JPH08233522A - Non-contact displacement gage - Google Patents

Non-contact displacement gage

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JPH08233522A
JPH08233522A JP3961895A JP3961895A JPH08233522A JP H08233522 A JPH08233522 A JP H08233522A JP 3961895 A JP3961895 A JP 3961895A JP 3961895 A JP3961895 A JP 3961895A JP H08233522 A JPH08233522 A JP H08233522A
Authority
JP
Japan
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image sensor
frame data
measured
displacement
sample
Prior art date
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Application number
JP3961895A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masayuki Kamegawa
正之 亀川
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Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Shimadzu Corp filed Critical Shimadzu Corp
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Publication of JPH08233522A publication Critical patent/JPH08233522A/en
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Abstract

PURPOSE: To obtain a displacement information with resolution finer than the arranging pitch of each element of an image sensor by synthesizing two frame data by using a plurality of the frame data obtained at every movement of the image sensor. CONSTITUTION: On the surface of a sample W to be measured, the laser light from an illuminating optical system 1 is cast. An image of the scattered light from this surface is formed on the light receiving surface of an image sensor 3 by a condenser lens 2. The output of the sensor 3 is transferred into an operating part 5 including A-D converter for every data of one frame. The operating part 5 accepts the transfers of the frame data four times at time t1 -t4 . The four frame data are used, and one frame data having the space resolution of 1/4 of the arranging pitch of the elements of the sensor 3 is synthesized. In the operating part 5, the frame data having the high resolution are used, and the mutual correlation for every data, wherein a constant interval is provided, is operated. The moving amount of a speckle pattern during this period is computed.

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、被測定試料にレーザ光
を照射して得られるスペックルパターンを利用して、非
接触のもとに被測定試料の変位情報を得る変位計に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement meter which obtains displacement information of a sample to be measured without contact by using a speckle pattern obtained by irradiating the sample to be measured with laser light.

【0002】なお、本発明で言う変位情報とは、被測定
試料の1点における変位情報のほかに、例えば材料試験
機等における試験片の伸び等、被測定試料の2点での変
位量に基づく伸縮量等をも含む。
The displacement information referred to in the present invention is not only displacement information at one point of the sample to be measured, but also displacement amount at two points of the sample to be measured, such as elongation of a test piece in a material testing machine or the like. It also includes the amount of expansion and contraction based on it.

【0003】[0003]

【従来の技術】被測定試料の表面にレーザ光を照射して
得られるスペックルパターンを利用して、その試料の変
位情報(変位あるいは伸び等)を非接触のもとに測定す
る方法が知られている。
2. Description of the Related Art There is known a method of measuring displacement information (displacement or elongation) of a sample to be measured without contact using a speckle pattern obtained by irradiating the surface of the sample to be measured with laser light. Has been.

【0004】このスペックルパターンを利用して変位情
報を得る場合、基本的には、被測定試料表面からのレー
ザ光の散乱光を1次元イメージセンサによって光電変換
してスペックルパターンに応じた電気信号を刻々と得る
とともに、その刻々の信号の相互相関関数を求めること
により、スペックルパターンの移動量を求め、そのスペ
ックルパターンの移動量から試料の変位情報を得る。
When the displacement information is obtained by using this speckle pattern, basically, the scattered light of the laser light from the surface of the sample to be measured is photoelectrically converted by a one-dimensional image sensor and an electric signal corresponding to the speckle pattern is obtained. The amount of movement of the speckle pattern is obtained by obtaining the signal momentarily and the cross-correlation function of the momentary signal, and the displacement information of the sample is obtained from the amount of movement of the speckle pattern.

