JP2524048B2 - 変位計測装置 - Google Patents
変位計測装置Info
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- JP2524048B2 JP2524048B2 JP4067274A JP6727492A JP2524048B2 JP 2524048 B2 JP2524048 B2 JP 2524048B2 JP 4067274 A JP4067274 A JP 4067274A JP 6727492 A JP6727492 A JP 6727492A JP 2524048 B2 JP2524048 B2 JP 2524048B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光学式の変位計測装置に
関する。
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、被測定物の変位量を非接触で計測
する方法として、被測定物上に光源を設置し、２つの二
次元用半導体位置検出器（二次元ＰＳＤ）を基準となる
位置に一定間隔で設置し、受光レンズにより２つのＰＳ
Ｄに集光して入射する光点位置の変位量から、被測定物
の変位量を検出する方式がよく用いられていた。
する方法として、被測定物上に光源を設置し、２つの二
次元用半導体位置検出器（二次元ＰＳＤ）を基準となる
位置に一定間隔で設置し、受光レンズにより２つのＰＳ
Ｄに集光して入射する光点位置の変位量から、被測定物
の変位量を検出する方式がよく用いられていた。
【０００３】第７図は、一般的な一次元ＰＳＤの構成
図、第８図は第７図のＰＳＤを用いた変位計測装置の構
成図である。
図、第８図は第７図のＰＳＤを用いた変位計測装置の構
成図である。
【０００４】第７図において一般的なＰＳＤ２５は、Ｎ
+ 型半導体層２７と、高抵抗のＮ型半導体層２８と、抵
抗率が均一なＰ型半導体層２９とが順次に積層されて形
成されている。Ｎ型半導体層２８およびＰ型半導体層２
９はフォトダイオードを構成しており、Ｎ+ 型半導体層
２７にはフォトダイオードに逆バイアスの電圧を印加す
るための共通電極３０が設けられている。また、Ｐ型半
導体層２９の両端部には一対の電極３１，３２が設けら
れている。
+ 型半導体層２７と、高抵抗のＮ型半導体層２８と、抵
抗率が均一なＰ型半導体層２９とが順次に積層されて形
成されている。Ｎ型半導体層２８およびＰ型半導体層２
９はフォトダイオードを構成しており、Ｎ+ 型半導体層
２７にはフォトダイオードに逆バイアスの電圧を印加す
るための共通電極３０が設けられている。また、Ｐ型半
導体層２９の両端部には一対の電極３１，３２が設けら
れている。
【０００５】このＰＳＤ２５の共通電極３０に所定の電
圧を印加し、位置ＳＰのところに光点が入射したとする
と、位置ＳＰの下方のＰ型半導体層２９とＮ型半導体層
２８とのｐｎ接合部には電子−正孔対が生じ、これによ
り光点の入射エネルギーに比例した光電流ＩO が共通電
極３０からＰ型半導体層２９に向って流れる。
圧を印加し、位置ＳＰのところに光点が入射したとする
と、位置ＳＰの下方のＰ型半導体層２９とＮ型半導体層
２８とのｐｎ接合部には電子−正孔対が生じ、これによ
り光点の入射エネルギーに比例した光電流ＩO が共通電
極３０からＰ型半導体層２９に向って流れる。
【０００６】ところで、電極３１，３２間の距離をｃと
し、その間のＰ型半導体層２９の抵抗をＲC とし、さら
に光点入射位置ＳＰと電極３２との間の距離をｘとし、
その間のＰ型半導体層２９の抵抗をＲX とすれば、光電
流ＩO は光点入射位置ＳＰのところで、Ｐ型半導体層２
９の抵抗によって分割される。すなわち、電極３１への
電流ＩA および電極３２への電流ＩB は、それぞれ、電
極３１と光点入射位置ＳＰとの間のＰ型半導体層２９の
抵抗（ＲC −ＲX ）、電極３２と光点入射位置ＳＰとの
間のＰ型半導体層２９の抵抗ＲX に反比例するように分
割され、 ＩA ＝ＩO ・〔ＲX ／ＲC 〕 ＩB ＝ＩO ・〔（ＲC −ＲX ）／ＲC 〕…（１） のようになる。
し、その間のＰ型半導体層２９の抵抗をＲC とし、さら
に光点入射位置ＳＰと電極３２との間の距離をｘとし、
