JPS62127604A - 光学式位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光学式位置検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の光学式位置検出装置は、例えば第６図に示すよう
に、光源６１と、ＰＳＤ（半導体装置検出素子）６３と
、光源６１からの入射光線＠　ＰＳＤ６３の検出面上に
結像させる光学系６２と、ＰＳＤ６３の出力信号Ｘ２　
＋　Ｘ２　＋　Ｖ１＋　Ｖ２をそれぞれ増幅する増幅器
１，２．３．４と、ＰＳＤ６３の出力信号ＸＩ＋Ｘ２　
、Ｖｌ、Ｙ２から光源位置の座標を得るための演算を行
なう演算器および得られた座標を出力する出力装置より
なる信号処理部６４とから構成されている。

ＰＳＤ６３は、第５図に示すように、入射光線が結像さ
れる受光面５１と、受光面５１の四辺にそれぞれ配冒さ
れた４個の電極Ｅ　ｘｌ＋　Ｅ　Ｘ２＋　Ｅ　ＶＩ＋　
Ｅ　ｙ２を備えている。ここで、受光面５１の中心０を
原点として図示のようにｙ軸、ｙ軸を設定し、入射光線
の受光面５１上の結像点Ｐ　（ｘ、ｙ）から各電極Ｅ　
ＸＩ＋　Ｅ　ｘ２＋　Ｅ　Ｖ＋＋　Ｅ　Ｖ２までの距離
をそれぞれ’　Ｘ＋＋　’　Ｘ２ｙ　’　ＶＩ＊　’　
ｙ２とし、点Ｐの座標Ｘ、ｙを規格化された形、すなわ
ち と、 を得る。

一方、光スポットにより点Ｐに励起された光電流は各電
極Ｅ　Ｘ　Ｉ　ｒ　Ｅ　Ｘ　２　＋　Ｅ　Ｖ　＋　＋　
Ｅ　Ｖ　２方向に流れ、各電極ＥＸＩＴ　ＥＸ２１　Ｅ
ＶＩＩ　ＥＶ２からそれぞれ出力される出力信号Ｘ＋　
＋　Ｘ２　＋　’Ｊ＋　＋　Ｖ２の値はそれぞれ点Ｐか
ら各電極Ｅ　ｘｌ＋　Ｅ　ｘ２＋　Ｅ　ＶＩ＋　Ｅ　ｙ
２までの距離Ｊ、ｘｌ＋　’ｘ２＋　”／Ｉ＋　ｚ、２
に逆比例するので であり、この関係式を前記の座標ｘ、ｙの式に代入して か得られる。

すなわち、ＰＳＤ６３からの出力信号）’Ｃ＋　＋　Ｘ
２　＋Ｖ＋　＋　Ｖ２を検出し、式（１，Ｉ）、（１，
２）にしたがい演算することにより点Ｐの座標ｘ、ｙが
得られ、これに光学系６２の倍率を乗ずれば光源６１の
座標となる。

第７図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ光源６１の実際の座標
と上述の方法で測定された光源６１の座標を示しており
、測定値は受光面５１０周辺部に近い程直線性が悪い。

これはＰＳＤ６３自体の非直線性、ならびに光学系６２
の収差による非直線性に起因するが、この問題は従来、
マツピング補正または関数補正を実施することで解決さ
れている。前者は、光源６１の座標の測定値（Ｘ□、Ｙ
□）と実際値（Ｘ、。

Ｙ、）の関係を予めテーブルにして信号処理部６４に記
憶させておき、測定時に測定値（Ｘｏ。

Ｙ□）を補正する方法であり、後者は測定値（Ｘ□、Ｙ
□）を多項式に入力して演算、補正を行ない実際値（Ｘ
、、Ｙ、）を求める方法である。例えば２次多項式とし
て次式が用いられる。

