知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-17
(45)【発行日】2024-05-27
(54)【発明の名称】レーザドップラ速度計
(51)【国際特許分類】
G01S 17/58 20060101AFI20240520BHJP
G01S 17/86 20200101ALI20240520BHJP
G01S 17/34 20200101ALN20240520BHJP
【ＦＩ】
G01S17/58
G01S17/86
G01S17/34
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2024015426
(22)【出願日】2024-02-05
【審査請求日】2024-02-05
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000101101
【氏名又は名称】アクト電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100186288
【弁理士】
【氏名又は名称】原田 英信
(72)【発明者】
【氏名】藤田 定男
(72)【発明者】
【氏名】徳永 賢一
(72)【発明者】
【氏名】妹尾 幸生
【審査官】藤田 都志行
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２３－１０７６８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２２－０１６７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２２７０７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０１７８８５６５（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／００－ ３／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光源から分離した二本のレーザビームを、移動する物体に照射し、該物体からの散乱反射光を受けて前記移動する物体の速度をドップラ効果に基づいて計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を受光する第一の光学受信系と、
前記移動する物体からの散乱反射光を受光し前記移動する物体の速度を提供する第二の光学受信系と、
前記第一の光学受信系と前記第二の光学受信系に接続した信号処理系とを有し、
前記信号処理系は前記第一の光学受信系からの受信信号と前記第二の光学受信系からの受信信号により、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離と、前記移動する物体の速度を算出することを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【請求項2】
請求項１に記載の差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記第一の光学受信系は、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を検出して、前記信号処理系にて前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の算出を行うことを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【請求項3】
請求項１に記載の差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記信号処理系は、論理演算回路とルックアップテーブルを有し、
前記ルックアップテーブルは、前記第二の光学受信系で計測される移動速度に対する速度誤差の、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の依存特性、を保有し、
前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の計測値に応じて計測した移動速度に補正を掛けることを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【請求項4】
請求項３に記載の差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記第一の光学受信系は二次元のイメージセンサを有し、
前記移動する物体に照射される前記レーザビームの位置と形状を検出し、
前記信号処理系は、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の算出と、前記レーザビームの傾きであるピッチ角と、ロール角を算出し、
前記信号処理系は、前記ルックアップテーブルに保有する前記速度誤差の、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の依存特性と、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の計測値と、前記ピッチ角と前記ロール角の算出値を用いて、計測した移動速度に補正を掛けることを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ光によるドップラ効果を用いた速度計に関する。
【背景技術】
【0002】
レーザ光線とドップラ効果を利用したレーザドップラ速度計は、測定対象物の速度が非接触で正確に測れるため、今日、多くの分野で利用されている。その利用分野の一例として、高機能フィルム製造時の搬送速度の計測がある。
高機能フィルムとは電機、自動車、建材、医薬品、食品包装などの分野で用いられるフィルムであり、その品質を均一化すべく製造時の伸延速度の監視や制御用として、非接触型のレーザドップラ速度計が利用される。
高機能フィルムとは電機、自動車、建材、医薬品、食品包装などの分野で用いられるフィルムであり、その品質を均一化すべく製造時の伸延速度の監視や制御用として、非接触型のレーザドップラ速度計が利用される。
【0003】
レーザドップラ速度計は、動作検証が1964年に行われている。その一例が、非特許文献１に示されている。また、レーザドップラ速度計の発展形として、非特許文献２に示された差動型レーザドップラ速度計が開発されてきた。
【0004】
差動型レーザドップラ速度計は、レーザ光源から分離した２本の光束を、移動する非測定物に照射する構成である。非測定物に対し、２本の光束の内、一方の光束は移動する非測定物の前方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が増加する方向となり、他の光束は移動する非測定物の後方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が減少する方向となる。
これら２つの散乱光を、光検出器で光ヘテロダイン検波すると、その出力電気信号の周波数は２つの散乱光成分の差分となる。出力電気信号のビート周波数の変位量は、一本のみの散乱光を用いていた非特許文献１の系の２倍となるので、速度検出感度が上がるという利点がある。
また、光学系が差動型となっているので、非測定物の表面の凹凸から発生する雑音成分や、光源自体の強度雑音から発生する雑音成分の影響も除外できるので、レーザドップラ速度計の感度を向上させることができる。
これら２つの散乱光を、光検出器で光ヘテロダイン検波すると、その出力電気信号の周波数は２つの散乱光成分の差分となる。出力電気信号のビート周波数の変位量は、一本のみの散乱光を用いていた非特許文献１の系の２倍となるので、速度検出感度が上がるという利点がある。
また、光学系が差動型となっているので、非測定物の表面の凹凸から発生する雑音成分や、光源自体の強度雑音から発生する雑音成分の影響も除外できるので、レーザドップラ速度計の感度を向上させることができる。
【0005】
さらに、最近では、小型の差動型レーザドップラ速度計も開発されている。その一例が、特許文献１に開示されている。
図３に特許文献１に示されたレーザドップラ速度計の構成を示した。
図３では、従来の差動型レーザドップラ速度計に対して、ミラー６とミラー１０を同一方向かつ同時に動かし左右の光路長を等しく調整することで、半導体レーザがマルチモード発振しても速度検出が可能となり、レーザドップラ速度計としての安定性や低価格化を図ったものである。
図３に特許文献１に示されたレーザドップラ速度計の構成を示した。
図３では、従来の差動型レーザドップラ速度計に対して、ミラー６とミラー１０を同一方向かつ同時に動かし左右の光路長を等しく調整することで、半導体レーザがマルチモード発振しても速度検出が可能となり、レーザドップラ速度計としての安定性や低価格化を図ったものである。
【0006】
図３にて、レーザ光源１は、マルチモード動作した波長６６０ｎｍの半導体レーザである。レーザ光源１からから出射されるレーザビームは、コリメータレンズ２で平行ビームとなる。このレーザビームを周波数シフト素子（ＡＯＭ）３に入射し、このＡＯＭに４０ＭＨｚのｆｍ信号を印加して、入射したレーザビームの一部に４０ＭＨｚの周波数シフトを加え、Ｓ偏向にシフトした１次回折光８と、レーザビームの周波数はシフトせずＰ偏向のままの０次回折光１２を得る。これらの光を偏向ビームスプリッタ４に入射させてＰ偏光ビームとＳ偏光ビームに二分する。Ｐ偏光ビームは、透過側に直進し、ミラー９で反射した後、λ／２波長板５で円偏波ビームとなり移動する物体０に照射する。偏光ビームスプリッタ４からのＳ偏向ビームは、ミラー６で反射後、λ／２波長板７にて円偏波ビームとなり移動する物体０に照射する。
【0007】
移動する物体０からの散乱光を、受光レンズ１３で集光してミラー１４を介して受光素子１５に入射させて光電変換による光ヘテロダイン検波を行う。その電気信号出力のビート信号周波数は、ドップラ効果により４０ＭＨｚを中心にプラスやマイナス方向に変位し、変位した周波数量は物体０の移動速度に比例する。この電気信号を処理することにより、物体０の移動速度を算出する。
【0008】
本レーザドップラ速度計は、差動型レーザドップラ系を採用しているので高感度であり、周波数シフト変調を行っているので速度がゼロや逆方向の速度計測も可能となり、かつ半導体レーザを光源に使用しているので小型化が可能という特徴を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特許第６７８８９２８号
【非特許文献】
【0010】
【文献】Y.Yeh et al., "Localized Fluid Flow Measurements with an He-Ne Laser Spectrometer", Applied Physics Letters, vol.4, no.10, pp.176-178, May, 1964.
【文献】Bruce E.Truax et al.,"Laser Doppler velocimeter for velocity and length measurements of moving surfaces" , Applied Optics, vol.23, Issue 1, pp.67-73, 1984.
