JPH05107346A - レーザドツプラ速度計 - Google Patents

レーザドツプラ速度計

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JPH05107346A
JPH05107346A JP27096691A JP27096691A JPH05107346A JP H05107346 A JPH05107346 A JP H05107346A JP 27096691 A JP27096691 A JP 27096691A JP 27096691 A JP27096691 A JP 27096691A JP H05107346 A JPH05107346 A JP H05107346A
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laser
doppler
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irradiation
cylindrical lens
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Atsumi Koike
敦美 小池
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドップラ信号S/Nが高く、かつ空間的な計
測領域が広い、高精度なレーザドップラ速度計を提供す
ることを目的としている。 【構成】 レーザ発振器の後にビームコリメータ,シリ
ンドリカルレンズを配し、レーザビームをビームスプリ
ッタで2分割し、各々のレーザビームを全反射ミラーで
被測定物上に交差させるように配し、その散乱光を受光
レンズで光検出器に導くように配し、光検出器出力を処
理するための信号処理部を備えている。 【効果】 ドップラ信号S/Nを大幅に改善でき、かつ
空間的な計測領域を広く保つことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、光のドップラ効果を
利用して移動物体の移動速度を非接触で測定するレーザ
ドップラ速度計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、移動物体の速度を光のドップラ
効果を利用して測定するには、図4に示すような速度計
が用いられていた。図4は例えば特開昭54−8387
2号公報に示された従来のレーザドップラ速度計を示す
図であり、図において、1はレーザ発振器、2は所要の
レーザビーム径を得るためのビームコリメータ、3はビ
ームスプリッタ、4a ,4b ,4c は全反射ミラー、5
は被測定物、6は受光レンズ、7は光検出器、8は信号
処理部である。
【0003】図4に示すごとく、レーザ発振器1からの
レーザ光をビームコリメータ2で所要のビーム径にコリ
メートした後、ビームスプリッタ3で2分割し、全反射
ミラー4a ,4b によって互いに反対方向から被測定物
5上に交差させて照射すると、各々の照射レーザビーム
に対応した被測定物5からの散乱光の波長は被測定物5
の速度vに応じて、いわゆる正負のドップラシフトを起
こす。この2つの正負のドップラシフトを受けた散乱光
を受光レンズ6、全反射ミラー4c を介して受光し、光
検出器7で電気信号に変換すると、受信光に比例する直
流信号と“数1”に示すドップラ周波数fd の交流信号
(以下ドップラ信号という)が得られる。
【0004】
【数1】
【0005】ここで v:被測定物の速度 λ:レーザ光の波長 Ψ:2つの照射レーザビームの交差角
【0006】光検出器7で電気信号に変換されたドップ
ラ信号を信号処理部8に入力し、ドップラ周波数fd
求め“数1”により速度演算することにより、被測定物
5の速度vを求めることが出来る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図4に示すレーザドッ
プラ速度計の空間的な計測領域は、2つの照射レーザビ
ームの交差する領域で決定され、Lm は2つの照射レー
ザビームの交差する領域、図中Db は照射レーザビーム
の径、Ψは2つの照射レーザビームの交差角、wm は被
測定物5に2つの照射レーザビームが同心状態で交差し
たときのビーム幅、hm はこのときのビーム高さを示す
もので、Lm は“数2”で与えられる。
【0008】
【数2】
【0009】一方このレーザドップラ速度計を種々の製
造ラインに適用する場合には、一般にライン変動(被測
定物の位置変動)が±10mm〜±100と大きいため、
“数2”から、照射レーザビームの径Db を大きくする
か、2つの照射レーザビームの交差角Ψを小さくする必
要があり、交差角Ψを小さくする場合“数1”から単位
速度当りのドップラ周波数fd が小さくなって精度を低
