JPH074909A - レーザセンサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 近接位置で同時使用されるレーザセンサ間の
干渉の防止。 【構成】 レーザセンサ１０の半導体レーザ１からのビ
ーム（波長７８０ｎｍ）１１は、投射レンズ３を介して
被検面３０上に投射される。投射スポット光像は、７８
０ｎｍの光を透過し、８３０ｎｍの光を遮断する干渉フ
ィルタＦＬ１と集光レンズ５を介して位置検出型光検出
器６で検出される。レーザセンサ２０の半導体レーザ
１’からのビーム（波長８３０ｎｍ）２１は、投射レン
ズ３’を経て被検面４０上に投射される。投射スポット
光像は、７８０ｎｍの光を遮断し、８３０ｎｍの光を透
過する干渉フィルタＦＬ２と集光レンズ５’を介して位
置検出型光検出器６’によって検出される。面３０及び
４０の位置／変位を表わす信号の差出力から、段差Ｄの
大きさ／変動求められる。各フィルタの作用によって、
発光波長の異なる他のレーザ光源に由来した光の検出が
抑止されるので、両レーザセンサ間に干渉が防止され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、レーザ光源を備えた
光学式センサ装置から対象物に向けて２本またはそれ以
上のレーザ光を照射し、各反射光を位置検出型の検出器
（ＰＳＤ）等の光検出手段によって検出することによっ
て、対象物表面とセンサとの間の位置関係を表わすデー
タを非接触で獲得する型の光学式センサ装置に関する。

【０００２】本願発明の光学式センサ装置が利用される
技術分野としては、各種ワーク等の対象物の変位測定、
表面形状センシング、板状物体（特に、透光性を有する
対象物）の厚み測定、等がある。

【０００３】

【従来の技術】近年、レーザ・ダイオード（以下、ＬＤ
と言う。）等のレーザ光源からの光を対象物に投射し、
その反射光を光検出装置によって検出し、その検出結果
に基づいて対象物の位置、表面形状、厚みあるいはそれ
らの変化を算出する光学式変位測定装置が、工場の生産
ラインの自動化、自動機械の動作制御、各種対象物の状
態監視等の極めて多岐にわたる分野において利用されて
いる。

【０００４】図１は、従来用いられているレーザセンサ
装置の概略構成図である。これを説明すると、ＬＤ１か
らの光は、必要に応じて設けられたコリメータレンズ２
によって平行化され、投射レンズ３によりビーム径が絞
られて、被検対象物４上にスポット光となって投射され
る。この投射スポット光像を集光レンズ５を介して位置
検出型光検出器（以下、ＰＳＤと言う。）６の検出面上
に検出スポット像として入射させる。被検対象物４の位
置が入射光の光軸に沿って変位（Ｐ→Ｐ’）すると、検
出スポット像もＰＳＤ上で移動する（Ｑ→Ｑ’）。

【０００５】位置検出機能を有するＰＳＤ６は、スポッ
ト光の入射位置に応じて２つの電流出力Ｉ1 、Ｉ2 のを
生成するもので、Ｉ12＝（Ｉ1 ―Ｉ2 ）／（Ｉ1 ＋Ｉ2
）がＰＳＤ上での入射位置を表している。従って、各
電流出力Ｉ1 、Ｉ2 を電流電圧変換回路７で電圧Ｖ1 、
Ｖ2 に変換し、演算器９により演算Δ12＝（Ｖ1 ―Ｖ
2）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）を行えば、検出スポット光の位置
が判り、それに基づいて被検対象物４の位置（投射スポ
ット光の位置）を求めることが出来る。図中、被検対象
物４の位置変位は並進移動（実線→破線）で示されてい
るが、被検対象物の姿勢変化による位置変位（スポット
光入射位置）を測定する場合もある。

【０００６】また、このような光学式位置変位測定装置
に通常用いられるＬＤ等のレーザ光源素子には、光源の
出力光強度をモニタする為のモニタ光検出器９が内蔵乃
至付属装備されており、このモニタ光検出器９の出力に
基づき、コントローラＣＴＬを介して光源駆動回路ＬＤ
Ｄを制御して光源素子（ＬＤ）１の出力光強度を一定に
保つ制御が行われる。対象物４からＬＤ素子１への戻り
光の影響を回避する為に、ＬＤ１と対象物４との間にビ
ームスピリッタを配置し、その側方でＬＤ１からの出射
光をモニタする方式を採用する場合もある。

