JPH0425794A - ドツプラ速度計 - 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、移動する物体や流体（以下「移動物体」と称
する）の速度情報を非接触に測定する速度計、特に照射
光の周波数の偏移を検知して速度を検出するドツプラ速
度計に関する。

［従来の技術］ 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、従来からドツプラ速度刷か知られている。ドツ
プラ速度計とは移動物体にレーザ光等の照射光を照射し
、該移動物体による散乱光の周波数が、移動速度に比例
して偏移（シフト）する効果、所謂ドツプラ効果を利用
して、前記わ動物体の移動速度を測定する装置である。

従来のドツプラ速度計の一例として、レーザドツプラ速
度計の一般的な構成を第８図に示す。

１はレーザ光源、２はコリメータレンズ、３は平行光束
、４はビームスプリッタ、６及び６′は反射鏡、７は移
動物体であり、物体もしくは流体が速度Ｖで矢印方向に
移動している。８は集光レンズ、９は光検出器である。

レーザ光源１から射出されたレーザ光は、コリメータレ
ンズ２によって平行光束３となり、ビームスプリッタ４
によつて三光束５及び５′に分割されて反射鏡６及び６
′で反射された後、速度Ｖで移動物体７に入射角θで三
光束照射される。物体もしくは流体による散乱光は集光
レンズ８を介して光検出器９で検出される。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＋ｆ、
−ｆのドツプラシフトを受ける。ここて、レーザ光の波
長をλとすれは、ｆは次の（１）式で表すことができる
。

ｆ＝Ｖｓｉｎθ／λ　　　　　　−（１）＋ｆ、−ｆの
ドツプラシフトを受けた散乱光は、互いに干渉し合って
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＝２ｆ＝２Ｖｓ　ｉ　ｎθ／λ　　−（２）従って光
検出器９の出力信号の周波数（以下、ドツプラ周波数と
呼ぶ）を測定すれば、（２）式に基づいて移動物体７の
速度■を求めることができる。

上記従来例のようなレーザドツプラ速度計では（２）式
から分かるようにドツプラ周波数Ｆはレーザの波長λに
反比例し、したがフてレーザドツプラ速度計としては波
長が安定したレーザ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光源としてはＨｅ−
Ｎｅ等のガスレーザが良く使用されるか、レーザ発振器
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。また、コンパクトディスク、ビデオディスク、光
フアイバ通信等に使用されているレーザダイオード（ま
たは半導体レーザ）は超小型で駆動も容易であるが温度
依存性を有する。

第９図（°８７三菱半導体データブック　光半導体素子
編から引用）はレーザダイオードの標準的な温度依存性
の一例であり、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／ｌ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ッピン
グと呼ばれ、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、温度センサ等の温度制御部材をレーザダイオ
ードに小さな熱抵抗で取付け、精密に温度制御を行なう
必要があり、レーザドツプラ速度計が比較的大型で、ま
たコスト高になるうえに、前述の縦モードホッピングに
よる不安定さは完全には除去できない。

そこで上述の問題を解決するレーザドツプラ速度計とし
て、光源としてのレーザ光を回折格子に入射し、得られ
る回折光のうち、０次以外の＋１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て検出する方式を、本願出願人は
特願平１−８３２０８号にて提案した。この方式につい
て以下説明する。

第１０図は格子ピッチｄの透過型の回折格子１０に、レ
ーザ光Ｉを格子の配列方向ｔに垂直に入射した時の回折
例を示し、回折角θ。は次式となる。

ｓｉｎθ。＝ｍλ／ｄ （ｍは回折次数（０，１，２，・・・）、λは光の波長
）このうち０次以外の±ｎ次光は次式（３）で表される
。

ｓｉｎ　θ。＝±ｎ　λ／ｄ　　　　　　　−（３）（
ｎはｌ、２．・・・） 第１１図はこの＋１次光をミラー６．６′によって被検
物体７に入射角かθ。になるように２光束照射した図で
あり、光検出器９のドツプラ周波数Ｆは（２）及び（３
）式から ）−＝２Ｖｓｉｎθ。／λ＝　２　ｎ　Ｖ　／　ｄ・・
・（４） となり、レーザ光Ｉの波長λに依存せず、回折格子１０
の格子ピッチｄに反比例し、被検物体７の速度に比例す
る。格子ピッチｄは充分安定にし得るので、ドツプラ周
波数Ｆは被検物体７の速度のみに比例した周波数を得る
ことができる。回折格子１０は反射型の回折格子にして
も同様である。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、前述の方式では、ドツプラ周波数Ｆはレ
ーザ波長λに依存しないものの、波長λが変化すると回
折角θ。が変化し回折光の三光束の交差位置が変動する
。

