JPH02297006A - 物体の変位測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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対象物体粗面からの拡散
光によって生じるスペックルパターンを利用して、移動
物体の変位量や所定の変位発生時点を測定する方法、及
びその装置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５９−５２
９６３号、Ｊ　、　Ｐ　ｈｙｓ、　Ｅ　：　Ｓ　ｃｉ、
　Ｉ　ｎｓｔｒｕｍ、　１９゜１９８６）。

該測定方法は、測定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を配置し、該セン
サ出力に基づいて、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、スペックルパターンの移
動量が、前記相互相関関数のピーク値の位置として得ら
れる。

（解決しようとする課題） ところが、従来の方法に於いては、変形前後の２つのス
ペックルパターンの相互相関にのみ基づいて測定が行な
われるから、測定精度の保証される変形範囲が、両スペ
ックルパターンにある程度の相関性が維持される範囲内
に限定される。

従って、従来の変形測定方法を応用して、移動物体の変
位量を測定する場合、変位量がレーザビームの直径より
も大きくなると、移動前後の２つのスペックルパターン
の間には全く相関がなくなり、測定が不可能となる。又
、変位量がビーム径よりも小さい場合に於いても、変位
量が大きくなるにつれて、測定精度が低下する問題が生
じる。

本発明の目的は、変位量の大小に拘わらず、精度の高い
測定が可能な移動物体の変位測定方法及び装置を提供す
ることである。

（課題を解決する為の手段） 本発明に係る移動物体の変位測定方法は、実際の測定前
にレーザビームを移動物体に照射する走査ステップと、
その後、実際の測定時にレーザビームを移動物体に照射
する実測ステップの２つのステップから構成される。

走査ステップに於いては、移動物体（２）の表面にレー
ザビームを照射して、該移動物体（２）に対向した観測
面にスペックルパターンを形成し、該スペックルパター
ンをイメージ信号に変換し、移動物体（２）の変位に伴
って変化するイメージ信号を、移動物体（２）の変位量
と対応づけて、メモリ（６）の複数の格納部に順次格納
する。

実測ステップに於いては、観測面に現れるスペックルパ
ターンのイメージ信号と、メモリ（６）の各格納部に格
納されている複数のイメージ信号との相互相関関数を順
次算出し、最も大きな相関ピーク値が得られるイメージ
信号のメモリ（６）内の格納位置に基づいて、移動物体
（２）の変位を測定する。

又、本発明に係る物体の変位測定装置は、測定対象とな
る物体の表面に向けてレーザビームを照射するレーザ発
生源と、物体表面からの拡散反射光を受光し得る位置に
配置され該拡散反射光のスペックルパターンを検出する
イメージセンサ−（３）と、該イメージセンサ−（３）
から得られるイメージ信号を、スペックルパターンの相
関性が維持されるピッチで、物体のレーザビーム照射位
置と対応づけて格納する複数の格納部を有するメモリ（
６）と、物体変位測定時に得られる実測イメージ信号と
前記メモリ（６）に格納されている複数の走査イメージ
信号とを次々と照合して相互相関関数を表わす信号を出
力する相関器（７）と、イメージセンサ−（３）を選択
的に相関器（７）又はメモリ（６）へ接続する切換えス
イッチ（５）と、相関器（７）の出力信号に演算処理を
施して物体の変位に応じた信号を出力する演算処理回路
（８）とから構成される。

（作　用） 本発明に係る測定方法に於いて、変位測定時には、物体
（２）の移動につれて観測面に現れるスペックルパター
ンが変化し、変化中の一時点におけるスペックルパター
ンのイメージ信号と、メモリ（６）内に既に格納されて
いる複数のスペックルパターンのイメージ信号との間の
相互相関関数が順次、算出される。

この際、相互相関関数の算出の対象となったイメージ信
号の格納位置に対応する物体の変位量と、測定時点にお
ける物体の実際の変位量との間に大きな差がある場合は
、相互相関関数のピーク値は小さく、前記差が小さい場
合には、相互相関関数のピーク値は大きくなる。

従って、最も大きな相関ピーク値が得られた場合のイメ
ージ信号の格納位置に対応する物体変位量が、測定時点
における物体の実際の変位量を表わすことになる。

又、本発明に係る測定装置を用いて上記測定方法を実施
する場合は、先ずスイッチ（５）をメモリ（６）側に切
り換えた状態で、対象物体の表面をレーザビームにて走
査すると、これに伴って変化するスペックルパターンの
走査イメージ信号が順次メモリ（６）に格納され、本発
明の測定方法における走査ステップが実行される。

