距离测量装置的制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于飞行时间测量法的距离测量装置。

背景技术：

目前，公知有一种距离测量装置，可用于商品、部件等三维形状的测量。近年来，随着工厂中的生产自动化，被要求有能够以高速且非接触方式进行测量并且小型廉价的装置，作为距离测量装置。因而，作为距离测量装置，开发有通过采用激光器光(激光)的三角测量法进行距离测量的装置、以及通过采用激光器光的飞行时间测量法进行距离测量的装置。

图1是表示通过三角测量法进行距离测量的距离测量装置7的图。

在距离测量装置7中，控制器71通过电流驱动器72以恒电流驱动控制半导体激光器73。半导体激光器73输出的激光器光通过聚光透镜74被照射到测量对象物9。通过测量对象物9反射的激光器光通过受光透镜75使光点(Spot)在光电二极管76(位置检测元件)上成像。光点(斑点)根据激光器光的光轴方向的位移量进行位移。

控制器71在通过未图示的驱动部，使距离测量装置7与测量对象物9在与激光器光的光轴正交的图1的上下方向上相对移动的同时，测量光电二极管76上的光点的位移量。通过这样，控制器71能够测量测量对象物9的光轴方向的位移量，并能够测量测量对象物9的表面形状等。

不过，采用三角测量法的距离测量装置7有到测量对象物9的可测量距离的范围非常狭的问题。

图2是表示通过飞行时间测量法进行距离测量的距离测量装置8的图。

在距离测量装置8中，控制器81通过电流驱动器82以恒电流驱动控制半导体激光器83。半导体激光器83输出的激光器光通过准直(校准)透镜84被校准后，通过半反射镜85取出一部分，该一部分的激光器光被光电二极管86接受。

在距离测量装置8测量从输出激光器光到通过测量对象物9反射回来的激光器光的飞行时间时，控制器81在光电二极管86接受激光器光的定时开始测量。

通过半反射镜85的激光器光被照射到测量对象物9。通过测量对象物9反射的激光器光通过受光透镜87被光电二极管88接受。控制器81在光电二极管88接受激光器光的定时结束激光器光的飞行时间的测量。

控制器81通过计算出激光器光的飞行时间，能够测量从半导体激光器83到测量对象物9的距离。

在采用飞行时间测量法的距离测量装置8中，与采用三角测量法的距离测量装置7相比，到测量对象物9的可测量距离的范围宽广。不过，在距离测量装置8中，为了获得测量开始和结束的定时，需要两个光电二极管86、88及向各光电二极管86、88引导激光器光的两个光路，所以存在有装置构成变复杂的问题。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于飞行时间测量法的距离测量装置，其能够使装置构成变简单。

为解决上述问题，本发明第一方面涉及的距离测量装置，包括：半导体激光器和取得部。半导体激光器通过激光元件输出激光器光，而且通过内置的光电二极管接受激光元件输出的背光光束。取得部为了计算出从激光元件到测量对象物的距离或者距离的位移，计时第一定时和第二定时之间的时间，并取得已计时的时间，作为从激光器光被输出到通过测量对象物反射回来的激光器光的飞行时间，所述第一定时是通过激光元件开始输出激光器光而光电二极管的输出超过第一阈值的定时，所述第二定时是通过激光器光由测量对象物反射并返回到激光元件而光电二极管的输出超过与第一阈值相比高的第二阈值的定时。

根据这样的构成，通过半导体激光器及取得部的设置，能够使距离测量装置的构成变简单并使距离测量装置小型化。

在本发明第二方面涉及的距离测量装置中，所述取得部包括：第一比较器，进行因所述光电二极管的输出是否超过所述第一阈值而不同的输出；第二比较器，进行因所述光电二极管的输出是否超过所述第二阈值而不同的输出；以及计时器，计时所述第一比较器的输出为所述光电二极管的输出超过所述第一阈值时的输出且所述第二比较器的输出为所述光电二极管的输出小于所述第二阈值时的输出的期间的时间，作为所述飞行时间，其中，所述取得部能够变更所述第一阈值及第二阈值。

根据这样的构成，通过取得部设置第一比较器和第二比较器，计时器能够准确地计时激光器光的飞行时间。

在本发明第三方面涉及的距离测量装置中，所述激光元件在所述飞行时间的测量当中连续输出所述激光器光。

根据这样的构成，通过所述激光元件在所述飞行时间的测量当中连续输出所述激光器光，能够可靠地保证通过测量对象物反射返回来的激光器光在激光元件内与进行输出的激光器光产生谐振从而提高背光光束的输出。

