JPS6135364A - 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】 〔技術分野〕 本発明は速度針に関し、特に光学的に非接触にて物体の
移動速度を測定する速度計に関する。

〔従来技術〕

従来、光学的手段を用いて非接触にて物体の移動速度を
測定するいくつかの方法が知られている。

この様な方法として、たとえばレーザードプラー法、ス
ペックルｔ４ターンを用いた方法及び受光素子に空゛間
フィルターとしての働きをもたせる方法が例示できる。

レーザードプラー法は、移動する粗面にレーザー光を入
射すると、散乱光の周波数が粗面の移動速度に比例して
シフトするというドプラー効果を利用するものであシ、
散乱光の周波数シフト量を検出して速度に換算すること
によって粗面の移動速度を求めることができる。この方
法では、測定精度は主として周波数シフト量検出手段の
検出能力によって決まる。従って、高速移動物体につい
ては高精度で測定することができる反面、低速移動物体
はついては測定が困難であるという欠点がある。

ス（ックルパターンを用いた方法としては、レーザー光
が粗面によシ散乱を受けて形成するスペックルパターン
の時間的強度信号の相関を用いる方法がある。この様な
方法の１つにおいては、たとえば第９図に示される如く
、被測定物５００表面にレーザー光５１を照射し、その
散乱光を空間に固定されている光電検出器５２により検
出して電気信号として取り出す。この信号出力は時間ｔ
の関数となり、これをｆ（ｔ）とする。ここで、スペッ
クル強度の自己相関関数を で定義すると、Ｆ（τ）は一般に Ｆ（τ）＝　ａｘｐ　（−τ／τＣ） と表わされ、その関数形を第１０図に示す。ここで、時
間相関長τ　は被測定物５０の速度の大きさＶに反比例
する。従って、ｆ（ｔ）から上記Ｆ（τ）の関数形を求
め、τ　を決定することによって、被測定物の速度を求
めることができる。

同様にして、第１１図に示される如く、被測定　　　□
物５００表面にレーザー光５１を照射し、その散乱光を
距離ｔだけ隔てて空間に固定されている２つの光電検出
器５２及び５３により検出して、２つの信号出力ｆＡ（
ｔ）及びｆＢ（ｔ）を取り出す。ここで、スペックル強
度の相互相関関数を で定義すると、Ｆ（τ）の関数形は一般に第１２図に示
される様にｔ＝τｍで最大値をとる。かくして、Ｆ（τ
）の関数形を求めτｍを決定することにより４７１ｍと
して被測定物の速度を求めることができる。

これらスペックルパターンを用いる方法も粗面を測定対
象としており、また被測定物のかなり広い測定エリアが
必要となる。

受光素子に空間フィルターとしての働きをもたせる方法
はたとえば特開昭５７−１７２２５４号公報に開示され
ている。この方法においては、被測定物表面を、対向し
て配置された１対のくし型受光素子上に結像せしめ上記
くし型のピッチに対応するピッチを有する被測定物表面
の凹凸形状に基づく１対の受光累子間の光電流の差を測
定する。この信号の平均周波数は被測定物の速度を上記
くし型のピッチに対応する被測定物表面のピッチで割っ
た値であるため、この関係に基づき速度を求めることが
できる。

この方法も粗面を測定対象としておシ、また被測定物の
比較的広い測定エリアが必要となる。

〔発明の目的〕

本発明は、以上の如き従来技術に鑑み、被測定物の表面
が測定する光束の寸法に比べて十分に大きい周期の凹凸
状をなしている滑らかな面である場合や、被測定物の速
度が比較的小さい場合においても比較的小さな測定エリ
アにて高精度の測定が可能な速度計を提供することを目
的とする。

〔発明の要旨〕

本発明によれば、以上の如き目的は、内部光源を有する
合焦状態判別光学系を複数個有し、各光学系による投光
スポットが適宜の距離隔てられて位置し、上記各合焦状
態判別光学系は一部または全部を移動させることができ
、上記各光学系によシ判別された合焦状態に基づき合焦
状態判別光学系をフォーカシングせしめるべく可動部を
駆動せしめるための手段が設けられており、該可動部の
移動量を検出するための手段が設けられてお）、該各移
動量検出手段の検出信号の時間的相関を得るための相関
器を備えていることを特徴とする、速度計によ）達成さ
れる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明速度計の具体的実施例
を説明する。

