JP2533694B2 - 光ビ―ム走査型距離測定方法 - Google Patents
光ビ―ム走査型距離測定方法Info
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- JP2533694B2 JP2533694B2 JP3043894A JP4389491A JP2533694B2 JP 2533694 B2 JP2533694 B2 JP 2533694B2 JP 3043894 A JP3043894 A JP 3043894A JP 4389491 A JP4389491 A JP 4389491A JP 2533694 B2 JP2533694 B2 JP 2533694B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、平行光ビームを回転走
査して非接触で管内径を測定し、管内の形状を認識する
光ビーム走査型距離測定方法に関する。
査して非接触で管内径を測定し、管内の形状を認識する
光ビーム走査型距離測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】フォトダイオードを応用した光スポット
の位置センサである二次元ＰＳＤは、位置分解能および
応答性に優れており、例えば光学式測距装置に利用され
ている。光学式測距装置は、測定対象物に例えばレーザ
光をあて、その測定対象物の表面で反射あるいは散乱し
た光の集光位置を基に演算回路で測定対象物との距離を
算出する構成になっている。
の位置センサである二次元ＰＳＤは、位置分解能および
応答性に優れており、例えば光学式測距装置に利用され
ている。光学式測距装置は、測定対象物に例えばレーザ
光をあて、その測定対象物の表面で反射あるいは散乱し
た光の集光位置を基に演算回路で測定対象物との距離を
算出する構成になっている。
【０００３】また、回転するビームスキャナと二次元Ｐ
ＳＤを用いることにより、従来の光学式測距装置の測定
方向を周囲 360°方向に拡張した光ビーム走査型距離測
定装置が提案されている（特願平２−６２３０６号）。
ＳＤを用いることにより、従来の光学式測距装置の測定
方向を周囲 360°方向に拡張した光ビーム走査型距離測
定装置が提案されている（特願平２−６２３０６号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、二次元ＰＳ
Ｄから出力される集光位置信号に応じて、管路内壁まで
の距離を算出する従来の距離測定方法では高い測定精度
を得ることが困難であった。本発明は、高精度で管路内
壁までの距離測定を行うことができる光ビーム走査型距
離測定方法を提供することを目的とする。
Ｄから出力される集光位置信号に応じて、管路内壁まで
の距離を算出する従来の距離測定方法では高い測定精度
を得ることが困難であった。本発明は、高精度で管路内
壁までの距離測定を行うことができる光ビーム走査型距
離測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１の光ビーム走査
型距離測定方法は、測定基準面に対する光スポット像が
二次元ＰＳＤの中心位置に一致するように設定され、か
つ管路内壁が測定基準面の外側に変位した場合には、そ
の光スポット像が平行光ビームの照射方向と逆方向に動
くように設定され、二次元ＰＳＤから出力される集光位
置信号ｘ，ｙを、双曲線の一部からなる二軸方向の校正
曲線ｆx,ｆy により各方向の距離値Ｌx,Ｌy に換算する
第１のステップと、２つの距離値Ｌx,Ｌy をベクトル的
に合成してその大きさを求め、かつ光スポット像の動き
が平行光ビームの照射方向と同方向の場合には正の符
号、また逆方向の場合には負の符号をつけ、測定基準面
からの距離測定値Ｌを求める第２のステップと、距離測
定値Ｌと測定基準面までの距離を加算し、管路内壁まで
の距離を算出する第３のステップとを有する。
型距離測定方法は、測定基準面に対する光スポット像が
二次元ＰＳＤの中心位置に一致するように設定され、か
つ管路内壁が測定基準面の外側に変位した場合には、そ
の光スポット像が平行光ビームの照射方向と逆方向に動
