JP7594735B2 - Triangulation Displacement Sensor - Google Patents
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Description
本発明は、三角測距式変位センサに関する。 The present invention relates to a triangulation type displacement sensor.
シャインプルーフ光学系を用いた三角測距式変位センサが知られている。例えば、特許文献1によれば、測定対象物との距離によらず受光素子の受光面における像のサイズが一定になるように、光源から投光される検出光の焦点位置を調整している。 A triangulation type displacement sensor using a Scheimpflug optical system is known. For example, according to Patent Document 1, the focal position of the detection light projected from the light source is adjusted so that the size of the image on the light receiving surface of the light receiving element is constant regardless of the distance to the measurement object.
三角測距式変位センサでは、測定対象物に照射される照射光のスポット内で計測値は平均化される。すなわち、測定対象物の表面がある程度の粗面であっても、スポットを大きくすることでその凹凸の影響を平均化することができるので、計測誤差を低減することができる。しかし、受光素子の基線方向に対応する方向のスポット長を大きくしてしまうと受光波形の半値幅が大きくなり、測距の計測精度が低下してしまう。そこで、基線方向のスポット長は長くせず、基線方向に直交する方向であるライン方向のスポット長を長くすることにより、粗面による計測誤差の低減と測距の計測精度の確保を両立することが考えられる。 In a triangulation displacement sensor, the measurement value is averaged within the spot of light irradiated on the object to be measured. In other words, even if the surface of the object to be measured is somewhat rough, the effect of the unevenness can be averaged out by making the spot larger, thereby reducing measurement errors. However, if the spot length in the direction corresponding to the baseline direction of the light receiving element is increased, the half-width of the received light waveform increases, reducing the measurement accuracy of the distance measurement. Therefore, it is considered that by not increasing the spot length in the baseline direction, but increasing the spot length in the line direction, which is the direction perpendicular to the baseline direction, it is possible to reduce measurement errors caused by rough surfaces while ensuring the measurement accuracy of the distance measurement.
このような観点から、測定対象物に照射されたときに例えば楕円のスポット形状となる検出光が用いられる。このとき、従来のシャインプルーフ光学系を採用すると、測定対象物の距離に応じて受光素子の表面に結像する受光像の大きさが大きく変化してしまい、測定対象物の距離によっては、受光像がライン方向において画素の受光領域からはみ出てしまう場合があった。受光像においてはみ出る領域が存在すると、凹凸に対する平均化効果が低減してしまい、計測誤差の増大につながる。一方で、受光像がはみ出ないように受光素子を大型化すると、装置の大型化や製造コストの増大を招くことになる。 From this perspective, detection light that takes the shape of, for example, an elliptical spot when irradiated onto the measurement object is used. In this case, if a conventional Scheimpflug optical system is used, the size of the received light image formed on the surface of the light receiving element changes significantly depending on the distance to the measurement object, and depending on the distance to the measurement object, the received light image may extend beyond the light receiving area of the pixel in the line direction. If an extending area exists in the received light image, the averaging effect on unevenness is reduced, leading to increased measurement errors. On the other hand, if the light receiving element is enlarged so that the received light image does not extend beyond the area, it will result in an increase in the size of the device and increased manufacturing costs.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、小型の受光素子を採用しても、測定対象物表面の凹凸に対するライン方向の平均化効果を計測可能範囲にわたって一定程度に維持することができる三角測距式変位センサを提供することを目的とする。 The present invention was made to solve these problems, and aims to provide a triangulation type displacement sensor that can maintain a constant level of averaging effect in the line direction for unevenness on the surface of the object being measured over the measurable range, even when a small light receiving element is used.
本発明の一態様における三角測距式変位センサは、測定対象物に照射されたときに長手方向と短手方向を有するスポット形状となる検出光を投光する投光モジュールと、測定対象物で反射した検出光を集光する光学モジュールと、長方形の受光領域が長方形の短辺方向に沿って複数配列されており、スポット形状のうち長手方向が受光領域の長辺方向に沿うように光学モジュールによって集光された検出光の到達位置に応じた検出信号を出力する受光素子とを備え、上記の光学モジュールは、短辺方向の結像倍率が長辺方向の結像倍率よりも大きい倍率調整レンズを含むものである。 In one aspect of the present invention, the triangulation displacement sensor includes a light-projecting module that projects detection light that forms a spot shape having a long side and a short side when irradiated onto a measurement object, an optical module that collects the detection light reflected by the measurement object, and a light-receiving element that outputs a detection signal according to the arrival position of the detection light collected by the optical module such that a plurality of rectangular light-receiving areas are arranged along the short side direction of the rectangle and the long side direction of the spot shape is aligned with the long side direction of the light-receiving area, and the optical module includes a magnification adjustment lens whose imaging magnification in the short side direction is greater than that in the long side direction.
