JPH0427869A - 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、移動する物体や流体の速度を非接触にて検出
する速度計、特に光の周波数の偏移を検知して速度を検
出するドツプラー速度計に関する。

〔従来技術〕

従来から、物体や流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とは、移動す
る物体や流体にレーザー光を照射し、該移動物体若しく
は移動流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（ドツプラー効果）を利用し
て、前記移動物体若しくは移動流体の移動速度を測定す
る装置である。

従来のレーザードツプラーの速度計の一例を第１９図に
示す。

１はレーザー光源、２はコリメーターレンズ、Ｉは平行
光束、４はビームスプリッタ−１６及び６′は反射鏡、
７は速度Ｖで矢印方向に移動している物体若しくは流体
、８は集光レンズ、９は光検出器である。

レーザー光源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Ｉとなり、ビームスプリ
ッタ−４によって三光束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で移動している
物体若しくは流体７に入射角θて三光束照射される。物
体若しくは流体７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＋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、Δｆは次の（１）式で表わすことができる。

△ｆ＝ｖｓｉｎθ／λ　　　　　　　　　・　（１）十
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）式で与えらえる。

Ｆ＝２Δｆ＝２ｖｓｉｎθ／λ　　　　　−（２）従っ
て、光検出器９の出力信号の周波数（以下、ドツプラー
周波数と呼ぶ）を測定すれば、（２）式に基づいて移動
物体若しくは移動流体７の移動速度Ｖを求めることがで
きる。

更に移動物体若しくは移動流体に偏光面あるいは波長の
異なるレーザー光を用いて２成分の速度を同時に検出す
る２次元ドツプラー速度計が知られている。

第２０図は直交する偏光レーザ光による２次元流速計の
１例である。レーザー発振器１′から発振されたレーサ
ー光Ｉｏは偏光ビームスプリッタ２０て互に直交する第
１の偏光レーザー光１０１、第２の偏光レーサーＩＯ２
に分けられる。第１及び第２の偏光レーサー光ＩＯ１，
１０２は各々ビームスプリッタ３１３２によって２光束
１０１１．　ＩＯ＋２及びＩ　０２１　、　Ｉ　Ｏ２２
に互いに直交する面内で分けられ、収束レンズ４１によ
ってこの４つの光束は収束レンズ４１の焦点に集光し、
４光束のビームウェストが交叉する。流体Ｆ中の微粒子
Ｐがこの交差部を通過する際、第１偏光レーザー及び第
２偏光レーザーそれぞれに対応する２つの散乱光が発生
して、収束レンズ４１、集光レンズ４２、ミラー４３を
経由し、偏光ヒームスプ７ノッタ５０によって、この２
つの散乱光が分離され、各々が各受光器６１．　６２に
集光され、各受光器出力毎に前述の演算が行われて流体
Ｆの移動速度の二次元方向成分が同時に検出される。又
、二色二次元レーザードツプラー速度計では、この第２
０図の装置においてレーサー光源ｌとして２色レーザー
を用い、ビームスプリッタ２０と５０に分光ビームスプ
リッタを用いた形になっている。

〔発明が解決しようとしている課題〕

この様なレーサードツプラー速度計の小型化を図るため
には、Ｈｅ−Ｎｅレーサー等のガスレーサーを光源とし
て用いるよりもレーサーダイオードのような半導体レー
ザーを用いる方が有利である。しかしながら、半導体レ
ーサーはガスレーサーのように発振波長が安定しておら
ず、温度に依存して発振波長が変化する。上記（２）式
から明らかなように、ドツプラー周波数Ｆはレーサー光
の波長λに依存するので、レーサー光の波長が変動する
と移動物体や移動流体の速度を正確に検出することがで
きない。

第２１図は市販のレーザーダイオードの発振波長の温度
依存性を示すグラフ図（１９８７年三菱半導体データブ
ック−光半導体素子績から引用）である。

同図において、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
により生じている部分であり、その割合は０．０５〜０
．０６ｎｍ／℃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る現象に起因
するもので、０．２〜０．３ｎｍ／℃という大きな割合
で変化する。

このように、レーザーダイオードの発振波長は極めて不
安定なものであり、この種のレーザーをレーザードツプ
ラー速度計の光源として使用する場合、周知のヒーター
、放熱器、温度センサー等を備えた温度制御ユニットを
レーザーダイオードと共に取り付ける必要がある。しか
しながら、これらの温度制御ユニットを取り付けると、
速度計が大きくなり、価格も上がるので好ましくない。

更に、前述の縦モード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り、仮に温度制御ユニットを取
り付けても、レーザーダイオードの発振波長の変動を完
全に抑えることはできない。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり
、光の波長が変化しても、移動物体や移動流体の速度を
、正確且つ高感度で検出することが可能な２次元ドツプ
ラー速度計を提供することを目的としている。

