JPH0518714A - スペツクル画像変位測定装置 - Google Patents

スペツクル画像変位測定装置

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JPH0518714A
JPH0518714A JP17019691A JP17019691A JPH0518714A JP H0518714 A JPH0518714 A JP H0518714A JP 17019691 A JP17019691 A JP 17019691A JP 17019691 A JP17019691 A JP 17019691A JP H0518714 A JPH0518714 A JP H0518714A
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Tamiki Takemori
民樹 竹森
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 スペックル画像を撮像するイメージセンサの
画素間隔以下の分解能でスペックル画像の変位を測定す
る装置において、スペックル平均径の影響を除去された
測定値を得ることを目的とする。 【構成】 イメージセンサを内蔵するCCDカメラ1
と、このCCDカメラ1が出力する画像データに対して
画質改善処理を施し改善画像データとして出力する画質
改善手段2と、イメージセンサ上に映し出された画像の
うち、測定すべき移動量の移動前の画像と移動後の画像
に関する改善画像データを記憶し、両改善画像データの
一致度を評価値としてイメージセンサの画素間隔以下で
算出する画像変位算出手段3とを備えている。画像変位
算出回路3は、スペックル平均径に応じた複数の補正テ
ーブルと、測定した変位を前記複数の補正テーブルの中
から選択された1つの補正テーブルを用いて補正する手
段とを内蔵している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、物体にレーザー光を照
射したときに現れるスペックル画像の変位(移動量)を
測定するための装置、すなわち、スペックル画像変位測
定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】レーザー光を物体粗面に照射したとき
に、反射側の空間にスペックル画像と呼ばれる斑点状の
パターンが現れる。このスペックル画像は、物体の変位
に伴って一定の関係で移動(変位)することから、スペ
ックル画像の変位を測定することにより、物体の変位量
を非接触で知ることができる(例えば、特公昭61−2
7681号公報)。
【0003】一方、画像の変位計測法として、基準の画
像(移動前の画像)と現在の画像(移動後の画像)との
一致度を評価値として用いる方法が知られている。すな
わち、CCDイメージセンサのような撮像素子で捕らえ
た2つの画像すなわち基準画像と現在の画像について、
相互相関関数、差の二乗和、差の絶対値和などの一致度
に関する評価値を1画素ずつずらして計算し、一致度の
一番高い位置を画像の変位(移動量)とする方法が知ら
れている。そしてさらに、分解能を上げるために、一致
度の一番高い位置の評価値とその周辺の位置の評価値を
用いて放物線近似などに回帰させ、その頂点の位置を推
定して、画素のサンプリング間隔以下の分解能を達成し
ている(補間法)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
補間計算法を用いて画素間隔以下の分解能で変位を求め
ると、スペックル画像が斑点画像であることに起因する
誤差が生じ、必ずしも十分な測定精度を得ることができ
なかった。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような問
題に鑑みて為されたものであり、イメージセンサ上に映
し出されたスペックル画像の移動量を移動前の画像デー
タと移動後の画像データの一致度を評価値としてイメー
ジセンサの画素のサンプリング間隔以下で測定するスペ
ックル画像変位測定装置において、スペックル平均径に
応じた複数の補正テーブルと、測定した変位を前記複数
の補正テーブルの中から選択された1つの補正テーブル
を用いて補正する手段とを備えたものである。また、ス
ペックル平均径の調整手段を備えることが望ましい。
【0006】
【作用】補間計算法を用いて画素間隔以下の分解能で変
位を求めると、実際の変位量と測定により得られた変位
量との間に周期的な誤差が生じる。そして、発明者らの
研究によって、この誤差の大きさはスペックル平均径に
よって異なることを発見した。そこで、スペックル平均
径に応じた補正テーブルを複数用意しておき、測定に先
だって測定されるスペックル画像のスペックル平均径を
求めれば、そのスペックル平均径に対応した補正テーブ
ルで測定した変位量を補正でき、より正確な変位を求め
ることができる。また、スペックル平均径の制御手段を
備えておれば、所望の補正テーブルに合わせてスペック
ル平均径を調整することができるため、厳密な補正がで
き、補正後の変位量は一層正確なものとなる。
【0007】
【実施例】図1は、本発明の一実施例であるスペックル
画像の変位測定装置を示すブロック図である。この装置
は、CCDカメラ1と画質改善回路2と画像変位算出回
路3で構成されている。CCDカメラ1は、ここでは画
面サイズが512×512画素、画素サイズが11×1
1μmであり、25フレーム/secのインターレース
