JPS6262208A - 距離測定装置および距離測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光を測定して距離を測定する装置および測定方法、とく
にレーザー加工機におけるように被測定物が金属表面で
あって、投光された光の反射ムラ等による測定精度の劣
化が問題となるような距離測定装置および距離測定方法
に関する。

（従来の技術〕 第７図および第８図を用いて従来の距離測定装置および
測定方法を説明する。

第７図は従来の距離測定装置を示す図、第８図は従来の
測定方法を示すブロック図である。第７図において％Ａ
、Ｂ、Ｃはそれぞれ被測定物の位置を示し、ａ、ｂ、ｃ
はそれぞれ被測定物がＡの位置にある場合％Ｂの位置に
ある場合、Ｃの位置にある場合に対応する被測定物から
の反射光の受光素子（３）上の像位置を示す。

一般にこのような光を用いた三角測量による距離測定装
置および距離測定方法はオートフォーカスカメラ等の距
離検出手段として実用化され公知ではあるが、この発明
に係る技術分野のようにレーザー加工機等の距離検出手
段として用いられるためには、前述のオートフォーカス
カメラ等に用いられているようなラフな検出精度では使
用不可能である。そのため、第７図に示すこの分野にお
ける従来例ではとくに、被測定物に投射する光の指向性
を向上させるために発光素子（１）はレーザー発振器を
用いている。投光レンズ（２）はその焦点位置に発光素
子（１）の光源部が位置するように配置され、平行光束
としてスポット光を被測定物の表面に投射する。受光素
子（３）はＰＳＤ　（フォト、センシティブ、ディテク
ター）と称する受光素子であり。

スポット光を受光した位置に応じて電流量などの信号が
変化する特性を有する。この受光素子（３）の出力は微
弱であるため信号増幅器（８）で増幅され。

距離変換器ａ１により距離信号に変換される。次に測定
方法を説明する。発光素子（１）から発せられた光は投
光レンズ（２）によりスポット光として被測定物表面に
投射される（ステップｌ）。投射されたスポット光は被
測定物表面で乱反射され、ランダムな方向に反射する。

受光レンズ（４）は被測定物表面上のスポット光の像を
受光素子（３）の受光面上に結像する（ステップ２）。

受光素子は、光を受けた位置に応じて電流値が変化し、
スポット光の像が結像する位置に応じて一義的に被測定
物までの距離に対応する信号を出力する（ステップ８）
。

この信号は増幅され、さらに距離信号に変換される（ス
テップ４）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の距離測定装置および測定方法は以上で述べたとお
りであるが、実際上は金属表面などは表面あらさく表面
の凹凸）やキズなどにより微小領域中でも反射率のムラ
が生じ、第８図に示すように受光素子上に結像されたス
ポット光の像に欠けが生じる。

受光素子は受光面上に結像されたスポット光の重心の位
置を被測定物までの距離とみなして信号を出力するため
、前述のようにスポット光に欠けが生じると重心位置が
変わり、重心の移動量が被測定物までの測定距離の誤差
としてあられれる。

この発明は以上の点に鑑みてなされたものであり。

スポット光の欠けを補正して被測定物の位置を正しく測
定する装置および測定する方法を提供することを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段］ この発明に係る距離測定装置および距離測定方法を実施
例に相当する第１図および第２図を用いて説明する。

第１図に示す距離測定装置は従来の装置と比較して、投
光光路中にハーフミラ−１第２の受光レンズ、および第
２の受光素子を有し、また第１の受光素子の出力と第２
の受光素子の出力を合成し。

補正する補正器を有していることを特徴とする。

また、＠２図に示す距離測定方法は、従来の測定方法に
比べてスポット光の欠けを検出するための第２の受光を
するステップ、スポット光に対応する信号を出力するス
テップ、信号を左右反転するステップ、距離に対応する
信号と左右反転された信号を合成するステップを有する
ことを特徴としている。

〔作用〕

次に作用について述べる。第１図に示す距離測定装置に
おいて、第２の受光素子は第８図に示すように第１の受
光素子と相似したスポット光の像が結像されている。第
２の受光素子は図に示すように発光素子からの投光路上
に設けられているため、スポット光に欠けがなければ必
ず同じ位置すなわち受光素子の中央に結像され、出力も
一定であるが、スポット光に欠けが生じると、スポット
光の重心の位置が移動し、第２の受光素子の出力の変化
量がすなわちスポット光の欠けによって生じる距離測定
誤差となる。補正器により第２の受光素子の出力を左右
反転し、第１の受光素子の出力と合成することによって
スポット光の欠けを補正し、被測定物の正しい位置を測
定する。

