(57)【要約】      （修正有）【課題】測定対象物が大きく移動する場合であっても所望の移動位置からの変位量を高精度に測定できる変位検出装置、変位検出システム、及び変位検出方法を提供する。【解決手段】変位検出装置１００の撮像系１５は、ワーク９０にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像し、画像記憶部２３は、撮像系１５から出力されたスペックル像及び画像入力部２１が外部から入力したスペックル像を保存する。画像出力部２２は、撮像系１５から出力され、画像記憶部２３に保存されたスペックル像を外部に出力する。画像処理部２４は、画像記憶部２３に保存されたスペックル像６１と、撮像系１５から出力され、ワーク９０が撮像系１５に対して移動すると変化するスペックル像６２との間の相関演算を行ってワーク９０の変位量を算出する。【選択図】図１
2015152490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する撮像系と、
外部からスペックル像を入力する画像入力部と、
前記撮像系から出力されたスペックル像及び前記画像入力部が外部から入力したスペックル像を保存する画像記憶部と、
前記撮像系から出力され、前記画像記憶部に保存されたスペックル像を外部に出力する画像出力部と、
前記画像記憶部に保存されたスペックル像と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化するスペックル像との間の相関演算を行って前記測定対象物の変位量を算出する画像処理部と
を具備する
変位検出装置。
【請求項２】
前記測定対象物にレーザ光を照射する照射光学系と、
前記照射光学系及び前記撮像系を収容する筐体と
を更に具備し、
前記照射光学系は、
光源と、
前記光源から出射された光から平行光を形成するコリメートレンズと
を備え、
前記撮像系は、
スペックル像を撮像する二次元イメージセンサと、
前記散乱光による像を前記二次元イメージセンサで結像させる結像レンズと、
前記結像レンズと前記二次元イメージセンサとの間に配置された絞りと
を備える
請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記筐体に対する前記撮像系の少なくとも一部の相対位置を前記撮像系の光軸方向に沿って調整する光軸方向位置調整機構を更に具備し、
前記撮像系の前記少なくとも一部は、前記結像レンズ及び前記絞りを含む
請求項２に記載の変位検出装置。
【請求項４】
前記光軸方向位置調整機構は、前記相関演算の結果に基づいて、前記相対位置を前記光軸方向に沿って自動調整する
請求項３に記載の変位検出装置。
【請求項５】
前記相関演算の結果を出力する手段を更に具備し、
前記光軸方向位置調整機構は、前記相対位置を前記光軸方向に沿って手動で調整するための操作部を備える
請求項３に記載の変位検出装置。
【請求項６】
前記相関演算の前記結果は、前記相関演算により得られる相関関数のピーク値と前記相関関数の平均値との差Ｓと前記相関関数の標準偏差σとの比Ｓ／σである
請求項４又は５に記載の変位検出装置。
【請求項７】
前記相関演算の前記結果は、前記相関演算により得られる相関関数のピーク値である
請求項４又は５に記載の変位検出装置。
【請求項８】
前記筐体に対する前記照射光学系及び前記撮像系の相対位置を前記撮像系の光軸方向に垂直な方向に沿って調整する測長方向位置調整機構を更に具備する
請求項２乃至７のいずれか一項に記載の変位検出装置。
【請求項９】
前記画像入力部が外部からスペックル像を入力した場合、前記画像処理部は前記画像入力部が外部から入力した前記スペックル像と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化する前記スペックル像との間の相関演算を強制的に行う
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の変位検出装置。
【請求項１０】
前記画像記憶部は、複数のスペックル像を保持し、
前記画像処理部は、前記複数のスペックル像の各々と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化する前記スペックル像との間の相関演算を行う
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の変位検出装置。
【請求項１１】
入力装置を更に具備し、
前記画像記憶部は、複数のスペックル像を保持し、
前記画像処理部は、前記複数のスペックル像のうち前記入力装置を介してユーザが選択したスペックル像と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化する前記スペックル像との間の相関演算を行う
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の変位検出装置。
【請求項１２】
測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する第１撮像系と、
前記第１撮像系から出力されたスペックル像を保存する画像記憶部と、
前記測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する第２撮像系と、
前記第１撮像系から出力され、前記画像記憶部に保存された前記スペックル像と、前記第２撮像系から出力されたスペックル像との間の相関演算を行って前記測定対象物の変位量を算出する画像処理部と
