JPH11257917A - 反射型光式センサ - Google Patents
反射型光式センサInfo
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- JPH11257917A JPH11257917A JP6152098A JP6152098A JPH11257917A JP H11257917 A JPH11257917 A JP H11257917A JP 6152098 A JP6152098 A JP 6152098A JP 6152098 A JP6152098 A JP 6152098A JP H11257917 A JPH11257917 A JP H11257917A
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- Japan
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- light
- lens
- distance
- light receiving
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 拡散反射特性を持つ検出物体の傾きの如何に
かかわらず物体までの距離とその傾き角度を検出するこ
と。 【解決手段】 投光部より円形の形状を有する集束光を
投光し、検出物体4から拡散反射光を受光する。その拡
散反射光をレンズを介して受光する。受光スポットの径
が物体までの距離に応じて一意に変化する領域におい
て、受光スポットの変形状態に基づいて、物体までの距
離と物体の傾き角度とを検出している。
かかわらず物体までの距離とその傾き角度を検出するこ
と。 【解決手段】 投光部より円形の形状を有する集束光を
投光し、検出物体4から拡散反射光を受光する。その拡
散反射光をレンズを介して受光する。受光スポットの径
が物体までの距離に応じて一意に変化する領域におい
て、受光スポットの変形状態に基づいて、物体までの距
離と物体の傾き角度とを検出している。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は非接触で拡散反射光
が含まれる検出物体の傾き角度や検出物体までの距離及
び物体の変位を検出するための反射型光式センサに関す
るものである。
が含まれる検出物体の傾き角度や検出物体までの距離及
び物体の変位を検出するための反射型光式センサに関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来距離測定装置としては、三角測距法
による距離測定装置が用いられている。これは図9に示
すように投光素子101より投光レンズ102を介して
光を物体検知領域に照射し、その拡散反射光を投光ビー
ムから所定角度隔たった角度で投光部と離れて配置され
たレンズ103及び位置検出素子104によって検知
し、その受光位置に基づいて距離を検出するようにした
ものである。又光ディスクのピックアップ等では、投光
軸と受光軸とを一致させ、投光部より対物レンズを介し
て光を光ディスクに照射し、光ディスクの位置で焦点を
結ぶように対物レンズの位置を変化させ、その移動量に
よって距離を測定するようにした方法も用いられてい
る。更に特開平5−310816号等では、カメラを用
いて受光スポット径を測定するようにした方法も提案さ
れている。
による距離測定装置が用いられている。これは図9に示
すように投光素子101より投光レンズ102を介して
光を物体検知領域に照射し、その拡散反射光を投光ビー
ムから所定角度隔たった角度で投光部と離れて配置され
たレンズ103及び位置検出素子104によって検知
し、その受光位置に基づいて距離を検出するようにした
ものである。又光ディスクのピックアップ等では、投光
軸と受光軸とを一致させ、投光部より対物レンズを介し
て光を光ディスクに照射し、光ディスクの位置で焦点を
結ぶように対物レンズの位置を変化させ、その移動量に
よって距離を測定するようにした方法も用いられてい
る。更に特開平5−310816号等では、カメラを用
いて受光スポット径を測定するようにした方法も提案さ
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら三角測距
法による距離測定装置は、物体から投光軸と傾いた方向
の反射光を位置検出素子等で受光するため、センサの検
出面を小さくすることが難しく、又図9に一点鎖線で示
すように半径の小さい筒内の距離や小さい孔を通しての
距離測定が不可能であるという欠点があった。又検出物
体の端面に光が入射した場合には、その影響を受けて検
出距離の誤動作を生じることがある。このようなエッジ
の影響を除去するために受光手段を複数設ける場合があ
り、この場合には更に距離測定装置の検出面が大きくな
り、使用上問題があるという欠点があった。
法による距離測定装置は、物体から投光軸と傾いた方向
の反射光を位置検出素子等で受光するため、センサの検
出面を小さくすることが難しく、又図9に一点鎖線で示
すように半径の小さい筒内の距離や小さい孔を通しての
距離測定が不可能であるという欠点があった。又検出物
体の端面に光が入射した場合には、その影響を受けて検
出距離の誤動作を生じることがある。このようなエッジ
の影響を除去するために受光手段を複数設ける場合があ
り、この場合には更に距離測定装置の検出面が大きくな
り、使用上問題があるという欠点があった。
【0004】又光ピックアップ等で用いられる焦点検出
装置は、臨界角法や非点収差法,ナイフエッジ法等が実
用化されている。しかしこのような焦点検出装置はプリ
ズムや収差発生手段,ナイフエッジ等が必要となるた
め、光学部品が多数必要で構成が複雑となり、組立調整
が難しいという欠点があった。又このような焦点検出を
用いた変位センサは焦点付近でしか距離測定ができない
ため、測定範囲が狭いという問題点があった。
装置は、臨界角法や非点収差法,ナイフエッジ法等が実
用化されている。しかしこのような焦点検出装置はプリ
ズムや収差発生手段,ナイフエッジ等が必要となるた
め、光学部品が多数必要で構成が複雑となり、組立調整
が難しいという欠点があった。又このような焦点検出を
用いた変位センサは焦点付近でしか距離測定ができない
ため、測定範囲が狭いという問題点があった。
【0005】又非接触で物体の角度を検出するためには
複数の距離測定装置を並列に配置し、各測定装置に得ら
れる距離の相対値や角度を検出することが考えられる
が、測定装置全体が大きくなり構造が複雑になるという
欠点があった。
複数の距離測定装置を並列に配置し、各測定装置に得ら
れる距離の相対値や角度を検出することが考えられる
が、測定装置全体が大きくなり構造が複雑になるという
欠点があった。
【0006】本発明はこのような従来の問題点に着目し
