JP3227212B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents
光学式変位測定装置Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物体までの距離を三角
測量法を用いて非接触で計測する光学式変位測定装置に
関するものである。
測量法を用いて非接触で計測する光学式変位測定装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、FA(ファクトリーオートメ
ーション)等の分野においてロボットの視覚センサなど
に用いるために、三角測量法に基づいて光学的に距離を
測定する変位測定装置が提供されている。この種の変位
測定装置は、光学的に距離を測定するから物体までの距
離を非接触で測定できるという利点がある。また、図5
に示すように、物体までの距離に関する情報を検出する
センサヘッド10と、センサヘッド10で求めた情報に
基づいて物体までの距離を演算したり物体までの距離に
応じた各種判定を行うためのコントローラ20とは別体
に設けられて接続線を介して接続されている。このよう
にセンサヘッド10とコントローラ20とを分離した構
成とすれば、センサヘッド10が小型化され、ロボット
等に組み込み易くなる。
ーション)等の分野においてロボットの視覚センサなど
に用いるために、三角測量法に基づいて光学的に距離を
測定する変位測定装置が提供されている。この種の変位
測定装置は、光学的に距離を測定するから物体までの距
離を非接触で測定できるという利点がある。また、図5
に示すように、物体までの距離に関する情報を検出する
センサヘッド10と、センサヘッド10で求めた情報に
基づいて物体までの距離を演算したり物体までの距離に
応じた各種判定を行うためのコントローラ20とは別体
に設けられて接続線を介して接続されている。このよう
にセンサヘッド10とコントローラ20とを分離した構
成とすれば、センサヘッド10が小型化され、ロボット
等に組み込み易くなる。
【0003】センサヘッド10は、物体に光ビームを照
射して点状の光パターンである投光スポットを物体の表
面に形成する投光手段1と、投光手段1から照射された
光ビームの物体の表面での反射光を検出する受光手段2
とを備える。受光手段2では、入射光を受光光学系13
(図9参照)に通して収束させることによって、PSD
よりなる位置検出素子14の受光面に投光スポットの像
としての受光スポットを形成し、受光スポットの位置に
対応した一対の位置信号I1 ,I2 を出力する。すなわ
ち、位置検出素子14は、受光スポットの位置に応じて
大きさの比率が決まる電流信号である一対の位置信号I
1 ,I2 を発生するのであって、両位置信号I1 ,I2
の関係に基づいて受光スポットの位置を検出すれば、物
体までの距離を三角測量法に基づいて求めることができ
る。また、両位置信号I1 ,I2の合計は、位置検出素
子14で検出している受光光量に対応する。
射して点状の光パターンである投光スポットを物体の表
面に形成する投光手段1と、投光手段1から照射された
光ビームの物体の表面での反射光を検出する受光手段2
とを備える。受光手段2では、入射光を受光光学系13
(図9参照)に通して収束させることによって、PSD
よりなる位置検出素子14の受光面に投光スポットの像
としての受光スポットを形成し、受光スポットの位置に
対応した一対の位置信号I1 ,I2 を出力する。すなわ
ち、位置検出素子14は、受光スポットの位置に応じて
大きさの比率が決まる電流信号である一対の位置信号I
1 ,I2 を発生するのであって、両位置信号I1 ,I2
の関係に基づいて受光スポットの位置を検出すれば、物
体までの距離を三角測量法に基づいて求めることができ
る。また、両位置信号I1 ,I2の合計は、位置検出素
子14で検出している受光光量に対応する。
【0004】さらに具体的に説明する。投光手段1は、
レーザダイオードよりなる発光素子11を備え光ビーム
を形成する。発光素子11はレーザダイオード駆動回路
12により駆動されるのであって、レーザダイオード駆
動回路12には、コントローラ20に設けた原発振器2
1から発生するクロック信号をパルス変調(パルス振幅
変調)する変調器22の出力が制御信号として入力され
る。変調器22は、後述する積分器23から出力される
直流信号の信号レベルに対応して発光素子11への供給
エネルギが変化するように変調器22の出力の振幅を変
化させる。
レーザダイオードよりなる発光素子11を備え光ビーム
を形成する。発光素子11はレーザダイオード駆動回路
12により駆動されるのであって、レーザダイオード駆
動回路12には、コントローラ20に設けた原発振器2
1から発生するクロック信号をパルス変調(パルス振幅
変調)する変調器22の出力が制御信号として入力され
る。変調器22は、後述する積分器23から出力される
直流信号の信号レベルに対応して発光素子11への供給
エネルギが変化するように変調器22の出力の振幅を変
化させる。
【0005】一方、位置検出素子14から出力される一
対の位置信号I1 ,I2 は、それぞれ増幅器15a,1
5bに入力され、位置信号I1 ,I2 が電流信号から電
圧信号V1 ,V2 に変換されるとともに増幅された後に
コントローラ20に出力される。コントローラ20は、
位置信号I1 ,I2 に対応した電圧信号V1 ,V2 が入
力される信号処理部24a,24bを備えている。信号
処理部24a,24bでは、電圧信号V1 ,V2 を増幅
した後に所定周波数以下の雑音成分を除去し、さらに原
発振器21からのクロック信号に同期して電圧信号
V1 ,V2 を検波する。信号処理部24a,24bでの
電圧信号V1 ,V2 の増幅率は外部から調節可能になっ
