JP3951914B2

JP3951914B2 - 変位測定装置

Info

Publication number: JP3951914B2
Application number: JP2002373588A
Authority: JP
Inventors: 裕之山本; 文雄渡辺; 和年岡本
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004205308A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種機器の振動・位置変化・速度などを光学的に測定する変位測定装置に関し、詳しくは、照明系の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
出願人は、測定対象を限定することなく非接触で高速に高精度の測定が行える変位測定装置として、例えば特開２００１−２４１９１９を出願している。
【０００３】
図６はこのような従来の装置の構成例を示すブロック図である。測定対象１には照明系２から測定光が照射される。測定対象１の反射光は結像光学系３を介して画像センサ部４に入射される。
【０００４】
ここで、測定対象１と結像光学系３と画像センサ部４の位置関係は、図７のように測定対象１が画像センサ部４の素子の配列方向（Ｘ軸方向）に沿って移動変位するものとする。
【０００５】
照明系２は、外光の影響を除くため照明光の波長を赤外光などを用いて狭波長化し、画像センサ部４の前面にその波長のみを通過させるためのフィルタを設ける。
【０００６】
結像光学系３としては、測定対象１との距離によって結像倍率変化の起きないテレセントリックな光学系を用いる。
【０００７】
画像センサ部４は結像光学系３によってできた実像を読み取るためのイメージセンサであり、１回の露光による画像データを保持する機能を有するライン状に画素が並んだＣＣＤリニアイメージセンサを用いる。なお、この画像センサ部４は、機械的または電気的なシャッター機能を備えている。
【０００８】
画像センサ部４に取り込まれた画像データはクロック発生部５から加えられるクロックに従って逐次Ａ／Ｄ変換器６に読み出され、デジタルデータに変換される。Ａ／Ｄ変換器６の出力データは、信号処理部７に取り込まれる。
【０００９】
信号処理部７は、Ａ／Ｄ変換器６から変換出力される画像データに基づいて測定対象１の変位量を演算するものであり、例えばＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）を用いる。
【００１０】
基準画像記憶部８には測定対象１の変位量を演算するための基準状態の画像データが格納され、測定画像記憶部９には測定対象１の変位量を演算するための変位状態の画像データが格納される。
【００１１】
信号処理部７の演算結果は、Ｄ／Ａ変換器１０によりアナログ信号に変換されて外部に出力されるとともに、表示器１１にデジタル的にあるいはアナログ画像として表示される。
【００１２】
このような構成において、画像センサ部４上には測定対象１に応じた光量分布が現れ、画像センサ部４の出力端子から図８に示すように各画素の光量に比例したアナログ電圧信号が逐次出力される。このアナログ電圧信号はＡ／Ｄ変換器６により逐次デジタルデータに変換され、基準状態での測定対象１の画像データＳｏは基準画像記憶部８に格納され、測定状態での測定対象画像Ｓは測定画像記憶部９に格納される。
【００１３】
その後、信号処理部７は、図９に示すように基準状態での測定対象１の画像データＳｏと測定対象画像Ｓとの両者の画像データを比較して画像センサ部４上での測定対象１の変位量ｘを求め、さらに光学倍率を乗ずることで測定対象１の実変位を求める。
【００１４】
ところで、従来の照明系は、図１０に示すように、ハロゲンなどの光源１２と、光源１２の出力光を集光レンズ部１３に案内する光ファイバ束よりなる複数本のライトガイド１４とで構成されている。集光レンズ部１３は、図１１に示すように、一端にライトガイド１４の端部が挿入固着され他端にはレンズ１３ａが装着された鏡筒１３ｂとで構成されている。
【００１５】
図１２は集光レンズ部１３周辺の拡大図であり、（Ａ）は上部から見た構成図、（Ｂ）は（Ａ）のA−A断面図、（Ｃ）は（Ａ）においてＢ方向から見た測定対象1上の照射説明図である。
【００１６】
