JPH0425787A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はドツプラー速度計に関し、例えば移動する物体
や流体等（以下「移動物体」と称する。）にレーザー光
を照射し、該移動物体の移動速度に応じてドツプラーシ
フトを受けた散乱光の周波数の偏移を検出することによ
り移動物体の移動速度を非接触で測定するようにしたド
ツプラー速度計に関するものである。

（従来の技術） 従来より移動物体の移動速度を非接触且つ高鯖度に測定
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は移動物体にレーザ
ー光を照射し、該移動物体からの散乱光の周波数が、移
動物体の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、移動物体の移動速度を測
定する装置である。

第４図は従来のレーザードツプラー速度計の例を示す説
明図である。

同図においてレーザー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によって透過光５ａと反射光５ｂの２
光束に分割されて反射鏡６ａ、６ｂで反射されたのち、
速度Ｖで移動している移動物体７に異りだ方向から入射
角θで三光束照射される。移動物体７からの散乱光は、
集光レンズ８を介して光検出器９て検出される。このと
き三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とすれば周波数変化Δｆは
次の（１）式で表わすことかできる。

Δｆ＝Ｖ−ｓｉｎ（θ）／λ　　−−−−（＋）十Δｆ
、−Δｆのドツプラーシフトを受けた散乱光は、互いに
干渉しあって光検出器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＝２−Δｆ＝２−Ｖ−ｓｉｎ　（θ）／λ・・・・・
・・・（２） （２）式から、光検出器９の周波数Ｆ（以下「ドツプラ
ー周波数」と呼ぶ）を測定すれば移動物体７の移動速度
Ｖか求められる。

従来のレーザードツプラー速度計では、（２）式から明
らかのようにドツプラー周波数Ｆはレーザーの波長λに
反比例し、従ってレーザードツプラー速度計としては波
長が安定したレーザー光源を使用する必要があった。連
続発振か可能で波長が安定したレーザー光源としてはＨ
ｅ−Ｎｅ等のガスレーザーか良く使用されるが、レーザ
ー発振器か大きくまた電源に高圧か必要で、装置か大き
く高価になる傾向があった。

又、コンパクトディスク、ビデオディスク、光フアイバ
ー通信等に使用されているレーザータイオート（または
半導体レーザー）は超小型で駆動も容易であるが温度依
存性を有するという問題点かあった。

第５図（′８７三菱半導体データブック；光半導体素子
編から引用）はレーザータイオートの標準的な温度依存
性の一例の説明図であり、波長が連続的に変化している
部分は、主としてレーザータイオードの活性層の屈折率
の温度変化によるもので、０．０５〜０．０６ｎｍ／’
Ｃである。

方、波長が不連続に変化【ノている部分は縦干−トホッ
ピンクと呼ばれ０．２〜０．３ｎｍ／’Ｃである。

波長を安定させるために一般にはレーザーダイオードを
一定温度に制御する方法が採られる。この方法ではヒー
タ、放熱器、温度センサー等の温度制御部材をレーザー
ダイオードに小さな熱抵抗で取付は鯖密に温度制御をお
こなう必要があり、レーザードツプラー速度計が比較的
大きく、またコスト高になるうえに、前述の縦モードホ
ラピンクによる不安定さは完全には除去できない。

上述の問題を解決するレーザードツプラー速度計として
、レーザー光を回折格子に入射し、回折格子より得られ
る回折光のうち、０次以外の＋ｎ次、−ｎ　次（ｎは１
，２．・・）の二つの回折光を、該三光束の成す角度と
同じ交差角で移動物体に照射し、該移動物体からの散乱
光をフォトディテクターで検出する方式（以下、Ｇ−Ｌ
ＤＶ）が特願平１−８３２０８号に提案されている。

