JP2771594B2 - Method and apparatus for measuring displacement of object - Google Patents
Method and apparatus for measuring displacement of objectInfo
- Publication number
- JP2771594B2 JP2771594B2 JP1120179A JP12017989A JP2771594B2 JP 2771594 B2 JP2771594 B2 JP 2771594B2 JP 1120179 A JP1120179 A JP 1120179A JP 12017989 A JP12017989 A JP 12017989A JP 2771594 B2 JP2771594 B2 JP 2771594B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- displacement
- memory
- image signal
- speckle pattern
- laser beam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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対象物体粗面からの拡
散光によって生じるスペックルパターンを利用して、移
動物体の変位量や所定の変位発生時点を測定する方法、
及びその装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Application Field) The present invention uses a speckle pattern generated by diffused light from a rough surface of a target object irradiated with a laser beam, and uses a speckle pattern or a predetermined displacement of a moving object. How to measure the point of occurrence,
And its device.
（従来の技術） 従来、スペックルパターンを応用して物体の微小な変
形量を測定する方法が提案されている（特公昭59−5296
3号、J.Phys.E:Sci.Instrum,19,1986）。(Prior Art) Conventionally, a method of measuring a minute deformation amount of an object by applying a speckle pattern has been proposed (Japanese Patent Publication No. 59-5296).
No. 3, J.Phys.E: Sci.Instrum, 19,1986).
該測定方法は、測定物体の表面にレーザビームを照射
して、拡散反射光のイメージセンサを配置し、該センサ
出力に基づいて、物体変形前後の出力信号の相互相関関
数を算出するものであって、スペックルパターンの移動
量が、前記相互相関関数のピーク値の位置として得られ
る。The measurement method includes irradiating a laser beam on a surface of a measurement object, arranging an image sensor of diffuse reflection light, and calculating a cross-correlation function of output signals before and after object deformation based on the sensor output. Thus, the movement amount of the speckle pattern is obtained as the position of the peak value of the cross-correlation function.
（解決しようとする課題） ところが、従来の方法に於いては、変形前後の２つの
スペックルパターンの相互相関にのみ基づいて測定が行
なわれるから、測定精度の保証される変形範囲が、両ス
ペックルパターンにある程度の相関性が維持される範囲
内に限定される。(Problems to be Solved) However, in the conventional method, the measurement is performed based only on the cross-correlation of two speckle patterns before and after the deformation. Within a range in which a certain degree of correlation is maintained in the pattern.
従って、従来の変形測定方法を応用して、移動物体の
変位量を測定する場合、変位量がレーザビームの直径よ
りも大きくなると、移動前後の２つのスペックルパター
ンの間には全く相関がなくなり、測定が不可能となる。
又、変位量がビーム径よりも小さい場合に於いても、変
位量が大きくなるにつれて、測定精度が低下する問題が
生じる。Therefore, when measuring the displacement of a moving object using the conventional deformation measurement method, if the displacement is larger than the diameter of the laser beam, there is no correlation between the two speckle patterns before and after the movement. , Measurement becomes impossible.
Further, even when the displacement amount is smaller than the beam diameter, there is a problem that the measurement accuracy decreases as the displacement amount increases.
本発明の目的は、変位量の大小に拘わらず、精度の高
い測定が可能な移動物体の変位測定方法及び装置を提供
することである。An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for measuring the displacement of a moving object, which enable highly accurate measurement regardless of the magnitude of the displacement.
（課題を解決するための手段） 本発明に係る移動物体の変位測定方法は、実際の測定
前にレーザビームを移動物体に照射する走査ステップ
と、その後、実際の測定時にレーザビームを移動物体に
照射する実測ステップの２つのステップから構成され
る。(Means for Solving the Problems) A displacement measuring method for a moving object according to the present invention includes a scanning step of irradiating a moving object with a laser beam before actual measurement, and thereafter, applying a laser beam to the moving object at the time of actual measurement. It consists of two steps of the actual measurement step of irradiation.
走査ステップに於いては、移動物体（２）の表面にレ
ーザビームを照射して、該移動物体（２）に対向した観
測面にスペックルパターンを形成し、該スペックルパタ
ーンをイメージ信号に変換し、移動物体（２）の変位に
伴って変化するイメージ信号を、移動物体（２）の変位
量と対応づけて、メモリ（６）の複数の格納部に順次格
納する。In the scanning step, the surface of the moving object (2) is irradiated with a laser beam to form a speckle pattern on an observation surface facing the moving object (2), and the speckle pattern is converted into an image signal. Then, the image signal that changes with the displacement of the moving object (2) is sequentially stored in a plurality of storage units of the memory (6) in association with the displacement amount of the moving object (2).
実測ステップに於いては、観測面に現れるスペックル
パターンのイメージ信号と、メモリ（６）の各格納部に
格納されている複数のイメージ信号との相互相関関数を
順次算出し、最も大きな相関ピーク値が得られるイメー
ジ信号のメモリ（６）内の格納位置に基づいて、移動物
体（２）の変位を測定する。In the actual measurement step, a cross-correlation function between an image signal of a speckle pattern appearing on the observation surface and a plurality of image signals stored in each storage unit of the memory (6) is sequentially calculated, and the largest correlation peak is obtained. The displacement of the moving object (2) is measured based on the storage position in the memory (6) of the image signal from which the value is obtained.
