JPH06273432A - 変位および変位速度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変位の向きを含む変位量および変位速度を高
速に測定できる装置を提供する。 【構成】 レーザ光源１００から出射したビームは被測
定体７００に入射し、その透過光は結像レンズ系２００
を経由して、偏光板３０１によって特定の偏向成分のみ
が選択的に透過され、偏波面回転素子であるＴＮ型液晶
パネル３０２に結像される。第１の時刻では駆動装置３
０４を「ＯＮ」状態とし、第２の時刻では「ＯＦＦ」と
して複屈折板３０３を介することにより、二つの時刻の
像に既知の相対的な偏位を与え、重ね合わせてＣＣＤカ
メラで撮像する。この撮像データを画像処理装置５２０
に取り込み後、計算機５３０によって、このデジタル化
画像データに対して合同変換相関演算を実行し、相関値
がピークとなる原点以外の座標値を求め、変位および変
位速度を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体の変形または移動
に伴う変位分布および変位速度の測定装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】粗面物体の変形または移動、あるいは粒
子群の移動に伴う変位分布の測定は、測定対象物を加工
せずに、特定の点あるいは粒子を変形または移動の前後
で同定することは難しく、通常の測定方法を適用するこ
とは困難である。そこで、測定対象物の構造の局所的特
徴を反映する像を、変形または移動の前後で撮像し、こ
れら二つの像の空間的な相関（片方の像を空間的な移動
に対する二つの像の一致度）を求め、変位分布を求める
方法が知られている。

【０００３】この方法の代表例として、レーザ光で照射
された、照射光の波長程度の微視的スケールで不規則な
構造を有する物体の透過光あるいは反射光をレンズで結
像した時に得られるスペックルパターンを変形または移
動の前後で重ね合わせて撮像する、スペックル二重露光
法がある。図８は、このスペックル二重露光法のによる
変位量の測定を示している。まず、被測定体７１０をレ
ーザ光源１５０の出射するレーザ光で照射し、被測定体
７１０の変形前後の像をカメラ９００にて同じフィルム
上に二重露光する（図８（ａ）参照）。つぎに、撮像し
たネガ（以後、スペックルグラムと呼ぶ）９１０の各部
を、レーザ光源１６０の出射する細いレーザビームで照
射し、凸レンズ９３０を介して、この凸レンズ９３０の
焦点面に配置されたすりガラス板９５０に結像させる
（図８（ｂ）参照）。すりガラス９５０には、スペック
ル移動を表す平行等間隔のヤング縞が生じ、このヤング
縞間隔は次ぎの数式（１）が成り立つ。

【０００４】 ｜ｍａ_T ｜ ＝λ₀ ｆ／ｄ・・・（１） ここで、ｍ ：撮像倍率 ａ_T ：物体の面内変位 λ₀ ：レーザ光源１５０の出射レーザ光波長 ｆ ：凸レンズの焦点距離 ｄ ：ヤング縞の間隔 したがって、図８（ｂ）でスペックルグラム上における
レーザビームの入射位置を変更しながら、ヤング縞間隔
を計測し、（１）式によって演算することによって、被
測定体の各点における変位量｜ａ_T ｜を測定する。

【０００５】また、図８（ａ）で得た二重露光スペック
ル像から、変位量｜ａ_T ｜を求めるにあたって、図８
（ｂ）のような光学的な装置を使用せずに数学的に画像
の相関を調べる方法も知られている。この方法の一例と
して、合同変換相関法がある。合同変換相関法は、ま
ず、基準の画像と変位後の画像とを重ね合わせた画像に
関して、空間座標値から空間周波数値への変数変換を行
うフーリエ変換を実施後、空間周波数に関するパワース
ペクトルを求める。次いで、このパワースペクトルの変
数を空間周波数から空間座標へ変数変換するフーリエ変
換を施し、二つの画像の空間的な相関関数を得て、相関
値が大きいことを条件として変位量を求める。この手順
を数式で表すと以下の通りとなる。

【０００６】被測定体の変形前または移動前の２次元像
をｇ（ｘ，ｙ）とすると、ｘの正方向に値ａだけ変位し
た変型後または移動後の２次元像は、局所的な変形はほ
とんど無視できるので、ｇ（ｘ−ａ，ｙ）と表すことが
できる。したがって、これらの二つの２次元像を重ね合
わせた像ｏ（ｘ，ｙ）は、以下の数式（２）で表すこと
ができる。

【０００７】 ｏ（ｘ，ｙ）＝ｇ（ｘ，ｙ）＋ｇ（ｘ−ａ，ｙ）・・・（２） まず、この重ね合わせた像ｏ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換
する。

【０００８】 Ｆ［ｏ（ｘ，ｙ）］＝Ｇ（ｕ，ｖ）＋Ｇ（ｕ，ｖ）ｅｘｐ（ｊｕａ） ・・・（３） ここで、Ｆ［ｏ（ｘ，ｙ）］：ｏ（ｘ，ｙ）のフーリエ
変換結果 Ｇ（ｕ，ｖ） ：ｇ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換結果 （ｕ，ｖ） ：空間周波数座標 つぎに、空間周波数座標上でパワースペクトル｜Ｆ［ｏ
（ｘ，ｙ）］｜² を求める。

【０００９】 ｜Ｆ［ｏ（ｘ，ｙ）］｜² ＝２｜Ｇ（ｕ，ｖ）｜² ＋Ｇ（ｕ，ｖ）Ｇ^* （ｕ，ｖ）ｅｘｐ（ｊｕａ） ＋Ｇ^* （ｕ，ｖ）Ｇ（ｕ，ｖ）ｅｘｐ（−ｊｕａ） ・・・（４） ついで、このパワースペクトルをフーリエ変換し、変換
結果をｉ（ｘ′，ｙ′）とすると、以下の数式（５）が
成り立つ。