各集光レンズ部１３は、それぞれの出力光１３ｃが測定対象１の同一場所を照射するように（（Ｃ）参照）、ホルダ１５に対して所定の角度で取り付けられている（（Ａ）参照）。ここで、集光レンズ部１３とライトガイド１４とのセット数は測定対象１の測定に必要な光量に応じて増減できるが、図１２の例では正方形をなす各角に合計４セットを配置している。これら４セットを対角線方向に結ぶ交点位置には、測定対象１に照射される画像を検出するための結像レンズ１６が設けられている。
【００１７】
また、これら４セットのうち２セットのライトガイド１４の端部近傍には、測定対象１にガイドマークＧＭを投影するための矩形スリット１３ｄを有する遮蔽板１３ｅが設けられている。これらガイドマークＧＭは、図１３に示すような測定対象１と変位測定装置ＭＡとの位置決めとピント合わせに用いられる。
【００１８】
図１２の（Ｃ）は、これら２セットのガイドマークＧＭが1個のパターンとして重なり合っていて、測定対象１と変位測定装置が平行に配置されるとともにピントも正確に調整されている状態を示している。これに対し、ピントがずれている場合には図１４（Ａ）に示すように２個のガイドマークＧＭが投影され、測定対象１と変位測定装置が平行に配置されていない場合には図１４（Ｂ）に示すように傾斜したガイドマークＧＭが投影されることになる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００１−２４１９１９
【００２０】
特許文献１には、測定対象を限定することなく非接触で高速に高精度の測定が行える変位測定装置に関する発明が開示されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の変位測定装置の照明系は、集光レンズ部１３をホルダ１５に対して所定の角度で取り付けているので、部品点数が増えるとともに、装置全体の大きさがこの角度分だけ大きくなることから小型化が図りにくいという問題がある。
【００２２】
また、ホルダ１５に取り付けられた各集光レンズ部１３が測定対象１の同じ場所を同じ範囲で照らすように各集光レンズ部１３の位置合わせをしなければならず、これらの組立調整に相当の工数が発生することは避けられない。
【００２３】
測定対象１の照射光に明るさが必要な場合は、照射する集光レンズ部１３とライトガイド１４とのセット数を増やすことになるが、ライトガイド１４はケーブル状になっているので、これらのセット数が増えるとライトガイド１４が互いに絡み合って操作性が低下する。そして、集光レンズ部１３とライトガイド１４のセット数に比例して重量が増加する。
【００２４】
集光レンズ部１３とライトガイド１４のセット数を増やす方法としてライトガイド１４の分岐と個数を増やすことが考えられるが、ライトガイド１４の個数を増やすためには光源１２も増やさなければならない。
【００２５】
集光レンズ部１３は鏡筒１３ｂの中にライトガイド１４の先端が挿入される構造をとっているので、必要に応じて光を遮蔽するためのシャッター機構を設けることが困難である。仮に鏡筒１３ｂの中にシャッター機構を設けることが出来たとしても、複数の集光レンズ部１３の光を同時に開閉制御することはさらに難しい。
【００２６】
図１２に示すようなガイドマークＧＭを照射する構成の場合、ライトガイド１４の集光レンズに対する取り付け位置がガイドマーク用と照明用とは異なる。ガイドマークＧＭを照射する場合のライトガイド先端位置は合焦位置になるが、照明用の場合のライトガイド先端位置は最高照度が得られる位置になり、用途に合わせた調整を行わなければならない。
【００２７】
また、図１２の構成によれば、ホルダ１５に取り付けられたライトガイド１４には、先端に遮蔽板１３ｅを有するものと有しないものとが混在している。この結果、ガイドマークＧＭと同一の照射位置に遮蔽板のないライトガイド１４の光も照射されることからガイドマークＧＭの明暗コントラストが低くなり、ガイドマークＧＭの視認性が低下してしまう。
【００２８】
さらに、ガイドマークＧＭを用いて図１３のように測定対象１と変位測定装置ＭＡとの位置調整を行う場合、Ｚ軸方向に沿ったピント合わせとＺ軸を回転中心とする角度調整についてはガイドマークＧＭは十分ガイドとして機能するが、Ｘ軸およびＹ軸を回転中心とする角度調整についてはガイドマークＧＭはガイドとしてほとんど機能しない。これは、遮蔽板１３ｅが結像レンズ１６に対して同じ側に設けられていることからガイドマークＧＭ同士の姿勢変化が小さいことと、小さい変化を判別できるほどにはガイドマークＧＭ自体が鮮明でないことによる。
【００２９】
本発明はこれらの問題点に着目したものであり、その目的は、測定対象を照射する照明系と測定対象の反射光を測定する結像光学系が小型一体化できて組立調整工数を大幅に削減でき、測定対象上に鮮明なガイドマーク投影が行えるとともに測定に十分な明るさで照射できる変位測定装置を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する請求項１の発明は、
