JPS63292015A

JPS63292015A - 光学的距離検出装置撮像光学系の構成

Info

Publication number: JPS63292015A
Application number: JP12889487A
Authority: JP
Inventors: Masanori Idesawa; 正徳出澤
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1987-05-26
Publication date: 1988-11-29

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）本発明は光ビームの投射方向への距離を非接触で検出す
る光学的距離検出装置撮像光学系の構成に係わり、特に
、３次元形状計測機器等に用いるのに好適な直線性の良
い距離検出特性を有する光学的距離検出装置撮像光学系
の構成に関する。

（従来技術）３次元形状計測機においては接触型のプローブが広く用
いられている。接触法では変形したり、破壊されてしま
うような対象物の計測や、計測速度を向上させるための
対象物表面に光ビームを投射し腫点を生成し、それを異
なった方向から観測し、３角測量の原理に基づいて光ビ
ームの投射方向への距離を確定する方式の光学的なプロ
ーブが試みられている。

第５図および第６図に従来の光学的距離検出装置を示す
。第５図は結像光学系としてレンズを１吏用したもので
あり、第６図は結像光学系としてミラーを用いているも
のである。いずれの装置においても、光源Ｓによって発
生された光ビーム已によって物体○表面上に形成された
輝点ＴがレンズＬまたはミラーＭ１によって位置検出素
子Ｐ上に輝点像Ｉとして結（象される。物体０′の位置
に移動して輝点Ｔ′が形成されると、像位置検出素子Ｐ
上に形成される像Ｉ′は輝点Ｔに対する像Ｉと異なる位
置に形成され、これによって輝点Ｔ、Ｔ′の位置が検出
される。

（発明が解決しようとする問題点）従来かるの３角測量に基づいた光学的距離検出プローブ
においては、第５図および第６図に示されるように、撮
像光学系の撮像用レンズあるいは撮像用ミラーの光軸が
、光ビームの投射方向に対して垂直とはならないように
配置されていることが一般的であった。従って、従来の
光学的距離検出装置による距離検出特性は、第４図のよ
うに双曲線状となる。このため、像位置検出素子上の輝
点像の位ｆｆ１Ｘと部体表面までの距離２との間に線形
的な関係が成り立たない。また、観測面上での輝点の像
が、部体表面までの距離Ｚによって、ボケることがあっ
た。

（問題点を解決するための手段）上記の問題を解決するために、本発明では、光ビームの
投射方向と撮像レンズあるいは撮像ミラーの光軸とが等
価的に互いに垂直となるように構成したことを特徴とす
る。

なお、撮像レンズまたは撮像ミラーの物体側および像側
の少なくとも一方に上記条件を乱さないように、ミラー
あるいはプリズム光学系を配置すると大きさを最小限に
保つことができ好ましい。

（作　用）撮像光学系（撮像レンズまたは撮像ミラー）の光軸が、
光ビームの投射方向と実質的に垂直となるように構成す
ることにより、対象物表面上に生成される輝点の撮像光
学系の光軸方向への距離は変化しない。従って、最適結
像面の撮像系光軸方向への距離も一定となり、輝点位置
変化すなわち光軸方向への距離変化と最適結像面上にお
ける輝点像位置の変化との間には、常に比例関係が成立
し、直線性の良い距離検出特性が得られる。

（発明の効果）本発明によれば、光投射方向への距離変化と最適結像面
上における１象位置変化との間に常に比例関係が成立す
るので、距離検出可能な範囲全域に亙って直線性に極め
て優れた距離検出特性を有する距離検出装置を実現でき
る。

