JPH0227203A - 変形の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、変形の測定方法に係り、特に、変形前後の物
体表面の一部をレーザビームで照射してスペックル模様
を現出し、該変形前後のスペックル模様をそれぞれ光電
変換して得られる信号間の相互相関関数を求め、該相互
相関関数の極値の位置として求められるスペックル模様
の移ａｍから物体の変形量を決定する変形の測定方法の
改良に関するものである。

【従来の技術】

レーザビームを粗面に当てた時、拡散光の干渉によって
生ずるスペックル模様は、表面に変位や変形が起きると
、徐々に変形しながら移動する。 そこで、スペックル模様を光電的に走査し、得られる信
号の相関ピーク位置からスペックル移動を求め、このス
ペックル移動と表面の変位や変形との関係を利用して、
物体の並進、回転、歪み等による微小な変形を測定する
、いわゆるスペックル相関法が提案されている（特公昭
５９−５２９６３、レーザー科学研究Ｎ０．６（１９８
４ンｐｐ１５２〜１５４、最新端書計測技術（昭和６２
年７月１日）　ｐｐ２４１〜２４４）。 このスペックル相関法で、最も実用に近いのは、第８図
に示す如く、−次元イメージセン・・す１５とマイクロ
コンピュータ１６を用いたものであり、これによって、
１μｍ以上の平行移動とｉＱ’ｒａｄ程度の回転が測定
されている。 この装置においては、物体１０上の測定点Ｏを、レーザ
ａｉ１２で発生した、直径１ｎ程度のレーザビーム１３
で、必要に応じて拡大レンズ１４を介して照射し、その
拡散反射光の中に一次元イメージセンサ１５を配置して
おく。その際、ビーム径Ｗとセンサ距離ＬＯを調節して
、およそλＬＯ／Ｗ　（λはレーザビームの波長）で与
えられるセンサ１５上でのスペックルの平均径を、その
ピッチ（１０〜２０μｌ）より大きくとっておく。又、
−次元イメージセンサ１５の軸は、光学系と物体変位の
種類く平行移動、回転、歪みの方向）で決まるスペック
ル移動の方向に合致させておく。 −次元イメージセンサ１５の出力を２値化して相関器１
８に入れ、物体の変形前後の出力の間の相互相関関数を
計算すると、そのピーク位置としてスペックル移動がほ
ぼ実時間で求められる。 前記相互相関関数を求める方法として冬山願人は、既に
、相互相関関数の極値が予め設定された値より低下する
か、又は、前記極値の位置の移動が予め設定された範囲
より逸脱した時に、相互相関関数の基準パターンを更新
することを提案している（未公知）。 しかしながら、物体の変位に傾きがある場合のように、
レーザビームの照射される場所が変わらない時のスペッ
クルパターンの変形は少なく、スペックルパターンがイ
メージセンサ上を移動するようになる。この場合は、相
互相関関数の極値の低下は少なく、極値の位置が移動す
ることになり、既に提案した方法では、予め設定された
範囲より逸脱した時の相互相関関数の基準パターンの変
更の回数が著しく増えることになる。基準パターンの交
替は、イメージセンサの受光素子のピッチ間隔の半分を
最大誤差として与えるため、ピッチ間隔に基準パターン
の交替数を乗じた値の誤差を生じる恐れがあった。

【発明が達成しようとする課題】

本発明は、前記従来の問題点を解消す−るべくなされた
もので、スペックパターンの変化が少ない場合の物体の
変位測定誤差を最小として、測定精度を向上することが
可能な変形の測定方法を提供することを目的とする。 ［１題を達成するための手段］ 本発明は、変形前後の物体表面の一部をレーザビームで
