JPH1163920A - 光走査式変位測定装置 - Google Patents
光走査式変位測定装置Info
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- JPH1163920A JPH1163920A JP22994697A JP22994697A JPH1163920A JP H1163920 A JPH1163920 A JP H1163920A JP 22994697 A JP22994697 A JP 22994697A JP 22994697 A JP22994697 A JP 22994697A JP H1163920 A JPH1163920 A JP H1163920A
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- Japan
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- light
- spot
- light receiving
- measurement spot
- measurement
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Abstract
(57)【要約】
【課題】応答性や分解能を高くすることができ、しかも
二次反射光による測定誤差の少ない光走査式変位測定装
置を提供する。 【解決手段】投光装置１０から出力された光ビームを走
査装置１１により走査する。対象物の表面での光ビーム
の拡散反射光は受光光学系によって位置検出素子２１の
受光面に集光され、受光面に測定スポットを形成する。
位置検出素子２１は光ビームの走査に伴って測定スポッ
トが移動する方向に並設された複数のＰＳＤ２１1 〜２
１5 からなり、各ＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力のうち測
定スポットの形成されているＰＳＤ２１1 〜２１5 の出
力が切換器５０ａ，５０ｂで選択される。切換器５０
ａ，５０ｂで選択されたＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力を
用いて変位を求める。
二次反射光による測定誤差の少ない光走査式変位測定装
置を提供する。 【解決手段】投光装置１０から出力された光ビームを走
査装置１１により走査する。対象物の表面での光ビーム
の拡散反射光は受光光学系によって位置検出素子２１の
受光面に集光され、受光面に測定スポットを形成する。
位置検出素子２１は光ビームの走査に伴って測定スポッ
トが移動する方向に並設された複数のＰＳＤ２１1 〜２
１5 からなり、各ＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力のうち測
定スポットの形成されているＰＳＤ２１1 〜２１5 の出
力が切換器５０ａ，５０ｂで選択される。切換器５０
ａ，５０ｂで選択されたＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力を
用いて変位を求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ビームを走査し
つつ対象物表面に照射し、対象物表面に形成される光ス
ポットの位置を対象物表面に対する光ビームの照射方向
とは異なる方向から監視することにより光スポットの移
動範囲における２次元形状を光学的三角測量法に基づい
て計測するものであって、対象物の寸法検査、対象物表
面の欠陥検査に用いたり、あるいは溶接やバリ取りを行
なうロボット用の視覚センサに用いたりする光走査式変
位測定装置に関するものである。
つつ対象物表面に照射し、対象物表面に形成される光ス
ポットの位置を対象物表面に対する光ビームの照射方向
とは異なる方向から監視することにより光スポットの移
動範囲における２次元形状を光学的三角測量法に基づい
て計測するものであって、対象物の寸法検査、対象物表
面の欠陥検査に用いたり、あるいは溶接やバリ取りを行
なうロボット用の視覚センサに用いたりする光走査式変
位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図９を用いてこの種の光走査式変位測定
装置の概略構成および動作原理を説明する。半導体レー
ザや発光ダイオードのような投光素子を用いた投光装置
１０により光ビームが形成され、この光ビームはガルバ
ノスキャナやポリゴンミラーや共振ミラーのような周知
の走査装置１１を用いて走査され、対象物３０の表面に
照射される。投光装置１０と走査装置１１とは投光手段
を構成する。光ビームが対象物３０の表面に照射される
と点状のパターンである光スポットが形成されるから、
光ビームの走査によって対象物３０の表面には線状のパ
ターンが形成される。この線状のパターンは光ビームに
より形成される平面による対象物３０の表面の切断線に
相当する。そこで、対象物３０の表面に対する光ビーム
の照射方向とは異なる方向から線状パターンを監視すれ
ば、対象物３０の表面の２次元形状を測定することがで
きる。対象物３０の表面に形成される線状パターンの監
視には、ＰＳＤのような位置検出素子２１と、位置検出
素子２１の受光面の視野内に上記線状パターンが収まる
ようにして対象物３０の表面での拡散反射光を集光させ
る受光光学系２２とを用いる。位置検出素子２１と受光
光学系２２とは受光手段を構成する。
装置の概略構成および動作原理を説明する。半導体レー
ザや発光ダイオードのような投光素子を用いた投光装置
１０により光ビームが形成され、この光ビームはガルバ
ノスキャナやポリゴンミラーや共振ミラーのような周知
の走査装置１１を用いて走査され、対象物３０の表面に
照射される。投光装置１０と走査装置１１とは投光手段
を構成する。光ビームが対象物３０の表面に照射される
と点状のパターンである光スポットが形成されるから、
光ビームの走査によって対象物３０の表面には線状のパ
ターンが形成される。この線状のパターンは光ビームに
より形成される平面による対象物３０の表面の切断線に
相当する。そこで、対象物３０の表面に対する光ビーム
の照射方向とは異なる方向から線状パターンを監視すれ
ば、対象物３０の表面の２次元形状を測定することがで
きる。対象物３０の表面に形成される線状パターンの監
視には、ＰＳＤのような位置検出素子２１と、位置検出
素子２１の受光面の視野内に上記線状パターンが収まる
ようにして対象物３０の表面での拡散反射光を集光させ
る受光光学系２２とを用いる。位置検出素子２１と受光
光学系２２とは受光手段を構成する。
【０００３】上記構成によって、対象物３０の表面に光
ビームが照射されると、位置検出素子２１の受光面に点
状の集光スポット（以下では、この集光スポットと二次
反射光とを区別するために、測定スポットと呼ぶ）が形
成されることになる。この種の光走査式変位測定装置の
原理を簡単に説明するために、図１０に示すように、光
ビームが対象物３０の表面に直交している状態を考え
る。ここで、対象物３０までの距離がＡ，Ｂ，Ｃのよう
に変化すれば、位置検出素子２１の受光面上での測定ス
ポットの位置はａ，ｂ，ｃのように移動することにな
る。つまり、光ビームと受光光学系２２の中心とを含む
平面内に位置検出素子２１の受光面を位置させ、位置検
出素子２１としてこの平面内で１次元の位置検出が行な
えるものを用いると、以下のような原理で対象物３０ま
での位置を検出することが可能になる。
ビームが照射されると、位置検出素子２１の受光面に点
状の集光スポット（以下では、この集光スポットと二次
反射光とを区別するために、測定スポットと呼ぶ）が形
成されることになる。この種の光走査式変位測定装置の
原理を簡単に説明するために、図１０に示すように、光
ビームが対象物３０の表面に直交している状態を考え
る。ここで、対象物３０までの距離がＡ，Ｂ，Ｃのよう
に変化すれば、位置検出素子２１の受光面上での測定ス
ポットの位置はａ，ｂ，ｃのように移動することにな
る。つまり、光ビームと受光光学系２２の中心とを含む
平面内に位置検出素子２１の受光面を位置させ、位置検
出素子２１としてこの平面内で１次元の位置検出が行な
えるものを用いると、以下のような原理で対象物３０ま
での位置を検出することが可能になる。
【０００４】いま、測距原理を説明するために、受光光
学系２２の中心から光ビームに下ろした垂線の足Ｈから
光ビームに沿って距離を測定するものとし、点Ｈから位
置Ｂまでの距離をＬｂ、点Ｈから位置Ｃまでの距離をＬ
ｃ（＝Ｌｂ＋ΔＬ）とする。また、対象物３０が位置Ｂ
に存在する際に位置検出素子２１の受光面の中央に測定
スポットが形成され、かつそのときの測定スポットと位
置Ｂとを結ぶ直線が位置検出素子２１の受光面に直交す
るように位置検出素子２１および受光光学系２２が配置
されているものとする。つまり、受光光学系２２の光軸
は位置検出素子２１の受光面の中央と位置Ｂとを通るこ
とになる。ここで、対象物３０が位置Ｃに存在するとき
に測定スポットが位置ｂからΔｚだけ離れた位置ｃに移
動したものとし、光ビームと受光光学系２２の光軸との
交差角をθとすれば、次式が成立する。 （Ｌｂ／ cosθ＋ΔＬ cosθ）Δｚ＝Ｆ・ΔＬ sinθ ただし、Ｆは受光光学系２２の中心から位置検出素子２
１の受光面までの距離である。上式を変形すると、 Δｚ＝Ｆ・ΔＬ tanθ／（Ｌｂ／cos2θ＋ΔＬ） ここで、α＝Ｆ tanθ、β＝Ｌｂ／cos2θとおけば、 Δｚ＝α・ΔＬ／（β＋ΔＬ） …（１） となり、α，βは一定であるから、基準距離をＬｂとす
るときの変位ΔＬは、Δｚの関数で表すことができる。
学系２２の中心から光ビームに下ろした垂線の足Ｈから
光ビームに沿って距離を測定するものとし、点Ｈから位
置Ｂまでの距離をＬｂ、点Ｈから位置Ｃまでの距離をＬ
ｃ（＝Ｌｂ＋ΔＬ）とする。また、対象物３０が位置Ｂ
に存在する際に位置検出素子２１の受光面の中央に測定
スポットが形成され、かつそのときの測定スポットと位
置Ｂとを結ぶ直線が位置検出素子２１の受光面に直交す
るように位置検出素子２１および受光光学系２２が配置
されているものとする。つまり、受光光学系２２の光軸
は位置検出素子２１の受光面の中央と位置Ｂとを通るこ
とになる。ここで、対象物３０が位置Ｃに存在するとき
に測定スポットが位置ｂからΔｚだけ離れた位置ｃに移
動したものとし、光ビームと受光光学系２２の光軸との
交差角をθとすれば、次式が成立する。 （Ｌｂ／ cosθ＋ΔＬ cosθ）Δｚ＝Ｆ・ΔＬ sinθ ただし、Ｆは受光光学系２２の中心から位置検出素子２
１の受光面までの距離である。上式を変形すると、 Δｚ＝Ｆ・ΔＬ tanθ／（Ｌｂ／cos2θ＋ΔＬ） ここで、α＝Ｆ tanθ、β＝Ｌｂ／cos2θとおけば、 Δｚ＝α・ΔＬ／（β＋ΔＬ） …（１） となり、α，βは一定であるから、基準距離をＬｂとす
るときの変位ΔＬは、Δｚの関数で表すことができる。
【０００５】ここでは、位置検出素子２１としてＰＳＤ
を用いているものとする。ＰＳＤはｐｉｎ構造を有し、
ｎ層側に共通電極を備えるとともに図１１に示すように
受光面の長手方向の両端に電極２１ａ，２１ｂを備えて
いる。受光面に光スポットが形成されると高抵抗のｐ層
が光スポットの重心位置に応じて分割されるから、共通
電極に電流源を接続しておけば、各電極２１ａ，２１ｂ
からの出力電流は各電極２１ａ，２１ｂから分割点まで
の距離に反比例する（受光光量を一定としたとき）。い
ま、受光面において電極２１ａ，２１ｂ間を結ぶ方向を
Ｚ方向、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向として、受光面
