JPH10111107A

JPH10111107A - 距離測定方法および距離測定装置

Info

Publication number: JPH10111107A
Application number: JP26290496A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Katayama; 淳片山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高精度な距離測定方法の提供。複数反射光に
よる誤差の防止。【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、前記光学部品と
受光素子による受光手段を複数使用し、前記測定対象物
に照射される光ビームの光軸を中心とする同心円上の複
数箇所で同時に変位検出を行う。

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、測定対象物の表面で複数回反射した光（多重反
射光と称する）を受光した場合、測定精度が悪化すると
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６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に光点として照射
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
６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７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】一方、前記測定対象物３の表面で複数回の
反射を起こした反射光（多重反射光）の受光によって距
離測定が不正確になることが判明した。

【００１４】図８は、多重反射光によって、誤差が生じ
る様子を示すものである。図８では、多重反射光７ｎ
は、測定対象物３の２箇所の点（Ｑ，Ｅ）で次々と反射
した反射光である。すなわち、多重反射光７ｎは、光源
１から出射された光ビーム２が測定対象物３に照射され
て光点ができた点Ｑで一度反射し、さらに近接する点Ｅ
で二度目の反射をした光である。

【００１５】受光素子９の受光面１０には、測定対象物
３の表面で１回反射した正規の反射光７ａによる結像
と、測定対象物３の表面で複数回反射して受光素子９に
至る多重反射光７ｎによる結像が存在する。受光素子９
では、正規の反射光７ａによる結像と、多重反射光７ｎ
による結像の区別がつかないため、これが距離測定の誤
差の原因となる。

【００１６】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。

【００１７】本発明の他の目的は、複数反射光による位
置検出誤差の発生防止が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。

【００１８】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。

【００１９】

【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。

【００２０】（１）光源（レーザ）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、
前記光学部品と受光素子による受光手段を複数使用し、
前記測定対象物に照射される光ビームの光軸を中心とす
る同心円上の複数箇所で同時に変位検出を行う。

【００２１】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。

【００２２】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、前記測定対象物に照射される光ビーム
の光軸を中心に前記受光手段が同一条件で複数配置され
ている構成になっている。

【００２３】（２）光源（レーザ）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、
前記光学部品と受光素子による受光手段を前記測定対象
物に照射される光ビームの光軸を中心として回転させて
変位検出を行う。前記変位検出は前記受光手段が一回転
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、前記受光手段を前記測定対象物に照射
される光ビームの光軸を中心に回転させる回転機構を有
し、前記回転機構は前記制御計測手段によって制御され
る構成になっている。

【００２６】前記（１）の手段によれば、光学部品と受
光素子による受光手段を複数（複数組）使用し、前記測
定対象物に照射される光ビームの光軸を中心とする同心
円上の複数箇所で同時に変位検出を行うとともに、複数
箇所の変位検出情報を加算処理（重ね合わす）する。測
定対象物表面で一回だけ反射した正しい光（正規の反射
光）は常に光軸上に検出され、多重反射光は光軸から外
れるため、複数箇所の変位検出情報の重ね合わせによっ
て、正規の反射光の光強度は多重反射光に比べて強調さ
れる結果、正規の反射光の特定が容易かつ確実になり、
正規の反射光の位置が正確に検出できる。

【００２７】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。

【００２８】前記（２）の手段によれば、光学部品と受
光素子による受光手段を、前記測定対象物に照射される
光ビームの光軸を中心にして回転させるとともに、回転
時に得られる変位検出情報を加算処理する。正規の反射
光は常に光軸上に検出され、多重反射光は光軸から外れ
るため、回転時の変位検出情報の重ね合わせによって、
正規の反射光の光強度は多重反射光に比べて強調される
結果、正規の反射光の特定が容易かつ確実になり、正規
の反射光の位置が正確に検出できる。前記受光手段が一
回転する時間以上の時間続けて検出することによって、
変位検出情報の重ね合わせ情報量は多くなり、正規の反
射光の位置の特定が正確になる。

