JP3661279B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の基準位置からの変位を三角測量法を用いて光学的に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１１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光ビームを形成する投光レンズ２とによって投光手段を構成し、この光ビームを物体Ａの表面に照射して物体Ａの表面に投光スポットを形成し、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、基準位置からの物体Ａの変位を測定するように構成されている。なお、基準位置にＰＳＤ４を配置した場合にはＰＳＤ４から物体Ａまでの距離を求めることができる。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信号値の比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、ＰＳＤに流れる全電流ＩはＩ1 ＋Ｉ2 であり、Ｉ1 ，Ｉ2 は受光スポットの位置に応じて信号値の比が決まるから、（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１１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の発振周期に同期して駆動されており、レーザダイオード１からの光は発振器６の発振周期に同期して変調されている。ＰＳＤ４から出力される一対の電流信号の位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 は、位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 を各別に切り換えるスイッチ回路１９1 に入力される。
【０００４】
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１２（ｇ）参照）により切り換えられるものであり、（電流信号を電圧信号に変換する）電流電圧変換回路（以下、Ｉ／Ｖ変換回路と称す）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１２（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変換回路７には図１２（ｃ）に示すような１つの信号Ｉが入力される（すなわち、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、図１２（ａ），（ｂ）に示すＩ1 ，Ｉ2 は、Ｉ1 ＝Ｉ2 である。Ｉ／Ｖ変換回路７では上記混合された位置信号Ｉを電圧信号に変換し、増幅器８へ出力する。増幅器８は入力された電圧信号を適当なレベルにまで増幅する（図１２（ｄ）に増幅器８の出力信号Ｖａを示す）。
【０００５】
増幅器８の出力信号（電圧信号）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１２（ｅ）参照）によって電圧信号Ｖａを同期検波し、信号Ｖｂを出力する（図１２（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。なお、この同期検波回路９において、信号が持つ直流成分誤差（オフセット誤差等）は排除される。
【０００６】
同期検波回路９にて検波された信号Ｖｂは、演算部１２に入力される。
演算部１２では、スイッチ回路１９2 によって出力される先の積分回路からなるローパスフィルタ（ＬＰＦ）１１1 ，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Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 に分離されることになる（図１２（ｈ），（ｉ）参照）。また、スイッチ回路１９2 から出力される各脈流信号Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 は、後段のＬＰＦ１１1 ，１１2 によって平滑され、ノイズ分が除去されて加算器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（アナログ出力）が演算部１２の出力となる。すなわち、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のアナログ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。
【０００７】
以上説明したように、この装置では、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て、Ｉ／Ｖ変換回路７、増幅器８及び同期検波回路９の回路群を１系統にして信号処理を行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の装置では、例えば、レーザダイオード１からの光自身にノイズが発生しており、そのノイズのためにＰＳＤ４の出力である位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 それぞれが図１３（ａ），（ｂ）に示すように振幅変調されている。このため、上記構成の装置では、増幅器８から図１３（ｃ）に示すような出力信号（電圧信号）Ｖａが出力され、この電圧信号Ｖａが同期検波回路９にて、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１３（ｄ）参照）によって検波され、同期検波回路９から図１３（ｅ）に示すような信号Ｖｂが出力される。そして、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 （図１３（ｆ）参照）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 が図１３（ｇ），（ｈ）に示すような最大値の異なる脈流信号Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 に分離される。その結果、Ｉ1 ＝Ｉ2 の時には理想的にはＶｄ1 ＝Ｖｄ2 となり（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）＝０になるべきにもかかわらず、実際にはＶｄ1 ＞Ｖｄ2 となってしまい、（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）は零にならず、変位に誤差が発生してしまう。つまり、上記構成の装置では、ノイズの影響によってＰＳＤ４の出力である位置信号が振幅変調されると、物体Ａの変位に誤差が生じてしまうので測定精度が低下するという不具合があった。ここで、この種の装置は、通常、測距範囲の１万分の１以上の分解能を有しているため、僅かな変位の揺らぎが問題となる。
【０００９】
したがって、上記構成の装置では、発振器６、駆動回路５、レーザダイオード１自身、等がノイズを有しており、このノイズに起因して、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 に同相のノイズが発生すると測定される変位（や距離）に測定誤差が生じるとともに分解能が低下してしまうという不具合があった。特に、スイッチ回路１９1 の切り換えのために使われる制御信号により受光側の信号が変調されるという不具合があった。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、受光手段からの一対の位置信号に同相のノイズが存在する場合に求められる変位の測定誤差を低減することができる光学式変位測定装置を提供することにある。
【００１１】
【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、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力する第１のスイッチ回路と、前記第１のスイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号は前記第１の演算部で減算及び加算が行われるから、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、第１のスイッチ回路に同期するように切り換えられ同期検波手段の出力信号を減算信号及び加算信号に分離してそれぞれ出力する第２のスイッチ回路と、前記減算信号を積分して積分値を出力する第１の積分回路と、前記加算信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値を前記第２の積分回路の積分値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が変位に相当する値になる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号の信号値を平均化して第１の位置信号を出力する第１の手段と、前記同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を反転した出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、前記同期検波手段の出力信号から減算信号を取り出す第３の手段と、前記第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記減算信号を積分してその積分値を出力する第３の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値とを加算して出力する加算器と、前記第３の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が除算器から出力される。
【００１４】
