DE69126506T2

DE69126506T2 - Gerät zur Verschiebung- oder Geschwindigkeit- Messung

Info

Publication number: DE69126506T2
Application number: DE69126506T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Ishida; Hidejiro Kadowaki; Makoto Takamiya
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2011-11-30
Also published as: DE69126506D1; EP0488416A1; EP0488416B1; JP2962819B2; JPH04204104A; US5327222A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verschiebeoder Geschwindigkeitsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Verschiebe- oder Geschwindigkeitsmeßgerät mißt die Verschiebeinformation eines sich bewegenden Gegenstandes oder Fluids, und insbesondere mißt dieses Verschiebemeßgerät die Information wie eine Geschwindigkeit durch Erfassung der Abweichung der Frequenz eines kohärenten Lichtflusses wie eines Laserstrahls.
Herkömmlicherweise waren ein Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmesser als Gerät zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit eines sich bewegenden Gegenstandes oder Fluids bekannt (im nachfolgenden wird darauf einfach als "sich bewegender Gegenstand" Bezug genommen), kontaktlos und mit hoher Genauigkeit. Der Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmesser ist ein Gerät zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit eines sich bewegenden Gegenstandes durch Richten der Ausstrahlung eines Laserstrahls auf den sich bewegenden Gegenstand und Verwenden eines Effekts, daß die Frequenz von gestreutem Licht durch den sich bewegenden Gegenstand abweicht (oder verschiebt) proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit, oder eines sogenannten Dopplereffekts.
Ein Beispiel dieses herkömmlichen Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmessers ist in Fig. 1 gezeigt. In der Fig. ist 1 ein Laser, 2 eine Kollimatorlinse, 3 ein paralleler Lichtfluß, 4 ein Strahlenteiler, 6 und 6' sind Spiegel, 7 ist ein sich bewegender Gegenstand, der sich in der Pfeilrichtung mit einer Geschwindigkeit V bewegt, 8 ist eine Fokusierlinse und 9 ist ein Photodetektor.
Mit diesem Aufbau wird ein Laserstrahl, der von dem Laser 1 ausgestrahlt wird, durch die Kollimatorlinse 2 zu dem parallelen Lichtfluß 3 und durch den Strahlenteiler 4 in zwei Lichtflüsse 5 und 5' aufgeteilt. Die zwei Lichtflüsse 5, 5' werden dann jeweils an den Reflektorspiegeln 6 und 6' reflektiert und auf den sich bewegenden Gegenstand 7 aufgestrahlt, wobei sie sich mit einer Geschwindigkeit V in einem Eintrittswinkel θ bewegen, wobei sich zwei Lichtflüsse überlappen. Das durch den sich bewegenden Gegenstand gestreute Licht wird über die Fokusierlinse 8 durch den Photodetektor 9 erfaßt. Die Frequenzen der gestreuten Lichter von den zwei Lichtflüssen werden jeweils den Dopplerverschiebungen +Δf und -Δf unterworfen, proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit V des sich bewegenden Gegenstandes. Hier ist die wellenlänge des Laserstrahls λ, und Δf kann durch den folgenden Ausdruck (1) gegeben werden.
Δf = Vsin(θ)/λ (1)
Die gestreuten Lichter, die den Dopplerverschiebungen +Δf und -Δf jeweils unterlagen, stören einander, um eine periodische Variation eines Kontrastes auf einer lichtempfangenden Ebene des Photodetektors 9 hervorzurufen. Dessen Frequenz F kann durch den folgenden Ausdruck (2) gegeben werden.
F = 2Δf = 2Vsin(θ)/λ (2)
Somit kann die Geschwindigkeit V des sich bewegenden Gegenstandes 7 durch Messung der Frequenz F (im nachfolgenden wird darauf als Dopplerfrequenz Bezug genommen) des Photodetektors 9 aus der Gleichung (2) erhalten werden.
