JP3566392B2 - Displacement information measuring device - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は変位情報測定装置に関する。本発明は、例えば移動する物体や流体等(以下「移動物体」と称す)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偏移に関する偏移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ものである。
【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、移動する物体や流体にレーザー光を照射し、該移動物体もしくは移動流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、前記移動物体もしくは移動流体の移動速度を測定する装置である。
【0003】
図1は、従来のレーザードップラー速度計の一例を示す説明図である。
【0004】
同図においてレーザー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、ビームスプリッター4によって二光束5a及び5bに分割されてミラー6a及び6bで反射された後、速度Vで移動している物体もしくは流体7に入射角θで二光束照射される。移動物体による散乱光は、集光レンズ8を介して光検出器9で検出される。このとき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+Δf、−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。
【0005】
Δf=Vsinθ/λ … (1)
【0006】
+Δf、−Δfのドップラーシフトを受けた散乱光は、互いに干渉し合って光検出器9の受光面での明暗の変化をもたらし、その周波数Fは次の(2)式で与えられる。
【0007】
F=2Vsinθ/λ … (2)
【0008】
従って、光検出器9の出力信号の周波数(以下、ドップラー周波数と呼ぶ)を測定すれば、(2)式に基づいて移動物体7の速度Vを求めることができる。
【0009】
図2は光検出器9からの信号を処理する電気処理部Cの概略図である。
【0010】
光検出器9から得られた信号はバンドパスフィルター(BPF)12より信号のS/Nを改善し、フェーズロックドループ(PLL)13にて連続信号として出力される。
【0011】
ここで、図3のようにドロップアウトが生じた時の動作について説明する。図3はドロップアウト(A部)が生じた場合のBPF12からの信号の一例である。ドロップアウト検出器18では、常にA部信号をチェックし、図3のようにドップラー信号レベルがある一定値以下となるとドロップアウトが生じたと判断し、スイッチ(SW)15をオフにし、位相比較器14の出力とヴォルテージコントロールドオッシレータ(VCO)17の入力を分離する。ローパスフィルター(LPF)16ではSW15のオフ直前の電圧を保持し、VCO17は一定値を出力する。これによりPPL13ではドップラー信号のドロップアウトによる乱れを生じず、ドロップアウト直前の周波数出力を維持する。そして、ドップラー信号レベルが再び一定値以上になるとドロップアウト検出器18はSW15をオンにして、通常のPLLの動作を行う。
【0012】
以上の動作で連続信号として得られたドップラー周波数Fは(2)式に基づいて演算手段19により移動物体7の移動速度Vを算出し測定を行う。
【0013】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、ドロップアウトが長時間生じた場合、PLL13で補足した信号と実際に物体が移動したときに出力されるべき信号とに誤差が生じることになり測定精度が悪化する。特に同一物体を測定した場合には低速の時のほうがドロップアウトの時間は長く測定精度が悪くなる傾向がある。
【0014】
また一方、静止状態から速度方向も含め測定を可能とする技術として、2光束を被測定物に照射する前に周波数差を付ける方法(周波数シフター)がある。
【0015】
この場合は周波数シフターによるシフト量をfRとすると、(2)式が
F=2Vsin(θ)/λ+fR …(3)
となる。このような場合に、ドロップアウトが生じた状態で静止すると、ドロップアウト状態が静止中継続することになる。
【0016】
一般にドロップアウト状態が長時間継続すると測定不可能状態であると判断して検出エラー状態となるため、連続信号として測定できなくなる場合が生じる。
【0017】
このドップラー信号のドロップアウトは、様々な位相を持つ複数のスペックルをセンサーで採光した際に平均化作用により偶然光電信号のAC成分が消失した際に起こる。
【0018】
図4は、スペックルパターン観測の構成図であり、10は被測定物7に照射された2光束スポットで、CCDカメラ11でのスポット10からのスペックルパターンを図5に示す。
【0019】
被測定物7が図4の矢印方向に移動すると、図3のスペックルパターンの明暗強度が移動距離λ/2sinθを周期として変調される。ドロップアウトとは、スペックルパターンの明暗分布がほぼ同一の時にトータルの光強度のビート信号振幅が小さくなる現象である。
【0020】
本発明は、このようなドロップアウトによる検出不能状態を防止し常に連続的に変位情報検出できる変位情報測定装置を提供することを目的とする。
【0021】
本発明は特に、このような常に連続的に変位情報検出できる装置において、より正確にドロップアウトの影響防止を実行できる変位情報測定装置を提供することを第1の目的とする。
【0022】