第、１図は本発明速度計の１つの実施例を示す概略構成
図である。第１図（ａ）はその側面図であシ、第１図（
ｂ）はその平面図である。第１図においては２つの合焦
状態判別光学系が示されている。

第１図において、２は光源であり、４はコリメーターレ
ンズであり、６はナイフェツジであり、８はハーフミラ
−であり、１０は対物レンズであり、１２はレンズであ
り、１４は光学的センサーでオシ、これらによシ１つの
合焦状態判別光学系が構成される。また、２′は光源で
あり、１４′は光学的センサーであり、これらと上記コ
リメーターレンズ４、ナイフェツジ６、ハーフミラ−８
及び対物レンズ１２とにより、もう１つの合焦状態判別
光学系が構成される。説明の都合上、図示される様に、
対物レンズ１０の光軸方向にｙ軸をとり、レンズ１２の
光軸方向に２軸をとシ、ｙ軸及び２軸に直交する方向に
ｙ軸をとる。光源２及び２′はコリメーターレンズ４の
光軸の左右両側に等距離隔てられて配置されており、こ
れに対応して光学的センサー１４及び１４′も２軸に関
し対称に配置されている。

１６及び１６′はそれぞれ光源２をｙ軸に沿って移動せ
しめるためのアクチュエーターであ夛、１８及び１８′
はそれぞれ該アクチーエータ−１６及び１６′による光
源２及び２′の移動量を検出するための検出手段である
。該移動量検出手段としては接触式又は非接触式のもの
が用いられ、例えば電気マイクロ、光学的干渉測長器又
は光ヘテロダインの干渉測長器を用いたもの等積々のも
のが利用できる。また、１９は検出手段１８の出力検出
手段１８′の出力との時間的相関をとるための相関器で
あシ、２０は速度を測定されるべき被測定物である。

本実施例における合焦状態判別光学系の合焦状態判別法
につき以下説明する。

光源２から発せられた光はコリメーターレンズ４により
平行光束とされ、該平行光束は・・−フミラー８を透過
して対物レンズ１０に入射する。尚、コリメーターレン
ズ４を出た平行光束はナイフェツジ６により一部遮光さ
れ、対物レンズ１０にはその光軸（ｙ軸）を通る境界面
によ９２分される２つのゾーンのうちの一方（図におい
ては上半分のゾーン）にのみ入射する。かくして、対物
レンズ１０により集束せしめられた光は被測定物２゜の
表面上にスポラ）１結ぶ。該スポットから反射された光
は再び対物レンズ１０を透過し、ハーフミラ−８によシ
反射せしめられ、レンズ１２を透過した後、センサー１
４に到達する。

しかして、この際、被測定物２０の表面と対物レンズ１
０との距離により、センサー１４に到達する光に差が生
ずる。即ち、第２図に示される様に、被測定物２００表
面がちょうど対物レンズ１０の焦点面位置に存在する場
合（図中のイの位置）には、被測定物２０の表面におけ
るスポットは２軸方向に関しｙ軸上に（即ち、ちょうど
ｙ軸と同じ高さに）その中心が位置するため、反射光は
センサー１４においてｙ軸方向に関しｚ軸上に中心をも
って位置することになる。また、被測定物２゜の表面が
対物レンズ１０の焦点面位置よシも遠くに位置する場合
（図中の口の位置）には、被測定物２００表面における
スＪ、）は２軸方向に関しｙ軸からずれた図におけるＡ
ゾーンに中心をもって位置する様になるため、その反射
光はセンサー１４においてｙ軸方向に関し２軸からずれ
た図におけるＡ′ゾーンに中心をもって位置することに
なる。一方、被測定物２０の表面が対物レンズ１０の焦
点面位置よシも近くに位置する場合（図中のハの位置）
には、被測定物２０の表面におけるスポットは２軸方向
に関しｙ軸からずれた図におけるＢゾーンに中心をもっ
て位置する様になるため、その反射光はセンサー１４に
おいてｙ軸方向に関し２軸からずれたＢ′ゾーンに中心
をもって位置することになる。

