JPH0611341A

JPH0611341A - 光学式距離測定装置

Info

Publication number: JPH0611341A
Application number: JP16783692A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Akiyama; 雅彦秋山
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1994-01-21

Abstract

(57)【要約】【目的】測定対象が傾いた透明体であっても正確な距
離を測定可能にする。【構成】距離測定装置は、測定対象に光を出射し、測
定対象からの正反射光を受光して測定対象までの距離を
測定する光学式のものであって、角度測定手段と距離演
算手段とを備えている。角度測定手段は、半導体レーザ
１２とフォトダイオード１０，１１とを有し、かつ測定
対象を三角形の１頂点としたとき残りの２頂点を含む底
辺が配置される、２頂点の角度を測定するための手段で
ある。距離演算手段は、角度測定手段で測定された角度
と底辺の長さとから、測定対象までの距離を演算する手
段である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、距離測定装置、特に、
測定対象に光を出射し、測定対象からの光を受光して測
定対象までの距離を測定する光学式距離測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】測定対象までの距離を測定する距離測定
装置として、三角測量法を応用した光学式距離測定装置
がある。この種の光学式距離測定装置は、発光素子と光
位置検出素子（ＰＳＤ）との組み合わせで構成されてお
り、発光素子としては発光ダイオードや半導体レーザが
用いられている。この光学式距離測定装置では、発光素
子から出射された光は、投射レンズを通して集光されて
測定対象に照射される。そして、測定対象から反射され
た光の一部を受光レンズを通して光位置検出素子で検出
し、その受光位置を検出することにより、測定対象物ま
での距離を測定する。

【０００３】この種の光学式距離測定装置には、垂直下
方に光を出射して拡散反射光を受光する拡散反射受光型
と、斜め下方に光を出射して正反射光を受光する正反射
受光型とがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】拡散反射受光型では、
測定対象が傾いていても測定可能だが、光を測定対象に
対して垂直に照射しているので、測定対象物が透明体の
場合には反射光が戻らず距離を測定することができな
い。また、正反射受光型のものでは、測定対象が透明体
であっても正反射光を受光することにより、距離を測定
することは可能であるが、測定対象が装置に対して傾い
ている場合には、反射光が光位置検出素子の視野から外
れてしまい、距離を測定することができない。また、反
射光が検出素子の視野内に入った場合でも、測定対象の
傾きによって距離測定が影響を受けるので、正確な測定
ができない。しかも、測定対象が板状の透明体の場合に
は、裏面からの反射の影響を受け、正確に距離が測定で
きない。

【０００５】本発明の目的は、測定対象が傾いた透明体
であっても測定対象までの距離を測定可能にすることに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る距離測定装
置は、測定対象に光を出射し、測定対象からの反射光を
受光して測定対象までの距離を測定する光学式のもので
あって、角度測定手段と距離演算手段とを備えている。
角度測定手段は、発光手段と受光手段とを有し、発光手
段が受光手段に関係づけられる２点と測定対象とを頂点
とする三角形の２点の角度を測定するための手段であ
る。距離演算手段は、角度測定手段で測定された２点の
角度と２点間の距離とから、測定対象までの距離を演算
する手段である。

【０００７】

【作用】本発明に係る光学式距離測定装置では、発光手
段から測定対象に光を出射し、測定対象からの反射光を
受光手段が受光すると、角度測定手段が、発光手段及び
受光手段に関係づけられる２点の角度を測定する。２点
の角度が測定されると、その角度と２点間の距離とか
ら、測定対象までの距離を距離演算手段が演算する。

【０００８】ここでは、測定対象が傾いた透明体であっ
ても、２点の角度により距離を演算しているので、測定
対象の傾きにかかわらず距離の測定が可能になる。

【０００９】

【実施例】実施例１図１は、本発明の一実施例による光学式距離測定装置を
示している。図において、光学式距離測定装置は、マイ
クロコンピュータを含む制御部１を備えている。制御部
１には、センサヘッド２と、ＲＯＭ３と、ＲＡＭ４と、
操作パネル５と、表示部６とが接続されている。また制
御部１には、測定結果の出力及び測定モード指令を含む
各種指令の入力がなされる加工機７が接続できるように
なっている。

【００１０】センサヘッド２は、２つのフォトダイオー
ド（ＰＤ１，ＰＤ２）１０，１１と、半導体レーザ１２
と、後述する回転ミラーを回転させるためのモータ１３
と、モータ１３の回転角を検出するためのロータリーエ
ンコーダ１４とを備えている。２つのフォトダイオード
１０，１１の出力は増幅回路１５を介して制御部１に与
えられる。半導体レーザ１２には、制御部１からＬＤド
ライバ１６を介して駆動信号が与えられる。モータ１３
には、制御部１からモータドライバ１７を介して駆動信
号が与えられる。ロータリーエンコーダ１４の検出出力
は増幅回路１８を介して制御部１に与えられる。

