JP4000760B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物体までの距離やその変位を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】
従来より、図5に示すように、半導体レーザのような発光素子1から放射された光を投光レンズ2を通すことにより得たビーム光を被測定物体Bに照射し、被測定物体Bからの拡散反射光を受光光学系である受光レンズ3を通してPSDのような光位置検出素子4’で受光することにより、三角測量法の原理を用いて被測定物体Bまでの距離(あるいは基準位置からの変位)を求めるようにした光学式変位測定装置Aが知られている。この変位測定装置では、被測定物体Bで反射された拡散反射光が受光レンズ3により集光され光位置検出素子4’の受光面に結像して、スポット光を形成し、被測定物体Bまでの距離が変化するとスポット光の形成される位置が変化することを利用し、被測定物体Bまでの距離を検出している(例えば特開平9−318322号公報参照)。
【0003】
ここで、発光素子1から被測定物体Bまでの距離がRcの時のスポット光の位置をP1、反射角をθ、距離が(Rc+Δr)の時のスポット光の位置をP2とし、受光レンズ3から光位置検出素子4’までの距離をfとすると、被測定物体Bの変位Δrと、スポット光の位置の変化分ΔX(=P2−P1)との間には次式のような関係が成り立つ。
【0004】
ΔX=a×Δr/(b+Δr) …(1)
但し、a=f×tanθ、b=Rc/cos2θとする。
【0005】
従って、光位置検出素子4’の受光面におけるスポット光の位置を検出すれば、そのスポット光の位置から被測定物体Bまでの距離(Rc+Δr)、すなわち基準位置からの変位Δrを検出することができる。
【0006】
ところで、図6に示すように光位置検出素子4’としてCCD素子(電荷結合素子)4を用いた光学式変位測定装置Aも従来より知られている。図7(a)はCCD素子4の受光面12を示しており、CCD素子4の受光面12にはPN接合からなる複数の受光セルC1、C2…Cnが、被測定物体Bの変位によりスポット光Dの位置が変化する方向に沿って一列に一定のピッチで配列されている。
【0007】
CCD制御回路6は、CPU5から入力される制御信号に応じて、CCD素子4の動作を制御しており、所定のタイミングでCCD素子4の各受光セルC1…に光電変換を行わせた後、各受光セルC1…に蓄積された電荷をCCD信号処理回路7へ順番に出力させる。CCD信号処理回路7は、CCD素子4から入力された各受光セルC1…の出力信号を増幅し、A/D変換回路8がA/D変換を行ってCPU5に出力する。また、光量制御回路10はCPU5から入力されるフィードバック信号S1に応じて発光素子1の出力を制御している。
【0008】
図7(b)は、CCD素子4の受光面12にスポット光Dが照射された時の各受光セルC1、C2…Cnの出力を示しており、各受光セルC1、C2…Cnは入射した光エネルギーに相当する大きさの出力を発生するので、その出力はスポット光Dの中心位置に近いほど大きくなる。したがって、CPU5では、受光セルC1、C2…Cnの内出力が最大の受光セルの位置や、受光量分布の中心位置を演算により求めるなどしてスポット光Dの中心位置を検出しており、スポット光Dの中心位置から上述の方法で発光素子1と被測定物体Bとの間の距離を求めている。そして、CPU5は、被測定物体Bまでの距離に相当する信号をD/A変換回路9に出力し、D/A変換回路9がアナログ信号に変換して外部に出力する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、CCD素子4の受光面12に入射するスポット光Dの光量は、発光素子1から照射される光の強さと、被測定物体Bの反射率などによって決定される。スポット光Dの光量が大きすぎたり、小さすぎたりすると、各受光セルC1…の出力が飽和したり、小さすぎたりして、スポット光Dの中心位置を正確に検出できない虞がある。そこで、CPU5はA/D変換回路8の出力からピーク値を検出し、ピーク値が受光セルC1…の出力範囲の中央付近になるように、光量制御回路10にフィードバック信号S1を出力して、発光素子1の光量を変化させている。例えば、図8(a)に示すように出力波形のピーク値Vpが出力の飽和値Voの約80%であれば、CPU5は発光素子1の出力を約5/8倍に変化させるようなフィードバック信号S1を光量制御回路10に出力して、発光素子1の光量を変化させ、図8(b)に示すようにピーク値Vpを出力範囲の中央付近に制御している。
【0010】
しかしながら、被測定物体Bの反射率が急激に高くなるなどして、スポット光Dの光量が急激に増加し、図9に示すように複数の受光セルの出力が飽和した場合、発光素子1の光量をどの程度低下させれば、出力波形のピーク値が受光セルC1…の出力範囲の中央付近になるか判らないので、CPU5では発光素子1の光量を一定量減光させた後、各受光セルC1…の出力をモニタし、不十分であれば更に減光するというように、出力波形のピーク値が所望の値となるまで上述の動作を繰り返すしかなく、発光素子1の光量を短時間で補正することができなかった。