の有効長がＬｚ、光スポットの重心位置がＺ方向におい
て受光面の中心から電極２１ａ側にΔｚだけずれて位置
するものとする。そのときの各電極２１ａ，２１ｂの出
力電流がそれぞれＩａ，Ｉｂであれば、次式の関係が得
られる。なお、Ｚ方向は対象物３０の変位により測定ス
ポットが移動する方向であり、Ｘ方向は走査装置１１に
より光ビームが走査されたときに測定スポットが移動す
る方向である。 Ｉａ＝κ／（Ｌｚ／２−Δｚ） Ｉｂ＝κ／（Ｌｚ／２＋Δｚ） ただし、κは定数である。上式を加算してκを求める
と、 κ＝（Ｌｚ／２＋Δｚ）（Ｌｚ／２−Δｚ）（Ｉａ＋Ｉ
ｂ）／Ｌｚ であって、 Ｉａ＝（Ｌｚ／２＋Δｚ）（Ｉａ＋Ｉｂ）／Ｌｚ Ｉｂ＝（Ｌｚ／２−Δｚ）（Ｉａ＋Ｉｂ）／Ｌｚ ∴Δｚ＝｛（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）｝Ｌｚ／２ …（２） （１）（２）式より明らかなように、位置検出素子２１
の出力電流Ｉａ，Ｉｂに基づいて（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉ
ａ＋Ｉｂ）を求めると、基準距離Ｌｂからの変位ΔＬを
求めることができる。
を用いているものとする。ＰＳＤはｐｉｎ構造を有し、
ｎ層側に共通電極を備えるとともに図１１に示すように
受光面の長手方向の両端に電極２１ａ，２１ｂを備えて
いる。受光面に光スポットが形成されると高抵抗のｐ層
が光スポットの重心位置に応じて分割されるから、共通
電極に電流源を接続しておけば、各電極２１ａ，２１ｂ
からの出力電流は各電極２１ａ，２１ｂから分割点まで
の距離に反比例する（受光光量を一定としたとき）。い
ま、受光面において電極２１ａ，２１ｂ間を結ぶ方向を
Ｚ方向、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向として、受光面
の有効長がＬｚ、光スポットの重心位置がＺ方向におい
て受光面の中心から電極２１ａ側にΔｚだけずれて位置
するものとする。そのときの各電極２１ａ，２１ｂの出
力電流がそれぞれＩａ，Ｉｂであれば、次式の関係が得
られる。なお、Ｚ方向は対象物３０の変位により測定ス
ポットが移動する方向であり、Ｘ方向は走査装置１１に
より光ビームが走査されたときに測定スポットが移動す
る方向である。 Ｉａ＝κ／（Ｌｚ／２−Δｚ） Ｉｂ＝κ／（Ｌｚ／２＋Δｚ） ただし、κは定数である。上式を加算してκを求める
と、 κ＝（Ｌｚ／２＋Δｚ）（Ｌｚ／２−Δｚ）（Ｉａ＋Ｉ
ｂ）／Ｌｚ であって、 Ｉａ＝（Ｌｚ／２＋Δｚ）（Ｉａ＋Ｉｂ）／Ｌｚ Ｉｂ＝（Ｌｚ／２−Δｚ）（Ｉａ＋Ｉｂ）／Ｌｚ ∴Δｚ＝｛（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）｝Ｌｚ／２ …（２） （１）（２）式より明らかなように、位置検出素子２１
の出力電流Ｉａ，Ｉｂに基づいて（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉ
ａ＋Ｉｂ）を求めると、基準距離Ｌｂからの変位ΔＬを
求めることができる。
【０００６】そこで、従来より図１２に示すような回路
を用いて対象物３０の変位ΔＬを測定している。図示す
る構成では、投光装置１０の投光素子４１として半導体
レーザを用いている。また、発振回路４０から出力され
るクロックパルスがドライブ回路４２を通して適宜レベ
ルの駆動信号となり、この駆動信号により投光素子４１
が駆動される。投光装置１０は、投光素子４１からの出
力光を細く絞った光ビームとするための投光光学系（図
示せず）も備えている。光ビームはガルバノスキャナよ
りなる走査装置１１で反射されて対象物３０に照射され
る。この走査装置１１はミラー駆動回路４３により往復
駆動される。
を用いて対象物３０の変位ΔＬを測定している。図示す
る構成では、投光装置１０の投光素子４１として半導体
レーザを用いている。また、発振回路４０から出力され
るクロックパルスがドライブ回路４２を通して適宜レベ
ルの駆動信号となり、この駆動信号により投光素子４１
が駆動される。投光装置１０は、投光素子４１からの出
力光を細く絞った光ビームとするための投光光学系（図
示せず）も備えている。光ビームはガルバノスキャナよ
りなる走査装置１１で反射されて対象物３０に照射され
る。この走査装置１１はミラー駆動回路４３により往復
駆動される。
【０００７】一方、ＰＳＤよりなる位置検出素子２１の
出力電流Ｉａ，Ｉｂは、それぞれ受光回路５１ａ，５１
ｂに入力される。受光回路５１ａ，５１ｂは電流−電圧
変換回路を含み、出力電流Ｉａ，Ｉｂに比例した電圧信
号を出力する。両位置信号は、それぞれ同期検波回路５
２ａ，５２ｂにより発振回路４０から出力される信号に
同期して検波される。なお、同期検波の目的は外乱光な
どのノイズ成分を除去することにあるから、ノイズ成分
が十分に小さければ同期検波を行なわない場合もある。
（２）式により明らかなように、対象物３０の変位ΔＬ
を求めるには位置検出素子２１の出力電流Ｉａ，Ｉｂの
和と差とが必要であるから、加算回路５３により同期検
波回路５２ａ，５２ｂの出力の和が求められ、減算回路
５４により同期検波回路５２ａ，５２ｂの出力の差が求
められる。さらに位置検出素子２１の出力電流Ｉａ，Ｉ
ｂの差を和で除した値が必要であるから、減算回路５４
の出力値を加算回路５３の出力値で除するための除算回
路５５が設けられる。除算回路５５の出力値は（Ｉａ−
Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）に比例する値であるから、除算
回路５５の出力信号である測距信号Ｌ0 は次式のように
表すことができる。 Ｌ0 ＝λ｛（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）｝ ただし、λは定数である。したがって、（１）式に適用
して次式が成立する。 Ｌ0 ＝α’・ΔＬ／（β＋ΔＬ） ただし、α’は定数である。上式より明らかなように、
測距信号Ｌ0 は変位ΔＬの関数であるが、変位ΔＬとは
非線形な関係であるから、リニアリティ補正回路５６を
用いて変位ΔＬと線形関係になるように補正を行なう。
リニアリティ補正回路５６では、光ビームの走査位置に
応じた補正も行なう。すなわち、変位ΔＬは、光ビーム
と受光光学系２２の中心とを含む面内で光ビームの方向
において検出しているから、走査位置に応じて光ビーム
と受光光学系２２の光軸との交差角θが変化するなど測
定条件に変化が生じるものであり、光ビームの走査位置
に応じた固有値で補正することが必要になる。そこで、
ミラー駆動回路４２からの走査角度信号Ｘｍを用いてリ
ニアリティ補正回路５６では走査位置に応じた補正を行
なうのである。このように、測距信号Ｌ0 および走査角
度信号Ｘｍを用いるこにより適切な補正を行なえば変位
ΔＬを求めることができる。つまり、受光回路５１ａ，
５１ａからリニアリティ補正回路５６までの構成によっ
て演算手段が構成される。このようにして光ビームを走
査しながら多数の測定点で逐次に変位ΔＬを求めると対
象物３０の２次元形状を求めることができる。さらに、
光ビームの走査方向に直交する方向へ対象物３０を相対
的に移動させると、対象物３０の３次元形状を測定する
ことも可能である。
出力電流Ｉａ，Ｉｂは、それぞれ受光回路５１ａ，５１
ｂに入力される。受光回路５１ａ，５１ｂは電流−電圧
変換回路を含み、出力電流Ｉａ，Ｉｂに比例した電圧信
号を出力する。両位置信号は、それぞれ同期検波回路５
２ａ，５２ｂにより発振回路４０から出力される信号に
同期して検波される。なお、同期検波の目的は外乱光な
どのノイズ成分を除去することにあるから、ノイズ成分
が十分に小さければ同期検波を行なわない場合もある。
（２）式により明らかなように、対象物３０の変位ΔＬ
を求めるには位置検出素子２１の出力電流Ｉａ，Ｉｂの
和と差とが必要であるから、加算回路５３により同期検
波回路５２ａ，５２ｂの出力の和が求められ、減算回路
５４により同期検波回路５２ａ，５２ｂの出力の差が求
められる。さらに位置検出素子２１の出力電流Ｉａ，Ｉ
ｂの差を和で除した値が必要であるから、減算回路５４
の出力値を加算回路５３の出力値で除するための除算回
路５５が設けられる。除算回路５５の出力値は（Ｉａ−
Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）に比例する値であるから、除算
回路５５の出力信号である測距信号Ｌ0 は次式のように
表すことができる。 Ｌ0 ＝λ｛（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）｝ ただし、λは定数である。したがって、（１）式に適用
して次式が成立する。 Ｌ0 ＝α’・ΔＬ／（β＋ΔＬ） ただし、α’は定数である。上式より明らかなように、
測距信号Ｌ0 は変位ΔＬの関数であるが、変位ΔＬとは
非線形な関係であるから、リニアリティ補正回路５６を
用いて変位ΔＬと線形関係になるように補正を行なう。
リニアリティ補正回路５６では、光ビームの走査位置に
応じた補正も行なう。すなわち、変位ΔＬは、光ビーム
と受光光学系２２の中心とを含む面内で光ビームの方向
において検出しているから、走査位置に応じて光ビーム
と受光光学系２２の光軸との交差角θが変化するなど測
定条件に変化が生じるものであり、光ビームの走査位置
に応じた固有値で補正することが必要になる。そこで、
ミラー駆動回路４２からの走査角度信号Ｘｍを用いてリ
ニアリティ補正回路５６では走査位置に応じた補正を行
なうのである。このように、測距信号Ｌ0 および走査角
度信号Ｘｍを用いるこにより適切な補正を行なえば変位
ΔＬを求めることができる。つまり、受光回路５１ａ，
５１ａからリニアリティ補正回路５６までの構成によっ
て演算手段が構成される。このようにして光ビームを走
査しながら多数の測定点で逐次に変位ΔＬを求めると対
象物３０の２次元形状を求めることができる。さらに、
光ビームの走査方向に直交する方向へ対象物３０を相対
的に移動させると、対象物３０の３次元形状を測定する
ことも可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、一般の光走
査式変位測定装置では、対象物３０の表面での拡散反射
光を受光することにより対象物３０までの距離を求める
のであるから、対象物３０の表面の拡散反射率が高いほ
ど測定誤差が少なくなる。たとえば、平坦な白紙のよう
なほぼ完全な拡散反射面について測定するのが望まし
い。
査式変位測定装置では、対象物３０の表面での拡散反射
光を受光することにより対象物３０までの距離を求める
のであるから、対象物３０の表面の拡散反射率が高いほ
ど測定誤差が少なくなる。たとえば、平坦な白紙のよう
なほぼ完全な拡散反射面について測定するのが望まし
い。
【０００９】しかしながら、対象物３０の表面は完全な
拡散反射面に近いとは限らず、図１３に示すように、対
象物３０による反射光が他の部材により反射されてその
二次反射光がＰＳＤに入射することがある。このような
二次反射光が位置検出素子２１に入射すると、測定結果
に大きな誤差が生じることになる。二次反射光は、対象
物３０に照射された光ビームの反射光が光ビームの照射
位置の近傍に存在する壁で再反射されて位置検出素子２
１に入射する場合や、投光装置１０から対象物３０まで
の間での拡散反射光が対象物３０で正反射することによ
り位置検出素子２１に入射する場合などに生じる。この
ような二次反射光が位置検出素子２１に入射すると、図
１４（ｂ）に示すように、位置検出素子２１の受光面に
