JP2008089593A - 測距装置および測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散面から反射される光が逆二乗減衰することを利用して、光の反射面からセンサ読取ヘッドまでの距離を計算しているシステムは、センサから反射面までの距離が、光の逆二乗減衰に従って計算され、それが位置計算の複雑性の要因となり、また、信号は、逆二乗係数に従って迅速に低減し、誤りの影響を受けやすくなるという不都合を克服するものである。
【解決手段】変位測定値を確定するために構造化光強度を使用する測距装置である。マイクロレンズアレイ又は回折光学素子が光源からの光を入力すると共に、発散光ストライプで頂部が平坦な強度パターンを出力する。発散光ストライプを使用することにより、位置の変化に対するシステムの応答が、反射面から発散光ストライプ源までの距離の逆数におよそ比例して変化する。二重検出器手法を利用して、他のあり得る変動と共に、光源の光出力の変動に関する測定信号の感度を取り除くことができる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、光学的に距離を測定する測距装置および測距方法に関し、特に変位を測定するために構造化光強度を用いる測距装置および測距方法に関する。

従来、物体の位置や移動量を測定するために様々な測定器が用いられている。一部の測定器では、２つの部材間の変位を測定するために各部材に様々な幾何学的な形態で送信機および受信機を配置する。この種のいくつかの測定器は、拡散面から反射される光が逆二乗減衰することを利用して、光の反射面からセンサ読取ヘッドまでの距離を計算している。
このような測定器の例として、特許文献１〜３が知られている。

特許文献１は、光変位センサを開示しており、そこでは、光ファイバ等から伝送される光は、センサからの距離が測定されるべき表面上に向けられる。反射光の強度は角度に依存するが、十分に小さい立体角内では、強度は、表面からの距離の逆二乗として低下する。小さい立体角内で反射光を受け取り且つ検出するために一対の光センサが取り付けられ、そこでは、それらの端部は表面から異なる距離にある。そして、強度測定値とそれらの既知の離隔長との比率に関して、表面までの距離を見つけることができる。

特許文献２は、範囲内で隔置された一対の光強度検出器を利用する、距離を測定するシステム及び方法を開示する。特許文献２に述べられているように、システムは、ターゲットから強度が変化する電磁エネルギーを反射することにより、１つの位置における反射エネルギーの強度を第２の位置における強度を監視しながら一定値で維持することによって範囲を測定する方法を採用する。より詳細には、ターゲットからの光を一対の検出器の各々に反射し、１つの検出器によって検出される反射光の強度を一定値で維持し、それにより、他方の検出器の出力信号が範囲の測定値を計算するために利用される、構成が提供される。

特許文献３は、対象に向かって投影され且つ反射される光を利用して対象までの距離を測定する光学測定装置を開示する。特許文献３において述べられているように、測定装置は、第１の光源及び第２の光源から又は単一の光源の光から分割された２つの光ビームを対象に向かって投影し、それにより、これらの２つの光ビームが対象に対してそれぞれ異なる輝度特性を提供光投影要素を含む。この装置はまた、対象において反射される光を受け取る受光部材と、受光部材の出力から２つの光ビームに対する異なる輝度の割合を計算し、それにより測定された結果に関する情報を出力する信号プロセッサとを含む。

米国特許第４，８６５，４４３号 米国特許第３，８１４，９９４号 米国特許第５，０５６，９１３号

上述した従来技術によるシステムの不都合のうちの１つは、センサから反射面までの距離が、光の逆二乗減衰に従って計算され、それが位置計算の複雑性の要因となる、ということである。また、信号は、逆二乗係数に従って迅速に低減し、誤りの影響を受けやすくなる。

本発明は、上述した不都合及び他の不都合を克服する測距装置および測距方法を提供することを目的とする。

本発明は、二乗される距離に対して反比例する光の減衰ではなく、距離に対して反比例する光の減衰に従ってセンサから反射面までの距離を検知する測距装置および測距方法を提供する。
ここでは、本発明の概要を簡略化した形態で説明することとし、本発明の具体的な詳細は後述する実施形態で説明する。本概要は、請求の範囲に記載されている主題の重要な特徴を特定するようには意図されておらず、請求の範囲に記載されている主題の範囲を確定するのに役立つものとして使用されるようにも意図されていない。

本発明は、測距装置および測距方法において、変位を測定するために構造化光強度を使用する。以下の説明で使用する「光」という用語は、可視放射と不可視放射との両方を包含する。本発明の測距装置あるいは測距方法を実現する測距システムは、光源と、光ビーム構造化要素と、光センサとを含む。本発明において、距離を測定すべき表面には、光ビーム構造化要素からの光ビームが照射され、照射された光は光センサへと反射される。この反射を適切に行うために、測距システムは、前記表面に設置された反射面又は部分反射面を含むとしてもよい。

