JPH0575049B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は物体表面上の点と基準レベル（基準
高さ）との間の距離を三角法の原理を利用して非
接触で測定するための装置に関する。

「従来の技術」 従来のこの種の装置は測定すべき物体表面へ測
定輻射、即ち測定光（以下において輻射の例とし
て光をあげ説明する）を投射するための光源を有
する投射部と、少くとも一つの結像レンズを通し
て受けた反射光に応答してそれを別の形の対応す
る信号に変換する検出器を有する受光部とを含ん
でいる。この検出器の光検知領域はほぼ直線状で
あり、従つてある限定された観測領域内の光照射
されたいくつかの物体表面エレメント（単位領
域）だけが検出器の直線状光検知領域上にそれぞ
れ焦点が合された点（スポツト）として結像され
るように受光路中におかれた結像レンズやその他
の手段を構成している。

この種の測定装置はオランダ国特許出願第
8302228号に述べられている。この従来技術の測
定装置は検出器として光検知セルの直線配列（リ
ニヤアレイ）を使つている。このセルのアレイは
物体空間における直線状検出器の像によつて定め
られる限定された観測領域からの光を主に受光す
る。その結果、測定に対する外来光の悪影響を著
しく減少できそれだけ検出器出力の信号対雑音比
を高めることができる。

結像レンズはもちろんその他の受光路中に置か
れた手段は指定された観測領域からの光のみが検
出器に到達するように企図に構成されているが、
それによつてすべての存在し得る妨害信号（即ち
ノイズ）が除去されるわけではない。指定観測領
域の外の物体表面エレメントによつて生じた反射
は検出器に到達できず、従つて測定信号を妨害す
ることはないが、観測領域内に妨害信号が生じる
可能性はある。この妨害信号は観測直線領域内で
反射する外来光によつて生じるであろうし、また
二重反射によつても生じ得る。後者の場合、光源
から投射された光ビームの一部は物体表面の実際
の測定点で反射後ふたたび物体表面の他の点で反
射する。前記他の点が検出器の観測領域内に位置
すればこの第２の反射は妨害信号の発生原因とな
る。

この発明の目的は前述のような妨害信号を除去
するか少くともその影響を著しく小さくすること
である。

「問題点を解決するための手段」 この発明の測定装置において、前記目的を達成
するため光源は互に小さい間隔をおいた多数の平
行な又はほぼ平行な光ビームを出射し、検出器は
信号処理手段に接続され、その信号処理手段は検
出信号がそれぞれ前記光ビーム間の一つ又は複数
の距離と対応した所定の一つ又は複数の間隔を持
つているか否かを識別するようにされている。各
光ビームの物体表面での反射は投射光ビームの光
と対応する数の反射光ビームが検出器の受光部に
到達するようにされている。ビーム間に所定の距
離を定めてあるので、検出器の直線状検知領域に
集光されたそれぞれの点も所定の一つ又は複数の
距離を有する。この所定の距離は信号処理手段に
おいて検出基準として使われる。直接入射する又
は反射による外来光によつて生じ、あるいは二重
反射によつて生じ、直線状光検知検出器に達する
妨害光は前述の距離関係を持っていないので所望
の信号と妨害信号との識別が可能である。

直線状検出器を使用しているので反射ビームが
検出器によつて確実に検出できるように各光ビー
ムを共通面内に配置する必要がある。

二つ以上の互に平行なあるいはほぼ平行な光ビ
ームを光源によつて出射でき、その場合ある条件
のもとで妨害光に対し非常に正確な識別が可能と
なるが、光源による複数の光ビームの発生は非常
に面倒であり、かつビームの数が増すにつれ測定
信号の処理が難しくなる。従つて光ビームの数は
二つであることが好ましい。

理論的にはそれぞれが１本の光ビームを出射す
る複数の分離した光源を使用してもよいが、ビー
ム間の距離を非常に小さくしなければならないの
で実際には不可能である。従つて現実には単一の
光源（例えばレーザ光源）を使用し、それによつ
て発生された光ビームを光学系で二つ（又はそれ
以上）の分離した平行光ビームに分ける。更にこ
の発明の別の実施例ではそれら光ビームを時間的
に交互に出射し、信号処理手段は一連の検出器出
力信号を単一の信号に合成する手段を含み、その
合成により処理手段内のそれぞれの回路によつて
識別処理が受けられ、かつ識別され得るようにし
ている。出射光ビームの前記時間的交番の他に偏
光を変化させて検出信号の強度を増し、それによ
つて妨害信号に対する識別を一層正しく行うこと
が可能である。従つて実施例において両光ビーム
は異なる偏光とされ、受光路中に交互に所定の偏
光のみを通す手段が設けられている。

