JPH0516548B2 - - Google Patents

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JPH0516548B2
JPH0516548B2 JP27681884A JP27681884A JPH0516548B2 JP H0516548 B2 JPH0516548 B2 JP H0516548B2 JP 27681884 A JP27681884 A JP 27681884A JP 27681884 A JP27681884 A JP 27681884A JP H0516548 B2 JPH0516548 B2 JP H0516548B2
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JP
Japan
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speckle
light
speed
photoelectric conversion
moving
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JP27681884A
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Japanese (ja)
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JPS61151464A (en
Inventor
Tomyoshi Yoshida
Hiroshi Kitajima
Koji Morishita
Nobuo Nakatsuka
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Omron Corp
Original Assignee
Omron Tateisi Electronics Co
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 この発明は、移動する物体に、レーザ光等のコ
ヒーレント光を照射し、得られるランダム干渉が
パターン(スペツクルパターン)を利用して、物
体の移動速度を測定する方法に関する。
[Detailed description of the invention] (a) Industrial application field This invention irradiates a moving object with coherent light such as a laser beam, and utilizes the resulting random interference pattern (speckle pattern). This invention relates to a method for measuring the moving speed of an object.

(ロ) 従来の技術 一般に、第4図に示すように、レーザ光源1よ
り投光光学系2を経て、コヒーレント光3を移動
物体4に照射すると、この移動物体4で透過又は
反射された光は、受光点5で受けると、スペツク
ルパターンの並進(トランスレーシヨン)運動と
ボイリング(スペツクルが移動せず、その位置で
光の強弱振動が生じる)運動の2つの運動を伴
い、スペツクルパターンが移動・変位することが
知られている(雑誌「レーザ研究」第8巻第2
号、同第8巻第3号)。同図において、受光点5
での光変動の直流を除去した規格化自己相関関数
Γ(τ、v)は、 Γ(τ、v) =exp(−v2/w2τ2)exp(−σ2v2/Δx2τ2)…(1) σ=1+R/ρ …(2) ただし、 V:粗物体の移動速度、 w:照射ビーム半径、 Δx:スペツクル平均値、 σ:スペツクル並進倍率、 ρ:照射ビームの波面曲率、 R:移動物体から受光点までの距離、 となる。
(b) Prior Art Generally, as shown in FIG. 4, when a moving object 4 is irradiated with coherent light 3 from a laser light source 1 via a projection optical system 2, the light transmitted or reflected by the moving object 4 is When received at the light receiving point 5, the speckle pattern undergoes two movements: translation movement and boiling movement (the speckle does not move, and the intensity of light oscillates at that position). is known to move and displace (Magazine "Laser Research" Vol. 8, No. 2)
No. 8, No. 3). In the same figure, light receiving point 5
The normalized autocorrelation function Γ ( τ, v) that removes the direct current of light fluctuation at τ 2 )...(1) σ=1+R/ρ...(2) where, V: moving speed of coarse object, w: irradiation beam radius, Δx: speckle average value, σ: speckle translation magnification, ρ: wavefront of irradiation beam Curvature, R: Distance from the moving object to the light receiving point.

上記(1)式は、物体速度Vの増加に伴い、自己相
関関数が減衰してゆくことを示しており、例えば
相関が1/eとなる時間をτc(自己相関長)とす
ると、(1)式より、 τc=1/V(1/w2+σ2/4a2+Δx2-1/2 …(3) ただし、 a:受口開口の半径 となる。このτcにより速度Vが測定でき、この出
願の発明者等は、この原理を採用したスペツクル
速度計をすでに出願している(特願昭59−54043
号)。
Equation (1) above shows that the autocorrelation function attenuates as the object speed V increases. For example, if the time when the correlation becomes 1/e is τc (autocorrelation length), then (1 ) From the equation, τc=1/V (1/w 22 /4a 2 +Δx 2 ) -1/2 ...(3) where a: radius of the socket opening. The velocity V can be measured using this τc, and the inventors of this application have already applied for a speckle velocimeter that adopts this principle (Japanese Patent Application No. 59-54043).
issue).

