JPH0635923B2 - Measuring head structure of speckle length measuring instrument - Google Patents
Measuring head structure of speckle length measuring instrumentInfo
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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。The present invention relates to a speckle length measuring instrument for measuring an amount of movement of an object using a speckle pattern generated by diffused light from the surface of an object irradiated with laser light. Is related to the structure of.
(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(例えば朝倉書
店発行「光学的測定ハンドブック」第234頁乃至245
頁)。(Prior Art) Conventionally, a target object is irradiated with a laser beam emitted from a semiconductor laser, a speckle pattern generated by diffused light from the surface of the object is observed, and a speckle pattern associated with movement or deformation of the object is detected. The amount of movement of the object based on the change,
A method of measuring the amount of deformation and the like is known (for example, "Optical Measurement Handbook" published by Asakura Shoten, pages 234 to 245.
page).
ところで、映像処理の技術分野で従来の撮像管に代るイ
メージセンサーとして、高い分解能を発揮するCCDが
実用化されており、このCCD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。By the way, in the technical field of image processing, a CCD exhibiting high resolution has been put into practical use as an image sensor replacing a conventional image pickup tube. By applying this CCD as a speckle pattern detection sensor, highly accurate measurement can be performed. Is possible.
(解決しようとする課題) 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。(Problems to be solved) However, conventionally, only the principle of the above-mentioned measurement method and the basic equipment configuration have been clarified, and the detailed arrangement of the equipment and the detailed structure for increasing the measurement accuracy. However, it has not been fully researched and has not yet been put to practical use.
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、
イメージセンサー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。ま
た、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
メージセンサー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。For example, when a speckle length measuring device for measuring the amount of movement of an object is put into practical use, a semiconductor laser, a collimator lens,
Although it is necessary to install components such as an image sensor with high precision, it has been difficult to perform highly accurate positioning because these components have been individually positioned in the past. Further, there is a problem that the temperature changes drastically depending on the place where the semiconductor laser is installed, which causes the mode hop of the semiconductor laser, making it impossible to maintain the same speckle pattern on the same laser irradiation surface. Further, the measurement accuracy may be deteriorated due to the incidence of ambient light other than the laser light on the image sensor.
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。An object of the present invention is to put a speckle length measuring device into practical use.
It is an object of the present invention to provide a measuring head structure capable of easily and accurately positioning each constituent device and obtaining high measuring accuracy regardless of the measurement atmosphere.
(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ー(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(10)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
サー(4)は前記窓(14)に面して配置されている。(Means for Solving the Problem) The measuring head structure of the speckle length measuring instrument according to the present invention has a semiconductor laser (21) and a laser beam from the semiconductor laser (21) in a closed casing (10). A collimator lens (25) that emits light to form a laser beam, an electronic cooling device (3) that controls the temperature of the semiconductor laser (21) to be constant, and the temperature of the semiconductor laser (21) is measured for the temperature control. Temperature sensor
The unit (6) and the image sensor (4) for photoelectrically converting the speckle pattern into an image signal were housed and fixed at respective predetermined positions to form a unitized measuring head (1). The casing (10) is provided with a window (14) through which the laser beam from the collimator lens (25) should be emitted, and the image sensor (4) is arranged facing the window (14).
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。The semiconductor laser (21), the collimator lens (25), and the temperature sensor (6) are arranged in an accommodating chamber (23) provided in an integrated temperature control housing (22), and are provided on the outer surface of the temperature control housing (22). The electronic cooling device (3) is installed in close contact.
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。The distance between the semiconductor laser (21) and the collimator lens (25) is set so that the laser beam emitted from the collimator lens (25) becomes a parallel beam.
イメージセンサー(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。The position of the image sensor (4) is defined so that the scanning area at the time of photoelectric conversion is bilaterally symmetric with respect to the plane including the optical axis of the laser beam.
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。The window (14) of the casing (10) is formed by an optical filter that passes the frequency component of the laser beam and the frequency components in the vicinity thereof, and slightly with respect to the optical axis of the laser beam emitted from the collimator lens (25). It is deployed at an angle.
