JPH10332335A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正確かつ安定な測定結果が得られる光学式変
位計を提供することである。 【解決手段】 レーザダイオードはレーザ光を投光レン
ズを通して測定対象物に照射する。受光レンズは測定対
象物からの反射光のうち拡散反射成分をＣＣＤリニアイ
メージセンサの受光面１１０上に光スポット２００とし
て集光させる。ＣＣＤリニアイメージセンサの受光面１
１０は、光スポット２００が測定対象物の変位により移
動する方向に沿って配列された複数の画素Ｐ１，Ｐ２，
…，Ｐｎからなる。各画素Ｐｊ（ｊ＝１，２，…，ｎ）
は配列方向に垂直な方向において光スポット２００の直
径Ｄ以上の幅Ｗ１を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物の変位を測
定する光学式変位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の移動量、物体の寸法等を測定する
ために、三角測量を応用した光学式変位計が用いられ
る。図９は従来の光学式変位計の主要部の構成を示すブ
ロック図である。

【０００３】図９において、駆動回路１０１は、光出力
制御信号Ｖａに基づいてレーザダイオード１０２を駆動
する。レーザダイオード１０２から出射されたレーザ光
は投光レンズ１０３を通して測定対象物１００に照射さ
れる。測定対象物１００からの反射光のうち拡散反射成
分が受光レンズ１０４を通して光位置検出素子（ＰＳ
Ｄ）１０５により受光される。

【０００４】矢印Ｘで示す方向に測定対象物１００が変
位すると、光位置検出素子１０５の受光面での光スポッ
トの位置が移動する。光位置検出素子１０５からは、受
光面上での光スポットの位置に応じた２つの出力信号が
出力され、それらの出力信号はそれぞれ電流電圧変換回
路（Ｉ−Ｖ変換回路）１０６ａ，１０６ｂにより電流電
圧変換される。光位置検出素子１０５の一方の出力信号
は受光面の一端部から光スポットまでの距離に比例した
電流値を有し、他方の出力信号は受光面の他端部から光
スポットまでの距離に比例した電流値を有する。したが
って、これらの２つの出力信号の電流値に基づいて測定
対象物１００の変位を検出することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光位置
検出素子１０５での受光量の分布には迷光等の雑音成分
が含まれる。なお、迷光とは、対象となる部分以外から
の反射光である。図１０は光位置検出素子１０５による
受光量分布の一例を示す図である。図１０の受光量分布
には、測定対象物１００からの反射光による受光量のピ
ークＰＫ１に加えて、迷光等の雑音成分による受光量の
ピークＰＫ２が含まれる。この場合、光位置検出素子１
０５からは雑音成分による受光量のピークＰＫ２を含め
てすべての受光量分布の重心位置Ｐ１に対応する出力信
号が出力される。そのため、測定対象物１００からの反
射光による受光量のピークＰＫ１の重心位置Ｐ０を正確
に求めることが困難となる。このように、迷光等の雑音
成分による影響で測定結果が不安定になるという問題が
ある。

【０００６】そこで、受光素子として光位置検出素子の
代わりにＣＣＤ（電荷結合素子）リニアイメージセンサ
を用いることが提案されている。最近では、装置の小型
化を図るために、ＣＣＤリニアイメージセンサの各画素
のサイズも小型化する傾向にある。このようなＣＣＤリ
ニアイメージセンサから出力される受光信号は受光量分
布を表わしているので、その受光信号に基づいて反射光
による受光量のピークの重心位置を正確に求めることが
可能となる。

【０００７】しかしながら、一般に、光源としてレーザ
ダイオードを用いた光学式変位計では、レーザ光の干渉
性のために、測定対象物からの反射光はスペックルパタ
ーン（斑点模様）を含んでいる。特に、測定対象物が金
属からなる場合には、スペックルパターンは顕著に現れ
る。このスペックルパターンでは、斑点の部分の光強度
が他の部分の光強度よりも高くなる。

