JPH0425790A - 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＃ｆ） 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肝が使用され
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て反射されたのち、
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■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）式で表わすことができる。

Δｆ＝Ｖ−ｓｉｎ（θ）／λ　　−−−−（］）］＋Δ
ｆ、−Δ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、従フ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等のガスレーザーが良く使用されるが、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タイオード（または
半導体レーザー）は超／Ｊ）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）はレーザーダイオードの標準的な温度依存
性の一例の説明図であり、波長か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
ラどング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＋９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−ＬＤ
Ｖ）が提案されている。

第６図は格子どツチ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
折光を示し、このときの回折角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。

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光束照射した特願平１−８３２０８号で提案し
ているドツプラー速度計の説明図である。光検出器９の
ドツプラー周波数Ｆは（２）及び（３）式から Ｆ＝２Ｖｓ　ｉ　ｎθ。／λ＝　２　ｎ　Ｖ／　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様である。

（発明か解決しようとする問題点） しかしながら第７図に示すドツプラー速度計はレーザー
光源からのレーザー光が平行光であること、即ちコリメ
ート化が十分なされている場合にのみ第４式が成立する
。回折格子１０に入射するレーザー光のコリメート化か
不十分であるとレーザー光に波長変化が生じると検出誤
差か生じてくる。

第８図は第７図に示すドツプラー速度計において、レー
ザー光のコリメート状態の違いによるドツプラー周波数
Ｆの波長依存性を示す説明図である。図中、直線ａ、ｂ
、ｃ、ｄは各々波長λ−７８０ｎｍを基準とし、レーザ
ー光のコリメート化が順に悪化したときの波長依存性を
示している。直線すは一般的なコリメート状態のときの
ドツプラー周波数Ｆの波長依存性を示している。

同図に示すようにレーザー光のコリメート化が悪化する
に従ってレーザー光の波長変化に伴う周波数変動率が大
きくなり、即ち波長依存性が大きくなってくる。

一般にレーザー光のコリメート状態は、その精度が厳し
くなる程調整に長い時間を要する為、ある程度のコリメ
ート化に留っている。この為検出精度を高めるのか大変
器しかった。

本発明はレーザー光のコリメート化が不十分であっても
回折格子から回折される所定次数の回折光の移動物体へ
の入射角を調整手段で調整することにより、レーザー光
に波長変動があっても移動物体の移動速度を高精度に検
出することの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づ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
しめると共に、該照射光束を傾き調整可能なミラーを介
して該移動物体に入射させるようにした光学系を設けた
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＋ｎ次と−ｎ次（ｎ＝１．２．３・
・）の２つの回折光をその交差角度と同じ角度で互いに
平行配置した２つのミラーを用いて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
する際、前記２つのミラーのうち少なくとも一方のミラ
ーに調整手段を設け、該ミラーの傾き角を変位させて該
ミラーで反射し、該移動物体面に入射する回折光の入射
角を調整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、格子ピッチ
ｄが１．６μｍの反射型の±１次回折光を回折角θ１（
θ、＝２９°）で回折させるように設定されている。６
ａ、６ｂは各々反射鏡であり、対向配置されている。

１１は保持部材であり、回折格子１０とミラー６ａ、６
ｂを保持しており、又板ハネ１３ａ。

１３ｂによりミラー６ａ、６ｂを固定している。

１２は調整手段であり、保持部材１１の一部に装着され
ており回折格子１０からの回折光５ａのミラー６ａへの
入射角を調整している。（尚、同図では一方のミラー６
ａの角度を調整する場合を示しているが他方のミラー６
ｂにも同様な調整手段を設けても良い。） 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て矢印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。

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によって直径的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ｔ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）の回折光５ａ
。

５ｂは格子配列方向に垂直に配置した反射鏡６ａ、６ｂ
によって各々反射され、移動物体７に各々異フた方向か
ら同じ入射角θ１で移動物体７面上で交差するように入
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えの変
化に応じて回折格子１０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。

集光レンズ８は移動物体７の移動速度Ｖ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上に集光している。このときドツプラーシフトΔｆ１
−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づく
光量を検出する。即ち光検出器９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　＝　２　Ｖ／ｄ　　　　　　　　・・・・・・・・
（５）なるレーザー１の発振波長λに依存しないドツプ
ラー信号を検出する。そして演算手段１４により光検出
器９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。