ている。
対の位置信号I1 ,I2 は、それぞれ増幅器15a,1
5bに入力され、位置信号I1 ,I2 が電流信号から電
圧信号V1 ,V2 に変換されるとともに増幅された後に
コントローラ20に出力される。コントローラ20は、
位置信号I1 ,I2 に対応した電圧信号V1 ,V2 が入
力される信号処理部24a,24bを備えている。信号
処理部24a,24bでは、電圧信号V1 ,V2 を増幅
した後に所定周波数以下の雑音成分を除去し、さらに原
発振器21からのクロック信号に同期して電圧信号
V1 ,V2 を検波する。信号処理部24a,24bでの
電圧信号V1 ,V2 の増幅率は外部から調節可能になっ
ている。
【0006】信号処理部24a,24bからの出力信号
V11,V12は、電圧信号V1 ,V2に比例し、両出力は
減算手段である減算器25により減算されて減算値(V
11−V12)が求められるとともに、加算器26により加
算されて加算値(V11+V12)が求められる。減算器2
5の出力は、位置検出素子14で受光した光量が不足し
たり過剰であるときに、光量が正常であったときの減算
器25の出力値を保持するサンプル・ホールド手段であ
るサンプル・ホールド回路30を通してDC演算部27
に入力される。DC演算部27では、所定周波数以上の
成分を除去するとともに、後述する傾き(比例定数)、
測定距離のオフセット値を外部から設定し、またリニア
リティを補正して測定値を補正し、補正された減算値を
変位出力とする。具体的には、傾きの調節には入力レベ
ルに対する減衰率を調節し、オフセット値の調節には入
力レベルに加算するレベルを調節する。
V11,V12は、電圧信号V1 ,V2に比例し、両出力は
減算手段である減算器25により減算されて減算値(V
11−V12)が求められるとともに、加算器26により加
算されて加算値(V11+V12)が求められる。減算器2
5の出力は、位置検出素子14で受光した光量が不足し
たり過剰であるときに、光量が正常であったときの減算
器25の出力値を保持するサンプル・ホールド手段であ
るサンプル・ホールド回路30を通してDC演算部27
に入力される。DC演算部27では、所定周波数以上の
成分を除去するとともに、後述する傾き(比例定数)、
測定距離のオフセット値を外部から設定し、またリニア
リティを補正して測定値を補正し、補正された減算値を
変位出力とする。具体的には、傾きの調節には入力レベ
ルに対する減衰率を調節し、オフセット値の調節には入
力レベルに加算するレベルを調節する。
【0007】一方、加算器26の出力は誤差増幅器29
に入力され、基準値発生部28より出力される基準値と
の差が求められる。加算器26からの出力値は基準値か
ら減算され、その差が積分器23で平均化され、変調器
22に入力されるのである。したがって、発光素子11
からの光出力は、位置検出素子14での受光光量に対応
してフィードバック制御される。フィードバック系が安
定に動作しているときには、加算器26の出力が基準値
発生部28で設定した基準値に一致するように発光素子
11の発光光量が調節され、位置検出素子14の受光光
量は略一定量に保たれる。したがって、加算器26から
出力される加算値(V11+V12)は、回路のダイナミッ
クレンジや応答性能を無視した理想系では一定であっ
て、減算器25から出力される減算値(V11−V12)
は、(V11−V12)/(V11+V12)に比例することに
なる。このように、加算器26、基準値発生部28、誤
差増幅器29、積分器23、変調器22によって、受光
光量を一定に保つようにフィードバック制御を行う光量
制御手段が構成される。また、積分器23は、誤差増幅
器29の出力を反転して積分するように構成されてい
る。
に入力され、基準値発生部28より出力される基準値と
の差が求められる。加算器26からの出力値は基準値か
ら減算され、その差が積分器23で平均化され、変調器
22に入力されるのである。したがって、発光素子11
からの光出力は、位置検出素子14での受光光量に対応
してフィードバック制御される。フィードバック系が安
定に動作しているときには、加算器26の出力が基準値
発生部28で設定した基準値に一致するように発光素子
11の発光光量が調節され、位置検出素子14の受光光
量は略一定量に保たれる。したがって、加算器26から
出力される加算値(V11+V12)は、回路のダイナミッ
クレンジや応答性能を無視した理想系では一定であっ
て、減算器25から出力される減算値(V11−V12)
は、(V11−V12)/(V11+V12)に比例することに
なる。このように、加算器26、基準値発生部28、誤
差増幅器29、積分器23、変調器22によって、受光
光量を一定に保つようにフィードバック制御を行う光量
制御手段が構成される。また、積分器23は、誤差増幅
器29の出力を反転して積分するように構成されてい
る。
【0008】次に、上記構成における距離測定の原理を
説明する。図9に示すように、受光スポットが位置検出
素子14の受光面の中央に形成されているときの投光手
段1の光軸方向における受光光学系13の中心から物体
3までの距離をrとし、物体3までの距離がΔrだけ大
きくなったとする。このとき、受光スポットの位置は図
9の左方にΔxだけ移動する。位置検出素子14の受光
面の有効長を2Lとすれば、位置信号I1 ,I2 は次の
関係になる。
説明する。図9に示すように、受光スポットが位置検出
素子14の受光面の中央に形成されているときの投光手
段1の光軸方向における受光光学系13の中心から物体
3までの距離をrとし、物体3までの距離がΔrだけ大
きくなったとする。このとき、受光スポットの位置は図
9の左方にΔxだけ移動する。位置検出素子14の受光
面の有効長を2Lとすれば、位置信号I1 ,I2 は次の
関係になる。
