JP2009092535A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成において、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測する。
【解決手段】レーザ光源１４から出射されたレーザ光は、スプリッタ１５で向きの異なる二つの光線に分岐され、対象物２の表面上の異なる二つの位置にそれぞれ光スポットを形成する。測定処理部１６は、一次元撮像カメラ１７のリニアイメージセンサ１９の光検出パターンより二つの光スポットの、一次元撮像カメラ１７に対する方向を算定し、算定した二つの光スポットの一次元撮像カメラ１７に対する方向と、スプリッタ１５からの二つの光線の出射方向と、スプリッタ１５の位置と、一次元撮像カメラ１７の位置とにより、対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の二次元座標を、三角測量によって算定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物に照射した光をイメージセンサで検出し、対象物までの距離や対象物の変位を計測する光学式変位計に関するものである。

対象物に照射した光をイメージセンサで検出し、対象物までの距離や対象物の変位を計測する光学式変位計としては、図３に示すように、対象物１１０の表面にレーザ光を照射するレーザ光源１０１と、受光レンズ１０２とリニアイメージセンサ１０３とを備えた一次元撮像カメラ１０４とを備えた光学式変位計が知られている（たとえば、特許文献１）。

この光学式変位計では、対象物１１０の表面にレーザ光により形成されたスポットの、一次元撮像カメラ１０４のリニアイメージセンサ１０３上の結像位置より求まる、一次元撮像カメラ１０４に対する当該スポットの方向と、レーザ光源１０１に対する当該スポットの方向（レーザの照射方向）とに基づいた三角測量によって、対象物１１０の表面のスポット形成箇所までの距離や当該スポット形成箇所の変位を測定する。
特開2006-38571号公報

前述した特許文献１記載の技術によれば、対象物表面上の単一箇所についての距離や変位しか計測できないために、対象物の傾きなどを計測することができない。
一方、このような光学式変位計を複数用いて、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測するようにすれば、対象物の傾きなども検出することができるようになるが、このようにすると、装置の複雑化やコスト高を招くことになる。
そこで、本発明は簡易な構成において、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測することのできる光学式変位計を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、対象物上の点の変位または当該点までの距離を測定する光学式変位計に、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐する光分岐器と、前記対象物を撮影する１または複数のイメージセンサと、前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の位置座標を、前記イメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定する測位手段とを備えたものである。

ここで、このような光学式変位計は、前記測位手段において、前記複数の光点の位置座標より、前記対象物の傾きを算定するように構成してもよい。
このように、本発明は、光学式変位計に、レーザ光を前記対象物に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐する光分岐器を設けて、分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の位置座標を算定するようにしているので、単一のレーザ光源を用いた簡易な構成によって、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測することができる。

なお、以上の光学式変位計は、より具体的には、たとえば、前記光分岐器において、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、前記イメージセンサをリニアイメージセンサとすると共に、前記測位手段において、前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の二次元位置座標を、前記リニアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定するように構成してもよい。または、たとえば、前記光分岐器において、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、前記イメージセンサをエリアイメージセンサとすると共に、前記測位手段において、前記光分岐器によって分岐された三以上の光線によって前記対象物上に各々形成された三以上の光点の三次元位置座標を、前記エリアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定するように構成してもよい。

以上のように、本発明によれば、簡易な構成において、対象物表面上の複数箇所の距離や変位を計測することのできる光学式変位計を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。
まず、第１の実施形態について説明する。
図１に、本第１実施形態に係る光学式変位計１の構成を示す。
図示するように、光学式変位計１は、操作部１１、表示部１２、制御部１３、レーザ光源１４、スプリッタ１５、測定処理部１６、一次元撮像カメラ１７とを有する。また、一次元撮像カメラ１７は、受光レンズ１８とリニアイメージセンサ１９とを有する。
このような構成において、制御部１３は、操作部１１でユーザからの測定開始操作を受け付けたならば、レーザ光源１４を駆動し、レーザ光を出射させる。レーザ光源１４から出射されたレーザ光は、スプリッタ１５で向きの異なる二つの光線に分岐され、それぞれ対象物に出射され、対象物２の表面上の異なる二つの位置にそれぞれ光スポットを形成する。

ここで、スプリッタ１５としては、光回折格子を用いた光スプリッタや、プリズム型やプレート型のビームスプリッタや、ハーフミラーなどを用いることができる。
さて、一次元撮像カメラ１７において、対象物２の表面上に形成された二つの光スポットの像は受光レンズ１８によって、リニアイメージセンサ１９の受光面に結像される。
そして、測定処理部１６は、リニアイメージセンサ１９の光検出パターンより、リニアイメージセンサ１９の受光面上の二つの光スポットの結像位置を算定し、算定した結像位置より、対象物２の表面上の二つの光スポットの、一次元撮像カメラ１７に対する方向を算定する。そして、二つの光スポットの、一次元撮像カメラ１７に対する方向と、スプリッタ１５からの二つの光線の出射方向と、スプリッタ１５の位置と、一次元撮像カメラ１７の位置とにより、対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の二次元座標を、三角測量によって算定する。ここでは、図中に示したｘ、ｚ方向の座標（x1,z1),(x2,z2)を、光スポットの二次元座標として算定する。また、算定した対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の二次元座標（x1,z1),(x2,z2)より、対象物２のｘ方向についての傾斜(z2-z1)/(x2-x1)を算定する。ただし、常にx1＜x2となることが保証されるように、対象物２の最大傾きに対して、スプリッタ１５で分岐する二つの光線の方向は設定する。

