JPH0468563B2 - - Google Patents
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- JPH0468563B2 JPH0468563B2 JP58037820A JP3782083A JPH0468563B2 JP H0468563 B2 JPH0468563 B2 JP H0468563B2 JP 58037820 A JP58037820 A JP 58037820A JP 3782083 A JP3782083 A JP 3782083A JP H0468563 B2 JPH0468563 B2 JP H0468563B2
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- Japan
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- light
- receiving
- image sensor
- measured
- laser beam
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- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 9
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
- G01C3/10—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders using a parallactic triangle with variable angles and a base of fixed length in the observation station, e.g. in the instrument
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は被測定物にレーザビームを照射し、
被測定物上に光スポツトを形成させ、この光スポ
ツトからの反射光を斜め方向から受光し、その受
光レンズによる光スポツトの実像ピンボケの生じ
ていない実像の軌跡と略平行に受光素子を置き、
受光素子上の光スポツト像の位置データから被測
定物までの距離または被測定物の移動の状態を測
定する変位測定装置に関し、特に照射光としてレ
ーザビームを使用し、受光素子としてイメージセ
ンサを使用した変位測定装置に関する。
被測定物上に光スポツトを形成させ、この光スポ
ツトからの反射光を斜め方向から受光し、その受
光レンズによる光スポツトの実像ピンボケの生じ
ていない実像の軌跡と略平行に受光素子を置き、
受光素子上の光スポツト像の位置データから被測
定物までの距離または被測定物の移動の状態を測
定する変位測定装置に関し、特に照射光としてレ
ーザビームを使用し、受光素子としてイメージセ
ンサを使用した変位測定装置に関する。
照射光にレーザビームを利用することは光ビー
ムの径が小さくなり、かつ距離による光ビームの
拡散が少ないといつた長所があり、また受光素子
にイメージセンサを使用することは、受光素子１
個の大きさが（15μm）2とか（25μm）2とかで非常
に小さいので測定の分解能を上げるのに有利で、
かつデジタル測定であるので精度が高いといつた
長所があり、信頼性の高い測定には非常に有利で
ある。
ムの径が小さくなり、かつ距離による光ビームの
拡散が少ないといつた長所があり、また受光素子
にイメージセンサを使用することは、受光素子１
個の大きさが（15μm）2とか（25μm）2とかで非常
に小さいので測定の分解能を上げるのに有利で、
かつデジタル測定であるので精度が高いといつた
長所があり、信頼性の高い測定には非常に有利で
ある。
ところが、実際上の問題としてとらえた場合、
レーザビームとして使用されるHe−Neガスレー
ザの光スポツトは約１mmφであり、例えば2m先
の光スポツトを焦点距離(f)＝50mmのレンズで受け
取ると、その実像の大きさは略25μmφになる。
レーザビームとして使用されるHe−Neガスレー
ザの光スポツトは約１mmφであり、例えば2m先
の光スポツトを焦点距離(f)＝50mmのレンズで受け
取ると、その実像の大きさは略25μmφになる。
一方、イメージセンサの受光素子の大きさは略
（15μm）2〜（25μm）2であるため、常に受光素子
上に実像を結ぶようにすることが非常に困難であ
る。また、たとえそれが出来たとしても測定中に
おける振動，衝撃，温度変化などに影響されず、
かつ経年変化にも耐えて常に受光素子上に実像が