【0009】 I1 /I2 =(L−Δx)/(L+Δx) … 式を変形すると、次式が得られる。 (I1 −I2 )/(I1 +I2 )=Δx/L … 位置検出素子14の受光面の有効長2Lは一定であるか
ら、位置信号I1 ,I2に対応した増幅器15a,15
bの出力に基づいて、(I1 −I2 )/(I1 +I2 )
に相当する値を求めれば、受光スポットの位置を知るこ
とができるのである。すなわち、(V11−V12)/(V
11+V12)を求めれば、位置検出素子14での受光スポ
ットの変位Δxを求めることができる。ここに、上述の
ように、減算器25の出力は(V11−V12)であるが、
フィードバック制御によって(V11+V12)が一定値に
保たれているから、減算器25の出力に除算を施さなく
ても減算器25からは式の左辺に比例した出力が得ら
れていることになる。したがって、DC演算部27にお
いて減算器25の出力に対する比例定数(傾き)を設定
すれば、受光スポットの変位Δxを求めることができ
る。
ら、位置信号I1 ,I2に対応した増幅器15a,15
bの出力に基づいて、(I1 −I2 )/(I1 +I2 )
に相当する値を求めれば、受光スポットの位置を知るこ
とができるのである。すなわち、(V11−V12)/(V
11+V12)を求めれば、位置検出素子14での受光スポ
ットの変位Δxを求めることができる。ここに、上述の
ように、減算器25の出力は(V11−V12)であるが、
フィードバック制御によって(V11+V12)が一定値に
保たれているから、減算器25の出力に除算を施さなく
ても減算器25からは式の左辺に比例した出力が得ら
れていることになる。したがって、DC演算部27にお
いて減算器25の出力に対する比例定数(傾き)を設定
すれば、受光スポットの変位Δxを求めることができ
る。
【0010】また、受光光学系13の中心と位置検出素
子14との距離をf、投光手段1の光軸上で距離rの位
置の点と位置検出素子14の中心とを結ぶ直線が投光手
段1の光軸となす角度をθとすれば、次の関係が得られ
る。 (r/cos θ+Δr/cos θ) :f/cos θ=(Δr/sin θ):Δx ∴ Δr=r・Δx/{(f/sin θ)−Δx} =b・Δx/(a−Δx) … ただし、a=f/sin θ、b=rである。すなわち、
式によれば、Δxを求めれば変位した距離Δrを求める
ことができるのであって、式と式とに基づいて変位
した距離Δrを求めることができることがわかる。ただ
し、DC演算部27では、式に対応する演算を行って
変位Δxを求め、式による距離Δrの演算はDC演算
部27よりも後段で演算される。
子14との距離をf、投光手段1の光軸上で距離rの位
置の点と位置検出素子14の中心とを結ぶ直線が投光手
段1の光軸となす角度をθとすれば、次の関係が得られ
る。 (r/cos θ+Δr/cos θ) :f/cos θ=(Δr/sin θ):Δx ∴ Δr=r・Δx/{(f/sin θ)−Δx} =b・Δx/(a−Δx) … ただし、a=f/sin θ、b=rである。すなわち、
式によれば、Δxを求めれば変位した距離Δrを求める
ことができるのであって、式と式とに基づいて変位
した距離Δrを求めることができることがわかる。ただ
し、DC演算部27では、式に対応する演算を行って
変位Δxを求め、式による距離Δrの演算はDC演算
部27よりも後段で演算される。
【0011】ところで、フィードバック系が安定に動作
しているときには、加算器26の出力値(V11+V12)
は略一定であるから、上述したように減算器25の出力
値(V11−V12)は、(V11−V12)/(V11+V12)
に比例すると考えてよいが、物体の反射率が高く受光光
量が過剰になって回路が飽和したり、物体の反射率が低
く受光光量が不足して十分な発光光量が得られなくなる
と、加算器26の出力値が一定値に保たれなくなって、
変位を正しく測定できなくなる。そこで、受光光量が過
剰になったり発光光量が不足するような状態になると、
その時点の測定値を保持し、また場合によっては異常が
生じたことを外部に報知することが必要になる。
しているときには、加算器26の出力値(V11+V12)
は略一定であるから、上述したように減算器25の出力
値(V11−V12)は、(V11−V12)/(V11+V12)
に比例すると考えてよいが、物体の反射率が高く受光光
量が過剰になって回路が飽和したり、物体の反射率が低
く受光光量が不足して十分な発光光量が得られなくなる
と、加算器26の出力値が一定値に保たれなくなって、
変位を正しく測定できなくなる。そこで、受光光量が過
剰になったり発光光量が不足するような状態になると、
その時点の測定値を保持し、また場合によっては異常が
生じたことを外部に報知することが必要になる。
【0012】この目的を達成するために、サンプル・ホ
ールド回路30を設けているのであって、正常状態から
異常状態への移行時点は、積分器23の出力に基づいて
検出するようになっている。すなわち、積分器23の出
力はサンプル・ホールド用比較器31に入力され、積分
器23の出力値が2個の閾値発生部32a,32bによ
り設定された上限および下限の閾値の間の許容範囲内で
あれば、サンプル・ホールド回路30を動作させず、許
容範囲外であれば論理回路33を通してホールド信号を
発生することによって、サンプル・ホールド回路30に
減算器25の出力値を保持させるようになっている。サ
ンプル・ホールド用比較器31、閾値発生部32a,3
2b、論理回路33によりホールド信号発生手段を構成
しているのである。図6に示すように、サンプル・ホー
ルド用比較器31は2個のコンパレータCP1 ,CP2
を備え、両コンパレータCP1 ,CP2 には積分器23
の出力が抵抗R5 およびコンデンサC5 により平滑化し
