JPH02262064A - レーザードップラー速度計 - 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】 （技術分野〕 本発明は、移動する物体や流体の速度を非接触に検出す
る速度計、特にレーザー光の周波数の偏移を検知して速
度を検出するレーザードツプラー速度計に関する。

〔従来技術〕

従来から、物体や流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、レーザードツプラー速度計が使
用されている。レーザードツプラー速度計とは、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（ドツプラー効果）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。

従来のレーザードツプラー速度計の一例を第１図に示す
。

１はレーザー　２はコリメーターレンズ、３は平行光束
、４はビームスプリッタ−６及び６′は反射鏡、７は速
度Ｖで矢印方向に移動している物体もしくは流体、８は
集光レンズ、９は光検出器である。

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
−４によって二光束５及び５′に分割されて反射鏡６及
び６′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で三光束照射される。物体もしく
は流体７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。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のドツプラーシ
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）式で表わすことができる。

Δｆ＝Ｖｓ　ｉ　ｎθ／λ　　　　　　　・（１）＋Δ
ｆ、−Δｆのドツ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。

Ｆ＝２Δｆ＝２Ｖｓ　ｉ　ｎθ／λ　　−（２）従って
、光検出器９の出力信号の周波数（以下、ドツプラー周
波数と呼ぶ）を測定すれば、（２）式に基づいて移動物
体もしくは移動流体７の移動速度Ｖを求めることができ
る。

レーザードツプラー速度計の小型化を図るためには、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザー等のガスレーザーを光源として用いる
よりもレーザーダイオードのような半導体レーザーを用
いる方が有利である。しかしながら、半導体レーザーは
ガスレーザーのように発振波長が安定しておらず、温度
に依存して発振波長が゛変化する。上記（２）式から明
らかなように、ドツプラー周波数Ｆはレーザー光の波長
λに依存するので、レーザー光の波長が変動すると移動
物体や移動流体の速度を正確に検出することができない
。

第２図は市販のレーザーダイオードの発振波長の温度依
存性を示すグラフ図（１９８７年三菱半導体データブッ
ク−光半導体素子線から引用）である。同図において、
波長が連続的に変化している部分は、主としてレーザー
ダイオードの活性層の屈折率の温度変化により生じてい
る部分であり、その割合は０．０５〜０．０６ｎｍ／ｌ
である。一方、波長が不連続に変化している部分は、縦
モードホッピングと呼ばれる現象に起因するもので、０
．２〜０．３ｎｍ／’ｔ：という大きな割合で変化する
。

このように、レーザーダイオードの発振波長は極めて不
安定なものであり、この種のレーザーをレーザードツプ
ラー速度計の光源として使用する場合、周知のヒーター
、放熱器、温度センサー等を備えた温度制御ユニットを
レーザーダイオードと共に取り付ける必要がある。しか
しながら、これらの温度制御ユニットを取り付けると、
速度計が大きくなり、価格も上がるので好ましくない。

更に、前述の縦モードホッピングは温度変動以外の他の
要因でも生じる現象であり、仮に温度制御ユニットを取
り付けても、レーザーダイオードの発振波長の変動を完
全に抑えることはできない。

