JP2008304190A - Highly precise method and device for measuring displacement of object to be measured by laser reflected light - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ反射光を利用し、非接触により被計測物の変位を計測する被計測物の変位計測方法及びその装置に関する。 The present invention relates to a measurement object displacement measuring method and apparatus for measuring the displacement of a measurement object in a non-contact manner using laser reflected light.
表面がミクロ的不均一な被計測物表面に、非常に干渉性の高いレーザ光を照射すると、被計測物の粗面各所で散乱したレーザ光が不規則な位相関係で干渉し合って、被計測物表面の粗面に基づく固有の粒状斑点模様が発生することが知られている。この単位粒状斑点模様が被計測物の変化や同一性などの計測に使用されている。 When the surface of an object to be measured with a micro-uneven surface is irradiated with laser light with very high coherence, the laser light scattered at various places on the rough surface of the object to be measured interferes with an irregular phase relationship, causing the object to be measured. It is known that an inherent granular spot pattern is generated based on the rough surface of the object to be measured. This unit granular spotted pattern is used for measuring the change or identity of the object to be measured.
粒状斑点模様は、被計測物が二次元的な移動現象を生じると、それに伴い粒状斑点模様も二次元的に移動作用する性質があり、この粒状斑点模様の移動量を計測することにより被計測物の移動量を計測することができる。従来、粒状斑点模様を利用した被計測物の変位計測には、被計測物表面に照射するレーザ光の形状として、図4(b)に示すスポット光、図4(c)に示すストレート光、図4(d)に示すビーム光が使用されていた。 The granular spot pattern has the property that when the object to be measured generates a two-dimensional movement phenomenon, the granular spot pattern also moves in two dimensions, and the measurement is performed by measuring the movement amount of this granular spot pattern. The amount of movement of the object can be measured. Conventionally, for measuring the displacement of an object to be measured using a granular spot pattern, as the shape of the laser light irradiated on the surface of the object to be measured, spot light shown in FIG. 4B, straight light shown in FIG. The light beam shown in FIG. 4D was used.
また、被計測物にクロス光を照射するレーザ投光機と、レーザ反射光である粒状斑点模様を標識として撮像する撮像機と、撮像した粒状斑点模様を画像処理する画像処理装置とからなるレーザ反射光による被計測物の計測装置が、本願発明者によって提案されている(特許文献1参照)。被計測物に発光波長670nmのクロス光8aを照射して計測した場合は、図9に示すように、被計測物の移動量の計測誤差は1.0344μm(±0.5172μm)である。一方、被計測物に発光波長670nmのストレート光8cを照射して計測した場合は、図10に示すように、被計測物の移動量の計測誤差は3.448μm(±1.724μm)であり、被計測物にクロス光8aを照射して計測した場合は、従来のストレート光8cを使用した場合より計測誤差を1/3以下に減少できることが示されている。
Also, a laser including a laser projector that irradiates the object to be measured with cross light, an image pickup device that picks up a granular spot pattern that is laser reflected light as a marker, and an image processing device that performs image processing on the picked up granular spot pattern An apparatus for measuring an object to be measured using reflected light has been proposed by the present inventor (see Patent Document 1). When measurement is performed by irradiating the measurement object with
また、移動する被計測物にレーザ光を照射し、粒状斑点模様を利用して被計測物の移動距離等を計測する装置において、レーザ投光機と被計測物との間に配置した第一光学系によってレーザ光を被計測物表面に収束させたスポット光を照射し、第一光学系の倍率Kと被計測物から受光部までの距離Lの積(K×L)で被計測物の移動距離を粒状斑点模様の移動距離に拡大し、粒状斑点模様の変化から被計測物の移動距離を求める方法は知られている(例えば、特許文献2参照)。 Further, in a device that irradiates a moving object to be measured with laser light and measures a moving distance of the object to be measured using a granular spotted pattern, the first is disposed between the laser projector and the object to be measured. The spot light obtained by converging the laser beam on the surface of the object to be measured is irradiated by the optical system, and the product of the object to be measured is obtained by the product (K × L) of the magnification K of the first optical system and the distance L from the object to be measured. A method is known in which the movement distance is expanded to the movement distance of the granular spot pattern and the movement distance of the object to be measured is obtained from the change of the granular spot pattern (for example, see Patent Document 2).
