JP2005532573A - 回折光学素子に基づく温度補正式光学系 - Google Patents

Abstract

対象物と該対象物に透過された光との間における準弾性相互作用に基づく該対象物の条件あるいは状態を測定するための測定装置に関するものであって、測定装置は、回折光学素子を具備していて、該回折光学素子は回折領域を具備しており、該回折領域が、該対象物への第一光ビームを回折し焦点合わせするための第一回折構造体と、該対象物への第二光ビームを回折し焦点合わせするための第二回折構造体であって、該第二回折構造体は該第一回折構造体に対して横に配置されている第二構造体とを具備している。該第一及び第二回折構造体は、該第一及び第二光ビームを同一の焦点面に焦点合わせするようになっており、該焦点面は、該第一及び第二光ビームの伝幡方向に対しほぼ直交している。該回折領域が、更に、該対象物と相互作用した該光ビームから光を回折のためのレシービング回折構造体を備えている。該回折された光は、回折角度で回折されている。該入射光ビームの該入射角度と、該回折角度とがほぼ等しくなっている。

Description

本発明は、例えばレーザーダイオードの発光された波長における変化を補正する光学系に関する。そのような波長変化は温度変化あるいはモードホップスにより生じるかも知れない。本発明による装置は、トランスミッターとレシーバー部分との回折角度を一致させるようになっている。

単一の回折光学素子（ＤＯＥ）で、レーザータイムオブフライト速度計における光学的機能すべてを実行するアイデアが特許文献に開示されている。特許文献１における装置は、固体表面の速度測定用に使用されていた。この装置の主な利点は、装置の較正が、回折光学素子固有なものであって、かつ第一近似は波長と無関係であるので、従って安価で安定化処理していないレーザーダイオードの使用を可能にしている。

ＬＴＤ装置を図１に概略的に示している。視準レンズを用いてレーザーダイオードから発光された視準ビームは、ＤＯＥの中心部に入射する。ＤＯＥがビームを二つの焦点に回折し、分割し、焦点合わせを行ない、センサーの測定体積が形成される。焦点を通過する流れにより運ばれた粒子が光を全方向に散乱させる。光の一部は後方に散乱され、ＤＯＥのレシーバー部分に集光される。これが、測定体積を二つの検出器に回折しかつ結像するレンズである。測定体積を通過する粒子は、各検出器に時間遅れを伴なって信号ピークをもたらす。この時間遅れと焦点間の距離が分かると、粒子速度すなわちフロー速度が決定される。

ＤＯＥの回折角度は著しく波長に依存していて、温度依存性のないレーザーダイオードでさえ発光波長は１−３縦モードにおいてディファインされない。これは、温度依存性におけるモードホップス及びヒステリシスである。７８５nmにおけるレーザーにおいて、波長の不確かさは約±０．３nmである。このことが図２に図示されていて、測定された発光ピーク波長が、レーザーダイオードの温度の函数として図示されている。
ＬＴＶフローセンサーとして、焦点の合ったレーザービームがある程度の精度で平行となっている、空間的に適切に形成された測定体積のあることが重要である。このことは、検出器の前方に細い穴を適用することで部分的に達成されている。レシーバー回折レンズは、フローにおける測定体積を検出器の穴に結像しなければならない。しかしながら、もしレシーバー部分の回折角度がトランスミッター部分の入射角度と異なると、検出面における結像位置が波長に依存することになる。大きな検出器の場合このことは問題とならないけれども、細い穴が挿入される場合、クロストークが減少しかつ測定体積を限定するために、このことが重大な問題となる。

欧州特許公開第７７０２１９号明細書

本発明の目的は、前述の問題の解決方法を提供することであって、すなわち、検出面における結像位置が波長に無関係であるセンサーの配置構造を提供することである。

本発明の要約
図３において、トランスミッター部分の入射角度が６５°の場合の、結像位置の計算上の変化がレシーバー部分の回折角度の函数として図示されている。図１における従来の装置は、レシーバーの回折角度が３０°の場合の計算と一致している。同一角度の場合だけ位置の変化がゼロであることは明瞭である。１０°の角度の違いに対して、波長の変化０．５nmに相当する約５μｍの結像位置のずれが観察された。このずれはクリティカルなものである。というのは穴のサイズが通常同一のサイズだからである。

