JPH0726844B2 - 光学測定装置 - Google Patents

光学測定装置

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JPH0726844B2
JPH0726844B2 JP15165290A JP15165290A JPH0726844B2 JP H0726844 B2 JPH0726844 B2 JP H0726844B2 JP 15165290 A JP15165290 A JP 15165290A JP 15165290 A JP15165290 A JP 15165290A JP H0726844 B2 JPH0726844 B2 JP H0726844B2
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宏和 田中
清光 石川
文雄 小川
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、1つの光源の光を性質の異なる2つの光に
分離して投光する投光手段を利用した測定装置で、例え
ば、自動車の車高測定、スプリングの撓み量測定、カメ
ラの距離測定などに利用するところの光学測定装置に関
する。
「従来の技術」 光を利用して被測定物までの距離を測定する測定装置は
様々な構成のものがある。
第5図は従来の測定装置の投光手段を示し、21は発光ダ
イオードなどの光源、22は偏光ビームスプリツタ、23、
24、25は全反射ミラー、26は偏光を乱さない反射面をも
つ被測定物である。
光源21の光はその偏光成分P、Sが偏光ビームスプリツ
タ22によって分離される。
すなわち、偏光成分Pの光がこのスプリッタ22によって
反射されて被測定物26に照射され、一方、偏光成分Sの
光はこのスプリツタ22を透過した後、全反射ミラー23、
24、25によって反射し再び上記スプリツタ22を透過して
被測定物22に照射される。
この結果、光源21から被測定物26までの光路長が偏光成
分Pの光に比べて偏光成分Sの光が2d1+2d2だけ長く
なる。
第6図は被測定物上の照度特性で、Poは偏光成分Pの光
の特性を、Soは偏光成分Sの光の特性を各々示す。
被測定物26が上記の照度特性にしたがって投光されるこ
とになる。ここで、被測定物26の反射率をK、被測定物
26における偏光成分Pの光の照度をEp、偏光成分Sの光
の照度をEsとすると、被測定物26の輝度(ニット)がKE
p、KEsに対応したものとなる。
そこで、被測定物26の輝度をBp,Bsとしてこれらの輝度
の比を求めれば、 Bp/Bs∝Ep/Es ……(1) となり、被測定物26の反射率Kに関係なく、この輝度B
p,Bsを測定することによって被測定物26までの距離Dを
求めることができる。
つまり、光源21と偏光ビームスプリツタ22の間の距離は
被測定物26までの距離Dに比べて極く短くすることがで
きるから、この間の距離を零と仮定すると、被測定物26
における偏光成分Pの光の照度は、Ep=1/D2、偏光成分
Sの光の照度は、Es=1/(D+d)2となる。ただし、光源21
の光の強さを「1」、d=2d1+2d2とする。
ここで、EP、Esの比は、 Ep/Es={D/(D+d)}2 ……(2) となり、この(2)式よりDを算出し、被測定物26まで
の距離を求めることができる。
第7図は被測定物26の輝度を測定するための受光手段を
示す。
偏光成分P、Sの光が混合した被測定物26の反射光が集
光レンズ28によって集光されて偏光ビームスプリツタ29
に入射する。したがって、偏光成分Pの光がこのスプリ
ツタ29によって反射されて一方の受光素子30に入射し、
偏光成分Sの光がこのスプリツタ29を透過して他方の受
光素子31に入射し、これら受光素子30、31によって偏光
成分P、Sの光が別個に光電変換される。
第8図は信号処理手段の一例を示した回路図であり、3
4、35は対数変換回路、36は差動増幅器である。
対数変換回路34は受光素子30の光電変換電流Ipを適当な
手段によって電圧Vpに変換すると共に、この電圧Vpを対
数変換する。
同様に対数変換回路35は受光素子31の光電変換電流Isを
電圧Vsに変換すると共に、この電圧Vsを対数変換する。
差動増幅器36は対数変換回路34、35より対数変換電圧
(logVp、logVs)を入力して、これらの差電圧(logVp
−logVs=logR)を測定距離情報として出力する。