【文献】岡田英史、南谷晴之、“鏡面反射光を利用した個体表面速度および角度のレーザ・ドップラ計測”、計測自動制御学会論文集、Vol.22, No.10（昭和61年10月）、pp.1101-1106.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
レーザドップラ速度計には、高い測定精度と広い動作範囲が要求される。しかし、従来の差動型レーザドップラ速度計は、物体との距離が変動すると速度誤差が発生し易いという課題がある。物体との距離変動とは、図３中のΔＺを指しており、２つの光ビームの交点である焦点と移動する物体０の表面との距離の変動である。
【0012】
図４には、焦点と移動する距離の物体との距離ΔＺに対する差動型レーザドップラ速度計の速度誤差特性を示す。速度計の理想としては、速度誤差のΔＺ依存性はゼロであるべきだが、実際のレーザドップラ速度計では、焦点と移動する物体との距離ΔＺが変わると若干の速度誤差が生じる。このような速度誤差は、レーザドップラ速度計を用いたフィルム製造の伸延過程にて、伸延速度の制御不良によるフィルム品質低下を引き起こす場合がある。例えば、搬送系にてレーザドップラ速度計に異常な振動が加わると、焦点と移動する物体表面との距離が変化し測定した伸延速度に誤差が発生する。また、搬送系でのプーリ偏心や駆動系の回転ムラでフィルム表面の上下動により焦点と移動する物体の表面との距離が変化して搬送速度測定値にバラツキが発生することがある。その結果、搬送速度の制御不良が発生しフィルム膜厚や品質に影響を及ぼす。
【0013】
これらの問題を解決するには、焦点と移動する物体表面との距離ΔＺが変化しても速度誤差が発生しないレーザドップラ速度計の実現が望ましい。図４の速度誤差特性の速度計は、その使用用途によっては適用できないこともある。その場合、速度誤差をより小さくするため、光学部品を入れ替えての再製造と再調整を行うが、その結果、歩留まり低下と製造工数増加による速度計の原価高を引き起こす問題があった。
【0014】
上記の速度誤差は、差動型レーザドップラ速度計の光学解析により、使用する光学部品の僅かな光学歪により発生することが分かった。以下に速度誤差発生の過程を説明する。
【0015】
光学解析の例として、図５に、差動型ドップラ速度計のビーム交差図（Ａ）とビームの波面（Ｂ）と（Ｃ）を示す。図５（Ａ）のビーム交差図は、差動型ドップラ速度計の０次回折光と1次回折光が、焦点と移動する物体表面との距離ΔＺ＝０で、角度２α（図５は20°設定）で交差している様子を示す。ΔＺ＝０ｍｍにて、０次回折光の光束の中心線と１次回折光の光束の中心線は交差しており、この交差点が差動型レーザドップラ速度計の焦点となる。
【0016】
光ビームの波長は７８５ｎｍであり、半導体レーザの注入電流と動作温度を制御して半導体レーザは単一モードで発振している。光ビームは、コリメータレンズで集光し、波面が僅かな収束系となる平行ビームとしている。光ビームの断面形状は楕円であり、その幅（紙面水平方向）は２．５ｍｍ、高さ（紙面垂直方向）は０．３ｍｍで、光ビーム強度はガウシアンビームに近い。尚、光ビームの幅と高さは、光強度が最高値の１３．５％となった点間距離である。
【0017】
０次回折光波面と1次回折光の波面は、シャック・ハルトマン波面センサをΔＺ＝０ｍｍの地点に配置し、それぞれを観測して取得した。図５（Ｂ）と図５（Ｃ）の実線は、ＸＺ平面上の０次回折光の波面と1次回折光の波面である。速度計測を行う物体は図５（Ａ）のX軸方向のみに移動し、紙面垂直方向のY軸波面成分は速度計測に関与しないので、ＹＺ平面上の波面は省略してある。図５（Ｂ）と（Ｃ）のグラフは、横軸がビーム位置のミリメータ表示、縦軸が波面収差のミクロンメータ表示である。図５（Ｂ）と（Ｃ）の実線で示す波面特性は、横軸1ｍｍの変化で０．２μｍ程度の波面増加であり、両光ビームの波面形状は平面波に近い緩やかな収束系となっている。
【0018】
図５（Ａ）で、０次回折光と1次回折光は角度２αで交差しており、ΔＺ＝－５ｍｍ付近から二つの光ビームの干渉が起こり、光ビームの干渉は図５（Ａ）中の光干渉の中心線（破線）上で最大となる。ΔＺ＝-５ｍｍ地点では、図５（Ｂ）の０次回折光波面のΔＷ＝＋0.８７ｍｍ点が光干渉の中心線と交わり、図５（Ｃ）の1次回折光波面のΔＷ＝‐0.8７ｍｍ点が光干渉の中心線と交わる。ここで、ΔＷ＝ΔＺ cosα tanα の関係がある。
【0019】
ΔＺ＝０ｍｍ地点では、０次回折光波面のΔＷ＝０ｍｍ点が光干渉の中心線と交わり、1次回折光波面のΔＷ＝０ｍｍ点が光干渉の中心線と交わる。ΔＺ＝０ｍｍの線と光干渉の中心線の交わる点は、差動型レーザドップラ速度計の焦点である。
【0020】
波数ベクトルは波面の垂線方向を向くので、図５（Ｂ）のΔＷ＝０ｍｍ点で０次回折光波面の波数ベクトルＫ０（図中の実線矢印）は垂直方向を向き、図５（Ｃ）のΔＷ＝０ｍｍ点で１次回折光波面の波数ベクトルＫ１（図中の実線矢印）も垂直方向を向く。これらのベクトルの位置関係を図５（Ａ）の中央（ΔＺ＝０ｍｍ地点である差動型レーザドップラ速度計の焦点）に示した。波数ベクトルＫ０と波数ベクトルＫ１は、各光ビームの進行方向と一致し、かつ完全な二等辺三角形を構成する。
【0021】
一方、ΔＺ＝＋５ｍｍ地点では、０次回折光波面（Ｂ）のΔＷ＝‐０．８７ｍｍ点が光干渉の中心線と交わり、1次回折光波面（Ｃ）のΔＷ＝＋０．８７ｍｍ点が光干渉の中心線と交わる。
図５（Ｂ）の0次回折光波面のΔＷ＝‐０.８７ｍｍ地点では、波面の凸凹の影響で波数ベクトルＫ０（図中の破線矢印）はビーム中心方向に僅かに傾き、図５（Ｃ）の１次回折光波面のΔＷ＝＋０．８７ｍｍ地点では、波面の凸凹の影響で波数ベクトルＫ１（図中の点線矢印）はビーム中心方向に大きく傾く。これらのベクトルの位置関係を図５（Ａ）の右（ΔＺ＝＋５ｍｍ地点）に示した。波数ベクトルＫ０と波数ベクトルＫ１は、各光ビームの進行方向からビーム中心方向に傾き、双方の傾き角度が違うので二等辺三角形は崩れて、その差ベクトルＫ０－Ｋ１はΔＺ＝０ｍｍ地点の差ベクトルより、大きくなる。
図５（Ｂ）の0次回折光波面のΔＷ＝‐０.８７ｍｍ地点では、波面の凸凹の影響で波数ベクトルＫ０（図中の破線矢印）はビーム中心方向に僅かに傾き、図５（Ｃ）の１次回折光波面のΔＷ＝＋０．８７ｍｍ地点では、波面の凸凹の影響で波数ベクトルＫ１（図中の点線矢印）はビーム中心方向に大きく傾く。これらのベクトルの位置関係を図５（Ａ）の右（ΔＺ＝＋５ｍｍ地点）に示した。波数ベクトルＫ０と波数ベクトルＫ１は、各光ビームの進行方向からビーム中心方向に傾き、双方の傾き角度が違うので二等辺三角形は崩れて、その差ベクトルＫ０－Ｋ１はΔＺ＝０ｍｍ地点の差ベクトルより、大きくなる。
【0022】
さて、図５の差動型レーザドップラ速度計の構成において、速度Ｖの移動物体０からのドップラ周波数ｆｄは、非特許文献３に示されたように下式で表記できる。
２πｆｄ＝（Ｋ０－Ｋ１）・Ｖ （１）
ここで、Ｋ０は０次回折光の波数ベクトル、Ｋ１は１次回折光の波数ベクトル、Ｖは移動する物体０の速度ベクトル、・は各ベクトルの内積を示す。
２πｆｄ＝（Ｋ０－Ｋ１）・Ｖ （１）
ここで、Ｋ０は０次回折光の波数ベクトル、Ｋ１は１次回折光の波数ベクトル、Ｖは移動する物体０の速度ベクトル、・は各ベクトルの内積を示す。
【0023】
もし、０次回折光と1次回折光が完全な平面波であれば、波数ベクトルＫ０と波数ベクトルＫ１は各光ビームの進行方向と一致し、図５（Ａ）の中央に示すような二等辺三角形を形成し、
｜Ｋ０｜＝｜Ｋ１｜＝2π/λとなるので、
ドップラ周波数ｆｄは、
ｆｄ＝２|Ｖ| cosψ sinα / λ （２）
と、単純に表記できる。ここで、ψは差ベクトル（Ｋ０－Ｋ１）と速度ベクトルＶがなす角であり、λは半導体レーザの発振波長である。
｜Ｋ０｜＝｜Ｋ１｜＝2π/λとなるので、
ドップラ周波数ｆｄは、
ｆｄ＝２|Ｖ| cosψ sinα / λ （２）
と、単純に表記できる。ここで、ψは差ベクトル（Ｋ０－Ｋ１）と速度ベクトルＶがなす角であり、λは半導体レーザの発振波長である。
【0024】
