JPH06342005A - Optical sensor - Google Patents

Optical sensor

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Publication number
JPH06342005A
JPH06342005A JP15132893A JP15132893A JPH06342005A JP H06342005 A JPH06342005 A JP H06342005A JP 15132893 A JP15132893 A JP 15132893A JP 15132893 A JP15132893 A JP 15132893A JP H06342005 A JPH06342005 A JP H06342005A
Authority
JP
Japan
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pattern
holographic
light
measured
optical
Prior art date
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Pending
Application number
JP15132893A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Koichiro Miyagi
幸一郎 宮城
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Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Anritsu Corp filed Critical Anritsu Corp
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Publication of JPH06342005A publication Critical patent/JPH06342005A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Holo Graphy (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide an optical sensor which enables two-dimensional information detection by performing a plurality of spatial filtering processings with one unit. CONSTITUTION:A plurality of holographic patterns are projected sequentially onto an object 3 to be measured in a time-sharing manner by a projection means 10 which comprises laser light sources 11a and 11b and a holographic pattern generation optical systems 12a and 12b. The resulting reflected light is received by a detection means 13 which comprises an imaging lens system 16, a stray light stop 17, a spatial filter 18 and a photo detector and a processing thereof is performed with a signal processing section 2 which comprises an amplifier 21, a low pass passage filter 22, frequency counter 23, a counting processing section 24, a display device 25 and a synchronous control section 26 for performing a time-sharing synchronous control.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、非接触で物体の速度や
運動方向を測定する光学センサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical sensor for measuring the velocity and the moving direction of an object in a non-contact manner.

【0002】[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
シングをおこなう光学センサは、非接触センサの中でも
二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、一様に照明された被測定物の反射パターンを
取り込み、測定用光学系内に設置した空間フィルタの面
上に結像させて空間フィルタリングを行うものと、同一
出願人の先の出願(特願平4−361313号)に開示
されているような、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被測定物の表面で空間フィルタリ
ングを実現する方式のものとがある。後者の方式では、
放射パターンの光源にレーザの様なコヒーレント波の発
生源を使用し、空間放射パターンには波動の干渉及び回
折現象を利用したホログラフィックパターンを使用して
いる。また、このホログラフィックパターンの発生機構
を外部から制御することにより、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を実現している。
2. Description of the Related Art An optical sensor that extracts a specific signal from image information of an object to be measured by using a spatial filter and digitizes this signal for sensing is capable of handling a two-dimensional image even in a non-contact sensor. It is characterized by adapting the spatial filter to the DUT and enabling efficient sensing. Normally, this type of sensor captures the light emission pattern of the DUT itself or the reflection pattern of the uniformly illuminated DUT, and forms an image on the surface of the spatial filter installed in the measurement optical system. Filtering is performed on the surface of the object to be measured by irradiating the object to be measured with a specific spatial radiation pattern, as disclosed in the same applicant's previous application (Japanese Patent Application No. 4-361313). There is a system that realizes spatial filtering. In the latter method,
A coherent wave source such as a laser is used as the light source of the radiation pattern, and a holographic pattern utilizing the wave interference and diffraction phenomena is used as the spatial radiation pattern. In addition, by controlling the generation mechanism of this holographic pattern from the outside, the shape of the radiation pattern is changed to act as a variable spatial filter, and optimal spatial filtering is realized.

