JPH05126570A - 光学式変位測定方法およびこの方法を用いた光学式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光学式変位計において、光学ヘッドを近接させ
て測定を行う場合でも、互いの光ビームの干渉を防止し
て測定誤差を低減させる。 【構成】対象物に対して複数の光学ヘッドＨ１，Ｈ１’
を１台づつ順次切り換えて変調駆動させ、これらの光学
ヘッドＨ１，Ｈ１’より出力される位置検知信号を順次
信号処理回路Ａに入力させて演算処理することによっ
て、各々の光学ヘッドＨ１，Ｈ１’毎に基準位置に対す
る変位量ａ，ｂを算出し、このようにして得られた各変
位量ａ，ｂに基づいて測距を行うようにされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、改良された光学式変位
測定方法およびこの方法を用いた光学式変位計に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光学ヘッドから出力されたレーザービー
ムなどの鋭い光束を対象物に照射し、対象物からの反射
光を位置検出素子で受光して、基準位置からの変位量を
求めるようにした光学式変位計が開発され使用されるよ
うになってきた。

【０００３】図４は、このような光学式変位計を２台組
み込んで、対象物の段差などを測定するようにした変位
計１００の要部構成例を示したもので、基本的な動作
は、従来の光学式変位計と同一である。すなわち、光学
ヘッドＨ１において、投光レンズＬ１から放射され、基
準距離Ｒｃよりもａだけ離れた点で反射したレーザービ
ームが受光レンズＬ２を通じて位置検出素子ＰＳＤで受
光される点と、基準距離Ｒｃの点で反射して位置検出素
子ＰＳＤで受光される点との変位をΔＸとすると、ΔＸ
は次式で示される。 ΔＸ＝Ａ×ａ／（Ｂ＋ａ）・・・・（１） 但し、Ａ＝ｆ×ｔａｎθ Ｂ＝Ｒｃ／（ｃｏｓθ）² ｆは、受光レンズＬ２と位置検出素子ＰＳＤとの距離 θは、受光レンズＬ２の投光レンズＬ１に対する傾きで
ある。 一方、位置検出素子ＰＳＤ両端の出力電流値をＩ１，Ｉ
２とすると、ΔＸは次式で示される。 ΔＸ＝（（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２））×（Ｌ／２）・・・・・（２）

【０００４】従って、（２）式を（１）式に代入した演
算処理を信号処理部１０１ａで実行すれば、測定対象物
の基準距離Ｒｃからの変位量ａを算出することができ
る。尚、１０１ｂは、レーザービームに変調を施すため
の発振回路であり、位置検出素子ＰＳＤから受信出力さ
れる変調信号を復調処理することによって、外部からの
妨害光の影響を除去するようになっている。また、上記
（２）式において、位置検出素子ＰＳＤの非直線性を補
償するために、定数ｋを含ませた補正式も提案されてお
り、実際の変位測定に際しては、下記（２）’式に示さ
れるような演算処理を施すことによって、非直線性を補
償した高精度の測定を行うようにされている。 △Ｘ＝（（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋ｋＩ２））×（Ｌ／２）・・・・（２）’

【０００５】ところで、図４に示したような変位計１０
０によれば、変位測定部１０１および１０１’によっ
て、基準距離Ｒｃからの変位量ａおよびｂを個別に求
め、求めた変位量ａ，ｂの差分（ａ−ｂ）を演算回路部
１０２で算出して、対象物の段差Ｄなどを求めることも
可能である。

【０００６】ところが、このような変位計１００では、
光学ヘッドＨ１，Ｈ１’を近接させて変位測定を行う
と、光学ヘッドＨ１から出力されたレーザービームが対
象物で反射して光学ヘッドＨ１’側の位置検出素子ＰＳ
Ｄに誤って入射したり（図４の破線参照）、逆に、光学
ヘッドＨ１’側から出力されたレーザービームが対象物
で反射して光学ヘッドＨ１側の位置検出素子ＰＳＤに誤
って入射するため（図４の破線参照）、位置検出素子Ｐ
ＳＤから出力される位置検知信号が対象物の変位量に対
応した値からずれてしまい正確な測定ができなかった。

