JPH01287468A - ランダム空間パターンの移動情報検出方法 - 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］ この発明は、物理量がランダムに分布する移動空間パタ
ーンの移動情報を検出する方法の改良に関する。

［従来の技術］ 一般に、物理量がランダムに分布する移動空間パターン
の一例としては所謂スペックルパターンを挙げることが
できる。これは、レーザビームを物体に照射したときに
生ずるスペックルと呼ばれるランダムな空間パターンで
あり、物体の移動に伴って移動することから、物体の変
位や速度の検出対象として利用されている。

従来この種のスペックルパターンの移動情報検出方法と
しては例えば相互相関法（光応用計測実用マニアル、古
澤編、第４２０〜４３１頁、機械技術研究所所轄ｖｏ１
．３４（１９８０）Ｎｏ、４．スペックルパターンを用
いた速度測定（大坪、河野）、第１９４〜２０７頁等参
照）がある。

この相互相関法には、空間中の二点に置かれた点状検出
器の時間的に変動する信号の相互相関をとる＠開領域の
相互相関法と、ある時刻における空間パターンと所定時
間経過後の時刻における空間パターンとの相互相関をと
る空間領域の相互相関法とがあるが、スペックルパター
ンの変形が無視できる場合、両者は本質的には同等なの
で、空間領域の相互相関法についてより詳細に説明する
。

すなわち、第６図（ａ）に示すように、ある時刻ｔ１に
おけるスペックルパターンｆ（ｘ）ｔ＝ｔ１が移動し、
Δを後ｃｆ　（ｘ）　　　（ｔ２　＝ｔｌｔ＝ｔ２ ＋Δｔ）になったとすると、ｆ（ｘ）　　　と【−１１ ｆ（ｘ）　　　との相互相関関数Ｃ（ΔＸ）はｔ＝ｔ２
　　　　　　　　　　Δを 第６図（ｂ）に示すようになり、この相互相関関数Ｃ（
ΔＸ）におけるピーク位ＭＭの原点へｔ Ｏからのずれ量ΔｘＯが上記パターンの移動量と向きの
正負を表わす。但し、Ｃ（ΔＸ）−Δｔ ／ｆ（ｘ）　　　−ｆ（ｘ＋Δｘ）　　ｄｘ・・・（１
）ｔ＝ｔ１　　　　　　　　　ｔ＝ｔ２ である。

この場合において、仮に、スペックルパターンが全く移
動せず、しかも、パターンの変形も起らなければ、ｆ　
（Ｘ）　　　＝ｆ　（Ｘ）　　　であって、ｔ＝ｔｌ　
　　　　　ｔ＝ｔ２ Ｃ（ΔＸ）は自己相関関数になり、そのと−Δｔ り位置は原点に現れる。また、一般に、相互相関関数の
ピーク古さは自己相関関数のピーク高さ以下であり、相
互相関関数のピーク高さの自己相関関数のピーク高さに
対する低下量はスペックルパターンの移動に伴う変形聞
を表わす。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、このような相互相関法にあっては、相互相関
関数Ｃ（ΔＸ）を求めるには、Δを贋 を少しずつ変えたときの（１）式の積分計算を総て求め
る必要があるため、データの処理量が膨大になり、処理
時間が嵩むという問題を生ずる。特に、（１）式は一次
元の場合であるが、二次元的な移動を求める場合には、
データが二次元になり、（１）式が二重積分になるため
、データロの処理量が更に飛躍的に増加してしまい、処
理時間が更に嵩むという事態を生ずる。このため、この
相互相関関数はリアルタイム計測にはあまり適さないも
のと言える。

このような問題を解決する方法として例えばゼロクロス
法（例えば特開昭６２−６９１６７号公報等参照）や空
間フィルタ法（計測と制ｔ１１Ｖｏ１．１９．Ｎｏ、４
゜第４０９〜４１γ頁（昭和５５年４月）空間フィルタ
とその応用［Ｉ］等参照）等がある。

