JP3974670B2

JP3974670B2 - 光学式変位測定装置

Info

Publication number: JP3974670B2
Application number: JP15767896A
Authority: JP
Inventors: 裕司高田
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: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH09318349A

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３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光学系たる受光レンズ３を通して受光素子４の受光面に結像させ、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の基準位置からの変位を測定するように構成されている。なお、基準位置に受光素子４を配置した場合には受光素子４から物体Ａまでの距離を求めることができる。受光素子４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受光素子４における受光量に応じて増減する。いま、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。この演算から明らかなように、分母である（Ｉ₁＋Ｉ₂）は受光素子４での全受光量であり、この値を正確に求めなければ変位を精度よく求めることはできない。また、各信号Ｉ₁，Ｉ₂についても過大であったり過少であると、演算手段での演算可能な範囲（例えば、増幅回路のダイナミックレンジ）から逸脱し、変位を正確に求めることができない。
【０００３】
図３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変調されている。受光素子４から出力される位置信号（電流信号）は、それぞれ各別に電流電圧変換回路（以下、Ｉ／Ｖ変換回路と称す）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から出力される電圧信号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。この検波された各電圧信号が積分回路よりなるローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称す）１１₁，１１₂にて平滑され、ノイズ分が除去されて演算部１２の減算器１４及び加算器１３にそれぞれ入力される。さらに、これら減算器１４と加算器１３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】
しかしながら、上記従来構成では、（Ｖ₁−Ｖ₂）／（Ｖ₁＋Ｖ₂）という演算を除算器１５により行っているため、除算器１５への入力電圧である（Ｖ₁＋Ｖ₂），（Ｖ₁−Ｖ₂）が小さくなると変位の測定誤差が大きくなる。一例として、例えば、除算器１５としてアナログデバイス社製のアナログ割算ＩＣ（ＡＤ５３４Ｌ）を用いた場合について説明する。このアナログ割算ＩＣのフルスケール入力電圧は１０（ｖ）であり、入力電圧である（Ｖ₁＋Ｖ₂）が１０（ｖ）の時の誤差は±０．２％であるのに対し、入力電圧である（Ｖ₁＋Ｖ₂）が１（ｖ）の時の誤差は±０．８％になり、入力電圧が小さくなることにより誤差が大きくなり測定精度が悪くなる。特に、入力電圧が１（ｖ）以下の時は、入力電圧の大きさに反比例して誤差が大きくなる。ところで、レーザダイオード１、受光素子４や他の構成要素のリニアリティ誤差は容易に０．５％以下にできるから、除算器１５への入力電圧が小さい場合には、除算器１５の精度が変位を測定する測定精度を決定する主要因になっている。例えば、変位の許容誤差が±１％である場合、１（ｖ）以下の入力電圧での使用はできないことになり、演算部１２のダイナミックレンジは略１０倍ということになる。
【０００５】
この演算部１２のダイナミックレンジは、物体Ａの拡散反射率や受光素子４との距離によって変化する受光量のダイナミックレンジを決定づけるものであり、この値が１０倍となると、物体Ａの変位を精度良く求めることができるのは、非常に限られた反射率の物体Ａだけになる。例えば、白色のセラミックスの反射率を１００とする指数で表せば、灰色、紺系統の色の物体の反射率は２〜１０であり、黒色のゴムの反射率は１前後であり、変位を正確に求めることができない。すなわち、変位を測定する対象となる物体Ａには、金属のように表面に光沢を有したものや表面が黒いもの等があり、物体の種類によって拡散反射率が大きく異なるものであるから、受光素子４に入射する受光光量が物体の種類によって大幅に変化することになる。