その間のＰ型半導体層２９の抵抗をＲX とすれば、光電
流ＩO は光点入射位置ＳＰのところで、Ｐ型半導体層２
９の抵抗によって分割される。すなわち、電極３１への
電流ＩA および電極３２への電流ＩB は、それぞれ、電
極３１と光点入射位置ＳＰとの間のＰ型半導体層２９の
抵抗（ＲC −ＲX ）、電極３２と光点入射位置ＳＰとの
間のＰ型半導体層２９の抵抗ＲX に反比例するように分
割され、 ＩA ＝ＩO ・〔ＲX ／ＲC 〕 ＩB ＝ＩO ・〔（ＲC −ＲX ）／ＲC 〕…（１） のようになる。
【０００７】前述のように、Ｐ型半導体層２９の抵抗率
は均一に分布しているので、抵抗ＲX ，ＲC は距離ｘ，
ｃにそれぞれ同じ比例定数で比例する。
は均一に分布しているので、抵抗ＲX ，ＲC は距離ｘ，
ｃにそれぞれ同じ比例定数で比例する。
【０００８】従って、（１）式は、 ＩA ＝ＩO ・ｘ／ｃ ＩB ＝ＩO ・〔（ｃ−ｘ）／ｃ〕 …（２） のように表現される。
【０００９】（２）式からわかるように、電流ＩA ・Ｉ
B を電極３１，３２から取り出し、所定の演算回路（図
示せず）において所定のアナログ演算処理を施すこと
で、電極３２から光点入射位置ＳＰまでの距離ｘを求め
ることができる。
B を電極３１，３２から取り出し、所定の演算回路（図
示せず）において所定のアナログ演算処理を施すこと
で、電極３２から光点入射位置ＳＰまでの距離ｘを求め
ることができる。
【００１０】第７図は一次元計測用の半導体位置検出器
（一次元ＰＳＤ）の構成で図示されているが、同図の紙
面に垂直の方向にも一対の電極を配置することにより、
二次元計測用のＰＳＤ（例えば浜松ホトニクス（株）の
Ｓ１２００等）を実現することができる。
（一次元ＰＳＤ）の構成で図示されているが、同図の紙
面に垂直の方向にも一対の電極を配置することにより、
二次元計測用のＰＳＤ（例えば浜松ホトニクス（株）の
Ｓ１２００等）を実現することができる。
【００１１】第８図において、一般的な変位計測装置
は、被測定物９上に光源１０を設置し、基準となる支持
台１５上に２式の受光レンズ１１，１３と二次元ＰＳＤ
１２，１４を設置した構成になっている。同図におい
て、各座標軸は図示した矢印のごとく、ｘ軸、ｚ軸また
紙面に垂直な方向をｙ軸に設定する。光源１０の発光光
束の一部は受光レンズ１１及び１３により、二次元ＰＳ
Ｄ１２及び１４の受光面上に集光される。
は、被測定物９上に光源１０を設置し、基準となる支持
台１５上に２式の受光レンズ１１，１３と二次元ＰＳＤ
１２，１４を設置した構成になっている。同図におい
て、各座標軸は図示した矢印のごとく、ｘ軸、ｚ軸また
紙面に垂直な方向をｙ軸に設定する。光源１０の発光光
束の一部は受光レンズ１１及び１３により、二次元ＰＳ
Ｄ１２及び１４の受光面上に集光される。
【００１２】ここで、受光レンズ１１と１３の間隔を２
Ｂ、受光レンズ１１，１３と二次元ＰＳＤ１２，１４の
間隔をｆとし、光源１０と受光レンズ１１，１３の間隔
をＬとすると、被測定物９のｘ軸及びｙ軸の変位量△ｘ
0 ，△ｙO に対して、二次元ＰＳＤ１２及び１４の受光
面上に集光されたスポット光の変位量△ｘ1 ，△ｙ1と
の間には、下記の（３）式及び（４）式の関係が成り立
つ。
Ｂ、受光レンズ１１，１３と二次元ＰＳＤ１２，１４の
間隔をｆとし、光源１０と受光レンズ１１，１３の間隔
をＬとすると、被測定物９のｘ軸及びｙ軸の変位量△ｘ
0 ，△ｙO に対して、二次元ＰＳＤ１２及び１４の受光
面上に集光されたスポット光の変位量△ｘ1 ，△ｙ1と
の間には、下記の（３）式及び（４）式の関係が成り立
つ。
【００１３】 △ｘ1 ＝−（ｆ／Ｌ）△ｘ0 …（３） △ｙ1 ＝−（ｆ／Ｌ）△ｙ0 …（４） また、ｚ軸方向の変位量△ｚ0 に対して、二次元ＰＳＤ
１２及び１４の受光面上に集光されたスポット光の変位
量をそれぞれ△ｚ12，△ｚ14とすると、下記の（５），
（６）式の関係が成り立つ。
１２及び１４の受光面上に集光されたスポット光の変位
量をそれぞれ△ｚ12，△ｚ14とすると、下記の（５），
（６）式の関係が成り立つ。
【００１４】 △ｚ12＝Ｂ・ｆ｛１／（Ｌ−△ｚ0 ）−１／Ｌ｝ …（５） △ｚ14＝−Ｂ・ｆ｛１／（Ｌ−△ｚ0 ）−１／Ｌ｝…（６） ２つの二次元ＰＳＤより検出されるスポット光の変位量
