JPH0450703A - スペックル測長計のモニタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光を照射した物体表面からの拡散光に
よって生じるスペックルパターンを利用して、物体の移
動量を測定するスペックル測長計に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、半導体レーザから出射されたレーザビームを対象
物体に照射し、該物体表面からの拡散光によって生しる
スペックルパターンを観察し、物体の移動、変形等に伴
うスペックルパターンの変化に基づいて物体の移動量、
変形量等を測定する方法が知られている。

又、映像処理の技術分野で従来の撮像管に代るイメージ
センサとして、高い分解能を発揮するＣＣＤが実用化さ
れており、このＣＣＤをスペックルパターン検出センサ
として応用することによって、スペックルパターンを正
確にイメージ信号に変換することが可能となっており、
この結果、高精度の測定結果が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、スペックルパターンは対象物体表面からの拡
散反射光に基づいて形成されるから、物体表面が鏡面の
如く極めて平滑である場合は、原理的にスベンクル測長
が不可能となる。

この様な場合は、対象物体に粗面を形成する等の対策を
講じる必要がある。

又、原理的には測長が可能であったとしても、物体表面
が金属面の如く比較的滑らかな場合、物体表面の１つの
ビームスポットから得られるスペックルパターンのイメ
ージ信号の分布は、中央部が高く、両端部が低い山型の
分布となる。

従って、測長計を設置する際に位置決め誤差が生じて、
測定時にレーザビームが物体表面へ斜めに入射した場合
、前記光強度分布の山部が中央から端へ偏り、これに伴
って分布の裾部の信号レベルが極端に低下することにな
る。

この結果、イメージ信号に測長のための種々の処理を施
す際、前記裾部のレベルがスレ・ンショルドレベルに達
せず、信号処理エラーが生しる虞れがある。

この様な場合は、レーザビームの光軸を対象物体表面に
対して垂直となる様に調整する必要がある。

また、測定対象物との距離の大小や測定対象物の色によ
り、イメージセンサの受光量が大きすぎたり、小さすぎ
ることから正確な測定が不能となる場合がある。

従来のスペックル測長計では、実際の測長に先立って、
測定対象物の表面状態や受光量の大小等の情報や、レー
ザビームの光軸の向きを正確に調整する際の情報が得ら
れず、スペックル測長計の利点を損ねていた。

本発明の目的はこれらの情報が正確に得られるスペック
ル測長計のモニタ装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、測定対象となる移
動物体の表面にレーザビームを照射するレーザ光発生装
置と、前記対象物体のレーザ光照射面に対向した観測面
に表れるスペックルパターンをイメージ信号に光電変換
する一次元イメージセンサと、物体移動に伴う前記イメ
ージ信号の変化に基づいて物体の移動量を算出する測定
回路とを具ｘだスペックル測長計に於いて、レーザビー
ム照射スポットに対応して前記一次元イメージセンサか
ら得られるイメージ信号の分布を、一次元イメージセン
サの走査方向に分割して複数の分割領域に区分するため
のタイミング信号を発するタイミング制御回路と、前記
イメージ信号及びタイミング信号が供給され、イメージ
信号の各分割領域における平均レベルを求めてモニタ信
号を作成する演算回路と、該演算回路からのモニタ信号
のレベルに応じた表示を行う表示手段とを有し、モニタ
信号のレベルに応じて、前記一次元イメージセンサが受
光する光量、傾き及び対象物体の表面状態のうち少なく
とも１つを表示することを特徴とするスペックル測長計
のモニタ装置を構成するものである。

ここで、切換スイッチを設け、一次元イメージセンサが
受光する光量、傾き及び対象物体の表面状態のうち少な
くとも２つの表示を切換可能にすることもでき、また表
示手段として直線状に並設された複数のＬＥＤを用いる
こともできる。

〔作　用］ レーザビームの光軸が対象物体の表面に垂直に設定され
ているときは、イメージ信号の分布は左右対称形となり
、タイミング信号によってイメージ信号を分割した結果
、前半部分と後半部分における平均レベルは同一となり
、表示手段に傾きが適当である旨を表示する。

例えば、複数のＬＥＤが直線状に並設されている表示手
段を用いた場合には中央に位置するＬＥＤを点灯する。

光軸が傾くと、イメージ信号の分布が左右何れか一方に
偏って、各分割領域における平均レベルに差が生じ、こ
れに応して対応する表示を行う。

従って、表示手段の表示が適正になる様に光軸調整を行
なえば、光軸は対象物体表面に対して垂直に設定される
ことになる。

又、対象物体の表面が粗面であるときは、イメージ信号
の分布は偏りのない平均的な分布となり、タイミング信
号によってイメージ信号を分割した結果、各分割領域の
平均レベルは路間−となる。

