JPH06201329A - 画像センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】必要に応じて調整することで、簡単に、被測定
物の形状特性と測定環境に適した空間フィルタが得られ
る画像センサを提供する。 【構成】レーザ光源１１とホログラフィックパターン発
生光学系１２とからなるホログラフィックパターンを投
射する手段１０によって被測定物３にホログラフィック
パターン４を投射し、その反射光を結像レンズ系１６，
迷光絞り１７，空間フィルタ１８，光検出器１９からな
る検出手段１３で受けて、増幅器２１，低域通過フィル
タ２２，周波数カウンタ２３，計数処理部２４，表示器
２５からなる信号処理部２で処理するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非接触で物体の速度・
振動・変位等を測定する画像センサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の画像情報から空間フィルタを
用いて特定の信号を抽出し、この信号を数値化してセン
シングを行う画像センサは、非接触センサの中でも２次
元画像が扱える点と、空間フィルタを被測定物に適応さ
せて効率の良いセンシングが可能な点で特長を持つ。通
常、このタイプのセンサは被測定物自身の発光パターン
か、照明された被測定物の反射パターンを光学系を用い
て入力し、空間フィルタの面上に結像させて空間フィル
タリングを行う。空間フィルタリングは２つの画像を重
ね合わせ、共通部分の面積を抽出する事を基本処理とす
るが、２つの画像が相対的に移動する場合には共通部分
の面積が時間変化し、この変化の状態を検出するといわ
ゆる相互相関出力が得られる。相関出力の振幅値の変化
は被測定物の形状変化を示し、同じく周波数の変化は移
動状態を示すことが知られており、この性質を利用して
空間フィルタを用いた画像センサが速度検出器等に用い
られている。

【０００３】例えば、特公昭５５−４５８６５号公報に
は図１０に示すような「空間フィルタ系検出器による移
動物体の速度測定装置」が開示されている。図１０の実
施例では、走行中の被測定体５１の表面上に光源５２か
らの平行光線を入射角θで投射すると共に、その反射角
方向にレンズ５３、光遮断板５６、検出器５４、を筐体
５５に固定して配設している。空間フィルタ系の検出器
５４は被測定体５１との対向面に、それらの合成出力を
とると反射光のうち受光素子のピッチと同一のむらによ
って生じた反射光の変化のみが強調されて取り出され、
他のむらによる反射光の変化は、受光素子の各々でラン
ダム状態となるので平均化されて変化分が相殺される。
検出器５４はこのようなフィルタの役割を持っている。
このようにして取り出された出力の周期は、受光素子の
配設ピッチと同一の被測定体５１のむらの１ピッチが受
光素子を通過する時間であり、走行速度をＶ、受光素子
の配設ピッチをＰ、レンズの倍率をｍとすれば、得られ
る周波数ｆは、ｆ＝（ｍ／Ｐ）Ｖとなり、速度に比例し
たものとなる。なお、図１０の実施例では、振動などに
よる被測定体５１と検出器５４との距離の変化が倍率の
変化となり、周波数の変化となって測定が不正確になる
のを防止するため、光遮断板５６を入れて、反射光をレ
ンズの焦点を通る光にのみ限定している。

【０００４】しかしながら、従来の画像センサは空間フ
ィルタが前述の様に入力光学系の結像面に固定配置さ
れ、前記空間フィルタの光学的形状はあらかじめ被測定
物の特徴や、抽出すべき信号の性質によって決められて
おり、測定状態や環境の変化などに合わせて短時間に特
性を最適変化させることは困難である。また、２次元配
置した光電変換素子の検出感度を制御して可変空間フィ
ルタをデジタル的に実現する試みも行われてはいるが、
実用とするためには数万画素以上の素子を個別に制御
し、かつ光学系の形状に合わせて集積化する必要がある
ため非常に高度な作製技術が要求される。このように、
測定対象や測定状態などに応じて最適に変化する空間フ
ィルタによる画像センサの実現には、空間フィルタの可
変特性と製作技術の容易さを実現する必要があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の空間フィルタを
固定して速度検出等に使用した画像センサにおいては、
被測定物の形状特性と測定環境に適した空間フィルタを
画像センサ内で発生させ、必要に応じて調整することは
できなかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、空間フィルタ
リングを被測定物に特定の空間放射パターンを照射する
ことにより実現する点を最も主要な特徴としている。こ
のため、放射パターンの光源にはレーザ光源の様なコヒ
ーレント波の発生源を使用し、空間放射パターンは波動
の干渉及び回折を利用したホログラフィックパターンと
している。また、このホログラフィックパターンの発生
機構を外部から制御し、放射パターンの形状を変化させ
て可変空間フィルタと同等の働きをさせ、最適な空間フ
ィルタリングが実現できるようにした。