【0003】空間フィルタリングでは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
面積が時間変化するため、この変化の状態を検出すると
いわゆる2つの画像の相互相関出力が得られる。一般に
相関出力の振幅値の変化は被測定物の形状変化を示し、
また、周波数の変化は速度など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による光
学センサが速度検出器などに用いられている。
In spatial filtering, the basic processing is to superimpose two images and extract the area of the common part. However, when the two images move relatively, the area of the common part changes with time. When the state of this change is detected, a so-called cross-correlation output of two images is obtained. Generally, a change in the amplitude value of the correlation output indicates a change in the shape of the DUT,
Further, it is known that a change in frequency indicates a moving state such as speed, and an optical sensor using a spatial filter is used for a speed detector or the like by utilizing this property.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光学センサにおける空間フィルタは入力光学系の結像面
に固定配置された一次元格子状のものや、2つのコヒー
レント光が干渉して生じる一方向性の干渉縞を利用した
ものであり、速度検出や移動物体の動きを検出するセン
サとして使用した場合には、格子や干渉縞に直角な方向
の移動速度成分が最も顕著に検出され、干渉縞と並行な
成分はほとんど検出されないといった検出方向の選択性
を有していた。また、この方向選択性は格子や干渉縞の
形状を二次元的に改善しても光検出器が空間フィルタを
通過する光、あるいは被測定物からの空間放射パターン
の反射光全体を検出してしまうため、無指向性にするこ
とはできなかった。すなわち、同時に全周方向の情報が
得られてしまい、どの方向の情報かが判断できなかっ
た。この特徴は車載速度計のような一方向の速度検出に
用いる場合には長所として作用するが、ロボットアーム
の姿勢制御等、全周方向の速度検出には不向きであっ
た。
However, the spatial filter in the conventional optical sensor has a one-dimensional lattice shape fixedly arranged on the image plane of the input optical system, or one direction generated by the interference of two coherent light beams. When using it as a sensor to detect the velocity or the movement of a moving object, the moving velocity component in the direction perpendicular to the grating or the interference fringe is most prominently detected. There was selectivity in the direction of detection such that the component parallel to was hardly detected. In addition, the direction selectivity is such that even if the shape of the grating or the interference fringe is improved two-dimensionally, the photodetector detects the light passing through the spatial filter or the entire reflected light of the spatial radiation pattern from the DUT. Therefore, it could not be omnidirectional. That is, the information of all directions is obtained at the same time, and the direction of information cannot be determined. This feature has an advantage when it is used for speed detection in one direction such as a vehicle-mounted speedometer, but it is not suitable for speed detection in all directions such as posture control of a robot arm.

【0005】本発明の目的は、従来の一次元的な空間フ
ィルタを用いた光学センサでは検出が困難な、被測定物
の二次元的な動きや速度を無指向性で検出できる光学セ
ンサを実現することである。
An object of the present invention is to realize an optical sensor capable of non-directionally detecting a two-dimensional movement or speed of an object to be measured, which is difficult to detect by a conventional optical sensor using a one-dimensional spatial filter. It is to be.

【0006】[0006]

【問題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、被測定物に特定の空間放射パターンを照射
して空間フィルタリングを行う際、複数のホログラフィ
ックパターンを発生する機構を使用して複数のパターン
を発生させ、これらのパターンの格子方向を変化させて
被測定物に照射することにより異なる方向の移動情報を
検出し、これらを信号処理して被測定物の二次元的な動
きや移動速度を得るようにしている。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、この格子方向の異なるホログラフィックパターンの
発生は時間的に順次行われる様にし、各々のホログラフ
ィックパターンが被測定物により反射もしくは散乱され
た光は1つの光学系により時分割で検出される様にし、
装置機構の簡素化と小型化・実用化を図っている。
In order to solve the above problems, the present invention uses a mechanism for generating a plurality of holographic patterns when performing spatial filtering by irradiating a DUT with a specific spatial radiation pattern. To generate a plurality of patterns, change the grid direction of these patterns and irradiate the object to be measured to detect movement information in different directions, and perform signal processing of these signals to generate a two-dimensional object. I try to get movement and moving speed. For this reason, a coherent wave source such as a laser light source is used as the light source of the radiation pattern, and the spatial radiation pattern is a holographic pattern utilizing the interference and diffraction of waves. Further, the holographic patterns having different lattice directions are generated sequentially in time, and the light reflected or scattered by the object to be measured for each holographic pattern is detected by one optical system in a time division manner. Like
We are working to simplify the device mechanism, reduce its size, and put it into practical use.

