JPH0778429B2 - 測距装置 - Google Patents
測距装置Info
- Publication number
- JPH0778429B2 JPH0778429B2 JP19232588A JP19232588A JPH0778429B2 JP H0778429 B2 JPH0778429 B2 JP H0778429B2 JP 19232588 A JP19232588 A JP 19232588A JP 19232588 A JP19232588 A JP 19232588A JP H0778429 B2 JPH0778429 B2 JP H0778429B2
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- receiving element
- light receiving
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明のレーザービーム等の光ビームを被測定物体に
照射し、その反射光を用いて被測定物体までの距離ある
いはその変位を測定する測距装置に関する。
照射し、その反射光を用いて被測定物体までの距離ある
いはその変位を測定する測距装置に関する。
この種の測距装置としては、例えば特開昭55−40942号
公報に開示されている三角測量方式を基本とするもの
と、特開昭55−119006号公報，特開昭57−67815号公報
などに開示されているシャインプルーグ条件を満足する
光学系配置によるものが知られている。これらの装置
は、いずれも投光光学系より被測定物体上に投射された
光点を投光軸に対して斜め配置した受光光学系により受
光素子上に結像させ、例えば被測定物体の投光軸に沿っ
た被測定物体の変位量を、その受光素子上の光点の像の
位置の変化として検出することをにより測定している。
公報に開示されている三角測量方式を基本とするもの
と、特開昭55−119006号公報，特開昭57−67815号公報
などに開示されているシャインプルーグ条件を満足する
光学系配置によるものが知られている。これらの装置
は、いずれも投光光学系より被測定物体上に投射された
光点を投光軸に対して斜め配置した受光光学系により受
光素子上に結像させ、例えば被測定物体の投光軸に沿っ
た被測定物体の変位量を、その受光素子上の光点の像の
位置の変化として検出することをにより測定している。
第３図は、前記特開昭55−119006号公報の光学系の構成
を示すものである。光源１からの照射光ビーム30は、投
光レンズ２を介して被測定物体４に照射される。被測定
物体４で反射した反射光31は、集光レンズ50を介して受
光素子であるPSD（Position Sensitive Detector）７
（以下では単に受光素子７と記す。）上に結像する。６
は位置検出器で、前記受光素子７と演算器８とから成
る。受光素子７上の光点の位置は、受光素子７の２つの
出力電流I1,I2の差を算出する減算器と、和を算出する
加算器と、前記差と和との比を算出するする除算器と、
除算結果をK0倍するオペアンプ等からなる係数器とから
構成される前記演算器８により、下記（１）式を演算し
て求められる。
を示すものである。光源１からの照射光ビーム30は、投
光レンズ２を介して被測定物体４に照射される。被測定
物体４で反射した反射光31は、集光レンズ50を介して受
光素子であるPSD（Position Sensitive Detector）７
（以下では単に受光素子７と記す。）上に結像する。６
は位置検出器で、前記受光素子７と演算器８とから成
る。受光素子７上の光点の位置は、受光素子７の２つの
