JP3627308B2 - Optical displacement measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体までの距離や物体の変位を三角測量法を用いて非接触で測定する光学式変位測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図9は、この種の光学式変位測定装置の従来例を示す回路ブロック図である。この光学式変位測定装置は、投光素子たるレーザダイオード1と、レーザダイオード1からの光を細く絞って投光スポットを形成する投光レンズ2とによって投光手段を構成し、この投光スポットを物体Aの表面に照射し、物体A表面での反射光を受光レンズ3に通して収束させ、投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に応じて受光素子であるPSD(Postion Sensitive Device)4から出力される位置信号を用いて演算手段において三角測量法に基づく演算を行うことにより、物体Aまでの距離や変位を測定するように構成されている。受光素子であるPSD4は、受光面に対する受光スポットの位置に応じて比率の決まる一対の位置信号(電流信号)を出力する。なお、各位置信号の信号値はPSD4における受光量に応じて増減する。いま、一対の位置信号の信号値がI1 ,I2 であるときに、両信号を用いて変位に相当する値を求めるとすると、(I1 −I2 )/(I1 +I2 )ないしこの形に類似した演算が必要になることが知られている。
【0003】
図9に示した従来構成をさらに詳しく説明すると、レーザダイオード1は駆動回路5により発振器6の発振出力に同期して駆動されており、レーザダイオード1から照射される光ビームは発振器6の発振周期に同期して断続されている。PSD4から出力される電流信号の位置信号は、それぞれ各別に電流電圧変換回路(I/V回路)71 ,72 において電圧信号に変換され、さらに増幅器81 ,82 において増幅され、各々同期検波回路91 ,92 に入力される。同期検波回路91 ,92 では、発振器6の発振出力から検波のタイミングを決定するタイミング回路10の出力に応じて、増幅器81 ,82 の出力が同期検波されて各位置信号の信号成分のみが検波される。この検波された各位置信号が積分回路から成るローパスフィルタ(以下、LPFと略す)111 ,112 にて平滑され、ノイズ分が除去されて演算部12の加算器13及び減算器14にそれぞれ入力される。さらに、これら加算器13と減算器14の出力が除算器15に入力され、最終的に除算器15の出力が演算部12の出力となる。すなわち、上記演算部12においては、LPF111 ,112 から出力される各位置信号(電圧信号)をV1 ,V2 としたとき、(V1 −V2 )/(V1 +V2 )という上述した変位を求めるための演算を行っているに他ならない。よって、この演算部12の出力に基づいて物体Aの変位を求めることができるのである。
【0004】
図10は他の従来構成を示しており、図9に示した従来構成とは演算部12における除算器15をなくし、代わりにPSD4での受光光量に対応してレーザダイオード1の発光出力をフィードバック制御するようになっている。つまり、加算器13の出力が比較器16において基準値Vref と比較され、両者の差に応じた出力が変調回路17に出力されており、一方、変調回路17は、比較器16の出力に応じてタイミング回路10の出力をパルス変調(パルス振幅変調)し、その変調出力を駆動回路5に与えることでレーザダイオード1の発光出力を可変するようになっている。ゆえに、変調回路17によって比較器16の出力(加算器13の出力と基準値Vref との差)を小さくするようにレーザダイオード1の発光光量が調整され、PSD4の受光光量が略一定に保たれることになる。その結果、加算器13からの加算出力(V1 +V2 )は、回路のダイナミックレンジや応答特性を無視した理想系では一定であって、減算器14からの減算出力(V1 −V2 )は、(V1 −V2 )/(V1 +V2 )に比例することになり、除算器15が必要で無くなるのである。
【0005】
図11は更に別の従来構成を示しており、図10に示した従来構成とはフィードバック制御の方法が異なっている。つまり、図11に示した従来構成では、電圧信号に変換された一対の位置信号を増幅する増幅器を可変増幅器181 ,182 とし、加算器13の加算出力(V1 +V2 )と基準値Vref とを比較した比較器16の出力により可変増幅器181 ,182 の増幅度を可変し、加算器13の加算出力(V1 +V2 )が略一定に保たれるようにフィードバック制御しており、図10に示した従来構成と同様に除算器15が必要で無くなるのである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記各従来構成においては、何れもPSD4の一対の位置信号に対して各別にI/V回路71 ,72 、増幅器81 ,82 (あるいは可変増幅器181 ,182 )、同期検波回路91 ,92 及びLPF111 ,112 が設けられており、全く同一の機能を有する回路を2系統用いなければならなかった。このように同一構成及び機能を有する回路群を2系統設けることにより、以下のような不具合が生じていた。
【0007】
まず、実際の回路では構成部品のばらつきなどによって同一の2つの回路の間に増幅率の差(ゲイン誤差)を生じる場合がある。また、各回路が構成部品のばらつきなどによって固有の温度特性や周波数特性を有し、周囲温度の変化や経時変化に対して各別の増幅率を持つようになる場合がある。その結果、上記ゲイン誤差により測定精度が低下してしまうという不具合があった。
【0008】
さらに、図12(a)に示すような物体Aの移動に対して、同一の2つの回路間に周波数特性の差が無いときには物体Aの移動に対する応答特性に差は生じないが(図12(b)参照)、上述のように2つの回路が異なる周波数特性を有するようになった場合にはそれぞれが異なる応答特性を示すことになり、物体Aの変位に対して過渡的誤差を生じてしまう(図12(c)参照)。また、同一の回路間で混入するノイズによるオフセットずれに差が生じ、測定精度を低下させるとともにオフセットずれの補正を行う場合には2つの系統毎に補正手段を設ける必要があり、それだけコストアップを招いてしまうという不具合があった。しかも、根本的に同一回路群を2系統設けることは、装置全体の小型化を妨げるだけでなく、コストダウンを困難にしてしまうという不具合があった。
【0009】