測定スポットＳ0 とともに二次反射光による不要スポッ
トＳ1 が形成される（不要スポットＳ1 がなければ図１
４（ａ）のようになる）。位置検出素子２１としてのＰ
ＳＤは集光スポットの重心位置に対応した出力値を発生
するから、測定スポットＳ 0 以外の不要スポットＳ1 が
受光面に形成されると、測定誤差が生じる。
拡散反射面に近いとは限らず、図１３に示すように、対
象物３０による反射光が他の部材により反射されてその
二次反射光がＰＳＤに入射することがある。このような
二次反射光が位置検出素子２１に入射すると、測定結果
に大きな誤差が生じることになる。二次反射光は、対象
物３０に照射された光ビームの反射光が光ビームの照射
位置の近傍に存在する壁で再反射されて位置検出素子２
１に入射する場合や、投光装置１０から対象物３０まで
の間での拡散反射光が対象物３０で正反射することによ
り位置検出素子２１に入射する場合などに生じる。この
ような二次反射光が位置検出素子２１に入射すると、図
１４（ｂ）に示すように、位置検出素子２１の受光面に
測定スポットＳ0 とともに二次反射光による不要スポッ
トＳ1 が形成される（不要スポットＳ1 がなければ図１
４（ａ）のようになる）。位置検出素子２１としてのＰ
ＳＤは集光スポットの重心位置に対応した出力値を発生
するから、測定スポットＳ 0 以外の不要スポットＳ1 が
受光面に形成されると、測定誤差が生じる。
【００１０】いま、測定スポットＳ0 のみが存在する場
合の位置検出素子２１の出力電流をＩａ，Ｉｂとし、不
要スポットＳ1 のみが存在する場合の位置検出素子２１
の出力電流をδＩａ，δＩｂとすれば、測定スポットＳ
0 と不要スポットＳ1 とが存在する場合の位置検出素子
２１の出力は、それぞれ単独に存在する場合の出力電流
の合成値であるＩａ＋δＩａ，Ｉｂ＋δＩｂになる。こ
のように、測定スポットＳ0 と不要スポットＳ1 とが存
在する場合の位置検出素子２１の出力は、測定スポット
Ｓ0 の出力電流Ｉａ，Ｉｂと不要スポットＳ1 の出力電
流δＩａ，δＩｂとを合成したものになり、両者を分離
することはできないから、結果的に測定誤差を生じるこ
とになる。
合の位置検出素子２１の出力電流をＩａ，Ｉｂとし、不
要スポットＳ1 のみが存在する場合の位置検出素子２１
の出力電流をδＩａ，δＩｂとすれば、測定スポットＳ
0 と不要スポットＳ1 とが存在する場合の位置検出素子
２１の出力は、それぞれ単独に存在する場合の出力電流
の合成値であるＩａ＋δＩａ，Ｉｂ＋δＩｂになる。こ
のように、測定スポットＳ0 と不要スポットＳ1 とが存
在する場合の位置検出素子２１の出力は、測定スポット
Ｓ0 の出力電流Ｉａ，Ｉｂと不要スポットＳ1 の出力電
流δＩａ，δＩｂとを合成したものになり、両者を分離
することはできないから、結果的に測定誤差を生じるこ
とになる。
【００１１】また、上述のように光ビームを走査する
と、位置検出素子２１の受光面上で測定スポットＳ0 が
Ｘ方向に移動するから、位置検出素子２１として受光面
のＸ方向の幅寸法Ｌｘの大きいものを用いる必要があ
り、結果的に受光面積が大きくなる。ところが、ＰＳＤ
では受光面積が大きくなると電極２１ａ，２１ｂ間の容
量成分が大きくなる。いま、位置検出素子２１の電極２
１ａ，２１ｂ間の抵抗をＲ、容量成分をＣとすれば、時
定数τは、τ＝ＣＲであるから、受光面の面積が大きく
なると時定数τも大きくなり、結果的に応答時間が長く
なって、高速に測定することができなくなる。つまり、
光ビームの走査速度を遅くしなければならない。
と、位置検出素子２１の受光面上で測定スポットＳ0 が
Ｘ方向に移動するから、位置検出素子２１として受光面
のＸ方向の幅寸法Ｌｘの大きいものを用いる必要があ
り、結果的に受光面積が大きくなる。ところが、ＰＳＤ
では受光面積が大きくなると電極２１ａ，２１ｂ間の容
量成分が大きくなる。いま、位置検出素子２１の電極２
１ａ，２１ｂ間の抵抗をＲ、容量成分をＣとすれば、時
定数τは、τ＝ＣＲであるから、受光面の面積が大きく
なると時定数τも大きくなり、結果的に応答時間が長く
なって、高速に測定することができなくなる。つまり、
光ビームの走査速度を遅くしなければならない。
【００１２】さらに、ＰＳＤの分解能δｚは、一般に電
極２１ａ，２１ｂの抵抗値Ｒの平方根の逆数に比例する
ことが知られている。つまり、次式のようになる。 δｚ＝γ／Ｒ1/2 ただし、γは、絶対温度、帯域幅、ボルツマン定数など
により決定される定数である。また、受光面のＸ方向の
幅をＬｘとし、単位面積当たりの抵抗値をＲｓとすれ
ば、電極２１ａ，２１ｂ間の抵抗Ｒは、 Ｒ＝（Ｌｚ／Ｌｘ）Ｒｓ になる。光ビームをＸ方向に走査すると幅Ｌｘが大きく
なるから、抵抗Ｒが小さくなり、結果的にδｚが大きく
なる。つまり、受光面のＸ方向の幅Ｌｘを大きくとる
と、分解能δｚが大きな値になって分解能δｚが低下す
ることになる。
極２１ａ，２１ｂの抵抗値Ｒの平方根の逆数に比例する
ことが知られている。つまり、次式のようになる。 δｚ＝γ／Ｒ1/2 ただし、γは、絶対温度、帯域幅、ボルツマン定数など
により決定される定数である。また、受光面のＸ方向の
幅をＬｘとし、単位面積当たりの抵抗値をＲｓとすれ
ば、電極２１ａ，２１ｂ間の抵抗Ｒは、 Ｒ＝（Ｌｚ／Ｌｘ）Ｒｓ になる。光ビームをＸ方向に走査すると幅Ｌｘが大きく
なるから、抵抗Ｒが小さくなり、結果的にδｚが大きく
なる。つまり、受光面のＸ方向の幅Ｌｘを大きくとる
と、分解能δｚが大きな値になって分解能δｚが低下す
ることになる。
【００１３】以上説明したように、位置検出素子２１の
応答性を高くし、分解能δｚを高めるには、受光面のＸ
方向の幅Ｌｘをできるだけ小さくすることが望ましい。
一方、位置検出素子２１として通常のＰＳＤとは異なり
受光面がＸ方向において複数に分割された分割ＰＳＤ
（ＰＳＤアレイ）が知られている。分割ＰＳＤを用いた
３次元計測技術は、第３回三次元工学研究会資料集（１
９９２年１２月１０日 ｐｐ．２７）に説明されてい
る。この文献に記載されたものでは光ビームとしてスリ
ット光を用いており、したがって対象物３０の表面に光
ビームにより形成されるパターンが線状になっている。
つまり、分割ＰＳＤの分割された各受光面に形成される
集光スポットの位置を各受光面ごとに個別に検出するこ
とによって、光ビームを走査することなく対象物３０ま
での距離を測定することができるようにしてある。その
結果、受光面積が大きくなることによる応答性の低下や
分解能δｚの低下は生じないが、この技術を用いるとＸ
方向における分解能δｘはＸ方向における位置検出素子
２１の受光面の分割数に応じて決まることになり、光ス
ポットを形成する光ビームを走査する場合に比較して分
解能が低くなる。また、二次反射光による測定誤差は、
分割ＰＳＤを用いても解決されない。
応答性を高くし、分解能δｚを高めるには、受光面のＸ
方向の幅Ｌｘをできるだけ小さくすることが望ましい。
一方、位置検出素子２１として通常のＰＳＤとは異なり
受光面がＸ方向において複数に分割された分割ＰＳＤ
（ＰＳＤアレイ）が知られている。分割ＰＳＤを用いた
３次元計測技術は、第３回三次元工学研究会資料集（１
９９２年１２月１０日 ｐｐ．２７）に説明されてい
る。この文献に記載されたものでは光ビームとしてスリ
ット光を用いており、したがって対象物３０の表面に光
ビームにより形成されるパターンが線状になっている。
つまり、分割ＰＳＤの分割された各受光面に形成される
集光スポットの位置を各受光面ごとに個別に検出するこ
とによって、光ビームを走査することなく対象物３０ま
での距離を測定することができるようにしてある。その
結果、受光面積が大きくなることによる応答性の低下や
分解能δｚの低下は生じないが、この技術を用いるとＸ
方向における分解能δｘはＸ方向における位置検出素子
２１の受光面の分割数に応じて決まることになり、光ス
ポットを形成する光ビームを走査する場合に比較して分
解能が低くなる。また、二次反射光による測定誤差は、
分割ＰＳＤを用いても解決されない。
【００１４】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、応答性や分解能が高く、しかも二次
反射光による測定誤差の少ない光走査式変位測定装置を
提供することにある。
あり、その目的は、応答性や分解能が高く、しかも二次
反射光による測定誤差の少ない光走査式変位測定装置を
提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、対象
物の上で光スポットを走査するように光ビームを照射す
る投光手段と、光ビームの拡散反射光が受光光学系によ
り集光されることにより位置検出素子の受光面上に測定
スポットが形成される受光手段と、位置検出素子により
検出した測定スポットの位置を用いることにより三角測
量法に基づいて対象物の変位を求める演算手段とを備
え、位置検出素子は、光スポットの走査により測定スポ
ットが移動する方向において受光面が複数の領域に分割
されるとともに、各領域ごとに測定スポットの位置が検
出可能であって、前記各領域のうち測定スポットが形成
される領域の出力を選択的に用いて演算手段で変位を求
めるものである。
物の上で光スポットを走査するように光ビームを照射す
る投光手段と、光ビームの拡散反射光が受光光学系によ
り集光されることにより位置検出素子の受光面上に測定
スポットが形成される受光手段と、位置検出素子により
検出した測定スポットの位置を用いることにより三角測
量法に基づいて対象物の変位を求める演算手段とを備
え、位置検出素子は、光スポットの走査により測定スポ
ットが移動する方向において受光面が複数の領域に分割
されるとともに、各領域ごとに測定スポットの位置が検
出可能であって、前記各領域のうち測定スポットが形成
される領域の出力を選択的に用いて演算手段で変位を求
めるものである。
【００１６】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、測定スポットが形成される単一の領域を選択的に用
いて演算手段で変位を求めるものである。請求項３の発
明は、請求項１の発明において、測定スポットが形成さ
れる隣接する複数の領域を選択的に用いるとともに、各
領域の出力値を加算的に用いて演算手段で変位を求める
ものである。
て、測定スポットが形成される単一の領域を選択的に用
いて演算手段で変位を求めるものである。請求項３の発
明は、請求項１の発明において、測定スポットが形成さ
れる隣接する複数の領域を選択的に用いるとともに、各
領域の出力値を加算的に用いて演算手段で変位を求める
ものである。
【００１７】請求項４の発明は、対象物の上で光スポッ
トを走査するように光ビームを照射する投光手段と、光
ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されること
により位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成さ
れる受光手段と、位置検出素子により検出した測定スポ
ットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて対
象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
前記各領域のうち測定スポットが形成される領域の出力
を切換器により選択して演算手段に入力し対象物の変位
を求めるものである。
トを走査するように光ビームを照射する投光手段と、光
ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されること