又、本発明に係る物体の変位測定装置は、測定対象と
なる物体の表面に向けてレーザビームを照射するレーザ
発生源と、物体表面からの拡散反射光を受光し得る位置
に配置され該拡散反射光のスペックルパターンを検出す
るイメージセンサー（３）と、該イメージセンサー
（３）から得られるイメージ信号を、スペックルパター
ンの相関性が維持されるピッチで、物体のレーザビーム
照射位置と対応づけて格納する複数の格納部を有するメ
モリ（６）と、物体変位測定時に得られる実測イメージ
信号と前記メモリ（６）に格納されている複数の走査イ
メージ信号とを次々と照合して相互相関関数を表わす信
号を出力する相関器（７）と、イメージセンサー（３）
を選択的に相関器（７）又はメモリ（６）へ接続する切
換えスイッチ（５）と、相関器（７）の出力信号に演算
処理を施して物体の変位に応じた信号を出力する演算処
理回路（８）とから構成される。Further, the object displacement measuring device according to the present invention includes a laser source for irradiating a laser beam toward the surface of the object to be measured, and a diffuser disposed at a position capable of receiving diffuse reflected light from the object surface. An image sensor for detecting a speckle pattern of reflected light; and an image signal obtained from the image sensor corresponding to a laser beam irradiation position of an object at a pitch at which the correlation of the speckle pattern is maintained. A memory (6) having a plurality of storage units for storing the image data and a plurality of scanning image signals stored in the memory (6), which are obtained at the time of measuring the displacement of the object; A correlator (7) for outputting a signal representing a function, and an image sensor (3)
Switch (5) for selectively connecting to the correlator (7) or the memory (6), and an arithmetic processing for performing an arithmetic processing on an output signal of the correlator (7) and outputting a signal corresponding to the displacement of the object And a circuit (8).
（作 用） 本発明に係る測定方法に於いて、変位測定時には、物
体（２）の移動につれて観測面に現れるスペックルパタ
ーンが変化し、変化中の一時点におけるスペックルパタ
ーンのイメージ信号と、メモリ（６）内に既に格納され
ている複数のスペックルパターンのイメージ信号との間
の相互相関関数が順次、算出される。(Operation) In the measurement method according to the present invention, at the time of displacement measurement, the speckle pattern appearing on the observation surface changes as the object (2) moves, and an image signal of the speckle pattern at one point in the change is obtained. A cross-correlation function between a plurality of speckle pattern image signals already stored in the memory (6) is sequentially calculated.
この際、相互相関関数の算出の対象となったイメージ
信号の格納位置に対応する物体の変位量と、測定時点に
おける物体の実際の変位量との間に大きさ差がある場合
は、相互相関関数のピーク値は小さく、前記差が小さい
場合には、相互相関関数のピーク値は大きくなる。At this time, if there is a size difference between the displacement amount of the object corresponding to the storage position of the image signal for which the cross-correlation function is calculated and the actual displacement amount of the object at the measurement time, the cross-correlation is performed. The peak value of the function is small, and when the difference is small, the peak value of the cross-correlation function becomes large.
従って、最も大きな相関ピーク値が得られた場合のイ
メージ信号の格納位置に対応する物体変位量が、測定時
点における物体の実際の変位量を表わすことになる。Accordingly, the object displacement amount corresponding to the storage position of the image signal when the largest correlation peak value is obtained represents the actual displacement amount of the object at the time of measurement.
又、本発明に係る測定装置を用いて上記測定方法を実
施する場合は、先ずスイッチ（５）をメモリ（６）側に
切り換えた状態で、対象物体の表面をレーザビームにて
走査すると、これに伴って変化するスペックルパターン
の走査イメージ信号が順次メモリ（６）に格納され、本
発明の測定方法における走査ステップが実行される。When the above measuring method is performed using the measuring apparatus according to the present invention, the surface of the target object is scanned with a laser beam while the switch (5) is switched to the memory (6) side. Are sequentially stored in the memory (6), and the scanning step in the measuring method of the present invention is executed.
その後、変位測定時には、スイッチ（５）を相関器
（７）側に切換えた状態で、対象物体の表面にレーザビ
ームを照射すると、相関器（７）による相互相関関数の
算出、演算処理回路（８）による物体変位に応じた信号
の作成が行なわれ、本発明の測定方法における実測ステ
ップが実行される。Thereafter, at the time of displacement measurement, when the surface of the target object is irradiated with a laser beam while the switch (5) is switched to the correlator (7) side, a cross-correlation function is calculated by the correlator (7), and an arithmetic processing circuit ( The signal according to the object displacement according to 8) is created, and the actual measurement step in the measurement method of the present invention is executed.
（発明の効果） 本発明に係る移動物体の変位測定方法及び装置によれ
ば、物体の移動量がビームスポット径を超える場合に於
いても、前記走査ステップにおけるレーザビームの走査
範囲に応じて測定範囲を拡大することが出来、この場
合、メモリにイメージ信号として格納すべきスペックル
パターンの間隔を可及的に小さくすることにより、測定
精度を上げることが可能である。(Effects of the Invention) According to the displacement measuring method and apparatus of the moving object according to the present invention, even when the moving amount of the object exceeds the beam spot diameter, the displacement is measured according to the scanning range of the laser beam in the scanning step. The range can be expanded. In this case, the measurement accuracy can be increased by minimizing the interval between speckle patterns to be stored as an image signal in the memory.
（実施例） 以下、図面に沿って本発明の実施例について説明す
る。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described with reference to the drawings.
尚、実施例は本発明を説明するためのものであって、
特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮
する様に解すべきではない。It should be noted that the examples are for explaining the present invention,
It should not be construed to limit or reduce the scope of the claimed invention.
第１図は、本発明の測定方法を用いて移動物体（２）
の平行移動量を測定するための装置構成を示している。FIG. 1 shows a moving object (2) using the measuring method of the present invention.
2 shows an apparatus configuration for measuring the amount of translation.
