JP3240175B2

JP3240175B2 - スペックル測長計

Info

Publication number: JP3240175B2
Application number: JP09533492A
Authority: JP
Inventors: 雄二秋柴; 誠平井; 孝則今宿; 和也南野
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 1992-04-15
Filing date: 1992-04-15
Publication date: 2001-12-17
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: JPH05296721A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を照射した物
体表面からの拡散反射光によって生じるスペックルパタ
ーンを利用して、物体の移動量を測定するスペックル測
長計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザから出射されたレー
ザビームを対象物体に照射し、該物体表面からの拡散光
によって生じるスペックルパターンを検出し、物体の移
動、変形等に伴うスペックルパターンの変化に基づいて
物体の移動量、変形量等を測定するスペックル測長計が
知られている。

【０００３】図８に示す如く、スペックル測長計の測定
ヘッド(１)は、ビーム出射窓(10)を有する密閉ケーシン
グ内に、半導体レーザ(11)、該半導体レーザ(11)からの
レーザ光を平行レーザビーム(17)に整形するコリメータ
レンズ(12)、レーザビームが対象物体(18)にて拡散反射
されて形成されたスペックルパターンを光電変換するＣ
ＣＤからなる一次元イメージセンサー(13)を配置して構
成されている。

【０００４】図７は、上記測定ヘッド(１)に接続して、
一次元イメージセンサー(13)からのイメージ信号に基づ
いて物体の移動量を算出し、表示するための測定回路の
一構成例を示している(特開平4-50708号)。

【０００５】一次元イメージセンサー(13)は、周知の如
くバッファアンプ(14)から送られてくるリセット信号、
スタート信号及びシフト信号によってＣＣＤ配列方向の
走査を一定周期で繰返す。該センサー(13)の出力信号
は、初段アンプ(15)を介してサンプルホールド回路(２)
へ接続され、これによってＣＣＤ特有のノイズが除去さ
れる。

【０００６】サンプルホールド回路(２)の出力信号はゲ
イン制御アンプ(３)を経て２値化回路(４)へ送られ、２
値化される。更に該２値化データＤは相互相関回路(５)
へ送られて、対象物体の基準位置におけるスペックルパ
ターンとその後の移動位置におけるスペックルパターン
との相互相関関数が、前記基準位置を適時にずらしなら
がら繰返し計算され、この計算結果Ｃがマイクロコンピ
ュータ(７)へ送られる。

【０００７】マイクロコンピュータ(７)は、相互相関回
路(５)から送られてくる相互相関関数のピーク位置に基
づいて、物体の移動距離を算出する。この際、マイクロ
コンピュータ(７)は、前記両スペックルパターンの相互
相関係数が所定値よりも低下する時点を検知し、該低下
時には相互相関関数算出の基礎となる基準データを現デ
ータに切り換えるための制御信号Ｓを作成して、相互相
関回路(５)へ送出する。これに応じて相互相関回路(５)
における基準データの切換えが行なわれるのである。

【０００８】更にマイクロコンピュータ(７)には、外部
タイミング信号Ｐｅが接続されており、該外部タイミン
グ信号Ｐｅの立上り毎に、外部タイミンング信号発生時
点間の物体移動距離の積算値が、表示器(８)にデジタル
表示されることになる。

【０００９】尚、前記バッファアンプ(14)、サンプルホ
ールド回路(２)、２値化回路(４)及び相互相関回路(５)
は、タイミング信号発生器(６)から供給されるタイミン
グ信号によって夫々動作が制御されている。

【００１０】上記スペックル測長計においては、基準デ
ータと現データとの相互相関関数が、移動距離の増大に
伴って測定精度に影響を及ぼす程度に低下する以前に、
基準データの切換えが行なわれ、以後は新たな基準デー
タに基づいて測長が続行され、これが繰り返される。

【００１１】従って、高い相関が得られる微小移動量の
積算値として、物体の移動距離が算出され、長い移動距
離の測定においても極めて高い精度が得られる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記スペッ
クル測長計による測定に際して、測定ヘッドが受光する
レーザビームの光量が過大又は過小である場合や、或い
は対象物体に異常振動が発生している場合等において
は、測定状態が不安定となって、充分な測定精度が得ら
れない。

