JP3353365B2 - Displacement and displacement velocity measuring device - Google Patents

Displacement and displacement velocity measuring device

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JP3353365B2 JP05871793A JP5871793A JP3353365B2 JP 3353365 B2 JP3353365 B2 JP 3353365B2 JP 05871793 A JP05871793 A JP 05871793A JP 5871793 A JP5871793 A JP 5871793A JP 3353365 B2 JP3353365 B2 JP 3353365B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、物体の変形または移動
に伴う変位分布および変位速度の測定装置に関するもの
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for measuring a displacement distribution and a displacement speed accompanying deformation or movement of an object.

【0002】[0002]

【従来の技術】粗面物体の変形または移動、あるいは粒
子群の移動に伴う変位分布の測定は、測定対象物を加工
せずに、特定の点あるいは粒子を変形または移動の前後
で同定することは難しく、通常の測定方法を適用するこ
とは困難である。そこで、測定対象物の構造の局所的特
徴を反映する像を、変形または移動の前後で撮像し、こ
れら二つの像の空間的な相関(片方の像を空間的な移動
に対する二つの像の一致度)を求め、変位分布を求める
方法が知られている。
2. Description of the Related Art Displacement distribution due to deformation or movement of a rough object or movement of a group of particles is determined by identifying a specific point or particle before and after the deformation or movement without processing the object to be measured. Is difficult, and it is difficult to apply ordinary measurement methods. Therefore, images reflecting local features of the structure of the object to be measured are taken before and after the deformation or movement, and the spatial correlation of these two images (one image is matched with the spatial movement by the two images) Degree) and a displacement distribution are known.

【0003】この方法の代表例として、レーザ光で照射
された、照射光の波長程度の微視的スケールで不規則な
構造を有する物体の透過光あるいは反射光をレンズで結
像した時に得られるスペックルパターンを変形または移
動の前後で重ね合わせて撮像する、スペックル二重露光
法がある。図8は、このスペックル二重露光法のによる
変位量の測定を示している。まず、被測定体710をレ
ーザ光源150の出射するレーザ光で照射し、被測定体
710の変形前後の像をカメラ900にて同じフィルム
上に二重露光する(図8(a)参照)。つぎに、撮像し
たネガ(以後、スペックルグラムと呼ぶ)910の各部
を、レーザ光源160の出射する細いレーザビームで照
射し、凸レンズ930を介して、この凸レンズ930の
焦点面に配置されたすりガラス板950に結像させる
(図8(b)参照)。すりガラス950には、スペック
ル移動を表す平行等間隔のヤング縞が生じ、このヤング
縞間隔は次ぎの数式(1)が成り立つ。
[0003] A typical example of this method is obtained when a transmitted light or a reflected light of an object irradiated with laser light and having an irregular structure on a microscopic scale of about the wavelength of the irradiated light is imaged by a lens. There is a speckle double exposure method in which a speckle pattern is superimposed and imaged before and after deformation or movement. FIG. 8 shows the measurement of the amount of displacement by the speckle double exposure method. First, the measured object 710 is irradiated with laser light emitted from the laser light source 150, and images before and after the deformation of the measured object 710 are double-exposed on the same film by the camera 900 (see FIG. 8A). Next, each part of the imaged negative (hereinafter referred to as a specklegram) 910 is irradiated with a thin laser beam emitted from the laser light source 160, and the ground glass placed on the focal plane of the convex lens 930 via the convex lens 930. An image is formed on the plate 950 (see FIG. 8B). In the frosted glass 950, Young fringes at equal intervals in parallel representing speckle movement are generated, and the following formula (1) holds for the Young fringe spacing.

【0004】 |maT | =λ0 f/d・・・(1) ここで、m :撮像倍率 aT :物体の面内変位 λ0 :レーザ光源150の出射レーザ光波長 f :凸レンズの焦点距離 d :ヤング縞の間隔 したがって、図8(b)でスペックルグラム上における
レーザビームの入射位置を変更しながら、ヤング縞間隔
を計測し、(1)式によって演算することによって、被
測定体の各点における変位量|aT |を測定する。
| Ma T | = λ 0 f / d (1) where, m: imaging magnification a T : in-plane displacement of the object, λ 0 : laser beam wavelength emitted from the laser light source 150 f: focal point of the convex lens Distance d: Young fringe interval Accordingly, the Young fringe interval is measured while changing the incident position of the laser beam on the specklegram in FIG. 8B, and the measured object is calculated by equation (1). The displacement | a T | at each point is measured.

【0005】また、図8(a)で得た二重露光スペック
ル像から、変位量|aT |を求めるにあたって、図8
(b)のような光学的な装置を使用せずに数学的に画像
の相関を調べる方法も知られている。この方法の一例と
して、合同変換相関法がある。合同変換相関法は、ま
ず、基準の画像と変位後の画像とを重ね合わせた画像に
関して、空間座標値から空間周波数値への変数変換を行
うフーリエ変換を実施後、空間周波数に関するパワース
ペクトルを求める。次いで、このパワースペクトルの変
数を空間周波数から空間座標へ変数変換するフーリエ変
換を施し、二つの画像の空間的な相関関数を得て、相関
値が大きいことを条件として変位量を求める。この手順
を数式で表すと以下の通りとなる。
[0005] Further, in obtaining the displacement | a T | from the double exposure speckle image obtained in FIG.
A method of mathematically examining image correlation without using an optical device as in (b) is also known. One example of this method is the joint transform correlation method. In the joint transform correlation method, first, a Fourier transform for performing variable transformation from a spatial coordinate value to a spatial frequency value is performed on an image obtained by superimposing a reference image and an image after displacement, and then a power spectrum related to the spatial frequency is obtained. . Next, a Fourier transform for transforming the variable of the power spectrum from a spatial frequency to a spatial coordinate is performed to obtain a spatial correlation function of the two images, and a displacement amount is obtained on condition that the correlation value is large. This procedure is represented by the following equation.

【0006】被測定体の変形前または移動前の2次元像
をg(x,y)とすると、xの正方向に値aだけ変位し
た変型後または移動後の2次元像は、局所的な変形はほ
とんど無視できるので、g(x−a,y)と表すことが
できる。したがって、これらの二つの2次元像を重ね合
わせた像o(x,y)は、以下の数式(2)で表すこと
ができる。
Assuming that the two-dimensional image of the measured object before deformation or movement is g (x, y), the deformed or moved two-dimensional image displaced by the value a in the positive direction of x is a local image. Since the deformation is almost negligible, it can be expressed as g (x−a, y). Therefore, an image o (x, y) obtained by superimposing these two two-dimensional images can be expressed by the following equation (2).

【0007】 o(x,y)=g(x,y)+g(x−a,y)・・・(2) まず、この重ね合わせた像o(x,y)をフーリエ変換
する。
O (x, y) = g (x, y) + g (x−a, y) (2) First, the superimposed image o (x, y) is Fourier-transformed.

【0008】 F[o(x,y)]=G(u,v)+G(u,v)exp(jua) ・・・(3) ここで、F[o(x,y)]:o(x,y)のフーリエ
変換結果 G(u,v) :g(x,y)のフーリエ変換結果 (u,v) :空間周波数座標 つぎに、空間周波数座標上でパワースペクトル|F[o
(x,y)]|2 を求める。
F [o (x, y)] = G (u, v) + G (u, v) exp (jua) (3) where F [o (x, y)]: o ( x (y) Fourier transform result G (u, v): g (x, y) Fourier transform result (u, v): spatial frequency coordinate Next, power spectrum | F [o on spatial frequency coordinate
(X, y)] | 2 .

【0009】 |F[o(x,y)]|2 =2|G(u,v)|2 +G(u,v)G* (u,v)exp(jua) +G* (u,v)G(u,v)exp(−jua) ・・・(4) ついで、このパワースペクトルをフーリエ変換し、変換
結果をi(x′,y′)とすると、以下の数式(5)が
成り立つ。
| F [o (x, y)] | 2 = 2 | G (u, v) | 2 + G (u, v) G * (u, v) exp (jua) + G * (u, v) G (u, v) exp (-jua) (4) Next, assuming that this power spectrum is Fourier-transformed and the conversion result is i (x ′, y ′), the following equation (5) is established.

【0010】 i(x′,y′)=2g(x′,y′)★g(x′,y′) +g(x′,y′)★g(x′−a,y′) +g(x′,y′)★g(x′+a,y′) ・・・(5) ここで、★ :前後の関数の相関演算を示す このi(x′,y′)は、 (x′,y′)=(0,0)、(a,0)、(−a,0)・・(6) にピークを有するので、これらのピーク位置を求めるこ
とにより、変位量|a|を求めることができる。
I (x ′, y ′) = 2g (x ′, y ′) ★ g (x ′, y ′) + g (x ′, y ′) ★ g (x′−a, y ′) + g ( x ′, y ′) ★ g (x ′ + a, y ′) (5) where ★: indicates the correlation operation of the function before and after this i (x ′, y ′) is (x ′, y ′) y ′) = (0,0), (a, 0), (− a, 0)... (6) Since the peaks are found, the displacement | a | Can be.

