JPH0479522B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ａ 発明の目的 （産業上の利用分野） この発明に係る光学式距離測定装置は、例えば
マニピユレータや三次元座標測定器に組付け、被
測定面までの距離を測定するのに利用できる。

（従来の技術） マニピユレータ等には被測定面までの距離を測
定するための距離測定装置が必要となる。このた
め、従来から種々の構造の距離測定装置が知られ
ている。

例えば、被測定面にレーザビームを照射して、
反射光の受光角と移動量とを検出することにより
被測定面までの距離を求める、所謂三角測量法
や、発信器から被測定面に投射した超音波が反射
して戻るまでの時間により被測定面までの距離を
求める構造のものや、被測定面にレーザ光を投射
してその干渉縞を観察することにより、被測定面
までの距離を求める構造のもの等が知らている。

ところが、このような従来の距離測定装置は、
測定精度が十分に得られなかつたり、或は非球面
レンズ等を使用するため製作が面倒であつたりし
て必ずしも満足な性能を得られるものではなかつ
た。

本発明の上述のような事情に鑑み、測定精度が
高くかつ特に加工の面倒な部品を使用しなくても
済む光学式距離測定装置を提供することを目的と
している。

ｂ 発明の構成 （問題を解決するための手段） 本発明の光学式距離測定装置は、ビームスポツ
トを照射する光源と被測定面との間に、光源の測
から順に、円錐形のアキシコンレンズと投影レン
ズとを各部品の光軸を上記光源の光軸に一致させ
て設けている。このアキシコンレンズと投影レン
ズとの間にはハーフミラーを設け、被測定面から
反射した光を側方の光電センサに導くようにして
いる。

図面を参照しつつ更に詳しく説明すると、本発
明の光学式距離測定装置は、第１図に示すよう
に、端から順に光源１、アキシコンレンズ２、ハ
ーフミラー３、投影レンズ４を互いに直列にかつ
各部品の光軸を光源１の光軸に一致させて配列
し、構成されている。

光源１は、ビームスポツトをアキシコンレンズ
２に向けて投射するもので、ハロゲンランプ等の
通常光源の他、レーザを光源として使用すること
もできる。

アキシコンレンズ２は、円錐形状（図示の例で
は円錐と円柱とを連結した形状をなしているが、
円柱を省略して円錐のみでも同効である。）をな
しており、一端面から進入した平行光線を円環状
断面を有する光束に変換して反対面から後方に投
射する作用を有する。このため、光源１からビー
ムスポツトをアキシコンレンズ２の一方の側から
投射すると、アキシコンレンズ２の後方には断面
が円環状の光束が送られる。

なお、前記のアキシコンレンズ２の後方に投射
される円環状の光束の直径ｒ（第４図Ａ）は、検
出すべき距離、要求される精度によつて異なる
が、数mm乃至数cm程度とし、検出すべき距離が大
きくなり、要求される精度が高くなる程直径を大
きくする。このような光束の直径ｒの調節は、ア
キシコンレンズ２の頂角を変えることで容易に行
なえる。

アキシコンレンズ２の後方に投射された断面が
円環状の光束は、ピンホール５、ハーフミラー３
を通過した後、投影レンズ４により集束されて被
測定面６に向けて投射される。

この被測定面６で反射した光は、再び投影レン
ズ４を通過してからハーフミラー３で反射し、更
にスリツト７を通過して光電センサ８に送られ
る。この光電センサ８は、被測定面６に投射され
ている光の照度を検出して別途設けた検出回路に
電気信号を送り、被測定面までの距離を検出す
る。

このように本発明の光学式距離測定装置に於い
ては、被測定面で反射した光を光電センサで検出
してこの被測定面までの距離を求めるが、この距
離を求める手段としては次の２通りがある。

まず第一の手段は、投影レンズ４を前後（第１
図の左右）に動かして被測定面６上に合焦させる
もので、合焦させるために投影レンズ４を移動さ
せた距離から、被測定面６の移動距離を求めるも
のである。

即ち、被測定面６が第１図のX₀位置にある場
合に被測定面６上で断面円環状の光束が合焦して
いた場合、その後この被測定面６が同図のX₁位
置まで距離Ｌだけ平行移動したとすると、X₁位
置の被測定面６上に再び合焦させるためには、投
影レンズ４を被測定面が移動する方向と同方向に
距離ｌだけ離れた第１図の鎖線位置まで平行移動
させなければならない。このように投影レンズ４
を動かさなければならない距離ｌと、被測定面６
の移動距離Ｌとの間には一定の関係（Ｌ＝ｆ
（ｌ））があるため、被測定面６が移動した後、光
電センサ８が合焦を検出するまでに投影レンズ４
を移動させた距離ｌから、被測定面６の移動距離
Ｌを求めることができる。

このように、被測定面の移動距離測定のために
は、被測定面がX₀位置にある場合とX₁位置にあ
る場合との合焦を検出する必要があるが、本発明
の光学式距離測定装置に於いては、アキシコンレ
ンズ２によつて光束の断面を円環状にしているた
め、上記した合焦の検出を容易に行なうことがで
きる。即ち、断面が円環状の光束を被測定面上に
合焦させた場合、第２図Ｂに示すように中心部
（光軸上と点）にまで光が達するが、被測定面が
合焦位置から少しでもずれると、第２図Ａ，Ｃに
示すように中心部には光が到達しなくなる。この
事を言い換えると、中心部に於いては、合焦位置
の前後に於いて照度が急激に変化することになる
ため、光電センサ８が中心部の照度のみを測定す
るように構成すれば、合焦位置の検出が容易かつ
確実に行なえるようになる。被測定面に投射する
光束の断面形が円形の場合、合焦位置の前後に於
いて中心部の照度は緩徐に変化するため、合焦位
置の検出は困難で不確実となり勝である。

次に第二の手段は、投影レンズ４を固定したま
ま、被測定面６上の円環状に照射された部分の直
径を求め、この直径の変化量から被測定面６の移
動量を求めるものである。

即ち、被測定面６が第３図のX₀位置にある場
合に、被測定面６上で断面円環状の光束が合焦し
ていた場合、この被測定面６が同図のX₁位置ま
で距離Ｌだけ平行移動したとすると、X₁位置の
被測定面６は、直径ｒの円環状部分が照射され
る。投影レンズ４を通過後の光束は円錐状に次第
に集束するため、被測定面６上の照射される円環
状部分の直径ｒは、X₀から投影レンズ４に向け
て近付く程大きくなり、しかもその移動距離Ｌと
円環状照射部分の直径ｒとは比例（Ｌ＝Kr、
ｋ：比例定数）する。従つて、被測定面６が移動
する前後に於ける円環状照射部分の直径の差に比
例定数ｋを乗ずれば、被測定面６の移動距離を求
めることができる。この場合、光電センサ８が光
を受ける部分は被測定面までの距離に基づいて変
化するため、第１図に示した様な光電センサ直前
のスリツト７は設けない。

このように、投影レンズ４を移動させずに、被
測定面上の円環状照射部分の直径の変化量に基づ
いて被測定面６の移動距離を求める場合、上記円
環状照射部分の直径ｒを正確に測定することが正
確な移動距離Ｌを求めるために必要となるが、本
発明の光学式距離測定装置に於いては、アキシコ
ンレンズ２によつて光束の断面を円環状にしてい
るため、このような直径の測定も容易に行なえ
る。即ち、光源１からアキシコンレンズ２、投影
レンズ４を通つて被測定面６上に照射される光の
エネルギは、第４図Ａに示すような円環状照射部
分（幅は実際よりも広く描いている。）に集中す
るため、この照射部分の直径ｒを測定するための
光電センサ８の出力が同図Ｂに示すように大きく
なり、この光電センサ８の出力に基づいて円環状
照射部分の直径ｒを正確に求めることができる。
これに対して、光束が第５図Ａに示すように断面
円形であると、光のエネルギが広い面積に分散さ
れるため、光電センサ８の出力が同図Ｂに示すよ
う小さくなつて照射部分の直径ｒを正確に求め難
くなる。

なお、上述の説明に於いては、いずれも被測定
面の移動距離を求める場合について説明したが、
第一、第二のいずれの手段を用いる場合でも、被
測定面の移動距離だけでなく、測定装置から被測
定面までの距離を求めることもできる。

まず、第１図に示した第一の手段を用いる場
合、投影レンズ４を特定の場所に移動した場合に
於ける測定装置から合焦位置までの距離L₀は予
め知ることができるため、投影レンズをｌだけ移
動させることで被測定面上に合焦させたとする
と、その移動距離ｌから求めた値Ｌを上記距離
L₀に加減することで、測定装置から被測定面ま
での距離を知ることができる。値Ｌを距離L₀に
加えるか減ずるかは、投影レンズの移動方向によ
り容易に知ることができる。

又、第３図に示した第二の手段を用いる場合、
測定装置から合焦位置までの距離L₀は予め知る
ことができるため、被測定面上の円環状照射部分
の直径ｒに比例定数ｋを乗じた値Ｌを上記距離
L₀に加減することで、測定装置から被測定面ま
での距離を知ることができる。この場合、被測定
面６が合焦位置X₀から前後に同じ距離だけ離れ
ると、この被測定面上に同径の円環状照射部分が
形成されるが、被測定面が合焦位置X₀よりも測
定装置に近い位置にある場合、被測定面が測定装
置よりも遠くなるにつれて円環状照射部分の直径
ｒが小さくなり、反対に被測定面が合焦位置X₀
よりも遠くにある場合、被測定面が測定装置から
遠くなるにつれて上記直径ｒは大きくなるため、
識別は容易に行なえる。又、この第二の手段を用
いる場合、被測定面が光軸に対して傾斜している
と、照射部分は歪んだ形状となるが、この歪みに
より被測定面の傾斜を知ることができる。但し、
被測定面が傾斜した場合でも被測定面までの距離
測定は正確に行なえる。

ｃ 発明の効果 本発明の光学式距離測定装置は以上に述べた通
り構成され作用するので、構造が簡単で特に製作
費を高くすることなく、正確な非接触式の距離測
定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光学式距離測定装置の第一の
手段の構造を示す原理図、第２図Ａ〜Ｃは合焦前
後に於ける被測定面上に照射部分を示す図、第３
図は第二の手段の構造を示す原理図、第４図Ａ，
Ｂは被測定面上の円環状照射部分と光電センサの
出力との関係を示す図、第５図Ａ，Ｂは光束を断
面円形とした場合を示す第４図Ａ，Ｂ同様の図で
ある。 １：光源、２：アキシコンレンズ、３：ハーフ
ミラー、４：投影レンズ、５：ピンホール、６：
被測定面、７：スリツト、８：光電センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ビームスポツトを照射する光源と被測定面と
   の間に、光源の側から順に、円錐形のアキシコン
   レンズと投影レンズとを各部品の光軸を上記光源
   の光軸に一致させて設け、このアキシコンレンズ
   と投影レンズとの間には被測定面から反射した光
   を側方の光電センサに導くハーフミラーを設け、
   上記光電センサは被測定面上の上記光源により照
   射される部分の中心部分のみの照度を検出自在と
   し、上記投影レンズは光軸に沿つて平行移動自在
   として成る光学式距離測定装置。 ２ ビームスポツトを照射する光源と被測定面と
   の間に、光源の側から順に、円錐形のアキシコン
   レンズと投影レンズとを各部品の光軸を上記光源
   の光軸に一致させて設け、このアキシコンレンズ
   と投影レンズとの間には被測定面から反射した光
   を側方の光電センサに導くハーフミラーを設け、
   上記投影レンズは固定式とし、光電センサは被測
   定面上の円環状照射部分の直径を検出自在として
   成る光学式距離測定装置。