JPS6032136B2 - 運動物体の速度測定装置 - Google Patents
運動物体の速度測定装置Info
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- JPS6032136B2 JPS6032136B2 JP3456480A JP3456480A JPS6032136B2 JP S6032136 B2 JPS6032136 B2 JP S6032136B2 JP 3456480 A JP3456480 A JP 3456480A JP 3456480 A JP3456480 A JP 3456480A JP S6032136 B2 JPS6032136 B2 JP S6032136B2
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
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- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01P3/366—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light by using diffraction of light
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、スペックルパターンの並進を利用した運動物
体の速度測定装置に関する。
体の速度測定装置に関する。
運動物体を可千渉光で照射して、生ずるスペックルパタ
ーンの動的ふるまいを利用する周知の速度測定法には、
次のものがある。
ーンの動的ふるまいを利用する周知の速度測定法には、
次のものがある。
【１１ 運動物体の粗面を可千渉光で照明し、この相面
を光学系で結像して、スペックルパターンをその結像面
に平行な面上に現出させ、前記の面上の任意の２点に於
ける光強度を表わす２つの信号間の相互相関数を最大な
らしめる遅延時間を測定することにより、前記物体の速
度を決定する方法。
を光学系で結像して、スペックルパターンをその結像面
に平行な面上に現出させ、前記の面上の任意の２点に於
ける光強度を表わす２つの信号間の相互相関数を最大な
らしめる遅延時間を測定することにより、前記物体の速
度を決定する方法。
■ 運動物体の粗面を可千渉光で照射し、前記物体から
の光を空間的周期構造を有する光学系を通してスペック
ルパターンを作り、この変形（光強度のゆらぎ変化）を
光電変換し、周波数解析する方法。
の光を空間的周期構造を有する光学系を通してスペック
ルパターンを作り、この変形（光強度のゆらぎ変化）を
光電変換し、周波数解析する方法。
上記した従来の速度測定法は、観測面上に生ずるスペッ
クルパターンが運動物体の速度に比例した速さで並進す
る現象に基礎をおいている。
クルパターンが運動物体の速度に比例した速さで並進す
る現象に基礎をおいている。
‘１１の方法では、物体の結像面付近の微小な２点間で
の光強度の相互相関を得る必要があり、光電素子の大き
さなどの制約を受け、測定系が複雑なものとなる。又、
２点間の観測面の距離の決定誤差が直接、速度測定の制
度に影響を与えるので、測定に用いる光学系と運動物体
との距離の大小に応じて、光学系の正確な調整が必要と
なる等の困難がある。
の光強度の相互相関を得る必要があり、光電素子の大き
さなどの制約を受け、測定系が複雑なものとなる。又、
２点間の観測面の距離の決定誤差が直接、速度測定の制
度に影響を与えるので、測定に用いる光学系と運動物体
との距離の大小に応じて、光学系の正確な調整が必要と
なる等の困難がある。
‘２）の方法では、スペックルパターンの周期的変形の
みを光電変換させる為に、光学系の瞳面に格子を置く必
要があることから、光学系の格子形状が複雑となる欠点
がある。又、光電変換したスペックルパターンの電気信
号は、ＤＣ成分及び高調波成分を含んでおり、通常高城
あるいは狭帯城フィルター等を使用するため、振幅変調
の影響を受け、又、物体の速度が速くなった場合に位相
変調を受けるため、速度測定の精度が悪化する欠点があ
った。