てなされたものであって、拡散反射する物体に対して集
束光を投光し、その反射光のスポットの変化に基づいて
物体までの距離と角度とを検出することを目的とする。
てなされたものであって、拡散反射する物体に対して集
束光を投光し、その反射光のスポットの変化に基づいて
物体までの距離と角度とを検出することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本願の請求項1の発明
は、投光手段と、前記投光手段より出射された光を検知
領域に集束すると共に、検知領域にある検出物体からの
反射光を投光軸と同軸に集光するレンズと、前記レンズ
を介して集光された物体からの反射光を受光する2次元
の受光素子を有する受光手段と、前記受光手段の各画素
に得られる受光レベルに基づいて受光パターンを検出す
ると共に、投光軸に対する検出物体の傾きによって変化
する受光パターンの中心の位置ずれ量により検出物体と
投光軸のなす角度を検出する演算処理手段と、を有し、
前記投光手段から前記レンズまでの距離をLa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をLb 、
前記レンズから受光手段までの距離をLd 、前記レンズ
の焦点距離をfとすると、0<Ld ≦(f+La )/2
となるように各光学部品を配置することを特徴とするも
のである。
は、投光手段と、前記投光手段より出射された光を検知
領域に集束すると共に、検知領域にある検出物体からの
反射光を投光軸と同軸に集光するレンズと、前記レンズ
を介して集光された物体からの反射光を受光する2次元
の受光素子を有する受光手段と、前記受光手段の各画素
に得られる受光レベルに基づいて受光パターンを検出す
ると共に、投光軸に対する検出物体の傾きによって変化
する受光パターンの中心の位置ずれ量により検出物体と
投光軸のなす角度を検出する演算処理手段と、を有し、
前記投光手段から前記レンズまでの距離をLa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をLb 、
前記レンズから受光手段までの距離をLd 、前記レンズ
の焦点距離をfとすると、0<Ld ≦(f+La )/2
となるように各光学部品を配置することを特徴とするも
のである。
【0008】本願の請求項2の発明は、投光手段と、前
記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると共
に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と同
軸に集光するレンズと、前記レンズを介して集光された
物体からの反射光を受光する2次元の受光素子を有する
受光手段と、前記受光手段の各画素に得られる受光レベ
ルに基づいて受光パターンを検出すると共に、投光軸に
対する検出物体の傾きによって変化する受光パターンの
中心の位置ずれ量と受光スポット径により検出物体と投
光軸のなす角度及び投光軸上の距離を検出する演算処理
手段と、を有し、前記投光手段から前記レンズまでの距
離をLa 、前記レンズから出射光の検知領域の集束点ま
での距離をLb 、前記レンズから受光手段までの距離を
Ld 、前記レンズの焦点距離をfとすると、0<Ld ≦
(f+La )/2となるように各光学部品を配置するこ
とを特徴とするものである。
記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると共
に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と同
軸に集光するレンズと、前記レンズを介して集光された
物体からの反射光を受光する2次元の受光素子を有する
受光手段と、前記受光手段の各画素に得られる受光レベ
ルに基づいて受光パターンを検出すると共に、投光軸に
対する検出物体の傾きによって変化する受光パターンの
中心の位置ずれ量と受光スポット径により検出物体と投
光軸のなす角度及び投光軸上の距離を検出する演算処理
手段と、を有し、前記投光手段から前記レンズまでの距
離をLa 、前記レンズから出射光の検知領域の集束点ま
での距離をLb 、前記レンズから受光手段までの距離を
Ld 、前記レンズの焦点距離をfとすると、0<Ld ≦
(f+La )/2となるように各光学部品を配置するこ
とを特徴とするものである。
【0009】本願の請求項3の発明は、請求項2の反射
型光式センサにおいて、前記演算処理手段は、検出物体
までの距離として得られた距離の変化分と検出物体の傾
き角度に基づいて、検出物体の検出面からの法線方向へ
の変位を得る物体変位検出手段を更に有することを特徴
とするものである。
型光式センサにおいて、前記演算処理手段は、検出物体
までの距離として得られた距離の変化分と検出物体の傾
き角度に基づいて、検出物体の検出面からの法線方向へ
の変位を得る物体変位検出手段を更に有することを特徴
とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は本発明による反射型光式セ
ンサの光学系の主要部を示す図である。本図に示すよう
に光源1が配置される投光面からの光はハーフミラー
2,レンズ3を介して物体検知領域に集束される。そし
てレンズ3から検出物体4までの距離をL、検出物体4
を拡散反射物体とすると、検出物体4からの拡散反射光
がレンズ3によって集光される。そしてその反射光の一
部がハーフミラー2によって反射され、受光部5に入射
する。検出物体4から正反射光が含まれる場合は、あら
かじめ特定方向の偏光成分の光を出射し、正反射光を偏
光フィルタで遮光して拡散反射光のみを集光する。従っ
て受光部5は投光軸と同一の受光軸を中心とする反射光
を受光することとなる。ここで La :光源1の投光面とレンズ3との距離 Lb :レンズ3からレンズ3を透過した光が集束する点
までの距離 Lc :レンズ3と受光部5の集光面の距離 Ld :レンズ3と受光面間の距離 L:レンズ3と検出物体間の距離 f:レンズ3の焦点距離 d:レンズ径 Da :投光素子の発光径 Do :物体面でのスポット径 Db :物体側の集光面でのスポット径 Dc :受光側の集光面でのスポット径 D:受光面でのスポット径 とすると、レンズの公式より次式が成り立つ。
ンサの光学系の主要部を示す図である。本図に示すよう
に光源1が配置される投光面からの光はハーフミラー
2,レンズ3を介して物体検知領域に集束される。そし
てレンズ3から検出物体4までの距離をL、検出物体4
を拡散反射物体とすると、検出物体4からの拡散反射光
がレンズ3によって集光される。そしてその反射光の一
部がハーフミラー2によって反射され、受光部5に入射
する。検出物体4から正反射光が含まれる場合は、あら
