JP2001241919A - 変位測定装置 - Google Patents
変位測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 測定対象を限定することなく非接触で高速に
高精度の測定が行える比較的安価な変位測定装置を提供
すること。 【解決手段】 測定対象の基準位置の基準画像データを
格納する第１の記憶部と、測定対象の測定位置の測定画
像データを格納する第２の記憶部と、これら基準画像デ
ータと測定画像データに共通する注目部分を抽出比較し
て基準画像と測定画像のずれ量を求め、測定対象の変位
量を算出する信号処理部、とで構成されたことを特徴と
するもの。
高精度の測定が行える比較的安価な変位測定装置を提供
すること。 【解決手段】 測定対象の基準位置の基準画像データを
格納する第１の記憶部と、測定対象の測定位置の測定画
像データを格納する第２の記憶部と、これら基準画像デ
ータと測定画像データに共通する注目部分を抽出比較し
て基準画像と測定画像のずれ量を求め、測定対象の変位
量を算出する信号処理部、とで構成されたことを特徴と
するもの。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種機器の振動・
位置変化・速度などを光学的に測定する変位測定装置に
関し、詳しくは、測定精度の改善に関するものである。
位置変化・速度などを光学的に測定する変位測定装置に
関し、詳しくは、測定精度の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】各種機器の微小な動きや振動を光学的に
測定する装置として、測定対象平面にターゲットシート
を貼り付けてこれにレーザー光を照射し、その反射光ビ
ームを解析することによりＸ，Ｙ方向の変位を非接触で
測定するように構成された変位測定装置が実用化されて
いる。
測定する装置として、測定対象平面にターゲットシート
を貼り付けてこれにレーザー光を照射し、その反射光ビ
ームを解析することによりＸ，Ｙ方向の変位を非接触で
測定するように構成された変位測定装置が実用化されて
いる。
【０００３】この装置はフォトダイオードアレイによる
像検出と空間フィルタ技術を用いている。すなわち、タ
ーゲットシートはＸ，Ｙ方向に特定の空間周波数分布を
持っていて、空間フィルタ構成のフォトダイオードアレ
イにより変位量を電気的な位相変化として検出する。位
相変化から変位への変換はデジタル的に演算処理され、
変位測定結果はデジタル表示されるとともにＸ，Ｙ個別
にアナログ出力される。
像検出と空間フィルタ技術を用いている。すなわち、タ
ーゲットシートはＸ，Ｙ方向に特定の空間周波数分布を
持っていて、空間フィルタ構成のフォトダイオードアレ
イにより変位量を電気的な位相変化として検出する。位
相変化から変位への変換はデジタル的に演算処理され、
変位測定結果はデジタル表示されるとともにＸ，Ｙ個別
にアナログ出力される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の装置は、測定対象にターゲットシートを貼り付けな
ければならないので、測定対象が限定されてしまう。ま
た、ターゲットシートを貼り付けることで測定対象の慣
性などが変化してしまい、正確な測定ができないという
問題もある。
来の装置は、測定対象にターゲットシートを貼り付けな
ければならないので、測定対象が限定されてしまう。ま
た、ターゲットシートを貼り付けることで測定対象の慣
性などが変化してしまい、正確な測定ができないという
問題もある。
【０００５】本発明はこのような問題点に着目したもの
であり、その目的は、測定対象を限定することなく非接
触で高速に高精度の測定が行える比較的安価な変位測定
装置を提供することにある。
であり、その目的は、測定対象を限定することなく非接
触で高速に高精度の測定が行える比較的安価な変位測定
装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
る請求項１の発明は、測定対象の基準位置の基準画像デ
ータを格納する第１の記憶部と、測定対象の測定位置の
測定画像データを格納する第２の記憶部と、これら基準
画像データと測定画像データに共通する注目部分を抽出
比較して基準画像と測定画像のずれ量を求め、測定対象
の変位量を算出する信号処理部、とで構成されたことを
特徴とする変位測定装置である。
る請求項１の発明は、測定対象の基準位置の基準画像デ
ータを格納する第１の記憶部と、測定対象の測定位置の
測定画像データを格納する第２の記憶部と、これら基準
画像データと測定画像データに共通する注目部分を抽出
比較して基準画像と測定画像のずれ量を求め、測定対象
の変位量を算出する信号処理部、とで構成されたことを
特徴とする変位測定装置である。
【０００７】これにより、特定のターゲットを用いるこ
となく、非接触で測定対象の変位を測定できる。
となく、非接触で測定対象の変位を測定できる。
【０００８】請求項２の発明は、請求項１記載の変位測
定装置において、測定対象の画像信号を、１次元画像セ
ンサから出力することを特徴とする。
定装置において、測定対象の画像信号を、１次元画像セ
ンサから出力することを特徴とする。
【０００９】１次元画像処理を前提とすることにより、
２次元画像処理に比べて高速演算処理が行える。
２次元画像処理に比べて高速演算処理が行える。
