JPH01245112A - レーザ光を利用した変位計 - 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］ 本発明はレーザ光を利用しイメージ・センサを受光素子
として用いる変位計に関する。さらに具体的には、イメ
ージ・センサへの被測定物からのレーザ光の反射光のイ
メージを検出してその変位を測定し、ざらにはイメージ
・センサの受光状態に対応してレーザ発振器の発光量を
自動的に制御することにより、安定した変位測定を実現
することができるレーザ光を利用した変位計を提供せん
とするものである。

［従来の技術］ 従来のレーザ光を利用した変位計の回路溝成を第３図に
示し説明する。

１０Ｂはレーザ発振器でありレーザ・ビーム５Ｏを被測
定物１１に対して発射し、被測定物１１の照射面からの
反射光５１を受光レンズ１２で結像し、これを電気信号
に変換するためのＣ０Ｄ（チャージ・カップルド・デバ
イス）型のイメージ・センサ１３で受光している。１４
はイメージ・センサ・ドライバでおり、イメージ・セン
サ１３には、これを駆動するための駆動信号を送出する
とともに、イメージ・センサ１３からの光−電気変換し
た変換信号５３を受けて、コンパレータ１５にはビデオ
信号５５を、ビデオ処理・演算制御回路１６には制御信
号５４を、それぞれ出力する。

コンパレータ１５は入力されるビデオ信号５５をポテン
ショメータ３１により設定された基準レベルと比較して
整形し、ビデオ処理・演算制御回路１６はイメージ・セ
ンサ・ドライバ１４からの制御信号５４を受けてコンパ
レータ１５より送出される整形信号５６の処理、演算な
どを行う。１７はビデオ処理・演算制御回路１６により
１ｑられる変位データ５７を表示するための表示回路で
ある。

コンパレータ１５の出力である整形信号は単安定マルチ
バイブレータ４２にも印加され、単安定マルチバイブレ
ータ４２からは駆動信号７２を出力する。この駆動信号
７２は発光ダイオード２３を駆動するための駆動回路４
１を駆動し、この出力で発光ダイオード２３を明滅する
。この発光ダイオード２３はイメージ・センサ１３の受
光量による変位情報の有無を表示している。

このような構成による回路の動作を説明すると、レーザ
発振器１０Ｂより発射されたレーザ・ビーム５０の被測
定物１１の照射面からの反射光５１を、受光レンズ１２
を通して集光し、その集光された反射光５１を多数個の
受光素子を並べたイメージ・センサ１３により受光する
。イメージ・センサ１３はイメージ・センサ・ドライバ
１４からの駆動信号５２を受けて、受光した反射光５１
を電気信号に変換し、その変換信号５３をイメージ・セ
ンサ・ドライバ１４に送出する。

イメージ・センサ・ドライバ１４は、多数個の受光素子
から蓄積された電荷を駆動信号５２により読出し、各受
光素子に蓄積された電荷量に対応した振幅を有するパル
ス列をなすビデオ信＠５５を読出して、コンパレータ１
５に出力し、コンパレータ１５は入力されたビデオ信＠
５５を、ポテンショメータ３１により設定された適当な
値の基準レベルと比較して、一定の振幅以上のパルスの
みを整形して整形信＠５６を出力し、ビデオ処理・演算
制御回路１６に出力する。ビデオ処理・演算制御回路１
６では、イメージ・センサ・ドライバ１４からの制御信
号５４を受けて、入力された整形信号５６の処理、演算
などを行い、イメージ・センサ１３のどの受光素子に反
射光５１が照射されたのかを判断して、被測定物１１の
表面の変位を検出し、その変位データ５７を表示回路１
７に送出して表示している。

このようにして得られた変位データ５７を表示回路１７
により表示する一方で、コンパレータ１５からの整形信
号５６により、単安定マルチバイブレータ４２をトリガ
して出力される駆動信号７２を、駆動回路４１に印加し
、これによって発光ダイオード２３を発光せしめ、その
点滅状態からイメージ・センサ１３への変位情報の有無
を確認している。