Bei dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser wie in dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Beispiel ist die Dopplerfrequenz F umgekehrt proportional zur Wellenlänge λ des Laserstrahls. Dementsprechend war es notwendig, eine Laserlichtquelle zu verwenden, die eine stabile Wellenlänge als Lichtquelle des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers hat. Als Laserlichtquelle, die in der Lage ist, eine kontinuierliche Ausstrahlung zu leisten und die eine stabile Wellenlänge hat, wird oft ein Gaslaser wie ein He-Ne-Laser verwendet, jedoch ist der Laser-Oszillator-Hauptkörper groß und erfordert eine hohe Spannung, was in einem großen und teueren Gerät resultiert. Andererseits ist eine Laserdiode (oder Haibleiterlaser) für den Gebrauch bei einer Kompaktdisk, einer Videodisk oder einer optischen Faserverbindung sehr klein und leicht anzutreiben, sie hat jedoch ein Problem, daß die Temperaturabhängigkeit existiert.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer normalen Temperaturabhängigkeit einer Laserdiode (zitiert aus dem Mitsubishi Halbleiter-Datenbuch, 1987: optische Halbleitergeräte), bei der ein Abschnitt mit sich kontinuierlich ändernder Wellenlänge vorherrscht, aufgrund der Temperaturschwankung des Refraktivindex in der Aktivschicht der Laserdiode und sie beträgt zwischen 0,05 bis 0,06 nm/ºC. Andererseits wird auf einen Abschnitt mit einer sich diskontinuierlich ändernden Wellenlänge als ein Vertikalmodushüpfen Bezug genommen und beträgt zwischen 0,2 bis 0,3 nm/ºC.
Um die Wellenlänge zu stabilisieren wird im allgemeinen ein Verfahren angewandt, bei dem die Laserdiode geregelt wird, um auf einer konstanten Temperatur gehalten zu werden. Bei diesem Verfahren ist es notwendig, ein Temperaturregelungsbauteil wie ein Heizgerät, ein Radiator oder einen Temperatursensor an der Laserdiode zu befestigen, mit einem geringen thermischen Widerstand, um die Temperatur mit hoher Genauigkeit zu regeln. Wenn dies für den Laser- Doppler-Geschwindigkeitsmesser verwendet wird, ist das Gerät relativ groß und verschlingt hohe Kosten und desweiteren kann die Instabilität aufgrund des vorstehend beschriebenen Vertikalmodushüpfens nicht vollständig eliminiert werden.
Der Anmelder hat einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser in der EP-A-0 391 278 vorgeschlagen, um dieses Problem zu lösen. Dies beruht auf einem Verfahren (im nachfolgenden wird darauf als "G-LDV-Verfahren" Bezug genommen), bei dem ein Laserstrahl aus einer Lichtquelle wie einem Halbleiterlaser auf ein Beugungsgitter auftrifft, wobei unter den erhaltenen gebeugten Strahlen zwei gebeugte Strahlen mit der +n-ten und der -n-ten Ordnung (n ist 1, 2, ...) außer von der 0-ten Ordnung auf den sich bewegenden Gegenstand oder das strömende Fluid mit dem gleichen Schnittwinkel aufgestrahlt werden, wie ein Winkel, der durch die zwei Lichtflüsse hergestellt wird, und das gestreute Licht von dem sich bewegenden Gegenstand oder strömenden Fluid wird durch einen Photodetektor erfaßt.
Fig. 3 ist ein Beispiel einer Beugung, wenn ein Laserlicht I auf ein transparentes Beugungsgitter 10, mit einer Gitterteilung d, in einer Richtung senkrecht zur Gitteranordnungsrichtung t auftrifft, und der Beugungswinkel θo wird durch die folgende Gleichung gegeben.
sinθo = mλ/d,
wobei m eine Beugungsordnung ist (0, 1, 2, ...) und λ eine Wellenlänge des Lichts ist, wobei die Lichter der ±n-ten Ordnung außer der 0-ten Ordnung durch die folgende Gleichung dargestellt werden können.
sinθo = ±nλ/d (3)
(n: 1, 2, ...)
Fig. 4 ist eine Ansicht, bei der zwei Lichtflüsse der ±n-ten Ordnung mit Spiegeln 6, 6' auf einen gemessenen Gegenstand 7 aufgestrahlt werden, so daß der Auftreffwinkel θo sein kann.
Die Dopplerfrequenz F des Photodetektors 9 wird gegeben durch:
F = 2Vsinθo/λ = 2nV/d (4)
aus den Gleichungen (2) und (3). Deshalb ist die Frequenz F umgekehrt proportional zur Gitterteilung d des Beugungsgitters 10 und proportional zur Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstandes 7, unabhängig vom Laserlicht 1. Da die Gitterteilung d ausreichend stabil sein kann, kann die Dopplerfrequenz F erhalten werden, die nur proportional zur Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstandes 7 ist. Wenn das Beugungsgitter 10 vom Reflexionstyp ist, können dieselben Wirkungen erhalten werden.
Im allgemeinen, wenn ein hochkohärentes Licht wie ein Laserstrahl auf einen Gegenstand aufgestrahlt wird, unterliegt das gestreute Licht aufgrund von Unregelmäßigkeiten der Gegenstandsoberfläche einer Zufallsphasenmodulation, wodurch Punktmuster, das heißt, sogenannte Sprenkelmuster auf der Beobachtungsebene gebildet werden. Bei dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser, wenn sich der sich bewegende Gegenstand bewegt, wird die Kontrastschwankung durch die Dopplerverschiebung auf einer Erfassungsebene des Photodetektors durch unregelmäßige Kontrastschwankungen aufgrund von Sprenkelmustern moduliert und das Ausgangssignal des Photodetektors wird auch durch die Übertragungsschwankung (oder Reflexion) des gemessenen Gegenstandes moduliert.