【0005】ここで、スペックルパターンを利用したこ
の種の測定にあっては、被測定試料の1点でのスペック
ルパターンの移動量からはその点の変位量が得られ、ま
た、同じく2点でのスペックルパターンの移動量の差か
らその2点間の伸びまたは縮み量を得ることができる。
更に、被測定試料の同一点に対して表面法線を挟んで互
いに対称な角度で2本のレーザビームを照射し、それぞ
れのビームが作るスペックルパターンの移動量の差を求
め、あるいは、被測定部位に対して1本のレーザビーム
を照射してその散乱光を2方向で観察し、各観察点で同
様にして得られたスペックルパターンの移動量の差を求
めることにより、被測定試料の歪み量ないしは変形量を
求めることができる等、具体的な測定手法としては種々
の変形がある。
Here, in this type of measurement using a speckle pattern, the amount of displacement of the speckle pattern at one point of the sample to be measured gives the amount of displacement at that point, and also 2 The amount of expansion or contraction between the two points can be obtained from the difference in the movement amount of the speckle pattern at the points.
Further, two laser beams are applied to the same point of the sample to be measured at an angle symmetrical to each other with the surface normal therebetween, and the difference in the amount of movement of the speckle pattern formed by each beam is obtained, or By irradiating the measurement site with one laser beam, observing the scattered light in two directions, and obtaining the difference in the amount of movement of the speckle pattern obtained in the same way at each observation point, the sample to be measured is obtained. There are various deformations as specific measurement methods, such as the amount of distortion or the amount of deformation can be obtained.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、被測定試料
からの散乱光を1次元イメージセンサで受光して、スペ
ックルパターンデータを得る場合、その空間分解能はイ
メージセンサの素子の配列ピッチで決まる。従って、ス
ペックルパターンの移動量から変位情報を得る変位計に
おいて、イメージセンサの出力をそのまま用いたので
は、得られる変位情報の空間分解能はイメージセンサの
各素子の配列ピッチよりも細かくなることはない。ここ
で、ガウス近似等を用いてイメージセンサの各素子から
の出力を補間することにより、分解能を10倍程度にま
で向上させることができるが、それにも限界がある。
When the scattered light from the sample to be measured is received by the one-dimensional image sensor to obtain the speckle pattern data, the spatial resolution is determined by the arrangement pitch of the elements of the image sensor. Therefore, in a displacement meter that obtains displacement information from the amount of movement of a speckle pattern, if the output of the image sensor is used as it is, the spatial resolution of the obtained displacement information will not be finer than the array pitch of each element of the image sensor. Absent. Here, the resolution can be improved up to about 10 times by interpolating the output from each element of the image sensor using Gaussian approximation or the like, but there is a limit to that.

【0007】本発明の目的は、補間によることなく、イ
メージセンサの各素子の配列ピッチよりも細かい分解能
のスペックルパターンデータを得ることができ、また、
補間との併用によって、従来のスペックルパターンを利
用した変位計に比して大幅に高分解能の変位情報を得る
ことのできる非接触変位計を提供することにある。
An object of the present invention is to obtain speckle pattern data having a resolution finer than the array pitch of the respective elements of the image sensor without using interpolation, and
It is an object of the present invention to provide a non-contact displacement meter that can obtain displacement information with significantly higher resolution than the conventional displacement meter using a speckle pattern by using the interpolation together.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の非接触変位計は、被測定試料にレーザ光を
照射する手段と、そのレーザ光の被測定試料からの散乱
光を受光する複数の素子からなるイメージセンサと、そ
のイメージセンサからの出力を用いて、散乱光に含まれ
るスペックルパターンの刻々の移動量を算出することに
より被測定試料の変位情報を得る演算手段を備えた変位
計において、イメージセンサの1フレーム分の出力を取
り込むごとに、当該イメージセンサを、計測すべき変位
方向に素子の配列ピッチよりも細かい距離ずつ移動させ
る手段を有し、演算手段は、その移動ごとの位置で得ら
れるフレームデータの複数個を用いて1つのフレームデ
ータを合成し、その合成結果を上記移動量の算出に供す
ることによって特徴づけられる。
In order to achieve the above object, the non-contact displacement meter of the present invention comprises means for irradiating a sample to be measured with laser light and scattered light from the sample to be measured of the laser light. An image sensor composed of a plurality of light-receiving elements and an arithmetic means for obtaining displacement information of the sample to be measured by calculating the amount of movement of the speckle pattern contained in the scattered light using the output from the image sensor. In the provided displacement meter, each time the output of one frame of the image sensor is captured, the displacement sensor has means for moving the image sensor by a distance smaller than the array pitch of the elements in the displacement direction to be measured, and the arithmetic means includes: By combining one frame data using a plurality of frame data obtained at the position for each movement and using the combined result for calculation of the movement amount, It is marked.