本発明は又、このような常に連続的に変位情報検出できる装置において、より効率的にドロップアウトの影響防止を実行できる変位情報測定装置を提供することを第2の目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための第発明は、光源手段からの光束を物体に入射させ、前記物体からの散乱光を光検出器により受光し、該散乱光の周波数変移に基づいて前記物体との間の相対的な変位情報を測定する変位情報測定装置に於いて、前記物体からの散乱光を採光する光検出器の採光領域又は採光方向を変化させる採光変化手段を有し、前記採光変化手段が受光光路を少なくとも一部遮蔽するための光路遮蔽部材を有し且つ該光路遮蔽部材の共振周波数に合わせて該光路遮蔽部材を振動させることを特徴とする変位情報測定装置である。
【0025】
発明は、上述構成において、更に前記光路遮断部材が音叉型の振動部材で構成されていることを特徴とする。
【0026】
発明は、上記構成において、更に前記物体からの散乱光をレンズ系を介して前記光検出器に導くことを特徴とする。
【0027】
発明は、上記構成において、更に前記物体に入射する光束を2光束とし、前記光検出器と前記採光変化手段を前記2光束の光路の成す面外に配置することを特徴とする。
【0028】
発明は、上記構成において、さらに前記光検出器からの出力信号を元に周期信号を形成するフェーズロックドループを有することを特徴とする。
【0029】
発明は、上記構成において、更に前記採光変化手段が圧電材によって振動部を振動させる構成を有することを特徴とする。
【0030】
【実施例】
図6は本発明の実施例1のレーザードップラー速度計の要部概略図である。
【0031】
ハウジング100内において、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は格子配列方向がY軸で格子ピッチdの回折格子40によって2光束5a及び5bに回折角θで分割される。
【0032】
このとき、回折角θは、レーザー波長をλとして
dsinθ=λ …(5)
となる。2光束5a、5bはそれぞれ角度θをもって、Z軸にc軸(光学軸)を持つ電気光学結晶22a、22bに入射される。電気光学結晶22aには電極23a、23bにより電圧が印加され、従って光束5aのみに電界を掛ける様にしてある。電気光学結晶22a、22bの形状を厚さde=1mm、長さl=20mmとし、レーザー波長をλ=780nm、格子ピッチd=1.6μmとすると、光束5a、5bが電気光学結晶22a、22bを透過する実質長さl´は、
l´=l/cos(θ´) …(6)
但し、θ´は電気光学結晶内部での光束の角度であり、電気光学結晶の異常光屈折率をNeとすると、以下の様になる。
【0033】
sin(θ)=Ne・sin(θ´) …(7)
【0034】
(5)式よりθ≒29.18度だから、l´=20.54mmとなり、異常光屈折率Ne=2.2、ポッケルス定数γ=32.2×10−9(mm/V)とすると、電圧振幅はV≒224Vで2光束の位相差が2πとなる。周波数fRでセロダイン駆動すると、fRの周波数差を持つ2光束5c、5dが得られる。2光束5c及び5dはミラー21a、21bで偏向され、速度Vで移動している被測定物7に入射角θで二光束照射する。物体による散乱光は、集光レンズ8を介して反射プリズム24にて集光光学系光軸を折り返し、回路基板30に一体的に構成されている(図6では図示されない)光検出器9で検出される。
【0035】
このように反射プリズム24にて反射した光束を受光する位置に光検出器9や、後述する振動子26を設けた回路基板30を配置しており、これにより、2光束5c、5dの光路が成す平面の外に光検出器9や振動子26を配置でき、光学系部分を小型化することが可能な構成となっている。
【0036】
検出された散乱光のドップラ−周波数は、2光束の周波数差fRにより(3)式同様次のようになる。
【0037】
F=2Vsin(θ)/λ+fR …(8)
【0038】
(5)式より、(8)式は
F=2V/d+fR …(9)
となり、レーザーの波長依存性がない信号を検出することが可能となる。即ち、波長が変動すると(5)式によって回折角が変化し、これによってドップラー信号の波長変動による周波数変動は相殺され、波長依存性が消去される。また、電気光学結晶22a、22bに入射する角度も変化するが偏光方向が電気光学結晶22a、22bのc軸と一致するため、電気光学結晶22a、22b透過後も偏光方向は維持される。また、(6)式より実質長さl´が変化し電圧振幅が変わるが、変化量は殆ど無視できる。このため波長が変動しても高精度な信号を検出する事ができる。
【0039】
上述のような形で物体からの散乱光を受光した光検出器9からの検出信号は、BPFやPLL、ドロップアウト検出器を含む図2に示されたものと同様な電気処理部により信号処理されて連続信号とされ、この連続信号より得られた周波数Fから不図示の演算器で(9)式を元に速度測定される。
【0040】
この構成では、2光束光路内にそれぞれ電気光学結晶22a、22bを配置しているため、2光束光路長など光学的位置関係を変えることなく、電気光学結晶22a、22bの導入が行われる。
【0041】
図7は、図6の回路基板30に一体構成されている光検出器9及び振動子26などの構成を示す図で、(a)は図6の側面から回路基板30を見た図で、(b)は図6の下から回路基板30を見た図である。振動子26は圧電セラミックス25が貼り付けられ、片持ち梁として振動子固定部材27により固定されている。振動子26の共振周波数fs(Hz)は、
fs=(1.875/2πl)√(EI/ρA) …(10)
l:長さ(m)、E:縦弾性係数(Pa)、I:断面2次モーメント(m
ρ:比重(kg/m)、A:断面積(m
により計算される。圧電セラミックス25を振動子26の共振周波数fsと同じ周波数で駆動させて振動子26を振動させることにより、少ない電圧で振動子26の振動変位量をかせぐことができる。
【0042】