このように構成することにより、受光素子の受光面上でのスポット像が画素の受光領域に対してライン方向にはみ出ることを抑制することができる。すなわち、測定対象物が計測可能範囲のいずれに位置していても、測定対象物表面の凹凸に対するライン方向の平均化効果を享受することができる。換言すれば、計測可能範囲内の同一距離に存在する測定対象物に対して変位センサが平行に移動しながら距離計測を行う場合において、測定結果にばらつきが生じにくく、高い移動分解能を発揮することができる。 This configuration makes it possible to prevent the spot image on the light receiving surface of the light receiving element from going beyond the light receiving area of the pixel in the line direction. In other words, regardless of where the measurement object is located within the measurable range, it is possible to enjoy the effect of averaging the unevenness of the measurement object surface in the line direction. In other words, when measuring distance while moving the displacement sensor in parallel to a measurement object that exists at the same distance within the measurable range, the measurement results are less likely to vary, and high movement resolution can be achieved.
上記の三角測距式変位センサにおいて、光学モジュールは、凸レンズと、倍率調整レンズを含むように構成してもよい。また、倍率調整レンズを複数含むように構成してもよい。このように構成することにより、光学モジュールの主点位置を受光素子側へ寄せることができるので、シャインプルーフ光学系から外れても、周辺部のボケを抑制することができる。 In the above triangulation type displacement sensor, the optical module may be configured to include a convex lens and a magnification adjustment lens. It may also be configured to include multiple magnification adjustment lenses. By configuring it in this way, the principal point position of the optical module can be moved closer to the light receiving element, so that peripheral blurring can be suppressed even if it is not in the Scheimpflug optical system.
上記の三角測距式変位センサにおいて、倍率調整レンズは、トロイダルレンズ及びシリンドリカルレンズから選択するとよい。これらのレンズを採用すれば、短辺方向の結像倍率と長辺方向の結像倍率をそれぞれ調整する光学設計を実現しやすい。 In the above triangulation distance measuring displacement sensor, the magnification adjustment lens may be selected from a toroidal lens and a cylindrical lens. By using these lenses, it is easy to realize an optical design that adjusts the imaging magnification in the short side direction and the imaging magnification in the long side direction, respectively.
また、上記の三角測距式変位センサにおいて、投光モジュールは、遠方の測定対象物に照射されるほどスポット形状が拡大するように検出光を投光し、光学モジュールは、設定された検出範囲において、遠方の測定対象物で反射した検出光ほど受光素子での結像状態が良好となるように検出光を集光するように構成してもよい。このように構成すれば、良好な性能を発揮しづらい遠距離の測定においても、近距離の場合と同様に、測定対象物表面の凹凸に対するライン方向の平均化効果が得られる。 In the above triangulation type displacement sensor, the light-projecting module may project detection light so that the spot shape becomes larger the more distant the measurement object is, and the optical module may be configured to focus detection light so that the more distant the measurement object is, the better the imaging state at the light-receiving element becomes for detection light reflected from the measurement object. With this configuration, even in long-distance measurements where good performance is difficult to achieve, the line-wise averaging effect for the unevenness of the measurement object surface can be obtained, just as in the case of short distances.
本発明により、小型の受光素子を採用しても、測定対象物表面の凹凸に対するライン方向の平均化効果を計測可能範囲にわたって一定程度に維持することができる三角測距式変位センサを提供することができる。 The present invention provides a triangulation displacement sensor that can maintain a constant level of averaging effect in the line direction for unevenness on the surface of the object being measured over the measurable range, even when using a small light receiving element.
添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。また、各図において、同一又は同様の構成を有する構造物が複数存在する場合には、煩雑となることを回避するため、一部に符号を付し、他に同一符号を付すことを省く場合がある。 The embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. In each drawing, the same reference numerals are used to denote the same or similar configurations. In addition, when there are multiple structures with the same or similar configurations in each drawing, in order to avoid complication, some of the structures may be given reference numerals and the same reference numerals may not be used for the others.