【００２９】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。

【００３０】

【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。

【００３１】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。

【００３２】（実施形態１）図１は本発明の実施形態１
である距離測定方法を示す概略図、図３は本実施形態１
の距離測定方法における正規の反射光による結像位置
と、多重反射光による結像位置等を示す模式図である。

【００３３】本実施形態１の距離測定方法は、図１に示
すように、光源１からの光ビーム２を測定対象物３の表
面に光点が生ずるように照射させ、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
が、前記受光素子９を、前記光ビーム２を中心軸とする
同心円上に複数配置し、複数箇所で変位検出を行うもの
である。また、複数の変位検出情報は加算処理（重ね合
わせ処理）される。

【００３４】本実施形態１では、図１に示すように、光
ビーム２の光軸に対して対称に２組の受光手段を配置し
て変位検出を行う構成になっている。前記光源１は、た
とえばレーザであり、前記受光素子９は、たとえば一次
元ＣＣＤである。

【００３５】光源１から出射された光ビーム２は、測定
対象物３のＱ点にスポット光（光点）として照射され
る。左右の受光手段の受光素子９の受光面１０に結像さ
れる反射光７は、前記Ｑ点で一回反射されて受光素子９
に到達する正規の反射光７ａと、測定対象物３の表面の
複数箇所で順次反射を繰り返した多重反射光７ｎとがあ
る場合がある。本実施形態１では、多重反射光７ｎは、
たとえば前記Ｑ点と、Ｑ点の近くのＥ点で反射を繰り返
した多重反射光である。

【００３６】図１において、光ビーム２の右側に配置し
た受光素子９の受光面１０では、多重反射光７ｎの結像
は、正規の反射光７ａの結像点Ｓ₀ と光軸との間に結像
（結像点Ｓ_IN）し、光ビーム２の左側に配置した受光素
子９の受光面１０では、多重反射光７ｎの結像は、正規
の反射光７ａの結像点Ｓ₀ の外側に結像（結像点Ｓ
_OUT ）している。

【００３７】したがって、図３に示すように、二つの受
光手段による変位検出情報を重ね合わせると、正規の反
射光による結像出力和は、多重反射光による結像出力よ
りも大幅に大きくなり、容易かつ確実に正規の反射光の
結像を特定でき、かつ正規の反射光による結像位置を識
別できるようになる。

【００３８】図３において、上段は右側の受光素子によ
る正規の反射光と多重反射光の結像位置と結像出力を示
し、中段は左側の受光素子による正規の反射光と多重反
射光の結像位置と結像出力を示し、下段は右側の受光素
子による結像出力と、左側の受光素子による結像出力の
重ね合わせ状態を示すものである。

【００３９】正規の反射光による結像は常に光軸上に位
置するため、各変位検出情報の重ね合わせでは、図３に
示すように正規の反射光による結像出力は単純な和とな
り、その出力は大きくなる。

【００４０】これに対して多重反射光７ｎによる結像出
力は、その結像位置も左右の受光素子の対称となる位置
に一致して現れるとは限らないため、正規の反射光によ
る結像出力和よりも小さくなる。

【００４１】したがって、正規の反射光による結像を容
易かつ確実に識別でき、容易に正規の反射光による結像
位置を知ることができる。

【００４２】図２は本実施形態１の距離測定装置を示す
概略構成図である。

【００４３】本実施形態１の距離測定装置は、図２に示
すように、測定用光学手段２０と、制御計測手段２１を
有している。

【００４４】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を受光レンズ
（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を有している。また、受
光手段は、前記光ビーム２の光軸に対して左右対称に二
組配設されている。

【００４５】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、受光素子９の
受光面１０に結像した光点位置を電気信号に変換する一
次元ＣＣＤである。また、前記受光面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。

【００４６】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。また、前記
制御計測手段２１は、レーザ駆動回路２２と、信号重ね
合せ処理部２３と、前記レーザ駆動回路２２および信号
重ね合せ処理部２３を制御する制御計測処理部２４から
なっている。