【００１０】 ｉ（ｘ′，ｙ′）＝２ｇ（ｘ′，ｙ′）★ｇ（ｘ′，ｙ′） ＋ｇ（ｘ′，ｙ′）★ｇ（ｘ′−ａ，ｙ′） ＋ｇ（ｘ′，ｙ′）★ｇ（ｘ′＋ａ，ｙ′） ・・・（５） ここで、★ ：前後の関数の相関演算を示す このｉ（ｘ′，ｙ′）は、 （ｘ′，ｙ′）＝（０，０）、（ａ，０）、（−ａ，０）・・（６） にピークを有するので、これらのピーク位置を求めるこ
とにより、変位量｜ａ｜を求めることができる。

【００１１】以上の変位量測定にあったて、一定時間を
隔てた像を二重露光することにより平均変位速度の絶対
値を測定することが可能である。

【００１２】一方、速度測定については、スペックル像
を一定時間隔てて個別に撮像し、これら二つの像の相関
より速度を求めるスペックル相関法が実用化されてい
る。また、直接に速度を測定する方法として、ドップラ
効果を利用して運動物体による散乱光のドップラシフト
を計測する２光束レーザドップラ速度計がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の変位および変位
速度測定装置は、以上のようにして被測定体の変位量お
よび変位速度を測定していたので、数式（１）および
（６）から明らかなように、変位量すなわち変位の絶対
値および変位速度の絶対値を知ることはできたが、変位
の向きを測定結果から直接知ることができないという問
題点があった。すなわち、変位の向きは測定のたびに、
物理的な状況を考慮して決めなければならず、測定前に
変位の向きの推測がつかない場合には、ベクトルとして
の変位および変位速度を測定できないという問題点があ
った。

【００１４】また、従来のスペックル相関法では、撮像
した像データを個別に画像処理後、相関演算処理を施す
ので、全体の処理に比較的長い時間を要するという問題
点があった。また、２光束レーザドップラ速度計は、散
乱光検出に位相同期回路を使用するが、現状では位相の
ロックを時間には限界があり、速度変動を伴う場合には
Ｓ／Ｎよく測定ができないという問題点があった。

【００１５】本発明は以上の問題点を解消するためにな
されたものであり、測定前に変位の向きの推測がつかな
い場合にも、変位の向きを含む変位量および変位速度を
高速に測定できる装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の変位および変位
速度測定装置は、（ａ）レーザ光源と、（ｂ）レーザ光
源が出射するレーザ光の被測定体の照射によって生じる
被測定体の特性を反映する２次元光像に、空間的に一様
な第１の量および第２の量の偏位を選択的に施す偏位手
段と、（ｃ）第１の量の偏位を施した第１の時刻におけ
る２次元光像と、第２の量の偏位を施した第２の２次元
光像と、を重ね合わせて記録する撮像装置と、（ｄ）撮
像装置に記録された光像に対して合同変換相関演算を施
す演算装置と、を含んで構成され、演算装置の演算結果
から、被測定体の第１の時刻と第２の時刻との間に発生
した変位と、第１の時刻と第２の時刻との間の平均変位
速度を求めることを特徴とする。ここで、２次元光像
は、レーザ光を照射された物体での反射光および透過光
のいずれか一方によって得られるスペックルパターンで
あることを特徴としてもよい。また、第１の偏位量と第
２の量の偏位量の差の絶対値が、第１の時刻と第２の時
刻との間の被測定体の変位量の絶対値よりも大きく設定
されることを特徴とする。

【００１７】また、この装置の偏位手段は、光学的に偏
位を施すことを特徴とし、被測定体の特徴を反映した
情報を担った光を受光し、ほぼ特定偏光方向の直線偏光
成分のみを射出する偏光板と、偏光板を介して到達し
た直線偏光受光し偏光方向の回転不実施および９０゜回
転実施のいずれか一方を選択的に行う偏波面回転素子
と、偏波面回転素子を回転不実施および９０゜回転実
施のいずれか一方の動作モードに設定する偏波面回転制
御器と、偏波面回転素子を介した直線偏光を受光し、
偏光方向によって光路を変化させる複屈折板と、構成さ
れる。また、被測定体の特徴を反映した２次元光像を
得る光学系の光路中に配置された反射素子と、反射素
子の反射面の空間的な方向または位置を変化させる反射
素子制御器と、で構成してもよいし、被測定体の特徴
を反映した２次元光像を得る光学系の光路中に配置され
た空気よりも大きな屈折率を有する光透過素子と、光
透過素子の受光面の空間的な方向または光透過素子の光
路とほぼ垂直な方向の位置を変化させる光透過素子制御
器と、で構成してもよい。また、被測定体の特徴を反映
した２次元光像の撮像面と平行な方向に移動な撮像素子
と、撮像素子の空間的な方向を変化させる平行移動制御
器と、から構成してもよい。

【００１８】また、この装置の偏位手段は、電気的に偏
位を施すことを特徴とし、被測定体の特徴を反映した
情報を担った光を受光し、光電効果により電子を放出す
る光電面と、電子を第１の方向へ加速する加速電極
と、加速電極により加速された電子を結像させる電子
レンズと、電子レンズにより結像された像を表示する
蛍光面と、電子レンズと前記蛍光面との間に配設さ
れ、第１の方向と垂直な方向に電界を発生させる偏向電
極対と、偏向電極対間の電界の強度を制御する可変電
圧源と、光電面から蛍光面までの電子の飛行経路を略
真空とするための、少なくとも光電面、加速電極、電子
レンズ、蛍光面、および偏向電極対を収納し、収納空間
を略真空とした密閉型容器と、から構成してもよいし、
被測定体の特徴を反映した情報を担った光を受光し、
光電効果により電子を放出する光電面と、電子を第１
の方向へ加速する加速電極と、加速電極により加速さ
れた電子を結像させる電子レンズと、電子レンズによ
り結像された像を表示する蛍光面と、電子レンズと蛍
光面との間の空間に第１の方向と垂直な方向に磁界を発
生させる偏向コイルと、磁界の強度を制御する可変電
流源と、光電面から蛍光面までの電子の飛行経路を略
真空とするための、少なくとも光電面、加速電極、電子
レンズ、および蛍光面を収納し、収納空間を略真空とし
た密閉型容器と、から構成してもよい。