△ｘ1 ，△ｙ1 ，△ｚ12，△ｚ14より、逆に被測定物９
の三次元変位量を求めることができる。
△ｘ1 ，△ｙ1 ，△ｚ12，△ｚ14より、逆に被測定物９
の三次元変位量を求めることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】このような変位計測装
置にＰＳＤを用いる利点は、次の通りである。すなわ
ち、受光面上に集光されたスポット光の位置を求めるた
めに、（１）式より信号光電流を抵抗分割して検出して
いるため、ＣＣＤカメラと異なりＰＳＤでは、無段階の
位置検出が可能なことである。しかし、実際にはＰＳＤ
及び信号光電流の増幅回路で発生する雑音のために、位
置分解能は信号光電流値対増幅回路への入力換算雑音電
流値の比で制限されてしまう。即ち、ＰＳＤに入射する
信号光の強度が大きい程、位置分解能を向上できること
になる。
置にＰＳＤを用いる利点は、次の通りである。すなわ
ち、受光面上に集光されたスポット光の位置を求めるた
めに、（１）式より信号光電流を抵抗分割して検出して
いるため、ＣＣＤカメラと異なりＰＳＤでは、無段階の
位置検出が可能なことである。しかし、実際にはＰＳＤ
及び信号光電流の増幅回路で発生する雑音のために、位
置分解能は信号光電流値対増幅回路への入力換算雑音電
流値の比で制限されてしまう。即ち、ＰＳＤに入射する
信号光の強度が大きい程、位置分解能を向上できること
になる。
【００１６】従来の変位計測装置においては、被測定物
上に設置された光源の発光光束のうち、ごく一部を受光
レンズによりＰＳＤの受光面上に集光しているため、高
分解能を得るためには光源の発光強度を非常に大きくし
なければならない。また、ＰＳＤの受光面に集光された
スポット光の変位量は、（３）式及び（４）式に示され
るごとく、“光源と受光レンズ”の間隔Ｌと“受光レン
ズとＰＳＤ”の間隔ｆの比になるために、間隔Ｌを長く
とる必要のある計測系においては、受光レンズ系が非常
に大型化してしまい、実用に適さないという問題があっ
た。
上に設置された光源の発光光束のうち、ごく一部を受光
レンズによりＰＳＤの受光面上に集光しているため、高
分解能を得るためには光源の発光強度を非常に大きくし
なければならない。また、ＰＳＤの受光面に集光された
スポット光の変位量は、（３）式及び（４）式に示され
るごとく、“光源と受光レンズ”の間隔Ｌと“受光レン
ズとＰＳＤ”の間隔ｆの比になるために、間隔Ｌを長く
とる必要のある計測系においては、受光レンズ系が非常
に大型化してしまい、実用に適さないという問題があっ
た。
【００１７】上記の問題に加えて、従来装置では一応、
三次元変位量は計測できるものの、被測定物が各座標軸
上での回転変位を伴う場合、この変位量を計測できない
という問題があった。本発明は、これら問題点を解決す
ることを課題とする。
三次元変位量は計測できるものの、被測定物が各座標軸
上での回転変位を伴う場合、この変位量を計測できない
という問題があった。本発明は、これら問題点を解決す
ることを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明に係る変位計測装
置は、第１の物体と第２の物体の間の相対的な三次元変
位を光学的に計測する変位計測装置において、第１の物
体に取り付けられた二次元光入射位置検出素子と、第２
の物体に所定の間隔で取り付けられ、時分割で点灯駆動
される光源とこの光源からの光を二次元光入射位置検出
素子の受光面にそれぞれ光スポットとして集光する集光
光学系を有する複数の投光手段と、受光面におけるそれ
ぞれの光ビームの入射スポット位置の基準位置からの変
位量を前記光源の点灯タイミングに同期して時分割で交
互に前記変位量を演算する演算手段とを備え、それぞれ
の演算された変位量にもとづき第１，第２物体間の相対
的な三次元変位を計測することを特徴とする。
置は、第１の物体と第２の物体の間の相対的な三次元変
位を光学的に計測する変位計測装置において、第１の物
体に取り付けられた二次元光入射位置検出素子と、第２
の物体に所定の間隔で取り付けられ、時分割で点灯駆動