［発明が解決しようとする課題］ 第３図に示した構成による従来例では、イメージ・セン
サへの被測定物からの反射光の強度の状態により、発光
ダイオードを明滅または消灯の動作をするのみであり、
イメージ・センサの受光状態による変位情報の有無は判
別することができても、イメージ・センサの受光量が適
当であるか否かを判別することはできなかった。

ところが、ＣＣＤ型のイメージ・センサはＭＯＳ（メタ
ル・オキサイド・セミコンダクタ）型のイメージ・セン
サと比較したとき、過大な受光間に対して、ブルーミン
グ現象を生じ易い欠点がある。すなわち、ＣＣＤ型イメ
ージ・センサにおいては、横一列に配列された多数の受
光素子よりなる受光部のごく一部の受光素子のみに光が
入射していても、その光量が増すと周辺の他の受光素子
までもが受光していないにもかかわらず受光したかのよ
うに信号を出力する状態になり、ざらに光量が増大する
と受光素子全体にブルーミング現象が拡散してしまう性
質がある。

このブルーミング現象に対処するためには、たとえば被
測定物とイメージ・センサとの間に減光フィルタを配し
たり、あるいはレーザ発振器が半導体レーザ発振器であ
れば、その出力そのものを制御することなどにより、イ
メージ・センサの受光量を常に適当に保つ必要があり、
そのためにビデオ信号をオシロスコープなどを用いて観
測し、その表示波形を逐一チエツクしながらイメージ・
センサの受光量を調節しなければならないという解決さ
れるべき課題があった。

しかも、このような方法では、用いる減光フィルタによ
り減衰される光量や、制御されるレーザ発振器の出力の
設定値が半固定的なものであるため、被測定物の照射面
の状態が変化することによりイメージ・センサの受光量
が絶えず変動するようなケースには、追従できないとい
う解決されるべき課題があった。

［課題を解決するための手段］ 本発明１，１このような課題を解決するためになされた
ものであり、ＣＣＤ型イメージ・センサの欠点であるブ
ルーミング現客を逆に利用し、その度合を、検出するこ
と、すなわち、イメージ・センサにより得られる電気信
号に含まれるパルス数を計数することによって、イメー
ジ・センサの受光量を最ノｊい適量・過大の３つのモー
ドで判別して、これを指示するための手段を設け、ざら
には計数されたデータと設定した基準レベルとを比較し
て（ｑられる信号をレーザ発振器にフィードバックする
ことにより、その受光量を常に一定とするように発光量
を自動制御するための手段を設けた。

［作用］ このような手段を設けたことにより、イメージ・センサ
への変位情報の有無だけでなく、その受光Ｇの状態の適
否をも判別することができ、加えて、被測定物の照射面
の表面状態が変化したとしても、イメージ・センサの受
光量が常に適度なレベルに保たれることになり、安定し
たしがも精度の高い変位測定が可能となった。

［実施例コ 本発明の一実施例の回路構成を第１図に示し、説明する
。ここで、第３図における対応する構成要素については
同じ記号を用いた。

第１図において、第３図に示した従来例で用いられる回
路構成と異なるところは、レーザ発振器として半導体レ
ーザ発振器１０を用いているとともに、コンパレータ１
５からの整形信号５６のパルス数を計数するための計数
回路２０、計数回路２０からの計数データ６２を格納す
るための記憶回路２０、記憶回路２１からのデジタル計
数データ６３をアナログ変換するためのＤ／Ａ　（デジ
タル・アナログ）変換回路２２、Ｄ／Ａ変換回路２２か
らのアナログ計数データ６４を受けて、半導体レーザ発
振器１０の発光」を制御するための発光量制御回路１９
を設け、ざらに発光ダイオード２３を駆動するための構
成要素として、ウィンド・コンパレータ２７、発振器２
６および２個のＮＡＮＤゲート２４．２５を用いている
点である。