【００１９】また、この装置の偏位手段は、電子回路的
に偏位を施すことを特徴とし、撮像装置が撮像した前
記２次元像データを格納をするメモリと、撮像装置の
画素ごとの格納メモリアドレスの生成にあたって、第１
の偏位を施す第１のアドレス発生モードと、第２の偏位
を施す第２のアドレス発生モードとを選択的に実行する
アドレス生成器と、アドレス生成器で指定されたアド
レスに格納された画素データと、前記撮像装置から入力
した前記２次元画像データにおける該当アドレスの画素
データとを加算する加算器と、を含んで構成し、第１の
時刻に撮像した画像データの格納時には第１のアドレス
発生モードを使用し、かつ、各画素データについて既に
メモリの該当アドレスに格納されているデータとの加算
を実施せずにメモリへの格納を行い、第２の時刻に撮像
した画像データの格納時には第２のアドレス発生モード
を使用し、かつ、各画素データについて既に前記メモリ
の該当アドレスに格納されているデータと加算を行い、
加算値を使用することにより第１の時刻における２次元
像と第２の時刻における２次現像とを重ね合わせた画像
データを得てもよい。

【００２０】また、この装置の演算手段は、デジタル計
算機であり、前記撮像装置の撮像した重ね合わせ画像を
デジタル化した後、合同変換相関演算を施すことを特徴
とする。また、演算手段を撮像装置の撮像画像をフーリ
エ変換する第１のフーリエ変換レンズと、第１のフーリ
エ変換レンズの第１の結像装置と、第１の結像装置の結
像画像をフーリエ変換する第２のフーリエ変換レンズ
と、第２のフーリエ変換レンズの第２の結像装置と、か
ら構成され、光学的に合同変換相関演算を施すことを特
徴としてもよい。

【００２１】

【作用】本発明の構成によれば、被測定体の特徴を反映
した第１の時刻の２次元像と第２の時刻の２次元像を撮
像するにあたって、第２の時刻の２次元像にを、絶対値
が第１の時刻と第２の時刻との間の被測定体の変位量の
絶対値よりも大きく設定された既知の量の偏位を施して
撮像する。この重ね合わせた像に合同変換相関の演算を
施し、２つの画像の相関を調べ、相関値がピークとなる
位置を求める。このピーク位置から上記の既知の偏位量
を補正することにより、変位量および変位の向きを測定
する。また、測定した変位量を、第１の時刻と第２の時
刻との時間差で除すことにより変位速度の絶対値を演算
し、測定済みの変位の向きと合わせてベクトルとしての
速度を決定する。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例の説明に先立って、本発明の
変位および変位速度測定装置で使用する方法の原理に関
して説明する。この方法は、上記に説明した合同変換相
関法の改良であり、変位量とともに変位の向きを同時に
測定するものである。

【００２３】被測定物体の変形前または移動前の２次元
像をｇ（ｘ，ｙ）とすると、ｘの正方向に値ａだけ変位
した変型後または移動後の２次元像は、局所的な変形は
ほとんど無視できるので、ｇ（ｘ−ａ，ｙ）と表すこと
ができる。この変形後または移動後の２次元像に対し
て、更にｘの正方向に既知の偏位量ｂだけ偏位を施した
像はｇ（ｘ−ａ−ｂ，ｙ）と表される。したがって、こ
の像と変形前または移動前の二つの２次元像を重ね合わ
せた像ｏ（ｘ，ｙ）は、以下の数式（７）で表すことが
できる。

【００２４】 ｏ（ｘ，ｙ）＝ｇ（ｘ，ｙ）＋ｇ（ｘ−ａ−ｂ，ｙ）・・・（７） ここで、｜ａ｜＜ｂとする。

【００２５】まず、この重ね合わせた像ｏ（ｘ，ｙ）を
フーリエ変換する。

【００２６】 Ｆ［ｏ（ｘ，ｙ）］＝Ｇ（ｕ，ｖ） ＋Ｇ（ｕ，ｖ）ｅｘｐ（ｊｕ（ａ＋ｂ）） ・・・（８） ここで、Ｆ［ｏ（ｘ，ｙ）］：ｏ（ｘ，ｙ）のフーリエ
変換結果Ｇ（ｕ，ｖ） ：ｇ（ｘ，ｙ）のフーリエ
変換結果 （ｕ，ｖ） ：空間周波数座標 つぎに、空間周波数座標上でパワースペクトル｜Ｆ［ｏ
（ｘ，ｙ）］｜² を求める。

【００２７】 ｜Ｆ［ｏ（ｘ，ｙ）］｜² ＝２｜Ｇ（ｕ，ｖ）｜² ＋Ｇ（ｕ，ｖ）Ｇ^* （ｕ，ｖ）ｅｘｐ（ｊｕ（ａ＋ｂ）） ＋Ｇ^* （ｕ，ｖ）Ｇ（ｕ，ｖ）ｅｘｐ（−ｊｕ（ａ＋ｂ）） ・・・（９） ついで、このパワースペクトルをフーリエ変換し、変換
結果をｉ（ｘ′，ｙ′）とすると、以下の数式（１０）
が成り立つ。