【0011】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、発光素子の光量を短時間で補正することのできる光電式変位測定装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値を出力波形のピーク値と推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することのできる光学式変位測定装置を実現できる。
【0013】
しかも、各光電変換素子の出力が飽和していない場合、その出力を配列順に並べた出力波形は正規分布曲線に近い波形になるので、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値から出力波形のピーク値を推定することにより、本来のピーク値を精度良く求めることができる。
【0014】
請求項2の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出してそれぞれ直線で近似し、2つの直線の交点から出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することができる。しかも、請求項1の発明ではピーク値推定部が光電変換素子の出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、逐次比較するため、ピーク値の推定に長い時間がかかるが、ピーク値推定部は、飽和領域以外の部分をそれぞれ直線で近似し、2つの直線の交点から出力波形のピーク値を求めているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて、ピーク値の推定にかかる時間を短くでき、光量の補正動作を高速に行うことができる。
【0015】
請求項3の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第1のしきい値以上となる光電変換素子の数と出力波形のピーク値との関係を示す関係式を有し、出力が第1のしきい値以上となる光電変換素子の数を上記関係式に当てはめて出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することができる。しかも、ピーク値推定部は、出力が第1のしきい値以上となる部分の出力波形の幅、すなわち第1のしきい値以上となる光電変換素子の数を関係式に当てはめることによって、出力波形のピーク値を推定しているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて演算処理が簡単であり、光量の補正動作を高速に行うことができる。
【0016】
請求項4の発明では、請求項3の発明において、上記第1のしきい値は、各光電変換素子の最大出力の略半分の値であることを特徴とし、飽和値付近では光量変化に対する光電変換素子の出力変化が少なく、光電変換素子の感度が悪くなっているので、最大出力の略半分の値における出力波形の幅からピーク値を推定することによって、本来のピーク値を精度良く検出することができる。
【0017】
請求項5の発明では、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第2のしきい値以上となる光電変換素子の数と、出力のピーク値との対応関係を示すテーブルを有し、出力が所定のしきい値以上となる光電変換素子の数から上記テーブルを用いてピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することができる。しかも、ピーク値推定部はテーブルからピーク値を読み取るだけなので、出力波形を正規分布曲線や三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単になり、フィードバック動作を高速に行うことができる。
【0018】
請求項6の発明では、請求項1乃至5の何れかの発明において、上記受光部は、PN接合からなる複数の受光セルが配列されたCCD素子からなることを特徴とし、請求項1乃至5の発明と同様の作用を奏する。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0021】
(実施形態1)
