JP3677868B2

JP3677868B2 - 光学式変位測定装置

Info

Publication number: JP3677868B2
Application number: JP13307396A
Authority: JP
Inventors: 尚之西川; 裕司高田; 啓史松田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH09318315A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三角測距法によって測定物体までの距離や変位を測定するための光学式変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から図１３に示すような光学式変位測定装置が知られている。図１３に示す光学式変位測定装置は、レーザダイオードなどの発光源１、光を測定物体２に投光する投光レンズ６などを持つ投光光学系、測定物体２からの反射、散乱光を受光する受光レンズ１１を備えた受光光学系、受光光学系の結像面に配置されて受光スポットの位置によって電流出力が変化するようになったＰＳＤのような位置検出センサ３とで構成してある。
【０００３】
ここで、レーザダイオードなどの投光源１から射出された光（投光ビーム）は投光レンズ６を介して測定物体２に照射される。測定物体２からの反射光は受光レンズ１１を介して受光素子である位置検出センサ３（ＰＳＤ）に受光される。つまり図１３において、Ｓ₁で反射された反射光が位置検出センサ３のＳ′₁に結像する。図１３においてＨは測定物体２の測定範囲を示している。そして、測定物体２の位置が変化すると、位置検出センサ３に形成される受光スポットの位置が変化し（つまり、測定物体２の位置が変化すると、Ｓ₂で反射された反射光がＳ′₂で結像し、Ｓ₃で反射された反射光がＳ′₃で結像し）、位置検出センサ３を構成するＰＳＤはその受光位置に応じて変化する電流Ｉ₁、Ｉ₂を出力する。この出力をＩ／Ｖ変換器にそれぞれ入力し、電流電圧変換、適当な増幅を行ったのち、検波回路にてそれぞれの同期検波を行って信号成分のみを検出し、平滑化のために積分回路にて積分された後、その出力を演算部で処理して測距情報を得るようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の変位測定装置においては、図１３に見られるように、測定物体２に照射される光の拡散反射による光を受光し、その光の結像位置から測距を行うことを目的としている。例えば、紙のように完全に拡散する物体に光を照射すると、反射光はランベルトの法則に従って分布する。受光光学系の光軸は投光ビームの照射方向と異なる方向にあるが、測定物体２からの反射光は拡散反射をするため測定物体２からの光を受光することができる。例えば、受光レンズ１１から測定物体２までの距離が４０ｍｍ、投光光学系と受光光学系の光軸のなす角度が２０°、投光ビームのパワー１ｍＷで完全拡散物体に近い白色のセラミックスを測定した場合、位置センサに入射する光量は約１μＷである。一般的には投光ビームの光量の１０^-3〜１０^-4程度の割合で位置検出センサ３に入射すると考えられる。
【０００５】
ところが、測定物体２が光沢のある面の場合、測距に関係のない光も入射し、測距誤差を引き起こすことがある。
図１４は投光ビームの裾に広がった光が光沢のある測定物体２に正反射して、受光光学系に入射した例である。一般にこの種の測定器では、数１０μｍ〜１ｍｍ程度の測定物体２上の特定領域の変位を測定するのを目的とするため、投光ビームは投光レンズ６によって測定物体２上に集光させる。この集光された光の拡散光のみが受光レンズ１１に入射する必要がある。ところが、実際には、集光させた光の周辺にも測距には不必要な光が存在している。図１２に投光側の光ビームの実際の強度分布を示す。光源は半導体レーザで、投光レンズ６の焦点距離は４ｍｍである。このグラフでは中心の強度を１と正規化している。理想的には測距したい部分以外の光の光量はゼロであって欲しいが、実際には投光ビームの中心から数ｍｍの光量が中心の光量の１０^-4〜１０^-5程度残る。この原因としては、レーザの強度分布が原理的にガウス分布に従うため周辺部の光が若干残ることや、それ以外に、半導体レーザのパッケージ内での乱反射光や投光レンズ６の汚れによる散乱光などによることが挙げられる。また、測定物体２が金属や研磨面などの光沢のある面の場合、投光ビームから数ｍｍも離れた光が、図１４の破線で示すように測定物体２の正反射により光がほとんど減衰せずに受光光学系に入射する。このため本来測距に必要な光（図１４において実線で示す）と正反射光（図１４において破線で示す）の両方が位置検出センサ３上に形成されたことになり、測距誤差の原因となっている。また、測定物体２が光沢面ではない場合でも、測定物体２上に油などが付着し、その部分の正反射光が位置検出センサ３に入射することもある。
【０００６】
別の例を図１５に示す。これは図１５の破線で示すように測定物体２に照射された投光ビームの正反射光が測定装置や装置周辺の取付け金具などに当たって、正反射して再度測定物体２に戻り、その光の一部が測定物体２上で正反射して位置検出センサ３に入射する場合である。また、測定装置や装置周辺の取付け金具などに当たった光が拡散して測定物体２で正反射する場合もある。いずれの場合も、正反射するため、光があまり減衰しないため、これらの光が位置検出センサ３に入射すると、前述の場合と同様に測距誤差の原因となる。また、測定物体２が平面もしくは平面に近い物体で、２次反射光が測定物体２で正反射する位置が投光ビームと受光光学系の間で起こる場合、図１５のように本来測距に必要な結像点より投光光学系に近い側に入射する。
【０００７】
別の例を図１６に示す。この従来例にあっては、図１５とほぼ同じであるが、２次反射光が測定物体２で正反射する位置に投光ビームに対して受光光学系と反対側で起こる場合で、この時は測距に必要な結像点より投光光学系に遠い側に入射するものである。
