(57)【要約】【課題】  検出光の拡散の虞れもなく高精度の空間周波数が得られるとともに、被検出体の凹凸や照度等の表面形態にも左右されることなく高精度の速度検出を可能にする。【課題を解決するための手段】  投光部６Ａからの光を移動する被検出体１に投光し、該被検出体１からの反射光の光むら成分を受光素子を格子状に配列した空間フィルタ３Ｂ１、３Ｂ３、３Ｂ５、３Ｃ２、３Ｃ４、３Ｃ６を通して受光部６Ｂ、６Ｃにて検出することで、被検出体１の速度を検出する空間フィルタを用いた速度検出方法において、前記投光部６Ａからの光を投光する投光面と前記反射光を受光する受光面とを同一部位でかつ同一面（Ｆ）としたことにより、投光と反射した受光とを被検出体１に対して直交できて検出光の拡散が防止され、空間フィルタを通じた高精度の空間周波数が得られるので、高い精度の速度検出が可能となる。【選択図】  図１
2010271257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光部からの光を移動する被検出体に投光し、該被検出体からの反射光の光むら成分を受光素子を格子状に配列した空間フィルタを構成する受光面を通して受光部にて検出することで、被検出体の速度あるいは長さを検出する空間フィルタを用いた速度検出方法において、前記投光部からの光を投光する投光面と前記反射光を受光する受光面とを同一部位でかつ同一面としたことを特徴とする速度検出方法。
【請求項２】
前記投光面における投光についても空間フィルタを構成することを特徴とする請求項１に記載の速度検出方法。
【請求項３】
前記投光部と投光面との間および受光部と受光面との間を光ファイバ束にて接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の速度検出方法
【請求項４】
前記請求項１から３のいずれかに記載の速度検出方法に用いられる投光面および受光面を有するセンサと、該センサの前記投光面および受光面を被検出体の移動を撮影するカメラのモニタ表面に臨接させて固定して速度検出部を構成したことを特徴とする速度検出装置。
【請求項５】
前記被検出体の移動を撮影するカメラが、被検出体との自動焦点調整機能および被検出体の自動照度調整機能を備えたＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項４に記載の速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投光部からの光を移動する被検出体に投光し、該被検出体からの反射光の光むら成分を受光素子を格子状に配列した空間フィルタを構成する受光面を通して受光部にて検出することで、被検出体の速度あるいは長さを検出する空間フィルタを用いた速度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の移動速度およびそれを積分して得られる位置（長さ）を計測する方法としては、タッチロール系、タッチ式パルス発振器方式、固定長フォトセンサによる計測等による間接的速度計測があるが、これらの計測方法では、スリップ誤差、高温体速度計測におけるローラの破損等により誤差動が生じる虞れが高い。一方、計測ロールがタッチできない、粉体、流体、損傷し易い物体、高温体等に対しては、非接触速度計測が行われている。非接触速度計測方法としては、相関法、レーザードップラー法、空間フィルター法等がある。これらの非接触速度計測方法の各々について一長一短はあるが、空間フィルタを用いた方法が、理論的にも定量的にも精度良く安価であるとの立場から、今まで定性的に論じられていた空間フィルタの理論を、空間周波数の領域で数式的にかつ理論的に一般解析された（東京工業大学制御工学科を中心とする内藤正、狼嘉彰、小林彬各氏発表「空間フィルタによる速度計測」）。このような空間フィルタを用いた速度計測方法として、例えば下記特許文献１あるいは２に記載されたようなものが提案されて利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９２７８０号公報（要約書参照）
