CN108571927B - 光学位移计、光学位移计调节方法、和光学位移测量方法 - Google Patents

光学位移计、光学位移计调节方法、和光学位移测量方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种能够相对于光接收量需要测量的区域扩大输出信号区域的光学位移计，一种用于调节光学位移计的方法和一种光学位移测量方法。该光学位移计包括光接收元件，在光接收元件中，相对于边界值Ua设定输出信号的最大值Vx，边界值Ua是光接收量需要测量的区域的最大值。光接收元件的输出信号V的整个区域可以被分配到有效区域Aa，所述有效区域是需要使用光学位移计测量光接收量的区域，并且光学位移计可以具有相对于需要测量光接收量的区域的扩大的输出信号区域。

Description

光学位移计、光学位移计调节方法、和光学位移测量方法
技术领域
本发明涉及光学位移计、光学位移计调节方法以及光学位移测量方法。
背景技术
光学位移计被用于测量测量对象的位移、距离、表面形状等。
当利用光学位移计测量测量对象时，利用测量光辐照测量对象，来自测量对象的反射光被光接收元件接收，并且来自光接收元件的输出信号被处理以计算预期的数值。例如，基于光接收元件的输出信号，可以检测光接收元件接收的反射光的光接收位置的变化，并且可以测量测量对象的位移。
在光学位移计中，光接收灵敏度是问题所在，即输出信号相对于接收光的量的关系。
在图5中，对于具有低光接收灵敏度的特性SL，输出信号V的变化相对于接收光的量U的变化是小的；就是说，因为检测分辨率小，光学位移计不能检测微小变化。
相比之下，对于具有高光接收灵敏度的特性HL，输出信号V的变化相对于接收光的量U的变化是大的，使得检测分辨率可以被增大。然而，因为与输出信号的最大值Vx对应的接收光的量的最大值Ux变小，在存在超过该值的过量的接收光的情形中，输出信号V在最大值Vx处饱和，并且不能执行正确的检测。
作为获得过量的接收光的情形的示例，存在用于接收测量对象的漫反射光的光接收元件接收镜面反射光的情形。就是说，为了检测来自任何方向的反射光，光学位移计被设定成接收测量对象的漫反射光。然而，在测量对象具有平滑表面的情形中，测量光在测量对象上被反射，并且根据特定的角度条件入射在光接收元件上。来自镜面反射的光显著强于普通漫反射光，使得光接收元件接收到比普通漫反射光量大若干倍的光亮，并且输出信号变饱和。
为了避免这种饱和，已经提出了一种光学位移计，其中，光接收元件的光接收特性被调节，使得在接收光的量较小的区域中具有高灵敏度(参见图6中的区域A1和特性S1)，并且在接受光的量较大的区域中具有低灵敏度(参见图6中的区域A2和特性S2)，使得即使在接收过量的光的情形中，输出信号也将落入输出信号的最大值范围内(参见专利文献1)。对数曲线、二次曲线等可以被适当地用作光接收特性，其中，在接收光的量小的区域中灵敏度高，并且在接受光的量大的区域中灵敏度低。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP 5154134
发明内容
技术问题
根据前述专利文献1的光接收特性，通过在接收光的量小的区域中将灵敏度设定成是高的，并且在接收光的量大的区域中将灵敏度设定成是低的，从而避免过量的接收光引起输出信号的饱和，可以确保在正常测量区域中的精度。
然而，在专利文献1中，输出信号的部分区域也被分配到过量的光被接收的区域，所以存在一问题，需要测量光接收量的区域的输出信号的分配被抑制。
在图6中，在专利文献1的光学特性中，在光接收元件的接收光的最大量是Ux的情形中，输出信号的最大值Vx被设定成与接收光的量的最大值Ux对应。
在此，在需要测量光接收量的区域是区域A1和区域A2的情形中，其最大值是Ua，并且对应输出信号的值是Va。就是说，到输出信号的最大值Vx的区域(Va到Vx)不对应于需要测量光接收量的区域，并且存在不能通过使用该区域来增加它的分辨率的问题，就是说，输出信号区域不能被有效地使用到足够的程度。
本发明的目的在于提供一种能够相对于光接收量需要测量的区域扩大输出信号区域的光学位移计、光学位移计调节方法和光学位移测量方法。
技术方案
根据本发明的光学位移计包括光接收元件，其中，最大输出信号相对于光接收量需要测量的区域的最大值而被设定。
在本发明的一方面，光接收元件的光接收量的区域被分成有效区域(光接收量需要测量的区域)和无效区域(过量的光被接收的区域)。在作为光接收量需要测量的区域的有效区域中，对光接收执行位移测量处理。与此不同，在诸如接收过量的接收光的区域的无效区域中，不对光接收执行位移测量处理。以此方式，光接收元件的整个输出信号区域可以被分配到有效区域，所述有效区域是需要使用光学位移计测量光接收量的区域，并且可以相对于需要测量光接收量的区域扩大输出信号区域。
在本发明的一方面，可以根据使用光学位移计的目的、测量条件等适当地选择光接收量需要测量的区域。具体地，光接收量需要测量的区域可以是排除接收过量的光的区域的区域。
根据本发明的一方面的调节光学位移计的方法包括：设定作为光学位移计的光接收元件的光接收量需要被测量的区域的最大值，并且调节该光接收元件，使得在光接收元件接收光接收量需要测量的区域的最大值的情形中，输出信号最大化。
在本发明的一方面，可以获得相对于上述发明的光学位移计所述的效果。
本发明的一方面的光学位移测量方法涉及一种光学位移测量方法，其用于利用光辐照测量对象，利用光接收元件接收来自测量对象的反射光，并且处理来自光接收元件的输出信号。该方法包括预先设定光接收元件的接收光的量过量的无效区域，并且相对于剩余的有效区域分配整个输出信号区域。在测量时，仅为有效区域中的光执行处理。