センサー１４としては例えばＣＯＤ　（ＣｈａｒｇｅＣ
ｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖ量ｃｏ）等のアレイセンサーが用
いられる。第３図はこの様なセンサー１４の平面図であ
る。この図は第２図におけるセンサー１４に下方から見
たものである。図中、斜線を付した部分はセンサーセグ
メント間を分離しているチャンネルストッ・母一部を示
す。第３図のセンサー１４には、被測定物２００表面位
置が第２図のイ、口又はハである場合のス４　ｙ　）位
置及びその光量分布のグラフが記されている。

センサー１４においてＡ′ゾーンにおける全センサーセ
グメントの出力の和をＩＡとし　Ｂ／ゾーンにおける全
センサーセグメントの出力の和をＩＢとすると、被測定
物２０に対する光学系の合焦状態に応じてΔＩ−Ｉ、　
−Ｉ、が変化する。その関係を第４図に示す。第４図か
ら分る様に、フォーカシングが完全になされている場合
（上記イの状態）の近傍においてはΔＩはほぼリニアに
変化する。この特性を利用することによって、光学系が
前ピント外れ状態であるか、完全フォーカシング状態で
あるか、後ピント外れ状態であるかが判別できる。

従って、この出力Δ■に基づきΔＩをＯにするべく光学
系の一部たとえば光源２をサーが駆動せしめることによ
シ自動フォーカシングが実現できる。

この様な関係は光源２′及びセンサー１４′を含む光学
系においても同様に成〕立つ。

以上の説明から分る様に、各光学系において、フォーカ
シングが完全になされている状態において対物レンズ１
０による投光スポット位置とセンサー１４又は１４′と
は共役となる様に配置されている。

本実施例装置においては上記自動フォーカシングは光源
２及び２′をそれぞれ独立にアクチーエータ−１６及び
１６’によりｙ軸方向に沿って駆動せしめることにより
行なわれる。該アクチュエーターとしては高精度な移動
量コントロールを実現すべく流体動軸受スライド機構を
備えたもの等を用いるのが好ましい。このアクチュエー
ター１６及び１６′による光源２及び２′の移動量は移
動量検出手段１８及び１８′により検出される。

ところで、被測定物２０の表面は一般に凹凸を有し、ま
た２つの光学系における投光スポットは一定距離ｔだけ
隔てられて位置するので、一般に２つの光学系の合焦状
態は異なり、従って自動フォーカシング後の検出手段１
８及び１８′の出力は異なる。

従って、速度測定時における移動量検出手段１８の出力
Ｃと移動量検出手段１８′の出力Ｃ′の時間変化はたと
えば第５図に示される様になる。いま、被測定物がＸ軸
方向に移動していると仮定すると、Ｃとσとはある時間
ずれてほぼ同一の形状となって表われる。ここで、Ｃ＝
ｒ（ｔ）　、　Ｃ’＝ｆ’（ｔ）として、相関器１９に
おいて、ＣとＣ′との相関関数Ｆ（τ）をによシ求める
。尚、ｆ’（ｔ）はｆ（ｔ）の微分の意味ではない。Ｆ
（τ）の関数形は第６図に示される様になり、τ＝τｍ
において最大値を示す。この１ｍを求めることにより、
被測定物２０のＸ軸方向の移動速度Ｖはｖ＝ｔ／τｍ　
として求めることができる。

以上においては、被測定物２０の速度はＸ軸方向の成分
のみをもつと仮定したが、一般には被測定物２０の速度
はｙ軸方向の成分をも有する。

いま、被測定物２０がＬＸ平面に対し角度αをなす方向
に移動していると仮定する。また、αの値は測定時間内
においてほば一定であるとする。この場合には、第７図
に示される如く、被測定物２０はある時間の後には２０
ｍに示される位置に移動する。このため、一方の光学系
の光源２による投光スポット３０と他方の光学系の光源
ｌによる投光スポット３０′との間において、被測定物
２ｏはＩＪ−αだけｙ軸方向に移動することになる。従
って、被測定物２０のＸ軸方向の速度成分を求める場合
にはｙ軸方向の移動によるデフォーカス量を補正して移
動量検出手段１８及び１８′の出力の相関をとることが
必要である。その方法を次に説明する。

