JPH0713566B2 - 非接触距離測定機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非接触距離測定機に係り、特に、可視光ガス
レーザや半導体レーザを光源にして、三角測量の原理に
より、非接触式に目的物までの距離や目的物の断面形状
を測る測定機の測定効率と精度の向上に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来のこの種の非接触距離測定機は、例えば、特開昭53
−19053号または特開昭57−127804号に示されるよう
に、断続光束を出力する光源部と、基線に対して一定角
度で目的物に光束を発信する発信反射鏡と、目的物から
反射された断続的光束を相対向して設けられた感知素子
に向けて一定角度で反射させる受信反射鏡と、感知素子
からの信号を差動増幅する差動増幅回路と、その差動増
幅出力がゼロに近付くように受信反射鏡の位置を移動さ
せるサーボ機構と、発信反射鏡の基線上の発信点と受信
反射鏡の反射光束の受信点との間の距離を検出する移動
量検出機構等から構成されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これら従来の非接触距離測定機は、いずれも、受信反射
鏡が１枚だけであるために、測定可能距離の最短に近い
部分から最長に近い部分の測定に移るような場合、測定
距離に見合った相当長い範囲で受信反射鏡を移動させな
ければならず、測定時間のロスが大きかった。測定効率
を上げようとすれば、受信反射鏡を移動させる速度を高
くする必要があり、そのため、移動機構に使用されてい
るボールねじ等の摩耗が速く、しかも高速にボールねじ
を回転させる機構を要する。

その際に、受信反射鏡の移動に伴うピッチング量を最低
限にするような高精度の移動機構を採用しないと、測定
精度が悪くなるので、移動部の小型・軽量化が望めなか
った。

さらに、移動量検出機構が、ボールねじの回転をエンコ
ーダを介して間接的に取込み移動距離を検出しているか
ら、移動機構にバックラッシュ等を生じた場合、ミスカ
ウントし、正確な移動量を検出できない問題もあった。

本発明の目的は、移動機構の移動量が少なくて済み、測
定時間を短縮でき、しかもボールねじ等の機構部品の摩
耗が少ない非接触距離測定機を提供することである。

本発明の他の目的は、受信反射鏡の移動に伴うピッチン
グの影響を排除可能な非接触距離測定機を提供すること
である。

本発明のさらに他の目的は、移動機構にバックラッシュ
等が万一生じても、それに拘わりなく、正確な移動量を
検出できる非接触距離測定機を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、断続的光束を出
力する光源部と、基線に対して一定角度で目的物に前記
光束を発信する発信反射鏡と、目的物から反射された断
続的光束を基線に沿い互いに反対方向に反射させる２組
の受信反射鏡と、基線の両側に一対ずつ配置され各受信
反射鏡からの断続的光束にそれぞれ感応する２組の光電
素子と、 各々の一対の光電素子からの信号を差動増幅する２組の
差動増幅回路と、各々の一対の光電素子からの信号を加
算増幅する２組の加算増幅回路と、各々の加算増幅回路
の信号レベルを比較し最適側の信号を有効と判定する選
択回路と、選択された光電素子側の差動増幅回路からの
出力に応じて受信反射鏡の位置を差動出力がゼロに近付
くように基線上を移動させるサーボ機構と、発信反射鏡
の基線上の発信点と受信反射鏡の目的物からの反射光束
の受信点との間の距離を光束を用いて光電的に検出する
移動量検出機構と、各々の光電素子からの信号を処理し
演算するとともに装置全体を制御する制御演算装置と、
演算の結果得られた目的物までの距離を表示する表示器
とからなる非接触距離測定機を提供するものである。

前記２組の受信反射鏡に対応させて２組の光電素子を配
置する代わりに、２組の受信反射鏡のいずれか１組の反
射光束を他の１組の反射鏡の光束側に導き光路を一致さ
せる光学系を用い、各反射光束が入射する基線の両側に
一対配置され各受信反射鏡からの断続的光束に感応する
光電素子と、一対の光電素子からの信号を差動増幅する
差動増幅器回路と、２組の受信反射鏡のどちらに反射光
束があるかを検出する反射光束監視光電素子とで、非接
触距離測定機を構成することもできる。