【０００８】図１１（ａ）はレーザ光によりＣＣＤリニ
アイメージセンサの受光面に形成される光スポットを示
す図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の光スポットに対応
する受光信号を示す図である。ＣＣＤリニアイメージセ
ンサの受光面は、直線状に配列された複数の画素（受光
部）Ｐ１，Ｐ２…，Ｐｍからなる。図１１（ａ）に示す
ように、ＣＣＤリニアイメージセンサの受光面に形成さ
れる光スポット２００にはスペックルパターンが現わ
れ、光強度のばらつきが発生する。そのため、迷光等の
雑音成分の問題が解消されても、ＣＣＤリニアイメージ
センサにより得られる図１１（ｂ）の受光信号から測定
対象物の位置を計算する場合に、スペックルパターンの
影響で測定結果が不正確かつ不安定になるという問題が
ある。

【０００９】本発明の目的は、正確かつ安定な測定結果
が得られる光学式変位計を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段および発明の効果】第１の
発明に係る光学式変位計は、対象物の変位を測定する光
学式変位計であって、対象物にレーザ光を照射するレー
ザ光照射手段と、複数の画素からなる受光面を有し、各
画素での受光量を受光信号として出力するリニアイメー
ジセンサと、対象物からの反射光をリニアイメージセン
サの受光面上に光スポットとして集光させる集光レンズ
とを備え、リニアイメージセンサの複数の画素は、集光
レンズにより受光面上に形成される光スポットが対象物
の変位により移動する方向に沿って配置され、複数の画
素の各々は、複数の画素の配列方向に垂直な方向におい
て光スポットを包含する幅を有するものである。

【００１１】ここで、リニアイメージセンサとは、各画
素で蓄積された電荷をシフトレジスタに一括転送した後
に順次出力するＣＣＤタイプのイメージセンサのみなら
ず、各画素で蓄積される電荷を逐次転送して出力するイ
メージセンサも含む。

【００１２】本発明に係る光学式変位計においては、対
象物にレーザ光が照射され、対象物からの反射光がリニ
アイメージセンサの受光面上に光スポットとして集光さ
れ、各画素での受光量が受光信号として出力される。対
象物が変位すると、リニアイメージセンサの受光面上に
形成される光スポットの位置が移動するので、リニアイ
メージセンサからの受光信号に基づいて対象物の変位を
測定することができる。

【００１３】特に、リニアイメージセンサの複数の画素
の各々が、複数の画素の配列方向に垂直な方向において
光スポットを包含する幅を有するので、リニアイメージ
センサの受光面に形成される光スポットにスペックルパ
ターンが現れた場合でも、各画素においてスペックルパ
ターンによる光強度のばらつきが平均化される。それに
より、リニアイメージセンサから出力される受光信号に
スペックルパターンの影響が現れず正確かつ安定な測定
結果が得られる。

【００１４】また、各画素が配列方向に垂直な方向にお
いて光スポットを包含する幅を有するので、各画素にお
ける受光量が多くなり、より安定した測定結果が得られ
る。

【００１５】第２の発明に係る光学式変位計は、対象物
の変位を測定する光学式変位計であって、対象物にレー
ザ光を照射するレーザ光照射手段と、複数の画素からな
る受光面を有し、各画素での受光量を受光信号として出
力するリニアイメージセンサと、対象物からの反射光を
リニアイメージセンサの受光面上に光スポットとして集
光させる集光レンズとを備え、リニアイメージセンサの
複数の画素は、集光レンズにより受光面上に形成される
光スポットが対象物の変位により移動する方向に沿って
配置され、複数の画素の各々は、複数の画素の配列方向
に垂直な方向において３０μｍ以上の幅を有するもので
ある。

【００１６】本発明に係る光学式変位計においては、対
象物にレーザ光が照射され、対象物からの反射光がリニ
アイメージセンサの受光面上に光スポットとして集光さ
れ、各画素での受光量が受光信号として出力される。対
象物が変位すると、リニアイメージセンサの受光面上に
形成される光スポットの位置が移動するので、リニアイ
メージセンサからの受光信号に基づいて対象物の変位を
測定することができる。

【００１７】特に、リニアイメージセンサの複数の画素
の各々が、複数の画素の配列方向に垂直な方向において
３０μｍ以上の幅を有するので、リニアイメージセンサ
の受光面上の光スポットを絞った状態で、各画素が複数
の画素の配列方向に垂直な方向において光スポットを包
含することができる。それにより、リニアイメージセン
サの受光面に形成される光スポットにスペックルパター
ンが現れた場合でも、各画素においてスペックルパター
ンによる光強度のばらつきが平均化される。したがっ
て、リニアイメージセンサから出力される受光信号にス
ペックルパターンの影響が現れず正確かつ安定な測定結
果が得られる。

