JP6660347B2 - レーザドップラ速度計のアダプタ、及び、レーザドップラ速度計システム - Google Patents
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Description
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701、ビームスプリッタ702、ミラー703、対物レンズ704、光検出器705を備えている。
レーザ光源701から出射されたビームは、ビームスプリッタ702で第1ビームと第2ビームに分岐され、第2ビームは、さらにミラー703で反射される。そして、第1ビームとミラー703で反射した第2ビームは、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となる方向から被測定物710の同じ領域に照射され、当該領域で第1ビームと第2ビームとが交差角2×θで交差する。
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701の波長と、第1ビームと第2ビームとの交差角2×θ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。
したがって、光検出器705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から、
v= fd×d
によって被測定物710の速度vを計測することができる。
図1aに、本実施形態に係るレーザドップラ速度計システムの構成を示す。
図示するように、レーザドップラ速度計システムは、センサユニット1と、1または複数のアダプタ2と、制御装置3とを含んでいる。
センサユニット1は、少なくとも先に図7aに示した構成を内蔵しており、先端に設けた光学窓11から第1ビームと第2ビームを両ビームの交差点での交差角が2×θ0となるように出射し、光学窓11に入射する第1ビームと第2ビームの被測定物による反射光を光電変換した検出信号Dout、もしくは、検出信号Doutに所定の信号処理を施した信号を制御装置3に出力する。
そして、アダプタ2は、図1bに示すように、ネジ等によりセンサユニット1の先端に選択的に装着して使用される装置であり、装着時にセンサユニット1と反対側となる面に、第1ビームと第2ビームを入出射するための光学窓21が設けられている。
まず、上述のように、センサユニット1は、第1ビームと第2ビームを両ビームの交差点での交差角が2×θ0となるように出射する装置であり、センサユニット1をアダプタ2を装着せずに単体で使用した場合、図2aに示すように、センタユニットの先端から第1ビームB1と第2ビームB2の交差点Pまでの距離であるワーキングデスタンスはL0となる。
図示するように、アダプタ2の内部には、第1ビーム用折返ミラー22、第1ビーム用出射ミラー23、第2ビーム用折返ミラー24、第2ビーム用出射ミラー25が配置されている。
さて、アダプタ2の、装着時にセンサユニット1側となる面は開放されており、センサユニット1から出射された第1ビームB1と第2ビームB2は、アダプタ2の内部に進入する。
ここで、第1ビーム用出射ミラー23と第2ビーム用出射ミラー25の向きは、|θ1|<|θ0|となるように設定されており、第1ビーム用出射ミラー23から出射された第1ビームB1と第2ビーム用出射ミラー25から出射された第2ビームB2の交差点での交差角は2×θ1となる。
また、第1ビーム用出射ミラー23と第2ビーム用出射ミラー25の向きは、センサユニット1の先端から第1ビームB1と第2ビームB2の交差点までの距離がL0となるように設定している。
以上、本実施形態に係る第1のアダプタ2について説明した。
第1のアダプタ2によれば、センサユニット1から出射された第1ビームB1と第2ビームB2を中央軸Jに近づく方向に折り返すことにより、第1ビームB1と第2ビームB2との間の間隔を狭めた上で、第1ビームB1と第2ビームB2との交差点における交差角がセンサユニット1を単体で用いた場合よりも小さくなるように進行方向を変更して出射するので、ワーキングデスタンスを変化させることなく第1ビームB1と第2ビームB2交差角を小さくすることができる。
すなわち、上述のように、レーザドップラ速度計においては、
fd = (v×2sinθ)/λ
に従って発生する周波数fdのビート信号を観測することにより速度vを計測する。
図3bに、第2のアダプタ2の構成を示す。なお、図3aは、センサユニット1を単体で使用した場合の、交差角とワーキングデスタンスを示したものである。
さて、図3bに示すように、第2のアダプタ2の構成は、図2bに示した第1のアダプタ2と同様に、第1ビーム用折返ミラー22、第1ビーム用出射ミラー23、第2ビーム用折返ミラー24、第2ビーム用出射ミラー25を備えている。また、第2のアダプタ2は、補正レンズ26を備えている。
さて、センサユニット1の対物レンズ704は、センサユニット1を単体で用いた場合のワーキングデスタンスL0、中央軸J方向にセンサユニット1の先端から離れた位置で反射した第1ビームと第2ビームの反射光を、光検出器705に良好に集光できるように焦点距離が設定されている。
以上のように、第2のアダプタ2によれば、センサユニット1から出射された第1ビームB1と第2ビームB2を中央軸Jに近づく方向に折り返すことにより、第1ビームB1と第2ビームB2との間の間隔を狭めた上で、第1ビームB1と第2ビームB2との交差点における交差角がセンサユニット1を単体で用いた場合と等しくなるように進行方向を変更して出射するので、第1ビームB1と第2ビームB2交差角を変化させることなくワーキングデスタンスを小さくすることができる。