請求項４の発明は、上記目的を達成するために、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、スイッチ回路の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と位相が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力される。
【００１６】
請求項６の発明は、上記目的を達成するために、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第１の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記スイッチ回路が切り換わるタイミング信号が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を第１のスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力される。
【００１８】
請求項８の発明は、上記目的を達成するために、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第２の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１９】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号で抽出することにより第２の位置信号及び減算信号を出力する手段と、前記手段から出力された減算信号を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記手段から出力された第２の位置信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（実施形態１）
図１に本実施形態の光学式変位測定装置（以下、装置と略称する）の回路ブロック図を示す。本装置は、ＰＳＤ４の一対の位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 を、それぞれ各別にＩ／Ｖ変換回路７1 ，７2 にて電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 に変換し、第１の演算部２０にて電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 の和（Ｖａ1 ＋Ｖａ2 ）及び差（Ｖａ1 −Ｖａ2 ）を各別に出力し、スイッチ回路１９1 にて第１の演算部２０の各出力（Ｖａ1 ＋Ｖａ2 ，Ｖａ1 −Ｖａ2 ）をそれぞれ各別に切り換えてスイッチ回路１９1 の出力を増幅器８に入力している点に特徴があり、第２の演算部１２は加算器１３及び減算器１４を持たない。
【００２１】
以下、本装置の動作について説明する。
ＰＳＤ４から出力される位置信号（電流信号）Ｉ1 ，Ｉ2 は、それぞれ各別にＩ／Ｖ変換回路７1 ，７2 において電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 に変換される。なお、本実施形態では、位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が図２（ａ），（ｂ）（図１３（ａ），（ｂ）と同じ）に示すようにノイズの影響で振幅変調されている場合について図２を参照しながら説明する。
【００２２】
各Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの位置信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 は第１の演算部２０にて減算及び加算が行われて、第１の演算部２０からＶａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 の信号がそれぞれ出力されてスイッチ回路１９1 に入力される。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の原発振信号の１周期毎に反転する制御信号ｔ1 （図２（ｆ）参照）により切り換えられるので、信号Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 に基づいて図２（ｃ）に示すような１つの出力信号（電圧信号）Ｖａが出力される。ここで、スイッチ回路１９1 からの電圧信号Ｖａが図２（ｃ）に示すような信号になるのは、Ｖａ1 −Ｖａ2 の値が略零だからである。
【００２３】
増幅器８は、スイッチ回路１９1 から入力された電圧信号Ｖａを適当レベルにまで増幅する。増幅器８にて増幅された電圧信号は同期検波回路９に入力される。同期検波回路９は、従来例と同様にタイミング回路１０から出力される検波タイミング信号ｔ2 （図２（ｄ）参照）によって電圧信号Ｖａを同期検波し、信号Ｖｄを出力する（図２（ｅ）参照）。ここで、検波タイミング信号ｔ2 は発振器６の原発振信号の周期と一致させてある。
【００２４】
同期検波回路９にて検波された信号Ｖｄは、第２の演算部１２に入力される。第２の演算部１２では、スイッチ回路１９2 によって出力先の積分回路からなるローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称す）１１1 ，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信号Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 が図２（ｇ），（ｈ）に示すような一対の信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ1 ＋Ｖｄ2 に分離されることになる。スイッチ回路１９2 から出力される各信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 （Ｉ1 ＝Ｉ2 の場合は、略零），Ｖｄ1 ＋Ｖｄ2 （脈流信号）は、それぞれ後段の積分回路からなるＬＰＦ１１1 ，１１2 によって積分されて直流成分（積分値）として取り出されて除算器１５に入力される。すなわち、第２の演算部１２においては、ＬＰＦ１１1 ，１１2 から出力される各電圧信号をＶ1 −Ｖ2 ，Ｖ1 ＋Ｖ2 としたとき、（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）という除算処理が行われ、物体Ａの基準位置からの変位を示すアナログ信号が出力される。ここで、基準位置にＰＳＤ４を配置している場合には、ＰＳＤ４から物体までの変位（又は距離）を示すアナログ信号が出力される。
【００２５】
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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００２６】
本実施形態では、ＰＳＤ４の出力Ｉ1 ，Ｉ2 がＩ1 ＝Ｉ2 の場合について説明したが、Ｉ1 ＞Ｉ2 ，Ｉ1 ＜Ｉ2 いずれの場合においても従来構成に比べて、距離や変位の誤差（測距誤差）を低減でき、分解能の低下を防ぐことができる。
ところで、この種の装置において、ＰＳＤ４の出力Ｉ1 ，Ｉ2 がＩ1 ＝Ｉ2 となるのは、光学的測距範囲の中央を意味するが、特に高精度な変位測定を要求する場合、物体Ａを測距範囲の中央近辺に設置することが行われる。これは、ＰＳＤ４の直線性の良い部分を使用し、また、測距範囲の中央で投光ビームのビーム径を小さくすることにより、投光ビームが有限の大きさを持つことによる誤差の発生を抑えることができるので、光学的な誤差の発生が起こりにくいからである。このため、測距範囲の中央で変位の誤差を小さくできることは特に重要である。
【００２７】
また、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（ｆ）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、前記変調信号の周期の整数倍周期毎とすることで制御信号ｔ1の周期を長くすることにより、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】
なお、本実施形態では、第１の演算部２０及び第２の演算部１２が電圧入力となっているので、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 を必要としているが、電流入力・出力の演算部を用いれば、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 は不要となる。
（実施形態２）
図３に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置は、実施形態１の装置と比較して第２の演算部の構成が異なり、第２の演算部１２において距離を求める演算式が実施形態１の装置と異なる。第２の演算部１２から出力されるアナログ信号は、光学的非線形性を補正する時に用いられる演算式（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）で求められる値となる。ここで、Ｖ1 ，Ｖ2 はそれぞれＬＰＦ１１1 ，１１2 の出力信号であり、ｋは光学的非線形性を補正するための定数である。この演算式を用いることにより、物体Ａの表面の反射率や受光量の総和にかかわらず（特開昭６３−１０８２１８号公報で提案されている装置と同様に）ＰＳＤ４の出力信号Ｉ1 ，Ｉ2 を正規化して物体までの変位（又は距離）に対応する信号が得られる。
【００２９】
以下、本装置の動作について説明する。
