JPH0665965B2 - Distance detection device - Google Patents

Distance detection device

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JPH0665965B2
JPH0665965B2 JP2157685A JP2157685A JPH0665965B2 JP H0665965 B2 JPH0665965 B2 JP H0665965B2 JP 2157685 A JP2157685 A JP 2157685A JP 2157685 A JP2157685 A JP 2157685A JP H0665965 B2 JPH0665965 B2 JP H0665965B2
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Japan
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observation
lens
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observation lens
distance
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正徳 出澤
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光学的に対象物までの距離を高精度に検出する
距離検出器に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a distance detector that optically detects a distance to an object with high accuracy.

(従来の技術) 3次元空間内で柔軟に作業を行える機械、即ちロボット
は対象物の位置、姿勢、形状、変形等の計測を必要とす
るが、この計測においては距離情報の取得が不可欠であ
るこの場合、対象物の運動を拘束するあるいは対象物に
変形を起すなどの影響を最少限として距離情報を取得で
きることが肝要である。このため、非接触で離れた場所
から計測できる光学的距離検出法が考えられている。こ
の光学的距離検出法は対象物面上にマークを描くことに
より、対象物面上に光ビームを投影することによりある
いは対象物面上に発光素子を押込むこと等により形成さ
れる標識(点および線像を含む)を観測面上へ観測レン
ズにより投影し、この投影された像の位置を観測面上に
配置されたCCD等の位置検出光感素子によって検出し対
象物までの距離情報を取得する。
(Prior Art) A machine that can flexibly work in a three-dimensional space, that is, a robot requires measurement of the position, posture, shape, deformation, and the like of an object, but in this measurement, acquisition of distance information is essential. In some cases, it is essential that the distance information can be acquired with the influence of restraining the movement of the object or causing deformation of the object to a minimum. Therefore, an optical distance detection method that can measure from a remote place without contact has been considered. This optical distance detection method is a mark formed by drawing a mark on the object surface, by projecting a light beam on the object surface, or by pushing a light emitting element on the object surface. And the line image) are projected onto the observation surface by an observation lens, and the position of this projected image is detected by a position-sensing photosensitive element such as a CCD arranged on the observation surface to obtain distance information to the object. get.

更に、特開昭60−52710号公報には、この様な距離検出
器の小型化を図るため、対象物と観測レンズとの間に、
反射鏡を配置して、標識の像を観測レンズの光学軸側に
一旦折り戻えした後、観測レンズに投入し、装置の小型
化を図った距離検知装置が提案されている。
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 60-52710, in order to miniaturize such a distance detector, between the object and the observation lens,
A distance detecting device has been proposed in which a reflecting mirror is arranged and an image of a sign is once folded back to the optical axis side of the observation lens and then inserted into the observation lens to reduce the size of the device.

(発明が解決しようとする問題点) ところで、レンズを使用した撮像光学系においてはレン
ズと対象物間の距離により、観測面上に対象物の明瞭な
像が取得できる観測面の位置は、一般的には次のレンズ
の結像公式によって定められる位置となる。即ち、対象
物レンズとの間の距離をb、レンズの焦点距離をf、レ
ンズと観測面との間の距離をaとすると、明瞭な像が得
られる条件は次式となる。
(Problems to be Solved by the Invention) By the way, in an imaging optical system using a lens, the position of the observation surface where a clear image of the object can be obtained on the observation surface is generally determined by the distance between the lens and the object. Specifically, the position is determined by the following lens imaging formula. That is, assuming that the distance between the lens and the object lens is b, the focal length of the lens is f, and the distance between the lens and the observation surface is a, the condition for obtaining a clear image is as follows.

例えば、カメラなどではレンズと観測面との間の距離a
を可変とすることにより、対象物が最も明瞭に撮像でき
るように構成されている。しかしながら、距離検出器に
おいて明瞭な像を得て検出精度を向上せしめようとして
機械的な移動により焦点調節を行おうとすると計測速度
を向上する上で不利であり、通常は固定焦点方式が採用
されている。しかしながら固定焦点方式だと観測面上に
得られる像にボケが生じ、高精度な測定を行なうことは
できない。
For example, in a camera, the distance a between the lens and the observation surface is
Is variable so that the object can be imaged most clearly. However, trying to adjust the focus by mechanical movement to obtain a clear image in the distance detector to improve the detection accuracy is disadvantageous in improving the measurement speed, and the fixed focus method is usually adopted. There is. However, if the fixed focus method is used, the image obtained on the observation surface is blurred and high-precision measurement cannot be performed.