〔課題を解決する為の手段〕

前述従来例の問題点を解決する為の本発明のドツプラー
速度計は波長λ１の第一の光と波長λ２の第二の光をそ
れぞれ入射角θ１．θ２で移動物体若しくは移動流体に
入射させる照明系と、前記移動物体若しくは移動流体か
らの第一の光による散乱光の周波数の偏移に基づいて前
記移動物体若しくは移動流体の所定方向に沿った速度状
態を検出し、且つ前記移動物体若しくは移動流体からの
第二の光による散乱光の周波数の偏移に基づいて前記移
動物体若しくは移動流体の前記所定方向と交差する方向
に沿った速度状態を検出する速度検出部と、を有し、こ
の時ｓｉｎθ１／λ１とｓｉｎθ２／λ２が各々ほぼ一
定になるようにして該第一及び第二の光を前記移動物体
若しくは移動流体に入射せしめている。

〔実施例〕

第１図に本発明の第１実施例の２次元レーザードツプラ
ー速度計の概略図を示す。図中、１は半導体レーサー、
２は半導体レーザー１から出射するレーザー光を平行光
にするコリメータレンズ、７０はコリメータレンズ２か
らのレーザー光をその偏光方向に応じて各々Ｘ方向、Ｘ
方向に回折する為の回折格子、６−１１．６−１２．６
−２１．６−２２はそれぞれ回折格子７０の面（ｘｙ面
）に垂直に配置されたミラー、７は被検物体、８は被検
物体７からの散乱光を集光する集光レンズ、５０は集光
レンズ８からの光をその偏光方向に応じて各々透過、反
射する偏光ビームスプリッタ、６１．　６２は偏光ビー
ムスプリッタ５０からのそれぞれ透過光、反射光を受光
する位置に配置された受光器である。

半導体レーザーｌから出射され、コリメータレンズ２に
よって平行にされたレーザー光■は回折格子７０によっ
て偏光面に応じ各々Ｘ方向、Ｘ方向に回折され、この時
Ｘ方向に一１次光ＩＩＩ、　　＋１次光１１２、Ｘ方向
に＝１次光Ｉ２１．＋１次光１２２に分離される。

レーザー光源ｌから射出される実質直線偏光光であるレ
ーザー光を互いに直交する第１及び第２の偏光成分とし
、これらを各々別々に回折せしめる手段として、例えば
第２図（ａ）に示す様な液晶あるいは方解石等の光学的
異方性材料７１ａと、この光学的異方性材料７１ａの常
屈折率と異常屈折率の１方に屈折率が等しい基板７２ａ
とを図の様に重ね合わせ、かつその境界面に常屈折率と
異常屈折率の１方に対応する偏光方向に平行な方向に長
手方向を有する直線格子を図の様に互いの凹凸で形成し
である位相格子７０ａと、これと全く同じ構成の位相格
子７０ｂとを第２図（ｂ）に示す様に互いの直線格子長
手方向が直交する様にして重ね合わせた構造の部材を用
いる。レーザー光Ｉは偏光方向を位相格子７０ａ、　７
０ｂの直線格子長手方向と４５″　傾いた状態にして回
折格子７０に位相格子面に垂直に入射する。この時レー
ザー光Ｉは位相格子７０ａにより光学的異方性材料７１
ａと基材７２ａが異なる屈折率となる方向の偏光成分の
み回折され、位相格子面と直線格子長手方向の両方に垂
直な面（ｘｚ面）内で一１次光Ｉｎ、＋１次光１１２に
分けられ、これと垂直な方向の偏光成分はＯ次光Ｉ２と
して直進する。次に位相回折格子７０ａと直線格子長手
方向が直交し、同様の光学的異方性材料７１ｂと基材７
２ｂからなる位相格子７０ｂにより、偏光成分Ｉｌｌ、
１１２はそのまま直線するが、偏光成分■２は偏光Ｉ１
１及び＋１２を含む面と位相格子面の両方に直交する面
（ｙｚ面）内で一１次回折光Ｉ２１．及び＋１次回折光
Ｉ２２に分けられる。

これら４つの回折光は各々回折格子７０に垂直に配置さ
れたミラー６−１１．６−１２．６−２１．６−２２に
よって図の様に反射され、被検物体７上の同一位置に回
折格子７０の回折角θ１と同じ角度で入射せしめられる
。即ち４つの回折光は全て入射角θ１で同一位置に入射
する。被検物体７からの散乱光は集光レンズ８によって
集光され、偏光ビームスプリッタ５０によりＸ方向のド
ツプラー信号光（ここでは光１　ｏ　、　　Ｉ　＋２に
よる散乱光）とＸ方向のドツプラー信号光（ここでは光
１２１．　１２２による散乱光）に分離されて各々受光
器６２．６１によって検出される。

このドツプラー信号光のドツプラー周波数が各方向の速
度成分と各々対応する。

第３図及び第４図は本実施例のレーサードツプラー速度
計による速度検出原理を説明するための説明図である。

本説明では第１図のＸ方向についてのみ説明する。Ｘ方
向も原理は同様である。

第３図は格子ピッチｄなる透過型回折格子１０（位相格
子７０ａに対応）に波長λのレーサー光■を格子配列方
向ｔに垂直な方向から入射させた時の回折状態を示し、
回折格子１０で生じる各次数の回折光の回折角θは次式
で示すことができる。