前述の目的は、第一実施態様における、以下の装置を提供することにより達成されている。
その装置は、対象物と該対象物に透過された光との間における準弾性相互作用に基づく該対象物の条件あるいは状態を測定するための測定装置であり、回折光学素子を具備する測定装置であって：
該回折光学素子は、入射光ビームにより照射されるようになっていて、該回折光学 素子が回折面を形成する回折領域を具備しており、該入射光ビームは該回折面の法線 に対して入射角度を形成していて、該回折領域が、
該対象物への第一光ビームを回折し焦点合わせするための第一回折構造体と、
該対象物への第二光ビームを回折し焦点合わせするための第二回折構造体であ って、該第二回折構造体は該第一回折構造体に対して横に配置されていて、該第 一及び第二光ビームは、該回折面の法線に対して第一回折角度で回折されている 、第二回折構造体とを具備していて、
該第一及び第二回折構造体は、該第一及び第二光ビームを同一の焦点面に焦点合わ せするようになっており、該焦点面は、該第一及び第二光ビームの伝幡方向に対しほ ぼ直交していて、
該回折領域が、更に、
該対象物と相互作用した該光ビームから光を回折のためのレシービング回折構 造体であって、該回折された光は、該回折面の法線に対して第二回折角度で回折 されている、回折構造体を具備しており、
該入射光ビームの該入射角度と、該第二回折角度とがほぼ等しくなっている、測定装置である。

測定装置は、該レシービング回折構造体から回折された光を集光し検出するためのレシーバーと、
検出された光に基づいて該対象物の条件あるいは状態を測定するための該レシーバーと作動可能に接続されたプロセッサとをさらに具備している。

該回折領域が、該対象物へのさらなる光ビームを回折するためのさらなる回折構造体を備えていて、該さらなる光ビーム各々は、該回折面の法線に対して該第一回折角度で回折している。好ましくは、該さらなる光ビームは、該第一及び第二光ビームと同じ焦点面に焦点合わせされている。

測定装置は、該入射光ビームの発光用光源をさらに具備している。さらに測定装置は、発光された該光ビームを視準化するための手段をさらに備えている。そのような視準化手段は、レンズのような屈折部材であってもよい。

好ましくは、該光源が４００nmと１０６００nmとの間のほぼ単色光を発光する。より好ましくは、該光源がレーザーダイオードのようなレーザーである。
使用可能なレーザーダイオードとしての波長は、例えば、６３５，６６０〜６８０，７８０，８００，８３０nmである。該検出器が第一及び第二光感度領域を備えている。さらに、空間フィルターが該検出器の該第一及び第二光感度領域の前方に設置されている。

該空間フィルターがピンホールである。該空間フィルターが、別に該検出器の該光感度領域と接続した光ファイバーを備えている。これは二本の光ファイバーであってもよい。

該検出器が単一の光感度領域を備えていて、空間フィルターが、該単一の光感度領域の前方に設置されている。

第二実施態様において、本発明は流体（ガス又は液体）の流速測定用のフローセンサーであって、好ましくはフローセンサーが、本発明の第一実施態様における測定装置を具備している。

第三実施態様において、本発明は、対象物の表面速度を測定するための速度センサーであって、好ましくは速度センサーが、本発明の第一実施態様における測定装置を具備している。

第四実施態様において、本発明は以下の測定方法に関するものである。
その測定方法は、対象物と該対象物に透過された光との間における準弾性相互作用に基づく該対象物の条件あるいは状態を測定するための測定方法であって；回折光学素子を準備する段階と、該回折光学素子を、入射光ビームにより照射する段階とを含んでいる測定方法において：
該回折光学素子が回折面を形成する回折領域を具備しており、該入射光ビームは該 回折面の法線に対して入射角度を形成していて、該回折領域が、
該対象物への第一光ビームを回折し焦点合わせするための第一回折構造体と、
該対象物への第二光ビームを回折し焦点合わせするための第二回折構造体であ って、該第二回折構造体は該第一回折構造体に対して横に配置されていて、該第 一及び第二光ビームは、該回折面の法線に対して第一回折角度で回折されている 、第二回折構造体とを具備していて、
該第一及び第二回折構造体は、該第一及び第二光ビームを同一の焦点面に焦点合わ せするようになっており、該焦点面は、該第一及び第二光ビームの伝幡方向に対しほ ぼ直交していて、
該回折領域が、更に、
該対象物と相互作用した該光ビームから光を回折のためのレシービング回折構 造体であって、該回折された光は、該回折面の法線に対して第二回折角度で回折 されている、回折構造体を具備しており、
該入射光ビームの該入射角度と、該第二回折角度とがほぼ等しくなっている、測定方法である。

前述したように本発明は、レーザーダイオードのような光源の発光波長における変化を補正する光学系に関する。そのような波長フラクチュエーションは温度変化あるいはモードホップスにより生じる。