移動物体（２）に対向して、レーザ駆動回路（11）に
よって駆動される半導体レーザ（１）が配備されてい
る。該半導体レーザ（１）から出射されたレーザ光はビ
ーム拡大レンズ（12）を経て、移動物体（２）の表面に
所定のビーム径（例えば1mm）のレーザビームとなって
照射される。A semiconductor laser (1) driven by a laser drive circuit (11) is provided to face the moving object (2). The laser beam emitted from the semiconductor laser (1) passes through a beam magnifying lens (12) and is applied to the surface of the moving object (2) as a laser beam having a predetermined beam diameter (for example, 1 mm).
又、移動物体（２）のレーザ照射面（21）に対向し
て、拡散反射光を受け得る位置に一次元イメージセンサ
（３）が配置される。該イメージセンサ（３）は、例え
ば1024個のCCD（電荷結合素子）を移動物体（２）の移
動方向Ｘに沿ってピッチ14μｍで一次元に配列したもの
であって、これによってスペックルパターンの観測面が
形成される。Further, a one-dimensional image sensor (3) is arranged at a position facing the laser irradiation surface (21) of the moving object (2) so as to receive diffuse reflected light. The image sensor (3) has, for example, 1024 CCDs (Charge Coupled Devices) arranged one-dimensionally at a pitch of 14 μm along the moving direction X of the moving object (2). An observation surface is formed.
尚、一次元イメージセンサ（３）としては、フォトダ
イオードを配列したものも使用可能である。Incidentally, as the one-dimensional image sensor (3), a sensor in which photodiodes are arranged can be used.
一次元イメージセンサ（３）にて光電変換されたイメ
ージ信号は、測定回路（４）に装備した増幅器（41）を
経てA/D変換器（42）へ送られ、８ビットのデジタル信
号に変換される。The image signal photoelectrically converted by the one-dimensional image sensor (3) is sent to an A / D converter (42) through an amplifier (41) provided in a measurement circuit (4), and is converted into an 8-bit digital signal. Is done.
前記デジタル信号は、切換えスイッチ（５）の入力端
へ接続され、該スイッチの一方の出力端ａはメモリ
（６）のデータ入力ポートへ接続される。又、メモリ
（６）のデータ出力ポート及び前記切換えスイッチ
（５）の他方の出力端は、相関器（７）へ接続される。The digital signal is connected to an input terminal of a changeover switch (5), and one output terminal a of the switch is connected to a data input port of a memory (6). The data output port of the memory (6) and the other output terminal of the changeover switch (5) are connected to a correlator (7).
前記メモリ（６）は、A/D変換器（42）から送られて
くる移動物体（２）の一走査点におけるデジタル信号を
格納すべき1024バイトの格納部を、第１番地から第Ｎ番
地（Ｎ＝600）まで具えている。該メモリ（６）への信
号の書き込み及び信号の読出しは、アドレス切換え回路
（61）によって後述の如く制御される。The memory (6) stores a 1024-byte storage section for storing a digital signal at one scanning point of the moving object (2) sent from the A / D converter (42) from the first address to the Nth address. (N = 600). Writing and reading of signals to and from the memory (6) are controlled by an address switching circuit (61) as described later.
又、前記相関器（７）は、メモリ（６）から読み出さ
れた一走査点のスペックルパターンを表わすデジタル信
号と、A/D変換器（42）から切換えスイッチ（５）を経
て送られてくる一測定点におけるスペックルパターンを
表わすデジタル信号との相互相関関数をリアルタイムで
計算するものである。The correlator (7) is sent from the A / D converter (42) via the changeover switch (5) and a digital signal representing the speckle pattern of one scanning point read from the memory (6). It calculates a cross-correlation function with a digital signal representing a speckle pattern at one measurement point that comes in real time.
前記A/D変換器（42）及びアドレス切換え回路（61）
の動作タイミングは制御回路（43）によって後述の如く
制御される。The A / D converter (42) and the address switching circuit (61)
Is controlled by the control circuit (43) as described later.
相関器（７）から得られる相互相関関数の計算結果は
マイクロコンピュータ等からなる演算処理回路（８）へ
送られる。該演算処理回路（８）は、前記計算結果とア
ドレス切換え回路（61）から送られてくる後述のアドレ
スデータとに基づいて、移動物体（２）の移動量に応じ
た信号を出力するものである。The calculation result of the cross-correlation function obtained from the correlator (7) is sent to an arithmetic processing circuit (8) composed of a microcomputer or the like. The arithmetic processing circuit (8) outputs a signal corresponding to the amount of movement of the moving object (2) based on the calculation result and address data described later sent from the address switching circuit (61). is there.
以下、上記変位測定装置を用いた測定方法と、前記各
回路の動作について説明する。Hereinafter, a measurement method using the above-described displacement measurement device and an operation of each of the circuits will be described.
走査ステップ 先ず、実際の変位測定の前に、移動物体（２）をその
全移動範囲に亘って一定速度で移動させつつ、移動物体
（２）に半導体レーザ（１）からのレーザビームを照射
して、レーザ照射面（21）からの拡散反射光によって形
成されるスペックルパターンをイメージ信号として、メ
モリ（６）に順次格納する走査ステップが実行される。
この際、切換えスイッチ（５）はａ側に切換えられる。Scanning step First, before the actual displacement measurement, the moving object (2) is irradiated with a laser beam from the semiconductor laser (1) while moving the moving object (2) at a constant speed over the entire moving range. Then, a scanning step of sequentially storing the speckle pattern formed by the diffuse reflection light from the laser irradiation surface (21) in the memory (6) as an image signal is executed.
At this time, the changeover switch (5) is switched to the a side.
この過程でA/D変換器（42）は、制御回路（43）の制
御により一定周期で増幅器（41）からのイメージ信号を
デジタル信号に変換し、該デジタル信号を切換えスイッ
チ（５）を経てメモリ（６）へ供給する。In this process, the A / D converter (42) converts the image signal from the amplifier (41) into a digital signal at a constant period under the control of the control circuit (43), and converts the digital signal via the switch (5). Supply to memory (6).
