JP3492024B2 - 周波数シフター及びそれを用いた光学式変位計測装置 - Google Patents
周波数シフター及びそれを用いた光学式変位計測装置Info
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- JP3492024B2 JP3492024B2 JP13589595A JP13589595A JP3492024B2 JP 3492024 B2 JP3492024 B2 JP 3492024B2 JP 13589595 A JP13589595 A JP 13589595A JP 13589595 A JP13589595 A JP 13589595A JP 3492024 B2 JP3492024 B2 JP 3492024B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、周波数シフター及びそ
れを用いた光学式変位計測装置に関し、特に移動する物
体や流体（以下「移動物体」と称する）の変位情報を、
移動物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。
れを用いた光学式変位計測装置に関し、特に移動する物
体や流体（以下「移動物体」と称する）の変位情報を、
移動物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。
【０００２】
【従来の技術】従来から、移動物体の変位情報を非接触
且つ高精度に測定する装置として、レーザードップラー
速度計やレーザーエンコーダー（光学式変位計測装置）
が使用されている。レーザードップラー速度計では、移
動物体にレーザー光を照射し、移動物体による散乱光の
周波数が、移動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、移動物体の移動速度を
測定している。
且つ高精度に測定する装置として、レーザードップラー
速度計やレーザーエンコーダー（光学式変位計測装置）
が使用されている。レーザードップラー速度計では、移
動物体にレーザー光を照射し、移動物体による散乱光の
周波数が、移動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、移動物体の移動速度を
測定している。
【０００３】このようなレーザードップラー速度計を本
出願人は、例えば特開平２−２６２０６４号公報，特開
平４−２３０８８５号公報等で提案している。これらの
速度計では移動物体の移動方向の検出は行っておらず、
また移動物体の速度が０に近い場合は検出が難しくなる
傾向があった。
出願人は、例えば特開平２−２６２０６４号公報，特開
平４−２３０８８５号公報等で提案している。これらの
速度計では移動物体の移動方向の検出は行っておらず、
また移動物体の速度が０に近い場合は検出が難しくなる
傾向があった。
【０００４】レーザードップラー速度計において、電気
光学結晶の平板（以後「電気光学素子」と略称する）を
使用した周波数シフターを２光束の光路に設置し、該周
波数シフターにより２光束間に所定の周波数差を与えて
移動物体に入射させ、これにより移動物体の移動方向及
び移動速度が０に近い場合であっても精度良く検出する
ことができる方法がFoord逹により発表されている(App
l. Phys.,Vol.7,1974,136〜 139)。
光学結晶の平板（以後「電気光学素子」と略称する）を
使用した周波数シフターを２光束の光路に設置し、該周
波数シフターにより２光束間に所定の周波数差を与えて
移動物体に入射させ、これにより移動物体の移動方向及
び移動速度が０に近い場合であっても精度良く検出する
ことができる方法がFoord逹により発表されている(App
l. Phys.,Vol.7,1974,136〜 139)。
【０００５】図５はその検出原理を利用したレーザード
ップラー速度計の要部斜視図である。同図において１０
は周波数シフターであり、２つの電気光学素子１０ａ，
１０ｂとその駆動回路２０等から構成されている。
ップラー速度計の要部斜視図である。同図において１０
は周波数シフターであり、２つの電気光学素子１０ａ，
１０ｂとその駆動回路２０等から構成されている。
【０００６】光源１からの波長λの光束はコリメーター
レンズ２で平行光３とし、該平行光３はビームスプリッ
ター４により２つの光束５ａ，５ｂに分離し、夫々の光
束は周波数シフター１０を構成する電気光学素子１０
ａ，１０ｂに入射している。