また、光変動の単位時間当たりの零交叉数No
も上記(1)式から計算され、 No=√2/πV(1/w2+σ2/4a2+Δx21/2 …(4) となる。この零交叉数Noを計数することによつ
ても速度Vが測定でき、この出願の発明者等はこ
の原理を採用したスペツクル速度計についても、
やはりすでに出願している(実願昭58−106376
号、特願昭和59−54041号)。
Also, the number of zero crossings per unit time of light fluctuation No.
is also calculated from the above equation (1), and becomes No=√2/πV(1/w 22 /4a 2 +Δx 2 ) 1/2 (4). The velocity V can also be measured by counting this zero-crossing number No. The inventors of this application have also developed a speckle velocimeter that adopts this principle.
After all, it has already been applied (Utility Application No. 58-106376)
No., Special Application No. 59-54041).

上記した、すでに出願のスペツクル速度計は、
いずれも収束ビームや拡大ビームによる照明法を
採用していた。
The above-mentioned speckle velocimeter, which has already been applied for, is
All of them employed illumination methods using converging beams or expanding beams.

(ハ) 発明が解決しようとする問題点 上記従来のスペツクル速度計は、収束ビームや
拡大ビームを照明に利用し、上記(3)式あるいは(4)
式に基づいて速度Vを測定するものであるから、
照明領域に比べ、粗物体の粗さ相関長さが比較的
長い場合にはスペツクルが非ガウス的となり、ま
た紙等は、にじみ現象によりスペツクルが小さく
なり、正常なスペツクルサイズを持たないスペツ
クルが出来、そのため光変動の自己相関関数が変
化し、正しく測定が行われないという欠点があつ
た。また、測定物体が例えば銅から紙、さらに布
というように変化する場合には、その測定物体に
よりΔxが変化し、そのため信号処理部でいちい
ち物体変更の補正をなさねばならなかつた。さら
にまた、照明ビームが完全な球面波でなく、波面
収差を含んでいる場合、スペツクルの並進が波面
曲率に強く関係しているため、並進が不安定とな
り、やはり測定精度が落ちるという欠点があつ
た。
(c) Problems to be solved by the invention The conventional speckle velocimeter described above uses a convergent beam or an expanded beam for illumination,
Since the speed V is measured based on the formula,
If the roughness correlation length of the rough object is relatively long compared to the illumination area, the speckle will be non-Gaussian, and for paper etc., the speckle will be small due to the smearing phenomenon, and the speckle will not have a normal speckle size. As a result, the autocorrelation function of light fluctuations changed, resulting in inaccurate measurements. Furthermore, when the object to be measured changes, for example from copper to paper to cloth, Δx changes depending on the object to be measured, and therefore the signal processing section has to make corrections for each change in object. Furthermore, if the illumination beam is not a perfect spherical wave and contains wavefront aberration, the translation of the speckle is strongly related to the wavefront curvature, which causes the translation to become unstable, which also has the disadvantage of reducing measurement accuracy. Ta.

そこで、この欠点を解消するために、本願の発
明者は収束領域、ウエスト領域及び拡散領域を持
つビームのウエスト領域に移動物体を配置し、ボ
イリング状態にあるスペツクルパターンを拡散領
域で受光し、速度測定を行う方法を創出し、すで
に別に出願した。しかし、この方法はウエスト領
域に物体を置くものであるため、パワーが集中
し、被測定物体を損傷するおそれがあつた。
Therefore, in order to solve this drawback, the inventor of the present application placed a moving object in the waist region of a beam having a convergence region, a waist region, and a diffusion region, and received the speckle pattern in a boiling state in the diffusion region. He has created a method for measuring speed and has already filed a separate application. However, since this method involves placing an object in the waist region, power is concentrated and there is a risk of damaging the object to be measured.

この発明は、上記に鑑み、スペツクルが非ガウ
ス的となる場合、測定物体が変更される場合、ま
た照明ビームが波面収差を含む場合でも、物体の
速度を高精度に測定でき、しかも被測定物体を損
傷することの少ない物体の速度測定方法を提供す
ることを目的としている。
In view of the above, the present invention makes it possible to measure the velocity of an object with high precision even when the speckle becomes non-Gaussian, when the measurement object is changed, or when the illumination beam includes wavefront aberration, and furthermore, even when the object to be measured is The purpose of this research is to provide a method for measuring the speed of an object that causes less damage to the object.

