JP2675051B2 - Optical non-contact position measuring device - Google Patents
Optical non-contact position measuring deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は位置測定装置に関し、特に光学的に非接触で
被測定面の位置を測定する光学式非接触位置測定装置に
関する。The present invention relates to a position measuring device, and more particularly to an optical non-contact position measuring device for optically measuring the position of a surface to be measured in a non-contact manner.
従来、この種の装置は、三角測量の原理を用い、被測
定面の位置の変化による角度の変化を光電変換素子を用
いて測定する装置と、被測定面の位置の定点からのずれ
(変位)によって生ずる像点のずれを光電変換素子によ
って検出し、サーボ機構によってそのずれを補償するよ
うに装置を移動し、その移動量を測定する補償法による
装置があった。Conventionally, this type of device uses the principle of triangulation to measure the change in angle due to the change in the position of the measured surface using a photoelectric conversion element, and the deviation (displacement) of the position of the measured surface from a fixed point. There is a device according to a compensation method in which the deviation of the image point caused by (1) is detected by a photoelectric conversion element, the device is moved by a servo mechanism so as to compensate the deviation, and the amount of movement is measured.
これらの装置の中、三角測量の原理を用いる装置は、
測定用レーザビームが入射される方向と、被測定位置と
光電変換素子とを結ぶ直線とのなす角度ψ(0≦ψ≦90
゜)が大きい程、測定感度は高くなるが角度ψが大きい
と被測定表面で反射されたレーザビームが、被測定位置
の近傍にある突出部によって遮られて光電変換素子に入
射できなくなるシャドウ効果を生ずるという欠点があ
る。また、補償法による装置は、サーボ機構を用いなけ
ればならないため、装置が複雑でコスト高になるばかり
でなく、被測定面が傾いていて反射光線の強度分布が光
軸に対して軸対称になっていない場合には精度の高い測
定値が得られないという欠点がある。Among these devices, the one that uses the principle of triangulation is
The angle ψ (0 ≦ ψ ≦ 90 between the direction in which the measurement laser beam is incident and the straight line connecting the measured position and the photoelectric conversion element
The larger the angle is, the higher the measurement sensitivity becomes, but if the angle ψ is large, the laser beam reflected by the surface to be measured is blocked by the projections near the position to be measured and cannot enter the photoelectric conversion element. There is a drawback that In addition, since the device using the compensation method requires the use of a servo mechanism, not only is the device complicated and costly, but also the measured surface is inclined and the intensity distribution of the reflected light beam is axisymmetric with respect to the optical axis. If it does not, there is a drawback that a highly accurate measured value cannot be obtained.
第6図は特願昭62−27084号に開示された光学式非接
触位置測定装置で、前述の欠点が克服された装置であ
る。FIG. 6 shows an optical non-contact position measuring device disclosed in Japanese Patent Application No. 62-27084, which overcomes the above-mentioned drawbacks.
He−Neレーザ光源9から出力されたレーザビームはミ
ラー8および微小ミラー7で反射され、遮蔽板34および
凸レンズ31の中心にそれぞれあけられら孔37,35を経由
して被測定面Sで反射し、反射光は再び凸レンズ31に入
射し、遮蔽板34に設けられたスリット36A,36Bを通り、
円筒レンズ33で屈折された後、円筒レンズ33の焦点にお
かれたCCDラインセンサ10に入射する。CCDラインセンサ
10は、円筒レンズ33の母線を含む鏡映対称面内に、該母
線に平行に配置されている。したがって、スリット36A,
36Bを通過した光は円筒レンズ33によって、CCDラインセ
ンサ素子(CCDピクセル)の配列方向には屈折すること
なく、配列方向に垂直な平面内で屈折されてCCDライン
センサ10にフォーカスされる。CCDラインセンサ10の出
力は演算手段(図示せず)に入力され、被測定面の変位
が算出される。The laser beam output from the He-Ne laser light source 9 is reflected by the mirror 8 and the minute mirror 7, and is reflected by the surface S to be measured via holes 37 and 35 formed in the centers of the shielding plate 34 and the convex lens 31, respectively. Then, the reflected light again enters the convex lens 31, passes through the slits 36A and 36B provided in the shielding plate 34,
After being refracted by the cylindrical lens 33, it enters the CCD line sensor 10 placed at the focus of the cylindrical lens 33. CCD line sensor
Reference numeral 10 is arranged parallel to the generatrix in the plane of mirror symmetry including the generatrix of the cylindrical lens 33. Therefore, slit 36A,
The light passing through 36B is refracted by the cylindrical lens 33 in the plane perpendicular to the arrangement direction of the CCD line sensor elements (CCD pixels), and is focused on the CCD line sensor 10. The output of the CCD line sensor 10 is input to a calculation means (not shown), and the displacement of the surface to be measured is calculated.