出力電流I1,I2の差を算出する減算器と、和を算出する
加算器と、前記差と和との比を算出するする除算器と、
除算結果をK0倍するオペアンプ等からなる係数器とから
構成される前記演算器８により、下記（１）式を演算し
て求められる。
但し、ここで dy:受光素子７上の光点の位置の変位， I1,I2:受光素子７の２出力電流， K0:定数 さらに、（１）式の演算結果と被測定物体４の変位とを
比例させるための、折線近似回路，指数関数回路，デジ
タル演算回路等の非直線性補正回路９により、信号処理
を行ない、変位の測定が行なわれる。
比例させるための、折線近似回路，指数関数回路，デジ
タル演算回路等の非直線性補正回路９により、信号処理
を行ない、変位の測定が行なわれる。
第３図の構成では、前記したようにシャインプルーグ条
件が満たされている。ここで、このシャインプルーグ条
件について簡単に説明する。第３図において、集光レン
ズ50の中心面を含む面501と、受光素子７を含む面741
（結像面に相当する）が、照射光ビーム30上を任意の一
点75で交わるように配置すれば、照射光ビーム30上の任
意の点は全てピントが合って受光素子７上に結像される
ことが知られている。これが、シャインプルーグ条件と
呼ばれるものである。
件が満たされている。ここで、このシャインプルーグ条
件について簡単に説明する。第３図において、集光レン
ズ50の中心面を含む面501と、受光素子７を含む面741
（結像面に相当する）が、照射光ビーム30上を任意の一
点75で交わるように配置すれば、照射光ビーム30上の任
意の点は全てピントが合って受光素子７上に結像される
ことが知られている。これが、シャインプルーグ条件と
呼ばれるものである。
さて、前記のようなレーザービーム等を使用して非接触
で非測定物体の位置あるいは変位を測定する測距装置
は、軟かいプラスチックのようなもので傷付けることな
く測定が可能であり、かつ工場内のロボット等の自動化
機器の距離検出器としても使えるなど、接触式の位置測
定装置にはない幾つかの長所を持っている。
で非測定物体の位置あるいは変位を測定する測距装置
は、軟かいプラスチックのようなもので傷付けることな
く測定が可能であり、かつ工場内のロボット等の自動化
機器の距離検出器としても使えるなど、接触式の位置測
定装置にはない幾つかの長所を持っている。
従来のこの種の測距装置における問題点は次のとおりで
ある。即ち、前記したように、（１）式の演算結果と被
測定物体の変位とを比例させるために、折線近似回路等
の非直線性補正回路を必要とし、このため信号処理用電
気回路が複雑で、かつ高価なものになる問題があった。
さらに、このシャインプルーグ条件を用いた場合は、そ
の光学系の構成上、受光素子上に反射光が斜めに照射さ
れるため、受光素子での測距出力に誤差が生じ、測距装
置の直線性や分解能が低下するなどの問題もあった。
ある。即ち、前記したように、（１）式の演算結果と被
測定物体の変位とを比例させるために、折線近似回路等
の非直線性補正回路を必要とし、このため信号処理用電
気回路が複雑で、かつ高価なものになる問題があった。
さらに、このシャインプルーグ条件を用いた場合は、そ
の光学系の構成上、受光素子上に反射光が斜めに照射さ
れるため、受光素子での測距出力に誤差が生じ、測距装
置の直線性や分解能が低下するなどの問題もあった。
この発明の目的は、前記従来の問題点を除去し、特別な
非直線性補正回路を必要とせず、かつ分解能が優れ直線
性が良く、しかも安価な測距装置を提供することにあ
る。
非直線性補正回路を必要とせず、かつ分解能が優れ直線
