JPH0552517A - スペツクル変位計 - Google Patents

スペツクル変位計

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JPH0552517A
JPH0552517A JP21694191A JP21694191A JPH0552517A JP H0552517 A JPH0552517 A JP H0552517A JP 21694191 A JP21694191 A JP 21694191A JP 21694191 A JP21694191 A JP 21694191A JP H0552517 A JPH0552517 A JP H0552517A
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JP
Japan
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displacement
target object
speckle
dimensional image
image sensor
Prior art date
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Withdrawn
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JP21694191A
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English (en)
Inventor
Yuuji Akishiba
雄二 秋柴
Makoto Hirai
誠 平井
Takanori Imayado
孝則 今宿
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Keyence Corp
Original Assignee
Keyence Corp
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Publication date
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Publication of JPH0552517A publication Critical patent/JPH0552517A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 一次元イメージセンサーの動作速度を低下さ
せることなく、然も対象物体の主変位方向とは直交する
多少の変位成分に拘らず、主変位方向の変位量を高い感
度で測定できるスペックル変位計を提供する。 【構成】 レーザビーム源から対象物体(4)へ至る光路
中に、ビーム照射面(41)上に形成されるビームスポット
(7)の外形を対象物体の主変位方向に長い矩形状或いは
楕円状に整形するためのスリット板(5)、或いはシリン
ドリカルレンズをを配置している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、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、変形量、移動速度、加速度
等(以下、変位量と総称する)を測定するスペックル変位
計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体レーザから出射されるレー
ザビームを対象物体に照射し、該物体表面からの拡散光
によって生じるスペックルパターンを検知し、物体の移
動、変形に伴うスペックルパターンの変化に基づいて、
物体の変位量を測定するスペックル変位計が知られてい
る(特公昭59-52963号)。
【0003】図7はスペックル変位計の構成例を示して
おり、半導体レーザ(1)からのレーザ光は、コリメータ
レンズ(2)を経て平行レーザビーム(11)に整形され、対
象物体(4)に照射される。対象物体(4)からの反射光
は、CCD等の受光素子の配列からなる一次元イメージ
センサー(3)にて検知される。
【0004】一次元イメージセンサー(3)は、図8に示
すタイミング発生器(95)からバッファアンプ(96)を経て
送られてくるリセット信号、スタート信号及びシフト信
号によってCCD配列方向の走査を一定周期で繰り返し
つつ、対象物体(4)からの反射光を光電変換する。一次
元イメージセンサー(3)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。
【0005】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物体変位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、この結果がマイクロコンピュータ(図示省
略)へ送られて、物体の変位量が算出されるのである。
尚、バッファアンプ(96)、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。
【0006】斯種スペックル変位計によれば、例えば一
方向に搬送される物体の移動距離を高精度に測定出来
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、一般に移動
