JPS6290541A - 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、移動する測定対象にレーザ光のようなコヒ
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、レーザ光のランダム干渉パターン（以下
、これを「スベソクルパターン」という）を求め、ごの
スベ、クルパターンの変化に基づき、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（既要〉 この発明のスペックル速度計は、スペックル信号を２値
化する回路に、カットオフ周波数の切換えが可能なロー
パスフィルタと、ヒステリシス幅の切換えが可能なコン
パレータとを具備さ−Ｕており、これによりノイズによ
るゼロ交叉数の計数ミスを残少させ、しかも測定する速
度範囲を広げても測定精度が低下しないようにしている
。

〈発明の背景〉 従来のスペックル速度計には、スペックル受光信号のゼ
ロ交叉数を計数することによって、測定対象の移動速度
を測定する方式のものが提案されている。この種のスペ
ックル速度計は、レーザ光源と、レーザビームを測定対
象へ照射する光学系と、測定対象からの光を受けてスペ
ックル信号を生成する受光素子とを備え、この受光素子
に、スペックル信号を増幅する増幅回路、直流成分を除
去する直流成分除去回路、ゼロ交叉を検出してスペック
ル信号をパルス化スるゼロ交叉検出回路、そのパルス信
号を計数する計数回路が順次接続されている。

このような回路構成において、測定する速度範囲を広く
するためには、前記増幅回路の周波数帯域を広くする必
要があるが、この場合にノイズ分が大きくなるため、こ
のノイズによるゼロ交叉数の計測ミスが生じる等の不利
がある。

そしてこの不利を解消するのに、従来は、ゼロ交叉検出
回路のヒステリシス幅を広げることが行われているが、
この方法の場合、スペックル信号より取り出せるゼロ交
叉数が減少するため、速度範囲を広げる程、測定精度が
低下するという問題があった。

〈発明の目的〉 この発明は、上記問題を解消するだめのものであって、
ノイズによるゼロ交叉数の計数ミスを減少させ、しかも
測定する速度範囲を広げても測定精度を低下させない新
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、レーザ光源と
、このレーザ光源からのレーザ光を測定対象へ照射する
ための光学系と、測定対象からの光を受けてスペックル
信号を生成する受光素子と、スペックル信号を増幅する
増幅回路と、この増幅出力のゼロ交叉を検出しスペック
ル信号を２値化してパルス信号を得る２値化回路と、前
記パルス信号を計数する計数手段と、この計数値に基づ
き測定対象の移動速度を算出する速度算出手段とから成
るスペックル速度計において、前記２値化回路は、増幅
回路の出力側に接続されるカットオフ周波数の切り換え
可能なローパスフィルタと、このローパスフィルタを通
過した信号より直流成分を除去する直流成分除去手段と
、直流成分が除去された信号のゼロ交叉を検出してパル
ス化するヒステリシス幅の切り換え可能なコンパレータ
とを具備させると共に、前記ローパスフィルタのカット
オフ周波数およびコンパレータのヒステリシス幅を測定
対象の移動速度に応じて切り換え制御する制御回路を設
けることにした。

この発明によれば、ローパスフィルタのカットオフ周波
数と、そのカットオフ周波数に対応したコンパレータの
ヒステリシス幅とを切換え設定するから、低速度域で低
い信号帯域時には、ローパスフィルタのカットオフ周波
数を下げることによって、ノイズの振幅を小さくできる
。

従ってノイズによるゼロ交叉数の計数ミスを減少し得る
と共に、コンパレータのヒステリシス幅を狭くできるの
で、単位時間当たりの２値化パルス数（ゼロ交叉数）を
増加でき、測定精度が向」ニする。また高速度域で高い
信号帯域時には、ローパスフィルタのカットオフ周波数
を上げ、そのときのノイズレベルに応じた最適なヒステ
リシス幅を設定することによって、従来どおり、ノイズ
によるゼロ交叉数の計数ミスを防ぐことかできる。従っ
てこの発明によれば、速度に応じた最適な処理帯域幅と
ヒステリシス幅とが設定できるため、ノイズによる計数
ミスを確実に減少できると共に、測定する速度範囲を広
げても測定精度を全く低下させることがない等、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全体構
成例を示す。