ＸＩ　　＝　Ａ　×、２＋Ｂ　Ｘｍ　　Ｙｍ　　＋ＣＶ
ｍ２＋ｏｘｆｆｌ　＋ＥＹ□　十Ｆ ここで、各項の係数Ａ−Ｆ、ａ−ｆは測定時の較正によ
り決定される定数である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、測定したＰＳＤ６３の出力信号ＸＩ＋Ｘ２１
ＶＩＩＶ２中にはノイズ（主として外乱光による）が含
まれている。

すなわち、出力信号ＸＩ　＊　Ｘ７．ｌ　ｙＩ　＋　Ｖ
２中の真の信号をＸ　＋ｓｒ　Ｘ　２１１　Ｖ　＋ｓ＋
　Ｖ　２１１、ノイズをＸ　１１＋１　Ｘ　２１１１　
　ｙＩｎ＋　’Ｖ　２ｎとすると、Ｘ　＋　＝　Ｘ　Ｉ
ｓ　＋　Ｘ　Ｉｎ　　　　−−−（２，１）Ｘ　２　＝
　Ｘ　２ｓ　＋　ｘ　２ｎ　　　　−−−（２，２）Ｙ
　Ｉ＝　ｙＩｓ十ｙ　Ｉｎ　　　　−−−（２，３）Ｖ
　２＝　Ｖ　２ｓ　”　Ｖ　２ｎ　　　　−−−（２，
４）となる。

式（２，１）〜（２，４）を式（１，１）、（Ｌ２）に
代入すれば、 を得る。この式より明らかなように、ノイズＸ　１＋１
１　Ｘ　２ｎ＋　Ｙ　Ｉｎ＋　”／　２ｎが変化すれば
測定値Ｘ。

ｙが変化する。

上述した２つの補正方法ではノイズが零である必要はな
いが測定中一定である必要があり、測定の環境が変るた
びに較正作業が必要になり不便である。

ノイズの原因としては外乱光のほかに第６図に示す増巾
器１〜４と信号処理部６４にあるマルチプレクサ、サン
プルホールド回路、Ａ／Ｄ変換器等の電子回路に起因す
るものもあるが、これらは通常は外乱光に起因するもの
に比べてずっと小さい。

本発明の目的は、あるレベルの外乱光のもとて一度だけ
較正すれば外乱光のレベルに影響されない安定した直線
性を有する光学式位置検出袋Ｎを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光学式位置検出装置は、光源が点灯していると
きと、消灯しているときの半導体装置検出素子の出力す
る信号を測定し、前者の測定値と後者の測定値との差を
演算して真の信号値を求め、この真の信号値を用いて光
源の位置を演算する信号処理部を有することを特徴とし
でいる。

〔作　用〕

そこで、第４図に示すように、光源が点灯されている時
間ｔに得られた前者の測定値×１には真の信号値Ｘｌｓ
とノイズの信号値ｘｌ、が含まれており、後者の測定値
はノイズの信号値Ｘ＋、に等しい。したがっで、信号処
理部では式（２，０より得られる次式 ％式％） を用いて両側定値の差Ｘ＋ｇを演算して光源の光に対応
する真の信号値ｘ＋Ｊ定めることが出来る。

他の信号測定値Ｘ２　＋　’／　ｌ　、＋　Ｖ　２に対
しでも同様にして、式（２，２）〜（２，４）より得ら
れる次式Ｘ２Ｓ”Ｘ２　　Ｘ２ｎ　　　”・・（４，２
）”ｙ’　、、＝＝　ｙ　ｌ　　　’ｌ　＋。　　　・
・・　（４，３）Ｖ　２Ｓ＝　Ｖ２’ｉ／　２ｎ　　　
　・・・　（４，４）よりそれぞれ真の信号（ｌｉ！Ｘ
　２５１　　ｙ　＋　Ｉｌｌ　ｙ　２ｓ！定める。次に
、これらの真の信号値ｘ　Ｉｓ、　ｘ　２ｓ。

”／　Ｉｓ＋　”Ｉ’　２ｇを次の式（５，Ｄ、（５，
２）に代入して座標ｘ、ｙを演算し、光学系の倍率を乗
じ、マツピングまたは関数による補正を実施して、外乱
光による影響を排除した正確な光源の位置を外部に出力
する。

