JPH01259212A - 測距装置 - 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〕 本発明は光ビームを被測定物上に照射し、その反射光を
受光素子で受光して、得られる出力電流から演算によっ
て被測定物までの距離あるいは被測定物の変位を測定す
る測距装置に関する。

〔従来の技術〕

第２図は従来の測距装置の構成図で、この第２図に示す
ようにレーザビームやピンホール１スリツトを用いて指
向性をよくした可視光などを光源２から発光し、照射レ
ンズ４を通して光ビーム６として被測定物（以下ワーク
と称する）８上に照射し、輝点１０を形成させ、その反
射光１２を集光レンズ１４を通して一次元の受光素子１
６上に結像して、光ビーム６の照射方向（ｙ方向）のワ
ーク８までの距離あるいはワーク８の変位を測定する装
置としては、例えば特開昭５５−４０９４２号公報に開
示されているような三角測量方式を基本とするものと、
特開昭５５−１１９００６号公報、特開昭５７−６７８
１５号公報などに開示されているようなシャインプルー
グの条件を満足する光学系配置によるものなどが公知で
ある。ここに前記のシャインプルーグ条件について第２
図によって説明する。シャインプルーグ条件とは、集光
レンズ１４を含む面３０（紙面上で破ｉ　３０）　と受
光素子１６　（Ｐ　Ｓ　Ｄ　：　Ｐｏ５ｌｔｉｏｎ−５
ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒともいう）を含む
面３２（紙面上で破線３２で結像面に相当する）とが、
光ビーム６の光路上の任意の一点３４で交わるように配
置すれば光ビーム６上の任意の点はすべてピントがあっ
て面３２上に結像されることをいい、ワークＢ上の輝点
１０からの反射光１２による輝点１０の実像１０ａを受
光素子１６上に常にピントの合った状態で結像すること
は、測定精度を高める点からも受光素子１６の信号−雑
音比を高める点からも非常に重要なことである。

前記の従来の測距装置は、いずれも照射光学系から照射
された光ビーム６をワーク８上に照射して輝点１０を形
成させ、この反射光１２を光ビーム６の光路に対して斜
めに配置された受光光学系により一次元の受光素子１６
上に結像させ、例えば光ビーム６の光路に沿ったワーク
８のｙ方向の変位置を、受光素子１６上の輝点１０の実
像１０ａの変化として検出することにより測定するもの
である。

このようなレーザビーム等を使用して非接触でワーク８
の位置を測定する測距装置は、軟らかいプラスチックの
ようなワーク８でも傷付けることなく測定が可能であり
、かつ工場内のロボット等の自動化機器の測距装置とし
て使い易いなど、接触式の測距装置にはない幾つかの長
所を持っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら前記の従来例では以下に述べるような問題
があって、信号処理用電気回路が複雑となり従って高価
になるという欠点があった。例えばシャインプルーグ条
件を満たす光学系配置の前記の特開昭５５−１１９００
６号公報では同公報に示されているように、その構成は
第２図と第３図とに示すようなものであり、測距のため
の受光素子１６上の像１０ａの位置を受光素子１６の２
出力電流１＋、Ｉｚから、差ｆ、−１，をとる減算器と
、和１＋＋Ｊｚをとる加算器と、 の比の計算結果をＫｘ倍する係数器とから構成される演
算器３６により下記する（１）式を演算する。すなわち
、第３図に示す受光素子１６の部分拡大図のように受光
素子１６の全長を２Ｌとし、受光素子１６の中心を中心
１６ｂとし、輝点１０の実像１０ａの中心１６ｂからの
距離をＸとすると １、＋ｌ。

となる。つぎに前記の演算器３６によるこの（１）式の
演算結果とワーク８の変位とを比例させる補正のために
、折線近似回路、指数関数回路、あるいはディジタル演
算回路などの複雑な非直線性補正回路３８による信号処
理をして測定を行っていた。従ってこの非直線性補正回
路３８が複雑になり高価になるという欠点があった。

