CN112262292A - 光测距装置以及加工装置 - Google Patents

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Abstract

将光测距装置(3)构成为：设置有具有接收从光干涉部(31)输出的干涉光并输出干涉光的检测信号的PD(32－1)～(32－N)的光检测器(32)、以及从自PD(32－1)～(32－N)输出的检测信号之中选择任意一个检测信号的开关(33)，距离计算部(35)根据由开关(33)选择出的检测信号，计算直至测定对象物(1)为止的距离。

Description

光测距装置以及加工装置
技术领域
本发明涉及计算直至测定对象物为止的距离的光测距装置和具备光测距装置的加工装置。
背景技术
作为使用光来测定直至测定对象物为止的距离的方法之一，有以使光源频率扫描为特征的光干涉方式。
在以扫描光源频率为特征的光干涉方式中，朝向测定对象物照射频率随着时间的经过而发生变化的频率扫描光，将被测定对象物反射的频率扫描光作为反射光而接收。
在以下的专利文献1中公开了如下技术：将照射到测定对象物之前的频率扫描光的一部分作为参照光，根据参照光与反射光的干涉光，测定直至测定对象物为止的距离。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-265316号公报
发明内容
作为计算直至测定对象物中的多个部位为止的距离的光测距装置，有安装有多个受光元件的光测距装置，该多个受光元件接收反射光，输出反射光的检测信号。
安装有多个受光元件的光测距装置为了将由多个受光元件检测到的各个检测信号从模拟信号变换为数字信号，需要安装与受光元件的数量相应量的模拟数字变换器(以下，称为“A/D变换器”)。因而，计算距离的部位的数量越多，则光测距装置需要安装越多的A/D变换器，存在成本高的课题。
本发明是为了解决如上所述的课题而完成的，其目的在于得到无需安装多个A/D变换器，就能够计算直至测定对象物中的多个部位为止的距离的光测距装置以及加工装置。
本发明涉及的光测距装置，具备：频率扫描光输出部，重复输出频率随时间的经过而发生变化的频率扫描光；光发送部，将从频率扫描光输出部输出的频率扫描光作为参照光而输出，并且朝向测定对象物照射频率扫描光；光干涉部，将被测定对象物反射的频率扫描光作为反射光而接收，使反射光与参照光发生干涉，输出反射光与参照光的干涉光；光检测器，具有多个受光元件，该多个受光元件接收从光干涉部输出的干涉光，输出干涉光的检测信号；开关，从自多个受光元件输出的检测信号之中选择任意一个检测信号；以及距离计算部，根据由开关选择出的检测信号，计算直至测定对象物中的任意的部位为止的距离。
根据本发明，将光测距装置构成为：设置有具有接收从光干涉部输出的干涉光并输出干涉光的检测信号的多个受光元件的光检测器、以及从自多个受光元件输出的检测信号之中选择任意一个检测信号的开关，距离计算部根据由开关选择出的检测信号，计算直至测定对象物中的任意的部位为止的距离。因而，本发明所涉及的光测距装置无需安装多个A/D变换器，就能够计算直至测定对象物中的多个部位为止的距离。
附图说明
图1的图1A是示出实施方式1的加工装置2的结构图。图1B是示出测定对象物1的说明图。
图2是示出实施方式1的光测距装置3的结构图。
图3是示出三角波信号的波形以及时钟信号的波形的说明图。
图4是示出作为从激光光源12输出的频率扫描光的参照光和被测定对象物1的部位1－1～1－4反射的反射光的说明图。
图5是示出测定对象物1中的部位1－1～1－4的说明图。
图6是示出从控制信号生成部40输出的控制信号、从PD32－1～32－4输出的干涉光的检测信号以及从开关33输出的检测信号的说明图。
图7是示出由傅里叶变换部35a计算出的干涉光的频谱的说明图。
图8是示出N＝16的情况下的开关33的一个例子的结构图。
符号说明
1：测定对象物；1－1～1－N：部位；2：加工装置；3：光测距装置；4：加工部；5：检查部；10：频率扫描光输出部；11：频率变化信号输出部；12：激光光源；20：光发送部；21：光耦合器；22：同时照射用透镜；30：信号处理部；31：光干涉部；32：光检测器；32－1～32－N：PD；33：开关；33－1～33－15：开关元件；34：A/D变换器；35：距离计算部；35a：傅里叶变换部；35b：距离计算处理部；40：控制信号生成部。
具体实施方式
以下，为了更详细地说明本发明，依照附图说明本发明的具体实施方式。
实施方式1.