みを光電変換させる為に、光学系の瞳面に格子を置く必
要があることから、光学系の格子形状が複雑となる欠点
がある。又、光電変換したスペックルパターンの電気信
号は、ＤＣ成分及び高調波成分を含んでおり、通常高城
あるいは狭帯城フィルター等を使用するため、振幅変調
の影響を受け、又、物体の速度が速くなった場合に位相
変調を受けるため、速度測定の精度が悪化する欠点があ
った。
本発明は、上記従来の速度測定法の欠点の改良に係わり
、光学系と物体の距離が測定精度に直接関係しない簡易
な光学系及び測定系を用いた装置で、精度よく速度測定
を行うことを目的とする。
、光学系と物体の距離が測定精度に直接関係しない簡易
な光学系及び測定系を用いた装置で、精度よく速度測定
を行うことを目的とする。
この目的を達成する為に、本発明では可千渉光で照射さ
れた運動物体のスペックルパターナの並進運動を光学系
を通してＣＣＤイメージセンサにより検出し、偶数ェレ
メントと奇数ェレメントからのスペックルパターンの映
像信号を差動的に加算し、この信号に正弦波又は余弦波
を掛合わせＣＣＤの一走査周期内で積分し、その実数部
又は虚数部の特定空間周波数に於ける値（フーリエ変換
値を抽出し、同上のサンプリングを繰り返して得られる
フーリエ変換値を時系列的にプロットした出力波形の周
波数又は周期を計測して、計算器により平均化し、精度
よく運動物体の速度を計測できるようにしたものである
。以下、本発明の具体例を図により、詳しく説明する。
れた運動物体のスペックルパターナの並進運動を光学系
を通してＣＣＤイメージセンサにより検出し、偶数ェレ
メントと奇数ェレメントからのスペックルパターンの映
像信号を差動的に加算し、この信号に正弦波又は余弦波
を掛合わせＣＣＤの一走査周期内で積分し、その実数部
又は虚数部の特定空間周波数に於ける値（フーリエ変換
値を抽出し、同上のサンプリングを繰り返して得られる
フーリエ変換値を時系列的にプロットした出力波形の周
波数又は周期を計測して、計算器により平均化し、精度
よく運動物体の速度を計測できるようにしたものである
。以下、本発明の具体例を図により、詳しく説明する。
第１図は、本発明で使用する光学系であり、第２図は本
発明の具体例を示す測定系のブ。
発明の具体例を示す測定系のブ。
ック線図である。第３図及び第４図は第２図の各部の信
号処理波形を示す図である。
号処理波形を示す図である。
今、第１図に示すように、可千渉単色光源４のビーム幅
をレンズ系３により広げて平行光線を作り、前記光線に
より照明された運動物体６の粗面上の各点からの反射光
を反射鏡１により方向制御し、拡散フィルム２上で対象
の運動方向に対して平行にスペックルパターンを発生さ
せる。
をレンズ系３により広げて平行光線を作り、前記光線に
より照明された運動物体６の粗面上の各点からの反射光
を反射鏡１により方向制御し、拡散フィルム２上で対象
の運動方向に対して平行にスペックルパターンを発生さ
せる。
前記スペックルパターンの並進を集光レンズにより、そ
れに平行に設置したＣＣＤイメージセンサ５上に結像し
て光電変換を行なう。
れに平行に設置したＣＣＤイメージセンサ５上に結像し
て光電変換を行なう。
ＣＣＤイメージセンサの出力は第３図イ及び口に示すよ
うな奇数ェレメント及び偶数ェレメントから独立して取
出され、位相の１８００シフトしたパルス状波形となる
。奇数ェレメントの信号イは、サンプルホールド回路８
により、偶数ェレメントと位相を合わせハ、減算器１１
により差動的に加算するニの波形）。
うな奇数ェレメント及び偶数ェレメントから独立して取
出され、位相の１８００シフトしたパルス状波形となる
。奇数ェレメントの信号イは、サンプルホールド回路８
により、偶数ェレメントと位相を合わせハ、減算器１１
により差動的に加算するニの波形）。
これを増幅器１２にて増幅した信号と信号発生器１３か
らの余弦波ホ（又は、正弦波又は高調波除去用の特殊パ
ルス波）とを掛算器１４にて掛算し（への波形）、これ
をＣＣＤの１走査周期Ｔに渡り積分器１５にて積分した
信号卜の特定空間周波数一ｏのタイミングに於ける積分
値（フーリエ変換値の実数部又は虚数部）をサンプルホ
ールド回路８及びＡ／Ｄ変換器１７により抽出すること
