JP2010175493A - レーザードップラー速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の速度を安定して精度良く測定するレーザードップラー速度計を提供する。
【解決手段】レーザードップラー速度計１００は、被検体Ｄの表面で干渉及び反射された散乱光を受光する複数の受光素子１２０を含む光学センサ１１０と信号処理ユニット１３０とを有し、信号処理ユニット１３０は、複数の受光素子１２０の出力のうち信号レベルが許容値以上であるかどうかを判断することによってその一つ選択するための選択信号を生成するＣＰＵ１３８と、選択信号に基づいて信号Ｓ１を信号Ｓ２に切り替える選択切換部１４６と、信号Ｓ１と信号Ｓ２の位相差に対応する時間差だけ信号Ｓ２の立ち上がり及び立ち下がりを遅延させて信号Ｓ１と重ねることによってパルス信号を生成する差分遅延処理部１４８と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザードップラー速度計に関する。

レーザードップラー速度計は、被検体からの散乱光を検出する光学センサと、光学センサの出力を信号処理する信号処理ユニットと、を有する。光学センサは、被検体からの散乱光を受光する受光素子を有するが、受光素子は必ずしも良好な散乱光を受光できるわけではない。このため、光学センサが単一の受光素子を有する場合には、その出力信号のレベルが著しく低下するドロップアウトと呼ばれる現象が発生して被検体の速度を測定できなくなるという問題が発生する。これを回避するために、特許文献１は、複数の受光素子を設けて、そのうちの一つを速度測定用に使用し、その出力信号レベルが低下した場合には、信号レベルが高い別の受光素子を切り変えることを提案している。

特許第３４２３３９６号明細書

しかしながら、信号切り替え時に切り替え前後の信号の位相が一致していないと、切り替え時に出力されるパルスの幅が変化して測定誤差が発生することになる。

そこで、本発明は、被検体の速度を安定して精度良く測定するレーザードップラー速度計を提供することを例示的な目的とする。

本発明の一側面としてのレーザードップラー速度計は、被検体からの散乱光を受光する複数の光学素子を含む光学センサと、前記光学センサの前記複数の光学素子の出力に基づいて前記被検体の速度を測定するためのパルス信号を出力する信号処理ユニットと、を有するレーザードップラー速度計であって、前記信号処理ユニットは、前記複数の光学素子の出力のうち信号レベルが許容値以上であるかどうかを判断することによって前記複数の光学素子の出力の一つ選択するための選択信号を生成する選択信号生成部と、前記選択信号生成部が生成した選択信号に基づいて前記複数の光学素子のうちで現在選択されている第１信号を次に選択される第２信号に切り替える選択切換部と、前記第１信号と前記第２信号の位相差に対応する時間差だけ前記第２信号の立ち上がりと立ち下がりを遅延させて前記第１信号と重ねることによって前記パルス信号を生成する差分遅延処理部と、を有することを特徴とする。

本発明は、被検体の速度を安定して精度良く測定するレーザードップラー速度計を提供することができる。

レーザードップラー速度計のブロック図である。 図１に示す光学センサのブロック図である。 図１に示す信号処理ユニットのブロック図である。 図３に示す差分遅延処理部がない信号処理ユニットの動作とその問題点を説明するためのタイムチャートである。 図３に示す信号処理ユニットの動作を説明するためのタイムチャートである。 図５の後で更に信号を切り替える場合の図３に示す信号処理ユニットの動作を説明するためのタイムチャートである。 図３に示すＣＰＵの動作を説明するためのフローチャートである。

図１はレーザードップラー速度計１００の要部ブロック図である。レーザードップラー速度計１００は、移動物体である被検体Ｄの速度Ｖを検出する装置であり、光学センサ１１０と、信号処理ユニット１３０と、を有し、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの外部装置１５０と通信可能に構成されている。

