JPH04155260A - Rotational speed measuring apparatus - Google Patents

Rotational speed measuring apparatus

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JPH04155260A
JPH04155260A JP28028590A JP28028590A JPH04155260A JP H04155260 A JPH04155260 A JP H04155260A JP 28028590 A JP28028590 A JP 28028590A JP 28028590 A JP28028590 A JP 28028590A JP H04155260 A JPH04155260 A JP H04155260A
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JP
Japan
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polarized light
linearly polarized
wavelength plate
rotational speed
light
Prior art date
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Application number
JP28028590A
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Japanese (ja)
Inventor
Makoto Hino
真 日野
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To achieve higher stability and accuracy in measurement by turning reflection right and left circularly polarized lights from a 1/4 wavelength plate mounted on a rotor to linearly polarized lights with a fixed 1/4 wavelength plate to obtain a rotational speed thereof from a beat frequency generated through an analyzer via a half mirror. CONSTITUTION:Linearly polarized lights orthogonal to each other are impinged into and passes through a fixed 1/4 wavelength plate 2a so arranged that an advance phase axis of a crystal is 45 deg. in each linearly polarized light to be turned to right and left circularly polarized lights. A luminous flux thus obtained is impinged into a rotary 1/4 wavelength plate 3 mounted on a rotor 5 rotating within a polarization plane, subsequently, reflected with a mirror 4 disposed on the rear thereof and passes through the plates 3 and 2a again to be an orthogonal linearly polarized light. A speed of the light is inverted with a half mirror 1 to cause an interference with the passage through a polarizer 6 arranged at 45 deg. of an axial bearing and when the current intensity of the light is detected with a photoelectric detector 7, a light beat signal is detected corresponding to a rotational speed of the rotor 5. This enables stable and highly accurate measurement of the rotational speed free from effect of disturbance and vibration.

Description

【発明の詳細な説明】 薮嵐公団 本発明は、回転速度測定装置に関する。例えば、複写機
の転写ドラムの回転速度や速度ムラ測定、光ディスクや
ポリゴンミラー等のドライブモータのワウ°フラッタ測
定などに適用されるものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a rotational speed measuring device. For example, it is applied to measuring the rotation speed and speed unevenness of a transfer drum of a copying machine, and measuring wow and flutter of a drive motor of an optical disk, a polygon mirror, etc.

荻」り1椎 回転体の角速度を測定する方法として、し〜ザ干渉計を
使用したり、リングレーザを使用することが知られてい
る。ところがいずれの方法も、光学系を複雑に配置し組
合わせなければならないため、構成が複雑かつ大型化し
、tJs型な回転体には適用困難である。この点を解決
するために1例えば、特開昭63−222267号公報
に「角速度測定法」が提案されている。この公報には回
転体に周波数ω、の円偏光光源を設置し、また外部に局
発用円偏光光源(周波数ω2)を置き、両者の光束を干
渉させることにより、回転体の回転により生じる周波数
ω□の周波数シフト量を求め、これより角速度シ求める
ものである。しかしながら、この方法では、回転体に取
り付ける光源は、電源まで含めて考えると小型化するの
は困難であり、さらに、外部に置かれた局発用円偏光光
源と互いに可干渉性を有するような光源は一般に非常に
高価なものとなってしまうという欠点がある。
As a method of measuring the angular velocity of a rotary body with one vertebrae, it is known to use a laser interferometer or a ring laser. However, in either method, the optical systems must be arranged and combined in a complicated manner, resulting in a complicated and large-sized structure, making it difficult to apply to a tJs-type rotating body. In order to solve this problem, for example, an "angular velocity measurement method" has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-222267. In this publication, a circularly polarized light source with a frequency of ω is installed on a rotating body, and a local circularly polarized light source (with a frequency of ω2) is placed externally. The frequency shift amount of ω□ is determined, and the angular velocity is determined from this. However, with this method, it is difficult to miniaturize the light source attached to the rotating body, including the power supply, and furthermore, it is difficult to miniaturize the light source attached to the rotating body. The disadvantage is that light sources are generally very expensive.

また、「光応用計測の基礎ノ (計測自動制御学会、1
983、p、201〜206)には、光を用いた速度計
測法として相関法、格子法、レーザドツプラー法に大別
できることが記載されている。
Also, “Fundamentals of Optical Applied Measurement (Society of Instrument and Control Engineers, 1)
983, p. 201-206) describes that velocity measurement methods using light can be broadly classified into correlation method, grating method, and laser Doppler method.

レーザドツプラー法は、運動している粒子によって散乱
されたレーザ光がトソプラー変位を受けることを利用し
たものであり、このうち2入射法(差動型)は最もよく
用いられている方法であるが、粗面物体の速度を測定す
るためにスペックルノイズの影響を受けやすいという欠
点がある。
The laser Doppler method utilizes the fact that laser light scattered by moving particles undergoes Tosoplar displacement, and the two-incidence method (differential type) is the most commonly used method. However, it has the disadvantage that it is susceptible to speckle noise because it measures the velocity of a rough surface object.

また、先に提案された「回転速度計」は、回転体に小さ
な偏光子を取付け、これに左右偏光を入射させることに
より生じるビート信号から回転速度を求めるものである
。しかしながら、この方法で検出されるビート信号は、
回転周波数の2倍に相当している。これ以上の感度の要
求には対応できないという欠点があった。
Furthermore, the previously proposed ``rotational speed meter'' measures the rotational speed from a beat signal generated by attaching a small polarizer to a rotating body and making left and right polarized light incident thereon. However, the beat signal detected by this method is
This corresponds to twice the rotation frequency. The drawback was that it could not meet demands for higher sensitivity.