第６図は格子ピッチｄなる透過型の回折格子１０にレー
ザー光Ｉを格子の配列方向ｔに垂直に入射したときの回
折光を示し、このときの回折角θ。は次式となる。

ｓｉｎ　θｏ　−ｍλ／ｄ ここ千ｍは回折次数（０，１，２，・・）、λはレーザ
ー光の波長である。

このうち０次以外の±ｎ次光は次式で表わされる。

ｓｉｎθ。＝±ｎλ／　ｄ　　　　　　　　−・−（３
）（ｎは１，２．・・） 第７図はこのときの±ｎｎ次回先光ミラー６ａ、６ｂに
よって移動物体７に異った方向から入射角がθ。になる
ように２光束照射したト、ソブラー速度計の説明図であ
る。光検出器９のト・ソブラー周波数Ｆは（２）及び（
３）式からＦ＝２Ｖｓ　ｊｎθ。／λ＝２ｎＶ／ｄ−＝
（４）となる。即ちレーザー光Ｉに依存しなく、回折格
子１０の格子どツチｄに反比例し移動物体７の移動速度
に比例する。格子どツチｄは充分安定にしつるので、ド
ツプラー周波数Ｆは移動物体７の移動速度のみに比例し
た周波数となる。尚、回折格子１０は反射型の回折格子
についても全く同線である。

（発明か解決しようとする問題点） 航述のＧ−ＬＤＶ方式のドツプラー速度計では環境変化
、特に温度変化の影響を受けにくい信頼性の高い検出が
可能であるが、ドツプラー速度計の持つ信頼性に関する
もう一つの問題点として検出信号のドロップアウトかあ
る。

これはドツプラー速度計の速度検出対象かランタムな光
の散乱特性を持つことに起因する。移動物体の回折光が
照射されている部分は、光を反射する粒子の集合とみな
せ、つまり反射率か二次元的に変動する拡散面を構成し
ている。

そして小さな粒子の光の散乱特性はランダムであり、か
つその集合の分布状態は常に変化しているので１反射率
の二次元的な変動周期もある程度ランダムに変化する。

ドツプラー速度計は２分割されたレーザー光か再度所定
の交差角で交わる時に生じる干渉縞のピッチと拡散面の
反射率変動周期とのビートを検出するので、その検出信
号ゲインも変動し、ある頻度で無信号状態即ちドロップ
アウトか生するという問題点かあフた。

そこてＰ　Ｌ　Ｌ　（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｉ、
ｏｏｐ）等の信号処理回路をもちいてのドロップアウト
時のイ二号補間が行れるわけであるが、信号補間時には
速度検出か行なわれないので検出鯖度が劣化するという
問題点があった。

本発明は回折格子て回折された回折光を移動物体面上の
移動方向と異なる複数位置に入射させ、該複数の位置か
らのドツプラーシフトを受けた散乱光を各々検出するよ
うにしてドロップアウトの起こる確率が低く、高精度な
移動速度の検出を可能としたドツプラー速度計の提供を
目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明のドツプラー速度計は、波長λの照射光束を所定
の入射角Ｏで移動物体に入射させ、該移動物体からの散
乱光の周波数の偏移に基づいて該移動物体の速度情報を
検出する速度計において、前記照射光束の波長λの変化
に応じて該入射角θか変化し、ｓｉｎθ／λがほぼ一定
となるように前記照射光束を該移動物体に入射せしめる
光学系を有し、前記照射光を該移動物体面の移動方向と
異なる複数の位置に入射させる光学手段を設け、該複数
の位置からの散乱光を複数の検出手段で各々検出し、該
複数の検出手段のうち少なくとも１つの検出手段からの
出力信号を利用して該移動物体の移動速度を求めること
を特徴としている。

（実施例） 第１図（Ａ）は本発明の第１実施例の要部斜視図、第１
図（Ｂ）は同図（Ａ）の爪方向から見たときの一部概略
図である。

同図において１０１はドツプラー速度計である。１は光
源で例えばレーザーダイオードや半導体レーザー等（以
下「レーザー」と称する。）より成フている。２はコリ
メーターレンズであり、レーザー１からの光束を平行光
束３にしている。

１０は回折格子であり、格子どツチｄが１．６μｍの反
射型の±１次回折光を回折角θ１で回折させるように設
定されている。６ａ、６ｂは各々反射鏡であり、対向配
置されている。７は移動物体又は移動流体（以下「移動
物体」と称する。）であり、移動速度Ｖで矢印７ｃ方向
に移動している。１１は光学手段であり、本実施例では
ハーフミラ−から成り、反射鏡６ａ、６ｂと移動物体７
との間の光路中に配置されており、反射鏡６ａ。