を具備する
変位検出システム。
【請求項１３】
前記測定対象物にレーザ光を照射する照射光学系と、
前記照射光学系及び前記第２撮像系を収容する筐体と、
前記筐体に対する前記第２撮像系の少なくとも一部の相対位置を前記第２撮像系の光軸方向に沿って調整する光軸方向位置調整機構と
を更に具備し、
前記第２撮像系は、
前記照射光学系が前記測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する二次元イメージセンサと、
前記照射光学系が前記測定対象物にレーザ光を照射した際の前記散乱光による像を前記二次元イメージセンサで結像させる結像レンズと、
前記結像レンズと前記二次元イメージセンサとの間に配置された絞りと
を備え、
前記第２撮像系の前記少なくとも一部は、前記結像レンズ及び前記絞りを含む
請求項１２に記載の変位検出システム。
【請求項１４】
前記測定対象物にレーザ光を照射する照射光学系と、
前記照射光学系及び前記第２撮像系を収容する筐体と、
前記筐体に対する前記照射光学系及び前記第２撮像系の相対位置を前記第２撮像系の光軸方向に垂直な方向に沿って調整する測長方向位置調整機構と
を更に具備する
請求項１２に記載の変位検出システム。
【請求項１５】
測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を第１撮像系が撮像し、
前記測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を第２撮像系が撮像し、
前記第１撮像系が撮像した前記スペックル像と前記第２撮像系が撮像した前記スペックル像の間の相関演算を行って前記測定対象物の変位量を算出する
変位検出方法。
【請求項１６】
前記相関演算の結果に基づいて、前記測定対象物と前記第２撮像系の間の前記第２撮像系の光軸方向の距離を調整する
請求項１５に記載の変位検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は変位検出装置、変位検出システム、及び変位検出方法に関し、特にスペックル像を利用して変位を検出する変位検出装置、変位検出システム、及び変位検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１及び特許文献２は、測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を利用し、測定対象物の移動前後のスペックル像の相関を取ることで測定対象物の変位量を算出する変位検出装置を開示している。スペックル像を利用する変位検出装置は、測定対象物に特徴のある模様や絵柄がない場合であっても、測定対象物の変位量を非接触で検出することができる。
【０００３】
スペックル像を利用した変位検出原理を説明する。基準画像及び測定画像に基づいて測定対象物の変位量を算出する。基準画像は、撮像装置が測定対象物の移動前に取得したスペックル像である。測定画像は、撮像装置が測定対象物の移動後に取得するスペックル像である。基準画像及び測定画像には、共通のパターンが写りこんでいる。測定対象物が移動すると、測定画像に写り込んでいるパターンの位置が変化する。基準画像と測定画像の相関を取ることで、基準画像と測定画像の間のパターンの位置ずれを算出する。パターンの位置ずれに基づいて、測定対象物の変位量を算出する。
【０００４】
基準画像及び測定画像に基づいて変位量を算出するためには、基準画像及び測定画像に共通のパターンが写りこんでいる必要がある。そのため、一台の撮像装置で基準画像及び測定画像を取得する場合は、撮像装置が取得可能な画像サイズにより測定可能な変位量が制限される。一方、特許文献３は、基準画像を更新することで測定可能な変位量を拡大する方法を開示している。この方法では、基準画像と測定画像の間のパターンの位置ずれを算出するごとにその測定画像で基準画像を更新し、更新前のパターンの位置ずれから算出した変位量と更新後のパターンの位置ずれから算出した変位量とを加算する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４８９１８号公報
【特許文献２】特開２００９−２９４０１３号公報
【特許文献３】特開２００９−  ６８９５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、基準画像を更新する方法では、誤差が累積する。この累積誤差は、測定対象物の移動方向の成分と、測定対象物の移動方向に垂直な成分とを持つ。測定対象物の移動方向に垂直な成分は小さいので、特許文献３に記載されているように基準画像を更新する方法を真直度測定に使用する場合には累積誤差は問題とならない。これに対し、測定対象物の移動方向の変位量に基づいて位置決めを行う場合には、累積誤差が問題となる。更に、基準画像を更新する方法では、測定可能な変位量を測定対象物の長さ以上に拡大することができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、測定対象物が大きく移動する場合であっても所望の移動位置からの変位量を高精度に測定できる変位検出装置、変位検出システム、及び変位検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点による変位検出装置は、測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する撮像系と、外部からスペックル像を入力する画像入力部と、前記撮像系から出力されたスペックル像及び前記画像入力部が外部から入力したスペックル像を保存する画像記憶部と、前記撮像系から出力され、前記画像記憶部に保存されたスペックル像を外部に出力する画像出力部と、前記画像記憶部に保存されたスペックル像と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化するスペックル像との間の相関演算を行って前記測定対象物の変位量を算出する画像処理部とを具備する。