【０００７】また、対象物の厚みを計測する場合には、
図５に示したように、変位計１００の光学ヘッドＨ１お
よびＨ１’を、基準位置（図では、対象物の中央にとっ
ている）を一致させるようにして対象物を挟むように対
向配置させ、各々の変位測定部１０１，１０１’で測定
した変位量ａ，ｂを演算回路１０２で加算処理して厚み
（ａ＋ｂ）を求めるような測定が行なわれるが、対象物
が薄くてレーザービームが透過したり、対象物が透過性
を有する場合には、光学ヘッドＨ１から出力されたレー
ザービームが他方の光学ヘッドＨ１’の位置検出素子Ｐ
ＳＤに誤って入射してしまうため、変位量に対応した位
置検知信号を得ることができず、正確な測定を阻害する
要因となっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みて提案されるもので、光学ヘッドを近接させて測定を
行う場合でも、互いの光ビームの干渉を防止して測定誤
差を低減させ、精度の高い変位測定を行うことのできる
光学式変位測定方法を提供することを目的としている。
また、同時に提案される本発明は、この測定方法を用い
て光学ヘッド相互間の干渉を防止し、高精度の変位測定
を行えるようにした光学式変位計を提供することを目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に提案される請求項１に記載の本発明の光学式変位測定
方法は、対象物に対して複数の光学ヘッドを１台づつ順
次切り換えて変調駆動させ、これらの光学ヘッドより出
力される位置検知信号を順次信号処理回路に入力させて
演算処理することによって、各々の光学ヘッド毎に基準
位置に対する変位量を算出し、このようにして得られた
各変位量に基づいて測距を行うようにされている。

【００１０】請求項２に記載の本発明の光学式変位計
は、対象物に変調の施された光ビームを照射し、反射光
を位置検出素子で受光して、基準位置からの変位量に応
じた変調された位置検知信号を出力する複数の光学ヘッ
ドと、上記光ビームを変調するための変調信号を生成出
力する発振回路と、上記発振回路から出力される変調信
号を各光学ヘッド側に順次切換出力する切換制御部と、
上記各光学ヘッドから出力される変調信号を復調して位
置検知信号を求め、求めた位置検知信号を演算処理して
上記各光学ヘッド毎に対象物の基準位置からの変位量を
算出し、得られた各変位量に基づいて測距を行う信号処
理部とを備えた構成とされている。

【００１１】このような本発明では、各光学ヘッドから
無変調のレーザービームを常時出力させながら、切換制
御部によって変調信号のみを各光学ヘッド側に順次切り
換えて供給する構成として、レーザービームをオン、オ
フさせる場合の動作遅れや不安定要素を除き、高速測定
を可能にしているが、特に高速測定を行う必要がない場
合には、各光学ヘッドのレーザービーム出力をオン、オ
フさせるだけの制御も可能である。

【００１２】また、請求項３に記載の本発明は、請求項
２に記載の構成における切換制御部が上記発振回路から
出力される変調信号を各光学ヘッド側に順次切換送出す
ると同時に、各光学ヘッド側で受光された変調された位
置検知信号を順次取り出すようにされており、また、信
号処理部が、位置検知信号を演算処理するための１つの
信号処理回路を有し、切換制御部によって各光学ヘッド
から順次取り出された変調信号を復調して位置検知信号
を求め、求めた位置検知信号を演算処理して各光学ヘッ
ド毎に対象物の基準位置からの変位量を算出し、得られ
た各変位量に基づいて測距を行うようにされている。

【００１３】

【作用】請求項１に記載の本発明方法では、対象物に対
して複数の光学ヘッドを１台づつ順次切り換えて変調駆
動させ、これらの光学ヘッドより出力される変調された
位置検知信号を信号処理回路で復調し演算処理すること
によって、各々の光学ヘッド毎に基準位置に対する変位
量を算出し、得られた各変位量に基づいて測距を行うよ
うにされている。このため、異なる光学ヘッドが同時に
変調駆動されることがないので、光学ヘッド同士を近接
配置して変位量を測定中に、他の光学ヘッドから光ビー
ムが入射しても、変調がかかっていないので測定誤差を
生じることがない。

