JPH0440319A - 焦点合わせ機構を有する非接触光学式変位測定装置 - 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、ターゲットからの発光又は反射光を受光し、
これを電気信号に変換した後に、電気的に処理を行うこ
とによって、ターゲットの変位測定を行う非接触光学式
変位測定装置に関するものである。

本発明は、特に、ターゲットが遠く離れた位置に存在し
、微小変動した場合の焦点を自動的に合わすことができ
る非接触光学式変位測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図を参照しつつ従来例における非接触光学式変位測
定装置の原理について説明する。

第２図は、基本的非接触光学式変位測定装置の構成を示
すブロック図である。明暗比の大きい境界を有するター
ゲット１を、非接触光学式変位測定装置１０のレンズ１
１で捕捉し、イメージディセクタ管１２のフォトカソー
ド１３上に正確に結像させる。このターゲット像は、フ
ォトカソード１３において、明暗比に対応する光電子像
に光電変換され、その一部がアパーチャ１４を通過する
。

このアパーチャを通過した光電子は、イメージディセク
タ管１２内の光電子増倍部（フォトマルチプライヤ）に
おいて１０５〜１０７倍程度まで光電子増倍された後、
アノード１５に到達する。アノード１５から取り出され
る出力電流は、変位■に応じてアパーチャ１４を通過す
る電子像が変化することから生ずるターゲット１の明暗
比の変化に応じて変動する電流となる。この出力電流を
プリアンプ１６によって所定レベルに増幅した後、補償
電流として偏向増幅器１７を介して偏向コイル１８に印
加する。ここで、偏向コイル１８によって、ターゲット
像の矢印Ｖのような変動に応じた明暗境界の変動にもか
かわらずアノード１５に到達する光電子量が一定になる
ように、すなわち光学像の明暗比が不変となるように電
流を制御したとすると、偏向コイル１８を流れる上記電
流は、ターゲット１の変位量に比例する振幅となる筈で
ある。かかる制御は、ターゲット１の変位■を偏向電流
によって補償していることになる。そこで、偏向増幅器
１７の出力を変位測定用の増幅器及び出力回路１９及び
２０を介して端子２１から取り出すことによりターゲッ
ト１の変位を電流の振幅として測定することができる。

なお、本実施例は、−軸のみの測定回路を示しているが
、二軸又は三軸測定装置とすることも可能である。

また、上述と同様にイメージディセクタ管１２から得ら
れる明暗境界の変位に比例したパルス電流の位相を基準
電流と比較することによっても、ターゲット１の変位測
定を行うことができる。

第２図に示した非接触光学式変位測定装置において、レ
ンズ系１を介してのターゲット像は、フォトカソード１
３上に正確に結像しなければならない、さもなければ明
暗境界像が明瞭さを欠き、測定誤差が増大することにな
る。かかるターゲットの焦点合わせは、図示されていな
い装置カメラ部に配設されたビュワー又はファインダー
によって行われる。このような焦点合わせ操作（フォー
カシング）は、測定準備において極めて重要であること
は明らかであるが、通常の写真撮影用カメラ等に比して
高度の技術が要求される。特に、遠距離の変位を測定す
る場合には、その焦点合わせが困難である。

〔発明が解決しよう七する課題〕

第２図図示における従来の非接触光学式変位測定装置は
、被測定対象のターゲット面の像を、カメラ部で捉えて
充電変換部の上に結像させなければならない。このよう
に、ターゲットをカメラ部の光学系で正確に照準を合わ
せることにより、鮮明なターゲット像を形成する必要が
ある。所定位置にある物体の像を正しく結像させるため
には物体、レンズ及び結像面のいずれかを変位させるこ
とによりそれらの相対距離を変動させ、正確に結像させ
る必要がある。かかる焦点合わせは、従来、殆ど手動調
整によって行われていた。この場合、非接触光学式変位
測定装置のカメラ部は、通常の写真用カメラと異なり、
視野が狭くかつカメラ部重量も嵩むため焦点合わせには
困難が伴った。