【０００７】このようなレーザセンサは、単独あるいは
相互に十分離隔した位置で各センサを使用する場合と、
相互に近接した位置で２台以上のセンサを同時使用する
場合とがある。後者の使用法をとる例としては、（１）
段差、面方向等の表面形状関連量あるいはその変化量の
検出（２）板状乃至ウェブ状物体の厚みの検出、（３）
近接する複数物体の同時位置検出等が考えられる。図２
（ａ）、（ｂ）及び図３（ａ）、（ｂ）は、これらケー
スにおけるレーザセンサ、レーザビーム及び被検対象物
の関係を例示したものである。

【０００８】図２（ａ）では、レーザセンサ１０及び２
０からのレーザビーム１１、２１は面３０、４０上に位
置１２、２２で入射し、各入射位置１２、２２のＺ方向
位置データから面３０と４０の段差Ｄが計測される。図
２（ｂ）では、３角形状尾根部５０の突端部近傍に各セ
ンサ１０、２０からのレーザビームを入射させ、尾根部
５０の角度θを計測するものである。また、図３（ａ）
においては、板状物体６０の両側から各センサ１０、２
０からのレーザビーム１１、２１を表裏対応点１２及び
２２に入射させ、該板状物体６０の厚みを計測する配置
が示されている。更に、図３（ｂ）では同一平面Ｇ上の
接近した位置にある２つの円柱状物体７０及び８０の高
さｈ1 、ｈ2 を同様の配置によって計測する例が示され
ている。この他にも、種々の場面において２台以上のレ
ーザセンサを近接配置状態で使用するケースが考えられ
る。

【０００９】２台以上のレーザセンサをこのような状態
で使用した場合、各レーザビームの入射位置が接近して
いる為に、他のレーザセンサから発せられたレーザビー
ムによって形成された照射スポットからの光あるいはそ
れが周辺部分で多重反射した光が外乱光となって、隣接
したセンサの光検出部に設けられた集光レンズを介して
光検出器（ＰＳＤ）に入射することが現象が生じてい
た。図３（ａ）に示した厚み測定においては、特に、板
状あるいはウェブ状の物体６０に透光性がある場合にこ
の現象が発生する。

【００１０】このようなセンサ間の干渉現象が発生する
と、当然、センサの位置検出型検出器の出力にノイズが
乗って測定精度が著しく低下する。場合によっては、実
質的に計測不能となることも珍しくない。図４は、干渉
現象が生じた場合の検出出力の実測例を示した図であ
る。図４において、横軸ｔは時間、縦軸ＺはＰＳＤ上の
スポット光結像位置を各々表わす軸である。縦軸１目盛
りは、１０μｍに相当しており、７８０ｎｍのレーザ光
源素子（ＧａＡｌＡｓ半導体レーザ）を有するレーザセ
ンサの光検出部に、近接した別のレーザセンサに使用さ
れる８３０ｎｍのレーザ光源素子（ＧａＡｌＡｓ半導体
レーザ）からの光が外乱光として入射した場合に起こる
干渉現象が描かれている。

【００１１】即ち、被対象物に変位が無い状態で、干渉
が無い理想的な測定が行なわれた場合には、検出出力
は、Ｚ＝Ｚ0 （一定値）の幅の無い直線のグラフを与え
る筈である（後述、実施例参照）。ところが、図４に示
した例では、測定値を確定し得ない程の幅（数１００μ
ｍ）を有した脈動性の検出出力が生成されてることが判
る。