【００１４】請求項２に記載の本発明の変位計では、発
振回路から出力される変調信号を切換制御部によって各
光学ヘッド側に順次切換出力し、信号処理部では、各光
学ヘッドから出力される変調信号を復調して位置検知信
号を求め、求めた位置検知信号を演算処理して上記各光
学ヘッド毎に対象物の基準位置からの変位量を算出し
て、各変位量に基づいて測距を行う。

【００１５】また、請求項３に記載の本発明の変位計で
は、発振回路から出力される変調信号を切換制御部によ
って各光学ヘッド側に順次切換送出するとともに、各光
学ヘッド側から出力される変調された位置検知信号を順
次取り出して信号処理部側に出力し、信号処理部では、
各光学ヘッドから順次取り出された変調信号を単一の信
号処理回路によって復調して位置検知信号を求め、求め
た位置検知信号を演算処理し上記各光学ヘッド毎に対象
物の基準位置からの変位量を順次算出して、各変位量に
基づいて測距を行う。

【００１６】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の光学式変位計１の基本構成例
を示したもので、図において、１０，１０’は光学ヘッ
ドＨ１，Ｈ１’から出力される位置検知信号Ｉ１，Ｉ２
あるいはＩ１’，Ｉ２’（位置検出素子ＰＳＤから出力
される光電流に応じた電圧信号）を受けて基準位置から
の変位量を演算出力する信号処理部、１１はレーザー発
光素子ＬＡから出力されるレーザービームに所定の変調
を施すための変調信号を発振する発振回路、１２は切換
接点ＳＷを有し、発振回路１１から出力される変調信号
を光学ヘッドＨ１あるいはＨ１’側に切り換えて送出す
るとともに、切換制御信号を信号処理部１０，１０’側
に伝送する切換制御部である。尚、信号処理部１０，１
０’の詳細については後述する。

【００１７】このような構成の本発明の光学式変位計１
の構成例図を参照して、請求項１に記載した本発明の光
学式変位測定方法を説明する。 切換制御部１２によって切換接点ＳＷを接点Ｎ１側に
接続すると、発振回路１１で生成された変調信号が光学
ヘッドＨ１側に送出され、レーザー発光素子ＬＡから出
力されるレーザービームに変調が施されるとともに、切
換制御部１２から信号処理部１０，１０’側に切換制御
信号が伝送される。この状態では、光学ヘッドＨ１’は
無変調のレーザービームを出力しており、また、信号処
理部１０’の復調動作は切換制御信号によって停止され
る。 信号処理部１０では、光学ヘッドＨ１側から出力され
る変調された位置検知信号を受けて位置検知信号を復調
し、復調された位置検知信号Ｉ１，Ｉ２に上述した
（１），（２）式で示される演算処理を施して変位量ａ
を算出し記憶する。 次に、切換制御部１２によって切換接点ＳＷを接点Ｎ
２側に接続すると、発振回路１１で生成された変調信号
が光学ヘッドＨ１’側に送出され、レーザー発光素子Ｌ
Ａから出力されるレーザービームに変調が施されるとと
もに、切換制御部１２から信号処理部１０，１０’側に
切換制御信号が伝送される。この状態では、光学ヘッド
Ｈ１は無変調のレーザービームを出力しており、また、
信号処理部１０の復調動作は切換制御信号によって停止
される。 信号処理部１０’では、光学ヘッドＨ１’側から出力
される変調された位置検知信号を受けて位置検知信号を
復調し、復調された位置検知信号Ｉ１’，Ｉ２’に上述
した（１），（２）式で示される演算処理を施して変位
量ｂを算出し記憶する。 信号処理部１０では、信号処理部１０’側で算出され
た変位量ｂを読み込み、変位量ａとの差分（ａ−ｂ）を
算出する。

