JPH0664075B2 - Object moving speed measurement method - Google Patents

Object moving speed measurement method

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JPH0664075B2
JPH0664075B2 JP27723084A JP27723084A JPH0664075B2 JP H0664075 B2 JPH0664075 B2 JP H0664075B2 JP 27723084 A JP27723084 A JP 27723084A JP 27723084 A JP27723084 A JP 27723084A JP H0664075 B2 JPH0664075 B2 JP H0664075B2
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speckle
light
moving speed
region
measurement
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博史 北島
富省 吉田
信雄 中塚
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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、物体の移動速度を測定する
方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (A) Field of Industrial Application The present invention uses a random interference pattern (speckle pattern) obtained by irradiating a moving object with coherent light such as laser light to obtain an object. The method of measuring the moving speed of the.

(ロ)従来の技術 一般に、第3図に示すように、レーザ高原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3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:スペックル平均径、 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。
(B) Conventional Technology Generally, as shown in FIG. 3, when a moving object 3 is irradiated with coherent light 3 from a laser plateau 1 through a projecting optical system 2, the light transmitted or reflected by the moving object 4 is transmitted. When it is received at the light receiving point 5, the speckle pattern is accompanied by two movements of translation (translation) and boiling (the speckle does not move and the intensity of light vibrates on the spot) It is known that patterns move and deform (Magazine "Laser Research" Vol. 8, No. 2, Vol. 8, No. 3). In the figure, the normalized autocorrelation function Γ (τ, v) from which the direct current of the light fluctuation at the light receiving point 5 is removed is However, V: moving speed of coarse object, w: irradiation beam radius, Δx: speckle mean diameter, σ: speckle translation magnification, ρ: wavefront curvature of irradiation beam, R: distance from moving object to light receiving point, and Become.

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)。
The above equation (1) shows that the autocorrelation function attenuates as the object velocity V increases, and for example, the correlation is 1 / e
Let τc (autocorrelation length) be the time However, a: The radius of the receiving opening. The velocity V can be measured by this τc, and the inventors of the present application have already applied for a speckle velocity meter adopting this principle (Japanese Patent Laid-Open No. 59-54043).

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)。
Also, the number of zero crossings per unit time of light fluctuation No.
Calculated from equation (1), Becomes The velocity V can also be measured by counting the zero crossing number No. The inventors of the present application have already applied for a speckle velocity meter adopting this principle (Japanese Utility Model Publication No. 58-106376). , Japanese Patent Application Showa 59-
54041).

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。
The above-mentioned already applied speckle velocimeters have all adopted the illumination method using the convergent beam or the expanded beam.

(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。
(C) Problems to be solved by the invention The conventional speckle velocimeter uses the convergent beam or the expanded beam for illumination and measures the velocity V based on the formula (3) or (4). Therefore, if the roughness correlation length of the rough object is relatively long compared to the illumination area, the speckle becomes non-Gaussian, and the speckle becomes small on paper and the like due to the bleeding phenomenon. There is a drawback that speckles with no size are created, and therefore the autocorrelation function of the light fluctuation changes, and the measurement cannot be performed correctly.
Further, when the measurement object changes, for example, from copper to paper, and then cloth, Δx changes depending on the measurement object, and therefore the signal processing unit must correct the object change each time. Furthermore, if the illumination beam is not a perfect spherical wave and contains wavefront aberrations, the translation of the speckle is strongly related to the wavefront curvature, so the translation becomes unstable, and the measurement accuracy also deteriorates. there were.

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
きる物体の移動速度測定方法を提供することを目的とし
ている。
In view of the above, the present invention can measure the speed of an object with high accuracy even when the speckle is non-Gaussian, when the measurement object is changed, and when the illumination beam includes wavefront aberration. The purpose is to provide a measurement method.

(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、受光面でス
ペックルがボイリングするようにしている。スペックル
がボイリングする光学配置は、測定物体を収束領域、ウ
エスト領域及び拡散領域を持つコヒーレントの光のウエ
スト領域におき、受光面を物体から拡散領域に置く場合
と、測定物体を収差領域に、受光面をウエスト領域に配
置する場合が考えられるが、この発明は後者の配置を採
用している。すなわち、この発明の物体の速度測定方法
は、高原より発せられるコヒーレント光のウエスト領域
に受光面を配置して、かつ移動物体をR=πw /λ
(λ:レーザ光波長、w:ウエスト半径)以上の距離
だけ光源側の収束領域に配置して、この移動物体を前記
コヒーレント光で照射し、前記受光素子で得られるスペ
ックルパターンを信号処理部で処理して移動速度を測定
するようにしている。
(D) Means and Actions for Solving Problems In the present invention, speckles are boiled on the light receiving surface in order to solve the above problems. The optical arrangement in which the speckle is boiling places the measurement object in the waist area of coherent light having a convergence area, a waist area and a diffusion area, and places the light receiving surface in the diffusion area from the object, and the measurement object in the aberration area, The light receiving surface may be arranged in the waist region, but the present invention adopts the latter arrangement. That is, according to the object velocity measuring method of the present invention, the light receiving surface is arranged in the waist region of the coherent light emitted from the plateau, and the moving object is R = πw 0 2 / λ.
(Λ: wavelength of laser light, w 0 : waist radius) is arranged in the converging region on the light source side for a distance equal to or more than that, the moving object is irradiated with the coherent light, and the speckle pattern obtained by the light receiving element is subjected to signal processing It is processed by the department to measure the moving speed.