いずれの場合も、移動量検出機構が、サーボ機構により
受信反射鏡を移動させる際の受信反射鏡のピッチング量
を光電的に検出し移動量を補正するための電気信号を制
御演算装置に出力する手段を備えた非接触距離測定機と
することが可能であり、さらにこれら非接触距離測定機
を基線のまわりに回転させる回転装置と、その回転角度
を検出する回転角度検出装置とを備えると、二次元非接
触座標測定機が得られる。

〔作用〕

本発明においては、２組の受信反射鏡に、測定距離範囲
を分担させるので、移動機構の移動量が従来のほぼ半分
で済み、測定時間が短縮され、ボールねじ等の機構部品
の摩耗が少ない。

また、受信反射鏡が１枚の場合と比べて、移動テーブル
の長さを十分取れるため、移動機構の精度調整が比較的
容易である。

この移動機構にピッチングが生じる場合は、その影響を
定量的に評価し、移動量を補正する構造を採用し、移動
部を小型・軽量化してある。

さらに、位置合わせおよびピッチング量検出と同一の光
源を用いて、移動テーブルの移動距離を直接検出してい
るので、移動機構にバックラッシュ等が万一生じても、
その影響を受けずに、正確な移動量を検出可能である。

〔実施例〕

次に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。

第１図は、本発明による非接触距離測定機の一実施例の
正面から見た移動機構を測定回路とともに示すブロック
図、第２図は、第１図移動機構のピッチング量を検出す
るための構成を示す上面図である。紙面の都合上、第１
図と第２図に分けてあるが、全体として一つの非接触距
離測定機を構成している。

これらの図において、１は断続的光束を出力する光源部
であり、変調発振器1aと、その出力に応じて断続的光束
を射出する半導体レーザ1bと、半導体レーザ1bからの円
錐状に広がる光束を平行ビームにするコリメータレンズ
1cとからなっている。光源部１の変調用発振器1aと半導
体レーザ1bの部分は、第３図および第４図に示す可視光
ガスレーザ1dと、スリット状の孔を形成した円板1eと、
円板1eを回転させ可視光ガスレーザの光束を断続的光束
にする回転機構1fとに代えても良い。このように、断続
的光束を用いるのは、定常光やランダムに入射する外乱
光の影響を排除するように、後述の同期検波回路で有効
な反射光束のみを検出するためである。

２はガラスにアルミ蒸着等を施した発信反射鏡であり、
光源部１から出力された光束を基線に対して一定角度で
目的物Ｏに発信する。3A,3Bはガラスにアルミ蒸着等を
施した２組の受信反射鏡であり、目的物Ｏから反射され
る断続的光束をそれぞれ受光部4A,4Bに向けて一定角度
で反射する。本発明の特徴は、このように受信反射鏡を
２組用いることである。受光部4Aは、基線を挟み（図で
は上下に）配置された一対の受光素子4Aaと反射光束を
この受光素子4Aa上に結像させる集束レンズ4Abとで構成
されている。受光部4Bは、この受光部4Aとは、基線上対
向する位置に配置され、同様な構成となっている。

受信反射鏡3A,3Bは、移動機構５のモータ5aにより回転
するボールねじ5bで駆動される移動テーブル5c上に、そ
れぞれ角度ΘA,ΘＢで固定されている。６はハーフミラ
ーであり、発信反射鏡２から射出された光束の一部を、
移動テーブル5c上に固定されたハーフミラー７を介し、
距離検出用光電素子８に入射させる。距離検出用光電素
子８は、PSDまたはCCD等を用いたリニア形イメージセン
サである。