このような構成で、集光光学系の光路上に設けた振動子26を振動させることにより採光方向、採光領域を変化させることができる。ドロップアウト発生時に圧電振動アクチュエーターでセンサー方向への特定採光方向の光路を遮蔽すれば、センサー上でのスペックルパターンの明暗のバランスが崩れ、ドロップアウト状態ではなくなる。よって移動物体が低速で移動しているときでも長時間のドロップアウトが回避できる。
【0043】
この目的のために、光検出器9の受光面9aと振動子26とは、正確に位置合わせされていなければならない。図7の(b)で解るように、光検出器9の受光面9a(0.6mmφ)と振動子26(幅0.3mm)との位置合わせは精度を要するが、本実施例においては光検出器9、振動子26が共に回路基板30に一体的に構成されていることにより、位置合わせが容易な構成となっている。また、図7のように構成すれば、図6に示される集光光学系の光軸調整を行えば振動子26はそのまま遮断部材としての効果を発揮する構成となる。
【0044】
図8は光検出器9からの検出信号の一例を表しており、図8の(a)は、静止状態でドロップアウトが生じた場合、(b)は(a)の状態から振動子26を駆動させた場合である。図8の(a)に示される信号状態では、図2で述べた信号処理を行っても、検出エラーとなり連続信号が出力されない。本発明の構成では図8(b)からわかるように、共振周波数fsの周期でドロップアウト状態とそうでない状態が繰り返されることになり、連続したドロップアウト状態が防止される。このような周期的な信号検出状態であれば、図2で述べた信号処理を行うことにより連続した信号出力が可能となる。
【0045】
本実施例では、上述のように光検出器と前記光検出器の採光領域を変化させる手段とを一体的に構成することにより、遮断部材と光検出器9の受光面との位置合わせが容易になり、又両者の経時変化等による位置ズレも起こりにくくなる。
【0046】
又、本実施例では、上述のように振動子26をその共振周波数fsと同じ周波数で駆動することにより、少ない電圧で効率的に振動子26の振動変位量を得ることができる。
【0047】
図9に本発明の第2実施例のレーザードップラー速度計における回路基板30の構成を示す。本実施例の他の部分の構成は第1実施例と同様なので、説明は省略する。(a)は図6の側面から回路基板30を見た図で、(b)は図6の下から回路基板30を見た図である。本実施例においては、遮断部材が図のような音叉型振動子28により構成されており、音叉の一方に圧電セラミックス25が貼り付けられ、圧電セラミックス25を振動子26の共振周波数fsと同じ周波数で駆動させて音叉を振動させる構成になっている。音叉型振動子28は回路基板30とは半田付けされ、一体構成となっている。図9の音叉型振動子28では、左右の振動子がそれぞれ反対方向に振動しトルクが節部で逆方向に掛かるが、回路基板30への取付け部では2つのトルクが相殺し合う構成となっている。このため取付け部付近に振動時のトルクによって不要な振動モードが発生することが無い、より安定した状態となっている。
【0048】
図10は、音叉型振動子28の共振モードをシミュレーションした結果を示す。点線部が振動前の位置を示す。これからも回路基板30への取付け部では振動がないことがわかる。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ドロップアウトによる検出不能状態を防止し常に連続的に変位情報検出できる。
【0051】
又第発明によれば、このような常に連続的に変位情報検出できる装置において、採光変化手段の有する光路遮蔽部材を、その共振周波数に合わせて振動させることにより、少ない電圧で光路遮断部材の振動変位量を得ることができ、より効率的にドロップアウトの影響防止ができる。
【0052】
又第発明によれば、光路遮断部材を音叉型振動部材で構成していることにより、不要な振動モードを発生させることなく共振させることができる。
【0053】
又第発明によれば、レンズ系を介して散乱光を光検出器に導くことにより、信号を含む散乱光の受光効率を上げることができ、S/N向上が図れる。
【0054】
又第4発明によれば、光検出器と採光変化手段を前記2光束の光路の成す面外に配置することにより、装置全体を小型化することが可能となる。
【0055】
又第発明によれば、フェーズロックドループを用いた装置において、ドロップアウトによる検出不能状態を防止し常に連続的に変位情報検出することが可能になる。
【0056】
又第発明によれば、採光変化手段をより小型な構成にすることができ、装置構成のコンパクト化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
従来のレーザードップラー速度計の1例の説明図
【図2】
レーザードップラー速度計の信号処理系を説明する図
【図3】ドップラー信号のドロップアウトを説明する図
【図4】スペックルパターン観測構成図
【図5】スペックルパターンを示す図
【図6】本発明の第1実施例のレーザードップラー速度計の概要図
【図7】本実施例の回路基板構成図
【図8】ドップラー信号を説明する図
【図9】本発明の第2実施例のレーザードップラー速度計の回路基板構成図
【図10】音叉振動子の共振シミュレーションの結果を示す図
【符号の説明】
1 光源手段
2 コリメーターレンズ
4 ビームスプリッター
6a、6b ミラー
7 移動物体
8 集光レンズ
9 光検出部
13 PLL
19 演算手段
20 絞り部材あるいは振動部材
21a、21b ミラー
22a、22b 電気光学結晶
23 電極
24 反射プリズム
25 圧電セラミックス
26 振動子
27 振動子固定部材
28 音叉振動子
30 回路基板
40 回折格子