図１４乃至図１６において、実線は測距に必要な光、破線は不要光を示している。
【０００８】
本発明は上記の従来例の問題点に鑑みて発明したものであって、簡単な構成で位置検出センサに入る測距に必要のない光を除去できる光学式変位測定装置を提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光学式変位測定装置は、光ビームを発生する投光源１と、光ビームを測定物体２に照射する投光光学系と、光ビームの測定物体２での反射光を集光する受光光学系と、受光光学系の結像面に配置されて受光スポットの位置を検出する位置検出センサ３とを備えた三角測距原理による光学式変位測定装置であって、測定物体２の所定の位置に照射された光ビームの拡散光を受光光学系に集光してできる光は通過させ、それ以外の光が入らないようにするための遮光体４を位置検出センサ３の前に設けるものにおいて、受光光学系を保持するための光学筒９の後端部に位置検出センサ３を取付けるとともに、光学筒９の後端部の開口縁又は位置検出センサ３の上下に対向するように設けた溝に板状の遮光体４をスライド自在にはめ込むことで該遮光体４を受光スポットの移動方向に平行に移動自在となるように設けて成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、遮光体４で不要な光を除去でき、光沢のある面の測定を正確に行うことができるものであり、この際、簡単に、不要光を遮光する位置に遮光体４を移動して正確に不要光を遮光することができ、これにあたって、遮光体４を簡単な構成とし且つ簡単に遮光体４を受光スポットの移動方向に平行に移動自在にすることができるものである。
【００１０】
また、位置検出センサ３の位置を調節することができる保持部材７によって位置検出センサ３を光学筒９の後端開口部１２に取付けることが好ましい。このような構成とすることで、位置検出センサ３の位置を調節することが可能となる。
また、板状の遮光体４に透光窓部４ｂを設けることが好ましい。
また、位置検出センサ３が受光スポットの位置によって電流出力が変化するものであることが好ましい。このような構成とすることで、簡単な構成で位置検出センサ３を構成することができる。
【００１１】
また、位置検出センサ３を遮光体４で隠す範囲を、投光側に近い部分のみに限定することが好ましい。このような構成とすることで、簡単な構造で不要光を除去することができる。
【００１２】
また、位置検出センサ３を遮光体４で隠す範囲を、投光側に遠い部分のみに限定することが好ましい。このような構成とすることで、簡単な構造で不要光を除去することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を以下添付図面に示す実施形態に基づいて詳述する。図１乃至図４に本発明の一実施形態を示す。光学式変位測定装置は、レーザダイオードなどの発光源１、光を測定物体２に集光する投光レンズ６などをもつ投光光学系、測定物体２からの反射、散乱光を受光する受光レンズ１１を備えた受光光学系、受光光学系の結像面に配置されたＰＳＤなどの位置検出センサ３を備えており、更に、位置検出センサ３の位置を調節することができる位置検出センサ３の保持部材７、位置検出センサ３の前に置かれた板状の遮光体４、投光光学系、受光光学系を保持するための光学筒８、９を備えている。ここで、光学筒８と光学筒９とは連結部材１０により連結してあり、投光光学系側の光学筒８にはレーザダイオードなどの発光源１、投光レンズ６が装着してある。受光光学系側の光学筒９には受光レンズ１１が装着してあり、更に、受光光学系側の光学筒９の後端開口部１２の後面部には位置検出センサ３であるＰＳＤ（以下ＰＳＤとして説明する）が当接してあって、保持部材７によりＰＳＤを受光光学系側の光学筒９の後端開口部１２の後面部に押し当てて取付けてある。このようにして本発明の装置の光学ブロックが構成してある。
【００１４】
保持部材７は中央縦片１３の両端部から支持横片１４を連出した略コ字状をしており、中央縦片１３に弾性を有する板ばね片１５を切り起こしにより形成してある。支持横片１４には長孔１６が設けてあり、受光光学系側の光学筒９の後端部の上下面には複数（実施形態では２個）の突起３１が突設してあり、更にタッピング用の孔１７が設けてある。そして、保持部材７をＰＳＤに被せて長孔１４を突起３１にはめ込むことで、板ばね片１５がＰＳＤを受光光学系側の光学筒９の後端開口部１２の後面部に押し当てるものであり、突起３１にはめ込んだ状態で長孔１６に沿って保持部材７を移動することで、ＰＳＤを横方向に移動調整することができるようになっており、調整後、長孔１６に固定ねじ３２を挿入してタッピング用の孔１７に螺合することで、保持部材７を受光光学系側の光学筒９を固定し、ＰＳＤを固定するようになっている。ここで、タッピング用の孔１７に代えてあらかじめ雌ねじが刻設されたねじ孔であってもよい。
【００１５】
受光光学系側の光学筒９の後端開口部１２の開口縁には上下に対向して溝が設けてあり、この溝に板状をした遮光体４がスライド自在にはめ込んであって、該遮光体４をＰＳＤの前面側に配設してある。遮光体４は上記のように溝に対してスライド自在にすることで受光光学系によって結像される光の移動方向と平行な方向にスライド自在となっている。また、板状をした遮光体４には両側に遮光部４ａを設けると共に中央部に透光窓部４ｂが設けてある。
【００１６】
ここで、位置検出センサの光学的三角測距方式の測定距離原理につき図５に示す原理図に基づいて説明する。
レーザダイオードのような発光源１から射出した光は投光レンズ６を通り、測定物体２に照射される。ここで拡散した光は受光レンズ１１により位置検出センサ３であるＰＳＤの受光面上に集光される。測定物体２がΔγ変位した時のＰＳＤの受光スポットの移動量をΔｘとすると、位置検出センサ３であるＰＳＤ上にできる像の位置は下記の数１で示す（１）式のように決定される。
【００１７】
【数１】