【００１１】ＲＯＭ３には、装置を制御するための制御
プログラムが格納されている。ＲＡＭ４には、加工機７
からの指令モードや各種の測定データが一時的に記憶さ
れる。操作パネル５は、装置に対して各種の指令を入力
するためのものである。表示部６は、計測結果の表示等
を行うものであり、ＬＣＤディスプレイ，ＬＥＤディス
プレイ，ＣＲＴディスプレイ等が用いられる。

【００１２】センサヘッド２は、図２に示すように、箱
状のケース１９を有している。ケース１９の測定対象で
あるガラス板３０に対向する位置には開口２０が設けら
れている。また、ケース１９の左右の内壁近傍には、左
右対称に２つのフォトダイオード１０，１１が配置され
ている。フォトダイオード１０，１１の受光面側には、
ピンホールを有するスリット２１，２２が配置されてい
る。また、ケース１９の中央には、半導体レーザ１２が
出射面を下方に向けて配置されている。半導体レーザ１
２の下方には、レーザ光をスポット状に集束するための
光学系２３が配置されている。光学系２３の下方には、
集束されたスポット光を左右に振り分けるとともに、振
り分けられた光を上下に偏向させるための回転ミラー２
４が配置されている。回転ミラー２４は、断面視正三角
形状をなしており、その１頂点が半導体レーザ１２に向
く位置を基準位置としている。

【００１３】この回転ミラー２４は、モータ１３によ
り、矢符Ａ方向に回転可能となっている。回転ミラー２
４の左右には、１対のハーフミラー２５，２６が配置さ
れている。ここでは、回転ミラー２４が矢符Ａで示す方
向に回転した場合には、まずハーフミラー２５がスキャ
ン光（偏向光）を受ける。さらに矢符Ａで示す方向に回
転を続けるとやがてハーフミラー２６がスキャン光を受
ける。ハーフミラー２５，２６で反射したレーザ光は、
ガラス板３０に出射され、ガラス板３０で正反射する。
この正反射光のうち、ハーフミラー２６，２５を通過し
スリット２２，２１を通過した光だけが、フォトダイオ
ード１１，１０で受光される。そして、受光時の回転ミ
ラー２４の回転位置により、図２に示す角度αと角度β
とが求められる。

【００１４】この角度α及び角度βはガラス板３０に出
射された光の出射角に相当し、これらが求められると、
スリット２１，２２間の線分を底辺とする三角形の形状
が一義的に定まる。また、ガラス板３０と底辺とに平行
な直線とのなす角度、つまりガラス板の傾きθは、（β
−α）／２により求められる。頂点Ｐの座標と傾きθと
が算出されると、ガラス板３０の表面に沿う直線が定ま
るので、開口２０の下面の中心位置からその下方のガラ
ス板３０までの距離Ｌが算出可能になる。

【００１５】また、図３に示すように、ガラス板３０の
場合には、表面からの反射光と裏面からの反射光とがフ
ォトダイオード１０，１１に入射するが、それぞれのフ
ォトダイオードでの検出時の角度α，α₁、β，β₁を
算出することにより、それぞれの頂点Ｐ，Ｐ₁と底辺と
の距離Ｄ，Ｄ₁とをそれぞれ算出できる。ただし、正確
な距離Ｄ₁を求めるために必要な情報であるガラス板３
０の屈折率ｎは予めＲＡＭ４またはＲＯＭ３に入ってい
るものとする。この結果、ガラス板３０の厚みｔを（Ｄ
₁−Ｄ）×ｃｏｓθにより算出可能になる。

【００１６】次に実施例１の制御動作について図４〜図
６に示すフローチャートに基づいて説明する。まず図４
のステップＳ１では、初期設定を行う。この初期設定で
は、たとえば測定モードが距離計測モードに設定され
る。ステップＳ２では、操作パネル５または加工機７か
らモード指令がなされたか否かを判断する。ステップＳ
３では、操作パネル５または加工機７からＲＵＮ指令が
なされたか否かを判断する。ステップＳ４では、操作パ
ネル５または加工機７から出力指令がなされたか否かを
判断する。出力指令がなされていないと判断した場合に
はステップＳ２に戻る。