図1は、変位センサ100の使用状態を示す斜視図である。本実施形態に係る変位センサ100は、三角測距式変位センサの一例であり、例えば工場の製造ラインなどに設置されて利用される。変位センサ100は、例えばレーザダイオードである投光素子から検出光L1を測定対象物であるワークWkへ向けて投光し、ワークWkで反射して戻ってくる検出光L2を、例えばCMOSセンサである受光素子で受光する。受光素子は、検出光L2を受光し、ワークWkまでの距離に応じた検出信号を出力する。
Figure 1 is a perspective view showing the
検出信号は、ケーブル112を介してアンプユニットへ送信される。アンプユニットは、受信した検出信号を数値に変換して表示部に表示したり、外部機器であるPLCやPCへ出力したりする。なお、変位センサ100がアンプユニットの機能を内蔵してもよい。その場合、筐体111は数値等を表示する表示ユニットや外部機器と通信を行う通信ユニットを備える。また、図示するようにx軸、y軸及びz軸を定める。以後の図面においても図1と同様の座標軸を併記することにより、それぞれの図面が表す構成要素の向きを示す。
The detection signal is transmitted to the amplifier unit via
図2は、三角測距方式の原理、各要素の配列、受光素子124の構成等を説明する図である。具体的には、図2(A)の上図は、ワークWkが検出範囲の中心付近(Center)に位置する場合の検出光(L1,L2)の光路を表し、図2(A)の下図は、そのときに検出光L2が受光素子124の受光面に形成するスポット像の様子を表す。同様に、図2(B)の上図は、ワークWkが検出範囲の近端付近(Near)に位置する場合の検出光(L1,L2)の光路を表し、図2(B)の下図は、そのときに検出光L2が受光素子124の受光面に形成するスポット像の様子を表す。同様に、図2(C)の上図は、ワークWkが検出範囲の遠端付近(Far)に位置する場合の検出光(L1,L2)の光路を表し、図2(C)の下図は、そのときに検出光L2が受光素子124の受光面に形成するスポット像の様子を表す。なお、上述のx軸、y軸、z軸に加え、受光素子124の基線方向であるw軸を示している。w軸は、y軸に直交する。
Figure 2 is a diagram explaining the principle of the triangulation method, the arrangement of each element, the configuration of the light receiving
それぞれの上図に示すように、筐体111の内部には、投光モジュールとしての投光素子121、投光レンズ122と、受光モジュールとしての光学モジュール123、受光素子124が配置され固定されている。投光モジュールは、ワークWkに照射されたときに楕円のスポット形状となる検出光L1を投光する。本実施形態においては、レーザダイオードである投光素子121から出射されたレーザー光を、投光レンズ122が平行光に調整し、検出光L1としてワークWkへ向けて投光する。投光素子121には、開口絞りとして楕円絞りが設けられている。
As shown in the respective upper diagrams, a light-projecting
なお、投光素子121は、コヒーレント光を投光するレーザダイオードに限らず、LEDなどのインコヒーレント光を投光する素子を用いてもよい。また、投光モジュールは、投光素子121自体が平行光を出射する場合などには、投光レンズ122を省いてもよい。また、本実施形態においては、検出光L1がワークWkに照射されたときに楕円のスポット形状となる投光モジュールを採用するが、楕円に限らず、長手方向と短手方向を有するスポット形状となる投光モジュールを採用すればよい。例えば、長方形であってもよい。具体的には後述するが、長手方向(楕円においては長軸方向に相当)が測定対象物表面の凹凸に対する平均化効果を奏するライン方向に対応し、短手方向(楕円においては短軸方向に相当)が測距の計測精度に影響する基線方向に対応する。
The light-projecting
検出光L1がワークWkで反射すると、その一部は検出光L2となって光学モジュール123へ向かって戻ってくる。光学モジュール123は、検出光L2を集光して受光素子124へ導く。光学モジュール123は、1つ以上の光学レンズを含む。具体的な構成については後に詳述する。受光素子124は、本実施形態においてはラインセンサを採用し、光電変換を行う画素がw軸に沿って配列されている。受光モジュールは、検出光L1の光軸に対してシャインプルーフ条件を満たすように配列されている。すなわち、ワークWkに形成されるスポットは、ワークWkが変位センサ100から検出範囲のいずれの距離に存在しても、受光素子124の受光面に良好に結像される。ただし、本実施形態においては、後述するように光学モジュール123にライン方向の倍率を調整するレンズを含み、ライン方向がシャインプルーフ条件を満たさなくなるので、受光素子124上の像はライン方向(y軸方向)にボケる。
When the detection light L1 is reflected by the workpiece Wk, a part of it returns to the
図2(A)の上図に示すように、ワークWkが検出範囲の中心付近(Center)に位置する場合には、検出光L2は、受光素子124のw軸に沿った受光面のうち中心付近に到達する。図2(A)の下図は、光学モジュール123の側から受光素子124の受光面を観察した様子を模式的に表した図であり、ワークWkに形成されたスポットの像であるスポット像Spが、受光素子124の受光面においてw軸方向の中心付近に形成されている様子を示す。
As shown in the upper diagram of FIG. 2(A), when the workpiece Wk is located near the center of the detection range (Center), the detection light L2 reaches near the center of the light receiving surface along the w axis of the
受光素子124は、長方形の受光領域を有する画素124aが長方形の短辺方向、すなわちw軸方向に沿って複数配列されている。このとき、長方形の長辺方向は、y軸方向と平行である。図示するようにスポット像Spは、長軸方向が受光領域の長辺方向に、短軸方向が受光領域の短辺方向に沿うように光学モジュール123によって集光される。換言すれば、スポット像Spと画素124aの関係がこのような関係となるように、筐体111において投光モジュールと受光モジュールが配列されている。なお、このような関係を満たす配列であれば、投光モジュールや受光モジュールに光路を屈折させるミラー等の光学素子が追加されてもよい。
