JPH07122566B2 - 光学式変位測定装置 - Google Patents
光学式変位測定装置Info
- Publication number
- JPH07122566B2 JPH07122566B2 JP62301940A JP30194087A JPH07122566B2 JP H07122566 B2 JPH07122566 B2 JP H07122566B2 JP 62301940 A JP62301940 A JP 62301940A JP 30194087 A JP30194087 A JP 30194087A JP H07122566 B2 JPH07122566 B2 JP H07122566B2
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- JP
- Japan
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- displacement
- target
- light
- image sensor
- measuring device
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Description
【発明の詳細な説明】 ≪産業上の利用分野≫ 本発明は、物体の３次元の変位を同時に非接触で測定す
る変位計に関するものである。
る変位計に関するものである。
≪従来の技術≫ ３次元の変位を同時に測定する変位計の先行技術の第１
は、物体に変位測定のスケールとなる一定ピッチの格子
のついた再帰反射性テープ（反射光が入射光と同一の光
路を戻る性質のある光反射テープ）を貼り、この格子の
移動を光学的に読取ることでX,Y方向での変位を測定
し、さらにマイケルソンの干渉計を用いて干渉縞の移動
を検出することによりＺ方向の変位測定を行うものであ
る。
は、物体に変位測定のスケールとなる一定ピッチの格子
のついた再帰反射性テープ（反射光が入射光と同一の光
路を戻る性質のある光反射テープ）を貼り、この格子の
移動を光学的に読取ることでX,Y方向での変位を測定
し、さらにマイケルソンの干渉計を用いて干渉縞の移動
を検出することによりＺ方向の変位測定を行うものであ
る。
先行技術の第２は第４図および第５図に示すように２次
元の変位計を組合せて測定するものがある。第４図では
２次元の変位計41,42を直角に配置したものを示し、第
５図は２次元の変位計51およびＺ軸方向１次元の変位計
52を同一方向に配置したものを示す。
元の変位計を組合せて測定するものがある。第４図では
２次元の変位計41,42を直角に配置したものを示し、第
５図は２次元の変位計51およびＺ軸方向１次元の変位計
52を同一方向に配置したものを示す。
≪発明が解決しようとする問題点≫ しかしながら、第１の方法の場合にはＺ方向の測定が安
定にできないという問題があり、第２の方法の場合には
安定な変位測定はできても、ある１点の３次元の変位を
測るのは不可能である。また、裾付けに時間がかかると
いう欠点もある。
定にできないという問題があり、第２の方法の場合には
安定な変位測定はできても、ある１点の３次元の変位を
測るのは不可能である。また、裾付けに時間がかかると
いう欠点もある。
本発明は上記のような問題点を解決するためになされた
もので、ある一点の３次元の変位を同時に非接触で安定
に測定できる光学式変位測定装置を実現することを目的
とする。
もので、ある一点の３次元の変位を同時に非接触で安定
に測定できる光学式変位測定装置を実現することを目的
とする。
≪問題点を解決するための手段≫ 本発明はイメージセンサ上に結像させたターゲットの模
様の動きに基づき前記ターゲットの変位を検出する光学
式変位測定装置に係るもので、その特徴とするところは
前記ターゲットに平行な平面内での前記ターゲットの変
位を検出する第１のイメージセンサと、前記平面の垂線
と所定の角度を成す方向から前記ターゲットの変位を検
出する第２のイメージセンサと、前記２つのイメージセ
ンサによる変位出力から前記ターゲットの前記平面の変
位及び垂直な方向の変位を演算する処理回路ととを備え