従来1回転速度の測定にはロータリーエンコーダにより
求める方法と、光のドツプラー効果を利用した方法が主
なものとして挙げられる。ロータリーエンコーダを用い
る方法は、回転位置の時間的変化から計算により速度を
求めるものである。
Conventionally, the main methods for measuring the rotational speed are a method using a rotary encoder and a method using the Doppler effect of light. The method using a rotary encoder calculates the speed from temporal changes in the rotational position.

この方法の欠点は、エンコーダ自体がなりの重さを有す
るため、微小なものや回転にエンコーダの重さが影響す
るものには適さない。
The disadvantage of this method is that the encoder itself has some weight, so it is not suitable for small objects or for objects whose rotation is affected by the weight of the encoder.

また、光ドツプラー速度計は、非接触であるが回転体は
拡散物体ではなくてはならず、スペックルノイズが発生
しこの影響を受ける。
In addition, although the optical Doppler velocimeter is non-contact, the rotating body must be a diffused object, and speckle noise occurs and is affected by this.

第7図は、従来の差動型光ドツプラー速度計を示す図で
1図中、21はレーザー光源、22はコリメータレンズ
、23はビームスプリッタ、24a、24bはミラー、
25はフォトダイオード、26は被検物体、27は散乱
光である。
FIG. 7 is a diagram showing a conventional differential optical Doppler velocimeter, in which 21 is a laser light source, 22 is a collimator lens, 23 is a beam splitter, 24a and 24b are mirrors,
25 is a photodiode, 26 is a test object, and 27 is scattered light.

レーザ光を移動する物体に照射すると、その散乱光の周
波数は、ドツプラ効果により入射光の元の周波数よりシ
フトする。このドツプラ周波数fDは、移動物体の速度
ベクトル■、入射光、散乱光の波数ベクトルKo、Ks
を用いて、2π で与えられる。従って、fDを泪す定することにより速
度■を知ることができる6 ビームスプリッタ23で2分岐されたレーザ光線は、交
差角φで被測定物体に向は出射され、その散乱光は適当
な隻光レンズ系を介して、光検出器でヘテロダイン検波
される。この時、2本の入射照射光に対する散乱光のド
ツプラ周波数fD、。
When a moving object is irradiated with laser light, the frequency of the scattered light shifts from the original frequency of the incident light due to the Doppler effect. This Doppler frequency fD is the velocity vector of the moving object ■, the wave number vectors Ko and Ks of the incident light and scattered light.
is given by 2π. Therefore, by determining fD, the speed ■ can be determined.6 The laser beam split into two by the beam splitter 23 is emitted toward the object to be measured at the intersection angle φ, and the scattered light is Heterodyne detection is performed by a photodetector via an optical lens system. At this time, the Doppler frequency fD of the scattered light with respect to the two incident irradiation lights.

fD2はそれぞれ で与えられる。角度φ、八〇は、2本の入射照射光のな
す角度、光学系と速度方向の相対的設定誤差角を表わし
ている。
fD2 is given by each. The angle φ, 80 represents the angle formed by the two incident irradiation lights, and the relative setting error angle between the optical system and the speed direction.

上記2つの式で示される周波数の異なる2種類の散乱光
を光検出器で合波し、得られるビート周波数fDは、 となる。fDを測定することにより速度Vを知ることが
できる。
The beat frequency fD obtained by combining two types of scattered lights with different frequencies shown by the above two equations using a photodetector is as follows. The speed V can be determined by measuring fD.

この第7図に示す従来の差動型光ドツプラー速度計にお
いては、被験物体は2光束の交点になくてはならず、面
外方向の振動変位に弱く、実験配置が難しいという欠点
がある。
In the conventional differential optical Doppler velocimeter shown in FIG. 7, the test object must be located at the intersection of two beams of light, which is susceptible to vibrational displacement in out-of-plane directions, and has the disadvantage that experimental setup is difficult.

目     的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
測定のための配置が容易で外乱に強く。
Purpose The present invention was made in view of the above-mentioned circumstances.
Easy to place for measurement and resistant to external disturbances.

小さな物体の回転速度まで測定可能な装置を提示するこ
と、また、回転体に1/4波長板を設置する回転速度測
定において、その測定感度を向上させる回転速度測定装
置を提供することを目的としてなされたものである。
The purpose of this invention is to present a device that can measure up to the rotational speed of a small object, and to provide a rotational speed measuring device that improves the measurement sensitivity in rotational speed measurement by installing a quarter-wave plate on a rotating body. It has been done.