【0011】以上の変位量測定にあたって、一定時間を
隔てた像を二重露光することにより平均変位速度の絶対
値を測定することが可能である。
In the above-described displacement measurement, the absolute value of the average displacement speed can be measured by double-exposing the image at a fixed time interval.

【0012】一方、速度測定については、スペックル像
を一定時間隔てて個別に撮像し、これら二つの像の相関
より速度を求めるスペックル相関法が実用化されてい
る。また、直接に速度を測定する方法として、ドップラ
効果を利用して運動物体による散乱光のドップラシフト
を計測する2光束レーザドップラ速度計がある。
On the other hand, for speed measurement, a speckle correlation method has been put to practical use in which speckle images are individually taken at regular time intervals and the speed is obtained from the correlation between these two images. As a method of directly measuring the velocity, there is a two-beam laser Doppler velocimeter that measures the Doppler shift of scattered light by a moving object using the Doppler effect.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】従来の変位および変位
速度測定装置は、以上のようにして被測定体の変位量お
よび変位速度を測定していたので、数式(1)および
(6)から明らかなように、変位量すなわち変位の絶対
値および変位速度の絶対値を知ることはできたが、変位
の向きを測定結果から直接知ることができないという問
題点があった。すなわち、変位の向きは測定のたびに、
物理的な状況を考慮して決めなければならず、測定前に
変位の向きの推測がつかない場合には、ベクトルとして
の変位および変位速度を測定できないという問題点があ
った。
Since the conventional displacement and displacement velocity measuring apparatus measures the displacement and displacement velocity of the object to be measured as described above, it is apparent from equations (1) and (6). Thus, although the displacement amount, that is, the absolute value of the displacement and the absolute value of the displacement speed could be known, there was a problem that the direction of the displacement could not be directly known from the measurement result. That is, the direction of displacement is
The determination must be made in consideration of the physical situation, and if the direction of the displacement cannot be estimated before the measurement, there is a problem that the displacement as a vector and the displacement speed cannot be measured.

【0014】また、従来のスペックル相関法では、撮像
した像データを個別に画像処理後、相関演算処理を施す
ので、全体の処理に比較的長い時間を要するという問題
点があった。また、2光束レーザドップラ速度計は、散
乱光検出に位相同期回路を使用するが、現状では位相の
ロックを時間には限界があり、速度変動を伴う場合には
S/Nよく測定ができないという問題点があった。
Further, in the conventional speckle correlation method, the image processing is performed individually after image processing of the captured image data, so that a relatively long time is required for the entire processing. The two-beam laser Doppler velocimeter uses a phase-locked loop for scattered light detection. At present, however, there is a limit to the time for phase locking, and measurement cannot be performed with good S / N when speed fluctuations are involved. There was a problem.

【0015】本発明は以上の問題点を解消するためにな
されたものであり、測定前に変位の向きの推測がつかな
い場合にも、変位の向きを含む変位量および変位速度を
高速に測定できる装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems. Even when the direction of displacement cannot be estimated before measurement, the displacement amount and displacement speed including the direction of displacement can be measured at high speed. It is an object of the present invention to provide a device capable of performing such operations.

【0016】本発明の変位および変位速度測定装置は、
(a)レーザ光源と、(b)レーザ光源が出射するレー
ザ光の被測定体の照射によって生じる被測定体の特性を
反映する2次元光像に、空間的に一様な第1の量および
第2の量の偏位を選択的に施す偏位手段と、(c)第1
の量の偏位を施した第1の時刻における2次元光像と、
第2の量の偏位を施した第2の時刻における2次元光像
と、を重ね合わせた像を記録する撮像装置と、(d)撮
像装置に記録された光像に対して合同変換相関演算を施
す演算装置と、を含んで構成され、第1の量の偏位量と
第2の量の偏位量の差の絶対値が、第1の時刻と第2の
時刻との間の被測定体の変位量の絶対値よりも大きく設
定され、演算装置の演算結果から、被測定体の第1の時
刻と第2の時刻との間に発生した変位と、第1の時刻と
第2の時刻との間の平均変位速度を求めることを特徴と
する。ここで、2次元光像は、レーザ光を照射された物
体での反射光および透過光のいずれか一方によって得ら
れるスペックルパターンであることを特徴としてもよ
い。
The displacement and displacement velocity measuring device of the present invention comprises:
A spatially uniform first quantity and a two-dimensional optical image reflecting characteristics of the object to be measured generated by irradiating the object with (a) a laser light source and (b) laser light emitted from the laser light source. A deflection means for selectively applying a second amount of deflection;
A two-dimensional optical image at a first time with a deviation of
An imaging device that records an image obtained by superimposing a two-dimensional optical image at a second time after the second amount of deviation is applied, and (d) a joint conversion correlation between the optical image recorded in the imaging device. An arithmetic unit for performing an operation, wherein an absolute value of a difference between the first amount of deviation and the second amount of deviation is calculated between a first time and a second time. The displacement of the measured object is set to be larger than the absolute value of the displacement amount of the measured object, and the displacement generated between the first time and the second time of the measured object, the first time and the second An average displacement speed between the second time and the second time is obtained. Here, the two-dimensional light image may be characterized in that it is a speckle pattern obtained by one of reflected light and transmitted light from the object irradiated with the laser light.

【0017】また、この装置の偏位手段は、光学的に偏
位を施すことを特徴とし、被測定体の特徴を反映した
情報を担った光を受光し、ほぼ特定偏光方向の直線偏光
成分のみを射出する偏光板と、偏光板を介して到達し
た直線偏光受光し偏光方向の回転不実施および90゜回
転実施のいずれか一方を選択的に行う偏波面回転素子
と、偏波面回転素子を回転不実施および90゜回転実
施のいずれか一方の動作モードに設定する偏波面回転制
御器と、偏波面回転素子を介した直線偏光を受光し、
偏光方向によって光路を変化させる複屈折板と、構成さ
れる。また、被測定体の特徴を反映した2次元光像を
得る光学系の光路中に配置された反射素子と、反射素
子の反射面の空間的な方向または位置を変化させる反射
素子制御器と、で構成してもよいし、被測定体の特徴
を反映した2次元光像を得る光学系の光路中に配置され
た空気よりも大きな屈折率を有する光透過素子と、光
透過素子の受光面の空間的な方向または光透過素子の光
路とほぼ垂直な方向の位置を変化させる光透過素子制御
器と、で構成してもよい。また、被測定体の特徴を反映
した2次元光像の撮像面と平行な方向に移動な撮像素子
と、撮像素子の空間的な方向を変化させる平行移動制御
器と、から構成してもよい。
The deflection means of the apparatus is characterized in that it is optically deflected, receives light carrying information reflecting the characteristics of the object to be measured, and receives a linearly polarized light component having a substantially specific polarization direction. A polarization plate that emits only polarization light, a polarization plane rotation element that receives linearly polarized light that has arrived through the polarization plate, and selectively performs one of non-rotation of the polarization direction and rotation of 90 °, and a polarization plane rotation element. A polarization plane rotation controller for setting one of the operation modes of rotation non-execution and 90 ° rotation execution, and receives linearly polarized light through the polarization plane rotation element,
A birefringent plate that changes the optical path depending on the polarization direction. A reflective element disposed in an optical path of an optical system for obtaining a two-dimensional optical image reflecting characteristics of the measured object; a reflective element controller for changing a spatial direction or a position of a reflective surface of the reflective element; A light transmitting element having a refractive index higher than that of air disposed in an optical path of an optical system for obtaining a two-dimensional optical image reflecting the characteristics of the measured object, and a light receiving surface of the light transmitting element And a light transmission element controller that changes the position in the spatial direction or in a direction substantially perpendicular to the optical path of the light transmission element. Further, the imaging device may include an imaging device that moves in a direction parallel to the imaging surface of the two-dimensional optical image reflecting the characteristics of the measured object, and a translation controller that changes a spatial direction of the imaging device. .

