JP2016148561A

JP2016148561A - レーザドップラ速度計

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Publication number: JP2016148561A
Application number: JP2015024793A
Authority: JP
Inventors: 良太大島; Ryota Oshima
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-02-10
Also published as: JP6474270B2

Abstract

【課題】安全性を確保しつつ、高精度な速度測定を行う。
【解決手段】測定用レーザ光源１が出射した測定光と、照準用レーザ光源２が出射した照準光とを、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３で波長合成した上で、ビームスプリッタ５で二つのビームに分岐し、各ビームを、被計測物上の照射領域に、照射領域の正の移動方向側斜め上方と照射領域の負の移動方向側斜め上方より被計測物に照射し、測定光の散乱光を光検出器８で検出する。そして、計測装置９は、検出信号のビート周波数に基づいて被計測物の移動速度を測定する。測定用レーザ光源１は、測定光として、1400nmから2600nmまでのアイセーフレーザと呼ばれる近赤外光レーザを出射し、照準用レーザ光源２は、照準光として波長635nmの赤色レーザを出射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザドップラ速度計に関するものである。

レーザドップラ速度計としては、レーザ光を分岐した二つの光束を、被測定物上の同じ領域に異なる方向から照射すると共に、照射した二つの光束によって被測定物上で生じる散乱光を検出し、散乱光のビート周波数をヘテロダイン検波して、被測定物の移動速度を算出するレーザドップラ速度計が知られている（たとえば、特許文献１）。

特開2005-61928号公報

上述のようなレーザドップラ速度計において、高精度な速度測定を実現する上では、高出力のレーザ光を用いて散乱光の検出感度を向上することが望ましいが、レーザ光を高出力化することは、人間の目に対する安全性の観点からは好ましくない。
そこで、レーザ測定に用いるレーザ光として、アイセーフレーザと呼ばれる人の目に損傷を与えにくい近赤外レーザ光を用い、レーザ光の出力を増加しつつ、近赤外レーザ光に可視光を波長合成して測定対象物に出射することにより、測定対象物上の近赤外レーザ光の照射箇所を視認可能とすることが考えられる。このように、近赤外レーザ光に可視光を合成して視認可能とすることで、より高い出力の近赤外レーザ光をレーザ測定に用いることができる。
しかしながら、この場合には、被測定物を異なる方向から照射する二つの光束の各々について、それぞれ可視光を波長合成する構成が必要となってしまうため、レーザドップラ速度計の構造が複雑化してしまう。

そこで、本発明は、人間の目に対する安全性を確保しつつ、より精度良く速度測定を行えるレーザドップラ速度計を簡易な構造で実現することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、被測定物の移動速度を測定するレーザドップラ速度計に、1400nm以上2600nm以下の波長のレーザ光である測定光を出射する測定用レーザ光源と、波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、前記測定光と前記照準光とを波長合成し、合成光として出力する波長合成器と、前記合成光を第１分割光と第２分割光とに分割するビームスプリッタと、前記第１分割光と第２分割光とが、異なる方向から前記被測定物上に設定した照射領域に照射されるように、前記第１分割光と第２分割光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させる進路変更光学系と、前記照射領域における前記測定光の散乱光の強度を検出し検出信号として出力する光検出器と、前記検出信号のビート周波数に基づいて前記被測定物の移動速度を計測する計測部とを備えたものである。

ここで、このレーザドップラ速度計では、前記波長合成器として、ファイバ型ＷＤＭ光カプラを用い、前記測定光を測定用レーザ光源から第１の光ファイバを介して前記ファイバ型ＷＤＭ光カプラに入力すると共に、前記照準光を照準用レーザ光源から第２の光ファイバを介して前記ファイバ型ＷＤＭ光カプラに入力するように構成してもよい。

また、この場合には、前記ファイバ型ＷＤＭ光カプラとしては、前記測定光の波長帯で低損失となる二本の偏波保持光ファイバを中央部で融着延伸して形成されたものを用いるようにしてよい。
または、以上のレーザドップラ速度計は、前記波長合成器を、ダイクロイックミラーとし、前記測定光を測定用レーザ光源からダイクロイックミラーに出射されると共に、前記照準光を前記照準用レーザ光源からダイクロイックミラーに出射するようにしてもよい。
なお、以上の各レーザドップラ速度計においては、前記測定光として、波長1550nmのレーザ光を用いるようにしてもよい。
以上のようなレーザドップラ速度計によれば、速度測定用のレーザとして、人の目に損傷を与えにくいアイセーフレーザ（波長1400nmから2600nmのレーザ）を用いつつ、測定光の照射位置を視認できるように可視光の照準光を測定光と波長合成してレーザドップラ速度計から出射するので、安全性を確保しつつ測定光の出力を大きくして測定精度の向上を図ることができる。

