JPH0652171B2 - 光学式非接触位置測定装置 - Google Patents
光学式非接触位置測定装置Info
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- JPH0652171B2 JPH0652171B2 JP62027084A JP2708487A JPH0652171B2 JP H0652171 B2 JPH0652171 B2 JP H0652171B2 JP 62027084 A JP62027084 A JP 62027084A JP 2708487 A JP2708487 A JP 2708487A JP H0652171 B2 JPH0652171 B2 JP H0652171B2
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- JP
- Japan
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- optical axis
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- parallel
- line sensor
- plane
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 40
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は位置測定装置に関し、特に光学的に非接触で非
測定面の位置を測定する装置に関する。
測定面の位置を測定する装置に関する。
従来、この種の装置は、三角測量の原理を用い、被測定
面の位置の変化による角度の変化を光電変換素子を用い
て測定する装置と、被測定面の位置の定点からのずれ
（変位）によって生ずる像点のずれを光電変換素子によ
って検出し、サーボ機構によってそのずれを補償するよ
うに装置を移動し、その移動量を測定する補償法による
装置に大別される。
面の位置の変化による角度の変化を光電変換素子を用い
て測定する装置と、被測定面の位置の定点からのずれ
（変位）によって生ずる像点のずれを光電変換素子によ
って検出し、サーボ機構によってそのずれを補償するよ
うに装置を移動し、その移動量を測定する補償法による
装置に大別される。
第４図は三角測量の原理を用いた従来の変位測定装置を
示す図である。
示す図である。
レーザ光源（不図示）からのレーザビームは被測定面Ｓ
上の点Ｐで反射して、度盛円盤13にとり付けられテレス
コープ、スリットおよび光電変換素子によって構成され
ている角度検出器12に入射する。被測定面Ｓの、レーザ
ビーム方向の変位Δz による、角度検出器12の角度変化
は Δθ＝Δz ・sin φ／Ｒ ……（１） である。ここで、φは点Ｐと度盛円盤11の中心を結ぶ直
線とレーザビームのなす角度であり、Ｒは点Ｐと度盛円
盤13の中心との間の距離である。
上の点Ｐで反射して、度盛円盤13にとり付けられテレス
コープ、スリットおよび光電変換素子によって構成され
ている角度検出器12に入射する。被測定面Ｓの、レーザ
ビーム方向の変位Δz による、角度検出器12の角度変化
は Δθ＝Δz ・sin φ／Ｒ ……（１） である。ここで、φは点Ｐと度盛円盤11の中心を結ぶ直
線とレーザビームのなす角度であり、Ｒは点Ｐと度盛円
盤13の中心との間の距離である。
第５図は補償法による変位測定器の１例のナイフエッジ
型定点センサの構成図である。
型定点センサの構成図である。
やや発散したレーザ光線は微小ミラー７で反射されてレ
ンズ1Aに入射し、面Ｓ上の点Ｐで結像して反射される。
反射光は再びレンズ1Aに入射し点Ｑで結像する。ナイフ
エッジ遮へい板15は、その先端に設けられたナイフエッ
ジが点Ｑに位置決めされ、レンズ1Aの光軸に垂直に配設
されている。また、受光ダイオード16A ，16B は光軸と
ナイフエッジによって定義される平面について面対称に
配置されている。定点センサ14全体は、サーボ機構によ
って移動され、その移動量は計測される。被測定面Ｓが
点Ｐにあるとき（結像点が点Ｑにあるとき）、受光ダイ
オード16A ，16B の差動出力ＥＡ−ＥＢが０になるよう
に装置は予め調節されている。被測定面Ｓが点Ｐからず
れて、結像点が点Ｑからずれると、受光ダイオード16A
または16B に入射する光の一部がナイフエッジ遮へい板
15によって遮へいされ、差動出力ＥＡ−ＥＢが０でなく
なる。サーボ機構は、この差動出力を０にするように定
点センサ14を移動させ、その移動量を測定することによ
り被測定面Ｓの変位を知ることができる。
ンズ1Aに入射し、面Ｓ上の点Ｐで結像して反射される。
反射光は再びレンズ1Aに入射し点Ｑで結像する。ナイフ
エッジ遮へい板15は、その先端に設けられたナイフエッ