【００１８】このように、本発明方法によれば、各光学
ヘッドを時分割方式で順次変調駆動させているので、同
時に複数の光学ヘッドから変調されたレーザービームが
出力されることがなく、このため、他の光学ヘッドから
変調光ビームが入射干渉して変位量の測定誤差が生じる
ことがなくなる。

【００１９】次に、図１に示した光学式変位計１の信号
処理部１０，１０’の詳細な構成について説明すると、
信号処理部１０は、光学ヘッドＨ１から出力される位置
検知信号（光電流に応じた電圧信号）Ｉ１，Ｉ２を発振
回路１１の変調信号に同期して検波復調する同期検波回
路１０ｂと、復調された位置検知信号のうち変調信号周
波数Ｆの周波数のみを通過させて外乱雑音を除去するフ
ィルタ回路１０ｃと、復調された位置検知信号Ｉ１，Ｉ
２をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換回路１０ｄ
と、デジタルデータに変換された位置検知信号Ｉ１，Ｉ
２をメモリ部１０ｆに記憶させるとともに、記憶された
データから変位量ａや変位量の差分を算出するＣＰＵ１
０ａと、算出された差分に対応したアナログデータを変
換出力するＤ／Ａ変換回路１０ｅとを有した構成となっ
ており、他方の信号処理部１０’は、信号処理部１０の
構成からＤ／Ａ変換回路１０ｅを省略した構成とされて
いる。

【００２０】このような構成の本発明の光学式変位計１
の動作を、信号処理部１０の詳細な動作を中心にして、
図２の（ａ）〜（ｉ）に示したタイムチャートを参照し
ながら説明する。 切換制御部１２によって切換接点ＳＷが接点Ｎ１側に
接続されると、発振回路１１で生成された変調信号が光
学ヘッドＨ１に加えられて変調されたレーザービームが
対象物に照射され、同時に、切換制御部１２から信号処
理部１０，１０’のＣＰＵ１０ａに光学ヘッドＨ１を変
調駆動中である旨の切換制御信号が伝送される。 光学ヘッドＨ１から出力された変調された位置検知信
号Ｉ１ｏ，Ｉ２ｏが信号処理部１０に伝送されると、同
期検波回路１０ｂでは、発振回路１１から出力された変
調周波数と同期させた検波によって位置検知信号を復調
し、復調した位置検知信号に含まれる雑音成分をフィル
タ回路１０ｃで除去してからＡ／Ｄ変換回路１０ｄに伝
送する。（図２の（ａ），（ｂ），（ｄ）参照）。 Ａ／Ｄ変換回路１０ｄでは、復調されたアナログの位
置検知信号を対応したデジタルデータＩ１ｏ，Ｉ２ｏに
変換してＣＰＵ１０ａを通じてメモリ部１０ｆに記憶さ
せる。（図２の（ｄ），（ｆ）参照）。 次に、切換制御部１２によって切換接点ＳＷが接点Ｎ
２側に接続されると、発振回路１１で生成された変調信
号が光学ヘッドＨ１’に加えられて変調されたレーザー
ビームが対象物に照射され、同時に、切換制御部１２か
ら信号処理部１０，１０’のＣＰＵ１０ａに光学ヘッド
Ｈ１’を駆動中である旨の切換制御信号が伝送される。 光学ヘッドＨ１’から出力された変調された位置検知
信号Ｉ１ｏ’，Ｉ２ｏ’が信号処理部１０’に伝送され
ると、同期検波回路１０ｂでは、同期検波によって位置
検知信号を復調し、復調した位置検知信号に含まれる雑
音成分をフィルタ回路１０ｃで除去してからＡ／Ｄ変換
回路１０ｄに伝送する。（図２の（ａ），（ｃ），
（ｅ）参照）。 Ａ／Ｄ変換回路１０ｄでは、復調されたアナログの位
置検知信号を対応したデジタルデータＩ１ｏ，Ｉ２ｏに
変換してＣＰＵ１０ａを通じてメモリ部１０ｆに記憶さ
せる。（図２の（ｅ），（ｇ）参照）。 信号処理部１０では、メモリ部１０ｆに記憶したデー
タＩ１ｏ，Ｉ２ｏより変位量ａを算出するとともに、信
号処理部１０’のメモリ部１０ｆに記憶されたデータＩ
１ｏ’，Ｉ２ｏ’を読み込んで変位量ｂを算出し、更に
変位量の差分Ｄ０＝（ａ−ｂ）を演算してＤ／Ａ変換回
路１０ｅに出力する。（図２の（ｈ）参照）。 Ｄ／Ａ変換回路１０ｅでは、変位量Ｄ０＝（ａ−ｂ）
に対応したアナログデータを外部回路に出力する。（図
２の（ｉ）参照）。

