JPH0425795A - 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計が知られている。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、前記移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４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′はミラー、７は移
動物体であり、物体もしくは流体か速度■て矢印方向に
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
よって二光束５及び５′に分割されてミラー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で二光
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。二光束によ
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。ここで、レーザ光の波
長をλとすれは、ｆは次の（１）式％式％ 十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の受光面ての明暗の変化をもたら
し、その周波数Ｆは次の（２）式％式％ 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）を測定すれは、（２）式に基づいて移動
物体７の速度Ｖを求めることかできる。

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、したがってレーザドツプラ速度計としては
波長か安定したレーザ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光源としてはＨａ
−Ｎｅ等のガスレーザが良く使用されるが、レーザ発振
器か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５図（′８７三菱半導体データブック　光半導体素子
組から引用）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〜Ｑ、０６ｎｍ／℃である。一方
、波長か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、０．２〜０．３ｍｍ／℃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具１と
して、光源としてのレーザ光を回折格子に人射し、得ら
れる回折光のうち、０次以外の＋０次、−ｎ次（ｎは１
．２、・・・）の二つの回折光を、該二光束の成す角度
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で検出する方式ｃ以下、Ｇ−Ｌ
ＤＶと称する）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６図は格子ピッチｄの透過型の回折格子１０に、レー
ザ光■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。

ｓｉｎ　θ。　２ｍ　λ／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。

ｓｉｎθ。＝±ｎλ／ｄ　　　　　　　・（３）（ｎは
１，２．・・・） 第７図はこの±ｎ次光をミラー６．６′によって被検物
体７に入射角がθ。になるように二光束照射した図てあ
り、光検出器９のドツプラ周波数Ｆは（２）及び（３）
式から Ｆ＝２Ｖｓ　ｉ　ｎθ。／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。

ここで、一般にレーザ光等の可干渉性の高い光を物体に
照射すると、物体表面の微細な凹凸により散乱光はラン
ダムな位相変調を受けて、観察面上に斑点模様、所謂ス
ペックルパターンを形成する。レーザドツプラ速度計に
おいては、物体若しくは流体が移動すると、光検出器の
検出面上でドツプラシフトによる明暗の変化が、スペッ
クルパターンの流れによる不規則な明暗の変化で変調さ
れ、又、光検出器゛の出力信号は被検物体の透過率（あ
るいは反射率）の変化によっても変調を受ける。

前述のＧ−ＬＤＶでは、一般にスペックルパターンの流
れによる明暗の変化の周波数、及び被検物体の透過率（
あるいは反射率）の変化の周波数は、前述（４）式で示
されるドツプラ周波数に較べて低周波であるため、光検
出器の出力をバイパスフィルタに通して低周波成分を電
気的に除去し、ドツプラ信号のみをとったす方法が用い
られているが、被検物体の速度が遅くてドツプラ周波数
が低いと、低周波成分との周波数差か小さくなり、バイ
パスフィルタが使えず、被検物体の速度か測定できない
という欠点か生し、又、速度方向は原理的に検出するこ
とができない。

そこで、これを解決すべく本願出願人は先に特願平２−
３０６４４号において、第８図に示す装置を提案した。

格子ピッチＰの回折格子を同図に示すように速度Ｖｇで
移動させる。レーザ光を移動する回折格子に入射すると
、±ｎｎ次回先光５ａ、５ｂ分かれ、それぞれ正負のド
ツプラシフト±Ｖｇ　／ｎ　ｄを受け、光の波長をλと
すると回折角θ。は、ｓｉｎθ。＝λ／　ｎ　ｄ　　　
　　　・（５）を満たす。この±ｎ次光をミラー６．６
′にょって速度Ｖの被検物体７に対して、入射角がθ。

になるように二光束照射すると、被検物体７からの散乱
光は＋ｎ次光５ａが（Ｖｇ＋Ｖ）／ｎｄ。

−ｎ次光５ｂが−（Ｖｇ　＋Ｖ）／ｎ　ｄのドツプラシ
フトを受け、互いに干渉しあって、ドツプラ周波数Ｆと
しては、 Ｆ　＝　２　（Ｖｇ＋Ｖ）　／ｎ　ｄ　　　　−（６）
となり、レーザ光の波長に依存しないドツプラ周波数が
得られる。つまり、被検物体７の速度Ｖが遅い場合でも
、ドツプラ周波数は、回折格子の移動速度Ｖｇによって
、前述のスペックルパターンの流れや、被検物体の透過
率（あるいは反射率）の変化に起因する低周波数成分と
の周波数差は十分に取ることができ、光検出器からの出
力信号をバイパスフィルタに通して低周波成分を電気的
に除去し°、ドツプラ信号のみを取出すことにより速度
検出が可能になる。

