JPH0854230A

JPH0854230A - 光学式距離計

Info

Publication number: JPH0854230A
Application number: JP18843194A
Authority: JP
Inventors: Kunio Miyahara; 原邦雄宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1996-02-27

Abstract

(57)【要約】【目的】光学的位置検出素子の受光面に取り込む受光
光量が測定対象物の表面状態の変化により大きく変動す
ることを抑制して、高い測定精度を有する光学式距離計
を提供する。【構成】測定対象物（５）の表面にスポット光を照射
し、測定対象物の表面の光点（Ｐ）を光学的位置検出素
子（４）の受光面に結像し、三角測量法により測定対象
物の表面までの距離を検出する光学式距離計において、
スポット光を測定対象物の表面へ投光する投光軸（ｍ）
と、光学的位置検出素子で受光する受光軸（ｎ）とは、
測定対象物の表面の法線（ｋ）を挟んで互いに反対側に
あり、この法線に対してゼロでない角度をなしているこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学式距離計に係り、
特に測定対象物の表面にスポット光を照射し、測定対象
物の表面の光点を光学的位置検出素子の受光面に結像
し、三角測量法により測定対象物の表面までの距離を検
出する光学式距離計に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学的手法により測定対象物体までの距
離を非接触で測定する距離計として、三角測量の原理を
用いた距離計が広く使われている。この距離計は図７に
示すように、半導体発光素子（半導体レーザダイオード
や発光ダイオード、以下、単に発光素子という）１、投
光レンズ２、受光レンズ３、半導***置検出素子（Ｐｏ
ｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ：以
下、単に受光素子という）４で構成されている。発光素
子１から出射されたスポット光７は、投光レンズ２を透
過することによって集光される。スポット光７は測定対
象物５に対し垂直に投射され、物体表面上の点Ｐで拡散
反射される。

【０００３】投光軸から距離Ｄだけ離れた線上に主点Ｏ
をもつ受光レンズ３が配設され、受光レンズ３の主点Ｏ
から投光軸の方向に間隔Ｈを置いて受光素子４の受光面
が位置する。投光ビームの光点Ｐから受光レンズ３の方
向に拡散反射される光束８は、受光レンズ３によって集
められて受光素子４の受光面上の一点Ｑに結像される。
この反射光束８の結像点Ｑとレンズの主点Ｏ間の投光軸
に対する垂直成分の間隔をＸとすると、受光レンズ３の
主点Ｏと測定対象物５の表面までの投光軸方向距離Ｌ
は、三角形の相似の関係から次式（１）に示すようにＸ＝（Ｄ・Ｈ）／Ｌ …（１）となり、受光面上の位置Ｘは第８図に示すように距離Ｌ
に逆比例して変化する。ここで、ＤとＨは光学系により
決まる定数であるから、受光素子４の出力から受光位置
Ｘを読みとると距離Ｌが求まる。また距離がＬからＬ′
に変化して対象物体表面上の照射点がＰからＰ′に移動
すると、受光面上の結像点がＱからＱ′に移動し、受光
位置もＸからＸ′に変化する。受光素子から出力される
電気信号を簡単な電子回路で処理することにより、測定
距離に比例した位置データを得ることができる。

【０００４】なお、投光軸を測定対象物５に対し垂直に
して斜め方向から受光する代わりに、斜め方向から投光
し受光軸を測定対象物５に対し垂直にする構成も可能で
ある。

【０００５】投光軸あるいは受光軸は測定対象物５に対
し垂直である場合、光学系と簡単な電子回路とを組み合
わせることにより距離計を構成できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
距離計においては、投光軸あるいは受光軸は測定対象物
５に対し垂直であるため、対象物体の表面状態の変化に
より反射率が変化する場合に受光素子４の受光面に取り
込む受光光量の変動が大きく、測定精度が低下すること
があった。例えば、対象物体の光沢度が高い場合には、
投光軸を測定対象物５に対し垂直にして斜め方向から受
光しようとすると、受光軸方向に拡散反射する光量が極
端に減少するために受光素子の出力信号がノイズレベル
近くまで低下して電子回路の演算結果に誤差が生じ、測
定不可能になることもあるという問題点があった。

