JPH01259213A - 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、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として被測定物（以下ワーク
と称する）Ｂ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５り−１１９００６号公報、特開昭５７−６７
８１５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　：　Ｐｏ５ｊｔｉｏｎ−
５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　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８上の輝
点１０からの反射光１２による輝点１ｏ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がらも受光素チエ６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方向の変位量を、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［１り 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ｌＧ上の像１０ａの位置を受光素子Ｉ６の２
出力電流１＋、Ｉｔから、差１．−１．をとる減算器と
、和ＩＩ　＋）。

をとる加算器と、 １１＋ｒ！ の比の計算結果をＬ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１
６ｂとし、輝点１０の実像１０ａの中心１６ｂからの距
離をＸｏとすると １、　＋１□ 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
、折線返信回路１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＋、Ｉｔ
として得た位置出力から演算する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
路上の第１の原点ＡＩ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、前記の第１集光レンズによる
前記の輝点の実像が結像する仮想の仮想像面と前記の光
路面との交線が前記の第１の原点Ａ１で光ビームの光路
に対して−の角度で交わる条件である仮想像面と、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
の光路との交線が前記の仮想像面と光路面との交線上の
第２の原点Ａ２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第２の原点Ａｔ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１１．Ｉｔ
とし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＋、Ｖｔに変換する電流電圧変換器と、２出力電圧
Ｖ、、Ｖ２を入力してＶｌ　＋ｖ、を出力する加算器と
、２出力電圧Ｖ１、Ｖ２を入力してＶ、−Ｖ、を出力す
る減算器と、前記の　（ｖ＋　＋ｖ２）／（Ｖ１＋Ｖ２
）、（ｖ＋　−Ｖ２）／（Ｖ１＋Ｖ２）からその比（Ｖ
ｌ　−ｖｇ）／　（ｖ＋　＋Ｖｇ）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　
＋　　Ｖ　２）／（Ｖ１＋Ｖ２）／　（Ｖ　Ｉ＋　Ｖ　
りを演算する係数器とを備えるものとする。

〔作用〕

本発明は、光ビームの光路上の第１の原点Ａ１を交点と
してワーク上の輝点の反射光の光路上に第１集光レンズ
と仮想像面とを第１のシャインプルーグ条件の光学系と
して設置し、前記の光ビームの光路と反射光の光路とを
含む光路面と前記の仮想像面との交線上の第２の原点Ａ
２を交点として、反射光の光路上に第２集光レンズと受
光素子とを第２のシャインプルーグ条件の光学系として
設置した、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としたものである。

この光学配置によって光ビームの光路上をワークが変位
しても受光素子上に常にワーク上の輝点の像がピントの
合った状態で結像されるから、測定精度が高く、信号−
雑音比が高く、非常に分解能に優れた測距装置が得られ
る。また、受光素子上の輝点の実像の位置を二つの出力
電流Ｉ　ｌ、Ｉ　ｚとして位置出力を得て、この出力を
電流電圧変換器と、加算器と、減算器と、除算器と、係
数器とで演算するように測距装置を構成したので、測定
しようとするワークまでの距離を係数器からの演算結果
から直接得ることができる。

また第２の原点Ａｘを交点として第２のシャインプルー
グ条件を満たす光学配置としたため小形化、軽量化でき
、かつ従来例のような非直線性補正回路を用いる必要が
なくなる。

〔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、その位置Ｂ、Ｂ、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
ＭＡ、Ｃ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ｆｌｌｉｌＡ１Ｄとはともに光ビーム６の
光路上の第１の原点Ａ１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−Ｂ、）→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
１０の実像のピントは常に合っていることになる。

ここで交線Ａ、Ｄ上に第２の原点Ａ２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
光路面との夫々の交線はＡ、　Ｄ。

ＡＸ　Ｅ、Ａｔ　Ｇとなり、−点Ａ２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がやはり第２の原点
Ａ２を交点とする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８４−
ｈＢ、−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、Ａ、から破線ＡｚＧ＋に平行に破線Ａ＋
ｇ＋　を引き、ｌＢＡ＋　Ｄ−φ。

