JPH0425791A - 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、−△ｆ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　　　−・−（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−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があった。

第４図（°８７三菱半導体データブック二光半導体素子
編から引用）はレーザータ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トの活性層の屈折率
の温度変化によるもので、０　、０５〜０　、０６　ｎ
　ｍ　／　’　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
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、前述の縦モードネ
ッ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）か特願平］−８３２０１３号に提案されている。

第５図は格子どツチｄなる透過型の回折格チエ０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。

ｓｉｎθｏ”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は工、２．・・） 第６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＝２ｎＶ／ｄ＝（４
）となる。即ちレーザー光■に依存しなく、回折格子１
０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。

（発明が解決しようとする問題点） 前述のＧ−ＬＤＶ方式のドツプラー速度計ではドツプラ
ー周波数Ｆは（４）式より明らかのようにレーザー波長
えに依存性がない。

この為レーザー波長が変化しても高精度に移動物体の速
度情報を検出することができるという特長がある。

しかしながら移動物体として例えばゴムベルトのような
柔軟性に富んた材質より成る移動物体又は紙等も緊張に
より多少伸縮する場合もあり、これらの移動物体では移
動中、材質の伸縮等から移動速度が移動物体面上で均一
にならす場所的に変化してきて移動速度を高精度に検出
することが出来なくなってくるという問題点かあった。

これに対しては複数の速度計を用い、又は−台の速度計
を移動させて移動物体面上の複数位置での移動速度を検
出すれば良いが、このようにすると装置全体が大型化及
び複雑化してくるという問題点が生じてくる。

本発明は適切に構成した光学手段を用い移動物体面上の
移動方向に沿った複数位置に回折光を入射させ、これら
の位置での移動情報を検出することにより、移動物体か
移動中伸縮して変位しても高精度に速度情報を検出する
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て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か変化し、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
しめる光学系と、該移動物体の移動方向に該照射光束を
複数個入射させる光学手段と、該移動物体面上の複数の
位置から得られる速度情報を利用して該移動物体の速度
情報を検出する演算手段とを有していることを特徴とし
ている。

この他の特長として本発明は、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（ｎ＝１．２．３
・・）の２つの回折光を移動物体面上の該回折格子の格
子配列方向と略凹一方向の複数位置に該２つの回折光の
該回折格子からの回折角の交差角と略等しい角度でかつ
該２つの回折光が該移動物体面近傍で互いに交差するよ
うに入射させ、該移動物体面上からのドツプラーシフト
を受けた散乱光を検出手段で検出することにより、該移
動物体の速度情報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図は本発明の第１実施例の光学系の要部概略図であ
る。同図において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は回折格
子であり、格子どツチｄが例えば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。

１１ａ、ｌｆｂは各々光束を分割する光学手段としての
ハーフミラ−であり、対向配置されている。６ａ、６ｂ
は各々反射鏡（ミラー）であり、対向配置されている。

ハーフミラ−１１ａ。

ｊｌｂとミラー６ａ、６ｂは各々回折格子１ｏの格子配
列方向ｔに対して垂直に配置されている。

７は移動物体又は移動流体（以下「移動物体ｊと称する
。）てあり、移動速度Ｖて矢印７ａ方向に移動している
。８ａ、８ｂは各々集光レンズであり、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９ａ、９ｂの検出面９ａｌ、９ｂｌ上に集光し
ている。

１４ａ、１４ｂは演算手段であり、光検出器９ａ、９ｂ
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■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によって例えば直径約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ハーフ
ミラ−１，１ａ（ｊｉｂ）によって反射光と透過光の２
つの光束に分割される。このうちハーフミラ−１１ａで
反射した回折光５ａｌとハーフミラ−１１ｂを透過しミ
ラー６ｂで反射した回折光５ｂ２は移動物体７面上の位
置１２ｂに各々入射角θ、で互いの回折光か移動物体７
面近傍で交差するように入射している。

方ハーフミラ−１１ａを透過し、ミラー６ａで反射した
回折光５ａ２とハーフミラ−１１ｂで反射した回折光５
ｂｌは移動物体７面上の位置１２ａに各々入射角θ１で
互いの回折光が移動物体７面近傍で交差するように入射
している。

このとき位置１２ａ、１２ｂは移動物体７の移動方向、
即ち回折格子１０の格子配列方向と略凹一方向となるよ
うに設定している。又位置ｆ２ａ（１２ｂ）に入射する
２つの回折光の強度が略等しくなるようにハーフミラ−
１１ａ、Ｉｌｂの透過率及び反射率が設定されている。

本実施例では回折格子１０で回折された±ｎ次の２つの
回折光５ａ、５ｂの回折角の交差角（２θＩ）と略等し
い角度で±ｎ次の２つの回折光５ａ２，５ｂｌ　（５ａ
ｌ、５ｂ２）を移動物体７面上に入射させている。

