JPH0663764B2 - Optical ring type non-contact measuring sensor - Google Patents

Optical ring type non-contact measuring sensor

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JPH0663764B2
JPH0663764B2 JP4573190A JP4573190A JPH0663764B2 JP H0663764 B2 JPH0663764 B2 JP H0663764B2 JP 4573190 A JP4573190 A JP 4573190A JP 4573190 A JP4573190 A JP 4573190A JP H0663764 B2 JPH0663764 B2 JP H0663764B2
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optical axis
slit
optical
sensor
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隆志 三好
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は位置測定装置に関し、特に光学的に非接触で被
測定面の位置を測定する非接触測長センサーに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a position measuring device, and more particularly to a non-contact length measuring sensor for optically measuring the position of a surface to be measured in a non-contact manner.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第3図、第4図はそれぞれこの種の非接触測長センサー
の従来例を示す図である。
3 and 4 are views showing conventional examples of this type of non-contact length measuring sensor.

第3図で示されているものは、三角測量の原理を用い、
被測定面の位置の変化による入射角θの変化を光電変換
素子を用いて測定するものである。この原理によるとレ
ーザビームの照射光軸と非測定位置と光電変換素子とを
結ぶ直線とのなす角度φが大きい程、測定感度は高くな
るが、角度φが大きいと被測定表面で反射されたレーザ
ビームが、被測定位置の近傍にある突出部によって遮ら
れて光電変換素子に入射できなくなるシャドウ効果を生
ずるという欠点がある。また、被測定面が傾斜している
場合、レーザスポットを光電変換素子から見ると楕円と
なるので、どこを中心とするかで測定精度が劣るという
欠点もある。
The one shown in Figure 3 uses the principle of triangulation,
The photoelectric conversion element is used to measure the change in the incident angle θ due to the change in the position of the surface to be measured. According to this principle, the measurement sensitivity increases as the angle φ formed by the irradiation optical axis of the laser beam and the straight line connecting the non-measurement position and the photoelectric conversion element increases, but when the angle φ is large, it is reflected on the surface to be measured. There is a drawback in that the laser beam is blocked by the protrusions near the measured position and causes a shadow effect that prevents the laser beam from entering the photoelectric conversion element. Further, when the surface to be measured is tilted, the laser spot becomes an ellipse when viewed from the photoelectric conversion element, so that there is a drawback that the measurement accuracy is poor depending on where the center is located.

第4図のものは第3図のものの原理の欠点を克服するた
め考案された光学式非接触センサーであるが、レーザ光
の当る被測定面の粗さなどによっては、理想的散乱光と
ならないため、CCDラインセンサーで受光する光が第5
図(a)に示すように十分な強度と良好な分布になら
ず、第5図(b)に示すようになり計測精度が落ちるこ
とがある。この場合の実用上の対策として、良好な光の
みを採用するために光軸に対称に複数の光路系及びCCD
ラインセンサーを用いなければならないという欠点があ
る。
FIG. 4 shows an optical non-contact sensor designed to overcome the drawback of the principle of FIG. Therefore, the light received by the CCD line sensor is the fifth
As shown in FIG. 5A, sufficient strength and good distribution are not obtained, and as shown in FIG. 5B, the measurement accuracy may deteriorate. As a practical measure in this case, in order to adopt only good light, a plurality of optical path systems and CCDs are symmetrical with respect to the optical axis.
It has the drawback of having to use a line sensor.

本発明は上記欠点のない非接触測長センサーである光リ
ング式非接触センサーを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide an optical ring type non-contact sensor which is a non-contact length measuring sensor without the above-mentioned drawbacks.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

