JPH0238806A - 表面状態検出用光学的距離センサの構成 - 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、対象物表面までの距離を検出するための光学
的な距離検出装置に係わり、特に、対象物表面の傾斜、
凹凸、縁、稜線などを検出したり、追跡したりするのに
好適な光学的距離検出センサの構成に関する。

（従来の技術） 光学的な距離検出には、対象物表面上に光ビームを投射
して生成された輝点像位置を像位置検出手段で検出し、
３角測量の原理に基づいて、輝点の３次元位置を確定す
る方法が広く用いられている。光ビーム投射方向への距
離を検出する点計測型の距離センサ、また、スＵ　−／
　）光を投射して輝線に沿った距離情報、すなわち断面
形状を取得する光切断法、さらに、格子点状あるいは円
環状の光を投射し、観測される格子点状あるいは円環状
パターンのひずみ等の状態から、対象物表面の傾斜、投
射、エツジなどの情報を抽出する方法などが試みられて
いる。

（発明が解決しようとする課題） 従来から広く使用されている点計測型の距離検出センサ
を用いて傾斜やエツジなど対象物表面状態を検出するに
は、距離センサの機械的移動が必要とされ、対象物の表
面の特徴抽出、追跡などの高速化が困難である。光切断
法では、１個のスリット走査で断面形状が得られるもの
の、特徴抽出特性に方向性があり、追跡にはセンサの回
転等が必要とされる。円環状光あるいは格子点状光の投
射パターンのひずみ観測によるものでは画像処理が必要
とされ、高速化に不利である。また、円環状光を投射し
、−度に全角方向にわたる距離情報を取得する新たなセ
ンサも提案されているが、このセンサも光量不足を生じ
たり、角度方向の分解能の向上が困難である。

（課題を解決するための手段） 上記の課題を解決し、対象物表面の傾斜、エツジの状態
などを高速に抽出でき、しかも等方向の検出特性を得る
ために、本発明では、光ビームを走査円筒面母線に沿っ
て対象物面上に投射し、この対染物面上に輝点を生成す
る光ビーム走査投射手段、および前記走査円筒面の中心
軸に垂直であり互いに直交する２軸方向に対する前記輝
点の方位を検出する標点方位検出手段を設けることによ
り、光学的距離検出センサを構成したことを特徴とする
。

（作　用） 光ビーム走査投射手段により、光ビームはその通過軌跡
が円筒面（走査円筒面）を構成するように走査され、対
象物表面と走査円筒面との交差部として与えられる円環
状の対象物表面上に輝点が順次投射生成される。前記走
査円筒面の中心軸に垂直！ヱ平面内の互いに直交する２
軸方向に対する輝点の方位が標点方位検出手段により検
出される。

（発明の効果） 本発明によれば、対象物表面上の注目点の周囲の円環状
の軌道に沿った距離情報を高速に取得できる。検出特性
に方向性を有さない。プローブ光としてビーム光が使用
されるので、光量不足の問題を生じない。光ビームを走
査円筒面に沿って順次走査するので、角度方向の分解能
′が向上する等の利点を得ることができる。従って、物
体表面の傾斜やエツジなど、あるいはその方向などの特
徴を、その向きに影響されず等方向な検出特性で抽出で
き、対象物表面の追跡などに適した距離センサを実現で
きる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明す
る。

第１Ａ図および第１Ｂ図は本発明に基づいた表面状態検
出用光学的距離センサの構成の一実施例のそれぞれ平面
図および側面図である。レーザーダイオード等から構成
される光源Ｓからの光ビームＢは、光ビーム走査手段Ｓ
、により、半径ｒの走査円筒面の母線の方向に投射され
、走査円筒面に沿って回転走査される。光ビーム走査手
段Ｓ、の具体的な構成は第４図および第５図を参考して
以下において詳述されるが、例えば、距離センサの中心
軸Ａ８上および半径ｒの位置に鏡ＭＡＭ、を配置し、こ
れらを中心軸Ａｘの周りに回転すればよい。

このよう様にして走査円筒面母線に沿って投射された光
ビームＢ、Ｂ’　、Ｂ’により、対象物０表面上に輝点
Ｔ、Ｔ’　、Ｔ’が生成される。距離センサ中心軸Ａ、
の周囲に配置された複数の１次元様点方位検出器りによ
り、輝点ＴのＸ方向Ｘ、およびｙ方向方位ｙヨが検出さ
れる。

輝点Ｔの３次元座標値（ｘ、ｙ、ｚ）と、１次元様点方
位検出器りにより検出されるＸ方向方位Ｘ、およびｙ方
向方位ｙ１との間に次の関係が成り立つ。

輝点の２方向位置は（１）式を変形し、θを消去するこ
とにより、次式で算出できる。

ｚ　＝　ａ　ｒ　／　（ｘ　ａ’＋　ｙａ”）　”’−
・−（３）この（３）式の２の値を（２）式に代入して
、輝点のＸ座標値、Ｘ座標値を定めることができる。

これらの演算は、１次元様点方位検出器りからの出力信
号の値Ｘ０、ｙ、をアナログ・デジタル変換してコンビ
コータに入力し実行することができる。また、Ｘｌ、ｙ
、がアナログ信号として得られる場合、これらの演算は
、アナログ演算回路を用いることによっても実行するこ
とができる。そのための演算回路のブロック図の一例を
第３図に示した。アナログ演算回路を用いることによっ
て高速かつ連続的に実行することができる。