【００１８】また、各画素が配列方向に垂直な方向にお
いて光スポットを包含することができるので、各画素に
おける受光量が多くなり、より安定した測定結果が得ら
れる。

【００１９】第３の発明に係る光学式変位計は、対象物
の変位を測定する光学式変位計であって、対象物にレー
ザ光を照射するレーザ光照射手段と、複数の画素からな
る受光面を有し、各画素での受光量を受光信号として出
力する２次元イメージセンサと、対象物からの反射光を
２次元イメージセンサの受光面上に光スポットとして集
光させる集光レンズとを備え、２次元イメージセンサの
複数の画素は、集光レンズにより受光面上に形成される
光スポットが対象物の変位により移動する第１の方向と
第１の方向に垂直な第２の方向とにマトリクス状に配列
され、受光面は、第２の方向において光スポットを包含
する幅を有し、第２の方向に配列された複数の画素に対
応する受光信号を加算する加算手段をさらに備えたもの
である。

【００２０】本発明に係る光学式変位計においては、対
象物にレーザ光が照射され、対象物からの反射光が２次
元イメージセンサの受光面上に光スポットとして集光さ
れ、各画素での受光量が受光信号として出力される。対
象物が変位すると、２次元イメージセンサの受光面上に
形成される光スポットが第１の方向に移動するので、第
１の方向に配列された複数の画素に対応する受光信号に
基づいて対象物の変位を測定することができる。

【００２１】特に、２次元イメージセンサの受光面が第
２の方向において光スポットを包含する幅を有するの
で、２次元イメージセンサの受光面に形成される光スポ
ットにスペックルパターンが現れた場合でも、第２の方
向に配列された複数の画素に対応する受光信号を加算す
ることにより、スペックルパターンによる光強度のばら
つきを平均化することができる。したがって、スペック
ルパターンの影響を除去することが可能となり、正確か
つ安定な測定結果が得られる。

【００２２】また、受光面が第２の方向において光スポ
ットを包含する幅を有するので、受光量が多くなり、よ
り安定した測定結果が得られる。

【００２３】第４の発明に係る光学式変位計は、対象物
の変位を測定する光学式変位計であって、対象物にレー
ザ光を照射するレーザ光照射手段と、複数の画素からな
る受光面を有し、各画素での受光量を受光信号として出
力する２次元イメージセンサと、対象物からの反射光を
２次元イメージセンサの受光面上に光スポットとして集
光させる集光レンズとを備え、２次元イメージセンサの
複数の画素は、集光レンズにより受光面上に形成される
光スポットが対象物の変位により移動する第１の方向と
第１の方向に垂直な第２の方向とにマトリクス状に配列
され、受光面は、第２の方向において３０μｍ以上の幅
を有し、第２の方向に配列された複数の画素に対応する
受光信号を加算する加算手段をさらに備えたものであ
る。

【００２４】本発明に係る光学式変位計においては、対
象物にレーザ光が照射され、対象物からの反射光が２次
元イメージセンサの受光面上に光スポットとして集光さ
れ、各画素での受光量が受光信号として出力される。対
象物が変位すると、２次元イメージセンサの受光面上に
形成される光スポットが第１の方向に移動するので、第
１の方向に配列された複数の画素に対応する受光信号に
基づいて対象物の変位を測定することができる。

【００２５】特に、２次元イメージセンサの受光面が第
２の方向において３０μｍ以上の幅を有するので、受光
面上の光スポットを絞った状態で、受光面が第２の方向
において光スポットを包含することができる。それによ
り、２次元イメージセンサの受光面に形成される光スポ
ットにスペックルパターンが現れた場合でも、第２の方
向に配列された複数の画素に対応する受光信号を加算す
ることにより、スペックルパターンによる光強度のばら
つきを平均化することができる。したがって、スペック
ルパターンの影響を除去することが可能となり、正確か
つ安定な測定結果が得られる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施例にお
ける光学式変位計の構成を示すブロック図である。

【００２７】図１の光学式変位計はヘッド部１および本
体部２により構成される。ヘッド部１は、レーザダイオ
ード１１、駆動回路１２、ＣＣＤリニアイメージセンサ
１３、ＣＣＤ制御回路１４、増幅回路１５、投光レンズ
１６および受光レンズ１７を含む。