【００１０】請求項３の発明では、請求項１記載の変位
測定装置において、測定対象の変位量を、インクリメン
タル形式で測定することを特徴とする。
測定装置において、測定対象の変位量を、インクリメン
タル形式で測定することを特徴とする。
【００１１】これにより、測定対象が画面からはみ出る
ほど大きく変位した場合であっても測定周期毎の変位を
積算することで測定できる。
ほど大きく変位した場合であっても測定周期毎の変位を
積算することで測定できる。
【００１２】請求項４の発明では、請求項１記載の変位
測定装置において、測定対象の変位量を、アブソリュー
ト形式で測定することを特徴とする。
測定装置において、測定対象の変位量を、アブソリュー
ト形式で測定することを特徴とする。
【００１３】これにより、変位測定範囲は画面内に制限
されるものの、積算に伴う誤差のない高精度測定が行え
る。
されるものの、積算に伴う誤差のない高精度測定が行え
る。
【００１４】請求項５の発明では、請求項１記載の変位
測定装置において、測定対象として回転体の微小部分を
測定することにより、回転体の回転数と回転角度のいず
れかを測定することを特徴とする
測定装置において、測定対象として回転体の微小部分を
測定することにより、回転体の回転数と回転角度のいず
れかを測定することを特徴とする
【００１５】これにより、回転体の回転数や回転角度
を、回転体にターゲットシートやエンコード板などを取
りつけることなく回転体自体の画像データに基づいて非
接触で測定でき、微小な回転体であっても付加質量によ
る損失を伴うことなく高精度に測定できる。
を、回転体にターゲットシートやエンコード板などを取
りつけることなく回転体自体の画像データに基づいて非
接触で測定でき、微小な回転体であっても付加質量によ
る損失を伴うことなく高精度に測定できる。
【００１６】請求項６の発明では、請求項１記載の変位
測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量を求め
るのにあたり、画像の類似度を次のいずれかの式による
積算誤差量が最小になるものを基準とするとともに、そ
の積算誤差が所定の閾値を超えた時点で以降の積算を打
ち切ることを特徴とする。
測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量を求め
るのにあたり、画像の類似度を次のいずれかの式による
積算誤差量が最小になるものを基準とするとともに、そ
の積算誤差が所定の閾値を超えた時点で以降の積算を打
ち切ることを特徴とする。
【数３】
【数４】
【００１７】請求項７の発明では、請求項１記載の変位
測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量を求め
るのにあたり、高分解能の原基準画像と原測定画像を低
解像化処理した画像に基づき概略のずれ量を求め、求め
た概略のずれ量の近傍で高分解能の原基準画像と原測定
画像に基づき精密なずれ量を求めることを特徴とする。
測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量を求め
るのにあたり、高分解能の原基準画像と原測定画像を低
解像化処理した画像に基づき概略のずれ量を求め、求め
た概略のずれ量の近傍で高分解能の原基準画像と原測定
画像に基づき精密なずれ量を求めることを特徴とする。
【００１８】請求項８の発明では、請求項１記載の変位
測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量を求め
るのにあたり、前回の測定結果に基づいて予測した位置
を含む微小範囲の基準画像と測定画像について演算処理
を行うことを特徴とする。
測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量を求め
るのにあたり、前回の測定結果に基づいて予測した位置
を含む微小範囲の基準画像と測定画像について演算処理
を行うことを特徴とする。
【００１９】さらに請求項９の発明では、請求項１記載
の変位測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量
を求めるのにあたり、基準画像と測定画像の相互相関関
数の値を用いることを特徴とする。
の変位測定装置において、基準画像と測定画像のずれ量
を求めるのにあたり、基準画像と測定画像の相互相関関
数の値を用いることを特徴とする。
【００２０】これらの演算処理を用いることにより、計
算量を相当削減できるので演算処理時間を短縮でき、測
定サンプリング周波数を高くして高速現象の測定が行え
る。
算量を相当削減できるので演算処理時間を短縮でき、測
定サンプリング周波数を高くして高速現象の測定が行え
る。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態の一例を
示す構成図である。測定対象１には照明系２から測定光
が照射される。測定対象１の反射光は結像光学系３を介
して画像センサ部４に入射される。
の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態の一例を
示す構成図である。測定対象１には照明系２から測定光
が照射される。測定対象１の反射光は結像光学系３を介
して画像センサ部４に入射される。
【００２２】ここで、測定対象１と結像光学系３と画像
センサ部４の位置関係は、図２のように測定対象１が画