被測定物２００表面の凹凸の空間周波数よシも十分に大
きいエリアにおいて、ＣとＣ′の平均値をそれぞれ求め
る。Ｃの平均値ては であり　Ｃ／の平均値Ｃ′は である。ここで、ｔ２ｔ１−Ｌ／ｖ　であり、Ｌは被測
定物２０の凹凸のピッチよりも十分に大きい長さであり
、マは被測定物の速度に概略近い速度である。次に、δ
：Ｃ−Ｃ’を求め、とのδに対応する被測定物２０表面
でのｙ方向の距離δ６を求めれば、このδｔは即ち、第
７図におけるｔｔａａαに外ならない。

これにより角度αは α＝　ｔａｎ　−’　（δｔ／ｌ） として求めることができる。

そこで、Ｘ軸方向の速度成分を求めるため、移動量検出
手段１８の出力Ｃにδだけバイアスを与えた信号Ｃを求
め、この信号と移動量検出手段１８’の出力σとの相関
を求める。即ち、Ｃａ＝　ｆａ（ｔ）として によシ相関関数を求め、上記と同様にしてＦ（τ）の最
大値を与えるτ即ちτ□を求め、ｖ　＝ｔ／τ、ｎによ
多速度のＸ成分を求めることができる。

また、以上においては、被測定物２０の速度は２軸方向
の成分をもたないと仮定したが、一般にはＺ軸方向の成
分をも有する。

いま、被測定物２０がｘｙ平面に対し角度θをなす方向
に移動していると仮定する。また、θの値は測定時間内
においてほぼ一定であるとする。この場合には、第８図
に示される様に、−万の光学系の光源２による被測定物
２０表面上の投光スポットを４０とし、他方の光学系の
光源２′による被測定物２０表面の投光スポットを４０
′とすると、それらの中心間の距離はｔであり、被測定
物２０のスポット４０により　ｍＪ定されたエリアはあ
る時間の後には４２の位置に到達し、スポット４０′と
はその中心がｔｔＩＩＩＩθ　だけずれることになる。

このため、被測定物２０のＸ軸方向の速度成分を求める
際に相関関数Ｆ（τ）を求めると、スポット４０′とエ
リア４２とのずれに基づき相関性が低下し、このため一
般にはＦ（τｒ１Ｎ）は１とはならず、０（Ｆ（τｍ）
＜１ の範囲の値をとる。尚、θがＯの場合にはＦ（τｍ）は
１となる。このＦ（τｍ）の値からθの概略値を求める
ことかできる。

即ち、被測定物２００表面の凹凸状態はセンサー１４及
び１４′の出力から知ることができ、その凹凸状態の平
均ピッチをＰとすると ｔ−〇＝− のときにＦ（τ１）−〇　　となる。そこで、にあると
すれば、 を−〇＝０のときＦ（τ工）　＝　１．０を一〇＝ｈの
ときＦ（τｍ）＝０ からｔｔ＋ｍθとＦ（τｍ）との関係式２式％）） が得られる。従って％　Ｆ（τ１ｎ　）　”　ａのとき
にはｔｔＩＩ＋１０＝−万（ＩＬ−１） とな〕、これから角度θは θ＝ｍ−’（−π（ａ−１）） として近似的に求めることができる。

以上の様にして、被測定物の速度のＸ軸方向成分と、ｘ
ｙ面に対する角度とＸＸ面に対する角度とを求めること
により、被測定物の３次元速度を求めることができる。

以上の速度計において、たとえば対物レンズ１０として
ＮＡ＝０．４０〜０．２５で焦点距離ｆ　＝　２　Ｏｒ
ａｍのものを用い、レンズ１２として焦点距離ｆ１＝２
００■のものを用いれば合焦状態検出の測距分解能とし
て０．１μ鵠程度が達成できることが実験により確かめ
られている。この場合、被測定物２０の表面上における
投光スポットの最小径は、使用光の波長を０．７８＃ｍ
とすると、約４．７μｍとなる。この様に数μ惧程度の
スポットによる計測が可能である。