ジが点Ｑに位置決めされ、レンズ1Aの光軸に垂直に配設
されている。また、受光ダイオード16A ，16B は光軸と
ナイフエッジによって定義される平面について面対称に
配置されている。定点センサ14全体は、サーボ機構によ
って移動され、その移動量は計測される。被測定面Ｓが
点Ｐにあるとき（結像点が点Ｑにあるとき）、受光ダイ
オード16A ，16B の差動出力ＥＡ−ＥＢが０になるよう
に装置は予め調節されている。被測定面Ｓが点Ｐからず
れて、結像点が点Ｑからずれると、受光ダイオード16A
または16B に入射する光の一部がナイフエッジ遮へい板
15によって遮へいされ、差動出力ＥＡ−ＥＢが０でなく
なる。サーボ機構は、この差動出力を０にするように定
点センサ14を移動させ、その移動量を測定することによ
り被測定面Ｓの変位を知ることができる。
上述した三角測量による変位測定装置では、式(1) から
明らかなように、任意のΔz に対して、φがπ／２に等
しいときΔθは最大になるので、レーザビームに対して
直角に近い方向に角度検出器12を置くことが望ましい
が、この場合には第６図に示されているようなシャドウ
効果（反射光が突出部によって遮られて検出器に入射し
ない現象）が起こるおそれがあるという欠点がある。
明らかなように、任意のΔz に対して、φがπ／２に等
しいときΔθは最大になるので、レーザビームに対して
直角に近い方向に角度検出器12を置くことが望ましい
が、この場合には第６図に示されているようなシャドウ
効果（反射光が突出部によって遮られて検出器に入射し
ない現象）が起こるおそれがあるという欠点がある。
また、第５図のナイフエッジ型定点センサは被測定面に
発散光束が入射するため、被測定面の位置が変化すると
像の位置ばかりでなく大きさも変化するのでサーボ機構
を用いなければ位置測定をすることができず、また、被
測定面が傾いていて反射光線の強度分布が光軸に対して
軸対称になっていない場合には精度の高い測定値が得ら
れないという欠点がある。
発散光束が入射するため、被測定面の位置が変化すると
像の位置ばかりでなく大きさも変化するのでサーボ機構
を用いなければ位置測定をすることができず、また、被
測定面が傾いていて反射光線の強度分布が光軸に対して
軸対称になっていない場合には精度の高い測定値が得ら
れないという欠点がある。
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、被測定面が複
雑な３次元自由曲面で、反射率、粗さ、曲率、反射面の
傾斜角が異っても精度よく、かつ、死角（シャドウ効
果）を生ずることなく、被測定面の変位を広範囲に非接
触で測定することができる光学式非接触位置測定装置を
提供することである。
雑な３次元自由曲面で、反射率、粗さ、曲率、反射面の
傾斜角が異っても精度よく、かつ、死角（シャドウ効
果）を生ずることなく、被測定面の変位を広範囲に非接
触で測定することができる光学式非接触位置測定装置を
提供することである。
本発明の光学式非接触位置測定装置は、光軸に平行で中
心に孔を有する凸レンズと、前記凸レンズに隣接して被
測定面と反対側に前記光軸に垂直に設置されていて光軸
との交点に孔を有し、さらに２個の平行な直線スリット
を有する遮へい板と、平行光線を発生する平行光線発生
手段と、前記平行光線発生手段から出射された平行光線
を前記光軸上に反射し、前記遮へい板の孔および前記凸
レンズの中心の孔を経て被測定面に入射させる反射手段
と、ＣＣＤラインセンサと、前記遮へい板と前記ＣＣＤ
ラインセンサの間に配設された円筒レンズと、前記ＣＣ
Ｄラインセンサの出力を入力として、被測定面の位置を
算出する演算手段を有し、前記直線スリットは、いずれ
も前記光軸を含む所定の平面に垂直になるように設けら
れ、前記ＣＣＤラインセンサは前記所定の平面内に、か
つ遮へい板に平行に設置され、前記円筒レンズは、母線
がＣＣＤラインセンサに平行で前記所定に平面について
面対称に配置されている。
心に孔を有する凸レンズと、前記凸レンズに隣接して被
測定面と反対側に前記光軸に垂直に設置されていて光軸
との交点に孔を有し、さらに２個の平行な直線スリット
を有する遮へい板と、平行光線を発生する平行光線発生
手段と、前記平行光線発生手段から出射された平行光線
を前記光軸上に反射し、前記遮へい板の孔および前記凸
レンズの中心の孔を経て被測定面に入射させる反射手段
と、ＣＣＤラインセンサと、前記遮へい板と前記ＣＣＤ
ラインセンサの間に配設された円筒レンズと、前記ＣＣ
Ｄラインセンサの出力を入力として、被測定面の位置を
算出する演算手段を有し、前記直線スリットは、いずれ
も前記光軸を含む所定の平面に垂直になるように設けら
れ、前記ＣＣＤラインセンサは前記所定の平面内に、か
つ遮へい板に平行に設置され、前記円筒レンズは、母線
