JPS63195513A - 光学式非接触位置測定装置 - Google Patents

光学式非接触位置測定装置

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JPS63195513A
JPS63195513A JP62027084A JP2708487A JPS63195513A JP S63195513 A JPS63195513 A JP S63195513A JP 62027084 A JP62027084 A JP 62027084A JP 2708487 A JP2708487 A JP 2708487A JP S63195513 A JPS63195513 A JP S63195513A
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parallel
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slits
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    • GPHYSICS
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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〕 本発明は位置測定装置に関し、特に光学的に非接触で被
測定面の位置を測定する装置に関する。
(従来の技術〕 従来、この種の装置は、三角測量の原理を用い、被測定
面の位置の変化による角度の変化を光電変換素子を用い
て測定する装置と、被測定面の位置の定点からのずれ(
変位)によって生ずる像点のずれを光電変換素子によっ
て検出し、サーボ機構によってそのずれを補償するよう
に装置を移動し、その移動量を測定する補償法による装
置に大別される。
第4図は三角測量の原理を用いた従来の変位測定装置を
示す図である。
レーザ光源(不図示)からのレーザビームは被測定面S
上の点Pで反射して、度盛円盤13にとり付けられテレ
スコープ、スリットおよび光電変換素子によって構成さ
れている角度検出器12に入射する。被測定面Sの、レ
ーザビーム方向の変位ΔZによる、角度検出器12の角
度変化はΔθ=Δz−sinφ/R−−−−−−(1)
である。ここで、φは点Pと度盛円盤11の中心を結ぶ
直線とレーザビームのなす角度であり、Rは点Pと度盛
円盤13の中心との間の距離である。
第5図は補償法による変位測定器の1例のナイフェツジ
型定点センサの構成図である。
、 やや発散したレーザ光線は微小ミラー7で反射され
てレンズIAに入射し、面S上の点Pで結像して反射さ
れる。反射光は再びレンズIAに入射し点Qで結像する
。ナイフェツジ遮へい板15は、その先端に設けられた
ナイフェツジが点Qに位置決めされ、レンズIAの光軸
に垂直に配設されている。
また、受光ダイオード16A 、 16Bは光軸とナイ
フェツジによって定義される平面について面対称に配置
されている。定点センサ14全体は、サーボ機構によっ
て移動され、その移動量は計測される。被測定面Sが点
Pにあるとき(結像点が点Qにあるとき)、受光ダイオ
ード+6A 、 16B’の差動出力EA−E、がOに
なるように装置は予め調節されている。被測定面Sが点
Pからずれて、結像点が点Qからずれると、受光ダイオ
ード16Aまたは16Bに入射する光の一部がナイフェ
ツジ遮へい板15によって遮へいされ、差動出力EA−
EBが0でなくなる。サーボ機構は、この差動出力を0
にするように定点センサ14を移動させ、その移動量を
測定することにより被測定面Sの変位を知ることができ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述した三角測量による変位測定装置では、式(1)か
ら明らかなように、任意のΔ2に対して、φがπ/2に
等しいときΔθは最大になるので、レーザビームに対し
て直角に近い方向に角度検出器12を置くことが望まし
いが、この場合には第6図に示されているようなシャド
ウ効果(反射光が突出部によって遮られて検出器に入射
しない現象)が起こるおそれがあるという欠点がある。
また、第5図のナイフェツジ型定点センサは被測定面に
発散光束が入射するため、被測定面の位置が変化すると
像の位置ばかりでなく大きさも変化するのでサーボ機構