〔発明の概要〕

本発明は上記従来の問題点に鑑みでなされたものであり
、レーザー光の発振波長が変化しても移動物体や移動流
体の速度を正確に検出することが可能なレーザードツプ
ラー速度計を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、本発明のレーザードツプラ
ー速度計は、波長λのレーザー光を所定の入射角θで移
動物体若しくは移動流体に入射させ、該移動物体若しく
は移動流体からの散乱光の周波数の偏移に基づいて該移
動物体若しくは移動流体の速度を検出する速度計におい
て、該レーザー光の波長λの変化に応じて該入射角ρが
変化し、ｓｉｎθ／λがほぼ一定になるように該レーザ
ー光を該移動物体若しくは移動流体に入射せしめる光学
系を有することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本レーザードツプラー速度計
のある形態は、レーザー光を所定の入射角で移動物体若
しくは移動流体に入射させ、該移動物体若しくは移動流
体からの散乱光の周波数の偏移に基づいて該移動物体若
しくは移動流体の速度を検出する速度計において、レー
ザーから射出したレーザー光を回折せしめて±ｎ次（ｎ
＝１．２，３、…）の回折光を形成する回折格子と、該
±ｎ次の回折光を各回折光の該回折格子による回折角と
ほぼ同じ角度で該移動物体若しくは移動流体に入射せし
める光学系と、該光学系を介して該±ｎ次の回折光で照
明された該移動物体若しくは移動流体からの散乱光を受
光する受光手段とを有することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本レーザードツプラー速度計
の他の形態は、レーザー光を所定の入射角で移動物体若
しくは移動流体に入射させ、該移動物体若しくは移動流
体からの散乱光の周波数の偏移に基づいて該移動物体若
しくは移動流体の速度変化を検出する速度計において、
レーザーから射出したレーザー光を回折せしめて±ｎ次
・（ｎ＝１．２，３、…）の回折光を形成する回折格子
と、該±ｎ次の回折光を該±ｎ次回折光が回折路から射
出した時の互いに成す角とほぼ同じ交差角で該移動物体
若しくは移動流体に入射せしめる光学系と、該光学系を
介して該±ｎ次の回折光で照明された該移動物体若しく
は移動流体からの散乱光を受光する受光手段とを有する
ことを特徴としている。

本発明によれば、レーザー光の波長λの変動に追従して
移動物体若しくは移動流体に対するレーザー光の入射角
θを変化せしめ、これにより上記（２）式が示すｓｉｎ
θ／λの値をほぼ一定にするので、レーザー光の波長変
動に依らず常に正確に移動物体や移動流体の速度を検出
することができる。従′って、レーザーダイオードなど
の発振波長が不安定な小型のレーザーダイオード（半導
体レーザー）を光源として使用でき、従来にない小型の
レーザードツプラー速度計を提供することが可能になる
。

本発明の更なる特徴や具体的な形態、は以下に示す各実
施例から明らかになる。

〔実施例〕

第３図及び第４図は本発明のレーザードツプラー速度計
による速度検出原理を説明するための説明図である。

第３図は格子ピッチｄなる透過型回折格子１０に波長λ
のレーザー光■を格子配列方向ｔに垂直な方向から入射
させた時の回折状態を示し、回折格子１０で生じる各次
数の回折光の回折角θは次式で示すことができる。

ｓｉｎθ冨±ｍλ／ｄ　　　　　　・（３）（ｍ＝ｏ、
１，２、…） 従って、回折格子１０で生じる０次回先光（ｍ−０）以
外の±ｎ次回折光が各回折角を特徴とする特許 ｓｉｎ　θ、＝±ｎλ／ｄ　　　　　　　・（４）（ｎ
＝＋＋１．　２・・・） なる式で表わされることになる。（４）式から明らかな
ように、±ｎ次回折光が回折角θ、は入射レーザー光Ｉ
の波長λに依存し、波長λの変化に応じて回折格子１０
からの±ｎ次回折光が射出角が変化する。

第４図は第３図の回折格子１０を光学系中に組込んだレ
ーザードツプラー速度計を示す。第４図において、回折
格子１０を除く他の部材は第１図の従来例に示しである
ものと同じであり、第１図と同じ符号を付しである。従
って、ここでは説明を省略する。

第４図に示す光学系では、回折格子１０から射出する±
ｎ次回折光が４１．４２各々互いに反射面が平行なミラ
ー６．６′で反射し、±ｎ次回折光が各回折角±θ。と
同じ入射角θ０で被検物体７のほぼ同一地点に入射させ
ている。尚、ミラー６．６′の反射面は各々回折格子１
０の格子配列方向と被検物体７の移動方向に直交する面
内にある。