【0007】[0007]

【作用】格子方向の異なる複数のホログラフィックパタ
ーンを時分割で順次被測定物に照射し、被測定物からの
散乱パターンを受けて、ホログラフィックパターンの照
射に同期して、前記格子方向毎に移動情報を検出する。
該移動情報を信号処理して、被測定物の二次元的な動き
や移動速度を得る。
Function: A plurality of holographic patterns having different grid directions are sequentially irradiated on the object to be measured in a time division manner, receiving a scattering pattern from the object to be measured, and in synchronization with irradiation of the holographic pattern, for each of the grating directions. Detect movement information.
The movement information is signal-processed to obtain the two-dimensional movement and movement speed of the measured object.

【0008】[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。本発明の光学センサは光学パターンを発生して被
測定物に放射し、被測定物による反射散乱光を受光して
電気信号に変換する光学センサ部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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention. The optical sensor of the present invention generates an optical pattern, radiates it to an object to be measured, receives the scattered light reflected by the object to be measured, and converts it into an electric signal, and a photoelectric conversion output of the optical sensor section 1. The signal processing unit 2 receives a signal and processes an electric signal.

【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11a、11bと、
該レーザ光源から出射されたレーザ光をホログラフィッ
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
部10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。
In the optical sensor section 1, laser light sources 11a and 11b as coherent light sources for generating a holographic pattern for irradiating the DUT 3,
An imaging lens system incorporating a holographic pattern generator 10 for converting a laser beam emitted from the laser light source into a holographic pattern 4, and further condensing the reflected light from the DUT 3 to form an image. 16 and a photodetector 19 that photoelectrically converts the reflected light that has formed an image and outputs an electrical signal.

【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。
Here, a method of spatial filtering by irradiation of a pattern, which is the main technique of the present invention, will be described.
As a spatial filtering technique in an optical calculation system, generally, a Fourier transform lens 42 as shown in FIG. 6 is used.
Diffraction image 43 of spatial input pattern 41 obtained by
Apply a spatial filter 44 to
Further, it is well known that the image included in the spatial input pattern 41 can be sharpened or smoothed according to the characteristic (shape) of the spatial filter 44 by re-imaging with the imaging lens 45. If this optical technique is applied to not only a diffraction image but also a normal image, as shown in FIG. 7, it is possible to detect the size and change of the overlapping area of the light transmitting portions of the spatial input pattern 41 and the spatial filter 44. That is, the image correlation calculation becomes possible. When the spatial input pattern 41 is in a moving state, the overlapping area changes with time, and if the photodetector 19 detects the amount of change, the moving speed of the spatial input pattern 41 can be measured. Is effectively used by.

【0011】さて、光学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二次元分布
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。
In the optical sensor, in order to capture an optical image of the object to be measured, illumination is necessary when the object to be measured is other than a light emitter. The present invention focuses on this illumination, and creates the light intensity distribution of the illumination in accordance with the reflection pattern characteristics of the DUT,
At the same time as illuminating the surface of the object to be measured, image correlation is performed with the two-dimensional distribution pattern of the illumination light and the reflection pattern of the surface of the object to be measured. This state is shown in FIG. 8. Compared with the image correlation method using the spatial filter 44 described above, the spatial filter 4 arranged immediately before the photodetector 19 in FIG.
In FIG. 8, it can be seen that 4 is a structure moved to the surface position of the object to be measured.

【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。
Although an illumination pattern suitable for the object to be measured, which is used in place of the spatial filter, can be realized by a simple projection optical system such as a slide projector, in such an incoherent imaging optical system, an imaging plane is formed. An accurate image formation pattern can be maintained only in a few places before and after that.

