JP3112219B2 - 移動検出方法及び検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スペックルパターンを
利用して対象物体の移動を非接触に測定する方法、及び
その装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術】レーザーのようなコヒーレントな光が、そ
の光の波長に較べて充分に凹凸の大きい物体（以後粗面
物体と呼ぶ）や多数の粒子群によって散乱されると、散
乱された光同志が干渉してスペックルパターンとよばれ
る不規則な斑点状の模様を生ずる。通常のスペックルパ
ターンはいたるところでコントラストが高い光強度パタ
ーンで、光を照射された物体の移動に伴ってスペックル
パターンも移動する。（たとえば、先行技術文献［１］
朝倉：”スペックル”，光工学ハンドブック３章，（１
９８６， 朝倉書店，東京），ｐ．１９５、［２］大
坪；“スペックル・パターンの１次統計”，機械技術研
究所所報，ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．４，（１９８０），
ｐ．１６５、［３］山口；”スペックルと変位・計測へ
の応用”，オートメーション，ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．
９，（１９８２），ｐ．３２）等参照）スペックルパタ
ーンのこの性質は、スペックルパターンをコントラスト
の高い目印として利用できることを意味する。これを利
用して、物体の移動・変位などを非接触に測定する手法
が多く提案されている。（前記先行技術文献［２］，
［３］及び［４］特開昭５０−１３２９４８号公報、
［５］特開昭５８−２２５３０２号公報、［６］特開平
２−２７２０３号公報、［７］特開平２−２９７００６
号公報、［８］山口；”光波干渉応用技術３ 粗面干渉
技術”、光学、ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．４、（１９８
３）、ｐ．３０６等参照））まず、従来のスペックルパ
ターンを用いた移動検出装置の一般的な原理を、図面に
基づいて説明する。

【０００３】図１（ａ）に示すように、入射レーザー光
８によって照明されている粗面物体３を結像光学系４に
よって結像させると、観察面６上に現れる粗面物体３の
像にはスペックルパターンが重畳している。これを像界
のスペックルパターンと呼ぶ。そして、そのスペックル
パターンは粗面物体３が結像光学系４の光軸に垂直な面
内に移動すれば（これを以後面内移動と呼ぶ）像に追随
して移動する。一般的には、このときスペックルパター
ンは変形を伴いつつ移動する。粗面物体３の移動量とス
ペックルパターンの移動量の比は結像倍率に等しいか
ら、スペックルパターンの移動を検出することによって
粗面物体の移動を非接触に検出することができる。

【０００４】スペックルパターンを生成させる際に必ず
しも図１（ａ）のような結像光学系を用いる必要はな
く、図１（ｂ）に示すように単に入射レーザー光８によ
って粗面物体３が照明され、そこからの散乱光９が自由
空間を伝播しただけでもスペックルパターンは生ずる。
これを回折界のスペックルパターンと呼ぶ。回折界のス
ペックルパターンにおいても、特殊な場合を除き、スペ
ックルパターンは粗面物体３の移動に伴って、系の配置
で決まる一定の比率で移動する。一般的には、このとき
やはりスペックルパターンは変形を伴う。

【０００５】スペックルパターンの移動検出手段として
は、結像面にイメージセンサーをおいて検出する方法、
移動前後のスペックルパターンの像を写真材料に２重記
録する方法など多くの方法が提案されている。

【０００６】このようにスペックルパターンは非接触で
粗面物体の面内移動等を測るのには適しているが、スペ
ックルパターン移動は物体の面外移動には鈍感である。
従って、面外移動検出はスペックルパターンにとって不
得手な分野であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】スペックルパターンを
用いた移動検出器は前記のように非接触で物体の移動を
検出するのに優れた方法である。ただし、スペックルパ
ターンで検出が容易なのは、図２（ａ）に示すような測
定対象物３１の面にほぼ平行な方向（面内方向）の移動
であり、図２（ｂ）のような測定対象物３１の面にほぼ
垂直な方向（面外方向）の移動を測定することは、従来
困難であった。その理由は、物体が面外移動してもスペ
ックルパターンが観察面においてほとんど移動しないた
めである。