上記従来例のように、受信反射鏡３が１枚の場合、第５
図に示す通り、測定距離範囲がRmaxからRminの間では、
受信反射鏡３がｄの範囲を移動する必要がある。

これに対して、第６図に示した本発明の場合は、移動テ
ーブル5cに固定した２枚の受信反射鏡の中心間隔をd/2
程度にすると、移動テーブル5cの移動量deは、ほぼd/2
で良い。すなわち、第６図上、実線の位置から破線の位
置まで動く間に、受信反射鏡3Aを用いれば、Rminから略
中間の距離までを測定でき、一方の受信反射鏡3Bを使え
ば、略中間の距離からRmaxまでを測れることになる。そ
のため、移動テーブルの速度が従来と同じならば、測定
時間を約半分に短縮できる。また、移動テーブルの移動
距離が短いので、摩耗が少ない。さらに、受信反射鏡が
１枚の従来例と比べて、移動テーブルの長さを大きくと
れるので、移動機構の精度調整が容易となる。

光電素子８に入射した光束の位置を求めると、移動テー
ブル5cの移動量が判り、目的物Ｏまでの距離が計測でき
る。すなわち、第７図のように、発信反射鏡２の位置に
基づいて決められる基点０と受信反射鏡3Aとの距離をＤ
とすれば、目的物Ｏまでの距離Ｒは、 Ｒ＝Ｄ・tanΘ で表される。受信反射鏡3Bの場合も、Ｄに両反射鏡の間
の距離が加わるだけで、同様に求められる。

さて、前記受光部4A,4B内の各一対の光電素子4Aa,4Ba
は、それぞれに同期検波回路9A,10Aおよび9B,10Bに接続
されている。これらの同期検波回路は、変調発振器1aか
らの信号に同期して、有効な反射光束のみを検波する。
同期検波回路9A,10Aの出力はそれぞれ、差動増幅回路11
Aと加算増幅回路12Aに入力される。同様に、同期検波回
路9B,10Bの出力はそれぞれ、差動増幅回路11Bと加算増
幅回路12Bに入力される。

差動増幅回路11A,11Bの出力がゼロとなるのは、受信反
射鏡3Aまたは3Bからの反射光束が、集束レンズ4Abまた
は4Bbを介して、１対の光電素子4Aaまたは一対の光電素
子4Ba上に、第８図（Ａ）に示すように、均等に結像さ
れ、上記式すなわちＲ＝Ｄ・tanΘが成り立つ状態であ
る。両加算増幅回路12A,12Bの出力は比較回路13に入力
される。比較回路13は、受信反射鏡3Aと3Bのどちらから
の反射光束が多いかを判定する。選択回路14は、比較回
路13の判定結果に基づき、目的物Ｏの測距に適した側の
差動増幅回路11Aまたは11Bからの信号を選択する。

次に、第２図と第９図とにより、ピッチングの影響を排
除する手段を説明する。発信反射鏡２から射出された光
束の一部は、ハーフミラー６と移動テーブル5c上に固定
されたハーフミラー7,反射鏡15,16とを介して、一対の
光電素子17に入射する。光電素子17は、第１図のサーボ
回路20および移動機構５により、移動テーブル5cが移動
したときに発生するピッチング（おどり）量を定量的に
求め、距離検出用光電素子８で得られる距離データを補
正するための信号を出力する。

ピッチング量検出の原理を第９図に示す。実線は、移動
テーブル5cに固定された光学系6,7,15,16を介して、光
束が、一対の光電素子17に均等に入射している状態であ
る。この場合、差動増幅回路18の出力はゼロに近くな
り、それに見合ったディジタル出力がA/D変換器19から
出力される。これに対して、点線は、移動したときのピ
ッチングにより、移動テーブル5cが傾いた状態を示す。
このとき光束は光電素子17に点線のように入射し、差動
増幅回路18の出力は、傾きの方向に応じてプラスまたは
マイナス側にずれる。このずれ量に基づき、距離データ
を補正する。本発明においては、この補正により、高精
度を確保できる。

制御演算回路21は、本測定機全体を制御する中央処理装
置（CPU）等を含み、前記選択回路14からの信号によ
り、サーボ回路20を介して、移動機構５のモータ5aに移
動テーブル5cを駆動させ、各光電素子からの信号を処理
し、目的物Ｏまでの距離を演算する。表示器22は、前記
演算結果の距離等を表示する。