【0013】一方、位相の揃ったコヒーレント光を使用
し、前記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て作成したホログラフィックパ
ターンの特徴は、通常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9に得られた2光波干渉縞の平面図を
示す。同一光源からビームスプリッタ48で2分して得
た2光波を2枚の反射鏡49a,49bを用いて浅い角
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。
On the other hand, the characteristic of the holographic pattern created by utilizing the interference and diffraction of the wave in the holographic pattern generating optical system 12 by using coherent light whose phase is uniform is that the holographic pattern is normally illuminated by the focusing action of the lens system. This is a point that a three-dimensional lattice-like light intensity distribution orthogonal to the optical axis direction can be obtained, which is impossible with the method of generating a pattern. This state is shown in FIG. This figure shows the most basic method of using the two-wave interference fringe. FIG. 9 shows a plan view of the obtained two-wave interference fringe. When two light waves obtained by halving the same light source by the beam splitter 48 are made to intersect each other at a shallow angle using two reflecting mirrors 49a and 49b to generate an interference fringe, the interference fringe varies depending on the position in the optical axis direction. Instead, a three-dimensionally constant lattice spacing is maintained, and this lattice spacing can be accurately determined by the crossing angle of two light waves and the light wavelength.

【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10には光学回折格子の平面図
を、図11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。
The holographic pattern generating optical system 12 shown in FIG. 5 is an optical system for generating a diffraction pattern using the optical diffraction grating 47 and using it as an illumination pattern. FIG. 10 shows a plan view of the optical diffraction grating, and FIG. 11 shows a plan view of the diffraction pattern. As a general characteristic of the diffraction pattern, the diffraction image is a point-symmetrical figure centered on the optical axis, and the phase change (change in set position) of the diffraction grating is not reflected in the diffraction image. "It has been known. As shown in this figure,
Normally, a parallel light flux is incident on the diffraction grating to obtain a diffraction image. When the shape of the diffraction grating is a repetitive pattern, the shape of the diffraction image shows parallel lines or a grid-like bright spot distribution.The size of this image and the bright spot spacing are the grating spacing of the diffraction grating and the irradiated light. Can be accurately calculated with the wavelength of and the distance between the diffraction grating and the surface to be measured. By utilizing this, it is also possible to accurately extract the specific pattern information from the object to be measured.

【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。
The difference between the diffraction pattern and the above-mentioned interference pattern is that the bright spot spacing changes depending on the distance between the diffraction grating and the surface to be measured, and the rate of this change is the emission of the light beam incident on the diffraction grating. Since it is determined by the angle, it can be set to a desired value by diffusing or narrowing the light beam incident on the diffraction grating by the lens system.

【0016】さて、話を図1に示した第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の受光面より前に(被測定物3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。
Now, let us return to the first embodiment shown in FIG. The holographic pattern using the interference and diffraction described above is applied to the DUT 3, and reflected light, which can be called an image correlation signal with the reflection pattern on the surface of the DUT, is condensed by the imaging lens system 16 to The light is guided to the detector 19 and photoelectrically converted. At this time, the lens system is adjusted so that the image forming surface of the image forming lens system 16 is located in front of the light receiving surface of the photodetector 19 (on the side of the DUT 3), and the imaged surface of the DUT is formed. The second spatial filtering can be further performed by disposing the spatial filter 18 having a shape matching the reflection pattern of No. 2 on the image plane.