【００２８】 ｉ（ｘ′，ｙ′）＝２ｇ（ｘ′，ｙ′）★ｇ（ｘ′，ｙ′） ＋ｇ（ｘ′，ｙ′）★ｇ（ｘ′−ａ−ｂ，ｙ′） ＋ｇ（ｘ′，ｙ′）★ｇ（ｘ′＋ａ＋ｂ，ｙ′） ・・・（１０） ここで、★ ：前後の関数の相関演算を示す このｉ（ｘ′，ｙ′）は、 （ｘ′，ｙ′）＝（０，０）、（ａ＋ｂ，０）、（−ａ−ｂ，０） ・・（１２） にピークを有する。ｂ＝０である従来の重ね合わせ像で
は、ピーク位置から変位ａの符号を決定することはでき
ないが、上記の合同変換相関演算では、｜ａ｜＜ｂとし
ているので、例えば数式（１２）の第２のピーク位置
は、必ずｘの正側に表れる。したがって、ｘの正側に表
れたピーク位置座標値から値ｂを減算することにより、
変位ａの値の正負を含めて決定できる。更に、測定した
変位ａを、第１の時刻と第２の時刻との時間差で除せ
ば、ベクトルとしての速度を求めることができる。な
お、既知の偏位ｂを施す対象は第１の時刻における２次
元像であっても同様に演算が可能である。

【００２９】以下、添付図面を参照しながら本発明の実
施例を説明する。なお、図面の説明において同一の要素
には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【００３０】（第１実施例）図１は、本発明の第１実施
例に係わる変位および変位速度測定装置の構成図であ
る。この装置は、被測定体７００に照射するレーザ光を
発生するレーザ光源１００と、レーザ光の照射の結果発
生する被測定体７００の特徴を反映した２次元像を結像
する結像レンズ系２００と、結像した２次元像に一定の
空間的偏位を与える偏位器３００と、偏位器３００を経
由した２次元像を撮像するＣＣＤカメラ４００と、ＣＣ
Ｄカメラ４００の撮像画像をモニタするＴＶセット５１
０と、ＣＣＤカメラ４００の撮像画像をデジタル化して
記録する画像処理装置５２０と、デジタル化された画像
データに関して合同変換相関演算の実行と、この演算結
果から被測定体７００の変位および変位速度を求める計
算機５３０とから構成される。

【００３１】ここで、レーザ光源１００は、Ｎｅ−Ｈｅ
レーザ１０１と、このレーザ１０１が出射したレーザ光
を空間的に広げる凸レンズ１０２と、このレーザ光の空
間的広がりをを制限して透過させるスリット１０３と、
スリット１０３を透過したレーザ光を平行化し被測定体
７００に照射するビームを生成する凸レンズ１０４とか
らなる。また、結像レンズ系２００は、被測定体７００
から、光路上の距離ｆ₁ の位置に配置された凸レンズ２
０１（焦点距離＝ｆ₁ ）と、凸レンズ２０１から光路上
の距離ｆ₁ の位置に配置されたピンホールスリット２０
２と、このピンホールスリット２０２から光路上の距離
ｆ₂ の位置に配置された凸レンズ２０３（焦点距離＝ｆ
₂ ）とからなる。また、偏位器３００は、凸レンズ２０
３から光路上の距離ｆ₂ の位置に配置された偏波面回転
素子である９０゜ツイストされたＴＮ型液晶パネル３０
２と、凸レンズ２０３とＴＮ型液晶パネル３０２との間
に配置された特定の偏向成分を透過する偏向板３０１
と、１ｃｍ厚の方解石である複屈折板３０３と、ＴＮ型
液晶パネルの駆動装置３０４とからなる。なお、偏向板
３０１を経由し、ＴＮ型液晶パネル３０２で偏波面の回
転がなされず透過した偏光は、複屈折板３０３の常光と
なり、また、偏向板３０１を経由し、ＴＮ型液晶パネル
３０２で偏波面が９０゜回転して透過した偏光は、複屈
折板３０３の異常光となるように配置されている。

【００３２】レーザ光源１００から出射したビームは被
測定体７００に入射し、その透過光は結像レンズ系２０
０を経由して、偏光板３０１によって特定の偏向成分の
みが選択的に透過され、偏波面回転素子であるＴＮ型液
晶パネル３０２に結像される。まず、第１の時刻でレー
ザ光源１００をパルス的に点灯させる。この時、駆動装
置３０４は「ＯＮ」状態として、図２（ａ）に示すよう
に偏波面は回転させずに複屈折板３０３に入射させる。
この場合、複屈折板３０３にとって入射光は常光なの
で、入射光は空間的な偏位なしに複屈折板３０３を透過
する。この状態でＣＣＤカメラ４００に像を書き込む。
つぎに、第２の時刻でレーザ光源１００をパルス的に点
灯させる。この時には、駆動装置３０４を「ＯＦＦ」状
態として、ＴＮ型液晶パネルで入射光の偏波面を９０゜
回転させ、複屈折板３０３に入射させる。この場合、複
屈折板３０３にとって入射光は異常光となるので、一定
の空間的偏位が施されて複屈折板３０３から出射され
る。この空間的な偏位量は、複屈折板３０３の厚さに比
例するので、高精度で設定することが可能である。な
お、この装置では、複屈折板３０３として１ｃｍ厚の方
解石を使用しているので、偏位量は約１ｍｍとなる。こ
うして偏位を施した像を、第１の時刻に書き込んだ像に
重ね合わせてＣＣＤカメラ４００に書き込む。ここで、
二つの像を重ね合わせる二重書き込みは、電子シャッタ
または機械式シャッタを２回動作させたりして行っても
よい。