また、ビームスプリッタで、測定光を分割する前に、照準光を測定光に合成するので、レーザドップラ速度計から出射する二つの測定光のそれぞれについて、測定光に照準光を合成する構成を設ける必要がなく、レーザドップラ速度計の構成を簡素化することができる。

以上のように、本発明によれば、人間の目に対する安全性を確保しつつ、より精度良く速度測定を行えるレーザドップラ速度計を簡易な構造で実現することができる。

本発明の実施形態に係るレーザドップラ速度計の構成を示す図である。本発明の実施形態に係るファイバ型ＷＤＭ光カプラを示す図である。本発明の実施形態に係るレーザドップラ速度計の他の構成例を示す図である。

以下、本発明に係るレーザドップラ速度計の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態に係るレーザドップラ速度計の構成を示す。
図示するようにレーザドップラ速度計は、測定用レーザ光源１、照準用レーザ光源２、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ５、ミラー６、対物レンズ７、光検出器８、計測装置９を備えている。
ここで、測定用レーザ光源１は、計測装置９によって駆動され、近赤外レーザ光を測定光として出射する。測定用レーザ光源１が出射する近赤外レーザ光の波長としては、1400nmから2600nmまでのアイセーフレーザと呼ばれるレーザの波長範囲の波長を用いる。以下では、測定光として波長1550nmの近赤外レーザを用いるものとして説明を行う。

また、照準用レーザ光源２は、計測装置９によって駆動され、可視レーザ光を照準光として出射する。以下では、照準光として波長635nmの赤色のレーザを用いるものとして説明を行う。
測定用レーザ光源１から出射された測定光は、波長1550nm用の光ファイバ１１によってファイバ型ＷＤＭ光カプラ３に導入され、照準用レーザ光源２から出射された照準光は、波長635nm用の光ファイバ２１によってファイバ型ＷＤＭ光カプラ３に導入される
ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３は、導入された測定光と照準光とを波長合成し、コリメータレンズ４に出射する。

コリメータレンズ４は、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３から入射する測定光と照準光とを平行光束に変換してビームスプリッタ５に出射する。
ビームスプリッタ５は、コリメータレンズ４から入射する測定光と照準光とをそれぞれ二つに分岐し、分岐した一方の測定光と照準光とよりなる第１レーザ光群を被測定物１００に照射し、分岐した他方の測定光と照準光とよりなる第２レーザ光群をミラー６に向けて出射する。

そして、ミラー６は、ビームスプリッタ５から入射する第２レーザ光群を反射し被測定物１００に照射する。
ここで、ビームスプリッタ５から出射された第１レーザ光群とミラー６から出射された第２レーザ光群は、被測定物１００の同じ領域を照射する。また、ビームスプリッタ５から出射された第１レーザ光群は、被測定物１００の移動方向と垂直な方向から被測定物１００の正の移動方向にθ傾けた方向から被測定物１００を照射し、ミラー６から出射された第２レーザ光群は、被測定物１００の移動方向と垂直な方向から被測定物１００の負の移動方向にθ傾けた方向から被測定物１００を照射する。なお、移動方向の正負は、測定の目的に応じて任意に設定してよい。

したがって、第１レーザ光群の測定光と第２レーザ光群の測定光が照射されている領域には、第１レーザ光群の照準光と第２レーザ光群の照準光による可視の光スポットも形成される。
次に、対物レンズ７は、被測定物１００で散乱された第１レーザ光群と第２レーザ光群の散乱光を光検出器８に集光し、光検出器８は集光された散乱光の測定光の成分を光電変換し、測定光の成分の強度を表す検出信号を計測装置９に出力する。
ここで、第１レーザ光群の測定光の散乱光の周波数と第２レーザ光群の測定光の散乱光の周波数には、被測定物１００の移動速度に応じた大きさのドップラーシフトが生じており、光検出器８が出力する検出信号には、ドップラーシフトの大きさに応じた周波数のビートが生じている。

そこで、計測装置９は、光検出器８から出力された検出信号のビート周波数を計測し、計測したビート周波数から被測定物１００の移動速度ｖを算定する。
次に、図２にファイバ型ＷＤＭ光カプラ３の構成を示す。
図示するように、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３は、二本の波長1550nm用の偏波保持光ファイバ(PANDAファイバ)３１、３２を溶融延伸して中央部で融着延伸した波長1550nm用のファイバ型ＷＤＭ光カプラであり、二本の偏波保持光ファイバの入力側端にはそれぞれ光コネクタ３３、３４が設けられており、各光コネクタ３３、３４には、測定用レーザ光源１から出射された測定光を伝送する光ファイバ１１と、照準用レーザ光源２から出射された測定光を伝送する光ファイバ２１が、それぞれ接続される。なお、波長1550nm用の偏波保持光ファイバとは、波長1550nmの光に対して低損失となる偏波保持光ファイバである。

