JPH0629689B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

光学式変位測定装置

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JPH0629689B2
JPH0629689B2 JP14984987A JP14984987A JPH0629689B2 JP H0629689 B2 JPH0629689 B2 JP H0629689B2 JP 14984987 A JP14984987 A JP 14984987A JP 14984987 A JP14984987 A JP 14984987A JP H0629689 B2 JPH0629689 B2 JP H0629689B2
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敏嗣 植田
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光などの光を使用してターゲットの変
位量を測定する光学式変位測定装置に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
この種の光学式変位測定装置の一例としては、第3図に
示す如き装置が実用化されている。図において、TGは
X,Yの二方向に変位するターゲット、1はレーザ光な
どの光を出射する光源、21,22はハーフミラー、31,32は
レンズ、4は絞り、5X,5Yはイメージセンサ、6はイメ
ージセンサ5X,5Yの出力からターゲットTGの変位量に応
じた出力信号を発生する信号処理回路である。また、タ
ーゲットTGの表面には変位量の検出を容易にするため
に、格子模様の書かれた再帰反射性のテープが貼られて
いる。図に示す装置は、イメージセンサ5X,5Y上にター
ゲットTGの像を結ばせ、その像の動きをイメージセンサ
5X,5Yにより直接検出するようにしたものである。すな
わち、光源1から出射された光は、ハーフミラー21を介
してターゲットTGに照射される。また、ターゲットTGに
より反射された光はハーフミラー21を通過した後、レン
ズ31、絞り4およびレンズ32を通り、ハーフミラー22で
2つに分けられ、それぞれイメージセンサ5X,5Y上にタ
ーゲットTGの像(格子像)を結ぶ。この像はターゲット
TGのX,Y方向の変位に応じてイメージセンサ5X,5Y
を移動し、イメージセンサ5X,5Yはそれぞれ像のX方向
またはY方向の動きに対して感度を持つように配置され
ている。さらに、イメージセンサ5X,5Yの出力はそれぞ
れ信号処理回路6に印加され、ターゲットTGの変位量と
して出力される。したがって、ターゲットTGにおける2
次元の変位量を非接触で、しかも高精度に検出すること
ができる。
第4図はイメージセンサ5X,5Y部分の具体例を示す構成
図である。なお、イメージセンサ5X,5Yはその配置方向
が90°異なるだけで、回路構成としては全く同一である
ので、ここでは、一方のイメージセンサ5Xのみを示し
た。図において、51はフォトダイオードなどの受光素子
PD1〜PDnがアレイ状に配列されたフォトダイオードアレ
イ(以下、PDAと略記する)であり、これらの受光素子P
D1〜PDnは、例えば、8番目の素子毎に接続され、8つ
にグループ化されている。521〜528は受光素子PD1〜PDn
における各グループの出力電流をそれぞれ電圧信号に変
換するバッファアンプ、531,532はバッファアンプ521
528の出力を走査するスイッチ、541,542はスイッチ531,
532により選択された受光素子の出力を加算する加算
器、551は加算器541,542の出力を減算する減算器であ
る。
ここで、スイッチ531,532を第5図に示す如きタイミン
グで走査させると、PDA51は空間フィルタの特性を有す
るようになり、減算器551からは図中に示す如き階段状
の出力信号Sxが得られる。この階段状の出力信号Sxにお
いては、その位相がターゲットTGの変位量に対応したも
のとなるので、この位相を検出することにより、ターゲ
ットTGの変位量を知ることができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、このような光学式変位測定装置では、受
光素子PD1〜PDnの出力をスイッチ531,532で走査するこ
とにより、PDA51に空間フィルタの特性を持たせ、格子
像の位置情報を位相情報に変換するようにしているの
で、次のような欠点を有している。
PDA51により位相情報を離散化しているので、位相を
正確に再現するためには、受光素子PD1〜PDnの数を増や
さなければならない。
位相情報の補間を行なうために、高次のフィルタが必
要である。
スイッチングノイズの影響が大きいため、受光素子PD
1〜PDnの出力電流を一旦電圧信号に変換するバッファア
ンプ521〜528が必要となり、回路が複雑になってしま
う。
位相情報のサンプリング速度は走査周波数で決まる
が、スイッチ531,532のスイッチング速度で制限され、