図示例のスペックル速度計は、半導体レーザのようなレ
ーザ光源Ｉと、レーザ光をビーム状に整形するためのコ
リメートレンズ２．ビーム整形光学系３および、対物レ
ンズ４と、円形の受光開口５が開設された不透明板６と
、フォトダイオードのような光電変換素子よりなる受光
素子７とから構成され、この受光素子７の出力側には信
号処理部８が接続されている。前記対物レンズ４より発
せられるレーザビーム１０は、移動する測定対象９へ照
射されると共に、この照射光は測定対象９の粗面で散乱
される。この散乱光１１は、不透明板６の受光開口５を
通過して受光素子７に入射され、ここで光電変換が行わ
れてスペックル信号が生成される。なお前記散乱光１１
は受光開口５を通過する際、その開口の大きさによって
適当に積分される。前記スペックル信号は、信号処理部
８で信号処理され、この信号処理部８は測定対象９の移
動速度Ｖに相当する速度データを出力する。

第２図は、信号処理部８の回路構成例を示す。

図示例のものは、スペックル信号を適当な信号レベルに
増幅するためのアンプ１２と、増幅出力のゼロ交叉を検
出しスペックル信号を２値化してパルス信号を得る２値
化回路Ｉ３と、前記パルス信号を計数してゼロ交叉数を
出力するカウンタ１４と、ゼロ交叉数に基づき測定対象
９の移動速度Ｖを算出するコンピュータ回路のＣＰＵよ
り成る制御回路１５とから構成されており、前記２値化
回路１３は、ローパスフィルタ１６、ハイパスフィルタ
１７および、コンパレータ１８を含んでいる。なお、図
示してしないが、２値化回路１３の出力側には、その出
力パルスを一定時間幅のパルス信号に波形整形するため
のワンショット回路を設けることが望ましい。

前記ローパスフィルタ１６は、カットオフ周波数ｆｃの
切り換えが可能に形成され、またコンパレータ１６はヒ
ステリシス幅の切り換えが可能に形成されており、これ
ら切換え動作は測定対象９の移動速度■に応じて前記制
御回路１５によって制御されるものである。例えばこの
実施例の場合、速度レンジに応じてローパスフィルタ１
６のカットオフ周波数ｆｃの最適値が選択され、またこ
のカットオフ周波数ｆｃの設定と同時にコンパレータ１
８のヒステリシス幅ヲも自動設定されるよう構成しであ
る。

第３図は、この制御回路１５による制御動作の流れを示
している。

まずステップ１　（図中、ｒｓＴＩＪで示す）では、最
も広い範囲をもつ速度レンジに初回設定され、これに応
じてローパスフィルタ１６のカットオフ周波数「Ｃおよ
びコンパレータ１８のヒステリシス幅が所定値に自動設
定される。

この設定状態で、つぎのステップ２では、ゼロ交叉数が
測定され、その測定結果に応じてっぎのステップ３で、
速度レンジが設定される。このレンジ設定後、つぎのス
テ・ノブ４で、再びゼロ交叉数が測定され、つづくステ
ップ５で、そのゼロ交叉数に対応する速度が、予めメモ
リに格納されたゼロ交叉数−速度変換テーブルを参照す
ることによって換算される。っぎのステップ６は、算出
された速度が現在の速度レンジの範囲に含まれるか否か
を判定しており、もしその判定が“ＮＯ”のときは、ス
テップ７へ進んで、速度レンジの切換えが行われ、また
これと同時にローパスフィルタ１６のカントオフ周波数
ｆｃおよびコンパレータ１８のヒステリシス幅が他の所
定値に自動設定される。これに対しステップ６の判定が
”　Ｙ　Ｅ　Ｓ”のときは、ステップ８へ進み、制御回
路１５は算出した速度データを出力し、つぎのステップ
９で測定終了を確認して、一連の処理を完了する。

第４図は、前記２値化回路１３の具体的な回路構成例を
示すもので、前記したとおり、ローパスフィルタＩ６、
ハイパスフィルタ１７および、コンパレータ１８を含ん
でいる。

