JPH0989521A - レーザ距離測定装置における校正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の変位量を簡単にかつ広範囲に亘っ
て測定できるレーザ距離測定装置における校正方法を提
供する。 【解決手段】 レーザ光線４を被測定物３に照射して、
その反射光線５をレンズ６を介してＣＣＤイメージセン
サ７にて受光し、この受光位置を所定の演算式に入力し
て被測定物の距離を測定する際に、上記演算式中に含ま
れるパラメータを校正する方法であって、校正用測定物
３Ａに複数個の既知の変位量を与えるとともに、この変
位量に応じて測定データを取得し、そしてこれらの測定
データを用いて、上記各パラメータを最小二乗法により
推定する方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ距離測定装
置における校正方法に関し、詳細には、レーザ距離測定
装置により被測定物までの距離を測定する際に使用する
演算式のパラメータの校正を行う方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の寸法を、非接触で測定するものと
して、レーザ光線を利用したレーザ距離測定装置があ
る。このレーザ距離測定装置の中には、三角測距法に基
づくものがある。

【０００３】この三角測距法を利用したレーザ距離測定
装置においては、図２に示すように、レーザ光線の照射
器５１から被測定物５２にレーザ光線５３を照射し、そ
の反射したレーザ光線５４をレンズ５５を介してＣＣＤ
リニアイメージセンサ５６にて受光し、このイメージセ
ンサ５６での受光位置（実際には、イメージセンサ中心
から受光地点までの距離）Δｘを検出することにより、
イメージセンサ５６の中心位置に相当する基準位置ａか
ら被測定物５２までの距離Δｄが求められる。

【０００４】すなわち、基準位置ａから被測定物５２ま
での距離（変位量）Δｄとイメージセンサ５６上におけ
る受光位置までの距離Δｘとの間には一定の関係があ
り、このことを利用して、被測定物５２までの距離（変
位量）Δｄが測定されていた。

【０００５】そして、上述した一定の関係については、
従来、２次曲線または３次曲線を仮定し、回帰直線で近
似して求められていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の回帰直
線により近似する場合、その近似できる測定範囲が限ら
れており、広範囲で測定する場合には、所定区間毎に回
帰直線を変更する、いわゆるスプライン曲線で、その全
体を近似する必要があり、したがって非常に面倒な演算
を必要とするとともに、距離そのもの、すなわち距離全
体を測定することができないという欠点があった。

【０００７】そこで、本発明は上記課題を解消し得るレ
ーザ距離測定装置における校正方法を提供することを目
的とする。

【０００８】

【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における校正方法は、レーザ
光線の照射器と、この照射器から被測定物に照射された
レーザ光線の反射光線を、レンズを介して受光するイメ
ージセンサと、このイメージセンサにおける受光位置を
検出して、基準位置から被測定物までの距離を、被測定
物からレンズまでの距離、レンズからイメージセンサま
での距離およびレーザ光線の照射光軸とその反射光軸と
のなす角度をパラメータとする演算式に基づき求める演
算処理部とを有するレーザ距離測定装置における上記演
算式のパラメータを校正する方法であって、校正用測定
物に複数個の既知の変位量を与えるとともに、この変位
量に応じて測定データを取得し、これらの測定データを
用いて、上記各パラメータを、最小二乗法により推定す
る方法である。

【０００９】上記の構成によると、基準位置から被測定
物までの距離を、演算式により求める際に、その演算式
に含まれているパラメータを、校正用測定物を変位させ
るとともに、これら変位の測定データを使用して最小二
乗法を適用することにより、誤差が非常に少ない値に校
正することができ、したがって被測定物の変位量を広範
囲に亘って測定できるとともに、被測定物までの距離も
広範囲に亘って求めることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
るレーザ距離測定装置における校正方法を、図１に基づ
き説明する。