【０００７】

【作用】コヒーレント波の干渉及び回折を利用したホロ
グラフィックパターンを得るようにし、このホログラフ
ィックパターンは外部から制御可能なものとすることに
よって、機能的には測定対象に最適な可変空間フィルタ
を実現し、情報処理に必要とされるデータの数を気にす
ることなく、速度などを検出できる画像センサが実現で
きる。

【０００８】

【実施例】以下に、図面に基づいて本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図で
ある。本画像センサは光学パターンを発生して被測定物
に放射し、その反射光を受光するための光学センサ部１
と、該光学センサ部１の光電変換出力信号を受領して電
気信号処理を行う信号処理部２より構成されている。

【０００９】前記光学センサ部１には、被測定物３に照
射するホログラフィックパターン４を発生させるための
コヒーレント光源としてのレーザ光源１１と、該レーザ
光源１１から出射されたレーザ光を前記ホログラフィッ
クパターン４に変換するホログラフィックパターン発生
光学系１２が組み込まれ、さらに、前記被測定物３から
の反射光を集光して結像させる結像レンズ系１６と、こ
の結像した反射光を光電変換して電気信号を出力する光
検出器１９が含まれている。

【００１０】ここで本発明の主要技術であるパターンの
照射による空間フィルタリングの手法について述べる。
光学演算系における空間フィルタリングの技法として
は、一般的に図６に示すようなフーリエ変換レンズ４２
によって得られた空間的入力パターン４１の回折像４３
に空間フィルタ４４を適用してその一部を透過抽出し、
さらに結像用レンズ４５で再結像させると前記空間フィ
ルタ４４の特性（形状）に応じて前記空間的入力パター
ン４１に含まれる画像を鮮鋭化させたりスムージングさ
せたりできることが良く知られている。この光学技法を
回折像に限らず通常の画像に対して行えば、図７に示す
ように空間的入力パターン４１と空間フィルタ４４との
光透過部分の重なり面積の大きさや変化を検出するこ
と、すなわち画像相関演算が可能となる。前記空間的入
力パターン４１が移動状態にある時には時間的に重なり
面積が変化し、この変化量を光検出器１９で検出すれば
前記空間的入力パターン４１の移動速度が測定でき、画
像のセンサ等に有効利用されている。

【００１１】さて、画像センサでは被測定物の光学画像
を取り込むために被測定物が発光体以外のときは照明が
必要である。本発明はこの照明に注目し、照明の光強度
分布を被測定物の反射パターン特性に合わせて作成し、
被測定物の表面を照明すると同時に照明光の２次元分布
パターンと被測定物の表面の反射パターンとで画像相関
を行っている。図８にこの様子を示すが、前述の空間フ
ィルタ４４を用いた画像相関の方法と較べると、図７に
おける光検出器１９の直前に配置された空間フィルタ４
４が、図８では被測定物の表面位置に移動した構造であ
ることが分かる。

【００１２】空間フィルタの代わりに使用する、被測定
物に適応した照明パターンの作成はスライドプロジェク
タ等の簡単な投影光学系でも実現できるが、この様なイ
ンコヒーレントな結像光学系では結像面とその前後のわ
ずかな場所でしか正確な結像パターンを維持することが
できない。この様子を図９に示す。同図は光源近くに配
置した空間フィルタパターン４６を結像用レンズ４５で
適当な大きさに拡大し投射するものであるが、レンズの
結像面から離れた場所Ｂ、Ｃでは前記空間フィルタパタ
ーン４６が結像せず空間フィルタとして使用することは
できない。

