JPS62259012A - 光学式距離測定装置 - 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ｊ 本発明は距離測定装置、特に光ビームを用いて被測定面
との距離を測定する装置の改良に関する。

［従来の技術］ 背量技術 従来より、光ビームを用いて被検知物体との距離を非接
触で測定する距離測定装置が周知であり、この光学式距
離測定装置は、非接触式訓測法の中て゛も）則定本青度
やスピード等（こ１但れでいることから、各秤分野の寸
法測定に広く用いられ、特に、自動小プレス部品、ホワ
イトホゾ−、プレス金型、機：戒部品″′、グの金属器
に対する新たな１法手段として注目されている。

しかし、従来、光ビームを用いて距離測定を行おうとす
る場合、被測定面が拡散面である場合には良好な距離測
定を行うことができる反面、被測定面が金属面である場
合には以下に示す理由から良好な距離測定を行うことが
むずかしいという問題があった。

すなわち、第１７図には、光ビーム１００の金属面及び
完全拡散面に対する反射特性が示されており、同図（Ａ
＞は金属面に対する反射特性、同図（Ｂ）は完全拡散面
に対する反射特性がそれぞれ示されている。

同図に示すように、光ビーム１００の反射光２００は、
被測定面゛１０が金属面である場合には鋭い指向特性を
示し、また被測定面１０か拡散面である場合には各方向
に良好な拡散特性を示す。

従って、例えば第１８図に示すように、被測定面１０に
対しその先軸３００が垂直に交わるよう受光部１２を設
置し、測定用の光ビーム１００をα方向から投光する場
合を想定すると、被測定面１０が拡散面である場合には
第１７図（Ｂ）に示す反”ｔ’！　’＋’ｆ性から明ら
かなように、その反射光２００はレンズ１４を介して受
光素子１６に良好に受光され、被測定面１０に対する距
離測定を行うことができる。

これに対し、被測定面１０が金属面である場合には、第
１７図（Ａ＞に示す反ｒＪ１特性からも明らかなように
、反射光２００は受光部１２の光軸３００を含まないβ
方向に反射されてしまい、距離測定を（１なうことがで
きない。

また、金属面からの反射光２００を良好に受光すること
ができるよう、例えば第１９図に示すように、光軸３０
０が被測定面１０に対しγ方向となるよう受光部１２を
設置することも考えられる。

しかし、通常金属面からの反射光２００には、強い正反
ｑ」光Ｒが含まれる。このため、受光素子１６の受光部
１６ａが焦点はずれになったりすると、スポットｅ４ｏ
ｏは、正反射光Ｒのスポラｉ・４００Ｒによってその強
度分１５が大きく乱され光量合位置がずれてしまい、そ
の測定値に大きな誤差成分が含まれてしまうという問題
があった。

また、光ビーム１００の光源にレーザを用いた場合、コ
ヒーレントな性質をもつ。

従って、レーザ光源を用いて金属面め測定を行うと、反
射光２００には極めてコントラストの強い像界のスペッ
クルか現われ、スポラｌ−９／ｉｏ。

の光量合位置を大きく乱してしまうという問題がある。

また、焦点はずれがある場合の像界スペックルは、光ビ
ーム１００の金属面に対する入射角が異なる毎にその位
置が変化するため、金属面に対する測定誤差がざらに大
ぎなものとなる問題が必っｌこ　。

スペックル発生原理 次に、後述する本発明の理解を容易に覆るために、前記
スペックルの発生原理を簡単に説明する。

スペックルとは、位相の異なる光が干渉することにより
発生する明暗の斑点である。

そして、このスペックルは、以下に述べる理由から、金
属面の反射光２００中には、はっきりとした形で現われ
測定誤差を引き起すものである。

例えば、第２０図（Ａ＞に示す光学系において、被測定
面１０に対しレーザビーム’１００を投光し、受光部１
６ａ上に結像するスポット像４００の強度分イ１１を測
定したところ、被測定面１０か拡散面である場合には第
２０図（Ｂ）に示すような測定ｖ１宋が得られ、また被
測定面１０か金属面である場合には第２０図（Ｃ）に示
すようなａＩす定結宋を得ることができた。

同図から明らかなように、被測定面１０か拡散面である
場合と金属面である場合とでは、スフＩζツト強度分布
は大きく異なり、金属面では非常にコントラストの高い
スペックルが現われることか観測される。

また、焦点外れがある場合、被３Ｉす定面か１頃くと、
像界のスペックルは並進することかλＵられている。

金属面ではスペックルのコントラストか高いため、而の
傾きによって光強１宴分布が大ぎく乱れ、光量心位買の
決定に誤差を生じる。

従来技術 第２２図には、従来の光学式距離測定装置の一例が示さ
れており、この測定装置は、被測定面１０に対し光ビー
ム１００を送受＋＝　Ｖるプローブ２０と、このプロー
ブ２０の受信信号に基づき被測定面１０までの距離を演
算する演算処理回路３゜と、を含む。

前記プローブ２０には、被測定面１０に対し光ビーム１
００を投光する投光部２２と、反射光２００を受光する
受光部１２と、が含まれている。

そして、前記投光部２２は、光源２４及び集光レンズ２
６を用いて光ビーム１００を出力するよう形成されてい
る。

また、前記受光部２２は、反ｍ光２００を集光レンズ１
４を介して受光素子１６の受光面１６ａ上に結像するよ
う形成されている。

ここにおいて、前記集光レンズ１４は、被測定面１０が
基準位置Ｍにめるとき、その反射光２００の中心線とレ
ンズ面とが垂直に交わるよう設置されている。また前記
受光素子１６は、この集光レンズ１４の集光面上にその
受光部１６ａが位置するよう８シ置されている。

従って、受光部１６ａ上に結像するスポット像４００の
位置は、被測定面１０までの距離が基準位置Ｍを境にし
てり。変化する毎に、ぞの変化に対応した距離Ｘだ（プ
、受光部１６ａの中心位置Ｏを１止車として図中右方向
または左方向に変化（Ａ−へ方向に変化）することにな
る。