したがって、受光光量が不足して位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の出力値が極端に小さくなると、増幅器８₁、８₂の内部雑音と位置信号Ｉ₁，Ｉ₂とが識別できなくなって測定誤差が大きくなったり、測定ができなくなったりするという問題が生じる。一方、受光光量が大きく位置信号Ｉ₁，Ｉ₂の出力値が極端に大きい場合には、増幅器８₁、８₂の出力が飽和することになり、測定誤差が大きくなったり、測定できなくなったりするという問題が生じる。すなわち、受光素子４での受光光量によっては、物体Ａの基準位置からの変位を正確に求めることができないという問題が生じるのである。しかるに、物体Ａの表面や材質によっては、測定可能な範囲を逸脱して物体Ａの変位を正確に求めることが困難になる場合がある。図４中の実線の丸３に物体Ａの反射率の指数の変化に対する分解能の変化を、図４中の実線の丸４に物体Ａの反射率の指数の変化に対する電圧（Ｖ₁＋Ｖ₂）の変化を示す。
【０００６】
また、距離によって受光光量が変化するため、指数が１０以上の拡散反射率を有する物体Ａでも、受光素子４との距離が遠いと測定できなくなることがある。なお、この種の問題は、除算器１５を用いている限り起こる問題である。また、図３に示した従来構成のダイナミックレンジを大きくするために、Ｉ／Ｖ変換回路７₁，７₂の後段の増幅器８₁，８₂の利得を段階的に変化させるものもあるが、利得を切り替える際のノイズの発生や、切り替え応答時間の遅れの問題があり、広いダイナミックレンジにおける連続した測定が困難である。また、各利得におけるゲイン比の誤差が変位の測定精度に大きく影響し、測定精度が低下するので、測定精度を維持するための調整に多大な時間と労力を必要としていた。
【０００７】
この種の問題を解決するために、図５に示すような回路構成ものもが知られている。図５に示す構成は、図３に示した従来構成において、演算部１２における除算器１５をなくし、その替わりに受光素子４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において基準電圧値（基準値）Ｖ _refと比較され、両者の差に応じた出力が振幅変調回路１７に出力されており、一方、振幅変調回路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、振幅変調回路１７によって比較器１６の出力（加算器１３の出力と基準電圧値Ｖ_refとの差）を小さくするようにレーザダイオード１の発光出力（光量）が調整され、受光素子４の受光光量が略一定に保たれることになる。その結果、図５に示す構成では、加算器１３からの加算出力（Ｖ₁＋Ｖ₂）が略一定となるので、減算器１４からの減算出力（Ｖ₁−Ｖ₂）が（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。
【０００８】
このため、図５の構成では、ダイナミックレンジを拡大する場合、図３の構成に比べて全体の利得を例えば１００倍大きく設定して、比較器１６に入力され受光光量に相当する加算器１３の出力電圧（Ｖ₁＋Ｖ₂）が図６に示すように１０（ｖ）一定になるように振幅変調回路１７の変調電圧を絞りこんでいる（図６中の丸１参照）。このように、フィードバック制御が働いている間は受光光量に相当する電圧（Ｖ₁＋Ｖ₂）が図６中の丸４に示すように略一定になり、減算器１４からの減算出力（Ｖ₁−Ｖ₂）をみるだけで、変位の演算を行ったこととなる。つまり、受光信号の１００倍の変化に対して演算が可能であり、ダイナミックレンジが１００倍ということになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示した従来構成においては、分解能が物体Ａの反射率の変化に対して図６中に実線の丸３で示すようになり、ダイナミックレンジを拡大した分だけ図３に示した従来構成よりも悪くなるという不具合がある。例えば、反射率の指数が１００の白色のセラミックスの場合、分解能が略１００になってしまうという問題があった。すなわち、図５に示した構成では、ダイナミックレンジを広く取ろうとすると、分解能が悪くなり、測定精度も悪くなってしまうという不具合が生じていた。
【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、ダイナミックレンジの拡大を図り且つ高精度な測定結果を得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物体表面での反射光を受光光学系を通して受光素子の受光面に結像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率が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号を増幅し増幅度が可変に設定される可変増幅器と、前記可変増幅器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演算部とを備えた光学式変位測定装置であって、前記演算部は、前記可変増幅器の出力信号同士の減算をして出力する減算器と、前記可変増幅器の出力信号同士の加算をして出力する加算器と、前記光ビームの振幅変調を行う振幅変調回路と、前記加算器の出力値に応じて前記出力値を略一定に保つように前記可変増幅器の増幅率と前記振幅変調回路の振幅変調度とのいずれかをフィードバック制御するフィードバック制御回路とを有ることを特徴とするものであり、前記フィードバック制御回路によって前記加算器の出力値を略一定に保つように前記可変増幅器の増幅率と前記振幅変調回路の振幅変調度とのいずれかをフィードバック制御するので、ダイナミックレンジの拡大を図り且つ高精度な測定結果を得ることができる。