この時、光検出器９からの出力信号に対応するドツプラ
ー周波数Ｆは、前記の（２）式及び（４）式に基づいて
次の（５）式で表わすことができる。

Ｆ＝２Ｖｓ　ｉ　ｎθｎ／λ　　　　　−（５）＝　２
　ｎ　Ｖ　／　ｄ 即ち、ドツプラー周波数Ｆはレーザー光の波長λに依存
せず、回折格子１０の格子ピッチｄに反比例し、回折光
の次数ｎと被検物体７の移動速度Ｖに比例することにな
る。回折格子１０のピッチｄは十分に安定しているので
、ドツプラー周波数Ｆはレーザー光の波長には無関係に
、被検物体７の速度Ｖのみに依存する。従って、光検出
器９は、不図示のレーザーの発振波長が変化しても、被
検物体７の速度Ｖに正確に対応した信号を出力する。

以上述べた検出原理を用いたレーザードツプラー速度計
の一例を次に説明する。尚、次の実施例では反射型回折
格子を用いているが、第４図に示したような透過型回折
格子も使用できる。

第５図は本発明のレーザードツプラー速度計の一実施例
を示す該略構成図である。

第５図においても、第１図の従来例と同じ部材には同一
符号が符してあり、また、これらの部材に関する説明も
省略する。

本実施例では、レーザー１として、波長λ＝０．７８μ
ｍのレーザー光を放射するレーザーダイオードを使用し
ており、装置の小型化を図っている。レーザー１として
はシングルモードレーザー　マルチモードレーザーのい
ずれであっても良い。また、回折格子１０は格子ピッチ
ｄ’　＝１．６μｍの反射型の回折格子であり、ガラス
基板等の基板面にＡｊ２．Ａｕ等の反射膜を周期的に形
成したり、或いはガラス基板の基板面に溝を周期的に形
成し、溝面に前述の反射膜を施したりしたものである。

このように回折格子１０としては、振幅型或いは位相型
（レリーフ型）など様々な形態の回折格子が使用できる
。

レーザーダイオード１からのレーザー光はコリメーター
レンズ２によって直径約２ｍｍφの平行光束３となり、
反射型回折格子１０にこの回折格子１０の格子配列方向
ｔに垂直な方向から入射する。回折格子１０で生じた±
１次の回折光６１゜６２は回折角θ、、’；：２９°で
回折格子１０から出射し、格子配列方向ｔに垂直に設置
したミラー６．６′により被検物体７°に各々入射角θ
。で斜入射する。各回折光６１．６２は被検物体７上に
約２ｍｍφの光スポットを形成し、各々の光スポットは
被検物体７上で重ね合わせられる。光検出器９は０．８
ｍｍφの受光部９ａを有し、集光レンズ８は２本の回折
光６１．６２が形成する光スポットの中央部０．８ｍｍ
φの領域を受光部９ａに等倍に結像する。従って、光検
出器９は各回折光６１．６２により生じた反射散乱光が
互いに干渉した干渉光を受光部９ａで効率良く受光し、
光電変換する。そして、光検出器９は前記（５）式にお
いてｎ＝１を代入したＦ　＝　２　Ｖ／ｄなる波長λに
よらないドツプラー周波数Ｆに応じた信号を出力する。

　ここで、第６図（ａ）に示すように、２つの回折光６
１．６２が被検物体７上で完全に重なる場合の回折格子
１０と被検物体７との距ａｈは、ミラー６．６′の距離
を旦とすると、 ｈ＝Ｊｌ　　ｄ　　−λ　　　λ　　　　　　・・・　
（６）となる。従って４２＝３０ｍｍの場合、レーザー
光の波長λ＝０．７８μｍ、格子ピッチｄ＝１．６μｍ
だから、ｈ＝５３．７ｍｍとなる。レーザーダイオード
１の発振周波数が１％変化（レーザーダイオード１の温
度で約３０℃変化）したとすると、２つの回折光６１．
６２の光スポットは周波数が長波長側に変化した場合に
は第６図（ｂ）に示すようになり、周波数が短波長側に
変化した場合には第６図（Ｃ）に示すようになる。第６
図（ｂ）、（ｃ）では２つの光スポットは約Ｏ，ａｍｍ
ずれている。しかしながら、光検出器９により検出され
る場所は２つの光スポットが重なる部分７ａであるので
、２つの回折光６１．６２により生じる散乱光を必ず同
時に光検出器９が受光し、ドツプラー周波数Ｆに対応す
る信号を出力することかできる。従って、波長変動の速
度検出に対する影響は少ない。