【００２８】一方、本体部２は、ＬＰＦ（ローパスフィ
ルタ）・増幅回路２１、ピークホールド回路２２、マイ
クロコンピュータ２３およびＤ／Ａ変換器（デジタル／
アナログ変換器）２５を含む。マイクロコンピュータ２
３は、Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）２４
を内蔵する。また、本体部２は、ＡＧＣ（自動利得制
御）増幅器２６、ピークホールド回路２７、減算器２
８、誤差積分回路２９および基準電圧発生回路３０を含
む。さらに、本体部２は、クロック発生回路３３および
電源回路３４を含む。

【００２９】マイクロコンピュータ２３は、レーザダイ
オード１１の点灯時間を制御するレーザダイオード駆動
パルス信号ＬＤを発生する。駆動回路１２は、レーザダ
イオード駆動パルス信号ＬＤに応答してレーザダイオー
ド１１を駆動する。この駆動回路１２は、例えば、レー
ザダイオード駆動パルス信号ＬＤの活性期間（例えばハ
イレベルの期間）にレーザダイオード１１に電流を供給
する。したがって、レーザダイオード駆動パルス信号Ｌ
Ｄのパルス幅に応じてレーザダイオード１１の点灯時間
が制御される。

【００３０】レーザダイオード１１から出射された光は
投光レンズ１６を通して測定対象物１００に照射され
る。受光レンズ１７は、測定対象物１００からの反射光
のうち拡散反射成分をＣＣＤリニアイメージセンサ１３
の受光面上に光スポットとして集光させる。矢印Ｘで示
す方向に測定対象物１００が変位すると、ＣＣＤリニア
イメージセンサ１３の受光面上の光スポットがｘ方向に
移動する。

【００３１】ＣＣＤリニアイメージセンサ１３の出力信
号は増幅回路１５により増幅され、増幅された出力信号
が受光信号ＬＳ０としてＬＰＦ・増幅回路２１に与えら
れる。ＣＣＤ制御回路１４は、クロック発生回路３３に
より発生されるクロック信号ＣＫに同期してＣＣＤリニ
アイメージセンサ１３の動作を制御する。

【００３２】本体部２において、ＬＰＦ・増幅回路２
１、ピークホールド回路２２、マイクロコンピュータ２
３およびＡ／Ｄ変換器２４がデューティサイクル制御ル
ープを構成する。このデューティサイクル制御ループ
は、受光信号ＬＳ０のピーク電圧が所定のレベルになる
ようにレーザダイオード駆動パルス信号ＬＤのデューテ
ィサイクルをフィードバック制御する。

【００３３】また、ＬＰＦ・増幅回路２１、ＡＧＣ増幅
器２６、ピークホールド回路２７、減算器２８、誤差積
分回路２９および基準電圧発生回路３０がＡＧＣ（自動
利得制御）ループを構成する。このＡＧＣループは、Ａ
ＧＣ増幅器２６の出力信号ＬＳ２のピーク電圧が所定の
レベルになるようにＡＧＣ増幅器２６の利得（増幅率）
をフィードバック制御する。

【００３４】さらに、Ａ／Ｄ変換器３１、デジタル処理
回路３２およびマイクロコンピュータ２３がデジタル処
理部を構成する。このデジタル処理部は、ＡＧＣ増幅器
２６の出力信号ＬＳ２をデジタルデータ（以下、受光量
データと呼ぶ）に変換し、得られた受光量データのうち
ある一定のしきい値以上の受光量データに基づいてＣＣ
Ｄリニアイメージセンサ１３による受光量分布のピーク
位置を検出する。

【００３５】デジタル処理部により検出されたピーク位
置のデータは変位の測定結果としてＤ／Ａ変換器２５に
出力される。Ｄ／Ａ変換器２５はピーク位置のデータを
アナログ信号に変換し、測定結果として出力する。

【００３６】本実施例では、レーザダイオード１１がレ
ーザ光照射手段に相当し、ＣＣＤリニアイメージセンサ
１３がリニアイメージセンサに相当し、受光レンズ１７
が集光レンズに相当する。

【００３７】図２（ａ）は図１の光学式変位計に用いら
れるＣＣＤリニアイメージセンサ１３の受光面と光スポ
ットとの関係を示す図、図２（ｂ）は図２（ａ）の光ス
ポットにより得られる受光量データを示す図である。ま
た、図３は光スポットの直径の定義を説明するための図
である。