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a displacement information measuring device. The present invention irradiates, for example, a moving object, a fluid, or the like (hereinafter, referred to as a “moving object”) with a laser beam, and detects a shift in the frequency of scattered light that has undergone Doppler shift according to the moving speed of the moving object. By doing so, the present invention can be favorably applied to a displacement information measuring apparatus using the Doppler effect in which the displacement information relating to the displacement of the moving object and the moving speed of the moving object are measured in a non-contact manner.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a laser Doppler velocimeter has been used as a device for non-contact and high-accuracy measurement of the moving speed of a moving object. Laser Doppler velocimeters use the effect (Doppler effect) of irradiating a moving object or fluid with laser light and shifting the frequency of the scattered light by the moving object or fluid in proportion to the moving speed. And an apparatus for measuring the moving speed of the moving object or the moving fluid.
[0003]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a conventional laser Doppler velocimeter.
[0004]
In FIG. 1, a laser beam emitted from a laser 1 is converted into a parallel beam 3 by a collimator lens 2, split into two beams 5a and 5b by a beam splitter 4, reflected by mirrors 6a and 6b, and moved at a speed V. The object or the fluid 7 is irradiated with two light beams at an incident angle θ. Light scattered by the moving object is detected by the light detector 9 via the condenser lens 8. At this time, the frequency of the light scattered by the two light beams undergoes a Doppler shift of + Δf and −Δf, respectively, in proportion to the moving speed V. Here, assuming that the wavelength of the laser beam is λ, Δf can be expressed by the following equation (1).
[0005]
Δf = Vsin θ / λ (1)
[0006]
The scattered lights that have undergone the Doppler shifts of + Δf and −Δf interfere with each other to cause a change in brightness on the light receiving surface of the photodetector 9, and the frequency F is given by the following equation (2).
[0007]
F = 2V sin θ / λ (2)
[0008]
Therefore, by measuring the frequency of the output signal of the photodetector 9 (hereinafter referred to as Doppler frequency), the velocity V of the moving object 7 can be obtained based on the equation (2).
[0009]
FIG. 2 is a schematic diagram of an electric processing unit C that processes a signal from the photodetector 9.
[0010]
The signal obtained from the photodetector 9 is improved in signal S / N by a band pass filter (BPF) 12 and output as a continuous signal by a phase locked loop (PLL) 13.
