JPH0425789A - 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＃ｒ） 従来より移動物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３図は従来のレーザードツプラー速度計の一例を示す
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によフて透過光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に異った方向から入射
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で検出される。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、レーザー光の波長な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　　−−−−（１）＋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−５ｉｎ（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ｊと呼ぶ）を測定すれば移動物体７の移動速度
Ｖが求められる。

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
続発振が可能で波長が安定したレーザー光源としてはＨ
ｅ−Ｎｅ等のガスレーザーが良く使用されるか、レーザ
ー発振器が大きくまた電源に高圧が必要で、装置が大き
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ダイオード（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があった。

第４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、主としてレーザーダ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。

一方、波長が不連続に変化している部分は縦モードホラ
どングと呼ばれ０．２〜０．３ｎｍ１０Ｃ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精密に温度制御をお
こなう必要かあり、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
ラどングによる不安定さは完全には除去できない。

この他縦モートホッピングは温度変動以外の他の要因で
も生じる現象である為、温度制御部材を装着しても、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
が出来なく、移動物体の移動速度を高精度に検出するの
か大変難しいという問題点があった。

本発明はレーザー光を回折格子に入射させ、該回折格子
からの所定次数の２つの回折光を移動物体面上に所定の
交差角（入射角）で入射させ、該移動物体からのドツプ
ラーシフトを受けた散乱光を検出する構成を採ることに
より、波長変動に影響されずに移動物体の移動速度を高
精度に検出することができる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ついて該移動物体の速度情報を
検出するドツプラー速度計において、該照射光束の波長
λの変化に応じて該入射角θが変化し、ｓｉｎθ／λか
ほぼ一定となるように該照射光束を該移動物体に入射せ
しめる光学系を設け、該光学系は回折格子を有しており
、該回折格子からの０次とｎ次（ｎ＝±１゜±２・・）
の回折光を利用していることを特徴としている。

この他本発明は、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０次とｎ次（ｎ＝±１．±２．±３
・・）の２つの回折光を該２つの回折光のなす交差角と
同じ交差角で移動物体面上に異った方向から該２つの回
折光か該移動物体面近傍で交差するように照射し、該移
動物体面からのドツプラーシフトを受けた２つの散乱光
を検出手段で検出し、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ようにしたことを
特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の光学系の要部概略図である
。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。）より成っている。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は透過型の回折格子であり、格
子どツチｄが例えば１．６μｍである。

５ａは回折格子１０で回折されずに透過した０次回折光
、５ｂは回折格子１０で回折角θで回折されたｎ次回杭
先である。６はミラーである。

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７ａ方向に移動している
。８は集光レンズであり、移動物体７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器９の
検出面９ａ上に集光している。移動物体７面上と検出面
９ａは略共役関係となっている。

１４は演算手段であり、光検出器９で得られるドツプラ
ー信号を用いて移動物体７の移動速度Ｖを演算し求めて
いる。

次に本実施例のドツプラー速度計の移動速度の検出原理
について説明する。

第２図に示すように格子どツチ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
たときの回折角θ。は次式となる。

ｓｉｎθ。二ｍλ／ｄ ここで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。

ｓｉｎθ０　＝±ｎλ／ｄ　　　、　　　　　　−・−
（３）（ｎは１，２．・・） （３）式から明らかのように±ｎｎ次回折光回折角θ。

はレーザー光の波長λに依存し、波長λの変化に応じて
回折格子１０からの±ｎｎ次回折光射出角が変化してく
る。

本実施例では第１図に示すように０次回杭先５ａは回折
格子１０から直接移動物体７に垂直に入射させ、ｎ次回
杭先５ｂは０次回杭先５ａの光路と平行に配置したミラ
ー６で反射させて移動物体７に回折角θと同じ角度で入
射させている。

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１０からの±１次の（回折光の）回
折角か変化し、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。

そして移動物体７に対して角度θ／２方向に配置した光
検出器９により移動物体７からのドツプラーシフトを受
けた散乱光を検出している。

このとき光検出器９からの出力信号に対するドツプラー
周波数Ｆは Ｆ−［２Ｖ−ｓｉｎ（θ／２）　−ｃｏｓ　（θ／２）
）／λ−Ｖｓｉｎθ／λ　　　　　　　・・・・・・・
・（４）となる。