【００１３】一方、本実施例では位相の揃ったコヒーレ
ント光を使用し、ホログラフィックパターン発生光学系
１２で波動の干渉と回折を利用した干渉パターンを作成
する。ホログラフィックパターンの特徴は、レンズ系の
集束作用で照明パターンを発生させる方式では不可能
な、光軸方向に直交する立体格子状の光強度分布が得ら
れる点である。この様子を図４に示す。同図は最も基本
的な２光波干渉縞を用いる方法である。図１１に得られ
た２光波干渉縞の平面図を示す。同一光源から２分して
得た２光波を浅い角度で交差させ干渉縞を発生させる
と、この干渉縞は光軸方向の位置によらず立体的に一定
の格子間隔を保ち、かつ、この格子間隔は２光波の交差
角と光波長で正確に決めることが可能である。このこと
を利用して、例えば、２光波の交差角を、反射鏡４９
ａ，４９ｂの角度を調整することで、調整すれば測定対
象に合った格子間隔のホログラフィックパターンとする
ことができる。

【００１４】また、図５に示すホログラフィックパター
ン発生光学系１２は光学回折格子４７を使用して回折パ
ターン４８を発生させ、これを照明パターンとして用い
るための光学系である。図１２には光学回折格子の平面
図を、図１３には回折パターンの平面図を示す。回折パ
ターンの一般的な特徴として、回折像は光軸を中心とし
て点対象の図形となり、回折格子の位相変化（設定位置
の変化）は回折像に反映されないと言う「位相変化に対
する位置の不変性」が知られている。本図に示すよう
に、通常は回折格子に平行光束を入射して回折像を得
る。回折格子の形状が繰り返しパターンの場合には、回
折像の形は平行線若しくは碁盤の目状の輝点分布を示す
が、この像の大きさと輝点間隔は回折格子の格子間隔、
照射した光の波長、及び回折格子と被測定面との距離で
正確に計算可能である。これを利用して、被測定物より
特定のパターン情報を精度良く抜き出すことも可能であ
る。

【００１５】また、回折パターンが前述の干渉パターン
と異なる点は、輝点間隔が回折格子と被測定面との距離
によって変化する事であり、この変化の割合は回折格子
に入射する光束の放射角で決められるため、回折格子に
入射させる光束をレンズ系で拡散または絞ることによっ
て所望の値に設定する事ができる。

【００１６】さて、話を図１に示す第１の実施例に戻
す。以上述べた干渉と回折を用いたホログラフィックパ
ターンを被測定物３に照射し、被測定物表面の反射パタ
ーンとの画像相関信号ともいえる反射光を前記結像レン
ズ系１６で集光し、光検出器１９に導いて光電変換す
る。この時、前記結像レンズ系１６の結像面が前記光検
出器１９の光受光面より前に（被測定物側に）なるよう
にレンズ系を調整し、結像した前記被測定物表面の反射
パターンに整合する形状の空間フィルタ１８をこの結像
面に配置して、さらに第２の空間フィルタリングを行う
こともできる。

【００１７】この第２の空間フィルタリングは、前記ホ
ログラフィックパターンに回折パターンを使用した場
合、回折パターンの特徴であるパターン形状の放射距離
に対する相似変化（一般には距離に比例した拡大変化）
を有効に利用することでフィルタリング精度の良い状態
を保つことができる。すなわち、前述したように回折パ
ターンの輝点間隔は回折格子に入射させる光束の集束若
しくは発散状態によって、被測定面との距離に比例して
相似変化するため、例えば、入射光束の状態を調整して
回折パターンの測定距離に対する形状拡大率（被測定物
までの距離が遠くなると回折パターン形状が拡大する
率）が、前記結像レンズ系１６で回折パターンが結像す
る場合の測定距離に対する形状縮小率（遠方の像を結像
させると至近の像より縮小される率）の逆数になるよう
にすると、測定距離の変化による影響をほとんど受ける
こと無く前記空間フィルタ１８上に不変形状の最適回折
パターンを結像できることになる。この最適回折パター
ンを常に厳密に結像させるには、前記結像レンズ系１６
の測定距離の変化に即した焦点合わせが必要であるが、
実際には測定距離の変化量を２〜３０％程度と仮定すれ
ば、レンズ系の開口を小さくするか、開口絞りを設けて
焦点深度を深くするだけで十分な効果を有する。

【００１８】また、前記結像レンズ系１６に被測定物以
外から入射した外乱光や、レンズ系内の多重反射等で発
生する迷光を除去するため、迷光絞り１７を必要に応じ
て適宜配置すれば反射パターンの検出感度をさらに向上
させることが可能である。前記迷光絞り１７は、従来の
技術の項で述べた光遮断板５６とは異なり、通過する光
を焦点上の光に限定する必要はないので、光量の減少は
小さい。

