JP7365247B2

JP7365247B2 - レーザドップラ速度計

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Publication number: JP7365247B2
Application number: JP2020006638A
Authority: JP
Inventors: 良太大島; 健一郎土井
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2040-01-20
Also published as: JP2021113746A

Description

本発明は、レーザドップラ速度計に関するものである。

レーザドップラ速度計としては、測定用のレーザ光を二つのビームに分岐し、分岐した二つのビーム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二つのビームが成す角を+θ、-θとなるように照射すると共に、照射した二つのビームによって被測定物上で反射した反射光を検出し、反射光のビート周波数をヘテロダイン検波して、被測定物の速度を算出するレーザドップラ速度計が知られている（たとえば、特許文献１）。

また、このようなレーザドップラ速度計において、より高精度な速度測定を行うために、測定用のレーザ光として、より出力の高い近赤外レーザ光を用いつつ、不可視の近赤外レーザ光の照射位置を視認できるように、可視光を照準光として出射する技術が知られている（特許文献２）。

この技術に係る、レーザドップラ速度計の構成を図３ａ、ｂに示す。
図３ａのレーザドップラ速度計は、測定用レーザ光源３０１から出射された不可視の近赤外レーザ光である測定光と、照準用レーザ光源３０２から出射された可視光のレーザ光である照準光が、それぞれ光ファイバを通ってファイバ型ＷＤＭ光カプラ３０３で波長合成され、コリメータレンズ３０４に出射される。

コリメータレンズ３０４は、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３０３から入射する測定光と照準光とを平行ビームに変換してビームスプリッタ３０５に出射し、ビームスプリッタ３０５は、コリメータレンズ３０４から入射する測定光と照準光とをそれぞれ二つに分岐し、分岐した一方の測定光と照準光とよりなる第１レーザ光群を被測定物１００に照射し、分岐した他方の測定光と照準光とよりなる第２レーザ光群をミラー３０６に向けて出射する。

そして、ミラー３０６は、ビームスプリッタ３０５から入射する第２レーザ光群を反射し、被測定物１００に照射する。
ここで、ビームスプリッタ３０５から出射された第１レーザ光群とミラー３０６から出射された第２レーザ光群は、被測定物１００の同じ領域を照射する。また、ビームスプリッタ３０５から出射された第１レーザ光群は、被測定物１００の移動方向と垂直な方向から+θ傾けた方向から被測定物１００を照射し、ミラー３０６から出射された第２レーザ光群は、被測定物１００の移動方向と垂直な方向から-θ傾けた方向から被測定物１００を照射する。

したがって、第１レーザ光群の測定光と第２レーザ光群の測定光が照射されている領域には、第１レーザ光群の照準光と第２レーザ光群の照準光による可視の光スポットも形成される。

次に、対物レンズ３０７は、被測定物１００で反射した第１レーザ光群と第２レーザ光群の反射光を光検出器３０８に集光し、光検出器３０８は集光された反射光の測定光を検出し検出信号として出力する。

ここで、第１レーザ光群の測定光の反射光の周波数と第２レーザ光群の測定光の反射光の周波数には、被測定物１００の速度に応じた大きさのドップラシフトが生じており、光検出器３０８が出力する検出信号には、ドップラシフトの大きさに応じた周波数のビートが表れる。したがって、このビートの周波数から、被測定物１００の速度ｖを算定できる。

次に、図３ｂのレーザドップラ速度計は、図３ａのレーザドップラ速度計で、測定光と照準光の波長合成に使用するファイバ型ＷＤＭ光カプラ３０３の代わりに、ダイクロイックミラー３０９を用いたものであり、図３ｂのレーザドップラ速度計では、測定用レーザ光源３０１から測定光をコリメータレンズ３０４を介してダイクロイックミラー３０９に出射すると共に、照準用レーザ光源３０２からコリメータレンズ３０４を介して照準光をダイクロイックミラー３０９に出射することにより、ダイクロイックミラー３３０によって、測定光と照準光とが同軸状に波長合成されてビームスプリッタ３０５に出射される。