【００１２】従来、このような干渉現象を回避する為の
方策として採用されてきた方式は、ある１台のセンサが
計測中の期間にあっては、これに近接したレーザセンサ
のＬＤ光源を消光状態乃至微弱発光状態とするものであ
る。ところが、一旦ＬＤ光源を消光状態乃至微弱発光状
態とすると、再び安定した計測可能な状態に復帰させる
のにある程度の時間（例えば、数ｍｓ）がかかるので、
１ｋＨｚ以上の繰り返し頻度で各レーザセンサから測定
出力を得ることが困難となる。また、複数のレーザ光源
素子の発光フェイズを正確にずらせる為の制御回路手段
や発光フェイズ中の検出出力を抽出する為の回路手段等
が必要となる等の点から考えても、この従来の方式が満
足すべきものであったと言うことは出来ない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本願発明の目
的は、複数台のレーザセンサ手段間の相互干渉を防止出
来るレーザセンサ装置を提供することにある。即ち、本
願発明は、複数のレーザセンサ手段を使用するレーザセ
ンサ装置において、他のレーザセンサ手段のレーザ光源
に由来した外乱光を遮断することによって、１つのレー
ザセンサ手段による計測実行中に他のレーザセンサ手段
のレーザ光源を消光状態あるいは微発光状態とする必要
を無くしたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願発明は、レーザ光源
素子と、該レーザ光源素子の出力光を被検対象物に入射
させる光学系と、位置検出型の光検出器と、該位置検出
型光検出器に前記被検対象物からの反射光を入射させる
光学系とを有する複数のレーザセンサ手段を備えたレー
ザセンサ装置において、前記複数のレーザセンサ手段の
各々に所属する前記レーザ光源素子の発光波長特性を互
いに異なるものとし、各レーザセンサ手段の光検出器へ
の入射光路中に、他のレーザセンサ手段に所属するレー
ザ光源の発光波長の光を遮断する機能を有する分光フィ
ルタ手段を配置することによって、相互干渉のないレー
ザセンサ装置を実現したものである。

【００１５】

【作用】本願発明のレーザセンサ装置においては、各レ
ーザセンサ手段に所属するレーザ光源素子の発光波長特
性が異なるものとした上で、各レーザセンサ手段の光検
出器（ＰＳＤ）の入射光路中に、他のレーザセンサに所
属したレーザ光源素子から発せられた波長の光を有効に
遮断する機能を有する分光フィルタ手段が配置されてい
るので、２個以上のレーザセンサを同時使用しても、他
のレーザセンサに所属するレーザ光源素子から発せられ
た光が対象物あるいは周辺物体を経由して自身の光検出
器（ＰＳＤ）に入射することが回避される。従って、従
来のように、外乱光入射によってもたらされる計測精度
の低下あるいは計測不能状態の恐れなく、２台以上のレ
ーザセンサを近接した位置で連続的に同時使用すること
が可能となる。

【００１６】また、その際、各レーザセンサの使用中
（レーザ発光中）に他のレーザセンサに所属するレーザ
光源素子の発光を停止したり微弱発光状態に落とす必要
もなくすことが出来る。従って、複数台のレーザセンサ
のレーザ光源素子や光検出器、光検出器出力処理回路等
を交番的に同期作動させる為の制御手段も不要となる。

【００１７】

【実施例】図５は、本願発明のレーザセンサ装置を図２
（ａ）に示した段差計測に使用した場合について、全体
配置及び各レーザセンサの概略構成の１例を模式的に示
した図である。図中、図１、図２（ａ）と共通した要素
については、一部同じ番号が付されている。

【００１８】図５において、レーザセンサ装置は近接配
置された２台のレーザセンサ１０及び２０から構成され
ている。レーザセンサ１０、２０は各々レーザ光源素子
１、１’（必要に応じてコリメータレンズを内蔵）、投
射レンズ３、３’、集光レンズ５、５’及び位置検出型
検出器（ＰＳＤ）６、６’を備えている。これらの構成
要素自体は、図１に示した従来構成のレーザセンサと基
本的に共通したものであるが、本願発明の特徴に従った
構成として、各レーザセンサ１０、２０のレーザ光源素
子１、１’として、互いに発光波長の異なるものが使用
されると共に、各受光側光路中に各々分光フィルタ手段
ＦＬ１及びＦＬ２が配置されている。

【００１９】レーザセンサ１０のフィルタ手段ＦＬ１に
は、レーザセンサ２０のレーザ光源１’の発光波長を遮
断する分光特性を有したものが選ばれ、レーザセンサ２
０のフィルタ手段ＦＬ２には、レーザセンサ１０のレー
ザ光源１の発光波長を遮断する分光特性を有したものが
選ばれる。