又、アドレス切換え回路（61）は、制御回路（43）の
制御により前記A/D変換器（42）の動作周期に同期し
て、メモリ（６）のデータ格納アドレスを第１番地から
第Ｎ番地まで順次切り換える。The address switching circuit (61) changes the data storage address of the memory (6) from the first address to the Nth address in synchronization with the operation cycle of the A / D converter (42) under the control of the control circuit (43). Switch sequentially to the address.
この結果、切換えスイッチ（５）を経て一定周期でメ
モリ（６）へ供給されるデジタル信号は、第３図に示す
メモリ（６）内の第１番地から第Ｎ番地までの格納部
（M1、M2、…Mi、…Mn）へ順次格納されることになる。As a result, the digital signal supplied to the memory (6) at a constant cycle via the changeover switch (5) is stored in the storage section (M 1 ) from the first address to the Nth address in the memory (6) shown in FIG. , M 2 ,... Mi,... Mn).
この様にしてメモリ（６）内に格納された複数のデジ
タル信号（F1、F2、…Fi、…Fn）は、第３図の如くレー
ザ照射面（21）上に互いに重なって一定ピッチ（例えば
0.5mm）で形成されるＮ個の走査スポット領域（A1、
A2、…Ai、…An）の粗面状態に対応して、夫々固有のス
ペックルパターンを表わすことになる。A plurality of digital signals (F 1 , F 2 ,..., Fi,..., Fn) stored in the memory (6) overlap with each other on the laser irradiation surface (21) as shown in FIG. (For example,
0.5 mm) and N scanning spot areas (A 1 ,
A 2 ,... Ai,.
尚、上述の走査ステップは、物体（２）を静止させた
状態で、光源及びイメージセンサからなる測定系を物体
移動方向に沿って移動させることによっても可能であ
る。Note that the above-described scanning step can be performed by moving the measurement system including the light source and the image sensor along the object moving direction while the object (2) is stationary.
又、第３図に示す走査スポット領域（A1、A2、…Ai、
…An）を、スポット径よりも小なる所定の間隔に設定す
る方法として、測定対象物体と測定系との相対速度が一
定の場合は、前述の如く一定周期でメモリへの書込み動
作を行なう方法が採用出来るが、例えば測定系を手動で
移動させる場合の如く、前記相対速度が一定しない場合
は、次の様な方法が採用可能である。この場合、第１図
の如くスイッチ（５）の切換えを制御する切換え制御回
路（51）を装備する。The scanning spot areas (A 1 , A 2 ,... Ai,
.. An) is set to a predetermined interval smaller than the spot diameter. As described above, when the relative speed between the object to be measured and the measurement system is constant, a method of writing to the memory at a constant period as described above. In the case where the relative speed is not constant, for example, when the measurement system is manually moved, the following method can be adopted. In this case, as shown in FIG. 1, a switching control circuit (51) for controlling the switching of the switch (5) is provided.
先ず第１図の切換えスイッチ（５）をａ側に切り換
え、この状態で第１番目のスポット領域A1にレーザビー
ムを照射する。これによって該領域のスペックルパター
ンがメモリ（６）の第１番地に格納される。First switching changeover switch of FIG. 1 (5) on a side, to irradiate the 1st laser beam spot region A 1 in this state. Thus, the speckle pattern of the area is stored at the first address of the memory (6).
その後、切換え制御回路（51）によってスイッチ
（５）がｂ側に切り換えられ、この状態でレーザ照射位
置を徐々に移動させる。これによって、実測スペックル
パターンと前記メモリ内の第１番地の走査スペックルパ
ターンとの相関関係が繰り返し計算され、この結果得ら
れる相関ピーク値が所定値を下回る時点、即ち両スペッ
クルパターンの相関がとれ難くなる前の時点が検出され
る。又、このときの相関ピーク位置からレーザ照射位置
の変位量が計算される。Thereafter, the switch (5) is switched to the b side by the switching control circuit (51), and the laser irradiation position is gradually moved in this state. As a result, the correlation between the actually measured speckle pattern and the scanning speckle pattern at the first address in the memory is repeatedly calculated. When the correlation peak value obtained as a result falls below a predetermined value, that is, the correlation between the two speckle patterns is obtained. The point in time before it becomes difficult to remove is detected. Further, the displacement amount of the laser irradiation position is calculated from the correlation peak position at this time.
これと同時に切換え制御回路（51）によってスイッチ
（５）がａ側に切り換えられ、A/D変換器（42）から得
られるイメージデータを、第３図の第２番目の走査スポ
ット領域A2のスペックルパターンとしてメモリ（６）の
第２番地に格納すると共に、前記レーザ照射位置の変位
量の計算結果を記憶する。At the switch (5) is switched to a side by the switching control circuit (51) simultaneously, the image data obtained from the A / D converter (42), of the second third view of the scanning spot region A 2 A speckle pattern is stored in the second address of the memory (6), and a calculation result of the displacement of the laser irradiation position is stored.
以後同様に、最新にメモリへ格納されたスペックルパ
ターンを基準として、相関ピーク値の低下により、次の
走査スポット領域となるべき位置が検知されると共に、
該走査スポット領域と直前の走査スポット領域との間隔
を記憶する動作が繰り返される。Thereafter, similarly, based on the speckle pattern most recently stored in the memory, the position to be the next scanning spot area is detected due to the decrease in the correlation peak value,
The operation of storing the interval between the scanning spot area and the immediately preceding scanning spot area is repeated.