【００１１】まず、本発明に係る校正方法が適用される
レーザ距離測定装置について説明する。図１に示すよう
に、レーザ距離測定装置１は、レーザ光線の照射器２
と、この照射器２から被測定物３に照射されたレーザ光
線４の反射光線５を、レンズ６を介して受光するＣＣＤ
イメージセンサ７と、このイメージセンサ７における受
光位置を検出して、所定の基準位置Ａから被測定物３ま
での距離Δｄを、被測定物３からレンズ６までの距離
Ｓ、レンズ６からイメージセンサ７までの距離ｆおよび
レーザ光線４の照射光軸と基準位置Ａからの反射光軸
（イメージセンサ７の中心位置を通る反射光線の光軸）
とのなす角度Ｋをパラメータとする下記の(1) 式に示す
演算式に基づき求めるコンピュータ装置（演算処理部）
８とを有し、さらにこれら各パラメータの値を校正する
ための校正用補助機器９が具備されている。

【００１２】この校正用補助機器９は、校正を行うため
に使用される校正用測定物３Ａと、この校正用測定物３
Ａをレーザ光線４の照射方向で移動させる移動装置（例
えば、モータなど）１１と、この移動装置１１を上記コ
ンピュータ装置８からの指示により所定距離だけ移動さ
せる駆動ユニット１２とから構成されている。なお、イ
メージセンサ７からの受光位置信号は、増幅器１３、Ａ
／Ｄ変換器１４を介して、コンピュータ装置８に入力さ
れている。

【００１３】次に、上記コンピュータ装置８において、
演算される演算式(1) について説明する。この演算式
(1) は、被測定物３（３Ａ）がレーザ光線４の照射光軸
方向（ｙ軸方向）に移動（変位）すると、イメージセン
サ７にて検出される反射光線５の受光位置が変化する。
この時、下記に示す(1) 式のような関係が成立する。

【００１４】 Δｄ＝Δｘ・Ｓ／（ｆ・sin Ｋ−Δｘ・cos Ｋ）・・・・(1) 但し、 Δｄ：被測定物の変位量（基準位置からの移動量） Δｘ：イメージセンサでの受光位置の変化量 Ｓ：基準位置における被測定物からレンズまでの距離 ｆ：レンズからイメージセンサまでの距離 Ｋ：レーザ光線とレンズの光軸（基準位置における反射
光軸）とのなす角度をそれぞれ示す。

【００１５】したがって、上記の(1) 式により、被測定
物３のｙ軸方向での移動量すなわち変位量Δｄが求めら
れ、例えば予め分かっているレンズ６の中心位置Ｂに、
イメージセンサ７の中心位置に対応する基準位置Ａまで
の距離Ｃに変位量Δｄを加算すれば、レンズ６の中心位
置Ｂからの照射光軸方向（ｙ軸方向）における距離Ｌ
（Ｃ＋Δｄ）を求めることができる。

【００１６】ところで、上記演算式において、Ｓ，
ｆ，Ｋの正確な値は、未知であり、これらをできるだけ
正確に推定する必要がある。以下、上記Ｓ，ｆ，Ｋの値
を、できるだけ正確に推定する、すなわち校正する方法
について説明する。

【００１７】まず、＊Ｓ，＊ｆ，＊Ｋを暫定値として求
められた変位量ΔｄをΔ＊ｄ（＊Ｓ，＊ｆ，＊Ｓ，＊
Ｋ）とし、真の値をＳ，ｆ，Ｋとした場合、暫定値＊
Ｓ，＊ｆ，＊Ｓ，＊Ｋとの間には、誤差ΔＳ，Δｆ，Δ
Ｋが生じている。

【００１８】すなわち、真の値は、下記の(2) 〜(4) 式
にて表される。 Ｓ＝＊Ｓ−ΔＳ ・・・・(2) ｆ＝＊ｆ−Δｆ ・・・・(3) Ｋ＝＊Ｋ−ΔＫ ・・・・(4) ここで、校正用測定物３Ａの変位量の真の値は、コンピ
ュータ装置８にて分かるため、この真の値を既知Δｄと
すると、残差Ｕは、下記の(5) 式にて表される。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで、Δ＊ｄ（Ｓ，ｆ，Ｋ）≒Δｄであ
るとすれば、上記の(5) 式は、下記(6) 式のように表す
ことができる。 Ｕ＝Δ＊ｄ_S ×ΔＳ＋Δ＊ｄ_f ×Δｆ＋Δ＊ｄＫ_K ×ΔＫ ・・・・(6) 但し、(6) 式中、