を用いなければ位置測定をすることができず、また、被
測定面が傾いていて反射光線の強度分布が光軸に対して
軸対称になっていない場合には精度の高い測定値が得ら
れないという欠点がある。
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、被測定面が複
雑な3次元自由曲面で1反射率、粗さ、曲率、反射面の
傾斜角が異っても精度よく、かつ、死角(シャドウ効果
)を生ずることなく、被測定面の変位を広範囲に非接触
で測定することができる光学式非接触位置測定装置を提
供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の光学式非接触位置測定装置は、光軸に平行で中
心に孔を有する凸レンズと、前記凸レンズに隣接して被
測定面と反対側に前記光軸に垂直に設置されていて光軸
との交点に孔を有し、さらに2個の平行な直線スリット
を有する遮へい板と、平行光線を発生する平行光線発生
手段と、前記平行光線発生手段から出射された平行光線
を面記光軸上に反射し、前記遮へい板の孔および前記凸
レンズの中心の孔を経て被測定面に入射させる反射手段
と、CCDラインセンサと、前記遮へい板と前記CCD
ラインセンサの間に配設された円筒レンズと、前記CC
Dラインセンサの出力を入力として、被測定面の位置を
算出する演算手段を有し、前記直線スリットは、いずれ
も前記光軸を含む所定の平面に垂直になるように設けら
れ、前記CCDラインセンサは前記所定の平面内に、か
つ遮へい板に平行に設置さね、前記円筒レンズは、母線
がCCDラインセンサに平行で前記所定の平面について
面対称に配置されている。
〔作用〕
反射手段によって凸レンズの中心の孔から出射された平
行光線が測定系の光軸上に出射され、反射光が同じ光軸
を有する光学系で観測されるため、死角は存在しない。
被測定面からの反射光がレンズ系およびスリットによっ
てCCDラインセンサ上に結像する位置についての情報
は、CCDラインセンサの、光が入射したCOD素子の
アドレスから得られる。すなわち、出力電圧が極大にな
るCCD素子番号が必要な情報であるから、従来のアナ
ログ光電変換出力を用いる装置のように検出器への入射
光の強さまたは光量の変化に測定値が依存することはな
く、したがって被測定面の反射率や外部からの妨害信号
に影響されない再現性のある測定結果が得られる。また
、CCDラインセンサによる結像位置検出は、従来技術
のように光の強度分布がレンズの光軸に関して軸対称で
あることを前提にしていない。したがって、被測定面が
光軸に対して垂直でなく、その結果、光の強度分布が光
軸に関して非対称であっても測定結果は影響されない。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
第1図は本発明の光学式非接触位置測定装置の一実施例
の要部の断面図、第2図は第1図の装置の光学系の要部
の配置を示す図、第3図は第1図のCCDラインセンサ
lOの出力信号を示す図である。
焦点路、@fが36mmの凸レンズ1の中心には光軸2
に平行に直径約3■の孔3が設けられている。
凸レンズ1に隣接して被測定面と反対側に遮へい板4が
、光軸2に垂直に設置され、遮へい板4の光軸2との交
点に直径約301111の孔5が設けられている。また
、遮へい板4には、幅が0.1mmの2本の平行な直線
スリット6^、 6Bが設けられ、それぞれのスリット
6A、6Bは光軸2を含む1つの平面を対称面(以下鉛
直対称面20と記す)として面対称に設けられている。
本実施例では、スリット6八。
6Bは、光軸2を含み、かつ鉛直対称面に直交する平面
(以下、水平対称面21と記す)に対して対称に(上下
対称)に24mmの間隔で配置されている。
1ie−Neレーザ光源9から出射した平行光線はミラ
ー8で反射され、さらに光軸2上に配設された微小ミラ
ー7で光−抛2上に反射される。CCDラインセンサl
Oは、遮へい板4からの距離&が100mmの位置に、
鉛直対称面20内に遮へい板4に平行に設置されている
。円筒レンズ11は、その母線22がCCDラインセン
サlOと平行になる向きに、かつ、鉛直対称面20につ
いて面対称になるように配設されている。
次に、本実施例の動作について説明する。
微小ミラー7によって光軸2上に反射されたレーザ光は
遮へい板4および凸レンズ1の孔5および3を通過して
非測定面Sで反射される。反射光は凸レンズ1に入射し
て屈折し、スリット6八。