【００１７】ステップＳ２でモード指令がなされたと判
断するとステップＳ５に移行する。ステップＳ５では、
指令されたモードをＲＡＭ４に記憶する。ステップＳ３
でＲＵＮ指令がなされたと判断するとステップＳ６に移
行する。ステップＳ６では、ＲＵＮ処理サブルーチンを
実行する。ＲＵＮ処理サブルーチンでは、図５のステッ
プＳ１１で、まずモータ１３を図２の矢符Ａ方向に駆動
するとともに、半導体レーザ１２を駆動する。これによ
り半導体レーザ１２から出射された光は回転ミラー２４
によりハーフミラー２５方向に偏向される。ステップＳ
１２では、フォトダイオード１１が反射光を受光したか
否かを判断する。フォトダイオードが反射光を受光しな
い場合には、ステップＳ１３に移行する。ステップＳ１
３では、回転ミラー２４が矢符Ａ方向に回転を続けてハ
ーフミラー２５へ光を反射させる限界位置に到達したか
否かを判断する。到達していない場合にはステップＳ１
２に戻る。

【００１８】ステップＳ１２で、フォトダイオード１１
が反射光を受光した場合にはステップＳ１４に移行す
る。ステップＳ１４では、受光したタイミングにおける
回転ミラー２４の回転角Ｒ_1iをロータリーエンコーダ１
４の出力により検出し、それをＲＡＭ４に記憶し、ステ
ップＳ１２に戻る。この記憶は、フォトダイオード１１
による受光の都度、回転ミラー２４が限界位置に到達す
るまで行われる。これにより、ガラス板３０の表面及び
裏面からの反射光を受光した際の回転角を記憶可能にな
る。

【００１９】ステップＳ１３で、限界位置に回転ミラー
２４が到達したと判断するとステップＳ１５に移行す
る。ステップＳ１５では、回転ミラー２４が回転を続
け、ハーフミラー２６の方向へ光が反射されるようにな
るまで一定時間待つ。ステップＳ１６では、フォトダイ
オード１０で反射光を受光したか否かを判断する。反射
光を受光していない場合にはステップＳ１７に移行す
る。ステップＳ１７では、ハーフミラー２６へ反射する
限界位置に回転ミラー２４が到達したか否かを判断す
る。到達していないと判断するとステップＳ１６に戻
る。

【００２０】ステップＳ１６で、フォトダイオード１０
で反射光を受光したと判断するとステップＳ１８に移行
する。ステップＳ１８では、そのときの回転ミラー２４
の回転角度Ｒ_2iをＲＡＭ４に記憶し、ステップＳ１６に
戻る。ステップＳ１７で、限界位置に到達したと判断す
るとステップＳ１９に移行する。ステップＳ１９では、
半導体レーザ１２の駆動を停止し、モータ１３を矢符Ａ
方向に回転駆動し、回転ミラー２４を基準位置（ＨＰ）
に戻し、メインルーチンに戻る。

【００２１】図４のステップＳ５で出力指令がなされた
と判断するとステップＳ７に移行する。ステップＳ７で
は、ＲＡＭ４に記憶したモードを読み出し、モードを判
断する。ここでは３種類のモードによる計測が可能とな
っている。モード１は、距離計測モードであり、図２に
示す距離Ｌを求めるモードである。モード２は、傾き計
測モードであり、図２に示す傾きθを求めるモードであ
る。モード３は、厚さ計測モードであり、図３に示すガ
ラス板３０の厚さｔを求めるモードである。

【００２２】ステップＳ７でモード１と判断した場合に
はステップＳ８に移行する。ステップＳ８では、距離計
測モードが実行される。距離計測モードでは、図６に示
すように、まずステップＳ３１で、ＲＡＭ４に記憶され
た回転角Ｒ₁₁及び回転角Ｒ₂₁から、スリット２１とスリ
ット２２とを結ぶ線分を底辺とし、点Ｐを頂点とする三
角形の底辺を挟む角度αと角度βとをそれぞれ算出す
る。角度α，βが算出されると、ステップＳ３２では、
頂点Ｐの座標を算出する。ステップＳ３３では、傾きθ
を求める。この傾きθは、角度βから角度αを減算し、
その減算結果を２で除すことにより算出される。ステッ
プＳ３４では、頂点Ｐの座標と傾きθとから、センサヘ
ッド１のケース１９の下面中心位置からガラス板３０の
表面までの距離Ｌを算出する。ここでは、頂点Ｐの座標
と傾きθとが判明しているので、ガラス板３０の表面に
沿う直線が定まり、その式により距離Ｌを算出できる。
ステップＳ３５では、算出された距離Ｌを表示部６や加
工機７に出力する。