【０００８】もっとも、干渉計測法と同程度のサブミク
ロンの分解能でならば面外移動を検出することはできる
が（たとえば、前述の特開昭５８−２２５３０２号公報
参照）、面内方向と同程度の数ミクロン以上の分解能で
の検出はむずかしかった。

【０００９】本発明はスペックルパターン移動検出器の
この欠点を改善するもので、スペックルパターンを用い
た移動検出器において、面外移動を面内移動と同程度の
分解能で、容易に検出する手段を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の移動検出方法
は、移動する測定対象物体へのコヒーレントな光の照射
により観察面に生成されるスペックルパターンの観察面
上での移動をスペックルパターン移動検出手段で検出
し、検出された前記スペックルパターン移動情報に基づ
いて測定対象物体の移動を検出する移動検出方法であっ
て、前記測定対象物体の像を結像光学系により前記スペ
ックルパターン移動検出手段の受光面上に結像させ、か
つ前記測定対象物体の前記コヒーレント光に照射された
面と前記スペックルパターン移動検出手段の受光面がと
もに前記結像光学系の光軸に垂直でないように配置さ
れ、少なくとも１組２個のスペックルパターン移動検出
手段がコヒーレント光照射の光軸に関してほぼ対称に配
置され、前記１組となっている２個のスペックルパター
ン移動検出手段からの移動情報の差演算の結果に基づい
て、前記コヒーレント光に照射された測定対象物体の面
に対してほぼ垂直な方向の前記測定対象物体の移動を検
出し、一方前記１組となっている２個のスペックルパタ
ーン移動検出手段からの移動情報の和演算の結果に基づ
いて、前記コヒーレント光に照射された前記測定対象物
体の面に対してほぼ平行な方向の前記測定対象物体の移
動を検出することを特徴とする。

【００１１】また、本発明の移動検出器は、移動する測
定対象物体ヘコヒーレントな光を照射するコヒーレント
光源と、前記測定対象物体によって前記コヒーレント光
が散乱されて生成されるスペックルパターンの移動を検
出するスペックルパターン移動検出手段と、前記測定対
象物体の像を前記スペックルパターン移動検出手段の受
光面上に結像させる結像光学系を備え、前記測定対象物
体の前記コヒーレント光に照射された面と前記スペック
ルパターン移動検出手段の受光面がともに前記結像光学
系の光軸に垂直でなく、前記スペックルパターン移動検
出手段によって検出されるスペックルパターン移動情報
に基づいて前記測定対象物体の移動の検出を行なう移動
検出器であって、少なくとも１組２個のスペックルパタ
ーン移動検出手段がコヒーレント光照射の光軸に関して
ほぼ対称に配置され、前記１組となっている２個のスペ
ックルパターン移動検出手段からの移動情報の差演算の
結果に基づいて、前記コヒーレント光に照射された測定
対象物体の面に対してほぼ垂直な方向の前記測定対象物
体の移動を検出し、一方前記１組となっている２個のス
ペックルパターン移動検出手段からの移動情報の和演算
の結果に基づいて、前記コヒーレント光に照射された前
記測定対象物体の面に対してほぼ平行な方向の前記測定
対象物体の移動を検出する演算手段を設けたことを特徴
とする。

【００１２】

【作用】以下、本発明の作用について、具体的に例を挙
げて説明する。

【００１３】本発明は、あおり面結像関係と呼ばれる光
学結像関係を用いることによって、前記課題を解決する
手段を提供する。そこで、まずあおり面結像関係につい
て説明する。

【００１４】図３に示すような光学系において、物体Ｐ
Ｑの像が結像レンズ４１によってＰ’Ｑ’に結像されて
いるとする。このように、物体と像が結像関係にあり、
かつ物体とその像がともに結像光学系の光軸に垂直でな
い場合、このような関係をあおり面結像関係と呼ぶ。