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。Semiconductor laser (21) and temperature sensor (6) have the same substrate
It is attached to (5).
又、レーザビームの光路中にはレーザビーム絞り孔(28)
を有するスリット板(27)が設置されている。Also, a laser beam aperture (28) is provided in the optical path of the laser beam.
A slit plate (27) having is installed.
(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
メージセンサー(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。(Operation and Effect) During measurement, the measuring head (1) is installed such that the optical axis of the laser beam emitted from the window (14) is perpendicular to the surface of the target object, and An external circuit for processing an image signal obtained from the image sensor (4) is connected to (1). Further, the temperature sensor (6) of the measuring head (1) is connected to a well-known temperature control circuit, and the output end of the control circuit is supplied to the electronic cooling device (3), whereby the temperature of the semiconductor laser (21) is changed. It is controlled to be constant.
半導体レーザ(21)からのレーザ光はコリメータレンズ(2
5)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。Laser light from the semiconductor laser (21) is received by the collimator lens (2
The laser beam passes through 5) and is emitted from the window (14) of the casing (10) toward the moving object.
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ー(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。The diffused light reflected from the surface of the moving object is the window of the casing (10).
The light passes through (14) and enters the image sensor (4), which converts the speckle pattern into an image signal.
The image signal is sent to the external circuit and subjected to arithmetic processing for calculating the moving distance of the moving object.
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。According to the above measuring head structure, if the casing (10) of the measuring head (1) is installed with high accuracy, at the same time the casing (10)
Each component inside will be positioned with high precision,
Highly accurate length measurement is possible. Moreover, since the inside of the casing (10) is maintained at an appropriate temperature by the operation of the temperature sensor (6) and the electronic cooling device (3), high measurement accuracy can be obtained regardless of the measurement atmosphere.
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(22)に収容する
と共に、該ハウジング(22)に電子冷却装置(3)を密着し
て設置すれば、半導体レーザ(21)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。If the semiconductor laser (21), the collimator lens (25) and the temperature sensor (6) are housed in the temperature control housing (22) and the electronic cooling device (3) is installed in close contact with the housing (22), the semiconductor Not only the laser (21) but also the collimator lens (25) is accurately maintained at a constant temperature, and even when the plastic collimator lens (25) is used, the optical characteristics such as the focal length do not change. In addition, even if the temperature of the measurement atmosphere drops, the temperature inside the casing (10) is maintained at an appropriate height, and the collimator lens due to dew condensation
Fogging of (25) is prevented.
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。Common substrate for semiconductor laser (21) and temperature sensor (6)
When attached to (5), heat is conducted through the substrate (5), so that the temperature detection accuracy of the semiconductor laser (21) by the temperature sensor (6) can be increased.
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
信号処理の上で好都合である。When the distance between the semiconductor laser (21) and the collimator lens (25) is adjusted so that the laser beam emitted from the collimator lens (25) becomes a parallel beam, the measurement head (1) and the target object are Regardless of the distance, the measurement sensitivity can be kept constant, which is convenient for the signal processing necessary for calculating the object movement amount.
又、前述の如くイメージセンサー(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、イメージセンサー(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ー
(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。In addition, as described above, by installing the image sensor (4) in a position symmetrical to the plane including the optical axis of the laser beam, the light intensity of the speckle pattern imaged on the image sensor (4). Distribution, ie image sensor
The level of the image signal obtained from (4) is made uniform,
For example, it is convenient in signal processing such as sampling of an image signal.
更にこの配置により、物体移動量とイメージセンサー
(4)上でのスペッタ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。Furthermore, with this arrangement, the amount of object movement and the image sensor
(4) It is possible to simplify the relationship with the movement amount of the speckle pattern above.
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ー(4)へ入射することに
因る測定精度の低下が防止される。By forming the window (14) of the casing (10) with an optical filter, the disturbance light that enters the window (14) from outside is blocked, and the measurement accuracy due to the disturbance light entering the image sensor (4) Is prevented.