【００３３】ＣＣＤカメラ４００に書き込まれた重ね合
わされた像を、画像処理装置５２０に取り込み、デジタ
ル化して記録する。計算機５３０を使用して、このデジ
タル化画像データに対してフーリエ変換を行い、空間周
波数座標におけるパワースペクトルを得る。再び計算機
５３０を使用して、この空間周波数座標におけるパワー
スペクトルに対してフーリエ変換を行い自己相関関数を
得る。この自己相関関数の各空間座標での値を計算し、
原点以外でピークとなる正の値の座標値を求める。こう
して求めた座標値から、意図的に施した偏位を減算し
て、被測定体の第１の時刻と第２の時刻との間に生じた
変位を、変位の向きを含めて計算する。こうして求めた
変位を、第１の時刻と第２の時刻との時間差で除すこと
により変位速度を計算する。なお、被測定体の変位を繰
り返し測定することにより、変位加速度を計算すること
も可能である。

【００３４】（第２実施例）この実施例の装置は、偏位
器３００の構成を除いて第１実施例と同様に構成され
る。図３（ａ）は、第２実施例の偏位器３００の構成を
示す。この偏位器３００は、図１に示した凸レンズ２０
３から出射される光を反射する回転可能な反射素子３１
１と、反射素子３１１の反射面の方向を制御するピエゾ
素子からなる反射素子制御器３１２とから構成され、反
射素子３１１で反射された光は、図１に示すＣＣＤカメ
ラ４００の撮像面上で結像するように配置されている。
第１の時刻における反射素子３１１の反射面の方向と、
第２の時刻における反射素子３１１の反射面の方向と
を、反射方向制御器によって変化させることにより、一
定の空間的偏位を第１の時刻の２次元像と第２の時刻の
２次元像との間で相対的に施すことを実現している。こ
の実施例の装置では、偏位器３００の動作以外は、第１
実施例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定
する。なお、反射素子３１１の空間的な位置を変化させ
て偏位を与えてもよい。

【００３５】（第３実施例）この実施例の装置は、偏位
器３００の構成を除いて第１実施例と同様に構成され
る。図３（ｂ）は、第３実施例の偏位器３００の構成を
示す。この偏位器３００は、図１に示した凸レンズ２０
３から出射される光を屈折させる屈折率が空気とは異な
るプリズム状の回転可能な透過素子３２１と、透過素子
３２１の受光面の方向を制御するピエゾ素子からなる受
光方向制御器３２２とから構成され、透過素子３２１を
透過した光は、図１に示すＣＣＤカメラ４００の撮像面
上で結像するように配置されている。第１の時刻におけ
る透過素子３２１の受光面の方向と、第２の時刻におけ
る透過素子３２１の受光面の方向とを、受光方向制御器
によって変化させ光路を変更することにより、一定の空
間的偏位を第１の時刻の２次元像と第２の時刻の２次元
像との間で相対的に施すことを実現している。この実施
例の装置では、偏位器３００の動作以外は、第１実施例
と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定する。
なお、光路にほぼ垂直な方向に対する光透過素子３２１
の位置を変化させて偏位を与えてもよい。

【００３６】（第４実施例）この実施例の装置は、偏位
器３００の構成を除いて第１実施例と同様に構成され
る。図３（ｃ）は、第４実施例の偏位器３００の構成を
示す。この偏位器３００は、撮像素子４５０の位置を空
間的に変化させる、ピエゾ素子からなる平行移動制御器
３３２である。図１に示す凸レンズ２０３の出射する光
は、撮像素子４５０上で結像するが、平行移動制御器３
３２を使用して、第１の時刻における撮像素子４５０の
空間的位置と第２の時刻における撮像素子４５０の空間
的位置とを撮像面と平行に変更することにより、一定の
空間的偏位を第１の時刻の２次元像と第２の時刻の２次
元像との間で相対的に施すことを実現している。この実
施例の装置では、偏位器３００の動作以外は、第１実施
例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定す
る。

【００３７】（第５実施例）この実施例の装置は、偏位
器３００の構成を除いて第１実施例と同様に構成され
る。図４（ａ）は、第５実施例の偏位器３００の構成を
示す。この偏位器３００は、図１に示す凸レンズ２０３
の出射する光の結像位置に配置された光電面３４１と、
光電面３４１から放出された電子を一定の方向へ加速す
る加速電極３４２と、加速された電子を集束させる電子
レンズ３４３と、電子像を結像させる蛍光面３４４と、
電子レンズ３４３と蛍光面３４４との間に電子の加速方
向と垂直方向に電界を発生させる偏向電極対３４５と、
偏向電極対３４５間の電界強度を制御する可変電圧源３
６５と、光電面３４１から蛍光面３４４までの電子の飛
行経路を略真空とするための密閉型容器３４９とから構
成される。図１に示すＣＣＤカメラは、蛍光面３４４に
結像した像を書き込む。

【００３８】第１の時刻では、可変電圧源３４６が偏向
電極対３４５間に印加する電圧を０とし、電界を発生さ
せず電子を直進させる。第２の時刻では偏向電極対３４
５間に蛍光面３４４に結像する像に一定の空間的偏位を
与える電界を発生させる電圧を印加する。こうして、一
定の空間的偏位を第１の時刻の２次元像と第２の時刻の
２次元像との間で相対的に施すことを実現している。こ
の実施例の装置では、偏位器３００の動作以外は、第１
実施例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定
する。この実施例の装置では、第１〜第４実施例の装置
に比べて、高速に偏位を与えることができる。