【0009】[0009]

【作用】イメージセンサを移動させると、その移動前後
ではイメージセンサへの散乱光の入射位置がその移動量
に応じて変化する。その移動距離を素子の配列ピッチd
よりも細かい距離、例えばd/4とすると、各素子に
は、その移動前後において距離d/4だけ受光面上でず
れた位置の散乱光が入射する。
When the image sensor is moved, the incident position of scattered light on the image sensor changes before and after the movement according to the amount of movement. The moving distance is determined by the arrangement pitch d of the elements.
If the distance is smaller than that, for example, d / 4, scattered light at a position displaced on the light receiving surface by the distance d / 4 is incident on each element before and after the movement.

【0010】1フレーム分のデータを取り込むごとにこ
のような微小距離d/4ずつ移動させると、各フレーム
データは空間的にd/4だけずれたデータとなる。この
ようなフレームデータを4個用いることにより、図3に
模式的に示すように、素子の配列ピッチの1/4の空間
分解能を持つフレームデータが得られる。
When such a minute distance d / 4 is moved every time one frame of data is fetched, each frame data is spatially shifted by d / 4. By using such four pieces of frame data, as schematically shown in FIG. 3, frame data having a spatial resolution of ¼ of the array pitch of the elements can be obtained.

【0011】ここで、イメージセンサの移動のインター
バル、換言すればイメージセンサのフレームレートを、
被測定試料の変位速度に比して十分速くすることで、合
成後のフレームデータは殆ど被測定試料の変位に影響さ
れることはない。
Here, the moving interval of the image sensor, in other words, the frame rate of the image sensor,
By sufficiently increasing the displacement speed of the sample to be measured, the combined frame data is hardly influenced by the displacement of the sample to be measured.

【0012】[0012]

【実施例】図1は本発明実施例の構成を示す模式図であ
る。被測定試料Wの表面には、半導体レーザ1aおよび
シリンドリカルレンズ1bからなる照射光学系1からの
レーザ光が照射される。このレーザ光の被測定試料Wの
表面からの散乱光は、集光レンズ2によってイメージセ
ンサ3の受光面に結像される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of an embodiment of the present invention. The surface of the sample W to be measured is irradiated with laser light from the irradiation optical system 1 including the semiconductor laser 1a and the cylindrical lens 1b. The scattered light of the laser light from the surface of the measured sample W is imaged on the light receiving surface of the image sensor 3 by the condenser lens 2.

【0013】イメージセンサ3は例えば2000チャン
ネルの1次元イメージセンサであって、その各素子の配
列ピッチはdである。このイメージセンサ3は、センサ
ドライバ4から供給されるスタートパルスおよび転送ク
ロックによって動作し、その出力は、スタートパルスの
周期に応じて定まるフレームレートのもとに、1フレー
ム分のデータごとに、A−D変換器を含み、かつ、コン
ピュータを主体とする演算部5に転送される。ここで、
イメージセンサ3のフレームレートは、被測定試料Wの
変位の速度に比して十分に速いものとする。
The image sensor 3 is, for example, a 2000-channel one-dimensional image sensor, and the array pitch of its elements is d. The image sensor 3 is operated by a start pulse and a transfer clock supplied from the sensor driver 4, and its output is A for each frame of data under a frame rate determined according to the cycle of the start pulse. The data is transferred to the arithmetic unit 5 which includes a -D converter and is mainly composed of a computer. here,
The frame rate of the image sensor 3 is sufficiently higher than the displacement speed of the sample W to be measured.

【0014】イメージセンサ3は、例えば平行バネ等を
用いたいわゆるロバーバル機構6を介して架台7に支承
されており、その変位の方向が、被測定試料Wの変位方
向である鉛直方向のみに規制されているとともに、この
イメージセンサ3の下面は、鉛直方向に変位するピエゾ
アクチュエータ8に当接している。そして、このピエゾ
アクチュエータ8は、演算部5から供給される指令に従
って動作するピエゾドライバ9からの電圧信号によって
駆動制御される。
The image sensor 3 is supported on a pedestal 7 via a so-called Roberval mechanism 6 using, for example, parallel springs, and its displacement direction is restricted only to the vertical direction which is the displacement direction of the sample W to be measured. In addition, the lower surface of the image sensor 3 is in contact with the piezo actuator 8 which is vertically displaced. Then, the piezo actuator 8 is drive-controlled by a voltage signal from a piezo driver 9 which operates according to a command supplied from the arithmetic unit 5.