在本发明的一方面，可以获得相对于上述发明的光学位移计所述的效果。
技术效果
根据本发明的一方面，提供了能够相对于光接收量需要测量的区域扩大输出信号区域的光学位移计、光学位移计调节方法和光学位移测量方法。
附图说明
图1是图示根据本发明的一个实施例的光学位移计的透视图。
图2是图示实施例的测量操作的示意性视图。
图3是图示实施例的测量元件的框图。
图4是示出实施例的光接收元件的调节状态的曲线图。
图5是示出相关技术的光接收元件的灵敏度特性的曲线图。
图6是示出相关技术的光接收元件的灵敏度特性的调节状态的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。
在图1中，光学位移计1被配置成测量测量对象9的位移、距离和表面形状。光发射元件3和光接收元件4设置在壳体2中。这些部件被布置成使得能够利用来自光发射元件3的测量光来辐照测量对象9，并且由测量对象9反射的反射光被光接收元件4接收。
光学位移计1包括控制装置5。光发射元件3和光接收元件4的操作控制以及光学位移计1的测量计算由控制装置5执行。
注意的是，用于显示测量结果的输出装置和用于操作光学位移计1的输出装置被正确地连接到控制装置5。
在图2所示的光学位移计1中，来自光发射元件3的测量光Lm被测量对象9反射，并且，反射光Lr被光接收元件4接收。光接收元件4的光接收位置基于到测量对象9的距离而改变。
例如，当到测量对象9的距离是D1时，来自测量对象9的反射光Lr1在光接收元件4的位置P1处被接收。当到测量对象9的距离是D2时，来自测量对象9的反射光Lr2在光接收元件4的位置P2处被接收。
相应地，控制装置5处理光接收元件4的输出信号，并且检测光接收元件4中的光接收位置。这允许对测量对象9的位移(D1-D2)的测量。
在图3中，如上所述，利用来自光发射元件3的测量光Lm来辐照测量对象9，并且反射光Lr被光接收元件4接收。
光接收元件4包括：光接收单元41，其配备有高分辨率的图像传感器；曝光调节单元42，其配置成执行对光接收单元41的曝光调节；放大器43，其配置成使用具体特性来放大通过光接收单元41获得的输出信号。
控制装置5包括：光投射控制单元51，其配置成控制来自光发射元件3的测量光Lm的辐照；输出信号处理单元，其配置成基于反射光Lr来处理光接收元件4的输出信号；和位移测量单元53，其配置成通过参考这些输出来测量测量对象9的位移。
在本实施例中，根据本发明的光接收特性被设定在光接收元件4的放大器43中，以便在控制装置5中正确地执行测量操作并且获得高的精度。
在图4中，在放大器43中设定的光接收元件4的光接收特性被分成两个区域。
水平轴线上的接收光的量U采取从最小值0至最大值Ux的值。边界值Ua被设定在最小值0和最大值Ux之间。
边界值Ua是光接收量需要测量的区域的最大值，从最小值0至边界值Ua的区域被视为用于测量操作的有效区域Aa，并且，从边界值Ua至最大值Ux的区域被视为从测量操作排除的无效区域Ai。
边界值Ua根据使用光学位移计1的目的、测量条件、测量对象9的特性等而选择。具体地，能够确定接收光的量对于光接收元件4过大的区域(无效区域Ai)，使用剩余区域，也就是可使用测量操作的区域(有效区域Aa)，并且确定边界值Ua作为区分这些区域的值。
竖直轴线上的输出信号V采用从最小值0至最大值Vx的值。输出信号的最大值Vx具有与边界值Ua对应的值。
相对于接收光的量U到达边界值Ua的有效区域Aa，输出信号V被设定成使得，光接收元件4具有这种光接收特性：在接收光的量小的区域中使用对数曲线、二次曲线等，灵敏度高；并且，在接收光的量大的区域中，灵敏度低。
在被接收的光的量U超过边界值Ua的无效区域Ai中，输出信号V采用作为常数值的最大值Vx。在有效区域Aa的特性连续的情况下，输出信号V变成由图4中的点画线指示的状态，但因为输出信号V的值超过最大值Vx，所以可以不采取进一步的值。
控制装置5的外部信号处理单元52和位移测量单元53被配置成对于接收光的量U超过边界值Ua的无效区域Ai，不处理来自光接收元件4的输出信号，而仅处理不超过Ua的有效区域Aa中输出的信号。通过确定来自光接收元件4的输出信号是否已经达到输出信号的最大值Vx，可以进行这种区分。
在这一实施例中，通过对光接收元件4的接收光的量U设定边界值Ua，光接收元件4的接收光的量U的区域可以被分成有效区域(光接收量需要测量的区域)和无效区域(接收到过量的光的区域)。
对于作为光接收量需要测量的区域的有效区域Aa中的光接收，可以执行位移测量处理；而对于接收光的量过量的无效区域Ai中的光接收，可以不执行位移测量处理。
以这种方式，光接收元件4的输出信号V的整个区域可以被分配到有效区域Aa中，该有效区域是需要使用光学位移计1测量光接收量的区域，并且光学位移计1可以具有相对于需要测量光接收量的区域的扩大的输出信号区域。
实用性
本发明涉及一种光学位移计、一种用于调节光学位移计的方法和一种光学位移测量方法，并且可以用于测量测量对象的位移、距离、表面形状等。
附图标记列表
1 光学位移计
2 壳体
3 光发射元件
4 光接收元件
41 光接收单元
42 曝光调节单元
43 放大器
5 控制装置
51 光投射控制单元
52 输出信号处理单元
53 位移测量单元
9 测量对象
Aa 有效区域
Ai 无效区域
A1、A2、A3 区域
D1、D2 距离
Lr、Lr1、Lr2 反射光
Lm 测量光
P1、P2 位置
S1、S2、SH、SL 特性
U 接收光的量
Ua 边界值
Ux 接收光的量的最大值
V 输出信号
Vx 输出信号的最大值