この結果、第３図の各走査スポット領域（A1、A2、…
Ai、…An）のスペックルパターンがメモリ内に設定され
ると共に、各走査スポット領域の間隔が記憶されること
になる。As a result, each scanning spot area (A 1 , A 2 ,...) In FIG.
Ai,... An) are set in the memory, and the intervals between the scanning spot areas are stored.
尚、上記走査ステップに於いて、相関性が維持され難
くなる直前の時点を検出し、単にその時点のスペックル
パターンを記憶する動作を繰り返すことによっても、略
一定ピッチで第３図の走査スポット領域（A1、A2、…A
i、…An）が設定されるから、走査スポット領域の変位
量の算出は必ずしも必要でない。即ち、走査ステップに
おける全走査長とメモリに格納されるスペックルパター
ンの数から、走査スポット領域の間隔（ピッチ）を近似
値として算出するのである。In the above-described scanning step, it is also possible to detect the time point immediately before the correlation becomes difficult to be maintained, and simply repeat the operation of storing the speckle pattern at that time point. Areas (A 1 , A 2 , ... A
i,... An) are set, it is not always necessary to calculate the displacement amount of the scanning spot area. That is, the interval (pitch) between the scanning spot areas is calculated as an approximate value from the total scanning length in the scanning step and the number of speckle patterns stored in the memory.
実測ステップ 次に移動物体（２）の移動量の実測ステップに移る。
この際、切換えスイッチ（５）は第１図の如くｂ側に切
り換えられ、相関器（７）及び演算処理回路（８）が更
に動作状態に設定される。Actual Measurement Step Next, the process proceeds to the actual measurement step of the moving amount of the moving object (2).
At this time, the changeover switch (5) is switched to the b side as shown in FIG. 1, and the correlator (7) and the arithmetic processing circuit (8) are further set to the operating state.
例えば移動物体（２）がある変位量だけ移動し、第３
図の如く、レーザビームが照射面（21）上のスポット領
域Ai′を照射した時点で、該変位量を測定する場合、第
１図の一次元イメージセンサ（３）から増幅器（41）を
経てリアルタイムで得られるイメージ信号は、A/D変換
器（42）にてデジタル信号に変換された後、切換えスイ
ッチ（５）を経て相関器（７）へ送られる。For example, the moving object (2) moves by a certain displacement amount,
As shown in the figure, when the displacement is measured when the laser beam irradiates the spot area Ai 'on the irradiation surface (21), the displacement is measured from the one-dimensional image sensor (3) of FIG. 1 via the amplifier (41). An image signal obtained in real time is converted into a digital signal by an A / D converter (42), and then sent to a correlator (7) via a changeover switch (5).
一方、アドレス切換え回路（61）の動作によって、メ
モリ（６）からは、第３図の如く第１番地の格納部M1か
ら第Ｎ番地の格納部Mnに格納されているデジタル信号
（F1、F2、…Fi、…Fn）が順次読み出され、相関器
（７）へ一定周期で送られる。On the other hand, the operation of the address switching circuit (61), from the memory (6), Figure 3 a first address of the storage unit the digital signals from the M 1 stored in the storage unit Mn of the address N as (F 1 , F 2 ,... Fi,... Fn) are sequentially read and sent to the correlator (7) at regular intervals.
相関器（７）は、前記切換えスイッチ（５）を経て供
給されたデジタル信号Ｇと、前記メモリ（６）から送ら
れてくるデジタル信号との相互相関関数を順次計算し、
計算結果を次々と第１図の演算処理回路（８）へ送り出
す。The correlator (7) sequentially calculates a cross-correlation function between the digital signal G supplied through the changeover switch (5) and the digital signal sent from the memory (6),
The calculation results are sent out one after another to the arithmetic processing circuit (8) in FIG.
演算処理回路（８）は、相関器（７）から送られてき
たＮ個の相関関数の内、最大ピーク値が得られた相関関
数を選択し、該相関関数の計算の対象となったメモリ
（６）内のデジタル信号Fiの格納アドレスを、アドレス
切換え回路（61）からのアドレスデータによって検知す
る。The arithmetic processing circuit (8) selects a correlation function having the maximum peak value from among the N correlation functions sent from the correlator (7), and stores the memory in which the correlation function was calculated. The storage address of the digital signal Fi in (6) is detected by the address data from the address switching circuit (61).
ここで最大の相関ピーク値が得られた相関関数の計算
の基礎となったスペックルパターンは、実際にレーザビ
ームが照射されている測定スポット領域Ai′と重なり且
つ最も重複面積の大きい走査スポット領域Aiについての
スペックルパターンである。従って、前記デジタル信号
Fiの格納アドレスに対応する走査スポット領域の位置と
して、測定スポット領域Ai′の位置を前記走査スポット
ピッチ（0.5mm）から一定誤差範囲内で割り出すことが
出来る。Here, the speckle pattern which is the basis of the calculation of the correlation function from which the maximum correlation peak value was obtained is the scanning spot area which overlaps the measurement spot area Ai 'actually irradiated with the laser beam and has the largest overlapping area. It is a speckle pattern about Ai. Therefore, the digital signal
As the position of the scanning spot area corresponding to the Fi storage address, the position of the measurement spot area Ai 'can be determined within a certain error range from the scanning spot pitch (0.5 mm).
尚、前述の如く走査ステップにて、各走査スポット領
域の間隔が測定され記憶されている場合、或は該間隔の
近似値が判明している場合は、実測開始以後のスポット
領域間隔を読み出して積算することによって、測定スポ
ット領域Ai′の位置を算出することが可能である。As described above, in the scanning step, when the interval between the scanning spot areas is measured and stored, or when an approximate value of the interval is known, the spot area interval after the start of the actual measurement is read. By integrating, the position of the measurement spot area Ai 'can be calculated.