(ニ) 問題点を解決するための手段及び作用 この発明は、上記問題点を解消するために、ウ
エスト領域に移動物体を置き、ボイリング状態で
受光するものにおいて、光ビームの断面が楕円状
で、被測定物体に照射されるようにしている。す
なわち、この発明の物体の速度測定方法は、コヒ
ーレント光源よりの光を、光学系で収束領域、ウ
エスト領域及び拡散領域を持ち、かつ断面が楕円
状の光ビームに変換し、この光ビームのウエスト
領域に移動物体を配置し、かつ光電変換素子を拡
散領域に設け、この光電変換素子より得られるス
ペツクルパターン信号を信号処理部で処理して、
物体の移動速度を測定するようにしている。
(d) Means and operation for solving the problem In order to solve the above problem, the present invention provides a system in which a moving object is placed in the waist region and light is received in a boiling state, and the cross section of the light beam is elliptical. , so that the object to be measured is irradiated. That is, the method of measuring the speed of an object according to the present invention uses an optical system to convert light from a coherent light source into a light beam having a convergence region, a waist region, and a diffusion region and an elliptical cross section. A moving object is placed in the area, a photoelectric conversion element is provided in the diffusion area, and a speckle pattern signal obtained from the photoelectric conversion element is processed by a signal processing unit.
I am trying to measure the moving speed of an object.

この移動測定方法では、照射ビーム半径wが
w0を非常に小さく、またスペツクルサイズΔxが
Rが大なるために大きく(Δx=λR/πw)、第(3)
式においては 1/w2≫σ2/4a2+Δx2 となり、右項がほとんど無視できる。また第(4)式
においても同様であるから、相互相関長τc、零交
叉数Noは、 τc=w/V、No=√2/πV となり、いずれもΔx、ρ等が変動しても測定結
果に影響しない。
In this moving measurement method, the irradiation beam radius w is
w 0 is made very small, and the speckle size Δx is large because R is large (Δx = λR / πw), and the (3)
In the formula, 1/w 2 ≫σ 2 /4a 2 +Δx 2 , and the right term can be almost ignored. Also, since the same holds true for equation (4), the cross-correlation length τc and zero crossover number No are τc = w/V, No = √2/πV, and both can be measured even if Δx, ρ, etc. vary. Does not affect results.

また、物体には楕円状の光ビームが照射される
ので、光パワーが分散されて被測定物体にあたる
ことになる。
Furthermore, since the object is irradiated with an elliptical light beam, the optical power is dispersed and hits the object to be measured.

(ホ) 実施例 以下、実施例により、この発明をさらに詳細に
説明する。
(E) Examples The present invention will be explained in more detail below with reference to Examples.

第1図は、この発明が実施されるレーザスペツ
クル速度計の概略図である。同図において、11
はコヒーレントなビーム光を発するレーザ光源、
12は移動物体14をビーム光のウエスト位置で
照明するための投光光学系である。また、シリン
ドリカルレンズ13は、光ビームの断面形状を楕
円状とするために設けられており、これに代えて
プリズムを用いてもよい。つまり移動物体14
は、ビーム光のウエスト位置に配置されている。
しかも第3図に示すように断面が楕円状の光ビー
ムが照射されるようになつている。また移動物体
14は透過性の移動物体である。15は光電変換
素子であり、例えば光電管や半導体受光素子が使
用される。光電変換素子15の前面にピンホール
開口16を備えた開口板17が設けられている。
また、光電変換素子15には変換されたスペツク
ルパターン信号を処理するための信号処理部18
が接続されている。
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser speckle velocimeter in which the present invention is implemented. In the same figure, 11
is a laser light source that emits a coherent beam of light,
12 is a light projecting optical system for illuminating the moving object 14 at the waist position of the beam light. Further, the cylindrical lens 13 is provided to make the cross-sectional shape of the light beam elliptical, and a prism may be used instead. In other words, the moving object 14
is placed at the waist position of the beam light.
Moreover, as shown in FIG. 3, a light beam having an elliptical cross section is irradiated. Further, the moving object 14 is a transparent moving object. 15 is a photoelectric conversion element, for example, a phototube or a semiconductor light receiving element is used. An aperture plate 17 having pinhole apertures 16 is provided on the front surface of the photoelectric conversion element 15 .
The photoelectric conversion element 15 also includes a signal processing section 18 for processing the converted speckle pattern signal.
is connected.

