JPH087066B2

JPH087066B2 - ３次元位置認識装置

Info

Publication number: JPH087066B2
Application number: JP27626789A
Authority: JP
Inventors: 千代春堀口; 更治市江; 一男倉沢
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1989-10-24
Filing date: 1989-10-24
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH03137507A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、被測定物から反射光を利用して被測定物の
位置を３次元で認識する３次元位置認識装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第14図に一般的な距離検出器の光学系を示す。光源１
から発っせられた光ビームを投光レンズ２により、被測
定物３に集光して照射し、この反射光を受光レンズ４に
より、位置検出用受光素子５に集光する。

ここで、受光レンズ４から被測定物３までの距離を
Ｌ、基線長をＢ、受光レンズ４と位置検出用受光素子５
との間隔をｆとする時、受光レンズ４の光軸中心からス
ポット光の重心位置までの距離ｘは次の（１）式にな
る。

ｘ＝ｆ・B/L …（１）位置検出用受光素子５により、変位置を示す（１）式
の距離ｘを求めることにより、逆に距離Ｌを求めること
ができる。また、距離検出器を同図紙面と垂直で基線長
方向を含む平面上で機械的に移動させ、この２次元平面
における距離検出器の位置（X,Y）と、位置検出用受光
素子５から得られる変位置ｘとからＺ軸方向の距離Ｌが
求められ、（X,Y,Z）の３次元位置の認識が行われてい
た。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の３次元位置認識装置におい
ては、距離検出器自体を（X,Y）平面上で機械的に移動
しなければならない。従って、３次元位置認識のための
１回の計測に要する時間は長くかかる。このため、従来
の装置は、静的な被測定物を対象にする３次元位置認識
には応用できるが、動的な被測定物を対象にする３次元
位置認識には実用上応用することが出来ないという課題
があった。

そこで本発明は、動的な物体についても三次元位置の
認識が可能な３次元位置認識装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る３次元位置認識装置は、複数個の発光点
が直線状に配置され時分割にパルス点灯駆動される光源
と、各発光点から発せられる光ビームを被測定物上に集
光する投光手段と、この被測定物からの反射光を集光す
る受光手段と、この受光手段により集光される光ビーム
の集光位置を検出する位置検出用受光素子と、基線長方
向を光源の発光点の配置方向に直交させかつ投受光手段
の各光軸を常に平行または一定角度に保ちつつ投受光手
段の各後側主点を支持軸にし光源のパルス点灯駆動に同
期して各光軸を基線長方向に回動させる回動手段と、位
置検出用受光素子の出力信号に基づき被測定物上に集光
された光ビームの照射点までの距離を演算する演算手段
とを備えたものである。

また、基線長方向を光源の発光点の配置方向に直交さ
せ、かつ、投受光手段の各光軸を常に平行または一定角
度に保ちつつある１点を支持軸にし、光源のパルス点灯
駆動に同期して前記各光軸を基線長方向に回動させる回
動手段を備えたものである。

また、投受光手段の各光軸を常に平行または一定角度
に保ちつつ、ある１点を球軸にして各光軸を垂直および
水平方向に回動させる回動手段を備えたものである。

〔作用〕

光源から発せられる光ビームは、複数個の発光点が時
分割でパルス点灯駆動されることにより１次元走査が行
われる。さらに、投受光手段の各光軸が後側主点または
ある１点を支持軸にして回動されることにより２次元走
査が行われる。

また、光源から発せられる光ビームは、投受光手段の
各光軸がある１点を球軸にして垂直方向に回動されるこ
とにより１次元走査が行われる。さらに、水平方向に回
動されることにより２次元走査が行われる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す斜視図で
あり、３次元の各方向は同図の（X,Y,Z）座標に示され
る各方向により決定される。

光源11は複数個の発光点がＹ軸方向に直線状に配置さ
れることにより構成されている。投光レンズ12は、その
光軸が複数個の発光点の中心に一致する状態に設置され
ており、各発光点からの光ビームは図示しない被測定物
上に集光されるものとなっている。これら光源11および
投光レンズ12は平板状の投光回動アーム14に固定されて
いる。この投光回動アーム14は台15に固定された止め金
具16を支持軸として回動可能な状態に設置されており、
止め金具16の中心は投光レンズ12の後側主点を通る垂線
に一致している。

