JP3486479B2 - 周波数シフタ及びそれを用いた光学式変位計測装置 - Google Patents
周波数シフタ及びそれを用いた光学式変位計測装置Info
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Description
を用いた光学式変位計測装置に関する。本発明は、特に
移動する物体や流体(以下「移動体」と称する)の変位
情報を、移動体の移動速度に応じてドップラーシフトを
受けた散乱光の周波数の偏移を検知することにより非接
触で測定する際に好適なものである。
シフタを用いて信号を変調する方法が多く用いられてい
る。
非接触且つ高精度に測定する装置として、レーザードッ
プラー速度計が知られている。
体や流体にレーザー光を照射し、移動する物体や流体に
よる散乱光の周波数が移動する速度に比例して偏移(シ
フト)する効果(ドップラー効果)を利用して、前記移
動の移動速度を測定する装置である。
れた、従来例のレーザードップラー速度計の一例であ
る。
Iは平行光束、3は回折格子からなるビームスプリッ
タ、5、6は焦点距離がfの凸レンズであり、a,b
は、a+b=2fを満足している。7は速度Vで矢印方
向に移動している被測定物、8は集光レンズ、9は光セ
ンサーである。
リメーターレンズ2によって平行光束Iとなり、回折格
子3に垂直に入射し、±一次の回折角θの回折光I1
a,I1bに分離、出射する。光束I1a,I1bは焦
点距離fの凸レンズ5により図の様な収束光I2a,I
2bとなる。そして、2f離れたもう一つの凸レンズ6
に入射すると、再び平行光束I3a,I3bとなり、速
度Vで移動している被測定物7に前述の回折格子3によ
る回折角θと等しい入射角θで二光束照射する。二光束
による散乱光は、集光レンズ8を介して光センサー9で
検出される。二光束による散乱光の周波数は、移動速度
Vに比例して各々+f、−Δfのドップラーシフトを受
ける。ここで、レーザー光の波長をλとすれば、Δfは
次の(1)式で表すことができる。
散乱光は、互いに干渉しあって光センサー9の受光面で
の明暗の変化をもたらし、その周波数Fは次式(2)で
与えられる。
(以下ドップラ周波数と呼ぶ)を測定すれば被測定物7
の速度Vが求められる。
条件式sin(θ)=λ/d(dは回折格子3の格子間
隔)から F=2・V/d … (3) となり、ドップラ周波数はレーザーの波長λに依存しな
くなる。即ちレーザー波長λの変化に伴い回折角、入射
角θがレーザー波長変化に対して補償するように変化す
る。
おいては、移動物体の移動方向の検出も容易に行え、ま
た移動物体の速度が0に近い場合も充分に検出ができる
ように、周波数シフタを導入しドップラー周波数に一定
の周波数fRがバイアスとして足される方法も考案され
ている。
電気光学結晶の平板に電極を設けた電気光学素子10
に、セロダイン駆動回路20により鋸歯状電圧を印加し
て使用する方法がFoord達により発表されている
(Appl.phys., vol.7, 1974, p.136-139)。
プリッタ4により2光束Ia,Ibに分離し、各々の光
束は電気光学素子10を構成する電気光学結晶10A、
10Bに入射する。この際、電気光学結晶10A、10
Bはセロダイン駆動回路20によって各々プラス、マイ
ナス半波長の位相シフトを与える鋸歯状電圧が印加され
周波数シフトを受ける。周波数シフトされた2光束はレ
ンズ5により偏向され、集光状態で移動物体7に2光束
交差する。移動物体7のから生じた散乱光は光センサー
(図示せず)に導光され、ドップラ信号を得られる。
速度Vと2光束交差角θ及び2光束の周波数差fRによ
り次式の様になる。
い場合であっても速度方向も含めて測定を可能にする。
この構成は主に流速計として利用される形態である。
を例えば定電流回路と放電回路で行う場合、放電をセロ
ダイン駆動周期に比して極短時間にする必要がある、従
って高速で容量の大きいスイッチング素子が要求され、
又リニアリティのよい鋸歯状波が望まれる。
フタの駆動を正確な波形で安定したものにすること、及
