JPH03237303A - スペックル測長計の測定ヘッド構造 - 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、レーザ光を照射した物体表面からの拡散光に
よって生じるスペックルパターンを利用して、物体の移
動量を測定するスペックル測長計の構造に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、半導体レーザから出射されたレーザビームを対象
物体に照射し、該物体表面からの拡散光によって生じる
スペックルパターンを観察し、物体の移動、変形等に伴
うスペックルパターンの変化に基づいて物体の移動量、
変形量等を測定する方法が知られている（例えば朝食書
店発行「光学的測定ハンドブック」第２３４頁乃至２４
５頁）。

ところで、映像処理の技術分野で従来の撮像管に代るイ
メージセンサ−として、高い分解能を発揮するＣＯＤが
実用化されており、このＣＯＤをスペックルパターン検
出センサーとして応用することによって、高精度の測定
が可能となっている。

（解決しようとする課＠） しかしながら、従来は、上記測定方法の原理及び基本的
な機器構成のみが明らかになっているに過ぎず、具体的
な機器の配置、測定精度を上げるための細部の構造等に
ついては、未だ十分に研究されておらず、実用化には至
っていない。

例えば物体の移動量を測定するためのスペックル測長計
を実用化する場合、半導体レーザ、コリメータレンズ、
イメージセンサ−等の構成部品を精度良く設置する必要
があるが、従来はこれらの部品を夫々独立に位置決めし
ていたから、精度の高い位置決めが困難であった。又、
半導体レーザを設置する場所によっては温度変化が激し
く、これによって半導体レーザがモードホップを起こし
て、同一のレーザ照射面におけるスペックルパターンの
同一性を維持出来なくなる問題がある。更に又、イメー
ジセンサ−に対してレーザ光以外の外乱光が入射するこ
とによって、測定精度が悪化する虞れがある。

本発明の目的は、スペックル測長計の実用化に際して、
各構成機器を容易且つ高精度に位置決め出来、然も測定
雰囲気に拘わりなく高い測定精度が得られる測定ヘッド
構造を提供することである。

（課題を解決する為の手段） 本発明に係るスペックル測長計の測定ヘッド構造は、密
閉ケーシング（１０）内に、半導体レーザ（２１）と、
該半導体レーザ（２１）からのレーザ光を集光してレー
ザビームを形成するコリメータレンズ（２５）と、半導
体レーザ（２１）の温度を一定に制御する電子冷却装置
（３）と、該温度制御のために半導体レーザ（２１）の
温度を測定する温度センサー（６）と、前記スペックル
パターンをイメージ信号に光電変換するイメージセンサ
−（４）とを収容して夫々所定位置に固定し、ユニット
化された測定ヘッド（１）を構成した。ケーシング（１
０）には、コリメータレンズ（２５）からのレーザビー
ムが出射すべき窓（１４）を設け、イメージセンサ−（
４）は前記窓（１４）に面して配置されている。

半導体レーザ（２１）、コリメータレンズ（２５）及び
温度センサー（６）は、一体の温度コントロールハウジ
ング（２２）に設けた収容室（２３）内に配備され、該
温度コントロールハウジング（２２）の外面に密着して
電子冷却装置（３）が設置されている。

半導体レーザ（２１）とコリメータレンズ（２５）の間
隔は、コリメータレンズ（２５）から出射されるレーザ
ビームが平行ビームとなるように設定される。

イメージセンサ−（４）の位置は、光電変換時の走査領
域がレーザビームの光軸を含む平面を中心として左右対
称となる様に規定される。

ケーシング（１０）の窓（１４）は、レーザビームの周
波数成分及びその近傍の周波数成分を通過せしめる光フ
ィルターによって形成され、コリメータレンズ（２５）
から出射されるレーザビームの光軸に対して僅かに傾斜
して配備されている。

半導体レーザ（２１）と温度センサー（６）とは共通の
基板（５）に取り付けられている。

又、レーザビームの光路中にはレーザビーム絞り孔（２
８）を有するスリット板（２７）が設置されている。

（作用及び効果） 測長に際して、測定ヘッド（１）は、窓（１４）から出
射されたレーザビームの光軸が対象物体の表面に対して
垂直となる様に設置されると共に、該測定ヘッド（１）
には、イメージセンサ−（４）から得られるイメージ信
号を処理するための外部回路が接続される。又、測定ヘ
ッド（１）の温度センサー（６）は周知の温度制御回路
へ接続され、該制御回路の出力端は電子冷却装置（３）
へ供給され、これによって半導体レーザ（２１）の温度
が一定に制御される。