【００１２】
ここにおいて、前記フィードバック制御回路は、基準値よりも前記出力値が増加すると前記振幅変調回路の振幅変調度を減少させるとともに前記可変増幅器の増幅率は一定に保ち、前記基準値よりも前記出力値が減少すると前記可変増幅器の増幅率を増加させるとともに前記振幅変調回路の振幅変調度を一定に保つことを特徴とするものであり、前記加算器の出力値が前記基準値よりも大きい場合は前記振幅変調回路の振幅変調度を減少させるとともに前記可変増幅器の増幅率は一定に保ち、前記加算器の出力値が前記基準値よりも小さい場合は前記可変増幅器の増幅率を増加させるとともに前記振幅変調回路の振幅変調度を一定に保つので、ダイナミックレンジの拡大を図り且つ高精度な測定結果を得ることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記受光素子としてＰＳＤを用いたものである。
【００１４】
【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。
【００１５】
図１に本実施形態の光学式変位測定装置の回路ブロック図を示す。
【００１６】
本光学式変位測定装置は、図５に示した構成の従来例と比較して、増幅器８₁，８₂の替わりに可変増幅器１９₁，１９₂を用い、加算器１３の出力（Ｖ₁＋Ｖ₂）を略一定に保つように、比較器１６の出力に基づいて振幅変調回路１７の変調振幅及び可変増幅器１９₁，１９₂の増幅度（増幅率）をフィードバック制御するフィードバック制御回路１８を備えている点で異なる。その他の構成は図５に示した従来例と同じであるので、説明は省略する。
【００１７】
ここで、本実施形態の光学式変位測定装置では、受光素子４としてＰＳＤ（PositionSensitive Device）を用いている。
【００１８】
以下、本光学式変位装置の動作を図２を参照しながら説明する。本光学式変位測定装置では、図２に示すように、振幅変調回路１７の変調電圧は実線の丸２で示すように１〜１００％、可変増幅器１９₁，１９₂の利得も１〜１００％、それぞれ１００倍の可変範囲を持たせている。ここで、振幅変調回路１７の変調電圧は１００％の時フル変調（発光パワーを１００％振幅変調する）、そして可変利得は１００％の時、従来例の利得より１００倍大きな利得を持たせている。
【００１９】
ところで、フィードバック制御回路１８は、振幅変調回路１７の変調振幅と可変増幅器１９₁，１９₂の増幅度とを同時に制御することはなく、加算器１３の出力（Ｖ₁＋Ｖ₂）に応じて、すなわち、比較器１６の出力に応じて、振幅変調回路１７又は可変増幅器１９₁，１９₂の何れかをフィードバック制御する。例えば、反射率の指数が１００の場合の受光光量を基準にして、受光光量が多い場合には、すなわち、物体Ａの反射率の指数が１００よりも大きい場合は、振幅変調回路１７の変調電圧を図２中に実線の丸１に示すように下げて加算器１３の出力（Ｖ₁＋Ｖ₂）の値が略一定になるように制御する。一方、受光光量が少ない場合には、すなわち、物体Ａの反射率の指数が１００よりも小さい場合は、可変増幅器１９₁，１９₂の増幅度を図２中に実線の丸２に示すように大きくして加算器１３の出力電圧（Ｖ₁＋Ｖ₂）の値が略一定になるように制御する。ここで、物体Ａの反射率の指数が１００よりも大きい場合は変調電圧を抑え、物体Ａの反射率の指数が１００よりも小さい場合は増幅度を大きくすることで図２中に丸３で示すような分解能を得ており、従来構成と同等又はそれ以下の分解能を得ている。ここで受光光量は図２中に丸４で示すように略一定値となる。つまり、本光学式変位測定装置では、従来構成と比較して、ダイナミックレンジの拡大を図り且つ高精度な測定結果を得ることができるのである。また、従来変位の測定が難しいとされていた黒色のゴム等についても変位を精度良く求めることができる。
【００２０】
なお、本光学式変位測定装置では、１００×１００＝１万倍のダイナミックレンジを達成している。また、基準の反射率の指数を白色のセラミッックスに対応した１００にした場合について説明したが、基準にとる反射率の指数は１００に限定するものではなく、例えば、反射率の低い物体を重視して反射率の指数が０．１〜１０００の物体Ａを測定対象とする場合には基準として用いる反射率の指数を１０としなければならないし、反射率の高い物体を重視して反射率の指数が１０〜１０００００（正反射光を受光する場合）の物体を測定対象とする場合には１０００を基準としなければならない。また、回路ブロック仕様として可変範囲がそれぞれ１００倍取れるとは限らず、例えば変調電圧の可変可能範囲が１００倍、増幅度の可変可能範囲が１０倍の時、全体として１０００倍のダイナミックレンジしか得られないが、この場合の基準の反射率の指数によって全体のダイナミックレンジの仕様が決定される。