ｓｉｎθ＝±ｍλ／ｄ　　　　　　　　　・（３）（ｍ
＝ｏ、　　１．　２．・・・） 従って、回折格子１０で生じるＯ次回先光（ｍ　＝　Ｏ
）以外の±ｎｎ次回先光各回折角をθ。とすると、ｓｉ
ｎ　θ　。＝±ｎ　λ／ｄ　　　　　　　　　　　　−
（４）（ｎ＝１．　２．　　・・・） なる式で表わされることになる。（４）式から明らかな
ように、±ｎｎ次回先光回折角θ。は入射レーザー光Ｉ
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次回先光射出角が変化する。

第４図は第３図の回折格子ｌＯを光学系中に組込んだレ
ーザードツプラー速度計を示す。第４図において、回折
格子ｌＯを除く他の部材は第１９図の従来例に示しであ
るものと同じであり、第１９図と同じ符号を付しである
。従って、ここでは説明を省略する。以下の実施例でも
同様、前述の部材と同様の部材には同じ符号を付しであ
る。

第４図に示す光学系では、回折格子ＩＯから射出する±
ｎｎ次回先光１．．Ｉ２各々互いに反射面が平行なミラ
ー６、６’　　（それぞれミラー６−１１．６−１２に
対応）で反射し、±ｎｎ次回先光各回折角±θ。と同じ
入射角θ。で被検物体７のほぼ同一地点に入射させてい
る。尚、ミラー６．６′　の反射面は各々回折格子１０
の格子配列方向と被検物体７の移動方向に直交する面内
にある。

この時、光検出器９からの出力信号に対応するドツプラ
ー周波数Ｆは、前記（２）式及び（４）式に基づいて次
の（５）式で表わすことがてきる。

Ｆ　＝２ｖｓｉｎ　ｅ　、　／λ　　　　　　　、、、
（５）＝：　２　ｎ　ｖ　／　ｄ 即ち、ドツプラー周波数Ｆはレーサー光の波長λに依存
せず、回折格子１０の格子ピッチｄに反比例し、回折光
の次数ｎと被検物体７の移動速度■に比例することにな
る。回折格子１０のピッチｄは十分に安定しているので
、ドツプラー周波数Ｆはレーサー光の波長には無関係に
、被検物体７の速度Ｖのみに依存する。従って、光検出
器９（受光器６１又は６２に対応）は、不図示のレーザ
ーの発振波長か変化しても、被検物体７の速度■に正確
に対応した信号を出力する。

第１図にもどって、上述原理に基づき被検物体７の想定
速度方向に対し、Ｘ、Ｘ方向を４５°　に設定すると被
検物体７の想定速度方向の速度ｖｈ及び直角方向の速度
Ｖ は ｖ　ｈ　”　　　　　（ｆ　ｘ＋ｆ　ｙ）２ｖ’ｆｉ ■ｐ　”　　　　（ｆｘ　　ｆｙ） ＭＥ’ ｄは回折格子の格子ピッチ ｆ、はＸ方向のドツプラー信号光のドツプラー周波数 ｆ、はＸ方向のドツプラー信号光のドツプラー周波数 となり、例えば被検物体７の想定速度方向の速度及び想
定速度方向と垂直方向のゆれを検出することが可能であ
る。この様にして検出信号から物体の２次元速度が検出
される。

第５図は本発明の第２実施例のレーザードツプラー速度
計の概略図である。本実施例は第１実施例のミラー６−
１１．６−１２．６−２１．６−２２の代りに回折格子
１４−１１．　１４−１２．　１４−２１．　１４−２
２を用いたものであり、他の部材の構成及び動作は第１
実施例と同様である。回折格子１４−１１．　１４−１
２はＸ方向に、回折格子１４−２１．　１４−２２はＸ
方向に、回折格子７０の半分のピッチの格子間隔で配列
された直線格子を有し、これら全回折格子は回折格子７
０の位相格子面に平行な同一平面上に、各回折格子から
の光学系中心軸方向に向かう一次回折光が被検物体７上
の同一点に入射する様に配置されている。

本実施例における原理を第６図を用いて説明する。

第６図は第４図の説明図のミラー６．６′　　を回折格
子１０の％の格子間隔の回折格子１４．　１４’　　（
回折格子１４−１１．　１４−１２に対応）に置き換え
たものである。この様な構成にする事により、回折格子
１４、　１４’　　における入射光の入射角と回折光の
出射角は、回折光１．、Ｉ２の回折格子１０からの射出
角θ、に常に等しく、又被検物体７上への入射角も回折
光Ｉ、、Ｉ。の出射角θ１に常に等しい。本実施例にお
いても（２）式と（４）式が成立し、従って（５）式が
成立するので、ドツプラー周波数Ｆはレーザー光の波長
λに依存せず、回折格子ｌＯの格子ピッチｄに反比例し
、回折光の次数ｎと被検物体７の移動速度Ｖに比例する
ことになる。回折格子１０のピッチｄは十分に安定して
いるので、ドツプラー周波数Ｆはレーザー光の波長には
無関係に、被検物体７の速度Ｖのみに依存する。従って
、光検出器９（受光器６１又は６２に対応）は、不図示
のレーザーの発振波長が変化しても、被検物体７の速度
Ｖに正確に対応した信号を出力する。回折格子１４．　
１４’としては回折エネルギーの大部分が特定（この場
合光学系の中心軸方向の一次回折光）の次数に集中する
ような、例えばブレーズド回折格子が望ましい。