結ぶようにするには多くの問題がある。
（15μm）2〜（25μm）2であるため、常に受光素子
上に実像を結ぶようにすることが非常に困難であ
る。また、たとえそれが出来たとしても測定中に
おける振動，衝撃，温度変化などに影響されず、
かつ経年変化にも耐えて常に受光素子上に実像が
結ぶようにするには多くの問題がある。
この発明は上記問題点を解消するとともに、測
定誤差を最小限におさえ、かつ測定精度の高い変
位測定装置を提供するものである。
定誤差を最小限におさえ、かつ測定精度の高い変
位測定装置を提供するものである。
以下、図面を参照してこの発明の詳細を説明す
る。第１図はこの発明の全体の動作を説明するた
めの構成略図である。図において、１は光源で、
レーザ照射光２を発生する。この照射光２とし
て、例えばHe−Neガスレーザのようなレーザが
用いられる。３は被測定物で矢印Ａ，Ｂ方向に変
位する。４はイメージセンサカメラで、被測定物
３からのレーザビーム反射光２′を収束させる受
光レンズ５と受光素子であるイメージセンサ６と
を具備している。７はイメージセンサ６からのビ
デオ出力Ｐ０を増幅するビデオ信号増幅器、８は
イメージセンサ６の受光領域の両端およびその前
後少なくとも受光素子１ビツトの受光の有無を検
出する受光領域検出装置、９は受光領域検出装置
８の検出結果に基づいて平均化された受光領域を
演算させる演算回路、１０は補正回路である。
る。第１図はこの発明の全体の動作を説明するた
めの構成略図である。図において、１は光源で、
レーザ照射光２を発生する。この照射光２とし
て、例えばHe−Neガスレーザのようなレーザが
用いられる。３は被測定物で矢印Ａ，Ｂ方向に変
位する。４はイメージセンサカメラで、被測定物
３からのレーザビーム反射光２′を収束させる受
光レンズ５と受光素子であるイメージセンサ６と
を具備している。７はイメージセンサ６からのビ
デオ出力Ｐ０を増幅するビデオ信号増幅器、８は
イメージセンサ６の受光領域の両端およびその前
後少なくとも受光素子１ビツトの受光の有無を検
出する受光領域検出装置、９は受光領域検出装置
８の検出結果に基づいて平均化された受光領域を
演算させる演算回路、１０は補正回路である。
第２図はこの発明に用いるイメージセンサの基
本構成図である。この図でＤ１〜Dnはホトダイ
オードで各々MOSFETからなるアドレススイツ
チＳ１〜Snを通してビデオ出力線Ｐに接続され
ている。アドレススイツチＳ１〜Snのゲートは
シフトレジスタＦの各段の出力FG１〜FGnに接
続されている。このようにホトダイオード１個に
スイツチ１個とシフトレジスタ１段が対応してイ
メージセンサの１ビツトを構成している。今、シ
フトレジスタＦにクロツクパルスｎ１を与えて置
き、スタートパルスｎ２を入力し、アドレススイ
ツチＳ１〜Snをオンにすると、ホトダイオード
Ｄ１〜Dnは、外部電源Ｅおよび負荷抵抗Ｒを通
して逆バイアスされ、Ｐ−Ｎ接合のキヤパシタは
飽和するまで充電される。次にスイツチがオフ状
態になり、再びオンになるまでの一走査期間にわ
たつてホトダイオードを逆バイアスのまま放置さ
れると、この間に光が入射し、電子とホールが励
起され放電電流が流れる。すなわち、ホトダイオ
ードに蓄えられた電荷は入射光量に比例して減る
ことになり、失われた電荷量は再びスイツチがオ
ン状態になつたときに補われる。この充電電流が
ビデオ信号Ｐ０となる。またホトダイオードは一
走査期間にわたり入射光を積分しているので、ス
タートパルスの間隔が長くなればなるほど同一の
入射光強度に対するホトダイオードの積分量は多
くなり、見かけ上の感度を上げることが出来る。
本構成図である。この図でＤ１〜Dnはホトダイ
オードで各々MOSFETからなるアドレススイツ
チＳ１〜Snを通してビデオ出力線Ｐに接続され
ている。アドレススイツチＳ１〜Snのゲートは
シフトレジスタＦの各段の出力FG１〜FGnに接
続されている。このようにホトダイオード１個に
スイツチ１個とシフトレジスタ１段が対応してイ
メージセンサの１ビツトを構成している。今、シ
フトレジスタＦにクロツクパルスｎ１を与えて置
き、スタートパルスｎ２を入力し、アドレススイ
ツチＳ１〜Snをオンにすると、ホトダイオード
Ｄ１〜Dnは、外部電源Ｅおよび負荷抵抗Ｒを通
して逆バイアスされ、Ｐ−Ｎ接合のキヤパシタは
飽和するまで充電される。次にスイツチがオフ状
態になり、再びオンになるまでの一走査期間にわ
たつてホトダイオードを逆バイアスのまま放置さ
れると、この間に光が入射し、電子とホールが励
起され放電電流が流れる。すなわち、ホトダイオ
ードに蓄えられた電荷は入射光量に比例して減る
