JPH11304423A - レーザ投影法による計測器から被計測物までの非接触による前後移動距離計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 はじめに計測器から被計測物までの正確な位
置関係を把握したものを、その後の被計測物が計測器に
対して前後方向へ移動する距離を計測するのもである。 【解決手段】 被計測物、計測器間の設定離間距離が変
化する被計測物が、計測器に対して離接する移動量の計
測方法であって、移動前の被計測物と、計測器との離間
距離を基準値として、被計測物に照射する平行レーザ光
の反射光の一部を、計測器のＣＣＤ素子が捕らえ、捕ら
えた反射光の不定形粒状集合紋様（スペックルパター
ン）中、任意選択した複数の粒状紋様の各々重心点を結
ぶ距離を採択し、該採択距離と、前記離間距離を１対１
の関係に設定し、計測器におけるＣＣＤカメラの光軸方
向の前あるいは後方向に移動する被計測物と、移動する
該計測物のレーザ反射光における前記不定形粒状集合紋
様の各々の大形あるいは小形に相似移形による前記採択
距離の変化倍率により、被計測物の基準値からの移動量
を演算により計測値を表示することができるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ光を利用
して計測器に対して前後動する被計測物の移動量を計測
する非接触計測方法に関するものである。

【０００２】

【技術的背景】この発明は、被計測物にレーザ光を照射
し、反射光である不定形粒状集合紋様（スペックルパタ
ーンと称されている。）の一部をＣＣＤ素子で撮像し、
これを標識として、演算処理することにより、ＣＣＤ素
子と被計測物とを結ぶ線上の前後方向の移動量を測定値
として出力表示するものである。

【０００３】

【従来の技術】被計測物の前後方向の移動量の計測手段
中、非接触方式としては、被計測物に既知のマークや標
識を付加し、ＣＣＤカメラで撮影されたマークや標識の
縮尺・拡大寸法からＣＣＤカメラより被計測物までの距
離を計測していたものである。

【０００４】既知のビーム径によるレーザ光を被計測物
に照射し、ＣＣＤカメラでビーム径を撮影することによ
り、径の変化から被計測物までの距離を計っていた。

【０００５】また、光や音波の伝播速度を利用した方法
があり、例えば被計測物にレーザ光を照射し、反射光を
受光するまでの時間から距離を計測していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来の技術に
おいて、特別なマークや標識を被計測物に付加する必要
があり、また、レーザビーム径による計測方法は、光の
回析現象によりビーム輪郭が明確にならず、これらをレ
ンズで補正するために光学系が複雑化する。

【０００７】また、音波は周囲の雑音や温度に影響さ
れ、光や電波は伝播速度が３０万キロ／秒と早く、数メ
ートル以内の距離測定には実用的ではない。

【０００８】この発明は、上記の課題を解決する目的と
して、被計測物に照射されたレーザ反射光の解析によ
り、計測器から被計測物までの移動距離を非接触で計測
する方法を提供するにある。

【０００９】また、この発明は、はじめに計測器から被
計測物までの正確な位置関係を把握したものを、その後
の被計測物が計測器に対して前後方向へ移動する距離を
計測する方法を提供するにある。

