピークを検出し、前記光学式センサから前記ピークに対応する位置までの距離を算出する距離算出部をさらに備え、
   前記判定部は、前記距離に基づいて前記対象物の有無を判定する、
   請求項１又は２に記載の光学式センサ。
4. 前記受光部は、前記複数の画素が一次元又は二次元にそれぞれ配列された撮像素子を含み、
   前記受光部が得る前記受光分布信号は、前記撮像素子の前記画素毎の受光量である、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光学式センサ。
5. 対象物を検出する光学式センサの検出方法であって、
   複数の画素がそれぞれ光を受け、前記画素毎の受光量を示す受光分布信号を受光部が得るステップと、
   前記受光分布信号を前記画素毎にデジタル信号にアナログ−デジタル変換部が変換するステップと、
   複数の前記変換された受光分布信号を前記画素毎に積算部が積算するステップと、
   前記積算された受光分布信号に基づいて前記対象物の有無を判定部が判定するステップと、を含む、
   検出方法。
6. 前記検出方法は、
   前記対象物に投光するための光を投光部が発するステップと、
   変換された投光時の前記受光分布信号と変換された非投光時の前記受光分布信号との差分の受光分布信号を差分処理部が得るステップと、をさらに含み、
   前記積算するステップは、複数の前記差分の受光分布信号を前記画素毎に前記積算部が積算することを含む、
   請求項５に記載の検出方法。
7. 前記検出方法は、前記積算された受光分布信号におけるピークを検出し、前記光学式センサから前記ピークに対応する位置までの距離を距離算出部が算出するステップをさらに備え、
   前記判定するステップは、前記距離に基づいて前記対象物の有無を前記判定部が判定することを含む、
   請求項５又は６に記載の検出方法。

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