第７図は第５図、第６図で示した第２実施例を変形した
第３実施例の概略図である。第３実施例は第２実施例の
回折格子１４−１１．　１４−１２．　１４−２１゜１
４−２２の代りに、回折格子７０と同じ格子間隔を有す
る回折格子１５−１１．　１５−１２．　１５−２１．
　１５２２を同様に配置し、更にこの回折格子から出射
する回折光を被検物体７上に集光する収束レンズ４１を
設けたものである。又被検物体７からの散乱光は収束レ
ンズ４１と集光１ノンズ４２、ビームスプリッタ５０を
介して受光器６１．６２に効率良く受光される。回折格
子７０から回折格子１５−１１．　１５−１２゜１５−
２１．１５−２２が配された平面までの距離は収束レン
ズ４１の焦点距離と同じｆとしである。

第３実施例は、２対の光束Ｉ１１，２１２及びＩ　２１
　、　Ｉ　２２を被検物体としての流体Ｆ中に収束させ
、ビームウェストを交差させることにより流体Ｆ中の微
粒子Ｐからの散乱光のレーザードツプラー周波数を検出
する２次元ドツプラー速度計に本発明を応用している。

第１．第２実施例同様、偏光面に応じ回折格子７０によ
って２対のプラス、マイナス次数の回折光Ｔ　＋＋　、
　　Ｉ　１２及び１２１．　１２２に分離し、回折格子
ピッチが回折格子７０と等しく、又望ましくは光学系の
中心軸と平行に出射する１次光を効率よく回折する様構
成された２対の回折格子１５−１１．　１５−１２、及
び１５−２１．　１５−２２とより互いに平行な２対の
コリメート光を出射し、更に収束レンズ４１によりその
焦点位置に収束、ビームウェストを交差させるもので、
この交差位置に流体Ｆ中の微粒子Ｐが通過したときの散
乱光を前述実施例の様に偏光ビームスプリツタ５０によ
り、ｘ＋Ｙ方向のドツプラー信号光に分離して各々受光
器６２．６１によって検出する。

第８図は前述第３実施例の原理を第４図、第６図と同様
に説明する為の図である。回折格子ｌＯからの±１次光
１１とＩ２を回折格子ピッチが回折格子１０と等しく、
望ましくは回折エネルギーを特定の次数に集中する様構
成された回折格子１５．　１５’（回折格子１５−１１
．１５−１２に対応）により回折光１１＋　　Ｉ２を互
いに平行なコリメート光とし、収束レンズ１６（収束レ
ンズ４１に対応）により被検流体Ｆ中に集光させるもの
で、収束レンズ１６の焦点距離ｆと回折格子ｌＯと（例
えばブレーズド）回折格子１５及び１５′　　の距離を
等しくすることにより回折格子１０の回折角θ１と被検
流体Ｆへの入射角を等しくすることが出来る。従って第
１．第２実施例で説明したのと同様に光の波長λの変化
に影響されないレーザードツプラー速度測定が可能とな
る。尚レンズ１７（集光レンズ４２対応）は受光器９に
被検流体Ｆからの散乱光を集光させる集光レンズである
。本実施例においては収束レンズ４１により、被検物体
７への入射光束が交叉位置、即ち被測定位置にて集光す
るので微小領域にて測定を行う必要がある場合に有利で
ある。この様に光束を絞ってそのビームウェストを交叉
させて流体又は移動物体中の微小部分の速度を検出する
には他に、例えば第１あるいは第２実施例のコリメータ
レンズ２の代りに交叉位置に収束する様な焦点距離を有
する集光レンズを配置することによっても可能である。

第９図は本発明の第４実施例の２次元レーザードツプラ
ー速度計の概略図である。図中、１０１−１゜１０１−
２は互いに出射光波長の異なる半導体レーサー１０２−
１．　１０２−２は各々半導体レーザー１０１−１１０
１−２からのレーザー光をそれぞれコリメートするコリ
メータレンズ、１１０−１．　１１．０−２は各々コリ
メータレンズ１０２−１，１０２−２からの出射光をそ
れぞれＸ方向、Ｘ方向へ回折すべく、それぞれＸ方向、
Ｘ方向に長手方向を有する直線格子をそれぞれピッチｄ
、、ｄ２毎に設けた回折格子、１０６−１１゜１０６−
１２．　１０６−２１．　１０６−２２は回折格子１１
０−１，１１０−２の面（ｘｙ面）に垂直に配置された
ミラー、１５０は半導体レーザー１０１−１の出射する
波長の光と半導体レーザー１０１−２の出射する波長の
光とを分離する為の分光ビームスプリッタ（例えばダイ
クロイックミラー）である。