【0018】また、この装置の偏位手段は、電気的に偏
位を施すことを特徴とし、被測定体の特徴を反映した
情報を担った光を受光し、光電効果により電子を放出す
る光電面と、電子を第1の方向へ加速する加速電極
と、加速電極により加速された電子を結像させる電子
レンズと、電子レンズにより結像された像を表示する
蛍光面と、電子レンズと前記蛍光面との間に配設さ
れ、第1の方向と垂直な方向に電界を発生させる偏向電
極対と、偏向電極対間の電界の強度を制御する可変電
圧源と、光電面から蛍光面までの電子の飛行経路を略
真空とするための、少なくとも光電面、加速電極、電子
レンズ、蛍光面、および偏向電極対を収納し、収納空間
を略真空とした密閉型容器と、から構成してもよいし、
被測定体の特徴を反映した情報を担った光を受光し、
光電効果により電子を放出する光電面と、電子を第1
の方向へ加速する加速電極と、加速電極により加速さ
れた電子を結像させる電子レンズと、電子レンズによ
り結像された像を表示する蛍光面と、電子レンズと蛍
光面との間の空間に第1の方向と垂直な方向に磁界を発
生させる偏向コイルと、磁界の強度を制御する可変電
流源と、光電面から蛍光面までの電子の飛行経路を略
真空とするための、少なくとも光電面、加速電極、電子
レンズ、および蛍光面を収納し、収納空間を略真空とし
た密閉型容器と、から構成してもよい。
The deflection means of this device is characterized in that it is electrically deflected, receives light carrying information reflecting the characteristics of the object to be measured, and emits electrons by a photoelectric effect. A surface, an accelerating electrode for accelerating the electrons in a first direction, an electron lens for forming an image of the electrons accelerated by the accelerating electrode, a phosphor screen for displaying an image formed by the electron lens, and an electron lens. A deflecting electrode pair disposed between the phosphor screen and a direction perpendicular to the first direction to generate an electric field; a variable voltage source for controlling the intensity of the electric field between the deflecting electrode pair; A closed container that houses at least a photoelectric surface, an acceleration electrode, an electron lens, a fluorescent screen, and a pair of deflection electrodes, and has a substantially vacuum storage space, for making the flight path of electrons substantially vacuum. Or
Receives light carrying information that reflects the characteristics of the device under test,
A photoelectric surface that emits electrons by a photoelectric effect, and
An accelerating electrode that accelerates in the direction of, an electron lens that forms electrons accelerated by the accelerating electrode, a phosphor screen that displays an image formed by the electron lens, and a space between the electron lens and the phosphor screen. A deflection coil for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the first direction, a variable current source for controlling the strength of the magnetic field, and at least a photocathode for making a flight path of electrons from the photocathode to the phosphor screen substantially vacuum. , An accelerating electrode, an electron lens, and a fluorescent screen, and a closed container whose storage space is substantially vacuum.

【0019】また、この装置の偏位手段は、電子回路的
に偏位を施すことを特徴とし、撮像装置が撮像した前
記2次元像データを格納をするメモリと、撮像装置の
画素ごとの格納メモリアドレスの生成にあたって、第1
の偏位を施す第1のアドレス発生モードと、第2の偏位
を施す第2のアドレス発生モードとを選択的に実行する
アドレス生成器と、アドレス生成器で指定されたアド
レスに格納された画素データと、前記撮像装置から入力
した前記2次元画像データにおける該当アドレスの画素
データとを加算する加算器と、を含んで構成し、第1の
時刻に撮像した画像データの格納時には第1のアドレス
発生モードを使用し、かつ、各画素データについて既に
メモリの該当アドレスに格納されているデータとの加算
を実施せずにメモリへの格納を行い、第2の時刻に撮像
した画像データの格納時には第2のアドレス発生モード
を使用し、かつ、各画素データについて既に前記メモリ
の該当アドレスに格納されているデータと加算を行い、
加算値を使用することにより第1の時刻における2次元
像と第2の時刻における2次現像とを重ね合わせた画像
データを得てもよい。
Further, the deflection means of the device is characterized in that the deflection is performed in an electronic circuit, and a memory for storing the two-dimensional image data picked up by the imaging device, and a storage for each pixel of the imaging device. In generating the memory address, the first
And a second address generation mode for selectively performing a second address generation mode for performing the second deviation and a second address generation mode for performing the second deviation. An adder for adding pixel data and pixel data at a corresponding address in the two-dimensional image data input from the imaging device, wherein the first time is stored when the image data captured at the first time is stored. Using the address generation mode and storing each pixel data in the memory without performing addition with the data already stored at the corresponding address in the memory, and storing the image data captured at the second time Sometimes, the second address generation mode is used, and each pixel data is added with the data already stored at the corresponding address in the memory,
By using the added value, image data obtained by superimposing the two-dimensional image at the first time and the secondary development at the second time may be obtained.

【0020】また、この装置の演算手段は、デジタル計
算機であり、前記撮像装置の撮像した重ね合わせ画像を
デジタル化した後、合同変換相関演算を施すことを特徴
とする。また、演算手段を撮像装置の撮像画像をフーリ
エ変換する第1のフーリエ変換レンズと、第1のフーリ
エ変換レンズの第1の結像装置と、第1の結像装置の結
像画像をフーリエ変換する第2のフーリエ変換レンズ
と、第2のフーリエ変換レンズの第2の結像装置と、か
ら構成され、光学的に合同変換相関演算を施すことを特
徴としてもよい。
The calculating means of this apparatus is a digital computer, and digitizes the superimposed image picked up by the image pickup apparatus, and then performs a joint conversion correlation operation. Further, a first Fourier transform lens for performing Fourier transform on a captured image of the imaging device, a first imaging device of the first Fourier transform lens, and a Fourier transform of an image formed by the first imaging device. A second Fourier transform lens, and a second imaging device of the second Fourier transform lens, and may be characterized by performing an optical joint transform correlation operation.

【0021】[0021]

【作用】本発明の構成によれば、被測定体の特徴を反映
した第1の時刻の2次元像と第2の時刻の2次元像を撮
像するにあたって、第2の時刻の2次元像にを、絶対値
が第1の時刻と第2の時刻との間の被測定体の変位量の
絶対値よりも大きく設定された既知の量の偏位を施して
撮像する。この重ね合わせた像に合同変換相関の演算を
施し、2つの画像の相関を調べ、相関値がピークとなる
位置を求める。このピーク位置から上記の既知の偏位量
を補正することにより、変位量および変位の向きを測定
する。また、測定した変位量を、第1の時刻と第2の時
刻との時間差で除すことにより変位速度の絶対値を演算
し、測定済みの変位の向きと合わせてベクトルとしての
速度を決定する。
According to the structure of the present invention, when capturing a two-dimensional image at the first time and a two-dimensional image at the second time reflecting the characteristics of the measured object, the two-dimensional image at the second time is captured. Is imaged by applying a known amount of deviation whose absolute value is set to be larger than the absolute value of the displacement amount of the measured object between the first time and the second time. A calculation of a joint conversion correlation is performed on the superimposed images, the correlation between the two images is checked, and a position where the correlation value reaches a peak is obtained. The displacement amount and the direction of the displacement are measured by correcting the above-described known displacement amount from the peak position. Further, the absolute value of the displacement speed is calculated by dividing the measured displacement amount by the time difference between the first time and the second time, and the speed as a vector is determined in accordance with the direction of the measured displacement. .

【0022】[0022]

【実施例】本発明の実施例の説明に先立って、本発明の
変位および変位速度測定装置で使用する方法の原理に関
して説明する。この方法は、上記に説明した合同変換相
関法の改良であり、変位量とともに変位の向きを同時に
測定するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Prior to the description of the embodiments of the present invention, the principle of the method used in the displacement and displacement velocity measuring apparatus of the present invention will be described. This method is an improvement of the joint conversion correlation method described above, and simultaneously measures the amount of displacement and the direction of displacement.

【0023】被測定物体の変形前または移動前の2次元
像をg(x,y)とすると、xの正方向に値aだけ変位
した変型後または移動後の2次元像は、局所的な変形は
ほとんど無視できるので、g(x−a,y)と表すこと
ができる。この変形後または移動後の2次元像に対し
て、更にxの正方向に既知の偏位量bだけ偏位を施した
像はg(x−a−b,y)と表される。したがって、こ
の像と変形前または移動前の二つの2次元像を重ね合わ
せた像o(x,y)は、以下の数式(7)で表すことが
できる。
Assuming that the two-dimensional image of the measured object before deformation or movement is g (x, y), the deformed or moved two-dimensional image displaced by the value a in the positive direction of x is a local image. Since the deformation is almost negligible, it can be expressed as g (x−a, y). An image obtained by further displacing the deformed or moved two-dimensional image in the positive direction of x by a known deviation amount b is represented as g (x-ab, y). Therefore, an image o (x, y) obtained by superimposing this image and two two-dimensional images before deformation or before movement can be expressed by the following equation (7).

【0024】 o(x,y)=g(x,y)+g(x−a−b,y)・・・(7) ここで、|a|<bとする。O (x, y) = g (x, y) + g (x-ab, y) (7) where | a | <b.

【0025】まず、この重ね合わせた像o(x,y)を
フーリエ変換する。
First, the superimposed image o (x, y) is subjected to Fourier transform.

【0026】 F[o(x,y)]=G(u,v) +G(u,v)exp(ju(a+b)) ・・・(8) ここで、F[o(x,y)]:o(x,y)のフーリエ
変換結果G(u,v) :g(x,y)のフーリエ
変換結果 (u,v) :空間周波数座標 つぎに、空間周波数座標上でパワースペクトル|F[o
(x,y)]|2 を求める。
F [o (x, y)] = G (u, v) + G (u, v) exp (ju (a + b)) (8) where F [o (x, y)] : Fourier transform result of o (x, y) G (u, v): Fourier transform result of g (x, y) (u, v): spatial frequency coordinate Next, power spectrum | F [ o
(X, y)] | 2 .

