JPS6222072A - スペツクル速度計 - 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】 〈発明の技術分野〉 この発明は、移動する測定対象ヘレーザ光等のコヒーレ
ント光を照射し、この測定対象の粗表面で散乱した光を
受光して、コヒーレント光のランダム干渉パターン（以
下、これを「スペックル・パターン」という）を求め、
このスペックル・パターンに基づき、前記測定対象の移
動速度や変位を測定するスペックル速度計に関する。

〈発明の概略〉 この発明は、一対の光検出器で得たスペックルパターン
の信号差を求めて零交叉数の計測を行うためのもので、
構成簡易にして測定精度の優れたスペックル速度計を提
案する。

〈発明の背景〉 通常スペックル・パターンは、測定対象の粗表面が移動
すると、全体の並進運動 （Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）とボイリング運動（Ｂｏｉ
ｌｉｎｇ）とを伴って、変形ないしは移動をする。第４
図は、このスペックル・パターンを求めて、測定対象の
移動速度を測定するための光学系であり、図中、投光器
２０はレーザ光源２１より投光光学系２２を経てレーザ
光２３を移動する測定対象２４へ照射する。受光器２５
は、測定対象２４を透過した光を受光してスペックル・
パターンを生成しる。信号処理部２６は、スペックル・
パターンに基づき測定対象の移動速度Ｖを測定する。

この光学系において、時間をτ、測定対象２４の移動速
度をＶ、照射光の半径をＷ、スペックル・パターンの平
均経をΔＸ、スペックル並進倍率をσ、照射光の波面曲
率をρとすると、受光点での光変動の自己相関関数Ｐ（
τ、ｖ）は、つぎの０式の如くになる。

・・・・・・・・■ なお上記スペックル並進倍率σおよびスペックル・パタ
ーンの平均径ΔＸは、レーザ光の波長をλ、測定対象と
受光点との距離をＲとすと、次式の関係にある二 σ＝１＋□　・・・・・・・・■ ρ π　Ｗ 上記０式は、測定対象２４の速度Ｖが増加するに伴い、
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）は、受口
開口をａとすると、つぎの０式のようになる。

か（てこのτＣにより速度Ｖを測定することができ・こ
０出願０発明者等９よ・以前・こ０原　　　　　　　　
。

理を用いたスペックル速度計を提案した（特願昭５９−
５４０４３号）。

また受光点での光変動の単位時間当たりの零交叉数Ｎ０
も、上式０式から計算され、つぎの■式のようになる。

・・・・・・・・■ かくてこの零交叉数Ｎ０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用いた
スペックル速度計についてもすでに提案済みである（実
願昭５８−１０６３７６号。

特願昭５９−５４０４１号）。

第５図は、上記零交叉数Ｎ０を求めるための信号処理部
の回路構成例を示す。図示例において、広帯域増幅器２
７はスペックル・パターンの信号を増幅し、直流分除去
回路２８は、増幅出力の直流成分をカントする。この直
流分除去回路２８の出力信号は零交叉点を持ち、この信
号レベルが零付近のシュミットレベルを越えるとき、つ
ぎのシュミットトリガ回路２９が論理ｒＨＩＧＩｒＪの
信号を出力する。この出力信号の立上がりで、つぎのワ
ンショットマルチ回路３０は一定時間だけ［旧ＧＨＪと
なるパルス信号数がカウンタ回路３１で計数されて、零
交叉数が求められる。

ところで既出願或いは公知のスペックル速度計において
は、前記直流分除去回路２８として数ヘルツのしゃ断固
波数をもつ高域通過フィルタが用いてあり、これにより
零交叉点をもつ信号を得ている。ところがこの種フィル
タによって直流成分を除去する場合、測定対象の明暗等
に起因してスペックル・パターンの信号に大きなゆらぎ
が生じたとき、このゆらぎ信号の周波数は、測定対象の
速度に応じて前記しゃ断固波数より大きくなったり、或
いは小さくなったりし、これが零交叉数に影響して、測
定精度を低下させる要因となっている。

第６図（１）は前記受光器２５の出力信号であって、こ
の信号に対し、第５図（２）は測定対象２４が低速で移
動するときの高域通過フィルタの出力を、また第５図（
３）は高速で移動するときの高域通過フィルタの出力を
、それぞれ示している。

同図において、測定対象２４の速度が速いときは、測定
対象２４の明るさ変動にかかる信号成分までもフィルタ
を通過してしまう結果となり、これがため本来のスペッ
クル・パターンの信号にかかる零交叉数は検出せず、単
なる明暗変化の零交叉数を検出してしまうこととなる（
第６図（３）参照）。この明暗変化は、いずれの受光点
でも同様に観測されるものであるから、例えば複数の受
光器を用いて計測データの平均化を行って測定精度の向
上をはかっても、明るさ変動にかかる信号成分は同相的
に変化するために、平均化の効果は全（ない。

