JPH0664076B2

JPH0664076B2 - スペツクル速度計測装置

Info

Publication number: JPH0664076B2
Application number: JP28136484A
Authority: JP
Inventors: 博史北島; 富省吉田; 耕次森下; 信雄中塚
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: JPS61155759A

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パターン（スペッ
クルパターン）を利用して、物体の移動速度及び方向を
測定するスペックル速度計測装置に関する。

（ロ）従来の技術一般に、第６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、スペックルパターンの並進（トランス
レーション）運動とボイリング（スペックルが移動せ
ず、その場で光の強弱が生じ振動する）運動の２つの運
動を伴い、スペックルパターンが移動・変形することが
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、ただし、Ｖ：粗物体の移動速度、ｗ：照射ビーム半径、Δｘ：スペックル平均値、 σ：スペックル並進倍率、 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，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ックル速度計をす
でに出願している（特開昭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、となる。この零交叉数Ｎｏを計数することによっても速
度Ｖが測定でき、この出願の発明者等はこの原理を採用
したスペックル速度計についても、やはりすでに出願し
ている（実開昭５８−１０６３７６号、特願昭和５９−
５４０４１号）。

上記した、すでに出願のスペックル速度計は、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ックル速度計は、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ックルが
非ガウス的となり、また紙等は、にじみ現象によりスペ
ックルが小さくなり、正常なスペックルサイズを持たな
いスペックルが出来、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った。
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
さねばならなかった。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、スペックル
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っ
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
ィッ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
を適用して単に１光源１受光部のスペックル速度計を実
現しても、物体の移動方向が定かでない場合、その方向
を知ることができなかった。

この発明は、上記に鑑み、スペッ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、しかも物体の移動方向をも測定し得るスペックル速
度計測装置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、それぞれに
光源、光学系、受光部及び信号処理部を含む２系統の測
定系を備え、いずれも受光部ではボイリング状態で受光
するとともに、一方の測定系では円形のビームを、他方
の測定系では楕円形のビームを移動物体に照射するよう
にしている。すなわち、この発明のスペックル速度計測
装置は、コヒーレント光を発する第１の光源、この第１
の光源よりのコヒーレント光を収束領域、ウエスト領
域、拡散領域を持つ光ビームに変換する第１の光学系、
この先ビーム及び移動物体との位置関係で受光面に生じ
るスペックルがボイリング状態となるように配置される
光電変換素子を含む第１の受光部、光電変換されスペッ
クル信号を受け、物体速度に応じた信号を出力する第１
の信号処理部を備える第１の測定系と、コヒーレント光
を発する第２の光源、この第２の光源よりのコヒーレン
ト光を収束領域、ウエスト領域及び拡散領域をもち、か
つ断面が楕円状の光ビームに変換する第２の光学系と、
この第２の光学系よりの光ビーム及び移動物体との位置
関係で受光面に生じるスペックルがボイリング状態とな
るように配置される光電変換素子を含む第２の受光部、
光電変換されたスペックル信号を受け、そのスペックル
信号に応じた信号を出力する第２の信号処理部を備える
第２の測定系と、前記第１及び第２の測定系の出力に基
づいて物体の移動方向を算出する方向算出手段とから構
成されている。

このスペックル速度計測装置では、ボイリング状態で受
光されるため、第(3)式、第(4)式の右項が無視できるの
で、自己相関長τｃ、零交叉数Ｎｏは、となり、第１の信号処理部で自己相関長τｃ、あるいは
零交叉数Ｎｏを求めることにより、速度Ｖが算出され
る。また、τｃ、ＮｏのいずれかにもΔｘ、ρ等が含ま
れなくなり、これらが変動しても測定結果に影響しな
い。さらに、第２の信号処理部では、物体の移動方向に
応じて異なる信号が出力されるので、速度方向算出手段
で、第１の信号処理部と第２の信号処理部の出力比を演
算することにより、その比から物体の移動方向が求めら
れる。

