JPH06117852A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対象物の被測定面の傾斜による誤差を低減し
得るようにし、測定精度の向上を図る。 【構成】 発光素子１１’として、個別に駆動可能な２
つの近接した発光点を有する発光素子を用いて対象物１
を照射し、そのとき受光部３０より得られる２つの出力
信号から、傾斜補正回路５３によって対象物の被測定面
の傾斜角度を検出し、その大きさに応じて投光部１０か
ら対象物１までの距離を補正することにより、測定精度
を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、三角測量法にもとづ
き対象物までの距離を計測するための光学式変位計、特
にその改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３はこの種の光学式変位計の従来例を
示す構成図である。同図において、１０は発光素子１１
および投光レンズ１２などからなる投光部、３０は受光
レンズ３１および位置検出素子３２などからなる受光
部、５０は位置検出回路５１および直線化補正回路５２
などからなる信号処理部を示す。すなわち、投光部１０
からその光軸に沿って出射された投光ビーム２は、その
光軸に沿った投光部１０からの距離を測定されるべき対
象物１の表面に照射される。対象物１からの反射光３は
受光部３０に入射して距離に対応する電流信号３３（Ａ
１，Ａ２）に変換されて出力される。この電流信号３３
は信号処理部５０に入力され直線化補正などの処理が施
された後、距離信号５５として外部に出力される。

【０００３】投光部１０の発光素子１１は例えば半導体
レーザなどからなり、投光レンズ１２は発光素子１１が
発する光を収束する。受光部３０は主に、受光レンズ３
１と受光位置の検出が可能な位置検出素子３２とからな
り、対象物１の表面の投光ビームにて照射された位置の
像が、対象物１の距離に応じて位置検出素子３２の受光
面上の所定位置に結ばれる。信号処理部５０は主に、受
光部３０からの電流信号３３に基づき位置検出素子３２
上の受光位置を算出する位置検出回路５１と、その受光
位置を表わす信号を被測定物までの距離または変位に比
例する信号５５に変換する直線化回路５２とから成って
いる。そして、所謂シャインプルーグ条件を満たすよう
に各光学部品が配置されており、その結果、受光レンズ
３１の主面と位置検出素子３２の受光面とが、投光部１
０の投光レンズ１２の光軸上の点Ｓで交わることにな
る。

【０００４】位置検出素子の具体例を図４に示す。これ
は、板状の高抵抗半導体５の一方の面にＰ形抵抗層６
が、また、他方の面にはＮ形層７が形成され、両面によ
りＰＮ接合を構成したもので、一般にはＰＳＤ（Ｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）
と呼ばれるものである。長さＬの抵抗層６において光電
効果により生成される光電流は、Ｐ形抵抗層６の両端に
設けられている１対の電極Ｐ１，Ｐ２より出力される。
このときの各電流出力をＡ１，Ａ２とすると、その値は
受光面である抵抗層６上の受光量分布によってその大き
さが異なる。受光面への入射光がスポット状であるもの
とし、この光スポットのパワー分布の重心位置から抵抗
層６の中央までの距離をＸとすれば、これら間には次式
の関係が成立する。 Ｘ＝Ｌ／２・（Ａ１−Ａ２）／（Ａ１＋Ａ２） …（１） 位置検出回路５１はこの（１）式による演算を行なうこ
とになる。