被計測物の移動量の計測精度は受光部のCCD画素の間隔により決まるが、特許文献1に記載の計測装置は、受光部のCCD素子を高密度タイプに変えることなく、照射するレーザ光の形状を変えることにより、レーザ光としてストレート光を使用した場合より計測誤差を小さくすることができた。しかし、特許文献1に記載の計測装置は、被計測物に照射するクロス光の焦点位置と被計測物の移動量の計測精度との関係が明確でなかった。本発明は、レーザ反射光による被計測物の計測装置において、被計測物に照射するクロス光の焦点位置と被計測物の移動量の計測精度との関係を明確にすることを目的としている。
The measurement accuracy of the moving amount of the object to be measured is determined by the interval between the CCD pixels of the light receiving unit. However, the measuring device described in
また、特許文献2に記載の計測装置は、被計測物の移動量に対する粒状斑点模様の移動量の拡大率が、第一光学系の倍率Kと被計測物から受光部までの距離Lに依存している。このため、被計測物から受光部までの距離が一定の場合に、被計測物の移動量に対する粒状斑点模様の移動量の拡大率を変えるには、第一光学系を倍率の異なる光学系に変える必要があり、コストが掛かるという問題があった。
In the measuring device described in
そこで、本発明は、簡易な手段により被計測物の変位を粒状斑点模様の変位として拡大し、計測することができるレーザ反射光による被計測物の高精度変位計測方法とその装置を提供するものである。 Therefore, the present invention provides a high-precision displacement measuring method and apparatus for a measured object by laser reflected light, which can expand and measure the displacement of the measured object as a granular spotted pattern displacement by simple means. It is.
本発明は、上記課題を解決するために、被測定物表面にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光である粒状斑点模様を受光部で撮像し、被計測物の変位が拡大して現れる粒状斑点模様の変位を計測し、この粒状斑点模様の変位から被計測物の変位を求めるレーザ反射光による被計測物の変位計測方法であって、前記レーザ光をレーザ投光機と被計測物表面との間に焦点を有するクロス光とし、該クロス光の焦点から被計測物表面までの距離Lsと被計測物表面から受光部までの距離L0の比が0<Ls/L0≦1/3であることを特徴とするレーザ反射光による被計測物の変位計測方法を提供するものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention irradiates the surface of the object to be measured with laser light, images a granular spot pattern that is reflected light of the laser light with a light receiving unit, and increases the displacement of the object to be measured. A method for measuring the displacement of an object to be measured by laser reflected light, which measures the displacement of the appearing granular spot pattern and obtains the displacement of the object to be measured from the displacement of the granular spot pattern, wherein the laser beam is measured with the laser projector. The cross light has a focal point between the object surface and the ratio of the distance Ls from the focus of the cross light to the surface of the object to be measured and the distance L 0 from the object surface to the light receiving part is 0 <Ls / L 0 ≦ The object is to provide a displacement measuring method of an object to be measured by laser reflected light, which is 1/3.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測方法は、前記受光部がCCD素子からなり、該CCD素子の前方に外来光を遮断する暗視筒を装着して粒状斑点模様を直接撮像するようにしたものである。 Also, in the method for measuring the displacement of the object to be measured by the laser reflected light according to the present invention, the light receiving portion is composed of a CCD element, and a granular spot pattern is directly formed by attaching a night vision tube for blocking extraneous light in front of the CCD element. An image is taken.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測方法は、被測定物表面の法線方向に対して前記レーザ光を角度θSで照射し、受光部を角度θ0の方向に配置したときに、計測した粒状斑点模様の変位量Axから下記数1式に基づいて被計測物の変位量axを求めるようにしたものである。 Further, in the displacement measuring method of the object to be measured by the laser reflected light of the present invention, the laser beam is irradiated at an angle θ S with respect to the normal direction of the surface of the object to be measured, and the light receiving unit is arranged in the direction of the angle θ 0. Then, the displacement amount ax of the object to be measured is obtained from the measured displacement amount Ax of the granular spotted pattern based on the following equation (1).
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測方法は、前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を変えて、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を調整するようにしたものである。 In the method for measuring the displacement of the object to be measured by the laser reflected light according to the present invention, the ratio of the distance Ls to the distance L 0 (Ls / L 0 ) is changed to enlarge the displacement of the granular spotted pattern with respect to the displacement of the object to be measured. The rate is adjusted.
