JPH04270905A - ２次元光点位置検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次元の光点位置を検
出する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アナログ２次元位置検出センサー、たと
えば、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｎｇ−Ｄｅｔ
ｅｃｔｏｒ）は位置に対する特性を持っており、一例と
して図２に示す如く碁盤目を変形させたような特性を有
している。これをそのまま、位置検出に使用するには、
不適当であった。つまり、比較測定で、ある点は別のあ
る点より遠いとか、点のある方向とか、おおよその測定
はできるのであるが、実際にどこにあるかとなると信頼
性に乏しい出力しか得られない。

【０００３】また、アナログ２次元位置検出センサーの
分解能が、デジタル２次元位置検出センサーのそれより
も、はるかに高いだけに、この欠点を有することは非常
な残念なことである。ちなみに、デジタル２次元位置検
出センサーであるＣＣＤ撮像素子の分解能は、１画素の
大きさで決まり，およそ１０ミクロン強であるのに対し
て、アナログ２次元位置検出センサーの分解能は、その
後段の増幅装置さえうまく構成してやれば０．０１ミク
ロン以下である。

【０００４】光点位置検出の性能をこの両者で比較する
と、光点を精密に２次元位置測定する目的においては、
ＣＣＤ撮像素子を使えば信頼性の高い位置検出装置が簡
単に構成できるが、余りにも分解能がなさすぎるし、ア
ナログ素子では絶対位置出力とはいえず、信頼に足りな
いといえる。実際、精密な光点位置測定の要請がなされ
たとき、従来のとられる方法はつぎのようなものであっ
た。すなわち、光点を点ではなく、例えば、スリット光
を利用することにより直交する２つの直線の形状として
おき、この光束を２つにわけ、分解能が数ミクロン程度
の１次元ＣＣＤ素子２つにそれぞれ投射して素子の位置
を検出し、この各１次元データを２次元データとして再
構成するといった手段であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き、従来技術
においては、入射光の形状に制限があって測定装置にこ
れを利用する場合においては、構造的なフレキシビリテ
ィがなさすぎるという問題点があった。また、光点の２
次元位置の検出は、各種の測定において重大な要素とな
り得るにも拘わらず、構造が簡単で、精密な測定が可能
で、機動性に富む光点位置検出装置はなかったのである
。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、２次
元位置における光点測定を精度良く行えると共に、構造
簡単な２次元光点位置検出装置の提供にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的のために本発
明では、被測定物からの測定光を受光面で受光すると共
に、その受光点に対応するそれぞれの信号を出力する複
数の端子を備えた光位置検出センサーと、前記複数端子
からのそれぞれの信号を処理してデジタル信号で出力す
る信号処理手段と、前記光位置検出センサーの特性を補
正するためのデータを格納する補正データ用メモリと、
前記デジタル信号を入力すると共に前記補正するための
データを入力せしめ、前記受光面における前記受光点の
絶対位置を演算する演算手段とを有することを課題解決
の手段とするものである。

【０００８】

【作用】本発明においては、アナログ位置検出センサー
によって、光点位置の検出を行い、その後段の信号出力
装置によって検出データの処理をなし、その出力信号を
演算処理装置に出力すると、演算処理装置は出力信号を
受けて予め補正用データが格納されている補正データ用
メモリから補正用データ信号を入力せしめ、このデータ
信号と近傍の前記出力信号の参照ポイントを探し出し、
これを演算することによって光点の絶対位置を検出する
ようにしたので、アナログ２次元センサーの持つ欠点で
ある位置に対する特性を除去することができるので、精
度の高い光点位置の検出ができる。

【０００９】

【実施例】次に本発明の一実施例を図１を参照して説明
する。まず光点位置を検出する素子として、ＰＳＤ１と
呼ばれる素子を使用する。この素子は、受光面における
光点の位置に対応したそれぞれの電気信号を出力する４
端子を備えており、その４端子からの出力電流が発生さ
せることで、生データである光点位置をこの出力電流強
度の比例配分で演算することによって簡単に求めること
ができる。