波長の異なる半導体レーザー１０１−１．　１０１−２
から射出されたレーザー光Ｉｌ＋Ｉ２　　は各々、互い
に直交する直線格子を有する回折格子１１０−１、及び
１１０−２に面に垂直に入射し、各々によってｙｚ面内
でマイナス−次回先光ＩＩ＋’、プラスー次回折光１１
２’　、　　ＸＺ面内でマイナス−次回先光Ｉ２１プラ
スー次回折光Ｉ２２′　　に分離され、これらの回折光
は、各々の回折格子エエＯ−１，１１０−２の面に垂直
に配置されたミラー１０６−１１．　１０６−１２．　
１０６−２１，１０６−２２により被検物体７上の同一
位置に回折格子１１０−１．　１１０−２の回折角と同
角度の入射角で入射せしめられる。

第１０図は２対の回折光を同一位置に入射せしめる為の
光学系の構成の説明図で、第１０図（ａ）は第９図のｘ
−ｘ’　から見た回折格子１１０−１とミラー１０６−
１１，１０６−１２の配置を示し、第１Ｏ図（ｂ）は第
９図のＹ−Ｙ’　　から見た回折格子１１０−１．　１
１０２とミラー１０６−２１，１０６−２１の配置を示
す。

ミラー１０６−１１．　１０６−１２をレーザー光■、
　の光路の延長線に対して対称に配置するのに対して、
ミラー１０６−２１．１０６−２２をレーサー光■２　
に対して図の様に非対称にすることにより２組の回折光
の交叉位置を一致させる。この際、回折格子１１〇−１
による回折光１＋＋’　、　　Ｉ１２’　　が回折角θ
ａと１回折格子＋１０−２による回折光１２１’　、　
　Ｉ２２’　　が回折角θｂと、それぞれ同じ角度で被
検物体７に入射する。

第９図にもどって被検物体７からの散乱光は集光レンズ
８によって集光され、分光ビームスプリッタ１５０によ
りＸ方向とＸ方向のドツプラー信号光（ここでは半導体
レーザー１０１−２の波長の光と半導体レーザー１０１
−１の波長の光）に分離されて、各々受光器６２．６１
によって検出される。この様に本実施例では、前述実施
例が同一波長で偏光方向の直交する２種類の光束を入射
し、偏光ビームスプリツ夕で散乱光を分離していたのに
対し、異波長の光束を入射して分光ビームスプリッタで
散乱光分離する様にしている。

今、半導体レーザー１０１−１．　１０１−２の出射光
波長をそれぞれλ１．λ２とすると、本実施例において
も第（２）式が成立するので、波長λ１．λ２の散乱光
がそれぞれ受光器６１．６２に受光されるとして、受光
器６１．　６２の受光信号には各々次式が成立する。

ｆｙ’　＝２ｖｙｓｉｎθ、／λ１（６）ｆ　ｘ’　＝
　２　ｖ　ｘ　ｓ　ｉ　ｎθユ／λ２（７）ｖｘ＋　　
ｖｙ：それぞれｘ＋’Ｙ方向の速度成分子Ｘ’　＋　ｆ
Ｙ’　　：それぞれ受光器６２．６１の検出するドツプ
ラー周波数 又、本実施例も（４）式が成立するのでｓｉｎθユ＝±
λｌ　／ｄ　Ｉ　　　　　　　　（８）ｓｉｎθ５−±
λ２／ｄ２　　　　　　　（９）従って（６）　（７）
　（８）　（９）式より以下の様になる。

ｆ、’　　＝２ｖｙ／ｄ　　Ｉ　　　　　　　　　　　
　　　　　（１０）ｆｘ’　　＝　２ｖｙ／ｄ　２　　
　　　　　　　　　　　　（１１）以上は回折次数が±
１次の回折光を測定光として使用した場合であるがｎ次
回先光の場合も同様にして次式が導かれる。

ｆｙ’　＝２ｎｖｙ／ｄ　１（１２） ｆｘ’　＝２ｎｖｘ／ｄ　２　　　　　　　　　　（１
３）即ち、ドツプラー周波数ｆ、１　、　　ｆｘ７　　
はレーザー光の波長λ、　、λ２　に依存せず、回折格
子１１０−１，１１０−２の格子ピッチｄｌ＋　　ｄ２
′　に反比例し、回折光の次数ｎと被検物体７の移動速
度■。

ｖｘ′　　に比例することになる。回折格子１１０−１
゜１１０−２のピッチｄ、、ｄ２は十分に安定している
ので、ドツプラー周波数ｆ　、／　、　　ｆｘ／　　は
レーザー光の波長には無関係に、被検物体７の速度Ｖｙ
、Ｖｘのみに依存する。従って、受光器６１．６２は、
半導体レーザーの発振波長が変化しても、被検物体７の
速度ｖｙ、　　ＶＸに正確に対応した信号を出力する。

被検物体７の想定速度方向に対しＸ＋Ｙ方向を４５°　
に設定すると被検物体７の想定速度方向の速度ｖｈ及び
直角方向の速度Ｖｐはｄ、＝ｄ２＝ｄと設定すれば ｖｈ−□（ｆｘ′　＋ｆ、′） ｎ ｖ　ｐ　＝　−（ｆ工’ｒｙ’） ｒ となり、被検体物体７の想定速度方向の速度及び想定速
度方向と垂直方向のゆれを検出することが可能である。

