JPH0635921B2 - スペックル測長計 - Google Patents

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に関するものである。

（従来の技術） 従来、スペックルパターンを応用して物体の微小な変形
量を測定する方法が提案されている(特公昭59-52963)。

該測定方法は、測定の対象とする変形物体の表面にレー
ザビームを照射して、拡散反射光の中にイメージセンサ
ーを配置し、該センサーから出力されるイメージ信号に
基づいて、物体変形前後の出力信号の相互相関関数を算
出するものであって、該相互相関関数のピーク位置がス
ペックルパターンの移動量に対応して、物体移動量が測
定されるのである。

（解決しようとする課題） ところが、上記測定方法では、第４図に示す如く激しく
変動するイメージ信号の波形をそのままＡ／Ｄ変換して
相互相関関数を算出していたから、Ａ／Ｄ変換の際のサ
ンプリング数が極めて大きく、これらのサンプリングデ
ータから相互相関関数を求める演算処理に時間がかか
り、リアルタイムの測定が困難であった。

そこで、イメージ信号を一旦、所定のスレッショルドレ
ベルで２値化して、所謂極性相関をとることにより、演
算処理時間の短縮を図ることが提案されている(例えば
コロナ社発行「光計測のニーズとシーズ」第40頁)。

しかしながら、２値化による極性相関を採用する場合
は、第５図(ａ)乃至(ｅ)に示す様に相関関数は連続分布
とならず、イメージセンサーの分解能(例えばＣＣＤの
配列ピッチ)に応じた離散的な複数の相関値データの集
合として得られる。

従って、対象物体が前記画素配列ピッチ(例えば13μｍ)
よりも小さい範囲内で移動した場合、移動前後のスペッ
クルパターンの相互相関関数は、移動距離が前記範囲内
で異なったとしても、例えば第５図(ａ)と(ｂ)に示す様
に相関値データのピーク位置Ｐｐは同じものとなる。

即ち、従来のスペックル即長計では、イメージセンサー
の分解能よりも高い分解能を得ることが出来ず、測定精
度に限界があった。

本発明の目的は、一次元イメージセンサーの分解能を越
える測定分解能が得られるスペックル測長計を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、移動距離算出のための処理を高速
で実行することが出来るスペックル測長計を提供するこ
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は、測定の対象となる移
動物体の表面に向ってレザービームを出射すべきレーザ
発生装置と、前記対象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変
換するイメージセンサー(13)と、該イメージセンサー(1
3)から出力されるイメージ信号を２値化する２値化回路
(４)と、該２値化回路(４)の出力データに基づいて対象
物体の基準位置におけるスペックルパターンとその後の
移動位置におけるスペックルパターンとの相互相関関数
を複数の相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)から離散分布
として算出する相関器(5)と、該相関器から出力される
相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)に基づいて物体の移動
距離を算出する情報処理回路と、該回路の算出結果を表
示する表示器(９)とを具えている。

前記情報処理回路は、 前記相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)の集合からピーク
位置を探索する第１手段と、 前記ピーク位置の相関値データＣｐとその前後の２つの
相関値データＣｆ、Ｃａから、相互相関関数を連続分布
として近似した場合の論理ピーク位置を決定し、該論理
ピーク位置に基づいて物体移動量を算出する第２手段 とから構成される。

又、前記情報処理回路の第２手段は、 前記３つの相関値データＣｐ、Ｃｆ、Ｃａの差(Ｃｐ−
Ｃｆ)及び(Ｃｐ−Ｃａ)を算出する第１演算手段と、 前記２つの差データ(Ｃｐ−Ｃｆ)及び(Ｃｐ−Ｃａ)によ
って規定されるアドレスにて、前記相関値データの実際
のピーク位置と前記論理ピーク位置との差に応じた補正
データが予め格納されているメモリ手段と、 前記差データ(Ｃｐ−Ｃｆ)及び(Ｃｐ−Ｃａ)に基づいて
前記メモリ手段からのデータ読出しを制御する制御手段
と、 前記実ピーク位置と補正データに基づいて対象物体の移
動距離を算出する第２演算手段 とから構成することが出来る。

（作 用） 対象物体の移動に伴って、一次元イメージセンサー(13)
にて光電変換されたイメージ信号は、該イメージセンサ
ー(13)によるスペックルパターンの走査周期に応じた周
期で変化し、１つのスペックルパターン毎に２値化回路
(４)へ送られて、２値化される。

相関器(５)は、２値化されたデータＤに基づいて、基準
位置におけるスペックルパターンの２値化データと、物
体移動後のスペックルパターンの２値化データの相互相
関関数を算出する。該相互相関関数は、複数の相関値デ
ータ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)からなる離散分布として得られ
る(第５図参照)。