従って、周知の光学式三角測量法を用いれば、受光部１
６ａ上におけるスポット像４００の結像位置を検出し、
被測定面１０までの距離を光学的に測定することができ
る。

通常、前記受光索子１６ａには、受光面１６ａ上におけ
る光スポツト像４００の位置を２つの信号電流Ｉ、、Ｉ
８　（入射光量とスポット像位首に比例する電流像＠）
として出力されるような素子が用いられており、このよ
うな素子としては通常ＰＳＤ　（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５
ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　）が用いられている
。

第２３図には、受光索子１６として用いられるＰＳＤの
等価回路図が示されており、このＰＳＤの受光部１６ａ
は均一な抵抗層からなり、受光面に光が入射すると、定
電流源Ｉからその両側へ電流信号１　　、Ｔ　　が出力
される。ここにおいて、Ａ　　・８ ＰＳＤ受光面の抵抗率をσとし、受光面中心位置と光ス
ポット像入射位置との距離をΔＬとすると、このＰＳＤ
から出力される電流Ｉ、Ｉ、の値は八 次式で表される。

ＩＡ＝Ｖ／σ（Ｌ／２−△Ｌ）、ＩＢ＝ｖ／σ（Ｌ／２
＋△Ｌ）・・・（１） 従って、この電流値■　、１Ｂを用いて次式に・Ａ 基づく演算を行えば、ＰＳＤ受光面上における光スポッ
ト像入射位置△Ｌを求めることができる。

前記演算処理回路３０は、前記第（２）式を演算し、被
測定面１０までの距離を測定するために用いられるもの
であり、信号処理回路３１、除痺回路４０及び演算回路
４２を有する。

そして、信号処理回路３１は、ＰＳＤから出ツクされる
電流ＩＡ、１８を電圧信号ＶＡ、■８に変換する受光回
路３２．３４と、電圧信号から（ＶＡ−Ｖ８）及び（Ｖ
Ａ＋ＶＢ）をそれぞれ演算づる減口回路３６、加算回路
３８、を含み、回路３６．３８の出力（ＶＡ−ＶＢ＞及
び（ＶＡ−Ｉ−ｖ８）を除算回路４０へ入力している。

除算回路４０は、この人ツノ信号を次式に塁づぎ除専し
、その値を）実弾回路４２へ向け入ノｊしている。

Ｖ、　−ＶＲ２△Ｌ ＝□　・・・（３） ＶＡ　十ｖＢ　　　　　　　　　Ｌ ここにおいて、除咋回路４０の出力する演算値は、前記
第２式に示す演算値と同様にＰＳＤ受光受光６ａ上にお
けるスポット像入射位置ΔＬと対応した値となる。

従って、演算回路４２は、被測定面１０’までの距離と
前記入側位置Δしとの対応関係に塁づき、演算回路４０
から入力される信号を用い、周知の三角測量法により被
測定面１０までの距離を演算により求めることができる
。

また、この演鐸処理回路３０はこれ以外に発信回路５０
及び駆動回路５２を含み、投光部２２からの光ビーム出
力タイミングを制御している。

；発明が解決しようとづ゛る問題点］ しかし、このような従来装置では、以下に示すような問
題点を有するため、被測定面１０までの距離を正確に測
定することがむずかしく、特に被測定面１０か金属面で
ある場合には、その測定値にある程度の誤差が発生する
ことは避けられないという問題がめった。

（Ａ＞第１に、前記従来装置では、被測定面１０とプ「
Ｉ−ブ２０との距離が変化すると、焦点外れが起こり、
被測定面１０が金属面である場合受光面１６ａ上に結像
するスポット像４００の中心位置と光ｍ心位置とのずれ
か大きくなり、測定誤差が発生するという問題がおった
。

Ｖなわら、このような装置では、スポット像４００の中
心位置と光中心位置とが一致するという前提の下に、ス
ポット像４００の受光量に阜づぎその光中心位置を演算
し、該光中心位置をスポツｉ−像４００の中心位置と見
なして被測定面１０までの距離測定を行っている。

しかし、被測定面１０が金属面で必る場合には、第１９
図に示すように、反射光２００中に正反射光Ｒが含まれ
る場合が多く、このためスポット像４００は、正反射光
Ｒのスポット４００Ｒによってその強度弁イ５が大ぎく
乱され、スポツＩ−像４００の中心位置に対しその光ｍ
心位置が大ぎく偏心してしまう場合が多い。

このＪ、うな正反射光Ｒの影響を抑制するためには、受
光面１６ａ上にスポット像４００をピン１〜良く結像さ
せる必要がある。

しかし、このような従来装置は、集光レンズ１４の結像
位置の変化、すなわち被測定面１０と集光レンズ１４ま
での距離が変化した際発生する結像位置の変化に何ら考
慮を払っておらず、第２２図に示すように、受光面１６
ａを単に集光レンズ１４と平行に配置しているにすぎな
かった。

従って、被測定面１０が基準位置Ｍ付近にある場合には
、受光面１６ａ上に焦点のあったスポット像４００が結
像するため、その測定を良好に行うことができるが、被
測定＠１０と基準位置Ｍとの距離が大きくなるに従い、
集光レンズ１４の結像位置と受光面１６ａとの位置ずれ
が大きくなり、受光面１６ａ上には、次第にピントのず
れた直径の大きなスポット像４００が結ａｔされるよう
になる。

この結果、受光面１６ａ上にあ（ブるスポッ］〜像４０
０の直径が大きくなると、前述した中心位置と光中心位
置との位置ずれが次第に大きくなり、無視できないＩＩ
定定差差発生してしまうという問題があった。

（［３＞第２に、このような従来装置では、焦点外れが
必ず起こり、この場合は被測定面を所定方向に傾けると
スペックルの位置が変化し、測定誤差が発生してしまう
という問題があった。

しかし、被測定面１０が拡散面である場合は、シー１ア
ビームを被測定面１０に入射してもスペックルのコント
ラストは金属面に比へ低く、大きな影響を受けない。

従って、このような場合には、被測定面１０を、例えば
第２４図に示ずように、光ビーム１００及び反射光２０
０の双方を含む方向にｉ、ｈ、、ｊのように傾けても、
また第２５図に示すように前記方向と直行する方向に１
頃けても、比較的広い傾さ゛範囲でその距離測定を行う
ことができる。

これに対し、被測定面１０が金属面のようにτＵ反則成
分の強い反射面である場合に、光ビームとしてレーザビ
ームを用いると、受光面１６ａ上に集光するスポット像
４００に（へめでコン１〜ラス１〜の強いスペックルが
発生する。