本発明において、光源（たとえばダイオードレーザ、ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤ等）は構造化要素（たとえばレンズ及びライン発生器）を通じてビームを出力し、構造化要素は、ビームを反射面（たとえばミラー）に出力する。構造化要素はライン発生器を含むようにしてもよい。ライン発生器は、反射面にラインとしてビームを形成するように作用するものが利用できる。光センサは、反射面からビームの部分を受け取り、対応する信号を出力するものとする。光センサの出力は、センサによって受け取られる構造化光ビームの比率に対する反射面と検出器平面との間の距離の影響に従って変化する。ラインとして形成される構造化光ビームを利用することにより、光センサの出力は、これまでの点光源の場合のように、二乗される距離に対して反比例するのではなく、距離に対して反比例するように変化することができる。

本発明において、構造化光ビームは、第１の平面（たとえばラインの長さに対応する）において第１の発散角に従って発散し、第１の平面に対して直交する第２の平面（たとえばラインの幅に対応する）において第２の発散角に従って発散するとしてもよい。第１の発散角は、第２の発散角の少なくとも１０倍又は２０倍（ラインは長さが幅の少なくとも１０倍又は２０倍である）であってもよい。第１の発散角は、第２の発散角の少なくとも２倍（ラインは長さが幅の少なくとも２倍）であってもよい。

本発明において、光ビーム構造化要素は、第１の平面における角度の関数としてのビームの強度（たとえばラインのその長さに沿った強度）が、第１の均一性の範囲内にあるように構成されることが望ましい。例えば、ラインパターンディフューザを利用して、比較的大きい発散角にわたって比較的頂部が平坦な断面を生成することができる。第１の均一性の範囲は、均一な角度範囲全体にわたるビームの平均強度に比較して±１０％とすることができる。光ビーム構造化要素は、ビームの各２度角度増分の平均強度が、均一角度範囲全体にわたる出力される構造化光ビームの平均強度に比較して±５％内で均一角度範囲にわたって均一であるように構成してもよい。

本発明においては、第２の光センサも利用して、測距すべき表面から反射される構造化光ビームの部分を受け取ることができる。この形態では、表面までの距離は、第２の光センサ信号に比較して少なくとも部分的に第１の光センサ信号に基づいて測定される。第１の光センサは、表面からの可変距離にあることができ、第２の光センサは、第１の可変距離に表面からの追加の一定距離を足した距離にある。第２の光センサを利用することにより、利用しなければ光源の出力の変動によってもたらされる可能性のある誤りを低減することができる。

本発明において、ビームスプリッタを利用して、構造化光ビームを分割して利用することができる。この実施形態では、分割される構造化光ビームの異なる部分は、異なる経路に沿って第１の光センサ及び第２の光センサまで移動する。第１のセンサ及び第２のセンサまでの異なる経路は、長さが異なっていてもよい。

本発明において、第２の光源も利用することができる。その場合、第２の光源を第１の光源と反対方向に向けることができ、第２の光源と組み合わせて、第２の反射面及び第２の検出器を利用することができる。第１の反射面と第２の反射面との間の距離は固定であり（たとえば共通の枠に取り付けられるように）、第１の光センサ及び第２の光センサの固定部分に対して移動する構成が利用できる。この平衡化検出器手法を利用することにより、第１の反射面までの距離によって線形に変化する信号応答が生成され、光源の光出力及び温度変動に対する信号の感度が低減する。一実施の形態では、第２の光源は、第１の光源の後部ファセット（たとえばレーザダイオードの両ファセットが出力として使用される）を含んでもよい。

このような本発明によれば、位置に対して線形信号応答を有する簡単で安価な位置センサのための方法及び構成を提供することができる。本発明に基づいてスケールレスセンサを構成することができこのようなスケールレスセンサは、工学的マイクロレンズアレイ技術又は工学的回折光学素子（ＤＯＥ）技術を利用して頂部が平坦なライン断面を形成し、そのいずれも、部品を低コストで製作するように大量生産オプションを使用して作製することができる。