Das G-LDV-Verfahren, wie es vorstehend beschrieben wurde, wird im allgemeinen in einer solchen Art und Weise ausgeführt, daß der Ausgang des Photodetektors durch einen Hochpaßfilter läuft, um niedrige Frequenzanteile elektrisch zu entfernen, um nur Dopplersignale herauszugreifen, weil die Frequenz der Kontrastschwankung aufgrund der Strömung der Sprenkelmuster und die Frequenz der Übertragungsschwankung (oder Reflexion) für den sich bewegenden Gegenstand im allgemeinen eine niedrige Frequenz sind, im Vergleich zu der Dopplerfrequenz, wie in der Gleichung (4) gezeigt ist. Aber wenn die Dopplerfrequenz aufgrund einer niedrigen Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstandes niedrig ist, ist der Frequenzunterschied in Bezug auf niedrige Frequenzschwankungsanteile geringer, was in einem Problem resuliert, daß der Hochpaßfilter nicht verwendet werden kann und die Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstandes nicht gemessen werden kann. Desweiteren kann die Bewegungsrichtung prinzipiell nicht erfaßt werden.
Somit hat die Anmelderin in der EP-A-0 391 278 ein Gerät vorgeschlagen, das einen Aufbau hat, wie er in Fig. 5 gezeigt ist. In Fig. 5 wird das Beugungsgitter, das eine Gitterteilung d hat, mit einer Geschwindigkeit Vg bewegt, wie gezeigt ist. Ein auf das sich bewegende Beugungsgitter auftreffender Laserstrahl wird in die gebeugten Lichter 5, 5' der ±n-ten Ordnung aufgeteilt, die dann jeweils positiven und negativen Doppierverschiebungen +Vg/nd unterliegen. Der Beugungswinkel θo erfüllt folgendes:
sinθo = λ/nd (5)
(λ: Wellenlänge des Lichts) Wenn diese zwei Lichtflüsse der ±n-ten Ordnung von den Spiegeln 6, 6' auf den sich mit der Geschwindigkeit V bewegenden Gegenstand aufgestrahlt werden, so daß der Auftreffwinkel θo sein kann, unterliegen die gebeugten Lichter von dem gemessenen Gegenstand 7 der Doppierverschiebung um den Betrag von +(Vg+V)/nd für das +n- te Ordnungslicht 5 und -(Vg+V)/nd für das -n-te Ordnungslicht 5' und stören einander, wobei die Dopplerfrequenz F durch folgendes gegeben ist:
F = 2(Vg+V)/nd (6)
Als ein Ergebnis ist die Dopplerfrequenz F nicht von der Wellenlänge des Laserlichts abhängig. Das heißt, sogar wenn die Geschwindigkeit des gemessenen Gegenstandes 7 gering ist, kann die Dopplerfrequenz ausreichend für einen Frequenzunterschied in Bezug auf niedrige Frequenzkomponenten genommen werden, die durch den Fluß von Sprenkelmustern oder einer Übertragungsschwankung (oder Reflexion) des gemessenen Gegenstandes hervorgerufen werden, wie vorstehend beschrieben wurde, durch die Bewegungsgeschwindigkeit Vg des Beugungsgitters, und das Ausgangssignal von dem Photodetektor läuft durch den Hochpaßfilter, um die niedrigen Frequenzkomponenten elektrisch zu entfernen, um nur das Dopplersignal herauszugreifen, wodurch die Erfassung der Geschwindigkeit ermöglicht wird.
Die Fig. 6A und 6B zeigen das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit V des gemessenen Gegenstandes und der Dopplerfrequenz in dem Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser, der das Beugungsgitter verwendet. Fig. 6A ist ein Beispiel, wo das Beugungsgitter fixiert ist, Fig. 6B ist ein Beispiel, wo sich das Beugungsgitter mit der Geschwindigkeit Vg bewegt. Wie von der Fig. 6A verstanden werden kann, sogar wenn eine bestimmte Frequenz F1 erfaßt wird, die Bewegungsgeschwindigkeit nicht bestimmt werden, weil zwei Geschwindigkeiten V&sub1;, -V&sub1; mit unterschiedlicher Richtung einander entsprechen. In Fig. 6B wird die Dopplerfrequenz F = Fg+F1 für die Geschwindigkeit V&sub1; und F = Fg-F1 für die Geschwindigkeit -V&sub1; erhalten, so daß die Richtung der Geschwindigkeit V erfaßt werden kann. Aus der Gleichung (6) wird die Geschwindigkeit V durch den Ausdruck dargestellt:
V = F(d/2)-Vg (7)
Deshalb kann die Geschwindigkeit V der Gleichung (7) durch Erfassung von F gemessen werden, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit Vg des Beugungsgitters geregelt wird.