このように構成された回路の動作を、回路各部からの出
力波形を示す第２図を併用して説明する。

ここで、第２図では、（ｂ）および（Ｃ）における波形
Ａ、Ａ’　はイメージ・センサ１３の受光量が適度なと
きを、Ｂ、Ｂ’　は過大なときを、Ｃは過小なときを、
それぞれ現わしており、（ｋ）における斜線部分は発光
ダイオード２３が点灯状態にあることを示している。

第１図において、イメージ・センサ・ドライバ１４より
出力されたビデオ信号５５（第２図（ｂ））はコンパレ
ータ１５に入力されて、ポテンショメータ３１により設
定された基準レベルで比較整形され、その整形信号５６
（同図（Ｃ））は計数回路２０に入力される。計数回路
２０は入力された整形信号５６　゛（Ｃ）のパルス数を
（ｄ）のリセット信号６１の期間計数し、計数データ６
２を記憶回路２１に格納する。このリセット信号６０（
ｄ）の前縁は制御信号５４　（ａ）の後縁に同期してい
る。

整形信号５６（Ｃ）のパルス数は、イメージ・センサ１
３の受光量に対応して変化することから、このパルス数
を計数することにより、イメージ・センサ１３の受光量
に対応するデータを得ることができ、その受光状態を判
別することが可能となる。

整形信号５６　（Ｃ）のパルス数を計数し終ると、ビデ
オ処理・演算制御回路１６からラッチ信号６１（第２図
（ｅ））が出力され、それによって計算データ６２は記
憶回路２１に格納された後、読出されてＤ／Ａ変換回路
２２に出力され、入力されたデジタル計数データ６３は
アナログ変換されて、アナログ計数データ６４（同図（
ｆ））として出力される。

このアナログ計数データ６４　（ｆ）は、発光量制御回
路１９に印加されポテンショメータ３２によって設定さ
れた基準レベルｖＳと比較し、その誤差出力でおるフィ
ードバック信号５９が半導体レーザ発振器１０を駆動し
てレーザ・ビーム５０の光量を調整し、イメージ・セン
サ１３のイメージにおける受光量は常に一定となる。

アナログ計数データ６４は、ざらにウィンド・コンパレ
ータ２７にも印加され、各ポテンショメータ３３，３４
により設定された上限値（ＶＨ）おＪ：び下限値（ＶＬ
）と比較し、一方のウィンド・コンパレータ出力６９（
第２図（ｈ））はＮＡＮＤゲート２５に入力され、他方
のウィンド・コンパレータ出力６８（同図（ｑ））は、
発振器２６およびＮＡＮＤゲート２４にそれぞれ入力さ
れる。

ここで、ウィンド・コンパレータ２７に入力されるアナ
ログ計数データ６４のレベルと各ウィンド・コンパレー
タ出力６８．６９のレベルとの関係は、アナログ計数デ
ータ６４のレベルが、ポテンショ・メータ３３．３４に
より設定された上限値と下限値との間の範囲内であれば
、各ウィンド・コンパレータ出力６８．６９はそれぞれ
“Ｌ″。

“ＨＩＩとなり、上限値を越えるときはともにＨ″とな
り、下限値を下まわるときはともに“Ｌ″゛となるよう
に設定されている。

そこでアナログ計数データ６４が２つの基準レベルの範
囲内のときは、各ウィンド・コンパレータ出力６８．６
９はそれぞれ“Ｌ″゛、“Ｈｐｅであるので（第２図（
ｑ）、（ｈ）期間Ｓ１）、ＮＡＮＤゲート２４の一方の
入力には“Ｌ　ｐｔのウィンド・コンパレータ出力６８
がそのまま加わり、他方の入力には“Ｌ″゛のコンパレ
ータ出力６８を受けた発振器２６からの“Ｌ　ｔｔの発
振器出力６７が加わり、ＮＡＮＤゲート出力６６は“Ｈ
Ｉｔとなる（同図（ｉ）Ｓｌ）。したがって、ＮＡＮＤ
ゲート２５には、ともに“ト１パであるＮＡＮＤゲート
出力６６とウィンド・コンパレータ出力６９が入力され
、ＮＡＮＤゲート出力６５は“Ｌ　１１となり（第２図
（ｊ）３１）、発光ダイオード２３は導通して点灯する
（同図（ｂ）３１＞。

つぎに、アナログ計数データ６４が上限値を越えるとき
は、各ウィンド・コンパレータ出力６８゜６９はともに
“Ｈ″となるので（第２図（ｇ）。

（ｈ）期間Ｓ２）、ＮＡＮＤゲート２４には、“Ｈ１１
のウィンド・コンパレータ出力６８と“ト１″のウィン
ド・コンパレータ出力６８を受けて発振する発Ｊｉ器２
６からの“Ｈ゛′、“Ｌ　ｔｏに交互に変化する発振器
出力６７とが入力され、ＮＡＮＤゲート出力６６は一定
の周期で“４　Ｈｔｏ、“Ｌ　ｔｏとなる（同図（ｉ　
）８２＞。したがって、ＮＡＮＤゲート２５には、一定
の周期で“ＨＩＺ（“Ｌ　１１となるＮＡＮＤゲート出
力６６とＨ′′のウィンド・コンパレータ出力６９とが
入力され、ＮＡＮＤゲート出力６５は一定の周期で“Ｈ
ｚＩ“Ｌ　Ｉｔとなり（第２図（ｊ）Ｓ２）、発光ダイ
オード２３は一定の周期でオン・オフして点滅を繰返す
（同図（ｋ）Ｓ２＞。

ざらに、アナログ計数データ６４が下限値を下まわると
きは、各ウィンド・コンパレータ出力６８．６９はとも
に“Ｌ　１１となるので（第２図（Ｃｌ＞、（ｈ）期間
Ｓ３）、ＮＡＮＤゲート２４には“Ｌ　ＩＩのウィンド
・コンパレータ出力６８と“Ｌ　Ｈのウィンド・コンパ
レータ出力６８を受けた発（辰器２６からの“Ｌ　Ｔｔ
の発振器出力６７とが入力され、ＮＡＮＤゲート出力６
６は“Ｈ１１となる（同図（ｉ）３３）。したがって、
ＮＡＮＤゲート２５には、“Ｈ１１のＮＡＮＤゲート出
力６６と“Ｌ　Ｉｆのウィンド・コンパレータ出力とが
入力され、ＮＡＮＤゲート出力６５は“Ｈ′′となり（
第２図（ｊ）Ｓ３）、発光ダイオード２３は導通せず、
点灯しない（同図（ｋ）３３）。

このようにして、発光ダイオード２３に点灯・点滅・消
灯の３つの動作モードを与えることができるので、ウィ
ンド・コンパレータ２７の２つのポテンショメータ３３
．３４により、イメージ・センサ１３の受光量が適度な
範囲内で上限値および下限値を設定すれば、イメージ・
センサ１３が適度の受光量の状態にあるときは発光ダイ
オード２３が点灯し、受光間が過大で上限値を越えれば
点滅し、逆に受光量が過小で下限値を下まわれば点灯し
ないことから、イメージ・センサ１３の受光量を容易に
判別することができる。

このことは半導体レーザ発振器１０以外のレーザ発振器
を用いてその出力を適当な手段により調整するならば、
同様の効果を実現することができる。

また、記憶回路２１より読出されるデジタル係数データ
６３またはＤ／Ａ変換回路２２からのアナログ係数デー
タ６４を、出力端子３５．３６より取出せば、それぞれ
イメージ・センサ１３の受光量そのものをデータとして
使用することができる。なお、ここではイメージ・セン
サ１３の受光状態を指示する手段として発光ダイオード
２３を用いて説明したが、その他にもたとえば電子ブザ
ーなどの発音装置を用いても同じ機能を実現することが
できる。