本発明の光リング式非接触測長センサーは、入射する平
行レーザ光線を被測定面に出射し、被測定面から反射さ
れたレーザ光線を受光する第1の凸レンズと、平行レー
ザ光線を発生し、第1の凸レンズの光軸に沿った前記平
行レーザ光線を第1の凸レンズに入射させる照射装置
と、第1の凸レンズに対して被測定面の反対側に第1の
凸レンズの焦点距離離てて、前記光軸に垂直な面上に配
設され、前記光軸を中心とし所定の半径を有する環状の
スリットと、前記光軸に中心を合わせ前記スリットに対
して第1の凸レンズの反対側の位置に置かれた第2の凸
レンズと、第2の凸レンズに対し前記スリットの反対側
に第2の凸レンズの焦点距離離てて、前記光軸に垂直な
面上に配設され、前記光軸に中心を合わされたプレート
状の光センサーと、前記光センサーからの信号をうけ、
前記光センサー上に形成された前記スリットの結像の半
径を求める演算装置とを有する。
The optical ring type non-contact length measuring sensor of the present invention emits an incident parallel laser beam to a surface to be measured, generates a parallel laser beam, and a first convex lens which receives a laser beam reflected from the surface to be measured. An irradiation device for making the parallel laser beam along the optical axis of the first convex lens incident on the first convex lens, and a focal length of the first convex lens on the opposite side of the surface to be measured with respect to the first convex lens. An annular slit disposed on a surface perpendicular to the optical axis and having a predetermined radius with the optical axis as a center, and an opposite side of the first convex lens with respect to the slit centered on the optical axis And a second convex lens placed at a position on the surface opposite to the slit with respect to the second convex lens on the surface perpendicular to the optical axis with the focal length of the second convex lens separated. A plate-shaped optical sensor centered on the axis, Receiving a signal from the serial light sensor,
And an arithmetic unit for obtaining the radius of the image of the slit formed on the optical sensor.

〔作用〕[Action]

距離測定の対象面から反射されるレーザ光は、第1の凸
レンズで集光され、環状スリットに対応する光のみが第
2の凸レンズにより、さらに集光され、CCDエリアセン
サー上に環状スリットに対応する環状の結像を形成し、
この結像に基づく信号がCCDエリアセンサーから読み出
され、演算装置により、対象面からの距離に対応して変
化する結像の半径が算出される。
The laser light reflected from the target surface for distance measurement is condensed by the first convex lens, and only the light corresponding to the annular slit is further condensed by the second convex lens, which corresponds to the annular slit on the CCD area sensor. Form an annular image that
A signal based on this image formation is read from the CCD area sensor, and the arithmetic unit calculates the radius of the image formation that changes corresponding to the distance from the target surface.

さらにこの原理を第2図を参照して詳細に説明すると、
環状スリットは第1の凸レンズの焦点距離f離てて、
第1の凸レンズの光軸に垂直な面上に置かれ、光軸を中
心とした半径aの環状となっている。第2の凸レンズ
は、光軸が第1の凸レンズの光軸と重なるように、環状
スリットから距離lだけ離てて置かれる。第2の凸レン
ズの結像面は第2の凸レンズの焦点距離f離てて光軸
に垂直になるように設定されている。このような光学系
においては被測定面が焦点距離fから距離z変位す
ると第1の凸レンズにおけるニュートンの結像式から式
(1)が成立する。
Further explaining this principle in detail with reference to FIG.
The annular slit is separated by the focal length f 1 of the first convex lens,
It is placed on a surface perpendicular to the optical axis of the first convex lens, and has an annular shape with a radius a around the optical axis. The second convex lens is placed at a distance l from the annular slit such that the optical axis of the second convex lens overlaps the optical axis of the first convex lens. The image forming surface of the second convex lens is set to be perpendicular to the optical axis with the focal length f 2 of the second convex lens being separated. In such an optical system, when the surface to be measured is displaced by the distance z 1 from the focal length f 1, the formula (1) is established from the Newton's image formation formula in the first convex lens.

△SCQと△FESの相似形から式(2)が成立する。 Equation (2) is established from the analogy of △ SCQ and △ FES.

式(1),(2)から式(3)が成立する。 Expression (3) is established from Expressions (1) and (2).

スリットSにおける像が第2の凸レンズによって結像す
る位置は虚像点Vであるから、ニュートンの結像式を使
って式(4)が成立する。
Since the position where the image in the slit S is formed by the second convex lens is the virtual image point V, the formula (4) is established by using the Newton's image formation formula.

△CRTと△VUTの相似形から式(5)が成立する。 Equation (5) is established from the analogy of ΔCRT and ΔVUT.

△PQRと△PVUの相似形から式(6)が成立する。 Equation (6) is established from the analogy of ΔPQR and ΔPVU.

△PQRと△PWTの相似形から式(7)が成立する。 Equation (7) is established from the analogy of ΔPQR and ΔPWT.

式(4),(5),(6),(7)から式(8)が成立
する。
The expression (8) is established from the expressions (4), (5), (6), and (7).

さらに式(3),(8)から式(9)が導かれる。 Further, equation (9) is derived from equations (3) and (8).

この式(9)は変位zとリング結像の半径rが線型の
関係になることを示している。したがってZはrから
容易に求められる。
This expression (9) indicates that the displacement z 1 and the radius r of the ring image have a linear relationship. Therefore, Z 1 can be easily obtained from r.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明の光リング式非接触測長センサーの一実
施例を示す構成図である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical ring type non-contact length measuring sensor of the present invention.