半導体レーザ（２１）からのレーザ光はコリメータレン
ズ（２５）を通過してレーザビームとなり、該レーザビ
ームはケーシング（１０）の窓（１４）から移動物体へ
向って出射される。

移動物体の表面からの反射拡散光はケーシング（１０）
の窓（１４）を透過してイメージセンサ−（４）へ入射
し、これによってスペックルパターンがイメージ信号に
変換され、該イメージ信号は前記外部回路へ送られて、
移動物体の移動距離を算出するための演算処理が施され
る。

上記測定ヘッド構造によれば、測定ヘッド（１）のケー
シング（１０）を精度良く設置すれば、同時にケーシン
グ（１０）内の各構成要素が高精度で位置決めされるこ
ととなり、精度の高い測長が可能である。又、温度セン
サー（６）及び電子冷却装置（３）の動作によってケー
シング（１０）内が適切な温度に維持されるから、測定
雰囲気に拘わりなく高い測定精度が得られる。

半導体レーザ（２１）、コリメータレンズ（２５）及び
温度センサー（６）を温度コントロールハウジング（２
２）に収容すると共に、該ハウジング（２２）に電子冷
却袋Ｗ（３）を密着して設置すれば、半導体レーザ（２
１）のみならず、コリメータレンズ（２５）も精度良く
一定温度に維持され、プラスチック製のコリメータレン
ズ（２５）を使用した場合にも焦点距離等の光学的な特
性に変化は生じない。又、測定雰囲気の温度が低下した
場合にも、ケーシング（１０）内が適当な高さの温度に
維持され、結露によるコリメータレンズ（２５）の曇り
が防止される。

半導体レーザ（２１）と温度センサー（６）とを共通の
基板（５）に取り付けた場合は、基板（５）を介して熱
が伝導するから、温度センサー（６）による半導体レー
ザ（２１）の温度検出精度を上げることが出来る。

半導体レーザ（２１）とコリメータレンズ（２５）の間
隔を調整して、コリメータレンズ（２５）から出射され
るレーザビームが平行ビームとなるように設定した場合
は、測定ヘッド（１）と対象物体との距離に拘らず、測
定感度を一定に維持することが出来、これは物体移動量
の算出に必要な信号処理の」二で好都合である。

又、前述の如くイメージセンサ−（４）を、レーザビー
ムの光軸を含む平面に対して左右対称の位置に設置する
ことによって、イメージセンサ−（４）上に結像される
スペックルパターンの光強度分布、即ちイメージセンサ
−（４）から得られるイメージ信号のレベルが均一化さ
れ、例えばイメージ信号のサンプリング等の信号処理の
上で好都合である。

更にこの配置により、物体移動量とイメージセンサ−（
４）上でのスペックルパターンの移動量との関係を単純
化することが出来る。

ケーシング（１０）の窓（１４）を光フィルターによっ
て形成することにより、外部から窓（１４）へ入射する
外乱光が遮断され、外乱光がイメージセンサ−（４）へ
入射することに因る測定精度の低下が防止される。

窓（１４）をレーザビームの光軸に対して僅かに傾斜し
て配備した場合、コリメータレンズ（２５）からのレー
ザビームが窓（１４）によって反射されたとしても、該
反射光の光路は前記傾きによって半導体レーザ（２１）
から外れるから、前記反射光が半導体レーザへ入射する
ことに因るモードホップが防止される。

又、レーザビーム光路中にスリット板（２７）を設置し
て、コリメータレンズ（２５）からのレーザビームを所
定径に絞ることにより、イメージセンサ−（４）の画素
ピッチと路間−のスペックル径を形成し、これによって
イメージセンサ−（４）上のスペックルパターンのコン
トラストを上げると同時に、スペックルパターンの特徴
を効率良く検出することが可能となる。

従って、上記測定ヘッド構造によれば測定ヘッド（１）
のユニット化によって取扱いが容易であるばかりでなく
、上記の如き各部構成によって高い測定精度が得られ、
十分に実用化が可能である。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明に係る測定ヘッド構造の具体
的構成について説明する。尚、実施例は本発明を説明す
るためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を
限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。