【００２０】例えば、レーザ光源１として発光波長７８
０ｎｍのＧａＡｌＡｓ半導体レーザを用い、同じくレー
ザ光源１’として発光波長８３０ｎｍのＧａＡｌＡｓ半
導体レーザを用いた場合、フィルタ手段ＦＬ１、ＦＬ２
として図６に示したような分光透過特性を有する干渉フ
ィルタ（ＮＤフィルタとも呼ばれる。）が選択使用され
る。

【００２１】即ち、フィルタ手段ＦＬ１としては、図中
η1 （λ）で示されているように７８０ｎｍ前後の波長
帯域の光は大半透過するが、８３０ｎｍ付近から長波長
側の光は殆ど遮断するような分光透過率ηの推移を示す
干渉フィルタを用いる一方、フィルタ手段ＦＬ２として
は、η2 （λ）で示されているように、８３０ｎｍ前後
の波長帯域の光は大半透過するが、７８０ｎｍ付近から
短波長側の光は殆ど遮断するような分光透過率ηの推移
を示す干渉フィルタを用いる。

【００２２】以下、このような構成を各部に採用した場
合のレーザセンサ装置の動作を説明する。レーザセンサ
１０のレーザ光源素子（半導体レーザ）から発せられた
波長７８０ｎｍのレーザビーム１１は、必要に応じて内
蔵されたコリメータレンズ（図示省略）によって平行化
され、投射レンズ３によりビーム径が絞られた後、被検
面３０上にスポット光として投射される。この投射スポ
ット光像は、η1 （λ）で表わされる分光透過特性を有
する干渉フィルタＦＬ１と集光レンズ５を介して位置検
出型光検出器（ＰＳＤ）６の検出面上に検出スポット像
として結像される。

【００２３】位置検出機能を有する検出器（ＰＳＤ）６
の検出信号は、図１の関連説明部分で述べた態様で処理
され、面３０の図中上下方向位置あるいはその変位を表
わす信号が生成される。

【００２４】一方、レーザセンサ２０のレーザ光源素子
を構成する半導体レーザ１’から発せられた波長８３０
ｎｍのレーザビーム２１は、必要に応じて内蔵されたコ
リメータレンズ（図示省略）によって平行化された後、
投射レンズ３’によりビーム径が絞られ、被検面４０上
にスポット光として投射される。この投射スポット光像
は、η2 （λ）で表わされる分光透過特性を有する干渉
フィルタＦＬ２と集光レンズ５’を介して位置検出型光
検出器（ＰＳＤ）６’の検出面上に検出スポット像とし
て結像される。位置検出型検出器（ＰＳＤ）６’の検出
信号は、位置検出型検出器６の検出信号と同様の態様で
処理され、面４０の図中上下方向位置あるいはその変位
を表わす信号が生成される。そして、両レーザセンサ１
０、２０によって生成された各面３０、４０の位置乃至
変位を表わす信号の差出力から面３０、４０の段差Ｄあ
るいはその変動が検出される。

【００２５】ところで、２台のレーザセンサ１０、２０
は近接配置されているので、各レーザセンサ１０、２０
の位置検出型検出器６、６’の入射光路中には、種々の
経路で他方のレーザ光が紛れ込んでくる。例えば、図５
中に波線ＡＭ１で示したように、レーザセンサ２０の光
源１’によるスポット像からの光の一部が、位置２２か
ら直接レーザセンサ１０の光検出部に向かって入射して
来る。また、波線ＡＭ２で示したように、レーザセンサ
１０の光源１によるスポット像からの光の一部が、位置
１２からレーザセンサ１０壁面上の位置Ｐ1 、被検面４
０上の位置Ｐ2で反射した後、レーザセンサ２０の光検
出部に迷光の形で侵入することも有り得る。