により位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成さ
れる受光手段と、位置検出素子により検出した測定スポ
ットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて対
象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
前記各領域のうち測定スポットが形成される領域の出力
を切換器により選択して演算手段に入力し対象物の変位
を求めるものである。
【００１８】請求項５の発明は、請求項４の発明におい
て、切換器により測定スポットが形成される単一の領域
を選択するものである。請求項６の発明は、請求項４の
発明において、切換器により測定スポットが形成される
隣接する複数の領域を選択するものである。請求項７の
発明は、対象物の上で光スポットを走査するように光ビ
ームを照射する投光手段と、光ビームの拡散反射光が受
光光学系により集光されることにより位置検出素子の受
光面上に測定スポットが形成される受光手段と、位置検
出素子により検出した測定スポットの位置を用いること
により三角測量法に基づいて対象物の変位を求める演算
手段とを備え、位置検出素子は、光スポットの走査によ
り測定スポットが移動する方向において並設された複数
のＰＳＤよりなり、演算手段は、各ＰＳＤの電流出力を
それぞれ電圧信号に変換する複数の受光回路と、各受光
回路のうち測定スポットが形成される位置のＰＳＤに対
応する受光回路の出力を選択する切換器とを備え、切換
器により選択した受光回路の出力を用いて対象物の変位
を演算するものである。
て、切換器により測定スポットが形成される単一の領域
を選択するものである。請求項６の発明は、請求項４の
発明において、切換器により測定スポットが形成される
隣接する複数の領域を選択するものである。請求項７の
発明は、対象物の上で光スポットを走査するように光ビ
ームを照射する投光手段と、光ビームの拡散反射光が受
光光学系により集光されることにより位置検出素子の受
光面上に測定スポットが形成される受光手段と、位置検
出素子により検出した測定スポットの位置を用いること
により三角測量法に基づいて対象物の変位を求める演算
手段とを備え、位置検出素子は、光スポットの走査によ
り測定スポットが移動する方向において並設された複数
のＰＳＤよりなり、演算手段は、各ＰＳＤの電流出力を
それぞれ電圧信号に変換する複数の受光回路と、各受光
回路のうち測定スポットが形成される位置のＰＳＤに対
応する受光回路の出力を選択する切換器とを備え、切換
器により選択した受光回路の出力を用いて対象物の変位
を演算するものである。
【００１９】請求項８の発明は、請求項７の発明におい
て、切換器により測定スポットが形成される単一のＰＳ
Ｄに対応する受光回路の出力を選択するものである。請
求項９の発明は、請求項７の発明において、切換器によ
り測定スポットが形成される隣接する複数のＰＳＤに対
応する受光回路の出力を選択するものである。
て、切換器により測定スポットが形成される単一のＰＳ
Ｄに対応する受光回路の出力を選択するものである。請
求項９の発明は、請求項７の発明において、切換器によ
り測定スポットが形成される隣接する複数のＰＳＤに対
応する受光回路の出力を選択するものである。
【００２０】請求項１０の発明は、対象物の上で光スポ
ットを走査するように光ビームを照射する投光手段と、
光ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されるこ
とにより位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成
される受光手段と、位置検出素子により検出した測定ス
ポットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて
対象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
演算手段は、各領域ごとに出力値が前記変位と線形関係
になるように補正する複数のリニアリティ補正回路を備
え、前記各領域のうち測定スポットが形成される位置の
領域の出力に対応するリニアリティ補正回路の出力を切
換器により選択するものである。
ットを走査するように光ビームを照射する投光手段と、
光ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されるこ
とにより位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成
される受光手段と、位置検出素子により検出した測定ス
ポットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて
対象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
演算手段は、各領域ごとに出力値が前記変位と線形関係
になるように補正する複数のリニアリティ補正回路を備
え、前記各領域のうち測定スポットが形成される位置の
領域の出力に対応するリニアリティ補正回路の出力を切
換器により選択するものである。
【００２１】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、切換器により測定スポットが形成される単一の
領域に対応するリニアリティ補正回路の出力を選択する
ものである。請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、切換器により測定スポットが形成される隣接す
る複数の領域に対応するリニアリティ補正回路の出力を
選択するものである。
おいて、切換器により測定スポットが形成される単一の
領域に対応するリニアリティ補正回路の出力を選択する
ものである。請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、切換器により測定スポットが形成される隣接す
る複数の領域に対応するリニアリティ補正回路の出力を
選択するものである。
【００２２】
（実施形態１）本実施形態は、図２に示すように、位置
検出素子２１として分割ＰＳＤ（ＰＳＤアレイ）を用い
たものである。分割ＰＳＤは複数個のＰＳＤを受光面の
長手方向と直交する方向に並設したものと等価であっ
て、従来構成の光学系とは位置検出素子２１のみが異な
る。また、本実施形態では、位置検出素子２１として用
いる分割ＰＳＤの受光面の面積を全体では従来構成と等
しく設定してある。つまり、分割された各受光面の面積
は従来構成よりも小さく、受光面の面積の合計は従来構
成と等しくなっている。
検出素子２１として分割ＰＳＤ（ＰＳＤアレイ）を用い
たものである。分割ＰＳＤは複数個のＰＳＤを受光面の
長手方向と直交する方向に並設したものと等価であっ
て、従来構成の光学系とは位置検出素子２１のみが異な
る。また、本実施形態では、位置検出素子２１として用
いる分割ＰＳＤの受光面の面積を全体では従来構成と等
しく設定してある。つまり、分割された各受光面の面積
は従来構成よりも小さく、受光面の面積の合計は従来構
成と等しくなっている。
【００２３】投光装置１０は、図１に示すように、従来
構成と同様の構成を有し、発振回路４０より出力される
クロックパルスをドライブ回路４２に通して半導体レー
ザよりなる投光素子４１に与え、半導体レーザ４１から
出力される光を投光光学系（図示せず）で細く絞って光
ビームを生成する。投光素子４１には半導体レーザでは
なく発光ダイオードを用いてもよい。また、光ビームは
走査装置１１で偏向されるとともに一平面内で走査され
る。したがって、対象物３０の表面上で光スポットが走
査される。走査装置１１には、ガルバノスキャナ、ポリ
ゴンミラー、共振スキャナなどの周知のものを用いるこ
とができる。以下では、光スポットの走査方向をＸ方向
と規定する。
構成と同様の構成を有し、発振回路４０より出力される
クロックパルスをドライブ回路４２に通して半導体レー
ザよりなる投光素子４１に与え、半導体レーザ４１から
出力される光を投光光学系（図示せず）で細く絞って光
ビームを生成する。投光素子４１には半導体レーザでは
なく発光ダイオードを用いてもよい。また、光ビームは
走査装置１１で偏向されるとともに一平面内で走査され
る。したがって、対象物３０の表面上で光スポットが走
査される。走査装置１１には、ガルバノスキャナ、ポリ
ゴンミラー、共振スキャナなどの周知のものを用いるこ
とができる。以下では、光スポットの走査方向をＸ方向
と規定する。
【００２４】対象物３０の表面を走査される光スポット
の拡散反射光は、受光光学系２２を通して分割ＰＳＤよ
りなる位置検出素子２１の受光面に集光される。つま
り、位置検出素子２１の視野内に光スポットが入るよう
に位置検出素子２１および受光光学系２２の位置が設定
される。図３に示すように、位置検出素子２１の受光面
は、対象物３０までの距離が一定で光スポットがＸ方向
に走査されるときに測定スポットが移動する方向（つま
りＸ方向）において並設された複数個（ここでは、５
個）のＰＳＤ２１1 〜２１5 の受光面を合わせたものに
なっている。つまり、従来構成で用いた位置検出素子２
１の受光面を複数の領域に分割したことに相当する。受
光面上でＸ方向に直交する方向をＺ方向とすれば、Ｚ方
向は光ビームが走査されない状態で対象物３０までの距
離が変化したときに測定スポットが移動する方向であ
る。要するに、従来構成に比較するとＸ方向の幅の狭い
位置検出素子２１をＸ方向において複数個並設したこと
になる。
の拡散反射光は、受光光学系２２を通して分割ＰＳＤよ
りなる位置検出素子２１の受光面に集光される。つま
り、位置検出素子２１の視野内に光スポットが入るよう
に位置検出素子２１および受光光学系２２の位置が設定
される。図３に示すように、位置検出素子２１の受光面
は、対象物３０までの距離が一定で光スポットがＸ方向
に走査されるときに測定スポットが移動する方向（つま
りＸ方向）において並設された複数個（ここでは、５
個）のＰＳＤ２１1 〜２１5 の受光面を合わせたものに
なっている。つまり、従来構成で用いた位置検出素子２
１の受光面を複数の領域に分割したことに相当する。受
光面上でＸ方向に直交する方向をＺ方向とすれば、Ｚ方
向は光ビームが走査されない状態で対象物３０までの距
離が変化したときに測定スポットが移動する方向であ
る。要するに、従来構成に比較するとＸ方向の幅の狭い
位置検出素子２１をＸ方向において複数個並設したこと
になる。
【００２５】位置検出素子２１を構成する各ＰＳＤ２１
1 〜２１5 からの出力電流は、切換器５０ａ，５０ｂを
通して受光回路５１ａ、５１ｂに選択的に入力される。
受光回路５１ａ，５１ｂから後段側の処理は、従来構成
と同様であり、同期検波回路５２ａ，５２ｂを通してク
ロックパルスに同期した検波を行なった後に、加算回路
５３と減算回路５４とに通して切換器５０ａ，５０ｂの
出力値の和と差とを求め、除算回路５５において差を和
で除した値を求める。さらに、除算回路５５の出力であ
る測距信号Ｌ0 をリニアリティ補正回路５６に入力し、
リニアリティ補正回路５６では走査角度信号Ｘｍも合わ
せて用いて変位ΔＬと線形関係になる出力を発生する。
このように、従来構成に比較して位置検出素子２１の構
成が異なるとともに切換器５０ａ，５０ｂを付加してい
るだけであるから、コストの大幅な増加はないものであ
る。
1 〜２１5 からの出力電流は、切換器５０ａ，５０ｂを
通して受光回路５１ａ、５１ｂに選択的に入力される。