【0027】 |F[o(x,y)]|2 =2|G(u,v)|2 +G(u,v)G* (u,v)exp(ju(a+b)) +G* (u,v)G(u,v)exp(−ju(a+b)) ・・・(9) ついで、このパワースペクトルをフーリエ変換し、変換
結果をi(x′,y′)とすると、以下の数式(10)
が成り立つ。
| F [o (x, y)] | 2 = 2 | G (u, v) | 2 + G (u, v) G * (u, v) exp (ju (a + b)) + G * (u , V) G (u, v) exp (−ju (a + b)) (9) Next, when this power spectrum is Fourier-transformed and the conversion result is i (x ′, y ′), the following equation is obtained. (10)
Holds.

【0028】 i(x′,y′)=2g(x′,y′)★g(x′,y′) +g(x′,y′)★g(x′−a−b,y′) +g(x′,y′)★g(x′+a+b,y′) ・・・(10) ここで、★ :前後の関数の相関演算を示す このi(x′,y′)は、 (x′,y′)=(0,0)、(a+b,0)、(−a−b,0) ・・(12) にピークを有する。b=0である従来の重ね合わせ像で
は、ピーク位置から変位aの符号を決定することはでき
ないが、上記の合同変換相関演算では、|a|<bとし
ているので、例えば数式(12)の第2のピーク位置
は、必ずxの正側に表れる。したがって、xの正側に表
れたピーク位置座標値から値bを減算することにより、
変位aの値の正負を含めて決定できる。更に、測定した
変位aを、第1の時刻と第2の時刻との時間差で除せ
ば、ベクトルとしての速度を求めることができる。な
お、既知の偏位bを施す対象は第1の時刻における2次
元像であっても同様に演算が可能である。
I (x ′, y ′) = 2g (x ′, y ′) g (x ′, y ′) + g (x ′, y ′) ★ g (x′−ab, y ′) + G (x ′, y ′) ★ g (x ′ + a + b, y ′) (10) where: ★: Correlation operation of functions before and after This i (x ′, y ′) is expressed by (x ', Y') = (0, 0), (a + b, 0), (-ab, 0) (12). In the conventional superimposed image in which b = 0, the sign of the displacement a cannot be determined from the peak position, but | a | <b in the above joint conversion correlation calculation. The second peak position always appears on the positive side of x. Therefore, by subtracting the value b from the peak position coordinate value appearing on the positive side of x,
It can be determined including the positive and negative of the value of the displacement a. Furthermore, the velocity as a vector can be obtained by dividing the measured displacement a by the time difference between the first time and the second time. Note that the calculation can be similarly performed even when the target to which the known deviation b is applied is a two-dimensional image at the first time.

【0029】以下、添付図面を参照しながら本発明の実
施例を説明する。なお、図面の説明において同一の要素
には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.

【0030】(第1実施例)図1は、本発明の第1実施
例に係わる変位および変位速度測定装置の構成図であ
る。この装置は、被測定体700に照射するレーザ光を
発生するレーザ光源100と、レーザ光の照射の結果発
生する被測定体700の特徴を反映した2次元像を結像
する結像レンズ系200と、結像した2次元像に一定の
空間的偏位を与える偏位器300と、偏位器300を経
由した2次元像を撮像するCCDカメラ400と、CC
Dカメラ400の撮像画像をモニタするTVセット51
0と、CCDカメラ400の撮像画像をデジタル化して
記録する画像処理装置520と、デジタル化された画像
データに関して合同変換相関演算の実行と、この演算結
果から被測定体700の変位および変位速度を求める計
算機530とから構成される。
(First Embodiment) FIG. 1 is a configuration diagram of a displacement and displacement velocity measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. This apparatus includes a laser light source 100 for generating a laser beam for irradiating the object 700, and an imaging lens system 200 for forming a two-dimensional image reflecting the characteristics of the object 700 generated as a result of the laser beam irradiation. A deflector 300 for giving a fixed spatial deviation to the formed two-dimensional image, a CCD camera 400 for capturing a two-dimensional image via the deflector 300, and a CC
TV set 51 for monitoring a captured image of D camera 400
0, an image processing device 520 for digitizing and recording the image captured by the CCD camera 400, executing a joint conversion correlation operation on the digitized image data, and determining the displacement and the displacement speed of the measured object 700 from the operation result. And a computer 530 to be determined.

【0031】ここで、レーザ光源100は、Ne−He
レーザ101と、このレーザ101が出射したレーザ光
を空間的に広げる凸レンズ102と、このレーザ光の空
間的広がりを制限して透過させるスリット103と、ス
リット103を透過したレーザ光を平行化し被測定体7
00に照射するビームを生成する凸レンズ104とから
なる。また、結像レンズ系200は、被測定体700か
ら、光路上の距離f1の位置に配置された凸レンズ20
1(焦点距離=f1)と、凸レンズ201から光路上の
距離f1の位置に配置されたピンホールスリット202
と、このピンホールスリット202から光路上の距離f
2の位置に配置された凸レンズ203(焦点距離=f2
とからなる。また、偏位器300は、凸レンズ203か
ら光路上の距離f2の位置に配置された偏波面回転素子
である90°ツイストされたTN型液晶パネル302
と、凸レンズ203とTN型液晶パネル302との間に
配置された特定の偏光成分を透過する偏光板301と、
1cm厚の方解石である複屈折板303と、TN型液晶
パネルの駆動装置304とからなる。なお、偏光板30
1を経由し、TN型液晶パネル302で偏波面の回転が
なされず透過した偏光は、複屈折板303の常光とな
り、また、偏光板301を経由し、TN型液晶パネル3
02で偏波面が90°回転して透過した偏光は、複屈折
板303の異常光となるように配置されている。
Here, the laser light source 100 is Ne-He
A laser 101, a convex lens 102 for spatially expanding the laser light emitted by the laser 101, a slit 103 for restricting the spatial spread of the laser light and transmitting the laser light, Body 7
And a convex lens 104 for generating a beam to irradiate 00. In addition, the imaging lens system 200 includes a convex lens 20 disposed at a distance f 1 on the optical path from the measured object 700.
1 (focal length = f 1 ) and a pinhole slit 202 located at a distance f 1 on the optical path from the convex lens 201
And the distance f on the optical path from this pinhole slit 202
Convex lens 203 arranged at position 2 (focal length = f 2 )
Consists of Also, the deflector 300 is a 90 ° twisted TN type liquid crystal panel 302 which is a polarization plane rotating element disposed at a distance f 2 on the optical path from the convex lens 203.
A polarizing plate 301 that transmits a specific polarization component disposed between the convex lens 203 and the TN type liquid crystal panel 302;
It comprises a birefringent plate 303 of 1 cm thick calcite and a driving device 304 for a TN type liquid crystal panel. The polarizing plate 30
1 passes through the TN type liquid crystal panel 302 without rotation of the polarization plane and becomes ordinary light of the birefringent plate 303, passes through the polarizing plate 301, and passes through the TN type liquid crystal panel 3.
The polarized light that has been transmitted by rotating the polarization plane by 90 ° in 02 is arranged to be extraordinary light of the birefringent plate 303.

【0032】レーザ光源100から出射したビームは被
測定体700に入射し、その透過光は結像レンズ系20
0を経由して、偏光板301によって特定の偏光成分の
みが選択的に透過され、偏波面回転素子であるTN型液
晶パネル302に結像される。まず、第1の時刻でレー
ザ光源100をパルス的に点灯させる。この時、駆動装
置304は「ON」状態として、図2(a)に示すよう
に偏波面は回転させずに複屈折板303に入射させる。
この場合、複屈折板303にとって入射光は常光なの
で、入射光は空間的な偏位なしに複屈折板303を透過
する。この状態でCCDカメラ400に像を書き込む。
つぎに、第2の時刻でレーザ光源100をパルス的に点
灯させる。この時には、駆動装置304を「OFF」状
態として、TN型液晶パネルで入射光の偏波面を90°
回転させ、複屈折板303に入射させる。この場合、複
屈折板303にとって入射光は異常光となるので、一定
の空間的偏位が施されて複屈折板303から出射され
る。この空間的な偏位量は、複屈折板303の厚さに比
例するので、高精度で設定することが可能である。な
お、この装置では、複屈折板303として1cm厚の方
解石を使用しているので、偏位量は約1mmとなる。こ
うして偏位を施した像を、第1の時刻に書き込んだ像に
重ね合わせてCCDカメラ400に書き込む。ここで、
二つの像を重ね合わせる二重書き込みは、電子シャッタ
または機械式シャッタを2回動作させたりして行っても
よい。
The beam emitted from the laser light source 100 is incident on the object 700 to be measured, and the transmitted light is transmitted to the imaging lens system 20.
Only the specific polarization component is selectively transmitted by the polarizing plate 301 via 0, and is imaged on the TN type liquid crystal panel 302 which is a polarization plane rotation element. First, the laser light source 100 is turned on at a first time in a pulsed manner. At this time, the driving device 304 is set to the “ON” state, and the polarization plane is incident on the birefringent plate 303 without rotating as shown in FIG.
In this case, since the incident light is ordinary light for the birefringent plate 303, the incident light passes through the birefringent plate 303 without spatial deviation. In this state, an image is written to the CCD camera 400.
Next, at a second time, the laser light source 100 is turned on in a pulsed manner. At this time, the driving device 304 is set to the “OFF” state, and the polarization plane of the incident light is set to 90 ° by the TN type liquid crystal panel.
It is rotated and made incident on the birefringent plate 303. In this case, the incident light becomes extraordinary light with respect to the birefringent plate 303, and is emitted from the birefringent plate 303 after being subjected to a certain spatial deviation. Since this spatial deviation amount is proportional to the thickness of the birefringent plate 303, it can be set with high accuracy. In this apparatus, since calcite having a thickness of 1 cm is used as the birefringent plate 303, the amount of deviation is about 1 mm. The image thus displaced is superimposed on the image written at the first time and written to the CCD camera 400. here,
Double writing for superimposing two images may be performed by operating an electronic shutter or a mechanical shutter twice.

