JPH03237303A - Measuring head structure for speckle length measuring instrument - Google Patents

Measuring head structure for speckle length measuring instrument

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JPH03237303A
JPH03237303A JP3330690A JP3330690A JPH03237303A JP H03237303 A JPH03237303 A JP H03237303A JP 3330690 A JP3330690 A JP 3330690A JP 3330690 A JP3330690 A JP 3330690A JP H03237303 A JPH03237303 A JP H03237303A
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laser beam
semiconductor laser
laser
temperature
collimator lens
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Yuuji Akishiba
雄二 秋柴
Makoto Hirai
誠 平井
Takanori Imayado
今宿 孝則
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Abstract

PURPOSE:To hole the measurement sensitivity constant even if the distance between a measuring head and an object body s different by providing a window where the laser beam from a collimator lens should be projected in a casing and arranging an image sensor opposite the window. CONSTITUTION:A semiconductor laser 21, the collimator lens 25, and a tempera ture sensor 6 are stored in a temperature control housing 22 and an electronic cooling device 3 is installed in contact with the housing 22 to hold not only the laser 21, but also the lens 25 accurately at constant temperature, so that there is no focal length, etc., even when a plastic lens 25 is used. Further, even when the temperature of a measurement atmosphere drops, the temperature in the casing 10 is held proper and the lens 25 is prevented from clouding owing to dew condensation. Then the interval between the laser 21 and lens 25 is so adjusted and set as to obtain a parallel beam as the laser beam projected from the lens 25, and then the measurement sensitivity can be held constant irrelevantly to the distance between the measuring head 1 and object body.

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利用して、物体の移
動量を測定するスペックル測長計の構造に関するもので
ある。
Detailed Description of the Invention (Industrial Application Field) The present invention relates to a speckle length measuring device that measures the amount of movement of an object by using a speckle pattern generated by diffused light from the surface of an object irradiated with laser light. It is related to the structure of

(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観察し、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方法が知られている(例えば朝食書
店発行「光学的測定ハンドブック」第234頁乃至24
5頁)。
(Prior Art) Conventionally, a target object is irradiated with a laser beam emitted from a semiconductor laser, and the speckle pattern generated by the diffused light from the object surface is observed, and the speckle pattern caused by movement, deformation, etc. of the object is observed. The amount of movement of the object based on the change,
Methods for measuring the amount of deformation, etc. are known (for example, "Optical Measurement Handbook" published by Shokusen Shoten, pp. 234-24).
(page 5).

ところで、映像処理の技術分野で従来の撮像管に代るイ
メージセンサ−として、高い分解能を発揮するCODが
実用化されており、このCODをスペックルパターン検
出センサーとして応用することによって、高精度の測定
が可能となっている。
By the way, in the technical field of video processing, COD, which exhibits high resolution, has been put into practical use as an image sensor that replaces conventional image pickup tubes, and by applying this COD as a speckle pattern detection sensor, it is possible to achieve high precision. Measurement is possible.

(解決しようとする課@) しかしながら、従来は、上記測定方法の原理及び基本的
な機器構成のみが明らかになっているに過ぎず、具体的
な機器の配置、測定精度を上げるための細部の構造等に
ついては、未だ十分に研究されておらず、実用化には至
っていない。
(Question to be solved @) However, until now, only the principle of the above measurement method and the basic equipment configuration have been clarified, and only the specific arrangement of equipment and details to improve measurement accuracy have been clarified. The structure, etc., has not yet been sufficiently researched, and it has not yet been put into practical use.

例えば物体の移動量を測定するためのスペックル測長計
を実用化する場合、半導体レーザ、コリメータレンズ、
イメージセンサ−等の構成部品を精度良く設置する必要
があるが、従来はこれらの部品を夫々独立に位置決めし
ていたから、精度の高い位置決めが困難であった。又、
半導体レーザを設置する場所によっては温度変化が激し
く、これによって半導体レーザがモードホップを起こし
て、同一のレーザ照射面におけるスペックルパターンの
同一性を維持出来なくなる問題がある。更に又、イメー
ジセンサ−に対してレーザ光以外の外乱光が入射するこ
とによって、測定精度が悪化する虞れがある。
For example, when putting a speckle length meter into practical use to measure the amount of movement of an object, a semiconductor laser, a collimator lens,
It is necessary to install component parts such as an image sensor with high precision, but in the past, these parts were positioned independently, making it difficult to position them with high precision. or,
Depending on the location where the semiconductor laser is installed, temperature changes may be severe, and this may cause mode hopping in the semiconductor laser, resulting in a problem in which the sameness of the speckle pattern on the same laser irradiation surface cannot be maintained. Furthermore, measurement accuracy may deteriorate due to disturbance light other than laser light entering the image sensor.

本発明の目的は、スペックル測長計の実用化に際して、
各構成機器を容易且つ高精度に位置決め出来、然も測定
雰囲気に拘わりなく高い測定精度が得られる測定ヘッド
構造を提供することである。
The purpose of the present invention is to put a speckle length measuring meter into practical use.
It is an object of the present invention to provide a measurement head structure that allows each component device to be positioned easily and with high accuracy, and that provides high measurement accuracy regardless of the measurement atmosphere.