あまり速くすることはできない。
スイッチング回路や信号処理回路などの回路規模が大
きくなってしまう。
本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、スイ
ッチング動作を必要としないとともに、受光素子の数を
減らし、回路構成を簡素化することのできる光学式変位
測定装置を実現することを目的としたものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の光学式変位測定装置は、格子模様の書かれた再
帰反射性のテープが貼られたターゲットに光を照射する
とともにその反射光を利用してイメージセンサ上にター
ゲットの像を結ばせターゲットの変位に応じた結像の動
きをイメージセンサにより検出するようにした光学式変
位測定装置において、光源の光強度を前記ターゲットの
変位速度に比べて高い周波数で振幅変調する光源ドライ
バと、結像される格子像における光強度分布の一周期を
4等分するように配列され前記イメージセンサを構成す
る4つの受光素子と、この4つの受光素子の中から1つ
置き同士の受光素子の出力信号を減算する2つの減算器
と、この減算器のうちの一方の減算器の出力信号を90°
移相させる移相器と、この移相器の出力信号と前記2つ
の減算器のうちの他方の減算器の出力信号とを加算する
加算器と、この加算器の出力信号から前記光源の変調周
波数に応じた周波数成分の信号を抽出する高域通過フィ
ルタとを具備し、前記光源の変調信号と前記高域通過フ
ィルタの出力信号との位相差からターゲットの変位量を
検出するようにしたものである。
〔作用〕
このように、光源の光強度を一定周波数で振幅変調する
とともに、結像する格子像の1ピッチを4等分するよう
に4つの受光素子を配置し、これらの出力信号を90°移
相回路を介して演算すると、格子像の位置に対応した位
相情報を得ることができ、スイッチング動作を行なうこ
となく、簡単な回路構成で、ターゲットの変位量を検出
することができる。
〔実施例〕
第1図は本発明の光学式変位測定装置の一実施例を示す
構成図である。図において、前記第3図および第4図と
同様のものは同一符号を付して示す。11は光源1の光強
度をターゲットTGの変位速度に比べて高い周波数の信号
SEで振幅変調する光源ドライバ、PD1〜PD4は結像される
格子像における光強度分布の一周期を4等分するように
配列された4つの受光素子、551,552はこの4つの受光
素子PD1〜PD4の中から1つ置き同士の受光素子の出力信
号を減算する減算器、56はこの減算器551,552のうちの
一方の減算器552の出力信号を90°移相させる移相器、5
41はこの移相器56の出力信号SBと他方の減算器551の出
力信号SAとを加算する加算器、57はこの加算器541の出
力信号SHから光源1の変調周波数に応じた周波数成分の
信号Scを抽出する高域通過フィルタ、61は高域通過フィ
ルタ57の出力信号SCを一定の基準レベルVrと比較する比
較器、62は光源ドライバ11により発生されるスタートパ
ルスSGを基にして、比較器出力SDの位相を測定するカウ
ンタである。
なお、図中に受光素子PD1〜PD4の位置に対応させて描い
た波形は、イメージセンサ上に結像する格子像の光強度
の分布を示したものである。すなわち、格子像において
は、光の散乱などのために、明暗の境目がぼけ、その光
強度分布は図のように正弦波で近似できる。また、前記
したように、4つの受光素子PD1〜PD4は光強度分布の一
周期を4等分するように配列されている。このため、各
受光素子PD1〜PD4の出力i1〜i4は90°ずつの位相差を持
ったものとなり、次式のように表わされる。
i1=(cosx+1)a i2={cos(x+π/2)+1}a i3={cos(x+π)+1}a i4={cos(x+3π/2)+1}a x:受光素子PD1〜PD4と格子像との相対位置 a:光源1の光強度 ここで、第2図に示す如く、光源1の光強度aを(sin
ωt+1)なる信号SEで変調すると、受光素子PD1〜PD4
の出力i1〜i4は次式のように変化する。
i1=(cosx+1)(sinωt+1) i2={cos(x+π/2)+1}(sinωt+1) i3={cos(x+π)+1}(sinωt+1) i4={cos(x+3π/2)+1}(sinωt+1) したがって、この出力i1とi3とを減算した減算器551
出力SAは、 SA=i1−i3 =2cosxsinωt+2cosx 同様に、減算器552の出力を90°移相した移相器56の出
力SBは、 SB=2sinxcosωt+2sinx となる。また、これらの出力SA,SBを加算する加算器541
の出力SHは、 SH=2sin(ωt+x)+2(sinx+cosx) となる。ここで、前記したように、光源1の変調角周波
数ωはターゲットTGの変位速度dx/dtに比べて高い値dx
/dt≪ωとなるように選ばれているので、高域通過フィ
ルタ57より得られる信号Scは、 Sc=2sin(ωt+x) となる。
上式から明らかなように、出力信号ScにはターゲットTG
の変位量に応じた位相情報が含まれており、この位相を