【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、開口絞りを設置し
焦点深度を深くするだけで十分な効果を有する。
In the second spatial filtering, when a diffraction pattern is used for the holographic pattern, a similarity change (generally an expansion change proportional to the distance) of the pattern shape, which is a characteristic of the diffraction pattern, with respect to the radiation distance.
By effectively using, it is possible to maintain good filtering accuracy. That is, as described above, the bright spot spacing of the diffraction pattern changes in a similar manner in proportion to the distance to the surface to be measured depending on the focusing or diverging state of the light beam incident on the diffraction grating. The shape expansion rate with respect to the measurement distance of the diffraction pattern (the expansion rate of the diffraction pattern shape with increasing distance to the object to be measured) is the shape reduction with respect to the measurement distance when the diffraction pattern is imaged by the imaging lens system 16. If the reciprocal of the rate (the rate at which a distant image is formed is reduced compared to the closest image) is set, the optimum non-deformable diffraction pattern on the spatial filter 18 is hardly affected by the change in the measurement distance. Can be imaged. In order to always form an exact image of this optimum diffraction pattern, the imaging lens system 16 is used.
It is necessary to focus according to the change of the measurement distance of
Actually, assuming that the change of the measurement distance is about 2 to 30%, it is sufficient to make the aperture of the lens system small or to set the aperture stop and make the depth of focus deep.

【0018】また、前記結像レンズ系16に被測定物3
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。
The object to be measured 3 is attached to the imaging lens system 16.
In order to remove the disturbance light incident from other than the above and the stray light generated by the multiple reflection in the lens system, it is possible to further improve the detection sensitivity of the reflection pattern by appropriately disposing the stray light stop 17. .

【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、前記レーザ光源の発光タイミング、す
なわち複数のホログラフィックパターンの照射タイミン
グを時分割制御し、前記周波数カウンタのカウントタイ
ミングと前記計数処理部24での数値変換処理を発光タ
イミングに同期させるための同期制御部26により装置
全体の制御を行う。前記計数処理部24では方向の異な
る複数のホログラフィックパターンの放射毎に得られる
複数の信号を蓄積し、すべての信号を取り込んだ後、数
値解析によって1つの計測信号を出力する。例えば、こ
の信号が速度を表す時には速度の大きさと方向が速度ベ
クトルとして得られる様な解析処理を行う。また、調整
等で必要の生じた場合には計測信号出力を表示器25で
読み取ることができる。
The signal processing unit 2 receives the output signal of the photodetector 19 and outputs it to the amplifier 21 and the low pass filter 2.
The waveform is shaped by 2 and sent to the frequency counter 23 to count the frequency or the number of waveform peaks in a unit time. The signal counted here is converted into a numerical value by the counting processing unit 24 which converts it into an actual measurement unit (for example, m / s, km / h in the case of speed) and is output as a measurement output signal. Further, the light emission timing of the laser light source, that is, the light emission timing of a plurality of holographic patterns is time-division controlled, and synchronization for synchronizing the count timing of the frequency counter and the numerical conversion processing in the count processing unit 24 with the light emission timing. The control unit 26 controls the entire apparatus. The counting processing unit 24 accumulates a plurality of signals obtained for each radiation of a plurality of holographic patterns having different directions, captures all the signals, and then outputs one measurement signal by numerical analysis. For example, when this signal represents speed, analysis processing is performed so that the magnitude and direction of the speed can be obtained as a speed vector. In addition, the measurement signal output can be read by the display device 25 when necessary for adjustment or the like.

【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、
複数の光ファイバ(本実施例では3本)33a、33
b、33cより伝搬されたコヒーレント光によって形成
される点であり、前記ホログラフィックパターンは複数
のファイバの内の2本のファイバより空中に放射された
2つのレーザ光の干渉によって形成されるものである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention. The feature of this embodiment is that the holographic pattern 4 is
A plurality of optical fibers (three in this embodiment) 33a, 33
b, 33c is a point formed by the coherent light propagated, and the holographic pattern is formed by the interference of two laser beams emitted in the air from two of the plurality of fibers. is there.

