JPH01105101A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光などの光を使用してターゲットの変
位量を測定する光学式変位測定装置に関するものである
。

〔従来の技術〕

この種の光学式変位測定装置の一例としては、第３図に
示す如き装置が実用化されている。図において、ＴＧは
Ｘ、Ｙの二方向に変位するターゲット、１はレーザ光な
どの光を出射する光源、２１゜２２はハーフミラ−１３
１，３２はレンズ、４は絞り、ｓＸ、　Ｓｖはフォトダ
イオードアレイよりなるイメージセンサ、６はイメージ
センサ５ｘ、　５ｙの出力からターゲットＴＧの変位量
に応じた出力信号を発生する信号処理回路である。また
、ターゲットＴＧの表面には、変位量の検出を容易にす
るために、格子模様の書かれた再帰反射性のテープが貼
られている０図に示す装置は、イメージセンサＳｘ、　
Ｓｖ上にターゲットＴＧの像を結ばせ、その像の動きを
イメージセンサ５ｘ、！ｉｙにより直接検出するように
したものである。イメージセンサｓ、、　ｓＶはそれぞ
れ像のＸ方向またはＹ方向の動きに対して感度を持つよ
うに配置されている。すなわち、光源１から出射された
光は、ハーフミラ−２Ｉを介してターゲットＴＧに照射
され、ターゲットＴＧにより反射された光は、ハーフミ
ラ−２！を通過した後、レンズ３１、絞り４およびレン
ズ３ｚを通り、ハーフミラ−２２で２つに分けられ、そ
れぞれイメージセンサＳ、、　Ｓｖ上にターゲットＴＧ
の像（格子像）を結ぶ。

第４図はイメージセンサｓ、、　ＳＹ上に結像する格子
像における光強度の分布状態と、イメージセンサＳｘ、
　Ｓｖを構成するフォトダイオードアレイとの関係を示
したものである０図は、８素子のフォトダイオード（Ｆ
Ｄ、〜ＰＤ＠　）によりフォトダイオードアレイの１ピ
ツチを構成する場合を例示している。フォトダイオード
アレイをこのように接続すると、フォトダイオードの配
列ピッチＰに応じた空間フィルタ特性を持たせることが
できる。

したがって、フォトダイオード（ＰＤ＋　”ＰＤｓ　）
を順次走査すると、光強度の分布（格子像）に応じた信
号波形を得ることができる。ここで、格子像はターゲッ
トＴＧの変位に応じて矢印の方向に移動するので、この
信号波形の位相変化を検出すれば、ターゲットＴＧの変
位量を知ることができる。

また、このような光学式変位測定装置では、格子像のピ
ッチをフォトダイオードアレイのピッチと一致させるこ
とにより、空間フィルタの検出信号レベルを高くして、
Ｓ／Ｎを向上させることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような光学式変位測定装置において
は、光がターゲットＴＧの表面に対して垂直に照射され
ていないと、イメージセンサ５．、　Ｓｖ上に結像する
格子像のピッチが変化して、空間フィルタのピッチと一
致しなくなり、甜定誤差を生じてしまう０例えば、第５
図に示す如く、光軸が垂線に対してαだけずれていると
、格子像のピッチはＰ　ｃｏｇαとなる。また、検出さ
れる変位量もこれに応じて小さくなる。

従来、このような光軸の垂直度を知る有効な方法はなく
、この種の測定誤差を尭全に無くすことはできなかった
。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、光軸
とターゲツト面との垂直度を測定１表示し、光軸合せを
容易に行なうことのできる光学式変位測定装置を簡単な
構成により実現することを目的としたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光学式変位測定装置は、格子模様の書かれた再
帰反射性のテープが貼られたターゲットに光を照射する
とともにその反射光を利用してイメージセンサ上にター
ゲットの像を結ばせターゲットの変位に応じた結像の動
きをイメージセンサにより検出するようにした光学式変
位測定装置において、空間フィルタ特性を持つように複
数のフォトダイオードを一列に配置したイメージセンサ
と、前記複数のフォトダイオードの出力にその素子の空
間フィルタ上の位置に応じて正弦波状に変化する乗率を
乗じて加算するｖｌｌｌの演算手段と、前記複数のフォ
トダイオードの出力にその素子の空間フィルタ上の位置
に応じて余弦波状に変化する乗率を乗じて加算する第２
の演算手段と、これら第１の演算手段の出力ｖ１と第２
の演算手段の出力ｖ暑との比のアークタンジェントＬ＊
ｎ−’　（Ｖ＋／Ｖｓ）を求める第３の演算手段と、前
記第１および第２の演算手段の出力から８７「この演算
を行なう第４の演算手段と、この第４の演算手段により
得られる出力の大きさを表示する表示手段とを具備し。