(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の測定ヘッド構造は、密
閉ケーシング(10)内に、半導体レーザ(21)と、
該半導体レーザ(21)からのレーザ光を集光してレー
ザビームを形成するコリメータレンズ(25)と、半導
体レーザ(21)の温度を一定に制御する電子冷却装置
(3)と、該温度制御のために半導体レーザ(21)の
温度を測定する温度センサー(6)と、前記スペックル
パターンをイメージ信号に光電変換するイメージセンサ
−(4)とを収容して夫々所定位置に固定し、ユニット
化された測定ヘッド(1)を構成した。ケーシング(1
0)には、コリメータレンズ(25)からのレーザビー
ムが出射すべき窓(14)を設け、イメージセンサ−(
4)は前記窓(14)に面して配置されている。
(Means for Solving the Problems) The measurement head structure of the speckle length measuring meter according to the present invention includes a semiconductor laser (21) in a sealed casing (10),
a collimator lens (25) that condenses laser light from the semiconductor laser (21) to form a laser beam; an electronic cooling device (3) that controls the temperature of the semiconductor laser (21) to be constant; and the temperature control device. A temperature sensor (6) that measures the temperature of the semiconductor laser (21) and an image sensor (4) that photoelectrically converts the speckle pattern into an image signal are housed and fixed at predetermined positions, respectively, and the unit A measuring head (1) was constructed. Casing (1
0) is provided with a window (14) through which the laser beam from the collimator lens (25) should exit, and the image sensor (
4) is placed facing the window (14).

半導体レーザ(21)、コリメータレンズ(25)及び
温度センサー(6)は、一体の温度コントロールハウジ
ング(22)に設けた収容室(23)内に配備され、該
温度コントロールハウジング(22)の外面に密着して
電子冷却装置(3)が設置されている。
The semiconductor laser (21), the collimator lens (25), and the temperature sensor (6) are arranged in a housing chamber (23) provided in an integrated temperature control housing (22), and are arranged on the outer surface of the temperature control housing (22). An electronic cooling device (3) is installed closely.

半導体レーザ(21)とコリメータレンズ(25)の間
隔は、コリメータレンズ(25)から出射されるレーザ
ビームが平行ビームとなるように設定される。
The distance between the semiconductor laser (21) and the collimator lens (25) is set so that the laser beam emitted from the collimator lens (25) becomes a parallel beam.

イメージセンサ−(4)の位置は、光電変換時の走査領
域がレーザビームの光軸を含む平面を中心として左右対
称となる様に規定される。
The position of the image sensor (4) is defined so that the scanning area during photoelectric conversion is symmetrical about a plane containing the optical axis of the laser beam.

ケーシング(10)の窓(14)は、レーザビームの周
波数成分及びその近傍の周波数成分を通過せしめる光フ
ィルターによって形成され、コリメータレンズ(25)
から出射されるレーザビームの光軸に対して僅かに傾斜
して配備されている。
The window (14) of the casing (10) is formed by an optical filter that allows frequency components of the laser beam and frequency components in the vicinity thereof to pass, and is formed by a collimator lens (25).
The laser beam is placed at a slight angle with respect to the optical axis of the laser beam emitted from the laser beam.

半導体レーザ(21)と温度センサー(6)とは共通の
基板(5)に取り付けられている。
The semiconductor laser (21) and the temperature sensor (6) are attached to a common substrate (5).

又、レーザビームの光路中にはレーザビーム絞り孔(2
8)を有するスリット板(27)が設置されている。
In addition, there is a laser beam aperture hole (2
8) is installed.

(作用及び効果) 測長に際して、測定ヘッド(1)は、窓(14)から出
射されたレーザビームの光軸が対象物体の表面に対して
垂直となる様に設置されると共に、該測定ヘッド(1)
には、イメージセンサ−(4)から得られるイメージ信
号を処理するための外部回路が接続される。又、測定ヘ
ッド(1)の温度センサー(6)は周知の温度制御回路
へ接続され、該制御回路の出力端は電子冷却装置(3)
へ供給され、これによって半導体レーザ(21)の温度
が一定に制御される。
(Functions and Effects) During length measurement, the measuring head (1) is installed so that the optical axis of the laser beam emitted from the window (14) is perpendicular to the surface of the target object, and the measuring head (1)
An external circuit for processing the image signal obtained from the image sensor (4) is connected to. Further, the temperature sensor (6) of the measuring head (1) is connected to a well-known temperature control circuit, and the output end of the control circuit is connected to the electronic cooling device (3).
The temperature of the semiconductor laser (21) is thereby controlled to be constant.

半導体レーザ(21)からのレーザ光はコリメータレン
ズ(25)を通過してレーザビームとなり、該レーザビ
ームはケーシング(10)の窓(14)から移動物体へ
向って出射される。
The laser light from the semiconductor laser (21) passes through the collimator lens (25) and becomes a laser beam, which is emitted from the window (14) of the casing (10) toward the moving object.

