JPH07107483B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、投光手段から検知エリアに投光される光ビー
ムの被検知物体による反射光を、投光手段の側方に所定
距離をもって配置された受光手段にて受光し、受光手段
出力に基づいて検知エリア内の被検知物体までの距離の
変位を測定するようにした三角測量方式の光学式変位測
定装置に関するものである。

（背景技術） 従来、この種の三角測量方式の光学式変位測定装置は、
第２図及び第３図に示すように構成されており、被検知
物体Ｘに対して光ビームＰを投光する投光手段１は、投
光タイミングを設定するクロックパルスを発生する発振
回路10、投光用発光素子12を駆動するドライブ回路11お
よび凸レンズよりなる投光用光学系13にて形成されてお
り、投光用発光素子12から発せられる光を投光用光学系
13にて光ビームＰに成形して検知エリアに投光するよう
になっている。この投光手段１から所定距離l₀をもって
側方に配設され被検知物体Ｘによる光ビームＰの反射光
Ｒを集光する受光用光学系３は凸レンズにて形成されて
いる。この受光用光学系３の集光面に配設され集光スポ
ットＳの位置（距離ｌに対応してＭ方向に移動する）に
対応した相反する一対の位置信号I_A,I_Bを出力する位置
検出手段４は、例えば１次元位置検出素子（以下、PSD4
と称する）にて形成されており、この位置信号I_A,I_Bは
相反した電流信号となっている。PSD4の出力に基づいて
被検知物体Ｘまでの距離ｌの変位を演算する演算手段５
は、PSD4から出力される位置信号（相反する電流信号
I_A,I_B）をそれぞれ増幅して電圧信号V_A,V_Bに変換する受
光回路21a,21bと、受光回路21a,21bの出力レベルを発振
回路10の出力に基づいてチェック（クロックパルスに同
期してレベルを判定）するレベル検出回路22a,22bと、
レベル検出回路22a,22bの出力（位置信号I_A,I_Bのレベル
に1:1に対応するので、以下において、I_A,I_Bと称する）
の減算を行う減算回路23と、レベル検出回路22a,22bの
出力I_A,I_Bの加算を行う加算回路24と、演算回路23から
出力される第１の信号（I_A−I_B）と、加算回路24から出
力される第２の信号（I_A＋I_B）との比率を演算する除算
回路25とで形成されており、除算回路25から測距信号L₀
（＝（I_A−I_B）／（I_A＋I_B））が出力されるようになっ
ている。なお、上述のPSD4に代えて、２個のフォトダイ
オードをＭ方向（集光スポットＳの移動方向）に連設し
たものを用いて各フォトダイオード出力を位置信号I_A,I
_Bとしても良いことは言うまでもない。

ここで、この測距信号L₀は変位距離Δｌに対して以下の
ような関係になっている。すなわち、変位測定装置から
被検知物体Ｘまでの距離ｌをｌ＝lc＋Δｌ（但し、lcは
集光スポットＳが位置検出手段たるPSD4の中央点に集光
されるときの基準距離であり、Δｌは距離lcからの変位
距離）とし、受光用光学系３からPSD4までの距離をＦ、
被検知物体Ｘからの反射光Ｒの集光スポットＳのPSD4の
中央点からの移動距離をΔｘ、投光手段１と受光用光学
系３の光軸の交差角をθとすれば、 （lc/cosθ＋Δl cosθ）Δｘ＝Δl sinθ）Ｆ ∴Δｘ＝（tanθ）ＦΔl/（lc/cos²θ＋Δｌ） ここで、 ａ＝（tanθ）F,b＝lc/cos²θとおくと、 Δｘ＝ａΔl/（ｂ＋Δｌ） … となり、移動距離Δｘと変位距離Δｌの関係はノンリニ
アとなっている。

