JP2524357B2 - 測距用光ファイバ−センサの受光信号処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は測距用光ファイバーセンサの受光信号の処理
方法に関する。

（従来の技術） 従来、光ファイバーを用いて光学的に変位を検出する
測距装置が実用化されている。この測距装置は非接触で
変位を検出することができ、微小変位を高精度で計測す
ることに適しており、また高い周波数域での計測が容易
にできるという利点がある。

この測距装置で使用するプローブは、投光用の光ファ
イバーと受光用の光ファイバーから成り、使用に際して
は、プローブの端面を被測定体に向け、投光用の光ファ
イバーから光を放射し、被測定体からの反射光を受光用
の光ファイバーで受光する。この受光ファイバーで受光
される光量はプローブと被測定体との距離によって変わ
るので、これを利用して変位量を計測することができ
る。

しかしながら、このようにプローブの端面を直接被測
定体に向けて使用する場合は、必然的にプローブと被測
定体間の距離が100μｍ程度と短くなる。そこで、プロ
ーブの先端にレンズ系を設けてプローブと被測定体との
距離を大きくして使用できるようにしたものがある。

第３図はプローブを単体で使用した場合とレンズを併
用した場合とで、反射光量が変位にたいしてどのように
変化するかを示す曲線である。図で（ａ）はプローブを
単体で使用した場合の曲線を示し、変位０では反射光量
が０で、これから直線的に立ち上がって１つのピークと
なる。（ｂ）はレンズを併用した場合で、ピーク位置が
（ａ）にくらべて長距離側にシフトしていると同時に、
鋭い減衰点Ａが現れているのが特徴である。この減衰点
（極小点をヌルポイントと称する）はプローブの端面の
像がちょうど被測定体の反射面の位置に一致した点に相
当し、これによって反射光量が減少しているもので、曲
線（ａ）の立ち上がりの直線部分に相当する。このヌル
ポイントの極小点の前後では光学系の特性から曲線は対
称となる。

このレンズ系を併用した測距装置を用いれば、透明体
の厚み測定を非接触で有効に行うことができる。第４図
は透明なアクリル板の厚み方向にプローブおよびレンズ
系を移動させて変位にたいする出力（反射光量）を観測
した結果である。図のように出力曲線にはＡ、Ｂ、２つ
のヌルポイントが出現する。このうち、ヌルポイントＡ
はアクリル板の裏面反射によるものであり、ヌルポイン
トＢはアクリル板の表面反射によるものである。したが
って、ヌルポイントＡ、Ｂ間の変位量Ｄからアクリル板
の板厚を求めることができる。なお、第４図で破線の曲
線はアクリル板を載置した下地の金属板からの反射によ
るもので、図のようにアクリル板の裏面反射と同位置に
１つのヌルポイントが現れている。このヌルポイントを
利用して、焦点位置を自動的に設定することができる。

このように、レンズ系を併用した光ファイバーセンサ
を用いれば、表面反射によるヌルポイントを検知して自
動的に焦点合わせをすることができ、また、透明体に対
しては表面反射と裏面反射による２つのヌルポイントか
ら板厚を計測することができる。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の光ファイバーセンサを利用した測距装置はきわ
めて精度が高く、１μｍ程度までの精度で変位を検出で
きるものであるが、そのためには、微細な変位にたいす
る反射光量の変化を観察して正確にヌルポイントを求め
る必要がある。しかしながら、実際に変位のステップ幅
を0.5μｍ程度まで細かくとっていくとヌルポイントの
近傍の出力曲線はきわめて幅の広い曲線となり、第４図
のように鋭い減衰点を表さなくなる。この結果、この幅
の広い曲線で正確にヌルポイントを決定することが困難
で再現性が低く、正確にヌルポイントを求めることがで
きないために、計測値の誤差が生じるという問題点があ
る。

そこで、本発明は上記問題点を解消すべくなされたも
のであり、その目的とするところは、ステップ幅をかな
り細かくとった場合で反射光量曲線が幅広くなった場合
であっても、正確にヌルポイントを決定することができ
る測距用光ファイバーセンサの受光信号処理方法を提供
するにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため次の構成をそなえ
る。