移動物体の表面からの反射拡散光はケーシング(10)
の窓(14)を透過してイメージセンサ−(4)へ入射
し、これによってスペックルパターンがイメージ信号に
変換され、該イメージ信号は前記外部回路へ送られて、
移動物体の移動距離を算出するための演算処理が施され
る。
The reflected and diffused light from the surface of the moving object is reflected by the casing (10)
The speckle pattern is transmitted through the window (14) and incident on the image sensor (4), whereby the speckle pattern is converted into an image signal, and the image signal is sent to the external circuit,
Arithmetic processing is performed to calculate the distance traveled by the moving object.

上記測定ヘッド構造によれば、測定ヘッド(1)のケー
シング(10)を精度良く設置すれば、同時にケーシン
グ(10)内の各構成要素が高精度で位置決めされるこ
ととなり、精度の高い測長が可能である。又、温度セン
サー(6)及び電子冷却装置(3)の動作によってケー
シング(10)内が適切な温度に維持されるから、測定
雰囲気に拘わりなく高い測定精度が得られる。
According to the above measurement head structure, if the casing (10) of the measurement head (1) is installed with high precision, each component within the casing (10) can be positioned with high precision at the same time, resulting in highly accurate length measurement. is possible. Further, since the inside of the casing (10) is maintained at an appropriate temperature by the operation of the temperature sensor (6) and the electronic cooling device (3), high measurement accuracy can be obtained regardless of the measurement atmosphere.

半導体レーザ(21)、コリメータレンズ(25)及び
温度センサー(6)を温度コントロールハウジング(2
2)に収容すると共に、該ハウジング(22)に電子冷
却袋W(3)を密着して設置すれば、半導体レーザ(2
1)のみならず、コリメータレンズ(25)も精度良く
一定温度に維持され、プラスチック製のコリメータレン
ズ(25)を使用した場合にも焦点距離等の光学的な特
性に変化は生じない。又、測定雰囲気の温度が低下した
場合にも、ケーシング(10)内が適当な高さの温度に
維持され、結露によるコリメータレンズ(25)の曇り
が防止される。
The semiconductor laser (21), collimator lens (25) and temperature sensor (6) are connected to the temperature control housing (2).
If the electronic cooling bag W (3) is placed in close contact with the housing (22), the semiconductor laser (2)
In addition to 1), the collimator lens (25) is also maintained at a constant temperature with high precision, and optical characteristics such as focal length do not change even when a plastic collimator lens (25) is used. Further, even when the temperature of the measurement atmosphere decreases, the inside of the casing (10) is maintained at an appropriate temperature, and the collimator lens (25) is prevented from fogging due to dew condensation.

半導体レーザ(21)と温度センサー(6)とを共通の
基板(5)に取り付けた場合は、基板(5)を介して熱
が伝導するから、温度センサー(6)による半導体レー
ザ(21)の温度検出精度を上げることが出来る。
When the semiconductor laser (21) and the temperature sensor (6) are mounted on a common substrate (5), heat is conducted through the substrate (5), so that the temperature sensor (6) can control the temperature of the semiconductor laser (21). Temperature detection accuracy can be improved.

半導体レーザ(21)とコリメータレンズ(25)の間
隔を調整して、コリメータレンズ(25)から出射され
るレーザビームが平行ビームとなるように設定した場合
は、測定ヘッド(1)と対象物体との距離に拘らず、測
定感度を一定に維持することが出来、これは物体移動量
の算出に必要な信号処理の」二で好都合である。
If the distance between the semiconductor laser (21) and the collimator lens (25) is adjusted so that the laser beam emitted from the collimator lens (25) becomes a parallel beam, the measurement head (1) and the target object The measurement sensitivity can be maintained constant regardless of the distance, which is advantageous for the signal processing required to calculate the amount of object movement.

又、前述の如くイメージセンサ−(4)を、レーザビー
ムの光軸を含む平面に対して左右対称の位置に設置する
ことによって、イメージセンサ−(4)上に結像される
スペックルパターンの光強度分布、即ちイメージセンサ
−(4)から得られるイメージ信号のレベルが均一化さ
れ、例えばイメージ信号のサンプリング等の信号処理の
上で好都合である。
Furthermore, as described above, by installing the image sensor (4) in a position symmetrical to the plane containing the optical axis of the laser beam, the speckle pattern imaged on the image sensor (4) can be The light intensity distribution, that is, the level of the image signal obtained from the image sensor (4) is made uniform, which is convenient for signal processing such as sampling of the image signal.

更にこの配置により、物体移動量とイメージセンサ−(
4)上でのスペックルパターンの移動量との関係を単純
化することが出来る。
Furthermore, this arrangement allows the amount of object movement and the image sensor (
4) The relationship with the amount of movement of the speckle pattern above can be simplified.

ケーシング(10)の窓(14)を光フィルターによっ
て形成することにより、外部から窓(14)へ入射する
外乱光が遮断され、外乱光がイメージセンサ−(4)へ
入射することに因る測定精度の低下が防止される。
By forming the window (14) of the casing (10) with an optical filter, disturbance light that enters the window (14) from the outside is blocked, and the measurement results from the disturbance light entering the image sensor (4). A decrease in accuracy is prevented.