本実施形態では、位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が図４（ａ），（ｂ）に示すように大きさの異なる場合について図４を参照しながら説明する。各Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 は第１の演算部２０にて減算及び加算が行われて、第１の演算部２０からＶａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 の信号がそれぞれ出力されてスイッチ回路１９1 に入力される。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の原発振信号の１周期毎に反転する制御信号ｔ1 （図４（ｆ）参照）により切り換えられるので、信号Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 に基づいて図４（ｃ）に示すような１つの電圧信号Ｖａが出力される。ここで、電圧信号Ｖａが図４（ｃ）に示すような信号になるのは、Ｖａ1 ＋Ｖａ2 ＞Ｖａ1 −Ｖａ2 だからである。増幅器８は、スイッチ回路１９1 から入力された電圧信号Ｖａを適当レベルにまで増幅する。増幅器８にて増幅された電圧信号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４（ｄ）参照）によって電圧信号Ｖａを同期検波した信号Ｖｄ（図４（ｅ）参照）を第２の演算部１２へ出力する。ここで、検波タイミング信号ｔ2 は発振器６の原発振信号の周期と一致させてある。
【００３０】
第２の演算部１２の演算回路２１では、同期検波回路９にて検波された信号Ｖｄに基づいて３つの信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 の信号を出力する。すなわち、演算回路２１では、まず、検波タイミング信号ｔ2 による同期検波回路９の出力信号Ｖｄ（図４（ｅ））を平均化することで第１の位置信号に対応する出力信号Ｖｄ1 が得られ、出力信号Ｖｄのうち位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の減算を行った部分に対応する部分をタイミング信号ｔ1 で反転することで図４（ｇ）に示すような信号Ｖｄ’を得て、信号Ｖｄ’を平均化（ＬＰＦで積分）することで第２の位置信号に対応する出力信号Ｖｄ2 を得ている。また、例えば、Ｖｄ1 からＶｄ2 を減算することで信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 （図４（ｈ）参照）を得ている。ここで、演算回路２１の各出力Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 はそれぞれ積分回路からなるＬＰＦ１１1 ，１１2 ，１１3 にて積分されて直流成分（積分値）として取り出される。
【００３１】
そして、加算器１３にて、ＬＰＦ１１2 ，１１3 の出力信号に基づいてＶｄ1 ＋ｋ×Ｖｄ2 という演算が行わる。すなわち、演算部１２においては、ＬＰＦ１１2 ，１１3 から出力される信号をＶ1 ，Ｖ2 とし、加算器１３から出力される信号をＶ1 ＋ｋ×Ｖ2 、ＬＰＦ１１1 から出力される信号をＶ1 −Ｖ2 としたとき（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理が行われ物体Ａまでの変位（や距離）を示すアナログ信号が出力される。
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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００３２】
（実施形態３）
図５に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置は、実施形態１の装置と比較して同期検波回路９に供給されるタイミング信号及び第２の演算部１２の構成が異なり、第２の演算部１２において距離を求める演算式が実施形態１の装置と異なる。第２の演算部１２から出力されるアナログ信号は、実施形態２と同様に光学的非線形性を補正する時に用いられる演算式（Ｖ1−Ｖ2）／（Ｖ1＋ｋ×Ｖ2）で求められる値となる。なお、他の構成及びその基本的な動作（図６（ａ）〜（ｃ）及び図６（ｆ）参照）については図３に示した実施形態２と共通である（図４（ａ）〜（ｃ）及び図４（ｆ）参照）から説明は省略する。ここで、本装置では、同期検波回路９に提供されるタイミング信号ｔ3が、図６（ｆ）に示す制御信号ｔ1と比べて位相が略９０度異なるので、同期検波回路９の出力信号Ｖｄが図６（ｅ）のような波形になる。ここで、制御信号ｔ1は、実施形態２で述べたように、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の原発振信号の１周期毎に反転する信号である。
【００３３】
第２の演算部１２の演算回路２１では、同期検波回路９にて検波された信号（位置信号）ＶｄをＬＰＦで平均化（積分）することでＶｄ2 を、信号Ｖｄの差演算部分をタイミング信号ｔ1 で反転・抽出することで図６（ｇ）に示すような信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 を得て、Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 をそれぞれＬＰＦ１１1 ，１１2 へ出力する。ＬＰＦ１１1 ，１１2 では、それぞれＶｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 が積分されて直流成分（積分値）として取り出される。
【００３４】
そして、加算器１３にてＬＰＦ１１1 ，１１2 の出力信号に基づいてＶｄ1 ＋ｋ×Ｖｄ2 という演算が行わる。すなわち、演算部１２においては、加算器１３から出力される位置信号をＶ1 ＋ｋ×Ｖ2 、ＬＰＦ１１1 から出力される位置信号をＶ1 −Ｖ2 としたとき（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理が行われ物体Ａまでの距離を示すアナログ信号が出力される。
【００３５】
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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００３６】
（実施形態４）
図７に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置の基本構成は実施形態３の装置（図５参照）と略同じであり、第１の演算部２０で行われる演算及びその出力信号が異なる。すなわち、本装置の第１の演算部２０は、減算器のみを有しており、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの位置信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 とした時、Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 を出力する。このため、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が実施形態３と同様に、図８（ａ），（ｂ）のような信号の場合、スイッチ回路１９の出力信号Ｖａは、図８（ｃ）に示すような波形になる。
【００３７】
その他の構成及び動作は実施形態３と略同じなので、説明を省略するが、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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
。
【００３８】
（実施形態５）
図９に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置の基本構成は実施形態３の装置（図５参照）と略同じであり、第１の演算部２０で行われる演算及びその出力信号が異なる。すなわち、本装置の第１の演算部２０は、減算器のみを有しており、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの位置信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 とした時、Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ2 を出力する。このため、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が実施形態３と同様に、図１０（ａ），（ｂ）のような信号の場合、スイッチ回路１９の出力信号（電圧信号）Ｖａは、図１０（ｃ）に示すような波形になる。
【００３９】
ここで、本装置では、同期検波回路９に提供されるタイミング信号ｔ2 （図１０（ｄ）参照）が従来例と同じであり、同期検波回路９の出力信号（電圧信号）Ｖｄが図６（ｅ）のような波形になる。
第２の演算部１２の演算回路２１では、同期検波回路９にてタイミング信号ｔ2 で検波された信号Ｖｄをタイミング信号ｔ1 （図１０（ｆ）参照）で抽出することで図１０（ｇ）に示すような信号Ｖｄ2 及び図１０（ｈ）に示すような信号Ｖｄ−Ｖｄ2 を得て、信号Ｖｄ−Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 をそれぞれＬＰＦ１１1 ，１１2 へ出力する。ＬＰＦ１１1 ，１１2 では、それぞれＶｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 が積分されて直流成分（積分値）として取り出される。そして、加算器１３にてＬＰＦ１１1 ，１１2 の出力信号に基づいてＶｄ1 ＋ｋ×Ｖｄ2 という演算が行わる。すなわち、演算部１２においては、加算器１３から出力される信号をＶ1 ＋ｋ×Ｖ2 、ＬＰＦ１１1 から出力される信号をＶ1 −Ｖ2 としたとき（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理が行われ物体Ａまでの距離を示すアナログ信号が出力される。
【００４０】