すなわち、投光用の光ファイバーと受光用の光ファイ
バーとを備えたプローブ14を使用して被測定体10との距
離あるいは透明な被測定体の厚みを測定すべく、プロー
ブ14を被測定体にたいして相対的に徐々に変位させ、各
変位位置における反射光量のデータから得られる反射光
量曲線の反射光量が極小あるいは極大となる変位位置を
求める際に、反射光量のデータを一定の積分範囲をもっ
て積分し、前記積分範囲を均等に２分割して分割された
個々の積分範囲での積分値の差が０となる点から極小あ
るいは極大となる変位位置を決定することを特徴とす
る。

（実施例） 以下本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細
に説明する。

第１図は本発明に係る計測方法を利用した装置の一実
施例を示す説明図である。

図で10は透明体あるいは金属板等の被測定体で、12は
この被測定体10に対向して配置されるレンズである。こ
のレンズ12は光ファイバーから投光される光および被測
定体10から反射される光を集光するもので、実際には収
差等を考慮して複数枚のレンズ群から構成されている。

14は前記レンズ12の後側に配置されるプローブであ
り、このプローブ14は投光用の光ファイバー群と受光用
の光ファイバー群から構成される。前記投光用光ファイ
バー群の投光側の端部には、投光部16が接続され、前記
受光用光ファイバー群の受光側の端部には反射光量を受
光する受光部18が設けられる。

20はこの受光部18に接続されるフォトダイオード等の
光量−電圧変換器であり、この光量−電圧変換器20にお
いて受光用のファイバーを透過した光は光量に応じたア
ナログ電圧に変換される。22は前記光量−電圧変換器20
の出力側に接続されるアナログ−ディジタル変換器であ
る。このアナログ−ディジタル変換器22では前記アナロ
グ電圧をディジタル信号に変換するとともにノイズを除
去する。24は前記アナログ−ディジタル変換器22の出力
側に接続される演算回路である。この演算回路24では数
個から数十個のポイントのディジタル信号を順次積分す
る。この積分により信号に微弱に含まれていたノイズが
除去される。

26は前記演算回路24の結果に基づいて制御用モータを
駆動制御するモータコントローラであり、28は前記演算
回路24の演算結果を数値に変換してLED表示する表示器
である。

前記制御用モータは自動焦点装置にあっては、光学系
を支持するステージ等の支持部を焦点位置に合わせて移
動させ位置決めするもので、前記表示器28は透明体の板
厚あるいは被測定体10との距離等を表示するものであ
る。

上述したように、演算回路24には被測定体10からの反
射光量に応じたディジタル信号が入力され、信号の演算
結果に基づいてモータがコントロールされ、また、LED
ディスプレイ、積分範囲の変更等の各種キイ操作がなさ
れる。

次に、この演算回路24における信号の処理方法を説明
する。図でレンズ12およびプローブ14はあらかじめ被測
定体10から所定距離にセットされ、被測定体10に向けて
光を照射しつつ徐々に被測定体10方向に近接するように
移動される。（レンズ12とプローブ14を被測定体10に近
接しておき、被測定体10から徐々に離すようにしてもよ
い）前記レンズ12およびプローブ14はステップモータに
よって、微小距離ずつ移動され、この移動にともなって
被測定体10で反射され受光用の光ファイバーによって受
光される光量が変化する。

本装置においては、反射光量のヌルポイントを検知し
て、モータを制御し自動的に焦点合わせを行ったり、透
明体にあっては２つのヌルポイントを検知して透明体の
厚みを計測する。第２図の曲線は、上述したようにプロ
ーブ14およびレンズ12を微小距離ずつ移動させて得られ
るヌルポイント近傍の反射光量を示す。図で横軸はプロ
ーブ14および12の変位量、縦軸は反射光量である。

