JP2667501B2 - レーザ距離測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ光を用いて物体の移動距離を検出する
距離測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来搬送経路に沿って搬送される物体、例えば薄い鉄
板等を所定長毎に切断するために物体の移動距離を測定
する距離測定装置としては、鉄板に接触して回転するロ
ーラとローラに連結されたロータリーエンコーダを設
け、ロータリーエンコーダより得られる信号から鉄板の
移動距離を検出する装置が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこのような従来の距離測定装置によれ
ば、ローラが距離の測定対象に直接接触することとなる
ため、測定対象による制約が大きく、又エンコーダを用
いることにより測定精度をあまり高くすることができな
いという欠点があった。

本発明はこのような従来の距離測定装置の問題点に鑑
みてなされたものであって、高精度でしかも物体に接触
することなく物体の移動量及び速度を検出できるように
することを技術的課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はレーザ光を用いて物体の移動距離を検出する
距離測定装置であって、レーザ光源と、レーザ光を第1,
第２のレーザビームに分離するビームスプリッタと、分
離された少なくとも一方のレーザビームの周波数をシフ
トさせるブラッグセルと、ブラッグセルを介して得られ
る第1,第２のレーザビームを一点で交差せしめる光学手
段と、第1,第２のレーザビームの交差領域を第1,第２の
レーザビームでなす面内でレーザビームでなす角の２等
分線と垂直方向に通過する物体からの散乱光を電気信号
に変換する光電変換器と、ブラッグセルに与えられる周
波数差の信号を出力する駆動周波数検出手段と、駆動周
波数検出手段より得られる基準入力信号及び光電変換器
より得られる光電変換信号の変化時点を夫々検出する第
1,第２の変化点検出回路、第1,第２の変化点検出回路の
出力がセット及びリセット入力として与えられるRSフリ
ップフロップ回路、第1,第２の変化点検出回路の信号の
一致を検出する一致検出回路、RSフリップフロップ回路
の相異なる出力、第１又は第２の変化点検出回路の出力
及び一致検出回路の出力が夫々与えられ、その一致時に
信号を出力する第1,第２の出力回路、を有する周波数差
検出回路と、を具備し、周波数差検出回路の第1,第２の
出力回路より得られる出力パルスに基づいて物体の移動
距離を測定することを特徴とするものである。

〔作用〕

このような特徴を有する本発明によれば、レーザ光源
より照射されたレーザ光はビームスプリッタによって分
離され、その少なくとも一方のレーザビームがブラッグ
セルによって周波数がシフトされる。そして第1,第２の
レーザビームが光学手段により一点に照射されるため、
その交差領域ではレーザビームの周波数差に相当する速
度で移動する干渉縞が生じる。従って干渉縞の領域内で
レーザビームと垂直に被測定物体を搬送することにより
散乱光が得られる。この散乱光を集光して光電変換する
ことにより干渉縞の移動速度及び物体の搬送速度に対応
した周波数の信号が得られる。一方レーザビームの周波
数差を駆動周波数検出手段によって検出して基準信号と
し、光電変換出力を物体の移動距離に対応した信号とし
て周波数差検出回路の第1,第２の変化点検出回路に与え
ている。こうすれば第1,第２の変化点検出回路の出力信
号によってRSフリップフロップ回路がセット又はリセッ
トされることとなる。従っていずれかの変化点検出回路
の出力の間の他方の変化点検出回路の出力が含まれる場
合には、他方の変化点検出回路の出力が第１又は第２の
出力回路を介して外部に出力される。このため入力信号
の周波数差に対応した周期を持つ信号がその大小に応じ
て第１又は第２の出力回路より出力されることとなる。
そしてこれらの出力回路より得られる出力パルスに基づ
いて物体の移動距離が測定される。

