JP2013540999A - 距離測定システム - Google Patents

Abstract

センサデバイスと被測定物体との間の距離を測定する距離測定システムにおいて、センサデバイスが、照明光ビームを発生する光源と、被測定物体の表面で反射された照明光ビームの一部分を検出する検出器とを備え、被測定物体が、可視光の波長領域に対して透明であり、照明光ビームが、紫色領域、または、紫外線領域の波長を有し、被測定物体が、照明光ビームを被測定物体の表面で拡散反射する構成であり、距離測定システムが、すべてのタイプの測定状況において最も信頼性の高い距離測定を考慮し構成され、さらに発展される。加えて、対応する距離測定システムが、光に対して本質的に不透過性である被測定物体を測定する構成である。
【選択図】なし

Description

本発明は、センサデバイスと被測定物体との間の距離を測定する距離測定システムであって、センサデバイスが、照明光ビームを発生する光源と、被測定物体の表面で反射された照明光ビームの一部分を検出する検出器とを備え、被測定物体が、少なくとも可視光の波長領域に対して透明であるように構成される距離測定システムに関する。

また、本発明は、センサデバイスと被測定物体との間の距離を測定する距離測定システムであって、センサデバイスが、照明光ビームを発生する光源と、被測定物体の表面で反射された照明光ビームの一部分を検出する検出器とを備え、被測定物体が、可視光を正反射する構成である距離測定システムに関する。

光学距離測定システムの実施応用には広範にわたる応用がある。
高精度、かつ、高速の非接触式測定により、被測定物体とセンサデバイスとの間の距離が非接触式に測定され、被測定物体を摩耗せずに測定する数多くの応用分野への可能性が広がる。
１つの重要な応用分野は、加工品の品質を検査する品質保証分野である。

光学距離測定システムにおいて、被測定物体が、照明光ビーム、多くの場合、赤色レーザビーム、または、赤外線レーザビームで照射され、被測定物体で反射された照明光ビームの一部分が検出器で検出される。
経験から知られている種々の方法によれば、センサデバイスからの被測定物体の距離を、このようなセンサデバイスを用いて測定可能である。
一例として、三角測量が参照される。

従来技術から知られている距離測定システムは、透明、または、部分的に透明な被測定物体の測定が行われる場合、常に問題になる。
ここで、透明とは、可視光（４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域）の広いスペクトル部分が被測定物体を通過可能であるこという。
通過中、スペクトル部分は、わずかしか減衰しない。
また、部分的に透明とは、可視光の少なくとも１つのスペクトル部分が、被測定物体を通過可能であるのに対して、可視光の別のスペクトル部分が、完全に、または、かなりの程度まで吸収、または、反射されることをいう。

照明光ビームがこのタイプの被測定物体に当たれば、照明光ビームは正反射される。
つまり、被測定物体の表面での照明光ビームの入射角は、反射された照明光ビームの反射角に等しい。
他の空間方向への散乱は、事実上、存在しない。
このため、センサデバイスおよび被測定物体は、測定が使用可能な結果を生じるように、互いに対して最適に整列されなければならない。
被測定物体の表面が最適な位置からわずかに傾けられれば、照明光ビームは検出器に向けて反射されなくなるからである。
そして、測定プロセスは失敗し、著しく不安定になる。
特に、製造環境の品質保証において、センサデバイスと被測定物体とを互いに対して最適に整列させることは、事実上不可能である。
このような整列は、湾曲、または、円形の被測定物体の場合に、事実上不可能である。
表面仕上げにより光を正反射しない不透明な被測定物体の光学測定でも、同様の問題が生じる。
一例として、鏡面が参照される。

このように、本発明は、正反射が起こる表面での被測定物体でも確実に光学距離測定が実行可能であるように、透明、部分的に透明、または、不透明の被測定物体に対して、冒頭に挙げたタイプの距離測定システムを構成するとともに、さらに発展させる目的に基づいたものである。