【００１５】レンズの主軸をｘ軸とし、レンズの中心が
原点となるように座標系を選ぶ。Ｑ，Ｑ’の座標をそれ
ぞれ（ｘ₁ ，ｙ₁ ）、（ｘ₁ ’，ｙ₁ ’）とする。原点
からそれぞれＰ，Ｐ’までの距離をＬ，Ｌ’、焦点を
Ｆ，Ｆ’、焦点距離をｆ，ｆ’、ｘ軸とそれぞれＰＱ，
Ｐ’Ｑ’のなす角をＵ，Ｕ’、光線ＱＱ’とｘ軸のなす
角をθとする。

【００１６】まず、光線ＰＱ、ＯＱについて着目する。
それぞれの光線は、 ＰＱ：ｙ＝（ｘ−Ｌ）ｔａｎＵ ＯＱ：ｙ＝ｘｔａｎθ と表される。これより交点Ｑは、

【数１】 となる。また光線Ｐ’Ｑ’，ＯＱ’に関しては、それぞ
れ、 Ｐ’Ｑ’：ｙ＝（ｘ−Ｌ’）ｔａｎＵ’ ＯＱ’ ：ｙ＝ｘｔａｎθ となり、交点Ｑ’は、

【数２】 となる。

【００１７】ここで幾何光学的に近軸領域の光線を仮定
すると

【数３】 が成り立つ。

【００１８】したがって、Ｐの像点が交点Ｐ’と一致す
るためには、

【数４】 となる必要がある。第（６）式に（１）、（３）式を代
入すると、 Ｌ’ tanＵ’＝Ｌ tanＵ ・・・・ （７） の関係が得られる。これは直線ＰＱとＰ’Ｑ’がｙ軸上
の点Ｓで交わることを示している。あおり面結像関係に
ある場合、物体ＰＱと像Ｐ’Ｑ’は常にこの関係を満た
している。

【００１９】次に、このときの倍率について考える。線
分ＰＱおよび線分Ｐ’Ｑ’はそれぞれ、

【数５】 となり、β＝Ｌ’／Ｌとすると、

【数６】 となる。あるいは、横倍率β₁ ’は、

【数７】 であるから、第（８）式は、

【数８】 となり、この式が倍率の関係を表す。

【００２０】次に、物体ＰＱが物体表面の法線方向に移
動した場合を考える。図４に示すように、物体ＰＱが法
線方向に移動し、点Ｐが直線ＯＱ上の点Ｐ^* へ移動した
とする。このときの移動距離をΔとする。

【００２１】このとき線分ＰＱと移動距離Δの関係は、 ＰＱ＝Δcot （Ｕ−θ） ・・・・ （１０） と表せる。また、Ｐから線分ＰＱへ下ろした垂線の長さ
ｈは、 ｈ＝Δsin （π／２−（Ｕ−θ））＝Ｌsin θ であるから、

【数９】 となる。第（１０）式、第（１１）式より、線分ＰＱと
移動距離Δの関係は、

【数１０】 となる。一方、第（８）式、第（１０）式より線分Ｐ’
Ｑ’と移動距離Δの関係は、

【数１１】 となる。したがって、線分Ｐ’Ｑ’と移動距離Δの関係
は

【数１２】 となる。ところで前記の定義から、点Ｐ^* を出た主光線
Ｐ^* Ｏは、移動前の像面Ｐ’Ｑ’と点Ｑ’において交わ
る。これは言い替えると、移動前の像面に光検出器を置
いて像を観察する場合、点Ｐが点Ｐ^* へ移動するとき点
Ｐの像点Ｐ’が点Ｑ’へ移動したように検出されること
を意味する。但し、厳密には点Ｐ^* と点Ｑ’は共役関係
すなわち結像関係にないので、点Ｑ’においては移動後
の点Ｐ^* の焦点外れ像が観察されることになる。

【００２２】以上まとめると、あおり面結像関係を用い
ると、物体表面に垂直な方向、即ち面外の移動Ｐ→Ｐ^*
が、像の観察面上における広い意味での像の移動Ｐ’→
Ｑ’に反映される。