ことになり、失われた電荷量は再びスイツチがオ
ン状態になつたときに補われる。この充電電流が
ビデオ信号Ｐ０となる。またホトダイオードは一
走査期間にわたり入射光を積分しているので、ス
タートパルスの間隔が長くなればなるほど同一の
入射光強度に対するホトダイオードの積分量は多
くなり、見かけ上の感度を上げることが出来る。
次に第１図の実施例の全体の動作について説明
する。
する。
第１図において、光源１から出たレーザビーム
照射光２は、被測定物３に対して測定しようとす
る変位方向（矢印Ａ，Ｂ）と同一方向から照射さ
れる。このようにして、被測定物３上に光スポツ
トを形成させた場合、物体表面では散乱を起こ
し、種々の角度から明るい光の点すなわち光スポ
ツトが観測出来る。レーザのような指向性のよい
光源を用いれば、径の小さい光ビームが得られる
ので被測定物３が矢印Ａ，Ｂの方向に変位しても
光スポツトの大きさは変化せず、測定範囲の中を
一様な精度で測定することが出来る。照射光２と
異なる方向に反射する反射光２′を受光レンズ５
で受け、イメージセンサカメラ４内に内蔵された
受光素子、すなわちイメージセンサ６の受光面と
略平行に光スポツト像の軌跡が来るようイメージ
センサ６を設置する。
照射光２は、被測定物３に対して測定しようとす
る変位方向（矢印Ａ，Ｂ）と同一方向から照射さ
れる。このようにして、被測定物３上に光スポツ
トを形成させた場合、物体表面では散乱を起こ
し、種々の角度から明るい光の点すなわち光スポ
ツトが観測出来る。レーザのような指向性のよい
光源を用いれば、径の小さい光ビームが得られる
ので被測定物３が矢印Ａ，Ｂの方向に変位しても
光スポツトの大きさは変化せず、測定範囲の中を
一様な精度で測定することが出来る。照射光２と
異なる方向に反射する反射光２′を受光レンズ５
で受け、イメージセンサカメラ４内に内蔵された
受光素子、すなわちイメージセンサ６の受光面と
略平行に光スポツト像の軌跡が来るようイメージ
センサ６を設置する。
すなわち、イメージセンサ６を光スポツト像の
軌跡上には置かずに像の軌跡に略平行に、かつ少
しレンズ５に近づく（遠のく）位置、すなわち、
光ビーム方向に対して少しずらした位置に置いた
場合、レンズの焦点距離ｆ，レンズ口径Ｒ，結像
点からａmmレンズに近づいた点における光スポツ
ト像の径ｒとすれば、 ｒ＝ａ・Ｒ／ｆとして表される。
軌跡上には置かずに像の軌跡に略平行に、かつ少
しレンズ５に近づく（遠のく）位置、すなわち、
光ビーム方向に対して少しずらした位置に置いた
場合、レンズの焦点距離ｆ，レンズ口径Ｒ，結像
点からａmmレンズに近づいた点における光スポツ
ト像の径ｒとすれば、 ｒ＝ａ・Ｒ／ｆとして表される。
今、ｆ＝50mm，Ｒ＝40mmφのレンズで受光した
場合、結像点からａmm近づいた点における光スポ
ツト像の大きさｒは、40×ａ／50mmである。した
がつて、光スポツト像を0.5mmφにしたい場合は、 ａ≒0.6mm 光スポツトを１mmφにしたい場合には、 ａ≒1.25mm に設定すればよい。光スポツト像が0.5mmφとか
１mmφの大きさであれば、イメージセンサ６の受
光素子が（15μm）2φとか（25μm）2φとかのように
小さくても、この受光素子が光スポツト像内にあ
れば受光に支障がないので、振動，衝撃，温度変
化および経年変化などにも十分に耐えられ、安定
した測定装置となり得る。
場合、結像点からａmm近づいた点における光スポ
ツト像の大きさｒは、40×ａ／50mmである。した
がつて、光スポツト像を0.5mmφにしたい場合は、 ａ≒0.6mm 光スポツトを１mmφにしたい場合には、 ａ≒1.25mm に設定すればよい。光スポツト像が0.5mmφとか
１mmφの大きさであれば、イメージセンサ６の受
光素子が（15μm）2φとか（25μm）2φとかのように
小さくても、この受光素子が光スポツト像内にあ
れば受光に支障がないので、振動，衝撃，温度変
化および経年変化などにも十分に耐えられ、安定
した測定装置となり得る。
ところで、上述のように光スポツト像の大きな
位置（焦点ボケの位置）にイメージセンサ６を置
くと、結果的に測定精度の低下を来すといつた問
題を新たに生じることになる。この発明は上述の
点により起因する測定精度の低下に対処するため
に、イイメージセンサ６からのビデオ信号Ｐ０を
ビデオ信号増幅器７を介して受光領域検出装置８
および演算回路９に入力して適正な信号として取
り出せるようにしている。例えば、光スポツト像
の大きさを0.5mmφにした場合、この中に25μmの
受光素子は500/25＝20、すなわち20個入り、20個
の素子が受光する。そこで、焦点の合つていると
