JPH05322911A - ドップラー速度計及び変位情報検出装置 - Google Patents
ドップラー速度計及び変位情報検出装置Info
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- JPH05322911A JPH05322911A JP4123595A JP12359592A JPH05322911A JP H05322911 A JPH05322911 A JP H05322911A JP 4123595 A JP4123595 A JP 4123595A JP 12359592 A JP12359592 A JP 12359592A JP H05322911 A JPH05322911 A JP H05322911A
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- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 12
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
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- G01P3/366—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light by using diffraction of light
-
- G—PHYSICS
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- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ビーム交差部からの光を受光して得られるド
ップラー周波数によって、この交差部を通過する物体の
速度を測定するドップラー速度計において、測定深度に
よらず干渉縞が安定している高精度な構成を単純な光学
系で実現する構成を提案する事を目的とする。 【構成】 光源と、該光源からの光を受けて回折光を発
生する回折格子と、前記回折光を屈折させる事により被
検部に導くための互いに焦点距離Ｆが等しい第１及び第
２のレンズ系と、該第１及び第２のレンズ系からの光を
照射された被検部からの光を受光して速度検出用のドッ
プラー信号を得るための検出手段とを有し、前記第１及
び第２のレンズ系の間隔を前記焦点距離Ｆの２倍にする
とともに、前記回折光が透過する部分での第１のレンズ
系の球面収差を前記回折光が透過する部分での第２のレ
ンズ系の球面収差によって打ち消す様に配置した。
ップラー周波数によって、この交差部を通過する物体の
速度を測定するドップラー速度計において、測定深度に
よらず干渉縞が安定している高精度な構成を単純な光学
系で実現する構成を提案する事を目的とする。 【構成】 光源と、該光源からの光を受けて回折光を発
生する回折格子と、前記回折光を屈折させる事により被
検部に導くための互いに焦点距離Ｆが等しい第１及び第
２のレンズ系と、該第１及び第２のレンズ系からの光を
照射された被検部からの光を受光して速度検出用のドッ
プラー信号を得るための検出手段とを有し、前記第１及
び第２のレンズ系の間隔を前記焦点距離Ｆの２倍にする
とともに、前記回折光が透過する部分での第１のレンズ
系の球面収差を前記回折光が透過する部分での第２のレ
ンズ系の球面収差によって打ち消す様に配置した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、変位情報検出装置、特
に移動する物体や流体の速度を非接触に測定するドップ
ラー速度計に関する。本発明は特にレーザー光の周波数
の偏移を検知して速度を検出するレーザードップラー速
度計に有効である。
に移動する物体や流体の速度を非接触に測定するドップ
ラー速度計に関する。本発明は特にレーザー光の周波数
の偏移を検知して速度を検出するレーザードップラー速
度計に有効である。
【０００２】
【従来の技術】従来より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、レーザードップラー
速度計が使用されている。レーザードップラー速度計と
は、移動する物体や流体にレーザー光を照射し、該移動
物体も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（ドップラー効
果）を利用して、前記移動物体もしくは移動流体の移動
速度を測定する装置である。
且つ高精度に測定する装置として、レーザードップラー
速度計が使用されている。レーザードップラー速度計と
は、移動する物体や流体にレーザー光を照射し、該移動
物体も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（ドップラー効
果）を利用して、前記移動物体もしくは移動流体の移動
速度を測定する装置である。
【０００３】図３は、従来のレーザードップラー速度計
の一例を示す説明図である。
の一例を示す説明図である。
【０００４】同図においてレーザー光源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３となり、ビームスプリッター４によって二光束５ａ