本発明の上述した態様及び付随する利点の多くは、添付の図面を鑑みて以下の詳細な説明を参照することによってより理解されることにより、より容易に認識されよう。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第一実施形態］
図１Ａ及び図１Ｂには、本発明に基づいて構造化光強度を使用して変位を測定する測距装置１００が示されている。
図１Ａに示すように、測距装置１００は、光源１１０、ビーム構造化要素１２０及び検出器１４０を有し、これらは検出器平面１０５に近接して配置されている。光源１１０、ビーム構造化要素１２０及び検出器１４０は、センサ１００の本体（図示せず）に固定される。光源１１０は、レーザ、ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤ等の光源を利用することができる。ビーム構造化要素１２０は、レンズ及びライン発生器を含んでもよく、その場合、光源１１０からの光は、レンズによって平行にされ、ライン発生器を通るように向けられる。ビーム構造化要素１２０からのビームはミラー１３０によって反射される。ビームがミラー１３０によって反射された後、反射光の部分は検出器１４０によって受け取られる。後述するように、検出器１４０によって受け取られる光出力の量は、検出器平面１０５とミラー１３０との間の距離に関連する。

本実施形態においては、本発明の測距方法に基づいて以下の動作を行う。
ミラー１３０（たとえば可動プローブ先端に取り付けられるような）が検出器平面１０５に近づくように移動すると、ビームからの光出力のより多くの割合が検出器１４０によって受け取られ、それにより、検出器１４０からの出力電圧又は電流が対応して増大する。
概念的には、ビーム構造化要素１２０がライン発生器を利用してビームを形成する実施形態では、ミラー１３０が検出器平面１０５に近づくように移動すると、検出器平面におけるライン長が短くなり、そのため、より多くの比率のビーム（及び／又はビームエネルギー）が検出器１４０の開口において受け取られる。
このように、検出器１４０の出力は、検出器平面１０５とミラー１３０との間の距離に関連し、この出力を使用して変位測定値を確定することができる。
光源１１０、ビーム構造化要素１２０及び検出器１４０を、外部測定プローブ先端を提供する線形移動スピンドルを含む測定ゲージ（図示せず）の本体に固定してもよい。ミラー１３０は、線形移動スピンドルと共に移動するように取り付けられ、それにより、測定ゲージを使用して、ゲージの本体に対する移動スピンドル及び／若しくはプローブ先端の位置又は変位を確定することができる。

図１Ａに示すように、角度αは、平面図で示す光ビームの「ライン長確定」総発散角を表し、それは、図１Ｂの側面図に示す光ビームの「ライン幅確定」発散角βと比較した場合相対的に大きい。これは、ビーム構造化要素１２０がライン発生器を利用して、ミラー１３０におけるラインの長さが角度αによって確定されラインの幅が角度βによって確定されるようにビームを形成する実施形態に一貫する。

ビーム構造化要素１２０で使用されるライン発生器は、ラインパターンディフューザであってもよい。ラインパターンディフューザは、選択された発散角にわたって比較的均一な「頂部が平坦な」強度プロファイルを生成することができる。一例として、ラインパターンディフューザは、およそ０．４度のライン幅発散を提供することができると共に、比較的大きい発散角（たとえば１００度までの総発散角）にわたって比較的均一な頂部が平坦な強度プロファイルを生成することができる。こうしたライン発生器の一例は、ニューヨーク州RochesterのPRC Photonics Inc.製のEngineered Diffuser（商標）である。こうしたディフューザのラインプロファイルを、非常に広いライン長発散角にわたって均一なプロファイルを有するように設計することができる。

こうしたディフューザでは、プロファイルの中心±１５度は比較的平坦であり、スケールレスセンサとして使用される範囲を提供する。この装置の直交方向に沿った強度プロファイルはガウスであり、およそ±０．２度の発散角を有する。空間周波数が高いプロファイルにおける不規則性を、ＬＥＤ源を使用すること及び／又はディフューザに入るビームの近平行化を最適化する（たとえば、ビームをわずかに発散させる、わずかに集束させる、最小限に拡散させる等により）ことを含む多数の方法によって平滑化することができる。

検出器１４０の測定範囲は、検知ヘッド（光源１１０、ビーム構造化要素１２０及び検出器１４０を含む）の幾何学配置によって決定される。以下の説明では、検出器１４０は、発散光ストライプの有効な発生源（たとえば、ビーム構造化要素１２０のおよそ出力面にある）と同一平面にあるものとする。図示するように、発散光ストライプの有効な発生源から検出器１４０の外縁までの距離をＲで示し、検出器平面における発散光ストライプの外縁までの寸法をＳで示す。距離Ｌは、検出器平面１０５とミラー１３０との間の離隔距離を表す。この構成の場合、望ましい最小範囲はＳ≧Ｒに対応する。Ｓ＜Ｒの場合、発散光ストライプは検出器全体にわたって広がらず、それによりＬの関数として不十分な挙動の出力となり、それは一般に動作の望ましい状況ではない。したがって、測定範囲の最小限度は、およそＬｍｉｎ＝［Ｒ／（２＊ｔａｎ（α／２））］であり得る。