[0011]
Here, an operation when a dropout occurs as shown in FIG. 3 will be described. FIG. 3 is an example of a signal from the BPF 12 when a dropout (part A) occurs. The dropout detector 18 always checks the signal of the section A, determines that a dropout has occurred when the Doppler signal level falls below a certain value as shown in FIG. 3, turns off the switch (SW) 15 and turns on the phase comparator. 14 is separated from the input of a voltage controlled oscillator (VCO) 17. The low pass filter (LPF) 16 holds the voltage immediately before the SW 15 is turned off, and the VCO 17 outputs a constant value. As a result, the PPL 13 does not cause disturbance due to the dropout of the Doppler signal, and maintains the frequency output immediately before the dropout. Then, when the Doppler signal level becomes equal to or higher than the predetermined value again, the dropout detector 18 turns on the SW 15 to perform a normal PLL operation.
[0012]
The Doppler frequency F obtained as a continuous signal by the above operation is measured by calculating the moving speed V of the moving object 7 by the calculating means 19 based on the equation (2).
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, when dropout occurs for a long time, an error occurs between the signal captured by the PLL 13 and the signal to be output when the object actually moves, and the measurement accuracy deteriorates. In particular, when the same object is measured, the dropout time is longer at a low speed, and the measurement accuracy tends to deteriorate.
[0014]
On the other hand, as a technique for enabling measurement including a velocity direction from a stationary state, there is a method of giving a frequency difference before irradiating the object with two light beams (frequency shifter).
[0015]
In this case, assuming that the shift amount due to the frequency shifter is fR, the equation (2) is expressed as F = 2Vsin (θ) / λ + fR (3)
It becomes. In such a case, if the player stands still in a state in which the dropout has occurred, the dropout state continues during the standstill.
[0016]
In general, if the dropout state continues for a long time, it is determined that the measurement cannot be performed, and a detection error state occurs, so that a measurement may not be performed as a continuous signal.
[0017]
The dropout of the Doppler signal occurs when the AC component of the photoelectric signal is accidentally lost due to an averaging effect when a plurality of speckles having various phases are collected by the sensor.
[0018]
FIG. 4 is a configuration diagram of speckle pattern observation. FIG. 5 shows a speckle pattern 10 from the spot 10 on the CCD camera 11, which is a two-beam spot irradiated on the DUT 7.
[0019]
When the DUT 7 moves in the direction of the arrow in FIG. 4, the light and dark intensity of the speckle pattern in FIG. 3 is modulated with the moving distance λ / 2 sin θ as a cycle. Dropout is a phenomenon in which the beat signal amplitude of the total light intensity decreases when the light and dark distributions of the speckle pattern are substantially the same.
[0020]
An object of the present invention is to provide a displacement information measuring device capable of preventing the undetectable state due to such dropout and continuously detecting displacement information.
[0021]
In particular, a first object of the present invention is to provide a displacement information measuring device capable of more accurately preventing the effect of dropout in such a device capable of constantly and continuously detecting displacement information.
[0022]
A second object of the present invention is to provide a displacement information measuring device capable of more effectively preventing the effect of dropout in such a device capable of constantly and continuously detecting displacement information.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
A first invention for achieving the above object is to make a light beam from a light source unit incident on an object, receive scattered light from the object by a photodetector, and generate a light beam based on a frequency shift of the scattered light. A displacement information measuring device for measuring relative displacement information between the light source and the light detector, the device comprising: a lighting change unit that changes a lighting area or a lighting direction of a light detector that collects scattered light from the object; The displacement information measuring device is characterized in that the means has an optical path shielding member for at least partially shielding the light receiving optical path, and vibrates the optical path shielding member in accordance with the resonance frequency of the optical path shielding member.
[0025]
According to a second aspect of the present invention, in the above-described configuration, the optical path blocking member is further formed of a tuning fork type vibration member.
[0026]
According to a third aspect of the present invention, in the above configuration, the scattered light from the object is further guided to the photodetector via a lens system.
[0027]
According to a fourth aspect of the present invention, in the above structure, the light beam incident on the object is two light beams, and the photodetector and the lighting changing means are arranged outside a plane defined by an optical path of the two light beams.
[0028]
According to a fifth aspect of the present invention, in the above configuration, a phase locked loop for forming a periodic signal based on an output signal from the photodetector is further provided.
[0029]
According to a sixth aspect of the present invention, in the above configuration, the lighting change means has a configuration in which the vibrating portion is vibrated by a piezoelectric material.
