JPH07146113A - レーザ変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 レーザ光を物体Ａに照射するレーザ照射器２
と、物体の表面から反射した反射レーザ光をレンズ３を
通して受光するイメージセンサ４と、このイメージセン
サからの受光信号を入力するとともに、その反射レーザ
光の光強度のピーク位置を算出する信号処理装置９とか
ら構成し、この信号処理装置において、イメージセンサ
４で受光した反射レーザ光の光強度分布曲線を最小自乗
法により算出するとともに、この算出された光強度分布
曲線のピーク値に基づき、反射レーザ光の受光位置を求
めるように構成したものである。 【効果】 反射レーザ光の広がりまたは物体表面の性状
の不均一性などに基づく測定誤差を除去し得るので、反
射レーザ光における正確なピーク値の位置を求めること
ができ、したがって物体の変位量の測定精度の向上を図
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば物体の表面形状
の測定などに利用されるレーザ変位計に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ光を使用した三角測距法に
よる変位計としては、図４に示すようなものがある。

【０００３】このレーザ変位計は、レーザ光を被測定物
である物体Ａに照射するためのレーザ照射器（レーザダ
イオードなどを有するもの）２１と、物体Ａからの反射
レーザ光をレンズ２２を通して受光するイメージセンサ
（例えば、ＣＣＤが使用される）２３とを有するもので
ある。

【０００４】上記レーザ照射器２１から照射されたレー
ザ光は、物体Ａの表面で反射し、この反射レーザ光がレ
ンズ２２を通して、イメージセンサ２３に捉えられる。
そして、物体Ａの表面がレーザ光の照射方向に対して移
動したとき、イメージセンサ２３上に受光されている反
射レーザ光の受光位置が移動するため、この受光位置の
移動距離を測定することにより、物体Ａ表面の変位量、
すなわち物体Ａの表面形状が測定されることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の三角
測距法によると、図４に示すように、物体Ａとレーザ変
位計における各機器との位置関係は、幾何学的には、下
記(21)式のような関係がある。

【０００６】Ｓ／Ｂ＝ｆ／ｘ・・・・(21) 但し、Ｓ：物体とレンズまでの距離 Ｂ：照射レーザ光の中心位置とレンズ中心位置との距離 ｆ：レンズとイメージセンサとの距離（レンズの焦点距
離） ｘ：レンズの中心位置とイメージセンサ上の受光位置と
の距離 である。

【０００７】このとき、Ｓの微小変化δＳに対する検出
感度δｘ、すなわちイメージセンサの分解能をεとする
と、下記(22)式および(23)式の関係が成立する。 ｘ＋δｘ＝ｘ＋（∂ｘ／∂Ｓ）δＳ・・・・(22) δｘ＝ε＝−（Ｂｆ／Ｓ² ）δＳ ・・・・(23) 上記(23)式を満たす｜δＳ｜が検出可能な最小限界であ
る。

【０００８】通常、εがイメージセンサ２３の１ドット
分に相当し、これが検出し得る最小限界の変位量を決め
ていた。ところで、上述した関係は、完全な幾何光学的
な近似により求めたものであり、実際のレーザ光では広
がりがあるとともに、照射される物体の表面の性状によ
り反射散乱光も含まれている。

【０００９】例えば、実際に受光される反射レンズ光の
光強度を示すと図５の白丸のようになり、もともとの反
射レーザ光の光強度分布の歪み、物体表面の性状の不均
一性に基づく測定誤差などにより、理想的な反射レーザ
光の光強度分布である正規分布曲線Ｂからは、どうして
もずれが生じてしまい、そのピーク値を正確に検出する
ことができず、したがって測定精度を向上させることが
できないという問題があった。

【００１０】そこで、本発明は上記問題を解消し得るレ
ーザ変位計を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のレーザ変位計は、レーザ光を被測定物に照
射するとともに、その反射レーザ光をイメージセンサに
より受光して、その受光位置の変位に基づき、被測定物
の変位量を測定するレーザ変位計であって、レーザ光を
被測定物に照射するレーザ照射器と、被測定物の表面か
ら反射した反射レーザ光をレンズを通して受光するイメ
ージセンサと、このイメージセンサからの受光信号を入
力するとともに、その反射レーザ光の光強度のピーク位
置を算出する信号処理装置とから構成し、かつこの信号
処理装置において、上記イメージセンサで受光した反射
レーザ光の光強度分布曲線を最小自乗法により算出する
とともに、この算出された光強度分布曲線のピーク値に
基づき、反射レーザ光の受光位置を求めるように構成し
たものである。

