JPS5844216B2 - 速度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザ光を対象面へ投射したとき反射光に生
ずる光斑現象を利用した速度測定装置の改良に関するも
のである。

レーザ光を用いたこの種の装置は、非接触状態で対象物
との相対速度を測定できる利点を有しており、航空機、
車輛等移動体の対地速度測定に用いることもできるが、
特に各種工業プロセスにおいて有効であり、例えば、圧
延機から押出されて来る圧延材の速度測定、線材製造工
程での線材走行速度の測定等においては、測定対象物に
対する無影響、測定精度向上等の面から極めて有用であ
る。

この光斑現象は、特にレーザ光を用いたときにその単一
波長性、均−位相特性等により顕著であるが、これは、
対象面が鏡でない限り、対象面構成素子の各々が反射光
に関して相互に一定の位相関係を有することが原因とな
っており、投射されるレーザ光が一つのビームであって
も、反射光としては多数に分割されたビームが得られ、
この反射光をスクリーン等へ投影して観測すると不規則
な明暗の光斑を見ることができる。

以上の現象を利用して測定対象物との相対速度を測定で
きるが、反射光を入射光として捕捉する際、レーザ光以
外の周囲からの光線による影響、対象面の移動に基く反
射率変化による受光々度の変動、レーザ光自体に含まれ
ている雑音成分等の影響があり、これらの影響を抑圧し
て良好な信号対雑音比の受光信号を得るため、一般につ
ぎに述べるとおり差動型の光検出装置が用いられている
。

第１図、第２図は、この手法を用いた従来の速度測定装
置の代表例を示す構成国であり、第１図においては、移
動体１にレーザ発振器２が固定され、レーザ光３を対象
面としての大地４へ投射し、大地４の表面において前述
のとおり多数のビームとして散乱反射された反射光５の
一部は、移動体１に設けられた格子形光電変換器６の表
面へ入射する。

たゾし、格子形光電変換器６は移動体１の移動方向に配
列された素子７により構成され、素子７の幅およびこれ
らの間隔ｉ／２はすべて均一であり、更にこれらの素子
７は一つおきに接続されている。

このような格子形光電変換器６の表面へ入射した反射光
５の一部は、多数のビームからなっており、このために
格子形光電変換器６の表面には多数の光斑によるパター
ンを生ずるが、移動体１の移動に伴なってレーザ光３の
投射面が移動するため、前記パターン内の光斑も格子形
光電変換器６の表面を横切って移動し遂には消滅する。

たゾし、レーザ光３の投射面が前進するにつれて遂次新
しい光斑を生じ、これを反復する。

したがって、この光斑の移動速度が移動体１の大地４に
対する相対速度に比例しており、これに基いて相対速度
の測定が行なえる。

すなわち、格子形光電変換器６の表面における光斑の移
動速度をＶＢＮ相対速度をＶｏとすれば、次式の関係が
成立する。

たゾし、ａは大地４の表面と格子形光電変換器６の表面
との距離、ｂはレーザ光３の仮想投射点８と大地４の表
面との距離である。

こＳで、格子形光電変換器６の表面へ入射する一つの光
斑に注目すれば、その移動によって各素子７の表面が横
切られ、各々の素子７に対し断続して光斑が入射するも
のとなり、一つ置きに接続された各素子７による二組の
電気的出力は、光斑の移動速度ｖＢに比例した周波数ｆ
Ｑの信号となる。

すなわち、たマし、ｇは前述のとおり素子７の一つ置き
の間隔である。

なお、各素子７は等間隔で配列されており、光斑が交互
に入射するため、二組の電気的出力は互に１８００の位
相となっている。

したがって、第１図のとおり各出力信号を別個の増幅器
９，１０で増幅の後、差動増幅器１１へ逆相入力として
与えれば、周波数ｆＱの成分は互に加算されるが、他の
不規則な雑音成分は減算され、求める周波数ｆＱの成分
のみが良好な信号対雑音比の信号として得られる。