受光回路５１ａ，５１ｂから後段側の処理は、従来構成
と同様であり、同期検波回路５２ａ，５２ｂを通してク
ロックパルスに同期した検波を行なった後に、加算回路
５３と減算回路５４とに通して切換器５０ａ，５０ｂの
出力値の和と差とを求め、除算回路５５において差を和
で除した値を求める。さらに、除算回路５５の出力であ
る測距信号Ｌ0 をリニアリティ補正回路５６に入力し、
リニアリティ補正回路５６では走査角度信号Ｘｍも合わ
せて用いて変位ΔＬと線形関係になる出力を発生する。
このように、従来構成に比較して位置検出素子２１の構
成が異なるとともに切換器５０ａ，５０ｂを付加してい
るだけであるから、コストの大幅な増加はないものであ
る。
【００２６】ところで、上述したように光ビームを走査
装置１１によって走査すれば測定スポットの位置がＸ方
向に移動するから、測定スポットが形成されるＰＳＤ２
１1〜２１5 の位置は走査装置１１による光ビームの走
査位置に対応する。そこで、切換器５０ａ，５０ｂの切
換タイミングを、ミラー駆動回路４２から出力される走
査装置１１の向きを示す信号で規定しておくことによ
り、測定スポット以外の不要光を除去できる可能性が高
くなる。
装置１１によって走査すれば測定スポットの位置がＸ方
向に移動するから、測定スポットが形成されるＰＳＤ２
１1〜２１5 の位置は走査装置１１による光ビームの走
査位置に対応する。そこで、切換器５０ａ，５０ｂの切
換タイミングを、ミラー駆動回路４２から出力される走
査装置１１の向きを示す信号で規定しておくことによ
り、測定スポット以外の不要光を除去できる可能性が高
くなる。
【００２７】たとえば、図４に示すように、測定スポッ
トＳ0 と二次反射光による不要スポットＳ1 とが位置検
出素子２１の受光面に形成されることがある。このと
き、測定スポットＳ0 はＰＳＤ２１2 に形成されるのに
対して、不要スポットＳ1 はＰＳＤ２１4 に形成されて
いるから、切換器５０ａ，５０ｂによってＰＳＤ２１2
の出力のみを選択的に取り出せば、不要スポットＳ1 の
有無にかかわらず測定スポットＳ0 のみの情報を取り出
すことができる。なお、切換器５０ａ，５０ｂにより選
択されていないＰＳＤ２１1 〜２１5 の電極を開放する
か接地するかはどちらでもよい。
トＳ0 と二次反射光による不要スポットＳ1 とが位置検
出素子２１の受光面に形成されることがある。このと
き、測定スポットＳ0 はＰＳＤ２１2 に形成されるのに
対して、不要スポットＳ1 はＰＳＤ２１4 に形成されて
いるから、切換器５０ａ，５０ｂによってＰＳＤ２１2
の出力のみを選択的に取り出せば、不要スポットＳ1 の
有無にかかわらず測定スポットＳ0 のみの情報を取り出
すことができる。なお、切換器５０ａ，５０ｂにより選
択されていないＰＳＤ２１1 〜２１5 の電極を開放する
か接地するかはどちらでもよい。
【００２８】上述のように、切換器５０ａ，５０ｂによ
って１つのＰＳＤ２１1 〜２１5 だけを選択するから実
際に測定スポットＳ0 の位置を検出しているＰＳＤ２１
1 〜２１5 の面積は位置検出素子２１の全体の受光面の
面積よりも小さくなり、結果的に抵抗成分が増加し容量
成分が低下することになる。具体的には受光面の幅を５
分の１としているから、抵抗が５倍になり容量成分が５
分の１になる。これは、上述したように、受光面のＸ方
向の幅をＬｘ、Ｚ方向の有効長をＬｚ、単位面積当たり
の抵抗値をＲｓとすれば、電極２１ａ，２１ｂ間の抵抗
Ｒは、 Ｒ＝（Ｌｚ／Ｌｘ）Ｒｓ であり、容量成分Ｃは比例定数をνとすれば、 Ｃ＝ν・Ｌｚ・Ｌｘ であって、受光面を分割していない場合と比較すると、
Ｘ方向の幅を５分の１にしているから、上の各式にＬｘ
／５を代入することで、抵抗Ｒが５倍、容量成分が５分
の１になるのである。つまり、受光面を分割していない
位置検出素子２１を用いた場合の電極２１ａ，２１ｂ間
の抵抗をＲ、容量成分をＣとすれば、時定数τは、 τ＝（Ｃ／５）・（５Ｒ）＝ＣＲ であるから、位置検出素子２１の受光面を分割していな
い場合と比較して時定数τに変化はないが、電極２１
ａ，２１ｂ間の抵抗値が５倍になったことによって、測
定スポットＳ0 の位置の変化に対する出力電流の変化が
大きくなり、Ｚ方向における分解能を高くすることがで
きる。位置検出素子２１の受光面を分割していない場合
と分解能を同じにしているのであれば（つまり、各ＰＳ
Ｄ２１1 〜２１5 の電極間の抵抗値を受光面が分割され
ていない場合と同じに設定すれば）、時定数τを５分の
１にすることができて応答時間を短くすることができ
る。つまり、位置検出素子２１の受光面を分割していな
い場合に比較して、分解能を向上させかつ応答時間を短
くするような設定が可能になる。
って１つのＰＳＤ２１1 〜２１5 だけを選択するから実
際に測定スポットＳ0 の位置を検出しているＰＳＤ２１
1 〜２１5 の面積は位置検出素子２１の全体の受光面の
面積よりも小さくなり、結果的に抵抗成分が増加し容量
成分が低下することになる。具体的には受光面の幅を５
分の１としているから、抵抗が５倍になり容量成分が５
分の１になる。これは、上述したように、受光面のＸ方
向の幅をＬｘ、Ｚ方向の有効長をＬｚ、単位面積当たり
の抵抗値をＲｓとすれば、電極２１ａ，２１ｂ間の抵抗
Ｒは、 Ｒ＝（Ｌｚ／Ｌｘ）Ｒｓ であり、容量成分Ｃは比例定数をνとすれば、 Ｃ＝ν・Ｌｚ・Ｌｘ であって、受光面を分割していない場合と比較すると、
Ｘ方向の幅を５分の１にしているから、上の各式にＬｘ
／５を代入することで、抵抗Ｒが５倍、容量成分が５分
の１になるのである。つまり、受光面を分割していない
位置検出素子２１を用いた場合の電極２１ａ，２１ｂ間
の抵抗をＲ、容量成分をＣとすれば、時定数τは、 τ＝（Ｃ／５）・（５Ｒ）＝ＣＲ であるから、位置検出素子２１の受光面を分割していな
い場合と比較して時定数τに変化はないが、電極２１
ａ，２１ｂ間の抵抗値が５倍になったことによって、測
定スポットＳ0 の位置の変化に対する出力電流の変化が
大きくなり、Ｚ方向における分解能を高くすることがで
きる。位置検出素子２１の受光面を分割していない場合
と分解能を同じにしているのであれば（つまり、各ＰＳ
Ｄ２１1 〜２１5 の電極間の抵抗値を受光面が分割され
ていない場合と同じに設定すれば）、時定数τを５分の
１にすることができて応答時間を短くすることができ
る。つまり、位置検出素子２１の受光面を分割していな
い場合に比較して、分解能を向上させかつ応答時間を短
くするような設定が可能になる。
【００２９】ところで、上述のように切換器５０ａ，５
０ｂによってＰＳＤ２１1 〜２１5を択一的に選択する
と、図５に示すように、測定スポットＳ0 が２つのＰＳ
Ｄ２１1 〜２１5 に跨がるように形成されたときに、１
つのＰＳＤ２１1 〜２１5 からの出力だけでは出力電流
が小さくなる。そこで、切換器５０ａ，５０ｂでは隣接
する２個ずつのＰＳＤ２１1 〜２１5 を並列に接続した
形で受光回路５１ａ，５１ｂに位置検出素子２１の出力
を与えるようにしてもよい。このような構成を採用すれ
ば、受光回路５１ａ，５１ｂに入力される電流を小さく
することなく、測定スポットＳ0 の位置検出が可能にな
る。つまり、各ＰＳＤ２１1 〜２１5 をＸ方向において
２等分する中心線を想定し、隣接する各一対のＰＳＤ２
１1 〜２１5 の中心線間に測定スポットＳ0 の中心が位
置するときに両ＰＳＤ２１1 〜２１5 を切換器５０ａ，
５０ｂにより選択して並列接続すればよい。図４の例で
はＰＳＤ２１1 ，２１2 が選択される。この場合も２次
反射光による不要スポットＳ1 による誤差分を除去する
ことができる可能性が高くなる。しかも、２つのＰＳＤ
２１1 〜２１5 を並列接続して出力を得ているから、受
光光量の不足による誤差が生じにくくなる。さらに、Ｐ
ＳＤ２１1 〜２１5 を２個ずつ順次選択するから、選択
するＰＳＤ２１1 〜２１5 の切換に時間遅れがあったと
しても少なくとも１つのＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力を
受光回路５１ａ，５１ｂに入力するように切り換えるこ
とが可能であり、ＰＳＤ２１1 〜２１5 の切換時に出力
電流が途切れることがない。しかも、ＰＳＤ２１1 〜２
１5 を２個ずつ選択しているから、受光回路５１ａ，５
１ｂの端子から見て位置検出素子２１の抵抗値と容量成
分とに変化がなく、光ビームの走査位置に関係なく分解
能や応答時間はほば一定に保たれることになる。
０ｂによってＰＳＤ２１1 〜２１5を択一的に選択する
と、図５に示すように、測定スポットＳ0 が２つのＰＳ
Ｄ２１1 〜２１5 に跨がるように形成されたときに、１
つのＰＳＤ２１1 〜２１5 からの出力だけでは出力電流
が小さくなる。そこで、切換器５０ａ，５０ｂでは隣接
する２個ずつのＰＳＤ２１1 〜２１5 を並列に接続した
形で受光回路５１ａ，５１ｂに位置検出素子２１の出力
を与えるようにしてもよい。このような構成を採用すれ
ば、受光回路５１ａ，５１ｂに入力される電流を小さく
することなく、測定スポットＳ0 の位置検出が可能にな
る。つまり、各ＰＳＤ２１1 〜２１5 をＸ方向において
２等分する中心線を想定し、隣接する各一対のＰＳＤ２
１1 〜２１5 の中心線間に測定スポットＳ0 の中心が位
置するときに両ＰＳＤ２１1 〜２１5 を切換器５０ａ，
５０ｂにより選択して並列接続すればよい。図４の例で
はＰＳＤ２１1 ，２１2 が選択される。この場合も２次
反射光による不要スポットＳ1 による誤差分を除去する
ことができる可能性が高くなる。しかも、２つのＰＳＤ
２１1 〜２１5 を並列接続して出力を得ているから、受
光光量の不足による誤差が生じにくくなる。さらに、Ｐ
ＳＤ２１1 〜２１5 を２個ずつ順次選択するから、選択
するＰＳＤ２１1 〜２１5 の切換に時間遅れがあったと
しても少なくとも１つのＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力を
受光回路５１ａ，５１ｂに入力するように切り換えるこ
とが可能であり、ＰＳＤ２１1 〜２１5 の切換時に出力
電流が途切れることがない。しかも、ＰＳＤ２１1 〜２
１5 を２個ずつ選択しているから、受光回路５１ａ，５
１ｂの端子から見て位置検出素子２１の抵抗値と容量成
分とに変化がなく、光ビームの走査位置に関係なく分解
能や応答時間はほば一定に保たれることになる。
【００３０】上述の例では各ＰＳＤ２１1 〜２１5 のＸ
方向における幅を測定スポットＳ0の直径以下である場
合を想定しているが、場合によっては測定スポットＳ0
の直径が各ＰＳＤ２１1 〜２１5 の幅よりも大きくなる
ことも考えられる。この場合、図６に示すように、３個
のＰＳＤ２１1 〜２１5 に跨がるように測定スポットＳ
0 が形成されることがある。そこで、図１には図示して
いないが、切換器５０ａ，５０ｂにおいてすべてのＰＳ
Ｄ２１1 〜２１5 の出力電流の大きさ（両電極の出力電
流の加算値）を検出するとともに、出力電流が最大であ
るＰＳＤ２１1〜２１5 を選択する手段を設けるとよ
い。この構成を採用すれば、ＰＳＤ２１1〜２１5 は択
一的に選択されるが、十分な出力が得られているＰＳＤ
２１1 〜２１5 のみを選択するから、光量不足による誤
差は生じない。また、一般に二次反射光による不要スポ
ットＳ1 の光量は測定スポットＳ0 の光量に比較して十
分に小さいから、不要スポットＳ1 による誤差を除去す
ることができる可能性が高くなる。
方向における幅を測定スポットＳ0の直径以下である場
合を想定しているが、場合によっては測定スポットＳ0
の直径が各ＰＳＤ２１1 〜２１5 の幅よりも大きくなる