そして、このスペックルの位置は、焦点外れがあった場
合第２４図及び第２５図に示すように被測定面１０を傾
けると大きく変化することが知られている。

例えば第２４図に示すように、被測定面１０をｉ、ｈ、
ｊの順に傾けると、それに対応して反射光２００の位相
状態が変化し、スポット像４００内におけるスペックル
ｓｐの位置は、第２６図に示すように受光面１６ａの長
手方向（Ａ−Ａ＞に沿って移動する。

従って、このような従来装置では、被測定面１０までの
距離が一定である場合でも、第２４図に示ずようにその
傾きが変化すると、スポット像４００の光量心位置が変
化してしまい、その測定値に所定の誤差が発生してしま
うという問題があった。

特に、受光面１６ａ上にピントのボケだ直径の大きなス
ポット像４００が結像する場合に、被測定面１０をこの
ように傾けると、スポット像４０Ｏ内にｄ″３けるスペ
ックルＳｐの位置変動幅が大きくなり、その測定誤差が
更に大きくなってしまうという問題があった。

なお、このような金属面を第２５図に示すように、第２
４図に示す傾き方向と直交する方向に傾け、発生する測
定誤差についての検６声１を行ったところ、はとんど測
定に誤差が生じないことが確＆２された。

これは、金属面１０をｋ又はｌのように傾けても、スポ
ット像４００内におけるスペックルＳＰの移動は、測定
精度に影響を及ぼさない受光面１６の幅方向（Ｂ−Ｂ）
に沿って発生するのみであり、スポット像の受光面長手
方向（Ａ−△）に沿った光強度分布を何ら乱すことがな
いためである。

（Ｃ）第３に、このような従来装置では、被測定面１０
の傾きにより、受光面１６ａの受光５１に過不足が生じ
、正確な測定を行うことができない場合があるという問
題があった。

すなわち、金属面を用いて形成された被測定面１０を、
例えば、第２４図ｊのように傾け、反射光２００中に含
まれる正反射光Ｒを受光面１６ａに入射させ光電信号が
飽和すると像点位置信号の線形性はくずれ測定誤差が発
生してしまうという問題があった。

また、被測定面１０を、例えば、第２４図ｉのように傾
けると、前述した場合とは反対に受光量が不足して、測
定不１１ヒになってしまうという問題があった。

（Ｄ）また、このような従来装置では、被測定面１０が
拡散面である場合であってち、被測定面を傾けすぎると
受光量が不足し、測定精度が低下してしまうという問題
があった。

すなわら、このような従来装置では、受光素子１６から
出力される信号１　　、Ｉ　　を電圧信号Ｂ ＶＡ、ＶＢに変換し、 （ＶＡ　　ＶＢ　）／　（ＶＡ　十ＶＢ　）という演算
を行っている。しかし、前記（■。十■８）は受光量の
み比例する値で市り、＜ＶＡ−ＶＢ）は受光ｍと光スポ
ットの受光位置によって変化する値である。

従って、いま信号（ＶＡ士ＶＢ＞、　　（Ｖ、−Ｖ８）
にΔＶ１．ΔＶ２のＷｋ音成分が混入すると、前記題（
３）式は次式のように表されることになる。

■へ十ＶＢ十Δｖ１ ■へ十ＶＢ＋Δ■１　　　ＶＡ−ＶＢ十ΔＶ１−　・・
・（４） 従って、このような従来装置では、受光量が減少すると
前記第４式の分母が小さくなり、この結果、ぞの第２項
に示される誤差成分　（△Ｖ２．ＺｖＡ＋ＶＢ十Δ■１
）の値が大きくなり、測定編度が低下してしまうという
問題があった。

［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に道みなされたもので
おり、その目的は、被測定面が拡散面である場合のみな
らず、正反射成分の強い金属面である場合であっても、
被測定面までの距離を正確に測定し、しかも被測定面の
傾きも同時に測定することが可能な光学式距離測定装置
を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 第１の発明 前記目的傘・連成するため、第１の発明は、被測定面に
向Ｃノ光ビームを投光する投光部と、前記光ビームの両
側に左右対称に配置された一対の集光レンズを有し被測
定面からの反射光を集光する一対の集光系と、 反射光の集光スポット像を受光するよう、前記各集光系
の集光面上に位置して受光面が説けられ、前記集光スポ
ット像の光量に比例しかつその受光位置にス１１応した
位置信号を出力する一対の受光素子と、 を含み、 前記受光素子は、その受光面の延長線が、被測定面に入
射する光ビームの光軸と、前記集光レンズ面の延長線と
の交点と交わるよう受光軸にス・１して所定の傾きを持
って配置され、しかも被測定面までの距離に対応して変
化する集光スポット項の受光位置に応じ増加減少する２
種類の信号電流を出力する位置検出素子を用いて形成さ
れ、各位置検出素子の出力信号に基づき被測定面までの
距離を測定することを特徴とする。

第２の発明 また、第２の発明は、被測定面に向け光ビームを投光す
る投光部と、 前記光ビームの両側に左右対称に配置された一対の集光
レンズを有し被測定面からの反射光を集光する一対の集
光系と、 反射光の集光スポット像を受光するよう、前記各集光系
の集光面上に位置して受光面が設けられ、前記集光スポ
ット像の光量に比例しかつその受光位置に対応した位置
信号を出力する一対の受光素子と、 各受光素子の出力信号に基づき被測定面までの距離及び
被測定面の傾きを演算出力する演算処理回路と、 を含み、 前記受光素子は、その受光面の延長線が、被測定面に入
射する光ビームの光軸と、前記集光レンズ面の延長線と
の交点と交わるよう受光軸に対し所定の傾きを持って配
置され、しかも被測定面までの距離に対応して変化する
集光スポット像の受光位置に応じ増加減少する２種類の
信号電流を出力する位置検出素子を用いて形成され、前
記演算処理回路は、　。

前記各位置検出素子の出力信号に基づき各素子の受光量
が最適受光範囲内にあるか否かを判別する受光叩判別部
と、 一方の位置検出素子の受光ｍのみが最適受光量である場
合には、その位置検出素子の出力に基づいて被測定面ま
での距離を演算出力し、双方の位置検出素子の受光量が
最適受光量である場合には、これら双方の位置検出素子
の出力から求まる距離の平均値を被測定面までの距離と
して演算出力する距離演算部と、 各位置検出素子の受光量を比較し被測定面の傾きを演口
する傾き演算部と、 を含み、被測定面までの距離及び被測定面の傾きを同り
に測定することを特徴とする。