第3のアダプタ2は、図2bに示した第1のアダプタ2において交差角を可変にしたものである。
すなわち、第3のアダプタ2は、第1ビーム用出射ミラー23、第2ビーム用出射ミラー25の第3のアダプタ2のフレームへの取り付け位置を、図4aに示した取り付け位置と、図4bに示した取り付け位置との間で変更できるように構成されている。
以上では、第1ビーム用出射ミラー23と第2ビーム用出射ミラー25の取り付け位置を変更することにより、ワーキングデスタンスを変更することなく交差角を変更したが、これは、第1ビーム用折返ミラー22と第2ビーム用折返ミラー24、または、第1ビーム用出射ミラー23と第2ビーム用出射ミラー25と第1ビーム用折返ミラー22と第2ビーム用折返ミラー24の取り付け位置を変更することにより、ワーキングデスタンスを変更することなく交差角を変更するようにしてもよい。
第4のアダプタ2は、図3bに示した第2のアダプタ2においてワーキングデスタンスを可変にしたものである。
すなわち、第4のアダプタ2は、第1ビーム用出射ミラー23、第2ビーム用出射ミラー25の第3のアダプタ2のフレームへの取り付け位置を、図5aに示した取り付け位置と、図5bに示した取り付け位置との間で変更できるように構成されている。また、第4のアダプタ2は、補正レンズ26を、異なる焦点距離の補正レンズ26に交換できるように構成されている。
以上では、第1ビーム用出射ミラー23と第2ビーム用出射ミラー25の取り付け位置を変更することにより、交差角を変更することなくワーキングデスタンスを変更したが、これは、第1ビーム用折返ミラー22と第2ビーム用折返ミラー24、または、第1ビーム用出射ミラー23と第2ビーム用出射ミラー25と第1ビーム用折返ミラー22と第2ビーム用折返ミラー24の取り付け位置を変更することにより交差角を変更することなくワーキングデスタンスを変更するようにしてもよい。
ところで、以上に示してきた第1のアダプタ2や第3のアダプタ2をセンサユニット1に装着して計測を行う場合、センサユニット1を単体で使用した場合と交差角が異なるので、
fd = (v×2sinθ)/λ= v/d
に従って、観測されるビート信号の周波数fdと速度vの関係が変化する。
また、交差角以外の要素についても、アダプタ2の装着により計測の特性が変化することがあり、当該特性の変化に追従するようにセンサユニット1や制御装置3の設定を変更する必要がある場合がある。
ただし、このような設定の変更は、装着したアダプタ2に適合する設定をアダプタ2に記憶しておき、センサユニット1が装着されたアダプタ2に記憶されている設定を読み出して、当該設定への設定変更をセンサユニット1や制御装置3において行うことにより実現してもよい。
Claims (11)
- 入出射面の離間した位置から、第1のビームと第2のビームを、当該第1のビームと第2のビームの中央を通る軸である中央軸上の前記入出射面から距離L0離れた点である測定点で、交差角2×θ0で交差するように出射し、前記測定点で反射して入出射面に入射した第1のビームの反射光と第2のビームの反射光の干渉によるビート信号の周波数から前記測定点の速度を計測するレーザドップラ速度計の前記入出射面に装着されるアダプタであって、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第1のビームの光路上に配置され、入射する第1のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第1ビーム用第1ミラーと、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第1ビーム用第1ミラーで反射された第1のビームの光路上に配置され、前記第1ビーム用第1ミラーから入射する第1ビームを、前記第1ビーム用第1ミラーの前記第1のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角がθ1(但し、|θ1|<|θ0|)となるように反射して、アダプタから出射させる第1ビーム用第2ミラーと、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第2のビームの光路上に配置され、入射する第2のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第2ビーム用第1ミラーと、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第2ビーム用第1ミラーで反射された第2のビームの光路上に配置され、前記第2ビーム用第1ミラーから入射する第2ビームを、前記第2ビーム用第1ミラーの前記第2のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が-θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第2ビーム用第2ミラーとを有し、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第1のビームと第2のビームが、前記入出射面から前記距離L0離れた前記測定点で交差するように、前記第1ビーム用第2ミラーと前記第2ビーム用第2ミラーの配置と向きは設定されていることを特徴とするアダプタ。 - 入出射面の離間した位置から、第1のビームと第2のビームを、当該第1のビームと第2のビームの中央を通る軸である中央軸上の前記入出射面から距離L0離れた点である測定点で、交差角2×θ0で交差するように出射し、前記測定点で反射して入出射面に入射した第1のビームの反射光と第2のビームの反射光の干渉によるビート信号の周波数から前記測定点の速度を計測するレーザドップラ速度計の前記入出射面に装着されるアダプタであって、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第1のビームの光路上に配置され、入射する第1のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第1ビーム用第1ミラーと、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第1ビーム用第1ミラーで反射された第1のビームの光路上に配置され、前記第1ビーム用第1ミラーから入射する第1ビームを、前記第1ビーム用第1ミラーの前記第1のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が所定の角度θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第1ビーム用第2ミラーと、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第2のビームの光路上に配置され、入射する第2のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第2ビーム用第1ミラーと、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第2ビーム用第1ミラーで反射された第2のビームの光路上に配置され、前記第2ビーム用第1ミラーから入射する第2ビームを、前記第2ビーム用第1ミラーの前記第2のビームの反射位置より
も中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が-θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第2ビーム用第2ミラーとを有し、
当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第1のビームと第2のビームが、前記入出射面から所定の距離L1(但し、L1≠L0)離れた位置で交差するように、前記第1ビーム用第2ミラーと前記第2ビーム用第2ミラーの配置と向きは設定されていることを特徴とするアダプタ。 - 請求項2記載のアダプタであって、
前記θ1は、|θ1|=|θ0|を満たし、前記L1は、L1<L0を満たすことを特徴とするアダプタ。 - 請求項2記載のアダプタであって、
前記θ1は、|θ1|<|θ0|を満たし、前記L1は、L1<L0を満たすことを特徴とするアダプタ。 - 請求項2記載のアダプタであって、
前記θ1は、|θ1|<|θ0|を満たし、前記L1は、L1>L0を満たすことを特徴とするアダプタ。 - 請求項2記載のアダプタであって、
前記θ1は、|θ1|>|θ0|を満たし、前記L1は、L1<L0を満たすことを特徴とするアダプタ。 - 請求項2、3、4、5または6記載のアダプタであって、
前記レーザドップラ速度計は、前記ビート信号を検出するために前記測定点で反射して前記入出射面に入射した第1のビームの反射光と第2のビームの反射光を光電変換する光検出器と、前記測定点で反射して前記入出射面に入射した第1のビームの反射光と第2のビームの反射光を前記光検出器に集光する対物レンズとを備え、
当該アダプタは、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第1ビームと第2ビームの、当該第1ビームと第2ビームの交差点における反射光が入射する、前記対物レンズとレンズ群を形成するレンズを備え、
当該レンズの焦点距離は、前記レンズと対物レンズとよりなるレンズ群の焦点距離が、前記第1ビームと第2ビームの交差点における反射光を良好に前記光検出器に集光できる焦点距離となるように設定されていることを特徴とするアダプタ。 - 請求項1記載のアダプタであって、
前記第1ビーム用第1ミラーと前記第1ビーム用第2ミラーとのうちの少なくとも一方と、前記第2ビーム用第1ミラーと前記第2ビーム用第2ミラーとのうちの少なくとも一方は、前記θ1が変化するように、位置または向きが可変であることを特徴とするアダプタ。 - 請求項2、3、4、5、6または7記載のアダプタであって、
前記第1ビーム用第1ミラーと前記第1ビーム用第2ミラーとのうちの少なくとも一方と、前記第2ビーム用第1ミラーと前記第2ビーム用第2ミラーとのうちの少なくとも一方は、前記距離L1が変化するように、位置または向きが可変であることを特徴とするアダプタ。 - 請求項1、2、3、4、5、6、7、8または9記載のアダプタであって、
当該アダプタをレーザドップラ速度計に装着して速度を計測する場合に、当該レーザドップラ速度計において計測に用いるべき設定を、当該アダプタが装着されたときに前記レーザドップラ速度計から読み出し可能に格納した記憶装置を有することを特徴とするアダプタ。 - 請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9または10記載のアダプタのいずれかであるアダプタを1または複数有すると共に、当該アダプタが前記入出射面に選択的に装着されるレーザドップラ速度計を有することを特徴とするレーザドップラ速度計システム。
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