及び５ｂに分割されてミラー６ａ及び６ｂで反射された
後、速度Ｖで移動している物体もしくは流体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。こ
のとき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のドッ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、ｆは次の（１）
式で表すことができる。
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、ビームスプリッター４によって二光束５ａ
及び５ｂに分割されてミラー６ａ及び６ｂで反射された
後、速度Ｖで移動している物体もしくは流体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。こ
のとき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のドッ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、ｆは次の（１）
式で表すことができる。
【０００５】 ｆ＝Ｖｓｉｎθ／λ … （１） ＋ｆ、−ｆのドッ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）式で与えられる。
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。
【０００６】 Ｆ＝２ｆ＝２Ｖｓｉｎθ／λ … （２） 従って、光検出器９の出力信号の周波数（以下、ドップ
ラー周波数と呼ぶ）を測定すれば、（２）式に基づいて
移動物体もしくは移動流体（被測定物）７の速度Ｖを求
めることができる。
ラー周波数と呼ぶ）を測定すれば、（２）式に基づいて
移動物体もしくは移動流体（被測定物）７の速度Ｖを求
めることができる。
【０００７】上記従来例のようなレーザードップラー速
度計では、（２）式から明らかなようにドップラー周波
数Ｆはレーザーの波長λに反比例し、したがってレーザ
ードッ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。連続発信が可能で波長が安
定したレーザー光源としてはＨｅ−Ｎｅ等のガスレーザ
ーが良く使用されるが、レーザー発信器が大きくまた電
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、光ファイバー通信
等に使用されているレーザーダイオード（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。
度計では、（２）式から明らかなようにドップラー周波
数Ｆはレーザーの波長λに反比例し、したがってレーザ
ードッ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。連続発信が可能で波長が安
定したレーザー光源としてはＨｅ−Ｎｅ等のガスレーザ
ーが良く使用されるが、レーザー発信器が大きくまた電
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、光ファイバー通信
等に使用されているレーザーダイオード（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。
【０００８】図４（' ８７三菱半導体データブック；光
半導体素子編から引用）はレーザー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、主としてレーザー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／℃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 〜0.3 ｎｍ／℃である。
半導体素子編から引用）はレーザー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、主としてレーザー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／℃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 〜0.3 ｎｍ／℃である。
【０００９】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
方法ではヒーター、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け、精
密に温度制御を行なう必要があり、レーザードップラー
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。
ダイオードを一定温度に制御する方法が採られる。この
方法ではヒーター、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け、精
密に温度制御を行なう必要があり、レーザードップラー
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。
