JPH08233522A - 非接触変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イメージセンサの素子の配列ピッチより細か
い空間分解能のスペックルパターンデータを得て、より
高分解能の変位情報を得ることのできる非接触変位計を
提供する。 【構成】 イメージセンサ３の１フレーム分の出力を演
算部５に取り込むごとに、このイメージセンサ３を素子
の配列ピッチよりも細かい距離ずつ移動させるととも
に、その各移動ごとの位置で得られる複数のフレームデ
ータから１つのフレームデータを合成することにより、
素子の配列ピッチよりも空間分解能の高いスペックルパ
ターンデータを得て、その合成後のデータからスペック
ルパターンの移動量を算出することで、高分解能の変位
情報を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定試料にレーザ光
を照射して得られるスペックルパターンを利用して、非
接触のもとに被測定試料の変位情報を得る変位計に関す
る。

【０００２】なお、本発明で言う変位情報とは、被測定
試料の１点における変位情報のほかに、例えば材料試験
機等における試験片の伸び等、被測定試料の２点での変
位量に基づく伸縮量等をも含む。

【０００３】

【従来の技術】被測定試料の表面にレーザ光を照射して
得られるスペックルパターンを利用して、その試料の変
位情報（変位あるいは伸び等）を非接触のもとに測定す
る方法が知られている。

【０００４】このスペックルパターンを利用して変位情
報を得る場合、基本的には、被測定試料表面からのレー
ザ光の散乱光を１次元イメージセンサによって光電変換
してスペックルパターンに応じた電気信号を刻々と得る
とともに、その刻々の信号の相互相関関数を求めること
により、スペックルパターンの移動量を求め、そのスペ
ックルパターンの移動量から試料の変位情報を得る。

【０００５】ここで、スペックルパターンを利用したこ
の種の測定にあっては、被測定試料の１点でのスペック
ルパターンの移動量からはその点の変位量が得られ、ま
た、同じく２点でのスペックルパターンの移動量の差か
らその２点間の伸びまたは縮み量を得ることができる。
更に、被測定試料の同一点に対して表面法線を挟んで互
いに対称な角度で２本のレーザビームを照射し、それぞ
れのビームが作るスペックルパターンの移動量の差を求
め、あるいは、被測定部位に対して１本のレーザビーム
を照射してその散乱光を２方向で観察し、各観察点で同
様にして得られたスペックルパターンの移動量の差を求
めることにより、被測定試料の歪み量ないしは変形量を
求めることができる等、具体的な測定手法としては種々
の変形がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、被測定試料
からの散乱光を１次元イメージセンサで受光して、スペ
ックルパターンデータを得る場合、その空間分解能はイ
メージセンサの素子の配列ピッチで決まる。従って、ス
ペックルパターンの移動量から変位情報を得る変位計に
おいて、イメージセンサの出力をそのまま用いたので
は、得られる変位情報の空間分解能はイメージセンサの
各素子の配列ピッチよりも細かくなることはない。ここ
で、ガウス近似等を用いてイメージセンサの各素子から
の出力を補間することにより、分解能を１０倍程度にま
で向上させることができるが、それにも限界がある。

【０００７】本発明の目的は、補間によることなく、イ
メージセンサの各素子の配列ピッチよりも細かい分解能
のスペックルパターンデータを得ることができ、また、
補間との併用によって、従来のスペックルパターンを利
用した変位計に比して大幅に高分解能の変位情報を得る
ことのできる非接触変位計を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の非接触変位計は、被測定試料にレーザ光を
照射する手段と、そのレーザ光の被測定試料からの散乱
光を受光する複数の素子からなるイメージセンサと、そ
のイメージセンサからの出力を用いて、散乱光に含まれ
るスペックルパターンの刻々の移動量を算出することに
より被測定試料の変位情報を得る演算手段を備えた変位
計において、イメージセンサの１フレーム分の出力を取
り込むごとに、当該イメージセンサを、計測すべき変位
方向に素子の配列ピッチよりも細かい距離ずつ移動させ
る手段を有し、演算手段は、その移動ごとの位置で得ら
れるフレームデータの複数個を用いて１つのフレームデ
ータを合成し、その合成結果を上記移動量の算出に供す
ることによって特徴づけられる。

【０００９】

【作用】イメージセンサを移動させると、その移動前後
ではイメージセンサへの散乱光の入射位置がその移動量
に応じて変化する。その移動距離を素子の配列ピッチｄ
よりも細かい距離、例えばｄ／４とすると、各素子に
は、その移動前後において距離ｄ／４だけ受光面上でず
れた位置の散乱光が入射する。