びこれを用いた光学式変位計測装置の高精度化をはかる
ことを目的とするものである。
第1発明は、電気光学素子に電圧を印加する事により前
記電気光学素子に入射した光束の位相を変調する周波数
シフタに於いて、前記電気光学素子に駆動電圧を印加す
る回路が一定電流を供給するための定電流回路とスイッ
チング素子がFETトランジスタから構成された放電回
路とを有し、更に該スイッチング素子のスイッチング信
号の電圧を該FETトランジスタの略IQ点に設定した
ことを特徴とする周波数シフタである。
は、電気光学素子に電圧を印加する事により前記電気光
学素子に入射した光束の位相を変調する周波数シフタに
於いて、前記電気光学素子に駆動電圧を印加する回路
が、一定電流を供給するための定電流回路と、放電回路
と、該放電回路の放電用のスイッチング信号を形成する
為の電圧供給部に設けられた電源レギュレータとを有す
ることを特徴とする周波数シフタである。
記放電回路のスイッチング素子がFETトランジスタか
ら構成され、更にスイッチング素子のスイッチング信号
の電圧を該FETトランジスタの略IQ点に設定したこ
とを特徴とする。
記電気光学素子に印加する電圧を発生させる回路と前記
電気光学素子とを外部回路に対してシールドするシール
ド手段を設けたことを特徴とする。
印加する事により前記電気光学素子に入射した光束の位
相を変調する周波数シフタと、該周波数シフタを介した
光束を移動物体に入射させる光学手段と、該光学手段で
光束入射された移動物体からのドップラーシフトを受け
た散乱光を検出する検出手段とを有し、該検出手段の検
出により前記移動物体の変位情報を検出する光学式変位
計測装置において、前記周波数シフタが上述いずれの周
波数シフタであることを特徴とする光学式変位計測装置
である。
プラー速度計の部材配置の説明図である。図中、1はレ
ーザーダイオード、2はコリメータレンズ、3は回折格
子からなるビームスプリッタ、5及び6は凸レンズ、7
は被測定物、8は集光レンズ、9は光センサー、10は
周波数シフタ、11a、11bは電気光学素子、12及
び13は電極、20はセロダイン駆動回路、40は電気
基板である。
ーザー光は、コリメーターレンズ2によって平行光束I
となり、回折格子3に垂直に入射し、±一次の回折角θ
の回折光I1a,I1bに分離、出射する。光束I1
a,I1bは焦点距離fの凸レンズ5により図の様な収
束光I2a,I2bとなる。電気光学結晶11a,11
bを含む電気光学素子10は、この2光束I2a,I2
bがそれぞれ対応する電気光学結晶11a,11bを透
過するように配置されている。
は、LiNbO3やLiTaO3の様な1軸性結晶をc軸
方向に電極を配置し、レーザー光の偏向方向をc軸方向
になるように設置してある。この様に配置する事によ
り、レーザーの波長の変化により回折格子3の回折角θ
の変化が発生し、これによって電気光学結晶内での光路
が変化しても、偏向方向はc軸方向のまま維持する事が
できる。従って、周波数シフタと図1で説明したドップ
ラ周波数のレーザー波長変化にたいする補償の効果を両
立する事ができる。
説明する。電界E(Ex,Ey,Ez)がかかった状態
でのLiNbO3の屈折率楕円体は次のように表すこと
ができる。
軸)方向に厚みdでカットし、両面に電極を蒸着した電
気光学結晶11に、電極12、13により電界 Ez=
V/dを印加(Ez≠0、Ex=Ey=0)すると、
(6)式は (1/no2+r13Ez)(X2+Y2) +(1/ne2+r33Ez)Z2=1 … (7) となる。ここでrはポッケルス定数(r13=10×10-9、
r22=6.8×10-9、r33=32.2×10-9、r51=32.0×10
-9)、no、neはそれぞれ常光線、異常光線の屈折率
(no=2.286、ne=2.2)である。
とから、(7)式は
の屈折率nx、nyは nx=ny=no−1/2・no3r13Ez であり、Z軸方向の偏光成分の屈折率nzは nz=ne−1/2・ne3r33Ez である。X−Y平面に光の伝搬方向を、Z軸方向に偏光
方向を選ぶと、Z軸方向に印加した電界Ezにより屈折