【００３９】（第６実施例）この実施例の装置は、偏位
器３００の構成を除いて第１実施例と同様に構成され
る。図４（ｂ）は、第６実施例の偏位器３００の構成を
示す。この偏位器３００は、図１に示す凸レンズ２０３
の出射する光の結像位置に配置された光電面３４１と、
光電面３４１から放出された電子を一定の方向へ加速す
る加速電極３４２と、加速された電子を集束させる電子
レンズ３４３と、電子像を結像させる蛍光面３４４と、
電子レンズ３４３と蛍光面３４４との間に電子の加速方
向と垂直方向に磁界を発生させる偏向コイル３４７と、
磁界強度を制御する可変電流源３４８と、光電面３４１
から蛍光面３４４までの電子の飛行経路を略真空とする
ための密閉型容器３４９とから構成される。図１に示す
ＣＣＤカメラは、蛍光面３４４に結像した像を書き込
む。

【００４０】第１の時刻では、可変電流源３４８が偏向
コイル３４７供給する電流を０とし、磁界を発生させず
電子を直進させる。第２の時刻では偏向コイル３４７に
蛍光面３４４に結像する像に一定の空間的偏位を与える
磁界を発生させるための電流を供給する。こうして、一
定の空間的偏位を第１の時刻の２次元像と第２の時刻の
２次元像との間で相対的に施すことを実現している。こ
の実施例の装置では、偏位器３００の動作以外は、第１
実施例と全く同様に動作し、変位および変位速度を測定
する。この実施例の装置では、第５実施例の装置と同様
に、第１〜第４実施例の装置に比べて、高速に偏位を与
えることができる。

【００４１】（第７実施例）図５は、本発明の第７実施
例に係わる変位および変位速度測定装置の構成図であ
る。この装置は、被測定体７００に照射するレーザ光を
発生するレーザ光源１００と、レーザ光の照射の結果発
生する被測定体７００の特徴を反映した２次元像を結像
する結像レンズ系２００と、結像した２次元像を撮像す
るＣＣＤカメラ４００と、ＣＣＤカメラ４００の撮像画
像をモニタするＴＶセット５１０と、ＣＣＤカメラ４０
０の撮像画像をデジタル化し、偏位を与え、二つの画像
を重ね合わせる画像処理装置５２０と、デジタル化され
た画像データに関して合同変換相関演算の実行と、この
演算結果から被測定体７００の変位および変位速度を求
める計算機５３０とから構成される。

【００４２】ここで、レーザ光源１００および結像レン
ズ系２００は、第１実施例と同様に構成される。凸レン
ズ２３０から光路上の距離ｆ₂ の距離に、ＣＣＤカメラ
４００の撮像面が配置されている。また、画像処理装置
５２０は、図６に示すようにＣＣＤカメラ４００の撮像
データの読み出し制御回路５２１と、ＣＣＤカメラ４０
０から読み出された画素データ信号をデジタル化するＡ
／Ｄ変換器５２２と、画素データを格納するメモリ５２
３と、メモリ５２３のアクセスアドレスを生成するアド
レス生成器５２４と、アドレス生成器５２４の指定する
メモリアドレスに格納されているデータ値とＣＣＤカメ
ラ４００から読み出された画素データ値を加算する加算
器５２５と、加算結果を計算機５３０へ転送する計算機
インタフェース５２６とから構成されている。

【００４３】第１の時刻に撮像された像は、読み出し制
御回路５２１の指示によりＣＣＤカメラ４００から各画
素データが順次読み出され、メモリ５２３に格納され
る。第２の時刻に撮像された像も、読み出し制御回路５
２１の指示によりＣＣＤカメラ４００から画素データが
読み出され加算器５２５に入力される。同時に、その画
素位置に一定の空間的偏位を与えた位置に対応するメモ
リアドレスがアドレス生成器５２４で生成され、メモリ
の該当アドレス位置に格納されていたデータが加算器５
２５に入力される。この加算結果は、第１の時刻に撮像
した像に空間的偏位を与えた像と第２の時刻に撮像した
像とを重ねあわせた像の画素データであり、計算機イン
タフェース５２６を介して計算機５３０へ転送される。
このＣＣＤカメラ４００からの画素データの読み出し、
重ね合わせ、計算機５３０への転送をを順次実行するこ
とにより、計算機５３０は重ね合わせ画像の各画素デー
タを入力する。以降、計算機５３０は、第１実施例で説
明したように合同変換相関演算を実施し、相関値がピー
クとなる座標値を求め、次いで変位および変位速度を計
算する。

【００４４】この装置では、偏位の付与をアドレス生成
器５２４を使用して行ったが、ＣＣＤカメラ４００から
の画像データ読み出し時に読み出しのための水平もしく
は垂直パルスを調整して偏位を与えてもよい。また、Ｃ
ＣＤカメラの代わりに、イメージディセクタあるいはビ
ジコンなどを使用し、読み出し時に走査電極もしくは走
査コイルに加えるバイアスを調整してもよい。

【００４５】（第８実施例）図７は、本発明の第８実施
例に係わる変位および変位速度測定装置の構成図であ
る。この装置は、被測定体７００に照射するレーザ光を
発生するレーザ光源１００と、レーザ光の照射の結果発
生する被測定体７００の特徴を反映した２次元像を結像
する結像レンズ系２００と、結像した２次元像に一定の
空間的偏位を与える偏位器３００と、偏位器３００を経
由した２次元像を書き込む空間光変調器４１０と、空間
光変調器４１０に結像した像をフーリエ変換する光学的
フーリエ変換器６１０と、このフーリエ変換結果を結像
する空間光変調器４２０と、空間光変調器４２０に結像
した像をフーリエ変換する光学的フーリエ変換器６２０
と、このフーリエ変換結果を撮像するＣＣＤカメラ４０
０と、ＣＣＤカメラ４００の撮像画像をデジタル化して
記録する画像処理装置５２０と、デジタル化された画像
データにから被測定体７００の変位および変位速度を求
める計算機５３０とから構成される。