【0015】以上の構成において、ピエゾアクチュエー
タ8は、ピエゾドライバ9からの駆動電圧により、図2
にタイムチャートを示すように、イメージセンサ3のフ
レームデータの演算部4への転送タイミングt1,2,
3,4 ・・に同期して、イメージセンサ3の素子の配列ピ
ッチdの1/4に相当する距離だけ上方に変位するとと
もに、その上方への変位が3回連続した後には、距離3
d/4だけ下方へ変位する、という動作を繰り返す。こ
れにより、イメージセンサ3は、フレームデータを転送
するごとに、距離d/4ずつ3回連続して上方に移動し
た後、次のフレームデータを転送する際には3d/4だ
け下方に移動することになる。
In the structure described above, the piezo actuator 8 is driven by the drive voltage from the piezo driver 9 as shown in FIG.
As shown in the time chart, the transfer timings t 1, t 2, t of the frame data of the image sensor 3 to the arithmetic unit 4 are shown.
In synchronism with 3, t 4, ..., The element is displaced upward by a distance corresponding to 1/4 of the arrangement pitch d of the elements of the image sensor 3, and after the upward displacement is repeated three times, the distance 3
The operation of displacing downward by d / 4 is repeated. As a result, the image sensor 3 moves upward by the distance d / 4 three times every time frame data is transferred, and then moves downward by 3d / 4 when transferring the next frame data. It will be.

【0016】以上の動作により、演算部5は時刻t1
4 において、4回のフレームデータの転送を受けるこ
とになるが、演算部5では、これらの4つのフレームデ
ータを用いて、イメージセンサ3の素子の配列ピッチd
の1/4の空間分解能を持つ1つのフレームデータを合
成する。すなわち、このt1 〜t4 に転送された各フレ
ームデータは、イメージセンサ3の各素子の位置がd/
4ずつずれたデータであるから、これらの4つのフレー
ムデータを用いて、図3に模式的に示すように各素子か
らのデータを組み合わせることによって、各素子の配列
ピッチdの1/4の空間分解能を持つ1つのフレームデ
ータを得ることができる。イメージセンサ3のチャンネ
ル数が前記したように2000であったとすると、以上
の合成によって8000チャンネルからなるフレームデ
ータが得られることになる。
[0016] By the above operation, the calculation unit 5 time t 1 ~
At t 4 , the frame data is transferred four times, but the arithmetic unit 5 uses these four frame data to arrange the array pitch d of the elements of the image sensor 3.
One frame data having a spatial resolution of 1/4 is synthesized. That is, in each frame data transferred from t 1 to t 4 , the position of each element of the image sensor 3 is d /
Since the data is shifted by 4, the data from each element is combined as shown in FIG. 3 by using these four frame data, so that the space of 1/4 of the array pitch d of each element is obtained. One frame data having a resolution can be obtained. Assuming that the number of channels of the image sensor 3 is 2000 as described above, frame data consisting of 8000 channels can be obtained by the above synthesis.

【0017】そして、演算部5は、以上のような合成に
より高分解能のフレームデータを用いて、一定の間隔を
開けたデータごとの相互相関を演算し、この間における
スペックルパターンの移動量を算出する。この算出結果
は被測定試料Wのレーザ光の照射位置の変位情報を表す
ことになる。そして、このようにして得られた変位情報
は、イメージセンサ3の素子の配列ピッチがdであるに
も係わらず、その空間分解能はd/4となる。また、以
上のようにして合成したフレームデータを更に補間演算
することにより、例えばd/40程度の空間分解能を持
つ変位情報が得られる。
Then, the calculating unit 5 calculates the cross-correlation of each data with a certain interval by using the high resolution frame data by the above composition, and calculates the movement amount of the speckle pattern during this period. To do. This calculation result represents the displacement information of the irradiation position of the laser beam of the measured sample W. The displacement information thus obtained has a spatial resolution of d / 4, even though the array pitch of the elements of the image sensor 3 is d. Further, by further interpolating the frame data synthesized as described above, displacement information having a spatial resolution of about d / 40 can be obtained.