【００１３】しかしながら、従来のスペックル測長計に
おいては、上記の如く測定状態が不安定となっている事
態を把握することが出来ず、精度の低下したまま測定が
続行される虞れがあった。

【００１４】本発明の目的は、測定状態が安定している
か否かを監視出来るスペックル測長計を提供することで
ある。

【００１５】

【課題を解決する為の手段】本発明に係るスペックル測
長計は、移動する対象物体の表面に向ってレーザビーム
を出射すべきレーザ発生装置と、前記対象物体のレーザ
照射面に対向した観測面に現われるスペックルパターン
をイメージ信号に変換するイメージセンサー(13)とを具
え、該イメージセンサー(13)から出力されるイメージ信
号に基づいて、対象物体の基準位置におけるスペックル
パターンに応じた基準データとその後の移動位置におけ
るスペックルパターンに応じた現データとの近似度を、
両データの位相差をパラメータとして算出し、これによ
って得られる近似度データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)の分布の
ピーク位置に基づいて、物体の移動距離を算出するもの
である。

【００１６】そして、本発明に係るスペックル測長計の
特徴的構成は、前記近似度データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)に
基づいて、近似度が所定値よりも低下する時点を検知
し、該低下時には近似度算出の基礎となる基準データを
現データに切り換える制御手段と、前記制御手段による
基準データの切換え回数と物体の移動距離に基づいて測
定安定度を算出し、その結果を出力する演算処理手段と
を具えていることである。

【００１７】

【作用】対象物体の移動に伴って基準データが切り換え
られる際、１回の切換えを伴う対象物体の移動距離は、
安定した測定状態では略一定値(例えば０.２ｍｍ)とな
る。

【００１８】ところが、測定状態が不安定となる場合、
即ち、測定ヘッドが受光するレーザビームの光量が過大
又は過小である場合や、或いは対象物体に異常振動が発
生している場合等においては、対象物体が前記一定値よ
りも小さい僅かな距離だけ移動しただけで相関が低下
し、頻繁に基準データが切り換えられる。

【００１９】従って、基準データの切換え回数と物体の
移動距離に基づいて、測定の安定度を判別することが出
来、例えば１回の基準データ切換えを伴う移動距離が
０.２ｍｍよりも大きく低下した場合は、測定が不安定
な状態に陥ったものと判断出来る。

【００２０】

【発明の効果】本発明に係るスペックル測長計によれ
ば、測定安定度が出力されるから、該出力に基づいて精
度の高い測定が行なわれているか否かの判断が可能であ
り、測定安定度が低い場合は、その原因を解消すること
によって、常に高精度の測定が維持出来る。

【００２１】

【実施例】以下、図７に示すスペックル測長計に本発明
を実施した一例につき、図面に沿って詳述する。

【００２２】図１はスペックル測長計の全体構成を示し
ており、ここで、測定ヘッド(１)、２値化回路(４)及び
相互相関回路(５)は夫々従来と同一構成である。

【００２３】相互相関回路(５)は図２に示す如く、相互
相関関数を演算する相関器(54)を具え、該相関器(54)に
よる相互相関関数算出の基礎となるデータを作成する回
路は、互いに直列に配置された夫々256ビットの第１及
び第２シフトレジスタ(51)(52)と、両シフトレジスタ(5
1)(52)間に介装されたデータセレクタ(53)によって構成
されている。

【００２４】前記２値化回路(４)からの２値化データＤ
は、第１シフトレジスタ(51)を介してデータセレクタ(5
3)の一方の入力端ａへ接続される。該データセレクタ(5
3)の出力端は相関器(54)及び第２シフトレジスタ(52)の
入力端へ接続されている。又、第２シフトレジスタ(52)
の出力端は、データセレクタ(53)の他方の入力端ｂへ接
続されている。

【００２５】従って、データセレクタ(53)を端子ａ側へ
切り換えることにより、第１シフトレジスタ(51)内のデ
ータをデータセレクタ(53)を経て相関器(54)へ供給出来
ると共に、データセレクタ(53)を端子ｂ側へ切り換える
ことにより、第２シフトレジスタ(52)内のデータをデー
タセレクタ(53)を経て相関器(54)へ供給することも出来
る。

