JPS6217660A - スペツクル速度計 - 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】 この発明は、移動する測定対象ヘレーザ光等を照射し、
この測定対象の粗表面で散乱した光を受光して、レーザ
光のランダム干渉パターン（以下、これを「スペックル
・パターン」という）を求め、このスペックル・パター
ンに基づき、前記測定対象の移動速度や変位を測定する
スペックル速度計に関する。

〈発明の概略〉 この発明は、十分な信号強度が得られ且つ対物距離変動
の影響を受けにくいスペックル速度計を得るため、受光
部の前方に集光レンズを配置することにしたものである
。

〈発明の背景〉 通常スペックル・パターンは、測定対象の粗表面が移動
すると、全体の並進運動 （Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）とボイリング運動（Ｂｏｉ
ｌｉｎｇ）とを伴って、変形ないしは移動をする。第６
図は、このスペックル・パターンを求めて、測定対象の
移動速度を測定するための光学系であり、図中、３１は
レーザ光源、３２はレンズ系、３３は測定対象、３４は
受光器、３５は演算部をそれぞれ示している。

この光学系において、測定対象３３の移動速度をＶを「
零交叉法」で計測する場合、まず受光点での光変動の単
位時間当たりの零交叉数Ｎ０を計数した後、この零交叉
数Ｎ０より次式を用いて測定対象３３の移動速度Ｖを算
出する。

Ｎｏ＝βＶ　・・・・■ なお上式中βは、上記光学系により決定される光学係数
である。

ところで従来のスペックル速度計は、光源として半導体
レーザ光源、受光器の受光素子として回折界に配置され
るフォトダイオードがそれぞれ用いられている。ところ
がかかる構成の場合、半導体レーザ光源の出力パワーや
フォトダイオードの感度にそれぞれ制限があるため、十
分なＳ／Ｎ比が得られるだけの信号強度を得ることが困
難であった。

そこで感度不足のフォトダイオードに変えて、受光素子
自体に増幅作用のあるアバランシュ・フォトダイオード
（以下、ｒＡＰＤＪと略称する）を使用して、スペック
ル速度計を構成することが提案された。ところがＡＰＤ
を用いた場合には、 （１゛）バイアス電圧として高電圧が必要であること、 （２）温度により特性が変化し易いので、温度補償回路
が必要であること、 （３）増倍率を太き（すると、電流増倍過程で発生する
ショットノイズが大きくなってＳ／Ｎ比が悪化すること
、 （４）通常のフォトダイオードに比較して高価であるこ
と、 （５）　　限られた計測時間内での高精度化をはかるた
めに、複数のＡＰＤを小面積内にアレイ化して製作する
ことが困難であること、 等の問題がある。しかもフォトダイオードを回折界に配
置して信号を受光する場合、対物距離が変化すると、投
光および受光の光学条件が変化し且つ受光強度も変化す
ることとなって、測定誤差が生じ、高精度な速度計測が
困難であった。

〈発明の目的〉 この発明は、上記問題を解消するためのものであって、
十分な信号強度を得ることができ且つ対物距離変動の影
響を受けにくいスペックル速度計を提供することを目的
とする。

〈発明の構成および効果〉 上記目的を達成するため、この発明のスペックル速度計
は、移動する測定対象ヘコヒーレントな光を照射する投
光部と、測定対象からの反射光または透過光を受光して
スペックルパターンを生成する受光部と、スペックルパ
ターンに基づき測定対象の移動速度を求める信号処理部
とを具備し、前記受光部の前方には、集光レンズを配置
することにした。

この発明によれば、測定対象からの光を集光レンズで集
光しているから、十分な受光強度を得ることができ、受
光部の受光素子としてフォトダイオードのような低感度
の素子を使用することができる。その結果、ＡＰＤの使
用に伴う諸問題、すなわち前記したバイアス電圧の問題
、温度補償回路の問題、Ｓ／Ｎ比悪化の問題、価格の問
題が生ずることがなく、また受光素子をアレイ化するこ
とによる高精度化が可能となる等、幾多の利点を有する
。

また計測対象が光軸方向に振動して対物距離が変動する
ような場合、集光レンズの焦点面に受光素子を置き、コ
リメートビームで測定対象を照射することによって、零
交叉数が対物距離と無関係となり、対物距離の変動によ
る誤差が生じることのないスペックル速度計を構成でき
る。

さらに対物距離が変動しない計測対象については、受光
素子を置く位置、ビーム径、ビームウェスト位置等を適
当に選んで光学係数βを大きくできるため、同一速度に
対する単位時間当たりの零交叉数が大きくなり、高精度
な速度計測を行うことができる等、発明目的を達成した
顕著な効果を奏する。

