JPH0711419B2 - レーザ光を利用した変位計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ光を利用しCCD型のイメージ・センサを
受光素子として用いる変位計に関する。さらに具体的に
は、イメージ・センサへの被測定物からのレーザ光の反
射光のイメージを検出してその変位を測定し、さらには
イメージ・センサの受光状態に対応してレーザ発振器の
発光量を自動的に制御することにより、安定した変位測
定を実現することができるレーザ光を利用した変位計を
提供せんとするものである。

［従来の技術］ 従来のレーザ光を利用した変位計の回路構成を第３図に
示し説明する。

10Bはレーザ発振器でありレーザ・ビーム50を被測定物1
1に対して発射し、被測定物11の照射面からの反射光51
を受光レンズ12で結像し、これを電気信号に変換するた
めのCCD（チャージ・カップルド・デバイス）型のイメ
ージ・センサ13で受光している。14はイメージ・センサ
・ドライバであり、イメージ・センサ13には、これを駆
動するための駆動信号を送出するとともに、イメージ・
センサ13からの光−電気変換した変換信号53を受けて、
コンパレータ15にはビデオ信号55を、ビデオ処理・演算
制御回路16には制御信号54を、それぞれ出力する。

コンパレータ15は入力されるビデオ信号55をポテンショ
メータ31により設定された基準レベルと比較して整形
し、ビデオ処理・演算制御回路16はイメージ・センサ・
ドライバ14からの制御信号54を受けてコンパレータ15よ
り送出される整形信号56の処理、演算などを行う。17は
ビデオ処理・演算制御回路16により得られる変位データ
57を表示するための表示回路である。

コンパレータ15の出力である整形信号は単安定マルチバ
イブレータ42にも印加され、単安定マルチバイブレータ
42からは駆動信号72を出力する。この駆動信号72は発光
ダイオード23を駆動するための駆動回路41を駆動し、こ
の出力で発光ダイオード23を明滅する。この発光ダイオ
ード23はイメージ・センサ13の受光量による変位情報の
有無を表示している。

このような構成による回路の動作を説明すると、レーザ
発振器10Bより発射されたレーザ・ビーム50の被測定物1
1の照射面からの反射光51を、受光レンズ12を通して集
光し、その集光された反射光51を多数個の受光素子を並
べたイメージ・センサ13により受光する。イメージ・セ
ンサ13はイメージ・センサ・ドライバ14からの駆動信号
52を受けて、受光した反射光51を電気信号に変換し、そ
の変換信号53をイメージ・センサ・ドライバ14に送出す
る。

イメージ・センサ・ドライバ14は、多数個の受光素子か
ら蓄積された電荷を駆動信号52により読出し、各受光素
子に蓄積された電荷量に対応した振幅を有するパルス列
をなすビデオ信号55を読出して、コンパレータ15に出力
し、コンパレータ15は入力されたビデオ信号55を、ポテ
ンショメータ31により設定された適当な値の基準レベル
と比較して、一定の振幅以上のパルスのみを整形して整
形信号56を出力し、ビデオ処理・演算制御回路16に出力
する。ビデオ処理・演算制御回路16では、イメージ・セ
ンサ・ドライバ14からの制御信号54を受けて、入力され
た整形信号56の処理、演算などを行い、イメージ・セン
サ13のどの受光素子に反射光51が照射されたのかを判断
して、被測定物11の表面の変位を検出し、その変位デー
タ57を表示回路17に送出して表示している。

このようにして得られた変位データ57を表示回路17によ
り表示する一方で、コンパレータ15からの整形信号56に
より、単安定マルチバイブレータ42をトリガして出力さ
れる駆動信号72を、駆動回路41に印加し、これによって
発光ダイオード23を発光せしめ、その点滅状態からイメ
ージ・センサ13への変位情報の有無を確認している。

［発明が解決しようとする課題］ 第３図に示した構成による従来例では、イメージ・セン
サへの被測定物からの反射光の強度の状態により、発光
ダイオードを明滅または消灯の動作をするのみであり、
CCD型のイメージ・センサの受光状態による変位情報の
有無は判別することができても、イメージ・センサの受
光量が適当であるか否かを判別することはできなかっ
た。