なお、この様にして得た信号を周波数測定器１２におい
て、その周波数ｆＱを検出すれば相対速度Ｖｏが求めら
れるが、更に上述の各式に基いた演算回路の付加により
相対速度Ｖｏを直読することもできる。

以上の様に相対速度Ｖｏの測定を行なえるが、光電変換
を行なう素子７の応答周波数特性と光斑の移動速度ｖＢ
との関係があり、ＶＢが増大した場合素子７の応答性が
不充分となる問題を生じる。

なお、素子７は一般に半導体が用いられ受光面積を小と
すれば応答周波数限界が犬となるが、これと反比例して
出力信号のレベルが低下し、数１０ＫＨｚの信号を得る
のが限界であり、各種工業プロセスにおいてはｆＱが数
１００ＫＨｚに達することがあり、もはや格子形光電変
換器６を用いることは不可能となって終い、その対策と
して第２図に示すとおり、格子状スリットと、応答周波
数特性の良好な光電管、光電子増倍管等の電子管または
アバランシェ光検出器等の特殊な半導体を光電変換素子
として用いることが行なわれている。

第２図において、大地４からの反射光５の一部はハーフ
ミラ−１３により二分され、第１の格子状スリット１４
と第２の格子状スリット１５を経て、それぞれレンズ１
６．１７により集光された後光電変換素子１８．１９へ
入射する。

なお、両格子状スリツＮ４．１５は移動方向と直角に形
成され、スリット幅および遮光部幅は互に等しく、スリ
ットの間隔ｇもすべて均一となっているが、同一の入射
光２０に対し第１の格子状スリット１４では遮光部へ投
射され、第２の格子状スリット１５ではスリットへ投射
され、第１の光電変換素子１８と第２の光電変換素子１
９とでは交互に電気的出力を生ずるものとなっており、
両格子状スリット１４．１５のスリットの位相を相互に
１８００異ならせである。

したがって、両光電変換素子１８．１９の出力も互に１
８００の位相差を有しており、第１図と同様に信号処理
を行なえば全く同一の結果が得られ、更に両光電変換素
子１８，１９として応答周波数特性の良好なものが用い
られるため、数１００ＫＨｚまでの信号を扱うことが可
能であり、高速の相対速度Ｖｏを測定するのに好適とな
る。

たくし、第２図の手段では、両格子状スリット１４．１
５を対象面としての大地４から光学的距離が等しく、か
つ、両スリットの位相が１８００異る様、正確に配置す
る必要があり、機構的精度を高度に保たねばならないが
、その実現が甚だ困難であり反って測定精度を低下させ
る要因となっている。

また、ハーフミラ−１３の使用により両光電変換素子１
８．１９への入射光量が半減し、併せてハーフミラ−１
３における損失もあり、全体としての光学的効率が低下
する欠点も有している。

本発明は上述の欠点を一挙に解決することを目的とし、
レーザ光を対象面へ投射し、その対象面からの反射光を
入射光として格子状スリットを介して光電変換素子によ
り受光し、この光電変換素子の電気的出力に基き対象面
との相対速度を測定する装置において、対象面からの入
射光を集光する対物レンズと、この対物レンズの焦点位
置と合致しかつ対物レンズにより集光された入射光が透
過する透孔をはゾ中央に穿設した反射鏡と、前記透孔を
透過した入射光が投射される入射光と直交方向に設けら
れかつ遮光部表面を鏡とした格子状スリットと、この格
子状スリットのスリットを透過した透過光を受光する第
１の光電変換素子と、前記遮光部表面において反射され
た入射光を反射鏡を介して受光する第２の光電変換素子
とを備えたことを特徴とし、一つの格子状スリットを用
いるのみであり、かつ、光学的損失が少く、製造の容易
な速度測定装置を提供するものである。