【００１０】上述の問題を解決するレーザードップラー
速度計として、光源としてのレーザー光を回折格子に入
射し、得られる回折光のうち、０次以外の＋ｎ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あるいは移動流体に照射
し、該移動物体あるいは流体からの散乱光をフォトディ
テクターで検出する方式が特開平２ー２６２０６４号に
提案されている。
速度計として、光源としてのレーザー光を回折格子に入
射し、得られる回折光のうち、０次以外の＋ｎ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あるいは移動流体に照射
し、該移動物体あるいは流体からの散乱光をフォトディ
テクターで検出する方式が特開平２ー２６２０６４号に
提案されている。
【００１１】図５は格子ピッチｄなる透過型の回折格子
１０にレーザー光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θ0 は次式となる。
１０にレーザー光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θ0 は次式となる。
【００１２】ｓｉｎθ0 ＝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次光は次式で表される。
【００１３】 ｓｉｎθ0 ＝±ｎλ／ｄ … （３） ｎは１，２，… 図６はこの±ｎ次光をミラー６ａ、６ｂによって、被検
物体７への入射角がθ0 になるように２光束照射した図
であり、光検出器９のドップラー周波数Ｆは（２）及び
（３）式から Ｆ＝２Ｖｓｉｎθ0 ／λ＝２ｎＶ／ｄ … （４） となり、レーザー光Ｉの波長λに依存せず、回折格子１
０の格子ピッチｄに反比例し、被測定物７の速度に比例
する。格子ピッチｄは充分安定にしうるので、ドップラ
ー周波数Ｆは被測定物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。
物体７への入射角がθ0 になるように２光束照射した図
であり、光検出器９のドップラー周波数Ｆは（２）及び
（３）式から Ｆ＝２Ｖｓｉｎθ0 ／λ＝２ｎＶ／ｄ … （４） となり、レーザー光Ｉの波長λに依存せず、回折格子１
０の格子ピッチｄに反比例し、被測定物７の速度に比例
する。格子ピッチｄは充分安定にしうるので、ドップラ
ー周波数Ｆは被測定物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。
【００１４】本出願人はこのような方式の新たなるもの
として、以下のような装置をヨーロッパ特許出願公開公
報第０４５８２７４号で提案している。これは、レーザ
ー光の波長λの変化に応じて前記入射角θが変化し、ｓ
ｉｎθ／λがほぼ一定になる様に前記レーザー光を前記
移動物体若しくは移動流体に入射せしめる光学系とし
て、前記レーザー光を回折せしめて±ｎ次（ｎ＝１，
２，３…）の回折光を形成する回折格子と焦点距離Ｆが
等しい２枚のレンズとにより構成し、前記２枚レンズの
間隔（本明細書においてレンズ、またはレンズ群の間隔
とは、物体側レンズ（群）の像側主平面から像側レンズ
（群）の物体側主平面までの距離とし、他の対象物とレ
ンズ（群）との間隔とは、対象物からレンズ（群）の対
象物側主平面までの距離とする）を焦点距離Ｆの２倍に
設定している。このようにする事によって、波長が変動
したときの交差２光束のずれを無くす事を可能にしてい
る。又、更に前記回折格子と前記一方のレンズ群との間
隔を前記焦点距離より小さく設定する事により、ワーキ
ングディスタンスを長くし、操作性を良くしている。
として、以下のような装置をヨーロッパ特許出願公開公
報第０４５８２７４号で提案している。これは、レーザ
ー光の波長λの変化に応じて前記入射角θが変化し、ｓ
ｉｎθ／λがほぼ一定になる様に前記レーザー光を前記
移動物体若しくは移動流体に入射せしめる光学系とし
て、前記レーザー光を回折せしめて±ｎ次（ｎ＝１，
２，３…）の回折光を形成する回折格子と焦点距離Ｆが
等しい２枚のレンズとにより構成し、前記２枚レンズの
間隔（本明細書においてレンズ、またはレンズ群の間隔
とは、物体側レンズ（群）の像側主平面から像側レンズ
（群）の物体側主平面までの距離とし、他の対象物とレ
ンズ（群）との間隔とは、対象物からレンズ（群）の対
象物側主平面までの距離とする）を焦点距離Ｆの２倍に
設定している。このようにする事によって、波長が変動
したときの交差２光束のずれを無くす事を可能にしてい
る。又、更に前記回折格子と前記一方のレンズ群との間
隔を前記焦点距離より小さく設定する事により、ワーキ
ングディスタンスを長くし、操作性を良くしている。
【００１５】図７は、このような装置の光学系の要部概
略図である。同図に於いて、１０１はレーザードップラ
ー速度計である。１はレーザーダイオード、２はコリメ
ーターレンズ、７は被測定物、１０は回折格子、１１、
１２は焦点距離がｆの凸レンズ（図では薄肉レンズで示
してある）であり、図に示す様な配置構成になってい
る。但し、ａ，ｂは、ａ＋ｂ＝２ｆの関係を満足してい
る。
略図である。同図に於いて、１０１はレーザードップラ
ー速度計である。１はレーザーダイオード、２はコリメ