【００２３】ところで、スペックルパターンは像の移動
に一致して移動する性質を持つから、あおり面結像関係
を用いれば、物体が面外移動するとき、スペックルパタ
ーンが観察面上で移動をする。本発明は、あおり面結像
関係のこの性質を利用して、対象物の面外移動を観察面
におけるスペックルパターンの移動検出によって検出す
る。

【００２４】さて、第（１３）式から判るように、ここ
でＵ’−Ｕ＝π／２（ラジアン）を満たすように光学系
を構成すれば、観察面上の像すなわちスペックルパター
ン移動量は物体の面外方向の移動量に比例する。ただ
し、πは円周率を表す。

【００２５】またとくに、β＝−１、Ｕ＝−π／４（ラ
ジアン）、Ｕ’＝π／４（ラジアン）とすれば、点Ｐの
像の移動量（＝線分Ｐ’Ｑ’）は−Δとなり、物体の面
外方向の移動量Δと観察面上の像すなわちスペックルパ
ターン移動量の大きさが等しくなる。

【００２６】以上、あおり面結像関係を用いることによ
って、スペックルパターンによって物体の面外移動の検
出を可能にする、本発明の原理を説明した。ところが本
発明の方法では、物体の面外移動が観察面上のスペック
ルパターンの面内移動となって現れるので、物体が面外
移動と面内移動を同時に起こした場合、そのままでは物
体の面外移動量と面内移動量を分離して検出することは
できない。そこで、更に我々は面外移動と面内移動が同
時に生じたときこれを分離して検出する方法を工夫した
ので、これを次に説明する。

【００２７】面外移動と面内移動を分離して検出する方
法を図５に示す。あおり面結像系を、照明系の光軸に関
して対称に配置する。入射レーザー光８は図中ｚ軸に沿
って入射し、照明用レンズ２を経て測定対象物体３１を
照明する。測定対象物３１と観察面６１および６２はあ
おり面結像関係にある。図中ｘ軸方向が着目する面内方
向を、ｚ軸方向が面外方向を表す。

【００２８】測定対象物３１がｘ方向即ち面内方向に移
動する場合、観測面６１でのスペックルパターンの移動
方向と観測面６２でのスペックルパターンの移動方向
は、図のように逆になる。一方、ｚ方向即ち面外方向に
移動する場合には、観測面６１でのスペックルパターン
の移動方向と観測面６２でのスペックルパターンの移動
方向は同一となる。ここでスペックルの移動方向を２つ
の観察面毎に固有の別々の座標系で考え直すと、逆に測
定対象物が面内方向に移動する場合は観測面６１でのス
ペックルパターンの移動方向と観測面６２でのスペック
ルパターンの移動方向は同一方向になり、一方、面外方
向に移動する場合は観測面６１でのスペックルパターン
の移動方向と観測面６２でのスペックルパターンの移動
方向は逆になる。観察面にセンサーなどを置いて移動を
検出する場合は、センサーの出力は、観察面に固有の、
即ち観測面６１と観測面６２で別々の座標系を考えて向
きを指定する方法と一致する。したがってこのようなと
き、観測面６１で検出されたスペックルパターン移動量
と観測面６２で検出されたスペックルパターン移動量の
差をとると、これは対象物のｚ方向即ち面外方向の移動
量に対応する。一方、観測面６１で検出されたスペック
ルパターン移動量と観測面６２で検出されたスペックル
パターン移動量の和をとると、これはｘ方向即ち面内方
向の移動量に対応する。このように、照明系の光軸に関
して対称に配置した少なくとも２つのスペックルパター
ン移動検出手段を用い、それらのスペックルパターン移
動検出手段の出力の和と差をとることによって、測定対
象物体の移動の面外成分と面内成分とを分離して同時に
測定することができる。

【００２９】ｙ方向すなわち紙面に対し垂直な方向の面
内方向の場合は、図５において照明系の光軸を含む紙面
に関して対称にあおり面結像系を配置すれば、ｘ方向と
ｚ方向の場合と同様に、ｙ方向とｚ方向の移動を分離し
て同時に測定することができる。

