JPS6382364A - 運動測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は運動測定装置、特に被測定物体の移動速度、移
動状態などの運動特性を測定する運動測定装置に関する
ものである。

［従来の技術１ 従来より光の性質を利用した各種の測定装置が知られて
いる。特に物体の連動特性のうち速度を測定する分野で
は空間フィルタを用いた速度測定製差が知られている。

第１１図（Ａ）は従来の光学的速度測定装置に用いられ
る空間フィルタを示している。この空間フィルタではｘ
、ｙ平面においてｙ方向に配向されたスリット２を多数
有している。

第１１図（Ａ）の空間フィルタは、移動物体ｌが少なく
ともＸ方向の速度成分を持つように配置される。そして
この空間フィルタを介して光検出器により光強度を測定
することにより第１１図（Ｂ）のような検出出力信号を
得、その周波数から速度を算定することができる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、上記の方法では、空間フィルタのスリット配
列方向であるｙ方向に物体が移動している場合には空間
フィルタを介した光強度変化を得ることができず、速度
測定は不可能となる。また、被測定物体がランダム運動
する微粒子などのように一定の運動方向をもたない場合
には速度測定は不可能である。

［問題点を解決するための手段］ 以上の問題点を解決するために、本発明においては、移
動物体を照明するための光源と、物体で散乱された光を
集光し、測定面に結像するための光学系と、ランダム配
置された開口部を有し前記測定面に配置されたランダム
パターン板と、このランダムパターン板を通過した光を
受光して光強度に応じた検出信号を形成する光検出器と
、この光検出器の出力信号の特性に反映された前記物体
像の移動状態から前記移動物体の開動特性を解析する手
段を設けた構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば、２次元的にランダム配置した複数
開口からなるランダムパターンを用いて充分な光量で物
体像を検出することができるとともに、格子パターンの
ような方向性を有するマスク手段を用いないので、方向
性の一定しない運動も確実に測定できる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
する。

第１図は本発明を使用した運動測定装置の構成を示して
いる０図において符号１０は光源で移動物体１２を照明
する照明光を発生する。光源はタングステン球、ハロゲ
ンランプあるいはレーザ光源など種々の方式のものを用
いることができる。

レーザ光源から出た光は移動物体１２の測定領域を照射
する。照射された光は移動物体１２によって散乱され、
その散乱光はレンズ１３を介して図の右側の測定装置に
入射する。レンズ１３は移動物体１２の像を測定装置の
測定面に結像させる。ここで結像倍率は物体１２〜レン
ズ１３およびレンズ１３〜測定面の距離の比ｂ　／　ａ
により与えられる。

本実施例では測定装置の測定面には中央に開口を有する
マスク板１６とこのマスク板１６に密着してランダムな
開口を多数有するランダムパターン板１４が配置される
。測定面に形成された物体像１５の移動はフォトトラン
ジスタ、フォトマルチプライヤ−その他の素子から構成
される光検出器１７によりランダムパターン板１４を介
した光強度の時間的変化として検出される。

有限開口を有するマスク板１６はランダムパターン１４
による検出領域を適当に制限するためのものであり、マ
スク板１６の開口の大きさは検出用の光検出器１７の検
出面の面積などに応じて定める。

ランダムパターン板１４は所定の基材上に微小な複数の
開口を２次元的にランダムに配列してなるランダムパタ
ーン１４°を有し、開口配置に特定の方向性をもたない
、このようなランダムパターン板１４の一例としては、
あらかじめ別の光学系においてレーザ光を組物体に照射
してスペックルパターンを形成し、これを写真撮影した
フィルムなどが考えられる。

ここで、ランダムパターン板１４の各開口の大きさは個
々の物体像１５の平均径にほぼ等しいかそれ以上にとる
のが望ましい、これは、もし個々の物体像の平均径がラ
ンダム開口より大きいと、第２図に示すように１つの物
体像１５が同時に複数の微小開口１４ａにまたがって検
出されるので、物体像の移動に伴う強度変化が平均化さ
れ。

速度情報が失われるからである。ただし、本実施例では
レンズ１３により結像倍率を調節すること゛により、同
じランダムパターン板を用いて種々の大きさの移動物体
に対応できる。

さらにランダムパターン板１４のランダムパターンの微
小開口間の平均間隔は開口の直径と同程度であることが
望ましい、これは、もし平均間隔が開口直径よりも小さ
いと、となりあった開口が近接して配置されるので物体
像がほとんどいつもいずれかの開口を通して観測される
ことになり、検出信号が物体像の移動に伴った充分な強
度変化をしなくなるからである。