上記した信号処理手段は、 Ep/Es∝Vp/Vs の関係があることから Vp/Vs=E とし、この両辺の対数をとり、 logVp/Vs=logR、 logVp−logVs=logR を算出する構成となっている。
上記した測定装置は本特許出願の発明者等によつて開発
され、平成1年特許願第271487号として既に出願されて
いる。
「発明が解決しようとする課題」 上記した従来の測定装置は、一つの光源によって投光す
るため、光源の劣化等の原因によって投光の強さが変化
した場合でも測定結果に影響しない測定誤差の極めて少
ない測定装置といえる。
しかしながら、この測定装置は、分離光の一方の光路形
成に3つのミラーを用いているので、どうしても装置が
大型化すると共に、光路形成にコストがかかるという欠
点がある。
また、ミラーの設置には高い機械的精度が必要であり、
振動等の外的要因によってミラーにズレが生じた場合、
調整などに時間がかかる。
本発明は上記した問題点を解決するため、装置の小形化
を図り、構成が比較的簡単なこの種光学測定装置を開発
することを目的とする。
「課題を解決するための手段」 上記した目的を達成するため、本発明では、1つの光源
からの光を性質の異なる2つの光に分離すると共に、分
離した一方の光を所定の曲面を有する凹面ミラーで反射
させ他方の光とは異なる放射特性の光として他方の光と
共に被測定物に向けて投光する投光手段と、被測定物の
反射光を分離光別に光電変換する受光手段と、この受光
手段が出力する分離光別の光電変換信号を比較処理して
測定情報を出力する信号処理手段とより構成したことを
特徴とする光学測定装置を提案する。
また、本発明では、上記した受光手段を被測定物に備え
て投光手段からの光を直接受光する構成の光学測定装置
を提案する。
「作用」 一つの光源より性質の異なる2つの光に分離された光が
被測定物に投光される。
分離された2つの光のうち一方の光は、凹面ミラーで反
射されるため、これら2つの光は光路長の差に応じた異
なる放射特性によって被測定物に照射される。
被測定物のこのような2通りの輝度は反射光として受光
手段により受光され、分離光別の光電変換信号を比較す
る信号処理手段より測定情報が出力される。
受光手段を被測定物に備えた発明では、投光手段の投光
を直接受光し、この受光手段が出力する分離光別の光電
変換信号が前記同様にして比較される。
「実施例」 次に、本発明の実施例について図面に沿って説明する。
第1図は、投光手段の実施例を示し、51は発光ダイオー
ドなどの光源、52は偏光ビームスプリツタ、53は双曲面
ミラー、54は被測定物である。
光源51の光はその偏光成分P、Sが偏光ビームスプリツ
タ52によって分離される。
すなわち、偏光成分Pの光がこのスプリツタ52によって
反射されて被測定物54に照射され、偏光成分Sの光がこ
のスプリツタ52を透過した後、双曲面ミラー53によって
反射され、再度上記スプリツタ52を透過して被測定物54
に照射される。
一方、光源51は、双曲面ミラー53の焦点Fに位置してお
り、このことからスプリツタ52を透過した偏光成分Sの
光は、あたかももう一つの他の焦点F′に置かれた光源
からの照射とみなすことができる。
この双曲面ミラー53と焦点F′の関係について第2図を
用いて説明する。
第2図において、55は双曲線で、この双曲線55をx軸の
回りで回転させて形成される軌跡面が上記した双曲面ミ
ラー53の反射面に相当する。
双曲線は広く知られているように、 の式で表わされる。
この双曲線55の一点をx1、y1とすると、この点における
法線56は、 となる。
また、F、F′は双曲線55の焦点で、 となる。
各角θ、θ、θを図示の如く定める。また、θ
は焦点Fと一点(x1、y1)と結んだ線と法線56となす
角、θ′は焦点F′と一点(x1、y1)とを結んだ線と
法線56とのなす角である。
焦点Fに光源51を置くとθは光の入射角となるから、
θ′が反射角であれば、θ=θ′となり、偏光成
分Sの光については焦点F′に光源がある場合と同様と
なる。
次に、θ=θ′の条件が成立することについて説明
する。
一点(x1、y1)における双曲線55の方程式は、上記(1