被測定物から反射光は受光レンズ17によって位置検出
用受光素子18に集光される。この位置検出用受光素子18
の受光面上の集光位置に対応した出力信号に基づき、被
測定物上に照射された光ビームの各照射点までの距離
（Ｌ）が図示しない演算手段によって演算される。これ
ら受光レンズ17および位置検出用受光素子18は平板状の
受光回動アーム19に固定されている。この受光回動アー
ム19は、投光回動アーム14と同様に台15に固定された止
め金具20を支持軸として回動可能な状態に設置されてお
り、止め金具20の中心は受光レンズ17の後側主点を通る
垂線に一致している。

投光回動アーム14または受光回動アーム19の一方の支
持軸には図示しないロータリエンコーダが設置されてお
り、このロータリエンコーダの出力パルス信号により装
置の測距動作のタイミングが制御される。また、投光回
動アーム14および受光回動アーム19は、各支持軸から等
距離の点で止め金具21および22により回動運動伝達板23
に連結されている。回動運動伝達板は23は偏心カム24の
回転運動によりＸ方向に往復運動し、この往復運動によ
り投光回動アーム14および受光回動アーム19は各支持軸
を中心として回動する。従って、投光回動アーム14およ
び受光回動アーム19に固定された投光レンズ12および受
光レンズ17の各光軸は、常に平行状態を保ちつつ回動す
る。なお、この際、被測定物の測距範囲が近距離に設定
される場合には、投光レンズ12の光軸と受光レンズ17の
光軸とが平行な状態からわずかに内向きになるように設
定されるのが好ましい。

このような構成において、光源11の複数個の各発光点
は、投光レンズ12および受光レンズ17の各光軸の所定の
回動角毎に時分割でパルス点灯駆動され、光源11から照
射される光ビームはＹ軸方向に１次元走査される。ま
た、偏心カム24がこのパルス点灯駆動に同期して回転
し、各光軸が回動されることにより、光ビームはＸ軸方
向に２次元走査される。また、被測定物上に照射される
光ビームのＸ軸,Y軸に対する走査角（θ_x,θ_ｙ）は、各
発光点の発行位置とロータリエンコーダの出力パルス信
号とから知ることが出来る。そして、この走査角と被測
定物までの距離（Ｌ）とから３次元の位置認識が可能に
なる。

第２図は位置検出用受光素子18に使用される一般的な
半導体位置検出器の構成図である。この半導体位置検出
器としては、例えば浜松ホトニクス株式会社製の型名が
S1662の１次元用の半導体位置検出器が有り、以下、こ
の半導体位置検出器を用いた場合について説明する。

半導体位置検出器25は、n⁺型半導体層27と、高抵抗ｎ
型半導体層28と、抵抗率が均一なｐ型半導体層29とが順
次に積層されることにより形成されている。ｎ型半導体
層28およびｐ型半導体層29はホトダイオードを構成して
いる。また、n⁺型半導体層27にはホトダイオードに逆バ
イアスの電圧を印加するための共通電極30が設けられて
おり、ｐ型半導体層29の両端部には一対の電極31,32が
設けられている。

この半導体位置検出器25の共通電極30に所定の電圧を
印加し、位置SPのところに光点が入射したとすると、位
置SPの下方のpn接合部には電子−正孔対が生じ、これに
より光点の入射エネルギーに比例した光電流I_Oが共通電
極30からｐ型半導体層29に向かって流れる。

ここで、電極31,32間の距離をＣ、その間のｐ型半導
体層29の抵抗をR_Cとし、光点入射位置SPと電極32との間
の距離をｘ、その間のｐ型半導体層29の抵抗をR_xとする
と、光電流I_Oは光点入射位置SPの所で抵抗分割される。
すなわち、電極31への電流I_Aおよび電極32への電流I
_Bは、それぞれ次式に示される。