かじめ特定方向の偏光成分の光を出射し、正反射光を偏
光フィルタで遮光して拡散反射光のみを集光する。従っ
て受光部5は投光軸と同一の受光軸を中心とする反射光
を受光することとなる。ここで La :光源1の投光面とレンズ3との距離 Lb :レンズ3からレンズ3を透過した光が集束する点
までの距離 Lc :レンズ3と受光部5の集光面の距離 Ld :レンズ3と受光面間の距離 L:レンズ3と検出物体間の距離 f:レンズ3の焦点距離 d:レンズ径 Da :投光素子の発光径 Do :物体面でのスポット径 Db :物体側の集光面でのスポット径 Dc :受光側の集光面でのスポット径 D:受光面でのスポット径 とすると、レンズの公式より次式が成り立つ。
【数1】 又投光面でのスポット径はレンズ倍率の式より次式が成
り立つ。
り立つ。
【数2】 物体面でのスポット径Do は次式で求められる。
【数3】
【0011】さて検出物体4を拡散反射物体と考えてい
るため、検出物体4に照射した光は光源と考えることが
でき、この仮想の光源とレンズ3との距離L、及びレン
ズ3から受光側の集光面までの距離Lc の間は、レンズ
の公式により次式が成り立つ。
るため、検出物体4に照射した光は光源と考えることが
でき、この仮想の光源とレンズ3との距離L、及びレン
ズ3から受光側の集光面までの距離Lc の間は、レンズ
の公式により次式が成り立つ。
【数4】 又集光面でのスポット径Dc は次式で求められる。
【数5】
【0012】従ってレンズ3の背後のLd の位置に受光
部5の受光面を配置したときに、受光素子に得られる受
光面でのスポット径Dは次式で求められる。
部5の受光面を配置したときに、受光素子に得られる受
光面でのスポット径Dは次式で求められる。
【数6】
【0013】ここでLd ≦Lc ならば、検出面までの距
離Lが投光集束点までの距離Lb よりも大きい(L≧L
b )ときに受光スポットサイズDは一定となる。以下に
この関係が成り立つことを説明する。
離Lが投光集束点までの距離Lb よりも大きい(L≧L
b )ときに受光スポットサイズDは一定となる。以下に
この関係が成り立つことを説明する。
【0014】L≧Lb においてこの現象が生じるため、
スポットサイズDo としては前述した式(3−2)を用
いる。Ld ≦Lc について検討するため、前述した式
(6−3)を用いる。ここで式(6−3)を変形し、
(3−2)を代入して受光面でのスポット径Dを示す
と、次式(7)が得られる。
スポットサイズDo としては前述した式(3−2)を用
いる。Ld ≦Lc について検討するため、前述した式
(6−3)を用いる。ここで式(6−3)を変形し、
(3−2)を代入して受光面でのスポット径Dを示す
と、次式(7)が得られる。
【数7】 以上よりLd ≦Lc ならばL≧Lb においてdD/dL
=0となり、受光スポット径Dは一定となる。
=0となり、受光スポット径Dは一定となる。
【0015】図2(a)〜(d)は距離Lの変化と受光
スポット径の関係を示しており、図を明確にするため、
本図では投光側の光のラインを簡略化しハーフミラー2
を除いている。
スポット径の関係を示しており、図を明確にするため、
本図では投光側の光のラインを簡略化しハーフミラー2
を除いている。
【0016】次にLd =La 及びLa >Ld ,La <L
d の場合を夫々曲線A,B,Cとして、距離に対する受
光スポット径の関係を図3に示す。このように曲線B,
CではLd ≧Lc となる一定範囲で受光スポット径Dが
一定となる範囲がある。そして曲線B,Cでは受光スポ
ット径Dが一定の範囲を越えて物体が遠ざかってもその
受光スポット径の拡大するレベルは小さいものとなって
いる。従って例えば曲線Bにおいては距離L=Lb にお
ける総受光量がL=Ld ・f/(Ld −f)の総受光量
よりも大きければ、L=Lb のときの受光量以下の場合
は物体はLb より遠方にあると判断することができる。
検出物体の反射率は物体によって異なっているが、拡散
反射物体の反射率は通常黒い物体の反射率5%から白い
物体の反射率90%の範囲内とされている。従ってL=
Ld において黒い拡散反射物体が存在したとき受光パワ
ーが、このスポット径より受光スポット径より大きくな
る距離Lx =Ld ・f/(Ld −f)に白い物体がある
場合の受光パワーより大きければ、L=Lb の受光量以
下の物体はLb より遠方にあると判断することができ
る。従ってL=Lb において反射率5%の黒色物体を想
定し、L=Lx において反射率90%の黒色物体を想定
し、L=Lb での受光量の方がLx の最高受光量より大
きくなる範囲のLd を求める。受光量は一般に距離の二
乗に反比例すると考えられるため、以上の条件から次式
が境界条件として成り立つ。
d の場合を夫々曲線A,B,Cとして、距離に対する受
光スポット径の関係を図3に示す。このように曲線B,
CではLd ≧Lc となる一定範囲で受光スポット径Dが
一定となる範囲がある。そして曲線B,Cでは受光スポ
ット径Dが一定の範囲を越えて物体が遠ざかってもその
受光スポット径の拡大するレベルは小さいものとなって
いる。従って例えば曲線Bにおいては距離L=Lb にお
ける総受光量がL=Ld ・f/(Ld −f)の総受光量
よりも大きければ、L=Lb のときの受光量以下の場合
は物体はLb より遠方にあると判断することができる。
検出物体の反射率は物体によって異なっているが、拡散
反射物体の反射率は通常黒い物体の反射率5%から白い
物体の反射率90%の範囲内とされている。従ってL=
Ld において黒い拡散反射物体が存在したとき受光パワ
ーが、このスポット径より受光スポット径より大きくな
る距離Lx =Ld ・f/(Ld −f)に白い物体がある
場合の受光パワーより大きければ、L=Lb の受光量以
下の物体はLb より遠方にあると判断することができ
る。従ってL=Lb において反射率5%の黒色物体を想
定し、L=Lx において反射率90%の黒色物体を想定
し、L=Lb での受光量の方がLx の最高受光量より大
きくなる範囲のLd を求める。受光量は一般に距離の二
乗に反比例すると考えられるため、以上の条件から次式
が境界条件として成り立つ。
【数8】
【0017】さて検出物体がLb の位置にあるとき、受
光集束面Lc はLa に等しくなるため、式(9)が成り
立つ。
光集束面Lc はLa に等しくなるため、式(9)が成り
立つ。
【数9】 これに対して検出物体がLx の位置にあるときの受光の
集束面Lcxは次式(10)で示される。
集束面Lcxは次式(10)で示される。
【数10】 従って式(11)の範囲内にあれば実用上問題がない。
【数11】 又余裕分を確保したとして、次式(12)の範囲内であ
れば誤動作を生じることがない。
れば誤動作を生じることがない。
【数12】
【0018】そして受光面に得られる検出物体の反射光
