JPH0226164B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、光電式位置検出装置に係り、特に、
遠隔物体の厚さや変位等を非接触で測定する際に
用いるのに好適な、光源を含み、測定対象面にス
ポツト状の光ビームを投射するための光ビーム発
生手段と、測定対象面からの、前記光ビームの投
射方向とは異なる方向の反射光を受けて電気信号
に変換する光電変換器と、該光電変換器の出力信
号を処理して、測定対象面の前記光ビーム投射方
向の位置又は変位を求める電子回路ととを備えた
光電式位置検出装置の改良に関する。

【従来の技術】

産業界における生産の自動化、ロボツト導入等
に伴ない、計測のインプロセス化、高速度化、高
精度化が急速に要請されてり、赤熱した鉄板の圧
延工程における厚さのインプロセス測定のよう
に、遠隔物体の厚さや変位等を非接触で測定でき
る位置検出装置の必要性も大となつている。 このような非接触式の位置検出装置としては、
測定対象面に投射した光の反射光や散乱光を位置
に関する信号とする光学的方式を利用したもの、
磁束変化、過電流、容量変化等、電磁気的場の効
果を利用したもの、放射線の吸収度を利用したも
の、超音波を利用したもの等が提案されている
が、測定対象面との設定距離を大きく取れるとい
う点では、光学的方式を利用したものが有利であ
る。 このような光学的方式を利用した位置検出装置
の一つに、第６図に示す如く、光源１０を含み、
測定対象面１２にスポツト状の光ビーム１０Ａを
投射するための光ビーム発生手段８と、測定対象
面１２からの、前記光ビーム１０Ａの投射方向と
は異なる方向の反射光１０Ｂを受けて電気信号に
変換する、アナログ型の光学的位置検出素子
（PSD）やデジタル型の電荷結合素子（CCD）イ
メージセンサ等からなる受光素子１４と、該受光
素子１４の出力信号を処理して、反射点像の移動
量（以下、像点移動量と称する）Ｙから、三角測
量法に従つて測定対象面１２の前記光ビーム投射
方向の位置又は変位量Ｘを求める電子回路１６と
を備えた、いわゆる散乱光点のポイント計測方式
のものがある。図において、１８は、反射点の像
を受光素子１４上に結像させるためのレンズであ
る。 このような光電式位置検出装置は、測定対象面
１２との設定距離を大きく取れるという特徴を有
するが、△LOAと△LO′A′が相似形でないため、
変位量Ｘと受光素子１４上の像点移動量Ｙが線形
関係になく、例えば特表公57−500411に示される
ような複雑な捕正が必要となつている。 このような問題点を解消するべく、第７図に示
す如く、レーザビーム発生器３０と、該レーザビ
ーム発生器３０から発生されたスポツト状のレー
ザビームを等角速度で回転するための回転ミラー
３２と、該回転ミラー３２によつて形成された回
転走査ビーム３３が基準位置を走査したことを検
出するための基準光検出素子３４と、前記回転走
査ビーム３３の測定対象面１２による反射光のう
ち、測定対象面１２と垂直な方向の反射光のみを
通過させるスリツト３６と、該スリツト３６を通
過した反射光の有無を検出するための反射光検出
素子３８とを備え、前記基準光検出素子３４と反
射光検出素子３８の出力信号の発生時間間隔、即
ち、回転走査ビーム３３の走査角度θから測定対
象面１２の上下方向変位を求めるようにした、い
わゆる投射ビーム走査方式による光電式位置検出
装置も提案されている。 この方式によれば、前記散乱光点のポイント計
測方式のような、三角形の非相似による誤差を生
じることはないという特徴を有するが、回転走査
ビーム３３の走査角度θと変位量Ｘの関係が光学
的に非線形となるため、やはり複雑な捕正が必要
となるだけでなく、回転ミラー３２とと測定対象
面１２の距離l₁、l₃等を計算する必要があるとい
う問題点を有していた。 このような問題点を解消するものとして、出願
人は既に実開昭60−48104で、回転走査ビームの
走査角度と測定対象面の変位量の関係を線形とす
ることとができる光電式位置検出装置を提案して
いる。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、前記いずれの方式においても、
未だ実用に価する高精度達成は困難であつた。そ
の一つの原因は、測定対象面１２の表面粗さ等表
面状態の不定性である。即ち、前出第６図に示し
たような光電式位置検出装置において、測定対象
面１２の表面粗さが大であつた場合には、照射光
の強度分布が第８図に示した如く正規分布であつ
たとしても、反射光の強度分布は同じく第８図に
示す如く乱れてしまう。この表面粗さの変動によ
る反射光の強度分布の変化状態の例を第９図乃至
第１２図に示す。図から明らかな如く、測定対象
面１２の表面粗さの状態によつては、第１０図乃
至１２図に示したように、反射光の強度分布のピ
ーク位置が照射光の強度分布のピーク位置からず
れてしまい、測定結果に誤差を生じる。 この問題は、光ビーム径や光電変換器をより小
さくして測定精度を高めようとした場合程、逆比
例して悪影響が拡大してしまう。しかも、例えば
表面粗さのみを取つてみても、反射光の光量が逐
次増減するものに統一できるのであればよいが、
その有無として二極化現象が生じることがあり、
予めプログラム化して補正するようなことはでき
ないという問題点を有していた。

【発明の目的】

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくな
されたもので、測定対象面の表面粗さ等の表面状
態に拘わらず、高精度の測定を行うことができる
光電式位置検出装置を提供すること目的とする。

【問題点を解決するための手段】

本発明は、光源を含み、測定対象面にスポツト
状の光ビームを投射するための光ビーム発生手段
と、測定対象面からの、前記光ビームの投射方向
とは異なる方向の反射光を受けて電気信号に変換
する光電変換器と、該光電変換器の出力信号を処
理して、測定対象面の前記光ビーム投射方向の位
置又は変位を求める電子回路とを備えた光電式位
置検出装置において、前記光ビーム発生手段を、
複数の光ビームが同時に発生するように形成する
とと共に、前記光電変換器を、複数の画素を組と
した複数の組からなるイメージセンサで形成し、
同時に受けた各反射光の各組内における受光画素
の番地のばらつきを評価して、測定対象面の表面
状態による誤差を補正する補正手段を設けること
により、前記目的を達成したものである。 又、本発明の実施態様は、前記光ビーム発生手
段が複数へ光源を有し、各光源から前記光ビーム
を発生するようにしたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記光ビーム発
生手段が、単一の光源と、該光源から発生された
光ビームを複数の光ビームに分光する分光手段と
とを有してなるようにしたものである。 又、本発明の実施態様は、前記分光手段を、多
孔スリツトしたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記分光手段
を、前記光源側が集束された複数の光フアイバと
したものである。

【作用】

本発明は、前記のような光電式位置検出装置に
おいて、光ビーム発生手段を、複数の光ビームが
同時に発生するように形成すると共に、光電変換
器を、複数の画素を組とした複数の組からなるイ
メージセンサで形成し、同時に受けた各反射光の
各組内における受光画素の番地のばらつきを評価
して、測定対象面の表面状態による誤差を補正す
るようにしている。従つて、測定対象物の表面粗
さ等の表面状態に拘わらず、高精度の測定を行う
ことができる。 又、前記光ビーム発生手段を、複数の光源を有
し、各光源から前記光ビームを発生するものとし
た場合には、複数の光ビームを容易に発生するこ
とができる。 又、前記光ビーム発生手段を、単一の光源と、
該光源から発生された光ビームを複数の光ビーム
に分光する分光手段とを有してなるものとした場
合には、照射光の強度分布を同一とすることがで
き、精度の高い測定を行うことができる。 又、前記分光手段を、多孔スリツトとした場合
には、分光手段の構成が単純である。 又、前記分光手段を、前記光源側が集束された
複数の光フアイバとした場合には、光ビームを容
易に複数の光ビームに分光することができる。

【実施例】

以下図面を参照して、本発明に係る光電式位置
検出装置の実施例を詳細に説明する。 本発明の第１実施例は、第１図に示す如く、前
記第５図に示した従来例とと同様の光電式位置検
出装置において、光源１０を複数個、例えば５個
設けて、複数の光ビーム１０Ａが同時に発生する
ように形成すると共に、前記受光素子１４を、複
数の画素を組とした複数の組からなるイメージセ
ンサで形成し、更に、前記電子回路１６内に、同
時に受けた各反射光の各組内における受光画素の
番地のばらつきを、次式に示す如く、各重心位置
（N₁、N₂、N₃、N₄、N₅）の平均値をとること
で評価して、測定対象面１２の表面状態による誤
差を捕正する補正機能を付加したものである。 ＝（N₁＋N₂＋N₃＋N₄＋N₅）／５ ……(1) 他の点については、前記従来例と同様であるの
で説明は省略する。 この第１実施例において、前記受光素子１４に
入射する各光ビーム１〜５の入射状態は、例えば
第２図に示す如くとなる。測定対象面１２が理想
的に完全平滑であり、各光ビームの強度分布が中
心を最強とした場合には、第２図に示すような、
例えば11個の画素からなる各組の受光位置は、そ
れぞれ零番地となる。しかしながら、測定対象面
１２の表面状態によつて実際には最強位置がばら
つく。そこで、各光ビーム毎の受光番地の平均値
をとれば、表面粗さの平均をもつて評価できるこ
とになる。 なお、測定対象面１２の絶体位置は、第３図に
示す如く、各イメージセンサの例えば零番地を標
準位置とし、各組のずれを補正をした上で求める
ことができる。あるいは、第４図に示す変形例の
如く、光ビーム毎にイメージセンサを区分して並
設し、その単純平均から求めてもよい。 この第１実施例においては、複数の光ビームを
複数の光源から発生するようにしているので、複
数の光ビームを容易に発生することができる。 次に、本発明の第２実施例を詳細に説明する。 この第２実施例は、第５図に示す如く、前記第
１実施例と同様の光電式位置検出装置において、
複数の光ビーム１０Ａを、単一の光源１０と分光
器４０を用いて発生するようにしたものである。 前記分光器４０としては、例えば多孔スリツト
又は光源１０側が集束された複数の光フアイバを
用いることができる。分光器４０として多孔スリ
ツトを用いた場合には、分光手段の構成を単純に
することができる。又、分光器４０として複数の
光フアイバを用いた場合には、光ビームを容易に
分割することができる。 他の点については、前記第１実施例と同様であ
るので説明は省略する。 この第２実施例によれば、光源１０が共通であ
るので、照射光の強度分布が共通となり、極めて
精度の高い測定を行うことができる。又、比較的
大型となる光源１０を多数設ける必要がないの
で、装置を小型に構成することができる。

【発明の効果】

以上説明した通り、本発明によれば、測定対象
面の表面粗さ等の表面状態に拘わらず、高精度の
測定を行うことができる。又、PSDやCCD等の
受光素子の特性のばらつきも吸収できる等の優れ
た効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光電式位置検出装置の
第１実施例の構成を示す断面図、第２図は、前記
第１実施例で用いられている受光素子の構成例を
示す正面図、第３図は、前記第１実施例における
受光素子の番地を補正する方法を説明するための
線図、第４図は、同じく他の補正方法を示す線
図、第５図は、本発明の第２実施例の構成を示す
断面図、第６図は、従来の光電式位置検出装置の
構成及び測定原理を説明するための断面図、第７
図は、同じく従来の光電式位置検出装置の他の例
の構成及び測定原理を説明するための線図、第８
図は、第６図に示した従来例における表面粗さの
影響による反射光の強度分布の乱れを示す線図、
第９図乃至第１２図は、表面粗さの状態と照射光
及び反射光の強度分布の関係の例を示す線図であ
る。 ８……光ビーム発生手段、１０……光源、１０
Ａ……光ビーム、１０Ｂ……反射光、１２……測
定対象面、１４……受光素子、１６……電子回
路、Ｘ……変位量、４０……分光器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源を含み、測定対象面にスポツト状の光ビ
   ームを投射するための光ビーム発生手段と、測定
   対象面からの、前記光ビームの投射方向とは異な
   る方向の反射光を受けて電気信号に変換する光電
   変換器と、該光電変換器の出力信号を処理して、
   測定対象面の前記光ビーム投射方向の位置又は変
   位を求める電子回路とを備えた光電式位置検出装
   置において、 前記光ビーム発生手段を、複数の光ビームが同
   時に発生するように形成すると共に、 前記光電変換器を、複数の画素を組とした複数
   の組からなるイメージセンサで形成し、 同時に受けた各反射光の各組内における受光画
   素の番地のばらつきを評価して、測定対象面の表
   面状態による誤差を補正する補正手段を設けたこ
   とを特徴とする光電式位置検出装置。 ２ 前記光ビーム発生手段が複数の光源を有し、
   各光源から前記光ビームを発生するようにされて
   いる特許請求の範囲第１項記載の光電式位置検出
   装置。 ３ 前記光ビーム発生手段が、単一の光源と、該
   光源から発生された光ビームを複数の光ビームに
   分光する分光手段とを有してなる特許請求の範囲
   第１項記載の光電式位置検出装置。 ４ 前記分光手段が、多孔スリツトとされている
   特許請求の範囲第３項記載の光電式位置検出装
   置。 ５ 前記分光手段が、前記光源側が集束された複
   数の光フアイバとされている特許請求の範囲第３
   項記載の光電式位置検出装置。