図示例のローパスフィルタ１６は、電圧ソース型アクテ
ィブフィルタを構成しており、抵抗Ｒ＋、Ｒｚと、コン
デンサＣ７，Ｃ８と、アナログスイッチＳＷ、〜ＳＷ６
を介して接続されたコンデンサＣ１〜Ｃ４と、オペアン
プＯＰ。

とを含むものである。なお図中、コンデンサＣ９〜Ｃ３
およびＣ７は、それぞれ並列接続された２個のコンデン
サをもって構成されたものである。前記アナログスイッ
チＳＷ　ｌ−３Ｗｂは、そのゲートが論理「１」のとき
オンし、論理「０」のときオフするものであって、速度
レンジ（図示例では、レンジ１〜４）の切換えによって
その論理が自動設定される。例えばすべてのゲート人力
が論理「０」となって、アナログスイッチ５ＷＩ−３Ｗ
、が全でオフしたときは、こローパスフィルタ１６のカ
ットオフ周波数ｆｃは、コンデンサＣ７がコンデンサｃ
［１２個の並列容量とし且つ抵抗Ｒ，，Ｒ２が相等しい
（Ｒ＋　＝Ｒ２）とするバタヮース型で定数を選んだと
きは、つぎの０式のようになる。

ｒｃ＝ｔ／ｆ「πＣ８Ｒ，・・−−−−−■また仮に、
アナログスイッチＳＷ１と８ｗ４とがオンしたときは、
コンデンサｃ１がコンデンサＣ７に、コンデンサＣ４が
コンデンサＣＢに、それぞれ並列接続されることになり
、この場合のカットオフ周波数ｒｃは、先の値より低い
値をとる。従ってこの実施例の場合、３本のゲート入力
ラインの論理の組み合わせによって、カットオフ周波数
ｒｃを種々に変えることができる。

つぎにハイパスフィルタ１７は、スペックル信号を２値
化するのに、平均電圧レベルを中心にして行うためのも
のであり、コンデンサｃ９゜Ｃ１゜、抵抗Ｒ３〜Ｒ９、
オペアンプＯＰ、を含む回路構成をもって、入力信号よ
り直流分を除去する働きをなす。

さらにコンパレータ１８は、オペアンプｏｐ３、抵抗Ｒ
６〜Ｒｑ、アナログスイッチＳＷ７〜ＳＷ、。を介して
接続された可変抵抗ＶＲ，〜ＶＲ４、互いに逆向きに接
続された２個のツェナーダイオードＺ＋、Ｚｚ、ダイオ
ードＤ１等を含むもので、このコンパレータ１８のヒス
テリシス幅は、ツェナーダイオードＺ　Ｉ　＋７２でク
ランプされた電圧の抵抗Ｒ７と可変抵抗ＶＲ，〜Ｖ　Ｒ
ａ　との分圧比によって決定される。すなわち可変抵抗
ＶＲ，〜ＶＲ，の調節値を変えれば、複数進りのヒステ
リシス幅をもっことができ、これを前記速度レンジと連
動するアナログスイッチＳＷ、〜５Ｗｌｏをもって切り
換えることができる。

第５図は、コンパレータ１８のフィードハック電圧を２
個のダイオードＤ２．Ｄ３と２個のツェナーダイオード
Ｚ３．Ｚ４とを用いてクランプした例を示し、これによ
っても前記と同様の動作が得られる。なお第４図および
第５図中、抵抗Ｒｓ、ＲｑおよびダイオードＤ、は、Ｔ
ＴＬ論理レベルに合わせるためのクリッパである。

第６図（１）　（２）は、上記２値化回路１３の入力端
子ＩＮに入力されるスペックル信号の信号波形と、これ
をフーリエ解析して得た周波数特性の一例とを示してい
る。同図によれば、スペックル信号の波形は、振幅・周
期ともに非常にランダムであり、また周波数特性もピー
クをもたない波形である。なお第６図（２）中、１５０
（ＫＨ２）以上に現れているオフセット分は、ホワイト
ノイズである。