た点にある。
様の動きに基づき前記ターゲットの変位を検出する光学
式変位測定装置に係るもので、その特徴とするところは
前記ターゲットに平行な平面内での前記ターゲットの変
位を検出する第１のイメージセンサと、前記平面の垂線
と所定の角度を成す方向から前記ターゲットの変位を検
出する第２のイメージセンサと、前記２つのイメージセ
ンサによる変位出力から前記ターゲットの前記平面の変
位及び垂直な方向の変位を演算する処理回路ととを備え
た点にある。
≪作用≫ 第１のイメージセンサがターゲットを見込む方向に対し
第２のイメージセンサは所定の角度をなしてターゲット
を見込むことになるので、第２のイメージセンサにより
検出される変位には第１のイメージセンサによって検出
される平面内の変位に加えて垂直方向の変位の成分が含
まれ、第1,第２のイメージセンサ出力からこれを処理回
路で分離することができる。
第２のイメージセンサは所定の角度をなしてターゲット
を見込むことになるので、第２のイメージセンサにより
検出される変位には第１のイメージセンサによって検出
される平面内の変位に加えて垂直方向の変位の成分が含
まれ、第1,第２のイメージセンサ出力からこれを処理回
路で分離することができる。
≪実施例≫ 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。
第１図は本発明に係る光学式変位測定装置の一実施例を
示す構成ブロック図である。１は偏光ビームスプリッタ
２に対して45゜の偏光面を持つ直線偏光を出射する半導
体レーザ等の光源、２は入射光の偏光方向によって入射
光を２つに分けるための偏光ビームスプリッタ（以下PB
Sと呼ぶ）、３は結像光学系を構成しPBS2の反射光を入
射するテレセントリック光学系、４はこのテレセントリ
ック光学系３を通過した光を入射する1/4波長板（以下
λ/4板と呼ぶ）、５はこのλ/4板４を通過した光が垂直
に照射し一定ピッチの格子模様つきの再帰反射性テープ
からなるターゲット、50はこのターゲット・テープ５が
貼られた被測定物体、６はPBS2の透過光が入射しPBS2と
同一方向の偏光面を持って配置するPBS、７はこのPBS6
の透過光が入射するミラー、８はこのミラー７の反射光
が入射する第２のテレセントリック光学系、９はこのテ
レセントリック光学系８を通過した光が入射しその通過
光がターゲット５を斜めに照射する第２のλ/4板、10は
PBS2のターゲット５からの反射光が入射しこれを２分す
るハーフミラー、11はイメージセンサを構成しハーフミ
ラー10の反射光が入射してＹ軸方向の変位を検出するＹ
軸用フォトダイオードアレイ（以下PDAと呼ぶ）、12は
このPDA11の電気出力を変位出力に変換するＹ軸用変換
回路、13は第１のイメージセンサとなるものでハーフミ
ラー10の透過光が入射しＸ方向の変位を検出するＸ軸用
PDA、14はこのPDA13の電気出力を変位出力に変換するＸ
軸用変換回路、15は第２のイメージセンサとなるもので
ターゲット５からの斜めの反射光が入射するＺ軸用PD
A、16はこのPDA15の電気出力を変位出力に変換するＺ軸
用変換回路、17は変換回路14および変換回路16からの出
力を入力しＺ方向の変位を演算する処理回路である。テ
レセントリック光学系３（８）は物体までの距離が変っ
ても結像倍率が一定で、その２枚のレンズ31（81）,33
（83）はそれぞれの焦点距離f1,f2の和に等しい間隔で
配置されており、PBS2（６）から出射された光を平行光
のままでターゲット５に照射するとともに、ターゲット
５上の格子像をPDA11,13（15）上に結像する。さらに焦
点位置には絞り32（82）が配置されている。PDA13とPDA
15は同じ方向（ここではｘ方向）のターゲット５の移動
を検出するように配置し、PDA11はPDA13,15に対して90
゜回転した方向（ここではｙ方向）に配置する。
示す構成ブロック図である。１は偏光ビームスプリッタ
２に対して45゜の偏光面を持つ直線偏光を出射する半導
体レーザ等の光源、２は入射光の偏光方向によって入射
光を２つに分けるための偏光ビームスプリッタ（以下PB
Sと呼ぶ）、３は結像光学系を構成しPBS2の反射光を入