くように設定され、二次元ＰＳＤから出力される集光位
置信号ｘ，ｙを、双曲線の一部からなる二軸方向の校正
曲線ｆx,ｆy により各方向の距離値Ｌx,Ｌy に換算する
第１のステップと、２つの距離値Ｌx,Ｌy をベクトル的
に合成してその大きさを求め、かつ光スポット像の動き
が平行光ビームの照射方向と同方向の場合には正の符
号、また逆方向の場合には負の符号をつけ、測定基準面
からの距離測定値Ｌを求める第２のステップと、距離測
定値Ｌと測定基準面までの距離を加算し、管路内壁まで
の距離を算出する第３のステップとを有する。
【０００６】請求項２の光ビーム走査型距離測定方法
は、二次元ＰＳＤから出力される集光位置信号ｘ，ｙ
を、ベクトル合成して電圧合成値ｒを求め、かつ光スポ
ット像の動きが平行光ビームの照射方向と同方向の場合
には正の符号、また逆方向の場合には負の符号をつける
第１のステップと、電圧合成値ｒから、測定方向とは直
接関係のない所定の双曲線の一部からなる校正曲線ｆに
より測定方向の距離測定値Ｌに換算する第２のステップ
と、距離測定値Ｌと測定基準面までの距離を加算し、管
路内壁までの距離を算出する第３のステップとを有す
る。
は、二次元ＰＳＤから出力される集光位置信号ｘ，ｙ
を、ベクトル合成して電圧合成値ｒを求め、かつ光スポ
ット像の動きが平行光ビームの照射方向と同方向の場合
には正の符号、また逆方向の場合には負の符号をつける
第１のステップと、電圧合成値ｒから、測定方向とは直
接関係のない所定の双曲線の一部からなる校正曲線ｆに
より測定方向の距離測定値Ｌに換算する第２のステップ
と、距離測定値Ｌと測定基準面までの距離を加算し、管
路内壁までの距離を算出する第３のステップとを有す
る。
【０００７】請求項２の光ビーム走査型距離測定方法
は、請求項２の第２のステップに代えて、電圧合成値ｒ
から、測定方向ごとに用意された所定の双曲線の一部か
らなる校正曲線ｆi により測定方向の距離測定値Ｌに換
算する第２のステップを有する。
は、請求項２の第２のステップに代えて、電圧合成値ｒ
から、測定方向ごとに用意された所定の双曲線の一部か
らなる校正曲線ｆi により測定方向の距離測定値Ｌに換
算する第２のステップを有する。
【０００８】
【作用】管路の中心から管路内壁までの距離が一定であ
る場合には、二次元ＰＳＤ上の光スポット像の軌跡は円
になる。この円の半径は管路内径の変化に伴って変化す
る。信号処理部では、二次元ＰＳＤから出力される光ス
ポットのｘ，ｙ二方向の集光位置信号に基づいて、その
合成および電圧値から距離への換算を行って管内径の変
化を求める。
る場合には、二次元ＰＳＤ上の光スポット像の軌跡は円
になる。この円の半径は管路内径の変化に伴って変化す
る。信号処理部では、二次元ＰＳＤから出力される光ス
ポットのｘ，ｙ二方向の集光位置信号に基づいて、その
合成および電圧値から距離への換算を行って管内径の変
化を求める。
【０００９】請求項１の光ビーム走査型距離測定方法で
は、電圧値から距離への換算を実施したのちに、二方向
の距離情報を合成することにより、管路内壁までの距離
を求める。このとき、二次元ＰＳＤの中心位置を測定の
中心位置に設定し、管路内壁が測定基準面の外側または
内側に変位した場合に、位相が反転した情報を加えて２
度利用することにより受光素子の測定範囲を有効利用で
きる。これにより、高精度な測定を行うことができる。
ただし、上記の方法は測定装置の特性が線形近似できる
場合に有効である。一方、三角測量法は、本質的にもつ
非線形性（双曲線の一部からなる特性曲線）のために、
算出値が角度（測定方向）に依存して変化する問題があ
る。請求項２の光ビーム走査型距離測定方法の第１のス
テップでは、二次元ＰＳＤの直交２方向に関する変位情
報を測定方向の変位情報に変換する。これにより、管路
内壁全周方向の距離測定が可能となり、管路内面形状の
測定が可能となる。第２のステップでは、第１のステッ
プで得られた電圧合成値（集光位置信号）ｒから測定方
向の距離測定値が得られる。このとき、測定範囲を限定
することにより、その特定の測定範囲について高精度の
距離測定を実現できる。
は、電圧値から距離への換算を実施したのちに、二方向
の距離情報を合成することにより、管路内壁までの距離
を求める。このとき、二次元ＰＳＤの中心位置を測定の
中心位置に設定し、管路内壁が測定基準面の外側または
内側に変位した場合に、位相が反転した情報を加えて２
度利用することにより受光素子の測定範囲を有効利用で
きる。これにより、高精度な測定を行うことができる。
ただし、上記の方法は測定装置の特性が線形近似できる
場合に有効である。一方、三角測量法は、本質的にもつ
非線形性（双曲線の一部からなる特性曲線）のために、
算出値が角度（測定方向）に依存して変化する問題があ
る。請求項２の光ビーム走査型距離測定方法の第１のス
テップでは、二次元ＰＳＤの直交２方向に関する変位情
報を測定方向の変位情報に変換する。これにより、管路
内壁全周方向の距離測定が可能となり、管路内面形状の
測定が可能となる。第２のステップでは、第１のステッ
プで得られた電圧合成値（集光位置信号）ｒから測定方
向の距離測定値が得られる。このとき、測定範囲を限定
することにより、その特定の測定範囲について高精度の
距離測定を実現できる。
【００１０】ただし、回転走査ミラーの回転軸と二次元
ＰＳＤの測定中心との位置ずれなど、装置の回転走査に
よって生じる測定角度、方向による特性のばらつきに対
しては請求項２の測定方法でも精度の向上が困難であ
る。請求項３の光ビーム走査型距離測定方法は、二方向
の集光位置信号を各角度に応じて距離への換算を行うこ
とにより、部品精度および組立精度の不良に基づく測定
方向ごとの特性のばらつきを補正することができる。本
発明の光ビーム走査型距離測定方法では、以上の各特徴
を踏まえて適切な信号処理を行うことにより、それぞれ
に応じた測定精度で距離を算出することができる。
ＰＳＤの測定中心との位置ずれなど、装置の回転走査に
よって生じる測定角度、方向による特性のばらつきに対
しては請求項２の測定方法でも精度の向上が困難であ
る。請求項３の光ビーム走査型距離測定方法は、二方向
の集光位置信号を各角度に応じて距離への換算を行うこ
とにより、部品精度および組立精度の不良に基づく測定
方向ごとの特性のばらつきを補正することができる。本
発明の光ビーム走査型距離測定方法では、以上の各特徴
を踏まえて適切な信号処理を行うことにより、それぞれ
に応じた測定精度で距離を算出することができる。
【００１１】
【実施例】図１は、本発明の実施例構成を示す図であ
る。図において、符号１０は被測定管の一部断面を示
す。半導体レーザ１１から出射されたレーザ光は、ビー
ム整形用レンズ１２によって平行光に整形された後に回
転走査ミラー１３によって反射され、被測定管１０の内
壁に照射される。被測定管１０の内壁には、光ビームの
照射によってその表面に光スポット（輝点）が作られ
る。この光スポットから周囲に散乱された光の一部は、
受光側の回転走査ミラー１４によって反射され、集光用
レンズ１５で集光されて二次元ＰＳＤ１６に達する。二
次元ＰＳＤ１６の受光面上には、光スポットの像が形成
される。
る。図において、符号１０は被測定管の一部断面を示
す。半導体レーザ１１から出射されたレーザ光は、ビー
ム整形用レンズ１２によって平行光に整形された後に回
転走査ミラー１３によって反射され、被測定管１０の内
壁に照射される。被測定管１０の内壁には、光ビームの
照射によってその表面に光スポット（輝点）が作られ
る。この光スポットから周囲に散乱された光の一部は、
受光側の回転走査ミラー１４によって反射され、集光用
レンズ１５で集光されて二次元ＰＳＤ１６に達する。二
次元ＰＳＤ１６の受光面上には、光スポットの像が形成
される。
【００１２】また、駆動モータ１７は、回転走査ミラー
１３，１４を定速回転させるとともにロータリエンコー
ダ１８を回転させる。ロータリエンコーダ１８は回転走
査ミラー１３，１４の回転角を検出する。図２は、二次
元ＰＳＤ１６から出力される光スポットのｘ，ｙ二方向
の集光位置信号について、本発明による信号処理部の動
作原理を説明する図である。
１３，１４を定速回転させるとともにロータリエンコー
ダ１８を回転させる。ロータリエンコーダ１８は回転走
査ミラー１３，１４の回転角を検出する。図２は、二次
元ＰＳＤ１６から出力される光スポットのｘ，ｙ二方向
の集光位置信号について、本発明による信号処理部の動
作原理を説明する図である。
【００１３】図において、半導体レーザ１１、ビーム整
形用レンズ１２、回転走査ミラー１３，１４、集光用レ
ンズ１５および二次元ＰＳＤ１６の光路上の点をＬ，
Ａ，Ｅ，Ｆ，Ｄ，Ｃとする。また、被測定管１０の内壁
が点Ｇあるいは点Ｂの位置にあるときの散乱光の光路を
２１，２２とする。被測定管１０の内壁の変位ｋと二次
元ＰＳＤ１６の受光面上の光スポット像の変位ｒとの関
係は、△ＣＬＤ，△ＭＧＤおよび△ＭＢＧ，△ＣＢＡの
相似性により、ａ，ｂを正の定数とすると、 ｋ＝ａｒ／（ｂ−ｒ）≡ｆ(r) …(1) となる。また、ｒは光スポット像のＰＳＤ受光面上の位
置ベクトルｒ＝(ｘ,ｙ)およびレーザ光の投光方向の単
位ベクトルｎを用いて ｒ＝ｒ・ｎ ＝｜ｒ｜ cosφ …(2) と表すことができる（下線はベクトル、・はベクトルの
内積）。なお、φ＝０，πであり、ｘ，ｙの値は、二次
元ＰＳＤ１６の線形性を仮定すれば、定数倍してＰＳＤ
出力電圧と読み換えてもよい。
形用レンズ１２、回転走査ミラー１３，１４、集光用レ
ンズ１５および二次元ＰＳＤ１６の光路上の点をＬ，
Ａ，Ｅ，Ｆ，Ｄ，Ｃとする。また、被測定管１０の内壁
が点Ｇあるいは点Ｂの位置にあるときの散乱光の光路を
２１，２２とする。被測定管１０の内壁の変位ｋと二次
元ＰＳＤ１６の受光面上の光スポット像の変位ｒとの関
係は、△ＣＬＤ，△ＭＧＤおよび△ＭＢＧ，△ＣＢＡの
相似性により、ａ，ｂを正の定数とすると、 ｋ＝ａｒ／（ｂ−ｒ）≡ｆ(r) …(1) となる。また、ｒは光スポット像のＰＳＤ受光面上の位
置ベクトルｒ＝(ｘ,ｙ)およびレーザ光の投光方向の単
位ベクトルｎを用いて ｒ＝ｒ・ｎ ＝｜ｒ｜ cosφ …(2) と表すことができる（下線はベクトル、・はベクトルの
内積）。なお、φ＝０，πであり、ｘ，ｙの値は、二次
元ＰＳＤ１６の線形性を仮定すれば、定数倍してＰＳＤ
出力電圧と読み換えてもよい。
【００１４】以下、各請求項に対応し、線形近似法、
電圧値合成法、全方向校正法の３通りの信号処理法
について説明する。
電圧値合成法、全方向校正法の３通りの信号処理法
について説明する。
【００１５】線形近似法 二次元ＰＳＤ１６から出力される集光位置信号ｘ，ｙを
二軸方向の校正曲線ｆx,ｆy によって距離に換算し、そ
の後、 ｋ＝（ｆx(x) , ｆy(y))／ｎ …(3) によるベクトル演算を行い、測定値を算出する。この信
号処理手順は、式(1) が線形であるとみなせる範囲での
み有効である。
二軸方向の校正曲線ｆx,ｆy によって距離に換算し、そ
の後、 ｋ＝（ｆx(x) , ｆy(y))／ｎ …(3) によるベクトル演算を行い、測定値を算出する。この信
号処理手順は、式(1) が線形であるとみなせる範囲での
み有効である。
【００１６】図３は、式(3) でｒを一定にした場合の計
算結果を示すが、一定の入力を与えたにも係わらず、非
線形性のために算出値が角度に依存して変化し、正しい
測定値が得られていないことがわかる。ただし、この方
法は、校正方法が二軸方向の校正曲線を作成するだけで
よいので簡単であり、特性曲線が線形近似できる範囲に
おいて有効とすることができる。
算結果を示すが、一定の入力を与えたにも係わらず、非
線形性のために算出値が角度に依存して変化し、正しい
測定値が得られていないことがわかる。ただし、この方
法は、校正方法が二軸方向の校正曲線を作成するだけで
よいので簡単であり、特性曲線が線形近似できる範囲に
おいて有効とすることができる。
【００１７】電圧値合成法 線形近似法で生じる測定誤差を回避するには、二次元Ｐ
ＳＤ１６の出力電圧値について、 ｋ＝ｆ（ｒ，ｎ） …(4) により直接ベクトル合成し、その後、校正曲線によって
距離に換算する。この信号処理手順では、理論上は式
(1) が非線形であることを考慮に入れても正しい測定値
を求めることができる。ただし、回転走査に伴う特性の
変化が測定結果に現れ、十分な測定精度が得られない場
合がある。したがって、少なくとも校正曲線は全方向の
校正曲線を平均して用いるなどの処置が必要である。
ＳＤ１６の出力電圧値について、 ｋ＝ｆ（ｒ，ｎ） …(4) により直接ベクトル合成し、その後、校正曲線によって
距離に換算する。この信号処理手順では、理論上は式
(1) が非線形であることを考慮に入れても正しい測定値
を求めることができる。ただし、回転走査に伴う特性の
変化が測定結果に現れ、十分な測定精度が得られない場
合がある。したがって、少なくとも校正曲線は全方向の
校正曲線を平均して用いるなどの処置が必要である。
【００１８】全方向校正法 電圧値合成法で避けられない角度による特性のばらつき
を補正するには、あらかじめ測定する各角度ごとに校正
曲線を用意すればよい。すなわち、 ｋ＝ｆi （ｒ，ｎ） …(5) とし、各角度ｉ（０〜２π）ごとに校正曲線によって距
離に換算する。この信号処理手順では、再現性の問題あ
るいは校正ディジタル補間上の問題から生ずる測定誤差
が予想されるが、上述の２つの信号処理方法に比べて高
精度の測定が可能である。
を補正するには、あらかじめ測定する各角度ごとに校正
曲線を用意すればよい。すなわち、 ｋ＝ｆi （ｒ，ｎ） …(5) とし、各角度ｉ（０〜２π）ごとに校正曲線によって距
離に換算する。この信号処理手順では、再現性の問題あ
るいは校正ディジタル補間上の問題から生ずる測定誤差
が予想されるが、上述の２つの信号処理方法に比べて高
精度の測定が可能である。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ビーム
走査型距離測定方法では、各信号処理手順に応じた精度
で管内径を算出することができる。また、容易に高い測
定精度で管内径を算出し、管内の形状を正確に認識する
ことができる。
走査型距離測定方法では、各信号処理手順に応じた精度
で管内径を算出することができる。また、容易に高い測
定精度で管内径を算出し、管内の形状を正確に認識する
ことができる。
【図１】本発明の実施例構成を示す図である。
【図２】信号処理部の動作原理を説明する図である。
【図３】請求項１に記載の発明による信号処理部の特性
について説明する図である。
について説明する図である。
１０ 被測定管 １１ 半導体レーザ １２ ビーム整形用レンズ １３，１４ 回転走査ミラー １５ 集光用レンズ １６ 二次元ＰＳＤ １７ 駆動モータ １８ ロータリエンコーダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−58133（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−223808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−128220（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−261806（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−124412（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−245110（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】 平行光ビームを管路内壁に照射し、その
管路内壁上の光スポットで反射あるいは散乱した光を二
次元半導体位置検出素子（以下「二次元ＰＳＤ」とい
う）に集光し、そのｘ軸方向およびｙ軸方向の集光位置
信号ｘ，ｙから演算処理により、管路内壁の測定基準面
に対する光スポット像の変位量を算出して管路内壁まで
の距離を測定する光ビーム走査型距離測定方法におい
て、 前記測定基準面に対する光スポット像が二次元ＰＳＤの
中心位置に一致するように設定され、かつ管路内壁が前
記測定基準面の外側に変位した場合には、その光スポッ
ト像が平行光ビームの照射方向と逆方向に動くように設
定され、 前記二次元ＰＳＤから出力される集光位置信号ｘ，ｙ
を、双曲線の一部からなる二軸方向の校正曲線ｆx,ｆy
により各方向の距離値Ｌx,Ｌy に換算する第１のステッ
プと、 前記２つの距離値Ｌx,Ｌy をベクトル的に合成してその
大きさを求め、かつ前記光スポット像の動きが前記平行
光ビームの照射方向と同方向の場合には正の符号、また
逆方向の場合には負の符号をつけ、前記測定基準面から
の距離測定値Ｌを求める第２のステップと、 前記距離測定値Ｌと前記測定基準面までの距離を加算
し、前記管路内壁までの距離を算出する第３のステップ
とを有することを特徴とする光ビーム走査型距離測定方
法。 - 【請求項２】 請求項１の第１のステップおよび第２の
ステップに代えて、 二次元ＰＳＤから出力される集光位置信号ｘ，ｙを、ベ
クトル合成して電圧合成値ｒを求め、かつ光スポット像
の動きが平行光ビームの照射方向と同方向の場合には正
の符号、また逆方向の場合には負の符号をつける第１の
ステップと、 前記電圧合成値ｒから、測定方向とは直接関係のない所
定の双曲線の一部からなる校正曲線ｆにより測定方向の
距離測定値Ｌに換算する第２のステップとを有すること
を特徴とする光ビーム走査型距離測定方法。 - 【請求項３】 請求項２の第２のステップに代えて、 電圧合成値ｒから、測定方向ごとに用意された所定の双
曲線の一部からなる校正曲線ｆi により測定方向の距離
測定値Ｌに換算する第２のステップを有することを特徴
とする光ビーム走査型距離測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3043894A JP2533694B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 光ビ―ム走査型距離測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3043894A JP2533694B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 光ビ―ム走査型距離測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04279806A JPH04279806A (ja) | 1992-10-05 |
| JP2533694B2 true JP2533694B2 (ja) | 1996-09-11 |
Family
ID=12676420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3043894A Expired - Fee Related JP2533694B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | 光ビ―ム走査型距離測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2533694B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5972527B2 (ja) * | 2010-10-04 | 2016-08-17 | 三菱重工業株式会社 | 伝熱管内面又は蒸発管内面の減肉状態監視装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6358133A (ja) * | 1986-08-28 | 1988-03-12 | Mitsubishi Electric Corp | 管内面形状測定装置 |
| JPH07122564B2 (ja) * | 1988-03-28 | 1995-12-25 | 松下電工株式会社 | 光走査型変位センサ |
| JPH02124412A (ja) * | 1988-07-21 | 1990-05-11 | Fuji Electric Co Ltd | 位置測定装置 |
-
1991
- 1991-03-08 JP JP3043894A patent/JP2533694B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04279806A (ja) | 1992-10-05 |
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