1−一裟 本発明は、上記目的を達成するために、(1)直交した
直線偏光を入射し、結晶の進相軸方向を該直線偏光と±
45°の方向に設置し、該直線偏光を左右円偏光とする
固定1/4波長板゛と、該固定174波長板により偏光
された左右円偏光を入射し、回転体に取付けられた回転
1/4波長板と、該回転1/4波長板からの左右円偏光
を前記固定1/4波長板により直線偏光にして入射され
るハーフミラ−と、該ハーフミラ−により反射された直
線偏光を入射し、軸方向±45°に設置された検光子と
から成り、該検光子を通過させることにより生じるビー
ト周波数から回転体の回転速度を測定すること、或いは
、(2)直交した直線偏光を入射し、結晶の進相軸方向
を該直線偏光と±45°の方向に設置し、該直線偏光を
左右円偏光とする固定1/4波長板と、該固定174波
長板により偏光された左右円偏光を入射し、回転体に取
付けられた回転1/4波長板と、該回転1/4波長板か
らの左右円偏光を前記固定1/4波長板により直線偏光
にして入射されるハーフミラ−と、該ハーフミラ−によ
り反射された直線偏光を入射し、軸方向上45″に設置
された検光子とから成り、該検光子を通過させることに
より生じるビート周波数から回転体の回転速度を測定す
る回転速度測定装置において、前記回転1/4波長板を
2度通過した光束を入射し、外部に設けられた反射物体
と該反射物体により折り返し、再び前記回転1/4波長
板に入射する光学系に設けられた他の1/4波長板ある
いは1/2波長板とから成ること、更には、(3)前記
回転体および外部に設置された反射物体が、コーナーキ
ューブプリズムであり、前記回転体に設置された1/4
波長板を複数回通過することを可能としたこと、更には
、(4)前記コーナーキューブプリズムが、光軸に対し
て垂直方向に可動可能であり、その位置により回転体と
の往復回数を任意に調整できることを特徴としたもので
ある。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。
1-In order to achieve the above object, the present invention (1) injects orthogonal linearly polarized light, and aligns the fast axis direction of the crystal with the linearly polarized light.
A fixed 1/4 wavelength plate installed in the direction of 45 degrees and converts the linearly polarized light into left and right circularly polarized light, and a rotating 1/4 wavelength plate attached to a rotating body receives the left and right circularly polarized light polarized by the fixed 174 wavelength plate. /4 wavelength plate, a half mirror in which the left and right circularly polarized light from the rotating quarter wavelength plate is linearly polarized by the fixed quarter wavelength plate, and the linearly polarized light reflected by the half mirror is incident. , an analyzer installed at ±45° in the axial direction, and the rotational speed of the rotating body is measured from the beat frequency generated by passing the analyzer, or (2) orthogonal linearly polarized light is incident. , a fixed quarter-wave plate whose fast axis direction of the crystal is set at ±45° with respect to the linearly polarized light, and which converts the linearly polarized light into left-right circularly polarized light; and left-right circularly polarized light polarized by the fixed 174-wave plate. a rotating quarter-wave plate attached to a rotating body, and a half mirror in which left and right circularly polarized light from the rotating quarter-wave plate is linearly polarized by the fixed quarter-wave plate, and The rotational speed is made up of an analyzer installed at 45" above the axis, and the rotational speed of the rotating body is measured from the beat frequency generated by passing the linearly polarized light reflected by the half mirror through the analyzer. In the measuring device, an optical system is provided in which the light beam that has passed through the rotating quarter-wave plate twice is incident, reflected by a reflecting object provided outside and reflected by the reflecting object, and then enters the rotating quarter-wave plate again. further, (3) the rotating body and the reflective object installed outside are corner cube prisms, and the reflecting object installed on the rotating body 1/4
(4) The corner cube prism is movable in a direction perpendicular to the optical axis, and the number of reciprocations with the rotating body can be adjusted arbitrarily depending on its position. The feature is that it can be adjusted. Hereinafter, the present invention will be explained based on examples.

第1図は、本発明による回転速度測定装置の一実施例を
説明するための構成図で、図中、1はハーフミラ−12
a、2bは固定1/4波長板、3は回転174波長板、
4はミラー、5は回転体、6は検光子、7は光電検出器
である。
FIG. 1 is a configuration diagram for explaining one embodiment of the rotational speed measuring device according to the present invention, and in the figure, 1 indicates a half mirror 12.
a, 2b are fixed 1/4 wavelength plates, 3 is a rotating 174 wavelength plate,
4 is a mirror, 5 is a rotating body, 6 is an analyzer, and 7 is a photodetector.

互いに直交した直線偏光を固定1/4波長2aに入射さ
せる。該固定1/4波長板2aは、結晶の進相軸が各直
線偏光45°をなすように配置されており、固定1/4
波長板2aを通過した直線偏光は左右円偏光となる。こ
の光束は偏波面内で回転している回転体5に取り付けら
れた回転1/4波長板3に入射し、続いて裏面に置かれ
たミラー4により反射され、再び回転1/4波長板3お
よび固定1/4波長板2aを透過して直交直線偏光とな
る。この直交直線偏光光束はハーフミラ−1により反射
され、軸方位45°に設置された検光子6を通過するこ
とにより干渉し、そのときの光強度を光電検出器7によ
り検出する。このとき、回転体5が角振動数ω、で回転
している場合には、左右円偏光はそれぞれ±2ω、の周
波数シフトを受け、その結果4ω、の光ビート信号が検
出される。
Linearly polarized lights perpendicular to each other are made incident on a fixed 1/4 wavelength 2a. The fixed 1/4 wavelength plate 2a is arranged so that the fast axis of the crystal forms 45° for each linearly polarized light.
The linearly polarized light that has passed through the wavelength plate 2a becomes left and right circularly polarized light. This light flux enters the rotating quarter-wave plate 3 attached to the rotating body 5 that is rotating within the polarization plane, and is then reflected by the mirror 4 placed on the back surface of the rotating quarter-wave plate 3. The light then passes through the fixed 1/4 wavelength plate 2a and becomes orthogonally linearly polarized light. This orthogonally linearly polarized light beam is reflected by the half mirror 1 and interferes by passing through the analyzer 6 installed at an axial direction of 45 degrees, and the light intensity at that time is detected by the photoelectric detector 7. At this time, when the rotating body 5 is rotating at an angular frequency ω, the left and right circularly polarized lights each undergo a frequency shift of ±2ω, and as a result, an optical beat signal of 4ω is detected.

このことを、Jones Matrixを用いて説明す
ると以下のようになる。
This can be explained using Jones Matrix as follows.

