JP2527403B2 - レ―ザ光を利用したスペックルパタ―ンによる被計測物の移動量の修正方法ならびにその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光を利用した
スペックルパターンによる動的計測物の測定方式におい
て、被計測物が球面、曲成面、あるいは凹凸度の高い非
平滑面体の測定手段にあって、レーザ光の反射を入力に
よる歪数値を自動修正して正規の数値に変換し、かつ、
出力表示する方法ならびにその装置に関するものであ
る。

【０００２】

【技術的背景】この発明は、レーザ．スペックルパター
ンを利用した被計測物の移動量を非接触で測定する装置
において、被測定物に照射するレーザ光を正規律に分割
した定位置印影を遮光体により投影できるようにし、被
計測物のレーザ被照射域において非平滑面による歪反射
を光学的に認識したものを実質の数値となるように自動
修正し、これを出力表示するものである。

【０００３】

【従来の技術】レーザ光を利用して計測する手段とし
て、レーザ光照射源、ならびに被計測物がともに固定位
置関係にあるのみにおいて測定が可能であり、従って、
被計測物の移動量の測定、なおかつ、レーザ光被照射面
が不整面である場合においては存在する技術ではなかっ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】レーザ光のスペックル
パターンを利用して被計測物の移動量を測定しようとす
るとき、該被計測物のレーザ光の被照射面が球面もしく
は凹凸面等の不整面、非平滑面である場合に被照射面に
形成されたスペックルパターンを標識として捕らえるＣ
ＣＤカメラの識別数値が、不整値であることから、レー
ザ光軸に、設定し、かつ、規格化した定位置印記影を形
成して照射し、ＣＣＤカメラが捕らえた不整識別数値
と、設定した正規の定位置印記影の基準値に基づいた数
値との相対差量を演算処理によって識別し、かつ、出力
表示できるようにしたことを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成させるための手段として、方法の発明は、レー
ザ．スペックルパターンを利用した被計測物の移動量の
測定方法において、設定距離、設定形状よりなる定位置
ポイントを線または点あるいはこれらの複合態により規
格化した定位置印記影を遮光によって形成できる遮光体
を照射レーザ光軸中に挿入し、該遮光体によって被計測
物に投影される透光光束における被照射域の映像範囲に
描かれた非露光部である定位置印記影を含むスペックル
パターンを標識として、これを光学的に認識し、かつ、
該認識画素において定位置印記影の歪形態を、設定形態
との相対差量を演算処理により識別、かつ、出力表示す
ることができるようにしてなるものである。

【０００６】また、装置の発明として、レーザ．スペッ
クルパターンを利用した被計測物の移動量を非接触で測
定する装置において、設定距離、設定形状よりなる定位
置ポイントを線または点あるいはこれらの複合態により
なる遮光体を被計測物にスペックルパターンを描かせる
レーザ発振器の前方の光軸を遮光する位置に装設し、前
記遮光体によって形成される定位置印記影を含むスペッ
クルパターンを標識として捕らえるＣＣＤカメラと、該
ＣＣＤカメラからの信号をＡ／Ｄ変換装置を介して接続
する演算装置に、前記遮光体に形成した定位置ポイント
の設定値に基づく指示値の認識画素と、歪露光の認識画
素との相対差量とを識別処理し、かつ、算出する演算手
段を格納し、演算して得た数値情報を出力表示するＣＲ
Ｔに接続してなるものである。

【０００７】

【作用】この発明の方式は、レーザ光のスペックルパタ
ーンを利用することを基本的な技術的思想とするもので
あって、該基本的技術は下記の通りである。

【０００８】基本的な技術として、大別して３つの要素
がある。

【０００９】その第１は、被計測物に対してレーザ光を
照射する要素。

【００１０】その第２は、被計測物においてレーザ光の
被照射域の映像範囲をスペックルパターン化する要素。

【００１１】その第３は、被計測物に映像化されたスペ
ックルパターンを標識として捕らえ、これを光学的に検
知し、かつ、演算処理し、更に、これを測定値として出
力表示する要素、である。