【００１０】またこの発明は、被計測物にレーザ光を照
射した場合に、その反射光に現れる数多の不定形粒状集
合紋様（スペックルパターン）を利用し、無数の該不定
形粒状集合紋様のうち、少なくとも、２粒の任意の粒状
紋様を選択し、これらの粒状紋様を結ぶ最短距離が被計
測物の移動に伴う変化量によって、計測器から被計測物
までの移動変化距離を計測しようとする方法を提供する
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成させるための手段として、被計測物、計測器間の
設定離間距離が変化する被計測物が、計測器に対して離
接する移動量の計測方法であって、移動前の被計測物
と、計測器との離間距離を基準値として、被計測物に照
射する平行レーザ光の反射光の一部を、計測器のＣＣＤ
素子が捕らえ、捕らえた反射光の不定形粒状集合紋様
（スペックルパターン）中、任意選択した複数の粒状紋
様の各々重心点を結ぶ距離を採択し、該採択距離と、前
記離間距離を１対１の関係に設定し、計測器におけるＣ
ＣＤカメラの光軸方向の前あるいは後方向に移動する被
計測物と、移動する該計測物のレーザ反射光における前
記不定形粒状集合紋様の各々の大形あるいは小形に相似
移形による前記採択距離の変化倍率により、被計測物の
基準値からの移動量を演算により計測値を表示すること
ができるようにしたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】被計測物に単色光で高輝度な指向
性の優れたレーザ光を照射すると、該レーザ光は反射す
る。

【００１３】反射光は照射された被計測物の表面の粗面
状態に基づき、数多で、かつ、不定形な粒状の集合紋様
を呈する。この分野にあっては前記不定形粒状集合紋様
をスペックルパターンと総称されている。

【００１４】反射光の前記不定形粒状集合紋様は、レー
ザ光照射体が透光物質あるいは極超鏡面物質以外は被照
射体の物性に係りなく、また、物性に関係ない集合紋様
を顕出する。これは、前記したように反射面の面粗度に
大きく影響されるとも考えられ、また、他方では表面の
分子構造にも由来するものではなかろうかとの考察もあ
るが、実質的には不定形粒状集合紋様ならびに箇々の単
独粒状紋は何を表明しているのかについては未だに解明
されていない。

【００１５】いずれにしても前記非反射物質を除く反射
体の物性に係わらず、ある特殊な系態のパターンを顕出
する。

【００１６】これら反射パターンの不定形粒状集合紋様
は、レーザ光の照射位置が移動すれば、これに伴う反射
面の移動によりこれら紋様のすべてが変わる無二の形態
であるが、照射位置を原位置に復帰させれば前回と同一
紋様を再現する性質があり、これら再現は経時的であっ
ても変わるものではない。

【００１７】これら、レーザ反射光の不定形粒状集合紋
様は通常、そのままでは目視することはできないので、
この反射光をＣＣＤカメラで捕らえ、目視を必要とする
場合にあってはこれを画像化するとともに、通常はこれ
を数値化して目的の表示手段に変換している。

【００１８】不定形粒状集合紋様の平均面積を決める要
素はレーザ発光波長、ビーム径および被計測物と前記不
定形粒状集合紋様を撮像するＣＣＤ素子の距離等によ
る。

【００１９】本発明は、レーザ発光波長を一定とし、ビ
ーム径は適宜な面積を有する平行光およびレンズを装着
しないことを条件として、不定形粒状集合紋様１６の個
々のうち、比較的存在性が明確なる個々の紋様の複数、
詳しくは、少なくとも２箇の個体の単独粒状紋１６ａ、
１６ａを画像処理装置１３が任意に選択させ、各々の個
体紋様の重心点２、２を選定させるとともに、各々の重
心点２、２間を、その最短距離を結ぶ線３を形成させ、
かつ、該結ぶ線３の距離を数値「１」と設定する。

【００２０】このとき、被計測物４と、該被計測物４か
らの反射光を捕らえる計測器におけるＣＣＤカメラ１２
との距離を予め正確に認識されている状態から開始する
ものであるから、この距離を「１」と設定し、被計測物
４の移動前の０位時において、ＣＣＤカメラ１２・被計
測物４間の距離「１」、前記複数紋様間の距離を設定し
た「距離１」とで１対１の正比例関係を設定する。

【００２１】このようにした前記距離の正比例関係か
ら、被計測物４とＣＣＤカメラ１２との距離に変化が生
じた際、すなわち、被計測物４がＣＣＤカメラ１２の視
野方向における前後方のいずれかの方向に移動した際
に、前記単独の粒状１６ａ間の距離も増大あるいは縮小
する。この距離の変化率は被計測物４とＣＣＤカメラ１
２間の移動距離を正比例する。