【０００５】図５に位置検出素子の特性を示す。これ
は、投光部１０から対象物１までの距離Ｄと、位置検出
素子３２の受光面上の受光位置Ｘとの関係を示す。三角
測量を利用する光学系配置に起因して、このＤとＸとは
比例せず非線形な関係となることを示しており、これを
直線関係に補正するために、直線化補正回路５２が設け
られているというわけである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような光学式変位計では、対象物の被測定面が傾いて投
光ビームに対する角度が変化すると、位置検出素子の受
光面上の入射光のパワー分布が違ってしまい、このパワ
ー分布の重心位置が異なってくることがある。位置検出
素子は入射光のパワー分布の重心位置を検出するため、
この重心移動が位置検出素子の長手方向、すなわち電極
との距離が変わる方向へ起こるときには、測定すべき対
象物までの距離が同じであっても、上述のような被測定
面の傾斜に応じて受光素子は異なる位置を検出すること
になり、これが測定誤差の要因となる。一般に、変位計
の用途では対象物の被測定面の傾斜状態は一定であると
は限らないので、この点からも測定誤差を避けることが
難しいという問題がある。したがって、この発明の課題
は対象物の被測定面の傾斜状態の変化による測定誤差を
低減し得るようにし、測定精度を向上させることにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、この発明では、対象物に光ビームを照射する投光部
と、その対象物からの光ビーム反射光を受光して位置検
出素子上に照射することによりその照射位置を検出する
受光部と、この受光部から出力信号を受けて前記対象物
までの距離を求める信号処理部とを有してなる光学式変
位計において、前記投光部には個別に駆動可能な２つの
近接した発光点を有する発光素子と、この発光素子の２
つの発光点からそれぞれ放射される光のいずれをも収束
して投光ビームとなす投光レンズとを設け、この２つの
投光ビームによりそれぞれ対象物を照射したとき前記受
光部を介して得られる２つの出力信号から、そのときの
対象物の前記２つの投光ビームの各主光線と前記受光部
の光軸とがなす平面内の傾斜角度の大きさを検出すると
ともに、この検出された対象物の傾斜角度の大きさに応
じて、別途求めた前記投光部から対象物までの距離情報
に含まれる対象物の傾斜による誤差を補正可能にしたこ
とを特徴としている。

【０００８】

【作用】個別に駆動可能な２つの近接した発光点を有す
る発光素子を用いて対象物をそれぞれ照射し、そのとき
得られる受光部からの２つの出力信号より対象物の傾斜
角度を検出し、その傾斜角度の大きさに応じて投光部か
ら対象物までの距離を補正することにり、測定精度の向
上を図る。

【０００９】

【実施例】図１はこの発明の実施例を示す構成図で、図
３に示すものと同じものには同一の符号を付している。
すなわち、この実施例も大きくは投光部１０、受光部３
０および信号処理部５０から構成され、対象物１からの
反射光３が受光レンズ３１を介して受光素子３２に結像
される点は図３の場合と同様である。投光部１０は発光
素子１１’および投光レンズ１２から構成される。発光
素子１１’は例えば光ディスクの高速記録用光源として
用いられる２ビームＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：半
導体レーザ）に代表されるように２つの発光点を持ち、
各発光点からの光が同一の投光レンズ１２で収束され
て、それぞれ投光ビーム２１，２２となるようなものが
使用され、このため図３の発光素子１１と区別すべくダ
ッシュを付して示しているわけである。

【００１０】受光レンズ３１の主面と位置検出素子３２
の受光面とは、投光レンズ１２の光軸上の点Ｓで交わる
ように各光学部品が配置されていて、いわゆるシャイン
プルーグ条件を満たし、投光ビーム２１，２２の各主光
線は投光レンズ１２の光軸の近傍を通る。この各主光線
は受光部３０の光軸と同一平面内にあるように配置され
ているので、投光ビーム２１，２２により照射された対
象物の被測定面上の位置は、位置検出素子３２の受光面
上の互いに異なる位置に結像され、その位置関係は位置
検出素子３２の長手方向、すなわち電極との距離が異な
る方向へ隔たった位置になる。

【００１１】上記の如く構成した場合の、２つの投光ビ
ームによる受光面上の結像状態を図２に示す。ここに、
投光ビーム２１，２２による反射光は、それらの主光線
７１，７２のみを図示し、その他は省略した。同図
（イ）は被測定面が投光レンズの光軸２’に対して垂直
な場合を示しており、このときの受光面上の各像間の間
隔はｗとなっている。これに対し、同図（ロ）のように
被測定面が光軸２’に対してθだけ傾くと、そのときの
受光面上の各像間の間隔はｗからｗ’へと変化し、 ｗ＞ｗ’ である。これは、被測定面が反時計まわりに傾いたから
であり、被測定面が時計まわりに傾けば、 ｗ＜ｗ’ となる。

【００１２】信号処理回路５０は図３と同じく位置検出
回路５１および直線化補正回路５２を有しているので、
各投光ビームについてその反射光を受光部３０で検出
し、その電流信号３３を信号処理回路５０に導入するこ
とにより、図３の場合と同様に投光部１０から対象物１
までの距離を検出することができる。さらに、ここでは
直線化補正回路５２の出力を傾斜補正回路５３に入力す
るようにしている。すなわち、投光部１０の発光素子１
１’の２つの発光点は投光ビーム２１，２２を交互に出
射するように駆動され、どちらの投光ビームが出射され
ているかは、光源判別信号５４により傾斜補正回路５３
に伝えられる。

【００１３】傾斜補正回路５３は例えば投光ビーム２１
が出射されているときの直線化補正回路５２からの出力
を、被測定面の傾斜による測定誤差信号を含む距離信号
として一旦記憶する。次に、傾斜補正回路５３は投光ビ
ーム２２が出射されているときの直線化補正回路５２か
らの出力を受け、これと先に記憶している値との差を求
める。最後に、傾斜補正回路５３はこの差の大きさを基
準値と比較することにより、被測定面の傾斜の大きさを
検出し、これを用いて先に記憶している距離信号を補正
し、正しい距離信号５５として外部に出力する。このよ
うに、投光ビームを交互に出射しながら上記のような動
作を繰り返すことにより、測定中の対象物の被測定面の
傾斜による測定誤差を低減させることができる。

【００１４】上記では２つの投光ビームを交互に出射し
て測定毎に傾斜補正を行なうようにしたが、測定周期に
比べて被測定面の傾斜の変化が緩慢な場合は、傾斜検出
用の投光ビーム（２２）の出射頻度を距離測定用の投光
ビーム（２１）に比べて少なくし、傾斜補正回路５３で
の傾斜補正量の更新を複数回の距離測定毎に行なうこと
もできるのはいうまでもない。なお、この場合は傾斜補
正量の更新を毎回行なうものに比べ、距離測定周期を短
くすることが可能となる。

【００１５】

【発明の効果】この発明によれば、２つの投光ビームを
用い、測定結果に誤差を与えるような被測定面の傾斜を
検出してその誤差を補正するようにしたので、測定精度
および信頼性が向上するという利点がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す構成図である。

【図２】この発明による２つの投光ビームによる受光面
上の結像状態を説明するための説明図である。

【図３】光学式変位計の従来例を示す構成図である。

【図４】位置検出素子の具体例を示す概要図である。

【図５】位置検出素子の特性を示す特性図である。

【符号の説明】

１…対象物、２，２１，２２…投光ビーム、２’…投光
レンズの光軸、３…反射光、５…高抵抗半導体、６…Ｐ
形抵抗層、７…Ｎ形層、１０…投光部、１１，１１’…
発光素子、１２…投光レンズ、３０…受光部、３１…受
光レンズ、３２…位置検出素子、３３…電流信号、５０
…信号処理部、５１…位置検出回路、５２…直線化補正
回路、５３…傾斜補正回路、５５…距離信号、７１，７
２…反射光の主光線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物に光ビームを照射する投光部と、
   その対象物からの光ビーム反射光を受光して位置検出素
   子上に照射することによりその照射位置を検出する受光
   部と、この受光部から出力信号を受けて前記対象物まで
   の距離を求める信号処理部とを有してなる光学式変位計
   において、 前記投光部には個別に駆動可能な２つの近接した発光点
   を有する発光素子と、この発光素子の２つの発光点から
   それぞれ放射される光のいずれをも収束して投光ビーム
   となす投光レンズとを設け、この２つの投光ビームによ
   りそれぞれ対象物を照射したとき前記受光部を介して得
   られる２つの出力信号から、そのときの対象物の前記２
   つの投光ビームの各主光線と前記受光部の光軸とがなす
   平面内の傾斜角度の大きさを検出するとともに、この検
   出された対象物の傾斜角度の大きさに応じて、別途求め
   た前記投光部から対象物までの距離情報に含まれる対象
   物の傾斜による誤差を補正可能にしてなることを特徴と
   する光学式変位計。