JPH01112165A - 移動光散乱体の速度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測定点に周期的な強度分布を与えるレーザビ
ーム及び物体が散乱する光に対する検出装置により、移
動する光散乱体の速度全測定する装置に関する。

〔従来の技術〕

上記の装置はレーザ風速計として公知である。

この装置は特に流速の測定に用いられ、その場合流れる
流体は光を散乱する粒子を有する。周期的光の強度分布
は、公知技術により２つの干渉性し−ザ部分ビームが測
定点に虚の干渉しまを作ることによって発生される。測
定点を横断通過する粒子が散乱する光に対するパルスの
繰返数ば、ドツプラー効果によって速度に依存する。パ
ルス繰返数は公知技術により、物体が散乱する光に対す
る検出装置によって測定評価することができる。

安定な干渉じまを得るには、部分ビームの光が十分なコ
ヒーレンス長さを持たなければならない。

このため従来は大きな場所を取る高価なレーザ装置が実
際に使用されて来た。レーザダイオードを使用すること
も西ドイツ特許出願公開公報第３４３５４２３号により
既に公知の事である。その場合、レーザダイオードが送
り出す光に対して十分なコヒーレンス長さを得て、測定
点に安定な干渉じまを作るために、特別の対策が講じら
れる。

いずれにしても測定は外的影響に著しく左右されるから
、適当な制御機構によって外的影響を一定に保たなけれ
ばならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

これに対して本発明の根底にあるのは、外的影響に比較
的左右されない測定が極めて小さな空間で可能であるよ
うに、冒頭に述べた種類の装置を改良する１ｚとである
。

〔課題を解決するための手段、作用、発明の効果〕冒頭
に述べた種類の装置において、本発明に基づき実の周期
的強度分布を発生するレーザダイオードアレイを設け、
このレーザダイオードアレイに複数個のレーザダイオー
ドを所定の相互間隔で配列し、それらからの発光を集光
光学装置によって測定点に集束するように構成すること
によって上記の課題が解決される。

従って本発明に基づく装置は、測定点に周期的強度分布
を発生するための別の、驚くべき簡単な原理に基づくも
のである。従来は干渉しまを作るために、単一のレーザ
光源の元金２つの部分ビームに分割したが、本発明装置
は唯１つのビームしか必要でない。但し、このビームは
レーザダイオードアレイの所定の相互間隔で配列された
多数のレーザダイオードに由来する。集束光学装置によ
って多数のレーザダイオードの光が測定点に結像される
。従って、測定点には強度の最大の実の周期的系が生じ
、強度の最大は Δｘ＝＝Ｍ・３ の間隔を有する。ここにｓｉレーザダイオードアレイの
レーザダイオードの間隔、Ｍは像倍率を表す。

強度の最大は、レーデ風速計と異なり、測定点の実の光
バリヤ系を形成し、移動する物体がここを通過する。光
バリヤ金横断する時に散乱した光はパルス繰返数ｆＰで
変調される。ここで、ｆ　ｐ　”　ｖ　／ΔＸ が成り立ち、Ｖは移動する粒子の速度を表す。

測定評価のために、前方散乱光も後方散乱光も利用する
ことができる。特に後方散乱の測定評価を行なうように
すると流速測定用送受信装置を極めて小型化できる。本
発明に基づく装置は、唯１つの送信ビームしか必要とせ
ず、測定部を極めて簡単な構造にすることができるのが
特徴である。

流速の測定のために、直径数ミリメートルのすこぶる小
さな検査用ンンズしが必要でないから、アクセスしにく
い区域で使用することが可能である。

光に対する干渉性はあ捷り要求されない。非干渉性の光
を使用することもできる。本発明方性全固体表面の速度
測定のために使用することもできる。

その場合は後方散乱光の測定評価が行われる。

極めて高い出力のレーザダイオードアレイ全実現するこ
とができるから、高速度測定を行うこともできる。流れ
測定を行うには極微粒子で既に十分である。

本発明装置は二次元多層アレイ（ｚｗｅｉｄｉｍｅｎｓ
ｉｏｎａｌｅｍｅｈｒｓｔｒｅｔｆｉｇｅ　ａｒｒａｙ
ｓ　−ｍｕｌｔｉ　５ｔｒｉｐｓ　ａｒｒａｙｓ）全使
用することによって、二次元速度測定も簡単に行うこと
ができる。

すこぶる有利な実施態様においては、測定点に非対称の
強度分布が生じるように、レーザダイオードアレイの少
くとも１個所のレーザダイオードが発生しないようにな
っている。