物体表面が滑らかな場合は、イメージ信号の分布は山型
となって、各分割領域の平均レベルに差が生じることと
なる。

これから、測定対象物表面の反射状態が鏡面反射か拡散
反射かを判別して、表示手段に表示する。

例えば、複数のＬＥＤを用いた場合、拡散反射の時に全
てのＬＥＤを点灯し、鏡面反射の時には、特に信号レベ
ルの高い位置に対応するＬＥＤを点灯することで表示で
きる。

また、一次元イメージセンサが受光するレーザ光の光量
に応じて表示手段に表示を行う。

例えば、複数のＬＥＤの点灯個数によって光量の大小を
表示させるものである。

［実施例〕 本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明に係るスペックル測長計のモニタ装置の
クレーム対応図である。

即ち、本発明は、測定対象となる移動物体の表面にレー
ザビームを照射するレーザ光発生装置１と、前記対象物
体のレーザ光照射面に対向した観測面に表れるスペック
ルパターンをイメージ信号に光電変換する一次元イメー
ジセンサ２と、物体移動に伴う前記イメージ信号の変化
に基づいて物体の移動量を算出する測定回路３とを具え
たスベ・ノクル測長計に於いて、レーザビーム照射スボ
ントに対応して前記一次元イメージセンサ２がら得られ
るイメージ信号の分布を、一次元イメージセンサ２の走
査方向に分割して複数の分割領域に区分するためのタイ
ミング信号を発するタイミング制御回路４と、前記イメ
ージ信号及びタイミング信号が供給され、イメージ信号
の各分割領域における平均レベルを求めてモニタ信号を
作成する演算回路５と、該演算回路５からのモニタ信号
のレベルに応じた表示を行う表示手段６とを有し、モニ
タ信号のレベルに応じて、前記一次元イメージセンサ２
が受光する光量、傾き及び対象物体の表面状態を表示す
ることを特徴とするスペックル測長計のモニタ装置であ
る。

次に、スペックル測長計の全体構成について説明する。

第２図に示す如く、スペックル測長計の測定へ・ノド７
は、ケーシング７１内に、ビーム出射口１２を有する半
導体レーザビーム１−１１、半導体レーザの温度を一定
に制御するための電子冷却装置１３、ＣＣＤを一次元方
向に配列したイメージセンサ２１等を配備して構成され
、測定対象物８に対向して設置される。

ケーシング７１は、図示の如く一側面が開口した直方体
状の本体に、該開口部を寒くゴムパツキン７２及びカバ
ー７３をネジ止め固定して、密閉容器を構成している。

該ケーシング７１の前方壁にはレーザビーム出射用の窓
７４が設けられている。

一次元イメージセンサ２１は、半導体レーザユニット１
１から一出射されるレーザビームの光軸と、次元イメー
ジセンサ２１を構成するＣＯＤの配列方向、即ち走査方
向とが互いに直交し、且っＣＣＤの走査領域の中央位置
が、レーザビームの光軸を含み且つ前記走査方向に直交
する平面上に設置される様、位置決めされる。

第３図は、上記測定ヘッド７に接続して、一次元イメー
ジセンサ２１がらのイメージ信号に基づいて物体の移動
量を算出し、表示するための測定回路の一構成例を示し
ている。

一次元イメージセンサ２Ｉは、周知の如くハシファアン
ブ２２から送られてくるリセット信号、スタート信号及
びシフト信号によってＣＣＤ配列方向の走査を一定周期
で繰返す。

一次元イメージセンサ２１の出力信号は、初段アンプ２
３を介してサンプルホールド回路３１へ接続すれ、これ
によってＣＣＤ特有のノイズが除去される。

サンプルホールド回路３１の出力信号はゲイン制御アン
プ３２を経て２値化回路３３へ送られ、これによって第
４図に示したようなイメージ信号Ｓが２値化され、更に
該２値化信号は相関器３４へ送られて、対象物体の基準
位置におけるスペックルパターンと移動後のスペックル
パターンとの相互相関関数が、前記基準位置をずらしな
がら順次計算され、この計算結果がマイクロコンピュー
タ３５へ送られる。

マイクロコンピュータ３５は前記相互相関関数のピーク
位置から物体の移動距離を算出し、その結果を表示器６
１にデジタル表示せしめる。

又、前記ハνファアンブ２２、サンプルホールド回路３
１．２値化回路３３及び相関器３４はタイミング制御回
路４１から供給されるタイミング信号によって夫々動作
が制御されている。