この様な、問題は上記特開昭公報で提案された小型化さ
れた距離検知装置においても当然発生する。
Such a problem naturally occurs in the miniaturized distance detecting device proposed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open Publication No. Sho.

本発明の目的は対象物までの距離を高精度に検出する小
型化された距離検知装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a miniaturized distance detection device that detects the distance to an object with high accuracy.

(問題点を解決するための手段) 上記目的は観測レンズにより近い標識に対応する観測面
の部分を観測レンズからより遠い位置に位置せしめるこ
とにより達成される。
(Means for Solving the Problems) The above object is achieved by locating the portion of the observation surface corresponding to the sign closer to the observation lens at a position farther from the observation lens.

(作 用) 第1図を用いて本発明の作用原理を説明する。(Operation) The operation principle of the present invention will be described with reference to FIG.

第1図は、反射鏡を除去した場合に付いて説明してい
る。
FIG. 1 illustrates the case where the reflecting mirror is removed.

対象物までの距離が観測レンズLの光軸1からの距離と
して検出されるように、観測レンズLの光軸1からずれ
た観測線2上の対象物の位置(標点T0,T1,T2,)が測定
される。位置検出用光感素子が配置される観測面が従来
のように観測レンズLの光軸1に垂直に配されている
(図中3)と、(1)式の条件を満たす標点T0以外の標
点T1,T2に対応する観測面3上の像I1,I2はボケてしまい
検出精度が低下してしまう。これに対し、本発明におい
ては従来と比して観測面が(1)式を満足する理論結像
面4に全体としてより近接した位置に設けられるので、
標点までの距離にかかわらず観測面上には常に鮮明な像
が得られる。
The position of the object on the observation line 2 deviated from the optical axis 1 of the observation lens L (mark points T 0 , T 1 so that the distance to the object is detected as the distance from the optical axis 1 of the observation lens L). , T 2 ,) is measured. When the observation surface on which the position-sensing light-sensitive element is arranged is arranged perpendicularly to the optical axis 1 of the observation lens L (3 in the figure) as in the conventional case, the reference point T 0 satisfying the condition of the expression (1) is gauge T 1, the image I 1 on the observation plane 3 corresponding to the T 2 of the non, I 2 is the detection accuracy will be blurred lowered. On the other hand, in the present invention, the observation surface is provided closer to the theoretical imaging surface 4 satisfying the expression (1) as a whole, as compared with the conventional case,
A clear image is always obtained on the observation surface regardless of the distance to the gauge point.

以下、第1図とは異なる場合についてを説明する。第2
図は光ビームが観測レンズの光軸と角度を有して入射す
る場合の概略側面図である。観測レンズLの位置で光軸
1からR0離れた部分を通り、光軸1に対して角度α方向
(反時計回りを正とする。)に線状光ビーム5を投射し
て、これによって対象物面O上に輝点Tを生成し、この
輝点Tを観測レンズLによって観測面3上に投影し、こ
の観測面3上に投影した像Iの位置を観測面3上に配置
された位置検出光感素子Pによって検出することによっ
て対象物までの距離が測定される。観測面3上の像Iの
光軸1からの距離をxとすると、理論結像面は次式で表
わされることになる。
Hereinafter, a case different from FIG. 1 will be described. Second
The figure is a schematic side view when the light beam is incident at an angle with the optical axis of the observation lens. The linear light beam 5 is projected at a position of the observation lens L, passing through a portion distant from the optical axis 1 by R 0 , and in the direction of the angle α (counterclockwise is positive). A bright point T is generated on the object surface O, this bright point T is projected onto the observation surface 3 by the observation lens L, and the position of the image I projected onto this observation surface 3 is arranged on the observation surface 3. The distance to the object is measured by the position detecting photosensitive element P. When the distance from the optical axis 1 of the image I on the observation plane 3 is x, the theoretical image plane is expressed by the following equation.

