JPH10227632A - 対象物の距離測定用光学装置および光学測定装置から対象物への距離測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高精度で構造が簡単な対象物の距離測定用光
学装置および光学測定装置から対象物への距離測定方法
を提供する。 【解決手段】 対象物の距離測定用光学装置１におい
て、ケ−ス３と、第一収束レンズ５と、対象物２を照射
する光源４と、照射された対象物によって拡散された光
線を照射方向からある角度それた方向において集光させ
る位置に置かれた第二収束レンズと、照射された対象物
によって拡散され第二収束レンズを通してケ−ス３に侵
入する光線を集光する位置に置かれた検出手段７とを備
え、光線は、その検出手段上の入射点が対象物からの距
離の関数として変化するように、第二収束レンズによっ
て検出手段上に集光され、検出手段は対象物から来る拡
散光線の入射点によって異なる大きさの二つの電気信号
を発生するものであり、さらに、検出手段が発生する電
気信号を処理して、測定された距離の数値を計算する処
理手段８を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物の距離を測
定するための光学装置および光学測定装置から対象物へ
の距離測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多くの技術分野で、測定装置から対象物
への距離を測定することは、ある場合には基本的ではな
いが、とても幅広く役に立つ。例えば、ツ−ルの正確な
位置決めおよび／または機械の正確なスケジューリング
のために、機械から被加工面への距離を知ることが必要
なすべての機械加工操作、あるいは距離を知れば処理を
最適にするように計器が設定できるすべての場合（例え
ば、距離パラメ−タが焦点合わせの問題と密接に関連し
ている光学と写真撮影技術の分野において）に距離測定
は有用である。

【０００３】対象物からの距離を測定できる光学装置は
公知である。例えば、米国特許第5483051 号には、読取
り範囲内で測定装置から一定の距離の所に位置付けされ
た対象物に焦点を合わすのに適しているレ−ザを複数個
装備したバ−コ−ド読取り機について記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの装置は、最終
的に光学測定装置から対象物への距離と密接に関連した
情報が発生されるように、対象物の位置に応じた正確な
焦点合わせを提供できる光信号またはその光信号によっ
て発生される適切な信号を処理し制御する適切なシステ
ム（複雑で高価なことが多い）と協動する。本発明の基
本的な技術的課題は、従来技術の装置に代わり、高精度
でありながら構造を簡単にして、自身から対象物への距
離を測定できる装置を創案するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の構成は、
対象物の距離を測定する光学装置において、ケ−スと、
ケ−スに収納された第一収束レンズと、ケ−スに収納さ
れ、第一収束レンズを通して一つの照射方向に対象物を
照射する光源と、ケ−スに収納され、照射された対象物
によって拡散された光線（拡散光線）を照射方向からあ
る角度それた方向において、集光させる位置に置かれた
第二収束レンズと、ケ−スに収納され、照射された対象
物によって拡散され第二収束レンズを通してケ−スに侵
入する光線を集光する位置に置かれた検出手段とを備
え、前記光線は、その検出手段上の入射点が対象物から
の距離の関数として変化するように、第二収束レンズに
よって検出手段上に集光され、前記検出手段は対象物か
ら来る拡散された光線の入射点によって異なる大きさの
二つの電気信号を発生するものであり、さらに、前記検
出手段が発生する電気信号を処理して、測定された距離
の数値を計算する処理手段を備えたことを特徴とする。

【０００６】この種の装置は、距離パラメ−タを第二レ
ンズによって集光された拡散光線と対象物に向けられた
光線の間の偏差角度パラメ−タに一義的に関係付けるこ
とのできる光学三角測量システムを用い、光信号を同等
な電気信号に変換することのできる検出システムを作動
させることによって、対象物の距離を測定する。発生さ
れる電気信号は照射された対象物から来る拡散光線の入
射位置の関数であり、またその位置が偏差角度の関数、
従って対象物の距離の関数であるので、検出手段が発生
した電気信号を簡単な数学的処理に付して測定される距
離の正確な数値を出力することができる。

【０００７】好ましくは、第一収束レンズと第二収束レ
ンズとは対象物の支持平面にほぼ平行な方向で隣合わせ
に位置付けされる。これにより、第一収束レンズを通し
て放射され照射された対象物によって拡散される光線の
大部分を第二収束レンズを通して集光して、電力の浪費
を防止できる。