ーターレンズ、７は被測定物、１０は回折格子、１１、
１２は焦点距離がｆの凸レンズ（図では薄肉レンズで示
してある）であり、図に示す様な配置構成になってい
る。但し、ａ，ｂは、ａ＋ｂ＝２ｆの関係を満足してい
る。
【００１６】波長λが約０．６８μｍのレーザーダイオ
ード１からのレーザー光はコリメーターレンズ２によっ
て直径１．２ｍｍφの平行光束３となり、格子ピッチ
３．２μｍの透過型回折格子１０の格子配列方向に垂直
に入射し、±１次の回折光５ａ、５ｂを回折角θ＝１２
゜で出射する。光束５ａ、５ｂを焦点距離ｆの凸レンズ
１１に入射すると、図の様な光束１３ａ、１３ｂが得ら
れる。光束１３ａ、１３ｂを２ｆ離れたもう１つの凸レ
ンズ１２に入射すると、再び平行光１４ａ、１４ｂが得
られ、前述の回折格子からの回折角θと等しい角度で
１．２ｍｍφのスポット径となって被測定物７に照射す
る。被測定物７からの散乱光を凸レンズ１２及び集光レ
ンズ８により効率よく光検出器９受光部９ａへと集光さ
せ、（５）式に示すドップラー信号が含有された光信号
を検出する。
ード１からのレーザー光はコリメーターレンズ２によっ
て直径１．２ｍｍφの平行光束３となり、格子ピッチ
３．２μｍの透過型回折格子１０の格子配列方向に垂直
に入射し、±１次の回折光５ａ、５ｂを回折角θ＝１２
゜で出射する。光束５ａ、５ｂを焦点距離ｆの凸レンズ
１１に入射すると、図の様な光束１３ａ、１３ｂが得ら
れる。光束１３ａ、１３ｂを２ｆ離れたもう１つの凸レ
ンズ１２に入射すると、再び平行光１４ａ、１４ｂが得
られ、前述の回折格子からの回折角θと等しい角度で
１．２ｍｍφのスポット径となって被測定物７に照射す
る。被測定物７からの散乱光を凸レンズ１２及び集光レ
ンズ８により効率よく光検出器９受光部９ａへと集光さ
せ、（５）式に示すドップラー信号が含有された光信号
を検出する。
【００１７】 Ｆ＝２Ｖ／ｄ … （５） ここで、レーザーダイオード１の波長λが変化したとす
ると、ｄｓｉｎθ＝λに対応してθが変動するが、前述
の装置同様ドップラー信号は変動しない。又、この装置
では２光束スポットの位置も不動にすることができる。
即ち被測定物７を図７に示す配置に設定すると、被測定
物上では２光束スポットの位置が不動なのでスポット間
の位置ずれは生じず、常に適正な交差状態を保つ。
ると、ｄｓｉｎθ＝λに対応してθが変動するが、前述
の装置同様ドップラー信号は変動しない。又、この装置
では２光束スポットの位置も不動にすることができる。
即ち被測定物７を図７に示す配置に設定すると、被測定
物上では２光束スポットの位置が不動なのでスポット間
の位置ずれは生じず、常に適正な交差状態を保つ。
【００１８】又、ａ＜ｂである為、ｂは比較的長くな
り、ワーキングディスタンスを大きくする事ができ、速
度計設置の自由度が大きくなる。
り、ワーキングディスタンスを大きくする事ができ、速
度計設置の自由度が大きくなる。
【００１９】
【発明が解決しようとしている問題点】この様な装置に
おいては、高性能を実現するには、レーザーの波長変動
によって２光束交差部の干渉縞が安定している事、測定
深度によらず干渉縞が安定している事が必要である。
おいては、高性能を実現するには、レーザーの波長変動
によって２光束交差部の干渉縞が安定している事、測定
深度によらず干渉縞が安定している事が必要である。
【００２０】ここで、レーザー光のコリメート性（平行
性）について述べる。図７では光束交差部分（円内部
分）の拡大図を図８に示してある。コリメート光学系の
収差等の影響によりレーザー光のコリメート性が良好で
なく、光束が拡がり気味の時は、図８で示す様に干渉縞
の間隔が、本体から近い位置と遠い位置とで異なる。こ
のため、光束の交差空間を被測定物体が通過する際に、
物体が本体に近い側を通過する場合と本体から遠い側を
通過する場合とで検出結果が異なってしまう。つまり、
測定深度の違いにより、同じ速度に対する検出ドップラ
ー周波数が異なる。これは光束が収束気味の時も同様で
ある。
性）について述べる。図７では光束交差部分（円内部
分）の拡大図を図８に示してある。コリメート光学系の
収差等の影響によりレーザー光のコリメート性が良好で
なく、光束が拡がり気味の時は、図８で示す様に干渉縞
の間隔が、本体から近い位置と遠い位置とで異なる。こ
のため、光束の交差空間を被測定物体が通過する際に、
物体が本体に近い側を通過する場合と本体から遠い側を
通過する場合とで検出結果が異なってしまう。つまり、
測定深度の違いにより、同じ速度に対する検出ドップラ
ー周波数が異なる。これは光束が収束気味の時も同様で
ある。
【００２１】ここで、干渉縞の間隔をｐとし、２光束の
成す角度の１／２をθn とすると、 ｐ＝λ／２ｓｉｎ（θn ） … （６） ここで、回折格子 （格子ピッチｄ）での回折角をθ0
とすると、 ｄｓｉｎ（θ0 ）＝λ … （７） 光束のコリメート性の誤差を示すパラメータとして光束
内各光線の回折角θ0からの角度誤差をθ' とし、θn
＝θ0 ＋θ' （θ0 ；回折角、即ち角度誤差が無い時の
角度）とすると、各光線の形成する干渉縞間隔ｐは、以
下のように表される。
成す角度の１／２をθn とすると、 ｐ＝λ／２ｓｉｎ（θn ） … （６） ここで、回折格子 （格子ピッチｄ）での回折角をθ0