【００１０】１フレーム分のデータを取り込むごとにこ
のような微小距離ｄ／４ずつ移動させると、各フレーム
データは空間的にｄ／４だけずれたデータとなる。この
ようなフレームデータを４個用いることにより、図３に
模式的に示すように、素子の配列ピッチの１／４の空間
分解能を持つフレームデータが得られる。

【００１１】ここで、イメージセンサの移動のインター
バル、換言すればイメージセンサのフレームレートを、
被測定試料の変位速度に比して十分速くすることで、合
成後のフレームデータは殆ど被測定試料の変位に影響さ
れることはない。

【００１２】

【実施例】図１は本発明実施例の構成を示す模式図であ
る。被測定試料Ｗの表面には、半導体レーザ１ａおよび
シリンドリカルレンズ１ｂからなる照射光学系１からの
レーザ光が照射される。このレーザ光の被測定試料Ｗの
表面からの散乱光は、集光レンズ２によってイメージセ
ンサ３の受光面に結像される。

【００１３】イメージセンサ３は例えば２０００チャン
ネルの１次元イメージセンサであって、その各素子の配
列ピッチはｄである。このイメージセンサ３は、センサ
ドライバ４から供給されるスタートパルスおよび転送ク
ロックによって動作し、その出力は、スタートパルスの
周期に応じて定まるフレームレートのもとに、１フレー
ム分のデータごとに、Ａ−Ｄ変換器を含み、かつ、コン
ピュータを主体とする演算部５に転送される。ここで、
イメージセンサ３のフレームレートは、被測定試料Ｗの
変位の速度に比して十分に速いものとする。

【００１４】イメージセンサ３は、例えば平行バネ等を
用いたいわゆるロバーバル機構６を介して架台７に支承
されており、その変位の方向が、被測定試料Ｗの変位方
向である鉛直方向のみに規制されているとともに、この
イメージセンサ３の下面は、鉛直方向に変位するピエゾ
アクチュエータ８に当接している。そして、このピエゾ
アクチュエータ８は、演算部５から供給される指令に従
って動作するピエゾドライバ９からの電圧信号によって
駆動制御される。

【００１５】以上の構成において、ピエゾアクチュエー
タ８は、ピエゾドライバ９からの駆動電圧により、図２
にタイムチャートを示すように、イメージセンサ３のフ
レームデータの演算部４への転送タイミングｔ_1,ｔ_2,ｔ
_3,ｔ₄ ・・に同期して、イメージセンサ３の素子の配列ピ
ッチｄの１／４に相当する距離だけ上方に変位するとと
もに、その上方への変位が３回連続した後には、距離３
ｄ／４だけ下方へ変位する、という動作を繰り返す。こ
れにより、イメージセンサ３は、フレームデータを転送
するごとに、距離ｄ／４ずつ３回連続して上方に移動し
た後、次のフレームデータを転送する際には３ｄ／４だ
け下方に移動することになる。

【００１６】以上の動作により、演算部５は時刻ｔ₁ 〜
ｔ₄ において、４回のフレームデータの転送を受けるこ
とになるが、演算部５では、これらの４つのフレームデ
ータを用いて、イメージセンサ３の素子の配列ピッチｄ
の１／４の空間分解能を持つ１つのフレームデータを合
成する。すなわち、このｔ₁ 〜ｔ₄ に転送された各フレ
ームデータは、イメージセンサ３の各素子の位置がｄ／
４ずつずれたデータであるから、これらの４つのフレー
ムデータを用いて、図３に模式的に示すように各素子か
らのデータを組み合わせることによって、各素子の配列
ピッチｄの１／４の空間分解能を持つ１つのフレームデ
ータを得ることができる。イメージセンサ３のチャンネ
ル数が前記したように２０００であったとすると、以上
の合成によって８０００チャンネルからなるフレームデ
ータが得られることになる。

【００１７】そして、演算部５は、以上のような合成に
より高分解能のフレームデータを用いて、一定の間隔を
開けたデータごとの相互相関を演算し、この間における
スペックルパターンの移動量を算出する。この算出結果
は被測定試料Ｗのレーザ光の照射位置の変位情報を表す
ことになる。そして、このようにして得られた変位情報
は、イメージセンサ３の素子の配列ピッチがｄであるに
も係わらず、その空間分解能はｄ／４となる。また、以
上のようにして合成したフレームデータを更に補間演算
することにより、例えばｄ／４０程度の空間分解能を持
つ変位情報が得られる。

【００１８】ここで、本発明は、以上の実施例のほか、
イメージセンサの１フレーム分の出力を取り込むごとに
このイメージセンサを移動させる手段の実施の態様とし
て、イメージセンサの変位を検出するための変位センサ
を別途設けるとともに、その変位センサの出力を用いた
クローズドループ制御のもとに、イメージセンサの移動
を制御する態様と、更に、その変位センサに代えて、イ
メージセンサの各チャンネルのうち、散乱光の受光に供
していない余分な複数のチャンネルを用い、これらのチ
ャンネルに対して、固定された光源からの光を照射し、
その各チャンネルの出力を補間演算することによってそ
の照射光のピーク位置を算出し、その算出結果をイメー
ジセンサの位置の検出結果として用いたクローズドルー
プ制御のもとに、イメージセンサの移動を制御する態様
とを採用することができる。

【００１９】このようなクローズドループ制御の採用に
より、イメージセンサの移動量をより正確なものとする
ことができ、ひいては被測定試料Ｗの変位情報をより正
確なものとすることができる。

【００２０】図４および図５は、クローズドループ制御
によってイメージセンサ３の移動を制御した例を示す要
部の模式的構成図である。図４の例では、架台７に変位
センサ１０を固定し、この変位センサ１０によってイメ
ージセンサ３の位置を検出して、その検出出力を増幅器
１１を介してピエゾドライバ９にフィードバックしてい
る。この構成において、変位センサ１０の分解能をイメ
ージセンサ３の素子の配列ピッチｄに比して十分に高く
しておくことにより、イメージセンサ３を素子の配列ピ
ッチｄの１／１０等の極微小量ずつ正確に移動させるこ
とが可能となり、合成後の空間分解能は大きく向上す
る。

【００２１】図５の例は、上記のように別途変位センサ
を設けることなく、イメージセンサ３をクローズドルー
プ制御のもとに移動させるようにした例である。すなわ
ち、イメージセンサ３の各チャンネルのうち、被測定試
料Ｗからの散乱光の受光に供しない余分な数十チャンネ
ルを変位モニタ用のチャンネル群として、これらの複数
のチャンネルに跨がるように、固定されたＬＥＤや半導
体レーザ等の光源１２からの光を照射している。そし
て、この変位モニタ用のチャンネル群の出力を演算部５
に取り込み、ここで補間演算することによって光源１２
からの照射光のピーク位置を求める。このピーク位置
は、補間によってイメージセンサ３の素子の配列ピッチ
ｄの１／１０程度の分解能のもとに検出できるため、こ
のピーク位置の変化をイメージセンサ３の変位検出結果
として、ピエゾドライバ９にフィードバックしている。
このような構成によっても、オープンループ制御の場合
に比してイメージセンサ９の移動量をより正確なものと
することができる。

【００２２】さて、以上の各例では、イメージセンサを
微小量ずつ移動させることによって空間分解能を向上さ
せているが、この場合、移動距離を素子の配列ピッチｄ
の１／Ｎとしたとき、相関関数の演算に供するための合
成後のフレームデータは、実際のフレームデータをＮ回
採取するごと得られることになる。これは、実際のフレ
ームデータをそのまま相関関数の演算に供する従来のこ
の種の変位計に比して、イメージセンサのフレームレー
トが一定であれば、時間分解能が１／Ｎに低下すること
を意味する。高速の現象を刻々と捕らえる必要がある場
合には問題となることもある。

【００２３】そこで、本発明の技術的思想の応用とし
て、イメージセンサに入射させるべき散乱光を、ビーム
スプリッタで複数の方向に分離して導き、かつ、分離し
た散乱光をそれぞれの方向に配置した個別のイメージセ
ンサで受光するとともに、その各イメージセンサを、分
離後の各散乱光に対して、計測すべき変位方向に各素子
の配列ピッチよりも細かい距離だけずらした配置とし、
その各イメージセンサのフレームデータを上記の例と同
様に合成して、スペックルパターンの移動量の算出に供
する構成を採用することができる。その要部の構成例を
図６に模式的に示す。なお、この図６では、被測定試料
Ｗの変位方向は紙面に直交する方向であり、その方向に
各イメージセンサ３ａ〜３ｃの素子が並んでいるものと
する。