【０００８】好ましくは、光源は、第一収束レンズに向
かって垂直な光軸をもつ光線を発生するように位置付け
される。このようにすると、光源によって放射される光
線のほぼ全部を第一収束レンズを通して集光して電力の
浪費を防止できる。

【０００９】好ましくは、検出手段によって発生される
電気信号は二つの電流とする。これにより、比較的簡単
で周知の計器とシステムを用いて電気信号を処理する以
下に記述する工程を提要することができるようになる。

【００１０】好ましくは、処理手段は検出手段への入射
光量に応じて光源が放射する光量を調節する処理回路を
備える。検知手段によって発生され、その後処理手段に
よって処理される電気信号は、有用な信号成分に重畳さ
れて、処理の種類と照射される感光性素子の物性にのみ
関連したノイズ成分を含む。したがって、測定システム
の正確度が、Ｓ／Ｎ比（有用な信号／ノイズ）、および
距離と照射される感光性対象物の反射率との関数である
処理手段に戻る光信号の量にのみ依存することになる。
開発された放射調節システムでは、放射量を調節して、
Ｓ／Ｎ比を所定範囲の値に保ちながら最適にする。この
ようにすると、Ｓ／Ｎ比を確実に一定の最大にできる
が、受ける信号の過剰による（例えば、白色体を至近距
離に置いた場合のように、照射された対象物の反射率の
増大によって起こる）システムの飽和の発生を防止する
ことができる。

【００１１】好ましくは、入射光量に基づいて光放射を
調節できる処理回路は、発生された電気信号の和が設定
範囲内でない時だけ作動するようにする。このようにす
ると、Ｓ／Ｎ比の制御には、制御信号を照射された対象
物の反射率に比例させるように、発生された電気信号を
加算するだけでよい。

【００１２】処理回路は少なくとも二つの比較器、温度
計付き計数器、第一トランジスタおよび並列に配設した
複数の電気抵抗を含むアナログ処理・駆動回路ブロック
を備える。

【００１３】他の例として、処理回路はアナログ／デジ
タル変換器、ＰＷＭ、低域通過フィルタ、スイッチおよ
び第二トランジスタのすべてを合わせて縱続接続したデ
ジタル処理・駆動回路ブロックを備えたものとしてもよ
い。したがって、周知の電気部品を有する回路を用意す
ることによって、光源の放射する信号量を制御する課題
をアナログ的またはデジタル的に解決することができ
る。

【００１４】好ましくは、検知手段は位置検知形検出器
（Position Sensitive Detector （ＰＳＤ））を含む。
この部品には、光線が当たる位置によって異なる大きさ
の二つの電流をその端子から放出する特徴がある。

【００１５】本発明の第二の構成は、上記のような光学
装置から対象物への距離を測定する方法において、対象
物を第一収束レンズの前に位置付け、光源から第一収束
レンズを通って来る光線で対象物を照射し、照射された
対象物によって拡散され対象物の距離によって検出手段
上の位置が変わる入射点で第二レンズを通ってケ−スに
侵入する光を検出手段上に集光し、対象物から来る拡散
光線の検出手段上の入射点により異なる大きさの二つの
電気信号を発生させ、測定距離の数値を計算するように
検出手段によって発生された電気信号を増幅し処理する
ことを特徴とする。

【００１６】好ましくは、この装置は、光源を制御する
処理・駆動回路ブロックを有し、処理手段と協動して、
下記の工程により検出手段への入射光量に応じて光源か
ら放射される光量を調節することのできる処理回路を備
えたものである。この工程は、検出手段によって発生さ
れる電気信号の和を求め、二つの信号のうちの一つをそ
れらの和で除して電気信号を表す数値を得、この和が設
定範囲内に入っているかを確認し、範囲内であれば距離
の測定に進み、この和が設定範囲内に入っていなけれ
ば、発生された電気信号の和をこの設定範囲内に入る数
値に戻すように光源制御用の処理・駆動回路ブロック内
を流れる電流を調節する。

【００１７】こうして、比較的簡単で正確な処理によっ
て測定装置から対象物への距離を測定する。この簡単さ
および正確さは、光学および自動化の分野で周知の計器
や装置が有する特性である。