[0030]
【Example】
FIG. 6 is a schematic diagram of a main part of the laser Doppler velocimeter according to the first embodiment of the present invention.
[0031]
In the housing 100, the laser light emitted from the laser diode 1 is arranged so as to be linearly polarized in the Z axis, and is converted into a parallel light flux 3 by the collimator lens 2. The parallel light beam 3 is divided into two light beams 5a and 5b at a diffraction angle θ by a diffraction grating 40 having a grating arrangement direction of the Y axis and a grating pitch d.
[0032]
At this time, the diffraction angle θ is dsin θ = λ where the laser wavelength is λ (5)
It becomes. The two light beams 5a and 5b are incident on the electro-optic crystals 22a and 22b having a c-axis (optical axis) on the Z-axis at an angle θ. A voltage is applied to the electro-optic crystal 22a by the electrodes 23a and 23b, so that an electric field is applied only to the light beam 5a. Assuming that the shapes of the electro-optical crystals 22a and 22b are de = 1 mm in thickness, l = 20 mm in length, the laser wavelength is λ = 780 nm, and the grating pitch d is 1.6 μm, the light beams 5a and 5b are converted into electro-optical crystals 22a and 22b. The actual length l ′ that transmits
l ′ = 1 / cos (θ ′) (6)
Here, θ ′ is the angle of the light beam inside the electro-optic crystal, and assuming that the extraordinary light refractive index of the electro-optic crystal is Ne, the following is obtained.
[0033]
sin (θ) = Ne · sin (θ ′) (7)
[0034]
From equation (5), since θ ≒ 29.18 degrees, l ′ = 20.54 mm, the extraordinary light refractive index Ne = 2.2, and the Pockels constant γ = 32.2 × 10 −9 (mm / V). The voltage amplitude is V ≒ 224 V, and the phase difference between the two light beams is 2π. When serrodyne driving is performed at the frequency fR, two light beams 5c and 5d having a frequency difference of fR are obtained. The two light beams 5c and 5d are deflected by the mirrors 21a and 21b and irradiate the measured object 7 moving at the speed V with two light beams at an incident angle θ. The light scattered by the object is returned to the optical axis of the condensing optical system by the reflection prism 24 via the condensing lens 8, and is reflected by the photodetector 9 (not shown in FIG. 6) integrated with the circuit board 30. Is detected.
[0035]
The light detector 9 and the circuit board 30 provided with the vibrator 26 to be described later are arranged at the position where the light beam reflected by the reflection prism 24 is received as described above, whereby the optical path of the two light beams 5c and 5d is reduced. The photodetector 9 and the vibrator 26 can be arranged outside the plane formed, and the structure of the optical system can be reduced.
[0036]
The Doppler frequency of the detected scattered light is as follows according to the expression (3) by the frequency difference fR between the two light beams.
[0037]
F = 2V sin (θ) / λ + fR (8)
[0038]
From equation (5), equation (8) is given by F = 2V / d + fR (9)
Thus, it is possible to detect a signal having no wavelength dependency of the laser. That is, when the wavelength fluctuates, the diffraction angle changes according to the equation (5), whereby the frequency fluctuation due to the wavelength fluctuation of the Doppler signal is canceled out, and the wavelength dependence is eliminated. Although the angle of incidence on the electro-optic crystals 22a and 22b also changes, the polarization direction is the same as the c-axis of the electro-optic crystals 22a and 22b, so that the polarization direction is maintained even after transmission through the electro-optic crystals 22a and 22b. In addition, according to the equation (6), the substantial length l 'changes and the voltage amplitude changes, but the change amount can be almost ignored. Therefore, a highly accurate signal can be detected even if the wavelength fluctuates.
[0039]
The detection signal from the photodetector 9 that has received the scattered light from the object in the above-described manner is processed by an electric processing unit similar to that shown in FIG. 2 including a BPF, a PLL, and a dropout detector. A continuous signal is obtained, and the speed is measured from a frequency F obtained from the continuous signal by a calculator (not shown) based on the equation (9).
[0040]
In this configuration, since the electro-optic crystals 22a and 22b are arranged in the two-beam optical path, respectively, the electro-optic crystals 22a and 22b are introduced without changing the optical positional relationship such as the two-beam optical path length.