ところが、CCD型のイメージ・センサはMOS（メタル・オ
キサイド・セミコンダクタ）型のイメージ・センサと比
較したとき、過大な受光量に対して、ブルーミング現象
を生じ易い欠点がある。すなわち、CCD型イメージ・セ
ンサにおいては、横一列に配列された多数の受光素子よ
りなる受光部のごく一部の受光素子のみに光が入射して
いても、その光量が増すと周辺の他の受光素子までもが
受光していないにもかかわらず受光したかのように信号
を出力する状態になり、さらに光量が増大すると受光素
子全体にブルーミング現象が拡散してしまう性質があ
る。

このブルーミング現象に対処するためには、たとえば被
測定物とイメージ・センサとの間に減光フィルタを配し
たり、あるいはレーザ発振器が半導体レーザ発振器であ
れば、その出力そのものを制御することなどにより、イ
メージ・センサの受光量を常に適当に保つ必要があり、
そのためにビデオ信号をオシロスコープなどを用いて観
測し、その表示波形を遂一チェックしながらイメージ・
センサの受光量を調節しなければならないという解決さ
れるべき課題があった。

しかも、このような方法では、用いる減光フィルタによ
り減衰される光量や、制御されるレーザ発振器の出力の
設定値が半固定的なものであるため、被測定物の照射面
の状態が変化することによりイメージ・センサの受光量
が絶えず変動するようなケースには、追従できないとい
う解決されるべき課題があった。

［課題を解決するための手段］ 本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
であり、CCD型イメージ・センサの欠点であるブルーミ
ング現象を逆に利用し、その度合を検出すること、すな
わち、イメージ・センサにより得られる電気信号に含ま
れるパルス数を計数することによって、イメージ・セン
サの受光量を最小・適量・過大の３つのモードで判別し
て、これを指示するための手段を設け、さらには計数さ
れたデータと設定した基準レベルとを比較して得られる
信号をレーザ発振器にフィードバックすることにより、
その受光量を常に一定とするように発光量を自動制御す
るための手段を設けた。

［作用］ このような手段を設けたことにより、CCD型のイメージ
・センサへの変位情報の有無だけでなく、その受光量の
状態の適否をも判別することができ、加えて、被測定物
の照射面の表面状態が変化したとしても、CCD型のイメ
ージ・センサの受光量が常に適度なレベルに保たれるこ
とになり、ブルーミング現象の発生を防止して、安定し
たしかも精度の高い変位測定が可能となった。

［実施例］ 本発明の一実施例の回路構成を第１図に示し、説明す
る。ここで、第３図における対応する構成要素について
は同じ記号を用いた。

第１図において、第３図に示した従来例で用いられる回
路構成と異なるところは、レーザ発振器として半導体レ
ーザ発振器10を用いているとともに、コンパレータ15か
らの整形信号56のパルス数を計数するための計数回路2
0、計数回路20からの計数データ62を格納するための記
憶回路20、記憶回路21からのデジタル計数データ63をア
ナログ変換するためのD/A（デジタル・アナログ）変換
回路22、D/A変換回路22からのアナログ計数データ64を
受けて、半導体レーザ発振器10の発光量を制御するため
の発光量制御回路19を設け、さらに発光ダイオード23を
駆動するための構成要素として、ウインド・コンパレー
タ27、発振器26および２個のNANDゲート24,25を用いて
いる点である。

このように構成された回路の動作を、回路各部からの出
力波形を示す第２図を併用して説明する。ここで、第２
図では、（ｂ）および（ｃ）における波形A,A′はCCD型
のイメージ・センサ13の受光量が適度なときを、B,B′
は過大なときを、Ｃは過小なときを、それぞれ現わして
おり、（ｋ）における斜線部分は発光ダイオード23が点
灯状態にあることを示している。

第１図において、イメージ・センサ・ドライバ14より出
力されたビデオ信号55（第２図（ｂ））はコンパレータ
15に入力されて、ポテンショメータ31により設定された
基準レベルで比較整形され、その整形信号56（同図
（ｃ））は計数回路20に入力される。計数回路20は入力
された整形信号56（ｃ）のパルス数を（ｄ）のリセット
信号61の期間計数し、計数データ62を記憶回路21に格納
する。このリセット信号60（ｄ）の前縁は制御信号54
（ａ）の後縁に同期している。

整形信号56（ｃ）のパルス数は、イメージ・センサ13の
受光量に対応して変化することから、このパルス数を計
数することにより、イメージ・センサ13の受光量に対応
するデータを得ることができ、その受光状態を判別する
ことが可能となる。