本発明は前記の欠点を解決するために、非直線性補正回
路を必要とせずこれに代えて簡単な演算器を付加した安
価な測距装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記の課題を解決するために、本発明は、距離を測定し
ようとするワークに光ビームを照射して輝点を形成させ
、この輝点からの反射光を集光し受光素子上に輝点の実
像を受光し、この実像の位置を二つの出力電流１．．１
．として得た位置出力から演算することによって、前記
の光ビーム方向のワークの位置を測距する測距装置にお
いて、前記の光ビームの光路上に、第１集光レンズを含
む平面と前記の光ビームの光路と反射光の光路とを含む
平面である光路面との交線が前記の光ビームの光路上の
原点Ａで光ビームの光路に対して（φ−θ）の角度（た
だしφ＜９０’、　　φ〉θ）で交わる条件で設置され
る第１集光レンズと、前記の反射光の光路上に、第２集
光レンズを含む平面と前記の光路面との交線が前記の原
点Ａで光ビームの光路に対して　（φ＋θ）の角度で交
わる条件で設置される第２集光レンズと、前記の反射光
の光路上に、受光素子を含む平面と前記の光路面との交
線が前記の原点Ａで光ビームの光路に対して２φの角度
で交わる条件で設置される受光素子と、この受光素子上
に受光する前記の輝点の実像の位置を二つの出力電流Ｉ
　＋、１　！とじて得られる位置出力からそれぞれ比例
する２出力電圧Ｖ　Ｉ、　Ｖ　ｔに変換する電流電圧変
換器と、２出力電圧Ｖ、、Ｖ。

を入力してＶ１＋Ｖ２を出力する加算器と、２出力電圧
Ｖ１、Ｖ２を入力してＶ、−Ｖｔを出力する減算器と、
前記の（Ｖ１　＋ｖｔ）＋（Ｖ１　−Ｖりからその比（
Ｖｔ　−ＶＺ）／　（Ｖｔ　＋ｖ、）を演算する除算器
と、この除算器の演算結果に定数Ｋを乗じてＫ・　（Ｖ
ｔ　−Ｖ２）／　（ｖ、＋ｖ２）を演算する係数器とを
備えるものとする。

〔作用〕

本発明は、２段のシャインプルーグ条件を満足する光学
配置による測距装置において、電流電圧変換器と、加算
器と、減算器と、除算器と、係数器とを備えて測距装置
を構成したため、測定しようとするワークまでの距離を
、Ｋ・　（Ｖｔ　＋ｖｔ）／（Ｖ、−Ｖりという係数器
の演算結果から直接得ることができる。従って従来例の
ような非直線性補正回路を用いなくても直線性と分解能
に優れた測距が可能となる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例の測距装置の構成図であ
る。第１図において、装置の各構成部分は下記の条件で
配置され測距装置を構成している。

すなわちレーザビームやピンホール、スリットを用いて
指向性をよくした可視光などを光源２から発光し、照射
レンズ４を通して光ビーム６としてワーク８上に照射し
て輝点１０を形成させ、その位？＆　Ｂ　、　　Ｂ　Ｉ
　からの反射光１２は第１集光レンズ１３を゛通って仮
想像面１４（仮想像面とは空間内に仮想的に考えた結像
面であって、特に仮想像面として部品をなに□かこの位
置に実際に配置しであるということではない）上の点り
、Ｄ、に、光ビーム６の光路上の異なる位置Ｂ、Ｂ、に
あるワーク８上の輝点１０の実像を結像する。第１集光
レンズ１３を含む平面と前記の光ビーム６の光路と反射
光１２の光路とを含む平面である光路面（第１図の紙面
に同じ）との交線ＡＣと、仮想像面１４を含む仮想上の
平面と前記の光路面との交線ＡＤとはともに光ビーム６
の光路上の原点Ａで交わるように配置されているから光
学的にシャインプルーグ条件を満足している。従ってワ
ーク８がＢ”Ｂｏ４−＋Ｂ＋　のような光ビーム６の光
路上で一次元の変位をしても、仮想像面１４上の輝点１
０の実像のピントは常に合っていることになる。

ここで原点Ａを交点としてさらにもうひとつのシャイン
プルーグ条件を満たす光学系を構成する。

すなわち仮想像面、１４と第２集光レンズ１５を含む面
と受光素子１６（ＰＳＤ）を含む面と、前記の光路面と
の夫々のの交線はＡＤ、ＡＥ、ＡＧとなり、原点Ａで交
わりシャインプルーグ条件を満足する。