The
受光素子124は、スポット像Spの位置に応じた検出信号を出力する。具体的には、それぞれの画素124aが受光量に応じた電圧値を出力するので、その出力値配列は、スポット像Spの位置に応じた分布波形を示す。図2(A)の下図の場合、スポット像Spの中心はw軸方向の中心付近の画素に存在するので、受光素子124は、当該画素をピーク値とする検出信号を出力する。アンプユニットは、このような検出信号を受信して、ワークWkまでの距離に換算する。本実施形態においては、分布波形を形成する画素の配列方向(短辺方向)であるw軸方向を基線方向と称し、画素の長辺方向をライン方向と称する。
The
このような三角測距方式においては、ワークWkの表面がある程度の粗面であっても、そこに照射されたスポットの大きさに応じて異常方向への反射量が相対的に減少し、反射光は全体として平均化される。すなわち、ワークWkの表面がある程度の粗面であっても、スポットを大きくすることによりその凹凸の影響を平均化することができるので、計測誤差を低減することができる。しかし、受光素子の基線方向に対応する方向のスポット長を大きくしてしまうと検出信号である分布波形の半値幅が大きくなり、測距の計測精度が低下してしまう。そこで、本実施形態においては、スポット形状として、基線方向が短くライン方向が長い楕円を採用する。また、これに応じて、ライン方向が長辺であり、基線方向が短辺である長方形の受光領域を有する画素を配列した受光素子124を採用する。なお、受光領域の形状は、配線層等の都合により周囲に多少の欠けがあったとしても、実質的に長方形であればよい。なお、本実施形態においては、上記のような長方形の画素がその短辺方向に沿って複数配列されている一次元配列の受光素子124を採用するが、ライン方向に沿ったそれぞれの列を一つのグループとして扱うのであれば、ライン方向にも複数の画素が配列された受光素子を採用し得る。例えば、正方画素が二次元状に配列された受光素子であっても、ラインごとに出力を合算するなどすれば、実質的には長方形の受光領域がその短辺方向に沿って複数配列された受光素子であると言える。
In such a triangulation method, even if the surface of the workpiece Wk is somewhat rough, the amount of reflection in the abnormal direction is relatively reduced according to the size of the spot irradiated thereon, and the reflected light is averaged as a whole. In other words, even if the surface of the workpiece Wk is somewhat rough, the effect of the unevenness can be averaged by making the spot larger, so that the measurement error can be reduced. However, if the spot length in the direction corresponding to the baseline direction of the light receiving element is increased, the half-width of the distribution waveform, which is the detection signal, becomes large, and the measurement accuracy of the distance measurement decreases. Therefore, in this embodiment, an ellipse with a short baseline direction and a long line direction is adopted as the spot shape. In addition, in response to this, a
図2(B)の上図に示すように、ワークWkを中心付近(Center)から近端付近(Near)へ変位させると、光学モジュール123に対する検出光L2の入射角が変化する。その結果、図2(B)の下図に示すように、スポット像Spは、受光素子124の受光面において、w軸の正方向へ変位する。受光素子124は、変位したスポット像Spの中心が存在する画素をピーク値とする検出信号を出力する。アンプユニットは、このような検出信号を受信して、ワークWkまでの距離に換算する。
As shown in the upper diagram of FIG. 2(B), when the workpiece Wk is displaced from near the center (Center) to near the near end (Near), the angle of incidence of the detection light L2 with respect to the
図2(C)の上図に示すように、ワークWkを中心付近(Center)から遠端付近(Far)へ変位させると、光学モジュール123に対する検出光L2の入射角が変化する。その結果、図2(C)の下図に示すように、スポット像Spは、受光素子124の受光面において、w軸の負方向へ変位する。受光素子124は、変位したスポット像Spの中心が存在する画素をピーク値とする検出信号を出力する。アンプユニットは、このような検出信号を受信して、ワークWkまでの距離に換算する。
As shown in the upper diagram of FIG. 2(C), when the workpiece Wk is displaced from near the center (Center) to near the far end (Far), the angle of incidence of the detection light L2 with respect to the
