JPH0313803A - 変位計測装置 - 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、材料試験や強度解析における微小変位を計測
するのに適用される変位計測装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図は実開昭５９−１３７５０５号公報に記載された
パターン検出装置の構成を示す図である。

第３図において、　ＰＡは７オトダイオードアレイで、
複数個（例えば１２８個）のシリコンフォトダイオード
、１１，１２．１３・・・１ｎが配列されて構成されて
いる。これらの複数個のフォトダイオードは、所定個数
ｎ（ここではｎ　＝　８個）おきにそれぞれリード線２
１．２２．２３・・・２８を介して接続されており、格
子ピッチＰのｎ個の空間フィルタを構成するーなお、各
空間フィルタはＰ　／　ｎずつずれて並んでいる。この
実施例では、格子ピッチＰは３２０ｉｔｍＣ４０ｉｔｍ
Ｘ８）、−ｘリットｄａ　２０　μｍ　。

段数１６段の空間フィルタが８１ｒＩＩＪ、４０μｍず
つずれて並んでいる。３ｍ、、？ｂは、所定個数おきに
フォトダイオードを接続して構成した複数個（この例で
は８個）の空間フィルタからの８個の信号のうち、いく
つかの出力を順次同時に選択しながら、かつ、この選択
位置を一定周期でスキャンするスイッチ回路で、それぞ
れ各リード線２１，２２゜２３・・・に一端が接続され
たスイッチＳ、　、　Ｓ２・・・で構成されている。４
１はスイッチ回路３ｍ、３ｂの駆動回路で、各スイッチ
回路ｓ＊、ｓｂの各スイッチをそれぞれ１８０°位相の
異なった駆動信号で駆動する。５１は基準クロック（周
期ｆ、）ｔ−発生するクロック発生回路、６ｍ、６ｂは
各スイッチ回路Ｊａ、ｊｂで抽出された信号を増幅する
増幅器。

７１＃ｉ各増幅器６ｍ、６ｂの出力信号の差動出力を得
るための差動増幅器、８１は差動増幅器２１からの信号
を入力し、所定の演算を行なって例えば変位量Ｘを演算
する演算回路、９１は演算結果を表示する表示回路であ
る。

第４図は、第３図における各スイッチ回路３＆。

３ｂにおけるスイッチ８１〜Ｓ８の動作状態を説明する
図である。この例において社、スイッチ回路３ｍ、３ｂ
においては、フォトダイオードアレイＰＡの各空間フィ
ルタから出力される８個の出力のうち、３個（３ビツト
）の出力を同時に順次選択し、スキャンされるようにな
っている。すなわち。

スイッチ回路Ｊａにおいては、各スイッチＳ、〜Ｓ８は
、第４図に示すように、初期状態でｔ、から始ま、６．
ｔ２．ｔ、・・・１８．１．・・・の順番でスキャンさ
れ、これが周期でで繰返される。また、スイッチ回路３
ｂにおいては、各スイッチＳ、〜Ｓ８は、第４図におい
て、初期状態で、ｔ５から始ま５（１８０°位相の異な
る初期状態から始まる）　−ｔ６＝　ｔ７ａ　ｔＢｍｔ
、ａｔ２・・・の順番でスキャンされ、これが周期でで
繰返される。なおＩ！４図において′１′はスイッチが
オン、′０″はスイッチがオフの状態を示している。

とのよ５Ｋｍ成される従来装置によれば、差動増幅器７
１から得られる出力信号は、基本波に対して０次、偶数
次及び３次の高調波成分が除去されたものとなり、抽出
しようとする空間周波数の１構成分の選択性を高くする
ことができ、パターンの検出を確実に行うことができる
。

第５図及び第６図は、０次、偶数次、３次の高ｖｊ４ｔ
Ｉｊ１．成分が除ける理由を説明するための波形図であ
る。いま、抽出したい信号成分が第５図に示すように正
弦波であって、これに３次の高調波成分まで含まれてい
るものとする。