【０００９】
上記変位検出装置は、前記測定対象物にレーザ光を照射する照射光学系と、前記照射光学系及び前記撮像系を収容する筐体を更に具備することが好ましい。前記照射光学系は、光源と、前記光源から出射された光から平行光を形成するコリメートレンズとを備える。前記撮像系は、スペックル像を撮像する二次元イメージセンサと、前記散乱光による像を前記二次元イメージセンサで結像させる結像レンズと、前記結像レンズと前記二次元イメージセンサとの間に配置された絞りとを備えることが好ましい。
【００１０】
上記変位検出装置は、前記筐体に対する前記撮像系の少なくとも一部の相対位置を前記撮像系の光軸方向に沿って調整する光軸方向位置調整機構を更に具備することが好ましい。前記撮像系の前記少なくとも一部は、前記結像レンズ及び前記絞りを含む。
【００１１】
前記光軸方向位置調整機構は、前記相関演算の結果に基づいて、前記相対位置を前記光軸方向に沿って自動調整することが好ましい。
【００１２】
上記変位検出装置は、前記相関演算の結果を出力する手段を更に具備することが好ましい。前記光軸方向位置調整機構は、前記相対位置を前記光軸方向に沿って手動で調整するための操作部を備えることが好ましい。
【００１３】
前記相関演算の前記結果は、前記相関演算により得られる相関関数のピーク値と前記相関関数の平均値との差Ｓと前記相関関数の標準偏差σとの比Ｓ／σであることが好ましい。
【００１４】
前記相関演算の前記結果は、前記相関演算により得られる相関関数のピーク値であることが好ましい。
【００１５】
上記変位検出装置は、前記筐体に対する前記照射光学系及び前記撮像系の相対位置を前記撮像系の光軸方向に垂直な方向に沿って調整する測長方向位置調整機構を更に具備することが好ましい。
【００１６】
前記画像入力部が外部からスペックル像を入力した場合、前記画像処理部は前記画像入力部が外部から入力した前記スペックル像と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化する前記スペックル像との間の相関演算を強制的に行うことが好ましい。
【００１７】
前記画像記憶部は、複数のスペックル像を保持することが好ましい。前記画像処理部は、前記複数のスペックル像の各々と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化する前記スペックル像との間の相関演算を行うことが好ましい。
【００１８】
上記変位検出装置は、入力装置を更に具備することが好ましい。前記画像記憶部は、複数のスペックル像を保持することが好ましい。前記画像処理部は、前記複数のスペックル像のうち前記入力装置を介してユーザが選択したスペックル像と、前記撮像系から出力され、前記測定対象物が前記撮像系に対して移動すると変化する前記スペックル像との間の相関演算を行うことが好ましい。
【００１９】
本発明の第２の観点による変位検出システムは、測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する第１撮像系と、前記第１撮像系から出力されたスペックル像を保存する画像記憶部と、前記測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する第２撮像系と、前記第１撮像系から出力され、前記画像記憶部に保存された前記スペックル像と、前記第２撮像系から出力されたスペックル像との間の相関演算を行って前記測定対象物の変位量を算出する画像処理部を具備する。
【００２０】
上記変位検出システムは、前記測定対象物にレーザ光を照射する照射光学系と、前記照射光学系及び前記第２撮像系を収容する筐体と、前記筐体に対する前記第２撮像系の少なくとも一部の相対位置を前記第２撮像系の光軸方向に沿って調整する光軸方向位置調整機構とを更に具備することが好ましい。前記第２撮像系は、前記照射光学系が前記測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する二次元イメージセンサと、前記照射光学系が前記測定対象物にレーザ光を照射した際の前記散乱光による像を前記二次元イメージセンサで結像させる結像レンズと、前記結像レンズと前記二次元イメージセンサとの間に配置された絞りとを備えることが好ましい。前記第２撮像系の前記少なくとも一部は、前記結像レンズ及び前記絞りを含むことが好ましい。
【００２１】
上記変位検出システムは、前記測定対象物にレーザ光を照射する照射光学系と、前記照射光学系及び前記第２撮像系を収容する筐体と、前記筐体に対する前記照射光学系及び前記第２撮像系の相対位置を前記第２撮像系の光軸方向に垂直な方向に沿って調整する測長方向位置調整機構とを更に具備することが好ましい。
【００２２】
本発明の第３の観点による変位検出方法は、測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を第１撮像系が撮像し、前記測定対象物にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を第２撮像系が撮像し、前記第１撮像系が撮像した前記スペックル像と前記第２撮像系が撮像した前記スペックル像の間の相関演算を行って前記測定対象物の変位量を算出する。
