JPH09501036A - 部品の運動を検出する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 オートコリメータ（１）又はそれに類似するものと、フレーム転送型のイメージセンサアレイ（１４）（ＣＣＤ）とを有し、イメージセンサアレイ（１４）は行転送のための調整自在の転送クロックパルス発生器（２）と、ストロボスコープ照明を伴うビデオモード及びストロボスコープ照明を伴わないビデオモードにおけるリサージュ図形、インタバル方式のスローモーション検出時の読出しと同期した又はそれより速い、一様な行転送の高分解能経路−時間図、又は撮影した行の一部のみを選択するクイックモーションの経路−時間図を選択的にとらえるための調整自在の読取りクロックパルス発生器（３）とを有するようなミラー（２１）を有する部品（２）の運動（振動）を検出する方法及び装置。

Description

【発明の詳細な説明】 部品の運動を検出する方法及び装置 本発明は、光源をイメージセンサアレイに結像するための光学系に一体化され ており、イメージセンサアレイはそれぞれが行及び列を含む撮影アレイとメモリ アレイとを有し、且つ撮影エリアの内容は行ごとにメモリアレイへ転送され、メ モリエリアの１つの読出し行の列は逐次読出されるようになっている反射面を有 する部品の運動を検出する方法及び装置に関する。 オートコリメータと、ＣＣＤアレイとを有する構成で多角形ミラーの回転角を 検出するためのそのような方法と装置は、米国特許第５，１０３，０９０号から 知られている。ＣＣＤアレイの構造、制御及び動作の態様については、その中に 述べられていない。 記載した種類のイメージセンサアレイは、たとえば、英国のＥＥＶ社のＣＣＤ １７の名称をもつフレーム転送型のＣＣＤアレイとして市販されている。 それらのイメージセンサアレイは、標準的には、ビデオ技法に従って、１つの 時間間隔について撮影エリアが感度高く切換え、集積され、その後、高速クロッ クによって行がメモリエリアへスライドし、撮影エリア内で再び集積されている 間に、メモリアレイの行は緩速で読出し行へスライドし、そこで列ごとに読出さ れるように動作される。 利用する撮影エリアを縮小し−像のうちごく一部のみをとらえる−且つメモリ エリアと、その他の本来の撮影エリアを複数の部分メモリエリアに細分すること により、ドイツ特許第３６２８１４７号では、正規の動作時に実現しうる周波数 の複数倍であるイメージシーケンス周波数を達成することが可能である。正規動 作への切替えの手段が設けられている。 ドイツ特許第４１２０６２３号に記載の概要撮像カメラは、行を１つしかもた ない撮影エリアの事例を現わしており、その場合、電子行ダイアフラムは別の全 ての露光行の消去によって形成される。あるいは、同じ目的のために列ダイアフ ラムを適用する。 本発明の課題は、撮影モードで高い撮影速度と自在な設定能力を少ない負担で 可能にする先に述べた種類の方法及びそれに対応する装置を提供することである 。 この課題は、読取りクロックと転送クロックが均一であり且つ１つの行の読出 しが終了するたびに、撮影エリア及びメモリエリアの全ての行の内容が１行ずつ 読出し行の方向へスライドするように同期されている請求の範囲第１項の特徴を 伴う方法により解決される。 この課題を解決する装置は、転送を制御するための調整自在の転送クロックパ ルス発生器と、読出しを制御するための調整自在の読取りクロックパルス発生器 とが設けられている請求の範囲第３項の特徴を有する。 その他の有利な構成方法や実施形態は従属請求の範囲第２項及び第４項から第 １４項の対象である。 