第９図は回折格子を用いたレーザドツプラ速度計におけ
る被検物体の速度■とドツプラ周波数Ｆとの関係を示す
もので、（ａ）は回折格子を固定している場合、（ｂ）
は回折格子の移動速度をＶｇとする場合である。同図か
ら分かるように（ａ）では成る周波数Ｆ１を検出したと
しても方向の異なる２つの速度Ｖ、、−ｖ、か対応する
ため、移動方向の判断が不可能であるか、／ｂ）では速
度ｖ１に対してＦ＝Ｆｇ　＋Ｆ、　、速度−Ｖｌに対し
てＦ＝Ｆｇ−Ｆ、のドツプラ周波数が得られ、速度Ｖの
方向も同時に検出できる。

つまり、回折格子の移動速度Ｖｇを制御すれば上記（６
）式より、 ｙ＝Ｆ　（ｄ／２）−Ｖｇ　　　　　・・・（７）とな
り、Ｆを検出することにより（７）式に示す通りＶを求
めることができる。

［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、測定精度を維持するの
に、回折格子の移動速度を精密に制御する必要がある。

すなわち駆動系が比較的大型となりコストの点でも不利
である、又、駆動及び速度検出に回転系を用いると偏心
等の誤差を生し易く、上記（７）式の演算に必要なＶｇ
を正確に検出することが離しくなる。

［課題を解決するための手段〕 本発明の目的は上記課題を解決し、より改良された形態
のドツプラ速度計を提供することであり、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圧するド
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回折格子と、前記回折光にドツプ
ラシフトを与えるべく前記回折格子を移動させる駆動手
段と、前記射出する回折光を三光東に分割する分割手段
と、前記一方の分割光束を前記回折光が回折格子からの
射出角とほぼ同じ入射角で移動物体に入射させ、且つ、
前記もう一方の分割光束を前記と同一の入射角で前記移
動物体とは異なる基準物体に入射させる光学手段と、該
光学系により照明された移動物体及び基準物体からの散
乱光をそれぞれ受光する受光手段と、該受光手段で得ら
れる両物体からの散乱光のドツプラシフト量を基に移動
物体の速度情報を得る演算手段を有することを特徴とす
る。

［実施例コ 以下本発明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を示し、図中、反射型
回折格子１０は、円筒１１の側面上に格子ピッチｄが１
．６μｍで配列されており、±１次回折光を効率よく取
出すことかできるように設計されている。波長λが約０
．７８μｍのレーザダイオード１から発射されたレーザ
光は、コリメータレンズ２によって直径約２ｍｍφの平
行光束３となる。円筒１１は図示しないＤＣモータの駆
動軸１１ａに取付けられ、一定の周速Ｖｇで駆動される
。回転する円筒１１の周面に形成される反射型回折格子
１０に平行光束３が入射すると、±１次回折光５ａ、５
ｂは回折角θ。岬２９゜で射出する。この際、回折格子
１０は一定の周速Ｖｇて移動しているため、回折光５ａ
、５ｂは正負のドツプラシフト±Ｖｇ　／ｄを受ける。

そして互いに平行なミラー６．６′に反射した回折光５
δ、５ｂは、ハーフミラ−］２．１２′　によりそれぞ
れ二分割し、一方は回折光５ｃ、５ｄとなって被検物体
７に二光束照射し、もう一方は回折光５ｅ、５ｆとなっ
て、基準物体である反射型の回折格子】３に二光束照射
される。この反射型回折格子１３の格子ピッチは回折格
子１０の格子ピッチと同一の１．６μｍに設定されてお
り、発生する回折光か効率良く光検出器１４の方向に発
生するようになっている。

光検出器９は回折光５ｃ、５ｄにより被検物体７から生
した反射散乱光をレンズ８を介して受光し光電変換する
。そして光検出器９は上記（６）式においてｎ＝１を代
入して得られる、回折格子１０の周速Ｖｇと被検物体７
の移動速度Ｖに応じた、 Ｆ＝２　　（Ｖｇ　　＋Ｖ）／ｄ　　　　　　　＝　　
（８）なるレーザ光の波長によらないドツプラ周波数を
有する信号を圧力する。

一方、光検出器１４は回折光５ｅ、５ｆにより回折格子
１３で生じた反射散乱光を受光し光電変換する。そして
光検出器１４は回折格子１０の周速Ｖｇに応じた、 Ｆｇ　＝２ｖ３　／ｄ　　　　　　　　　−（９）なる
レーザ光の波長によらないドツプラ周波数を有する信号
を出力する。

ここでＦ−Ｆｇを演算すると、 Ｆ−Ｆｇ＝２Ｖ／ｄ となり、回折格子の移動速度ｖｇが消えて、移動物体の
移動速度■を求めることができる。この演算は第２図に
示すような処理回路を用いて以下のように行なう。

第２図に示すように、光検出器９からの出力信号、すな
わち移動物体７からの散乱光検圧信号は、増幅器（ＡＭ
Ｐ）８１で増幅し、増幅器８１で増幅された信号をバイ
パスフィルタ（ＨＰＦ）８２を介して周波数−電圧変換
器（Ｆ／Ｖ）８３へ入力する。周波数−電圧変換器８３
は、上記（８）式のＦに応じた電圧を出力する。