ここで、第１２図（ａ）に示すように２つの回折光５．
５′が被検物体７上で完全に重なる際の、回折格子１０
と被検物体７との距離をｈ、ミラー６．６′の距離を℃
とすると、 ｈ＝β×　　ｄ２−λ２　／λ　・・・（５）となる。

第１１図のような構成てはｕ、ｈは一定であり、波長λ
が変化すると三光束の交差位置もその分穆動する。つま
り、波長λが長波長側に変化した場合には第１２図（ｂ
）、波長λか短波長側に変化した場合には第１２図（Ｃ
）の様に三光束のスポットに位置ずれが生じ、検出され
るドツプラ信号が小さくなったり、極端な場合には検出
てきなくなる畏れもある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、測定精度が照射光の波長変化に影響を受けな
いのて、環境変動に強い安定したドツプラ速度計の提供
を目的とし、その概要は、光束を所定の入射角で移動物
体に入射させ、移動物体からの散乱光に基づいて移動物
体の速度情報を検出するドツプラ速度計において、光源
から射出した光束を回折させて回折光を形成する第１の
回折格子と、前記第１の回折格子からの回折光を更に回
折させて、発生する回折光を前記第１の回折格子からの
回折光の射出角とほぼ同じ角度で前記移動物体に入射さ
せる第２の回折格子と、光束が照射された前記移動物体
からの散乱光を受光する受光手段を有することを特徴と
する。

［実施例コ 以下本発明のいくつかの実施例を図面を用いて詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施例の構成図を示し、図中、１０
は格子ピッチがｄ＝３μｍの反射型回折格子である第１
の回折格子、Ｉｌａ、ｊｌｂは共に格子ピッチがｄ／２
＝１．５μｍの透過型回折格子である第２の回折格子で
ある。これら第１、第２の回折格子は互いに平行に配置
されている。

第２の回折格子１１ａ、Ｉｌｂとしては、回折光エネル
ギの大部分を必要な特定の次数に集中するような回折格
子、例えばブレーズド回折格子が好適である。

ｌは波長λが約０．７８μｍのレーザ光を発生するレー
ザダイオード（半導体レーザ）であり、該レーザダイオ
ード１からのレーザ光はコリメータレンズ２によって直
径２ｍｍφの平行光束となり、第１の回折格子１０の格
子配列方向に垂直に入射し、この時発生する＋１次の反
射回折光５゜５′はｓｉｎθ０＝λ／ｄを満たす回折角
θ。＝１５°で射出する。第２の回折格子２１ａ、１１
ｂは光束５．５′か入射すると、光束５の一１次の透過
回折光１３、光束５′の＋１次の透過回折光１３′を高
い効率で射出するよう設計しであり、その射出角をθ′
とすると、 ｓｉｎθ′＝２λ／ｃｉ−ｓｉｎθ。

＝λ／ｄ　　　　　　・・・（６） で、結局θ′＝００となる。つまり三光束１３．１３′
を被検物体７に照射すると、その入射角はθ。となり、
第１の回折格子１０からの二つの回折光の成す角度と同
じ交差角で被検物体７に照射する光学系を実現する。三
光束１３．１３′は被検物体７上の同一位置で直径的２
ｍｍφの光スポットを形成し、被検物体７から発生する
散乱光を光検出器９により検出して、（７）式に示すト
ツブラ信号Ｆを得る。

Ｆ　＝　２　Ｖ／ｄ　　　　　　　　　　・・・（７）
ここで、温度変動やモートホッピング等の影響でレーザ
ダイオード１から射出するレーザ光の波長λか変化した
とすると、ｄｓｉｎθ。＝λ　に対応してθ。が変動す
るか、三光束スポット位置は不動で１反射型回折格子１
０と透過型回折格子１１ａ、１１ｂとの距離と、透過型
回折格子１１ａ　　ｌｌｂと被検物体７との距離を等し
くすると、被検物体７上で常に三光束が重なり合った状
態となる。

第２図は上記実施例の変形例の斜視図であり、第１の回
折格子として透過型回折格子を使用した形態の構成図で
ある。第１図と同一の符号は同一の部材を表わす。不図
示の光源からの光束Ｉは、第１の回折格子である透過型
回折格子１０の上方から入射し、発生する±１次の透過
回折光５．５′を、第２の回折格子＋１ａ、ｌｌｂにそ
れぞれ入射させる。それぞれの回折格子のピッチは第１
図の例と同様である。

