JPH06342005A - 光学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】１台の装置で複数の空間フィルタリング処理を
行ない、２次元的な情報検出を可能とした光学センサを
提供する。 【構成】レーザ光源11とホログラフィックパターン発生
光学系12とからなる投射手段10によって、時分割で複数
のホログラフィックパターンを被測定物３に順次投射
し、それらの反射光を結像レンズ系16、迷光絞り17、空
間フィルタ18、光検出器８からなる検出手段13で受け、
増幅器21、低域通過フィルタ22、周波数カウンタ23、計
数処理部24、表示器22、及び時分割同期制御を行う同期
制御部26からなる信号処理部２で処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非接触で物体の速度や
運動方向を測定する光学センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の画像情報から空間フィルタを
用いて特定の信号を抽出し、この信号を数値化してセン
シングをおこなう光学センサは、非接触センサの中でも
二次元画像が扱える点と、空間フィルタを被測定物に適
応させて効率の良いセンシングが可能な点で特長を持
つ。通常、このタイプのセンサは被測定物自身の発光パ
ターンか、一様に照明された被測定物の反射パターンを
取り込み、測定用光学系内に設置した空間フィルタの面
上に結像させて空間フィルタリングを行うものと、同一
出願人の先の出願（特願平４−３６１３１３号）に開示
されているような、被測定物に特定の空間放射パターン
を照射することにより被測定物の表面で空間フィルタリ
ングを実現する方式のものとがある。後者の方式では、
放射パターンの光源にレーザの様なコヒーレント波の発
生源を使用し、空間放射パターンには波動の干渉及び回
折現象を利用したホログラフィックパターンを使用して
いる。また、このホログラフィックパターンの発生機構
を外部から制御することにより、放射パターンの形状を
変化させて可変空間フィルタと同等の働きをさせ、最適
な空間フィルタリングを実現している。

【０００３】空間フィルタリングでは２つの画像を重ね
合わせ、共通部分の面積を抽出する事を基本処理とする
が、２つの画像が相対的に移動する場合には共通部分の
面積が時間変化するため、この変化の状態を検出すると
いわゆる２つの画像の相互相関出力が得られる。一般に
相関出力の振幅値の変化は被測定物の形状変化を示し、
また、周波数の変化は速度など移動状態を示すことが知
られており、この性質を利用して空間フィルタによる光
学センサが速度検出器などに用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光学センサにおける空間フィルタは入力光学系の結像面
に固定配置された一次元格子状のものや、２つのコヒー
レント光が干渉して生じる一方向性の干渉縞を利用した
ものであり、速度検出や移動物体の動きを検出するセン
サとして使用した場合には、格子や干渉縞に直角な方向
の移動速度成分が最も顕著に検出され、干渉縞と並行な
成分はほとんど検出されないといった検出方向の選択性
を有していた。また、この方向選択性は格子や干渉縞の
形状を二次元的に改善しても光検出器が空間フィルタを
通過する光、あるいは被測定物からの空間放射パターン
の反射光全体を検出してしまうため、無指向性にするこ
とはできなかった。すなわち、同時に全周方向の情報が
得られてしまい、どの方向の情報かが判断できなかっ
た。この特徴は車載速度計のような一方向の速度検出に
用いる場合には長所として作用するが、ロボットアーム
の姿勢制御等、全周方向の速度検出には不向きであっ
た。

【０００５】本発明の目的は、従来の一次元的な空間フ
ィルタを用いた光学センサでは検出が困難な、被測定物
の二次元的な動きや速度を無指向性で検出できる光学セ
ンサを実現することである。

【０００６】

【問題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、被測定物に特定の空間放射パターンを照射
して空間フィルタリングを行う際、複数のホログラフィ
ックパターンを発生する機構を使用して複数のパターン
を発生させ、これらのパターンの格子方向を変化させて
被測定物に照射することにより異なる方向の移動情報を
検出し、これらを信号処理して被測定物の二次元的な動
きや移動速度を得るようにしている。このため、放射パ
ターンの光源にはレーザ光源の様なコヒーレント波の発
生源を使用し、空間放射パターンは波動の干渉及び回折
を利用したホログラフィックパターンとしている。ま
た、この格子方向の異なるホログラフィックパターンの
発生は時間的に順次行われる様にし、各々のホログラフ
ィックパターンが被測定物により反射もしくは散乱され
た光は１つの光学系により時分割で検出される様にし、
装置機構の簡素化と小型化・実用化を図っている。

