JPS63142210A - 距離測定方法及びその装置 - 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〕 この発明は、物点までの距離を非接触で測定する距離測
定方法及びその装置に関する６〔従来の技術〕 物点までの距離を光学系を用いて非接触で測定するには
、従来第１５図に示すような三角測距法が用いられてい
た。

これを簡単に説明すると、第ルンズ１と第２レンズ２と
を基線長Ｂだけ隔てて配置し、レーザダイオード３から
発するレーザ光を第ルンズ１により測距しようとする物
体上の物点Ｐに照射し、物点Ｐからの反射光を第２レン
ズ２でＣＯＤ等のイメージセンサ４上に結像させて像点
Ｐ′の光軸０２からの距離χを検出する。

二こで、第２レンズ２の焦点距離をｆとすると。

第ルンズ１から物点Ｐまでの距離Ｓは次式で算出される
。

ｆ Ｓ＝− イマ、センサ４の検出精度（イメージセンサ４の受光エ
レメントのピッチを示す）をεとすると、測距精度１Δ
Ｓ１は となり、イメージセンサ４の検出精度εを一定とすると
、距離測定の精度は、第１．第２レンズ１゜２間の基線
長Ｂと第２レンズ２の焦点距離ｆに比例して向上し、物
点までの距離Ｓの自乗に比例して悪くなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来の距離測定方法にあって
は、測距精度を向上させるには、第２レンズ２の焦点距
離ｆと第１．第２レンズ１，２間の基線長Ｂを大きくし
なければならないので距離測定装置が大きくなると共に
、物点Ｐまでの距にＳが遠くなると、測距精度は距離Ｓ
の自乗に比例して急激に劣化するという問題点があった
。

この発明は、このような従来の問題点を解決し得る距離
測定方法及びその装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのため、この発明による距離測定方法及びその装置は
、第１の発明では、第１の光軸を有する第１の光学系と
、この第１の光軸から所定距離を隔てて平行する第２の
光軸を有するテレセントリックな第２の光学系とを、第
１の光学系の後側前平面を第２の光学系の前側焦平面に
一致させて配置し、測距すべき物点を第１の光軸上に位
置させ。

この物点の第１．第２の光学系による像点の第２の光軸
からの距離を検出し、この第２の光軸からの距離と、第
１．第２の光学系の焦点距離及び第１、第２の光軸間の
距離から物点までの距離を算出するものである。

また、第２の発明は第１の発明を実施するための装置で
あって、第１の光軸を有する第１の光学系と、この第１
の光軸から所定距離隔てて平行する第２の光軸を有し、
第１の光学系あ後側前平面位置に前側焦平面を一致させ
た第２の光学系と、この第２の光学系の前側焦点の周辺
に設けられ。

この第２の光学系をテレセントリックにする絞りと、こ
の第２の光学系の後側焦点の近傍に設けた光電変換セン
サと、この光電変換センサからの出力信号を演算処理す
る演算手段とを設けたものである。

ここで、焦平面とは焦点を含んで光軸に直交する平面を
意味する。

〔作　用〕

上記のように構成した距ｍ測定装置を測定すべき物点に
正対させ、第１の光軸上に物点が位置するようにする。

この状態で物点の第１．第２の光学系にょる光電変換セ
ンサ上の像点の第２の光軸からの距離をこのセンサから
の出力信号により検出し、この値と第１．第２の光学系
の各焦点距離及び第１．第２光軸間の距離を所定の算出
式に投入して演算手段により処理することにより、物点
までの距離を知ることができる。

〔実　施　例〕

以下、添付図面の第１図乃至第１４図を参照してこの発
明の詳細な説明するが、説明を簡略化するために、以下
の光学系は曲率半径に比して厚さがきわめて薄いレンズ
系であり、その前側主点と後側主点とは共にレンズの中
心すなわち光心に一致し、前側焦点距離は後側焦点距離
に等しいものと仮定する。

第１図は、この発明による距離測定装置の光学系を示し
ている。

１は第１の光軸○、を有して第１の光学系を構成する第
２レンズ２は第１の光軸０１がら所定距離隔てて平行す
る第２の光軸０２を有して第２の光学系を構成する第２
レンズである。