图1A是示出实施方式1的加工装置2的结构图。图1B是示出测定对象物1的说明图。
在图1中，测定对象物1相当于由加工装置2加工的加工物等。
加工装置2具备光测距装置3、加工部4以及检查部5。
光测距装置3为测定直至测定对象物1的表面部位为止的距离并将测定出的距离分别输出到加工部4以及检查部5的装置。测定对象物1的表面部位例如相当于如图1B所示的部位1－1～1－N。
加工部4根据从光测距装置3输出的距离对测定对象物1进行加工。
作为加工部4的加工例子，考虑以使从光测距装置3输出的距离与设计值一致的方式，对测定对象物1进行研磨加工或者对测定对象物1进行切削加工等。
检查部5根据从光测距装置3输出的距离，检查表面部位的面粗糙度或者表面部位的凹凸。
作为检查部5的检查例子，考虑判定从光测距装置3输出的距离是否与设计值一致的检查等。
图2是示出实施方式1的光测距装置3的结构图。
在图2中，频率扫描光输出部10具备频率变化信号输出部11以及激光光源12。
频率扫描光输出部10将频率随时间的经过而发生变化的频率扫描光重复输出到光发送部20。
频率变化信号输出部11与时钟信号同步地，将频率随时间的经过而发生变化的频率变化信号输出到激光光源12。
作为从频率变化信号输出部11输出的频率变化信号，除了考虑三角波信号之外，还考虑正弦波等。在实施方式1的光测距装置3中，频率变化信号输出部11输出三角波信号作为频率变化信号。
三角波信号为频率随时间的经过而从最低频率fmin变化至最高频率fmax的信号。
三角波信号的频率当达到最高频率fmax时，在一旦返回到最低频率fmin之后，再次从最低频率fmin变化至最高频率fmax。
激光光源12经由光纤而与光发送部20的光耦合器21连接。
激光光源12当从频率变化信号输出部11接受到三角波信号时，将与时间的经过相伴的频率的变化与三角波信号的频率的变化一致的频率扫描光输出到光耦合器21。
光发送部20具备光耦合器21以及同时照射用透镜22。
光发送部20将从频率扫描光输出部10输出的频率扫描光作为参照光而输出到信号处理部30。
另外，光发送部20将从频率扫描光输出部10输出的频率扫描光作为照射光，朝向测定对象物1照射。
光耦合器21经由光纤而与同时照射用透镜22连接，经由光纤而与信号处理部30的光干涉部31连接。
光耦合器21将从频率扫描光输出部10输出的频率扫描光分支为两个，将分支后的一个频率扫描光输出到同时照射用透镜22，将分支后的另一个频率扫描光作为参照光而输出到光干涉部31。
同时照射用透镜22由凹面透镜等实现。
同时照射用透镜22使从光耦合器21输出的频率扫描光的光束直径扩展，将光束直径扩展后的频率扫描光作为照射光，朝向测定对象物1向空间放射。
信号处理部30具备光干涉部31、光检测器32、开关33、模拟数字变换器(以下，称为“A/D变换器”)34以及距离计算部35。
光干涉部31经由光纤而与光检测器32所包含的PD(Photo Diode，光电二极管)32－1～32－N分别连接。
光干涉部31将被测定对象物1中的部位1－1～1－N分别反射的照射光作为反射光而接收。
光干涉部31使接收到的各个反射光与从光耦合器21输出的参照光发生干涉，将各个反射光与参照光的干涉光输出到光检测器32。
光检测器32二维或者一维地配置有N个受光元件(以下，称为“PD”)32－1～32－N。
PD32－1～32－N配置于与测定对象物1中的部位1－1～1－N分别对应的位置。
PD32－1～32－N检测从光干涉部31输出的各个干涉光，将各个干涉光的检测信号输出到开关33。
