JP3278508B2 - 参照光型レーザドップラ速度計 - Google Patents

参照光型レーザドップラ速度計

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JP3278508B2 JP26296793A JP26296793A JP3278508B2 JP 3278508 B2 JP3278508 B2 JP 3278508B2 JP 26296793 A JP26296793 A JP 26296793A JP 26296793 A JP26296793 A JP 26296793A JP 3278508 B2 JP3278508 B2 JP 3278508B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を被測定物体
に照射し、受光した散乱光ないし反射光の周波数が、該
物体の運動に伴い偏移することを参照光との干渉によっ
て検出し、該物体の速度を測定する参照光型レーザドッ
プラ速度計に関するものである。本発明は、レーザ光の
空間光強度分布を楕円形にすることにより、特に被測定
物体の表面に集光させるレーザ光の光軸と該物体の運動
方向が異なる場合に、光軸と運動方向のなす角度から該
物体の運動方向における正確な速度を求める際の誤差を
抑えることのできる技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】参照光型レーザドップラ速度計では、レ
ーザ光を被測定物体の表面に集光し、戻り光の周波数偏
移から該物体の光軸方向の速度成分を計測している。従
って、該物体に集光するレーザ光の光軸が、該物体が運
動する方向と平行でない場合、レーザ光の光軸と該物体
の運動方向とのなす角度をα、周波数偏移で計測した速
度値をvd 、該物体の実際の速度値をvとすると、 v=vd /cos α として校正する。
【0003】被測定物体の表面を照射するレーザ光につ
いては、その集光角度2θ(全角)以外、特に考慮は払
われておらず、極く一般的な円形ビーム(光軸に対して
垂直な断面の空間光強度分布が円形のレーザ光)が用い
られている。そして、通常、被測定物体の表面は散乱性
の場合が多いため、照射するレーザ光の集光角度2θを
大きくすることで、戻り光の受光量を大きくして周波数
偏移を検出する際のSN比低下を防いでいる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、開口周辺で受
光した戻り光と該物体の運動方向のなす角度にはα−θ
〜α+θの幅があるので、集光角度2θを大きくすると
上記の校正式から算出された速度には広がりが生じるこ
とが分かる。特に角度αを大きく設定すると該速度の広
がりは顕著になり、正確な速度検出が妨げられる。
【0005】本発明の目的は、戻り光による被測定物体
の検出速度の誤差を小さく抑えることができ、しかも戻
り光の受光量を大きくできるために周波数偏移を検出す
る際のSN比低下を防ぐことのできる参照光型レーザド
ップラ速度計を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、運動している
被測定物体に単一のレーザ光を照射し、受光した散乱光
ないし反射光と参照光との2光波によるヘテロダイン干
渉から得られるビート周波数の偏移によって被測定物体
の速度を計測する参照光型レーザドップラ速度計におい
て、被測定物体に照射するレーザ光を、光軸に垂直な断
面で空間光強度分布を観察した時に縦と横のビーム径を
異ならせた集光とした参照光型レーザドップラ速度計で
ある。被測定物体に照射するレーザ光は、シリンドリカ
ルレンズや偏向プリズムを用いて光軸に対して垂直な断
面の空間光強度分布を楕円形(それに類する長円形等も
含む)にする。
【0007】被測定物体は固体の物体であって、その運
動とは、振動などの往復運動の他、移動や加速度運動な
ども含まれる。レーザ光のビーム形状と被測定物体との
関係は、レーザ光の光軸方向の直線と被測定物体の運動
方向の直線が含まれる平面を想定し、楕円にしたレーザ
光の長軸は該平面の法線方向と平行にして短軸は平面内
に含まれるように該空間光強度分布を形成する構成とす
る。被測定物体に照射するレーザ光は、平行光のまま、
あるいは拡がりのある状態で被測定物体に照射するので
はなく、集光させたものを用いる。
【0008】具体的には、光軸に垂直な断面で観察した
レーザ光の横軸方向のビーム径と光軸上の焦点がなす角
度を2θx 、同じく縦軸方向のビーム径と光軸上の焦点