算出された相関値データは情報処理回路へ送出され、該
回路の第１手段は前記相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)
の中から最大値をとる実ピーク位置Ｐｐを探索する。

ここで、一次元イメージセンサーの分解能を限りなく零
に近づけたときの理論的な相互相関関数を想定した場
合、前記実ピーク位置とその前後位置の相関値データＣ
ｐ、Ｃｆ及びＣａは前記の論理的な相互相関関数の分布
上にプロットされるものと考えられるから、これらのデ
ータに基づいて、理論的な相互相関関数のピーク位置
(理論ピーク位置)を決定することが出来る。

前記情報処理回路の第２手段は、所定の手法によって前
記理論ピーク位置を決定し、更に該理論ピーク位置に基
づいて物体移動距離を算出する。

算出された移動距離は表示器(９)にリアルタイムで表示
される。

又、情報処理回路の第２手段を前記第１及び第２演算手
段、メモリ手段及び読出し制御手段から構成した場合、
メモリ手段は、相関値データＣｐとＣｆの差(Ｃｐ−Ｃ
ｆ)及び相関値データＣｐとＣａの差(Ｃｐ−Ｃａ)によ
ってアドレス指定され、予めメモリ手段に設定されてい
る補正データが瞬間的に呼び出される。そして、該補正
データによって実ピーク位置に補正が施され、論理ピー
ク位置が決定される。

（発明の効果） 本発明に係るスペックル測長計によれば、一次元イメー
ジセンサーの分解能を上回る測定分解能が得られ、高精
度の測長が可能である。

又、補正データが予め登録されちるメモリの利用によっ
て、移動距離算出のための演算処理が高速化される。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明に係るスペックル測長計の具
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、スペックル測長計の測定ヘッド(１)
は、ビーム出射窓(10)を有する密閉ケーシング内に、半
導体レーザ(11)、該半導体レーザ(11)からのレーザ光を
平行レーザビーム(17)に整形するコリメータレンズ(1
2)、対象物体(18)にて拡散反射されて形成されたスペッ
クルパターンを光電変換するＣＣＤからなる一次元イメ
ージセンサー(13)等を配置して構成されている。

第２図は、上記測定ヘッド(１)に接続して、一次元イメ
ージセンサー(13)からのイメージ信号に基づいて物体の
移動量を算出し、表示するための測定回路の一構成例を
示している。

一次元イメージセンサー(13)は、周知の如くバッファア
ンプ(14)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ＣＣＤ配列方向の走査を一定周
期で繰返す。該センサー(13)の出力信号は、初段アンプ
(15)を介してサンプルホールド回路(２)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(２)の出力信号はゲイン制御アン
プ(３)を経て２値化回路(４)へ送られ、これによって第
４図に示す如きイメージ信号Ｓが２値化され、更に該２
値化データＤは相関器(５)へ送られて、後述の如く対象
物体の移動に伴って変化するスペックルパターンの相互
相関関数が繰返し計算され、この計算結果がマイクロコ
ンピュータ(７)へ送られる。

マイクロコンピュータ(７)は外部記憶装置として、上位
８ビット及び下位８ビットの２つのアドレスデータによ
ってアドレス指定されるＲＯＭ(8)を具え、前記相互相
関関数のピーク位置とＲＯＭ(８)に予め登録されている
後述の補正データのテーブルから物体の移動距離算出
し、その結果を表示器(65)にデジタル表示せしめる。

又、前記バッファアンプ(14)、サンプルホールド回路
(２)、２値化回路(４)及び相関器(５)はタイミング発生
器(６)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。

ゲイン制御回路(３)から得られるイメージ信号は、第４
図に示す如く、前記タイミング発生器(6)から一次元イ
メージセンサー(13)へ送られるスタート信号の周期Ｔ₀
毎に発生し、該周期Ｔ₀内におけるイメージセンサー(1
3)によるスペックルパターンの１走査時間に対応してい
る。

前記イメージ信号は第２図の２値化回路(４)へ送られ、
前記発生期間Ｔの平均値(第４図中Ｌ)をスレッショルド
レベルとして２値化される。２値化されたデータＤは更
に相関器(５)へ供給される。

相関器(５)は周知の種々の構成が採用出来、例えば第１
及び第２シフトレジスタ、複数のＥＸ−ＯＲ回路、加算
器等から構成され、前記周期Ｔ₀で次々と入力されるデ
ータＤに基づいて下記の如く相互相関関数を算出するも
のである。

即ち、測長開始時点で送られてくる１つのスペックルパ
ターンに対応する一連のデータＤを前記第１シフトレジ
スタに設定し、その後、物体移動に伴って次々と送られ
てくる一連のデータＤを順次、第２シフトレジスタに設
定しつつ、両シフトレジスタに設定されたデータの相互
相関関数を算出する。該相互相関関数は、複数の相関値
データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)からなる離散分布として得ら
れる(第５図参照)。そして、相互相関関数のピーク値が
所定レベルを下回った時点で、そのときの第２シフトレ
ジスタ内のデータを第１シフトレジスタに移す。以後、
更新された第１シフトレジスタ内のデータを基準とし
て、前記同様に相互相関関数を繰返し算出する。

算出された相関値データはマイクロコンピュータ(７)へ
次々と送出され、マイクロコンピュータ(７)は、１つの
スペックパターンに対応する一群の相関値データ(Ｃ₁、
Ｃ₂、…Ｃｎ)毎に、後述の演算処理手段(第３図)を実行
する。

ここで、第６図によって本発明にかかる測定原理につい
て説明する。

前記相関器(５)から得られる１つのスペックルパターン
に対応する一群の相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)は離
散値であって、第６図に実線で示す様に一次元イメージ
センサーの分解能、即ちＣＣＤの配列ピッチＱ(例えば1
3μｍ)を横軸ピッチとするヒストグラムとして描くこと
が出来る。これらの相関値データの中で最大値をとる実
ピーク位置ＰｐのデータＣｐと、その前後の２つのデー
タＣｆ及びＣａに注目すると、２値化による極性相関を
とらない場合の論理的な相互相関関数の分布は鎖線で示
す様に連続的に変化し、前記３つのデータＣｆ、Ｃｐ及
びＣａはこれの連続的な分布上にプロットされるものと
考えられる。そして、この連続分布としての相互相関関
数の理論ピーク位置Ｚは、前記実ピーク位置Ｘから補正
距離Ｙだけずれた位置にあると推定することが出来る。

従って、前記相関関数の実ピーク位置Ｘと補正距離Ｙか
ら理論ピーク位置Ｚを決定することが出来、この理論ピ
ーク位置Ｚは実ピーク位置に比べて精度の高いものとな
る。又、ピーク前後の相関データＣｆ及びＣａが同一値
となったとき、実ピーク位置と理論ピーク位置とは一致
する。

補正距離Ｙを求める方法としては種々の予測手法或いは
補間手法が採用出来るが、ここではデータ処理の簡易化
を考慮して、前記３データＣｆ、Ｃｐ及びＣａのみを基
礎データとし、更に連続的な相互相関関数の分布を、理
論ピーク位置を頂点とする２等辺三角形の左右２辺の直
線によって近似し、補間手法によって補正量を求める。

この場合、前記補正距離ＹとＣＣＤの配列ピッチＱの比
Ｙ／Ｑは次の式によって求めることが出来る。

(Ｉ) Ｃｆ＜Ｃａの場合 (II) Ｃｆ＝Ｃａの場合 (III) Ｃｆ＞Ｃａの場合 尚、第５図(ａ)乃至(ｄ)ではピーク位置Ｐｐに変化はな
いが、同図(ｅ)ではピーク位置Ｐｐ′がＣＣＤ配列ピッ
チＱだけ移動しており、この場合は移動後のピーク位置
Ｐｐ′を新たなピーク位置とする相関値データによって
比Ｙ／Ｑを計算する。

更に本実施例では、後述する一連の演算処理の総合的な
効率を考慮して、ＣＣＤの配列ピッチを更に分割して補
間する際の分割数Ｍ(例えば16)と前記比Ｙ／Ｑとの積 Ｖｃ＝Ｍ×Ｙ／Ｑ……(４) を演算処理上の補間値Ｖｃとして使用する。

従って、測長開始時の実ピーク位置Ｐｐを原点として、
その直後にピーク前後の相関値データＣｆ、Ｃａが同一
となったときの実ピーク位置Ｐｐを１、その次に相関値
データＣｆ、Ｃａが同一となったときの実ピーク位置Ｐ
ｐを２、…とＣＣＤ配列ピッチの間隔で生ずる実ピーク
位置Ｐｐの値を整数値にとり、移動方向が逆になったと
きは負の値としてＰｐを表わしたとき、任意時点の物体
移動距離Ｒは下式で表わされる。

Ｒ＝(Ｐｐ×Ｍ＋Ｖｃ)×Ｑ／Ｍ……(５) 次に第２図に示すＲＯＭ(８)の内容について説明する。

ＲＯＭ(８)には、相関値データＣｐとＣｆの差(Ｃｐ−
Ｃｆ)を上位８ビットのアドレスデータＡＨ、相関値デ
ータＣｐとＣａの差(Ｃｐ−Ｃａ)を下位８ビットのアド
レスデータＡＬとして、これらの差データに基づい前記
(１)式乃至(４)式から得られる補間値Ｖｃが、発生し得
る全ての差データについて予め計算され、登録されてい
る。

従って、前記アドレスデータＡＨ及びＡＬによってＲＯ
Ｍ(８)から補間値Ｖｃを瞬間的に呼出すことが出来、こ
れによって演算処理時間が短縮される。

尚、マイクロコンピュータ(７)によるＲＯＭ(8)からの
データ読出し制御については周知のところであるので、
説明を省略する。

第３図はマイクロコンピュータの処理手続を表わしてお
り、先ず相関器より１つのスペックルパターンに応じた
一群の相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)を取り込んで、
これらのデータからピーク位置Ｐｐを探索する。次にピ
ーク位置とその前後の相関値データから前記差データ
(Ｃｐ−Ｃｆ)及び(Ｃｐ−Ｃａ)を計算し、これらをアド
レスデータとしてＲＯＭ(８)へ出力する。そして、該当
アドレスの補間値ＶｃをＲＯＭ(８)から読み込んで、ピ
ーク位置Ｐｐの値Ｘと補間値Ｖｃから、前記(５)式に基
づいて物体移動距離Ｒを算出し、その結果を表示器(９)
に出力するのである。

表示器(９)には、物体移動に伴って移動距離Ｒがリアル
タイムで次々と表示される。

上記スペックル測長計によれば、例えば補間分割数Ｍを
16、ＣＣＤの分解能を13μｍとすると、測長分解能は略
０．８μｍとなって、極めて高い精度が得られる。

然も補間値が予め登録されているＲＯＭテーブルを利用
して移動距離が計測されるから、演算処理が高速化さ
れ、対象物体の移動速度が速い場合にも、前述の高い分
解能を発揮することが出来る。

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。

【図面の簡単な説明】

第１図はスペックル測長計の概略構成を示す斜視図、第
２図は測定回路のブロック図、第３図はマイクロコンピ
ュータの処理手続を示すフローチャート、第４図はイメ
ージ信号の波形図、第５図(ａ)乃至(ｅ)は相関値データ
の分布の変化を示す一連のグラフ、第６図は本発明の測
定原理の説明図である。 (１)……測定ヘッド、(11)……半導体レーザ (13)……一次元イメージセンサー Ｓ……イメージ信号 (Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)……相関値データ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定の対象となる移動物体の表面に向って
   レーザビームを出射すべきレーザ発生装置と、前記対象
   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変換するイメージセンサ
   ー(13)と、該イメージセンサー(13)から出力されるイメ
   ージ信号を２値化する２値化回路(４)と、該２値化回路
   (４)の出力データに基づいて対象物体の基準位置におけ
   るスペックルパターンとその後の移動位置におけるスペ
   ックルパターンとの相互相関関数を算出する相関器(5)
   と、該相関器から出力される相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、
   …Ｃｎ)に基づいて物体の移動距離を算出する情報処理
   回路と、該回路の算出結果を表示する表示器(９)とを具
   え、前記情報処理回路は、 前記相関値データ(Ｃ₁、Ｃ₂、…Ｃｎ)の集合からピーク
   位置を探索する第１手段と、 前記ピーク位置の相関値データＣｐとその前後の２つの
   相関値データＣｆ、Ｃａから、相互相関関数を連続分布
   として近似した場合の理論ピーク位置を決定し、該論理
   ピーク位置に基づいて物体移動量を算出する第２手段 とから構成されるスペックル測長計。
2. 【請求項２】情報処理回路の第２手段は、 前記３つの相関値データＣｐ、Ｃｆ、Ｃａの差(Ｃｐ−
   Ｃｆ)及び(Ｃｐ−Ｃａ)を算出する第１演算手段と、 前記２つの差データ(Ｃｐ−Ｃｆ)及び(Ｃｐ−Ｃａ)によ
   って規定されるアドレスにて、前記相関値データの実際
   のピーク位置と前記論理ピーク位置との差に応じた補正
   データが予め格納されているメモリ手段と、 前記差データ(Ｃｐ−Ｃｆ)及び(Ｃｐ−Ｃａ)に基づいて
   前記メモリ手段からのデータ読出しを制御する制御手段
   と、 前記実ピーク位置と補正データに基づいて対象物体の移
   動距離を算出する第２演算手段 とから構成されている特許請求の範囲第１項に記載のス
   ペックル測長計。