がＣＣＤラインセンサに平行で前記所定に平面について
面対称に配置されている。
反射手段によって凸レンズの中心の孔から出射された平
行光線が測定系の光軸上に出射され、反射光が同じ光軸
を有する光学系で観測されるため、死角は存在しない。
行光線が測定系の光軸上に出射され、反射光が同じ光軸
を有する光学系で観測されるため、死角は存在しない。
被測定面からの反射光がレンズ系およびスリットによっ
てＣＣＤラインセンサ上に結像する位置についての情報
は、ＣＣＤラインセンサの、光が入射したＣＣＤ素子の
アドレスから得られる。すなわち、出力電圧が極大にな
るＣＣＤ素子番号が必要な情報であるから、従来のアナ
ログ光電変換出力を用いる装置のように検出器への入射
光の強さまたは光量の変化に測定値が依存することはな
く、したがって被測定面の反射率や外部からの妨害信号
に影響されない再現性のある測定結果が得られる。ま
た、ＣＣＤラインセンサによる結像位置検出は、従来技
術のように光の強度分布がレンズの光軸に関して軸対称
であることを前提にしていない。したがって、被測定面
が光軸に対して垂直でなく、その結果、光の強度分布が
光軸に関して非対称であっても測定結果は影響されな
い。
てＣＣＤラインセンサ上に結像する位置についての情報
は、ＣＣＤラインセンサの、光が入射したＣＣＤ素子の
アドレスから得られる。すなわち、出力電圧が極大にな
るＣＣＤ素子番号が必要な情報であるから、従来のアナ
ログ光電変換出力を用いる装置のように検出器への入射
光の強さまたは光量の変化に測定値が依存することはな
く、したがって被測定面の反射率や外部からの妨害信号
に影響されない再現性のある測定結果が得られる。ま
た、ＣＣＤラインセンサによる結像位置検出は、従来技
術のように光の強度分布がレンズの光軸に関して軸対称
であることを前提にしていない。したがって、被測定面
が光軸に対して垂直でなく、その結果、光の強度分布が
光軸に関して非対称であっても測定結果は影響されな
い。
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
る。
第１図は本発明の光学式非接触位置測定装置の一実施例
の要部の断面図、第２図は第１図の装置の光学系の要部
の配置を示す図、第３図は第１図のＣＣＤラインセンサ
10の出力信号を示す図である。
の要部の断面図、第２図は第１図の装置の光学系の要部
の配置を示す図、第３図は第１図のＣＣＤラインセンサ
10の出力信号を示す図である。
焦点距離ｆが36mmの凸レンズ１の中心には光軸２に平行
に直径約 3mmの孔３が設けられている。凸レンズ１に隣
接して被測定面と反対側に遮へい板４が、光軸２に垂直
に配置され、遮へい板４の光軸２との交点に直径約 3mm
の孔５が設けられている。また、遮へい板４には、幅が
0.1mm の２本の平行な直線スリット6A，6Bが設けられ、
それぞれのスリット6A，6Bは光軸２を含む１つの平面を
対称面（以下鉛直対称面20と記す）として面対称に設け
られている。本実施例では、スリット6A，6Bは、光軸２
を含み、かつ鉛直対称面に直交する平面（以下、水平対
称面21と記す）に対して対称に（上下対称）に24mmの間
隔で配置されている。He−Neレーザ光源９から出射した
平行光線はミラー８で反射され、さらに光軸２上に配設
された微小ミラー７で光軸２上に反射される。ＣＣＤラ
インセンサ10は、遮へい板４からの距離ｌが 100mmの位
置に、鉛直対称面20内に遮へい板４に平行に設置されて
いる。円筒レンズ11は、その母線22がＣＣＤラインセン
サ10と平行になる向きに、かつ、鉛直対称面20について
面対称になるように配設されている。
に直径約 3mmの孔３が設けられている。凸レンズ１に隣
接して被測定面と反対側に遮へい板４が、光軸２に垂直
に配置され、遮へい板４の光軸２との交点に直径約 3mm
の孔５が設けられている。また、遮へい板４には、幅が
0.1mm の２本の平行な直線スリット6A，6Bが設けられ、
それぞれのスリット6A，6Bは光軸２を含む１つの平面を
対称面（以下鉛直対称面20と記す）として面対称に設け
られている。本実施例では、スリット6A，6Bは、光軸２
を含み、かつ鉛直対称面に直交する平面（以下、水平対
称面21と記す）に対して対称に（上下対称）に24mmの間
隔で配置されている。He−Neレーザ光源９から出射した
平行光線はミラー８で反射され、さらに光軸２上に配設
された微小ミラー７で光軸２上に反射される。ＣＣＤラ
インセンサ10は、遮へい板４からの距離ｌが 100mmの位
置に、鉛直対称面20内に遮へい板４に平行に設置されて
いる。円筒レンズ11は、その母線22がＣＣＤラインセン
サ10と平行になる向きに、かつ、鉛直対称面20について
面対称になるように配設されている。
次に、本実施例の動作について説明する。