〔発明の実施例〕

以下、この発明に係る距離測定装置の好適な一実施例を
第１図を用いて説明する。第１図において１発光素子（
１）はスポット光の直径が小さいことが必要であり、ま
た受光精度をあげるため十分なパワーを持つ必要がある
ためレーザー光源が用いられている。発光素子（１）か
らの出力光を平行光束として被測定物に投射するために
投光レンズ（２）が設けられている。第１の受光素子（
３）は例えばＰＳＤ（ポジション・センシティブ・ディ
テクター）と称する素子であって、受光レンズ（４）の
焦点の位置に設けられてあり、図に示すようにスポット
光の像が結像された位置に対応する信号（電流値の変化
等）を出力する。受光レンズ（４）は前述のように被測
定物からの反射光を集光して第１の受光素子（３）上に
結像する。Ａ、Ｂ、Ｃは被測定物の位置を示しｈ　ａ　
＠　ｂ　Ｉ　Ｃはそれぞれ被測定物がＡの位置にある場
合、Ｂの位置にある場合、Ｃの位置にある場合に対応す
る被測定物からの反射光の受光素子（３）上の像位置を
示す。発光素子（１）および投光レンズ（２）からなる
投光系および第１の受光素子（３）および受光レンズ（
４）からなる受光系は固定されているが、被測定物から
の反射光の結像位置は図に示すように、被測定物の位置
によってそれぞれ異った位置に結像される。これらは予
め設定されている投光系、受光系の位置関係により、被
測定物からの反射光の結像される位置が決まれば一義的
に被測定物の位置は決定される。投光系にはハーフミラ
−（７）が設けられてあり、被測定物からの反射光を第
２の受光素子（６）の方向へ反射させる。受光レンズ（
５）は第２の受光素子（６）の表面上に被測定物の表面
で反射されたスポット光の像を結像する。

この場合、前述の第１の受光素子（８）とは違って。

被測定物に投光した光のうちそのまま同じ光路をたどっ
て反射した光を受光するため、スポット光の像は必し同
じ位置埠生ずる。また１発光素子（１）の光源にレーザ
ー光を用いているが、レーザー光は一般にコヒーレント
である（可干渉性がある）ので、投光光路と受光光路が
一致する場合、干渉を起こして実際の被測定物表面上の
反射光の強度分布と、第２の受光素子（６）上のスポッ
ト光の像の強度分布が一致しない場合もありうる。レー
ザー光のコヒーレンシー（可干渉性）が問題となる場合
には、ファラデー素子等を光路中に設は発光素子（１）
からの射出光と被測定物からの反射光の振動面を回転さ
せ干渉を起こさせないようにするようにして解決するこ
とも可能である。

次に、この発明に係る距離測定方法を＠１図から第８図
を用いて説明する。

第１図において発光素子より発せられた光は平行光束か
らなるスポット光として被測定物の表面に投射される（
ステップ１０）。投射された光は被測定物表面上で乱反
射をおこし、ランダムな方向に散乱される。次に受光レ
ンズ（４）により第１の受光素子（３）の方向へ反射さ
れた光のみが集光され。

第１の受光素子（３）の表面上にスポット光の像が結像
される（ステップ１１）。第８図は受光素子（３）およ
び（６）の表面上に結像されたスポット光の像および受
光素子の関係を示す。スポット光に欠けが生じていない
場合、第１の受光素子（３）はスポット光の重心すなわ
ちこの場合スポットの中心を被測定物の位置であるとし
て、距離に対応する信号を出力する（ステップ１２）。

また第２の受光素子（６）は発光素子（１）からの投射
光路と、受光光路が一致しているため、スポット光に欠
けが生じていなければ必ず同じ位置に受光しくステップ
１４）、スポット光の重心はスポットの中心と一致し、
被測定物の位置に無関係に一定の信号を出力する（ステ
ップ１５）。ところが被測定物の表面にキズやその他凹
凸による反射率のバラツキが生じ、第８図に示すような
スポット光の欠けが生じた場合、第１および第２の受光
素子（３）および（６）はそれぞれスポット光の重心位
置に対応する信号を出力するため。

スポット光に欠けが生じていない場合と比較してその出
力信号はそれぞれスポット光の欠けによる誤差分を含ん
でいる。第１の受光素子（３）と第２の受光素子（６）
の表面に結像されたスポット光の像は反射方向が異なる
ため厳密には一致しないであろうが、はぼ相似の形状を
している。従って、第１の受光素子（３）の出力である
距離に対応する信号の含んでいる誤差量は、第２の受光
素子（６）のスポット光に欠けが生じた場合と、生じて
いない場合との出力の差に一致しているとみなすことが
できる。