[0041]
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing the configuration of the photodetector 9 and the vibrator 26 integrated with the circuit board 30 of FIG. 6, and FIG. 7A is a view of the circuit board 30 from the side of FIG. FIG. 7B is a view of the circuit board 30 viewed from below in FIG. The vibrator 26 is attached with a piezoelectric ceramic 25 and is fixed as a cantilever by a vibrator fixing member 27. The resonance frequency fs (Hz) of the vibrator 26 is
fs = (1.875 2 / 2πl 2 ) √ (EI / ρA) (10)
l: length (m), E: modulus of longitudinal elasticity (Pa), I: second moment of area (m 4 )
ρ: Specific gravity (kg / m 3 ), A: Cross-sectional area (m 2 )
Is calculated by By driving the piezoelectric ceramics 25 at the same frequency as the resonance frequency fs of the vibrator 26 to vibrate the vibrator 26, the amount of vibration displacement of the vibrator 26 can be increased with a small voltage.
[0042]
With such a configuration, the lighting direction and the lighting area can be changed by vibrating the vibrator 26 provided on the optical path of the light collecting optical system. If the optical path in the specific lighting direction toward the sensor is blocked by the piezoelectric vibration actuator when dropout occurs, the balance of the light and dark of the speckle pattern on the sensor is lost, and the sensor does not drop out. Therefore, long-term dropout can be avoided even when the moving object is moving at a low speed.
[0043]
For this purpose, the light receiving surface 9a of the photodetector 9 and the vibrator 26 must be accurately aligned. As can be seen from FIG. 7B, the alignment between the light receiving surface 9a (0.6 mmφ) of the photodetector 9 and the vibrator 26 (0.3 mm in width) requires precision. Since both the detector 9 and the vibrator 26 are integrally formed on the circuit board 30, the alignment is easy. Further, with the configuration as shown in FIG. 7, if the optical axis of the light-collecting optical system shown in FIG. 6 is adjusted, the vibrator 26 will have the effect as it is as a blocking member.
[0044]
FIG. 8 shows an example of a detection signal from the photodetector 9. FIG. 8A shows a case where dropout occurs in a stationary state, and FIG. This is the case where it is driven. In the signal state shown in FIG. 8A, even if the signal processing described in FIG. 2 is performed, a detection error occurs and a continuous signal is not output. In the configuration of the present invention, as can be seen from FIG. 8B, the state of dropout and the state of non-dropout are repeated at the cycle of the resonance frequency fs, and a continuous dropout state is prevented. In such a periodic signal detection state, continuous signal output is possible by performing the signal processing described in FIG.
[0045]
In this embodiment, as described above, the photodetector and the means for changing the lighting area of the photodetector are integrally configured, so that the positioning between the blocking member and the light receiving surface of the photodetector 9 can be easily performed. , And a positional shift due to a change with time of the two or the like hardly occurs.
[0046]
Further, in the present embodiment, by driving the vibrator 26 at the same frequency as the resonance frequency fs as described above, the vibration displacement amount of the vibrator 26 can be efficiently obtained with a small voltage.
[0047]
FIG. 9 shows the configuration of the circuit board 30 in the laser Doppler velocimeter according to the second embodiment of the present invention. The configuration of the other parts of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. FIG. 7A is a diagram of the circuit board 30 viewed from the side in FIG. 6, and FIG. 7B is a diagram of the circuit board 30 viewed from the bottom in FIG. In this embodiment, the blocking member is constituted by a tuning fork type vibrator 28 as shown in the figure, and a piezoelectric ceramics 25 is adhered to one of the tuning forks, and the piezoelectric ceramics 25 has the same frequency as the resonance frequency fs of the vibrator 26. And the tuning fork is vibrated by driving. The tuning fork vibrator 28 is soldered to the circuit board 30 to form an integral structure. In the tuning fork type vibrator 28 of FIG. 9, the right and left vibrators vibrate in opposite directions, respectively, and torque is applied in the opposite direction at the node. However, in the mounting portion to the circuit board 30, two torques cancel each other. ing. For this reason, an unnecessary vibration mode is not generated by the torque at the time of vibration near the mounting portion, and the state is more stable.
[0048]
FIG. 10 shows the result of simulating the resonance mode of the tuning fork vibrator 28. The dotted line indicates the position before the vibration. From this, it can be seen that there is no vibration at the mounting portion to the circuit board 30.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an undetectable state due to dropout is prevented, and displacement information can always be continuously detected.
[0051]
According to the first aspect of the present invention, in such an apparatus capable of constantly and continuously detecting displacement information, by vibrating the light path shielding member of the lighting change means in accordance with its resonance frequency, the voltage of the light path shielding member can be reduced with a small voltage. The amount of vibration displacement can be obtained, and the effect of dropout can be more efficiently prevented.