また、融着延伸した二本の偏波保持光ファイバ３１、３２のうちの一方の偏波保持光ファイバ３２の出力側端は終端されており、他方の偏波保持光ファイバ３１の出力側端には出力端子３５が接続されている。
そして、このようなファイバ型ＷＤＭ光カプラ３において、二本の偏波保持光ファイバ３１、３２の入力側端から偏波保持光ファイバ３１、３２に導入された測定光と照準光は、二本の偏波保持光ファイバ３１、３２の中央の融着延伸部で結合して波長合成され、波長合成された測定光と照準光が出力端子３５から、コリメータレンズ４に出射される。

ここで、以上のように、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３を波長1550nm用の偏波保持光ファイバを用いて形成しているので、波長635nmの照準光は比較的大きく減衰しながらファイバ型ＷＤＭ光カプラ３内を伝送されることとなるが、ある程度の距離は伝送されるので、波長635nmの照準光と波長1550nmの測定光との波長合成は実現できる。

また、照準光は速度の測定精度には関わらず、照準光の出射レベルは、測定光の照射位置に視認できる光スポットを形成できるレベルであれば足りる。よって、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３における照準光の減衰は実用上問題とはならない。
以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態では、測定光と照準光の波長合成にファイバ型ＷＤＭ光カプラ３を用いたが、照準光の波長合成には、導波路型光カプラやダイクロイックキューブ（ダイクロイックプリズム）やダイクロイックミラーや、その他の波長合成器を用いるようにしてもよい。

すなわち、たとえば、ダイクロイックミラーを用いる場合には、図３に示すように、測定用レーザ光源１から測定光をダイクロイックミラー３０に出射すると共に、照準用レーザ光源２から照準光をダイクロイックミラー３０に出射することにより、ダイクロイックミラー３０によって、測定光と照準光とが同軸状に波長合成されて、コリメータレンズ４に出射されるようにする。

以上のように、本実施形態に係るレーザドップラ速度計によれば、速度測定用のレーザとして、人の目に損傷を与えにくいアイセーフレーザ（波長1400nmから2600nmのレーザ）を用いつつ、測定光の照射位置を視認できるように可視光の照準光を測定光と波長合成してレーザドップラ速度計から出射するので、安全性を確保しつつ測定光の出力を大きくして測定精度の向上を図ることができる。

また、ビームスプリッタ５で、測定光を分割する前に、照準光を測定光に合成するので、レーザドップラ速度計から出射する二つの測定光のそれぞれについて、測定光に照準光を合成する構成を設ける必要がなく、レーザドップラ速度計の構成を簡素化することができる。

１…測定用レーザ光源、２…照準用レーザ光源、３…ファイバ型ＷＤＭ光カプラ、４…コリメータレンズ、５…ビームスプリッタ、６…ミラー、７…対物レンズ、８…光検出器、９…計測装置、３０…ダイクロイックミラー、３３…光コネクタ、３４…光コネクタ、３５…出力端子、１００…被測定物。

Claims

被測定物の移動速度を測定するレーザドップラ速度計であって、
1400nm以上2600nm以下の波長のレーザ光である測定光を出射する測定用レーザ光源と、
波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、
前記測定光と前記照準光とを波長合成し、合成光として出力する波長合成器と、
前記合成光を第１分割光と第２分割光とに分割するビームスプリッタと、
前記第１分割光と第２分割光とが、異なる方向から前記被測定物上に設定した照射領域に照射されるように、前記第１分割光と第２分割光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させる進路変更光学系と、
前記照射領域における前記測定光の散乱光の強度を検出し検出信号として出力する光検出器と、
前記検出信号のビート周波数に基づいて前記被測定物の移動速度を計測する計測部とを有することを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項１記載のレーザドップラ速度計であって、
前記波長合成器は、ファイバ型ＷＤＭ光カプラであり、
前記測定光は測定用レーザ光源から第１の光ファイバを介して前記ファイバ型ＷＤＭ光カプラに入力されると共に、前記照準光は照準用レーザ光源から第２の光ファイバを介して前記ファイバ型ＷＤＭ光カプラに入力されることを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項２記載のレーザドップラ速度計であって、
前記ファイバ型ＷＤＭ光カプラは、前記測定光の波長帯で低損失となる二本の偏波保持光ファイバを中央部で融着延伸して形成されたものであることを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項１記載のレーザドップラ速度計であって、
前記波長合成器は、ダイクロイックミラーであり、
前記測定光は測定用レーザ光源からダイクロイックミラーに出射されると共に、前記照準光は前記照準用レーザ光源からダイクロイックミラーに出射されることを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項１、２、３または４記載のレーザドップラ速度計であって、
前記測定光として、波長1550nmのレーザ光を用いることを特徴とするレーザドップラ速度計。