この場合、まず、３次の高調波成分を除くには。

１ビツト幅が１／３ピツチに相当する幅で、フォトダイ
オードが配列するように検出器を構成すれによい。すな
わち、一般に１ｍ次の高論波成分を除くには、１ビツト
幅がほぼ１／ｍピッチに相当する幅で、フォトダイオー
ドが配列するように検出器を構成すればよい。

第３図に示す従来装置においては、８ビツトの検出器で
あって、８／３＃２．７である仁とから、同時に３個の
スイッチをオンとすることによって。

３ビツトの信号を加えるようにし、これによって。

１ビツト幅がほぼ１／３ピツチに相当するような幅でフ
ォトダイオードが配列する検出器と同様の効果を挙げる
ようにしている。

次に、偶数次の高調波成分を除くには、これらの、信号
が第６図に示すようになっているものとすれば、フォト
ダイオードＪ１から始まるスキャンと、同時にフォトダ
イオード１５から始まるスキャンとの各信号が、０次、
偶数次に関しては同じ信号が得られていることから１両
信号の差動出力を得れはよい。したがって第３図に示す
従来装置においては、互いに１８０°位相が異なってス
キャンされるヌイッチ回路ｊａ、ｊｂ’ｉ設けるととも
に、これらの各スイッチ回路から得られる信号の差出力
を、差動増幅器７１において得るようにし。

０次、偶数次の高調波成分を除くようにしている。

第３図において、差動増幅Ｂ７ノの出力端からは、（１
）式に示すような周波数信号ｆが出力される。

ｖ ｆ＝−ｇｆｇ＋百　　　　・・・・・・　（１）ただし
、ｆ５：クロックの基本周波数 Ｐ　：空間フィルタの格子ピッチ Ｖ　：フォトダイオードプレイに照射される・ｆターン
の移動速度 演算回路８１は、差動増幅器７ノからの出力と基準クロ
ックを入力しており１例えば（２）弐に示すような演算
を行い、パターンの変位量Ｘ、すなわちこのパターンを
放出する１ターグクトの変位ｔｉ求める。

この演算結果は１表示器９１で表示される。

なお、上記の実施例装置においては、フォトダイオード
プレイ上に照射されるスペックルミ４ターンの空間周波
数を抽出する場合を想定し九が、７オトダイオードアレ
イ上には、スケール−９ターンや他の干渉縞が照射され
るようにしたものでもよい。また、フォトダイオードア
レイは、ここでは８個の空間フィルタを構成されるもの
について示したが１ｇ！間フィルタの数は、少なくとも
４ｍ以上（３個以下の場合は、差動出力をとることはで
きない）であれば、どのような数でもよ−０以上説明し
たように、従来技術によれば、抽出しようとする空間周
波数の１構成分の選択性を高めることができ、・母ター
ンの検出を確実に行なえるパターン検出装置が実現でき
、非接触式変位計として実用されつつある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来装置によれば１次のような間地点があった。

＋１１　　フォトダイオードが一定間隔で配置されてい
るので、隣接するフォトダイオードとフォトダイオード
の間の空間にノ９ターンが照射されると周波数信号ｆが
消失し、計測困難となる。

（２）空間フィルタのピッチＰ及び、ｌピッチａシのビ
ット数（ζこでは８ピツト）が固定されるため、パター
ンの形状及び変位量に応じたフィルタリングが困難であ
る。

本発明の課題は、上記従来の問題点を解消すること力１
できる変位計測装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による変位計測装置は、２次元イメージセンサと
、この２次元イメージセンサの入力画像を収録・再生す
る装置と、この収録・再生装置からのビデオ信号ｔ−Ａ
／Ｄ変換するフレームメモリと。

このフレームメモリの情報に基づいて・９ター／の位置
を演算する演算制御装置と、この演算制御装置で求めた
２つの任意の時刻におけるＩ４ターン位置の位相差から
それらの変位量を計測する手段とを具備してなること１
に特徴とする。即ち１本発明においては、２次元イメー
ジセンサ（例えばＣＯＤ　）と高速度ビデオ収録・再生
装置を用いて１例えば。

