JP3548275B2 - 変位情報測定装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は変位情報測定装置に関し、例えば移動する物体や流体等(以下「移動物体」と称する。)にレーザー光を照射し、該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出することにより移動物体の変位に関する変位情報や移動物体の移動速度を非接触で測定するようにしたドップラー効果を利用した変位情報測定装置に良好に適用できる。
【0002】
【従来の技術】
従来より移動物体の移動速度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が使用されている。レーザードップラー速度計は移動物体にレーザー光を照射し、該移動物体からの散乱光の周波数が、移動物体の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】
一例として図3に特開平4−230885号で提案されているレーザードップラー速度計の要部概略図を示す。同図において、101はレーザードップラー速度計である。1はレーザー、2はコリメーターレンズ、7は移動物体としての被測定物体、10は格子ピッチdの回折格子、11,12は焦点距離がfの第1,第2レンズであり、図に示すような配置構成になっている。回折格子10から第1レンズ11までの距離をa,第2レンズ12から被測定物体(移動物体)7までの距離bとしたとき、a,bはa+b=2fの関係を満足している。
【0004】
波長λが約0.68μmのレーザーダイオード1からのレーザー光はコリメーターレンズ2によって直径1.2mmφの平行光束3となり、格子ピッチdが3.2μmの透過型の回折格子10の格子配列方向に垂直に入射する。このとき±1次の回折光5a,5bの回折角θはdsinθ=mλ(m=1)より回折角θ1=12°で出射する。
【0005】
光束5a,5bが焦点距離f(=15mm)の第1レンズ11に入射すると、図のような光束13a,13bが得られる。光束13a,13bが2f(=30mm)離れたもう1つの第2レンズ12に入射すると、再び平行光14a,14bが得られ、前述の回折格子10からの回折角θ1と等しい角度で1.2mmφのスポット径となって速度V(mm/sec)の被測定物体7を照射する。
【0006】
被測定物体7からの散乱光を第2レンズ12及び集光レンズ8により効率よく光検出器9受光部9aへと集光させる。このとき受光部9a面上では2光束14a,14bの散乱光による明暗の変化が生じる。検出部9では、(a)式に示すドップラー信号が含有された光信号(ドップラー周波数F)を検出する。そして演算手段24により(a)式を用いて移動物体7の速度情報を得ている。
【0007】
F=2V/d=V/1.6(kHz) ・・・・・・(a)
ここで、例えばa=10mm,b=20mmとしており、bは比較的長くなりワーキングディスタンスを大きくして速度計設置の自由度を大きくしている。
【0008】
ここでレーザーダイオード1からのレーザー光の波長λが変化したとすると、dsinθ=λに対応して回折角θが変動するが、ドップラー信号Fは変動しない。又この装置では2光束スポットの位置25も不動にしている。即ち、被測定物体7を図3に示す配置に設定して、被測定物体7上で2光束のスポットの位置が不動となるようにしてスポット間の位置ずれが生じないようにして、常に適正な交差状態を保っている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
図3に示す構成のドップラー速度計はグレーティング10からの回折角と被測定物体7上での入射角が等しい構成となっている。これによりレーザー波長が変化した場合でもドップラー信号は変動せず高精度な速度測定を実現している。しかしながら、回折角=交差角(照射角)であるが故に光学設計が制約を受ける可能性がある。
【0010】
回折角≠交差角の構成をとれば、例えば「グレーティングピッチ<被測定物上での干渉縞ピッチ」のような構成をとれば、光学設計に自由度が大きくなり、例えば容易にワーキングディスタンスを長くとることができる。しかしながら、このような構成にすると、一般に半導体レーザーからの発振波長が温度特性を持っており、温度変化に伴ってレーザー波長が変化した場合、回折角θ=sin−1(λ/d)が変動して、結果として干渉縞ピッチにも影響するためこのままでは高精度な測定に影響する可能性がある。
【0011】
本発明は移動物体の変位情報を高精度に検出することのできるドップラー効果を利用した変位情報測定装置の提供を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明の変位情報測定装置は、光源手段からの光束を2つの回折光に分離する回折格子に入射させ、該回折格子からの2つの回折光を第1レンズと第2レンズを介して、移動物体上に異なった方向で且つ前記回折格子により分離された回折角とは異なる角度で入射した前記2つの回折光が該移動物体面付近で交差するように各要素を設定して照射し、該移動物体面からのドップラーシフトを受けた散乱光を検出手段で検出し、該検出手段で得られるドップラー信号を利用して該移動物体の移動情報を検出する変位情報測定装置でにおいて、
