专利名称：边缘传感器的诊断方法及诊断装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及能简易地诊断出边缘传感器在测量过程中由于受沾污、或因干扰光引起的检测精度降低的边缘传感器的诊断方法及诊断装置。
背景技术：
对于光学方式检测物体边缘位置的位置检测方法大致有两种，一种是根据受光器上受光量的变化求出物体边缘位置的光量方式，另一种是解析上述物体边缘产生的衍射图形求出所述物体边缘位置的衍射图形解析方式。光量方式是根据物体不存在时受光器上的全部受光量、和被物体遮掉射向所述受光器的入射光的一部分时的受光量之比，求出所述物体的边缘位置。另外，衍射图形解析方式，例如如日本国专利申请公开公报(特开平8-247726号)所揭示，利用多个受光元件按规定间隔排列成的CCD等线状传感器，解析在所述线状传感器的受光面上由于平行光中物体的边缘引起的菲涅耳衍射产生的受光图形，将光强度以相对值形式表示，将变成
的位置作为边缘位置来求解。
发明内容
在采用上述的光量方式或衍射图形解析方式进行边缘位置检测时，不可否认干扰光窜入会降低其检测精度。另外，也不可否认由于尘埃等沾污线状传感器的受光面时，其检测精度也会降低。这时就会得到错误的检测结果。
因此，以前专门在边缘检测前，先行设定在其检测对象区域中物体(边缘)不存在的状态，诊断此时受光器的总受光量、或线状传感器的受光图形(诊断方式)。具体为，判断受光器上的总受光量与其初始值比较是增加还是减少，据此诊断其测量环境中是否含干扰光，或其受光面是否被沾污。另外，通过判断线状传感器的受光图形是否一样，从而诊断其受光面上是否被局部沾污，或是否含点状的干扰光。但是通过这样的设定诊断方式来诊断边缘位置的检测可靠性的做法是件非常麻烦的事。
本发明正是基于上述问题而提出的，其目的在于提供一种边缘传感器的诊断方法及诊断装置，它能在边缘位置的检测动作中容易诊断其检测的可靠性，在判断出异常时能迅速地发出报警。
为达到上述的目的的本发明的边缘传感器的诊断方法，采用具有将多个受光元件按规定的间隔排列成受光面的线状传感器，在检测遮挡射入其受光面的光的遮挡体在所述受光元件排列方向上的边缘位置，解析由于遮挡体边缘产生的菲涅耳衍射而引起的在所述线状传感器受光面上的受光图形，以检测所述遮挡体的边缘位置，同时根据所述线状传感器的总受光量，检测所述遮挡体的边缘位置，将上述检测出的边缘位置互相比较，来诊断所述线状传感器的边缘检测信号的可靠性。
具体地，将解析受光图形后求得的边缘位置Xccd、和根据总受光量求得的边缘位置Xopt进行比较，例如在[Xccd＞Xopt]时，诊断为线状传感器的受光面被沾污，而在[Xccd＜Xopt]时，诊断为含干扰光等，并发出报警，只在确认其差值在规定的允许误差范围内[Xccd≈Xopt]时，输出解析所述受光图形后求得的边缘位置Xccd。
另外，本发明的边缘传感器的诊断装置，包括(1)具有将多个受光元件按规定的间隔排列的受光面的CCD等线状传感器；(2)第1边缘位置检测装置，用于解析由遮挡射入该线状传感器的受光面的遮挡体在所述受光元件排列方向上的边缘产生的菲涅耳衍射而引起的在所述线状传感器受光面上的受光图形、检测上述遮挡体的边缘位置；(3)第2边缘位置检测装置，用于根据所述遮挡体不存在时所述线状传感器的总受光量和由于所述遮挡体遮住入射光时的总受光量之比来检测所述遮挡体的边缘位置；及(4)诊断装置，用于将利用上述第1、及第2边缘位置检测装置分别检测出的边缘位置互相比较，诊断所述线状传感器的边缘检测的可靠性。
附带说明一下，所述诊断装置的构成为，将利用所述第1、第2边缘位置检测装置分别检测出的边缘位置之差和规断的判断阈值比较，诊断所述边缘传感器的边缘检测的可靠性，例如边缘传感器的受光面被沾污、或含干扰光，则诊断作为其检测结果的可靠性差等。