窓(14)をレーザビームの光軸に対して僅かに傾斜し
て配備した場合、コリメータレンズ(25)からのレー
ザビームが窓(14)によって反射されたとしても、該
反射光の光路は前記傾きによって半導体レーザ(21)
から外れるから、前記反射光が半導体レーザへ入射する
ことに因るモードホップが防止される。
When the window (14) is arranged at a slight inclination with respect to the optical axis of the laser beam, even if the laser beam from the collimator lens (25) is reflected by the window (14), the optical path of the reflected light will be Semiconductor laser (21) depending on the tilt
Therefore, mode hop caused by the reflected light entering the semiconductor laser is prevented.

又、レーザビーム光路中にスリット板(27)を設置し
て、コリメータレンズ(25)からのレーザビームを所
定径に絞ることにより、イメージセンサ−(4)の画素
ピッチと路間−のスペックル径を形成し、これによって
イメージセンサ−(4)上のスペックルパターンのコン
トラストを上げると同時に、スペックルパターンの特徴
を効率良く検出することが可能となる。
In addition, by installing a slit plate (27) in the laser beam optical path and focusing the laser beam from the collimator lens (25) to a predetermined diameter, the pixel pitch of the image sensor (4) and the speckle between the paths can be reduced. This makes it possible to increase the contrast of the speckle pattern on the image sensor (4) and at the same time efficiently detect the characteristics of the speckle pattern.

従って、上記測定ヘッド構造によれば測定ヘッド(1)
のユニット化によって取扱いが容易であるばかりでなく
、上記の如き各部構成によって高い測定精度が得られ、
十分に実用化が可能である。
Therefore, according to the above measurement head structure, the measurement head (1)
Not only is it easy to handle due to its unitization, but the configuration of each part as described above provides high measurement accuracy.
It is fully possible to put it into practical use.

(実施例) 以下、図面に沿って本発明に係る測定ヘッド構造の具体
的構成について説明する。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。
(Example) Hereinafter, the specific configuration of the measurement head structure according to the present invention will be described along with the drawings. It should be noted that the examples are for illustrating the present invention, and should not be construed as limiting the invention described in the claims or reducing its scope.

第1図に示す如く、測定ヘッド(1)は、密閉ケーシン
グ(10)内に、半導体レーザユニット(2)、電子冷
却装置(3)、CODを一次元方向に配列したイメージ
センサ−(4)等を配備して、ユニット化されている。
As shown in FIG. 1, the measurement head (1) includes a semiconductor laser unit (2), an electronic cooling device (3), and an image sensor (4) arranged in one dimension in a sealed casing (10). etc., to form a unit.

ケーシング(10)は、図示の如く一側面が開口した直
方体状の本体に、該開口部を塞ぐゴムパツキン(11)
及びカバー(12)をネジ止め固定して、密閉容器を構
成している。該ケーシング(10)の前方壁にはレーザ
ビーム出射用の窓(14)が設けられている。
As shown in the figure, the casing (10) has a rectangular parallelepiped-shaped main body with an opening on one side, and a rubber gasket (11) that closes the opening.
and a cover (12) are fixed with screws to form a closed container. A window (14) for laser beam emission is provided in the front wall of the casing (10).

半導体レーザユニット(2)は、第2図に示す様に半導
体レーザ(21)、コリメータレンズ(25)等からな
るレーザビーム発生部を温度コントロールハウジング(
22)内に組込んで、一体化したものである。半導体レ
ーザ(21)は、温度センサー(6)と共に第1の基板
(5)上に取り付けられ、該基板を温度コントロールハ
ウジング(22)の背面にネジ止め固定して、半導体レ
ーザ(21〉及び温度センサー(6)は温度コントロー
ルハウジング(22)内の収容室(23)に収容されて
いる。更に温度コントロール/)ウジング(22)には
、収容室(23)に連通ずるネジ孔(24)が形成され
ている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor laser unit (2) has a laser beam generation section consisting of a semiconductor laser (21), a collimator lens (25), etc., mounted in a temperature control housing (
22) and are integrated into one. The semiconductor laser (21) is mounted on the first substrate (5) together with the temperature sensor (6), and the substrate is screwed and fixed to the back of the temperature control housing (22) to connect the semiconductor laser (21> and the temperature sensor). The sensor (6) is housed in a housing chamber (23) within the temperature control housing (22).Furthermore, the temperature control housing (22) has a screw hole (24) that communicates with the housing chamber (23). It is formed.

コリメータレンズ(25)は、外ネジを形成したビーム
調節用ネジ筒(26)の端部に固定され、該ネジ筒(2
6)を前記温度コントロールノ)ウジング(22)のネ
ジ孔(24〉に螺合せしめることによって、コリメータ
レンズ(25)は収容室(23)或いはネジ孔(24)
内に収容される。
The collimator lens (25) is fixed to the end of a beam adjusting screw tube (26) formed with an external thread, and is attached to the screw tube (26).
6) into the screw hole (24) of the temperature control housing (22), the collimator lens (25) is inserted into the storage chamber (23) or the screw hole (24).
contained within.