のスポット径Dは、式(12)の条件を満たしたときに
距離Lb までは受光面のスポット径は徐々に小さくな
る。この一例を図4に示す。本図において検出物体が拡
散物体である場合の受光面でのスポットの直径を示して
いる。この図は以下の条件でのシミュレーション結果で
ある。 Da :LED発光径(0.15mm) La :LEDレンズ間距離(15mm) Lb :レンズ3とレンズ3を透過した光が集束する点ま
での距離(10mm) Ld :レンズ3と受光面間の距離(13.5mm) f:レンズ3の焦点距離(13.04mm) d:レンズ径(8mm) Db :集光面でのスポット径(1mm) D:受光面でのスポット径 本発明はこのように拡散面を有する検出物体4の受光ス
ポットの直径が、L≦Lb では距離に応じて一義的に決
定されることから、物体の距離を判別するものである。
のスポット径Dは、式(12)の条件を満たしたときに
距離Lb までは受光面のスポット径は徐々に小さくな
る。この一例を図4に示す。本図において検出物体が拡
散物体である場合の受光面でのスポットの直径を示して
いる。この図は以下の条件でのシミュレーション結果で
ある。 Da :LED発光径(0.15mm) La :LEDレンズ間距離(15mm) Lb :レンズ3とレンズ3を透過した光が集束する点ま
での距離(10mm) Ld :レンズ3と受光面間の距離(13.5mm) f:レンズ3の焦点距離(13.04mm) d:レンズ径(8mm) Db :集光面でのスポット径(1mm) D:受光面でのスポット径 本発明はこのように拡散面を有する検出物体4の受光ス
ポットの直径が、L≦Lb では距離に応じて一義的に決
定されることから、物体の距離を判別するものである。
【0019】次に本発明の実施の形態について説明す
る。光学系の基本的な構成については前述した発明の原
理図と同様である。この実施の形態においては図5に示
すように投受光軸をx軸、紙面上でこれと垂直な軸をy
軸、紙面に垂直な軸をz軸とする。ここで拡散反射する
検出物体4が投光軸と垂直な状態(yz平面上にある状
態)からz軸に沿って角度θだけ傾いて、紙面に垂直な
状態となっている場合での受光スポット径について検討
する。検出物体4がこのように角度θだけ傾いている場
合には、光が照射されている範囲内で最もレンズ3に近
い位置から光軸と検出物体4が交差する点までの距離を
x1 、光が照射されている範囲内でレンズ3より最も遠
い点から光軸と検出物体4が交差する点までの距離をx
2 とする。そして検出物体4が図示のL1 (=L−
x1 )にある位置で光軸に垂直である場合の物体に照射
されるスポット径をD01、検出物体がLにある位置で光
軸に垂直である場合の物体に照射されるスポット径をD
0 、検出物体がL2 (=L+x2)にある位置で光軸に
垂直である場合の物体に照射されるスポット径をD02と
する。この場合にはD0 ,D01,D02と距離L,L1 ,
L2 の間には以下の式(13)が成り立つ。
る。光学系の基本的な構成については前述した発明の原
理図と同様である。この実施の形態においては図5に示
すように投受光軸をx軸、紙面上でこれと垂直な軸をy
軸、紙面に垂直な軸をz軸とする。ここで拡散反射する
検出物体4が投光軸と垂直な状態(yz平面上にある状
態)からz軸に沿って角度θだけ傾いて、紙面に垂直な
状態となっている場合での受光スポット径について検討
する。検出物体4がこのように角度θだけ傾いている場
合には、光が照射されている範囲内で最もレンズ3に近
い位置から光軸と検出物体4が交差する点までの距離を
x1 、光が照射されている範囲内でレンズ3より最も遠
い点から光軸と検出物体4が交差する点までの距離をx
2 とする。そして検出物体4が図示のL1 (=L−
x1 )にある位置で光軸に垂直である場合の物体に照射
されるスポット径をD01、検出物体がLにある位置で光
軸に垂直である場合の物体に照射されるスポット径をD
0 、検出物体がL2 (=L+x2)にある位置で光軸に
垂直である場合の物体に照射されるスポット径をD02と
する。この場合にはD0 ,D01,D02と距離L,L1 ,
L2 の間には以下の式(13)が成り立つ。
【数13】 又傾き角θとx1 ,x2 、D01,D02の間には次式が成
り立つ。
り立つ。
【数14】 従ってx1 ,x2 は次式で表される。
【数15】 一方式(3−1),(4),(5)(6−2)より受光
スポット径Dとレンズ3から検出物体までの距離Lとの
関係は次式で示される。
スポット径Dとレンズ3から検出物体までの距離Lとの
関係は次式で示される。
【数16】 L以外の値は全て光学系によって決まる値であるので、
DとLとはほぼ反比例の関係にある。従って物体が図5
のように傾いたときは検出物体が位置Lに垂直であった
場合に対する仮想位置L1 ,L2 に垂直であった場合の
受光スポット径の変化量ΔD1 ,ΔD2 は次式で示され
る。
DとLとはほぼ反比例の関係にある。従って物体が図5
のように傾いたときは検出物体が位置Lに垂直であった
場合に対する仮想位置L1 ,L2 に垂直であった場合の
受光スポット径の変化量ΔD1 ,ΔD2 は次式で示され
る。
【数17】 従って受光スポット径の検出物体が傾いていないときの
中心位置からの位置ずれ量ΔDは次式で与えられる。
中心位置からの位置ずれ量ΔDは次式で与えられる。
【数18】
【0020】従って検出物体4が図5に示すように傾い
たときには受光側の集光面には図6(a),(b)に示
すような受光スポット径が得られる。図6(a)におい
て破線で示すφDは物体5が光軸と垂直な状態での円形
の受光スポットであり、破線φ(D+ΔD1 )はL1 の
位置での光軸と垂直な物体の受光スポット径、内側のφ
(D−ΔD2 )は物体がL2 の位置での光軸と垂直な物
体の受光スポット径であり、θだけ傾いているときには
図示のように実線で示す受光スポットが得られる。従っ
て式(16)のような反比例の関係にある距離において
は、このような受光スポット径Dと位置ずれ量ΔDとに
基づいて、物体までの距離Lと傾き角θとを検出するこ
とができる。
たときには受光側の集光面には図6(a),(b)に示
すような受光スポット径が得られる。図6(a)におい
て破線で示すφDは物体5が光軸と垂直な状態での円形
の受光スポットであり、破線φ(D+ΔD1 )はL1 の
位置での光軸と垂直な物体の受光スポット径、内側のφ
(D−ΔD2 )は物体がL2 の位置での光軸と垂直な物
体の受光スポット径であり、θだけ傾いているときには
図示のように実線で示す受光スポットが得られる。従っ
て式(16)のような反比例の関係にある距離において
は、このような受光スポット径Dと位置ずれ量ΔDとに
基づいて、物体までの距離Lと傾き角θとを検出するこ
とができる。
【0021】図7はこの実施の形態による反射型光式セ
