JPH10111106A - 距離測定方法および距離測定装置 - Google Patents

距離測定方法および距離測定装置

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JPH10111106A
JPH10111106A JP26290596A JP26290596A JPH10111106A JP H10111106 A JPH10111106 A JP H10111106A JP 26290596 A JP26290596 A JP 26290596A JP 26290596 A JP26290596 A JP 26290596A JP H10111106 A JPH10111106 A JP H10111106A
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JP
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distance
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measurement
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JP26290596A
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English (en)
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Atsushi Katayama
淳 片山
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度な距離測定方法の提供。 【解決手段】 光源からの光ビームを測定対象物に照射
し、前記測定対象物の表面で反射した反射光を光学部品
を介して受光素子の受光面に光点として結像させ、前記
受光面の光点位置の変位検出によって測定対象物までの
距離を測定する距離測定方法であって、前記光源を前記
光ビームの光軸を中心に回転させる。前記変位検出は前
記光源が一回転する時間以上の時間続けて検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は距離測定方法および
距離測定装置(レンジセンサ)に関し、たとえば、各種
の製造加工装置,測定検査装置等における距離測定技術
に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】各種の製造加工装置,測定検査装置等に
組み込まれる距離測定装置(距離センサ)として、非接
触型の距離センサが知られている。非接触型の距離セン
サとしては、超音波センサ,レーザによるレンジセンサ
(レーザレンジセンサ)などがあるが、高速性や高精度
を要求されるものにはレーザレンジセンサが使用されて
いる。
【0003】レーザレンジセンサについては、たとえ
ば、昭晃堂発行「三次元画像計測」、井口征士、佐藤宏
介に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザレンジセ
ンサは、原理上測定対象物の材質,表面粗さ,色,汚れ
等により、測定精度に影響を受け易く、多種多様な対象
物を扱う製造現場では使い難いという問題がある。
【0005】この問題の原因をより詳しく説明するため
に、ここで今まで使われていたレーザレンジセンサの基
本原理を解説する。
【0006】レーザレンジセンサは、図4に示すような
構成になっている。レーザレンジセンサは、光源1から
発光された光ビーム2を測定対象物3に光点を生ずるよ
うに照射する照射手段と、前記測定対象物3の表面で反
射した反射光7を光学部品8を通して受光素子9の受光
面10に光点として結像させる受光手段を有している。
【0007】前記受光素子9は前記受光面10に結像し
た光点位置を電気信号に変換できる構成であり、たとえ
ば一次元CCD(charge coupled device)で構成されて
いる。
【0008】反射光7を案内する光学部品8としては、
ミラー,プリズム,レンズ等が一般に使用されるが、図
4では光学部品8としてレンズのみを使用した例を示し
てある。
【0009】また、図示はしないが、レーザレンジセン
サは、前記照射手段および受光手段を制御しかつ前記受
光手段に基づく計測情報に基づいて測定対象物までの距
離を算出する制御計測手段を有している。
【0010】このようなレーザレンジセンサにおいて
は、光源1から発せられた光ビーム2は、測定対象物3
の表面に光点を生じさせる。この光点からの光(反射光
7)を受光レンズ8によって受光素子9の受光面10に
光点として結像させる。
【0011】このとき、測定対象物3が近いか遠いかに
依って、受光面10上の結像位置が変わる。その様子を
図5に示す。
【0012】測定対象物3a,3bまでの距離と結像位
置との対応関係を、距離が分かっている測定対象物で予
め調べておけば、未知の距離に対して、結像位置からそ
の距離を知ることができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】レーザレンジセンサの
問題点は、受光素子9の受光面10での光点の結像位置
を精度よく知ることができるかどうかにある。
【0014】光ビーム2が測定対象物3に照射されてで
きる光点は、点と呼んではいるが、実際はある面積内で
光強度分布を持った面となる。そしてそれは以下の理由
で不規則な分布となる。
【0015】光源1として用いられるレーザは、一般に
ガウシアンビーム(光強度が正規分布のビーム)を発す
るとされているが、現実には製造上の寸法誤差などによ
って、理想的なガウシアンビームではないことが多い。
【0016】たとえば、図6は不規則な光強度分布の一
例を示すものである。同分布曲線で示されるように、局