この結果、温度コントロールハウジング(22)の収容
室(23)は基板(5)及びコリメータレンズ(25)
によって密閉され、該密閉空間内に半導体レーザ(21
)及び温度センサー(6)が配置されることになる。従
って、温度センサー(6)と半導体レーザ(21)とは
常に同一温度に維持され、半導体レーザ(21)の温度
制御は誤差なく正確に行なわれる。
As a result, the accommodation chamber (23) of the temperature control housing (22) contains the substrate (5) and the collimator lens (25).
The semiconductor laser (21
) and a temperature sensor (6) will be placed. Therefore, the temperature sensor (6) and the semiconductor laser (21) are always maintained at the same temperature, and the temperature control of the semiconductor laser (21) is performed accurately without error.

ビーム調節用ネジ筒(26)を温度コントロールハウジ
ング(22)にねじ込んだ状態で正逆に回転させること
により、半導体レーザ(21)とコリメータレンズ(2
5)の間隔りを調整することが出来、ここでは第3図の
如くコリメータレンズ(25)から出射されるレーザビ
ーム(8)が平行ビームとなる様に前記間隔りが設定さ
れている。
The semiconductor laser (21) and collimator lens (2) can be adjusted by rotating the beam adjusting screw tube (26) in the temperature control housing (22) in forward and reverse directions.
5) can be adjusted, and here, as shown in FIG. 3, the spacing is set so that the laser beam (8) emitted from the collimator lens (25) becomes a parallel beam.

これにより第9図における対象物体(7)上でのレーザ
ビームの曲率半径Lsが無限大となり、測定ヘッドと対
象物体との距離の違いに拘らず測定感度を一定に保つこ
とができる。尚、第9図において下式が成立する。
As a result, the radius of curvature Ls of the laser beam on the target object (7) in FIG. 9 becomes infinite, and the measurement sensitivity can be kept constant regardless of the difference in distance between the measurement head and the target object. In addition, in FIG. 9, the following formula holds true.

X ” ((L a’cO8”θs/ L 5−cos
θo)+cosθoixここで、 X :イメージセンサー上でのスペックルパターンの移
動量 Lo :対象物体とイメージセンサ−の距離X :対象
物体の移動量 ビーム調節用ネジ筒(26)のコリメータレンズ(25
)とは反対側の端部にはレーザビーム絞り孔(28)を
有するスリット板(27〉が固定される。該レーザビー
ム絞り孔(28)の内径りは、スペックルバタ−ンの平
均スペックル径αが一次元イメージセンサー(4)を構
成するCCDの配列ピッチ(例えば13μm)と略同−
1或いは僅かに大きくなる様に規定される。
X ” ((L a'cO8”θs/ L 5-cos
θo) + cosθoix where: X: Amount of movement of the speckle pattern on the image sensor Lo: Distance between the target object and the image sensor
) A slit plate (27>) having a laser beam aperture hole (28) is fixed to the end opposite to the laser beam aperture hole (28). The diameter α is approximately the same as the arrangement pitch (e.g. 13 μm) of the CCDs constituting the one-dimensional image sensor (4).
1 or slightly larger.

平均スペックル径αは、レーザ光の波長λと、−次元イ
メージセンサ−(4)と対象物体との距離L0により、 α= 1.22λZ / L 。
The average speckle diameter α is α=1.22λZ/L based on the wavelength λ of the laser beam and the distance L0 between the -dimensional image sensor (4) and the target object.

で表わされることが知られており、例えばレーザ光の波
長λが780nm、−次元イメージセンサ−(4)と対
象物体との距離L0が略25乃至75mmの場合、レー
ザビーム絞り孔(28)の内径りは略2mmに設定され
る。
For example, when the wavelength λ of the laser beam is 780 nm and the distance L0 between the -dimensional image sensor (4) and the target object is approximately 25 to 75 mm, the laser beam aperture (28) is The inner diameter is set to approximately 2 mm.

第1図の如くケーシング(10)の底面に固定したベー
ス(13)上に、平板状の電子冷却装置(3)が設置さ
れ、該電子冷却装置(3)の上面に密着して前記半導体
レーザユニット(2)が固定される。
As shown in FIG. 1, a flat electronic cooling device (3) is installed on a base (13) fixed to the bottom surface of the casing (10), and the semiconductor laser is placed in close contact with the top surface of the electronic cooling device (3). Unit (2) is fixed.

電子冷却装置(3)は第6図に示す様に、一対のセラミ
ック板(31)(32)の間に多数のP型半導体(33
)及びN型半導体(34)を交互に配列し、これらを電
極板(35)によって−列に連結して、両端の電極板(
35)に夫々リード線(36)を接続した周知の構造を
有している。
As shown in FIG. 6, the electronic cooling device (3) has a large number of P-type semiconductors (33) between a pair of ceramic plates (31, 32).
) and N-type semiconductors (34) are arranged alternately, and these are connected in -rows by electrode plates (35) to form electrode plates (34) at both ends.
It has a well-known structure in which lead wires (36) are connected to the terminals (35) and 35), respectively.