【００３０】以下、本発明の基本的な構成を図６に基づ
いて説明する。

【００３１】コヒーレント光源１を出た光は、照明用レ
ンズ２を経て測定対象物３１に照射される。測定対象物
３１とスペックルパターン移動検出手段５の検出面は、
あおり面結像関係になっている。レンズ４１はあおり面
結像を行なうレンズである。

【００３２】測定対象物３１が面外方向即ち図のｚ方向
に移動すると、スペックルパターン移動検出手段５の検
出面上においてスペックルパターンが移動するため、測
定対象物３１の面外移動をスペックルパターン移動手段
５の出力から測定することができる。

【００３３】スペックルパターン移動検出手段５として
はどのようなものを用いても構わない。（１）リニアセ
ンサ（ＣＣＤセンサなど）を用いてスペックルパターン
を検出し、移動前後のスペックルパターンの相関関数を
計算してスペックルパターン移動量を求める方法（２次
元相関法）（先行技術文献［３］、［８］など）、ある
いはこれを２次元化して、（２）ＴＶカメラのような２
次元センサーによってスペックルパターンを検出し、移
動前後のスペックルパターンの相関関数を計算してスペ
ックルパターン移動量を求める方法（２次元相関法）、
などが従来知られている。

【００３４】また、本出願人により出願された特開平１
−２８７４６８号公報に示すように、１方向あたり少な
くとも２個１組のセンサーを用いて、移動を検出するこ
ともできる。

【００３５】要するに、スペックルパターン移動の大き
さと向きの符号（右か左か）が検出できればよい。

【００３６】次に、面外成分と面内成分を分離して検出
する工夫を取り入れた本発明の概略の構成を図７に基づ
いて説明する。

【００３７】コヒーレント光源１を出た光は、照明用レ
ンズ２を経て測定対象物３１に照射される。照明光軸に
関して対象にあおり面結像系が構成される。即ち、測定
対象物３１とスペックルパターン移動検出手段５１なら
びに、測定対象物３１とスペックルパターン移動検出手
段５２は、あおり面結像関係にある。レンズ４１ならび
にレンズ４２はあおり面結像を行なうレンズである。

【００３８】測定対象物３１が面外および面内方向に移
動すると、スペックルパターン移動検出手段５１および
スペックルパターン移動検出手段５２の検出面上におい
てスペックルパターンが移動するため、測定対象物３１
の面外および面外方向の移動を、スペックルパターン移
動検出手段５１およびペックルパターン移動検出手段５
２の出力から測定することができる。スペックルパター
ン移動手段５１で検出されたスペックルパターン移動量
とスペックルパターン移動検出手段５２で検出されたス
ペックルパターン移動量の差をとると、測定対象物のｚ
方向即ち面外方向の移動量が測定できる。一方、スペッ
クルパターン移動検出手段５１で検出されたスペックル
パターン移動量とスペックルパターン移動検出手段５２
で検出されたスペックルパターン移動量の和をとると、
ｘ方向即ち面内方向の移動量が測定できる。和および差
の演算などは、スペックルパターン移動信号処理系７で
行なわれる。

【００３９】なお、面外移動量があまりに大きくなっ
て、あおり面結像関係が大きな焦点外れを起こす場合
は、測定精度の低下が懸念される。測定精度を保つため
には、焦点外れ量が常にあまり大きくならないように、
測定系をｚ方向に動かせばよい。焦点外れ量は、本発明
による移動検出量そのものを用いることができるため、
これを用いていわゆるフォーカスサーボ機構を構成すれ
ばよい。

【００４０】

【実施例】本発明による３次元移動検出器の例を図８に
示す。移動検出器は同一きょう体内に、半導体レーザー
１１、半導体レーザー１１の光軸に関して対称に配置さ
れた１対の結像レンズ４１と結像レンズ４２と１対の分
割フォトダイオード５３と分割フォトダイオード５４と
からなる観察光学系、及びスペックルパターン信号処理
系７を備える。２つの分割フォトダイオード５３、５４
と測定対象物３１は各々結像レンズ４１と４２によって
あおり面結像関係になるように設定される。

