JP3696228B2 - 距離計測方法及び距離センサ - Google Patents
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Description
[数1]
β=tan-1(f0 /d)
但し、f0 =fL/(L−f)
光学系がScheimpflugの条件を満足すると、被測定物Obが第1のレンズ102の焦点位置Oにある場合はもちろん、被測定物Obが第1のレンズ102の焦点位置Oからずれた点O´にあっても、第1のレンズ102によって
結像されたビームは、第2のレンズ103により位置検出素子104上に結像する。
図1は本発明の第1の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの基本構成を示しており、図1において、1は発光ダイオードや半導体レーザ等よりなり単波長の光を出射する発光素子、2は発光素子1から出射された光を平行光とするコリメータレンズであって、発光素子1及びコリメータレンズ2により発光部が構成されている。また、3は頂角αの円錐形状を有する屈折率nの円錐レンズであって、該円錐レンズ3は投影ユニットを構成している。また、4は集光レンズ、5はPSDを使用したり、或いはラインセンサ等のCCD出力を画像処理することにより位置を検出する位置検出素子であって、これらの光学系は従来例で述べたScheimpflugの条件を満足している。
[数2]
β=sin-1{nsin(π/2−α/2)}−π/2+α/2
コリメータレンズ2から出射する平行光の光エネルギー密度をiとし、幾何光学解析により、円錐レンズ3の頂点から光軸に沿って距離ρで且つ光軸からの距離rの点における光エネルギー密度I(ρ、r)は、(数3)となる。
[数4]
ρ<D/{2tan(β)}
例えば、円錐レンズ3の頂角αを165°、有効径Dを30mm、屈折率nを1.515として計算すると、光エネルギー密度が高い領域ρ<287mmとなり、大焦点深度を実現できる。
図4(a)は本発明の第2の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの基本構成を示している。図4(a)においては、図1と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。図4(a)において、7は光軸からの距離hの位置に幅pの円形スリットを有するマスクであって、該マスク7にはコリメータレンズ2から出射された平行光が入射する。8はマスク7から距離t離れた位置に配置され、マスク7により回折させられた光を被測定物Obに投影する焦点距離fの投影レンズであって、これらマスク7及び投影レンズ8により投影ユニットが構成されている。尚、図4(b)はマスク7の平面構造を示しており、図中において、ハッチングが施されていない部分が円形スリットである。
[数5]
ΔZ=1.22×f・t・λ/(p・h)
例えば、h=1mm、p=0.01mm、f=200mm、t=10mm、λ=633nmとすると、ΔZ=154mmとなり、測定深度を100mm以上にできる。また、ビーム径は、第1の実施形態と同様に、20μm程度にすることができる。
図5は本発明の第3の実施形態に係る距離センサの基本構成を示している。図5においては、図1と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。尚、第3の実施形態においては、投影ユニットとして第1の実施
形態と同様に円錐レンズ3を用いているが、第2の実施形態で説明した投影ユニットを用いてもよいことは言うまでもない。図5において、10は投影ユニットからの光をx軸方向に走査し、被測定物Obからの拡散光を集光レンズ4に導く走査ミラー、11は走査ミラー10を回転走査させる走査モータである。これら光学系は従来例で述べたScheimpflugの条件を満足している。
図6は本発明の第4の実施形態に係る距離センサの基本構成を示している。図6においては、図5と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。尚、第4の実施形態においては、投影ユニットとして第1の実施形態と同様に円錐レンズ3を用いているが、第2の実施形態で説明した投影ユニットを用いてもよいことは言うまでもない。図6において、12は走査ミラー、13は走査ミラー12を前側焦点面とし、被測定物Obと直交する光軸を有する照明レンズ、14は被測定物Ob上の拡散光のうちy方向の光だけを位置検出素子5上に結像させる第1のシリンドリカルレンズ、15は位置検出素子5を後側
の焦点面とし、第1のシリンドリカルレンズ14の光軸に平行な光を位置検出素
子5に結像する第2のシリンドリカルレンズである。また、これら光学系は従来例で述べたScheimpflugの条件を満足している。
図8は本発明の第5の実施形態に係る距離センサの基本構成を示している。図8においては、図5と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。尚、第5の実施形態においては、投影ユニットとして第1の実施形態と同様に円錐レンズ3を用いているが、第2の実施形態で説明した投影ユニットを用いてもよいことは言うまでもない。図8において、16は走査ミラーであって、該走査ミラー16は、円錐レンズ3から出射された光を被測定物Obの方に反射する第1の反射面と、該第1の反射面の裏面側に設けられた第2の反射面と、被測定物Obにより拡散された拡散光を透過する中央の開口部とを有している。17は被測定物Obにより拡散され走査ミラー16の開口部を透過した拡散光を走査ミラー17の第2の反射面に導き、該第2の反射面により反射された拡散光を集光レンズ4を介して位置検出素子5上に結像させるように配置させられた固定ミラーである。また、これら光学系は従来例で述べたScheimpflugの条件を満足している。
2 コリメータレンズ
3 円錐レンズ
4 集光レンズ
5 位置検出素子
7 マスク
8 投影レンズ
10 走査ミラー
11 走査モータ
12 走査ミラー