従って仮想像面１４上の実像りは再度受光素子１６上の
点Ｇに結像することになる。しかも前記のようにワーク
８の変位にかかわらずワーク８の表面の輝点１０は常に
仮想像面１４上にピントの合った状態で結像し、かつこ
の実像りは、仮想像面１４．第２集光レンズ１５．受光
素子１６がやはリシャインプルーグ条件の光学系を構成
しているので、ワーク８が光ビーム６の光路上でＢ−Ｂ
、）−Ｂ、のような変位をしても、常に受光素子１６上
にピントの合った状態で輝点１０の実像Ｇ　、　Ｇ　＋
　として結像する。

つぎに第１図の光学系の幾何学的な条件を検討する。第
１図において、ｆＢＡＤ＝φ、　１ＣＡＤ＝φ、ｆＧＡ
Ｄ＝φ、ｚＥＡＤ−θ　（ただしφ〈９０°１　φ〉θ
）となる条件で特に光学系を設計すれば、ΔＡＢＤとΔ
ＡＧＤは幾何学的に合同である。ワーク８のＢ、の位置
の輝点１０からの反射光１２は第１集光レンズ１３の中
心Ｃを通り、仮想像面１４のＤｌを通り、第２集光レン
ズ１５の中心Ｅを通り、受光素子１６上に実像ＧＩとし
て結像し、これらの各点は反射光１２が各集光レンズ１
３．１５の中心Ｃ，Ｅを遣るため屈折しないから一直線
上に並んでいる。これに対してワーク８のＢの位置の輝
点１０からの反射光１２は、第１集光レンズ１３の中心
Ｃを通り、仮想像面１４のＤを通り第２のレンズ１５の
中心Ｅを外れたＦに達する。ここまでの経路では反射光
１２は第１集光レンズ１３の中心Ｃを通るためＦまで直
進し、Ｆにおいて第２集光レンズ１５によって屈折させ
られて受光素子１６上のＧで、Ｄ、　Ｅを結ぶ破線の延
長線と交わり実像Ｇを結像する。

再び幾何学的な条件に戻ってΔＡ　Ｂ　＋　Ｄ　＋　と
ΔＡＧ＋Ｄ＋　とは、Ｂ、、Ｃ，Ｄ、、Ｅ、Ｇｌが前記
のように一直線上にあり、−辺ＡＤ、が共有で、４Ｂ１
ＡＩ）＋　　＝ｆＧＩ　Ａｌ）＋　　＝φであるから合
同となる。

従ってΔＢＢＩ　ＣとΔＧＧ、Ｅは合同で線分Ｂ　Ｂ　
＋と線分ＧＧ、は同一の長さである。すなわちＢ　Ｂ　
、　ｌ＝Ｇ　Ｇ　Ｉ＝　　　　　−−−−−−−−−−
−（２１前記の説明から明らかなようにワーク８の表面
上の輝点１０は常に受光素子１６上シヤインプル一グ条
件によって常にピントの合った状態で実像Ｇを結像し、
（２）式の関係が成立しているから、受光素子１６上の
実像Ｇの位置を求めれば、ワーク８の変位を直接測定で
きることになる。しかも実像Ｇは非常に小さく鮮明に結
像しているから測距分解能が非常に優れた測距装置が得
られる。また前記の（２）式の関係があるので、直線性
も非常によい測距装置が得られる。

一方前記の第２図の従来例で説明したように、第３図に
示す受光素子１６の２出力電流をＩ　＋、　Ｉ　ｚとす
れば、受光素子１６上の輝点１０の実像１０ａと受光素
子１６の中心１６ｂとの距離をＸ、Ｋを定数＋ＰＯを演
算回路からの出力とすれば、Ｉ　Ｉ＋　Ｉ　ｔは電流電
圧変換器１８．１８で通常演算回路で取扱われる電圧Ｖ
、、Ｖ、に変換され、加算器２０テ（Ｖｌ　＋Ｖｔ　）
が、減算器２２で　（Ｖ１−ｖｉが演算される。引続い
てこれらの結果が除算器２４に入力され、（ＶｌＶｔ　
）／　（■＋　＋Ｖｚ　）が演算され、つぎに係数器２
６で定数Ｋが掛けられて下記する（３）式のＰｏが出力
される。