【００３８】図２（ａ）において、図１の測定対象物１
００が矢印Ｘで示す方向に変位した場合にＣＣＤリニア
イメージセンサ１３の受光面１１０上で光スポット２０
０が移動する方向をｘ方向とし、ＣＣＤリニアイメージ
センサ１３の受光面１１０上でｘ方向に垂直な方向をｙ
方向とする。

【００３９】ＣＣＤリニアイメージセンサ１３の受光面
１１０は、ｘ方向に沿って配列された複数の画素（受光
部）Ｐ１，Ｐ２，…，Ｐｍからなる。以下、各画素Ｐ
１，Ｐ２，…，Ｐｍを代表的にＰｊで表す。ここで、ｊ
＝１，２，…，ｍである。

【００４０】受光レンズ１７により受光面１１０に集光
される光スポット２００の直径Ｄは、次のように定義さ
れる。すなわち、図３に示すように、受光面１１０上で
の光強度分布において、最大光強度の１／ｅ² （＝１
３．５％）以上の光強度を有する領域の幅を直径Ｄとす
る。ここで、ｅは自然対数の底である。

【００４１】図２に示すように、各画素Ｐｊのｙ方向の
幅Ｗ１は、光スポット２００の直径Ｄ以上となってい
る。なお、受光面１１０のｘ方向の長さＬは任意である
が、この受光面１１０の長さＬにより測定対象物１００
の測定可能な変位が定まる。

【００４２】本実施例のＣＣＤリニアイメージセンサ１
３では、各画素Ｐｊがｙ方向において光スポット２００
の直径Ｄ以上の幅Ｗ１を有するので、光スポット２００
にスペックルパターンが現れた場合でも、各画素Ｐｊに
おいてスペックルパターンによる光強度のばらつきが平
均化される。したがって、図２（ｂ）に示すように、光
スポット２００に対応する受光量データはスペックルパ
ターンの影響を受けず、受光量分布の重心位置を正確か
つ安定に測定することが可能となる。また、各画素Ｐｊ
の面積が大きいので、各画素Ｐｊにおける受光量が増加
し、より安定した測定結果が得られる。

【００４３】本発明者の実験によれば、ＣＣＤリニアイ
メージセンサ１３の受光面１１０上の光スポット２００
の直径Ｄは、レーザダイオード１１、投光レンズ１６、
受光レンズ１７等からなる光学系を調整することによ
り、３０μｍよりも小さく絞ることが可能である。した
がって、ＣＣＤリニアイメージセンサ１３の各画素Ｐｊ
のｙ方向の幅Ｗ１を３０μｍ以上に設定すれば、ＣＣＤ
リニアイメージセンサ１３の受光面１１０上の光スポッ
ト２００を最も絞った状態で、各画素Ｐｊがｙ方向にお
いて光スポット２００を包含することができる。

【００４４】ここで、図１の光学式変位計の本体部２の
動作を説明する。ＬＰＦ・増幅回路２１は、ヘッド部１
の増幅回路１５から与えられる受光信号ＬＳ０の高周波
成分を除去するとともにその受光信号ＬＳ０を増幅し、
受光信号ＬＳ１として出力する。ピークホールド回路２
２は、受光信号ＬＳ１のピーク電圧を保持し、ピークホ
ールド電圧Ｖｐ１として出力する。Ａ／Ｄ変換器２４
は、ピークホールド回路２２から与えられるピークホー
ルド電圧Ｖｐ１および所定の基準電圧をデジタルデータ
に変換する。

【００４５】マイクロコンピュータ２３は、ピークホー
ルド電圧Ｖｐ１のデジタルデータを基準電圧のデジタル
データと比較し、ピークホールド電圧Ｖｐ１が基準電圧
と等しくなるようにレーザダイオード駆動パルス信号Ｌ
Ｄのデューティサイクルを制御する。ここで、レーザダ
イオード駆動パルス信号ＬＤのデューティサイクルは、
レーザダイオード駆動パルス信号ＬＤのパルス幅を周期
で割った値である。

