JP6581720B2 - 光学的距離測定システム - Google Patents

Description

本発明は、平面鏡が備え付けられた対象物までの距離を測定するための光学システム及び光学的方法に関する。平面鏡の傾斜角は、正確に分かっていないが、時間とともに変化することがある。特に、本発明は、例えば、移動するピストンの距離を測定しなければならない管状システムの場合と同様に、平面鏡が平面鏡のサイズよりもずっと長い距離にわたって移動している光学的距離測定システムに関する。

対象物と物理的接触をすることなく対象物までの距離を測定することは、多くの機械システムにおいて頻繁に遭遇する問題である。そのような問題の好ましい解決策は、往々にして光学的方法であり、この光学的方法では、適切な光源からの光が対象物を照射し、対象物から光が測定システムに反射される。そこで、光が光センサによって検出され、光センサの電子信号が所望の距離情報を得るために処理される。特許文献１〜４は、光学的方法の例を開示する。

欧州特許出願公開第２４８２０９４号 米国特許出願公開第２０１５／００１９１６０号 米国特許第５４２４８３４号 独国特許出願公開第４２１１８７５号

実際にしばしば遭遇する状況としては、被測定距離の変動が光路のいずれかの側に利用可能である空間よりもずっと長いことである。結果として、光軸に近接して働く光学的測定方法を使用する必要がある。問題を解決するのに３つの根本的に異なる光学的測定方法が知られている。
（１）例えばＳ．Ｍａｃｋによって欧州特許出願公開第２４８２０９４号「Ｅｎｔｆｅｒｎｕｎｇｓｍｅｓｓｅｎｄｅｒ ｏｐｔｏｅｌｅｋｔｒｏｎｉｓｃｈｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ ｕｎｄ Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ ｚｕｒ Ｏｂｊｅｋｔｅｒｆａｓｓｕｎｇ」に説明されている光飛行時間法。飛行時間法の実用上の利点は、飛行時間法による最大測定距離が、ほぼ無制限であることであり、月までの距離でさえ、そのような方法を用いて測定されている。しかし、約３×１０^８ｍ／ｓの光の高速度のため、今日飛行時間法を用いて実現可能な距離精度は１ｍｍの程度であり、これは多くの機械システムには不十分である。
（２）コスト効果が高いレーザダイオードから利用可能な２００〜２０００ｎｍの範囲のコヒーレント光の小さな波長を利用する干渉計測法。したがって、干渉計測法の測定精度は、１００ｎｍをはるかに下回り、これはほとんどの機械システムには十分である。しかし、従来の干渉距離測定法は、単色干渉計測システムにおいて遭遇する周知の位相アンビギュイティ（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ）問題に見舞われるので、絶対距離を求めるこができない。これは、例えばＫ．Ｔｈｕｒｎｅｒらによって米国特許出願公開第２０１５／００１９１６０号、「Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」に説明されているように、多波長干渉計を用いて克服することができる。そのような距離測定システムの複雑性により、組み立てるのに、また動作時に安定化させるのに高価なものとなる。さらなる実用上の問題は、干渉距離測定法が平面鏡の傾斜に対して感受性が高いことである。平面鏡の向きが光軸に対して理想的な９０度からわずか０．１度偏移しても、実質的に干渉縞が変化し、すなわち、明視野が暗視野に変化することがある。
（３）これらの不利な点は、２つの異なる光軸を有する光学システムを利用する三角測量法によって克服することができる。ステレオ三角測量システムでは、対象物上の同一スポットが２つの異なる方向から観測される。能動三角測量システムでは、構造化光が１つの方向に沿って入射し、検討中の対象物上のその像が別の方向から観測される。そのような三角測量システムの例が、Ｊ．Ａｋｅｄｏらによって米国特許第５４２４８３４号、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｃｏａｒｓｅｎｅｓｓ ｏｆ ａ ｔａｒｇｅｔ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ」に説明されている。この三角測量法は、検討中の対象物に光スポットを生成するために、及び後方反射光の焦点を光センサ上に合わせるために、少なくとも３つの光学レンズシステムを必要とする。システムの複雑性は、例えば独国特許出願公開第４２１１８７５号、「Ｏｐｔｉｓｃｈｅｒ Ａｂｓｔａｎｄｓｓｅｎｓｏｒ」に説明されているように、測定光ビームを生成するのに１つ、及び検討中の対象物に光スポットを生成し、撮像するのに１つの、２つの光学レンズシステムだけを利用することによって低減することができる。２つの別々の光センサを利用することによって、対象物までの絶対距離と、測定スポットが生成される対象物表面の局所的傾斜とを同時に測定することが可能である。