この様にして検出信号から物体の２次元速度が検出され
る。

第１１図により本発明の第５実施例を説明する。

本実施例では第４実施例に対し２対の回折光を同一位置
に入射させる光学系を変形したものである。他の部分の
構成及び動作、原理は第４実施例と同様なので、本実施
例では第１０図と同様の説明図のみで示す。本実施例で
は、ミラー１０６−２１’　、　　１０６−２２′　　
は光束Ｉ２′　　の延長線に対して対称に配置され、光
束■２　が垂直入射する回折格子１１０−２からの回折
光Ｉ２１’　、　　Ｉ２２’　　は光束１２′　の略延
長線上で交叉する。回折格子１ｉｏ−ｉに入射する光束
Ｉ、′　は、その延長線が回折光１２１　　、　　Ｉ２
２　　の交叉点を通る様に回折格子１１０−１の面に対
し斜入射される。回折格子１１０−１から出射する回折
光ｈ＋’　、　　Ｉ１２’は各々ミラー１０６−１１’
　、１０６−１２’によって反射され、回折光１２１　
　、　　Ｉ２２’　　の交叉点て交叉する。

第１２図に本発明の第６実施例のレーザードツプラー速
度計の概略図を示す。本実施例は第５実施例におけるミ
ラー１０６−１１’　、１０６−１２’　　をそれぞれ
回折格子１１０−１の％のピッチで直線格子を回折格子
１１０−１の直線格子と平行に配列して形成した回折格
子１１４−１１．　１１４−１２に置換し、かつミラー
１０６−２１’　、　　１０６−２２’　　をそれぞれ
回折格子１１０−２の汗のピッチで直線格子を回折格子
１１０−２の直線格子と平行に配列して形成した回折格
子１１４−２１．　１１４−２２に置き換えたものであ
る。回折格子１１４−１１．　１１４−１２．　１１４
−２１゜１１４−２２は回折格子１１０−１，１１０−
２の面と平行な同一平面上に配置され、これらから光束
Ｉ２の延長線方向に出射する一次回折光は被検物体７上
の同一地点で交叉する。

本実施例においても、いずれの波長の光でも第６図で説
明したのと同様にして（５）式が成立するので、検出さ
れるドツプラー周波数は波長変動に影響されない。従っ
て第４．第５実施例と同様にして正確な２次元速度測定
が可能である。

第１３図は第１２図で示した第６実施例を変形した第７
実施例の概略図である。第７実施例は第６実施例の回折
格子１１４−１１．　１１４−１２．１１４−２１゜１
１４−２２の代りに、回折格子１１０〜１と同じ格子間
隔を有する回折格子１１５−１１．　１１５−１２と、
回折格子１１０−２と同じ格子間隔を有する回折格子１
１５−２１，１１５−２２を同様に配置し、更にこの回
折格子から出射する回折光を被検物体７上に集光する収
束レンズ１４１を設けたものである。又、被検物体７か
らの散乱光は収束レンズ１４１と集光レンズ１４２、分
光ビームスプリッタ１５０を介して受光器６１．６２に
効率良く受光される。回折格子１１０−１，１１０−２
から回折格子１１５−１１，１１５−１２゜１１５−２
１，１１５−２２が配された平面までの距離は収束レン
ズ１４１の焦点距離と同じｆとしである。

第７実施例は２対の光束Ｉ】１．　Ｉ１２　　及び１２
１１２２　　を被検物体として流体Ｆ中に収束させビー
ムウェストを交差させることにより流体Ｆ中の微粒子Ｐ
からの散乱光のレーザードツプラー周波数を検出する２
次元ドツプラー速度計に本発明を応用している。第４．
第５．第６実施例同様回折格子１１０−１，１１０〜２
によって２対のプラス、マイナス次数の回折光Ｉ】Ｉ、
　Ｉｎ’　及び１２１’　、　Ｉ２２’　　に分離し、
回折格子ピッチが回折格子１１０−１．　１１０−２と
それぞれ等しく、又望ましくは光学系の中心軸と平行に
出射する１次光を効率よく回折する様構成された２対の
回折格子１１５−１１．　１．１５−１２、及び１１５
−２１，１１５−２２とより互いに平行な２対のコリメ
ート光を出射し、更に収束レンズ１４１によりその焦点
位置に収束、ビームウェストを交差させるもので、この
交差位置に流体Ｆ中の微粒子Ｐが通過したときの散乱光
を前述実施例の様に分光ビームスプリッタ１５０により
、ｘ、Ｘ方向のドツプラー信号光に分離して各々受光器
６１．　６２によって検出する。

本実施例においても、いずれの波長の光でも第８図で説
明した様に検出されるドツプラー周波数は波長変動の影
響を受けず、従って第４〜第６実施例と同様にして正確
な２次元速度測定が可能となる。