【０００７】そこで本願発明の目的は、上記従来技術の
有する問題を解消し、投光軸および受光軸を測定対象物
の表面の法線に対し角度を持たせて測定対象物の表面に
おける反射角を入射角に近づけることを可能にし、光学
的位置検出素子の受光面に取り込む受光光量が測定対象
物の表面状態の変化により大きく変動することを抑制し
て、高い測定精度を有する光学式距離計を提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明に係る光学式距離計は、測定対象物の表面
にスポット光を照射し、測定対象物の表面の光点を光学
的位置検出素子の受光面に結像し、三角測量法により測
定対象物の表面までの距離を検出する光学式距離計にお
いて、前記スポット光を前記測定対象物の表面へ投光す
る投光軸と、前記光学的位置検出素子で受光する受光軸
とは、前記測定対象物の表面の法線を挟んで互いに反対
側にあり、この法線に対してゼロでない角度をなしてい
ることを特徴とする。

【０００９】また、前記投光軸と前記法線とのなす角度
と前記受光軸と前記法線とのなす角度とは、等しくはな
いが近い値であることが好適である。また、前記スポッ
ト光は、所定周期で点滅することが好適である。

【００１０】

【作用】投光軸と受光軸とは測定対象物の表面の法線を
挟んで互いに反対側にあるので、測定対象物の表面にお
ける反射角を入射角に近づけることを可能になり、この
ような光学的構成を採用することにより、光学的位置検
出素子の受光面に取り込む受光光量が測定対象物の表面
状態の変化により大きく変動することを抑制することが
できる。

【００１１】また、スポット光を一定周期で点滅するよ
うにしたので、発光素子の駆動電流の時間平均値を減少
させ、全体の消費電流を節約することができる。

【００１２】

【実施例】本願発明の実施例を図面を参照して以下に説
明する。図１において、符号１，２，３，４は図７に示
す従来例に示したのと同様の発光素子、投光レンズ、受
光レンズ、受光素子を示す。符号６は位置検出部であ
り、位置検出部６は受光素子４で検出した受光位置Ｘを
表す電気信号が入力されるとともに、投光手段と受光手
段との位置関係から補正量を演算する機能を付加して測
定距離Ｌに比例した出力信号量Ｌｏを得る。

【００１３】発光素子１から出射され投光レンズ２で集
束されたスポット光７は、測定対象物５の表面に対し入
射角αで照射される。ここで、検出範囲内のほぼ平均と
なる距離において、スポット光７の照射点Ｐにおける入
射角αと反射光束８の受光レンズ３への取り込み中心角
βと同程度の大きさになるように、発光素子１及び投光
レンズ２が配置されている。

【００１４】すなわち、測定対象物５の表面の法線ｋに
対して投光軸ｍと受光軸ｎとは互いに反対側に位置して
いる。投光軸ｍと法線ｋとのなす角度である入射角α
と、受光軸ｎと法線ｋとのなす角度である取り込み中心
角βとは、同程度の大きさに設定されている。ここで、
同程度の大きさとは、入射角αと取り込み中心角βと
は、等しくはないが近い値であることをいう。

【００１５】また、測定対象物５の変位に伴う照射点Ｐ
の軌跡と受光レンズ３のレンズ面と受光素子４の受光面
とは一点Ｓで交わるように光学系全体が配置されてい
る。これはシャインプルーグ条件といい、この条件が満
たされれば対象物体の変位に関係なく、結像点Ｑは常に
受光面上につくられる。

【００１６】また受光面は測定対象物５の表面に略平行
に配設されている。受光レンズ３の主点Ｏ１と、点Ｏ１
を通り測定対象物５の表面に平行な線と投光軸との光点
Ｏ２との距離を基線長Ｄ、受光レンズ３の主点Ｏ１と受
光面との距離をＨ、受光レンズ３の主点Ｏ１と結像点Ｑ
との距離Ｏ１Ｏ２方向成分を受光位置Ｘとしたとき、距
離Ｌと受光位置Ｘとは次式（２）に示す関係が成り立
つ。Ｘ＝Ｈ・（Ｄ−Ｌ・ｔａｎα）／Ｌ …（２）式（１）と式（２）から明らかなように、測定対象物５
の表面に対し垂直方向にスポット光を照射した場合の式
（１）に対し、入射角αで照射すると基線長がＤから
（Ｄ−Ｌ・ｔａｎα）に変化したことになる。