６ｂからの＋１次と−ｎ次の回折光を各々透過光と反射
光の２つの光束に分割し、各々移動物体７面上の異なっ
た位置７ａ、７ｂに導光している。

８ａ、８ｂは集光レンズであり、移動物体７面上の位置
７ａ、７ｂからのドツプラーシフトを受けた散乱光を検
出手段としての光検出１９ａ９ｂの検出面９ａｌ、ｅｂ
ｌ上に集光している。

検出面９ａｌ、９ｂｌは直径約０．８ｍｍである。移動
物体７面上と検出面９ａｆ、９ｂｌは略共役（等倍）関
係となりでいる。

１４は演算手段であり、光検出器９ａ、９ｂて得られる
ドツプラー信号を用いて移動物体７の移動速ｙｔＶを演
算し求めている。

本実施例ではレーザー１から放射されたレーザー光はコ
リメーターレンズ２によって直径約２ｍｍの平行光束３
となって反射型の回折格子１０に格子配列方向先に垂直
に入射する。そして回折格子１０によって回折角θ１で
回折された＋ｎ次（本実施例ではｎ＝１でθ、＝２９０
）の回折光５ａ、５ｂは格子配列方向に垂直に配置した
反射ｆｉ６ａ、６ｂによって各々反射される。

反射鏡６ａ、６ｂで反射された２つの回折光５ａ、５ｂ
はハーフミラ−１１により透過光５ａｆ、５ｂｌと反射
光５ａ２，５ｂ２の２組の光束に分割され、移動物体７
面上の２点７ａ７ｂに各々照射される。

このとき２つの透過光５ａｌ、５ｂｌ　（反射光５ａ２
，５ｂ２）は移動物体７の位置７ａに各々異った方向か
ら同じ入射角θ１で移動物体７面上でそれらの光束５ａ
ｌ、５ｂｌのスポット径Ｌ　５ａ、Ｌ　Ｓｂか重なるよ
うに互いに交差するように入射している。

本実施例ではこのように構成することにより波長λの変
化に応じて回折格子１ｏからの＋ｎ次の（回折光の）回
折角が変化し、移動物体への入射角θが変化し、このと
きの比ｓｉｎθ／λが略定となるように回折格子やミラ
ー等を有する光学系を構成している。

又、このとき２つの回折光５ａｌ、５ｂｌ（５ａ２，５
ｂ２）は直径約２ｍｍのスポット径Ｌｉａｒ　　ＬＳｂ
であり、これにより移動物体７面上の位置７ａ（７ｂ）
を２光束照射している。

集光レンズ８ａ　（８ｂ）は移動物体７の移動速度■に
比例した（１）式に示すドツプラーシフトΔｆ、−Δｆ
を受けた周波数の散乱光を光検出器９ａ　（９ｂ）の検
出面９ａｌ　（９ｂｌ）上に集光している。このときド
ツプラーシフトΔｆ。

−Δｆを受けた２つの散乱光は互いに検出面９ａｌ　（
９ｂｌ）上で干渉する。光検出器９ａ（９ｂ）はこのと
きの干渉縞の明暗に基づく光量を検出する。即ち光検出
器９ａ　（９ｂ）は（４）式においてｎ＝１とした移動
速度Ｖに比例したドツプラー周波数Ｆ、 Ｆ＝２Ｖ／ｄ　　　　　　　　・・・・・・・・（５）
なるレーザー１の発振波長λに依存しなし）ドツプラー
信号を検出する。

そして演算手段１４により光検出器９ａ、９ｂの少なく
とも一方の光検出器からの出力信号を用いて移動速度Ｖ
を（５）式より求めている。

本実施例において２つの光束５ａｌ、５ｂｌ（５ａ２，
５ｂ２）が移動物体７面上でそれらのスポット径が重な
る場合には回折格子１０と移動物体７面上の位置７ａ（
７ｂ）との距離りは、反射鏡６ａ、６ｂ間の距離を！、
回折格子の格子間隔をｄとすると ｈ＝ｕ・　　（ｄ’　−１’　）／λ となる。

