JPH0240506A - 測距装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明はレーザービーム等の光ビームを被測定物体に
照射し、その反射光を用いて被測定物体までの距離ある
いはその変位を測定する測距装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の測距装置としては、例えば特開昭５５−４０９
４２号公報に開示されている三角測量方式を基本とする
ものと、特開昭５５−１１９００６号公報。

特開昭５７−６７８１５号公報などに開示されているシ
ャインプルーグ条件を満足する光学系配置によるものが
知られている。これらの装置は、いずれも投光光学系よ
り被測定物体上に投射された光点を投光軸に対して斜め
に配置した受光光学系ｉζより受光素子上に結像させ、
例えば被測定物体の投光軸に沿りた被測定物体の変位量
を、その受光素子上の光点の像の位置の変化として検出
することにより測定している。

第３図は、前記特開昭５５−１１９００６号公報の光学
系の構成を示すものである。光源ｌからの照射光ビーム
Ｉは、投光レンズ２を介して被測定物体４に照射される
。被測定物体４で反射した反射光３１は、集光レンズ５
０を介して受光素子であるＰＡＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　
５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　）　７　　（
以下では単に受光素子７と記す。）上に結像する。６は
位置検出器で、前記受光素子７と演算器８とから成る。

受光素子７上の光点の位置は、受光素子７の２つの出力
電流Ｉ、　、　Ｉ２の差を算出する減算器と。

和を算出する加算器と、前記差と和との比を算出する除
算器と、除算結果をＫｏ倍するオペアンプ等からなる係
数器と力）ら構成される前記演算器８により、下記（１
１式を演算して求められる。

但し、ここで ｄｙ：受光素子７上の光点の位置の変位。

Ｉ、、Ｉ２：受光素子７の２Ｉｌｌｔｌ力電流。

Ｋｏ：定数 さらに、（１）式の演算結果と被測定物体４の変位とを
比例させるための、折線近似回路、指数関数回路、デジ
タル演算回路等の非直線性補正回路９により、信号処理
を行ない、変位の測定が行なわれる。

第３図の構成では、前記したようにシャインプルーグ条
件が満たされている。ここで、このシャインプルーグ条
件について簡単に説明する。第３図において、集光レン
ズ関の中心面を含む面５０１と、受光素子７を含む面７
１（結像面に相当する）が、照射光ビーム田土の任意の
一点７５で交わるように配置すれば、照射光ビーム美上
の任意の点は全てピントが合って受光素子７上に結像さ
れることが知られている。これが、シャインプルーグ条
件と呼ばれるものである。

さて、前記のようなレーザービーム等を使用して非接触
で被測定物体の位置あるいは変位を測定する測距装置は
、軟かいプラスチックのようなものでも傷付けることな
く測定が可能であり、かつ工場内ロボット等の自動化機
器の距離検出器としても使えるなど、接触式の位置ｉ＊
＋＋足装置にはない幾つかの長所を持っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のこの種の測距装置における問題点は次のとおりで
ある。即ち、前記したように、（１）式の演算結果と被
測定物体の変位とを比例させるために。

折線近似回路等の非直線性補正回路を必要とし、このた
め信号処理用′電気回路か複雑で、かつ高価なものにな
る問題があった。さらに、このシャインプルーグ条件を
用いた場合は、その光学系の構成上、受光素子上に反射
光が斜めに照射されるため、受光素子での測距出力に誤
差が生じ、測距装置の直馴性や分解能が低下するなどの
問題もあった０ この発明の目的は、前記従来の問題点を除去し。

特別な非直線性補正回路を必要とせず、かつ分解能が優
れ直線性が良く、シかも安価な測距装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を過酸するために、この発明によれば、光ビー
ムを照射して被測定物体までの距離あるいは前記被測定
物体の変位を非接触に測定する測距装置において、前記
光ビームを出す光源と、前記党ビームを前記被測定物体
に投光する投光レンズと、第１．第２．第３の集光レン
ズと、受光素子と演算器とから成る位置検出器とを備え
、前記第２の集光レンズは前記光源から前記被測定物体
に至る前記光ビームの経路をｙ軸としたときにレンズの
中心面が前記ｙ軸と直交するｙ軸に一致して配置され、
前記受光素子はその受光面がｙ軸に一致して配置され、
前記被測定物体と前記第１の集光レンズと前記第２の集
光レンズとで第１のシャインプルーグ条件を満たし、前
記第２の集光レンズと前記第３の集光レンズと前記受光
素子とで第２のシャインプルーグ条件を満たし、かつ前
記第１の集光レンズと前記第３の集光レンズは前記ｙ軸
およびｙ軸を座標軸としたときにそのＸ座標が同一であ
ることとする。