整形信号56（ｃ）のパルス数を計数し終ると、ビデオ処
理・演算制御回路16からラッチ信号61（第２図（ｅ））
が出力され、それによって計算データ62は記憶回路21に
格納された後、読出されてD/A変換回路22に出力され、
入力されたデジタル計数データ63はアナログ変換され
て、アナログ計数データ64（同図（ｆ））として出力さ
れる。

このアナログ計数データ64（ｆ）は、発光量制御回路19
に印加されポテンショメータ32によって設定された基準
レベルVSと比較し、その誤差出力であるフィードバック
信号59が半導体レーザ発振器10を駆動してレーザ・ビー
ム50の光量を調整し、イメージ・センサ13のイメージに
おける受光量は常に一定となる。

アナログ計数データ64は、さらにウインド・コンパレー
タ27にも印加され、各ポテンショメータ33,34により設
定された上限値（VH）および下限値（VL）と比較し、一
方のウインド・コンパレータ出力69（第２図（ｈ））は
NANDゲート25に入力され、他方のウインド・コンパレー
タ出力68（同図（ｇ））は、発振器26およびNANDゲート
24にそれぞれ入力される。

ここで、ウインド・コンパレータ27に入力されるアナロ
グ計数データ64のレベルと各ウインド・コンパレータ出
力68,69のレベルとの関係は、アナログ計数データ64の
レベルが、ポテンショ・メータ33,34により設定された
上限値と下限値との間の範囲内であれば、各ウインド・
コンパレータ出力68,69はそれぞれ“L"“H"となり、上
限値を越えるときはともに“H"となり、下限値を下まわ
るときはともに“L"となるように設定されている。

そこでアナログ計数データ64が２つの基準レベルの範囲
内のときは、各ウインド・コンパレータ出力68,69はそ
れぞれ“L",“H"であるので（第２図（ｇ），（ｈ）期
間S1）、NANDゲート24の一方の入力には“L"のウインド
・コンパレータ出力68がそのまま加わり、他方の入力に
は“L"のコンパレータ出力68を受けた発振器26からの
“L"の発振器出力67が加わり、NANDゲート出力66は“H"
となる（同図（ｉ）S1）。したがって、NANDゲート25に
は、ともに“H"であるNANDゲート出力66とウインド・コ
ンパレータ出力69が入力され、NANDゲート出力65は“L"
となり（第２図（ｊ）S1）、発光ダイオード23は導通し
て点灯する（同図（ｂ）S1）。

つぎに、アナログ計数データ64が上限値を越えるとき
は、各ウインド・コンパレータ出力68,69はともに“H"
となるので（第２図（ｇ），（ｈ）期間S2）、NANDゲー
ト24には、“H"のウインド・コンパレータ出力68と“H"
のウインド・コンパレータ出力68を受けて発振する発振
器26からの“H",“L"に交互に変化する発振器出力67と
が入力され、NANDゲート出力66は一定の周期で“H",
“L"となる（同図（ｉ）S2）。したがって、NANDゲート
25には、一定の周期で“H",“L"となるNANDゲート出力6
6と“H"のウインド・コンパレータ出力69とが入力さ
れ、NANDゲート出力65は一定の周期で“H",“L"となり
（第２図（ｊ）S2）、発光ダイオード23は一定の周期で
オン・オフして点滅を繰返す（同図（ｋ）S2）。

さらに、アナログ計数データ64が下限値を下まわるとき
は、各ウインド・コンパレータ出力68,69はともに“L"
となるので（第２図（ｇ），（ｈ）期間S3）、NANDゲー
ト24には“L"のウインド・コンパレータ出力68と“L"の
ウインド・コンパレータ出力68を受けた発振器26からの
“L"の発振器出力67とが入力され、NANDゲート出力66は
“H"となる（同図（ｉ）S3）。したがって、NANDゲート
25には、“H"のNANDゲート出力66と“L"のウインド・コ
ンパレータ出力とが入力され、NANDゲート出力65は“H"
となり（第２図（ｊ）S3）、発光ダイオード23は導通せ
ず、点灯しない（同図（ｋ）S3）。

このようにして、発光ダイオード23に点灯・点滅・消灯
の３つの動作モードを与えることができるので、ウイン
ド・コンパレータ27の２つのポテンショメータ33,34に
より、イメージ・センサ13の受光量が適度は範囲内で上
限値および下限値を設定すれば、イメージ・センサ13が
適度の受光量の状態にあるときは発光ダイオード23が点
灯し、受光量が過大で上限値を越えれば点滅し、逆に受
光量が過小で下限値を下まわれば点灯しないことから、
イメージ・センサ13の受光量を容易に判別することがで
きる。