レンズ２で平行光３とし、該平行光３はビームスプリッ
ター４により２つの光束５ａ，５ｂに分離し、夫々の光
束は周波数シフター１０を構成する電気光学素子１０
ａ，１０ｂに入射している。
【０００７】この際、光束５ａ，５ｂは電気光学素子１
０ａ，１０ｂの鋸歯波電圧駆動（セロダイン駆動）によ
り周波数シフトを受ける。これによって２光束５ａ，５
ｂ間に周波数差を付与し、該２光束はレンズ６により集
光されて速度Ｖ0で矢印の方向に移動している移動物体
７の表面に入射角θで互いに交差するように入射する。
入射した光束のうち移動物体７から生じた散乱光を集光
レンズ８で集光し、光検出器９に導光して、これより該
光検出器９からドップラー信号を得ている。
０ａ，１０ｂの鋸歯波電圧駆動（セロダイン駆動）によ
り周波数シフトを受ける。これによって２光束５ａ，５
ｂ間に周波数差を付与し、該２光束はレンズ６により集
光されて速度Ｖ0で矢印の方向に移動している移動物体
７の表面に入射角θで互いに交差するように入射する。
入射した光束のうち移動物体７から生じた散乱光を集光
レンズ８で集光し、光検出器９に導光して、これより該
光検出器９からドップラー信号を得ている。
【０００８】このとき２光束による散乱光の周波数は移
動速度Ｖ0に比例してドップラーシフトを受けて検出面
上で互いに干渉しあって明暗の変化をもたらす。このと
きの明暗の周波数、即ちドップラー周波数Ｆは２光束の
周波数差ｆRにより次の式の様になる。
動速度Ｖ0に比例してドップラーシフトを受けて検出面
上で互いに干渉しあって明暗の変化をもたらす。このと
きの明暗の周波数、即ちドップラー周波数Ｆは２光束の
周波数差ｆRにより次の式の様になる。
【０００９】
Ｆ＝２・Ｖ0 ・ｓｉｎ（θ）／λ＋ｆR ・・・・・・（１）
これによって、移動物体７の速度Ｖ0 が遅い場合でも、
周波数差ｆRを適当な値に設定することにより、移動物
体７の速さが０に近い場合であっても測定でき、又その
速度方向も同時に測定できるようにしている。この構成
は主に流速計として利用される形態である。
周波数差ｆRを適当な値に設定することにより、移動物
体７の速さが０に近い場合であっても測定でき、又その
速度方向も同時に測定できるようにしている。この構成
は主に流速計として利用される形態である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】一般にレ−ザ−等の可
干渉性の高い光束を物体に照射すると、物体表面の微細
な凹凸により生ずる散乱光はランダムな位相変調を受け
て観察面上に斑点模様、いわゆるスペックルパタ−ンを
形成する。レ−ザ−ドップラ−速度計においては、移動
物体が移動すると、散乱光の検出用の光検出器の検出面
上でのドップラ−シフトによる明暗の変化が、スペック
ルパタ−ンの流れによる不規則な明暗の変化で変調さ
れ、また、光検出器からの出力信号は被検物体の透過率
（あるいは反射率）の変化によっても変調を受ける。
干渉性の高い光束を物体に照射すると、物体表面の微細
な凹凸により生ずる散乱光はランダムな位相変調を受け
て観察面上に斑点模様、いわゆるスペックルパタ−ンを
形成する。レ−ザ−ドップラ−速度計においては、移動
物体が移動すると、散乱光の検出用の光検出器の検出面
上でのドップラ−シフトによる明暗の変化が、スペック
ルパタ−ンの流れによる不規則な明暗の変化で変調さ
れ、また、光検出器からの出力信号は被検物体の透過率
（あるいは反射率）の変化によっても変調を受ける。
【００１１】レ−ザ−ドップラ−速度計では、一般にス
ペックルパタ−ンの流れによる明暗の変化の周波数およ
び移動物体の透過率（あるいは反射率）の変化の周波数
が変位情報に基づくドップラ−周波数に比べて低い。こ
のため、光検出器からの出力をハイパスフィルタ−に通
して低周波成分を電気的に除去し、ドップラ−信号のみ
を取り出す方法が用いられている。
ペックルパタ−ンの流れによる明暗の変化の周波数およ
び移動物体の透過率（あるいは反射率）の変化の周波数
が変位情報に基づくドップラ−周波数に比べて低い。こ
のため、光検出器からの出力をハイパスフィルタ−に通
して低周波成分を電気的に除去し、ドップラ−信号のみ
を取り出す方法が用いられている。
【００１２】しかし移動物体の速度が遅くてドップラ−
周波数が低くなると、これと低周波変動成分との周波数
差が小さくなり、ハイパスフィルタ−が使えず移動物体
の変位情報を精度良く測定することが難しいという問題
点が生じてくる。また、速度方向は原理的に検出できな
い。
周波数が低くなると、これと低周波変動成分との周波数