右円偏光をEl、左円偏光をELとすると、(EOは振
幅、ωは光の角振動数) ゛ 角振動数ω、で回転する1/4波長板は方位45″
に置かれた、1/4波長板Q(45°)と検光子A(4
5°)は、 と書くことができる。したがって、左右円偏光E4.E
Lが一連の偏光作用を受けて、E、’=A(45)・Q
(45”)・Q(ωrt)・Q(ω、1)・E。
Let El be the right-handed circularly polarized light and EL be the left-handed circularly polarized light, (EO is the amplitude, ω is the angular frequency of light) ゛ A quarter-wave plate rotating at the angular frequency ω has an orientation of 45''
1/4 wavelength plate Q (45°) and analyzer A (45°) placed at
5°) can be written as . Therefore, left and right circularly polarized light E4. E
When L undergoes a series of polarization effects, E,'=A(45)・Q
(45”)・Q(ωrt)・Q(ω,1)・E.

EL’=A(45)・Q(45°)・Q(ωrt)・Q
(ωrt)・ELとなる。
EL'=A(45)・Q(45°)・Q(ωrt)・Q
(ωrt)・EL.

従って、光電検出器7で検出される光強度は、I = 
l El+EL l ”を計算することにより、I =
 ll1(1−5in4 ω、t)だだし、L= I 
E、 +2となる。つまり、干渉光は回転体の角周波数
の4倍の周波数で強度変調されることを示しており、こ
のビート周波数を検出することにより、物体の回転速度
を求めることができる。第1図に示した1/4波長板2
aは2bの位置に置き換えても同様の効果を得ることが
できる。つまり、直交した直線偏光を回転する1/4波
長板3に入射させ、その反射光を1/4波長板2bと検
光子6に通過させればよい。
Therefore, the light intensity detected by the photoelectric detector 7 is I =
By calculating l El+EL l ”, I =
ll1 (1-5in4 ω, t), L= I
E, becomes +2. In other words, the interference light is intensity-modulated at a frequency four times the angular frequency of the rotating body, and by detecting this beat frequency, the rotational speed of the object can be determined. 1/4 wavelength plate 2 shown in Figure 1
A similar effect can be obtained by replacing a with position 2b. In other words, orthogonal linearly polarized light may be made incident on the rotating quarter-wave plate 3, and the reflected light may be passed through the quarter-wave plate 2b and the analyzer 6.

直交した直線偏光を有する光源としてはすでに横ゼーマ
ン型レーザとして市販されている。このとき、直交直線
偏光は周波数差Δωを持っているため、発生するビート
周波数は4ω、十Δωとなる。したがって、Δωからの
周波数差を求めることにより回転速度を求めることがで
きる。横ゼーマンレーザに限らず干渉しあう2偏光に周
波数差を与えることにより、ビート周波数検出において
回転速度がO付近での熱雑音、ショット雑音等によるS
/Nの低下を抑制し、高精度な測定が可能となると共に
、回転方向についてもΔωとの差を求めたときの符号か
ら容易に求めることができる。
As a light source having orthogonal linearly polarized light, a transverse Zeeman laser is already commercially available. At this time, since the orthogonal linearly polarized lights have a frequency difference Δω, the generated beat frequencies are 4ω and 10Δω. Therefore, the rotational speed can be determined by determining the frequency difference from Δω. Not limited to transverse Zeeman lasers, by giving a frequency difference to two polarized lights that interfere with each other, it is possible to eliminate S due to thermal noise, shot noise, etc. when the rotation speed is around O in beat frequency detection.
/N can be suppressed and highly accurate measurement is possible, and the rotation direction can also be easily determined from the sign of the difference from Δω.

第2図は、本発明による回転速度測定装置の他の実施例
を示す図で、図中、8は1/2波長板、9はプリズムミ
ラー、10は偏光ビームスプリッタ、11はビームスプ
リッタで、その他第1図と同じ作用をする部分は同一の
参照番号が付しである。
FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the rotational speed measuring device according to the present invention, in which 8 is a half-wave plate, 9 is a prism mirror, 10 is a polarizing beam splitter, 11 is a beam splitter, Other parts having the same functions as those in FIG. 1 are given the same reference numerals.

横ゼーマンレーザは一般に高価であるため、単一の直線
偏光のみを発振する安価なレーザを用いても、第2図の
ような構成とすることにより、同等な効果が得られる。
Since transverse Zeeman lasers are generally expensive, even if an inexpensive laser that emits only a single linearly polarized light is used, the same effect can be obtained by using the configuration shown in FIG. 2.

第2図の中で用いられている1/2波長板8は、偏光ビ
ームスプリンタ10により分離される光量比を等しくす
るために、光源から到来する直線偏光の振動方向を回転
させるためのものである。光景比を等しくすることによ
り、発生するビート信号のS/Nを大きく取ることがで
きる。また、偏光ビームスプリッタ10の代わりに、サ
バール板やウォラストンプリズム等の複屈折性偏光素子
を用いても、互いに直交した直線偏光を得ることができ
る。
The half-wave plate 8 used in FIG. 2 is used to rotate the vibration direction of the linearly polarized light coming from the light source in order to equalize the ratio of light amounts separated by the polarizing beam splinter 10. be. By making the scene ratios equal, the S/N ratio of the generated beat signal can be increased. Moreover, even if a birefringent polarizing element such as a Savart plate or a Wollaston prism is used in place of the polarizing beam splitter 10, mutually orthogonal linearly polarized lights can be obtained.