【００４６】ここで、レーザ光源１００、結像レンズ系
２００、および偏位器３００は、第１実施例と同様の構
成からなる。光学的フーリエ変換器６１０は、空間光変
調器４１０に結像した像の読み出し光を出射するレーザ
光源６１１と、読み出し光を空間光変調器４１０の結像
面に照射するハーフミラー６１２と、フーリエ変換レン
ズ６１３とからなる。また、光学的フーリエ変換器６２
０は、空間光変調器４２０に結像した像の読み出し光を
出射するレーザ光源６２１と、読み出し光を空間光変調
器４１０の結像面に照射するハーフミラー６２２と、フ
ーリエ変換レンズ６２３とからなる。

【００４７】第１実施例と同様に、レーザ光源１００、
結像レンズ系２００、および偏位器３００は動作し、空
間光変調器４１０には重ね合わされた像が書き込まれ
る。つぎに、この空間光変調器４１０に書き込まれた像
を光学的フーリエ変換器６１０で、読み出しおよびフー
リエ変換を施して、その結果である空間周波数座標にお
けるパワースペクトル像を空間光変調器４２０に結像さ
せ、空間光変調器４２０に書き込む。ついで、この空間
光変調器４２０に書き込まれた像を光学的フーリエ変換
器６２０で、読み出しおよびフーリエ変換を施して、そ
の結果である空間座標における相関関数像をＣＣＤカメ
ラ４００の撮像面に結像させ、ＣＣＤカメラ４００に書
き込む。このＣＣＤカメラ４００に書き込まれた像は、
既に合同変換相関演算の終了した結果である。

【００４８】合同変換演算の結果の像をＣＣＤカメラ４
００から、画像処理装置５２０にデジタル化して取り込
み、このデジタル画像データを使用して、計算機５３０
で相関値がピークとなる座標値から意図的に与えた偏位
値を減算して被測定体の変位量および変位の向きを求め
る。こうして求めた変位を、第１の時刻と第２の時刻と
の時間差で除すことにより変位速度を計算する。なお、
被測定体の変位を繰り返し測定することにより、変位加
速度を計算することも第１実施例と同様に可能である。
この装置は、合同変換相関演算である各点に対するフ
ーリエ変換を光学的に実施するので演算速度ひいては測
定速度が、上記第１〜７実施例に比べて飛躍的に高速で
ある。また、ＣＣＤカメラ４００の替りに重心位置検出
素子ＰＳＤを用いると走査検出する必要が無いので、更
に高速化が達成できる。なお、第１実施例に関する第２
〜６実施例のような偏位器３００の変更は、この実施例
でも可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明の変
位および変位速度測定装置によれば、被測定体の特徴を
反映した第１の時刻の２次元像と第２の時刻の２次元像
を撮像するにあたって、第２の時刻の２次元像に、絶対
値が第１の時刻と第２の時刻との間の被測定体の変位量
の絶対値よりも大きく設定された既知の量の偏位を施し
て撮像することにしたので、この重ね合わせた像に合同
変換相関の演算を施し、２つの画像の相関を調べ、相関
値がピークとなる位置を求め、このピーク位置から上記
の既知の偏位量を補正することにより、変位量および変
位の向きを高速に測定できる。また、測定した変位量
を、第１の時刻と第２の時刻との時間差で除すことによ
り変位速度の絶対値を演算し、測定済みの変位の向きと
合わせてベクトルとしての速度を高速に決定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の変位および変位速度測定
装置の構成図である。