従って、(1)式から当然のことではあるが、観測レン
ズにより近い標点(標識)に対応する観測面の部分を観
測レンズから遠ざけることによって、対象物上の標識が
観測面上によりボケが少く結像される。
Therefore, it is natural from the equation (1) that if the part of the observation surface corresponding to the gage point (marker) closer to the observation lens is moved away from the observation lens, the sign on the object will be blurred on the observation surface. Imaged a little.

第3図は更に異なる場合の概略図である。この距離検知
装置は近年極めて広く用いられているものであり、光ビ
ーム5を対象物面O上に投射し、対象物O上に生成され
た輝点Tの観測面3上における像Iの位置を検出して光
ビーム投射方向の距離を検出する。この距離検出装置に
おいても位置検出用光感素子は従来やはり観測光学系の
光軸1に対して垂直に配置されている。光ビーム投射光
学系の光軸6と観測光学系の光軸1のなす角度をαと
し、観測レンズLの焦点距離をf、観測レンズLの位置
において観測レンズLの光軸1から光ビーム投射光学系
の光軸6までの距離をR0とすると、理論結像面は同様に
して(2)式で表わされる。従って、より近い標点に対
応する観測面を観測レンズLから遠ざけることによっ
て、より測定精度が向上される。
FIG. 3 is a schematic view of a different case. This distance detection device is extremely widely used in recent years, and projects the light beam 5 onto the object plane O to position the image I of the bright spot T generated on the object O on the observation plane 3. Is detected to detect the distance in the light beam projection direction. Also in this distance detecting device, the position detecting light-sensitive element is conventionally arranged perpendicularly to the optical axis 1 of the observation optical system. The angle formed by the optical axis 6 of the light beam projection optical system and the optical axis 1 of the observation optical system is α, the focal length of the observation lens L is f, and the light beam is projected from the optical axis 1 of the observation lens L at the position of the observation lens L. When the distance to the optical axis 6 of the optical system is R 0 , the theoretical image plane is similarly expressed by the equation (2). Therefore, the measurement accuracy is further improved by moving the observation surface corresponding to the closer gauge point away from the observation lens L.

(実施例) 第4図は本発明の実施例を示す概略側面図である。本発
明は特開昭60−52710号公報に開示される発明の改良で
ある。観測レンズL前方に反射鏡7が配置され、光ビー
ム5が対象物面O上に投射されることにより形成される
輝点Tは、一旦反射鏡7で反射されたのちに観測面3上
に投射され、この観測面3上に投射された像Iの位置か
ら観測レンズLの光軸1方向距離が検知される。本実施
例の場合においても、光軸1に対する反射鏡7の傾斜角
がφであり、観測レンズLの焦点距離がfであるとし、
反射鏡7に関して観測レンズLと対称な位置に仮想観測
レンズL′を想定して観測レンズLの位置において観測
レンズの光軸1から仮想観測レンズの光軸1′までの距
離d(1+sec α)をR0とすると、基本的には第3図
の場合と同様になり(2)式を満足する面が理論結像面
となる。従って、より近い標点に対する観測面の部分が
観測レンズからより遠くなるよう図示するように位置検
出光感素子Pを配置することによって対称物までの距離
がいかようであってもより鮮明に輝点Tを結像すること
ができる。
(Embodiment) FIG. 4 is a schematic side view showing an embodiment of the present invention. The present invention is an improvement of the invention disclosed in JP-A-60-52710. The reflection mirror 7 is arranged in front of the observation lens L, and the bright spot T formed by projecting the light beam 5 onto the object surface O is once reflected by the reflection mirror 7 and then on the observation surface 3. The distance of the observation lens L in the optical axis 1 direction is detected from the position of the image I projected and projected on the observation surface 3. Also in the case of this embodiment, it is assumed that the inclination angle of the reflecting mirror 7 with respect to the optical axis 1 is φ and the focal length of the observation lens L is f.
Assuming a virtual observation lens L ′ at a position symmetrical to the observation lens L with respect to the reflecting mirror 7, a distance d (1 + sec α) from the optical axis 1 of the observation lens to the optical axis 1 ′ of the virtual observation lens at the position of the observation lens L. Let R 0 be the same as in the case of FIG. 3, and the surface satisfying the expression (2) becomes the theoretical image forming surface. Therefore, by arranging the position-sensing light-sensing element P as shown in the drawing so that the portion of the observing surface with respect to the closer gauge point is farther from the observing lens, the brilliant image is brighter regardless of the distance to the symmetrical object. The point T can be imaged.