差が小さくなり、ハイパスフィルタ−が使えず移動物体
の変位情報を精度良く測定することが難しいという問題
点が生じてくる。また、速度方向は原理的に検出できな
い。
【００１３】これに対してFoord 達が発表した前述の方
法（周波数シフター）は、２光束を移動物体に照射する
前に２光束に所定の周波数差を付けて、移動物体の静止
状態及び速度方向も含めて測定を可能としている。
法（周波数シフター）は、２光束を移動物体に照射する
前に２光束に所定の周波数差を付けて、移動物体の静止
状態及び速度方向も含めて測定を可能としている。
【００１４】しかしながら周波数シフターを利用した速
度計において、電気光学素子に一定周期の電圧を印加す
る為に、電気光学素子を電極で挟持してセロダイン駆動
した場合、鋸歯状波に、図４（Ａ）に示すように高調波
が重畳する現象が生じることがあり、そのためドップラ
ー周波数Ｆが正しく検出できなくなり、速度情報の検出
精度が低下してくるという問題点があった。
度計において、電気光学素子に一定周期の電圧を印加す
る為に、電気光学素子を電極で挟持してセロダイン駆動
した場合、鋸歯状波に、図４（Ａ）に示すように高調波
が重畳する現象が生じることがあり、そのためドップラ
ー周波数Ｆが正しく検出できなくなり、速度情報の検出
精度が低下してくるという問題点があった。
【００１５】本発明は周波数シフターを構成する電気光
学素子の厚さや音速等の構成及び該電気光学素子に印加
する電圧の周期等を適切に設定することにより２つの光
束間に所定の周波数変調を与え、これによりドップラー
効果を利用して移動物体の速度情報を高精度に検出する
ことのできる周波数シフター及びこれを用いた光学式変
位計測装置の提供を目的とする。
学素子の厚さや音速等の構成及び該電気光学素子に印加
する電圧の周期等を適切に設定することにより２つの光
束間に所定の周波数変調を与え、これによりドップラー
効果を利用して移動物体の速度情報を高精度に検出する
ことのできる周波数シフター及びこれを用いた光学式変
位計測装置の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の周波数
シフターは、一定周期の電圧の印加によって屈折率が変
化する電気光学結晶を平板状にした厚さｄの電気光学素
子と、該電気光学素子に互いに平行に形成した電極を介
して該電気光学素子に電圧を印加する電源手段とを有
し、該電源手段からの印加電圧によって該電気光学素子
を透過する光束に周波数変調を与える周波数シフターに
おいて、該印加電圧の周期をＴｓ該電気光学素子の厚み
をｄ、該電気光学素子の平行電極に垂直な方向の音速を
ｖ、ｎを整数としたとき、 Ｔｓ≒２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） である ことを特徴としている。
シフターは、一定周期の電圧の印加によって屈折率が変
化する電気光学結晶を平板状にした厚さｄの電気光学素
子と、該電気光学素子に互いに平行に形成した電極を介
して該電気光学素子に電圧を印加する電源手段とを有
し、該電源手段からの印加電圧によって該電気光学素子
を透過する光束に周波数変調を与える周波数シフターに
おいて、該印加電圧の周期をＴｓ該電気光学素子の厚み
をｄ、該電気光学素子の平行電極に垂直な方向の音速を
ｖ、ｎを整数としたとき、 Ｔｓ≒２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） である ことを特徴としている。
【００１７】 請求項２の発明は、請求項１の発明にお
いて前記電源手段により、前記平行な電極に印加する電
圧が鋸歯状であることを特徴としている。
いて前記電源手段により、前記平行な電極に印加する電
圧が鋸歯状であることを特徴としている。
【００１８】 請求項３の発明の光学式変位計測装置
は、光源からの光束を光分割部材により２つの光束に分
割し、該２つの光束間に周波数シフターを利用して周波
数差を付与し、該周波数差を付与した２光束を移動物体
に入射させ、該移動物体でドップラーシフトを受けた散
乱光を検出手段で検出することにより該移動物体の変位
情報を検出する際、該周波数シフターは一定周期の印加
電圧により屈折率が変化する電気光学結晶を平板状にし
た厚さｄの電気光学素子と該電気光学素子に互いに平行
に形成した電極を介して電圧を印加する電源手段とを有
し、該印加電圧の周期をＴｓ、該電気光学素子の厚さを
ｄ、該電気光学素子の平行電極に垂直な方向の音速を