発散光ストライプの有効な発生源から検出器１４０の下縁（及び／又は上縁）までの寸法をＨ／２と示す。測定範囲の最大限度は、およそＬｍａｘ＝［Ｈ／（４＊ｔａｎ（β／２））］に対応し得る。Ｌ＞Ｌｍａｘの場合、ｚ軸方向に沿った発散光ストライプの幅は、検出器１４０の限界を越え始め、それにより、Ｌの関数として挙動が不十分な出力となり、それは一般に動作の望ましい状況ではない。

具体的な例として、ビームプロファイルはα×β＝１５．０度×０．４度の総発散角に対応する。検出器１４０のｚ軸方向に沿って中心を置くＨ＝４．０ｍｍの開口寸法の場合、Ｌｍａｘ＝［Ｈ／（４＊（ｔａｎ（β／２））］＝２８６ｍｍである。検出器１４０のｙ軸方向に沿った寸法Ｒ＝５．０ｍｍの場合、Ｌｍｉｎ＝［Ｒ／（２＊ｔａｎ（α／２））］＝１９ｍｍである。

［第一実施形態］
図２には、本発明に基づく測距装置２００が示されている。
測距装置２００の構成要素は、特に後述する点を除き、図１の測距装置１００の構成要素に類似するものであり、重複する構成については説明を省略する。
図２に示すように、光源２１０は、ビーム構造化要素２２０を通過するビームを出力する。ビーム構造化要素２２０は、たとえば線形「光ストライプ」を、前述した図１の実施形態の方法に類似する方法で投影する、そのためのレンズ及びライン発生器を含んでもよい。

ビーム構造化要素２２０からの光ストライプは、ミラー２３０によって反射され、およそ角度θに対応する光ストライプの部分がビームスプリッタ２３５に達する。ビームスプリッタ２３５に達する光ストライプの部分のエネルギーは、２つの下位部分に分割され、これらはそれぞれ２つの検出器２４０及び２４５によって受け取られる。２つの検出器２４０及び２４５の出力は、ミラー２３０と発散光ストライプの有効な発生源（たとえばビーム構造化要素２２０における）との間の距離Ｌに関連する。距離Ｌを、以下の式に従って計算することができる。

第１の検出器２４０からの出力を、以下のように表すことができる。

ここで、Ｐは光源出力であり、ｋｄ１は変換器定数（設計及び／又は較正によって確定することができ、一般に、ライン長発散角、検出器２４０のサイズ、変換効率等によって決まる）であり、ｋｓはビームスプリッタ２３５の透過係数であり、Ｌは発散光ストライプの有効な発生源（たとえばビーム構造化要素２２０における）からミラー２３０までの距離である。この式では、検出器２４０が発散光ストライプの有効な発生源（たとえばビーム構造化要素２２０における）と同一平面上にあるものとする。

第２の検出器２４５からの出力は、以下のように表される。

ここで、Ｐは光源出力であり、ｋｄ２は変換器定数（設計及び／又は較正によって確定することができ、一般にライン長発散角、検出器２４５のサイズ、変換効率等によって決まる）であり、ｋｓはビームスプリッタ２３５の透過係数であり（ビームスプリッタ２３５においていかなるエネルギーも失われないものとする）、Ｌは発散光ストライプの有効な発生源（たとえばビーム構造化要素２２０における）から反射面までの距離であり、Ｌｒｅｆはビームスプリッタ２３５から検出器２４５までの追加の距離である。

信号の比率は、

であり、

とし、上述の式を

と置き換え、さらに

と置き換え、距離Ｌに対して以下のように解き、

２つの検出器２４０及び２４５が同一であり、ビームスプリッタ２３５の透過係数が０．５である場合、

となる。

図２に関して説明した実施形態は、図１に示す実施形態に比較して有利である。それは、Ｌの測定値が光源２１０の出力の変動に対して影響を受けないからである。さらに、検出器２４０及び２４５がともにおよそ角度θに対応して光ストライプの同じ部分からエネルギーを入力するため、Ｌの測定値もまた、光ストライプに沿った強度の均一性のわずかな変動、並びにミラー２３０の反射率及び／又は汚れの変動等に対して名目上影響を受けない。