配置于光检测器32的PD的个数也可以为任意个，但如果距离测定对象的部位的个数为几百～几千个，则在光检测器32中配置几百～几千个PD。
控制信号生成部40与时钟信号同步地，生成表示在从PD32－1～32－N输出的检测信号之中选择对象的检测信号的控制信号，将控制信号输出到开关33。
开关33依照从控制信号生成部40输出的控制信号，从自PD32－1～32－N输出的检测信号之中选择任意一个检测信号，将所选择的检测信号输出到A/D变换器34。
A/D变换器34将从开关33输出的检测信号从模拟信号变换为数字信号(以下，称为“数字检测信号”)，将数字检测信号输出到距离计算部35。
距离计算部35具备傅里叶变换部35a以及距离计算处理部35b。距离计算部35能够由个人电脑等运算装置实现。
距离计算部35实施根据从A/D变换器34输出的数字检测信号来计算直至测定对象物1的部位1－n(n＝1、2、…、N)为止的距离的处理。
傅里叶变换部35a实施：通过对从A/D变换器34输出的数字检测信号进行傅里叶变换，从而计算干涉光的频谱，将频谱输出到距离计算处理部35b的处理。
距离计算处理部35b实施根据从傅里叶变换部35a输出的频谱来计算和反射光的频率分量相关的频率与和参照光的频率分量相关的频率的差分的处理。
另外，距离计算处理部35b实施根据计算出的差分来计算从光测距装置3至部位1－n为止的距离的处理。
接下来，说明图2所示的光测距装置3的动作。
频率扫描光输出部10将频率随时间的经过而发生变化的频率扫描光重复输出到光发送部20。
以下，具体地说明由频率扫描光输出部10进行的频率扫描光的输出动作。
频率变化信号输出部11与时钟信号同步地，将三角波信号作为频率随时间的经过而发生变化的频率变化信号输出到激光光源12。
图3是示出三角波信号的波形以及时钟信号的波形的说明图。
三角波信号为频率随时间的经过而从最低频率fmin变化至最高频率fmax的信号。
关于三角波信号，当频率达到最高频率fmax时，在频率一旦返回到最低频率fmin之后，频率再次从最低频率fmin变化至最高频率fmax。
激光光源12当从频率变化信号输出部11接受到三角波信号时，将与时间的经过相伴的频率的变化与三角波信号的频率的变化一致的频率扫描光输出到光耦合器21。
图4是示出作为从激光光源12输出的频率扫描光的参照光和被测定对象物1的部位1－1～1－4反射的反射光的说明图。
图5是示出测定对象物1中的部位1－1～1－4的说明图。
关于频率扫描光，也与三角波信号同样地，当频率达到最高频率fmax时，频率一旦返回到最低频率fmin，之后再次开始频率扫描。
扫描(X1)表示扫描被测定对象物1的部位1－1反射的反射光的时间段，扫描(X2)表示扫描被测定对象物1的部位1－2反射的反射光的时间段。
扫描(X3)表示扫描被测定对象物1的部位1－3反射的反射光的时间段，扫描(X4)表示扫描被测定对象物1的部位1－4反射的反射光的时间段。
光发送部20将从频率扫描光输出部10输出的频率扫描光作为参照光而输出到信号处理部30。
另外，光发送部20将从频率扫描光输出部10输出的频率扫描光作为照射光而朝向测定对象物1照射。
以下，具体地说明由光发送部20进行的照射光的照射动作。
光耦合器21当从激光光源12接受到频率扫描光时，将频率扫描光分支为两个。
光耦合器21将分支后的一个频率扫描光输出到同时照射用透镜22，将分支后的另一个频率扫描光作为参照光而输出到光干涉部31。