前記第３の演算手段の出力から前記ターゲットの変位量
を求めることを特徴としたものである。

〔作　用〕

このように、イメージセンサを構成する複数のフォトダ
イオードの出力を、それぞれその位置に応じた乗数を乗
じて加算し、この出力を利用してターゲットの変位量を
算出するようにすると、フォトダイオードの出力をスイ
ッチなどにより走査する必要がなくなり、スイッチング
ノイズなどの影響を受けない光学式変位測定装置を実現
することができる。また、第４の演算手段により得られ
る出力βＷはイメージセンサに入射する光の強度に対応
しており、格子像のピッチと空間フィルタのピッチ（空
間周波数）とが一致した時に最大となるので、この出力
から光軸とターゲツト面との垂直度を測定することがで
き、この大きさを表示手段によりモニタしながら光軸の
ｖ４Ｎ動作を行なえば、光軸合せを容易に行なうことが
できる。

〔実施例〕

第１図は本発明の光学式変位測定装置の一実施例を示す
構成図である。図は、ターゲットＴＧにおける２つの変
位方向（ｘ、ｙ）のうち、Ｘ方向の変位量に対する測定
回路を例示したものである。

図において、前記第３図およびｆ１１４図と同様のもの
は同一符号を付して示す。イメージセンサ５Ｘは４つの
フォトダイオード（ＦＤ、〜Ｐ口、）を空間フィルタの
１ピツチとするように接続されている。

７Ｉは加算点であり、フォトダイオード（ＦＤ、〜ＰＤ
、　）の出力にその素子の空間フィルタ上の位置に応じ
て正弦波状に変化する乗率Ｓ１を乗じて加算する第１の
演算手段を構成している。同様に、加算点７！は、フォ
トダイオード（ＦＤ、〜ＰＤ、　）の出力にその素子の
空間フィルタ上の位置に応じて余弦波状に変化する乗率
Ｃ１を乗じて加算する第２の演算手段を構成している。

ここで、４つのフォトダイオード（ＦＤ、〜ＰＤ、　）
における空間フィルタ上の位置（位相）およびこれに応
じた乗率Ｓｉ、　Ｃｉは、下表のように定められている
。

したがって、第１の演算手段７．はフォトダイオードＰ
Ｄ２の出力とＦＤ４の出力とを、乗率１および−１を乗
じて加算しており、同様に、ｆＪ２の演算手段７．はフ
ォトダイオードＦＤ、の出力とＦＤ３の出力とを、乗率
１および−１を乗じて加算している。

なお、正弦波状の乗率Ｓｉと余弦波状の乗率Ｃｉにおけ
る一般式は、次式のように表わされる。

５ｉ＝ｓｉｎ　　（２ｚｋｉ／ｍ） Ｃｉ＝ｃｏｓ　（２πｋｉ／ｍ） ｍ：１ピツチ中のフォトダイオードの数に：１≦ｋ　＜
　ｍ　／　２を満たす任意整数ｉ：フォトダイオードの
配列順 また、第１および第２の演算手段７．、　？、から得ら
れる出力Ｖ、、　Ｖ、は、 Ｖ、＝Ｋ（Σ　Ｖｉ　ｇｉｎ　（２７Ｃｋ　ｉ　／ｍ）
）Ｌ＝Ｋ（Σ　Ｖｉ　ｃｏｇ　（２ｎ　ｋ　ｉ　／　ｍ
））Ｖｉ：ｉ番目のフォトダイオードの出力電流に対応
する電流 に：定数 となる。

７□および７２１は増幅器、７１１および７■はアナロ
グ・ディジタル変換器である。

８は演算回路であり、第１の演算手段７．の出力ｖ１と
第２の演算手段７□の出力ｖ２との比のアークタンジェ
ントｔ１ｎ−’　（Ｖ＋／Ｌ）を求める第３の演算手段
と、第１および第２の演算手段？、、　７．の出力ｖＩ
。

■、から、ｒＬ１ＴＴ２−の演算を行なうｆ！５４の演
算手段とを有している。６．はメモリ、８．はディジタ
ル・アナログ変換器である。メモリ１には、アナログ・
ディジタル変換器７゜、７ｏを介して演算回路８に供給
される出力Ｖ１．　Ｖａをアドレス情報として、θ　＝
　　ｊａｎ−’　（Ｖ、／Ｖ、）ｒ＝、ｒＬ１ＴＴ２− なる演算データが予め記憶されており、演算回路８はｖ
Ｉ、ｖ、を基にしてこのデータを読み出し、出力する。

ここで、θはイメージセンサ５ｘに形成される空間フィ
ルタのピッチを基本波長とするパターンのｉＩｋ次高調
高調波相であり、この値からパターンの位相、すなわち
ターゲットＴＧ（格子像）の変位量を知ることができる
。また、ｒはイメージセンサ５Ｍに入射する光の強度に
対応して変化するもので、格子像のピッチと空間フィル
タのピッチ（空間周波数）とが一致した時に最大となる
。このため、格子のピッチと空間フィルタのピッチとを
一致させておけば、この演算値ｒから光軸とターゲツト
面との垂直度を測定することができる。

１１２図は第１および第２の演算手段ｔ、、　ｙ、の出
力Ｖ、、　Ｖ、と位相θおよび演算値ｒとの関係を示す
概念図である０図に示すように、ｖＩとＶ、とは１０位
相の異なるベクトルとなり、その合成ベクトルＶ、の位
相θが格子像の位相となる。また、ベクトルＶ、の長さ
ｒがイメージセンサ５真に入射する光の強度を表おして
いる。したがって、空間フィルタのピッチをＰとすれば
、ターゲットＴＧの変位量Ｘは、 ｘ：＝（Ｐ／２π）θ として求められる。この変位量又はディジタル・アナロ
グ変換器１．を介して出力される。