性が良く、しかも安価な測距装置を提供することにあ
る。
〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するために、この発明によれば、光ビー
ムを照射して被測定物体までの距離あるいは前記被測定
物体の変位を非接触に測定する測距装置において、前記
光ビームを出す光源と、前記光ビームを前記被測定物体
に投光する投光レンズと、第1,第2,第３の集光レンズ
と、受光素子と演算器とから成る位置検出器とを備え、
前記第２の集光レンズは前記光源から前記被測定物体に
至る前記光ビームの経路をｙ軸としたときにレンズの中
心面が前記ｙ軸と直交するｘ軸に一致して配置され、前
記受光素子はその受光面がｙ軸に一致して配置され、前
記被測定物体と前記第１の集光レンズと前記第２の集光
レンズとで第１のシャインプルーグ条件を満たし、前記
第２の集光レンズと前記第３の集光レンズと前記受光素
子とで第２のシャインプレーグ条件を満たし、かつ前記
第１の集光レンズと前記第３の集光レンズは前記ｘ軸お
よびｙ軸を座標軸としたときにそのｘ座標が同一である
こととする。
ムを照射して被測定物体までの距離あるいは前記被測定
物体の変位を非接触に測定する測距装置において、前記
光ビームを出す光源と、前記光ビームを前記被測定物体
に投光する投光レンズと、第1,第2,第３の集光レンズ
と、受光素子と演算器とから成る位置検出器とを備え、
前記第２の集光レンズは前記光源から前記被測定物体に
至る前記光ビームの経路をｙ軸としたときにレンズの中
心面が前記ｙ軸と直交するｘ軸に一致して配置され、前
記受光素子はその受光面がｙ軸に一致して配置され、前
記被測定物体と前記第１の集光レンズと前記第２の集光
レンズとで第１のシャインプルーグ条件を満たし、前記
第２の集光レンズと前記第３の集光レンズと前記受光素
子とで第２のシャインプレーグ条件を満たし、かつ前記
第１の集光レンズと前記第３の集光レンズは前記ｘ軸お
よびｙ軸を座標軸としたときにそのｘ座標が同一である
こととする。
このように、シャインプルーグ条件を満たす光学系を、
３個の集光レンズを用いて２段に構成し、かつ受光素子
および３個の集光レンズを配置する位置を特定したこと
により、単なる１段のシャインプルーグ条件を用いた場
合のような単に被測定物体の像を受光素子上にピントの
合った状態で結像できるだけでなく、被測定物体の変位
と受光素子上での光点の変位とを比例させることができ
る。これにより、従来のような折線近似回路等の非直線
性補正回路を使用しなくとも、受光素子の２つの出力電
流の和と差の比を演算するだけで、被測定物体の位置あ
るいは変位を測定することが可能となる。また反射光を
受光素子上に垂直に近い角度（垂直からのずれが10゜〜
20゜の角度）で照射することができるので、測定を直線
性や分解能の優れたものにすることが可能となる。
３個の集光レンズを用いて２段に構成し、かつ受光素子
および３個の集光レンズを配置する位置を特定したこと
により、単なる１段のシャインプルーグ条件を用いた場
合のような単に被測定物体の像を受光素子上にピントの
合った状態で結像できるだけでなく、被測定物体の変位
と受光素子上での光点の変位とを比例させることができ
る。これにより、従来のような折線近似回路等の非直線
性補正回路を使用しなくとも、受光素子の２つの出力電
流の和と差の比を演算するだけで、被測定物体の位置あ
るいは変位を測定することが可能となる。また反射光を
受光素子上に垂直に近い角度（垂直からのずれが10゜〜
20゜の角度）で照射することができるので、測定を直線
性や分解能の優れたものにすることが可能となる。