第３の発明 また、第３の発明は、被測定面に対し位置方向被測定面
に向け所定方向に偏向走査される光ビームを投光する偏
向投光部と、 前記投光部の両側に左右対称に配置された一対の集光レ
ンズを有し、被測定面からの反射光を集光する一対の集
光系と、 反射光の集光スポッｌ−像を受光するよう、前記各集光
系の集光面上に位置して受光面がｒｔ２　ｃノられ、前
記各集光スポット像の先爪に比例しかつその受光位置に
対応した位置信号を出ツノする一対の受光素子と、 各受光素子の出力信号に基づいて被測定面までの距離及
び被測定面の傾きを演算出力する演緯処理回路と、 を含み、 前記各受光素子は、その受光量の延長線が、被検知物体
に入射する光ビームの光軸と、前記集光レンズ面の延長
線との交点と交わるよう、所定の傾きを持って配置され
、しかも被測定面までの距離に対応して変化する集光ス
ポット像の受光位置に基づき増加減少する２種類の第１
信号電流と、光ビームの偏向走査に対応して変化する集
光スポット像の受光位置に基づき増加減少する２種類の
第２信号電流と、を出力する二次元位置検出素子を用い
て形成され、 前記演算処理回路は、 各位置検出素子の出力する第１信号電流に基づき各素子
の受光量が最適受光量であるか否かを判別する受光量判
別部と、 一方の位置検出素子の受光量のみが最適受光量である場
合には、その位置検出素子の出力に基づいて被測定面ま
での距離を演算出力し、双方の位置検出素子の受光量が
最適受光量である場合には、これら双方の位置検出素子
の出力から求まる距離の平均値を被測定面までの距離と
して演算出力する距離演算部と、 各位置検出素子の受光量を比較し、被測定面の一方向の
傾きを判別する第１の傾き演算部と、被測定面上の少な
くても２個所の偏向走査位置にあ（）る測定距離から被
測定面の他方の傾きを演算する第２の傾き演算部と、 を含み、被測定面までの距離及び被測定面の２方向の傾
きを測定することを特徴とする。

［作用］ 第１図には、本発明の距離測定装置の原理図が示されて
おり、前記第２２図に示づ従来装置と対応する部材には
同一符号を付してその説明は省略する。

？Ａ１の発明の作用 本発明の装置は、投光部２２から被測定面１０へ向け光
ビーム１００を投光するよう形成されている。

この投光部２２の光軸Ｐの両側には、左右対象に一対の
集光レンズ１４Ａ、１４Ｂが配置され、被検出向１０か
らの反射光２００をそれぞれ所定の集光面上に集光する
一対の集光系を形成している。

そして、反射光２００の集光スポット像を受光７るよう
、前記各集光系の集光面上にその受光面が位置するにう
一対の受光素子１６Ａ、１６Ｂが設けられ、各受光素子
１６Ａ、１６Ｂからは集光スポラ］〜ｔｍ４００の光ｍ
に比例した位置信号が出力されるよう形成されている。

ここにおいて、各受光素子１６Ａ、１６Ｂは、被測定面
１０に対震る距離に対応して変化するスポット像の受光
位置に応じ、それぞれ増加、減少する２種類の信号電流
ＩＡ及びＩＢを出力する位置検出素子（例えばＰＳＤ）
を用いて形成されており、これら各検出信号は演算９８
理回路３０へ入ツノされている。

本発明の第１の特徴的事項は、前記各受光素子１６Ａ、
１６Ｂを、その受光面１６ａの延長線が、光ビーム１０
０の光軸Ｐと、集光レンズ１４のレンズ面の延長線と一
点で交わるよう、受光軸に対し所定の傾きを持って配置
したことにある。

このように、受光素子１６の受光面１６ａを、集光レン
ズ１４の結像位置で傾けて配置することにより、被測定
面１０の形状が変化し測定距離が変化した場合であって
も、受光面１６ａ上に結像するスポット９４００は常に
ピントが合ったものとなり、スポッＩ−像の直径が広が
らず高いＳＮ比を１ｑるとともに、スペックルの並進が
発生せず高精度で距離測定を行うことが可能となる。

ざらに、本発明によれば、前述したようにスポット像４
００の直径を小ざなものとすることができるため、対象
面性状が変化しスペックルパターンが変化した場合であ
っても、このスペックルの位置変化の影響を効果的に抑
制し、精度の高い距離測定を行うことが可能となる。

また、本発明においてこれら各受光素子１６Ａ、１６Ｂ
から出力される信号電流は演算処理回路３Ｏに入力され
、ここで所定の演鈴迅理を施されて被測定面１０までの
距離及び被測定面１０の傾きが検出される。

第２の実施例 また、本発明においては、受光素子は１６Ａ及び１６Ｂ
の２系列設けられているため、これら各受光索子１６Ａ
、１６Ｂに対応した信号処理回路３１Ａ、３１Ｂ８設け
ることが好ましい。

このため、前記一方の受光素子１６Ａから出力される信
号電流Ｉ　　、Ｉ　　は第１の信８処理回路１＾　　　
１８ ３１Ａに入力され、前記第３式に示゛す“分子（ＶＩＡ
−■１８）及び分母（Ｖ　ＩＡ十Ｖ　ＩＢ＞が演算され
る。

同様に、他方の受光素子１６［３から出ツノされる信＠
電流１　　、Ｉ　　は第２の信号処理回路３１８２Ａ　
　　２Ｂ に入力され、前記第２式に示す分子（Ｖ２．−　Ｖ２Ｂ
＞及び分母（Ｖ　２Ａ十Ｖ　２Ｂ　＞が演算される。

そして、これら第１及び第２の信号’ＩＩ！Ｘ理回路３
１Ａ、３１Ｂの出力は、Ａ／Ｄ変換回路４４を介して演
算回路４６に入力されている。

この演算回路４６は、本発明における受光量判別部、距
離演算部及び傾き演算部含む。

これら受光量演算部、距離演算部及び傾き演算部は、ハ
ードウェア及びソフ］・ウェアのいずれを用いても形成
することができ、ここにおいては、ＣＰ　’ＬＪ等を用
いてソフトウェアで構成する場合を例に採り説明する。

