JPH0346508A - 光学式位置測定装置 - 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〕 本発明は非接触にて被測定物の位置を測定する光学式位
置測定装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図は例えば特公昭５６−１０５６１号公報及び特公
昭５９−７６２号公報等に開示されている光学式位置測
定装置の構成図である。

図中１は被測定物であり、ＬＤ、又はＬＥＤ等を用いて
なる光源２は光源駆動回路１）によってパルス駆動され
、点灯／消灯を繰り返す状態で光を発生する。光源２の
光の出射側には投光レンズ３が設けてあり、該投光レン
ズ３により光源２から出射された光は集束され、ビーム
光となって被測定物１の表面に対して垂直に投射される
。ここで理想的な鏡面以外の一般の物体の表面ではビー
ム光は散乱を起こし、種々の角度から光のスポット、即
ち光点が観測される。

照射ビームと角度θで反射される光軸上には受光レンズ
４及び光位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉ
ｎｇＤ　ｅ　ｔｅｃ　ｔｏｒ以下ＰＳＤという）５が配
設してあり、ＰＳＤ　５の受光面上に光点が結像される
。ＰＳＤ　５は結像された光点像の位置に対応した２系
統の電流信号を出力し、これらは各々増幅器６ａ及び６
ｂに入力され、夫々比例した電圧信号Ｖ、、Ｖ２に変換
されて増幅される。

増幅器６ａ及び６ｂは夫々減算器７及び加算器８と接続
してあり、減算器７及び加算器８は夫々各電圧信号Ｖ、
、Ｖ２を減算した電圧信号（ｖ＋　　Ｖ２及び加算した
電圧信号（Ｖ＋＋Ｖｚ）を出力する。

これらの出力信号は夫々サンプルホールド回路９ａ及び
９ｂに入力してあり、各サンプルホールド回路９ａ及び
９ｂはいずれも光源駆動回路１）の駆動パルスに同期し
て人力信号をサンプリングし、パルス波形の受光信号が
直流信号に変換されて出力される。そしてこれらの出力
信号は徐算器ｌＯに入力してあり、該徐算器１０に７　
（ｖ＋−ｖ２）／　（Ｖ。

＋ｖ２）の計算が行われる。この結果、ＰＳＤ　５の受
光面上に形成されたスポット光の光量重心位置に比例し
た信号ｄが得られ、この信号ｄの値に基） づいて被測定物１までの距離を測定している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、被測定物１が金属の粗仕上面等の場合、表面
から乱反射される光量の空間分布は一様ではなく、特定
の方向に鋭いピークを持っており、しかもその空間分布
は被測定物１の面上の位置が変われば大きく変化すると
いう性質がある。従って被測定物１の形状測定を行うべ
く、ビームと直交する方向へ被測定物１を移動させる測
定方法においては、光源２の投光量が一定でもＰＳＤ　
５への受光量は測定中大きく変動する。この為、増幅器
６ａ、６ｂ以降の信号処理部で光量が多過ぎて信号が飽
和を起こして不正な値が測定されたり、逆に光量が少な
過ぎてＳ／Ｎ比、又は分解能が悪化するという問題があ
る。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、受光
信号の大きさに基づいて光源駆動回路の発光量及び増幅
器の増幅ゲインを調節制御することにより、表面反射状
態の変動が激しい物体でも高精度に測定可能な光学式位
置測定装置の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る光学式位置測定装置は、光ビームの光量を
調節する光量調節手段と、１曽幅手段の増幅ゲインを調
節する増幅ゲイン調節手段とを備え、増幅手段にて増幅
される複数の信号の加算値及び最大値を求め、これらの
値に基づいて光量調節手段により光ビームの光量を、ま
た増幅ゲイン調節手段により増幅ゲインを調節するよう
にしたものである。

〔作用〕

増幅手段にて増幅される複数の信号に対して加算値及び
最大値が求められ、これらの値に基づいて光ビームの光
量及び増幅手段の増幅ゲインが適切な値に調節される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に
説明する。第１図は本発明に係る光学式位置測定装置の
構成を示ずプロ・ツク図である。図中１は被測定物であ
り、ＬＤ、又はＬＥＤ等を用いてなる光源２は光源駆動
回路１４によってパルス駆動され、点灯／消灯を繰り返
す状態で光を発生ずる。

光源駆動回路１４はｃｐｕ等を用いてなる演算回路１５
から出力される光量値信号りを人力して光源２の発光量
を連続的、又は離散的に変更する機能を有する。光源２
から出射された光は投光レンズ３により集束され、ビー
ム光となって被測定物１の表面に垂直に投射され、角度
θで反射された光が受光レンズ４にて集光されＰＳＤ　
５の受光面上に光点を結像させる。ＰＳＤ　５は結像さ
れた光点像の位置に対応した２系統の電流信号を出力し
、これらは各々増幅器１２ａ及び１２ｂに人力され、電
圧信号に変換されて増幅される。増幅器１２ａ及び１２
ｂは前記演算回路１５から出力されるゲイン値信号Ｇを
入力して増幅ゲインがＮ倍ずつの比で切換えられる。