0)式より x1、y1における法線56の式は、上記(11)式より、 また、焦点F,F′は上記(12)、(13)式より、 F2=a2+b2 ……(16) 上記(14)式から、 a2y2 1=b2(x2 1-a2) ……(17) 第2図から、 θ=θ+θ、θ=θ−θ ……(18) θ′=θ+θ ……(19) 上記(18)式の両辺のtanを取ると、 tanθ=tan(θ−θ) ……(20) この(20)式の右辺は、 第2図より、 上式(15)より、 上式(21)に上記(20)、(22)、(23)を代入、 上記(17)式を代入して整理、 上記(16)式を代入して整理、 したがって 一方、上式(19)の両辺のtanを取る。
tanθ′=tan(θ+θ) ……(26) この式(26)の右辺は、 第2図より、 上式(27)に上式(24)、(26)、(28)を代入 上式(17)を代入して整理 上式(16)を代入して整理 したがって、 結局、上式(15)、(30)より、θ=θ′となる。
以上より分かる通り、焦点Fからの光は入射角θで一
点(x,y)に入射し、反射角θ′で反射する。
この反射光の方向は焦点F′からの光の方向と一致す
る。
この結果、第1図の光源51から投光される光の偏光成分
Sは焦点F′に光源がある場合と同様となり、偏光成分
P、Sの光の照度特性が異なったものとなる。
すなわち、被測定物54に照射した偏光成分Pの光路長は
do+D、偏光成分Sの光路長はd1+Dとなる。ここで、
光源51と偏光ビームスプリツタ52との間の距離doは極く
短くすることができるから、このdoを零と仮定すると、
偏光成分Sの光は、偏光成分Pの光に比べてd1だけ長く
なる。
これより、偏光成分PとSの光は、投光距離によって変
化した光特性をもち、従来例で説明した第6図同様の照
度特性にしたがって被測定物54上に投光させる。
したがって、被測定物54上の偏光成分Pの光の照度Ep
は、偏光ビームスプリツタ52の反射率等を加味した偏光
成分Pの光を実効放射強度Ipとすれば、Ep=Ip/D2とな
り、被測定物54の反射率、拡散率等の計数をρとする
と、被測定物54はρEpに比例した輝度Bpを有することに
なる。すなわち、 Bp=ρEp=ρIp/D2 となる。
一方、被測定物54上の偏光成分Sの光の照度Esは、上記
同様に実効放射強度Isとすれば、Es=Is/(D+d1)2とな
り、ρを上記同様に反射率、拡散率等の係数とすると、
被測定物54はρEsに比例した輝度Bsを有することにな
る。
すなわち、 Bs=ρEs=ρIs/(D+d1)2 となる。
ここで、従来例同様にBpとBsの比を求めると、 Ip/Isは定数であるから、Bp/Bsを求めることによってD
を算出し、被測定物54までの距離を求めることができ
る。
第3図は被測定物54の輝度を測定するための受光手段を
示す実施例である。
図示する如く、偏光成分P、Sに分離して投光した被測
定物54の反射光は集光レンズ57によって集光され、偏光
ビームスプリツタ58に入射する。そして、偏光成分Pの
光がこのスプリツタ58によって反射して一方の受光素子
59に入射し、偏光成分Sの光がこのスプリツタ58を透過
して他方の受光素子60に入射し、これら受光素子59,60
によって偏光成分P、Sの光が別個に光電変換される。
そして、第8図に示した従来例と同様の信号処理手段に
よって被測定物の輝度を測定し、その測定値から距離D
を算出する構成となつている。
第4図は投光手段の他の実施例を示し、偏光ビームスプ
リツタ52に換えて直角プリズム61を利用したものであ
る。直角プリズム61の斜面61aには偏光ビームスプリツ
タの反射膜を設け、さらにこの斜面61aに平凸レンズ62
が固定している。また、62aは双曲面で全反射ミラーと
なっている。
光源51の光はその偏光成分P、Sが直角プリズム61によ
って分離される。
すなわち、偏光成分Pの光が直角プリズム61の斜面61a
の反射膜によって反射されて被測定物54に照射され、一
方、偏光成分Sの光は直角プリズム61を透過した後、全
反射ミラー62aによって反射し、再び上記直角プリズム6
1を透過して被測定物54に照射される。そして、全反射
ミラー62aは双曲面であることから、直角プリズム61を
透過した光はあたかも焦点F′に置かれた光源からの照
射とみなすことができる。
なお、偏光成分Sの光を反射する反射面は、上記したよ
うな双曲面のものに限らず、球面や放物面などの凹面ミ
ラーでもよく、いわば、分離した一方の光を、凹面ミラ
ーによって反射させ他方の光に対して異なる放射特性を
もつように構成すればよい。
以上、本発明の実施例について説明したが、受光手段に
ついては被測定物の反射光を受光する構成の他に、この