照射してスペックル模様を現出し、該変形前後のスペッ
クル模様をそれぞれ充電変換して得られる信号間の相互
相関関数を求め、該相互相関関数の極値の位置として求
められるスペックル模様の移動ｌから物体の変形量を決
定する変形の測定方法において、第１図にその要旨を示
す如く、前記相互相関関数の極値が予め設定された値よ
り低下した時は、相互相関関数の基準パターンを更新し
、前記極値の位置の移動が予め設定された範囲より逸脱
した時は、相互相関関数の計算範囲を変更することによ
って、前記目的を達成したものである。 【作用及び効果１ 第２図に示す如く、物体１ｏの測定頭・域０を、レーザ
源１２からのレーザビーム１３で必要に応じて拡大レン
ズ１４を介して照射し、得られるスペックル模様を観察
面３０で観察する場合を考える。 ここで、物体面上の座標軸をｘ、ｙ、ｚ、レーザビーム
１３の発散点の距１１１０８−ＬＳ　、発散点の方向を
ｆｓｘ、βｓｙ、、ｉ；ｓｚ、物体面と観察面３０の距
離をし０、観察点Ｐの方向をβχ、（ｙ１β２、レーザ
ビーム１３で照射した領域における物体１０の並進、回
転、歪みの成分をそれぞれ（ａＸ、ａ　ｙ、　　ａＺ）
　　、　　く　Ω　ｘ　１　Ω　ｙ　１　Ω　２　）　
、　　（ε　ＸＸ、　　　ε　ｙｘ。 εｙｙ）とする。 この条件下で、物体１０が変形を受ける前後における観
察点Ｐでのスペックル模様の強度分布Ｉ（ｘ　、　ｙ　
）とＩｚ（Ｘ、Ｖ）の間の相互相関関数Ｃ（Ｘ　、　ｙ
　）を計算する。 Ｃ（Ｘ　、　Ｖ　）　−＜　Ｉ　＋　　（Ｘ　、　Ｖ　
）Ｘ　Ｉ　２　（Ｘ　＋Ｙｙ＋ｙ　）　＞＝　＜１　）
ここで、く〉は集合平均を意味する。 この（１）式を計算すると、Ｃ（ｘ、−ｙ）−が、Ｘ　
−Ａｘ　、　Ｙ−Ａｙで最大値をとることがわかる。 ここでＡｘ　１Ａｙは、次式で与えられ、物理的には物
体変形によるスペックル模様の移動量に相当する。 Ａｘ　−−ａｘ［（Ｌｏ　／Ｌｓ　）　　（Ｉｓｘ”−
１＞十ぶＸ２−１］ −ａＶＥ　（ＬＯ／ＬＳ　）　Ｊ２ｓｘｊ２ｓｙ＋Ｊ！
ｘλｙ］−ａＺ［（１０／Ｌｓ　）　、ｇｓｘＪ２ｓｚ
＋Ｊ２ｘ　Ｉｚ　］−Ｌｏ　　［−Ωｚ（Ｊ２Ｓｙ＋Ｊ
２ｙ）−Ωｙ　　　（Ｊ２　ｓｚ＋Ｊ！ｚ　　）　　＋
　εｘｘ（、ｇｓｘ＋、ｇｘ）＋　ε　ｘｙ（ａ　ｓｙ
　＋　Ｊｙ）　　コ　　　　　・・・・・・　（２）Ａ
Ｙ　−−ａＸ［（ＬＯ／ＬＳ　）　　（Ｊ２ＳＶＪ２Ｓ
Ｘ十λｙ℃Ｘコ −ａｙ［（Ｌｏ　／Ｌｓ　＞　　（Ｊ２ｓｙ２−１　）
＋Ｊ２ｙ２−１］ −ａｚ［（Ｌｏ　／Ｌｓ　）　Ｊ２ｓｙｊ２ｓｚ＋ｌ　
ｉＺ］−し０　　［−Ωｚ（！Ｑ　ｓｘ　＋　λ　Ｘ　
）−Ωｘ　　＜ｉｓｚ＋ｉｚ　＞＋εｙｙ（Ｊｓｙ＋Ｊ
２ｙ）十εｘｙ（ｊ２ｓｘ＋ｆｆｌ×）］　　　−−−
−・−＜３＞従って、前記観察面３０に一次元イメ、−
２センサを配置してスペックルの移動量Ａｘ　、Ａｙを
観測すれば、該−次元イメージセンサの出力波形は、物
体変位前後で第３図（Ａ＞に示す如く変化し、その自己
相関波形は、第３図（Ｂ）に示す如くとなり、相互相関
波形は第３図（Ｃ）に示す如くとなる。 このような装置を用いて物体の変形を測定するに際して
、相互相関関数を求める際に、本発明においては、相互
相関関数の極値が予め設定された値より低下した時に、
相互相関関数の基準パターンを更新する。一方、前記極
値の位置の移動が予め設定された範囲より逸脱した時は
、相互相関関数の基準パターンを更新するのではなく、
相互相関関数の計算範囲を変更（移動）するようにして
いる。従って、物体の変位に傾きがある場合のように、
レーザビームの照射される場所が変わらない時の物体の