Claims (3)

1.一种光学位移计，包括：
光接收元件；
放大器，其配置为放大通过光接收元件获得的输出信号，使得相对于需要测量光接收量的区域中的最大值来设定最大输出信号，并使输出信号最大化；
在被接收的光的量超过所述最大值的无效区域中，输出信号采用作为常数值的所述最大输出信号。
2.一种用于调节光学位移计的方法，包括：
设定光学位移计的光接收元件的需要测量光接收量的区域的最大值；和
通过使用放大器放大通过光接收元件获得的输出信号，调节所述光接收元件，使得在所述光接收元件接收需要测量光接收量的区域的最大值的情形中，输出信号被最大化，并且，在被接收的光的量超过所述最大值的无效区域中，输出信号采用作为常数值的最大输出信号。
3.一种光学位移测量方法，用于利用光辐照测量对象，利用光接收元件接收来自所述测量对象的反射光，并且通过使用放大器放大通过光接收元件获得的输出信号，处理来自所述光接收元件的输出信号，使得在所述光接收元件接收需要测量光接收量的区域的最大值的情形中，输出信号被最大化，所述方法包括：
预先设定无效区域，在所述无效区域中，所述光接收元件的接收光的量是过量的；和
相对于剩余的有效区域分配整个输出信号区域，其中
在测量时，仅对有效区域中的光执行处理。
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