【特許文献２】特開２０００−１１１４８９号公報（要約書参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に開示された第１従来例である空間フィルタ方式の速度検出装置および速度検出方法は、図５に示すように、検出光Ｌを投光する投光部１１０の光源部１１２よりも路面Ｇ側に投光側偏光フィルタ１１３を設け、路面Ｇからの反射光ＬＧを受光する受光素子１２５よりも路面Ｇ側に受光側偏光フィルタ１２２を設けた。受光素子１２５は図５（Ｂ）に示すように、櫛状のＡ組とＢ組からなる格子状の空間フィルタを構成する。投光部１１０は、検出光Ｌとして直線偏光光を投射し、受光側偏光フィルタ１２２の偏光方向は、水面Ｗからの反射光ＬＷの偏光方向と直交する方向に設けることにより、水面Ｗ等の強反射面からの反射光ＬＷに多く含まれる偏光成分を遮断し、路面Ｇからの反射光ＬＧのみを受光素子に受光させることを可能にしたもので、路面が濡れているか否かに拘らず、精度良く速度検出が可能な空間フィルタ方式の速度検出方式を提供するものである。
【０００５】
また、前記特許文献２に開示された第２従来例であるドラム状物体の表面検査装置は、速度検出ではないものの、受光素子から取り込まれた画像に一次元の空間フィルタリングを施した画像処理手段を有するもので、ドラム状の検査対象物２０４の表面欠陥を検査する表面検査装置であって、前記検査対象物２０４を回転させる手段と、前記検査対象物２０４の軸方向に平行である平行光を前記検査対象物２０４の表面に照射する投光光学系２０９、２１０ａ、２２３、２１０ｃ、２１３、２２４と、前記検査対象物２０４の表面から反射された正反射光を受光する受光光学系２１０ｂ、２１１、２１０ｄ、２１５とを有することを特徴とするもので、ドラム状物体の表面欠陥を地肌の凹凸と区別し、精度良く検出し得るドラム状物体の表面検査装置を提供するものである。
【０００６】
しかしながら、このような従来の空間フィルタを用いた速度検出方法あるいは速度検出装置もしくは表面検査装置にあって、前記図５の第１従来例のものでは、路面が濡れているか否かに拘らず、精度良く速度検出が可能な空間フィルタ方式の速度検出方式が提供されるものの、投光側と受光側とが別部位にあるため、投光側の投光検出光Ｌと受光側の反射光ＬＧ（水面からの反射光ＬＷも）とは相対移動する路面Ｇに対して垂直ではなく、所定角度傾斜せざるを得ず、検出光Ｌおよび反射光ＬＧの一部が拡散するのが避けられなかった。したがって、空間フィルタによる路面のむらを捕捉するむら信号である空間周波数に誤差を生じ易かった。
【０００７】
また、前記図６の第２従来例のものは、いわゆるバックスキャッタ方式が採用されており、ハーフミラー２２３、２２４を用いることで、例えば投光光学系２０９、２１０ａと受光光学系２１０ｂ、２１１とをハーフミラー２２３を用いることで、検査対象物２０４の表面に対して直交させることを可能にして、前記第１従来例のもののような検出光Ｌおよび反射光ＬＧの傾斜に起因してそれらの光の一部が拡散するのを防止できるものの、ハーフミラーの特性として、信号の量が半減するのが避けられず、これもまた、検出精度に支障を来す虞れがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、前記従来の空間フィルタを用いた速度検出方法および速度検出装置等の課題を解決して、検出光の拡散の虞れもなく高精度の空間周波数が得られるとともに、被検出体の凹凸や照度等の表面形態にも左右されることなく高精度の速度検出を可能にした速度検出方法およびその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため本発明は、投光部からの光を移動する被検出体に投光し、該被検出体からの反射光の光むら成分を受光素子を格子状に配列した空間フィルタを構成する受光面を通して受光部にて検出することで、被検出体の速度あるいは長さを検出する空間フィルタを用いた速度検出方法において、前記投光部からの光を投光する投光面と前記反射光を受光する受光面とを同一部位でかつ同一面としたことを特徴とする。