この信号処理部18は、第2図に示すように、
光電変換素子15よりのスペツクルパターン信号
を増幅する広帯域増幅器19、増幅されたスペツ
クルパターン信号より直流分をカツトする直流分
除去回路20、さらにシユミツトトリガ回路2
1、ワンシヨツトマルチ回路22、カウンタ回路
23及びクロツク回路24から構成されている。
This signal processing section 18, as shown in FIG.
A broadband amplifier 19 that amplifies the speckle pattern signal from the photoelectric conversion element 15, a DC component removal circuit 20 that removes the DC component from the amplified speckle pattern signal, and a Schmitt trigger circuit 2.
1, a one-shot multi-circuit 22, a counter circuit 23, and a clock circuit 24.

この実施例レーザスペツクル速度計において、
レーザ光源11よりレーザ光が出射されると、投
光光学系12により、収束領域、ウエスト領域及
び拡散領域を持つ光ビームに変換され、さらにシ
リンドリカルレンズ13によりその光ビームの断
面が楕円状とされる。この被測定物体14が速度
Vで光軸に垂直に移動しているとすると、物体1
4より距離R離れた受光面板16は拡散領域に設
けられている(R≧πw0 2/λ)のでスペツクル
がボイリング状態となり、時間的に変動する。こ
の変動信号が光電変換素子15により電気信号に
変換され、信号処理部18に入力される。このと
きの変動の速さは、物体14の移動速度Vに比例
しており、この変動の速さが信号処理部18で検
出される。
In this example laser speckle velocimeter,
When a laser beam is emitted from the laser light source 11, the projection optical system 12 converts the laser beam into a light beam having a convergence region, a waist region, and a diffusion region, and the cross section of the light beam is made elliptical by the cylindrical lens 13. Ru. Assuming that this measured object 14 is moving perpendicular to the optical axis at a speed V, the object 1
Since the light-receiving face plate 16, which is a distance R away from the light-receiving surface plate 16, is provided in the diffusion region (R≧πw 0 2 /λ), the speckle is in a boiling state and fluctuates over time. This fluctuation signal is converted into an electrical signal by the photoelectric conversion element 15 and input to the signal processing section 18 . The speed of the fluctuation at this time is proportional to the moving speed V of the object 14, and the speed of this fluctuation is detected by the signal processing unit 18.

信号処理部18では、先ず電気信号に変換され
たスペツクル信号(変動信号)を広帯域増幅器1
9で所定のレベルまで増幅し、増幅された信号を
さらに零交叉数検出のために直流分除去回路20
で直流分をカツトし、さらにシユミツトトリガ回
路21で零交叉時にハイとローが反転するパルス
列を作成する。このパルス列がワンシヨツトマル
チ回路22で所定のパルス幅に整形され、カウン
タ回路23で単位時間当たりの零交叉カウント数
No/2が計数される。この零交叉数Noは、一般
的な理論式としては(4)式の通りであるが、この実
施例ではボイリング状態で受光しているので(4)式
の右項は無視でき、 No=√2V/πw となる。従つて、カウント回路23の計数値に
は、スペツクルサイズΔx、開口面積a、物体と
光電変換素子間の距離R、ビームの波面曲率ρの
影響があらわれず、たとえ物体14の材質が変更
され、Δxが変化しても、また波面曲率ρに歪み
があつても、その影響が速度測定に影響せず、何
らの補正の必要もない。
In the signal processing unit 18, first, the speckle signal (fluctuation signal) converted into an electrical signal is sent to the broadband amplifier 1.
9, the amplified signal is further amplified to a predetermined level by a DC component removal circuit 20 for zero-crossing detection.
The DC component is cut off, and the Schmitt trigger circuit 21 creates a pulse train whose high and low levels are inverted at the time of zero crossing. This pulse train is shaped into a predetermined pulse width by a one-shot multi-circuit 22, and a counter circuit 23 calculates the number of zero-crossing counts per unit time.
No/2 is counted. This zero crossing number No is as shown in equation (4) as a general theoretical equation, but in this example, since the light is received in a boiling state, the right term of equation (4) can be ignored, and No = √ It becomes 2V/πw. Therefore, the count value of the counting circuit 23 is not affected by the speckle size Δx, the aperture area a, the distance R between the object and the photoelectric conversion element, and the wavefront curvature ρ of the beam, even if the material of the object 14 is changed. , Δx change, or even if there is distortion in the wavefront curvature ρ, these effects do not affect the speed measurement, and there is no need for any correction.