【００４１】図９は、分割フォトダイオード５３を半導
体レーザー１１側から見た模式図である。分割フォトダ
イオード５３は、Ｌ字状に配置された３個の受光画素１
０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えており、受光画素１０ａ，
１０ｂはｙ’方向に配列され、受光画素１０ｂ，１０ｃ
はｘ’方向に配列されている。分割フォトダイオード５
４も分割フォトダイオード５３と同様な構成を有してい
る。

【００４２】半導体レーザー１１から射出された光は測
定対象物３１を照らす。半導体レーザー１１からの光は
測定対象物３１によって散乱され、分割フォトダイオー
ド５３と５４に達し、分割フォトダイオードの受光面上
にスペックルパターンを形成する。測定対象物３１の移
動に伴って分割フォトダイオード５３および５４の上の
スペックルパターンが移動すると、分割フォトダイオー
ド５３および５４とスペックルパターン信号処理系７に
よって、スペックルパターン移動量と向きが検出され
る。分割フォトダイオードの受光面上における向きは、
それぞれの分割フォトダイオードに固有な座標系ｘ’−
ｙ’（分割フォトダイオード５３）とｘ’’−ｙ’’
（分割フォトダイオード５４）によって表される。ｙ’
方向とｙ’’方向はともに紙面に垂直で手前に向いてい
る。座標はそれぞれ矢印の方向を正とする。

【００４３】測定対象物３１が図中のｚ方向即ち面外方
向に移動するとき、分割フォトダイオード５３および５
４上のスペックルパターンはそれぞれｘ’方向とｘ’’
方向の符号が逆の向きに移動する。測定対象物３１が図
中のｘ方向即ち面内方向に移動するとき、２つの分割フ
ォトダイオード５３および５４上のスペックルパターン
はｘ’方向とｘ’’方向で符号が同じ向きに移動する。
従って、２つの分割フォトダイオード５３および５４か
ら出力されるスペックルパターン移動量（符号の正負も
含む）の和から測定対象物３１のｘ方向に沿った即ち面
内移動量が、２つの分割フォトダイオード５３および５
４から出力されるスペックルパターン移動量（符号の正
負も含む）の差から測定対象物３１のｚ方向に沿った即
ち面外移動量が検出できる。測定対象物３１が残りの１
つの面内方向即ちｙ方向（紙面に垂直な方向）に移動す
るときは、２つの分割フォトダイオード上５３および５
４のスペックルパターンは共にｙ’方向とｙ’’方向の
符号の同じ向きに移動するので、これを検出することに
よって物体のｙ方向（もう一つの面内方向）の移動を検
出する。

【００４４】スペックルパターン移動量は、図１０に示
すように分割フォトダイオードと信号処理系によって検
出される。ここでは分割フォトダイオード５３の例を示
すが、分割フォトダイオード５４においても同様であ
る。分割フォトダイオード５３は、ｘ’方向とｙ’方向
に沿って所定間隔離間して受光画素１０ａ，１０ｂ，１
０ｃを備えている（図９参照）。信号処理系は、図１０
に示すように、ｙ’方向に併設されている受光画素１０
ａと１０ｂからの信号を処理するｙ’成分信号処理系
と、ｘ’方向に併設されている受光画素１０ｂと１０ｃ
からの信号を処理するｘ’成分信号処理系とで構成され
ている。

【００４５】信号処理系７は対応する一組の受光画素か
らの出力を増幅するアンプ２１ｙ，２１ｘとこのアンプ
２１ｙ，２１ｘの出力の直流成分及びノイズや高周波成
分を除去するカットフィルタ２２ｙ，２２ｘと、このカ
ットフィルタ２２ｙ，２２ｘの出力を適当なしきい値で
二値化する二値化回路２３ｙ，２３ｘと、二値化回路２
３ｙ，２３ｘからの出力を演算する演算処理部２４とか
らなる。演算処理部２４においては、二値化回路２３か
らの出力の立上りおよび立ち下がりの時間差を求めて、
ｘ’成分、ｙ’成分の位相差τ_x 、τ_y を求め、これに
より分割フォトダイオード上でのスペックルパターン移
動のｘ’成分とｙ’成分を求める。