像センサ部４の素子の配列方向に沿って移動変位するも
のとし、この方向を本発明ではＸ軸方向と定義づける。
センサ部４の位置関係は、図２のように測定対象１が画
像センサ部４の素子の配列方向に沿って移動変位するも
のとし、この方向を本発明ではＸ軸方向と定義づける。
【００２３】照明系２としては、外光の影響を除くため
照明光の波長を赤外光などを用いて狭波長化し、画像セ
ンサ部４の前面にその波長のみを通過させるフィルタを
設けることが望ましい。
照明光の波長を赤外光などを用いて狭波長化し、画像セ
ンサ部４の前面にその波長のみを通過させるフィルタを
設けることが望ましい。
【００２４】結像光学系３としては、測定対象１との距
離によって結像倍率変化の起きないテレセントリックな
光学系を用いることがより望ましい。
離によって結像倍率変化の起きないテレセントリックな
光学系を用いることがより望ましい。
【００２５】画像センサ部４は結像光学系３によってで
きた実像を読み取るためのイメージセンサであり、１回
の露光による画像データを保持する機能を有するライン
状に画素が並んだＣＣＤリニアイメージセンサを用い
る。なお、この画像センサ部４には、機械的または電気
的なシャッター機能を搭載することが望ましい。
きた実像を読み取るためのイメージセンサであり、１回
の露光による画像データを保持する機能を有するライン
状に画素が並んだＣＣＤリニアイメージセンサを用い
る。なお、この画像センサ部４には、機械的または電気
的なシャッター機能を搭載することが望ましい。
【００２６】画像センサ部４に取り込まれた画像データ
はクロック発生部５から加えられるクロックに従って逐
次Ａ／Ｄ変換器６に読み出され、デジタルデータに変換
される。Ａ／Ｄ変換器６の出力データは、信号処理部７
に取り込まれる。
はクロック発生部５から加えられるクロックに従って逐
次Ａ／Ｄ変換器６に読み出され、デジタルデータに変換
される。Ａ／Ｄ変換器６の出力データは、信号処理部７
に取り込まれる。
【００２７】信号処理部７は、Ａ／Ｄ変換器６から変換
出力される画像データに基づいて測定対象１の変位量を
演算するものであり、例えばＤＳＰ（デジタルシグナル
プロセッサ）を用いる。
出力される画像データに基づいて測定対象１の変位量を
演算するものであり、例えばＤＳＰ（デジタルシグナル
プロセッサ）を用いる。
【００２８】基準画像記憶部８には測定対象１の変位量
を演算するための基準状態の画像データが格納され、測
定画像記憶部９には測定対象１の変位量を演算するため
の変位状態の画像データが格納される。なお図１ではこ
れら画像記憶部８，９に信号処理部７を介して格納する
例を示しているが、他のメモリ制御ブロックを介してデ
ータの出し入れを制御するようにしてもよい。
を演算するための基準状態の画像データが格納され、測
定画像記憶部９には測定対象１の変位量を演算するため
の変位状態の画像データが格納される。なお図１ではこ
れら画像記憶部８，９に信号処理部７を介して格納する
例を示しているが、他のメモリ制御ブロックを介してデ
ータの出し入れを制御するようにしてもよい。
【００２９】信号処理部７の演算結果は、Ｄ／Ａ変換器
１０によりアナログ信号に変換されて外部に出力される
とともに、表示器１１にデジタル的にあるいはアナログ
画像として表示される。
１０によりアナログ信号に変換されて外部に出力される
とともに、表示器１１にデジタル的にあるいはアナログ
画像として表示される。
【００３０】装置全体の動作を説明する。測定対象１の
像が結像される画像センサ部４上には、測定対象１に応
じた光量分布が現れ、画像センサ部４の出力端子から、
図３に示すように各画素の光量に比例したアナログ電圧
信号が逐次出力される。このアナログ電圧信号はＡ／Ｄ
変換器６により逐次デジタルデータに変換され、基準状
態での測定対象１の画像データＳｏは基準画像記憶部８
に格納され、測定状態での測定対象画像Ｓは測定画像記
憶部９に格納される。
像が結像される画像センサ部４上には、測定対象１に応
じた光量分布が現れ、画像センサ部４の出力端子から、
図３に示すように各画素の光量に比例したアナログ電圧
信号が逐次出力される。このアナログ電圧信号はＡ／Ｄ
変換器６により逐次デジタルデータに変換され、基準状
態での測定対象１の画像データＳｏは基準画像記憶部８
に格納され、測定状態での測定対象画像Ｓは測定画像記
憶部９に格納される。
【００３１】その後、信号処理部７は、図４に示すよう
に基準状態での測定対象１の画像データＳｏと測定対象
画像Ｓとの両者の画像データを比較して画像センサ部４
上での測定対象１の変位量ｘを求め、さらに光学倍率を
乗ずることで測定対象１の実変位を求める。
に基準状態での測定対象１の画像データＳｏと測定対象
画像Ｓとの両者の画像データを比較して画像センサ部４
上での測定対象１の変位量ｘを求め、さらに光学倍率を
乗ずることで測定対象１の実変位を求める。
【００３２】図５は信号処理部７での処理手順の具体例
を示すフローチャートである。ステップＳＰ１におい
て、測定対象１を基準位置に置いた時の画像を基準画像
Ｓｏとして基準画像記憶部８に格納するとともに基準範
囲も設定する。
を示すフローチャートである。ステップＳＰ１におい
て、測定対象１を基準位置に置いた時の画像を基準画像
Ｓｏとして基準画像記憶部８に格納するとともに基準範
囲も設定する。
【００３３】ステップＳＰ２において、測定状態の測定
対象１の画像を測定画像Ｓとして測定画像記憶部９に格