Ein gattungsgemäßes Verschiebe-oder Geschwindigkeitsmeßgerät ist von der vorstehend beschriebenen EP-A-0 391 278 bekannt. Dieses Gerät ist schon in der Lage, eine geringe Geschwindigkeit zu messen, weil sich dessen Beugungsgitter dreht oder bewegt. Jedoch muß die Bewegung des Gitters exakt geregelt werden.
Desweiteren zeigt die Laser- und Optoelektronik, Vol. 17, Nr. 4, Dezember 1985 Stuttgart, Seiten 362 bis 375 eine akustisch-optische Vorrichtung, die in einem LDA- Zweistrahlgerät verwendet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verschiebe- oder Geschwindigkeitsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, daß eine geringe Geschwindigkeit erfaßt werden kann, während eine einfache Konstruktion des Gerätes und eine Unsensibilität hinsichtlich einer Wellenlängenschwankung gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale erreicht, die in dem gekennzeichneten Abschnitt des Anspruchs 1 angezeigt sind.
Weitere vorteilhafte Entwicklungen werden in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Eine akustisch-optische Vorrichtung, die durch AOM dargestellt ist, wird verwendet, um einen Frequenzunterschied von zwei Lichtflüssen zu geben und die akustisch-optische Vorrichtung ist in einer einfachen Form angeordnet, wobei der Aufbau unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes bleibt, wie vorstehend beschrieben wurde.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung offensichtlich, die später beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Beispiel eines Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmessers.
Fig. 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Temperaturabhängigkeit der Oszillationsfrequenz für eine Laserdiode zeigt.
Fig. 3 ist eine erläuternde Ansicht eines Beugungsgitters.
Fig. 4 ist eine Erläuterungsansicht eines herkömmlichen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers, der das Beugungsgitter verwendet
Fig. 5 ist eine Erläuterungsansicht eines herkömmlichen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers mit einem Beugungsgitter vom Bewegungstyp.
Die Fig. 6A und 6B sind Diagramme, die das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit V des sich bewegenden Gegenstandes und der Dopplerfrequenz F zeigen.
Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Lichtintensität und des Ausgangs des Photodetektors, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
Fig. 8 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine Ansicht eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist eine Ansicht zur Erläuterung eines anderen Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 ist eine Ansicht des Systemaufbaus eines Antriebssystems, das einen Geschwindigkeitsmesser hat, wie in Fig. 9 oder Fig. 10 gezeigt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben, jedoch wird die Doppierverschiebung, die eine Voraussetzung für das Meßprinzip der vorliegenden Erfindung ist, mathematisch beschrieben.
Fig. 7 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Lichtintensität und des Ausgangs des Photodetektors 9, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wo Io ein einfallender Lichtfluß ist, der eine Frequenz fo und eine Wellenlänge (nicht gezeigt) λ hat. E&sub1;(t) und E&sub2;(t) zeigen die gestreuten Lichter, in die die gebeugten Lichter 5a, 5b von einem Beugungsgitter 10 auf einen sich bewegenden Gegenstand 7 aufgestrahlt werden und bei einem Einfallswinkel θs in Bezug zur optischen Achse gebeugt werden, und sie können jeweils durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden:
E&sub1;(t) = A&sub1;exp[i*2π{fo+v/λo(sinθo-sinθs)}t]
E&sub2;(t) = A&sub2;exp[i*2π{f0-v/λo(sinθo+sinθs)}t] (8)
Der Ausgang des Photodetektors ist eine Mischung aus E&sub1;(t) und E&sub2;(t) und wird durch folgendes gegeben:
I(t) = A&sub1;²+A&sub2;²+2A&sub1;A&sub2;cos(2π(2vsinθ/λo)t) (9)
Somit kann die Frequenz (Dopplerfrequenz) des Ausgangsdetektors 9 durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
F = 2V((sinθo)/λo) (10)