一方、光検出器１４からの出力信号、すなわち基準物体
である回折格子１３からの散乱光検出信号は、増幅器（
ＡＭＰ）８４で増幅し、増幅器８４で増幅された信号を
バイパスフィルタ（ＨＰＦ）８５を介して周波数−電圧
変換器（Ｆ／Ｖ）８６へ入力する。周波数−電圧変換器
８６は、上記（９）式のＦｇに応じた電圧を出力する。

次に差動増幅器８７では周波数−電圧変換器８３．８６
の差の電圧を士の符号付ぎで出力する。すなわち差動増
幅器８７では実質的にＦ−Ｆｇの演算を行なう。この出
力電圧は、上記（１０）式に示すように２Ｖ／ｄに対応
したものであり、その絶対値は被検物体７の速度■の絶
対値を表わし、士の符号は移動の方向を表わす。本実施
例では十の符号は第７図の矢印の方向である。

なお、この方式によれば、被検物体を停止させて■＝０
の時に差動増幅器８７の出力を０となるように電気回路
を設定すれば容易に基準点の調整が行なえる。

さて、次に本発明の他の実施例を第３図を用いて説明す
る。なお第１図と同一の符号は同−又は同等の部材を表
わす。

先の実施例では、回折格子を移動させる手段として、円
筒の側面上に回折格子を形成して円筒を回転させること
により回折格子を移動させた。これに対して本実施例で
は円筒の代わりに円盤を使用することを特徴とする。

回転する円盤１５の周辺には格子ピッチｄ＝１．６μｍ
の反射型回折格子１０が円周に沿って形成されている。

円盤１５はモータの駆動軸１５ａに取付けられており、
駆動軸１５ａ回転させることにより円盤１５が回転し、
円盤１５上に形成した回折格子１０が、入射光束に対し
て速度Ｖｇで移動する。よって回折格子１０によりＶｇ
のドツプラシフトを受けた回折光５ａ、５ｂが形成され
前託実施例と同様な原理で測定が行なえる。

なお、本発明は以上の各実施例の形態に限定されるもの
では無く、様々な変形形態をとることができる。

例えば回折光を形成するための回折格子１０は透過型の
回折格子を用いても良い。

又、基準物体である回折格子１３の代わりに、散乱反射
部材、例えばアルミ部材の表面を粗くしたものを用いて
も同様の作用か得られる。

又、速度Ｖの測定も、第２図に示した方法には限らず、
ドツプラ周波数Ｆ及びＦｇよりそれぞれ速度Ｖ’　＝　
（Ｖ＋Ｖｇ　）とＶｇを測定し１．Ｖ＝ｖ′−Ｖｇとし
てＶを求めるようにしても良い。

更には上述の各実施例では、回折格子１０から射出する
±１次回折光を用いた例を示したが、±ｎｎ次回先光ｎ
は自然数）を用いても良く、又次数が異なる例えば０次
光とｎ次光の三光東を用いても良い。

［発明の効果］ 以上本発明によれば、測定値が移動回折格子の移動速度
に影響を受けないため、検出精度が向上すると共に、移
動回折格子の駆動を高精度に制御する必要がなくなり、
駆動機構が簡素となり、コンパクトで低コストな装置と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、 第２図は実施例の電気処理回路の図、 第３図は他の実施例の構成図、 第４図は従来のドツプラ速度計の構成図、第５図は半導
体レーザの特性図、 第６図は回折格子の説明図、 第７図、第８図は本願出願人が提案したドツプラ速度計
の構成図、 第９図は移動物体の速度Ｖとドツプラ周波数Ｆの関係を
示す図、 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　・・・・ビームスプリッタ、 ６．６′　・・・・ミラー ７　・・・・移動物体、 ８　・・・・集光レンズ、 ９．１４　・・・・光検出器、 １０　・・・・回折格子、 １１　・・・・円筒、 １２．１２′　・・・・ハーフミラ− Ｉ３　・・・・基準物体、 円盤、 ｇ２液長のケース温序依樽１± ケース″ＪａＴｃ（＋ｃ） 躬１図 （θ） −Ｖ＋ ρ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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 を形成する回折格子、 前記回折光にドップラシフトを与えるべく 前記回折格子を移動させる駆動手段、 前記射出する回折光を二光束に分割する分 割手段、 前記一方の分割光束を前記回折光が回折格 子からの射出角とほぼ同じ入射角で移動物体に入射させ
   、且つ、前記もう一方の分割光束を前記と同一の入射角
   で前記移動物体とは異なる基準物体に入射させる光学手
   段、 該光学系により照明された移動物体及び基 準物体からの散乱光をそれぞれ受光する受光手段、 該受光手段で得られる両物体からの散乱光 のドップラシフト量を基に移動物体の速度情報を得る演
   算手段、 を有することを特徴とするドップラ速度計。