納する。
対象１の画像を測定画像Ｓとして測定画像記憶部９に格
納する。
【００３４】これらステップＳＰ１，２の画像の格納シ
ーケンスには、対象物１の像を画像センサ面に結像させ
た状態で（シャッターを設けている場合にはシャッター
を開閉し）画像（光量）に比例した電荷を画像センサ部
４の内部に貯える工程と、内部クロックに同期して画像
センサ部４のデータを１画素ずつＡ／Ｄ変換してそれぞ
れの記憶部８，９に逐次格納することを含む。
ーケンスには、対象物１の像を画像センサ面に結像させ
た状態で（シャッターを設けている場合にはシャッター
を開閉し）画像（光量）に比例した電荷を画像センサ部
４の内部に貯える工程と、内部クロックに同期して画像
センサ部４のデータを１画素ずつＡ／Ｄ変換してそれぞ
れの記憶部８，９に逐次格納することを含む。
【００３５】ステップＳＰ３において、測定画像Ｓと基
準画像Ｓ0の基準画素区間部分を比較し、基準画像Ｓ0と
測定画像Ｓのずれ量ｘを計算する。
準画像Ｓ0の基準画素区間部分を比較し、基準画像Ｓ0と
測定画像Ｓのずれ量ｘを計算する。
【００３６】ステップＳＰ４において、測定形態がアブ
ソリュート測定かインクリメンタル測定かを判断する。
ここで、アブソリュート測定とは画面内で測定対象がど
う動くかを測定することを意味し、インクリメンタル測
定とは測定対象の画面を超える動きをサンプリング周期
毎の変位を積算していくことによって測定するというこ
とを意味する。
ソリュート測定かインクリメンタル測定かを判断する。
ここで、アブソリュート測定とは画面内で測定対象がど
う動くかを測定することを意味し、インクリメンタル測
定とは測定対象の画面を超える動きをサンプリング周期
毎の変位を積算していくことによって測定するというこ
とを意味する。
【００３７】アブソリュート測定の場合には、まずステ
ップＳＰ５において、光学倍率Ａに基づいて変位量Ｘ＝
Ａ＊ｘを計算する。そして、続くステップＳＰ６におい
て、サンプリング周期Ｔに基づいて速度Ｖ＝（Ｘ−
Ｘ'）／Ｔを計算する。ここでＸ'は前回の変位量であ
る。
ップＳＰ５において、光学倍率Ａに基づいて変位量Ｘ＝
Ａ＊ｘを計算する。そして、続くステップＳＰ６におい
て、サンプリング周期Ｔに基づいて速度Ｖ＝（Ｘ−
Ｘ'）／Ｔを計算する。ここでＸ'は前回の変位量であ
る。
【００３８】インクリメンタル測定の場合には、まずス
テップＳＰ７において、光学倍率Ａから、積算変位量Ｘ
＝Ａ＊ｘ＋Ｘ'を計算する。続くステップＳＰ８におい
て、サンプリング周期Ｔに基づいて速度Ｖ＝（Ｘ−
Ｘ'）／Ｔを計算する。そして、続くステップＳＰ９に
おいて、測定画像記憶部９の内容を基準画像記憶部８に
基準画像として更新格納（代入）する。
テップＳＰ７において、光学倍率Ａから、積算変位量Ｘ
＝Ａ＊ｘ＋Ｘ'を計算する。続くステップＳＰ８におい
て、サンプリング周期Ｔに基づいて速度Ｖ＝（Ｘ−
Ｘ'）／Ｔを計算する。そして、続くステップＳＰ９に
おいて、測定画像記憶部９の内容を基準画像記憶部８に
基準画像として更新格納（代入）する。
【００３９】アブソリュート測定の場合もインクリメン
タル測定の場合も、ステップＳＰ１０において、計算結
果として得た変位量Ｘを次回の計算に用いるＸ'として
格納する。
タル測定の場合も、ステップＳＰ１０において、計算結
果として得た変位量Ｘを次回の計算に用いるＸ'として
格納する。
【００４０】ここで、インクリメンタル測定によれば、
測定対象が画面からはみ出るほど大きく変位した場合で
あっても測定周期毎の変位を積算することで測定でき
る。また、アブソリュート測定によれば、変位測定範囲
は画面内に制限されるものの、積算に伴う誤差のない高
精度測定が行える。
測定対象が画面からはみ出るほど大きく変位した場合で
あっても測定周期毎の変位を積算することで測定でき
る。また、アブソリュート測定によれば、変位測定範囲
は画面内に制限されるものの、積算に伴う誤差のない高
精度測定が行える。
【００４１】続くステップＳＰ１１において、計算結果
を表示するとともに、Ｄ／Ａ変換して外部に出力する。
を表示するとともに、Ｄ／Ａ変換して外部に出力する。
【００４２】そして、ステップＳＰ１２において一連の
処理が完了した否かを判断し、完了であれば全体の処理
を終了し、未了であればステップＳＰ２以降の処理を完
了になるまで繰り返して実行する。
処理が完了した否かを判断し、完了であれば全体の処理
を終了し、未了であればステップＳＰ２以降の処理を完
了になるまで繰り返して実行する。
【００４３】なお、画像の電圧出力波形がなだらかで特
徴がなかったり、非常に凹凸が激しい場合には、画像セ
ンサの後段の（デジタル）処理として、隣接画素間の微
分（差分）演算や各種フィルタ演算、リニアライズなど
の公知の演算処理を施した後に対象物体の特徴を抽出し
て変位量ｘの測定演算を施すことで、より汎用性、確度
（再現性）を向上させることができる。
徴がなかったり、非常に凹凸が激しい場合には、画像セ
ンサの後段の（デジタル）処理として、隣接画素間の微
分（差分）演算や各種フィルタ演算、リニアライズなど
の公知の演算処理を施した後に対象物体の特徴を抽出し
て変位量ｘの測定演算を施すことで、より汎用性、確度
（再現性）を向上させることができる。
【００４４】また基準画像と測定画像の比較手段として
は、画像工学分野でよく用いられる最短距離法や相互相
関法などのパターンマッチング演算を用いる。
は、画像工学分野でよく用いられる最短距離法や相互相
