JPH0798210A - 光学式影読み取りによる距離または角度の計測方法 - Google Patents

光学式影読み取りによる距離または角度の計測方法

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JPH0798210A
JPH0798210A JP10737394A JP10737394A JPH0798210A JP H0798210 A JPH0798210 A JP H0798210A JP 10737394 A JP10737394 A JP 10737394A JP 10737394 A JP10737394 A JP 10737394A JP H0798210 A JPH0798210 A JP H0798210A
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JP
Japan
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angle
light
distance
image sensor
original plate
Prior art date
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Pending
Application number
JP10737394A
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English (en)
Inventor
Yoshinori Nakajima
吉則 中島
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Atago Co Ltd
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Atago Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学的な距離または角度の計測で、パルス列
の加算減算で位置を認識するに際し、パルス的な動きに
対する誤動作を無くし、小型で測定精度が高く組み込み
が容易になり、部品点数が少ない構成で信頼性が高く、
しかも生産性を上げる。 【構成】 予め距離または角度に対応した模様をガラス
平面または金属板に記録して原版1を作成し、この原版
1に光源2からの光を照射させ、原版1を透過した光の
明暗の影の位置にフォトセンサー3を置くことにより、
フォトセンサー3と原版1との間の、原版平面に平行な
相対移動量を読み取り、これにより距離または角度を読
み取る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、理化学用または工業用
に用いられ、特に計測制御の必要な距離または角度の光
学的計測に係る光学式影読み取りによる距離または角度
の計測方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光学的に距離または角度を計測する時
は、光の通るスリットと光を通さないマスクを線形状に
または円周状に原版を作製し、この原版に光を入射させ
て2ないし4個の受光センサーと位相を90度ずらせた
2つのスリットで計測する方法が古くから知られている
が、パルス列の加算減算で位置を認識するために高速で
作動させるには電気系の処理速度に依存し、パルス的動
きに対して誤動作する欠点を有していた。また、これら
加算減算方式でない測定方式に絶対値方式がある。従来
この検知には2進数コードの原版を作製し、その原版に
光を入射してその影の有り無しをフォトセンサーで感知
し位置を認識していたが、フォトセンサーのピッチに対
する発光器の精度に依存し高精度化が困難であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが前記絶対方式
の検知は、受光方式にフォトセンサーを用いデジタルコ
ードのピッチと発光器のセットを組み上げるのにかなり
熟練を要し、小型、高精度型化が困難であった。本発明
はこのような従来の不具合を改善し、光学的に距離また
は角度を計測する場合、パルス列の加算減算で位置を認
識するに際し、パルス的な動きに対する誤動作を無く
し、小型で測定精度が高く、組み込みが容易になり、部
品点数が少ない構成で信頼性が高く、しかも生産性を上
げる事を目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため本発明では、予め距離または角度に対応した模様を
ガラス平面または金属板に記録して原版1を作成し、こ
の原版1に光源2からの光を照射させ、原版1を透過し
た光の明暗の影の位置にフォトセンサー3を置くことに
より、フォトセンサー3と原版1との間の、原版平面に
平行な相対移動量を読み取り、これにより距離または角
度を読み取ることを特徴とする。
【0005】また、フォトセンサー3の部分にフォトダ
イオードアレイもしくはイメージセンサーを用い、2進
コード化されたデジタル値、またはアナログ的な模様及
びアナログとデジタルとの混合された模様の原版1を用
い、原版1の位置をその明暗の影の形状から認識させ
た。
【0006】
【作用】本発明の検出方式は、1個の光源から出た光
を、距離または角度に対応した模様が予め記録された原
版に照射して、この透過光を反対側に設置したフオトダ
イオードアレイまたはイメージセンサー等のフォトセン
サー3により受光し、光量分布を電気処理により解析す
る。このとき、原版1を例えば距離に対して遮光幅をア
ナログ的に広げてやれば、遮光幅を計測することで距離
を測定する事ができ、また角度に対して遮光幅をアナロ
グ的に広げれば角度の測定が可能となる。
【0007】そして、上記構成で原版1を2進コード化
すれば、最大イメージセンサー3のセルピッチでの要素
を1ビットと認識させた場合に、イメージセンサー3の
ビット数までのエンコーダーが構成できる。例えば20
48ビットのイメージセンサー3だとロータリーエンコ
ーダーに適用すれば1回転を2の2048乗の分解能に
まで上げることが可能になる。イメージセンサー3のキ
ズ等を考慮して複数のビットを用いても現行で市販され
ている精度をはるかに上回る精度が得られる。そして、
原版1へ2進コードとアナログ的遮光幅を複合させるこ
とにより、両者のメリットを合わせ持つエンコーダが可
能になる。
【0008】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明するに、本発明の検出方式は1個の光源2と、距離ま
たは角度に対応した模様が記録された原版1と、イメー
ジセンサー3を用いた構成を基本とし、場合によっては
間にレンズ系4を組み込み電気処理を助けている。図1
及び図2は原版1としてガラス版にマスキング5を施
し、光透過部分を形状的に描いた時のものだが、ガラス
版に限らず適宜金属版でも可能である。両図共に変位方
向に対してマスク5の量、または位置を連続的に変化さ
せたもので、図3はこのマスク5部分を2進コード化し
た時のパターンでビット間のピッチはイメージセンサー
3の最小要素を限度とし、複数要素を1ビットとするこ
とも可能で、特にイメージセンサー3の不良率を改善さ
せる上で有効な手段になる。図4に示す如く、上記マス
ク5に対して光を照射させる光源2は、原版1を介して
イメージセンサー3上に均一になるように照らす。この
とき原版1を図1に示す如く直角三角形に白抜き6した
場合、イメージセンサー3の波形は図5のようになり、