そして、第ルンズ１の後側前平面と第２レンズの前側焦
平面とを一致させて配置し、第２レンズ２の前側焦点Ｆ
２の周辺に開口径の小さい絞り５を設けて第２レンズ２
をテレセントリックな光学系とする。

また、第２レンズ２の後側焦点Ｆ２／の近傍に第１．第
２の光軸０□、０２に直交してＣＣＤ（チャージ・カッ
プルド・ディバイス）やＰＳＤ（ポジション・センシテ
ィブ・ディバイス）等の光電変換センサであるイメージ
センサ４を設ける。

ここで、第ルンズ１の焦点距離をｆｘ＋その半径をり、
、第２レンズ２の焦点距離をｆ２Ｆその半径をｈ２．第
１．第２の光軸０１，０２間の距離をＲ、イメージセン
サ４の第２の光軸０２からの長さを図で下側１１４’を
上側ｈ４′、全長を６４１分解能をε、絞り５の径を２
ｒ、第１．第２レンズの主点をＨｌ、Ｈ，とする。

今、第１の光軸０１上の第ルンズ１から距離Ｓ（前側焦
点Ｆ１から距離Ｓ）にあるレーザ光で照射された物点Ｐ
の反射光が、第１．第２レンズ１．２によってイメージ
センサ４上の点Ｐ′に至る場合について考える。

この時、第２レンズ２はテレセントリックであるので、
第２図に示すように、物点Ｐから第ルンズ１を経て絞り
５を通過する光束マは第２レンズ２によってその主光線
Ｐｒに関して対称に進み。

その像面は主光線Ｐｒとイメージセンサ４の交点Ｐ′に
関して対称となる。

したがって、イメージセンサ４としてＣＯＤを用いた場
合、各ピクセルの出力Ｉは第３図に示すように中心距離
Δで最高となり、その両側で対称形を画いて次第に低下
し、その中心距離Δ。はΔ。＝Δ１＋（Δ、＋Δ２）／
２ で求めることができる。

なお、ＰＳＤを用いた場合は、光量分布の中心Δ。に対
応した出力が得られるので、そのΔ。の値をそのまま用
いることができる。

第４図は、第１図に示した光学系において、物点Ｐから
出た光線ρが第ルンズ１により屈折して第２レンズ２の
後側焦点Ｆ２を通り、さらに第２レンズ２により屈折し
て第２の光軸０□に平行に進んでイメージセンサ４上の
点Ｐ′に達し、且つ、物点Ｐから第ルンズ１の点Ｃに到
る光線ρが第ルンズ１の前側焦点Ｆ４を出て第ルンズに
より屈折して第２の光軸０□上を進む光線ρ。

に平行している場合を示している。ΔＰＣＨ，とΔＦ、
ＤＨ，の相似関係から またΔＦ、ＣＤとΔＦ、　Ｅ　Ｈ，との相似関係から（
ａ）、（ｂ）両式から ｆ、Ｒ ここで５＝ｆ１＋５　であるので 但し、Δは図で上向きの時正とする。

また、イメージセンサ４の検出精度（分解能）をεとす
ると、その測定精度１δＳ１はｆ、Ｒ 第５図は、第１図に示す光学系の一部を拡大して示すも
ので、第ルンズ１による物点Ｐ（第１図参照）の像Ｐ１
′の後側焦点Ｆ□′からの距離をＳ′とすると、ニュー
トンの公式からｓ　ｓ’　＝ｆ、”　　　　　　　　　
　（ａ）またΔＰ１’Ｆ１’Ａ’とΔＰ１’Ｈ１’Ｃ’
　との相似関係から 但し、Ｃ′は絞り５の上限Ａ′を通る物点Ｐからの光線
が第ルンズ１に入射する入射高さとする。

（ａ）式と（ｂ）式からＳを求めると Ｒ＋ｒ この距離Ｓは、第２レンズ、２がテレセンドリンクとな
るための最大値を示すものであり、第１図に示す光学系
により測距可能なワークエリアＳはＲ＋　ｒ　　　　　
Ｒ＋　ｒ となる。