【００１８】
ここで、ΔｘはＰＳＤ上の受光スポットの移動量、φはＰＳＤの傾き、Δγは測定物体２の変位量、ｆ′は受光レンズ１１とＰＳＤとの間の距離、θは投受光角度、Ｒｃは基準距離である。
一方、長さＬのＰＳＤ表面に受光スポットが照射されると両電極に下記の数２で示す（２）式、（３）式で表されるＩ₁、Ｉ₂の信号が現れる。
【００１９】
【数２】

【００２０】
但し、Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂（全受光量）である。（２）式、（３）式より、Δｘが下記の数３で示す（４）式で求められる。
【００２１】
【数３】

【００２２】
図６には上記（２）式、（３）式により表されるＩ₁、Ｉ₂の信号から測距情報を得るためのブロック図が示してある。すなわち、ＰＳＤ表面に受光スポットが照射されると、Ｉ₁、Ｉ₂の信号が現れるので、Ｉ₁、Ｉ₂の出力をＩ／Ｖ変換器２５にそれぞれ入力し、電流電圧変換、適当な増幅を行った後、検波回路２６にてそれぞれの同期検波を行って信号成分のみを検出し、平滑化のために積分回路２７にて積分された後、その出力を演算部２８で処理をして測距情報を得るようになっている。
【００２３】
ここで、（１）式から分かるように、測定物体２の変位量ΔγとＰＳＤ上の受光スポットの移動量Δｘとは非線型な関係なので、（１）式〜（４）式より、Δｘを直接Ｉ₁、Ｉ₂から計算することは現実的でない。そこで、ΔγとＩ₁、Ｉ₂とが次の数４で示す（５）式のような簡単な関係式で求められるようにリニアライズ方法を用いて演算を簡単にしている。
【００２４】
【数４】