上記実施例では、レーザー光Ｉを回折格子１０の格子配
列方向ｔに垂直な方向から回折格子１０に入射させてい
たが、本発明では、回折格子１０に対するレーザー光Ｉ
の入射角０皿に被検物体の速度検出精度は依存しない。

また、回折格子１０が傾いても被検物体７の速度検出に
関するレーザー光Ｉの波長の変動による影響も少ない。

第７図は互いに平行なミラー６．６′の反射面に垂直に
配置した回折格子１０に対し、レーザー光Ｉが０１で入
射した時の様子を示している。ここで、回折格子１０か
ら射出する＋１次回折光の回折角θ１及び−１次回折光
の回折角θ２は、θ１θ２が各々正の値になるように考
慮すると、次式一方、ミラー６．６′で反射された２つ
の回折光の交差位置に置かれ、ミラー６．６′の反射面
に垂直な方向に速度Ｖで移動する被検物体７で生じた各
散乱光同志の干渉により求められる。ドツプラー周波数
Ｆは、 ・・・　（７） となる。（５）式と（６）式に基づいてＦを求めるとＦ
　＝　２　Ｖ／ｄとなり、ドツプラー周波数Ｆは回折格
子１０に対するレーザー光の入射θムに依存しないこと
がわかる。

このように、被検物体７の移動方向と平行に回折格子１
０を配置し、回折格子１０を射出した各次数の回折光を
被検物体７に向けるミラー６゜６′の反射面が移動方向
と直交するようにミラー６．６′を設けることで、任意
の入射角θ１で回折格子１０にレーザー光を向けること
が可能になる。

第８図は第７図と同様移動物体７の移動方向に対して垂
直な反射面をもつミラー６．６′を互いに平行に配置し
た場合に、レーザー光Ｉの光路をミラー６．６′の反射
面と平行にして回折格子１０に向け、レーザー光■の光
路に対して回折格子１０（の法線）をψ°傾いた状態を
示す。

方、第９図は、第８図に示す状態でψ＝５°及びψ＝１
０６　とした時のレーザー光Ｉの波長λとドツプラー周
波数Ｆの関係を示している。

第９図から明らかな通り、回折格子１０の傾きψ°をψ
＝５°以内程度で固定しておくことにより、波長変動に
よるドツプラー周波数への影響を小さく抑えることがで
きる。回折格子１０自体のこのような設置は容易であり
、従って、被検物体７の速度検出が常に正確に行なわれ
る。

第５図に示したような構成で、被検物体７上における２
つの回折光の光スポットの波長変動に伴なうズレを小さ
くするためには、ミラー６．６′の間隔ｌを小さく設定
すれば良い。また、この構成によれば、回折格子１０と
被検物体７の距離りも短くなるので、速度計を小型にで
き、回折格子１０の製作も容易になる。

本発明では、検出に使用する回折光の次数は１次に限定
されない。例えば２次回折光を第５図の速度計で使用す
れば、前記（４）式よりドツプラー周波数ＦはＦ　−４
Ｖ／ｄなる式で求まり、分解能が向上することになる。

また、レーザーダイオード等の半導体レーザー以外の波
長変動が生じる他のレーザーに対しても本発明は有効で
あり、光学系の構成も第４図及び第５図に示した形態以
外の種々の形態を採り得る。

以上示した各実施例は回折格子で生じた±ｎ次の回折光
を被検物体に向けるものであったが、本発明では少なく
とも１つの回折光を用いることにより先に述べた効果を
奥する。１つの回折光を用いる場合には、例えば、レー
ザーからのレーザー光を２光束に分割し、一方の光束を
回折格子に向けて回折光を発生させる。そして、この回
折光を被検物体に照明して反射散乱光を発生させ、この
散乱光を分割により形成された他の光束（参照光）と干
渉せしめて干渉光を形成すれば良い。