て入力される。閾値発生部32a,32bは抵抗R1 〜
R4 により構成される。また、論理回路33なるナンド
回路NAは、両コンパレータCP1 ,CP2 の出力値の
論理積の否定を出力する。サンプル・ホールド回路30
は、アナログスイッチAS1 〜AS3 、抵抗R6 を介し
て充電されるコンデンサC6 の端子電圧を出力する演算
増幅器OPよりなるボルテージフォロワを備える。
ールド回路30を設けているのであって、正常状態から
異常状態への移行時点は、積分器23の出力に基づいて
検出するようになっている。すなわち、積分器23の出
力はサンプル・ホールド用比較器31に入力され、積分
器23の出力値が2個の閾値発生部32a,32bによ
り設定された上限および下限の閾値の間の許容範囲内で
あれば、サンプル・ホールド回路30を動作させず、許
容範囲外であれば論理回路33を通してホールド信号を
発生することによって、サンプル・ホールド回路30に
減算器25の出力値を保持させるようになっている。サ
ンプル・ホールド用比較器31、閾値発生部32a,3
2b、論理回路33によりホールド信号発生手段を構成
しているのである。図6に示すように、サンプル・ホー
ルド用比較器31は2個のコンパレータCP1 ,CP2
を備え、両コンパレータCP1 ,CP2 には積分器23
の出力が抵抗R5 およびコンデンサC5 により平滑化し
て入力される。閾値発生部32a,32bは抵抗R1 〜
R4 により構成される。また、論理回路33なるナンド
回路NAは、両コンパレータCP1 ,CP2 の出力値の
論理積の否定を出力する。サンプル・ホールド回路30
は、アナログスイッチAS1 〜AS3 、抵抗R6 を介し
て充電されるコンデンサC6 の端子電圧を出力する演算
増幅器OPよりなるボルテージフォロワを備える。
【0013】したがって、積分器23の出力値が閾値発
生部32a,32bにより設定された許容範囲内であれ
ばコンパレータCP1 ,CP2 の出力がともにHレベル
となってナンド回路NAの出力はLレベルに保たれ、許
容範囲外になると両コンパレータCP1 ,CP2 の出力
の一方がLレベルとなってナンド回路NAの出力がHレ
ベルになる。その結果、積分器23の出力値が許容範囲
外になると、ナンド回路NAの出力を否定回路NTによ
り反転したLレベルの制御信号が、減算器25の出力端
に接続されているアナログスイッチAS1 ,AS2 をオ
フにする。また、ナンド回路NAの出力によって、ボル
テージフォロワの出力に挿入されているアナログスイッ
チAS3 がオンになる。すなわち、許容範囲外になる直
前の値がコンデンサC6 に保持され、この値が出力値と
して用いられるのである。
生部32a,32bにより設定された許容範囲内であれ
ばコンパレータCP1 ,CP2 の出力がともにHレベル
となってナンド回路NAの出力はLレベルに保たれ、許
容範囲外になると両コンパレータCP1 ,CP2 の出力
の一方がLレベルとなってナンド回路NAの出力がHレ
ベルになる。その結果、積分器23の出力値が許容範囲
外になると、ナンド回路NAの出力を否定回路NTによ
り反転したLレベルの制御信号が、減算器25の出力端
に接続されているアナログスイッチAS1 ,AS2 をオ
フにする。また、ナンド回路NAの出力によって、ボル
テージフォロワの出力に挿入されているアナログスイッ
チAS3 がオンになる。すなわち、許容範囲外になる直
前の値がコンデンサC6 に保持され、この値が出力値と
して用いられるのである。
【0014】上記構成では、物体の反射率(図7(a)
参照)に応じて図7(c)のように積分器23の出力V
bが変化する。すなわち、反射率が高ければ加算器26
の出力値は基準値発生部28から発生する基準値に近い
から積分器23の出力Vbが小さくなり、反射率が低け
れば積分器23の出力Vbが大きくなる。したがって、
変調器22の出力Vcは図7(b)のように変化する。
閾値発生部32a,32bで、図7(c)のように上限
および下限の閾値H1 ,H2 を設定しているものとすれ
ば、積分器23の出力Vbが両閾値H1 ,H2 の間の許
容範囲内のときは、図7(d)のようにナンド回路NA
の出力はHレベルであって、サンプル・ホールド回路3
0のアナログスイッチAS1 ,AS2 がオンになり、減
算器25の出力値がそのまま出力される。一方、積分器
23の出力Vbが許容範囲外のときには、ナンド回路N
Aの出力はLレベルになってホールド信号が発生し、サ
ンプル・ホールド回路30に減算器25の出力値が保持
される。
参照)に応じて図7(c)のように積分器23の出力V
bが変化する。すなわち、反射率が高ければ加算器26
の出力値は基準値発生部28から発生する基準値に近い
から積分器23の出力Vbが小さくなり、反射率が低け
れば積分器23の出力Vbが大きくなる。したがって、
変調器22の出力Vcは図7(b)のように変化する。
閾値発生部32a,32bで、図7(c)のように上限
および下限の閾値H1 ,H2 を設定しているものとすれ
ば、積分器23の出力Vbが両閾値H1 ,H2 の間の許
容範囲内のときは、図7(d)のようにナンド回路NA
の出力はHレベルであって、サンプル・ホールド回路3
0のアナログスイッチAS1 ,AS2 がオンになり、減
算器25の出力値がそのまま出力される。一方、積分器
23の出力Vbが許容範囲外のときには、ナンド回路N
Aの出力はLレベルになってホールド信号が発生し、サ
ンプル・ホールド回路30に減算器25の出力値が保持
される。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】ところで、実際の系で
は光学的仕様や電子回路の仕様にばらつきがあるから、
以下のような問題が生じる。たとえば、図7(e)に示
すように、誤差増幅器29の出力Vaが安定していてフ