【００１２】上記した各要素を集約し、かつ、これらを
総合的に要約すると、レーザ光を被計測物に照射し、該
被計測物の粗面表面にスペックルパターンを描かせ、被
計測物の移動に平行して前記スペックルパターンの明暗
をＣＣＤ（電荷結合素子；Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅ
ｄ Ｄｅｖｌｃｅ）（以下ＣＣＤと称す）カメラで撮影
し、撮影によって得られた電気的信号をコンピュータで
ＣＣＤ画素単位にリアル．タイム演算処理して移動距離
数値を表示出力するものである。

【００１３】本発明の方式を達成させるために、その検
証機として、半導体レーザ発振器、遮光体、高解像度Ｃ
ＣＤ、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｇ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器、
演算処理装置ならびにＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ
Ｔｕｂｅ ｄｉｓｐｌａｙ）（モニタ）より構成する
ものである。

【００１４】表面が不均一な被計測物に、非常に干渉性
の高いレーザ光をレーザ発振器から照射すると、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
干渉し合うために粒状模様が生ずる。この粒状模様をス
ペッルパターンと称する。

【００１５】ここで、被計測物が横移動すると、それに
伴いスペックルパターンも横移動する性質がある。

【００１６】このスペックルパターンを標識として、Ｃ
ＣＤカメラで連続して撮り、Ａ／Ｄ変換器によりアナロ
グ信号をディジタル信号に変換して演算装置の入力と
し、そのパターンをＣＲＴに出力してなるものである。

【００１７】特に、レーザ光照射手段においては、設定
距離、設定形状よりなる定位置ポイントを線または点あ
るいはこれらの複合態により規格化した定位置印記影を
遮光によって形成できる遮光体を照射レーザ光軸中に挿
入し、該遮光体によって被計測物に投影される透光光束
における被照射域の映像範囲に描かれた非露光部である
定位置印記影を含むスペックルパターンを形成するもの
である。

【００１８】遮光体によって被計測物に投影される透光
光束における被照射域の映像範囲に描かれた非露光部で
ある定位置印記影を含むスペックルパターンを標識とし
て、これを光学的に認識し、かつ、該認識画素において
定位置印影の歪形態を、設定形態との相対差量を演算処
理により識別、かつ、出力表示することができるように
したものである。

【００１９】

【実施例】次ぎにこの発明の実施例を図とともに説明す
る前段として、本発明の方式を達成するための被計測物
ならびに検証機として各部位について説明する。

【００２０】１は被計測物。２はＣＣＤ（電荷結合素
子；Ｃｈａｒｇｅ ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｌｃｅ）カメ
ラ５の映像範囲。３はレーザ発振器４が被計測物１にレ
ーザ光が照射されて粗面により描くスペックルパター
ン。４はレーザ発振器。５はＣＣＤカメラ。６はＣＣＤ
カメラ５のアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ
／Ｄ（Ａｎａｌｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器。７はスペ
ックルパターン３を標識として上下および横移動量を算
出する演算装置。８はスペックルパターン３を直接目視
するＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ ｄｉ
ｓｐｌａｙ）、９は遮光体、１０は被計測物１における
レーザ光被照射面においてスペックルパターン中に非露
光形態で描かれた定位置印記影を示すものである。

【００２１】レーザ発振器４は、被計測物に安定したス
ペックルパターン３を描くために高輝度・指向性・可視
光を使用し、レーザ素子、冷却回路、駆動回路およびレ
ンズより構成する。

【００２２】ＣＣＤカメラ５は、被計測物１に描くスペ
ックルパターン３を撮るために使用し、ＮＴＳＣ信号
（アナログデータ）に変換する機能を有し、移動距離の
測定精度はＣＣＤ画素の間隔により決定し、スペックル
パターン３の大きさにより、コンピュータが処理しやす
い粗密に拡大または縮小するためにズームレンズを使用
することもある。