同时照射用透镜22当从光耦合器21接受到频率扫描光时，使频率扫描光的光束直径扩展，将光束直径扩展后的频率扫描光作为照射光，朝向测定对象物1向空间放射。
当同时照射用透镜22使照射光朝向测定对象物1向空间放射了时，光干涉部31将被测定对象物1中的部位1－1～1－N分别反射的照射光作为反射光而接收。照射光的光束直径大小因光检测器32所包含的PD的数量和分辨率目标值而发生改变。例如，在光检测器32所包含的PD的数量为4、分辨率目标值为100μm的情况下，照射光的光束直径为400μm的大小。
如图5所示，在测定对象物1的部位为1－1～1－4的情况下，光干涉部31将被部位1－1～1－4分别反射的照射光作为反射光而接收。
光干涉部31使接收到的各个反射光与从光耦合器21输出的参照光发生干涉，将各个反射光与参照光的干涉光输出到光检测器32。
光检测器32所包含的PD32－1～32－N配置于与测定对象物1中的部位1－1～1－N分别对应的位置。
PD32－1～32－N检测从光干涉部31输出的各个干涉光，将各个干涉光的检测信号输出到开关33。
如图5所示，在测定对象物1的部位为1－1～1－4的情况下，PD32－1检测包含被部位1－1反射的反射光的干涉光，PD32－2检测包含被部位1－2反射的反射光的干涉光。
另外，PD32－3检测包含被部位1－3反射的反射光的干涉光，PD32－4检测包含被部位1－4反射的反射光的干涉光。
控制信号生成部40与时钟信号同步地，生成表示在从PD32－1～32－N输出的检测信号之中选择对象的检测信号的控制信号，将控制信号输出到开关33。
例如，与第1个时钟信号同步地生成的控制信号为表示选择从PD32－1输出的检测信号的意思的信号。
与第2个时钟信号同步地生成的控制信号为表示选择从PD32－2输出的检测信号的意思的信号。
与第N个时钟信号同步地生成的控制信号为表示选择从PD32－N输出的检测信号的意思的信号。
由于光检测器32包括N个PD32－1～32－N，所以为了利用开关33按顺序选择N个检测信号，控制信号生成部40按顺序生成N个控制信号。
开关33依照从控制信号生成部40输出的控制信号，从自PD32－1～32－N输出的检测信号之中选择任意一个检测信号，将所选择的检测信号输出到A/D变换器34。
图6是示出从控制信号生成部40输出的控制信号、从PD32－1～32－4输出的干涉光的检测信号以及从开关33输出的检测信号的说明图。
在图6中，为了简化附图，在三角波信号的频率返回到最低频率fmin之后，立即再次开始三角波信号的频率扫描，而未表示三角波信号的频率在一定时间内保持为最低频率fmin的状态。从控制信号生成部40输出的控制信号为针对每个选择对象的检测信号而电压不同的信号。
在图6中，控制信号生成部40与第1个时钟信号同步地将表示选择从PD32－1输出的检测信号的意思的控制信号输出到开关33。
控制信号生成部40与第2个时钟信号同步地，将表示选择从PD32－2输出的检测信号的意思的控制信号输出到开关33。
另外，控制信号生成部40与第3个时钟信号同步地，将表示选择从PD32－3输出的检测信号的意思的控制信号输出到开关33。
进而，控制信号生成部40与第4个时钟信号同步地，将表示选择从PD32－4输出的检测信号的意思的控制信号输出到开关33。
在图6中，开关33与第1个时钟信号同步地，将从PD32－1输出的检测信号输出到A/D变换器34，开关33与第2个时钟信号同步地，将从PD32－2输出的检测信号输出到A/D变换器34。