式１は、ｋｓ＝１にする（又はｋｓを完全に削除する）と、図１に示す実施形態に適用することができる、ということが理解されるべきである。その場合、式１を置き換えることによって単一の検出器の出力からＬを確定することができる。こうした実施形態では、優れた精度を取得するために、光源出力を一定である（安定している）ように制御すべきであり、光ストライプの長さに沿った強度は可能な限り均一であるべきである。
光源出力を正確に安定化させることに対する代替形態は、出力監視回路（図示せず）を使用して光源出力を監視することにより、Ｏ１の値が確定される場合はいつでも、式１におけるＰの値を確定する、というものである。

出力監視回路は、Ｐに比例する信号を提供するために、光源１１０に使用されるレーザダイオードに対して固定される光検出器を含むことにより、その後部ファセットから放出される光出力を受け取ることができる。図１に示す実施形態を使用して最良の精度を取得するためには、光ストライプの長さに沿った強度の均一性のわずかな変動を補償するために、ｋｄ１をＬの関数として較正することができる（たとえば、ｋｄ１の較正値をＬの関数としてルックアップテーブルに格納することができる）。後者の場合、動作時、Ｌを、最初はｋｄ１の平均値から推定してもよく、その後、Ｌの初期推定値を使用してｋｄ１の対応する較正値を特定すること、ｋｄ１の較正値に基づいてＬの値を再度推定すること等を、Ｌの最終測定値が十分に正確になる（たとえば、上述の手続きに従って最終値まで集束する）まで行うことにより、Ｌの推定を反復的に改善してもよい。

［第三実施形態］
図３には、本発明に基づく測距装置３００が示されている。
測距装置３００の構成要素は、特に後述する点を除き、図１の測距装置１００及び図２の測距装置２００の構成要素に類似するものと理解されよう。図３に示すように、ビーム構造化要素３２０（図示せず）からのビームは、ミラー３３０によって反射される光ストライプ３５０ａを形成し、その後、マルチパスミラー３３２によってさらに反射される。一実施形態では、マルチパスミラー３３２は、ｙ軸を中心にわずかに回転しており、それにより、ｚ軸方向に沿って幾分か偏向される光ストライプ３５０ｂを反射する。光ストライプ３５０ｂは、マルチパスミラー３３２によって反射された後、再びミラー３３０によって反射され、およそ角度θに対応する光ストライプ３５０ｂの部分がビームスプリッタ３３５に達する。ビームスプリッタ３３５に達するビームの部分のエネルギーは、２つの下位部分に分割され、これらはそれぞれ２つの検出器３４０及び３４５に向けられる。

２つの検出器３４０及び３４５の出力は、図２に関して説明した検出器２４０からの出力Ｏ１及び検出器２４５からの出力Ｏ２と類似する。一実施形態では、発散する光ストライプの有効な発生源（たとえば、ビーム構造化要素３２０における）とマルチパスミラー３３２とはともに、検出器３４０の検出器平面に位置する。
こうした場合、式１〜式８を適用して、式においてＬの各例を２Ｌで置き換えるべきであることを除き、図３に示す実施形態に対してＬを確定してもよい。Ｌが変更されると、検出器における光ストライプの位置がｚ軸方向に沿って変化し、それは、図１に関して概説した考慮事項に比較してさらにＬｍａｘを低減する可能性のある考慮事項である。

このように、発散する光ストライプ３５０ｂが検出器３４０の限界を越える場合、Ｌの関数としての出力の挙動が不十分になる。この理由で、光ストライプ３５０ｂの偏向角は最小であるべきであり、それにより、Ｌの変動による光ストライプ位置の変動が許容可能になる。さらに、検出器３４０及び３４５の寸法は、ビーム発散角βとマルチパスミラー３３２に関連するさらなる偏向角との両方に鑑みて所望の最大測定範囲を提供するためにｚ軸方向に沿って十分大きくなければならない。

図３の実施形態は、図２の実施形態に関して概説した利点を有する。さらに、Ｌの変動に関する出力変動又はスケール因子が、他の設計因子が同じである（たとえば、発散角、検出器感度等）である場合、図２に示す構成の出力変動又はスケール因子の２倍であるため、有利である。

図４には、本発明に基づく測距装置４００が示されている。
図４に示すように、測距装置４００は、平衡化された検出器４４０及び４４０’を使用する。また、単一の光源４１０が利用されることにより、２つの光ビームが反対方向に伝播する。光源４１０は、出力として両ファセットが使用されるレーザダイオードであってもよい。２つの光ビームを生成するために、単一の光源、単一のコリメートレンズ、単一のライン発生器並びにビームスプリッタ及びミラーの組合せを別法として利用することができる。光源及び検出器は、それらが温度変動に比較的影響されないように等温ブロックに取り付けられる。