その後、変位測定時には、スイッチ（５）を相関器（７
）側に切換えた状態で、対象物体の表面にレーザビーム
を照射すると、相関器（７）による相互相関関数の算出
、演算処理回路（８）による物体変位に応じた信号の作
成が行なわれ、本発明の測定方法における実測ステップ
が実行される。

（発明の効果） 本発明に係る移動物体の変位測定方法及び装置によれば
、物体の移動量がビームスポット径を超える場合に於い
ても、前記走査ステップにおけるレーザビームの走査範
囲に応じて測定範囲を拡大することが出来、この場合、
メモリにイメージ信号として格納すべきスペックルパタ
ーンの間隔を可及的に小さくすることにより、測定精度
を上げることが可能である。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明の実施例について説明する。

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図は、本発明の測定方法を用いて移動物体（２）の
平行移動量を測定するための装置構成を示している。

移動物体（２）に対向して、レーザ駆動回路（１１）に
よって駆動される半導体レーザ（１）が配備されている
。該半導体レーザ（１）から出射されたレーザ光はビー
ム拡大レンズ（１２）を経て、移動物体（２）の表面に
所定のビーム径（例えば１　＋＋ｏｎ）のレーザビーム
となって照射される。

又、移動物体（２）のレーザ照射面（２１）に対向して
、拡散反射光を受は得る位置に一次元イメージセンサ（
３）が配置される。該イメージセンサ（３）は、例えば
１０２４個のＣＣＤ（電荷結合素子）を移動物体（２）
の移動方向Ｘに沿ってピッチ１４μｍで一次元に配列し
たものであって、これによってスペックルパターンの観
測面が形成される。

尚、−次元イメージセンサ（３）としては、フォトダイ
オードを配列したものも使用可能で、ある。

−次元イメージセンサ（３）にて光電変換されたイメー
ジ信号は、測定回路（４）に装備した増幅器（４１）を
経てＡ／Ｄ変換器（４２）へ送られ、８ビツトのデジタ
ル信号に変換される。

前記デジタル信号は、切換えスイッチ（５）の入力端へ
接続され、該スイッチの一方の出力端ａはメモリ（６）
のデータ入力ポートへ接続される。又、メモリ（６）の
データ出力ボート及び前記切換えスイッチ（５）の他方
の出力端は、相関器（７）へ接続される。

前記メモリ（６）は、Ａ／Ｄ変換器（４２）から送られ
てくる移動物体（２）の−走査点におけるデジタル信号
を格納すべき１０２４バイトの格納部を、第１番地から
第Ｎ番地（Ｎ　＝　６００）まで具えている。該メモリ
（６）への信号の書込み及び信号の読出しは、アドレス
切換え回路（６Ｉ）によって後述の如く制御される。

又、前記相関器（７）は、メモリ（６）から読み出され
たー走査点のスペックルパターンを表わすデジタル信号
と、Ａ／Ｄ変換器（４２）から切換えスイッチ（５）を
経て送られてくる一測定点におけるスペックルパターン
を表わすデジタル信号との相互相関関数をリアルタイム
で計算するものである。

前記Ａ／Ｄ変換器（４２）及びアドレス切換え回路（６
１）の動作タイミングは制御回路（４３）によって後述
の如く制御される。

相関器（７）から得られる相互相関関数の計算結果はマ
イクロコンピュータ等からなる演算処理回路（８）へ送
られる。該演算処理回路（８）は、前記計算結果とアド
レス切換え回路（６１）から送られてくる後述のアドレ
スデータとに基づいて、移動物体（２）の移動量に応じ
た信号を出力するものである。

以下、上記変位測定装置を用いた測定方法と、前記各回
路の動作について説明する。

Ｌ麦五ヱ二プ 先ず、実際の変位測定の前に、移動物体（２）をその全
移動範囲に亘って一定速度で移動させつつ、移動物体（
２）に半導体レーザ（１）からのレーザビームを照射し
て、レーザ照射面（２１）からの拡散反射光によって形
成されるスペックルパターンをイメージ信号として、メ
モリ（６）に順次格納する走査ステップが実行される。