第3図は、本発明による回転速度測定装置の更に他の実
施例を示す図で1図中、12はコーナーキューブプリズ
ムで、その他第1図と同し作用をする部分は同一の参照
番号が付しである。
FIG. 3 is a diagram showing still another embodiment of the rotational speed measuring device according to the present invention. In FIG. 1, numeral 12 is a corner cube prism, and other parts having the same functions as those in FIG. 1 have the same reference numerals. It is attached.

第1図で用いたミラー4の代りにコーナキューブプリズ
ム12を用いることにより、光学系の設定を容易にする
ことができる。
By using a corner cube prism 12 in place of the mirror 4 used in FIG. 1, the optical system can be easily set up.

直交直線偏光が得られる横ゼーマンレーザ以外の光源と
して、外部共振器型の半導体レーザ(LD)がある。こ
うした半導体レーザ(LD)を用いることにより、全体
の構成を小型にすることができるが、半導体レーザ(L
D)は波長変動が大きいため偏光素子においてリターダ
ンスが発生し、測定結果に誤差が生じやすい。このよう
なときには色消し1/4波長板を用いることにより波長
変動による誤差を低減することができる。
As a light source other than a transverse Zeeman laser that provides orthogonal linearly polarized light, there is an external cavity type semiconductor laser (LD). By using such a semiconductor laser (LD), the overall structure can be made smaller;
In D), since the wavelength fluctuation is large, retardance occurs in the polarizing element, and errors are likely to occur in the measurement results. In such cases, errors due to wavelength fluctuations can be reduced by using an achromatic quarter-wave plate.

以上説明した回転速度測定装置は、回転体に偏光子また
は1/4波長板を設置し、これに左右偏光もしくは直交
した直線偏光を入射させ、このとき発生する周波数シフ
トを光のビート信号として検出し、これから回転速度を
求めるものである。
The rotational speed measurement device described above installs a polarizer or a quarter-wave plate on a rotating body, makes left-right polarized light or orthogonal linearly polarized light incident on it, and detects the frequency shift that occurs at this time as an optical beat signal. Then, the rotation speed is calculated from this.

しかし、その検出感度は回転速度の2倍または4倍であ
り、さらに高い精度が要求される測定について以下に説
明する。
However, the detection sensitivity is twice or four times as high as the rotational speed, and measurements requiring even higher precision will be described below.

第4図は、本発明のさらに改善された実施例を示す図で
、図中、13は固定174波長板、14はミラー(反射
物体)で、その他第1図と同じ作用をする部分は同一の
参照番号が付しである。
FIG. 4 is a diagram showing a further improved embodiment of the present invention. In the figure, 13 is a fixed 174 wavelength plate, 14 is a mirror (reflection object), and other parts having the same function as in FIG. 1 are the same. Reference numbers are attached.

互いに直交した直線偏光を固定174波長板2aに入射
させる。該固定1/4波長板は、結晶の進相軸が各直線
偏光と45°をなすように配置されており、固定1/4
波長板を通過した直線偏光は左右円偏光となる。この光
束は偏波面内で回転している回転体5に取り付けられた
回転1/4波長板3に入射し、続いて裏面に置かれたコ
ーナキューブプリズム(CCP)12により反射され、
再び回転1/4波長板3を透過して左右円偏光となる。
Linearly polarized light beams orthogonal to each other are made incident on the fixed 174-wavelength plate 2a. The fixed 1/4 wavelength plate is arranged so that the fast axis of the crystal makes an angle of 45° with each linearly polarized light.
The linearly polarized light that has passed through the wave plate becomes left and right circularly polarized light. This light flux enters a rotating quarter-wave plate 3 attached to a rotating body 5 rotating within the polarization plane, and is then reflected by a corner cube prism (CCP) 12 placed on the back surface.
The light passes through the rotating quarter-wave plate 3 again and becomes left-right circularly polarized light.

ただし、この時の偏光の回転方向は入射時のそれとは逆
転している。この左右円偏光光束は、外部に固定された
ミラー14により方位45°に設置された1/4波長板
13を2度通過することにより、偏光の回転方向が逆転
した左右円偏光光束となり出射する。続いて、再び回転
体5に取り付けられた1/4波長板3を2度通過したの
ち、固定された1/4波長板2aを透過し、ハーフミラ
−1により反射され、軸方位45°に設置された検光子
6を通過することにより干渉し、そのときの光強度を光
電検出器7により検出する。このとき回転体5が角振動
数ω、で回転している場合には、左右円偏光はそれぞれ
±4ω、の周波数シフトを受けることになり、その結果
8ωf光ビ一ト信号が検出される。
However, the direction of rotation of the polarized light at this time is reversed from that at the time of incidence. This left-right circularly polarized light beam passes twice through a quarter-wave plate 13 installed at an azimuth of 45 degrees by a mirror 14 fixed outside, thereby becoming a left-right circularly polarized light beam with the rotation direction of the polarized light reversed and emitted. . Subsequently, the light passes through the 1/4 wavelength plate 3 attached to the rotating body 5 twice, passes through the fixed 1/4 wavelength plate 2a, is reflected by the half mirror 1, and is set at an axial direction of 45°. When the light passes through the analyzed analyzer 6, the light interferes, and the light intensity at that time is detected by the photoelectric detector 7. At this time, if the rotating body 5 is rotating at an angular frequency ω, the left and right circularly polarized lights each undergo a frequency shift of ±4ω, and as a result, an 8ωf optical bit signal is detected.

このことを、Jones Matrixを用いて説明す
ると以下のようになる。
This can be explained using Jones Matrix as follows.