I_A＝I_O・［R_x/R_C］ I_B＝I_O・［（R_C−R_x）/R_C］ …（２）また、前述のように、ｐ型半導体層29の抵抗率は均一
に分布しているので、この（２）式は以下のように変形
される。

I_A＝I_O・x/C I_B＝I_O・［（Ｃ−ｘ）/C］ …（３）（３）式からわかるように、電流I_A,I_Bを電極31,32か
ら取出し、演算手段によって所定のアナログ演算処理が
施されることにより、電極32から光点入射位置SPまでの
距離ｘを求めることができる。

第３図は、この第１の実施例による３次元位置認識装
置を用いた光学系における距離計測の原理を説明するた
めの図であり、第１図に示された装置を（X,Z）平面上
から見たものである。光源11からの実線で示される光ビ
ームは、実線で示される投光レンズ12により被測定物13
上における位置P_Oに集光される。集光された光ビームは
反射し、実線で示される受光レンズ17により実線で示さ
れる位置検出用受光素子18の受光部に集光される。

ここで、基線長をB,被測定物13までの距離をL,受光レ
ンズ17からの位置検出用受光素子18の受光部までの距離
をf₁,投光レンズ12のから光源11までの距離をf₂とす
る。また、位置検出用受光素子18の受光面上において、
受光レンズ17の光軸とこの受光面との交点である無限遠
集光位置から光ビームの集光位置までの距離をx₁とす
る。また、投光回動アーム14および受光回動アーム19を
角θだけ回動させた時、点線で示される光ビームは被測
定物13上における位置P₁に集光されるものとし、また、
この時の点線で示される受光レンズ17の光軸と被測定物
13との交点をP₂、受交レンズ17の後側主点位置をH₁、光
ビームの集光位置P₁から線分に向かって降ろした垂線がこの線分に交わる点をH_Oとす
る。さらに、点線で示された位置検出用受光素子18の受
光面上において、無限遠集光位置から光ビームの集光位
置までの距離をx₂とする。

この場合、以下の各関係式が成立する。

また、次の比較関係式が成立する。

上記各関係式およびこの（４）式により、無限遠集光
位置から光ビームの集光位置までの変位量x₂は次式のよ
うに求まる。

x₂＝f₁Bcos²θ／（Ｌ−Bsinθcosθ） …（５）また、逆に変位量x₂は前述した位置検出用受光素子18
の出力から求めることが出来、この変位量x₂から被測定
物13までの距離Ｌは次式のように求めることが出来る。

Ｌ＝（f₁cosθ＋x₂sinθ）Bcosθ/x₂ …（６）（５）式において、f₁およびＢは定数であるが距離Ｌ
および回動角θは変数であり、（１）式（ｘ＝ｆ・B/
L）と異なってパラメータとして回動角θが付加される
ため、直交座標系の数値は直接得られず、（６）式の演
算が必要になる。このようにして求まる距離Ｌと光ビー
ムの被測定物13への走査角（θ_x,θ_ｙ）とから、３次元
の位置認識が可能になる。

第４図は本発明の第２の実施例の構成を示す平面図で
あり、この第２の実施例は第１図に示される第１の実施
例の構成の変形例である。なお、第４図において第１図
と同一または相当する部分については同符号を用いてそ
の説明は省略する。本実施例と第１の実施例の構成の相
違点は、位置検出用受光素子18の設置の方法が異なる点
である。つまり、受光素子取付板41は回動運転伝達板23
に平行に配置されており、この受光素子取付板41は、止
め金具42および43により、投光回動アーム14および受光
回動アーム19に回動可能な状態に連結されている。位置
検出用受光素子18は、この受光素子取付板41に固定され
ており、その受光面が回動運転時に常に基線長と平行に
保たれる構造となっている。

第５図はこの第２の実施例における距離計測の原理を
説明するための図であり、第３図と同様に各定数および
変数を設定する。回動角θの時、位置検出用受光素子18
は点線で示される位置に移動する、位置検出用受光素子
18受光面上において、２点鎖線で示される光軸とこの受
光面との交点である無限遠集光位置から射光ビームの集
光位置までの距離x₂には、次の比例関係式が成立する。

また、逆に位置検出用受光素子18からの出力信号によ
って無限遠集光位置からの変位量x₂の値を求めると、次
式から距離Ｌを求めることが出来る。

Ｌ＝f₁Bcosθ/x₂ …（８）この（８）式の両辺をcosθで割ると次式が得られ
る。

L/cosθ＝f₁B/x₂ …（９）この（９）式により、第２の実施例における無限遠集
光位置からの変位量x₂は、距離Ｌに対する円筒座標系の
数値として得られる。そして、この距離Ｌおよび光ビー
ムの被測定物13への走査角（θ_x,θ_ｙ）から、第１の実
施例と同様にして被測定物13の３次元の位置認識が可能
になる。

第６図は本発明の第３の実施例の構成を示す平面図で
あり、３次元の各方向の同図の（X,Y,Z）座標に示され
る各方向により決定される。なお、第１図と同一または
相当する部分については同符号を用いる。

光源11は同図紙面の垂直方向であるＹ方向に複数個の
発光点が配置されることにより構成されており、光源11
から発せられる光ビームは、受光レンズ12によって図示
しない被測定物上に集光される。被測定物に照射された
光ビームは反射し、受光レンズ17によって位置検出用受
光素子18の受光部に集光される。これら光源11,投光レ
ンズ12,受光レンズ17および位置検出用受光素子18は回
動台51に固定されており、この回動台51は偏心カム52が
回転されることにより支持軸53を中心にして回動する。

このため、投光レンズ12および受光レンズ17の各光軸
は常に平行または一定角度を保ちつつ回動し、光源11か
ら被測定物に照射される光ビームはＸ軸光に走査され
る。また、Ｙ軸方向における光ビームの走査は、前述の
第１の実施例と同様に、光源11の複数個の各発光点が時
分割でパルス点灯駆動されることにより行われる。支持
軸53には図示しないロータリエンコーダが設置されてお
り、このＹ軸方向の走査は、ロータリエンコーダが出力
されるパルス信号に基づき、予め設定された所定の回動
角毎に実行される。そして、第１の実施例と同様にして
被測定物までの距離Ｌおよび光ビームの走査角（θ_x,θ
_ｙ）から、被測定物の３次元位置認識が可能になる。

但し、本実施例においては、回動台51に設置された光
学系全体を往復回動運動するため、円弧状の距離を検出
することになり、被測定物の３次元データを求める場
合、円筒座標系からの変換が必要になる。

第１、第２および第３の各実施例において、光源11と
投光レンズ12との距離をf₂、位置検出用受光素子18と受
光レンズ17との距離をf₁とするとき、f₁≠f₂の条件にお
いても３次元計測が可能である。この利点は光源11の発
光部の長さや位置検出用受光素子18の受光部サイズを任
意に設定できることにある。

第７図は本発明の第４の実施例の構成を示す平面図で
あり、３次元の各方向は同図の（X,Y,Z）座標に示され
る各方向により決定される。

光源11は上記の各実施例と同様に複数個の発光点がＹ
方向に配置されることにより構成され、時分割にパルス
点灯駆動されることにより、光ビームはＹ軸方向に走査
される。また、投光レンズ12と受光レンズ17とは焦点距
離ｆが同じであり、光源11と位置検出用受光素子18と
は、投光レンズ12・光源11間および受光レンズ17・位置
検出用受光素子18間の各間隔が等しくなるように移動台
54に固定されている。移動台54は偏心カム55が回転する
ことにより基線長方向と平行に往復運動する。この往復
運動により光ビームはＸ軸方向に走査され、この往復運
動は移動台54に設置された図示しないリニアエンコーダ
によってその位置が検出される。このリニアエンコーダ
の出力パルス信号により、上記各実施例と同様に測距動
作のタイミングが制御される。

第８図はこの第４の実施例の光学系における距離計測
の原理を説明するための図である。なお、第３図に示さ
れる距離計測における各定数および変数と同一または相
当する部分については、同符号を用いる。光源11および
位置検出用受光素子18を基線長に平行に距離ｌだけ移動
すると、被測定物13上に照射される光ビームの走査角θ
と移動量ｌとの間には次式が成立する。なお、走査角θ
だけ移動した時の各装置および光ビームは同図に点線で
示されている。

tanθ＝l/f この時、受光レンズ17の後側主点位置H₁から、図に２
点鎖線で示される方向と位置検出用受光素子18の受光面
との交点である無限遠集光位置までの距離は、f/cosθ
となる。従って、この無限遠集光位置から、被測定物13
上の照射位置P₁から反射した光ビームがこの受光面上に
集光する位置までの距離（変位量）x₂には、次式に示さ
れる関係が成立する。

この式から変位量x₂を求めると次式のようになる。

x₂＝（Bf/cosθ）／（L/cosθ）＝fB/L＝x₁ …（10）また、図に点線で示される位置検出用受光素子18の出
力信号により、受光面における無限遠集光位置からの変
位量x₂を逆に求めると、距離Ｌは次式によって求めるこ
とが出来る。

Ｌ＝fB/x₂ …（11）（10）式および（11）式から明らかなように、光源11
および位置検出用受光素子18の直線移動量ｌには無関係
に距離Ｌは求まり、直交座標系のＺ軸方向のＬの値を直
接得ることが出来る。つまり、本実施例における距離計
測は、上記各実施例とは異なり、投光および受光系のい
ずれも回動を伴わず、光源11の複数個の発光点と位置検
出用受光素子18とが基線長と平行に直線運動を繰り返す
だけである。このため、直接、直交座標系における距離
情報が得られる利点がある。そして、この距離Ｌと光ビ
ームの走査角（θ_x,θ_ｙ）とから、上記各実施例と同様
に被測定物13の３次元の位置認識が可能になる。

第９図は、この第４の実施例に用いられる演算手段で
ある、AC動作（交流結合型）信号処理回路の構成を示す
ブロック図であり、この演算手段には位置検出用受光素
子18の出力信号が与えられる。

往復運動駆動手段56は偏心カム55を回転させるための
モータであり、往復運動制御回路U₁₄により往復運動駆
動手段56の動作は制御される。この制御により、光源11
および位置検出用受光素18が設置された移動台54はＸ軸
方向に往復運動する。この際、移動台54に設置されたリ
ニアエンコーダ57からこの往復運動に対応したパルス信
号が出力され、このパルス信号はタイミングコントロー
ラU₁₂に与えられて測距動作が制御される。また、光源1
1は７個の発光点l₁〜l₇から構成され、各発光点には７
個の発光ダイオードLED₁〜LED₇が用いられている。各発
光点は、タイミングコントローラU₁₂の点灯指令に基づ
くLED駆動回路U₁₃からの駆動信号D₁〜D₇により時分割で
パルス点燈される。この各駆動信号D₁〜D₇は第10図に示
されるタイミングで発生し、このタイミングに従って各
発光ダイオードLED₁〜LED₇はパルス点灯する。

光ビームのＹ軸方向走査を実行する、発光ダイオード
LED₁〜LED₇の一連の時分割パルス点灯動作が、Ｘ軸方向
走査を実行するための往運動駆動手段56による１片道走
査に対して何回繰り返されるかにより、計測視野におけ
るＹ軸方向の走査本数が決定される。これは、リニアエ
ンコーダ57の移動ピッチとその出力パルス信号との関係
から決まる。すなわち、リニアエンコーダ57から１個の
出力パルス信号が発せられる毎に、１本のＹ軸走査を実
行するための一連の時分割パルス点灯と測距動作とが実
行される。

位置検出用受光素子18において得られた光電流I_A及び
I_Bは、電流−電圧変換用抵抗r₁,r₂で電圧信号V_A,V_Bに変
換され、コンデンサC₁,C₂によりDC（直流）成分がカッ
トされてAC（交流）成分のみが増幅回路U₁,U₂に送られ
て増幅される。この後、コンデンサC₃,C₄により、増幅
回路U₁,U₂のオフセットや温度ドリフトによりDC的な電
位のズレ量がカットされる。そして、増幅されたAC成分
のみが減算回路U₃および加算回路U₄に送られ、V_A−V_Bお
よびV_A＋V_Bの演算がそれぞれ実行される。