第１図に示す如く、測定ヘッド（１）は、密閉ケーシン
グ（１０）内に、半導体レーザユニット（２）、電子冷
却装置（３）、ＣＯＤを一次元方向に配列したイメージ
センサ−（４）等を配備して、ユニット化されている。

ケーシング（１０）は、図示の如く一側面が開口した直
方体状の本体に、該開口部を塞ぐゴムパツキン（１１）
及びカバー（１２）をネジ止め固定して、密閉容器を構
成している。該ケーシング（１０）の前方壁にはレーザ
ビーム出射用の窓（１４）が設けられている。

半導体レーザユニット（２）は、第２図に示す様に半導
体レーザ（２１）、コリメータレンズ（２５）等からな
るレーザビーム発生部を温度コントロールハウジング（
２２）内に組込んで、一体化したものである。半導体レ
ーザ（２１）は、温度センサー（６）と共に第１の基板
（５）上に取り付けられ、該基板を温度コントロールハ
ウジング（２２）の背面にネジ止め固定して、半導体レ
ーザ（２１〉及び温度センサー（６）は温度コントロー
ルハウジング（２２）内の収容室（２３）に収容されて
いる。更に温度コントロール／）ウジング（２２）には
、収容室（２３）に連通ずるネジ孔（２４）が形成され
ている。

コリメータレンズ（２５）は、外ネジを形成したビーム
調節用ネジ筒（２６）の端部に固定され、該ネジ筒（２
６）を前記温度コントロールノ）ウジング（２２）のネ
ジ孔（２４〉に螺合せしめることによって、コリメータ
レンズ（２５）は収容室（２３）或いはネジ孔（２４）
内に収容される。

この結果、温度コントロールハウジング（２２）の収容
室（２３）は基板（５）及びコリメータレンズ（２５）
によって密閉され、該密閉空間内に半導体レーザ（２１
）及び温度センサー（６）が配置されることになる。従
って、温度センサー（６）と半導体レーザ（２１）とは
常に同一温度に維持され、半導体レーザ（２１）の温度
制御は誤差なく正確に行なわれる。

ビーム調節用ネジ筒（２６）を温度コントロールハウジ
ング（２２）にねじ込んだ状態で正逆に回転させること
により、半導体レーザ（２１）とコリメータレンズ（２
５）の間隔りを調整することが出来、ここでは第３図の
如くコリメータレンズ（２５）から出射されるレーザビ
ーム（８）が平行ビームとなる様に前記間隔りが設定さ
れている。

これにより第９図における対象物体（７）上でのレーザ
ビームの曲率半径Ｌｓが無限大となり、測定ヘッドと対
象物体との距離の違いに拘らず測定感度を一定に保つこ
とができる。尚、第９図において下式が成立する。

Ｘ　”　（（Ｌ　ａ’ｃＯ８”θｓ／　Ｌ　５−ｃｏｓ
θｏ）＋ｃｏｓθｏｉｘここで、 Ｘ　：イメージセンサー上でのスペックルパターンの移
動量 Ｌｏ　：対象物体とイメージセンサ−の距離Ｘ　：対象
物体の移動量 ビーム調節用ネジ筒（２６）のコリメータレンズ（２５
）とは反対側の端部にはレーザビーム絞り孔（２８）を
有するスリット板（２７〉が固定される。該レーザビー
ム絞り孔（２８）の内径りは、スペックルバタ−ンの平
均スペックル径αが一次元イメージセンサー（４）を構
成するＣＣＤの配列ピッチ（例えば１３μｍ）と略同−
１或いは僅かに大きくなる様に規定される。

平均スペックル径αは、レーザ光の波長λと、−次元イ
メージセンサ−（４）と対象物体との距離Ｌ０により、 α＝　１．２２λＺ　／　Ｌ　。

で表わされることが知られており、例えばレーザ光の波
長λが７８０ｎｍ、−次元イメージセンサ−（４）と対
象物体との距離Ｌ０が略２５乃至７５ｍｍの場合、レー
ザビーム絞り孔（２８）の内径りは略２ｍｍに設定され
る。

第１図の如くケーシング（１０）の底面に固定したベー
ス（１３）上に、平板状の電子冷却装置（３）が設置さ
れ、該電子冷却装置（３）の上面に密着して前記半導体
レーザユニット（２）が固定される。