第２図には、この演算回路４６の動作を示すフローヂャ
−１〜が示されており、この演算回路４６は、各受光素
子１６Ａ及び１６Ｂの受光量を表す信号として入力され
る信”　ＣＶＩＡ十ＶＩＢ＞及び（Ｖ２Ｂ＋Ｖ２Ｂ＞を
所定の上限値−［及び下限値Ｕと比較し、受光量が上限
値Ｔ及び下限値Ｕの間にある最適受光範囲内にあるか否
かの判別を行う。

本発明の第２の特徴的事項は、 （イ）＠記名受光索子１６Ａ、１６Ｂ双方の受光ｍが最
適受光範囲であると判別された場合に、これら双方の受
光素子１６Ａ、１６［３の出力から求まる被測定面１０
までの距離Ｄ１、Ｄ２の平均値を被測定面１０までの測
定距離りとして演算出力し、 （ロ）また受光素子１６Ａ及び１６Ｂのいずれか一方の
受光ｍのみが最適受光範囲であると判別された場合には
、当該受光素子の１４Ａまたは１６Ｂの出力のみがら求
まる被測定面までの距離Ｄ１またはＤ２を被測定面まで
の距離りとして演算出力し、 （ハ）また各受光素子１６Ａ及び１６Ｂの受光ｍが双方
ともｌｕ通受光範囲にないと判別された場合には、測定
不能である旨を表示することにある。

第３図には、前記演算動作をパターン分けした説明が示
されている。

まず、（１）に示すように、両受光索子１６Ａ、１６Ｂ
の受光ｍが共に最適受光範囲である場合には、２つの受
光素子１６Ａ、１６Ｂの出力信号から求まる測定圧！ｔ
Ｄ１、Ｄ２を平均して出力する。

また、（２）に示すように、一方の受光素子１６Ａのみ
が最適受光範囲であり、他方の受光素子１６Ｂが過剰光
量または不足光量である場合には、前記一方の受光素子
１６Ａの出力信号から求まる測定距離Ｄ１を選択して出
力する。

また、（３）に示すように、他方の受光素子１６Ｂの受
光量のみが最適受光範囲にあり、一方の受光素子１６Ａ
の受光素子が過剰光量または不足光量である場合には、
前記他方の受光素子の出力信号から求まる測定距対ｉ　
Ｑ　２を選択出力することになる。

従って、本発明によれば被測定面１０が、例えば反射率
の高い拡散面、反射率の低い拡散面あるいは正反則成分
の多い金属面であるような場合であっても、これら各測
定器１０の傾きに関わりなくその測定を精度良く行うこ
とができる。

Ｖなわも、被測定面１０が反射率の高い拡散面（白紙等
）である場合には、第４図に示ずにうに、被測定面１０
がｉ、ｈ、ｊのように傾いても、両受光素子１６Ａ、１
６Ｂに（ま測定可能な受光量が得られる。

従って、このような場合、本発明によれば、２つの受光
素子１６Ａ、１６Ｂから１ｑられる測定距離Ｄ１、Ｄ２
を平均化し、被測定面１０までの距離測定が行われるこ
ととなる。このため、測定するサンプリング数が２倍と
なり、従来装置に比しその測定精度が極めて高いものと
なる。

また、被測定面１０が反射率の低い拡散面（黒い紙等）
である場合には、例えば第５図に示すように被測定面１
０が傾くと、その傾き角に応じて例えば：またはｊのよ
うに一方の受光素子１６Ａまたは１６Ｂの受光量が不足
する場合がある。

このような場合に、従来装置では、少なくともｉまたは
ｊのいずれか一方の角度で距離測定不能となったが、本
発明によれば受光量の多い受光素子１６Ａまたは１６Ｂ
を自動的に選択し、距離測定を行うことができるため、
従来の装置に比し測定面１０の傾きに対する測定能力を
大幅に向上することが可能となる。

さらに、被測定面１０の傾きかに、ｈ、、ｅである場合
には、両受光素子１６Ａ、１６Ｂの受光間は最適受光範
囲となるため、このような場合には前記反射率の低い拡
散面と同様に、その距離測定を高精度で行うことが可能
となる。

また、被測定面］Ｏが正反銅成分の高い金属面である場
合に、この被測定面１０が第６図に示すように傾いて、
正反射光Ｒが一方の受光素子１６Ａまたは１６Ｂに入射
すると、この受光素子の受光Ｈ１は上限値Ｔを上回った
過剰光量となる。

このような場合に、従来装置では測定不能、あるいは測
定誤差が極めて大きなものとなるが、本発明の装置では
、前記正反射光が入射しない他方の受光素子の出力に基
づき、距離測定を行うことかできるため、従来装置に比
し測定精度が極めて高いものとなる。

また、第７図（Ａ）に示すように、各受光素子１６Ａ及
び１６Ｂに正反射光が入射しないよう金属面が傾いてい
る場合には、各受光素子１６Ａ及び１６Ｂの受光ｍは最
適受光範囲となる場合が多い。

このような場合に、本発明の装置では、２つの受光素子
１６Ａ及び１６Ｂの出力に基づぎ２つの測定距離Ｄ１、
Ｄ２を演算し、その平均値を被測定面１０までの距離り
として出力するため、スペックルの影響を極めて効果的
に抑制し、誤差の発生を有効に防止することが可能とな
る。

すなわち、第７図（Ａ＞に示すように２つの受光素子１
６Ａ及び１６［３から測定点を観測すると、第７図（Ｂ
）に示すスポット像４００のように各測定点の観測状態
は互いに正反対の状態となる。

従って、これら両受光素子１６Ａ及び１６Ｂから得られ
る信号を平均化して用いれば、スペックルパターンの変
化による測定誤差を完全には除去することはできないも
のの、その誤差成分を効果的に除去することは可能とな
る。

また、本発明の他の特徴的事項は、両受光素子１６Ａ及
び１６Ｂの受光量を比較することにより、被測定面１０
の傾きを判定することにある。

すなわち、第８図に示すように、被測定面１０の傾きが
ｈのような状態である場合には、両受光素子１６Ａ及び
１６Ｂの受光間は共に等しい値となる。また、被測定面
１０がｉのように傾いた場合には、一方の受光素子１６
Ａの受光量は他方の受光素子１６Ｂに比し増加し、また
被測定面１０がｊのように傾いた場合には、これとは逆
に他方の受光素子１６Ｂの受光量が一方の測定受光素子
１６Δに比し増加する。