以下、実施例を示す第３図、第４図により本発明の詳細
な説明する。

第３図は第１図のものへ本発明を適用したものであり、
対物レンズ３１と格子状スリット３２との間に反射鏡３
３が鏡面を格子状スリット３２へ向けて設けられ、その
はゾ中央に透孔３４が穿設しである。

また、第１の光電変換素子１８の前面に設けた格子状ス
リット３２の遮光部３５はその表面が鏡となっている。

なお、格子状スリット３２の遮光部３５とスリット３６
の幅は等しく、間隔ｇもすべてが均一となっていること
は第２図のものと同様である。

したがって、大地４からの反射光５の一部は入射光２０
として対物レンズ３１により集光され、その焦点位置が
透孔３４の位置と合致しているため、これを透過して入
射光２０と直交方向に設けた格子状スリット３２の表面
へ投射される。

スリット３６を透過した入射光は透過光３７としてレン
ズ１６により再び集光のうえ第１の光電変換素子１８に
より受光されるが、遮光部３５へ投射された入射光はこ
＼において反射され、再反射光３８となって反射鏡３３
により直角方向へ光路変更を受けた後、レンズ１７によ
り集光されて第２の光電変換素子１９によって受光され
る。

このため、同一の入射光２０に対し両光電変換素子１８
゜１９の電気的出力は互に１８０°の位相差を有し、第
１図、第２図のものと全く同様の出力信号が得られる。

たくし、入射光２０はハーフミラ−１３により損失を受
けずに格子状スリット３２へ到達し、更に第２の光電変
換素子１９へ入射する再反射光３８も鏡面反射によるも
のであるから、極めて少い光学的損失で受光される。

また、正規の入射光２０のみが透孔３４を透過し、周囲
からの雑音光は透孔３４を透過せずに阻止されるため、
両光電変換素子１８．１９の電気的出力は信号対雑音比
の極めて良好なものとなり、測定誤差が減少する。

第３図において、対象面としての大地４と対物レンズ３
１との距離をａ１対物レンズ３１の焦点距離をＦ１対物
レンズ３１と格子状スリット３２との間隔をｙとすれば
、格子状スリット３２の表面における光斑の移動速度ｖ
Ｂと相対速度Ｖｏとの比ｍｙは次式により示される。

ここでｙｏは対物レンズ３１と、レーザ光線３の仮想的
投射点８の対物レンズ３１による像との距離であり、次
式により与えられる。

両光電変換素子１８．１９の出力信号周波数ｆＱは、格
子状スリット３２の表面における光斑速度ｖＢにより定
まり、格子状スリット３２と両光電変換素子１８．１９
との間隔には無関係であるから、両光電変換素子１８．
１９の出力信号周波数は等しく次式で示される。

ただし ｇｔは格子状スリット３２の等何間スリット間
隔であり、次式により示される。

いま、対物レンズ３１と格子状スリット３２との間隔ｙ
をｙ−２ｙｏとすれば、（６）式はｇ’−−ｇとなり、
（５）式による信号周波数ｆＱの値は（ＩＸ２）式で与
えられる第１図のものと等しくなる。

たゾし、このときには−ｇが１へ代入されるため−ｆＱ
となるが、単に出力信号の位相が第１図のものと１８０
°異なっていることを表すのみであり、本質的なもので
はない。

また、（５Ｘ６）式から、対物レンズ３１と格子状スリ
ット３２との間隔ｙを変化させると、出力信号周波数ｆ
Ｑも変化するため、ｙの設定により扱い易い周波数の信
号とすることが容易にできる。

なお、両光電変換素子１８．１９の出力信号処理に関し
ては第１図のものと全く同様に行なえばよい。

このほか、入射光２０が格子状スリット３２に対し傾斜
方向から入射すれば、入射部位により入射角度が一定と
ならず、入射角度に応じて実効的なスリット間隔が変化
し、出力信号に種々の周波数を含むものとなるが、入射
光２０に対し直角方向として格子状スリット３２を設け
であるため、出力信号の周波数は単一に近いものとなり
、信号対雑音比が向上し測定誤差が減少する。