特に、橋梁あるいは建築物等のうねりや捩しれ等の測定
は、離れた場所から測定しなくてはならない場合が多い
。また、このような被測定対象の設置位置は、自由に選
定出来ないことが多い。したがって測定準備としてのカ
メラ部設置個所の選択、手動設定に対する場所的制約も
多（操作者の視覚に頼る手動設定には限度があった。

さらに、非接触光学式変位測定装置のカメラにあっては
、ターゲットが１００ｍｍＸ１００ｎ＋ｎ以下の場合を
対象とするものが多い。したがって、焦点が合わないと
、被測定対象を視野の中心で捉えることができないこと
になる。

非接触光学式変位測定装置においては、光電変換面に結
像させるとともに、正確な変位量の把握のために正確な
距離を知る必要がある。

しかし、非接触光学式変位測定装置では、ターゲットが
小さいので、実際に被測定対象を捉えて測距することが
困難なことも多い。

かかる理由から、非接触光学式変位測定装置の自動焦点
合わせ機構には、通常の写真撮影用カメラとは異なる構
成が必要となる。

本発明は、以上のような問題を解決するためのもので、
カメラ部の焦点合わせが容易に実施し得る焦点合わせ機
構を有する非接触光学式変位測定装置を提供することを
目的とする。

また、本発明は、光電変換面において正確に焦点が合っ
ているか否か、すなわち合焦しているか否かによってコ
ントラストが変化することを利用する。このコントラス
トの変化データを、光学系又は光電変換面のいずれかを
変位させながら複数点にわたって採取し、これらデータ
を比較することによって合焦の如何を判断し、焦点合わ
せすなわちフォーカシングを行うものである。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明の非接触光学式変位
測定装置は、ターゲット像を光電変換した電気信号を処
理することによりターゲット像の変位測定を行う非接触
光学式変位測定装置において、イメージディセクタ管上
に投影されたターゲット像を一方にピントをずらした状
態から他方にピントをずらす方向に光学系と光電変換面
との相対位置を変位させるサーボ機構と、イメージディ
セクタに投影されたターゲット像をスキャニングして電
気信号に変換する機構と、上記スキャニングされた電気
信号のそれぞれを記憶するメモリと、当該メモリに記憶
された電気信号の電圧値を各スキャニング毎に微分して
比較する電圧変化検出回路と、当該電圧変化検出回路に
よって得られた微分結果を比較する差動回路と、当該差
動回路によって得られた差信号の絶対値が最大となる位
置を合焦点と判定する判定回路と、当該判定回路の結果
により得られた合焦点位置に前記サーボ機構を停止する
制御回路とから構成される。

〔作　用〕

本発明にかかる焦点合わせ機構を有する非接触光学式変
位測定装置によれば、イメージディセクタ管上に投影さ
れたターゲット像をスキャニングして電気信号に変換し
、この電気信号をメモリに格納する。イメージディセク
タ管上に投影されたターゲット像を一方にピントをずら
した状態から他方にピントをずらした状態になるように
、光学系と光電変換面との相対位置がサーボ機構により
駆動される。そして、光学系と光電変換面との相対位置
が異なる毎にスキャニングを行い、その電気信号は、そ
の都度メモリに格納される。その後、電気信号は、スキ
ャニング毎にその電圧値を微分して電圧変化として検出
する。当該微分された電圧値は、電圧検出値毎に比較さ
れ、その差電圧の絶対値の最大を検出する。この最大電
圧を検出したサーボ機構の位置が非接触光学式変位測定
装置の合焦点位置となる。