各演算信号はサンプルアンドホールド回路U₅〜U₈に送
られ、タイミングコントローラU₁₂から与えられるサン
プリング信号S₁,S₂に基づきサンプリングされ、信号レ
ベルがホールドされる。すなわち、サンプリング信号S₁
により各発光点がパルス点燈する直前の電位がサンプリ
ングされ、サンプルアンドホールド回路U₅,U₇に記録さ
れる。これに対して、サンプリング信号S₂により各発光
点がパルス点燈している状態の電位がサンプリングさ
れ、サンプルアンドホールド回路U₆,U₈に記録される。

減算回路U₉では回路U₆の出力値から回路U₅の出力値が
減算され、減算回路U₁₀では回路U₈の出力値から回路U₇
の出力値が減算される。この結果、光源11のパルス点燈
に起因する信号成分のみが抜き取られることになる。そ
して、アナログ割算器U₁₁において、（V_A−V_B）／（V_A
＋V_B）という演算処理が実行される。

この演算結果は外部に出力され、距離検出器から被測
定物13までの距離Ｌに対応するものになり、３次元位置
認識におけるＺ成分のデータになる。また、アナログ割
算器U₁₁の出力に同期して、被測定物13上へ照射される
光ビームの偏角がＸ軸成分（θ_ｘ）とＹ軸成分（θ_ｙ）
とに分離されてタイミングコントローラU₁₂から外部に
出力され、３次元位置認識におけるＸ成分のデータおよ
びＹ成分のデータになる。Ｙ成分データは光源11のパル
ス点灯のための駆動信号に基づくものであり、Ｘ成分デ
ータは移動台54に設置されたリニアエンコーダ57の出力
パルス信号に基づくものである。

ここでＺ軸の原点を投光レンズ12の後方主点位置に設
定すると、被測定物13までの距離Ｌはアナログ割算器U
₁₁の出力から簡単に求めることができる。従って、被測
定物13上に集光された光ビームの照射点を表す３次元位
置データ（X,Y,Z）は、２つの偏角θ_x,θ_ｙから、以下
の（12）〜（14）式を用いて求めることができる。

Ｚ＝Ｌ …（12）Ｙ＝Ｌ・tanθ_ｙ …（13）Ｘ＝Ｌ・tanθ_ｘ …（14）このように本実施例によれば、７個の発光点l₁〜l₇が
時分割でパルス点燈駆動されることにより、機械的な可
動を伴わない電気的な方法によって１次元走査が行わ
れ、さらに、追従性の良い移動台54と往復運動手段56を
用いてもう１つの１次元走査が行われることにより、光
源11から照射される光ビームは２次元走査される。従っ
て、光ビームの走査は応答性良く行われて高速化され、
１回の３次元位置認識に要する計測時間は短縮化され、
従来技術の方法に比べて計測時間は２桁以上も小さくな
る。この結果、本実施例による装置は、動的な被測定物
を対象にする３次元位置認識にも適用することが可能に
なる。

以上の説明においてリニアエンコーダ57の替わりにロ
ータリエンコーダを使用すれば、前述の第１から第３の
各実施例においても第９図に示される演算手段を用いる
ことが出来、同様な効果を奏する。

また、外乱光が存在しない環境下においては、DC動作
（直流結合型）信号処理回路を使用することが可能であ
る。第11図はこのDC動作型信号処理回路を第６図に示さ
れた第３の実施例に適用した場合のブロック図である。