増幅器１２ａ及び１２ｂの出力信号は夫々サンプルホー
ルド回路９ａ及び９ｂに入力してあり、各サンプルホー
ルド回路９ａ及び９ｂはいずれも光源駆動回路１４の駆
動パルスに同期して入力信号をサンプリングし、パルス
波形の受光信号を直流の電圧信号Ｖ■２に変換して出力
する。電圧信号Ｖ、、Ｖ２は夫々減算器７及び加算器８
に入力しである一方、前記演算回路１５に入力しである
。演算回路１５はこれらの電圧信号Ｖ、、Ｖ２を入力し
て前記光量値信号り及びゲイン値信号Ｇの各信号値を演
算して出力すると共に、エラー判定を行い出力する。

減算器７及び加算器８は夫々各電圧信号■１■２を減算
した電圧信号（ｖｌ　−Ｖ２）及び加算した電圧信号（
Ｖｌ＋ＶＺ）を出力する。

これらの出力信号は徐算器１０に入力してあり、該徐算
器１０にて（Ｖｌ　−Ｖ２　）　／　（Ｖｌ　＋Ｖ２　
）の計算が行われる。この結果、ＰＳＤ　５の受光面上
に形成されたスポット光の光量重心位置に比例した信号
ｄが得られ、この信５うｄの値に払づいて被測定物ｌま
での距離が測定される。

第２図は演算回路１５の処理内容を示すフローチャー１
・である。演算回路１５は光源駆動回路１４のパルス駆
動周期の都度、サンプルホールド回路９ａ及び９ｂから
電圧信号Ｖ、、Ｖ２を入力して以下に示す制御フロー動
作を実行する。

まず、ステップのではｖｌ及びＶ２の加算値をＶｄｌと
比較し、これがＶｄｌより小さい場合はステップ■の発
光量のステップ増加チエツクへ進み、大きい場合はステ
ップ■で■１及びＶ２の大きい方、即ち最大値とｖｈを
比１咬し、これがｖｈより大きい場合は、ステップ０の
発光量のステップ減少チエツクへ進む。ここでＶｄｌは
光量不足を判定する為の第１下限値であり、ｖｈは発光
量及びゲインを急速増減させる為の判定値である。なお
、これらの大小関係は、後述する発光量の微小増減制御
を行わせる為の判定値Ｖ７！及び光量不足を正常な測定
の望める最低受光量により判定する第２下限値Ｖｄ２を
含め、Ｖｈ　＞Ｖ　ｆｆ　＞Ｖｄｌ＞Ｖｄ２としである
。

さて、ステップ■では現在の光量値Ｉ７を発光量の最大
値Ｌｍａｘと比較し、■、が１．、ｍａｘより小さけれ
ば、光源駆動回路１４により発光量を増加させる余裕が
あるので光量値りをＮ倍して制御を終了する（ステップ
■）。一方、Ｌが■、ｍａｘ以上であれば、発光量によ
る制御は不可能な為、増幅器１２ａ及び１２ｂのゲイン
値Ｇをチエツクし、現在のゲイン値Ｇが最大ゲイン（１
ｉｉＧｍａｘより小さければ、ゲイン値ＧをＮ倍して制
？７Ｕを終了する（ステップ■）また、現在のゲイン（
ａＧが最大ゲイン値Ｇ　ｍａｘと等しい場合は、制御余
地が存在せず、■１及びＶ２の加算値を最低受光量に相
当する第２下限値Ｖｄ２と比較しくステップ■）、Ｖｄ
２より大きければそのまま制御を終了し、小さければ光
量不足エラーを出力する（ステップ［相］）。

一方、ステップ■でＶｌ及び■２の大きい方がＶｈより
大きいと判定され、ステップ■へ進んだ場合は、現在の
光量値りと発光量の第１下限値Ｉ。

ｎ＋ｉｎ　Ｉ　とを比較し、Ｌが■、ｍｉｎ　１より大
きければ発光量を減少させる余裕があるので、光量値り
を１／Ｎ倍して制御を終了する（ステップ０）。ここで
１．がＬｍｉｎｌ以下であれば、発光量による制御は不
可能な為、ゲイン値Ｇをチエツクしくステップ０）、現
在のゲイン値Ｇが最小ゲイン（ｉＧｍｉｎより太きＬ）
ればゲイン値Ｇを１／Ｎ倍して制御を終了する（ステッ
プ■）。また、ゲイン値Ｇが最小ゲイン値Ｇｍ１ｎと等
しい場合は制御余地が存在せず、現在の光量値りと正常
な測定が望める最低光量値Ｌｍｉｎ　２　　（＜　Ｌｍ
ｉｎ　１　）とを比較して（ステップ［相］）、ＬがＬ
ｍｉｎ　２と等しいか、又は小さ＆ノれば光量過大エラ
ーを出力しくステップ［相］）、Ｉ、がＬｍｉｎ２より
大きければ光量値りをΔ■７だけ減少して制御を終了す
る（ステップ［相］）。ここでΔＬは発光量の微小増減
制御を行う際の１回当たりの変更量である。