右円偏光をEl、左円偏光をE、とすると、(EOは振
幅、ωは光の角振動数) 角振動数ω、で回転する1/4波長板は方位45°に置
かれた、174波長板Q(45°)と検光子A(45°
)は、 と書くことができる。したがって、左右円偏光E、、E
Lが回転する1/4波長板((8)式)に往復で2度ず
つ作用を受だときの光束は、 E l’ = Q (ω11)・Q(ω+1)・E1E
L’=Q(ω、1)・Q(ωrt)・ELとなる。
Let El be the right-handed circularly polarized light and E be the left-handed circularly polarized light, (EO is the amplitude and ω is the angular frequency of light).A quarter-wave plate rotating at the angular frequency ω is placed at an azimuth of 45°. 174 wavelength plate Q (45°) and analyzer A (45°
) can be written as . Therefore, left and right circularly polarized light E, ,E
When L acts on the rotating quarter-wave plate (formula (8)) twice in each round trip, the luminous flux is E l' = Q (ω11)・Q (ω+1)・E1E
L'=Q(ω, 1)·Q(ωrt)·EL.

(11)式、(12)式から分かるように右円偏光は左
円偏光に、右円偏光は右円偏光に変換され、各々±2ω
、tの周波数シフトを受ける。さらに、この両光束が1
/4波長板((9)式)を2度通過すると、 E、”=Q(45” )・Q(45°)・El’EL”
=Q(45” )・Q(45°)・E、、′となり、偏
光方向は再び左右逆転することがわかる。従って、この
光束を回転174波長板((8)式)に入射させると、
(11)式、(12)式で示したのと同じ作用を受け、
結果として各々±4ωrtの周波数シフトが発生する。
As can be seen from equations (11) and (12), right-handed circularly polarized light is converted to left-handed circularly polarized light, right-handed circularly polarized light is converted to right-handed circularly polarized light, and each ±2ω
, t undergoes a frequency shift. Furthermore, these two luminous fluxes are 1
/4 wavelength plate (formula (9)) twice, E,"=Q(45")・Q(45°)・El'EL"
=Q(45")・Q(45°)・E,,', and it can be seen that the polarization direction is reversed left and right again. Therefore, when this light beam is made incident on the rotating 174-wavelength plate (formula (8)),
Under the same effect as shown in equations (11) and (12),
As a result, a frequency shift of ±4ωrt occurs in each case.

したがって、これをn繰り返すことにより左右円偏光の
周波数シフトを±2nω、1とすることができる。第4
図は、n=2の場合に対応する。
Therefore, by repeating this process n times, the frequency shift of left and right circularly polarized light can be set to ±2nω, 1. Fourth
The figure corresponds to the case where n=2.

左右円偏光を干渉させ、ビート信号を発生させるために
は、1/4波長板((9)式)と検光子((10)式)
を通過させればよい。
In order to cause left and right circularly polarized light to interfere and generate a beat signal, a quarter wavelength plate (formula (9)) and an analyzer (formula (10)) are required.
All you have to do is let it pass.

これらをまとめて式で示すと、 ElL”’=A(45” )・Q(45°)・Q(ω、
1)・Q(ω、1)・E1″E、″=A(45°)・Q
(45°)・Q(ω、1)・Q(ω、1)・EL″′・
・・ (15) となり、 光電検出器7で検出される光強度は、 I= l E、”’十EL”’ 12を計算することに
より、I=1.(1−sin8ω、t)ただし、l0=
lE012となる。つまり第4図の場合、干渉光は回転
体の角周波数の8倍の周波数で強度変調されることを示
しており、このビート周波数を検出することにより、物
体の回転速度を求めることができる。
Expressing these together as a formula, ElL"'=A(45")・Q(45°)・Q(ω,
1)・Q(ω,1)・E1″E,″=A(45°)・Q
(45°)・Q(ω,1)・Q(ω,1)・EL″′・
... (15) The light intensity detected by the photoelectric detector 7 is calculated as I=1. (1-sin8ω, t) However, l0=
It becomes lE012. In other words, in the case of FIG. 4, it is shown that the interference light is intensity-modulated at a frequency eight times the angular frequency of the rotating body, and by detecting this beat frequency, the rotational speed of the object can be determined.

第4図に示した1/4波長板2aは2bの位置に置き換
えても同様の効果を得ることができる。
The same effect can be obtained even if the quarter-wave plate 2a shown in FIG. 4 is replaced in the position of 2b.

つまり、直交した直線偏光を回転する174波長板3に
入射させ、最終的にその反射光を174波長板2bと検
光子6に通過させればよい。
That is, it is sufficient to make orthogonal linearly polarized light incident on the rotating 174-wave plate 3, and finally pass the reflected light through the 174-wave plate 2b and the analyzer 6.

第5図は、回転1/4波長板3と固定174波長板13
との間を複数回繰返し反射させ、周波数シフトを増大さ
せる方法について示したものである。固定1/4波長板
13を取り付けたコーナーキューブプリズム(CCP)
14を光軸に対して垂直方向に上下させることにより、
繰返し回数を調整することができる。
Figure 5 shows a rotating 1/4 wavelength plate 3 and a fixed 174 wavelength plate 13.
This shows a method of increasing the frequency shift by repeating reflections between the two times. Corner cube prism (CCP) with fixed 1/4 wavelength plate 13 attached
By moving 14 up and down in a direction perpendicular to the optical axis,
The number of repetitions can be adjusted.