本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、一対の位置信号を簡単な構成により高精度で処理可能とする光学式変位測定装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、上記目的を達成するために、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算するとともに求めた差と和の商を演算する演算手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の一周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたものであり、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになるから、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることができ、しかも、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるため、切換時に発生するノイズの影響を低減することができる。
【0011】
請求項2の発明は、上記目的を達成するために、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算するとともに求めた差と和の商を演算する演算手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の複数周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたものであり、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになるから、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることができる。しかも、切換手段による切り換えを照射周期の複数周期毎に行うとともに、一対の位置信号を、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるため、切換時に発生するノイズの影響を低減することができる。
【0012】
請求項3の発明は、上記目的を達成するために、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように投光手段の発光光量をフィードバック制御する光量制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の一周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたものであり、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになるから、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることができ、しかも、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるため、切換時に発生するノイズの影響を低減することができる。
【0013】
請求項4の発明は、上記目的を達成するために、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように投光手段の発光光量をフィードバック制御する光量制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の複数周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたものであり、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになるから、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることができる。しかも、切換手段による切り換えを照射周期の複数周期毎に行うとともに、一対の位置信号を、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるため、切換時に発生するノイズの影響を低減することができる。
【0014】
請求項5の発明は、上記目的を達成するために、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように各位置信号を増幅する可変増幅器の増幅度をフィードバック制御する増幅度制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の一周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたものであり、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになるから、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることができ、しかも、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるため、切換時に発生するノイズの影響を低減することができる。
【0015】
請求項6の発明は、上記目的を達成するために、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように各位置信号を増幅する可変増幅器の増幅度をフィードバック制御する増幅度制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の複数周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたものであり、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになるから、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることができる。しかも、切換手段による切り換えを照射周期の複数周期毎に行うとともに、一対の位置信号を、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるため、切換時に発生するノイズの影響を低減することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
図1は請求項1に係る発明の実施形態を示す回路ブロック図であり、図9に示した従来構成に比較してPSD4の一対の位置信号を格別に切り換える切換手段たるスイッチ回路191 ,192 をI/V回路7の前段と同期検波回路9の後段とに設けることにより、I/V回路7、増幅器8及び同期検波回路9の回路群を1系統とした点が異なる。
【0018】
I/V回路7の前段に設けられたスイッチ回路191 は、タイミング回路10から出力され、駆動回路5を通じてレーザダイオード1を発光させる発振器6の原発振信号(変調信号)の1周期毎に反転する制御信号t1 (図2(g)参照)により切り換えられるものであり、I/V回路7に入力される位置信号を選択するようになっている。つまり、図2(a)(b)に示すような位置信号の原信号(電流信号)I1 ,I2 がスイッチ回路191 において選択されることにより、I/V回路7には図2(c)に示すように一対の位置信号I1 ,I2 が時系列的に混合されて入力される。ここで、各位置信号I1 ,I2 が持つ直流成分DC1 ,DC2 はスイッチ回路191 において混合されることで両者の電流値の差分DC1 −DC2 に変換される(図2(c)参照)。I/V回路7では上記混合された位置信号を電圧信号に変換し、増幅器8へ出力する。増幅器8は入力された位置信号(電圧信号)を適当なレベルにまで増幅する(図2(d)参照)。このとき、上記直流成分DC1 ,DC2 がオフセット電圧Vdc1 ,Vdc2 として増幅器8の出力信号Vaに含まれている。
【0019】
増幅器8にて増幅された位置信号Vaは同期検波回路9に入力される。同期検波回路9は、タイミング回路10から出力される検波タイミング信号t2 (図2(e)参照)によって位置信号Vaを同期検波し、信号Vbを出力する(図2(f)参照)。ここで、上記検波タイミング信号t2 は変調信号(発振器6の原発振信号)の周期と一致させてある。
【0020】
同期検波回路9にて検波された信号(位置信号)Vbは、スイッチ回路192 によって出力される先のLPF111 ,112 が選択され切り換えられるようになっている。すなわち、スイッチ回路192 はスイッチ回路191 と同様にタイミング回路10からの制御信号t1 により切り換えられるから、結局、スイッチ回路191 において混合された位置信号I1 ,I2 が一対の脈流信号(位置信号)Vd1 ,Vd2 に分離されることになる(図2(h)(i)参照)。ここで各位置信号Vd1 ,Vd2 においては、増幅器8の出力Vaに含まれているオフセット電圧Vdc1 ,−Vdc2 の逆極性電圧−Vdc1 ,Vdc2 が同期検波回路9での同期検波時に生じている(図2(h)(i)参照)。しかしながら、後段のLPF111 ,112 によって各脈流信号Vd1 ,Vd2 から直流成分を取り出すことにより、これらオフセット分Vdc1 ,Vdc2 をキャンセルすることができる。後は、図9に示す従来構成と同様に、LPF111 ,112 から出力される一対の位置信号に対して演算部12にて加算、減算及び除算処理が行われ、物体Aまでの距離や変位を示すアナログ信号が出力される。
【0021】
上記構成によれば、図9に示した従来構成の不具合を回避することができる。すなわち、レーザダイオード1の変調信号(発振器6の原発振信号)の一周期毎に切り換わるスイッチ回路191 により、一対の位置信号I1 ,I2 のうちで次段に出力される信号を切り換え、これによって両位置信号I1 ,I2 を時系列的に混合するとともに、後段のスイッチ回路192 において上記変調信号の一周期毎に次段に出力される信号を選択し切り換えることで混合された信号を分離するようにしたため、I/V回路7、増幅器8及び同期検波回路9の回路群を1系統のみにすることができ、同一の回路群を2系統備える図9に示した従来構成に比較して、同一回路間の部品ばらつきや温度特性の違いによる増幅率の変動による測定誤差の発生を抑えることができるのである。また、一対の位置信号を一つの同期検波回路9にて同期検波することにより、それぞれの位置信号を各別に同期検波回路91 ,92 を用いて同期検波する場合に比較して、オフセットによる誤差の発生を回避することができる。なお、このオフセット誤差は、上述のように同期検波回路9の前段(増幅器8より前段)で発生したものであれば、その原因が直流誤差による誤差であっても、また、混入ノイズによる誤差であってもほぼ完全にキャンセルすることができる。ここで、同期検波回路9の出力時に発生する僅かなオフセット誤差については、回路群が1系統であるために簡単な補正回路を設けることで取り除くことができる。さらに、周波数特性にも差が生じることがなく、レーザダイオード1の変調周波数の変化による測定誤差の発生や、位置信号の変化に対する過渡的な誤差の発生を防止することができる。
【0022】
ところで、本実施形態ではスイッチ回路191 ,192 の切換タイミング(制御信号t1 の周期)は、図2(g)に示すようにレーザダイオード1を発光させる変調信号(発振器6の原発振信号)の一周期毎としているが、例えば、図3(g)に示すように、三周期毎としてもよい。このように、スイッチ回路191 、192 を上記変調信号の複数周期毎に切り換えるようにすれば、一周期毎に切り換える場合に比較して、スイッチ回路191 ,192 の切換時に発生するノイズの位置信号への影響を抑制し、このようなノイズによる誤差の発生を防止することができる。
【0023】
また、図4に示すように、位置信号を混合するためのスイッチ回路191 は、I/V回路71 ,72 の次段に設けてもよい。このように、PSD4から出力される電流信号から成る一対の位置信号を、一旦適当なレベルの電圧信号に変換してからスイッチ回路191 にて混合するようにすれば、スイッチ回路191 の切換時に発生するノイズの上記位置信号に対する影響を抑制し、このようなノイズによる誤差の発生を防止することができる。
【0024】
(実施形態2)
図5は請求項4に係る発明の実施形態を示す回路ブロック図であり、図10に示した従来構成に比較してPSD4の一対の位置信号を格別に切り換える切換手段たるスイッチ回路191 ,192 をI/V回路7の前段と同期検波回路9の後段とに設けることにより、I/V回路7、増幅器8及び同期検波回路9の回路群を1系統とした点が異なる。なお、他の構成及び基本的な動作については図10に示した従来構成と共通であり、また、スイッチ回路191 ,192 の動作については実施形態1と同様であるから詳しい説明は省略する。
【0025】
本実施形態においては、実施形態1と同様にI/V回路7の前段に設けられたスイッチ回路191 によってPSD4から出力された一対の位置信号I1 ,I2 をレーザダイオード1の変調信号の一周期毎に時系列的に混合し、1系統の回路群(I/V回路7、増幅器8、同期検波回路9)にて信号処理した後、再度上記変調信号の一周期毎に切り換えられるスイッチ回路192 によって混合された位置信号を時系列的に分離し、LPF111 ,112 及び演算部12において処理演算されることで物体Aの距離あるいは変位情報を含むアナログ信号が出力されるのである。ここで、演算部12の加算器13の加算出力(V1 +V2 )を略一定とするフィードバック系の動作については、図10に示した従来構成と共通であるから説明は省略する。