従来の差動型レーザドップラ速度計は、上記（２）式に基づいて、ドップラ周波数ｆｄの測定から移動物体０の速度Ｖを算出してきた。しかし、実際の差動型レーザドップラ速度計においては、０次回折光と1次回折光の波面は完全な平面波では無い。そのため、速度誤差が発生する箇所がある。
【0025】
ΔＺ＝＋５ｍｍの地点では、０次回折光と1次回折光の波面は凸凹であるため、それぞれの波数ベクトルＫ０、Ｋ１の方向が変わる。図５（Ａ）のΔＺ＝+５ｍｍ地点では、波数ベクトルＫ０、Ｋ１で作る角度は、０次回折光と1次回折光の交差角が２αより開くので、差ベクトル（Ｋ０－Ｋ１）の絶対値が大きくなる。実際の速度Ｖが変わらないので、ｆｄも大きくなる。結果、実際の速度Ｖは変わっていないのに、ｆｄが大きくなった分が速度誤差の増加となる。この速度誤差が、図４のΔＺ＝5ｍｍ付近の誤差曲線の盛り上がりに相当する。
【0026】
なお、光伝搬方向に沿って常に平面波となる光ビームを実現することは理論上でも不可能である。よって、０次回折光と1次回折光の波面は、ΔＺ＝‐５ｍｍから+５ｍｍに移動するに従い、収束系のお椀型から平面波に近い波面に緩やかに変化するよう調整している。つまり、波面の曲率はＺの正方向に向かって徐々に小さくなる。このように変化する波面状態で、速度誤差のΔＺ依存性がゼロとなる理想の波面形状は、図５（Ｂ）、（Ｃ）中に点線で示す放物線となる。波面の曲率が図５（Ｂ）、（Ｃ）中に点線で示す放物線となり、両波面から凸凹が消えれば、差動型レーザドップラ速度計の速度誤差を常にゼロとできる。
【0027】
０次回折光と1次回折光の波面概形を理想の放物線に近づけるには、半導体レーザとコリメータレンズの間隔を調整すればよい。しかし、波面に存在する凸凹を取り去ることは極めて難しい。
光学部品の評価の結果、波面上の凸凹はレンズやミラーの光学特性が原因であった。図５（Ｂ）、（Ｃ）に共通な波面の凸凹はコリメータレンズの光学的歪によるもので、共通性の無い波面の凸凹はビーム固有のミラー（図３の６，９，１０）の非平面性から発生している。半導体レーザの光源はミクロンメータ以下の点光源であり、ここからビームを拡大し幅２.５ｍｍに亘り滑らか波面を実現するのは極めて難しい。凸凹の少ない波面の実現には、レンズやミラーの組み合わせを変えながらの波面調整を行う。速度誤差を抑え込むには、このような試行錯誤の方法を取るしかない。
光学部品の評価の結果、波面上の凸凹はレンズやミラーの光学特性が原因であった。図５（Ｂ）、（Ｃ）に共通な波面の凸凹はコリメータレンズの光学的歪によるもので、共通性の無い波面の凸凹はビーム固有のミラー（図３の６，９，１０）の非平面性から発生している。半導体レーザの光源はミクロンメータ以下の点光源であり、ここからビームを拡大し幅２.５ｍｍに亘り滑らか波面を実現するのは極めて難しい。凸凹の少ない波面の実現には、レンズやミラーの組み合わせを変えながらの波面調整を行う。速度誤差を抑え込むには、このような試行錯誤の方法を取るしかない。
【0028】
また、波面の凸凹に基づかない速度誤差（例えば、速度計の位置変動等によるもの）についても同様に抑え込む必要がある。
【課題を解決するための手段】
【0029】
レーザ光源から分離した二本のレーザビームを、移動する物体に照射し、該物体からの散乱反射光を受けて前記移動する物体の速度をドップラ効果に基づいて計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を受光する第一の光学受信系と、前記移動する物体からの散乱反射光を受光し前記移動する物体の速度を提供する第二の光学受信系と、前記第一の光学受信系と前記第二の光学受信系に接続した信号処理系とを有し、前記信号処理系は前記第一の光学受信系からの受信信号と前記第二の光学受信系からの受信信号により、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離と、前記移動する物体の速度を算出することを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【0030】
また、前記第一の光学受信系は、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を検出して、前記信号処理系にて前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の算出を行うことを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【0031】
また、前記信号処理系は、論理演算回路とルックアップテーブルを有し、前記ルックアップテーブルは、前記第二の光学受信系で計測される移動速度に対する速度誤差の、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の依存特性、を保有し、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の計測値に応じて計測した移動速度に補正を掛けることを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【0032】
また、前記第一の光学受信系は二次元のイメージセンサを有し、前記移動する物体に照射される前記レーザビームの位置と形状を検出し、前記信号処理系は、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の算出と、前記レーザビームの傾きであるピッチ角と、ロール角を算出し、前記信号処理系は、前記ルックアップテーブルに保有する前記速度誤差の、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の依存特性と、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の計測値と、前記ピッチ角と前記ロール角の算出値を用いて、計測した移動速度に補正を掛けることを特徴とする差動型レーザドップラ速度計。
【発明の効果】
【0033】
本発明による効果は、移動物体の速度を計測するレーザドップラ速度計において、移動物体と差動型レーザドップラ速度計との距離も計測することで、レーザドップラ速度計の計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】第一の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。
【図2】第一の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。
【図3】従来のレーザドップラ速度計の構成を示す図である。
【図4】従来のレーザドップラ速度計の課題を示す図である。
【図5】従来のレーザドップラ速度計の動作を説明するための図である。
【図6】第二の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。
【図7】第三の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。
【図8】第三の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。
【図9】第四の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。
【図10】第四の実施形態によるレーザドップラ速度計の動作を説明する図である。
【図11】第四の実施形態によるレーザドップラ速度計の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
