JPH08261730A - 非接触変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ光の利用効率を低下させることなく、
レーザ光源数を増やすことなく、簡単な構成のもとに広
い範囲にわたって均一な強度のレーザ光を被測定試料に
照射することができ、安価で広い測定範囲を持つ高性能
の非接触変位計を提供する。 【構成】 レーザ光を広げるための光学系２と被測定試
料Ｗとの間に、光学系２を経たレーザ光が持つ空間強度
分布と逆の空間的な光透過率分布を持つ減光フィルタ５
を介在させることで、被測定試料Ｗに向かうレーザ光を
一様な強度分布を持つものとし、被測定試料Ｗからの散
乱光を受光するイメージセンサ３の出力を、全チャンネ
ルにわたり充分なコントラストのもとにスペックルパタ
ーンを表す信号とする。

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。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、更に、多点の変位量に基づく歪分布情報
をも含む。

【０００２】

【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。

【０００３】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。

【０００４】また、スペックルパターンを利用した測定
原理を用いて、被測定試料の２箇所におけるスペックル
パターンの移動量を求めるとともに、その差を算出する
と、その２箇所間における被測定試料の伸びまたは縮み
量を求めることができ、例えば材料試験機の試験片の伸
びの測定等にも適用することができる。

【０００５】ところで、以上の応用例のように、例えば
材料試験機における試験片の伸びを測定する場合、「伸
び」とは、試験片に当初に設定した２つの標点間の距離
が、試験後ないしは試験の進行に伴ってどのように変化
したかを表す率であるため、伸びの測定に際しては、試
験片に当初に設定した２つの観察点（標点）を、試験片
の変形に応じて追尾していく必要がある。このような標
点を追尾する方式として、本発明は既に、レーザ光の各
照射位置を、各観察点（標点）の移動量の計測結果に基
づいて段階的に変化させていく方式と、レーザ光源から
のレーザ光をシリンドリカルレンズ等の光学系を用いて
試験片の伸び方向に１次元状に広げ、被測定試料に対し
てライン状のレーザ光を照射するとともに、そのライン
状の照射領域からの散乱光を１次元イメージセンサで受
光し、そのイメージセンサの各チャンネルの出力のう
ち、試験片表面において互いに所定距離だけ離れた２箇
所に対応する各複数チャンネル分の出力を観察点（標
点）データとして採用するとともに、その各観察点（標
点）データに基づく各観察点（標点）の移動量の計測結
果に基づいて、観察点（標点）データとして採用するチ
ャンネルを段階的に変化させていく方式を提案してい
る。

【０００６】このような各提案のうち、後者の提案は、
レーザ光の照射位置を追尾させることなく、データの演
算上で観察点（標点）を追尾することから、前者の提案
に比して、レーザ光の照射位置を変化させるためのメカ
ニズムが不要であるが故にコスト的に有利であるととも
に、追尾用のメカニズムの動作の誤差に起因する測定誤
差が生じないという利点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した例
のように、被測定試料の表面へのレーザ光の照射領域を
スポット状とせずにライン状、あるいは面状等にする場
合には、レーザ光源からの出力光をレンズ等の光学系に
よって所望するビーム断面形状に広げる必要がある。こ
の場合、レーザからの出力光は、一般に光軸を中心とし
てガウス分布をしているため、光学系により広げられた
ビームにもこれに準じて空間的な強度分布が生じる。こ
の強度の差は、ビームを広げれば広げるほど顕著とな
る。

【０００８】図６は、半導体レーザ６１からの出力光を
コリメータレンズ６２および２つのシリンドリカルレン
ズ６３ａ，６３ｂからなるビームエキスパンダ６３によ
ってライン状に広げて被測定試料Ｗの表面に照射したと
きの照射光の強度分布の説明図で、照射光の空間強度分
布は、半導体レーザ６１からの出力光の強度分布に準じ
て、その光軸を中心としたガウス分布となり、広い領域
にわたって均一な照射光強度が得られない。そのため、
被測定試料Ｗの表面による散乱光も照射光の強度分布に
準じた分布を持つことになり、そこに含まれるスペック
ルパターンも均一な強度分布を持たない。このような散
乱光を１次元イメージセンサで検出すると、その出力
は、図７に例示するうように、端部のチャンネルの信号
にある程度のコントラストを得るべく照射光強度を設定
すると、中央部のチャンネルにおいて入射光強度が強す
ぎて飽和してしまい、逆に中央部の飽和をなくそうとす
れば、端部の信号が微弱となって良好なスペックルパタ
ーンデータを得ることができなくなる。

【０００９】このような問題を解決するためには、例え
ば図８に示すように、半導体レーザ８１からの出力光の
うち、光軸を中心とする、強度分布の少ない光のみを用
いて照射光を形成するか、あるいは、図９に示すよう
に、複数の半導体レーザ９１およびこれらに専用の光学
系９２を照射光の広がり方向に並べて、個々の半導体レ
ーザの出力光をあまり広げることなく、各出力光をつな
ぎあわせて全体として長いライン状のビームとして被測
定試料に照射すればよい。しかし、前者の方法では、レ
ーザ光の利用効率が悪く、所望の散乱光強度を得るため
により高パワーの半導体レーザが必要となり、安全面並
びにコスト面で問題があり、また、後者の方法では、半
導体レーザ並びにそれに付随する光学素子の数が増える
分だけコストアップになるという問題がある。

【００１０】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、特にレーザ光の利用効率を悪くすることなく、
また、レーザ光源の数を増やすことなく、被測定試料に
対して広い範囲にわたって均一な強度のレーザ光を照射
することができ、もって安価で、しかも広い測定範囲を
持つ高性能の非接触変位計を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明の非接触変位計は、レーザ光源１からの出
力光を所定の広がりを持たせた状態で被測定試料Ｗの表
面に照射するための光学系２と、そのレーザ光の被測定
試料Ｗの表面からの散乱光を受光するイメージセンサ３
と、そのイメージセンサ３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４を
備えた変位計において、光学系２と被測定試料Ｗの表面
との間に、この光学系２を経た光の空間強度分布と逆の
空間的な光透過率分布を持つ減光フィルタ５を設けたこ
とによって特徴づけられる。

【００１２】

【作用】本発明は、主としてレーザ光源１からの出力光
が持つ空間強度分布に起因して発生する、光学系２を経
た被測定試料Ｗへの照射光が持つ空間強度分布を、透過
率に空間的な分布を持たせた減光フィルタ５を通過させ
ることで解消しようとするものである。

【００１３】すなわち、図３に示すように、光学系２と
被測定試料Ｗの表面との間に、光学系２を経たレーザ光
が持つ空間強度分布と逆の空間的な透過率分布を持つ減
光フィルタ５を介在させて、光軸近傍の強度の高い部分
については低い透過率のもとに透過させ、周辺の強度の
低い部分については高い透過率のもとで透過させること
によって、被測定試料Ｗに向かうレーザ光を均一な強度
のものにすることができる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明実施例の構成を示す模式図であ
る。レーザ光源である半導体レーザ１からの出力光は、
コリメータレンズ２１と、２つのシリンドリカルレンズ
２２ａ，２２ｂによって構成されたビームエキスパンダ
２２とからなる光学系２により、測定すべき変位方向で
ある図中上下方向に１次元状に広げられた後、被測定試
料Ｗの表面にライン状に照射される。この照射光の被測
定試料Ｗの表面からの散乱光は、集光レンズ３ａによ
り、同じく測定すべき変位方向である上下方向に沿って
各チャンネルが並べられた複数チャンネルの１次元イメ
ージセンサ３の受光面上に結像される。なお、図１にお
いては、説明の簡単化のためにイメージセンサ３を傾斜
させて図示しているが、実際にはこのイメージセンサ３
は被測定試料Ｗの表面と平行で、かつ、その各チャンネ
ルは測定すべき変位方向に伸びており、照射光に対して
は図に直交する方向に所定の角度を開けて配置されてい
る。

【００１５】イメージセンサ３の各チャンネルからの出
力は、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４に刻々と取り込まれる。演算部４では、
イメージセンサ３の各チャンネルからの出力のうち、被
測定試料Ｗの表面において測定すべき変位（伸び）方向
に所定の距離を隔ててあらかじめ設定された２つの観察
点領域に対応する各複数チャンネルずつのデータを用い
て、それぞれの観察点からの刻々のデータの相互相関関
数を演算することにより、各観察点のスペックルパター
ンの移動量を算出するとともに、その両者の移動量の差
から、被測定試料Ｗの観察点間の伸びを算出する。ま
た、このような測定動作中において、各観察点のスペッ
クルパターンの移動量が規定量に達するごとに、観察点
として用いるチャンネルを順次その移動方向にシフトす
ることにより、各観察点を演算上において追尾し、この
追尾を行った場合には、その追尾量についても各観察点
のスペックルパターンの移動量とともに伸びの算出に供
するようになっている。

【００１６】さて、本発明実施例の特徴とするところ
は、光学系２の最終段であるシリンドリカルレンズ２２
ｂと被測定試料Ｗとの間に、以下に示すように位置によ
って透過率が変化する減光フィルタ５が設けられている
点である。