従ってｆｆｉ＝３０ｍｍの場合、レーザー光の波長λ＝
０．７８μｍ、格子どツチｄ＝１．６μｍだからｈ＝５
３．７ｍｍとなる。レーザーダイオード１の発振周波数
が１％変化（レーザータイオード１の温度で約３０００
変化に相当）したとすると、２つの回折光５ａｌ、５ｂ
ｌのスポット径は周波数が長波長側に変化した場合や周
波数が短波長側に変化した場合には各々２つのスポット
径は約０．８ｍｍずれている。

しかしながら光検出器９ａ　（９ｂ）により検出される
場所は２つのスボト径が重なる部分７ａ（７ｂ）である
ので、２つの回折光５ａｌ。

５ｂｌ　（５ａ２，５ｂ２）により生じる散乱光を必す
同時に光検出器９ａ（９ｂ）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ができる。

又、移動速度の検出は通常一方の光検出器、例えば光検
出器９ａからの出力信号により行なう。

このとき光検出器９ａが無信号（ドロップアウト）状態
又はＳ／Ｎ比が低下し検出が困難になったときは演算手
段１４により他方の光検出器９ｂからの出力信号を用い
て移動速度の検出を行うように制御している。そして光
検出器９ａ、９ｂの双方が同時に無信号状態又は検出が
困難になったときはＰＬＬ信号処理回路を用いて信号補
間を行う。

しかしながら一般に双方の光検出器９ａ、９ｂか同時に
無信号状態又は検出が困難になる確率は非常に低い為、
信号補間による検出誤差は殆どなくすことかできる。

本実施例ではこのような方法により移動物体の移動速度
の高蹟度な検出を可能としている。尚、本実施例におい
て回折格子１０から回折される±１次以外の回折光を利
用しても本発明は同様に適用することができる。

又、レーザ光３の回折格子１０への入射角は垂直でなく
ても一定の角度で入射させても良い。そしてこのとき回
折格子１０より生しる±ｎｎ次回先光２つの回折光の交
差角と同じ交差角を維持しつつ±ｎｎ次回先光２つの回
折光を移動物体に入射させれば良い。

尚、同じ光源から放射された光束を用いるのであれば移
動物体に入射させる２つの回折光のうち少なくとも１つ
の回折光がｎ次回先光であれば他方の回折光はｎ次以外
、例えば０次、ｎ＋１次、ｎ＋２次等どのようなもので
あっても良い。

又、受光素子に入射させる同一光源から放射された２つ
の光束のうち一方の光束をｎ次の回折光とし移動物体に
入射させ、他方の光束を移動物体を介さないで直接受光
素子に入射させて移動物体からの散乱光と干渉させてド
ツプラー信号を得るようにしても良い。

第２図（Ａ）、（Ｂ）は各々本発明の第２実施例の要部
正面図と要部側面図である。同図において第１図（Ａ）
、（Ｂ）で示した要素と同一要素には同符番を付してい
る。

本実施例ではレーザー１からの光束をコリメーターレン
ズ２を介し、光学手段としてのビームスプリッタ−１２
で２つの光束に分割した後、該２つの光束を回折格子１
０に入射させている。そして回折格子１０からの±ｎ次
の２つの回折光を２組形成し、該２組の光束を移動物体
７面上の２点７ａ、７ｂに２光束照射している。そして
２点７ａ、７ｂからのドツプラーシフトを受けた散乱光
を光検出器９ａ、９ｂにより検出している。この他の構
成は第１図（Ａ）、（Ｂ）の第１実施例と同様である。

第３図（Ａ）、（Ｂ）は各々本発明の第３実施例の要部
正面図と要部側面図である。同図において′Ｍ１図（Ａ
）、（Ｂ）で示した要素と同一要素には同符番な付して
いる。

本実施例ではレーザー１からの光束をコリメーターレン
ズ２を介し、回折格子１０と格子配列方向が略９０度ず
れた光学手段としての透過型の光分割用回折格子１３に
入射させている。そして光分割用回折格子１３により入
射光束を回折格子ＩＯの格子配列と垂直な方向に２つの
光束１３ａ、１３ｂに２分割し、該２分割した光束１３
ａ、１３ｂを各々回折格子１０に入射させている。そし
て回折格子１０からの±ｎ次の２つの回折光を２組形成
し、該２組の光束を各々移動物体７面上の２点７ａ、７
ｂに２光束照射している。そして２点７ａ、７ｂからの
ドツプラーシフトを受けた散乱光を光検出器９ａ、９ｂ
により検出している。この他の構成は第１図（Ａ）。