【００２２】このようなことから、被計測物の微小な移
動であってもＣＣＤ素子が捕らえた紋様間の距離の変化
を正確に認識し、かつ、これを表示できるので、ＣＣＤ
カメラ１２に対し被計測物４の実質計測不可能な微移動
であってもこれを数値的に計測することができるもので
ある。

【００２３】なお、添付した図における図１は、被計測
物の移動量を計測するために用いるレーザ光の反射光を
認識する計測器の基本概念のブロック図で、符号１１は
レーザ投光器、１２はＣＣＤカメラ、１２ａは暗視筒、
１３は画像処理装置、１４は記憶装置、１５は表示装
置、１６は不定形粒状集合紋様、１６ａ単独の粒状紋を
示すものである。

【００２４】図２は、被計測物にレーザ光５を照射し、
その反射光６をＣＣＤカメラ１２で撮像し、これを表示
装置に明暗輝度反転模様として顕した不定形粒状集合紋
様画像を通常カメラで撮影したものの複写で示すもので
ある。

【００２５】図３は被計測物４とＣＣＤカメラ１２との
位置関係の説明図を示すものである。

【００２６】図４ないし図６は不定形粒状集合紋様１６
の計測時の実施例を順を追って示すもので、図４は被計
測物４の移動開始前の基本位置関係状態にある不定形粒
状集合紋様１６画像を示すものである。

【００２７】図５は被計測物４が基本位置関係状態より
ＣＣＤカメラ１２側に３／４距離接近した状態時にある
不定形粒状集合紋様１６画像を示すものである。

【００２８】図６は被計測物４が基本位置関係状態より
ＣＣＤカメラ１２側に１／２距離まで接近した状態時に
ある不定形粒状集合紋様１６画像を示すものである。

【００２９】この発明は、ＣＣＤカメラ１２の視野方向
における前後方向への被計測物の移動量をその微細状態
から大移動まで、移動量の計測規模の範囲を大きく採る
ことができ、かつ、ミクロ単位の微細移動まで計測する
ことができるものである。

【００３０】

【発明の効果】ＣＣＤカメラの視野方向における前後動
を、該ＣＣＤカメラが捕らえたレーザ反射光の不定形粒
状集合紋様ならびに単独の粒状紋の大小移行の変化を各
重心間の距離の変化を認識するものであるから、微細な
変化をも的確に捕らえることができる効果あるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 被計測物の移動量を計測するために用いる
レーザ光の反射光を認識する計測器の基本概念のブロッ
ク図

【図２】 被計測物にレーザ光を照射し、その反射光
をＣＣＤカメラで撮像し、これを表示装置に明暗輝度反
転模様として顕した不定形粒状集合紋様画像を通常カメ
ラで撮影したものの複写で示すものである

【図３】 被計測物とＣＣＤカメラとの位置関係の説
明図

【図４】 被計測物の移動開始前の基本位置関係状態
にある不定形粒状集合紋様画像を示すものである

【図５】 被計測物が基本位置関係状態よりＣＣＤカ
メラ側に３／４距離接近した状態時にある不定形粒状集
合紋様画像を示すものである

【図６】 被計測物が基本位置関係状態よりＣＣＤカ
メラ側に１／２距離まで接近した状態時にある不定形粒
状集合紋様画像を示すものである

【符号の説明】

１ 距離 ２ 重心点 ３ 重心点を結ぶ線 ４ 被計測物 ５ レーザ光 ６ 反射光 １１ レーザ投光器 １２ ＣＣＤカメラ １２ａ 暗視筒 １３ 画像処理装置 １４ 記憶装置 １５ 表示装置 １６ 不定形粒状集合紋様 １６ａ 単独の粒状紋