差動型レーザドップラ速度計にて、２つの光ビームの交点である焦点と移動する物体の表面との距離が変化した時の速度誤差発生は、差動型レーザドップラ速度計に使用するレンズやミラー等の僅かな光学歪等に起因する。光学部品の歪箇所は光ビーム波面上での凸凹発生を引き起こし、０次回折光の凸凹な波面と１次回折光の凸凹な波面の干渉により、速度誤差の焦点と移動する物体の表面との距離依存性が発生する。レンズ等の歪箇所が速度誤差として表れてくるので、図４に示す速度誤差と焦点と移動する物体の表面との距離の関係が把握できれば、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺの検出から速度の誤差を補正して、より正確な移動物体の速度検出が可能となる。
【0036】
差動型レーザドップラ速度計は、移動物体に２本の光ビームを照射しているので、この２本の光ビームからの正反射光や拡散反射光を三角測距方式等により光検出器で捕えれば、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺが検出できる。この焦点と移動する物体の表面との距離情報から従来の方法で検出した移動物体の速度を補正すれば、誤差の無い正確な速度が検出できることとなる。
【0037】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。
ただし、以下の各実施形態に限定されるものではなく、任意の組み合わせでも良い。
また、各実施形態に係る図に対する各参照符号は、原則として同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略するが、参照符号の増大による説明の煩雑化を避けるため、図面ごとに独立して用いている場合がある。ゆえに、他の図面と共通の参照符号を付していても、それらは他の図面とは必ずしも共通の構成ではない場合がある。
ただし、以下の各実施形態に限定されるものではなく、任意の組み合わせでも良い。
また、各実施形態に係る図に対する各参照符号は、原則として同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略するが、参照符号の増大による説明の煩雑化を避けるため、図面ごとに独立して用いている場合がある。ゆえに、他の図面と共通の参照符号を付していても、それらは他の図面とは必ずしも共通の構成ではない場合がある。
【0038】
[第１の実施形態]
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、第一の実施形態の差動型レーザドップラ速度計の構成図である。実施例１では、図３の従来の構成例に対して、第一の光学式変位センサ１９と第二の光学的変位センサ２０を差動型レーザドップラ速度計に追加し、これらのセンサの出力から焦点と移動する物体の表面との距離を算出し、この距離情報を用いて移動する物体の速度計測値に補正を行うことを特徴としている。
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は、第一の実施形態の差動型レーザドップラ速度計の構成図である。実施例１では、図３の従来の構成例に対して、第一の光学式変位センサ１９と第二の光学的変位センサ２０を差動型レーザドップラ速度計に追加し、これらのセンサの出力から焦点と移動する物体の表面との距離を算出し、この距離情報を用いて移動する物体の速度計測値に補正を行うことを特徴としている。
【0039】
図１の第一の実施例にて、レーザ光源１は、波長７８５ｎｍの半導体レーザである。レーザに注入する電流制御とレーザ素子の温度制御により、半導体レーザはシングルモード動作発振と出力一定制御の動作をしている。レーザ光源１からのレーザビームは、コリメータレンズ２で平行ビームになるように調整した。このレーザビームを周波数シフト素子（ＡＯＭ）３に入射させて、ＡＯＭには４０ＭＨｚの信号を加え、入射したレーザビームの一部に４０ＭＨｚの周波数シフトを加え、Ｓ偏向にシフトした１次回折光８と、レーザビームの周波数はシフトせずＰ偏向のままの０次回折光１２を出射させた。これらの出射光を偏向ビームスプリッタ４に入射させてＰ偏光ビームとＳ偏光ビームに二分した。Ｐ偏光ビームは、透過側に直進し、ミラー９で反射した後、λ／２波長板５で円偏波ビームとなり移動する物体０に照射される。偏光ビームスプリッタ４からのＳ偏向ビームは、ミラー６で反射後、λ／２波長板７にて円偏波ビームとなり移動する物体０に照射される。
【0040】
移動する物体０からは正反射光と拡散反射光が発生する。このうち拡散反射光成分の一部を受光レンズ１３で集光して受光素子１５にて光ヘテロダイン受信を行う。その電気信号出力のビート信号周波数には、４０ＭＨｚを中心に物体のドップラシフトに応じたドップラ周波数ｆｄが生じる。この電気信号を増幅器１６で増幅し、処理機２６内のミキサ１７にて３５ＭＨｚ信号と混合して５ＭＨｚ＋ｆｄの信号にダウンコンバートする。さらに、ローパスフィルタ１８により高周波雑音を除去し、Ａ／Ｄコンバータ２１にてデジタル信号に変換して、ＦＰＧＡ２５に入力する。ＦＰＡＧ２５内では、入力信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数領域信号に変換し、移動する物体０の速度に比例したドップラ周波数ｆｄを読み取って、（２）式に従い速度Ｖを算出する。
【0041】
一方、焦点と移動する物体の表面との距離を計測するために、第一の光学式変位センサ１９と第二の光学式変位センサ２０を用いた。センサの差動型レーザドップラ速度計への取付けの形態を図２に示す。図２は、移動する物体０からの光の正反射成分を焦点と移動する物体の表面との距離測定に利用した形態であり、図２左下の正面図に示すように、第一の光学式変位センサ１９を１次回折光８の出射窓の真上に、第二の光学式変位センサ２０を０次回折光１２の出射窓の真上に設置した。センサ１９，２０に入射する光ビームの正反射光の光路を図２右上に示す。
【0042】
センサ１９は０次回折光１２の正反射光成分を受光し、センサ２０は１次回折光８の正反射光成分を受光する。光学式変位センサ１９，２０は、レンズ３１，３２と横長で一次元のＣＭＯＳイメージセンサ３３，３４から成り、三角測距による検出原理で動作する。物体０と焦点の位置関係が変わると光ビーム正反射光の光路も変わるので、ＣＭＯＳイメージセンサ上の結像位置が変化して、センサは結像位置に相当する電気信号を出力する。第一の実施例では、２個のセンサ１９，２０を用いて、結像位置の差を算出する方式とした。２個のセンサを用いる利点は、差動型レーザドップラ速度計の設置ピッチ角ψが０°からずれてもΔＺの測定誤差が小さいこと、および移動する物体０の加速減速時の表面角度変化に対しても測定誤差が小さいことである。
【0043】
センサ１９とセンサ２０からの電気信号の出力差分ｄは、焦点と移動する物体０の表面との距離ΔＺとの間に、下式の関係がある。
ΔＺ ＝ a d + b （３）
ここで、aと b は定数であり、実機での測定と校正から正確な値を求めることができる。これらのａとｂは、ΔＺ測定のための定数値として処理機２６で使用する。
ΔＺ ＝ a d + b （３）
ここで、aと b は定数であり、実機での測定と校正から正確な値を求めることができる。これらのａとｂは、ΔＺ測定のための定数値として処理機２６で使用する。
【0044】
図２右下には、差動型レーザドップラ速度計を側面から見た設置図を示す。センサ１９，２０に、物体０からの正反射光が効率よく入射するよう差動型レーザドップラ速度計のヨー角θを３°傾けて設置した。図２の設定では、差動型レーザドップラ速度計のヨー角がゼロからずれても、計測速度には影響は無い。尚、ピッチ角ψとロール角φは、ドップラ周波数ｆｄと速度Ｖに影響を与え、下式の関係がある。
Ｖ ＝ ｆｄ λ ／（２ sinα cosψ cosφ） （４）
ピッチ角ψとロール角φを速度算出計算に含めることで、より正確に速度測定を行うことができる。
Ｖ ＝ ｆｄ λ ／（２ sinα cosψ cosφ） （４）
ピッチ角ψとロール角φを速度算出計算に含めることで、より正確に速度測定を行うことができる。
【0045】
図１にて、センサ１９、センサ２０の出力は、処理機２６内のＡ／Ｄコンバータ２２，２３で