射するテレセントリック光学系、４はこのテレセントリ
ック光学系３を通過した光を入射する1/4波長板（以下
λ/4板と呼ぶ）、５はこのλ/4板４を通過した光が垂直
に照射し一定ピッチの格子模様つきの再帰反射性テープ
からなるターゲット、50はこのターゲット・テープ５が
貼られた被測定物体、６はPBS2の透過光が入射しPBS2と
同一方向の偏光面を持って配置するPBS、７はこのPBS6
の透過光が入射するミラー、８はこのミラー７の反射光
が入射する第２のテレセントリック光学系、９はこのテ
レセントリック光学系８を通過した光が入射しその通過
光がターゲット５を斜めに照射する第２のλ/4板、10は
PBS2のターゲット５からの反射光が入射しこれを２分す
るハーフミラー、11はイメージセンサを構成しハーフミ
ラー10の反射光が入射してＹ軸方向の変位を検出するＹ
軸用フォトダイオードアレイ（以下PDAと呼ぶ）、12は
このPDA11の電気出力を変位出力に変換するＹ軸用変換
回路、13は第１のイメージセンサとなるものでハーフミ
ラー10の透過光が入射しＸ方向の変位を検出するＸ軸用
PDA、14はこのPDA13の電気出力を変位出力に変換するＸ
軸用変換回路、15は第２のイメージセンサとなるもので
ターゲット５からの斜めの反射光が入射するＺ軸用PD
A、16はこのPDA15の電気出力を変位出力に変換するＺ軸
用変換回路、17は変換回路14および変換回路16からの出
力を入力しＺ方向の変位を演算する処理回路である。テ
レセントリック光学系３（８）は物体までの距離が変っ
ても結像倍率が一定で、その２枚のレンズ31（81）,33
（83）はそれぞれの焦点距離f1,f2の和に等しい間隔で
配置されており、PBS2（６）から出射された光を平行光
のままでターゲット５に照射するとともに、ターゲット
５上の格子像をPDA11,13（15）上に結像する。さらに焦
点位置には絞り32（82）が配置されている。PDA13とPDA
15は同じ方向（ここではｘ方向）のターゲット５の移動
を検出するように配置し、PDA11はPDA13,15に対して90
゜回転した方向（ここではｙ方向）に配置する。
上記のような構成の光学式変位測定装置の動作を次に説
明する。光源１から出力された光はPBSで２つの方向に
分離され、反射光はテレセントリック光学系３およびλ
/4板４を透過した後ターゲット５に垂直に照射される。
ターゲット５の反射光は同一の光路を戻り、λ/4板４を
２回通ることにより偏光方向が90゜回転した光がPBS2を
透過し、ハーフミラー10で２方向に分離し、反射光およ
び透過光がPDA11,PDA13上に同じ像をそれぞれ結像す
る。光源１の出射光のうちPBS2を透過した部分はPBS6を
透過した後ミラー７で方向を変えられ、テレセントリッ
ク光学系８およびλ/4板９を通過した後ターゲット５に
斜めに照射される。この反射光は同一の斜めの光路を戻
り、λ/4板９を２回通ることにより偏光方向が90゜回転
した光がPBS6で辺射され、PDA15上に結像する。ここで
テレセントリック光学系８は斜めからターゲット５を見
込んでいるためcosineエラーが生じるので、テレセント
リック光学系３とは結像倍率を変えておく必要がある。
次に各PDA上に結ばれた格子像の移動を検出して変位出
力を発生する。PDA13、11の検出出力はそれぞれ変換回
路14,12でX,Y軸方向の変位出力Sx,Syに変換される。PDA
15の検出出力は変換回路16でいったんSx′出力に変換さ
れた後、処理回路17でSxとの間で演算されＺ軸方向の変
位出力Szとなる。
明する。光源１から出力された光はPBSで２つの方向に
分離され、反射光はテレセントリック光学系３およびλ
/4板４を透過した後ターゲット５に垂直に照射される。
ターゲット５の反射光は同一の光路を戻り、λ/4板４を
２回通ることにより偏光方向が90゜回転した光がPBS2を
透過し、ハーフミラー10で２方向に分離し、反射光およ
び透過光がPDA11,PDA13上に同じ像をそれぞれ結像す
る。光源１の出射光のうちPBS2を透過した部分はPBS6を
透過した後ミラー７で方向を変えられ、テレセントリッ