とすると、 ｄｓｉｎ（θ0 ）＝λ … （７） 光束のコリメート性の誤差を示すパラメータとして光束
内各光線の回折角θ0からの角度誤差をθ' とし、θn
＝θ0 ＋θ' （θ0 ；回折角、即ち角度誤差が無い時の
角度）とすると、各光線の形成する干渉縞間隔ｐは、以
下のように表される。
【００２２】 ｐ＝λ／２ｓｉｎ（θ0 ＋θ' ） … （８） 光束が理想的にコリメートされ、干渉縞の間隔が正規の
状態になっている時の縞間隔は、θn ＝θ0 となるとき
のｐだから、式（６）、式（７）より、 ｐ＝ｄ／２ …（９） となる。
状態になっている時の縞間隔は、θn ＝θ0 となるとき
のｐだから、式（６）、式（７）より、 ｐ＝ｄ／２ …（９） となる。
【００２３】具体的に絶対精度を±０．２％とすると、
（８）式が（９）式に対し、±０．２％以内の違いにな
る様な高いコリメート性を実現するθ' の値が要求さ
れ、即ちθ' は約１分以内が必要となる。
（８）式が（９）式に対し、±０．２％以内の違いにな
る様な高いコリメート性を実現するθ' の値が要求さ
れ、即ちθ' は約１分以内が必要となる。
【００２４】本発明は、上述従来例の応用発明であり、
上述の様な高精度を単純な光学系、例えば球面レンズの
組み合わせで実現する構成を提案する事を目的とするも
のである。
上述の様な高精度を単純な光学系、例えば球面レンズの
組み合わせで実現する構成を提案する事を目的とするも
のである。
【００２５】
【問題を解決する為の手段】上述目的を達成するため、
本発明のドップラー速度計は、光源と、該光源からの光
を受けて回折光を発生する回折格子と、前記回折光を屈
折させる事により被検部に導くための互いに焦点距離Ｆ
が等しい第１及び第２のレンズ系と、該第１及び第２の
レンズ系からの光を照射された被検部からの光を受光し
て速度検出用のドップラー信号を得るための検出手段と
を有し、前記第１及び第２のレンズ系の間隔を前記焦点
距離Ｆの２倍にするとともに前記回折格子から前記第１
のレンズ系までの間隔を前記第２のレンズ系から被検部
までの間隔よりも小さく設定し、更に前記回折光が透過
する部分での第１のレンズ系の球面収差を前記回折光が
透過する部分での第２のレンズ系の球面収差によって打
ち消す様に配置している。
本発明のドップラー速度計は、光源と、該光源からの光
を受けて回折光を発生する回折格子と、前記回折光を屈
折させる事により被検部に導くための互いに焦点距離Ｆ
が等しい第１及び第２のレンズ系と、該第１及び第２の
レンズ系からの光を照射された被検部からの光を受光し
て速度検出用のドップラー信号を得るための検出手段と
を有し、前記第１及び第２のレンズ系の間隔を前記焦点
距離Ｆの２倍にするとともに前記回折格子から前記第１
のレンズ系までの間隔を前記第２のレンズ系から被検部
までの間隔よりも小さく設定し、更に前記回折光が透過
する部分での第１のレンズ系の球面収差を前記回折光が
透過する部分での第２のレンズ系の球面収差によって打
ち消す様に配置している。
【００２６】又、本発明のドップラー速度計は、光源
と、該光源からの光を受けて回折光を発生する回折格子
と、前記回折光を屈折させる事により被検部に導くため
の両凸レンズ及び凸側を向かい合わせて配置された２枚
の平凸レンズの系を有するレンズ系と、該レンズ系から
の光を照射された被検部からの光を受光して速度検出用
のドップラー信号を得るための検出手段とを有し、前記
両凸レンズと前記平凸レンズ系を互いに焦点距離Ｆが等
しくするとともに前記両凸レンズと前記平凸レンズ系の
間隔を前記焦点距離Ｆの２倍にし、かつ前記回折格子か
ら前記両凸レンズまでの間隔を前記平凸レンズ系から被
検部までの間隔よりも小さく設定している。
と、該光源からの光を受けて回折光を発生する回折格子
と、前記回折光を屈折させる事により被検部に導くため
の両凸レンズ及び凸側を向かい合わせて配置された２枚
の平凸レンズの系を有するレンズ系と、該レンズ系から
の光を照射された被検部からの光を受光して速度検出用
のドップラー信号を得るための検出手段とを有し、前記
両凸レンズと前記平凸レンズ系を互いに焦点距離Ｆが等
しくするとともに前記両凸レンズと前記平凸レンズ系の
間隔を前記焦点距離Ｆの２倍にし、かつ前記回折格子か
ら前記両凸レンズまでの間隔を前記平凸レンズ系から被
検部までの間隔よりも小さく設定している。
【００２７】更に、本発明の変位情報検出装置は、光源
と、該光源からの光を受けて回折光を発生する回折格子
と、前記回折光を屈折させる事により被検部に導くため
の互いに焦点距離Ｆが等しい第１及び第２のレンズ系
と、該第１及び第２のレンズ系からの光を照射された被
検部からの光を受光して変位関連情報を得るための検出
手段とを有し、前記第１及び第２のレンズ系の間隔を前
記焦点距離Ｆの２倍にするとともに前記回折格子から前
記第１のレンズ系までの間隔を前記第２のレンズ系から
被検部までの間隔よりも小さく設定し、更に前記回折光
が透過する部分での第１のレンズ系の球面収差を前記回
折光が透過する部分での第２のレンズ系の球面収差によ
って打ち消す様に配置している。
と、該光源からの光を受けて回折光を発生する回折格子
と、前記回折光を屈折させる事により被検部に導くため
の互いに焦点距離Ｆが等しい第１及び第２のレンズ系
と、該第１及び第２のレンズ系からの光を照射された被