（実施例）以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するっ第１
ａ図および第１ｂ図に本発明に従う光学的距離検出装置
の原理的構成を示す。第１ａ図は撮像系に結像用レンズ
Ｌを用いた構成を示し、第１ｂ図は撮像系に結像用鏡Ｍ
を用いた構成を示している。第１ａ図において、撮像光
学系の光軸ＡＬが光ビームＢの投射方向に対し垂直にな
るように構成されている。この構成で、物体○が移動す
ると、光ビーム已によって生成される輝点Ｔは、光ビー
ム投射方向、すなわち撮像レンズＬの光軸Ａｔに垂直方
向にのみ移動するので、輝点Ｔの撮像レンズＬに対する
光軸方向の距離は変化しない。従って、輝点の（Ｈ，Ｉ
、Ｔ′の撮像レンズ光軸方向の結像位置も変化せず撮像
レンズＬに対し輝点Ｔと反対側の一定距離の面上に結像
する。つまり、この面上に像位置検出素子Ｐを配置すれ
ば、常に最適結像状態で輝点像位置を検出でき、しかも
このような結像系における撮像レンズ光軸Ａｔ　から輝
点Ｔ、Ｔ’までの距離と撮像レンズＬの光軸ＡＬから輝
点Ｔ、　　Ｔ’の像までの距離の比は、撮像レンズＬ物
体側節点から輝点Ｔまでの光軸方向距離（一定）と撮像
レンズ像側節点から像までの光軸方向距離（一定）の比
に等しく、常に一定の比となる。すなわち、物体のビー
ム投射方向距離と像位置検出素子Ｐによる輝点１象検出
位置との間には、直線的な関係が成り立つ。従って、第
３図に示すように光ビーム投射方向への距離変化ΔＺと
像検出位置変化ΔＸとの間には、比例関係が成り立つ。

第１図すにおける結像用鏡による撮像系を採用した場合
にも全く同様のことが８える。

第２図は、本発明に基づく直線的な距離検出特性を有す
る光学的距離検出装置を小型化するため、物体Ｏと撮像
レンズＬとの間および撮像レンズＬと像位置検出素子Ｐ
との間に鏡Ｍ＋　、Ｍ２　を配置した実施例を示してい
る。光ビームＢの投射方向を撮像レンズの鏡Ｍｌ　　に
対する鏡像として与えられる仮想禍（象レンズＬｖ　の
仮想光軸Ａ　Ｌ　Ｖ　＋　　に対して垂直な方向に選択
し、また、像位置検出素子Ｐの鏡Ｍ２　に対する鏡（象
Ｐｖ　が、撮像レンズ光軸方向の鏡Ｍ２　なしの時に輝
点像が結像する位置に配置することによって、第３図に
示した直線的距離検出特性を実現できる。これら物体と
撮像レンズ間および、撮像レンズと像位置検出素子間に
２枚以上の鏡を配置する場合についても、光ビーム投射
方向が等価的に撮像レンズ光軸に垂直方向となり、また
そのようにした時に輝点像が結像する位置に像位置検出
素子を配置することにより、第３図のように直線的な距
離検出特性を実現できる。

このような構成とすることにより、撮像レンズの光軸方
向の物理的な大きさを小さくすることができるため、本
発明による直線的な距離検出特性を有する光学的距離検
出器を著しく小さくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図および第１ｂ図は本発明に基づく光学的距離検
出装置の原理的構成を示す平図面、第２図は、結像光学
系に鏡を配置し、小型化を図った実施例の平面図、第３図は、本発明に基づく距離検出装置の基本特性を示
すグラフ、第４図は、従来から広く１吏用されている光学的距離検
出装置の距離検出特性を示すグラフ、第５図は、通常広
く用いられている３角測量の原理に基づく光学的距離検
出装置の基本構成を示す平図面、および第６図は、撮１象光学系に結像用鏡を用いた光学的距離
検出装置の基本構成を示す平図面。（符号の説明〉Ｓ・・・光ビーム投射手段、Ｂ・・・光ビーム、ＴＳＴ’・・・輝点、ＴｖＳＴｖ′・・・仮想輝点、０、Ｏ′・・・対象物体、Ｌ・・・撮像レンズ、Ａ、・・・撮像レンズ光軸、ＡＬＶｌ、ＡＬＶ２　・・・仮想撮像レンズ光軸、Ｍ・
・・撮像鏡、Ａ、・・・撮像鏡光軸、Ｐ・・・像位置検出素子、Ｐ、・・仮想像位置検出素子、 ■、Ｉ′・・・輝点像、ＩＶＳＩＶ′・・・輝点の仮想像。第２図第１ａ図第１ｂ図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光ビームを対象物体表面に投射して生成された輝
点を、撮像光学系によって観測面上へ投影結像し、前記
観測面上における輝点像の位置から、前記対象物表面ま
での距離情報を取得する光学的距離検出装置において、
前記撮像光学系の光軸が、前記光ビーム投影方向に対し
て垂直であることを特徴とする光学的距離検出装置撮像
光学系の構成。
（２）前記光軸が、前記対象物体表面と前記撮像光学系
との間に設置された鏡体によって形成される前記撮像光
学系の鏡像の光軸であることを特徴とする特許請求の範
囲第（１）項記載の光学的距離検出装置撮像光学系の構
成。