Fig. 8 ist eine Ansicht zur Erläuterung des Meßprinzips der vorliegenden Erfindung, bei der I&sub1; ein Lichtfluß ist, der eine Frequenz f&sub1; und eine Wellenlänge λ&sub1; hat, und I&sub2; ist ein Lichtfluß, der eine Frequenz f&sub2; und eine Wellenlänge λ&sub2; hat. E&sub3;(t) und E&sub4;(t) zeigen die gestreuten Lichter, in die die gebeugten Lichter 5c und 5d von I&sub1; und I&sub2;, die vertikal auf das Beugungsgitter 10 fallen, auf einen sich bewegenden Gegenstand ausgestrahlt und mit einem Einfallswinkel θs in Bezug auf die optische Achse jeweils gebeugt, und sie können durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
E&sub3;(t) = A&sub3;exp[i*2π{f&sub1;+v/λ&sub1;(sinθ&sub1;-sinθs)}t]
E&sub4;(t) = A&sub4;exp[i*2π{f&sub2;-v/λ&sub2;(sinθ&sub2;-sinθs)}t] (11)
Somit ist der Ausgang des Photodetektors 9 durch folgendes gegeben:
I(t) = A&sub3;²+A&sub4;²+2A&sub3;A&sub4;cos[2π{Δfo+v(sinθ&sub1;)/λ&sub1;+(sinθ&sub2;)/λ&sub2;)+ vsinθs(1/λ&sub2;-1/λ&sub1;)}t] (12)
Somit ist die Dopplerfrequenz gegeben durch folgendes:
F = Δf&sub0;+v((sinθ&sub1;)/X&sub1;+(sinθ&sub2;)/λ&sub2;)+vsinθs(1/λ&sub2;-1/λ&sub1;) (13)
Andererseits, da
(sinθ&sub1;)/λ&sub1; = (sinθ&sub2;)/λ&sub2; = n/d und vsinθs(1/λ&sub2;-1/λ&sub1;) = (v/C)sinθs*Δfo 0
(C: Lichtgeschwindigkeit)
wobei vsinθs(1/λ&sub2;-1/λ&sub2;) vernachläßigbar ist, so daß die folgende Gleichung (14) erhalten werden kann:
F = Δf&sub0; + 2nv/d (14)
Aus dem vorherstehenden kann die Geschwindigkeitsrichtung und die Geschwindigkeit nahe Null mit einer hohen Genauigkeit und mit einem einfachen Aufbau erfaßt werden.
Nun wird ein spezielles Beispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 9 ist eine Aufbauansicht des Ausführungsbeispieles gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 9 sind 12a, 12b Wellenlängenschieber, die in diesem Ausführungsbeispiel akustisch-optische Vorrichtungen verwenden. Jede akustisch-optische Vorrichtung hat eine Eigenschaft der Verschiebung der Frequenz von 40MHz für 12a und 41MHz für 12b. Ein Laserstrahl 3(Frequenz fo, Wellenlänge λo), der von einer Laserdiode 1 abgegeben wird und über eine Kollimatorlinse 2 parallel gemacht wird, wird durch eine optische Strahlenteilereinheit 13 in zwei Lichtflüsse aufgeteilt, die aus einem Halbspiegel und einem Totalreflexionsspiegel besteht. Die zwei Lichtflüsse werden jeweils in die akustisch-optischen Vorrichtungen 12a, 12b geleitet. Die Frequenzen des Lichtflusses I&sub1; (Frequenz f&sub1;, Wellenlänge λ&sub1;), die aus der akustisch-optischen Vorrichtung 12a herauskommt, und der Lichtfluß I&sub2; (Frequenz f&sub2;, Wellenlänge λ&sub2;), der aus der akustisch-optischen Vorrichtung 12b herauskommt, sind die fo des Laserstrahls 3 durch Addieren von jeweils 41 Mhz und 40 Mhz, woraus zwei Lichtflüsse mit der Frequenz resultieren, die um eine konstante Frequenz unterschiedlich ist (Δf&sub0; = f&sub1;-f&sub2; = 1 Mhz).
Die Laserstrahlen I&sub1; und I&sub2; werden vertikal auf das Beugungsgitter 10 als das Kollimatorlicht parallel zueinander aufgestrahlt. Das Beugungsgitter 10 ist vom Markierungstyp (blazed type), das so konstruiert ist, daß der Laserstrahl I&sub1; und der Laserstrahl I&sub2; effizient jeweils in die jeweiligen primären gebeugten Lichter auf der linken Seite und der rechten Seite, wenn man auf die Zeichnung blickt, umgewandelt. Die gebeugten Lichter 5c, 5d werden jeweils bei den Spiegeln 6, 6' reflektiert, um mit demselben Schnittwinkel auf den sich bewegenden Gegenstand 7 auf zutreffen, als ein Winkel, der miteiner gemacht wird, wenn sie aus dem Beugungsgitter herauskommen. Die zu dieser Zeit von dem sich bewegenden Gegenstand 7 produzierten gebeugten Lichter werden effizient durch die Fokusierlinse 8 in den Photodetektor 9 geleitet. Und das Signal, das eine Dopplerfrequenz F hat, wie in der folgenden Gleichung (15) dargestellt ist, die zu n = 1 in der Gleichung (14) gemacht wird, ist der Ausgang:
F = Δfo + 2v/d (15)
Da die akustisch-optische Vorrichtung 12 eine sehr hohe Betriebsstabilität hat, ist Δfo = 1MHz sehr stabil. Somit kann die Geschwindigkeit V durch Erfassen der Dopplerfrequenz F mit hoher Genauigkeit erfaßt werden, wie in der folgenden Gleichung (16) gezeigt ist:
V = (f-Δfo)xd/2 (16)