【００４６】一方、ＡＧＣ増幅器２６は、受光信号ＬＳ
１を増幅する。ピークホールド回路２７は、ＡＧＣ増幅
器２６の出力信号ＬＳ２のピーク電圧を保持し、ピーク
ホールド電圧Ｖｐ２として出力する。基準電圧発生回路
３０は、所定の基準電圧を発生する。

【００４７】減算器２８は、基準電圧とピークホールド
電圧Ｖｐ２との差を誤差信号として出力する。誤差積分
回路２９は、誤差信号を積分し、積分された誤差信号を
制御電圧としてＡＧＣ増幅器２６に与える。これによ
り、制御電圧に基づいてＡＧＣ増幅器２６の出力信号Ｌ
Ｓ２のピーク電圧が基準電圧と等しくなるように、ＡＧ
Ｃ増幅器２６の利得が制御される。

【００４８】図４は図１の光学式変位計におけるデジタ
ル処理部の動作を説明するための図である。Ａ／Ｄ変換
器３１は、ＡＧＣループにおけるＡＧＣ増幅器２６の出
力信号ＬＳ２をアナログ／デジタル変換し、デジタルデ
ータを受光量データＤ０として出力する。デジタル処理
回路３２は、受光量データＤ０のうち所定のしきい値Ｔ
ｈよりも大きい値を有するデータを抽出し、受光量デー
タＤ１として出力する。具体的には、デジタル処理回路
３２は、受光量データＤ０からしきい値Ｔｈを減算し、
０よりも大きいデータのみを受光量データＤ１とする。
マイクロコンピュータ２３は、デジタル処理回路３２に
より抽出された受光量データＤ１を用いて受光量分布の
重心位置を算出する。

【００４９】図５はＡ／Ｄ変換器３１により得られた受
光量データＤ０およびデジタル処理回路３２により得ら
れた受光量データＤ１の一例を示す波形図である。

【００５０】図５に示すように、受光量データＤ０に
は、測定対象物１００からの反射光による受光量のピー
クＰＲおよび迷光等の雑音成分による受光量のピークＰ
Ｎが含まれる。この受光量データＤ０のうちしきい値Ｔ
ｈよりも大きい値を有する受光量データのみを抽出する
ことにより、受光量データＤ１には測定対象物１００か
らの反射光による受光量のピークＰＲのみが含まれる。

【００５１】これにより、マイクロコンピュータ２３
は、雑音成分を含まない受光量データＤ１を用いて測定
対象物１００からの反射光による受光量のピークＰＲの
重心位置Ｐ０を算出することができる。したがって、測
定結果が安定するとともに、計算に用いるデータ数が大
幅に減少し、計算時間が短縮される。

【００５２】次に、本発明の第２の実施例における光学
式変位計について説明する。第２の実施例の光学式変位
計が第１の実施例の光学式変位計と異なるのは、ＣＣＤ
リニアイメージセンサ１３の代わりに２次元イメージセ
ンサが用いられる点である。

【００５３】図６は第２の実施例の光学式変位計に用い
られる２次元イメージセンサの受光面と光スポットとの
関係を示す図、図７は２次元イメージセンサからの電荷
の読み出し順序を説明するための図である。

【００５４】図７に示すように、２次元イメージセンサ
の受光面１２０は、第１行，第２行，…，第ｎ行および
第１列，第２列，…，第ｍ列にマトリクス状に配列され
た複数の画素Ｐ_ijからなる。ここで、ｉ＝１，２，…，
ｎ、ｊ＝１，２，…，ｍである。各行の画素はｘ方向に
沿って配列され、各列の画素はｙ方向に沿って配列され
ている。

【００５５】図６に示すように、受光面１２０のｙ方向
における幅Ｗ２は、光スポット２００の直径Ｄ以上に設
定されている。すなわち、受光面１２０の幅Ｗ２が光ス
ポット２００の直径Ｄ以上となるように各列の画素の数
ｎが設定されている。また、受光面１２０のｘ方向の長
さＬにより、測定対象物１００の測定可能な変位が定ま
る。

【００５６】測定時には、図７に示すように、まず、第
１行のｍ個の画素Ｐ_1jに蓄積された電荷が順に読み出さ
れ、次に、第２行のｍ個の画素Ｐ_2jに蓄積された電荷が
順に読み出される。同様にして、各行のｍ個の画素Ｐ_ij
に蓄積された電荷が順に読み出され、最後に、第ｎ行の
ｍ個の画素Ｐ_njに蓄積された電荷が順に読み出される。