【0026】
上記構成によれば、図10に示した従来構成の不具合を回避することができる。すなわち、レーザダイオード1の変調信号(発振器6の原発振信号)の一周期毎に切り換わるスイッチ回路191 により、一対の位置信号I1 ,I2 のうちで次段に出力される信号を切り換え、これによって両位置信号I1 ,I2 を時系列的に混合するとともに、後段のスイッチ回路192 において上記変調信号の一周期毎に次段に出力される信号を選択し切り換えることで混合された信号を分離するようにしたため、I/V回路7、増幅器8及び同期検波回路9の回路群を1系統のみにすることができ、同一の回路群を2系統備える図10に示した従来構成に比較して、同一回路間の部品ばらつきや温度特性の違いによる増幅率の変動による測定誤差の発生を抑えることができるのである。また、一対の位置信号を一つの同期検波回路9にて同期検波することにより、それぞれの位置信号を各別に同期検波回路91 ,92 を用いて同期検波する場合に比較して、オフセットによる誤差の発生を回避することができる。なお、このオフセット誤差は、同期検波回路9の前段(増幅器8より前段)で発生したものであれば、その原因が直流誤差による誤差であっても、また、混入ノイズによる誤差であってもほぼ完全にキャンセルすることができる。ここで、同期検波回路9の出力時に発生する僅かなオフセット誤差については、回路群が1系統であるために簡単な補正回路を設けることで取り除くことができる。さらに、周波数特性にも差が生じることがなく、レーザダイオード1の変調周波数の変化による測定誤差の発生や、位置信号の変化に対する過渡的な誤差の発生を防止することができる。
【0027】
ところで、本実施形態ではスイッチ回路191 ,192 の切換タイミング(制御信号t1 の周期)は、図2(g)に示すようにレーザダイオード1を発光させる変調信号(発振器6の原発振信号)の一周期毎としているが、例えば、図3(g)に示すように、三周期毎としてもよい。このように、スイッチ回路191 ,192 を上記変調信号の複数周期毎に切り換えるようにすれば、一周期毎に切り換える場合に比較して、スイッチ回路191 ,192 の切換時に発生するノイズの位置信号への影響を抑制し、このようなノイズによる誤差の発生を防止することができる。
【0028】
また、図6に示すように、位置信号を混合するためのスイッチ回路191 は、I/V回路71 ,72 の次段に設けてもよい。このように、PSD4から出力される電流信号から成る一対の位置信号を、一旦適当なレベルの電圧信号に変換してからスイッチ回路191 にて混合するようにすれば、スイッチ回路191 の切換時に発生するノイズの上記位置信号に対する影響を抑制し、このようなノイズによる誤差の発生を防止することができる。
【0029】
(実施形態3)
図7は請求項7に係る発明の実施形態を示す回路ブロック図であり、図11に示した従来構成に比較してPSD4の一対の位置信号を格別に切り換える切換手段たるスイッチ回路191 ,192 をI/V回路7の前段と同期検波回路9の後段とに設けることにより、I/V回路7、可変増幅器18及び同期検波回路9の回路群を1系統とした点が異なる。なお、他の構成及び基本的な動作については図11に示した従来構成と共通であり、また、スイッチ回路191 ,192 の動作については実施形態1と同様であるから詳しい説明は省略する。
【0030】
本実施形態においては、実施形態1と同様にI/V回路7の前段に設けられたスイッチ回路191 によってPSD4から出力された一対の位置信号I1 ,I2 をレーザダイオード1の変調信号の一周期毎に時系列的に混合し、1系統の回路群(I/V回路7、可変増幅器18、同期検波回路9)にて信号処理した後、再度上記変調信号の一周期毎に切り換えられるスイッチ回路192 によって混合された位置信号を時系列的に分離し、LPF111 ,112 及び演算部12において処理演算されることで物体Aの距離あるいは変位情報を含むアナログ信号が出力されるのである。ここで、演算部12の加算器13の加算出力(V1 +V2 )を略一定とするフィードバック系の制御動作(加算出力(V1 +V2 )を略一定とするように可変増幅器18の増幅度を調整する制御)については、図11に示した従来構成と共通であるから説明は省略する。
【0031】
上記構成によれば、図11に示した従来構成の不具合を回避することができる。すなわち、レーザダイオード1の変調信号(発振器6の原発振信号)の一周期毎に切り換わるスイッチ回路191 により、一対の位置信号I1 ,I2 のうちで次段に出力される信号を切り換え、これによって両位置信号I1 ,I2 を時系列的に混合するとともに、後段のスイッチ回路192 において上記変調信号の一周期毎に次段に出力される信号を選択し切り換えることで混合された信号を分離するようにしたため、I/V回路7、可変増幅器18及び同期検波回路9の回路群を1系統のみにすることができ、同一の回路群を2系統備える図11に示した従来構成に比較して、同一回路間の部品ばらつきや温度特性の違いによる増幅率の変動による測定誤差の発生を抑えることができるのである。また、一対の位置信号を一つの同期検波回路9にて同期検波することにより、それぞれの位置信号を各別に同期検波回路91 ,92 を用いて同期検波する場合に比較して、オフセットによる誤差の発生を回避することができる。なお、このオフセット誤差は、同期検波回路9の前段(可変増幅器18より前段)で発生したものであれば、その原因が直流誤差による誤差であっても、また、混入ノイズによる誤差であってもほぼ完全にキャンセルすることができる。ここで、同期検波回路9の出力時に発生する僅かなオフセット誤差については、回路群が1系統であるために簡単な補正回路を設けることで取り除くことができる。さらに、周波数特性にも差が生じることがなく、レーザダイオード1の変調周波数の変化による測定誤差の発生や、位置信号の変化に対する過渡的な誤差の発生を防止することができる。
【0032】
ところで、本実施形態ではスイッチ回路191 ,192 の切換タイミング(制御信号t1 の周期)は、図2(g)に示すようにレーザダイオード1を発光させる変調信号(発振器6の原発振信号)の一周期毎としているが、例えば、図3(g)に示すように、三周期毎としてもよい。このように、スイッチ回路191 ,192 を上記変調信号の複数周期毎に切り換えるようにすれば、一周期毎に切り換える場合に比較して、スイッチ回路191 ,192 の切換時に発生するノイズの位置信号への影響を抑制し、このようなノイズによる誤差の発生を防止することができる。