変位時に、基準パターンの交替数が少なくなるため、測
定誤差を小さくすることができる。従って、スペックル
パターンの変化が少ない場合の物体の変位測定時に、誤
差を最−小として測定精度を向上することができる。 （実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本実施例は、第４図に示す如く、物体１０の表面にレー
ザビーム１３を照射してスペックル模様を発生させるレ
ーザ源１２を備えている。 このレーザｌｌ！１２によって発生されたスペックル模
様を光電変換するための受光素子としては、第５図に示
すような、例えば短辺が１３μｍ、長辺が２．５ｎ、配
設ピッチが２５μｍの短冊型の受光素子（・・・２２ｎ
４．２２ｎ、２２ｎｎ・・・）を有する受光素子列２０
．２４が、列をなす角度を変えて２組配設されている。 該２組の受光素子列２０．２４で、それぞれ光電変換さ
れたスペックル模様は、それぞれ本発明に係る相関器４
０．４２に入力され、スペックル模様の移動の前後の相
互相関関数の極値の位置の変化が検出される。 該相関器４０及び４２は、第６図に詳〜細く示す如く、
前記受光素子列２０（相関器４０）又は２４（相関器４
２）より得られる、スペックル模様の２値化された電気
信号入力Ａの基準パターンデータＢと、この基準パター
ンデータＢとの相関関数を計算するための比較データＣ
を保持するためのシフトレジスタと、相関計算時間中に
前記受光素子列２０又は２４より送られてくる２１化電
気信号Ａを保持するためのバッファ用シフトレジスタを
３組（シフトレジスタ４０Ａ、シフトレジスタ４０Ｂ、
シフトレジスタ４０Ｃ）を備えている。 この３組のシフトレジスタの役割は、シーケンサ４００
により、基準パターンデータ用、比較データ用、バッフ
ァ用が動的に交替させられる。 又、基準パターンデータとして選択されたシフトレジス
タは、シーケンサ４０Ｄによりリング状に接続され、次
の相関計算用の基準パターンとして保持される。 シーケンサ４０Ｄは、３組のシフトレジスタの出力の内
の一つを、マルチプレクサ（ＭＰＸ）４０Ｅの入力を選
択することによって基準パターンデータＢとして、又、
他の一つをマルチプレクサ４０Ｆの入力を選択すること
によって比較データＣとして、相関計算回路４０Ｇに入
力させる。 相関計算回路４０Ｇは、第７図に詳細に示す如く、シフ
トレジスタ４０Ｈと、例えば１６個のエクスクル−シブ
ＯＲ列４０１と、１６個のバイナリカウンタ列４０Ｊに
より構成されており、相関関数の例えば１６点を一度に
計算することができるようにされている。 最大検出回路４０には、相関計算回路４０Ｇで計算され
た１６点の相関関数の値により、相ｒ！Ｒ関数の極値り
と極値の位置Ｅを検出して、比較回路４０Ｌ、４０Ｍ及
びＦＩＦＯ（ファーストイン・ファーストアウト）メモ
リ４ＯＮに出力する。 比較回路４０Ｌは、前記最大値検出回路４０Ｋから入力
される極値りを、予め設定されたその閾値Ｄｔｈと比較
して、極値りがその閾値□ｔｈより低い場合に、基準パ
ターン交替信号Ｆを前記シーケンサ４０ＤとＦＩＦＯメ
モリ４ＯＮに出力する。 又、比較回路４０Ｍは、前記最大値検、出回路４０Ｋか
ら入力される極値の位置Ｇを、予め設定された相関計算
範囲閾値Ｈと比較して、相関計算範囲を＋側に変更する
かもしくは一側に変更するかを示す相関計算範囲変更信
号ｆを前記シーケンサ４００とＦＩＦＯメモリ４ＯＮに
出力する。 シーケンサ４００は、基準パターン交替信号Ｆにより、
シフトレジスタ４０Ａ、４０Ｂ、４００の役割の変更と
マルチプレクサ４０Ｅ、４０Ｆの入力選択位置の変更を