特開２００５-６１９２８号公報特許６４７４２７０号公報

図３ａに示したレーザドップラ速度計は、測定光と照準光の同一光路での波長合成に比較的高価なファイバ型ＷＤＭ光カプラが必要となる。また、図３ｂに示した波長合成にダイクロイックミラーを用いるレーザドップラ速度計では、測定光の分岐の前段に、ダイクロイックミラーを用いた測定光と照準光の同一光路での波長合成のための光学系を設ける必要があり、レーザドップラ速度計を小型化する上で妨げとなる。

そこで、本発明は、測定に用いる不可視光である測定光を、当該測定光の照準に用いる可視光である照準光と共に出射するレーザドップラ速度計を、小型化や低コスト化に適した、よりシンプルな構成で実現することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、被測定物の速度を測定するレーザドップラ速度計に、波長が可視領域外のレーザ光である測定光を出射する測定用レーザ光源と、前記測定光を第１測定光と第２測定光とに分割するビームスプリッタと、前記第１測定光と第２測定光とが、当該レーザドップラ速度計に対する相対位置が予め定められている領域である測定領域を異なる方向から照射するように、前記第１測定光と第２測定光とを、当該第１測定光と第２測定光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させて出射する進路変更光学系と、前記測定領域で反射した前記第１測定光と第２測定光の反射光の強度を検出し、検出信号として出力する光検出器と、波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、前記照準レーザ光源が出射した前記照準光を、集光点の位置が前記測定領域内の位置となるように屈折させて出射する屈折光学系とを備えたものである。

また、本発明は、前記課題達成のために、被測定物の速度を測定するレーザドップラ速度計に、波長が可視領域外のレーザ光である測定光を出射する測定用レーザ光源と、前記測定光を第１測定光と第２測定光とに分割するビームスプリッタと、前記第１測定光と第２測定光とが、当該レーザドップラ速度計に対する相対位置が予め定められている領域である測定領域を異なる方向から照射するように、前記第１測定光と第２測定光とを、当該第１測定光と第２測定光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させて出射する進路変更光学系と、波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、分光手段と、前記進路変更光学系から出射される前記第１測定光の光軸と、前記進路変更光学系から出射される前記第２測定光の光軸との間に光軸が位置するように配置されたレンズと、光検出器とを備えたものである。ただし、前記測定領域で反射した前記第１測定光と第２測定光の反射光は、前記レンズに入射し、前記照準レーザ光源から出射された前記照準光は、前記分光手段に入射し、前記レンズは、入射した前記反射光を前記分光手段に出射する。また、前記分光手段は、前記レンズから入射した前記反射光を前記光検出器に向けて出射すると共に、前記照準レーザ光源から入射した前記照準光を、前記レンズに向けて出射する。また、前記レンズは、前記分光手段から入射した前記照準光を、集光点の位置が前記測定領域内の位置となるように屈折させて出射すると共に、前記分光手段を介して前記光検出器に入射する反射光が当該光検出器の位置で集光するように、入射した前記反射光を屈折させて出射する。そして、前記光検出器は、前記分光手段から入射した前記反射光の強度を検出し検出信号として出力する。

このようなレーザドップラ速度計は、たとえば、前記分光手段を、前記測定光の波長の光を反射し、前記照準光の波長の光を透過するダイクロイックミラーとし、当該分光手段において、前記レンズから入射した前記反射光を反射して前記光検出器に向けて出射すると共に、前記照準レーザ光源から入射した前記照準光を透過させて前記レンズに向けて出射する。

または、前記分光手段を、前記測定光の波長の光を透過し、前記照準光の波長の光を反射するダイクロイックミラーとし、当該分光手段において、前記レンズから入射した前記反射光を透過させて前記光検出器に向けて出射すると共に、前記照準レーザ光源から入射した前記照準光を反射して前記レンズに向けて出射してもよい。

以上のレーザドップラ速度計においては、前記測定光として、1400nm以上2600nm以下の波長のレーザ光、たとえば、波長1550nmのレーザ光を用いてもよい。
また、以上のレーザドップラ速度計に、前記光検出器が検出した前記検出信号のビート周波数に基づいて前記被測定物の速度を計測する計測部を備えても良い。
これらのレーザドップラ速度計では、被測定物上の領域が、不可視の前記第１測定光と第２測定光とが共通に照射される測定領域となるように、被測定物に対してレーザドップラ速度計が配置されたときに、被測定物の速度を正しく計測できる。