関法などのパターンマッチング演算を用いる。
【００４５】最短距離法では、画像の類似度の尺度とし
て、「式（１）または（２）に示す積算誤差量が最も少
ない」という基準を用いる。本方法によるｘ推定手順
は、次のようになる。 １）τを０からＮ−Ｍまで変化させ、その都度Ｒ1(τ),
Ｒ2(τ)を計算する。 ２）計算結果に基づき、図６のようなτ−Ｒの関係図を
作成する。 ３）τ―R図から、最も小さな値の誤差積算量を示すτ
を求める。この点がｘとなる。
て、「式（１）または（２）に示す積算誤差量が最も少
ない」という基準を用いる。本方法によるｘ推定手順
は、次のようになる。 １）τを０からＮ−Ｍまで変化させ、その都度Ｒ1(τ),
Ｒ2(τ)を計算する。 ２）計算結果に基づき、図６のようなτ−Ｒの関係図を
作成する。 ３）τ―R図から、最も小さな値の誤差積算量を示すτ
を求める。この点がｘとなる。
【００４６】なおデジタル演算を行う場合には、和演算
のみのＲ2(τ)に依る方が計算時間上有利である。
のみのＲ2(τ)に依る方が計算時間上有利である。
【００４７】
【数５】
【００４８】
【数６】
【００４９】相互相関法では、画像の類似度の尺度とし
て、「式（３）の相互相関関数の値が最も大きい」とい
う基準を用いる。本方法によるｘ推定手順は、次のよう
になる。 １）τを０からＮ−Ｍまで変化させ、その都度式（３）
によりC(τ)を計算する。２）計算値に基づき図７のよ
うなτ−Ｃ(τ)関係図を作成する。 ３）τ−Ｃ(τ)図から、最も大きな相関を示すτを求め
てｘとする。
て、「式（３）の相互相関関数の値が最も大きい」とい
う基準を用いる。本方法によるｘ推定手順は、次のよう
になる。 １）τを０からＮ−Ｍまで変化させ、その都度式（３）
によりC(τ)を計算する。２）計算値に基づき図７のよ
うなτ−Ｃ(τ)関係図を作成する。 ３）τ−Ｃ(τ)図から、最も大きな相関を示すτを求め
てｘとする。
【００５０】
【数７】
【００５１】
【数８】
【００５２】
【数９】
【００５３】
【数１０】
【００５４】
【数１１】
【００５５】図５のフローチャートでは、説明を簡単に
するため、サンプリングのタイミング毎に、 １）画像センサへの測定対象画像の取込み ２）画像データのＡ／Ｄ変換、記憶部への格納 ３）基準画像の比較、測定画像の比較 を順次行う形で記載したが、機能ブロックと記憶部を２
系統設けて並列化駆動することにより、それぞれの処理
を同時に処理することができる。例えば、測定画像記憶
部を２つ（Ｓ，Ｓ'）持つことで、基準画像とＳを比較
しながら次のサンプリングの画像データをＳ'に格納す
ることができる。
するため、サンプリングのタイミング毎に、 １）画像センサへの測定対象画像の取込み ２）画像データのＡ／Ｄ変換、記憶部への格納 ３）基準画像の比較、測定画像の比較 を順次行う形で記載したが、機能ブロックと記憶部を２
系統設けて並列化駆動することにより、それぞれの処理
を同時に処理することができる。例えば、測定画像記憶
部を２つ（Ｓ，Ｓ'）持つことで、基準画像とＳを比較
しながら次のサンプリングの画像データをＳ'に格納す
ることができる。
【００５６】また、ＤＳＰのような高速演算器による処
理を前提にすれば、画像データ１画素のＡ／Ｄ変換時間
内に１回前のＡ／Ｄ結果と基準画像の全データの前述の
ような比較計算を終えることも可能である。
理を前提にすれば、画像データ１画素のＡ／Ｄ変換時間
内に１回前のＡ／Ｄ結果と基準画像の全データの前述の
ような比較計算を終えることも可能である。
【００５７】このように構成することにより、例えば２
０００画素の画像センサを用いた場合には、０．０５％
of ＳＰＡＮの解像度を持つ変位測定装置が実現でき
る。
０００画素の画像センサを用いた場合には、０．０５％
of ＳＰＡＮの解像度を持つ変位測定装置が実現でき
る。
【００５８】ところで、上記の基準画像と測定画像の比
較演算に際して、以下に説明するいずれかまたは複数の
手法を適用することで、計算の高速化が図れる。 １）計算打切り ２）Coarse to Fine 法 ３）予測演算
較演算に際して、以下に説明するいずれかまたは複数の
手法を適用することで、計算の高速化が図れる。 １）計算打切り ２）Coarse to Fine 法 ３）予測演算
【００５９】１）計算打切り 最短距離法においては、前述のように一つのτについて
Ｍ×（Ｎ−Ｍ）回の差演算、絶対値（二乗）演算、積算
が必要となる。ここで、τに関する誤差積算演算を（ｉ
を逐次増やしながら）行っていく過程で、積算値がある
閾値を越えた場合にはそれ以降の積算を打切るようにす
ることで、大幅に全体の計算量を減らすことができる。
閾値の選択方法如何では最低値が検出されない場合があ
るが、以下の選択方法によれば、その問題は回避され
る。
Ｍ×（Ｎ−Ｍ）回の差演算、絶対値（二乗）演算、積算
が必要となる。ここで、τに関する誤差積算演算を（ｉ
を逐次増やしながら）行っていく過程で、積算値がある
閾値を越えた場合にはそれ以降の積算を打切るようにす
ることで、大幅に全体の計算量を減らすことができる。
閾値の選択方法如何では最低値が検出されない場合があ
るが、以下の選択方法によれば、その問題は回避され
る。
【００６０】ａ）最初のτ0については閾値無しで積算
演算を行う。 ｂ）次のτ1については、ａ）の積算値を閾値として打
切り処置を行う。 ｃ）次のτ2については、ｂ）の積算値＜ｂ）の閾値→
