JPH01265104A - 光学的走査ヘツドにおける放出光量を調整するための方法及び装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は光学的走査ヘッドにおける放出光量を調整する
方法および装置に関する。

従来技術 長押測定技術において現舊用いられている光学的距離測
定製蓋は通常は三角法方式で動作する。即ちこの測定装
置は、測定されるべき被検体へ測定光を投射する光源と
、光軸に対して傾斜して配置された軸を有する受信光学
装置とから溝底される。この種の距離測定装置−光学的
走査ヘッドとも称されることが多い−においては主とし
てレーザダイオードが光源として用いられ、さらに受信
器として、信号のアナログ処理部の？＆電接続された位
置検出フォトダイオードを用いるか、または多数の隣り
合うように配置された個々のエレメントから成る配列体
受信器たとえばダイオードアレイまたはいわゆるＣＣＤ
アレイを用いる。

例えば前者の形式の受信器の場合、測定精度は受信器が
、工作物表面から反射されて入射される測定光の強さに
依存することに問題がある。

受信される光の強さは、測定されるべき工作物の表門の
性質に著しく依存する。そのため光源や強さを調枯する
ことにより、受信される測定光のレベルを一定に維持す
る必要がある。この種の調整装置を有する光学的走査ヘ
ッドは、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開益報第３
１４７１２９号、第３．１１９５０５号、ドイツ連邦共
和国特許公報第３１５１８００号、米国特許第３６１２
８ＱＯ号およびヨーロッパ特許公報第００４７２５０号
に示されている。

これらの公知の走査ヘッドにおいては前述の調整は次の
ように行なわれる、即ち光源から放出される光の強さは
光源の電流を介して制御されるか、または光源に前置接
続されている電子光学的変調器の透過度を介して制御す
る。

しかし例えばレーザが光源として用いられる時はこの種
の調整は、得られるダイナミック範囲に関して制限され
る。その理由はレーザダイオードの非直線の電流／出力
特性曲線のため、レーザダイオードが作動される最適な
動作点からのずれが著しくわずかじか許容されないから
である。さらにレーザダイオードの放射特性が変化しそ
のため作動電流が変化すると光の形状が変化する。さら
に低い方の出力領域においてレーザダイオードは気体レ
ーデに比較して、自然放出という高いバックグランド成
分を有する。

後者の２つの影響も、電流制御方式で動作きれる時は、
測定精度に対して不利に作用する。

さらに前述の走査ヘッドにおける光源を変調することが
知られている。しかしこの場合は周波の周期持続時間が
一定である。その理由は光源の変調は、変調周波におけ
る相応の検出と関連づけて、測定結果を誤らせるおそれ
のある一定の障害光レベルを抑圧する目的だけに用いら
れるからである。

発明の解決すべき問題点 本発明の課題は、できるだけ高いダイナミック範囲の得
られるようにしたかつ前述の欠点の除去された、光学的
走査ヘッドにおける光源の放出光量を調整する方法およ
び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 前記課題は、請求項１の特徴部分に示された次の構成に
よシ解決されている。即ち、光源をパルス形式で駆動す
るようにし、さらた沖ｉ定されるべき被検物（工作物）
の表面の性質への光量の適合調整を、パルス持続時間ａ
の制御により行なうようにした構成によシ解決されてい
る。

この種の構成によりｌ　Ｏ’のダイナミック範囲が簡単
に得られる。放出される光の振幅を即ち光源の電流を調
整するのではなく、調整のために光源の投入接続されて
いる時間間隔を２変化するため、光源が常にその特性曲
線の最適の動作領域で作動させることができる。このこ
とが測定精度および光源の寿命に対して有利に作用する
。

そのため本発明による光の強さの調整は特に光源として
のレーザダイオードと関連づけると′最適である。受信
器としては、蝮数個の個別エレメントから成る分割形の
ダイオード列がまたはいわゆるＣＣＤアレイが好適に用
いられる。