電子冷却装置（３）は第６図に示す様に、一対のセラミ
ック板（３１）（３２）の間に多数のＰ型半導体（３３
）及びＮ型半導体（３４）を交互に配列し、これらを電
極板（３５）によって−列に連結して、両端の電極板（
３５）に夫々リード線（３６）を接続した周知の構造を
有している。

第１図の如くベース（１３）には窓（１４）側の端部に
、半導体レーザユニット（２）からのレーザビームが通
過すべき透孔（５３）を有する第２の基板（５１）が立
設され、該基板（５１）に−次元イメージセンサ−（４
）が固定される。

一次元イメージセンサー（４）は、第４図及び第５図に
示す様に、半導体レーザユニット（２）から出射される
レーザビームの光軸りと、−次元イメージセンサ−（４
）の検出部（４１）を構成するＣＣＤの配列方向、即ち
走査方向Ｓとが互いに直交し、且つ検出部（４１）の走
査領域の中央位置（０点）が、レーザビームの光軸りを
含み且つ前記走査方向Ｓに直交する平面Ｐ上に設置され
る様、位置決めされる。

従って、対象物体にて反射されて一次元イメージセンサ
ー（４）へ入射した拡散レーザ光は、第８図に示す如く
前記信号走査領域の中央位置（０点）を中心として、左
右対称の略均等な強度分布となる。この様な分布におい
ては、イメージ信号の２値化の際にサンプリングすべき
全ての信号が信号処理可能な最低レベルを上回り、精度
の高い測長が可能となる。

又、第９図において ＣＯＳθ５＝ｅＯ３θｏ＝１ とすることが出来、対象物体（７）の移動量とイメージ
信号を簡単な関係で扱うことが出来る。

第１図に示すケーシング（１０）の窓（１４）は、赤外
線のみを通過するガラス板によって形成され、レーザ光
以外の外乱光は窓（１４）にて遮断される。又、前記ガ
ラス板は第４図の如くレーザビームの光軸りとの直交面
に対して僅かな角度θ（略２度）だけ傾斜した姿勢で取
り付けられている。従って、半導体レーザユニット（２
）からのレーザビームが窓（１４）の内面で反射した場
合も、該反射光は半導体レーザから外れた光路を進むこ
ととなり、半導体レーザ（２１）へ直接に入射する虞れ
はない。従って、半導体レーザ（２１）が反射光によっ
てモードホップを起こすことはない。

第１図に示す様にケーシング（１０）内には、半導体レ
ーザユニット（２）の上部に、更に第３の基板（５２）
が固定される。

前記第１乃至第３基板（５）（５１）（５２）には、半
導体レーザ（２１）を駆動するための回路の他、第７図
に示す如く一次元イメージセンサー（４）へ直接に接続
すべき初段アンプ（９）及びバッファアンプ（９０）が
形成される。

第７図は、上記測定ヘッド（１）に接続して、−次元イ
メージセンサ−（４）からのイメージ信号に基づいて物
体の移動量を算出し、表示するための外部回路の一構成
例を示している。

−次元イメージセンサ−（４）は、周知の如くバッファ
アンプ（９０）から送られてくるリセット信号、スター
ト信号及びシフト信号によってＣＯＤ配列方向の走査を
一定周期で繰返す。該センサー（４）の出力信号は、初
段アンプ（９）を介してサンプルホールド回路（９１）
へ接続され、これによってＣＣＤ特有のノイズが除去さ
れる。

サンプルホールド回路（９１）の出力信号はゲイン制御
アンプ（９２）を経て２値化回路（９３）へ送られ、こ
れによって第８図に示す如きイメージ信号が２値化され
、更に該２値化信号は相関器（９４）へ送られて、対象
物体の基準位置におけるスペックルパターンと移動後の
スペックルパターンとの相互相関関数が、前記基準位置
をずらしながら順次計算され、この計算結果がマイクロ
コンピュータ（９６）へ送られる。マイクロコンピュー
タ（９６）は前記相互相関関数のピーク位置から物体の
移動距離を算出し、その結果を表示器（９７）にデジタ
ル表示せしめる。

又、前記バッフ７アンプ（９０）、サンプルホールド回
路（９１）、２値化回路（９３）及び相関器（９４）は
タイミング発生器（９５）から供給されるタイミング信
号によって夫々動作が制御されている。