所的に光強度が正規分布からはずれた部分aが存在す
る。
【0017】また、光ビーム断面も真円でなく楕円であ
る。
【0018】このような光強度分布に偏りをもった光ビ
ーム2が測定対象物3に当たると、測定対象物3の材
質,表面粗さ,色,汚れなどによって、さらに偏りが助
長され、反射光7は予想できない光強度分布となる。
【0019】反射光7が受光レンズ8を通して受光素子
9の受光面10に結像されるので、その像も不規則な光
強度分布を持つ面となる。その面の中から真の結像位置
を選ぶ方法として、光強度を重みとして重心位置を得る
方法や、光強度のピーク位置を得る方法があるが、どれ
を採用しても、元が不規則な分布である以上、誤差は避
け得ない。
【0020】本発明の目的は、高精度な距離測定が達成
できる距離測定方法および距離測定装置を提供すること
にある。
【0021】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。
【0022】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
【0023】(1)光源からの光ビームを測定対象物に
照射し、前記測定対象物の表面で反射した反射光を光学
部品を介して受光素子の受光面に光点として結像させ、
前記受光面の光点位置の変位検出によって測定対象物ま
での距離を測定する距離測定方法であって、前記光源を
前記光ビームの光軸を中心に回転させる。前記変位検出
は前記光源が一回転する時間以上の時間続けて検出す
る。
【0024】このような距離測定方法は以下の距離測定
装置の使用によって実現できる。
【0025】距離測定装置は、光源(レーザ)からの光
ビームを測定対象物に照射する照射手段と、前記測定対
象物の表面で反射した反射光を光学部品を介して受光素
子の受光面に光点として結像させる受光手段と、前記照
射手段および受光手段を制御しかつ前記受光手段に基づ
く計測情報に基づいて測定対象物までの距離を算出する
制御計測手段とを有し、前記受光素子は前記受光面に結
像した光点位置を電気信号に変換する構造となる距離測
定装置であって、前記制御計測手段によって制御されか
つ前記光源を前記光ビームの光軸を中心に回転させる光
源回転機構を有する。
【0026】前記(1)の手段によれば、光源を前記光
ビームの光軸を中心に回転させることによって、光源の
持つ光強度分布の偏りが回転角に従って変化し、その結
果その反射光の光強度分布の偏りも変化する。受光素子
の受光面での結像位置を検出(変位検出)する時間を、
光源が一回転する時間以上の時間続けて検出すれば、光
源の光強度分布の偏りが平均化され、あたかも偏りを減
少させたのと同じ効果となる。したがって、光強度を重
みとして重心位置を得る方法や、光強度のピーク位置を
得る方法によって、結像位置を算出すれば、測定対象物
までの距離が精度良く測定できることになる。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。
【0028】なお、実施形態を説明するための全図にお
いて、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰
り返しの説明は省略する。
【0029】(実施形態1)図1は、本発明の実施形態
1である距離測定装置の概略構成図である。
【0030】本実施形態1の距離測定装置は、図1に示
すように、測定用光学手段20と、制御計測手段21と
を有している。
【0031】前記測定用光学手段20は、光源1からの
光ビーム2を測定対象物3に照射する照射手段と、前記
測定対象物3の表面で反射した反射光7を光学部品(受
光レンズ)8を介して受光素子9の受光面10に光点と
して結像させる受光手段とからなる。前記光源1はレー
ザからなり、測定対象物3の表面に光点を生じさせる。
受光手段ではこの光点を検出する。前記受光素子9は、
たとえば一次元CCDである。
【0032】また、前記光源1は光源回転機構22によ
って、光源1から発光された光ビーム2の光軸を中心に
回転制御される。前記光源回転機構22は、たとえば、
モータ23からなり、光源1はモータ23の回転軸24
の先端に固定されている。
【0033】制御計測手段21は、前記光源回転機構2
2を制御する回転機構駆動回路40と、前記光源1を駆
動させる光源駆動回路41と、前記受光素子9による変
位検出情報から結像位置を算出する結像位置算出回路4
2と、前記結像位置算出回路42からの情報によって距
離出力を算出する距離計算回路43と、前記回転機構駆
動回路40,光源駆動回路41,結像位置算出回路4
2,距離計算回路43を制御する制御回路44を有す
る。
【0034】前記制御計測手段21は前記照射手段およ
び受光手段を制御し、かつ前記受光手段に基づく計測情
報に基づいて測定対象物までの距離を算出する。受光面
10での結像位置の算出は、光強度を重みとして重心位
置を得る方法や、光強度のピーク位置を得る方法によっ
て算出する。
【0035】つぎに、本実施形態の距離測定装置を使用
した距離測定方法について説明する。
【0036】距離測定は、前記制御計測手段21によっ
てモータ23を駆動させながら光源1から光ビーム2を
出射させて測定対象物3の表面に光点を生じさせ、かつ
前記光点部分の反射光7を受光素子9の受光面10に結
像させて検出する。
【0037】前記受光レンズ8の中心Oを通り、かつ前
記受光素子9の受光面10と平行となる線と、前記光ビ
ーム2の交点を基準点Pとすると、基準点Pから測定対
象物3の光点の位置Qまでの距離yは、三角形の相似の
原理から次式で与えられる。
【0038】
【数1】y=AB/x ここで、Aは受光レンズ8の中心Oを通り光ビーム2に
平行となる線と受光面10の延長線との交点RからOま
での距離、BはOからPまでの距離、xはRから結像位
置Sまでの距離である。
【0039】距離Aおよび距離Bは一定であることか
ら、xが判明すれば、距離yは算出できる。この算出は