【００１９】前記信号処理部２では前記光検出器１９の
出力信号を受領して、増幅器２１，低域通過フィルタ２
２で波形成形し、その周波数、若しくは単位時間内の波
形ピーク数をカウントするため周波数カウンタ２３に送
る。ここでカウントされた信号は実状の測定単位（例え
ば速度であれば、ｍ／ｓ、ｋｍ／ｈ等）に変換する計数
処理部２４によって数値変換され計測出力信号として出
力される。また、装置の設置や調整等の必要に応じて計
測信号出力を表示器２５で読み取ることができる。

【００２０】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図２は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。本
実施例における特徴はホログラフィックパターン４が、
２本の光ファイバ３３ａ、３３ｂより空中に伝搬された
コヒーレント光によって作られることである。これらの
光ファイバに入射させる光は半導体レーザ（以後ＬＤと
記す）の光を利用するのが簡単で良い。ＬＤ３１の出射
光をビームスプリッタ３２で２等分し、各々を前記光フ
ァイバ３３ａ、３３ｂに入射させる。光ファイバ３３
ａ、３３ｂから出射した光は両ファイバ長がほぼ等しい
場合、数位相から数十位相内で干渉するため、ビジビリ
ティの良好な強い干渉縞が得られる。この干渉縞の間隔
は２本の光ファイバの間隔と交差角で調整可能である
が、２本の光ファイバを隣接して固着すれば各々の光フ
ァイバの相対位置が安定するため、微細なホログラフィ
ックパターンを極めて安定に得ることができる。

【００２１】また、本実施例において光ファイバから出
射された球面波状の光をそのまま干渉させて作成したホ
ログラフィックパターンと前記第１の実施例で示したホ
ログラフィックパターンとの違いは、前記第１のものは
平行平面波の干渉により光の放射方向がほぼ一方向で、
パターンの形状も放射距離によって変化しないのに対
し、本実施例のホログラフィックパターンは平行球面波
の干渉によるもので、光とパターンは放射状に拡散する
ものである。このため、放射光のエネルギーはほぼ距離
の２乗に反比例して減少してしまい、前記２本の光ファ
イバ３３ａ、３３ｂの光出射端と被測定物との距離をあ
まり長くすることはできない。また、この距離が変化す
るとホログラフィックパターンの形状も相似変化するた
め、計測装置に利用するには近距離、固定位置の被測定
物に測定対象を限定する必要がある。実験的には数ｍＷ
出力のＬＤを光源に用いて被測定物までの最大距離は数
ｃｍ程度である。しかしながら、数十μｍの格子間隔を
持つホログラフィックパターンを精度良く安定に作り出
すことが可能で、微小物体の高精度非接触測定には有効
である。

【００２２】このような距離の限定を回避し、被測定物
の表面の反射パターンにホログラフィックパターンを適
合させるため、本実施例では光ファイバの出射端近傍Ａ
に、マイクロオプチクス等で構成したズーム光学系３５
を配置している。前記ズーム光学系３５は前記２本の光
ファイバ３３ａ、３３ｂの出射光を同時に集束、或いは
発散させる光学系で、被測定物の表面位置におけるホロ
グラフィックパターンをズーミングする機能を持ち、最
も簡単なものは２つの出射光を同時に入射可能な口径を
有するレンズである。

【００２３】前記２本の光ファイバ３３ａ、３３ｂより
の出射光を前記ズーム光学系３５に通して作られたホロ
グラフィックパターン４は被測定物３に照射され、その
反射光は前記光ファイバ３３ａ、３３ｂに近接し反射光
を受光し易い位置に設置された受光用光ファイバ３４に
より受光される。通常、最も受光に適した位置は前記２
本の光ファイバ３３ａ、３３ｂの中間部であるため、図
３に示す様に、２本の光ファイバ３３ａ、３３ｂに挟ま
れる形で中央に前記受光用光ファイバ３４を設置すると
良い。