又本実施例も第３実施例同様微小領域での測定に有利で
ある。この様に光束を絞ってそのビームウェストを交叉
させて流体、又は移動物体中の微小部分の速度を検出す
るには他に、例えば第４〜第６実施例においてコリメー
タレンズ１０２−１．　１０２−２の代りに交叉位置に
収束する様な焦点距離を有する集光レンズを配置するこ
とによっても可能である。

第１４図に本発明の第８実施例のレーサードツプラー速
度計の概略図を示す。図中、１３１は１本の入射光束を
２本の平行光束にして出射するビームスプリッタ、７０
−１．７０−２はそれぞれＸ方向、Ｘ方向に長平方向を
有する直線格子が、それぞれＸ方向、Ｘ方向に複数同じ
ピッチ（ここではｄとする）で配列された回折格子、２
０６−１１．　２０６−１２゜２０６〜２１，２０６−
２２はミラー、８−１．８−２は被検物体７からの散乱
光を集光する集光レンズである。

半導体レーサーｌから射出されたレーサー光はビームス
プリッタ１３１により三元に分光され、さらにＸ方向、
Ｘ方向に各々の回折格子７０−１．７０−２によってｘ
ｚ面内で一一次光Ｉ＋＋、＋−次光ｒ＋２ｙｚ面内でｍ
＝次光１２＋　　、　　＋−次光１２２　　に分離され
、これらの回折光は各々の回折格子７０−１．７０２に
垂直に配置されたミラー２０６−１１．２０６−１２２
０６−２１．　２０６−２２により被検物体７上の異な
った位置に回折格子７０−１．７０−２の同格角と同角
度で入射せしめられる。被検物体７からの散乱反射光は
集光レンズ８−２及び８−１により集光し、Ｘ方向とＸ
方向のドツプラー信号光は各々受光器６２６１により検
出される。このときｘ、　　ｙ両方向のドツプラー信号
光は各々に対応した回折光の被検物体７への照射位置が
異なるので、互いに空間的に分離されており、前述実施
例にあるようなビームスプリッタは不要である。

本実施例の速度検出原理はＸ方向、Ｘ方向それぞ＋ｌ＋
＋つ？λプ笛１φ憧刷−臼性一奴ｈ　帰一て曾呂１１ｉ
Ｊ榊第３図、第４図で行ったものと同様であるので、こ
こでは省略する。本実施例においても光の波長変動に影
響されない正確な速度測定が可能である。

被検物体７の想定速度方向に対し、ｘ、　Ｘ方向を４５
°　に設定すると被検物体７の想定速度方向に対しｘ、
　　Ｘ方向を４５°　に設定すると被検物体７の想定速
度方向の速度ｖｈ及び直角方向の速度Ｖｐは第１実施例
同様 ｖ　ｈ＝　　　　　（ｆｘ　＋ｆｙ） ｎ Ｖｐ　＝　　　　（ｆ−ｆｙ） ｆｌ と表わされる。

尚、本実施例の場合、半導体レーザー１とビームスプリ
ッタ１３１の部分を半導体レーザー１を２つ使用する形
態にして、ビームスプリッタ１３１を省略する構成でも
よい。

第１５図、第１６図に本発明の第９実施例のレーザード
ツプラー速度計を示す。第１５図は概略図、第１６図は
側面図である。本実施例は第１実施例におけるミラー６
−１１．６−１２の位置をずらす事により回折光Ｉ　ｎ
　、　　Ｉ　１２の交叉位置と回折光Ｉ　２１　、　　
Ｉ　２２の交叉位置を異ならせ、各交叉位置から各々集
光レンズ８−１．８−２を用いてｘ＋Ｙ両方向で別個に
ドツプラー信号光を検出する様にしたものである。

半導体レーザー１から射出されたレーザー光Ｉは、ｘ、
　７両方向に回折溝の成形されている回折格子７０によ
り、Ｘ方向に一一次光Ｉｎ＋＋−次光１１２、Ｘ方向に
ｍ−次光Ｉ２１．＋−次光１２２に分離され、これらの
回折光は回折格子７０に垂直に配置されたミラー６−２
１．６−２２および回折格子に垂直かつ非対称位置に配
置されたミラー６−１１．６−１２により被検物体７上
の異なった位置に回折格子７０の回折角θ。と同角度θ
。で入射せしめられる。以下は前記第８の実施例と同一
なので省略する。

第１７図、第１８図に本発明の第１０実施例のレーザー
ドツプラー速度計を示す。第１７図は概略図、第１８図
は側面図である。本実施例は第２実施例における回折格
子１４−１１．１４−１２の位置をずらす事により回折
格子１４−１１．　１４−１２からの回折光の交叉位置
と回折格子１４−２１．　１４−２２からの回折光の交
叉位置を異ならせ、各交叉位置から各々集光レンズ８−
１．８−２を用いてｘ、　　７両方向て別個にドツプラ
ー信号光を検出する様にしたものである。