図２は、光学センサ１１０の光学系のブロック図である。光学センサ１１０は、被検体Ｄに複数の方向からレーザー光ＬＢを照射して被検体Ｄから干渉及び反射された散乱光ＳＬを複数の受光素子（光検出器）で検出する。複数の受光素子を使用するため、ある受光素子の出力信号のレベルが低下した場合に別の信号レベルの高い受光素子の出力信号を使用することができるのでドロップアウトによる測定不能を防止して被検体Ｄの速度を安定して測定することができる。

光学センサ１１０は、レーザー１１２と、コリメーターレンズ１１４と、ビームスプリッター１１６と、一対のミラー１１８ａ及び１１８ｂと、複数の受光素子（光検出器）１２０（１２０ａ及び１２０ｂなど）と、を有する。

レーザー１１２は、被検体Ｄに照射する検出光を生成する光源である。コリメーターレンズ１１４は、レーザー１１２からのレーザー光束を平行光束Ｌ１に変換する。ビームスプリッター（又はハーフミラー）１１６は、入射光束を透過光束Ｌ２と反射光束Ｌ３に分岐する。

一対のミラー１１８ａ及び１１８ｂは、対応する光束を被検体Ｄの表面の所定の領域Ｄ１に異なった方向から導光する。具体的には、透過光束Ｌ２はミラー１１８ａで反射されて反射光束Ｌ４となり、反射光束Ｌ３はミラー１１８ｂで反射されて反射光束Ｌ５となる。反射光束Ｌ４とＬ５は、速度Ｖで移動している被検体Ｄの領域Ｄ１に光軸ＯＡに対して入射角±θで照射される。

２つ以上の受光素子１２０は、被検体Ｄの上側の異なる位置に配置され、被検体Ｄの領域Ｄ１からの散乱光ＳＬを検出して、光電変換により電気信号を生成する。なお、図２では、作図の便宜上、２つの受光素子１２０ａ及び１２０ｂを示し、受光素子１２０ａは検出信号Ｓ１を生成し、受光素子１２０ｂは検出信号Ｓ２を生成する。しかし、図１に示すように、実際には、光学センサ１１０には４つの受光素子１２０が設けられて４つの検出信号Ｓ１〜Ｓ４が信号処理ユニット１３０に出力（供給）される。

二光束の散乱光ＳＬの周波数は、被検体Ｄの速度Ｖに比例して各々＋Δｆ、−Δｆのドップラーシフトを受ける。レーザー１１２のレーザー光の波長をλとすると周波数変化Δｆは数式１で表わされる。
（数１）
Δｆ＝Ｖ・ｓｉｎ（θ）／λ
＋Δｆ、−Δｆのドップラーシフトを受けた散乱光ＳＬは干渉して受光素子１２０の受光面の明暗の変化をもたらし、その周波数Ｆ（以下、「ドップラー周波数」と呼ぶ。）は数式２のようになる。
（数２）
Ｆ＝２・Δｆ＝２・Ｖ・ｓｉｎ（θ）／λ
数式２から、受光素子１２０のドップラー周波数Ｆを測定して被検体Ｄの移動速度Ｖを求めることができる。被検体Ｄの移動速度Ｖは信号処理ユニット１３０が算出してもよいし、外部装置１５０が算出してもよい。

図３は、信号処理ユニット１３０のブロック図である。図１に対応して、４つの光学センサ１１０（４チャンネル）が設けられている。信号処理ユニット１３０は、光学センサ１１０から出力された４種類の信号Ｓ１〜Ｓ４のうちのいずれか一つを選択基準に従って選択すると共に信号切替時に切替前後の信号の位相差を補正する。

信号処理ユニット１３０は、図３に示すように、複数の（４つの）信号受信部１３２ａ〜１３２ｄ、複数の（４つの）ＡＤＣ１３４ａ〜１３４ｄ、信号レベル検出部１３６、ＣＰＵ１３８、記憶部１４０、ゼロクロス検出部１４２を有する。また、信号処理ユニット１３０は、差分計測部１４４、選択切換部１４６、差分遅延処理部１４８を更に有する。