図3は、従来技術におけるスポット像と受光素子の関係を説明する図である。従来技術においては、光学モジュールとして例えば非球面レンズを採用していた。非球面レンズを採用する場合、ライン方向における結像倍率と基線方向における結像倍率が等しい。従来においては、遠端のスポット像Sp-Fが最も小さく、スポット像が近点側へ変位するに連れて徐々にスポット像が大きくなる。すなわち、遠端のスポット像Sp-Fよりも中心のスポット像Sp-Cの方が大きく、中心のスポット像Sp-Cよりも近端のスポット像Sp-Nの方が大きい。そして、中心のスポット像Sp-C、遠端のスポット像Sp-Fは、図示するように、受光領域からライン方向へはみ出てしまうことがあった。受光領域からはみ出てしまった領域の光は光電変換されないので、測定対象物表面の凹凸の影響を平均化する効果がその分失われてしまう。すなわち、スポット像が受光領域からライン方向へはみ出てしまうと、計測誤差が生じやすくなると言える。 Figure 3 is a diagram explaining the relationship between the spot image and the light receiving element in the conventional technology. In the conventional technology, for example, an aspheric lens was used as the optical module. When an aspheric lens is used, the imaging magnification in the line direction is equal to the imaging magnification in the base line direction. In the past, the spot image Sp-F at the far end was the smallest, and the spot image gradually became larger as the spot image moved toward the near point side. That is, the central spot image Sp-C was larger than the far end spot image Sp-F, and the near end spot image Sp-N was larger than the central spot image Sp-C. And, as shown in the figure, the central spot image Sp-C and the far end spot image Sp-F sometimes protruded from the light receiving area in the line direction. Since the light in the area protruding from the light receiving area is not photoelectrically converted, the effect of averaging the effect of unevenness on the surface of the measurement object is lost accordingly. That is, if the spot image protrudes from the light receiving area in the line direction, it can be said that measurement errors are likely to occur.
本実施形態における変位センサ100の光学モジュール123は、形成されるスポット像が受光領域からライン方向へあまりはみ出ないように作用する、基線方向の結像倍率がライン方向の結像倍率よりも大きい倍率調整レンズを含む。図4は、本実施形態におけるスポット像と受光素子124の関係を説明する図である。具体的には後述するが、光学モジュール123は、遠端側のスポット像Sp-Fが受光素子124の受光面で最も良好な結像状態となるように調整されている。図示するように、遠端側のスポット像Sp-Fは、受光領域からライン方向へはみ出ることがないように調整されている。
The
スポット像が遠端側から中心へ向かって変位しても、倍率調整レンズの作用によりスポット像が受光領域からはみ出る量が抑えられる。ただし、光学モジュール123がライン方向の倍率調整レンズを含むことによりライン方向のシャインプルーフの条件が満たされなくなるので、受光素子124上の基線方向の結像状態は保たれるものの、ライン方向はピントを合わせた一点(本実施形態ではFarの受光位置を想定する)を除き、受光素子124上で結像することはなく、ライン方向にのみボケた像となる。したがって、中心のスポット像Sp-Cは、ライン方向の端にボケが若干生じる。図においては、およその結像部分を黒塗りで、ボケ部分を網線で表している。
Even if the spot image is displaced from the far end toward the center, the magnification adjustment lens reduces the amount by which the spot image extends beyond the light receiving area. However, because the
近端側のスポット像Sp-Nは、中心のスポット像Sp-Cよりもライン方向の端のボケ部分が大きくなるが、それでも従来技術に比べると、受光領域からライン方向へはみ出る量が大幅に抑えられている。したがって、スポット像が受光領域のいずれの位置に存在しても、受光領域からライン方向へはみ出る量は従来技術に比べて大幅に抑えられるので、測定対象物表面の凹凸の影響を平均化する効果が維持され、計測誤差を低減することができると言える。 The near-end spot image Sp-N has a larger blurred portion at the end in the line direction than the central spot image Sp-C, but the amount that it protrudes from the light-receiving area in the line direction is still significantly reduced compared to conventional technology. Therefore, regardless of where the spot image is located in the light-receiving area, the amount that it protrudes from the light-receiving area in the line direction is significantly reduced compared to conventional technology, so that the effect of averaging out the effects of unevenness on the surface of the object to be measured is maintained, and measurement errors can be reduced.
