JPH0450710A - 光学式測定ヘッド装置及びその調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、その他の光源を利用した光学式測
定器に関するものである。

（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）。

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、測定精度を高めるための細部構造等につ
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。

例えば物体の移動量を高精度で測定するスペックル測長
計の実用化に際しては、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、レーザの発振波長は温度に大きく依存するから
、測定精度を高めには、半導体レーザの温度を厳密に制
御する必要がある。

そこで、出願人は、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
ド構造を開発した（特願平２−３３３０６号）。

第１図は上記測定ヘッド構造を示しており、測定ヘッド
（１）は、レーザビーム出射用の窓（１４）を有する密
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）、−次元イメージセンサ−（４
）等を配備している。半導体レーザユニット（２）は、
温度コントロールハウジング（２２）内に半導体レーザ
、コリメータレンズ等を配置して構成される。

第２図の如く、コリメータレンズ（２５）はビーム調節
用ネジ筒（２６）の端部に固定され、該ネジ筒を温度コ
ントロールハウジング（２２）のネジ孔（２４）に螺合
せしめて、収容室（２３）内に配置される。

上記測定ヘッド（１）の組立時には、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（２５）の間隔を調整
し、これによってコリメータレンズ（２５）から出射さ
れるレーザビームを平行ビームに整形する。

上記測定ヘッド構造によれば、測定へ・ソド（１）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
い測長が可能となる。

（解決しようとする課題） しかしながら上記測定ヘッド構造においては、測定ヘッ
ド（１）の組立工程にて、温度コントロールハウジング
（２２）内のビーム調節用ネジ筒（２６）を正逆に回転
させて、半導体レーザ（２１）とコリメータレンズ（２
５）の間隔を調整する際、温度コンＩ・ロールハウジン
グ（２２）のネジ孔（２４）とビーム調節用ネジ筒（２
６）との間のバックラッシュは避けることが出来ず、調
整誤差の原因となっていた。

本発明の目的は、コリメータレンズ（２５）の焦点位置
を高精度で調節出来る光学式測定ヘッド装置を提供する
ことである。

（課題を解決する為の手段） 本発明に係る光学式測定ヘッド装置において、測定ヘッ
ド（１）は、光源と、該光源からの光が透過すべきレン
ズ（２５）と、発熱或いは吸熱作用を発揮する温度調節
装置と、温度センサー（６）とを具え、前記レンズ（２
５）は光学プラスチックを資材として形成している。前
記温度調節装置には、任意の設定温度と前記温度センサ
ー（６）の検出温度との差に応じた制御信号を発する温
度制御回路（６１）が接続され、レンズ（２５）の温度
を変えることによって、該レンズの焦点調節が施されて
いる。

又、本発明に係る光学式測定ヘッド装置の調整方法にお
いては、測定ヘッド装置は、光源と、該光源からの光が
透過すべきレンズ（２５）と、発熱或いは吸熱作用を発
揮する温度調節装置とから構成し、前記レンズ（２５）
は光学プラスチックを資材として形成する。そして、光
源とレンズ（２５）とを所定間隔に設置した後、前記温
度調節装置を動作させて、レンズ（２５）の温度を変え
ることにより、該レンズの焦点位置を微調節する。

（作　用） 一般にプラスチックレンズの屈折率は温度依存性が極め
て高く、温度の上昇に伴って、レンズの屈折率は略直線
的に減少することが知られている。

上記光学式測定ヘッド装置においては、温度制御回路（
６１）の設定温度を変えることにより、温度調節装置の
発熱量或いは吸熱量が変化し、レンズ（２５）の温度を
変えることが出来る。そして、これによってレンズ（２
５）の焦点位置を連続的に変位させて、光源からレンズ
（２５）を経て出射される光を例えば正確な平行ビーム
に整形し、或いは対象物体上のスポットを所定形状に形
成することが出来る。

又、上記光学式測定ヘッド装置の調整方法においては、
光源及びレンズ（２５）の組立時に両者の間隔を所定値
に規定することにより、レンズ（２５）の焦点位置に対
する粗調整が施され、その後、レンズ（２５）の温度を
変えることにより、該レンズの焦点位置が微調節される
。

（発明の効果） 本発明に係る光学式測定ヘッド装置及びその調整方法に
よれば、レンズの温度を変えることによって、その焦点
位置が調節されるから、従来の如きネジのバックラッシ
ュ等による機械的誤差の問題はなく、高精度の調節が可
能である。

（実施例） 以下、図面に沿って、本発明に係る光学式測定ヘッド装
置をスペックル測長計に実施した一例について説明する
。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。

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。

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（１ｏ）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。

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）、光学プラスチック製のコリメータレ
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ハウ
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。

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ハウジング（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。