４つの受光素子１２０から出力された信号は、４つの信号受信部１３２ａ〜１３２ｄによって受信される。各受光素子１２０には一つの信号処理部が対応している。受光素子１２０ａには信号受信部１３２ａが対応し、信号Ｓ１を受信する。受光素子１２０ｂには信号受信部１３２ｂが対応し、信号Ｓ２を受信する。信号受信部１３２ｃは信号Ｓ３を受信し、信号受信部１３２ｄは信号Ｓ４を受信する。

ＡＤＣ（Ａ／Ｄコンバータ）１３４ａ〜１３４ｄの各々は、４つの信号受信部１３２ａ〜１３２ｄの対応する一つに接続し、信号受信部が受信したアナログ信号をディジタル信号に変換する。

信号レベル検出部１３６は、ＡＤＣ１３４ａ〜１３４ｄに接続されて、各ＡＤＣの出力が供給される。信号レベル検出部１３６は、供給されたディジタル信号の信号レベルを検出する。

ＣＰＵ１３８は、まず、記憶部１４０に格納された選択基準と信号レベル検出部１３６の検出結果に従って複数の信号の一つを選択するための選択信号を生成する選択信号生成部として機能する。この機能のため、ＣＰＵ１３８は、信号レベル検出部１３６、記憶部１４０及び選択切換部１４６に接続されている。記憶部１４０は、ＲＡＭなどのメモリであり、以下に説明する計測した時間差Ｐ２を記憶する。

まず、選択基準は、通常時（又は初期状態）において、被検体Ｄの速度を計測するのに使用される基準信号を４つの信号（のディジタル化された信号）の中で選択する。本実施例の選択基準は、通常時（又は初期状態）において、信号Ｓ１を被検体Ｄの速度を測定するための信号として選択している。もちろんこの設定は単なる例示である。

次に、選択基準は、基準信号（信号Ｓ１）の信号レベルが許容値以下になった場合に切り替える信号（次候補の信号）の優先度を規定する。本実施例の選択基準は、信号Ｓ１の信号レベルが許容値以下になった場合に切り替える信号（次候補の信号）として信号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をこの優先度の順番で設定している。もちろんこの設定は単なる例示である。

ＣＰＵ１３８は、現在選択されている信号の信号レベルを常時監視し、信号レベルが小さくなってきた場合に、信号レベルが許容値未満になる時刻より前に信号切換動作を開始するタイミングを設定することができる。例えば、ＣＰＵ１３８は、現在選択されている信号の信号レベルの減衰率からその信号レベルが許容値未満になる時刻を予測することによって、それよりも前に信号切換動作を開始することができる。

優先度が最も高い次候補の信号が実際にＣＰＵ１３８によって選択されるかどうかは、信号レベル検出部１３６の検出結果次第である。即ち、選択されるべき次候補の信号は信号レベルが許容値以上でなければならず、ＣＰＵ１３８は信号レベル検出部１３６の出力を許容値（閾値）と比較する。例えば、ＣＰＵ１３８は、信号Ｓ１の信号レベルが許容値以下になって信号Ｓ２の信号レベルが許容値以上であれば信号Ｓ１を信号Ｓ２に切り替える。しかし、ＣＰＵ１３８は、信号Ｓ１とＳ２の両信号レベルが許容値以下になって信号Ｓ３の信号レベルが許容値以上であれば信号Ｓ１を信号Ｓ３に切り替える。

この結果、ＣＰＵ１３８は、次候補の信号の中で適当な（即ち、信号レベルが許容値以上である次候補の信号の中で優先度が最も高い）信号を被検体Ｄの速度計測の算出に使用する選択信号を生成することができる。本実施例のＣＰＵ１３８は、現在選択されている信号に拘らず、全ての信号Ｓ１〜Ｓ４の信号レベルの情報を信号レベル検出部１３６から常時取得している。その後、ＣＰＵ１３８は、選択信号を選択切換部１４６に出力する。