また本発明は、前記投光面における投光についても空間フィルタを構成することを特徴とする。また本発明は、前記投光部と投光面との間および受光部と受光面との間を光ファイバ束にて接続したことを特徴とする。また本発明は、前記いずれかに記載の速度検出方法に用いられる投光面および受光面を有するセンサと、該センサの前記投光面および受光面を被検出体の移動を撮影するカメラのモニタ表面に臨接させて固定して速度検出部を構成したことを特徴とする。また本発明は、前記被検出体の移動を撮影するカメラが、被検出体との自動焦点調整機能および被検出体の自動照度調整機能を備えたＣＣＤカメラであることを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、投光部からの光を移動する被検出体に投光し、該被検出体からの反射光の光むら成分を受光素子を格子状に配列した空間フィルタを構成する受光面を通して受光部にて検出することで、被検出体の速度あるいは長さを検出する空間フィルタを用いた速度検出方法において、前記投光部からの光を投光する投光面と前記反射光を受光する受光面とを同一部位でかつ同一面としたことにより、投光と反射した受光とを被検出体に対して直交させることができて検出光の拡散が防止され、空間フィルタを通じた高精度の空間周波数が得られるので、高い精度の速度検出が可能となる。
【００１１】
また、前記投光面における投光についても空間フィルタを構成する場合は、受光面内にておいて投光側でも格子状の空間フィルタを形成して、投光側でも高精度の空間周波数が得られ、結果的により高い精度の速度計測が可能となる。さらに、前記投光部と投光面との間および受光部と受光面との間を光ファイバ束にて接続した場合は、投光部や受光部を制御する制御部を空間フィルタを構成する投光面および受光面から隔離した位置に自在に配設して設計の自由度を確保した場合でも、投受光が漏洩する虞れがない。
【００１２】
さらにまた、前記いずれかに記載の速度検出方法に用いられる投光面および受光面を有するセンサと、該センサの前記投光面および受光面を被検出体の移動を撮影するカメラのモニタ表面に臨接させて固定して速度検出部を構成したことにより、センサの空間フィルタを構成するところの投光面および受光面の焦点距離上にカメラのモニタ表面をセットすることで、実際の被検出体の移動が撮影された２次元平面としてモニタ表面に映像化されて移動するので、実際の被検出体表面の凹凸に煩わされることなく撮影された被検出体の移動状態すなわち速度検出をセンサで捕捉して安定して解析することが可能となる。また、前記被検出体の移動を撮影するカメラが、被検出体との自動焦点調整機能および被検出体の自動照度調整機能を備えたＣＣＤカメラである場合は、ＣＣＤカメラが本来有する自動焦点調整機能および自動照度調整機能を利用して、実際の被検出体表面に対して格別の焦点調整機構や照度調整機構を設置せずとも、カメラモニタ表面に常に適正な照度で明確な画像が得られるので、該モニタ表面をセンサの空間フィルタにより解析することで高精度にて速度検出を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の速度検出方法の原理概略を説明する概略図である。
【図２】同、受光制御部のブロック構成図である。
【図３】本発明の速度検出方法を利用した速度検出装置の概略図である。
【図４】投光面も空間フィルタとした場合の比較試験結果例図である。
【図５】第１従来例の空間フィルタ方式の速度検出装置および速度検出方法の説明図である。
【図６】第２従来例のドラム状物体の表面検査装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。本発明の速度検出方法およびその装置の基本的な構成は、図１に示すように、投光部６Ａからの光を移動する被検出体１に投光し、該被検出体１からの反射光の光むら成分を受光素子を格子状に配列した空間フィルタを構成する受光面３Ｂ１〜３Ｂ５、３Ｃ２〜３Ｃ６を通して受光部６Ｂ、６Ｃにて検出することで、被検出体１の速度あるいは長さを検出する空間フィルタを用いた速度検出方法において、前記投光部６Ａからの光を投光する投光面３Ａ１〜３Ａ７と前記反射光を受光する受光面３Ｂ１〜３Ｂ５、３Ｃ２〜３Ｃ６とを同一部位でかつ同一面（空間フィルタ面Ｆ）としたことを特徴とする。