検部からの光を受光して変位関連情報を得るための検出
手段とを有し、前記第１及び第２のレンズ系の間隔を前
記焦点距離Ｆの２倍にするとともに前記回折格子から前
記第１のレンズ系までの間隔を前記第２のレンズ系から
被検部までの間隔よりも小さく設定し、更に前記回折光
が透過する部分での第１のレンズ系の球面収差を前記回
折光が透過する部分での第２のレンズ系の球面収差によ
って打ち消す様に配置している。
【００２８】
【実施例】図１は、本発明の実施例の速度計の光学系の
構成図である。図中、レーザーダイオード１から発生し
たレーザー光束３はコリメータレンズ２により厳密にコ
リメートされている。２１は曲率１５．５７ｍｍ厚さ
３．６ｍｍの両凸レンズ、２２ａ、２２ｂは曲率１５．
５７ｍｍ厚さ５．６ｍｍの平凸レンズ群で、両凸レン
ズ、平凸レンズ群の焦点距離ｆは共に約１５ｍｍであ
る。図７と同様の部材は同じ符号を冠してある。距離ａ
はワーキングディスタンスｂを大きくするために約１０
ｍｍとして、ワーキングディスタンスｂを約２０ｍｍに
設定している。
構成図である。図中、レーザーダイオード１から発生し
たレーザー光束３はコリメータレンズ２により厳密にコ
リメートされている。２１は曲率１５．５７ｍｍ厚さ
３．６ｍｍの両凸レンズ、２２ａ、２２ｂは曲率１５．
５７ｍｍ厚さ５．６ｍｍの平凸レンズ群で、両凸レン
ズ、平凸レンズ群の焦点距離ｆは共に約１５ｍｍであ
る。図７と同様の部材は同じ符号を冠してある。距離ａ
はワーキングディスタンスｂを大きくするために約１０
ｍｍとして、ワーキングディスタンスｂを約２０ｍｍに
設定している。
【００２９】図１に示したように、レンズ群の焦点距離
が等しく、レンズ群の間隔を焦点距離の２倍にして、ａ
を小さくとり、ｂを大きくした構成では、最初のレンズ
群（ここでは両凸レンズ２１）での光束の入射位置に対
し、第二のレンズ群（ここでは平凸レンズ群２２ａ、２
２ｂ）での光束の入射位置は光軸から離れる方向にかな
りずれる。
が等しく、レンズ群の間隔を焦点距離の２倍にして、ａ
を小さくとり、ｂを大きくした構成では、最初のレンズ
群（ここでは両凸レンズ２１）での光束の入射位置に対
し、第二のレンズ群（ここでは平凸レンズ群２２ａ、２
２ｂ）での光束の入射位置は光軸から離れる方向にかな
りずれる。
【００３０】図９に両凸レンズ（曲率半径１５．５７ｍ
ｍ）における代表的な収差図を示す。このように両凸レ
ンズでは光軸からの距離が離れるにしたがって収差（球
面収差）曲線の傾きが増加する。例えば最初のレンズ群
と第二のレンズ群を両方とも両凸レンズにすると、第二
のレンズ群への光束入射位置では収差の影響をかなり受
けることになってしまう。このため第二のレンズ群から
の出射光はコリメート性が大きく崩れてしまうことにな
る。これに対し２枚の平凸レンズ（曲率半径１５．５７
ｍｍ）の球面を互いに向かい合わせに配置したレンズ群
における代表的な収差図を図１０に示す。このようなレ
ンズ群においては、光軸からの距離が離れても、両凸レ
ンズほど収差曲線の傾きは増加しない。しかもこの平凸
レンズ群の光軸から離れた位置における収差曲線の傾き
は、両凸レンズの光軸により近い位置における収差曲線
の傾きに略合致する。
ｍ）における代表的な収差図を示す。このように両凸レ
ンズでは光軸からの距離が離れるにしたがって収差（球
面収差）曲線の傾きが増加する。例えば最初のレンズ群
と第二のレンズ群を両方とも両凸レンズにすると、第二
のレンズ群への光束入射位置では収差の影響をかなり受
けることになってしまう。このため第二のレンズ群から
の出射光はコリメート性が大きく崩れてしまうことにな
る。これに対し２枚の平凸レンズ（曲率半径１５．５７
ｍｍ）の球面を互いに向かい合わせに配置したレンズ群
における代表的な収差図を図１０に示す。このようなレ
ンズ群においては、光軸からの距離が離れても、両凸レ
ンズほど収差曲線の傾きは増加しない。しかもこの平凸
レンズ群の光軸から離れた位置における収差曲線の傾き
は、両凸レンズの光軸により近い位置における収差曲線
の傾きに略合致する。
【００３１】図１に示す本装置においては、光軸に近い
位置に光束が入射する最初のレンズ群には両凸レンズ２
１を使用し、光軸からより遠い位置に光束が入射する第
二のレンズ群には球面を対向させた平凸レンズ群２２
ａ、２２ｂによって構成している。両凸レンズ２１から
出射した光束は一旦集光し、両凸レンズによって発生し
た球面収差が逆転した（すなわち光束断面における収差
の傾きが光軸に対して逆になった）状態で平凸レンズ群
２２ａ、２２ｂに入射する。平凸レンズ群での光束入射
位置では、両凸レンズ２１での光束入射位置における収
差曲線と同じ、またはほぼ同様の収差曲線傾きになって
いるので、両凸レンズ２１からの球面収差が逆転した光
束は、平凸レンズ群２２ａ、２２ｂを通過することによ
り光束断面における収差の傾きが０ないし０に近い状態
になる、すなわち両凸レンズで発生した球面収差が補正
された形になる。したがって平凸レンズ群２２ａ、２２
ｂより出射した光束は高いコリメート性を持って被測定
物７付近で交差する。このため、交差部で発生する干渉
縞は本体から近い位置と遠い位置とでほぼ同じ間隔を有
することになり、結果として被測定物の通過位置に係わ
らず高精度な速度測定ができる。
位置に光束が入射する最初のレンズ群には両凸レンズ２