その他の構成及び動作は実施形態３と略同じなので、説明を省略するが、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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００４１】
なお、実施形態２乃至実施形態５では、演算部１２で（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理を行うのに、増幅器や抵抗器を必要としないが、従来は（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）の演算を行うために増幅器や抵抗器が必要であった。このため、従来例と比べて、増幅器や抵抗器のばらつきによる演算誤差が無く、測距精度の低下がない。また、前記増幅器や抵抗器が温度特性や周波数特性を有することにより発生していた演算誤差を無くすことができるので、測距精度が向上する。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力する第１のスイッチ回路と、前記第１のスイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号は前記第１の演算部で減算及び加算が行われるから、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００４３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、第１のスイッチ回路に同期するように切り換えられ同期検波手段の出力信号を減算信号及び加算信号に分離してそれぞれ出力する第２のスイッチ回路と、前記減算信号を積分して積分値を出力する第１の積分回路と、前記加算信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値を前記第２の積分回路の積分値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が変位に相当する値になるという効果がある。
【００４４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号の信号値を平均化して第１の位置信号を出力する第１の手段と、前記同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を反転した出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、前記同期検波手段の出力信号から減算信号を取り出す第３の手段と、前記第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記減算信号を積分してその積分値を出力する第３の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値とを加算して出力する加算器と、前記第３の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が除算器から出力されるという効果がある。
【００４５】
請求項４の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、スイッチ回路の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と位相が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００４６】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力されるという効果がある。
【００４７】
請求項６の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第１の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記スイッチ回路が切り換わるタイミング信号が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００４８】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を第１のスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力されるという効果がある。
【００４９】
請求項８の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第２の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００５０】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号で抽出することにより第２の位置信号及び減算信号を出力する手段と、前記手段から出力された減算信号を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記手段から出力された第２の位置信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力され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】実施形態２を示す回路ブロック図である。
【図４】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５】実施形態３を示す回路ブロック図である。
【図６】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７】実施形態４を示す回路ブロック図である。
【図８】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９】実施形態５を示す回路ブロック図である。
【図１０】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１１】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タイミングチャートである。
【図１３】同上の動作を説明するための他のタイミングチャートである。
【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（Ｉ／Ｖ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 ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１２ 第２の演算部
１９1 ，１９2 スイッチ回路
２０ 第１の演算部
Ａ 物体
Ｉ1 ，Ｉ2 位置信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の基準位置からの変位を三角測量法を用いて光学的に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１１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光ビームを形成する投光レンズ２とによって投光手段を構成し、この光ビームを物体Ａの表面に照射して物体Ａの表面に投光スポットを形成し、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、基準位置からの物体Ａの変位を測定するように構成されている。なお、基準位置にＰＳＤ４を配置した場合にはＰＳＤ４から物体Ａまでの距離を求めることができる。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信号値の比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、ＰＳＤに流れる全電流ＩはＩ1 ＋Ｉ2 であり、Ｉ1 ，Ｉ2 は受光スポットの位置に応じて信号値の比が決まるから、（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１１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の発振周期に同期して駆動されており、レーザダイオード１からの光は発振器６の発振周期に同期して変調されている。ＰＳＤ４から出力される一対の電流信号の位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 は、位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 を各別に切り換えるスイッチ回路１９1 に入力される。
【０００４】
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１２（ｇ）参照）により切り換えられるものであり、（電流信号を電圧信号に変換する）電流電圧変換回路（以下、Ｉ／Ｖ変換回路と称す）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１２（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変換回路７には図１２（ｃ）に示すような１つの信号Ｉが入力される（すなわち、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、図１２（ａ），（ｂ）に示すＩ1 ，Ｉ2 は、Ｉ1 ＝Ｉ2 である。Ｉ／Ｖ変換回路７では上記混合された位置信号Ｉを電圧信号に変換し、増幅器８へ出力する。増幅器８は入力された電圧信号を適当なレベルにまで増幅する（図１２（ｄ）に増幅器８の出力信号Ｖａを示す）。
【０００５】
増幅器８の出力信号（電圧信号）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１２（ｅ）参照）によって電圧信号Ｖａを同期検波し、信号Ｖｂを出力する（図１２（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。なお、この同期検波回路９において、信号が持つ直流成分誤差（オフセット誤差等）は排除される。