【００２６】相互相関回路(５)のデータセレクタ(53)
は、図１に示す如くマイクロコンピュータ(７)から供給
される制御信号Ｓによって切換えが制御される。

【００２７】又、前記制御信号Ｓは切換え回数演算回路
(９)へ接続されており、これによっって単位時間当りの
基準データの切換え回数が算出される。

【００２８】マイクロコンピュータ(７)は、相互相関関
数のピーク位置に基づいて物体の移動量を算出する測定
値演算部(71)と、該演算部(71)の出力データに基づいて
物体の移動速度を演算する速度演算部(72)と、該演算部
(72)及び前記切換え回数演算回路(９)の出力データに基
づいて測定安定度を算出する測定安定度演算部(73)とを
具えている。

【００２９】ここで、相互相関関数の分布が相関の低い
ことを表わしている場合は、測定値演算部(71)が相互相
関回路(５)のデータセレクタ(53)へ切換え制御信号を送
って、相関器(54)へ供給すべき基準データの切換えを行
なう。

【００３０】測定安定度演算部(73)が算出すべき測定安
定度としては、単位時間当りの基準データ切換え回数を
物体移動速度(単位時間当りの物体移動距離)にて除算し
た値、即ち物体の単位移動距離当りの切換え回数や、或
いは該切換え回数を標準の切換え回数で除算した値等が
採用出来る。この場合、測定安定度のレベルが高くなる
程、測定精度が低下していると言える。又、該物体移動
距離が基準値を上回っているか否かを表わす２値信号と
することも可能である。

【００３１】該測定安定度は、図１に示すモニター装置
(82)によりバー表示され、或いはランプのＯＮ−ＯＦＦ
によって表示される。又、測定安定度を表わすデータは
リレー等の出力部(81)へ供給することも可能である。

【００３２】更にマイクロコンピュータ(７)には、外部
タイミング信号Ｐｅが接続されており、該外部タイミン
グ信号Ｐｅの立上り毎に、外部タイミンング信号発生時
点間の物体移動距離が、表示器(８)にデジタル表示され
る。

【００３３】切換え回数演算回路(９)は、例えば図３に
示す如く、前記切換え制御信号ＳをＣＲ回路にて平滑化
した後、該平滑化信号をＡ／Ｄ変換器にてデジタル信号
に変換する平均回路(91)によって構成出来る。この場
合、マイクロコンピュータ(７)が、該平均回路(91)の出
力に基づいて単位時間当りの切換え回数を算出する。

【００３４】図５(ａ)〜(ｄ)は、図２に示す第１、第２
シフトレジスタ(51)(52)及びデータセレクタ(53)の動作
を表わしている。測長開始に際して、データセレクタ(5
3)は“ａ”側、即ち第１シフトレジスタ(51)側に設定さ
れる。この状態で、先ず測長開始点におけるスペックル
パターンに応じた256ビット長の２値化データＤ₁が、相
関器(54)及び第１シフトレジスタ(51)へ並列的に供給さ
れる。相関器(54)は、２値化回路(4)からのデータＤ₁と
第１シフトレジスタ(51)からデータセレクタ(53)を経て
送出されるデータとの相互相関関数を算出する。測定開
始時点では、第１シフトレジスタ(51)内には意味の無い
データが格納されているから、マイクロコンピュータ
(７)は、このときの相関器(54)の算出結果を無視する。

【００３５】次の周期に２値化回路から送られてくるデ
ータＤ₂は、同じく相関器(54)及び第１シフトレジスタ
(51)へ同時に送られ、これと並行して第１シフトレジス
タ(51)内のデータＤ₁が第２シフトレジスタ(52)へ移送
され、相関器(54)は、前記２値化回路(４)からの現デー
タＤ₂と、第１シフトレジスタ(51)からデータセレクタ
(53)を経て出力されるデータＤ₁との相互相関関数を算
出し、マイクロコンピュータ(７)へ送出する。両データ
Ｄ₂、Ｄ₁は２値データであるから、両者の相互相関関数
は、複数の相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)からなる離
散分布として得られる。