そこで補正器（９）により＠１の受光素子（３）からの
距離に対応する信号に第２の受光素子（６）の出力を補
正量として合成する（ステップ１６）ことによってスポ
ット光の欠けによって生じた距離測定誤差は解決できる
。ただしこの場合、第１の受光素子（３）と第２の受光
素子竹屈力信号に含まれる誤差成分は同方向に生じてい
るため、前段に第２の受光素子（６）の出力特性を反転
させる。すなわち信号を左右反転させる手順（ステップ
１４）が必要である。

このようにして誤差成分を零となるように補正された信
号からスポット光の重心位置（信号のピーク位置）を検
出しくステップ１６）％さらに検出された重心位置から
距離変換器（ＩＱにより距離信号に変換される（ステッ
プ１８）。

以上説明した実施例は、第１および＠２の受光素子（３
）および（６）にＰＳＤと称するアナログ信号を出力す
る素子を用いているので、距離に対応する信号やスポッ
ト光に対応する信号等は全てアナログ信号で処理を行っ
ているが、第１および第２の受光素子（３）および（６
）にＭＯＳやＣＣＤで代表されるような微小受光素子を
ラインーＬに配置したイメージセンサを用いることも可
能である。この場合、受光素子表面上のスポット光の像
と受光素子との関係は第４図に示すようになる。また各
受光素子の出力は、スポット光の欠けが生じていない場
合は第５図（ａ）のようになり、またスポット光の欠け
が生じた場合は第６図（ｂ）のようになる。この場合も
第１の受光素子（３）と第２の受光素子（６）の出力は
ほぼ同一であるので、第６図に示すように第１の受光素
子の出力信号（実線）に左右反転された第２の受光素子
の出力信号（破線）を合成する（一点鎖線）ことにより
、スポット光の欠けによる誤差成分が補正されるととも
に、スポット光の重心に対応するピーク位置の信号が増
幅され１位置検出精度の向上がはかれる。

さらに１ＭＯ８やＣＣＤによるイメージセンサ−の場合
出力信号はデジタル化されているため補正器（９）を省
略し、直接マイクロコンピュータ等からなる演算処理装
置に出力信号を入力してソフトウェアプログラムによっ
て信号の左右反転等を行ない誤差補正を行なうことも可
能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明に係る距離測定装置およ
び距離測定方法を用いることにより、仮に被測定物の表
面にキズや凹凸による反転ムラが生じた場合でも誤差を
補正して精度の高い距離測定が行なえる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る距離測定装置の一実施例を示す
図、第２図はこの発明に係る距離測定方法を示すブロッ
ク図、第８図は受光素子の表面上に結像されたスポット
光の像およびスポット光の欠けを示す図、第４図は受光
素子がＣＣＤ等のイメージセンサである場合のスポット
光の像と各画素の関係を示す図、第５図係）および（ｂ
）は受光素子がＣＣＤ等のイメージセンサ−である場合
の出力特性を示す図、＠孕図は受光素子がＣＣＤ等のイ
メージセンサ−である場合の第１の受光素子の信号、左
右反転した＠２の受光素子の信号および合成され補正さ
れた距離に対応する信号の特性を示す図である。第７図
は従来の距離測定装置を示す図、第８図は従来の距離測
定方法を示すブロック図である。 図中、（１）は発光素子、（３）は第１の受光素子、（
６）は第２の受光素子、（９）は補正器である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物の表面にスポット光を投光する投光手段
   、 前記被測定物からの反射光を受光して被測定物までの距
   離に対応する距離信号を出力する第１の受光手段、 前記被測定物からの反射光を受光して前記スポット光の
   反射率のバラツキを補正するための補正信号を出力する
   第２の受光手段、 前記第２の受光手段からの補正信号を前記第１の受光手
   段からの距離信号に印加して前記距離信号を補正する補
   正手段、 を具備することを特徴とする距離測定装置。
2. （２）被測定物の表面にスポット光を投光し、前記被測
   定物からの反射光を受光して距離に対応した第１の信号
   を出力し、 前記被測定物からの反射光を受光して前記スポット光の
   反射率のバラツキを補正するための第２の信号を出力し
   、 前記第２の信号の出力の特性を反転し、 前記反転された第２の信号の出力を前記第１の信号に印
   加して誤差補正を行なう、 ことを特徴とする距離測定方法。