半導体レーザー１から射出されたレーザー光Ｉは、ｘ、
　７両方向に回折溝の成形されている回折格子７０によ
り、Ｘ方向にｍ−次光りｎ、＋−次光１１２、Ｘ方向に
ｍ−次光Ｉ２１．＋−次光Ｉ２２に分離され、これらの
回折光は回折格子７０に平行に配置された回２θ 折格子１４−２１．　１４−２２および回折路ｂ、に平
行かつ非対称位置に配置された回折格子１４−１１．１
４１２により被検物体７上の異なった位置に回折格子７
０の回折角θ。と同角度θゎで入射せしめられる。以下
は前記第８．第９の実施例と同一なので省略する。

さて上述した各実施例では、回折格子は±１次回折光を
出射する様にしであるが、任意の±ｎ次光（ｎは自然数
）を用いる事が可能で、また次数の異なる例えば０次光
とｎ次光の２光束を用いてもよい。

からの散乱光とを干渉させてドツプラー信号を得る参照
光法を用いてもよい。

又、上述した様な速度計は被検物体の複数ケ所の速度を
測定すべく複数設けても良い。

又、光束の被検物体への入射角度は、ｘ＋Ｙ両方向の測
定光でそれぞれ異ならせても同一にしても良い。

〔効果〕

以上述べてきた様に、本発明によればレーサー等の可干
渉光のドツプラー効果を利用した速度測定において、測
定用光の波長変動によらず、常に正確に被検物体の移動
速度を２次元的に測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の２次元レーザードツプラ
ー速度計の概略図、 第２図（ａ）　（ｂ）は同装置の回折格子の構成を示す
図、 第３図及び第４図は同第１実施例のレーザードツプラー
速度計による速度検出原理を説明するための説明図、 第５図は本発明の第２実施例の２次元レーザードツプラ
ー速度計の概略図、 第６図は同第２実施例の速度検出原理を説明する説明図
、 第７図は本発明の第３実施例の２次元レーザードツプラ
ー速度計の概略図、 第８図は同第３実施例の速度検出原理を説明する説明図
、 第９図は本発明の第４実施例の２次元レーザードツプラ
ー速度計の概略図、 第１０図（ａ）　（ｂ）は同装置の光学系の構成説明図
、 第１１図は本発明の第５実施例の２次元レーザードツプ
ラー速度計の光学系の構成説明図、第１２図は本発明の
第６実施例の２次元レーザードツプラー速度計の概略図
、 第１３図は本発明の第７実施例の２次木、レーザードツ
プラー速度計の概略図、 第１４図は本発明の第８実施例の２次元レーザードツプ
ラー速度計の概略図、 第１５図は本発明の第９実施例の２次元レーザードツプ
ラー速度計の概略図、 第１６図は同装置の側面図、 第１７図は本発明の第１０実施例の２次元レーザードツ
プラー速度計の概略図、 第１８図は同装置の側面図 第１９図は第１の従来例の説明図、 第２０図は第２の従来例の説明図、 第２１図はレーザーダイオードの発振波長の温度依存性
を示すグラフ図である。 図中、 Ｌ　　１０１−１，１０１−２：半導体レーザー７０、
　１１０−］、、　　］１１０−２；回折格子６−１１
６−１２．６−２１．６〜２２．　１０６−１１１０６
−１２．　１０６−２１．　１０６−２２．２０６−１
１゜２０６−１２．　　２０６−２１．　　２０６−２
２　　；　　　ミ　ラ　−５０；偏光ビームスプリッタ １５０；分光ビームスプリッタ ６１゜ 受光器 である。 Ｙ−Ｙ’ Ｔ−Ｙ′ ケース温戊ＴＣ（’Ｃ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長λ＿１の第一の光と波長λ＿２の第二の光を
   それぞれ入射角θ＿１、θ＿２で移動物体若しくは移動
   流体に入射させる照明系と、前記移動物体若しくは移動
   流体からの前記第一の光による散乱光の周波数の偏移に
   基づいて前記移動物体若しくは移動流体の所定方向に沿
   った速度状態を検出し、且つ前記移動物体若しくは移動
   流体からの前記第二の光による散乱光の周波数の偏移に
   基づいて前記移動物体若しくは移動流体の前記所定方向
   と交差する方向に沿った速度状態を検出する速度検出部
   と、を有し、ｓｉｎθ＿１／λ＿１とｓｉｎθ＿２／λ
   ＿２が各々ほぼ一定になるようにして該第一及び第二の
   光を前記移動物体若しくは移動流体に入射せしめること
   を特徴とするドップラー速度計。
2. （２）前記第一の光と第二の光は前記移動物体若しくは
   移動流体の略同一箇所に入射されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のドップラー速度計。
3. （３）前記第一の光と第二の光は波長がλ＿１＝λ＿２
   で且つ偏光方向が互いに垂直な直線偏光光であり、前記
   第一の光による散乱光と第二の光による散乱光は偏光ビ
   ームスプリッタによって分離された後それぞれ周波数偏
   移を検出されることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載のドップラー速度計。
4. （４）前記第一の光と第二の光は波長がλ＿１≠λ＿２
   であり、前記第一の光による散乱光と第二の光による散
   乱光は分光手段によって分離された後それぞれ周波数偏
   移を検出されることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載のドップラー速度計。
5. （５）前記第一の光と第二の光は前記移動物体若しくは
   移動流体の異なる箇所に入射されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のドップラー速度計。