本発明の実施形態1を図1及び図2を参照して説明する。図1は本実施形態の光学式変位測定装置Aの概略構成図である。本実施形態では、上述した従来の光学式変位測定装置において、受光部たるCCD素子4の各受光セル(光電変換素子)C1…の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位から被測定物体Bの変位を求める変位検出部5aと、何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合に各受光セルC1…の出力を配列順に並べた出力波形から出力のピーク値を推定するピーク値推定部5bと、ピーク値推定部5bの推定したピーク値が受光セルC1…の出力範囲内となるよう発光素子1の光量を制御するフィードバック信号S1を光量制御回路10に出力する光量制御部5cとを設けており、変位検出部5aとピーク値推定部5bと光量制御部5cとはCPU5により構成している。尚、変位検出部5a、ピーク値推定部5b、光量制御部5c以外の構成は上述した従来の光学式変位測定装置と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【0022】
この光学式変位測定装置Aでは、半導体レーザのような発光素子(投光部)1から放射された光を投光レンズ2に通すことにより得たビーム光を被測定物体Bに照射し、被測定物体Bで反射された拡散反射光の一部を受光レンズ3で集光することにより、CCD素子4の受光面12にスポット光を照射させる。CCD素子4の受光面12には、従来例で説明したように、PN接合からなる複数の受光セルC1、C2…Cnが一定のピッチで直線上に配列される。受光セルC1、C2…Cnは入射した光エネルギーに相当する大きさの出力をそれぞれ発生するので、その出力はスポット光の中心位置に近いほど大きくなる。
【0023】
CCD素子4はCCD制御回路6によって動作が制御されており、所定のタイミングで各受光セルC1…が光電変換を行った後、各受光セルC1…の出力はその配列順にCCD信号処理回路7へ出力される。そして、CCD信号処理回路7が各受光セルC1…の出力信号に増幅等の信号処理を施した後、A/D変換回路8がデジタル値に変換して、変位検出部5aに出力する。変位検出部5aは、各受光セルC1…の出力からスポット光の形状を読み取り、所定の演算を行ってスポット光の中心位置を決定し、三角測量法の原理を用いて被測定物体Bまでの距離(あるいは基準位置からの変位)を求めている。そして、変位検出部5aは、被測定物体Bまでの距離に相当する信号をD/A変換回路9に出力し、D/A変換回路9がアナログ信号に変換して外部に出力する。尚、変位検出部5aでは、各受光セルC1、C2…Cnの内出力が最大の受光セルの位置や、受光量分布の中心位置を演算により求めるなどしてスポット光の中心位置を検出している。
【0024】
ところで、CCD素子4の受光面12に入射するスポット光Dの光量は、発光素子1から照射される光の強さと、被測定物体Bの反射率などによって決定される。スポット光Dの光量が大きすぎたり、小さすぎたりすると、各受光セルC1…の出力が飽和したり、小さすぎたりして、スポット光Dの中心位置を正確に検出できない場合がある。
【0025】
そこで、ピーク値推定部5bはA/D変換回路8の出力から各受光セルC1…の出力のピーク値を推定し、光量制御部5cがピーク値推定部5bの推定結果から最適な光量を決定して、光量制御回路10にフィードバック信号S1を出力する。光量制御回路10では、ピーク値推定部5bから入力されたフィードバック信号S1に応じた光量となるように、発光素子1の光量を制御する。ここで、光量制御回路10は、例えば発光素子1への注入電流や発光時間を制御することによって、単位時間当たりの光量を制御している。
【0026】
CPU5は、従来例で説明したように、各受光セルC1…の出力のピーク値が各受光セルC1…の出力範囲の中央付近になるように発光素子1の光量を制御している。出力のピーク値を出力範囲の中央付近に制御するのは、ピーク値が小さいと各受光セルC1…の出力の差が小さくなって、中心位置を判別しづらくなり、また各受光セルC1…の出力がノイズに埋もれてしまう虞があり、逆にピーク値が大きいと被測定物体Bの反射率が急激に変化して、受光セルC1…の出力が飽和してしまう虞があるからである。
【0027】
しかしながら、被測定物体Bの反射率が急激に変化することによって発生するスポット光の光量変化よりも、CCD素子4のダイナミックレンジの方が小さいので、CPU5が発光素子1の光量をフィードバック制御していたとしても、スポット光の光量が急激に増加した場合、受光セルC1…の出力が飽和してしまう虞がある。何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合、出力のピーク値が判別できないため、従来例のようにピーク値の大きさを検出して発光素子1の光量を制御する場合は、発光素子1の光量を一定量減光させた後、受光セルC1…の出力をモニタし、不十分であれば更に減光するというように、出力のピーク値が所望の値となるまでフィードバック動作を繰り返すしかなく、受光セルC1…の受光量を短時間で補正することができなかった。
【0028】