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。

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）を正確な平行ビームに整形するため
の粗調整として、温度コントロールハウジング（２２）
にねじ込まれたビーム調節用ネジ筒（２６）を正逆に回
転させ、半導体レーザ（２１）とコリメータレンズ（２
５）の間隔りの調整が施されている。

そして、後述のコリメータレンズ（２５）の温度変化に
よる焦点調節によって更に微調整が施される。

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、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、スペックルパターンの平
均スペックル径が一次元イメージセンサー（４）を構成
するＣＯＤ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。

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。

電子冷却装置（３）は第４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）　（３７）を接続した周
知の構造を有している。

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）が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。

更にケーシング（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
。

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や、温度コン
トロールハウジング（２２）内の温度を制御するための
温度制御回路（６１）の他、第６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）が形成されている。

温度制御回路（６１）は周知の種々な構成が可能であり
、第５図はその一例を示している。該回路は、ＰＩ制御
回路（６４）を入力部に具え、操作可能な温度設定部（
６５）からの設定温度信号と半導体レーザユニット（２
）の温度センサー（６）からの検出温度信号とが入力さ
れている。又、該回路は、２つの電源（６２）（６３）
及び極性を違えて接続した２つのトランジスタＱ１、Ｑ
２を具えると共に、両電源（６２）（６３）の中点、及
び両トランジスタＱ１、Ｑ、の中点には、夫々前記電子
冷却装置（３）から引出された２本のリード線（３６）
　（３７）が接続されている。

上記温度制御回路（６１）においては、検出温度が設定
温度に等しいときは、ＰＩ制御回路（６４）に出力は生
じないが、同温度に差が生じると、ＰＩ制御回路（６４
）からの制御信号によって、何れか一方のトランジスタ
がオンして、電源（６２）或いは（６３）から前記温度
差の大きさに応じた正又は負の直流電圧が、リード線（
３６）　（３８）を通じて電子冷却装置（３）へ出力さ
れる。例えば設定温度よりも検出温度が高い場合は、電
子冷却装置（３）に吸熱作用を発揮させる様、電子冷却
装置（３）に対する通電方向が設定される。この結果、
半導体レーザユニット（２）内の温度は、温度設定部（
６５）による設定温度に維持されることになる。

上記温度制御回路（６１）は、測長時には、半導体レー
ザユニット（２）内の半導体レーザ（２１）を一定温度
に維持して、その発振波長を一定値に維持する役割を担
うが、半導体レーザユニット（２）の組立時においては
、コリメータレンズ（２５）の焦点調整を行なうために
用いられる。

一般にプラスチックレンズの屈折率は温度依存性が極め
て高く、温度の上昇に伴って、レンズの屈折率は略直線
的に減少することが知られている。

例えばコリメータレンズ（２５）の光学材料としてＰＭ
ＭＡを採用した場合、ＰＭＭＡの屈折率温度係数は１０
〜１．２　Ｘ　１０−’／℃であって、光学ガラスの屈
折率温度係数（２〜５　ｘ　ｔｏ−’／　℃）に比べて
遥かに大きい。

又、光学的な解析から、温度変化量／Ｔとレンズの焦点
距離Ｆの変化量７Ｆとの間には、次の関係が成立するこ
とが知られている。

ＪＦ＝（−ｎＦ＋αＦ　）Ｘ　、６　Ｔここで、ｎはレ
ンズ材料の屈折率によって決る定数、αはレンズ材料は
線膨張係数であって、ＰＭＭＡの場合、焦点距離Ｆを１
００ｍｍとすると次の関係式となる。

ΔＦ＝３．ｌＸ１Ｏ−２７Ｔ 従って、温度１℃の上昇に対して０．０３ｍｍの焦点変
位が生じることになる。

第１図及び第２図に示す測定ヘッド（１）の組立工程に
おいては、先ず粗調整として、温度・コントロールハウ
ジング（２２）内のビーム調節用ネジ筒（２６）を正逆
に回転させて、半導体レーザ（２１）とコリメータレン
ズ（２５）の間隔りを所定値に設定した後、接着剤或い
はその他の固定具を用いてビーム調節ネジ筒（２６）の
位置を固定する。そして、組立終了後、最後の微調整と
して、第５図の温度設定部（６５）を操作し、コリメー
タレンズ（２５）の温度変化による焦点変位によって、
該コリメータレンズの焦点を半導体レーザ（２１）の点
光源位置に一致せしめるのである。

尚、前記微調整においては、例えばマイクロメータ等を
具えた焦点調整用の治具を用いて、これを移動対象物体
として実際の測長を実施し、正確な測長結果が得られる
様、温度設定部（６５）を操作して行なうことが出来る
。

第６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。

−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。

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
れによってイメージ信号か２値化され、更に該２値化デ
ータは相関器（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
。

又、前記バッファアンプ（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
タイミング信号発生器（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。

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。

この状態で第６図の回路を動作させ、対象物体の移動距
離が測定される。

上記スペックル測長針によれば、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る。又、
電子冷却装置（８）及び温度制御回路（６１）の装備に
よって、測定ヘッド（１）の設置環境に拘らず、半導体
レーザ（２１）の発振波長を一定値を維持出来ると共に
、レーザビームを正確な平行ビームに形成出来、これに
よって高い測長精度が達成される。

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであ
って、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲
を減縮する様に解すべきではない。

又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求
の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である
。

例えば温度制御回路（６１）としては、第５図に示すも
のに限らず、ＰＩＤ制御を用いたもの等、周知の種々な
回路を採用出来るのは勿論である。

又、本発明は、前述のレーザを用いたスペックル測長計
のみならず、ＬＥＤを用いた光電スイッチ、ＬＥＤ或い
はレーザを用いた変位計、速度計、外形測定器等の種々
な光学式測定器に実施出来、更に、対象物体に照射すべ
き光は平行ビームに限らず、対象物体上で所定のスポッ
トを形成するもの、対象物体表面を繰返し走査するもの
等、種々な光を用いることが出来る。

【図面の簡単な説明】

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図は電子冷却装置の断面図、第５図は温
度制御回路の構成を示すブロック図、第６図は測定ヘッ
ドに接続すべき測定回路のブロック図である。 （１）・・・測定ヘッド （１４）・・・窓 （２５）・・・コリメータレンズ （４）・・・イメージセンサ− （１０）・・・ケーシング （２１）・・・半導体レーザ （３）・・・電子冷却装置 （６）・・・温度センサー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）光源からの光をレンズを経て測定対象物体へ向っ
   て出射すべき測定ヘッド（１）を具えた光学式測定ヘッ
   ド装置において、測定ヘッド（１）は、光源と、該光源
   からの光が透過すべきレンズ（２５）と、発熱或いは吸
   熱作用を発揮する温度調節装置と、温度センサー（６）
   とを具え、前記レンズ（２５）は光学プラスチックを資
   材として形成し、前記温度調節装置には、任意の設定温
   度と前記温度センサー（６）の検出温度との差に応じた
   制御信号を発する温度制御回路（６１）が接続され、レ
   ンズ（２５）の温度を変えることによって、該レンズの
   焦点調節が施されていることを特徴とする光学式測定ヘ
   ッド装置。（２）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、該物体からの反射光に基づいて物
   体の移動距離を測定する装置において、レーザビームの
   出射窓（１４）を有するケーシング（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、発熱或いは吸熱作用を発揮する温度調
   節装置と、温度センサー（６）とを配置して測定ヘッド
   （１）を構成し、前記コリメータレンズ（２５）は光学
   プラスチックを資材として形成し、前記温度調節装置に
   は、任意の設定温度と前記温度センサー（６）の検出温
   度との差に応じた制御信号を発する温度制御回路（６１
   ）が接続され、コリメータレンズ（２５）の温度を変え
   ることによって、該コリメータレンズの焦点調節が施さ
   れていることを特徴とする光学式測定ヘッド装置。 （３）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、前記温度調節装置となる電子冷却装置（３）を
   設置した請求項２に記載の光学式測定ヘッド装置。 （４）光源からの光をレンズを経て測定対象物体へ向っ
   て出射すべき測定ヘッド（１）を具えた光学式測定ヘッ
   ド装置の調整方法において、測定ヘッド（１）は、光源
   と、該光源からの光が透過すべきレンズ（２５）と、発
   熱或いは吸熱作用を発揮する温度調節装置とから構成し
   、前記レンズ（２５）は光学プラスチックを資材として
   形成し、光源とレンズ（２５）とを所定間隔に設置した
   後、前記温度調節装置を動作させて、レンズ（２５）の
   温度を変えることにより、該レンズの焦点位置を微調節
   することを特徴とする光学式測定ヘッド装置の調整方法
   。 （５）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、該物体からの反射光に基づいて物体の移動距
   離を測定する測定ヘッド装置の調整方法において、レー
   ザビームの出射窓（１４）を有するケーシング（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、発熱或いは吸熱作用を発揮
   する温度調節装置とを配置して測定ヘッド（１）を構成
   し、前記コリメータレンズ（２５）は光学プラスチック
   を資材として形成し、半導体レーザ（２１）とコリメー
   タレンズ（２５）とを所定間隔に設置した後、前記温度
   調節装置を動作させてコリメータレンズ（２５）の温度
   を変えることにより、該コリメータレンズの焦点位置を
   微調節することを特徴とする光学式測定ヘッド装置の調
   整方法。