JPS63225116A - 光学式変位測定装置 - 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】 ［技術分野］ 本発明は、投光源から対象物体に光ビームを照射し、そ
の反射光を位置検出センサにより受光して三角測距を行
なうことにより、対象物体までのである。

【背景“技術Ｊ 一般にこの種の光学式変位測定装置は、第７図に示すよ
うに、半導体レーザや発光ダイオード等の光ビームを発
生する投光源１と、光ビームを絞る投光レンズを有した
投光光学系２と、光ビームの対象物体３での反射光を集
光する受光レンズよりなる受光光学ｊ１％５と、受光光
学系５の結像面に配設されたＰＳＤ等の位置検出センサ
６とから構成されている。この光学式変位測定装置は、
対象物体３の位置が変化すると、位置検出センサ６の受
光面に形成される光スポットの位置が変化することを利
用して三角測距により対象物体３までの距離を検出する
ようになっている。すなわち、対象物体３が第７図図中
上位置しているときには、位置検出センサ６上のａ位置
に受光スポットが形成され、対象物体３が第７図中Ｂに
位置しているときには、位置検出センサ６上のｂ位置に
光スポットが形成されるから、位置検出センサ６の受光
面−泊６本ブイ１し消音脣す鰭山＋１−レｌゆトｉ三角
測距法により対策物体３までの距離を知ることがで慇る
のである。

ところで、紙のように完全に散光する対象物体３に光ビ
ームを照射すると、反射光はランバートの法則に従って
分布する。このような反射光は距離の自乗に反比例しで
光量が減少するのであって、対象物体３との距離や受光
光学系の口径によっても異なるが、一般には投光側の光
量のうち受光光学系５を通過できるのは１０−３〜１０
−４程度の割合となる。

一方、投光側の光ビームは第６図に実線で示すような強
度分布を有している。ここに、投光光学系２を焦点距離
が６Ｈの凸レンズで溝成し、投光光学Ｍ２から５０ｚｍ
の位置に光ビームを照射した状態の強度分布を測定した
。一般にビーム径は、強度が極大値の１／ｅ２となると
なるときの径を意味し、上記条件設定では０　、７　ｗ
ｙｔ程度となっている。また、強度が１０−”〜１０−
４程度の割合となる部分の径は２．５〜６ｉｖとなって
いる。対象物体３が完全に散光する場合には上述したよ
うに、反射光が受光光学系５に到達する前にさらに強度
が１０−３〜１０−４程度の割合に滅裂するからなんら
問題は生じない。しかしながら、対象物体３が光沢面で
あると、第８図に破線で示すように、正反射が生じ、こ
の正反射光はあまり滅貨せずに受光光学系５に到達する
のであり、実線で示すように散乱して受光光学系５に入
射する光ビームと、破線で示すように正反射して受光光
学系５に入射する光ビームとがほぼ同じ強度となり、両
党ビームによる受光スポットが形成されることとなり、
測定誤差の原因となっていた。また、光沢面を有する対
象物体３が傾いている場合にら大きな誤差が生じる。

［発明の目的］ 本発明は上述の点に鑑みて為されたものであって、その
目的とするところは、投光側において強度分布のすそ部
分を除去した光ビームを形成することにより、測距精度
を向上させた光学式変位測定装置を提供することにある
。

［発明の開示］ （構成） 本発明に係る光学式変位測定装置は、光ビームを発生す
る投光源と、光ビームを対象物体に照射する投光光Ｆ系
と、光ビームの対象物体での反射光を集光する受光光学
系と、受光光学系の結像面に配設され受光スポットの位
置に呼応して電流出力が得られる位置検出センサとを！
４：備し、投光光学系は光ビームを絞る投光レンズと、
投光レンズを挾んで投光源とは反対側に配設され光ビー
ムの対象物体への照射範囲を制限する開口部が形成され
たアパーチュアとを有しで成るものであり、投光側にお
いて対象物体への光ビームの照射範囲を制限することに
より、誤差要因となる光ビームのすそ部分の反射光を除
去し、もって測定誤差を防止できるようにしたものであ
る。