そこで、本実施形態では何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合に各受光セルC1…の出力を配列順に並べた出力波形から出力のピーク値を推定するピーク値推定部5bを設けている。各受光セルC1…の出力を配列順に並べた包絡波形は正規分布曲線(ガウシャンカーブ)に近い波形になるので、何れかの受光セルC1…の出力が飽和すると、その包絡波形は正規分布曲線のピーク部分が欠けたような波形になる。したがって、何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部5bは、図2(a)に示すように、受光セルC1の出力を配列順に並べた出力波形(同図中のイ)に様々な形状の正規分布曲線(同図中のロ)を重ね合わせ、例えば両者の重なった部分の面積を比較し、重なった部分の面積が最も大きい正規分布曲線(図2(b)中のハ)のピーク値を、飽和した部分の推定ピーク値P1とする。そして、光量制御部5cは、ピーク値推定部5bの推定結果に基づいて、各受光セルC1…の出力のピーク値が出力範囲の中央付近になるように発光素子1の光量を制御する。
【0029】
このように、何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部5bは、各受光セルC1…の出力を順番に並べた出力波形を正規分布曲線で近似することによって、飽和した出力のピーク値を推定し、その推定値に基づいて発光素子1の光量を補正しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、補正動作にかかる時間を短くできる。
【0030】
(実施形態2)
本発明の実施形態2を図3(a)(b)を参照して説明する。尚、光学式変位測定装置Aの構成は実施形態1と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、図示及び説明は省略する。
【0031】
実施形態1では、何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部5bが、受光セルC1…の出力を配列順に並べた波形を正規分布曲線で近似することによって、飽和した部分のピーク値を推定しているが、本実施形態では、三角波形で近似することによって、飽和した部分のピーク値を推定している。
【0032】
すなわち、ピーク値推定部5bは、各受光セルC1…の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出して、飽和領域を挟む両側部分の波形をそれぞれ直線L1,L2で近似する。例えばピーク値推定部5bは、飽和領域の左端に対応する受光セルの出力と、出力波形の左端に対応する受光セルの出力とを結んで直線L1を求めると共に、飽和領域の右端に対応する受光セルの出力と、出力波形の右端に対応する受光セルの出力とを結んで直線L2を求めており、2つの直線L1,L2の交点から飽和した出力のピーク値を推定している。
【0033】
このように、ピーク値推定部5bは、出力波形の飽和領域以外の部分を直線で近似し、2つの直線の交点から出力のピーク値を推定しているので、実施形態1で説明したように出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて、ピーク値の推定にかかる時間を短くでき、光量の補正動作を高速に行える。
【0034】
(実施形態3)
上述した実施形態1又は2の光学式変位測定装置では、何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部5bが各受光セルC1…の出力波形を正規分布曲線又は三角波形で近似することによって、出力のピーク値を推定しているが、本実施形態では、出力が第1のしきい値以上となる受光セルC1…の数から、飽和した出力のピーク値を推定している。尚、光学式変位測定装置Aの構成は実施形態1と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、図示及び説明は省略する。
【0035】
ところで、材質や表面状態が同じ被測定物体Bの変位を測定する場合、受光セルC1…の出力を配列順に並べた出力波形は相似な波形になるので、図4に示すように、出力が第1のしきい値V1以上となる受光セルC1…の数を検出することによって、飽和した出力のピーク値を推定することができる。すなわち、受光セルC1…の出力を配列順に並べた出力波形を、正規分布曲線或いは三角波形状で近似した関係式を予め求めておき、この関係式に出力が第1のしきい値V1以上となる受光セルC1…の数を代入することにより、飽和したピーク値を求めることができる。
【0036】
このように、ピーク値推定部5bは、出力が第1のしきい値V1以上となる部分の出力波形の幅、すなわち出力が第1のしきい値V1以上となる受光セルC1…の数を関係式に当てはめることによって、出力波形のピーク値を推定しているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較したり、三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単であり、光量の補正動作を高速に行える。