物体は、振動等の原因によって、測定すべき一方向(主
変位方向)の移動のみならず、主変位方向とは直交する
方向にも僅かな移動を伴うから、一次元イメージセンサ
ー上のスペックルパターンは、受光素子の配列方向とは
直交する向きにも移動することになり、この移動距離が
大きくなると、主変位方向の移動距離とは無関係にスペ
ックパターンが変化して、測定精度が著しく低下し、場
合によっては不能に陥る虞れがある。
【0008】そこで、従来は、一次元イメージセンサー
を構成する各受光素子の形状を、その配列方向とは直交
する向きに長い短冊状に形成して、スペックルパターン
が主変位方向とは直交する方向へ僅かに移動した場合で
も、該移動による一次元イメージセンサー上のスペック
ルパターンの変化を最小限に抑えて、測定精度を維持し
ていた(雑誌「オプトエレクロニスクス」1988年No.9、1
21頁)。
【0009】しかしながら、これによって一次元イメー
ジセンサーの動作速度が低下するばかりでなく、スペッ
クルパターンが受光素子の長手方向に平滑化されて、ス
ペックルパターンの主変位方向のコントラストが低下
し、測定感度が落ちる問題を生じていた。
【0010】本発明の目的は、一次元イメージセンサー
の動作速度を低下させることなく、然も対象物体の主変
位方向とは直交する多少の変位成分に拘らず、主変位方
向の変位量を高い感度で測定できるスペックル変位計を
提供することである。
【0011】
【課題を解決する為の手段】本発明に係るスペックル変
位計は、レーザビーム源から対象物体へ至る光路中に、
ビーム照射面上に形成されるビームスポット(7)の外形
を対象物体の主変位方向に長い矩形状或いは楕円状に整
形するビームスポット整形手段を配置したものである。
ビームスポット整形手段としては、例えば、主変位方向
に細長いスリットを有するスリット板やシリンドリカル
レンズが採用可能である。
【0012】
【作用】対象物体のビーム照射面上のビームスポット
が、対象物体の主変位方向に長く、主変位方向とは直交
する方向には短い矩形状或いは楕円状に整形されること
によって、該ビームスポットに応じて観測面に表われる
スペックルは、対象物体の主変位方向に短く、主変位方
向とは直交する方向には長い楕円状となる。従って、測
定中にスペックルパターンが主変位方向とは直交する方
向へ移動したとしても、該移動距離が、スペックルパタ
ーンを構成するスペックルの長手方向の外径よりも小さ
ければ、一次元イメージセンサーの検知可能範囲に含ま
れるスペックルパターン、即ち一次元イメージセンサー
の検知信号に大きな変化はなく、スペックパターンの主
変位方向の明暗変化が高いコントラストで検知される。
【0013】
【発明の効果】本発明に係るスペックル変位計によれ
ば、一次元イメージセンサーの各受光素子を従来の如き
短冊状に形成することなく、従って一次元イメージセン
サーの高速動作を維持したまま、対象物体の主変位方向
とは直交する多少の変位成分に拘らず、主変位方向の変
位量を高感度に測定出来る。
【0014】
【実施例】図1は本発明の第1実施例を示し、図2は本
発明の第2実施例を示している。尚、何れの実施例と
も、対象物体(4)の主変位方向を図中のX軸方向に設定
している。又、一次元イメージセンサー(3)は、図4に
示す様に、幅W(十数μm)のCCD(31)を一定ピッチP
(十数μm)で多数個(例えばN=256、512或いは1
024個)配列して構成したものである。
【0015】第1実施例においては、従来と同一構成の
半導体レーザ及び光学系(図示省略)から送られてくる平
行レーザビーム(11)を、図1に示す如きスリット板(5)
のスリット(51)によって絞り、ビーム照射面(41)上に
は、X軸方向の長さAxが略2mm、Y軸方向の幅Ayが
略0.3mmの矩形のビームスポット(7)を形成する。
【0016】一方、第2実施例においては、平行レーザ
ビーム(11)を図2に示す如きシリンドリカルレンズ(6)
を用いてY軸方向に集光することによって、第1実施例
と同じ寸法形状のビームスポット(7)を形成している。
【0017】一般に、一次元イメージセンサー(3)上で
のスペックルのX軸方向の径Dx及びY軸方向の径Dy
は、λをレーザ光の波長、L0をビーム照射面(41)から
一次元イメージセンサー(3)までの距離として、次の数
1及び数2によって表わされる。
【数1】Dx=2λL0/Ax
【数2】Dy=2λL0/Ay
【0018】即ち、一次元イメージセンサー(3)上の1
つのスペックルは、図5に実線で示す如くY軸方向に長
い楕円状となり、上記第1及び第2実施例の場合、Y軸
方向の径DyはX軸方向の径Dxの数倍の長さとなる。
【0019】スリット板(5)或いはシリンドリカルレン
ズ(6)を配置していない従来のスペックル変位計では、
一次元イメージセンサー上のスペックルが、図5に破線
で示す如く直径Dxの略円形となっており、これに対し
て、本発明では、Y軸方向へ10倍に引き伸ばされた縦
長のスペックル形状となる。
【0020】従って、対象物体(4)がX軸方向に移動す
る場合、一次元イメージセンサー(3)上のスペックルパ
ターンがY軸方向の径Dyの長さ範囲内でY軸方向へ移
動したとしても、一次元イメージセンサー(3)にて検知
され得るスペックルパターンには殆ど変化は生じない。
【0021】尚、上記スペックル変位計において、高い
測定精度を得るためには、ビーム照射面(41)上のビーム
スポット(7)のX軸方向の長さAxが、該ビームスポッ