ィードバック制御が安定して行われている状態であって
も、図7(c)のように積分器23の出力Vbが反射率
の高いほうの閾値H1 を越えてホールド信号が発生する
場合があり、装置のダイナミックレンジに余裕が残され
ているにもかかわらず、十分に活用されない場合があ
る。また逆に、図8(e)に示すように、誤差増幅器2
9の出力Vaが不安定になってフィードバック制御が安
定に行われないにもかかわらず、図8(c)のように積
分器23の出力Vbは閾値H1 を越えず、図8(d)の
ようにホールド信号が発生しない場合もある。このよう
な状態では、測定値に誤差が生じることになり、また、
その後に、サンプル・ホールド回路30によって減算器
25の出力値が保持されたとしても不安定状態での出力
値が保持されることになって不都合である。
は光学的仕様や電子回路の仕様にばらつきがあるから、
以下のような問題が生じる。たとえば、図7(e)に示
すように、誤差増幅器29の出力Vaが安定していてフ
ィードバック制御が安定して行われている状態であって
も、図7(c)のように積分器23の出力Vbが反射率
の高いほうの閾値H1 を越えてホールド信号が発生する
場合があり、装置のダイナミックレンジに余裕が残され
ているにもかかわらず、十分に活用されない場合があ
る。また逆に、図8(e)に示すように、誤差増幅器2
9の出力Vaが不安定になってフィードバック制御が安
定に行われないにもかかわらず、図8(c)のように積
分器23の出力Vbは閾値H1 を越えず、図8(d)の
ようにホールド信号が発生しない場合もある。このよう
な状態では、測定値に誤差が生じることになり、また、
その後に、サンプル・ホールド回路30によって減算器
25の出力値が保持されたとしても不安定状態での出力
値が保持されることになって不都合である。
【0016】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、フィードバック系の不安定状態を確実に検知
し、かつ遅滞なく測定値を保持することによって、測定
値の誤差の発生を抑制した光学式変位測定装置を提供す
ることにある。
のであり、フィードバック系の不安定状態を確実に検知
し、かつ遅滞なく測定値を保持することによって、測定
値の誤差の発生を抑制した光学式変位測定装置を提供す
ることにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明では、上
記目的を達成するために、点状の光パターンである投光
スポットを物体の表面に照射する投光手段と、投光手段
から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に
通して収束させ投光スポットの像として形成された受光
スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一
対の位置信号を出力する受光手段と、各位置信号の出力
レベルの差を演算する減算手段と、受光手段での受光光
量と既定の基準値との差を求める誤差増幅器および誤差
増幅器の出力を平均化する積分器を備えていて積分器の
出力値に基づいて受光光量が略一定に保たれるように投
光手段の発光光量をフィードバック制御する光量制御手
段と、外部からホールド信号が入力された時点の減算手
段の出力値を保持するサンプル・ホールド手段と、物体
の反射率が系のダイナミックレンジを越える状態を誤差
増幅器の出力と既定の閾値とを比較することによって検
出するとホールド信号を発生するホールド信号発生手段
と、誤差増幅器の出力と閾値とを比較する比較手段にヒ
ステリシスを付与するヒステリシス付与手段とを具備し
ているのである。
記目的を達成するために、点状の光パターンである投光
スポットを物体の表面に照射する投光手段と、投光手段
から照射された光の物体表面での反射光を受光光学系に
通して収束させ投光スポットの像として形成された受光
スポットの位置に対応して出力レベルの比率が決まる一
対の位置信号を出力する受光手段と、各位置信号の出力
レベルの差を演算する減算手段と、受光手段での受光光
量と既定の基準値との差を求める誤差増幅器および誤差
増幅器の出力を平均化する積分器を備えていて積分器の
出力値に基づいて受光光量が略一定に保たれるように投
光手段の発光光量をフィードバック制御する光量制御手
段と、外部からホールド信号が入力された時点の減算手
段の出力値を保持するサンプル・ホールド手段と、物体
の反射率が系のダイナミックレンジを越える状態を誤差
増幅器の出力と既定の閾値とを比較することによって検
出するとホールド信号を発生するホールド信号発生手段
と、誤差増幅器の出力と閾値とを比較する比較手段にヒ
ステリシスを付与するヒステリシス付与手段とを具備し
ているのである。
【0018】請求項2の発明では、投光手段は、レーザ
ダイオードよりなる発光素子を備え、積分器の出力値に
基づいてパルス変調された制御信号によって発光光量が
制御されるのである。
ダイオードよりなる発光素子を備え、積分器の出力値に
基づいてパルス変調された制御信号によって発光光量が
制御されるのである。
【0019】
【作用】請求項1の構成では、積分器の前段に設けた誤
差増幅器の出力値について許容範囲との大小比較を行っ
てホールド信号の発生の要否を決定するから、積分器に
より平均化された後の出力に比較して系の不安定状態を
確実に検出することが可能であり、フィードバック系が
不安定になると遅滞なくホールド信号を発生することが
でき、不安定状態が生じた時点での減算手段の出力値に
対する誤差の少ない値をサンプル・ホールド手段に保持
することができるのであり、さらにヒステリシス付与手
段が誤差増幅器の出力と閾値とを比較する比較手段にヒ
ステリシスを付与しているので、ホールド信号が発振す
ることはなく、ホールド信号を安定的に保持することが