〔作用〕

このように、シャインプルーグ条件を満たす元学系を、
３個の集光レンズを用いて２段に構成し。

かつ受光素子および３個の集光レンズを配置する位置を
特定したことにより、単なる１段のシャインプルーグ条
件を用いた場合のように単に被測定物体の像を受光素子
上にピントの合った状態で結像できるだけでなく％被測
定物体の変位と受光素子上での光点の変位とを比例させ
ることができる。

これにより、従来のような折線近似回路等の非直線性補
正回路を使用しなくとも、受光素子の２つの出力電流の
和と差の比を演算するだけで、被測定物体の位置あるい
は変位を測定することが可能となる。また反射光を受光
素子上に垂直に近い角度（垂直からのずれが１０°〜２
０°の角度）で照射することができるので、測定を直線
性や分解能の優れたものにすることが可能となる。

〔実施例〕

第１図ζこ本発明の一実施例になる２段のシャインプル
ーグ条件を満たした測距装置の構成を示す。

第３図と同一の部材には同一の符号を付し、説明を省略
する。５１　、５２　、５３は夫々第１．第２．第３の
集光レンズであり１反射光３２は第２の集光レンズ５２
により屈折し１反射元おとなって受光素子７上に光点を
結像する。受光素子７は、照射ビーム光の中心面はＸ軸
と一致している。さらに第１．第３の集光レンズ５１　
、５３はそのＸ座標が同じになるように配置されている
。第１のシャインプルーグ条件は、被測定物体４と第１
の集光レンズ５１と第２の集光レンズ５２とにより満た
さ−れている。また第２のシャインプルーグ条件は、第
２の集光レンズ５２と第３の集光レンズ閏と受光素子７
とにより満たされている。第１図の第３図との大きな相
異点は、集光レンズが３個に増えたかわりに、非直線性
補正回路が無くなったことである。次に第２図により、
この第１図に示した本発明の一実施例の動作を幾何学的
に説明する。

第２図でＸ＠は第２の集光レンズ５２の中心面、ｙ軸は
照射光ビームＩの元軸に相当する。なお説明の便宜上第
２図においてはｙ軸の正方向をｙ１ｙ軸の負方向をＹで
表わしている。反射光３２を示す式１反射光おを示す式
は夫々次の（２）　、　（３）式で表わされる。

Ｙ　　Ｙｏ＝Ｍ（ｘ　　ｘｏ）　　　　　　　　　　（
２）Ｙ　　Ｙｏ　＝　ｍ　（Ｘ−Ｘｏ　）　　　　　　
　　　　（３）但しここで。

Ｍ：反射光３２の傾き。

ｍ：反射光あの傾き。

ｘｏ：第１の集光レンズ５１．第３の集光レンズ５３の
Ｘ座標。

Ｙｏ：第１の集光レンズ５１のＹ座標。

ｙｏ：第３の集光レン×５３のＸ座標。

である。被測定物体４上の光点の位置（Ｙ切片）は（２
）式より。

Ｙ　−Ｙｏ　＝　−Ｍｘｏ　　　　　　　　　　　　（
４）となり、また反射元諺が第２の集光レンズ５２に入
射している点、即ち反射光３２とＸ軸との交点（Ｘとな
る。そこで（４）式と（５）式とより。

（Ｙ−Ｙｏ　）　ｍ　（ｘ−ＸＯ）＝ｘｏＹｏ　　　　
　　　　　（６）となる。次に受光素子７上の光点の像
位置（Ｘ切片）は（３）式より、 ｙ　−ｙｏ　＝　−ｍＸＱ　　　　　　　　　　　　　
＋’７）となり、また反射光おが第２の集光レンズ５２
から照射している点、即ち反射光おとＸ軸との交点（Ｘ
切片）は（３）式より。

Ｏ ｘ　−ｘ６　＝　−−（８） となる。そこで（１３）式と（１４）式とより。

（ｙｙｏ）・（ｘ−ｘｏ　）＝ｘｏ　ｙｏ　　　　　　
　（９）となるっ一方、反射光３２と反射光あとのＸ軸
でのとなる。ここで被測定物体４がＹ、からＹ２まで変
位した時受光素子７上で光点が’ｆｓからｙ２まで変化
する場合、　　（１０）式より。