行う。又、相関計算範囲変更信号Ｉにより、基準パター
ン用シフトレジスタにシフトクロックを与えて、相関計
算範囲を変更する。 以上の構成により、極値の値りがある閾値Ｏｔｈより低
下した場合には、基準パターンの更新が自動的に行われ
、又、極値の位置Ｅがある範囲Ｈを逸脱した場合には、
相関計算範囲の変更が自動的に行われる。 前記相関器４０，４２で検出された極値の位置の変化は
、第４図に示した如く、コンピュータ４４に入力され、
データ処理を行って、スペックル模様の移動量から検出
すべき変形量を算出する。 コンピュータ４４は、ステッピングモータコントローラ
４６に指令を与えて、物体１０が載置されているリニア
ステージ４８をＸ軸方向に移動させ、スペックル模様を
Ｘ軸方向に移動させると共に、タイミング回路５０を介
して、前記相関器４０．４２に必要なタイミング信号を
入力する。 本実施例においては、受光素子列２０，２４の各素子を
短冊型とすると共に、受光素子列を２組設けているので
、スペックル模様の移動の向きと受光素子列の向きを一
致させる必要がなく、又、各方向の成分をそれぞれ測定
することができる。 なお、受光素子の形状や受光素子列の組数は前記実施例
に限定されず、例えば所定のＸ軸方向の移動成分のみを
抽出すればよい時には、受光素子列を１組のみとしても
よい。又、受光素子列を３組以上設けて、更に高精度の
測定を行うことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る変形の測定力−法の要旨を示す
流れ図、 第２図は、スペックル測定法の測定原理を示す斜視図、 第３図（Ａ）、＜８＞、（Ｃ）は１、同じく一次元イメ
ージセンサの出力波形、自己相関波形、相互相関波形を
それぞれ示す線図、 第４図は、本発明に係る変形の測定方法を実施するため
の測定装置の構成を示す、一部ブロック線図を含む斜視
図、 第５図は、前記実施例における受光素子列を示す正面図
、 第６図は、同じく相関器の構成を示すブロック線図、 第７図は、該相関器に使われている相関計算回路の構成
を示すブロック線図、 第８図は、従来のスペックル相関法の測定原理を示す斜
視図である。 １０・・・物体、　　　　　　１２・・・レーザ源、１
３・・・レーザビーム、　２０．２４・・・受光素子列
、４０．４２・・・相関器、 ４０Ａ１４０Ｂ、４０Ｇ−＞フトレシスタ、４０Ｄ・・
・シーケンサ、 ４０Ｅ、４０Ｆ・・・マルチプレクサ、Ｂ・・・基準パ
ターンデータ、 Ｃ・・・比較データ、 ４０Ｇ・・・相関計算回路、 ４０Ｋ・・・最大値検出回路、 Ｄ・・・極値、　　　　　　Ｅ・・・極値の位置、４０
Ｌ、４０Ｍ・・・比較回路、 Ｆ・・・基準パターン交替信号、 Ｇ・・・相関計算範囲変更信号、 ４４・・・コンピュータ、　４８・・・リニアステージ
、５０・・・タイミング回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）変形前後の物体表面の一部をレーザビームで照射
   してスペックル模様を現出し、該変形前後のスペックル
   模様をそれぞれ光電変換して得られる信号間の相互相関
   関数を求め、該相互相関関数の極値の位置として求めら
   れるスペックル模様の移動量から物体の変形量を決定す
   る変形の測定方法において、 前記相互相関関数の極値が予め設定された値より低下し
   た時は、相互相関関数の基準パターンを更新し、 前記極値の位置の移動が予め設定された範囲より逸脱し
   た時は、相互相関関数の計算範囲を変更することを特徴
   とする変形の測定方法。