【0033】CCDカメラ400に書き込まれた重ね合
わされた像を、画像処理装置520に取り込み、デジタ
ル化して記録する。計算機530を使用して、このデジ
タル化画像データに対してフーリエ変換を行い、空間周
波数座標におけるパワースペクトルを得る。再び計算機
530を使用して、この空間周波数座標におけるパワー
スペクトルに対してフーリエ変換を行い自己相関関数を
得る。この自己相関関数の各空間座標での値を計算し、
原点以外でピークとなる正の値の座標値を求める。こう
して求めた座標値から、意図的に施した偏位を減算し
て、被測定体の第1の時刻と第2の時刻との間に生じた
変位を、変位の向きを含めて計算する。こうして求めた
変位を、第1の時刻と第2の時刻との時間差で除すこと
により変位速度を計算する。なお、被測定体の変位を繰
り返し測定することにより、変位加速度を計算すること
も可能である。
The superimposed image written in the CCD camera 400 is taken into the image processing device 520, digitized and recorded. Using the computer 530, Fourier transform is performed on the digitized image data to obtain a power spectrum in spatial frequency coordinates. Using the computer 530 again, a Fourier transform is performed on the power spectrum at this spatial frequency coordinate to obtain an autocorrelation function. Calculate the value of this autocorrelation function at each spatial coordinate,
Find the coordinate value of a positive value that becomes a peak other than the origin. The displacement intentionally applied is subtracted from the coordinate values thus obtained, and the displacement of the measured object between the first time and the second time is calculated including the direction of the displacement. The displacement speed is calculated by dividing the displacement thus obtained by the time difference between the first time and the second time. The displacement acceleration can be calculated by repeatedly measuring the displacement of the object to be measured.

【0034】(第2実施例)この実施例の装置は、偏位
器300の構成を除いて第1実施例と同様に構成され
る。図3(a)は、第2実施例の偏位器300の構成を
示す。この偏位器300は、図1に示した凸レンズ20
3から出射される光を反射する回転可能な反射素子31
1と、反射素子311の反射面の方向を制御するピエゾ
素子からなる反射素子制御器312とから構成され、反
射素子311で反射された光は、図1に示すCCDカメ
ラ400の撮像面上で結像するように配置されている。
第1の時刻における反射素子311の反射面の方向と、
第2の時刻における反射素子311の反射面の方向と
を、反射方向制御器によって変化させることにより、一
定の空間的偏位を第1の時刻の2次元像と第2の時刻の
2次元像との間で相対的に施すことを実現している。こ
の実施例の装置では、偏位器300の動作以外は、第1
実施例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定
する。なお、反射素子311の空間的な位置を変化させ
て偏位を与えてもよい。
(Second Embodiment) The apparatus of this embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the configuration of the deflector 300. FIG. 3A shows the configuration of the deflector 300 according to the second embodiment. This deflector 300 is the same as the convex lens 20 shown in FIG.
Rotatable reflective element 31 for reflecting light emitted from 3
1 and a reflective element controller 312 composed of a piezo element for controlling the direction of the reflective surface of the reflective element 311. The light reflected by the reflective element 311 is reflected on the imaging surface of the CCD camera 400 shown in FIG. It is arranged to form an image.
The direction of the reflecting surface of the reflecting element 311 at the first time;
By changing the direction of the reflecting surface of the reflecting element 311 at the second time by the reflection direction controller, a constant spatial deviation can be obtained by a two-dimensional image at the first time and a two-dimensional image at the second time. And the relative application is realized. In the device of this embodiment, except for the operation of the deflector 300, the first
The operation is performed in exactly the same manner as in the example, and the displacement and the displacement speed are measured. Note that the displacement may be given by changing the spatial position of the reflection element 311.

【0035】(第3実施例)この実施例の装置は、偏位
器300の構成を除いて第1実施例と同様に構成され
る。図3(b)は、第3実施例の偏位器300の構成を
示す。この偏位器300は、図1に示した凸レンズ20
3から出射される光を屈折させる屈折率が空気とは異な
るプリズム状の回転可能な透過素子321と、透過素子
321の受光面の方向を制御するピエゾ素子からなる受
光方向制御器322とから構成され、透過素子321を
透過した光は、図1に示すCCDカメラ400の撮像面
上で結像するように配置されている。第1の時刻におけ
る透過素子321の受光面の方向と、第2の時刻におけ
る透過素子321の受光面の方向とを、受光方向制御器
によって変化させ光路を変更することにより、一定の空
間的偏位を第1の時刻の2次元像と第2の時刻の2次元
像との間で相対的に施すことを実現している。この実施
例の装置では、偏位器300の動作以外は、第1実施例
と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定する。
なお、光路にほぼ垂直な方向に対する光透過素子321
の位置を変化させて偏位を与えてもよい。
(Third Embodiment) The apparatus of this embodiment is configured in the same manner as the first embodiment except for the configuration of the deflector 300. FIG. 3B shows the configuration of the deflector 300 according to the third embodiment. This deflector 300 is the same as the convex lens 20 shown in FIG.
A rotatable transmission element 321 having a refractive index different from that of air for refracting light emitted from the light transmission element 3 and a light reception direction controller 322 composed of a piezo element for controlling the direction of the light receiving surface of the transmission element 321. The light transmitted through the transmission element 321 is arranged so as to form an image on the imaging surface of the CCD camera 400 shown in FIG. By changing the optical path by changing the direction of the light receiving surface of the transmission element 321 at the first time and the direction of the light receiving surface of the transmission element 321 at the second time by the light receiving direction controller, a certain spatial deviation is obtained. It is realized that the position is relatively assigned between the two-dimensional image at the first time and the two-dimensional image at the second time. The apparatus of this embodiment operates exactly the same as the first embodiment except for the operation of the deflector 300, and measures the displacement and the displacement speed.
The light transmitting element 321 in a direction substantially perpendicular to the optical path
May be changed to change the position.

【0036】(第4実施例)この実施例の装置は、偏位
器300の構成を除いて第1実施例と同様に構成され
る。図3(c)は、第4実施例の偏位器300の構成を
示す。この偏位器300は、撮像素子450の位置を空
間的に変化させる、ピエゾ素子からなる平行移動制御器
332である。図1に示す凸レンズ203の出射する光
は、撮像素子450上で結像するが、平行移動制御器3
32を使用して、第1の時刻における撮像素子450の
空間的位置と第2の時刻における撮像素子450の空間
的位置とを撮像面と平行に変更することにより、一定の
空間的偏位を第1の時刻の2次元像と第2の時刻の2次
元像との間で相対的に施すことを実現している。この実
施例の装置では、偏位器300の動作以外は、第1実施
例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定す
る。
(Fourth Embodiment) The apparatus of this embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the configuration of the deflector 300. FIG. 3C shows the configuration of the deflector 300 according to the fourth embodiment. The deflector 300 is a parallel movement controller 332 made of a piezo element that spatially changes the position of the imaging element 450. The light emitted from the convex lens 203 shown in FIG. 1 forms an image on the image sensor 450,
32, the spatial position of the image sensor 450 at the first time and the spatial position of the image sensor 450 at the second time are changed in parallel to the imaging surface, so that a certain spatial deviation is obtained. The relative application is realized between the two-dimensional image at the first time and the two-dimensional image at the second time. The apparatus of this embodiment operates exactly the same as the first embodiment except for the operation of the deflector 300, and measures the displacement and the displacement speed.

