JPH0635923B2 - スペックル測長計の測定ヘッド構造 - 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(例えば朝倉書
店発行「光学的測定ハンドブック」第234頁乃至245
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。

（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。

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。

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。

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。

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(28)
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。

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。

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。

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(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。

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
信号処理の上で好都合である。

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。

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。

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。

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。

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。

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)、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Ｘ＝｛（Ｌ_０・cos²θｓ／Ｌｓ・cosθ_０）＋cosθ_０｝
・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 Ｌ_０：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。

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Ｌ_０により、 α＝１．２２λＺ／Ｌ_０ 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Ｌ_０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。

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。

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。

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。

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。

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。

又、第９図において cosθｓ＝cosθ_０＝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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (8)

【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。
2. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。