本発明は、検出器の上に光のスポットが光源の像として形成されるオートコリ メータのような運動を検出するための光学構造においては、アレイ検出器、特に フレーム転送型ＣＣＤアレイの通常でない動作態様は制御クロックの影響によっ てのみ、別の光学−機械的手段（ダイアフラム）又は電子的手段（行の消去）を 講じなくとも可能になるという知識に基づいている。 本発明を図面に基づいてさらに詳細に説明する。 図１は、構造全体の概略概観図を示す。 図２は、本発明に従って設けられているようなイメージセンサアレイの原理図 を示す。 図１は、光源１１、すなわち、強力な小型光源としてのレーザーダイオードと 、立方体形ビームスプリッタ１２と、コリメータレンズ１３と、ＣＣＤアレイ１ ４とを周知の構成で含むオートコリメータ１を示す。光源１１はＣＣＤアレイ１ ４にほぼ点状のスポット１４０として結像される。ビームスプリッタ１２とＣＣ Ｄアレイ１４との間に、光を第２のＣＣＤアレイ１４′に向ける別のビームスプ リッタ１５を任意に設けることが可能である。これにより、２つの直交座標で方 向を変えて別個にとらえることができる。 オートコリメータ１の前方には、光軸Ａに対し垂直な軸に対して傾斜自在であ る部品２が配置されている。この部品のオートコリメータ１に向いた側には、平 坦な反射面２１がある。 この構造は、たとえば、能動的に調整される、振動ミラーなどのミラーの特性 を測定するのに特に適している。 平坦でないミラー２１に対しては、たとえば、アダプタレンズによりオートコ リメータ１を適切に変形すべきであり、また、凹面鏡２１に対してはレンズ１３ を取り除くことによりオートコリメータ１を変形すべきである。 光学系を適切に変形すれば、部品２の傾斜運動以外の運動も検出できる。たと えば、オートコリメータに追加の焦点合わせ光学系を設け、且つ部品２にトリプ ルミラーを設けることにより、部品２の側方への直線運動を検出できる。 ＣＣＤアレイ１４（及び場合によっては、同じ種類ではあるが、図面には示さ れていない第２のＣＣＤアレイ１４′）は、ＣＣＤアレイ１４に関して必要な動 作電圧及び制御電圧と、信号とを供給し、出力信号を増幅し且つその後に接続さ れているモニタ５、ビデオメモリなどに適合させる回路６に接続している。 調整自在の転送クロックパルス発生器２は、本発明によれば、撮影エリアｂの 内容をメモリエリアｓへ行ごとに転送２０するために調整自在のクロック周波数 をもって回路６にパルスを供給する。本発明によれば、同様に調整自在である読 取りクロックパルス発生器３は、読取り３０を制御するために、調整自在のクロ ック周波数をもって回路６にパルスを供給する。 光源１１は動作回路４から連続動作又はクロック動作でエネルギーを供給され 、制御、監視される。 中央装置７は、様々に異なる可能な測定プロセスを実行するためにユーザが行 うべき調整に応じて、素子２から６を制御し、協調させ且つ監視する。この中央 装置７は、素子２から５の機能を一体化させておくことができるパーソナルコン ピュータであるのが好ましい。 ＣＣＤアレイ１４（又は１４′）は、たとえば、撮影エリアｂとメモリエリア ｓのそれぞれに５１２の行ｚｂｉ，ｚｓｉを含み且つ画素の大きさが１５×１５ μ²であるときに５１２の列ｓｉを含む英国、ＥＥＶ社製のＣＣＤ１７型である 。各行ｚａを相応するクロック周波数をもって読取り３０のために読出すことも できる行の転送２０時の可能最大クロック周波数は約１０〜２０ＫＨｚになる。 光路内の境界規定用ダイアフラム又はドイツ特許第４１２０６２３号の場合の ようなダイアフラムと同等の電子素子は不要である。しかしながら、部品２の位 置に応じて光源１１の像１４０によりオートコリメータ１から照明可能である領 域がＣＣＤアレイ１４の撮影エリアｂの全体をとらえるわけではないということ もありうる。