（Ｑ）式よりワークエリアを大きくするためには。

第１の光軸０１と第２の光軸０２との距離Ｒと絞り５の
半径ｒを小さくし、第ルンズ１の焦点距離ｆ１とその半
径ｈ１を大きくすればよいことが分る。

ここで、（ｂ）式から距離Ｓ′を求めると。

次に、第１図に示す光学系の後半部を示す第６図におい
て、像Ｐ１′の第２レンズ２による像Ｐ２′までの後側
焦点Ｆ２′からの距離をＳ′とすると、 ｓ’　　ｓ’　＝ｆ、”　　　　　　　　　　　　（ｅ
）であるから、 Ｓ′ これに（ｄ）式を代入すると、 Ｒ＋ｒ　　　　　ｆ□ また、第２レンズ２による像点Ｐ２′の点Ｐ１′に対す
る倍率βは β＝□ Ｓ′ であるので、像点Ｐ２′から第２の光軸０．までの距離
Ｒ′は ところで、ΔＦ、Ｈ，ＥとΔＰ１’ＪＦ、との相似関係
から Ｒ ｆ、ｓ’ すなわち。

Ｓ′ であるから、（ｇ）式のＲ′の値は主光線が第２レンズ
２に入射する入射高に等しくなり、Ｐ、　’Ｅは第２光
軸０２に平行である。

さて、次に絞り５の上限Ａ′を通過した光線の第２レン
ズ２への入射高ｈ２′及びイメージセンサ４への入射高
ｈ４′及びｈ４′を求める。

ΔＰよ’Ｆ、Ａ’　とΔＰ１’ＥＧとの相似関係から ΔＰ２’ＥＧとΔＰ’ＫＭとの相似関係からり、’＝Ｑ
＋ａ ｈ、’＝Ｑ＋ｂ これに（ｈ）式を代入すると Ｓ′ （ｋ）式、（１）式及び（ｅ）式より この（ｍ）式及び（ｎ）式を（ｋ）式及び（１）式に代
入して（ｂ）式を用いると また。像点Ｐ′の最大径はワークエリア最大位置にある
像点の径、すなわち２（ｈ４′−Ｑ）である、この式に
（ｄ）式（ｈ）式及び（ｐ）式を用いると、 さらに、物点Ｐが第ルンズ１の前側焦点Ｆ工の内側にあ
る時を考えると、この場合は第７図に示すようにすべて
の位置で第２レンズ２のテレセントリック条件を満足さ
せることができ、その極限位置は第８図に示すように、
物点Ｐが第ルンズ１の主点Ｈ工に一致した状態である。

第８図において、物点Ｐから発した光線が絞り５の上限
Ａ′を通って第２レンズ２に入射高ｈ２′で点Ｇ′に入
射した後屈折して、イメージセンサ４上の点Ｐ′に達す
るものとし、第２の光軸０□から点Ｐ′までの距離をｈ
４７１とすると、ΔＰＧ’にとΔＦ、に’　Ｈ，の相似
関係から ｆ□＋ｆ、　　　　　ｒ２ したがって、イメージセンサ４の全長ｈ４は（１）式及
び（ｒ）式より。

第２レンズ２の半径ｈ２は、ｈ２′とｈ２′の大きい方
、 ｂｔ　＝ｍａｘ（ｂ、　’　ｔ　ｈａ　’　）　　　　
　　　（ｅ）である。

また、第８図において。

ｓｓ’　＝ｆ、”、　　５＝ｆ２ であるので、 ｓ’　＝ｆ、　　　　　　　　　　　　　　（ｔ）とな
る。

以上の結果をまとめると、 ■　物点Ｐの第２レンズ２の主点Ｈ１からの距離Ｓは、 但し、Δは第１図で第２の光軸ｏ２から上にある時正と
する。

■　測距精度１δＳ１は、イメージセンサ４の分解能を
Ｅとすると。

となって測距精度は物点までの距離Ｓに拘らず一定とな
る。

■　物点Ｓの測距可能域Ｓは。

■　像点Ｐ′の最大径δφは、 このδφの値は小さい方が高精度が得られる。

■　イメージセンサ４の全長ｈ４は。

■　第２レンズ２の半径ｈ２は、 ｈ、＝ｍａｘ（ｈ、’　、ｈ、’　）　　　　　　（６
）但し。

ｆ。

ここで、さらにイメージセンサ４の有効長と分割数につ
いて考察する。

第８図において、物点Ｐが最近距離にある時の主光線に
よるイメージセンサ４の第２の光軸０□からの長さＪ２
４は、ΔＦ、　Ｈ，Ｋ’とΔＦ２ＭＨ□との相似関係か
ら Ｒｆ。