このことは半導体レーザ発振器10以外のレーザ発振器を
用いてその出力を適当な手段により調整するならば、同
様の効果を実現することができる。

また、記憶回路21より読出されるデジタル係数データ63
またはD/A変換回路22からのアナログ係数データ64を、
出力端子35,36より取出せば、それぞれイメージ・セン
サ13の受光量そのものをデータとして使用することがで
きる。なお、ここではイメージ・センサ13の受光状態を
指示する手段として発光ダイオード23を用いて説明した
が、その他にもたとえば電子ブザーなどの発音装置を用
いても同じ機能を実現することができる。

さらに、イメージ・センサ13の受光する反射光51の強度
は常に実質的に一定の最適値に調整されるものであるか
ら、発光ダイオード23,ウインド・コンパレータ27、発
振器26,ナンド・ゲート24,25などの回路を省略すること
も可能である。

第１図に示した例では、計数回路20の出力である計数デ
ータ62を、記憶回路21,D/A変換回路22を介してアナログ
信号であるアナログ計数データ64として発光量制御回路
19に印加していた。しかしながら、発光量制御回路19に
おいて、ディジタル比較器を設けて、計数データ62を直
接印加して所定値と比較するならば第１図に示したもの
と同様の作用効果を得ることができることも以上の説明
から明らかであろう。

なお、以上説明した構成要素以外の較正要素の動作は、
第３図に示した従来例と同じである。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によるならば、
比較的簡単な回路構成により、オシロスコープなどの高
価格の外部機器を用いて信号観測をすることなくCCD型
のイメージ・センサの受光量を検出し、半導体レーザ発
振器にフィードバックしてその受光量を一定にしてブル
ーミング現象を発生を防止し、さらにその受光状態を発
光ダイオードなどの指示手段により、発光量過小、適
量、過大の３つのモードで判別することもできるように
した。したがって、被測定物の表面状態がたとえ変化し
たとしても、CCD型のイメージ・センサの受光量が常に
一定のレベルに保たれて、ブルーミング現象の発生もな
く安定した精度の高い変位測定を実現することができる
ので、本発明による効果は極めて大きく、とりわけレー
ザ光が不可視光の場合は実用上著しい効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路構成図、 第２図は第１図に示した回路各部の出力波形図、 第３図は従来例の回路構成図である。 10……半導体レーザ発振器 10B……レーザ発振器 11……被測定物、12……受光レンズ 13……イメージ・センサ 14……イメージ・センサ・ドライバ 15……コンパレータ 16……ビデオ処理・演算制御回路 17……表示回路、19……発光量制御回路 20……計数回路、21……記憶回路 22……D/A変換回路、23……発光ダイオード 24,25……NANDゲート 26……発振器 27……ウインド・コンパレータ 31〜34……ポテンショメータ 35,36……出力端子 41……駆動回路 42……単安定マルチバイブレータ 50……レーザ・ビーム 51……反射光 52……駆動信号 53……変換信号 54……制御信号 55……ビデオ信号 56……整形信号 57……変位データ 59……フィードバック信号 60……リセット信号 61……ラッチ信号 62……計数データ 63……デジタル計数データ 64……アナログ計数データ 65,66……NANDゲート出力 67……発振器出力 68,69……ウインド・コンパレータ出力 72……駆動信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィード・バック信号（59）によって、そ
   の出力を制御されるレーザ発振手段（10）と、 前記レーザ発振手段の出力であるレーザ・ビーム（50）
   の被測定面からの反射光（51）を集光するための集光手
   段（12）と、 前記集光手段により集光されたイメージの位置を検出し
   てパルス出力するための多くの受光素子からなるCCD型
   のイメージ・センサ手段（13,14）と、 前記CCD型のイメージ・センサ手段からの各受光素子の
   パルス出力を受けて、所定のレベルと比較して、前記各
   受光素子のパルス出力の振幅が前記所定のレベルを越え
   たパルス出力を得るためのコンパレータ手段（15）と、 前記コンパレータ手段からのパルス出力のパルス数を計
   数するための計数手段（20,21,22）と、 前記計数されたパルス数に対応した前記フィード・バッ
   ク信号を出力することによって、前記CCD型のイメージ
   ・センサ手段においてブルーミング現象を生じないよう
   に前記レーザ発振手段の出力を制御するための発光量制
   御手段（19）と を含むレーザ光を利用した変位計。