在本发明第四方面涉及的距离测量装置中，还包括：反射镜，反射所述激光元件输出的所述激光器光，变更所述激光器光的输出方向；以及控制器，控制所述反射镜的角度，在将所述激光器光在主扫描方向上进行扫描后，在副扫描方向上错开的位置在所述主扫描方向上扫描所述激光器光。

根据这样的构成，通过设置能够变更所述激光器光的输出方向的反射镜，能够将所述激光器光朝向二维方向的任意方向从而能够计算出测量对象物的表面形状。

在本发明第五方面涉及的距离测量装置中，所述控制器，将所述激光器光的照射位置维持在所述测量对象物的第一位置上，直到所述测量对象物的所述第一位置的所述飞行时间的测量结束，当在所述第一位置的所述飞行时间的测量结束时，则使所述激光器光的照射位置移动到和所述测量对象物中的所述第一位置在所述主扫描方向上错开的第二位置。

根据这样的构成，通过控制器使激光器光的照射位置在所述测量对象物中的第一位置的所述飞行时间的测量结束时，移动到和所述第一位置在所述主扫描方向上错开的第二位置，能够更准确地计算出测量对象物的表面形状。

在本发明第六方面涉及的距离测量装置中，所述反射镜是检流镜。

根据这样的构成，通过设置检流镜，能够将激光器光朝向二维方向的任意方向从而能够计算出测量对象物的表面形状。

在本发明第七方面涉及的距离测量装置中，所述激光器光的扫描模式在所述主扫描方向和所述副扫描方向的平面内之字状地进行或者漩涡状地进行。

根据这样的构成，通过所述激光器光的扫描模式在所述主扫描方向和所述副扫描方向的平面内之字状地进行或者漩涡状地进行，能够根据测量的需要，自由地选择扫描模式。

在本发明第八方面涉及的距离测量装置中，所述激光元件是端面发光型的激光二极管，所述激光器光从所述激光元件的一端面输出，所述背光光束从与该一端面相反的端面向与所述激光器光的输出方向相反方向输出，所述背光光束的光轴与所述激光器光的光轴在同一直线上。

根据这样的构成，通过采用端面发光型的激光二极管作为所述激光元件，能够使激光器光的扫描范围宽广且距离测量装置的构成变简单并使距离测量装置小型化。

在本发明第九方面涉及的距离测量装置中，还包括：准直透镜，设置在所述激光元件的前面，其中，所述激光元件输出的所述激光器光通过所述准直透镜被照射到所述测量对象物，通过所述测量对象物反射的所述激光器光入射到所述激光元件内。

根据这样的构成，通过设置准直透镜，能够提高激光元件输出的激光器光的光束的准直性。

在本发明第十方面涉及的距离测量装置中，所述第一阈值被设置为与在所述第一定时中的所述光电二极管的输出相比低的值，所述第二阈值被设置为与在所述第二定时中的所述光电二极管的输出相比低、与在所述第一定时中的所述光电二极管的输出相比高的值。

根据这样的构成，通过设置这样的第一阈值和第二阈值的值，能够可靠地确定第一定时和第二定时从而准确地计算出激光器光的飞行时间。

附图说明

下面，参照附图对本发明所涉及的距离测量装置进行说明。当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是表示通过三角测量法进行距离测量的距离测量装置的图；

图2是表示通过飞行时间测量法进行距离测量的距离测量装置的图；

图3是表示距离测量装置的构成的图；

图4是表示光电二极管的输出的图；

图5是用于对门部及计时器的动作原理进行说明的时序图；

图6是用于对距离测量处理进行说明的流程图；

图7是表示距离测量装置的要部的构成的图；以及

图8是表示测量对象物中的各测量位置的图。

附图标记说明

1、1A 距离测量装置 9 测量对象物

13 半导体激光器 131 激光元件

132 光电二极管 14 取得部

16 检流镜(反光镜) 142 第一比较器

143 第二比较器 145 计时器

t1 第一定时 t2 第二定时

th1 第一阈值 th2 第二阈值

具体实施方式

下面，参照附图，对各实施例进行说明。

第一实施例

图3是表示距离测量装置1的构成的图。

距离测量装置1为了计算出到测量对象物9的距离或该距离的位移(变位)，而计算出从激光器光(激光)被输出到通过测量对象物9反射回来的激光器光的飞行时间。

距离测量装置1的控制器11具有读取未图示的存储器内的程序并进行各种处理的处理器，并控制距离测量装置1的整体。控制器11通过电流驱动器12以恒电流驱动控制半导体激光器13的激光元件131。控制器11在激光器光的飞行时间的测量当中，以激光器光始终固定连续输出的方式对激光元件131进行驱动控制。

