JPS6363910A - 距離測定装置 - 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】 く技術分野〉 大発明は、光学的に被検物体までの距離を測定する装置
に関し、特に光束を被検物体に指向し、被検物体からの
反射光の検出器上での状態を検知することにより被検物
体までの距離を測定する装こに関する。

〈従来技術〉 従来、この種の装置の一例として本出願人による特願昭
５９−２４２４９０号に開示された距離Δｌ一定装置が
ある。この装置の概略構成図を：５６図に示す。図中、
ｌはレーザ等の光源、２は光源ｌから出射された光束を
平行光束に変換するコリメータレンズ、３は第１の円錐
ミラー、４は第２の円錐ミラーで、円錐ミラー３，４に
よって平行光束を円環状光束に変換する。５は焦点距離
可変レンズで、円環状光束の集光位置を可変とならしめ
る。６は偏光ビームスプリッタ−１７は１／４波長板、
８は集光レンズ、９は被測定面、１１は光検出手段で、
被測定面９で反射した円環状光束をその受光面で受ける
。１２は処理装置で、光検出手段により得られた円環状
光束の受光面への入射状態から被検面までの距離又は被
検面の位置を算出する。

さて、光源ｌから出射した光束はコリメータレンズ２に
より平行光束となり、更に、第１及び第２の円錐ミラー
３．４を介して中心部分が昭い所謂円環状光束（以下、
リングビームと称す、）となる、このリングビームは焦
点距離ｌＪ変レンズ５、偏光ビームスプリッタ−６，１
／４波長板７を通過して円偏光した光束となり集光レン
ズ８を介して被測定物９に投射される。そして被測定物
９近傍に一旦集光し、被測定物９で反射された円環状光
束は集光レンズ８を介してｌ／４波長板７へ指向される
。ｌ／４波長板７は円偏光した反射リングビームを入射
時とは直交する偏光成分の光束に変換し、この直線偏光
した反射リングビームは偏光ビームスプリッタ−６で反
射され光検出手段１１の受光面に投射される。

第７図は光検出手段１１の受光面を示す図で、この受光
面はリング状センサ１３．１４により円心円状の２分割
センサを成している。

光検出手段１１の受光面に投射される反射リングビーム
は、被測定面９近傍に集光されるリングビームの集光位
置と被測定物９との位置関係に従いそのビーム径を変化
させる。従って、リングビームの集光位置が被Ｊｌｌｌ
定面９の面と一致した時、リング状センサ１３．１４か
ら得られる夫々の出力が等くなる様に予め設定しておけ
ば、被測定物９の位置に応じたリンクセンサ１３，１４
１への反射リングビームの投射状態がリング状センサ１
３，１４の出力差によって得られる。ここで第８ＵＡに
示す様に被測定物９の位置とこの出力差とは所定の測定
範囲に於て良好な線形関係を保つ為、被測定物９の位置
又は被測定物までの距離が、例えばリングビームの集光
位とを基準位置として算出することが出来る。

しかしながら、この種のＪｌ一定装置に於て、より高い
粘度で被測定物９の位ｔをａｌ一定する為には光学系の
配置に厳しい精度が要求され、とりわけ。

リングビーム中心とリングセンサ１３．１４の中心とが
一致していない場合は、第８図に示す様な線形関係を得
ることが出来なかった。これは、とりもなおさず測定が
不可走になるということであり、従来この問題を解決す
る手法はなかった。

〈発明の概要〉 本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、ビームの中
心位置とセンサの中心位置との偏心を検知し修正するこ
とが可佳な距離測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る距離測定装置は
、所定の光束径を有する光束を被測定面近傍に集光させ
る第１光学手段と、被測定面で反射された反射光束を受
け該反射光束の受光面上での状態から距離を検出する為
の光検出手段と、前記反射光束を前記光検出手段に指向
する第２光学手段と、前記受光面上で前記反射光束を走
査させる走査手段と、前記反射光束が前記受光面を走査
した時に得られる出力信号から前記光束と前記受光面と
の偏心を検知し修正する制御手段とを有することを特徴
としている。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実に例に記載され
ている。