【００２３】Ａ／Ｄ変換器６は、アナログ信号をディジ
タル信号に変換する機能を有する。ＮＴＳＣ信号は、ア
ナログ信号である。従って、コンピュータの記憶素子に
スペックルパターン３を格納するためにディジタル信号
に変換する必要がある。スペックルパターン３は明暗に
よる班点模様であるために例えば、明点を“１”、暗点
を“０”とする２値化に変換する。

【００２４】演算装置７は、被計測物の移動状態（スペ
ックルパターン）を連続的に記憶素子に格納し、任意の
明暗点の移動をＣＣＤ画素間隔（基準長）で演算し、数
値情報として表示出力する。

【００２５】遮光体９は、設定距離、設定形状よりなる
定位置ポイントを線または点あるいはこれらの複合態に
よりなるもので、正三角形、正方形、長方形、正六角形
等、上下、左右、斜方向に幾何学的に規律正しく反復
し、かつ、連続形成できる区画を線画形成、またはこれ
らの角部の形成箇所を点で表すか、または円形線等で示
す手法を持ってなし、かつ、その手段は格子体、網目ス
クリーン、あるいはパンチングメタル様式の有孔板を基
本形態とするものである。

【００２６】こうのうに形成した遮光板９をレーザ発振
器４から発振するレーザ光を遮光できる位置に設置し
て、被計測物１におけるレーザ光被照射面のスペックル
パターン３中に定位置印記影１０として標示できるよう
にしたものである。

【００２７】ここで、被計測物１とＣＣＤカメラ５間の
距離と被計測物１に描かれた定位置印記影１０の間隔に
よる比率を既知の係数として演算装置７に記憶させてお
く。

【００２８】被計測物１に対して定位置印記影１０のレ
ーザ光を照射し、該定位置印記影１０の間隔をＣＣＤ画
素数に対応させて計測し、演算装置７に記憶した既知の
係数により被計測物１とＣＣＤカメラ５間の距離を導き
出し、計測した移動量の修正を演算することができる。

【００２９】ＣＲＴ８は、検証・実験・試験段階では、
スペックルパターン３ならびに移動距離をＣＲＴモニタ
画面上に表示し、パターンおよび移動状態を視覚するこ
とを目的として使用する。ただし、実用機では、セブン
・セグメント表示器により移動距離を数値として表示出
力する。

【００３０】被計測物１をアルミニューム板とした場合
において、該アルミニューム板にレーザ光を照射し、実
際に描いたスペックルパターン３を写真撮影したものが
図２である。

【００３１】被計測物１にレーザ光を照射し、規格化し
た定位置印記影１０と、スペックルパターン３をＣＣＤ
カメラ５で撮影し、Ａ／Ｄ変換器６で明暗による中間色
を除去し、明と暗の２つの信号に変換して演算装置７に
入力する。

【００３２】ここで、方式の説明を容易にするために、
便宜的に演算装置７が認識するスペックルパターン３を
ＣＣＤ画素単位に明暗を配した状態を図３に示す。

【００３３】規格化した定位置印記影１０を含むレーザ
光を被計測物１に照射し、演算装置７が認識したパター
ンを図３とする。

【００３４】この状態から、図４は被計測物１がＣＣＤ
１画素分だけ左に移動した状態を示す。

【００３５】ここで、ＣＣＤ１画素当りの間隔が１０μ
ｍとした場合、図３から図４において、被計測物１が左
に１０μｍ移動したことになる。

【００３６】図５は図３に比較して、演算装置７が認識
したスペックルパターン３が大きく拡大され、それとと
もに定位置印記影１０も上下左右に均等に拡大され、従
って、被計測物１は図３の状態から遠ざかったことが認
知され、予め演算装置７に記憶させた係数に基づいて被
計測物１とＣＣＤカメラ５との距離を算出することがで
きる。

【００３７】図６は、定位置印記影１０が右側に移動す
る度合いに従って拡大していることから、円筒物の物体
を中心から右側を視向していることが判り、同様にし
て、予め演算装置７が記憶している係数により被計測物
１の表面の長さを算出することができる。