微小ミラー７によって光軸２上に反射されたレーザ光は
遮へい板４および凸レンズ１の孔５および３を通過して
非測定面Ｓで反射される。反射光は凸レンズ１に入射し
て屈折し、スリット6A，6Bを通過して円筒レンズ11によ
って、その母線22に垂直な向きに屈折してＣＣＤライン
センサ10上に収束する。被測定面Ｓ上のレーザ光の入射
点が凸レンズ１の焦点Ｆであるときには、スリット6A，
6Bを通過した光線は平行ななるが（第１図実線の光
路）、被測定面Ｓが変位してレーザ光が点Ｐに入射する
と、スリット6A，6Bを通過した光線は発散または収束す
る（第１図点線の光路）。被測定面Ｓが変位してレーザ
光の入射点がＦからΔz だけ変位したとき、２つの光線
が入射するＣＣＤ素子間隔ｘは で与えられる。したがってｄ＝24mm、ｌ＝ 100mm、ｆ＝
36mmを代入し、ｘを求めれば、Δz を計算によって求め
ることができる。ｘは、ＣＣＤ出力のピーク間隔をＣＣ
Ｄラインセンサ番号から求めることにより容易に求めら
れる。
遮へい板４および凸レンズ１の孔５および３を通過して
非測定面Ｓで反射される。反射光は凸レンズ１に入射し
て屈折し、スリット6A，6Bを通過して円筒レンズ11によ
って、その母線22に垂直な向きに屈折してＣＣＤライン
センサ10上に収束する。被測定面Ｓ上のレーザ光の入射
点が凸レンズ１の焦点Ｆであるときには、スリット6A，
6Bを通過した光線は平行ななるが（第１図実線の光
路）、被測定面Ｓが変位してレーザ光が点Ｐに入射する
と、スリット6A，6Bを通過した光線は発散または収束す
る（第１図点線の光路）。被測定面Ｓが変位してレーザ
光の入射点がＦからΔz だけ変位したとき、２つの光線
が入射するＣＣＤ素子間隔ｘは で与えられる。したがってｄ＝24mm、ｌ＝ 100mm、ｆ＝
36mmを代入し、ｘを求めれば、Δz を計算によって求め
ることができる。ｘは、ＣＣＤ出力のピーク間隔をＣＣ
Ｄラインセンサ番号から求めることにより容易に求めら
れる。
本実施例の測定範囲は凸レンズ１の焦点を基準としてΔ
z ＝−２〜＋22mmであり、この装置によって分解できる
変位は、ＣＣＤラインセンサ10が2059素子の場合約12μ
ｍである。
z ＝−２〜＋22mmであり、この装置によって分解できる
変位は、ＣＣＤラインセンサ10が2059素子の場合約12μ
ｍである。
なお、本実施例においてはスリット6A，6Bは鉛直対称面
20と水平対称面21の両方について面対称になるように設
けてあるが、スリット6A，6Bは鉛直対称面に垂直であれ
ばよく、必ずしも鉛直対称面20、水平対称面21について
対称である必要はない。
20と水平対称面21の両方について面対称になるように設
けてあるが、スリット6A，6Bは鉛直対称面に垂直であれ
ばよく、必ずしも鉛直対称面20、水平対称面21について
対称である必要はない。
以上説明したように本発明は、 (1) 位置検出手段としてＣＣＤラインセンサを用い、被
測定面で反射して２個のスリットを通過した光線をＣＣ
Ｄラインセンサ上に収束させることにより、被測定面の
変位Δz がピーク出力のＣＣＤラインセンサ番号のみに
依存するようにすることができ、その結果、被測定面の
反射率、粗さ、曲率、傾きによる影響が低減され、(2)
レンズ系の光軸上に平行光線を出射し、反射光を同じ光
軸の光学系でひろうため、測定の死角が生ぜず、(3) 被
接触測定であるので接触測定では支障のある弾性体、軟
体、または高温容器中の物体等の変位測定にも用いるこ
とができる効果がある。
測定面で反射して２個のスリットを通過した光線をＣＣ
Ｄラインセンサ上に収束させることにより、被測定面の
変位Δz がピーク出力のＣＣＤラインセンサ番号のみに
依存するようにすることができ、その結果、被測定面の
反射率、粗さ、曲率、傾きによる影響が低減され、(2)
レンズ系の光軸上に平行光線を出射し、反射光を同じ光
軸の光学系でひろうため、測定の死角が生ぜず、(3) 被
接触測定であるので接触測定では支障のある弾性体、軟
体、または高温容器中の物体等の変位測定にも用いるこ
とができる効果がある。
第１図は本発明の光学式非接触位置測定装置の一実施例
の構成図、第２図は第１図の装置の光学系の要部の配置
を示す図、第３図は第１図のＣＣＤライセンサ10の出力
信号を示す図、第４図は三角測量の原理を用いた従来の
変位測定装置を示す図、第５図は補償法による変位測定
器の１例のナイフエッジ型定点センサの構成図、第６図
はシャドウ効果を説明する図である。 １……凸レンズ、 ２……光軸、 ３，５……孔、 ４……遮へい板、 6A，6B……スリット、 ７……微小ミラー、 ８……ミラー、 ９……He−Neレーザ光源、 10……ＣＣＤラインセンサ、 11……円筒レンズ、 20……鉛直対称面、 21……水平対称面、 22……母線。
の構成図、第２図は第１図の装置の光学系の要部の配置