つぎに上記２値化回路１３の作用を、第７図に基づき説
明する。

今通過帯域がかなり広く設定されているローパスフィル
タ１６の入力端子ＩＮへ、かなり帯域の低いスペックル
信号が入力された場合を想定すると、この場合は、第７
図（１）に示す如く、スペックル信号ａにのったノイズ
ｂは、相当大きなものとなり、従ってこれを周波数解析
した場合、第７図（３）に示すとおり、ホワイトノイズ
が相当広い範囲で現れることになる。かかる場合には、
ゼロ交叉点でのチャタリングを防止するため、コンパレ
ータ１８に対し、第７図（１）中、破線で示すような広
い幅のヒステリシスを設定する必要がある。その結果、
２値化回路１３の出力端子ＯＵＴには、第７図（２）に
示す如く、スペックル信号ａの振幅の高い部分で２値化
された出力信号Ｃが得られる。

つぎにローパスフィルタ１６の通過’Ｍ　域ヲスベソク
ル信号ａの信号弁帯域程度に設定した場合を想定すると
、この場合は、このローパスフィルタ１６によりホワイ
トノイズがカントされ、その周波数特性は、第７図（６
）のようになり、またその信号波形は第７図（４）のよ
うにノイズｂの少ない波形となる。このような入力に対
しては、コンパレータ１８のヒステリシス幅は、第７図
（４）中、破線で示すようにかなり狭く設定できる。そ
の結果、２値化回路１３の出力端子ＯＵＴには、第７図
（５）に示す如く、パルス数の多い出力信号Ｃが得られ
、これにより計測精度を向上できる。単位時間当たりの
パルス数をＮとすると、測定精度は、１刀マで向上する
。

以上より明らかなとおり、スペックル信号の帯域に応じ
てローパスフィルタ１６のカットオフ周波数「Ｃを定め
、またこれと同時にコンパレータ１８のヒステリシス幅
を切り換えることにより、測定精度の向上をはかること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のスペックル速度計の全体構成例を示
す図、第２図は信号処理部の回路構成例を示すブロック
図、第３図は制御回路の制御動作を示すフローチャート
、第４図は２値化回路の具体例を示す電気回路図、第５
図はコンパレータの他の構成例を示す電気回路図、第６
図はスペックル信号の波形例およびその周波数特性例を
示す図、第７図は２値化回路の作用を説明するための図
である。 １・・・・レーザ光源　　　７・・・・受光素子１２・
・・・アンプ　　　　　１３・・・・２値化回路１４・
・・・カウンタ　　　　１５・・・・制御回路１６・・
・・ローパスフィルタ １７・・・・ハイパスフィルタ １８・・・・コンパレータ 特許　出　願人　　立石電機株式会社 ｄ　　／　　Ｊ７Ｓ　　　　ス々１．クル凍膚を十の全
４本４蒼Ｊ〜乙へう十　２　）凶　　Ａ１処理部の７・
ローフ２のづ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源と、このレーザ光源からのレーザ光を
   測定対象へ照射するための光学系と、測定対象からの光
   を受けてスペックル信号を生成する受光素子と、スペッ
   クル信号を増幅する増幅回路と、この増幅出力のゼロ交
   叉を検出しスペックル信号を２値化してパルス信号を得
   る２値化回路と、前記パルス信号を計数する計数手段と
   、この計数値に基づき測定対象の移動速度を算出する速
   度算出手段とから成るスペックル速度計であって、 前記２値化回路は、増幅回路の出力側に接続されるカッ
   トオフ周波数の切り換え可能なローパスフィルタと、こ
   のローパスフィルタを通過した信号より直流成分を除去
   する直流成分除去手段と、直流成分が除去された信号の
   ゼロ交叉を検出してパルス化するヒステリシス幅の切り
   換え可能なコンパレータとを備えると共に、前記ローパ
   スフィルタのカットオフ周波数およびコンパレータのヒ
   ステリシス幅を測定対象の移動速度に応じて切り換え制
   御する制御回路を設けて成るスペックル速度計。
2. （２）前記受光素子は、フォトダイオードのような光電
   変換素子である特許請求の範囲第１項記載のスペックル
   速度計。
3. （３）前記直流成分除去手段は、ハイパスフィルタであ
   る特許請求の範囲第１項記載のスペックル速度計。
4. （４）前記速度算出手段および制御回路は、コンピュー
   タ回路のＣＰＵである特許請求の範囲第１項記載のスペ
   ックル速度計。