により回路演算的にフーリエ変換を行なう。このフーリ
エ変換値を記憶装置１８にラッチする。前記サンプリン
グをＣＣＤの１走査毎に数百サイクル繰り返して記憶装
置１８に記憶したフーリエ変換値をＤ／Ａ変換器１９に
てＤ／Ａ変換して得られるフーリエ変換値の集合波形（
第４図チ）の周期は、運動物体のスペックルパターンが
、空間フィルターの１ピッチ分を移動した距離に等しい
ことから、Ｄ／Ａ変換された集合波形チの周波数ら測定
又は、周期（７才 測定により、次式から速度Ｖを求めることができる。
らの余弦波ホ（又は、正弦波又は高調波除去用の特殊パ
ルス波）とを掛算器１４にて掛算し（への波形）、これ
をＣＣＤの１走査周期Ｔに渡り積分器１５にて積分した
信号卜の特定空間周波数一ｏのタイミングに於ける積分
値（フーリエ変換値の実数部又は虚数部）をサンプルホ
ールド回路８及びＡ／Ｄ変換器１７により抽出すること
により回路演算的にフーリエ変換を行なう。このフーリ
エ変換値を記憶装置１８にラッチする。前記サンプリン
グをＣＣＤの１走査毎に数百サイクル繰り返して記憶装
置１８に記憶したフーリエ変換値をＤ／Ａ変換器１９に
てＤ／Ａ変換して得られるフーリエ変換値の集合波形（
第４図チ）の周期は、運動物体のスペックルパターンが
、空間フィルターの１ピッチ分を移動した距離に等しい
ことから、Ｄ／Ａ変換された集合波形チの周波数ら測定
又は、周期（７才 測定により、次式から速度Ｖを求めることができる。
ら＝ＫＡ。
Ｖ ……｛１’ここで、Ｋは定
数であり、仏。は特定空間周波数である。ここで、一般
的な光学系において、検出器と光源の間に空間フィル夕
を設置した場合、フィル夕の物理的形状（フィル夕窓の
幅、長さ、ピッチ）に婦図したある特定空間周波数の成
分を持つ検出信号が得られる。
数であり、仏。は特定空間周波数である。ここで、一般
的な光学系において、検出器と光源の間に空間フィル夕
を設置した場合、フィル夕の物理的形状（フィル夕窓の
幅、長さ、ピッチ）に婦図したある特定空間周波数の成
分を持つ検出信号が得られる。
又、この場合の空間フィル夕からの出力信号は、物体の
速度に比例した周波数の正弦波状の波形が得られること
が、「計測と制御一昭和４３王１１月、第７巻第１１号
、第７６１〜７７２頁において「空間フィル夕による速
度計側」と題する論文に理論的に述べられている。本発
明の場合は、この空間フィル夕を用いることなく安価な
方式でこれと等価な効果を得るために、回路演算により
行なうもので、スペックルパターンを仮想空間フィル夕
を介して検出した場合の検出信号Ｅ（Ｘｉ，Ｙｉ）は、
空間フィル夕を通過する光の振幅分布Ｅ（Ｘｏ）をフー
リエ変換した信号に帰着するため、本発明では、光学系
の検出器で検出したスペックルパターンを回路的にフー
リエ変換を行なうものである。
速度に比例した周波数の正弦波状の波形が得られること
が、「計測と制御一昭和４３王１１月、第７巻第１１号
、第７６１〜７７２頁において「空間フィル夕による速
度計側」と題する論文に理論的に述べられている。本発
明の場合は、この空間フィル夕を用いることなく安価な
方式でこれと等価な効果を得るために、回路演算により
行なうもので、スペックルパターンを仮想空間フィル夕
を介して検出した場合の検出信号Ｅ（Ｘｉ，Ｙｉ）は、
空間フィル夕を通過する光の振幅分布Ｅ（Ｘｏ）をフー
リエ変換した信号に帰着するため、本発明では、光学系
の検出器で検出したスペックルパターンを回路的にフー
リエ変換を行なうものである。
実施例では、信号発生器から出力される正弦波（又は余
弦波）とスベックル検出信号を鶏算器１４で掛合わせ、
さらにこれをＣＣＤの一周期間で積分器１５により積分
することによってフーリエ変換を実行する。
弦波）とスベックル検出信号を鶏算器１４で掛合わせ、
さらにこれをＣＣＤの一周期間で積分器１５により積分
することによってフーリエ変換を実行する。
この変換の過程で関数となる周波数の値として特定空間
周波数仏ｏ（仮想フィル夕の構造により決まるが、この
場合は出力が得られる最適値）を使用することにより、
フーリエ変換値が求められる。以上の処理をスペックル
パターンの一ラスタごとに同様な処理を施して得られる
フーリエ変換値を記憶装置１８内で時系列的にプロツト