又、演算処理回路（８）は、最大の相関ピーク値が得
られた相互相関関数の分布から、第５図に示すピーク位
置δを求め、該ピーク位置δに基づいて、第４図に示す
走査スポット領域Aiと測定スポット領域Ai′との位置ず
れΔＸを算出する。The arithmetic processing circuit (8) obtains the peak position δ shown in FIG. 5 from the distribution of the cross-correlation function from which the maximum correlation peak value has been obtained, and based on the peak position δ, obtains the peak position δ shown in FIG. The position shift ΔX between the scanning spot area Ai and the measurement spot area Ai ′ is calculated.
更に演算処理回路（８）は、前記走査スポット領域Ai
の位置として割り出された移動量の計算結果に対し、前
記位置ずれΔＸに基づく補正を施すことにより、測定ス
ポット領域Ai′の位置、即ち移動物体（２）の移動量を
正確に計算し、その結果を出力する。Further, the arithmetic processing circuit (8) is provided with the scanning spot area Ai.
The position of the measurement spot area Ai ′, that is, the amount of movement of the moving object (2) is accurately calculated by performing a correction based on the positional deviation ΔX to the calculation result of the amount of movement determined as the position of Output the result.
前記出力信号は、例えば表示器（図示省略）へ供給し
て、移動量をデジタル表示することが可能である。The output signal can be supplied to, for example, a display (not shown) to digitally display the movement amount.
又、上記測定装置をロボットアーム等の自動位置決め
装置に応用する場合は、演算処理回路（８）によって第
５図に示す位置ずれδが零になった時点を検知して、該
検知信号を制御対象となるモータ駆動回路等へ供給すれ
ば、高精度の位置決めが可能となる。When the measuring device is applied to an automatic positioning device such as a robot arm or the like, an arithmetic processing circuit (8) detects a point in time when the displacement δ shown in FIG. 5 becomes zero and controls the detection signal. If supplied to a target motor drive circuit or the like, high-precision positioning becomes possible.
尚この場合、走査ステップにて、位置決めの目標とな
る各位置に夫々走査スポット領域を設定しておくことに
より、演算処理回路（８）は、最大の相関ピーク値が所
定値を上回った時点、例えば正規化された相関ピーク値
が略１となった時点で、該相関ピーク値算出の基礎とな
ったイメージ信号のメモリ（６）内の格納位置に応じた
出力信号を発生すれば可く、第５図に示すピーク位置の
ずれに基づく移動量の算出は省略出来る。In this case, in the scanning step, by setting a scanning spot area at each position serving as a positioning target, the arithmetic processing circuit (8) can determine when the maximum correlation peak value exceeds a predetermined value, For example, when the normalized correlation peak value becomes substantially 1, an output signal corresponding to the storage position in the memory (6) of the image signal on which the correlation peak value is calculated can be generated. The calculation of the movement amount based on the shift of the peak position shown in FIG. 5 can be omitted.
本発明に係る変位測定方法によれば、前記走査ステッ
プを１回実行すれば、その後は実測ステップのみを実行
することにより、移動物体（２）に対して特別なスケー
ル等を取り付けることなく、然も非接触にて、移動物体
（２）の変位をリアルタイムで測定出来る。この際、第
３図に示す走査スポット領域のピッチを可及的に小さく
することによって、測定精度を上げることが出来る。According to the displacement measuring method of the present invention, if the scanning step is performed once, then only the actual measuring step is performed, so that a special scale or the like is not attached to the moving object (2). Can measure the displacement of the moving object (2) in real time without contact. At this time, the measurement accuracy can be increased by minimizing the pitch of the scanning spot area shown in FIG.
尚、図面及び上記実施例の説明は、本発明を説明する
ためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限
定し、或は範囲を濃縮する様に解すべきではない。It is to be noted that the drawings and the description of the above embodiments are for the purpose of illustrating the present invention and should not be construed as limiting the invention described in the claims or enriching the scope.
又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請
求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であ
ることは勿論である。Further, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
例えば、第１図の一次元イメージセンサ（３）を二次
元イメージセンサに置き換えれば、物体（２）の二次元
方向の変位量を測定することが可能である。For example, if the one-dimensional image sensor (3) in FIG. 1 is replaced with a two-dimensional image sensor, the displacement of the object (2) in the two-dimensional direction can be measured.
又第２図に示す様に、ドラム状の回転物体（23）の外
周面（24）にレーザビームを照射すれば、該回転物体
（23）の回転角度を測定することが出来、これによって
ロータリーエンコーダを構成することも可能である。Further, as shown in FIG. 2, when the outer peripheral surface (24) of the drum-shaped rotating object (23) is irradiated with a laser beam, the rotation angle of the rotating object (23) can be measured. It is also possible to configure an encoder.