第１図に本発明の一実施例になる２段のシャインプルー
グ条件を満たした測距装置の構成を示す。第３図と同一
の部材には同一の符号を付し、説明を省略する。51,52,
53,は夫々第1,第2,第３の集光レンズであり、反射光32
は第２の集光レンズ52により屈折し、反射光33となって
受光素子７上に光点を結像する。受光素子７は、照射ビ
ーム光30を光軸をｙ軸とした時、その受光面がｙ軸に一
致するように配置されている。また第２の集光レンズ52
の中心面はｘ軸一致している。さらに第1,第３の集光レ
ンズ51,53はそのｘ座標が同じになるように配置されて
いる。第１のシャインプルーグ条件は、被測定物体４と
第１の集光レンズ51と第２の集光レンズ52とにより満た
されている。また第２のシャインプルーグ条件は、第２
の集光レンズ52と第３の集光レンズ53と受光素子７とに
より満たされている。第１図の第３図との大きな相異点
は、集光レンズが３個に増えたかわりに、非直線性補正
回路が無くなったことである。次に第２図により、この
第１図に示した本発明の一実施例の動作を幾何学的に説
明する。
グ条件を満たした測距装置の構成を示す。第３図と同一
の部材には同一の符号を付し、説明を省略する。51,52,
53,は夫々第1,第2,第３の集光レンズであり、反射光32
は第２の集光レンズ52により屈折し、反射光33となって
受光素子７上に光点を結像する。受光素子７は、照射ビ
ーム光30を光軸をｙ軸とした時、その受光面がｙ軸に一
致するように配置されている。また第２の集光レンズ52
の中心面はｘ軸一致している。さらに第1,第３の集光レ
ンズ51,53はそのｘ座標が同じになるように配置されて
いる。第１のシャインプルーグ条件は、被測定物体４と
第１の集光レンズ51と第２の集光レンズ52とにより満た
されている。また第２のシャインプルーグ条件は、第２
の集光レンズ52と第３の集光レンズ53と受光素子７とに
より満たされている。第１図の第３図との大きな相異点
は、集光レンズが３個に増えたかわりに、非直線性補正
回路が無くなったことである。次に第２図により、この
第１図に示した本発明の一実施例の動作を幾何学的に説
明する。
第２図でｘ軸は第２の集光レンズ52の中心面、ｙ軸は照
射光ビーム30の光軸に相当する。なお説明の便宜上第２
図においてはｙ軸の正方向をｙ、ｙ軸の負方向をＹで表
わしている。反射光32を示す式，反射光33を示す式は夫
々次の（２），（３）式で表わされる。
射光ビーム30の光軸に相当する。なお説明の便宜上第２
図においてはｙ軸の正方向をｙ、ｙ軸の負方向をＹで表
わしている。反射光32を示す式，反射光33を示す式は夫
々次の（２），（３）式で表わされる。
Ｙ−Y0＝Ｍ（ｘ−x0） （２） ｙ−y0＝ｍ（ｘ−x0） （３） 但しここで、 M:反射光32の傾き， m:反射光33の傾き， x0:第１の集光レンズ51,第３の集光レンズ53のｘ座標， Y0:第１の集光レンズ51のＹ座標， y0:第３の集光レンズ53のｙ座標， である。被測定物体４上の光点の位置（Ｙ切片）は
（２）式より、 Ｙ−Y0＝−Mx0 （４） となり、また反射光32が第２の集光レンズ52に入射して
いる点，即ちは反射光32とｘ軸との交点（ｘ切片）は
（２）式より、 となる。そこで（４）式と（５）式とより、 （Ｙ−Y0）・（ｘ−x0）＝x0Y0 （６） となる。次に受光素子７上の光点の像位置（ｙ切片）は
（３）式より、 ｙ−y0＝−mx0 （７） となり、また反射光33が第２の集光レンズ52から照射し
ている点，即ち反射光33とｘ軸との交点（ｘ切片）は