【００１７】すなわち、この減光フィルタ５は、図２
（Ａ）に模式的に示すように、例えばガラス基板５ａの
一面に金属蒸着膜５ｂを形成したもので、その金属蒸着
膜５ｂは中心ほど厚く、両端に向かうほど薄くなってお
り、これにより、この減光フィルタ５の光透過率は同図
（Ｂ）に示すように、中心ほど低く、両端ほど高くなる
ような分布を持っている。そして、このような透過率分
布を持つ減光フィルタ５が、その中心が光学系２の光軸
上に位置するように配置されている。

【００１８】以上のような本発明実施例によると、図３
に照射光成形系の各部における光強度分布並びに減光フ
ィルタ５の透過率分布を示すように、光学系２によりラ
イン状に広げられ、かつ、半導体レーザ１の出力光分布
に準じて光軸を中心とするガウス分布様の強度分布を持
つレーザ光は、減光フィルタ５を通過することによっ
て、ほぼ全領域にわたってほぼ一様な強度を持つライン
状のレーザ光に変換される。その結果、被測定試料Ｗの
表面による散乱光も空間的にほぼ一様な強度分布を持つ
ものとなり、これを受光するイメージセンサ３の各チャ
ンネルの出力は、図４に例示するようにベースラインが
ほぼ一様なものとなって、飽和等を生じることなく、全
域にわたって良好なコントラストのもとにスペックルパ
ターンを表す信号となる。

【００１９】なお、減光フィルタ５の金属蒸着膜５ｂの
厚さは、必ずしも図２に示すように滑らかに変化してい
る必要はなく、図５（Ａ）に示すように段階的に変化し
ていてもよく、この場合、同図（Ｂ）に示すような光透
過率分布を持つことになるが、このような光透過率分布
でも、イメージセンサ３の出力の飽和をなくして全チャ
ンネルで充分なコントラストのもとにスペックルパター
ンを表す信号を得る、という本発明の目的を達成するこ
とができる。このような段階的な厚さを持つ金属蒸着膜
は、例えば同図（Ｃ）に示すように、ガラス基板５ａか
ら蒸着マスク１００を所定距離だけ離した状態で、基板
５ａの表面法線に対して所定角度傾斜した２方向から金
属を蒸着すればよい。

【００２０】また、以上の実施例では、被測定試料Ｗに
対して１次元状に広げたレーザ光を照射する場合につい
て述べたが、本発明は、２次元状に広げたレーザ光を照
射する場合においても、全く同様に適用可能であるであ
ることは勿論である。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ光源からの出力光を光学系により所定の広がりを
持たせた状態で被測定試料に照射して、その散乱光に含
まれるスペックルパターンの移動量から被測定試料の変
位情報を得る変位計ににおいて、光学系と被測定試料と
の間に、光学系を経た光の空間強度分布と逆の空間的な
光透過率分布をもつ減光フィルタを設けることにより、
広げた後のレーザ光の空間強度分布をほぼ全域にわたっ
て一様なものとするので、散乱光を受光するイメージセ
ンサの出力がほぼ一様となり、全チャンネルにわたって
充分なコントラストでスペックルパターンを表すことに
なる。その結果、簡単で安価な構成のもとに、測定範囲
の広い高性能の非接触変位計が得られる。

【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】その減光フィルタ５の模式的構成図（Ａ）およ
び光透過率分布の説明図（Ｂ）

【図３】本発明実施例の作用説明図

【図４】本発明実施例のイメージセンサ３の出力例を示
すグラフ

【図５】本発明の他の実施例の減光フィルタの模式的構
成図（Ａ）、その光透過率分布の説明図（Ｂ）並びにそ
の製造方法の例の説明図（Ｃ）

【図６】従来装置により半導体レーザの出力光を光学系
でライン状に広げた場合の照射光の空間強度分布の説明
図

【図７】図６の構成により得られるイメージセンサの出
力例を示すグラフ

【図８】一様な空間強度分布を持つ照射光を得るための
比較例の説明図

【図９】同じく一様な空間強度分布を持つ照射光を得る
ための他の比較例の説明図

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ 光学系 ２１ コリメータレンズ ２２ ビームエキスパンダ ２２ａ，２２ｂ シリンドリカルレンズ ３ イメージセンサ ３ａ 集光レンズ ４ 演算部 ５ 減光フィルタ ５ａ ガラス基板 ５ｂ 金属蒸着膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光源からの出力光を所定の広がり
   を持たせた状態で被測定試料の表面に照射するための光
   学系と、そのレーザ光の被測定試料表面からの散乱光を
   受光す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、上記光学系
   と被測定試料表面との間に、当該光学系を経た光の空間
   強度分布と逆の空間的な光透過率分布を持つ減光フィル
   タが設けられていることを特徴とする非接触変位計。