前記ヌルポイントはこのように非常に小さなスケール
（変位）で見た場合は、きわめて幅の広い曲線となって
現れ、極小点の近傍ではほぼたいらな曲線となる。ここ
で、前記演算回路24では、プローブ14およびレンズ12の
移動とともに所定間隔で、各位置ごとに反射光量のデー
タを記憶して積分していく。ただし、演算回路24で記憶
するデータ数（積分範囲）はあらかじめ所定数に設定し
ておくもので、第２図の例では20ポイントの積分範囲を
とってデータを積分している。したがって、この実施例
ではプローブ14とレンズ12の移動とともに20ポイントず
つの積分範囲が移動していくことになる。そして、前記
演算回路24では20ポイントの積分範囲を前後の10ポイン
トずつの２つに分け、２つの積分範囲での反射光量の積
分値の差をとる。前記ヌルポイントでは、反射光量が極
小となり、かつヌルポイントを中心に前後で曲線が対称
となるから、前記積分値の差をとった際に差が０となる
点（積分範囲の中心）がヌルポイントとなる。このヌル
ポイント以外の点においては積分値に必ず差が現れてく
るから、これによってヌルポイントを決定することがで
きる。

このように、所定の積分範囲を設定して積分値を比較
する方法は、複数個のデータをもとに決定するから第２
図のように幅の広い曲線で極小位置を決定する際であっ
ても正確に決定することができ、データの再現性がきわ
めて良好となるという利点がある。また、データに微弱
なノイズがのっている場合でも、複数個のデータの積分
によってならされるのでノイズに左右されずに正確にヌ
ルポイントを求めることができる。

実際に、上記の方法によって計測した結果、きわめて
再現性がよく正確なデータが得られることが確かめられ
た。

なお、上述した実施例では積分する範囲として20ポイ
ントのデータをとったが、データ数は反射光量曲線のシ
ャープさに応じて適宜変位間隔と積分範囲を設定すれば
よい。また、上述した実施例においては極小点を求めた
が、同様に極大点を求めることも可能であることはいう
までもない。そして、同一の曲線内に極大点と極小点が
混在するような場合は、前記積分範囲で２分した積分値
の差の符号の変化を考慮して決めることができる。

この方法によれば、ヌルポイントを正確に検知するこ
とができるので、自動焦点合わせ装置にあっては、演算
回路24によりモータを制御して正確に焦点位置に位置決
めすることができる。また、透明体の厚み測定の際は、
プローブ14およびレンズ12をスイープし、２つのヌルポ
イント位置の差を求めて板厚を求めることができる。

（発明の効果） 本発明によれば、上述したように、反射光量曲線の極
小あるいは極大となる変位位置を求める際に、複数個の
データポイントを積分して積分値を比較することによっ
て決めるから、精度を上げた結果反射光量曲線が幅の広
い曲線になったような場合でも、その極値位置を正確に
決定することができ、またノイズに影響されずに正確に
求めることができる。この結果、焦点の位置決めが一層
正確にでき、また、透明体の板厚をさらに正確になし得
るという著効を奏する。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて種々説明
したが、本発明はこの実施例に限定されるものではな
く、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し
得るのはもちろんのことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る計測方法を使用した装置の一実施
例を示す説明図、第２図は反射光量の曲線、第３図はプ
ローブ単体とレンズ併用を併用した反射光量を示す曲
線、第４図は透明体および金属の反射光量の出力を示す
曲線である。 10……被測定体、12……レンズ、14……プローブ、16…
…投光部、18……受光部、20……光量−電圧変換器、22
……アナログディジタル変換器、24……演算回路、26…
…モータコントローラ、28……表示器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投光用の光ファイバーと受光用の光ファイ
   バーとを備えたプローブを使用して被測定体との距離あ
   るいは透明な被測定体の厚みを測定すべく、プローブを
   被測定体にたいして相対的に徐々に変位させ、各変位位
   置における反射光量のデータから得られる反射光量曲線
   の反射光量が極小あるいは極大となる変位位置を求める
   際に、反射光量のデータを一定の積分範囲をもって積分
   し、前記積分範囲を均等に２分割して分割された個々の
   積分範囲での積分値の差が０となる点から極小あるいは
   極大となる変位位置を決定することを特徴とする測距用
   光ファイバーセンサの受光信号処理方法。