第1図の如くベース(13)には窓(14)側の端部に
、半導体レーザユニット(2)からのレーザビームが通
過すべき透孔(53)を有する第2の基板(51)が立
設され、該基板(51)に−次元イメージセンサ−(4
)が固定される。
As shown in FIG. 1, the base (13) has a second substrate (51) at its end on the window (14) side, which has a through hole (53) through which the laser beam from the semiconductor laser unit (2) passes. A dimensional image sensor (4) is installed on the substrate (51).
) is fixed.

一次元イメージセンサー(4)は、第4図及び第5図に
示す様に、半導体レーザユニット(2)から出射される
レーザビームの光軸りと、−次元イメージセンサ−(4
)の検出部(41)を構成するCCDの配列方向、即ち
走査方向Sとが互いに直交し、且つ検出部(41)の走
査領域の中央位置(0点)が、レーザビームの光軸りを
含み且つ前記走査方向Sに直交する平面P上に設置され
る様、位置決めされる。
As shown in FIG. 4 and FIG.
), the arrangement directions of the CCDs constituting the detection unit (41), that is, the scanning direction S, are orthogonal to each other, and the center position (0 point) of the scanning area of the detection unit (41) is aligned with the optical axis of the laser beam. It is positioned so as to be placed on a plane P that includes the scanning direction S and is perpendicular to the scanning direction S.

従って、対象物体にて反射されて一次元イメージセンサ
ー(4)へ入射した拡散レーザ光は、第8図に示す如く
前記信号走査領域の中央位置(0点)を中心として、左
右対称の略均等な強度分布となる。この様な分布におい
ては、イメージ信号の2値化の際にサンプリングすべき
全ての信号が信号処理可能な最低レベルを上回り、精度
の高い測長が可能となる。
Therefore, the diffused laser light reflected by the target object and incident on the one-dimensional image sensor (4) is symmetrical and approximately uniform with respect to the center position (point 0) of the signal scanning area as shown in FIG. This results in a strong intensity distribution. In such a distribution, all the signals to be sampled when binarizing the image signal exceed the lowest level at which signal processing is possible, and highly accurate length measurement is possible.

又、第9図において COSθ5=eO3θo=1 とすることが出来、対象物体(7)の移動量とイメージ
信号を簡単な関係で扱うことが出来る。
Furthermore, in FIG. 9, COS θ5=eO3θo=1, and the amount of movement of the target object (7) and the image signal can be handled in a simple relationship.

第1図に示すケーシング(10)の窓(14)は、赤外
線のみを通過するガラス板によって形成され、レーザ光
以外の外乱光は窓(14)にて遮断される。又、前記ガ
ラス板は第4図の如くレーザビームの光軸りとの直交面
に対して僅かな角度θ(略2度)だけ傾斜した姿勢で取
り付けられている。従って、半導体レーザユニット(2
)からのレーザビームが窓(14)の内面で反射した場
合も、該反射光は半導体レーザから外れた光路を進むこ
ととなり、半導体レーザ(21)へ直接に入射する虞れ
はない。従って、半導体レーザ(21)が反射光によっ
てモードホップを起こすことはない。
The window (14) of the casing (10) shown in FIG. 1 is formed of a glass plate that transmits only infrared rays, and external light other than laser light is blocked by the window (14). Further, as shown in FIG. 4, the glass plate is mounted in an attitude inclined at a slight angle θ (approximately 2 degrees) with respect to a plane perpendicular to the optical axis of the laser beam. Therefore, the semiconductor laser unit (2
) is reflected on the inner surface of the window (14), the reflected light will travel along an optical path away from the semiconductor laser, and there is no risk of it directly entering the semiconductor laser (21). Therefore, the semiconductor laser (21) does not cause mode hops due to reflected light.

第1図に示す様にケーシング(10)内には、半導体レ
ーザユニット(2)の上部に、更に第3の基板(52)
が固定される。
As shown in FIG. 1, inside the casing (10) there is a third substrate (52) above the semiconductor laser unit (2).
is fixed.

前記第1乃至第3基板(5)(51)(52)には、半
導体レーザ(21)を駆動するための回路の他、第7図
に示す如く一次元イメージセンサー(4)へ直接に接続
すべき初段アンプ(9)及びバッファアンプ(90)が
形成される。
In addition to the circuit for driving the semiconductor laser (21), the first to third substrates (5), (51, and 52) are directly connected to the one-dimensional image sensor (4) as shown in FIG. A first stage amplifier (9) and a buffer amplifier (90) are formed.

第7図は、上記測定ヘッド(1)に接続して、−次元イ
メージセンサ−(4)からのイメージ信号に基づいて物
体の移動量を算出し、表示するための外部回路の一構成
例を示している。
FIG. 7 shows an example of the configuration of an external circuit connected to the measurement head (1) to calculate and display the amount of movement of an object based on the image signal from the -dimensional image sensor (4). It shows.