下させるので限界があり、レーザビームの径Db を大き
くする手法が取られている。ところがレーザビームの径
b を大きくした場合、“数3”に示すように被測定物
に照射される面積S1 が大きくなるため、単位面積当り
の照射レーザパワーが低下し、ドップラシフトを受けた
散乱光の中で位相の揃った信号光のパワーが低下して、
ドップラ信号のS/Nが低下するという課題があった。
【0010】
【数3】
【0011】この発明は、かかる課題を解決するために
なされたものであり、ドップラ信号S/Nが高く、かつ
空間的な計測領域が広い、高精度なレーザドップラ速度
計を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明に係わるレーザ
ドップラ速度計は、照射レーザビームを、交差する2つ
の照射レーザビームが作る平面と垂直なレーザビーム成
分だけを交差位置でビームウエストができるように絞り
込んで、楕円形状ビームとして被測定物に照射するシリ
ンドリカルレンズを設けたものである。
【0013】また、シリンドリカルレンズを外気遮断用
として光学系の前面に配置し、散乱光の受光レンズ系に
上記シリンドリカルレンズと直交するシリンドリカルレ
ンズと集光レンズを設けている。
【0014】さらにまた、照射レーザビームを、交差す
る2つの照射レーザビームが作る平面と同一なレーザビ
ーム成分だけを所要の倍率だけ拡大する光学系を備えて
いる。
【0015】
【作用】この発明におけるシリンドリカルレンズは、照
射レーザビームを楕円形状ビームとして被測定物に照射
するため、Lm を決める方向のビーム幅は確保されたま
まビーム高さが圧縮されるので、Lm が保存されたま
ま、単位面積当りの照射レーザパワーがアップしてドッ
プラ信号の信号S/Nが改善される。
【0016】また、シリンドリカルレンズを外気遮断用
として光学系の前面に配置することで、ビームスプリッ
タで2分割されてからレーザビームが交差するまでの光
路長が異なる光学系においても、2つの照射レーザビー
ムに対して1個のシリンドリカルレンズで機能すること
が可能となり、構成が簡略化され、光軸調整に要する時
間も短縮できる。
【0017】さらにまた、音響光学変調器を用いて照射
レーザビームの周波数を所要周波数だけシフトさせる光
学系では、音響光学変調器の入射レーザビーム径に制限
が有るため、音響光学変調器通過後のレーザビームを、
Lm を決める方向のビーム幅だけを所要の倍率だけ拡大
する光学系を配置することで、Lm の範囲を拡大するこ
とができる。
【0018】
【実施例】
実施例1.図1はこの発明の1実施例の概略構成図を示
したものであり、1〜8及びDb ,Ψ,wm は上記従来
装置と全く同一のものである。9は挿入位置から2つの
レーザビーム交差位置までの光路長L1 + L2 と焦点距
離fが一致するようなシリンドリカルレンズであり、h
はシリンドリカルレンズで絞られた照射レーザビームの
ビームウエスト高さである。
【0019】上記のように構成されたレーザドップラ速
度計では、レーザ発振器1からのレーザ光をビームコリ
メータ2で所要のビーム径にコリメートし、シリンドリ
カルレンズ9で高さ方向のみ絞り込んだ後、ビームスプ
リッタ3で2分割し、全反射ミラー4a ,4b によって
互いに反対方向から被測定物5上に交差させて照射する
と、被測定物5上には楕円形状のビームが形成され、各
々の照射レーザビームに対応した被測定物5からの散乱
光の波長は被測定物5の速度vに応じて、正負のドップ
ラシフトを起こす。この2つの正負のドップラシフトを
受けた散乱光を受光レンズ6、全反射ミラー4c を介し
て受光し、光検出器7で電気信号に変換された信号には
“数1”で示したドップラ周波数fd を含んでいるた
め、従来のレーザドップラ速度計同様、光検出器7で電
気信号に変換されたドップラ信号を信号処理部8に入力
し、ドップラ周波数fd を求め速度演算することによ
り、被測定物5の速度vを求めることが出来る。
【0020】このときの照射レーザビームのビームウエ
スト高さhは次式で表される。
【0021】
【数4】
【0022】ここで f:シリンドリカルレンズの焦点距離 k:回折限界で決まるhに対する実際のレンズで可能な
hの比
【0023】したがって、被測定物面上での楕円形状の
照射ビーム面積S2は“数5”で与えられる。
【0024】
【数5】
【0025】ここで従来方式の照射ビーム面積S1 とこ
の発明による照射ビーム面積S2 の比を求めると“数
6”となり、例えばf=500mm,λ=632.8nm,
b =5mm,K=10とすればS2 /S1 =0.08と
なって、単位面積当りの照射レーザパワーが約12.5
倍となり、ドップラ信号S/Nが大幅に改善される。
【0026】
【数6】
【0027】実施例2.図2はシリンドリカルレンズ9
