JPS63271166A - 物体運動計測装置 - 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〕 本発明は運動する物体の断層方向での動きを実時間で計
測し、その解析を可能にする物体運動計測装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

本出願人は、ストリークカメラを使用して３次元物体の
表面形状、内部構造を明らかにすることのできる３次元
物体計測装置を既に提案している（特願昭６１−１２１
８１０号、特願昭６１−１７０６５４号）。

第５図は上記３次元物体計測装置の一例を示す図で、図
中、ｌはパルスレーザ、２．４はビームスプリフタ、３
はビームエキスパンダ、５は全反射鏡、６は固定反射鏡
、７は可動反射鏡、８．９はシャッタアパーチャ、１０
，１１は全反射鏡、１２は被測定物体、１３は結像レン
ズ、１４は入カスリフト、１５はストリークカメラ、１
６は検出器、１７は増幅器、１８は遅延回路、１９は読
み取り装置、２０はモニタである。

図において、パルスレーザ１からのパルス光は、ビーム
スプリッタ２で分割され、一部は反射されて検出器１６
により電気信号に変換され、遅延回路を１８を介してゲ
ートトリガ信号として利用される。一方、ビームスプリ
ッタ２の透過光は、ビームエキスパンダ３で拡大され、
ビームスプリッタ４で分割される。ビームスプリッタ４
の透過光は全反射鏡５．１０を介して被測定物体１２を
上方から照射する。一方、ビームスプリッタの反射光は
、光学遅延系を形成する固定反射鏡６、可動反射鏡７で
反射され、全反射鏡１１を介して被測定物体１２を下方
から照射する。被測定物体１２を上方、下方から照射し
、物体表面で反射した光は逆の経路を辿り、また物体を
透過した光は入射経路とは別の経路を辿り結像レンズ１
３を介してストリークカメラ１５に導かれる。この場合
、結像レンズ１３は、目的に応じて物体の表又は裏に焦
点を合わせ、またズームレンズにして物体の任意部分の
拡大倍率を変えられるようにする。こうしてストリーク
カメラ１５で得られたストリーク像は、読みだし装置１
６で読みだし、モニタ１７でｎ測されると共に、解析等
の処理が行われる。

このような装置において、例えば第６図に示すような物
体１２からの反射光は、物体の凹凸の深さの２倍の時間
的遅延となってストリークカメラに入射する。したがっ
て、図示するような物体寸法の場合、凹凸深さｄ、は、
光速をＣ，ストリーク像における時間遅れをｔとすると
、 ｄ＋　−Ｃ−ｔ／２ で与えられることになり、物体の外形を求めることがで
きる。

また透過光は、屈折率が均一にｎであるとすると、透過
時間差ｔは、 ｔ”　（ｎ／Ｃ）（Ｗ！−Ｗ、） で与えられる。ストリーク像からｔを測定することによ
り、（ＷＺ　　Ｗ＋）が既知であればｎの値を求めるこ
とができる。

第７図は上記物体内部構造の計測装置の例を示す図で、
第５図と同一番号は同一内容を示している。なお、図中
、２１は光ファイバ、２２は結像光学系、２３はレンズ
、２４はハーフミラ−１２５は全反射鏡である。

この例においては、光ファイバ２１を介してパルスレー
ザ１からの光パルスを被計測物体１２の内部に導入して
適当な立体角で放射し、被計測物体１２を透過して外部
に放出された透過光を、結像光学系２２によりストリー
クカメラ１５のストリーク管の光電陰極に結像する。こ
の場合、結像光学系２２はハーフミラ−２４、全反射鏡
２５、レンズ２３で構成し、ハーフミラ−２４を介して
結像される像と、全反射鏡２５を介して結像される２つ
の像を分析するように構成されている。

光ファイバ２１の被計測物体１２内部の端部から出射し
たパルス光は球面波となっており、そのため、ストリー
クカメラ１５のストリーク像は、物体内部の構造の変化
が球面波状の光パルス像に重畳された像となって現れる
。したがって、分析装置２０で予め光ファイバ２１の出
射光の球面波の曲率を計算しておいて、ストリーク像か
らこの曲率を取り除くことで物体の内部構造を明らかに
することができる。