（実施例） 第１図および第２図に示すように、半導体レーザや発光
ダイオード等の光ビームを発生する投光源１と、光ビー
ムを対象物体３に照射する投光光１！１１！ス９シシ壱
番ヂ七ｎ　カ半半堂ス９１十亭Ｖ−人を細く絞る投光レ
ンズ２ａと、投光レンズ２ａを挟んで投光源１とは反対
側に配設され対象物体３に照射される光ビームの照射範
囲を制限するスリット４を有したアパーチュア２ｂとで
構成される。

すなわち、第１図に破線で示すように、スリット４に上
り光ビームの広がりが制限されるのである。

光ビームの広がりの制限を大きくするには、投光投光レ
ンＸ’　２　ｍと７パーチエ７２ｂとの距離を離せばよ
い、対象物体３で反射された光ビームは、反射光を集光
する受光レンズを備えた受光光学系５を通して、ＰＳＤ
よりなる位置検出センサ６の受光面に結像する９位置検
出センサ６は投光部と受光部とを含む平面（第１図にお
ける紙面）内での位置変位が検出できるように配設され
る。

ところで、位置検出センサ６は、第５図（ａ）に示す構
造を有し、第５図（ｂ）に示す等価回路を有したｐｉｎ
構造の７オトダイオードであって、受光面にスポット光
が照射されると、高抵抗の９層が光の輝度重心位置（第
５図（ａ）中に矢印で示している）と両端電極ＰＩ−Ｐ
２までの距離に逆比例して分割されるようになっている
のである。すなわち、各電極Ｐ、、Ｐ２から取り出され
る電流がそれぞれ１、、Ｉ２であり、全電流が１であり
、両電極Ｐ１゜２２間の抵抗がＲｓであるとすると、 １　＋＝　Ｉ　Ｒ１／Ｒｓ １２＝　Ｉ　Ｒ，／Ｒｓ となるようにｐ層が分割されるのである。したがって、
両端電極間の中心位置を原点として光スポットが第１の
電極Ｐ１側に、４Ｉｘ偏った位置に照射されているとす
ると、以下の式が成立する。

Ｉ　＋　＝Ｉ　Ｘ　（Ｌ　／　２　＋ａｘ）／　Ｌｒ　
２　＝　Ｉ　Ｘ　（’Ｌ　／　２　４Ｘ）／　Ｌここに
、Ｌは両電極Ｐ１．Ｐ２間の距離である。すなわち、 −に＝Ｌ（Ｉ　ｌ−Ｉ　２）／２　（１、＋　Ｉ　２）
となり、電極Ｐ６．Ｐ１間の距離りと、各電極Ｐ　ＩＩ
Ｐ２から取り出される電流値ｒ、、ｒ、とがわかれば受
光面上での受光スポットの位置を知ることができるので
ある。

以下に対象物体３までの距離を検出する回路部シミにつ
いて説明する。ｐＩＳ６図に示すように、発振回路１１
の出力を変調回路１２により変調しでレーザ駆動回路１
３を制御し、投光源１であるレーザ発光素子１４より変
調された光ビームを放射する。この光ビームは投光光学
系２を通して対称物体３に照射される。一方、反射光は
位置検出センサ６で受光され、その出力電流ｒ、、ｒ、
はそれぞれＩ／Ｖ変換回路２１．．２１□により電流−
電圧変換され、バイパスフィルタ２２．．２２２により
変調されでいる成分のみが抽出される。バイパスフィル
タ２２．．２２２の出力は発振回路１１と同期して検波
を行なう検波回路２３．．２３□により検波され、ロー
パスフィルタ２４．．２４□を通して雑音成分が除去さ
れる。ローパスフィルタ２４□２４２の出力は減算回路
２５、加算回路２６、および割算回路２７よりなる演算
部により距離の演算が行なわれる。すなわち、８Ｊイ回
路２７の出力としては、（Ｉｔ　　Ｉｔ）バＩ　、＋　
ｒ　、）が得られる。割算回路２７の出力はりニアライ
ズ回路２８により出力イε号の直線化がなされ、この出
力が変位出力となるのである。

