JP6393289B2 - レーザドップラ速度計の校正システム及び校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザドップラ速度計を校正する技術に関するものである。

レーザ光を分岐した二つの光束を、被測定物上の同じ領域に、被測定物の移動方向と垂直な方向に対して成す角が+θ、-θとなる方向から照射すると共に、照射した二つの光束によって被測定物上で生じる散乱光を検出し、散乱光のビート周波数をヘテロダイン検波して、被測定物の移動速度を算出するレーザドップラ速度計が知られている（特許文献１、非特許文献１）。

図５ａに、このようなレーザドップラ速度計の構成例を示す。
図示するように、このレーザドップラ速度計は、レーザ光源１０１、ビームスプリッタ１０２、ミラー１０３、対物レンズ１０４、光検出器１０５を備えている。
レーザ光源１０１から出射されたビームは、ビームスプリッタ１０２で第１ビームと第２ビームに分岐され、第２のビームは、さらにミラー１０３で反射される。そして、第１のビームとミラー１０３で反射した第２のビームは、被測定物２００の同じ領域を、２θ異なる方向から照射する。

そして、被測定物２００で散乱された第１ビームと第２ビームの散乱光が、対物レンズ１０４によって光検出器１０５に集光され、光検出器１０５は集光された散乱光を光電変換した検出信号Doutを出力する。

ここで、被測定物２００の照射領域には、第１のビームと第２ビームとの干渉によって、照射方向から見て図５ｂに示すような干渉縞が生成される。そして、干渉縞の間隔ｄは、λをレーザ光源１０１が出射するビームの波長として、
d =λ/2sinθ
によって表される。したがって、この干渉縞の間隔ｄは、レーザ光源１０１の波長と、第１ビームと第２ビームが成す角２θに応じて定まる、レーザドップラ速度計毎に固有の固定値となる。

また、この状態で、被測定物２００が速度ｖで移動すると、光検出器１０５に集光された散乱光を光電変換した検出信号Doutには、下式で表される周波数fdのビート信号が表れる。

fd = (v×2sinθ）/λ= v/d
したがって、光検出器１０５が出力する検出信号Doutに表れるビート信号の周波数fdを測定することにより、測定した周波数fdとレーザドップラ速度計の固有の干渉縞の間隔ｄとより、
v= fd×d
によって被測定物２００の速度ｖを計測することができる。

特開２００５-６１９２８号公報

相津佳永、岩井俊昭、朝倉利光 著、「レーザー計測の基礎I:速度計測」、レーザー研究、一般社団法人レーザー学会、1999年08月15日、Vol.27(1999)、No.8、P.572-578、

上述のように、レーザドップラ速度計の固有の干渉縞の間隔ｄは、レーザ光源の波長λと、第１ビームと第２ビームが成す角２θに応じて、
d =λ/2sinθ
に従って定まる。

さて、現実のレーザドップラ速度計は、性能向上のために図５ａに示した構成に、絞りや集光レンズなどの様々な光学部品を付加して構成されることが多い。そして、これらの種々の光学部品の配置や向きに依存して第１ビームと第２ビームが成す角は変化するため、この角度を厳密に設計値通りに実現することは現実的には困難である。また、レーザ光源の波長の設計値からのずれを完全に無くすこともできない。このために、干渉縞の間隔ｄは、厳密に設計値通りの値とならない場合が多く、この場合には、干渉縞の間隔ｄとして、当該間隔ｄの設計値を用いると被測定物の速度ｖを正しく計測できなくなる。

したがって、レーザドップラ速度計は、速度ｖを正しく計測できるように校正を行う必要がある。
校正の方法としては、信頼できる速度計を校正器として用い、同じ被測定物の速度を、校正器とレーザドップラ速度計で計測し、校正器で計測した速度Vrefとレーザドップラ速度計で計測した速度vより、
Vref=kvを満たす計数kを補正係数として求め、レーザドップラ速度計において、
v= k×fd×d
によって速度を算出することが考えられる。

しかし、このような速度を基準として行う校正法の精度は、校正器の速度計測の精度に限定される。また、被測定物の移動という動的な状態の計測を基準として行うため、種々の誤差が生じ易い。