【0033】
また、図8に示すように、位置信号を混合するためのスイッチ回路191 は、I/V回路71 ,72 の次段に設けてもよい。このように、PSD4から出力される電流信号から成る一対の位置信号を、一旦適当なレベルの電圧信号に変換してからスイッチ回路191 にて混合するようにすれば、スイッチ回路191 の切換時に発生するノイズの上記位置信号に対する影響を抑制し、このようなノイズによる誤差の発生を防止することができる。
【0034】
【発明の効果】
請求項1の発明は、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算するとともに求めた差と和の商を演算する演算手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の一周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたので、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになり、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることで複数の同期検波手段を用いた場合の不具合を解消し、且つ構成の簡素化による小型化やコストダウンが図れ、一対の位置信号を簡単な構成により高精度で処理することができ、しかも、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるので、切換時に発生するノイズの影響を低減することができるという効果がある。
【0035】
請求項2の発明は、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算するとともに求めた差と和の商を演算する演算手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の複数周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたので、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の複数周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになり、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることで複数の同期検波手段を用いた場合の不具合を解消し、且つ構成の簡素化による小型化やコストダウンが図れ、一対の位置信号を簡単な構成により高精度で処理することができ、しかも、切換手段による切り換えを照射周期の複数周期毎に行うとともに、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるので、切換時に発生するノイズの影響を低減することができるという効果がある。
【0036】
請求項3の発明は、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように投光手段の発光光量をフィードバック制御する光量制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の一周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたので、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになり、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることで複数の同期検波手段を用いた場合の不具合を解消し、且つ構成の簡素化による小型化やコストダウンが図れ、一対の位置信号を簡単な構成により高精度で処理することができ、しかも、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるので、切換時に発生するノイズの影響を低減することができるという効果がある。
【0037】
請求項4の発明は、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように投光手段の発光光量をフィードバック制御する光量制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の複数周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたので、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の複数周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになり、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることで複数の同期検波手段を用いた場合の不具合を解消し、且つ構成の簡素化による小型化やコストダウンが図れ、一対の位置信号を簡単な構成により高精度で処理することができ、しかも、切換手段による切り換えを照射周期の複数周期毎に行うとともに、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるので、切換時に発生するノイズの影響を低減することができるという効果がある。
【0038】
請求項5の発明は、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように各位置信号を増幅する可変増幅器の増幅度をフィードバック制御する増幅度制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の一周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたので、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の一周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになり、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることで複数の同期検波手段を用いた場合の不具合を解消し、且つ構成の簡素化による小型化やコストダウンが図れ、一対の位置信号を簡単な構成により高精度で処理することができ、しかも、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるので、切換時に発生するノイズの影響を低減することができるという効果がある。