ｖ、ｎを整数としたとき、 Ｔｓ≒２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） である ことを特徴としている。
は、光源からの光束を光分割部材により２つの光束に分
割し、該２つの光束間に周波数シフターを利用して周波
数差を付与し、該周波数差を付与した２光束を移動物体
に入射させ、該移動物体でドップラーシフトを受けた散
乱光を検出手段で検出することにより該移動物体の変位
情報を検出する際、該周波数シフターは一定周期の印加
電圧により屈折率が変化する電気光学結晶を平板状にし
た厚さｄの電気光学素子と該電気光学素子に互いに平行
に形成した電極を介して電圧を印加する電源手段とを有
し、該印加電圧の周期をＴｓ、該電気光学素子の厚さを
ｄ、該電気光学素子の平行電極に垂直な方向の音速を
ｖ、ｎを整数としたとき、 Ｔｓ≒２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） である ことを特徴としている。
【００１９】 請求項４の発明は、請求項３の発明にお
いて前記電源手段により、前記平行な電極に印加する電
圧が鋸歯状であることを特徴としている。
いて前記電源手段により、前記平行な電極に印加する電
圧が鋸歯状であることを特徴としている。
【００２０】
【実施例】図１は、本発明の周波数シフター及びそれを
用いた光学式変位測定装置の実施例１の要部概略図であ
る。図２は、図１の周波数シフター１０の要部斜視図で
ある。
用いた光学式変位測定装置の実施例１の要部概略図であ
る。図２は、図１の周波数シフター１０の要部斜視図で
ある。
【００２１】図中、１はレーザー光源、２はコリメータ
ーであり、レーザ光源１からのレーザ光を平行光１ａと
している。３は透過型の回折格子より成るビームスプリ
ッターであり入射光束１ａを２つの光束３ａ，３ｂに分
割している。１１，６は各々焦点距離がｆのレンズであ
り、距離２ｆ隔てて配置している。１０は周波数シフタ
ーであり、２光束間に所定の周波数変位を与えており、
図２に示す構成より成っている。７は速度を計測する速
度Ｖ0で移動する移動物体、８は集光レンズ、９は光検
出器である。
ーであり、レーザ光源１からのレーザ光を平行光１ａと
している。３は透過型の回折格子より成るビームスプリ
ッターであり入射光束１ａを２つの光束３ａ，３ｂに分
割している。１１，６は各々焦点距離がｆのレンズであ
り、距離２ｆ隔てて配置している。１０は周波数シフタ
ーであり、２光束間に所定の周波数変位を与えており、
図２に示す構成より成っている。７は速度を計測する速
度Ｖ0で移動する移動物体、８は集光レンズ、９は光検
出器である。
【００２２】次に図２の周波数シフター１０の要部を説
明する。図２において１０ａ，１０ｂは電気光学結晶Li
Nb03の平板（電気光学素子）である。１１ａ，１１ｂは
電気光学素子１０ａ，１０ｂの両面につけた電極であ
り、この電極１１（１１ａ，１１ｂ）は後述する光束１
２ａ，１２ｂの透過部に電界を掛ける様にしてある。
明する。図２において１０ａ，１０ｂは電気光学結晶Li
Nb03の平板（電気光学素子）である。１１ａ，１１ｂは
電気光学素子１０ａ，１０ｂの両面につけた電極であ
り、この電極１１（１１ａ，１１ｂ）は後述する光束１
２ａ，１２ｂの透過部に電界を掛ける様にしてある。
【００２３】本実施例では、LiNb03の１軸性結晶のＣ軸
方向に電極１１を配置し、レーザ光の偏向方向をＣ軸方
向になるように設置することにより、レーザ１からの波
長の変化により回折格子３の回折角θが変化し光路が変
化しても、偏向方向がＣ軸方向のまま維持することがで
き、周波数シフターとドップラー周波数のレーザ波長変
化に対する補償の効果を両立することができるようにし
ている。
方向に電極１１を配置し、レーザ光の偏向方向をＣ軸方
向になるように設置することにより、レーザ１からの波
長の変化により回折格子３の回折角θが変化し光路が変
化しても、偏向方向がＣ軸方向のまま維持することがで
き、周波数シフターとドップラー周波数のレーザ波長変
化に対する補償の効果を両立することができるようにし
ている。
【００２４】次に図１の本実施例の光学式変位測定装置
の動作を説明する。図１においてレーザー１から出射し
たレーザー光は、コリメーターレンズ２によって平行光
束１ａとして、ビームスプリッター３によって光束３ａ
と光束３ｂに分割している。光束３ａ，３ｂはレンズ１
１で集光して周波数シフターに入射させて周波数シフト
させている。周波数シフター１０を出射した光束１２
ａ，１２ｂはレンズ６で平行光束１３ａ，１３ｂとし