図2に示す如く斜行状に長方形を白抜き7した場合、イ
メージセンサー3の波形は図6のようになり、図3に示
す如くデジタル模様に白抜き8した場合、図7のように
波形が読み取られる。
【0009】図4に示す如くセンサービット間の変位量
を複数n分割し、そのビット間をn分割し補完すること
でセンサー間の光量分布を推論することが可能である。
図1の9の部分は原版1においては影を作らない基準光
量採取窓なので、この光量を基準としある比率の掛け算
値と一致する場所を特定することが可能になる。nの値
を大きくすることで分解能はさらにあげることが可能に
なる。図5の波形も基本的には図4のパターンと同じ処
理で計測が可能になる。図6の波形においてもBの部分
は基準光量採取窓9と同じ影を作らない部分で、基準光
量の部分になる。この部分に対してスレッショルドレベ
ルを決めれば、2進コードの処理で移動に関する物理量
を計測することが可能になる。また、図3に示す如く、
原版1だけを高精度のマスク5へ変更することで他の加
工パーツを変えることなく精度を上げることが可能にな
る。
【0010】図1は原版1としてのガラス板に直角三角
形6と長方形7を白抜きしたもので、外枠は光が透過し
ないようにマスク5処理している。このガラス板前方か
ら垂直に光を入射させたとき、ガラス板後方には直角三
角形6と長方形7の影が出来る。もし直角三角形6のa
辺に平行なxの値が読み取れるならyの値を簡単な比例
計算で求めることができる。
【0011】 a:b=x:y y=b×x/a・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
【0012】ここでガラス板後方近くへ直角三角形6の
a辺に平行にイメージセンサー3をセットする。最初の
位置をA1とすると(図1参照)、この時のイメージセ
ンサー3出力は図5に示す如くB1のようになる。イメ
ージセンサー3をa辺に平行にcだけ移動させた時の位
置をA2とすると、この時のイメージセンサー3出力は
B2となる。以上の動きはイメージセンサー3を固定
し、ガラス板をcだけ移動させた時も同様な出力波形に
なる。以上よりy方向の長さはx方向の長さを計測する
ことで演算し測長できる。
【0013】図8は角度を計測するためのマスク5の形
状で、円弧曲線dとその円弧中心oに対して一定の広が
りを持つ円弧曲線e、それに辺fで囲まれた閉曲面gを
白抜きにしたものと、円弧曲線hと円弧曲線iで挟まれ
た基準光量採取窓9がある。ガラス板前方から垂直に光
源2の光を入射させる。ガラス後方には閉曲面gの形状
をした影と基準光量採取窓9の影が出来る。ここでもし
閉曲面gが作る影の位置で円弧曲線dの円弧中心oを通
る直線上にイメージセンサー3を固定すれば、影の距離
を測長することで角度を読み取ることが可能になる。
【0014】円弧曲線dは次の式で表現できる。 r=a (定数)・・・・・・・・・・・(2) 円弧曲線eは次の式で表現できる。 r=a+kω・・・・・・・・・・・・・・(3) k;(定数) ω:角度(ラディアン) もし角度測定範囲を30度とし、イメージセンサー3の
測長範囲を20mmとするならkの値は以下のうように
なる。 k×π×30/180=20より k=120/π・・・・・・・・・・・・・(4) 図8でイメージセンサー3の位置をC1とし円弧曲線e
の部分がイメージセンサー3に影を作る部分をr1とす
るとき、ガラス板の振れ角ω1とすると r1=a+k×ω1・・・・・・・・・・・(5) ここでイメージセンサー3の位置をC2に移動させた
時、円弧曲線eの部分がイメージセンサー3に影を作
り、この部分をr2としガラス板の振れ角をω2とすれ
ば、 r2=a+k×ω2・・・・・・・・・・・(6) (5)(6)の差よりイメージセンサー3上で計測でき
るr1とr2を計測するとω1とω2の差が読み取れ
る。 r1−r2=k×(ω1−ω2)・・・・・(7) 図9のマスク5形状においても図8と同様な処理でイメ
ージセンサー3で角度を読み取ることが可能になる。
【0015】そしてまた、これらのマスク5形状の特徴
としてアナログ的に連続した曲線のために、イメージセ
ンサー3のビットをアナログ的に高精度処理を施すこと
によりビットの限界を超えた測長が可能になる(図11
参照)。イメージセンサー3の各アドレスの光量と比較
演算することでアドレス単位の影の場所を認識できる。
その場所をアドレス値でnとn+1の間に有るとする。
この時の光量をi1,i2とする(図10参照)。基準
光量i0に対して50%の光量レベルを影の位置と定義
しているのでi1の光量より大きく、i2の光量より小
さい位置にある。i1とi2の間において光は連続かつ
光量変化は一定に作られているから、基準光量との関係
からアドレスnとアドレスn+1の間の位置を補完する
ことが可能になる。この位置をn+α(0<α<1)と
すれば、イメージセンサー3のセルピッチの値をPとし
た時、 (i2−i1):P=(i0×0.5−i1):α・・・・・・(8) となり の値は、 α=P×(i0×0.5−i1)/(i2−i1)・・・・・・・(9) で求まる。以上よりn+αの値が算出される。この値に
セルピッチの値Pを乗ずることで、イメージセンサー3
のアドレス0からの距離が測定される。以上よりイメー
ジセンサー3のセンサーピッチを超える精度で距離を読
み取れるようになる。
【0016】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
学的に距離または角度を計測する場合、パルス列の加算
減算で位置を認識するに際し、パルス的な動きに対する
誤動作を無くし、小型で測定精度が高く、組み込みが容
易になり、部品点数が少ない構成で信頼性が高く、しか
も生産性を上げることができる。
【0017】原版1だけを高精度のマスク5へ変更する
ことで他の加工パーツを変えることなく精度を上げるこ
とが可能になる。即ち、原版1を例えば距離に対して遮
光幅をアナログ的に広げてやれば、遮光幅を計測するこ
とで距離を測定する事ができ、また角度に対して遮光幅
をアナログ的に広げれば、角度の測定が可能となる。
【0018】2進コード化されたデジタル値、またはア
ナログ的な模様及びアナログとデジタルとの混合された
模様の原版1を用いることで、これをロータリーエンコ
ーダーに適用すれば、1回転を2の2048乗の分解能
にまで上げることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】アナログマスク原版とイメージセンサーの概略
配置図
【図2】他の実施例でのアナログマスク原版とイメージ
センサーの概略配置図
【図3】デジタル原版とイメージセンサーの概略配置図
【図4】光源と照明レンズ、マスク原版、イメージセン
サーの概略配置図
【図5】図1の原版におけるイメージセンサーの出力の
波形図
【図6】図2の原版におけるイメージセンサーの出力の
波形図
【図7】図3の原版におけるイメージセンサーの出力の
波形図
【図8】他の実施例におけるアナログマスク原版とイメ
ージセンサーの概略配置図
【図9】他の実施例におけるアナログマスク原版とイメ
ージセンサーの概略配置図
【図10】イメージセンサーの出力波形を図式化した図
【図11】明暗の部分であるイメージセンサー出力の拡
大図
【符合の説明】
1 原版 2 光源 3 フォト(イメージ)センサー 4 レンズ系 5 マスク
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01D 5/34 G06T 1/00