照明可能領域は、たとえば、撮影エリアｂの正方形内に記入された 円であっても良い。 図２は、本発明に従って図１の構造の中に設けられているようなイメージセン サアレイ１４を概略的に示す。ここでは、その機能を説明するために、５×５ア レイのみを示した。 ５つの行ｚｂ１からｚｂ５と、５つの列ｓ１からｓ５には、撮影エリアｂの感 光メモリセルが配列されている。列ｓ１からｓ５を延長したその下方に行ｚｓ１ からｚｓ４及びｚａを有するメモリエリアｓが配置されている。 メモリエリアは光を透過しないように被覆されているという点で、撮影エリア ｂとは異なる。 最も下方にある行は、メモリセルの内容を列ごとに逐次読出すことができる読 出しセルｚａである。読取り３０は矢印により示唆されており、読取りクロック によって制御される。垂直の矢印は行内容の転送２０を示唆する。 スポット１４０は、時点ｔ＝ｔ₀で、光源１１の像からとらえられ、露光され るが、これは画素ｚｂ２／ｓ２である。その下方に位置する行ｚｂ３からｚａに はそれ以前の時間からの露光画素が点でマークされており、ミラー２１の振動は 時間の関数として現われる。 イメージセンサアレイ１４の制御線路と接続線路は図示されていない。それら の構成は知られており、市販のＣＣＤアレイ１４が使用される。 図１及び図２に基づいて説明した構造により、転送クロックパルス発生器２及 び読取りクロックパルス発生器３で調整されるクロックの設定に従って、部品２ の運動に関して様々に異なる表示方法又は測定方法が可能であり、特に請求の範 囲第１項，第２項及び第７項から第１１項に記載されているようなプロセスが可 能である。 ＣＣＤアレイ１４の通常のビデオ動作においては、撮影時間間隔の間に、撮影 エリアｂは転送クロックから遮断され、撮影エリアｂの各画素に入射光が集積さ れる。その後、メモリエリアｓへ撮影エリアｂの全内容が転送され終わるまで、 全ての行ｚｂ１からｚａは高速クロックに従って搬送される。撮影エリアｂはそ こで再び定常光を受け入れ、その間に読出し行ｚａは読取りクロック２０によっ て読出され、転送クロック２０はメモリエリアｓの行ｚｓ１からｚｓ４を補充し て行く。 この動作は、特に重なり合う振動に関わる有用な記録を２つの座標で、複数の 周期が１つの撮影時間間隔の中に入るような周波数をもって形成する。そこで、 リサージュ図形の態様に従って表出力に富む図形が得られ、正弦波形振動に対し ては厳密にリサージュ図形が形成される。 その場合、光源１１が（撮影時間間隔より明らかに短いクロック時間をもって ）クロック動作されると、リサージュ図形は局所速度に応じて破線又は点線で表 示される。これにより、時間の経過に従って運動が検出され、局所速度を確定で きる。 本発明によれば、転送クロックパルス発生器２及び読取りクロックパルス発生 器３は、ＣＣＤアレイ１４の最大転送周波数及び読取り周波数の限界で、自在に 選択できるクロック周波数を可能にするので、その他に措置を講じなくとも、下 記のような特に有利な測定プロセスも可能である。 転送クロック（２０）が均一であり且つ読取りクロック（３０）に同期的に結 合されている場合、１つの行ｚａが読出されるたびに、その後、行ｚｂ１からｚ ｂ５及びｚｓ１からｚｓ４の全ての内容が１行ずつ読出し行ｚａの方向へスライ ドされるように、振動周波数が２ＫＨｚであるとき、たとえば、１０個の測定点 を伴う座標（角度）の高分解能経路−時間図がとらえられる。従って、ＣＣＤア レイ１４における光源１１の像１４０が厳密な１つの画素をとらえるとき、露光 時間と、それに伴って時間分解能は逆走査速度、すなわち、行ｚａの読出しに関 わるクロック時間とほぼ等しい。 