この種の受信器は、読み出しサイクル中に受信される光
量に関して、積算される特性を示し、そのため／４′ル
ス幅を用いての光量調整に関連づけると最適である。

本発明による調整装置を含む走査ヘッドを座標測定装置
において作動させる時は、光源のパルス周波を座標測定
装置のタイミングクロックＡルスと同期させると好適で
ある。同じことが、走査ヘッドの光感受信器を作動させ
る読み出しクロック／４’ルスに対してもあてはまる。

何故ならばこの光感受信器の信号が走査ヘッドの距離測
定値を表わすからである。相互間の同期化により、座標
測定装置および走査ヘッドの測定値が同じ時点に得られ
ることを保証する。そのためスリップエラーが回避され
る。

このことに関連して、光源の送出するパルス列のこの種
の同期化が独特の作用を有する。その理由は、光源用の
制御パルスの投入接続縁だけを座標測定装置のタイミン
グクロックパルスと同期化させる時は、走査時に即ち傾
斜した衣表面状態に応じて選定される、光パルスの時間
間隔に依存する。このヒステリシス効果は、工作物から
離れるかまたは工作物へ向かうかに応じて、工作物の距
離に対して異なる測定値が得られるという形で、現われ
る。さらにこのヒステリシス効果は走行速度に即ち走査
ヘッドと工作物との間の相対速度に依存する。

本発明によればこのヒステリシス効果は、光源の個々の
パルスの重心と座標測定装置のタイミングクロックパル
スとの間に一定の位相差を形成することにより、阻止さ
れる。このことは、光源用の制御パルスの上昇縁および
下降縁を、ノ４’ルス幅を変化させる場合に、対称的に
時間的に前方へないし後方へ移動させることによシ、達
せられる。そのため座標測定装置が測定を実施する時点
にパルス幅のちょうど半分が経過する。このことは図面
の第１図〜第３図を用いて後述する。

実施例の説明 次に本発明の実施例につき図面を用いて説明する。

第１図に三角形方式動作する光学的走査ヘッドが示され
ている。この走査ヘッドは座標測定装置の測定アーム６
に取シ付けられている。座標測定装置全体は図示されて
いない。それの相応の実施例は例えば米国特許第４５８
７６２２号の示すように構成できる。測定アーム６にお
ける走査ヘッドの垂直方向の変位を測定するスケール７
の一部および、所属の光電読み出しヘッド８だけが、理
解しやすいように示されている。読み出しヘッド８は、
そのほかの２つの座標ＸおよびＹにおける変位方向を測
定するための図示されていない測定装置と同様に、この
座標測定装置の制御部９に接続されている。

光学的走査ヘッド１は実質的に、レーザダイオードの形
式の光源２および受信光学装置３から、構成されている
。この受信光学装置の後方に、複数個の個別エレメント
から成る光電受信器４が設けられている。受信器として
、例えばダイオード列−ＡＲＬＯ２５６Ｓ形ＥＧ＆ＧＲ
ｅｔｉ　ｃｏｎ社−を用いることができる。

矢印βで示されているように、レーザダイオード２の光
軸と検出光学装置３の光軸とは傾斜している。そのため
光学装置３からダイオード列４へ写される、レーザダイ
オード２が工作物５の表面へ投写する光スポットは、走
査ヘッドｌと工作物５との間隔に依存して変位する。ダ
イオード列ヰの相応の測定信号は電子ユニット２０にお
ける信号準備処理の後に、同様に座標測定装置の制御部
へ転送される。制御ユニット２０はさらに信号ＵＰ（第
２図）を供給し、この信号がレーザダイオード２の給電
用の定電流源をスイッチングする。

制御回路２０は座標測定装置の制御部９からのタイミン
グクロックパルスと同期化されている。このことは第１
図において矢印ＣＬＫにより示されている。

第２図にタイミングクロックツぜルスＣＬＫが方形波パ
ルス列として示されている。それの下知このタイミング
クロックパルスから導出されたパルス列ＵＭが示されて
いる。このパルスＵＭは、座標測定装置の変位軸におけ
るスケールから送出される測定値が得られる時点を定め
る。

曲線路ＵＬは、ダイオード列ヰが第３図の制御回路１０
により駆動される読み出しサイクルを示す。ダイオード
列の読み出しクロックパルスと機械クロックパルスＣＬ
Ｋとの間の位相偏差は次のように選定される。即ち、計
・数冊ストロークのパルスＵＭの現われる時点が、セン
サキの光感面の積算時間のうちの残シの空白部ｉ′の中
間に位置するように、選定される。

レーザダイオード２の光の強さを調整するために、ダイ
オード列牛に対する読み出し回路１０の出力側が、線Ｒ
を介して制御回路３０の入力側と接続されている。この
出力側は、ダイオード列ヰにより受信される光の強さに
比例する信号を送出する。制御回路３０は第２図におい
て一番下に示されているノｆルス列Ｕ、を発生する。こ
の場合、個々のパルスリ、の持続時間ａは線路−Ｒの出
力電圧ＵｓｔｅｌｌＫ比例する。もしレーザダイオード
２を発光させる照明Ａ？ルスＵ。

間の同期を、ダイオード列の読み出しクロックパルスＵ
Ｌとタイミングクロッ、クツぐルスＣＬにとの間の同期
化と同様に行なうとすると即ちパルス列の上昇縁の間の
一定の位相偏差だけｔ形成することにより行なうとする
と、走査作動中に即ち走査ヘッド１が工作物５に対して
連続的に運動される時に、測定エラーが生ずる。このこ
とを次に第１図を用いて説明する： 走査ヘッド１が測定方向ｚｓの方向へ相対運動する場合
、ダイオード外生の上における測定スポットの像の位１
４が、走査ヘッド１と工作物５との間の相対速度の大き
さに依存して偏位される。そのためダイオード外生のエ
レメントは１１ｆｌｌ＋定サイクル中に受信された光量
を積算して個々のダイオード信号から、データ整理によ
り測定値を発生する。光パルスのスタート縁を装置クロ
ックパルスヘ位相固定的に結合する場合は、ダイオード
列４の上に写される光スポットの位置は、レーザダイオ
ード２が光を放射する時間間隔中に走査ヘッドが工作物
に対して走行した変位に依存する。このスリップエラー
は前述のように走行速度とダイオード２の光・にルスの
パルス持続時間ａに依存する。例えば走行方向Ｘと４５
°の角度で傾斜する表面が４０朋／ＳｅＣの速度で走査
され、かつレーザダイオード２の光量に４整一によりパ
ルス長さが２．５ｍｓだけ変化されると、０．１属貫の
測定エラーが生じ得る。この種の測定エラーは、数マイ
クロメータの範囲における測定の不確実性しか有しては
ならない座標測定装置の場合は、許容できない。

この種のエラーを回避するために第３図に示された調整
回路３０は次のように動作する。即ち・Ｐルス長さが変
化する場合でも、レーザダイオード２の光ノｅルスの中
央が計数器ストロークのパルスＵＭとその都度一致する
ように動作する。このことは次のようにして達成される
：タイミングクロックパルスＣＬＫにより回路３０にお
いてのこぎり波発生器がスタートされる。こののこぎり
波は電圧Ｕ０に対称でがっ時間的に直線的に上昇する電
圧ＵＳを供給する。

のこぎり波発生器は簡単例示されておシミ流源１２とコ
ンデンサ１３から形成される。このコンデンサは周期的
に時間発生器１１により制御されて、スイッチ１５を介
して充電されさらにスイッチ１４を介して短絡される。

時間発生器１１の出力側におけるスイッチングパルスは
第２図においてＵＤで示さ九ている。のこぎり波電圧Ｕ
８は２つの比較器１６．１７の入力側へ供給される。

比較器１６の第２入力端に、ダイオード列により受信さ
れた光量から導出される制御電圧Ｕｓｔｅｌｌ　　が加
えられる。第２比較器１７の第２入力端に反転段１５に
より反転された負の制御電圧−Ｕｓｔｅｌｌが加えられ
る。各比較器１６゜１７は、のこぎり波電圧Ｕ、と各制
御電圧Ｕｓｔｅｌｌ　、−Ｌｌｓｔｅｌｌとが等しくな
る時に、その都度に導通接続される。

両方の比較器１６．１７の出力側はフリップフロップ１
８へ導びかれている。この場合、比較器１７から発生さ
れるパルスの正の側縁がフリップフロップ１８を導通さ
せ、比較器１６から発生されるパルスの負の側縁が７リ
ツプフロツプ１８をリセットさせる。このようにしてフ
リップフロップ１８は出力側にパルスＵ、を供給する。

この／４’ルスのスタート−およびストップ側縁は、パ
ルス長さが異なる場合も、のこぎり波電圧Ｕ８が電圧Ｕ
。と交差する時点に対して常に対称である。

このｉ？ルスＵ、により、レーザダイオード２のための
電流源１９が、簡単にスイッチ２１として示されている
制御トランジスタを介して、導通接続される。電流源１
９はレーザダイオード２の特性曲線へ最適に適合調整さ
れる。そのためレーザダイオードは常に最適の動作領域
において作動される。

前述の構成によシ達成されることは、光パルスの中間値
が、座標測定装置のスケールの測定値による計数状態が
読み出される時点と常に一致することである。そのため
前述のヒステリシスが即ちこれから生ずる速度に依存す
るスリップエラーが回避される。

図示した実施例にはアナログ形式で動作する調整電子装
置が示されている。しかしディノタル形式だけで構成さ
れる調整電子装置を使用することもできることは明らか
である。

発明の効果 本発明により、ダイナミック範囲の大きい、走査ヘッド
と工作物との間に生ずる不所望のヒステリシスの回避さ
れた光学的走査ヘッドにおける光源の放出光量を調愁す
る精密な測定を可能とする構成が提供される。

【図面の簡単な説明】

８１！１図は座標測定装置の測定アームに取シ付けられ
た光学的走査ヘッドの簡単な基本構成図、第２図は第１
図の光学的走査ヘッドの制御回路２０における各種の信
号の時間経過を示すダイヤグラム図、第、３図は第１図
のセンサ電子装置２０のブロック図を示す。 １・・・光学的走査ヘッド、２・・・光源、３・・・受
信光学装冒、養・・・光電受信器、５・・・工作物、６
・・・測定アーム、７・・・スケール、８・・・光電読
み出しヘッド、９・・・制御部、１０・・・制御回路、
１１・・・時間発生器、１５・・・反転段、１６．１７
・・・比較器、１８・・・フリツゾ７０ツブ、１９・・
・電流源、２０・・・電子ユニット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光学的走査ヘッドにおける光源の放出光量を調整す
   る方法において、光源（２）をパルス形式で駆動するよ
   うにし、さらに測定されるべき被検物（工作物５）の表
   面の性質への光量の適合調整を、パルス持続時間（ａ）
   の制御により行なうようにしたことを特徴とする光学的
   検出ヘッドにおける放出光量を調整する方法。 ２、座標測定装置（６）と組合されて作動される走査ヘ
   ッド（１）の場合は、パルス周波を座標測定装置の時限
   クロックパルス（ＣＬＫ）と同期化するようにした請求
   項１記載の方法。 ３、同期化を、光源（２）の個々のパルス（Ｕ＿Ｐ）の
   中心ないし重心が座標測定装置（６）のタイミングクロ
   ックパルス（ＣＬＫ）に対して一定の位相関係となるよ
   うに、実施した請求項２記載の方法。 ４、走査ヘッド（１）が受信器としてダイオード列（４
   ）を有するようにし、さらに該ダイオード列の読み出し
   クロックパルス（Ｕ＿Ｌ）も、座標測定装置のタイミン
   グクロックパルス（ＣＬＫ）に同期化した請求項２記載
   の方法。 ５、光源（２）および光感受信器（４）を備え、さらに
   測定されるべき被検体（５）の表面状態に依存して光源
   （２）の放出光量を調整する装置（２０）を備えている
   光学的走査ヘッド（１）において、光源（２）がレーザ
   であるようにし、受信器（４）が複数個の相並ぶ個別エ
   レメントから成る配列体受信器（ダイオード列４）であ
   るようにし、さらに調整装置（２０）が可変パルス幅の
   パルス（Ｕ＿Ｐ）を供給するようにしたことを特徴とす
   る光学的走査ヘッド。 ６、走査ヘッド（１）を座標測定装置（６）に取り付け
   るようにし、さらに調整装置（２０）のパルス列（Ｕ＿
   Ｐ）を座標測定装置（６）のタイミングクロックパルス
   （ＣＬＫ）と同期化した請求項５記載の光学的走査ヘッ
   ド。 ７、調整装置（２０）のパルス列（Ｕ＿Ｐ）を配列体受
   信器（４）の読み出しクロックパルス（Ｕ＿Ｌ）と同期
   化した請求項５記載の光学的走査ヘッド。 ８、光源（２）から送出される光パルスの強さを一定に
   した請求項５記載の光学的走査ヘッド。 ９、調整装置（２０）のパルス列（Ｕ＿Ｐ）をタイミン
   グクロツクパルス（ＣＬＫ）ないし配列体受信器（４）
   の読み出しクロックパルス（Ｕ＿Ｌ）と同期化するよう
   にし、この同期化において光源（２）の個々のパルスの
   重心ないし中央とタイミングクロックパルス（ＣＬＫ）
   との間の位相関係を一定にした請求項６又は７記載の光
   学的走査ヘッド。 １０、調整装置（２０）が基準電圧（Ｕ＿Ｏ）に対称的
   な電圧（−Ｕｓｔｅｌｌ、＋Ｕｓｔｅｌｌ）を発生する
   ようにし、該対称的な電圧の値を、発生されるべきパル
   スの持続時間に比例するようにし、さらに調整装置（２
   ０）は時間的に直線的に上昇する電圧列（Ｕ＿Ｓ）を発
   生するようにし、該電圧列はタイミングクロックパルス
   （ＣＬＫ）にないし配列体受信器（４）の読み出しクロ
   ックパルス（Ｕ＿Ｌ）に同期化されるようにし、調整装
   置（２０）がさらに比較器段（１６／１７）を有するよ
   うにし、該比較器段には対称的な電圧（−Ｕｓｔｅｌｌ
   、＋Ｕｓｔｅｌｌ）および時間的に直線的な電圧（Ｕ＿
   Ｓ）が供給されるようにし、さらに該比較器段は電圧の
   比較から信号を供給するようにし、該信号が可変持続時
   間のパルスに対して開始時点および終了時点を定めるよ
   うにした請求項９記載の光学的走査ヘッド。 １１、調整装置が、発生されるべきパルスの持続時間に
   比例する電圧（Ｕ＿Ｐ）と、電圧（Ｕ＿Ｏ）に対称的な
   かつ時間的に直線的な２つの電圧とを発生するようにし
   、該２つの電圧の周波数をタイミングクロツクパルス（
   ＣＬＫ）にないし配列体受信器の読み出しクロックパル
   スに同期化するようにし、さらに調整装置が比較段を含
   むようにし、該比較段へ前記対称的なかつ時間的に直線
   的な電圧および電圧（Ｕ＿Ｓ）が導びかれるようにし、
   さらに該比較段は電圧の比較から信号を供給するように
   し、該信号が可変持続時間のパルスに対して開始時点お
   よび終了時点を定めるようにした請求項９記載の光学的
   走査ヘッド。