Mit dem oben genannten Aufbau ist es möglich, einen ausreichenden Frequenzunterschied in Bezug auf niedrige Frequenzkomponenten zu erhalten, die durch die Strömung von Sprenkelmustern oder die Übertragungsschwankung (oder Reflexion) des sich bewegenden Gegenstandes hervorgerufen wurden, um die Geschwindigkeit zu erfassen, indem das Ausgangssignal des Photodetektors durch den Hochpaßfilter geleitet wird, um niedrige Frequenzkomponenten elektrisch zu entfernen, um nur das Dopplersignal herauszugreifen. Der absolute Wert auf der rechten Seite der Gleichung (16) stellt einen absoluten Wert der Geschwindigkeit des sich bewegenden Gegenstandes 7 dar, wobei die Vorzeichen ± die Bewegungsrichtung angeben. Das elektrische Verarbeiten wird durch einen elektrischen Schaltkreis (nicht gezeigt) durchgeführt, der mit dem Photodetektor 9 verbunden ist.
Auf diese Art und Weise ist dieses Ausführungsbeispiel mit einer Beleuchtungseinheit zur Erzeugung zweier unterschiedlicher kohärenter Lichtflüsse versehen, einem Beugungsgitter zum Bilden erster und zweiter gebeugter Lichter durch die Beugung der zwei Lichtflüsse, einer optischen Einheit zum Bewirken, daß die Lichter mit im wesentlichen demselben Winkel auf den sich bewegenden Gegenstand auftreffen, wie ein Winkel, bei dem die ersten und zweiten gebeugten Lichter aus dem Beugungsgitter herauskommen, einer Lichtempfangsvorrichtung zur Aufnahme der gebeugten Lichter aus dem sich bewegenden Gegenstand, die durch die ersten und zweiten gebeugten Lichter ausgestrahlt werden, und eine Vorrichtung zur Erfassung der Verschiebungsinformation des sich bewegenden Gegenstandes, basierend auf dem Dopplersignal, von der Lichtempfangsvorrichtung.
Da eine akustisch-optische Vorrichtung an einer Stelle unmittelbar vor der Position angeordnet ist, wo der Lichtfluß auf das Beugungsgitter auftrifft, um den zwei Lichtflüssen einen Frequenzunterschied zu geben, kann der Aufbau, der nicht von der Wellenlänge des Laserstrahls abhängt, leichter im Vergleich zu einem Fall hergestellt werden, wo er in dem optischen Pfad nach dem Herauskommen aus dem Beugungsgitter angeordnet ist. Das heißt, da die akustisch-optische Vorrichtung ein Merkmal der Ablenkung des optischen Pfades hat (jedoch in der Fig. ist gezeigt, daß er zur Einfachheit ohne Ablenkung herauskommt), muß der Aufbau, der nicht von der Wellenlänge des Laserstrahls abhängt, wie vorstehend beschrieben wurde, durch zufügen des Ablenkungswinkels hergestellt werden, wenn die akustisch-optische Vorrichtung in dem optischen Pfad nach dem Herauskommen aus dem Beugungsgitter angeordnet ist, und ist somit komplexer. Wenn sie jedoch in dem optischen Pfad vor dem Eintritt in das Beugungsgitter angeordnet ist, wie in diesem Ausführungsbeispiel, kann der Aufbau, der nicht von der Wellenlänge des Laserlichts abhängt, wie vorstehend beschrieben wurde, in derselben Art und Weise wie ein herkömmlicher hegestellt werden und ist einfach. Desweiteren sind eine akustisch-optische Vorrichtung für die Frequenzmodulation und ein Beugungsgitter (zum Herstellen des Aufbaus, der nicht von der Wellenlänge abhängt, in der der Laserstrahl vertikal auftrifft, separat vorgesehen, so daß der Freiheitsgrad für den Aufbau, der nicht von der Wellenlänge des Laserstrahls abhängt, erhöht ist. Das heißt, daß der Beugungswinkel für den Aufbau, der nicht von der Wellenlänge des Laserstrahls abhängt, das heißt, der Beugungswinkel des Teilungsgitters, durch den Aufbau des Beugungsgitters bestimmt werden kann, und der Ablenkungswinkel, der von dem Merkmal der akustisch-optischen Vorrichtung für die Frequenzmodulation bestimmt wird, muß in diesem Aufbau nicht berücksichtigt werden, wodurch dieser Aufbau leichter erzeugt werden kann.
