JP2001041740A

JP2001041740A - 基線長可動型距離測定装置

Info

Publication number: JP2001041740A
Application number: JP11211879A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Oka; 潔岡; Kenjiro Obara; 建治郎小原; Eisuke Tada; 栄介多田; Satoru Takahashi; 悟高橋
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute; Akita Electronics Co Ltd
Current assignee: Akita Electronics Systems Co Ltd; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】高温、高放射線等の極限環境下で使用するた
めの距離測定装置を提供する。【解決手段】観測光学系のセンサヘッド（8）から対
象物（1、2）までの距離（15、16）を計測する三角測量
方式を用いる距離測定装置であって、投光光学系の投光
位置（3、4）すなわち基線長（5、6）を調節することの
できる駆動機構を設け、投光位置（3、4）から対象物
（1、2）に投下されたレーザスポット光（11、12、13）
の観測面（7）における結像点（14）が観測面の中心（1
0）に来たときの基線長（5、6）を計測することによ
り、対象物までの距離（15、16）を算出することを特徴
とする基線長可動型距離測定装置が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三角測量方式を用いた
距離測定装置であって、センシング部分と制御解析部分
とを分離した装置、特に、極限環境下で使用するための
距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の距離測定装置においては、投光光
学系の投光位置を固定し、すなわち基線長を固定長と
し、対象物との距離によって移動する観測面上の結像ス
ポット点の変位を位置検出素子（ＰＳＤ）又はＣＣＤリ
ニアセンサ等の光半導体素子によって検出することによ
って、対象物までの距離を測定している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の距離測定装置に
あっては、センサヘッド内部には、投光光源として半導
体レーザを装着し、また制御解析装置には、結像スポッ
ト点の変位を検出する素子としてＰＳＤ又はＣＣＤリニ
アセンサー等の光半導体素子が装着されていた。

【０００４】しかし、これらの半導体素子は、高温、高
放射線等の極限環境下では急激に劣化し、動作しなくな
ってしまい、計測不能になってしまうという問題点があ
った。そのため、これら半導体素子を、極限環境下にお
いて実績のある耐熱、耐放射線等の材料からなる部品に
置き換えなければならない。

【０００５】そこで本発明の目的は、装置の一部分だけ
を極限環境に耐えられる材料からなる部品で構成し、他
の部分には半導体素子を用いることを可能にする装置を
提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る距離測定装
置においては、センサヘッド部を極限環境下においても
劣化の少ない材料、例えば石英やＳＵＳ材からなる光学
部品、機械部品及び電気部品のみで構成し、半導体集積
回路等どうしても半導体素子を用いなければならない制
御解析装置は通常環境下に設置できるように、センサヘ
ッドと制御解析装置を分離・延長したことを特徴として
いる。

【０００７】また本発明の距離測定装置によれば、セン
サヘッドを構成する部品及び解析装置と連結するための
ケーブル及び光ファイバーを耐環境性に優れたものに置
き換えただけでなく、この装置によれば、前記の置き換
えによって生じる測定誤差や測定時間の増大を抑えるた
めの測定方法も提供される。

【０００８】例えば、観測光学系の光半導体を機構部品
に置き換える場合、直動システムの可動部に集光レンズ
を設け、スポット像の変位を追尾するサーボシステムが
考えられる。このようなサーボシステムにおいては、集
光レンズの移動量ｙ’は、下記の近軸結像公式［1］に
示されるように、測定対象物までの距離ｓとリニアな関
係にはならず、除算による誤差を常に内包している。さ
らに、集光レンズの収差もその誤差に付加されてしま
う。そのため、一般的には、測定範囲内での何点かで
ｙ’とｓの相関表を記憶素子上に作成し、計測値は、そ
れらの値を参照しながら、補間処理によって算出してい
る。１／ｓ’＝１／ｓ＋１／ｆ、ｙ’／ｙ＝ｓ’／ｓ［1］ｓ’：集光レンズの主点から光軸上の物点までの距離ｆ：集光レンズの焦点距離ｙ：測定対象物の光軸からの距離また、一般的なＰＳＤやＣＣＤリニアセンサーは、スポ
ット光検出範囲が１０mm程度で、位置分解能が数ミクロ
ンメートルと非常に高分解能である。そのため、式
［1］におけるｆを小さくすることができ、すなわち観
測光学系の光路を短くすることができ、センサヘッドの
小型化に寄与している。しかし、このような高分解能を
上記サーボシステムで実現するには、ボールネジのピッ
チやモータの一回転当たりのパルス数等の制約によっ
て、実現が極めて困難である。その解決方法として、式
［1］でｆを大きくすることにより、ｙ’のとりうる範
囲を大きくし、分解能が低下しても同等の性能がでるよ
うにすることが考えられる。しかし、これは観測光学系
の光路が長くなってしまうことにつながり、センサヘッ
ドが大型化してしまうという問題が生じる。