される光源とこの光源からの光を二次元光入射位置検出
素子の受光面にそれぞれ光スポットとして集光する集光
光学系を有する複数の投光手段と、受光面におけるそれ
ぞれの光ビームの入射スポット位置の基準位置からの変
位量を前記光源の点灯タイミングに同期して時分割で交
互に前記変位量を演算する演算手段とを備え、それぞれ
の演算された変位量にもとづき第１，第２物体間の相対
的な三次元変位を計測することを特徴とする。
【００１９】
【作用】本発明の構成によれば、集光光学系を有さない
第１の物体と集光光学系を有する第２の物体の間で相対
的な変位があると、投光手段からの投光ビームのスポッ
ト光位置が受光面上で変位する。ここにおいて、本発明
の変位計測装置においては、第２の物体に設置された投
光手段の集光光学系で光源の発光光束のほぼ全部を半導
体位置検出器の受光面上に集光できるため、強力な光源
を必要とせず、高分解能の三次元変位と回転変位を計測
する変位計測装置を実現させることができる。
第１の物体と集光光学系を有する第２の物体の間で相対
的な変位があると、投光手段からの投光ビームのスポッ
ト光位置が受光面上で変位する。ここにおいて、本発明
の変位計測装置においては、第２の物体に設置された投
光手段の集光光学系で光源の発光光束のほぼ全部を半導
体位置検出器の受光面上に集光できるため、強力な光源
を必要とせず、高分解能の三次元変位と回転変位を計測
する変位計測装置を実現させることができる。
【００２０】
【実施例】図１は本発明の変位計測装置における一実施
例を示す。同図において、基準となる支持台１に２式の
光源３，５と投光レンズ４，６を所定の間隔に設置し、
２つの光源３及び５の発光光束を各投光レンズ４，６に
より、被測定物２の上に設置された二次元ＰＳＤの受光
面上に集光させる。光源３及び５を時分割で交互に点灯
駆動させると、各発光光束のほぼ全体を二次元用ＰＳＤ
の受光面上に集光できることになる。
例を示す。同図において、基準となる支持台１に２式の
光源３，５と投光レンズ４，６を所定の間隔に設置し、
２つの光源３及び５の発光光束を各投光レンズ４，６に
より、被測定物２の上に設置された二次元ＰＳＤの受光
面上に集光させる。光源３及び５を時分割で交互に点灯
駆動させると、各発光光束のほぼ全体を二次元用ＰＳＤ
の受光面上に集光できることになる。
【００２１】ここで、投光レンズ４と６の間隔をＢと
し、投光レンズ４，６と二次元ＰＳＤの間隔をＬとし、
三次元座標系の設定において、同図右側の矢印で示すご
とく、ｘ軸及びｚ軸を同図平面上に設定し、またｙ軸を
同図紙面に垂直の方向に設定すると、被測定物２のｚ軸
方向の変位（点線で描いた二次元ＰＳＤの受光面上での
スポット光の変位）は基準距離Ｌの前後で互いに逆方向
に変位する。
し、投光レンズ４，６と二次元ＰＳＤの間隔をＬとし、
三次元座標系の設定において、同図右側の矢印で示すご
とく、ｘ軸及びｚ軸を同図平面上に設定し、またｙ軸を
同図紙面に垂直の方向に設定すると、被測定物２のｚ軸
方向の変位（点線で描いた二次元ＰＳＤの受光面上での
スポット光の変位）は基準距離Ｌの前後で互いに逆方向
に変位する。
【００２２】次に、被測定物２の三次元座標系における
各軸方向の変位と、二次元ＰＳＤの受光面上に集光され
たスポット光の変位との関係について説明する。図２で
は、被測定物２上に設置された二次元ＰＳＤの受光面上
におけるスポット光の変位の様子が図示されている。実
線で描かれているスポット光ＳＰ2 及びＳＰ3 は、被測
定物２を基準位置に置き、図１に示す光源３及び５と投
光レンズ４及び６で受光面上に集光されたときの、それ
ぞれのスポット光を示している。被測定物２がｘ軸方向
に変位した時、２つのスポット光の変位は図２（ａ）の
点線で示される。この場合、２つのスポット光はＣ1 だ
け変位し、被測定物２の変位量△ｘとスポット光の変位
量Ｃ1 との関係は、下記の（７）式になる。
各軸方向の変位と、二次元ＰＳＤの受光面上に集光され
たスポット光の変位との関係について説明する。図２で
は、被測定物２上に設置された二次元ＰＳＤの受光面上
におけるスポット光の変位の様子が図示されている。実
線で描かれているスポット光ＳＰ2 及びＳＰ3 は、被測
定物２を基準位置に置き、図１に示す光源３及び５と投