したがって、従来装置における測定準備において極めて
高度の技術を必要とした焦点合わせか、極めて容易かつ
正確に、しかも自動的に実施される。

〔実　施例〕

第１図は、本発明にかかる非接触光学式変位測定装置の
一実施例を示すもので、第２図図示従来例と同し部材に
は同一参照符号を付して表示されている。ターゲット１
から反射された光は、レンズ系１１を経てイメージディ
セクタ管１２に至り、フォトカソード１３上にターゲッ
ト像として形成される。本発明の非接触光学式変位測定
装置を設置する場合には、最初、手動でターゲットの焦
点を合わせる。この場合には、光路におかれた図示され
ていないビエワーを使用して操作者の視覚により実施さ
れる。この場合に幾多の困難が伴うことは前述の通りで
ある。そこで、本発明においては、イメージディセクタ
管１２を矢印Ｗとして図示されているように前後動させ
るサーボモータ２３を設け、後述する検出信号に応じて
焦点合わせを実施するものである。さらに本発明は、イ
メージディセクタ管１２の位置を検出する位置センサ２
４を有し、このセンサ出力をＡ／Ｄ変換器２５でディジ
タル変換した後、中央処理装置（ＣＰＵ）２６に加えら
れる。この中央処理装置２６の入力には、Ａ／Ｄ変換器
２７を介してプリアンプ１６の出力も印加される。中央
処理装置２６の出力は、Ｄ／Ａ変換器及び制御回路２８
を介してサーボモータ２３を駆動せしめる。また、中央
処理装置２６にはメモリ２９が設けられており、サーボ
モータ２３を移動してスキャニングする毎に得られるタ
ーゲット像に基づく電気信号を格納する。さらに、メモ
リ２９に格納された各スキャニング毎の電気信号は、電
圧変化検出回路３０において、微分される。すなわち、
ターゲット像から得られた電気信号の微分値はターゲッ
ト像の明暗に基づく電圧値として検出される。したがっ
て、このスキャニング毎の電圧値は、差動回路３工によ
り比較される。そして、判定回路３２において、次々と
比較される２つの電圧値の内、絶対値の最大となる時の
サーボモータの位置が非接触光学式変位測定装置の合焦
点位置となる。

さらに、合焦点について詳述する。

第３図は、本発明にかかる非接触光学式変位測定装置に
使用されるターゲットの例である。このようなターゲッ
トの縦軸方向を０．０．１　Ｘ、　０．２ｘ１　・・・
、Ｘ、　　・・−１，９Ｘ、２Ｘに目盛り、明暗境界を
Ｘとする。このターゲットを非接触光学式変位測定装置
のカメラ部で捕捉する場合、合焦の状態にあるか否かを
確認する原理は以下の通りである。

第４図（ａ）ないしくＣ）は、ターゲットの明暗境界χ
と垂直方向の照度Ｉの変化を示すグラフである。第４図
（ａ）は、完全な合焦の状態を示すもので、明暗境界Ｘ
の位置において、暗レベル０から明レベル１０まで明瞭
に、理想的には垂直に、立ち上がっている。それに対し
て第４図（ロ）は、ピントが前又は後に大きくずれてい
るため、明暗境界Ｘのコントラストがなだらかな傾斜を
示している。第４図（Ｃ）は、第４図（ｂ）よりも小さ
いピントずれである場合を示すもので、中間的な傾斜を
示している。このようなＸ又はその前後Ｏ１Ｏ，ｌＸ。

０．２χ、・・・、Ｘ、　　１．１Ｘ、１．２Ｘ・・・
２Ｘにおけるコントラスト変化を取り出して比較するこ
とにより、合焦の如何を判断することができる。

実際の焦点合わせ（フォーカシング）にあたっては、当
初光学系及びイメージディセクタ管１２の光電変換面の
相対的位置関係を合焦状態よりも前または後に大きく変
位させておく。第２図の光軸方向をＺ軸とし、−Ｚを前
ピン、＋Ｚを後ピンとすると、いずれかの方向から調整
を開始する。