（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スペックル速度計測装
置の概略図である。このスペックル速度計は、第１の測
定系１０と、第２の測定系２０と、移動方向算出手段３
０とから構成されている。また、第１の測定系１０はレ
ーザ光源１２及び光学系１３を備える投光部１１と、干
渉フィルタ１６、受光素子１７及び増幅器１８を備える
受光部１５と、信号処理部１９とから構成され、第２の
測定系２０はレーザ光源２２及び光学系２３を備える投
光部２１と、干渉フィルタ２６、受光素子２７及び増幅
器２８を備える受光部２５と、信号処理部２９から構成
されている。

レーザ光源１２、２２は、それぞれ波長の相違する（λ
_１、λ_２）コヒーレント光を発するものであり、光学系
１３、２３はいずれもレーザ光源１２、２２よりのコヒ
ーレント光を収束領域、ウエスト領域及び拡散領域を持
つ光ビームに変換するために設けられている。もっとも
光学系１２からは断面形状が円形の光ビームが発せられ
るのに対し、光学系２３からは断面形状が楕円形の光ビ
ームが発せられる。

光学形１３とよび２３より発せられた光ビームは、速度
Ｖで移動する被測定物体１４に照射され、その反射光ビ
ームがそれぞれ受光部１５、２５で受光されるようにな
っている。干渉フィルタ１６は光学系１３よりの光（波
長λ_１）のみを透過させるために、また干渉フィルタ２
６は光学系２３よりの光（波長λ_２）のみを透過させる
ために、それぞれ設けられている。

また、光学系１３と物体１４及び受光素子１７の位置関
係、さらに光学系２３と物体１４及び受光素子２７の位
置関係は、いずれも受光素子１７、２７の受光面にスペ
ックルのボイリング状態が生じるように配置されてい
る。例えば、レーザビーム光のウエスト領域で物体に光
を照射し、且つ、受光面を物体からπｗ₀ ²／λ以上離せ
ば良い。ここで、λはレーザ光の波長であり、ｗ_０はビ
ームウエスト半径である。なお、楕円ビームの場合には
長軸方向のビームウエスト半径である。

或いはまた、波面曲率ρの収束状態のレーザビーム（ビ
ームウエストに至る手前）で物体を照射し、且つ、受光
面が物体からρの位置近傍になるようにしても良い。

受光面で生じたボイリング状態のスペックルは、受光素
子１７、２７で電気信号（スペックル信号）に変換さ
れ、増幅器１８、２８でそれぞれ増幅されて、信号処理
部１９、２９に入力されるようになっている。

信号処理部１９は、受光部１５からのスペックル信号を
受けて、零交叉数Ｎｏを求める機能回路、あるいは自己
相関長τｃを演算する機能回路であり、信号処理部２９
も信号処理部１９も同種の回路である。

信号処理部１９が零交叉数Ｎｏを求める機能回路である
場合は、第２図に示すように、直流成分除去回路４１、
シュミット回路４２、単安定マルチバイブレータ４３及
びカウンタ４４とから構成される。

次に物体１４を光ビームのウエスト領域に配置し、受光
素子１７、２７を拡散領域（Ｒをπｗ₀ ²／λ以上とす
る）に設け、また信号処理部１９、２９を零交叉数を検
出する回路とした場合の動作を説明する。

レーザ光源１２よりレーザ光が出射されると、光学系１
３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、移動物体１４に照射される。ウエス
ト領域に移動物体１４が位置し、受光面でボイリング状
態となり、光の強さが時間的に変動する。この変動信号
が受光素子１７で電気信号に変換され、増幅器１８で増
幅されて信号処理部１９に入力される。信号処理部１９
では入力されたスペックル信号をさらに零交叉数検出の
ために直流分除去回路４１で直流分をカットし、さらに
シュミットトリガ回路４２で零交叉時にハイとローが反
射するパルス列を作成する。このパルス列がワンショッ
トマルチバイブレータ４３で所定のパルス幅に整形さ
れ、カウンタ４４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、となる。従って、カウント４４の計数値には、スペック
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に歪みがあっても、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。また、測定系１０の光
ビームは断面形状が円形であるから、物体の移動方向が
いずれの方向でも、上記零交叉数Ｎｏは同じとなる。こ
のようにして出力端子３１から速度に応じた信号を導出
できる。