オランダ国出願第8302228号に記載された測定
装置において、検出器の直線状光検知領域は結像
レンズの主表面に対しある角度をなす。その結
果、物体表面と反射面とのあいだの距離とは独立
して検出器の直線状光検知領域上に結像されたス
ポツトが焦点を結ばれる。これはしかしながら原
理的に光源からのただ一つの光ビームについてあ
てはまる。この発明に従つて二つ又はそれ以上の
光ビームが投射され観測領域内で互に接近して物
体表面に到達すると、反射光ビームのうちのただ
一つのみが最適焦点を結ぶことになる。光ビーム
間の距離は非常に小さく選定されているので他方
のビームが完全に正しく焦点を結ばないことの影
響はそれ程重要でない。検出器上の像は被写界探
度内に保たれる。しかしながら検出器信号間の距
離を測定領域内の物体表面の高さの関数として変
化させることができる。完全な構成の最適寸法は
光ビームが互に微小角だけ重なり合う場合に得ら
れ、その角度は測定領域内の物体表面の高さと無
関係に検出信号ピーク間の間隔が一定又はほぼ一
定となるよう装置全体の幾何学的形状に依存して
選定される。

「実施例」 第１図において光源１は二つの光ビーム２，３
を走査されるべき表面４の方向に出射する。両光
ビーム２，３は反射されて反射光ビーム２′，
３′となり、これらは結像レンズ（フオーカスレ
ンズ）７及び図示してない他の手段を経て検出器
アレイ５に到達する。このアレイ５は例えばその
いくつかが５ａ，５ｂ，５ｃで示される直線状に
配列された光検知セルから成る。図において光ビ
ーム２′はセル５ｂに入射し、光ビーム３′はセル
５ａに入射している。

光ビーム２と３の成す角は非常に小さく選定さ
れており、従つて水平線（レベル）H₁とH₂のあ
いだの測定領域全域にわたつて見た場合、光信号
２と３の間の距離ｄはほとんど変化せず実質的に
一定とみなすことができる。物体表面４の実際の
高さとは無関係に光ビーム２と３は常に検出器５
上に二つの反射点像を形成し、それら間の距離ｐ
は常にほとんど変化せず、どんな場合でもその値
を決めることができる。第１図において二つの反
射光ビーム２′と３′は隣り合うセルによつて受光
されるが、検出器アレイの分解能に従つて前述の
距離ｐは大きくすることができることは明らかで
ある。

前述のように光ビーム２と３の成す角は検出器
アレイ５上の結像スポツト間の距離ｐがほぼ一定
となるよう装置全体の形状を考慮して選定され
る。

検出器アレイ５は信号処理手段６によつて順次
走査され、一連の走査信号を出力し、その信号中
のセル５ａ，５ｂから得られた信号は比較的に高
いピークを示す。これらのピークは互に固定した
又は少くとも予測できる間隔を有し、一般に周知
の自己相関の手法を使つて他のセルからの妨害信
号から分離することができる。

この装置の持ち得る問題点は多重反射に起因す
るか又はあらゆる対策にもかかわらず検出器に到
達してしまう外来光の反射に起因する。図を参照
してその例を以下に説明する。

光ビーム２は物体表面４で反射され必要とする
反射光ビーム２′とそうでない光ビーム２″とな
り、後者は実際の測定スポツトの左側で更に表面
４により反射され光ビーム２となつてレンズ７
を通り、検出器アレイ５の特にセル５ｃに入射す
る。検出器アレイ５を走査することによつて第２
ａ図に示すようなピークを有する時間とともに振
幅が変化する信号Ｕ（ｔ）が得られる。ピークＡ，
Ｂ，Ｃはそれぞれ検出器アレイ５のセル５ａ，５
ｂ，５ｃからの出力信号に起因している。他のセ
ルも妨害反射光を受光し、ピークＡ，Ｂ，Ｃ間の
検出信号レベルを与えこれらは通常零でない。出
力信号中のあらかじめ決められた間隔を有する二
つのピークが得られることが予測できるので、第
２ａ図に示す信号を周知の自己相関手法を使つて
信号処理手段６において処理することができる。
第２ａ図の信号Ｕ（ｔ）はピークＡ，Ｂ間の予測
される間隔に対応する時間Δtだけ遅延される。
第２ｂ図のこの遅延された信号Ｕ（ｔ＋Δt）は次
に自己相関器により信号Ｕ（ｔ）と結合され遅延
されない検出器信号におけるピークＢと同じ位置
に鋭いピークを有する信号Ｖ（ｔ）を作る。自己
相関処理されることによつて妨害ピークＣが除去
される。これによつて光ビーム２，３の両方によ
つて投射された物体表面４上の点の高さの検出が
完了する。