【００２３】ここでは、三角形の２つの角度を算出する
ことにより、測定対象であるガラス板３０が傾いている
場合でも、正確に距離を測定することが可能になる。ま
た、扇状に広がるスキャン光により、距離計測している
ので、測定対象に対する測定範囲を広くとれる。さらに
ガラス板３０の裏面の反射光等が存在し、角度α₁，α
₂…、角度β₁，β₂…と多数の角度が求まった場合で
も、その中で最小となる角度α₁，β₁の組合せで計算
することにより、背景の影響を受けずにガラス板３０の
表面までの距離のみを出力することが可能である。

【００２４】図４のステップＳ７でモード２と判定され
た場合にはステップＳ９に移行する。ステップＳ９で
は、図６に示す傾き計測モードが実行される。ここで
は、回転角Ｒ₁₁及び回転角Ｒ₂₁からそれぞれ角度α及び
角度βがステップＳ３１と同様の計算方法により算出さ
れる。ステップＳ４２では、ステップＳ３３と同様な計
算方法により傾きθが算出される。ステップＳ４３で
は、傾きθを表示部６または加工機７に出力する。ステ
ップＳ４３での処理が終了するとメインルーチンに戻
る。

【００２５】図４のステップＳ７でモード３と判定され
た場合にはステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０
では、図６に示す厚さ計測モードが実行される。この厚
さ計測モードでは、図３に示すように、ガラス板３０の
表面から反射した光と、ガラス板３０の裏面から反射し
た光とに関する角度α，α₁と角度β，β₁とから厚さ
ｔを求める。なお、ガラス板３０の屈折率ｎについて
は、既知のものとする。

【００２６】厚さ計測モードでは、図６に示すようにま
ずステップＳ５１で、回転角Ｒ₁₁及び回転角Ｒ₂₁からそ
れぞれ角度α及び角度βを算出する。ステップＳ５２で
は、回転角Ｒ₁₂及び回転角Ｒ₂₂からそれぞれ角度α₁及
び角度β₁を算出する。ここで回転角Ｒ₁₂は、α側の角
度の２番目に小さい角度に対応する回転ミラー２４の回
転角である。また、Ｒ₂₂は同様にβ側の２番目に小さい
角度に対応する回転ミラー２４の回転角である。

【００２７】ステップＳ５３では、角度α，βにより三
角形の頂点Ｐの座標を算出する。ステップＳ５４では、
角度α₁，β₁により、裏面の頂点Ｐ₁の座標を算出す
る。ステップＳ５５では、頂点Ｐ及び頂点Ｐ₁から底辺
までの距離Ｄ及びＤ₁をそれぞれ算出する。ステップＳ
５６では、傾きθを求める。ステップＳ５７では、ステ
ップＳ５５で算出したＤ₁とＤとの差と傾きθとによ
り、厚さｔを算出する。ステップＳ５８では、算出した
厚さｔを表示部６または加工機７に出力する。

【００２８】ここでは、表面からの正反射光を受光する
ことにより、その反射光の出射角を求め、厚さを算出し
ている。このため、透明体であっても、確実に厚さ計測
が可能になる。実施例２実施例１では、偏向光を用い、偏向光を受光したタイミ
ングにより光の出射角を算出し距離を求めたが、ここで
は、扇状に広がる出射光を用い、受光部への入射角度を
位置検出素子で検出することにより、三角形の角度α及
び角度βを求める。

【００２９】実施例２を示す図７において、半導体レー
ザ１２の下方には、光学系２７が配置されている。光学
系２７は、半導体レーザ１２から出射された光をスポッ
ト光に集束するとともに、シリンドリカルレンズを用い
てスポット光を扇状に広げる機能を有している。光学系
２７により扇状に広げられた光は、切り換えミラー３１
に出射される。切り換えミラー３１は、実線で示す位置
と、点線で示す位置とを交互に移動する。切り換えミラ
ー３１が実線で示す位置に位置決めされた場合には、切
り換えミラー３１で反射した光は、ハーフミラー２５に
投影される。

【００３０】また、点線で示す位置に位置決めされた場
合には、ハーフミラー２６に投影される。ハーフミラー
２５（またはハーフミラー２６）で反射し、さらに透明
体３０で反射した光は、ハーフミラー２６（またはハー
フミラー２５）及びスリット２２（またはスリット２
１）を介して位置検出素子２９（または位置検出素子２
８）に投影される。なお、位置検出素子２８，２９とし
ては、ＣＣＤラインセンサや半導体位置検出素子（ＰＳ
Ｄ）を用いることができる。ここで、ＣＣＤラインセン
サを位置検出素子２９として用いた場合には、たとえば
表面からの反射光と裏面からの反射光とを受光した場合
にも、別々にそれらの受光位置を検出可能になる。この
ため、ガラス板３０の厚さｔを検出可能になる。