【0018】ここで、本発明は、以上の実施例のほか、
イメージセンサの1フレーム分の出力を取り込むごとに
このイメージセンサを移動させる手段の実施の態様とし
て、イメージセンサの変位を検出するための変位センサ
を別途設けるとともに、その変位センサの出力を用いた
クローズドループ制御のもとに、イメージセンサの移動
を制御する態様と、更に、その変位センサに代えて、イ
メージセンサの各チャンネルのうち、散乱光の受光に供
していない余分な複数のチャンネルを用い、これらのチ
ャンネルに対して、固定された光源からの光を照射し、
その各チャンネルの出力を補間演算することによってそ
の照射光のピーク位置を算出し、その算出結果をイメー
ジセンサの位置の検出結果として用いたクローズドルー
プ制御のもとに、イメージセンサの移動を制御する態様
とを採用することができる。
The present invention, in addition to the above-mentioned embodiments,
As an embodiment of means for moving the image sensor each time the output of one frame of the image sensor is captured, a displacement sensor for detecting displacement of the image sensor is separately provided, and a closed sensor using the output of the displacement sensor is provided. Under the loop control, a mode of controlling the movement of the image sensor, further, in place of the displacement sensor, among the channels of the image sensor, using an extra plurality of channels not used for receiving scattered light, Irradiate light from a fixed light source to these channels,
The output of each channel is interpolated to calculate the peak position of the irradiation light, and the movement of the image sensor is controlled based on the closed loop control using the calculation result as the detection result of the position of the image sensor. Aspects can be adopted.

【0019】このようなクローズドループ制御の採用に
より、イメージセンサの移動量をより正確なものとする
ことができ、ひいては被測定試料Wの変位情報をより正
確なものとすることができる。
By adopting such a closed loop control, the amount of movement of the image sensor can be made more accurate, and the displacement information of the measured sample W can be made more accurate.

【0020】図4および図5は、クローズドループ制御
によってイメージセンサ3の移動を制御した例を示す要
部の模式的構成図である。図4の例では、架台7に変位
センサ10を固定し、この変位センサ10によってイメ
ージセンサ3の位置を検出して、その検出出力を増幅器
11を介してピエゾドライバ9にフィードバックしてい
る。この構成において、変位センサ10の分解能をイメ
ージセンサ3の素子の配列ピッチdに比して十分に高く
しておくことにより、イメージセンサ3を素子の配列ピ
ッチdの1/10等の極微小量ずつ正確に移動させるこ
とが可能となり、合成後の空間分解能は大きく向上す
る。
FIG. 4 and FIG. 5 are schematic configuration diagrams of essential parts showing an example in which the movement of the image sensor 3 is controlled by the closed loop control. In the example of FIG. 4, the displacement sensor 10 is fixed to the gantry 7, the position of the image sensor 3 is detected by this displacement sensor 10, and the detection output is fed back to the piezo driver 9 via the amplifier 11. In this configuration, the resolution of the displacement sensor 10 is set sufficiently higher than the array pitch d of the elements of the image sensor 3 so that the image sensor 3 is a very small amount such as 1/10 of the array pitch d of the elements. It becomes possible to move accurately one by one, and the spatial resolution after combination is greatly improved.

【0021】図5の例は、上記のように別途変位センサ
を設けることなく、イメージセンサ3をクローズドルー
プ制御のもとに移動させるようにした例である。すなわ
ち、イメージセンサ3の各チャンネルのうち、被測定試
料Wからの散乱光の受光に供しない余分な数十チャンネ
ルを変位モニタ用のチャンネル群として、これらの複数
のチャンネルに跨がるように、固定されたLEDや半導
体レーザ等の光源12からの光を照射している。そし
て、この変位モニタ用のチャンネル群の出力を演算部5
に取り込み、ここで補間演算することによって光源12
からの照射光のピーク位置を求める。このピーク位置
は、補間によってイメージセンサ3の素子の配列ピッチ
dの1/10程度の分解能のもとに検出できるため、こ
のピーク位置の変化をイメージセンサ3の変位検出結果
として、ピエゾドライバ9にフィードバックしている。
このような構成によっても、オープンループ制御の場合
に比してイメージセンサ9の移動量をより正確なものと
することができる。
The example of FIG. 5 is an example in which the image sensor 3 is moved under the closed loop control without providing a separate displacement sensor as described above. That is, of the channels of the image sensor 3, an extra tens of channels that are not used for receiving scattered light from the sample W to be measured are used as a channel group for displacement monitoring so as to straddle the plurality of channels. Light from a light source 12 such as a fixed LED or semiconductor laser is emitted. Then, the output of the channel group for displacement monitoring is calculated by the calculation unit 5
The light source 12
The peak position of the irradiation light from is calculated. Since this peak position can be detected by interpolation with a resolution of about 1/10 of the arrangement pitch d of the elements of the image sensor 3, the change in the peak position is detected by the piezo driver 9 as the displacement detection result of the image sensor 3. I have feedback.
With such a configuration, the amount of movement of the image sensor 9 can be made more accurate than in the case of open loop control.