て、速度Ｖ0 で矢印の方向に移動している移動物体７に
入射角θで入射させている。
の動作を説明する。図１においてレーザー１から出射し
たレーザー光は、コリメーターレンズ２によって平行光
束１ａとして、ビームスプリッター３によって光束３ａ
と光束３ｂに分割している。光束３ａ，３ｂはレンズ１
１で集光して周波数シフターに入射させて周波数シフト
させている。周波数シフター１０を出射した光束１２
ａ，１２ｂはレンズ６で平行光束１３ａ，１３ｂとし
て、速度Ｖ0 で矢印の方向に移動している移動物体７に
入射角θで入射させている。
【００２５】移動物体７からの散乱光は、レンズ６と集
光レンズ８を介して光検出器９で検出している。２光束
１３ａ，１３ｂによる散乱光の周波数は、移動速度Ｖ0
に比例して各々＋，−ｆ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、周波数ｆは次
の（ａ）式で表わされる。
光レンズ８を介して光検出器９で検出している。２光束
１３ａ，１３ｂによる散乱光の周波数は、移動速度Ｖ0
に比例して各々＋，−ｆ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、周波数ｆは次
の（ａ）式で表わされる。
【００２６】
ｆ＝Ｖ0 ・ｓｉｎ（θ）／λ ・・・・・・（ａ）
周波数＋ｆ、−ｆのドップラーシフトを受けた散乱光
は、互いに干渉しあって光検出器９の受光面での明暗の
変化をもたらし、その明暗の周波数Ｆは電気光学素子１
０による２光束の周波数差をｆR とすると次の（ｂ）式
で与えられる。
は、互いに干渉しあって光検出器９の受光面での明暗の
変化をもたらし、その明暗の周波数Ｆは電気光学素子１
０による２光束の周波数差をｆR とすると次の（ｂ）式
で与えられる。
【００２７】
Ｆ＝２・ｆ＝２・Ｖ0 ・ｓｉｎ（θ）／λ＋ｆR ・・・・（ｂ）
そこで光検出器９からの周波数Ｆ（以下ドップラー周波
数と呼ぶ）を不図示の信号処理系で測定して（ｂ）式か
ら移動物体７の速度Ｖ0 を求めている。そして、移動物
体７の速度Ｖ0 が遅い場合でも、周波数差ｆRを適当な
値に設定して、前記のスペックルパタ−ンの流れや移動
物体の透過率（あるいは反射率）の変化に起因する低周
波成分との周波数差は十分に取り、低周波成分を電気的
に除去してドップラ−信号のみを取り出すことにより、
その場合でも速度検出が可能となるようにしている。
数と呼ぶ）を不図示の信号処理系で測定して（ｂ）式か
ら移動物体７の速度Ｖ0 を求めている。そして、移動物
体７の速度Ｖ0 が遅い場合でも、周波数差ｆRを適当な
値に設定して、前記のスペックルパタ−ンの流れや移動
物体の透過率（あるいは反射率）の変化に起因する低周
波成分との周波数差は十分に取り、低周波成分を電気的
に除去してドップラ−信号のみを取り出すことにより、
その場合でも速度検出が可能となるようにしている。
【００２８】尚、本実施例では回折格子３の格子ピッチ
をＰとしたとき、ｓｉｎθ＝λ／Ｐとなるようにして、
ドップラー周波数Ｆがレーザ光の波長変動に影響されな
いようにしている。即ち、波長λの変化に伴い回折角と
入射角θがレーザ光の波長変化を補償するようにしてい
る。
をＰとしたとき、ｓｉｎθ＝λ／Ｐとなるようにして、
ドップラー周波数Ｆがレーザ光の波長変動に影響されな
いようにしている。即ち、波長λの変化に伴い回折角と
入射角θがレーザ光の波長変化を補償するようにしてい
る。
【００２９】本実施例では電気光学素子１０ａ，１０ｂ
の厚みｄとセロダイン駆動の周期Ｔｓを所定の条件に設
定することにより電気光学素子が共振を起こさず高調波
が少ない安定したセロダイン駆動を可能としている。一
般に図４（Ａ）に示すような高調波が生ずる原因とし
て、電気光学素子がポッケルス効果と同時に圧電（ピエ
ゾ）効果を有し、鋸歯状波の立ち下がり時に変形を受
け、その振動とセロダイン駆動周期Ｔｓが共振するもの
と考えられる。
の厚みｄとセロダイン駆動の周期Ｔｓを所定の条件に設
定することにより電気光学素子が共振を起こさず高調波
が少ない安定したセロダイン駆動を可能としている。一
般に図４（Ａ）に示すような高調波が生ずる原因とし
て、電気光学素子がポッケルス効果と同時に圧電（ピエ
ゾ）効果を有し、鋸歯状波の立ち下がり時に変形を受
け、その振動とセロダイン駆動周期Ｔｓが共振するもの
と考えられる。
【００３０】即ち、電気光学素子の厚みｄと電気光学素