本発明において、波長の補正は、トランスミッターとレシーバー部分との回折角度を一致させることにより行なわれている。この方法においては、測定体積を通過する小粒子からの後方散乱された光がレシーバーレンズにより集光され、レーザーダイオードから入射される視準レーザービームの反対方向に回折される。このことが図４に図示されている。図４に示す構造配置はミラーの問題をかかえていて、レシーバー部分で集光され回折された光が入射する視準レーザービームから空間的に分離されなければならない。これは種々の方法で行なわれている。

図１及び４に示す実施態様は、トランスミッションＤＯＥの使用にもとづくものである。表面リリーフＤＯＥに反射コートを塗布することにより、ＤＯＥを反射ＤＯＥとして使用することができる。反射コートはＡｕの薄膜でよいけれども、他の材料例えばＡｌ又はＡｇであってもよい。ＤＯＥ自体はフォトレジストで製作されてもよい。

他の実施態様において、ＤＯＥは反射エレメントとトランスミッションエレメントとに分割されている。これが図５に図示されていて、レシーバーＤＯＥが反射エレメントとなっていて、トランスミッターエレメントはトランスミッションＤＯＥとなっている。レシーバーにより回折された光は、ＤＯＥ平面における視準ビームの単純な反射／ミラリングに一致する方向となっている。

他の解決方法も可能である。トランスミッターＤＯＥが反射ＤＯＥとなっていて、レシーバーＤＯＥがトランスミッションＤＯＥとなっている。これが図６に図示されている。

好ましくは、ＤＯＥがフォトレジストにおけるトランスミッション表面リリーフ格子となっている。この格子は、４４１．６nmのＨｅＣｄ−レーザーを使用し、シーケンシャルマルチプル露光を用い、アナログインターフェロメトリックライティングセットアップを使用して製作されている。格子の回折効率を最大化するために、高次の回折を抑制することにより、約９０°の合計回折角度（入射角度＋回折角度）が使用されている。表面リリーフ格子構造体の使用は、ＤＯＥを例えば射出成形あるいはエンボシングを用いてポリマ材料に複製することが可能である。図７における実施態様において、入射角度が６５°であって回折角度は２５°である。トランスミッターとレシーバーとの焦点距離は、同一であって１６０mmに等しい。レシーバーエレメントの回折角度はトランスミッションエレメントの入射角度と同一である。トランスミッターとレシーバー回折エレメントとが、格子定数及び焦点距離に関して同一であることは、ＤＯＥのアナログレコーディングプロセスを著しく簡単なものにしている。本光学系において、ＤＯＥの後で受光された光は視準化されている−入射レーザービームと同様に、従って、視準レーザービームだけを反射する狭いミラーを使用することにより、受光された光を入射レーザービームから分離することが可能である。受光された光はこのミラーを通過し、屈折レンズを用いて検出面に結像される。回折エレメントを使用することにより新たな従属波長を導入しないために、屈折レンズを用いることが重要なことである。図７に示す、光学系において、すべての光学素子をＤＯＥの一方側に保つことが可能となり従ってセンサーユニットの有効作動距離を長くすることが可能となる。

本発明は種々の用途があることを説明してきた。従って、当業者においては、本発明における精神及び範囲を逸脱することなく開示した実施態様の変更と修正とを実行することができる。

図１は、非補償式ＬＴＶ装置を示している。 図２は、レーザーダイオードのケース温度の函数としてレーザーダイオードのピークエミッション波長を図示したもので、矢印は測定サイクルを表示している。 図３は、レシーバー部分の異なる回折角度に対するイメージ位置の変化を示していて、トランスミッター部分における入射角度は６５°であり−トランスミッターの回折角度は２５°であってレシーバー部分の入射角度に等しくて−波長の変化は０．５nmである。 図４は、補償式ＬＴＤ装置を示していて、レシーバー部分の回折角度がトランスミッター部分の入射角度と一致している。 図５は、トランスミッショントランスミッターと反射レシーバーエレメントとを使用している補償式ＬＴＤ装置を示している。 図６は、反射トランスミッターとトランスミッションレシーバーエレメントとを使用している補償式ＬＴＤ装置を示している。 図７は、同一の回折角度と同一の焦点長さを使用している補償式ＬＴＤ装置を示している。

Claims (21)