【００２３】
上記変位検出方法は、前記相関演算の結果に基づいて、前記測定対象物と前記第２撮像系の間の前記第２撮像系の光軸方向の距離を調整することが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、測定対象物が大きく移動する場合であっても所望の移動位置からの変位量を高精度に測定できる変位検出装置、変位検出システム、及び変位検出方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１にかかる変位検出装置の概略図である。
【図２】ワーク表面における散乱を示す概念図である。
【図３】基準画像及び測定画像の間の位置ずれを示す概念図である。
【図４】基準画像及び測定画像に基づく相関関数のグラフである。
【図５】ピーク位置検出のためのサブピクセル補間の概念図である。
【図６】実施の形態１にかかる変位検出システムの一例の概略図である。
【図７】実施の形態１にかかる変位検出システムの他例の概略図である。
【図８】実施の形態２にかかる変位検出装置の概略図である。
【図９】基準画像を撮像したときのＧＡＰ量と測定画像を撮像した時のＧＡＰ量が一致している場合の相関関数のグラフである。
【図１０】基準画像を撮像したときのＧＡＰ量と測定画像を撮像した時のＧＡＰ量が異なる場合の相関関数のグラフである。
【図１１】相関関数のピーク値、平均、標準偏差を説明する概念図である。
【図１２】実施の形態３にかかる変位検出装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００２７】
図１を参照して、実施の形態１にかかる変位検出装置１００を説明する。変位検出装置１００は、画像相関二次元エンコーダと称される場合がある。変位検出装置１００は、検出器１０と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）ユニット２０と、表示装置３１と、入力装置３２を備える。入力装置３２は、例えば、キーボード、タッチパッド、又はマウスである。また、表示装置３１及び入力装置３２は、タッチパネルとして一体化されてもよい。図１では、パーソナルコンピュータの表示装置及び入力装置を表示装置３１及び入力装置３２として用いる場合が示されているが、インタフェースユニット２０が専用の表示装置３１及び入力装置３２を備えてもよい。
【００２８】
検出器１０は、筐体１１と、照射光学系１２と、撮像系１５とを備える。照射光学系１２及び撮像系１５は、筐体１１に収容される。照射光学系１２は、筐体１１の開口１１ａを介して、測定対象物であるワーク９０にレーザ光を照射する。照射光学系１２は、出射光５１を出射するレーザ光源１３と、出射光５１から平行光５２を形成するコリメートレンズ１４とを備える。平行光５２は、Ｚ方向に対して斜めにワーク９０に照射される。ワーク９０の表面９０ａは、Ｚ方向に概ね垂直である。検出器１０とワーク９０は、Ｘ方向に平行に相対移動可能である。尚、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、互いに垂直である。
【００２９】
図２を参照して、ワーク９０の表面９０ａは、光学粗面となっている。平行光５２は、表面９０ａで散乱して散乱光５３を生じる。
【００３０】
図１を参照して、撮像系１５は、二次元イメージセンサ１６と、結像レンズ１７と、絞り１８を備える。二次元イメージセンサ１６、結像レンズ１７、及び絞り１８は撮像系１５の光軸５０に沿って配置される。光軸５０は、Ｚ方向に平行である。ワーク９０と二次元イメージセンサ１６の間に結像レンズ１７が配置され、二次元イメージセンサ１６と結像レンズ１７の間に絞り１８が配置される。表面９０ａでＺ方向に平行な向きに散乱した散乱光５３は、開口１１ａを介して、互いに干渉しながら結像レンズ１７に入射する。結像レンズ１７は、散乱光５３による像を二次元イメージセンサ１６で結像させる。二次元イメージセンサ１６は、散乱光５３が互いに干渉することによって生成されるスペックル像を撮像する。二次元イメージセンサ１６は、現在結像されている像をスペックル像６０としてインタフェースユニット２０に出力する。ワーク９０が撮像系１５に対して移動すると、スペックル像６０が変化する。
【００３１】
撮像系１５の光学系は、絞り１８が結像レンズ１７の焦点に配置されたテレセントリック光学系である。そのため、変位検出装置１００は、ワーク９０が検出器１０に対して移動したときの測定精度変化が小さい。
【００３２】
インタフェースユニット２０は、画像入力部２１と、画像出力部２２と、画像記憶部２３と、画像処理部２４を備える。画像入力部２１は、外部からスペックル像を入力する。画像記憶部２３は、二次元イメージセンサ１６から出力されたスペックル像６０及び画像入力部２１が外部から入力したスペックル像を保存する。画像出力部２２は、二次元イメージセンサ１６から出力され、画像記憶部２３に保存されたスペックル像を外部に出力する。ここで外部は、コンピュータ又は他の変位検出装置である。画像入力部２１及び画像出力部２２は、例えば、通信装置により実現することができる。
【００３３】
