JP7057067B2 - 光学式変位計、光学式変位計の調整方法および光学式変位測定方法 - Google Patents

Description

本発明は光学式変位計、光学式変位計の調整方法および光学式変位測定方法に関する。

測定対象物の変位や距離、表面形状などの測定に光学式変位計が用いられている。
光学式変位計による測定では、測定対象物に測定光を照射し、測定対象物からの反射光を受光素子で受光し、受光素子からの出力信号を処理して所期の数値を演算している。例えば、受光素子の出力信号から、受光素子で受光する反射光の受光位置の変化を検出し、測定対象物の変位を測定することができる。

光学式変位計では、受光感度つまり受光量に対する出力信号の関係が問題になる。
図５において、受光感度が低い特性ＳＬでは、受光量Ｕの変化に対して出力信号Ｖの変化が小さく、つまり検出解像度が小さく、微小な変化までは検出できない。
一方、受光感度が高い特性ＳＨでは、受光量Ｕの変化に対して出力信号Ｖの変化が大きく、検出解像度を大きくできる。ただし、出力信号の最大値Ｖｘに対応する受光量の最大値Ｕｘが小さくなるため、これを超えるような過大な受光量があると、出力信号Ｖが最大値Ｖｘで飽和してしまい、適正な検出ができなくなる。

過大な受光量となる状況としては、例えば、測定対象物の拡散反射光を受光する受光素子で、正反射光を受光した場合がある。すなわち、光学式変位計では、任意の方向への反射光を検出するために、測定対象物の拡散反射光を受光するように設定される。ところが、測定対象物に平滑面があると、測定光がそこで正反射され、特定の角度条件で受光素子に入射される。正反射光は通常の拡散反射光に比べて著しく強く、受光素子では通常の拡散反射光の数倍の受光量に達し、出力信号が飽和することになる。

このような飽和を回避するために、受光素子の受光特性を、受光量が小さな領域では感度が高く（図６の領域Ａ１および特性Ｓ１参照）、受光量が大きな領域では感度が低く（図６の領域Ａ２および特性Ｓ２参照）なるように調整し、過大な受光量であっても出力信号の最大値までの範囲内に収まるようにした光学式変位計が提案されている（特許文献１参照）。受光量が小さな領域では感度が高く、受光量が大きな領域では感度が低くなる受光特性としては、対数曲線や二次曲線などが適宜利用できる。

特許第５１５４１３４号公報

前述の特許文献１のような受光特性により、過大な受光量による出力信号の飽和を回避しつつ、受光量が小さな領域では感度が高く、受光量が大きな領域では感度が低くなるように設定することで、通常の測定領域での精度を確保することができる。
しかし、特許文献１では、過大な受光量の領域についても出力信号の一部領域を割り当てることになり、測定すべき受光量領域に対する出力信号の割り当てが抑制されてしまうという問題があった。

図６において、特許文献１の光学特性では、受光素子の最大の受光量がＵｘであれば、出力信号の最大値Ｖｘがこの受光量の最大値Ｕｘに対応するように設定される。
ここで、測定すべき受光量領域が領域Ａ１および領域Ａ２であれば、その最大値はＵａであり、対応する出力信号はＶａである。つまり、出力信号の最大値Ｖｘまでの領域（Ｖａ～Ｖｘ）は、測定すべき受光量領域に対応するものではなく、この領域をも利用して解像度を高める等、出力信号領域を十分に有効利用できないという問題があった。

本発明の目的は、測定すべき受光量領域に対する出力信号領域を拡大できる光学式変位計、光学式変位計の調整方法および光学式変位測定方法を提供することにある。

本発明の光学式変位計は、測定すべき受光量領域の最大値に対して最大の出力信号が設定された受光素子を有することを特徴とする。
本発明では、受光素子の受光量の領域を有効領域（測定すべき受光量領域）と無効領域（過大な受光量領域）とに区分する。そして、有効領域の受光に対しては、測定すべき受光量領域として、変位測定の処理を行う。一方、過大な受光量など、無効領域の受光については、変位測定の処理を行わない。これにより、受光素子の出力信号領域の全体を、光学式変位計として測定すべき受光量領域である有効領域に対して割り当てることができ、測定すべき受光量領域に対する出力信号領域を拡大できる。
本発明において、測定すべき受光量領域としては、光学式変位計の利用目的、測定条件などに応じて、適宜選択することができる。具体的には、過大な受光量とされる領域を除外したものとすればよい。