図5は、光学モジュール123の構成を説明する模式図である。ここでは、光学モジュール123が、第1受光レンズ123aと第2受光レンズ123bの2つの倍率調整レンズによって構成されている場合を例として説明する。図5(A)は、ワークWk上のスポットSpの中心から出射する光線が受光素子124の中心線へ至るまでの光路を、受光素子124の基線方向における到達位置がわかるよう示した図である。図5(B)は、ワークWk上のスポットSpの長軸方向の端から出射する光線が受光素子124へ至る光路を、受光素子124のライン方向における到達位置がわかるように示した図である。なお、いずれの図もわかりやすくするために、要素間の距離等を実際とは異ならせて表している。
Figure 5 is a schematic diagram explaining the configuration of the
基線方向における結像倍率をm、ライン方向における結像倍率をm’とする。nを正の実数として、m’=m/nとする。また、基線方向における第1受光レンズ123aの焦点距離をf0、第2受光レンズ123bの焦点距離を∞とする。また、ライン方向における第1受光レンズ123aの焦点距離をf1、第2受光レンズ123bの焦点距離をf2とする。また、スポットSpから第1受光レンズ123aの主面までの距離をa、第1受光レンズ123aの主面から受光素子124の受光面までの距離をbとする。また、第1受光レンズ123aの主面と第2受光レンズ123bの主面の間の距離をdとし、第1受光レンズ123a、第2受光レンズ123b共にライン方向の有効半径をRとする。また、スポットSpの長軸幅をLspとし、その半分をh0とする。受光素子124の受光領域のライン方向における幅をLCMとする。また、φ,ψ,ψ’,b’,b”,c,h1,h2,h3,h4を図示するように定義する。
The imaging magnification in the baseline direction is m, and the imaging magnification in the line direction is m'. Let n be a positive real number, and let m'=m/n. Let the focal length of the first
すると、以下の関係式が成り立つ。
このような関係式において、h1,h2,h3,h4が、できるだけLCMに収まるように、d,f’,f1,f2を設計すればよい。このような設計を実現する第1受光レンズ123aと第2受光レンズ123bの組み合わせは、トロイダルレンズとシリンドリカルレンズが考えられる。また、第1受光レンズ123aと第2受光レンズ123bを共にトロイダルレンズとしてもよい。また、f0=f1として第1受光レンズ123aを倍率調整の機能を有さない凸レンズとし、第2受光レンズ123bを倍率調整レンズとしてもよい。この場合、第2受光レンズ123bは、トロイダルレンズでもシリンドリカルレンズでもよい。また、第1受光レンズ123aと第2受光レンズ123bに加えて第3受光レンズや第4受光レンズを追加して、設計の自由度を高めてもよい。
In such a relational expression, d, f', f1 , and f2 may be designed so that h1 , h2 , h3 , and h4 are within LCM as much as possible. A combination of the first
図6は、投光モジュールが平行光を投光した場合の、ワークWkの測定位置に対するスポット像の結像関係を説明する図である。図6(A)は、ワークWkが検出範囲の遠端付近(Far)に位置する場合の結像関係を示す。図6(B)は、ワークWkが検出範囲の中心付近(Center)に位置する場合の結像関係を示す。図6(C)は、ワークWkが検出範囲の近端付近(Near)に位置する場合の結像関係を示す。いずれの図も図5(B)と同様に、ワークWk上のスポットSpの長軸方向の端から出射する光線が受光素子124へ至る光路を、受光素子124のライン方向における到達位置がわかるように示した図である。ここでは、投光モジュールが平行光を投光するので、スポットSpの長軸方向の幅はいずれもLSpである。
FIG. 6 is a diagram for explaining the imaging relationship of the spot image with respect to the measurement position of the workpiece Wk when the light projection module projects parallel light. FIG. 6(A) shows the imaging relationship when the workpiece Wk is located near the far end (Far) of the detection range. FIG. 6(B) shows the imaging relationship when the workpiece Wk is located near the center (Center) of the detection range. FIG. 6(C) shows the imaging relationship when the workpiece Wk is located near the near end (Near) of the detection range. Both figures are similar to FIG. 5(B), and show the optical path of the light beam emitted from the end of the spot Sp on the workpiece Wk in the major axis direction to the
本実施形態においては、ワークWkが検出範囲の遠端付近(Far)に位置する場合に、スポット像が最も良好に受光素子124の受光面に結像するように調整されている。このように調整すると、ワークWkが検出範囲の中心付近(Center)に位置する場合には、スポットSpの長軸方向の端から出射する光線は、受光素子124の受光面の少し手前で結像する。したがって、受光面へは少し拡散して到達する。すなわち、図4でも示したように、スポット像の周辺部が若干ボケる。
In this embodiment, when the workpiece Wk is located near the far end (Far) of the detection range, the spot image is adjusted so that it is best focused on the light receiving surface of the
ワークWkが検出範囲の近端付近(Near)に位置する場合には、スポットSpの長軸方向の端から出射する光線は、受光素子124の受光面のさらに手前で結像する。したがって、受光面へはより拡散して到達する。すなわち、図4でも示したように、スポット像の周辺部がさらにボケる。そして、図6(C)の状態では、ボケの一部が受光素子124の受光領域からはみ出ている。しかしながら、ワークWkが遠端付近に位置する場合を基準に結像状態を調整すると、中心付近や近端付近を基準に調整する場合よりも、ボケ量が抑えられ、受光領域からのはみだし量も抑えられる。
When the workpiece Wk is located near the near end of the detection range (Near), the light emitted from the end of the long axis direction of the spot Sp forms an image further in front of the light receiving surface of the