受光手段を被測定物に備えて光源から投光される偏光成
分P、Sの光を直接受光する構成とすることができる。
一方、上記した光源51の光は、周囲光の影響を受けない
ようにするためにパルス光、または変調光などとしても
よい。
また、白熱電球のように発光波長が広い幅をもつ光源を
使用する場合には、光源の光を異なった波長に分離して
投光する構成としてもよい。ただ、このように実施する
場合は、上記実施例に示した偏光ビームスプリツタ52、
58に換えてダイクロイックミラーを用いる。
さらに、信号照射手段としては、受光手段の光電変換信
号を対数変換し、その差を取る構成にかぎらず、光電変
換信号をA/D変換してデジタル処理する構成、また、除
算回路によって信号処理する構成とすることができる。
「発明の効果」 上記した通り、本発明に係る光学測定装置では、1つの
光源の光を性質の異なる2つの光に分離すると共に、分
離した一方の光を所定の曲面を有する凹面ミラーで反射
させ他方の光とは異なる放射特性の光として他方の光と
共に被測定物に向けて投光する投光手段を設けたので、
この投光手段の構成が簡単となり小形化に適した測定装
置となる。
また、従来のものに比べて精密な光学構成を要しないこ
とから、故障が少なく低コストの測定装置が提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る投光手段の一実施例を示す簡略
図、第2図は双曲面ミラーと焦点の関係を説明するため
の説明図、第3図は本発明に係る受光手段の一実施例を
示す簡略図、第4図は投光手段の他の実施例を示す簡略
図、第5図乃至第8図は従来例を示し、第5図は投光手
段の簡略図、第6図は被測定物上の照度特性を示した特
性図、第7図は受光手段の簡略図、第8図は信号処理手
段の回路図である。 51…光源 52…偏光ビームスプリツタ 53…双曲面ミラー 54…被測定物 57…集光レンズ 58…偏光ビームスプリツタ 59、60…受光素子 61…直角プリズム 61a…反射膜 62a…全反射ミラー

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】1つの光源からの光を性質の異なる2つの
    光に分離すると共に、分離した一方の光を所定の曲面を
    有する凹面ミラーで反射させ他方の光とは異なる放射特
    性の光として他方の光と共に被測定物に向けて投光する
    投光手段と、被測定物の反射光を分離光別に光電変換す
    る受光手段と、この受光手段が出力する分離光別の光電
    変換信号を比較処理して測定情報を出力する信号処理手
    段とより構成したことを特徴とする光学測定装置。
  2. 【請求項2】1つの光源からの光を性質の異なる2つの
    光に分離すると共に、分離した一方の光を所定の曲面を
    有する凹面ミラーで反射させ他方の光とは異なる放射特
    性の光として他方の光と共に被測定物に向けて投光する
    投光手段と、被測定物に備え、投光手段からの光を分離
    光別に光電変換する受光手段と、この受光手段が出力す
    る分離光別の光電変換信号を比較処理して測定情報を出
    力する信号処理手段とより構成したことを特徴とする光
    学測定装置。
JP15165290A 1989-09-21 1990-06-12 光学測定装置 Expired - Lifetime JPH0726844B2 (ja)

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EP90309625A EP0419082B1 (en) 1989-09-21 1990-09-03 Optical distance gauging apparatus
US07/578,083 US5056913A (en) 1989-09-21 1990-09-05 Optical gauging apparatus
CA002025887A CA2025887C (en) 1989-09-21 1990-09-20 Optical gauging apparatus

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JPH0450612A JPH0450612A (ja) 1992-02-19
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