図４に示すように、光源４１０からの２つのビームは、それぞれのビーム構造化要素４２０及び４２０’を通って反対方向に伝播する。ビーム構造化要素４２０及び４２０’がレンズ及びライン発生器を含む一実施形態では、ビームが、レンズによって別々に平行化されライン発生器を通過することにより、それぞれの発散角α及びα’に関して発散光ストライプを生成することができる。そして、発散光ストライプは、２つのそれぞれの反射ターゲット４２０及び４３０’によって反射される。そして、２つのそれぞれの検出器４４０及び４４０’における相対光強度を使用して位置が確定される。

２つの検出器４４０及び４４０’の出力は、２つの距離Ｌ及びＬｃｏｍｐにそれぞれ関連し、それらは、上記で概説した原理に従って、それぞれ検出器平面４０５及び４０５’とミラー４３０及び４３０’との間の距離とを示す。距離Ｆが、検出器平面４０５及び４０５’間の距離を表し、距離Ｄがミラー４３０及び４３０’間の距離を表す。一実施形態では、距離Ｄ及びＦは一定であるが、検知ヘッド４１５（光源４１０、ビーム構造化要素４２０及び４２０’、並びに検出器４４０及び４４０’を含む）は、距離Ｌ及びＬｃｏｍｐが可変であるようにミラー４３０に対して移動する。距離Ｌ＝（Ｄ−Ｆ）−Ｌｃｏｍｐである。距離Ｌ及びＬｃｏｍｐを、以下の式に従って計算することができる。

第１の検出器４４０からの出力を、以下のように表してもよい。

ここで、Ｐは光源出力であり、ｋｄ１は変換器定数（設計及び／又は較正によって確定することができ、一般に、検出器４４０のサイズ、変換効率等によって決まる）であり、ｋｓ１は第１の光ビームに対し検出器４４０において強度を確定する、発散形状、表面反射率等を反映する定数全体であり、Ｌは第１の発散光ストライプの有効な発生源（たとえば検出器平面４０５における）から反射面４３０までの距離である。この式では、検出器４４０が発散光ストライプの有効な発生源（たとえば検出器平面４０５における）と同一平面上にあるものとする。

第２の検出器４４０からの出力は、以下のように表される。

ここで、Ｐは光源出力であり、ｋｄ２は変換器定数（設計及び／又は較正によって確定することができ、一般に検出器４４０’のサイズ、変換効率等によって決まる）であり、ｋｓ２は第２の光ビームに対し第２の検出器４４０’において強度を確定する、発散形状、第２の表面４３０’の反射率等を反映する定数全体であり、Ｌｃｏｍｐは第２の発散光ストライプの有効な発生源（たとえば検出器平面４０５’における）から第２の反射面４３０’までの距離である。この式では、検出器４４０’が、第２の発散光ストライプ源の有効な発生源（たとえば検出器平面４０５における）と同一平面上にあるものとする。

信号の比率は、

であり、

を代入し、Ｄ及びＦが設計によって一定であり、Ｌが可変距離である場合、

となり、

とし、上述の式を

と置き換え、さらに

と置き換えると、最終的に

となる。

以上に述べたように、本発明は、他の利点と共に、スケールレス位置変換器の位置に関して出力信号の線形化を提供することができる。上述したように、本発明に基づく一実施形態では、マイクロレンズアレイ又は回折光学素子を使用して、ダイオードレーザ、ＶＣＳＥＬ又はＬＥＤ光源から発生する光を含む発散光ストライプに沿って「頂部が平坦な」強度プロファイルを生成することができる。
発散光ストライプをこのように生成することにより、位置の変化に対応するシステムの出力は、反射面から発散光ストライプ源までの距離の逆数におよそ比例して変化するようになる。言い換えれば、電圧信号の一次導関数は、伝達関数の線形化を通じて位置に関しておよそ一定であり得る。

また、構成要素は製造が比較的安価であり、それは、ライン発生器のコストの大部分が、設計、試作及び原型作成においてもたらされ、そのため、ライン発生器及びシステムの原型が製作されると、複製、射出成形、圧縮成形、ウェブロール・ツー・ロール工程等の大量生産オプションを利用して、部品を低コストで製作することができるためである。
さらに、２つの検出器を使用するビーム分割手法又は二重ビーム手法により、温度変化及び光源出力変動から発生するオフセット及びドリフトに対する感度が低減する。ビーム分割手法により、ビーム構造化要素から出力される発散光ストライプにおける一定の不均一性及び／又は反射面の特性の変動に対する感度も低減させることができる。この技法により、信号の頑強性及び安定性が向上する。