（３）式より、 となる。そこで（13）式と（14）式とより、 （ｙ−y0）・（ｘ−x0）＝x0y0 （９） となる。一方、反射光32と反射光33とのｘ軸での交点は
同一であるから、（６）式と（９）式とより、 となる。ここで被測定物体４がY1からY2まで変位した時
受光素子７上で光点がy1からy2まで変化する場合、（1
0）式より、 となる。この（11）式は被測定物体４の変位dYがy0/Y0
倍されて受光素子７上で変位することを意味している。
よって（11）式は、 と表わせる。
（２）式より、 Ｙ−Y0＝−Mx0 （４） となり、また反射光32が第２の集光レンズ52に入射して
いる点，即ちは反射光32とｘ軸との交点（ｘ切片）は
（２）式より、 となる。そこで（４）式と（５）式とより、 （Ｙ−Y0）・（ｘ−x0）＝x0Y0 （６） となる。次に受光素子７上の光点の像位置（ｙ切片）は
（３）式より、 ｙ−y0＝−mx0 （７） となり、また反射光33が第２の集光レンズ52から照射し
ている点，即ち反射光33とｘ軸との交点（ｘ切片）は
（３）式より、 となる。そこで（13）式と（14）式とより、 （ｙ−y0）・（ｘ−x0）＝x0y0 （９） となる。一方、反射光32と反射光33とのｘ軸での交点は
同一であるから、（６）式と（９）式とより、 となる。ここで被測定物体４がY1からY2まで変位した時
受光素子７上で光点がy1からy2まで変化する場合、（1
0）式より、 となる。この（11）式は被測定物体４の変位dYがy0/Y0
倍されて受光素子７上で変位することを意味している。
よって（11）式は、 と表わせる。
上記の説明から明らかなように、受光素子と３個の集光
レンズの位置が特定され、かつ２段のシャインプルーグ
条件が満たされているので、受光素子７上での変位dyは
被測定物体４上での変位dYに比例し、かつ被測定物体４
の表面上の像点は常に受光素子７と表面上にピントの合
った状態で結像することになる。従って受光素子７上の
光点の位置を求めれば被測定物体４の変位を直接測定で
きる。しかも受光素子７上の光点は非常に小さくなり直
線性に優れている。さらに第２の集光レンズ52で反射光
32を屈折させ、照射光ビーム30の光軸上に平行に配置し
た受光素子７上に反射光33を垂直に近い角度，即ち垂直
からのずれが10゜ないし20゜の範囲の角度で照射するよ
うに構成したので、受光素子における出力誤差も小さく
なり、測距装置としての測距分解能も非常に優れたもの
になる。その理由として、受光素子においては、光が受
光素子に対し垂直に近い角度で照射するほうが、測距装
置の組立後に起り得る受光素子の機械的な配置ずれ（0.
1゜〜１゜くらいの微小な回転ずれ）が生じても、出力
誤差を数μｍ程度におさえられるからである。
レンズの位置が特定され、かつ２段のシャインプルーグ
条件が満たされているので、受光素子７上での変位dyは
被測定物体４上での変位dYに比例し、かつ被測定物体４
の表面上の像点は常に受光素子７と表面上にピントの合
った状態で結像することになる。従って受光素子７上の
光点の位置を求めれば被測定物体４の変位を直接測定で
きる。しかも受光素子７上の光点は非常に小さくなり直
線性に優れている。さらに第２の集光レンズ52で反射光
32を屈折させ、照射光ビーム30の光軸上に平行に配置し
た受光素子７上に反射光33を垂直に近い角度，即ち垂直
からのずれが10゜ないし20゜の範囲の角度で照射するよ
うに構成したので、受光素子における出力誤差も小さく
なり、測距装置としての測距分解能も非常に優れたもの
になる。その理由として、受光素子においては、光が受
光素子に対し垂直に近い角度で照射するほうが、測距装
置の組立後に起り得る受光素子の機械的な配置ずれ（0.