光レンズ４及び６で受光面上に集光されたときの、それ
ぞれのスポット光を示している。被測定物２がｘ軸方向
に変位した時、２つのスポット光の変位は図２（ａ）の
点線で示される。この場合、２つのスポット光はＣ1 だ
け変位し、被測定物２の変位量△ｘとスポット光の変位
量Ｃ1 との関係は、下記の（７）式になる。
【００２３】 △ｘ＝−Ｃ1 …（７） 同様に、被測定物２のｙ軸変位（△ｙ）に対するスポッ
ト光の変位（Ｃ2 ）の様子を図２（ｂ）に示す。この時
も、変位量△ｙとＣ2 の間には下記の（８）式が成り立
つ。
ト光の変位（Ｃ2 ）の様子を図２（ｂ）に示す。この時
も、変位量△ｙとＣ2 の間には下記の（８）式が成り立
つ。
【００２４】 △ｙ＝−Ｃ2 …（８） 被測定物２のｚ軸変位に対して、ＰＳＤの受光面上に集
光されたスポット光の変位の様子は、ｘ軸変位及びｙ軸
変位と異なる。即ち、ｘ軸及びｙ軸の変位における２つ
のスポット光の変位は、同一方向に同じ値であるが、ｚ
軸変位の場合、図２（ｃ）に示すごとく集光されたスポ
ット光ＳＰ2 とＳＰ3 の変位方向は互いに逆方向であ
る。また、被測定物のｚ軸変位量△ｚと受光面上の２つ
のスポット光の変位量Ｃ3 の間には、下記の（９）式が
成り立つ。
光されたスポット光の変位の様子は、ｘ軸変位及びｙ軸
変位と異なる。即ち、ｘ軸及びｙ軸の変位における２つ
のスポット光の変位は、同一方向に同じ値であるが、ｚ
軸変位の場合、図２（ｃ）に示すごとく集光されたスポ
ット光ＳＰ2 とＳＰ3 の変位方向は互いに逆方向であ
る。また、被測定物のｚ軸変位量△ｚと受光面上の２つ
のスポット光の変位量Ｃ3 の間には、下記の（９）式が
成り立つ。
【００２５】 △ｚ＝Ｃ3 Ｌ／Ｂ …（９） 図１に示す実施例の構成により、強力な光源を必要とせ
ずに、高分解能の三次元変位計測が可能となる。但し、
３軸の回転変位のうち、ｚ軸の回転変位は検出可能であ
るが、ｘ軸及びｙ軸の正確な回転変位を検出することが
できない。
ずに、高分解能の三次元変位計測が可能となる。但し、
３軸の回転変位のうち、ｚ軸の回転変位は検出可能であ
るが、ｘ軸及びｙ軸の正確な回転変位を検出することが
できない。
【００２６】図３は高分解能の三次元変位計測と共に、
３軸の回転変位を計測可能にした変位計測装置の構成図
である。同図において、被測定物２の上に剛体からなる
支持台２´を設置し、この上に二次元ＰＳＤ、半透明鏡
ＢＳ及び光源７と投光レンズ８が設置されている。一
方、基準となる剛体の支持台１には、図１と同様に二式
の光源３及び５と投光レンズ４及び６が所定の間隔で設
置されており、これに加えて、反射鏡Ｍが設置されてい
る。
３軸の回転変位を計測可能にした変位計測装置の構成図
である。同図において、被測定物２の上に剛体からなる
支持台２´を設置し、この上に二次元ＰＳＤ、半透明鏡
ＢＳ及び光源７と投光レンズ８が設置されている。一
方、基準となる剛体の支持台１には、図１と同様に二式
の光源３及び５と投光レンズ４及び６が所定の間隔で設
置されており、これに加えて、反射鏡Ｍが設置されてい
る。
【００２７】光源７の発光光束は投光レンズ８により半
透明鏡ＢＳで反射させられ、支持台１に設置された反射
鏡Ｍでさらに反射させられ、半透明鏡ＢＳに再び入射す
る。そして、半透明鏡ＢＳを透過した光束が、二次元Ｐ
ＳＤの受光面上のほぼ中心に集光されている。
透明鏡ＢＳで反射させられ、支持台１に設置された反射
鏡Ｍでさらに反射させられ、半透明鏡ＢＳに再び入射す
る。そして、半透明鏡ＢＳを透過した光束が、二次元Ｐ
ＳＤの受光面上のほぼ中心に集光されている。
【００２８】図４は図３に示す実施例の構成の斜視図で
ある。光源７と投光レンズ８で投光手段Ｓ1 を形成し、
この投光ビームは二次元ＰＳＤの受光面上のほぼ中心位
置にスポット光ＳＰ1 として集光されている。また、光
源３と投光レンズ４で投光手段Ｓ2 を、光源５と投光レ
ンズ６で投光手段Ｓ3 をそれぞれ形成しており、投光手
段Ｓ2 及びＳ3 はｙ軸方向に２ａの段差をもって設置さ
れており、これらの投光ビームは二次元ＰＳＤの受光面
上にスポット光ＳＰ2 及びＳＰ3 として集光されてい
る。スポット光ＳＰ2 とＳＰ3 のｙ軸方向における間隔