そこで、本発明は、より精度よくレーザドップラ速度計を校正することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、異なる二方向からレーザ光を測定領域に照射すると共に前記測定領域の散乱光を検出して検出信号として出力するレーザドップラ速度計の校正システムを、定盤と、定盤を一軸方向に移動するステージと、校正するレーザドップラ速度計を、前記定盤の面上に前記測定領域が位置する配置で支持する支持手段と、前記レーザドップラ速度計から出力される前記検出信号に表れるビート信号の周期を計数する計数手段と、前記定盤の前記一軸方向の移動距離を計測する移動距離計測手段と、干渉縞間隔算出手段とを備えたものである。ここで、干渉縞間隔算出手段は、前記ステージを介して前記定盤を前記一軸方向への移動を行い、当該移動を行っている期間中に前記検出信号に表れるビート信号の周期の数を前記計数手段を用いて計数すると共に、前記定盤の当該移動の前後の前記一軸方向の移動距離を前記移動距離計測手段を用いて計測し、計測した移動距離を計数したビート信号の周期の数で除した値を、前記レーザドップラ速度計が前記測定領域に形成する干渉縞の間隔として算出する。

ここで、このような校正システムには、前記干渉縞間隔算出手段が算出した干渉縞の間隔に対する、前記校正するレーザドップラ速度計の干渉縞の間隔の設計値の比を補正係数として算出する補正係数算出手段を設けるようにしてもよい。

また、以上の校正システムは、前記移動距離計測手段を、前記定盤の前記一軸方向の位置を計測する位置計測装置と、移動の後に前記位置計測装置が計測した位置と当該移動の前に前記位置計測装置が計測した位置との差を、前記定盤の当該移動の前後の前記一軸方向の移動距離として算定する移動距離算定手段とより構成してもよい。

以上のように、本発明に係る構成システムは、レーザドップラ速度計の干渉縞の間隔の校正を、移動距離計測手段で計測した定盤の移動量と、計数手段が定盤の移動中に計数したビート信号の周期の数とに基づいて干渉縞の間隔を算出することにより行う。

ここで、移動距離計測手段の計測誤差の干渉縞の間隔算出の精度に対する影響は、定盤の移動距離を大きくすることにより低減することができ、計数手段によるビート信号の周期の数の計測の精度は定盤の移動速度を遅くすることにより向上することができる。

よって、本発明によれば、より精度よく干渉縞の間隔の算出をすることができるようになり、レーザドップラ速度計の校正の精度を向上することができる。
なお、本発明は、併せて、異なる二方向からレーザ光を測定領域に照射すると共に前記測定領域の散乱光を検出して検出信号として出力するレーザドップラ速度計の校正方法として、校正するレーザドップラ速度計を、定盤の面上に前記測定領域が位置するように固定するステップと、前記定盤を一軸方向に移動しつつ、当該移動を行っている期間中に前記検出信号に表れるビート信号の周期の数を計数するステップと、前記レーザドップラ速度計と異なる所定の計測装置を用いて前記定盤の前記移動の前後の前記一軸方向の移動距離を計測するステップと、計測した移動距離を計数したビート信号の周期の数で除した値を、前記レーザドップラ速度計が前記測定領域に形成する干渉縞の間隔として算出するステップとを備えた校正方法も提供する。

以上のように、本発明によれば、より精度よくレーザドップラ速度計を校正することができる。

本発明の実施形態に係る校正システムの構成と配置を示す図である。 本発明の実施形態に係る校正制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る補正係数算出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る校正システムにおける移動距離とビート信号の周期と関係を示す図である。 レーザドップラ速度計の構成を示す図である。

以下、本発明に係るレーザドップラ速度計の校正システムの実施形態について示す。
図１に、校正システムの構成と配置を示す。
ここで、図１ａは側方から見た校正システムの構成と配置を、図１ｂは上方から見た校正システムの構成と配置を表している。
図中に表したようにｘｙｚ方向を定めるものとして、校正システムは、定盤１、定盤１を±ｘ方向に移動可能なＸステージ２、校正対象のレーザドップラ速度計１００を定盤１の上空に支持するスタンド３、レーザ測長器４、定盤１に固定された反射体５、図１ａにおいては図示を省略した校正制御装置６を備えている。

ここで、本実施形態で校正の対象とするレーザドップラ速度計１００の構成は、上記した図５の構成と同様である。
さて、このような校正システムにおいて、反射体５は反射面が+ｘ方向を向くように定盤１の+ｘ方向側端面に固定されており、レーザ測長器４は、ｘステージからｘ方向側に離れた位置より、反射体５に向けて、レーザ光を-ｘ方向に照射し、反射体５で反射したレーザ光より反射体５のｘ軸に沿った変位Ｌを計測する。