また、本発明は、被測定物表面にレーザ光を照射するレーザ投光機と、前記レーザ光の反射光である粒状斑点模様を撮像する受光部と、被計測物の変位が拡大して現れる粒状斑点模様の変位を計測する画像処理装置と、この粒状斑点模様の変位から被計測物の変位を求める演算装置とからなるレーザ反射光による被計測物の変位計測装置であって、前記レーザ投光機は被計測物表面とレーザ投光機との間に焦点を有するクロス光を被測定物表面に照射し、該クロス光は焦点から被計測物表面までの距離Lsと被計測物表面から受光部までの距離L0の比が0<Ls/L0≦1/3であることを特徴とするレーザ反射光による被計測物の変位計測装置を提供するものである。 Further, the present invention provides a laser projector that irradiates the surface of the object to be measured with laser light, a light receiving unit that captures a granular spot pattern that is reflected light of the laser light, and the displacement of the object to be measured appears enlarged. An apparatus for measuring a displacement of an object to be measured by laser reflected light, comprising: an image processing apparatus for measuring the displacement of a granular spot pattern; and an arithmetic unit for obtaining a displacement of the object to be measured from the displacement of the granular spot pattern. The optical device irradiates the surface of the object to be measured with cross light having a focal point between the surface of the object to be measured and the laser projector, and the cross light is transmitted from the distance Ls from the focus to the surface of the object to be measured and the surface of the object to be measured. An object of the present invention is to provide a displacement measuring device for an object to be measured by laser reflected light, wherein the ratio of the distance L 0 to the light receiving portion is 0 <Ls / L 0 ≦ 1/3.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記受光部がCCD素子からなり、該CCD素子の前方に外来光を遮断する暗視筒を装着して粒状斑点模様を直接撮像するようにしたものである。 Further, in the apparatus for measuring displacement of an object to be measured by laser reflected light according to the present invention, the light receiving portion is formed of a CCD element, and a night vision tube for blocking extraneous light is mounted in front of the CCD element to directly form a granular spotted pattern. An image is taken.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、被測定物表面の法線方向に対して前記レーザ光を角度θSで照射するようにレーザ投光機を配置し、被測定物表面の法線方向に対して角度θ0の方向に受光部を配置し、前記演算装置が計測した粒状斑点模様の変位量Axから下記数2式に基づいて被計測物の変位量axを求めるようにしたものである。
In addition, the apparatus for measuring displacement of an object to be measured by laser reflected light according to the present invention includes a laser projector disposed so as to irradiate the laser beam at an angle θ S with respect to the normal direction of the surface of the object to be measured. A light receiving portion is arranged in the direction of the angle θ 0 with respect to the normal direction of the surface of the object to be measured, and the amount of displacement ax of the object to be measured based on the following
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を可変制御して、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を調整する拡大率調整機構を備えたものである。 In addition, the displacement measuring apparatus of the object to be measured by the laser reflected light according to the present invention variably controls the ratio of the distance Ls to the distance L 0 (Ls / L 0 ) to displace the granular spotted pattern with respect to the displacement of the object to be measured. An enlargement ratio adjusting mechanism for adjusting the enlargement ratio is provided.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記拡大率調整機構がレーザ投光機のレンズ位置を調整して前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を可変制御するようにしたものである。 The displacement measurement apparatus of the object to be measured by the laser light reflected of the present invention, the ratio of the said magnification adjusting mechanism adjusts the lens position of the laser floodlight distance Ls and the distance L 0 (Ls / L 0) Is variably controlled.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記拡大率調整機構が被計測物に対するレーザ投光機の位置を調整して前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を可変制御するようにしたものである。 In the device for measuring the displacement of the object to be measured by the reflected laser beam according to the present invention, the magnification adjusting mechanism adjusts the position of the laser projector with respect to the object to be measured, and the ratio of the distance Ls to the distance L 0 (Ls / L 0 ) is variably controlled.