【００２６】しかし、従来技術の場合とは異なり、各位
置検出型光検出器（ＰＳＤ）６及び６’の入射光路中に
は各々、η1 （λ）、η2 （λ）で表わされる分光透過
特性を有する干渉フィルタＦＬ１、ＦＬ２が配置されて
おり、これに対応してレーザ光源１として発光波長７８
０ｎｍのＧａＡｌＡｓ半導体レーザ、同じくレーザ光源
１’として発光波長８３０ｎｍのＧａＡｌＡｓ半導体レ
ーザが使用されているので、位置検出型光検出器（ＰＳ
Ｄ）６及び６’のいずれにも、他方のレーザビームに由
来した光が到達することがない。

【００２７】即ち、ＡＭ１あるいはＡＭ２のような経路
で他方レーザセンサ側に外乱光が入り込んだとしても、
フィルタＦＬ１、ＦＬ２によって位置検出型光検出器
（ＰＳＤ）６及び６’への到達が実質的に阻止される。

【００２８】図７及び図８は、上述した構造を有するレ
ーザセンサ装置を用いた場合のレーザセンサ間の干渉の
発生状況を検証する為に、フィルタＦＬ１として中心波
長７８０ｎｍ、半値幅が各々７０ｎｍ（図７）、及び１
４ｎｍ（図８）の干渉フィルタ（日本真空光学製、ＤＩ
Ｆ−ＢＰＦ−４型及びＤＩＦ−ＢＰＦ−１型）を使用
し、図４に示したケース（干渉フィルタ使用せず。）と
同じ条件下で実測された検出出力を、図４と同様の態様
で表わした示したものである。

【００２９】図７においては、干渉フィルタＦＬ１の半
値幅が７０ｎｍとやや広めにとってあるので、位置検出
型光検出器（ＰＳＤ）６全体の受光量が比較的大きくな
っているが、僅かに発生している干渉現象によるものと
思われるノイズが、図示したδ1 （ピーク・ツー・ピー
ク；PEAK-TO-PEAK）の程度の大きさで重畳している。

【００３０】これに対して、図８では、干渉フィルタＦ
Ｌ１の半値幅を１４ｎｍに絞られている為に、位置検出
型光検出器（ＰＳＤ）６全体の受光量は小さくなってい
るものの、ノイズレベルは、図示したδ2 （ピーク・ツ
ー・ピーク；PEAK-TO-PEAK）の程度に低下しており、干
渉現象がほぼ完全に抑えられたことが読み取れる。

【００３１】このように、図７、図８のいずれの場合に
おいても、図４のフィルタ無使用の場合と比較して、格
段のノイズリダクションが実現していることに疑いはな
い。

【００３２】即ち、本願発明の技術思想に従った上記実
施例の構成により、著しい干渉防止効果が発揮されるこ
とが確かめられたことになる。半導体レーザの発光波
長、発光強度及び干渉フィルタの分光特性について、昨
今極めて多様なもの入手可能であるから、位置検出型光
検出器（ＰＳＤ）の感度等も考慮に入れて、使用条件に
適合した半導体レーザと干渉フィルタを組み合わせて用
いることが好ましいことは、言うまでもない。

【００３３】また、所望の分光透過特性を得る為に２枚
以上のフィルタを重ねて使用しても良く、また、フィル
タを集光レンズ周辺、位置検出型光検出器（ＰＳＤ）直
前等に固定配置するのではなく、１種類あるいは２種類
以上のフィルタを選択的に挿脱し得るように配置するこ
とも可能である。このような配置によれば、１台のレー
ザセンサの単独使用時等、干渉現象の発生の恐れがない
場合には、フィルタ無使用としてより十分な受光光量を
確保したり、あるいは発光波長の異なる半導体レーザを
使用する場合に、光路中に挿入されるフィルタの入れ換
えで対応すること等が可能となる。

【００３４】更に、上記実施例では近接位置で同時使用
されるレーザセンサの台数を２台としたが、使用するレ
ーザ光源素子の発光波長とフィルタの分光透過特性の組
合せを工夫することにより、３台以上のレーザセンサを
近接位置で同時使用する場合についても、本願発明の技
術思想を適用したレーザセンサ装置を構成することが可
能なことは、これまでの説明から明らかであろう。