そして、算定した対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の二次元座標と、対象物２のｘ方向についての傾斜とを表示装置に表示する。
以上、本発明の第１実施形態について説明した。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図２に、本第２実施形態に係る光学式変位計１の構成を示す。
図示するように、本第２実施形態に係る光学式変位計１は、図１に示した第１実施形態に係る光学式変位計１の一次元撮像カメラ１７に代えて、二つの二次元撮像カメラ１０９を備えると共に、スプリッタ１５において、レーザ光源１４から出射されたレーザ光を、向きの異なる三つの光線に分岐し、それぞれ対象物２に出射するようにしたものである。なお、このような三つの光線にレーザ光を分岐するスプリッタ１５は、たとえば、レーザ光を二つの光線に分岐するスプリッタ１５を複数段設けることなどにより実現できる。また、二次元撮像カメラ１０９は、受光レンズ１８と、エリアイメージセンサ１１０とにより構成されるものである。

さて、一次元撮像カメラ１７において、対象物２の表面上に形成された三つの光スポットの像は受光レンズ１８によって、エリアイメージセンサ１１０の受光面に結像される。
そして、測定処理部１６は、エリアイメージセンサ１１０の二次元光検出パターンより、エリアイメージセンサ１１０の受光面上の三つの光スポットの結像位置を算定し、算定した結像位置より、対象物２の表面上の三つの光スポットの、二つの二次元撮像カメラ１０９に対する方向を算定する。そして、三つの光スポットの、二つの二次元撮像カメラ１０９に対する方向と、二つの二次元撮像カメラ１０９の位置とにより、三角測量によって、対象物２の表面上の三つの光スポットの位置各々の三次元座標を算定する。ここでは、図中に示したｘ、ｚ、ｚ方向の三つの光スポットの座標（x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)を、当該三つの光スポットの三次元座標として算定する。ただし、二つの二次元撮像カメラ１０９間における、三つの光スポットの同定のために、たとえば、常にx1＜x2＜x3となることが保証されるように、対象物２の最大傾きに対して、スプリッタ１５で分岐する三つの光線の方向は設定するようにする。また、三つの光スポットが常に直線上に並ばないようにスプリッタ１５で分岐する三つの光線の方向は設定する。

また、算定した対象物２の表面上の二つの光スポットの位置各々の三次元座標（x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)より、対象物２のx 、ｙ方向それぞれについての傾斜を、たとえば、（x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3)の３点を含む平面の法線ベクトルｍ
ｍ=（(y2-y1)(z3-z1)-(y3-y1)(z2-z1), (z2-z1)(x3-x1)-(z3-z1)(x2-x1), (x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)）
を求めることにより算出する。

そして、算定した対象物２の表面上の３つの光スポットの位置各々の三次元座標と、対象物２のｘ、ｙ方向それぞれについての傾斜とを表示装置に表示する。
以上、本発明の第２の実施形態について説明した。
なお、本第２実施形態は、二次元撮像カメラ１０９を一つだけ設け、三つの光スポットの、二次元撮像カメラ１０９に対する方向と、スプリッタ１５からの三つの光線の出射方向と、スプリッタ１５の位置と、二次元撮像カメラ１０９の位置とにより、対象物２の表面上の３つの光スポットの位置各々の三次元座標を、三角測量によって算定するように構成してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように、本実施形態に係る光学式変位計１によれば、レーザ光を前記対象物２に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐するスプリッタ１５を設け、分岐された複数の光線によって前記対象物２上に各々形成された複数の光点の座標を算定するようにしたので、単一のレーザ光源１４を用いた簡易な構成によって、対象物表面上の複数箇所の距離や変位や対象物２の傾きを計測することができる。

本発明の第１実施形態に係る光学式変位計の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光学式変位計の構成を示す図である。 従来の光学式変位計の構成を示す図である。

符号の説明

１…光学式変位計、２…対象物、１１…操作部、１２…表示部、１３…制御部、１４…レーザ光源、１５…スプリッタ、１６…測定処理部、１７…一次元撮像カメラ、１８…受光レンズ、１９…リニアイメージセンサ、１０１…レーザ光源、１０９…二次元撮像カメラ、１１０…エリアイメージセンサ。

Claims (4)

1. 対象物上の点の変位または当該点までの距離を測定する光学式変位計であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる複数の光線に分岐する光分岐器と、
   前記対象物を撮影する１または複数のイメージセンサと、
   前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の位置座標を、前記イメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定する測位手段とを有することを特徴とする光学式変位計。
   
2. 請求項１記載の光学式変位計であって、
   前記測位手段は、前記複数の光点の位置座標より、前記対象物の傾きを算定することを特徴とする光学式変位計。
   
3. 請求項１または２記載の光学式変位計であって、
   前記光分岐器は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、
   前記イメージセンサはリニアイメージセンサであって、
   前記測位手段は、前記光分岐器によって分岐された複数の光線によって前記対象物上に各々形成された複数の光点の二次元位置座標を、前記リニアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定することを特徴とする光学式変位計。
   
4. 請求項１または２記載の光学式変位計であって、
   前記光分岐器は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、前記対象物に向かう相互に向きの異なる三以上の光線に分岐し、
   前記イメージセンサはエリアイメージセンサであって、
   前記測位手段は、前記光分岐器によって分岐された三以上の光線によって前記対象物上に各々形成された三以上の光点の三次元位置座標を、前記エリアイメージセンサが撮影した画像中の当該光点の位置に基づいて算定することを特徴とする光学式変位計。