測定することにより、ターゲットTGの変位量を知ること
ができる。
ここでは、カウンタ62を使用してこの位相を測定してい
る。第2図に示されるように、光源ドライバ11は変調信
号SEの発生と同時にスタートパルスSGを発生する。比較
器61は高域通過フィルタ57の出力信号Scを一定レベルVr
(この場合はVr=0)と比較し、その位相に応じた比較
出力SDを発生する。カウンタ62はスタートパルスSGの立
下りでカウントを開始し、比較器出力SDの立上りでカウ
ントを終了する。したがって、カウンタ62の出力は光源
1の変調信号SEに対する出力信号Scの位相差xに対応し
たものとなっており、これからターゲットTGの変位量を
求めることができる。
このように、光源1の光強度を一定周波数で振幅変調す
るとともに、結像する格子像の1ピッチを4等分するよ
うに4つの受光素子PD1〜PD4を配置し、これらの出力信
号i1〜i4を90°移相器56を介して演算すると、格子像の
位置xに対応した位相情報を得ることができ、スイッチ
ング動作を行なうことなく、簡単な回路構成で、ターゲ
ットTGの変位量を検出することができる。また、スイッ
チによる走査を行なっていないので、サンプリング速度
を速くすることができる。さらに、PDA51における空間
フィルタの1ピッチを4つの受光素子PD1〜PD4により構
成することができるので、PDA51の小型化および高分解
能化が可能となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の光学式変位測定装置で
は、格子模様の書かれた再帰反射性のテープが貼られた
ターゲットに光を照射するとともにその反射光を利用し
てイメージセンサ上にターゲットの像を結ばせターゲッ
トの変位に応じた結像の動きをイメージセンサにより検
出するようにした光学式変位測定装置において、光源の
光強度を前記ターゲットの変位速度に比べて高い周波数
で振幅変調する光源ドライバと、結像される格子像にお
ける光強度分布の一周期を4等分するように配列され前
記イメージセンサを構成する4つの受光素子と、この4
つの受光素子の中から1つ置き同士の受光素子の出力信
号を減算する2つの減算器と、この減算器のうちの一方
の減算器の出力信号を90°移相させる移相器と、この移
相器の出力信号と前記2つの減算器のうちの他方の減算
器の出力信号とを加算する加算器と、この加算器の出力
信号から前記光源の変調周波数に応じた周波数成分の信
号を抽出する高域通過フィルタとを具備し、前記光源の
変調信号と前記高域通過フィルタの出力信号との位相差
からターゲットの変位量を検出するようにしているの
で、スイッチング動作を行なうことなく、格子像の位置
に対応した位相情報を得ることができ、簡単な回路構成
で、ターゲットの変位量を検出することができる光学式
変位測定装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の光学式変位測定装置の一
実施例を示す構成図および波形図、第3図〜第5図は従
来の光学式変位測定装置の一例を示す構成図および波形
図である。 TG……ターゲット、1……光源、11……光源ドライバ、
21,22……ハーフミラー、31,32……レンズ、4……絞
り、5X,5Y……イメージセンサ、51……フォトダイオー
ドアレイ、PD1〜PDn……受光素子、521〜528……バッフ
ァアンプ、531,532……スイッチ、541〜542……加算
器、551,552……減算器、56……移相器、57……高域通
過フィルタ、6……信号処理回路、61……比較器、62…
…カウンタ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】格子模様の書かれた再帰反射性のテープが
    貼られたターゲットに光を照射するとともにその反射光
    を利用してイメージセンサ上にターゲットの像を結ばせ
    ターゲットの変位に応じた結像の動きをイメージセンサ
    により検出するようにした光学式変位測定装置におい
    て、光源の光強度を前記ターゲットの変位速度に比べて
    高い周波数で振幅変調する光源ドライバと、結像される
    格子像における光強度分布の一周期を4等分するように
    配列され前記イメージセンサを構成する4つの受光素子
    と、この4つの受光素子の中から1つ置き同士の受光素
    子の出力信号を減算する2つの減算器と、この減算器の
    うちの一方の減算器の出力信号を90°移相させる移相器
    と、この移相器の出力信号と前記2つの減算器のうちの
    他方の減算器の出力信号とを加算する加算器と、この加
    算器の出力信号から前記光源の変調周波数に応じた周波
    数成分の信号を抽出する高域通過フィルタとを具備し、
    前記光源の変調信号と前記高域通過フィルタの出力信号
    との位相差からターゲットの変位量を検出するようにし
    てなる光学式変位測定装置。
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