JPH0577259B2 - - Google Patents

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61−121810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、１はパルスレーザ、２，４はビーム
スプリツタ、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
はシヤツタアパーチヤ、１０，１１は全反射鏡、
１２は被測定物体、１３は結像レンズ、１４は入
力スリツト、１５はストリークカメラ、１６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、ビームスプリツタ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、ビームスプリツタ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
プリツタ４で分割される。ビームスプリツタ４の
透過光は全反射鏡５，１０を介して被測定物体１
２を上方から照射する。一方、ビームスプリツタ
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１３
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１６で読みだし、モ
ニタ１７で観測されると共に、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つてストリークカメラ
に入射する。したがつて、図示するような物体寸
法の場合、凹凸深さd₁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、 d₁＝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）（W₂−W₁） 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、（W₂−W₁）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は光フアイバ、２２は結像
光学系、２３はレンズ、２４はハーフミラー、２
５は全反射鏡である。

この例においては、光フアイバ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はハーフミラー２４、全反射鏡２５、
レンズ２３で構成し、ハーフミラー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。

光フアイバ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。したがつて、分析
装置２０で予め光フアイバ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、スリツトパターン
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、G₁，G₂は格子、L₁，L₂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，
G₂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（ピツチ）をｌとす
れば、ｌ＝ｄ／θと表される。したがつて、縞の
移動を検出することにより格子G₁の動きを知る
ことができる。

第１０図は物体上にスリツ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、物体の上にピツチｓの平行直線格
子（不透明）を置き、格子の上方ｌ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射す
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。従つ
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。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h_N
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
子面に平行に測つた光源と瞳の距離ｄとして、 h_N／h_N＋ｌ＝Ns／ｄ より、 h_N＝Nls／（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ツチ
ｌ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、
構成が複雑になつてしまう欠点がある。

また、物体上にスリツ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解析することは困難
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はハーフミラー、３４
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、ハーフミラー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３
８へのゲート信号とする。また物体が動くことに
より光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図の装置により行つた例を示す
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はステツプ電圧発生器、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ツプ
電圧をステツプ電圧発生器４２，４３により発生
させる。ステツプ電圧発生器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、同時にステツプ電圧発生器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、偏向電極板へのステツプ電圧の印加は、
必ずしも水平偏向板、垂直偏向板の両方でなくて
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
可能であつ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
解析を行つた例を示す図、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
上にスリツ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
……ハーフミラー、３４……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、４
１……掃引信号発生器、４２，４３……ステツプ
電圧発生器、４４……カウンタ、４５……垂直偏
向電極板、４６……水平偏向電極板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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 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 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 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 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 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 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
   とも一方にステツプ電圧が印加され、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。