【００４７】前記信号重ね合せ処理部２３は、複数（本
実施形態１では二つ）の受光素子９から送られて来る変
位検出情報（電気信号）を、前述の図３に示すように加
算処理し、反射光７の変位ｘを制御計測処理部２４に送
るようになっている。

【００４８】また、図示はしないが、前記制御計測手段
２１には、入力装置や出力装置等が接続されている。

【００４９】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。

【００５０】距離測定においては、前記制御計測処理部
２４によるレーザ駆動回路２２の作動によって光源１か
ら光ビーム２を測定対象物３に向けて照射させることか
ら始まる。その後、測定対象物３の表面に形成された光
点を光ビーム２の光軸の左右の受光素子９によって検出
する。すなわち、光点を受光素子９の受光面１０に結像
させ、この結像位置の変位ｘを求める。

【００５１】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と平行になる線と、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。

【００５２】

【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。

【００５３】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。

【００５４】本実施形態１では、受光レンズ（光学部
品）８と受光素子９による受光手段を複数（複数組）使
用し、前記測定対象物３に照射される光ビーム２の光軸
を中心とする同心円上の複数箇所で同時に変位検出を行
うとともに、複数箇所の変位検出情報を加算処理するこ
とから、常に光軸上に位置する正規の反射光７ａによる
結像出力は多重反射光７ｎによる結像出力に比較して大
幅に大きくなるため、容易かつ確実に正規の反射光７ａ
を特定できるとともに、正規の反射光７ａの位置ｘを正
確に検出することができる。

【００５５】すなわち、一回だけ反射した正規の反射光
７ａは常に光軸上にあるから、光軸に対して対称に配置
されている受光手段では、正規の反射光７ａは常に同じ
位置（光軸上）に見え、多重反射光７ｎは光軸上にはな
いので、別の位置に観測されるか、見えなくなる。ま
た、それぞれの受光手段（受光素子９）が観測した結像
の光分布を重ね合わせる（加算処理）ことにより、正規
の反射光７ａの結像出力和が強調されることになり、正
規の反射光７ａの特定、正規の反射光７ａの位置の特定
が正確になり、前記ｘを高精度に求めることができるよ
うになる。

【００５６】なお、本実施形態１において、正規の反射
光の位置を確実に特定するためには、さらに多数の受光
素子を同心円上に配置してもよい。しかし、実際には、
２組の受光手段を光軸に対して対称に配置すれば、充分
正規の反射光の特定ができる。

【００５７】（実施形態２）図４は本発明の実施形態２
である距離測定方法を示す概略図、図５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。

【００５８】本実施形態２では、実施形態１のように、
光ビーム２の光軸を中心にする同心円上に複数の受光素
子９を配置する代わりに、図４に示すように、一組の受
光手段（すなわち受光レンズ８と受光素子９）を光ビー
ム２の光軸を中心に回転させながら変位検出を連続して
行うものである。

【００５９】このような距離測定を行う距離測定装置
は、図５に示すような構成になっている。

【００６０】すなわち、前記実施形態１の距離測定装置
において、受光レンズ８と受光素子９からなる受光手段
は一組になっている。また、距離測定装置は前記受光手
段３０を光ビーム２の光軸を中心に回転させる回転機構
３１を有している。回転機構３１は、たとえばモータ３
２と、前記モータ３２の回転軸３３に固定された屈曲し
た回転アーム３４からなっている。そして、前記受光手
段３０は前記回転アーム３４の下端に支持されている。

【００６１】したがって、前記モータ３２の駆動によっ
て前記回転アーム３４は回転し、回転アーム３４に支持
された受光手段３０は、前記光ビーム２の光軸を中心に
回転する。そして、回転しながら測定対象物３からの反
射光７を受光素子９で検出する。