【０００９】そこで、本発明では、上記問題を解決する
ために、観測光学系は固定し、投光光学系の投光位置す
なわち基線長を変化させ、その変化量によって、測定対
象物までの距離を算出する方式を提供している。すなわ
ち、観測光学系の観測面の中心に常にスポット像がくる
ように基線長を制御する方式とした。

【００１０】すなわち、本発明に係る基線長可動型距離
測定装置は、観測光学系のセンサヘッド（8）から対象
物（1、2）までの距離（15、16）を計測する三角測量方
式を用いる距離測定装置において、投光光学系の投光位
置（3、4）すなわち基線長（5、6）を調節することので
きる駆動機構を設け、投光位置（3、4）から対象物
（1、2）に投下されたレーザスポット光（11、12、13）
の観測面（7）における結像点（14）が観測面の中心（1
0）に来たときの基線長（5、6）を計測することによ
り、対象物までの距離（15、16）を算出することを特徴
とする。

【００１１】図１において、対象物ｂ（2）の位置を距
離計測の基準点、すなわち観測光学系のセンサヘッド
（8）からの距離と基線長長さが既知の点とし、対象物
ａ（1）までの距離を計測しようとするシステムを考え
る。対象物ａ（1）にレーザー光を投下し、そのスポッ
ト像ａ（11）を観測面（7）の中心（10）に結像させる
ために、リニア駆動システムによって投光光学系の投光
位置を位置ｂ（4）から位置ａ（3）へｘだけ移動させた
とする。このとき、観測光学系のセンサヘッド（8）か
ら対象物ｂ（2）までの距離をｌ’、基線長ｂ（6）の長
さをｋ、計測対象物ａ（1）までの距離をｌ、スポット
像ａ（11）が観測面中心（10）に結像したときの基線長
ａ（5）の長さを（ｋ＋ｘ）とすると、計測しようとす
る距離ｌは式［2］のように表される。ｌ＝（１＋ｘ／ｋ）・ｌ’ ［2］式［2］より、ｌとｘはリニアな関係にあり、ｌとｘの
相関表を用いた補間処理等の複雑な計算を行う必要はな
い。これによって、上記のサーボシステムの問題点を解
決し、高精度で高速な測定距離の算出を行うことができ
る。

【００１２】上述のように構成された距離測定装置は、
センサヘッドを高温、高放射線等の極限環境下で作業す
るロボットのアームに取り付け、このとき、基線長の変
位量を、ハンドリング等の作業をするためのセンシング
信号として活用することができる。

【００１３】

【実施例】図面を参照して本発明の実施例を説明する
と、図２において、制御解析装置（37）におけるレーザ
光源（28）から出力されたレーザビームは、投光光学系
リレーレンズ（35）によってビーム径を絞られ、投光光
学系光ファイバー（27）に伝送される。伝搬されたレー
ザビームは、コリメートレンズ（26）によって直径１mm
程度のレーザビームに再びコリメートされる。このレー
ザビームはミラーｂ（25）によって直角に光路を変え、
リニア駆動システム（20）に取り付けられたミラーａ
（21）によって再び光路を変え、計測対象物（17）に斜
め方向から投下される。

【００１４】観測光学系では、計測対象物（17）で乱反
射されたレーザビームを集光レンズ（29）によってレー
ザスポット像をつくる。このスポット像は、観測光学系
リレーレンズ（30）によって、観測光学系ファイバース
コープ（31）中を伝送し、ＣＣＤカメラ（32）の撮像素
子上に再び結像される。ＣＣＤカメラ（32）でとらえら
れた画像は、画像処理装置（33）の画像記憶素子に送ら
れ、演算処理される。