先ず、ゼロクロス法について説明する。

第７図（ａ）に示すように、スペックルパターンＳＰ中
に点状検出器１を配置したとき、上記スペックルパター
ンＳＰが移動すると、点状検出器１の出力は第７図（ｂ
）に示すように時間的に変動する。この場合において、
空間的なパターンの強弱（図では凹凸で表わされている
）には平均の細かさが存在するため、一定距離だけパタ
ーンが移動したときに点状検出器１の出力の山若しくは
谷が何個用れるかは統計的に決ってくる。従って、第７
図（Ｃ）に示すように、点状検出器１の出力信号から直
流成分を除去した信号がＯラインを横切る回数からスペ
ックルパターンＳＰの移動量が求まる。

次に、空間フィルタ法について説明する。

第８図（ａ）において、スペックルパターンＳＰが速度
■で移動し、結像レンズ２によって空間フィルタ３上に
結像されているとする。この場合において、上記空間フ
ィルタ３は所定ピッチｐの矩形状開口４が規則的に配列
されて規則的な透過率分布を持つマスクである。そして
、空間フィルタ３の透過光は集光レンズ５によって点状
検出器６に集められており、この集光レンズ５は空間フ
ィルタ３の透過光の強度の積分、すなわち、インコヒー
レントな重ね合せとなるように使われている。

この場合において、スペックルパターンＳＰが一定速度
■で移動するとき、上記検出器６の出力は第８図（ｂ）
に示すように周期的に変動し、変動の周期ＴがＴ＝Ｄ／
Ｖ・・・（２）で与えられる。従って、出力信号の周期
Ｔと空間フィルタ３のピッチｐとからスペックルパター
ンＳＰの移動速度■が求まり、更に、直交する二つの空
間フィルタ３を用いることによって′スペックルパター
ンＳＰの移動ラインを判別することができる。

確かに、ゼロクロス法、空間フィルタ法は共に信号処理
が簡便になる分、リアルタイム処理には適していると言
えるが、原理的にスペックルパターンＳＰにおける移動
方向の正負（右か左か等）を判別することができないと
いう問題を有する。

尚、スペックルパターンの移動情報検出方法として、上
述したもののほかに、スペックル写真法（上述した光応
用計測マニアル第４２３〜４２６頁等参照）や自己相関
法（上述した機械技術研究所所報第５３〜５５頁等参照
）等もあるが、これらはリアルタイム処理が困難である
ばかりか、スペックルパターンの移動方向の正負を判別
できないという問題がある。

この発明は、以上の問題点に着目して為されたものであ
って、リアルタイム処理が容易で、しかも、ランダム空
間パターンの移動方向の正負を含めた移動情報を正確に
判別することが可能なランダム空間パターンの移動情報
検出方法を提供するものである。

［１２題を解決するための手段］ すなわち、この発明は、第１図（ａ）（ｂ）に示すよう
に、物理量がランダムに分布する移動空間パターンＳＰ
の移動情報を検出するに際し、上記空間パターンＳＰ中
に並設配置された一次元当り少なくとも一組の検出器２
０　（２０ａ　、２０ｂ　）で空間パターンＳＰの物理
量の時間変動を夫々検出し、しかる後、対応相の検出器
２０で検出される空間パターンＳＰの物理量の時間変動
曲線に基づいて位相差τを求め、これを上記空間パター
ンＳＰの移動情報の検出用パラメータとするものである
。

このような技術的手段において、物理量がランダムに分
布する移動空間パターンＳＰとしては、所謂スペックル
パターン、空気中等を流動する粉体パターン等統計的な
扱いが可能なもの総てを対象にすることができる。