従って、これら各受光素子’１６Ａ及び１４Ｂの受光４
７４を比較することにより、被測定面１０がどのように
傾いているかを判定することができる。

第３の発明の作用 また、第３の発明は、投光部２２から被測定面に対し投
光する光ビームを、被測定面１０の所定方向に向け偏向
走査している。

そして、その受光素子１６Ａ、１６Ｂは、被測定面１０
までの距離に対応して増減する一対の第１信号電流と、
光ビームの偏向走査に対応して変化ダる一対の第２信号
電流とを出力する二次元位置検出素子（例えば二次元Ｐ
ＳＤ）を用いて形成されている。

従って、本発明によれば、被測定面１０上の光ビーム走
査ライン上各点までの距離を、二次元位置検出素子の第
１信号電流に基づいて測定することができる。

ざらに、本発明によれば、前記二次元位置検出素子の第
２信号電流に基づき、光ビーム１００及び反射光２００
を含む平面と直交する方向への被測定面１０の傾きを求
めることができる。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば被測定面が拡散面
である場合のみならず、金属面である場合であっても、
被測定面までの距離測定を、傾き及びスペックル等の影
響を受けることがなく、高速でしかも精度良く行うこと
ができ、しかもこれと同時に被測定面の傾きを求めるこ
とも可能となる。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。な
あ、前記第１図及び第２２図に対応する部材には同一符
号を付しその説明は省略する３第１実施例 第９図には、本発明の好適な第１実施例が示されてａ３
す、実施例の装置は、被測定面１０に光ビーム１００を
投光しその反射光２００を受信するプローブ２０と、こ
のプローブ２０の出力信号に基づき被測定面１０までの
距離及び傾きを演算する演算処理回路３０とを、含む。

実施例において、前記プローブ２０は、光ビーム１００
を投光する投光部２２と、この投光部２２の両側に左右
対称に設けられた一対の受光部１２Ａ、１２Ｂとからな
る。

投光部の構成 本実施例において、投光部２２は、被測定面１０に対し
パルス変調されたレーザビームを照射するように形成さ
れている。

実施例において、この投光部２２の光源２４には半導体
レーザが用いられており、この半導体レーザは、他のレ
ーザのような平行光ではなく、出力する光が必る角度に
発散する。このため、半導体レーザから出力された光は
、レンズ２８を用いて平行な光となり、その後レンズ２
６によって被測定面１０に集光されるよう形成されてい
る。

なお、原理的にはレンズ２６を用いず、測定光１００を
平行光のまま用いることも可能であるが、実施例のよう
にレンズ２６を用いて集光覆れば、光ビーム１００の直
径を小さくしその測定精度を高めることができる。

また、実施例においてレンズ２８とレンズ２６との間隔
は任意に設定すればよい。

さらに、レンズ２６と被測定面１０の基準位置Ｍとの間
隔り。（基準間隔）は、レンズ２６の焦点距離ｆ（２６
＞となる。このとき、この装置の測定範囲は、この基準
位置Ｍを中心として前後にΔＬの範囲となる。

受光部の構成 第１０図には、投光部２２に対する受光部１２Ａ及び１
２Ｂの相対位置関係が示されており、前記各受光部１２
Ａ、１２Ｂは、投光部２２の両側に左右対称に配置され
ている。

そして、各受光部１２は、集光レンズ１４及び光学フィ
ルタ１８を用いて形成される集光系と、この集光系の集
光面に位置して設けられた受光素子１６とから形成され
ている。

前記集光レンズ１４は被測定面１２が基準位置Ｍ（投光
部のレンズ２６からし。の位置）にあるとき、集光レン
ズ１４の中心Ｑを通る反ｑ１光と、レンズ面が垂直に交
わるよう配置されている。

このようにすることにより、この集光レンズ１４により
受光された光は、受光素子１６の受光面１６ａの中央（
０）に結像することになる。

また、実施例において、受光素子１６は、前述したＰＳ
Ｄを用いて形成されている。そして、この受光素子１６
は、この受光面１６ａが集光レンズ１４の集光面上に位
置するよう設けられている。

ぞして、この受光素子１６は、この受光面１６ａの延長
線が集光レンズ１４のレンズ面と、光ビーム１００の光
４Ｑ　ｐと一点で交わるよう所定の傾きを持って配置さ
れている。

また、前記光学フィルタ１８は、反０４光２００以外の
外乱を取り除くために用いられ、集光レンズ１４と受光
素子１６との間に、集光レンズ面と平行に配置されてい
る。

演算処理回路の構成 実施例の演算処理回路３０は前記第１図に示す演算処理
回路と基本的に同様に形成され、被測定面１０までの距
離の演算と、その傾きの判定を行っている。

また、実施例の演算処理回路３０には、前記半導体レー
ザ光源２４をパルス変調するため、発振回路５０及び駆
動回路５２が設（プられている。

モして、受光部１２に入射する反射光用が最適基準光量
となるように、各加算回路３８Ａ及び３８Ｂからの信号
によって、発振回路５０は、光パルスのパルス高さを決
定する。

これにより、発３辰回路５０は、このパルスの高ざ受光
部に応じて自動的にフィードバック制百１され、この結
果、駆動回路５２は、光源２４の光量を最適な値に自ｖ
Ｊ的に制御することとなる。

第２実施例 第１１図には、本発明の好適な第２実施例か示されてｄ
３す、本実施例の装置は前記第１実施例と基本的にその
構成は同じであるが、その特徴的事項は、各受光部１２
Ａ、１２Ｂに、それぞれ被測定面１２からの反射光２０
０を折り曲げ集光レンズ１４に導く２枚のｉｌ　６０．
６２を設けたことにある。