【0021】これらの光ファイバに入射させる光はどの
様なレーザからの光でも問題はないが、装置形状や機械
的安定度を考慮すれば半導体レーザ(以後LDと記す)
の光を利用するのが簡単で良い。本実施例においてはL
D光源31の出射光をビームスプリッタ32で2等分
し、さらに2入力3出力の光スイッチ37によって前記
光ファイバ33a、33b、33cに分配している。光
の分配は同時に2本の光ファイバにレーザ光が送られる
ようにし、かつ、この2本のペアが時間的に切り替わっ
て行くように前記光スイッチ37で制御する。すなわ
ち、まず光ファイバ33aと33bから出射した光が干
渉パターンを作り、続いて同33bと同33c、さらに
同33cと33aという具合である。2本の光ファイバ
を伝搬した光の干渉では、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ファイバ光軸の交差角を調整
して任意に設定可能である。また、2本の光ファイバを
隣接して固着すれば干渉縞間隔は調整不可能であるが、
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。
The light incident on these optical fibers may be light from any laser, but a semiconductor laser (hereinafter referred to as LD) is taken into consideration in consideration of the shape of the device and mechanical stability.
Easy and good to use the light of. In this embodiment, L
The emitted light of the D light source 31 is divided into two equal parts by the beam splitter 32, and is further distributed to the optical fibers 33a, 33b and 33c by an optical switch 37 with two inputs and three outputs. The light is distributed so that the laser light is sent to the two optical fibers at the same time, and the optical switch 37 controls the two pairs to be switched temporally. That is, first, the light emitted from the optical fibers 33a and 33b forms an interference pattern, and subsequently, the same 33b and 33c, and further 33c and 33a. In the interference of light propagating through two optical fibers, if both fiber lengths are substantially equal, interference occurs within several phases to several tens of phases, so that strong interference fringes with good visibility can be obtained. The interval of the interference fringes can be set arbitrarily by adjusting the interval between the two optical fibers and the crossing angle of the optical axes of the fibers. In addition, if two optical fibers are fixed adjacent to each other, the interference fringe spacing cannot be adjusted.
Since the relative position of each optical fiber is stable, a fine holographic pattern can be obtained extremely stably.

【0022】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の実施例
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
球面波の特性により、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、光ファイバの光出
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非常に有効である。
Further, the difference between the holographic pattern produced by directly interfering the spherical wave-like light emitted from the optical fiber in this embodiment and the holographic pattern shown in the first embodiment is the same as the first embodiment. In the embodiment described above, the radiation direction of light is almost one direction due to the interference of parallel plane waves, and the shape of the pattern does not change depending on the radiation distance.However, the holographic pattern of this embodiment is And the pattern is radially diffuse. For this reason, the energy of the emitted light decreases almost in inverse proportion to the square of the distance, and the distance between the light emitting end of the optical fiber and the object to be measured cannot be increased so much. Further, since the shape of the holographic pattern changes similarly when this distance changes, it is necessary to limit the measurement target to the object to be measured at a short distance and a fixed position in order to use it in the measuring device. Experimentally, the maximum distance to the object to be measured is about several cm by using an LD of several mW output as a light source. However, it is possible to accurately and stably create a holographic pattern having a lattice spacing of several tens of μm, which is very effective for highly accurate non-contact measurement of a minute object.

【0023】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3本の光
ファイバ33a、33b、33c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3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つのファイバの出射光を
同時に入射可能な口径を有するレンズ系である。
In order to avoid such a limitation on the distance and adapt the holographic pattern to the reflection pattern on the surface of the object to be measured, in the present embodiment, the vicinity A of the output end of the optical fiber is used.
And a zoom optical system 35 composed of micro optics, etc.
Are arranged. The zoom optical system 35 is an optical system that simultaneously focuses or diverges the light emitted from the three optical fibers 33a, 33b, and 33c, and has a function of zooming the holographic pattern on the surface position of the DUT 3, and A simple one is a lens system having a diameter capable of simultaneously entering the outgoing lights of two fibers.