另外，开关33与第3个时钟信号同步地，将从PD32－3输出的检测信号输出到A/D变换器34，开关33与第4个时钟信号同步地，将从PD32－4输出的检测信号输出到A/D变换器34。
A/D变换器34每当从开关33接受到检测信号时，将检测信号从模拟信号变换为数字信号，将数字信号作为数字检测信号而输出到距离计算部35。
光检测器32包含N个PD32－1～32－N，所以A/D变换器34将N个数字检测信号按顺序输出到距离计算部35。
距离计算部35的傅里叶变换部35a当从A/D变换器34接受到数字检测信号时，对数字检测信号进行傅里叶变换，从而计算干涉光的频谱，将频谱输出到距离计算处理部35b。
光检测器32包含N个PD32－1～32－N，所以傅里叶变换部35a按顺序对N个数字检测信号进行傅里叶变换。
图7是示出由傅里叶变换部35a计算出的干涉光的频谱的说明图。
在图7中，示出了测定对象物1的部位为1－1～1－4的情况下的频谱。
反射光到达光干涉部31的时刻比参照光到达光干涉部31的时刻晚，所以在反射光到达光干涉部31的时刻与参照光到达光干涉部31的时刻之间产生时刻差。
在频谱中，包含与上述时刻差对应的频率差Δf1～Δf4的分量，频率差Δf1～Δf4与直至测定对象物1中的各个部位1－1～1－4为止的距离成正比。频率差Δf1～Δf4为被部位1－1～1－4反射的各个反射光的频率与参照光的频率的差分。Δf1<Δf2<Δf3<Δf4。
距离计算处理部35b当从傅里叶变换部35a接受到频谱时，计算频谱所包含的频率差Δfn(n＝1、2、…、N)。
光检测器32包含N个PD32－1～32－N，所以距离计算处理部35b按顺序计算N个频谱所包含的频率差Δfn。
距离计算处理部35b每当计算频率差Δfn时，根据该频率差Δfn来计算从光测距装置3至测定对象物1的部位1－n为止的距离Ln。
根据频率差Δfn来计算距离Ln的处理本身为公知的技术，所以省略详细的说明。
以上的实施方式1将光测距装置3构成为：设置有具有接收从光干涉部31输出的干涉光并输出干涉光的检测信号的PD32－1～32－N的光检测器32、以及从自PD32－1～32－N输出的检测信号之中选择任意一个检测信号的开关33，距离计算部35根据由开关33选择的检测信号，计算直至测定对象物1中的任意的部位为止的距离。因而，光测距装置3无需安装多个A/D变换器，就能够计算直至测定对象物1中的多个部位为止的距离。
另外，在实施方式1中，将光测距装置3构成为：光干涉部31将被测定对象物1中的3个以上的部位1－1～1－N分别反射的频率扫描光作为反射光而接收，使接收到的各个反射光与参照光发生干涉，输出各个反射光与参照光的干涉光，PD32－1～32－N配置于与测定对象物1中的3个以上的部位1－1～1－N分别对应的位置，接收从光干涉部31输出的各个干涉光，将各个干涉光的检测信号输出到A/D变换器34。因而，光测距装置3能够计算直至测定对象物1中的3个以上的部位1－1～1－N为止的距离。
在实施方式1的光测距装置3中示出了从激光光源12输出的频率扫描光的扫描特性为线性的例子。
但是，并不限于此，也可以是从激光光源12输出的频率扫描光的扫描特性为非线性。
在频率扫描光的扫描特性为非线性的情况下，频率差Δfn与距离Ln不为正比的关系，所以距离计算处理部35b补偿频率差Δfn，根据补偿后的频率差Δfn来计算距离Ln。
频率扫描光的扫描特性为非线性的情况下的频率差Δfn的补偿处理本身为公知的技术，所以省略详细的说明。
此外，开关33只要是从自PD32－1～32－N输出的检测信号之中选择任意一个检测信号的结构，则可以为任意的结构，例如考虑如图8所示的结构。