本発明の光学式変位計の調整方法は、光学式変位計の受光素子として測定すべき受光量領域の最大値を設定し、前記受光量領域の最大値を受光した際に出力信号が最大となるように前記受光素子を調整することを特徴とする。
本発明では、前述した本発明の光学式変位計で説明した通りの効果が得られる。

本発明の光学式変位測定方法は、測定対象物に光を照射し、測定対象物からの反射光を受光素子で受光し、前記受光素子からの出力信号を処理する光学式変位測定方法であって、予め、前記受光素子で過大な受光量となる領域に無効領域を設定し、残りの有効領域に対して前記受光素子の出力信号領域の全体を割り当てておき、測定の際には、前記有効領域の光に対してのみ処理を行うことを特徴とする。
本発明では、前述した本発明の光学式変位計で説明した通りの効果が得られる。

本発明によれば、測定すべき受光量領域に対する出力信号領域を拡大できる光学式変位計、光学式変位計の調整方法および光学式変位測定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の光学式変位計を示す斜視図。 前記実施形態の測定動作を示す模式図。 前記実施形態の測定要素を示すブロック図。 前記実施形態の受光素子の調整状態を示すグラフ。 従来の受光素子の感度特性を示すグラフ。 従来の受光素子の感度特性の調整状態を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、光学式変位計１は、測定対象物９の変位や距離、表面形状を測定するものであり、ケース２には発光素子３および受光素子４が設置されている。これらは、発光素子３からの測定光が測定対象物９に照射され、測定対象物９で反射された反射光が受光素子４で受光されるように配置されている。

光学式変位計１は制御装置５を備えている。発光素子３および受光素子４の動作制御、および光学式変位計１としての測定演算などは、制御装置５によって実行される。
なお、制御装置５には、測定結果を表示するための出力機器や、光学式変位計１の操作を行うための入力機器が適宜接続される。

図２において、光学式変位計１では、発光素子３からの測定光Ｌｍが、測定対象物９で反射され、反射光Ｌｒが受光素子４で受光される。受光素子４の受光位置は、測定対象物９までの距離に応じて変化する。
例えば、測定対象物９までの距離Ｄ１のとき、測定対象物９からの反射光Ｌｒ１は受光素子４の位置Ｐ１に受光される。測定対象物９までの距離Ｄ２のとき、測定対象物９からの反射光Ｌｒ２は受光素子４の位置Ｐ２に受光される。
従って、制御装置５によって、受光素子４の出力信号を処理し、受光素子４における受光位置を検出することで、測定対象物９の変位（Ｄ１－Ｄ２）を測定できる。

図３において、発光素子３からの測定光Ｌｍが測定対象物９に照射され、反射光Ｌｒが受光素子４に受光されることは前述した通りである。
受光素子４は、高解像度のイメージセンサを用いた受光部４１と、その露光調整を行う露光調整部４２と、受光部４１で得られた出力信号を指定された特性で増幅する増幅器４３とを備えている。
制御装置５は、発光素子３による測定光Ｌｍの照射を制御する投光制御部５１と、反射光Ｌｒに応じた受光素子４の出力信号を処理する出力信号処理部５２と、これらの出力を参照して測定対象物９の変位を測定する変位測定部５３とを備えている。

本実施形態では、制御装置５における測定動作を適切に実行し、かつ高精度とするために、受光素子４の増幅器４３には本発明に基づく受光特性が設定されている。
図４において、増幅器４３に設定される受光素子４の受光特性は、ふたつの領域に区分されている。

横軸の受光量Ｕは、最小値０から最大値Ｕｘまでの値をとる。最小値０から最大値Ｕｘまでの間には、境界値Ｕａが設定されている。
境界値Ｕａは、測定すべき受光量領域の最大値であり、最小値０から境界値Ｕａまでの領域が測定動作に利用する有効領域Ａａとされ、境界値Ｕａから最大値Ｕｘまでの領域が測定動作から除外する無効領域Ａｉとされる。
境界値Ｕａは、光学式変位計１の利用目的、測定条件、測定対象物９の性状などに応じて選択する。具体的には、受光素子４として過大な受光量となる領域（無効領域Ａｉ）を決定し、残りの領域つまり測定動作に利用できる領域（有効領域Ａａ）とすることができ、境界値Ｕａはこれらの各領域を区分する値として決定することができる。