【００３１】このように構成された実施例では、半導体
レーザ１２から出射され、切り換えミラー３１及びハー
フミラー２５，２６で反射しガラス板３０から反射され
た光のうち、スリット２２，２１を透過した光だけが位
置検出素子２９，２８で受光され、その受光位置が検出
可能になる。そして、その受光位置により、角度α及び
角度βがそれぞれ算出可能になる。角度α及び角度βが
算出されると、スリット２１とスリット２２とを結ぶ線
分を底辺とする三角形が一意に定まり、距離Ｌを算出す
ることが可能になる。また、傾きθも算出可能になる。
さらにＣＣＤラインセンサを用いた場合には、厚さｔも
算出可能になり、透明体の背景の影響を受けなくするこ
ともできる。

【００３２】実施例３実施例２では、１つの光源（半導体レーザ１２）からの
光を、切り換えミラー３１により左右に切り換えたが、
ここでは、２つの半導体レーザ１２ａ，１２ｂを設け、
扇状の光を別々にハーフミラー２５，２６に対して出射
する構成としている。その他の構成及び動作について
は、実施例２と同様であり、説明を省略する。

【００３３】実施例４実施例４を示す図９において、半導体レーザ１２は、出
射面を水平方向に向けて配置されている。半導体レーザ
１２の図２左方には、光学系１２が配置されている。光
学系１２は、半導体レーザ１２から出射された光をスポ
ット光に集束するためのものである。光学系１２の出射
側には、ポリゴンミラー３２が配置されている。ポリゴ
ンミラー３２は、図示しないモータにより紙面と垂直な
軸回りに回転駆動される。ポリゴンミラー３２で反射
（偏向）した光は、ガラス板３０で反射され、スリット
２２を介して位置検出素子２９に投影される。

【００３４】このような構成において、スリット２２を
介して入射した光の位置により、入射の角度βが算出さ
れ、そのときのポリゴンミラー３２の回転角度により、
出射の角度αが算出可能である。これにより、ポリゴン
ミラー３２の反射位置とスリット２２とを結ぶ線分を底
辺とする三角形が定まり、距離を算出可能になる。この
実施例においても、傾きθを検出可能であるとともに、
位置検出素子としてＣＣＤラインセンサを用いた場合に
は、ガラス板３０の厚さｔも検出可能になる。

【００３５】〔他の実施例〕（ａ）前記実施例では、一方向の傾きを検出するよう
に構成したが、これらの構成を２組直交方向に配置する
ことにより、平面の傾きを検出可能になる。（ｂ）前記実施例では、センサヘッドを固定とした
が、センサヘッドを垂直軸回りに回転する構成としても
よい。この場合には、平面内の任意の方向における距離
及び傾きを検出可能になる。（ｃ）前記実施例において、図２の紙面と直交方向に
傾きをもった測定対象に対して、紙面方向の距離及び傾
きを検出する場合には、フォトダイオードや位置検出素
子等の受光素子の面積を大きくすればよい。また、スキ
ャン光または扇状光のスポットを紙面直交方向に対して
広がりをもった楕円光にしてもよい。さらに、スリット
の穴をピンホールではなく長穴にしてもよい。これによ
り、紙面と直交方向に傾きをもった測定対象において
も、距離及び紙面方向の傾きを確実に検出することがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係る光学式距離測定装置では、
２点の角度を測定し、その測定結果と２点間の距離とか
ら測定対象までの距離を演算しているので、測定対象が
傾いた透明体であっても、正確に距離を検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光学式距離測定装置を
示すブロック図。

【図２】そのセンサヘッドの光学系の構成を示す断面概
略図。

【図３】その検出原理を示す概略図。

【図４】その制御フローチャート。

【図５】その制御フローチャート。

【図６】各モードの制御フローチャート。

【図７】実施例２の図２に相当する図。

【図８】実施例３の図２に相当する図。

【図９】実施例４の図２に相当する図。

【符号の説明】

１制御部２センサヘッド１０，１１フォトダイオード１２半導体レーザ１４ロータリーエンコーダ２８，２９位置検出素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象に光を出射し、前記測定対象から
の正反射光を受光して前記測定対象までの距離を測定す
る光学式距離測定装置であって、発光手段と受光手段とを有し、前記発光手段及び受光手
段に関係づけられる２点と前記測定対象とを頂点とする
三角形の前記２点の角度を測定するための角度測定手段
と、前記角度測定手段で測定された前記２点の角度と前記２
点間の距離とから、前記測定対象までの距離を演算する
距離演算手段と、を備えた光学式距離測定装置。