本発明によれば、透明の被測定物体および半透明の被測定物体の測定に関する上述した目的は、請求項１に記載された特徴の構成によって達成される。
本発明によれば、この距離測定システムは、照明光ビームが紫色領域、または、紫外線領域の波長を有し、被測定物体が、照明光ビームを被測定物体の表面で拡散反射するように構成されていることを特徴とする。

不透明の被測定物体の測定中、上記物体は、請求項５に記載された特徴の構成を使用して達成される。
本発明によれば、この距離測定システムは、照明光ビームが紫色領域、または、紫外線領域の波長を有し、照明光ビームが被測定物体の表面で拡散反射されるように、被測定物体の表面にコーティング材が塗布されていることを特徴とする。

本発明による方法において、透明、または、半透明の被測定物体が、紫色、または、紫外線波長領域の光に対して不透過性であり、大幅に光を減衰する特性を有していることが非常に多いことをまず認識されたい。
通常、この特性は、保護手段として意図的にもたらされている。
特に、プラスチックは、紫外線光による非常に長い期間の照射で透明性を失う傾向がある。
この作用を防止するために、プラスチックは、紫色光、および／または、紫外線光が材料内を貫通しないように、または、ほとんど貫通しないように処理される。
より正確に言えば、紫色光、および／または、紫外線光は、材料の表面で拡散反射される。
本発明による距離測定システムにおいて、これらの被測定物体の光不透過性、または、強い光減衰性が利用される。

本発明によれば、照明光ビームに関して、紫色領域、または、紫外線領域の波長を有する光ビームが使用される。
上述したような照明光ビームと被測定物体との組み合わせにより、驚くほど簡単な方法で、正反射ではなく拡散反射される照明光ビームが達成される。
これにより、可視領域において被測定物体の光学特性が影響を受けることなく、光学距離測定システムを用いて透明、または、半透明の被測定物体の測定を実行できる。

本発明によれば、このような特性の組み合わせは、不透明の被測定物体、すなわち、可視光に対して事実上非貫通性であり、可視光が正反射される被測定物体の測定に使用されうる。
この目的のために、本発明によれば、紫色光、および／または、紫外線光に対して不透過性であり、または、かなりの程度まで紫色光、または、紫外線光を減衰するコーティング材が被測定物体に塗布されている。
これにより、被測定物体の表面で、紫色照明ビーム、または、紫外線照明ビームの拡散反射が起こる。

照明光ビームが被測定物体、すなわち、透明、半透明、または、不透明の被測定物体の表面で拡散反射されるため、照明光ビームは、１つの空間方向に反射されるのではなく、正反射の光ビームの周りの角度範囲に反射される。
これにより、被測定物体とセンサデバイスとを互いに対して正確に整列させる必要はなくなり、この距離測定システムの利用分野が広がることは明らかである。
安定性が明らかに向上した測定を達成できる。

照明光ビームが反射される被測定物体の表面は、センサデバイスに向けられた被測定物体の外面であることが好ましい。
原則的には、透明の被測定物体の場合、照明光ビームは最初に被測定物体を貫通した後、センサデバイスから離れる方向に向けられた表面、または、被測定物体に配設された任意の分離板で検出器の方向に反射されることが考えられる。
そこで、照明光ビームが被測定物体内を貫通せず、または、非常にわずかしか貫通しない被測定物体が使用されることが好ましい。

透明、または、半透明の被測定物体の場合、照明光ビームの拡散反射は、被測定物体上の特別なコーティングによって生じる。
これに適したコーティングは、紫色領域、および／または、紫外線領域において不透過性、または、高減衰性を有したものである。
例として、コーティングされたプラスチックガラスが参照される。

ここで、被測定物体の材料組成により被測定物体がすでに要求された特性を有し、紫色光、および／または、紫外線光が被測定物体内に著しく貫通できないことも考えられる。
透明であり、紫色領域、および／または、紫外線領域で不透過性を有する材料がある。