本実施形態の変形例として、さらに受光領域からのはみだし量を抑制する構成について説明する。図7は、拡散光を投光した場合の、ワークWkの測定位置に対するスポット像の結像関係を説明する図である。図7(A)は、ワークWkが検出範囲の遠端付近(Far)に位置する場合の結像関係を示す。図7(B)は、ワークWkが検出範囲の中心付近(Center)に位置する場合の結像関係を示す。図7(C)は、ワークWkが検出範囲の近端付近(Near)に位置する場合の結像関係を示す。 As a modified example of this embodiment, a configuration for further suppressing the amount of protrusion from the light receiving area will be described. Figure 7 is a diagram for explaining the imaging relationship of the spot image with respect to the measurement position of the workpiece Wk when diffuse light is projected. Figure 7(A) shows the imaging relationship when the workpiece Wk is located near the far end (Far) of the detection range. Figure 7(B) shows the imaging relationship when the workpiece Wk is located near the center (Center) of the detection range. Figure 7(C) shows the imaging relationship when the workpiece Wk is located near the near end (Near) of the detection range.
それぞれ図示するように、図6の場合のそれぞれと比べて、スポットSpの長軸方向の幅が互いに異なる。すなわち、本変形例においては、投光モジュールが遠方のワークWkに照射されるほどスポット形状が拡大するように検出光L1を投光する。具体的には、投光素子121から出射されたレーザー光を、投光レンズ122が少しだけ拡散させるように調整する。拡散の度合いは、設定される検出範囲に応じて決定される。
As shown in each of the drawings, the width of the spot Sp in the major axis direction is different from that in the case of FIG. 6. That is, in this modified example, the light-projecting module projects the detection light L1 so that the spot shape expands as the light-projecting module irradiates the workpiece Wk at a greater distance. Specifically, the light-projecting
本変形例においても、ワークWkが検出範囲の遠端付近(Far)に位置する場合に、スポット像が最も良好に受光素子124の受光面に結像するように調整されている。このように調整すると、ワークWkが検出範囲の中心付近(Center)に位置する場合には、スポットSpの長軸方向の端から出射する光線は、受光素子124の受光面の少し手前で結像する。したがって、受光面へは少し拡散して到達する。しかし、スポットSpの長軸方向の幅がLSp-FからLSp-Cへ短くなっている分、図6(B)の場合に比べて主光線が光軸に近づくので、スポット像の周辺部のボケが抑制される。
In this modified example, the spot image is adjusted so that it is best focused on the light receiving surface of the
ワークWkが検出範囲の近端付近(Near)に位置する場合には、スポットSpの長軸方向の端から出射する光線は、受光素子124の受光面のさらに手前で結像する。したがって、受光面へはより拡散して到達する。しかし、スポットSpの長軸方向の幅がLSp-CからLSp-Nへ短くなっている分、図6(C)の場合に比べて主光線が光軸に近づくので、やはりスポット像の周辺部のボケが抑制される。このように検出光L1を調整すれば、スポット像の受光領域からのはみだし量をさらに抑制することができる。
When the workpiece Wk is located near the near end of the detection range (Near), the light beam emitted from the end of the long axis direction of the spot Sp forms an image further in front of the light receiving surface of the
[付記]
測定対象物(Wk)に照射されたときに長手方向と短手方向を有するスポット形状となる検出光(L1)を投光する投光モジュール(121、122)と、
前記測定対象物(Wk)で反射した前記検出光(L2)を集光する光学モジュール(123)と、
長方形の受光領域(124a)が前記長方形の短辺方向に沿って複数配列されており、前記スポット形状のうち前記長手方向が前記受光領域の長辺方向に沿うように前記光学モジュール(123)によって集光された前記検出光(L2)の到達位置に応じた検出信号を出力する受光素子(124)と
を備え、
前記光学モジュール(123)は、前記短辺方向の結像倍率が前記長辺方向の結像倍率よりも大きい倍率調整レンズ(123a、123b)を含む三角測距式変位センサ。
[Additional Notes]
a light projection module (121, 122) that projects detection light (L1) that has a spot shape having a longitudinal direction and a lateral direction when irradiated onto a measurement object (Wk);
an optical module (123) that collects the detection light (L2) reflected by the measurement object (Wk);
a light receiving element (124) that outputs a detection signal corresponding to a position where the detection light (L2) collected by the optical module (123) arrives, the light receiving element (124) including a plurality of rectangular light receiving regions (124a) arranged along a short side direction of the rectangle, the longitudinal direction of the spot shape being aligned with the long side direction of the light receiving region;