[0052]
According to the second aspect of the invention, since the optical path blocking member is formed of the tuning fork type vibration member, resonance can be performed without generating an unnecessary vibration mode.
[0053]
Further, according to the third aspect , by guiding the scattered light to the photodetector via the lens system, the efficiency of receiving the scattered light including the signal can be increased, and the S / N can be improved.
[0054]
According to the fourth aspect of the present invention, by arranging the photodetector and the daylighting changing means outside the plane defined by the optical path of the two light beams, it is possible to reduce the size of the entire apparatus.
[0055]
Further, according to the fifth invention, in a device using a phase locked loop, it is possible to prevent an undetectable state due to dropout and to continuously detect displacement information.
[0056]
Further, according to the sixth aspect , the daylighting changing means can be made smaller in size, and the device configuration can be made compact.
[Brief description of the drawings]
FIG.
Illustration of an example of a conventional laser Doppler velocimeter [Fig. 2]
Diagram explaining the signal processing system of the laser Doppler velocimeter [Fig. 3] Diagram illustrating the dropout of the Doppler signal [Fig. 4] Speckle pattern observation configuration diagram [Fig. 5] Diagram showing the speckle pattern [Fig. 6] Book FIG. 7 is a schematic diagram of a laser Doppler velocimeter according to a first embodiment of the present invention. FIG. 7 is a circuit board configuration diagram of the present embodiment. FIG. 8 is a diagram illustrating Doppler signals. FIG. 9 is a laser Doppler of a second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing a result of a resonance simulation of a tuning fork vibrator.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source means 2 Collimator lens 4 Beam splitter 6a, 6b Mirror 7 Moving object 8 Condensing lens 9 Photodetector 13 PLL
19 calculation means 20 diaphragm member or vibrating member 21a, 21b mirror 22a, 22b electro-optic crystal 23 electrode 24 reflecting prism 25 piezoelectric ceramics 26 vibrator 27 vibrator fixing member 28 tuning fork vibrator 30 circuit board 40 diffraction grating

Claims (6)

光源手段からの光束を物体に入射させ、前記物体からの散乱光を光検出器により受光し、該散乱光の周波数変移に基づいて前記物体との間の相対的な変位情報を測定する変位情報測定装置に於いて、前記物体からの散乱光を採光する光検出器の採光領域又は採光方向を変化させる採光変化手段を有し、前記採光変化手段が受光光路を少なくとも一部遮蔽するための光路遮蔽部材を有し且つ該光路遮蔽部材の共振周波数に合わせて該光路遮蔽部材を振動させることを特徴とする変位情報測定装置。Displacement information for causing a light beam from the light source means to enter an object, receiving scattered light from the object with a photodetector, and measuring relative displacement information between the object and the object based on a frequency shift of the scattered light. In the measuring device, the light detecting device includes a light changing area or a light changing direction for changing the light collecting direction of the light detector that collects the scattered light from the object, and the light changing means is configured to block at least a part of the light receiving optical path. A displacement information measuring device having a shielding member and vibrating the optical path shielding member in accordance with a resonance frequency of the optical path shielding member. 前記光路遮断部材が音叉型の振動部材で構成されていることを特徴とする請求項1記載の変位情報測定装置。2. The displacement information measuring device according to claim 1, wherein the optical path blocking member comprises a tuning fork type vibration member. 前記物体からの散乱光をレンズ系を介して前記光検出器に導くことを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の変位情報測定装置。 3. The displacement information measuring device according to claim 1, wherein scattered light from the object is guided to the photodetector via a lens system. 前記物体に入射する光束を2光束とし、前記光検出器と前記採光変化手段を前記2光束の光路の成す面外に配置することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の変位情報測定装置。The displacement according to any one of claims 1 to 3 , wherein the light beam incident on the object is two light beams, and the photodetector and the lighting change unit are arranged outside a plane formed by an optical path of the two light beams. Information measuring device. さらに前記光検出器からの出力信号を元に周期信号を形成するフェーズロックドループを有することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の変位情報測定装置。Further displacement information measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it has a phase locked loop for forming a periodic signal based on the output signal from the photodetector. 前記採光変化手段は圧電材によって振動部を振動させる構成を有することを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の変位情報測定装置。The displacement information measuring device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the lighting change unit has a configuration in which the vibrating unit is vibrated by a piezoelectric material.
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