このような構成とすることににす、投光部２２及び受光
部１２を含むプローブ２０の大ぎざを、第１２図に実線
で示すように、小さく形成することが可能となる。

策Ｊ叉策揖 第１３図には、本発明の好適な第３実施例が示されてｄ
３す、前記第１実施例に対応する部材にはと同一符号を
付しその説萌は省略する。

投光部の・構成 第１４図には、本実施例の投光部２２の具体的な構成が
示されている。

実施例において、この投光部２２は、半導体レーザ光源
２４から出力される光をレンズ２８を用いて平行な光と
し、これをビーム偏向器７０を用いてＸ軸方向に偏向走
査し、この偏向された光ビーム１００を偏向レンズ７２
を用いて被測定面１０上に集光している。

ここにおいて、前記偏向レンズ７２は、その焦点とビー
ム（偏向器７０の回転軸７０ａまでの距離及び被測定面
１２の基準位首Ｍまでの距離が、共にレンズ７２の焦点
距ｊｄｆと等しくなるよう配置されている。

このように偏向レンズ７２を配置することにより、ビー
ム偏向器７０を往復回転動作にすれば、光ビーム１００
の光軸ＰはＸ＠方向へ４１復運動し、この光ビーム１０
０のビームスポットＳ′は、被測定面１０の点ｏ、ｏ’
間を往復運動走査することになる。

受光部の構成 本実施例の受光部１２は、基本的に前記第１実施例の受
光部同様、集光レンズ１４、光学フィルタ１８及びＰＳ
Ｄ受光素子１６を用いて形成されでいる。

ぞして、その特徴的事項は前記受光素子１６として二次
元ＰＳＤを用い、被測定面までの距離の増減に対応して
一対の第１信＠電流１　　、Ｉ　　を八８ 出力し、また光ビーム１００の偏向走査位置に対応して
変化する一対の第２信号電流１　、■、を出力するよう
形成したことにある。

従って、実施例の装置によれば、二次元ＰＳＤ受光来子
１６から出力されろ第１信号電流■１、Ｉ８から被測定
面１０の７座標位置、Ｖなわち被測定面までの距離が検
出され、またこの受光素子１６から出力される第２信号
電流１　、■　から、　　−Ｄ 被測定面１０上における光ビーム走査位置、すなわちＸ
座標位置が検出されることになる。

また、このように二次元ＰＳＤを用いることにより、光
ビーム１００の両端走査位置ｏ、ｏ’から、被測定面１
０のＹ軸を回転軸とした傾き角も正確に演算することが
でき、ざらにこれら２つのＰＳＤ受九面に入射する反射
光量を比較することにより、Ｘ軸を回転軸とした被測定
面１０の傾き方向を判定することも可能となる。

演算処理回路の構成 実施例の演算処理回路には、一方の二次元ＰＳＤ受光素
子１６から出力される第１信号電流１１Ａ、■　・１、
第２１吉号電流１１ｃ、ＩＩＤとをそれぞれ信・ＩＢ− ＠処理する（８号処理回路３１Ａ及び３１Ｃと、他方の
二次元ＰＳＤ受光素子から同様に出力される第１信ｚ電
流１２Ａ、Ｉ２Ｂ及び第２信号電流ｌ２Ｃ１１２Ｄをそ
れぞれ信号処理する信号処理回路３１Ｂ、３１Ｄとが設
けられている。

そして、これら各信号処理回路３１Ａ、３１Ｂ１３１Ｃ
１３’ｌＤの出力はＡ／Ｄ変換回路４４を介して演口回
路４６に入力されている。

また、この演算処理回路３２は、ビーム偏向器７０の周
波数と回転角を決めるための発振回路５４と、この発振
回路５４の出力に基づきビーム偏向器７０を回転駆動す
る駆動回路５６とが設けられ、ビーム偏向器７０の動作
を制御している。

また、偏向走査位置を検出覆るため、前記発（辰回路５
４の出力はＡ／Ｄ変換回路４４を介して演　　−亦回路
４６にも入力されている。

この演算回路４６は、前記信号処理回路３１を介して入
力される受光素子１６Ａ及び１６Ｂの出）ｙを、基本的
には前記第１実施例と同様の処理方式を用いて選択また
は平均化して、被測定面１０上にお（）る光ビーム１０
０の照射スポット位置座（票（Ｘ、Ｚ）を演算する。

また、この演算回路４６は、第１の傾き演亦部として殿
能し、信号処理回路３１Ａ、３１Ｂから出力される各受
光素子１６Ａ、１６Ｂの受光量を比較することにより、
Ｘ軸を回転軸とする被測定面１０の傾き方向を判定する
こともできる。

ざらに、前記演算回路４６は、第２の傾き演算部として
機能し、第１５図に示すように、被測定面１０上におけ
る光ビーム走査経路の両端座標Ｏ（Ｘ、Ｚ）、Ｏ’　　
（Ｘ’　、Ｚ’　）を用いることにより、Ｙ軸を回転軸
とする被測定面１０の傾き角θを次式に基づき求めるこ
とができる。

このようにして、本実施例の装置によれば、被測定面１
０までの距離Ｚのみならず、Ｘ軸及びＹ軸を回転軸とし
た被測定面１０の傾きも同時に測定することが可能とな
る。

なお、本実施例の装置は、演算処理回路４６を用いて、
各受光素子１６Ａ及び１６Ｂの受光量を判別する受光ｎ
１判別部と、被測定面１０までの路頭ＩＺを演算する距
離演算部と、ＸＩ￥ｌｌ１ｌを回転軸とした被測定面の
傾きを判別する傾き演算部と、Ｙ軸を回転軸とする被測
定面の傾きを演算する傾き演掠部とを、ソフトウェア的
に構成した場合を例にとり説明したが、本発明はこれに
限らずこれら各部をハードウェア的に形成することも可
能である。