【０００７】

【作用】格子方向の異なる複数のホログラフィックパタ
ーンを時分割で順次被測定物に照射し、被測定物からの
散乱パターンを受けて、ホログラフィックパターンの照
射に同期して、前記格子方向毎に移動情報を検出する。
該移動情報を信号処理して、被測定物の二次元的な動き
や移動速度を得る。

【０００８】

【実施例】以下に、図面に基づいて本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図で
ある。本発明の光学センサは光学パターンを発生して被
測定物に放射し、被測定物による反射散乱光を受光して
電気信号に変換する光学センサ部１と、該光学センサ部
１の光電変換出力信号を受領して電気信号処理を行う信
号処理部２より構成されている。

【０００９】前記光学センサ部１には、被測定物３に照
射するホログラフィックパターンを発生させるためのコ
ヒーレント光源としてのレーザ光源１１ａ、１１ｂと、
該レーザ光源から出射されたレーザ光をホログラフィッ
クパターン４に変換するホログラフィックパターン発生
部１０が組み込まれ、さらに、前記被測定物３からの反
射光を集光して結像させる結像レンズ系１６と、この結
像した反射光を光電変換して電気信号を出力する光検出
器１９が含まれている。

【００１０】ここで本発明の主要技術であるパターンの
照射による空間フィルタリングの手法について述べる。
光学演算系における空間フィルタリングの技法として
は、一般的に図６に示すようなフーリエ変換レンズ４２
によって得られた空間的入力パターン４１の回折像４３
に空間フィルタ４４を適用してその一部を透過抽出し、
さらに結像用レンズ４５で再結像させると前記空間フィ
ルタ４４の特性（形状）に応じて前記空間的入力パター
ン４１に含まれる画像を鮮鋭化させたりスムージングさ
せたりできることが良く知られている。この光学技法を
回折像に限らず通常の画像に対して行えば、図７に示す
ように空間的入力パターン４１と空間フィルタ４４との
光透過部分の重なり面積の大きさや変化を検出するこ
と、すなわち画像相関演算が可能となる。前記空間的入
力パターン４１が移動状態にある時には時間的に重なり
面積が変化し、この変化量を光検出器１９で検出すれば
前記空間的入力パターン４１の移動速度が測定でき、画
像のセンサ等に有効利用されている。

【００１１】さて、光学センサでは被測定物の光学画像
を取り込むために被測定物が発光体以外のときは照明が
必要である。本発明はこの照明に注目し、照明の光強度
分布を被測定物の反射パターン特性に合わせて作成し、
被測定物の表面を照明すると同時に照明光の二次元分布
パターンと被測定物の表面の反射パターンとで画像相関
を行っている。図８にこの様子を示すが、前述の空間フ
ィルタ４４を用いた画像相関の方法と較べると、図７に
おける光検出器１９の直前に配置された空間フィルタ４
４が、図８では被測定物の表面位置に移動した構造であ
ることが分かる。

【００１２】空間フィルタの代わりに使用する、被測定
物に適応した照明パターンの作成はスライドプロジェク
タ等の簡単な投影光学系でも実現できるが、この様なイ
ンコヒーレントな結像光学系では結像面とその前後のわ
ずかな場所でしか正確な結像パターンを維持することが
できない。

【００１３】一方、位相の揃ったコヒーレント光を使用
し、前記ホログラフィックパターン発生光学系１２で波
動の干渉と回折を利用して作成したホログラフィックパ
ターンの特徴は、通常レンズ系の集束作用で照明パター
ンを発生させる方式では不可能な、光軸方向に直交する
立体格子状の光強度分布が得られる点である。この様子
を図４に示す。同図は最も基本的な２光波干渉縞を用い
る方法である。図９に得られた２光波干渉縞の平面図を
示す。同一光源からビームスプリッタ４８で２分して得
た２光波を２枚の反射鏡４９ａ，４９ｂを用いて浅い角
度で交差させ干渉縞を発生させると、この干渉縞は光軸
方向の位置によらず立体的に一定の格子間隔を保ち、か
つ、この格子間隔は２光波の交差角と光波長で正確に決
めることが可能である。