图1为采用本发明一实施形态的诊断方法的边缘传感器诊断装置的全体简要构成图。
图2为表示因菲涅耳衍射而产生的受光图形。
图3为说明利用衍射图形解析方式的边缘位置检测一个例子的用图。
图4为表示正常时、部分受光元件上有污垢时、及部分受光元件上有干扰光时的各种情况下线状传感器的受光图形例子的示意图。
图5为表示向线状传感器的照射同样的干扰光时、及线状传感器的受光面同样受沾污时的线状传感器的受光图形例子的示意图。
图6表示边缘传感器的诊断算法的例子。
标号说明1投光器2线状传感器3遮挡物(边缘)4受光图形检测部5受光量检测部6第1边缘位置检测部7第2边缘位置检测部8比较判断部(诊断功能)9报警装置具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明一实施形态的边缘传感器的诊断方法、及实施该诊断方法的诊断装置。
图1为本实施形态的诊断装置的简要构成图，1是射出规定光束宽度的单色平行光(激光)的投光器，2是与该投光器1对向设置并接受上述单色平行光的线状传感器。线状传感器2例如由按85μm的间隔将具有85μm×77μm的受光面的102个受光元件排列的CCD构成。附带说明一下，该线状传感器2的受光面的大小为长边8.7mm×短边0.08mm时，上述单色平行光束的截面形状的大小设定为例如长边9mm×短边3mm左右。
具有这样的投光器1和线状传感器2的边缘传感器是这样构成的，它在被进入投光器1射出的平行单色光的光路内的检测对象物(遮挡物)遮挡了部分上述的单色平行光时，如后所述，根据利用前述线状传感器2产生的总受光量的变化，或根据因检测对象物3的边缘位置产生的单色平行光菲涅耳衍射而引起的在前述线状传感器2的受光面上的受光图形，检测在线状传感器2的受光元件的排列方向上前述检测对象物3的边缘位置。
边缘传感器大致包括取入前述线状传感器2的输出并求得受光元件排列方向上的受光图形的受光图形检测部4、及将上述各受光元件上的受光量相加后求其总受光量即求出线状传感器2的总受光量的受光量检测部5。该受光图形的检测处理和总受光量的检测处理例如能并联地并行执行。然后，第1边缘位置检测部(边缘位置检测装置)6，如后所述，解析在前述受光图形检测部4中求出的、在前述线状传感器2的受光面上的受光图形，检测其受光强度以相对值形式成为
的位置作为前述检测对象物3的边缘位置。另外，第2边缘位置检测部(边缘位置检测装置)7，求出在前述受光量检测部5中求得的总受光量Aopt、和在预先不让检测对象物介于前述光路内的状态下，作为初始值求出的前述线状传感器2的总受光量Afull之比[Aopt/Afull]，按照这一比值检测出前述检测对象物3的边缘位置。
另一方面，边缘传感器的诊断装置即比较判断部8，将如上所述在第1、第2边缘位置检测部6、7中分别检测出的边缘位置互相比较，再通过判断其差值之大�。佣卸锨笆鱿咦创衅�2进行的边缘位置的检测可靠性是否高。而且，在上述边缘位置之差比规定的判断阈值要大时，通过报警装置9发出主要内容为边缘位置的检测结果有较大误差的报警。
以下简单说明根据产生菲涅耳衍射的受光图形进行的边缘位置检测，产生上述菲涅耳衍射的受光图形的光强度分布如图2所示，在边缘位置附近急剧上升，随着远离边缘位置边振荡边收敛。在设单色平行光的波长为λ、检查对象物3的边缘至受光面的距离为z、受光面上的边缘位置为[x＝0]时，将∫作为表示从[x＝0]至[(2/λz)1/2·x]的积分的运算符号，则这种光强度的分布特性可以下式表示。
光强度＝(1/2){[1/2+S(x)]2+[1/2+C(x)]2}S(x)＝∫sin(π/2)·U2dUC(x)＝∫cos(π/2)·U2dU式中，U为假设的变量。而且设在没有边缘时的受光面上的光强度为[1.00]时，边缘位置[x＝0]的光强度(相对值)变成