【0039】
請求項6の発明は、点状の投光スポットを物体の表面に周期的に照射する投光手段と、投光手段から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ投光スポットの像として形成された受光スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信号を電流信号として出力する受光手段と、各位置信号を電圧信号に変換する電流電圧変換手段と、電圧信号に変換された各位置信号を投光手段による投光スポットの照射に同期して検波する同期検波手段と、同期検波手段にて検波された各位置信号の出力レベルの差及び和を演算する演算手段と、位置信号の出力レベルの和が略一定に保たれるように各位置信号を増幅する可変増幅器の増幅度をフィードバック制御する増幅度制御手段と、一対の位置信号のうちで少なくとも同期検波手段にて同期検波されて演算手段に出力される位置信号を上記照射周期の複数周期毎に各別に切り換える切換手段とを備え、該切換手段を電流電圧変換手段の後段に設けたので、一対の位置信号は投光スポットの照射周期の複数周期毎に交互に少なくとも同期検波手段へ入力され且つ演算手段へ出力されることになり、少なくとも同期検波手段を一対の位置信号に対して共通に用いることで複数の同期検波手段を用いた場合の不具合を解消し、且つ構成の簡素化による小型化やコストダウンが図れ、一対の位置信号を簡単な構成により高精度で処理することができ、しかも、切換手段による切り換えを照射周期の複数周期毎に行うとともに、一対の位置信号は、電流信号から成る位置信号の原信号を一旦電圧信号に変換した後で切換手段により切り換えるので、切換時に発生するノイズの影響を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1を示す回路ブロック図である。
【図2】同上の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図3】同上の別の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図4】同上の別の構成を示す回路ブロック図である。
【図5】実施形態2を示す回路ブロック図である。
【図6】同上の別の構成を示す回路ブロック図である。
【図7】実施形態3を示す回路ブロック図である。
【図8】同上の別の構成を示す回路ブロック図である。
【図9】従来例を示す回路ブロック図である。
【図10】他の従来例を示す回路ブロック図である。
【図11】さらに別の従来例を示す回路ブロック図である。
【図12】同上の動作を説明するための説明図である。
【符号の説明】
1 レーザダイオード
4 PSD
6 発振器
7 電流電圧変換回路
8 増幅器
9 同期検波回路
10 タイミング回路
111 ,112 LPF
12 演算部
191 ,192 スイッチ回路
A 物体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical displacement measuring apparatus that measures the distance to an object and the displacement of the object in a non-contact manner using a triangulation method.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 is a circuit block diagram showing a conventional example of this type of optical displacement measuring apparatus. This optical displacement measuring device comprises a light projecting means comprising a
[0003]
The conventional configuration shown in FIG. 9 will be described in more detail. The
[0004]
FIG. 10 shows another conventional configuration. The conventional configuration shown in FIG. 9 eliminates the
[0005]
FIG. 11 shows still another conventional configuration, which differs from the conventional configuration shown in FIG. 10 in the feedback control method. In other words, in the conventional configuration shown in FIG. 11, the amplifier that amplifies the pair of position signals converted into voltage signals is the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in each of the above conventional configurations, the I /
[0007]
First, in an actual circuit, a difference in gain (gain error) may occur between the same two circuits due to variations in components. In addition, each circuit may have unique temperature characteristics and frequency characteristics due to variations in components and the like, and may have different amplification factors for changes in ambient temperature and changes over time. As a result, there is a problem that the measurement accuracy is lowered due to the gain error.