第３図は第１、第２の回折格子１０と１ｌａｔｔｂが互
いに平行に配置され、第１の回折格子１０に対し、レー
ザ光Ｉがθ、て斜入射した時の様子を示している。

ここて、回折格子１０から射出する＋１次回折光の回折
角０１及び−１次回折光の回折角θ２は、各々正の値に
なるように考慮すると、ｓｉｎθ１＝λ／　ｄ　＋　ｓ
　ｉ　ｎθ１ｓｉｎθ２＝λ／　ｄ　−ｓ　ｉ　ｎθ・
・・　（８） となる。各々の光束５．５′が回折格子１１に入射した
時、光束１３．１３′の射出角をそれぞれθ１　′、０
２　′とすると、 ｓｉｎθ１　＝２λ／ｄ−ｓｉｎθ。

＝λ／　ｄ　−ｓ　ｉ　ｎθ ｓｉｎθ２　＝２λ／ｄ−ｓｉｎθ２ ＝λ／　ｄ　＋ｓ　ｉ　ｎθ１ ・・・（９） で、Ｍ局θ１　＝θ２、θ２　＝θ１となる。つまり三
光束１３．１３′は被検物体７にそれぞれθ２、θ１の
入射角で照射され、 その散乱光によ るドツプラ信号Ｆは、 λ ＝　Ｖ　（ｓｉｎθ、　　＋　　ｓｊｎθ２　）／λ・
・・　（１０） となる。（８）式および（１０）式より、ドツプラ信号
Ｆは、 Ｆ＝２Ｖ／ｄ　　　　　　　　　−（１１）となって、
レーザ光■の入射に傾きがない場合の信号と等しくなり
、レーザ光の入射角に依存しない事が分かる。ここでも
、温度変化やモートホッピング等の影響てレーザダイオ
ード１の波長λが変化したとしても三光束スポット位置
は不動であり、反射型回折格子１０と透過型回折格子１
１ａ、ｌｌｂとの距離と、透過型回折格子１１と被検物
体７との距離を等しく構成すれば、被検物体７上で常に
三光束が重なり合った状態となる事に変わりはない。

なお上記実施例では、第２の回折格子１１ａ１１ｂとし
て、格子ピッチを第１の回折格子１０のピッチの１／２
とし、しかも１次回折光を射出させる様にしであるが、
変形例として、第２の回折格子１１ａ、ｌｌｂの格子ピ
ッチを第１の回折格子１０と等しくし、発生する２次回
折光を用いて移動物体に照射するようにしても、前述の
実施例と同等の作用及び効果が得られる。この際、第２
の回折格子１１ａ、１１ｂは２次回折光を効率的に発生
するように設計したものを用いることが好ましい。

さて上記の実施例の構成においては、仮に組立精度や経
時変化の影響で回折格子１０と１１８゜１１ｂの配置が
ずれると、被検物体上での三光束スポットの位置がずれ
てしまう問題点を有している。第４図は回折格子の位置
と光スポットの状態を示したもので、第４図（ａ）は回
折格子１１ｂが正規の位置から、被検物体７側へ平行に
ずれた時、（ｂ）は回折格子ｆｌｂが正規の位置平面上
で格子かねじれた時、（Ｃ）は回折格子１１ｂか回折格
子１０に対し平行でなく、被検物体７の進行方向側の辺
が被検物体７側へずれた時を示す。

この様に第２の回折格子設定位置がずれると三光束スポ
ットの重なりあった部分が小さくなり、ドツプラ信号を
明瞭に検出できなくなる。

そこでこれを解決すべく、上記実施例の装置を更に改良
した実施例を第５図にて説明する。なお先の実施例と同
一の符号は同−又は同等の部材を表わす。

１０は格子ピッチがｄ＝３μｍの反射型回折格子、１２
は板状の透明ガラス部材で、同一平面上に格子ピッチが
ｄ／２＝１．５μｍの透過型回折格子１１ａ、１１ｂが
形成され、反射型回折格子１０とガラス部材１２は平行
に設置されている。

この回折格子１１ａ、１１ｂは先の実施例と同様、光束
５に対し一１次回折光１３が、又、光束５′に対し＋１
次回折光１３′が高効率で集中的に射出されるようにな
っている。

ここで、ガラス部材１２は同一平面上に回折格子１１ａ
、ｌｌｂを設けている為、第４図（ａ）（ｅ）で示した
様な要因による光スポットのずれは生じなくなる。一方
、同一部材上に格子を配置する為、例えば格子製作の手
法としてマスクからの複製（レプリカ）を採用すれは、
第４図（ｂ）で示したような回折格子１１ａ、ｌｌｂの
格子方向のずれは無くなる。