本発明の一態様によれば、平面鏡が備え付けられた対象物までの距離を測定するための光学システムは、平面鏡に向かって光軸に沿ってレーザビームを投影するコヒーレント光源と、光軸上に配置される光学素子であって、入射するレーザビームを伝搬方向が互いに所定の角度にある２つのレーザビームに分岐し、且つ、入射するレーザビームを２つのレーザビームの伝搬方向によって生成された平面に対して向きが垂直である光のシートに広げる光学素子と、入射光強度分布を検出するように構成された１次元光センサと、を備えることができる。分岐された２つのレーザビームは、光学素子から平面鏡まで伝搬し、平面鏡によって反射された２つのレーザビームは、１次元光センサまで伝搬する。１次元光センサは、２つの極大を有する、反射された２つのレーザビームの入射光強度分布を検出し、反射された２つのレーザビームの位置は、平面鏡の距離と平面鏡の瞬間傾斜角とを計算するのに使用することができる。

本発明の一態様によれば、光学素子は、１次元光検出器の上方に配置することができる。

本発明の一態様によれば、光学素子は、透明材料でできた円柱レンズでもよい。

本発明の一態様によれば、光学素子は、平坦な入力面と、互いにある角度をなした２つの平坦な平面からなる出射面とを有することができる。平坦な入力面は、反射防止膜を設けた平面入射面と、ミラーコーティングを施した平面反射面とを有することができる。出射面の第１の平坦な平面には反射膜を設けることができ、出射面の第２の平坦な平面には反射防止膜を設けることができる。コヒーレント光源からのレーザビームは、平面入射面に入射し、出射面の第１の平坦な平面まで伝搬し、入射するレーザビームの一方の部分は、第１の平坦な平面から第１の方向に沿って外へ伝搬していてもよい。入射するレーザビームの他方の部分は、平坦な入力面の平面反射面に向かって第１の平坦な平面によって反射することができ、入射するレーザビームの他方の部分は、平面反射面において反射することができ、出射面の第２の平坦な平面から第２の方向に沿って外へ伝搬していてもよい。

本発明の一態様によれば、光センサは、光ダイオードのアレイ又はＣＣＤラインとして製作された画素の１次元配列から成ることができる。画素の形状は長方形でもよい。

周知の光学的距離測定方法の、説明した複雑性及び測定精度限界は、特にシンプルで、ロバスト性があり、コンパクトな光学的三角測量法を実施した、上記の本発明によるシステムによって克服することができる。平面鏡が備え付けられた対象物までの距離は、任意の光学レンズシステムを必要とすることなく、入射光の焦点を平面鏡で合わせたり、反射光の像を光センサ上に生成したりすることも必要とすることなく測定される。更に、２つの主要パラメータが、すなわち、平面鏡の距離と平面鏡の傾斜角とが同時に測定される。

本発明は、以下の本発明の詳細な説明を検討するとき、よりよく理解され、上記の対象物以外の対象物が明らかとなるであろう。そのような説明は付属の図面を参照する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光学システムの斜視図である。 図２は、図１に例示される光学システムの上面図である。 図３は、反射鏡が光軸に関して理想的な９０度の向きに対して角度βで設定された状況での別の上面図である。 図４は、入射するレーザビームを互いにある角度を為す２つのビームに分割するのに必要な第１の光学機能の一実施形態を示す上面図である。 図５は、入射光強度分布Ｐ（ｘ）を１次元光センサ上の横方向位置の関数として示す図である。

本発明の一実施形態の基本的な目的は、平面鏡が備え付けられた対象物までの距離を測定するための光学システム及び光学的方法を提供することである。

本発明の一実施形態の他の目的は、光学撮像レンズシステムなしで実施することができ、したがって、実現されたシステムがシンプルで、ロバスト性があり、コンパクトで且つコスト効果が高い、光学的距離測定システムを提供することである。

本発明の一実施形態の別の目的は、平面鏡の傾斜角を許容することができる光学的距離測定システムを提供することである。これは、平面鏡の距離と平面鏡の傾斜角とを同時に測定することによって達成される。

本発明の一実施形態の更に別の目的は、光軸のすべての側に対して小さな横方向の範囲を用いて実施することができる光学的距離測定システムを提供することである。このようにして、円筒中を移動する、平面鏡が備え付けられたピストン状の対象物の距離を、管形状で実施されたこの光学的距離測定システムを用いて測定することができる。

前述の課題を考慮しつつ、本発明の一実施形態は、図１及び図２に例示する光学システムを用いて実現される。図１及び図２に例示されるように、光学的距離測定システム１は、コヒーレント光源１０（レーザ光源）と、コヒーレント光源１０の正面の１つ又は２つの光学素子２０及び２１と、１次元光センサ３０と、を含む。光学的距離測定システム１は、１次元光センサ３０から、平面鏡４０が備え付けられた対象物までの絶対距離Ｌを計算することができる。システム１の説明を簡単にするために、対象物なしの平面鏡４０を図に例示する。図１及び図２において、平面鏡４０は、光軸Ａに対して９０度の角度で配列され、１次元光センサ３０は、２つの光シートＬ２’及びＬ３’の絶対位置を求めることができる。

コヒーレント光源１０は、細いレーザビームＬ１を放射し、レーザビームＬ１は、光学素子２０及び２１によって変更される。光学素子２１又は２２の一方は、入射するレーザビームＬ１を互いに角度αを為す２つのビームＬ２及びＬ３に分岐する。このような光学素子の好ましい実施形態を図４に例示する。光学素子２１又は２２の他方は、１つ又は複数の入射するレーザビームを伝搬方向に対して垂直となる方向に広げる。このような光学素子の好ましい実施形態は、ガラス又はプラスチックなどの透明材料からできた円柱レンズである。光学デバイス２０及び２１が物理的に互いに近接している限り、光学デバイス２０及び２１の順序は実用上重要ではない。光学素子２０及び２１を用いて実施された２つの光学機能を組み合わせて１つの単一の光学素子にすることも可能である。いずれの場合でも、入射するレーザビームＬ１を光シートＬ２及びＬ３に広げる方向は、分岐されたレーザビームＬ２及びＬ３の伝搬方向によって生成された平面に対して垂直でなければならない。

光シートＬ２及びＬ３は、平面鏡４０によって反射され、平面鏡４０は光軸上を移動することができ、光学検出器システム３０に対する平面鏡４０の距離を求めなければならない。反射された光シートＬ２’及びＬ３’は、１次元光センサ３０に入射し、位置３１及び３２において検出される。次いで、測定された２つの位置３１及び３２は、図２及び図３に例示されるように、光学検出器システム３０までの平面鏡４０の絶対距離Ｌを計算するのに使用される。図２及び図３は、１次元光センサ３０上の２つの光シートＬ２’及びＬ３’の位置を利用して平面鏡４０の絶対距離Ｌを計算するための、２つの光シートＬ２及びＬ３の光路と仮想光源１１の構造とを示す。

図２は、光学検出器システム３０からの平面鏡４０の距離Ｌを計算するのに使用される光学構造を例示する。光ビームスプリッタ２１（又は２０）は、１次元光センサ３０の感光面のちょうど上に配置されるとする。光ビームスプリッタ２１は、角度２αだけ分離された２つの異なる方向に伝搬する２つの光のシートＬ２及びＬ３を生成する。反射鏡４０を光軸Ａに対して９０度の理想的な角度で配置した場合、光ビームスプリッタ２１が光シートＬ２及びＬ３を生成する点に対応する仮想点１１が光軸Ａ上に生成される。仮想点１１と光軸Ａ上の放射／検出位置（光センサ３０）との間の距離は、２Ｌで与えられる。この対称の場合、光シートＬ２’及びＬ３’は、対称位置３１及び３２において１次元光センサ３０によって検出される。位置３１と３２との間の測定された距離Ｄ、及び２つの放射された光シートＬ２とＬ３との間の既知の角度２αは、Ｌ＝Ｄ／（４ｔａｎ（α））により平面鏡４０の距離Ｌを計算するのに使用することができる。

実際には、平面鏡４０を光軸Ａに対して確実に理想的な９０度の向きにすることはしばしば可能ではなく、この平面鏡４０の傾斜角は、時間とともに変化することがある。本発明の一実施形態に係る光学システムにおいて、この状況は、図３に例示するように、反射された光シートＬ２’及びＬ３’が１次元光センサ３０によって検出される絶対位置ｄ１及びｄ２を使用することによって解決される。平面鏡４０の傾斜角βがゼロ度に等しくない場合、検出された位置ｄ１及びｄ２も等しくなく、距離Ｌと平面鏡傾斜角βとを計算するために、検出された位置ｄ１及びｄ２の値を三角測量角度αの正確な知識とともに使用することができ、距離Ｌ及び平面鏡傾斜角βは両方とも他のパラメータの三角関数、すなわち、Ｌ（α，ｄ１，ｄ２）及びβ（α，ｄ１，ｄ２）である。

本発明の一実施形態に係る光学的距離測定システム１における主要構成要素は、入射するレーザビームＬ１を２つの伝搬するレーザビームＬ２及びＬ３にそれらの伝搬方向の間に角度２αをつけて分岐することができる光学構成要素２１又は２２のうちの１つである。そのような光学構成要素の第１の好ましい実施形態が、ｎλ／２の（ピークとピークの間の）変調度及びλ／ｔａｎ（α）の格子周期を有する正弦波位相格子であり、ここで、ｎは格子材料の屈折の指数を示し、λはレーザ光の波長である。レーザダイオードの波長は温度の関数として変化し、結果として、三角測量角度２αもレーザダイオードの温度の関数として変化することは周知である。これらの温度変動を適度に低く維持することができない場合、ビーム分岐構成要素の第２の好ましい実施形態を図４に例示し、その場合、三角測量角度２αは、レーザ光の波長にほんのわずかしか依存しない。ビームスプリッタは、光学的透明構成要素５０から成り、光学的透明構成要素５０は、下部が透明であり、上部が反射するように作られた、１つの平坦な入力面を有し、及び、一方が半透鏡とされ、他方が透明である、互いに小さな角度を為した２つの平坦な平面から成る出射面を有する、１片の光学的透明材料からなる。この透明な構成要素５０では、入射するレーザビームＬ１が、適切な反射防止膜を設けた平面入射面５１に、ある角度で入射する。構成要素５０の内側では、レーザビームＬ１が５０％反射膜を設けた平面５２まで伝搬しており、したがって、レーザビームＬ１の一方の部分は、第１の方向Ｄ１に沿って構成要素５０から外へ伝搬しており、レーザビームＬ１の他方の部分は、ミラーコーティングを施した平面５３に反射される。第２のレーザビームは、平面５３において反射され、平面５３から、適切な反射防止膜を設けた平面５４まで伝搬している。第２のレーザビームは、構成要素５０から方向Ｄ２内に伝搬しており、したがって、方向Ｄ１とＤ２との間の角度が三角測量角度２αと等しくなる。この三角測量角度は、平面５１、５２、５３及び５４のうちの少なくとも１つが他の平面に対してある角度で向いている場合、ゼロとは異なる。

本発明の別の実施形態において、光学素子２０及び２１は、２つのレーザビームのスイッチを別々にオン及びオフすることができる機能を含む。このようにして、光センサ３０は、第１の測定が第１のレーザビームのスイッチだけをオンにして（第２のレーザビームのスイッチがオフにされている間）実行され、第２のレーザビームのスイッチをオンにして（第１のレーザビームのスイッチがオフにされている間）第２の測定が後に続くので、一度に１つのレーザビーム位置だけを検出する必要がある。この時系列測定により、例えばＰＳＤ（位置敏感デバイス）などの追加の１次元光センサの種類の使用が可能になる。そのような実施形態を実現する単純な代替は、互いに三角測量角度２αを為した、レーザビームを放射する２つの別々のレーザ光源を使用することであり、各レーザ光源の正面において、光シートを形成する光学素子が配置される。

１次元光センサ３０は、位置３１及び３２において入射光シートＬ２’及びＬ３’によって生成された光分布を感知する。光センサ３０の好ましい実施形態は、例えば光ダイオードアレイ又はＣＣＤ（電荷結合素子）ラインとして製作された画素の１次元配列から成る。レーザビームの使用は、結果として光検出器上のスペックルパターンとなるので、画素形状が、長い側面が光シートＬ２’及びＬ３’の方向に平行であり、したがって、そのようなスペックルパターンの影響が空間的平均化によって低減される、長方形である場合有利である。

光センサ３０は、図５に概略的に例示するように光分布を検出する。横方向位置ｘの関数としての光検出器信号Ｐ（ｘ）は、位置ｘ１及びｘ２において２つの極大を示し、それらは知られている信号処理アルゴリズムを用いて求めることができる。一例として、１次元光強度分布Ｐ（ｘ）の極大を画素周期の１％よりも良い精度で求めることができるアルゴリズムがＰ．Ｓｅｉｔｚによって「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｕｐｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｃａｍｅｒａｓ ａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．５、５３５〜５４０ページ、１９８８年７月に説明されている。

このようにして、Ｐ（ｘ）の２つの極大の位置ｘ１及びｘ２を高い精度で求めることができる。次いで、この情報は、光センサ３０に対する光軸Ａの位置ｘ０の知識とともに使用して、ｄ１＝ｘ０−ｘ１及びｄ２＝ｘ２−ｘ０を計算する。距離Ｌ（α，ｄ１，ｄ２）及び平面鏡傾斜角β（α，ｄ１，ｄ２）が両方とも２つのパラメータｄ１及びｄ２並びに角度αの関数であるので、この知識を用いてＬ及びβの値を計算することができる。

本発明の一実施形態に係る光学的距離測定システム１の性能の実例として、２度の角度α及び５μｍの画素周期を有する光検出器アレイを検討する。Ｐ（ｘ）の２つの極大の位置ｘ１及びｘ２を求めることができる精度が画素周期の１％であるとすると、距離Ｄ＝ｘ２−ｘ１は、精度ΔＤ＝√２×５０ｎｍで求めることができ、それは７０．７ｎｍにほぼ等しい。図２に例示する対称の場合に対応して、平面鏡傾斜角がゼロである場合、距離Ｌを測定することができる精度ΔＬは、ΔＬ＝ΔＤ／（４ｔａｎ（α））で与えられ、それは０．５１μｍにほぼ等しい。

光検出器アレイが２０４８画素から成るとすると、センサラインの全長、したがって、Ｄの最大値も１０．２４ｍｍである。結果として、この構成で測定することができる最大距離Ｌは、Ｌ_ｍａｘで与えられ、それはほぼ７０ｍｍに等しい。この例は、本発明の一実施形態に係る光学的距離測定デバイスを実現することができるコンパクトさを例示する。検討された例において、それは少なくとも１０．２４ｍｍの直径の管状空間を必要とするだけであり、結果として、平面鏡の傾斜角がゼロであることを条件として、約７０ｍｍの有効な測定長となる。

１…光学的距離測定システム、１０…コヒーレント光源、２０，２１…光学素子、３０…１次元光センサ、３１，３２…位置、４０…平面鏡、５０…構成要素，５１，５２，５３，５４…平面、Ｌ１…レーザビーム、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ２’、Ｌ３’…光シート。

Claims (8)

1. 平面鏡が備え付けられた対象物までの距離を測定するための光学システムであって、
   前記平面鏡に向かって光軸に沿ってレーザビームを投影するコヒーレント光源と、
   前記光軸上に配置される光学素子であって、入射する前記レーザビームを伝搬方向が互いに所定の角度にある２つのレーザビームに分岐し、且つ、入射する前記レーザビームを前記２つのレーザビームの前記伝搬方向によって生成された平面に対して向きが垂直である光のシートに広げる、光学素子と、
   入射光強度分布を検出するように構成された１次元光センサと、を備え、
   前記分岐された２つのレーザビームは、前記光学素子から前記平面鏡まで伝搬し、前記平面鏡によって反射された前記２つのレーザビームは、前記１次元光センサまで伝搬し、
   前記１次元光センサは、２つの極大を有する、前記反射された２つのレーザビームの前記入射光強度分布を検出し、前記反射された２つのレーザビームの位置は、前記平面鏡の前記距離及び前記平面鏡の瞬間傾斜角を計算するのに使用することができる、光学システム。
2. 前記光学素子は、透明材料からなる円柱レンズである、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記光学素子は、平坦な入力面と、互いにある角度をなした２つの平面から成る出射面とを有する、請求項１又は２に記載の光学システム。
4. 前記平坦な入力面は、反射防止膜を設けた平面入射面と、ミラーコーティングを施した平面反射面とを有し、
   前記出射面の第１の平坦な平面に反射膜を設け、前記出射面の第２の平坦な平面に反射防止膜を設け、
   前記コヒーレント光源からの前記レーザビームが、前記平面入射面に入射し、前記出射面の前記第１の平坦な平面まで伝搬し、入射する前記レーザビームの一方の部分が、前記第１の平坦な平面から第１の方向に沿って外へ伝搬し、入射する前記レーザビームの他方の部分が、前記平坦な入力面の前記平面反射面に向かって前記第１の平坦な平面によって反射され、入射する前記レーザビームの前記他方の部分が、前記平面反射面において反射され、前記出射面の前記第２の平坦な平面から第２の方向に沿って外へ伝搬している、請求項３に記載の光学システム。
5. 前記１次元光センサが、光ダイオードアレイ又はＣＣＤラインとして製作された画素の１次元配列から成る、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学システム。
6. 前記画素の形状が長方形である、請求項５に記載の光学システム。
7. 前記光学素子は、前記２つのレーザビームのスイッチを別々にオン及びオフする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学システム。
8. 平面鏡が備え付けられた対象物までの距離を測定するための光学システムであって、
   それぞれがレーザビームを前記平面鏡に向かって光軸に沿って投影する２つのコヒーレント光源と、
   前記２つの光軸上に配置される光学素子であって、入射する前記レーザビームを、前記２つのレーザビームの伝搬方向によって生成された平面に対して向きが垂直である光のシートに広げる、光学素子と、
   入射光強度分布を検出するように構成された１次元光センサと、を備え、
   前記２つのレーザビームは、前記光学素子から前記平面鏡まで伝搬し、前記平面鏡によって反射された前記２つのレーザビームは、前記１次元光センサまで伝搬し、
   前記１次元光センサは、２つの極大を有する、前記反射された２つのレーザビームの前記入射光強度分布を検出し、前記反射された２つのレーザビームの位置は、前記平面鏡の前記距離と前記平面鏡の瞬間傾斜角とを計算するのに使用することができる、光学システム。

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