【００２４】被測定試料Ｗからの散乱光は、レンズ２０
によってほぼ平行な光束に変換された後、ビームスプリ
ッタ２１によって、直進するものと９０°曲げられるも
のとに分離される。そして、このうち直進した光束は、
更にビームスプリッタ２２によって再び直進するものと
９０°曲げられるものとに分離される。そして、このよ
うにして３つに分離された光束は、それぞれ集光レンズ
２ａ，２ｂ，２ｃによって、互いに同じ型式の個別のイ
メージセンサ３ａ，３ｂ，３ｃの受光面上に結像され
る。

【００２５】各イメージセンサ３ａ，３ｂ，３ｃは、入
射光に対して、被測定試料Ｗの計測すべき変位方向に対
応する方向、図６の例では紙面に直交する方向に、各イ
メージセンサ３ａ，３ｂ，３ｃの素子の配列ピッチｄの
１／３の距離ずつずらせてある。

【００２６】以上の構成によると、被測定試料Ｗからの
散乱光は３つのイメージセンサ３ａ，３ｂおよび３ｃに
よって同時に受光され、しかも、これらの各イメージセ
ンサから同時に出力されるフレームデータは、イメージ
センサ３ａ，３ｂ，３ｃの各素子の位置が計測すべき変
位方向に対応する方向にｄ／３ずつずれたデータである
から、前記した図３の合成方法と同等の思想のもとに、
これらの３つのフレームデータを組み合わせることによ
って、各素子の配列ピッチｄの１／３の空間分解能を持
つ１つのフレームデータを得ることができる。このよう
にして合成したフレームデータを相関関数の演算に供す
ることにより、先の各例と同等の作用効果を奏すること
ができる。

【００２７】しかも、この構成において注目すべき点
は、イメージセンサの素子の配列ピッチよりも細かい距
離だけ相対的に位置がずれたフレームデータが、同時に
得られる点である。従って、この構成によると、各イメ
ージセンサ３ａ〜３ｃからそれぞれ１つの実際のフレー
ムデータが転送されるごとに、素子の配列ピッチよりも
細かい分解能を持つフレームデータを合成することがで
き、時間分解能が低下することがない、という利点があ
る。

【００２８】なお、図６では散乱光を３方向に分離して
３つのイメージセンサで受光した例を示したが、分離お
よびイメージセンサの数は任意であり、用いるイメージ
センサの数をｎ、その素子の配列ピッチをｄとすれば、
これらのイメージセンサを相対的にｄ／ｎずつずらすこ
とによって、上記と同等の作用効果を奏することができ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定試料からの散乱光を受光してスペックルパターン
データを得るためのイメージセンサを、演算部に１フレ
ーム分の出力を取り込むごとに、計測すべき変位方向に
素子の配列ピッチよりも細かい距離ずつ移動させ、その
移動ごとの位置で得られるフレームデータの複数個を用
いて１つのフレームデータを合成することにより、素子
の配列ピッチよりも空間分解能の高いスペックルパター
ンデータを得て、その合成後のデータを用いてスペック
ルパターンの移動量を算出するから、イメージセンサの
各素子の配列ピッチよりも細かい分解能の変位情報を得
ることができ、従来のこの種の変位計で常用されている
補間演算との併用によって、従来よりも大幅に高分解能
の変位情報が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の構成を示す模式図

【図２】本発明実施例の各部の動作タイミングを示すタ
イムチャート

【図３】本発明実施例によるフレームデータの合成の仕
方の模式的説明図

【図４】本発明の他の実施例の要部構成を示す模式図

【図５】本発明の更に他の実施例の要部構成を示す模式
図

【図６】本発明の更にまた他の実施例の要部構成を示す
模式図

【符号の説明】

１ 照射光学系 １ａ 半導体レーザ １ｂ シリンドリカルレンズ ２ 集光レンズ ３ イメージセンサ ４ センサドライバ ５ 演算部 ６ ロバーバル機構 ７ 架台 ８ ピエゾアクチュエータ ９ ピエゾドライバ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定試料にレーザ光を照射する手段
   と、そのレーザ光の被測定試料からの散乱光を受光する
   複数の素子からなるイメージセンサと、そのイメージセ
   ンサからの出力を用いて、散乱光に含まれるスペックル
   パターンの刻々の移動量を算出することにより被測定試
   料の変位情報を得る演算手段を備えた変位計において、
   上記イメージセンサの１フレーム分の出力を取り込むご
   とに、当該イメージセンサを、計測すべき変位方向に素
   子の配列ピッチよりも細かい距離ずつ移動させる手段を
   有し、上記演算手段は、その移動ごとの位置で得られる
   フレームデータの複数個を用いて１つのフレームデータ
   を合成し、その合成結果を上記移動量の算出に供するこ
   とを特徴とする非接触変位計。