（Ｂ）の第１実施例と同様である。

（発明の効果） 本発明によれば入射光束の波長λの変動に応して移動物
体への入射角θか変化するように回折格子やミラー等を
有する光学系を適切に構成し、ｓｉｎθ／λか一定の値
となるように設定し、又回折格子で回折された±ｎ次の
２つの回折光を移動物体面上の複数の位置に入射させ、
複数の位置からのドツプラーシフトを受けた散乱光を各
々検出手段で検出することにより、ドロップアウトの起
こる確率を極めて低くし、又ドロップアウト時の信号補
間の頻度が減少し、信頼性の高い高精度な移動速度の検
出が可能なドツプラー速度計を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は各々本発明の第１〜第３実施例の要部
概略図、第４図は従来のドツプラー速度計の概略図、第
５図はレーザータイオードの発振波長の温度依存性を示
す説明図、第６図は回折格子で回折される各次数の回折
光の説明図、第７図はＧ−ＬＤＶを用いたドツプラー速
度計の概略図である。 図中、１はレーザー、２はコリメーターレンズ、５ａ、
５ｂは回折光、６ａ、６ｂは反射鏡、７は移動物体、８
ａ、８ｂは集光レンズ、９ａ。 ９ｂは光検出器、１０は回折格子、１１はハーフミラ−
１２はビームスプリッタ−１１３は光分割用回折格子、
１４は演算手段である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長λの照射光束を所定の入射角θで移動物体に
   入射させ、該移動物体からの散乱光の周波数の偏移に基
   づいて該移動物体の速度情報を検出する速度計において
   、前記照射光束の波長λの変化に応じて該入射角θが変
   化し、ｓｉｎθ／λがほぼ一定となるように前記照射光
   束を該移動物体に入射せしめる光学系を有し、前記照射
   光を該移動物体面の移動方向と異なる複数の位置に入射
   させる光学手段を設け、該複数の位置からの散乱光を複
   数の検出手段で各々検出し、該複数の検出手段のうち少
   なくとも１つの検出手段からの出力信号を利用して該移
   動物体の移動速度を求めることを特徴とするドップラー
   速度計。
2. （２）前記光学系は回折格子を有しており、前記光学手
   段を前記光源からの光束を２つの光束に分割するビーム
   スプリッターより構成し、該ビームスプリッターで２分
   割した光束を前記回折格子に各々入射させて該回折格子
   からの＋ｎ次と−ｎ次の２つの回折光を２組形成して前
   記移動物体に入射させていることを特徴とする請求項１
   記載のドップラー速度計。
3. （３）前記光学系は回折格子を有しており、前記光学手
   段を前記回折格子からの＋ｎ次と−ｎ次の２つの回折光
   を２組に２分割するビームスプリッターより構成し、該
   ビームスプリッターで２分割した２組の２つの回折光を
   各々移動物体面上の異なった位置に入射させていること
   を特徴とする請求項１記載のドップラー速度計。
4. （４）前記光学系は回折格子を有しており、前記光学手
   段を前記回折格子に対して格子配列方向を略９０度ずら
   した光分割用回折格子より構成し、前記光源からの光束
   のうち該光分割用回折格子で回折された所定次数の２つ
   の光束を該回折格子に入射させ＋ｎ次と−ｎ次の２つの
   回折光を２組形成していることを特徴とする請求項１記
   載のドップラー速度計。
5. （５）光源からの光束を回折格子に入射させ、該回折格
   子からの回折光を移動物体面上に該回折格子からの回折
   角と同一の入射角で照射し、該移動物体面からのドップ
   ラーシフトを受けた散乱光を該光源から出たもう一方の
   光と共に検出手段で検出し、該検出手段で得られる信号
   を利用して該移動物体の移動速度を検出するドップラー
   速度計において、該回折光を該移動物体面の移動方向と
   異なる複数の位置に入射させる光学手段を設け、該複数
   の位置からの散乱光を複数の検出手段で各々検出し、該
   複数の検出手段のうち少なくとも１つの検出手段からの
   出力信号を利用して該移動物体の移動速度を求めるよう
   にしたことを特徴とするドップラー速度計。