JPH04364414A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物までの距離，
あるいは被測定物の変位を非接触式に測定する光電式の
測距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭記の測距装置として、半導体レーザな
どの光源から出射した光ビームを被測定物の表面に照射
して光スポット（輝点）を形成させるとともに、その反
射光を受光素子である半導体位置検出素子（ＰＳＤ：Ｐ
ｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ
）に結像させ、さらに位置検出素子の検出信号を演算処
理して被測定物の位置，変位を測定するようにしたもの
が、レーザ変位計などとして公知であり、その測定原理
は例えば特開昭５５−１１９００６号公報などに開示さ
れている。

【０００３】図２は従来における前記測距装置の構成図
であり、図において、１は半導体レーザなどを用いた光
源、２は投光レンズ、３は集光レンズ、４は受光素子（
位置検出素子：ＰＳＤ）、５は演算処理部、６は被測定
物である。ここで、光源１から出射した光ビーム７を投
光レンズ２を通してその光路上に置かれた被測定物６に
照射すると、被測定物６の表面に形成された光スポット
８の反射光９が集光レンズ３を通して受光素子４の受光
面上に結像（光点像を符号１０で表す）する。また、こ
の場合に光学系を構成する各部品は、いわゆるシャイン
プルーグ条件を満足するように配置されている。

【０００４】ここで、シャインプルーグ条件とは、図２
において集光レンズ３を含む面（破線Ａで表す）と受光
素子４を含む面（破線Ｂで表す）とが光ビーム７の光軸
軸上の一点Ｃで交わるように配置されていることであり
、このような光学系配置にすることより、光ビーム７の
光路に沿って任意の点に形成された光スポット８は、集
光レンズ３を通して光スポット８の実像が焦点ぼけなし
にピントが合った状態で受光素子４の受光面上に結像さ
れる。

【０００５】また、この測定状態で被測定物６が投光ビ
ーム７の光路に沿って前後方向（矢印Ｘ）に変位すると
、これに対応して受光素子４で受光した光点像１０が受
光面上で矢印Ｙ方向に移動するとともに、受光素子４の
両端電極からは光点像９の結像位置に対応した電流Ｉ１
　，Ｉ２　が出力する。一方、受光素子４に接続された
演算処理部５は、図３で示すように、一対の電流／電圧
変換器５ａ，５ｂ，加算器５ｃ，減算器５ｄ，除算器５
ｅ，係数器５ｆの組合わせからなる。ここで、受光素子
４の受光面中心Ｏと反射光９の光点像１０の結像位置と
の間の距離をｙとすると、受光素子４の両端電極から出
力する電流Ｉ１　，Ｉ２　は距離ｙに対応した値となる
。そして、各電流Ｉ１　，Ｉ２　はそれぞれ電流／電圧
変換器５ａ，５ｂで電圧Ｖ１　，　Ｖ２　に変換された
後、加算器５ｃで　（Ｖ１　＋Ｖ２　）が、減算器５ｄ
で（Ｖ１−Ｖ２　）が、除算器５ｅでは　（Ｖ１　＋Ｖ
２　）／　（Ｖ１　−Ｖ２　）　が演算され、さらに係
数器５ｅで演算値に定数を乗算して測定出力Ｐを出力す
る。ここで、この測定出力Ｐは受光素子４における受光
面の中心Ｏと光点像１０との間の距離ｙに対応する。し
かも、図２における被測定物６のＸ方向の変位ｘと、受
光素子４の受光面上における光点像１０のＹ方向の変位
ｙとの間には一定の関係：ｙ＝ｆ（ｘ）があるので、測
定出力Ｐから被測定物６までの距離を求めることができ
る。また、Ｘ方向の測定中心位置に置いた被測定物の反
射光が受光素子４の中心Ｏに結像するように測距装置を
セットすれば、前記測定出力Ｐから被測定物６の測定中
心位置に対するＸ方向の相対的な変位量を測定すること
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来の測距装置では、以下述べるような問題点がある。す
なわち、測距装置と被測定物との間の距離が長く離れて
いる場合には、長距離の間で光ビームを照射し、その反
射光を全て受光素子で受光させるために、従来構成のま
までは集光レンズとして特に高価な低収差のレンズが必
要とななる。また、測距状態では測距装置と被測定物と
の間の距離が長くなるほど図２における投光ビーム７と
反射光８との間の角度変化が小さくなるため、被測定物
６のＸ方向での変位量に対して光点像１０が受光素子４
の受光面上でＹ方向に移動する変位量の割合が小さくな
る。このために、特に長距離の測距では測距装置の測定
分解能，精度が低下する。なお、これを測距装置内で補
正するには信号処理部に複雑な補正回路が必要となり、
測距装置の製作費がコスト高になる。

【０００７】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は、前記した従来装置の問題点を解消
し、特に長距離での測距に対して高価な低収差レンズを
用いたり、複雑な補正用の信号処理回路を用いることな
く、安価な構成で高い分解能，測定精度が得られるよう
にした測距装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の測距装置では、受光部が第１の集光レンズ
と、第１の集光レンズで集光した光スポット像の変位量
を拡大して受光素子の受光面に結像させる第２の集光レ
ンズを備えて構成するものとする。

【０００９】ここで、前記構成における第２の集光レン
ズおよび受光素子は、投光部から出射する光ビームの光
路対して第１の集光レンズとともに光学系のシャインプ
ルーグ条件を満たす仮想像面と平行に配置される。また
、受光素子は、所定の測定範囲に対して第２の集光レン
ズにより拡大変位する光点像が受光可能な受光面積を備
えた大形の位置検出素子を用いるものとする。

【００１０】

【作用】上記の構成によれば、光ビームの照射により被
測定物の表面に形成された光スポットは第１の集光レン
ズを通してその仮想像面（従来の測距装置において受光
素子が置かれた位置に相応し、光学系のシャインプルー
グ条件を満たしている）に像を作る。また、この仮想像
面上に結んだ像は第２の集光レンズを通して受光素子の
受光面上に拡大して結像する。ここで、被測定物が投光
路に沿って前後に変位すれば、その変位量に対応して第
１集光レンズの仮想像面上を移動する像の変位が第２集
光レンズにより拡大されて受光素子に結像するようにな
る。したがって、測距装置と被測定物との間の距離が長
い長距離の測距においても、被測定物の変位に対応して
受光素子に結像する光点像（被測定物の表面に形成され
た光スポットの反射光のた実像）の変位量は集光レンズ
が１枚である場合に比べて拡大されるので、その分だけ
分解能が高まって測定精度も向上する。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の実施例を示すものであり、図
２に対応する同一部品には同じ符号が付してある。すな
わち、図１においては、受光部の集光レンズとして、反
射光９の光路上に第１の集光レンズ（平凸レンズ）１１
と、該レンズ１１と受光素子４との間に新た追加装備し
た第２の集光レンズ（平凸レンズ）１２を備えている。 なお、図中でＸ０　，　Ｘ１　，　Ｘ２　はそれぞれ被
測定物６のＸ方向の変位位置（測定範囲）を示し、特に
Ｘ０は測定範囲の中心位置を表している。また、受光素
子４の受光面上に表したＹ０　，　Ｙ１　，　Ｙ２　は
それぞれ前記の位置Ｘ０　，　Ｘ１　，　Ｘ２　で被測
定物６の表面に形成された光スポット８に対応する光点
像１０の結像位置を示しており、特にＹ０　は図３に表
した受光面上の中心位置Ｏと一致している。なお、演算
処理部５については、図３で述べたものと同一である。

【００１２】一方、前記した第２の集光レンズ１２は次
記のような条件で配置されている。すなわち、第２の集
光レンズ１２は、そのレンズを含む面（破線Ｄで表す）
が投光ビーム７の光路に対して第１の集光レンズ１１と
ともにシャインプルーグ条件を満たす仮想像面１３（仮
想像面は光路上に仮想した結像面であって図２における
受光素子４の受光面に対応する）と平行に並べて配置し
てある。また、受光素子４はその受光面が第２の集光レ
ンズ１２の面と平行に配備されている。

【００１３】かかる構成で、光源１から出射した光ビー
ム７を測定範囲の中心位置Ｘ０　に置かれた被測定物６
に照射すると、光スポット８の反射光が第１の集光レン
ズ１１を通して仮想像面１３上の位置Ｚ０　に像を結び
、この像は第２の集光レンズ１２を通して受光素子４の
Ｙ０　の位置に結像する。また、被測定物６が測定範囲
の中心位置Ｘ０　からＸ１　，　Ｘ２　の位置に変位す
れば、これに対応して受光部に入射する反射光９の向き
が図示のように変化し、第１の集光レンズ１１にて集光
された像が仮想像面１３上でＺ１　，　Ｚ２　の位置に
変位するとともに、その変位量は第２の集光レンズ１２
により拡大されて光点像１０が受光素子４上のＹ１　，
　Ｙ２　位置に結像する。しかも、第２の集光レンズ１
２，受光素子４は光学系のシャインプルーグ条件を満足
する仮想像面１３と平行に配備されているので、被測定
物６のＸ方向での全ての変位に対して光点像１０はピン
ぼけ無しに受光素子４の受光面上に結像する。これによ
り、測距装置と被測定物６との間の間隔距離が長い長距
離測定においても、被測定物６の位置，変位を高い分解
能で精度よく測定することができる。

【００１４】なお、受光素子４は、第２の集光レンズ１
２のレンズ倍率に対応して前記Ｙ０，Ｙ１　，　Ｙ２　
の位置に拡大して結像する各光点像１０を十分に受光で
きるだけの受光面積を持った大形受光素子を使用するも
のとする。

【００１５】

【発明の効果】本発明の測距装置は、以上説明したよう
に構成されているので、次記の効果を奏する。すなわち
、受光部に第１の集光レンズと第２の集光レンズを備え
、かつ第２の集光レンズおよび受光素子を実質的に光学
系のシャインプルーグ条件を満足するように配備し、こ
こで第１の集光レンズで集光した被測定物の反射像変位
を拡大して位置検出素子の受光面に結像させようにした
ので、長距離での測距においても、被測定物の位置，変
位を高い分解能で精度よく測定することができる。しか
も、従来装置と比べて通常の集光レンズを１枚追加装備
するだけであり、高価な低収差の集光レンズを採用した
り、あるいは信号処理部に複雑な補正回路を備えたもの
と比べて製作コストが安価である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の構成図

【図２】従来の測距装置の構成図

【図３】図２における演算処理部の回路構成図

【符号の説明】

１　　　　光源 ２　　　　投光レンズ ４　　　　受光素子 ５　　　　演算処理部 ６　　　　被測定物 ７　　　　投光光ビーム ８　　　　光スポット １０　　　　光点像 １１　　　　第１の集光レンズ １２　　　　第２の集光レンズ １３　　　　仮想像面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源，　投光レンズからなる投光部と、集
   光レンズ，　受光素子とからなる受光部と、演算処理部
   を備え、光源からの出射光ビームをその光路上に置かれ
   た被測定物に照射してその表面に形成した光スポットの
   反射光を受光素子に結像させ、受光素子の出力信号を演
   算処理して被測定物の位置，　変位を測定する測距装置
   において、受光部が第１の集光レンズと、第１の集光レ
   ンズで集光した前記光スポットの像の変位量を拡大して
   受光素子の受光面に結像させる第２の集光レンズを備え
   たことを特徴とする測距装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の測距装置において、第２の
   集光レンズおよび受光素子が、投光部から出射する光ビ
   ームの光路に対して第１の集光レンズとともに光学系の
   シャインプルーグ条件を満たす仮想像面と平行に配置さ
   れていることを特徴とする測距装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の測距装置において、受光素
   子が、第２の集光レンズを通して拡大変位する結像が受
   光可能な受光面積を持つ位置検出素子であることを特徴
   とする測距装置。