【００１８】好ましくは、処理・駆動回路ブロックはデ
ジタルで、発生された電気信号の和を適宜の時間に計算
し、光源の放射を調節することができ、下記の動作を行
うものである。この動作は、電気信号の和と設定範囲の
最大および最小値とを比較し、この和がその範囲よりも
大きいか小さければ、その和と設定範囲の最小値または
最大値との算術平均の関数である新しい放射値を計算
し、新しい計算放射値に基づいて、前とは異った大きさ
の光信号およびこれによる異った大きさの電気信号を発
生するように、光源制御用の処理・駆動回路ブロックに
流れる電流を調節する新しい電気信号を処理し、発生さ
れた電気信号の和が設定範囲内に入るようになるまで新
しい電気信号の和とこの範囲の最大および最小値との比
較を反復する。

【００１９】デジタル処理・駆動回路ブロックを用いる
と、設定範囲内にＳ／Ｎ比を探索するための二分探索法
を用意できるようになる。この種の探索によって求める
値に到達する時間が確実に短縮される。

【００２０】本発明の装置と測定方法のこれ以上の特徴
と利点は、付属図面を参照した以下の説明から明らかに
なるであろう。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１において、符号１は支持平面
３０上に置かれた対象物２の距離を測定する光学装置を
概略的に示している。装置１には、ケ−ス３内に光源４
が置かれている。ケ−ス３の側面に、前記支持平面３０
と平行なほぼ同一平面方向に、第一収束レンズ５と第二
収束レンズ６とが収納されている。光源４は、レンズ５
の光学平面に垂直な光軸をもつ光線を発生させるように
位置付けられている。

【００２２】第一レンズ５と第二レンズ６とは、光源４
によって放射され第一レンズ５によって対象物２へ向け
られた光線からある角度でそれる方向に対象物２によっ
て拡散された光線をレンズ６が集光するように、隣合わ
せに位置付けられている。ケ−ス３内に、第二レンズ６
を通してケース３に侵入する拡散光線を測定距離によっ
て変わるある点で集光できるように、第二レンズ６の上
方に検出手段７が設けられている。検出手段７は処理手
段８に電気的に接続され、受けた光信号を対象物から来
る拡散光線の入射点の位置によって異なる大きさの二つ
の電気信号、特に、電流に変換する。好ましい構成で
は、この検出手段は位置検知形検出器（ＰＳＤ）より成
るものである。

【００２３】図２に示すように、処理手段８は、検出手
段７によって発生される二つの電気信号の第一増幅回路
９と、後に続くこの増幅された電気信号の処理回路１０
と、放射を調節するように光源４に作用する処理・駆動
回路ブロック１１とを備えている。

【００２４】処理・駆動回路ブロック１１はアナログ型
およびデジタル型のいずれでもよい。アナログ処理・駆
動回路ブロック１１を用いる場合、図４に示すように、
２つの比較器１３と、出力Ａ１〜ＡＭの温度計付き計数
器１４と、第一トランジスタ１５と、温度計付き計数器
１４の出力Ａ１〜ＡＭによって制御されるスイッチＭ１
〜ＭＭのそれぞれが直列接続された複数の電気抵抗１６
の並列接続体とを縦続接続したものとなる。デジタル処
理・駆動回路ブロック１１を用いる場合は、図６に示す
ように、アナログ／デジタル変換器１７、パルス幅変調
器（ＰＷＭ）１８、低域通過フィルタ１９、スイッチ２
０および第二トランジスタ２１を縦続接続したものとな
る。

【００２５】光学装置１は下記のように動作する。図１
において、、距離を測定する対象物２は装置１の前方第
一収束レンズ５の前にある。光源４から放射された光線
は第一レンズ５を通って対象物２に向けられ、対象物２
によって拡散された光線（拡散光線）の一部が光源４の
照射方向からある角度それた方向に進み、第二レンズ６
を通って検出手段７の特定の点で集光される。対象物２
の装置１からの距離が変わると、拡散光線の偏差角度は
放射光線に対して変わり、その結果、検出手段７への拡
散光線の入射点の位置が変わる。

【００２６】検出手段７は受信した光信号を対象物２か
ら来る拡散光線の入射点の位置によって異なる大きさの
二つの電流に変換する。これらの電流は増幅回路９で増
幅して処理回路１０へ送られ、そこで受信電流の和を求
め、これら二つの電流の一つをその和で除して発生され
た電気信号、およびこれによる対象物の距離を表す数値
が計算される。この計算した和は光源４によって放射さ
れた同一の光については対象物２の反射率に比例し、こ
の和が図３の処理・駆動回路ブロック１１へ送られ、そ
こで設定範囲の境界値と比較される。