ことも考えられる。この場合、図６に示すように、３個
のＰＳＤ２１1 〜２１5 に跨がるように測定スポットＳ
0 が形成されることがある。そこで、図１には図示して
いないが、切換器５０ａ，５０ｂにおいてすべてのＰＳ
Ｄ２１1 〜２１5 の出力電流の大きさ（両電極の出力電
流の加算値）を検出するとともに、出力電流が最大であ
るＰＳＤ２１1〜２１5 を選択する手段を設けるとよ
い。この構成を採用すれば、ＰＳＤ２１1〜２１5 は択
一的に選択されるが、十分な出力が得られているＰＳＤ
２１1 〜２１5 のみを選択するから、光量不足による誤
差は生じない。また、一般に二次反射光による不要スポ
ットＳ1 の光量は測定スポットＳ0 の光量に比較して十
分に小さいから、不要スポットＳ1 による誤差を除去す
ることができる可能性が高くなる。
【００３１】なお、上述のように測定スポットＳ0 が形
成されるＰＳＤ２１1 〜２１5 と走査位置との関係は既
知であるから、二次反射光による不要スポットＳ1 の影
響をできるだけ除去するだけの目的であれば、走査位置
に応じて測定スポットＳ0 が形成されないと考えられる
ＰＳＤ２１1 〜２１5 から出力が発生しているときに、
そのＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力を採用しないように
し、他のＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力のうちから所望の
ものを選択するようにしてもよい。たとえば、図６の例
ではＰＳＤ２１4 の出力は不要スポットＳ1 によると判
断することができるから、他のＰＳＤ２１1 〜２１3 ，
２１5 をすべて採用したり、測定スポットＳ0 の近傍の
ＰＳＤ２１2 ，２１3 を採用したりするなどの選択も可
能である。さらに、測定スポットＳ0 と不要スポットＳ
1 との受光光量の大きさの相違によっても二次反射光を
除去することが可能な場合もある。いずれにしても、測
定スポットＳ0 と不要スポットＳ1 とが異なるＰＳＤ２
１1 〜２１5 に形成される場合には両者が分離可能にな
り、測定精度が向上することになる。
成されるＰＳＤ２１1 〜２１5 と走査位置との関係は既
知であるから、二次反射光による不要スポットＳ1 の影
響をできるだけ除去するだけの目的であれば、走査位置
に応じて測定スポットＳ0 が形成されないと考えられる
ＰＳＤ２１1 〜２１5 から出力が発生しているときに、
そのＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力を採用しないように
し、他のＰＳＤ２１1 〜２１5 の出力のうちから所望の
ものを選択するようにしてもよい。たとえば、図６の例
ではＰＳＤ２１4 の出力は不要スポットＳ1 によると判
断することができるから、他のＰＳＤ２１1 〜２１3 ，
２１5 をすべて採用したり、測定スポットＳ0 の近傍の
ＰＳＤ２１2 ，２１3 を採用したりするなどの選択も可
能である。さらに、測定スポットＳ0 と不要スポットＳ
1 との受光光量の大きさの相違によっても二次反射光を
除去することが可能な場合もある。いずれにしても、測
定スポットＳ0 と不要スポットＳ1 とが異なるＰＳＤ２
１1 〜２１5 に形成される場合には両者が分離可能にな
り、測定精度が向上することになる。
【００３２】本実施形態では位置検出素子２１として受
光面が５個のＰＳＤ２１1 〜２１5に分割された例を示
したが、分割数は製造条件、回路規模、要求される分解
能などに応じて適宜に設定される。また、分割された各
ＰＳＤ２１1 〜２１5 の幅（Ｘ方向の寸法）も必ずしも
均一にする必要はない。さらに上の例ではリニアリティ
補正回路５６や切換器５０ａ，５０ｂに対して走査装置
１１の位置情報を与えているが、別の手段によって光ビ
ームの位置を測定することによって同種の情報を与える
ようにしてもよく、また走査装置１１の位置情報が時間
情報と一対一に対応するのであれば時間情報を用いて位
置情報に代えてもよい。
光面が５個のＰＳＤ２１1 〜２１5に分割された例を示
したが、分割数は製造条件、回路規模、要求される分解
能などに応じて適宜に設定される。また、分割された各
ＰＳＤ２１1 〜２１5 の幅（Ｘ方向の寸法）も必ずしも
均一にする必要はない。さらに上の例ではリニアリティ
補正回路５６や切換器５０ａ，５０ｂに対して走査装置
１１の位置情報を与えているが、別の手段によって光ビ
ームの位置を測定することによって同種の情報を与える
ようにしてもよく、また走査装置１１の位置情報が時間
情報と一対一に対応するのであれば時間情報を用いて位
置情報に代えてもよい。
【００３３】（実施形態２）本実施形態は、図７に示す
ように、実施形態１とは切換器５０ａ，５０ｂの位置を
変えたものである。つまり、実施形態１では切換器５０
ａ，５０ｂを位置検出素子２１を構成する各ＰＳＤ２１
1 〜２１5 と受光回路５１ａ，５１ｂとの間に挿入する
ことによって受光回路５１ａ，５１ｂを各ＰＳＤ２１1
〜２１5 で共用していたのに対して、本実施形態では位
置検出素子２１の各ＰＳＤ２１1 〜２１5 ごとに受光回
路５１ａ1 〜５１ａ5 ，５１ｂ1 〜５１ｂ5 を設け、受
光回路５１ａ1 〜５１ａ5 ，５１ｂ1 〜５１ｂ5 と同期
検波回路５２ａ，５２ｂとの間に切換器５０ａ，５０ｂ
を挿入してある。要するに、受光回路５１ａ1 〜５１ａ
5 ，５１ｂ1 〜５１ｂ5 から出力される各電圧信号を切
換器５０ａ，５０ｂを通して同期検波回路５２ａ，５２
ｂに選択的に入力するものである。この構成では、位置
検出素子２１から出力された電流信号を増幅するととも
に電圧信号に変換した後に切換器５０ａ，５０ｂで選択
するから、実施形態１の構成に比較して外乱ノイズによ
る影響を受けにくいものである。各信号の選択条件は実
施形態１と同様であり、他の構成および動作も実施形態
１と同様である。
ように、実施形態１とは切換器５０ａ，５０ｂの位置を
変えたものである。つまり、実施形態１では切換器５０
ａ，５０ｂを位置検出素子２１を構成する各ＰＳＤ２１
1 〜２１5 と受光回路５１ａ，５１ｂとの間に挿入する
ことによって受光回路５１ａ，５１ｂを各ＰＳＤ２１1
〜２１5 で共用していたのに対して、本実施形態では位
置検出素子２１の各ＰＳＤ２１1 〜２１5 ごとに受光回
路５１ａ1 〜５１ａ5 ，５１ｂ1 〜５１ｂ5 を設け、受
光回路５１ａ1 〜５１ａ5 ，５１ｂ1 〜５１ｂ5 と同期
検波回路５２ａ，５２ｂとの間に切換器５０ａ，５０ｂ
を挿入してある。要するに、受光回路５１ａ1 〜５１ａ
5 ，５１ｂ1 〜５１ｂ5 から出力される各電圧信号を切
換器５０ａ，５０ｂを通して同期検波回路５２ａ，５２
ｂに選択的に入力するものである。この構成では、位置
検出素子２１から出力された電流信号を増幅するととも
に電圧信号に変換した後に切換器５０ａ，５０ｂで選択
するから、実施形態１の構成に比較して外乱ノイズによ
る影響を受けにくいものである。各信号の選択条件は実
施形態１と同様であり、他の構成および動作も実施形態
１と同様である。
【００３４】（実施形態３）本実施形態は、図８に示す
ように、位置検出素子２１の各ＰＳＤ２１1 〜２１ 5 ご
とに受光回路５１ａ1 〜５１ａ5 ，５１ｂ1 〜５１
ｂ5 、同期検波回路５２ａ1 〜５２ａ5 ，５２ｂ1 〜５
２ｂ5 、加算回路５３1 〜５３5 、減算回路５４ 1 〜５
４5 、除算回路５５1 〜５５5 、リニアリティ補正回路
５６1 〜５６5 を設けることによって各ＰＳＤ２１1 〜
２１5 ごとに変位ΔＬを測定し、各ＰＳＤ２１1 〜２１
5 ごとの変位ΔＬの測定結果から所望のものを切換器５
０により選択するものである。この構成では、各ＰＳＤ
２１1 〜２１5 ごとにリニアリティ補正回路５６1 〜５
６5 を設けているから、各ＰＳＤ２１1 〜２１5 ごとの
出力特性のばらつきなどに応じてリニアリティ補正回路
５６1 〜５６5 を調整することができ、結果的に上述し
た他の実施形態よりも高い精度で変位ΔＬを測定するこ
とが可能になる。切換器５０による測定結果の選択条件
は実施形態１と同様であって、他の構成および動作も実
施形態１と同様である。
ように、位置検出素子２１の各ＰＳＤ２１1 〜２１ 5 ご
とに受光回路５１ａ1 〜５１ａ5 ，５１ｂ1 〜５１
ｂ5 、同期検波回路５２ａ1 〜５２ａ5 ，５２ｂ1 〜５
２ｂ5 、加算回路５３1 〜５３5 、減算回路５４ 1 〜５
４5 、除算回路５５1 〜５５5 、リニアリティ補正回路
５６1 〜５６5 を設けることによって各ＰＳＤ２１1 〜
２１5 ごとに変位ΔＬを測定し、各ＰＳＤ２１1 〜２１
5 ごとの変位ΔＬの測定結果から所望のものを切換器５
０により選択するものである。この構成では、各ＰＳＤ
２１1 〜２１5 ごとにリニアリティ補正回路５６1 〜５
６5 を設けているから、各ＰＳＤ２１1 〜２１5 ごとの
出力特性のばらつきなどに応じてリニアリティ補正回路
５６1 〜５６5 を調整することができ、結果的に上述し
た他の実施形態よりも高い精度で変位ΔＬを測定するこ
とが可能になる。切換器５０による測定結果の選択条件
は実施形態１と同様であって、他の構成および動作も実
施形態１と同様である。
【００３５】なお、上述した各実施形態において位置検
出素子２１としてＰＳＤを用いているが、フォトダイオ
ードを長手方向に２個並設したものや、ＣＣＤリニアイ
メージセンサなどを用いる場合でも同様の技術思想を適
用することが可能である。
出素子２１としてＰＳＤを用いているが、フォトダイオ
ードを長手方向に２個並設したものや、ＣＣＤリニアイ
メージセンサなどを用いる場合でも同様の技術思想を適
用することが可能である。
【００３６】
【発明の効果】請求項１の発明は、対象物の上で光スポ
ットを走査するように光ビームを照射する投光手段と、
光ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されるこ
とにより位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成
される受光手段と、位置検出素子により検出した測定ス
ポットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて
対象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
前記各領域のうち測定スポットが形成される領域の出力
を選択的に用いて演算手段で変位を求めるものであり、
受光面を複数の領域に分割し測定スポットが形成される
領域の出力を選択的に用いて演算手段で変位を求めてい
るから、二次反射光を受光している領域の出力を用いず
に変位を測定して二次反射光の影響を除去することがで
きる可能性が高くなるという利点がある。また、位置検
出素子としてＰＳＤを用いると、受光面を分割しない場
合に比較して分割された各領域では抵抗成分が大きく容
量成分が小さくなる。ＰＳＤの分解能は抵抗成分に依存
し、応答時間は抵抗成分と容量成分との積に依存するか
ら、受光面を分割しない場合よりも抵抗成分を大きく
し、かつ抵抗成分と容量成分との積を小さくするよう
に、各領域を設定・選択すれば、受光面を分割しない場
合よりも分解能を高めながら応答時間を短くすることが
できる。
ットを走査するように光ビームを照射する投光手段と、
光ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されるこ
とにより位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成