【0037】(第5実施例)この実施例の装置は、偏位
器300の構成を除いて第1実施例と同様に構成され
る。図4(a)は、第5実施例の偏位器300の構成を
示す。この偏位器300は、図1に示す凸レンズ203
の出射する光の結像位置に配置された光電面341と、
光電面341から放出された電子を一定の方向へ加速す
る加速電極342と、加速された電子を集束させる電子
レンズ343と、電子像を結像させる蛍光面344と、
電子レンズ343と蛍光面344との間に電子の加速方
向と垂直方向に電界を発生させる偏向電極対345と、
偏向電極対345間の電界強度を制御する可変電圧源3
65と、光電面341から蛍光面344までの電子の飛
行経路を略真空とするための密閉型容器349とから構
成される。図1に示すCCDカメラは、蛍光面344に
結像した像を書き込む。
(Fifth Embodiment) The apparatus of this embodiment is configured in the same manner as the first embodiment except for the configuration of the deflector 300. FIG. 4A shows the configuration of the deflector 300 according to the fifth embodiment. This deflector 300 is provided with a convex lens 203 shown in FIG.
A photocathode 341 arranged at an imaging position of light emitted from
An accelerating electrode 342 for accelerating electrons emitted from the photocathode 341 in a certain direction, an electron lens 343 for converging the accelerated electrons, and a fluorescent screen 344 for forming an electron image.
A deflection electrode pair 345 for generating an electric field between the electron lens 343 and the phosphor screen 344 in a direction perpendicular to the electron acceleration direction;
Variable voltage source 3 for controlling electric field strength between deflection electrode pair 345
65 and a closed container 349 for making the flight path of electrons from the photoelectric surface 341 to the fluorescent surface 344 substantially vacuum. The CCD camera shown in FIG. 1 writes an image formed on the phosphor screen 344.

【0038】第1の時刻では、可変電圧源346が偏向
電極対345間に印加する電圧を0とし、電界を発生さ
せず電子を直進させる。第2の時刻では偏向電極対34
5間に蛍光面344に結像する像に一定の空間的偏位を
与える電界を発生させる電圧を印加する。こうして、一
定の空間的偏位を第1の時刻の2次元像と第2の時刻の
2次元像との間で相対的に施すことを実現している。こ
の実施例の装置では、偏位器300の動作以外は、第1
実施例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定
する。この実施例の装置では、第1〜第4実施例の装置
に比べて、高速に偏位を与えることができる。
At the first time, the voltage applied by the variable voltage source 346 between the pair of deflection electrodes 345 is set to 0, and the electrons travel straight without generating an electric field. At the second time, the deflection electrode pair 34
A voltage for generating an electric field that gives a certain spatial deviation to the image formed on the phosphor screen 344 during the period 5 is applied. In this way, it is possible to implement a constant spatial deviation relatively between the two-dimensional image at the first time and the two-dimensional image at the second time. In the device of this embodiment, except for the operation of the deflector 300, the first
The operation is performed in exactly the same manner as in the example, and the displacement and the displacement speed are measured. In the device of this embodiment, deviation can be given at a higher speed than in the devices of the first to fourth embodiments.

【0039】(第6実施例)この実施例の装置は、偏位
器300の構成を除いて第1実施例と同様に構成され
る。図4(b)は、第6実施例の偏位器300の構成を
示す。この偏位器300は、図1に示す凸レンズ203
の出射する光の結像位置に配置された光電面341と、
光電面341から放出された電子を一定の方向へ加速す
る加速電極342と、加速された電子を集束させる電子
レンズ343と、電子像を結像させる蛍光面344と、
電子レンズ343と蛍光面344との間に電子の加速方
向と垂直方向に磁界を発生させる偏向コイル347と、
磁界強度を制御する可変電流源348と、光電面341
から蛍光面344までの電子の飛行経路を略真空とする
ための密閉型容器349とから構成される。図1に示す
CCDカメラは、蛍光面344に結像した像を書き込
む。
(Sixth Embodiment) The apparatus of this embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the configuration of the deflector 300. FIG. 4B shows the configuration of the deflector 300 according to the sixth embodiment. This deflector 300 is provided with a convex lens 203 shown in FIG.
A photocathode 341 arranged at an imaging position of light emitted from
An accelerating electrode 342 for accelerating electrons emitted from the photocathode 341 in a certain direction, an electron lens 343 for converging the accelerated electrons, and a fluorescent screen 344 for forming an electron image.
A deflection coil 347 that generates a magnetic field between the electron lens 343 and the phosphor screen 344 in a direction perpendicular to the electron acceleration direction;
A variable current source 348 for controlling the magnetic field strength;
And a hermetically sealed container 349 for making the flight path of the electrons from the to the fluorescent screen 344 substantially vacuum. The CCD camera shown in FIG. 1 writes an image formed on the phosphor screen 344.

【0040】第1の時刻では、可変電流源348が偏向
コイル347供給する電流を0とし、磁界を発生させず
電子を直進させる。第2の時刻では偏向コイル347に
蛍光面344に結像する像に一定の空間的偏位を与える
磁界を発生させるための電流を供給する。こうして、一
定の空間的偏位を第1の時刻の2次元像と第2の時刻の
2次元像との間で相対的に施すことを実現している。こ
の実施例の装置では、偏位器300の動作以外は、第1
実施例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定
する。この実施例の装置では、第5実施例の装置と同様
に、第1〜第4実施例の装置に比べて、高速に偏位を与
えることができる。
At the first time, the current supplied from the variable current source 348 to the deflection coil 347 is set to 0, and the electrons travel straight without generating a magnetic field. At the second time, a current is supplied to the deflection coil 347 to generate a magnetic field that gives a certain spatial deviation to the image formed on the fluorescent screen 344. In this way, it is possible to implement a constant spatial deviation relatively between the two-dimensional image at the first time and the two-dimensional image at the second time. In the device of this embodiment, except for the operation of the deflector 300, the first
The operation is performed in exactly the same manner as in the example, and the displacement and the displacement speed are measured. In the device of this embodiment, similarly to the device of the fifth embodiment, the deviation can be given at a higher speed than in the devices of the first to fourth embodiments.

【0041】(第7実施例)図5は、本発明の第7実施
例に係わる変位および変位速度測定装置の構成図であ
る。この装置は、被測定体700に照射するレーザ光を
発生するレーザ光源100と、レーザ光の照射の結果発
生する被測定体700の特徴を反映した2次元像を結像
する結像レンズ系200と、結像した2次元像を撮像す
るCCDカメラ400と、CCDカメラ400の撮像画
像をモニタするTVセット510と、CCDカメラ40
0の撮像画像をデジタル化し、偏位を与え、二つの画像
を重ね合わせる画像処理装置520と、デジタル化され
た画像データに関して合同変換相関演算の実行と、この
演算結果から被測定体700の変位および変位速度を求
める計算機530とから構成される。
(Seventh Embodiment) FIG. 5 is a block diagram of a displacement and displacement velocity measuring device according to a seventh embodiment of the present invention. This apparatus includes a laser light source 100 for generating a laser beam for irradiating the object 700, and an imaging lens system 200 for forming a two-dimensional image reflecting the characteristics of the object 700 generated as a result of the laser beam irradiation. A CCD camera 400 that captures a formed two-dimensional image; a TV set 510 that monitors an image captured by the CCD camera 400;
The image processing device 520 digitizes the captured image of 0, gives a deviation, and superimposes the two images, executes the joint conversion correlation operation on the digitized image data, and calculates the displacement of the measured object 700 based on the operation result. And a calculator 530 for calculating the displacement speed.

【0042】ここで、レーザ光源100および結像レン
ズ系200は、第1実施例と同様に構成される。凸レン
ズ230から光路上の距離f2 の距離に、CCDカメラ
400の撮像面が配置されている。また、画像処理装置
520は、図6に示すようにCCDカメラ400の撮像
データの読み出し制御回路521と、CCDカメラ40
0から読み出された画素データ信号をデジタル化するA
/D変換器522と、画素データを格納するメモリ52
3と、メモリ523のアクセスアドレスを生成するアド
レス生成器524と、アドレス生成器524の指定する
メモリアドレスに格納されているデータ値とCCDカメ
ラ400から読み出された画素データ値を加算する加算
器525と、加算結果を計算機530へ転送する計算機
インタフェース526とから構成されている。
Here, the laser light source 100 and the imaging lens system 200 are configured in the same manner as in the first embodiment. A convex lens 230 at a distance of the distance f 2 of the optical path, the imaging surface of the CCD camera 400 is disposed. As shown in FIG. 6, the image processing device 520 includes a readout control circuit 521 for image data of the CCD camera 400 and a CCD camera 40.
A for digitizing the pixel data signal read from 0
/ D converter 522 and memory 52 for storing pixel data
3, an address generator 524 for generating an access address of the memory 523, and an adder for adding the data value stored in the memory address designated by the address generator 524 to the pixel data value read from the CCD camera 400. 525 and a computer interface 526 for transferring the addition result to the computer 530.