图8是示出N＝16的情况下的开关33的一个例子的结构图。
图8所示的开关33通过组合开关元件33－1～33－15而构成。
开关元件33－1～33－15分别为选择两个输入信号中的任意一个输入信号的切换开关。
在图8的例子中，开关33从自PD32－1～32－16输出的检测信号之中选择从PD32－3输出的检测信号。
此外，本申请发明能够在其发明的范围内，进行实施方式的任意的构成要素的变形、或实施方式的任意的构成要素的省略。
工业上的可利用性
本发明适于计算直至测定对象物为止的距离的光测距装置。
另外，本发明适于具备光测距装置的加工装置。

Claims (7)

1.一种光测距装置，具备：
频率扫描光输出部，重复输出频率随时间的经过而发生变化的频率扫描光；
光发送部，将从所述频率扫描光输出部输出的频率扫描光作为参照光而输出，并且朝向测定对象物照射所述频率扫描光；
光干涉部，将被所述测定对象物反射的频率扫描光作为反射光而接收，使所述反射光与所述参照光发生干涉，输出所述反射光与所述参照光的干涉光；
光检测器，具有多个受光元件，该多个受光元件接收从所述光干涉部输出的干涉光，输出所述干涉光的检测信号；
开关，从自所述多个受光元件输出的检测信号之中选择任意一个检测信号；以及
距离计算部，根据由所述开关选择出的检测信号，计算直至所述测定对象物中的任意的部位为止的距离。
2.根据权利要求1所述的光测距装置，其特征在于，
所述光干涉部将被所述测定对象物中的3个以上的部位分别反射的频率扫描光作为反射光而接收，使接收到的各个反射光与所述参照光发生干涉，输出各个反射光与所述参照光的干涉光，
所述多个受光元件配置于与所述测定对象物中的3个以上的部位分别对应的位置，接收从所述光干涉部输出的各个干涉光，将各个干涉光的检测信号输出到所述开关。
3.根据权利要求1所述的光测距装置，其特征在于，具备：
模拟数字变换器，该模拟数字变换器将由所述开关选择出的检测信号从模拟信号变换为数字信号，将所述数字信号输出到所述距离计算部。
4.根据权利要求1所述的光测距装置，其特征在于，具备：
控制信号生成部，该控制信号生成部生成表示选择对象的检测信号的控制信号，
所述开关依照由所述控制信号生成部生成的控制信号，选择1个检测信号。
5.根据权利要求1所述的光测距装置，其特征在于，
所述开关通过组合多个开关元件而构成。
6.一种加工装置，其特征在于，具备：光测距装置，测定直至测定对象物为止的距离；以及加工部，根据由所述光测距装置测定出的距离，对所述测定对象物进行加工，
所述光测距装置具备：
频率扫描光输出部，重复输出频率随时间的经过而发生变化的频率扫描光；
光发送部，将从所述频率扫描光输出部输出的频率扫描光作为参照光而输出，并且朝向测定对象物照射所述频率扫描光；
光干涉部，将被所述测定对象物反射的频率扫描光作为反射光而接收，使所述反射光与所述参照光发生干涉，输出所述反射光与所述参照光的干涉光；
光检测器，具有多个受光元件，该多个受光元件接收从所述光干涉部输出的干涉光，输出所述干涉光的检测信号；
开关，从自所述多个受光元件输出的检测信号之中选择任意一个检测信号；以及
距离计算部，根据由所述开关选择出的检测信号，计算直至所述测定对象物中的任意的部位为止的距离。
7.根据权利要求6所述的加工装置，其特征在于，具备：
检查部，该检查部根据由所述光测距装置测定出的距离，检查所述光测距装置。
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