【００１２】

【作用】上記の構成によると、被測定物の表面からの反
射レーザ光をイメージセンサで受光するとともに、この
イメージセンサでの受光位置を求めて被測定物までの距
離を算出することにより、被測定物の変位を検出する際
に、被測定物からの反射レーザ光の光強度分布が正規分
布であるとみなすととともに、この正規分布曲線を求め
る際に、最小自乗法による近似を使用して、光強度分布
のピーク値を算出するようにしたので、反射レーザ光の
広がりや被測定物表面の性状の不均一性などに基づく測
定誤差を除去し得、したがって反射レーザ光における正
確なピーク値の位置を求めることができるので、被測定
物の位置、すなわち被測定物の変位量の測定精度の向上
を図ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図３に基づ
き説明する。図１に示すように、本実施例におけるレー
ザ変位計１は、レーザ光を被測定物である物体Ａに発射
するためのレーザ照射器（レーザダイオードなどを有す
るもの）２と、物体Ａからの反射レーザ光をレンズ３を
通して受光するイメージセンサ（例えば、ＣＣＤセンサ
が使用されている）４と、上記レーザ照射器２の駆動回
路部５と、イメージセンサ４の駆動回路部６と、イメー
ジセンサ４からの受光信号を増幅する増幅器７と、上記
各駆動回路部５，６および増幅器７との間で、インタフ
ェース８を介して信号の授受を行うとともに、受光信号
に所定の処理を施して物体Ａ表面の位置を求めることに
より、物体Ａ表面の変位量を算出する信号処理装置９
と、この信号処理装置９により算出された変位量を表示
するための表示部１０とから構成されている。なお、上
記信号処理装置９には、図示しないが、信号に所定の処
理を施す演算部、信号を保持する記憶部（メモリ）など
が設けられている。

【００１４】そして、上記信号処理装置９においては、
物体Ａの表面から反射された反射レーザ光の受光位置を
精度良く検出するために、反射レーザ光の光強度分布を
正規分布として扱うとともに、この正規分布として扱わ
れる光強度分布の自然対数をとり、この自然対数がとら
れた対数曲線を、イメージセンサ４により検出されたデ
ータを使用して最小自乗法により算出し、そしてこの最
小自乗法により算出された対数曲線のピーク値、すなわ
ち反射レーザ光の光強度のピーク位置が求められて、反
射レーザ光の受光位置が求められる。

【００１５】以下、反射レーザ光の光強度のピーク位置
の算出方法について説明する。通常、測定される反射レ
ーザ光の光強度分布は正規分布からずれているが、この
ずれの原因、すなわち種々の要因に基づく検出誤差の総
体が、等分布性、正規性などの性質を備えていると考え
られ、したがって反射レーザ光の光強度分布を、測定誤
差を除去した形で求めることができる。

【００１６】今、反射レーザ光の光強度分布ｆが、下記
(1) 式で示される正規分布に従うものとする。 ｆ(x) ＝ｆ_p ・exp （−ｘ² ／２σ² ）・・・・(1) なお、(1) 式中、ｆ_p は光強度分布の最大値、σは分散
を表す。

【００１７】ここで、上記(1) 式の両辺の自然対数をと
ると、下記(2) 式のようになる。 lnｆ(x) ＝lnｆ_p −（ｘ² ／２σ² ）・・・・(2) 上記(2) 式から分かるように、ｘとlnｆ(x) との関係は
放物線となる。

【００１８】したがって、ｘに対する反射レーザ光の光
強度の測定値をｙとすれば、標本値（ｘ₁ ，ｙ₁ ），
（ｘ₂ ，ｙ₂ ），・・・・，（ｘ_n ，ｙ_n ）を採取し、
そして（ｘ₁ ，lnｙ₁ ），（ｘ₂ ，lnｙ₂ ），・・・
・，（ｘ_n ，lnｙ_n ）を放物線で最小自乗法により近似
することにより、最終的に(1) 式を推定することができ
る。

【００１９】ところで、最小自乗法の標本値としては、
実際には、光強度の最大値の10％以上のものを採用する
ものとする。すなわち、｛ｙ_i ‖ｙ_i ≧0.1 ｆ_p ｝（ｉ
＝1,2,・・・・・,n ）・・・・(3) これに対応するｘの範囲は、 ｛ｘ_i ‖｜ｘ_i ｜≦σ（−２ln0.1 ）^1/2 ＝2.146 σ｝ （ｉ＝1,2,・・・・・,n ）・・・・(4) となる。

【００２０】ここで、残差（ｅ_i ）を求めると、 ｅ_i ＝ｙ_i −ｆ(x_i)・・・・(5) となり、これは正規性を備えているから、その平均値
（バーｅ）は下記(6) 式で表されるとともに、分散（σ
_e ）を考慮すると、(7) 式の関係を満足する。

【００２１】

【数１】

【００２２】なお、(7) 式は、平均値が０、分散が１の
標準化された正規分布に従うことを示している。ここ
で、有意水準を0.0027、すなわち(7) 式の値が99.73 ％
の確率で実現する場合を想定すると、下記の(8) 式が成
立する。

【００２３】

【数２】

【００２４】となり、測定誤差は√ｎに比例して小さく
なることが分かる。ここで、σ_e ＝0.1 ｆ_p とすると、
(8) 式は(9) 式のように変形される。

【００２５】

【数３】

【００２６】(9) 式において、ｆ(x) ＝ｆ_p ／２の点
（図２に示す）で、これだけの変化（バーｅ）が起きた
ものとして、ｘ方向の変化分（Δｘ）を求めると、下記
(10)式のようになる。

【００２７】 Δｘ＝σ｛［−２ln（0.5 ＋0.3 ／ｎ^1/2 ）］^1/2 −［−２ln0.5 ］^1/2 ・・・・(10) (10)式において、ｎ＝10とすると、 ｜Δｘ／σ｜＝0.1582 また、ｎ＝100 とすると、 ｜Δｘ／σ｜＝0.05057 となり、ｎが大きいほど、ピーク値のずれ（ｘ方向の変
化分）が小さくなることが分かる。

【００２８】レーザ光の広がりから考えて、例えばσ＝
0.5 mmとすると、 Δｘ＝0.0791mm（ｎ＝10）・・・・(11) Δｘ＝0.0252mm（ｎ＝100 ）・・・・(12) となる。

【００２９】したがって、(4) 式より光強度分布の検出
範囲は、−1.07mm＜ｘ＜1.07となり、Ｓ＝１ｍ，ｆ＝90
mmとすると、イメージセンサ４上では、−96.5μm＜ｘ
＜96.5μmに相当する。

【００３０】ここで、イメージセンサ４のドットピッチ
を７μmとすると、このレーザ光の照射点（ビームスポ
ット）に対して、ｎ＝27個のサンプリングが可能であ
り、(11)および(12)式で示された検出誤差が妥当である
（ｎ＝27の場合、Δｘ＝0.048mm ）。この検出誤差は、
有為水準0.0027に基づいているので、充分な信頼性があ
る。

【００３１】なお、上記の手順を、フローチャートに示
すと、図３のようになる。図３に基づき、簡単に光強度
分布のピーク値の算出方法を説明すると、まず、反射レ
ーザ光の受光量のデータサンプリングを行い、次に受光
量のピーク部を検出する。次に、このピーク部付近のデ
ータを抽出し、対数に変換する。

【００３２】次に、最小自乗法により、光強度分布を示
す放物線を求めて、そのピーク値の位置を算出し、そし
てイメージセンサ４上における受光位置を求め、表示部
１０により、物体Ａ表面の位置、または物体Ａの変位量
の表示を行う。

【００３３】このように、物体表面からの反射レーザ光
をイメージセンサで受光するとともに、このイメージセ
ンサでの受光位置を求めることにより、物体の変位を検
出する際に、物体からの反射レーザ光の光強度分布が正
規分布であるとみなすととともにこの正規分布曲線を求
める際に、最小自乗法による近似を行い、ピーク値を算
出するようにしたので、反射レーザ光の広がりまたは物
体表面の性状の不均一性などに基づく測定誤差を除去し
得、したがって反射レーザ光における正確なピーク値の
位置を求めることができるので、物体の位置、すなわち
物体の変位量の測定精度の向上を図ることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によると、被
測定物の表面からの反射レーザ光をイメージセンサで受
光するとともに、このイメージセンサでの受光位置を求
めることにより、被測定物の変位を検出する際に、被測
定物からの反射レーザ光の光強度分布が正規分布である
とみなすととともに、この正規分布曲線を求める際に、
最小自乗法による近似を使用してピーク値を算出するよ
うにしたので、反射レーザ光の広がりまたは被測定物表
面の性状の不均一性などに基づく測定誤差を除去し得、
したがって反射レーザ光における正確なピーク値の位置
を求めることができるので、被測定物の位置、すなわち
被測定物の変位量の測定精度の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるレーザ変位計の概略
構成を示す図である。

【図２】同実施例の反射レーザ光の光強度分布曲線にお
ける変位状態を示すグラフ図である。

【図３】同実施例における物体の変位量算出方法を示す
フローチャート図である。

【図４】従来例におけるレーザ変位計の概略構成を示す
図である。

【図５】反射レーザ光の光強度とイメージセンサにおけ
る検出位置との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ レーザ変位計 ２ レーザ照射器 ３ レンズ ４ イメージセンサ ９ 信号処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 晴彦 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号 日立造船株式会社内 (72)発明者 堅多 達也 大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号 日立造船株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光を被測定物に照射するとともに、
   その反射レーザ光をイメージセンサにより受光して、そ
   の受光位置の変位に基づき、被測定物の変位量を測定す
   るレーザ変位計であって、レーザ光を被測定物に照射す
   るレーザ照射器と、被測定物の表面から反射した反射レ
   ーザ光をレンズを通して受光するイメージセンサと、こ
   のイメージセンサからの受光信号を入力するとともに、
   その反射レーザ光の光強度のピーク位置を算出する信号
   処理装置とから構成し、かつこの信号処理装置におい
   て、上記イメージセンサで受光した反射レーザ光の光強
   度分布曲線を最小自乗法により算出するとともに、この
   算出された光強度分布曲線のピーク値に基づき、反射レ
   ーザ光の受光位置を求めるように構成したことを特徴と
   するレーザ変位計。