さらに、イメージ・センサ１３の受光する反射光５１の
強度は常に実質的に一定の最適値に調整されるものであ
るから、発光ダイオード２３．ウィンド・コンパレータ
２７２発振器２６．ナンド・ゲート２４．２５などの回
路を省略することも可能である。

第１図に示した例では、計数回路２０の出力である計数
データ６２を、記憶回路２１．Ｄ／Ａ変換回路２２を介
してアナログ信号であるアナログ計数データ６４として
発光量制御回路１９に印加していた。しかしながら、発
光量制御回路１９において、ディジタル比較器を設けて
、計数データ６２を直接印加して所定値と比較するなら
ば第１図に示したものと同様の作用効果を１ｑることが
できることも以上の説明から明らかであろう。

なお、以上説明した構成要素以外の較正要素の動作は、
第３図に示した従来例と同じである。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によるならば、
比較的簡単な回路構成により、オシロスコープなどの高
価格の外部機器を用いて信号観測をすることなくイメー
ジ・センサの受光間を検出し、半導体レーザ発振器にフ
ィードバックしてその受光量を一定にし、ざらにその受
光状態を発光ダイオードなどの指示手段により、発光量
過小、適量、過大の３つのモードで判別することもでき
るようにした。したがって、被測定物の表面状態がたと
え変化したとしても、イメージ・センサの受光】が常に
一定のレベルに保たれて、安定した精度の高い変位測定
を実現することができるので、本発明による効果は極め
て大きく、とりわけレーザ光が不可視光の場合は実用１
著しい効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路構成図、第２図は第１
図に示した回路各部の出力波形図、第３図は従来例の回
路構成図である。 １０・・・半導体レーザ発振器 １０Ｂ・・・レーザ発振器 １１・・・被測定物　　　　１２・・・受光レンズ１３
・・・イメージ・センサ １４・・・イメージ・センサ・ドライバ１５・・・コン
バレー゛り １６・・・ビデオ処理・演算制御回路 １７・・・表示回路　　　　１９・・・発光量制御回路
２０・・・計数回路　　　　２１・・・記憶回路２２・
・・Ｄ／Ａ変換回路　２３・・・発光ダイオード２４．
２５・・・ＮＡＮＤゲート ２６・・・発振器 ２７・・・ウィンド・コンパレータ ３１〜３４・・・ポテンショメータ ３５．３６・・・出力端子 ４１・・・駆動回路 ４２・・・単安定マルチバイブレータ ５０・・・レーザ・ビーム ５１・・・反射光 ５２・・・駆動信号 ５３・・・変換信号 ５４・・・制御信号 ５５・・・ビデオ信号 ５６・・・整形信号 ５７・・・変位データ ５９・・・フィードバック信号 ６０・・・リセット信号 ６１・・・ラッチ信号 ６２・・・計数データ ６３・・・デジタル計数データ ６４・・・アナログ計数データ ６５．６６・・・ＮＡＮＤゲート出力 ６７・・・発振器出力 ６８．６９・・・ウィンド・コンパレータ出カフ２・・
・駆動信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　フィード・バック信号（５９）によって、その出力を
   制御されるレーザ発振手段（１０）と、前記レーザ発振
   手段の出力であるレーザ・ビーム（５０）の被測定面か
   らの反射光（５１）を集光するための集光手段（１２）
   と、 前記集光手段により集光されたイメージの位置を検出し
   て出力するための多くの受光素子からなるイメージ・セ
   ンサ手段（１３、１４）と、前記イメージ・センサ手段
   からの各受光素子のパルス出力を受けて、所定のレベル
   と比較するためのコンパレータ手段（１５）と、 前記コンパレータ手段からのパルス出力のパルス数を計
   数するための計数手段（２０、２１、２２）と、 前記計数されたパルス数に対応した前記フィード・バッ
   ク信号を出力する発光量制御手段（１９）と を含むレーザ光を利用した変位計。