【0022】さて、以上の各例では、イメージセンサを
微小量ずつ移動させることによって空間分解能を向上さ
せているが、この場合、移動距離を素子の配列ピッチd
の1/Nとしたとき、相関関数の演算に供するための合
成後のフレームデータは、実際のフレームデータをN回
採取するごと得られることになる。これは、実際のフレ
ームデータをそのまま相関関数の演算に供する従来のこ
の種の変位計に比して、イメージセンサのフレームレー
トが一定であれば、時間分解能が1/Nに低下すること
を意味する。高速の現象を刻々と捕らえる必要がある場
合には問題となることもある。
In each of the above examples, the spatial resolution is improved by moving the image sensor by a small amount. In this case, the moving distance is set to the array pitch d of the elements.
When 1 / N is set, the combined frame data to be used in the calculation of the correlation function is obtained every time the actual frame data is sampled N times. This means that when the frame rate of the image sensor is constant, the time resolution is reduced to 1 / N as compared with the conventional displacement meter of this type which directly uses the actual frame data for the calculation of the correlation function. To do. It can be a problem when it is necessary to catch high-speed phenomena moment by moment.

【0023】そこで、本発明の技術的思想の応用とし
て、イメージセンサに入射させるべき散乱光を、ビーム
スプリッタで複数の方向に分離して導き、かつ、分離し
た散乱光をそれぞれの方向に配置した個別のイメージセ
ンサで受光するとともに、その各イメージセンサを、分
離後の各散乱光に対して、計測すべき変位方向に各素子
の配列ピッチよりも細かい距離だけずらした配置とし、
その各イメージセンサのフレームデータを上記の例と同
様に合成して、スペックルパターンの移動量の算出に供
する構成を採用することができる。その要部の構成例を
図6に模式的に示す。なお、この図6では、被測定試料
Wの変位方向は紙面に直交する方向であり、その方向に
各イメージセンサ3a〜3cの素子が並んでいるものと
する。
Therefore, as an application of the technical idea of the present invention, scattered light to be incident on the image sensor is separated and guided by a beam splitter in a plurality of directions, and the separated scattered light is arranged in each direction. While receiving light with an individual image sensor, each image sensor is arranged with respect to each scattered light after separation, shifted by a distance smaller than the array pitch of each element in the displacement direction to be measured,
It is possible to adopt a configuration in which the frame data of each image sensor is combined in the same manner as in the above example, and is used to calculate the movement amount of the speckle pattern. FIG. 6 schematically shows a configuration example of the main part. In FIG. 6, the displacement direction of the sample W to be measured is a direction orthogonal to the paper surface, and the elements of the image sensors 3a to 3c are arranged in that direction.

【0024】被測定試料Wからの散乱光は、レンズ20
によってほぼ平行な光束に変換された後、ビームスプリ
ッタ21によって、直進するものと90°曲げられるも
のとに分離される。そして、このうち直進した光束は、
更にビームスプリッタ22によって再び直進するものと
90°曲げられるものとに分離される。そして、このよ
うにして3つに分離された光束は、それぞれ集光レンズ
2a,2b,2cによって、互いに同じ型式の個別のイ
メージセンサ3a,3b,3cの受光面上に結像され
る。
The scattered light from the sample W to be measured is reflected by the lens 20.
After being converted into a substantially parallel light beam by the beam splitter 21, the beam splitter 21 splits the beam into a straight beam and a beam bent by 90 °. And the light flux that goes straight
Further, the beam splitter 22 splits the beam into a straight type and a 90 ° type. Then, the light fluxes thus divided into three are imaged on the light-receiving surfaces of the individual image sensors 3a, 3b, 3c of the same type by the condenser lenses 2a, 2b, 2c, respectively.