一方、測定系２０も測定系１０と並設されており、測定
系１０と同様に動作する。もっとも測定系２０の光ビー
ムは断面形状が楕円形であるために、物体の移動方向に
より、零交叉数Ｎｏが異なるものとなる。

今、照射ビームの形状を第４図に示すものとすると、ス
ペックルが変動する速さは物体の移動方向によって異な
り、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞の順で速くなる。またスペックルの変
動が速いほと零交叉点が多い。そのため、移動方向がＡ
の時に零交叉数が最も多くなり、移動方向がＣの時に最
も少なくなる。

測定形１０では、光ビームの断面形状が円形であるた
め、物体移動がずれの方向であっても零交叉数は代わら
ない。従って信号処理部１９よりの零交叉数と信号処理
部２９の零交叉数の比を移動方向算出手段３０で求める
ことにより、出力端子３２にその比値、つまり方向を示
す信号が導出される。

また、信号処理部１９、２９が自己相関長τｃを検出す
る機能回路の場合は、信号処理部１９は第３図に示す直
流成分除去回路５１、自己相関関数演算手段５２及び自
己相関長演算手段５３とから構成される。この種の信号
処理部を使用する場合でも、信号処理部１９で算出され
る自己相関長τｃ_１（＝ｗ／Ｖ）から物体の移動速度Ｖ
が求められ、信号処理部２９で算出される自己相関長τ
ｃ_２と前記τｃ_１の比率を移動方向算出手段３０で算出
することにより物体の移動方向が求められる。

なお、上記実施例において、光学系２３で楕円ビームを
作製するには、周知技術を用いればよく、例えば第５図
に示すように、２枚のシリンドリカルレンズ２３ａ、２
３ｂを用い、あるいはプリズムを用いてもよい。

（ヘ）発明の効果この発明によれば、スペッ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、
スペッ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、２系列の測定系を用い、一方の測定系においては
断面形状が楕円状の光ビームを照射するものであるか
ら、物体の移動速度のみならず、その移動方向をも測定
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示すスペックル速度計
測装置のブロック図、第２図は、同スペックル速度計測
装置の信号処理部の１例を示すブロック図、第３図は、
同スペックル速度計測装置の信号処理部の他の例を示す
ブロック図、第４図は、同ズペックル速度計測装置の光
学系の楕円ビームを説明するための図、第５図は、同楕
円ビームの発生機構の１例を示す図、第６図は、従来の
レーザスペッ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。１０：第１の測定系、１２・２２：レーザ光源、１３・２３：光学系、１４：移動物体、１５・２５：受光部、１７・２７：受光素子、１９・２９：信号処理部、２０：第２の測定系、３０：移動方向算出手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレント光を発する第１の光源、この
第１の光源よりのコヒーレント光を収束領域、ウエスト
領域、拡散領域を持つ光ビームに変換する第１の光学
系、この光ビーム及び移動物体との位置関係で受光面に
生じるスペックルがボイリング状態となるように配置さ
れる光電変換素子を含む第１の受光部、光電変換された
スペックル信号を受け、物体速度に応じた信号を出力す
る第１の信号処理部を備える第１の測定系と、コヒーレント光を発する第２の光源、この第２の光源よ
りのコヒーレント光を収束領域、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する第
２の光学系と、この第２の光学系よりの光ビーム及び移
動物体との位置関係で受光面に生じるスペックルがボイ
リング状態となるように配置される光電変換素子を含む
第２の受光部、光電変換されこスペックル信号を受け、
そのスペックル信号に応じた信号を出力する第２の信号
処理部を備える第２の測定系と、前記第１及び第２の測定系の出力に基づいて物体の移動
方向を算出する方向算出手段とからなるスペックル速度
計測装置。