デジタイズ化して、ＦＰＧＡ２５に入力する。ＦＰＧＡ内では、Ａ／Ｄコンバータ２２、２３の出力の差から電気信号の出力差分ｄを求め、式（３）および校正した定数ａとbから、焦点と移動する物体０の表面との距離ΔＺを算出する。
デジタイズ化して、ＦＰＧＡ２５に入力する。ＦＰＧＡ内では、Ａ／Ｄコンバータ２２、２３の出力の差から電気信号の出力差分ｄを求め、式（３）および校正した定数ａとbから、焦点と移動する物体０の表面との距離ΔＺを算出する。
【0046】
一方、ＦＰＧＡ２５内のルックアップテーブル（ＬＵＴ）には、差動型レーザドップラ速度計の速度誤差の焦点からのズレ量依存性を書き込んでおく。速度誤差データは、ΔＺの０．１ｍｍの粒度とした。
【0047】
一方、ＦＰＧＡでのＦＦＴを介した速度算出は１０ｍｓ毎に行っている。この出力周期に合わせ、１０ｍｓ毎に焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを算出し、ΔＺ値を元にＬＵＴから速度誤差データを読み取った。速度算出結果に速度誤差データによる補正計算を行い、より真値に近い補正速度を出力した。
【0048】
また、ＦＰＧＡ２５には、差動型レーザドップラ速度計の設置状態でのピッチ角ψとロール角φも入力して、式（４）による速度補正もできるようにすることも可能である。差動型レーザドップラ速度計と物体０の表面の物理距離を常にΔＺ＝０に設定できないので、設定時の焦点と移動する物体の表面との距離のズレをゼロ点補正値として入力し、ＦＰＧＡ２５内で校正する。
【0049】
ＦＰＧＡ２５は、補正を行わない速度、その時間積分となる移動した距離、ΔＺから誤差補正を行った補正速度、補正距離、およびΔＺ、とΔＺの変化速度、を出力する。
上記の構成にて、光沢のある有機系フィルムを用いて速度の計測評価を行った。有機系フィルムは、輪の状態にし、２個のプーリ間に張力を掛けて回転運動をさせた。移動する有機系フィルムの表面を床に水平に設置し、この上部に第一の実施例の差動型レーザドップラ速度計を置き、光ビームをフィルム表面に投下するよう設定した。ピッチ角ψとロール角φは、それぞれ０°とし、ΔＺは－１０ｍｍから＋１０ｍｍまで変化できるようにした。
上記の構成にて、光沢のある有機系フィルムを用いて速度の計測評価を行った。有機系フィルムは、輪の状態にし、２個のプーリ間に張力を掛けて回転運動をさせた。移動する有機系フィルムの表面を床に水平に設置し、この上部に第一の実施例の差動型レーザドップラ速度計を置き、光ビームをフィルム表面に投下するよう設定した。ピッチ角ψとロール角φは、それぞれ０°とし、ΔＺは－１０ｍｍから＋１０ｍｍまで変化できるようにした。
【0050】
有機系フィルムの移動速度を正確に６メータ／分に設定し、差動型レーザドップラ速度計の光ビームを照射した。２つの光ビームの合計パワーは３６ｍＷであり、ΔＺ＝０ｍｍの設定で受光素子１５のＡＰＤに入射した拡散反射光パワーは５μＷとなる。この出力からは良好な信号雑音比の信号が得られるので、有機系フィルムの速度Ｖが測定できる。焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを変えながら、有機系フィルムの速度も測定した。ΔＺを変えると測定速度Ｖは僅かに変動し、その速度誤差は図４に示す特性となった。ＦＰＧＡ２５のルックアップテーブル（ＬＵＴ）には、図４の速度誤差特性を０．１ｍｍ毎に書き込んだ。
【0051】
焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを測定するセンサ１９とセンサ２０は、移動する物体０からの正反射光を受光するため、それぞれに３０μＷの光入力となる。この光入力はＣＭＯＳイメージセンサの位置出力判別に十分なパワーであり、かつΔＺでは０．１ｍｍ以下の位置分解能も得られる。また、センサ１９と２０の電気出力帯域は１０ＭＨｚ以上あるので、ＦＰＧＡ２５内の１０ｍｓ毎の読み出しと速度補正の演算処理には十分な応答余裕がある。
【0052】
センサ１９とセンサ２０の焦点と移動する物体の表面との距離測定の機能とＦＰＧＡ２５内のＬＵＴと速度補正機能を用いた評価を行った。速度測定は、ΔＺ＝‐５ｍｍ、０ｍｍ、＋５ｍｍにて、速度補正機能を動作させて補正速度を測定した。その結果、各ΔＺにて、その速度誤差は±０．０１％以内となる。
【0053】
以上の測定は、焦点と移動する物体の表面との距離位置を固定しての評価であったが、物体０の表面位置が時間的に変動する状況でも対応が可能である。例えば、プーリの軸が偏心した移動搬送系でフィルム表面が高速に上下動する運動系にも対応が可能である。第一の実施例では、ＦＰＧＡ２５でのドップラ周波数ｆｄの速度算出時間は１０ｍｓとしたが、１ｍｓまで高速化が可能である。
【0054】
センサ１９とセンサ２０の応答速度は１００ｎｓ以下であり、速度補正の演算はＬＵＴからの誤差値の読み出しと算出速度との乗算という単純計算でもあるため、速度補正の演算は１ｍｓまで高速に実行できる。
また、ΔＺについて、焦点と移動する物体０の表面との距離が求められるのであれば、上記（３）式でなくても構わない。
また、ΔＺについて、焦点と移動する物体０の表面との距離が求められるのであれば、上記（３）式でなくても構わない。
【0055】
本実施例では、焦点と移動する物体の表面との距離測定のために２つのセンサを使用したが、１個での使用も可能である。この場合、ヨー角のズレが明確であり、移動する物体の表面が２つのレーザビームの垂線と直交しビームの正反射光が設定とおりセンサに入射することが望ましい。
【0056】
また、本実施例の光学式変位センサ１９，２０には、横長で一次元のＣＭＯＳイメージセンサ３３，３４を用いたが、更に安価なＰＳＤ素子（Position Sensitive Device）や、ＣＣＤイメージセンサを用いてもよい。
焦点と移動する物体の表面との距離測定ができる態様であれば、如何なる態様であっても本願発明になり得る。
焦点と移動する物体の表面との距離測定ができる態様であれば、如何なる態様であっても本願発明になり得る。
【0057】
本実施例では、周波数シフト素子３を用いて、１次回折光に４０ＭＨｚの周波数シフトを与えたが、周波数シフト素子３の使用は省略してもよい。周波数シフト素子３の削除により、速度計出力は移動方向の情報の無い移動速度の絶対値のみとなるが、速度計の簡略化ができる。
【0058】
[第２の実施形態]
図６は、第２の実施形態の差動型レーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例２は、第一の実施例の図２の光学部分の変形例であり、速度計の設置時に、ヨー角の細かい設定が不要で、速度計の光ビームが移動する物体０の垂線方向に設定すればよい機構である。
図６は、第２の実施形態の差動型レーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例２は、第一の実施例の図２の光学部分の変形例であり、速度計の設置時に、ヨー角の細かい設定が不要で、速度計の光ビームが移動する物体０の垂線方向に設定すればよい機構である。
【0059】
第一の光学式変位センサ１９と第二の光学式方位センサ２０と移動する物体０の間には、第一のハーフミラー２７と第二のハーフミラー２８を用いた。ハーフミラー２７，２８の透過率は５０％とした。ハーフミラー２７、２８で反射する下方に向かう光ビームは光終端器により十分に減衰させて、センサ１９、２０への漏れ光を防いだ。図６の構成では、差動型レーザドップラ速度計の上方の空間で、ΔＺ測定用のセンサ１９、２０の取付けが可能となるため、製造工数の短縮が可能となる。図６に示した第２の実施形態の差動型レーザドップラ速度計の光学部分に接続する処理部は、図１に示す第一の実施例での処理部２６と同じ構成である。
【0060】
[第３の実施形態]