〈実施例の説明〉 第１図は、この発明にかかるスペックル速度計の一実施
例を示すもので、図示例のスペックル速度計は、投光部
１、受光部２および、信号処理部３より構成されている
。

投光部１は、移動する測定対象４に対しレーザ光等のコ
ヒーレントな光を投射するためのもので、図示例の場合
、半導体レーザ光源５、光源駆動回路６および、マイク
ロレンズ７よす＋１成される。前記半導体レーザ光源５
は、その光軸が測定対象４の移動方向に対し垂直な方向
となるように配置され、またマイクロ・レンズ７は半導
体レーザ光源５の前方に、その先軸が半導体レーザ光源
５と一敗するように配置されている。

受光部２は、測定対象４の粗表面で散乱した反射光また
は透過光を受光して電気信号（スペックル・パターン）
に変換するためのもので、集光レンズ８と、フォトダイ
オード９と、フォトダイオード９の電流出力信号を電圧
信号に変換するバッファアンプｌＯとから構成されてい
る。

第２図は、前記集光レンズ８を不透明なホルダ１１で支
持すると共に、このホルダ１１内にフォトダイオード９
を配備した実施例を示す。

この実施例によれば、フォトダイオード９には、照射領
域近傍の狭い領域から出た光しか入射せず、外乱光によ
るノイズの軽減をはかることができる。

前記信号処理部３は、受光部２からの信号入力を処理す
る部分であって、第３図に示す如（、前置増幅回路１２
、直流成分除去回路１３、シュミットトリガ回路１４、
七ノステーブル・マルチバイブレータ回路１５、カウン
タ１６および、速度変換部１７より構成されている。

しかして光源駆動回路６が半導体レーザ光源５を駆動す
ると、半導体レーザ光＃５よりレーザ光が出射され、マ
イクロ・レンズ７によりコリメートされて、測定対象４
に照射される。この照射光は、測定対象４の粗表面で散
乱され、この散乱光は集光レンズ８により集光されてフ
ォトダイオード９に入射され、ここで電気信号（スペク
トル・パターン）に変換されると共に、つぎのバッファ
アンプ１０により電圧信号に変換される。バッファアン
プ１０からの出力信号Ａ（第４図Ａに示す）は、信号処
理部３の前置増幅回路１２で増幅された後、直流成分除
去回路１３で直流成分がカントされる。この直流成分除
去回路１３の出力信号は、第４図Ｂに示す波形となり、
零交叉点を持つ、この信号Ｂは、シュミットトリガ回路
１４に入力され、その信号レベルが零付近に設定された
シュミットレベルＬを越えるとき、論理ｒＨＩＧＨＪと
なる信号（第４図Ｃ参照）を出力する。この出力信号Ｃ
は、さらに七ノステーブル・マルチバイブレータ１５に
入力され、出力信号Ｃの立上がりにより一定時間ｔだけ
ｒＨＩＧ）ＩＪとなるパルス信号（第４図り参照）に変
換される。このパルス信号りは、零交叉に対応するパル
ス信号であり、カウンタ１６に入力されて計数される。

カウンタ１６は第４図Ｅに示す周期Ｔの信号已によりリ
セットされ、期間Ｔ毎にパルス信号Ｄ、すなわち零交叉
数を計数することになる。

今カウンター６で得た１秒当たりの零交叉数をＮｏとす
ると、この零交叉数Ｎ０は、速度変換部１７に取り込ま
れ、速度変換部１７はその値に■／βを乗じて、測定対
象４の移動速度Ｖを算出し、その算出結果を表示部等へ
出力する。

ところで前記光学係数βは、照射領域半径をＷ、受光開
口半径をｄ、スペックル並進倍率をσ、スペックルパタ
ーンの平均径をΔＸとすると、次式で与えられる。

また上記スペックル並進倍率σおよび平均径ΔＸは、レ
ーザ光の波長をλ、測定対象と受光部面との距離をＲ，
レーザ光のビーム波面曲率半径をρとすると、つぎの０
０式の関係にある。

σ−１十−・・・・■ ρ λＲ 論的には上記光学係数βを用いて、前記０式で与えられ
るものであるが、実際には、零交叉検出部に、雑音によ
る零交叉数の計数を防ぐためにヒステリシス特性が設け
であるので、計数される零交叉数は信号振幅にも依存す
る。