し、この時系列データを読み出してＤ／Ａ変換した信号
は周期がほぼ一定の正弦波状の出力信号となり、仮想フ
ィル夕の信号と等価となる。
周波数仏ｏ（仮想フィル夕の構造により決まるが、この
場合は出力が得られる最適値）を使用することにより、
フーリエ変換値が求められる。以上の処理をスペックル
パターンの一ラスタごとに同様な処理を施して得られる
フーリエ変換値を記憶装置１８内で時系列的にプロツト
し、この時系列データを読み出してＤ／Ａ変換した信号
は周期がほぼ一定の正弦波状の出力信号となり、仮想フ
ィル夕の信号と等価となる。
又、フーリエ変換は‘１｝式のように実数部と虚数部の
どちらを使用しても同様な効果が得られるため、どちら
を使用してもよい。
どちらを使用しても同様な効果が得られるため、どちら
を使用してもよい。
即ち、信号発生器１３に正弦派を用いた場合虚数部のフ
ーリエ変換値が得られ、余弦波を用いた場合実数部のフ
ーリエ変換値が得られる。Ｅ（ｘｉ，Ｙｉ）＝ｋＦ〔Ｅ
（Ｘ。
ーリエ変換値が得られ、余弦波を用いた場合実数部のフ
ーリエ変換値が得られる。Ｅ（ｘｉ，Ｙｉ）＝ｋＦ〔Ｅ
（Ｘ。
）〕Ｆ〔Ｅ（Ｘ。
）〕三ノ±のＥ（Ｘ。）ｅＸ舷＝′±のＥ（Ｘ。）（ｃ
ｏｓのｘ−ｐｉｎのｘ）舷．・・．・・【２ー周波数の
測定は、例えばゼロクロスカゥンタや周波数計を使用し
てまた、周期測定はピーク値間又は、ゼロクロス間の時
間計測回路等により容易に求めることができる。
ｏｓのｘ−ｐｉｎのｘ）舷．・・．・・【２ー周波数の
測定は、例えばゼロクロスカゥンタや周波数計を使用し
てまた、周期測定はピーク値間又は、ゼロクロス間の時
間計測回路等により容易に求めることができる。
これらの測定地は、繰返しサンプリングした積分波形ご
とに計測して、計算器２１により取込まれ、記憶装置１
８で統計的処理（頻度分布をとり平均値の算出等）を行
なうことにより、測定精度を向上させることができる。
とに計測して、計算器２１により取込まれ、記憶装置１
８で統計的処理（頻度分布をとり平均値の算出等）を行
なうことにより、測定精度を向上させることができる。
上記事項から明らかなように、運動物体の速度は物体と
光学系間の距離に無関係に周波数又は、周期を測定する
ことにより決定することができる。又、ＣＣＤイメージ
センサによる入力光電流は、奇数ェレメントと偶数ェレ
メントの並列出力を差動的に検出しているため、スペク
トルのム＝０のピーク値を除去する効果があり、積分波
形の出力信号の中心レベルのうねりをなくすことが出釆
る。以上述べたように本発明によれば、速度測定上光学
系の距離が測定精度に直接関係していない為、運動体と
光学系の距離の正確な調整が不要であり、簡易な光学系
及び測定系を用いて、精度のよい速度測定が可能である
。
光学系間の距離に無関係に周波数又は、周期を測定する
ことにより決定することができる。又、ＣＣＤイメージ
センサによる入力光電流は、奇数ェレメントと偶数ェレ
メントの並列出力を差動的に検出しているため、スペク
トルのム＝０のピーク値を除去する効果があり、積分波
形の出力信号の中心レベルのうねりをなくすことが出釆
る。以上述べたように本発明によれば、速度測定上光学
系の距離が測定精度に直接関係していない為、運動体と
光学系の距離の正確な調整が不要であり、簡易な光学系
及び測定系を用いて、精度のよい速度測定が可能である
。
第１図は、本発明で使用する光学系を示す図、第２図は
、本発明の測定系のブロック線図、第３図及び第４図は
、第２図の測定系の各部の波形を示す図。 １．．．．．．反射鏡、２・・・・・・拡散フィルム、
３・・・・．・レンズ、４・・・・・・可千渉単色光源
、５・・・・・・ＣＣＤイメージセンサ、６・・・・・
・運動物体、７・・・・・・運動物体のスペックルパタ
ーン、８……サンプルホールド回路、９・・・・・・周
期信号発生器、１０・・・・・・クロック発生器、１１
・・…・減算器、１２・・・・・・増幅器、１３・・・
・・・信号発生器、１４・・・・・・掛算器、１５・・
・・・・積分器、１６・・・・・・タイミング発生器、
１７・・・・・・Ａ／○変換器、１８・・・・・・記憶
装置、１９・・・・・・Ｄ／Ａ変換器、１０・・・・・