He−Neレーザ9から出射されたレーザビーム12は微少ミ
ラー10,11で反射し、第1の凸レンズ1(焦点距離
)の光軸2上に出射され、測定対象物13の被測定面
Sで散乱光として反射される。この反射光のうちスリッ
トプレート3に設けられた環状のスリットであるリング
スリット4(光軸2を中心として半径20mm、スリット幅
0.2mm)を通過した環状の光のみが第2の凸レンズ5
(焦点距離f)を通過して光軸2に垂直な垂直プレー
ト6に取り付けられたCCDエリアセンサー7にリング状
の結像を形成する。
The laser beam 12 emitted from the He-Ne laser 9 is reflected by the minute mirrors 10 and 11, emitted on the optical axis 2 of the first convex lens 1 (focal length f 1 ), and the measured surface of the measuring object 13 is measured. S is reflected as scattered light. Of this reflected light, a ring slit 4 which is an annular slit provided on the slit plate 3 (a radius of 20 mm around the optical axis 2 and a slit width
Only the circular light that has passed through 0.2 mm) is the second convex lens 5
A ring-shaped image is formed on the CCD area sensor 7 attached to the vertical plate 6 that passes through the (focal length f 2 ) and is perpendicular to the optical axis 2.

被測定面S,第1の凸レンズ1,スリットプレート3,第2の
凸レンズ5およびCCDエリアセンサー7の各間隔はそれ
ぞれz+f,f,l,fで本実施例ではf=70mm,f
=120mm、l=30mmとした。従って前述の式(9)を
用いて式(10)が得られる。
The intervals between the surface to be measured S, the first convex lens 1, the slit plate 3, the second convex lens 5, and the CCD area sensor 7 are z 1 + f 1 , f 1 , l, f 2 , respectively, and in this embodiment, f 1 = 70mm, f
2 = 120 mm and l = 30 mm. Therefore, the equation (10) is obtained by using the above equation (9).

r=0.49z ……(10) CCDエリアセンサーとしては1/2インチ38万画素(13.
7μm/1画素)のものを使用し分解度は786(H)×48
8(V)である。従って(10)式から測長範囲 のセンサーが得られる。
r = 0.49z 1 (10) As a CCD area sensor, 1/2 inch 380,000 pixels (13.
7μm / 1 pixel) and resolution is 786 (H) × 48
It is 8 (V). Therefore, from formula (10), measuring range The sensor of is obtained.

CCDエリアセンサーで得られるリングの画像から演算装
置8で半径rを求めるが、反射光の内十分な強度をもた
ないもの、スペックル現象により干渉をうけた不適な値
のものは除外して、残された良質のデータから最小2乗
法などを使って高精度の測定値を得られる。
The radius r is calculated from the ring image obtained by the CCD area sensor by the arithmetic unit 8, but excludes the reflected light that does not have sufficient intensity and the inappropriate value that is interfered by the speckle phenomenon. , High-accuracy measurement values can be obtained from the remaining good quality data by using the least squares method.

したがって、求められたrからzが求まりfは既知
であるから距離(z+f)も求まる。
Therefore, z 1 is obtained from the obtained r, and f 1 is known, so the distance (z 1 + f 1 ) is also obtained.

なお、この発明においては結像抽出のためのプレート状
の光センサーは平面的な光電センサーであればよくCCD
エリアセンサーには限られることはない。
In the present invention, the plate-like optical sensor for image formation extraction may be a flat photoelectric sensor, CCD
It is not limited to area sensors.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、光軸を一致するように配
設した第1,第2の凸レンズ間に環状のスリットを配設
し、第2の凸レンズの焦点距離の位置にプレート状の光
センサーを配設し、被測定面から反射されてくるレーザ
ビームを第1の凸レンズ,環状スリット,第2の凸レン
ズを通過させ、光センサー上に形成された環状スリット
の像の半径の大きさを演算装置により算出することによ
り、下記の効果がある。
As described above, according to the present invention, an annular slit is provided between the first and second convex lenses arranged so that their optical axes coincide with each other, and the plate-shaped light is provided at the focal length position of the second convex lens. A sensor is provided, and the laser beam reflected from the surface to be measured is passed through the first convex lens, the annular slit, and the second convex lens to determine the size of the radius of the image of the annular slit formed on the optical sensor. The following effects can be obtained by calculating with a computing device.

1.光センサー上の結像の半径と被測定面の変位は線型の
関係になり、装置の調整が容易になるとともに該半径か
ら変位を求める演算が容易になる。
1. The radius of the image formed on the optical sensor and the displacement of the surface to be measured have a linear relationship, which facilitates the adjustment of the device and facilitates the calculation of the displacement from the radius.