第６図は、反射型回折格子１０と透過型回折格子１１．
ａ、１１ｂの格子方向かずれた時の光スポットの状態を
示す。この場合は、２光束スポットの重なりあった部分
が小さくなるが、第５図（ｂ）で示したものに比べると
、ガラス部材１２が長尺であるため、保持精度での保証
がしやすい。

又、反射型回折格子１０とガラス部材１２を平行に保ち
さえすれば、反射型回折格子１０またはガラス部材１２
の一方の回転方向を調整するたけで、容易に２光束スポ
ットが重なり合った状態に設定できる。

さて、次に本発明を流速計に通用した更なる実施例を第
７図を用いて説明する。なお、これまてと同−又は同等
の部材に対しては同一符号を符しである。

１０は格子ピッチがｄ＝３μｍの透過型回折格子、１４
は板状の透明ガラス部材で、同一平面上に格子ピッチが
ｄ／２＝１．５μｍの透過型回折格子１５ａ、１５ｂを
設けであり、この回折格子１５ａ、１５ｂは光束５に対
して一１次回折光１３か、又、光束５′に対して＋１次
回折光１３′が集中的に射出されるようになっている。

本実施例では、レーザダイオード１からのレーザ光は、
コリメータレンズ２によって収斂光束となる。この収斂
光束は２光束が交差する位置Ｘにおいて、光束が収斂す
るように構成されている。

そしてこの交差部（測定部）Ｘに穆動流体中に浮遊する
ゴミ等の微粒子、あるいは液滴等の微粒子ｐが通過する
と散乱光が生じ、この散乱光は集光レンズ８によって、
光検出器９に集められ光電変換される。そして先と同様
にレーザ波長λに依存せずに速度を求めることができる
。

又、本実施例においても、回折格子１５ａ、１５ｂか同
一部材（カラス部材１４）の同一平面上にある為に、先
の第５図の実施例同様の効果を得る。

［発明の効果コ 以上本発明によれば、測定精度か照射光の波長変化に影
響を受けないので、環境変動に強い安定したドツプラ速
度計か実現できる。又、安価な光源か使用でき、更に製
造上の精度管理も容易になる。

更に、第２の回折格子を同一部材の同一平面上に構成す
る事によって、調整が容易て経時的な精度の悪化が少な
くなる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、 第２図は第１図の実施例の変形例の構成図、第３図はレ
ーザ光を斜入射させた時を説明図、第４図は第２の回折
格子がずれた場合の説明図第５図は更に改良された実施
例の構成図、第６図は三光束スポットのすれを説明する
ための図 第７図は本発明を流速計に通用した実施例の構成図、 第８図はレーザドツプラ速度計の従来例を示す図、 第９図はレーザダイオードの発振周波数の温度依存性を
示す一例、 第１０図は回折格子の説明図、 ′ｓ１１図は回折格子を用いたレーザドツプラ速度計の
説明図、 第１２図は三光束スポットのずれを説明するための図、 であり、図中の主な符号は、 １　・・・・レーザ光源 ２　・・・・コリメータレンズ ４　・・・・ビームスブソツタ ５．５′　・・・・回折光 ７　・・・・被検物体 ８　・・・・集光レンズ ９　・・・・光検出器 １０　・・・・第１の回折格子 第２の回折格子 板状ガラス部材 ３　。 回折光 Ｖ 場 図（ω） 発浪淳養のケース２４依侶准 ゲースム崖ＴｃＣど） 笛 図 １等　ノ！ 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光束を所定の入射角で移動物体に入射させ、移動
   物体からの散乱光に基づいて移動物体の速度情報を検出
   するドップラ速度計において、 光源から射出した光束を回折させて回折光 を形成する第１の回折格子と、 前記第１の回折格子からの回折光を更に回 折させて、発生する回折光を前記第１の回折格子からの
   回折光の射出角とほぼ同じ角度で前記移動物体に入射さ
   せる第２の回折格子と、 光束が照射された前記移動物体からの散乱 光を受光する受光手段、 を有することを特徴とするドップラ速度計。
2. （２）前記第１の回折格子から射出する±ｎ次の回折光
   を、２つの前記第２の回折格子によって前記移動物体上
   の同一位置に入射させる請求項（１）記載のドップラ速
   度計。
3. （３）前記第２の回折格子の格子ピッチが前記第１の回
   折格子の格子ピッチの１／２であり、前記第１の回折格
   子から射出するｎ次回折光を前記第２の回折格子に入射
   し、前記第２の回折格子から射出するｎ次回折光を前記
   移動物体に入射する請求項（１）又は（２）記載のドッ
   プラ速度計。
4. （４）前記第２の回折格子を同一部材の同一平面上に構
   成する請求項（２）又は（３）記載のドップラ速度計。