【００２５】
ここで、ｋ、ｇは本装置のセンサヘッド３５とコントローラ３６とを接続したシステム毎に異なる固有の補正係数で、調整時に実測データから計算で求めることができる。
また、図６に示す測距を求める制御ブロック図においては、式（４）又は式（５）においてＩ₁＋Ｉ₂を一定に保つように光量をフィードバック制御している。これは、Ｉ₁＋Ｉ₂を一定に保つことで、Ｉ₁−Ｉ₂からΔｘを簡単に求めることができるようにするためである。
【００２６】
ところで、ＰＳＤの受光面の端の方で光が結像すると、上記した（２）式、（３）式で示されるＩ₁、Ｉ₂の値の比が非常に大きくなってしまうため、一般にはＰＳＤに結像する光の移動範囲ぎりぎりにＰＳＤの長さＬとすることはなく、ＰＳＤに結像する光の移動範囲よりもＰＳＤの受光面の長さＬを大きくとるようにすることが普通である。ところが、受光面積が大きくなった分、図１４、図１５、図１６に示したような光路でＰＳＤに入射する不要光を受光してしまうことになる。これを防ぐために、本発明においては、図４に示すように遮光体４により受光面の一部を塞ぐのである。図４においてＭはＰＳＤの表面の受光面における光の測距に必要な光の結像点３３の移動範囲を示す。
【００２７】
すなわち、図１には遮光体４により位置検出センサ３であるＰＳＤの受光面の一部を遮蔽する例が示してある。ここで、Ｓ₁で反射された反射光が位置検出センサ３のＳ′₁に結像するのであるが、測定範囲をＨとした場合、測定物体２の位置が変化すると、位置検出センサ３に形成される受光スポットの位置が変化する（つまり、図１において、測定物体２の位置が変化すると、Ｓ₂で反射された反射光がＳ′₂で結像し、Ｓ₃で反射された反射光がＳ′₃で結像する）ものであり、この結果、Ｓ′₁からＳ′₃までの範囲がＰＳＤに結像する光の移動範囲であるから、このＰＳＤに結像する光の移動範囲以外のＰＳＤの表面を遮光体４により塞ぐようにしている。
【００２８】
遮光体４を設置する位置は、次のようにして決められる。一つは所定の位置に置かれた測定物体２からの拡散光によるＰＳＤの結像光の移動範囲以外の受光面すべてを遮光体４により塞ぐ。この場合、遮光体４によって遮光される部分であれば、図１４乃至図１６までに示される以外の光路で入射する不要光も遮光できる可能性が高い。また、ＰＳＤ上の結像位置は、ＰＳＤの配置と測定物体２の位置によりあらかじめ決定されるため、無調整で遮光体４を設置することもできる。
【００２９】
また、別の例としては、測定物体２に光沢面を設置し、測距誤差の発生しにくい拡散反射率の大きな物体での測距値とを比較し、その差が所定値になるように遮光体４を移動させて調整する方法を採用してもよい。遮光体４はすでに述べているように溝にスライド自在に取付けてあるので、遮光体４を溝に沿って結像点の移動方向に平行に移動させることで、遮光体４の遮光部４ａを不要光を遮光する位置に移動させることができる。ここで、遮光体４をスライドさせるに当たっては、上記のように受光光学系側の光学筒９の後端開口部１２に設けた溝１８に遮光体４をスライド自在にはめ込むもののみに限定されず、遮光体４が結像点の移動方向に平行に自由に動くことができる構造になっていれば、ＰＳＤ側に溝を設けて、これに遮光体４をスライド自在に挿入する構造や、あるいは溝でなく遮光体４を挿入する孔を設ける構造にしてもよいものである。
【００３０】
図７、図８、図９には本発明の他の実施形態が示してある。この実施形態においては、ＰＳＤの投光光学系に近い側の受光面のみを板状をした遮光体４で隠す構造となっている。本実施形態に用いる遮光体４はコ字状をしていて、遮光部４ａを遮光体４の投光光学系に近い側の端部に設けた例である。このことにより図１４、図１５に示す不要光を除去することができるものである。
【００３１】
また、図１０、図１１には本発明の更に他の実施形態が示してある。この実施形態においては、ＰＳＤの投光光学系に遠い側の受光面のみを板状をした遮光体４で隠す構造となっている。本実施形態に用いる遮光体４はコ字状をしていて、遮光部４ａを遮光体４の投光光学系に遠い側の端部に設けた例である。このことにより図１６に示す不要光を除去することができるものである。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の発明にあっては、上記のように、光ビームを発生する投光源と、光ビームを測定物体に照射する投光光学系と、光ビームの測定物体での反射光を集光する受光光学系と、受光光学系の結像面に配置されて受光スポットの位置を検出する位置検出センサとを備えた三角測距原理による光学式変位測定装置であって、測定物体の所定の位置に照射された光ビームの拡散光を受光光学系に集光してできる光は通過させ、それ以外の光が入らないようにするための遮光体を位置検出センサの前に設けるものにおいて、受光光学系を保持するための光学筒の後端部に位置検出センサを取付けるとともに、前記光学筒の後端部の開口縁又は位置検出センサの上下に対向するように設けた溝に板状の遮光体をスライド自在にはめ込むことで該遮光体を受光スポットの移動方向に平行に移動自在となるように設けてあるので、不要光を遮光体で除去して光沢面に対して誤差の少ない測距が可能となるものであり、この際、遮光体を受光スポットの移動方向に平行に移動自在に設けてあるので不要光を遮光する位置に遮光体を移動して正確に不要光を遮光することができ、これにあたって、遮光体が板状に構成してあるので、遮光体の構成を簡略化でき、組み込み等が簡単にでき、スライドも簡単にできるものである。
【００３３】
また、請求項２記載の発明にあっては、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、位置検出センサ３の位置を調節することができる保持部材７によって位置検出センサ３を光学筒９の後端開口部１２に取付けることで、位置検出センサ３の位置を調節することができるものである。
また、請求項４記載の発明にあっては、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、位置検出センサが受光スポットの位置によって電流出力が変化するものであるから、簡単な構成で位置検出センサを構成することができるものである。
【００３４】
また、請求項５記載の発明にあっては、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、位置検出センサを遮光体で隠す範囲を、投光側に近い部分のみに限定してあるので、更に構造が簡単となり、低コスト化が図れるものである。
【００３５】
また、請求項６記載の発明にあっては、上記請求項１記載の発明の効果に加えて、位置検出センサを遮光体で隠す範囲を、投光側に遠い部分のみに限定してあるので、更に構造が簡単となり、低コスト化が図れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の概略説明図である。
【図２】同上の装置の一部分解斜視図である。
【図３】同上の装置の他の方向から見た一部分解斜視図である。
【図４】同上の結像した光の移動範囲と不要光を遮光板で遮光する例を示す説明図である。
【図５】同上の測距原理図である。
【図６】同上の測距を求める制御ブロック図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示し、投光光学系に近い側の受光面のみを遮光体で遮光する場合における不要光の一例を示す概略説明図である。
【図８】同上の投光光学系に近い側の受光面のみを遮光体で遮光する場合における不要光の他例を示す概略説明図である。
【図９】同上の装置の一部分解斜視図である。
【図１０】本発明の更に他の実施形態を示し、投光光学系に遠い側の受光面のみを遮光体で遮光する場合における概略説明図である。
【図１１】同上の装置の一部分解斜視図である。
【図１２】投光側の光ビームの実際の強度分布を示すグラフである。
【図１３】従来例の概略説明図である。
【図１４】従来例の問題点を示す概略説明図である。
【図１５】従来例の問題点を示す概略説明図である。
【図１６】従来例の問題点を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１投光源
２測定物体
３位置検出センサ
４遮光体