本発明による距離測定システムの好ましい例示的な実施例において、被測定物体は、自動車産業の透明プラスチック部品、または、コーティングガラスである。
特に好ましい例として、距離測定システムは、車両の前照灯や尾灯の測定レンズ、または、ディスクに使用される。

不透明の被測定物体に関する好ましい実施例は、光に対して不透過性であり、プラスチック、研磨済み金属板、または、金属とは異なるように構成された他の物体の測定である。
ここで、木、木材、または、紙が、不透明物体であってもよい。
被測定物体は、光に対して完全に不透過性である必要はない。
被測定物体は、半透過性でもよい。

被測定物体、すなわち、透明、半透明、または、不透明の被測定物体は、４２０ｎｍ未満の波長を有する光に対して不透過性であり、または、高減衰性であるように構成されていることが好ましい。
特に、被測定物体は、３９０ｎｍ以下の波長を有する光に対して不透過性であり、または、高減衰性であることが好ましい。

センサデバイスの特に良好な光学挙動を得るために、光源は、照明光ビームとしてレーザビームを放出するレーザによって形成されうる。
この場合、固体レーザ、または、気体レーザと同様に、レーザダイオードを使用してもよい。
また、特にコスト効率の良い距離測定システムの場合、光源がＬＥＤで構成されてもよい。
多くの応用分野において、低い光質で十分である。

照明光ビームは、４２５ｎｍ以下の波長を有していることが好ましい。
また、４０５ｎｍ以下の波長を有している照明光ビームを使用することがより好ましい。
さらに、照明光ビームの波長は、３９０ｎｍ以下であることが特に好ましい。
極短波長ＵＶ光までの光源を使用してもよい。
このタイプの光源は非常に高価であり、距離測定システムの安全のための制御が、特別な保護手段により非常に複雑である。
したがって、波長の限界が設定される。
現行で使用するのに妥当な最小波長は、技術的に、３００ｎｍである。

照明光ビームで、スポットの形状、または、線形の形状の被測定物体を照射することが好ましい。
また、スポット、または、線は、交差する線、または、いくつかの平行線のようなパターンを形成するように組み合わされてもよい。
照明の線は直線であることが好ましい。

照明光ビームのビーム路において、光源の後に、照明光ビームを集束する集束デバイスが配設されることが好ましい。
光源と集束デバイスとが共に照明ユニットを構成してもよい。
照明光ビームは、被測定物体の表面上に集束されることが好ましい。
照明光ビームを無限に、または、光軸の他の点に集束することも考えられる。

検出器として、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体（Complimentary Metal Oxide Silicon））アレイ、または、ＣＣＤ（電荷結合素子（Charge Coupled Device））アレイを使用してもよい。
アレイは、線形アレイ、または、エリアアレイ（二次元展開）であることが好ましい。
例えば、線形アレイは、スポット状の距離測定に使用され、エリアアレイは、格子交差法による距離測定に使用される。
場合によっては、検出器は、従来のラインスキャン、または、マトリックスカメラから構成されてもよい。

スポット状の距離測定の場合、ＰＳＤ（位置感応型ダイオード（Position Sensitive Diode））、または、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photodiode））が使用される。
特に、経過時間、または、位相シフトを測定するために、距離測定にＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photodiode））が使用される。
ＰＳＤ（位置感応型ダイオード（Position Sensitive Diode））、または、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード（Avalanche Photodiode））は、アレイ状に装着されている。