画像処理部２４は、画像記憶部２３に保存されたスペックル像を基準画像６１として用い、二次元イメージセンサ１６から現在出力されているスペックル像６０を測定画像６２として用い、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行ってワーク９０の変位量７１を算出する。表示装置３１は、ワーク９０の変位量７１を表示する。
【００３４】
画像記憶部２３は、複数のスペックル像を保持することができる。例えば、画像記憶部２３は、一つのワークの複数のスペックル像を保持してもよく、第１のワークのスペックル像と第２のワークのスペックル像を保持してもよい。画像処理部２４は、画像記憶部２３に保持された複数のスペックル像の各々を基準画像６１として用いて相関演算を行ってもよい。画像処理部２４は、画像記憶部２３に保持された複数のスペックル像のうち入力装置３２を介してユーザが選択したスペックル像を基準画像６１として用いて相関演算を行ってもよい。画像入力部２１が外部からスペックル像を入力した場合、画像処理部２４は、ユーザの選択操作を無視し、画像入力部２１が外部から入力したスペックル像を強制的に基準画像６１として用いてもよい。
【００３５】
以下、二次元イメージセンサ１６から出力され、画像記憶部２３に保存されたスペックル像を基準画像６１として用いて相関演算を行う場合を例として、変位検出装置１００の変位検出原理を説明する。
【００３６】
図３を参照して、基準画像６１及び測定画像６２は、ランダムな斑点模様である。基準画像６１は、ワーク９０が移動する前に二次元イメージセンサ１６が撮像して出力し、画像記憶部２３が保存したスペックル像である。測定画像６２は、二次元イメージセンサ１６から現在出力されているスペックル像である。測定画像６２は、基準画像６１よりも後に撮像された画像である。基準画像６１は変化しないが、測定画像６２はワーク９０が撮像系１５に対して移動すると変化する。基準画像６１及び測定画像６２には、共通のパターンが写りこんでいる。そのパターンは矩形枠で示されている。ワーク９０が光軸５０に垂直な方向に移動すると、測定画像６２中のパターンが移動する。画像処理部２４は、基準画像６１及び測定画像６２の間の画像相関を行ってパターンの位置ずれを算出し、パターンの位置ずれからワーク９０の変位量７１を算出する。
【００３７】
以下、画像処理部２４が実行する変位量算出処理を詳細に説明する。基準画像６１上のＭ×Ｎ画素の領域（基準画像領域）と測定画像６２上のＭ×Ｎ画素の領域（測定画像領域）を比較する場合を考える。基準画像領域の位置は固定されている。測定画像領域は、ずらし量（ｐ、ｑ）にしたがって測定画像６２上を移動する。ずらし量ｐ及びｑは、それぞれＸ及びＹ方向に対応する。基準画像６１上の位置（ｍ，ｎ）における画素強度をＩ１（ｍ，ｎ）で表し、測定画像６２上の位置（ｍ＋ｐ，ｎ＋ｑ）における画素強度をＩ２（ｍ＋ｐ，ｎ＋ｑ）で表す。画像処理部２４は、ずらし量ｐ及びｑをそれぞれ１画素ずつ変化させて基準画像６１及び測定画像６２の間の相関関数Ｒ（ｐ，ｑ）を算出する。相関関数Ｒ（ｐ，ｑ）は下記式で表される。
【数１】
2015152490.tif 000003
【００３８】
図４に示すように、ずらし量（ｐ、ｑ）が（Ｐ，Ｑ）に等しいとき、相関関数Ｒはピーク値Ｒ（Ｐ，Ｑ）を持つ。このことは、ずらし量（ｐ、ｑ）が（Ｐ，Ｑ）に等しいときに基準画像領域のパターンと測定画像領域のパターンが一致していることを示している。画像処理部２４は、相関関数Ｒがピーク値Ｒ（Ｐ，Ｑ）を持つずらし量（Ｐ，Ｑ）からワーク９０の光軸５０に垂直な方向の変位量７１を算出する。尚、画像処理部２４は、図５に示すサブピクセル補間（内挿）を行って真のピーク位置を推定することで、ワーク９０の変位量７１を高い精度で算出することができる。
【００３９】
上述したように基準画像６１のうち基準画像領域のみが測定画像６２と比較される。そのため、画像記憶部２３は、二次元イメージセンサ１６が出力したスペックル像の全体を保存してもよく、必要な領域のみを保存してもよい。
【００４０】
尚、ワーク９０が光軸５０に垂直な方向に移動し続けると、基準画像領域と同一のパターンが測定画像６１から外に出てしまい、相関関数Ｒのピークがなくなってしまう。例えば、二次元イメージセンサ１６の画素ピッチが１０μｍ、撮像系１５の光学倍率が１倍、二次元イメージセンサ１６が出力するスペックル像６０のサイズが２５６×２５６画素、基準画像領域のサイズが１６×１６画素の場合、変位量の測定限度は±１２０画素（＝１．２ｍｍ）となる。
【００４１】
ワーク９０の搬送時の位置決めを行うためには、測定限度（１．２ｍｍ）を超える変位量を測定する必要な場合がある。上述した基準画像を更新する方法を用いれば、測定限度をある程度拡大することができるが、累積誤差の問題と測定限度をワーク９０の長さ以上に拡大することができないという問題がある。
【００４２】
このような問題を解決するため、変位検出装置１００は、画像入力部２１及び画像出力部２２を備えている。したがって、複数の変位検出装置１００の間でスペックル像を送受信することができ、ワーク９０が大きく移動した場合であっても所望の移動位置からの変位量を高精度に測定できる。
【００４３】
図６を参照して、複数の変位検出装置１００を備えた変位検出システムの一例を説明する。ワーク９０を移動前の位置から距離Ｌだけ離れた所望の位置９５に搬送して位置決めする場合を考える。変位検出システムは、一の変位検出装置１００である変位検出装置１０１と、他の変位検出装置１００である変位検出装置１０２とを備える。変位検出装置１０１の検出器１０から距離Ｌだけ離れた位置に変位検出装置１０２の検出器１０が設置される。距離Ｌは、例えば、変位検出装置１０１の撮像系１５の光軸５０と変位検出装置１０２の撮像系１５の光軸５０との間の距離である。距離Ｌは、測定限度（１．２ｍｍ）及びワーク９０の全長Ｗより長い。尚、表示装置３１及び入力装置３２は図示省略されている。