制御計測手段21によって行う。なお、図示しないが、
前記制御計測手段21には入力機器や出力機器が接続さ
れている。
【0040】本実施形態1では、光源1を回転し、かつ
変位検出は前記光源が一回転する時間以上の時間続けて
検出するため、光源1の光強度分布は、図2に示すよう
に平均化される。したがって、結像位置の算出は、光強
度を重みとして重心位置を得る方法または光強度のピー
ク位置を得る方法によって算出しても、正確な位置検出
が行えることになり、高精度の距離測定が実現できる。
【0041】(実施形態2)図3は本発明の実施形態2
である距離測定装置の概略構成図である。
【0042】本実施形態2の距離測定装置は、前記実施
形態1の構成において、照射手段および受光手段の両光
路中に、回転機構30によって回転制御されるスキャナ
ミラー31を配置した構成になっている。前記回転機構
30は、たとえば、モータ32からなり、スキャナミラ
ー31はモータ32の回転軸33の先端に固定されてい
る。
【0043】光がミラーに反射しても、光学的位置関係
は変わらないので、距離は前記実施形態1と同じ方式で
算出できる。
【0044】本実施形態2では、スキャナミラー31の
回転によって測定対象物3を走査(スキャン)できるた
め、スキャンした範囲の測定対象物3の距離を知ること
ができる。
【0045】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない、たとえ
ば、光路中において、レンズやスキャナミラー以外の光
学部品、たとえばプリズム等を使用してもよい。
【0046】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。
【0047】(1)本発明によれば、光源を光源から発
光される光ビームの光軸を中心軸として回転させながら
距離測定を行うため、光源の光強度分布が偏っていて
も、前記光源の回転によって光強度分布が平均化するた
め、受光素子の受光面に結像された結像位置の測定が正
確になり、高精度の距離測定が達成できる。
【0048】(2)本発明によれば、今まで精度不足で
使用できなかった分野での距離測定が実現でき、汎用性
の高い距離測定装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1である距離測定装置の概略
構成図である。
【図2】本実施形態1の距離測定装置における光ビーム
の光強度分布を示す分布図である。
【図3】本発明の実施形態2である距離測定装置の概略
構成図である。
【図4】従来の距離測定方法を示す概略図である。
【図5】従来の距離測定方法による距離測定例を示す概
略図である。
【図6】従来の距離測定方法における光ビームの光強度
分布を示す分布図である。
【符号の説明】
1…光源、2…光ビーム、3…測定対象物、7…反射
光、8…光学部品(受光レンズ)、9…受光素子、10
…受光面、20…測定用光学手段、21…制御計測手
段、22…光源回転機構、23…モータ、24…回転
軸、30…回転機構、31…スキャナミラー、32…モ
ータ、33…回転軸、40…回転機構駆動回路、41…
光源駆動回路、42…結像位置算出回路、43…距離計
算回路、44…制御回路。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源からの光ビームを測定対象物に照射
    し、前記測定対象物の表面で反射した反射光を光学部品
    を介して受光素子の受光面に光点として結像させ、前記
    受光面の光点位置の変位検出によって測定対象物までの
    距離を測定する距離測定方法であって、前記光源を前記
    光ビームの光軸を中心に回転させることを特徴とする距
    離測定方法。
  2. 【請求項2】 前記変位検出は前記光源が一回転する時
    間以上の時間続けて検出することを特徴とする請求項1
    に記載の距離測定方法。
  3. 【請求項3】 光源からの光ビームを測定対象物に照射
    する照射手段と、前記測定対象物の表面で反射した反射
    光を光学部品を介して受光素子の受光面に光点として結
    像させる受光手段と、前記照射手段および受光手段を制
    御しかつ前記受光手段に基づく計測情報に基づいて測定
    対象物までの距離を算出する制御計測手段とを有し、前
    記受光素子は前記受光面に結像した光点位置を電気信号
    に変換する構造となる距離測定装置であって、前記制御
    計測手段によって制御されかつ前記光源を前記光ビーム
    の光軸を中心に回転させる光源回転機構を有することを
    特徴とする距離測定装置。
  4. 【請求項4】 前記光源はレーザであることを特徴とす
    る請求項3に記載の距離測定装置。
JP26290596A 1996-10-03 1996-10-03 距離測定方法および距離測定装置 Pending JPH10111106A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6166810A (en) * 1997-12-05 2000-12-26 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Method and apparatus for determining distance

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6166810A (en) * 1997-12-05 2000-12-26 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Method and apparatus for determining distance

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