次いで光学系及びイメージディセクタ管１２の光電変換
面の相対的位置関係を変えながら、その都度、ターゲッ
ト像上のコントラストを測定する。

このコントラスト測定は、例えば第５図（ａ）のように
Ｉ、■、■のような適当な点の光量を測定することによ
り実施することができる。なお、このコントラスト測定
は、光学系及びイメージディセクタ管１２光電変換面の
相対的位置関係を変え、その位置毎に実施すれば確実で
あるが、例えば、焦点を変化させるための相対位置関係
の変更速度に比して測定点Ｉ、■、■等の選定が極めて
迅速に実施される場合には、連続的に相対位置の変位を
行いながら実施することができる。この場合、光学系と
光電変換面との相対位置関係に対応させてそれぞれのコ
ントラストを求めで記憶しておくことにより、コントラ
スト最大点から合焦点を決定することができる。この状
態は、例えば第４図（ｂ）から図（Ｃ）を経て図（ａ）
に至り、さらに反対に変化してゆき、その連続状態は第
５図Φ）のようなグラフとなる。したがって、コントラ
スト最大点すなわち合焦点が決定される。この出力に応
じて直接または間接に光学系又はイメージディセクタ管
のいずれかを変位させることによりオートフォーカス動
作を行うことができる。また、コントラスト最大点に対
応する位置関係を表示して、手動またはセミオートで合
焦動作を行うことも可能である。

さらに、第１図の中央処理装置２６における比較機能を
十分に利用し、焦点外れの状態から出発し、順次前回の
コントラストと比較してゆき、上昇から降下に転した点
で前回の測定位置を合焦点と判断し、直ちにオートフォ
ーカシングを行うこともできる。

以上、本発明の実施例として比較的遠い距離に存在する
ターゲット、たとえば、橋のうねり、建物の捩じれ等を
考慮し説明したが、これらの実施例に限定されるもので
はない。そして、特許請求の範囲に記載された本発明を
逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが
可能である。

たとえば、プリンタヘッド、超音波振動子、リレー等の
動きを非接触的に測定する場合にも好都合であることは
いうまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光学系を調節し又はイメージディセク
タ管を前後動じながらターゲット像上に形成された明暗
像を測定することによって、容易でしかも正確に、かつ
自動的に合焦点を得ることができる。

本発明によれば、各位置でのコントラスト測定は、電気
的に行われるため、ターゲットとなる対象物の遠近ある
いは大小に係わらず、極めて迅速な処理が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる非接触光学式変位測定装置の
構成を示すブロック図である。 第２図は、非接触光学式変位測定装置の基本構成例を示
すブロック図である。 第３図は、ターゲットの例である。 第４図（ａ）ないしくＣ）は、コントラスト変化を示す
グラフである。 第５図（ａ）は、ターゲットのコントラスト測定位置の
例である。 第５図（ハ）は、コントラストの連続変化を示すグラフ
である。 図中、主な参照符号の対応は以下の通りである。 １：ターゲット １０：非接触光学式変位測定装置 １１：レンズ（光学）系 １２ニイメージデイセクタ管 １３：フォトカソード １４ニアパーチヤ　　１５ニアノード ２３：サーボモータ　２４：検出器 ２５：Ａ／Ｄ変換器　２６：中央処理装置２７：Ａ／Ｄ
変換器 ２８：Ｄ／Ａ変換器及び制御器 閉 回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ターゲット像１を光電変換した電気信号を処理すること
   によりターゲット像１の変位測定を行う非接触光学式変
   位測定装置において、 イメージディセクタ管１２上に投影されたターゲット像
   １を一方にピントをずらした状態から他方にピントをず
   らす方向に光学系と光電変換面との相対位置を変位させ
   るサーボ機構と、 イメージディセクタ管１２に投影されたターゲット像１
   をスキャニングして電気信号に変換する機構と、 上記スキャニングされた電気信号のそれぞれを記憶する
   メモリ２９と、 当該メモリ２９に記憶された電気信号の電圧値を各スキ
   ャニング毎に微分して比較する電圧変化検出回路３０と
   、 当該電圧変化検出回路３０によって得られた微分結果を
   比較する差動回路３１と、 当該差動回路３１によって得られた差信号の絶対値が最
   大となる位置を合焦点と判定する判定回路３２と、 当該判定回路３２の結果により得られた合焦点位置に前
   記サーボ機構を停止させる制御回路２６と、を備えたこ
   とを特徴とする非接触光学式変位測定装置。