Claims

光ビームを発生する投光源と、光ビームを測定物体に照射する投光光学系と、光ビームの測定物体での反射光を集光する受光光学系と、受光光学系の結像面に配置されて受光スポットの位置を検出する位置検出センサとを備えた三角測距原理による光学式変位測定装置であって、測定物体の所定の位置に照射された光ビームの拡散光を受光光学系に集光してできる光は通過させ、それ以外の光が入らないようにするための遮光体を位置検出センサの前に設けるものにおいて、受光光学系を保持するための光学筒の後端部に位置検出センサを取付けるとともに、前記光学筒の後端部の開口縁又は位置検出センサの上下に対向するように設けた溝に板状の遮光体をスライド自在にはめ込むことで該遮光体を受光スポットの移動方向に平行に移動自在となるように設けて成ることを特徴とする光学式変位測定装置。
位置検出センサの位置を調節することができる保持部材によって位置検出センサを光学筒の後端開口部に取付けて成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。
板状の遮光体に透光窓部を設けて成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。
位置検出センサが受光スポットの位置によって電流出力が変化するものであ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。
位置検出センサを遮光体で隠す範囲を、投光側に近い部分のみに限定して成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。
位置検出センサを遮光体で隠す範囲を、投光側に遠い部分のみに限定して成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。