【００５７】図８（ａ）は２次元イメージセンサの各行
の画素と光スポットとの関係を示す図、図８（ｂ）は各
行の画素に対応する受光量データを示す図、図８（ｃ）
は各行の画素に対応する受光量データの加算結果を示す
図である。

【００５８】図８（ａ）に示すように、受光面１２０の
第１行Ｒ１，第２行Ｒ２，…，第ｎ行Ｒｎがそれぞれリ
ニアイメージセンサと同等の機能を達成する。これによ
り、図８（ｂ）に示すように、受光面１２０の各行Ｒ
１，Ｒ２，…，Ｒｎからそれぞれ受光量データＲ
（１），Ｒ（２），…，Ｒ（ｎ）が得られる。これらの
受光量データＲ（１）〜Ｒ（ｎ）では、光スポット２０
０のスペックルパターンの影響により、光量分布にばら
つきが生じている。

【００５９】図１のマイクロコンピュータ２３は、各行
Ｒ１〜Ｒｎに対応する受光量データＲ（１）〜Ｒ（ｎ）
を各列ごとに加算する。すなわち、各列の受光量データ
Ｐ（１），Ｐ（２），…，Ｐ（ｍ）を次式により算出す
る。

【００６０】 Ｐ（１）＝Ｐ（１，１）＋Ｐ（２，１）＋…＋Ｐ（ｎ，１） Ｐ（２）＝Ｐ（１，２）＋Ｐ（２，２）＋…＋Ｐ（ｎ，２） ・・・ ・・・ Ｐ（ｍ）＝Ｐ（１，ｍ）＋Ｐ（２，ｍ）＋…＋Ｐ（ｎ，ｍ） 上式において、Ｐ（ｉ，ｊ）は画素Ｐ_ijに対応する受光
量データを表わし、ｉ＝１，２，…，ｎ、ｊ＝１，２，
…，ｍである。各列の受光量データは、第１の実施例に
おけるＣＣＤリニアイメージセンサ１３の各画素Ｐｊの
受光量データに相当する。上記の加算演算により、図８
（ｃ）に示す受光量データが得られる。図８（ｃ）の受
光量データにおいては、スペックルパターンによる光量
分布のばらつきが平均化されている。

【００６１】本実施例では、２次元イメージセンサの受
光面１２０がｙ方向において光スポット２００の直径Ｄ
以上の幅Ｗ２を有するように各列の画素の数が設定され
ているので、光スポット２００にスペックルパターンが
現れた場合でも、各列においてスペックルパターンによ
る光強度のばらつきが平均化される。したがって、図８
（ｃ）に示すように、光スポット２００に対応する受光
量データはスペックルパターンの影響を受けず、受光量
分布の重心位置を正確かつ安定に測定することが可能と
なる。また、受光面１２０がｙ方向において光スポット
２００以上の幅を有するので、各列における受光量が増
加し、より安定した測定結果が得られる。

【００６２】本実施例においても、２次元イメージセン
サの受光面１２０上の光スポット２００の直径Ｄを３０
μｍよりも小さく絞ることができるので、２次元イメー
ジセンサの受光面１２０のｙ方向における幅Ｗ２が３０
μｍ以上になるように各列の画素の数を設定することに
より、受光面１２０上の光スポット２００を最も絞った
状態で、受光面１２０がｙ方向において光スポット２０
０を包含することができる。

【００６３】第２の実施例では、マイクロコンピュータ
２３が加算手段に相当するが、デジタル処理回路３２が
加算演算処理を行ってもよい。

【００６４】また、２次元イメージセンサとしては、Ｃ
ＣＤ２次元イメージセンサに限らず、他の受光素子アレ
イを用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における光学式変位計の構成
を示すブロック図である。

【図２】図１の光学式変位計に用いられるＣＣＤリニア
イメージセンサの受光面と光スポットとの関係を示す図
および光スポットにより得られる受光量データを示す図
である。