第１図は本発明に係る変位測定装置の構成例を示す図、
第２図は変位測定装置の他の構成例を示す図、第３図は
実測ステップでの装置動作を説明する図、第４図はビー
ムスポットの位置ずれを示す図、第５図は相関器から得
られる相互相関関数を示すグラフである。 （１）……半導体レーザ、（３）……イメージセンサ （４）……測定回路、（６）……メモリ （７）……相関器、（８）……演算処理回路FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a displacement measuring device according to the present invention,
FIG. 2 is a diagram showing another example of the configuration of the displacement measuring device, FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the device in the actual measurement step, FIG. 4 is a diagram showing the displacement of the beam spot, and FIG. 6 is a graph showing a cross-correlation function obtained from FIG. (1) Semiconductor laser (3) Image sensor (4) Measurement circuit (6) Memory (7) Correlator (8) Operation processing circuit
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−320412（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−133003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−79801（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−212773（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−196673（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−27203（ＪＰ，Ａ) 特公 昭59−52963（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01D 5/26 - 5/38 G01P 3/36Continuation of the front page (56) References JP-A-1-320412 (JP, A) JP-A-63-133003 (JP, A) JP-A-59-79801 (JP, A) JP-A-59-212773 (JP, A) , A) JP-A-60-196673 (JP, A) JP-A-2-27203 (JP, A) JP-B-59-52963 (JP, B2) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB G01B 11/00-11/30 G01D 5/26-5/38 G01P 3/36
Claims (5)
ザビームにて物体移動方向に走査し、該物体（２）のレ
ーザ照射面（21）に対向した観測面に現れるスペックル
パターンをイメージ信号に変換し、前記走査に伴って変
化するイメージ信号を、前記レーザ照射面（21）上のレ
ーザビームの照射位置と対応づけてメモリ（６）の複数
の格納部に順次格納した後、物体（２）の変位測定時
に、前記観測面に現れるスペックルパターンのイメージ
信号と、前記メモリ（６）の各格納部に格納されている
複数のイメージ信号との相互相関関数を算出し、最大の
相関ピーク値が得られるイメージ信号のメモリ（６）内
の格納位置に基づいて、物体（２）の変位を検知するこ
とを特徴とする物体の変位測定方法。1. A speckle pattern which scans the surface of an object (2) to be measured with a laser beam in the object moving direction and appears on an observation surface of the object (2) facing a laser irradiation surface (21). Is converted into an image signal, and the image signal that changes along with the scanning is sequentially stored in a plurality of storage units of the memory (6) in association with the irradiation position of the laser beam on the laser irradiation surface (21). Calculating a cross-correlation function between an image signal of a speckle pattern appearing on the observation surface and a plurality of image signals stored in each storage unit of the memory (6) when measuring displacement of the object (2); A displacement measurement method for an object, wherein the displacement of the object (2) is detected based on a storage position in the memory (6) of an image signal at which a maximum correlation peak value is obtained.
にて走査する過程で、観測面に現れる１時点のスペック
ルパターンをメモリ（６）に格納した後、該スペックル
パターンと、その後の走査に伴って変化するスペックル
パターンとの相互相関関数を繰り返し算出し、相関ピー
ク値が所定値を下回った時点で、レーザビームが照射し
ている位置のスペックルパターンをメモリ（６）内の次
の格納位置に格納する動作を繰り返して、メモリ（６）
内に順次スペックルパターンを記憶する特許請求の範囲
第１項に記載の変位測定方法。2. A method of scanning a surface of an object to be measured (2) with a laser beam, storing a speckle pattern appearing on an observation surface at one time in a memory (6), and then storing the speckle pattern, The cross-correlation function with the speckle pattern that changes with the scanning is repeatedly calculated, and when the correlation peak value falls below a predetermined value, the speckle pattern at the position irradiated with the laser beam is stored in the memory (6). The operation of storing data in the next storage position of the memory (6) is repeated.
2. The displacement measuring method according to claim 1, wherein a speckle pattern is sequentially stored in the memory.
関ピーク値が得られるイメージ信号のメモリ（６）内の
格納位置に基づいて、移動物体（２）の移動量を一定の
誤差範囲内で検知し、更に前記イメージ信号と観測面に
現れるスペックルパターンのイメージ信号との相互相関
関数のピーク位置を検知し、前記両検知に基づいて、移
動物体（２）の変位量を高精度で算出する特許請求の範
囲第１項に記載の変位測定方法。3. The method according to claim 1, wherein the displacement of the moving object (2) is determined by a predetermined error based on the storage position in the memory (6) of the image signal at which the maximum correlation peak value is obtained when the displacement of the moving object (2) is measured. Detecting the peak position of the cross-correlation function between the image signal and the image signal of the speckle pattern appearing on the observation surface, and increasing the displacement of the moving object (2) based on the two detections. The displacement measuring method according to claim 1, wherein the displacement is calculated with accuracy.
関ピーク値が所定値を上回った時点で、該相関ピーク値
算出の基礎となったイメージ信号のメモリ（６）内の格
納位置に応じた出力信号を発生し、該出力信号は、物体
（２）の自動位置決めを行なう為の制御信号として利用
する特許請求の範囲第１項に記載の変位測定方法。4. A storage position in a memory (6) of an image signal serving as a basis for calculating a correlation peak value when a maximum correlation peak value exceeds a predetermined value when a displacement of the moving object (2) is measured. 2. The displacement measuring method according to claim 1, wherein an output signal corresponding to the above is generated, and the output signal is used as a control signal for performing automatic positioning of the object (2).