また、上記検出器２０としては、空間パターンＳＰの物
理量の時間変動を検出し得るものであれば適宜選択して
差支えなく、必ずしも点状のものに限られず、所定の検
出面積を持ったものであってもよい。また、上記検出器
２０の配列構成としては、空間パターンＳＰの移動情報
を検出する上で必要な方向成分に対して所定間隔ｄで一
組の検出器２０を並設してあればよい。この場合におい
て、−次元的な移動情報を検出する際には、一つの方向
成分に対して一組の検出器２０を並設すればよいが、例
えば組をなす検出器２０相互を結ぶ直線が互いに直交す
るように二組若しくは三組の検出器２０を用いるように
すれば、二次元的若しくは三次元的な移動情報を検出す
ることができる。

更に、上記検出器２０からの出力信号を処理する処理系
としては、−組の検出器２０からの出力信号の位相差τ
を求めることができるものであれば適宜選択して差支え
ない。この場合において、検出対象がランダム空間パタ
ーンＳＰであるため、求め′られた位相差τに空間パタ
ーンＳＰの不規則さに起因する誤差が含まれる場合があ
るが、一次元当り二組以上の検出器２０を用いて各組か
ら得られる位相差τの空間平均をとったり、−組の検出
器２０から得られる位相差τの時間平均をとったり、両
者を併用することによって、求められる位相差τの空間
パターンＳＰの不規則さに基づく誤差を少なくすること
ができる。また、上記処理系を簡略化するという観点か
らすれば、位相差τを求めるに当って、対応相の検出器
２０からの出力信号を二値化することが好ましい。

「作用」 上述したような技術的手段によれば、ランダム空間パタ
ーンＳＰの移動方向成分に対応して所定間隔ｄ’ｔ’並
設配置された一組の検出器２０ａ。

２０ｂが分布パターンを検出する際、一定速度Ｖで矢印
方向に移動するランダム空間パターンＳＰの変形が上記
移動に比べて充分小さいならば、ランダム空間パターン
ＳＰの移動方向前段に位置する一方の検出器２０ａで検
出される信号強度はある時間τだけ以前にランダム空間
パターンＳＰの移動方向後段に位置する検出器２０ｂと
略同じになる。

この場合、第１図（ｂ）に示すように、上記−組の検出
器２０ａ、２０ｂの出力信号の時間変動曲線は、互いに
相似で位相差τだけずれたものになり、位相差τはτ−
ｄ／Ｖで決まる。

従って、上記位相差τの情報から空間パターンＳＰの各
移動情報、例えば、τの符号から空間パターンＳＰの移
動方向の正負を判別でき、また、その絶対値から移動速
度Ｖの大きさを判別することができ、更に、上記τを時
間積分したり、出力信号の立上がりと立ち下がりを計数
することにより、上記空間パターンＳＰの移動量を求め
ることができるのである。

［実施例］ 以下、添附図面に示す実施例に基づいてこの発明の詳細
な説明する。

友ｉ■ユ 第２図はスペックルパターンを利用した二次元速度セン
サにこの発明を適用したものである。

同図において、符号１０は静止配置される半導体レーザ
、１１は光学的に粗な面であって所定の速度ベクトル’
ｖ’　　（ＶＸ　、ｖｙ）をもって移動する被測定物体
面、１２は半導体レーザ１０からのビームを所定のスポ
ット径Ｗで上記被測定物体面１１に照射させる集光レン
ズ、ＳＰは上記被測定物体面１１で拡散反射されたレー
ザビームによって生成され、上記被測定物体面１１の速
度ベクトルＶに比例した速度ベクトルｙ　　（ｖｘ　、
ｖｙ　）−に■　（ｋ：比例定数）をもって移動するス
ペックルパターンである。

そして、上記スペックルパターンＳＰの面内には、Ｘ成
分用の一組のフォトダイオード２０（具体的には２０ａ
　、２０ｂ　）がＸ方向に沿って所定間隔ｄｘで並設さ
れており、Ｘ成分用の一組のフォトダイオード２０（具
体的には２０Ｃ，２０ｄ　）がＸ方向に沿って所定間隔
ｄｙで並設されている。