ところで、上記３次元物体計測装置により運動物体を計
測しようとすると、物体の運動の全ての像がストリーク
カメラの出力像として積分されてしまい物体の運動を評
価することができない。

従来、物体の断層方向の動きを光によりモニタする装置
としてはモアレ縞や、スリットパターン投影によるもの
が使用されている。

第８図はモアレ縞の形成を説明するための図、第９図は
回折格子読み取り光学系の例を示す図で、図中、Ｇ＋、
Ｇｚは格子、Ｌ、　、Ｌよはレンズ、Ｑは光源用ランプ
、Ｐは光電変換素子、Ｓは絞りである。

図において、格子間隔の等しい２つの格子Ｇ１、Ｇ、を
互いに僅かな角θだけ傾けて重ね合わせるとモアレ縞が
形成される。Ｇ２を固定し、Ｇ１を格子と直角方向に格
子間隔ｄだけ移動すればモアレ縞も１縞移動する。この
距離（ピッチ）をｌとすれば、ｆｆ１−ｄ／θと表され
る。したがって、縞の移動を検出することにより格子Ｇ
Ｉの動きを知ることができる。

第１０図は物体上にスリットパターンを投影する場合の
例を示す図である。

図において、物体の上にピッチ３の平行直線格子（不透
明）を置き、格子の上方２の距離にある点光源Ｓからの
光で格子を通して物体を照明する。

いま、同じく格子上方ｌの距離に瞳を置いて観測するも
のとする。格子を通して見える範囲は図の破線で示した
扇状の部分のみである。従って、明るく観測されるのは
、物体表面上で照明された部分と、見える部分とが合致
したところだけである。

このような部分（明点）は図のように深さ方向に層状に
現れる０図のＮ（明点の次数）−ｉは格子面の下でｉ番
目に上の２つの部分が合致することを示し、Ｎ次の明点
の格子面からの距離ｈ８は、Ｎ次の明点が互いにＮ個離
れた格子間隔を通る実線と破線との交点で与えられるこ
とから、格子面に平行に測った光源と瞳の距離ｄとして
、ｈ）Ｉ　　　　ＮＳ ｈ、−ｔｌ　　　ｄ より、 ｈＮ　−Ｎｊ！　ｓ／　　（ｄ　　　Ｎｓ）で与えられ
る。物体上にはＮ　（−１，２，・・・）次の明点を連
結する線、即ち格子面から一定の深さの明点が集まって
できた等高線が得られる。

この例においても、明点の動きを検出することにより物
体の動きを求めることができる。

〔発明が解決すべき問題点〕 しかしながら、モアレ縞で物体の運動方向を検出しよう
とする場合は、モアレ縞に平行にピッチ２の１／４の間
隔で２つの窓を置き、それぞれ光電変換素子でその点の
明るさを電気信号に変換し、一方に対して他方の位相が
進んでいるか遅れているかにより検出しなければならず
、任意の方向の運動を検出しようとすると、さらに直交
方向に２ケの窓を通して位相検出を行わなければならず
、構成が複雑になってしまう欠点がある。

また、物体上にスリットパターンを投影する方法では、
前述の説明から明らかなように３角法でしか運動を計測
できず、高速運動している物体の運動を任意の時刻に検
出して第析することは困難である。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、高速運動
している物体の運動に応じた任意の時刻での運動解析を
可能とする物体運動計測装置を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の物体運動計測装置は、パルス光源と
、パルス光源からの光で被計測物体を照射する照射光学
系と、ストリークカメラと、被計測物体からの反射光ま
たは透過光をストリークカメラのストリーク青光電陰極
面に結像する結像レンズ系と、被計測物体の動きを検出
して動きに同期した同期信号を発生する動作モニタと、
動作モニタからの同期信号によりストリークカメラへの
ゲートトリガ信号を発生するゲートトリガ信号発生器と
を備えたことを特徴とする。

（作用〕 本発明の物体運動計測装置は、動作モニタにより被計測
物体の動きを検出し、動きに同期した信号でストリーク
カメラをゲートすることにより高速運動している物体の
運動に応じた任意の時刻での運動を画像化して解析する
ことができる。

〔実施例〕

第１図は本発明による物体運動計測装置の基本的構成を
示す図である。図中、３１はパルス光源、３２は全反射
鏡、３３はハーフミラ−１３４は被計測物体、３５は結
像レンズ系、３６は動作モニタ、３７はゲートトリガ発
生器、３８はストリークカメラ、３９はＳＩＴカメラ、
４０は解析装置である。

本発明における物体運動計測装置は、短パルス光とこれ
に同期して掃引されるストリークカメラを用いた第５図
、第７図に示した構成のものを使用し、以下ではこれと
重複する部分の説明は省略する。

図において、パルス光源３１からの高速繰返し光は、全
反射鏡３２、ハーフミラ−３３を介して被計測物体３４
°へ照射される。被計測物体３４の反射像または透過像
は、第５図、または第７図に示したと同様にして結像レ
ンズ系３５によりストリーク管の光電陰極面上に結像し
、このストリーク像をＳＩＴカメラ３９で撮像して電気
信号に変換し、解析装置４０で解析することにより、前
述したように物体の表面形状や内部構造等が得られる。

また、ストリークカメラ３８はゲート機能を有し、ゲー
トトリガ信号があったときの光電陰極面上の像を出力と
して取り出すように構成されている。

このような構成において、運動している被計測物体３４
の断面方向の表面形状と断層像を得ようとすると、物体
の運動の全ての像がストリークカメラ３８の出力像とし
て積分されてしまい、物体の運動速度に比して高速の繰
返し光で照射した場合、物体の運動を評価することがで
きない。そこで、第１図においては、動作モニタ３６で
被計測物体３４の動きを検知し、この検知信号を同期信
号としてゲートトリガ信号発生器３７でゲートトリガ信
号を発生させ、これをストリークカメラ３８へのゲート
信号とする。また物体が動くことにより充電面上の像が
ボケないように、動作モニタ信号により得られた被計測
物体３４の動きに応じて焦点合わせ信号を発生させ、こ
の信号で結像レンズ系３５を制御する。この場合、被計
測物体の運動方向に対する焦点深度が物体の運動距離の
範囲におさまるような結像レンズ系であれば、必ずしも
焦点合わせ信号で制御する必要はない。

また、動作モニタは、被計測物体が周期運動する場合は
、物体の運動周期を検出するようにすればよい、この場
合、ゲートトリガ信号発生器は、物体の運動周期と一致
していなくても、その整数倍または整数分の１であれば
よく、さらに、ゲートトリガ信号は、位相シフト回路に
より物体の運動周期に対して少しづつ位相をずらせるよ
うにすれば、少しづつ違った部位の運動を検出すること
ができる。

こうして、ストリークカメラの出力面上には、ゲートに
より切り出されたタイミング毎の時間分割像を得ること
ができ、物体の運動をゲート動作の繰返し速さで切り出
すことができる。

第２図は第１図の装置による被計測物体の例を示す図で
、４枚羽根のプロペラの例を示している。

第３図は第２図のプロペラの回転時の断面方向の運動解
析を第１図の装置により行った例を示す図で、縦方向は
羽根の断層方向（紙面に垂直方向）に対応し、横方向は
第２図の空間方向に対応している。

図から分かるように、ゲート信号のタイミングとプロペ
ラがどのように動いていくかが明確に示される。

第４図は本発明による物体運動計測装置の他の実施例を
示す図で、第１図と同一番号は同一内容を示している。

なお、図中、４１は掃引信号発生器、４２．４３はステ
ップ電圧発生器、４４はカウンタ、４５は垂直偏向電極
板、４６は水平偏向電極板である。

本実施例においては、被計測物体の表面形状が変わらず
、内部構造のみが変化する場合にゲートにより切りださ
れた各断層像が、螢光面上に２次元的に配列され、重畳
してしまうことになるのでこれを避けるようにしたもの
である。