6Bを通過して円筒レンズl’lによって、その母線2
2に垂直な向きに屈折してCCDCCラインセンサ上に
収束する。被測定面S上のレーザ光の入射点が凸レンズ
1の焦点Fであるときには、スリット6^、 6Bを通
過した光線は平行ななるが(第1図実線の光路)、被測
定面Sが変位してレーザ光が点Pに入射すると、スリッ
ト6A、 6Bを通過した光線は発散または収束する(
第1図点線の光路)。被測定面Sが変位してレーザ光の
入射点がFからΔ2だけ変位したとき、2つの光線が入
射するCCD素子間隔Xは で与えられる。したがってd = 24mm、 J2 
=  100mm、f=36mmを代入し、Xを求めれ
ば、ΔZを計算によって求めることができる。Xは、C
CD出力のピーク間隔をCCDラインセンサ番号から求
めることにより容易に求められる。
本実施例の測定範囲は凸レンズ1の焦点を基準としてΔ
z=−2〜+22+nmであり、この装置によって分解
できる変位は、CCDラインセンサ10か2059素子
の場合約12μsである。
なお、本実施例においてはスリット6八、 6Bは鉛直
対称面20と水平対称面21の両方について面対称にな
るように設けであるが、スリット6A、 6Bは鉛直対
称面に垂直であればよく、必ずしも鉛直対称面20、水
平対称面2】について対称である必要はない。
(発明の効果) 以上説明したように本発明は、 (1)位置検出手段としてCCDラインセンサを用い、
被測定面で反射して2個のスリットを通過した光線をC
CDラインセンサ上に収束させることにより、被測定面
の変位Δ2がピーク出力のCCDラインセンサ番号のみ
に依存するようにすることができ、その結果、被測定面
の反射率、粗さ、曲率、傾きによる影響が低減され、(
2) レンズ系の光軸上に平行光線を出射し、反射光を
同じ光軸の光学系でひろうため、測定の死角が生ぜず、
(3)非接触測定であるので接触測定では支障のある弾
性体、軟体、または高温容器中の物体等の変位測定にも
用いることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光学式非接触位置測定装置の3施例の
構成図、第2図は第1図の装置の光学系の要部の配置を
示す図、第3図は第1図のCODライセンサIOの出力
信号を示す図、第4図は三角測計の原理を用いた従来の
変位測定装置を示す図、第5図は補償法による変位測定
器の1例のナイフェツジ型定点センサの構成図、第6図
はシャドウ効果を説明する図である。 1・・・・・・・・・凸レンズ、 2・・・・・・・・・光軸、 3.5−・・孔、 4−−−−−−・・・遮へい板、 6A、 6B・・・スリット、 7・・・・・・・・・微小ミラー、 8・・・・・・・・・ミラー、 9−−・・・He−Neレーザ光源、 IO・・・・・・−CCDラインセンサ、11・・・・
・・・・・円筒レンズ、 20・・・・・・・・・鉛直対称面、 21・・・・・・・・・水平対称面、 22・・・・・・・・・母線。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 光軸に平行で中心に孔を有する凸レンズと、前記凸レン
    ズに隣接して被測定面と反対側に前記光軸に垂直に設置
    されていて光軸との交点に孔を有し、さらに2個の平行
    な直線スリットを有する遮へい板と、 平行光線を発生する平行光線発生手段と、 前記平行光線発生手段から出射された平行光線を前記光
    軸上に反射し、前記遮へい板の孔および前記凸レンズの
    中心の孔を経て被測定面に入射させる反射手段と、 CCDラインセンサと、 前記遮へい板と前記CCDラインセンサの間に配設され
    た円筒レンズと、 前記CCDラインセンサの出力を入力として、被測定面
    の位置を算出する演算手段を有し、前記直線スリットは
    、いずれも前記光軸を含む所定の平面に垂直になるよう
    に設けられ、前記CCDラインセンサは前記所定の平面
    内に、かつ遮へい板に平行に設置され、前記円筒レンズ
    は、母線がCCDラインセンサに平行で前記所定の平面
    について面対称に配置されている光学式非接触位置測定
    装置。
JP62027084A 1987-02-10 1987-02-10 光学式非接触位置測定装置 Expired - Lifetime JPH0652171B2 (ja)

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