そして、本レーザドップラ速度計は、可視の照準光を、集光点の位置が測定領域内の位置となるように出射するので、照準光により被測定物上に形成される光スポットの位置やサイズに基づいて、測定領域が被測定物上の所望の領域となっているかどうかを識別することができる。よって、照準光を、不可視の第１測定光と第２測定光による測定領域の照準に用いて、レーザドップラ速度計を被測定物１００に対して、正しく計測が行える正規配置に設定できる。

また、比較的高価なファイバ型ＷＤＭ光カプラや、測定光分岐の前段に必要となる測定光と照準光の同一光路での波長合成のための光学系が不要となり、レーザドップラ速度計を低コスト、小型に構成できる。

以上のように、本発明によれば、測定に用いる不可視光である測定光を、当該測定光の照射位置の照準に用いる可視光である照準光と共に出射するレーザドップラ速度計を、小型化や低コスト化に適した、よりシンプルな構成で実現できる。

本発明の実施形態に係るレーザドップラ速度計の構成を示す図である。本発明の実施形態に係るレーザドップラ速度計の光路を示す図である。公知のレーザドップラ速度計の構成例を示す図である。

以下、本発明に係るレーザドップラ速度計の実施形態について説明する。
図１ａに、本実施形態に係るレーザドップラ速度計の構成を示す。
図示するようにレーザドップラ速度計は、測定用レーザ光源１、コリメータレンズ２、ビームスプリッタ３、ミラー４、対物レンズ５、ダイクロイックミラー６、光検出器７、照準用レーザ光源８、計測装置９を備えている。

測定用レーザ光源１は、計測装置９の制御に従って、近赤外レーザ光を測定光として出射する。測定用レーザ光源１が出射する近赤外レーザ光としては、1400nmから2600nmまでのアイセーフレーザと呼ばれるレーザ波長範囲の近赤外レーザ光を用いる。以下では、測定光として波長1550nmの近赤外レーザを用いるものとして説明を行う。

照準用レーザ光源８は、計測装置９の制御に従って、可視レーザ光を照準光として出射する。以下では、照準光として波長635nmの赤色のレーザを用いるものとして説明を行う。

図１ａは、レーザドップラ速度計が、正しく被測定物１００の速度の計測が行える配置である正規配置に、被測定物１００に対して配置されている場合を示しており、正規配置にあるときレーザドップラ速度計は、図１ａの右方向をｘ方向、上方向をｚ方向、紙面の表から裏に向かう方向をｙ方向として、被測定物１００のｘ方向の速度ｖを計測する。

そして、正規配置にあるときの、レーザドップラ速度計の動作は以下のようになる。
測定用レーザ光源１は、測定光をコリメータレンズ２に出射し、コリメータレンズ２は、測定光を平行ビームに変換してビームスプリッタ３に出射する。
ビームスプリッタ３は、コリメータレンズ２から入射する測定光を第１測定光と第２測定光との二つの測定光に分岐し、第１測定光を被測定物１００に照射し、第２測定光をミラー４に向けて出射する。

ミラー４は、ビームスプリッタ３から入射する第２測定光を反射し、被測定物１００に照射する。
ここで、ビームスプリッタ３から出射された第１測定光とミラー４から出射された第２測定光は、被測定物１００の速度を計測する領域である測定領域を共通に照射する。
また、ビームスプリッタ３から出射された第１測定光はｚ方向に対してｙ方向の軸まわりに＋θ傾けた方向から測定領域を照射し、ミラー４から出射された第２測定光は、ｚ方向に対してｙ方向の軸まわりに-θ傾けた方向から測定領域を照射する。