【００１４】また、図５に示すホログラフィックパター
ン発生光学系１２は光学回折格子４７を使用して回折パ
ターンを発生させ、これを照明パターンとして用いるた
めの光学系である。図１０には光学回折格子の平面図
を、図１１には回折パターンの平面図を示す。回折パタ
ーンの一般的な特徴として、回折像は光軸を中心として
点対象の図形となり、回折格子の位相変化（設定位置の
変化）は回折像に反映されないと言う「位相変化に対す
る位置の不変性」が知られている。本図に示すように、
通常は回折格子に平行光束を入射して回折像を得る。回
折格子の形状が繰り返しパターンの場合には、回折像の
形は平行線若しくは碁盤の目状の輝点分布を示すが、こ
の像の大きさと輝点間隔は回折格子の格子間隔、照射し
た光の波長、及び回折格子と被測定面との距離で正確に
計算可能である。これを利用して、被測定物より特定の
パターン情報を精度良く抜き出すことも可能である。

【００１５】また、回折パターンが前述の干渉パターン
と異なる点は、輝点間隔が回折格子と被測定面との距離
によって変化する事であり、この変化の割合は回折格子
に入射する光束の放射角で決められるため、回折格子に
入射させる光束をレンズ系で拡散または絞ることによっ
て所望の値に設定する事ができる。

【００１６】さて、話を図１に示した第１の実施例に戻
す。以上述べた干渉と回折を用いたホログラフィックパ
ターンを被測定物３に照射し、被測定物表面の反射パタ
ーンとの画像相関信号ともいえる反射光を前記結像レン
ズ系１６で集光し、光検出器１９に導いて光電変換す
る。この時、前記結像レンズ系１６の結像面が前記光検
出器１９の受光面より前に（被測定物３側に）なるよう
にレンズ系を調整し、結像した前記被測定物表面の反射
パターンに整合する形状の空間フィルタ１８をこの結像
面に配置して、さらに第２の空間フィルタリングを行う
こともできる。

【００１７】この第２の空間フィルタリングは、前記ホ
ログラフィックパターンに回折パターンを使用した場
合、回折パターンの特徴であるパターン形状の放射距離
に対する相似変化（一般には距離に比例した拡大変化）
を有効に利用することでフィルタリング精度の良い状態
を保つことができる。すなわち、前述したように回折パ
ターンの輝点間隔は回折格子に入射させる光束の集束若
しくは発散状態によって、被測定面との距離に比例して
相似変化するため、例えば、入射光束の状態を調整して
回折パターンの測定距離に対する形状拡大率（被測定物
までの距離が遠くなると回折パターン形状が拡大する
率）が、前記結像レンズ系１６で回折パターンが結像す
る場合の測定距離に対する形状縮小率（遠方の像を結像
させると至近の像より縮小される率）の逆数になるよう
にすると、測定距離の変化による影響をほとんど受ける
こと無く前記空間フィルタ１８上に不変形状の最適回折
パターンを結像できることになる。この最適回折パター
ンを常に厳密に結像させるには、前記結像レンズ系１６
の測定距離の変化に即した焦点合わせが必要であるが、
実際には測定距離の変化を２〜３０％程度と仮定すれ
ば、レンズ系の開口を小さくするか、開口絞りを設置し
焦点深度を深くするだけで十分な効果を有する。

【００１８】また、前記結像レンズ系１６に被測定物３
以外から入射した外乱光や、レンズ系内の多重反射等で
発生する迷光を除去するため、迷光絞り１７を必要に応
じて適宜配置すれば反射パターンの検出感度をさらに向
上させることが可能である。

【００１９】前記信号処理部２では前記光検出器１９の
出力信号を受領して、増幅器２１、低域通過フィルタ２
２で波形成形し、その周波数、若しくは単位時間内の波
形ピーク数をカウントするため周波数カウンタ２３に送
る。ここでカウントされた信号は実状の測定単位（例え
ば速度であれば、ｍ／ｓ、ｋｍ／ｈ等）に変換する計数
処理部２４によって数値変換され計測出力信号として出
力される。また、前記レーザ光源の発光タイミング、す
なわち複数のホログラフィックパターンの照射タイミン
グを時分割制御し、前記周波数カウンタのカウントタイ
ミングと前記計数処理部２４での数値変換処理を発光タ
イミングに同期させるための同期制御部２６により装置
全体の制御を行う。前記計数処理部２４では方向の異な
る複数のホログラフィックパターンの放射毎に得られる
複数の信号を蓄積し、すべての信号を取り込んだ後、数
値解析によって１つの計測信号を出力する。例えば、こ
の信号が速度を表す時には速度の大きさと方向が速度ベ
クトルとして得られる様な解析処理を行う。また、調整
等で必要の生じた場合には計測信号出力を表示器２５で
読み取ることができる。