なお、光源の点灯時間ｔは環境の変化に要する時間に対
して十分に小ざいので両側定値、ＸＩ＋ＸＩ、等は全く
同一時刻に測定したものと考えてさしつかえない。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の光学式位置検出装置の一実施例の信号
処理部を示すブロック図、第２図は第１図の信号処理部
のフローチャート、第３図は各信号のタイミング図、第
４図はＰＳＤの出力信号（×１）の説明図である。

本実施例の光学式位置検出装置は、光源（不図示）の発
光を所定の周期Ｔで所定の時間ｔだけオンとするように
制御する光源制御手段（不図示）を有し、この光が光源
から放射されて装酉内に入射し、光学系（不図示）を経
てＰＳＤ　（不図示）上に結像される。

増幅器１，２，３．４は、それぞれＰＳＤから出力され
た信号Ｘ＋　＋　Ｘ２　＊　’／ｌ　＊　Ｖ２を増幅す
る。マルチプレクサ５はこれらの増幅信号を入力して多
重化する。サンプルホールド回路６はこの多重化された
信号を標本化して標本値信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器
７はこの標本値信号をＡ／Ｄ変換してマイクロコンピュ
ータ８に出力する。マイクロコンピュータ８は入力され
たＰＳＤからの信号ＸＩ　＋　ｘ、、　Ｔ　Ｔ／　Ｉ　
＋　！／　２の値にもとづいて光源の位置の座標を演算
する。演算された光源の座標は出力袋Ｍ９より外部へ出
力される。

次に本実施例の動作を第２図と第３図を参照して説明す
る。

時刻ｔ０に光源がオンすると、マイクロコンピュータ８
は、ＰＳＤの出力信号ＸＩ　＋　Ｘ２　＋゛Ｘ　３　＋
　Ｘ　４のうちの１チヤネルの信号Ｘ、から光の立上り
を検出しくステップ２１）、この立上り検出パルス３１
によりマイクロコンピュータ８はＰＳＤのすべての出力
信号３３ヲマルチブレクサ５に入力させる（ステップ２
２）。

この出力信号３３は光源の光とそれ以外のノイズを合わ
せた光に対応する値を有する。次に、マイクロコンピュ
ータ８は時刻ｔ１において光の立下りを検出すると（ス
テップ２３）、立下り検出パルス３２により、同様にＰ
ＳＤのすべての出力信号３４をマルチプレクサ５に入力
させる（ステップ２４）。

この出力信号３４は光源の光を含まず、ノイズのみのレ
ベルに対応する値を有する。次にこれら出力信号３３．
３４はマイクロコンピュータ８に到達し、マイクロコン
ピュータ８は時刻ｔ２よりｔ３１こ至る演算時間ｔｐ中
に、前述した式（４，Ｉ）〜（４，４）により光源の光
に対応する信号Ｘ　Ｉｓ＋　Ｘ　２ｓ＋　”／　＋５＋
Ｖ２ｓを演算しくステップ２５）、式（５，１）、（５
，２）による座標ｘ、ｙの演算を行ない、これらに光学
系の倍率を乗じ（ステップ２６）、さらにマツピングま
たは関数を用いて補正を行なって（ステップ２７）、光
源の正確な座標Ｘ、、Ｙ、が出力装置９から出力される
（ステップ２８）。以上で位置座標測定の１サイクルを
終了し、必要に応じて周期Ｔで同様の測定が繰返されプ
ログラムの終了と共に動作を終る（ステップ２９）。

本実施例では、マイクロコンピュータ８を演算に使用し
たので光源のオン／オフによる入射光の立上りおよび立
下りの検出もマイクロコンピュータ８で行なったか、こ
の動作は別個の電子回路を用いてもよい。また光源のオ
ン／オフ制御信号は装置から光源へ送るものとしたが、
逆に光源からオン／オフ信号を装置へ入力しても同様の
測定が可能である。また、出力装置９は、上位コンピユ
ータへの入出力インタフェースであってもよく、場合に
よっては補正の演算は上位コンピュータで行ってもよい
。なお、以上の説明は２次元のＰＳＤを使った例である
が、１次元のＰＳＤ＠用いた場合も全く同じことである
。