投光レンズ２ａとして焦点距離６１ｗＩＩ＋の凸レンズ
を用い、投光レンズの前方１０ｉ＋ｔの位置に、２ｚｚ
Ｘ１０ｍｍのスリット４を有する７パーチエア２ｂを配
設したところ、第４図に破線で示すようなビームの分布
強度が得られた。ここに、スリット４はその長手方向が
第１図の紙面に対して直交するように配設した。この図
から明らかなように、アパーチュア２ｂを設けることに
よりビーム径はアパーチュア２ｂを設けない場合と変わ
らず、ビームのすそ部分の広がりのみが制限された。上
記条件において投光レンズ２ａから５０１１Ｒの位置を
中心として対象物体３を投光レンズ２ａに対して前後１
０ｚｍの幅で移動させたところ、第３図に破線で示すよ
うな結果が得られた。第３図の縦紬は誤差の程度を示し
ており、実線で示すようにスリツ）２ｂがない場合に比
較して測定誤差がかなり減少したことがわかる。

上記実施例において第１図の紙面に直交する方Ｊ−−−
−１１１ムー鳴、−−１６＋１＋πシーｂ！ているのは
、測定誤差に影響するのは位置検出センサ６の電極間を
結ぶ方向におけるビームの広がりであって、その方向に
対し直交する方向でのビームの広がりは問題ないのであ
るから、受光量ができるだけ多くなるようにしたもので
ある。したがって、受光量に問題がなければ、７パーチ
エア２ｂの開口形状を円形としてもよい。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、光ビームを発生する投光源と、
光ビームを対象物体に照射する投光光学系と、光ビーム
の対象物体での反射光を集光する受光光学系と、受光光
字系の結像面に配設され受光スポットの位置に呼応して
電流出力が得られる位置検出センサとをＪ％傭し、投光
光学系は光ビームを絞る投光レンズと、投光レンズを挟
んで投光源とは反対側に配設され光ビームの対象物体へ
の照射範囲を制限する開口部が形成されたアパーチュア
とを有して成るものであり、アパーチュアの開口部によ
り光ビームの広がりを制限しているから、？１１″Ｆθ
士りゆトｎ６本薫りゆスｎｔナス半Ｖ−人りずノＪ）九
・ｌなり、その結果、正反射光による測定誤差を防止で
きるという利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

１図は本発明の一実施例を示す概略ＮＩＩ威図、第２図
は同上の要部斜視図、第３図および第４図は同上の動作
説明図、第５図（、）（ｂ）はそれぞれ同上に使用する
位置検出センサを示す断面図、および等価回路図、第６
図は同上のブロック回路図、第７図は従来例を示す概略
構成図、第８図は同上の問題点を示す動作説明図である
。 １は投光源、２は投光光学系、２ａは投光レンズ、２ｂ
はアパーチュア、３は対象物体、４はスリット、５は受
光光学系、６は位置検出センサである。 代理人　弁理士　石　１）艮　七 １・・・投光源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビームを発生する投光源と、光ビームを対象物
   体に照射する投光光学系と、光ビームの対象物体での反
   射光を集光する受光光学系と、受光光学系の結像面に配
   設され受光スポットの位置に呼応して電流出力が得られ
   る位置検出センサとを具備し、投光光学系は光ビームを
   絞る投光レンズと、投光レンズを挟んで投光源とは反対
   側に配設され光ビームの対象物体への照射範囲を制限す
   る開口部が形成されたアパーチュアとを有して成ること
   を特徴とする光学式変位測定装置。