スペックルパターンのような画像をビデオ信号として記
録し、これにより記録した画像データを。

高速度ビデオ収録・再生装置にて再生し、フレームメモ
リでビデオ信号をＡ／Ｄ変換したのち、演算制御装置（
コンピュータ）に送り込み、この演算制御装置を用いて
、演算（空間フィルタリング）により上記パターンの位
置を検出し、これによシ検出されたパターンの位置によ
シ、上記７４／ターンを放射するターグットの変位量を
求めるようになされている。

〔作用〕

本発明によれば、２次元イメージセンサを用いることに
より、従来のフォトダイオードアレイのフォトダイオー
ド間の不感帯をなくシ、高速度ビデオ収録・再生装置に
よシ、上記２次元イメージセンサから送られてくるビデ
オ信号を１例えば。

毎秒１０００画像の速度で収録し、任意の時間における
画像を再生し、フレームメモリにより上記高速度ビデオ
の再生ビデオ信号を蓄積した後にの変換して演算制御装
置に送信し、演算制御装置によシ上記画ｇ１（パターン
）の位置を演算（空間フィルタリング）によシ求め、（
この場合、空間フィルタのピッチを７４ターンの形状に
最適な幅に設定できる。）上記／母ターンの位置によシ
上記・９ターンを放射するターグットの変位量を求める
ことができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例に係る変位計測装置全体の構
成を示す図である。第２図は本発明の一実施例に係る７
レームメモリ上の画像処理（空間フィルタリング）を説
明するための画像番地の図である。

第１図において、１は２次元イメージセンサで例えばＣ
ＯＤと呼ばれる撮像素子であり、２次元の画像分ビデオ
信号に変換する。２は高速度ビデオ収録・再生装置であ
シ、上記イメージセンサから送られてくるビデオ信号を
高速度（例えば、毎秒１０００画像）で記録したり、記
録したビデオ信号を再生（静止画像〜毎秒１０００画像
）する、３はモニタテレビで、上記ビデオ装置の入力又
は出力画像を観察するためのものである。４はフレーム
メモリであシ、上記ビデオ装置の出力（ビデオ信号）を
静止画像として−たん蓄積した後、ビデオ信号をＡ／Ｄ
変換して演算制御器５に送信する０表示器６は上記演算
制御器５の演算結果などを表示する。

このように構成された本装置は次のように作動する。

ｆｉｌ　　移動中のターグットから発生する光の・ヤタ
ーンを記録する為に２次元イメージセンサ１を作動させ
・ｆターンをビデオ信号に変換すると同時に。

高速度ビデオ収録・再生装置２を作動させ、パターンを
ビデオ信号として１例えば、毎秒１０００画像の速度で
記録する。

（２）上記高速度ビデオ装ｆＩＬ２にて収録した・母タ
ーンを再生し、任意の時刻ｔ、におけるノ４ターンのビ
デオ信号を静止Ｈｕｍとしてフレームメモリ４に蓄積し
、Ａ／Ｄ変換を行い演算制御器５へ送信する。

（３）演算制御器５では以下に述べる演算（空間フィル
タリング）を行いパターンの位置を検出する。

フレームメモリ４から送信された画像データは第２図に
示すように、座像（ｘ＋ｙ）で表わす画素の集合とする
。

例えばフレームメモリの画素数が水平６４０個。

垂直４８０個とすると座標（ｘ　ａ　ｙ　）はｘ　＝　
１〜６４０、ｙ＝１〜４８０となる。

２次元イメージセンサ１の撮像面積は水平８．８１１Ｘ
６．６ｆｌであり、したがってフレームメモリ上におけ
る１画素の面積は１３．７５μｍＸ１３．７５μｍとな
る。

（４）演算制御器５にて、第２図に示すように２次元の
画像を等しい大きさでくし状に分割し、６各の平均輝度
！１〜ＩＮ及びＩ′、〜Ｉ′Ｎ’に計算により求める。

ここでは平均輝度！、又はＩＮ′で衆わされるくし状の
領域のＸ方向の幅ｄが１画素分（１３，７５１Ｒｎ）で
あシ、基本的には８ビツトの検出器を２組構成する場合
を例にとシ説明する。