【００４４】
変位検出装置１０１の検出器１０は、ワーク９０の移動前に、ワーク９０にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する。変位検出装置１０１のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０１の検出器１０が撮像したスペックル像を変位検出装置１０２に出力する。
【００４５】
変位検出装置１０２のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０１が撮像したスペックル像を保存する。変位検出装置１０２の検出器１０は、位置９５の近傍に移動したワーク９０にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する。変位検出装置１０２のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０１が撮像したスペックル像を基準画像６１として用い、変位検出装置１０２の検出器１０が撮像したスペックル像を測定画像６２として用い、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行ってワーク９０の変位量を算出する。
【００４６】
本実施の形態によれば、ワーク９０が大きく移動する場合であって、所望の位置９５からのワーク９０の変位量を高精度に測定することができる。本実施の形態によれば、ワーク９０が特徴のある模様や絵柄がない無地の紙であっても、所望の位置９５からのワーク９０の変位量を高精度に測定することができる。本実施の形態によれば、ワーク９０の任意の位置の変位量を測定することが可能なため、ワーク９０が柔らかい材質で形成されたサイズの大きいワークであっても、ワーク９０の位置決めの確実性を高めることができる。
【００４７】
尚、変位検出装置１０１及び１０２を上述したように使用する場合、変位検出装置１０１のインタフェースユニット２０は画像入力部２１及び画像処理部２３を備えなくてもよく、変位検出装置１０２のインタフェースユニット２０は、画像出力部２２を備えなくてもよい。変位検出装置１０２のインタフェースユニット２０がワーク９０の変位量を算出するかわりに、外部のコンピュータが、変位検出装置１０１が撮像したスペックル像と変位検出装置１０２が撮像したスペックル像の間の相関演算を行ってワーク９０の変位量を算出してもよい。
【００４８】
図７を参照して、複数の変位検出装置１００を備えた変位検出システムの他例を説明する。ワーク９１及び９２を搬送して位置９７に位置決めする場合を考える。ワーク９１及び９２の各々は、ワーク９０に対応している。変位検出システムは、変位検出装置１０１と、変位検出装置１０２と、他の変位検出装置１００である変位検出装置１０３を備える。尚、表示装置３１及び入力装置３２は図示省略されている。
【００４９】
変位検出装置１０１の検出器１０は、ワーク９１の移動前に、ワーク９１にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する。変位検出装置１０１のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０１の検出器１０が撮像したスペックル像を変位検出装置１０２に出力する。その後、搬送装置４０１は、ワーク９１を位置９６までＸ方向に平行に搬送し、ワーク９１を搬送装置４０２に引き渡す。搬送装置４０２は、ワーク９１をＹ方向に平行に搬送し、ワーク９１を搬送装置４０３に引き渡す。搬送装置４０３は、ワーク９１を位置９７の近傍までＸ方向に平行に搬送する。
【００５０】
変位検出装置１０３の検出器１０は、ワーク９２の移動前に、ワーク９２にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する。変位検出装置１０３のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０３の検出器１０が撮像したスペックル像を変位検出装置１０２に出力する。その後、搬送装置４０３は、ワーク９２を位置９７の近傍までＸ方向に平行に搬送する。
【００５１】
変位検出装置１０２のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０１が撮像したスペックル像及び変位検出装置１０３が撮像したスペックル像を保存する。変位検出装置１０２の検出器１０は、位置９７の近傍に移動したワーク９１にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する。変位検出装置１０２のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０１が撮像したスペックル像を基準画像６１として用い、変位検出装置１０２の検出器１０が撮像したスペックル像を測定画像６２として用い、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行ってワーク９１の変位量を算出する。
【００５２】