【００３５】

【発明の効果】本願発明のレーザセンサ装置において
は、各レーザセンサ手段に所属するレーザ光源素子の発
光波長が互いに異なると共に、各レーザセンサ手段の光
検出器（ＰＳＤ）の入射光路中に、他のレーザセンサに
所属したレーザ光源素子から発せられた波長の光を有効
に遮断する機能を有する分光フィルタ手段が配置されて
いるので、２個以上のレーザセンサを近接位置で同時使
用しても、他のレーザセンサに所属するレーザ光源素子
から発せられた光が対象物あるいは周辺物体を経由して
自身の光検出器（ＰＳＤ）に入射することが回避され
る。

【００３６】従って、従来のように、外乱光入射によっ
てもたらされる計測精度の低下あるいは計測不能状態の
恐れなく、２台以上のレーザセンサを近接した位置で連
続的に同時使用することが可能となる。また、その際、
各レーザセンサの使用中（レーザ発光中）に他のレーザ
センサに所属するレーザ光源素子の発光を停止したり微
弱発光状態に落とす必要もなくなるので、複数台のレー
ザセンサのレーザ光源素子や光検出器、光検出器出力処
理回路等を交番的に同期作動させる為の制御手段も不要
となり、レーザセンサ装置を使用するシステム全体の構
成が簡素化される利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来用いられているレーザセンサ装置の概略構
成図である。

【図２】相互に近接した位置で２台以上のレーザセンサ
を同時使用する事例を示した模式図で、（ａ）は段差の
計測、（ｂ）は、３角状尾根部の角度θの計測に用いら
れる配置を例示したものである。

【図３】相互に近接した位置で２台以上のレーザセンサ
を同時使用する他の事例を示した模式図で、（ａ）は、
板状物体の厚みを計測する配置、（ｂ）では同一平面上
の接近した位置にある２つの円柱状物体高さを計測する
配置を例示したものである。

【図４】２台のレーザセンサに、干渉現象が生じた場合
の検出出力の１例を示した図である。

【図５】本願発明のレーザセンサ装置を図２（ａ）に示
した段差計測に使用した場合について、全体配置及び各
レーザセンサの概略構成の１例を模式的に示した図であ
る。

【図６】図５に示されたレーザセンサ装置に使用可能な
干渉フィルタの分光透過特性を例示したグラフである。

【図７】図５に示されたレーザセンサ装置の一方のレー
ザセンサのフィルタＦＬ１として、中心波長７８０ｎ
ｍ、半値幅が７０ｎｍのものを使用した場合に観測され
た検出出力を例示したものである。

【図８】図５に示されたレーザセンサ装置の一方のレー
ザセンサのフィルタＦＬ１として、中心波長７８０ｎ
ｍ、半値幅が１４ｎｍのものを使用した場合に観測され
た検出出力を例示したものである。

【符号の説明】

１ レーザ光源素子（半導体レーザ乃至ＬＤ） ２ コリメータレンズ ３ 投射レンズ ４ 被検対象物 ５ 集光レンズ ６ 位置検出型検出器（ＰＳＤ） ７ 電流電圧変換回路 ８ 演算回路 ９ モニタ光検出器 １０、２０ レーザセンサ １１、２１ レーザビーム １２、２２ レーザビーム入射点 ３０、４０ 段差面 ５０ ３角形状尾根部 ６０ 板状乃至ウェブ状物体 ７０、８０ 円柱状物体 ＣＴＬ コントローラ ＬＤＤ 光源素子駆動回路 η1 （λ）、η2 （λ） フィルタＦＬ１、ＦＬ２の分
光透過率曲線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源素子と、該レーザ光源素子の
   出力光を被検対象物に入射させる光学系と、位置検出型
   の光検出器と、該位置検出型光検出器に前記被検対象物
   からの反射光を入射させる光学系とを有する複数のレー
   ザセンサ手段を備えたレーザセンサ装置において、前記
   複数のレーザセンサ手段の各々に所属する前記レーザ光
   源素子が互いに異なる発光波長特性を有し、前記複数の
   レーザセンサ手段の各々の前記光検出器への入射光路中
   に、他のレーザセンサ手段に所属するレーザ光源の発光
   波長の光を遮断する機能を有する分光フィルタ手段が配
   置されていることを特徴とする前記レーザセンサ装置。