この装置では、レーザビームが被測定面に入射する光
路と、反射光が検出される光路がいずれも光軸(凸レン
ズ31の軸)に沿っているので、シャドウ効果を生じな
い。また、反射光が入射したCCDラインセンサピクセル
番号の変化によって被測定面の変位を検出するので、反
射光の強度分布が光軸に対して軸対称でなくても誤差を
生じない。したがって、三角測量の原理を用いた装置お
よび補償法による装置がもつ欠点は克服されている。In this device, the optical path through which the laser beam is incident on the surface to be measured and the optical path through which the reflected light is detected are both along the optical axis (the axis of the convex lens 31), so the shadow effect does not occur. Further, since the displacement of the surface to be measured is detected by the change of the CCD line sensor pixel number on which the reflected light is incident, an error does not occur even if the intensity distribution of the reflected light is not axisymmetric with respect to the optical axis. Therefore, the drawbacks of the device using the principle of triangulation and the device using the compensation method are overcome.
上述した特願昭62−27084号明細書に開示された光学
式非接触位置測定装置には次の欠点がある。The optical non-contact position measuring device disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application No. 62-27084 has the following drawbacks.
1. CCDピクセルの配列方向が円筒レンズ33の母線の方
向と平行であるので、CCDラインセンサ10にはCCDピクセ
ル配列方向に収束されていない(したがって、CCDピク
セル配列方向の幅が広い)光線が入射する。その結果、
CCDラインセンサの出力曲線が平坦になって、入射光線
の強度極大の位置がはっきりしなくなり誤差を生じ易く
なる。1. Since the CCD pixel array direction is parallel to the generatrix direction of the cylindrical lens 33, light rays which are not converged in the CCD pixel array direction (and thus have a wide width in the CCD pixel array direction) are detected in the CCD line sensor 10. Incident. as a result,
The output curve of the CCD line sensor becomes flat, and the position of the maximum intensity of the incident light beam becomes unclear, and errors easily occur.
2. 特定の幾何光学的配置をもつ1セットの光学系(ス
リット36A,36B、円筒レンズ33,CCDラインセンサ10)に
よって、被測定面からの反射光がCCDラインセンサ10上
に入射した位置を検出するので、例えば被測定面の法線
が円筒レンズ33の母線と光軸2を含む平面(第6図の紙
面)から大きくずれた場合のように、被測定面からの反
射光が、前記特定の幾何光学的配置をもつ1セットの光
学系による光の伝送路からずれると、CCDラインセンサ1
0はもはや反射光を検出できなくなる。2. With a set of optical systems (slits 36A, 36B, cylindrical lens 33, CCD line sensor 10) having a specific geometrical optical arrangement, the position where the reflected light from the measured surface is incident on the CCD line sensor 10 is determined. Since it is detected, for example, when the normal line of the surface to be measured is largely deviated from the plane including the generatrix of the cylindrical lens 33 and the optical axis 2 (the paper surface of FIG. 6), the reflected light from the surface to be measured is The CCD line sensor 1 will move when it is deviated from the transmission line of light by a set of optical systems with a specific geometrical optical arrangement.
At 0, reflected light can no longer be detected.
また、この光学系の各素子の配列に誤差(アライメン
ト誤差)がある場合には、別個の補正実験によって誤差
の補正をしなければならない。Further, if there is an error (alignment error) in the array of each element of this optical system, the error must be corrected by a separate correction experiment.
本発明の光学式非接触位置測定装置は、 入射平行光線を被測定面に出射し、被測定面から反射
された光線を受光する凸レンズ(1)と、 平行光線を発生し、前記凸レンズ(1)の軸(2)に
沿って該平行光線を該凸レンズ(1)に入射させる照射
装置(7,8,9)と、 円筒レンズ(3)の母線を含む鏡映対称面を第1鏡映
対称面(21)、母線に垂直な鏡映対称面を第2鏡映対称
面(22)とし、第1、第2の鏡映対称面(21,22)の交
線を円筒レンズ(3)の第1主軸(23)、第1主軸(2
3)上の光心を通って母線に平行な直線を第2主軸(2
4)とするとき、それぞれの第1主軸は凸レンズ(1)
の軸(2)に平行に向けられ、それぞれの第2主軸は凸
レンズ(1)の被測定面と反対側の焦点面(5)内に位
置決めされ、かつ、凸レンズ(1)の軸(2)と焦点面
(5)との交点と、第1主軸と第2主軸との交点とを結
ぶ直線に垂直に向けられている複数の円筒レンズ(3A,3
B,3C)と、 凸レンズ(1)の焦点面(5)に平行で該焦点(5)
の前方に配置され、それぞれの円筒レンズ(3A,3B,3C)
の第1鏡映対称面との交線に沿って、それぞれ円筒レン
ズ(3A,3B,3C)に対向する位置にスリット(6A,6B,6C)
が設けられている遮蔽板4と、 それぞれの円筒レンズ(3A,3B,3C)の第2鏡映対称面
内に、円筒レンズ(3A,3B,3C)の焦点距離に等しい距離
だけ前記焦点面(5)の後方で、かつ該焦点面(5)に
平行に配置された位置検出用ラインセンサ(10A,10B,10
C)と、 前記ラインセンサ(10A,10B,10C)の出力を入力して
被測定面の位置を算出する演算手段を有する。The optical non-contact position measuring device of the present invention comprises: a convex lens (1) that emits an incident parallel light beam to a surface to be measured and receives a light beam reflected from the surface to be measured; ) Irradiation device (7,8,9) for making the parallel rays incident on the convex lens (1) along the axis (2), and the first symmetry plane including the generatrix of the cylindrical lens (3). The symmetry plane (21) and the mirror symmetry plane perpendicular to the generatrix are the second mirror symmetry plane (22), and the line of intersection of the first and second mirror symmetry planes (21, 22) is the cylindrical lens (3). 1st spindle (23), 1st spindle (2
3) Draw a straight line parallel to the generatrix through the optical center above the second main axis (2
4), the first principal axis of each is a convex lens (1)
Oriented parallel to the axis (2) of the convex lens (1), each second principal axis is positioned in the focal plane (5) of the convex lens (1) opposite to the surface to be measured, and the axis (2) of the convex lens (1) is A plurality of cylindrical lenses (3A, 3A) that are oriented perpendicularly to a straight line connecting the intersection between the first main axis and the second main axis and the intersection of the focal plane (5) with
B, 3C) and the focal plane (5) parallel to the focal plane (5) of the convex lens (1)
Placed in front of each cylindrical lens (3A, 3B, 3C)
Slits (6A, 6B, 6C) at positions facing the cylindrical lenses (3A, 3B, 3C) along the line of intersection with the first mirror symmetry plane of
In the second mirror symmetry plane of each of the cylindrical lenses (3A, 3B, 3C) and the shielding plate 4 provided with, the focal plane is equal to the focal length of the cylindrical lenses (3A, 3B, 3C). Position detecting line sensors (10A, 10B, 10) arranged behind (5) and parallel to the focal plane (5).
C) and an arithmetic means for inputting the outputs of the line sensors (10A, 10B, 10C) and calculating the position of the surface to be measured.
本発明の原理を第5図を参照して説明する。 The principle of the present invention will be described with reference to FIG.
第5図(A),(B)は本発明の光学式非接触位置測
定装置の要部の光学素子配置図である。FIGS. 5 (A) and 5 (B) are optical element layouts of essential parts of the optical non-contact position measuring device of the present invention.
第5図(A)に示されているように、凸レンズ1の軸
2上を凸レンズ1の後方(第5図左方)から前方に伝わ
った平行光線は被測定面の点Pで反射され、反射光線の
1つL1は凸レンズ1によって屈折され、屈折光L2は遮蔽
板4のスリット6を経て円筒レンズ3に入射する。第5
図では、紙面は円筒レンズ3の第2鏡映対称面22であ
り、スリット6は紙面に垂直に向いている。スリット6
の幅は、凸レンズ1の焦点距離f1に比べて非常に小さい
ので、光線L2はほぼ平行に円筒レンズ3に入射し(第5
図(B))、円筒レンズ3の第2鏡映対称面22に平行な
面内で屈折して、該鏡映対称面内の、円筒レンズ3の焦
点距離f2の位置に配置された位置検出用ラインセンサ10
上の点Hに収束する。As shown in FIG. 5 (A), the parallel rays transmitted from the rear side (left side in FIG. 5) of the convex lens 1 on the axis 2 of the convex lens 1 are reflected at the point P on the surface to be measured, One of the reflected light rays L 1 is refracted by the convex lens 1, and the refracted light L 2 enters the cylindrical lens 3 through the slit 6 of the shielding plate 4. Fifth
In the figure, the paper surface is the second mirror symmetry plane 22 of the cylindrical lens 3, and the slit 6 is oriented perpendicular to the paper surface. Slit 6
Since the width of is very small compared to the focal length f 1 of the convex lens 1, the light ray L 2 is incident on the cylindrical lens 3 almost in parallel (the fifth
(B)), a position which is refracted in a plane parallel to the second mirror symmetry plane 22 of the cylindrical lens 3 and is located at the focal length f 2 of the cylindrical lens 3 in the mirror symmetry plane. Line sensor for detection 10
It converges to the upper point H.
いま、凸レンズ1の焦点Fから出射した光が凸レンズ
1で屈折され、スリット6、円筒レンズ3を経てライン
センサ10上に結像する位置をR、凸レンズ1の軸2と点
Rとの距離をa、焦点Fに対する測定点Pの変位をz1、
凸レンズ1についての測定点Pに対する像点をQ、点Q
と凸レンズ1の焦点面5との距離をz2とし、さらに、円
筒レンズ3の第1主軸と第2主軸との交点をO、角ROQ
をα、線分RHの長さをxとするとき、 tanα=x/f2=a/z2 ……(1) 凸レンズの公式から 式(1)、式(2)からαとz2を消去すると、 比例定数kは光学系の定数から知ることができるから、
ラインセンサピクセル番号ξからxを求めることにより
z1を知ることができる。Now, the light emitted from the focal point F of the convex lens 1 is refracted by the convex lens 1 and passes through the slit 6 and the cylindrical lens 3 to form an image on the line sensor 10, and R is the distance between the axis 2 of the convex lens 1 and the point R. a, the displacement of the measuring point P relative to the focus F is z 1 ,
The image point for the measuring point P of the convex lens 1 is Q, and the point Q
And the focal plane 5 of the convex lens 1 is z 2 , and the intersection of the first and second principal axes of the cylindrical lens 3 is O, and the angle ROQ
Where α is α and the length of the line segment RH is x, tan α = x / f 2 = a / z 2 …… (1) From the convex lens formula Eliminating α and z 2 from equations (1) and (2) gives Since the proportionality constant k can be known from the constant of the optical system,
By finding x from the line sensor pixel number ξ
You can know z 1 .
第5図のスリット6、円筒レンズ3およびラインセン
サ10でなる光学系は、ただ1セットの場合には、被測定
面の法線が円筒レンズ3の第2鏡映対称(第5図の紙
面)から大きくずれると、被測定面Sからの反射光が円
筒レンズ3に入射しても、円筒レンズ3の母線方向(第
5図の紙面に垂直な方向)に屈折しないので、CCDライ
ンセンサ10上に入射しなくなる。したがって、軸2のま
わりに複数セットの光学系を用いることにより、被測定
面の面法線がどのような向きに傾いていても測定が阻害
されないようにすることができる。複数セットの光学系
のラインセンサから、同一変位z1に対して得られる値x
はほぼ等しいけれど、アラインメント誤差や測定誤差の
ため完全に等しくはならない。したがって、演算ユニッ
トによって最小自乗法を用いてxの最確値を求めれば、
誤差が補正された測定値が得られる。In the case of only one set, the optical system consisting of the slit 6, the cylindrical lens 3 and the line sensor 10 in FIG. 5 has a normal to the measured surface which is the second reflection symmetry of the cylindrical lens 3 (the plane of the paper in FIG. 5). ), The reflected light from the surface S to be measured is not refracted in the generatrix direction of the cylindrical lens 3 (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 5) even if it enters the cylindrical lens 3, so the CCD line sensor 10 It will not be incident on the top. Therefore, by using a plurality of sets of optical systems around the axis 2, it is possible to prevent the measurement from being obstructed no matter what direction the surface normal of the surface to be measured is inclined. Value x obtained for the same displacement z 1 from multiple sets of optical line sensors
Are almost equal, but they are not exactly equal due to alignment and measurement errors. Therefore, if the arithmetic unit obtains the most probable value of x using the method of least squares,
The error-corrected measurement value is obtained.
この装置では、光線はラインセンサ10のピクセル配列
方向に収束されるので、ラインセンサ10の出力は鋭いピ
ークをもち、その結果、ラインセンサの受光位置の検出
が容易になる。また、スリット、円筒レンズ、ラインセ
ンサのセットでなる光学系を複数用いることにより、測
定点における被測定面の法線が装置の光軸に対してどの
方向に傾いても測定を実行することができる。また、前
記複数セットの光学系による測定誤差が強め合う確率は
非常に小さいから別個の補正実験をすることなく、信頼
度の高い測定結果が得られる。In this device, since the light rays are converged in the pixel array direction of the line sensor 10, the output of the line sensor 10 has a sharp peak, and as a result, it becomes easy to detect the light receiving position of the line sensor. Further, by using a plurality of optical systems each consisting of a slit, a cylindrical lens, and a line sensor, it is possible to perform measurement regardless of the direction in which the normal to the surface to be measured at the measurement point is inclined with respect to the optical axis of the device. it can. In addition, since the probability that the measurement errors due to the plurality of sets of optical systems are strengthened is very small, a highly reliable measurement result can be obtained without performing a separate correction experiment.
次に本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は本発明の光学式非接触位置測定装置の一実施
例の構成図、第2図は第1図の装置のスリット6、円筒
レンズ3、CCDラインセンサ10の配置を示す図、第3図
は第1図の装置のAA断面図である。1 is a block diagram of an embodiment of the optical non-contact position measuring device of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of the slit 6, the cylindrical lens 3 and the CCD line sensor 10 of the device of FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of the apparatus shown in FIG.
凸レンズ1は焦点距離f1が70mmで入射平行光線を被測
定面に出射し、被測定面から反射された光線を受光す
る。He−Neレーザ光線9、ミラー8、微小ミラー7は照
射装置を構成し、He−Neレーザ光源9の出力レーザ光は
ミラー8で反射されて、ハウジング14の側壁に設けられ
た孔15を介して光軸(凸レンズ1の軸)2に直交するよ
うにハウジング14内に入射される。このレーザビームは
光軸2上に設けられた微小ミラー7により光軸2に沿っ
て反射され、凸レンズ1を介して被測定面Sに照射され
る。The convex lens 1 emits an incident parallel light beam with a focal length f 1 of 70 mm to the surface to be measured and receives a light beam reflected from the surface to be measured. The He-Ne laser beam 9, the mirror 8 and the minute mirror 7 constitute an irradiation device, and the output laser light of the He-Ne laser light source 9 is reflected by the mirror 8 and passes through a hole 15 provided in the side wall of the housing 14. And enters the housing 14 so as to be orthogonal to the optical axis (axis of the convex lens 1) 2. This laser beam is reflected along the optical axis 2 by the minute mirror 7 provided on the optical axis 2, and is irradiated onto the surface S to be measured via the convex lens 1.
3セットのスリット、円筒レンズ、CCDラインセンサ
(6A,3A,10A),(6B,3B,10B),(6C,3C,10C)は第3
図に示されているように光軸2のまわりに3回対称(1/
3回転毎に同一図形になる対称性)に配置されている。
いま、各セットの円筒レンズ3(以下、各セット内の配
置を記述するときには、各セット名A,B,Cを省略して記
す)の母線に平行および垂直な鏡映対称面をそれぞれ第
1、第2鏡映対称面21,22とする。また第1および第2
の鏡映対称面21,22の交線を円筒レンズ3の第1主軸2
3、円筒レンズ3の第1主軸23上の光心Oを通り第1主
軸23に垂直な直線を第2主軸24とする。円筒レンズ3
は、その第2主軸24が凸レンズ1の焦点面5内に含まれ
るように位置決めされ、第1主軸23は光軸2に平行に向
けられ、第2主軸24は、焦点面5と光軸2との交点Tと
光心Oとを結ぶ直線TOに垂直になるように向けられてい
る。本実施例では線分TOの長さ(第1主軸23と光軸2間
の距離)a=20mmである。遮蔽板4は円筒レンズ3の直
前に、光軸2に垂直に配置され、幅1mmのスリット6を
備えている。スリット6は第1鏡映対称面21と遮蔽板4
との交線に沿って、円筒レンズ3に対向した位置に設け
られている。CCDラインセンサ10は第2鏡映対称面22に
沿って第1主軸23に垂直に円筒レンズ3からその焦点距
離f2=150mmだけ離れた位置に配置されている。3 sets of slit, cylindrical lens, CCD line sensor (6A, 3A, 10A), (6B, 3B, 10B), (6C, 3C, 10C)
As shown in the figure, three-fold symmetry (1 /
Symmetry that makes the same figure every three rotations).
Now, the mirror symmetry planes parallel and perpendicular to the generatrices of the cylindrical lenses 3 of each set (hereinafter, the set names A, B, and C will be omitted when describing the arrangement within each set) are respectively defined as the first , And the second mirror symmetry planes 21 and 22. The first and second
The line of intersection of the mirror symmetry planes 21 and 22 of is the first principal axis 2 of the cylindrical lens 3.
3, a straight line passing through the optical center O on the first main axis 23 of the cylindrical lens 3 and perpendicular to the first main axis 23 is the second main axis 24. Cylindrical lens 3
Is positioned such that its second main axis 24 is contained within the focal plane 5 of the convex lens 1, the first main axis 23 is oriented parallel to the optical axis 2, and the second main axis 24 is aligned with the focal plane 5 and the optical axis 2. It is oriented so as to be perpendicular to the straight line TO connecting the intersection point T with the optical center O. In this embodiment, the length of the line segment TO (distance between the first main axis 23 and the optical axis 2) a = 20 mm. The shield plate 4 is arranged immediately in front of the cylindrical lens 3 perpendicularly to the optical axis 2 and has a slit 6 having a width of 1 mm. The slit 6 includes the first mirror symmetry plane 21 and the shield plate 4.
It is provided at a position facing the cylindrical lens 3 along the line of intersection with. The CCD line sensor 10 is arranged along the second mirror symmetry plane 22 perpendicularly to the first main axis 23 at a focal distance f 2 = 150 mm from the cylindrical lens 3.
演算ユニット11は、CCDラインセンサ10A,10B,10Cの出
力から焦点Fに対する点Pの変位z1を演算する。The arithmetic unit 11 calculates the displacement z 1 of the point P with respect to the focus F from the outputs of the CCD line sensors 10A, 10B, 10C.
次に本実施例の動作を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
被測定面Sの測定点が凸レンズ1の焦点Fにあると
き、点Fで反射し凸レンズ1、スリット6A,6B,6Cを通過
した光線は(第1図では、図を簡単にするため、スリッ
ト6Aを通る光線だけが示されている)、円筒レンズ3A,3
B,3Cの光心OA,OB,OC付近を通り、CCDラインセンサ10A,1
0B,10Cの、光軸からaだけ離れたピクセルRA,RB,RCに入
射する。演算ユニット11は、このときの出力極大のピク
セル番号を被測定面Sの変位z1=0に対応させる。被測
定点Pが焦点Fからz1だけ変位すると、点Pで反射し、
凸レンズ1、スリット6A,6B,6Cを通った光も円筒レンズ
3A,3B,3Cの光心OA,OB,OC付近を通り、CCDラインセンサ1
0A,10B,10CのピクセルRA,RB,RCからxA,xB,xCだけ離れた
ピクセルに入射する。When the measurement point of the surface S to be measured is at the focal point F of the convex lens 1, the light rays reflected at the point F and passing through the convex lens 1 and the slits 6A, 6B, 6C (in FIG. 1, for the sake of simplicity, Only rays passing through 6A are shown), cylindrical lenses 3A, 3
The CCD line sensor 10A, 1 passes through the optical centers of B, 3C O A , O B , O C.
The light enters the pixels R A , R B , and R C of 0B and 10C, which are separated by a from the optical axis. The arithmetic unit 11 associates the output maximum pixel number at this time with the displacement z 1 = 0 of the surface S to be measured. When the measured point P is displaced from the focus F by z 1 , it is reflected at the point P,
Light passing through convex lens 1 and slits 6A, 6B, 6C is also a cylindrical lens
The CCD line sensor 1 passes through the optical centers O A , O B and O C of 3A, 3B and 3C.
It is incident on the pixels separated by x A , x B , x C from the pixels R A , R B , R C of 0A, 10B, 10C.
第4図はCCDラインセンサ10の、ピクセル番号に対す
る出力曲線の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of an output curve with respect to the pixel number of the CCD line sensor 10.
入射光線はピクセル配列方向に収束されているので、
出力曲線はピクセル番号ξで鋭いピークを示している。
通常、CCDラインセンサ10A,10B,10Cの最大出力のピクセ
ル番号に対応する長さxA,xB,xCはほぼ等しいけれど、誤
差のため完全に等しくならない。演算手段11は式(3)
とxA,xB,xCから最小自乗法によってz1の最確値を求め
る。本実施例では、式(3)のk=f1 2/(af2)=1.63
で、CCDラインセンサ10A,10B,10Cとして7μm×2059素
子のものを採用した場合、測定範囲は凸レンズ1の焦点
Fを基準としてz=−11.7〜+11.7mmであり、分解能は
11.4μmである。Since the incident rays are focused in the pixel array direction,
The output curve shows a sharp peak at pixel number ξ.
Normally, the lengths x A , x B , and x C corresponding to the pixel numbers of the maximum outputs of the CCD line sensors 10A, 10B, and 10C are almost equal, but they are not equal because of an error. The calculation means 11 is equation (3)
And x A, x B, obtains the most probable value of z 1 by the least square method from x C. In this embodiment, k = f 1 2 / (af 2 ) = 1.63 in the equation (3).
When CCD line sensors 10A, 10B, and 10C having 7 μm × 2059 elements are adopted, the measurement range is z = −11.7 to +11.7 mm with reference to the focal point F of the convex lens 1, and the resolution is
It is 11.4 μm.
本発明は上述した実施例に限定されずに種々の変更が
可能である。The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
本実施例においては、3セットのスリット、円筒レン
ズ、CCDラインセンサでなる光学系が光軸2のまわりに
3回対称に配置されたが光学系の数は必ずしも3セット
である必要はなく、その配置も、必ずしも回転対称であ
る必要はない。しかし、光学系の配置に対称性がある
と、測定のための装置の操作、または測定値の処理によ
って測定誤差を系統誤差として処理することができるば
かりでなく、その他の計算も容易になる。また、レンズ
の焦点距離f1,f2を選定することにより式(3)からわ
かるように非常に小さい測長範囲から非常に大きい測長
範囲をとることができる。さらに実施例ではCCDライン
センサを使用しているが受光位置を電気信号に変換する
ものであればアナログ、ディジタルにかかわらず置換可
能である。また、平行光線を発生する光源はHe−Neレー
ザに限定されない。本実施例では、照射レーザビームに
沿ったz軸方向の被測定面の変位を検出する装置のみを
説明したが、この装置をx,y軸方向に移動可能なテーブ
ル上に配置し、各x,y座標値における被測定面の変位z
を求めれば、被測定面の3次元データを得ることができ
る。In this embodiment, the optical system composed of three sets of slits, cylindrical lenses, and CCD line sensors is symmetrically arranged three times around the optical axis 2, but the number of optical systems is not necessarily three sets. The arrangement also does not necessarily have to be rotationally symmetrical. However, the symmetry of the arrangement of the optical system not only allows the measurement error to be treated as a systematic error by operating the device for measurement or processing the measurement value, but also facilitates other calculations. Further, by selecting the focal lengths f 1 and f 2 of the lens, as can be seen from the equation (3), it is possible to take a very long measuring range to a very large measuring range. Further, although the CCD line sensor is used in the embodiment, it can be replaced regardless of analog or digital if the light receiving position is converted into an electric signal. Further, the light source that generates parallel rays is not limited to the He-Ne laser. In the present embodiment, only the device for detecting the displacement of the surface to be measured in the z-axis direction along the irradiation laser beam has been described, but this device is arranged on a table movable in the x- and y-axis directions, and each x , z displacement of measured surface at y coordinate
Then, three-dimensional data of the surface to be measured can be obtained.
以上説明したように本発明は次の効果を有する。 As described above, the present invention has the following effects.
1. 対物レンズの焦点面に円筒レンズを配置し、円筒レ
ンズの焦点にラインセンサを配置することにより、被測
定面の変位とラインセンサの受光位置の関係が線形にな
り、装置の調整が容易になるとともに、ラインセンサの
受光位置から被測定面の変位を求める演算が容易にな
る。1. By arranging the cylindrical lens on the focal plane of the objective lens and arranging the line sensor on the focal point of the cylindrical lens, the relationship between the displacement of the surface to be measured and the light receiving position of the line sensor becomes linear, and the device adjustment is easy. Also, the calculation for obtaining the displacement of the surface to be measured from the light receiving position of the line sensor becomes easy.
2. 円筒レンズに入射した光線がラインセンサのピクセ
ル配列方向に収束するように配置することにより、ライ
ンセンサに入射する光の強度分布は鋭いピークをもち、
その結果、ラインセンサの受光位置の検出を容易にする
ことができる。2. By arranging the light rays incident on the cylindrical lens to converge in the pixel array direction of the line sensor, the intensity distribution of the light incident on the line sensor has a sharp peak,
As a result, it is possible to easily detect the light receiving position of the line sensor.
3. 前記1,2のように配置された円筒レンズとラインセ
ンサ、および円筒レンズの直前にその母線に平行に配置
されたスリットで成る光学系の複数セットを、装置の光
軸のまわりに配置することにより、測定点における被測
定面の法線が前記光軸に対してどの方向に傾いても測定
値を得ることができる。また、複数セットの光学系によ
る測定誤差が強め合う確立は非常に小さいから、別個の
補正実験をすることなく、信頼度の高い測定結果が得ら
れる。3. A plurality of sets of optical systems consisting of a cylindrical lens and a line sensor arranged as in 1 and 2 above, and a slit arranged in parallel with the generatrix immediately before the cylindrical lens are arranged around the optical axis of the device. By doing so, it is possible to obtain the measured value regardless of the direction of the normal line of the surface to be measured at the measurement point with respect to the optical axis. In addition, the probability that measurement errors due to a plurality of sets of optical systems will intensify each other is very small, and therefore highly reliable measurement results can be obtained without performing separate correction experiments.
第1図は本発明の光学式非接触位置測定装置の一実施例
の構成図、第2図は第1図の装置のスリット6、円筒レ
ンズ3、CCDラインセンサ10の配置を示す図、第3図は
第1図の装置のAA断面図、第4図はCCDラインセンサの
出力曲線の一例を示す図、第5図(A),(B)は本発
明の光学式非接触位置測定装置の要部の光学素子配置
図、第6図は光学式非接触位置測定装置の従来例の構成
図である。 1……凸レンズ、2……光軸、 3,3A,3B,3C……円筒レンズ、 4……遮蔽板、5……焦点面、 6,6A,6B,6C……スリット、 7……微小ミラー、8……ミラー、 9……He−Neレーザ光源、 10,10A,10B,10C……CCDラインセンサ、 11……演算ユニット、14……ハウジング、 15……孔、 21,22……鏡映対称面、 23……第1主軸、24……第2主軸。1 is a block diagram of an embodiment of the optical non-contact position measuring device of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of the slit 6, the cylindrical lens 3 and the CCD line sensor 10 of the device of FIG. 3 is a sectional view taken along the line AA of the device of FIG. 1, FIG. 4 is a diagram showing an example of an output curve of a CCD line sensor, and FIGS. 5 (A) and 5 (B) are optical non-contact position measuring devices of the present invention. FIG. 6 is a layout diagram of an optical element of the main part of FIG. 6, and FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional example of an optical non-contact position measuring device. 1 ... convex lens, 2 ... optical axis, 3,3A, 3B, 3C ... cylindrical lens, 4 ... shield plate, 5 ... focal plane, 6,6A, 6B, 6C ... slit, 7 ... small Mirror, 8 ... Mirror, 9 ... He-Ne laser light source, 10, 10A, 10B, 10C ... CCD line sensor, 11 ... Arithmetic unit, 14 ... Housing, 15 ... Hole, 21,22 ... Mirror plane of symmetry, 23 ... primary spindle, 24 ... secondary spindle.
Claims (1)
面から反射された光線を受光する凸レンズ(1)と、 平行光線を発生し、前記凸レンズ(1)の軸(2)に沿
って該平行光線を該凸レンズ(1)に入射させる照射装
置(7,8,9)と、 円筒レンズ(3)の母線を含む鏡映対称面を第1鏡映対
称面(21)、母線に垂直な鏡映対称面を第2鏡映対称面
(22)とし、第1、第2の鏡映対称面(21,22)の交線
を円筒レンズ(3)の第1主軸(23)、第1主軸(23)
上の光心を通って母線に平行な直線を第2主軸(24)と
するとき、それぞれの第1主軸は凸レンズ(1)の軸
(2)に平行に向けられ、それぞれの第2主軸は凸レン
ズ(1)の被測定面と反対側の焦点面(5)内に位置決
めされ、かつ、凸レンズ(1)の軸(2)と焦点面
(5)との交点と、第1主軸と第2主軸との交点とを結
ぶ直線に垂直に向けられている複数の円筒レンズ(3A,3
B,3C)と、 凸レンズ(1)の焦点面(5)に平行で該焦点(5)の
前方に配置され、それぞれの円筒レンズ(3A,3B,3C)の
第1鏡映対称面との交線に沿ってそれぞれ円筒レンズ
(3A,3B,3C)に対向する位置にスリット(6A,6B,6C)が
設けられている遮蔽板4と、 それぞれの円筒レンズ(3A,3B,3C)の第2鏡映対称面内
に、円筒レンズ(3A,3B,3C)の焦点距離に等しい距離だ
け前記焦点面(5)の後方で、かつ該焦点面(5)に平
行に配置された位置検出用ラインセンサ(10A,10B,10
C)と、 前記ラインセンサ(10A,10B,10C)の出力を入力して被
測定面の位置を算出する演算手段を有する光学式非接触
位置測定装置。1. A convex lens (1) which emits an incident parallel light beam to a surface to be measured and receives a light beam reflected from the surface to be measured, and a parallel light beam which is generated on an axis (2) of the convex lens (1). An irradiation device (7,8,9) along which the parallel rays are incident on the convex lens (1), and a mirror symmetry plane including a generatrix of the cylindrical lens (3) is a first mirror symmetry plane (21), The mirror symmetry plane perpendicular to the is defined as the second mirror symmetry plane (22), and the line of intersection of the first and second mirror symmetry planes (21, 22) is defined as the first principal axis (23) of the cylindrical lens (3). , 1st spindle (23)
When a straight line passing through the above optical center and parallel to the generatrix is the second main axis (24), each first main axis is oriented parallel to the axis (2) of the convex lens (1), and each second main axis is The convex lens (1) is positioned in the focal plane (5) on the side opposite to the surface to be measured, and the intersection of the axis (2) of the convex lens (1) and the focal plane (5), the first principal axis and the second principal axis are measured. Multiple cylindrical lenses (3A, 3A) oriented perpendicular to a straight line connecting the intersection with the main axis
B, 3C) and the first mirror symmetry plane of each cylindrical lens (3A, 3B, 3C) which is arranged in front of the focal plane (5) in parallel with the focal plane (5) of the convex lens (1). The shielding plate 4 having slits (6A, 6B, 6C) at positions facing the cylindrical lenses (3A, 3B, 3C) along the intersection line, and the cylindrical lenses (3A, 3B, 3C) Position detection which is arranged in the second mirror symmetry plane behind the focal plane (5) by a distance equal to the focal length of the cylindrical lens (3A, 3B, 3C) and parallel to the focal plane (5). Line sensor (10A, 10B, 10
C) and an optical non-contact position measuring device having an arithmetic means for calculating the position of the surface to be measured by inputting the outputs of the line sensors (10A, 10B, 10C).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63067211A JP2675051B2 (en) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | Optical non-contact position measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP63067211A JP2675051B2 (en) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | Optical non-contact position measuring device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01240884A JPH01240884A (en) | 1989-09-26 |
JP2675051B2 true JP2675051B2 (en) | 1997-11-12 |
Family
ID=13338348
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP63067211A Expired - Lifetime JP2675051B2 (en) | 1988-03-23 | 1988-03-23 | Optical non-contact position measuring device |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2675051B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8836922B1 (en) * | 2013-08-20 | 2014-09-16 | Google Inc. | Devices and methods for a rotating LIDAR platform with a shared transmit/receive path |
-
1988
- 1988-03-23 JP JP63067211A patent/JP2675051B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH01240884A (en) | 1989-09-26 |
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