・周波数測定器、２１・・・・・・計算器、２２・・・
・・・表示器。 第１図 第２図 第４図 第３図
、本発明の測定系のブロック線図、第３図及び第４図は
、第２図の測定系の各部の波形を示す図。 １．．．．．．反射鏡、２・・・・・・拡散フィルム、
３・・・・．・レンズ、４・・・・・・可千渉単色光源
、５・・・・・・ＣＣＤイメージセンサ、６・・・・・
・運動物体、７・・・・・・運動物体のスペックルパタ
ーン、８……サンプルホールド回路、９・・・・・・周
期信号発生器、１０・・・・・・クロック発生器、１１
・・…・減算器、１２・・・・・・増幅器、１３・・・
・・・信号発生器、１４・・・・・・掛算器、１５・・
・・・・積分器、１６・・・・・・タイミング発生器、
１７・・・・・・Ａ／○変換器、１８・・・・・・記憶
装置、１９・・・・・・Ｄ／Ａ変換器、１０・・・・・
・周波数測定器、２１・・・・・・計算器、２２・・・
・・・表示器。 第１図 第２図 第４図 第３図
Claims (1)
- １ 運動物体を可干渉光で照明し、物体からの拡散反射
光のスペツクルパターンの並進運動を光学系を通して、
光電変換装置により光電変換し、該光電変換装置から並
列に出力される偶数エレメントと奇数エレメントのスペ
ツクルパターンの信号を差動的にたし合わせる減算器と
、該減算器の出力信号と余弦波（又は正弦波又は高調波
除去用特殊パルス数）とを掛合わせる掛算器と、この出
力を光電変換装置の１走査周期に渡つて積分する積分器
と、該出力の特定空間周波数に於けるフーリエ変換値の
実数部（又は虚数部）を抽出するサンプルホールド及び
Ａ／Ｄ変換器と、該出力を計算器によりメモリに１走査
周期ごとにラツチして、該データのサンプル値を時系列
的にＤ／Ａ変換した信号の周波数又は周期を計測して、
計算器内で平均化処理した速度を演算し、表示すること
を特徴とする速度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3456480A JPS6032136B2 (ja) | 1980-03-18 | 1980-03-18 | 運動物体の速度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3456480A JPS6032136B2 (ja) | 1980-03-18 | 1980-03-18 | 運動物体の速度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56130659A JPS56130659A (en) | 1981-10-13 |
| JPS6032136B2 true JPS6032136B2 (ja) | 1985-07-26 |
Family
ID=12417801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3456480A Expired JPS6032136B2 (ja) | 1980-03-18 | 1980-03-18 | 運動物体の速度測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6032136B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61159104A (ja) * | 1984-12-29 | 1986-07-18 | Omron Tateisi Electronics Co | 回転中心検出装置 |
| US4875769A (en) * | 1988-01-22 | 1989-10-24 | Rockwell International Corporation | Velocimeter for a printing press web |
-
1980
- 1980-03-18 JP JP3456480A patent/JPS6032136B2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56130659A (en) | 1981-10-13 |
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