また、被検物体が透明な場合には、被検物体で生じる透
過散乱光を光検出器で受光するように速度計を構成して
も良い。

このように、如何なる形態であろうとも、本発明の思想
に基づいて当業者が容易に選択できる。

従って、本発明は本願に示された幾つかの実施例に限定
されるものではない。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、レーザー光の波長変動に追従し
て移動物体や移動流体に対するレーザー光の入射角が変
化するように光学系を構成し、ｓｉｎθ／λの値をほぼ
一定にせしめるので、レーザー光の波長変動が生じても
正確に移動物体や移動流体の速度を検出することができ
る。

従って、光源として小型のレーザーダイオード等の半導
体レーザーを使用でき、小型で且つ安価なレーザードツ
プラー速度計を提供することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザードツプラー速度計の一例を示す
概略図。 第２図はレーザーダイオードの発振波長の温度依存性の
一例を示すグラフ図。 第３図及び第４図は本発明のレーザードツプラー速度計
による速度検出原理を説明するための説明図。 第５図は本発明のレーザードツプラー速度計の一例を示
す概略図。 第６図（ａ）〜（ｃ）はレーザー光の波長と被検物体上
での２つの光スポットの関係を説明するための説明図。 第７図は回折格子に対するレーザー光の入射角とドツプ
ラー周波数の関係を説明するための説明図。 第８図は回折格子の傾きとドツプラー周波数の関係を説
明するための説明図。 第９図は回折格子の傾きをパラメータとした時のレーザ
ー光の波長とドツプラー周波数の関係を示すグラフ図。 １・・・半導体レーザー ２・・・コリメータレンズ ６．６′・・・ミラー ７・・・被検物体 ８・・・結像レンズ ９・・・光検出器 ９ａ・・・受光部 １０・・・回折格子 ４Ｉ！掻液４０ケーλツ崖依仔１生 ケース温盾　丁ζζ’ｃ） 躬ｑ図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長λのレーザー光を所定の入射角θで移動物体
   若しくは移動流体に入射させ、該移動物体若しくは移動
   流体からの散乱光の周波数の偏移に基づいて該移動物体
   若しくは移動流体の速度変化を検出する速度計において
   、該レーザー光の波長λの変化に応じて該入射角θが変
   化し、ｓｉｎθ／λがほぼ一定になるように該レーザー
   光を該移動物体若しくは移動流体に入射せしめる光学系
   を有することを特徴とするレーザードップラー速度計。
2. （２）レーザー光を所定の入射角で移動物体若しくは移
   動流体に入射させ、該移動物体若しくは移動流体からの
   散乱光の周波数の偏移に基づいて該移動物体若しくは移
   動流体の速度変化を検出する速度計において、レーザー
   から射出したレーザー光を回折せしめて±ｎ次（ｎ＝１
   、２、３、…）の回折光を形成する回折格子と、該±ｎ
   次の回折光を各回折光の該回折格子による回折角とほぼ
   同じ角度で該移動物体若しくは移動流体に入射せしめる
   光学系と、該光学系を介して該±ｎ次の回折光で照明さ
   れた該移動物体若しくは移動流体からの散乱光を受光す
   る受光手段とを有することを特徴とするレーザードップ
   ラー速度計。
3. （３）前記レーザーが半導体レーザーから成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第（２）項記載のレーザードッ
   プラー速度計。
4. （４）レーザー光を所定の入射角で移動物体若しくは移
   動流体に入射させ、該移動物体若しくは移動流体からの
   散乱光の周波数の偏移に基づいて該移動物体若しくは移
   動流体の速度変化を検出する速度計において、レーザー
   から射出したレーザー光を回折せしめて±ｎ次（ｎ＝１
   、２、３、…）の回折光を形成する回折格子と、該±ｎ
   次の回折光を該±ｎ次回折光が回折格子から射出した時
   の互いに成す角とほぼ同じ交差角で該移動物体若しくは
   移動流体に入射せしめる光学系と、該光学系を介して該
   ±ｎ次の回折光で照明された該移動物体若しくは移動流
   体からの散乱光を受光する受光手段とを有することを特
   徴とするレーザードップラー速度計。
5. （５）前記レーザーが半導体レーザーから成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第（４）項記載のレーザードッ
   プラー速度計。