Als nächstes wird ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 10 ist eine Aufbauansicht des anderen Ausführungsbeispieles, wobei dieselben Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Teile wie in Fig. 9 bezeichnen. Das Beugungsgitter 10 ist von einem Markierungstyp, das so konstruiert ist, daß der Laserstrahl I&sub1; und der Laserstrahl I&sub2; effizient jeweils in primäre gebeugte Lichter auf der rechten Seite und der linken Seite, wenn man auf die Zeichnung blickt, umgewandelt werden, ungleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel. Die Laserlichter 5c, 5d fallen mit demselben Schnittwinkel auf den sich bewegenden Gegenstand 7, wie jener Winkel, der miteinander erzeugt wird, wenn sie direkt aus dem Beugungsgitter herauskommen. Die gestreuten Lichter von dem sich bewegenden Gegenstand 7 werden effizient durch die Fokusierlinse 8 in den Photodetektor 9 geleitet, der das Signal ausgibt, das eine Dopplerfrequenz F hat, wie in der Gleichung (15) dargestellt ist, ähnlich wie das vorherige Ausführungsbeispiel, so daß dieselben Wirkungen wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel erhalten werden können. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Reflexionsspiegel 6, 6' unnötig sind, kann eine weitere Vereinfachung erzielt werden, im Vergleich zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel.
Es soll angemerkt werden, daß in jedem vorstehend genannten Ausführungsbeispiel zwei akustisch-optische Vorrichtungen verwendet werden, um eine Differenz zwischen ihren Frequenzen zu verschieben, jedoch kann die akustisch-optische Vorrichtung in nur einem optischen Pfad angeordnet werden, um einen Lichtfluß mit der Frequenzverschiebung zu erzeugen, der durch die akustisch-optische Vorrichtung hergestellt wird und einen Lichtfluß ohne Frequenzverschiebung, die dann auf das Beugungsgitter aufgestrahlt werden.
Die vorstehenden Ausführungsbeispiele sind Geräte zur Messung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Gegenstandes, wenn jedoch die Geschwindigkeit integriert wird, kann die Verschiebung erhalten werden, was es erlaubt, das Gerät als ein Verschiebegerät wie einen sogenannter Encoder zu verwenden.
In den oben genannten Ausführungsbeispielen wurde das Beispiel zur Erfassung der Oberflächengeschwindigkeit eines sich bewegenden Gegenstandes gezeigt, jedoch ist die vorliegende Erfindung auch auf ein Beispiel anwendbar, wo die Geschwindigkeit eines kleinen Abschnittes in dem Fluid erfaßt wird, indem zwei Lichtflüsse eingeengt werden, und Strahlenmittelstücke geschnitten werden, wie in der EP-A- 391 278 beschrieben ist, wodurch dieselben Wirkungen erhalten werden können.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel des Systems, das den vorstehend beschriebenen Doppler-Geschwindigkeitsmesser hat, und ist eine Ansicht eines Systemaufbaus eines Antriebssystems, das einen Geschwindigkeitsmesser hat, um hauptsächlich für ein Bilderzeugungsgerät und ein Bildlesegerät verwendet zu werden. Der sich bewegende Gegenstand 100, wie ein Blatt, wird durch eine Antriebsvorrichtung 102 bewegt, die einen Antriebsmechanismus hat, der einen Antriebsmotor und eine Drehwalze hat. Die Bewegungsgeschwindigkeit oder der Bewegungsbetrag des sich bewegenden Gegenstandes 100 wird durch den Geschwindigkeitsmesser 101 erfaßt, wie vorstehend beschrieben wurde. Das erfaßte Ausgangssignal dieses Geschwindigkeitsmessers wird zur Regelvorrichtung 103 zurückgeführt, die ein Antriebssignal an die Antriebsvorrichtung 102 weiterleitet, um in den Zustand versetzt zu werden, der durch eine Stellvorrichtung 104 eingestellt ist. Durch die Errichtung eines solchen Rückkopplungssystems kann der sich bewegende Gegenstand 100 bewegt werden, wie er durch die Einsteilvorrichtung 104 eingestellt wurde. Ein solches Antriebssystem ist auf verschiedene Maschinenwerkzeuge oder Herstellungsmaschinen, Meßinstrumente, Video/Audio-Geräte, OA-Instrumente, Informationsgeräte und alle weiteren Geräte, die den Antriebsmechanismus haben, anwendbar.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es mit den vorstehenden Ausführungsbeispielen möglich, die Verschiebung mit hoher Genauigkeit zu messen und die Richtung mit einem einfachen Aufbau zu erfassen, sogar wenn sich der sich bewegende Gegenstand mit einer geringen Geschwindigkeit bewegt.
Die Verschiebeinformation des Gegenstandes wird von einem Schwebungssignal erhalten, das dem Frequenzunterschied entspricht und von dem Detektor erhalten wird, wobei das optische System so ausgebildet ist, daß die Frequenz des Schwebungssignals im wesentlichen nicht von einer Schwankung einer Wellenlänge des Lichtflusses, der auf das Beugungsgitter auftrifft, beeinflußt wird.