は、投光手段Ｓ2とＳ3 の段差２ａと等しくなるように
設定されている。
ある。光源７と投光レンズ８で投光手段Ｓ1 を形成し、
この投光ビームは二次元ＰＳＤの受光面上のほぼ中心位
置にスポット光ＳＰ1 として集光されている。また、光
源３と投光レンズ４で投光手段Ｓ2 を、光源５と投光レ
ンズ６で投光手段Ｓ3 をそれぞれ形成しており、投光手
段Ｓ2 及びＳ3 はｙ軸方向に２ａの段差をもって設置さ
れており、これらの投光ビームは二次元ＰＳＤの受光面
上にスポット光ＳＰ2 及びＳＰ3 として集光されてい
る。スポット光ＳＰ2 とＳＰ3 のｙ軸方向における間隔
は、投光手段Ｓ2とＳ3 の段差２ａと等しくなるように
設定されている。
【００２９】ここで、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸をそれぞれ回転
軸とする回転変位量をθx ，θy ，θz とすると、被測
定物２の三次元移動変位量△ｘ，△ｙ，△ｚ及び回転変
位量θx ，θy ，θz と、二次元ＰＳＤの受光面上にお
けるスポット光ＳＰ1 ，ＳＰ2 ，ＳＰ3 の各変位量Ｃ1
〜Ｃ8 との関係は図５，６に示すごとくなる。
軸とする回転変位量をθx ，θy ，θz とすると、被測
定物２の三次元移動変位量△ｘ，△ｙ，△ｚ及び回転変
位量θx ，θy ，θz と、二次元ＰＳＤの受光面上にお
けるスポット光ＳＰ1 ，ＳＰ2 ，ＳＰ3 の各変位量Ｃ1
〜Ｃ8 との関係は図５，６に示すごとくなる。
【００３０】図５，６はスポット光の変位の説明図であ
る。被測定物の三次元移動変位量△ｘ，△ｙ，△ｚと受
光面上に集光されたスポット光ＳＰ1 ，ＳＰ2 ，ＳＰ3
の変位量Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 との関係は、図５（ａ）〜
（ｃ）に示されており、それぞれの関係式は、前述の
（７）〜（９）式が適用可能である。但し、ｚ軸の移動
変位量△ｚ軸に関しては、回転変位量θz との判別をす
る必要があるため、スポット光ＳＰ2 とＳＰ3 の間隔の
変位量Ｃ4 に係わる条件として、下記の（１０）式が与
えられる。
る。被測定物の三次元移動変位量△ｘ，△ｙ，△ｚと受
光面上に集光されたスポット光ＳＰ1 ，ＳＰ2 ，ＳＰ3
の変位量Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 との関係は、図５（ａ）〜
（ｃ）に示されており、それぞれの関係式は、前述の
（７）〜（９）式が適用可能である。但し、ｚ軸の移動
変位量△ｚ軸に関しては、回転変位量θz との判別をす
る必要があるため、スポット光ＳＰ2 とＳＰ3 の間隔の
変位量Ｃ4 に係わる条件として、下記の（１０）式が与
えられる。
【００３１】 Ｃ4 ＝（４ａ2 ＋Ｃ3 2 ）1/2 …（１０） （１０）式で与えられる条件の意味するところは、次の
通りである。即ち、被測定物２のｚ軸移動変位量△ｚに
対して、スポット光ＳＰ1 は変位せずに、スポット光Ｓ
Ｐ2 とＳＰ3 がｘ軸に平行な方向にのみ変位し、しかも
互いに逆の方向に変位することを示唆している。
通りである。即ち、被測定物２のｚ軸移動変位量△ｚに
対して、スポット光ＳＰ1 は変位せずに、スポット光Ｓ
Ｐ2 とＳＰ3 がｘ軸に平行な方向にのみ変位し、しかも
互いに逆の方向に変位することを示唆している。
【００３２】図６（ａ）は、被測定物２におけるｘ軸を
回転軸とする回転変位量θx と、受光面上に集光された
スポット光ＳＰ1 〜ＳＰ3 の変位の様子を示す。回転変
位量θｘに対してスポット光ＳＰ1 のみが敏感に変位
し、この変位量をＣ5 とすると（１１）式の関係が成り
立つ。
回転軸とする回転変位量θx と、受光面上に集光された
スポット光ＳＰ1 〜ＳＰ3 の変位の様子を示す。回転変
位量θｘに対してスポット光ＳＰ1 のみが敏感に変位
し、この変位量をＣ5 とすると（１１）式の関係が成り
立つ。
【００３３】 θx ＝ｓｉｎ-1｛〔（Ｌ／２Ｃ5 ）2 ＋０．５〕1/2 −Ｌ／２Ｃ5 ｝ …（１１） これに対して、スポット光ＳＰ2 とＳＰ3 はｙ軸方向に
平行な方向にわずかに変位するだけであり、スポット光
ＳＰ2 とＳＰ3 の間隔をＣ6 とすると、回転変位量θx