〔実施例の説明〕

第１図は本発明を具体化した実施例により距離測定装
置の構成を示すブロック図である。本図においてレーザ
光源１は単色光を発光するレーザ光源であり、例えばヘ
リウムネオンレーザを用いる。レーザ光源１から照射さ
れたレーザ光はビームスプリッタ２に与えられ、第1,第
２のレーザビームに分離される。これらの第1,第２のレ
ーザビームの光軸上にはブラッグセル3,4及びハーフミ
ラー5,6が設けられている。ブラッグセル３及び４はブ
ラッグセルドライバ７によって夫々異なる周波数、例え
ば81M Hzと80M Hzの高周波で駆動され、入射レーザビー
ムの周波数を変化させるものである。ハーフミラー5,6
を通過した第1,第２のレーザビームは所定の光学手段、
本実施例ではプリズム8,9により所定の点に交差され
る。プリズム8,9に代えてレンズを用いてレーザビーム
を交差させてもよい。この位置には第３図に示すように
距離の測定対象物をＹ軸方向、即ち第４図において第1,
第２のレーザビームでなす面内で第1,第２のレーザビー
ムでなす角θを２等分するＸ軸方向に垂直のＹ軸方向に
移動させるものとする。又プリズム8,9の中間部には中
央に開口を有するアパチャ10及び集光レンズ11が設けら
れる。アパチャ10及び集光レンズ11は対象物から得られ
る散乱光を光ファィバ12に与える。光ファイバ12は散乱
光を周波数測定回路部13の光電変換器14に与えるもので
ある。光電変換器14はこの散乱光を電気信号に変換して
AGC回路15に与える。AGC回路15は受信した散乱光のレベ
ルの変化が少なくなるように自動制御し、その増幅出力
を波形整形回路16に与えるものである。一方ハーフミラ
ー5,6で反射されたレーザ光はいずれもフォトダイオー
ド等の光電変換器17に与えられる。光電変換器17はこれ
らの周波数差の電気信号を出力するものであって、その
出力は基準信号として周波数測定回路13の波形整形回路
18に与えられる。波形整形回路16,18は夫々AGC出力及び
光電変換出力を方形波に変換するものであって、その出
力は周波数差検出回路20に与えられる。ここでハーフミ
ラー5,6及び光電変換器17はブラッグセル3,4に与えられ
る周波数差の信号を出力する駆動周波数検出手段を構成
している。

さて第２図は周波数差検出回路20の詳細なブロック図
を示すものであって、波形整形回路16,18の出力は夫々
入力端子20a,20bより一対の立上り検出回路21,22に与え
られる。立上り検出回路21,22は入力信号の変化時点を
検出する第1,第２の変化点検出回路であって、同一の構
成を有しているため立上り検出回路21について説明す
る。立上り検出回路21は入力端子にＤ型フリップフロッ
プ23が接続され、そのＱ出力がＤ型フリップフロップ2
4,25のＤ入力端及びクロック入力端に夫々与えられる。
フリップフロップ23,24のクロック入力端にクロック信
号源26から入力信号より充分速いクロックを有するクロ
ック信号が与えられている。フリップフロップ24の出
力はフリップフロップ25のクリア入力端に与えられ、フ
リップフロップ25のＱ出力がRSフリップフロップ回路30
に与えられる。立上り検出回路22のフリップフロップ27
〜29についても同様の構成を有している。フリップフロ
ップ29のＱ出力端がRSフリップフロップ回路30及び一致
検出回路31のアンド回路32に与えられている。一致検出
回路31は立上り検出回路21,22の出力の一致を検出する
ものであって、アンド回路31の出力は一定の動作時間を
有する単安定マルチバイブレータ（以下MMという）33に
与えられる。RSフリップフロップ回路30の入力端には入
力信号を夫々遅延させるためのインバータ34a,34b及び3
5a,35bとアンド回路36,37が設けられ、アンド回路36,37
の出力が夫々フリップフロップ38,39に与えられる。MM3
3の出力はアンド回路36,37にゲート信号として与えら
れている。フリップフロップ38,39は入力信号を反転さ
せるためのものであって、夫々の出力はナンド回路40
a,40bと共に構成されるRSフリップフロップ41の及び
入力として与えられる。そしてそのナンド回路40bの
出力（出力）がフリップフロップ38のクリア入力とし
て、又インバータ42を介してフリップフロップ39のクリ
ア入力として与えられている。さてこのRSフリップフロ
ップ41のＱ及び出力は第1,第２の出力回路43,44に与
えられる。出力回路43,44は夫々アンド回路43a,44aから
構成され、立上り検出回路21及び22の出力及び一致検出
回路31の出力が出力回路43,44に与えられる。出力回路4
3,44は出力端子20c,20dよりこれらの論理積信号を周波
数差検出回路20の一対の信号として出力するものであ
る。