【００４６】分割フォトダイオードを使用してスペック
ルパターン移動のｘ’成分とｙ’成分を求める手順につ
いては、本出願人により先に出願された特開平１−２８
７４６８号公報に記載されているので、ここでは詳細な
説明は省略するが、処理過程の概略を図１１を参照して
説明する。

【００４７】いま、図９においてスペックルパターンが
ｙ’方向へ移動しているとすると、まず、受光画素１０
ａから図１１（ａ）に示すようなスペックルパターンの
明るさの分布に対応した出力信号Ｓ₁ が得られ、受光画
素１０ｂからこの出力信号Ｓ₁ から時間τ_y だけ遅れて
図１１（ｂ）に示すような出力信号Ｓ₂ が得られる。時
間τ_y は、受光画素１０ａと受光画素１０ｂとの間の距
離Ｄとスペックルパターンのｙ’方向の移動速度Ｖ_y に
よって決まる値Ｄ／Ｖ_y である。各受光画素１０ａ，１
０ｂからの出力信号Ｓ₁ ，Ｓ₂ は、アンプ２１ｙで増幅
された後、カットフィルタ２２ｙで不要信号成分が除去
されて図１１（ｃ），（ｄ）に示すような出力信号
Ｓ₃ ，Ｓ₄ が得られる。これらの出力信号Ｓ₃ ，Ｓ₃ は
二値化回路２３ｙで二値化されて図１１（ｅ），（ｆ）
に示すような出力信号Ｓ₅ ，Ｓ₆ が得られる。出力信号
Ｓ₅ と出力信号Ｓ₆ の時間差、すなわち、位相差τ_y か
らスペックルパターンのｙ’方向の移動速度Ｖ_y を求め
ることができるから、周知の位相差検出方法により位相
差τ_y を求めれば、スペックルパターンの移動速度の
ｙ’成分Ｖ_y を求めることができる。また、移動速度の
Ｖ_y を時間で積分することによって移動量を求めること
ができる。スペックルパターンの移動のｘ’成分を求め
る場合も同様である。

【００４８】次に、本発明による３次元移動検出器の第
２の例を図１２に示す。移動検出器は同一きょう体内
に、半導体レーザー１１、半導体レーザー１１の光軸に
関して対称に配置された１対の結像レンズ４１、４２と
１対の分割フォトダイオード５３、５４とからなる観察
光学系、及びスペックルパターン信号処理系７を備え
る。１対の観察光学系は、半導体レーザー１１の光軸に
関して完全に対称ではなく、２つの結像光学系の結像倍
率は異なるが、ともにあおり面結像関係にあることは第
１の実施例の場合と同じである。その他２つの観察光学
系の結像倍率が異なる以外は第１の実施例の場合と全く
同様な作用を持ち、移動成分を検出できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、スペックルパターンを
利用して対象物体の移動を非接触に測定するに際し、あ
おり面結像関係を導入することによって、測定対象物体
の面外方向の移動を面内方向の移動を同程度の分解能で
測定することが可能となった。

【００５０】また、スペックルパターンの移動を測定す
る１対の観察光学系を設けることにより、面内方向の移
動と面外方向の移動を同時に測定することが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】 スペックルパターン生成の機構を説明する図
である。