との間には（１２）式が成り立つ。
平行な方向にわずかに変位するだけであり、スポット光
ＳＰ2 とＳＰ3 の間隔をＣ6 とすると、回転変位量θx
との間には（１２）式が成り立つ。
【００３４】θx ＝ｃｏｓ-1｛２ａ／Ｃ6 ｝…（１２） 図６（ｂ）はｙ軸を回転軸とする回転変位量θy と、ス
ポット光ＳＰ1 〜ＳＰ3の変位の様子を示す。この場
合、スポット光ＳＰ2 とＳＰ3 は変位せず、スポット光
ＳＰ1 のみがｘ軸方向に敏感に変位する。この変位量を
Ｃ7 とすると、回転変位量θy の間には（１３）式が成
り立つ。
ポット光ＳＰ1 〜ＳＰ3の変位の様子を示す。この場
合、スポット光ＳＰ2 とＳＰ3 は変位せず、スポット光
ＳＰ1 のみがｘ軸方向に敏感に変位する。この変位量を
Ｃ7 とすると、回転変位量θy の間には（１３）式が成
り立つ。
【００３５】 θy ＝ｓｉｎ-1｛〔（Ｌ／２Ｃ7 ）2 ＋０．５〕1/2 −Ｌ／２Ｃ7 ｝…（１３ ） 但し、スポット光ＳＰ2 、ＳＰ3 は変位しないことが条
件となる。
件となる。
【００３６】図６（ｃ）はｚ軸を回転軸とする回転変位
量θz と、スポット光ＳＰ1 〜ＳＰ3 の変位の様子を示
す。この場合、スポット光ＳＰ1 は変位せず、スポット
光ＳＰ2 とＳＰ3 がスポット光ＳＰ1 を回転中心として
Ψだけ回転する。それ故、被測定物２の回転変位量θz
との間には（１４）式が成り立つ。
量θz と、スポット光ＳＰ1 〜ＳＰ3 の変位の様子を示
す。この場合、スポット光ＳＰ1 は変位せず、スポット
光ＳＰ2 とＳＰ3 がスポット光ＳＰ1 を回転中心として
Ψだけ回転する。それ故、被測定物２の回転変位量θz
との間には（１４）式が成り立つ。
【００３７】θz ＝−Ψ…（１４） ここで、ｚ軸の移動変位量Δｚとの判別をする必要があ
り、スポット光ＳＰ1 とＳＰ2 の間隔をＣ8 とすると、
下記（１５）式が成り立つ。
り、スポット光ＳＰ1 とＳＰ2 の間隔をＣ8 とすると、
下記（１５）式が成り立つ。
【００３８】Ｃ8 ＝２ａ…（１５） （１５）式の条件を与えることにより、ｚ軸の移動変位
量Δｚと判別することができる。
量Δｚと判別することができる。
【００３９】なお、実施例には示さなかったが、基準と
なる支持台に二式の投光手段を設置できない環境下での
計測が必要になる場合がある。たとえば、物理空間的に
投光手段を設置するスペースがない場合や、高温で光源
に可視光用半導体レーザーを用いることのできない環境
下での測定が必要になる場合である。この様な場合、光
ファイバーを用いて三式の投光手段の位置に信号光を転
送し、また光イメージガイドで二次元ＰＳＤの受光面位
置のスポット光の画像を転送することにより、図４に示
す構成と等価な変位計測装置を実現することができる。
なる支持台に二式の投光手段を設置できない環境下での
計測が必要になる場合がある。たとえば、物理空間的に
投光手段を設置するスペースがない場合や、高温で光源
に可視光用半導体レーザーを用いることのできない環境
下での測定が必要になる場合である。この様な場合、光
ファイバーを用いて三式の投光手段の位置に信号光を転
送し、また光イメージガイドで二次元ＰＳＤの受光面位
置のスポット光の画像を転送することにより、図４に示
す構成と等価な変位計測装置を実現することができる。
【００４０】
【発明の効果】以上詳しく述べてきたように、本発明の
変位計測装置によれば、強力な光源を用いることなし
に、高分解能な三次元移動変位量と３軸の回転変位量を
求めることができる。また、基準となる支持台と被測定
物の間隔を長くとる必要がある測定系においても、光源
の発光光束のほぼ全光量を二次元用半導体位置検出器
（ＰＳＤ）の受光面上に集光することができるため、近
接した測定系と同様の高精度な検出が可能となる利点が
ある。
変位計測装置によれば、強力な光源を用いることなし
に、高分解能な三次元移動変位量と３軸の回転変位量を
求めることができる。また、基準となる支持台と被測定
物の間隔を長くとる必要がある測定系においても、光源
の発光光束のほぼ全光量を二次元用半導体位置検出器
（ＰＳＤ）の受光面上に集光することができるため、近
接した測定系と同様の高精度な検出が可能となる利点が