次に本実施例の動作について説明する。まずレーザ光
源１より照射されたレーザ光はビームスプリッタ２によ
って第1,第２のレーザビームに分離される。そしてこの
レーザビームはブラッグセル3,4により夫々周波数がシ
フトされることとなる。そしてハーフミラー5,6を介し
て光電変換器17に与えられ、ヘテロダイン検波により光
電変換器17には第３図（ａ）に示すようにブラッグセル
の駆動周波数の差の周波数Fref、本実施例では1M Hzの
周波数の基準信号Ａが得られる。この信号が基準入力と
して波形整形回路18を介して基準信号としてＡ′として
周波数差検出回路20に与えられる。一対のレーザビーム
はプリズム8,9によって検知領域50に照射される。第４
図は検知領域50、即ち一対のレーザビームの交差領域を
示す拡大図であり、交差領域では図示のようにレーザビ
ームの照射方向に平行な干渉縞が形成され、一定速度で
移動する。この検知領域に光の照射方向と垂直なＹ方向
に物体51を移動させる。このとき第1,第２のレーザビー
ムが成す角度をθとし、その波長をλとすると、検知領
域では所定の幅を有する干渉縞が形成される。この干渉
縞の間隔dfは次式（１）で示される。

例えばレーザ光源１のレーザ光の波長を633nm,交差角
θを3.5゜とすると、干渉縞の間隔dfは約10μｍとな
る。そして検知領域50ではこの干渉縞がブラッグセル3,
4に与えられる駆動信号の周波数を夫々80M Hz,81M Hzと
すると、その周波数差である1M Hzに相当する速度でＹ
軸方向に移動する。即ち干渉縞は10m/sの速さで移動す
ることとなる。従って検知領域50に被検出物体51が静止
している場合は、物体51から得られる散乱光の光電変換
出力は1M Hzの周波数成分を有している。又物体51がＹ
軸の正方向に移動すれば、その移動速度に対応して1M H
zより低い周波数の散乱光が得られることとなる。又物
体51がＹ軸の負方向に移動すれば、その移動方向に対応
して1M Hzより高い周波数の散乱光が得られることとな
る。この散乱光の信号（移動信号）をＢ、その周波数を
Fsgとすると、光電変換器14には第３図（ｂ）に示すよ
うな移動信号が得られる。この信号がAGC回路15及び波
形整形回路16を介して移動信号Ｂ′として周波数差検出
回路20に与えられる。

さて立上り検出回路21,22には夫々第５図（ａ），
（ｂ）に示すようにわずかに異なった周波数Fref,Fsgの
信号Ａ′,B′が与えられる。この場合には立上り検出回
路21,22より第５図（ｃ），（ｄ）に示すように夫々の
立上りの時点で１クロック分の信号が出力される。この
信号がRSフリップフロップ回路30のインバータ34,アン
ド回路36又はインバータ35,アンド回路37を介してRSフ
リップフロップ41にセット入力及びリセット入力として
与えられる。そして立上り検出回路21の立下り時点であ
る時刻t₁にRSフリップフロップ41がセットされ、立上り
検出回路22の立下り時点t₂でこのフリップフロップ41が
リセットされる信号が出力される。従ってRSフリップフ
ロップ41はこれによってセット及びリセットされ、その
Ｑ及び出力端には第５図（ｅ），（ｆ）に示すような
信号が出力されることとなる。