この際、切換えスイッチ（５）はａ側に切換えられる。

この過程でＡ／Ｄ変換器（４２）は、制御回路（４３）
の制御により一定周期で増幅器（４１）からのイメージ
信号をデジタル信号に変換し、該デジタル信号を切換え
スイッチ（５）を経てメモリ（６）へ供給する。

又、アドレス切換え回路（６１）は、制御回路（４３）
の制御により前記Ａ／Ｄ変換器（４２）の動作周期に同
期して、メモリ（６）のデータ格納アドレスを第１番地
から第Ｎ番地まで順次切り換える。

この結果、切換えスイッチ（５）を経て一定周期でメモ
リ（６）へ供給されるデジタル信号は、第３図に示すメ
モリ（６）内の第１番地から第Ｎ番地までの格納部（Ｍ
ｌ、Ｍｌ、・・・Ｍｉ、・・・Ｍｎ）へ順次格納される
ことになる。

この様にしてメモリ（６）内に格納された複数のデジタ
ル信号（Ｆｌ、Ｆ２、−Ｆ　ｉ、　＋＋　Ｆ　ｎ）は、
第３図の如くレーザ照射面（２１）上に互いに重なって
一定ピッチ（例えば０　、５　ｍｍ）で形成されるＮ個
の走査スポット領域（Ａ、、Ａ８、・・・Ａｉｌ・・・
Ａｎ）の粗面状態に対応して、夫々固有のスペックルパ
ターンを表わすことになる。

尚、上述の走査ステップは、物体（２）を静止させた状
態で、光源及びイメージセンサからなる測定系を物体移
動方向に沿って移動させることによっても可能である。

又、第３図に示す走査スポット領域（Ａｔ、Ａ２、・・
・Ａｉｌ・・・Ａｎ）を、スポット径よりも小なる所定
の間隔に設定する方法として、測定対象物体と測定系と
の相対速度が一定の場合は、前述の如く一定周期でメモ
リへの書込み動作を行なう方法が採用出来るが、例えば
測定系を手動で移動させる場合の如く、前記相対速度が
一定しない場合は、次の様な方法が採用可能である。こ
の場合、第１図の如くスイッチ（５）の切換えを制御す
る切換え制御回路（５１）を装備する。

先ず第１図の切換えスイッチ（５）をａ側に切り換え、
この状態で第１番目のスポット領域Ａ１にレーザビーム
を照射する。これによって該領域のスペックルパターン
がメモリ（６）の第１番地に格納される。

その後、切換え制御回路（５１）によってスイッチ（５
）がｂ側に切り換えられ、この状態でレーザ照射位置を
徐々に移動させる。これによって、実測スペックルパタ
ーンと前記メモリ内の第１番地の走査スペックルパター
ンとの相関関数が繰り返し計算され、この結果得られる
相関ピーク値が所定値を下回る時点、即ち両スペックル
パターンの相関がとれ難くなる前の時点が検出される。

又、このときの相関ピーク位置からレーザ照射位置の変
位量が計算される。

これと同時に切換え制御回路（５１）によってスイッチ
（５）がａ側に切り換えられ、Ａ／Ｄ変換器（４２）か
ら得られるイメージデータを、第３図の第２番目の走査
スポット領域Ａ、のスペックルパターンとしてメモリ（
６）の第２番地に格納すると共に、前記レーザ照射位置
の変位量の計算結果を記憶する。

以後同様に、最新にメモリへ格納されたスペックルパタ
ーンを基準として、相関ピーク値の低下により、次の走
査スポット領域となるべき位置が検知されると共に、該
走査スポット領域と直前の走査スポット領域との間隔を
記憶する動作が繰り返される。

この結果、第３図の各走査スポット領域（ＡＩ、Ａ３、
・・・Ａｉｌ・・・Ａｎ）のスペックルパターンがメモ
リ内に設定されると共に、各走査スポット領域の間隔が
記憶されることになる。

尚、上記走査ステップに於いて、相関性が維持され難く
なる直前の時点を検出し、単にその時点のスペックルパ
ターンを記憶する動作を繰り返すことによっても、略一
定ピツチで第３図の走査スポット領域（Ａ　ｉ、Ａ　ｘ
、・・・ＡＩ５・・・Ａｎ）が設定されるから、走査ス
ポット領域の変位量の算出は必ずしも必要でない。即ち
、走査ステップにおける全走査長とメモリに格納される
スペックルパターンの数から、走査スポット領域の間隔
（ピッチ）を近似値として算出するのである。

裏貞しヒーＬブ 次に移動物体（２）の移動量の実測ステップに移る。こ
の際、切換えスイッチ（５）は第１図の如くｂ側に切り
換えられ、相関器（７）及び演算処理回路（８）が更に
動作状態に設定される。

例えば移動物体（２）がある変位量だけ移動し、第３図
の如く、レーザビームが照射面（２１）上のスポット領
域Ａｉ′を照射した時点で、該変位量を測定する場合、
第１図の一次元イメージセンサ（３）から増幅器（４１
）を経てリアルタイムで得られるイメージ信号は、Ａ／
Ｄ変換器（４２）にてデジタル信号に変換された後、切
換えスイッチ（５）を経て相関器（７）へ送られる。

一方、アドレス切換え回路（６１）の動作によって、メ
モリ（６）からは、第３図の如く第１番地の格納部Ｍ１
から第Ｎ番地の格納部Ｍｎに格納されているデジタル信
号（Ｆ、、Ｆ２、・・・Ｆｉｌ・・・Ｆｎ）が順次読み
出され、相関器（７）へ一定周期で送られる。

相関器（７）は、前記切換えスイッチ（５）を経て供給
されたデジタル信号Ｇと、前記メモリ（６）から送られ
てくるデジタル信号との相互相関関数を順次計算し、計
算結果を次々と第１図の演算処理回路（８）へ送り出す
。

演算処理回路（８）は、相関器（７）から送られてきた
Ｎ個の相関関数の内、最大の相関ピーク値が得られた相
関関数を選択し、該相関関数の計算の対象となったメモ
リ（６）内のデジタル信号Ｆｉの格納アドレスを、アド
レス切換え回路（６１）からのアドレスデータによって
検知する。

ここで最大の相関ピーク値が得られた相関関数の計算の
基礎となったスペックルパターンは、実際にレーザビー
ムが照射されている測定スポット領域Ａｉ′　と重なり
且つ最も重複面積の大きい走査スポット領域Ａｉについ
てのスペックルパターンである。従って、前記デジタル
信号Ｆｉの格納アドレスに対応する走査スポット領域の
位置として、測定スポット領域Ａｉ′の位置を前記走査
スポットピッチ（０、５ｍｍ）から一定誤差範囲内で割
り出すことが出来る。

尚、前述の如く走査ステップにて、各走査スボット領域
の間隔が測定され記憶されている場合、或は該間隔の近
似値が判明している場合は、実測開始以後のスポット領
域間隔を読み出して積算することによって、測定スポッ
ト領域Ａｉ′の位置を算出することが可能である。

又、演算処理回路（８）は、最大の相関ピーク値が得ら
れた相互相関関数の分布から、第５図に示すピーク位置
δを求め、該ピーク位置δに基づいて、第４図に示す走
査スポット領域Ａｉと測定スポット領域Ａｉ′　との位
置ずれΔＸを算出する。

更に演算処理回路（８）は、前記走査スポット領域Ａｉ
の位置として割り出された移動量の計算結果に対し、前
記位置ずれΔＸに基づく補正を施すことにより、測定ス
ポット領域Ａｉ′の位置、即ち移動物体（２）の移動量
を正確に計算し、その結果を出力する。

前記出力信号は、例えば表示器（図示省略）へ供給して
、移動量をデジタル表示することが可能である。

又、上記測定装置をロボットアーム等の自動位置決め装
置に応用する場合は、演算処理回路（８）によって第５
図に示す位置ずれδが零になった時点を検知して、該検
知信号を制御対象となるモータ駆動回路等へ供給すれば
、高精度の位置決めが可能となる。

尚この場合、走査ステップにて、位置決めの目標となる
各位置に夫々走査スポット領域を設定しておくことによ
り、演算処理回路（８）は、最大の相関ピーク値が所定
値を上回った時点、例えば正規化された相関ピーク値が
略１となった時点で、該相関ピーク値算出の基礎となっ
たイメージ信号のメモリ（６）内の格納位置に応じた出
力信号を発生すれば可く、第５図に示すピーク位置のず
れに基づく移動量の算出は省略出来る。