外部放射を阻止するために、検出チャネルにおいて、すなわち、センサデバイス内の被測定物体の表面で反射された照明光ビームの一部分のビーム路において、検出器の前に波長選択要素が装着されている。
波長選択要素により、周囲光が、例えば、広帯域に感応性のある検出器から離された状態にされる。
波長選択要素は、フィルタ（例えば、干渉フィルタ）、または、分散要素として構成されている。
例えば、センサデバイスの組み立てサイズを縮小するために、波長選択要素はまた、ビームの偏向／折り畳み（folding）用のダイクロイックミラーとして構成されている。
一般に、光学チャネル全体、すなわち、光源から検出器へ照明光ビームが通る経路を照明光の波長に適応させることは理にかなっている。

波長の選択をさらに改良するために、いくつかの波長選択要素の組み合わせも考えられる。
例えば、いくつかの分散要素が、連続して配設されていてもよい。
また、異なるタイプの波長選択要素が、互いに組み合わせられることが好ましい。
フィルタ、または、分散要素とダイクロイックミラーとの組み合わせでもよい。

好ましくは、距離測定システムは、評価ユニットを備え、評価ユニットは、センサデバイスに接続され、センサデバイスの測定信号を受信する。
評価デバイスは、例えば、照明光ビームが変調されれば、照明光ビームに関するさらなる情報を受信してもよい。
受光した光ビーム（すなわち、反射され検出器で受光した照明光ビームの部分）に基づいて、場合によっては、照明光ビームそのものに関する知識に基づいて、評価ユニットは、センサデバイスと被測定物体との間の距離の測定を実行する。
距離の測定は、例えば、計算によって、または、表からの読取値によって行うことができ、表の内容は、較正測定において決定され、評価ユニットに格納されている。

照明光ビームについての情報に加えて、または、その代わりとして、評価ユニットは、被測定物体から反射された光の強度に関する情報を受信し、制御ユニットによって光源の強度に応じて調整し、および／または、検出器、および／または、検出器の分岐に装着された信号増幅器の積分時間を調節するように構成されている。

センサデバイスおよび評価ユニットは、距離測定が三角測量プロセスに応じて実行されるように構成されている。
このため、光源および検出器は、光源と、被測定物体の表面上の照明スポットと、検出器での照明スポットとが三角形をなすように配設されている。
センサデバイスの知識により、被測定物体の表面上の照明スポットの距離は、センサデバイスによって計算される。

また、センサデバイスおよび評価ユニットは、距離測定が光走行時間の測定を使用して決定されるように構成されている。
これを行うために、照明光ビームが光源から被測定物体および検出器へ進む時間が測定される。
光の速度は既知であるため、距離はこの速度に基づいて測定される。

センサデバイスおよび評価ユニットの別の可能な目的は、位相シフトが測定されるということにある。
これを行うために、照明光ビームの輝度は、適切な周波数で変調され、照明光ビームおよび受光した照明光ビームの輝度の変化は、互いに比較される。
光走行時間についての決定、ひいては、センサデバイスと被測定物体との間の距離の測定は、相互位相位置から行われる。

評価ユニットは、被測定物体の輪郭（profile）、および／または、被測定物体の一部の輪郭（profile）が生じるように、いくつかの距離測定を組み合わせている。
これを行うために、距離の値が、被測定物体上の測定点の位置と関連付けられる。
センサデバイスが、例えば、格子交差法に従って動作すれば、線に沿った輪郭（profile）が１回の測定で決定される。
線が被測定物体を通過すれば、被測定物体、または、被測定物体の一部の三次元構造が決定される。
輪郭（profile）の測定のために、センサデバイスおよび被測定物体はまた、互いに対して移動できるように構成されている。
なお、照明光ビームが、偏向デバイスで被測定物体上にわたって移動することも可能である。
適切な走査デバイスが経験から知られている。

特に好ましい例示的な実施例によれば、本発明は、コーティング、または、材料組成によりＵＶ光を部分的に吸収し、および、部分的に反射する物体との距離を測定するために使用される三角測量の原理に従った距離測定システムに関する。
照明ユニット（例えば、集束光学系を有するレーザダイオード）が、ＵＶ領域の放射波長を有する集束光を送る。
この波長と受光ビーム路の他の波長との選択は、光学フィルタ、分散要素、および／または、適切なシェードを有するダイクロイックミラーを使用して行われる。
発せられた光の部分が、物体の表面によって、受光ビーム路にある物体から拡散反射される。