次に、スタンド３は、レーザドップラ速度計１００を、レーザドップラ速度計１００が出射する二つのビーム１１１、１１２が、定盤１の上面の同一の領域を照射し、かつ、二つのビーム１１１、１１２を含む面の法線の方向がｙ方向となり、かつ、２θ方向が異なる二つのビーム１１１、１１２の双方に対してθ角度が異なる方向１１３がｚ方向となるように、定盤１の上空にレーザドップラ速度計１００を支持する。

ここで、定盤１のローリングやヨーイング等の影響を最小化するために、レーザドップラ速度計１００が出射する二つのビーム１１１、１１２が照射する定盤１の面上の領域と、反射体５と、レーザ測長器４の出射するレーザ光の光軸のｙ方向の位置は、定盤１のｙ方向の中央の位置に一致させる。

次に、図２に、上述した校正制御装置６の構成を示す。
図示するように、校正制御装置６は、ビート信号周期数計数部６１と、補正係数算出制御部６２を備えている。
ビート信号周期数計数部６１は、レーザドップラ速度計１００の光検出器１０５から出力される検出信号Doutに表れるビート信号の周期の数を計数し、補正係数算出制御部６２は、次に示す補正係数算出処理を実行し、レーザドップラ速度計１００をレーザドップラ速度計１００の干渉縞の間隔や、レーザドップラ速度計１００を補正するための補正係数を算出する。

以下、補正係数算出制御部６２が実行する補正係数算出処理について説明する。
図３に、この補正係数算出処理の手順を示す。
図示するように、この処理において、補正係数算出制御部６２は、まず、レーザ測長器４をゼロリセットし（現時点の反射体５の変位を０にセットし）、レーザ測長器４に変位の計測を開始させる（ステップ３０２）。

そして、ビート信号周期数計数部６１に、レーザドップラ速度計１００から出力される検出信号Doutに表れるビート信号の周期の数の計数を開始させる（ステップ３０４）。
次に、Ｘステージ２を制御し、定盤１を-ｘ方向に所定時間移動し、その後、定盤１の移動を停止する（ステップ３０６）。
そして、ビート信号周期数計数部６１の、検出信号Doutに表れるビート信号の周期の数の計数を停止させる（ステップ３０８）。
そして、この時点でレーザ測長器４が計測している反射体５の変位Lを取得する（ステップ３１０）。
また、ビート信号周期数計数部６１が計数したビート信号の周期の数Ｎを取得する（ステップ３１２）。
そして、
N×Dtct_d = L
を満たす、Dtct_d = L/Nを、レーザドップラ速度計１００が出射する二つのビーム１１１、１１２が重複して照射する領域に生じる干渉縞の真の間隔として算出する（ステップ３１４）。

ここで、変位Lは、定盤１のｘ方向の移動距離を表し、Ｎは定盤１が移動している間に表れたビート信号の周期の数を表す。
図４に、レーザドップラ速度計１００が出射する二つのビーム１１１、１１２が重複して照射する領域に生じる干渉縞の真の間隔をｄとして、ビート信号の波形（ａ）と、定盤１の移動距離MD（ｂ）との関係を示すように、定盤１の移動速度に関わりなく、定盤１が干渉縞の真の間隔ｄ移動する間に、ビート信号の周期が一つ表れる（ビート信号が一度振動する）。

したがって、ビート信号の周期の数に真の間隔ｄを乗じた値が定盤１の移動距離となり、この移動距離は、レーザ測長器４で計測した定盤１の変位Lと等しい。
したがって、Ｎ×Dtct_d = L を満たす、Dtct_dとして、ビート信号の周期の数から真の間隔dを求めることができる。
さて、図３に戻り、以上のようにして真の干渉縞の間隔Dtct_dを求めたならば（ステップ３１４）、Dsgn_dを、レーザ光源１０１の波長λと、第１ビームと第２ビームが成す角２θの設計値より、
Dsgn_d =λ/2sinθ
により求めた干渉縞の間隔の設計値として、
K×Dsgn_d = Dtct_d
を満たすK= Dtct_d/ Dsgn_dを、補正係数として算出し（ステップ３１６）、補正係数算出処理を終了する。