Ｏ ＹＩ　　　Ｙ２＝　　　　（）’ｔ　　Ｙ２）となる。

この（１１）式は被測定物体４の変位ｄＹがｙｏ／Ｙｏ
倍されて受光素子７上で変位することを意味している。

よって（１１）式は。

Ｙ。

ｄＹ　＝　−ａｙ　　　　　　　　　　　　　（１２）
Ｙ。

と表わせる。

上記の説明から明らかなように、受光素子と３個の集光
レンズの位置が特定され、かつ２段のシャインプルーグ
条件が満たされているので、受光素子７上での変位ａｙ
は被測定物体４上での変位ｄＹに比例し、かつ被測定物
体４の表面上の像点は常に受光素子７の表面上にピント
の合った状態で結ＩＩすることになる。従って受光素子
７上の光点の位置を求めれば被測定物体４の変位を直接
測定できる。しかも受光素子７上の光点は非常に小さく
なり直線性に優れている。さらに第２の集光レンズ５２
で反射１３２を屈折させ、照射光ビーム（至）の光軸上
に平行に配置した受光素子７上に反射光おを垂直に近い
角度、即ち垂直からのずれが１０゜ないし２００の範囲
の角度で照射するように構成したので、受光素子におけ
る出力誤差も小さくなり。

測距装置としての測距分解能も非常に優れたものになる
。その理由として、受光素子においては、光が受光素子
に対し当直に近い角度で照射するほうが、測距装置の組
立後に起り得る受光素子の機械的な配置ずれ（０，１°
〜１°　くらいの微小な回転ずれ）が生じても％出力誤
差を数ｐｍ程度におさえられるからである。

以上により、求めるべき変位ｄＹは、（１）式をＹ。

（１２）式に代入しに＝−・ＫＯとすれば、となる（但
しここでＫは定数）。

〔発明の効果〕

以上に述べたように１本発明によれば、測距装置の光学
系を３個の集光レンズを用いて％　２段のシャインプル
ーグ条件を満たすように構成し、かつ受光素子と３個の
集光レンズを配置する位置を特定したので、被測定物体
の位置あるいは変位を。

非直線性補正回路のために信号処理用電気回路を複雑に
することなく、従って安価に、演算器の出力として直接
水めることが可能になる。また、第２の集光レンズによ
り反射光を屈折させ、受光素子上に垂直に近い角度、即
ち垂直からのずれが１０’ないし２０’の範囲の角度で
照射させるので、受光素子での出力誤差が小さくなＶ）
、測距装置の直線性や測距分解能を同上することも可能
になるっ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例になる。２段のシャインプル
ーグ条件を満たした測距装置の構成図。 第２図は第１図の実施例の動作を幾何学的に説明するた
めの図、第３図ヲ工従来のシャインプルーグ条件を用い
た測距装置の構成図である。 １：光源、２：投光レンズ％　４：被測定物体。 ６：位ｇ１検出器、７：受光素子、８：演算器、９：非
直線性補正回路、３１，３２．３３：反射光。 ５０＝集光レンズ、５１：第１の集光レンズ％５２：第
２のＭＫレンズ、５３：第３の集光レンズ。 第　１　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光ビームを照射して被測定物体までの距離あるいは前記
   被測定物体の変位を非接触に測定する測距装置において
   、前記光ビームを出す光源と、前記光ビームを前記被測
   定物体に投光する投光レンズと、第１、第２、第３の集
   光レンズと、受光素子と演算器とから成る位置検出器と
   を備え、前記第２の集光レンズは前記光源から前記被測
   定物体に至る前記光ビームの経路をｙ軸としたときにレ
   ンズの中心面が前記ｙ軸と直交するｘ軸に一致して配置
   され、前記受光素子はその受光面がｙ軸に一致して配置
   され、前記被測定物体と前記第１の集光レンズと前記第
   ２の集光レンズとで第１のシャインプルーグ条件を満た
   し、前記第２の集光レンズと前記第３の集光レンズと前
   記受光素子とで第２のシャインプルーグ条件を満たし、
   かつ前記第１の集光レンズと前記第３の集光レンズは前
   記ｘ軸およびｙ軸を座標軸としたときに、そのｘ座標が
   同一であることを特徴とする測距装置。