本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測方法は、被測定物表面にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光である粒状斑点模様を受光部で撮像し、被計測物の変位が拡大して現れる粒状斑点模様の変位を計測し、この粒状斑点模様の変位から被計測物の変位を求めるレーザ反射光による被計測物の変位計測方法であって、前記レーザ光をレーザ投光機と被計測物表面との間に焦点を有するクロス光とし、該クロス光の焦点から被計測物表面までの距離Lsと被計測物表面から受光部までの距離L0の比が0<Ls/L0≦1/3である構成を有することにより、被計測物表面から受光部までの距離L0に対してクロス光の焦点から被計測物表面までの距離Lsを近付けると、被計測物の変位に対して粒状斑点模様の変位が拡大されていくから、距離Lsと距離L0の比を0<Ls/L0≦1/3にすることによって被計測物の変位を粒状斑点模様の変位として3倍以上に拡大して計測することができ、被計測物の変位を高精度で計測することができる効果がある。 The method for measuring the displacement of an object to be measured by laser reflected light according to the present invention irradiates the surface of the object to be measured with laser light, images a granular spot pattern, which is reflected light of the laser light, at a light receiving unit, and displaces the object to be measured. Is a displacement measuring method of an object to be measured by laser reflected light for measuring the displacement of the granular spot pattern that appears in an enlarged manner, and obtaining the displacement of the object to be measured from the displacement of the granular spot pattern. Cross light having a focal point between the machine and the surface of the object to be measured, and the ratio of the distance Ls from the focus of the cross light to the surface of the object to be measured and the distance L 0 from the surface of the object to be measured to the light receiving portion is 0 <Ls When the distance Ls from the focus of the cross light to the surface of the object to be measured is made closer to the distance L 0 from the surface of the object to be measured to the light receiving unit by having the configuration of / L 0 ≦ 1/3, the object to be measured The displacement of the granular spotted pattern is enlarged relative to the displacement of Therefore, by setting the ratio of the distance Ls to the distance L 0 to 0 <Ls / L 0 ≦ 1/3, the displacement of the object to be measured can be measured as a granular spotted pattern with a magnification of 3 times or more. It is possible to measure the displacement of the object to be measured with high accuracy.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測方法は、前記受光部がCCD素子からなり、該CCD素子の前方に外来光を遮断する暗視筒を装着して粒状斑点模様を直接撮像するようにしたことにより、CCD素子によりレーザ光の反射光である粒状斑点模様を直接撮像することができ、暗視筒により周囲が明るい場所でも粒状斑点模様を撮像することができる効果がある。 Also, in the method for measuring the displacement of the object to be measured by the laser reflected light according to the present invention, the light receiving portion is composed of a CCD element, and a granular spot pattern is directly formed by attaching a night vision tube for blocking extraneous light in front of the CCD element. By taking an image, it is possible to directly image a granular spot pattern which is reflected light of a laser beam by a CCD element, and it is possible to take an image of a granular spot pattern even in a bright place by a night vision tube. .
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測方法は、被測定物表面の法線方向に対して前記レーザ光を角度θSで照射し、受光部を角度θ0の方向に配置したときに、計測した粒状斑点模様の変位量Axから上記数1式に基づいて被計測物の変位量axを求めるようにしたことにより、計測した粒状斑点模様の変位量Axから演算によって被計測物の変位量axを迅速に求めることができる効果がある。
Further, in the displacement measuring method of the object to be measured by the laser reflected light of the present invention, the laser beam is irradiated at an angle θ S with respect to the normal direction of the surface of the object to be measured, and the light receiving unit is arranged in the direction of the angle θ 0. The displacement amount ax of the object to be measured is obtained from the measured displacement amount Ax of the granular spotted pattern based on the
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測方法は、前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を変えて、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を調整するようにしたことにより、被計測物表面にクロス光の焦点を近付けるか、被計測物表面から受光部を遠ざけることによって、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を簡単に調整することができるから、被計測物の変位量や変位速度に応じて適切な計測精度を選択することができる効果がある。 In the method for measuring the displacement of the object to be measured by the laser reflected light according to the present invention, the ratio of the distance Ls to the distance L 0 (Ls / L 0 ) is changed to enlarge the displacement of the granular spotted pattern with respect to the displacement of the object to be measured. By adjusting the rate, the magnification rate of the granular spotted pattern relative to the displacement of the object to be measured can be increased by moving the focus of the cross light closer to the surface of the object to be measured or by moving the light receiving part away from the surface of the object to be measured. Since it can be easily adjusted, there is an effect that an appropriate measurement accuracy can be selected according to the displacement amount and the displacement speed of the object to be measured.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、被測定物表面にレーザ光を照射するレーザ投光機と、前記レーザ光の反射光である粒状斑点模様を撮像する受光部と、被計測物の変位が拡大して現れる粒状斑点模様の変位を計測する画像処理装置と、この粒状斑点模様の変位から被計測物の変位を求める演算装置とからなるレーザ反射光による被計測物の変位計測装置であって、前記レーザ投光機は被計測物表面とレーザ投光機との間に焦点を有するクロス光を被測定物表面に照射し、該クロス光は焦点から被計測物表面までの距離Lsと被計測物表面から受光部までの距離L0の比が0<Ls/L0≦1/3である構成を有することにより、被計測物表面から受光部までの距離L0に対してクロス光の焦点から被計測物表面までの距離Lsを近付けると、被計測物の変位に対して粒状斑点模様の変位が拡大されていくから、距離Lsと距離L0の比を0<Ls/L0≦1/3にすることによって被計測物の変位を粒状斑点模様の変位として3倍以上に拡大して計測することができ、被計測物の変位を高精度で計測することができる効果がある。 The apparatus for measuring displacement of an object to be measured by laser reflected light according to the present invention includes a laser projector that irradiates the surface of the object with laser light and a light receiving unit that captures a granular spot pattern that is reflected light of the laser light. And an image processing device that measures the displacement of the granular spot pattern that appears as the displacement of the measured object expands, and an arithmetic unit that obtains the displacement of the measured object from the displacement of the granular spot pattern. An apparatus for measuring displacement of an object, wherein the laser projector irradiates the surface of the object to be measured with cross light having a focal point between the surface of the object to be measured and the laser projector, and the cross light is measured from the focus. by having the configuration ratio of the distance L 0 from the distance Ls and the measured object surface to the object surface to the light receiving portion is 0 <Ls / L 0 ≦ 1 /3, the distance from the object to be measured the surface to the light receiving portion measured object table from the focal point of the cross beam with respect to L 0 When close the distance Ls to the surface, because the displacement of the granular speck pattern with respect to displacement of the object to be measured is gradually enlarged, the ratio of the distance Ls and the distance L 0 to 0 <Ls / L 0 ≦ 1 /3 As a result, the displacement of the object to be measured can be measured by enlarging it three times or more as the displacement of the granular spotted pattern, and the displacement of the object to be measured can be measured with high accuracy.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記受光部がCCD素子からなり、該CCD素子の前方に外来光を遮断する暗視筒を装着して粒状斑点模様を直接撮像するようにしたことにより、CCD素子によりレーザ光の反射光である粒状斑点模様を直接撮像することができ、暗視筒により周囲が明るい場所でも粒状斑点模様を撮像することができる効果がある。 In the apparatus for measuring the displacement of an object to be measured by laser reflected light according to the present invention, the light receiving portion is composed of a CCD element, and a night vision tube for blocking extraneous light is mounted in front of the CCD element to directly form a granular spot pattern. By taking an image, it is possible to directly image a granular spot pattern, which is reflected light of a laser beam, by the CCD element, and it is possible to pick up a granular spot pattern even in a bright place by a night vision tube. .
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、被測定物表面の法線方向に対して前記レーザ光を角度θSで照射するようにレーザ投光機を配置し、被測定物表面の法線方向に対して角度θ0の方向に受光部を配置し、前記演算装置が計測した粒状斑点模様の変位量Axから上記数2式に基づいて被計測物の変位量axを求めるようにしたことにより、計測した粒状斑点模様の変位量Axから演算によって被計測物の変位量axを迅速に求めることができる効果がある。
In addition, the apparatus for measuring displacement of an object to be measured by laser reflected light according to the present invention includes a laser projector disposed so as to irradiate the laser beam at an angle θ S with respect to the normal direction of the surface of the object to be measured. A light receiving portion is arranged in the direction of angle θ 0 with respect to the normal direction of the surface of the object to be measured, and the amount of displacement ax of the object to be measured based on the
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を可変制御して、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を調整する拡大率調整機構を備えたことにより、被計測物表面にクロス光の焦点を近付けるか、被計測物表面から受光部を遠ざけることによって、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を簡単に調整することができるから、被計測物の変位量や変位速度に応じて適切な計測精度を選択することができる効果がある。 In addition, the displacement measuring apparatus of the object to be measured by the laser reflected light according to the present invention variably controls the ratio of the distance Ls to the distance L 0 (Ls / L 0 ) to displace the granular spotted pattern with respect to the displacement of the object to be measured. By providing an enlargement ratio adjustment mechanism that adjusts the enlargement ratio of the object, the focal spot of the cross light is brought closer to the surface of the object to be measured, or the light receiving part is moved away from the surface of the object to be measured, thereby causing a granular spot pattern with respect to the displacement of the object to be measured Therefore, it is possible to easily adjust the magnification rate of the displacement, so that it is possible to select an appropriate measurement accuracy according to the displacement amount and the displacement speed of the object to be measured.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記拡大率調整機構がレーザ投光機のレンズ位置を調整して前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を可変制御するようにしたことにより、簡単且つ迅速にクロス光の焦点位置を変えて、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を迅速に調整することができる効果がある。 The displacement measurement apparatus of the object to be measured by the laser light reflected of the present invention, the ratio of the said magnification adjusting mechanism adjusts the lens position of the laser floodlight distance Ls and the distance L 0 (Ls / L 0) As a result, the focal position of the cross light can be changed easily and quickly, and the magnification rate of the granular spotted pattern relative to the displacement of the object to be measured can be adjusted quickly.
また、本発明のレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、前記拡大率調整機構が被計測物に対するレーザ投光機の位置を調整して前記距離Lsと距離L0の比(Ls/L0)を可変制御するようにしたことにより、レーザ投光機の移動量から容易に焦点から被計測物表面までの距離Lsを把握することができ、被計測物の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を確実に調整することができる効果がある。 In the device for measuring the displacement of the object to be measured by the reflected laser beam according to the present invention, the magnification adjusting mechanism adjusts the position of the laser projector with respect to the object to be measured, and the ratio of the distance Ls to the distance L 0 (Ls / By variably controlling L 0 ), the distance Ls from the focal point to the surface of the object to be measured can be easily grasped from the amount of movement of the laser projector, and the granular spotted pattern with respect to the displacement of the object to be measured can be obtained. There is an effect that the magnification rate of the displacement can be adjusted with certainty.
本発明の実施の形態を図示する実施例に基づいて説明する。
本発明に係るレーザ反射光による被計測物の変位計測装置は、被測定物3の表面にレーザ光を照射するレーザ投光機1と、前記レーザ光の反射光である粒状斑点模様を撮像する受光部2と、被計測物3の変位が拡大して現れる粒状斑点模様の変位を計測する画像処理装置6と、この粒状斑点模様の変位から被計測物3の変位を求める演算装置7とから構成してあり、前記レーザ投光機1は被計測物3の表面とレーザ投光機1との間に焦点9を有するクロス光8aを被測定物3の表面に照射し、該クロス光8aは焦点9から被計測物3の表面までの距離Lsと被計測物3の表面から受光部2までの距離L0の比が0<Ls/L0≦1/3であることを特徴とする。
Embodiments of the present invention will be described based on examples shown in the drawings.
An apparatus for measuring displacement of an object to be measured by laser reflected light according to the present invention images a
図1乃至図3に示す実施例において、レーザ投光機1は、被計測物3に安定した粒状斑点模様を描くために高輝度で指向性を備えた可視光を使用し、レーザ素子、冷却回路、駆動回路、及びレンズより構成してある。レーザ投光機1は、図4(a)に示すように、レーザ投光機1と被計測物3の表面との間に焦点9を有するクロス光8aを被計測物3のレーザ照射位置4に照射することができるようにしてある。図2に示すように、レーザ投光機1は、被計測物3のレーザ照射位置4の法線方向zに対してレーザ光を角度θSで照射することができるように配置してある。
In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the
図示の実施例において、受光部2はCCD素子からなり、被計測物3に描く粒状斑点模様を撮るために使用し、NTSC信号(アナログ信号)で出力する機能を有している。図2に示すように、受光部2は、被計測物3のレーザ照射位置4の法線方向zに対して角度θ0の向きで、レーザ照射位置4から距離L0の位置に配置し、レーザ光の散乱によりレーザ照射位置4に基づく粒状斑点模様を撮ることができるように構成してある。図3に示すように、レーザ光の照射角度θSは、被計測物3のレーザ照射位置4の法線方向zに対して角度θ0にオフセット角5を加えた向きに調整してあることが好ましい。
In the illustrated embodiment, the
また、受光部2は、CCD素子の前方に外来光を遮断する暗視筒13を装着してあり、明所においても粒状斑点模様を直接撮像することができるように構成してある。
In addition, the
図1乃至図3に示す実施例において、レーザ投光機1には、クロス光8aの焦点9から被計測物3のレーザ照射位置4までの距離Lsと該レーザ照射位置4から受光部2までの距離L0の比(Ls/L0)を可変制御して、被計測物3の変位に対する粒状斑点模様の変位の拡大率を調整する拡大率調整機構を設けてある。
In the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the
図2に示すように、レーザ照射位置4の法線方向zに対してクロス光8aを角度θSで照射し、反射光である粒状斑点模様を角度θ0で撮像した場合に、観測面である受光部2における粒状斑点模様の変位量Axは数3式で表される。
As shown in FIG. 2, when the
本発明では、被計測物3の2次元の変位axのみを扱うので、ax以外の変数を無視すると、観測面における変位量Axは数4式で表すことができる。
In the present invention, only the two-dimensional displacement ax of the measured
すなわち、被計測物3の2次元の変位量axに対する粒状斑点模様の変位量Axの拡大率Ax/axは、数5式で表される。
That is, the enlargement ratio Ax / ax of the amount Ax of the granular spotted pattern with respect to the two-dimensional displacement amount ax of the
ここで、クロス光8aの照射角度θSと、粒状斑点模様を撮像する角度θ0を一定にすると、定数に置き換えることができるから、拡大率Ax/axは数6式で表される。
Here, if the irradiation angle θ S of the
従って、被計測物3の変位量axに対する粒状斑点模様の変位量Axの拡大率Ax/axは、焦点9からレーザ照射位置4までの距離Lsと該レーザ照射位置4から受光部2までの距離L0の比(Ls/L0)を変えることにより、調整することができる。この拡大率Ax/axは、焦点9をレーザ照射位置4に近付けるか、受光部2をレーザ照射位置4から遠ざけることにより、大きくすることができる。拡大率Ax/axの変化は、焦点9の位置を調整して距離Lsを変える方が、距離L0を変えるよりも大きくなるから、拡大率調整機構は焦点9の位置を調整するようにしてあることが好ましい。
Therefore, the enlargement ratio Ax / ax of the displacement Ax of the granular spot pattern with respect to the displacement ax of the
また、レーザ光が平行光の場合には、Ls=∞になるから、観測面における粒状斑点模様の変位量Axは数7式で表される。
Further, when the laser light is parallel light, Ls = ∞, so that the amount of displacement Ax of the granular spotted pattern on the observation surface is expressed by
本発明に係るレーザ反射光による被計測物の変位計測装置を使用して、焦点9の位置を変えて観測面における粒状斑点模様の変位量Axを測定した結果を図7に示す。図中の直線aは平行光であり、直線b〜gは焦点位置が異なるクロス光である。この測定において、レーザ照射位置4から受光部2までの距離L0は300mmで一定にし、焦点9からレーザ照射位置4までの距離Lsは、Ls=150mmの位置からレーザ投光機1を被計測物3へ近付けることによって行った。また、レーザ光の照射角度θSは20°であり、受光面の角度θ0は10°である。
FIG. 7 shows the result of measuring the amount of displacement Ax of the granular spotted pattern on the observation surface by changing the position of the
図8は、クロス光8aの焦点9の位置による拡大率Ax/axの変化を示している。例えば、距離Ls=50mmのときに拡大率Ax/axは約6.4倍になり、距離Ls=30mmのときに拡大率Ax/axは約10倍になることが分かる。距離Lsと距離L0の比は、拡大率Ax/axを3倍以上にできるから、0<Ls/L0≦1/3であることが好ましい。また、焦点9を被計測物3の表面に近付けると、拡大率Ax/axは大きくなるが、焦点9を被測定物3の表面に近付けすぎると計測中の距離Lsの微小な変化によって拡大率Ax/axが変化することから、距離Lsと距離L0の比は、拡大率Ax/axが5倍以上で安定する1/20≦Ls/L0≦1/5であることがより好ましい。
FIG. 8 shows changes in the enlargement ratio Ax / ax depending on the position of the
図1に示すように、拡大率調整機構は、レーザ投光機1に設けた焦点調節装置12からなり、レーザ投光機1のレーザ素子に対して焦点位置調節用レンズの位置を調整することにより、クロス光8aの焦点9から被計測物3の表面までの距離Lsを調整することができるように構成してある。また、拡大率調整機構は、レーザ投光機1をレーザ照射方向に沿って駆動することができる駆動装置11からなり、被計測物3のレーザ照射位置4に対するレーザ投光機1の位置を調整して距離Lsを調整することができるようにしてある。
As shown in FIG. 1, the magnification adjustment mechanism includes a
図示の実施例において、画像処理装置6は、受光部2で撮像した粒状斑点模様を位相限定相関法により画像処理するように構成してある。元になる粒状斑点模様の登録画像と照合すべき粒状斑点模様の入力画像の相関(類似性)を算出するために、受光部2で撮像した粒状斑点模様の入力画像をディジタル化し、フーリェ変換で数学的に処理して、振幅(濃淡データ)と位相(像の輪郭データ)に分解する。この2つのデータのうち濃淡データは使わずに、位相データのみを用いて登録画像と入力画像の相関を求めるようにしてある。
In the illustrated embodiment, the