[0008]
Further, for the movement of the object A as shown in FIG. 12A, there is no difference in the response characteristics for the movement of the object A when there is no difference in frequency characteristics between the same two circuits (FIG. 12 ( b))) When the two circuits have different frequency characteristics as described above, each of them exhibits different response characteristics, and a transient error occurs with respect to the displacement of the object A. (See FIG. 12 (c)). In addition, there is a difference in offset deviation due to noise mixed between the same circuits, and it is necessary to provide a correction means for each of the two systems in order to reduce the measurement accuracy and correct the offset deviation. There was a problem of being invited. Moreover, providing two systems of the same circuit group fundamentally has the disadvantage that it not only prevents downsizing of the entire apparatus but also makes it difficult to reduce costs.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical displacement measuring apparatus that can process a pair of position signals with high accuracy with a simple configuration.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
[0011]
In order to achieve the above object, a second aspect of the present invention provides a light projecting means for periodically irradiating a surface of an object with a spot-like light projecting spot, and a reflection of light irradiated from the light projecting means on the object surface. Light receiving means for outputting light as a current signal, a pair of position signals in which the ratio of the output level is determined corresponding to the position of the light receiving spot formed as an image of the light projecting spot by converging light through the light receiving optical system Current-voltage conversion means for converting the signal into a voltage signal, synchronous detection means for detecting each position signal converted into the voltage signal in synchronization with irradiation of the light projection spot by the light projection means, and detection by the synchronous detection means Calculation means for calculating the difference and sum of the output levels of the position signals and calculating the quotient of the obtained difference and sum, and at least synchronous detection of the pair of position signals by the synchronous detection means and output to the calculation means Position signal above And a switching means for switching to every plurality of cycles of the irradiation period to each other The switching means is provided at the subsequent stage of the current-voltage conversion means. The pair of position signals are alternately input to at least the synchronous detection means and output to the calculation means every one period of the irradiation period of the projection spot. It can be used in common for signals. Moreover, switching by the switching means is performed for each of a plurality of irradiation periods. In addition, in order to switch the pair of position signals by the switching means after once converting the original signal of the position signal consisting of the current signal into a voltage signal, The influence of noise generated during switching can be reduced.
[0012]
The invention of
[0013]
[0014]
[0015]
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit block diagram showing an embodiment of the invention according to
[0018]
A
[0019]
The position signal Va amplified by the
[0020]
The signal (position signal) Vb detected by the
[0021]
According to the above configuration, the problem of the conventional configuration shown in FIG. 9 can be avoided. That is, the
[0022]
By the way, in the present embodiment, the
[0023]
Further, as shown in FIG. 4, a
[0024]
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a circuit block diagram showing an embodiment of the invention according to
[0025]
In the present embodiment, the
[0026]
According to the above configuration, it is possible to avoid the problem of the conventional configuration shown in FIG. That is, the
[0027]
By the way, in the present embodiment, the
[0028]
Further, as shown in FIG. 6, a
[0029]
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a circuit block diagram showing an embodiment of the invention according to
[0030]
In the present embodiment, the
[0031]
According to the above configuration, the problem of the conventional configuration shown in FIG. 11 can be avoided. That is, the
[0032]
By the way, in the present embodiment, the
[0033]
Further, as shown in FIG. 8, a
[0034]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, there is provided a light projecting means for periodically irradiating the surface of the object with a spot-like light projecting spot, and a light reflected from the object surface of the light irradiated from the light projecting means through the light receiving optical system. Light receiving means for outputting as a current signal a pair of position signals whose output level ratio is determined corresponding to the position of the light receiving spot formed as an image of the projected light spot, and a current voltage for converting each position signal into a voltage signal The difference between the output level of the position signal detected by the conversion means, the synchronous detection means for detecting each position signal converted into the voltage signal in synchronization with the irradiation of the projection spot by the light projection means, and the synchronous detection means And a calculating means for calculating the sum and a quotient of the obtained difference and the sum, and a position signal that is synchronously detected by at least the synchronous detecting means and is output to the calculating means among the pair of position signals. Separate for each cycle And a switching means for switching The switching means is provided at the subsequent stage of the current-voltage conversion means. Therefore, a pair of position signals are alternately input to at least the synchronous detection means and output to the calculation means every one irradiation period of the projection spot, and at least the synchronous detection means is applied to the pair of position signals. By using them in common, the problems associated with using multiple synchronous detection means can be eliminated, and downsizing and cost reduction can be achieved by simplifying the configuration, and a pair of position signals can be processed with high accuracy with a simple configuration. Can In addition, since the pair of position signals is converted by the switching means after once converting the original position signal consisting of the current signal into a voltage signal, the influence of noise generated at the time of switching can be reduced. There is an effect that.