【００２０】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図２は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。本
実施例における特徴はホログラフィックパターン４が、
複数の光ファイバ（本実施例では３本）３３ａ、３３
ｂ、３３ｃより伝搬されたコヒーレント光によって形成
される点であり、前記ホログラフィックパターンは複数
のファイバの内の２本のファイバより空中に放射された
２つのレーザ光の干渉によって形成されるものである。

【００２１】これらの光ファイバに入射させる光はどの
様なレーザからの光でも問題はないが、装置形状や機械
的安定度を考慮すれば半導体レーザ（以後ＬＤと記す）
の光を利用するのが簡単で良い。本実施例においてはＬ
Ｄ光源３１の出射光をビームスプリッタ３２で２等分
し、さらに２入力３出力の光スイッチ３７によって前記
光ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３ｃに分配している。光
の分配は同時に２本の光ファイバにレーザ光が送られる
ようにし、かつ、この２本のペアが時間的に切り替わっ
て行くように前記光スイッチ３７で制御する。すなわ
ち、まず光ファイバ３３ａと３３ｂから出射した光が干
渉パターンを作り、続いて同３３ｂと同３３ｃ、さらに
同３３ｃと３３ａという具合である。２本の光ファイバ
を伝搬した光の干渉では、両ファイバ長がほぼ等しい場
合、数位相から数十位相内で干渉するため、ビジビリテ
ィの良好な強い干渉縞が得られる。この干渉縞の間隔は
２本の光ファイバの間隔とファイバ光軸の交差角を調整
して任意に設定可能である。また、２本の光ファイバを
隣接して固着すれば干渉縞間隔は調整不可能であるが、
各々の光ファイバの相対位置が安定するため微細なホロ
グラフィックパターンを極めて安定に得ることができ
る。

【００２２】また、本実施例において光ファイバから出
射された球面波状の光をそのまま干渉させて作成したホ
ログラフィックパターンと前記第１の実施例で示したホ
ログラフィックパターンとの違いは、前記第１の実施例
のものは平行平面波の干渉により光の放射方向がほぼ一
方向で、パターンの形状も放射距離によって変化しない
のに対し、本実施例のホログラフィックパターンは平行
球面波の特性により、光とパターンは放射状に拡散する
ものである。このため、放射光のエネルギーはほぼ距離
の２乗に反比例して減少してしまい、光ファイバの光出
射端と被測定物との距離をあまり長くすることはできな
い。また、この距離が変化するとホログラフィックパタ
ーンの形状も相似変化するため、計測装置に利用するに
は近距離、固定位置の被測定物に測定対象を限定する必
要がある。実験的には数ｍＷ出力のＬＤを光源に用いて
被測定物までの最大距離は数ｃｍ程度である。しかしな
がら、数十μｍの格子間隔を持つホログラフィックパタ
ーンを精度良く安定に作り出すことが可能で、微小物体
の高精度非接触測定には非常に有効である。

【００２３】このような距離の限定を回避し、被測定物
の表面の反射パターンにホログラフィックパターンを適
合させるため、本実施例では光ファイバの出射端近傍Ａ
に、マイクロオプチクス等で構成したズーム光学系３５
を配置している。前記ズーム光学系３５は前記３本の光
ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３ｃの出射光を同時に集
束、或いは発散させる光学系で、被測定物３の表面位置
におけるホログラフィックパターンをズーミングする機
能を持ち、最も簡単なものは２つのファイバの出射光を
同時に入射可能な口径を有するレンズ系である。

【００２４】前記光ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３ｃの
うちの２本の光ファイバの出射光を前記ズーム光学系３
５に通して作られたホログラフィックパターン４は被測
定物３に照射され、その反射光は前記３本の光ファイバ
に近接し反射光を受光し易い位置に設置された受光用光
ファイバ３４により受光される。通常、最も受光に適し
た位置は前記３本の光ファイバの中間部であるため、図
３に示す様に、３本の光ファイバ３３ａ、３３ｂ、３３
ｃに挟まれる形で中央部に前記受光用光ファイバ３４を
設置すると良い。

【００２５】前記受光用光ファイバ３４で受光された光
は光検出器１９に導かれ、光電変換され電気信号とな
る。この電気信号は信号処理部２に送られて前記第１の
実施例の場合と全く同様に信号出力に変換される。また
本実施例では１つのＬＤ光源３１の光を時分割で３本の
光ファイバに分配し、複数のホログラフィクパターンを
順次発生させるために前記ビームスプリッタ３２と前記
光スイッチ３７を併用し、前記光スイッチ３７は同期制
御部２６のスイッチング制御信号によって出力の３ポー
トの内、常に２ポートへ光を出射するように制御されて
いる。