この移動測定方法では、収束領域ではR=−ρであるの
で、R/ρ=−1となり、上記(2)式より、並進倍率σ
=0となる。従って第(1)式及び第(4)式の右項が0とな
る。そのため、自己相関長τc、零交叉数Noは、 となり、いずれもΔx,ρ等が変動しても測定結果に影
響しない。
In this movement measurement method, R = −ρ in the convergence region, so R / ρ = −1, and from the above equation (2), the translation magnification σ
= 0. Therefore, the right term of the equations (1) and (4) becomes 0. Therefore, the autocorrelation length τc and the zero crossing number No are Therefore, in any case, even if Δx, ρ, etc. vary, the measurement result is not affected.

(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。
(E) Examples Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

第1図は、この発明が実施されるレーザスペックル速度
計の概略構成図である。同図において、11はコヒーレ
ントなどビームを発するレーザ光源、12はレーザ光源
11よりのビーム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投光光学系である。13は
透過性の移動物体であり、収束領域に配置され、光ビー
ムに垂直の方向に、速度Vで移動している。14は光電
変換素子であり、例えば光電管や半導体受光素子が使用
される。この光電変換素子14は、光ビームのウエスト
領域に配置されている。光電素子14の全面にピンホー
ル開口15を備えた開口板16が設けられている。また
光学変換素子14には変換されたスペックルパターン信
号を処理するための信号処理部17が接続されている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a laser speckle velocity meter in which the present invention is implemented. In the figure, 11 is a laser light source that emits a beam such as coherent light, and 12 is a projection optical system that converts the light beam from the laser light source 11 into a light beam having a converging region waist region and a diffusion region. Reference numeral 13 denotes a transparent moving object, which is arranged in the converging region and moves at a velocity V in a direction perpendicular to the light beam. Reference numeral 14 is a photoelectric conversion element, and for example, a photoelectric tube or a semiconductor light receiving element is used. The photoelectric conversion element 14 is arranged in the waist region of the light beam. An opening plate 16 having a pinhole opening 15 is provided on the entire surface of the photoelectric element 14. Further, a signal processing unit 17 for processing the converted speckle pattern signal is connected to the optical conversion element 14.

この信号処理部17は、第2図に示すように、光電変換
素子14よりのスペックルパターン信号を増幅する広帯
増幅器18、増幅されたスペックルパターン信号より直
流分をカットする直流分除去回路19、さらにシュミッ
トトリガ回路20、ワンショットマルチ回路21、カウ
ンタ回路22及びクロック回路23から構成されてい
る。
As shown in FIG. 2, the signal processing unit 17 includes a wide band amplifier 18 for amplifying the speckle pattern signal from the photoelectric conversion element 14, and a DC component removing circuit for cutting a DC component from the amplified speckle pattern signal. 19, a Schmitt trigger circuit 20, a one-shot multi circuit 21, a counter circuit 22, and a clock circuit 23.

この実施例レーザスペックル速度計において、レーザ光
源11よりレーザが出射されると、投光光学系12で出
射径がDで焦点距離fを持つビーム光(ガウスビームが
望ましい)に変換される。この場合のビームウエスト半
径wは波長をλとして、 となる。
In the laser speckle velocimeter of this embodiment, when a laser beam is emitted from the laser light source 11, it is converted into a beam beam (preferably a Gaussian beam) having an emission diameter D and a focal length f in the projection optical system 12. In this case, the beam waist radius w 0 has a wavelength of λ, Becomes

ビームウエストに光電変換素子14が設けられ、移動物
体13が(光電変換素子14から(光源側に) となる位置、すなわち収束領域に配置されているので、
R=−ρとなり、σ=0となるから、被測定物体13が
速度Vで移動しているとすると、開口坂16面でスペッ
クルがボイリング状態となり、時間的に変動する。
The photoelectric conversion element 14 is provided on the beam waist, and the moving object 13 (from the photoelectric conversion element 14 (to the light source side) Since it is located in the position where
Since R = −ρ and σ = 0, assuming that the measured object 13 is moving at the speed V, the speckle becomes a boiling state on the surface of the opening slope 16 and fluctuates with time.