一方測定対象２４の速度が遅いときは、明るさ変動にか
かる信号成分はフィルタでその通過がしゃ断されるが、
スペックル・パターンの信号成分まで遮断するおそれが
ある。従ってこの場合には、測定対象２４の速度に応じ
てしゃ新開波数を切換え設定する等の対策が必要であり
、操作の煩雑さを招く不利がある。

ところでスペックル・パターンは、その検出点においで
ある相関領域（「スペックルサイズ」といわれる）をも
っているが、この相関領域以上離れた２点では、半の検
出信号は独立して変動するり一方光源や測量対象の明る
さの変動家については、相関領域外の２点において同相
的なゆらぎ信号としてあられれるものである。

そこでこの出願の発明者は、今般、上記の点に着目し、
前記同線的なゆらぎ信号を一対の受光器と、差動増幅器
とを用いて有効にキャンセルすることによって、本来の
スペックル・パターンにがかる零交叉数のみを検出して
測定精度を向上させた新規なスペックル速度計を開発し
た。

第７図はこのスペックル速度計の受光側の回路構成例を
示しており、フォトダイオード３２Ａ。

３２Ｂやオペアンプ３３Ａ　、３３Ｂを含む一対の受光
器３４Ａ、３４Ｂと、オペアンプ３５より成る差動増幅
器「 ３６とを含んでいる。各受光器３４Ａ、３４Ｂにおいて
、それぞれフォトダイオード３２Ａ　、　３２Ｂで生成
された光電流は各負荷抵抗３７Ａ、３７Ｂに流れ、各負
荷抵抗３７Ａ、３７Ｂ両端の電圧はオペアンプ３３Ａ、
３３Ｂに入力されて増幅された後、各オペアンプ３３Ａ
。

３３Ｂの゛増幅出力が差動増幅器３６のオペアンプ３５
へ入力される。そしてこのオペアンプ３５では、入力電
圧の差を増幅して信号処理部へ出力し、この信号処理部
においてこの人力により零交叉数の検出を実行する。

ところが第７図の回路の場合、３個のオペアンプ３３Ａ
、　３３Ｂ、　３５が必要であって、且つ回路構成も複
雑となるため、装置の大型化やコスト高を招く。しかも
計測データを平均化して測定精度の向上をはかるのに、
複数の受光部を設けるような場合は、この方式では受光
部がきわめて大型化して実用化が困難である。

〈発明の目的〉 この発明は、上記問題を解消するためのものであって、
測定対象に明暗変化等がある場合でも、明るさ変動にか
かる信号成分を有効にキャンセルして本来のスペックル
・パターンの信号成分のみを検出できる構成簡易且つ小
型化が可能な新規なスペックル速度計を提供することを
目的とする。

〈発明の構成および効果〉 上記目的を達成するため、この発明では、移動する測定
対象へコヒーレント光を照射するための投光器と、測定
対象からの反射光または透過光を受光してスペックル・
パターンを生成するための一対の光検出器と、各光検出
器の出力信号の差の信号から零交叉数を計数して測定対
象の移動速度を測定する信号処理部とでスペックル速度
計を構成し、前記各光検出器は、互いに逆方向に並列接
続し、この並列回路に、各光検出器の出力信号の差電圧
を与える共通の負荷抵抗を接続すると共に、この負荷抵
抗には、前記差電圧を入力して増幅する増幅器を接続す
るようにした。

この発明によれば、測定対象の明暗等に起因するゆらぎ
信号を一対の光検出器を用いて有効にキャンセルできる
から、本来のスペックル・パターンにかかる零交叉数の
みを検出して測定精度の向上をはかることができると共
に、従来例におけるしゃ新開波数の切換え等の煩雑さも
解消し得る。

また共通の負荷抵抗とひとつの増幅器とを用いた簡易な
回路構成であるから、装置の小型化およびコストの低減
を実現し得、殊に複数の受光部を用いて測定データの平
均化をはかる場合は、受光部の簡易化並びに小型化に大
きく貢献する等、発明目的を達成した顕著な効果を奏す
る。

〈実施例の説明〉 第１図は、この発明にかかるスペックル速度計の一実施
例を示すもので、図示例のスペックル速度計は、投光部
１、受光部２、増幅回路３および、信号処理部４より構
成されている。

投光部ｌは、移動する測定対象５に対しレーザ光等のコ
ヒーレント光を投射するためのもので、例えば半導体レ
ーザ光源、光源駆動回路および、投光光学系等より構成
されている。