子の電圧印加方向の音速ｖとすると、 Ｔｓ＝２ｄ／ｖ×ｎ （ｎは整数） のときに高調波が大となり、 Ｔｓ＝２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） （ｎは整数） ・・・・・・（ｃ） のとき高調波が小となると考えられる。
子の電圧印加方向の音速ｖとすると、 Ｔｓ＝２ｄ／ｖ×ｎ （ｎは整数） のときに高調波が大となり、 Ｔｓ＝２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） （ｎは整数） ・・・・・・（ｃ） のとき高調波が小となると考えられる。
【００３１】そこで本実施例では（ｃ）式を略（±１０
％以内で）満足するように各要素を設定している。例え
ば、本実施例では電気光学素子としてＣ軸方向に厚みｄ
＝１．０２ｍｍのＬｉＮｂＯ3 の両面に電極としてクロ
ムを５０Ａ、金１０００Ａを蒸着したものを用い、金メ
ッキした銅電極板で挟持し、セロダイン駆動を加えてい
る。
％以内で）満足するように各要素を設定している。例え
ば、本実施例では電気光学素子としてＣ軸方向に厚みｄ
＝１．０２ｍｍのＬｉＮｂＯ3 の両面に電極としてクロ
ムを５０Ａ、金１０００Ａを蒸着したものを用い、金メ
ッキした銅電極板で挟持し、セロダイン駆動を加えてい
る。
【００３２】表−１はその時のセロダイン周波数Ｆｓと
重畳高調波の極大、極小及び重畳高調波の極大のときの
１鋸歯状波の重畳高調波の数ｎとそれから計算した音速
ｖ＝ｎ．２ｄＦｓである。
重畳高調波の極大、極小及び重畳高調波の極大のときの
１鋸歯状波の重畳高調波の数ｎとそれから計算した音速
ｖ＝ｎ．２ｄＦｓである。
【００３３】図４（Ａ）は重畳高調波の極大のときの鋸
歯状波を示し、図４（Ｂ）は重畳高調波の極小の鋸歯状
波を示している。
歯状波を示し、図４（Ｂ）は重畳高調波の極小の鋸歯状
波を示している。
【００３４】
【表１】
表−１から、重畳高調波が極大の時から計算される音速
波ほぼ同じ値を示し、又重畳高周波が極小となる時はそ
の中間のセロダイン周波数、即ち周期Ｔｓが（ｃ）式を
満足する値である。
波ほぼ同じ値を示し、又重畳高周波が極小となる時はそ
の中間のセロダイン周波数、即ち周期Ｔｓが（ｃ）式を
満足する値である。
【００３５】この他、本実施例において前述と同じ電気
光学素子を用いて、（ｃ）式においてセロダイン周波数
Ｆｓ＝１／Ｔｓが２００ｋＨｚ、ｎ＝１７になるよう
に、厚みｄをＣ軸方向１．０４６ｍｍにして、２００ｋ
Ｈｚでセロダイン駆動して、高調波が図４（Ｂ）と同じ
く小さいものを得ている。
光学素子を用いて、（ｃ）式においてセロダイン周波数
Ｆｓ＝１／Ｔｓが２００ｋＨｚ、ｎ＝１７になるよう
に、厚みｄをＣ軸方向１．０４６ｍｍにして、２００ｋ
Ｈｚでセロダイン駆動して、高調波が図４（Ｂ）と同じ
く小さいものを得ている。
【００３６】次に本実施例における電気光学素子１０を
用いた周波数シフターの動作について説明する。電気光
学結晶とは印加する電界により媒体の屈折率が変化する
もので、例えば、三方晶系３ｍのLiNb03やLiTa03、正方
晶系４２ｍの(NH4)H2PO4(ADP) 、KH2PO4(KDP)等がある。
以下にLiNb03を例にとり説明する。ＬｉＮｂ０３（３
ｍ）の屈折率楕円体は次式で表される。
用いた周波数シフターの動作について説明する。電気光
学結晶とは印加する電界により媒体の屈折率が変化する
もので、例えば、三方晶系３ｍのLiNb03やLiTa03、正方
晶系４２ｍの(NH4)H2PO4(ADP) 、KH2PO4(KDP)等がある。
以下にLiNb03を例にとり説明する。ＬｉＮｂ０３（３
ｍ）の屈折率楕円体は次式で表される。
【００３７】
【数１】
よって単位時間あたりの変化電圧Ｖを一定にすると、Li
Nb03透過後の光は単位時間あたりの位相変化量が一定と
なる。つまり、周波数シフターとなる。現実には、電圧
を常に一定に変化させると電圧が無限大になるために、
鋸歯波（セロダイン）駆動を行う。その際、立ち下がり
部で光位相が非連続にならない様に一つの電圧振幅が光
位相２πに相当する値で駆動させる。
Nb03透過後の光は単位時間あたりの位相変化量が一定と
なる。つまり、周波数シフターとなる。現実には、電圧
を常に一定に変化させると電圧が無限大になるために、
鋸歯波（セロダイン）駆動を行う。その際、立ち下がり
部で光位相が非連続にならない様に一つの電圧振幅が光
位相２πに相当する値で駆動させる。
【００３８】図２では電気光学素子１０ａ，１０ｂのＣ
軸Ｃａ，ＣｂをＺ軸方向に互いに逆向きに配置すること
で、（６）式による鋸歯状波の電圧振幅をπの位相差を
与える電圧振幅で周波数シフター１０透過後の光束１３
ａと１３ｂの光位相差を２πとしている。