そうすると・　ＩＮ＝Ｉ、〜工３２０・稲＝■１′〜工
３２６となる。２組の８ビツトの検出器の各々のピット
のデータを次のように定義する。まず一方の８ビツトの
検出器のデータを！□、〜工Ａ８工業８゜Ｉ＝Ｉ＋Ｉ−
ＩＩ　　　＋・・・・・・＋工６，５ム１　　　　１　
　　　９　　　１７ Ｉ　　＝Ｉ　＋Ｉ　　＋Ｉ　　＋・・・・・・十工５１
４ム２　　　２　　　１０　　　１θ １　　＝Ｉ＋Ｉ　　＋Ｉ　　＋・・・・・・土工、１５
ム５　　　　５　　　１１　　　　１９Ｉ　　＝Ｊ　　
＋Ｉ’　　＋Ｉ　　＋・・・・・・＋！３，６ム４　　
　　４　　　　１２　　　２０１　　＝Ｉ＋Ｉ　　＋Ｉ
　　＋・・・・・・＋！３，７Ａ５　　　５　　　　１
５　　　２１ １　　＝Ｉ　　＋Ｉ　　＋Ｉ　　＋・・・・・・十Ｉ３
，８ＡＩ＄　　　　６　　　１４　　　２２Ｉ　　＝Ｉ
＋Ｉ　　＋Ｉ　　＋・・・・・・＋！３，９Ａ７　　　
　７　　　１５　　　２５ Ｉ　　＝Ｉ　＋Ｉ　　＋Ｉ　　＋・−・−・−＋Ｉ、２
゜ムＩｌｌ　　　　８　　　　１６　　　２４同時に他
方の８ビツトの検出器のデータを工、〜工１１８とする
。

Ｉ　　＝Ｉ’＋Ｉ’＋Ｉ　　’＋・・・・・・＋！３’
、ｓ８１　　　　１　　　　９　　　　１７エ、□＝工
つ＋Ｉ；。＋”＋７＋・・・・・・＋１１，４より５　
””　Ｓ　”　■ｉｔ　＋！＜ａ＋・・・・・・＋工ζ
、５Ｉ　　＝Ｉ’＋Ｉ’　　＋Ｉ’　　＋・・・・・・
＋■ニ、６８４　　　　４　　　１２　　　１９ Ｉ　　＝Ｉ’十Ｉ’　　＋Ｉ’　＋・・・・・・＋工１
．。

Ｂ５　　　５　　　１５　　　２０ １　　＝Ｉ’＋Ｉ’　　＋Ｉ’　　＋・・・・・・＋１
１，８Ｂ６　　　６　　　１４　　　２１ 工ａ７　＝Ｉ′、十工１５　”　■４２＋・・・・・・
千鳥、。

Ｉ、８＝　Ｂ６　＋　ｒ＜５＋　ｘ’、□十・・・・・
・十工二、９（５）上記検出器データを次のように定義
する。

さらにＦＣＸＡ、）　＝ｆ（ＸＡ、）　−、ｆ’（ＸＡ
、）　（但しｉ＝１　、２．３・８　）とする。

（６）　　同時に、上記（５）と同様にしてＦ（ＸＢ、
）　１ｋｉｔ算する。

ＦＣＸｌｉ）＝ｆＣＸ！１ｉ）−ｆ’ＣＸＢ、）　（但
しｉ＝１　、２　、３−８　）（７）　　上記（５）及
び（６）で算出した関数Ｆ（ｘ　Ａｉ）及びＦ　（ｘ　
ｍ　ｉ　）は、この実施例では格子ピッチＰは２１６μ
ｍ（２７μｍＸｇ）、スリット幅１３．７５μｍ１段数
４ＯＲの空間フィルタが８個、２７μｍずつ並んでいる
場合の空間フィルタ検出器出力に相当する。