さて検知領域50を被測定物体がＹ軸の負方向に移動し
ており、移動信号Ｂの周波数Fsgが1M Hzより高く、第５
図に示すようにその周期が長い場合には、時刻t₃に示す
ように、立上り検出回路22の出力でRSフリップフロップ
41がリセットされた後、立上り検出回路21の出力により
再びセットされる時刻t₄までの間に立上り検出回路22よ
り第５図（ｄ）に示すようなパルス信号ｐが出力される
ことがある。この場合にはフリップフロップ41の出力
により立上り検出回路22の出力が出力回路44に与えられ
る。従ってこの信号によって出力回路44を介して第５図
（ｂ）に示すような出力パルスｐが出力されることとな
る。このパルスは入力信号A,Bの周波数差に対応したタ
イミングを有している。即ち入力信号A,Bの周波数がFre
f＞Fsgの場合には、出力回路43より１周期ずれる毎にパ
ルス、即ちFref−Fsgの周波数信号が得られ、２つの周
波数がFref＜Fsgの場合には、出力回路44より１周期ず
れる毎に１パルス、即ちFsg−Frefの周波数信号が得ら
れることとなる。

次に立上り検出回路21,22からの出力信号が一致する
場合がある。このときには立上り検出回路21,22の出力
を直接RSフリップフロップ41に与えればその出力は不定
となり、いずれかの出力回路43,44より出力が現れる可
能性がある。このような出力を禁止するために一致検出
回路31が設けられている。第６図はその動作を示す図で
ある。立上り検出回路21,22より第６図（ａ），（ｂ）
に示すような信号がRSフリップフロップ回路30に与えら
れた場合には、時刻t₅には立上り検出回路21の立下りに
よってRSフリップフロップ31がセットされ、立上り検出
回路22の立下りによって時刻t₆にRSフリップフロップ41
がリセットされるように動作する。さて時刻t₇〜t₈の間
に立上り検出回路21,22より同時に出力が与えられる
と、一致検出回路31のアンド回路32によってその一致が
検出されMM33が一定時間動作する。従って一致検出回路
31より第６図（ｄ）に示すような信号が得られ、この信
号によってアンド回路36,37によるフリップフロップ38,
39への入力が禁止される。又一致検出回路31の出力によ
り出力回路43,44に禁止入力が与えられる。従ってこの
ときには出力回路44より出力が与えられない。そしてRS
フリップフロップ41はリセット状態を保つため、次に立
上り検出回路22より信号が与えられる時刻t₉〜t₁₀には
第６図（ｅ）に示すようなパルスが出力されることとな
ってミスカウントが防止できることとなる。

こうすれば周波数差検出回路20から得られる出力によ
って検知領域50を通過す物体51の移動状態を検知するこ
とができる。即ち第３図に示すようにいずれかの出力回
路43,44から得られる１つのパルスは夫々10μｍの物体
の移動に対応しているため、その移動距離に相当するパ
ルス数を計数することによって移動距離が得られる。又
周波数差検出回路20の出力側にカウンタを設ければ夫々
のカウンタの計数値をＮとすると、移動距離Ｌはdf×Ｎ
で示される。又この距離移動した時間をＴとすると、そ
の距離Ｌの時間Ｔで除算することによって物体の移動速
度Ｖを得ることができる。

このような本発明によれば、物体の移動距離を非接触
で直接高精度に測定することができる。又その移動方向
及び移動速度も同時に識別することができる。

尚本実施例ではハーフミラー5,6より得られるレーザ
ビームの周波数差を光電変換器17によってヘテロダイン
検波することによって基準周波数の信号を得るようにし
ているが、プラッグセルドライバ７から直接その周波数
差の信号を出力するようにしてもよい。

次に本願の第２実施例によるレーザ距離測定装置につ
いて第７図を参照しつつ説明する、本実施例において第
１実施例と同一部分は同一符号を付しており、その詳細
は構成を省略する。本実施例においてもレーザ光源１の
レーザ光をビームスプリッタ２によって分離し、ブラッ
グセル3,4とブラッグセルドライバ７によってその周波
数を異ならせるようにしている。さてハーフミラー５の
光軸上にミラー61を設け第１のレーザビームを反射させ
てハーフミラー62に照射するようにしている。又ハーフ
ミラー62を通過した第２のレーザビームはそのまま測定
領域に照射され、第２のレーザビームの光軸上を移動す
る物体64からの反射光が集光レンズ63を介してハーフミ
ラー62に戻される。そして反射光の１部がハーフミラー
62によって反射される。従って第１のレーザビームと反
射光の周波数の差が光電変換器14によりヘテロダイン検
波されることとなる。又ハーフミラー5,6で反射された
レーザビームは光電変換器17に与えられ、ブラッグセル
ドライバ７の駆動周波数の差の周波数信号が基準信号と
して波形整形回路18に与えられる。光電変換器14,17の
出力に基づいて周波数差を検出する検出回路の構成及び
動作は前述した第１実施例と同様である。