このように構成された本実施例の動作を次に説明する。
変調用発振器1aは、第12図に示すように、半導体レーザ
1b用の変調信号（発振周波数5KHz,デューティ50％）お
よび同期検波回路9A,10A,9B,10B用のホールド信号（発
振周波数5KHz,デューティ５％）を出力する。変調信号
はローレベルのときに半導体レーザ1bを発振させる。ホ
ールド信号は、変調信号がローレベルに移行後、50μｓ
程度経過してから検波するための同期タイミング信号と
なっている。変調発振器1aの変調信号は、半導体レーザ
1bの出力光量を安定化する（図示しないが）公知の光量
安定化回路を介し、半導体レーザ1bを駆動する。半導体
レーザ1bから発射され円錐状に広がる光束は、コリメー
タ1cで平行ビームにされる。平行ビームとなった光束
は、発信反射鏡２を介して、一定角度で（基線に対して
垂直方向に）目的物Ｏに発信される。

目的物Ｏからの反射光束は、移動テーブル5cに固定され
た受信反射鏡3Aまたは3Bを介して、受光部4Aまたは4Bに
入射する。受光部4Aまたは4Bの一対の光電素子4Aaまた
は4Ba上に反射光束が均等に結像したとき（第８図
（Ａ）参照）は、三角測量の原理が成り立ち、目的物Ｏ
までの距離を正確に計測できる。上記一対の光電素子4A
aまたは4Ba上の像が不均一であるとき（第８図（Ｂ）参
照）は、制御演算装置21からの指令により、サーボ回路
20が、移動機構５を作動させて、均等な像ができる方向
に、移動テーブル5cを移動させる。

既に述べたように、本実施例の特徴は、移動テーブル5c
の両側に、受信反射鏡3A,3Bを１枚ずつ固定し、各々に
対向する受光部4A,4Bを設けた点である。第６図のRmin
〜略中間の距離は、受信反射鏡3Aと受光部4Aが担当し、
略中間〜Rmaxの距離は、受信反射鏡3Bと受光部4Bが担当
する。どちらの光学系を用いるかは、加算増幅回路12A,
12Bと比較回路13とで決定する。すなわち、加算増幅回
路12A,12Bの出力信号は、各一対の光電素子4Aa,4Bbに入
射している光束全体の光量を示しており、比較回路13は
上記２系統の光学系の内でどちらの光量が多いかを判定
している。その結果は、選択回路14に伝えられ、光量が
多い方の光学系の差動増幅回路11Aまたは11Bからの信号
が有効とされる。その信号は、制御演算回路21で処理さ
れ、サーボ回路20を介して、移動テーブル5cを最適方向
へ駆動する。

発信反射鏡２からハーフミラー６に入射した光束の50％
は、距離検出に利用される。ハーフミラー６で分割され
た光束の一方は、移動テーブル5c上に固定されたハーフ
ミラー７を介して、距離検出用光電素子８に入射し、移
動テーブル5cの位置，すなわち発信反射鏡２から受信反
射鏡3Aまたは3Bまでの距離を検出している。この検出信
号は、制御演算回路21に取り込まれる。

ハーフミラー７で分割された光束の一方は、移動テーブ
ル5cの移動時に発生するピッチング量を定量的に求める
ための光束として、移動テーブル5cに固定された反射鏡
15,16を介し一対の光電素子17に入射する。光電素子17
からの信号は、差動増幅回路18で差動増幅され、A/D変
換器19によりディジタルデータに変換され、制御演算回
路21において、距離検出用光電素子８からの距離データ
に補正を加えるパラメータとなる。

制御演算回路21は、各光電素子等からのデータを演算処
理し、距離等の結果を求め、表示器22に表示させるとと
もに、必要ならば、図示しないデータレコーダに測定結
果を出力する。

第10図は、第１図の発明における受光部を一組だけにし
た第２発明の一実施例の光学系および受光部を示す図で
ある。上記第１図の発明の実施例は、受信反射鏡3Aと3B
のそれぞれに対向させて受光部4Aと4Bを設けていたが、
本実施例は、受光部４を１組だけにするものである。本
実施例において、受信反射鏡3Bからの光束は、ハーフミ
ラー23,反射鏡24,25,ハーフミラー26を介して、ただ一
つの受光部４に入射する。受信反射鏡3Aからの光束は、
ハーフミラー26を介して、第１図の実施例と同様に、受
光部４に入射する。