される受光手段と、位置検出素子により検出した測定ス
ポットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて
対象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
前記各領域のうち測定スポットが形成される領域の出力
を選択的に用いて演算手段で変位を求めるものであり、
受光面を複数の領域に分割し測定スポットが形成される
領域の出力を選択的に用いて演算手段で変位を求めてい
るから、二次反射光を受光している領域の出力を用いず
に変位を測定して二次反射光の影響を除去することがで
きる可能性が高くなるという利点がある。また、位置検
出素子としてＰＳＤを用いると、受光面を分割しない場
合に比較して分割された各領域では抵抗成分が大きく容
量成分が小さくなる。ＰＳＤの分解能は抵抗成分に依存
し、応答時間は抵抗成分と容量成分との積に依存するか
ら、受光面を分割しない場合よりも抵抗成分を大きく
し、かつ抵抗成分と容量成分との積を小さくするよう
に、各領域を設定・選択すれば、受光面を分割しない場
合よりも分解能を高めながら応答時間を短くすることが
できる。
【００３７】請求項２の発明のように、測定スポットが
形成される単一の領域を選択的に用いて演算手段で変位
を求めるものでは、請求項１の発明と同様の効果を奏す
るとともに、選択する領域が１つずつであるから、領域
を選択する処理が簡単なものになる。請求項３の発明の
ように、測定スポットが形成される隣接する複数の領域
を選択的に用いるとともに、各領域の出力値を加算的に
用いて演算手段で変位を求めるものでは、請求項１の発
明と同様の効果を奏するとともに、各領域での受光光量
が少ない場合でも隣接する領域の出力値が加算されるこ
とにより演算手段には比較的大きな出力を与えることが
でき、耐ノイズ性が高くなる。また、隣接する領域間に
測定スポットが跨がるように形成される場合でも十分に
大きな出力を得ることができる。
形成される単一の領域を選択的に用いて演算手段で変位
を求めるものでは、請求項１の発明と同様の効果を奏す
るとともに、選択する領域が１つずつであるから、領域
を選択する処理が簡単なものになる。請求項３の発明の
ように、測定スポットが形成される隣接する複数の領域
を選択的に用いるとともに、各領域の出力値を加算的に
用いて演算手段で変位を求めるものでは、請求項１の発
明と同様の効果を奏するとともに、各領域での受光光量
が少ない場合でも隣接する領域の出力値が加算されるこ
とにより演算手段には比較的大きな出力を与えることが
でき、耐ノイズ性が高くなる。また、隣接する領域間に
測定スポットが跨がるように形成される場合でも十分に
大きな出力を得ることができる。
【００３８】請求項４の発明は、対象物の上で光スポッ
トを走査するように光ビームを照射する投光手段と、光
ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されること
により位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成さ
れる受光手段と、位置検出素子により検出した測定スポ
ットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて対
象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
前記各領域のうち測定スポットが形成される領域の出力
を切換器により選択して演算手段に入力し対象物の変位
を求めるものであり、請求項１の発明と同様の効果を奏
するとともに、各領域で演算手段を共用していることに
よって、回路構成が簡単になり小型かつ低コストで提供
することが可能になる。
トを走査するように光ビームを照射する投光手段と、光
ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されること
により位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成さ
れる受光手段と、位置検出素子により検出した測定スポ
ットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて対
象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
前記各領域のうち測定スポットが形成される領域の出力
を切換器により選択して演算手段に入力し対象物の変位
を求めるものであり、請求項１の発明と同様の効果を奏
するとともに、各領域で演算手段を共用していることに
よって、回路構成が簡単になり小型かつ低コストで提供
することが可能になる。
【００３９】請求項５の発明のように、切換器により測
定スポットが形成される単一の領域を選択するもので
は、請求項２および請求項４の発明の効果を合わせ持
つ。請求項６の発明のように、切換器により測定スポッ
トが形成される隣接する複数の領域を選択するもので
は、請求項３および請求項４の発明の効果を合わせ持つ
ことになる。
定スポットが形成される単一の領域を選択するもので
は、請求項２および請求項４の発明の効果を合わせ持
つ。請求項６の発明のように、切換器により測定スポッ
トが形成される隣接する複数の領域を選択するもので
は、請求項３および請求項４の発明の効果を合わせ持つ
ことになる。
【００４０】請求項７の発明は、対象物の上で光スポッ
トを走査するように光ビームを照射する投光手段と、光
ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されること
により位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成さ
れる受光手段と、位置検出素子により検出した測定スポ
ットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて対
象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において並設された複数のＰＳＤよりなり、演算手段
は、各ＰＳＤの電流出力をそれぞれ電圧信号に変換する
複数の受光回路と、各受光回路のうち測定スポットが形
成される位置のＰＳＤに対応する受光回路の出力を選択
する切換器とを備え、切換器により選択した受光回路の
出力を用いて対象物の変位を演算するものであり、この
構成によれば、請求項１の発明の効果を奏するととも
に、各領域を構成する複数のＰＳＤの出力をそれぞれ電
圧信号に変換した後に切換器により選択して変位を演算
するから、ＰＳＤから出力された微弱な電流信号を切換
器で切り換える場合よりも耐ノイズ性が高くなる。
トを走査するように光ビームを照射する投光手段と、光
ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されること
により位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成さ
れる受光手段と、位置検出素子により検出した測定スポ
ットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて対
象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において並設された複数のＰＳＤよりなり、演算手段
は、各ＰＳＤの電流出力をそれぞれ電圧信号に変換する
複数の受光回路と、各受光回路のうち測定スポットが形
成される位置のＰＳＤに対応する受光回路の出力を選択
する切換器とを備え、切換器により選択した受光回路の
出力を用いて対象物の変位を演算するものであり、この
構成によれば、請求項１の発明の効果を奏するととも
に、各領域を構成する複数のＰＳＤの出力をそれぞれ電
圧信号に変換した後に切換器により選択して変位を演算
するから、ＰＳＤから出力された微弱な電流信号を切換
器で切り換える場合よりも耐ノイズ性が高くなる。
【００４１】請求項８の発明のように、切換器により測
定スポットが形成される単一のＰＳＤに対応する受光回
路の出力を選択するものでは、請求項２および請求項７
の発明の効果を合わせ持つことになる。請求項９の発明
のように、切換器により測定スポットが形成される隣接
する複数のＰＳＤに対応する受光回路の出力を選択する
ものでは、請求項３および請求項７の発明の効果を合わ
せ持つ。
定スポットが形成される単一のＰＳＤに対応する受光回
路の出力を選択するものでは、請求項２および請求項７
の発明の効果を合わせ持つことになる。請求項９の発明
のように、切換器により測定スポットが形成される隣接
する複数のＰＳＤに対応する受光回路の出力を選択する
ものでは、請求項３および請求項７の発明の効果を合わ
せ持つ。
【００４２】請求項１０の発明は、対象物の上で光スポ
ットを走査するように光ビームを照射する投光手段と、
光ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されるこ
とにより位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成
される受光手段と、位置検出素子により検出した測定ス
ポットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて
対象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
演算手段は、各領域ごとに出力値が前記変位と線形関係
になるように補正する複数のリニアリティ補正回路を備
え、前記各領域のうち測定スポットが形成される位置の
領域の出力に対応するリニアリティ補正回路の出力を切
換器により選択するものであり、請求項１の発明の効果
を奏するとともに、各領域ごとにリニアリティを補正し
ているから各領域の特性にばらつきがあっても、それぞ
れ線形関係になるように出力を得ることができて全体と
して線形出力を得ることが可能になるという効果を奏す
る。
ットを走査するように光ビームを照射する投光手段と、
光ビームの拡散反射光が受光光学系により集光されるこ
とにより位置検出素子の受光面上に測定スポットが形成
される受光手段と、位置検出素子により検出した測定ス
ポットの位置を用いることにより三角測量法に基づいて
対象物の変位を求める演算手段とを備え、位置検出素子
は、光スポットの走査により測定スポットが移動する方
向において受光面が複数の領域に分割されるとともに、
各領域ごとに測定スポットの位置が検出可能であって、
演算手段は、各領域ごとに出力値が前記変位と線形関係
になるように補正する複数のリニアリティ補正回路を備
え、前記各領域のうち測定スポットが形成される位置の
領域の出力に対応するリニアリティ補正回路の出力を切
換器により選択するものであり、請求項１の発明の効果
を奏するとともに、各領域ごとにリニアリティを補正し
ているから各領域の特性にばらつきがあっても、それぞ
れ線形関係になるように出力を得ることができて全体と
して線形出力を得ることが可能になるという効果を奏す
る。
【００４３】請求項１１の発明のように、切換器により
測定スポットが形成される単一の領域に対応するリニア
リティ補正回路の出力を選択するものでは、請求項２お
よび請求項１０の発明の効果を合わせ持つことになる。
請求項１２の発明のように、切換器により測定スポット
が形成される隣接する複数の領域に対応するリニアリテ
ィ補正回路の出力を選択するものでは、請求項３および
請求項１０の発明の効果を合わせ持つことになる。