【実施例１】
【００１５】
以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１（Ａ）に示すように、本発明の速度検出方法では、被検出体１の移動する速度Ｖを検出するのに、センサ２から被検出体１の表面に投光された検出光の反射光をセンサ２にの空間フィルタにて被検出体１の表面むら信号として受光し、該むら信号を空間周波数として捉えて制御部５の受光制御部５Ｂにて速度信号に処理するものである。本発明では、図１（Ｂ）に示すように、受光側で受光信号１（奇数プラス側）を受ける３Ｂ１、３Ｂ３、３Ｂ５と受光信号２（偶数マイナス側）を受ける３Ｃ２、３Ｃ４、３Ｃ６とで空間フィルタを構成する格子を形成し、さらに好適には、投光側でも投光信号を投光する３Ａ１〜３Ａ７（ハッチング部分）にて空間フィルタを構成する格子を形成する。投光側の格子は３Ａ１と３Ａ７の両側のみにてもある程度の空間フィルタを有するが、前記受光側との格子と交互に配列することで、空間周波数として捉えた検出精度が格段に向上することが知見された（後述する図４（Ｂ）を参照）。
【００１６】
図１（Ａ）のＡ−Ａ矢視にて示されるセンサ２の空間フィルタ面Ｆは、被検出体１の測定表面とδ（好適には焦点距離。適宜のレンズ等を介してもよい）の距離をおいて配置される。センサ２と制御部５との間は光ファイバ束にて接続される。制御部５の投光制御部５Ａ内に設置された投光部６Ａからの光はコネクタ４Ａにて接続された投光信号用光ファイバ束３Ａを通じてセンサ２内にて図１（Ｂ）の投光側の空間フィルタを構成する格子３Ａ１〜３Ａ７（ハッチング部分）に分散される。受光側の空間フィルタを構成する格子３Ｂ１、３Ｂ３、３Ｂ５からのファイバ束は集合されて受光信号１用光ファイバ束３Ｂを通じてコネクタ４Ｂにて接続された受光部１である６Ｂに入力され、同様に受光側の空間フィルタを構成する格子３Ｃ２、３Ｃ４、３Ｃ６からのファイバ束は集合されて受光信号２用光ファイバ束３Ｃを通じてコネクタ４Ｃにて接続された受光部２である６Ｃに入力され、これらの受光信号が加算されて処理部８に送出される。したがって、前記投光部６Ａからの光を投光する投光面３Ａ１〜３Ａ７（ハッチング部）と前記反射光を受光する受光面３Ｂ１〜３Ｂ５（奇数格子）、３Ｃ２〜３Ｃ６（偶数格子）とは、センサ２の先端面である空間フィルタ面Ｆ内に収まり、これらの投光用の空間フィルタおよび受光用の空間フィルタが同一部位でかつ同一面に配置できることが理解される。
【００１７】
図２は制御部５における受光制御部５Ｂのブロック構成図である。受光部６Ｂには（＋）側受光信号１からの受光信号が入力され、受光部６Ｃには（−）側受光信号２からの受光信号が入力される。図１（Ｂ）において、空間フィルタの格子幅をＷとすると、一般に空間フィルタでは、得られた信号が格子幅Ｗによって信号となる大きさ、信号とならない大きさに選別される。格子幅Ｗの奇数倍長のものは信号が変化し信号量に加算されるが、格子幅の偶数倍長のものはＤＣ成分となって信号量が変化せず信号化されない。つまり、格子幅（正確には空間フィルタのピッチ幅）により定められた空間周波数だけが、オン・オフを繰り返し、ＡＣ−ＡＭＰを通してＤＣ成分をカットし、空間フィルタの全体幅に依って生ずる低周波分をトラッキングＢＰＦ（Ｂａｎｄ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）９でカットすると、奇数長波だけのＡＣ成分が得られ、速度関数の空間基本周波数となる。
【００１８】