できるのである。
差増幅器の出力値について許容範囲との大小比較を行っ
てホールド信号の発生の要否を決定するから、積分器に
より平均化された後の出力に比較して系の不安定状態を
確実に検出することが可能であり、フィードバック系が
不安定になると遅滞なくホールド信号を発生することが
でき、不安定状態が生じた時点での減算手段の出力値に
対する誤差の少ない値をサンプル・ホールド手段に保持
することができるのであり、さらにヒステリシス付与手
段が誤差増幅器の出力と閾値とを比較する比較手段にヒ
ステリシスを付与しているので、ホールド信号が発振す
ることはなく、ホールド信号を安定的に保持することが
できるのである。
【0020】請求項2の構成は望ましい実施態様であ
る。
る。
【0021】
【実施例】本実施例では、図1および図2に示すよう
に、図5および図6に示した従来構成と基本的な構成は
同様であって、論理回路33において、誤差増幅器29
の出力に基づいてホールド信号の発生の要否を決定でき
るようにしている点が相違している。すなわち、誤差増
幅器29の出力値を下限を決める既定の閾値と比較し
て、誤差増幅器29の出力値が上限を決めた許容範囲外
であると論理回路33を通してホールド信号を発生させ
る安定性判断部34を備えている。また、サンプル・ホ
ールド用比較器31は、積分器23の出力値が閾値発生
部32から発生する閾値よりも大きくなったときにのみ
出力値をLレベルに設定するように、1個のコンパレー
タCP2 のみで構成されている。すなわち、積分器23
の出力値に基づいて発光光量の飽和のみを検出するので
ある。図2には、2個のコンパレータが示されている
が、コンパレータCP2 のみが利用され、残りのコンパ
レータは動作に関与しない。従来構成と同じ符号を付し
た他の構成は従来構成と同様である。
に、図5および図6に示した従来構成と基本的な構成は
同様であって、論理回路33において、誤差増幅器29
の出力に基づいてホールド信号の発生の要否を決定でき
るようにしている点が相違している。すなわち、誤差増
幅器29の出力値を下限を決める既定の閾値と比較し
て、誤差増幅器29の出力値が上限を決めた許容範囲外
であると論理回路33を通してホールド信号を発生させ
る安定性判断部34を備えている。また、サンプル・ホ
ールド用比較器31は、積分器23の出力値が閾値発生
部32から発生する閾値よりも大きくなったときにのみ
出力値をLレベルに設定するように、1個のコンパレー
タCP2 のみで構成されている。すなわち、積分器23
の出力値に基づいて発光光量の飽和のみを検出するので
ある。図2には、2個のコンパレータが示されている
が、コンパレータCP2 のみが利用され、残りのコンパ
レータは動作に関与しない。従来構成と同じ符号を付し
た他の構成は従来構成と同様である。
【0022】安定性判断部34は、誤差増幅器23の出
力端に一端を接続し他端をコンデンサC7 に接続した抵
抗R7 を備える。また、コンデンサC7 と抵抗R7 との
接続点にはダイオードD1 ,D2 のアノードが接続さ
れ、ダイオードD1 のカソードは電源に接続され、ダイ
オードD2 のカソードはコンデンサC8 と抵抗R8 との
並列回路の一端が接続される。
力端に一端を接続し他端をコンデンサC7 に接続した抵
抗R7 を備える。また、コンデンサC7 と抵抗R7 との
接続点にはダイオードD1 ,D2 のアノードが接続さ
れ、ダイオードD1 のカソードは電源に接続され、ダイ
オードD2 のカソードはコンデンサC8 と抵抗R8 との
並列回路の一端が接続される。
【0023】ところで、図3(a)に示すように、物体
の反射率が標準の状態でフィードバック系が安定してい
るときには、図3(b)に示すように変調器22の出力
Vcの出力値は比較的小さく、このとき図3(c)のよ
うに誤差増幅器23の出力Vaは若干のリップル成分を
含んでグランドレベル(0V)付近で変動している。し
たがって、安定状態では、コンデンサC7 と抵抗R7 と
の接続点の電位はほぼ0Vに保たれている。この状態で
は、ダイオードD2 がオフであるから、図3(d)に示
すように、コンデンサC8 の端子電圧Vdもほぼ0Vに
なっている。
の反射率が標準の状態でフィードバック系が安定してい
るときには、図3(b)に示すように変調器22の出力
Vcの出力値は比較的小さく、このとき図3(c)のよ
うに誤差増幅器23の出力Vaは若干のリップル成分を
含んでグランドレベル(0V)付近で変動している。し
たがって、安定状態では、コンデンサC7 と抵抗R7 と
の接続点の電位はほぼ0Vに保たれている。この状態で
は、ダイオードD2 がオフであるから、図3(d)に示
すように、コンデンサC8 の端子電圧Vdもほぼ0Vに
なっている。
【0024】一方、高反射率の物体が存在すると受光光
量が増加するから、図3(b)に示すように、積分器2
3の出力に基づいて発光光量を減少させようとする。こ
のとき系が安定であれば、誤差増幅器29の出力は図3
(c)にようにグランドレベル付近でリップル成分を増
加させる。ここで、ダイオードD2 に順方向バイアスが
かかる程度の電圧が誤差増幅器29から出力されれば、
コンデンサC8 には、抵抗R7 と抵抗R8 とで分圧され
た電圧が印加されて充電されることになる。この充電時
定数は、コンデンサC7 とコンデンサC8 との並列容量
および抵抗R7による充電時間と抵抗R8 による放電時
間との関係によって決定される。すなわち、系が安定で
あって誤差増幅器29の出力にリップル成分が少ない間
は図3(d)に示すように、コンデンサC8 の端子電圧
Vdを低い状態に保つことができる。
量が増加するから、図3(b)に示すように、積分器2
3の出力に基づいて発光光量を減少させようとする。こ
のとき系が安定であれば、誤差増幅器29の出力は図3