The optical module (123) is a triangulation type displacement sensor including magnification adjustment lenses (123a, 123b) whose imaging magnification in the short side direction is larger than that in the long side direction.
100…変位センサ、111…筐体、112…ケーブル、121…投光素子、122…投光レンズ、123…光学モジュール、123a…第1受光レンズ、123b…第2受光レンズ、124…受光素子、124a…画素 100...displacement sensor, 111...housing, 112...cable, 121...light-emitting element, 122...light-emitting lens, 123...optical module, 123a...first light-receiving lens, 123b...second light-receiving lens, 124...light-receiving element, 124a...pixel
Claims (5)
前記測定対象物で反射した前記検出光を集光する光学モジュールと、
長方形の受光領域が前記長方形の短辺方向に沿って複数配列されており、前記スポット形状のうち前記長手方向が前記受光領域の長辺方向に沿うように前記光学モジュールによって集光された前記検出光の到達位置に応じた検出信号を出力する受光素子と
を備え、
前記光学モジュールは、前記短辺方向の結像倍率が前記長辺方向の結像倍率よりも大きい倍率調整レンズを含む三角測距式変位センサ。 a light projection module that projects detection light that has a spot shape having a long direction and a short direction when irradiated onto a measurement object;
an optical module that collects the detection light reflected by the object to be measured;
a light receiving element configured to output a detection signal corresponding to a position where the detection light collected by the optical module reaches, the light receiving element including a plurality of rectangular light receiving regions arranged along a short side direction of the rectangle, the longitudinal direction of the spot shape being aligned with the long side direction of the light receiving region;
The optical module is a triangulation type displacement sensor including a magnification adjustment lens having an imaging magnification in the short side direction greater than an imaging magnification in the long side direction.
前記光学モジュールは、設定された検出範囲において、遠方の測定対象物で反射した前記検出光ほど前記受光素子での結像状態が良好となるように前記検出光を集光する請求項1から4のいずれか1項に記載の三角測距式変位センサ。 the light projection module projects the detection light such that the spot shape becomes larger as the light is irradiated onto a measurement object that is farther away;
A triangulation type displacement sensor as described in any one of claims 1 to 4, wherein the optical module focuses the detection light so that the imaging state at the light receiving element is better for the detection light reflected from a measurement object that is farther away within a set detection range.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4830485A (en) | 1987-11-23 | 1989-05-16 | General Electric Company | Coded aperture light detector for three dimensional camera |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57104803A (en) * | 1980-12-20 | 1982-06-30 | Anritsu Corp | Displacement measuring apparatus |
| JPS6247613A (en) * | 1985-08-27 | 1987-03-02 | Fuji Photo Film Co Ltd | Optical system for range finder |
| JP2717250B2 (en) * | 1988-01-20 | 1998-02-18 | トヨタ自動車株式会社 | Optical measuring method |
| JPH1183473A (en) * | 1997-09-10 | 1999-03-26 | Toshiba Fa Syst Eng Kk | Distance measuring device and distance measuring method |
| JP5021412B2 (en) * | 2007-09-28 | 2012-09-05 | パナソニック電工Sunx株式会社 | BGA solder ball height measuring device |
| JP2012078152A (en) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Omron Corp | Light projection beam adjusting method |
-
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4830485A (en) | 1987-11-23 | 1989-05-16 | General Electric Company | Coded aperture light detector for three dimensional camera |
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