１を使用し、光軸からより遠い位置に光束が入射する第
二のレンズ群には球面を対向させた平凸レンズ群２２
ａ、２２ｂによって構成している。両凸レンズ２１から
出射した光束は一旦集光し、両凸レンズによって発生し
た球面収差が逆転した（すなわち光束断面における収差
の傾きが光軸に対して逆になった）状態で平凸レンズ群
２２ａ、２２ｂに入射する。平凸レンズ群での光束入射
位置では、両凸レンズ２１での光束入射位置における収
差曲線と同じ、またはほぼ同様の収差曲線傾きになって
いるので、両凸レンズ２１からの球面収差が逆転した光
束は、平凸レンズ群２２ａ、２２ｂを通過することによ
り光束断面における収差の傾きが０ないし０に近い状態
になる、すなわち両凸レンズで発生した球面収差が補正
された形になる。したがって平凸レンズ群２２ａ、２２
ｂより出射した光束は高いコリメート性を持って被測定
物７付近で交差する。このため、交差部で発生する干渉
縞は本体から近い位置と遠い位置とでほぼ同じ間隔を有
することになり、結果として被測定物の通過位置に係わ
らず高精度な速度測定ができる。
【００３２】両凸レンズ２１の光束入射位置における収
差曲線の傾きと平凸レンズ群２２ａ、２２ｂの光束入射
位置における収差曲線の傾きを一致させるように光学系
を設定するのが望ましいが、距離ａをワーキングディス
タンスｂより小さく設定した系においては、最初のレン
ズ群を両凸レンズにし、第二のレンズ群を曲面を対向さ
せた平凸レンズ群にすれば、基本的に両凸レンズによっ
て発生した球面収差が平凸レンズ群によって補正される
傾向にある。
差曲線の傾きと平凸レンズ群２２ａ、２２ｂの光束入射
位置における収差曲線の傾きを一致させるように光学系
を設定するのが望ましいが、距離ａをワーキングディス
タンスｂより小さく設定した系においては、最初のレン
ズ群を両凸レンズにし、第二のレンズ群を曲面を対向さ
せた平凸レンズ群にすれば、基本的に両凸レンズによっ
て発生した球面収差が平凸レンズ群によって補正される
傾向にある。
【００３３】図２は本光学系の詳細を示す図で、Ｄ1 、
Ｄ2 、Ｄ3 はそれぞれの光学部品の間隔である。又、光
線Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖは、回折格子（格子ピッ
チ：３．２μｍ）に対し共に垂直でそれぞれＸ軸上の位
置が＋０．６ｍｍ、＋０．３ｍｍ、０、−０．３ｍｍ、
−０．６ｍｍの光線である。間隔Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ3 の値
を表１に示す。
Ｄ2 、Ｄ3 はそれぞれの光学部品の間隔である。又、光
線Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖは、回折格子（格子ピッ
チ：３．２μｍ）に対し共に垂直でそれぞれＸ軸上の位
置が＋０．６ｍｍ、＋０．３ｍｍ、０、−０．３ｍｍ、
−０．６ｍｍの光線である。間隔Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ3 の値
を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】この光学系において、球面収差が良好に補
正されていることを以下に説明する。表２にレーザー波
長が６８５ｎｍの時の光線Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ
の光線追跡の結果、及び６８５ｎｍに対し±１０ｎｍ変
動させた場合の光線追跡の結果を示す。各値は被測定物
７付近で光束が交差した際の各光線の回折角θ0 からの
角度誤差θ'の値を示し、単位は分である。
正されていることを以下に説明する。表２にレーザー波
長が６８５ｎｍの時の光線Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ
の光線追跡の結果、及び６８５ｎｍに対し±１０ｎｍ変
動させた場合の光線追跡の結果を示す。各値は被測定物
７付近で光束が交差した際の各光線の回折角θ0 からの
角度誤差θ'の値を示し、単位は分である。
【００３６】
【表２】
【００３７】表２よりレーザー波長が６８５ｎｍの時の
θ' はいずれも１分以内になっており、光束の平行性を
保った状態で２光束交差する事が分かり、よって、測定
深度によらず干渉縞が安定する。言い換えると、両凸レ
ンズと平凸レンズ群の収差がほぼ打ち消し合った状態と
なる。
θ' はいずれも１分以内になっており、光束の平行性を
保った状態で２光束交差する事が分かり、よって、測定
深度によらず干渉縞が安定する。言い換えると、両凸レ
ンズと平凸レンズ群の収差がほぼ打ち消し合った状態と
なる。
【００３８】又、レーザー波長が６８５ｎｍに対し±１
０ｎｍ変動させた場合の光線追跡の結果からも、波長が
例えば温度変化により変動してもθ0 とθ1 はほぼ等し
く干渉縞間隔は安定することがわかる。
０ｎｍ変動させた場合の光線追跡の結果からも、波長が
例えば温度変化により変動してもθ0 とθ1 はほぼ等し
く干渉縞間隔は安定することがわかる。
【００３９】本実施例では、格子ピッチの３．２μｍの
時の光学系の一例を示したが、当然ながら、同じ格子ピ
ッチの場合には、光学系を比例で拡大または縮小（つま