本実施例ではこのように構成することによりレーザー光
源１からのレーザー光の波長λ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７への入射角θが変化しても、このときの比ｓｉｎ
θ／λが略一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。

そして集光レンズ８ａ　（８ｂ）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９ａ１．（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　＝　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１４ａ（１４ｂ）
により光検出器９ａ、９ｂからの出力信号を用いて移動
物体７面上の２つの位置１２ａ、１２ｂにおける移動速
度Ｖを（５）式より求めている。

このように本実施例では移動物体７のその移動方向と略
凹一方向の２つの位置での移動速度を検出することによ
り、移動物体の伸縮等に伴う検出誤差を補正している。

本実施例では移動物体７面上の２カ所の位置での移動速
度を検出する場合を示したが検出位置は２カ所以上いく
つあっても良い。検出位置の数を増加させれば平均化さ
れ、それだけ検出誤差は少なくなる。

第２図は本発明の第２実施例の要部概略図である。

本実施例では移動物体７面上の３カ所１２ａ。

１２ｂ、１’２ｃでの移動速度を検出する場合を示して
いる。本実施例の基本的な構成は第１図の第Ｉ実施例と
同様である。

本実施例では回折格子１０で回折された±ｎｎ次回先光
５ａ（５ｂ）をハーフミラ−１１ａ（ｌｌｂ）で透過光
と反射光の２つの光束に分割している。そしてハーフミ
ラ−１１ａ、１１ｂを通過した光束を再度ハーフミラ−
１３ａ（１３ｂ）て透過光と反射光の２つの光束に分割
している。

このうちハーフミラ−１１ａ、１３ａを透過しミラー６
ａで反射した回折光５ａ２１とハーフミラ−１１ｂで反
射した回折光ｓｂｉを移動物体７面上の位置１２ａに入
射させ、ハーフミラ−１１ａを透過しハーフミラ−１３
ａで反射した回折光５ａ２２とハーフミラ−１１ｂを透
過し、ハーフミラ−１３ｂで反射した回折光５ｂ２１を
移動物体７面上の位置１２ｂに入射させ、ハーフミラ−
１１ｂ、１３ｂを透過し、ミラー６ｂで反射した回折光
５ｂ２２とハーフミラ−ｆｌａで反射した回折光５ａｌ
を移動物体７面上の位置１２ｃに各々入射させている。

このとき第１図の第１実施例と同様に２つの回折光の移
動物体７面上への入射角の交差角（２θ１）と２つの回
折光５ａ、５ｂの回折格子１０から回折される際の交差
角２θ、とが略等しくなるようにしている。

又、移動物体７面上への２つの回折光の入射位置１２ａ
、１２ｂ、１２ｃの並ひ方向は回折格子１０の格子配列
方向ｔ（移動物体７の移動方向）と略同一方向となるよ
うにしている。これにより第１実施例と同様の効果を得
ている。

以上の各実施例では反射型の回折格子を用いたが透過型
の回折格子を用いても本発明は同様に適用可能である。

又回折光としては±１次回折光の他に２次以上の回折光
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−）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） 本発明によれば入射光束の波長λの変動に応じて移動物
体への入射角θが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が一定の値
となるように設定し、又回折格子て回折された２つの回
折光を前述のように光学手段を用いて移動物体面上の複
数位置に入射させ、これら複数位置での速度情報を検出
することにより、移動物体が移動中部分的に伸縮した場
合であっても高精度に移動速度を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、第２図は各々本発明の第１．第２実施例の光学
系の要部概略図、第３図は従来のドツプラー速度計の概
略図、第４図はレーザータイオードの発振波長の温度依
存性を示す説明図、第５図は回折格子で回折される各次
数の回折光の説明図、第６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、８ｃは集光レンズ、９ａ、９ｂ、９ｃは光検
出器、ＩＯは回折格子、１１ａ、ｆｌｂ、１３ａ、１３
ｂはハーフミラ−１１４は演算手段である。

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光学系と、該移動
   物体の移動方向に該照射光束を複数個入射させる光学手
   段と、該移動物体面上の複数の位置から得られる速度情
   報を利用して該移動物体の速度情報を検出する演算手段
   とを有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±ｎ次（ｎ＝１、２、３・・）の２つの回折光を
   移動物体面上の該回折格子の格子配列方向と略同一方向
   の複数位置に該２つの回折光の該回折格子からの回折角
   の交差角と略等しい角度でかつ該２つの回折光が該移動
   物体面近傍で互いに交差するように入射させ、該移動物
   体面上からのドップラーシフトを受けた散乱光を検出手
   段で検出することにより、該移動物体の速度情報を検出
   するようにしたことを特徴とするドップラー速度計。