なお1回転する1/4波長板を往復して出射した光束を
、固定1/4波長板を通さずに直接回転1/4波長板に
戻すと、偏光方向が左右逆転しているため逆の作用を受
け1周波数シフトは消失する。
Note that if the light beam that has gone back and forth through a quarter-wave plate that rotates once is returned directly to the rotating quarter-wave plate without passing through the fixed quarter-wave plate, the direction of polarization will be reversed, so it will be reversed. As a result, the one frequency shift disappears.

また、直交した直線偏光を有する光源として、横ゼーマ
ン型レーザを用いた場合の説明及び横ゼーマンレーザ以
外の光源として、外部光振器の半導体レーザ(Lase
r Diode : L D )を用いた場合の説明は
、第1図の場合と同様である。
In addition, we will explain the case where a transverse Zeeman laser is used as a light source with orthogonal linearly polarized light, and we will also explain the case where a transverse Zeeman laser is used as a light source with orthogonal linearly polarized light.
The explanation when using rDiode:LD) is the same as the case of FIG.

第6図は1本発明による更に他の実施例を示す図で、図
中、15は172波長板で、その他第4図及び第5図と
同じ作用をする部分は同一の参照番号を付しである。
FIG. 6 is a diagram showing still another embodiment of the present invention, in which reference numeral 15 is a 172 wavelength plate, and other parts having the same functions as in FIGS. 4 and 5 are given the same reference numerals. It is.

′第4図において用いられていた固定1/4波長板13
の代りに、172波長板15を往復の光路中の復路に設
置したものである。174波長板を2度通過することは
、l/2波長板を1度通過することと等価であるから、
1/2波長板を往路または復路のどちらか一方に挿入す
ることにより第4図と同等の結果が得られる。
'Fixed 1/4 wavelength plate 13 used in Fig. 4
Instead, a 172 wavelength plate 15 is installed on the return path of the round trip optical path. Passing through the 174 wavelength plate twice is equivalent to passing through the 1/2 wavelength plate once, so
By inserting a 1/2 wavelength plate in either the outgoing path or the incoming path, results equivalent to those shown in FIG. 4 can be obtained.

処−一米 以上の説明から明らかなように、本発明によると、以下
のような効果がある。
As is clear from the above description, the present invention has the following effects.

(1)請求項1に対応する効果:干渉光学系は完全にコ
モンパスであるため、外乱や回転物体の面外への変位・
振動にオナしでもまったく影響を受けず、安定した高精
度測定が行える。さらに、回転体に取り付ける174波
長板および反射物体はレーザ光束を一度反射させるだけ
の大きさを有していればよいため、十分に小さく構成す
ることが可能であり、小さな回転体に対しても影響を与
えずに測定ができる。
(1) Effect corresponding to claim 1: Since the interference optical system is a completely common path, there is no disturbance or out-of-plane displacement of the rotating object.
It is completely unaffected by vibrations, allowing for stable and highly accurate measurements. Furthermore, since the 174 wavelength plate and the reflective object attached to the rotating body only need to be large enough to reflect the laser beam once, they can be configured sufficiently small, and can be used even for small rotating bodies. Measurements can be made without any influence.

また1回転体に偏光子を取り付けで回転速度を測定する
方法(回転速度の2倍の周波数でビート発生)に対して
も2本方法では回転速度の4倍の周波数でビートが発生
するため感度が2倍となっており、回転速度を高い分解
能で測定することができる。
In addition, compared to the method of measuring rotational speed by attaching a polarizer to a single rotating object (beats occur at a frequency twice the rotational speed), the two-rotation method generates beats at a frequency four times the rotational speed, making it less sensitive. is twice as large, making it possible to measure rotational speed with high resolution.

(2)請求項2に対応する効果:干渉光学系は完全にコ
モンパスであるため、外乱や回転物体の面外への変位・
振動に対してもまったく影響を受けず、安定した高精度
測定が行える。
(2) Effect corresponding to claim 2: Since the interference optical system is completely common path, there is no disturbance or out-of-plane displacement of the rotating object.
It is completely unaffected by vibrations and can perform stable, high-precision measurements.

また、回転体に1/4波長板を取り付けて回転速度を測
定する方法(回転速度の4倍の周波数でビート発生)に
対しても、本方法を用いることにより回転速度の4n倍
(nは往復回数)の周波数でビートを発生させることが
可能となり、回転速度を従来の2倍以上の高い分解能で
測定することができる。
In addition, compared to the method of measuring the rotational speed by attaching a quarter-wave plate to the rotating body (beat generation occurs at a frequency 4 times the rotational speed), this method can be used to measure the rotational speed by 4n times the rotational speed (n is 4n times the rotational speed). It is now possible to generate beats at a frequency equal to the number of reciprocations, and the rotational speed can be measured with a resolution more than twice that of conventional methods.

(3)請求項3に対応する効果:コーナーキューブプリ
ズムを用いることにより、光学系の設定が容易となると
共に、回転1/4波長板を往復する回数を2回以上(ミ
ラーの場合は2回のみであった)に設定できるため、よ
り高い分解能での測定を実現できる。
(3) Effect corresponding to claim 3: By using a corner cube prism, it becomes easier to set up the optical system, and the number of times the rotating quarter-wave plate is reciprocated is two or more times (two times in the case of a mirror). ), making it possible to perform measurements with higher resolution.