率N(Ez)は N(Ez)=nz=ne−1/2・ne3r33Ez … (9) となる。従って上記条件でレーザーを厚みd、長さlの
LiNbO3に透過させた時、印加電圧をV変化させる
と、それにより光位相差Γ(V)は、
位相変化も一定となる。つまり、周波数シフタとなる。
実際には、電圧を常に一定に変化させる事はできないの
で、鋸歯状波(セロダイン)駆動を行う。鋸歯状波は、
立ち下がりで光位相が非連続にならない様に両光束の位
相差が2πに相当する電圧振幅に設定される。
m、長さl=2mmとすると、光位相差Γ(V)が2π
となる電圧振幅は(9)式からV≒230Vである。
軸Ca、CbをZ軸方向に互いに逆向きに配置し、両方
にセロダイン駆動回路20から導線26、27を介して
電極12及び13で一括して同方向に電圧印加をするよ
うにしてある。この様にすることで、(10)式による
鋸歯状波の電圧振幅を、2πに相当する電圧振幅の半
分、即ちπの位相差を与える電圧振幅で電気光学素子1
0透過後の光束I2aとI2bの光位相差を2πとでき
る。この場合、必要な電圧振幅は約115Vとなる。
いに逆位相に変調された光束I2aとI2bは、凸レン
ズ6により平行光束I3a、I3bとなり、速度Vで移
動している被測定物7に回折格子3による回折角θと等
しい入射角θで二光束照射する。被測定物7からの散乱
光は、集光レンズ8、ミラー31を介し電気基板40の
光センサー9に集光される。このI3a、I3bの散乱
光は被測定物7の移動速度Vに比例したドップラシフト
と、電気光学素子10とセロダイン駆動回路20から成
る周波数シフタよる周波数変調を受けており、その周波
数F、はレーザ光の波長をλ、周波数シフタの周波数変
調をfR、又、回折格子の格子間隔をdとすると次式
(11)で与えられる。
は、他に外部から供給される電源ライン41、外部へ信
号を送る信号ライン42、光センサーの出力を増幅する
アンプ回路43、及びレーザーダイオード1を一定出力
に制御するレーザー駆動回路44を実装している。ライ
ン41、42はアースされた編成シールド50によって
覆われている。
ンプ回路43によって増幅され、信号ライン42によっ
て不図示の外部の信号処理装置に送信される。外部の信
号処理装置では、式(11)に基づいて、周波数Fから
被測定物7の移動速度Vを算出する。信号処理に関して
は、知られているので説明は省略する。
するセロダイン駆動回路20の1例のブロック図を図5
に示す。
り、定電流回路20Aは定電流iを、一定容量とみなさ
れる周波数シフタ10の電極に流し、充電する。
パルス24でスイッチを瞬間”オン”にし、定電流回路
20Aにより充電された電気光学素子10を瞬時に放電
する。したがって充電と瞬時の放電を繰り返すことによ
り、一定周期のセロダイン駆動が行われる。
駆動回路の回路図である。定電流回路20Aは可変抵抗
VR1とトランジスタQ1とツェナーダイオードZd等
からなり、可変抵抗VR1により調整された定電流i
を、出力インピーダンスを上げるトランジスタQ2を介
して、一定容量とみなされる電気光学素子10に供給す
る。放電回路20Bでは、発信器等から入力されたクロ
ック23から入力されたクロック信号の立ち下がりで、
可変抵抗VR2とコンデンサーCから成る遅延回路を用
い、極短いパルス24を作る。このパルスを用いて、ス
イッチングトランジスタQ3を瞬間”オン”にし、定電
流回路20Aにより充電された電気光学素子10を瞬時
にスイッチングトランジスタQ3のソース電圧−HV近
くまで放電する。したがって充電と瞬時の放電を繰り返
すことにより、入力クロック23のクロック信号周期の
セロダイン駆動が行われる。パルス24のパルス幅は、
可変抵抗VR2によって調整される。
ジスタQ3は、パルス電流容量が大きく、スイッチング
速度が早いことが好ましく、又駆動回路20と電気光学
素子10とをモジュール化する為には、小型の表面実装
素子が望ましい。高速、小型のスイッチング素子として
は、一般にトランジスタが用いられるが、放電を、トラ
ンジスタを飽和させて使用すると図5の(a)の電気光
学素子10への鋸歯状波信号が、(b)のように放電に
続く立ち上がりのリニアリティが悪くなり、又これを避
けるためにトランジスタの未飽和領域を使用すると、環
境温度や放電の信号電圧に不安定になる傾向にある。
ングトランジスタQ3としてのFETトランジスタのゲ
ート電圧とドレイン電流の特性を示す。これは本回路に
用いた2SK1334(日立製)のものである。本実施
例の装置においては、環境温度によるゲート電圧ードレ
イン電流特性が交差する点、即ちIQ点を、前記スイッ
チングパルス24の電圧(約5.5V)と設定した。こ
れにより環境温度に対しても安定してスイッチングで
き、従って環境に強い安定したセロダイン駆動が可能に
なる。
して、FETトランジスタを直接駆動出来、高速のロジ
ックIC、TC74AC00F(東芝製)を用いた。
ス24の電圧を、IQ点と、その前後に電圧を変えた時
の、セロダイン駆動の環境温度特性であり、セロダイン
駆動の鋸歯状波の放電直前(ピーク)と直後(ボトム)
を示す。調整は25℃の時、VR2でパルス幅を変化さ
せ行ったが、セロダイン周波数200kHzに対して、
パルス幅20nsec〜25nsecの範囲であった。
イッチング素子に用い、スイッチングパルス24の電圧
を、IQ点のゲート電圧に設定することにより、環境温
度に対し安定したセロダイン駆動が可能になったことが
理解される。
セロダイン回路と電気光学素子10を一体化にし、モジ
ュール化した変形例を説明する図である。(a)ではリ
ード線16bにより、(b)は直接電極13に接触させ
て電気光学素子10に鋸歯状波を供給する。
ダイン駆動電極13に面して、前述のセロダイン駆動回
路20を表面実装した回路基板16をスペーサ15a、
15bを介して積層され、電極13へは電極13側に設
けられたパッド16aから短いリード線16bを介し
て、鋸歯状波が供給される構成となっている。
板16は、光束の開口14a〜14dと図7における電
源及び後述するクロック23用のコード14fの開口1
4eとを設けられた、導体より構成されるカバー14
と、電気光学素子10のグランド側の電極12とでシー
ルドされている。
16’には、セロダイン駆動回路の各素子が片面に表面
実装されて積層され、他面には鋸歯状波を供給する電極
16cが設けられている。電極16cは、ほぼ電気光学
素子10の電極13の大きさで金メッキされ、ネジ止め
によって直接電気光学素子10の電極13に接触させて
鋸歯状波を供給する。この様に回路基板に電極13との
接触電極をメッキすることにより、ケース内の構成がよ
り小型化でき、装置の更なる小型化が実現できる。
板16は、光束の開口電源及びクロック23のコードの
開口を有する導体カバー14と、電気光学素子10のグ
ランド側の電極12とでシールドされている。
フタに有用なセロダイン駆動回路を用いた実施例の説明
図である。
成は図6と同じであるが、定電流回路20A及び放電回
路20Bへの供給電圧は電圧レギュレータQ4を介して
供給される形態をとっている。
グ領域で使用されるので、スイッチングパルス24の電
圧に敏感である。従って供給電圧が変わって、スイッチ
ングパルス24の電圧が少し変わっても、VR2を調整
し直す必要がある。前記電圧レギュレータQ4を導入す
る事で周波数モジュール内で、スイッチングパルス24
をつくる回路(ICa〜ICd)の電源が変化しないの
で、VR2を調整し直さす必要がない。このため、モジ
ュール化して内部回路の調整が困難な構成には特に有効
である。
装型である3端子レギュレータ、XC62AP55O2
M(トレックセミコンダク社製)を用いた。
レギュレータQ4から得ていて、定電流iの変化も全く
なく、鋸歯状波の振幅を一定にすることが出来る。
イッチング信号の電圧をFETトランジスタの略IQ点
に設定したことにより、電気光学素子を用いた周波数シ
フタの駆動を正確な波形で安定したものにできる。
用のスイッチング信号を形成する為の電圧供給部に設け
られた電源レギュレータにより、電気光学素子を用いた
周波数シフタの駆動を正確な波形で安定したものにでき
る。
子を用いた周波数シフタの駆動をより安定したものにで
きる。
高周波ノイズを与えない形で電気光学素子を用いた周波