【００２１】

【数２】

【００２２】を表すものとする。実際に、偏微分する
と、以下の(7) 〜(9) 式のようになる。

【００２３】

【数３】

【００２４】但し、（Ｓ，ｆ，Ｋ）の値は、暫定値（＊
Ｓ，＊ｆ，＊Ｋ）で近似されたものである。次に、上記
(6) 式に、最小二乗法を適用して、ΔＳ，Δｆ，ΔＫの
近似解を求める。

【００２５】まず、目的関数をＵ² とすると、Ｕ² は下
記の(10)式で表される。

【００２６】

【数４】

【００２７】上記の(10)式を、ΔＳ，Δｆ，ΔＫで、そ
れぞれ偏微分すると、下記の(11)〜(13)式のようにな
る。

【００２８】

【数５】

【００２９】上記の(11)〜(13)式を、下記の(14)式に示
すように零と置く。

【００３０】

【数６】

【００３１】上記の(14)式を解くことにより、（ΔＳ，
Δｆ，ΔＫ）が求められる。但し、(7) 〜(9) 式の偏微
分を（＊Ｓ，＊ｆ，＊Ｋ）で評価しているため、こが最
終的に求める値ではなく、上記(2) 〜(4) 式から、下記
の(15)〜(17)式に示すように、推定値（＊Ｓ′，＊
ｆ′，＊Ｋ′）が求められる。

【００３２】

【数７】＊Ｓ′＝＊Ｓ−ΔＳ ・・・・(15) ＊ｆ′＝＊ｆ−Δｆ ・・・・(16) ＊Ｋ′＝＊Ｋ−ΔＫ ・・・・(17) 上記の（＊Ｓ′，＊ｆ′，＊Ｋ′）を、何回か計算を行
い、収束解を求める。すなわち、校正用測定物を何回か
移動させて、これらの測定データを使用して計算する。
この収束解が、求める各パラメータの推定値であり、真
の値に非常に近いものである。

【００３３】このように、基準位置から被測定物までの
距離を、演算式により求める際に、その演算式に含まれ
ているパラメータを、より真の値に校正することがで
き、したがって従来のように、スプライン曲線を使用す
る場合に比べて、被測定物の変位量を、簡単にかつ広範
囲に亘って測定できるとともに、被測定物までの距離
も、広範囲に測定することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明の構成によると、基
準位置から被測定物までの距離を、演算式により求める
際に、その演算式に含まれているパラメータを、校正用
測定物を変位させるとともに、これらの測定データによ
り最小二乗法を適用して校正するようにしたので、誤差
が非常に少ない値にすることができ、したがって従来の
ように、スプライン曲線を使用する場合とは異なり、被
測定物の変位量を簡単にかつ広範囲に亘って測定できる
とともに、被測定物までの距離も、広範囲に測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ距離測定装
置の概略構成を示す図である。

【図２】従来例のレーザ距離測定方法を説明する原理図
である。

【符号の説明】

１ レーザ距離測定装置 ２ 照射器 ３ 被測定物 ３Ａ 校正用測定物 ４ レーザ光線 ５ 反射光線 ６ レンズ ７ イメージセンサ ８ コンピュータ装置 ９ 校正用補助機器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木下 正生 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 前田 誠一 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 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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光線の照射器と、この照射器から被
   測定物に照射されたレーザ光線の反射光線を、レンズを
   介して受光するイメージセンサと、このイメージセンサ
   における受光位置を検出して、基準位置から被測定物ま
   での距離を、基準位置からレンズまでの距離、レンズか
   らイメージセンサまでの距離およびレーザ光線の照射光
   軸と基準位置からの反射光軸とのなす角度をパラメータ
   とする演算式に基づき求める演算処理部とを有するレー
   ザ距離測定装置における上記演算式のパラメータを校正
   する方法であって、校正用測定物に複数個の既知の変位
   量を与えるとともに、この変位量に応じて測定データを
   取得し、これらの測定データを用いて、上記各パラメー
   タを、最小二乗法により推定することを特徴とするレー
   ザ距離測定装置における校正方法。