【0043】第1の時刻に撮像された像は、読み出し制
御回路521の指示によりCCDカメラ400から各画
素データが順次読み出され、メモリ523に格納され
る。第2の時刻に撮像された像も、読み出し制御回路5
21の指示によりCCDカメラ400から画素データが
読み出され加算器525に入力される。同時に、その画
素位置に一定の空間的偏位を与えた位置に対応するメモ
リアドレスがアドレス生成器524で生成され、メモリ
の該当アドレス位置に格納されていたデータが加算器5
25に入力される。この加算結果は、第1の時刻に撮像
した像に空間的偏位を与えた像と第2の時刻に撮像した
像とを重ねあわせた像の画素データであり、計算機イン
タフェース526を介して計算機530へ転送される。
このCCDカメラ400からの画素データの読み出し、
重ね合わせ、計算機530への転送をを順次実行するこ
とにより、計算機530は重ね合わせ画像の各画素デー
タを入力する。以降、計算機530は、第1実施例で説
明したように合同変換相関演算を実施し、相関値がピー
クとなる座標値を求め、次いで変位および変位速度を計
算する。
From the image picked up at the first time, each pixel data is sequentially read from the CCD camera 400 in accordance with the instruction of the read control circuit 521 and stored in the memory 523. The image captured at the second time is also read by the read control circuit 5.
The pixel data is read from the CCD camera 400 according to the instruction of 21 and input to the adder 525. At the same time, a memory address corresponding to a position where a certain spatial deviation is given to the pixel position is generated by the address generator 524, and the data stored in the corresponding address position of the memory is added to the adder 5
25. The result of this addition is pixel data of an image obtained by superimposing an image obtained by giving a spatial deviation to the image taken at the first time and an image taken at the second time. 530.
Reading of pixel data from the CCD camera 400,
By sequentially performing the superposition and the transfer to the computer 530, the computer 530 inputs each pixel data of the superimposed image. Thereafter, the computer 530 performs the joint conversion correlation operation as described in the first embodiment, obtains the coordinate value at which the correlation value becomes a peak, and then calculates the displacement and the displacement speed.

【0044】この装置では、偏位の付与をアドレス生成
器524を使用して行ったが、CCDカメラ400から
の画像データ読み出し時に読み出しのための水平もしく
は垂直パルスを調整して偏位を与えてもよい。また、C
CDカメラの代わりに、イメージディセクタあるいはビ
ジコンなどを使用し、読み出し時に走査電極もしくは走
査コイルに加えるバイアスを調整してもよい。
In this apparatus, the deviation is given by using the address generator 524. When the image data is read from the CCD camera 400, the deviation is given by adjusting the horizontal or vertical pulse for reading. Is also good. Also, C
Instead of a CD camera, an image dissector or a vidicon may be used to adjust the bias applied to the scan electrode or scan coil during reading.

【0045】(第8実施例)図7は、本発明の第8実施
例に係わる変位および変位速度測定装置の構成図であ
る。この装置は、被測定体700に照射するレーザ光を
発生するレーザ光源100と、レーザ光の照射の結果発
生する被測定体700の特徴を反映した2次元像を結像
する結像レンズ系200と、結像した2次元像に一定の
空間的偏位を与える偏位器300と、偏位器300を経
由した2次元像を書き込む空間光変調器410と、空間
光変調器410に結像した像をフーリエ変換する光学的
フーリエ変換器610と、このフーリエ変換結果を結像
する空間光変調器420と、空間光変調器420に結像
した像をフーリエ変換する光学的フーリエ変換器620
と、このフーリエ変換結果を撮像するCCDカメラ40
0と、CCDカメラ400の撮像画像をデジタル化して
記録する画像処理装置520と、デジタル化された画像
データにから被測定体700の変位および変位速度を求
める計算機530とから構成される。
(Eighth Embodiment) FIG. 7 is a block diagram of a displacement and displacement velocity measuring apparatus according to an eighth embodiment of the present invention. This apparatus includes a laser light source 100 for generating a laser beam for irradiating the object 700, and an imaging lens system 200 for forming a two-dimensional image reflecting the characteristics of the object 700 generated as a result of the laser beam irradiation. , A deflector 300 for giving a fixed spatial deviation to the formed two-dimensional image, a spatial light modulator 410 for writing a two-dimensional image via the deflector 300, and an image on the spatial light modulator 410 Fourier transformer 610 for performing Fourier transform on the formed image, spatial light modulator 420 for forming an image of the Fourier transform result, and optical Fourier transformer 620 for performing Fourier transform on the image formed on spatial light modulator 420
And a CCD camera 40 for imaging the result of the Fourier transform.
0, an image processing device 520 for digitizing and recording the image captured by the CCD camera 400, and a calculator 530 for obtaining the displacement and the displacement speed of the measured object 700 from the digitized image data.

【0046】ここで、レーザ光源100、結像レンズ系
200、および偏位器300は、第1実施例と同様の構
成からなる。光学的フーリエ変換器610は、空間光変
調器410に結像した像の読み出し光を出射するレーザ
光源611と、読み出し光を空間光変調器410の結像
面に照射するハーフミラー612と、フーリエ変換レン
ズ613とからなる。また、光学的フーリエ変換器62
0は、空間光変調器420に結像した像の読み出し光を
出射するレーザ光源621と、読み出し光を空間光変調
器410の結像面に照射するハーフミラー622と、フ
ーリエ変換レンズ623とからなる。
Here, the laser light source 100, the imaging lens system 200, and the deflector 300 have the same configuration as in the first embodiment. The optical Fourier transformer 610 includes a laser light source 611 that emits readout light of an image formed on the spatial light modulator 410, a half mirror 612 that irradiates the readout light onto an image forming surface of the spatial light modulator 410, And a conversion lens 613. Also, the optical Fourier transformer 62
0 denotes a laser light source 621 that emits readout light of an image formed on the spatial light modulator 420, a half mirror 622 that irradiates the readout light to the image forming surface of the spatial light modulator 410, and a Fourier transform lens 623. Become.

【0047】第1実施例と同様に、レーザ光源100、
結像レンズ系200、および偏位器300は動作し、空
間光変調器410には重ね合わされた像が書き込まれ
る。つぎに、この空間光変調器410に書き込まれた像
を光学的フーリエ変換器610で、読み出しおよびフー
リエ変換を施して、その結果である空間周波数座標にお
けるパワースペクトル像を空間光変調器420に結像さ
せ、空間光変調器420に書き込む。ついで、この空間
光変調器420に書き込まれた像を光学的フーリエ変換
器620で、読み出しおよびフーリエ変換を施して、そ
の結果である空間座標における相関関数像をCCDカメ
ラ400の撮像面に結像させ、CCDカメラ400に書
き込む。このCCDカメラ400に書き込まれた像は、
既に合同変換相関演算の終了した結果である。
As in the first embodiment, the laser light source 100,
The imaging lens system 200 and the deflector 300 operate, and the superimposed image is written on the spatial light modulator 410. Next, the image written in the spatial light modulator 410 is read out and Fourier transformed by the optical Fourier transformer 610, and the resulting power spectrum image in the spatial frequency coordinate is formed in the spatial light modulator 420. The image is written to the spatial light modulator 420. Next, the image written in the spatial light modulator 420 is read out and Fourier-transformed by the optical Fourier transformer 620, and the resulting correlation function image in spatial coordinates is formed on the imaging surface of the CCD camera 400. Then, the data is written to the CCD camera 400. The image written in the CCD camera 400 is
This is the result of the joint conversion correlation operation already completed.

【0048】合同変換演算の結果の像をCCDカメラ4
00から、画像処理装置520にデジタル化して取り込
み、このデジタル画像データを使用して、計算機530
で相関値がピークとなる座標値から意図的に与えた偏位
値を減算して被測定体の変位量および変位の向きを求め
る。こうして求めた変位を、第1の時刻と第2の時刻と
の時間差で除すことにより変位速度を計算する。なお、
被測定体の変位を繰り返し測定することにより、変位加
速度を計算することも第1実施例と同様に可能である。
この装置は、合同変換相関演算である各点に対するフ
ーリエ変換を光学的に実施するので演算速度ひいては測
定速度が、上記第1〜7実施例に比べて飛躍的に高速で
ある。また、CCDカメラ400の替りに重心位置検出
素子PSDを用いると走査検出する必要が無いので、更
に高速化が達成できる。なお、第1実施例に関する第2
〜6実施例のような偏位器300の変更は、この実施例
でも可能である。
The image of the result of the joint conversion operation is stored in the CCD camera 4
00 and digitized by the image processing device 520, and the digital image data is used by the computer 530.
Then, the displacement value and the direction of the displacement of the measured object are obtained by subtracting the deviation value intentionally given from the coordinate value at which the correlation value becomes a peak. The displacement speed is calculated by dividing the displacement thus obtained by the time difference between the first time and the second time. In addition,
The displacement acceleration can be calculated by repeatedly measuring the displacement of the object to be measured, similarly to the first embodiment.
Since this apparatus optically executes Fourier transform for each point, which is a joint transform correlation operation, the operation speed and thus the measurement speed are significantly higher than those in the first to seventh embodiments. In addition, if the center-of-gravity position detection element PSD is used instead of the CCD camera 400, there is no need to perform scanning detection, so that higher speed can be achieved. Note that the second embodiment related to the first embodiment
Modifications of the deflector 300 as in the sixth to sixth embodiments are also possible in this embodiment.