【０００６】
同期検波回路９にて検波された信号Ｖｂは、演算部１２に入力される。
演算部１２では、スイッチ回路１９2 によって出力される先の積分回路からなるローパスフィルタ（ＬＰＦ）１１1 ，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Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 に分離されることになる（図１２（ｈ），（ｉ）参照）。また、スイッチ回路１９2 から出力される各脈流信号Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 は、後段のＬＰＦ１１1 ，１１2 によって平滑され、ノイズ分が除去されて加算器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（アナログ出力）が演算部１２の出力となる。すなわち、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のアナログ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。
【０００７】
以上説明したように、この装置では、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て、Ｉ／Ｖ変換回路７、増幅器８及び同期検波回路９の回路群を１系統にして信号処理を行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の装置では、例えば、レーザダイオード１からの光自身にノイズが発生しており、そのノイズのためにＰＳＤ４の出力である位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 それぞれが図１３（ａ），（ｂ）に示すように振幅変調されている。このため、上記構成の装置では、増幅器８から図１３（ｃ）に示すような出力信号（電圧信号）Ｖａが出力され、この電圧信号Ｖａが同期検波回路９にて、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１３（ｄ）参照）によって検波され、同期検波回路９から図１３（ｅ）に示すような信号Ｖｂが出力される。そして、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 （図１３（ｆ）参照）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 が図１３（ｇ），（ｈ）に示すような最大値の異なる脈流信号Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 に分離される。その結果、Ｉ1 ＝Ｉ2 の時には理想的にはＶｄ1 ＝Ｖｄ2 となり（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）＝０になるべきにもかかわらず、実際にはＶｄ1 ＞Ｖｄ2 となってしまい、（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）は零にならず、変位に誤差が発生してしまう。つまり、上記構成の装置では、ノイズの影響によってＰＳＤ４の出力である位置信号が振幅変調されると、物体Ａの変位に誤差が生じてしまうので測定精度が低下するという不具合があった。ここで、この種の装置は、通常、測距範囲の１万分の１以上の分解能を有しているため、僅かな変位の揺らぎが問題となる。
【０００９】
したがって、上記構成の装置では、発振器６、駆動回路５、レーザダイオード１自身、等がノイズを有しており、このノイズに起因して、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 に同相のノイズが発生すると測定される変位（や距離）に測定誤差が生じるとともに分解能が低下してしまうという不具合があった。特に、スイッチ回路１９1 の切り換えのために使われる制御信号により受光側の信号が変調されるという不具合があった。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、受光手段からの一対の位置信号に同相のノイズが存在する場合に求められる変位の測定誤差を低減することができる光学式変位測定装置を提供することにある。
【００１１】
【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、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力する第１のスイッチ回路と、前記第１のスイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号は前記第１の演算部で減算及び加算が行われるから、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、第１のスイッチ回路に同期するように切り換えられ同期検波手段の出力信号を減算信号及び加算信号に分離してそれぞれ出力する第２のスイッチ回路と、前記減算信号を積分して積分値を出力する第１の積分回路と、前記加算信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値を前記第２の積分回路の積分値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が変位に相当する値になる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号の信号値を平均化して第１の位置信号を出力する第１の手段と、前記同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を反転した出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、前記同期検波手段の出力信号から減算信号を取り出す第３の手段と、前記第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記減算信号を積分してその積分値を出力する第３の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値とを加算して出力する加算器と、前記第３の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が除算器から出力される。
【００１４】
請求項４の発明は、上記目的を達成するために、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、スイッチ回路の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と位相が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力される。
【００１６】
請求項６の発明は、上記目的を達成するために、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第１の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記スイッチ回路が切り換わるタイミング信号が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を第１のスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力される。
【００１８】
請求項８の発明は、上記目的を達成するために、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第２の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とするものであり、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができる。
【００１９】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号で抽出することにより第２の位置信号及び減算信号を出力する手段と、前記手段から出力された減算信号を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記手段から出力された第２の位置信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（実施形態１）
図１に本実施形態の光学式変位測定装置（以下、装置と略称する）の回路ブロック図を示す。本装置は、ＰＳＤ４の一対の位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 を、それぞれ各別にＩ／Ｖ変換回路７1 ，７2 にて電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 に変換し、第１の演算部２０にて電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 の和（Ｖａ1 ＋Ｖａ2 ）及び差（Ｖａ1 −Ｖａ2 ）を各別に出力し、スイッチ回路１９1 にて第１の演算部２０の各出力（Ｖａ1 ＋Ｖａ2 ，Ｖａ1 −Ｖａ2 ）をそれぞれ各別に切り換えてスイッチ回路１９1 の出力を増幅器８に入力している点に特徴があり、第２の演算部１２は加算器１３及び減算器１４を持たない。
【００２１】
以下、本装置の動作について説明する。
ＰＳＤ４から出力される位置信号（電流信号）Ｉ1 ，Ｉ2 は、それぞれ各別にＩ／Ｖ変換回路７1 ，７2 において電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 に変換される。なお、本実施形態では、位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が図２（ａ），（ｂ）（図１３（ａ），（ｂ）と同じ）に示すようにノイズの影響で振幅変調されている場合について図２を参照しながら説明する。