ｆｃＡ＋Ｄ−θ、ｆｇＡ＋　Ｄ−ａＣｚ　ｌｚ　Ｄ−φ
。

ＭＥＡ、Ｄ＝θ　（ただしφ〈９０°、φ〉θ）となる
条件で特に光学系を設計すれば、ΔＡＩＢＤとΔＡ＋ｇ
Ｄ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のり、を通り、第２集光レンズ１
５の中心Ｅを通り、受光素子１６上に実像Ｇ、として結
像し、さらにその破線で示した延長線がｇ＋に達しこれ
らの各点は反射光１２が各集光レンズ１３．１５の中心
Ｃ，Ｅを通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を遣るため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ΔＡＩＢ＋
　Ｄ＋　とΔＡ＋ｇ＋Ｄ＋　とは、Ｂ　Ｉ　＋Ｃ，ＤＩ
＋Ｅ＋　　Ｇ＋、ｇ＋が前記のように一直線上にあり、
−辺Ａ１１）ｌが共有で、ｚＡ、　Ｂｌ　ｐｌ　＝乙ｇ
＋Ａ＋Ｄ＋　−φであるから合同となる。従ってΔＢＢ
Ｉ　ＣとΔｇｇ＋　Ｂは合同で線分ＢＢＩ　と線分ｇｇ
ｌ　は同一の長さであり、ＧＧ、とｇｇ＋とは平行であ
るからΔＥＧＧ、とΔＥ　ｇ　ｇ　Ｉ　とは相催で ＢＢ＋−ｇｇ＋−αＧ　Ｇ　、　　−−−−−−−−−
−＋２）ただしα〉１゜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上に第
２の原点Ａ２を交点とするシャインプルーグ条件によっ
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α倍すれば、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
しているが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
非常によい側力ゞ 距装置整得られる。

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＋　Ｉ　。

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Ｘｏ、Ｋを定数、Ｐ
を演算回路からの出力とすれば、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
Ｖｒ、Ｖｚ　和変換され、加算器２０テ（Ｖ＋　＋Ｖｇ
　）が、減算器２２で　（Ｖ＋　　Ｖ２）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、　（
Ｖ。

−ｖｔ　）／　（ｖｔ　＋Ｖ２　）が演算され、つぎに
係数器２６で定数Ｋが掛けられて下記する（３）弐のＰ
が出力される。

Ｖ＋　”Ｖ２　　　　　Ｉ＋　十Ｉｔ Ｐ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Ｘｏ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１０．１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を配置し、
（３）式での出力Ｐをさらに係数器２６でα倍してＰｏ
として出力すれば Ｐｏ−αＰ　　　−−−−−−−−−・−−−−ｍ−−
−−−−−−−・−（４１（４）式により求める出力Ｐ
０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生じる、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。

〔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
＋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Ｐ０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集光レンズと第２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。

さらに破線で示した線分Ａ１ｇ＋を線分ＡｔＧ＋に平行
にしたことにより、第２集光レンズに関連した第２の原
点Ａ２を交点とするシャインプルーグ光学系によって測
距が可能であり、第１の原点Ａ１を交点とし、ｇｇ＋の
位置に受光素子を設置する測距装置に比べて、国土台形
ＡｌＡｌ　Ｇ＋　ｇ＋の分だけ面積を節約できるから測
距装置をより小形化でき、従ってより軽量で安価な測距
装置が得られる。

【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
   の第１の原点Ａ＿１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
   、前記の第１集光レンズによる前記の輝点の実像が結像
   する仮想の仮想像面と前記の光路面との交線が前記の第
   １の原点Ａ＿１で光ビームの光路に対してφの角度で交
   わる条件である仮想像面と、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
   記の仮想像面と光路面との交線上の第２の原点Ａ＿２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
   交線が前記の第２の原点Ａ＿２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。