【００３６】次にデータセレクタ(53)がマイクロコンピ
ュータ(７)の制御によって“ｂ”側、即ち第２シフトレ
ジスタ(52)側へ切換えられる。従って、第２シフトレジ
スタ(52)から出力されるデータはデータセレクタ(53)を
経て再び第２シフトレジスタへ入力され、データＤ₁は
第２シフトレジスタ(52)を循環することになる。前記デ
ータセレクタ(53)の端子ｂへの切換え後、２値化回路か
ら送られてくるデータＤ3は相関器(54)及び第１シフト
レジスタ(51)へ送られる。相関器(54)は現データＤ₃と
基準データＤ₁との相互相関関数を算出し、その結果を
マイクロコンピュータ(７)へ供給する。

【００３７】その後は同様の動作が続行される。この過
程で、マイクロコンピュータ(７)は、相関値データ
(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)の集合からピーク位置を探索して、
該ピーク位置の相関値データＣｐと、該ピーク位置を中
心として相互相関関数の横軸の正側及び負側へ２値化デ
ータの１ピッチ分(13μm)だけずれた２つの相関値デー
タＣｐ_-1、Ｃｐ₊₁との差

【００３８】

【数１】Ｃａ＝(Ｃｐ−Ｃｐ_-1) Ｃｂ＝(Ｃｐ−Ｃｐ₊₁) を算出し、更にこれらの差データの合計値(Ｃａ＋Ｃｂ)
を算出する。

【００３９】そして、この合計値(Ｃａ＋Ｃｂ)が所定の
基準値よりも低下したとき、データセレクタ(53)へ切換
え制御信号を送出して、図２の如くデータセレクタ(53)
を“ａ”側へ切換え、第１シフトレジスタ(51)内のデー
タを第２シフトレジスタ(52)内へ移送し、基準データの
切換えを行なう。

【００４０】第１シフトレジスタ(51)から第２シフトレ
ジスタ(52)へのデータの移送が完了した後、データセレ
クタ(53)は再び“ｂ”側に切換えられる。これによって
第２シフトレジスタ(52)内のデータＤiを基準データと
して、前記同様の相互相関関数の算出が続行されるので
ある。以後、同様に前記合計値(Ｃａ＋Ｃｂ)の低下によ
ってデータセレクタ(53)を切換えて、基準データの更新
が行なわれる。

【００４１】マイクロコンピュータ(７)は、１つのスペ
ックパターンに対応して相関器(54)から送られてくる一
群の相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)毎に、移動距離算
出のための手続を実行する。

【００４２】即ち、先ず相関器より１つのスペックルパ
ターンに応じた一群の相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)
を取り込んで、これらのデータからピーク位置Ｐｐを探
索し、該探索結果に基づいて移動量Ｒを算出し、更にこ
のＲの値を積算値Ｉに加算して移動距離Ａを算出し、そ
の結果を内部メモリに格納する。

【００４３】次にマイクロコンピュータ(７)は、外部タ
イミング信号Ｐｅが立上がったか否かを判断する。該判
断の結果がＮＯの場合は、前記差データの合計値(Ｃａ
＋Ｃｂ)を算出し、この合計値と前記切換え基準値との
比較を行ない、基準値よりも合計値の方が大きい場合は
最初のデータ取込み処理へ戻る。合計値が基準値を下回
ったときは、前述の如くデータセレクタ(53)を切換え
て、基準データを現データに切換える。そして、対象物
体の測長開始からの物体移動量の積算値Ｉを、その時点
の移動距離Ａに変更した後、最初のデータ取込み処理へ
戻る。

【００４４】前記外部タイミング信号の立上りが検出さ
れた場合は、該立上り時点での移動距離の算出結果(現
移動距離Ａ)と、前回の外部タイミング信号立上り時の
移動距離の算出結果(基準移動距離Ａi)との差Ｘi(＝Ａi
−Ａ)が算出され、その結果が前記表示器(８)へ送られ
る。

【００４５】その後、基準移動距離Ａiを現移動距離Ａ
に変更し、前記合計値(Ｃａ＋Ｃｂ)の判断手続に移行す
る。この結果、表示器(８)には、物体移動に伴って外部
タイミング信号間の移動距離の変化量Ｘi(＝Ａi−Ａ)が
次々と表示されることになる。