【００２２】
各Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの位置信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 は第１の演算部２０にて減算及び加算が行われて、第１の演算部２０からＶａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 の信号がそれぞれ出力されてスイッチ回路１９1 に入力される。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の原発振信号の１周期毎に反転する制御信号ｔ1 （図２（ｆ）参照）により切り換えられるので、信号Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 に基づいて図２（ｃ）に示すような１つの出力信号（電圧信号）Ｖａが出力される。ここで、スイッチ回路１９1 からの電圧信号Ｖａが図２（ｃ）に示すような信号になるのは、Ｖａ1 −Ｖａ2 の値が略零だからである。
【００２３】
増幅器８は、スイッチ回路１９1 から入力された電圧信号Ｖａを適当レベルにまで増幅する。増幅器８にて増幅された電圧信号は同期検波回路９に入力される。同期検波回路９は、従来例と同様にタイミング回路１０から出力される検波タイミング信号ｔ2 （図２（ｄ）参照）によって電圧信号Ｖａを同期検波し、信号Ｖｄを出力する（図２（ｅ）参照）。ここで、検波タイミング信号ｔ2 は発振器６の原発振信号の周期と一致させてある。
【００２４】
同期検波回路９にて検波された信号Ｖｄは、第２の演算部１２に入力される。第２の演算部１２では、スイッチ回路１９2 によって出力先の積分回路からなるローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称す）１１1 ，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信号Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 が図２（ｇ），（ｈ）に示すような一対の信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ1 ＋Ｖｄ2 に分離されることになる。スイッチ回路１９2 から出力される各信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 （Ｉ1 ＝Ｉ2 の場合は、略零），Ｖｄ1 ＋Ｖｄ2 （脈流信号）は、それぞれ後段の積分回路からなるＬＰＦ１１1 ，１１2 によって積分されて直流成分（積分値）として取り出されて除算器１５に入力される。すなわち、第２の演算部１２においては、ＬＰＦ１１1 ，１１2 から出力される各電圧信号をＶ1 −Ｖ2 ，Ｖ1 ＋Ｖ2 としたとき、（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）という除算処理が行われ、物体Ａの基準位置からの変位を示すアナログ信号が出力される。ここで、基準位置にＰＳＤ４を配置している場合には、ＰＳＤ４から物体までの変位（又は距離）を示すアナログ信号が出力される。
【００２５】
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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００２６】
本実施形態では、ＰＳＤ４の出力Ｉ1 ，Ｉ2 がＩ1 ＝Ｉ2 の場合について説明したが、Ｉ1 ＞Ｉ2 ，Ｉ1 ＜Ｉ2 いずれの場合においても従来構成に比べて、距離や変位の誤差（測距誤差）を低減でき、分解能の低下を防ぐことができる。
ところで、この種の装置において、ＰＳＤ４の出力Ｉ1 ，Ｉ2 がＩ1 ＝Ｉ2 となるのは、光学的測距範囲の中央を意味するが、特に高精度な変位測定を要求する場合、物体Ａを測距範囲の中央近辺に設置することが行われる。これは、ＰＳＤ４の直線性の良い部分を使用し、また、測距範囲の中央で投光ビームのビーム径を小さくすることにより、投光ビームが有限の大きさを持つことによる誤差の発生を抑えることができるので、光学的な誤差の発生が起こりにくいからである。このため、測距範囲の中央で変位の誤差を小さくできることは特に重要である。
【００２７】
また、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（ｆ）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、前記変調信号の周期の整数倍周期毎とすることで制御信号ｔ1の周期を長くすることにより、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】
なお、本実施形態では、第１の演算部２０及び第２の演算部１２が電圧入力となっているので、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 を必要としているが、電流入力・出力の演算部を用いれば、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 は不要となる。
（実施形態２）
図３に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置は、実施形態１の装置と比較して第２の演算部の構成が異なり、第２の演算部１２において距離を求める演算式が実施形態１の装置と異なる。第２の演算部１２から出力されるアナログ信号は、光学的非線形性を補正する時に用いられる演算式（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）で求められる値となる。ここで、Ｖ1 ，Ｖ2 はそれぞれＬＰＦ１１1 ，１１2 の出力信号であり、ｋは光学的非線形性を補正するための定数である。この演算式を用いることにより、物体Ａの表面の反射率や受光量の総和にかかわらず（特開昭６３−１０８２１８号公報で提案されている装置と同様に）ＰＳＤ４の出力信号Ｉ1 ，Ｉ2 を正規化して物体までの変位（又は距離）に対応する信号が得られる。
【００２９】
以下、本装置の動作について説明する。
本実施形態では、位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が図４（ａ），（ｂ）に示すように大きさの異なる場合について図４を参照しながら説明する。各Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの電圧信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 は第１の演算部２０にて減算及び加算が行われて、第１の演算部２０からＶａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 の信号がそれぞれ出力されてスイッチ回路１９1 に入力される。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の原発振信号の１周期毎に反転する制御信号ｔ1 （図４（ｆ）参照）により切り換えられるので、信号Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 ＋Ｖａ2 に基づいて図４（ｃ）に示すような１つの電圧信号Ｖａが出力される。ここで、電圧信号Ｖａが図４（ｃ）に示すような信号になるのは、Ｖａ1 ＋Ｖａ2 ＞Ｖａ1 −Ｖａ2 だからである。増幅器８は、スイッチ回路１９1 から入力された電圧信号Ｖａを適当レベルにまで増幅する。増幅器８にて増幅された電圧信号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４（ｄ）参照）によって電圧信号Ｖａを同期検波した信号Ｖｄ（図４（ｅ）参照）を第２の演算部１２へ出力する。ここで、検波タイミング信号ｔ2 は発振器６の原発振信号の周期と一致させてある。
【００３０】
第２の演算部１２の演算回路２１では、同期検波回路９にて検波された信号Ｖｄに基づいて３つの信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 の信号を出力する。すなわち、演算回路２１では、まず、検波タイミング信号ｔ2 による同期検波回路９の出力信号Ｖｄ（図４（ｅ））を平均化することで第１の位置信号に対応する出力信号Ｖｄ1 が得られ、出力信号Ｖｄのうち位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の減算を行った部分に対応する部分をタイミング信号ｔ1 で反転することで図４（ｇ）に示すような信号Ｖｄ’を得て、信号Ｖｄ’を平均化（ＬＰＦで積分）することで第２の位置信号に対応する出力信号Ｖｄ2 を得ている。また、例えば、Ｖｄ1 からＶｄ2 を減算することで信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 （図４（ｈ）参照）を得ている。ここで、演算回路２１の各出力Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ1 ，Ｖｄ2 はそれぞれ積分回路からなるＬＰＦ１１1 ，１１2 ，１１3 にて積分されて直流成分（積分値）として取り出される。
【００３１】
そして、加算器１３にて、ＬＰＦ１１2 ，１１3 の出力信号に基づいてＶｄ1 ＋ｋ×Ｖｄ2 という演算が行わる。すなわち、演算部１２においては、ＬＰＦ１１2 ，１１3 から出力される信号をＶ1 ，Ｖ2 とし、加算器１３から出力される信号をＶ1 ＋ｋ×Ｖ2 、ＬＰＦ１１1 から出力される信号をＶ1 −Ｖ2 としたとき（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理が行われ物体Ａまでの変位（や距離）を示すアナログ信号が出力される。
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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００３２】
（実施形態３）
図５に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置は、実施形態１の装置と比較して同期検波回路９に供給されるタイミング信号及び第２の演算部１２の構成が異なり、第２の演算部１２において距離を求める演算式が実施形態１の装置と異なる。第２の演算部１２から出力されるアナログ信号は、実施形態２と同様に光学的非線形性を補正する時に用いられる演算式（Ｖ1−Ｖ2）／（Ｖ1＋ｋ×Ｖ2）で求められる値となる。なお、他の構成及びその基本的な動作（図６（ａ）〜（ｃ）及び図６（ｆ）参照）については図３に示した実施形態２と共通である（図４（ａ）〜（ｃ）及び図４（ｆ）参照）から説明は省略する。ここで、本装置では、同期検波回路９に提供されるタイミング信号ｔ3が、図６（ｆ）に示す制御信号ｔ1と比べて位相が略９０度異なるので、同期検波回路９の出力信号Ｖｄが図６（ｅ）のような波形になる。ここで、制御信号ｔ1は、実施形態２で述べたように、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の原発振信号の１周期毎に反転する信号である。
【００３３】
第２の演算部１２の演算回路２１では、同期検波回路９にて検波された信号（位置信号）ＶｄをＬＰＦで平均化（積分）することでＶｄ2 を、信号Ｖｄの差演算部分をタイミング信号ｔ1 で反転・抽出することで図６（ｇ）に示すような信号Ｖｄ1 −Ｖｄ2 を得て、Ｖｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 をそれぞれＬＰＦ１１1 ，１１2 へ出力する。ＬＰＦ１１1 ，１１2 では、それぞれＶｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 が積分されて直流成分（積分値）として取り出される。
【００３４】
そして、加算器１３にてＬＰＦ１１1 ，１１2 の出力信号に基づいてＶｄ1 ＋ｋ×Ｖｄ2 という演算が行わる。すなわち、演算部１２においては、加算器１３から出力される位置信号をＶ1 ＋ｋ×Ｖ2 、ＬＰＦ１１1 から出力される位置信号をＶ1 −Ｖ2 としたとき（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理が行われ物体Ａまでの距離を示すアナログ信号が出力される。
【００３５】
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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００３６】
（実施形態４）
図７に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置の基本構成は実施形態３の装置（図５参照）と略同じであり、第１の演算部２０で行われる演算及びその出力信号が異なる。すなわち、本装置の第１の演算部２０は、減算器のみを有しており、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの位置信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 とした時、Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ1 を出力する。このため、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が実施形態３と同様に、図８（ａ），（ｂ）のような信号の場合、スイッチ回路１９の出力信号Ｖａは、図８（ｃ）に示すような波形になる。
【００３７】
その他の構成及び動作は実施形態３と略同じなので、説明を省略するが、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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
。
【００３８】
（実施形態５）
図９に本実施形態の装置の回路ブロック図を示す。本装置の基本構成は実施形態３の装置（図５参照）と略同じであり、第１の演算部２０で行われる演算及びその出力信号が異なる。すなわち、本装置の第１の演算部２０は、減算器のみを有しており、Ｉ／Ｖ変換回路７1 ，７2 からの位置信号Ｖａ1 ，Ｖａ2 とした時、Ｖａ1 −Ｖａ2 ，Ｖａ2 を出力する。このため、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 が実施形態３と同様に、図１０（ａ），（ｂ）のような信号の場合、スイッチ回路１９の出力信号（電圧信号）Ｖａは、図１０（ｃ）に示すような波形になる。
【００３９】
ここで、本装置では、同期検波回路９に提供されるタイミング信号ｔ2 （図１０（ｄ）参照）が従来例と同じであり、同期検波回路９の出力信号（電圧信号）Ｖｄが図６（ｅ）のような波形になる。
第２の演算部１２の演算回路２１では、同期検波回路９にてタイミング信号ｔ2 で検波された信号Ｖｄをタイミング信号ｔ1 （図１０（ｆ）参照）で抽出することで図１０（ｇ）に示すような信号Ｖｄ2 及び図１０（ｈ）に示すような信号Ｖｄ−Ｖｄ2 を得て、信号Ｖｄ−Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 をそれぞれＬＰＦ１１1 ，１１2 へ出力する。ＬＰＦ１１1 ，１１2 では、それぞれＶｄ1 −Ｖｄ2 ，Ｖｄ2 が積分されて直流成分（積分値）として取り出される。そして、加算器１３にてＬＰＦ１１1 ，１１2 の出力信号に基づいてＶｄ1 ＋ｋ×Ｖｄ2 という演算が行わる。すなわち、演算部１２においては、加算器１３から出力される信号をＶ1 ＋ｋ×Ｖ2 、ＬＰＦ１１1 から出力される信号をＶ1 −Ｖ2 としたとき（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理が行われ物体Ａまでの距離を示すアナログ信号が出力される。
【００４０】
その他の構成及び動作は実施形態３と略同じなので、説明を省略するが、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、本装置では、一対の位置信号を、スイッチ回路１９1 により混合して１つの信号にする前に、２つの位置信号の減算を行うので、ＰＳＤ４から出力される位置信号Ｉ1 ，Ｉ2 の同相ノイズを除去することができ、従来構成よりも求められる距離や変位の誤差（測距誤差）を低減できる。また、従来構成よりも距離や変位の誤差を低減することができるから、分解能の低下を防ぐことができる。なお、本装置は、信号の減算及び加算に至るまでの回路数が従来構成よりも少なく、スイッチ回路の数も少ないので、スイッチ動作の時間的遅れによる誤差の発生やスイッチングノイズによる誤差の発生を低減できるので、従来構成よりも測距精度の低下を抑えることができる。
【００４１】
なお、実施形態２乃至実施形態５では、演算部１２で（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）という演算処理を行うのに、増幅器や抵抗器を必要としないが、従来は（Ｖ1 −Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋ｋ×Ｖ2 ）の演算を行うために増幅器や抵抗器が必要であった。このため、従来例と比べて、増幅器や抵抗器のばらつきによる演算誤差が無く、測距精度の低下がない。また、前記増幅器や抵抗器が温度特性や周波数特性を有することにより発生していた演算誤差を無くすことができるので、測距精度が向上する。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力する第１のスイッチ回路と、前記第１のスイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号は前記第１の演算部で減算及び加算が行われるから、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００４３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、第１のスイッチ回路に同期するように切り換えられ同期検波手段の出力信号を減算信号及び加算信号に分離してそれぞれ出力する第２のスイッチ回路と、前記減算信号を積分して積分値を出力する第１の積分回路と、前記加算信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値を前記第２の積分回路の積分値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が変位に相当する値になるという効果がある。
【００４４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号の信号値を平均化して第１の位置信号を出力する第１の手段と、前記同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を反転した出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、前記同期検波手段の出力信号から減算信号を取り出す第３の手段と、前記第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記減算信号を積分してその積分値を出力する第３の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値とを加算して出力する加算器と、前記第３の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が除算器から出力されるという効果がある。