数シフタの駆動をより安定したものにできる。
用いた周波数シフタの駆動を正確な波形で安定したもの
にでき、より正確な変位計測が可能になる。
シフタを組み込んだレーザードップラ速度計の説明図
Claims (5)
- 【請求項1】 電気光学素子に電圧を印加する事により
前記電気光学素子に入射した光束の位相を変調する周波
数シフタに於いて、前記電気光学素子に駆動電圧を印加
する回路が一定電流を供給するための定電流回路とスイ
ッチング素子がFETトランジスタから構成された放電
回路とを有し、更に該スイッチング素子のスイッチング
信号の電圧を該FETトランジスタの略IQ点に設定し
たことを特徴とする周波数シフタ。 - 【請求項2】 電気光学素子に電圧を印加する事により
前記電気光学素子に入射した光束の位相を変調する周波
数シフタに於いて、前記電気光学素子に駆動電圧を印加
する回路が、一定電流を供給するための定電流回路と、
放電回路と、該放電回路の放電用のスイッチング信号を
形成する為の電圧供給部に設けられた電源レギュレータ
とを有することを特徴とする周波数シフタ。 - 【請求項3】 前記放電回路のスイッチング素子がFE
Tトランジスタから構成され、更にスイッチング素子の
スイッチング信号の電圧を該FETトランジスタの略I
Q点に設定したことを特徴とする請求項2に記載の周波
数シフタ。 - 【請求項4】 前記電気光学素子に印加する電圧を発生
させる回路と前記電気光学素子とを外部回路に対してシ
ールドするシールド手段を設けたことを特徴とする請求
項1から3のいずれかに記載の周波数シフタ。 - 【請求項5】 電気光学素子に電圧を印加する事により
前記電気光学素子に入射した光束の位相を変調する周波
数シフタと、該周波数シフタを介した光束を移動物体に
入射させる光学手段と、該光学手段で光束入射された移
動物体からのドップラーシフトを受けた散乱光を検出す
る検出手段とを有し、該検出手段の検出により前記移動
物体の変位情報を検出する光学式変位計測装置におい
て、前記周波数シフタが請求項1から4のいずれかに記
載の周波数シフタであることを特徴とする光学式変位計
測装置。
Priority Applications (2)
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JP11456395A JP3486479B2 (ja) | 1995-05-12 | 1995-05-12 | 周波数シフタ及びそれを用いた光学式変位計測装置 |
US08/607,115 US5796470A (en) | 1995-02-28 | 1996-02-26 | Frequency shifter and optical displacement measuring apparatus using the frequency shifter |
Applications Claiming Priority (1)
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JP11456395A JP3486479B2 (ja) | 1995-05-12 | 1995-05-12 | 周波数シフタ及びそれを用いた光学式変位計測装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08304429A JPH08304429A (ja) | 1996-11-22 |
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ID=14640954
Family Applications (1)
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- 1995-05-12 JP JP11456395A patent/JP3486479B2/ja not_active Expired - Fee Related
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