を示す図、第３図は第１図のＣＣＤライセンサ10の出力
信号を示す図、第４図は三角測量の原理を用いた従来の
変位測定装置を示す図、第５図は補償法による変位測定
器の１例のナイフエッジ型定点センサの構成図、第６図
はシャドウ効果を説明する図である。 １……凸レンズ、 ２……光軸、 ３，５……孔、 ４……遮へい板、 6A，6B……スリット、 ７……微小ミラー、 ８……ミラー、 ９……He−Neレーザ光源、 10……ＣＣＤラインセンサ、 11……円筒レンズ、 20……鉛直対称面、 21……水平対称面、 22……母線。
Claims (1)
- 【請求項１】光軸に平行で中心に孔を有する凸レンズ
と、 前記凸レンズに隣接して被測定面と反対側に前記光軸に
垂直に設置されていて光軸との交点に孔を有し、さらに
２個の平行な直線スリットを有する遮へい板と、 平行光線を発生する平行光線発生手段と、 前記平行光線発生手段から出射された平行光線を前記光
軸上に反射し、前記遮へい板の孔および前記凸レンズの
中心の孔を経て被測定面に入射させる反射手段と、 ＣＣＤラインセンサと、 前記遮へい板と前記ＣＣＤラインセンサの間に配設され
た円筒レンズと、 前記ＣＣＤラインセンサの出力を入力として、被測定面
の位置を算出する演算手段を有し、 前記直線スリットは、いずれも前記光軸を含む所定の平
面に垂直になるように設けられ、前記ＣＣＤラインセン
サは前記所定の平面内に、かつ遮へい板に平行に設置さ
れ、前記円筒レンズは、母線がＣＣＤラインセンサに平
行で前記所定の平面について面対称に配置されている光
学式非接触位置測定位置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62027084A JPH0652171B2 (ja) | 1987-02-10 | 1987-02-10 | 光学式非接触位置測定装置 |
| US07/154,198 US4897536A (en) | 1987-02-10 | 1988-02-10 | Optical axis displacement sensor with cylindrical lens means |
| EP88101956A EP0279347B1 (en) | 1987-02-10 | 1988-02-10 | Optical axis displacement sensor |
| DE88101956T DE3880854T2 (de) | 1987-02-10 | 1988-02-10 | Optische Achsenverschiebungsfühler. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62027084A JPH0652171B2 (ja) | 1987-02-10 | 1987-02-10 | 光学式非接触位置測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63195513A JPS63195513A (ja) | 1988-08-12 |
| JPH0652171B2 true JPH0652171B2 (ja) | 1994-07-06 |
Family
ID=12211209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62027084A Expired - Lifetime JPH0652171B2 (ja) | 1987-02-10 | 1987-02-10 | 光学式非接触位置測定装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4897536A (ja) |
| EP (1) | EP0279347B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0652171B2 (ja) |
| DE (1) | DE3880854T2 (ja) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3920133A1 (de) * | 1989-06-20 | 1991-01-03 | Siemens Ag | Optischer sensor zur untersuchung der lage und/oder der kontur eines objekts |
| EP0432228A1 (fr) * | 1989-06-28 | 1991-06-19 | Michel Baikrich | Dispositif de divergence et de marquage pour pointeur de cible |
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