JPH0593625A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ビームをパルス変調し、且つ、光ビームを
走査するようにした光学式変位計において、高価な特殊
電気部品を使用することなく、高速処理を可能とする。 【構成】 パルス変調された光ビーム１４を走査しなが
ら測定面１０に照射する照明系２０と、測定面１０から
の前記光ビームの反射光を集めて結像する受光レンズ４
０と、結像された像の光量分布に対応した検出信号を生
成する光電センサ４２と、前記光ビーム１４の走査速度
が略一定である時の該検出信号を積分して、前記光量分
布の重心位置に対応した重心信号e を生成する処理回路
５０とを含み、該重心信号e の変化から測定面１０の位
置又は変位を求める光学式変位計において、前記光ビー
ム１４の照射時間を、前記積分区間のみとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学式変位計に係り、
特に、遠隔物体の厚さや変位等を三角測量方式により非
接触で測定する際に用いるのに好適な、パルス変調され
た光ビームを走査しながら測定面に照射する照明系と、
測定面からの前記光ビームの反射光を集めて結像する受
光レンズと、結像された像の光量分布に対応した検出信
号を生成する光電センサと、前記光ビームの走査速度が
略一定である時の該検出信号を積分して、前記光量分布
の重心位置に対応した重心信号を生成する処理回路とを
含み、該重心信号の変化から測定面の位置又は変位を求
める光学式変位計の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業界における生産の自動化、ロボット
導入等に伴い、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おり、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変位計の必要性も大
となっている。

【０００３】このような非接触変位計の一例として、出
願人が既に特開昭６３−２０００１１で提案したよう
に、図４に示す如く、測定面１０にレーザビーム１４等
の光ビームを照射して、三角測量方式で位置や変位を検
出する光学式変位計が知られている。

【０００４】図４の光学式変位計は、パルス変調された
レーザビーム１４を往復走査しながら測定面１０に照射
する照明系２０と、測定面１０からのレーザビームの反
射光を集めて結像面上に結像する受光レンズ４０と、結
像された像の光量分布に対応した検出信号c 、d を生成
する光電センサとしての半導体位置検出器（ＰＳＤ）４
２と、前記レーザビーム１４の走査速度が略一定である
時の該検出信号c 、dを積分して、前記光量分布の重心
位置に対応した重心信号e を生成する処理回路５０とを
含んで構成されている。

【０００５】前記照明系２０は、例えば、レーザビーム
１４をパルス変調するための発振器２２と、該発振器２
２出力のパルス変調信号によって周期的にオンオフされ
るレーザ駆動回路２４と、該レーザ駆動回路２４から出
力されるパルス状のレーザ駆動信号a によって駆動さ
れ、パルス変調されたレーザビーム１４を発生する半導
体レーザ２６と、該半導体レーザ２６から発生されたレ
ーザビーム１４を往復走査するための振動ミラー２８
と、該振動ミラー２８を振動させるための音叉３０と、
正弦波状の音叉駆動信号b によって該音叉３０を駆動す
るための音叉駆動回路３２と、前記振動ミラー２８によ
って往復走査されるレーザビーム１４を互いに平行なビ
ームとするための投光レンズ３４と、から構成されてい
る。

【０００６】又、前記処理回路５０は、例えば、前記Ｐ
ＳＤ４２からの検出（電流）信号c、d を、それぞれ電
圧信号に変換するための電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器５
２c、５２d と、該Ｉ−Ｖ変換器５２c 、５２d の出力
を、それぞれ増幅するための増幅器５４c 、５４d と、
該増幅器５４c 、５４d の出力を、前記発振器２２の出
力と同期して、それぞれ検波することにより、検出信号
c 、d に含まれる直流成分、即ち、外乱光成分を除去す
るための同期検波器５６c 、５６d と、該同期検波器５
６c 、５６d の出力の差及び和を、それぞれ演算する引
算器５８及び加算器６０と、該引算器５８の出力を該加
算器６０の出力で割ることによって、ＰＳＤ４２上の光
量分布の重心位置に対応する重心信号e を求めるための
除算器６２と、該除算器６２の出力を、音叉３０による
レーザビーム１４の走査速度が略一定である音叉の中立
領域で積分して積分信号g を得るための積分回路６４
と、前記音叉駆動回路３２及び発振器２２の出力に応じ
て、音叉３０が中立領域に有り、且つ、レーザビーム１
４が照射されているタイミングでのみ、該積分回路６４
をオンとするための積分タイミング信号f を出力する積
分タイミング回路６６と、前記積分回路６４の出力をサ
ンプリングしてホールドするためのサンプル／ホールド
（Ｓ／Ｈ）回路６８と、該Ｓ／Ｈ回路６８の出力（アナ
ログ信号）をデジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換
器７０と、該Ａ／Ｄ変換器７０の出力に対して直線性を
補正して測定値として出力するリニア補正器７２と、か
ら構成されている。

【０００７】ここで測定面１０が図の上下方向（Ｚ方
向）にＺ1 からＺ2 へ変位すると、レーザビーム１４の
照射点も上下方向に変化し、それに伴って受光レンズ４
０による結像位置の重心がＰＳＤ４２上を図の左右方向
に移動して、重心信号e も図５に例示する如く e₁ から
e₂へ変化する。従って、測定面１０の変位ΔＺの測定
が可能である。

【０００８】又、図４の光学式変位計においては、図６
に示す如く、発振器２２によりレーザビーム１４をパル
ス変調し、同期検波器５６c 、５６d で、レーザビーム
１４が照射されている時の検出信号c 、d のみを検波す
るようにしているので、外乱光の影響を排除できる。

【０００９】更に、音叉３０によりレーザビーム１４を
往復走査し、且つ、振動ミラー２８の往復動が不安定な
領域を除くため、積分タイミング回路６６及び積分回路
６４で、図７に示す如く、該レーザビームの走査速度が
略一定である音叉３０の中立領域でのみ重心信号e を積
分するようにしているので、測定面１０の表面性状によ
る測定誤差を解消することができる。

【００１０】即ち、測定面１０には、微視的には不規則
な凹凸が形成されており、結像面上の光量分布もそれに
応じて不規則な分布となっている。従って、測定面１０
のＺ方向の位置が同じ場合でも、表面性状が異なると光
量分布も異なり、重心信号eには一種のノイズ信号が混
入するため、測定精度が悪化してしまう。

【００１１】これに対して、図４の光学式変位計のよう
に、レーザビーム１４を測定面１０上で走査して、検出
信号を積分するようにすれば、表面性状の違いによる光
量分布の違いが平均化され、表面性状の影響を受け難く
なる。

【００１２】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、前記
のように、外乱光除去のためにレーザをパルス変調し、
且つ、表面性状による測定誤差を無くすためにレーザビ
ームを走査する場合、多数のデータを得るために、図６
にＰＳＤ４２からの出力信号の構成を示した如く、パル
ス変調の周波数は走査の周波数より、かなり（１００倍
程度）速くする必要がある。又、この場合、走査速度が
変化している領域では、振動ミラー２８の往復動等が不
安定であるため、測定データは、走査速度が略一定の中
立領域でのみ有効である。

【００１３】一方、測定速度は走査周波数で決まってく
るため、測定速度を高くするためには、走査周波数を高
くしなければならない。この場合、レーザのパルス変調
周波数は更に高くなるので、汎用のオペアンプでは電気
的応答性に問題があり、高価な電気部品を使用しなけれ
ばならない。又、高速になると電気的なタイミングの取
り方も難しくなるため、測定速度を高くするのは困難で
あった。

【００１４】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、光ビームをパルス変調し、且つ、光
ビームを走査するようにした光学式変位計において、高
価な特殊電気部品を使用することなく、高速測定を可能
とすることを目的とする。

【００１５】

【問題点を解決するための手段】本発明は、パルス変調
された光ビームを走査しながら測定面に照射する照明系
と、測定面からの前記光ビームの反射光を集めて結像す
る受光レンズと、結像された像の光量分布に対応した検
出信号を生成する光電センサと、前記光ビームの走査速
度が略一定である時の該検出信号を積分して、前記光量
分布の重心位置に対応した重心信号を生成する処理回路
とを含み、該重心信号の変化から測定面の位置又は変位
を求める光学式変位計において、前記光ビームの照射時
間を、前記積分区間のみとすることにより、前記目的を
達成したものである。

【００１６】又、前記光ビームのパルス変調周波数を、
該光ビームの走査周波数の略２倍としたものである。

【００１７】

【作用】本発明においては、パルス変調された光ビーム
の照射時間を、該光ビームの走査速度が略一定である、
検出信号の積分区分のみとしたので、走査周波数を高め
てもパルス変調周波数を高める必要がなくなり、光ビー
ムのパルス変調周波数を、該光ビームの走査周波数の２
倍程度に抑えることができる。

【００１８】従って、汎用の電気部品を使用でき、しか
も、タイミングの取り方も難しくないので、測定速度を
高めることが可能となる。

【００１９】特に、前記光ビームの照射時間を、前記積
分区間と略一致させて、該光ビームのパルス変調周波数
を、該光ビームの走査周波数の略２倍とした場合には、
照射した光ビームが全て測定に用いられることになり、
効率が良い。

【００２０】これに対して従来は、図６に示した如く、
前記積分区間内においても、多数のデータを得る必要が
あるため、パルス変調周波数は、走査周波数より、かな
り速くする必要があるだけでなく、測定が行われない区
間でも光ビームを照射する必要があり、効率も悪かっ
た。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００２２】本実施例は、前出図４に示したような、発
振器２２、レーザ駆動回路２４、半導体レーザ２６、振
動ミラー２８、音叉３０、音叉駆動回路３２、投光レン
ズ３４を含む照明系２０と、受光レンズ４０と、ＰＳＤ
４２と、Ｉ−Ｖ変換器５２c、５２d 、増幅器５４c 、
５４d 、同期検波器５６c 、５６d 、引算器５８、加算
器６０、除算器６２、積分タイミング回路６６、Ａ／Ｄ
変換器７０、リニア補正器７２を含む処理回路５０と、
を有する光学式変位計において、図１に示す如く、前記
レーザ駆動回路２４を、発振器２２出力のパルス変調信
号でなく積分タイミング回路６６出力の積分タイミング
信号f でオンオフすることにより、レーザビーム１４の
照射時間を積分区間のみとすると共に、前記同期検波器
５６c 、５６d の検波タイミングも、これに合わせて変
更し、更に、積分回路６４c 、６４d 及びＳ／Ｈ回路６
８c 、６８d を、引算器５８、加算器６０及び除算器６
２の後段ではなく、前段に設けたものである。

【００２３】他の構成及び全体的な作用に関しては、前
記従来例と同じであるので説明は省略する。

【００２４】本実施例における、ＰＳＤ４２からの出力
信号の構成は、図２に示す如く、レーザ走査成分に、そ
の２倍の周波数のレーザパルス変調成分が含まれるもの
となり、図６の従来例に比べて、レーザパルス変調成分
の周波数が格段に低下する。

【００２５】本実施例における、ＰＳＤ４２からの出力
信号、同期検波後の信号及び積分した信号の波形の例
を、図３に示す。

【００２６】なお、前記実施例においては、レーザビー
ム１４を走査するためのスキャナとして音叉３０が用い
られているが、スキャナの種類は、これに限定されず、
例えば出願人が特開昭６３−２０００１１で提案したよ
うな、磁性体フレームと、永久磁石３８と、加振信号と
して例えば正弦波状の交流電流が流されるコイルと、鉄
片を含む回動軸とを含んで構成され、該回動軸に振動ミ
ラーが固定された、ガルバノメータ方式の加振器を用い
ることもできる。

【００２７】又、前記実施例においては、光電センサと
してＰＳＤ４２が用いられていたが、光電センサの種類
も、これに限定されず、２分割のフォトダイオード等も
使用可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、外
乱光除去のために、光ビームをパルス変調し、且つ、表
面性状による測定誤差を無くすために、光ビームを走査
するようにした光学式変位計においても、高価な特殊電
気部品を使用することなく、高速測定が可能となる。従
って、高速、高精度な測定が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る光学式変位計の実施例の
構成を示す、一部光路図を含むブロック線図である。

【図２】図２は、前記実施例におけるＰＳＤからの出力
信号の構成を示す線図である。

【図３】図３は、同じく各部信号波形の例を示す線図で
ある。

【図４】図４は、出願人が特開昭６３−２０００１１で
提案した、従来の光学式変位計の構成例を示す、一部光
路図を含むブロック線図である。

【図５】図５は、前記従来例における重心信号の変化状
態の例を示す線図である。

【図６】図６は、同じくＰＳＤからの出力信号の構成を
示す線図である。

【図７】図７は、同じく各部信号波形の例を示す線図で
ある。

【符号の説明】

１０…測定面、 １４…レーザビーム、 ２０…照明系、 ２２…発振器、 ２４…レーザ駆動回路、 a …レーザ駆動信号、 ２６…半導体レーザ、 ２８…振動ミラー、 ３０…音叉、 ３２…音叉駆動回路、 b …音叉駆動信号、 ３４…投光レンズ、 ４０…受光レンズ、 ４２…ＰＳＤ（光電センサ）、 c 、d …検出信号、 ５０…処理回路、 ５６c 、５６d …同期検波器、 ５８…引算器、 ６０…加算器、 ６２…除算器、 ６４c 、６４d …積分回路、 ６６…積分タイミング回路、 f …積分タイミング信号。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルス変調された光ビームを走査しながら
   測定面に照射する照明系と、測定面からの前記光ビーム
   の反射光を集めて結像する受光レンズと、結像された像
   の光量分布に対応した検出信号を生成する光電センサ
   と、前記光ビームの走査速度が略一定である時の該検出
   信号を積分して、前記光量分布の重心位置に対応した重
   心信号を生成する処理回路とを含み、該重心信号の変化
   から測定面の位置又は変位を求める光学式変位計におい
   て、 前記光ビームの照射時間を、前記積分区間のみとしたこ
   とを特徴とする光学式変位計。
2. 【請求項２】請求項１において、前記光ビームのパルス
   変調周波数を、該光ビームの走査周波数の略２倍とした
   ことを特徴とする光学式変位計。