動作モニタ３６からの同期信号をカウンタ４４でカウン
トし、このカウント値に応じたステップ電圧をステップ
電圧発生器４２．４３により発生させる。ステップ電圧
発生器４２の出力電圧を掃引信号発生器４１の掃引電圧
に重ねて垂直偏向電極板４５に加え、同時にステップ電
圧発生器４３の出力電圧を水平偏向電極板４６に加える
ことにより、水平、垂直方向の位置をずらしてストリー
ク像を得ることができ、内部構造の時間的変化を観察す
ることができる。

なお、偏向を掻板へのステップ電圧の印加は、必ずしも
水平偏向板、垂直偏向板の両方でな（でもよく、少なく
ともどちらか一方へ印加するようにすれば各ゲート毎の
像をストリーク管の螢光面の異なる位置に表示すること
が可能となる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、断層方向で高速に運動し
ている物体の運動、時間的変化に応じた任意の時刻での
解析が可能となり、例えば従来不可能であったプロペラ
の高速回転中の運動や回転体内部の物質の運動等を明ら
かにでき、新しい運動解析方法を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による物体運動計測装置の基本的構成を
示す図、第２図は被計測物体の例を示す図、第３図はプ
ロペラの回転時の断面方向の運動解析を行った例を示す
図、第４図は本発明による物体運動計測装置の他の実施
例を示す図、第５図は３次元物体計測装置の一例を示す
図、第６図は表面形状の計測の例を示す図、第７図は物
体内部構造を計測する装置の例を示す図、第８図はモア
レ縞の形成を説明するための図、第９図は回折格子読み
取り光学系の例を示す図、第１０図は物体上にスリット
パターンを投影する場合の例を示す図である。 ３１・・・パルス光源、３２・・・全反射鏡、３３・・
・ハーフミラ−１３４・・・被計測物体、３５・・・結
像レンズ系、３６・・・動作モニタ、３７・・・ゲート
トリガ発生器、３８・・・ストリークカメラ、３９・・
・ＳＩＴカメラ、４０・・・解析装置、４１・・・掃引
信号発生器、４２．４３・・・ステップ電圧発生器、４
４・・・カウンタ、４５・・・垂直偏向電極板、４６・
・・水平偏向電極板。 出　　願　　人　　浜松ホトニクス株式会社代　　理　
　人　　弁理士　蛭　川　昌　信第１図 第２図 （イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ロ）第
３図 ｆｇ閘ガ閏 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）パルス光源と、パルス光源からの光で被計測物体
   を照射する照射光学系と、ストリークカメラと、被計測
   物体からの反射光または透過光をストリークカメラのス
   トリーク管光電陰極面に結像する結像レンズ系と、被計
   測物体の動きを検出して動きに同期した同期信号を発生
   する動作モニタと、動作モニタからの同期信号によりス
   トリークカメラへのゲートトリガ信号を発生するゲート
   トリガ信号発生器とを備えた物体運動計測装置。
2. （２）前記ゲートトリガ信号発生器は、物体の運動周期
   の整数倍または整数分の１の周期の時系列パルスを発生
   する特許請求の範囲第１項記載の物体運動計測装置。
3. （３）前記ゲートトリガ信号発生器は、物体の運動に対
   して少しづつ位相を時間的に変える位相シフト回路を内
   蔵している特許請求の範囲第２項記載の物体運動計測装
   置。
4. （４）前記動作モニタは、結像レンズ系に焦点合わせ信
   号を送出する特許請求の範囲第１項記載の物体運動計測
   装置。
5. （５）前記結像レンズ系は、物体の運動方向に対する焦
   点深度が物体の運動距離の範囲におさまる結像レンズを
   備えている特許請求の範囲第１項記載の物体運動計測装
   置。
6. （６）前記動作モニタは、物体の運動周期を検出する特
   許請求の範囲第１項記載の物体運動計測装置。
7. （７）前記ストリークカメラは、物体の表面形状が変わ
   らず、内部構造が時間的に変わる場合に、前記ゲート・
   トリガ信号発生器に同期してストリーク管の水平偏向電
   極または垂直偏向電極の少なくとも一方にステップ電圧
   が印加され、各ゲート毎の像をストリーク管の螢光面の
   異なる位置に表示する特許請求の範囲第１項記載の物体
   運動計測装置。