（３）、（４）式よりドツプラー周波数ＦはＦ　＝　ｎ
　Ｖ　／　ｄ　　　　　　　　　・・・・・・・・（５
）となる。

即ち、ドツプラー周波数Ｆはレーザー光の波長に依存し
なく、回折格子１０の格子ピッチｄに反比例し、回折次
数ｎと移動物体７の移動速度Ｖに比例する。格子ピッチ
ｄは充分安定にしつるので、ドツプラー周波数Ｆはレー
ザー光の波長λに無関係に移動物体７の移動速度Ｖ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様である。

本実施例では以上の検出原理を利用して第１図に示す構
成により移動物体７の移動速度■を検出している。

即ち、本実施例ではレーザー１（波長λ＝０．７８μｍ
のレーザーダイオードから成る。）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となって透過型の回折格子１０に格子配列方
向ｔに垂直に入射する。そして回折格子１０を単に通過
する０次回杭先５ａは移動物体７に垂直に入射する。

一方、回折角θで回折されたｎ次（本実施例ではｎ＝１
、θ＝２９度）回折光５ｂは格子配列方向ｔに垂直に配
置した反射鏡６によりて反射され、移動物体７に回折角
θと同じ角度で移動物体７面上で０次回杭先５ａと互い
に交差するように入射している。このとき２つの回折光
５ａ、５ｂは移動物体７面上で直径約２ｍｍのスポット
径を形成している。

集光レンズ８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９の検出面９
ａ（有効径０．８ｍｍ）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９ａ上で干渉する。光検出器９はこのときの
干渉縞の明暗に基つく光量を検出する。即ち光検出器９
は（５）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　＝　Ｖ／ｄ　　　　　　　　　・・・・・・・・（
６）なるレーザー１の発振波長λに依存しないドツプラ
ー信号Ｆを検出する。そして演算手段１４は光検出器９
からの出力信号を用いて移動速度Ｖを（６）式より求め
ている。

本実施例ではＯ次回杭先と１次回折光として１次回折光
を利用してドツプラー信号を得ているが、例えば０次回
折光と２次回折光等高次の回折光を利用しても良い、２
次回折光を用いたときは（５）式においてｎ＝２とおけ
ば良く、このときドツプラー周波数Ｆは Ｆ　＝　２　Ｖ／ｄ なる式で求まる。上式よりわかるように検出精度が向上
する。

又、レーザー光源として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やすい他のレーザー光源
に対しても本発明は有効である。

更に構成としては第１図に示した形態に限らず例えば回
折格子として反射型のもの等種々のものが適用可能であ
る。

尚、同じ光源から放射された光束を用いるのであれば例
えば第５図に示すように移動物体７に入射させる１つの
光束をｎ次の回折光として移動物体７に入射させ、他方
の光束を移動物体７を介さないで直接受光素子９に入射
させて移動物体７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。

（発明の効果） 本発明によれば前述の如く回折格子からの所定次数の２
つの回折光を移動物体面上に所定角度で入射させ、該移
動物体からのドツプラーシフトを受けた散乱光を検出す
るように構成することにより、ドツプラー周波数のレー
ザー光の波長依存性がなくなり、光源として例えば波長
変動性のある半導体レーザーを用いても、装置全体の小
型化を図りつつ移動速度を高精度に検出することかでき
る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図は本発明の一実施例の要部概略図、第２図は回折
格子に入射した光の回折状態を示す説明図、第３図は従
来のドツプラー速度計の概略図、第４図はレーザーダイ
オードの発振波長と温度依存性との関係を示す説明図、
第５図は本発明の第２実施例の要部概略図である。 図中、１はレーザー光源、２はコリメーターレンズ、３
はレーザー光、５ａ、５ｂは回折光、６はミラー、７は
移動物体、８は集光レンズ、９は光検出器、１４は演算
手段である。

Claims (4)

【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ドップラー速度
   計において、該照射光束の波長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該
   照射光束を該移動物体に入射せしめる光学系を設け、該
   光学系は回折格子を有しており、該回折格子からの０次
   とｎ次（ｎ＝±１、±２・・）の回折光を利用している
   ことを特徴とするドップラー速度計。
2. （２）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０次とｎ次（ｎ＝±１、±２、±３・・）の２
   つの回折光を該２つの回折光のなす交差角と同じ交差角
   で移動物体面上に異った方向から該２つの回折光が該移
   動物体面近傍で交差するように照射し、該移動物体面か
   らのドップラーシフトを受けた２つの散乱光を検出手段
   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ようにしたことを特徴とする
   ドップラー速度計。
3. （３）前記ｎ次の回折光を前記０次回折光の光路と平行
   に配置したミラーを介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２記載のドップラー速度計。
4. （４）前記０次回折光を前記移動物体に垂直に入射させ
   ていることを特徴とする請求項３記載のドップラー速度
   計。