【0024】前記光ファイバ33a、33b、33cの
うちの2本の光ファイバの出射光を前記ズーム光学系3
5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3本の光ファイバ
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3本の光ファイバの中間部であるため、図
3に示す様に、3本の光ファイバ33a、33b、33
cに挟まれる形で中央部に前記受光用光ファイバ34を
設置すると良い。
The light emitted from two of the optical fibers 33a, 33b and 33c is used as the zoom optical system 3.
The holographic pattern 4 formed by passing through 5 is irradiated onto the DUT 3, and the reflected light thereof is provided by the light receiving optical fiber 34 which is installed in a position close to the three optical fibers and easily receiving the reflected light. Received light. Usually, the most suitable position for receiving light is the middle portion of the three optical fibers, and therefore, as shown in FIG. 3, the three optical fibers 33a, 33b, 33 are used.
The light-receiving optical fiber 34 may be installed in the central portion so as to be sandwiched by c.

【0025】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。この電気信号は信号処理部2に送られて前記第1の
実施例の場合と全く同様に信号出力に変換される。また
本実施例では1つのLD光源31の光を時分割で3本の
光ファイバに分配し、複数のホログラフィクパターンを
順次発生させるために前記ビームスプリッタ32と前記
光スイッチ37を併用し、前記光スイッチ37は同期制
御部26のスイッチング制御信号によって出力の3ポー
トの内、常に2ポートへ光を出射するように制御されて
いる。
The light received by the light receiving optical fiber 34 is guided to the photodetector 19 and photoelectrically converted into an electric signal. This electric signal is sent to the signal processing unit 2 and converted into a signal output in exactly the same manner as in the case of the first embodiment. In addition, in this embodiment, the light from one LD light source 31 is time-divided into three optical fibers, and the beam splitter 32 and the optical switch 37 are used together to sequentially generate a plurality of holographic patterns. The optical switch 37 is controlled by the switching control signal of the synchronization control unit 26 so as to always emit light to 2 ports out of 3 ports of output.

【0026】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測定目的に応じて利用可能であ
る。
Although the holographic pattern is generated by using light in the first and second embodiments, the present invention is not limited to light and may be a coherent wave such as a microwave, an X-ray, an electron beam or an acoustic wave. If so, it can be used according to the measurement purpose.

【0027】[0027]

【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投射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光学センサを実現すること
ができ、かつ、格子方向の異なるホログラフィックパタ
ーンを複数個時分割で形成して投射し、それぞれの投射
時に得られる信号を合成分析して測定物の状態を検出す
ることにしたため、例えば、物体の速度検出に利用すれ
ば物体の速度と動きの方向が検出可能となる等、二次元
的な動きのある物体の状態検出が可能となった。
As described above, according to the present invention, the holographic pattern that matches the reflection pattern of the object to be measured is generated by the projection means for projecting the holographic pattern, and the object is irradiated with the holographic pattern. Therefore, it is possible to realize an optical sensor that can perform optimal spatial filtering, form multiple holographic patterns with different grating directions in time division, project them, and synthesize and analyze the signals obtained at each projection. Since it is decided to detect the state of the measured object, it is possible to detect the state of an object with two-dimensional movement, such as the speed and movement direction of the object can be detected by using it to detect the speed of the object. Became.

【0028】また、時分割処理を行う事によって光源及
び検出手段を各々一つの装置で賄う事ができ、小型で機
械的に安定な光学センサが実現できる効果を有し、さら
にまた、第2の実施例で示した光ファイバによる放射パ
ターンの形成はホログラフィックパターンの投射場所を
光ファイバの届く範囲で任意に変更できるといったバリ
アブルな特性も加わった。
Further, by performing the time-division processing, the light source and the detecting means can be covered by one device, respectively, and it is possible to realize an optical sensor which is small and mechanically stable. The formation of the radiation pattern by the optical fiber shown in the embodiment also has a variable characteristic that the projection location of the holographic pattern can be arbitrarily changed within the reach of the optical fiber.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in a first exemplary embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration in a second exemplary embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施例のA部分の拡大図であ
る。
FIG. 3 is an enlarged view of part A of the second embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 4 is a diagram showing a mechanism of generation of interference fringes due to interference of two light waves.