測定対象の変位量を光学的に測定する変位測定装置であって、
少なくとも、
光源の出力光を集光して測定対象を照射する集光レンズと、測定対象の同一位置に複数のガイドマークを照射するガイドマーク照射系と、ガイドマークを照射しない他の照射系と、前記ガイドマーク照射系と前記他の照射系の出力光を選択的に開閉するシャッターとを含む照明系と、
測定対象の反射光を受光センサ面に結像させる結像光学系とが、
共通のベースに取り付けられたことを特徴とする。
【００３１】
請求項２の発明は、請求項１記載の変位測定装置において、
光源の出力光を集光レンズに伝送するライトガイドを含むことを特徴とする。
【００３２】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の変位測定装置において、
前記集光レンズは、複数の単レンズが前記結像光学系を中心にして２次元的に配列されたことを特徴とする。
【００３３】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３に記載の変位測定装置において、
前記ライトガイドの端部位置と各単レンズの中心は、測定対象の同一位置を照射するように調整配置されたことを特徴とする。
【００３４】
これらにより、測定対象を照射する照明系と測定対象の反射光を測定する結像光学系は共通のベースに取り付けられて一体化され、小型化が図れ、組立調整工数を大幅に削減できる。
【００３５】
請求項５の発明は、請求項１記載の変位測定装置において、前記ガイドマーク照射系は、開口絞りを有することを特徴とする。
【００３６】
請求項６の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の変位測定装置において、前記ガイドマーク照射系と前記他の照射系におけるライトガイドの端部と集光レンズ間の距離が異なることを特徴とする。
【００３９】
これらにより、測定対象上に鮮明なガイドマーク投影が行えるとともに、測定に十分な明るさで照射できる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施の形態の一例を示す概略構成図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はブロック１８の正面図である。図示しないハロゲン、メタルハライド、キセノン、発光ダイオードなどからの光源の出力光は、多数の光ファイバを束ねたライトガイド１７を介してライトブロック１８に導かれる。このライトブロック１８は、図示しないベースに取り付けられている。
【００４１】
なお、光源として発光ダイオードを用いる場合には、ライトブロック１８に発光ダイオードを直接取り付けることにより、ライトガイド１７を省略できる。
【００４２】
ライトブロック１８は例えばアルミブロックが所定の形状に成形されたものであり、その前面中央の縦方向には段付凹部１９が設けられている。この段付凹部１９の上下端近傍には、ライトガイド１７で導かれた光源の出力光を測定対象１に照射するための照射口２０が設けられている。これら照射口２０の前面には遮蔽板２１が設けられていて、遮蔽板２１には所定形状のガイドマークＧＭ（図１では矩形）を投影するための開口２２が設けられている。
【００４３】
ライトブロック１８の前面両側の上下端近傍および中央にも、ライトガイド１７で導かれた光源の出力光を測定対象１に照射するための照射口２３が設けられている。これら照射口２０および照射口２３には、ライトガイド１７の先端部分が分岐されて挿入固着されている。そして、段付凹部１９の中央には、測定対象１の反射光を図示しない受光センサ面に結像させる結像光学系２４が設けられている。
【００４４】
これらライトブロック１８の前面段付凹部１９における照射口２０および前面両側における照射口２３の位置の違いは集光レンズ２８との距離の差を生じることになり、測定対象１上の照射光が、照射口２０から出力されるガイドマークＧＭは焦点位置で鮮明に結像し、他の照射口２３からの出力光は最大の明るさになるように設定調整できる。
【００４５】
さらに、ライトブロック１８の前面には、シャッター２５が図示しないガイドピンに沿って図２（Ａ），（Ｂ）に示すように上下方向に移動可能に、例えばばねの弾性力によってライトブロック１８の両側面を挟むようにして半固定されている。このシャッター２５は、照射口２３に対応した複数の穴２６と、遮蔽板２１の開口２２に対応した複数の小判穴２７を備えている。