13 照明レンズ
14 第1のシリンドリカルレンズ
15 第2のシリンドリカルレンズ
16 走査ミラー
17 固定ミラー
Claims (5)
- 単波長の平行光を出射する工程と、
出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔZに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え被測定物の表面に照射する工程と、
前記被測定物の表面に照射された後、拡散されたビームを集光する工程と、
集光されたビームの位置を検出する工程と、
検出されたビームの位置に基づき前記被測定物の表面における距離を測定する工程とを備えていることを特徴とする距離計測方法。
ΔZ=1.22×f・t・λ/(p・h)
ただし、
f:投影レンズの焦点距離
t:スリットからの距離
λ:光の波長
p:スリット幅
h:光軸からの距離 - 単波長の光を出射する発光素子と、
前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離Δに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え被測定物の表面に向かって出射する投影ユニット、
前記被測定物の表面により拡散された拡散光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
ΔZ=1.22×f・t・λ/(p・h)
ただし、
f:投影レンズの焦点距離
t:スリットからの距離
λ:光の波長
p:スリット幅
h:光軸からの距離 - 単波長の光を出射する発光素子と、
前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔZに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え出射する投影ユニットと、
前記投影ユニットから出射されたビームを前記被測定物の表面に向かって走査しながら出射すると共に前記被測定物の表面により拡散された拡散光を反射する走査ミラーと、
前記走査ミラーにより反射された拡散光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
ΔZ=1.22×f・t・λ/(p・h)
ただし、
f:投影レンズの焦点距離
t:スリットからの距離
λ:光の波長
p:スリット幅
h:光軸からの距離 - 単波長の光を出射する発光素子と、
前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔZに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え出射する投影ユニットと、
前記投影ユニットから出射されたビームを走査しながら出射する走査ミラーと、
前記走査ミラーから出射されたビームを被測定物の表面に対して垂直な方向から出射する照明レンズと、
前記照明レンズから出射され、前記被測定物の表面により拡散された拡散光のうち、前記走査ミラーが走査する方向と垂直な方向の成分を集光する第1のシリンドリカルレンズと、
前記第1のシリンドリカルレンズにより集光された光のうち、該第1のシリンドリカルレンズの光軸に平行な成分を集光する第2のシリンドリカルレンズと、
前記第2のシリンドリカルレンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
ΔZ=1.22×f・t・λ/(p・h)
ただし、
f:投影レンズの焦点距離
t:スリットからの距離
λ:光の波長
p:スリット幅
h:光軸からの距離 - 単波長の光を出射する発光素子と、
前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔZに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え出射する投影ユニットと、
前記投影ユニットから出射されたビームを被測定物の表面に向かって走査しながら出射する第1の反射面と、前記被測定物の表面により拡散された拡散光を透過させる透過部と、前記第1の反射面の裏面側に設けられ入射する光を反射する第2の反射面とを有する走査ミラーと、
前記走査ミラーの透過部を透過してきた光を前記走査ミラーの第2の反射面に導く固定ミラーと、
前記走査ミラーの第2の反射面により反射された拡散光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
ΔZ=1.22×f・t・λ/(p・h)
ただし、
f:投影レンズの焦点距離
t:スリットからの距離
λ:光の波長
p:スリット幅
h:光軸からの距離
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JP2004330139A JP3696228B2 (ja) | 2004-11-15 | 2004-11-15 | 距離計測方法及び距離センサ |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004330139A JP3696228B2 (ja) | 2004-11-15 | 2004-11-15 | 距離計測方法及び距離センサ |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2004330139A Expired - Lifetime JP3696228B2 (ja) | 2004-11-15 | 2004-11-15 | 距離計測方法及び距離センサ |
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2004
- 2004-11-15 JP JP2004330139A patent/JP3696228B2/ja not_active Expired - Lifetime
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