【0025】各イメージセンサ3a,3b,3cは、入
射光に対して、被測定試料Wの計測すべき変位方向に対
応する方向、図6の例では紙面に直交する方向に、各イ
メージセンサ3a,3b,3cの素子の配列ピッチdの
1/3の距離ずつずらせてある。
The image sensors 3a, 3b, 3c are arranged in the direction corresponding to the displacement direction of the sample W to be measured with respect to the incident light, that is, in the example shown in FIG. , 3b, 3c are arranged at intervals of ⅓ of the arrangement pitch d of the elements.

【0026】以上の構成によると、被測定試料Wからの
散乱光は3つのイメージセンサ3a,3bおよび3cに
よって同時に受光され、しかも、これらの各イメージセ
ンサから同時に出力されるフレームデータは、イメージ
センサ3a,3b,3cの各素子の位置が計測すべき変
位方向に対応する方向にd/3ずつずれたデータである
から、前記した図3の合成方法と同等の思想のもとに、
これらの3つのフレームデータを組み合わせることによ
って、各素子の配列ピッチdの1/3の空間分解能を持
つ1つのフレームデータを得ることができる。このよう
にして合成したフレームデータを相関関数の演算に供す
ることにより、先の各例と同等の作用効果を奏すること
ができる。
With the above arrangement, the scattered light from the sample W to be measured is simultaneously received by the three image sensors 3a, 3b and 3c, and the frame data simultaneously output from each of these image sensors is the image sensor. Since the positions of the respective elements 3a, 3b, 3c are data deviated by d / 3 in the direction corresponding to the displacement direction to be measured, based on the idea equivalent to the above-described combining method of FIG.
By combining these three frame data, one frame data having a spatial resolution of ⅓ of the arrangement pitch d of each element can be obtained. By providing the frame data synthesized in this way for the calculation of the correlation function, it is possible to obtain the same operational effect as the above-mentioned respective examples.

【0027】しかも、この構成において注目すべき点
は、イメージセンサの素子の配列ピッチよりも細かい距
離だけ相対的に位置がずれたフレームデータが、同時に
得られる点である。従って、この構成によると、各イメ
ージセンサ3a〜3cからそれぞれ1つの実際のフレー
ムデータが転送されるごとに、素子の配列ピッチよりも
細かい分解能を持つフレームデータを合成することがで
き、時間分解能が低下することがない、という利点があ
る。
Moreover, a point to be noted in this configuration is that frame data whose positions are relatively displaced by a distance smaller than the arrangement pitch of the elements of the image sensor can be obtained at the same time. Therefore, according to this configuration, each time one actual frame data is transferred from each of the image sensors 3a to 3c, frame data having a resolution smaller than the array pitch of the elements can be combined, and the time resolution can be improved. There is an advantage that it does not decrease.

【0028】なお、図6では散乱光を3方向に分離して
3つのイメージセンサで受光した例を示したが、分離お
よびイメージセンサの数は任意であり、用いるイメージ
センサの数をn、その素子の配列ピッチをdとすれば、
これらのイメージセンサを相対的にd/nずつずらすこ
とによって、上記と同等の作用効果を奏することができ
る。
Although FIG. 6 shows an example in which scattered light is separated in three directions and received by three image sensors, the number of separated and image sensors is arbitrary, and the number of image sensors used is n. If the array pitch of the elements is d,
By relatively shifting these image sensors by d / n, it is possible to achieve the same effects as the above.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定試料からの散乱光を受光してスペックルパターン
データを得るためのイメージセンサを、演算部に1フレ
ーム分の出力を取り込むごとに、計測すべき変位方向に
素子の配列ピッチよりも細かい距離ずつ移動させ、その
移動ごとの位置で得られるフレームデータの複数個を用
いて1つのフレームデータを合成することにより、素子
の配列ピッチよりも空間分解能の高いスペックルパター
ンデータを得て、その合成後のデータを用いてスペック
ルパターンの移動量を算出するから、イメージセンサの
各素子の配列ピッチよりも細かい分解能の変位情報を得
ることができ、従来のこの種の変位計で常用されている
補間演算との併用によって、従来よりも大幅に高分解能
の変位情報が得られる。
As described above, according to the present invention,
The image sensor for receiving the scattered light from the sample to be measured and obtaining the speckle pattern data has a distance smaller than the array pitch of the elements in the displacement direction to be measured each time the output for one frame is taken into the calculation unit. By moving each one, and combining one frame data by using a plurality of frame data obtained at each position of movement, to obtain speckle pattern data having a spatial resolution higher than the array pitch of the elements and combine the data. Since the amount of movement of the speckle pattern is calculated using the subsequent data, it is possible to obtain displacement information with a resolution finer than the array pitch of each element of the image sensor, which is commonly used in conventional displacement gauges of this type. By using this together with the interpolation calculation, it is possible to obtain displacement information with significantly higher resolution than before.