【図２】 面内方向と面外方向を説明する図である。

【図３】 あおり面結像関係を説明する図である。

【図４】 あおり面結像関係における物体移動と像移動
の関係を説明する図である。

【図５】 本発明において、面外移動成分と面内移動成
分を分離して同時に検出する工夫を説明する図である。

【図６】 本発明の基本的な構成を示す図である。

【図７】 本発明に面外移動成分と面内移動成分を分離
して検出する工夫を導入したものの概略の構成を示す図
である。

【図８】 本発明に係わる移動検出装置の第１の実施例
を説明する図である。

【図９】 分割フォトダイオードを半導体レーザー側か
ら見た模式図である。

【図１０】 本発明に係わる第１の実施例におけるスペ
ックルパターン移動検出手段を説明する図である。

【図１１】 スペックルパターン移動検出手段の動作を
説明するための波形図である。

【図１２】 本発明に係わる移動検出装置の第２の実施
例を説明する図である。

【符号の説明】

１…コヒーレント光源、２…照明用レンズ、３…粗面物
体、４…結像光学系、５…スペックルパターン移動検出
手段、６…観察面、７…スペックルパターン移動信号処
理系、８…入射レーザー光、９…散乱光、１０ａ，１０
ｂ，１０ｃ…分割フォトダイオードの受光画素、１１…
半導体レーザー、２１…アンプ、２２…カットフィル
タ、２３…二値化回路、２４…演算処理部、３１…測定
対象物体、４１，４２…結像レンズ、５１，５２…スペ
ックルパターン移動検出手段、５３，５４…分割フォト
ダイオード、６１，６２…観察面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 G01P 3/36

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動する測定対象物体へのコヒーレント
   な光の照射により観察面に生成されるスペックルパター
   ンの観察面上での移動をスペックルパターン移動検出手
   段で検出し、検出された前記スペックルパターン移動情
   報に基づいて測定対象物体の移動を検出する移動検出方
   法であって、前記測定対象物体の像を結像光学系により
   前記スペックルパターン移動検出手段の受光面上に結像
   させ、かつ前記測定対象物体の前記コヒーレント光に照
   射された面と前記スペックルパターン移動検出手段の受
   光面がともに前記結像光学系の光軸に垂直でないように
   配置され、少なくとも１組２個のスペックルパターン移
   動検出手段がコヒーレント光照射の光軸に関してほぼ対
   称に配置され、前記１組となっている２個のスペックル
   パターン移動検出手段からの移動情報の差演算の結果に
   基づいて、前記コヒーレント光に照射された測定対象物
   体の面に対してほぼ垂直な方向の前記測定対象物体の移
   動を検出し、一方前記１組となっている２個のスペック
   ルパターン移動検出手段からの移動情報の和演算の結果
   に基づいて、前記コヒーレント光に照射された前記測定
   対象物体の面に対してほぼ平行な方向の前記測定対象物
   体の移動を検出することを特徴とする移動検出方法。
2. 【請求項２】 移動する測定対象物体ヘコヒーレントな
   光を照射するコヒーレント光源と、前記測定対象物体に
   よって前記コヒーレント光が散乱されて生成されるスペ
   ックルパターンの移動を検出するスペックルパターン移
   動検出手段と、前記測定対象物体の像を前記スペックル
   パターン移動検出手段の受光面上に結像させる結像光学
   系を備え、前記測定対象物体の前記コヒーレント光に照
   射された面と前記スペックルパターン移動検出手段の受
   光面がともに前記結像光学系の光軸に垂直でなく、前記
   スペックルパターン移動検出手段によって検出されるス
   ペックルパターン移動情報に基づいて前記測定対象物体
   の移動の検出を行なう移動検出器であって、少なくとも
   １組２個のスペックルパターン移動検出手段がコヒーレ
   ント光照射の光軸に関してほぼ対称に配置され、前記１
   組となっている２個のスペックルパターン移動検出手段
   からの移動情報の差演算の結果に基づいて、前記コヒー
   レント光に照射された測定対象物体の面に対してほぼ垂
   直な方向の前記測定対象物体の移動を検出し、一方前記
   １組となっている２個のスペックルパターン移動検出手
   段からの移動情報の和演算の結果に基づいて、前記コヒ
   ーレント光に照射された前記測定対象物体の面に対して
   ほぼ平行な方向の前記測定対象物体の移動を検出する演
   算手段を設けたことを特徴とする移動検出器。