ここに、PSD4から出力される位置信号I_A,I_Bと移動距離
Δｘとの関係は、PSD4の有効長を2lpとすれば、 （I_A−I_B）／（I_A＋I_B）＝Δx/lp … となっている。，式から明らかなように演算手段５
から出力される測距信号L₀は、変位距離Δｌの情報を含
む信号であるが、変位距離Δｌに対してリニアな関係に
なっていない。したがって、変位距離Δｌの測定精度を
距離変化（変位の大小）があっても同一にするために、
リニアリティ補正回路６を設けて、リニアな測距信号Ｌ
が得られるように補正する必要があった。

第４図は補正値メモリを用いたデジタル式のリニアリテ
ィ補正回路６の概略構成図である。測距信号L₀はA/D変
換部61にてデジタル信号に変換され、CPU62に入力され
る。CPU62では、入力された測距信号L₀の値に応じた補
正値データをメモリ63から読み出す。メモリ63には、測
距信号L₀をリニアリティ補正するための補正値データ
が、測距信号L₀の値に対応して予め記憶されている。CP
U62は、メモリ63から読み出した補正値データにより、
入力データを補正してD/A変換部64に送る。D/A変換部64
では、CPU62から出力されたデジタル信号をアナログ信
号に変換して、リニアリティ補正後の測距信号Ｌとして
出力する。

しかしながら、この方式の場合、分解能を高くするため
には、メモリ63の記憶容量を大きくする必要がある。例
えば、フルスケールの1/4000の分解能を得るためには、
4000個の補正値データをメモリ63に記憶しなければなら
ない。また、部品のばらつきに応じて個別に最適な補正
値を設定する必要があるので、個々の装置につき、その
分解能に応じた個数の補正値データを調整時に作成しな
ければならず、調整コストが大幅に高くなり、時間もか
かるため、量産には適さなかった。

（発明の目的） 本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、リニアリティ補正のための記
憶容量が少なくて済み、また、調整作業を容易に行い得
るようにした光学式変位測定装置を提供することにあ
る。

（発明の開示） 本発明に係る光学式変位測定装置にあっては、上記の目
的を達成するために、第１図乃至第５図に示すように、
光ビームＰを検知エリアに投光する投光手段１と、投光
手段１の側方に所定距離l₀をもって配設され被検知物体
Ｘによる光ビームの反射光Ｒを集光する受光用光学系３
と、受光用光学系３の集光面に配設され被検知物体Ｘま
での距離ｌに応じて集光面内で移動する集光スポットＳ
の位置に対応した相反する一対の位置信号I_A,I_Bを出力
する位置検出手段４と、位置検出手段４の出力に基づい
て集光スポットＳの位置変化Δｘに比例する第１の測距
信号L₀を算出する演算手段５と、被検知物体Ｘまでの距
離の変位Δｌを変数として第１の測距信号L₀を算出する
関数L₀（Δｌ）の逆関数Δｌ（L₀）の値を第１の測距信
号L₀から算出し、この逆関数Δｌ（L₀）の値に定数値ｂ
＝lc/cos²θ（ただし、lcは第１の測距信号L₀の値が０
となるときに被検知物体Ｘから受光用光学系３までの距
離を投光手段１の光軸に沿って測った基準距離、θは投
光手段１と受光用光学系３と光軸の交差角）を加えて得
た信号を、第１の測距信号L₀に乗じて被検知物体Ｘまで
の距離の変位Δｌに比例する第２の測距離信号Ｌを算出
するリニアリティ補正回路６とを有して成ることを特徴
とするものである。

以下、本発明の原理を数式を用いて説明する。

，式より測距信号L₀は、 （I_A−I_B）／（I_A＋I_B）＝Δx/l_P ＝ａ・Δl/l_P（ｂ＋Δｌ）＝L₀ … と表せる。つまり、測距信号L₀は、Δｌの関数L₀（Δ
ｌ）である。この式をΔｌについて解くと、 Δｌ（L₀）＝ｂ・L₀/（a/l_P−L₀） … となり、ΔｌはL₀の関数となる。この関数Δｌ（L₀）
は、式で示される関数L₀（Δｌ）の逆関数である。さ
らに、このΔｌ（L₀）に定数ｂを加算して、 α（L₀）＝Δｌ（L₀）＋ｂ … という補正値を求める。この補正値α（L₀）は、測距信
号L₀の値から理論的に求めることができる。式を式
に乗算すると、 Ｌ＝L₀・α（L₀） ＝ａ・Δｌ（Δｌ＋ｂ）/l_P（ｂ＋Δｌ） ＝ａ・Δl/l_P … 式に示すように、測距信号L₀はリニアライズされて、
Δｌに比例する測距信号Ｌが得られる。つまり、測距信
号L₀より式と式の演算を行い、補正値α（L₀）を求
めて、これを測距信号L₀に乗算することにより、リニア
ライズが行われる。各装置の部品にばらつきがなく、定
数a,bが設計値通りであれば、これだけで完全なリニア
ライズが行われる。

次に、部品のばらつきがある場合のリニアライズ方式に
ついて説明する。式より、部品のばらつきは定数a,b
に関係することが分かる。そこで、ばらついた状態での
定数ａ′,b′とすると、式は次のようになる。

L₀＝ａ′・Δl/l_P（ｂ′＋Δｌ） … 今、定数ａの補正値をβ、定数ｂの補正値をγとし、 β＝ｂ′−ｂ γ＝a/a′ … とする。ここで、式の両辺に次のようにα，β，γを
かけると、 Ｌ＝L₀（α（L₀）＋β）γ ＝ａ′・Δｌ(Δｌ＋ｂ＋ｂ′−b)a/l_Ｐ(b′＋Δｌ)a′ ＝ａ・Δl/l_P … となり、式に示すように、測距信号L₀はリニアライズ
される。つまり、測距信号L₀より式と式の演算を行
い、理論的な補正値α（L₀）を求めて、この補正値α
（L₀）に、個々の装置のばらつきにより決定される補正
値β，γを付け加え、式のような演算を行うことによ
り、リニアライズが行われるわけである。

以下、実施例について説明する。実施例におけるリニア
リティ補正回路６のハードウェアの構成は第４図の従来
例とほぼ同じであるが、上述のように、その処理のアル
ゴリズムが異なり、また、メモリ63の使い方も全く異な
る。実施例においては、第５図に示すように、式の演
算を行うために必要な定数、つまり、a/l_P,b,β，γの
みをメモリ63に記憶させておく。このうち、a/l_P及びｂ
は設計値により計算で求まる定数であり、β及びγは個
々の装置に特有の補正値（定数）である。これらの定数
を用いて第１図に示すようなフローに従って計算を行え
ば、リニアライズされた測距信号Ｌを求めることができ
る。これらの定数は測距信号の分解能とは無関係であ
る。つまり、分解能をどんなに高くしても、補正に必要
な定数の個数に変化はない。したがって、従来例のよう
に分解能に応じた何千という性の補正値データを持つ必
要がない。

さらに、各装置に固有の補正値β，γの調整作業も大幅
に省略化できる。第６図に示すように、基準距離lcに対
して、遠距離側の変位をΔl_F、近距離側の変位をΔl_Nと
したときに、 Δl_F＝Δl_N … が成り立つ位置、つまり、遠近等距離の位置に被検知物
体Ｘを置いた場合の測距信号L_F,L_Nの大きさは、正しく
リニアライズされたときには次式のように等しくなる。

|L_F|＝|L_N| ここで、L_F＞0,L_N＜０であるので、上式は次のように表
せる。

L_F＝−L_N … この性質を利用して、調整を行うと、調整作業を容易に
行うことができる。各測距信号L_F,L_Nは夫々、 L_F＝L_0F（α_Ｆ＋β）γ L_N＝L_0N（α_Ｎ＋β）γ … と表せる。式を式へ代入して、補正値γを消去し、
βを求める。

L_0F（α_Ｆ＋β）＝−L_0N（α_Ｎ＋β） β＝−（L_0Fα_Ｆ＋L_0Nα_Ｎ）／（L_0F＋L_0N） … この式で求まるようなβを用いて式の演算を行え
ば、測距信号L₀は直線化される。また、距離Δl_Fにおけ
る正しい測距信号をL_FTとすると傾きの補正値γは、 γ＝L_FT/L_0F（α_Ｆ＋β） … で求めることができる。こうして求められたγを用いて
傾きを補正すれば、リニアライズ信号Ｌが得られる。

したがって、調整時においては、基準距離lcに被検知物
体Ｘを置いて原点を決め、そこから遠近等距離の位置Δ
l_F＝Δl_Nに被検知物体Ｘを移動させた場合の夫々の測距
信号L_0F,L_0Nから、式を用いて補正値βを求め、さら
に式を用いて補正値γを求めれば良い。

このように各装置に固有の補正値β，γを求めるのに、
被検知物体Ｘを２回移動させ、各点での測距信号L_0N,L
_0Fを取り、後は，式を用いて計算すれば良いので、
従来例において数千個のデータを取る必要があったこと
に比較すると、調整コストの大幅な削減が可能になるも
のである。

（発明の効果） 本発明は上述のように、被検知物体までの距離の変位を
変数として第１の測距信号を算出する関数の逆関数の値
を第１の測距信号から算出し、この逆関数の値に基準距
離と光軸の交差角で決まる所定の定数値を加えて得た信
号を、第１の測距信号に乗じて被検知物体までの距離の
変位に比例する第２の測距信号を算出するようにしたの
で、リニアリティ補正を行うには、第１の測距信号から
理論的な補正値を算出するための数個の定数値を記憶し
ておくだけで良く、従来のように分解能に1:1に対応し
た膨大な数の補正値を記憶する必要はないから、メモリ
容量の大幅な削減が可能になるという効果がある。

また、逆関数に乗算する第１の補正値と、定数値に加算
する第２の補正値を各測定装置毎に設定可能とすれば、
個々の装置のばらつきを２個の補正値のみで補正するこ
とができ、したがって、僅か２回の測定を行うだけで、
後は計算により第１及び第２の補正値を求めることがで
き、従来のように分解能に1:1に対応する補正値を調整
時に全て求める必要がないから、調整コストの大幅な削
減が可能になるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いるリニアリティ補正手段の処理の
流れを示す流れ図、第２図（ａ）は従来例の要部概略構
成を示す図、同図（ｂ）は同上の要部断面図、第３図は
同上の要部ブロック回路図、第４図は同上の要部ブロッ
ク回路図、第５図は本発明に用いるメモリの記憶内容を
示す説明図、第６図は本発明の動作説明図である。 １は投光手段、３は受光用光学系、４は位置検出手段、
５は演算手段、６はリニアリティ補正回路である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−245110（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−108218（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−108219（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ビームを検知エリアに投光する投光手段
   と、投光手段の側方に所定距離をもって配設され被検知
   物体による光ビームの反射光を集光する受光用光学系
   と、受光用光学系の集光面に配設され被検知物体までの
   距離に応じて集光面内で移動する集光スポットの位置に
   対応した相反する一対の位置信号を出力する位置検出手
   段と、位置検出手段出力に基づいて集光スポットの位置
   変化に比例する第１の測距信号を算出する演算手段と、
   被検知物体までの距離の変位を変数として第１の測距信
   号を算出する関数の逆関数の値を第１の測距信号から算
   出し、第１の測距信号の値が０となるときに被検知物体
   から受光用光学系までの距離を投光手段の光軸に沿って
   測った基準距離を投光手段と受光用光学系の光軸の交差
   角の余弦の２乗で割った定数値を前記逆関数の値に加え
   た信号を、第１の測距信号に乗じて被検知物体までの距
   離の変位に比例する第２の測距信号を算出するリニアリ
   ティ補正手段とを有して成ることを特徴とする光学式変
   位測定装置。
2. 【請求項２】逆関数に乗算する第１の補正値と、定数値
   に加算する第２の補正値を各測定装置毎に設定可能とし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式
   変位測定装置。