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 予め距離または角度に対応した模様をガ
    ラス平面または金属板に記録して原版を作成し、この原
    版に光を照射させ、原版を透過した光の明暗の影の位置
    にフォトセンサーを置くことにより、フォトセンサーと
    原版との間の、原版平面に平行な相対移動量を読み取
    り、これにより距離または角度を読み取ることを特徴と
    する光学式影読み取りによる距離または角度の計測方
    法。
  2. 【請求項2】 フォトセンサーの部分にフォトダイオー
    ドアレイもしくはイメージセンサーを用い、2進コード
    化されたデジタル値、またはアナログ的な模様及びアナ
    ログとデジタルとの混合された模様の原版を用い、原版
    の位置をその明暗の影の形状から認識させた請求項1記
    載の光学式影読み取りによる距離または角度の計測方
    法。
JP10737394A 1993-04-26 1994-04-25 光学式影読み取りによる距離または角度の計測方法 Pending JPH0798210A (ja)

Priority Applications (1)

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JP10737394A JPH0798210A (ja) 1993-04-26 1994-04-25 光学式影読み取りによる距離または角度の計測方法

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5-120345 1993-04-26
JP12034593 1993-04-26
JP10737394A JPH0798210A (ja) 1993-04-26 1994-04-25 光学式影読み取りによる距離または角度の計測方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0798210A true JPH0798210A (ja) 1995-04-11

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ID=26447415

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JP10737394A Pending JPH0798210A (ja) 1993-04-26 1994-04-25 光学式影読み取りによる距離または角度の計測方法

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JP (1) JPH0798210A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990032610A (ko) * 1997-10-20 1999-05-15 정몽규 차량의 프런트 필러의 방해각 측정장치
CN100359291C (zh) * 2004-09-27 2008-01-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种绝对式单圈偏心码道编码盘

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