また、第６図から物点Ｐが最遠距離にある時の第２図の
光軸０２からの長さＱは（ｄ）式及び（ｆ）式より、 したがって、イメージセンサ４の有効長ρはイメージセ
ンサ４の分解能がＥであるから１分割数Ｎは、 となる。

前述の（３）式をこの分割数Ｎで割ると、Ｒ＋ｒ　　Ｎ
　　　Ｒ＋ｒ　　　Ｒｆ、ｈｌＲｆ。

となって（２）式を得ることができる。

いま、分解能０．３μｍ、全長１２ｍｍのイメージセン
サ４を用いて像径の直径が１ｎｕ＋＋どなるような光学
系を設計するものとし、イメージセンサ４の両端におけ
る余裕を０．２ｍｍとすれば、イメージセンサ４の有効
長βは ρ＝１２−０．７Ｘ２＝１０．６ したがって分割数Ｎは、 Ｎ＝１０．６１０．０Ｏ０３＝３５３３３これから色々
な測定精度δＳに対する測定可能範囲Ｓを求めると第１
表のようになる。

第１表 次に、第１０図以下を参照してこの発明を適用した距離
測定装置の具体例を説明する。

第１０図に示すものは、第１の光軸ｏ１を有する第ルン
ズ１と、第１の光軸０□に平行する第２の光軸０．を有
する第２レンズ２とを、それぞれの光軸０□、０□を距
離Ｒだけ離して設け、第ルンズ１の後側焦平面に第２レ
ンズ２の前側焦平面を一致させている。

また、第２レンズ２の前側焦点の周辺に開口径の充分に
小さい絞り５を設けて第２レンズ２をテレセントリック
な光学系とし、この第２レンズ２の後側焦点の近傍に第
１．第２の光軸０□、０□に直交してＣＣＤあるいはＰ
ＳＤ等のイメージセンサ４を設ける。

さらに、レーザダイオード３の光線を被測定物に照射す
る集光レンズ６、反射鏡７．８を設けて反射鏡８により
反射したレーザ光が第ルンズ１の中心を通って第１の光
軸０□上に位置する物点を照射し得るようにしている。

第１１図に示すものは１反射鏡９で反射したレーザ光が
第ルンズの前方でハーフミラ−１０によって第１の光軸
上にある物点を照射し得るようにし、物点からの反射光
がハーフミラ−１０を通って第ルンズ１に入射し得るよ
うにしたほかは第１０図と同様の構成を有している。

なお、上記の両実施例において、イメージセンサ４から
の出力信号は所定の演算を行う演算手段である演算部に
おいて上述の各式に従って演算処理された後、表示部に
表示されて物点までの距離その他必要な数値を知ること
ができるが、これらの方法は公知のものであるのでその
説明は省略する。

このような光学系と演算部及び表示部を筐体１１内に収
納することにより第１２図に示すような非接触マイクロ
メータを構成することができ。

物体の厚さを非接触で測定することができる。

この発明による距離測定方法の応用例として、常に物点
Ｐを一定の距離に保つ第１３図に示すような装置が考え
られる。この装置は、２分割セルからなるイメージセン
サ４を用い、第１４図に示すように物点の像点Ｐ′を第
１．第２のセル４ａｔ４ｂ上に結像させ、各セルからの
出力Ｖ、、Ｖ。

の和Ｖ、＋Ｖ、と差１ｖニーｖ２１をそれぞれ求める。

この和Ｖユ＋ｖ２をコンパレータにより予め定めた出力
値Ｖｒと比較し、差１ｖニーｖ８１と共にロジック制御
し、 Ｖ、＋Ｖ、＜Ｖｒ　　　の時は不定、すなわち制御不能 Ｖ、＋Ｖ、＞Ｖｒ　　　の時は ｌＶｘ　　ｖ２１≦ε　ならそのままでよく、Ｉ　Ｖｚ
　−Ｖｚ　　ｌ　＞　ｉ　　ナラＶ、＞Ｖ、　　　　　
　の時は十方向へ物点Ｐを移動させ。