ｃ）の閾値としてｂ）の積算値を用いる。ｂ）の積算値
＞ｂ）の閾値→ｃ）の閾値としてｂ）の閾値を用いる。
以後、ｃ）を繰り返す。この方法は、同種の演算形態と
なる相互相関法へも適用可能である。
演算を行う。 ｂ）次のτ1については、ａ）の積算値を閾値として打
切り処置を行う。 ｃ）次のτ2については、ｂ）の積算値＜ｂ）の閾値→
ｃ）の閾値としてｂ）の積算値を用いる。ｂ）の積算値
＞ｂ）の閾値→ｃ）の閾値としてｂ）の閾値を用いる。
以後、ｃ）を繰り返す。この方法は、同種の演算形態と
なる相互相関法へも適用可能である。
【００６１】２）Coarse to Fine法（図８参照） この方法は、Ｓ(ｉ)、Ｓ0(ｉ)との比較を直接行うので
はなく、式（４）または（５）のような低解像度化の処
理をした画像Ｓ'(ｊ)、Ｓ'0(ｊ)について推定演算を行
って変位量ｘ'を求めた後、Ｓ(ｉ)、Ｓ0(ｉ)の比較を変
位量ｘ'近傍のみで行うことにより、全体としての計算
量を減らす。このような低解像度化を多段に実施するこ
とも可能である。
はなく、式（４）または（５）のような低解像度化の処
理をした画像Ｓ'(ｊ)、Ｓ'0(ｊ)について推定演算を行
って変位量ｘ'を求めた後、Ｓ(ｉ)、Ｓ0(ｉ)の比較を変
位量ｘ'近傍のみで行うことにより、全体としての計算
量を減らす。このような低解像度化を多段に実施するこ
とも可能である。
【００６２】データの区間ｍの平均値
【数１２】
【００６３】区間ｍ毎のデータ使用（間引き）
【数１３】
【００６４】３）予測演算（図９参照） この方法は、時刻ｔnにおいてパターンマッチングの演
算を行う範囲をＳ(ｉ)の全データ範囲とするのではな
く、前回の変位推定値から時刻ｔnにおける変位量ｘnを
予測し（ｘ'nと記す）、その位置を中心とした微小範囲
（ｘ'n±ｍ）についてのみ変位推定演算を行うことによ
り、計算量を減ずる方法である。次ステップの変位量の
予測方法としては、式（６）（７）のように前回の変
位、速度を使う方法等が考えられ、また式（８）のよう
な一般化した式を用い、線形予測手法を用いて予測を行
うことも可能である。
算を行う範囲をＳ(ｉ)の全データ範囲とするのではな
く、前回の変位推定値から時刻ｔnにおける変位量ｘnを
予測し（ｘ'nと記す）、その位置を中心とした微小範囲
（ｘ'n±ｍ）についてのみ変位推定演算を行うことによ
り、計算量を減ずる方法である。次ステップの変位量の
予測方法としては、式（６）（７）のように前回の変
位、速度を使う方法等が考えられ、また式（８）のよう
な一般化した式を用い、線形予測手法を用いて予測を行
うことも可能である。
【００６５】 前回位置 ｘ’n＝ｘn-1 （６） 前回位置、速度 ｘ’n＝ｘn-1＋ｘn-1−ｘn-2＝２ｘn-1−ｘn-2 （７）
【００６６】一般化
【数１４】
【００６７】これらの方法による計算量の削減効果の例
を図１０に示す。なお、図１０の条件は、 画素数 ： １０００画素、 基準画素範囲 ： ５００画素 使用アルゴリズム： 最短距離法（誤差絶対値積算式（１）適用） 元の計算量 ： 「差の絶対値演算＋積算」が２５万回 とする。
を図１０に示す。なお、図１０の条件は、 画素数 ： １０００画素、 基準画素範囲 ： ５００画素 使用アルゴリズム： 最短距離法（誤差絶対値積算式（１）適用） 元の計算量 ： 「差の絶対値演算＋積算」が２５万回 とする。
【００６８】このような高速化演算処理方法を用いるこ
とにより、基準画像と測定画像の比較演算時間を大幅に
短縮でき、相対的に測定サンプリング周波数を高くでき
て機械系の振動測定などの高速現象の測定が行える。
とにより、基準画像と測定画像の比較演算時間を大幅に
短縮でき、相対的に測定サンプリング周波数を高くでき
て機械系の振動測定などの高速現象の測定が行える。
【００６９】これらの方法を用いずに比較的計算量の少
ない最短距離法を用いた場合には、非常に多くの計算量
を要する。図１０の条件では２値の「差の絶対値演算」
および積算を２５万回（＝５００×５００）繰返すこと
になり、仮に「差の絶対値演算」の時間が１μsecとす
ると、全体で２５０msecもの計算時間が必要になる。こ
のため、変位の測定サンプリング周波数は数Ｈｚ程度と
低くなり、機械系の振動測定用途には不向きなものとな
っていた。
ない最短距離法を用いた場合には、非常に多くの計算量
を要する。図１０の条件では２値の「差の絶対値演算」
および積算を２５万回（＝５００×５００）繰返すこと
になり、仮に「差の絶対値演算」の時間が１μsecとす
ると、全体で２５０msecもの計算時間が必要になる。こ
のため、変位の測定サンプリング周波数は数Ｈｚ程度と
低くなり、機械系の振動測定用途には不向きなものとな
っていた。
【００７０】このような高速化演算処理方法は、１次元
画像センサの画像出力処理のみならず、２次元画像セン
サの画像出力処理の高速処理にも有効である。
画像センサの画像出力処理のみならず、２次元画像セン
サの画像出力処理の高速処理にも有効である。
【００７１】なお図１の実施例では図５のフローチャー
トの機能を有する信号処理部に市販の１次元センサとレ
ンズ（結像光学系）と照明系を組合せた構成を示した
が、製品形態はこれに限るものではなく、処理部のみを
一つの製品としたり、信号処理部を波形測定器等に組込
んだり、これら全てを一体の装置として構成したもので
あってもよい。
トの機能を有する信号処理部に市販の１次元センサとレ
ンズ（結像光学系）と照明系を組合せた構成を示した