【００２４】前記受光用光ファイバ３４で受光された光
は光検出器１９に導かれ、光電変換され電気信号とな
る。この電気信号は前記第１の実施例の場合と同様に信
号処理部２に送られて信号出力に変換される。第１の実
施例及び第２の実施例では光を用いてホログラフィック
パターンを発生させたが、本発明は光に限らずマイクロ
波、Ｘ線、電子線、音響波等でもコヒーレント波であれ
ば利用可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ホログ
ラフィックパターンを投射する手段で被測定物の反射パ
ターンに適合するホログラフィックパターンを生成し、
これを被測定物に照射することとしたから、最適な空間
フィルタリングのできる画像センサを実現することがで
きた。そして、本発明の画像センサは、ホログラフィッ
クパターンを投射する手段の特長の一つである、外部か
ら簡単にパターン形状が調整可能な機能が利用できるか
ら、従来の画像センサのように、測定対象に合わせて光
学パターン等の構成部品や機構を取り替える必要はな
く、再調整するだけで多種の測定対象に対応可能となっ
た。さらに、光源にレーザの様なコヒーレント波の発生
源を使用し、波動の干渉及び回折によるホログラフィッ
クな空間的立体格子を利用することで、画像センサと被
測定物との間の距離が変化しても被測定物面上で形状が
ほとんど変化しない照射パターンを作り出すことがで
き、これを比較基準パターンとして空間フィルタに使用
すれば、移動物体などの動的測定時には精度と使い易さ
を格段に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における構成を示した図
である。

【図２】本発明の第２の実施例における構成を示した図
である。

【図３】本発明の第２の実施例のＡ部分の拡大図であ
る。

【図４】２光波干渉による干渉縞の発生機構を示した図
である。

【図５】回折格子による回折パターンの発生機構を示し
た図である。

【図６】フーリエ変換光学系による空間フィルタリング
の基本構成を示した図である。

【図７】空間フィルタリングによる画像相関演算の基本
構成を示した図である。

【図８】照明光のパターンを用いた画像相関演算の基本
構成を示した図である。

【図９】一般的なインコヒーレント光による投影光学系
の結像状態を示した図である。

【図１０】従来の空間フィルタ系検出器による移動物体
の速度測定装置の構成を示した図である。

【図１１】２光波干渉縞の平面図である。

【図１２】光学回折格子の平面図である。

【図１３】回折パターンの平面図である。

【符号の説明】

１ 光学センサ部 ２ 処理手段としての信号処理部 ３ 被測定物 ４ ホログラフィックパターン １０ ホログラフィックパターン発生部（ホログラフ
ィックパターンを投射する手段） １１ レーザ光源 １２ ホログラフィックパターン発生光学系 １３ 検出手段 １４ 散乱パターンを形成する光学系 １５ 抽出手段 １６ 結像レンズ系 １７ 迷光絞り １８ 空間フィルタ １９ 光検出器 ２１ 増幅器 ２２ 低域通過フィルタ ２３ 周波数カウンタ ２４ 計数処理部 ２５ 表示器 ３１ ＬＤ ３２ ビームスプリッタ ３３ａ，３３ｂ 光ファイバ ３４ 受光用光ファイバ ３５ 調整する手段としてのズーム光学系 ４１ 空間的入力パターン ４２ フーリエ変換レンズ ４３ 回折像 ４４ 空間フィルタ ４５ 結像用レンズ ４６ 空間フィルタパターン ４７ 光学回折格子 ４８ 回折パターン ４９ａ，４９ｂ 調整する手段としての反射鏡 ５１ 被測定体 ５２ 光源 ５３ レンズ ５４ 検出器 ５５ 筐体 ５６ 光遮断板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｇ０１Ｐ 13/00

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投射対象にホログラフィックパターンを
   投射する手段（１０）と、該投射対象に投射されたホロ
   グラフィックパターンの散乱状態の変化を検出する検出
   手段（１３）とを含む画像センサ。
2. 【請求項２】 前記投射手段が前記投射対象に適合する
   ホログラフィックパターンを発生するように調整する手
   段（４９ａ，４９ｂ）を含む請求項１記載の画像セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記検出手段が前記散乱状態から所望の
   情報を抽出する抽出手段（１５）を含む請求項１記載の
   画像センサ。
4. 【請求項４】 被測定物に投射するレーザ光によるホロ
   グラフィックパターンを、前記被測定物のパターンに合
   わせるように設定可能なホログラフィックパターン発生
   部（１０）と、前記被測定物からの散乱光を受けて散乱
   パターンを形成する光学系（１４）と、前記散乱パター
   ンから前記被測定物に関係している所望の情報を抽出す
   る抽出手段（１５）と、該抽出手段によって抽出された
   情報を処理する処理手段（２）とを含む画像センサ。