を外気遮断用として光学系の前面に配置しており、被測
定物5からの散乱光は、シリンドリカルレンズ9とこれ
に直交するシリンドリカルレンズ10によって平行光に
変換された後、集光レンズ11を介して光検出器に導か
れる。この図2によればビームスプリッタで2分割され
てからレーザビームが交差するまでの光路長が異なる光
学系においても、2つの照射レーザビームに対して1個
のシリンドリカルレンズで機能することが可能となり、
構成が簡略化され、光軸調整に要する時間も短縮でき
る。
【0028】実施例3.図3は音響光学変調器12a
12b を照射レーザビーム光路中に配し、2つの照射レ
ーザビームの各々の周波数を所要周波数だけシフトさ
せ、ドップラ周波数に一定のオフセット周波数を与える
光学で、この場合音響光学変調器12a ,12b の入射
レーザビーム径に制限が有るため、音響光学変調器通過
後のレーザビームを、シリンドリカルレンズ13a ,1
b ,14a ,14b でLm を決める方向のビーム幅だ
けを所要の倍率nだけ拡大した後に、シリンドリカルレ
ンズ9a ,9b で2つの照射レーザビームの交差位置で
高さ方向にビームウエストが形成される用に絞りこんで
おり、レーザビーム径に制限がある光学部品を使用した
場合でもLm が拡大できる。
【0029】なお、ビーム幅拡大光学系としてシリンド
リカルレンズの組み合せで説明したが、ビーム幅拡大後
にビームウエストが形成される用に絞りこんでいるの
で、一般のビーム拡大器で円状にビーム径を拡大しても
同等の効果が得られることは言うまでもない。
【0030】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を有する。
【0031】シリンドリカルレンズを用いて被測定物に
照射レーザビームを楕円形状ビームとして照射すること
により、空間的な計測領域を広くしたまま、単位面積当
りの照射レーザパワーをアップさせて、ドップラ信号の
信号S/Nを改善することができる。
【0032】また、シリンドリカルレンズを外気遮断用
として光学系の前面に配置する構成によれば、構成が簡
略化され、光軸調整に要する時間も短縮できる。
【0033】また、レーザビーム径に制限を受ける光学
系を使用した場合でも、照射光学系の最終段でビーム径
を拡大したのち楕円形状にビームを絞り込むことで、空
間的な計測領域を広くして、かつドップラ信号の信号S
/Nを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1を示すレーザドップラ速度
計の構成図である。
【図2】この発明の実施例2を示すレーザドップラ速度
計の構成図である。
【図3】この発明の実施例3を示すレーザドップラ速度
計の構成図である。
【図4】従来のレーザドップラ速度計を示す構成図であ
る。
【符号の説明】
1 レーザ発振器 2 ビームコリメータ 3 ビームスプリッタ 4a 全反射ミラー 4b 全反射ミラー 4c 全反射ミラー 5 被測定物 6 受光レンズ 7 光検出器 8 信号処理部 9 シリンドリカルレンズ 10 シリンドリカルレンズ 11 集光レンズ 12 音響光学変調器 13 シリンドリカルレンズ 14 シリンドリカルレンズ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 特定の波長を出力するレーザと、上記レ
    ーザの出力レーザビームを2分割するビームスプリッタ
    と、上記2分割したレーザビームの方向を移動物体上に
    交差させて照射し得るための複数のミラーと、上記2つ
    の照射レーザビームの各々について移動物体の移動速度
    に比例するドップラシフトを起こした散乱光を所要の開
    口径で受光するレンズ系と、上記レンズ系で受光したド
    ップラ信号を含む散乱光を光電変換する光検出器とを備
    えたレーザドップラ速度計において、交差する2つの照
    射レーザビームが作る平面と垂直なレーザビーム成分だ
    けを交差位置でビームウェストができるように絞り込む
    ためのシリンドリカルレンズを設けたことを特徴とする
    レーザドップラ速度計。
  2. 【請求項2】 上記シリンドリカルレンズを外気遮断用
    として光学系の前面に配置し、散乱光の受光レンズ系に
    上記シリンドリカルレンズと直交するシリンドリカルレ
    ンズと集光レンズを設けたことを特徴とする請求項第1
    項記載のレーザドップラ速度計。
  3. 【請求項3】 交差する2つの照射レーザビームが作る
    平面と同一方向のレーザビーム成分だけを所要の倍率で
    拡大する光学系を設けたことを特徴とする請求項第1項
    記載のレーザドップラ速度計。
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