。因而，前述受光图形中，只要检测出光强度变成
的位置x，由此便能求出边缘位置x。
再者，关于上述函数S(x)、C(x)，如在专门的数学公式集中所示，通过采用菲涅耳函数，能分别近似成以下形式。
S(x)’(1/2)-(1/πx)cos(πx2/2)C(x)’(1/2)+(1/πx)sin(πx2/2)因此，基本上通过采用上述的近似式S(x)’、C(x)’，能根据前述线状传感器2的各受光元件的受光强度，计算前述的边缘位置x。
但是，采用上述菲涅耳函数的近似式时，存在的问题是不能忽视在光强度分布最初的上升部分(第1峰)的误差。这一点，本发明者们发现，在只注重于光强度分布最初的上升部分(第1峰)时，若用双曲正割函数sech(x)，则能非常高精度地近似(3位左右的精度)其最初的上升部分(第1峰)的特性。
利用该双曲正割函数sech(x)近似的光强度可以下式表示光强度＝1.37·sech{1.98(2/λz)1/2x-2.39}然后，试计算其反函数，在Y＝(y/1.37)、X＝1.98(2/λz)1/2x则可以下式表示X＝2.39-ln{[1+(1-Y2)1/2]/Y}通过采用上述的双曲正割函数sech(x)，在前述第1边缘位置检测部6中，例如作下述处理就能简单并高精度地检测出边缘位置。即，首先根据从线状传感器2的多个(m个)受光元件求得的归一化的受光强度y1、y2、～ym，分别求出互相相邻的、得到比前述基准光强度
要大的受光强度的受光元件Cn、和得到比上述基准光强度
要小的受光元件Cn-1。即在多个受光元件1a(C1、C2、～Cm)间的各元件中，求出将受光强度为
介于当中的互相相邻的两个受光元件Cn、Cn-1。
然后，用上述的系数[1.37]除上述各受光元件Cn、Cn-1的受光强度yn、yn-1，变换成X-Y坐标上的光强度Yn、Yn-1。尔后，将得到上述各受光元件Cn、Cn-1的受光强度Yn、Yn-1的、该受光元件Cn、Cn-1在受光面上的位置Xn、Xn-1按照前述的近似式，形成下式Xn＝2.39-ln{[1+(1-Yn2)1/2]/Yn}Xn-1＝2.39-ln{[1+(1-Yn-12)1/2]/Yn-1}利用逆变换，分别计算X轴上的相对位置。于是，根据利用这些逆变换算出的位置Xn、Xn-1，利用下面Δx＝W·[Xn/(Xn-Xn-1)]的插补运算能方便地求出受光元件Cn的位置、和受光强度变成
的边缘位置之差Δx，这一概念的图3所示。还有，上述差Δx因为是从受光强度变成
的边缘位置xo至受光元件Cn的位置的距离，所以，在线状传感器1整个受光面上，对于从第1个受光元件C1起进行测量时的绝对位置x，设n为得到光量Y2的受光元件1a的元件号、受光元件1a的排列间隔为W时，则可以下式求出。
x＝n·W-Δx上述逆变换中求得的相对位置Xn、Xn-1可以表示为X＝1.98(2/λz)1/2x是[1.98(2/λz)1/2]倍的值。但是上述的插补运算中通过取其比值，实际上上述的一项可以删除，所以能简化其计算处理。
还有，这里是在相邻的受光元件1a之间发现光强度成为
的位置，并确定将该位置作为元件边界的两个受光元件Cn、Cn-1，但也可以只是确定将上述位置介于当中的两个以上的受光元件。可是在该情况下，必定用前述的近似式进行插补运算，通过这样来防止其运算精度的降低即可。另外，对于上述的逆变换，例如，通过采用预存其计算值的计算表，能大大减轻其运算处理负担，并可瞬时地执行。
以下对前述的比较判断部8的诊断处理进行说明。如前所述，第1边缘位置检测部6高精度地检测出在菲涅耳衍射产生的受光图形中的相对强度变成