本発明に係る変位測定方法によれば、前記走査ステップ
を１回実行すれば、その後は実測ステップのみを実行す
ることにより、移動物体（２）に対して特別なスケール
等を取り付けることなく、然も非接触にて、移動物体（
２）の変位をリアルタイムで測定出来る。この際、第３
図に示す走査スポット領域のピッチを可及的に小さくす
ることによって、測定精度を上げることが出来る。

尚、図面及び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、第１図の一次元イメージセンサ（３）を二次元
イメージセンサに置き換えれば、物体（２）の二次元方
向の変位量を測定することが可能である。

又第２図に示す様に、ドラム状の回転物体（２３）の外
周面（２４）にレーザビームを照射すれば、該回転物体
（２３）の回転角度を測定することが出来、これによっ
てロータリーエンコーダを構成することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る変位測定装置の構成例を示す図、
第２図は変位測定装置の他の構成例を示す図、第３図は
実測ステップでの装置動作を説明する図、第４図はビー
ムスポットの位置ずれを示す図、第５図は相関器から得
られる相互相関関数を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］測定の対象となる物体（２）の表面をレーザビー
   ムにて物体移動方向に走査し、該物体（２）のレーザ照
   射面（２１）に対向した観測面に現れるスペックルパタ
   ーンをイメージ信号に変換し、前記走査に伴って変化す
   るイメージ信号を、前記レーザ照射面（２１）上のレー
   ザビームの照射位置と対応づけてメモリ（６）の複数の
   格納部に順次格納した後、物体（２）の変位測定時に、
   前記観測面に現れるスペックルパターンのイメージ信号
   と、前記メモリ（６）の各格納部に格納されている複数
   のイメージ信号との相互相関関数を算出し、最大の相関
   ピーク値が得られるイメージ信号のメモリ（６）内の格
   納位置に基づいて、物体（２）の変位を検知することを
   特徴とする物体の変位測定方法。 ［２］測定対象物体（２）の表面をレーザビームにて走
   査する過程で、観測面に現れる１時点のスペックルパタ
   ーンをメモリ（６）に格納した後、該スペックルパター
   ンと、その後の走査に伴って変化するスペックルパター
   ンとの相互相関関数を繰り返し算出し、相関ピーク値が
   所定値を下回った時点で、レーザビームが照射している
   位置のスペックルパターンをメモリ（６）内の次の格納
   位置に格納する動作を繰り返して、メモリ（６）内に順
   次スペックルパターンを記憶する特許請求の範囲第１項
   に記載の変位測定方法。 ［３］移動物体（２）の変位測定時に、最大の相関ピー
   ク値が得られるイメージ信号のメモリ（６）内の格納位
   置に基づいて、移動物体（２）の移動量を一定の誤差範
   囲内で検知し、更に前記イメージ信号と観測面に現れる
   スペックルパターンのイメージ信号との相互相関関数の
   ピーク位置を検知し、前記両検知に基づいて、移動物体
   （２）の変位量を高精度で算出する特許請求の範囲第１
   項に記載の変位測定方法。 ［４］移動物体（２）の変位測定時に、最大の相関ピー
   ク値が所定値を上回った時点で、該相関ピーク値算出の
   基礎となったイメージ信号のメモリ（６）内の格納位置
   に応じた出力信号を発生し、該出力信号は、物体（２）
   の自動位置決めを行なう為の制御信号として利用する特
   許請求の範囲第１項に記載の変位測定方法。 ［５］測定対象となる物体の表面に向けてレーザビーム
   を照射するレーザ発生源と、物体表面からの拡散反射光
   を受光し得る位置に配置され該拡散反射光のスペックル
   パターンを検出するイメージセンサー（３）と、該イメ
   ージセンサー（３）から得られるイメージ信号を、スペ
   ックルパターンの相関性が維持されるピッチで、物体の
   レーザビーム照射位置と対応づけて格納する複数の格納
   部を有するメモリ（６）と、物体変位測定時に得られる
   実測イメージ信号と前記メモリ（６）に格納されている
   複数の走査イメージ信号とを次々と照合して相互相関関
   数を表わす信号を出力する相関器（７）と、イメージセ
   ンサー（３）を選択的に相関器（７）又はメモリ（６）
   へ接続する切換えスイッチ（５）と、相関器（７）の出
   力信号に演算処理を施して物体の変位に応じた信号を出
   力する演算処理回路（８）とから構成される物体の変位
   測定装置。