Ｐｏは受光素子１６上の輝点１０の実像１０ａと受光素
子１６の中心１６ｂとの距離、すなわち前記のＸを表面
わすものとなる。ワーク８の中心位置Ｂ０に対応する受
光素子１６上の実像１０ａの位置Ｇ０が受光素子１６の
中心１６ｂと一致するように受光素子１６を配置すれば
、（３）式により求める出力Ｐ０は、ワーク８の変位中
心Ｂ０からの光ビーム６の光路方向の変位そのものであ
る。

本発明の第２の実施例の測距装置は、第１図に示した第
１の実施例の係数器２６の出力を図示しない非直線性補
正回路に入力するものである。この場合、第１集光レン
ズ１３の収差、第２集光レンズ１５の収差と、さらに受
光素子１６自身が持つ非直線性、すなわち受光素子１６
の中心１６ｂからの変位が（３）式により完全に表わし
きれないことにより住じる、ワーク８の変位量とＰｏと
の対応の非直線性等を補正することができるため、第１
の実施例に比べてより正確にワーク８の距離変位を測定
できる測距装置が得られる。

Ｃ発明の効果〕 第１図に示した構成の本発明の測距装置によれば、シャ
インプルーグ条件の光学系を２段に用いているため、ワ
ークの変位中心Ｂ０からの光ビームの光路方向のＢ、Ｂ
ｌへの距離変位を、従来例の複雑な非直線性補正回路を
用いることなく、演算回路の出力Ｐａとして直接直線性
に優れた測距値を求めることができる。

また光学系はシャインプルーグ条件のみで構成している
ため、受光素子上で常にピントが合い非常に分解能に優
れるという効果がある。

なお第２の実施例の測距装置によれば、第１図の構成の
第１の実施例の係数器の出力を非直線性補正回路に入力
して第１．第２の集光レンズの収差と受光素子自身の非
直線性等を補正することができるため、第１の実施例に
比べてより正確にワークの距離変位を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の測距装置の構成図、第
２図は従来の測距装置の構成図、第３図は受光素子の部
分の拡大図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）光ビームを発光する光源と、距離を測定しようとす
   る方向の光路上に設置され前記の光ビームを照射して被
   測定物上に輝点を形成させる照射レンズと、この光ビー
   ムの光路と異なる方向の光路上の前記の輝点からの反射
   光を集光しこの輝点の実像を受光する受光素子と、この
   受光素子上の実像の位置を二つの出力電流Ｉ＿１、Ｉ＿
   ２として得た位置出力から演算する演算器とを備え、前
   記の光ビーム方向の被測定物の位置を測距する測距装置
   において、前記の反射光の光路上に、第１集光レンズを
   含む平面と前記の光ビームの光路と反射光の光路とを含
   む平面である光路面との交線が前記の光ビームの光路上
   の原点Ａで光ビームの光路に対して（φ−θ）の角度（
   ただしφ＜９０°、φ＞θ）で交わる条件で設置される
   第１集光レンズと、前記の反射光の光路上に、第２集光
   レンズを含む平面と前記の光路面との交線が前記の原点
   Ａで光ビームの光路に対して（φ＋θ）の角度で交わる
   条件で設置される第２集光レンズと、前記の反射光の光
   路上に、受光素子を含む平面と前記の光路面との交線が
   前記の原点Ａで光ビームの光路に対して２φの角度で交
   わる条件で設置される受光素子と、この受光素子上に受
   光する前記の輝点の実像の位置を二つの出力電流Ｉ＿１
   、Ｉ＿２として得た位置出力からそれぞれ比例する２出
   力電圧Ｖ＿１、Ｖ＿２に変換する電流電圧変換器と、２
   出力電圧Ｖ＿１、Ｖ＿２を入力してＶ＿１＋Ｖ＿２を出
   力する加算器と、２出力電圧Ｖ＿１、Ｖ＿２を入力して
   Ｖ＿１−Ｖ＿２を出力する減算器と、前記の（Ｖ＿１＋
   Ｖ＿２）、（Ｖ＿１−Ｖ＿２）からその比（Ｖ＿１−Ｖ
   ＿２）／（Ｖ＿１＋Ｖ＿２）を演算する除算器と、この
   除算器の演算結果に定数Ｋを乗じてＫ・（Ｖ＿１−Ｖ＿
   ２）／（Ｖ＿１＋Ｖ＿２）を演算する係数器とを備える
   ことを特徴とする測距装置。