１次元様点方位検出器りからの出力Ｘ１、ｙ、は乗算器
Ｘにより乗算される。この乗算結果Ｘｌ、ｙ　ｍ２は加
算器Σにより加算された後、平方根演算器Ｆによって平
方根が求められる。これによりて求められた平方根の値
は、割り算器÷に人力され、走査円筒面の半径ｒを割る
除数として用いられる。

割り算器÷からの出力は係数器ａに人力されて、距離２
が求められると共に、１次元様点方位検出器りからの出
力Ｘ１、ｙ、と乗算されてｘ、ｙが算出される。

１次元様点方位検出器りとしては円筒レンズと１次元像
位置検出素子（ラインセンサ）とを組合せた構造のもの
を用いることができる。特に、撮像レンズと１次元像位
置検出素子との間に平行平面鏡を配置した構造の１次元
様点方位検出器（特願昭６１１９４７４３号）を使用す
ることにより、本発明に基づいた光学的距離センサを著
しく小型化することができる。なお、第１Ａ図および第
１Ｂ図では、１次元様点方位検出器りを投射光ビームＢ
が描く円筒面（走査円筒面）の外側に配置しているが、
走査円筒面の内側に配置されても、よい。さらに、複数
の１次元様点方位検出器の代わりに、２次元的標点方位
検出器をその検出器検出中心が、記走査円筒面内に配置
する構成も採りつる。

第２Δ図および第２Ｂ図は、この２次元的標点方位検出
器を用いた場合の表面状態検出用光学的距離センサの構
成を示すそれぞれ平面図および側面図である。２次元的
標点方位検出器り、は２次元的半導体装置検出器（エリ
アセンサ）および撮像光学系（レンズ）によって構成さ
れる。標点方位検出手段以外の他の構成は第１Ａ図およ
び第１Ｂ図に示された構成と同一であり、同様にして対
象物Ｏ上に形成された輝点ＴのＸ方向方位Ｘ。

およびｙ方向方位ｙヨが単一の２次元的標点方位検出器
Ｄ２により検出される。

第４図および第５図に、本発明において用いられる光ビ
ーム走査手段Ｓ、の具体的な構成例を示す。

第４図に示される光ビーム走査手段Ｓ、は、距離センサ
中心軸Ａイ上と、光ビーム投射円筒面の位置に鏡ＭＡと
Ｍ、を、それらが互いに平行となるように配置し、これ
らを距離センサ回転軸Ａ、の中心軸上で回転させる構造
を有している。なお、光ビーム投射面の位置に平行鏡Ｍ
、の代わりに適当な凹面鏡を配置し、投射ビームを収束
させるようにすることによって、対象物表面上によりシ
ャープな輝点を形成することが可能となる。

第５図に示される光ビーム走査手段Ｓ、ｌは、光ビ−ム
投射円筒面の位置に全周に亘る円錐面鏡Ｍｅを固定配置
し、中心軸上の鏡Ｍ、のみを回転する構成を有しており
、可動部の慣性を低減でき、高速応答の可能な走査を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は、１次元標点方位検出器を用
いた場合の本発明に基づく表面状態検出器用光学的距離
検出器センサの構成を示すそれぞれ平面図および側面図
、 第２Ａ図および第２Ｂ図は、２次元標点方位検出器を用
いた場合の本発明に基づく表面状態検出器用光学的距離
検出器センサの構成を示すそれぞれ平面図および側面図
、 第３図は、本発明によって得られる輝点の方位信号から
輝点の位置を算出するアナログ演算回路のブロック図、 第４図および第５図は本発明に用いられる光ビーム走査
手段の具体的構成例を示す斜視図。 （符号の説明） Ｓ・・・・光源、 Ｂ、Ｂ’　、Ｂ’・・・・光ビーム、 ＳＩｌ・・・光ビーム走査手段、 Ｔ、Ｔ’　、Ｔ’・・・・輝点、 Ｄ・・・・１次元標点方位検出器、 夏・・・・輝点像、 Ｘ、・・・Ｘ方向検出方位、 ｙ、・・・ｙ方向検出方位、 ｒ・・・・走査円筒面半径、 ａ・・・・１次元標点方位検出器節点と像面との距離、
Ｏ・・・・対象物、 ＡＸ・・・円筒面中心軸、 ｘ、ｙ、ｚ・・・・３次元座標値、 Ｄ、・・・２次元的標点方位検出器、 Ｘ・・・・乗算器、 Σ・・・・加算器、 ÷・・・・割算器、 Ｆ・・・・平方根演算、 ａ・・・・係数器、 Ｍ、、Ｍ、・・・・鏡、 ＭＣ・・・円錐面鏡。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームを走査円筒面の母線方向に沿って対象物
   体面上に投射し、対象物体面上に輝点を生成する光ビー
   ム走査投射手段、および 前記走査円筒面の中心軸に垂直な平面内の互いに直交す
   る２軸方向に対する前記輝点の方位を検出する標点方位
   検出手段を備えたことを特徴とする対象物の表面状態検
   出用光学的距離センサの構成。
2. （２）前記標点方位検出手段が、前記走査円筒面中心軸
   の周囲に配置され、それぞれの方位検出方向が、前記走
   査円筒面中心軸に垂直で互いに直交する軸方向とされた
   複数の１次元標点方位検出手段であることを特徴とする
   請求項（１）記載の表面状態検出用光学的距離センサの
   構成。
3. （３）前記標点方位検出手段が、前記走査円筒面中心軸
   上に検出中心を有し、互いに直交する軸方向に対する輝
   点方位を検出する２次元的標点方位検出手段であること
   を特徴とする請求項（１）記載の表面状態検出用光学的
   距離センサの構成。