JPH02278113A - 光学式距離センサ - 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、表面の走査により高さ値を検知するための光
学式距離センサに関する。

Ｃ従来の技術〕 自動化の増大によって三次元の対象物、特にその表面の
検知および試験を行うことが不可避となっている。これ
には完全かつ正確な実装についてプリント印刷回路基板
の取扱および自動試験を行うことができる例えばセンサ
誘導形ロボットが挙げられる。さらに、ろう付は個所を
検査することができる。公知の三角測量法によって三次
元の座標表面を検出することができる。この場合に使用
される方法にはレーザービームが表面上を走査する方法
が一般に床用される。レーザービームの着地点の高さは
側面に配置されて位置感応検出器に結合された少なくと
も１個の対物レンズによって検出される。レーザービー
ムの既知の平面座標と着地点の測定高さとから、表面の
この点の三次元の位置座標を簡単に検知することができ
る。

上述した三角測量法はしかしながら多くの欠点を有して
いる。一方では、二次光、つまりレーザビームの着地点
から直接反射されたのではなく、どこか別の個所から反
射された光を検出してしまう、このことは表面が非常に
光沢のある場合に特に起こり、測定誤差となる。

他方では、比較的大きな対象物が非常に密接して並んで
存在する微小表面構造または微小対象物ではいつも良好
に検出を行うことができない。

速度と分解可能な高さ測定点の個数との積を最大にする
ためには、位置感応検出器の受信面を比較的小さくする
ことが必要である。この受信面の読取時点は工程速度に
著しく影響する。上述した三角測量法の場合にはしかし
ながらこれに関しては限界がある。というのは、受信面
は定められた最小値を必要とするからである。

例えば対物レンズを交換することによって結像ｃｔ法ま
たは分解能を簡単に変えることはこの三角測量法の場合
には行うことができない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、三角測量法の上述した欠点を回避し、従って
二次光に感応せず、信号処理が高速であり、構成が小形
であり、取扱が簡単であり、またシェーディングに起因
する誤測定が阻止されるような光学式距離センサを提供
することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

この課題を解決するために、本発明は、光学軸上に配置
された次の構成要件、すなわち凹面ミラーの切頭体と、
ピラミッド形ミラーと、対物レンズと、ミラーと、光学
軸に並んで配置された少なくとも１個の位置感応検出器
とから構成され、光ビームが対物レンズを通って走査ビ
ームの形状にて走査すべき表面上に軸平行に導かれ、こ
の表面上には光点が作成され、この光点に発生した観察
ビームが円錐形状にて反対方向へ対物レンズを通って凹
面ミラーに導かれ、この凹面ミラーの内部に配置された
ピラミッド形ミラーを介して光学軸に対してほぼ垂直に
受信する位置感応検出器に導かれることを特徴とする。

〔作用効果〕

本発明は、走査ビームによって表面上に作成された光点
は側面ではなく、光点を通る光学軸に関して半径方向に
対称にその全周囲に亘って検出されるべきであるという
９議に基づいている。さらに走査ビームと観察ビームと
の同軸案内が行われ、その場合それらの両方向は反対方
向に向いている。

高さ値を検出するために、位置感応検出器は光学軸に沿
って結像位置に位置決めされた薄形円筒体によって理想
的には構成するこができ、この円筒体はその円筒体表面
で半径方向に対称な検出を行うことができる。この検出
器はしかしながら大きな入射角のために僅かな感光能力
しか有しないので、観察光路は対物レンズの背後では凹
面ミラーつまり凹面ミラーの切頭体に導かれ、そして光
学軸上に凹面ミラーに対して同軸に配置されかつこの凹
面ミラーの内部に位置決めされたピラミッド形ミラーを
介して位置感応検出器に案内される。

位置感応検出器は光学軸に対して少なくともほぼ垂直に
位置し、光学軸に関して半径方向にて検出を行う、凹面
ミラーは切頭体の形状を呈し、それゆえその内部では軸
方向への光路の案内が可能である。残存ミラー面はこの
ためには充分間に合う。