ｖ　ｚ　＜　ｖ　ｚ　　　　　　の時は一方向へ物点Ｐ
を移動させる。

但し、εは位置決め精度で決まる量である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、この発明による距離測定方法及びそ
の装置は、第１の光軸を有する第１の光学系と、第１の
光軸から所定比離隔てて平行する第２の光軸を有するテ
レセントリックな第２の光学系とを、第１の光学系の後
側焦平面を第２の光学系の前側焦平面に一致させて配置
し、測距すべき物点の第１．第２の光学系による像点の
第２の光軸からの距離を検出し、この距離と、第１．第
２の光学系の各焦点距離及び第１第２の光軸間の距離か
ら物点までの距離を算出するので、ＷＭ定の精度は物点
までの距離に係らず、一定であり、従来の三角測距法の
ように距離が遠くなれば、測距制度が急激に劣化するも
のではない。

そのため、使用する光学系の設定如何でミクロンオーダ
からメートルオーダまでの広範囲の距離測定が可能とな
り、精度を向上させようとしても従来のように装置が極
端に大型化する恐れはない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の光学系を示す構成図。 第２図は第２の光学系をテレセンドリンクにする絞りの
作用を示す光路図。 第３図はイメージセンサ与して使用するＣＯＤの出力を
示す線図、 第４図は第１図に示した光学系による代表的な光路を示
す光路図。 第５図は第１図に示す光学系の一部を拡大して示す光路
図、 第６図は第１図に示す光学系の後半部の光路図、第７図
は物点が第ルンズの前側焦点の内側にある場合の光路図
、 第８図は物点が第ルンズの主点に一致した場合を仮想す
る光路図、 第９図はイメージセンサの一例を示す正面図、第１０図
はこの発明の具体的光学系の配置例を示す説明図、 第１１図は同じくその他の配置例を示す説明図、第１２
図はこの発明を適用した非接触マイクロメータを示す斜
視図、 第１３図はこの発明の応用例の光学系を示す説明図、 第１４図は同じくその検出回路の一例を示すブロック図
。 第１５図は従来の距離測定装置の光学系及びその光路を
示す説明図である。 １・・・第ルンズ（第１の光学系） ２・・・第２レンズ（第２の光学系） ３・・・レーザダイオード ４・・・イメージセンサ（光電変換センサ）５・・・絞
り　　　　　　　　６・・・集光レンズ７．８．９・・
・反射ｆｉ　　　１０・・・ハーフミラ−ｆ□・・・第
ルンズの焦点距離 ｆ２・・・第２レンズの焦点距離 Ｆ８・・・第ルンズの前側焦点 Ｆユ′・・・第ルンズの後側焦点 Ｆ２・・・第２レンズの前側焦点 Ｆ２′・・・第２レンズの後側焦点 ０１・・・第１の光軸　　　０２・・・第２の光軸Ｒ・
・・第１．第２の光軸間の距離 Ｐ・・・物点　　　Ｐ′・・・イメージセンサ上の像点
Δ・・・像点Ｐ′と第２の光軸との距離第１図 第３図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図 第１５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　第１の光軸を有する第１の光学系と、該第１の光軸
   から所定距離隔てて平行する第２の光軸を有するテレセ
   ントリツクな第２の光学系とを、上記第１の光学系の後
   側焦平面を上記第２の光学系の前側焦平面に一致させて
   配置し、測距すべき物点を上記第１の光軸上に位置させ
   、該物点の上記第１、第２の光学系による像点の上記第
   ２の光軸からの距離を検出し、該第２の光軸からの距離
   と上記第１、第２の光学系の各焦点距離及び上記第１、
   第２の光軸間の距離から、物点までの距離を算出するこ
   とを特徴とする距離測定方法。 ２　第１の光軸を有する第１の光学系と、該第１の光軸
   から所定距離隔てて平行する第２の光軸を有し、上記第
   １の光学系の後側焦平面位置に前側焦平面を一致させた
   第２の光学系と、該第２の光学系の前側焦点の周辺に設
   けられ、該第２の光学系をテレセントリツクにする絞り
   と、上記第２の光学系の後側焦点の近傍に設けた光電変
   換センサと、該光電変換センサからの出力信号を演算処
   理する演算手段とを設けたことを特徴とする距離測定装
   置。