【図２】本発明の第１実施例の変位および変位速度測定
装置の偏位器部の動作説明図である。

【図３】本発明の第２〜４実施例の変位および変位速度
測定装置の偏位器部の構成図である。

【図４】本発明の第５、６実施例の変位および変位速度
測定装置の偏位器部の構成図である。

【図５】本発明の第７実施例の変位および変位速度測定
装置の構成図である。

【図６】本発明の第７実施例の変位および変位速度測定
装置の偏位・画像重ね合わせ部の構成図である。

【図７】本発明の第８実施例の変位および変位速度測定
装置の構成図である。

【図８】従来のスペックル二重露光法の説明図である。

【符号の説明】

１００…レーザ光源、２００…結像レンズ系、３００…
偏位器、４００…ＣＣＤカメラ、５１０…ＴＶモニタ、
５２０…画像処理装置、５３０…計算機、６１０，６２
０…光学的フーリエ変換器、７００…被測定体。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源と、 前記レーザ光源が出射するレーザ光の被測定体の照射に
   よって生じる前記被測定の特性を反映する２次元光像
   に、空間的に一様な第１の量および第２の量の偏位を選
   択的に施す偏位手段と、 前記第１の量の偏位を施した第１の時刻における前記２
   次元光像と、前記第２の量の偏位を施した第２の前記２
   次元光像と、を重ね合わせた像を記録する撮像装置と、 前記撮像装置に記録された光像に対して合同変換相関演
   算を施す演算装置と、 を含んで構成され、 前記演算装置の演算結果から、前記被測定体の前記第１
   の時刻と前記第２の時刻との間に発生した変位と、前記
   第１の時刻と前記第２の時刻との間の平均変位速度を求
   めることを特徴とする変位および変位速度測定装置。
2. 【請求項２】 前記２次元光像は、レーザ光を照射され
   た物体での反射光および透過光のいずれか一方によって
   得られるスペックルパターンであることを特徴とする請
   求項１記載の変位および変位速度測定装置。
3. 【請求項３】 前記第１の量の偏位の実施は、実質的に
   偏位を施さないことと同一であることを特徴とする請求
   項１記載の変位および変位速度測定装置。
4. 【請求項４】 前記第１の偏位量と第２の量の偏位量の
   差の絶対値が、前記第１の時刻と第２の時刻との間の前
   記被測定体の変位量の絶対値よりも大きく設定されるこ
   とを特徴とする請求項１記載の変位および変位速度測定
   装置。
5. 【請求項５】 前記偏位手段は、 前記被測定体の特徴を反映した情報を担った光を受光
   し、ほぼ特定偏光方向の直線偏光成分のみを射出する偏
   光板と、 前記偏光板を介して到達した直線偏光受光し、偏光方向
   の回転不実施および９０゜回転実施のいずれか一方を選
   択的に行う偏波面回転素子と、 前記偏波面回転素子を回転不実施および９０゜回転実施
   のいずれか一方の動作モードに設定する偏波面回転制御
   器と、 前記偏波面回転素子を介した直線偏光を受光し、偏光方
   向によって光路を変化させる複屈折板と、 から構成されることを特徴とする請求項１記載の変位お
   よび変位速度測定装置。
6. 【請求項６】 前記偏位手段は、 前記被測定体の特徴を反映した２次元光像を得る光学系
   の光路中に配置された反射素子と、 前記反射素子の反射面の空間的な方向または位置を変化
   させる反射素子制御器と、 から構成されることを特徴とする請求項１記載の変位お
   よび変位速度測定装置。
7. 【請求項７】 前記偏位手段は、 前記被測定体の特徴を反映した２次元光像を得る光学系
   の光路中に配置された空気よりも大きな屈折率を有する
   光透過素子と、 前記光透過素子の受光面の空間的な方向または光路にほ
   ぼ垂直な方向の位置を変化させる光透過素子制御器と、 から構成されることを特徴とする請求項１記載の変位お
   よび変位速度測定装置。
8. 【請求項８】 前記偏位手段は、 前記被測定体の特徴を反映した２次元光像の撮像面と平
   行な方向に移動な撮像素子と、 前記撮像素子の空間的な位置を変化させる平行移動制御
   器と、 から構成されることを特徴とする請求項１記載の変位お
   よび変位速度測定装置。
9. 【請求項９】 前記偏位手段は、 前記被測定体の特徴を反映した情報を担った光を受光
   し、光電効果により電子を放出する光電面と、 前記電子を第１の方向へ加速する加速電極と、 前記加速電極により加速された電子を結像させる電子レ
   ンズと、 前記電子レンズにより結像された像を表示する蛍光面
   と、 前記電子レンズと前記蛍光面との間に配設され、前記第
   １の方向と垂直な方向に電界を発生させる偏向電極対
   と、 前記偏向電極対間の電界の強度を制御する可変電圧源
   と、 前記光電面から前記蛍光面までの前記電子の飛行経路を
   略真空とするための、少なくとも前記光電面、前記加速
   電極、前記電子レンズ、前記蛍光面、および前記偏向電
   極対を収納し、収納空間を略真空とした密閉型容器と、 から構成されることを特徴とする請求項１記載の変位お
   よび変位速度測定装置。
10. 【請求項１０】 前記偏位手段は、 前記被測定体の特徴を反映した情報を担った光を受光
    し、光電効果により電子を放出する光電面と、 前記電子を第１の方向へ加速する加速電極と、 前記加速電極により加速された電子を結像させる電子レ
    ンズと、 前記電子レンズにより結像された像を表示する蛍光面
    と、 前記電子レンズと前記蛍光面との間の空間に前記第１の
    方向と垂直な方向に磁界を発生させる偏向コイルと、 前記磁界の強度を制御する可変電流源と、 前記光電面から前記蛍光面までの前記電子の飛行経路を
    略真空とするための、少なくとも前記光電面、前記加速
    電極、前記電子レンズ、および前記蛍光面を収納し、収
    納空間を略真空とした密閉型容器と、 から構成されることを特徴とする請求項１記載の変位お
    よび変位速度測定装置。
11. 【請求項１１】 前記偏位手段は、 前記撮像装置が撮像した前記２次元像データを格納をす
    るメモリと、 前記撮像装置の画素ごとの格納メモリアドレスの生成に
    あたって、前記第１の偏位を施す第１のアドレス発生モ
    ードと、前記第２の偏位を施す第２のアドレス発生モー
    ドとを選択的に実行するアドレス生成器と、 前記アドレス生成器で指定されたアドレスに格納された
    画素データと、前記撮像装置から入力した前記２次元画
    像データにおける該当アドレスの画素データとを加算す
    る加算器と、 を含んで構成され、前記第１の時刻に撮像した前記画像
    データの格納時には第１のアドレス発生モードを使用
    し、かつ、各画素データについて既に前記メモリの該当
    アドレスに格納されているデータとの加算を実施せずに
    メモリへの格納を行い、前記第２の時刻に撮像した画像
    データの格納時には第２のアドレス発生モードを使用
    し、かつ、各画素データについて既に前記メモリの該当
    アドレスに格納されているデータと加算を行い、加算値
    を使用することにより前記第１の時刻における２次元像
    と前記第２の時刻における２次現像とを重ね合わせた画
    像データを得ることを特徴とする請求項１記載の変位お
    よび変位速度測定装置。
12. 【請求項１２】 前記演算手段は、デジタル計算機であ
    り、前記撮像装置の撮像した重ね合わせ画像をデジタル
    化した後、合同変換相関演算を施すことを特徴とする請
    求項１記載の変位および変位速度測定装置。
13. 【請求項１３】 前記演算手段は、 前記重ね合わされた像をフーリエ変換する第１のフーリ
    エ変換レンズと、 前記第１のフーリエ変換レンズの第１の結像装置と、 前記第１の結像装置の結像画像をフーリエ変換する第２
    のフーリエ変換レンズと、 前記第２のフーリエ変換レンズの第２の結像装置と、 から構成され、光学的に合同変換相関演算を施すことを
    特徴とする請求項１記載の変位および変位速度測定装
    置。