【００２１】このように、本発明の光学式変位計１によ
れば、各光学ヘッドＨ１，Ｈ１’を時分割方式によって
交互に変調駆動しているので、光学ヘッド同士を近接配
置させて測定を行う場合であっても、他の光学ヘッドか
ら出力された変調光ビームが入射して測定誤差を生じる
ような不都合を未然に防止することができる。

【００２２】ところで、上述した光学式変位計１では、
各々の光学ヘッドＨ１，Ｈ１’毎に対応した信号処理部
１０，１０’を設けた構成としているが、１つの信号処
理部１０を共用させるような構成も可能である。

【００２３】図３は、このような構成の光学式変位計２
の構成例（請求項３に対応）を示したもので、上述した
変位計１と同一部分には同一の符号を付して説明を省略
する。この光学式変位計２では、切換制御部１２’が、
連動動作する切換接点ＳＷａ，ＳＷｂを有しており、切
換接点ＳＷａによって発振回路１１から出力される変調
信号を光学ヘッドＨ１，Ｈ１’側に交互に切り換えて出
力すると同時に、変調駆動されている光学ヘッドから出
力される変調された位置検知信号を切換接点ＳＷｂによ
って取り出して信号処理部１０側に伝送させるようにな
っている。

【００２４】このような構成であれば、信号処理部を複
数設ける必要がないので、回路構成を簡略化させること
ができる上に、各光学ヘッドＨ１，Ｈ１’について信号
処理回路Ａ（信号処理部１０）を共用しているので、温
度変化や経時変化の要因によって算出された各変位量に
含まれるオフセット誤差が同一値となり、また、特定の
点を中心にして傾きが増減するような誤差については、
変位量の差が減少するに連れて低減させることができる
ため、高精度の変位測定を行うことが可能となる。

【００２５】尚、上記説明では、対象物の段差を測定す
る図を例にあげて述べているが、光学ヘッドを対象物の
両側に対向させて配置させて対象物の厚み測定を行った
り、あるいは、多数の光学ヘッドを近接配置させて対象
物の湾曲状態の測定などを行うことも可能であり、この
ような測定時にも、光学ヘッド相互間の干渉を防止した
高精度の測定を行うことができる。

【００２６】

【発明の効果】請求項１に記載の本発明の光学式変位測
定方法によれば、複数の光学ヘッドを１台づつ順次変調
駆動させて、各光学ヘッドから出力される位置検知信号
を順次復調するようにされているので、異なる光学ヘッ
ドが同時に変調駆動されることがない。このため、光学
ヘッド同士を近接配置させて変位測定を行っても、他の
光学ヘッドから出力された変調光ビームが入射して測定
誤差を生じることがなく、高精度の変位測定を行うこと
ができる。請求項２に記載の本発明の光学式変位計によ
れば、請求項１に記載した本発明方法を用いることによ
って、光学ヘッド相互間の干渉を防止させ誤差の発生を
低減させた高精度の変位測定を行うことができる。ま
た、請求項３に記載の本発明の光学式変位計によれば、
請求項２の効果に加えて、信号処理部を共通化させて構
成を簡略化できるとともに、信号処理部の温度変化や経
時変化などによる測定誤差を低減させて高精度の変位測
定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項２に記載した本発明の光学式変位計の構
成例図である。