(c)にようにグランドレベル付近でリップル成分を増
加させる。ここで、ダイオードD2 に順方向バイアスが
かかる程度の電圧が誤差増幅器29から出力されれば、
コンデンサC8 には、抵抗R7 と抵抗R8 とで分圧され
た電圧が印加されて充電されることになる。この充電時
定数は、コンデンサC7 とコンデンサC8 との並列容量
および抵抗R7による充電時間と抵抗R8 による放電時
間との関係によって決定される。すなわち、系が安定で
あって誤差増幅器29の出力にリップル成分が少ない間
は図3(d)に示すように、コンデンサC8 の端子電圧
Vdを低い状態に保つことができる。
【0025】コンデンサC8の端子電圧は、抵抗R9,R
10とにより決定される閾値H3と、コンパレータCP3に
よって比較され、コンデンサC8の端子電圧が閾値H3よ
りも上昇すると比較手段たるコンパレータCP3の出力
はLレベルになる。また、コンパレータCP3は出力端
と入力端との間にヒステリシスを付与するために抵抗R
11が挿入されており、出力がLレベルになると閾値H3
が引き下げられるようになっている。ここに、抵抗R 11
によりヒステリシス付与手段が構成される。コンパレー
タCP3の出力は論理回路33であるナンド回路NA1に
入力される。ナンド回路NA1は、コンパレータCP2と
コンパレータCP3との出力値の論理積の否定を出力す
るのであって、両コンパレータCP2,CP3の少なくと
も一方の出力がLレベルであると、出力をHレベルにし
てホールド信号を発生する。
10とにより決定される閾値H3と、コンパレータCP3に
よって比較され、コンデンサC8の端子電圧が閾値H3よ
りも上昇すると比較手段たるコンパレータCP3の出力
はLレベルになる。また、コンパレータCP3は出力端
と入力端との間にヒステリシスを付与するために抵抗R
11が挿入されており、出力がLレベルになると閾値H3
が引き下げられるようになっている。ここに、抵抗R 11
によりヒステリシス付与手段が構成される。コンパレー
タCP3の出力は論理回路33であるナンド回路NA1に
入力される。ナンド回路NA1は、コンパレータCP2と
コンパレータCP3との出力値の論理積の否定を出力す
るのであって、両コンパレータCP2,CP3の少なくと
も一方の出力がLレベルであると、出力をHレベルにし
てホールド信号を発生する。
【0026】上記構成によれば、高反射率の物体からの
反射光を受けて受光光量が増加してもフィードバック系
が安定に動作していて、図3(b)のように変調器22
の出力Vcの振幅を低減させることで対応できる間は、
図3(c)のように誤差増幅器29の出力Vaのリップ
ル成分が比較的少ないから、図3(d)のようにコンデ
ンサC8 の端子電圧Vdが閾値H3 を越えることがな
く、図3(e)のようにホールド信号は発生しないので
ある。
反射光を受けて受光光量が増加してもフィードバック系
が安定に動作していて、図3(b)のように変調器22
の出力Vcの振幅を低減させることで対応できる間は、
図3(c)のように誤差増幅器29の出力Vaのリップ
ル成分が比較的少ないから、図3(d)のようにコンデ
ンサC8 の端子電圧Vdが閾値H3 を越えることがな
く、図3(e)のようにホールド信号は発生しないので
ある。
【0027】一方、受光光量が過剰になってフィードバ
ック系の動作が不安定になり、図4(b)のように変調
器22の出力Vcの振幅が不安定になる状態では、図4
(c)のように誤差増幅器29の出力Vaのリップル成
分が増加して、図4(d)のようにコンデンサC8 の端
子電圧Vdが閾値H3 を越えることになり、図4(e)
のようにホールド信号が発生する。しかも、閾値H3 を
一度越えると閾値H3が下がってホールド信号を安定的
に保持するのである。また、積分器23を通さずにホー
ルド信号を発生させることができるから、受光光量の過
剰を検出するまでの応答時間が短くなるものである。
ック系の動作が不安定になり、図4(b)のように変調
器22の出力Vcの振幅が不安定になる状態では、図4
(c)のように誤差増幅器29の出力Vaのリップル成
分が増加して、図4(d)のようにコンデンサC8 の端
子電圧Vdが閾値H3 を越えることになり、図4(e)
のようにホールド信号が発生する。しかも、閾値H3 を
一度越えると閾値H3が下がってホールド信号を安定的
に保持するのである。また、積分器23を通さずにホー
ルド信号を発生させることができるから、受光光量の過
剰を検出するまでの応答時間が短くなるものである。
【0028】
【発明の効果】本発明は上述のように、外部からホール
ド信号が入力された時点の減算手段の出力値を保持する
サンプル・ホールド手段と、物体の反射率が系のダイナ
ミックレンジを越える状態を誤差増幅器の出力と既定の
閾値とを比較することによって検出するとホールド信号
を発生するホールド信号発生手段とを具備しているの
で、積分器の前段に設けた誤差増幅器の出力値について
許容範囲との大小比較を行ってホールド信号の発生の要
否を決定するのであって、積分器により平均化された後
の出力に比較して系の不安定状態を確実に検出すること
が可能であり、フィードバック系が不安定になると遅滞
なくホールド信号を発生することができ、不安定状態が
生じた時点での減算手段の出力値に対する誤差の少ない
値をサンプル・ホールド手段に保持することができると
いう利点を有する。さらにヒステリシス付与手段が誤差
増幅器の出力と閾値とを比較する比較手段にヒステリシ
スを付与しているので、ホールド信号が発振することは
なく、ホールド信号を安定的に保持することができると
いう利点がある。
ド信号が入力された時点の減算手段の出力値を保持する
サンプル・ホールド手段と、物体の反射率が系のダイナ
ミックレンジを越える状態を誤差増幅器の出力と既定の