−次元イメージセンサ−(4)は、周知の如くバッファ
アンプ(90)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COD配列方向の走査を
一定周期で繰返す。該センサー(4)の出力信号は、初
段アンプ(9)を介してサンプルホールド回路(91)
へ接続され、これによってCCD特有のノイズが除去さ
れる。
As is well known, the dimensional image sensor (4) repeats scanning in the COD array direction at regular intervals in response to a reset signal, a start signal, and a shift signal sent from the buffer amplifier (90). The output signal of the sensor (4) is sent to the sample hold circuit (91) via the first stage amplifier (9).
This eliminates noise specific to CCDs.

サンプルホールド回路(91)の出力信号はゲイン制御
アンプ(92)を経て2値化回路(93)へ送られ、こ
れによって第8図に示す如きイメージ信号が2値化され
、更に該2値化信号は相関器(94)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移動後の
スペックルパターンとの相互相関関数が、前記基準位置
をずらしながら順次計算され、この計算結果がマイクロ
コンピュータ(96)へ送られる。マイクロコンピュー
タ(96)は前記相互相関関数のピーク位置から物体の
移動距離を算出し、その結果を表示器(97)にデジタ
ル表示せしめる。
The output signal of the sample and hold circuit (91) is sent to the binarization circuit (93) via the gain control amplifier (92), whereby the image signal as shown in Fig. 8 is binarized, and further the binarization The signal is sent to a correlator (94), and the cross-correlation function between the speckle pattern at the reference position of the target object and the speckle pattern after movement is sequentially calculated while shifting the reference position, and the calculation results are It is sent to the computer (96). The microcomputer (96) calculates the moving distance of the object from the peak position of the cross-correlation function, and displays the result digitally on the display (97).

又、前記バッフ7アンプ(90)、サンプルホールド回
路(91)、2値化回路(93)及び相関器(94)は
タイミング発生器(95)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。
Further, the operations of the buffer 7 amplifier (90), sample hold circuit (91), binarization circuit (93), and correlator (94) are controlled by timing signals supplied from a timing generator (95). There is.

測定に際して、第1図に示す測定ヘッド(1)は、対象
物体(7)の表面にレーザビーム(8)が垂直に照射さ
れ、且つ一次元イメージセンサー(4)の走査方向が対
象物体(7)の移動方向と平行となる様に設置される。
During measurement, the measurement head (1) shown in FIG. ) is installed parallel to the direction of movement.

この状態で第7図の回路を動作させ、対象物体の移動距
離が測定される。
In this state, the circuit shown in FIG. 7 is operated to measure the moving distance of the target object.

上記スペックル測長計によれば、測定ヘッド(1)のケ
ーシング(10)を精度良く設置することによって、同
時にケーシング(10)内の半導体レーザ(21)、コ
リメータレンズ(25)及び−次元イメージセンサ−(
4)が夫々高い精度で位置決めされることとなり、然も
上述の各部構成によって測定雰囲気等に影響されること
のない高精度の測長が可能である。
According to the above speckle length measuring meter, by accurately installing the casing (10) of the measuring head (1), the semiconductor laser (21), collimator lens (25) and -dimensional image sensor in the casing (10) can be simultaneously installed. −(
4) can be positioned with high accuracy, and high-precision length measurement is possible without being affected by the measurement atmosphere etc. due to the above-mentioned configuration of each part.

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。
The above description of the embodiments is for illustrating the present invention, and should not be construed to limit or reduce the scope of the invention described in the claims.

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, it goes without saying that the configuration of each part of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various modifications can be made within the technical scope of the claims.

例えば測定ヘッド(1)に接続すべき外部回路は第7図
に示すものに限らず、スペックルパターンに基づいて移
動距離を算出する周知の種々の回路を採用することが出
来る。
For example, the external circuit to be connected to the measurement head (1) is not limited to the one shown in FIG. 7, and various known circuits that calculate the moving distance based on the speckle pattern can be employed.

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

第1図は本発明に係る測定ヘッドの一部破断分解斜視図
、第2図は半導体レーザユニットの分解斜視図、第3図
は半導体レーザとコリメータレンズの位置関係を説明す
る側面図、第4図は窓の傾斜状態を説明する側面図、第
5図は一次元イメージセンサーの位置を説明する正面図
、第6図は電子冷却装置の断面図、第7図は外部回路の
ブロック図、第8図は一次元イメージセンサー上の光強
度分布を示すグラフ、第9図は対象物体の移動量とイメ
ージセンサ−上でのスペックルパターンの移動量の関係
を説明する図である。
FIG. 1 is a partially cutaway exploded perspective view of a measuring head according to the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of a semiconductor laser unit, FIG. 3 is a side view illustrating the positional relationship between the semiconductor laser and the collimator lens, and FIG. Figure 5 is a side view explaining the tilted state of the window, Figure 5 is a front view explaining the position of the one-dimensional image sensor, Figure 6 is a sectional view of the electronic cooling device, Figure 7 is a block diagram of the external circuit, FIG. 8 is a graph showing the light intensity distribution on the one-dimensional image sensor, and FIG. 9 is a diagram explaining the relationship between the amount of movement of the target object and the amount of movement of the speckle pattern on the image sensor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 [1]測定の対象となる移動物体の表面にレーザビーム
を照射し、該物体のレーザ照射面に対向した観測面に表
われるスペックルパターンをイメージ信号に光電変換し
、物体移動に伴う前記イメージ信号の変化に基づいて物
体の移動量を測定するスペックル測長計に於いて、密閉
ケーシング(10)内の所定位置に、半導体レーザ(2
1)と、該半導体レーザ(21)からのレーザ光を集光
してレーザビームを形成するコリメータレンズ(25)
と、半導体レーザ(21)の温度を一定に制御する電子
冷却装置(3)と、該温度制御のために半導体レーザ(
21)の温度を測定する温度センサー(6)と、前記ス
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(4)とを収容して測定ヘッド(1)を構成し、
ケーシング(10)には、コリメータレンズ(25)か
らのレーザビームを出射すべき窓(14)を設け、イメ
ージセンサー(4)は前記窓(14)に面して配置した
ことを特徴とするスペックル測長計の測定ヘッド構造。 [2]半導体レーザ(21)、コリメータレンズ(25
)及び温度センサー(6)は、一体の温度コントロール
ハウジング(22)に設けた収容室(23)内に配備さ
れ、該温度コントロールハウジング(22)の外面に密
着して電子冷却装置(3)を設置した特許請求の範囲第
1項に記載の測定ヘッド構造。 [3]半導体レーザ(21)とコリメータレンズ(25
)の間隔は、コリメータレンズ(25)から出射される
レーザビームが平行ビームとなるように設定されている
特許請求の範囲第1項に記載の測定ヘッド構造。 [4]イメージセンサー(4)は、光電変換時の走査領
域がレーザビームの光軸を含む平面を中心として左右対
称となる様に位置決めされている特許請求の範囲第1項
に記載の測定ヘッド構造。 [5]窓(14)はレーザビームの光軸に対して傾斜し
て設けられている特許請求の範囲第1項に記載の測定ヘ
ッド構造。 [6]窓(14)は、レーザビームの周波数成分及びそ
の近傍の周波数成分を通過せしめる光フィルターによっ
て形成されている特許請求の範囲第1項に記載の測定ヘ
ッド構造。[7]半導体レーザ(21)と温度センサー
(6)とは共通の基板(5)上に近接して取り付けられ
ている特許請求の範囲第1項に記載の測定ヘッド構造。 [8]レーザビームの光路中に、レーザビームを所定径
に絞るための絞り孔(28)を有するスリット板(27
)が設置されている特許請求の範囲第1項に記載の測定
ヘッド構造。
[Claims] [1] Irradiating the surface of a moving object to be measured with a laser beam, photoelectrically converting a speckle pattern appearing on an observation surface opposite to the laser irradiation surface of the object into an image signal, In a speckle length measuring meter that measures the amount of movement of an object based on a change in the image signal as the object moves, a semiconductor laser (2
1) and a collimator lens (25) that focuses the laser light from the semiconductor laser (21) to form a laser beam.
, an electronic cooling device (3) that controls the temperature of the semiconductor laser (21) constant, and a semiconductor laser (21) for controlling the temperature.
A measurement head (1) is constituted by accommodating a temperature sensor (6) that measures the temperature of 21) and an image sensor (4) that converts the speckle pattern into an image signal,
The casing (10) is provided with a window (14) through which the laser beam from the collimator lens (25) should be emitted, and the image sensor (4) is arranged facing the window (14). Measuring head structure of Le length meter. [2] Semiconductor laser (21), collimator lens (25)
) and the temperature sensor (6) are arranged in a storage chamber (23) provided in the integrated temperature control housing (22), and the electronic cooling device (3) is placed in close contact with the outer surface of the temperature control housing (22). A measurement head structure according to claim 1 installed. [3] Semiconductor laser (21) and collimator lens (25)
2. The measurement head structure according to claim 1, wherein the interval between the collimator lenses (25) is set so that the laser beam emitted from the collimator lens (25) becomes a parallel beam. [4] The measurement head according to claim 1, wherein the image sensor (4) is positioned so that the scanning area during photoelectric conversion is symmetrical about a plane containing the optical axis of the laser beam. structure. [5] The measurement head structure according to claim 1, wherein the window (14) is provided obliquely with respect to the optical axis of the laser beam. [6] The measurement head structure according to claim 1, wherein the window (14) is formed by an optical filter that allows frequency components of the laser beam and frequency components in the vicinity thereof to pass through. [7] The measurement head structure according to claim 1, wherein the semiconductor laser (21) and the temperature sensor (6) are mounted closely on a common substrate (5). [8] A slit plate (27) having an aperture hole (28) for narrowing the laser beam to a predetermined diameter in the optical path of the laser beam.
) is installed in the measuring head structure according to claim 1.
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Cited By (3)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003177014A (en) * 2001-08-30 2003-06-27 Z & F Zzoller & Froehlich Gmbh 3-d laser measuring system
US10174931B2 (en) 2015-06-03 2019-01-08 Apple Inc. Integrated optical modules with enhanced reliability and integrity
US10667341B1 (en) 2018-09-16 2020-05-26 Apple Inc. Light projector with integrated integrity sensor

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