ンサの構成を示すブロック図である。本図に示すように
投光素子10は光源であり、図1に示すようにレンズ3
に対して距離Laの光軸位置に配置されている。投光回
路11は投光素子10を駆動する回路であり、その発光
周期は発振回路12からの投光パルスによって制御され
る。発振回路12の投光パルスは又CCDドライバ13
に与えられている。受光部5の受光位置には2次元受光
素子、例えばCCD14が配置されており、物体からの
反射光を受光する。CCDドライバ13はこのCCD1
4を駆動するものであり、CCD14からの出力は演算
処理部15に与えられる。演算処理部15はCPUとメ
モリによって構成されており、CCDから入力された検
出データに基づいて物体までの距離や角度を算出し、そ
の結果を出力するものである。
ンサの構成を示すブロック図である。本図に示すように
投光素子10は光源であり、図1に示すようにレンズ3
に対して距離Laの光軸位置に配置されている。投光回
路11は投光素子10を駆動する回路であり、その発光
周期は発振回路12からの投光パルスによって制御され
る。発振回路12の投光パルスは又CCDドライバ13
に与えられている。受光部5の受光位置には2次元受光
素子、例えばCCD14が配置されており、物体からの
反射光を受光する。CCDドライバ13はこのCCD1
4を駆動するものであり、CCD14からの出力は演算
処理部15に与えられる。演算処理部15はCPUとメ
モリによって構成されており、CCDから入力された検
出データに基づいて物体までの距離や角度を算出し、そ
の結果を出力するものである。
【0022】演算処理部15は図7に機能ブロック図を
示すように、まずCCD14の出力が最大受光量算出手
段16に与えられる。最大受光量算出手段16はCCD
14の各画素のうち最大の受光量の画素を検出するもの
であり、その出力は受光スポット検出手段17に与えら
れる。受光スポット検出手段17は、最大受光量からそ
の所定の比率を乗じた値を閾値として各画素の受光レベ
ルを弁別し二値化することによって、受光スポットの形
状を検出するものである。図6(a),(b)はこうし
て検出される受光スポットの一例を示している。受光ス
ポット検出手段17の出力は中心位置ずれ算出手段18
に与えられる。中心位置ずれ算出手段18は図6(b)
に示すように物体が光軸に垂直状態から傾いている状態
に変化したときの受光スポットの中心位置の位置ずれ量
ΔDを算出するものである。又長軸方向算出手段19は
受光スポットの形状又はその中心位置のずれ量の方向か
ら長軸の方向を算出するものであり、長軸垂直方向算出
手段20はこれと垂直な方向を算出するものである。こ
のとき長軸方向と長軸に垂直な方向とは例えば図6
(b)のA1,A2に示す方向として算出される。この
長軸に垂直な方向A2の中心位置を通る線と受光スポッ
ト径から、受光スポット径算出手段21により受光スポ
ット径Dを算出する。そして受光スポット径Dに基づい
て距離Lが一義的に定まることから距離算出手段22に
よって物体までの距離を算出する。この距離の算出には
あらかじめスポット径Dに応じて一律に定まる距離Lの
データをテーブルに記憶しておき、これを読出すように
すれば高速で処理が行われる。又中心の位置ずれΔDか
ら式(15),(17)により角度θが算出されること
から、角度算出手段23により検出物体4の傾き角度θ
を算出する。θの算出もあらかじめΔDに対応するθの
データをテーブルに保持しておき、これを読出すように
すれば高速で算出処理が行われる。こうして算出された
距離及び傾き角度θは出力部24,25より出力され
る。
示すように、まずCCD14の出力が最大受光量算出手
段16に与えられる。最大受光量算出手段16はCCD
14の各画素のうち最大の受光量の画素を検出するもの
であり、その出力は受光スポット検出手段17に与えら
れる。受光スポット検出手段17は、最大受光量からそ
の所定の比率を乗じた値を閾値として各画素の受光レベ
ルを弁別し二値化することによって、受光スポットの形
状を検出するものである。図6(a),(b)はこうし
て検出される受光スポットの一例を示している。受光ス
ポット検出手段17の出力は中心位置ずれ算出手段18
に与えられる。中心位置ずれ算出手段18は図6(b)
に示すように物体が光軸に垂直状態から傾いている状態
に変化したときの受光スポットの中心位置の位置ずれ量
ΔDを算出するものである。又長軸方向算出手段19は
受光スポットの形状又はその中心位置のずれ量の方向か
ら長軸の方向を算出するものであり、長軸垂直方向算出
手段20はこれと垂直な方向を算出するものである。こ
のとき長軸方向と長軸に垂直な方向とは例えば図6
(b)のA1,A2に示す方向として算出される。この
長軸に垂直な方向A2の中心位置を通る線と受光スポッ
ト径から、受光スポット径算出手段21により受光スポ
ット径Dを算出する。そして受光スポット径Dに基づい
て距離Lが一義的に定まることから距離算出手段22に
よって物体までの距離を算出する。この距離の算出には
あらかじめスポット径Dに応じて一律に定まる距離Lの
データをテーブルに記憶しておき、これを読出すように
すれば高速で処理が行われる。又中心の位置ずれΔDか
ら式(15),(17)により角度θが算出されること
から、角度算出手段23により検出物体4の傾き角度θ
を算出する。θの算出もあらかじめΔDに対応するθの
データをテーブルに保持しておき、これを読出すように
すれば高速で算出処理が行われる。こうして算出された
距離及び傾き角度θは出力部24,25より出力され
る。
【0023】そして図8に示すように検出物体面がその
面に垂直な法線方向に沿ってのみ変位する場合には、こ
の反射型光式センサ30を検出物体4に対して斜めに投
光し、その拡散反射光を受光するように配置する。こう
すれば距離算出手段22,角度算出手段23で算出した
距離の変化分である変位ΔLと傾き角θとから、実際の
物体の変位LR をLR =ΔLcos θとして算出すること
ができる。この物体の変位LR を算出する場合には、図
6に示すように距離算出手段22と角度算出手段23か
らの距離L,角度θを夫々物体変位算出手段26に出力
する。物体変位算出手段26は物体の変位LR をΔL・
cosθによって算出し、その出力を出力部27に与え
る。こうして算出されたそのときの距離L,角度θ及び
変位LRを夫々出力部24,25,27より出力する。
面に垂直な法線方向に沿ってのみ変位する場合には、こ
の反射型光式センサ30を検出物体4に対して斜めに投
光し、その拡散反射光を受光するように配置する。こう
すれば距離算出手段22,角度算出手段23で算出した
距離の変化分である変位ΔLと傾き角θとから、実際の
物体の変位LR をLR =ΔLcos θとして算出すること