がなす角度を2θy としたとき、 0<θy <θx が成立ち、該横軸を法線とする平面に含まれる被測定物
体の速度成分を測定するように構成する。複数本のレー
ザ光を用いると、被測定物体に異なる方向からレーザ光
を照射して該物体の2次元ないし多次元運動を計測でき
る。
【0009】
【作用】上記の構成によれば、被測定物体を照射するレ
ーザ光は、光軸に垂直な断面で空間光強度分布を観察し
た時に縦と横のビーム径が異なる楕円形であるので、レ
ーザ光の短軸方向では集光角度が小さいため、被測定物
体の運動方向と光軸のなす角度をほぼ一定と見なすこと
ができ、戻り光によって検出する速度の誤差が小さくな
る。また長軸方向では集光角度が大きいため、戻り光の
受光量が大きくなり、周波数偏移を検出する際のSN比
低下を防止できる。
【0010】
【実施例】図1は、本発明に係る参照光型レーザドップ
ラ速度計で用いるビーム集光系の一実施例を示す説明図
である。参照光型レーザドップラ速度計本体10から出
射するレーザ光12は、z軸(光軸)に平行である。該
参照光型レーザドップラ速度計本体10の出射側に、そ
れぞれx軸方向の焦点距離が50mmのシリンドリカルレ
ンズ14と500mmのシリンドリカルレンズ16とを約
550mmの間隔で設置する。前記レーザ光12は、両シ
リンドリカルレンズ14,16を通ることによって、x
軸方向のみ空間分布幅が約10倍に拡大された平行光1
8となる。この平行光18は、次に長円の開口20を通
り、集光レンズ22によって集光24となってz軸上の
被測定物体30に集光し照射する。なお符号15はシリ
ンドリカルレンズ14表面上のレーザ光形状、符号17
はシリンドリカルレンズ16表面上のレーザ光形状、符
号23は集光レンズ22表面上のレーザ光形状を表して
いる。
【0011】図2は、図1における集光24及び被測定
物体30の部分の拡大図である。集光24のx軸方向に
おける集光角を2θx 、y軸方向における集光角を2θ
y とする。ここで、被測定物体30がyz面内で−z軸
から角度αの方向Dに運動する場合、被測定物体30を
照射した集光24から得られる戻り光は、集光レンズ2
2、開口20、シリンドリカルレンズ16及び14を通
って参照光型レーザドップラ速度計本体10に戻る。但
し、参照光型レーザドップラ速度計本体10に戻ること
のできる光は、開口20によって開口角2θx および2
θy に制限されるので、被測定物体30の運動方向Dと
集光24のなす角度は、yz面ではα+θy からα−θ
y の範囲内に収まる。
【0012】被測定物体30の運動方向Dにおける速度
値をv、参照光型レーザドップラ速度計本体10で検出
される速度値をvd とすると、速度値vはy軸方向に関
しては次式 v1 ≦v≦v2 但し、v1 =vd /cos (α−θy ),v2 =vd /co
s (α+θy )の範囲に含まれることになる。被測定物
体30の運動方向Dと光軸の角度αが予め分かっている
場合には、vd に校正係数となる1/cos αを掛ければ
被測定物体30の計測による速度v’が求まる。ここ
で、被測定物体30の実際の速度vとの誤差の割合を ε=|v−v’|/v’ で定義すると、y軸方向に関しては、 ε≦|v2 −v1 |/v’ =(sin 2α・sin θy )/( cos2 α− sin2 θy ) ・・・(1) (但し、0≦α<π/2)となる。
【0013】またx軸方向に関しては、θx と速度方向
Dのなす角度をψとすると次式が成立つ。 cos ψ=cos α・cos θx 上記と同様の議論により v3 ≦v≦v4 但し、v3 =vd /cos α,v4 =vd /cos ψ ε≦|v4 −v3 |/v’=(1−cos θx )/cos θx ・・・(2) となる。
【0014】図3は集光角度と測定誤差との関係を示し
たものである。(1)式によるy軸方向の誤差(曲線群
aで示す)に比べ、(2)式によるx軸方向の誤差(曲
線bで示す)は集光角度の割に誤差が少ない。例えば、
角度α=45゜のとき、計測による速度v’と実際の速
度vの誤差εを0.02(=2%)以下とするために
は、前記(1)式及び(2)式からθy =0.57゜,
θx =11.36゜となる。図1におけるレーザ光12
は、ビーム直径が10mmであり、シリンドリカルレンズ
14,16を通過後の平行光18もy軸方向の径は変化
しない。該平行光18は、y軸方向の開口幅が5mmであ
る開口20を通り、焦点距離=250mmのレンズ22で
集光した。このときθy =0.57゜となる。x軸方向
にはビーム直径を100mmまで許容してもθx =11.