次に、対物レンズ５は、被測定物１００の測定領域で反射された第１測定光と第２測定光の反射光をダイクロイックミラー６を介して光検出器７に集光する。
ここで、対物レンズ５は、被測定物１００の測定領域とｘｙ方向に関して重なる位置に配置されており、その光軸の方向はｚ方向である。また、対物レンズ５の光軸とビームスプリッタ３から出射された第１測定光の光軸の成す角は+θであり、対物レンズ５の光軸とミラー４から出射された第２測定光の光軸が成す角は-θである。

図１ｂに、ｘ方向に見た、被測定物１００で反射された第１測定光と第２測定光の反射光と、対物レンズ５と、ダイクロイックミラー６と、光検出器７との位置関係を示す。
図示するように、被測定物１００の測定領域で反射された第１測定光と第２測定光の反射光は、対物レンズ５を通ってダイクロイックミラー６に-ｚ方向から入射する。
ダイクロイックミラー６は、測定光の波長である1550nmの光を100％反射し、照準光の波長である635nmの光を100％透過する。また、光検出器７は、ダイクロイックミラー６から見てｙ方向に配置されている。

よって、ダイクロイックミラー６は、対物レンズ５からｚ方向に入射する第１測定光と第２測定光の反射光を光検出器７の方向（ｙ方向）に反射し、これにより、対物レンズ５によって第１測定光と第２測定光の反射光がダイクロイックミラー６を介して光検出器７に集光される。

次に、光検出器７は、対物レンズ５によってダイクロイックミラー６を介して集光された測定光の反射光を光電変換した検出信号を計測装置９に出力する。
ここで、第１測定光の反射光の周波数と第２測定光の反射光の周波数には、被測定物１００の速度ｖに応じた大きさのドップラシフトが逆方向に生じており、光検出器７が出力する検出信号には、ドップラシフトの大きさに応じた周波数のビートが生じている。
計測装置９は、光検出器７から出力された検出信号のビート周波数を計測し、計測したビート周波数から被測定物１００の速度ｖを算定する。

次に、照準用レーザ光源８が出射した照準光は、ｚ方向からダイクロイックミラー６に入射する。そして、照準光は、そのままダイクロイックミラー６を透過して対物レンズ５に入射する。
対物レンズ５は、色収差補正レンズであり、入射する照準光を、第１測定光と第２測定光が共通に照射する被測定物１００の測定領域の中心が集光点となるように屈折させて-ｚ方向に出射する。
したがって、被測定物１００の測定領域の中心には、照準光による可視の光スポットが形成される。

以上、被測定物１００に対してレーザドップラ速度計が、正しく被測定物１００の速度の計測が行える正規配置にあるときのレーザドップラ速度計の動作について説明した。
さて上述の通り、レーザドップラ速度計は、図２に示すように、正規配置にあるときの被測定物１００の測定領域の中心Ｆを通る照準光を-ｚ方向に出射するので、照準光により被測定物１００上に形成される光スポットのｘｙ方向の位置に基づいて、レーザドップラ速度計の配置をｘｙ方向に関して正規配置に設定することができる。

また、レーザドップラ速度計は、正規配置にあるときに被測定物１００の測定領域の中心Ｆが集光点となる照準光を出射する。したがって、正規配置にあるときに被測定物１００上に照準光により形成される光スポットのサイズは最小となり、レーザドップラ速度計が正規配置から被測定物１００に対してｚ方向、-ｚ方向にずれていくに従い、照準光により被測定物１００上に形成される光スポットのサイズは大きくなる。したがって、照準光により形成される光スポットのサイズに基づいて、レーザドップラ速度計の配置をｚ方向に関して正規配置に設定できる。

本実施形態によれば、照準光を、不可視の第１測定光と第２測定光による測定領域の照準に用いて、レーザドップラ速度計を被測定物１００に対して、正しく計測が行える正規配置に設定できる。
また、比較的高価なファイバ型ＷＤＭ光カプラや、測定光分岐の前段に必要となる測定光と照準光の同一光路への波長合成のための光学系が不要となり、レーザドップラ速度計を低コスト、小型に構成できる。

以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、本実施形態のレーザドップラ速度計の構成は、ダイクロイックミラー６として、測定光の波長である1550nmの光を100％透過し、照準光の波長である635nmの光を100％反射するダイクロイックミラー６を用い、光検出器７と照準用レーザ光源８の配置を交換した構成としてもよい。