一方、微小開口間の平均間隔が開口直径よりも大きくな
ると、各開口から検出される光量の強度変化が互いの相
関性を失うので、検出信号の平均化が生じ、光検出器か
ら得られる全体の信号から物体像１５の移動に関する情
報が失われ、極端な場合には出力信号がほとんど直流成
分だけになってしまうからである。

ランダムパターン板１４を通過した光は光検出器１７で
受光され、電気信号に変換される。光検出器１７はラン
ダムパターン板１４を通過した光量を全て受光できるよ
うに受光面の大きさを選らんである。光検出器１７によ
る検出信号は増幅器１８で増幅され、雑音や低周波のゆ
らぎ成分など不用な周波数成分を除去するためにフィル
タ１９に入力され、このフィルタ１９を介して解析部２
０に入力される。

解析部２０は第３図に示すように、信号処理部２０ａ、
演算部２０ｂおよび表示部２０ｃから構成される。信号
処理部２０ａおよび演算部２０ｂは次に述べるようにし
て光検出器１７の出力信号から移動物体１２の速度を求
め、表示部２０ｃにより表示させる。

今、第１図の移動物体１２がある速度で移動すると、そ
れに伴って物体像１５もランダムパターン板１４上をそ
の微小開口を横切って移動する。

ランダムパターン板１４の開口は前記のようにランダム
配置されているので、ランダムパターン板１４を通過す
る光量は物体像１５の移動に応じて時間軸上でランダム
に変化する。従って、光検出器１７から出力される信号
も第４図のように時間的にランダム変化することになる
。

この光検出器１７の出力信号の変化は一定の周期性を有
するわけではないが、物体像１５の移動が速くなれば信
号のランダム変動も速くなり、その度合と移動物体１２
の移動速度との間には一定の相関がある。

ここで、光検出器１７の出力信号のランダムな変動の度
合を評価する方法として、パワースペクトルの分布を調
べる方法を例示する。

この場合信号処理部２０ａは周波数ごとのパワー分布を
測定する回路から構成される。信号処理部で算出される
パワースペクトルは移動物体１２の移動速度に応じて第
５図の符号ｐ、ｑのような分布となる。第５図において
横軸は周波数、縦軸はｄＢ表示の信号強度である。移動
物体１２の移動速度が遅ければｐのようなパワー分布が
。

また移動速度が速ければｑのようなパワー分布が得られ
る。従って、減衰の度合が移動物体１２の移動速度に応
じて変化する０周波数が高域になるほど減衰すれば移動
物体１２の移動速度は遅く、また高域の減衰の度合が小
さければ移動物体１２の移動速度は速いことになる。

減衰度を測定するためには演算部２０ｂにより次のよう
な解析を行なえばよい。

第５図の各パワースペクトル分布において、周波数ゼロ
におけるパワーの値を基準にそれから１０ｄＢ、および
２０ｄＢパワーが減衰した周波数を読み取り、これらを
ｆα、ｆβとする。これを第６図のグラフのように、横
軸を物体速度、縦軸にｆα、ｆβをとってプロットする
と、ある一定の比例関係が得られる。

そこで、測定装置の光学系の照明領域径、結像倍率、物
体からランダムパターン板１４までの距離、物体像の径
、ランダムパターン板１４の開口径などの諸条件を考慮
して第６図のｆα、ｆβの傾きをあらかじめ較正してお
くことによりｆα、ｆβの値から物体速度を検出するこ
とができる。

所定の減衰量を得るｆαまたはｆβはいずれか一方でも
速度を決定できるので、通常はｆαかｆβのいずれか一
方のみの測定で充分である。しかし、ｆα、ｆβを両方
用いることにより、測定精度を大きく向上できる利点が
ある。

以上のようにして算出された移動物体１２の速度は液晶
表示器、ＣＲＴその他の表示器２０ｃにより表示する。

また、解析部２０で速度決定のために行なう処理として
自己相関関数を調べる方法が考えられる。光検出器１７
の出力信号の自己相関関数を信号処理部２０ａで求める
と、移動物体１２の速度に応じて第７図に示すような相
関が得られる。第７図は時間変化に応じて光検出器１７
の出力の自己相関を示している。第７図のｐは移動物体
１２の速度が遅い場合、ｑは移動物体１２の速度が速い
場合の自己相関である。これは移動物体１２の速度が遅
ければ長い時間範囲で光検出器１７の出力信号の自己相
関が保持され、速度が速い場合には自己相関は持続しな
いためである。