1. 対象物と該対象物に透過された光との間における準弾性相互作用に基づく該対象物の条件あるいは状態を測定するための測定装置であり、回折光学素子を具備する測定装置であって：
   該回折光学素子は、入射光ビームにより照射されるようになっていて、該回折光学 素子が回折面を形成する回折領域を具備しており、該入射光ビームは該回折面の法線 に対して入射角度を形成していて、該回折領域が、
   該対象物への第一光ビームを回折し焦点合わせするための第一回折構造体と、
   該対象物への第二光ビームを回折し焦点合わせするための第二回折構造体であ って、該第二回折構造体は該第一回折構造体に対して横に配置されていて、該第 一及び第二光ビームは、該回折面の法線に対して第一回折角度で回折されている 、第二回折構造体とを具備していて、
   該第一及び第二回折構造体は、該第一及び第二光ビームを同一の焦点面に焦点合わ せするようになっており、該焦点面は、該第一及び第二光ビームの伝幡方向に対しほ ぼ直交していて、
   該回折領域が、更に、
   該対象物と相互作用した該光ビームから光を回折のためのレシービング回折構 造体であって、該回折された光は、該回折面の法線に対して第二回折角度で回折 されている、回折構造体を具備しており、
   該入射光ビームの該入射角度と、該第二回折角度とがほぼ等しくなっている、測定装置。
2. 該レシービング回折構造体から回折された光を集光し検出するためのレシーバーと、
   検出された光に基づいて該対象物の条件あるいは状態を測定するための該レシーバーと作動可能に接続されたプロセッサとをさらに具備している、請求項１に記載の測定装置。
3. 該回折領域が、該対象物へのさらなる光ビームを回折するためのさらなる回折構造体を備えていて、該さらなる光ビーム各々は、該回折面の法線に対して該第一回折角度で回折している、請求項１に記載の測定装置。
4. 該さらなる光ビームは、該第一及び第二光ビームと同じ焦点面に焦点合わせされている、請求項３に記載の測定装置。
5. 該入射光ビームの発光用光源をさらに具備している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 発光された該光ビームを視準化するための手段をさらに備えている、請求項５に記載の測定装置。
7. 該光源が４００nmと１０６００nmとの間の光を発光する、請求項５又は６に記載の測定装置。
8. 該光源がほぼ単色光源である、請求項５〜７のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 該光源がレーザーである、請求項８に記載の測定装置。
10. 該光源がレーザーダイオードである、請求項８に記載の測定装置。
11. 該検出器が第一及び第二光感度領域を備えている、請求項２に記載の測定装置。
12. 該検出器の該第一及び第二光感度領域の前方に設置されている空間フィルターをさらに具備している、請求項１１に記載の測定装置。
13. 該第一及び第二光感度領域の前方に設置された該空間フィルターがピンホールである、請求項１２に記載の測定装置。
14. 該第一及び第二光感度領域の前方に設置された該空間フィルターが、該検出器の該光感度領域と接続した二本の光ファイバーを備えている、請求項１２に記載の測定装置。
15. 該検出器が単一の光感度領域を備えている、請求項３に記載の測定装置。
16. 該検出器の該単一の光感度領域の前方に設置された空間フィルターをさらに具備している、請求項１５に記載の測定装置。
17. 流体の流速測定用のフローセンサーであって、フローセンサーが、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の測定装置を具備しているフローセンサー。
18. 流体がガスである、請求項１７に記載のフローセンサー。
19. 流体が液体である、請求項１７に記載のフローセンサー。
20. 対象物の表面速度を測定するための速度センサーであって、速度センサーが、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の測定装置を具備している速度センサー。
21. 対象物と該対象物に透過された光との間における準弾性相互作用に基づく該対象物の条件あるいは状態を測定するための測定方法であって；回折光学素子を準備する段階と、該回折光学素子を、入射光ビームにより照射する段階とを含んでいる測定方法において：
    該回折光学素子が回折面を形成する回折領域を具備しており、該入射光ビームは該 回折面の法線に対して入射角度を形成していて、該回折領域が、
    該対象物への第一光ビームを回折し焦点合わせするための第一回折構造体と、
    該対象物への第二光ビームを回折し焦点合わせするための第二回折構造体であ って、該第二回折構造体は該第一回折構造体に対して横に配置されていて、該第 一及び第二光ビームは、該回折面の法線に対して第一回折角度で回折されている 、第二回折構造体とを具備していて、
    該第一及び第二回折構造体は、該第一及び第二光ビームを同一の焦点面に焦点合わ せするようになっており、該焦点面は、該第一及び第二光ビームの伝幡方向に対しほ ぼ直交していて、
    該回折領域が、更に、
    該対象物と相互作用した該光ビームから光を回折のためのレシービング回折構 造体であって、該回折された光は、該回折面の法線に対して第二回折角度で回折 されている、回折構造体を具備しており、
    該入射光ビームの該入射角度と、該第二回折角度とがほぼ等しくなっている、測定方法。

Images