JPH0641127Y2 - 変位計 - Google Patents

変位計

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JPH0641127Y2
JPH0641127Y2 JP1524789U JP1524789U JPH0641127Y2 JP H0641127 Y2 JPH0641127 Y2 JP H0641127Y2 JP 1524789 U JP1524789 U JP 1524789U JP 1524789 U JP1524789 U JP 1524789U JP H0641127 Y2 JPH0641127 Y2 JP H0641127Y2
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朋範 錦
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和泉電気株式会社
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Description

【考案の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この考案は、位置検出素子(以下「PSD」)を用いた変
位計に関するものである。
[従来の技術] 第4図に従来のPSDを用いた変位計を示す。この変位計
は、三角測距の原理を応用して物体の移動距離を測定す
るものである。
光源25から物体Mの被測定面M1までの距離を基準距離と
して設定しておき、物体Mの被測定面がM1からM2に移動
した場合の移動距離Xを以下の方法で測定する。
基準距離に設けられた被測定面M1において、光源25から
出た正弦波光51は、投光レンズ52によって集光され、被
測定面M1に小さなスポットを生じる。被測定面M1からの
反射光53は受光レンズ54によって集光され、PSD1に入射
する。PSD1および受光レンズ54は、反射光53がPSD1の中
心位置P1に入射するように設けられている。次に物体M
を距離X移動させた場合、被測定面M2において、光源25
から出た正弦波51は被測定面M2にスポットを生じ、被測
定面M2からの反射光55はPSD1上の位置P2に入射する。
PSD上の光点の位置は、光源25と被測定面との距離に応
じて変化する。したがって、被測定面がM1からM2にX移
動した場合、PSD上の光点の位置もXに応じてP1からP2
に変化する。
ここで、PSDとは次のような性質の素子である。PSDは、
例えば第3図に示すように、P層、I層、N層からなっ
ている。入射光43は、光電流i1,i2を生じ、電極41,42
から取り出される。P層は、全面に均一な抵抗値を有す
るよう形成されているので、この電流PSDi1,i2の比は
入射位置から電極までの距離に反比例することとなる
(第3図参照)。
PSDからの出力i1,i2は、第2図Aに示す回路に与えら
れる。電流i1,i2は各々、電流電圧変換器2、3によっ
て電圧に変換され、アンプ4、5によって増幅される。
なお、このような変位計においては、外乱光の影響を避
けるため、光源LDから変調波を出力し、検波回路10,11
によって検波するようにしている。検波回路を経た出力
は演算回路12,13,14,15に与えられる。(演算回路12は
加算器、13は減算器、14は割算器である。)演算回路15
は、直線化回路で演算回路14(割算器)の出力を直線化
するものである。演算回路12,13,14,15は次の演算を行
い、PSD上の受光位置を求める。
但し、x:中心位置P1から位置P2までの距離 y:PSD1の長さ V1,V2:光電流i1,i2を検波した信号 また、三角測距の原理により a:Ftanθ b:D/cosθ F:PSD1から受光レンズ54の中心までの距離 D:受光レンズ54の中心から被測定面M2までの距離 θ:正弦波光51の光軸51aと被測定面M1の反射光5
3とが交わる角度 上記(1)式および(2)式より となる。
従って、物体Mの被測定面がM1からM2に移動した場合の
移動距離よりXを測定することができる。
又、他の手段としては第2図Bに示すようなものがあ
り、アンプ4,5と検波回路10,11との間に利得制御増幅回
路(以下「AGC」)8,9をそれぞれ設け、加算器12からの
出力を比較器16を介してAGC8,9にそれぞれフィードバッ
クを行い、減算器13の出力を補正回路15に入力する構成
であり、減算回路13からの出力(V1+V2)を比較器16で
基準値VBと比較して誤差を増幅しAGC8,9にそれぞれ制御
入力としてフィードバックを行い、PSD1の受光量にかか
わらず(V1+V2)を常に一定値VBに保つ。
前記(1)式にV1+V2=VBを代入すると となり、基準値VBをVB=y/2に選ぶと、 x=(V1−V2) ……(4) となり、減算器13の出力(V1−V2)は中心位置P1から位
置P2の距離xに等しくなる。
従って、前記(2)式および(4)式より、 となり、物体Mの被測定面がM1からM2に移動した場合の
移動距離Xを測定することができる。
[考案が解決しようとする課題] 第2図Aに示す従来例においては、PSD1上の中心位置P1
から位置P2の距離を求める為に、加算器12の出力(V1
V2)と減算器13の出力(V1−V2)の比をとるための割算
器14が必要であった。この割算器14が非常に高価なもの
である為、コストが高くなるという問題があった。
又、第2図Bに示す従来例においては、PSD1からの出力
i1,i2は、別個のAGC8,9を介して検波され、演算回路に
与えられる。ここで測定された値に誤差が生じないよう
にするためには二つのAGC8,9は同じ特性に調整されてい
なければならない。
ところが、二つのAGC8,9を同じ特性に調整することは、
非常に困難である。このため、調整に時間を要するばか
りでなく、測定に誤差が生じるおそれがあった。
そこで、本考案は前記欠点を除去し、割算器を使用せず
かつ、AGCの特性の調整が容易な変位計を得ることを目
的とする。
[課題を解決するための手段] 請求項1の変位計においては、PSDからの第一の出力の
位相と第二の出力の位相との位相差を90°とする。その
後、第一の出力と第二の出力を加算し、単一のAGCに与
える。
AGCからの出力に第一の出力と同位相の参照信号を与え
て、ロックイン検波し、第一の検波出力を求める。
これと同様に、AGCからの出力に第二の出力と同位相の
参照信号を与えて、ロックイン検波し、第二の検波出力
を求める。
そして、第一の検波出力と、第二の検波出力を演算回路
に与えて、物体の変位を求める。
請求項2の変位計においては、PSDからの第一の出力と4
5°の位相差を有する第一の参照信号を与え、PSDからの
第二の出力と45°の位相差を有する第二の参照信号を与
えることを特徴としている。
請求項3の変位計においては、PSDからの第一の出力と
第一の参照信号との位相差およびPSDからの第二の出力
と第二の参照信号との位相差を任意に変え得るようにし
たことを特徴としている。
[作用] 第一の出力の位相と、第二の出力の位相を位相差90°に
し、第一の出力と第二の出力とを加算することにより、
単一のAGCを介することができる。
また、単一のAGCを介した出力をロックイン検波するこ
とにより、再び第一の検波出力と第二の検波出力とに分
離することができる。
[実施例] 第1図A,B,C,Dに、この発明の一実施例による変位計を
示す。発振器23は、出力23aからsin出力を出し、出力23
bからcos出力を出すものである。sin出力は、光源駆動
回路24を介して、光源25(レーザーダイオード等)に与
えられる。また、このsin出力は、コンパレータ21によ
って方形波にされた後、参照信号C1としてロックイン検
波回路10に与えられる。また、出力23bからのcos出力
は、コンパレータ22によって方形波にされた後、参照信
号C2としてロックイン検波回路11に与えられる。光源か
ら出た正弦波光は、物体の被測定面に反射し、PSD1に入
射してPSD1上に光点を生じる。この光点によって、PSD1
からはi1,i2が出力される。出力i1,i2は電流電圧変換
器2、3において、電圧v1,v2に変換される。この電圧
v1,v2は、位相差が90°となるように、位相シフタ6に
よって位相をずらされる。
この実施例においては、位相シフタ6により、v2の位相
のみを変化させて、位相差を90°としている。しかし、
v1を45°進め、v2を45°遅らせてもよく、また、v1を30
°進め、v2を60°遅らせてもよい。両出力の位相を変化
させる場合には、位相シフタが二つ必要となる。なお、
位相シフタ6は、微分回路、積分回路、移動回路等を用
いることができる。
位相差90°の出力v1,v2は、加算器7で加算され、単一
のAGC8を介して、ロックイン検波10,11に与えられる。
このロックイン検波の実施例を第1図BおよびCに示
す。
第1図BおよびCは、ともに演算増幅器31、ローパスフ
ィルタ32を備えている。参照信号C1もしくはC2がアナロ
グスイッチ33に与えられる。
ロックイン検波によって検出されたV01,V02を演算回路
12,13,15に与えて、PSD上の光点の移動距離を求めて、
物体の移動距離を測定する。
その演算を下記に示す。まず、ロックイン検波により、
入力された信号がどのように変化するのかを明らかにす
る。入力信号esを es=Essin(ωt+φ) ……(5) として、参照信号Vrとすると、出力信号esVrは、 で表わされる。この出力信号esVrをローパスフィルタに
通すと、その出力VLPFは、 となる。入力信号esと参照信号Vrとの位相差が0°であ
るとき(すなわち(8)式においてφ=0°であると
き)は、 となる。また、入力信号esと参照信号Vrとの位相差が90
°であるとき(すなわち(8)式においてφ=90°であ
るとき)は、VLPF=0となる。
上記の実施例において、AGC8の出力V1,V2は、v1の位相
を基準とすると、 v1=V1sinω ……(9) v2=V2sin(ω+90°) ……(10) と表わされる。したがって、両出力を加算すると、 v1+v2=V1sinω+V2sin(ω+90°) ……(11) となり、これがロックイン検波回路に与えられることと
なる。上記実施例においては、ロックイン検波回路への
入力信号と、参照信号の位相は等しいので(すなわち、
参照番号C1はsinωに対して0°、参照信号C2はsinωに
対して90°の位相差を有するので)、各ローパスフィル
タの出力Vo1,Vo2は、 したがって、ロックイン検波によって、V1とV2に再び分
離することができる。
また、ここで、参照信号C1,C2として、各々v1,v2に対
して−45°,+45°の位相差を有する信号を用いた場合
(すなわち、入力信号と参照信号の位相差が45°である
場合)の出力Vo1,Vo2を求めてみる。まず、(11)式を
展開すると、 となり、 は参照信号C1と同位相となり、 は参照信号C2から同位相になる。従って、検波出力
Vo1,V02は、 となる。すなわち、(V1+V2)および(V2−V1)の演算
を行う必要がなくなり、加算器12、減算器13を省略する
ことが可能となる。
次に、入力信号v1と参照信号C1の位相差をαとした場合
について考えてみる。この場合には出力V01は(8)式
および(11)式の関係を用いると Vo1=V1cosα+V2cos(α+90°) ……(17) となる。ここでcosα=A′,cos(α+90°)=B′と
すれば Vo1=A′V1+B′V2 ……(18) となる。
同様に入力信号v2と参照信号C2の位相差をβとすれば、 Vo2=V1cosβ+V2cos(β+90°) ……(19) ここで、cosβ=C′,cos(β+90°)=−D′とすれ
ば、 Vo2=C′V1−D′V2 ……(20) となる。
一方、移動距離Xと中心位置P1から位置P2の距離xとの
関係は(1)式と(2)式で表わされる。
(1)式および(2)式より、 となる。
但し、A=a−y/2,B=a+y/2, である。ここで、位相差α,βを調整し、(18)式およ
び(20)式のA′,B′,C′,D′と(21)式のA,B,C,Dを
それぞれ一致させれば(A=A′,B=B′,C=C′,D=
D′)、 となる。
Vo1は比較器16にて常に一定値VBに保たれており、一定
値VBをVB=1となるようにすればX=Vo2となり、Vo2
動距離Xと等しくなって、物体Mの被測定面がM1からM2
に移動した場合の移動距離Xを測定することができる。
従って、減算器13から出た出力を直線化する直線化回路
15を省略することができる。
なお、このように位相差α,βを可変とする場合には、
第1図Dに示すようにsin波に対して三角波変換62を行
った後、しきい値可変のコンパレータ21,22及びPLL60,6
1を用いて位相をずらせばよい。
[考案の効果] 請求項1の変位計においては、第一の出力の位相と第二
の出力の位相とをずらして加算することにより、後にロ
ックイン検波を用いて分離することができる。
したがって、第一の出力と第二の出力とを加算した上で
単一のAGCを介することが可能となる。これにより、従
来、困難であった二つのAGCの特性の調整が不要とな
り、また、測定の誤差も解消されることとなる。
請求項2の変位計は、PSDの出力と参照信号の位相差を4
5°としている。したがって、検波出力として、加算、
減算を施した出力が得られ、加算、減算回路が不要とな
る。
請求項3の変位計は、PSDの出力と参照信号の位相差を
任意に変え得るようにしている。したがって、位相差を
調整することにより、検波出力として、補正を施した出
力が得られ、補正回路が不要となる。
【図面の簡単な説明】
第1図Aはこの考案の一実施例による変位計を示すブロ
ック図、 第1図Bはロックイン検波回路の詳細を示す図、 第1図Cはロックイン検波回路の他の例を示す図、 第1図Dは、他の実施例における参照信号C1,C2を生成
するための回路を示す図、 第2図A,Bは従来の変位計を示すブロック図、 第3図は位置検出素子を示す図、 第4図は三角測距の原理を示す図である。 1……PSD 6……位相シフタ 8……AGC 10,11……ロックイン検波回路

Claims (3)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】物体に向けて正弦波光を出す光源、 物体からの反射光の受光位置により第一、第二の出力が
    変化する位置検出素子、 位置検出素子からの第一、第二の出力を検波する検波回
    路、 検波回路の出力に基づいて変位を演算する演算回路、 を備えた変位計において、 位置検出素子からの第一の出力の位相と第二の出力の位
    相との位相差を90°とした後、第一、第二の出力を加算
    し、単一の利得制御増幅回路に与え、 利得制御増幅回路の出力に第一の出力と同位相の第一の
    参照信号を与えて、ロックイン検波して、第一の検波出
    力とし、 利得制御増幅回路の出力に第二の出力と同位相の第二の
    参照信号を与えて、ロックイン検波して、第二の検波出
    力とし、 第一の検波出力と、第二の検波出力とを演算回路に与え
    て変位を求めること を特徴とする変位計。
  2. 【請求項2】請求項1の変位計において、 位置検出素子からの第一の出力と45°の位相差を有する
    第一の参照信号を与え、 位置検出素子からの第二の出力と45°の位相差を有する
    第二の参照信号を与えること、 を特徴とする変位計。
  3. 【請求項3】請求項1の変位計において、 位置検出素子からの第一の出力と第一の参照信号との位
    相差および位置検出素子からの第二の出力と第二の参照
    信号との位相差を任意に変え得るようにしたこと、 を特徴とする変位計。
JP1524789U 1989-02-10 1989-02-10 変位計 Expired - Lifetime JPH0641127Y2 (ja)

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