【００２６】第１の実施例及び第２の実施例では光を用
いてホログラフィックパターンを発生させたが、本発明
は光に限らずマイクロ波、Ｘ線、電子線、音響波等でも
コヒーレント波であれば測定目的に応じて利用可能であ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ホログ
ラフィックパターンを投射する投射手段で被測定物の反
射パターンに適合するホログラフィックパターンを生成
し、これを被測定物に照射することとしたから、最適な
空間フィルタリングのできる光学センサを実現すること
ができ、かつ、格子方向の異なるホログラフィックパタ
ーンを複数個時分割で形成して投射し、それぞれの投射
時に得られる信号を合成分析して測定物の状態を検出す
ることにしたため、例えば、物体の速度検出に利用すれ
ば物体の速度と動きの方向が検出可能となる等、二次元
的な動きのある物体の状態検出が可能となった。

【００２８】また、時分割処理を行う事によって光源及
び検出手段を各々一つの装置で賄う事ができ、小型で機
械的に安定な光学センサが実現できる効果を有し、さら
にまた、第２の実施例で示した光ファイバによる放射パ
ターンの形成はホログラフィックパターンの投射場所を
光ファイバの届く範囲で任意に変更できるといったバリ
アブルな特性も加わった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における構成を示した図
である。

【図２】本発明の第２の実施例における構成を示した図
である。

【図３】本発明の第２の実施例のＡ部分の拡大図であ
る。

【図４】２光波干渉による干渉縞の発生機構を示した図
である。

【図５】回折格子による回折パターンの発生機構を示し
た図である。

【図６】フーリエ変換光学系による空間フィルタリング
の基本構成を示した図である。

【図７】空間フィルタリングによる画像相関演算の基本
構成を示した図である。

【図８】照明光のパターンを用いた画像相関演算の基本
構成を示した図である。

【図９】２光波干渉縞の平面図である。

【図１０】光学回折格子の平面図である。

【図１１】回折パターンの平面図である。

【符号の説明】

１ 光学センサ部 ２ 処理手段としての信号処理部 ３ 被測定物 ４ ホログラフィックパターン １０ ホログラフィックパターン発生部（投射手段） １１ａ，１１ｂ レーザ光源 １２，１２ａ，１２ｂ ホログラフィックパターン発
生光学系 １３ 検出手段 １４ 散乱パターンを形成する光学系 １５ 抽出手段 １６ 結像用レンズ系 １７ 迷光絞り １８ 空間フィルタ １９ 光検出器 ２１ 増幅器 ２２ 低域通過フィルタ ２３ 周波数カウンタ ２４ 計数処理部 ２５ 表示器 ２６ 同期制御部 ３１ ＬＤ光源 ３２ ビームスプリッタ ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 光ファイバ ３４ 受光用光ファイバ ３５ ズーム光学系 ３６ 検出手段 ３７ 光スイッチ ４１ 空間的入力パターン ４２ フーリエ変換レンズ ４３ 回折像 ４４ 空間フィルタ ４５ 結像レンズ ４７ 光学回折格子 ４８ ビームスプリッタ ４９ａ，４９ｂ 反射鏡

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投射対象に投射面内で角度の異なる複数
   のホログラフィックパターンを所定のタイミングで順次
   投射する投射手段（１０）と、前記投射対象に投射され
   た前記ホログラフィックパターン毎の散乱状態の変化を
   検出する検出手段（１３）とを含む光学センサ。
2. 【請求項２】 被測定物に投射するレーザ光によるホロ
   グラフィックパターンを前記被測定物のパターンに合わ
   せるように設定可能なホログラフィックパターン発生部
   （１０）と、前記被測定物からの散乱光をうけて散乱パ
   ターンを形成する光学系（１４）と、前記散乱パターン
   から前記被測定物に関係している所望の情報を抽出する
   抽出手段（１５）と、該抽出手段によって抽出された情
   報を処理する処理手段（２）とを含む光学センサにおい
   て、 前記ホログラフィックパターン発生部が空間的に独立な
   方向に少なくとも２つのホログラフィックパターンを時
   間的に別々に発生可能であり、前記処理手段が前記ホロ
   グラフィックパターンの発生と同期して前記情報を処理
   するための同期制御部（２６）を含むことを特徴とする
   光学センサ。