【図２】（ａ）〜（ｉ）は、図１に示した変位計の動作
を説明するタイムチャートである。

【図３】請求項３に記載した本発明の光学式変位計の構
成例図である。

【図４】段差を測定する場合に、光学ヘッド間で生じる
干渉の説明図である。

【図５】厚みを測定する場合に、光学ヘッド間で生じる
干渉の説明図である。

【符号の説明】

１・・・光学式変位計 １０・・・信号処理部 １１・・・発振回路 １２，１２’・・・切換制御部 Ａ・・・信号処理回路 ａ，ｂ・・・変位量 Ｈ１，Ｈ１’・・・光学ヘッド Ｉ１，Ｉ２，Ｉ１’，Ｉ２’・・・位置検知信号 ＰＳＤ・・・位置検出素子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年２月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】従って、（２）式を（１）式に代入した演
算処理を信号処理部１０１ａで実行すれば、測定対象物
の基準距離Ｒｃからの変位量ａを算出することができ
る。尚、１０１ｂは、レーザービームに変調を施すため
の発振回路であり、位置検出素子ＰＳＤから受信出力さ
れる変調信号を復調処理することによって、外部からの
妨害光の影響を除去するようになっている。また、上記
（１），（２）式より導かれる次式、 （Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）＝（２Ａ×ａ／（Ｌ×（Ｂ＋ａ））） において、右辺の変位量ａに対する左辺の測距信号値
（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）が非線形の関係にある
ので、実際の変位測定に際しては、下記（２）’式に示
したように、補正定数ｋを含ませた補正式による演算処
理を施すことによって、三角測距に基づく非直線性を補
償した信号を取り出せるようにされている。 △Ｘ＝（（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋ｋＩ２））×（Ｌ／２）・・・・（２）’

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉本 義彦 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物に対して複数の光学ヘッドを１台づ
   つ順次切り換えて変調駆動させ、 これらの光学ヘッドより出力される位置検知信号を順次
   信号処理回路に入力させて演算処理することによって、
   各々の光学ヘッド毎に基準位置に対する変位量を算出
   し、 このようにして得られた各変位量に基づいて測距を行う
   ようにしたことを特徴とする光学式変位測定方法。
2. 【請求項２】対象物に変調の施された光ビームを照射
   し、反射光を位置検出素子で受光して、基準位置からの
   変位量に応じた変調された位置検知信号を出力する複数
   の光学ヘッドと、 上記光ビームを変調するための変調信号を生成出力する
   発振回路と、 上記発振回路から出力される変調信号を各光学ヘッド側
   に順次切換出力する切換制御部と、 上記各光学ヘッドから出力される変調信号を復調して位
   置検知信号を求め、求めた位置検知信号を演算処理して
   上記各光学ヘッド毎に対象物の基準位置からの変位量を
   算出し、得られた各変位量に基づいて測距を行う信号処
   理部とを備えたことを特徴とする光学式変位計。
3. 【請求項３】対象物に変調の施された光ビームを照射
   し、反射光を位置検出素子で受光して、基準位置からの
   変位量に応じた変調された位置検知信号を出力する複数
   の光学ヘッドと、 上記光ビームを変調するための変調信号を生成出力する
   発振回路と、 上記発振回路から出力される変調信号を各光学ヘッド側
   に順次切換送出するとともに、各光学ヘッド側で受光さ
   れた変調された位置検知信号を順次取り出す切換制御部
   と、 上記位置検知信号を演算処理するための１つの信号処理
   回路を有し、上記切換制御部によって各光学ヘッドから
   順次取り出された変調信号を復調して位置検知信号を求
   め、求めた位置検知信号を演算処理して上記各光学ヘッ
   ド毎に対象物の基準位置からの変位量を算出し、得られ
   た各変位量に基づいて測距を行う信号処理部とを備えた
   ことを特徴とする光学式変位計。