以上は、光軸に対する断面図を用いて2次元的に説明し
たが、光軸1に対して装置が回転対称である場合なども
含め、3次元的な配置についても全く同様であることは
言うまでもない。
The above is described two-dimensionally by using a sectional view with respect to the optical axis, but it goes without saying that the three-dimensional arrangement is exactly the same including the case where the device is rotationally symmetric with respect to the optical axis 1. Yes.

なお、本発明において観測面即ち位置検出光感素子は平
面でなく、曲率を有していてもよい。また、上記各実施
例に係る各図面に示された観測レンズは集光性レンズで
あることを概念的に表示したものにすぎず、単玉複玉の
ものを含むことは言うまでもない。
In the present invention, the observation surface, that is, the position detection light-sensitive element may have a curvature instead of a flat surface. Further, it is needless to say that the observation lens shown in each drawing according to each of the above-described examples is merely a conceptual representation of a condensing lens, and includes a single-lens compound lens.

(効 果) 本発明は、対象物と観測レンズとの間に標識の像を、観
測レンズの光軸方向に折り戻す様反射する反射鏡を設け
た小型化された距離検知装置において、観測レンズによ
り近い標識に対応する位置検出光感素子の部分を前記レ
ンズからより遠く位置するようにしたので位置検出光感
素子全域にわたって平均して良好な結像を行うことがで
きる。従って広い測定範囲にわたって高精度に距離検出
を行うことができる。
(Effect) The present invention provides a miniaturized distance detection device provided with a reflecting mirror between an object and an observation lens that reflects the image of the sign so as to fold it back in the optical axis direction of the observation lens. Since the portion of the position detection light-sensitive element corresponding to the closer sign is located farther from the lens, good image formation can be performed on average over the entire area of the position detection light-sensitive element. Therefore, distance detection can be performed with high accuracy over a wide measurement range.

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

第1図乃至第3図は、本発明を説明するための説明図、 第4図は、本発明の実施例の概略図である。 L……観測レンズ、LP……投影レンズ、 T,T0,T1,T2……標点(標識) I,I0,I1,I2……像、 P……位置検出光感素子、 O……対象物面、 1……観測レンズの光軸、 3……観測面、4……理論結像面、 5……光ビーム、7……反射鏡1 to 3 are explanatory views for explaining the present invention, and FIG. 4 is a schematic view of an embodiment of the present invention. L ...... observation lens, L P ...... projection lens, T, T 0, T 1 , T 2 ...... gauge (labeled) I, I 0, I 1 , I 2 ...... image, P ...... position detection light Sensitive element, O ... Object surface, 1 ... Optical axis of observation lens, 3 ... Observation surface, 4 ... Theoretical image plane, 5 ... Light beam, 7 ... Reflector

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】対象物上の標識を観測面上へ結像して投影
する観測レンズ、 この観測レンズの光軸に沿って光ビームを投射して、前
記標識を形成するための光ビーム発生手段、 前記観測レンズと前記対象物との間にあって、前記観測
レンズの光軸を横切らないで設置され、前記標識の像を
一旦反射して折り返えした後前記観測レンズに投入する
反射鏡、及び 前記観測面上に結像投影された前記標識の像の位置を検
出する位置検出光感素子を備え、この位置検出光感素子
上の前記標識の像の位置に基づいて、対象物までの距離
情報を取得する型の距離検知装置において、 前記観測レンズにより近い標識に対応する位置検出光感
素子の部分が前記観測レンズからより遠い位置にあるこ
とを特徴とする距離検知装置。
1. An observation lens for forming an image of a mark on an object on an observation plane and projecting the light beam, and projecting a light beam along an optical axis of the observation lens to generate a light beam for forming the mark. Means, between the observation lens and the object, installed without traversing the optical axis of the observation lens, reflecting mirror for reflecting the image of the sign once and then folded back into the observation lens, And a position detection photosensitive element for detecting the position of the image of the sign image-projected on the observation surface, based on the position of the image of the sign on the position detection photosensitive element, up to the object A distance detecting device of a type that acquires distance information, characterized in that a portion of a position detection light-sensitive element corresponding to a sign closer to the observation lens is located farther from the observation lens.
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