ステップ■でＶ、及びＶ２の大きい方がｖｈより小さい
と判定された場合は、次にＶｆｆと■、及びＶ２の大き
い方とを比較しくステップ■）、これがＶＡより大きい
場合は、ステップ０の発光量の微小減少チエツクに進む
。ステップＯでは現在の光量値りと第１下限値Ｌｍｉｎ
ｌ　とを比較し、ＬがＬｍｉｎ　１より大きければ前記
ステップ［相］へ進み、同様に光量値Ｉ７をΔＬだけ減
少して制御を終了する。一方、ＬがＬｍｉｎｌ以下であ
れば前記ステップ０へ進み、同様にゲイン値のチエツク
を行う。

さて、ステップ■でＶｌ及び■２の大きい方がＶ℃以下
と判定された場合は、ステップ■に進み、現在の光量値
りと発光量の最大値Ｌ　ｍａｘと比較し、ＬがＬｍａｘ
より小さければ、光量値りをΔＬだけ増加して制御を終
了する（ステップ［相］）。一方、ＬがＬｍａｘ以上で
あればそのまま制御を終了する。

上述の制御動作において、光量（ｉＬ、又はゲイン値Ｇ
を増減させる場合、現在値から上記加減乗除算の結果得
られる新値が最大値を上回ったり、最小値を下回ったり
しても夫々最大値、又は最小値にクリップさせるのは当
然である。

以上の如く本実施例においては、受光量の比較レベルを
３段階持ち、発光量のステップ増減制御と、微小増減制
御とを組合せ、更にゲイン量をも制御することによって
被測定物１が金属の粗仕上げ面等で受光量の変化が激し
い場合でも、信号レベルの最も大きいものが予め設定さ
れた信号レベルを超えることが殆どなく、また設定レベ
ルに近い値が得られるので、増幅器１２ａ、１２ｂ　、
又はそれ以降の信号処理部で電圧が飽和したり、逆に電
圧が小さ過ぎてＳ／Ｎ比、又は分解能が悪化することは
ない。

なお、本実施例においては、光ビームの光量を調節する
光量調節手段として光源駆動回路１４を用い、光源２の
発光量を調節する構成としであるが、これに代えて光源
２から被測定物１までの光路中で絞り等による適宜の手
段を用いる構成としても良い。

また、本実施例においては、減算器７．加算器８及び徐
算器１０を夫々電圧信号を用いたアナログ回路として説
明したが、電圧信号Ｖ、、Ｖ２をアナログからディジタ
ルに変換すると共に、減算器７、加算器８及び徐算器１
０の機能をｃｐｕにより演算させることによって実現し
ても良い。また、これらの演算と演算回路１５における
演算とを１つのＣＰＵにより行っても良い。

更に本実施例による光量制御に加えて受光信号の電圧Ｖ
＋、Ｖｔが増幅器１２ａ、１２ｂ以降の飽和レベルに達
しているか否かを監視し、達していれば徐算器出力が正
常でないと判定してそのまま出力せず、例えば前回出力
のままホールドさせる等の１ 処理方法を取ることによって、より激しい光量変化が生
じる場合においても不正データの出力を回避することが
できる。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明に係る光学式位置測定装置においては
、測定物の反射光量の変動に対して光ビームの光量及び
増幅器の増幅ゲインを調節することにより増幅器の出力
信号値を適正に制御できる為、信号値が過大となって測
定誤差を生じさせることがなく、また逆に過小となって
Ｓ／Ｎ比及び分解能を低下させることもない。

この結果、被測定物の材質、又は表面性状に関係なく、
被測定物の位置を常に高精度に測定することができる等
、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式位置測定装置の構成を示す
ブロック図、第２図は制御手順を示すフローチャート、
第３図は従来装置の構成を示すブロック図である。 ｌ・・・被測定物　２・・・光源　５・・・光位置検出
素子２ １２ａ、１２ｂ　＝・増幅器 １４・・・光源駆動回路 １５・・・演 算回路 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代 理 人 大 岩 増 雄 ３ 図 ９

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光ビームを被測定物へ照射し、その反
   射光を受光する光位置検出素子の複数の出力信号を各別
   に増幅手段にて増幅して演算処理し、被測定物の位置を
   測定する光学式位置測定装置において、 前記光ビームの光量を調節する光量調節手段と、 前記増幅手段の増幅ゲインを調節するゲイン調節手段と
   、 前記増幅手段にて増幅される複数の信号の加算値及び最
   大値を求める信号処理手段と、該信号処理手段の処理結
   果に基づいて前記光量調節手段により前記光ビームの光
   量を、また前記ゲイン調節手段により増幅ゲインを夫々
   調節させる手段と を具備することを特徴とする光学式位置測定装置。