が、製品形態はこれに限るものではなく、処理部のみを
一つの製品としたり、信号処理部を波形測定器等に組込
んだり、これら全てを一体の装置として構成したもので
あってもよい。
【００７２】また本発明によれば、回転体の微小部分の
変位測定をすることで、回転体の回転数や回転角も測定
できる。この場合、回転体にターゲットシートやエンコ
ード板などの付加質量を取りつけることなく回転体自体
の画像データに基づいて回転体の回転数や回転角度を非
接触で測定でき、微小な回転体であっても付加質量によ
る損失を伴うことなく高精度に測定できる。
変位測定をすることで、回転体の回転数や回転角も測定
できる。この場合、回転体にターゲットシートやエンコ
ード板などの付加質量を取りつけることなく回転体自体
の画像データに基づいて回転体の回転数や回転角度を非
接触で測定でき、微小な回転体であっても付加質量によ
る損失を伴うことなく高精度に測定できる。
【００７３】インクリメンタルな測定が可能であること
から、例えば自動車の速度を測定する速度計へも適用可
能である。
から、例えば自動車の速度を測定する速度計へも適用可
能である。
【００７４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
特定のターゲットなどの付加物を用いることなく非接触
測定を行うので測定対象が制限されることはなく、光学
系の選定により顕微鏡レベルの測定から構造物の測定ま
で、広範囲の測定対象の変位測定に適用できる。
特定のターゲットなどの付加物を用いることなく非接触
測定を行うので測定対象が制限されることはなく、光学
系の選定により顕微鏡レベルの測定から構造物の測定ま
で、広範囲の測定対象の変位測定に適用できる。
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す構成ブロック
図である。
図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】図１の画像演算処理の説明図である。
【図４】図１の画像演算処理の説明図である。
【図５】図１の画像演算処理の流れを示すフローチャー
トである。
トである。
【図６】図１の画像演算処理の説明図である。
【図７】図１の画像演算処理の説明図である。
【図８】図１の画像演算処理の説明図である。
【図９】図１の画像演算処理の説明図である。
【図１０】計算量削減効果の説明図である。
１ 測定対象 ２ 照明系 ３ 結像光学系 ４ 画像センサ部 ５ クロック発生部 ６ Ａ／Ｄ変換器 ７ 信号処理部（ＤＳＰ） ８ 基準画像記憶部 ９ 測定画像記憶部 １０ Ｄ／Ａ変換器 １１ 表示器
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA02 AA07 AA09 AA39 BB03 BB13 BB15 BB16 DD03 FF04 FF18 FF19 FF42 GG01 JJ02 JJ25 LL30 MM03 MM04 QQ00 QQ03 QQ13 QQ24 QQ27 QQ38 RR05 2F103 BA37 CA03 DA01 DA04 EA03 EA15 EB01 EB11 ED11 ED27 ED28
Claims (9)
- 【請求項１】測定対象の基準位置の基準画像データを格
納する第１の記憶部と、 測定対象の測定位置の測定画像データを格納する第２の
記憶部と、 これら基準画像データと測定画像データに共通する注目
部分を抽出比較して基準画像と測定画像のずれ量を求
め、測定対象の変位量を算出する信号処理部、とで構成
されたことを特徴とする変位測定装置。 - 【請求項２】測定対象の画像信号を、１次元画像センサ
から出力することを特徴とする請求項１記載の変位測定
装置。 - 【請求項３】測定対象の変位量を、インクリメンタル形
式で測定することを特徴とする請求項１記載の変位測定
装置。 - 【請求項４】測定対象の変位量を、アブソリュート形式
で測定することを特徴とする請求項１記載の変位測定装
置。 - 【請求項５】測定対象として回転体の微小部分を測定す
ることにより、回転体の回転数と回転角度のいずれかを
測定することを特徴とする請求項１記載の変位測定装
置。 - 【請求項６】基準画像と測定画像のずれ量を求めるのに
あたり、画像の類似度を次のいずれかの式による積算誤
差量が最小になるものを基準とするとともに、その積算
誤差が所定の閾値を超えた時点で以降の積算を打ち切る
ことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。 【数１】 【数２】 - 【請求項７】基準画像と測定画像のずれ量を求めるのに
あたり、高分解能の原基準画像と原測定画像を低解像化
処理した画像に基づき概略のずれ量を求め、求めた概略
のずれ量の近傍で高分解能の原基準画像と原測定画像に
基づき精密なずれ量を求めることを特徴とする請求項１
記載の変位測定装置。 - 【請求項８】基準画像と測定画像のずれ量を求めるのに
あたり、前回の測定結果に基づいて予測した位置を含む
微小範囲の基準画像と測定画像について演算処理を行う
ことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。 - 【請求項９】基準画像と測定画像のずれ量を求めるのに
あたり、基準画像と測定画像の相互相関関数の値を用い
ることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000055857A JP2001241919A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000055857A JP2001241919A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 変位測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001241919A true JP2001241919A (ja) | 2001-09-07 |
Family
ID=18576908
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000055857A Withdrawn JP2001241919A (ja) | 2000-03-01 | 2000-03-01 | 変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001241919A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004090485A2 (en) | 2003-04-03 | 2004-10-21 | Sri International | Method and apparatus for real-time vibration imaging |
| JP2006337178A (ja) * | 2005-06-02 | 2006-12-14 | Shimadzu Corp | 放射線透視像を用いた移動量測定装置 |
| WO2009075263A1 (ja) * | 2007-12-11 | 2009-06-18 | Nec Corporation | サイドチャネル攻撃耐性評価装置、その方法及びそのプログラム |
| JP2012516432A (ja) * | 2009-01-30 | 2012-07-19 | シーメンス アクティエンゲゼルシャフト | 物体の振動特性の測定 |
| JP2013210218A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Ministry Of National Defense Chung Shan Inst Of Science & Technology | レーザ光斑絶対位置付け駆動装置と駆動システム及びその方法 |
| JP2013246110A (ja) * | 2012-05-29 | 2013-12-09 | Topcon Corp | 回転角検出装置及び測量装置 |
| JP2015518560A (ja) * | 2012-03-23 | 2015-07-02 | スペシャルティ ミネラルズ （ミシガン） インコーポレーテツド | 画像処理による鍛造の期間における被加工物の測定のためのシステムおよび方法 |
-
2000
- 2000-03-01 JP JP2000055857A patent/JP2001241919A/ja not_active Withdrawn
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004090485A2 (en) | 2003-04-03 | 2004-10-21 | Sri International | Method and apparatus for real-time vibration imaging |
| EP1613934A4 (en) * | 2003-04-03 | 2017-08-16 | SRI International | Method and apparatus for real-time vibration imaging |
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| JP4636245B2 (ja) * | 2005-06-02 | 2011-02-23 | 株式会社島津製作所 | 放射線透視像を用いた移動量測定装置 |
| WO2009075263A1 (ja) * | 2007-12-11 | 2009-06-18 | Nec Corporation | サイドチャネル攻撃耐性評価装置、その方法及びそのプログラム |
| JPWO2009075263A1 (ja) * | 2007-12-11 | 2011-04-28 | 日本電気株式会社 | サイドチャネル攻撃耐性評価装置、その方法及びそのプログラム |
| JP5397625B2 (ja) * | 2007-12-11 | 2014-01-22 | 日本電気株式会社 | サイドチャネル攻撃耐性評価装置、その方法及びそのプログラム |
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| JP2013210218A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Ministry Of National Defense Chung Shan Inst Of Science & Technology | レーザ光斑絶対位置付け駆動装置と駆動システム及びその方法 |
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