【0037】
なお、受光セルC1…の出力が飽和値付近では、光量変化に対する受光セルC1…の出力変化が少なく、感度が悪くなっているので、第1のしきい値V1としては、各受光セルC1…の最大出力の略半分の値とするのが好ましく、最大出力の略半分の値における出力波形の幅からピーク値を推定することによって、本来のピーク値を精度良く検出できる。
【0038】
(実施形態4)
実施形態3では、何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部5bが、出力が第1のしきい値V1以上になる受光セルC1…の数を予め求めた関係式に当てはめて、飽和した出力のピーク値を推定しているが、本実施形態では、出力が第2のしきい値以上になる受光セルC1…の数と、受光セルC1…の出力のピーク値との関係を示すテーブルをメモリ(図示せず)に予め記憶させている。そして、何れかの受光セルC1…の出力が飽和した場合、ピーク値推定部5bでは、出力が第2のしきい値以上になる受光セルC1…の数を検出し、受光セルC1…の数に基づいてメモリに記憶されたテーブルからピーク値を読み込み、ピーク値の推定値としている。尚、光学式変位測定装置Aの構成は実施形態1と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、図示及び説明は省略する。
【0039】
このようにピーク値推定部5bは、メモリに記憶されたテーブルからピーク値を読み取るだけなので、出力波形を正規分布曲線や三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単になり、フィードバック動作を高速に行える。
【0040】
【発明の効果】
上述のように、請求項1の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値を出力波形のピーク値と推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正することのできる光学式変位測定装置を実現できるという効果がある。
【0041】
しかも、各光電変換素子の出力が飽和していない場合、その出力を配列順に並べた出力波形は正規分布曲線に近い波形になるので、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値から出力波形のピーク値を推定することにより、本来のピーク値を精度良く求めることができるという効果がある。
【0042】
請求項2の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出してそれぞれ直線で近似し、2つの直線の交点から出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正できるという効果がある。しかも、請求項1の発明はピーク値推定部が光電変換素子の出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、逐次比較するため、ピーク値の推定に長い時間がかかるが、ピーク値推定部は、飽和領域以外の部分をそれぞれ直線で近似し、2つの直線の交点から出力波形のピーク値を求めているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて、ピーク値の推定にかかる時間を短くでき、光量の補正動作を高速に行えるという効果がある。
【0043】
請求項3の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第1のしきい値以上となる光電変換素子の数と出力波形のピーク値との関係を示す関係式を有し、出力が第1のしきい値以上となる光電変換素子の数を上記関係式に当てはめて出力波形のピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正できるという効果がある。しかも、ピーク値推定部は、出力が第1のしきい値以上となる部分の出力波形の幅、すなわち第1のしきい値以上となる光電変換素子の数を関係式に当てはめることによって、出力波形のピーク値を推定しているので、出力波形を正規分布曲線と逐次比較する場合に比べて演算処理が簡単であり、光量の補正動作を高速に行えるという効果がある。
【0044】
請求項4の発明は、請求項3の発明において、上記第1のしきい値は、各光電変換素子の最大出力の略半分の値であることを特徴とし、飽和値付近では光量変化に対する光電変換素子の出力変化が少なく、光電変換素子の感度が悪くなっているので、最大出力の略半分の値における出力波形の幅からピーク値を推定することによって、本来のピーク値を精度良く検出できるという効果がある。
【0045】