2.環状のスリットとプレート状の光センサーを用いるこ
とにより、半径に関する情報は360゜全角度において得
られるので被測定面の性状(粗さなど)によっては良好
な反射光が得られない角度があっても、そのようなデー
タを除外して精度の高い測長ができる。
2. By using an annular slit and a plate-shaped optical sensor, information about the radius can be obtained at all angles of 360 °, so depending on the properties of the surface to be measured (roughness, etc.), there may be angles where good reflected light cannot be obtained. Even if there is such data, it is possible to measure with high accuracy by excluding such data.

3.レーザ光を出射する軸と受光軸が同一であるから三角
測量法におけるシャドウ効果や急傾斜面での精度劣化な
どが起らない。
3. Since the axis for emitting laser light and the axis for receiving light are the same, the shadow effect in triangulation and the deterioration of accuracy on steep slopes do not occur.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の光リング式非接触測長センサーの一実
施例を示す構成図、第2図は本発明の原理を説明する
図、第3図,第4図はそれぞれ従来例を示す図、第5図
(a),(b)は第4図の動作を説明する図である。 1……第1の凸レンズ、 2……光軸、 3……スリットプレート、 4……リングスリット、 5……第2の凸レンズ、 6……垂直プレート、 7……CCDエリアセンサー、 8……演算装置、 9……He−Neレーザ、 10,11……微小ミラー、 12……レーザビーム。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical ring type non-contact length measuring sensor of the present invention, FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the present invention, and FIGS. 3 and 4 are conventional examples. FIGS. 5 (a) and 5 (b) are views for explaining the operation of FIG. 1 ... First convex lens, 2 ... Optical axis, 3 ... Slit plate, 4 ... Ring slit, 5 ... Second convex lens, 6 ... Vertical plate, 7 ... CCD area sensor, 8 ... Arithmetic unit, 9 ... He-Ne laser, 10, 11 ... Micro mirror, 12 ... Laser beam.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】入射する平行レーザ光線を被測定面に出射
し、被測定面から反射されたレーザ光線を受光する第1
の凸レンズ(1)と、 平行レーザ光線を発生し、第1の凸レンズ(1)の光軸
(2)に沿った前記平行レーザ光線を第1の凸レンズ
(1)に入射させる照射装置(9,10,11)と、 第1の凸レンズ(1)に対して被測定面の反対側に第1
の凸レンズ(1)の焦点距離(f)離てて、前記光軸
(2)に垂直な面(3)上に配設され、前記光軸(2)
を中心とし所定の半径(a)を有する環状のスリット
(4)と、 前記光軸(2)に中心を合わせ前記スリット(4)に対
して第1の凸レンズ(1)の反対側の位置(l)に置か
れた第2の凸レンズ(5)と、 第2の凸レンズ(5)に対し前記スリット(4)の反対
側に第2の凸レンズ(5)の焦点距離(f)離てて、
前記光軸(2)に垂直な面(6)上に配設され、前記光
軸(2)に中心を合わされたプレート状の光センサー
(7)と、 前記光センサー(7)からの信号をうけ、前記光センサ
ー(7)上に形成された前記スリット(4)の結像の半
径(r)を求める演算装置(8)とを有する光リング式
非接触測長センサー。
1. A first laser which emits an incident parallel laser beam to a surface to be measured and receives a laser beam reflected from the surface to be measured.
Irradiation device (9) that generates a parallel laser beam and causes the parallel laser beam along the optical axis (2) of the first convex lens (1) to enter the first convex lens (1). 10 and 11) and the first convex lens (1) on the opposite side of the surface to be measured
Is disposed on a surface (3) perpendicular to the optical axis (2) at a focal distance (f 1 ) of the convex lens (1), and the optical axis (2)
An annular slit (4) having a predetermined radius (a) centered at, and a position on the opposite side of the first convex lens (1) with respect to the slit (4) centered on the optical axis (2) ( l) and the second convex lens (5), and the second convex lens (5) is separated from the second convex lens (5) on the opposite side of the slit (4) by the focal length (f 2 ). ,
A plate-shaped optical sensor (7) disposed on a surface (6) perpendicular to the optical axis (2) and centered on the optical axis (2), and a signal from the optical sensor (7). Therefore, an optical ring type non-contact length measuring sensor having an arithmetic unit (8) for obtaining a radius (r) of an image formed by the slit (4) formed on the optical sensor (7).
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