本発明の教示を有益な方法で構成するとともに、さらに発展させるさまざまな可能性が存在する。
この目的のために、一方では、請求項１および請求項５の従属項が参照され、他方では、図面を用いて本発明の好ましい例示的な実施例の以下の説明が参照される。
図面を用いて本発明の好ましい例示的な実施例の説明と組み合わせて、一般に好ましい本発明の教示の構成およびさらなる発展について説明する。

６７０ｎｍの波長を有する赤色照明光ビームを使用した場合の検出器で検出した光の強度分布を示す図。 本発明による距離測定システムにおいて、４０５ｎｍの波長を有する紫外線照明光ビームを使用した場合の検出器で検出した光の強度分布を示す図。

図１および図２に示す図は、同じ測定装置を使用して測定されたものである。
レンズとともに、レーザは、およそ２ｍｍ厚のプラスチックガラス、すなわち、車両前照灯ガラスから測定物体に向けて偏向された集束レーザビームを発生する。
レーザビームは、被測定物体の表面で少なくとも部分的に反射され、別のレンズと、照明光ビームの波長に適応された波長選択フィルタと、線検出器用のシェードとを通過する。
センサデバイスは、三角測量法に従って測定を実行するように構成されている。
被測定物体には、センサデバイスの方へ向けられた表面上に紫外線光に対して不透過性のコーティングが設けられる。

図１は、従来技術による６７０ｎｍの放射波長を有する赤色レーザを使用した強度分布を示す図である。
まず一つには、被測定物体とセンサデバイスとを互いに対して最適に整列する必要がある。
他には、２つの顕著な主要ピークが強度分布に存在する。
図１の左側のピークは、センサデバイスの方へ向けられた被測定物体の表面で照明光ビームが反射されることで生じる。
右側のピークは、照明光ビームが、被測定物体内を貫通し、センサデバイスから離れる方へ向けられた被測定物体の表面で反射されることで生じる。
このため、測定は明白なものとならない。
別の問題は、右側のピークが左側のピークより高いことである。
簡単な方法において、最高ピーク値に基づいて強度曲線の評価が実行されれば、誤った距離値の結果となる。
照明光ビームの強度および照明時間が最高ピークを基に調整されれば、測定がさらに不安定になる。
物体の先端部により、第１のピークの強度は非常に低いため、センサデバイスによって評価されず、ひいては、被測定物体の逆側、または、内反射点に対して誤った測定となる。
図１に示す強度分布に見られる小さい方のピークは、被測定物体の複数の反射によって生じる。

図２は、４０５ｎｍの波長を有する紫色レーザを使用した本発明での光の強度分布を示す図である。
被測定物体の表面上での拡散反射により、センサデバイスおよび被測定物体をより自由に配置できる。
加えて、図２に示す強度分布には、１つのピークしか現れていない。
非常に小さな追加のピークは、照明光ビームの小さな部分が被測定物体内を貫通し、センサデバイスから離れる方に向けられた被測定物体の表面で反射されることで生じる。
ここで、強度は非常に低いため、小さなピークは重要ではない。
また、複数の反射は起こらない。

本発明によるデバイスのさらなる有益な構成に関して、繰り返しを避けるために、記載全般および添付の特許請求の範囲が参照される。

なお、本発明に記載のデバイスの上述した例示的な実施例が、請求された教示を説明するためだけに使用されるが、例示的な実施例に制約するものではない。

Claims (18)