的位置即边缘位置，另外，第2边缘位置检测部7根据此时的总受光量和遮挡物3不在其间时的(无边缘存在时的)初始时的总受光量之比，检测出边缘位置。这里，设第1边缘位置检测部6检测出的边缘位置为Xccd，第2边缘位置检置部7检测出的边缘位置为Xopt，比较判断部8基本上将上述边缘位置Xccd和边缘位置Xopt互相比较，将其差[Xccd-Xopt]的绝对值和规定的判断阈值(允许误差)对照。然后，在上述差[Xccd-Xopt]的绝对值小于判断阈值(允许误差)时，诊断(判断)为如前所述求得的边缘位置Xccd(或边缘位置Xopt)是在可靠性十分高的条件下求得的高精度的值。
但在上述差[Xccd-Xopt]的绝对值超过规定的判断阈值(允许误差)时，例如假定干扰光混入线状传感器2、或线状传感器2的受光面受沾污等，则比较判断部8诊断该检测结果含较大的误差，缺乏可靠性。
即，在线状传感器2的受光面未受沾污、而且无干扰光存在时，线状传感器2的受光面上的受光图形变成前述图2所示的光强度分布的特性，线状传感器2的各受光元件上的受光强度变成如图4(a)所示。这时，例如设光的波长λ为670nm、边缘和受光面之间的距离为300mm，在边缘位置位于离线状传感器2的端部4335μm处进行实验时，第1边缘位置检测部6检测出的边缘位置Xccd、及第2边缘位置检测部7检测出的边缘位置Xopt结果均求出为4335μm。
但是，在部分线状传感器2上、例如70～75号元件沾有污垢时，该元件的受光量如图4(b)所示那样降低，这时例如求得第1边缘位置检测部6检测出的边缘位置Xccd虽然为4335μm，但第2边缘位置检测部7检测出的边缘位置Xopt为4284μm，两者间产生51μm的差。
而另一方面，在干扰光照在部分线状传感器2例如70～75号元件上时，该元件的受光量如图4(c)所示那样增大，这时例如求得第1边缘位置检测部6检测出的边缘位置Xccd虽然为4335μm，而第2边缘位置检测部7检测出的边缘位置Xopt为4386μm，两者间产生一51μm的差。
上述误差的原因是，由于第1边缘位置检测部6只注重于产生菲涅耳衍射的受光图形的上升部分的特性，来高精度地检测其边缘位置，而与此不同的是，第2边缘位置检测部7则注重于对各受光元件上的受光强度积分后求得的总受光量，该总受光量因上述70～75号元件受污而降低或总受光量因对上述70～75号元件窜入干扰光而增加，因此产生两者之差。
因而，如假设污垢或干扰光混入的元件区域偏离边缘位置，并能正确地利用菲涅耳衍射进行边缘位置检测，则在光量方式检测出的边缘位置较小时，可诊断为正在受光的受光元件的某一表面被沾污。反之，用光量方式检测出的边缘位置较大时，可诊断为正在受光的受光元件的某一表面上混入干扰光。
与上不同的是，干扰光都同样地照在线状传感器2的整个受光面上时，如图5(a)所示，其受光电平几乎一样地变高。这时，由第1及第2边缘位置检测部6、7分别检测出的边缘位置Xccd、Xopt因受光电平一样增高而分别增大。但是，因为第1边缘位置检测部6只注重于产生菲涅耳衍射的受光图形的上升特性来检测边缘位置，所以其变化的程度�。喾矗�2边缘位置检测部7因为判断总受光量，所以其变化的程度大。结果，在图5(a)所示的例中，求出边缘位置Xccd为4420μm，而求出边缘位置Xopt为5202μm，两者之差竟达-782μm。
相反，在线状传感器2的整个受光面均同样受到沾污时，如图5(b)所示，其受光电平几乎同样变低。而且此时，由第1及第2边缘位置检测部6、7各自检测出的边缘位置Xccd、Xopt因受光电平一样降低而分别减小。但，即使在该情况下，因为第1边缘位置检测部6注重于产生菲涅耳衍射的受光图形的上升特性来检测边缘位置，所以其变化程度�。喾矗�2边缘位置检测部7因为判断总受光量，所以其变化程度大。其结果，在图5(b)所示的例中，求出边缘位置Xccd为4279μm，而求出边缘位置Xopt为3468μm，两者之差竟达811μm。