【００１７】また、受光位置Ｘから距離Ｌを求めるに
は、式（２）を変形して次式（３）の右辺を求めればよ
い。Ｌ＝Ｄ・Ｈ／（Ｘ＋Ｈ・ｔａｎα） …（３）したがって位置検出部６は受光素子４の位置信号Ｘを入
力し、基線長Ｄ、受光面位置Ｈ、入射角αを補正入力と
して式（３）の演算をすることにより、測定距離Ｌに比
例した出力データＬｏを得ることができる。

【００１８】次に、図２を参照して、位置検出部６を構
成する回路構成図の具体例について説明する。図２にお
いて、インピーダンス変換器２１，２２は、受光素子４
の出力電流Ｉ１，Ｉ２を各々電圧信号Ｖ１，Ｖ２に変換
する。除算器２３は、インピーダンス変換器２１及び２
２の出力電圧信号Ｖ１，Ｖ２が入力され、両者の差（Ｖ
２−Ｖ１）と和（Ｖ１＋Ｖ２）を求め、更にそれらの比
を演算して電圧信号Ｘを出力する。電圧設定器２４，２
５，２６はそれぞれ入射角αの正接（ｔａｎα）、受光
面位置（Ｈ）、基線長（Ｄ）に相当する電圧信号を発生
する。乗算器２７は２つの電圧設定器２４、２５の出力
信号が入力され、それらの積（Ｈ・ｔａｎα）を演算す
る。乗算器２８は２つの電圧設定器２５、２６の出力信
号が入力され、それらの積（Ｈ・Ｄ）を演算する。加算
器２９は、乗算器２７の出力信号と除算器２３の出力信
号が入力され、それらの和（Ｘ＋Ｈ・ｔａｎα）を演算
する。除算器３０は乗算器２８の出力信号と加算器２９
の出力信号の比（Ｄ・Ｈ／（Ｘ＋Ｈ・ｔａｎα））を演
算する。

【００１９】このように構成された位置検出部６は測定
距離に比例したデータＬｏを出力する。なお、図２の位
置検出部６はアナログ処理により上記式（３）を演算し
たが、本発明はこれに限らず、例えば、図３の構成図に
示すようにディジタル処理でもよい。すなわち、インピ
ーダンス変換器２１、２２の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をスイ
ッチ３１で交互に切り替えてアナログ信号をディジタル
信号に変換するＡ／Ｄ変換器３２へ入力し、ディジタル
量に変換して、それをパソコン等を用いた演算処理部３
３へ入力して上記式（３）の演算すればよい。

【００２０】また、図４に示すように、除算器２３の出
力信号ＸをＡ／Ｄ変換器３２でディジタル量に変換し、
上記式（３）におけるＸとＬｏとの関係をメモリ回路３
４に記憶させることにより、演算時間を不要にした高速
型の距離計を構成することができる。

【００２１】本実施例の構成によれば、測定対象物５の
表面の法線ｋに対して投光軸ｍと受光軸ｎとを互いに反
対側に位置させ、投光軸ｍと法線ｋとのなす角度である
入射角αと受光軸ｎと法線ｋとのなす角度である取り込
み中心角βとを同程度の大きさに設定したので、受光素
子４の受光面に取り込む受光光量が測定対象物の表面状
態の変化により大きく変動することを抑制することがで
き、安定した距離側定が可能となる。

【００２２】また、入射角αと取り込み中心角βとが等
しくなることを避けたので、直接反射光を検出すること
なく散乱光のみを受光することによって照射点である光
点Ｐの像を鮮明に受光面に結像することができる。

【００２３】なお、測定対象物までの距離または測定距
離範囲が変化した場合には、光学系を構成する光学部品
（例えば、受光レンズの焦点距離や受光素子の受光部長
さ等）を変えたり、それらの相対位置関係を変える必要
が生じるが、この場合でも、位置検出部６の構成を変え
る必要はなく、電圧設定器２４、２５、２６の出力電圧
を光学系に併せて変更するだけでよい。たとえば、電圧
設定器２４、２５、２６がポテンショメータを用いたア
ナログ方式の場合は、入射角αの正接（ｔａｎα）、受
光レンズの主点と受光素子との法線方向距離Ｈおよび基
線長Ｄの変更後のデータに対応したそれぞれの電圧を出
力するために、電圧設定器２４、２５および２６のそれ
ぞれのポテンショメータを調整して、出力電圧を変更す
るだけで簡単に対応できる。