【００４５】
請求項４の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、スイッチ回路の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と位相が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００４６】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力されるという効果がある。
【００４７】
請求項６の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第１の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記スイッチ回路が切り換わるタイミング信号が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００４８】
請求項７の発明は、請求項６の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を第１のスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力されるという効果がある。
【００４９】
請求項８の発明は、適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第２の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えているので、前記各位置信号に同相のノイズが存在しても、前記第１の演算部での減算により前記ノイズが除去され、その結果、前記第２の演算部から出力される変位の誤差を低減することができるという効果がある。
【００５０】
請求項９の発明は、請求項８の発明において、第２の演算部が、同期検波手段の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号で抽出することにより第２の位置信号及び減算信号を出力する手段と、前記手段から出力された減算信号を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記手段から出力された第２の位置信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有するので、前記除算器の出力が光学的非線形性を補正した変位に相当する値が前記除算器から出力され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】実施形態２を示す回路ブロック図である。
【図４】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５】実施形態３を示す回路ブロック図である。
【図６】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７】実施形態４を示す回路ブロック図である。
【図８】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９】実施形態５を示す回路ブロック図である。
【図１０】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１１】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タイミングチャートである。
【図１３】同上の動作を説明するための他のタイミングチャートである。
【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（Ｉ／Ｖ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 ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１２ 第２の演算部
１９1 ，１９2 スイッチ回路
２０ 第１の演算部
Ａ 物体
Ｉ1 ，Ｉ2 位置信号
Claims (9)
- 適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力する第１のスイッチ回路と、前記第１のスイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とする光学式変位測定装置。
- 第２の演算部は、第１のスイッチ回路に同期するように切り換えられ同期検波手段の出力信号を減算信号及び加算信号に分離してそれぞれ出力する第２のスイッチ回路と、前記減算信号を積分して積分値を出力する第１の積分回路と、前記加算信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値を前記第２の積分回路の積分値で除算してその除算値を出力する除算器とを有することを特徴とする請求項１記載の光学式変位測定装置。
- 第２の演算部は、同期検波手段の出力信号の信号値を平均化して第１の位置信号を出力する第１の手段と、前記同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を反転した出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、前記同期検波手段の出力信号から減算信号を取り出す第３の手段と、前記第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記減算信号を積分してその積分値を出力する第３の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値とを加算して出力する加算器と、前記第３の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有することを特徴とする請求項１記載の光学式変位測定装置。
- 適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号同士の減算及び加算をして求めたそれぞれの信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の各出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、スイッチ回路の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と位相が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とする光学式変位測定装置。
- 第２の演算部は、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有することを特徴とする請求項４記載の光学式変位測定装置。
- 適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第１の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記スイッチ回路が切り換わるタイミング信号が略９０度異なるタイミング信号で同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とする光学式変位測定装置。
- 第２の演算部は、同期検波手段の出力信号のうち位置信号同士を減算した信号に対応する部分を第１のスイッチ回路が切り換わるタイミング信号と同じタイミング信号で反転・抽出することで第１の位置信号から第２の位置信号を減算した減算信号を出力する第１の手段と、同期検波手段の出力信号を平均化して第２の位置信号を出力する第２の手段と、第１の手段の出力を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記第２の手段の出力を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有することを特徴とする請求項６記載の光学式変位測定装置。
- 適宜周期で変調された光ビームを物体に照射して前記物体の表面に投光スポットを形成する投光手段と、前記投光手段から照射された光の前記物体表面での反射光を受光光学系に通して収束させ前記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信号値の比が決まる第１、第２の位置信号を出力する受光手段と、前記第１の位置信号から前記第２の位置信号を減算した信号及び前記第２の位置信号を出力する第１の演算部と、前記第１の演算部の出力信号のいずれかを前記光ビームの変調周期の１周期毎に切り換えて選択的に出力するスイッチ回路と、前記スイッチ回路の出力信号を前記光ビームの変調周期に同期して検波する同期検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の出力信号に基づいて前記物体の基準位置からの変位を演算する第２の演算部とを備えて成ることを特徴とする光学式変位測定装置。
- 第２の演算部は、同期検波手段の出力信号をスイッチ回路が切り換わるタイミング信号で抽出することにより第２の位置信号及び減算信号を出力する手段と、前記手段から出力された減算信号を積分してその積分値を出力する第１の積分回路と、前記手段から出力された第２の位置信号を積分してその積分値を出力する第２の積分回路と、前記第１の積分回路の出力値と前記第２の積分回路の出力値とを加算することにより第３の出力値を求め且つ前記第２の積分回路の出力値に光学的非線形性を補正するための所定定数を乗じた値と前記第３の出力値とを加算して出力する加算器と、前記第１の積分回路の出力値を前記加算器の出力値で除算してその除算値を出力する除算器とを有することを特徴とする請求項８記載の光学式変位測定装置。
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