また、ＣＰＵ１３８は、複数の光学素子の出力に対応する信号のうち、現在選択されている信号（第１信号）を次に選択される信号（次候補の信号、第２信号）に切り替える際に、両者間の位相差（時間差）の情報を差分計測部１４４から取得する。そして、ＣＰＵ１３８は、その情報を記憶部１４０に一時的に格納する。そして、ＣＰＵ１３８は、この情報に基づいて、これを補正する遅延信号を生成して差分遅延処理部１４８に出力する。

ゼロクロス検出部１４２は、ＡＤＣ１３４ａ〜１３４ｄに接続されて、各ＡＤＣの出力が供給される。ゼロクロス検出部１４２は、各ＡＤＣの出力信号のゼロクロスを捕らえ、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジを生成する。

差分計測部１４４は、ゼロクロス検出部１４２に接続されて、その出力が供給される。また、差分計測部１４４は、ＣＰＵ１３８にも接続されている。差分計測部１４４は、チャンネル切換時に必要になる選択中の信号の立ち上がりと、それと最も近い、次候補の信号の立ち上がり時間差を計測する。差分計測部１４４は、計測結果をＣＰＵ１３８に供給する。なお、差分計測部１４４の計測結果は、ＣＰＵ１３８を経由せずに、直接に差分遅延処理部１４８に供給されてもよい。即ち、差分計測部１４４は、差分遅延処理部１４８と一体に構成されて差分計測部１４４の計測結果を格納する記憶部に接続されてもよい。

選択切換部１４６は、ゼロクロス検出部１４２に接続されて、その出力が供給される。また、選択切換部１４６は、ＣＰＵ１３８に接続され、選択信号が供給される。更に、選択切換部１４６は、ＣＰＵ１３８からの指令で選択された信号を差分遅延処理部１４８に出力する。選択切換部１４６は、通常はＣＰＵ１３８によって選択されたチャンネルの信号のみを差分遅延処理部１４８に出力するが、信号切り換え時では２チャンネルの信号を差分遅延処理部１４８に出力する。

差分遅延処理部１４８では、選択切換部１４６に接続されて、信号切り替え時には現在選択されている信号と次候補の信号が供給される。また、差分遅延処理部１４８は、ＣＰＵ１３８に接続されて、遅延信号が供給される。差分遅延処理部１４８は、次候補の信号の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジに各々遅延時間を加算して出力する。即ち、信号切り替え時には、差分遅延処理部１４８は、切り替え時刻までは切り替え前の信号を出力し、切り替え時刻後は切り替え後の信号を出力する。

現在選択されている信号のレベルが更に低下した場合は、同様の処理を繰り返して更に別の信号に切り替えれば、測定終了までパルス幅の乱れないパルス出力を実現することができる。

図４は、差分遅延処理部１４８がない信号処理ユニットの動作とその問題点を説明するためのグラフである。一例として、現在選択されている信号を信号Ｓ１とし、次候補の信号を信号Ｓ２とする。

信号レベル検出部１３６は、信号Ｓ１と信号Ｓ２の１周期のピークとボトムを検出することによってそれぞれの信号の信号レベルに対応する振幅Ａ１１及びＡ２１を算出することができる。ＣＰＵ１３８は、振幅Ａ１１とＡ２１を許容値（閾値）と比較して両振幅が許容値以上であると判断し、信号Ｓ１の選択を維持する選択信号を選択切換部１４６に出力する。

ゼロクロス検出部１４２は、信号Ｓ１のゼロクロスを捕えて点線で示す矩形パルスの信号Ｓ１１を生成し、信号Ｓ２のゼロクロスを捕えて実戦で示す矩形パルスの信号Ｓ２１を生成する。ゼロクロス検出部１４２が生成する信号Ｓ１１とＳ２１のパルス幅は等しい。