第１図に示すように反射は周囲からの光９によ
つても生じ、これらの反射光も検出器５の観測領
域内にある。しかしながらこれらの反射光も所定
の間隔を有する予測された信号ピークに対し識別
することができる。

第３図は二つの信号光ビームが検出器アレイ５
に同時に入射せず、例えば時間変調又は異なる偏
光の使用により光ビームが交互に受光される場合
のいくつかの信号波形を示す。これら光ビームの
切替をt₀の周期で行うと検出器アレイ５は最初に
第３ａ図に示されるような信号Ｕ（ｔ）を出力し、
次に第３ｂ図に示すような信号Ｕ（ｔ＋t₀）を出
力する。これら二つの信号はピークＡ又はＢを含
むだけでなく妨害ピークＣも含む。

切替周期t₀を非常に短く選定すると、以上の信
号処理において信号Ｕ（ｔ）とＵ（ｔ＋t₀）はピー
クＡ及びＢの部分を例外とし大部分で互に完全に
等しいとみなすことができる。信号Ｕ（ｔ）が遅
延線を通過し、信号処理手段６内の引算回路で信
号Ｕ（ｔ＋t₀）との差がとられると、その出力信
号Ｖ（ｔ）は第３ｃ図に示すようにピークＣが除
去されたものとなり、またピークA′とB′によつ
て物体表面４の高さが求まる。

上述の信号処理の例は検出器信号を処理するい
ろいろな可能性を説明するものであり、これらに
この発明を限定するものでない。

自己相関法の実際の応用又はその他の適当な信
号処理方法と適当な信号処理手段の実施例は当業
者にとつて実行及び構成できる範囲のものである
と考えられる。同様に分離された光ビームを発生
するのに必要な光学的手段、光ビームの時間的及
び／又は偏光の変調（例えば液晶素子による制
御）等は当業者にとつて構成できる範囲のもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の非接触距離測定装置を示す
図、第２図は光源から二つの光ビームが同時に出
射された場合の第１図における検出器と信号処理
手段の出力信号を示す図、第３図は光源から二つ
の光ビームが交互に出射された場合の第１図にお
ける検出器と信号処理手段の出力信号を示す図で
ある。 １……光源、２，３……光ビーム、２′，３′…
…反射光ビーム、４……物体表面、５……検出
器、６……信号処理手段、７……結像レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定すべき物体表面に対し測定光を出射する
   ための光源を有する出射部と、反射光に応答し少
   くとも結像レンズを通して受光したその反射光を
   他の形の対応する信号に変換するための検出器を
   有する受光部とを含み、前記検出器の光検知領域
   はほぼ直線状領域とされ、物体表面の指定された
   観測領域内で照射された部分のみが焦点合せされ
   たスポツトとして前記検出器の前記直線状光検知
   領域上に結像されるように受光路中に設けられた
   前記結像レンズとその他の手段が構成され、三角
   法の原理を使つて前記物体表面上の与えられた点
   と基準高さとの間の距離を測定するための非接触
   距離測定装置において、前記光源は互に小さい距
   離を隔てほぼ平行な複数の光ビームを出射し、前
   記複数の光ビームが為す平面と、前記検出器の前
   記直線状光検知領域と、前記結像レンズの光軸と
   が同一平面に配列され、前記検出器は信号処理手
   段に接続され、その信号処理手段は検出器出力信
   号から前記光ビーム間の距離と対応する信号群が
   存在しているかを識別するようにされた非接触距
   離測定装置。 ２ 前記光ビームの数は２である特許請求の範囲
   第１項記載の非接触距離測定装置。 ３ 前記光ビームは時間とともに交互に出射さ
   れ、前記信号処理手段は前記検出器出力信号を順
   次結合する手段を含むようにされた特許請求の範
   囲第２項記載の非接触距離測定装置。 ４ 前記二つの光ビームは異なつた偏光とされ、
   前記受光路中に所定の偏光を有する光のみを交互
   に通過させるための手段が設けられている特許請
   求の範囲第２項又は第３項記載の非接触距離測定
   装置。 ５ 前記光ビームは互に微小角重なり合い、その
   角は前記測定領域内の物体表面の高さとは無関係
   に前記検出器出力信号のピーク間隔がほぼ一定と
   なるように装置全体の寸法に依存して選定されて
   いる特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか
   に記載の非接触距離測定装置。