図７は、第３の実施形態のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例３は、ΔＺ測定を行うために、移動する物体０からの散乱反射光成分を利用する形態である。使用する光学式変位センサ１９は一個とし、図７に示すように差動型レーザドップラ速度計の上部にセンサ１９を配置し、レンズ３１を介し縦長で一次元のＣＭＯＳイメージセンサ３３上に映るビームの位置を検出して、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを算出する。センサ１９内には、中心波長７８５ｎｍで帯域１０ｎｍの光バンドパスフィルタ３７を用いて雑音光の除去を行った。図８には、処理機２６を含んだレーザドップラ速度計の構成を示す。センサ１９は一個使用なので、ビーム位置情報をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ２２も一個でよい。
図７は、第３の実施形態のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例３は、ΔＺ測定を行うために、移動する物体０からの散乱反射光成分を利用する形態である。使用する光学式変位センサ１９は一個とし、図７に示すように差動型レーザドップラ速度計の上部にセンサ１９を配置し、レンズ３１を介し縦長で一次元のＣＭＯＳイメージセンサ３３上に映るビームの位置を検出して、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを算出する。センサ１９内には、中心波長７８５ｎｍで帯域１０ｎｍの光バンドパスフィルタ３７を用いて雑音光の除去を行った。図８には、処理機２６を含んだレーザドップラ速度計の構成を示す。センサ１９は一個使用なので、ビーム位置情報をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ２２も一個でよい。
【0061】
本実施例では、センサ１９を一個使いにして、物体０からの散乱反射光がＣＭＯＳイメージセンサ３３上に映る位置から焦点と移動する物体の表面との距離を算出するが、その算出式は第一の実施例で使用した式（３）と同様の形式となる。光学式方位センサ１９からの位置情報を示す電気信号出力Ｌは、物体０の焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺとの間に、下式の関係がある。
ΔＺ＝ a Ｌ + b （５）
ここで、aと b は定数であり、実機での測定と校正から正確な値を求めることができ、ＦＰＧＡ２５にこれらの定数を入力して、電気信号出力Ｌから、物体０の焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを算出する。ＦＰＧＡ２５内での他の処理は、第一の実施例と同じであり、ＦＰＧＡ２５内のルックアップテーブル（ＬＵＴ）には、差動型レーザドップラ速度計の速度誤差の焦点からのズレ量依存性を書き込んだ。速度誤差データは、ΔＺの０．１ｍｍの粒度とした。
ΔＺ＝ a Ｌ + b （５）
ここで、aと b は定数であり、実機での測定と校正から正確な値を求めることができ、ＦＰＧＡ２５にこれらの定数を入力して、電気信号出力Ｌから、物体０の焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを算出する。ＦＰＧＡ２５内での他の処理は、第一の実施例と同じであり、ＦＰＧＡ２５内のルックアップテーブル（ＬＵＴ）には、差動型レーザドップラ速度計の速度誤差の焦点からのズレ量依存性を書き込んだ。速度誤差データは、ΔＺの０．１ｍｍの粒度とした。
【0062】
ＦＰＧＡでのＦＦＴを介した速度算出は１０ｍｓ毎に行った。この出力周期に合わせ、１０ｍｓ毎の焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺを算出し、ΔＺ値を元にＬＵＴから速度誤差データを読み取った。速度算出結果と速度誤差データの補足演算を行い、より真値に近い補正速度を出力した。
【0063】
また、ＦＰＧＡ２５は、差動型レーザドップラ速度計の設置状態でのピッチ角ψとロール角φも入力して、式（４）による速度補正も行う。設定時の焦点と移動する物体の表面との距離のズレもゼロ点補正値として入力し、ＦＰＧＡ２５内で校正する。
ＦＰＧＡ２５の出力は、補正を行わない速度、その時間積分となる移動した距離、ΔＺから誤差補正を行った補正速度、補正距離、およびΔＺ、とΔＺの速度変化、である。
ＦＰＧＡ２５の出力は、補正を行わない速度、その時間積分となる移動した距離、ΔＺから誤差補正を行った補正速度、補正距離、およびΔＺ、とΔＺの速度変化、である。
【0064】
上記の構成にて、散乱反射光の多いゴムベルトを用いて速度の計測評価を行った。ゴムベルトは、２個のプーリ間で張力を掛けて回転運動をさせた。ゴムベルトの表面を床と水平に設置し、この上部に本実施例の差動型レーザドップラ速度計を置き、光ビームをゴムベルト表面に投下する設定とした。ピッチ角ψとロール角φは、それぞれ０°となるようにし、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺは－１０ｍｍから＋１０ｍｍまで変化できるようにした。
【0065】
ゴムベルトの移動速度を正確に１０メータ／分に設定し、差動型レーザドップラ速度計の波長７８５ｎｍの光ビームを照射させた。２つの光ビームの合計パワーは３６ｍＷであり、ΔＺ＝０の設定で受光素子１５のＡＰＤに入射した拡散反射光パワーは２０μＷとなる。この出力からは良好な信号雑音比の信号が得られた。また、センサ１９への光入力は１０μＷであり、この光入力はＣＭＯＳイメージセンサの位置情報出力には十分なパワーであり、かつ焦点と移動する物体の表面との距離測定では０．１ｍｍ以下の位置分解能が得られる。
【0066】
光学式変位センサ１９の焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺ測定とＦＰＧＡ２５内のＬＵＴと速度補正機能を用いた評価を行った。速度測定は、ΔＺ＝‐５ｍｍ、０ｍｍ、＋５ｍｍにて、速度補正機能を動作させて補正速度を測定した。各ΔＺにて、その速度誤差は±０．０１％以内である。
【0067】
また、ＦＰＧＡ２５からは焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺの変化情報も取り出せるので、ΔＺとゴムベルト速度の相関から、ゴムベルトを用いた運動系の不具合の解析にも利用できる。
【0068】
本実施例は、センサ１９にＣＭＯＳイメージセンサ３３を使用したが、センサ素子にはＰＳＤ
素子（Position Sensitive Device）やＣＣＤイメージセンサを用いてもよい。
さらに、センサ１９は一個に限らず、例えば、差動型レーザドップラ速度計を上下で挟むように２個のセンサを使用して、散乱反射光の受光を差動動作させて焦点と移動する物体の表面との距離の精度向上を行ってもよい。また、センサ１９内には、光バンドパスフィルタ３７を用いたが、センサに自然光が洩れこまない状況であれば、光バンドパスフィルタを削除してもよい。
素子（Position Sensitive Device）やＣＣＤイメージセンサを用いてもよい。
さらに、センサ１９は一個に限らず、例えば、差動型レーザドップラ速度計を上下で挟むように２個のセンサを使用して、散乱反射光の受光を差動動作させて焦点と移動する物体の表面との距離の精度向上を行ってもよい。また、センサ１９内には、光バンドパスフィルタ３７を用いたが、センサに自然光が洩れこまない状況であれば、光バンドパスフィルタを削除してもよい。
【0069】
[第４の実施形態]
図９は、第４の実施形態のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例４は、二次元のＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ３５により、差動型レーザドップラ速度計の光ビームの位置と形状を観察し、ビーム位置から焦点と移動する物体の表面との距離を計測して、ビーム形状から差動型レーザドップラセンサ設置状態のロール角φとピッチ角ψを計測し、測定速度の補正に利用することを特徴としている。