[0035]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a light projecting means for periodically irradiating the surface of an object with a spot-like light projecting spot, and a light reflected from the object surface of the light irradiated from the light projecting means is passed through a light receiving optical system Light receiving means for outputting as a current signal a pair of position signals whose output level ratio is determined corresponding to the position of the light receiving spot formed as an image of the projected light spot, and a current voltage for converting each position signal into a voltage signal The difference between the output level of the position signal detected by the conversion means, the synchronous detection means for detecting each position signal converted into the voltage signal in synchronization with the irradiation of the projection spot by the light projection means, and the synchronous detection means And a calculating means for calculating the sum and a quotient of the obtained difference and the sum, and a position signal that is synchronously detected by at least the synchronous detecting means and is output to the calculating means among the pair of position signals. Each for multiple cycles And a switching means for switching the The switching means is provided at the subsequent stage of the current-voltage conversion means. Therefore, the pair of position signals are alternately input to at least the synchronous detection means and output to the calculation means for each of the plurality of irradiation periods of the light projection spots, and at least the synchronous detection means is applied to the pair of position signals. By using them in common, the problems associated with using multiple synchronous detection means can be eliminated, and downsizing and cost reduction can be achieved by simplifying the configuration, and a pair of position signals can be processed with high accuracy with a simple configuration. In addition, switching by the switching means is performed at every plurality of irradiation cycles. At the same time, the pair of position signals are switched by the switching means after once converting the original position signal consisting of current signals into voltage signals. There is an effect that the influence of noise generated at the time of switching can be reduced.
[0036]
The invention of claim 3 point Light projecting means for periodically irradiating the surface of the object with a light-projecting spot, and the reflected light on the object surface of the light emitted from the light projecting means is converged through a light receiving optical system as an image of the light projecting spot Light receiving means for outputting as a current signal a pair of position signals whose output level ratio is determined corresponding to the position of the formed light receiving spot, current-voltage converting means for converting each position signal to a voltage signal, and conversion to a voltage signal Synchronous detection means for detecting each position signal thus generated in synchronism with the irradiation of the projection spot by the light projection means, and calculation means for calculating the difference and sum of the output levels of the respective position signals detected by the synchronous detection means; , A light amount control means for feedback control of the light emission amount of the light projecting means so that the sum of the output levels of the position signals is kept substantially constant, and at least a synchronous detection means among the pair of position signals is calculated by synchronous detection hand The position signal output and a switching means for switching to another each in each period of the irradiation period The switching means is provided at the subsequent stage of the current-voltage conversion means. Therefore, a pair of position signals are alternately input to at least the synchronous detection means and output to the calculation means every one irradiation period of the projection spot, and at least the synchronous detection means is applied to the pair of position signals. By using them in common, the problems associated with using multiple synchronous detection means can be eliminated, and downsizing and cost reduction can be achieved by simplifying the configuration, and a pair of position signals can be processed with high accuracy with a simple configuration. Can In addition, since the pair of position signals is converted by the switching means after once converting the original position signal consisting of the current signal into a voltage signal, the influence of noise generated at the time of switching can be reduced. There is an effect that.
[0037]
[0038]
[0039]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit block diagram showing a first embodiment.
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation described above.
FIG. 3 is a timing chart for explaining another operation of the above.
FIG. 4 is a circuit block diagram showing another configuration of the above.
FIG. 5 is a circuit block diagram showing a second embodiment.
FIG. 6 is a circuit block diagram showing another configuration of the above.
FIG. 7 is a circuit block diagram showing a third embodiment.
FIG. 8 is a circuit block diagram showing another configuration of the above.
FIG. 9 is a circuit block diagram showing a conventional example.
FIG. 10 is a circuit block diagram showing another conventional example.
FIG. 11 is a circuit block diagram showing still another conventional example.
FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining the operation described above;
[Explanation of symbols]
1 Laser diode
4 PSD
6 Oscillator
7 Current-voltage conversion circuit
8 Amplifier
9 Synchronous detection circuit
10 Timing circuit
11 1 , 11 2 LPF
12 Calculation unit
19 1 , 19 2 Switch circuit
A object
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