図２に戻り、空間基本周波数のパスル化について説明する。前記速度関数の空間基本周波数について＋側と−側のそれぞれに閾値を設けることにより、（＋、０、−）の３値レベルが得られ、＋側だけの相関を採ることにより得られた中心周波数Ｆ +（ｘ）、−側だけの相関を採ることにより得られた中心周波数Ｆ- （ｘ）とすると、一般的に相関関数はｆ（ｘ）の関数を位相遅れｆ（ｘ＋Δｔ）の関数の積和Ｆ（ｘ）＝∫0 t ｆ（ｘ）・ｆ（ｘ＋Δｔ）ｄｔで示されるので、９０°の位相遅れｆ（ｘ＋Δｔ）をシフトレジスタで作っている。つまり、受光部６Ｂ、受光部６Ｃからの受光信号は自動増幅制御器７にて増幅度が制御される。トラッキングＢＰＦ９から出た信号はパルス化されており、パルス周波数Ｆ（ｘ）がシフトレジスタ１０で９０°位相遅れを作り、ゲート１１で掛け算され、積分器１２で積分することで自己相関関数処理し、中心周波数を演算している。積分器１２からの出力電圧を周波数に変換して、変動分を増減パルスに変えてシフトレジスタ１０のシフトパルスとして使用し、ｆ（ｘ）・ｆ（ｘ＋Δｔ）を得ている。その結果、∫0 t ｆ（ｘ）・ｆ（ｘ＋Δｔ）ｄｔは周波数としては零相関（＋値で自己相関を採り、−値でも自己相関を採るため、周波数としては零になり、シフトレジスタに発信するためのＤＣレベルだけが残る）のＤＣ分の値として出力されアナログ量（瞬時のアナルグ値）として得られる。この信号が空間フィルタを通して得られる速度信号であり、シフトパルスをゲートカウンタ１６にて補正係数１５を基にした補正がなされる。シフトパルスのパルス列を数えることにより、その結果がディスプレイ１７に長さ表示される。
【００１９】
図４は投光面も空間フィルタとした場合の比較試験結果例図であり、図４（Ａ）は両側のみが投光部でその間に受光部が格子状に配列されて空間フィルタを形成したものの試験結果例図、図４（Ｂ）は投光部と受光部とが交互に格子を形成して投光面も空間フィルタを形成するものの試験結果例図である。図４（Ａ）は、両側のみが投光部でその間に受光部が格子状に配列されて空間フィルタを形成し、受光部の＋側格子と−側格子との間には例えば０．２ｍｍの隙間の不感帯を設けて空間フィルタが設けられたものにおいて得られた受光部からの中心周波数の出力レベルである。図４（Ｂ）は、両側が投光部でその間の受光部の格子状に配列された空間フィルタにおける＋側格子と−側格子との間の不感帯に代えて投光部の格子を配置することによって、投光部にあっても空間フィルタを形成したもので、得られた受光部からの中心周波数の出力レベルである。これらの比較試験結果例図によると、受光面と投光面とが同一部位でかつ同一面とし、投光面における投光についても空間フィルタを構成する場合は、高い出力レベルが得られて高精度の空間周波数が得られ、結果的により高い精度の速度計測が可能となることが理解される。
【実施例２】
【００２０】
図３は本発明の速度検出方法を利用した速度検出装置の概略図である。本実施例では、前述したセンサ２における空間フィルタ面Ｆを、モニタフレーム２０に設置され被検出体１の移動を撮影するカメラ１８のモニタ１９におけるモニタ表面Ｍに臨接させて固定して速度検出部を構成して、速度検出装置としたものである。図１の実施例のように、センサ２における空間フィルタ面Ｆを被検出体１の表面に対して直接臨接させる場合には、被検出体１の表面の凹凸あるいは移動の際の上下動等に起因して空間フィルタ面Ｆと被検出体１の表面との間隔δが変化してしまい、空間フィルタにおける前記格子幅（あるいはピッチ幅）に対する空間周波数の計測値にずれを生じてしまう。
【００２１】
それに対して、本実施例の速度検出装置によれば、センサ２の空間フィルタ面Ｆを被検出体１の移動を撮影するカメラ１８（特に好適には自動焦点調整機構や自動照度調整機構を備えるＣＣＤカメラ）のモニタ１９のモニタ表面Ｍに臨接させて固定して速度検出部Ｇを構成したことにより、センサ２の空間フィルタ面Ｆとモニタ１９のモニタ表面Ｍとの間隔ｆ（好適にはセンサ２の焦点に一致）を常時一定に維持して、カメラ１８にて撮影された被検出体１の移動をモニタ１９のモニタ表面Ｍに流れる画像として捉えて、該画像を測定することができる。その際、被検出体１の表面の凹凸や被検出体１の上下動によりカメラ１８との距離Ｌに変動があっても、センサ２の空間フィルタ面Ｆが捉えるのは上下動のないモニタ１９のモニタ表面Ｍであって、空間フィルタにおける格子幅（あるいはピッチ幅）に対する空間周波数の計測値にずれを生じることがないので、高精度の速度検出が得られることになる。