【００４６】
照射口２３に対応した複数の穴２６は、図２（Ａ）に示すようにシャッター２５を上げた場合には照射口２３が完全に露出し、図２（Ｂ）に示すようにシャッター２５を下げた場合には照射口２３が完全に隠れるように設けられている。
【００４７】
遮蔽板２１の開口２２に対応した複数の小判穴２７は、シャッター２５の上下方向の移動に拘わらず常に遮蔽板２１の開口２２を露出させるように設けられている。さらにシャッター２５には、上下方向の移動の支障にならないように結像光学系２４を貫通させる穴が設けられているが図示しない。すなわち、図２（Ａ）はシャッター２５を開いた状態を示し、図２（Ｂ）はシャッター２５を閉じた状態を示している。なお、小判穴２７に限るものではなく、切り欠きや大穴を設けてもよい。
【００４８】
このシャッター２５は、測定対象１にガイドマークＧＭをより鮮明に照射するように機能する。測定対象１と変位測定装置ＭＡとのアライメント調整時に図２（Ｂ）のようにシャッター２５を閉めることにより、ガイドマークＧＭを照射しない照射口２３の出力光は遮断されて測定対象１には遮蔽板２１の開口２２からガイドマークＧＭだけが照射されるので、従来に比べて鮮明なガイドマークＧＭが得られる。
【００４９】
アライメント調整後は、図２（Ａ）のようにシャッター２５を開くことにより、遮蔽板２１の開口２２からガイドマークＧＭが照射されるとともに照射口２３の出力光も測定対象１に照射され、測定対象１の変位測定に必要な明るさが得られる。
【００５０】
シャッター２５を含むライトブロック１８の前面には、測定対象１を照射するのに必要な所定の距離を保つようにして、集光レンズ２８が設けられている。具体的には、上部は図示しない取り付け部材を介してライトブロック１８に取り付けられ、下部は図示しないベースに固定されている。
【００５１】
このように、ライトブロック１８はベースに固着され、結像光学系２４はライトブロック１８に固着され、シャッター２５はライトブロック１８に移動可能に半固定され、集光レンズ２８はライトブロック１８およびベースに固着され、開口絞り３２は照射口２０との対向面に固着されているので、従来に比べて小型化が図れ、構成部品数を削減でき、組立調整工数も大幅に削減できる。
【００５２】
なお、ベースには、必要に応じて測定用のカメラも固着するようにしてもよく、光源照射系と測定系とを共通のケースに収納して一体化できることから、測定時の作業操作性を高めることができる。
【００５３】
図３は集光レンズ２８の具体例を示す構成図である。（Ａ）は２点鎖線で示した丸レンズ２９を実線で示すように加工して正方形レンズ３０を形成した状態を示し、（Ｂ）は８枚の正方形レンズを結像光学系２４を中心にして２次元的に配列し互いの対向面を接着貼り合せた状態を示している。（Ｃ）はライトブロック１８に設けられた照射口２０，２３と正方形レンズ３０の中心Ｐとの位置関係を示している。すなわち、各正方形レンズ３０は、それぞれの中心Ｐが、ライトブロック１８に設けられた照射口２０，２３に対して結像光学系２４の方向にオフセットした点に位置するように取り付けられている。
【００５４】
このように、正方形レンズ３０の中心Ｐが、ライトブロック１８に設けられた照射口２０，２３に対して結像光学系２４の方向にオフセットした点に位置するように取り付けられていることにより、集光レンズ２８の出力光は測定対象１の同一位置を照射することになる。ライトガイドの先端位置が異なる場合は、正方形レンズ３０のレンズ光軸位置をずらすことで同一位置に光を集めることができる。
【００５５】
なお、上記実施例では結像レンズを中心に正方形レンズを碁盤の目状に配置しているが、結像レンズを中心に集光レンズを放射状に配置してもよい。
【００５６】
また、レンズ１個の形状を６角形にして、結像レンズを中心に集光レンズをハニカム状に配置してもよい。
【００５７】
また、図４に示すように、レンズが照射位置を向くように角度をつけて配置してもよい。このような構成によれば、レンズ中心とライトガイド先端をオフセットさせなくても同一位置を照射できる。なお、本発明では、図４の集光レンズについても、正面から見た場合には、複数のレンズが２次元的に配置されているものとしている。
【００５８】
集光レンズ２８は、焦点距離が等しい同一種類のレンズを組み合わせてもよいし、焦点距離が異なる複数種類のレンズを組み合わせてもよい。
【００５９】
集光レンズ２８の素材は光学ガラスでもよいし、プラスチックでもよい。