ク光学系８およびλ/4板９を通過した後ターゲット５に
斜めに照射される。この反射光は同一の斜めの光路を戻
り、λ/4板９を２回通ることにより偏光方向が90゜回転
した光がPBS6で辺射され、PDA15上に結像する。ここで
テレセントリック光学系８は斜めからターゲット５を見
込んでいるためcosineエラーが生じるので、テレセント
リック光学系３とは結像倍率を変えておく必要がある。
次に各PDA上に結ばれた格子像の移動を検出して変位出
力を発生する。PDA13、11の検出出力はそれぞれ変換回
路14,12でX,Y軸方向の変位出力Sx,Syに変換される。PDA
15の検出出力は変換回路16でいったんSx′出力に変換さ
れた後、処理回路17でSxとの間で演算されＺ軸方向の変
位出力Szとなる。
次に処理回路17における演算方法について第２図を用い
て説明する。第２図において、100は第１図装置の光学
系の部分、ａは物体50（実際にはターゲット５）に垂直
に入射する光ビーム、ｂは斜めに入射する光ビームであ
る。説明を簡単にするためｘ−ｚ平面で考える。実線の
部分にあった物体50が破線の位置に （ベクトル）だけ移動したときのX,Z軸方向の変位量を
それぞれx,zとし、光ビームｂが物体50を照射する位置
のｘ軸方向の変位量をｘ′とする。このとき変換回路14
の出力Sxはｘに対応する変位出力となり、変換回路15の
出力Sx′はｘ′に対応する変位出力となる。処理回路17
はＺ軸方向の変位量ｚを次式を用いて演算し、変位出力
Szとする。
て説明する。第２図において、100は第１図装置の光学
系の部分、ａは物体50（実際にはターゲット５）に垂直
に入射する光ビーム、ｂは斜めに入射する光ビームであ
る。説明を簡単にするためｘ−ｚ平面で考える。実線の
部分にあった物体50が破線の位置に （ベクトル）だけ移動したときのX,Z軸方向の変位量を
それぞれx,zとし、光ビームｂが物体50を照射する位置
のｘ軸方向の変位量をｘ′とする。このとき変換回路14
の出力Sxはｘに対応する変位出力となり、変換回路15の
出力Sx′はｘ′に対応する変位出力となる。処理回路17
はＺ軸方向の変位量ｚを次式を用いて演算し、変位出力
Szとする。
ｚ＝（ｘ＋ｘ′）/tanθ ……（１） ここでθは固定となるので、tanθは定数である。
このような構成の光学式変位測定装置によれば、物体上
のある点の３次元の辺を同時に非接触で測定できる。こ
の場合Ｚ軸方向に移動すると多少見ている点はずれる
が、移動の範囲が小さければ、ほぽ一点と見做すことが
できるし、表面が平面的な物体であれば問題はない。
のある点の３次元の辺を同時に非接触で測定できる。こ
の場合Ｚ軸方向に移動すると多少見ている点はずれる
が、移動の範囲が小さければ、ほぽ一点と見做すことが
できるし、表面が平面的な物体であれば問題はない。
またＺ軸方向の変位もＸ軸,Y軸方向と同じ原理で測定し
ているので、信号が安定している。
ているので、信号が安定している。
また光源として半導体レーザ等を用いることにより、光
学系をコンパクトにできる。
学系をコンパクトにできる。
第３図は本発明に係る光学式変位測定装置の他の実施例
を示す構成ブロック図である。21,22はそれぞれ第1,第
２のイメージセンサを構成する。これは光電子増倍管を
用いた市販のイメージセンサで、例えばオプティカル・
サーボ等と呼ばれ、明／暗の境界線を持つ被測定物が視
野内にあるとき、非接触で光学的に被測定物の運動・変
位を検出することができるもので、変位の方向およびそ
の大きさは符号を含めてアナログ量で出力される。イメ
ージセンサ21,22の内部は主に結像光学系と電子増倍管
とから構成されている。イメージセンサ21はX,Y軸方向
の２次元平面内の変位を検出し、イメージセンサ22はＸ
軸と方向を合わせるともにターゲットを見込む角度をθ
傾けてＺ軸方向の変位が検出できるように配置される。
51は物体50の表面に貼られた明／暗の境界線を持つター
ゲットで、イメージセンサ21,22は別置の照明によるタ
ーゲット51からの反射光c,dをそれぞれ入射して境界線
の移動を検出する。第２図の場合と同様に物体50が 移動した時のＸ軸方向の変位量をｘとし、光ｄの光路と