反射光束が受信反射鏡3Aと3Bのどちらに入射しているか
は、受信反射鏡3Bの反射光束をハーフミラー23を介して
モニタしている光電素子27からの信号により監視され
る。光電素子27からの信号は、増幅回路28に入力され増
幅される。増幅回路28の出力が所定値以上ならば、制御
演算回路21は、反射光束が受信反射鏡3Bを介して、受光
部４に入射していると判断する。

なお、光電素子27は、光束が上下方向でどの位置に生じ
たかを検出する必要がないので、光電素子4Aaや4Baのよ
うに、上下一対に分割された構造にはなっていない。ま
た、受光部４と監視用光電素子27の位置を、第10図上、
左右入れ替えても良いことは明らかであろう。

第10図の第２発明の実施例は、第１図の発明の実施例と
比較して、同期検波回路と差動増幅回路の構成が単純と
なる。

第11図は、上記第１図の発明または第10図の第２発明に
回転装置を取り付け、二次元非接触座標測定機とした実
施例を示す図である。図において、LDMと表示したの
は、第１図または第10図の構成の非接触距離測定機全体
である。本実施例は、上述の基線を中心とし、LDMをΘ
方向に回転させる回転装置29と、その回転角度Θを検出
する回転角検出装置30を付加し、極座標上でデータ処理
することにより、二次元非接触座標測定機としたもので
ある。本実施例の場合は、目的物Ｏまでの距離のみなら
ず、目的物の表面をスキャンして、平面的形状を効率よ
く計測できる。

本発明は、表面が鏡面以外のすべての目的物までの距離
および目的物の形状の測定に利用でき、その応用範囲は
広い。

〔発明の効果〕 本発明は、２枚の受信反射鏡に、測定距離範囲を分担さ
せるので、移動機構の移動量が従来のほぼ半分で済み、
測定時間が短縮され、ボールねじ等の機構部品の摩耗が
少ない。

また、受信反射鏡が１枚の場合と比べて、移動テーブル
の長さを十分取れるため、移動機構の精度調整が比較的
容易である。

この移動機構にピッチングが生じる場合は、その影響を
定量的に評価し、移動量を補正するから、移動部が小型
・軽量化可能である。

さらに、位置合わせおよびピッチング量検出と同一の光
源を用いて、移動テーブルの移動距離を直接検出してい
るので、移動機構にバックラッシュ等が万一生じても、
その影響を受けずに、正確な移動量を検出できる。