線状レーザダイオードアレイのレーデダイオードの配列
は、複数個の光バリヤとみなすことができる周期的強度
分布の全体を粒子が規則的に通過６一 するように行われる。その結果、光バリアに対応する周
期的強度分布を有する散乱光信号が発生する。ところが
光バリヤの１つが働かないときは、特徴的な散乱光が発
生する。本発明に基づき、非対称の強度分布が生じるよ
うな場所でレーザダイオ−ドアソイのレーザダイオード
が放射しなければ、粒子が逆向き流れた時に散乱光の強
度分布が異なったものになる。従って、本発明に基づく
構造のレーザダイオードアレイは、従来は得ることがは
なはだ難しかった、粒子運動の方向識別を簡単に行うこ
とができる。干渉によって生じる従来の虚の静止強度分
布の場合にこのような方向識別が不可能であることは直
ちに明らかである。レーザダイオードアレイを使用する
ことによって初めて測定点の、本発明に基づく非対称強
度分布が簡単に可能である。

レーザダイオードアレイが発光しない場所は、レーザダ
イオードアレイの中央区域に選定することが好ましい。

それによって測定信号の識別が容易になるからである。

レーザダイオードアレイの発光ダイオードの発生を抑制
することは可能である。しかし単数個又は複数個のレー
ザダイオードが発光しない、それ自体が欠陥品のレーザ
ダイオードアレイを使用することも、それによって異な
る流れ方向に対する非対称配列が保証される限り、可能
である。但し、非対称が必要であるから、レーザダイオ
ードアレイにおいて端のダイオード、又は奇数個のレー
ザダイオードの場合に中央のダイオードを抑制したので
は、本発明に基づく効果が得られない。

同様の事が二次元レーザダイオードアレイに当てはまる
。

好適な実施態様においては、レーザダイオードアレイが
電気制御により発光方向を変更できるレーザダイオード
から成る。制御装置でレーザダイオードを適当に制御す
ることによって、周期的強度分布が成る角度範囲内で旋
回される。それによって「放射ロープ」全走査し、こう
して測定点の空間的運動を生起することが可能である。

放出方向が電子制御により変化させられるレーデダイオ
ードは、例えばＡｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ　（応用
物理学論集）３３（８）、１９７８年１０月１５日、７
０２−７０４頁により公知である。放出方向の変更は、
レーザダイオードに対する２つのポンピング電流の比１
１／１２を変えることによって得られる。

〔実施例〕

次に図面に示す実施例に基づいて本発明を詳述する。

第１図は、第３図に基づいて詳述するレーザダイオード
アレイ１から送出された光が集束光学装置２により測定
点３に集束されることを示す。測定ビームは、流体の流
速Ｖの方向と一致する方向Ｘに、第２図に示す近視野強
度分布（Ｉｎｔｅｎｓｉｔａｅｔｓ−Ｎａｈｆｅｌｄｖ
ｅｒｔｓｉｌｕｎｇ　）　４を示す。レーザダイオード
アレイ１のレーザダイオードの数に相当する数の強度の
最大値が存在し、流速Ｖで移動する粒子がこの最大値の
部分を通過するようになっている。

前方散乱光を測定する几めに光の前進方向に配設された
レンズ５が使用される。レンズ５はアバランシェダイオ
ードとして構成されたホトダイオ−ドアの入力に散乱光
を集束する。流れている流体を透過した測定光束は、レ
ンズ５の後方のビームトラップ６によって阻止される。

後方散乱光を測定するために環状鋼８が設けられる。そ
の環の中心は送信光束の光学軸にあるから、送信光束は
環状鋼８を自由に貫通することができる。他方、後方散
乱光は斜設された環状鋼８によって遮断され、レンズ９
に到達する。レンズ９はホトダイオード？ＶＣ対応する
ホトダイオード１０の入力に散乱光を集束する。

第２図に、１０個のレーザダイオードを有する線状レー
ザダイオードアレイ１が発生した近視野強度分布（燈火
強度）を示す。その場合、４番目のレーザダイオードが
発光しない。このレーザダイオードが発光した場合の放
射強度を第２図に破線で記入した。この４番目のレーザ
ダイオードが発光しないことによって、非対称の近視野
強度分布が生じ、このため流体又は粒子が残りの９個の
最大強度部分を左から右へ飛行したか又は右から左へ飛
行したかを、散乱光に対して区別することが可能である
。

第３図は、第１図の配列で使用したレーザダイオードア
レイ１の構造を示す。レーザダイオードアレイに７個の
レーザダイオード１１が一定の相互間隔日で直線状によ
って並べられている。レーザダイオード１１は共通の基
板１２の上に配設されているから、その放射は一般に位
相結合され、その際位相差が例えば０度又は１８０度で
ある。