なお、前述した実施形態では反射面１３０、２３０等をミラーとして説明したが、光散乱ランベルト面又は部分拡散面を別法として使用してもよく、本発明の利点の少なくともいくつかは保持される。こうした光散乱面からの反射強度の一般的な特性に関するいくつかの考慮事項については米国特許第４，８６５，４４３号に述べている。

本発明の好ましい実施形態を例示し説明したが、本開示に基づいて、例示し説明した、特徴の構成及び動作の順序における多数の変形が当業者には明らかであろう。このため、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本開示に対してさまざまな変更を行うことができる、ということが理解されよう。

本発明は、光学的に距離を測定する測距装置および測距方法として利用することができ、特に変位を測定するために構造化光強度を用いる測距装置および測距方法として利用できる。

本発明の第一実施形態であり、変位測定値を確定するために単一の検出器によって受け取られる、反射される構造化光ビームを利用する、測距装置の平面図である。 前記第一実施形態において、変位測定値を確定するために単一の検出器によって受け取られる、反射される構造化光ビームを利用する、測距装置の側面図である。 本発明の第二実施形態であり、構造化光ビームの部分がビームスプリッタによって分割され、変位測定値を確定するために２つの検出器によって受け取られる、測距装置の平面図である。 本発明の第三実施形態であり、構造化光ビームの部分がマルチパルミラー構成によって反射され、変位測定値を確定するために２つの検出器によって受け取られるためにビームスプリッタによって分割される、測距装置の等角図である。 本発明の第四実施形態であり、光源の両ファセットが、変位測定値を確定するために２つの検出器によって受け取られる２つの構造化光ビームに対する出力として利用される、測距装置の平面図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００ 測距装置
１０５，４０５ 検出器平面
１１０，２１０，３１０，４１０ 光源
１２０，２２０，３２０，４２０ ビーム構造化要素
１３０，２３０，３３０，４３０ 反射面（ミラー）
１４０，２４０，２４５，３４０，４４０ 検出器
２３５，３３５ ビームスプリッタ
３３２ マルチパスミラー
３５０ａ，３５０ｂ 光ストライプ
４１５ 検知ヘッド
４２０’ 反射ターゲット
Ｄ，Ｆ，Ｌ 距離
Ｏ１ 出力
Ｏ２ 出力
Ｒ 寸法
α，β 発散角
θ 角度

Claims (16)