回動運動制御回路U₁₄により偏心カム52は駆動され、
支持軸53を中心にして回動台51は図示の矢印の方向に回
動する。この支持軸53には前述したようにロータリエン
コーダが設置されており、この出力パルス信号がタイミ
ングコントローラU₁₂に与えられることにより、一連の
測距動作は制御される。LED駆動回路U₁₃はこのタイミン
グコントローラU₁₂からの点灯指令に基づき、光源11の
各LEDを時分割でパルス点灯駆動する。つまり、LED駆動
回路U₁₃は第12図に示されるタイミングの駆動信号D₁〜D
₇を各LEDに出力し、各LEDはこのタイミングに従って点
灯する。位置検出用受光素子18からの光出力電流I_Aおよ
びI_BはＩ−Ｖ（電流−電圧）変換用オペアンプU₁および
U₂によって電圧信号に変換される。さらに、この電圧信
号は加算用オペアンプU₃,減算用オペアンプU₄および割
算回路U₁₁によって所定の演算が行なわれ、３次元デー
タのうちのＺ成分である距離Ｌに対応したデータが得ら
れる。

このようにDC動作信号処理回路はAC動作処理回路に比
較して簡易に回路構成することが可能である。

第13図は本発明の第５の実施例の構成を示す斜視図で
あり、３次元の各方向は同図の（X,Y,Z）座標に示され
る各方向により決定される。なお、第１図と同一または
相当する部分については同符号を用いる。

光源61は単一の発光点から構成されており、この光源
61から発せられた光ビームは投光レンズ12によって図示
しない被測定物上に集光される。被測定物に照射された
光ビームは反射し、受光レンズ17によって位置検出用受
光素子64上に集光される。この位置検出用受光素子64は
前述の位置検出用受光素子18とほぼ同様な構造をしてい
るが、その受光面はＹ方向の長さが短く形成されてい
る。これは、光源61の発光点の大きさに相当する受光面
積があれば足りるからである。これら光源61,投光レン
ズ12,受光レンズ17および位置検出用受光素子64は板状
に形成された揺動台62上に固定されており、投光レンズ
12および受光レンズ17の各光軸は平行に保たれている。

また、揺動台62は球軸63によってボールポイント支持
されており、球軸63を中心として各方向に対して回動自
在に支持されている。この球軸63と反対側の揺動台62上
には３個の支持枠65,66,67が固定されており、各支持枠
65〜67の枠内には３本の揺動軸68が挿入されている。各
揺動軸68はナット69の３つの側面に垂直に固定されたも
のであり、このナット69には回転軸が中心からずれて偏
心しているボールねじ70が螺合している。このボールね
じ70には図示しないロータリエンコーダが設置されてい
る。

このような構成において、ボールねじ70が回転する
と、ナット69はその回転によってボールねじ70の軸方向
（Ｙ方向）に移動する。これと共に、ボールねじ70の回
転は偏心しているため、ナット69はＸ−Ｚ平面を揺動す
る。このナット69の運動は揺動軸68を介して各支持枠65
〜67に伝達され、揺動台62は球軸63を支持軸としてX,Y,
Z方向に揺動することとなる。従って、揺動台62がボー
ルねじ70のねじ溝に沿ってＹ方向に往復運動することに
より、光源61から照射される光ビームは１次元走査され
る。さらに、これと同時に揺動台62が球軸63を支持軸と
してＸ−Ｚ平面を揺動することにより、光源61から照射
される光ビームは２次元走査される。そして、前述と同
様な演算手段によってその走査角（θ_x,θ_ｙ）および被
測定物までの距離Ｌが演算され、被測定物の３次元の位
置認識が前述の各実施例と同様に行われる。

本実施例は光源61が単一の発光点から構成されている
ため、演算手段は上述の回路よりも簡略化することが出
来、装置の製造コストは低減される。さらに、光源61が
単一の発光点であるため、これから照射される光ビーム
を集光する位置検出用受光素子64は、上述のようにその
受光面積を小さくすることが可能になる。従って、この
点からも装置の製造コストは低減され、しかも、受光面
積が小さいことから外乱光の影響が小さくなり、より精
度の高い３次元位置認識が可能になる。

また、上述の各実施例は、投光レンズ12と光源11また
は61、および受光レンズ17と位置検出用受光素子18また
は64の各配置は固定しているため、投光レンズ12および
受光レンズ17の各レンズ設計は容易に行うことが出来
る。つまり、光ビームはレンズの光軸付近を通過するた
め、レンズの周辺部の収差は考慮しないで済む。従っ
て、この点から見ても、装置の製造コストは低減され
る。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように本発明によれば、光源か
ら発せられる光ビームは、複数個の発光点が時分割でパ
ルス点灯駆動されることにより１次元走査が行われる。
さらに、投受光手段の各光軸が後側主点またはある１点
を支持軸にして回動されることにより２次元走査が行わ
れる。