第1レンズを保持する第1保持部材と第2レンズを保持する第2保持部材を該第1、第2保持部材の熱膨張率と異なる熱膨張率のベース部材で支持し、
環境変化に伴い発生する光源の波長変動による検出誤差分と波長変動に伴う入射角度の変化による誤差分とを、前記第1、第2保持部材間の距離を変化させることにより概略補正するように前記第1保持部材、第2保持部材、ベース部材の熱膨張率を設定したことを特徴としている。
【0013】
請求項2の発明は、請求項1の発明において前記第1、第2保持部材間のベース部材の距離の熱膨張による変化と、前記第1、第2保持部材自身の熱膨張による変化によって、前記検出誤差を概略補正する様に前記第1、第2保持部材の前記ベース部材への固定位置を調整したことを特徴としている。
【0014】
【実施例】
図1は本発明の実施例1の要部平面図である。
【0015】
本実施例では図1の紙面内(移動面内)において移動物体7が速度Vで矢印7aの如く移動している場合を示している。図1において101は速度計(変位情報測定装置)である。
【0016】
1は光源で、例えばレーザーダイオード等(以下「レーザー」と称する。)より成っており、波長λ=0.68μmのレーザー光を放射している。2はコリメーターレンズであり、レーザー1からの光束を直径2mmの平行光束3にしている。10は回折格子であり、例えば格子ピッチdが3.2μmの透過型の回折格子より成り±1次回折光5a,5bが回折角θ1(θ1=12°)で回折するように設定している。
【0017】
11は焦点距離f1の第1レンズであり第1保持部材11aに保持している。12は焦点距離f2の第2レンズであり第2保持部材12aに保持している。第1保持部材と第2保持部材はそれらの熱膨張率とは異なる熱膨張率のベース部材13に支持されている。
【0018】
第1レンズ11は回折格子10からの±1次回折光5a,5bを集光し、光束6a,6bとし、点Pに集光した後に第2レンズ12に導光している。第2レンズ12は光束6a,6bを平行光束15a,15bとして射出させて入射角(照射角)θ2で移動物体7に双方の光束が重畳するように入射させている。
【0019】
第1レンズ11と第2レンズ12はそれらの間隔が略f1 +f2 となるように配置している。7は移動物体または移動流体(以下「移動物体」と称する。)であり、移動速度Vで矢印7a方向に移動している。
【0020】
8は集光レンズであり、移動物体7からの反射光をレンズ群12を介して集光して光検出器(検出手段)9に導光している。
【0021】
本実施例において、レーザー1から出射され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3となり、回折格子10に垂直入射する。そして回折格子10からの±1次(n次)回折光5a,5bは回折角θ1で射出し、第1レンズ11に入射する。そして回折光5a,5bは第1レンズ11で光束6a,6bとして点Pに集光した後に第2レンズ12に入射している。
【0022】
このとき光束6a,6bを距離f1 +f2 離れた第2レンズ12に入射させて、速度測定方向では再び平行光15a,15bとして入射角θ2で移動物体7に照射している。
【0023】
被測定物体7からの散乱光を第2レンズ12及び集光レンズ8により効率よく光検出器9の受光部9aへと集光させ、(1)式に示すドップラー信号Fが含有された光信号を検出している。
【0024】
F=2Vsinθ2 /λ ・・・・・・(1)
ここで、環境変化(温度変化)によりレーザーダイオード1からの光束の波長λが変化すると、
dsinθ1 =λ ・・・・・・・・(2)
に対応して回折角θ1 が変動する。
【0025】
このとき、
f1 tanθ1 =f2 tanθ2
であれば、sinθ≒tanθ≒θより、ドップラー信号Fは、
F=2Vf1 /f2 d=V/2.5(kHz) ・・・・・・(3)
となり、近似的にではあるが波長依存性のない光学系を実現することができる。そこで光検出器9の出力よりドップラー信号Fの値を求め、不図示の演算器で(3)式より速度Vを算出する。
【0026】
しかしながら、本実施例ではワーキングディスタンスを大きくとる為に、
f1 tanθ1 ≠f2 tanθ2
としている。この結果、レーザーダイオード1からの光束の波長λが変化するとドップラー信号Fは(1)式より誤差が生じる。
【0027】
例えば回折格子10のピッチdが3.2μm、干渉縞ピッチ5μmの構成では温度変化により表−1の検出誤差が生じる(温度変化0→22.5→45℃に対して679.5→685.1→690.8nmの波長変動をする半導体レーザを例にとる)。
【0028】
【表1】
またレンズの位置ズレに対する誤差は第1レンズ11と第2レンズ12に対するズレが最も影響度が大きく位置ズレに対して表−2の検出誤差が生じる。
【0029】
【表2】
そこで本実施例では、第1レンズ11を保持する第1保持部材11aと第2レンズ12を保持する第2保持部材12a、そして該第1,第2保持部材を支持するベース部材13を適切なる熱膨張率を有する材質より構成して、温度変化によりレーザーダイオード1からの光束の波長が変化して発生する移動物体7への光束の照射角の変化による誤差分を第1,第2レンズ間の距離を熱膨張によって変えて、これに起因する誤差分で略相殺して補正(キャンセル)するようにしている。