【図３】光スポットの直径の定義を説明するための図で
ある。

【図４】図１の光学式変位計におけるデジタル処理部の
動作を説明するための図である。

【図５】Ａ／Ｄ変換器により得られた受光量データおよ
びデジタル処理回路により得られた受光量データの一例
を示す波形図である。

【図６】本発明の第２の実施例における光学式変位計に
用いられる２次元イメージセンサの受光面と光スポット
との関係を示す図である。

【図７】図６の２次元イメージセンサからの電荷の読み
出し順序を説明するための図である。

【図８】図６の２次元イメージセンサにおける各行の画
素と光スポットとの関係を示す図、各行の画素に対応す
る受光量データを示す図および各行の画素に対応する受
光量データの加算結果を示す図である。

【図９】従来の光学式変位計の主要部の構成を示すブロ
ック図である。

【図１０】光位置検出素子での受光量分布の一例を示す
図である。

【図１１】レーザ光によりＣＣＤリニアイメージセンサ
の受光面に形成される光スポットを示す図および光スポ
ットにより得られる受光信号を示す図である。

【符号の説明】

１ ヘッド部 ２ 本体部 １１ レーザダイオード １３ ＣＣＤリニアイメージセンサ １７ 受光レンズ ２３ マイクロコンピュータ ２４，３１ Ａ／Ｄ変換器 ３２ デジタル処理回路 １００ 測定対象物 １１０，１２０ 受光面 ２００ 光スポット Ｐ１，Ｐ２，Ｐｊ，Ｐｍ，Ｐ_ij 画素

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物の変位を測定する光学式変位計で
   あって、 前記対象物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、 複数の画素からなる受光面を有し、各画素での受光量を
   受光信号として出力するリニアイメージセンサと、 前記対象物からの反射光を前記リニアイメージセンサの
   前記受光面上に光スポットとして集光させる集光レンズ
   とを備え、 前記リニアイメージセンサの前記複数の画素は、前記集
   光レンズにより前記受光面上に形成される光スポットが
   前記対象物の変位により移動する方向に沿って配列さ
   れ、 前記複数の画素の各々は、前記複数の画素の配列方向に
   垂直な方向において前記光スポットを包含する幅を有す
   ることを特徴とする光学式変位計。
2. 【請求項２】 対象物の変位を測定する光学式変位計で
   あって、 前記対象物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、 複数の画素からなる受光面を有し、各画素での受光量を
   受光信号として出力するリニアイメージセンサと、 前記対象物からの反射光を前記リニアイメージセンサの
   前記受光面上に光スポットとして集光させる集光レンズ
   とを備え、 前記リニアイメージセンサの前記複数の画素は、前記集
   光レンズにより前記受光面上に形成される光スポットが
   前記対象物の変位により移動する方向に沿って配列さ
   れ、 前記複数の画素の各々は、前記複数の画素の配列方向に
   垂直な方向において３０μｍ以上の幅を有することを特
   徴とする光学式変位計。
3. 【請求項３】 対象物の変位を測定する光学式変位計で
   あって、 前記対象物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、 複数の画素からなる受光面を有し、各画素での受光量を
   受光信号として出力する２次元イメージセンサと、 前記対象物からの反射光を前記２次元イメージセンサの
   前記受光面上に光スポットとして集光させる集光レンズ
   とを備え、 前記２次元イメージセンサの前記複数の画素は、前記集
   光レンズにより前記受光面上に形成される光スポットが
   前記対象物の変位により移動する第１の方向と前記第１
   の方向に垂直な第２の方向とにマトリクス状に配列さ
   れ、 前記受光面は、前記第２の方向において前記光スポット
   を包含する幅を有し、 前記第２の方向に配列された複数の画素に対応する受光
   信号を加算する加算手段をさらに備えたことを特徴とす
   る光学式変位計。
4. 【請求項４】 対象物の変位を測定する光学式変位計で
   あって、 前記対象物にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、 複数の画素からなる受光面を有し、各画素での受光量を
   受光信号として出力する２次元イメージセンサと、 前記対象物からの反射光を前記２次元イメージセンサの
   前記受光面上に光スポットとして集光させる集光レンズ
   とを備え、 前記２次元イメージセンサの前記複数の画素は、前記集
   光レンズにより前記受光面上に形成される光スポットが
   前記対象物の変位により移動する第１の方向と前記第１
   の方向に垂直な第２の方向とにマトリクス状に配列さ
   れ、 前記受光面は、前記第２の方向において３０μｍ以上の
   幅を有し、 前記第２の方向に配列された複数の画素に対応する受光
   信号を加算する加算手段をさらに備えたことを特徴とす
   る光学式変位計。