用途 第１６図には、本発明に係る距離測定装置の用途の具体
例が示されており、本実施例の距Ｒ１測定装置は、例え
ば多関節ロボツ１−８０の先端に、本発明の装置に用い
られるプローブ２０を取りイ」けることにより、同図に
示すように自動作用プレス部品、ホワイトボディ等の寸
法測定を行うことができ、またこれ以外にも例えばプレ
ス金型、その他の機械部品等の寸法測定を、非接触で高
速、高精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式距離測定装置の原理説明図
、 第２図は第１図に示す演算回路の動作を示すフローチャ
ー１〜図、 第３図は各受光素子の受光量と距離演算動作との関係を
示す説明図、 第４図は被測定面が反射率の高い拡散面である場合の距
離演算動作の一例を示す説明図、第５図は被測定面が反
射率の低い拡散面である場合の距離測定動作の一例を示
ず説明図、第６図及び第７図は被測定面が金属面である
場合の距離演算動作の一例を示す説明図、第８図は被測
定面１０の傾き判定動作の概略説明図、 第９図は本発明の好適な第１実施例を示す説明図、 第１０図は第９図に示す受光部の概略説明図、第１１図
及び第１２図は本発明の好適な第２実施例の説明図、 第１３図〜第１５図は本発明の好適な第３実施例を示す
説明図、 第１６図は本発明の装置の用途の具体例を示す説明図、 第１７図は金属面及び完全拡散面に対する光ビームの反
則特性を示す説明図、 第１８図及び第１９図は反射光と受光部との４口封位置
関係を示１説明図、 第２０図は受光面上に結像された集光スポラ１−の強度
分布説明図、 第２１図は拡散面と金属面の反射構造の説明図、第２２
図１、未従来の光学式距離測定装置の概略Ｍ（明図、 第２３図は受光素子に用いられるＰＳＤの電気回路図、 第２４図〜第２８図は被測定面を傾けた場合の説明図で
ある。 １０　・・・　被測定面 １２　・・・　受光部 １４△、１４Ｂ　　・・・　集光レンズ１６へ、１６Ｂ
　　・・・　受光素子 １６ａ　　・・・　受光面 ２２　・・・　投光部 ３０　・・・　）寅樟処理回路 ４６　・・・　演算回路 ７０　・・・　ビーム偏向器 ７２　・・・　鍋内レンズ １００　　・・・　光ビーム ２００　　・・・　反射光 ＳＰ　　・・・　スペックル。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定面に向け光ビームを投光する投光部と、 前記光ビームの両側に左右対称に配置された一対の集光
   レンズを有し被測定面からの反射光を集光する一対の集
   光系と、 反射光の集光スポット像を受光するよう、前記各集光系
   の集光面上に位置して受光面が設けられ、前記集光スポ
   ット像の光量に比例しかつその受光位置に対応した位置
   信号を出力する一対の受光索子と、 を含み、 前記受光素子は、その受光面の延長線が、被測定面に入
   射する光ビームの光軸と、前記集光レンズ面の延長線と
   の交点と交わるよう受光軸に対して所定の傾きを持って
   配置され、しかも被測定面までの距離に対応して変化す
   る集光スポット像の受光位置に応じ増加減少する２種類
   の信号電流を出力する位置検出素子を用いて形成され、 各位置検出素子の出力信号に基づき被測定面までの距離
   を測定することを特徴とする光学式距離測定装置。
2. （２）被測定面に向け光ビームを投光する投光部と、 前記光ビームの両側に左右対称に配置された一対の集光
   レンズを有し被測定面からの反射光を集光する一対の集
   光系と、 反射光の集光スポット像を受光するよう、前記各集光系
   の集光面上に位置して受光面が設けられ、前記集光スポ
   ット像の光量に比例しかつその受光位置に対応した位置
   信号を出力する一対の受光素子と、 各受光素子の出力信号に基づき被測定面までの距離及び
   被測定面の傾きを演算出力する演算処理回路と、 を含み、 前記受光素子は、その受光面の延長線が、被測定面に入
   射する光ビームの光軸と、前記集光レンズ面の延長線と
   の交点と交わるよう受光軸に対して所定の傾きを持って
   配置され、しかも被測定面までの距離に対応して変化す
   る集光スポット像の受光位置に応じ増加減少する２種類
   の信号電流を出力する位置検出素子を用いて形成され、 前記演算処理回路は、 前記各位置、検出素子の出力信号に基づき各素子の受光
   量が最適受光範囲内にあるか否かを判別する受光量判別
   部と、 一方の位置検出素子の受光量のみが最適受光量である場
   合には、その位置検出素子の出力に基づいて被測定面ま
   での距離を演算出力し、双方の位置検出素子の受光量が
   最適受光量である場合には、これら双方の位置検出素子
   の出力から求まる距離の平均値を被測定面までの距離と
   して演算出力する距離演算部と、 各位置検出素子の受光量を比較し被測定面の傾きを演算
   する傾き演算部と、 を含み、被測定面までの距離及び被測定面の傾きを同時
   に測定することを特徴とする光学式距離測定装置
3. （３）被測定面に向け所定方向に偏向走査される光ビー
   ムを投光する偏向投光部と、 前記投光部の両側に左右対称に配置された一対の集光レ
   ンズを有し、被測定面からの反射光を集光する一対の集
   光系と、 反射光の集光スポット像を受光するよう、前記各集光系
   の集光面上に位置して受光面が設けられ、前記各集光ス
   ポット像の光量に比例しかつその受光位置に対応した位
   置信号を出力する一対の受光素子と、 各受光素子の出力信号に基づいて被測定面までの距離及
   び被測定面の傾きを演算出力する演算処理回路と、 を含み、 前記各受光素子は、その受光面の延長線が、被検知物体
   に入射する光ビームの光軸と、前記集光レンズ面の延長
   線との交点と交わるよう、受光軸に対して所定の傾きを
   持って配置され、しかも被測定面までの距離に対応して
   変化する集光スポット像の受光位置に基づき増加減少す
   る２種類の第１信号電流と、光ビームの偏向走査に対応
   して変化する集光スポット像の受光位置に基づき増加減
   少する２種類の第２信号電流と、を出力する二次元位置
   検出素子を用いて形成され、 前記演算処理回路は、 各位置検出素子の出力する第１信号電流に基づき各素子
   の受光量が最適受光量であるか否かを判別する受光量判
   別部と、 一方の位置検出素子の受光量のみが最適受光量である場
   合には、その位置検出素子の出力に基づいて被測定面ま
   での距離を演算出力し、双方の位置検出素子の受光量が
   最適受光量である場合には、これら双方の位置検出素子
   の出力から求まる距離の平均値を被測定面までの距離と
   して演算出力する距離演算部と、 各位置検出素子の受光量を比較し、被測定面の一方向の
   傾きを判別する第１の傾き演算部と、被測定面上の少な
   くても２個所の偏向走査位置における測定距離から被測
   定面の他方の傾きを演算する第２の傾き演算部と、 を含み、被測定面までの距離及び被測定面の２方向の傾
   きを測定することを特徴とする光学式距離測定装置。