なお上記実施例では、信号処理部18として、
零交叉数検出回路を例に上げたが、これに限るこ
となく、自己相関長τcを算出する回路を用いるこ
とも可能である。
In the above embodiment, the signal processing section 18 includes:
Although the zero-crossing number detection circuit is taken as an example, the present invention is not limited to this, and it is also possible to use a circuit that calculates the autocorrelation length τc.

(ヘ) 発明の効果 この発明によれば、スペツクルのボイリング状
態で受光される信号を処理して速度測定をなすも
のであるから、スペツクルサイズや波面曲率が測
定結果に影響することがないので、精度の高い測
定を行うことができる。また、被測定物体が途中
で変更されても何らの補正を要することなく、そ
のまま測定を継続することができる。
(F) Effects of the Invention According to the present invention, since the speed measurement is performed by processing the signal received in the boiling state of the speckle, the speckle size and wavefront curvature do not affect the measurement results. , it is possible to perform highly accurate measurements. Further, even if the object to be measured is changed during the process, the measurement can be continued without any correction.

また、移動物体に楕円状の光ビームが照射され
るため、光パワーが集中せず、分散されるので、
被測定物体に損傷を与えることがない。
In addition, since the moving object is irradiated with an elliptical light beam, the optical power is not concentrated but dispersed.
No damage to the object being measured.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、この発明が実施されるレーザスペツ
クル速度計の概略図、第2図は、同レーザスペツ
クル速度計の信号処理部の具体例を示す回路図、
第3図は、同レーザスペツクル速度計において移
動物体に照射される光ビームの断面図、第4図
は、従来のレーザスペツクルによる速度測定を説
明するための光学配置を示す図である。 11:レーザ光源、12:投光光学系、13:
シリンドリカルレンズ、14:移動物体、15:
光電変換素子、18:信号処理部。
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser speckle velocimeter in which the present invention is implemented, and FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific example of a signal processing section of the laser speckle velocimeter.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a light beam irradiated onto a moving object in the same laser speckle velocimeter, and FIG. 4 is a diagram showing an optical arrangement for explaining velocity measurement using a conventional laser speckle. 11: Laser light source, 12: Projection optical system, 13:
Cylindrical lens, 14: Moving object, 15:
Photoelectric conversion element, 18: signal processing section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 コヒーレント光源よりの光を、光学系で収束
領域、ウエスト領域及び拡散領域を持ち、かつ断
面が楕円状の光ビームに変換し、この光ビームの
ウエスト領域に移動物体を配置し、かつ光電変換
素子を拡散領域に設け、この光電変換素子より得
られるスペツクルパターン信号を信号処理部で処
理して物体の移動速度を測定するようにした物体
の速度測定方法。
1. Using an optical system, light from a coherent light source is converted into a light beam that has a convergence region, a waist region, and a diffusion region and has an elliptical cross section. A moving object is placed in the waist region of this light beam, and photoelectric conversion is performed. A method for measuring the speed of an object, in which an element is provided in a diffusion region, and a speckle pattern signal obtained from the photoelectric conversion element is processed by a signal processing section to measure the moving speed of the object.
JP27681884A 1984-12-26 1984-12-26 Method for measuring speed of matter Granted JPS61151464A (en)

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JPS61151464A JPS61151464A (en) 1986-07-10
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