第４図は第３図に示す受光系の具体的構造例であり、遮
光性のケース４１の上方に第２の光電変換素子１９が収
容され、対物レンズ３１は鏡筒４２により焦点調整を可
能としてあり、蛇腹４３により連結された遮光性の可動
ケース４４中には格子状スリット３２および第１の光電
変換素子１８が収容しである。

反射鏡３３はケース４１中に第２の光電変換素子１９の
直下へ鏡面を上方として固定され、同図ＡのＸ−Ｘ断面
を示す同図Ｂのとおり、はゾ中央に透孔３４が穿設しで
ある。

また、可動ケース４４はその脚部４５が支持台４６のガ
イド溝４７と滑合し、かつギヤ４８が支持台４６の上面
に切られたラック４９と係合しており、ギヤ４８の回転
により支持台４６上を移動して、対物レンズ３１と格子
状スリット３２との間隔を調整できるものとなっている
。

なお、第３図におけるレンズ１６．１７は特に図示して
いないが、両光電変換素子１８，１９の受光面かはゾ格
子状スリット３２と同一面積であれば不要であり、場合
によっては各光電変換素子１８．１９と一体にして設け
てもよい。

また、格子状スリット３２は、金属板等へエツチング処
理等によりスリットを形成した後、表面へクローム鍍金
等を施し高反射率の被膜を形成すれば容易に製せられる
。

以上の説明により明らかなとおり、本発明によれば、遮
光部３５の表面へ鏡面を形成した格子状スリット３２を
たシ一つ用いるのみで、等倒曲に二つのスリットが構成
されるため、二つのスリットの配置精度に考慮を払う必
要が皆無となり、更に、ハーフミラ−を用いないため、
光学的損失が少くこれに伴なって光電変換素子の電気的
出力レベルが増大し、以降の信号処理が容易になる。

また、光電変換素子自体を格子形とする必要がなく、応
答周波数特性の良好なものを任意に選定することができ
ると共に、透孔３４の作用および格子状スリット３２の
設置方向により、光電変換素子の出力における信号対雑
音比が向上する。

したがって、全般的に速度測定範囲の拡大ならびに測定
精度向上が達せられると共に安価に製作できるものとな
り、各種の無接触速度測定において多大の効果を収める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の速度測定装置の代表例を示す構
成図、第３図は本発明の実施例を示す構成図、第４図は
第３図における受光系の具体的構造例を示し、Ａは要部
破断側面図、Ｂは同図ＡにおけるＸ−Ｘ断面図である。 １・・・・・・移動体、２・・・・・・レーザ発振器、
３・・・・・・レーザ光、４・・・・・・大地（対象面
）、５・・・・・・反射光、１８・・・・・・第１の光
電変換素子、１９・・・・・・第２の光電変換素子、２
０・・・・・・入射光、３１・・・・・・対物レンズ、
３２・・・・・・格子状スリット、３３・・・・・・反
射鏡、３４・・・・・・透孔、３５・・・・・・遮光部
、３６・・・・・・スリット、３７・・・・・・透過光
、３８・・・・・・再反射光。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ光を対象面へ投射し、該対象面からの反射光
   を入射光として格子状スリットを介して光電変換素子に
   より受光し、該光電変換素子の電気的出力に基き前面対
   象面との相対速度を測定する装置において、前記対象面
   からの入射光を集光する対物レンズと、該対物レンズの
   焦点位置と合致しかつ前記対物レンズにより集光された
   前記入射光が透過する透孔をはゾ中央に穿設した反射鏡
   と、前記透孔を透過した前記入射光が投射される該入射
   光と直交方向に設けられかつ遮光部表面を鏡とした格子
   状スリットと、該格子状スリットのスリットを透過しこ
   透過光を受光する第１の光電変換系子と、＠記遮光部表
   面において反射された前記入射光を前記反射鏡を介して
   受光する第２の光電変換素子とを備えたことを特徴とす
   る速度測定装置。