以上はレーザー１からの光束がコリメーターレンズ３で
完全に平行光束（コリメート化）になって回折格子１０
に入射した理想的な場合である。

次に本実施例においてレーザー光が十分コリメート化さ
れておらず、回折格子１０に入射するレーザー光が僅か
に収束又は発散していたときレーザー光の波長変化に伴
い検出誤差を調整手段１２によりミラー６ａの傾きを変
えて補正する方法について説明する。

まずミラー６ａを傾けた場合にドツプラー周波数Ｆがど
う変化するかを説明する。

第２図は第１図においてミラー６ａを調整手段１２によ
り角度φ傾けたときの要部を示している。同図において
ミラー６ｂは回折格チエ０の格子配列方向ｔに垂直でミ
ラー６ａは同図に示すようにミラー６ｂに対し角度φ傾
いている。

このときレーザー光Ｉは第２図に示す光路をとる。レー
ザー完工か完全に平行光である場合の光束５ａ、５ｂの
移動物体７への２等分線と移動物体７の垂線との成す角
度をΔθとすると、ドツプラー周波数Ｆは Ｆ＝２Ｖ−ｃｏｓθ・ｓｉｎ　（θ−φ）／λ・・・・
・・（６） となる。Δθ＝φ、ｄｓｉｎθ＝λであるから・・・・
・・（７） となる。つまりミラー６ａを傾けるとレーザー光の波長
変動かドツプラー周波数に影響を及ぼす。

本実施例ではこのときの性質を利用してレーザー光の波
長変動に対する検出誤差を調整手段１２によりミラー６
ａの傾きを調整することにより補正している。

第３図は基準波長λとして波長λ＝０．７８μｍのとき
ドツプラー周波数に対しレーザー光の波長が変化したと
きの周波数変動率をミラー６ａのいくつかの傾き角φに
ついて示したものである。同図より明らかのようにミラ
ー６ａの傾き角φが大きくなる程、波長変動による周波
数変動率が大きくなることがわかる。

本実施例ではレーザーダイオード１からのレーザー光の
コリメート化が例えば第８図の直線すに示すものと同等
のとき、第３図よりミラー６ａの傾き角φを徐々に大き
くしていき、傾き角φを約２．５度にすることによりレ
ーザー光の波長変動による周波数変動率を打ち消してい
る。これによりレーザー光の波長が変化したときの周波
数変動率を補正し移動物体の移動速度の検出粒度を高め
ている。

尚、本実施例においてはミラー６ａに限らずミラー６ｂ
に調整手段を設けて同様に傾き角を調整しても同様の効
果を得ることができる。

本実施例では調整手段１２として楔形部材を用いてミラ
ー６ａの傾き角を調整したかミラーの傾き角を調整する
ことができるものであればどのような部材を用いても良
い。

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より生じる±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。

（発明の効果） 本発明によれば前述のように少なくとも一方のミラーに
調整手段を設け、該ミラーの傾き角を調整することによ
り、レーザーダイオード１からのレーザー光の回折格子
に入射する際のコリメート状態に起因する波長変動によ
る周波数変動を良好に打ち消すことが出来、移動物体の
移動速度を高精度に検出することの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図は第１
図のミラー６ａを傾けたときの要部概略図、第３図は本
発明においてミラー６ａを傾けたときのドツプラー周波
数の説明図、第４図は従来のドツプラー速度計の概略図
、第５図はレーザーダイオードの発振波長の温度依存性
を示す説明図、第６図は回折格子の説明図、第７図は回
折格子を用いたドツプラー速度計の説明図、第８図はレ
ーザー光のコリメート状態に起因する周波数変動率の説
明図である。 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、４はビームスプリッタ−１５ａ、５ｂは
回折光、６ａ、６ｂはミラー、７は移動物体、８は集光
レンズ、９は光検出器、１０は回折格子、１２は調整手
段、１３ａ、１３ｂは板バネである。

Claims (2)

【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と共に、該照射光
   束を傾き調整可能なミラーを介して該移動物体に入射さ
   せるようにした光学系を設けた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＋ｎ次と−ｎ次（ｎ＝１、２、３・・）の２つ
   の回折光をその交差角度と同じ角度で互いに平行配置し
   た２つのミラーを用いて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際、前
   記２つのミラーのうち少なくとも一方のミラーに調整手
   段を設け、該ミラーの傾き角を変位させて該ミラーで反
   射し、該移動物体面に入射する回折光の入射角を調整し
   たことを特徴とするドップラー速度計。