窓(14)をレーザビームの光軸に対して僅かに傾斜して配
備された場合、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。When the window (14) is arranged with a slight inclination with respect to the optical axis of the laser beam, even if the laser beam from the collimator lens (25) is reflected by the window (14), the optical path of the reflected light is Since the laser beam is deviated from the semiconductor laser (21) due to the inclination, mode hopping due to the reflected light entering the semiconductor laser is prevented.
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、イメージセンサー(4)の画素ピッチと略
同一のスペックス径を形成し、これによってイメージセ
ンサー(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。Also, install a slit plate (27) in the optical path of the laser beam,
By narrowing the laser beam from the collimator lens (25) to a predetermined diameter, a specx diameter that is almost the same as the pixel pitch of the image sensor (4) is formed, and the contrast of the speckle pattern on the image sensor (4) is thereby formed. At the same time, the feature of the speckle pattern can be efficiently detected.
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。Therefore, according to the above-mentioned measuring head structure, not only the measuring head (1) is easy to handle because it is unitized,
High accuracy of measurement can be obtained by the constitution of each part as described above, and it can be sufficiently put into practical use.
(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。(Example) Hereinafter, a specific configuration of the measuring head structure according to the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the examples are for explaining the present invention and should not be understood as limiting the invention described in the claims or reducing the scope.
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)、CCDを一次元方向に配列したイメージセンサー
(4)等を配備して、ユニット化されている。As shown in FIG. 1, the measuring head (1) is a closed casing.
Inside the (10), the semiconductor laser unit (2) and the electronic cooling device
(3), image sensor with CCD arrayed in one dimension
(4) etc. are deployed and unitized.
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ッキン(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。The casing (10) constitutes a hermetically sealed container by fixing a rubber packing (11) and a cover (12) for closing the opening to a main body of a rectangular parallelepiped body having one side surface opened as shown in the figure.
A window for emitting a laser beam is provided on the front wall of the casing (10).
(14) is provided.
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ハウジング(2
2)には、収容室(23)に連通するネジ孔(24)が形成されて
いる。As shown in FIG. 2, the semiconductor laser unit (2) has a laser beam generating part including a semiconductor laser (21), a collimator lens (25), etc., integrated in a temperature control housing (22). Is. The semiconductor laser (21) is mounted on the first substrate (5) together with the temperature sensor (6), and the substrate is screwed and fixed to the back surface of the temperature control housing (22) to fix the semiconductor laser (21) and the temperature. sensor
(6) is the storage chamber (23) in the temperature control housing (22)
It is housed in. In addition, the temperature control housing (2
A screw hole (24) communicating with the storage chamber (23) is formed in 2).
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(26)を前記温
度コントロールハウジング(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。The collimator lens (25) is fixed to the end of a beam adjusting screw cylinder (26) having an external thread, and the screw cylinder (26) is screwed into the screw hole (24) of the temperature control housing (22). By collapsing the collimator lens (25), the collimator lens (25)
Alternatively, it is housed in the screw hole (24).
この結果、温度コントロールハウジング(22)の収容室(2
3)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。As a result, the storage chamber (2
3) is sealed by a substrate (5) and a collimator lens (25), and a semiconductor laser (21) and a temperature sensor are provided in the sealed space.
(6) will be placed. Therefore, the temperature sensor
(6) and the semiconductor laser (21) are always maintained at the same temperature,
The temperature control of the semiconductor laser (21) is accurately performed without error.
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(25)の間隔L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Lが設定されている。Attach the beam adjustment screw tube (26) to the temperature control housing.
By screwing it in (22) and rotating it forward and backward,
The distance L between the semiconductor laser (21) and the collimator lens (25) can be adjusted, and here the laser beam (8) emitted from the collimator lens (25) is a parallel beam as shown in FIG. The interval L is set.
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
物体との距離の遠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。As a result, the curvature radius Ls of the laser beam on the target object (7) in FIG. 9 becomes infinite, and the measurement sensitivity can be kept constant regardless of the distance between the measuring head and the target object. The following formula is established in FIG.
X={(L0・cos2θs/Ls・cosθ0)+cosθ0}
・x 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 L0:対象物体とイメージセンサーの距離 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Dは、スペックルパター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)と略同一、或いは僅かに大きくなる
様に規定される。X = {(L 0 · cos 2 θs / Ls · cos θ 0 ) + cos θ 0 }
X, where X is the amount of movement of the speckle pattern on the image sensor, L 0 is the distance between the target object and the image sensor, x is the amount of movement of the target object, and the collimator lens (25) of the beam adjusting screw tube (26) A slit plate (27) having a laser beam aperture (28) is fixed to the opposite end. The inner diameter D of the laser beam aperture hole (28) becomes substantially equal to or slightly larger than the arrangement pitch (for example, 13 μm) of the CCDs forming the one-dimensional image sensor (4) when the average speckle diameter α of the speckle pattern is large. Is prescribed.
平均スペックル径αは、レーザ光の波長λと、一次元イ
メージセンサー(4)と対象物体との距離L0により、 α=1.22λZ/L0 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、一次元イメージセンサー(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Dは略2mmに設定される。It is known that the average speckle diameter α is represented by α = 1.22λZ / L 0 according to the wavelength λ of the laser light and the distance L 0 between the one-dimensional image sensor (4) and the target object. When the wavelength λ of the laser light is 780 nm and the distance L 0 between the one-dimensional image sensor (4) and the target object is approximately 25 to 75 mm, the inner diameter D of the laser beam aperture hole (28) is set to approximately 2 mm.
第1図の如くケーシング(10)の底面に固定したベース(1
3)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。As shown in Fig. 1, the base (1
A plate-shaped electronic cooling device (3) is installed on the upper surface of the device (3), and the semiconductor laser unit (2) is fixed in close contact with the upper surface of the electronic cooling device (3).
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)によって一
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。As shown in FIG. 6, the electronic cooling device (3) has a large number of P-type semiconductors (33) and N-type semiconductors (34) alternately arranged between a pair of ceramic plates (31) and (32). Has a well-known structure in which the electrode plates (35) are connected in a row and the lead wires (36) are connected to the electrode plates (35) at both ends.
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)
に一次元イメージセンサー(4)が固定される。As shown in FIG. 1, the base (13) has a second substrate (51) having a through hole (53) through which the laser beam from the semiconductor laser unit (2) passes at the end on the window (14) side. Standing, the substrate (51)
The one-dimensional image sensor (4) is fixed to.
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Lと、一次元イメージセンサー(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(O点)が、レーザビームの光軸L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。As shown in FIGS. 4 and 5, the one-dimensional image sensor (4) has an optical axis L of the laser beam emitted from the semiconductor laser unit (2) and a detection unit (of the one-dimensional image sensor (4) ( 41) CCD arrangement direction, that is, scanning direction S
Are positioned so that they are orthogonal to each other, and the central position (point O) of the scanning region of the detection section (41) is located on a plane P that includes the optical axis L of the laser beam and is orthogonal to the scanning direction S. To be done.
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(O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。Therefore, the diffused laser light reflected by the target object and incident on the one-dimensional image sensor (4) is substantially symmetrical and symmetrical about the center position (point O) of the signal scanning area as shown in FIG. The intensity distribution will be different. In such a distribution, all the signals to be sampled at the time of binarizing the image signal exceed the minimum level capable of signal processing, and accurate length measurement becomes possible.
又、第9図において cosθs=cosθ0=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。Further, in FIG. 9, cos θs = cos θ 0 = 1 can be set, and the movement amount of the target object (7) and the image signal can be handled with a simple relationship.
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L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。The window (14) of the casing (10) shown in FIG. 1 is formed by a glass plate that allows only infrared rays to pass through, and ambient light other than laser light is blocked by the window (14). The glass plate is the fourth
As shown in the figure, it is attached in a posture inclined by a slight angle θ (approximately 2 degrees) with respect to a plane orthogonal to the optical axis L of the laser beam. Therefore, even when the laser beam from the semiconductor laser unit (2) is reflected on the inner surface of the window (14), the reflected light travels along an optical path deviating from the semiconductor laser and directly enters the semiconductor laser (21). There is no fear. Therefore, the semiconductor laser (21) does not cause a mode hop due to the reflected light.
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。As shown in FIG. 1, a third substrate (52) is further fixed in the casing (10) above the semiconductor laser unit (2).
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。A semiconductor laser is provided on the first to third substrates (5) (51) (52).
Besides the circuit for driving (21), the first stage amplifier that should be directly connected to the one-dimensional image sensor (4) as shown in FIG.
(9) and the buffer amplifier (90) are formed.
第7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(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。FIG. 7 shows an example of the configuration of an external circuit for connecting to the measuring head (1), calculating the amount of movement of the object based on the image signal from the one-dimensional image sensor (4), and displaying it. ing.
一次元イメージセンサー(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CCD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。As is well known, the one-dimensional image sensor (4) repeats scanning in the CCD array direction at regular intervals by a reset signal, a start signal and a shift signal sent from the buffer amplifier (90). The output signal of the sensor (4) is the first stage amplifier.
It is connected to the sample hold circuit (91) via (9), and the noise peculiar to CCD is removed by this.
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
ンとの相互相関関係が、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。The output signal of the sample hold circuit (91) is sent to the binarization circuit (93) via the gain control amplifier (92), and the image signal as shown in FIG. 8 is binarized and further binarized. The signal is sent to the correlator (94), the cross-correlation between the speckle pattern at the reference position of the target object and the speckle pattern after movement is sequentially calculated while shifting the reference position, and the calculation result is micro Computer (96)
Sent to. The microcomputer (96) calculates the moving distance of the object from the peak position of the cross-correlation function and digitally displays the result on the display (97).
又、前記バッファアンプ(90)、サンプルホールド回路(9
1)、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。Further, the buffer amplifier (90) and the sample hold circuit (9
1) Binarization circuit (93) and correlator (94) are timing generators
The operations are controlled by the timing signals supplied from (95).
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。At the time of measurement, the measuring head (1) shown in FIG. 1 is such that the surface of the target object (7) is irradiated with the laser beam (8) vertically, and the scanning direction of the one-dimensional image sensor (4) is the target object.
It is installed so that it is parallel to the moving direction of (7). In this state, the circuit of FIG. 7 is operated to measure the moving distance of the target object.
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)及び一次元イメージセンサー(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。According to the speckle length measuring instrument, by accurately installing the casing (10) of the measuring head (1), at the same time, the semiconductor laser (21) and the collimator lens in the casing (10) are installed.
Since the (25) and the one-dimensional image sensor (4) are respectively positioned with high accuracy, it is possible to measure with high accuracy without being affected by the measurement atmosphere and the like due to the above-mentioned components.
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。The above description of the embodiments is for explaining the present invention, and should not be construed as limiting the invention described in the claims or limiting the scope. The configuration of each part of the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
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。For example, the external circuit to be connected to the measuring head (1) is not limited to that shown in FIG. 7, and various known circuits for calculating the moving distance based on the speckle pattern can be adopted.
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
メージセンサー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。 (1)……測定ヘッド、(10)……ケーシング (14)……窓、(21)……半導体レーザ (25)……コリメータレンズ、(3)……電子冷却装置 (4)……イメージセンサー、(6)……温度センサーFIG. 1 is a partially broken exploded perspective view of a measuring head according to the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of a semiconductor laser unit, and FIG.
FIG. 4 is a side view illustrating the positional relationship between the semiconductor laser and the collimator lens, FIG. 4 is a side view illustrating the tilted state of the window,
FIG. 5 is a front view for explaining the position of the one-dimensional image sensor, FIG. 6 is a sectional view of the electronic cooling device, FIG. 7 is a block diagram of an external circuit, and FIG. 8 is a light intensity distribution on the one-dimensional image sensor. FIG. 9 is a graph for explaining the relationship between the movement amount of the target object and the movement amount of the speckle pattern on the image sensor. (1) …… Measuring head, (10) …… Casing (14) …… Window, (21) …… Semiconductor laser (25) …… Collimator lens, (3) …… Electronic cooling device (4) …… Image Sensor, (6) …… Temperature sensor
Claims (8)
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ス測長計に於い
て、密閉ケーシング(10)内の所定位置に、半導体レーザ
(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(1
4)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。1. A surface of a moving object to be measured is irradiated with a laser beam, and a speckle pattern appearing on an observation surface facing the laser irradiation surface of the object is photoelectrically converted into an image signal, which accompanies movement of the object. In a Specks length measuring instrument that measures the amount of movement of an object based on a change in the image signal, a semiconductor laser is provided at a predetermined position in a closed casing (10).
(21), a collimator lens (25) for condensing laser light from the semiconductor laser (21) to form a laser beam, and an electronic cooling device (3) for controlling the temperature of the semiconductor laser (21) to be constant.
A measuring head (1) containing a temperature sensor (6) for measuring the temperature of the semiconductor laser (21) for controlling the temperature and an image sensor (4) for converting the speckle pattern into an image signal. The casing (10) has a window (1) through which the laser beam from the collimator lens (25) is to be emitted.
4), and the image sensor (4) is arranged facing the window (14), the measuring head structure of the speckle length measuring instrument.
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。2. A semiconductor laser (21) and a collimator lens (25)
The temperature sensor (6) and the temperature sensor (6) are provided in the housing chamber (23) provided in the integrated temperature control housing (22), and the electronic cooling device (3) is installed in close contact with the outer surface of the temperature control housing (22). A measuring head structure according to claim 1.
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。3. A semiconductor laser (21) and a collimator lens (25)
The measuring head structure according to claim 1, wherein the interval is set so that the laser beam emitted from the collimator lens (25) becomes a parallel beam.
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。4. The image sensor (4) according to claim 1, wherein the scanning region at the time of photoelectric conversion is positioned so as to be bilaterally symmetrical with respect to a plane including the optical axis of the laser beam. Measuring head structure.
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。5. The measuring head structure according to claim 1, wherein the window (14) is provided so as to be inclined with respect to the optical axis of the laser beam.
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。6. The measuring head structure according to claim 1, wherein the window (14) is formed by an optical filter which allows a frequency component of the laser beam and a frequency component in the vicinity thereof to pass therethrough.
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。7. The measuring head structure according to claim 1, wherein the semiconductor laser (21) and the temperature sensor (6) are mounted close to each other on a common substrate (5).
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。8. A slit plate (27) having a diaphragm hole (28) for narrowing the laser beam to a predetermined diameter in the optical path of the laser beam.
The measuring head structure according to claim 1, wherein the measuring head structure is installed.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2033306A JPH0635923B2 (en) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | Measuring head structure of speckle length measuring instrument |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2033306A JPH0635923B2 (en) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | Measuring head structure of speckle length measuring instrument |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03237303A JPH03237303A (en) | 1991-10-23 |
| JPH0635923B2 true JPH0635923B2 (en) | 1994-05-11 |
Family
ID=12382874
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2033306A Expired - Lifetime JPH0635923B2 (en) | 1990-02-13 | 1990-02-13 | Measuring head structure of speckle length measuring instrument |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0635923B2 (en) |
Families Citing this family (3)
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| US10174931B2 (en) | 2015-06-03 | 2019-01-08 | Apple Inc. | Integrated optical modules with enhanced reliability and integrity |
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-
1990
- 1990-02-13 JP JP2033306A patent/JPH0635923B2/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J.PHYSáE:SCI.INSTRUM.=1986 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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