【００１０】（各信号をｉ１　，ｉ２　，ｉ３　，ｉ４
　とすると、位置ｘ，ｙは 　　　　　　ｘ＝（ｉ１　＋ｉ２　）／（ｉ１　＋ｉ２
　＋ｉ３　＋ｉ４　）　　　　　　　　　　１　　　　
　　ｙ＝（ｉ１　＋ｉ３　）／（ｉ１　＋ｉ２　＋ｉ３
　＋ｉ４　）　　　　　　　　　　２で表すことができ
る。）また、光点の形状を正方形に限定してもかまわな
ければ、入手性のよい４分割素子を使用して、その各部
分の信号強度の比例配分からでも同じような位置信号を
検出することができる。この後段に電流電圧変換器およ
び電圧増幅回路２をおいて、信号を処理に適当なおおき
さまで増幅する。この増幅した信号をアナログデジタル
変換装置５を通じてデジタル化するのである。すなわち
、各４端子の出力を一つのアナログデジタル変換装置で
変換する場合には、あらかじめ各信号を市販されている
アナログトラック＆ホールド装置３で、光の投射される
タイミングに合わせて同時にホールドする。その後段で
選択スイッチ４によって各端子の出力を選択し、そのア
ナログ信号をアナログデジタル変換装置５でデジタル信
号に変換し、演算処理装置６におくる。また、精密に測
定するためには、光が投射されていないタイミングでも
う一度測定をおこない、先の信号から対応するものを各
々減算すると、回路で発生した誤差と、バックグランド
光の影響を取り除くことができる。

【００１１】 　　　　　　　　　　ｉｋ＝ｉｌｋ−ｉｄｋ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　３ｉｋ　：ｋ番目の端子のバックグランドを除
いた信号出力ｉｌｋ：ｋ番目の端子の光を入れたときの
信号ｉｄｋ：ｋ番目の端子のバックグランド信号こうし
て減算して得られたデータを１、２式に示された演算を
、演算処理装置６でおこなってやれば、生の分解能の高
い位置データを得ることができる。

【００１２】さて、この様に生のデータが得られたら、
このデータの補正をおこなう。光点検出素子（ＰＳＤ）
の補正をするためのデータは図３に示す如く、幅ｄでＮ
×Ｎメッシュに対応するカラム点のデータとして補正メ
モリにあらかじめ入っている。これについては後で述べ
る。補正データはメモリ上に配列されていて、生データ
をこれと比較しながらどのカラムに入っているかを調べ
る。まずｘ方向について調べる。配列上Ｘ０ｍからＸ１
ｍとｘ軸に沿って、ｙ軸についてセンサーの中央の位置
でデータを比較し、まずｘについて、仮のカラム番号を
決める。ｍはセンサーの中央線とする。これで定まった
ｘ方向にｊ番目であることを代入して、ｙｊ０からｙｊ
１と順番にｙ方向を走査しカラムを決める。さらに、も
う一度ｘ方向についてｙの値を代入しておこない。ｘの
正解値を探る。こうした走査をｘｙについて収束するま
でおこなう。これでカラムが決まる。カラムが決まった
ら、カラムの中で位置を比例等の方法で決める。演算装
置が十分に高速であれば、配列をスプライン関数で補完
して、これから、絶対位置を求めれば最善である。演算
速度に限界があり、簡単な演算が求められている場合に
は、次のような演算法が考えられる。図４で示すように
光点位置がｉ、ｊ番目の配列で求められたとき、これは
ｐｉｊ，ｐｉ＋１ｊ，ｐｉｊ＋１，ｐｉ＋１ｊ＋１のポ
イントで囲まれたカラムの中に存在することになる。光
点をｐとして、次のように比例の値を出す。これらの要
素の座標をｘｙで表して、　　　　　　　　　　ｓ１　
＝（ｘ−ｘｉｊ）／（ｘｉ＋１ｊ−ｘｉｊ）　　　　　
　　　　　　　　　４　　　　　　　　　　ｓ２　＝（
ｘ−ｘｉｊ＋１）／（ｘｉ＋１ｊ＋１−ｘｉｊ＋１）　
　　　　　　　５　　　　　　　　　　ｔ１　＝（ｙ−
ｙｉｊ）／（ｙｉｊ＋１−ｙｉｊ）　　　　　　　　　
　　　　　６　　　　　　　　　　ｔ２　＝（ｙ−ｙｉ
＋１ｊ）／（ｙｉ＋１ｊ＋１−ｙｉ＋１ｊ）　　　　　
　　　７以上で示したような比例の値をとる。これから
さらに比例配分をとって 　　　　　　　　　　ｓ＝ｔ１　ｓ２　＋（１−ｔ１　
）ｓ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　８
　　　　　　　　　　ｔ＝ｓｔ２　＋（１−ｓ）ｔ１　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　９
をえる。

【００１３】こうすれば、２次の微小数に近いところま
で誤差を減らした、ｓ，ｔが得られる。カラムの大きさ
をｄとすると、絶対位置Ｘ，Ｙは次の式でもとめられる
。 　　　　　　　　　　Ｘ＝（ｉ＋ｓ）ｄ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
１０　　　　　　　　　　Ｙ＝（ｊ＋ｔ）ｄ　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　１１さて，ここで述べておかねばならないのは補正
データである。図５に示す如く、このデータは信号入出
力装置８もしくは信号処理装置９を加えた装置全体１３
をＸＹステージ１４に載置し、前記装置１３のＰＳＤ１
２に光源を含む光学系１１によって光点の照射がなされ
る。この状態でＸＹステージ１４をＸＹ方向に送りなが
ら、このデータをとってゆく。これを指定された配列に
並べ、メモリに格納する。格納するメモリとしては、Ｒ
ＯＭを考えるのもよい。これに書き込んだ上で、演算処
理装置９に載せ替えれば、測定の系を補正データ入力系
とわけて独立の装置とすることができる。

【００１４】次に上述の如く、構成された装置の動作に
ついて、まとめの説明をする。光がＰＳＤ１に投射され
ると、この素子は、その各端子から、投射された位置に
対応する信号を出力する。この信号は、電流電圧変換器
、電圧増幅回路を通して、処理可能な強さのアナログ電
圧信号となる。このアナログ電圧信号は、アナログトラ
ック＆ホールド装置３、各端子の選択スイッチ４を介し
てアナログデジタル変換装置によって演算処理装置６で
処理可能なようにデジタル信号とされる。この信号は信
号処理装置９に送られる。

【００１５】さて、この信号を絶対位置データに変換す
る過程を述べる前に、前段階処理として、補正用データ
を得ておくことを述べる必要がある。図５に示す如く、
信号入出力装置８もしくは信号処理装置９を加えた装置
全体１３をＸＹステージ１４等の位置を正確に規定でき
る装置の上に載置して、ＰＳＤ１２上の所望の位置に光
点が投射されるように光源を含む光学系１を配置する。 この移動装置を動かし、ある参照点に光を持ってくる。 ここで信号入出力装置８からの信号を得て、メモリへ格
納する。この操作を光センサー上に想定したＮ×Ｎない
しはＮ×Ｍの矩形のメッシュで規定された各点（メッシ
ュの交点）についておこなう。この各点に対応するＮ２
　または、ＮＭ個の、ＸＹ方向のデータを、信号入出力
装置８から出力させ、信号処理装置９の補正データ用メ
モリ７内へ補正データとして格納する。この操作は本発
明の装置を組立てる前におこなっておく。ここで、ふた
たび光点出力の作用を述べる。信号入出力装置８から信
号を得た信号処理装置９は、補正データ用メモリ７から
入力された信号と近傍する前記デジタル信号の参照ポイ
ントを探しだし、これを演算することによって光点の絶
対位置を検出する。

【００１６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光点位置
を、高精度にかつ正確に２次元で決めることができる。 光学式の測定器は、光の位置的な変化を見て計測する装
置がもっとも、一般的なものということができるから、
構造を単純化した計測装置を製作する事が容易となる利
点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明による装置の一実施例のブロック図
、

【図２】　　アナログ光点位置検出装置の特性の一例
を示す図、

【図３】　　ＰＳＤ上のメッシュを説明する図、

【図４
】　　比例計算のための光点が入っているカラムを説明
する図、

【図５】　　補正データ入力装置を説明する概略斜視図
である。

【主要部品の符号の説明】

１：ＰＳＤ ２：電流電圧変換器及び電圧増幅回路 ３：アナログトラック＆ホールド装置 ４：選択スイッチ ５：アナログデジタル変換装置 ６：演算処理装置 ７：補正データ用メモリ ８：信号入出力装置 ９：信号処理装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物からの測定光を受光面で受光する
   と共に、その受光点に対応するそれぞれの信号を出力す
   る複数の端子を備えた光位置検出センサーと、前記複数
   端子からのそれぞれの信号を処理してデジタル信号で出
   力する信号処理手段と、前記光位置検出センサーの特性
   を補正するためのデータを格納する補正データ用メモリ
   と、前記デジタル信号を入力すると共に前記補正するた
   めのデータを入力せしめ、前記受光面における前記受光
   点の絶対位置を演算する演算手段とを有することを特徴
   とする２次元光点位置検出装置。