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 レーザ投影法による計測器から被計測
物までの非接触による前後移動距離計測方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ光を利用
して計測器に対して前後動する被計測物の移動量を非接
触で計測する計測方法に関するものである。

【０００２】

【技術的背景】この発明は、被計測物にレーザ光を照射
し、反射光である不定形粒状集合紋様（スペックルパタ
ーンと称されている。）の一部をＣＣＤカメラで撮像
し、これを標識として、演算処理することにより、ＣＣ
Ｄカメラと被計測物とを結ぶ線上の前後方向の移動量を
測定値として出力表示するものである。

【０００３】

【従来の技術】被計測物の前後方向の移動量を非接触で
計測する方式としては、被計測物に既知のマークや標識
を付加し、ＣＣＤカメラで撮影されたマークや標識の縮
尺・拡大寸法からＣＣＤカメラより被計測物までの距離
を計測するものがある。

【０００４】また、既知のビーム径によるレーザ光を被
計測物に照射し、ＣＣＤカメラでビーム径を撮影するこ
とにより、径の変化から被計測物までの距離を計測する
ものもある。

【０００５】さらには、光や音波の伝播速度を利用した
方法があり、例えば被計測物にレーザ光を照射し、反射
光を受光するまでの時間から距離を計測するものが知ら
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来の技術に
おいて、特別なマークや標識を被計測物に付加する必要
があり、また、レーザビーム径による計測方法は、光の
回析現象によりビーム輪郭が明確にならず、これらをレ
ンズで補正するために光学系が複雑化する。

【０００７】また、音波は周囲の雑音や温度に影響さ
れ、光や電波は伝播速度が３０万キロ／秒と早く、数メ
ートル以内の距離測定には実用的ではない。

【０００８】この発明は、上記の課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、被計測物に
照射されたレーザ反射光の解析により、計測器から被計
測物までの移動距離を非接触で正確に計測する方法を提
供することにある。

【０００９】また、この発明は、はじめに計測器から被
計測物までの正確な位置関係を把握したものを、その後
の被計測物が計測器に対して前後方向へ移動する距離を
計測する方法を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の計測方法は、計測器に対して離接する被
計測物の移動量を計測する方法にあって、移動前の被計
測物と計測器との離間距離を基準値として、被計測物に
照射する平行レーザ光の反射光の一部を、計測器のＣＣ
Ｄカメラで捕らえ、捕らえた反射光の不定形粒状集合紋
様（スペックルパターン）のうち、任意に選択した複数
の粒状紋様の各々の重心点を結ぶ距離を採択し、該採択
した重心間距離と、前記基準値の離間距離を１対１の関
係に設定し、計測器におけるＣＣＤカメラの光軸方向の
前あるいは後方向に移動した被計測物のレーザ反射光に
おける前記不定形粒状集合紋様の重心点間の距離を算出
し、移動前の前記重心点間距離と移動後の前記重心点間
の距離の変化倍率により、被計測物の基準値からの移動
量を演算することを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明は、被計測物にレーザ光
を照射した場合に、その反射光に現れる数多の不定形粒
状集合紋様（スペックルパターン）を利用し、無数の該
不定形粒状集合紋様のうち、少なくとも、２粒の任意の
粒状紋様を選択し、これらの粒状紋様を結ぶ最短距離が
被計測物の移動に伴って変化することに鑑み、その変化
率によって、被計測物の移動距離を計測するものであ
る。

【００１２】被計測物に単色光で高輝度な指向性の優れ
たレーザ光を照射すると、該レーザ光は反射し、その反
射光をＣＣＤカメラで撮像すると、反射光は照射された
被計測物の表面の粗面状態に基づき、多数の不定形な粒
状の集合紋様を呈する。この不定形粒状集合紋様は一般
にスペックルパターンとよばれる。