測定に際して、第１図に示す測定ヘッド（１）は、対象
物体（７）の表面にレーザビーム（８）が垂直に照射さ
れ、且つ一次元イメージセンサー（４）の走査方向が対
象物体（７）の移動方向と平行となる様に設置される。

この状態で第７図の回路を動作させ、対象物体の移動距
離が測定される。

上記スペックル測長計によれば、測定ヘッド（１）のケ
ーシング（１０）を精度良く設置することによって、同
時にケーシング（１０）内の半導体レーザ（２１）、コ
リメータレンズ（２５）及び−次元イメージセンサ−（
４）が夫々高い精度で位置決めされることとなり、然も
上述の各部構成によって測定雰囲気等に影響されること
のない高精度の測長が可能である。

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであ
って、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲
を減縮する様に解すべきではない。

又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求
の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である
ことは勿論である。

例えば測定ヘッド（１）に接続すべき外部回路は第７図
に示すものに限らず、スペックルパターンに基づいて移
動距離を算出する周知の種々の回路を採用することが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る測定ヘッドの一部破断分解斜視図
、第２図は半導体レーザユニットの分解斜視図、第３図
は半導体レーザとコリメータレンズの位置関係を説明す
る側面図、第４図は窓の傾斜状態を説明する側面図、第
５図は一次元イメージセンサーの位置を説明する正面図
、第６図は電子冷却装置の断面図、第７図は外部回路の
ブロック図、第８図は一次元イメージセンサー上の光強
度分布を示すグラフ、第９図は対象物体の移動量とイメ
ージセンサ−上でのスペックルパターンの移動量の関係
を説明する図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］測定の対象となる移動物体の表面にレーザビーム
   を照射し、該物体のレーザ照射面に対向した観測面に表
   われるスペックルパターンをイメージ信号に光電変換し
   、物体移動に伴う前記イメージ信号の変化に基づいて物
   体の移動量を測定するスペックル測長計に於いて、密閉
   ケーシング（１０）内の所定位置に、半導体レーザ（２
   １）と、該半導体レーザ（２１）からのレーザ光を集光
   してレーザビームを形成するコリメータレンズ（２５）
   と、半導体レーザ（２１）の温度を一定に制御する電子
   冷却装置（３）と、該温度制御のために半導体レーザ（
   ２１）の温度を測定する温度センサー（６）と、前記ス
   ペックルパターンをイメージ信号に変換するイメージセ
   ンサー（４）とを収容して測定ヘッド（１）を構成し、
   ケーシング（１０）には、コリメータレンズ（２５）か
   らのレーザビームを出射すべき窓（１４）を設け、イメ
   ージセンサー（４）は前記窓（１４）に面して配置した
   ことを特徴とするスペックル測長計の測定ヘッド構造。 ［２］半導体レーザ（２１）、コリメータレンズ（２５
   ）及び温度センサー（６）は、一体の温度コントロール
   ハウジング（２２）に設けた収容室（２３）内に配備さ
   れ、該温度コントロールハウジング（２２）の外面に密
   着して電子冷却装置（３）を設置した特許請求の範囲第
   １項に記載の測定ヘッド構造。 ［３］半導体レーザ（２１）とコリメータレンズ（２５
   ）の間隔は、コリメータレンズ（２５）から出射される
   レーザビームが平行ビームとなるように設定されている
   特許請求の範囲第１項に記載の測定ヘッド構造。 ［４］イメージセンサー（４）は、光電変換時の走査領
   域がレーザビームの光軸を含む平面を中心として左右対
   称となる様に位置決めされている特許請求の範囲第１項
   に記載の測定ヘッド構造。 ［５］窓（１４）はレーザビームの光軸に対して傾斜し
   て設けられている特許請求の範囲第１項に記載の測定ヘ
   ッド構造。 ［６］窓（１４）は、レーザビームの周波数成分及びそ
   の近傍の周波数成分を通過せしめる光フィルターによっ
   て形成されている特許請求の範囲第１項に記載の測定ヘ
   ッド構造。［７］半導体レーザ（２１）と温度センサー
   （６）とは共通の基板（５）上に近接して取り付けられ
   ている特許請求の範囲第１項に記載の測定ヘッド構造。 ［８］レーザビームの光路中に、レーザビームを所定径
   に絞るための絞り孔（２８）を有するスリット板（２７
   ）が設置されている特許請求の範囲第１項に記載の測定
   ヘッド構造。