〈実施例〉 第４図は本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す概
略構成図である０図中の符号は第８図同様に、１はレー
ザ等の光源、２は光源ｌから出射された光束を平行光束
に変換するコリメータレンズ、３は第１の円錐ミラー、
４は第２の円錐ミラーで、円錐ミラー３．４によって平
行光束を円環状光束に変換する。５は焦点距離可変レン
ズで、円環状光束の集光位置を可変とならしめる。

６は偏光ビームスプリッタ−１７は１／４波長板、８は
集光レンズ、９は被測定面、１１は光検出手段で、被測
定面９で反射した円環状光束をその受光面で受ける。１
２は処理装置で、光検出手段により得られた円環状光束
の受光面への入射状態から被検面までの距離又は被検面
の位置を算出する。

又、１５は矢印Ａで示す様に揺動可能な反射鏡で、焦点
距離可変レンズ５、光検出手段１１と共に処理装置１２
と電気的に接続される。即ち、処理装２１１２は上述の
如く最終的に被測定物の位置もしくは距離を算出する為
だけでなく、焦点距離可変レンズ５のパワーを変化させ
る為の制御信号や反射鏡１５の揺動を制御する為の制御
信号をも発する。

第２図は本実施例で使用する光検出手段１１の受光面形
状を示す図である。ここではセンサ１６゜１７．１８．
１９で外側のリングセンサを、センサ２０．２１．２２
．２３で内側のリングセンサを構成し、センサ１６，１
７，１８，１９゜２０．２１，２２．２３の合計８個の
センサにより：１４１Ｏ図に示した如き同心円状のリン
グセンサを成している。又、センサ２４，２５．２６は
一次元方向に伸びた長尺センサで、Ｘ方向に伸びた長尺
センサ２４はリングビームのＸ方向への偏心量とリング
ビームの集光状態を測定するセンサである。そして、Ｘ
方向に伸びた２木の長尺センサ２５．２６はリングビー
ムのＸ方向への偏心量を測定するセンサである。

本実施例に係る距離測定装置に於て、光源ｌから出射し
た光束はコリメータレンズ２により平行光束となり、更
に、第１及び第２の円ｍミラー３．４を介して中心部分
が暗いり・ングビームとなる。このリングビームは焦点
距離可変レンズ５、偏光ビームスプリッタ−６、ｌ／４
波長板７を通過して円偏光した光束となり集光レンズ８
を介して被Ａ１４定物９に投射される。そして被測定物
９近傍に一旦集光し、被測定物９で反射された円環状光
重は集光レンズ８を介してｌ／４波長板７へ指向される
。１／４波長板７は円偏光した反射リングビームを入射
時とは直交する偏光成分の光束に変換し、この直線偏光
した反射リングビームは偏光ビームスプリッタ−６で反
射され、反射鏡１５を介して光検出手段１１の受光面に
投射される。

本実施例に係る距離測定装こに於ても、被測定面９の位
置により光検出手段１１の受光面に於るリングビームの
径が変化し、センサ１６．１７゜１８．１９から成る外
側のリングセンサとセンサ２０．２１，２２．２３から
成る内側のリングセンサとで得られる出力差は第１０図
に示す如く被１１＋１定面９の位置と線形関係をもつ、
従って、上記外側のリングセンサと内側のリングセンサ
との出力差を得ることにより精度良く被測定面９の位置
又は距離を検出出来る。この時、上述の線形関係はある
測定範囲内に於てのみ存在するものであり、測定範囲の
中心位養はリングビームの集光位置が被測定面９に一致
する時である。従って、この原理で被測定面９の位置（
距、２Ｉ）を測定する為には、リビングビームの集光位
置ができるだけ被測定面９近傍に存在することが望まし
い、即ちリングビームの集光位置を基準として（第１０
図の出力差＝０）、第１０図に示す様な良好な線形関係
が存する測定範囲内の位置に被測定面が存在していなけ
ればならないのである。