1. センサデバイスと被測定物体との間の距離を測定する距離測定システムにおいて、
   前記センサデバイスが、照明光ビームを発生する光源と、前記被測定物体の表面で反射される照明光ビームの一部分を検出する検出器とを備え、
   前記被測定物体が、可視光の波長領域に対して透明であり、
   前記照明光ビームが、紫色領域、または、紫外線領域の波長を有し、
   前記被測定物体が、前記照明光ビームを被測定物体の表面で拡散反射する構成であることを特徴とする距離測定システム。
2. 前記被測定物体の１つの表面が、前記照明光ビームの拡散反射を生じるコーティングを有し、該コーティングが、紫色波長領域、および／または、紫外線波長領域で不透過性であり、または、高減衰性であることを特徴とする請求項１に記載の距離測定システム。
3. 前記被測定物体が、紫色波長領域、および／または、紫外線波長領域で不透過性であり、または、高減衰性である材料で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の距離測定システム。
4. 前記被測定物体が、透明プラスチックである、車両前照灯、車両尾灯のレンズ、または、ディスクから構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の距離測定システム。
5. センサデバイスと被測定物体との間の距離を測定する距離測定システムにおいて、
   前記センサデバイスが、照明光ビームを発生する光源と、前記被測定物体の表面で反射された照明光ビームの一部分を検出する検出器とを備え、
   前記被測定物体が、可視光を正反射する構成であり、
   前記照明光ビームが、紫色領域、または、紫外線領域の波長を有し、
   前記照明光ビームを拡散反射するコーティング材が、前記被測定物体の表面に塗布されていることを特徴とする距離測定システム。
6. 前記被測定物体が、光に対して不透過性のプラスチック、金属、木、および／または、紙で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の距離測定システム。
7. 前記光源が、前記照明光ビームとしてレーザビームを放出する構成であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の距離測定システム。
8. 前記照明光ビームの波長が、３９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の距離測定システム。
9. 前記照明光ビームが、スポット状、交差する線として、および／または、何本かの平行線として被測定物体を照明することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の距離測定システム。
10. 前記光源の後に集束デバイスが配設され、前記照明光ビームが、前記集束デバイスによって集束されることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１つに記載の距離測定システム。
11. 前記検出器が、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ（Complimentary Metal Oxide Silicon））アレイ、または、電荷結合素子（ＣＣＤ（Charge Coupled Device））アレイを備え、前記アレイが、線形アレイ、または、エリアアレイとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１つに記載の距離測定システム。
12. 前記検出器が、位置感応型ダイオード（ＰＳＤ（Position Sensitive Diode））、および／または、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ（Avalanche Photodiode））を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１つに記載の距離測定システム。
13. 外部放射を阻止するために、前記検出器の前に波長選択要素が配設され、該波長選択要素が、フィルタ、分散要素、または、ダイクロイックミラーを使用して構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１つに記載の距離測定システム。
14. 前記波長選択要素が複数タイプあり、異なるタイプの波長選択要素が組み合わされていることを特徴とする請求項１３に記載の距離測定システム。
15. 前記センサデバイスに評価ユニットが接続され、該評価ユニットが、前記被測定物体で反射されて検出器で受光された照明光ビームの部分である受光した光ビームに基づいて距離測定を測定することを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１つに記載の距離測定システム。
16. 前記評価ユニットおよびセンサデバイスが、三角測量法に従って距離測定を実行する構成であることを特徴とする請求項１５に記載の距離測定システム。
17. 前記評価ユニットおよびセンサデバイスが、前記照明光ビームおよび受光した光ビームの走行時間の測定を実行する構成、または、変調された照明光ビームと受光した光ビームとの間の位相シフトの測定を実行する構成であることを特徴とする請求項１５に記載の距離測定システム。
18. 前記被測定物体およびセンサデバイスが、相対的に変位自在であり、前記評価ユニットが、前記被測定物体の輪郭（profile）、または、前記被測定物体の一部の輪郭（profile）を、いくつかの距離測定から決定する構成であることを特徴とする請求項１５乃至請求項１７のいずれか１つに記載の距離測定システム。

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