【００１３】反射光の前記不定形粒状集合紋様（スペッ
クルパターン）は、レーザ光照射体が透光物質あるいは
極超鏡面物質以外は被照射体の物性に係りなく、また、
物性に関係ない集合紋様を顕出する。これは、前記した
ように反射面の面粗度に大きく影響されるとも考えら
れ、また、他方では表面の分子構造にも由来するもので
はなかろうかとの考察もあるが、実質的には不定形粒状
集合紋様ならびに箇々の単独粒状紋は何を表明している
のかについては未だに解明されていない。いずれにして
も前記非反射物質を除く反射体の物性に係わらず、ある
特殊な系態のパターンを顕出する。

【００１４】これら反射パターンの不定形粒状集合紋様
は、レーザ光の照射位置が移動すれば、これに伴う反射
面の移動によりこれら紋様のすべてが変わる無二の形態
であるが、照射位置を原位置に復帰させれば前回と同一
紋様を再現する性質があり、これら再現は経時的に変わ
るものではない。

【００１５】これら、レーザ反射光の不定形粒状集合紋
様は通常、そのままでは目視することはできないので、
この反射光をＣＣＤカメラで捕らえ、目視を必要とする
場合にあってはこれを画像化するとともに、通常はこれ
を数値化して目的の表示手段で表示している。

【００１６】不定形粒状集合紋様を得る要素はレーザ発
光波長、ビーム径および被計測物と前記不定形粒状集合
紋様を撮像するＣＣＤカメラの距離等による。

【００１７】本発明は、レーザ発光波長を一定とし、ビ
ーム径は適宜な面積を有する平行光で、且つ、レンズを
装着しないことを条件として、不定形粒状集合紋様１６
の個々のうち、比較的存在性が明確な複数の紋様、詳し
くは、少なくとも２箇の単独粒状紋１６ａ、１６ａを画
像処理装置１３に選択させ、各々の個体紋様の重心点
２、２を選定させるとともに、各々の重心点２、２間の
最短距離を結ぶ線３を形成させ、この線３の長さ、すな
わち、重心点間距離を数値「１」と設定する。

【００１８】このとき、被計測物４と、該被計測物４か
らの反射光を捕らえる計測器におけるＣＣＤカメラ１２
との距離を正確に認識し、この距離を「１」と設定し、
被計測物４の移動前の位置における、ＣＣＤカメラ１２
と被計測物４間の距離「１」と、前記複数の粒状紋重心
点２，２間を設定「距離１」とを１対１の正比例関係を
設定する。

【００１９】このようにした前記距離の正比例関係か
ら、被計測物４とＣＣＤカメラ１２との距離に変化が生
じた際、すなわち、被計測物４がＣＣＤカメラ１２の視
野方向における前後のいずれかの方向に移動した際に、
前記単独の粒状紋１６ａ間の距離も増大あるいは縮小す
る。この距離の変化率は被計測物４とＣＣＤカメラ１２
間の移動距離に正比例する。

【００２０】このようなことから、被計測物の微小な移
動であってもＣＣＤカメラが捕らえた紋様間の距離の変
化を正確に認識し、かつ、これを表示できるので、ＣＣ
Ｄカメラ１２に対し被計測物４の実質計測不可能な微移
動であってもこれを数値的に計測することができるもの
である。

【００２１】なお、添付した図における図１は、被計測
物の移動量を計測するために用いるレーザ光の反射光を
認識する計測器の基本概念のブロック図で、符号１１は
レーザ投光器、１２はＣＣＤカメラ、１２ａは暗視筒、
１３は画像処理装置、１４は記憶装置、１５は表示装
置、１６は不定形粒状集合紋様、１６ａ単独の粒状紋を
示すものである。

【００２２】図２は、被計測物にレーザ光５を照射し、
その反射光６をＣＣＤカメラ１２で撮像し、これを表示
装置に明暗輝度斑点模様として顕した不定形粒状集合紋
様画像を通常カメラで撮影したものの複写で示すもので
ある。