ころでｎ番目の受光素子が受光しているものとす
ると、この焦点ボケの位置では大体（ｎ−10）番
目から（ｎ＋10）番目の素子まで略20個の素子が
受光する。つまり、前述した受光領域の両端とは
（ｎ−10）番目、（ｎ＋10）番目を指している。ま
た、焦点の合つているところで（ｎ＋１）番目の
素子が受光しているとすると、この焦点ボケの位
置では、（ｎ＋１−10）番目から（ｎ＋１＋10）
番目までの略20個の素子に受光する。そこで、
（ｎ−10）と（ｎ＋10）とを求め、算術平均をす
ると、 ｛（ｎ−10）＋（ｎ＋10）｝／２＝ｎ ……(1) また、（ｎ＋１−10）と（ｎ＋１＋10） とでは、 ｛（ｎ＋１−10）＋（ｎ＋１＋10）｝／２＝ｎ＋１
……(2) すなわち、上記(1)，(2)式からも説明出来るよう
に、焦点ボケの位置で計測しても、受光している
範囲（両端）を計つて算術平均することによつ
て、焦点の合つた位置で計つた場合と大差のない
計測が出来ることになる。但し、焦点ボケのとこ
ろを使用する場合においては、一連の受光領域
（上記（ｎ−10）〜（ｎ＋10））の両端、すなわち
（ｎ−10）と（ｎ＋10）およびその前後１ビツト
位が光の強度傾斜が緩やかになるため不安定にな
り、状況に応じて受光したり、受光しながつたり
することがある。この不安定さからくる測定誤差
を小さくするため２ビツト以上連続して受光した
ときをもつて受光領域の初まりとし、２ビツト以
上連続して受光が切れたときをもつて受光領域の
終りとさせるようにする。この発明では受光領域
検出装置８により、上記手法を実行させる。すな
わちイメージセンサ６の受光領域の両端およびそ
の前後すくなくとも受光素子１ビツトの受光有無
を検出し、該検出結果を平均して受光センタを演
算回路９により演算させるものである。なお、上
述の手法を用いた場合、２〜３ビツト受光センタ
のずれが生じることがあるが、補正回路１０によ
り他の補正要素とともに補正するようにしてい
る。
位置（焦点ボケの位置）にイメージセンサ６を置
くと、結果的に測定精度の低下を来すといつた問
題を新たに生じることになる。この発明は上述の
点により起因する測定精度の低下に対処するため
に、イイメージセンサ６からのビデオ信号Ｐ０を
ビデオ信号増幅器７を介して受光領域検出装置８
および演算回路９に入力して適正な信号として取
り出せるようにしている。例えば、光スポツト像
の大きさを0.5mmφにした場合、この中に25μmの
受光素子は500/25＝20、すなわち20個入り、20個
の素子が受光する。そこで、焦点の合つていると
ころでｎ番目の受光素子が受光しているものとす
ると、この焦点ボケの位置では大体（ｎ−10）番
目から（ｎ＋10）番目の素子まで略20個の素子が
受光する。つまり、前述した受光領域の両端とは
（ｎ−10）番目、（ｎ＋10）番目を指している。ま
た、焦点の合つているところで（ｎ＋１）番目の
素子が受光しているとすると、この焦点ボケの位
置では、（ｎ＋１−10）番目から（ｎ＋１＋10）
番目までの略20個の素子に受光する。そこで、
（ｎ−10）と（ｎ＋10）とを求め、算術平均をす
ると、 ｛（ｎ−10）＋（ｎ＋10）｝／２＝ｎ ……(1) また、（ｎ＋１−10）と（ｎ＋１＋10） とでは、 ｛（ｎ＋１−10）＋（ｎ＋１＋10）｝／２＝ｎ＋１
……(2) すなわち、上記(1)，(2)式からも説明出来るよう
に、焦点ボケの位置で計測しても、受光している
範囲（両端）を計つて算術平均することによつ
て、焦点の合つた位置で計つた場合と大差のない
計測が出来ることになる。但し、焦点ボケのとこ
ろを使用する場合においては、一連の受光領域
（上記（ｎ−10）〜（ｎ＋10））の両端、すなわち
（ｎ−10）と（ｎ＋10）およびその前後１ビツト
位が光の強度傾斜が緩やかになるため不安定にな
り、状況に応じて受光したり、受光しながつたり
することがある。この不安定さからくる測定誤差
を小さくするため２ビツト以上連続して受光した
ときをもつて受光領域の初まりとし、２ビツト以
上連続して受光が切れたときをもつて受光領域の
終りとさせるようにする。この発明では受光領域
検出装置８により、上記手法を実行させる。すな
わちイメージセンサ６の受光領域の両端およびそ
の前後すくなくとも受光素子１ビツトの受光有無
を検出し、該検出結果を平均して受光センタを演
算回路９により演算させるものである。なお、上
述の手法を用いた場合、２〜３ビツト受光センタ
のずれが生じることがあるが、補正回路１０によ
り他の補正要素とともに補正するようにしてい
る。
この発明は以上のように構成したので、光源と
してレーザビームを使用し、受光素子としてイメ