这样，在线状传感器2的受光面均同样地受到沾污时，或干扰光都同样地照在线状传感器2的受光面上时，由此，虽然第1边缘位置检测部6的边缘位置检测结果Xccd产生偏差，但第2边缘位置检测部7的边缘位置检测结果Xopt却产生非常大的偏差。因此，在求出如上所述检测出的边缘位置Xccd和边缘位置Xopt之差时，其差如非常大，则可以诊断为线状传感器2的受光面均同样地受沾污，或干扰光同样地混入线状传感器2的受光面上，其测量值不可信。
另外，关于线状传感器2的受光面均同样地受沾污而由此产生的总体受光量的降低所相应引起的边缘位置检测误差进行了研究，得到以下的结果。这里，下面的表1中，将受光量为100％时的检测误差作为0，表示边缘和受光面间的距离WD为300mm和100mm时随着受光量的降低而引起的检测位置的误差，其单位为[μm]。
WD边缘·受光器间距离[mm] 误差单位[μm]如表1所示，在线状传感器2的受光面均同样地受沾污、受光量减少时，在利用受光量方式的边缘检测中会产生较大的误差。但在利用衍射图形解析方式的边缘检测中，与上述受光量方式相比，能将其误差抑制得非常小。这种检测误差的差异是由于，衍射图形解析方式只注重于产生菲涅耳衍射的受光图形上升特性来检测边缘位置，不受总体受光量变化很大的影响。
因而，如注重于这种衍射图形解析方式(第1边缘位置检测部6)的边缘位置检测、和受光量方式(第2边缘位置检测部7)的边缘位置检测的检测精度，则如前所述，若将它们的测量值Xccd、Xopt互相比较，判断其差之大小，就可有效地判断(诊断)线状传感器2的受光状态。尤其是在采用线状传感器2进行边缘检测处理中，能同时对其进行诊断。
图6所示为表示该诊断处理一形态的处理算法。该处理首先从初始设定(调整)边缘传感器开始。这一处理器设定首先进行初始设定，即在投光器1和线状传感器2之间无遮挡物(边缘)3存在，在线状传感器2的整个受光面上都接受到投光器1发出的单色平行光，然后求出此时线状传感器2的受光图形Ai(i＝1、2、～102)，并从此开始进行处理《步骤S1》。然后，对上述线状传感器2的各受光元件上的受光量积分，将其总受光量Sfull作为[∑Ai]求解《步骤S2》。再将其归一化参数Ni(i＝1、2、～102)作为[Ni＝1/Ai]进行求解，使各受光元件的受光量分别为[1]《步骤S3》。
若以上的初始化处理结束后，使遮挡物(边缘)3介于投光器1和线状传感器2之间，进行该边缘检测处理。具体为，先求在放入边缘后的受光图形Yi(i＝1、2、～102)《步骤S4》，利用前述的归一化参数Ni将这一受光图形Yi归一化《步骤S5》。尔后，依照归一化后的受光图形，寻找将受光量成为
的点介于当中的两点y1、y2，求包括点y2在内的受光元件的编号n《步骤S6》。
接着用反菲涅耳函数X＝2.39-ln{[1+(1-Yn2)1/2]/Yn}将上式两点y1、y2分别逆映射在X轴上，求位置X1、X2《步骤S7》。然后，根据逆映射后的位置X1、X2进行插补处理，求从第n个元件的中心至边缘位置的距离，设元件间的间距为85μm。
利用下式，算出边缘位置《步骤S9》。
Xccd＝85[n-X2/(x2-x1)]另一方面，求放入边缘后的受光量的合计值S《步骤S9》，求与前述的边缘未放入时的总受光量之比，将其作为[S/Sfull]。然后，根据这一比值[S/Sfull]，例如，以下式Xopt＝8670×[S/Sfull]计算边缘位置《步骤S10》。式中，上述 是按85μm的间隔将102个受光元件排列成的线状传感器的全长。
尔后，求出根据上述衍射图形求得的边缘位置Xccd和根据光量求得的边缘位置Xopt之差[Xccd-Xopt]《步骤S11》，判断该差值是否在预设的阈值Emin、Emax的范围内《步骤S12》。而且，若是Emin＜[Xccd-Xopt]＜Emax则判断该测定结果正常，输出该测定结果《步骤S13》。但在不满足上述判断条件时，就作为该测定结果包含较大的误差并发出报警。