上記Ｆ（Ｘ　　）及びＦ　（ｘ　ａ　ｉ　）はスリット
幅１３．７５μｍのムｉ 空間フィルタが２７μｍずつ並んでいるため。

±１３．７５μｍの不感帯が生じる。その不感帯をなく
し計測精度？向上させるには上記関数Ｆ　（Ｘ　Ａ　ｔ
　）とＦ　（ｘ　ａ　ｓ　）を重ね合わせればよい・し
たがってＦ　（ｘ　Ａ　ｔ　）とＦ（ｘ、ｔ）の合成関
数Ｆ’（Ｘｉ）　を以下に述べる計算によシ求める。

このようにして得られた関数Ｆ（ｘｉ）は、この実施例
では格子ピッチＰは２１６４ｍ（２７μｍＸ８）。

スリット幅１３．７５μｍ１段数４０段の空間フィルタ
が１６個、１３．７５μｍずつ並んでいる場合の空間フ
ィルタ検出器出力に相当する。

すなわち上記関数Ｆ（ｘｔ）は２次元イメージセンサ上
の・ぐターンを周期Ｔ＝２１６μｍの周期関数であシ、
空間フィルタの原理によシ、その周期関数の位相がノ４
ターンの位置を示す。

したがって、二つの任意の時刻におけるＦ（ｘｉ）及び
Ｆ’（ｘ　ｓ　）の位相差を計算によシ求めれば、二つ
の任意の時刻間におけるパターンの変位量すなわち、・
母ターンを放射するターグットの変位量が計測できる。

（この実施例では、応答速度１／１０００ａ・ｃ′ｃあ
る。）。なお、この実施例では格子ピッチＰは２１６μ
ｍ（２７μｍＸ８　）、ｘリット幅１３．７５μｍ１段
数４０段の空間フィルタが１．６個。

１３．７５μｍずつずれて並んでいる場合の空間フィル
タ検出器を想定したが、・母ターンの形状及び変位量な
どに応じて格子ピッチを自由に変えることが出来るので
、最適な格子ピッチでの空間フィルタリングが行える。

さらに、空間フィルタの不感帯を最少限にできるので、
空間フィルタ出力信号の消失を抑制できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来のような空間フィルタ間（フォト
ダイオード間）に不感帯がなく（最少限である）、空間
フィルタの出力信号（周波数信号ｆ）の消失が少く、か
つ、ノ９ターンの形状や変位量に応じて空間フィルタの
ピッチ幅等ｆｔ１ｌｌ整できるので確実な・母ターン検
出ができ、実用性の高い変位計測装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１因は１本発明の一実施例に係る変位計測装置全体の
構成を示すブロック図。 第２図は本発明の一実施例に係るフレームメモリ上の画
像処理（空間フィルタリング）を説明するための画像番
地の図。 第゛３図は従来装置の構成図。 第４図は第３図における各スイッチ回路のスイッチＳ、
〜Ｓ８の動作状態を説明するための図。 第５図及び第６図はそれぞれ０次、偶数次、３次の高調
波成分が除ける理由を説明するための波形図である。 １・・・２次元イメージセンサ（ＣＣＤ）　、　２・・
・高速度ビデオ収録・再生装置、３・・・モニタテレビ
、４・・・フレームメモリ、５・・・演算制御器（コン
ぎユータ）。 ６・・・表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ２次元イメージセンサと、この２次元イメージセンサの
   入力画像を収録・再生する装置と、この収録・再生装置
   からのビデオ信号をＡ／Ｄ変換するフレームメモリと、
   このフレームメモリの情報に基づいてパターンの位置を
   演算する演算制御装置と、この演算制御装置で求めた２
   つの任意の時刻におけるパターン位置の位相差からそれ
   らの変位量を計測する手段とを具備してなることを特徴
   とする変位計測装置。