ある。
【図１】第１実施例の構成図。
【図２】第１実施例におけるスポット光の変位図。
【図３】第２実施例の構成図。
【図４】第２実施例の斜視図。
【図５】第２実施例におけるスポット光の変位図。
【図６】第２実施例におけるスポット光の変位図。
【図７】半導体位置検出器の構成図。
【図８】従来の構成図。
１…支持台、２…被測定物、３，５…光源、４，６…投
光レンズ。
光レンズ。
Claims (2)
- 【請求項１】 第１の物体と第２の物体の間の相対的な
三次元変位を光学的に計測する変位計測装置において、 前記第１の物体に取り付けられた二次元光入射位置検出
素子と、 前記第２の物体に所定の間隔で取り付けられ、時分割で
点灯駆動される光源とこの光源からの光を前記二次元光
入射位置検出素子の受光面にそれぞれ光スポットとして
集光する集光光学系を有する複数の投光手段と、 前記受光面におけるそれぞれの前記光ビームの入射スポ
ット位置の基準位置からの変位量を前記光源の点灯タイ
ミングに同期して時分割で交互に前記変位量を演算する
演算手段とを備え、それぞれの前記演算された変位量に
もとづき前記第１，第２物体間の相対的な三次元変位を
計測することを特徴とする変位計測装置。 - 【請求項２】 前記受光面の前面の前記第１の物体に取
り付けられた半透明鏡と、前記半透明鏡に光ビームを投
射するよう前記第１の物体に取り付けられた別の投光手
段と、前記半透明鏡を挟んで前記受光面に対向するよう
前記第２の物体に取り付けられ、前記半透明鏡からの反
射光束を当該半透明鏡に向けて反射する全反射鏡とを更
に備え、前記別の投光手段からの光ビームのうち前記半
透明鏡を透過した前記全反射鏡の反射光束が前記受光面
の略中心に入射されるようにした請求項１記載の変位計
測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4067274A JP2524048B2 (ja) | 1992-03-25 | 1992-03-25 | 変位計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4067274A JP2524048B2 (ja) | 1992-03-25 | 1992-03-25 | 変位計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05272917A JPH05272917A (ja) | 1993-10-22 |
| JP2524048B2 true JP2524048B2 (ja) | 1996-08-14 |
Family
ID=13340229
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4067274A Expired - Fee Related JP2524048B2 (ja) | 1992-03-25 | 1992-03-25 | 変位計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2524048B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5507904B2 (ja) * | 2009-06-26 | 2014-05-28 | システム計測株式会社 | 変位測定装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61212707A (ja) * | 1985-03-18 | 1986-09-20 | Nippon Soken Inc | 運動物体の角度変位測定装置 |
| JPH0760084B2 (ja) * | 1986-10-28 | 1995-06-28 | 小糸工業株式会社 | 距離測定装置 |
-
1992
- 1992-03-25 JP JP4067274A patent/JP2524048B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05272917A (ja) | 1993-10-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |