JP2904591B2 - ２次元レーザスポット位置検出センサ - Google Patents
２次元レーザスポット位置検出センサInfo
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- JP2904591B2 JP2904591B2 JP540891A JP540891A JP2904591B2 JP 2904591 B2 JP2904591 B2 JP 2904591B2 JP 540891 A JP540891 A JP 540891A JP 540891 A JP540891 A JP 540891A JP 2904591 B2 JP2904591 B2 JP 2904591B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばシールド掘進機
や自動搬送車等の移動物体の位置を計測する場合に適用
される２次元レーザスポット位置検出センサに関するも
のである。
や自動搬送車等の移動物体の位置を計測する場合に適用
される２次元レーザスポット位置検出センサに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光線が、幾何学的な位置計測装置
に広く応用されるにつれて、レーザスポットの位置計測
用センサの役割が重要となってきており、しかも、計測
の高度化とともに２次元でレーザスポット位置を計測可
能なセンサが必要となってきている。現在までは、この
ような２次元センサとして、分割型フォトダイオード、
ＣＣＤ、ＰＳＤなどの素子が使用されていた。
に広く応用されるにつれて、レーザスポットの位置計測
用センサの役割が重要となってきており、しかも、計測
の高度化とともに２次元でレーザスポット位置を計測可
能なセンサが必要となってきている。現在までは、この
ような２次元センサとして、分割型フォトダイオード、
ＣＣＤ、ＰＳＤなどの素子が使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、シールド掘
進機や自動搬送車など移動物体の位置計測にレーザを利
用した場合、これら移動物体は比較的軌道ずれ量が大き
いので、それに合わせて大形（広い面積）の２次元レー
ザスポット位置計測センサが必要になる場合が多い。し
かし、この２次元センサに使用されている上記の素子は
いずれのものも、数十ミリ角の小型の物しか作られてお
らず、上記大型化に対応して数百ミリ角以上の物を作る
ことは、対衝撃性、精度、コストなどに問題がある。分
割型フォトダイオードは大型の物を既存のフォトダイオ
ードチップを使用して作れるが、分解能、精度、信号処
理に問題がある。
進機や自動搬送車など移動物体の位置計測にレーザを利
用した場合、これら移動物体は比較的軌道ずれ量が大き
いので、それに合わせて大形（広い面積）の２次元レー
ザスポット位置計測センサが必要になる場合が多い。し
かし、この２次元センサに使用されている上記の素子は
いずれのものも、数十ミリ角の小型の物しか作られてお
らず、上記大型化に対応して数百ミリ角以上の物を作る
ことは、対衝撃性、精度、コストなどに問題がある。分
割型フォトダイオードは大型の物を既存のフォトダイオ
ードチップを使用して作れるが、分解能、精度、信号処
理に問題がある。
【０００４】このため、これまでに２つの手段が提案さ
れている。その１つは、大形のレンズでレーザ光線を集
光し小さな像に結像させ、この像の位置を上記の２次元
センサで計測する方法である。この方法は、大形のレン
ズを使用するため、レンズにより精度が悪くなるうえ、
コストおよび重量が増大するなどの欠点がある。また、
他の手段は、レーザスポットをスクリーンに当てこれを
カメラで結像し、上記の２次元センサで計測する方法で
ある。この方法にＣＣＤを使用した場合は、信号処理装
置が複雑になるほか、スクリーンによる散乱の影響を受
けやすく、ＣＣＤの素子数により分解能の上限が決定さ
れてしまうなどの欠点がある。ＰＳＤを使用した場合
は、光量の減少により精度が悪くなり、スクリーンによ
る散乱の影響を受けるなどの欠点がある。さらに、分割
型フォトダイオードはこの方式には向いていない。
れている。その１つは、大形のレンズでレーザ光線を集
光し小さな像に結像させ、この像の位置を上記の２次元
センサで計測する方法である。この方法は、大形のレン
ズを使用するため、レンズにより精度が悪くなるうえ、
コストおよび重量が増大するなどの欠点がある。また、
他の手段は、レーザスポットをスクリーンに当てこれを
カメラで結像し、上記の２次元センサで計測する方法で
ある。この方法にＣＣＤを使用した場合は、信号処理装
置が複雑になるほか、スクリーンによる散乱の影響を受
けやすく、ＣＣＤの素子数により分解能の上限が決定さ
れてしまうなどの欠点がある。ＰＳＤを使用した場合
は、光量の減少により精度が悪くなり、スクリーンによ
る散乱の影響を受けるなどの欠点がある。さらに、分割
型フォトダイオードはこの方式には向いていない。
【０００５】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、複雑な処理回路を必要とせず、かつ精度の低下を来
たすことなく比較的大型のものを、軽量かつ低コストで
実現し得る２次元レーザスポット位置検出センサを提供
することを目的とする。
で、複雑な処理回路を必要とせず、かつ精度の低下を来
たすことなく比較的大型のものを、軽量かつ低コストで
実現し得る２次元レーザスポット位置検出センサを提供
することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、互いに端面を揃えて平行に配列された複数
本を１組とする第１の光ファイバグループと、互いに端
面を揃えて平行に配列されて上記第１の光ファイバグル
ープと直交して重ね合される複数本を１組とする第２の
光ファイバグループと、位置基準となるレーザ光線を散
乱させて第１および第２の光ファイバグループの光ファ
イバに入射させる光散乱物体と、上記光ファイバの端面
に対向配設されて該光ファイバ内を伝搬した伝搬光を受
光する光電変換素子とを備え、上記光電変換素子が受光
する伝搬光の光強度の減衰量からレーザ光線の入射した
位置を検出するように構成したものである。
に本発明は、互いに端面を揃えて平行に配列された複数
本を１組とする第１の光ファイバグループと、互いに端
面を揃えて平行に配列されて上記第１の光ファイバグル
ープと直交して重ね合される複数本を１組とする第２の
光ファイバグループと、位置基準となるレーザ光線を散
乱させて第１および第２の光ファイバグループの光ファ
イバに入射させる光散乱物体と、上記光ファイバの端面
に対向配設されて該光ファイバ内を伝搬した伝搬光を受
光する光電変換素子とを備え、上記光電変換素子が受光
する伝搬光の光強度の減衰量からレーザ光線の入射した
位置を検出するように構成したものである。
【０００７】
【作用】上記構成により、レーザ光線が蛍光物質のよう
な光散乱物体に照射されると、その伝搬方向が変えられ
て光ファイバに入射し、光ファイバ内を伝搬する際のレ
イリー散乱により光強度が変化するので、これを光電変
換素子で受光することにより、レーザ光線の入射した位
置が求められる。したがって、集光用レンズや複雑な信
号処理回路を導入することなく、レーザスポットの位置
を広い面積にわたり高精度に計測可能となる。
な光散乱物体に照射されると、その伝搬方向が変えられ
て光ファイバに入射し、光ファイバ内を伝搬する際のレ
イリー散乱により光強度が変化するので、これを光電変
換素子で受光することにより、レーザ光線の入射した位
置が求められる。したがって、集光用レンズや複雑な信
号処理回路を導入することなく、レーザスポットの位置
を広い面積にわたり高精度に計測可能となる。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説
明する。図１は本発明の一実施例の２次元レーザスポッ
ト位置検出センサの構成図である。
明する。図１は本発明の一実施例の２次元レーザスポッ
ト位置検出センサの構成図である。
【０００９】図１において、１（１Ａ，１Ｂ，…１Ｎ）
は、同一平面上でそれぞれ端面を揃えてＹ軸方向へ互い
に平行に配列された同一長さの複数本の光ファイバであ
り、これら複数本の光ファイバ１Ａ，１Ｂ，…１Ｎによ
り第１の光ファイバグループ１００を構成している。２
（２Ａ，２Ｂ，…２Ｎ）は、同一平面上でそれぞれ端面
を揃えてＸ軸方向、すなわち上記第１の光ファイバグル
ープ１００に対して直交方向で互いに平行に配列された
同一長さの複数本の光ファイバであり、これら複数本の
光ファイバ２Ａ，２Ｂ，…２Ｎにより第２の光ファイバ
グループ２００を構成しており、この第２の光ファイバ
グループ２００は第１の光ファイバグループ１００に重
ね合せられている。３Ａ，３Ｂは照射された位置基準と
なるレーザ光線の伝搬方向を変えて上記光ファイバ１，
２に入射させる光散乱物体としての１対の蛍光板であ
り、上記光ファイバグループ１００，２００をサンドイ
ッチ状に挟持している。４Ａ，４Ｂは上記第１の光ファ
イバグループ１００の光ファイバ１の両端面にそれぞれ
対向するように配置された第１の１対の光電変換素子、
４Ｃ，４Ｄは上記第２の光ファイバグループ２００の光
ファイバ２の両端面にそれぞれ対向するように配置され
た第２の１対の光電変換素子、たとえばフォトダイオー
ドであり、伝搬光の光強度の減衰量からレーザ光線の入
射した位置を求めるために、上記フォトダイオード４
Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄには、それぞれ図３に示すように
アンプ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄが接続されている。
は、同一平面上でそれぞれ端面を揃えてＹ軸方向へ互い
に平行に配列された同一長さの複数本の光ファイバであ
り、これら複数本の光ファイバ１Ａ，１Ｂ，…１Ｎによ
り第１の光ファイバグループ１００を構成している。２
（２Ａ，２Ｂ，…２Ｎ）は、同一平面上でそれぞれ端面
を揃えてＸ軸方向、すなわち上記第１の光ファイバグル
ープ１００に対して直交方向で互いに平行に配列された
同一長さの複数本の光ファイバであり、これら複数本の
光ファイバ２Ａ，２Ｂ，…２Ｎにより第２の光ファイバ
グループ２００を構成しており、この第２の光ファイバ
グループ２００は第１の光ファイバグループ１００に重
ね合せられている。３Ａ，３Ｂは照射された位置基準と
なるレーザ光線の伝搬方向を変えて上記光ファイバ１，
２に入射させる光散乱物体としての１対の蛍光板であ
り、上記光ファイバグループ１００，２００をサンドイ
ッチ状に挟持している。４Ａ，４Ｂは上記第１の光ファ
イバグループ１００の光ファイバ１の両端面にそれぞれ
対向するように配置された第１の１対の光電変換素子、
４Ｃ，４Ｄは上記第２の光ファイバグループ２００の光
ファイバ２の両端面にそれぞれ対向するように配置され
た第２の１対の光電変換素子、たとえばフォトダイオー
ドであり、伝搬光の光強度の減衰量からレーザ光線の入
射した位置を求めるために、上記フォトダイオード４
Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄには、それぞれ図３に示すように
アンプ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄが接続されている。
【００１０】つぎに、上記構成の動作を説明する。い
ま、２次元レーザスポット位置検出センサに図３に示す
ようにレーザ光線が入射したとする。レーザ光線入射面
では図４に示すように、蛍光板（散乱板）３Ａ（３Ｂ）
のレーザ光線の当たった部分からあらゆる方向に蛍光
（散乱光：この場合は分布をもって散乱する）が放射す
る。この蛍光のうち光ファイバ１（２）内でコア１ｂか
らクラッド１ａへの入射角度θが臨界角をこえるもの
は、全反射を繰り返し、光ファイバ１（２）内を伝搬し
ていくが、その光強度はレイリー散乱により減衰する。
はじめの光強度をＩ，減衰定数をμとすると、距離ｘだ
け進んだときの光強度Ｉｏは（１）式で表わされる。
ま、２次元レーザスポット位置検出センサに図３に示す
ようにレーザ光線が入射したとする。レーザ光線入射面
では図４に示すように、蛍光板（散乱板）３Ａ（３Ｂ）
のレーザ光線の当たった部分からあらゆる方向に蛍光
（散乱光：この場合は分布をもって散乱する）が放射す
る。この蛍光のうち光ファイバ１（２）内でコア１ｂか
らクラッド１ａへの入射角度θが臨界角をこえるもの
は、全反射を繰り返し、光ファイバ１（２）内を伝搬し
ていくが、その光強度はレイリー散乱により減衰する。
はじめの光強度をＩ，減衰定数をμとすると、距離ｘだ
け進んだときの光強度Ｉｏは（１）式で表わされる。
【００１１】
【数１】
【００１２】そして、図３の位置に光強度Ｉのレーザ光
線が入射し、蛍光板（散乱板）３Ａ（３Ｂ）により蛍光
（散乱光）に変換され、光ファイバ１（２）内を伝搬す
る光強度は入射レーザ光線の強度Ｉに比例するので、ｋ
Ｉと表わせる（ここで、ｋは比例定数）。
線が入射し、蛍光板（散乱板）３Ａ（３Ｂ）により蛍光
（散乱光）に変換され、光ファイバ１（２）内を伝搬す
る光強度は入射レーザ光線の強度Ｉに比例するので、ｋ
Ｉと表わせる（ここで、ｋは比例定数）。
【００１３】そして、フォトダイオード４Ａからの信号
出力Ｖａは、レーザ光線入射位置からの距離はｘである
ので、アンプ５ＡのゲインをＧとすると（１）式を利用
することにより、（２）式のように表わせる。
出力Ｖａは、レーザ光線入射位置からの距離はｘである
ので、アンプ５ＡのゲインをＧとすると（１）式を利用
することにより、（２）式のように表わせる。
【００１４】
【数２】
【００１５】同様に、フォトダイオード４Ｂからの信号
出力Ｖｂは、（３）式のように求まる。
出力Ｖｂは、（３）式のように求まる。
【００１６】
【数３】
【００１７】上記（２）式、（３）式よりレーザ光線入
射位置座標ｘは（４）式のように求まる。
射位置座標ｘは（４）式のように求まる。
【００１８】
【数４】
【００１９】同様にしてレーザ光線入射位置座標ｙは
（５）式のように求まる。
（５）式のように求まる。
【００２０】
【数５】
【００２１】位置計測の式（４），（５）は入射レーザ
光線強度Ｉを含まないため、このセンサは入射レーザ光
線の光量変動があっても位置計測結果に誤差は生じな
い。
光線強度Ｉを含まないため、このセンサは入射レーザ光
線の光量変動があっても位置計測結果に誤差は生じな
い。
【００２２】このように、レーザ光線を蛍光板３Ａ，３
Ｂで乱反射させて複数本の光ファイバ１，２に入射させ
る構成としたので、レンズ等を用いなくとも、レーザス
ポットの位置を広い面積にわたり計測可能である。この
ため、シールド掘進機や自動搬送車など軌道ずれ量の大
きい移動物体の位置計測に有利であり、精度の低下を招
くこともない。また、レンズ等がないので、従来のもの
に比し、軽量化が図れ、取り付け易くなるうえ、低コス
ト化も進め易い。さらに、信号の処理に複雑な回路を使
用しないため、工事現場など環境の悪い場所でも使用で
きる。また、入射レーザ光線の光量変動に位置計測結果
が影響されない利点もある。
Ｂで乱反射させて複数本の光ファイバ１，２に入射させ
る構成としたので、レンズ等を用いなくとも、レーザス
ポットの位置を広い面積にわたり計測可能である。この
ため、シールド掘進機や自動搬送車など軌道ずれ量の大
きい移動物体の位置計測に有利であり、精度の低下を招
くこともない。また、レンズ等がないので、従来のもの
に比し、軽量化が図れ、取り付け易くなるうえ、低コス
ト化も進め易い。さらに、信号の処理に複雑な回路を使
用しないため、工事現場など環境の悪い場所でも使用で
きる。また、入射レーザ光線の光量変動に位置計測結果
が影響されない利点もある。
【００２３】なお、上記の実施例では、レーザ光線を光
ファイバ１，２に入射させる蛍光板３Ａ，３Ｂで光ファ
イバグループ１００，２００を挟持する構成のもので説
明したが、光ファイバ１，２自体に蛍光粒子を混入すれ
ば、図５に示すように蛍光板を省け、構造の簡素化を図
ることができる。
ファイバ１，２に入射させる蛍光板３Ａ，３Ｂで光ファ
イバグループ１００，２００を挟持する構成のもので説
明したが、光ファイバ１，２自体に蛍光粒子を混入すれ
ば、図５に示すように蛍光板を省け、構造の簡素化を図
ることができる。
【００２４】また、上記の実施例では、光散乱物質とし
て蛍光板（蛍光粒子）３Ａ，３Ｂを使用したもので説明
したが、他の光散乱物質を選択してもよい。
て蛍光板（蛍光粒子）３Ａ，３Ｂを使用したもので説明
したが、他の光散乱物質を選択してもよい。
【００２５】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、端面を揃
えて平行に配列された複数本を１組とする２組の光ファ
イバグループを互いに直交して重ね合わせ、レーザ光線
が照射された光散乱物体の散乱光を上記光ファイバに入
射させ、光ファイバ内を伝搬された伝搬光を光電変換素
子で受光させて減衰量からレーザ光線の入射位置を求め
るようにしたので、簡単な回路構成で、かつレーザ等を
用いなくても広範囲の位置計測を高精度に行なえるとと
もに、軽量化および低コスト化を図ることができる。
えて平行に配列された複数本を１組とする２組の光ファ
イバグループを互いに直交して重ね合わせ、レーザ光線
が照射された光散乱物体の散乱光を上記光ファイバに入
射させ、光ファイバ内を伝搬された伝搬光を光電変換素
子で受光させて減衰量からレーザ光線の入射位置を求め
るようにしたので、簡単な回路構成で、かつレーザ等を
用いなくても広範囲の位置計測を高精度に行なえるとと
もに、軽量化および低コスト化を図ることができる。
【図１】本発明の一実施例に係る２次元レーザスポット
位置検出センサを示す構成図である。
位置検出センサを示す構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の一実施例に係る２次元レーザスポット
位置検出センサの原理的説明図である。
位置検出センサの原理的説明図である。
【図４】レーザ光線の散乱と光ファイバへの入射状態を
示す図である。
示す図である。
【図５】本発明の要部の変形例を示す２次元レーザスポ
ット位置検出センサの構成図である。
ット位置検出センサの構成図である。
１Ａ，１Ｂ １Ｎ 光ファイバ ２Ａ，２Ｂ ２Ｎ 光ファイバ ３Ａ，３Ｂ 光散乱物体（蛍光板） ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ 光電変換素子 １００ 第１の光ファイバグループ ２００ 第２の光ファイバグループ
Claims (1)
- 【請求項１】 互いに端面を揃えて平行に配列された複
数本を１組とする第１の光ファイバグループと、互いに
端面を揃えて平行に配列されて上記第１の光ファイバグ
ループと直交して重ね合される複数本を１組とする第２
の光ファイバグループと、位置基準となるレーザ光線を
散乱させて第１および第２の光ファイバグループの光フ
ァイバに入射させる光散乱物体と、上記光ファイバの端
面に対向配設されて該光ファイバ内を伝搬した伝搬光を
受光する光電変換素子とを備え、上記光電変換素子が受
光する伝搬光の光強度の減衰量からレーザ光線の入射し
た位置を検出するように構成したことを特徴とする２次
元レーザスポット位置検出センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP540891A JP2904591B2 (ja) | 1991-01-22 | 1991-01-22 | ２次元レーザスポット位置検出センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP540891A JP2904591B2 (ja) | 1991-01-22 | 1991-01-22 | ２次元レーザスポット位置検出センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04238204A JPH04238204A (ja) | 1992-08-26 |
| JP2904591B2 true JP2904591B2 (ja) | 1999-06-14 |
Family
ID=11610323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP540891A Expired - Fee Related JP2904591B2 (ja) | 1991-01-22 | 1991-01-22 | ２次元レーザスポット位置検出センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2904591B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115342909B (zh) * | 2021-05-15 | 2025-08-26 | 西安立芯光电科技有限公司 | 一种脉冲激光光斑快速测量系统 |
-
1991
- 1991-01-22 JP JP540891A patent/JP2904591B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04238204A (ja) | 1992-08-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090326 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |