JPH0781850B2

JPH0781850B2 - 光学的距離傾斜情報取得装置

Info

Publication number: JPH0781850B2
Application number: JP60207658A
Authority: JP
Inventors: 正徳出澤
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 1985-09-19
Filing date: 1985-09-19
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPS6266106A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、物体の距離及び傾斜情報を単一の装置により
光学的に取得する装置に関する。

（従来技術）形状計測や倣い制御などに使用するプローブとしては、
対象面までの距離情報を非接触で取得できることが望ま
しい。非接触の距離情報取得法としては、光学的な方法
が広く用いられている。特に距離検出用プローブとして
は、光ビーム投射により、物体上に輝点を生成し、別の
位置に配置された観測系の観測面上における輝点像の位
置を検出し、輝点までの距離を三角測量の原理に基づい
て求める特開昭60−52710号公報記載のような方式のも
のが多用されている。

（発明が解決しようとする問題点）形状計測や倣い制御などにおける表面走査などにおいて
は、単に表面までの距離のみでなく、対象面の傾斜の情
報も取得できると具合がよい。従来方式のプローブを使
用した場合、複数点の距離を計測し、それらから対象面
の傾斜情報を抽出する方法が一般的であった。この方法
によれば、非常に正確な傾斜情報の取得が可能である
が、計測速度の低下に来すなどの問題があった。通常の
使用においては、あまり正確でなくとも、大まかな傾斜
情報で充分な場合が多い。

本発明の目的は、光ビームを用いて対象物表面上に生成
された輝点の位置とその位置における大まかな傾斜情報
を簡単かつ高速に取得できる手段を提供することにあ
る。

（問題点を解決するための手段）上記目的は、物体上に輝点を生成するための光ビームを
投射する光ビーム投射手段、前記光ビームの軸の周囲に
あって、互いに異なる方位に設置され、前記ビームと交
差する方向の輝点像位置検出機能及び輝点像光量検出機
能の両方を備える複数の光検出素子、前記輝点を前記光
検出素子上に投影する観測レンズ、及び前記光検出素子
により検出された前記輝点像位置から前記物体上の輝点
までの位置情報を算出し、各前記光検出素子により検出
された光量から前記物体上の輝点における傾斜情報を算
出する演算手段からなる光学的距離傾斜情報取得装置に
より達成できる。

（作用）第１図に示すように、光ビーム投射軸周囲の異なった位
置に、光ビームと交差する方向（半径方向）の輝点像位
置検出機能及び輝点像光量検出機能の両方を備え、輝点
Ｔから反射され、観測レンズ（図示せず）を介して収束
された輝点像を検出する複数の光センサＰを配置し、こ
れらの光センサＰからの光量検出信号を演算処理するこ
とによって、対象面の傾斜方位と、その大まかな傾斜角
の検出を実現できる。また、光センサの輝点像の半径方
向位置から３角測量の原理に基づいて、物体の輝点Ｔま
での距離が検出される。以下、光センサの検出光量によ
る傾斜情報の取得の過程を詳細に述べる。一般に、光ビ
ームＢを物体表面に投射したとき、物体Ｏ上に生成され
る輝点Ｔの輝度分布は、物体Ｏ表面の傾斜によって変化
し、第２図のようになる。輝度は一般に正反射方向で最
小値となり光ビームＢに対し正反射の反対の方向では最
大値となる。ここでは簡単のため、最大傾斜方向の光軸
を通る二次元平面上で考えるが、このようにしても一般
性を失わない。

この場合、光ビームの入射方向に対しψなる角度方向の
輝度Ｂψは、近似的に式（１）で表現することかでき
る。

Ｂψ＝▲^Σ _n▼BnCOSⁿ（ψ−２γ） ……（１） Bnの値により種々の反射形態を表現できるが、例えば、
ｎ＝１の項のみの場合には、物体表面が完全拡散面の場
合に相当し、ｎ＝∞（実際にはｎが非常に大きい）の項
のみの場合には、鏡面の場合に相当する。通常の場合に
は、ｎについて多くの項を含んだもので表現され、各々
の項は物体表面の状態によって異なった値をとる。

さて、光ビーム投射により生成された輝点の輝度分布を
式（１）で表現したとき、第３図のように光センサＰを
配置した構成でθ_１の方位およびそれと180゜ずれたθ
_２の方位に配置された光センサに入射する光量Ｉ
（θ_１）、Ｉ（θ_２）を考えると、これらは、次式で与
えられる。

いまここで、β_１＝−β＝β、α_１＝α_２＝αかつB
₂（ｎ＝２）以外の項が零である場合を考えてみると、
この場合、となり、傾き角γは、が与えられる。

いま、第３図で、sin（β＋α）、cos（β＋α）、sin
β、cosβは次のようになる。

従って、これらの値を式（４）に代入すると、 tan4γは次式で与えられる。

従って、第３図の構成で、二つの光センサで検出される
光量Ｉ（θ_１）、Ｉ（θ_２）を検出し、対象面までの距
離が分かれば、tan4γが確定し、傾斜角γを確定できる
ことになる。

ｚの値は、光ビームと交差する方向、即ち半径方向での
光センサ上の輝点像位置から３角測量の原理に基づいて
得られる。

ここでは、式（１）の輝度分布でｎ＝２の項のみを考慮
し、また特別な配置について検討したものであるが、一
般的な場合にも同様のことが言える。

（実施例）以下、第４図を参照しつつ、本発明の一実施例である小
型光学距離検出装置を説明する。観測面上の異なる方位
に、半径方向像位置機能及び輝点像光量検出機能の両方
を備える複数の光センサＰが設置されている。第４図
は、光センサＰを８個配置した場合の例である。いま、
ある方向に対する断面を考えて、傾斜情報の取得が可能
であることを示す。第５図に示すようなパラメタを用い
ると、それぞれを光センサＰが受光する光量は、第２図
に示した反射特性を仮定し、次のように計算される。

いまここで、前の例と同様なにｎ＝２の項のみが零でな
い場合を考えてみる。このとき（7a）、（7a）式は、次
のようになる。

これより、傾斜情報tan4γは、次式で与えられる。

さらに、φ＝０すなわち前記の距離検知装置の鏡の角度
が０である場合を考えてみると、となり、（９）式は、となる。

即ち、観測面上のある方位（θ_１）における像の光量Ｉ
（θ_１）およびそれと対向した方位（θ_２＝θ_１＋π）
の像の光量Ｉ（θ_２）とを比較演算することによって、
傾斜情報の取得が可能となる。本発明の場合、ｚは像の
半径方向位置から正確に確定されているので、その値を
用いることができる。なお、像の半径方向位置からのｚ
の値を取得することは、３角測量の原理により達成でき
る。

以上は、反射特性を式（１）で近似し、ｎ＝２以外の項
が零であり、また光学的な配置も、結果が簡単になる特
別な場合について示したものであるが、この特性は、一
般的にも成り立ち、光ビームの投射軸周囲に受光光量を
も検出できる光センサを配置し、それらの光量信号を比
較演算処理することにより、輝点位置における対象物表
面の傾斜情報を取得できる。

（発明の効果）本発明によると単一の輝点のみに基づいて、その位置と
その位置における大まかな傾斜情報を簡単かつ高速に取
得できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置を実現するための基本的な装置の
構成を示す図、第２図および第３図は本発明を説明する斜視図および平
面図、第４図および第５図は本発明の一実施例である小型光学
的距離検出装置の斜視図および平面図である。Ｏ……物体、Ｔ……輝点、Ｌ……観測レンズＰ……光センサ、Ｂ……光ビーム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体上に輝点を生成するために光ビームを
投射する光ビーム投射手段、前記光ビームの軸の周囲にあって、互いに異なる方位に
設置され、前記ビームと交差する方向の輝点像位置検出
機能及び輝点像光量検出機能の両方を備える複数の光検
出素子、前記輝点を前記光検出素子上に投影する観測レンズ、及
び前記光検出素子により検出された前記輝点像位置から前
記物体上の輝点までの位置情報を算出する演算、異なる
方位に設置された前記光検出素子の各々により検出され
た輝点像光量の和及び差を算出する演算、これら和と差
の比を算出する演算、及びこの比に前記算出された位置
情報の関数である係数を乗算する各演算を達成すること
により、前記物体上の輝点における傾斜情報を算出する
演算手段からなる光学的距離傾斜情報取得装置。