【００４６】図６(ａ)(ｂ)は、外部タイミンング信号Ｐ
ｅによって、外部タイミング信号発生間の物体移動距離
の変化量が算出される様子を説明するものである。前述
のマイクロコンピュータの内部メモリに格納される測定
開始以後の物体移動距離は、図６(ａ)の如く時間と共に
増大する。

【００４７】この過程で、外部タイミング信号が任意間
隔で発生すると、その立上り時の移動距離Ａ₀、Ａ₁、Ａ
₂…の夫々の差Ｘ₀、Ｘ₁、Ｘ₂…が算出され、前記表示器
に表示されるのである。尚、表示器の表示は、新たな外
部タイミング信号が入力されるまでの期間、直前の外部
タイミング信号発生時の値に維持される。

【００４８】上記スペックル測長計によれば、モニター
装置(82)の表示に基づいて、測定の安定度を認識するこ
とが出来、測定安定度が低下した場合には、対象物体の
レーザビーム照射面を適度な粗面に加工し、或いは対象
物体の振動を防止する等の対策を施すことにより、常に
高精度の測定が可能となる。

【００４９】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、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。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。

【００５０】例えば、測定安定度を算出する演算処理手
段は、上記実施例では図１の如く切換え回数演算回路
(９)、速度演算部(72)及び測定安定度演算部(73)によっ
て構成されているが、図３に示す如く外部タイミング信
号発生の周期で切換え回数をカウントするカウンター(9
2)と、該カウント値を取り込むラッチ回路(93)と、取り
込まれた切換え回数によって図６(ａ)の差データＸiを
除算して、切換え１回当りの物体移動距離(安定度)を算
出する移動量演算回路(94)によって構成することも可能
である。この場合、モニター装置(82)に表示される安定
度は、そのレベルが低くなる程、測定精度が低下してい
ると言える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスペックル測長計の構成を示すブ
ロック図である。

【図２】相互相関回路の構成を示すブロック図である。

【図３】測定安定度演算処理手段の構成例を示すブロッ
ク図である。

【図４】測定安定度演算処理手段の他の構成例を示すブ
ロック図である。

【図５】基準データの切換え動作を説明するタイミング
チャートである。

【図６】外部タイミング信号間の移動距離の差が算出さ
れる様子の説明図である。

【図７】従来のスペックル測長計の構成を示すブロック
図である。

【図８】スペックル測長計の測定ヘッドの概略構成を示
す斜視図である。

【符号の説明】

(１) 測定ヘッド (５) 相互相関回路 (７) マイクロコンピュータ (９) 切換え回数演算回路 (73) 測定安定度演算部 (82) モニター装置

フロントページの続き (72)発明者南野和也大阪府高槻市明田町２番13号株式会社キーエンス内 (56)参考文献特開平４−50705（ＪＰ，Ａ) 特開平４−50703（ＪＰ，Ａ) 特開平４−50706（ＪＰ，Ａ) 特開平４−50707（ＪＰ，Ａ) 特開平１−320412（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−1964（ＪＰ，Ａ) 特開平３−274402（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】移動する対象物体の表面に向ってレーザ
ビームを出射すべきレーザ発生装置と、前記対象物体の
レーザ照射面に対向した観測面に現われるスペックルパ
ターンをイメージ信号に変換するイメージセンサー(13)
とを具え、該イメージセンサー(13)から出力されるイメ
ージ信号に基づいて、対象物体の基準位置におけるスペ
ックルパターンに応じた基準データとその後の移動位置
におけるスペックルパターンに応じた現データとの近似
度を、両データの位相差をパラメータとして算出し、こ
れによって得られる近似度データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)の
分布のピーク位置に基づいて、物体の移動距離を算出す
るスペックル測長計において、前記近似度データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)に基づいて、近似
度が所定値よりも低下する時点を検知し、該低下時には
近似度算出の基礎となる基準データを現データに切り換
える制御手段と、前記制御手段による基準データの切換え回数と物体の移
動距離に基づいて測定安定度を算出し、その結果を出力
する演算処理手段とを具えたことを特徴とするスペック
ル測長計。
【請求項２】測定安定度は、基準データの単位時間当
りの切換え回数と、物体の単位時間当りの移動距離の比
に応じた値である請求項１に記載のスペックル測長計。