縦軸の出力信号Ｖは、最小値０から最大値Ｖｘまでの値をとる。出力信号の最大値Ｖｘは、境界値Ｕａに対応する値とされている。
受光量Ｕが境界値Ｕａまでの有効領域Ａａに対して、出力信号Ｖは、対数曲線や二次曲線などを用いて受光量が小さな領域では感度が高く、受光量が大きな領域では感度が低くなる受光特性が設定されている。
受光量Ｕが境界値Ｕａを超える無効領域Ａｉにおいては、出力信号Ｖは最大値Ｖｘで一定となる。仮に、有効領域Ａａの特性が続いていたとすると、図４の点線で表示した状態となるが、出力信号の最大値Ｖｘを超えているため、それ以上の値は取り得ない。

制御装置５の出力信号処理部５２および変位測定部５３は、受光量Ｕが境界値Ｕａを超える無効領域Ａｉについては、受光素子４からの出力信号の処理を行わず、受光量Ｕが境界値Ｕａを超えない有効領域Ａａで出力された信号のみを処理する。このような識別は、受光素子４からの出力信号が出力信号の最大値Ｖｘに達したか否かの判定により行うことができる。

このような本実施形態では、受光素子４の受光量Ｕに境界値Ｕａを設定することで、受光素子４の受光量Ｕの領域を有効領域Ａａ（測定すべき受光量領域）と無効領域Ａｉ（過大な受光量領域）とに区分することができる。
そして、有効領域Ａａの受光に対しては、測定すべき受光量領域として、変位測定の処理を行い、過大な受光量など、無効領域Ａｉの受光については、変位測定の処理を行わないようにすることができる。
これにより、受光素子４の出力信号Ｖの領域全体を、光学式変位計１として測定すべき受光量領域である有効領域Ａａに対して割り当てることができ、測定すべき受光量領域に対する出力信号領域を拡大できる。

本発明は光学式変位計、光学式変位計の調整方法および光学式変位測定方法に関し、測定対象物の変位や距離、表面形状などの測定に利用できる。

１…光学式変位計、２…ケース、３…発光素子、４…受光素子、４１…受光部、４２…露光調整部、４３…増幅器、５…制御装置、５１…投光制御部、５２…出力信号処理部、５３…変位測定部、９…測定対象物、Ａａ…有効領域、Ａｉ…無効領域、Ａ１，Ａ２，Ａ３…領域、Ｄ１，Ｄ２…距離、Ｌｒ，Ｌｒ１，Ｌｒ２…反射光、Ｌｍ…測定光、Ｐ１，Ｐ２…位置、Ｓ１，Ｓ２，ＳＨ，ＳＬ…特性、Ｕ…受光量、Ｕａ…境界値、Ｕｘ…受光量の最大値、Ｖ…出力信号、Ｖｘ…出力信号の最大値。

Claims (3)

1. 測定すべき受光量領域の最大値である境界値が設定された受光素子を有し、
   前記受光素子では、受光量が前記境界値より小さい領域に対して、前記受光量が小さな領域では感度が高くかつ前記受光量が大きな領域では感度が低くなる曲線状の受光特性が設定されるとともに、前記境界値に対して出力信号の最大値が設定され、
   前記受光量が前記境界値を超える領域では、前記出力信号が前記最大値で一定となることを特徴とする光学式変位計。
2. 受光素子に対して測定すべき受光量領域の最大値である境界値を設定し、
   前記受光量が前記境界値より小さい領域に対して、前記受光量が小さな領域では感度が高くかつ前記受光量が大きな領域では感度が低くなる曲線状の受光特性を設定し、
   前記境界値に対して出力信号の最大値を設定し、
   前記受光量が前記境界値を超える領域では、前記出力信号が前記最大値で一定となるように前記受光素子を調整することを特徴とする光学式変位計の調整方法。
3. 測定対象物に光を照射し、前記測定対象物からの反射光を受光素子で受光し、前記受光素子からの出力信号を処理する光学式変位測定方法であって、
   予め、前記受光素子で過大な受光量となる領域に無効領域を設定し、残りの有効領域に対して前記受光素子の出力信号領域の全体を割り当て、前記無効領域における出力信号を最大値で一定にし、前記有効領域には受光量が小さな領域では感度が高くかつ受光量が大きな領域では感度が低くなる曲線状の受光特性を設定しておき、
   測定の際には、前記有効領域の光に対してのみ処理を行うことを特徴とする光学式変位測定方法。

Images