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

【図1】本発明実施例の構成を示す模式図FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.

【図2】本発明実施例の各部の動作タイミングを示すタ
イムチャート
FIG. 2 is a time chart showing the operation timing of each part of the embodiment of the present invention.

【図3】本発明実施例によるフレームデータの合成の仕
方の模式的説明図
FIG. 3 is a schematic explanatory view of a method of synthesizing frame data according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の他の実施例の要部構成を示す模式図FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a main part of another embodiment of the present invention.

【図5】本発明の更に他の実施例の要部構成を示す模式
FIG. 5 is a schematic diagram showing a main part configuration of still another embodiment of the present invention.

【図6】本発明の更にまた他の実施例の要部構成を示す
模式図
FIG. 6 is a schematic diagram showing a main part configuration of still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 照射光学系 1a 半導体レーザ 1b シリンドリカルレンズ 2 集光レンズ 3 イメージセンサ 4 センサドライバ 5 演算部 6 ロバーバル機構 7 架台 8 ピエゾアクチュエータ 9 ピエゾドライバ 1 Irradiation optical system 1a Semiconductor laser 1b Cylindrical lens 2 Condenser lens 3 Image sensor 4 Sensor driver 5 Calculation unit 6 Roberval mechanism 7 Stand 8 Piezo actuator 9 Piezo driver

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被測定試料にレーザ光を照射する手段
と、そのレーザ光の被測定試料からの散乱光を受光する
複数の素子からなるイメージセンサと、そのイメージセ
ンサからの出力を用いて、散乱光に含まれるスペックル
パターンの刻々の移動量を算出することにより被測定試
料の変位情報を得る演算手段を備えた変位計において、
上記イメージセンサの1フレーム分の出力を取り込むご
とに、当該イメージセンサを、計測すべき変位方向に素
子の配列ピッチよりも細かい距離ずつ移動させる手段を
有し、上記演算手段は、その移動ごとの位置で得られる
フレームデータの複数個を用いて1つのフレームデータ
を合成し、その合成結果を上記移動量の算出に供するこ
とを特徴とする非接触変位計。
1. A means for irradiating a sample to be measured with a laser beam, an image sensor comprising a plurality of elements for receiving scattered light of the laser beam from the sample to be measured, and an output from the image sensor are used. In a displacement meter provided with a calculation means for obtaining displacement information of a sample to be measured by calculating the amount of movement of a speckle pattern contained in scattered light every moment,
Each time the output of one frame of the image sensor is fetched, the image sensor has means for moving in the displacement direction to be measured by a distance smaller than the array pitch of the elements, and the computing means has a function for each movement. A non-contact displacement meter, characterized in that a plurality of pieces of frame data obtained at a position are used to combine one piece of frame data and the combined result is used for calculating the movement amount.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5982490A (en) * 1997-02-04 1999-11-09 Nikon Corporation Apparatus and method for wavefront absolute calibration and method of synthesizing wavefronts
US6642506B1 (en) 2000-06-01 2003-11-04 Mitutoyo Corporation Speckle-image-based optical position transducer having improved mounting and directional sensitivities
US6873422B2 (en) 2000-12-08 2005-03-29 Mitutoyo Corporation Systems and methods for high-accuracy displacement determination in a correlation based position transducer

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