このため、光源から照射される光ビームの走査性は高
速化され、３次元位置認識に要する時間は短縮化され
る。この結果、従来、３次元位置認識が困難であった動
的な被測定物をも対象にすることが可能な装置が提供さ
れるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す斜視図、第
２図は第１の実施例を始めとする各実施例に使用される
半導体位置検出器を示す図、第３図は第１の実施例にお
ける距離計測の原理を説明するための図、第４図は本発
明の第２の実施例の構成を示す平面図、第５図は第２の
実施例における距離計測の原理を説明するための図、第
６図は本発明の第３の実施例の構成を示す平面図、第７
図は本発明の第４の実施例の構成を示す平面図、第８図
は第４の実施例における距離計測の原理を説明するため
の図、第９図は第４の実施例におけるAC動作型の演算手
段の回路構成を示すブロック図、第10図は第９図に示さ
れた演算手段における光源の時分割パルス点灯のタイミ
ングチャート、第11図は第３の実施例におけるDC動作型
の演算手段の回路構成を示すブロック図、第12図は第11
図に示された演算手段における光源の時分割パルス点灯
のタイミングチャート、第13図は本発明の第５の実施例
の構成を示す斜視図、第14図は一般的な距離検出器を示
す図である。 11……光源、12……投光レンズ、14……投光回動アー
ム、15……台、16,20,21,22……止め金具、17……受光
レンズ、18……位置検出用受光素子、19……受光回動ア
ーム、23……回動運動伝達板、24……偏心カム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の発光点が直線状に配置され時分割
にパルス点灯駆動される光源と、前記各発光点から発せ
られる光ビームを被測定物上に集光する投光手段と、こ
の被測定物からの反射光を集光する受光手段と、この受
光手段により集光される光ビームの集光位置を検出する
位置検出用受光素子と、前記投光手段および前記受光手
段間の方向を前記光源の発光点の配置方向に直交させか
つ前記投光手段および前記受光手段の各光軸を常に平行
または一定角度に保ちつつ前記投光手段および前記受光
手段の各後側主点を支持軸にし前記光源のパルス点灯駆
動に同期して前記各光軸を前記発光点の配置方向に直交
する方向に回動させる回動手段と、前記位置検出用受光
素子の出力信号に基づき前記被測定物上に集光された光
ビームの照射点までの距離を演算する演算手段とを備え
た３次元位置認識装置。
【請求項２】複数個の発光点が直線状に配置され時分割
にパルス点灯駆動される光源と、前記各発光点から発せ
られる光ビームを被測定物上に集光する投光手段と、こ
の被測定物からの反射光を集光する受光手段と、受光手
段により集光される光ビームの集光位置を検出する位置
検出用受光素子と、前記投光手段および前記受光手段間
の方向を前記光源の発光点の配置方向に直交させかつ前
記投光手段および前記受光手段の各光軸を常に平行また
は一定角度に保ちつつある１点を支持軸にし前記光源の
パルス点灯駆動に同期して前記各光軸を前記発光点の配
置方向に直交する方向に回動させる回動手段と、前記位
置検出用受光素子の出力信号に基づき前記被測定物上に
集光された光ビームの照射点までの距離を演算する演算
手段とを備えた３次元位置認識装置。
【請求項３】光源と、この光源から発せられる光ビーム
を被測定物上に集光する投光手段と、被測定物からの反
射光を集光する受光手段と、この受光手段により集光さ
れる光ビームの集光位置を検出する位置検出用受光素子
と、前記投光手段および前記受光手段の各光軸を常に平
行または一定角度に保ちつつある１点を球軸にして前記
各光軸を垂直および水平方向に回動させる回動手段と、
前記位置検出用受光素子の出力信号に基づき前記被測定
物上に集光された光ビームの照射点までの距離を演算す
る演算手段とを備えた３次元位置認識装置。