この方法においても、演算部２０ｂで前記のパワースペ
クトル方式と同様の解析を行なうことにより速度の算定
を行なうことができる。自己相関関数が１　／　ｅ、１
　／　ｅに減衰するところの時間をそれぞれτα、τβ
とし、第８図に示すように横軸に物体速度、縦軸にｌ／
τα、１／τβをとってプロットすればある一定の比例
関係が得られる。従って、ここでも１／τα、１／τβ
の傾きを測定系の条件に応じて較正しておけばτα、τ
βの測定から移動物体１２の速度を決定することができ
る。この場合にもパワースペクトル方式の場合と同様に
τα、τβのいずれかの測定のみによっても速度を算定
することができる。

本実施例によれば、移動物体１２が比較的法則性をもっ
た運動を行なう場合に限定されることなく、移動物体１
２が微粒子のようにランダムに運動する場合にも良好な
測定結果を得ることができる。ランダムパターン板１４
は前記のようにスリットなどによる空間フィルタではな
く、ランダムな開ロバターンにより構成されているので
、微粒子のように移動物体１２がランダムに運動する場
合でも、その運動を反映した物体像のランダム変動に応
じて光検出器１７からランダム運動に応じた検出出力信
号を得ることができる。従って、上記と全く同様の解析
原理により、移動物体１２の平均的な移動速度、あるい
は微粒子の活性度を測定することができる。

すなわち、微小粒子の測定を行なうとき、粒子３０が第
９図のように一定の方向にそろって移動するのではなく
、第１０図のように個々が全く独立してランダムな方向
に移動する場合、これに伴って形成される個々の物体像
もランダムな方向に移動する。このような動きもランダ
ムな開ロバターンを有するランダムパターン板１４を用
いれば粒子の個々の物体像が個々の開口を横切るのに応
じた充分な強度変動の信号を得ることができる。そして
このような場合でも各々の粒子のランダム運動の速さと
出力信号の強度変動の度合との間に一定の相関関係が存
在する。

従って、光検出器１７の出力信号を前述の解析方法によ
って評価すれば、第６図、あるいは第８図に示すように
ｆα、ｆβやτα、τβに対応する物体速度を得ること
ができる。しかしながら、この場合、微小粒子はランダ
ムに運動しており、一定の速度を得ることはできない。

そこで、ここでは第８図から得られるような速度を微小
粒子のランダムな動きの度合、あるいは活性度として取
り扱えばよい、測定結果は多数の微小粒子の運動の平均
値として評価でき、また得られた活性度は平均的な運動
速度としてとらえることができる。

［効　果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、移動物体を
照明するための光源と、物体で散乱された光を集光し、
測定面に結像するための光学系と、ランダム配置された
開口部を有し前記測定面に配置されたランダムパターン
板と、このランダムパターン板を通過した光を受光して
光強度に応じた検出信号を形成する光検出器と、この光
検出器の出力信号の特性に反映された前記物体像の移動
状態から前記移動物体の運動特性を解析する手段、を設
けた構成を採用しているので、従来のようにピンホール
開口を用いるのに比べて速度その他の運動特性を測定す
るための充分な光量を得ることができるとともに、ラン
ダムな開ロバターンを介して光検出器に測定光を入射さ
せるので、従来の格子などの空間フィルタを用いる場合
と異なり、微粒子などのランダム運動の特性も測定でき
る優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した運動測定装置の構成を示した
説明図、第２図は第１図のランダムパターン板の構成を
示した斜視図、第３図は第１図の解析部の構造を示した
ブロック図、第４図は第１図の光検出器の出力信号を示
した線図、第５図、第６図はそれぞれ本発明による速度
解析方法を示した線図、第７図、第８図はそれぞれ本発
明による異なった速度解析方法を示した線図、第９来の
速度測定装置における空間フィルタを示した説明図、第
１１図（Ｂ）は第１１図（Ａ）のフィルタを用いた光検
出信号を示した線図である。 １０・・・光１７　　　１１．１３・・・レンズ１２・
・・移動物体 １４・・・ランダムパターン板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）移動物体を照明するための光源と、 物体で散乱された光を集光し、測定面に結像するための
   光学系と、 ランダム配置された開口部を有し前記測定面に配置され
   たランダムパターン板と、 このランダムパターン板を通過した光を受光して光強度
   に応じた検出信号を形成する光検出器と、 この光検出器の出力信号の特性に反映された前記物体像
   の移動状態から前記移動物体の運動特性を解析する手段
   を設けたことを特徴とする運動測定装置。 ２）前記解析手段は前記光検出器の出力信号の周波数に
   関連したパワースペクトル分布から前記移動物体の速度
   を算定することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の運動測定装置。 ３）前記解析手段は前記光検出 器の出力信号の自己相関関数の時間に関連した減衰度か
   ら前記移動物体の移動速度を算定することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の運動測定装置。