ビームを照射するレーザ発生源と、物体表面からの拡散
反射光を受光し得る位置に配置され該拡散反射光のスペ
ックルパターンを検出するイメージセンサー（３）と、
該イメージセンサー（３）から得られるイメージ信号
を、スペックルパターンの相関性が維持されるピッチ
で、物体のレーザビーム照射位置と対応づけて格納する
複数の格納部を有するメモリ（６）と、物体変位測定時
に得られる実測イメージ信号と前記メモリ（６）に格納
されている複数の走査イメージ信号とを次々と照合して
相互相関関数を表わす信号を出力する相関器（７）と、
イメージセンサー（３）を選択的に相関器（７）又はメ
モリ（６）へ接続する切換えスイッチ（５）と、相関器
（７）の出力信号に演算処理を施して物体の変位に応じ
た信号を出力する演算処理回路（８）とから構成される
物体の変位測定装置。5. A laser source for irradiating a laser beam onto the surface of an object to be measured, and a spectroscopic pattern of the diffusely reflected light which is arranged at a position capable of receiving diffusely reflected light from the surface of the object. Image sensor (3)
A memory (6) having a plurality of storage units for storing an image signal obtained from the image sensor (3) at a pitch at which the correlation of speckle patterns is maintained, in association with a laser beam irradiation position of an object; A correlator (7) for successively checking a measured image signal obtained at the time of measuring an object displacement and a plurality of scanning image signals stored in the memory (6) and outputting a signal representing a cross-correlation function;
A changeover switch (5) for selectively connecting the image sensor (3) to the correlator (7) or the memory (6), and a signal corresponding to the displacement of the object by performing arithmetic processing on the output signal of the correlator (7) And an arithmetic processing circuit (8) for outputting a displacement of the object.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1120179A JP2771594B2 (en) | 1989-05-11 | 1989-05-11 | Method and apparatus for measuring displacement of object |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1120179A JP2771594B2 (en) | 1989-05-11 | 1989-05-11 | Method and apparatus for measuring displacement of object |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02297006A JPH02297006A (en) | 1990-12-07 |
| JP2771594B2 true JP2771594B2 (en) | 1998-07-02 |
Family
ID=14779875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1120179A Expired - Fee Related JP2771594B2 (en) | 1989-05-11 | 1989-05-11 | Method and apparatus for measuring displacement of object |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2771594B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7763875B2 (en) | 2005-09-07 | 2010-07-27 | Romanov Nikolai L | System and method for sensing position utilizing an uncalibrated surface |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2681745B2 (en) * | 1993-10-08 | 1997-11-26 | 岸本産業株式会社 | A method for measuring the vertical and lateral movement of an object to be measured with a speckle pattern using laser light. |
| JPH0914914A (en) * | 1994-06-06 | 1997-01-17 | Kishimoto Sangyo Kk | Laser light projection method and apparatus therefor in device measuring for moving value by laser speckle pattern |
| US6642506B1 (en) | 2000-06-01 | 2003-11-04 | Mitutoyo Corporation | Speckle-image-based optical position transducer having improved mounting and directional sensitivities |
| US6873422B2 (en) | 2000-12-08 | 2005-03-29 | Mitutoyo Corporation | Systems and methods for high-accuracy displacement determination in a correlation based position transducer |
| JP4917615B2 (en) * | 2006-02-27 | 2012-04-18 | プライム センス リミティド | Range mapping using uncorrelated speckle |
| US8718319B2 (en) | 2007-06-15 | 2014-05-06 | Cognex Corporation | Method and system for optoelectronic detection and location of objects |
| US8237099B2 (en) | 2007-06-15 | 2012-08-07 | Cognex Corporation | Method and system for optoelectronic detection and location of objects |
| JP5558736B2 (en) | 2008-05-27 | 2014-07-23 | キヤノン株式会社 | Image forming apparatus and control method thereof |
| JP5252995B2 (en) | 2008-05-27 | 2013-07-31 | キヤノン株式会社 | Image forming apparatus |
| JP5536990B2 (en) | 2008-05-27 | 2014-07-02 | キヤノン株式会社 | Image forming apparatus |
| JP6320789B2 (en) * | 2014-02-17 | 2018-05-09 | 株式会社ミツトヨ | Displacement detection apparatus, displacement detection system, and displacement detection method |
| CN106123787B (en) * | 2016-08-30 | 2019-05-28 | 宁波舜宇智能科技有限公司 | The control system and method for laser displacement sensor |
| US9962444B2 (en) | 2016-09-27 | 2018-05-08 | Shane Malek | Pharmacokinetically extended action topical hair growth formulation, and administration method |
| CN112595238B (en) * | 2020-11-25 | 2022-09-27 | 四川云盾光电科技有限公司 | High-low speed compatible linear displacement increment precision measurement method |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5952963B2 (en) * | 1979-08-09 | 1984-12-22 | 理化学研究所 | How to measure deformation |
| JPS5979801A (en) * | 1982-10-29 | 1984-05-09 | Hitachi Ltd | Apparatus for measuring displacement and variability of information medium |
-
1989
- 1989-05-11 JP JP1120179A patent/JP2771594B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7763875B2 (en) | 2005-09-07 | 2010-07-27 | Romanov Nikolai L | System and method for sensing position utilizing an uncalibrated surface |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02297006A (en) | 1990-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2771594B2 (en) | Method and apparatus for measuring displacement of object | |
| JP3511450B2 (en) | Position calibration method for optical measuring device | |
| US5319442A (en) | Optical inspection probe | |
| EP1160538B1 (en) | Speckle-image-based optical position transducer having improved mounting and directional sensitivities | |
| US5594242A (en) | Position detecting apparatus which uses a continuously moving light spot | |
| JP4215220B2 (en) | Surface inspection method and surface inspection apparatus | |
| WO1998053327A1 (en) | Method and device for contactless measuring of movement | |
| US5061860A (en) | Deformation measuring method and device using comb-type photosensitive element array | |
| JPH0123041B2 (en) | ||
| JP2987540B2 (en) | 3D scanner | |
| JPH0612252B2 (en) | Automatic three-dimensional shape measurement method | |
| JP3607821B2 (en) | Inclination angle measuring machine | |
| JPH0226164B2 (en) | ||
| JP2626611B2 (en) | Object shape measurement method | |
| JPH06258040A (en) | Laser displacement meter | |
| JPH08327337A (en) | Three dimensional shape measuring apparatus | |
| JP2524746B2 (en) | Surface roughness measuring device | |
| JPS6133442B2 (en) | ||
| JP3192461B2 (en) | Optical measuring device | |
| JP3638639B2 (en) | Position detection device | |
| JPH0334563B2 (en) | ||
| JPH10111107A (en) | Method and device for measuring distance | |
| JP4031124B2 (en) | Optical hole shape measuring method and measuring apparatus | |
| JPH07198347A (en) | Measurement device of plunger | |
| JP2866566B2 (en) | 3D shape input device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |