JP2011099799A - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本来観測すべき被検出体表面のスペックルパターンに対して、被検出体背面にて反射した光がノイズとして混入することに起因し、測定精度の悪化が生じる。
【解決手段】被検出体背面にて反射した光をカメラ装置で撮像しないようにカメラ装置及び光源を配置した光学系を形成することにより、被検出体背面にて反射した光をカメラ装置で撮像することなく、ひいてはノイズを含まないスペックルパターンを検出し、測定精度の高い測定装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は測定装置に関するものであり、より詳しくは撮像装置によって被検出体の表面に観測されるスペックルパターンに基づいて被検出体の状態を測定する装置に関するものである。

従来、被検出体に光を照射を行うことで被検出体における光の反射を生じさせるとともに、カメラ等の撮像装置によってこの反射光を撮像することで反射面の凹凸等によって生じるスペックルパターンを観測し、これによって被検出体の移動量等の状態変化を測定する装置が知られている（特許文献１）。

特開平１０−１９６９０

従来のスペックルパターンを用いて被検出体の状態変化を測定する測定装置の例を図１に示す。図１において、１は被検出体、２はレーザ光源、３はカメラ装置である。

図１において、レーザ光源２から照射された投光Ａ（図１中に１点鎖線により模式的に示す）は被検出体１の表面１１において拡散反射し、同じく１点鎖線により模式的に示す反射光Ｂ１となってカメラ装置３へと到達する。カメラ装置３ではこの反射光Ｂ１を撮像することにより、被検出体１の表面１１に生じるスペックルパターンを観測することが可能となる。

しかしながら被検出体１が透明体であったり、あるいは白色のゴム材料であったりする場合など、投光Ａが被検出体１の内部に浸透しやすいような材質あるいは色彩の被検出体１を用いたとき特に顕著に見られる現象が問題となる。即ち、反射光Ｂ１を生じる反射面の対面１２によって生じる拡散反射光Ｂ２がカメラ装置３へと到達すると、本来観測すべき表面１１のスペックルパターンに対し、反射光Ｂ２がノイズとして作用し、ひいては測定精度の悪化を招きうることに本発明者は着目した。

本発明は、先の図１に示すような反射光Ｂ２によるノイズの影響を低減し、従来の測定装置に比して精度良く被検出体１の表面１１において生じるスペックルパターンを観測し、ひいては精度良く被検出体１の状態変化を測定可能な測定装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、被検出体の表面を光学系により撮像して得られるスペックルパターンに基づき前記被検出体の状態変化を測定する測定装置であって、前記光学系は、前記被検出体の表面に対し光を照射する光源と、前記被検出体の表面を撮像するカメラ装置とを備え、前記カメラ装置の光軸が前記被検出体の表面に対し傾斜するように、前記カメラ装置を配置して形成されるものであることを特徴とする測定装置である。

請求項２に係る発明は請求項１に係る発明に対し更に、前記被検出体の厚さをｄ、前記光源から照射される光の、前記被検出体表面への入射角をθ、前記光源および前記カメラ装置が存在する空間の屈折率をｎ１、前記被検出体１の構成材料の屈折率をｎ２、前記カメラ装置の撮像素子における、前記被検出体の表面にて生じる反射光の入射位置から、前記光が前記被検出体内部へと浸透し、前記被検出体の表面の対面にて生じせしめる反射光方向の端部までの長さをｋとしたとき、
２ｄｃｏｓ（θ）ｔａｎ（θｎ１／ｎ２）＞ｋ
を満たすよう前記光学系を構成したことを特徴とするものである。

また、請求項３に係る発明は、光透過性を有する被検出体の表面をカメラ装置により撮像して得られるスペックルパターンに基づき、前記被検出体の前記表面に対向する面において生じる拡散反射光に起因するノイズを低減しながらに前記被検出体の状態変化を測定する測定方法であって、前記カメラ装置の光軸が前記被検出体の表面に対し傾斜するように、前記カメラ装置を配置し、前記被検出体の表面に対して光源により光を照射し、前記カメラ装置により前記被検出体において生じた拡散反射光を撮像し、前記撮像した拡散反射光に基づき、前記被検出体のスペックルパターンを得て、前記スペックルパターンの形状および／または位置に基づいて前記被検出体の状態変化を測定することを特徴とする測定方法である。

本発明の請求項１に係る発明に拠れば、スペックルパターンを検出するにあたり、ノイズとなる成分をカメラ装置にて撮像し難くすることができるので、従来に比してより高精度にスペックルパターンを検出し、ひいては高精度に被検出体の状態変化を測定することが可能となる。

本発明の請求項２に係る発明に拠れば、従来の非接触伸び計において生じていた、前述の反射光Ｂ２をカメラ装置にて撮像しないように構成できるので、従来に比してより高精度にスペックルパターンを検出することが可能となる。

本発明の請求項３に係る発明に拠れば、透明体あるいは白色のゴム材料からなる、即ち光透過性を有する被検出体を用いる場合であっても、被検出体の表面に対向する面において生じる拡散反射光に起因するノイズを低減しながらに被検出体の状態変化を測定することが可能となる。

従来の測定装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る測定装置を示す構成図である。 本発明におけるカメラ装置３の光軸位置の設定方法を示す概念図である。 本発明の好適な実施形態を示す概念図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、先に述べた従来の測定装置と同等の構成については同番号を付して説明を省略する。

図２は本発明を適用した測定装置の一例である。従来の測定装置においてはカメラ装置３の光軸３１が被検出体１の表面１１に対し略鉛直になるよう構成されていたのに対し、本発明においてはこれを傾けるようにカメラ装置３を設置して測定装置を構成している。

より詳しくは図３（ａ）に示すように、カメラ装置３の視野が所定の拡がり角（視野角）θを有し、当該視野範囲内に存在する物体に正反射した光を撮像素子３２にて受光し、当該物体の撮像を行う装置である場合であれば、先に述べたカメラ装置３の光軸３１は、当該カメラ装置３の撮像素子３２を通り、視野角θに対してその中心（即ち、角度θ／２）を通る線として定義される。また、図３（ｂ）に示すようにカメラ装置３が図示しないコリメータレンズ等を備え、視野が拡がりを持たずに所定の視野幅dを有する場合であれば、カメラ装置３の光軸３１は当該視野幅の両端からそれぞれｄ／２の距離に位置する軸、即ち視野の中心軸として定義されるものである。

図２に示したとおり、本発明によれば前述したようにカメラ装置３の光軸３１を被検出体１の表面１１に対し傾けて設置しているので、ノイズの要因となる反射光Ｂ２とカメラ装置３の光軸３１との距離が従来に比して大きくなる。即ち、カメラ装置３において反射光Ｂ２を受光し難くなるため、反射光Ｂ２によるノイズの低減が可能となる。

本発明において、より好ましい実施の形態を図４を用いて説明する。被検出体１においてレーザ光が照射される近傍を厚さ一様な薄板とみなしたときの厚さをｄ、レーザ光の入射角をθ１、レーザ光源およびカメラ装置が存在する空間（一般的に空気）の屈折率をｎ１、被検出体１の構成材料の屈折率をｎ２、カメラ装置３の撮像素子３２における、反射光Ｂ１の入射位置から反射光Ｂ２方向端部までの長さをｋとする。

このとき、撮像装置３２が対面１２において反射した反射光Ｂ２を受光しないようにする条件は、
反射光Ｂ１と反射光Ｂ２との距離＝２ｄｃｏｓ（θ１）ｔａｎ（θ１ｎ１／ｎ２）＞ｋ
として示される。即ち、反射光Ｂ２によるノイズの影響を最小に抑えるためには、上記の条件を満たすようにレーザ光の入射角、被検出体１の材料および厚さ、撮像素子３２の位置をそれぞれ考慮して設定すればよい。投光Ａおよび反射光Ｂ２が幅を有する場合であっても、反射光Ｂ２のうち最も撮像素子３２の近傍を通過する光成分が上述の条件を満たす限り、反射光Ｂ２が撮像素子３２に影響しないことは当業者であれば上記の説明に基づき容易に理解できるであろう。

本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えても構わない。例えば上述した実施の形態ではレーザ光源２を用いて平行光からなる投光Ａを照射することを前提としたがこれに限らず、拡がり角を有する投光を照射するＬＥＤなど他の光源を用いても構わないし、レンズによって光源からの投光を集光すること、あるいは完全な平行光とならないまでも略平行な投光を行うよう光学系を構成しても構わない。その場合における、前述した撮像装置３２が対面１２において反射した反射光Ｂ２を受光しないようにする条件は投光の拡がり角を考慮して計算すればよく、当業者であれば本発明に基づいて容易に理解できるであろう。

上述したとおり、本発明によれば、従来の測定装置に比して精度良く被検出体の表面において生じるスペックルパターンを観測し、ひいては精度良く被検出体の状態変化を測定可能な測定装置を提供することが可能となる。

１ 被検出体
２ レーザ光源
３ カメラ装置

Claims (3)

1. 被検出体の表面を光学系により撮像して得られるスペックルパターンに基づき前記被検出体の状態変化を測定する測定装置であって、
   前記光学系は、前記被検出体の表面に対し光を照射する光源と、
   前記被検出体の表面を撮像するカメラ装置とを備え、
   前記カメラ装置の光軸が前記被検出体の表面に対し傾斜するように、前記カメラ装置を配置して形成されるものであることを特徴とする測定装置。
2. 前記被検出体の厚さをｄ、
   前記光源から照射される光の、前記被検出体表面への入射角をθ、
   前記光源および前記カメラ装置が存在する空間の屈折率をｎ１、
   前記被検出体１の構成材料の屈折率をｎ２、
   前記カメラ装置の撮像素子における、前記被検出体の表面にて生じる反射光の入射位置から、前記光が前記被検出体内部へと浸透し、前記被検出体の表面の対面にて生じせしめる反射光方向の端部までの長さをｋとしたとき、
   ２ｄｃｏｓ（θ）ｔａｎ（θｎ１／ｎ２）＞ｋ
   を満たすよう前記光学系を構成したことを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 光透過性を有する被検出体の表面をカメラ装置により撮像して得られるスペックルパターンに基づき、前記被検出体の前記表面に対向する面において生じる拡散反射光に起因するノイズを低減しながらに前記被検出体の状態変化を測定する測定方法であって、
   前記カメラ装置の光軸が前記被検出体の表面に対し傾斜するように、前記カメラ装置を配置し、
   前記被検出体の表面に対して光源により光を照射し、
   前記カメラ装置により前記被検出体において生じた拡散反射光を撮像し、
   前記撮像した拡散反射光に基づき、前記被検出体のスペックルパターンを得て、
   前記スペックルパターンの形状および／または位置に基づいて前記被検出体の状態変化を測定することを特徴とする測定方法。