本実施例では第２のレーザビームの照射方向であるＸ
軸方向に移動する物体の移動距離を測定することができ
る。この場合には前述した（１）式においてθが約180
゜となるため干渉縞に相当する間隔dfはλ/2、即ち約0.
3μｍとなり、移動距離の分解能を向上させることがで
きる。

〔発明の効果〕

このため本発明のレーザ距離測定装置によれば、物体
とは非接触でしかも高精度で物体の移動距離を測定する
ことができる。又本発明では、このレーザ距離測定装置
のレーザビームに照射方向とは垂直方向に移動する物体
の移動距離を測定することができるため、金属薄板等の
長尺の物体の移動距離を連続して測定することができ
る。そして物体の移動速度が大幅に変化する場合には、
光電変換器に得られる出力周波数もそれに対応し変化す
る。しかし周波数差検出回路は全てデジタル回路で構成
されているため、その構成を入力周波数に対応させて変
化することがなく、第１又は第２の出力端からの出力パ
ルスを計数することによって移動距離及び移動方向を同
時に測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるレーザ距離測定装置の
全体構成を示すブロック図、第２図は周波数差検出回路
の構成を示す回路図、第３図及び第５図はその動作を示
すタイムチャート、第４図は本実施例の検知領域を示す
拡大図、第６図は一致検出回路の動作を示すタイムチャ
ート、第７図は本願の第２実施例によるレーザ距離測定
装置を示すブロック図である。 １……レーザ光源、２……ビームスプリッタ、3,4……
ブラッグセル、5,6,62……ハーフミラー、７……ブラッ
グセルドライバ、8,9……プリズム、10……アパチャ、1
1……集光レンズ、14,17……光電変換器、16,18……波
形整形回路、20……周波数差検出回路、21,22……立上
り検出回路、30……RSフリップフロップ回路、31……一
致検出回路、33……単安定マルチバイブレータ（MM）、
41……RSフリップフロップ、43,44……出力回路、50…
…検知領域

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源と、 前記レーザ光を第1,第２のレーザビームに分離するビー
   ムスプリッタと、 前記分離された少なくとも一方のレーザビームの周波数
   をシフトさせるブラッグセルと、 前記ブラッグセルを介して得られる第1,第２のレーザビ
   ームを一点で交差せしめる光学手段と、 前記第1,第２のレーザビームの交差領域を第1,第２のレ
   ーザビームでなす面内でレーザビームでなす角の２等分
   線と垂直方向に通過する物体からの散乱光を電気信号に
   変換する光電変換器と、 前記ブラッグセルに与えられる周波数差の信号を出力す
   る駆動周波数検出手段と、 前記駆動周波数検出手段より得られる基準入力信号及び
   前記光電変換器より得られる光電変換信号の変化時点を
   夫々検出する第1,第２の変化点検出回路、前記第1,第２
   の変化点検出回路の出力がセット及びリセット入力とし
   て与えられるRSフリップフロップ回路、前記第1,第２の
   変化点検出回路の信号の一致を検出する一致検出回路、
   前記RSフリップフロップ回路の相異なる出力、前記第１
   又は第２の変化点検出回路の出力及び前記一致検出回路
   の出力が夫々与えられ、その一致時に信号を出力する第
   1,第２の出力回路、を有する周波数差検出回路と、を具
   備し、 前記周波数差検出回路の第1,第２の出力回路より得られ
   る出力パルスに基づいて前記物体の移動距離を測定する
   ことを特徴とするレーザ距離測定装置。