【００２１】
【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物体表面での反射光を受光光学系を通して受光素子の受光面に結像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率が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号を増幅し増幅度が可変に設定される可変増幅器と、前記可変増幅器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演算部とを備えた光学式変位測定装置であって、前記演算部は、前記可変増幅器の出力信号同士の減算をして出力する減算器と、前記可変増幅器の出力信号同士の加算をして出力する加算器と、前記光ビームの振幅変調を行う振幅変調回路と、前記加算器の出力値に応じて前記出力値を略一定に保つように前記可変増幅器の増幅率と前記振幅変調回路の振幅変調度とのいずれかをフィードバック制御するフィードバック制御回路とを有るので、前記フィードバック制御回路によって前記加算器の出力値を略一定に保つように前記可変増幅器の増幅率と前記振幅変調回路の振幅変調度とのいずれかをフィードバック制御するから、ダイナミックレンジの拡大を図り且つ高精度な測定結果を得ることができるという効果がある。
【００２２】
ここにおいて、前記フィードバック制御回路は、基準値よりも前記出力値が増加すると前記振幅変調回路の振幅変調度を減少させるとともに前記可変増幅器の増幅率は一定に保ち、前記基準値よりも前記出力値が減少すると前記可変増幅器の増幅率を増加させるとともに前記振幅変調回路の振幅変調度を一定に保つものであり、前記加算器の出力値が前記基準値よりも大きい場合は前記振幅変調回路の振幅変調度を減少させるとともに前記可変増幅器の増幅率は一定に保ち、前記加算器の出力値が前記基準値よりも小さい場合は前記可変増幅器の増幅率を増加させるとともに前記振幅変調回路の振幅変調度を一定に保つので、ダイナミックレンジの拡大を図り且つ高精度な測定結果を得ることができるという効果がある。
【００２３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記受光素子としてＰＳＤを用いたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態を示す回路ブロック図である。
【図２】同上の動作を説明図である。
【図３】従来例を示す回路ブロック図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】他の従来例を示す回路ブロック図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１レーザダイオード
４ＰＳＤ
７₁，７₂ 電流電圧変換回路（Ｉ／Ｖ変換回路）
９₁，９₂ 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演算部
１６比較器
１７変調回路
１８フィードバック制御回路
１９₁，１９₂ 可変増幅器
Ｖ_ref 基準電圧
Ａ物体

Claims

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物体表面での反射光を受光光学系を通して受光素子の受光面に結像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率が決まる一対の位置信号を出力する受光手段と、前記各位置信号を増幅し増幅度が可変に設定される可変増幅器と、前記可変増幅器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演算部とを備えた光学式変位測定装置であって、前記演算部は、前記可変増幅器の出力信号同士の減算をして出力する減算器と、前記可変増幅器の出力信号同士の加算をして出力する加算器と、前記光ビームの振幅変調を行う振幅変調回路と、前記加算器の出力値に応じて前記出力値を略一定に保つように前記可変増幅器の増幅率と前記振幅変調回路の振幅変調度とのいずれかをフィードバック制御するフィードバック制御回路とを有し、前記フィードバック制御回路は、基準値よりも前記出力値が増加すると前記振幅変調回路の振幅変調度を減少させるとともに前記可変増幅器の増幅率は一定に保ち、前記基準値よりも前記出力値が減少すると前記可変増幅器の増幅率を増加させるとともに前記振幅変調回路の振幅変調度を一定に保つことを特徴とする光学式変位測定装置。
前記受光素子としてＰＳＤを用いたことを特徴とする請求項１記載の光学式変位測定装置。