また、変位検出装置１０２の検出器１０は、位置９７の近傍に移動したワーク９２にレーザ光を照射した際の散乱光の干渉によって生成されるスペックル像を撮像する。変位検出装置１０２のインタフェースユニット２０は、変位検出装置１０３が撮像したスペックル像を基準画像６１として用い、変位検出装置１０２の検出器１０が撮像したスペックル像を測定画像６２として用い、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行ってワーク９２の変位量を算出する。したがって、複数のワーク９１及び９２の位置決めが可能になる。
【００５３】
尚、図６に示した変位検出システムにおいて、変位検出装置１０１がワーク９０のスペックル像を撮像するときの検出器１０とワーク９０の間のＧＡＰ量と、変位検出装置１０２がワーク９０のスペックル像を撮像するときの検出器１０とワーク９０の間のＧＡＰ量とは、高い精度で一致している必要がある。ＧＡＰ量の差が大きいと、相関演算により変位量を算出することが難しくなるからである。
【００５４】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる変位検出装置を説明する。実施の形態２にかかる変位検出装置は、ＧＡＰ量の調整が容易である。尚、以下の説明において、実施の形態１と共通する事項の説明は省略される場合がある。
【００５５】
図８を参照して、実施の形態２にかかる変位検出装置２００を説明する。変位検出装置２００は、検出器１０と、インタフェースユニット２０と、表示装置３１と、入力装置３２を備える。検出器１０は、照射光学系１２及び撮像系１５を支持する光学系支持部４０と、光軸方向位置調整機構４１と、測長方向位置調整機構４５を備える。光軸方向位置調整機構４１及び測長方向位置調整機構４５は、光学系移動部と称される場合がある。
【００５６】
光軸方向位置調整機構４１は、位置調整ねじ４２と、プランジャ４３を備える。位置調整ねじ４２のねじ部は、筐体２０に形成されたねじ部と係合する。位置調整ねじ４２の頭部は、ユーザによって操作される操作部である。位置調整ねじ４２を回転させると位置調整ねじ４２は筐体２０に対して撮像系１５の光軸５０に平行に移動する。プランジャ４３は、光学系支持部４０を光軸５０に平行に付勢して位置調整ねじ４２に押し付ける。プランジャ４３は、ばねの弾性力を用いて光学系支持部４０を付勢してもよい。位置調整ねじ４２を回転させることで、筐体２０に対する照射光学系１２及び撮像系１５の相対位置を光軸５０方向に沿って調整することができる。したがって、検出器１０（例えば、結像レンズ１７）とワーク９０の光軸５０方向の距離であるＧＡＰ量Ｄを調整することが容易である。
【００５７】
測長方向位置調整機構４５は、位置調整ねじ４７と、プランジャ４６を備える。位置調整ねじ４７のねじ部は、筐体２０に形成されたねじ部と係合する。位置調整ねじ４７の頭部は、ユーザによって操作される操作部である。位置調整ねじ４７を回転させると位置調整ねじ４７は筐体２０に対してＸ方向に平行に移動する。プランジャ４６は、光学系支持部４０をＸ方向に平行に付勢して位置調整ねじ４７に押し付ける。プランジャ４６は、ばねの弾性力を用いて光学系支持部４０を付勢してもよい。位置調整ねじ４７を回転させることで、筐体２０に対する照射光学系１２及び撮像系１５の相対位置をＸ方向に沿って調整することができる。したがって、変位検出装置２００の初期設定において、ワーク９０の位置決め目標位置の微調整を簡単に行うことができる。
【００５８】
変位検出装置２００は、他の変位検出装置１０１又は１０３が撮像したスペックル像を基準画像６１として用いる変位検出装置１０２に好適である。
【００５９】
次に、ＧＡＰ量Ｄを調整する方法を詳細に説明する。
【００６０】
ここで、画像処理部２４が、画像入力部２１が他の変位検出装置から入力し、画像記憶部２３が記憶したワーク９０のスペックル像を基準画像６１として用い、二次元イメージセンサ１６から現在出力されているワーク９０のスペックル像６０を測定画像６２として用いる場合を考える。画像処理部２４は、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行って相関関数Ｒ（数式（１）参照）を算出する。
【００６１】
図９は、基準画像６１を撮像したときのＧＡＰ量と測定画像６２を撮像したときのＧＡＰ量Ｄが一致している場合の相関関数Ｒのグラフを示している。図１０は、基準画像６１を撮像したときのＧＡＰ量と測定画像６２を撮像したときのＧＡＰ量Ｄが異なる場合の相関関数Ｒのグラフを示している。基準画像６１を撮像したときのＧＡＰ量と測定画像６２を撮像したときのＧＡＰ量Ｄの差が拡大すると、相関関数Ｒのピーク値が減少し、ピークの周囲のノイズ成分が大きくなる。
【００６２】
画像処理部２４は、相関演算の結果としての相関関数ＲをＧＡＰ量判定用データ７２として表示装置３１に出力する。表示装置３１は、ＧＡＰ量判定用データ７２を表示し、相関演算の結果をユーザに知らせる。尚、表示以外の手段で相関演算の結果を出力してもよい。ユーザは、表示装置３１に表示された相関関数Ｒのグラフを見ながら光軸方向位置調整機構４１を手動で操作して、照射光学系１２及び撮像系１５の光軸５０方向の位置を調整する。これにより、相関関数Ｒのピーク値が最大になるようにＧＡＰ量Ｄを調整することができる。尚、ＧＡＰ量判定用データ７２は、相関関数Ｒのピーク値であってもよい。
【００６３】
その後、画像処理部２４は、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行って相関関数Ｒを算出し、相関関数Ｒがピーク値を持つずらし量（Ｐ，Ｑ）からワーク９０の変位量７１を算出する。表示装置７１は、変位量７１を表示する。同種のワークの位置決めを連続的に行う場合、最初のワークについてＧＡＰ量Ｄの調整を行えば、以降のワークについてはＧＡＰ量Ｄの調整を行わなくてもよい。
【００６４】
尚、ＧＡＰ量とＧＡＰ量Ｄの差が拡大したときのノイズ成分の増加が大きい場合、ＧＡＰ量判定用データ７２は、相関関数Ｒの信号成分とノイズ成分の比Ｓ／Ｎであることが好ましい。この場合、ユーザは、比Ｓ／Ｎが最大になるように照射光学系１２及び撮像系１５の光軸５０方向の位置を調整する。
【００６５】
図１１を参照して、比Ｓ／Ｎの算出方法を説明する。画像処理部２４は、相関関数Ｒのピーク値と相関関数Ｒの平均との差Ｓと相関関数Ｒの標準偏差σとの比Ｓ／σを比Ｓ／Ｎとして算出する。この場合、ユーザは、比Ｓ／σが最大になるように照射光学系１２及び撮像系１５の光軸５０方向の位置を調整する。
【００６６】
（実施の形態３）
次に、図１２を参照して、実施の形態３にかかる変位検出装置３００を説明する。実施の形態３にかかる変位検出装置３００は、ＧＡＰ量Ｄの調整を自動で行うことができる。尚、以下の説明において、実施の形態２と共通する事項の説明は省略される場合がある。
【００６７】
変位検出装置３００は、検出器１０と、インタフェースユニット２０と、表示装置３１と、入力装置３２を備える。検出器１０は、結像レンズ１７及び絞り１８を支持する光学系支持部４０と、光軸方向位置調整機構４４を備える。光軸方向位置調整機構４４は、焦点位置移動部と称される場合がある。光軸方向位置調整機構４４は、光学系支持部４０を光軸５０に平行に駆動して位置決めする位置決め機構である。光軸方向位置調整機構４４は、例えば、リニアガイド、ステッピングモータを備える。したがって、光軸方向位置調整機構４４は、筐体２０に対する結像レンズ１７及び絞り１８の相対位置を光軸５０方向に沿って調整することができ、ＧＡＰ量Ｄを調整することができる。
【００６８】
インタフェースユニット２０は、画像入力部２１と、画像出力部２２と、画像記憶部２３と、画像処理部２４と、制御部２５を備える。
【００６９】
次に、ＧＡＰ量Ｄを自動調整する方法を詳細に説明する。
【００７０】
ここで、画像処理部２４が、画像入力部２１が他の変位検出装置から入力し、画像記憶部２３が記憶したワーク９０のスペックル像を基準画像６１として用い、二次元イメージセンサ１６から現在出力されているワーク９０のスペックル像６０を測定画像６２として用いる場合を考える。画像処理部２４は、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行って相関関数Ｒ（数式（１）参照）を算出する。
【００７１】
画像処理部２４は、相関関数Ｒのピーク値をＧＡＰ量判定用データ７２として出力する。制御部２５は、ＧＡＰ量判定用データ７２をモニタしながら光軸方向位置調整機構４４を制御する。したがって、光軸方向位置調整機構４４は、相関関数Ｒのピーク値に基づいて、光学系支持部４０の位置を光軸５０方向に沿って自動調整する。これにより、相関関数Ｒのピーク値が最大になるようにＧＡＰ量Ｄを自動調整することができる。
【００７２】
尚、ＧＡＰ量判定用データ７２は、相関関数Ｒのピーク値と相関関数Ｒの平均との差Ｓと相関関数Ｒの標準偏差σとの比Ｓ／σであってもよい。この場合、比Ｓ／σが最大になるようにＧＡＰ量Ｄを自動調整することができる。
【００７３】
その後、画像処理部２４は、基準画像６１及び測定画像６２の間の相関演算を行って相関関数Ｒを算出し、相関関数Ｒがピーク値を持つずらし量（Ｐ，Ｑ）からワーク９０の変位量７１を算出する。表示装置７１は、変位量７１を表示する。
【００７４】
尚、実施の形態３にかかる光学系支持部４０は、撮像系１５の全体を支持してもよい。実施の形態３にかかる光学系支持部４０は、照射光学系１２及び撮像系１５を支持してもよい。
【００７５】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１０…検出器、１１…筐体、１１ａ…開口、１２…照射光学系、１３…レーザ光源、１４…コリメートレンズ、１５…撮像系、１６…二次元イメージセンサ、１７…結像レンズ、１８…絞り、２０…インタフェースユニット、２１…画像入力部、２２…画像出力部、２３…画像記憶部、２４…画像処理部、２５…制御部、３１…表示装置、３２…入力装置、４０…光学系支持部、４１、４４…光軸方向位置調整機構、４２、４７…位置調整ねじ、４３、４６…プランジャ、４５…測長方向位置調整機構、５０…光軸、５１…出射光、５２…平行光、５３…散乱光、６０…スペックル像、６１…基準画像、６２…測定画像、７１…変位量、７２…ＧＡＰ量判定用データ、９０（９１、９２）…ワーク、９０ａ…表面、９５〜９７…位置、１００（１０１〜１０３）、２００、３００…変位検出装置、４０１〜４０３…搬送装置、Ｄ…ＧＡＰ量、Ｌ…距離、Ｗ…ワーク全長
【図１】
2015152490.tif 000004
【図２】
2015152490.tif 000005
【図３】
2015152490.tif 000006
【図４】
2015152490.tif 000007
【図５】
2015152490.tif 000008
【図６】
2015152490.tif 000009
【図７】
2015152490.tif 000010
【図８】
2015152490.tif 000011
【図９】
2015152490.tif 000012
【図１０】
2015152490.tif 000013
【図１１】
2015152490.tif 000014
【図１２】
2015152490.tif 000015