スポットがより大きいときには、分解能は連続する時間の重なり合いによって 低下するが、周知の方法では、分解能は画像構造幅より低くなることもありうる 。部分画素分解能も可能である。 読取りクロック（３０）に転送クロック（２０）が結合しているとき、読取り クロック（３０）を調整することにより、経路−時間図の分解能を所定の周波数 経過を伴う当該運動に適合できる。 この場合、ＣＣＤアレイ１４の前に、入射光線を行方向にスペクトル分解する 分光計を設けることも容易に可能である。これにより、経路−時間図にスペクト ル−時間図が補足され、経路−時間曲線の上に重ねられる。 光源１１の点像１４０が撮影エリアｂのどの行ｚｂｉに結像されるかは、出力 端で、たとえば、モニタ５で生成する図とは無関係である。 たとえば、請求の範囲第１項、第２項又は第９項に記載の方法の分解能では十 分でない機械系のパルス応答の検査などの非常に高周波数のプロセスにおいては 、先に説明した方法から、ストリークカメラに類似するインタバル動作のスロー モーション方式を導き出すことが可能である。 クロックパルス発生器２は行転送のために転送（２０）の周波数をＣＣＤアレ イ１４の限界周波数まで上昇させる。この限界周波数は、規定の上では、一連の 読出された行の最大周波数より明らかに高いが、それは、ビデオ動作時に撮影部 分ｂからメモリ部分ｓへの転送時間は最短になり、市販のＣＣＤアレイに対して は約４００ＫＨｚから数ＭＨｚに達するためである。 ところが、このように高い周波数では、撮影エリアｂの露光行ｚｂｉから読取 り行ｚａ（必要に応じて、その間によりゆっくりと読出される行の数だけ拡張さ れる）までの行数と、転送クロック時間との積に相当する部品における運動の１ つの時間間隔のみを検出することができる。 従って、この動作については、光源１１の像１４０が撮影エリアｂの第１の行 ｚｂ１に入射すると有利である。 緩速のプロセスは、読出し行ｚａへ転送される行の整数部分のみを出力端（モ ニタ５）に供給するクイックモーションプロセスを導き出すこともできる。これ は、読取りクロック３０が１つの行の読出し後にいくつかの行転送にわたって停 止し且つ読出し行ｚａの内容がそれぞれ消去されることによって実行可能である 。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．部品（２）の反射面（２１）に、イメージセンサアレイ（１４）を有する 光学系、特にオートコリメータ（１）が向けられ、イメージセンサアレイ（１４ ）はそれぞれ行（ｚｂｉ、ｚｓｉ、ｚａ）及び列（ｓｉ）を含む撮影エリア（ｂ ）と、メモリエリア（ｓ）とを有し、撮影エリア（ｂ）の内容のメモリエリア（ ｓ）への行ごとの転送（２０）は転送クロックにより制御されて実行され、且つ メモリエリア（ｓ）内の１つの読出し行（ｚａ）の列（ｓｉ）の逐次読出し（３ ０）は読取りクロックにより制御されて実行される、部品（２）の運動を検出す る方法において、読取りクロック（３０）及び転送クロック（２０）は均一であ り且つ１つの行（ｚａ）を読出すたびに、その後、撮影エリア（ｂ）及びメモリ エリア（ｓ）の全ての行（ｚｂｉ、ｚｓｉ）の内容が読出し行（ｚａ）の方向に スライドされるように同期されていることを特徴とする方法。 ２．運動の１つの座標を時間の関数として、１つの行（ｚａ）の読出しに必要 とされる時間間隔に相当する分解能をもって記録することを特徴とする請求項１ 記載の方法。 ３．