演算装置7は、受光部2で撮像した粒状斑点模様と、画像処理装置6により画像処理された登録画像と入力画像の位相データの相関値(被計測物3の移動量)を表示出力する表示装置を備えている。
The
図示の実施例において、被計測物3を上方向に移動させると、図5(a)から(d)に示すように、粒状斑点模様の標識10がそれに伴って上方向に移動する。
また、被計測物3を右方向に移動させると、図6(a)から(d)に示すように、粒状斑点模様の標識10がそれに伴って右方向に移動する。
この標識10を表示装置の画面上の動きから、映像画面のドットピッチ又はCCD画素ピッチを左右並びに上下方向に基づく加減算を行うことにより、X方向、Y方向及びXY合成曲線長の変位量が得られ、粒状斑点模様の変位量Axを導き出すことができる。
In the illustrated embodiment, when the
When the
The amount of displacement of the X direction, the Y direction, and the XY composite curve length is obtained by performing addition / subtraction based on the dot pitch or the CCD pixel pitch of the video screen in the horizontal and vertical directions from the movement of the
また、演算装置7は、表示装置が導き出した粒状斑点模様の変位量Axから下記数10式に基づいて被計測物3の変位量axを求めることができるように構成してある。
Further, the
また、上述のように、被計測物3を上下左右に移動させて被計測物3の移動量を計測する場合に限らず、レーザ投光機1と受光部2の関係を固定しておき、被計測物3とレーザ投光機1及び受光部2との相対変位量を計測することができる。
従って、被計測物3を固定してレーザ投光機1及び受光部2を移動させて被計測物3に描く粒状斑点模様の移動を演算処理することにより、被計測物3に対する相対的な移動量を計測することができる。さらに、被計測物3の動きに伴い粒状斑点模様も移動するが、常に同一の粒状斑点模様を表示出力されているようにレーザ投光機1及び受光部2を追従させて移動させることにより、レーザ投光機1及び受光部2の移動量を計測することによって、被計測物3の移動量を求めることも可能である。
In addition, as described above, the relationship between the
Therefore, by moving the
また、本発明に係るレーザ反射光による被計測物の計測方法及びその装置は、図示の実施例のように被計測物3の移動量の計測に限らず、当該計測装置を複数設けることにより、被計測物の膨張、収縮、成長等の変形量及び変形速度を計測することができる。
また、粒状斑点模様を記憶しておくことにより、被計測物の位置合わせ、同一性等の計測に使用することができると共に、粒状斑点模様の変化を計測することにより、被計測物の固化、軟化等の変化及び変化速度を計測することも可能である。
Further, the measurement method and apparatus for the object to be measured by the laser reflected light according to the present invention are not limited to the measurement of the movement amount of the object to be measured 3 as in the illustrated embodiment, and by providing a plurality of the measurement apparatuses, A deformation amount and a deformation speed such as expansion, contraction, and growth of the measurement object can be measured.
In addition, by memorizing the granular spot pattern, it can be used for measuring the alignment of the object to be measured, identity, etc., and by measuring the change in the granular spot pattern, the object to be measured is solidified, It is also possible to measure changes such as softening and the rate of change.
1 レーザ投光機
2 受光部
3 被計測物
4 レーザ照射位置
5 オフセット角
6 画像処理装置
7 演算装置
8a クロス光
8b スポット光
8c ストレート光
8d ビーム光
9 焦点
10 標識
11 駆動装置
12 焦点調節装置
13 暗視筒
DESCRIPTION OF
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JP2007148786A JP2008304190A (en) | 2007-06-05 | 2007-06-05 | Highly precise method and device for measuring displacement of object to be measured by laser reflected light |
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