3゜なので、シリンドリカルレンズ14,16で拡大し
たビーム径に制限を加えることなく活用できた。被測定
物体30を光軸に対してα=45゜方向に運動させ、そ
の速度の真の値vと周波数偏移による換算値V’を比較
したところ、誤差は2%以内に収まった。
【0015】図4は本発明に係る参照光型レーザドップ
ラ速度計で用いるビーム集光系の他の実施例を示してい
る。参照光型レーザドップラ速度計本体10から出射す
るレーザ光12は凹レンズ40と凸レンズ42の組合せ
によってビーム直径が拡大された平行光となり、偏向プ
リズム44によってその進行方向を偏向させてある。こ
れによってx軸方向の幅に比べてy軸方向の幅が狭い平
行光18となる。その後は、図1と同様であるので説明
を省略する。なお符号41は凹レンズ40表面上のレー
ザ光形状、符号43は凸レンズ42表面上のレーザ光形
状、符号45は偏向プリズム44表面上のレーザ光形状
を表している。
【0016】図5は本発明を2次元の参照光型レーザド
ップラ速度計に適用した例である。特開平2−1323
95号公報の記載に従い、被測定物体の2次元的な運動
を測定する2次元レーザドップラ速度計において、参照
光型レーザドップラ速度計本体50から出射する2本の
レーザ光12に、図4に示すビーム集光系を適用したも
のである。それ故、対応する部材に同一符号を付し、そ
れらについての説明は省略する。但しz’軸は光軸に平
行とする。集光24はy軸に沿って偏向していて集光2
4のy軸方向の集光角度θy は小さくしてある。また、
平面に垂直なx軸方向の集光角度θx は大きくしてあ
り、これによって被測定物体30のyz’平面上での2
次元運動が精度良く測定できた。
【0017】
【発明の効果】本発明によると、検出した被測定物体の
速度から被測定物体の運動方向における正確な速度を、
該物体の運動方向とレーザ光の光軸との角度によって校
正して求める際、校正の誤差となる方向にはレーザの集
光角度が小さく、誤差になり難い方向には集光角度を大
きくできるため、誤差を抑えた上で、該被測定物体から
の戻り光の強度を高めることができ、周波数偏移を検出
する際のSN比を改善することができる。従って、本発
明は、特に被測定物体の運動を複数の参照光型レーザド
ップラ速度計でそれぞれ異なる方向から観測して2次元
ないし3次元の運動を評価する場合の測定誤差の低減に
特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る参照光型レーザドップラ速度計の
ビーム集光系の一実施例を示す説明図。
【図2】図1の被測定物体に集光するレーザ光の詳細説
明図。
【図3】本発明によるビーム集光系の集光角度と測定誤
差の関係を示す図。
【図4】本発明の他の実施例を示す説明図。
【図5】本発明の更に他の実施例を示す説明図。
【符号の説明】 10 参照光型レーザドップラ速度計本体 12 レーザ光 14,16 シリンドリカルレンズ 20 開口 22 集光レンズ 24 集光 30 被測定物体 40 凹レンズ 42 凸レンズ 44 偏向プリズム 50 2次元参照光型レーザドップラ速度計本体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01S 7/03 G01S 13/00 - 13/95 G01S 7/48 - 7/51 G01S 17/00 - 17/95 G01P 3/36 G01P 5/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 運動している被測定物体に単一のレーザ
    光を照射し、受光した散乱光ないし反射光と参照光との
    2光波によるヘテロダイン干渉から得られるビート周波
    数の偏移によって該被測定物体の速度を計測する参照光
    型レーザドップラ速度計において、被測定物体に照射す
    るレーザ光は、光軸に垂直な断面で空間光強度分布を観
    察した時に楕円形となる集光であり、且つ光軸と被測定
    物体の運動方向の直線が含まれる平面を想定した時に、
    楕円にしたレーザ光の長軸は該平面の法線方向と平行で
    あり、短軸は該平面内に含まれるように形成されている
    ことを特徴とする参照光型レーザドップラ速度計。
  2. 【請求項2】 運動している被測定物体に単一のレーザ
    光を照射し、受光した散乱光ないし反射光と参照光との
    2光波によるヘテロダイン干渉から得られるビート周波
    数の偏移によって該被測定物体の速度を計測する参照光
    型レーザドップラ速度計において、被測定物体に照射す
    るレーザ光は、光軸に垂直な断面で空間光強度分布を観
    察した時に縦と横のビーム径を異ならせた集光であり、
    且つ光軸に垂直な断面で観察したレーザ光の横軸方向の
    ビーム径と光軸上の焦点がなす角度を2θx 、同じく縦
    軸方向のビーム径と光軸上の焦点がなす角度を2θy と
    したとき、 0<θy <θx が成立ち、該横軸を法線とする平面に含まれる被測定物
    体の速度成分を測定する参照光型レーザドップラ速度
    計。
  3. 【請求項3】 レーザ光は複数あり、被測定物体にそれ
    ぞれ異なる方向からレーザ光を照射して該物体の2次元
    ないし多次元運動を計測する請求項記載の参照光型レ
    ーザドップラ速度計。
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