上述の点に鑑み、測定範囲を広げる為に、本実施例の距
離測定装置に於ては焦点距離可変レンズ５のパワーを変
化させることによりリングビームの集光位置を変化させ
ることが出来、これにより測定可能な範囲を連続的に拡
張することを回走としている。しかしながら、通常被測
定面９が如何なる位置に存在しているかは不明であり、
測定に際し、リングビームの最適集光位置を求めること
が重要である。

本実施例に係る距離測定装置はこの最適集光位置を求め
る機能を有しており、以下その機部に関して述べる・ まず最初に、処理装訝１２から順次所定の制御信号を焦
点距離可変レンズ５に送り、焦点距離可変レンズ５のパ
ワーを順次変化せしめる６例えば、第１に焦点距離可変
レンズ５のパワーを最大にしてリングビームの集光位置
を最も集光レンズ８に近い位こにする。この時、反射鏡
１５を揺動させて被測定面９からの反射リングビームで
光検出手段１１の受光面をＸ方向に走査し、受光面の長
尺センサ２４から得られる出力信号を記憶する。続いて
徐々に焦点距離可変レンズ５のパワーを減少させてリン
グビームの集光位置を変化させ、各集光位置に於てその
都度上記動作を繰り返してセンサ２４から得られる出力
信号を記憶していく、この動作をフ、−ミ点距離可変レ
ンズ５のパワーが最小になるまで行ない、第３図に示す
様な各集光位置でのセンサ２４からの出力信号２７　、
２８を得る。第３図に於て横軸は反射リングビームの走
査方向を示し、縦軸はセンサ２４からの出力信号の大き
さを示しており、出力信号２７はリングビームが最適集
光位置に集光している場合の出力状態、出力信号２８は
リングビームが最適以外の集光位置に集光している場合
の出力状態を示している。即ち、第３図に示される如き
センサ２４からの出力信号の中で、最も鋭いピークを有
する出力信号２７が得られた時のリングビームの集光位
置が測定に用いる最適集光位置であり、各出力信号の状
態（ピーク値）を処理袋２ｉ１２で比較し、最大のピー
ク値を有する出力信号を得た時の状態で測定を行なうよ
うにする。この時、最大のピーク値を有する出力信号を
得た時に処理袋２１１２から焦へ距離可変レンズ５へ送
った制御信号を再度焦点距離可変レンズ５へ送りそのパ
ワーを変化せしめれば良い。

又、上述の動作を実行する際、最大のピーク値を有する
出力信号のそのピーク位置がリングビームのビーム中心
位置を示しており、この最大のピーク（ＩＩを有する出
力信号が得られた時の反射鏡１５の傾きと、予め偏心が
ないとして設定しておいた初期状態に於る反射鏡１５の
傾きとの差からリングビームの中心とリングセンサの中
心とのＸ方向の偏心量が解る。尚、偏心量の修正は、ピ
ーク値が得られた時の反射鏡１５の傾きを処理装置１２
内に記憶しておさ、処理装置　１２から所定の制御信号
を反射鏡１５の駆動装置に送ってＸ方向の傾きを補正し
てやれば良い。

又、Ｘ方向の偏心に対する修正に関しても、Ｘ方向同様
に最適集光状態に於て反射鏡１５により反射リングビー
ムをＸ方向に偏向走査し、センサ２５．２６からの出力
の和から成る出力信号２７を第３図の如く得ることによ
り、この出力信号２７のピーク位ｔからリングビームの
中心位置を求めれば良い、即ち、出力信号２７のピーク
値が得られた時の反射鏡１５の傾きを処理袋ｆｆ１１２
内に記憶しておき、処理装置１２から所定の制御信号を
反射鏡１５の駆動装置に送ってＸ方向の傾きを補正して
やれば良い。

以上の様に、本発明によればリングビーム中心とリング
センサの中心位ごとの偏心を容易に検知し、その修正も
極めて迅速に行なわれる。従って、精確な測定を常時性
なうことが可使で、測定も迅速且つスムーズに実行出来
る。更に本実施例に係る距離測定装置によれば、偏心の
検知、修正と共にリングビームの最適集光位置の検知も
可能であり、第１Ｏ図の線形関係を有する測定範囲内に
被測定面９が含まれる様にリングビームを所望の位置に
集光せしめることが出来る。

第４図は本発明に係る距離測定装設に使用する光検出手
段の他の実施例を示す図である０図中、２４は第２図回
様偏心門検知用の長尺センサで、Ｘ方向の偏心を検知す
る。又、２９，３０，３１゜３２は距離３１一定及びＸ
方向の偏心量検知用のセンサで、センサ２９．３０で第
９図に於る外側のりングセンサ１４を、センサ３１，３
２で同図に於る内側のりングセンサ１３を構成している
。従って、被測定面の距離（位置）検出の際は、センサ
２９．３０の出力和からセンサ３１，３２の出力和を引
いた出力差を用いる。尚、本実施例に係る光検出手段を
用いる装置としては第１図の装こが考えられる。

本実施例に於てもｘ、７両方向の偏心量検知と、リング
ビームの最適集光位置を検知することが可能であるが、
Ｘ方向の偏心量検知と最適集光位置の検知方法は第１図
、第２図及び第３図で示した前記実施例と同様であるの
で、ここでは説明を省く。

さて、本実施例によるＸ方向の偏心量検知は次の様にし
て行なう、ここでは、内外のリングセンサを成すセンサ
２９，３０．３１．３２の総出力を用いてＸ方向の偏心
量を検知する。

前記実施例で説明した如き方法でリングビーム最適集光
位置を検知し、第１図の焦点距離可変レンズ５のパワー
を制御することによりリングビームを所望の集光位置に
集光させる。そして、この状態で反射鏡１５をＸ方向に
揺動することにより反射リングビームで光検出器１１の
受光面即ち第４図のリングセンサをＸ方向に走査し、セ
ンサ２９・３０・３１．３２からの総出力を検出する。

この時、反射鏡１５の揺動角（振れ角）によって反射リ
ングビームのリングセンサ上での走査状態に２つの異な
る状態が生じる。第１は振れ角が大きい場合で、反射リ
ングビームがセンサ３０（又は２９）の内側を横切る第
１の場合、第２は振れ角が小さい場合で、反射リングビ
ームがセンサ３０（又は２９）の内側を横切らない第２
の場合である。

前記第１の場合に於るセンサ２９，３０，３１゜３２か
らの総出力は第５図の出力信号３４′の如く成り、前記
第２の場合に於るセンサ２９　、３０　。

３１．３２からの総出力は第５図の出力信号３３′の如
く成る。尚、第５図も第３図同様に横軸が走査方向（ｙ
方向）、縦軸が出力信号の大きさを表わしている。即ち
、前記第１の場合には出力信号のピークが２箇所存在し
、この２つのピークの中心同志の中点がリングビームの
中心位置となる。

一方、前記第２の場合には出力信号にピークは現われな
いが、第５図の如く所定の台形状の信号が得られ、この
信号の中心位とがリングビームの中心位置となる。

以上、リングビームの中心位置を求める為に２通りの方
法があるが、反射鏡１５の振れ角を適宜設定していずれ
かの方法によりリングビーム中心位置を検知すれば良い
、そして、リングビーム中心位置に対応する出力信号の
所定の位置（即ち走査位と）から反射鏡１５の振れ角を
求めて、処理装置　ｌ　２を介して反射鏡１５のｙ方向
の傾きに修正をかける。

以上第４図に示す如き光検出手段は第２図の光検出手段
に比べて構造が筒便であり、且つ第１図〜第３図で示し
た実施例同様の効果をもつ距離測定装置を構成出来る。

又、第２図に示した光検出手段に於て長尺センサ２４，
２５．２６を取り除き、センサ１６〜２３で構成される
内外のリングセンサのみから成る構成であってもｘ、ｙ
￥ｑ方向の偏心量を検知出来る。即ち、第４図の実施例
で説明したｙ方向の偏心琶検知の手法をＸ方向にも適用
すれば良い。

又、上述の実施例では光検出手段の受光面を反射リング
ビームで走査する為に反射鏡を用いているが、反射リン
グビームを受光面上で移動させることが出来れば如何な
る方法・装置を用いても構わない０例えば、第１図の反
射鏡１５としてはガルバノミラ−やポリゴンミラーがあ
り、その他の光束偏向手段としては上記メカニカルな装
ごとは異なる電気光学結晶等を用いた各種偏向手段を用
いることが出来る。又、プリズム等の光学素子を動かす
ことにより光束を偏向しても良く、光束走査の為には第
１図に示した様に反射型の構成の他に透過型の構成も採
り得る。更に、光検出手段１１を所定の機構でｘ、ｙ方
向に移動させても良い。

尚、以上説明した実施例で用いる各センサとしては光電
変換出来るものであれば如何なるセンサでも良く、例え
ばＣＣＤ等を用いても構わない。

又、上述の実施例では被測定面の位置情報を得る為の光
束としてリングビームを用いているが、その他任意の形
状の光束を用いることが出来。

従って、第１図の構成に限らず種々の構成を有する距離
測定装置を本発明の思想の下で設計することが可使であ
る。尚、使用する光束の形状に併せて光検出手段の受光
面上のセンサの構成を適宜設定する必要があるのは言う
までもない。

又、第１図に於いて、光検出手段１１を小型化する為に
は、光検出手段１１に至るまでの光路中に集光レンズを
配し、反射リングビームを収れん光束に変換させれば良
い、又、焦点距離可変レンズ５は、そのパワーを変化さ
せることが出来れば如何なるレンズ系で構成しても良い
、とりわけ、電気光学結晶や液晶等から成り電気的に制
御可使なレンズであれば、測定時間の短縮化に有効であ
り好ましい。

〈発明の効果〉 以上、本発明に係る距離測定装置は、測定用のビーム中
心とセンサ中心との偏心を検知、修正することが可能で
あり、常時精度の良い距離測定又は位置の検知を実行す
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は木受ＩＪ１に係る距離測定装置の一実施例を示
す概略構成図。 第２図は第１図に於る光検出手段の受光面の一例を示す
図。 第３図は偏心量検知の際にセンサから得られる出力信号
を示す図。 第４図は光検出手段の受光面の他の例を示す図。 第５図は第４図の光検出手段によりｙ方向の偏心量を検
知する際にセンサから得られる出力信号を示す図。 第６図は従来の距ａ側定装置の一例を示す図。 第７図はリングセンサから成る受光面を示す図。 第８図は第７図のセンサから得られる金魚信号と被測定
面の位置との関係を示す図。 １−−−−−一光源 ２−−−−一−コリメータレンズ ３　、４−−−−−一円錐ミラー ５−−−−−−焦点距離可変レンズ ６−−−−−一偏光ビームスプリッタ−７−一−−−−
１／　４波長板 ８−−−−−一集光レンズ ９−−−−−一被測定面 １１−−−−−一光検出手段 １２−一−−−−処理装置 １５−−−−−一反射鏡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定光束を被測定面近傍に集光させる第１光学手段と、
   前記被測定面で反射された反射光束を受け該反射光束の
   受光面上での状態から距離を検出する為の光検出手段と
   、前記反射光束を前記光検出手段に指向する第２光学手
   段と、前記受光面上で前記反射光束を走査させる走査手
   段と、前記反射光束が前記受光面を走査した時に得られ
   る出力信号から前記光束の中心と前記受光面の中心との
   偏心を検知し修正する制御手段とを有する距離測定装置
   。