方式を採用している。画像変位算出回路3は、4つの画
像処理ユニット31−34と、これらを制御すると共に
所定の演算処理を行う制御回路35で構成されている。
各画像処理ユニット31−34は、それぞれ画像メモリ
(ビデオRAM)31a−34aとそのデータ書き込み
読みだし制御を行う制御部31b−34bを備えてい
る。
【0008】ここで、画像変位算出回路3が2つの画像
の変位(移動量)を画素以下の分解能で推定する方法を
図2を用いて説明する。まず、スペックル画像の任意の
位置に任意の大きさのブロック(ここでは、3×3画
素)を設定する。次に、(1)式に示すように、変位前
のブロックよりも大きい(ここでは5×5画素)画像R
(x,y)を基準とし、変位後のブロック画像D(x,
y)と各画素間の差分の絶対値を積算する。
【0009】
【数1】
【0010】そして、この積算処理を位置を1画素ずつ
ずらして複数回実行する。図2(a),(b),(c)
は、x方向に2回ずらして積算処理を3回行ったことを
示している。そして、図2(d)は、積算結果S(u,
v)の値を位置毎に示している。分解能を画素のサンプ
リング間隔と同じで十分の場合には、最小の積算結果S
(u,v)が得られた位置(umin ,vmin)からス
ペックル画像の移動の前後における変位(移動量)を求
めることができる。ここではさらに、画素のサンプリン
グ間隔以下の分解能を得るために、最小値S(umin
min )と隣接する位置の値S(umin −1,
min )、S(umin +1,vmin )を通過する放物線
を求め、その頂点の位置を画素の間隔以下で推定する。
なお、ここでは、x方向についてのみ積算処理をしてい
るだけであるが、y方向に対してもS(umin ,vmin
−1)、S(umin ,vmin +1)を求め放物線回帰を
行えば、y方向の位置も画素の間隔以下の分解能で推定
できる。
【0011】ところで、このような補間計算法を用いて
画素間隔以下の分解能を得ようとすると、スペックル画
像が斑点模様であることが原因で、実際の変位と一致し
ない。そして、その不一致の程度は、スペックル平均径
の大きさに左右されることがわかった。図3(a)
(b)(c)はこの様子を示す測定結果である。これら
の図において、横軸は物体の変位を示し、縦軸は上述の
補間法を用いて測定したスペックル画像の変位を示して
いる。図3(a)はスペックル平均径が10μmの場
合、同図(b)は14μmの場合、同図(c)は20μ
mの場合を示している。スペックル画像の変位は、物体
の移動(面内変位)に対して本来はリニアでなければな
らないが、いずれの場合も蛇行してしまうことがわか
る。また、蛇行の程度は、スペックル平均径が小さいほ
ど大きいことがわかる。そこで、画像変位算出回路3
は、上述した補間法によって得た変位の測定結果に対し
てスペックル平均径に応じて補正する手段を備えてい
る。すなわち、スペックル平均径に応じた複数の補正テ
ーブルと、補間法によって得た変位に対して補正テーブ
ルの一つを用いて補正する演算手段とを備えている。
【0012】スペックル平均径は、レンズ結像系を有す
る場合(カメラレンズを使用する場合)には、CCDカ
メラ1のFナンバー(絞り)、結像倍率、レーザー光の
波長の3つの要素で決定される。すなわち、CCDカメ
ラのFナンバーをF、結像倍率をm、レーザー光の波長
をλとすると、スペックル平均径は(1+m)λFで表
すことができる。Fナンバーはカメラレンズにエンコー
ダーを用いて検出することができる。結像倍率は光学系
の配置により決まるので光学系を構成している各部品の
位置をマークして測定することができる。また、レーザ
ー光の波長は、レーザー発振器から知ることができる。
一方、カメラレンズを使用しない場合のスペックル平均
径は、物体4とCCDカメラ1との距離をL、物体照射
部におけるレーザービーム径をD、レーザー光の波長を
λとすると、0.6Lλ/Dで与えられる。レーザービ
ーム径は、レーザービームをハーフミラーで分岐してか
ら計測すればよい。スペックル平均径のその他の検出方
法として、スペックル画像の一部分の強度プロファイル
をとって調べたり、スペックル画像の自己相関をとり、
その相関値プロファイルをとって調べたりする方法が考
えられる。
【0013】画像変位算出回路3に与えられる画像デー
タは、画質改善回路2で画質改善が為されている。CC
Dカメラ1から出力される画像データには、CCD読み
出し時のショットノイズやアナログラインでのノイズが
混入している。そのため、画像変位算出回路3におい
て、CCDカメラ1から出力される画像データをそのま
ま用いて演算すると、ノイズも積算されるため、積算結
果S(u,v)の値の信頼性が低い。したがって、その
結果を用いて回帰放物線の頂点の位置を画素の間隔以下
で推定すると、ノイズに基づく誤差は非常に大きい。画
質改善回路2は、CCD読み出し時のショットノイズや
アナログラインでのノイズを画像データから除去するた
めの回路であり、(2)式で示すような画像の平均化
(リカーシブフィルタ)処理を実行する。
【0014】 Vn =Vn-1 +(Vin−Vn-1 )/N …(2) ここに、Vn :出力画像、Vn-1 :1フレーム前の出力
画像、Vin:入力画像、N:平均化算数 である。この
画像の平均化を行うことにより、画像から上述したよう
なランダムノイズの低減を図ることができる。
【0015】つぎに、本実施例の全体動作を説明する。
図示省略したHe−Neレーザー(50mW)からのレ
ーザー光5をコリメートして物体4に照射する。CCD