【００６０】
集光レンズ２８の製造は単レンズの貼り合わせに限るものではなく、例えば一体モールドも可能である。
【００６１】
図５はガイドマーク照射系の説明図である。（Ａ）は収差の大きい周辺光を制限するための開口３１を有する開口絞り３２であり、集光レンズ２８を構成する正方形レンズ３０のうち、ガイドマーク照射系を構成する照射口２０と対向する正方形レンズ３０の対向面に設けられている。開口絞り３２は、測定対象１に鮮明なガイドマークを投影するように機能する。なおガイドマーク照射系は、結像光学系２４に対して対称な位置関係（本実施例では上下方向）になるように設けられている。
【００６２】
（Ｂ），（Ｃ）はガイドマークＧＭの投影例図である。（Ｂ）は図１３のY軸回りの測定対象１と変位測定装置ＭＡとの位置関係を示すものであり、両者の位置関係がずれていると２個のガイドマークＧＭの投影パターンは「ハの字形」になる。（Ｃ）は図１３のＸ軸回りの測定対象１と変位測定装置ＭＡとの位置関係を示すものであり、両者の位置関係がずれていると２個のガイドマークＧＭの投影パターンの大きさは異なるものになる。
【００６３】
これら２個のガイドマークＧＭの投影パターンを参照することにより、測定対象１と変位測定装置ＭＡとの位置関係を、測定に適した最適状態に迅速に位置決め調整できる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定対象を照射する照明系と測定対象の反射光を測定する結像光学系が小型一体化できて組立調整工数を大幅に削減でき、測定対象上に鮮明なガイドマーク投影が行えるとともに測定に十分な明るさで照射できる変位測定装置を実現でき、プリンタにおける記録紙の送り量測定など各種の変位測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】図１におけるシャッター２５の説明図である。
【図３】図１における集光レンズ２８の具体例を示す構成図である。
【図４】集光レンズ２８の他の例を示す構成図である。
【図５】図１のガイドマーク照射系の説明図である。
【図６】従来の装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】図６の動作説明図である。
【図８】図６の画像演算処理の説明図である。
【図９】図６の画像演算処理の説明図である。
【図１０】従来の照明系の構成図である。
【図１１】図１０の集光レンズ部１３の構成図である。
【図１２】図１０の集光レンズ部１３周辺の拡大図である。
【図１３】測定対象１と変位測定装置ＭＡとの位置決めとピント合わせの説明図である。
【図１４】従来のガイドマークの説明図である。
【符号の説明】
１７ライトガイド
１８ブロック
１９段付凹部
２０，２３照射口
２１遮蔽板
２２開口
２４結像光学系
２５シャッター
２６穴
２７小判穴
２８集光レンズ
２９丸レンズ
３０正方形レンズ
３１開口
３２開口絞り

Claims

測定対象の変位量を光学的に測定する変位測定装置であって、
少なくとも、
光源の出力光を集光して測定対象を照射する集光レンズと、測定対象の同一位置に複数のガイドマークを照射するガイドマーク照射系と、ガイドマークを照射しない他の照射系と、前記ガイドマーク照射系と前記他の照射系の出力光を選択的に開閉するシャッターとを含む照明系と、
測定対象の反射光を受光センサ面に結像させる結像光学系とが、
共通のベースに取り付けられたことを特徴とする変位測定装置。
前記照明系は、光源の出力光を集光レンズに伝送するライトガイドを含むことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
前記集光レンズは、複数の単レンズが前記結像光学系を中心にして２次元的に配列されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の変位測定装置。
前記ライトガイドの端部位置と各単レンズの中心は、測定対象の同一位置を照射するように調整配置されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の変位測定装置。
前記ガイドマーク照射系は、開口絞りを有することを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
前記ガイドマーク照射系と前記他の照射系におけるライトガイドの端部と集光レンズ間の距離が異なることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の変位測定装置。