（発明の効果〕 以上説明したように本発明は、位置を測定しようとする
光源をオン／オフしで、光源がオンのとき入射された光
源からの光とそのときの外乱光との合計に対応するＰＳ
Ｄからの出力信号値と、光源がオフのとき入射された外
乱光に対応するＰＳＤからの出力信号値とを測定して、
信号処理部の演算装置で両方の測定値を用いて演算し補
正することにより、外乱光による影響を排除して正確な
光源の座標を得ることができ、かつ演算された光源の座
標が非直線性を有する原因はＰＳＤ自体および光学系に
しぼられ、それらはほとんど経年変化のないものである
から、ＰＳＤと光学系の組合せが変えられたときに一度
較正して新しいマツピングのテーブルを作成するか、ま
たは補正関数の係数を１つ 決定しておけば、測定環境の変化に影響されない安定し
た直線性が得られる効果がある。したがって本発明を利
用すれば、例えばロボットのアーム等の移動体の動きを
非接触で、安定して計測することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式位置検出装置の一実施例の信号
処理部を示すブロック図、第２図は第１図の信号処理部
の動作のフローチャート、第３図は各信号のタイミング
図、第４図はＰＳＤの出力信号（×１）の説明図、第５
図はＰＳＤの構造と出力信号、および光像点の座標の説
明図、第６図は従来の光学式位置検出装置の構成を示す
ブロック図、第７図（Ａ）は光源の実際の座標（Ｘｌ。 Ｙｌ）、第７図（８）は第７図（Ａ）に対応する測定さ
れた座標（Ｘ□、Ｙ□）を示す図である。 １．２．３．４−・・増幅器、 ５・・・マルチプレクサ、 ６・・・サンプルホールド回路、 ７−Ａ　／　Ｄ変換器、 ；　１ ８・・・マイクロコンピュータ、 ９・・・出力装置、　　　２１〜２９・・・ステップ、
３１・・・光の立上りの検出パルス、 ３２・・・光の立下りの検出パルス、 ３３、３４−・・ＰＳＤ出力信号、 ｔ０〜ｔ４・・・時刻、 Ｔ・・・光源のオン／オフの周期、 １−・・光源のオン状態の時間、 ｔｐ・・・マイクロコンピュータ８の演算タイム、５１
・・・受光面、　　　　Ｐ・・・光像点、ｘ、ｙ・・・
光像点Ｐの座標、 Ｅ　ＸＩ　＋ＥＸ２　＋ＥＶＩ＋　巳Ｖ　２　””電極
、ｊ！８．・・・光像点Ｐと電極Ｅｘｌの距離、！、ｘ
２・・・光像点Ｐと電極Ｅ、□の距離、１−ｖ＋・・・
光像点Ｐと電極Ｅｙ＋の距離、ｊ！ｙ２”・光像点Ｐと
電極ＥＶ２の距離、Ｘ　ｌ　＋　Ｘ２　＋　ｙＩ　＋　
Ｖ　２・・・ＰＳＤの出力信号、Ｘ、、Ｙ、・・・光源
の実際の座標、 Ｘ、、ｌ、Ｙｆｆｌ・・・光源の測定された座標。 殻 家 ｃｏ′−Ｏ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源から入射された光線を半導体装置検出素子の受光面
   上に結像させ、その出力信号を測定することにより得ら
   れた測定値から光源の位置を検出する光学式位置検出装
   置において、 光源が点灯しているときと、消灯しているときの半導体
   位置検出素子の出力する信号を測定し、前者の測定値と
   後者の測定値との差を演算して真の信号値を求め、この
   真の信号値を用いて光源の位置を演算する信号処理部を
   有することを特徴とする光学式位置検出装置。