閾値とを比較することによって検出するとホールド信号
を発生するホールド信号発生手段とを具備しているの
で、積分器の前段に設けた誤差増幅器の出力値について
許容範囲との大小比較を行ってホールド信号の発生の要
否を決定するのであって、積分器により平均化された後
の出力に比較して系の不安定状態を確実に検出すること
が可能であり、フィードバック系が不安定になると遅滞
なくホールド信号を発生することができ、不安定状態が
生じた時点での減算手段の出力値に対する誤差の少ない
値をサンプル・ホールド手段に保持することができると
いう利点を有する。さらにヒステリシス付与手段が誤差
増幅器の出力と閾値とを比較する比較手段にヒステリシ
スを付与しているので、ホールド信号が発振することは
なく、ホールド信号を安定的に保持することができると
いう利点がある。
【図1】実施例を示すブロック回路図である。
【図2】実施例を示す要部の回路図である。
【図3】実施例の動作説明図である。
【図4】実施例の動作説明図である。
【図5】従来例を示すブロック回路図である。
【図6】従来例を示す要部の回路図である。
【図7】従来例の動作説明図である。
【図8】従来例の動作説明図である。
【図9】本発明に係る光学式変位測定装置の動作原理を
示す説明図である。
示す説明図である。
1 投光手段 2 受光手段 11 発光素子 13 受光光学系 14 位置検出素子 22 変調器 23 積分器 25 減算器 26 加算器 28 基準値発生部 29 誤差増幅器 30 サンプル・ホールド回路 31 サンプル・ホールド用比較器 32 閾値発生部 33 論理回路 34 安定性判断部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−226607(JP,A) 特開 平2−262004(JP,A) 特開 昭59−60426(JP,A) 特開 昭60−88306(JP,A) 特開 昭61−10711(JP,A) 特開 昭62−81520(JP,A) 特開 昭63−108217(JP,A) 特開 昭63−243709(JP,A) 特開 平6−42958(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 3/06 G01B 11/00
Claims (2)
- 【請求項1】 点状の光パターンである投光スポットを
物体の表面に照射する投光手段と、投光手段から照射さ
れた光の物体表面での反射光を受光光学系に通して収束
させ投光スポットの像として形成された受光スポットの
位置に対応して出力レベルの比率が決まる一対の位置信
号を出力する受光手段と、各位置信号の出力レベルの差
を演算する減算手段と、受光手段での受光光量と既定の
基準値との差を求める誤差増幅器および誤差増幅器の出
力を平均化する積分器を備えていて積分器の出力値に基
づいて受光光量が略一定に保たれるように投光手段の発
光光量をフィードバック制御する光量制御手段と、外部
からホールド信号が入力された時点の減算手段の出力値
を保持するサンプル・ホールド手段と、物体の反射率が
系のダイナミックレンジを越える状態を誤差増幅器の出
力と既定の閾値とを比較することによって検出するとホ
ールド信号を発生するホールド信号発生手段と、誤差増
幅器の出力と閾値とを比較する比較手段にヒステリシス
を付与するヒステリシス付与手段とを具備して成ること
を特徴とする光学式変位測定装置。 - 【請求項2】 投光手段は、レーザダイオードよりなる
発光素子を備え、積分器の出力値に基づいてパルス変調
された制御信号によって発光光量が制御されることを特
徴とする請求項1記載の光学式変位測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20092292A JP3227212B2 (ja) | 1992-07-28 | 1992-07-28 | 光学式変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20092292A JP3227212B2 (ja) | 1992-07-28 | 1992-07-28 | 光学式変位測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0642960A JPH0642960A (ja) | 1994-02-18 |
JP3227212B2 true JP3227212B2 (ja) | 2001-11-12 |
Family
ID=16432511
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20092292A Expired - Fee Related JP3227212B2 (ja) | 1992-07-28 | 1992-07-28 | 光学式変位測定装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3227212B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104160243B (zh) | 2012-03-01 | 2017-03-01 | 日产自动车株式会社 | 距离测量装置和距离测量方法 |
-
1992
- 1992-07-28 JP JP20092292A patent/JP3227212B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0642960A (ja) | 1994-02-18 |
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---|---|---|---|
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