軸Ｃａ，ＣｂをＺ軸方向に互いに逆向きに配置すること
で、（６）式による鋸歯状波の電圧振幅をπの位相差を
与える電圧振幅で周波数シフター１０透過後の光束１３
ａと１３ｂの光位相差を２πとしている。
【００３９】図３は本実施例において電気光学素子に電
圧を印加する際の鋸歯状波（セロダイン）駆動回路の例
である。定電流回路２１と放電回路２２からなり、定電
流回路２１ａは可変抵抗ＶＲにより調整された定電流ｉ
を一定容量とみなされる周波数シフター１０の電極に流
し充電している。放電回路２２では発信器等から入力さ
れたクロック２３の立ち下がりで極短いパルス２４を作
り、スイッチングトランジスタＱを瞬間“オン“にし、
定電流回路２１ａにより充電された周波数シフター１０
を瞬時にスイッチングトランジスタＱのソース電圧−Ｈ
Ｖ近くまで放電している。この時の充電と瞬時の放電を
繰り返すことにより、入力ロック２３の周期のセロダイ
ン駆動を行っている。
圧を印加する際の鋸歯状波（セロダイン）駆動回路の例
である。定電流回路２１と放電回路２２からなり、定電
流回路２１ａは可変抵抗ＶＲにより調整された定電流ｉ
を一定容量とみなされる周波数シフター１０の電極に流
し充電している。放電回路２２では発信器等から入力さ
れたクロック２３の立ち下がりで極短いパルス２４を作
り、スイッチングトランジスタＱを瞬間“オン“にし、
定電流回路２１ａにより充電された周波数シフター１０
を瞬時にスイッチングトランジスタＱのソース電圧−Ｈ
Ｖ近くまで放電している。この時の充電と瞬時の放電を
繰り返すことにより、入力ロック２３の周期のセロダイ
ン駆動を行っている。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば以上のように、周波数シ
フターを構成する電気光学素子の厚さや音速等の構成及
び該電気光学素子に印加する電圧の周期等を適切に設定
することにより２つの光束間に所定の周波数変調を与
え、これによりドップラー効果を利用して移動物体の速
度情報を高精度に検出することのできる周波数シフター
及びこれを用いた光学式変位計測装置を達成することが
できる。
フターを構成する電気光学素子の厚さや音速等の構成及
び該電気光学素子に印加する電圧の周期等を適切に設定
することにより２つの光束間に所定の周波数変調を与
え、これによりドップラー効果を利用して移動物体の速
度情報を高精度に検出することのできる周波数シフター
及びこれを用いた光学式変位計測装置を達成することが
できる。
【００４１】この他、電気光学素子の駆動周期が共振周
波数の周期の整数の中間倍になるように電気光学素子の
厚み及び周波数を設定することにより、安定した周波数
シフターを得て、これにより高精度の速度情報が得られ
る光学式変位計測装置を達成している。
波数の周期の整数の中間倍になるように電気光学素子の
厚み及び周波数を設定することにより、安定した周波数
シフターを得て、これにより高精度の速度情報が得られ
る光学式変位計測装置を達成している。
【図１】本発明の周波数シフターを用いた光学式変位計
測装置の要部概略図
測装置の要部概略図
【図２】電気光学素子による周波数シフターの説明図
【図３】セロダイン（鋸歯状波）駆動回路の説明図
【図４】図３の駆動回路で駆動した時のセロダイン（鋸
歯状波）波形の説明図
歯状波）波形の説明図
【図５】従来の周波数シフターを用いたドップラー速度
計の概略図
計の概略図
１ レーザ光源
２ コリメータレンズ
３ 回折格子（光分割素子）
４ ビームスプリッタ
５，６，１１ レンズ
７ 被測定物
８ 集光レンズ
９ 光センサ
１０ 周波数シフター
１０ａ，１０ｂ 電気光学素子
１１ａ，１１ｂ 電極
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平５−341043（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−232620（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−210072（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−230885（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−262064（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−32032（ＪＰ，Ａ)
実開 平５−15018（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01S 7/48 - 7/51
G01S 17/00 - 17/95
G02F 1/00 - 1/125
Claims (4)
- 【請求項１】 一定周期の電圧の印加によって屈折率が
変化する電気光学結晶を平板状にした厚さｄの電気光学
素子と、該電気光学素子に互いに平行に形成した電極を
介して該電気光学素子に電圧を印加する電源手段とを有
し、該電源手段からの印加電圧によって該電気光学素子
を透過する光束に周波数変調を与える周波数シフターに
おいて、該印加電圧の周期をＴｓ該電気光学素子の厚み
をｄ、 該電気光学素子の平行電極に垂直な方向の音速をｖ、ｎ
を整数としたとき、 Ｔｓ≒２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） である ことを特徴とする周波数シフター。 - 【請求項２】 前記電源手段により、前記平行な電極に
印加する電圧が鋸歯状であることを特徴とする請求項１
の周波数シフター。 - 【請求項３】 光源からの光束を光分割部材により２つ
の光束に分割し、該２つの光束間に周波数シフターを利
用して周波数差を付与し、該周波数差を付与した２光束
を移動物体に入射させ、該移動物体でドップラーシフト
を受けた散乱光を検出手段で検出することにより該移動
物体の変位情報を検出する際、該周波数シフターは一定
周期の印加電圧により屈折率が変化する電気光学結晶を
平板状にした厚さｄの電気光学素子と該電気光学素子に
互いに平行に形成した電極を介して電圧を印加する電源
手段とを有し、該印加電圧の周期をＴｓ、該電気光学素
子の厚さをｄ、 該電気光学素子の平行電極に垂直な方向の音速をｖ、ｎ
を整数としたとき、 Ｔｓ≒２ｄ／ｖ×（ｎ＋１／２） である ことを特徴とする光学式変位計測装置。 - 【請求項４】 前記電源手段により、前記平行な電極に
印加する電圧が鋸歯状であることを特徴とする請求項３
の光学式変位計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13589595A JP3492024B2 (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 周波数シフター及びそれを用いた光学式変位計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13589595A JP3492024B2 (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 周波数シフター及びそれを用いた光学式変位計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08304543A JPH08304543A (ja) | 1996-11-22 |
| JP3492024B2 true JP3492024B2 (ja) | 2004-02-03 |
Family
ID=15162327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13589595A Expired - Fee Related JP3492024B2 (ja) | 1995-05-09 | 1995-05-09 | 周波数シフター及びそれを用いた光学式変位計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3492024B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1313836C (zh) * | 2005-02-05 | 2007-05-02 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 电光调制脉冲激光测距仪 |
| JP2017015547A (ja) | 2015-06-30 | 2017-01-19 | キヤノン株式会社 | 速度計、および物品製造方法 |
-
1995
- 1995-05-09 JP JP13589595A patent/JP3492024B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08304543A (ja) | 1996-11-22 |
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