トによって形成されるスペックルパターンの相関をとる
ことが出来る程度に長く、且つ一次元イメージセンサー
(3)上のスペックルのX軸方向の径Dxが一次元イメー
ジセンサー(3)のCCD(31)の配列ピッチPよりも大き
いことが必要である。又、ビーム照射面(41)上のビーム
スポット(7)のY軸方向の長さAy、及び一次元イメー
ジセンサー(3)上のスペックルのY軸方向の径Dyは夫
々、一次元イメージセンサー(3)のCCD(31)の幅Wよ
りも十分に大きいことが必要である。
【0022】ところでシリンドリカルレンズ(6)を用い
た上記第2実施例によれば、スペックル径の縦横比の調
整による上述の効果のみならず、後述の効果が得られ
る。
【0023】一般に、図6の如くレーザビームが対象物
体(4)のビーム照射面(41)に対して角度θsにて入射
し、拡散反射光が角度θ0で一次元イメージセンサー
(3)へ向かって出射している光学系において、レーザビ
ーム焦点位置とビーム照射位置との距離をLs、対象物
体(4)の移動距離をX1とすると、一次元イメージセン
サー(3)上でのスペックルパターンの移動距離X2は数
3で表わされる。
【数3】 X2={(L0・cos2θs/Ls・cosθ0)+cosθ0}・X1
【0024】ここで、上記第2実施例において、図3の
如くシリンドリカルレンズ(6)の焦点Pをビーム照射面
(41)の後方に設け、例えばL0/Ls≒−1、θ0≒0、
θs≒0に設定した場合を考えると、上記数3から、Y
軸方向の移動感度A=X2/X1は略零となり、Y軸方向
へ対象物体(4)が移動しても、一次元イメージセンサー
(3)上のスペックルパターンはY軸方向へは殆ど移動し
ないこととなる。
【0025】これに対し、X軸方向については、平行レ
ーザビーム(11)が入射している場合と同等であって、L
sは無限大と考えられるから、上記数3から、X軸方向
の移動感度Aは1となり、対象物体(4)の移動に伴って
一次元イメージセンサー(3)上のスペックルパターンも
同一速度で移動することになる。
【0026】即ち、上記第2実施例によれば、対象物体
(4)の主変位方向とは直交する方向の変位に伴うスペッ
クルパターンの同方向の移動感度を低下させることによ
り、対象物体の主変位方向とは直交する多少の変位成分
の影響を打ち消すことが出来、この結果、主変位方向の
変位量を更に高精度で測定出来るのである。
【0027】尚、シリンドリカルレンズ(6)を用いる場
合、シリンドリカルレンズ(6)の向きを図2とは90度
異なる垂直姿勢に設定し、且つ該シリンドリカルレンズ
(6)の焦点位置をビーム照射面(41)よりも手前に設け
て、X軸方向の測定感度をY軸方向よりも上げることに
よって、上記同様の効果を得ることも可能である。この
場合も、シリンドリカルレンズ(6)とビーム照射面(41)
との距離を調整して、ビーム照射面(41)上のビームスポ
ット(7)は図2の如く横長に整形する。
【0028】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスペックル変位計の第1実施例を
示す斜視図である。
【図2】本発明に係るスペックル変位計の第2実施例を
示す斜視図である。
【図3】第2実施例における光学系を説明する図であ
る。
【図4】一次元イメージセンサーの構成を示す図であ
る。
【図5】ビームスポットの形状を示す図である。
【図6】対象物体の移動距離と一次元イメージセンサー
上のスペックルパターンの移動距離との一般的な関係を
説明する光学系を示す図である。
【図7】スペックル変位計の概略構成を示す斜視図であ
る。
【図8】スペックル変位計の回路構成を示すブロック図
である。
【符号の説明】
(3) 一次元イメージセンサー (4) 対象物体 (5) スリット板 (6) シリンドリカルレンズ (41) ビーム照射面 (7) ビームスポット

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対象物体の表面にレーザビームを照射
    し、該照射面に対向した観測面に表われるスペックルパ
    ターンを受光してイメージ信号に光電変換し、該イメー
    ジ信号の変化に基づいて対象物体の変位量を測定するス
    ペックル変位計において、レーザビーム源から対象物体
    へ至る光路中に、ビーム照射面上に形成されるビームス
    ポット(7)の外形を対象物体の主変位方向に長い矩形状
    或いは楕円状に整形するビームスポット整形手段を配置
    したことを特徴とするスペックル変位計。
JP21694191A 1991-08-28 1991-08-28 スペツクル変位計 Withdrawn JPH0552517A (ja)

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JP21694191A JPH0552517A (ja) 1991-08-28 1991-08-28 スペツクル変位計

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JP21694191A JPH0552517A (ja) 1991-08-28 1991-08-28 スペツクル変位計

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Effective date: 19981112