光源（１）をイメージセンサアレイ（１４）上に結像するための光学系（ １）に一体化されており、イメージセンサアレイ（１４）は、それぞれ行（ｚｂ ｉ、ｚｓｉ、ｚａ）及び列（ｓｉ）を含む撮影エリア（ｂ）と、メモリアレイ（ ｓ）とを有し且つ撮影エリア（ｂ）の内容はメモリエリア（ｓ）へ行ごとに転送 され、メモリエリア（ｓ）の１つの読出し行（ｚａ）の列（ｓｉ）は逐次読出さ れるようになっている反射面（２１）を有する部品（２）の運動を検出する装置 において、転送を制御するための調整自在の転送クロックパルス発生器（２）と 、読出しを制御するための調整自在の読取りクロックパルス発生器（３）とが設 けられていることを特徴とする装置。 ４．イメージセンサアレイ（１４）では、特に個々の画素のみを含む関連スポ ット（１４０）が照明されることを特徴とする請求項３記載の装置。 ５．イメージセンサアレイ（１４）の前に、光源（１１）の像（１４０）を行 方向に列（ｓｉ）にわたってスペクトル分解する光学スペクトル分解装置が設け られていることを特徴とする請求項３記載の装置。 ６．光源（１１）を結像するための光学系（１）はオートコリメータであるこ とを特徴とする請求項３、４又は５記載の装置。 ７．請求項３〜６の少なくとも１項に記載の装置によって部品（２）の運動を 検出する方法において、転送クロックパルス発生器（２）と読取りクロックパル ス発生器（３）を正規のビデオ動作に合わせて調整し、且つ２つの座標で１つの 軌道がとらえられるように光源（１１）は一定不変で照明することを特徴とする 方法。 ８．請求項３〜６の少なくとも１項に記載の装置によって部品（２）の運動を 検出する方法において、転送クロックパルス発生器（２）と読取りクロックパル ス発生器（３）は正規のビデオ動作に合わせて調整され且つ２つの座標で１つの 軌道がとらえられるように光源（１１）はクロック動作され、明暗線の時間スケ ールによる長さから局所速度を確定できることを特徴とする方法。 ９．請求項３〜６の少なくとも１項に記載の装置によって部品（２）の運動を 検出する方法において、転送クロックパルス発生器（２）と読取りクロックパル ス発生器（３）は、１つの座標で完全な高分解能経路−時間図がとらえられるよ うに、行転送（２０）が一様であり且つ読出し行（ｚａ）の読出しが終了するた びに起こるように調整されていることを特徴とする方法。 １０．請求項３〜６の少なくとも１項に記載の装置によって部品（２）の運動 を検出する方法において、転送クロックパルス発生器（２）と読取りクロックパ ルス発生器（３）は、行転送（２０）が撮影エリア（ｂ）及びメモリエリア（ｓ ）の全ての行（ｚｂｉ、ｚｓｉ、ｚａ）と間で読出される行の和より小さいか又 はそれと等しい最大数に到達するまで一様に進行し且つ読出し行（ｚａ）の読出 しは、経路−時間図の間隔のスローモーション撮影がより高い分解能をもって起 こるようにより緩速で実行されるように調整されていることを特徴とする方法。 １１．特に緩速のプロセスについて経路−時間図のクイックモーション撮影が 起こるように、読出し行（ｚａ）の整数部分のみが記憶されることを特徴とする 請求項９記載の方法。 １２．請求項７〜１１に記載の方法を選択的に適用するための構成を特徴とす る請求項３〜６の少なくとも１項に記載の装置。 １３．撮影エリア（ｂ）は光学ダイアフラムによるのでなく、電子制御装置（ ６）によるのでもなく、その面の５０％未満で遮蔽されていることを特徴とする 請求項３〜６の少なくとも１項又は請求項１２記載の装置。 １４．イメージセンサアレイ（１４）の前方に第２のビームスプリッタ（１５ ）が配置されており、その第２の出力端に、別の座標で運動を検出することがで きるように、第２のイメージセンサアレイ（１４′）が設置されていることを特 徴とする請求項３〜６の少なくとも１項又は請求項１２記載の装置。