また、上記基本構成の非接触距離測定機を回転装置に取
り付けると、測定効率が良い二次元非接触座標測定機が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による非接触距離測定機の一実施例の正
面から見た移動機構を測定回路とともに示すブロック
図、第２図は第１図移動機構のピッチング量を検出する
ための構成を示す上面図、第３図はガスレーザを用いる
光源部を示す図、第４図は第３図の円板を示す図、第５
図は従来用いられていた受信反射鏡が１枚のときの移動
範囲の説明図、第６図は本発明により受信反射鏡が２枚
の場合の移動範囲の説明図、第７図は非接触距離測定の
原理図、第８図は光電素子と像との位置関係を示す図、
第９図はピッチング量の検出原理を示す図、第10図は第
１図の発明における受光部を一組だけにした第２発明の
一実施例の光学系および受光部を示す図、第11図は上記
第１図の発明または第10図の第２発明に回転装置を取り
付け二次元非接触座標測定機とした実施例を示す図、第
12図は変調信号とホールド信号との関係を示すタイミン
グチャートである。 １……光源部、1a……変調用発振器、 1b……半導体レーザ、1c……コリメータレンズ、 1d……可視光ガスレーザ、1e……円板、 1f……回転機構、２……発信反射鏡、 3,3A,3B……受信反射鏡、 4A,4B……受光部、4Aa,4Ba……光電素子 4Ab,4Bb……集束レンズ、５……移動機構、 5a……モータ、5b……ボールねじ、 5c……移動テーブル、6,7……ハーフミラー、 ８……距離検出用光電素子、 9A,9B,10A,10B……同期検波回路、 11A,11B……差動増幅回路、 12A,12B……加算増幅回路、 13……比較回路、14……選択回路、 15,16……反射鏡、17……光電素子、 18……差動増幅回路、19……A/D変換回路、 20……サーボ回路、21……制御演算回路、 22……表示器、23,26……ハーフミラー、 24,25……反射鏡、27……光電素子、 28……増幅回路、29……回転装置、 30……回転検出装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−197415（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−259109（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−19053（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断続的光束を出力する光源部と、 基線に対して一定角度で目的物に前記光束を発信する発
   信反射鏡と、 前記目的物から反射された断続的光束を前記基線に沿い
   互いに反対方向に反射させる２組の受信反射鏡と、 前記基線の両側に一対ずつ配置され前記各受信反射鏡か
   らの断続的光束にそれぞれ感応する２組の光電素子と、 前記各々の一対の光電素子からの信号を差動増幅する２
   組の差動増幅回路と、 前記各々の一対の光電素子からの信号を加算増幅する２
   組の加算増幅回路と、 各々の加算増幅回路の信号レベルを比較し最適側の信号
   を有効と判定する選択回路と、 選択された光電素子側の差動増幅回路からの出力に応じ
   て受信反射鏡の位置を前記差動出力がゼロに近付くよう
   に前記基線上で移動させるサーボ機構と、 前記発信反射鏡の基線上の発信点と受信反射鏡の目的物
   からの反射光束の受信点との間の距離を前記光束を用い
   て光電的に検出する移動量検出機構と、 前記各々の光電素子からの信号を処理し演算するととも
   に装置全体を制御する制御演算装置と、 演算の結果得られた前記目的物までの距離を表示する表
   示器と からなる非接触距離測定機。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、 前記移動量検出機構が、前記サーボ機構により受信反射
   鏡を移動させる際の受信反射鏡のピッチング量を光電的
   に検出し前記移動量を補正するための電気信号を前記制
   御演算装置に出力する手段を備えたことを特徴とする非
   接触距離測定機。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項におい
   て、 前記非接触距離測定機を前記基線のまわりに回転させる
   回転装置と、 前記回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えたこ
   とを特徴とする二次元非接触距離測定機。
4. 【請求項４】断続的光束を出力する光源部と、 基線に対して一定角度で目的物に前記光束を発信する発
   信反射鏡と、 前記目的物から反射された断続的光束を前記基線に沿い
   互いに反対方向に反射させる２組の受信反射鏡と、 前記２組の受信反射鏡のいずれか１組の反射光束を他の
   １組の受信反射鏡の光束側に導き光路を一致させる光学
   系と、 前記各反射光束が入射する基線の両側に一対配置され前
   記各受信反射鏡からの断続的光束に感応する光電素子
   と、 前記一対の光電素子からの信号を差動増幅する差動増幅
   器回路と、 前記２組の受信反射鏡のどちらに反射光束があるかを検
   出する反射光束監視光電素子と、 前記差動増幅回路からの出力に応じて受信反射鏡の位置
   を前記差動出力がゼロに近付くように前記基線上で移動
   させるサーボ機構と、 前記発信反射鏡の基線上の発信点と受信反射鏡の目的物
   からの反射光束の受信点との間の距離を前記光束を用い
   て光電的に検出する移動量検出機構と、 前記各々の光電素子からの信号を処理し演算するととも
   に装置全体を制御する制御演算装置と、 演算の結果得られた前記目的物までの距離を表示する表
   示器と からなる非接触距離測定機。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項において、 前記移動量検出機構が、前記サーボ機構により受信反射
   鏡を移動させる際の受信反射鏡のピッチング量を光電的
   に検出し前記移動量を補正するための電気信号を前記制
   御演算装置に出力する手段を備えたことを特徴とする非
   接触距離測定機。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第４項または第５項におい
   て、 前記非接触距離測定機を前記基線のまわりに回転させる
   回転装置と、 前記回転角度を検出する回転角度検出装置とを備えたこ
   とを特徴とする二次元非接触距離測定機。