カメラ1は、このレーザー光5の照射によって生じるス
ペックル画像を捕らえる。CCDカメラ1が撮像して得
られた画像信号は、画質改善回路2で画質改善処理が施
された改善画像信号に変換されて各画像処理ユニット3
1−34に並列入力される。1枚目の画像処理ユニット
31は、マスターとして水平同期信号HDおよび垂直同
期信号VDを他のスレーブとしての画像処理ユニット3
2−34およびCCDカメラ1に出力する。各画像処理
ユニットでは、32ビットCPUからなる制御部31b
−34bがハード的に画像メモリ31a−34aのアド
レス発生を制御し、外部同期・内部同期の選択、水平、
垂直のブランキング期間の設定を実行する。
【0016】制御回路35は、各画像処理ユニット31
−34に対して、追跡するブロックの数、サイズ、位置
のパラメータを制御部31b−34b内のメモリに書き
込み、計測を開始させ、各画像処理ユニット31−34
を並列動作させる。各画像処理ユニット31−34は、
画像改善処理の施されたスペックル画像を取り込み、
(1)式の計算をそれぞれのブロックについて実行し、
終了フラグと変位の結果を特定のアドレスに書き込む。
制御回路35は、各画像処理ユニット31−34から変
位結果を連続して取り込み、スペックル平均径に基づく
誤差を補正テーブルを用いて除去した後、変位分布、歪
み分布として格納する。図4(a)は、補間法を用いて
得られた変位の生データを示すグラフであり、同図
(b)はそのときのスペックル平均径に応じて選択され
た補正テーブルを用いて補正した結果を示すグラフであ
る。両グラフにおいて、横軸は物体の移動量(面内変
位)を示し、縦軸は測定結果を画素間隔で示したもので
ある。
【0017】なお、制御部31b−34bに、グラフィ
ックディスプレイを目的としたCPUを用いれば、基準
用の画像のブロック転送などは特定のレジスタに転送
元、転送先およびサイズを書き込むことでハード的に実
行できる。また、(1)式の計算はアセンブラで組むこ
とにより処理時間の低減を図ることができる。
【0018】スペックル平均径が予め用意されている複
数の補正テーブルに対応するスペックル平均径の中間の
値であった場合には、最も近い補正テーブルを採用して
補正するか、近くの補数の補正テーブルの平均値を計算
しその結果を用いて補正することになる。これに対し
て、スペックル平均径の制御手段を備えておれば、所望
の補正テーブルに合わせてスペックル平均径を調整する
ことができるため、厳密な補正ができ、補正後の変位量
は一層正確なものとなる。スペックル平均径の制御方法
としては、レーザー光源に波長可変レーザを用いて波長
を制御する方法がある。また、カメラレンズを用いる場
合には、Fナンバー(絞り)を自動制御できるカメラレ
ンズを用いてFナンバーを制御する方法、各光学部品を
リニアステージ等の自動ガイド機能つきの台に載せ、各
光学部品の位置を調整して結像倍率を制御する方法があ
る。カメラレンズを用いない場合には、カメラをリニア
ステージに載せ、これを制御して物体の角度関係を変え
ずに距離だけを調整する方法やレーザービームを可動式
の回転アパーチャを通すことによりビーム径を調整する
方法などがある。図1に示す実施例では、制御装置35
がリニアステージ6、7を制御できるようになってい
る。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明のスペックル
画像変位測定装置によれば、測定した変位量をスペック
ル平均径に対応した補正テーブルを用いて補正するの
で、より正確な変位を求めることができる。また、スペ
ックル平均径の制御手段を備えておれば、所望の補正テ
ーブルに合わせてスペックル平均径を調整することがで
きるため、厳密な補正ができ、補正後の変位量は一層正
確なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるスペックル画像変位測
定装置を示すブロック図。
【図2】画像変位算出回路3が2つの画像の変位(移動
量)を画素間隔以下の分解能で推定する方法(補間法)
を示す図。
【図3】物体の移動とスペックル画像変位の測定値との
関係を示すグラフ。
【図4】物体の移動とスペックル画像変位の測定値およ
びその補正値との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
1…CCDカメラ 2…画質改善回路 3…画像変位算出回路 5…物体

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イメージセンサ上に映し出されたスペッ
    クル画像の移動量を移動前の画像データと移動後の画像
    データの一致度を評価値としてイメージセンサの画素の
    サンプリング間隔以下で測定するスペックル画像変位測
    定装置において、 スペックル平均径に応じた複数の補正テーブルと、測定
    した変位を前記複数の補正テーブルの中から選択された
    1つまたは2つ以上の補正テーブルを用いて補正する手
    段とを備えたことを特徴とするスペックル画像変位測定
    装置。
  2. 【請求項2】 スペックル画像のスペックル平均径を調
    整する手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の
    スペックル画像変位測定装置。
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