更に、上記Ｘ成分用のフォトダイオード２０ａ。

２０ｂの出力は被測定物体面１１の速度ベクトル■のＸ
成分ＶＸを算出するＸ成分用信号処理系３０（具体的に
は３０×）に入力され、上記Ｘ成分用のフォトダイオー
ド２０ｃ　、２０ｄの出力は被測定物体面１１の速度ベ
クトルＶのｙ成分ｖｙを算出するＸ成分用信号処理系３
０（具体的には３０ｙ）に入力されるようになっている
。

そしてまた、この実施例において、上記信号処理系３０
は、第３図に示すように、対応する一組のフォトダイオ
ード２０からの出力を増幅するアンプ３１と、このアン
プ３１の出力の直流成分及びノイズや高周波数成分を除
去するカットフィルタ３２と、このカットフィルタ３２
の出力を閾値０で二値化する二値化回路３３と、この二
値化回路３３からの出力の立上がり及び立ち下がりの時
間差を求めてＸ成分、Ｘ成分の位相差τＸ、τｙとし、
被測定物体面１１の各移動速度成分Ｖｘ。

ｖｙをＶｘ−に−（ｄｘ／ｒｘ　）、Ｖｙ−ｋ・（ｄｙ
　／τｙ）・・・（３）に基づいて算出する処理演算回
路３４とを備えている。

次に、この実施例に係るスペックルニ次元速度センサの
作動について説明する。

今、速度ベクトルＶで移動する被測定物体面１１に対し
て半導体レーザ１０からのビームが照射されると、ビー
ムの拡散反射に伴うスペックルパターンＳＰが速度ベク
トルＶで移動する。

この場合において、被測定物体面１１のＸ方向移動速度
成分ｙｘは以下のようにして検出される。

すなわち、上記スペックルパターンＳＰがＸ方向にＶＸ
で移動すると、上記スペックルパターンＳＰがフォトダ
イオード２０ａ、２０ｂを通過し、これらのフォトダイ
オード２０ａ　、２０ｂは第４図（ａ）に示すような時
間変動の信号を出力する。

このとき、スペックルパターンＳＰの移動に際して、ス
ペックルパターンＳＰの変形が小さいとみなせる移動量
ｘＴは、通常、移動前後のスペックルパターンの相互相
Ｉｌｌ数のピーク値が、移動量０（すなわち変形が全く
ない）のときのピーク値の１／ｅになる移動量で定義さ
れる。このｘＴは、ｘＴ＝（１＋Ｒ／ρ）Ｗで与えられ
る有限の値を持っている（　Ｎ、　Ｔａｋａ　ｉ　、　
Ｔ、　Ｉｗａ　ｉ＆Ｔ、　Ａｓａｋｕｒａ。

＾Ｄｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　Ｖｏ１２２　Ｎｏ、１
（１９８３）第１１０〜１７７頁“Ｃｏｒｒｅｌａｔｉ
ｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｒ　ｄｙｎａｍｉｃ　５ｐ
ｅｃｋｌｅｓ”の中の式（４）参照）。但し、第２図に
おいて、集光レンズ１２によって絞り込まれたレーザビ
ームのビームウェスト（最も絞り込まれた場所）からス
ペックルパターンＳＰまでの光学距離（光路に沿った距
離）、ρは被測定物体面（光学的粗面）１１におけるレ
ーザビームの波面の曲率半径、Ｗは被測定物体面１１に
おけるレーザビームのスポット径である。

従って、ＸＴ＞＞ｄＸまたはｄｙとなるようＲ１ρ、ｗ
、ｄｘまたはｄｙを設定することにより、フォトダイオ
ード２Ｑａ　、２０ｔｌをスペックルパターンＳＰが通
過する際のスペックルパターンＳＰの変形を充分小さく
抑えることができる。それゆえ、上記フォトダイオード
２０ａ　、２０ｂからの出力信号の時間変動曲線は、略
相似で、フォトダイオード２０８．２０ｂ間の距離ｄｘ
に起因する位相差τＸだけ変位したものになる。

そして、フォトダイオード２０ａ　、２０ｂがらの信号
はＸ成分用信号処理系３０×に入力される。

すると、先ず、各信号は、アンプ３１で増幅された後、
カットフィルタ３２で第４図（ｂ）に示すようにＯライ
ンを横切る信号に変換され、しかる後、第４図（Ｃ）に
示すように、二値化回路３３でＯラインを基準として二
値化される。次いで、二値化された信号は処理演算回路
３４に入力され、この処理演算回路３４で前述した所望
の演算がリアルタイムで行われ、被測定物体面１１のＸ
方向移動速度成分ＶＸが表示される。この場合、上記Ｖ
Ｘは、前記（３）式からして移動方向の正負を含んだ速
度情報として得られる。

また、被測定物体面１１のｙ方向移動速度成分Ｖｙにつ
いても、上述したＸ方向の移動速度成分ＶＸの場合と実
質的に同様に、フォトダイオード２０Ｃ，２０ｄからの
時間変動信号に基づき上記ｙ成分用信号処理系３０ｙが
所望の信号処理を行い、上記Ｖｙをリアルタイムで表示
する。

尚、この実施例において、上記処理演算回路３４につい
ては、位相差τＸ、τｙの正負判別器及び周波数カウン
タに置換することも可能である。

また、この実施例において、上記処理演算回路３４に位
相差τＸ、τｙの時間積分器を付加すれば、二次元変位
計とすることもできる。そしてまた、上記処理演算回路
３４に代えて、位相差τＸ。

τｙの正負判別器及び入力信号の立ち上がりと立ち下が
りをカウントするカウンタを用い、しかも、このカウン
タをτ×、τｙ＞Ｏのときカウントアツプし、τＸ、τ
ｙ＜Ｏのときカウントダウンするようにすれば、これに
°よっても　二次元変位計を実現することが可能である
。

以上のような演算処理は相関演算に比べると非常に簡便
であって、リアルタイム処理することは容易である。

友１璽ユ 第５図は工場内等において搬送に使用される自走台車に
この発明を適用したものである。

同図において、符号４０は台車本体、４１は台車本体４
０が移動する光学的に粗な面を有する床面、４２は台車
本体４０にに対し固定配置されて床面４１に所定のスポ
ット径でレーザビームを照射する半導体レーザ、４３は
床面４１に照射されたレーザビームが拡散反射した際に
得られるスペックルパターンＳＰを所定部位に結像させ
る結像レンズである。

そして、上記結像レンズ４３の結像部位、言い換えれば
像界のスペックルパターンＳＰの形成部位には、実施例
１と同様に、Ｘ成分用の一組のフォトダイオード２０（
具体的には２０ａ　、２０ｂ　）並びにｙ成分用の一組
のフォトダイオード２０（具体的には２０Ｃ，２０ｄ　
）が所定間隔を置いて並設されており、これらの各フォ
トダイオード２０の出力は、実施例１と同様なＸ成分用
及びｙ成分用信号処理系（図示せず）に入力され、所望
の信号処理が行なわれるようになっている。

従って、この実施例によれば、今、床面４１上に自走台
車がΔＬ　（ベクトル）だけ動いたとすると、上記像面
上のスペックルパターンＳＰがβ・ΔＬ　（βは結像倍
率）だけ動く。このとき、像面上に置かれたＸ成分用フ
ォトダイオード２０ａ　、２０ｂ及びｙ成分用フォトダ
イオード２０Ｃ，２０ｄには、実施例１と同様に、スペ
ックルパターンＳＰの移動に起因する出力信号が得られ
る。そして、この出力信号は各処理信号系で実施例１と
同様に処理され、各信号処理系から自走台車の移動速度
や゛移動距離等の移動情報が出力される。よって、この
移動情報を用いれば、自走台車を適宜フィードバック制
御することが可能になる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、請求項１ないし４記載のラン
ダム空間パターンの移動情報検出方法によれば、移動す
る空間パターン中に並設された少なくとも一組の検出器
で空間パターンの物理量の時間変動を検出し、この検出
信号に基づいて両者の位相差を求めるだけでランダム空
間パターンの移動情報を検出し得るので、リアルタイム
処理が容易で、しかも、ランダム空間パターンの移動方
向の正負を含む各種移動情報を得ることができる。