次に、本発明に係るモニタ装置の構成及び動作について
詳述する。

第５図は本発明のモニタ装置の簡略ブロック図である。

ゲイン制御アンプ３２から出力される信号は、積分器３
６を経てゲイン制御アンプ３２の制御信号端子へフィー
ドバックされるとともに、演算回路別に入力される。

サンプルホールド回路３１から得られるイメージ信号は
、第６図に示すように、タイミング制御回路４１から一
次元イメージセンサ２１へ供給されるスタート信号の周
期Ｔ０毎に発生し、周ＸＡ　Ｔ　ｏ内におけるイメージ
信号の発生期間Ｔは一次元イメージセンサ２１によるス
ペックルパターンの１走査時間に対応している。

サンプルホールド回路３１からのイメージ信号は、演算
回路５１の平均レベル演算回路５２に入力される。

タイミング制御回路４１の分周器４２は、イメージ信号
の発生期間Ｔを複数の領域に分割し、分割タイミング信
号を平均レベル演算回路５２に入力する。

平均レベル演算回路５２は分周器４２の分割タイミング
信号に基づいて１走査当りのイメージ信号を複数の領域
に分割し、各領域毎の平均信号レベルを求める。

表示制御回路５３は、平均レベル演算回路５２によって
求められた各領域毎の平均信号レベルに基づいてインジ
ケータ６２にモニタ信号Ｍを出力する。

５４は、インジケータ６２の表示を切換えるための切換
スイッチであり、一次元イメージセンサ２１の受光量、
測定ヘッドの傾き及び測定対象物の表面状態等の表示の
切換えを可能としている。

一次元イメージセンサ２１の受光量が大きい時には、サ
ンプルホールド回路３１から得られるイメージ信号は第
７図（ａ）に示すような波形となる。

また、一次元イメージセンサ２１の受光量が適当である
場合には、イメージ信号Ｓは第７図（ｂ）のよ・うにな
り、受光量が少ない時には第７図（Ｃ）のようになる。

インジケータ６２として、複数のＬＥＤを設けた場合、
イメージ信号の各分割領域の平均値を求め、これに基づ
いて左端より点灯するＬＥＤの個数の大小により受光量
の大小を表示することができる。

例えば、第８図に示すようにインジケータ６２として７
個のＬ　Ｅ　Ｄ６２１〜６２７を設けた場合、第７図（
ａ）の光量大の時には表示制御回路５３はすべてのＬＥ
Ｄ６２１〜６２７を点灯するようにモニタ信号を出力す
る。

また、第７図（ｃ）のように受光量が少ない場合には第
８図（ｃ）のように左端に位置するＬＥＤ６２１のみを
点灯する。

受光量が適当であり、第７図（ｂ）のようなイメージ信
号Ｓが得られた時には、第８図（ｂ）に示すようにＬＥ
０６２１〜６２４を点灯する。

これから、適切な光量となるように測定ヘッドの取付位
置を調整するこ七ができる。

また、レーザビームの光軸が測定対象物に対して垂直で
ある場合には、第９図（ｂ）に示したようなイメージ信
号が得られるが、左または右に傾いている場合には、第
９図（ａ）または第９図（ｂ）に示すように波形の分布
に偏りが注しる。

これを複数の領域に分割し、それぞれの分割領域の平均
値を求めることにより、傾きを検出することができる。

例えば、イメージ信号の分布が第９図（ａ）のように左
に偏っている場合には、第１０図（ａ）に示すように複
数のＬＥＤのうち左端に位置するＬＥＤ６２１を点灯し
、第９図（Ｃ）のように右に偏っている場合には第１０
図（ｃ）に示すように右端のＬＥＤ６２７を点灯する。

レーザビームの光軸の傾きが適切で、第９図（ｂ）のよ
うなイメージ信号が得られる場合には第１０図（Ｃ）の
ように中央に位置するＬＥＤ６２４を点灯する。

もちろん傾きに応じて複数個のＬＥＤを点灯することも
可能であり、表示方法は特に限定するものではない。

このようにすればインジケータ６２の中央に位置するＬ
ＥＤ６２４が点灯するように測定ヘットを取付けること
で適切な光軸の傾きを設定することができる。

測定対象物の表面状態によっては、第１１図（ａ）、（
ｂ）、　（ｃ）のようなイメージ信号が得られる。

通常の拡散反射の場合には第１１図（ｂ）のようにイメ
ージ信号は発生期間Ｔにおいて平均的な分布を示し、平
均レベル演算回路５２から得られる各分割領域の信号レ
ベルは平均化される。

これから、第１２図（ｂ）に示すようにインジケータ６
２に対し、各分割領域に対応するＬＥＤ６２１〜６２７
を全て点灯するようにモニタ信号を出力すれば、測定対
象物の表面状態が適切な拡散反射であることを表示でき
る。

また、第１１図（ａ）または（ｃ）のようにイメージ信
号にピークが生じている場合は、測定対象物の表面が鏡
面反射の状態であり、これに基づいてピークである領域
に対応したＬＥＤを適宜点灯゛すれば第１２図（ａ）ま
たは（ｃ）のように、測定対象物が鏡面反射である旨の
表示ができる。

測定ヘッドの傾き、測定対象物の表面状態の測定を行う
場合には、第５図において、ゲイン制御アンプ３２の出
力を演算回路５１に人力して、この信号の分布状態を検
出することによって測定することも可能である。

インジケータ６２におけるＬＥＤの数量や配置は実施例
のものに特に限定されるものではなく、表示の方法も上
述のものに限定するものではない。

また、インジケータ６２として液晶表示板等を利用して
文字による表示をさせることも可能である。

〔発明の効果〕

本発明に係るスペックル測長計のモニタ装置は上述のよ
うにしてなり、測定対象物との距離に基づく光量の過不
足、レーザ発生装置の光軸の傾きによる受光信号の偏り
、または測定対象物の表面状態等を検出して、表示手段
に表示し、取付は位置の調整を容易にするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るスペックル測長計のモニタ装置の
クレーム対応図、第２図はスペックル測長計の測定ヘッ
ドの構造を示す一部破断分解斜視図、第３図はスペック
ル測長計の測定回路のブロック図、第４図はイメージ信
号の波形図、第５図は本発明のモニタ装置の簡略ブロッ
ク図、第６図はイメージ信号の波形図、第７図は光量の
変化に基づくイメージ信号の波形図、第８図は光量の表
示例の説明図、第９図はレーザビームの光軸の傾きに基
づくイメージ信号の波形図、第１０図はレーザビームの
光軸の傾きを表示する表示例の説明図、第１１図は測定
対象物の表面状態に基づくイメージ信号の波形図、第１
２図は測定対象物の表面状態を表示する表示例の説明図
である。 １：レーザ光発生装置、 ２ニ一次元イメージセンサ、 ３；測定回路、 ４：タイミング制御回路、 ５：演算回路、　　　　６：表示手段、７：測定ヘッド
、　　　８：測定対象物、１１：半導体レーザユニット
、 １２：ビーム出射口、　１３：電子冷却装置、２１ニ一
次元イメージセンサ、 ２２：ハンファアンプ、２３：初段アンプ、３１：サン
プルホールド回路、 ３２ニゲイン制御アンプ、 ３３；２値化回路、　　３４：相関器、３５：マイクロ
コンピュータ、 ３６：積分器、 ４１：タイミング制御卸回路、 ４２：分周器、　　　　５１：演算回路、５２：平均レ
ベル演算回路、 ５３：表示制御回路、　５４：切換スイッチ、６１：表
示器、　　　　６２：インジケータ、７１：ケーシング
、　　７２：ゴムパツキン、７３：カハー　　　　　７
４：窓。 特許出願人　株式会社キーエンス （α） ＜ｂ’＞ （Ｃ） 第 図 （α） （し） （Ｑ） 第１０図 （α） （ｂ） （Ｃ） 第７２ 図 Ｂｌ） ｃｂ＋ （Ｃ） 第Ｑ 図 （ｂ） （Ｃ） 第 １／　ｒＩ！Ｊ （ａ） ｃ’ｏ） ＣＣ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）測定対象となる移動物体の表面にレーザビームを照
   射するレーザ光発生装置と、前記対象物体のレーザ光照
   射面に対向した観測面に表れるスペックルパターンをイ
   メージ信号に光電変換する一次元イメージセンサと、物
   体移動に伴う前記イメージ信号の変化に基づいて物体の
   移動量を算出する測定回路とを具えたスペックル測長計
   に於いて、レーザビーム照射スポットに対応して前記一
   次元イメージセンサから得られるイメージ信号の分布を
   、一次元イメージセンサの走査方向に分割して複数の分
   割領域に区分するためのタイミング信号を発するタイミ
   ング制御回路と、 前記イメージ信号及びタイミング信号が供給され、イメ
   ージ信号の各分割領域における平均レベルを求めてモニ
   タ信号を作成する演算回路と、該演算回路からのモニタ
   信号のレベルに応じた表示を行う表示手段と、 を有し、モニタ信号のレベルに応じて、前記一次元イメ
   ージセンサが受光する光量、傾き及び対象物体の表面状
   態のうち少なくとも１つを表示することを特徴とするス
   ペックル測長計のモニタ装置。 ２）一次元イメージセンサが受光する光量、傾き及び対
   象物体の表面状態のうち少なくとも２つの表示を切換可
   能な切換スイッチを有する請求項１記載のスペックル測
   長計のモニタ装置。 ３）表示手段として直線状に並設された複数のＬＥＤを
   用いてなる請求項１または２記載のスペックル測長計の
   モニタ装置。