受光部２は、測定対象５の粗表面で散乱した反射光また
は透過光を受光して電気信号（スペックル・パターン）
に変換するためのもので、フォトダイオード等より成る
一対の光検出器６Ａ、６Ｂと、各光検出器６Ａ、６Ｂの
位置に・対応して受゛光開口？Ａ、７Ｂを有する不透明
板８とを備えている。この受光量ロアＡ、７Ｂは、スペ
ックル・パターンのスペックルサイズと同等の大きさを
もつピンホールであり、前記一対の光検出器６Ａ、６Ｂ
は互いに相関を持たない距離だけ離れて位置させている
。

増幅回路３は、各光検出器６Ａ、６Ｂの出力信号の差を
増幅してこれを信号処理部４へ出力するためのもので、
これにより各光検出器６Ａ：″６Ｂの出力信号に含まれ
る直流成分や測定対象５の明暗等に起因する同相のゆら
ぎ信号が除去される。

第２図は増幅回路３の回路構成例を示す。図示例におい
て、前記一対の光検出器６Ａ、６Ｂ　　　　　　　　　
’は、互いに逆方向に並列接続されており、この並列回
路の一方は接地され、他方は共通の負荷抵抗１２に接続
されている。この負荷抵抗１２には、一方の光検出器６
Ａからは負の出力電圧が、また他の光検出器６Ｂからは
正の出力電圧が、それぞれ与えられ、重ね合わせの理に
よって、両者の差の電圧がオペアンプ１３に入力されて
増幅されるようになっている。

第３図（１）　（２）は前記光検出器６Ａ、６Ｂの出力
信号を示し、各信号中には図中点線で示す同相のゆらぎ
信号成分を含んでいる。第３図（３）は増幅回路３の出
力信号を示し、この信号中には上記ゆらぎ信号成分や直
流成分が含まれず、明解な零交叉信号となっている。

信号処理部４は、増幅回路３からの信号入力を処理する
部分であって、シュミットトリガ回路９、ワンショット
マルチ回路１０、カウンタ回路１１より構成されるもの
である。

しかして投光部１において半導体レーザ光源が駆動され
ると、レーザ光が光学系を経て測定対象５に照射される
。この照射光は、測定対象５の粗表面で散乱され、この
散乱光は受光開口？Ａ、７Ｂよりそれぞれ光検出器６Ａ
、６Ｂへ入射され、ここで電気信号（スペックル・パタ
ーン）に変換される。この場合、光検出器６Ａ。

６Ｂは、相関をもたない距離だけ離れているから、それ
ぞれのスペックル・パターンは独立して変動する。各光
検出器６Ａ、６Ｂの出力信号は、増幅狗路３に入力され
て、その差が増幅されると共に、ここでゆらぎ信号成分
や直流成分が除かれて零交叉点をもつ信号が出力される
。

この信号は、シュミットトリガ回路９に入力され、その
信号レベルが零付近に設定されたシューミツトレベルを
越えるとき、論理ｒＨＩＧＨＪとなる信号を出力する。

この出力信号は、さらにワンショットマルチ回路１０に
入力され、出力信号の立上がりにより一定時間だけｒＨ
ＩＧＨＪとなるパルス信号に変換される。このパルス信
号は、零交叉に対応するパルス信号であり、カウンタ１
１に入力されて計数される。カウンタ１１は所定周期の
信号によりリセットされ、その期間毎にパルス信号、す
なわち零交叉数を計数することになる。

なお零交叉数の計測は、上記のような単一の受光系をも
って行ってもよいが、複数の受光系を用いて行って、そ
の平均値や合計値を求めるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示す説明図、第２
図は増幅回路の回路構成例を示す電気配線図、第３図は
増幅回路の入出力信号を示す波形説明図、第４図は従来
例の構成を示す説明図、第５図は第４図の信号処理部の
詳細を示すブロック図、第６図は第５図の回路の信号を
示す波形説明図、第７図は受光器と差動増幅器との回路
接続を示す電気配線図である。 １・・・・投光部　　　　２・・・・受光部３・・・・
増幅回路　　　４・・・・信号処理部６Ａ、６Ｂ・・・
・光検出器 １２・・・・負荷抵抗 １３・・・・オペアンプ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）移動する測定対象へコヒーレント光を照射するた
   めの投光器と、測定対象からの反射光または透過光を受
   光してスペックル・パターンを生成するための一対の光
   検出器と、各光検出器の出力信号の差の信号から零交叉
   数を計数して測定対象の移動速度を測定する信号処理部
   とから成るスペックル速度計であって、 前記各光検出器は、互いに逆方向に並列接続し、この並
   列回路に、各光検出器の出力信号の差電圧を与える共通
   の負荷抵抗を接続すると共に、この負荷抵抗には、前記
   差電圧を入力して増幅する増幅器を接続して成るスペッ
   クル速度計。
2. （２）前記投光器は、半導体レーザ光源、その駆動回路
   および、投光光学系より成る特許請求の範囲第１項記載
   のスペックル速度計。
3. （３）前記各光検出器は、フォトダイオードよりなる特
   許請求の範囲第１項記載のスペックル速度計。