直角方向の変位量をｘ′とすると、ターゲット51のＺ軸
方向の変位ｚは次式で得られる。
を示す構成ブロック図である。21,22はそれぞれ第1,第
２のイメージセンサを構成する。これは光電子増倍管を
用いた市販のイメージセンサで、例えばオプティカル・
サーボ等と呼ばれ、明／暗の境界線を持つ被測定物が視
野内にあるとき、非接触で光学的に被測定物の運動・変
位を検出することができるもので、変位の方向およびそ
の大きさは符号を含めてアナログ量で出力される。イメ
ージセンサ21,22の内部は主に結像光学系と電子増倍管
とから構成されている。イメージセンサ21はX,Y軸方向
の２次元平面内の変位を検出し、イメージセンサ22はＸ
軸と方向を合わせるともにターゲットを見込む角度をθ
傾けてＺ軸方向の変位が検出できるように配置される。
51は物体50の表面に貼られた明／暗の境界線を持つター
ゲットで、イメージセンサ21,22は別置の照明によるタ
ーゲット51からの反射光c,dをそれぞれ入射して境界線
の移動を検出する。第２図の場合と同様に物体50が 移動した時のＸ軸方向の変位量をｘとし、光ｄの光路と
直角方向の変位量をｘ′とすると、ターゲット51のＺ軸
方向の変位ｚは次式で得られる。
ｚ＝（−ｘ′−xcosθ）/sinθ ＝−ｘ′/sinθ−x/tanθ ……（２） すなわちイメージセンサ21,22の出力について処理回路
で上式の演算を行えば、Ｚ軸方向の変位出力を得ること
ができる。X,Y軸方向の変位出力については第２図の場
合同様、イメージセンサ21の出力をそのまま用いればよ
い。
で上式の演算を行えば、Ｚ軸方向の変位出力を得ること
ができる。X,Y軸方向の変位出力については第２図の場
合同様、イメージセンサ21の出力をそのまま用いればよ
い。
なお上記の各実施例ではターゲット・テープとして再帰
反射性テープを用いているが、入射光量の問題はある
が、通常の拡散反射性テープを用いてもよい。例えば第
１図の場合にターゲットに垂直な照射光のみを用いれ
ば、PBS6を省略することができる。
反射性テープを用いているが、入射光量の問題はある
が、通常の拡散反射性テープを用いてもよい。例えば第
１図の場合にターゲットに垂直な照射光のみを用いれ
ば、PBS6を省略することができる。
また物体50がもともと明／暗の境界線を持っていれば、
それを利用することができる。
それを利用することができる。
また、第１図及び第３図における実施例の説明に際して
は、半導体レーザ等を光源を用いてターゲットに照射
し、ターゲットからの反射光を用いているが、ターゲッ
トの格子模様等の模様が２つのイメージセンサで十分に
結像できる程度のS/Nが得られれば光源及びその照射用
光学系は必要なくなる。
は、半導体レーザ等を光源を用いてターゲットに照射
し、ターゲットからの反射光を用いているが、ターゲッ
トの格子模様等の模様が２つのイメージセンサで十分に
結像できる程度のS/Nが得られれば光源及びその照射用
光学系は必要なくなる。
≪発明の効果≫ 以上述べたように本発明によれば、ある一点の３次元の
変位を同時に非接触で安定に測定できる光学式変位測定
装置を簡単な構成で実現することができる。
変位を同時に非接触で安定に測定できる光学式変位測定
装置を簡単な構成で実現することができる。
第１図は本発明に係る光学式変位測定装置の一実施例を
示す構成ブロック図、第２図は第１図装置の測定方法を
示すための動作説明図、第３図は本発明に係る光学式変
位測定装置の他の実施例を示す構成ブロック図、第４図
および第５図は光学式変位測定装置の従来例を示す構成
斜視図である。 ５……ターゲット、13,21……第１のイメージセンサ、1
5,22……第２のイメージセンサ、17……処理回路、θ…
…所定の角度、Sx,Sx′……変位出力。
示す構成ブロック図、第２図は第１図装置の測定方法を
示すための動作説明図、第３図は本発明に係る光学式変
位測定装置の他の実施例を示す構成ブロック図、第４図
および第５図は光学式変位測定装置の従来例を示す構成
斜視図である。 ５……ターゲット、13,21……第１のイメージセンサ、1
5,22……第２のイメージセンサ、17……処理回路、θ…
…所定の角度、Sx,Sx′……変位出力。
