JP2015087216A - 光学式変位情報測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の移動速度を非接触で、高い分解能と広い測定深度で測定する光学式変位情報測定装置を提供する。【解決手段】光源１からの光を平行光束にするコリメータレンズ２と、平行光束を直進方向と直角方向に分岐するビームスプリッター８と、直角方向に分岐した光束をもとの直進方向と平行に戻すミラー９により複数の平行光束をつくり、それぞれの光束をさらに２つに分割する回折格子３ａ、３ｂと、分割された２光束を移動物体２０ａ，２０ｂに交差して照射する反射手段５ａ、５ｂと、移動物体２０ａ，２０ｂからの散乱光の周波数偏移を検出するための集光レンズ６ａ，６ｂ、受光センサ７ａ，７ｂ、信号処理回路から構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、移動する物体や流体等にレーザー光を照射し、該移動物体の移動速度に応じて周波数変調を受けた散乱光の周波数偏移を検出することにより移動物体の変位情報や移動速度を非接触で測定できる、いわゆるドップラー効果を利用した光学式変位情報測定装置に適用できるものであり、鉄鋼、アルミ、銅などの金属やガラス、プラスチック、木材等非金属の各種工業材料、繊維、製紙機械の製造工程での使用のほか、印刷装置における紙送りの精密測定など、対象物に直接触れることなく速度・変位を測定する手段として幅広い用途に利用できる。

特許文献１には、レーザードップラー速度計が開示されている。図４、図５に従来のレーザードップラー速度計の概略図を示す。光源１からの光束をコリメータレンズ２で平行光とし、回折格子３で分離することにより発生させた２光束を、ミラー４または平行プリズム５を用いて被測定物２０に交差して照射し、被測定物からの散乱光を集光レンズ６、受光センサ７で検出して被測定物の周波数偏移を測定し、演算装置１０で変位情報または速度情報に変換する。

上記のように、レーザードップラー速度計は移動する被測定物に２光束を交差するように照射して干渉させ、散乱光の周波数偏移を検出することで変位情報や速度情報を演算するが、有効な干渉光が得られる範囲は図６の２ｔとなる。これは交差角θの大きさにより変化し、θが小さいほど２ｔは大きく、測定深度は広くとることができる。ここで、測定分解能をｄとすると、
ｄ sinθ = λ、d = λ / sin θ、V = 1/2 d F
の関係が得られ、分解能dは光源波長λが一定のときθが大きい程小さな値となる。θが小さい場合はｄの値は大きくなり、測定分解能が粗くなってしまうため、高精度の測定には不向きである。しかし、θを大きくすると前記の理由により測定深度が狭くなってしまう。

特開２０１０−１７５４９３号公報

従来のレーザードップラー速度計は高精度に測定するために分解能を上げると交差角が大きく取らなければならず、光学的に測定深度が狭くなる。よって表面高さの変化が大きな対象物の変位情報を高い分解能で測定することが難しい。焦点深度を深くするためには２光束の交差角θを小さくする必要があり、分解能を落とすことになる。

このような問題点を解決するために、本発明では、レーザー光源から射出されて平行光となった光束をビームスプリッターや回折格子で分岐し、検出手段を多段構成とし、各段のドップラー信号のうち最もSNのよいものを測定値とすることで分解能を落とさずに広い焦点深度を高精度に測定することができる構成とした。

本発明によれば、物体の移動速度を非接触で測定する光学式変位情報測定装置において、高い分解能と広い測定深度を達成することができる。

本発明が採用された光学式変位情報測定装置の第1実施例を示す。 本発明が採用された光学式変位情報測定装置の第２実施例を示す。 本発明が採用された光学式変位情報測定装置の第３実施例を示す。 従来の光学式変位情報測定装置の構成を示す。 従来の光学式変位情報測定装置の構成を示す。 光学式変位情報測定装置における交差角度と分解能の関係を示す。

［実施例1］
図１は本発明による第１実施例の構成を示す。

レーザー１から射出してコリメータレンズ２により平行光とされた光束αはビームスプリッター８で透過・直進する部分α１と、直角方向に向かう部分α２とに分岐される。直進した光束α１は回折格子３ａにより分割され、平行プリズム５ａで反射して被測定物２０ａに交差するように照射される。直角方向に分岐した光束α２は、さらにミラー９で90°曲げて光束α１と平行に直進し、回折格子３ｂで分割されて平行プリズム５ｂで反射して被測定物２０ｂに交差して照射する。

２０ａ、２０ｂの散乱光はそれぞれ集光レンズ６ａ、６ｂ、受光センサ７ａ、７ｂにより周波数偏移を検出する。このとき、３ａ、５ａ、６ａ、７ａは被測定物が２０ａのとき散乱光を検出する最適な光学配置としており、測定深度は±ｄである。

同様に３ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂは被測定物が２０ｂのとき散乱光を検出する最適な光学配置としており、測定深度は±ｄである。実際の測定においては、２個の受光センサ７ａ７ｂから得られたドップラー信号のうちS/Nの良い方を１０で演算処理して測定値とする。２０ａと２０ｂが２ｄ離れていることを想定すると、図１の実施例では測定深度が４ｄとなり、広い範囲で測定することが可能となる。よって交差角θを大きくとり、高い分解能を維持したまま焦点深度をより深くとることが可能となる。

［実施例2］
図2は本発明による第2実施例の構成を示す。

第１実施例の構成に加えて、ビームスプリッターを３段構成とすることで、焦点深度を６ｔまで広げることができる。その結果、実施例２よりさらに広い範囲で高精度の測定を行なうことが出来る。

［実施例3］
図3は本発明による第3実施例の構成を示す。

光源１からの光束をコリメータレンズ２で平行光とし、回折格子３で分離することにより発生させた２光束を、ひし形プリズム１１で任意の間隔に広げた後、ビームスプリッターの代わりに回折格子で上下方向に分岐し、焦点深度の設定を変えた３段のひし形プリズムにそれぞれ入射させ、被測定物２０に照射し、被測定物からの散乱光を検出手段６、７で検出して、演算装置１０で変位情報または速度情報に変換する。３段の検出信号はS/Nの最もよいものを演算処理するものである。

１ レーザー光源
２ コリメータレンズ
３ 回折格子１
４ 反射ミラー
５ 平行プリズム
６ 集光レンズ
７ 受光センサ
８ ビームスプリッター
９ 直角ミラー
１０ 演算回路
１１ ひし形プリズム
１２ 回折格子２
２０ 被測定面

Claims (4)

1. 光源からの平行光束を回折格子で分離することにより発生させた２光束を、ミラー等を用いて交差させて被測定物に照射し、前記被測定物からの散乱光を検出手段で検出して被測定物の変位情報を測定するための光学式変位情報測定装置において、
   光源からの光束の一部を回折格子で分離する手前でビームスプリッターで直角方向に分岐し、さらにミラーで元の光束と平行に戻した後、前記と同様の散乱光を検出する手段を備えることを特徴とする光学式変位情報測定装置。
2. 前記検出手段を複数個配置し、複数個の検出手段より得られた信号のうち、最も信号品質のよいものを選択処理して、変位情報とする演算手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学式変位情報測定装置。
3. 前記複数の検出手段の光学的焦点位置をずらして配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学式変位情報測定装置。
4. 前記ビームスプリッターの反射率を前記複数の検出手段の焦点位置に応じて変更したことを特徴とする請求項３に記載の光学式変位情報測定装置。