【００２７】処理・駆動回路ブロック１１は光源４に作
用して放射される信号の強度を調節するものであるが、
この計算和がこの範囲内であれば、処理・駆動回路ブロ
ック１１は作動されず、処理回路１０によって距離が計
算される。しかし、計算和がこの範囲よりも大きいか小
さければ、処理回路１０は距離を計算することなく、そ
れぞれ計算和と設定範囲の最小または最大値との算術平
均の関数である新しい放射値を計算する（デジタル処理
・駆動回路ブロックを設ける場合は図７）。この新しく
計算された値に基づいて、以前と異なる大きさの光信
号、およびこれによる異なる大きさの検出手段７の電気
信号を発生するように、図３、図４、図５および図６の
処理・駆動回路ブロックの電気回路によって光源４に流
れる電流が変えられる。

【００２８】検出手段７で発生する電気信号を合計する
ことによって見出される値が設定範囲内に入るまで上記
の順序の動作が繰り返される。この条件においてのみ、
処理回路１０は測定距離を計算する。

【００２９】特に、デジタル処理・駆動回路ブロックを
設ける場合には、光源４に流れる電流の制御はＰＷＭ１
８の信号出力のデューティサイクルを制御することによ
って行われる。ＰＷＭ１８による信号出力についてデュ
ーティサイクルの値がＭの場合の修正放射値、つまり、
放射信号のＭ個の異なる値を探索するとすれば、上記の
二分探索法（図７）では、log₂M に比例する修正値への
アクセス時間が存在することになり、アクセス時間がＭ
に比例するシーケンス探索の場合より短い。

【００３０】なお、ＰＳＤを検出システムとして用いた
ため、上記の装置と測定方法は測定装置から対象物への
距離変動に伴う対象物の焦点合わせの課題を解決するだ
けの技術以上のものとなっている。対象物に焦点を合わ
す代わりに、この場合、ＰＳＤ上で明瞭に焦点を合わさ
れた信号を得ればよい。しかしながら、測定装置から対
象物への距離の変化によって信号に焦点外れが起れば、
照射されたＰＳＤの種々の微小部分から発生する種々の
信号の和と考えられる一対の電気信号が、ＰＳＤに発生
する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
距離パラメ−タを第二レンズによって集光された拡散光
線と対象物に向けられた光線の間の偏差角度パラメ−タ
に一義的に関係付けることのできる光学三角測量システ
ムを用い、光信号を同等な電気信号に変換することので
きる検出システムを作動させることによって、検出手段
が発生した電気信号を簡単な数学的処理に付して測定さ
れる距離の正確な数値を出力することができ、高精度で
ありながら、構造を簡単にして、自身から対象物への距
離を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学装置の線図である。