測定スポットが形成される単一の領域に対応するリニア
リティ補正回路の出力を選択するものでは、請求項２お
よび請求項１０の発明の効果を合わせ持つことになる。
請求項１２の発明のように、切換器により測定スポット
が形成される隣接する複数の領域に対応するリニアリテ
ィ補正回路の出力を選択するものでは、請求項３および
請求項１０の発明の効果を合わせ持つことになる。
【図１】本発明の実施形態１を示すブロック図である。
【図２】同上に用いる光学系を示す斜視図である。
【図３】同上に用いる位置検出素子の正面図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】同上の動作説明図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】本発明の実施形態２を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施形態３を示すブロック図である。
【図９】従来例の光学系を示す斜視図である。
【図１０】光学的三角測量法の原理説明図である。
【図１１】従来例に用いる位置検出素子の正面図であ
る。
る。
【図１２】同上のブロック図である。
【図１３】従来例の問題点を示す動作説明図である。
【図１４】従来例を示し、（ａ）は正常時、（ｂ）は二
次反射光の存在時の動作説明図である。
次反射光の存在時の動作説明図である。
１０ 投光装置 １１ 走査装置 ２１ 位置検出素子 ２１1 〜２１5 ＰＳＤ ２２ 受光光学系 ３０ 対象物 ５０ 切換器 ５０ａ，５０ｂ 切換器 ５１ａ，５１ｂ 受光回路 ５１ａ1 〜５１ａ5 ，５１ｂ1 〜５１ｂ5 受光回路 ５２ａ，５２ｂ 同期検波回路 ５２ａ1 〜５２ａ5 ，５２ｂ1 〜５２ｂ5 同期検波回
路 ５３ 加算回路 ５３1 〜５３5 加算回路 ５４ 減算回路 ５４1 〜５４5 減算回路 ５５ リニアリティ補正回路 ５５1 〜５５5 リニアリティ補正回路 Ｓ0 測定スポット Ｓ1 不要スポット
路 ５３ 加算回路 ５３1 〜５３5 加算回路 ５４ 減算回路 ５４1 〜５４5 減算回路 ５５ リニアリティ補正回路 ５５1 〜５５5 リニアリティ補正回路 Ｓ0 測定スポット Ｓ1 不要スポット
Claims (12)
- 【請求項１】 対象物の上で光スポットを走査するよう
に光ビームを照射する投光手段と、光ビームの拡散反射
光が受光光学系により集光されることにより位置検出素
子の受光面上に測定スポットが形成される受光手段と、
位置検出素子により検出した測定スポットの位置を用い
ることにより三角測量法に基づいて対象物の変位を求め
る演算手段とを備え、位置検出素子は、光スポットの走
査により測定スポットが移動する方向において受光面が
複数の領域に分割されるとともに、各領域ごとに測定ス
ポットの位置が検出可能であって、前記各領域のうち測
定スポットが形成される領域の出力を選択的に用いて演
算手段で変位を求めることを特徴とする光走査式変位測
定装置。 - 【請求項２】 測定スポットが形成される単一の領域を
選択的に用いて演算手段で変位を求めることを特徴とす
る請求項１記載の光走査式変位測定装置。 - 【請求項３】 測定スポットが形成される隣接する複数
の領域を選択的に用いるとともに、各領域の出力値を加
算的に用いて演算手段で変位を求めることを特徴とする
請求項１記載の光走査式変位測定装置。 - 【請求項４】 対象物の上で光スポットを走査するよう
に光ビームを照射する投光手段と、光ビームの拡散反射
光が受光光学系により集光されることにより位置検出素
子の受光面上に測定スポットが形成される受光手段と、
位置検出素子により検出した測定スポットの位置を用い
ることにより三角測量法に基づいて対象物の変位を求め
る演算手段とを備え、位置検出素子は、光スポットの走
査により測定スポットが移動する方向において受光面が
複数の領域に分割されるとともに、各領域ごとに測定ス
ポットの位置が検出可能であって、前記各領域のうち測
定スポットが形成される領域の出力を切換器により選択
して演算手段に入力し対象物の変位を求めることを特徴
とする光走査式変位測定装置。 - 【請求項５】 切換器は測定スポットが形成される単一
の領域を選択することを特徴とする請求項４記載の光走
査式変位測定装置。 - 【請求項６】 切換器は測定スポットが形成される隣接
する複数の領域を選択することを特徴とする請求項４記
載の光走査式変位測定装置。 - 【請求項７】 対象物の上で光スポットを走査するよう
に光ビームを照射する投光手段と、光ビームの拡散反射
光が受光光学系により集光されることにより位置検出素
子の受光面上に測定スポットが形成される受光手段と、
位置検出素子により検出した測定スポットの位置を用い
ることにより三角測量法に基づいて対象物の変位を求め
る演算手段とを備え、位置検出素子は、光スポットの走
査により測定スポットが移動する方向において並設され
た複数のＰＳＤよりなり、演算手段は、各ＰＳＤの電流
出力をそれぞれ電圧信号に変換する複数の受光回路と、
各受光回路のうち測定スポットが形成される位置のＰＳ
Ｄに対応する受光回路の出力を選択する切換器とを備
え、切換器により選択した受光回路の出力を用いて対象
物の変位を演算することを特徴とする光走査式変位測定
装置。 - 【請求項８】 切換器は測定スポットが形成される単一
のＰＳＤに対応する受光回路の出力を選択することを特
徴とする請求項７記載の光走査式変位測定装置。 - 【請求項９】 切換器は測定スポットが形成される隣接
する複数のＰＳＤに対応する受光回路の出力を選択する
ことを特徴とする請求項７記載の光走査式変位測定装
置。 - 【請求項１０】 対象物の上で光スポットを走査するよ
うに光ビームを照射する投光手段と、光ビームの拡散反
射光が受光光学系により集光されることにより位置検出
素子の受光面上に測定スポットが形成される受光手段
と、位置検出素子により検出した測定スポットの位置を
用いることにより三角測量法に基づいて対象物の変位を
求める演算手段とを備え、位置検出素子は、光スポット
の走査により測定スポットが移動する方向において受光
面が複数の領域に分割されるとともに、各領域ごとに測
定スポットの位置が検出可能であって、演算手段は、各
領域ごとに出力値が前記変位と線形関係になるように補
正する複数のリニアリティ補正回路を備え、前記各領域
のうち測定スポットが形成される位置の領域の出力に対
応するリニアリティ補正回路の出力を切換器により選択
することを特徴とする光走査式変位測定装置。 - 【請求項１１】 切換器は測定スポットが形成される単
一の領域に対応するリニアリティ補正回路の出力を選択
することを特徴とする請求項１０記載の光走査式変位測
定装置。 - 【請求項１２】 切換器は測定スポットが形成される隣
接する複数の領域に対応するリニアリティ補正回路の出
力を選択することを特徴とする請求項１０記載の光走査
式変位測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22994697A JPH1163920A (ja) | 1997-08-26 | 1997-08-26 | 光走査式変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22994697A JPH1163920A (ja) | 1997-08-26 | 1997-08-26 | 光走査式変位測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1163920A true JPH1163920A (ja) | 1999-03-05 |
Family
ID=16900205
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22994697A Withdrawn JPH1163920A (ja) | 1997-08-26 | 1997-08-26 | 光走査式変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1163920A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6966532B2 (en) | 2003-02-03 | 2005-11-22 | Murakami Corporation | Display orientation adjustment apparatus |
| JP2011179910A (ja) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | Canon Inc | 位置姿勢計測装置、位置姿勢計測方法、およびプログラム |
| CN108431626A (zh) * | 2015-12-20 | 2018-08-21 | 苹果公司 | 光检测和测距传感器 |
| US10955552B2 (en) | 2017-09-27 | 2021-03-23 | Apple Inc. | Waveform design for a LiDAR system with closely-spaced pulses |
| US10955234B2 (en) | 2019-02-11 | 2021-03-23 | Apple Inc. | Calibration of depth sensing using a sparse array of pulsed beams |
| US11415679B2 (en) | 2015-08-20 | 2022-08-16 | Apple Inc. | SPAD array with gated histogram construction |
| US11500094B2 (en) | 2019-06-10 | 2022-11-15 | Apple Inc. | Selection of pulse repetition intervals for sensing time of flight |
| US11555900B1 (en) | 2019-07-17 | 2023-01-17 | Apple Inc. | LiDAR system with enhanced area coverage |
| US11681027B2 (en) | 2017-06-29 | 2023-06-20 | Apple Inc. | Time-of-flight depth mapping with parallax compensation |
| US11681028B2 (en) | 2021-07-18 | 2023-06-20 | Apple Inc. | Close-range measurement of time of flight using parallax shift |
| US11733359B2 (en) | 2019-12-03 | 2023-08-22 | Apple Inc. | Configurable array of single-photon detectors |
| US11852727B2 (en) | 2017-12-18 | 2023-12-26 | Apple Inc. | Time-of-flight sensing using an addressable array of emitters |
-
1997
- 1997-08-26 JP JP22994697A patent/JPH1163920A/ja not_active Withdrawn
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20041102 |