1゜〜１゜くらいの微小な回転ずれ）が生じても、出力
誤差を数μｍ程度におさえられるからである。
以上により、求めるべき変位dYは、（１）式を（12）式
に代入し とすれば、 となる（但しここでＫは定数）。
に代入し とすれば、 となる（但しここでＫは定数）。
以上に述べたように、本発明によれば、測距装置の光学
系を３個の集光レンズを用いて、２段のシャインプルー
グ条件を満たすように構成し、かつ受光素子と３個の集
光レンズを配置する位置を特定したので、被測定物体の
位置あるいは変位を、非直線性補正回路のために信号処
理用電気回路を複雑にすることなく、従って安価に、演
算器の出力として直線求めることが可能になる。また、
第２の集光レンズにより反射光を屈折させ、受光素子上
に垂直に近い角度，即ち垂直からのずれが10゜ないし20
゜の範囲の角度で照射させるので、受光素子での出力誤
差が小さくなり、測距装置の直線性や測距分解能を向上
することも可能になる。
系を３個の集光レンズを用いて、２段のシャインプルー
グ条件を満たすように構成し、かつ受光素子と３個の集
光レンズを配置する位置を特定したので、被測定物体の
位置あるいは変位を、非直線性補正回路のために信号処
理用電気回路を複雑にすることなく、従って安価に、演
算器の出力として直線求めることが可能になる。また、
第２の集光レンズにより反射光を屈折させ、受光素子上
に垂直に近い角度，即ち垂直からのずれが10゜ないし20
゜の範囲の角度で照射させるので、受光素子での出力誤
差が小さくなり、測距装置の直線性や測距分解能を向上
することも可能になる。
第１図は本発明の一実施例になる、２段のシャインプル
ーグ条件を満たした測距装置の構成図、第２図は第１図
の実施例の動作を幾何学的に説明するための図、第３図
は従来のシャインプルーグ条件を用いた測距装置の構成
図である。 1:光源、2:投光レンズ、4:被測定物体、6:位置検出器、
7:受光素子、8:演算器、9:非直線性補正回路、31,32,3
3:反射光、50:集光レンズ、51:第１の集光レンズ、52:
第２の集光レンズ、53:第３の集光レンズ。
ーグ条件を満たした測距装置の構成図、第２図は第１図
の実施例の動作を幾何学的に説明するための図、第３図
は従来のシャインプルーグ条件を用いた測距装置の構成
図である。 1:光源、2:投光レンズ、4:被測定物体、6:位置検出器、
7:受光素子、8:演算器、9:非直線性補正回路、31,32,3
3:反射光、50:集光レンズ、51:第１の集光レンズ、52:
第２の集光レンズ、53:第３の集光レンズ。
Claims (1)
- 【請求項１】光ビームを照射して被測定物体までの距離
あるいは前記被測定物体の変位を接触に測定する測距装
置において、前記光ビームを出す光源と、前記光ビーム
を前記被測定物体に投光する投光レンズ、第1,第2,第３
の集光レンズと、受光素子と演算器から成る位置検出器
とを備え、前記第２の集光レンズは前記光源から前記被
測定物体に至る前記光ビームの経路をｙ軸としたときに
レンズの中心面が前記ｙと直交するｘ軸に一致し、かつ
第１の集光レンズからの反射光がその中心軸の外側に照
射されるように配置され、前記受光素子はその受光面が
ｙ軸に一致して配置され、前記被測定物体と前記第１の
集光レンズと前記第２の集光レンズとで第１のシャイン
プルーグ条件を満たし、前記第２の集光レンズと前記第
３の集光レンズと前記受光素子とで第２のシャインプル
ーグ条件を満たし、かつ前記第１の集光レンズと前記第
３の集光レンズは前記ｘ軸およびｙ軸を座標軸としたと
きに、そのｘ座標が同一であることを特徴とする測距装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19232588A JPH0778429B2 (ja) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | 測距装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19232588A JPH0778429B2 (ja) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | 測距装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0240506A JPH0240506A (ja) | 1990-02-09 |
| JPH0778429B2 true JPH0778429B2 (ja) | 1995-08-23 |
Family
ID=16289407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19232588A Expired - Lifetime JPH0778429B2 (ja) | 1988-08-01 | 1988-08-01 | 測距装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0778429B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5851159A (ja) * | 1981-09-21 | 1983-03-25 | Ricoh Co Ltd | インクジエツト記録装置 |
| JPH04263233A (ja) * | 1991-02-18 | 1992-09-18 | Ushio Kk | 画像処理装置 |
| JP4944498B2 (ja) * | 2006-05-26 | 2012-05-30 | キヤノン株式会社 | 撮像光学系 |
| EP2812648B1 (en) * | 2012-02-07 | 2021-08-11 | Nikon Corporation | Image forming optical system, imaging apparatus, profile measuring apparatus, structure manufacturing system and structure manufacturing method |
-
1988
- 1988-08-01 JP JP19232588A patent/JPH0778429B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0240506A (ja) | 1990-02-09 |
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