JPH01142401A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

光学式変位測定装置

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JPH01142401A
JPH01142401A JP30194087A JP30194087A JPH01142401A JP H01142401 A JPH01142401 A JP H01142401A JP 30194087 A JP30194087 A JP 30194087A JP 30194087 A JP30194087 A JP 30194087A JP H01142401 A JPH01142401 A JP H01142401A
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axis
light
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Yoshiaki Kudo
工藤 良昭
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Yokogawa Electric Corp
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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、物体の3次元の変位を同時に非接触で測定す
る変位計に関するものである。
(従来の技術) 3次元の変位を同時に測定する変位計の先行技術の第1
は、物体に変位測定のスケールとなる一定ピッチの格子
のついた再帰反射性テープ(反射光が入射光と同一の光
路を戻る性質のある光反射テープ)を貼り、この格子の
移動を光学的に読取ることでX、Y方向での変位を測定
し、さらにマイケルソンの干渉計を用いて干渉縞の移動
を検出することによりZ方向の変位測定を行うものであ
る。
先行技術の第2は第4図および第5図に示すように2次
元の変位計を組合せて測定するものがある。第4図では
2次元の変位計41.42を直角に配置したものを示し
、第5図は2次元の変位計51およびZ軸方向1次元の
変位計52を同一方向に配置したものを示す。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、第1の方法の場合には2方向の測定が安
定にできないという問題があり、第2の方法の場合には
安定な変位測定はできても、ある1点の3次元の変位を
測るのは不可能である。また、据付けに時間がかかると
いう欠点もある。
本発明は上記のような問題点を解決するなめになされた
もので、ある−点の3次元の変位を同時に非接触で安定
に測定できる光学式変位測定装置を実現することを目的
とする。
(問題点を解決するための手段) 本発明はターゲット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係るもので、その特徴とするとこ
ろは反射光軸と垂直な平面内でのターゲットの変位を検
出する第1のイメージセンサと、前記反射光軸と所定の
角度を成す方向から前記ターゲットの変位を検出する第
2のイメージセンサと、前記2つのイメージセンサによ
る変位出力から前記ターゲットの前記平面と垂直な方向
の変位を演算する処理回路とを備えた点にある。
(作用) 楯1のイメージセンサがターゲットを見込む方向に対し
第2のイメージセンサは所定の角度をなしてターゲット
を見込むことになるので、第2のイメージセンサにより
検出される変位には第1のイメージセンサによって検出
される平面内の変位に加えて垂直方向の変位の成分が含
まれ、第1゜第2のイメージセンサ出力からこれを処理
回路で分離することができる。
(実施例) 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。
第1図は本発明に係る光学式変位測定装置の一実施例を
示す構成ブロック図である。1は偏光ビームスプリッタ
2に対して45゛の偏光面を待つ直線偏光を出射する半
導体レーザ等の光源、2は入射光の偏光方向によって入
射光を2つに分けるための偏光ビームスプリッタ(以下
PBSと呼ぶ)、3は結像光学系を椙成しPBS2の反
射光を入射するテレセントリック光学系、4はこのテレ
セントリック光学系3を通過した光を入射する1/4波
長板(以下λ/4板と呼ぶ)、5はこのλ/4板4を通
過した光が垂直に照射し一定ピッチの格子模様つきの再
帰反射性テープからなるターゲツト、50はこのターゲ
ット・テープ5が貼られた被測定物体、6はPBS2の
透過光が入射しPBS2と同一方向の偏光面を持って配
置するPBS、7はこのPBS6の透過光が入射するミ
ラー、8はこのミラー7の反射光が入射する第2のテレ
セントリック光学系、9はこのテレセントリック光学系
8を通過した光が入射しその通過光がターゲット5を斜
めに照射する第2のλ/4板、10はPBS2のターゲ
ット5からの透過光が入射しこれを2分するハーフミラ
−111はイメージセンサを棺成しハーフミラ−10の
反射光が入射してY軸方向の変位を検出するY軸用フォ
トダイオードアレイ(以下PDAと呼ぶ)、12はこの
PDAllの電気出力を変位出力に変換するY軸重変換
回路、13は第1のイメージセンサとなるものでハーフ
ミラ−10の透過光が入射しX方向の変位を検出するX
軸出PDA、14はこのPDA13の電気出力を変位出
力に変換するX軸用変換回路、15は第2のイメージセ
ンサとなるものでターゲット5からの斜めの反射光が入
射するZ軸重PDA、16はこのPDA15の電気出力
を変位出力に変換するZ軸用変換回路、17は変換回路
14および変換回路16からの出力を入力しZ方向の変
位を演算する処理回路である。テレセントリック光学系
3(8)は物体までの距離が変っても結像倍率が一定で
、その2枚のレンズ31(81)、33 (83)はそ
れぞれの焦点距Mf1.f2の和に等しい間隔で配置さ
れており、PBS2(6)から出射された光を平行光の
ままでターゲット5に照射するとともに、ターゲット5
上の格子像をPDAII、13 (15)上に結像する
。さらに焦点位置には絞り32 (82)が配置されて
いる。PDA13とPDA15は同じ方向(ここではX
方向)のターゲット5の移動を検出するように配置し、
PDAIIはPDA13゜15に対して90゛回転した
方向(ここではX方向)に配置する。