【００６２】受光素子９による変位検出情報は、制御計
測手段２１の信号重ね合せ処理部２３に送られて加算処
理される。

【００６３】また、制御計測手段２１においては、前記
モータ３２を駆動するモータ駆動回路４０が付加された
構成になっている。

【００６４】さらに、本実施形態２では、前記変位検出
は前記受光手段３０が一回転する時間以上の時間続けて
検出するようになっている。これによって、一回だけ反
射した正規の反射光だけが、多重反射光に比較して強調
されて観測することができる。

【００６５】本実施形態２の距離測定装置では、制御計
測処理部２４によってレーザ駆動回路２２を作動させて
光源１から光ビーム２を測定対象物３に対して出射させ
る。また、同時にモータ駆動回路４０を制御して回転機
構３１を駆動させ、受光手段３０を回転させる。この状
態で前記受光手段３０を光ビーム２の光軸に対して一回
転以上の間動作させて受光素子９で反射光７の検出を行
う。変位検出情報は信号重ね合せ処理部２３に送り、正
規の反射光７ａの位置の特定および位置の検出を行う。
また、変位ｘは制御計測処理部２４に送られ、距離ｙが
求められる。

【００６６】本実施形態２では、光ビーム２の光軸を中
心にして３６０度の方向から変位検出を行うことができ
るため、高精度に正規の反射光７ａの位置の変位検出を
行うことができる。

【００６７】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。

【００６８】

【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。

【００６９】（１）本発明によれば、光ビームの光軸を
中心とする同心円上の少なくとも数箇所あるいは全周で
反射光の変位検出を行うとともに、各変位検出情報は加
算処理されるため、正規の反射光は強調される。この結
果、正規の反射光の特定が確実になり、正規の反射光の
位置、すなわち変位は高精度に検出される。したがっ
て、多重反射光に起因する誤差が発生しなくなり、高精
度の距離測定が達成できる。

【００７０】（２）本発明によれば、今までは、多重反
射が起こり易いため正確に測定できなかった内側隅部な
ども精度良く測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１である距離測定方法を示す
概略図である。

【図２】本実施形態１の距離測定装置の概略構成図であ
る。

【図３】本実施形態１の距離測定方法における正規の反
射光による結像と多重反射光による結像の状態等を示す
模式図である。

【図４】本発明の実施形態２である距離測定方法を示す
概略図である。

【図５】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６】従来の距離測定方法を示す概略図である。

【図７】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８】従来の距離測定方法における多重反射光による
誤差発生状態を示す概略図である。

【符号の説明】

１…光源、２…光ビーム、３…測定対象物、７…反射
光、７ａ…正規の反射光、７ｎ…多重反射光、８…光学
部品（受光レンズ）、９…受光素子、１０…受光面、２
０…測定用光学手段、２１…制御計測手段、２２…レー
ザ駆動回路、２３…信号重ね合せ処理部、２４…制御計
測処理部、３０…受光手段、３１…回転機構、３２…モ
ータ、３３…回転軸、３４…回転アーム、４０…モータ
駆動回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記光学部品と
受光素子による受光手段を複数使用し、前記測定対象物
に照射される光ビームの光軸を中心とする同心円上の複
数箇所で同時に変位検出を行うことを特徴とする距離測
定方法。
【請求項２】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、前記光学部品と
受光素子による受光手段を前記測定対象物に照射される
光ビームの光軸を中心として回転させて変位検出を行う
ことを特徴とする距離測定方法。
【請求項３】前記変位検出は前記受光手段が一回転す
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２に記載の距離測定方法。
【請求項４】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、前記測定
対象物に照射される光ビームの光軸を中心に前記受光手
段が同一条件で複数配置されていることを特徴とする距
離測定装置。
【請求項５】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、前記受光
手段を前記測定対象物に照射される光ビームの光軸を中
心に回転させる回転機構を有し、前記回転機構は前記制
御計測手段によって制御されることを特徴とする距離測
定装置。
【請求項６】前記光源はレーザであることを特徴とす
る請求項４または請求項５に記載の距離測定装置。