また、請求項２及び３記載のランダム空間パターンの移
動情報検出方法によれば、空間パターンの不規則さに基
づく位相差の誤差を少な（抑えることができ、その分、
ランダム空間パターンの移動情報をより正確に検出する
ことができる。

更に、請求項４記載のランダム空間パターンの移動情報
検出方法によれば、位相差を求めるに当って二値化処理
するようにしたので、多値レベルの信号を最後まで処理
していく必要がない分、信号処理系を簡略化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明に係るランダム空間パターンの
移動情報検出方法の概略説明図、第１図（ｂ）はその原
理説明図、第２図はスペックル二次元速度センサにこの
発明を適用した実施例１を示す説明図、第３図は実施例
１で用いられる信号演算回路の詳細を示すブロック図、
第４図（ａ）ないしくＣ）は信号演算回路の各部におけ
る動作を示すタイミングチャート、第５図は自走台車に
この発明を適用した実施例２を示す説明図、第６図（ａ
）（ｂ）、第７図（ａ）ないしくＣ）並びに第８図（ａ
）（ｂ）は従来におけるランダム空間パターンの移動情
報検出方法の手法である相互相関法、ゼロクロス法並び
に空間フィルタ法を夫々示す説明図である。 ［符号の説明］ ＳＰ・・・スペックルパターン （ランダム空間パターン） τ・・・位相差 ２０　（２０ａないし２０ｄ）・・・フォトダイオード
（検出器） 特許出願人　　富士ゼロックス株式会社代　理　人　　
弁理士　　中村　智廣 （外３名） 第１図ｒａ） 第１図（ｂ） 検出器２０ｂの出力　−１ 第２図 第３図 第４図 検出器２０ｂ出カ　□を 第６図（ａ） 第６図（ｂ） 第７図 検出器出力 検出器出力（直流成分除去） 第８図（ａ） 第８図（ｂ） 検出器出力

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）物理量がランダムに分布する移動空間パターン（Ｓ
   Ｐ）の移動情報を検出するに際し、 上記空間パターン（ＳＰ）中に並設配置された一次元当
   り少なくとも一組の検出器（２０）で空間パターン（Ｓ
   Ｐ）の物理量の時間変動を夫々検出し、しかる後、対応
   組の検出器（２０）で検出される空間パターン（ＳＰ）
   の物理量の時間変動曲線に基づいて位相差（τ）を求め
   、これを上記空間パターン（ＳＰ）の移動情報の検出用
   パラメータとしたことを特徴とするランダム空間パター
   ンの移動情報検出方法。 ２）請求項１記載の方法において、一次元当り複数組の
   検出器（２０）が用いられ、各組の検出器（２０）で検
   出された空間パターン（ＳＰ）の物理量時間変動曲線に
   基づく位相差（τ）を平均して上記空間パターン（ＳＰ
   ）の移動情報の検出用パラメータとしたことを特徴とす
   るランダム空間パターンの移動情報検出方法。 ３）請求項１記載の方法において、一次元当り一組の検
   出器（２０）からの空間パターン（ＳＰ）の物理量時間
   変動を複数組検出し、この複数の物理量時間変動曲線に
   基づく位相差（τ）を平均して上記空間パターン（ＳＰ
   ）の移動情報の検出用パラメータとしたことを特徴とす
   るランダム空間パターンの移動情報検出方法。 ４）請求項１記載の方法において、位相差（τ）を求め
   るに際し、対応組の検出器（２０）で検出された空間パ
   ターン（ＳＰ）の物理量の時間変動曲線を二値化するこ
   とを特徴とするランダム空間パターンの移動情報検出方
   法。