１…測定用レーザ光源、２…コリメータレンズ、３…ビームスプリッタ、４…ミラー、５…対物レンズ、６…ダイクロイックミラー、７…光検出器、８…照準用レーザ光源、９…計測装置、１００…被測定物。

Claims

被測定物の速度を測定するレーザドップラ速度計であって、
波長が可視領域外のレーザ光である測定光を出射する測定用レーザ光源と、
前記測定光を第１測定光と第２測定光とに分割するビームスプリッタと、
前記第１測定光と第２測定光とが、当該レーザドップラ速度計に対する相対位置が予め定められている領域である測定領域を異なる方向から照射するように、前記第１測定光と第２測定光とを、当該第１測定光と第２測定光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させて出射する進路変更光学系と、
前記測定領域で反射した前記第１測定光と第２測定光の反射光の強度を検出し、検出信号として出力する光検出器と、
波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、
前記照準レーザ光源が出射した前記照準光を、集光点の位置が前記測定領域内の位置となるように屈折させて出射する屈折光学系とを有することを特徴とするレーザドップラ速度計。
被測定物の速度を測定するレーザドップラ速度計であって、
波長が可視領域外のレーザ光である測定光を出射する測定用レーザ光源と、
前記測定光を第１測定光と第２測定光とに分割するビームスプリッタと、
前記第１測定光と第２測定光とが、当該レーザドップラ速度計に対する相対位置が予め定められている領域である測定領域を異なる方向から照射するように、前記第１測定光と第２測定光とを、当該第１測定光と第２測定光のうちの少なくとも一方の進行方向を変化させて出射する進路変更光学系と、
波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、
分光手段と、
前記進路変更光学系から出射される前記第１測定光の光軸と、前記進路変更光学系から出射される前記第２測定光の光軸との間に光軸が位置するように配置されたレンズと、
光検出器とを有し、
前記測定領域で反射した前記第１測定光と第２測定光の反射光は、前記レンズに入射し、
前記照準レーザ光源から出射された前記照準光は、前記分光手段に入射し、
前記レンズは、入射した前記反射光を前記分光手段に出射し、
前記分光手段は、前記レンズから入射した前記反射光を前記光検出器に向けて出射すると共に、前記照準レーザ光源から入射した前記照準光を、前記レンズに向けて出射し、
前記レンズは、前記分光手段から入射した前記照準光を、集光点の位置が前記測定領域内の位置となるように屈折させて出射すると共に、前記分光手段を介して前記光検出器に入射する反射光が当該光検出器の位置で集光するように、入射した前記反射光を屈折させて出射し、
前記光検出器は、前記分光手段から入射した前記反射光の強度を検出し検出信号として出力することを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項２記載のレーザドップラ速度計であって、
前記分光手段は、前記測定光の波長の光を反射し、前記照準光の波長の光を透過するダイクロイックミラーであり、
当該分光手段は、前記レンズから入射した前記反射光を反射して前記光検出器に向けて出射すると共に、前記照準レーザ光源から入射した前記照準光を透過させて前記レンズに向けて出射することを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項２記載のレーザドップラ速度計であって、
前記分光手段は、前記測定光の波長の光を透過し、前記照準光の波長の光を反射するダイクロイックミラーであり、
当該分光手段は、前記レンズから入射した前記反射光を透過させて前記光検出器に向けて出射すると共に、前記照準レーザ光源から入射した前記照準光を反射して前記レンズに向けて出射することを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項１、２、３または４記載のレーザドップラ速度計であって、
前記測定光として、1400nm以上2600nm以下の波長のレーザ光を用いることを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項５記載のレーザドップラ速度計であって、
前記測定光として、波長1550nmのレーザ光を用いることを特徴とするレーザドップラ速度計。
請求項１、２、３、４、５または６記載のレーザドップラ速度計であって、
前記光検出器が検出した前記検出信号のビート周波数に基づいて前記被測定物の速度を計測する計測部を有することを特徴とするレーザドップラ速度計。