差分計測部１４４は、両信号Ｓ１１及びＳ２１の間の位相差Ｐ１を計測する。ここでは、差分計測部１４４は、位相差Ｐ１を、信号Ｓ１１の立ち上がりとそれに最も近い、信号Ｓ２１の立ち上がりとの時間差として計測する。なお、差分遅延処理部１４８が設けられなければ、差分計測部１４４も通常は設けられないであろう。

次に、ＣＰＵ１３８は、振幅Ａ１１よりも小さい振幅Ａ１２を認識することによって信号Ｓ１の振幅が減衰し始めたことを認識する。一方、ＣＰＵ１３８は、次候補である信号Ｓ２の振幅は振幅Ａ２２であり、振幅Ａ２１と同程度で許容値よりも大きいことを認識する。このため、ＣＰＵ１３８は、信号Ｓ１を信号Ｓ２に近い将来切り替えるべきであると判断する。

そして、ＣＰＵ１３８は、時刻Ｔにおいて選択切換部１４６に信号Ｓ１から信号Ｓ２に切り替えるべき旨の選択信号を供給する。図４に示すＳ５１は、選択切換部１４６（又は信号処理ユニット１３０）から出力されるパルス信号を示している。ＣＰＵ１３８の選択信号に基づいて、選択切換部１４６は、時刻Ｔまでは信号Ｓ１を出力し、時刻Ｔ以降は信号Ｓ２を出力する。すると、時刻Ｔにおけるパルス幅が点線Ｋで示すように変化して被検体Ｄの測定精度が劣化してしまう。

図５は、図３に示す信号処理ユニット１３０の動作を示すグラフである。信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１１、Ｓ２１、振幅Ａ１１、１２、２１、２２は図４に示すものと同様であるため、説明は省略する。図５においては、差分遅延処理部１４８が出力する信号はパルス信号Ｓ５２である。

前提として、差分計測部１４４は、信号Ｓ２１の立ち上がりから、それに最も近い信号Ｓ１１の立ち上がりまでの時間差Ｐ２を計測し、それをＣＰＵ１３８に供給しておく。差分計測部１４４は、上記期間に存在する不図示の基準クロック数をカウントすることによって時間差Ｐ２を計測することができる。Ｔ１、Ｔ２での出力は、Ｓ１１に基づいて出力される。ここで、信号Ｓ１１は、パルス出力Ｓ５２から切り離される。

次に、ＣＰＵ１３８は、時刻Ｔ２の直後の信号Ｓ２１の立ち下がりＴＥ１１を時間差Ｐ２だけ遅らせた立ち下がりＴＥ２１の生成を開始する。次に、時刻Ｔ３で信号Ｓ２の立ち上がりＬＥ１１を時間差Ｐ２だけ遅らせた立ち上がりＬＥ２１をパルス信号Ｓ５２の立ち上がりとして出力する。

次に、ＣＰＵ１３８は、時刻Ｔ３の直後で、次の信号Ｓ２１の立ち上がりＬＥ１２を時間差Ｐ２だけ遅らせた立ち上がりＬＥ２２の生成を開始する。次に、時刻Ｔ４で信号Ｓ２の立ち下がりＴＥ１１を時間差Ｐ２だけ遅らせた立ち下がりＴＥ１２をパルス信号Ｓ５２として出力する。

以降は同様にしてパルス信号Ｓ５２を出力することによって、信号切り換え時にパルス幅が変化することを防止することができる。パルス信号Ｓ５２は、あたかも信号Ｓ１１が継続された場合と同様な形状を有する。

図６は、この後で、信号Ｓ２（又は信号Ｓ２１）から信号Ｓ３（又は信号Ｓ３１）に切り替える場合の信号処理ユニット１３０の動作を説明するためのグラフである。図６においては、差分遅延処理部１４８が出力する信号はパルス信号Ｓ５３である。時刻Ｔ１〜Ｔ４で図５と同様の方法でパルス信号Ｓ５３を生成している。なお、図６においては、時間差はＰ３である。パルス信号Ｓ５２は、あたかも信号Ｓ２１（従って、信号Ｓ１１）が継続された場合と同様な形状を有する。