ができる。この物体の変位LR を算出する場合には、図
6に示すように距離算出手段22と角度算出手段23か
らの距離L,角度θを夫々物体変位算出手段26に出力
する。物体変位算出手段26は物体の変位LR をΔL・
cosθによって算出し、その出力を出力部27に与え
る。こうして算出されたそのときの距離L,角度θ及び
変位LRを夫々出力部24,25,27より出力する。
【0024】尚最大受光量算出手段16から変位量算出
手段24までをマイクロコンピュータによって処理する
場合には、CCD14の信号をA/D変換し、一旦フレ
ームメモリに保持して演算処理を行うようにすることが
できる。このようにすれば物体までの距離と物体の角度
とを同時に算出することができる。又物体がその面に垂
直方向にのみ変位する場合には、反射型光式センサを物
体の変位に垂直な方向から傾けて斜め方向より光を照射
し、検出した変位から物体の真の変位を検出することも
できる。
手段24までをマイクロコンピュータによって処理する
場合には、CCD14の信号をA/D変換し、一旦フレ
ームメモリに保持して演算処理を行うようにすることが
できる。このようにすれば物体までの距離と物体の角度
とを同時に算出することができる。又物体がその面に垂
直方向にのみ変位する場合には、反射型光式センサを物
体の変位に垂直な方向から傾けて斜め方向より光を照射
し、検出した変位から物体の真の変位を検出することも
できる。
【0025】尚角度の分解能を向上させる場合には、受
光スポット径が大きくなるように使用するレンズ3の開
口を大きくしたり、レンズと受光面との距離を大きくす
るようにすれば角度分解能を向上させることができる。
光スポット径が大きくなるように使用するレンズ3の開
口を大きくしたり、レンズと受光面との距離を大きくす
るようにすれば角度分解能を向上させることができる。
【0026】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、非接触で又検出物体が傾いていても正確な物体まで
の距離を測定することができる。更に比較的簡単な構成
で検出部分が小さい場合も物体の傾きを検出することが
できる。更に検出物体の上方に障害物がある場合にも斜
め方向から光を照射することによって検出できるため、
従来では不可能であった変位検出が可能となる。又検出
部を設置する際、物体に対する傾き角を考慮する必要が
ないため、取付けを容易に行うことができるという効果
が得られる。
ば、非接触で又検出物体が傾いていても正確な物体まで
の距離を測定することができる。更に比較的簡単な構成
で検出部分が小さい場合も物体の傾きを検出することが
できる。更に検出物体の上方に障害物がある場合にも斜
め方向から光を照射することによって検出できるため、
従来では不可能であった変位検出が可能となる。又検出
部を設置する際、物体に対する傾き角を考慮する必要が
ないため、取付けを容易に行うことができるという効果
が得られる。
【図1】本発明のセンサ装置及び距離測定装置の光学系
の基本構成を示す図である。
の基本構成を示す図である。
【図2】この光学系による検出物体までの距離と受光ス
ポット径の関係を示す図である。
ポット径の関係を示す図である。
【図3】この光学系の検出物体までの距離に対する受光
スポット径の変化を示すグラフである。
スポット径の変化を示すグラフである。
【図4】検出物体までの距離に対する受光スポット径の
変化を示すシュミレーション結果を示すグラフである。
変化を示すシュミレーション結果を示すグラフである。
【図5】検出物体が傾いているときの検出物体までの距
離と仮想受光スポット径との関係を示す図である。
離と仮想受光スポット径との関係を示す図である。
【図6】検出物体が傾いている場合の受光素子に得られ
る受光パターンの変化を示す図である。
る受光パターンの変化を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態による反射型光式センサの
構成を示すブロック図である。
構成を示すブロック図である。
【図8】この実施の形態による反射型光式センサを物体
に対して取付け、検出物体の法線方向への移動を検出す
るようにした反射型光式センサとその配置を示す図であ
る。
に対して取付け、検出物体の法線方向への移動を検出す
るようにした反射型光式センサとその配置を示す図であ
る。
【図9】従来の三角測距型距離測定装置の概略図であ
る。
る。
1 光源 2 ハーフミラー 3 レンズ 4 検出物体 5 受光部 10 投光素子 11 投光回路 12 発振回路 13 CCDドライバ 14 CCD 15 演算処理手段 16 最大受光量算出手段 17 受光スポット検出部 18 中心位置ずれ算出手段 19 長軸方向算出手段 20 長軸垂直方向算出手段 21 スポット径算出手段 22 距離算出手段 23 角度算出手段 24,25,27 出力部 26 物体変位算出手段
Claims (3)
- 【請求項1】 投光手段と、 前記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると
共に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と
同軸に集光するレンズと、 前記レンズを介して集光された物体からの反射光を受光
する2次元の受光素子を有する受光手段と、 前記受光手段の各画素に得られる受光レベルに基づいて
受光パターンを検出すると共に、投光軸に対する検出物
体の傾きによって変化する受光パターンの中心の位置ず
れ量により検出物体と投光軸のなす角度を検出する演算
処理手段と、を有し、 前記投光手段から前記レンズまでの距離をLa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をLb 、
前記レンズから受光手段までの距離をLd 、前記レンズ
の焦点距離をfとすると、 0<Ld ≦(f+La )/2となるように各光学部品を
配置することを特徴とする反射型光式センサ。 - 【請求項2】 投光手段と、 前記投光手段より出射された光を検知領域に集束すると
共に、検知領域にある検出物体からの反射光を投光軸と
同軸に集光するレンズと、 前記レンズを介して集光された物体からの反射光を受光
する2次元の受光素子を有する受光手段と、 前記受光手段の各画素に得られる受光レベルに基づいて
受光パターンを検出すると共に、投光軸に対する検出物
体の傾きによって変化する受光パターンの中心の位置ず
れ量と受光スポット径により検出物体と投光軸のなす角
度及び投光軸上の距離を検出する演算処理手段と、を有
し、 前記投光手段から前記レンズまでの距離をLa 、前記レ
ンズから出射光の検知領域の集束点までの距離をLb 、
前記レンズから受光手段までの距離をLd 、前記レンズ
の焦点距離をfとすると、0<Ld ≦(f+La )/2