以上、補正係数算出制御部６２が実行する補正係数算出処理について説明した。
さて、このようにして補正係数算出処理で算出された干渉縞の間隔Dtct_dは、干渉縞の間隔ｄとして、このレーザドップラ速度計１００において以降の速度の計測において利用されるように設定され、これにより当該レーザドップラ速度計１００の校正が完了する。または、このようにして補正係数算出処理で算出された補正係数Ｋが干渉縞の間隔の設計値Dsgn_dと共に、このレーザドップラ速度計１００において以降の速度の計測において利用されるように設定され、これにより当該レーザドップラ速度計１００の校正が完了する。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ここで、以上の実施形態では、定盤の変位の計測にレーザ測長器４を用いたが、レーザ測長器４に代えて、リニアゲージなどの接触式変位計や、レーザ干渉変位計などの他の変位計測装置を設け、当該変位計測装置によって反射体５または定盤１のｘ方向の変位を測定するようにしてもよい
または、レーザ測長器４に代えて、定盤１のｘ方向の位置を計測する位置計測装置を設け、位置計測装置で計測した定盤１の移動の前後の定盤１のｘ方向の位置の差を、定盤１のｘ方向の変位として測定するようにしてもよい。なお、このような位置計測装置としては、定盤１までのｘ方向の距離を計測する距離計などを用いることができる。

以上のように本実施形態では、レーザドップラ速度計１００の干渉縞の間隔の校正を、レーザ測長器４を用いて計測した定盤１の移動前後の間の移動量と、ビート信号周期数計数部６１が定盤１の移動中に計数したビート信号の周期の数とに基づいて干渉縞の間隔を算出することにより行う。

ここで、レーザ測長器４の距離計測の誤差の干渉縞の間隔算出の精度に対する影響は、定盤１の移動距離を大きくすることにより低減することができ、ビート信号周期数計数部６１によるビート信号の周期の数の計測の精度は定盤１の移動速度を遅くすることにより向上することができる。

よって、本実施形態によれば、より精度よく干渉縞の間隔の算出することができるようになり、これにより、レーザドップラ速度計１００の校正の精度を向上することができる。

１…定盤、２…Ｘステージ、３…スタンド、４…レーザ測長器、５…反射体、６…校正制御装置、６１…ビート信号周期数計数部、６２…補正係数算出制御部、１００…レーザドップラ速度計、１０１…レーザ光源、１０２…ビームスプリッタ、１０３…ミラー、１０４…対物レンズ、１０５…光検出器。

Claims (4)

1. 異なる二方向からレーザ光を測定領域に照射すると共に前記測定領域の散乱光を検出して検出信号として出力するレーザドップラ速度計の校正システムであって、
   定盤と、
   定盤を一軸方向に移動するステージと、
   校正するレーザドップラ速度計を、前記定盤の面上に前記測定領域が位置する配置で支持する支持手段と、
   前記レーザドップラ速度計から出力される前記検出信号に表れるビート信号の周期の数を計数する計数手段と、
   前記定盤の前記一軸方向の移動距離を計測する移動距離計測手段と、
   干渉縞間隔算出手段とを備え、
   前記干渉縞間隔算出手段は、前記ステージを介して前記定盤を前記一軸方向への移動を行い、当該移動を行っている期間中に前記検出信号に表れるビート信号の周期の数を前記計数手段を用いて計数すると共に、前記定盤の当該移動の前後の前記一軸方向の移動距離を前記移動距離計測手段を用いて計測し、計測した移動距離を計数したビート信号の周期の数で除した値を、前記レーザドップラ速度計が前記測定領域に形成する干渉縞の間隔として算出することを特徴とする校正システム。
2. 請求項１記載の校正システムであって、
   前記干渉縞間隔算出手段が算出した干渉縞の間隔に対する、前記校正するレーザドップラ速度計の干渉縞の間隔の設計値の比を補正係数として算出する補正係数算出手段を有することを特徴とする校正システム。
3. 請求項１または２記載の校正システムであって、
   前記移動距離計測手段は、
   前記定盤までの前記一軸方向の位置を計測する位置計測装置と、
   移動の後に前記位置計測装置が計測した位置と当該移動の前に前記位置計測装置が計測した位置との差を、前記定盤の当該移動の前後の前記一軸方向の移動距離として算定する移動距離算定手段とを有することを特徴とする校正システム。
4. 異なる二方向からレーザ光を測定領域に照射すると共に前記測定領域の散乱光を検出して検出信号として出力するレーザドップラ速度計の校正方法であって、
   校正するレーザドップラ速度計を、定盤の面上に前記測定領域が位置するように固定するステップと、
   前記定盤を一軸方向に移動しつつ、当該移動を行っている期間中に前記検出信号に表れるビート信号の周期の数を計数するステップと、
   前記レーザドップラ速度計と異なる所定の計測装置を用いて前記定盤の前記移動の前後の前記一軸方向の移動距離を計測するステップと、
   計測した移動距離を計数したビート信号の周期の数で除した値を、前記レーザドップラ速度計が前記測定領域に形成する干渉縞の間隔として算出するステップとを有することを特徴とする校正方法。