【００２２】
また、カメラ１８として、自動焦点調整機構や自動照度調整機構を備えるＣＣＤカメラを採用すれば、ＣＣＤカメラが本来有する自動焦点調整機能および自動照度調整機能を利用して、実際の被検出体表面に対して格別の焦点調整機構や照度調整機構を設置せずとも、カメラモニタ表面Ｍに常に適正な照度で明確な画像が得られるので、該モニタ表面Ｍをセンサの空間フィルタにより解析することでより高精度にて速度検出を行うことが可能となる。
【００２３】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、投光部における検出光を発生させる光源の種類、センサにおける投光面および受光面の空間フィルタの格子形状、受光素子あるいは投光素子である光ファイバの種類、センサの形状（先端の空間フィルタを構成するために、各光ファイバ束を各格子に分散して振り分けられる。また格子の幅Ｗに直交する方向の格子の長さは、検出される空間周波数信号の出力パワーを定めるもので、被検出体１の速度方向に対して直角に置かれた格子の長さが長い程、出力パワーが大きくなる。また、空間フィルタの格子の数については、空間フィルタの格子のピッチによって定められ選択された空間周波数の選択度として表わされ、その数が多い程、選択された中心周波数に対する先鋭度が高くなるが、それらの諸元寸法は適宜選定される）、形式、カメラの形状、形式（採用されるカメラは、被検出体との自動焦点調整機能および被検出体の自動照度調整機能を備えたＣＣＤカメラを好適とする）、カメラのモニタの形状、形式、モニタのモニタフレーム等への設置形態、モニタフレーム等を介したモニタへのセンサの設置固定形態等については適宜選定できる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、自動車等にセンサ等の速度検出装置を設置して路面を被検出体とした速度検出等に用いるのを好適とするが、非接触速度計測として、飛行機の離着陸時の対地速度計測、リニアモーターカーの対地速度計測、河川の流速度計測、土石流の初期発見、糸・紙・ケーブル・ワイヤ等の線状物の長さ計測（速度の積分による）、釣糸の速度・繰出し長さ検出、吹雪センサ、ワーク表面の損傷、切粉、粗さの検出等、広範囲に適用が可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１      被検出体
２      センサ
３      光ファイバ束
３Ａ      投光信号用光ファイバ束
３Ａ１〜
３Ａ７  投光用空間フィルタ
３Ｂ      受光信号１用光ファイバ束
３Ｂ１、３Ｂ３、３Ｂ５
受光用奇数倍空間フィルタ
３Ｃ      受光信号２用光ファイバ束
３Ｃ２、３Ｃ４、３Ｃ６                                                                    受光用偶数倍空間フィルタ
４      コネクタ
４Ａ      投光信号用コネクタ
４Ｂ      受光信号１用コネクタ
４Ｃ      受光信号２用コネクタ
５      制御部
５Ａ      投光制御部
５Ｂ      受光制御部
６Ａ      投光部
６Ｂ      受光部１
６Ｃ      受光部２
８      処理部
Ｆ      空間フィルタ面
Ｇ      速度検出部
Ｍ      モニタ面
Ｗ      格子幅
【図１】
2010271257.tif 000003
【図２】
2010271257.tif 000004
【図３】
2010271257.tif 000005
【図４】
2010271257.tif 000006
【図５】
2010271257.tif 000007
【図６】
2010271257.tif 000008