1. 測定対象の表面までの距離を測定する測距装置であって、
   第１の光源と、
   前記第１の光源から光を受け取り構造化光ビームとして前記表面に向けて出力する第１の光ビーム構造化要素と、
   前記表面で反射された前記構造化光ビームの反射光のうち第１の部分を受け取り、受け取った前記第１の部分の光出力に対応する第１の光センサ信号を出力するように構成される第１の光センサと
   を具備し、
   前記第１の光ビーム構造化要素は、前記出力される構造化光ビームが第１の平面において第１の発散角に従って発散し、前記第１の平面に対して直交する第２の平面において第２の発散角に従って発散するように構成され、
   前記第１の発散角は前記第２の発散角の少なくとも２倍であり、
   前記表面までの前記距離は、少なくとも部分的に前記第１の光センサ信号に基づいて確定されることを特徴とする測距装置。
2. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記第１の光ビーム構造化要素は、前記第１の平面における角度の関数としての前記出力される構造化光ビームの強度が、少なくとも、距離測定値の定義された範囲にわたって前記第１の光センサによって受け取られる光に対応する均一な角度範囲にわたって、第１の均一性の範囲内になるように構成されることを特徴とする測距装置。
3. 請求項２に記載の測距装置において、
   前記第１の均一性の範囲は、前記均一な角度範囲全体にわたる前記出力される構造化光ビームの平均強度に比較して±１０％であることを特徴とする測距装置。
4. 請求項２に記載の測距装置において、
   前記第１の光ビーム構造化要素は、前記出力される構造化光ビームの各２度増分の平均強度が、前記均一な角度範囲全体にわたる前記出力される構造化光ビームの前記平均強度に比較して±５％内で、前記均一角度範囲にわたって均一であるように構成されることを特徴とする測距装置。
5. 請求項２から請求項４の何れかに記載の測距装置において、
   前記第１の光ビーム構造化要素は、部分的拡散構造化光ビームを出力するディフューザを含むことを特徴とする測距装置。
6. 請求項１から請求項５の何れかに記載の測距装置において、
   前記表面から反射される前記構造化光ビームの第２の部分を受け取ると共に、該反射される構造化光ビームの受け取られる該第２の部分の光出力に対応する第２の光センサ信号を出力するように構成される第２の光センサをさらに具備し、
   前記距離は、少なくとも部分的に前記第１の光センサ信号及び前記第２の光センサ信号に基づいて確定されることを特徴とする測距装置。
7. 請求項６に記載の測距装置において、
   前記第１の光センサ及び前記第２の光センサは、前記表面から異なる距離にあることを特徴とする測距装置。
8. 請求項７に記載の測距装置において、
   前記第１の光センサは、前記表面から第１の可変距離にあり、前記第２の光センサは、前記表面から該第１の可変距離に一定距離を足した距離にあることを特徴とする測距装置。
9. 請求項１から請求項８の何れかに記載の測距装置において、
   前記表面から反射される前記構造化光ビームの第２の部分を受け取ると共に、該反射される構造化光ビームの受け取られる該第２の部分の光出力に対応する第２の光センサ信号を出力するように構成される第２の光センサと、
   前記表面から反射される前記構造化光ビームの一部を入力し、前記第１の光センサによって受け取られる第１の検出器経路に沿った前記構造化光ビームの前記第１の部分を出力し、且つ前記第２の光センサによって受け取られる第２の検出器経路に沿った前記構造化光ビームの前記第２の部分を出力するように構成されるビームスプリッタと
   を具備し、
   前記表面までの前記距離は、少なくとも部分的に前記第１の光センサ信号及び前記第２の光センサ信号に基づいて確定されることを特徴とする測距装置。
10. 請求項９に記載の測距装置において、
    前記第１の検出器経路及び前記第２の検出器経路は長さが異なることを特徴とする測距装置。
11. 請求項１から請求項１０の何れかに記載の測距装置において、
    前記第１の光源から出力指示光を受け取り、該出力指示光の光出力に対応する第２の光センサ信号を出力するように構成される第２の光センサをさらに具備し、
    前記距離は、少なくとも部分的に前記第１の光センサ信号及び前記第２の光センサ信号に基づいて確定されることを特徴とする測距装置。
12. 請求項１１に記載の測距装置において、
    前記出力指示光は前記第１の光源の後部ファセットによって出力されることを特徴とする測距装置。
13. 請求項１から請求項１２の何れかに記載の測距装置において、
    第２の光源と、
    前記第２の光源から光を受け取り第２の表面に向かって第２の構造化光ビームを出力にするように構成される第２の光ビーム構造化要素と、
    前記第２の表面から反射される前記第２の構造化光ビームの部分を受け取り、該反射される第２の構造化光ビームの該受け取られる部分の光出力に対応する第２の光センサ信号を出力するように構成される第２の光センサと
    を具備し、
    前記第２の光ビーム構造化要素は、前記第２の出力される構造化光ビームが前記第１の平面において第３の発散角に従って発散し、前記第１の平面に対して直交する前記第２の平面において第４の発散角に従って発散するように構成され、
    前記第３の発散角は前記第４の発散角の少なくとも２倍であり、
    前記表面までの前記距離は、少なくとも部分的に前記第１の光センサ信号及び前記第２の光センサ信号に基づいて確定されることを特徴とする測距装置。
14. 請求項１３に記載の測距装置において、
    前記第２の光源は前記第１の光源の後部ファセットを具備することを特徴とする測距装置。
15. 測定対象の表面までの距離を測定する測距方法であって、
    前記表面に向かって構造化光ビームを出力する手順と、
    前記表面から反射される前記構造化光ビームの第１の部分を受け取ると共に、該反射される構造化光ビームの該第１の受け取られる部分の光出力に対応する第１の光センサ信号を出力する手順と
    を含み、
    前記出力される構造化光ビームは、第１の平面において第１の発散角に従って発散し、該第１の平面に対して直交する第２の平面において第２の発散角に従って発散し、
    前記第１の発散角は前記第２の発散角の少なくとも２倍であり、
    前記表面までの前記距離は、少なくとも部分的に前記第１の光センサ信号に基づいて確定されることを特徴とする測距方法。
16. 請求項１５に記載の測距方法において、
    前記表面から反射される前記構造化光ビームの第２の部分を受け取り、該反射される構造化光ビームの該第２の受け取られる部分の光出力に対応する第２の光センサ信号を出力することをさらに含み、前記距離は、少なくとも部分的に前記第１の光センサ信号及び前記第２の光センサ信号に基づいて確定されることを特徴とする測距方法。

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