【００２４】次に、図５および図６を参照して本発明の
他の実施例について説明する。図５は本実施例による光
学式距離計の構成図である。前述の実施例と同一の部材
には同一の符号を伏して説明を省略する。図５におい
て、符号４１は演算回路を示し、演算回路４１は図２に
おけるインピーダンス変換器２１、２２および除算器２
３で構成され、受光素子４の受光位置Ｘを演算する。パ
ルス発生器４２は一定周期の矩形波パルス信号ＣＰを発
生する。駆動回路４３はフリップフロップ回路により発
光素子１を駆動する。符号４４はＡ／Ｄ変換器を示し、
符号４５は図３における符号３３と同一機能をもつ演算
処理回路を示す。

【００２５】図６に、図５に示した光学式距離計のタイ
ミング図を示す。ここで図５における発光素子１、投光
レンズ２、受光レンズ３及び発光素子４は図１に示した
実施例における場合と同じ機能を有し、測定対象物５を
含む相互間の位置関係も同じである。パルス発生器４２
の出力パルス信号ＣＰで駆動回路４３のフリップフロッ
プ回路をセットし、発光素子１の駆動信号ＬＳを発生さ
せスポット光を測定対象物５に照射する。同時にパルス
信号ＣＰでＡ／Ｄ変換器４４およびＡ／Ｄ変換動作を開
始させて、演算回路４１の出力信号Ｘをディジタル信号
に変換する。Ａ／Ｄ変換器４４の変換完了信号ＥＯＣで
駆動回路４３のフリップフロップ回路をリセットして駆
動信号ＬＳをオフさせることにより発光素子１の発光を
停止させる。

【００２６】また同時に、Ａ／Ｄ変換完了信号ＥＯＣを
演算処理回路４５へ入力し、Ａ／Ｄ変換器４４から出力
される最終データで演算処理を行うことにより、測定距
離Ｌに比例したデータＬｏを出力する。

【００２７】本実施例の構成によれば、発光素子１はＡ
／Ｄ変換に要する時間だけ発光するパルス駆動となるの
で、発光素子１の駆動電流の時間平均値を減少させ、全
体の消費電流を節約することができ、距離計を小型化す
ることが可能になる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によれば、測
定対象物の表面の法線に対して投光軸と受光軸とを互い
に反対側に位置させ、投光軸と法線とのなす角度と受光
軸と法線とのなす角度とを同程度の大きさに設定したの
で、光学的位置検出素子の受光面に取り込む受光光量が
測定対象物の表面状態の変化により大きく変動すること
を抑制することができ、高測定精度で安定した距離側定
が可能となる。

【００２９】また、スポット光を所定周期で点滅するよ
うにしたので、発光素子の駆動電流の時間平均値を減少
させ全体の消費電流を節約することができ、距離計を小
型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学式距離計の一実施例を示す構
成図。

【図２】図１における位置検出部６の詳細な構成を示す
回路構成図。

【図３】位置検出部６の他の構成例を示す回路構成図。

【図４】位置検出部６のさらに他の構成例を示す回路構
成図。

【図５】本発明による光学式距離計の他の実施例を示す
構成図。

【図６】図５の実施例における信号のタイミング関係を
示すタイミング図。

【図７】従来の光学式距離計を示す構成図。

【図８】光学式距離計における測定距離と受光位置との
関係を示す図。

【符号の説明】

１発光素子２、３レンズ４受光素子６位置検出部２１、２２インピーダンス変換器２３、３０除算器２４、２５、２６電圧設定器２７、２８乗算器２９加算器３２Ａ／Ｄ変換器３３演算処理部３４メモリ回路ｋ法線ｍ投光軸ｎ受光軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物の表面にスポット光を照射し、
測定対象物の表面の光点を光学的位置検出素子の受光面
に結像し、三角測量法により測定対象物の表面までの距
離を検出する光学式距離計において、前記スポット光を前記測定対象物の表面へ投光する投光
軸と、前記光学的位置検出素子で受光する受光軸とは、
前記測定対象物の表面の法線を挟んで互いに反対側にあ
り、この法線に対してゼロでない角度をなしていること
を特徴とする光学式距離計。
【請求項２】前記投光軸と前記法線とのなす角度と前記
受光軸と前記法線とのなす角度とは、等しくはないが近
い値であることを特徴とする請求項１に記載の光学式距
離計。
【請求項３】前記スポット光は、所定周期で点滅するこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学式距離計。