９は演算回路８から得られる演算値ｒの大きさを表示す
る表示手段である。すなおち、表示手段９によりｒの大
きさをモニタしながら、この表示が最大となるように光
軸の方向を調整すれば、光軸をターゲツト面と垂直にす
ることができ、光軸合せを容易に行なうことができる。

なお、上記の説明においては、演算回路８としてメモリ
１１を使用したテーブルを例示したが、演算回路８の形
式はこれに限られるものではない。

また、Ｉ！１図においては、Ｘ方向の変位を測定する回
路のみを例示したが、Ｙ方向の変位を測定する回路も同
様の構成を有するものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光学式変位測定装置では
、格子模様の書かれた再帰反射性のテープが貼られたタ
ーゲットに光を照射するとともにその反射光を利用して
イメージセンサ上にターゲットの像を結ばせターゲット
の変位に応じた結像の動きをイメージセンサにより検出
するようにした光学式変位測定装置において、空間フィ
ルタ特性を持つように複数のフォトダイオードを一列に
配置したイメージセンサと、前記複数のフォトダイオー
ドの出力にその素子の空間フィルタ上の位置に応じて正
弦波状に変化する乗率を乗じて加算する第１の演算手段
と、前記複数のフォトダイオードの出力にその素子の空
間フィルタ上の位置に応じて余弦波状に変化する乗率を
乗じて加算する第２の演算手段と、これら第１の演算手
段の出力Ｖ１と第２の演算手段の出力ｖｓとの比のアー
クタンジェントｔｇａ−’（Ｌ／Ｖ＊）を求める第３の
演算手段と。

前記第１および第２の演算手段の出力から７］−７Ｔ［
２−の演算を行なう第４の演算手段と、この第４の演算
手段により得られる出力の大きさを表示する表示手段と
を具備し、前記第３の演算手段の出力から前記ターゲッ
トの変位量を求めるようにしているので、フォトダイオ
ードの出力をスイッチなどにより走査する必要がなく、
スイッチングノイズなどの影響を受けることなくターゲ
ットの変位量を測定することができる。また、第４の演
算手段の出力はイメージセンサに入射する光の強度に対
応しているので、この出力を利用すれば、光軸とターゲ
ツト面との垂直度を測定、表示し、光軸合せを容易に行
なうことのできる光学式変位測定装置を簡単な構成によ
り実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式変位測定装置の一実施例を示す
構成図、第２図は第１および第２の演算手段？、、　７
．の出力Ｖ、、　Ｖ、と位相θおよび演算値ｒとの関係
を余す概念図、第３図〜第５図は従来の光学式変位測定
装置の一例を示す構成図およびその動作説明図である。 ＴＧ・・・・・・ターゲット、１・・・・・・光源、２
１．２ト・・・・・ハーフミラ−１３１，３ト・・・・
・レンズ、４・・・・・・絞り、５Ｋ。 ５Ｖ・・・・・・イメージセンサ、６・・・・・・信号
処理回路、ＰＤ、〜Ｐ口、・・・・・・フォトダイオー
ド、７．、　？、・・・・・・第１および第２の演算手
段、７□、７□・・・・・・増幅器、７゜、ア。・・・
・・・アナログ・ディジタル変換器、８・・・・・・演
算回路、８１・・・・・・メモリ、８．・・・・・・デ
ィジタル・アナログ変換器、９・・・・・・表示手段。 第１図 デ 第２図 第３図 ア丘 り４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 格子模様の書かれた再帰反射性のテープが貼られたター
   ゲットに光を照射するとともにその反射光を利用してイ
   メージセンサ上にターゲットの像を結ばせターゲットの
   変位に応じた結像の動きをイメージセンサにより検出す
   るようにした光学式変位測定装置において、空間フィル
   タ特性を持つように複数のフォトダイオードを一列に配
   置したイメージセンサと、前記複数のフォトダイオード
   の出力にその素子の空間フィルタ上の位置に応じて正弦
   波状に変化する乗率を乗じて加算する第１の演算手段と
   、前記複数のフォトダイオードの出力にその素子の空間
   フィルタ上の位置に応じて余弦波状に変化する乗率を乗
   じて加算する第２の演算手段と、これら第１の演算手段
   の出力Ｖ＿１と第２の演算手段の出力Ｖ＿２との比のア
   ークタンジェントｔａｎ＾−＾１（Ｖ＿１／Ｖ＿２）を
   求める第３の演算手段と、前記第１および第２の演算手
   段の出力から√Ｖ＿１＾２＋Ｖ＿２＾２の演算を行なう
   第４の演算手段と、この第４の演算手段により得られる
   出力の大きさを表示する表示手段とを具備し、前記第３
   の演算手段の出力から前記ターゲットの変位量を求める
   ことを特徴とする光学式変位測定装置。