図７は、ＣＰＵ１３８の動作を説明するためのフローチャートであり、「Ｓ」はステップを表す。まず、ＣＰＵ１３８は、選択基準に従って選択信号を生成し、パルス信号の出力を開始する（Ｓ２０１）。次に、ＣＰＵ１３８は、信号レベル検出部１３６の検出結果に基づいて現在選択されている信号の信号レベルが記憶部１４０に記憶された許容値未満であるかどうかを判断する（Ｓ２０２）。次に、ＣＰＵ１３８は、Ｓ２０２で許容値未満であると判断すると次候補を選択する（Ｓ２０３）。また、ＣＰＵ１３８は、事前に若しくは同時並行で差分計測部１４４によって計測された、切換前後の信号のエッジの時間差（立ち上がり間の時間差又は立ち下がり間の時間差）を取得する（Ｓ２０４）。

次に、ＣＰＵ１３８は、時間差分だけ切換後の信号の立ち下がり及び立ち上がりを遅延させた信号を生成する差分遅延処理を行うように差分遅延処理部１４８を制御する（Ｓ２０５）。具体的には、現在選択されている信号の立ち上がりを出力後に次候補の信号の立ち上がりから遅延分のカウントを開始する。その間に、現在選択されている信号の立ち下がりエッジを出力する。カウント値に達したら立ち上がりエッジを出力して切換を完了する。
そして、ＣＰＵ１３８は、遅延された切換後の信号を切換前の信号に重ねることによって信号を切り替える（Ｓ２０６）。

Ｓ２０２でＮｏの場合若しくはＳ２０６の後で、ＣＰＵ１３８は、測定時間に達したかどうかを判断し（Ｓ２０７）、達したと判断すれば測定動作を終了し、達していないと判断すればＳ２０２に帰還する。

以上、レーザードップラー速度計１００は複数の受光素子１２０をしてドロップアウトによる測定不能を防止し、信号切り替え時に両信号の位相差に対応した時間差だけ後の信号を遅延させて先の信号に重ねることによって測定誤差を防止する。これによって、インラインでのリアルタイム計測に最適なシステムを構築することができる。

レーザードップラー速度計は、連続パルス出力機能を使用することで、非接触での速度測定が必要な生産装置やプリンタなど送り機能を持つ装置を評価する用途に適用することができる。

１００ レーザードップラー速度計
１１０ 光学センサ
１２０、１２０ａ、１２０ｂ 光学素子
１３０ 信号処理ユニット
１３６ 信号レベル検出部
１３８ ＣＰＵ
１４２ ゼロクロス検出部
１４４ 差分計測部
１４６ 選択切替部
１４８ 差分遅延処理部

Claims (1)

1. 被検体からの散乱光を受光する複数の光学素子を含む光学センサと、
   前記光学センサの前記複数の光学素子の出力に基づいて前記被検体の速度を測定するためのパルス信号を出力する信号処理ユニットと、
   を有するレーザードップラー速度計であって、
   前記信号処理ユニットは、
   前記複数の光学素子の出力のうち信号レベルが許容値以上であるかどうかを判断することによって前記複数の光学素子の出力の一つ選択するための選択信号を生成する選択信号生成部と、
   前記選択信号生成部が生成した選択信号に基づいて前記複数の光学素子のうちで現在選択されている第１信号を次に選択される第２信号に切り替える選択切換部と、
   前記第１信号と前記第２信号の位相差に対応する時間差だけ前記第２信号の立ち上がりと立ち下がりを遅延させて前記第１信号と重ねることによって前記パルス信号を生成する差分遅延処理部と、
   を有することを特徴とするレーザードップラー速度計。