【００２３】図３は被計測物４とＣＣＤカメラ１２との
位置関係の説明図を示すものである。

【００２４】図４ないし図６は不定形粒状集合紋様１６
の計測時の実施例を順を追って示すもので、図４は被計
測物４の移動開始前の基本位置関係状態にある不定形粒
状集合紋様１６画像を示すものである。

【００２５】図５は被計測物４が基本位置関係状態より
ＣＣＤカメラ１２側に３／４距離接近した状態時にある
不定形粒状集合紋様１６画像を示すものである。

【００２６】図６は被計測物４が基本位置関係状態より
ＣＣＤカメラ１２側に１／２距離まで接近した状態時に
ある不定形粒状集合紋様１６画像を示すものである。

【００２７】この発明は、ＣＣＤカメラ１２の視野方向
における前後方向への被計測物の移動量をその微細状態
から大移動まで、移動量の計測規模の範囲を大きく採る
ことができ、かつ、ミクロ単位の微細移動まで計測する
ことができるものである。

【００２８】

【発明の効果】ＣＣＤカメラの視野方向における前後動
を、該ＣＣＤカメラが捕らえたレーザ反射光の不定形粒
状集合紋様ならびに単独の粒状紋の大小移行の変化を各
重心間の距離の変化を認識するものであるから、微細な
変化をも的確に捕らえることができる効果あるものであ
る。

【００２９】本発明は、採択した粒状紋の重心点間距離
を基準にしているので被計測物の移動により不定形粒状
集合紋様にずれ生じても、該不定形粒状集合紋様に採択
した粒状紋が残っている限り、測定値に誤差が生じな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 被計測物の移動量を計測するために用いる
レーザ光の反射光を認識する計測器の基本概念のブロッ
ク図

【図２】 被計測物にレーザ光を照射し、その反射光
をＣＣＤカメラで撮像し、これを表示装置に明暗輝度反
転模様として顕した不定形粒状集合紋様画像を通常カメ
ラで撮影したものの複写で示すものである

【図３】 被計測物とＣＣＤカメラとの位置関係の説
明図

【図４】 被計測物の移動開始前の基本位置関係状態
にある不定形粒状集合紋様画像を示すものである

【図５】 被計測物が基本位置関係状態よりＣＣＤカ
メラ側に３／４距離接近した状態時にある不定形粒状集
合紋様画像を示すものである

【図６】 被計測物が基本位置関係状態よりＣＣＤカ
メラ側に１／２距離まで接近した状態時にある不定形粒
状集合紋様画像を示すものである

【符号の説明】 １ 距離 ２ 重心点 ３ 重心点を結ぶ線 ４ 被計測物 ５ レーザ光 ６ 反射光 １１ レーザ投光器 １２ ＣＣＤカメラ １２ａ 暗視筒 １３ 画像処理装置 １４ 記憶装置 １５ 表示装置 １６ 不定形粒状集合紋様 １６ａ 単独の粒状紋

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被計測物、計測器間の設定離間距離が変
   化する被計測物が、計測器に対して離接する移動量の計
   測方法であって、 移動前の被計測物と、計測器との離間距離を基準値とし
   て、被計測物に照射する平行レーザ光の反射光の一部
   を、計測器のＣＣＤ素子が捕らえ、捕らえた反射光の不
   定形粒状集合紋様（スペックルパターン）中、任意選択
   した複数の粒状紋様の各々重心点を結ぶ距離を採択し、
   該採択距離と、前記離間距離を１対１の関係に設定し、
   計測器におけるＣＣＤカメラの光軸方向の前あるいは後
   方向に移動する被計測物と、移動する該計測物のレーザ
   反射光における前記不定形粒状集合紋様の各々の大形あ
   るいは小形に相似移形による前記採択距離の変化倍率に
   より、被計測物の基準値からの移動量を演算により計測
   値を表示することができるようにしたレーザ投影法によ
   る計測器から被計測物までの非接触による前後移動距離
   計測方法。