図９は、第４の実施形態のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例４は、二次元のＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ３５により、差動型レーザドップラ速度計の光ビームの位置と形状を観察し、ビーム位置から焦点と移動する物体の表面との距離を計測して、ビーム形状から差動型レーザドップラセンサ設置状態のロール角φとピッチ角ψを計測し、測定速度の補正に利用することを特徴としている。
【0070】
図９で、カメラ３５には1280ｘ1024ピクセルの高速ＣＭＯＳイメージセンサを用い、マクロレンズ３６を装着して、近接する移動する物体０に映る光ビームを詳細に撮影できるようにした。レンズ３６の前には、中心波長７８５ｎｍで帯域１０ｎｍの光バンドパスフィルタ３７を用いて雑音光の除去を行った。カメラ３５は、移動する物体０の表面に対し直角になるようカメラのピッチ角＝０°とし、移動する物体０の移動方向に対し垂直となるようカメラのロール角＝０°とし、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺ＝０ｍｍ時の光ビームがカメラの中心にくるようヨー角とカメラ位置を設定した。カメラ３５は、外部からの振動の影響を受けないよう支え３０で固定した。差動型レーザドップラ速度計は、支え２９で固定した。
移動する物体０には、ゴムベルトを用い、差動型レーザドップラ速度計の１００ｍｍ先をΔＺ＝０ｍｍと設定した。
移動する物体０には、ゴムベルトを用い、差動型レーザドップラ速度計の１００ｍｍ先をΔＺ＝０ｍｍと設定した。
【0071】
図１０（Ａ）は、カメラ３５で撮影したゴムベルト上の光ビームのイメージ図である。光ビームは、差動型レーザドップラ速度をΔＺ＝０，－５ｍｍとした際の光ビームを重ね書きしたもので、それぞれ０次回折光１２のみ照射時、１次回折光８のみ照射時の１３．５％の光強度位置を示している。ΔＺ＝０ｍｍでは、二つの光ビームは一致しおり、ΔＺ＝‐５ｍｍでは、二つのビームは重ならない。尚、光ビームはコリメートレンズとシリンドリカルレンズによりビーム整形を施しており、光ビーム形状は、幅２．５ｍｍ、高さ０.３ｍｍの偏平ビームである。差動型レーザドップラ速度計は、ロール角＝－１°、ピッチ角＝＋１°の設定としたので、光ビームの右側が上がる方向で傾いており、各ビームの中心位置は左にずれている。
【0072】
また、図１０（Ｂ）と（Ｃ）は、イメージセンサのＸ軸方向に写像した光ビーム強度の最大値トレースであり、縦軸は０次回折光と１次ビーム合波時の最大値を１００％とした強度表示である。図１０（Ｂ）は、ΔＺ＝０ｍｍ時の光ビームで、０次ビームと１次ビームは重なっており、合波した光ビームは単峰型となる。図１０（Ｃ）は、ΔＺ＝‐５ｍｍ時の光ビームであり、０次ビームと１次ビームはピーク位置が異なり合波した光ビームは双峰型となる。図１０（Ｂ）と（Ｃ）は、光ビームの形状は異なるが、これらの光ビームの重心位置Ｇや、ビーム形状の端点Ｌ、Ｒを計算すれば、差動型レーザドップラ速度計設置のピッチ角、ロール角、ΔＺを算出することができる。
焦点と移動する物体の表面との距離とピッチ角は、光ビーム強度の重心位置Ｇから算出できる。以下にその算出方法を示す。
焦点と移動する物体の表面との距離とピッチ角は、光ビーム強度の重心位置Ｇから算出できる。以下にその算出方法を示す。
【0073】
０次ビームと１次ビームを同時にゴムベルトに照射した場合、二次元のイメージセンサから得られる各ピクセルの情報を、Voutij ＝（ Xi, Yj, Iij）とする。ここで、iとjは整数で、Xi, Yjは各ピクセルの座標位置であり、Iijは光ビームの強度情報である。イメージセンサからの各ピクセル情報を、Ｘ軸上で観測しＸ軸の写像成分とし、光ビーム強度の最大値IMAXiのみを更新して書き換えると、VXOUTi ＝（Xi, IMAXi）の情報とできる。
【0074】
ここで、Ｘｇ ＝ Σ（ Xi IMAXi ）／ Σ （ IMAXi ）を計算すれば、Ｘ軸上の重心Ｘｇを計算できる。尚、Σはi=0からi=1279までの要素の総和を表す省略記号を意味する。
また、Ｙ軸上で、光ビーム強度の最大値IMAXjを更新してVYOUTj ＝ （Yj,IMAXj）を求めると、Ｙ軸上の重心Ｙｇは、Ｙｇ＝Σ（ Yj IMAXj ）／ Σ （ IMAXj ）から求めることができる。ここで、Σは、j=0からj=1023までの要素の総和を意味する。
０次ビームと１次ビームを同時に照射した場合の重心位置Ｇは、座標（Ｘｇ, Ｙｇ）となる。
この結果から、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺは、（５）式を変形した下式から求めることができる。
ΔＺ＝ a Ｙｇ + b （６）
ここで、aと b は定数であり、実機での測定と校正から正確な値を求める。
また、Ｙ軸上で、光ビーム強度の最大値IMAXjを更新してVYOUTj ＝ （Yj,IMAXj）を求めると、Ｙ軸上の重心Ｙｇは、Ｙｇ＝Σ（ Yj IMAXj ）／ Σ （ IMAXj ）から求めることができる。ここで、Σは、j=0からj=1023までの要素の総和を意味する。
０次ビームと１次ビームを同時に照射した場合の重心位置Ｇは、座標（Ｘｇ, Ｙｇ）となる。
この結果から、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺは、（５）式を変形した下式から求めることができる。
ΔＺ＝ a Ｙｇ + b （６）
ここで、aと b は定数であり、実機での測定と校正から正確な値を求める。
【0075】
また、ピッチ角ψは、レンズ１３から物体０までの距離＝１００ｍｍ＋ΔＺと重心位置ＧのＸｇを用いて、下式（７）から求めることができる。
ψ＝Ａｒｃｔａｎ（ （ c Ｘｐ）／（１００ｍｍ＋ΔＺ）） （７）
ここで、ｃはカメラ３５の設置位置および角度とカメラレンズ焦点に関わる定数であり、実機での測定にて正確な値を求める。
ψ＝Ａｒｃｔａｎ（ （ c Ｘｐ）／（１００ｍｍ＋ΔＺ）） （７）
ここで、ｃはカメラ３５の設置位置および角度とカメラレンズ焦点に関わる定数であり、実機での測定にて正確な値を求める。
【0076】
ロール角は、光ビームの強度が最大値IMAXの１３．５％となるビーム形状の端点Ｌと端点Ｒから算出する。イメージセンサの出力より、Iij＝0.135 IMAX の条件で、Xiが最小の点とXiが最大の点を求めると、端点Ｌは座標（Xmin, YL）であり、端点Ｒは座標（Xmax, YR）となる。
これらの座標位置より、ロール角φは、下式（８）から求めることができる。
φ＝Ａｒｃｔａｎ（（ YR - YL）/ （ Xmax - Xmin ）） （８）
これらの座標位置より、ロール角φは、下式（８）から求めることができる。
φ＝Ａｒｃｔａｎ（（ YR - YL）/ （ Xmax - Xmin ）） （８）
【0077】
図１１には、処理部２６を含んだレーザドップラ速度計の構成を示す。二次元のＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ３５を制御するための制御インタフェースＣＯＮＴをＦＰＧＡ２５内に構成した。また、カメラ３５からの各ピクセルのデジタル出力信号を処理するインタフェースと光ビームの位置や光ビーム形状の算出機能をＦＰＧＡ２５内に構成した。光ビーム位置から焦点と移動する物体の表面との距離を算出しＬＵＴに伝達する機能は第一の実施例と同じであるが、第四の実施例は、カメラ３５とＦＰＧＡの角度検出機能により差動型レーザドップラ速度計のピッチ角ψとロール角φを自動検出し、焦点と移動する物体の表面との距離を用いた補正速度にさらに角度依存の速度補正を加える点が特徴となっている。
【0078】