这时，当然可以按照前述的判断，将表示是因干扰光产生异常、还是因被沾污而产生异常的信息合在一起输出。另外，在检测出这种异常时，最好在异常被解除之前一直保持输出在这以前的正常的测定结果，代替将异常值不作处理原样地输出。
这样一来，根据诊断边缘传感器的动作形态的诊断装置及诊断方法，能够采用线状传感器2边检测遮挡物3的边缘位置，边实时地判断正常与否。特别是不像以前那样，要每次设定诊断方式后来对线状传感器2的受光状态进行诊断，也能用测量数据本身同时执行诊断处理。因而，该诊断本身能实时地、简单地进行，而且其测量可靠性也大大提高，在实用上有着很好的效果。
还有，本发明并不限于上述的实施形态。例如线状传感器2的规格等可根据其测量对象进行变更，对诊断结果的输出形态也无特别的限定。另外，当然通过检查边缘位置Xccd、Xopt之差随着时间的变化、或受光量随着时间的变化，也能诊断沾污的程度等。除此以外，本发明在不背离其宗旨的范围内可以作各种变形并实施。
如上所述，按照本发明，能简易并有效地诊断边缘传感器的异常的检测形态。而且，由于边利用衍射图形解析方式进行边缘位置检测，边根据受光图形的积分值(总和)求总受光量来检测边缘位置，而仅通过将该边缘位置和根据菲涅耳衍射图形求得的边缘位置作比较，就能有效地进行该诊断，所以本发明还起到减轻该诊断处理负担的效果。
权利要求
1.一种边缘传感器的诊断方法，具有将多个受光元件按规定的间隔排列的受光面，检测遮挡射入该受光面的入射光的遮挡体在所述受光元件的排列方向上的边缘位置，其特征在于，解析因遮挡体边缘产生的菲涅耳衍射而引起的所述受光面上的受光图形，以检测所述遮挡体的边缘位置，同时根据所述受光面上的总受光量，检测所述遮挡体的边缘位置，将这些检测出的边缘位置互相比较，来诊断所述边缘检测的可靠性。
2.一种边缘传感器的诊断装置，具有将多个受光元件按规定的间隔排列的受光面的线状传感器，检测遮挡射入所述线状传感器的受光面的入射光的遮挡体在所述受光元件排列方向上的边缘位置，其特征在于，包括第1边缘位置检测装置，用于解析因遮挡射入所述线状传感器受光面的入射光的遮挡体在所述受光元件的排列方向上的边缘产生的菲涅耳衍射而引起的所述线状传感器受光面上的受光图形、以检测所述遮挡体的边缘位置；第2边缘位置检测装置，用于根据在所述遮挡体不存在时所述线状传感器的总受光量和由于所述遮挡体遮住入射光时的总受光量之比来检测所述遮挡体的边缘位置；以及诊断装置，用于将利用所述第1及第2边缘位置检测装置分别检测出的边缘位置互相比较，来诊断所述边缘检测的可靠性。
3.如权利要求2所述的边缘传感器的诊断装置，其特征在于，所述诊断装置是将利用所述的第1及第2边缘位置检测装置分别检测出的边缘位置之差与规定的阈值进行比较，从而诊断所述边缘检测的可靠性。
全文摘要
本发明提供一种在边缘传感器检测边缘位置的动作中能方便地诊断其检测可靠性的边缘传感器的诊断方法。采用具有将多个受光元件按照规定的间隔排列成受光面的线状传感器，在检测遮住射入其受光面的入射光的遮挡体在前述受光元件的排列方向上的边缘位置时，解析因遮挡体的边缘产生的菲涅耳衍射而引起的所述线状传感器受光面上的受光图形，以检测前述遮挡物的边缘位置，同时根据前述线状传感器的总受光量，检测出前述遮挡体的边缘位置，将这些检测出的边缘位置互相比较，从而诊断前述线状传感器的边缘检测的可靠性。
文档编号G01B11/02GK1573281SQ200310122080
公开日2005年2月2日 申请日期2003年12月30日 优先权日2003年6月11日
发明者岡山喜彦 申请人:株式会社山武
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