となるように各光学部品を配置することを特徴とする反
射型光式センサ。 - 【請求項3】 前記演算処理手段は、検出物体までの距
離として得られた距離の変化分と検出物体の傾き角度に
基づいて、検出物体の検出面からの法線方向への変位を
得る物体変位検出手段を更に有することを特徴とする請
求項2記載の反射型光式センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6152098A JPH11257917A (ja) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | 反射型光式センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6152098A JPH11257917A (ja) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | 反射型光式センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11257917A true JPH11257917A (ja) | 1999-09-24 |
Family
ID=13173460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6152098A Pending JPH11257917A (ja) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | 反射型光式センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11257917A (ja) |
Cited By (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003240509A (ja) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Omron Corp | 変位センサ |
WO2012029113A1 (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | 株式会社 東芝 | 変位検出装置 |
KR101375213B1 (ko) * | 2013-11-08 | 2014-03-18 | 박지암 | 동심원방식을 이용한 led모듈의 렌즈편심 검사방법 |
JP2017096973A (ja) * | 2011-02-15 | 2017-06-01 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアBasf Se | 少なくとも1つの対象物を光学的に検出する検出器 |
US10012532B2 (en) | 2013-08-19 | 2018-07-03 | Basf Se | Optical detector |
US10094927B2 (en) | 2014-09-29 | 2018-10-09 | Basf Se | Detector for optically determining a position of at least one object |
US10120078B2 (en) | 2012-12-19 | 2018-11-06 | Basf Se | Detector having a transversal optical sensor and a longitudinal optical sensor |
US10353049B2 (en) | 2013-06-13 | 2019-07-16 | Basf Se | Detector for optically detecting an orientation of at least one object |
US10412283B2 (en) | 2015-09-14 | 2019-09-10 | Trinamix Gmbh | Dual aperture 3D camera and method using differing aperture areas |
US10775505B2 (en) | 2015-01-30 | 2020-09-15 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
US10823818B2 (en) | 2013-06-13 | 2020-11-03 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
US10890491B2 (en) | 2016-10-25 | 2021-01-12 | Trinamix Gmbh | Optical detector for an optical detection |
US10948567B2 (en) | 2016-11-17 | 2021-03-16 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
US11041718B2 (en) | 2014-07-08 | 2021-06-22 | Basf Se | Detector for determining a position of at least one object |
US11060922B2 (en) | 2017-04-20 | 2021-07-13 | Trinamix Gmbh | Optical detector |
US11067692B2 (en) | 2017-06-26 | 2021-07-20 | Trinamix Gmbh | Detector for determining a position of at least one object |
US11125880B2 (en) | 2014-12-09 | 2021-09-21 | Basf Se | Optical detector |
US11211513B2 (en) | 2016-07-29 | 2021-12-28 | Trinamix Gmbh | Optical sensor and detector for an optical detection |
US11428787B2 (en) | 2016-10-25 | 2022-08-30 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
US11860292B2 (en) | 2016-11-17 | 2024-01-02 | Trinamix Gmbh | Detector and methods for authenticating at least one object |
-
1998