７個のＶ−ザダイオード１１の内のレーデダイオード１
１′は例えば欠陥があるため又はカバーされているため
、放射しない。その結果放射強度の近視野強度分布はレ
ーザダイオード１１′の部位に空白を有する。近視野強
度分布を第３図に併せて示す。近視野強度分布には、そ
れぞれが相互の空間間隔８を有する６個の最大強度の部
分がある。その場合、発光しないレーザダイオード１１
’によって生じる空白も併せて考慮する。この近視野分
布は集束光学装置２で測定点３に結像することにより、
第２図に相当する近視野強度分布４として結像される。

その場合Ｍが像倍率を表すとすれば、結像の最大強度の
間隔はΔｘｄＭ・３である。

第４図において、レーザダイオードアレイ１３はレーザ
ダイオード１ノを二次元に配列したもので、図示の実施
例ではそれぞれ７個のレーデダイオード１１の６つの層
（５ｔｒｅｌｆｅｎ　）　１４がある。

各層１４はレーザダイオードアレイ１の単一の層に相当
する。層１４の相互の間隔はＤである９すなわち、レー
ザダイオードアレイは、Ｘ方向に相互の間隔８．１方向
に相互の間隔Ｄｉ有し、６×７個の最大強度を示す近視
野強度分布が得られる。

この近視野強度分布が像倍率Ｍで測定点３に結像される
から、Ｘ方向の速度成分の測定だけでなく、２方向の速
度成分の測定も可能である。こうして平面ｘ−ｚで斜め
に移動する粒子の真の速度も測定することができる。ま
たレーザダイオードアレイ１３には複数個の発光しない
レーザダイオード１１′があり、レーザダイオードアレ
イ１３でのその分布によって、レーザダイオードアレイ
１３によって測定点３に形成される光バリヤ金各粒子が
横断する方向に応じて、種々異なる測定信号が散乱光に
より発生するから、粒子の流れ方向を識別することがで
きる。

第５図は、第１図の配列とおおむね同様の配列を示す。

従って同一部分には同じ参照番号を使用する。

この場合、レーザダイオードアレイ１のレーデダイオー
ド１１は制御装置１６により回路網１５を介して電流制
御され、レーザダイオードアレイ１の各位相結合レーザ
ダイオード１１は所定の放出方向に発光する。従って、
Ｖ−ザダイオードアＶイ１によって測定点３に生じる強
度分布全＋α。

−αの角度範囲で調整することができる。制御電流を変
化することによって、測定中に測定点３の強度分布を変
動させることも可能である。こうして本発明装置による
測定の可能性が補充され、例えば方向の識別が可能にな
り、また速度の場の測定即ち角度範囲＋α、−αの異な
る測定点３の局部速度の検出を行なうための電子走査が
可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＶ−ザダイオードアレイと前方及び後方散乱光
を検出するための各々１個の検出装置を有する速度測定
装置の構成図、第２図は測定点の強度分布図（近視野強
度分布図）、第３図はレーザダイオードアレイと当該の
近視野分布の構成図、第４図は二次元レーザダイオード
アレイの略図、第５図は強度分布を旋回するための制御
装置を備えた第１図と同様の構成図を示す。 １・・・レーザダイオードアレイ、２・・・集束光学装
置、３・・・測定点、４・・・強度分布、５・・・レン
ズ、６・・・ビームトラッゾ、７・・・ホトダイオード
、８・・・環状鏡、９・・・レンズ、１０・・・ホトダ
イオード、１１゜１１′・・・レーザダイオード、１３
・・・レーザダイオードアレイ、１イ・・・層、１５・
・・回路網、１６・・・制御装置、Ｓ・・・Ｖ−ザダイ
オードのＸ方向の間隔、Ｄ・・・レーデダイオードの２
方向の間隔、Ｍ・・・像倍率。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）測定点（３）に周期的強度分布（４）を発生するレ
   ーザビーム及び物体の散乱光検出装置（５、７：８、９
   、１０）を用いて光散乱体の速度を測定する装置におい
   て、複数個のレーザダイオード（１１）を所定の相互間
   隔（ｓ、Ｄ）をもって配列され周期的な光の強度分布を
   有するレーザダイオードアレイ（１、１３）と、該レー
   ザダイオード（１１）から送出された光を測定点（３）
   に集束させる集束光学装置（２）とを具備する移動光散
   乱体の速度測定装置。 ２）前記レーザダイオードアレイ（１３）が二次元多層
   アレイとして構成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の移動光散乱体の速度測定装置。 ３）前記測定点（３）に非対称の強度分布を生じさせる
   ため、前記レーザダイオードアレイ（１、１３）の少く
   とも１つのレーザダイオード（１１′）が発光しないよ
   うに構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項又は第２項に記載の移動光散乱体の速度測定装置。 ４）前記レーザダイオードアレイ（１、１３）の光の放
   出方向を所定角（＋α、−α）の範囲で旋回する制御装
   置（１６）を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項乃至第３項のいずれかの１項に記載の移動光散乱体
   の速度測定装置。