(4)請求項4に対応する効果:コーナーキューブプリ
ズムを移動することにより、回転1/4波長板を往復す
る回数を任意に設定できるため、任意の測定感度を設定
することができる。
(4) Effect corresponding to claim 4: By moving the corner cube prism, the number of times the rotating quarter-wave plate is reciprocated can be arbitrarily set, so that an arbitrary measurement sensitivity can be set.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図1よ、本発明による回転速度測定装置の一実施例
を説明するための構成図、第2図及び第3図は1本発明
の他の実施例を示す図、第4図は、本発明による回転速
度測定装置にさらに改善された他の実施例を示す図、第
5図は、第4図における反射物体としてコーナーキュー
ブプリズムを用いた場合を示す図、第6図は、本発明の
更に他の実施例を示す図、第7図は、従来の差動型光ド
ツプラー速度計を示す図である。 トハーフミラー、2a、2b=固定174波長板、3 
・回転1/4波長板、4 ミラー、5・・回転体、6・
・検光子、7・・・光電検出器。 第1図 篤2図 第6図 第4図
FIG. 1 is a block diagram for explaining one embodiment of the rotational speed measuring device according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are diagrams showing another embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 5 is a diagram showing a case where a corner cube prism is used as the reflecting object in FIG. 4, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing still another embodiment of the conventional differential optical Doppler velocimeter. half mirror, 2a, 2b = fixed 174 wavelength plate, 3
・Rotating 1/4 wavelength plate, 4 Mirror, 5...Rotating body, 6...
・Analyzer, 7...Photoelectric detector. Figure 1 Atsushi Figure 2 Figure 6 Figure 4

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、直交した直線偏光を入射し、結晶の進相軸方向を該
直線偏光と±45°の方向に設置し、該直線偏光を左右
円偏光とする固定1/4波長板と、該固定1/4波長板
により偏光された左右円偏光を入射し、回転体に取付け
られた回転1/4波長板と、該回転1/4波長板からの
左右円偏光を前記固定1/4波長板により直線偏光にし
て入射されるハーフミラーと、該ハーフミラーにより反
射された直線偏光を入射し、軸方向±45°に設置され
た検光子とから成り、該検光子を通過させることにより
生じるビート周波数から回転体の回転速度を測定するこ
とを特徴とした回転速度測定装置。 2、直交した直線偏光を入射し、結晶の進相軸方向を該
直線偏光と±45°の方向に設置し、該直線偏光を左右
円偏光とする固定1/4波長板と、該固定1/4波長板
により偏光された左右円偏光を入射し、回転体に取付け
られた回転1/4波長板と、該回転1/4波長板からの
左右円偏光を前記固定1/4波長板により直線偏光にし
て入射されるハーフミラーと、該ハーフミラーにより反
射された直線偏光を入射し、軸方向±45°に設置され
た検光子とから成り、該検光子を通過させることにより
生じるビート周波数から回転体の回転速度を測定する回
転速度測定装置において、前記回転1/4波長板を2度
通過した光束を入射し、外部に設けられた反射物体と該
反射物体により折り返し、再び前記回転1/4波長板に
入射する光学系に設けられた他の1/4波長板あるいは
1/2波長板とから成ることを特徴とする回転速度測定
装置。 3、前記回転体および外部に設置された反射物体が、コ
ーナーキューブプリズムであり、前記回転体に設置され
た1/4波長板を複数回通過することを可能としたこと
を特徴とする請求項2記載の回転速度測定装置。 4、前記コーナーキューブプリズムが、光軸に対して垂
直方向に可動可能であり、その位置により回転体との往
復回数を任意に調整できることを特徴とする請求項3記
載の回転速度測定装置。
[Claims] 1. Fixed 1/4 wavelength in which orthogonal linearly polarized light is incident, the fast axis direction of the crystal is set in a direction of ±45° with respect to the linearly polarized light, and the linearly polarized light is made left and right circularly polarized light. plate, and the left and right circularly polarized light polarized by the fixed 1/4 wavelength plate are made incident, and the left and right circularly polarized light from the rotating 1/4 wavelength plate and the rotating 1/4 wavelength plate is incident on the fixed 1/4 wavelength plate. It consists of a half mirror, into which the linearly polarized light is made incident by a quarter-wave plate, and an analyzer, which receives the linearly polarized light reflected by the half mirror and is installed at ±45° in the axial direction, and passes through the analyzer. A rotational speed measurement device that measures the rotational speed of a rotating body from the beat frequency generated by the rotation. 2. A fixed 1/4 wavelength plate into which orthogonal linearly polarized light is incident, the fast axis direction of the crystal is set in a direction of ±45° with respect to the linearly polarized light, and the linearly polarized light is made left and right circularly polarized light; The left and right circularly polarized light polarized by the /4 wavelength plate is incident, and the left and right circularly polarized light from the rotating quarter wavelength plate attached to the rotating body is transmitted by the fixed quarter wavelength plate. It consists of a half mirror into which the linearly polarized light enters, and an analyzer which receives the linearly polarized light reflected by the half mirror and is installed at ±45° in the axial direction, and the beat frequency generated by passing through the analyzer. In a rotational speed measuring device that measures the rotational speed of a rotating body from 1 to 2, a light beam that has passed through the rotating 1/4 wavelength plate twice is incident, is reflected by a reflecting object provided outside and the reflecting object, and is reflected again by the rotating 1/4 wavelength plate. 1. A rotational speed measuring device comprising a quarter-wave plate and another quarter-wave plate or a half-wave plate provided in an optical system that makes light incident on the quarter-wave plate. 3. Claim characterized in that the rotating body and the reflective object installed outside are corner cube prisms, and are capable of passing through a quarter-wave plate installed on the rotating body multiple times. 2. The rotational speed measuring device according to 2. 4. The rotation speed measuring device according to claim 3, wherein the corner cube prism is movable in a direction perpendicular to the optical axis, and the number of reciprocations with the rotating body can be arbitrarily adjusted depending on its position.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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