Claims

1. Ein Verschiebe- oder Geschwindigkeitsmeßgerät, aufweisend

eine Lichterzeugungsvorrichtung (1, 13) zur Erzeugung eines ersten Lichtflusses,

eine optische Vorrichtung (6, 6', 8, 10), enthaltend ein Beugungsgitter (10), wobei der erste Lichtfluß orthogonal auf das Beugungsgitter (10) auftrifft, so daß der erste Lichtfluß gebeugt und ausgegeben wird, wobei die optische Vorrichtung (6, 8) bewirkt, daß der erste Lichtfluß, der von dem ersten Beugungsgitter (10) gebeugt wird, auf einen Gegenstand (7) auftrifft, dessen Verschiebung oder Geschwindigkeit zu messen ist; und

eine Erfassungsvorrichtung (9) zum Durchführen einer Erfassung durch die Interferenz eines Lichtflusses, der auf den Gegenstand (7) auftrifft und von dem Gegenstand (7) gestreut wird, mit einem anderen Lichtfluß, der auf den Gegenstand (7) auftrifft und von dem Gegenstand (7) gestreut wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichterzeugungsvorrichtung (1, 13) einen zweiten Lichtfluß erzeugt, wobei zumindest einer der ersten und zweiten Lichtflusse in eine akustisch-optische Vorrichtung (12) eingeführt wird, zum Einführen eines Frequenzunterschiedes zwischen den Lichtfrequenzen der ersten und zweiten Lichtflüsse, wobei der zweite Lichtfluß orthogonal auf das Beugungsgitter (10) auftrifft, wobei die Messung der Verschiebung oder Geschwindigkeit des Gegenstandes (7) von dem Schwebungssignal des gestreuten Lichtes von dem Abschnitt des Gegenstandes (7) erhalten wird, das durch die ersten und zweiten Lichtflüsse angestrahlt wird, und von dem Frequenzunterschied zwischen den ersten und zweiten Lichtflüssen.

2. Ein Gerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung (6, 6', 8, 10) die ersten und zweiten Lichtflüsse so leitet, daß sie auf den Gegenstand (7) in einem Auftreffwinkel auftreffen, der denselben Wert wie ein Austrittswinkel der ersten und zweiten Lichtflüsse aus dem Beugungsgitter (10) hat.

3. Ein Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung (6, 6', 8, 10) Spiegel (6, 6') zum Reflektieren der ersten und zweiten Lichtflüsse hat, so daß die ersten und zweiten Lichtflüsse auf den Gegenstand (7) in einem Auftreffwinkel auftreffen, der denselben Wert hat, wie ein Austrittswinkel der ersten und zweiten Lichtflüsse aus dem Beugungsgitter (10).

4. Ein Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) die ersten und zweiten Lichtflüsse so beugt, daß die ersten und zweiten Lichtflüsse in einem Winkel auf den Gegenstand (7) auftreffen, der denselben Wert hat, wie ein Austrittswinkel der ersten und zweiten Lichtflüsse aus dem Beugungsgitter (10).

5. Ein Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichterzeugungsvorrichtung (1, 13) eine Lichtquelle (1) enthält, die ein Licht ausstrahlt und ein optisches Strahlenteilersystem (13) zum Erzeugen erster und zweiter Lichtflüsse aus dem Licht, wobei die akustisch- optische Vorrichtung (12) zwei akustisch-optische Vorrichtungen (12a, 12b) aufweist, zur Anwendung jeweiliger vorbestimmter Frequenzverschiebungen auf die ersten und zweiten Lichtflüsse.

6. Ein Gerät gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung (6, 6', 8, 10) die ersten und zweiten Lichtflüsse unterschiedlicher Frequenz aus den zwei akustisch-optischen Vorrichtungen (12a, 12b) leitet, so daß sie sich auf dem Gegenstand (7) schneiden.

7. Ein Gerät gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) die ersten und zweiten Lichtflüsse so beugt, daß sich die gebeugten Lichter auf dem Gegenstand (7) schneiden.

8. Ein Gerät gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (10) ein Beugungsgitter vom Markierungstyp ist.

9 Ein Antriebssystem, aufweisend eine Antriebseinheit (102), ein Verschiebe-oder Geschwindigkeitsmeßgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und eine Regeleinheit (103) zur Regelung der Antriebseinheit (102) auf der Grundlage der Verschiebeinformation, die durch das Verschiebe- oder Geschwindigkeitsmeßgerät erhalten wurde.