また、以上の速度針によれば被測定物の表面が粗面であ
っても、あるいは光学的に研磨された鏡面であっても測
定が可能である。

更に、以上の速度計において、投光スポット径をたとえ
ば１０μｍ程度とし、また２つの投光スポラトの中心間
距離を３０μｍとすると、被測定物２０が非常に遅い速
度たとえば１０〜１００μｍ／８ｅｃであっても十分に
測定が可能である。逆に、被測定物の速度が大きい場合
にはｔｙ大きく設定するのが好ましい。このため、たと
えば対物レンズ１ｏとして焦点距離可変のものを用いた
り、交換可能としたシ、２つの光源２及び２′の間隔を
可変にしたりすることにより、任意の速度に対し好適な
条件にて測定を行なう様にできる。もちろん、この様に
してｔの値を変えることに伴ない、センサー１４及び１
４’の配置をも適宜変更することが必要となる場合もあ
る。

以上の実施例においては自動合焦の方式としていわゆる
ＴＴＬ−Ａ　Ｆ　（Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　Ｔａｋｉ
ｎｇ　ＬｅｎｓＡｃｔｉｖｅ　Ａｕｔｏ　Ｆｏｃｕｓ　
）方式（テレビジョン学会誌、第３５巻第８号、１９８
１年、ｐ６３７〜）を用いた例を示したが自動合焦の方
式としては他の方式たとえばビデオのピ、クアッデに用
いられている方式やカメラのオートフォーカスで使用さ
れている方式等を用いることもできる。

また、以上の実施例においては合焦状態検出光学系が２
個の場合を示したが、本発明速度計には３個以上の合焦
状態検出光学系を有するものも含まれ、この様な速度計
は上記実施例と同様に構成することができる。この速度
計においては、測定点即ち光学系によるスポット位置が
３つ以上であし、それらのうちの任意の２つから得られ
る相関に基づき速度を求めることができる。また、異な
る組合わせで複数の相関をとることにより、特に速度の
方向検知の精度を向上させることができる。

〔発明の効果〕

以上の如き本発明の速度計によれば、被測定物の表面状
態やその凹凸形状によらず、また被測定物の速度が大き
くても小さくても比較的小さい測定エリアにて非接触で
高精度の測定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明速度計の構成を示す側面図であシ
、第１図（ｂ）はその平面図であり、第２図は第１図（
ａ）の部分図であり、第３図はセンサーの平面図であり
、第４図はセンサーの出力のグラフであり、第５図はセ
ンサー出力の時間特性を示すグラフであり、第６図は相
関関数のグラフであり、第７図及び第８図は投光スポッ
ト部分の拡大図である。第９図及び第１１図はスペック
ルパターンを用いた速度測定法の説明図であり、第１０
図及び第１２図は相関関数のグラフである。 ２：光源、４：コリメーターレンズ、６：ナイフェツジ
、８：ハーフミラ−，１０：対物レンズ、１２：レンズ
、１４：センサー、１６：アクチュエーター、１８：移
動量検出手段、１９：相関器、２０：被測定物。 〉 区　　　　　　　区 ■　　　　　　　　　　　○ ＠　　　　　　昧 −へ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部光源を有する合焦状態判別光学系を複数個有
   し、各光学系による投光スポットが適宜の距離隔てられ
   て位置し、上記各合焦状態判別光学系は一部または全部
   を移動させることができ、上記各光学系により判別され
   た合焦状態に基づき合焦状態判別光学系をフォーカシン
   グせしめるべく可動部を駆動せしめるための手段が設け
   られており、該可動部の移動量を検出するための手段が
   設けられており、該各移動量検出手段の検出信号の時間
   的相関を得るための相関器を備えていることを特徴とす
   る、速度計。
2. （２）各光学系が光源とセンサーとを除き共通の光学要
   素からなる、第１項の速度計。
3. （３）各光学系において対物レンズがその光軸に沿って
   移動可能である、第１項の速度計。
4. （４）移動量検出信号の時間的平均をとるための手段を
   有する、第１項の速度計。
5. （５）投光スポット間距離が可変である、第１項の速度
   計。