本発明の一つの実施態様においては、観察光路の案内が
対物レンズの背後では凹面ミラーを通って内側へ光学軸
に向けられるのではなく、はぼ半径方向に外側へ進むよ
うに、凹面ミラーが分割され、それにより作成された部
品が所定の方法で再び組合わせられる。凹面ミラーの部
品の個数に応じて設けられた方向転換ミラーによって、
観察光路はその後光学軸に対して軸平行に位置感応検出
器に導かれ、この検出器は光学軸に対して垂直または半
径方向にて検出を行う、検出器の個数は凹面ミラーの個
別部品の個数に一致する。この実施例は凹面ミラーの焦
点距離を変えることができるという利点を有する。これ
によって、例えば短焦点距離形対物レンズによって生ぜ
しめられる、高さ分解能を向上させるために必要な遅れ
は省略することができる。

観察光路は凹面ミラー機構の背後では方向転換ミラーに
よる方向転換を行わなくても位置感応検出器に直接導く
ことができる。この場合にはしかしながら検出器は軸平
行でかつ凹面ミラー機構の個別部品の位置に対応して配
置されることが必要であり、検出器の一次元検出は光学
軸に対して平行に行われる。

凹面ミラー機構を有する光学式距離センサを構造的に小
形化するために、光源により作成されてコリメータによ
って集束された走査ビームが凹面ミラーの内部中央を貫
通するようになされる。この場合には走査ビームを側方
へもたらすことや光学軸の方向へそれを方向転換させる
ことは省略できる。

光学式距離センサを用いてスキャン運動を行うことがで
きるようにするために、光学式距離センサは直交スキャ
ン機構と組合わせられる。このために必要な結合は零点
にて行われるが、この零点とは距離センサに関する今ま
での説明において基体の表面上に走査ビームによって作
成されていた光点に相当する。直交スキャン機構はここ
で結合され、その場合走査ビームは水平に位置し、走査
方向に対して垂直に立つ軸線を中心にして回転可能であ
るスキャンミラーに導かれる。その後、走査ビームはオ
フアクシス（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ）凹面ミラーに導かれ、
ここから対象物表面に導かれる。観察光路は反対方向へ
同心的にオフアクシス凹面ミラーに戻り、ここからオフ
アクシス凹面ミラーの焦点に位置するスキャンミラーへ
進行する。スキャンミラーから観察ビームは光学式距離
センサに向けて反射される。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第２図は原理的な光路を備えた理想的な光学式距離セン
サを示す、この種のセンサを用いると、二次光検出、シ
ェーディング、緩速な処理速度または微小な分解能、お
よび劣悪な取扱性の如き欠点を回避することが可能にな
る。側方からの入射光８はミラー６によって向きを変え
られ、光学軸２に沿って走査すべき対象物の表面ｌに導
かれる。

ここには、高さ値を高さ座標Ｚに基づいて測定すべき光
点１１が作成される。光点１１の表面１がら出る後方散
乱光は対物レンズ５とレンズ１２とを通って同様に光学
軸２上に位置する点に結像する。光点１１のこの結像は
光学軸２に沿って対象物距離が変化すると移動する。こ
の場合、検出器に関係した高さ座４１１２’の方向への
像位置の変化に対しては次の関係が成立する。

ΔＺ′−ΔＺ／　（Ｘ／Ｘ　′）” Ｘ／Ｘ　’は潜在的結像寸法を表す。Ｘはこの場合平面
座標である。この理想的な光学式距離センサの内部にお
ける結像を検出するために、軸方向に結像位置には位置
感応検出器７が配置され、この検出器は極端に薄い円筒
体の形状を有し、その軸線に沿って入射光の位置を検出
する。この種の位置感応検出器７はしかしながら製造上
非常に費用が掛かり、しかも大きな入射角αのために充
分に感光反応を示さない、そのためにレンズ１２が放物
面ミラー３（第１図）によって１換される。

その場合凹面ミラー３の焦点距離とレンズ１２の開口と
の間の比は１／４の大きさである。理想的な光学式距離
センサのこの変形例の正確な実施例は第１図に示されて
いる。

第１図は走査ビーム９と観察ビーム１０とを対物レンズ
５に到るまで同軸案内することに関しては第２図と同じ
である。観察ビーム１０はほぼ円錐形状を有し、対物レ
ンズ５の背後で凹面ミラー３の切頭体上へ導かれる。凹
面ミラー３に対して同軸的に設置されているピラミッド
形ミラー４によって、観察ビーム１０はさらに軸平行な
方向へ位置感応検出器７上に案内される。この検出器７
は例えば、直列接続されているオブトエレクトロニク変
換器に多数の光導体１３によって結合された受信面から
構成されている。多数の光導体を使用することによって
高分解能を得ることができ、このことにより同時にオブ
トエレクトロニク変換器としてアバランシェ・ダイオー
ドを使用することと相まって高速で高分解能を持つ評価
が得られる。図には単に２個の位置感応検出、？１７が
示されているだけである。光導体１３の個数はオブトエ
レクトロニク変換器１４の個数と一致し、ここでは３個
のオブトエレクトロニク変換器１４が示されている。異
なった位置感応検出器７の対応する光導体１３は共通的
に１個のすブトエレクトロニク変換器１４に導かれてい
る。第２図から明らかなように、切頭体として形成され
た凹面ミラー３の内部開口によって凹面ミラー３の内部
における光路は対応して配置された位置感応検出器７へ
案内される。入射角はこの場合にはほぼ零である。

位置感応検出器は光学軸２に対して少なくともほぼ垂直
に位置しているが、しかしながら全機構の同調のために
は非常に僅かに傾斜させることができる。位置感応検出
器７の個数は放物面ミラー４に存在する面の個数に一敗
する。この個数が多くなればなる程、検出は精度が高く
なる。というのは、検出範囲に関してより精密に細分化
することができるからである０表面ｌ上の走査すべき点
または光点１１の三次元の位置座標は平面座標Ｘ、Ｙの
内部における光ビームの既知位置と高さ座標Ｚの測定と
によって与えられる。

第３図は、ミラー本体軸線が光学軸２と符合しかつ焦点
Ｆが光学軸２上に位置している凹面ミラー３の切頭体を
示す、この側面断面図には、ミラー面を介して定められ
た如く焦点Ｆへ導かれる観察と−ム１０が示されている
。

第４図は第３図と同様に凹面ミラー３の切頭体を示す、
この平面図では、光学軸２は焦点Ｆのところで紙面に対
して垂直に立っている。焦点Ｆへ反射される第３図に示
された観察ビーム１０も示されている。この凹面ミラー
３は分割面１６に沿って４個の個別部品に分割されてい
る。取扱性を良くするために、個別部品はその周縁部が
正方形状に成形されている。

第５図および第６図は第４図に示された凹面ミラー３の
個別部品から組立てられた凹面ミラー機構１５を示す、
第６図には、上記焦点Ｆが４個の焦点Ｆ、〜Ｆ４に増や
されている平面図が示されている。凹面ミラー３の個々
の部品はそのために単純に１８０°回転されて、再び組
立てられている。観察ビーム１０はここでも同様に図示
されている０円筒状または直方体状空所１７は光ビーム
を凹面ミラー機構１５の軸方向に貫通させるために使わ
れる。第５図は両焦点Ｆ、　、Ｆｚと光学軸２とを備え
た凹面ミラー機構１５の側面断面図を示す。

第７図には凹面ミラー機構１５を使用した光学式距離セ
ンサが示されている。走査ビーム９はこの場合には側方
から入射する光ビーム８ではなく、光源１９によって中
央にて光学軸Ｚ上に作成されてコリメータ２０を介して
空所１７および対物レンズ５を通って表面ｌ上に案内さ
れる。観察ビーム１０は凹面ミラー３の個別部品と凹面
ミラー機構１５の現構成要素との第４図および第６図に
示された個数に応じて外側に向けて同−個数設けられた
方向転換ミラー１８へ導かれる。この方向転換ミラー１
８は観察ビーム１０を軸平行に位置感応検出器７へ反射
する。検出器に関連した高さ座標Ｚ′に応じて線形検出
が行われる。

第８図は、対物レンズ５と走査ビーム９と観察ビーム１
０とによって表された光学式距離センサの下部が示され
ている。光学式距離センサと直交スキャン機構との結合
は零点２１にて行われる。

この零点２１は今まで説明して来た観察方法においては
走査すべき基体の表面１上における光点１１のことであ
る。走査ビームの方向にはスキャンミラー２２が続いて
おり、これはセンサの零点近傍に支持されて後続のオフ
アクシス凹面ミラー２３の焦点に位置している。焦点距
離はｆで示されている。スキャンミラー２２の回転中心
となる軸線はＸ−Ｙ平面において水平に位置しており、
走査方向に対して垂直に立っている。走査方向は紙面に
対して垂直に延在している。オフアクシス凹面ミラー２
３によって、走査ビーム９は走査すべき基体の表面１へ
直接向けられて、光点１１を作成する。オフアクシス凹
面ミラー２３の主たる特徴点は光学軸がミラー本体軸線
と符合しないという点にある。この種のミラーは公知の
形状に形成された半径方向に対称な凹面ミラーの一部分
から成る。“オフアクシス凹面ミラー”なる名称にて入
手できるミラーの場合、光学軸は一般に凹面ミラーの残
存本体の外部に位置する。

直交スキャン機構と一部分が示されている光学式距離セ
ンサとの第８図に示された結合によって、スキャン運動
を行うことが可能になる。スキャンミラーが欠落してい
るので、今までの図に示した光学式距離センサはこのま
までは走査運動を実施することができない。スキャン機
構がない場合には、単一の光点１１とそれに対応する位
置しか走査可能ではない。

光ビーム８としては一般にレーザービームが使用され、
光［１９としてはレーザーダイオードが使用される。使
用された凹面ミラー３または凹面ミラー機構１５は球形
状または非球形状に形成することができる。大抵は放物
面ミラーが使用される。原理的には、ミラー機構の内部
では、位置感応検出器７上に鮮明な結像を作成するため
に例えば凹面ミラー３とピラミッド形ミラー４との間で
ミラー面を互いに修正することも可能である。このこと
はピラミッド形ミラー４が同様に湾曲状ミラー面を存す
ることを意味する。この方法はしかしながら非常に費用
が掛かる。

要約すると、本発明による光学式距離センサを用いると
横方向の高分解能が得られると共に高処理速度が得られ
ることが言える。既に述べたように、二次光の影響およ
びシェーディングが除去される。第１図に示された実施
例は、高さ分解能を改善するための遅れが望まれる場合
には、光路に配置されたレンズを使用することなく第７
図と同様に変えることができる。これによって、種々異
なった特に大きな半径を存する凹面ミラー３を使用する
ことが可能になる。第１図と同様な実施例はしかしなが
らその構成によって凹面ミラー３の半径の選定に関して
は比較的小さい範囲に拘束される。

秒当たり数百列の測定速度にはスキャンミラー２３とし
て振動ミラーが適し、高速測定にはスキャンミラー２３
としてボリボム（Ｐｏｌｙｂｏｓ＞　　ミラーが適する
。第８図に示されているように、スキャンミラーの位置
における光路の直径はＩＣＩＩよりも著しく大きくして
はならない、このことは第８図に示された光学式距離セ
ンサと直交スキャン機構との組合わせによって実現され
る。そのための条件は零点２１とスキャンミラー２２と
の間を比較的僅少な間隔にすることである。

まだ存在する非常に僅かな結像誤差は放物線面の表面形
状を僅かに変えることによって最小値に低減させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は入射角が微小である本発明による光学式距離セ
ンサを示す概略図、第２図は理想的な光学式距離センサ
を示す概略図、第３図は凹面ミラーの切頭体を示す側面
断面図、第４図は所定の面に沿って個別部品に分割され
た凹面ミラーを示す平面図、第５図は凹面ミラーの個別
部品によって形成された凹面ミラー機構を示す側面断面
図、第６図は凹面ミラー機構の平面図、第７図は凹面ミ
ラー機構によって構成され中央光源を備えた光学式距離
センサを示す概略図、第８図は光学式距離センサと直交
スキャン機構との結合部を示す概略図である。 １・・・表面 ２・・・光学軸 ３・・・凹面ミラー ４・・・ピラミント形ミラー ５・・・対物レンズ ６・・・ミラー ７・・・位置感応検出器 ８・・・光ビーム ９・・・走査ビーム １０・・・観察ビーム １１・・・光点 １４・・・オプトエレクトロニク変換器１５・・・凹面
ミラー機構 １６・・・分割面 １７・・・空所 １９・・・光源 ２０・・・コリメータ ２１・・・零点 ２２・・・スキャンミラー ２３・・・オフアクシス凹面ミラー Ｇ　１ ＩＧ　２ Ｉ０７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光学軸上に配置された次の構成要件、すなわち凹面
   ミラーの切頭体と、ピラミッド形ミラーと、対物レンズ
   と、ミラーと、光学軸に並んで配置された少なくとも１
   個の位置感応検出器とから構成され、光ビームが前記対
   物レンズを通って走査ビームの形状にて走査すべき表面
   上に軸平行に導かれ、前記表面上には光点が作成され、
   この光点に発生した観察ビームが円錐形状にて反対方向
   へ前記対物レンズを通って前記凹面ミラーに導かれ、こ
   の凹面ミラーの内部に配置された前記ピラミッド形ミラ
   ーを介して前記光学軸に対してほぼ垂直に受信する前記
   位置感応検出器に導かれることを特徴とする表面の走査
   により高さ値を検知するための光学式距離センサ。 ２）凹面ミラーは分割により少なくとも２個の同じ大き
   さの部品に分割され、この分割は光学軸が位置する１つ
   または複数の平面で実施され、凹面ミラーの部品は凹面
   ミラー機構に組立てられて凹面ミラーの旧光学軸は部品
   の個数に応じて増やされかつ凹面ミラー機構の頂点上に
   それぞれ位置するようになり、凹面ミラー機構の軸線は
   互いにほぼ平行に位置し、ピラミッド形ミラーは凹面ミ
   ラー機構の個々の部品の個数に応じた方向転換ミラーに
   よって対応した関係でもって置換され、観察ビームは対
   物レンズの背後では凹面ミラー機構の面と方向転換ミラ
   ーとを介して光学軸にほぼ垂直に配置された位置感応検
   出器へ導かれることを特徴とする請求項１記載の光学式
   距離センサ。 ３）観察ビームは凹面ミラー機構から直接的に位置感応
   検出器へ案内され、この位置感応検出器は光学軸に対し
   てほぼ平行に検出を行うことを特徴とする請求項２記載
   の光学式距離センサ。 ４）凹面ミラー機構内の光学軸に対して同軸的に、光源
   によって作成されてコリメータを通って集束された走査
   ビームが貫通するための円筒状空所が設けられているこ
   とを特徴とする請求項２または３記載の光学式距離セン
   サ。 ５）光学式距離センサと直交スキャン機構とが組合わせ
   られ、その際、スキャン機構の設けられていない時に対
   象物の表面上に作成された光点の位置が結合のための零
   点を表し、オフアクシス凹面ミラーが走査ビームおよび
   観察ビームを被測定表面に対して垂直方向へ向け、零点
   とオフアクシス凹面ミラーとの間ではこのオフアクシス
   凹面ミラーの焦点に配置されたスキャンミラーが走査を
   可能にすることを特徴とする請求項１ないし４の１つに
   記載された光学式距離センサ。