【0030】
具体的には、第1レンズ11と第2レンズ12の保持部材に第1レンズと第2レンズ間の距離34.5(mm)に対して±22.5℃の温度変化に対して±17μmの熱膨張をするマグネシウム合金(α=26×10−6)を使用し、ベース部材13にアルミニウム(A3003,α=23.2×10−6)を使用し、図1に示すようなレンズ鏡筒固定位置(ネジ止め位置)に設定している。これにより温度変化±22.5℃に対する誤差、即ちドップラー信号Fの検出誤差を補正している。具体的には、温度変化±22.5℃に対して波長変動による光学的誤差を0.01%以下になるまで相殺する様に設計すれば、即ちこれは誤差を測定時のノイズ以下までおさえたことになる。
【0031】
図2は本発明の第2実施例の要部平面図である。
【0032】
本実施例では図1の実施例1に比べて、ベース部材13に直接レンズ11,12を固定する構成にした点が異なる。レーザーダイオード1から出射されたレーザー光はZ軸に直線偏光となるように配置され、コリメーターレンズ2によって平行光束3となる。平行光束3は回折格子10により角度θで回折され2光束5a,5bに分割されて凸レンズ11に入射する。光束は集束光10a,10bになるが、レンズ12により再び平行光束15a,15bになり速度Vで移動している被測定物7に入射角θ′で2光束照射される。物体もしくは流体による散乱光は、集光レンズ8を介して光検出器9で検出される。理想的には回折角θ=照射角θ′であれば光学的な誤差はほとんど生じない。しかし本実施例ではワーキングディスタンスを大きくとるためにθ≠θ′で構成している。θ≠θ′の場合、光学的な誤差が理論的に生じる。例えば回折格子ピッチ3.2μm、干渉縞ピッチ5μmの構成では表−3の誤差が生じる。
【0033】
【表3】
またレンズの位置ズレに対する誤差はレンズ11、レンズ12に対するズレが最も影響度が大きく位置ズレに対して表−4の誤差が生じる。
【0034】
【表4】
以上のことを踏まえ本実施例ではレンズ11とレンズ12が最適に位置ズレする、即ち温度変化によるレーザーダイオード波長変化起因の誤差とレンズ11,12間の熱膨張による距離変動起因の誤差とが相殺されるような材質を選定してある。実際の設計ではレンズ11、レンズ12間距離34.5に対して±22.5℃の温度変化に対して15μmの熱膨張をする材質、例えば真ちゅう(α=19.9×10−6)がほぼ光学的誤差を消去する。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、回折格子より生ずる回折光を集光する第1レンズを保持する第1保持部材と第2レンズを保持する第2保持部材、そして第1,第2保持部材を支持するベース部材を適切なる熱膨張率の部材より構成し、回折角と照射角が異なることで生じる光学的誤差を該第1レンズ及び第2レンズ間の距離の熱膨張による変化(誤差)でキャンセルすることにより、移動物体の変位情報を高精度に検出することのできるドップラー効果を利用した変位情報測定装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の要部平面図
【図2】本発明の実施例2の要部平面図
【図3】従来のドップラー速度計の概略図
【符号の説明】
1 光源
2 コリメーターレンズ
7 被測定物
8 集光レンズ
9 光検出器
10 回折格子
11 第1レンズ
12 第2レンズ
11a 第1保持部材
12a 第2保持部材
13 ベース部材
21,22 レンズ鏡筒
Claims (2)
- 光源手段からの光束を2つの回折光に分離する回折格子に入射させ、該回折格子からの2つの回折光を第1レンズと第2レンズを介して、移動物体上に異なった方向で且つ前記回折格子により分離された回折角とは異なる角度で入射した前記2つの回折光が該移動物体面付近で交差するように各要素を設定して照射し、該移動物体面からのドップラーシフトを受けた散乱光を検出手段で検出し、該検出手段で得られるドップラー信号を利用して該移動物体の移動情報を検出する変位情報測定装置でにおいて、
第1レンズを保持する第1保持部材と第2レンズを保持する第2保持部材を該第1、第2保持部材の熱膨張率と異なる熱膨張率のベース部材で支持し、
環境変化に伴い発生する光源の波長変動による検出誤差分と波長変動に伴う入射角度の変化による誤差分とを、前記第1、第2保持部材間の距離を変化させることにより概略補正するように前記第1保持部材、第2保持部材、ベース部材の熱膨張率を設定したことを特徴とする変位情報測定装置。 - 前記第1、第2保持部材間のベース部材の距離の熱膨張による変化と、前記第1、第2保持部材自身の熱膨張による変化によって、前記検出誤差を概略補正する様に前記第1、第2保持部材の前記ベース部材への固定位置を調整したことを特徴とする請求項1記載の変位情報測定装置。
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1996
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