Claims (1)
- 【請求項１】イメージセンサ上に結像させたターゲット
の模様の動きに基づき前記ターゲットの変位を検出する
光学式変位測定装置において、 前記ターゲットに平行な平面内での前記ターゲットの変
位を検出する第１のイメージセンサと、 前記平面の垂線と所定の角度を成す方向から前記ターゲ
ットの変位を検出する第２のイメージセンサと、 前記２つのイメージセンサによる変位出力から前記ター
ゲットの前記平面の変位及び垂直な方向の変位を演算す
る処理回路と を備えたことを特徴とする光学式変位測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62301940A JPH07122566B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 光学式変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62301940A JPH07122566B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 光学式変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01142401A JPH01142401A (ja) | 1989-06-05 |
| JPH07122566B2 true JPH07122566B2 (ja) | 1995-12-25 |
Family
ID=17902941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62301940A Expired - Lifetime JPH07122566B2 (ja) | 1987-11-30 | 1987-11-30 | 光学式変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07122566B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5149085B2 (ja) * | 2008-06-19 | 2013-02-20 | シグマ光機株式会社 | 変位計 |
| EP4160940A1 (en) * | 2011-06-13 | 2023-04-05 | Wi-Charge Ltd. | Spatially distributed laser resonator |
| JP6452391B2 (ja) * | 2014-11-12 | 2019-01-16 | 株式会社竹中工務店 | レーザ測定装置、及び除振システム |
| CN115325937B (zh) * | 2022-10-11 | 2023-02-07 | 光量信息科技(宁波)有限公司 | 一种基于硅光电倍增管的反光靶点中心快速自动定位方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5537982A (en) * | 1978-09-11 | 1980-03-17 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Solid-shape detector for characteristic test of deformation of curved-surface body |
| US4662752A (en) * | 1985-11-04 | 1987-05-05 | Actel Partnership | Position and orientation (POSE) sensor and related method |
-
1987
- 1987-11-30 JP JP62301940A patent/JPH07122566B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01142401A (ja) | 1989-06-05 |
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