激光元件131是端面发光型的激光二极管，从一端面输出激光器光。此外，激光元件131从与一端面相反的端面向与激光器光的输出方向相反方向输出背光光束。背光光束的光轴位于与激光器光的光轴相同直线上。

背光光束被由半导体激光器13所内置的光电二极管132接受。光电二极管132与激光元件131靠近设置并与激光元件131一体地被封装。

激光元件131温度越高发光效率越下降，激光器光的输出因环境温度而变动。在这里，背光光束的强度与激光器光的输出成比例。因而，可知通过监控(监测)背光光束，来进行使激光器光的输出为一定的反馈控制。

在本实施例中，取得部14利用半导体激光器13所内置的用于监控背光光束的光电二极管132计算出激光器光的飞行时间。

具体地说，取得部14将光电二极管132开始接受背光光束的定时视为向测量对象物9输出激光器光的定时，也就是说视为激光器光的飞行时间的测量开始定时。

激光元件131所输出的激光器光通过准直(校准)透镜15照射到测量对象物9。通过测量对象物9反射的激光器光入射到激光元件131内。入射到激光元件131内的激光器光在激光元件131内通过与进行输出的激光器光进行共振(谐振)从而提高背光光束的输出。

因而，取得部14将通过背光光束的输出提高而光电二极管132的输出提高的定时视为激光器光通过测量对象物9反射而返回到激光元件131的定时，也就是说视为激光器光的飞行时间的测量结束定时。

取得部14基于光电二极管132的输出，取得激光元件131开始输出激光器光的定时和激光器光通过测量对象物9反射而返回到激光元件131的定时之差，作为激光器光的飞行时间。

取得部14计时激光器光的飞行时间，并将表示激光器光的飞行时间的信号输出给控制器11。

这样的取得部14具有将光电二极管132输出的电流转换成电压的未图示的转换电路、放大经过了转换电路的光电二极管132的输出的放大器141、输入有经过了放大器141的光电二极管132的输出的第一比较器142、第二比较器143、设置在第一比较器142和第二比较器143的后部的门部144及计时器145。对第一比较器142和第二比较器143、门部144及计时器145进行后述。

控制器11基于激光器光的飞行时间，计算出到测量对象物9的距离。此外，控制器11通过使半导体激光器13和准直透镜15与测量对象物9在与激光器光的光轴正交的方向(图3的图面上下方向)上相对移动，能够计算出到测量对象物9的距离的位移(变位)并能够测量测量对象物9的表面形状。

图4是表示光电二极管132的输出的图。在图4中，横轴表示时间，纵轴表示光电二极管132的输出。

在激光元件131未输出激光器光时，光电二极管132的输出为零。另外，往往有始终向激光元件131输入微量的偏置电流使激光元件131进行微发光以使容易输出激光器光的情况。这时，光电二极管132的输出在到输出测量用的激光器光的定时t1的期间，为与微弱的背光光束的接收量对应的值。

在激光元件131开始激光器光的输出的定时t1，光电二极管132的输出提高与背光光束的接受量对应的值。

第一比较器142输出为两个值，根据光电二极管132的输出是否超过阈值th1(第一阈值)而输出不同。具体地说，第一比较器142当输入到第一输入端子的光电二极管132的输出电压超过作为输入到第二输入端子的阈值的基准电压th1时输出电压为High(高)，当光电二极管132的输出电压小于基准电压th1时输出电压为Low(低)。

通过这样，当第一比较器142的输出为High(高)时，能够判断激光元件131开始激光器光的输出。另外，阈值th1被设置为与在定时t1中的光电二极管132的输出相比低的值。阈值th1当向激光元件131输入偏置电流时，被设置为与接受基于偏置电流的背光光束时的光电二极管132的输出相比高的值。

在通过测量对象物9反射的激光器光返回到激光元件131并入射到激光元件131内的定时t2，通过返回来的激光器光在激光元件131内产生共振(谐振)，并提高背光光束的输出。因此，在定时t2中，接受背光光束的光电二极管132的输出进一步提高。

第二比较器143与第一比较器142为同样的构成，仅阈值th2与第一比较器142不同。阈值th2被设置为与定时t2中的光电二极管132的输出相比低、与在定时t1中的光电二极管132的输出相比高的值。

通过这样，当第二比较器143的输出为High(高)时，能够判断通过测量对象物9反射的激光器光已返回到激光元件131。

根据从距离测量装置1到测量对象物9的距离、测量对象物9的反射率，通过测量对象物9反射而返回到激光元件131的激光器光的强度改变。因此，用于判断激光器光是否已返回到激光元件131的阈值th2及阈值th1(各比较器142、143的基准电压th1、th2)，可以通过控制器11任意设置变更。

图5是用于对门部144及计时器145的动作原理进行说明的时序(时间)图。

门部144当第一比较器142的输出为High(高)且第二比较器143的输出为Low(低)时，输出High(高)，当第一比较器142、第二比较器143的输出的组合为除此之外时，输出Low(低)。

也就是说，门部144在从激光器光被输出到通过测量对象物9返回来的期间输出为High(高)。

计时器145在门部144的输出为High(高)的期间计量时钟脉冲并计算出激光器光的飞行时间。

控制器11基于计时器145的计量值，计算出到测量对象物9的距离或者该距离的位移。

例如，控制器11通过以下公式(1)计算出从距离测量装置1(激光元件131)到测量对象物9的距离L。在公式(1)中，将计时器145所计量的激光器光的飞行时间视为t，将激光器光的速度视为c。

下面，参照图6的流程图，对基于距离测量装置1的距离测量处理进行简略说明。

距离测量装置1通过激光元件131输出激光器光(Act1)。

激光元件131由于在输出激光器光时也输出背光光束，所以通过光电二极管132检测该背光光束从而能够判断为激光元件131已输出激光器光。

因而，距离测量装置1监控光电二极管132的输出是否超过表示接受背光光束的阈值th1(Act2)。

距离测量装置1当光电二极管132的输出超过阈值th1时(Act2的是)，将光电二极管132的输出超过阈值th1的该定时t1判断为激光元件131开始输出激光器光的定时。距离测量装置1用该定时t1开始计量激光器光的飞行时间(Act3)。

当激光器光通过测量对象物9反射并返回到激光元件131时，则在激光元件131内返回来的激光器光与输出的激光器光进行共振，背光光束的输出增大。因此，通过光电二极管132检测出背光光束的输出的增大，从而能够判断为激光器光通过测量对象物9反射并返回到激光元件131。

因而，距离测量装置1监控光电二极管132的输出是否超过表示激光器光已返回到激光元件131的阈值th2(Act4)。

距离测量装置1当光电二极管132的输出超过阈值th2时(Act4的是)，将该定时t2判断为激光器光通过测量对象物9反射并返回到激光元件131的定时。距离测量装置1在该定时t2结束激光器光的飞行时间的计量(Act5)。

距离测量装置1基于激光器光的飞行时间计算出到测量对象物9的距离或者该距离的位移(Act6)。

第二实施例

图7是表示距离测量装置1A的要部的构成图。

距离测量装置1A具有检流镜16的这点与第一实施例不同，其他构成与第一实施例相同。

检流镜16通过未图示的驱动部可向任意方向倾斜，并能够将激光器光朝向二维方向的任意方向。在本实施例中，能够通过座标(X、Y)指定激光器光的输出方向，控制器11控制检流镜16的角度，以使激光器光照射到座标(X、Y)的位置。

图8是表示测量对象物9中的各测量位置的图。

控制器11驱动检流镜16，在副扫描方向中的座标Y0的位置在主扫描方向上扫描激光器光。

控制器11首先向位置(X0、Y0)(第一位置)照射激光器光，并进行测量在该位置(X0、Y0)的激光器光的飞行时间。控制器11此时将激光器光的照射位置维持在位置(X0、Y0)，直到结束在该位置(X0、Y0)的激光器光的飞行时间的测量。

接着，控制器11驱动检流镜16，在主扫描方向上使激光器光的照射位置移动到错开一座标的位置(X1、Y0)，进行测量该位置(X1、Y0)(第二位置)的激光器光的飞行时间。

这样，控制器11在主扫描方向上一个一个座标挪动激光器光，并在主扫描方向上扫描激光器光。而且，控制器11对在主扫描方向上的各座标位置的激光器光的飞行时间进行测量下去。

控制器11当结束主扫描方向的测量时，则在向与主扫描方向正交的副扫描方向错开一座标的位置Y1在主扫描方向上扫描激光器光，并对该主扫描方向的各座标位置(X1、Y1)(X2、Y1)......的激光器光的飞行时间进行测量下去。

控制器11基于这样取得的各座标位置的激光器光的飞行时间，计算出到各座标位置的距离、在各座标位置中的距离的位移也就是说测量对象物9的表面形状。

另外，激光器光的扫描模式(图案)，既可以在X-Y平面内如上述那样曲折(之字)状地进行，又可以旋涡状地进行，适当就好。

效果

在第一实施例及第二实施例中，用一个光电二极管132监控背光光束，并获得激光器光的飞行时间的测量开始定时t1及测量结束定时t2。因此，在第一实施例及第二实施例中，与采用半反射镜85、多个光电二极管86、88的图2的现有构成相比，可以使装置构成简单而且能够使装置小型化。

在第一实施例及第二实施例中，由于利用半导体激光器13所内置的监控用的光电二极管132，所以可以利用成品的半导体激光器13并能够容易地制作距离测量装置1、1A。

在本发明中，通过半导体激光器13及取得部14的设置，能够使距离测量装置1、1A的构成变简单并使距离测量装置1、1A小型化。

在本发明中，通过取得部14设置第一比较器142和第二比较器143，计时器145能够准确地计时激光器光的飞行时间。

在本发明中，通过激光元件131在飞行时间的测量当中连续输出激光器光，能够可靠地保证通过测量对象物9反射返回来的激光器光在激光元件131内与进行输出的激光器光产生谐振从而提高背光光束的输出。

在本发明中，通过距离测量装置1A还包括：作为检流镜16的反射镜，反射激光元件131输出的激光器光，变更激光器光的输出方向；以及控制器11，控制反射镜的角度，在将激光器光在主扫描方向上进行扫描后，在副扫描方向上错开的位置在主扫描方向上扫描激光器光，能够将激光器光朝向二维方向的任意方向从而能够计算出测量对象物9的表面形状。

在本发明中，通过控制器11，将激光器光的照射位置维持在测量对象物9的第一位置上，直到测量对象物9的第一位置的飞行时间的测量结束，当在第一位置的飞行时间的测量结束时，则使激光器光的照射位置移动到和测量对象物9中的第一位置在主扫描方向上错开的第二位置，能够更准确地计算出测量对象物9的表面形状。

在本发明中，通过激光器光的扫描模式在主扫描方向和副扫描方向的平面内之字状地进行或者漩涡状地进行，能够根据测量的需要，自由地选择扫描模式。

在本发明中，通过激光元件131是端面发光型的激光二极管，激光器光从激光元件131的一端面输出，背光光束从与该一端面相反的端面向与激光器光的输出方向相反方向输出，背光光束的光轴与激光器光的光轴在同一直线上，能够使激光器光的扫描范围宽广且距离测量装置1、1A的构成变简单并使距离测量装置1、1A小型化。

在本发明中，通过距离测量装置1、1A还包括：准直透镜15，设置在激光元件131的前面，激光元件131输出的激光器光通过准直透镜15被照射到测量对象物9，通过测量对象物9反射的激光器光入射到激光元件131内，能够提高激光元件131输出的激光器光的光束的准直性。

在本发明中，通过阈值th1(第一阈值)被设置为与在定时t1(第一定时)中的光电二极管132的输出相比低的值，阈值th2(第二阈值)被设置为与在定时t2(第二定时)中的光电二极管132的输出相比低、与在定时t1(第一定时)中的光电二极管132的输出相比高的值，能够可靠地确定在定时t1(第一定时)和t2(第二定时)从而准确地计算出激光器光的飞行时间。

虽然对本发明的几个实施例进行了说明，但是这些实施例是作为例子提出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施例可以用其他的各种形式来实施，在不脱离发明要旨的范围内可以进行各种省略、替换、变更。这些实施例及其变形均被包含在发明的范围或要旨中，而且，包含在权利要求的范围所记载的发明和其均等的范围内。