【００１５】図３を参照して画像処理と制御の流れにつ
いて説明すると、計測対象物（17）に投下されたレーザ
ビームは、スポット像（39）のようにほぼ真円に近い形
状で結像する。まずこの像の重心位置の座標を計算し、
画面の中心（40）からのズレ量（41）を算出する。この
ズレ量（41）から、スポット像（39）の重心を画面の中
心（40）へ移動させるためのミラーａ（21）の位置補正
量を算出することができる。

【００１６】このように、スポット像（39）の重心位置
が常に画面の中心（40）に来るように、スポット像のズ
レ量（41）をリニア駆動システム（20）を制御する演算
装置（24）にフィードバックし、ミラーａ（21）の位置
を補正してやることにより、観測光学系とリニア駆動シ
ステム（20）の間でフィードバックループを形成するこ
とができる。

【００１７】このようなフィードバックループにより、
ミラーａ（21）は、スポット像（39）の重心位置が常に
画面の中心（40）に来るように、計測対象物（17）まで
の距離の変化に追従して常に動いていることになる。ま
た、ミラーａ（21）の移動量（基準基線長からのミラー
ａ（21）の移動量ｘ）も、演算装置（24）が常に把握し
ていることになる。よって、式［2］において、計測対
象物（17）までの距離ｌは、ｌ’とｋが既知であること
から、上記のｘの値から算出することができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の装置にお
いては、耐熱・耐放射線材料で構成されたセンサヘッド
と半導体素子を含む制御解析装置が分離・延長されてい
るので、センサヘッドを高温、高放射線などの極限環境
下に設置することができ、これらの環境下で作業するロ
ボットのセンサとして活用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の計測方法を示す模式図である。

【図２】本発明を遠隔制御機器のセンサとして活用する
ために、センサヘッドと制御解析装置を分離・延長した
装置の実施例を示す構成図である。

【図３】本発明における画像処理画面の模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小原建治郎茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者多田栄介茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者高橋悟秋田県南秋田郡天王町天王字長沼64 アキタ電子株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA06 AA19 BB29 DD16 FF09 FF23 GG04 GG12 HH04 HH13 HH18 JJ02 JJ16 JJ26 LL02 LL09 LL12 PP22 QQ28 2F112 AA02 BA18 CA12 DA25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観測光学系のセンサヘッド（8）から対
象物（1、2）までの距離（15、16）を計測する三角測量
方式を用いる距離測定装置において、投光光学系の投光
位置（3、4）すなわち基線長（5、6）を調節することの
できる駆動機構を設け、投光位置（3、4）から対象物
（1、2）に投下されたレーザスポット光（11、12、13）
の観測面（7）における結像点（14）が観測面の中心（1
0）に来たときの基線長（5、6）を計測することによ
り、対象物までの距離（15、16）を算出することを特徴
とする基線長可動型距離測定装置。
【請求項２】観測面（7）における結像点（14）が常
に観測面中心（10）に来るように、基線長（5、6）を調
節する駆動機構の制御システムとフィードバックループ
を形成し、結像点（14）の観測面中心（10）からの変位
量（9）を制御システムへのフィードバック信号とする
ことを特徴とする、請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】ステッピングモータ（22）とモータコン
トローラ（23）の間をモータケーブル（34）によって分
離・延長し、コリメートレンズ（26）とレーザ光源（2
8）の間を投光光学系リレーレンズ（35）と投光光学系
光ファイバー（27）によって分離・延長し、さらに集光
レンズ（29）とＣＣＤカメラ（32）の間を観測光学系リ
レーレンズ（30）と観測光学系光ファイバー（31）によ
って分離・延長することにより、センサヘッド（36）と
制御解析装置（37）の間を分離・延長したことを特徴と
する基線長可動型距離測定装置。
【請求項４】センサヘッド（36）を構成する部品（2
0、21、22、25、26、29、30）、モータケーブル（3
4）、投光系光ファイバー（27）、及び観測光学系光フ
ァイバー（31）を耐熱・耐放射線性材料で構成すること
により、高温、高放射線等の極限環境下で使用できるよ
うにした、請求項３に記載の距離測定装置。