JPH0516548B2

JPH0516548B2 -

Info

Publication number: JPH0516548B2
Application number: JP27681884A
Authority: JP
Inventors: Tomyoshi Yoshida; Hiroshi Kitajima; Koji Morishita; Nobuo Nakatsuka
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1984-12-26
Filing date: 1984-12-26
Publication date: 1993-03-04
Also published as: JPS61151464A

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。

(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。

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）。

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＋Δx²）^1/2 …(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）。

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。

(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。

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。

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。

(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。

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。

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。

(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。

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。

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。

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。

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。

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。

(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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims

【特許請求の範囲】

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。