- 1998-03-12 JP JP6152098A patent/JPH11257917A/ja active Pending
Cited By (26)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003240509A (ja) * | 2002-02-15 | 2003-08-27 | Omron Corp | 変位センサ |
WO2012029113A1 (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | 株式会社 東芝 | 変位検出装置 |
US8514410B2 (en) | 2010-08-30 | 2013-08-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Displacement detection device and method |
JP2017096973A (ja) * | 2011-02-15 | 2017-06-01 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアBasf Se | 少なくとも1つの対象物を光学的に検出する検出器 |
JP2019049573A (ja) * | 2011-02-15 | 2019-03-28 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアBasf Se | 少なくとも1つの対象物を光学的に検出する検出器 |
US10120078B2 (en) | 2012-12-19 | 2018-11-06 | Basf Se | Detector having a transversal optical sensor and a longitudinal optical sensor |
US10823818B2 (en) | 2013-06-13 | 2020-11-03 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
US10353049B2 (en) | 2013-06-13 | 2019-07-16 | Basf Se | Detector for optically detecting an orientation of at least one object |
US10845459B2 (en) | 2013-06-13 | 2020-11-24 | Basf Se | Detector for optically detecting at least one object |
US10012532B2 (en) | 2013-08-19 | 2018-07-03 | Basf Se | Optical detector |
KR101375213B1 (ko) * | 2013-11-08 | 2014-03-18 | 박지암 | 동심원방식을 이용한 led모듈의 렌즈편심 검사방법 |
US11041718B2 (en) | 2014-07-08 | 2021-06-22 | Basf Se | Detector for determining a position of at least one object |
US10094927B2 (en) | 2014-09-29 | 2018-10-09 | Basf Se | Detector for optically determining a position of at least one object |
US11125880B2 (en) | 2014-12-09 | 2021-09-21 | Basf Se | Optical detector |
US10775505B2 (en) | 2015-01-30 | 2020-09-15 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
US10412283B2 (en) | 2015-09-14 | 2019-09-10 | Trinamix Gmbh | Dual aperture 3D camera and method using differing aperture areas |
US11211513B2 (en) | 2016-07-29 | 2021-12-28 | Trinamix Gmbh | Optical sensor and detector for an optical detection |
US10890491B2 (en) | 2016-10-25 | 2021-01-12 | Trinamix Gmbh | Optical detector for an optical detection |
US11428787B2 (en) | 2016-10-25 | 2022-08-30 | Trinamix Gmbh | Detector for an optical detection of at least one object |
US10948567B2 (en) | 2016-11-17 | 2021-03-16 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
US11415661B2 (en) | 2016-11-17 | 2022-08-16 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
US11635486B2 (en) | 2016-11-17 | 2023-04-25 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
US11698435B2 (en) | 2016-11-17 | 2023-07-11 | Trinamix Gmbh | Detector for optically detecting at least one object |
US11860292B2 (en) | 2016-11-17 | 2024-01-02 | Trinamix Gmbh | Detector and methods for authenticating at least one object |
US11060922B2 (en) | 2017-04-20 | 2021-07-13 | Trinamix Gmbh | Optical detector |
US11067692B2 (en) | 2017-06-26 | 2021-07-20 | Trinamix Gmbh | Detector for determining a position of at least one object |
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