【００３８】図７は、定位置印記影１０が上下左右とも
に均一に拡大していることから球状の物体であることが
判り、同様にして予め演算装置７が記憶している係数に
より表面の長さを算出することができる。

【００３９】従って、その一例として、被計測物１が曲
面である場合は、この係数を活用することにより、円周
長、あるいは直径、さらには被計測物１までの距離を算
出することができる。

【００４０】前記定位置印記影１０を投影する遮光体９
は、図示において、格子体を開示したものであるが、他
の実施例においては網状スクリーン、パンチングメタル
様式の有孔板等であっても、設定距離、設定形状よりな
る定位置ポイントを線または点あるいはこれらの複合態
により、規格化した定位置印記影１０を遮光によって形
成できる遮光体９を構成する要件を具備するものであれ
ば、その形態を限定するものではない。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、レーザスペックルパターンを
利用することにより、平坦な表面を有する被計測物に対
して非接触でその移動量を計測することができる効果が
ある。

【００４２】本発明は、被計測物の表面が凹凸ならびに
曲面等、非平滑面である場合、ならびに遠近に対して
も、測定結果を定位置印記影と予め演算装置が記憶する
係数の関係から移動量を修正することができる効果があ
る。

【００４３】

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による実施例の構成図

【図２】 アルミニューム板に描かれた実際のスペック
ルパターン

【図３】 便宜的に演算装置が認識したＣＣＤ画素単位
ごとのスペックルパターン

【図４】 ＣＣＤ１画素分だけ被計測物が左に移動した
場合の演算装置が認識したパターン

【図５】 ＣＣＤカメラから被計測物が遠ざかった場合
の演算装置が認識したパターン

【図６】 円筒状の被計測物に対して中心から右側にレ
ーザ光を照射した場合の演算装置が認識したパターン

【図７】 球状物体にレーザ光を照射した場合の演算装
置が認識したパターン

【符号の説明】

【１】 被計測物

【２】 映像範囲

【３】 スペックルパターン

【４】 レーザ発振器

【５】 ＣＣＤカメラ

【６】 Ａ／Ｄ変換器

【７】 演算装置

【８】 ＣＲＴ

【９】 遮光体

【１０】 定位置印記影

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ．スペックルパターンを利用した
   被計測物の移動量の測定方法において、 設定距離、設定形状よりなる定位置ポイントを線または
   点あるいはこれらの複合態により規格化した定位置印記
   影を遮光によって形成できる遮光体を照射レーザ光軸中
   に挿入し、該遮光体によって被計測物に投影される透光
   光束における被照射域の映像範囲に描かれた非露光部で
   ある定位置印記影を含むスペックルパターンを標識とし
   て、これを光学的に認識し、かつ、該認識画素において
   定位置印記影の歪形態を、設定形態との相対差量を演算
   処理により識別、かつ、出力表示することができるよう
   にしてなることを特徴とするレーザ光を利用したスペッ
   クルパターンによる被計測物の移動量の測定値の修正方
   法。
2. 【請求項２】 レーザ．スペックルパターンを利用した
   被計測物の移動量を非接触で測定する装置において、 設定距離、設定形状よりなる定位置ポイントを線または
   点あるいはこれらの複合態によりなる遮光体を被計測物
   にスペックルパターンを描かせるレーザ発振器の前方の
   光軸を遮光する位置に装設し、前記遮光体によって形成
   される定位置印記影を含むスペックルパターンを標識と
   して捕らえるＣＣＤカメラと、該ＣＣＤカメラからの信
   号をＡ／Ｄ変換装置を介して接続する演算装置に、前記
   遮光体に形成した定位置ポイントの設定値に基づく指示
   値の認識画素と、歪露光の認識画素との相対差量とを識
   別処理し、かつ、算出する演算手段を格納し、演算して
   得た数値情報を出力表示するＣＲＴに接続してなること
   を特徴とするレーザ光を利用したスペックルパターンに
   よる被計測物の移動量の測定値の修正装置。