【図２】図１の光学装置の処理回路のブロック線図であ
る。

【図３】図２の処理回路と協動する処理・駆動回路ブロ
ック（アナログまたはデジタル）を示す回路図である。

【図４】図３のアナログ処理・駆動ブロックの電気回路
図である。

【図５】アナログ処理・駆動回路ブロックと縱続接続し
た放射制御電気回路図である。

【図６】デジタル処理・駆動回路ブロックと縦続接続し
た放射制御電気回路図である。

【図７】図３のデジタル処理・駆動回路ブロックにおい
て、提供される二分探索法によって実行されるステップ
の略図である。

【符号の説明】

１…光学装置、２…対象物、３…ケース、４…光源、５
…第一収束レンズ、６…第二収束レンズ、７…検出手
段、８…処理手段、９…増幅回路、１０…処理回路、１
１…処理・駆動回路ブロック、１３…比較器、１４…温
度計付き計数器、１５…第一トランジスタ、１６…電気
抵抗、１７…アナログ／デジタル変換器、１８…ＰＷ
Ｍ、１９…低域通過フィルタ、２０…スイッチ、２１…
第二トランジスタ。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物２の距離を測定する光学装置１に
   おいて、 ケ−ス３と、 前記ケ−ス３に収納された第一収束レンズ５と、 前記ケ−ス３に収納され、前記第一収束レンズ５を通し
   て一つの照射方向に対象物２を照射する光源４と、 前記ケ−ス３に収納され、照射された前記対象物２によ
   って拡散された光線（拡散光線）を照射方向からある角
   度それた方向において集光させる位置に置かれた第二収
   束レンズ６と、 前記ケ−ス３に収納され、照射された前記対象物２によ
   って拡散され前記第二収束レンズ６を通して前記ケ−ス
   ３に侵入する光線を集光する位置に置かれた検出手段７
   とを備え、 前記光線は、その検出手段７上の入射点が前記対象物２
   からの距離の関数として変化するように、前記第二収束
   レンズ６によって前記検出手段７上に集光され、前記検
   出手段７は前記対象物２から来る前記拡散光線の入射点
   によって異なる大きさの二つの電気信号を発生するもの
   であり、さらに、 前記検出手段７が発生する電気信号を処理して、測定さ
   れた距離の数値を計算する処理手段８を備えたことを特
   徴とする光学装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記第一収束レンズ
   ５と前記第二収束レンズ６とは前記対象物２の支持平面
   にほぼ平行な方向で隣合わせに位置付けされた光学装
   置。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記光源４は前記第
   一収束レンズ５に向かって垂直な光軸をもつ光線を発生
   するように位置付けされた光学装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記検出手段７によ
   って発生される前記電気信号は二つの電流である光学装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記処理手段８は前
   記光源４が放射する光量を前記検出手段７への入射光量
   に応じて調節する処理回路１０を備えた光学装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、光の放射を入射光量
   の関数として調節する前記処理回路１０は、発生された
   前記電気信号の和が設定範囲内に入らない時のみ作動す
   る光学装置。
7. 【請求項７】 請求項５において、前記処理回路１０
   は、少なくとも二つの比較器１３と、温度計付き計数器
   １４と、第一トランジスタ１５と、並列に配設した複数
   の電気抵抗１６とを有するアナログ処理・駆動回路ブロ
   ック１１を備えた光学装置。
8. 【請求項８】 請求項５において、前記処理回路１０
   は、アナログ／デジタル変換器１７と、ＰＷＭ１８と、
   低域通過フィルタ１９と、スイッチ２０と、第二トラン
   ジスタ２１とを縦続接続したデジタル処理・駆動回路ブ
   ロック１１を備えた光学装置。
9. 【請求項９】 請求項１において、検出手段７は位置検
   知形検出器（ＰＳＤ）を備えた光学装置。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載の光学装置１から対象
    物２への距離を測定する方法において、 前記対象物２を前記第一収束レンズ５の前に位置付け、 前記光源４から前記第一収束レンズ５を通って来る光線
    で前記対象物２を照射し、 照射された前記対象物２によって拡散され前記対象物２
    の距離の関数として前記検出手段７上で位置の変わる入
    射点で、前記第二収束レンズ６を通って前記ケ−ス３に
    侵入する光を前記検出手段７に集光し、 前記対象物２から来る拡散光線の検出手段７上の入射位
    置により異なる大きさの二つの電気信号を発生させ、 測定距離の数値を計算するように検出手段７によって発
    生された電気信号を増幅し処理することを特徴とする距
    離測定方法。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記装置１は、
    検出手段７への入射光量に応じて処理手段８と協動して
    下記の工程により、光源４を制御して光源４からの放射
    光量を調節する処理・駆動回路ブロック１１を有する処
    理回路１０を備え、 前記工程は、 前記検知手段７によって発生された二つの電気信号の和
    を求め、二つの信号の一つをそれらの和で除して電気信
    号を表す数値を得、 前記和が設定範囲内に入っているかを確認し、範囲内で
    あれば距離の測定に進み、 前記和が設定範囲内に入っていない場合は、前記発生さ
    れた電気信号の和を設定範囲内に入る数値へ戻すように
    光源４制御用の処理・駆動回路ブロック１１に流れる電
    流を調節する対象物２の距離測定方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１において、前記デジタル処
    理・駆動回路ブロック１１は、前記発生された電気信号
    の和を適宜の時間に計算して光源４からの放射を調節
    し、かつ、 前記電気信号の和と設定範囲の最大および最小値とを比
    較し、前記和がその範囲よりも大きいか小さければ、こ
    の和と設定範囲の最小値または最大値との算術平均の関
    数である新しい放射値を計算し、 この新しく計算された放射値に基づいて、以前とは異な
    る大きさの光信号、およびこれによる異なる大きさの電
    気信号を発生するように、光源４制御用の処理・駆動回
    路ブロック１１に流れる電流を調節する新しい電気信号
    を発生し、 設定範囲内に入る発生された電気信号の和が見出される
    まで前記新しい電気信号の和とこの前記範囲内の最大お
    よび最小値との比較を繰り返す対象物２の距離測定方
    法。