請求項5の発明は、被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第2のしきい値以上となる光電変換素子の数と、出力のピーク値との対応関係を示すテーブルを有し、出力が所定のしきい値以上となる光電変換素子の数から上記テーブルを用いてピーク値を推定することを特徴とし、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定し、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御しているので、光電変換素子の出力が飽和したり、小さすぎたりすることはなく、受光部に発生するスポット光の位置を正確に検出することができ、且つ、光量制御部は、ピーク値推定部の推定したピーク値に基づいて投光部の光量を制御しているので、光量の補正動作を1回で行うことができ、投光部の光量を短時間で補正できるという効果がある。しかも、ピーク値推定部はテーブルからピーク値を読み取るだけなので、出力波形を正規分布曲線や三角波形で近似する場合に比べて演算処理が簡単になり、フィードバック動作を高速に行えるという効果がある。
【0046】
請求項6の発明は、請求項1乃至5の何れかの発明において、上記受光部は、PN接合からなる複数の受光セルが配列されたCCD素子からなることを特徴とし、請求項1乃至5の発明と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1の光学式変位測定装置の概略構成図である。
【図2】同上の動作を説明する波形図である。
【図3】(a)(b)は実施形態2の光学式変位測定装置の動作を説明する波形図である。
【図4】実施形態3の光学式変位測定装置の動作を説明する波形図である。
【図5】光学式変位測定装置の測定原理を説明する説明図である。
【図6】従来の光学式変位測定装置の概略構成図である。
【図7】(a)は同上に用いるCCD素子の受光面にスポット光が入射した状態を示す正面図、(b)はスポット光による各受光セルの出力波形である。
【図8】(a)(b)は同上の動作を説明する波形図である。
【図9】同上の動作を説明する波形図である。
【符号の説明】
1 発光素子
2 投光レンズ
3 受光レンズ
4 CCD素子
5a 変位検出部
5b ピーク値推定部
5c 光量制御部
B 被測定物体
Claims (6)
- 被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形に正規分布曲線を重ね合わせ、波形が最も一致した正規分布曲線のピーク値を出力波形のピーク値と推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
- 被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、各光電変換素子の出力を配列順に並べた出力波形から飽和領域以外の部分の傾きを示す特徴点を抽出してそれぞれ直線で近似し、2つの直線の交点から出力波形のピーク値を推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
- 被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第1のしきい値以上となる光電変換素子の数と出力波形のピーク値との関係を示す関係式を有し、出力が第1のしきい値以上となる光電変換素子の数を上記関係式に当てはめて出力波形のピーク値を推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
- 上記第1のしきい値は、各光電変換素子の最大出力の略半分の値であることを特徴とする請求項3記載の光学式変位測定装置。
- 被測定物体に光ビームを照射する投光部と、被測定物体からの反射光がスポット光として照射される受光面に、受光量に応じた大きさの出力信号をそれぞれ発生する複数の光電変換素子が配列されて構成される受光部と、各光電変換素子の出力信号からスポット光の中心位置を検出し、中心位置の変位に基づいて被測定物体の基準位置からの変位を求める変位検出部とを備え、上記各光電変換素子は、被測定物体の変位によりスポット光の位置が変化する方向に沿って配列されており、何れかの光電変換素子の出力が飽和した場合に各光電変換素子の出力から出力のピーク値を推定するピーク値推定部と、ピーク値推定部の推定したピーク値が光電変換素子の出力範囲内となるよう投光部の光量を制御する光量制御部とを設け、ピーク値推定部は、出力が第2のしきい値以上となる光電変換素子の数と、出力のピーク値との対応関係を示すテーブルを有し、出力が所定のしきい値以上となる光電変換素子の数から上記テーブルを用いてピーク値を推定することを特徴とする光学式変位測定装置。
- 上記受光部は、PN接合からなる複数の受光セルが配列されたCCD素子からなることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の光学式変位測定装置。
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