つぎの０式は、信号振幅分布の標準偏差Ｓσについての
比例関係式であって、０式中、＜１＞は平均受光強度、
Ｍは受光開口によるスペックル積分数を示し、これらは
００式で示す関係を有する。

第５図は上記各パラメータに対する集光レンズ８の作用
を説明するための図であり、第５図ｉｌｌは、測定対象
４．集光レンろ焦点Ｆ＋、Ｆｚおよび結像点Ｇの各位置
関係を示している。第５図（２）はスペックル速度計並
進倍率σの変化を示し、コリメート照明の場合、集光レ
ンズ８の前方位置ではσ＝１であり、一方集光レンズ８
後方の焦点Ｆ２の位置でσ＝Ｏとなる。第５図（３）は
スペックルパターンの平均径ΔＸの変化を示し、集光レ
ンズ８の前方では測定対象４までの距離に比例し、集光
レンズ８の後方では結像点Ｇまでの距離に比例する。さ
らに第５図（４）は光学係数βの変化を、また第５図（
５）は信号振幅分布の標準偏差Ｓσの変化を、それぞれ
示している。

金集光レンズ８後方の焦点Ｆ、の位置に受光点を設定し
た場合、第５図（２）に示す如く、スペックル並進倍率
σは零であるから、光学係数βは対物距離１１と無関係
に次式で決まる。

π　　　　　Ｗ つぎに第５図（１１中、１２を集光レンズ８と結像点Ｇ
との間の距離、ａを測定対象４と焦点Ｆ。

との間の距離、ｂを集光レンズ８と受光点（この場合、
焦点Ｆ２の位置）との距離とし、またｆを集光レンズ８
の焦点距離とすると、第５図ｆｌ）　（３）より明らか
なとおり、つぎの０式が成立するとき、焦点Ｆ、、Ｆｔ
におけるスペックルパターンの平均径Δｘｌ＋　　Δｘ
、は、Δｘ、＝Δｘ２となることがわかる。

１、　　　　１゜ そこでｂ−ｆとおき、つぎの０弐で示すレンズの結像関
係式を用いて０式の右辺を展開すると、０式で示す如く
になる。

１！　　　　　１ｔ　　　　　　　ｌ。

かくしてａ−ｆであれば、前記０式が成立して、Δｘ、
＝Δｘｔが成立する。

すなわち任意の対物距離Ｘ、に対してΔＸｚはΔｘ１に
等しいので、対物距離１１とは無関係に焦点面における
スペックルパターンの平均径ΔＸは一定である。従って
一定の受光開口径ｄに対するスペックル積分数Ｍも対物
距離ｊ！１に無関係に一定である（０式参照）。また第
５図（３）に示す変化を光線経路と考えれば、平均径Δ
Ｘについての上記理論は平均受光強度＜ｌ＞についても
成り立つので、この平均受光強度＜ｌ＞も対物距離ｌｌ
に無関係に一定であり、従って信号振幅分布の標準偏差
Ｓσも対物距離１１に無関係に一定となる（０式参照）
。

以上から焦点Ｆ２の位置に受光点を設定すると、実際に
得られる零交叉数も対象路Ｍｉ　ｌに依存しない。

つぎに焦点Ｆ、基以外適当な位置に受光点を設定した場
合、零交叉数が対物距離ｌ、に依存しないという特性は
持たないが、焦点Ｆ２位置で受光するより大きな零交叉
数を得ることができるので、精度を向上させることがで
きる。例えば結像点Ｇに対し焦点Ｆ２と対称な点Ｈに受
光点を設定すると、点Ｈでは焦点Ｆ２とスペックルパタ
ーンの平均径ΔＸや平均受光強度＜１＞が等しいので、
焦点Ｆ２と等しい信号振幅分布の標準偏差Ｓσが得られ
る（第５図（５）参照）。

しかも点Ｈの光学係数βは、焦点Ｆ２の光学係数βより
大きいので（第５図（４）参照）、単位時間当たりの零
交叉数Ｎ０が増加し、精度を向上できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成図、第２図
は受光部の構造例を示す図、第３図は信号処理部の回路
ブロック図、第４図は第３図の回路動作を示すタイムチ
ャ、−ト、第５図は集光レンズの作用を説明するための
図、第６図は従来例を示す図である。 １・・・・投光部　　　　２・・・・受光部３・・・・
信号処理部　　８・・・・集光レンズ’ｆＦ　　　Ｊ　
　）ｉΔ　　−天攬伊１儲ず郭を略、精パ匝封２巴　々
ルＯシ祷４４ダー１１・１別デ ：ｙｆ　　３　凰　　１ｇ’＆処理節句ｎ賂７’Ｏｔり
必÷十′　４　　ノ図　　　升３とｉｌ／１１１μのク
イミンク゛千、−ト寸　６　図　　従兎例の積別こ昌 手続主甫正書く自発〉 昭和６１年２月７９日 １、事件の表示　　昭和６０年特許願第１５７５７１号
２、発明の名称　　スペックル速度計 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所〒６１６京都市右京区花園土堂町１０番地名称（２
９４）立石電機株式会社 代表者立石孝雄 ４、代理人 住所〒５４２大阪市南区島之内１丁目２１番２２号共通
ビル　　電話（０６）２４４−９１４１氏名　　　（７
８９１）弁理士　　鈴　木　由　充５、補正の対象 図面、明細書の特許請求の範囲および発明の詳細な説明
の欄 ６、補正の内容 （１１図面中、「第５図」を別紙のとおり補正。 （２）明細書の「特許請求の範囲」を別紙のとおり補正
。 明細書第２頁２〜４行目「（以下、これを「スペックル
・パターン」という）・・・・基ツき」を 「（以下、これを「スペックル・パターン」という）の
光強度ゆらぎ信号を求め、この信号に基づき」に補正。 （４）　　明細書第２頁１６行目「スペックル・パター
ンを求めて」を 「スペックル・パターンの変形や移動を検出して１に補
正。 （５）　　明細書第３頁１１行目および第４頁１５〜１
６行目「回折界」を 「回折界Ｊに補正。 （６）明細書第３頁１８〜１９行目「アバランシュ・フ
ォトダイオード」を 「アバランシェ・フォトダイオードＪに補正。 （７）明細書第５頁１０〜１２行目「透過光・・・・基
づき」を 「透過光が形成するスペックル・パターンの光強度ゆら
ぎを電気信号に変換する受光部と、スペックル・パター
ンの光強度ゆらぎ信号またはスペックルゆらぎ信号に基
づき」に補正。 （８）明細書筒７頁１５〜１６行目「電気信号（スペッ
クル・パターン）」を 「電気信号」に補正。 （９）明細書第８頁２０行目〜第９頁１行目「電気信号
（スペックル・パターン）」ヲ 「電流信号」に補正。 ００＋　　明細書筒１０頁５行目ｒｌ／β」を「１／β
」に補正。 αυ　明細書第１１頁１９行目「焦点Ｆ、ＦｚＪを 「焦点Ｆ１に補正。 αり　明細書筒１２頁４行目および１２２行目第１３頁
１行目、第１４頁１２行目、１５行目。 １７７行目よび、２００行目第１５頁１行目。 ３行目および、５行目「焦点Ｆ、Ｊを 「焦点Ｆ」に補正。 ０濁　明細書筒１２頁１９〜２０行目「測定対象４と焦
点Ｆ１との間」を 「測定対象４と測定対象４の後方（図の右方）任意の点
Ｊとの間ｊに補正。 αａ　明細書筒１３頁３〜４行目「成立するとき、焦点
Ｆ＋、ＦｚＪを 「成立するとき、点Ｊと焦点ＦＪに補正。 特許請求の範囲 ■　移動する測定対象ヘコヒーレントな光を照射する投
光部と、測定対象からの反射光または透過光が形成する
スペックルパターンの光強度ゆらぎを電気信号に変換す
る受光部と、スペックルパターンの光強度ゆらぎ信号に
基づき測定対象の移動速度を求める信号処理部とを具備
し、前記受光部の前方には、集光レンズを配置したこと
を特徴とするスペックル速度計。 ■　前記投光部は、半導体レーザ光源より成る特許請求
の範囲第１項記載のスペックル速度計。 ■　前記受光部は、受光素子としてフォトダイオードが
用いてある特許請求の範囲第１項記載のスペックル速度
計。 ■　前記測定対象にはコリメートビームが照射され、か
つ受光素子が集光レンズの焦点面に配置された特許請求
の範囲第１項記載のスペックル速度計。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）移動する測定対象へコヒーレントな光を照射する
   投光部と、測定対象からの反射光または透過光を受光し
   てスペックルパターンを生成する受光部と、スペックル
   パターンに基づき測定対象の移動速度を求める信号処理
   部とを具備し、前記受光部の前方には、集光レンズを配
   置したことを特徴とするスペックル速度計。
2. （２）前記投光部は、半導体レーザ光源より成る特許請
   求の範囲第１項記載のスペックル速度計。
3. （３）前記受光部は、受光素子としてフォトダイオード
   が用いてある特許請求の範囲第１項記載のスペックル速
   度計。