この変動信号が光電変換素子14により電気信号に変換
され、信号処理部17に入力される。この時の変動の速
さは、物体13の移動速度Vに比例しており、この変動
の速さが信号処理部17で検出される。
This fluctuation signal is converted into an electric signal by the photoelectric conversion element 14 and input to the signal processing unit 17. The speed of change at this time is proportional to the moving speed V of the object 13, and the speed of this change is detected by the signal processing unit 17.

信号処理部17では、先ず電気信号に変換されたスペッ
クル信号(変動信号)を広帯域増幅器18で所定のレベ
ルまで増幅し、増幅された信号をさらに零交叉数検出の
ために直流分除去回路19で直流分をカットし、さらに
シュミットトリガ回路20で零交叉時にハイとローが反
転するパルス列を作成する。このパルス列がワンショッ
トマルチ回路21で所定のパルス幅に整形され、カウン
タ回路22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、カウント回路22の計数値には、スペ
ックルサイズΔx、開口半径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13の材質が変更され、Δxが変換しても、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。
In the signal processing unit 17, first, the speckle signal (fluctuation signal) converted into an electric signal is amplified by the wide band amplifier 18 to a predetermined level, and the amplified signal is further removed by the DC component removing circuit 19 for detecting the number of zero crossings. The DC component is cut by and the Schmitt trigger circuit 20 creates a pulse train in which high and low are inverted at the time of zero crossing. This pulse train is shaped into a predetermined pulse width by the one-shot multi-circuit 21, and the counter circuit 22 makes the zero crossing count number per unit time No /
2 is counted. This zero-crossing number No is as a general theoretical formula (4), but since the light is received in the boiling state in this embodiment, the right term of the formula (4) can be ignored, Becomes Therefore, the count value of the counting circuit 22 is not affected by the speckle size Δx, the opening radius a, the distance R between the object and the photoelectric conversion element, and the wavefront curvature ρ of the beam, and even if the material of the object 13 is changed, Even if Δx is converted or the wavefront curvature ρ is distorted, the influence does not affect the velocity measurement, and no correction is necessary.

なお上記実施例では、信号処理部17として、零交叉検
出回路を例に上げたが、これに限ることなく、自己相関
長τcを算出する回路を用いることも可能である。
In the above embodiment, the zero crossing detection circuit has been taken as an example of the signal processing unit 17, but the present invention is not limited to this, and a circuit for calculating the autocorrelation length τc can be used.

(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、被測定物体が途中で変更されても何らの補正を要す
ることなく、そのまま測定を継続することができる。
(F) Effect of the Invention According to the present invention, the speed measurement is performed by processing the signal received in the speckle boiling state.
Since the speckle size and the wavefront curvature do not affect the measurement result, highly accurate measurement can be performed. Further, even if the object to be measured is changed on the way, the measurement can be continued without any correction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は、この発明が実施されるレーザスペックル速度
計の概略図、第2図は、同レーザスペックル速度計の信
号処理部の具体例を示す回路図、第3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。 11:レーザ光源、12:投光光学系、 13:移動物体、14:光電変換素子、 17:信号処理部。
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser speckle velocity meter in which the present invention is implemented, FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific example of a signal processing unit of the laser speckle velocity meter, and FIG. It is a figure which shows the optical arrangement for demonstrating the speed measurement by a laser speckle. 11: Laser light source, 12: Projection optical system, 13: Moving object, 14: Photoelectric conversion element, 17: Signal processing unit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】光源よりのコヒーレント光を光学系で収束
領域、ウエスト領域及び拡散領域を持つ光ビームに変換
し、前記ウエスト領域に光電変換素子を設けるととも
に、前記収束領域に移動物体を配置し、前記光ビームを
前記移動物体に照射し、前記光電変換素子に得られるス
ペックルパターン信号を信号処理部で処理して、移動速
度を測定するようにした物体の移動速度測定方法。
1. A coherent light from a light source is converted by an optical system into a light beam having a converging region, a waist region and a diffusing region, a photoelectric conversion element is provided in the waist region, and a moving object is arranged in the converging region. A method for measuring the moving speed of an object, wherein the moving speed is measured by irradiating the moving object with the light beam and processing a speckle pattern signal obtained by the photoelectric conversion element by a signal processing unit.
JP27723084A 1984-12-25 1984-12-25 Object moving speed measurement method Expired - Lifetime JPH0664075B2 (en)

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EP85116548A EP0189591A1 (en) 1984-12-25 1985-12-24 Method of and system for measuring velocity of moving object

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