上記のような構成の光学式変位測定装置の動作を次に説
明する。光源1から出力された光はPBS2で2つの方
向に分離され、反射光はテレセントリック光学系3およ
びλ/4板4を通過した後ターゲット5に垂直に照射さ
れる。ターゲット5の反射光は同一の光路を戻り、λ/
4板4を2回通ることにより偏光方向が90°回転した
光がPBS2を透過し、ハーフミラ−10で2方向に分
離し、反射光および透過光がPDAII、PDA13上
に同じ像をそれぞれ結像する。光源1の出射光のうちP
BS2を透過した部分はPBS6を透過した後ミラー7
で方向を変えられ、テレセントリック光学系8およびλ
/4板9を通過した後ターゲット5に斜めに照射される
。この反射光は同一の斜めの光路を戻り、λ/4板9を
2回通ることにより偏光方向が90°回転した光がPB
S6で反射され、PDA15上に結像する。ここでテレ
セントリック光学系8は斜めからターゲット5を見込ん
でいるためcosineエラーが生じるので、テレセン
トリック光学系3とは結像倍率を変えておく必要がある
。次に各PDA上に結ばれた格子像の移動を検出して変
位出力を発生する。
PDA13,11の検出出力はそれぞれ変換回路14.
12でX、Y軸方向の変位出力Sχ+Sffに変換され
る。PDA15の検出出力は変換回路16でいったんS
χ゛出力に変換された後、処理回路17でSχとの間で
演算されZ軸方向の変位出力S2となる。
次に処理回路17における演算方法について第2図を用
いて説明する。第2図において、100は第1図装置の
光学系の部分、aは物体50(実際にはターゲット5)
に垂直に入射する光ビーム、bは斜めに入射する光ビー
ムである。説明を簡単にするためx−z平面で考える。
実線の部分にあった物体50が破線の位置にL(ベクト
ル)だけ移動したときのX、Z軸方向の変位量をそれぞ
れx、zとし、光ビームbが物体50を照射する位置の
X軸方向の変位量をX−とする、このとき変換回路14
の出力SχはXに対応する変位出力となり、変換回路1
5の出力Sχ−はX−に対応する変位出力となる。処理
回路17はZ軸方向の変位izを次式を用いて演算し、
変位出力s2とする。
z= (x+x−)/lanθ     ・(1)ここ
でθは固定となるので、tanθは定数である。
このような構成の光学式変位測定装置によれば、物体上
のある点の3次元の変位を同時に非接触で測定できる。
この場合Z軸方向に移動すると多少見ている点はずれる
が、移動の範囲が小さければ、はぼ−点と見做すことが
できるし、表面が平面的な物体であれば問題はない。
またZ軸方向の変位もX軸、Y軸方向と同じ原理で測定
しているので、信号が安定している。
また光源として半導体レーザ等を用いることにより、光
学系をコンパクトにできる。
第3図は本発明に係る光学式変位測定装置の他の実施例
を示す構成ブロック図である。21,22はそれぞれ第
1.第2のイメージセンサを構成する。これは光電子増
倍管を用いた市販のイメージセンサで、例えばオプティ
カル・サーボ等と呼ばれ、明/暗の境界線を待つ被測定
物が視野内にあるとき、非接触で光学的に被測定物の運
動・変位を検出することができるもので、変位の方向お
よびその大きさは符号を含めてアナログ量で出力される
。イメージセンサ21,22の内部は主に結像光学系と
電子増倍管とから構成されている。
イメージセンサ21はX、Y軸方向の2次元平面内の変
位を検出し、イメージセンサ22はX軸と方向を合せる
とともにターゲットを見込む角度をθ傾けてZ軸方向の
変位が検出できるように配置される。51は物体50の
表面に貼られた明/暗の境界線を待つターゲットで、イ
メージセンサ21.22は別置の照明によるターゲット
51からの反射光c、dをそれぞれ入射して境界線の移
動を検出する。第2図の場合と同様に物体50がL移動
した時のX軸方向の変位量をXとし、光dの光路と直角
方向の変位量をX−とすると、ターゲット51のZ軸方
向の変位Zは次式で得られる。
z= (−x −−xc o sθ) / s i n
θ=−x−/sinθ−X / t a nθ・・・ 
(2) すなわちイメージセンサ21.22の出力について処理
回路で上式の演算を行えば、Z軸方向の変位出力を得る
ことができる。X、Y軸方向の変位出力については第2
図の場合同様、イメージセンサ21の出力をそのまま用
いればよい。
なお上記の各実施例ではターゲット・テープとして再帰
反射性テープを用いているが、入射光量の問題はあるが
、通常の拡散反射性テープを用いてもよい。例えば第1
図の場合にターゲットに垂直な照射光のみを用いれば、
PBS6を省略することができる。
また物*50がもともと明/暗の境界線を持っていれば
、それを利用することができる。
(発明の効果) 以上述べたように本発明によれば、ある−点の3次元の
変位を同時に非接触で安定に測定できる光学式変位測定
装置を簡単な構成で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る光学式変位測定装置の一実施例を
示す構成ブロック図、第2図は第1図装置の測定方法を
示すための動作説明図、第3図は本発明に係る光学式変
位測定装置の他の実施例を示す構成ブロック図、第4図
および第5図は光学式変位測定装置の従来例を示す構成
斜視図である。 5・・・ターゲット、13.21・・・第1のイメージ
センサ、15.22・・・第2のイメージセンサ、17
・・・処理回路、θ・・・所定の角度、Sχ、Sχ−・
・・変位出力。 第2図 第4図 第3図 第5図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  ターゲット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、反射光軸と垂直な平面内でのタ
    ーゲットの変位を検出する第1のイメージセンサと、前
    記反射光軸と所定の角度を成す方向から前記ターゲット
    の変位を検出する第2のイメージセンサと、前記2つの
    イメージセンサによる変位出力から前記ターゲットの前
    記平面と垂直な方向の変位を演算する処理回路とを備え
    たことを特徴とする光学式変位測定装置。
JP62301940A 1987-11-30 1987-11-30 光学式変位測定装置 Expired - Lifetime JPH07122566B2 (ja)

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