上記の構成にて、散乱反射光の多いゴムベルトを用いて速度の計測評価を行った。ゴムベルトは、２個のプーリ間で張力を掛けて回転運動をさせた。ゴムベルトの移動表面を床に対し水平に設置し、この上部に二次元のＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ３５をゴムベルトの表面に対し垂直となるよう設置した。カメラ３５は、１００ｆｐｓの動作速度で駆動させた。差動型レーザドップラ速度計は、ピッチ角ψ＝＋１°とロール角φ＝－１°とし、使用波長は７８５ｎｍ、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺ＝０ｍｍに設定した。ゴムベルトを５メータ／分の速度で回転させて、差動型レーザドップラ速度計のピッチ角ψとロール角φの検出機能を評価した。
【0079】
カメラ３５に接続したマクロレンズ３６は、光ビーム幅がイメージセンサＸ軸の１／３を占めるようにその倍率を調整し、光ビームの位置や形状の細かい測定ができるようにした。また、ピッチ角ψとロール角φの設定は時間的に変わらないので、これら角度の算出ではカメラ出力１００フレーム分の出力を移動平均し雑音を低減させて測定精度を向上させた。ＦＰＧＡ２５からの出力結果は、ピッチ角ψ＝＋１．０°とロール角φ＝－１．０°と高精度であり、各角度の分解能は０．０５°以下となる。
【0080】
また、焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺの変動は早い場合があるため、ΔＺ測定は１０フレーム毎つまり１０ｍｓ毎の移動平均出力とした。ΔＺの測定誤差は０．１ｍｍ以下となる。
次にΔＺ＝－５ｍｍとなるようゴムベルトの表面位置を調整して、ピッチ角とロール角の測定を行った。この場合、光ビームの形状は、図１０（Ｃ）に示すように双峰型となるが、各角度測定には誤差は無く、角度の分解能は０．０５°以内となる。ΔＺの測定誤差も０．１ｍｍ以下となる。ΔＺ＝－５ｍｍにて、ゴムベルトの速度測定を行った。その結果、速度測定結果は、実速度より小さい値となったが、ＬＵＴに書き込んだ速度誤差の補正値とピッチ角ψ＝＋１°とロール角φ＝－１°の速度補正を行うことにより、実速度と同じ補正速度の出力となる。これらの補正速度と焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺは、１０ｍｓ毎にＦＰＧＡ２５から出力させた。
次にΔＺ＝－５ｍｍとなるようゴムベルトの表面位置を調整して、ピッチ角とロール角の測定を行った。この場合、光ビームの形状は、図１０（Ｃ）に示すように双峰型となるが、各角度測定には誤差は無く、角度の分解能は０．０５°以内となる。ΔＺの測定誤差も０．１ｍｍ以下となる。ΔＺ＝－５ｍｍにて、ゴムベルトの速度測定を行った。その結果、速度測定結果は、実速度より小さい値となったが、ＬＵＴに書き込んだ速度誤差の補正値とピッチ角ψ＝＋１°とロール角φ＝－１°の速度補正を行うことにより、実速度と同じ補正速度の出力となる。これらの補正速度と焦点と移動する物体の表面との距離ΔＺは、１０ｍｓ毎にＦＰＧＡ２５から出力させた。
【0081】
本実施例では、プーリの偏心やゴムベルトの不均一から生じるゴムベルト表面位置と光ビームの焦点との距離変動が発生しても、ゴムベルトの移動速度を正確に測定できる。また、二次元のＣＭＯＳイメージセンサを用いたカメラ３５により、差動型レーザドップラ速度計設置のピッチ角とロール角も正確に測定できるので、これらの角度ズレ情報を加味したより正確な補正を速度測定に反映させることができる。
【産業上の利用可能性】
【0082】
本発明は、測定対象物の速度や長さ及び距離を非接触でより正確に測ることができる。そのため、高機能フィルム製造時の搬送速度が高精度で制御できるようになり、フィルム品質の向上に寄与できる。
また、本発明は、製鉄業の圧延工程における鋼片の寸法測定や圧延工程の速度制御、鉄道での列車の正確な速度や走行距離の計測、道路インフラでの検測車の正確な速度や移動距離の計測、自動車関連での車両の正確な速度や走行軌跡の計測、化学工業や建設業などの産業機器での製造製品の正確な速度や長さの計測に適用することができる。
さらに、差動型レーザドップラ速度計は、正確に測定された速度に応じたピッチパルスを出力しており、このピッチパルスを用いて加減速する車両の精密な画像撮影も可能とし、鉄道列車の高速外観検査にも貢献している。
また、本発明は、製鉄業の圧延工程における鋼片の寸法測定や圧延工程の速度制御、鉄道での列車の正確な速度や走行距離の計測、道路インフラでの検測車の正確な速度や移動距離の計測、自動車関連での車両の正確な速度や走行軌跡の計測、化学工業や建設業などの産業機器での製造製品の正確な速度や長さの計測に適用することができる。
さらに、差動型レーザドップラ速度計は、正確に測定された速度に応じたピッチパルスを出力しており、このピッチパルスを用いて加減速する車両の精密な画像撮影も可能とし、鉄道列車の高速外観検査にも貢献している。
【符号の説明】
【0083】
１、レーザ光源
２、コリメータレンズ
３、周波数シフト素子
４、偏光ビームスプリッタ
５、変調器ドライバ
６、ミラー
７、λ／２波長板
８、１次回折光
９、ミラー
１０、ミラー
１１、λ／２波長板
１２、０次回折光
１３、レンズ
１４、ミラー
１５、受光素子
１６、増幅器
１７、ミキサ
１８、ローパスフィルタ
１９、センサ
２０、センサ
２１、２２、２３，ＡＤコンバータ
２４、発振器
２５、ＦＰＧＡ
２６，処理部
２７，２８、ハーフミラー
２９，３０，支え
３１，３２、レンズ
３３、３４、ＣＭＯＳイメージセンサ
３５，カメラ
３６，マクロレンズ
３７、光バンドパスフィルタ
０、物体
２、コリメータレンズ
３、周波数シフト素子
４、偏光ビームスプリッタ
５、変調器ドライバ
６、ミラー
７、λ／２波長板
８、１次回折光
９、ミラー
１０、ミラー
１１、λ／２波長板
１２、０次回折光
１３、レンズ
１４、ミラー
１５、受光素子
１６、増幅器
１７、ミキサ
１８、ローパスフィルタ
１９、センサ
２０、センサ
２１、２２、２３，ＡＤコンバータ
２４、発振器
２５、ＦＰＧＡ
２６，処理部
２７，２８、ハーフミラー
２９，３０，支え
３１，３２、レンズ
３３、３４、ＣＭＯＳイメージセンサ
３５，カメラ
３６，マクロレンズ
３７、光バンドパスフィルタ
０、物体
【要約】 （修正有）
【課題】レーザドップラ速度計での速度誤差発生の原因を明らかにし、２つの光ビームの交点である焦点と移動する物体の表面との距離の測定を行うことにより速度誤差を補正し、より高精度のレーザドップラ速度計を提供する。
【解決手段】レーザ光源から分離した二本のレーザビームを、移動する物体に照射し、該物体からの散乱反射光を受けて前記移動する物体の速度をドップラ効果に基づいて計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を受光する第一の光学受信系と、前記移動する物体からの散乱反射光を受光する第二の光学受信系と、前記第一の光学受信系と前記第二の光学受信系に接続した信号処理系とを有し、前記信号処理系は前記第一の光学受信系からの受信信号と前記第二の光学受信系からの受信信号により、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離と、前記移動する物体の速度を算出する。
【選択図】図1
【解決手段】レーザ光源から分離した二本のレーザビームを、移動する物体に照射し、該物体からの散乱反射光を受けて前記移動する物体の速度をドップラ効果に基づいて計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を受光する第一の光学受信系と、前記移動する物体からの散乱反射光を受光する第二の光学受信系と、前記第一の光学受信系と前記第二の光学受信系に接続した信号処理系とを有し、前記信号処理系は前記第一の光学受信系からの受信信号と前記第二の光学受信系からの受信信号により、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離と、前記移動する物体の速度を算出する。
【選択図】図1
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