【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。
FIG. 5 is a diagram showing a mechanism of generating a diffraction pattern by a diffraction grating.

【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。
FIG. 6 is a diagram showing a basic configuration of spatial filtering by a Fourier transform optical system.

【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。
FIG. 7 is a diagram showing a basic configuration of image correlation calculation by spatial filtering.

【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。
FIG. 8 is a diagram showing a basic configuration of image correlation calculation using a pattern of illumination light.

【図9】2光波干渉縞の平面図である。FIG. 9 is a plan view of two light wave interference fringes.

【図10】光学回折格子の平面図である。FIG. 10 is a plan view of an optical diffraction grating.

【図11】回折パターンの平面図である。FIG. 11 is a plan view of a diffraction pattern.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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(投射手段) 11a,11b レーザ光源 12,12a,12b 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 結像用レンズ系 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 26 同期制御部 31 LD光源 32 ビームスプリッタ 33a,33b,33c 光ファイバ 34 受光用光ファイバ 35 ズーム光学系 36 検出手段 37 光スイッチ 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 結像レンズ 47 光学回折格子 48 ビームスプリッタ 49a,49b 反射鏡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical sensor part 2 Signal processing part as a processing means 3 Object to be measured 4 Holographic pattern 10 Holographic pattern generation part (projection means) 11a, 11b Laser light source 12, 12a, 12b Holographic pattern generation optical system 13 Detection means 14 Optical system 15 for forming a scattering pattern 15 Extraction means 16 Imaging lens system 17 Stray light diaphragm 18 Spatial filter 19 Photodetector 21 Amplifier 22 Low-pass filter 23 Frequency counter 24 Counting processor 25 Display 26 Synchronous controller 31 LD light source 32 beam splitter 33a, 33b, 33c optical fiber 34 light receiving optical fiber 35 zoom optical system 36 detecting means 37 optical switch 41 spatial input pattern 42 Fourier transform lens 43 diffraction image 44 spatial filter 45 imaging lens 47 optical circuit Grid 48 the beam splitter 49a, 49b reflector

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 投射対象に投射面内で角度の異なる複数
のホログラフィックパターンを所定のタイミングで順次
投射する投射手段(10)と、前記投射対象に投射され
た前記ホログラフィックパターン毎の散乱状態の変化を
検出する検出手段(13)とを含む光学センサ。
1. A projection means (10) for sequentially projecting a plurality of holographic patterns with different angles on a projection target at a predetermined timing, and a scattering state for each holographic pattern projected on the projection target. An optical sensor including a detection means (13) for detecting a change in
【請求項2】 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うけて散乱パ
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)とを含む光学センサにおい
て、 前記ホログラフィックパターン発生部が空間的に独立な
方向に少なくとも2つのホログラフィックパターンを時
間的に別々に発生可能であり、前記処理手段が前記ホロ
グラフィックパターンの発生と同期して前記情報を処理
するための同期制御部(26)を含むことを特徴とする
光学センサ。
2. A holographic pattern generator (10) that can be set so as to match a holographic pattern of a laser beam projected onto an object to be measured with the pattern of the object to be measured, and scattered light from the object to be measured. An optical system (14) for receiving a scattering pattern, an extracting means (15) for extracting desired information related to the object to be measured from the scattering pattern, and a processing of the information extracted by the extracting means. In the optical sensor including the processing means (2) for performing, the holographic pattern generation unit can generate at least two holographic patterns in spatially independent directions separately in time, and the processing means includes the holographic pattern generation section. An optical sensor including a synchronization controller (26) for processing the information in synchronization with the generation of a graphic pattern.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100397261B1 (en) * 1998-05-29 2003-10-17 주식회사 대우일렉트로닉스 Ohp to use hologram

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