【0049】[0049]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明の変
位および変位速度測定装置によれば、被測定体の特徴を
反映した第1の時刻の2次元像と第2の時刻の2次元像
を撮像するにあたって、第2の時刻の2次元像に、絶対
値が第1の時刻と第2の時刻との間の被測定体の変位量
の絶対値よりも大きく設定された既知の量の偏位を施し
て撮像することにしたので、この重ね合わせた像に合同
変換相関の演算を施し、2つの画像の相関を調べ、相関
値がピークとなる位置を求め、このピーク位置から上記
の既知の偏位量を補正することにより、変位量および変
位の向きを高速に測定できる。また、測定した変位量
を、第1の時刻と第2の時刻との時間差で除すことによ
り変位速度の絶対値を演算し、測定済みの変位の向きと
合わせてベクトルとしての速度を高速に決定することが
できる。
As described above in detail, according to the displacement and displacement velocity measuring apparatus of the present invention, the two-dimensional image at the first time and the two-dimensional image at the second time reflecting the characteristics of the object to be measured. When capturing an image, a known amount whose absolute value is set to be larger than the absolute value of the displacement amount of the measured object between the first time and the second time in the two-dimensional image at the second time Therefore, the superimposed image is subjected to the calculation of the joint conversion correlation, the correlation between the two images is checked, and the position where the correlation value becomes a peak is obtained. By correcting the known amount of deviation, the amount of displacement and the direction of the displacement can be measured at high speed. Further, the absolute value of the displacement speed is calculated by dividing the measured displacement amount by the time difference between the first time and the second time, and the speed as a vector is increased at a high speed together with the direction of the measured displacement. Can be determined.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施例の変位および変位速度測定
装置の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a displacement and displacement velocity measuring device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施例の変位および変位速度測定
装置の偏位器部の動作説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of an operation of a deflection unit of the displacement and displacement velocity measuring device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2〜4実施例の変位および変位速度
測定装置の偏位器部の構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram of a deflection unit of a displacement and displacement velocity measuring device according to second to fourth embodiments of the present invention.

【図4】本発明の第5、6実施例の変位および変位速度
測定装置の偏位器部の構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram of a deflection unit of a displacement and displacement velocity measuring device according to fifth and sixth embodiments of the present invention.

【図5】本発明の第7実施例の変位および変位速度測定
装置の構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram of a displacement and displacement velocity measuring device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第7実施例の変位および変位速度測定
装置の偏位・画像重ね合わせ部の構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram of a displacement / image superposition unit of a displacement and displacement velocity measuring device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第8実施例の変位および変位速度測定
装置の構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram of a displacement and displacement velocity measuring device according to an eighth embodiment of the present invention.

【図8】従来のスペックル二重露光法の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of a conventional speckle double exposure method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100…レーザ光源、200…結像レンズ系、300…
偏位器、400…CCDカメラ、510…TVモニタ、
520…画像処理装置、530…計算機、610,62
0…光学的フーリエ変換器、700…被測定体。
100 laser light source 200 imaging lens system 300
Deflector, 400: CCD camera, 510: TV monitor,
520: Image processing device, 530: Computer, 610, 62
0: optical Fourier transformer, 700: object to be measured.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−204312(JP,A) 特開 昭60−31677(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01P 1/00 - 3/80 G02B 26/00 - 26/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-4-204312 (JP, A) JP-A-60-31677 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 11/00-11/30 102 G01P 1/00-3/80 G02B 26/00-26/08

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 レーザ光源と、 前記レーザ光源が出射するレーザ光の被測定体の照射に
よって生じる前記被測定体の特性を反映する2次元光像
に、空間的に一様な第1の量および第2の量の偏位を選
択的に施す偏位手段と、 前記第1の量の偏位を施した第1の時刻における前記2
次元光像と、前記第2の量の偏位を施した前記第2の時
刻における前記2次元光像と、を重ね合わせた像を記録
する撮像装置と、 前記撮像装置に記録された光像に対して合同変換相関演
算を施す演算装置と、を含んで構成され、 前記第1の量の偏位量と第2の量の偏位量の差の絶対値
が、前記第1の時刻と第2の時刻との間の前記被測定体
の変位量の絶対値よりも大きく設定され、 前記演算装置の演算結果から、前記被測定体の前記第1
の時刻と前記第2の時刻との間に発生した変位と、前記
第1の時刻と前記第2の時刻との間の平均変位速度を求
めることを特徴とする変位および変位速度測定装置。
1. A spatially uniform first amount in a laser light source and a two-dimensional optical image reflecting characteristics of the object to be measured generated by irradiating the object with laser light emitted from the laser light source. And a deviation means for selectively applying a second amount of deviation, and the second means at a first time at which the first amount of deviation is applied.
An imaging device that records an image obtained by superimposing a two-dimensional optical image and the two-dimensional optical image at the second time at which the second amount of deflection has been performed, and an optical image recorded in the imaging device And a computing device that performs a joint transform correlation operation on the first time and the second time, wherein the absolute value of the difference between the first amount of deviation and the second amount of deviation is equal to the first time and The absolute value of the displacement amount of the measured object between the second time and the second time is set to be larger than the absolute value of the displacement amount of the measured object.
A displacement generated between the second time and the second time, and an average displacement speed between the first time and the second time.
【請求項2】 前記2次元光像は、レーザ光を照射され
た物体での反射光および透過光のいずれか一方によって
得られるスペックルパターンであることを特徴とする請
求項1記載の変位および変位速度測定装置。
2. The apparatus according to claim 1, wherein the two-dimensional light image is a speckle pattern obtained by one of reflected light and transmitted light from an object irradiated with the laser light. Displacement velocity measuring device.
【請求項3】 前記第1の量の偏位の実施は、実質的に
偏位を施さないことと同一であることを特徴とする請求
項1記載の変位および変位速度測定装置。
3. The displacement and displacement velocity measurement device according to claim 1, wherein performing the first amount of deflection is substantially the same as not performing the deflection.
【請求項4】 前記偏位手段は、 前記被測定体の特徴を反映した情報を担った光を受光
し、ほぼ特定偏光方向の直線偏光成分のみを射出する偏
光板と、 前記偏光板を介して到達した直線偏光受光し、偏光方向
の回転不実施および90°回転実施のいずれか一方を選
択的に行う偏波面回転素子と、 前記偏波面回転素子を回転不実施および90°回転実施
のいずれか一方の動作モードに設定する偏波面回転制御
器と、 前記偏波面回転素子を介した直線偏光を受光し、偏光方
向によって光路を変化させる複屈折板と、 から構成されることを特徴とする請求項1記載の変位お
よび変位速度測定装置。
4. The polarizing means receives light carrying information reflecting characteristics of the measured object, and emits only a linearly polarized light component having a substantially specific polarization direction. A polarization plane rotation element that receives linearly polarized light that has arrived and selectively performs one of non-rotation and non-rotation of the polarization direction, and one of non-rotation and non-rotation of the polarization plane rotation element. A polarization plane rotation controller for setting one of the operation modes, and a birefringent plate for receiving linearly polarized light via the polarization plane rotation element and changing an optical path according to a polarization direction. The displacement and displacement velocity measuring device according to claim 1.
【請求項5】 前記演算装置は、デジタル計算機であ
り、前記撮像装置の撮像した重ね合わせ画像をデジタル
化した後、合同変換相関演算を施すことを特徴とする請
求項1記載の変位および変位速度測定装置。
5. The displacement and displacement velocity according to claim 1, wherein the arithmetic unit is a digital computer, and performs a joint conversion correlation operation after digitizing the superimposed image captured by the imaging device. measuring device.
【請求項6】 前記演算装置は、 前記重ね合わされた像をフーリエ変換する第1のフーリ
エ変換レンズと、 前記第1のフーリエ変換レンズの第1の結像装置と、 前記第1の結像装置の結像画像をフーリエ変換する第2
のフーリエ変換レンズと、 前記第2のフーリエ変換レンズの第2の結像装置と、 から構成され、光学的に合同変換相関演算を施すことを
特徴とする請求項1記載の変位および変位速度測定装
置。
6. A first Fourier transform lens for Fourier transforming the superimposed image, a first imaging device of the first Fourier transform lens, and the first imaging device. Of the Fourier transform of the image formed by
The displacement and displacement velocity measurement according to claim 1, comprising: a Fourier transform lens of (1), and a second imaging device of the second Fourier transform lens, and optically performing a joint transform correlation operation. apparatus.
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