ージセンサを使用した変位測定装置においても、
測定中における振動，衝撃，温度変化などに影響
されず、かつ経年変化にも耐える信頼性の高い測
定装置を得ることが出来る。
してレーザビームを使用し、受光素子としてイメ
ージセンサを使用した変位測定装置においても、
測定中における振動，衝撃，温度変化などに影響
されず、かつ経年変化にも耐える信頼性の高い測
定装置を得ることが出来る。
第１図はこの発明の全体の動作を説明するため
の構成略図、第２図はこの発明に使用するイメー
ジセンサの基本構成図である。 １……光源、２……レーザビーム照射光、２′
……レーザビーム反射光、３……被測定物、４…
…イメージセンサカメラ、５……受光レンズ、６
……イメージセンサ、８……受光領域検出装置、
９……演算回路。
の構成略図、第２図はこの発明に使用するイメー
ジセンサの基本構成図である。 １……光源、２……レーザビーム照射光、２′
……レーザビーム反射光、３……被測定物、４…
…イメージセンサカメラ、５……受光レンズ、６
……イメージセンサ、８……受光領域検出装置、
９……演算回路。
Claims (1)
- １ 被測定物にレーザビームを照射し、被測定物
上に光スポツトを形成させ、この光スポツトから
の反射光を受光素子上で受光して被測定物までの
距離または被測定物の移動の状態を測定する変位
測定装置において、被測定物にレーザビームを照
射する光源と、被測定物からの反射光を前記レー
ザビームの照射方向と異なる方向からの受光レン
ズを介して受光するイメージセンサを備え、該イ
メージセンサは前記被測定物が変位した場合に生
じる光スポツト実像の軌跡と略平行に、かつ、前
記受光レンズの結像点から光ビーム方向に若干ず
らせた位置に設置し、さらに受光素子が２ビツト
以上連続して受光したときをもつて受光領域の始
まりとし、２ビツト以上連続して受光が切れたと
きをもつて受光領域の終りとして受光領域を検出
する受光領域検出装置と、該検出結果を平均して
受光センタを演算させる演算回路を備えたことを
特徴とする変位測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3782083A JPS59162409A (ja) | 1983-03-07 | 1983-03-07 | 変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3782083A JPS59162409A (ja) | 1983-03-07 | 1983-03-07 | 変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59162409A JPS59162409A (ja) | 1984-09-13 |
| JPH0468563B2 true JPH0468563B2 (ja) | 1992-11-02 |
Family
ID=12508154
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3782083A Granted JPS59162409A (ja) | 1983-03-07 | 1983-03-07 | 変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59162409A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0676887B2 (ja) * | 1987-12-24 | 1994-09-28 | 信一 油田 | 距離算出方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5524690A (en) * | 1978-08-11 | 1980-02-21 | Nec Corp | Range finder |
-
1983
- 1983-03-07 JP JP3782083A patent/JPS59162409A/ja active Granted
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5524690A (en) * | 1978-08-11 | 1980-02-21 | Nec Corp | Range finder |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59162409A (ja) | 1984-09-13 |
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