り曲率半径、レンズ厚、及び光学部品の間隔の値を比例
拡大又は縮小）してもθ0 とθ1 の角度差は等しくな
り、本実施例の示唆する所に含まれる。
時の光学系の一例を示したが、当然ながら、同じ格子ピ
ッチの場合には、光学系を比例で拡大または縮小（つま
り曲率半径、レンズ厚、及び光学部品の間隔の値を比例
拡大又は縮小）してもθ0 とθ1 の角度差は等しくな
り、本実施例の示唆する所に含まれる。
【００４０】上述の例に対し、レーザー光の波長や格子
ピッチを変えた場合には、光学系を透過する位置が異な
って来るが、レンズの曲率半径、レンズ厚、及び光学部
品の間隔を最適値となるように変えることによって対処
出来る。
ピッチを変えた場合には、光学系を透過する位置が異な
って来るが、レンズの曲率半径、レンズ厚、及び光学部
品の間隔を最適値となるように変えることによって対処
出来る。
【００４１】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明により球面レ
ンズ等の簡単な光学系を用いて、高精度で操作性の良い
レーザードップラー速度計を実現することができた。
ンズ等の簡単な光学系を用いて、高精度で操作性の良い
レーザードップラー速度計を実現することができた。
【図１】本発明の実施例の説明図である。
【図２】本発明の実施例の光学系の説明図である。
【図３】レーザードップラー速度計の従来例を示す図で
ある。
ある。
【図４】レーザーダイオードの発振周波数の温度依存性
の一例を示すグラフである。
の一例を示すグラフである。
【図５】回折格子の説明図である。
【図６】回折格子を用いたレーザードップラー速度計の
説明図である。
説明図である。
【図７】以前に提案されたレーザードップラー速度計光
学系の要部概略図である。
学系の要部概略図である。
【図８】レーザー光のコリメート性（平行性）を説明す
る図である。
る図である。
【図９】両凸レンズの収差図の一例である。
【図１０】平凸レンズ群の収差図の一例である。
１ レーザー ２ コリメーターレンズ ３ 平行レーザー光束 ５ａ レーザー光束 ５ｂ レーザー光束 ７ 被測定物 ８ 集光レンズ ９ 光検出器 １０ 回折格子 １１ 凸レンズ １２ 凸レンズ １３ａ レーザー光束 １３ｂ レーザー光束 １４ａ レーザー光束 １４ｂ レーザー光束 ２１ 両凸レンズ ２２ａ レーザー光束 ２２ｂ 平凸レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 泰彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内
Claims (5)
- 【請求項１】 光源と、該光源からの光を受けて回折光
を発生する回折格子と、前記回折光を屈折させる事によ
り被検部に導くための互いに焦点距離Ｆが等しい第１及
び第２のレンズ系と、該第１及び第２のレンズ系からの
光を照射された被検部からの光を受光して速度検出用の
ドップラー信号を得るための検出手段とを有し、前記第
１及び第２のレンズ系の間隔を前記焦点距離Ｆの２倍に
するとともに前記回折格子から前記第１のレンズ系まで
の間隔を前記第２のレンズ系から被検部までの間隔より
も小さく設定し、更に前記回折光が透過する部分での第
１のレンズ系の球面収差を前記回折光が透過する部分で
の第２のレンズ系の球面収差によって打ち消す様に配置
した事を特徴とするドップラー速度計。 - 【請求項２】 光源と、該光源からの光を受けて回折光
を発生する回折格子と、前記回折光を屈折させる事によ
り被検部に導くための両凸レンズ及び凸側を向かい合わ
せて配置された２枚の平凸レンズの系を有するレンズ系
と、該レンズ系からの光を照射された被検部からの光を
受光して速度検出用のドップラー信号を得るための検出
手段とを有し、前記両凸レンズと前記平凸レンズ系を互
いに焦点距離Ｆが等しくするとともに前記両凸レンズと
前記平凸レンズ系の間隔を前記焦点距離Ｆの２倍にし、
かつ前記回折格子から前記両凸レンズまでの間隔を前記
平凸レンズ系から被検部までの間隔よりも小さく設定し
た事を特徴とするドップラー速度計。 - 【請求項３】 前記光源からのレーザー光を平行光束と
して前記回折格子に照射し、前記回折格子から得られる
±ｎ次回折光を前記両凸レンズにより偏向させ、前記偏
向した２光束を前記２枚の平凸レンズにより偏向させて
前記被検部の移動物体若しくは移動流体に入射せしめる
事を特徴とする請求項２記載のドップラー速度計。 - 【請求項４】 前記平凸レンズ系の２枚の平凸レンズの
曲面の曲率を前記両凸レンズの曲面の曲率とほぼ同一に
したことを特徴とする請求項２ないし３のドップラー速
度計。 - 【請求項５】 光源と、該光源からの光を受けて回折光
を発生する回折格子と、前記回折光を屈折させる事によ
り被検部に導くための互いに焦点距離Ｆが等しい第１及
び第２のレンズ系と、該第１及び第２のレンズ系からの
光を照射された被検部からの光を受光して変位関連情報
を得るための検出手段とを有し、前記第１及び第２のレ
ンズ系の間隔を前記焦点距離Ｆの２倍にするとともに前
記回折格子から前記第１のレンズ系までの間隔を前記第
２のレンズ系から被検部までの間隔よりも小さく設定
し、更に前記回折光が透過する部分での第１のレンズ系
の球面収差を前記回折光が透過する部分での第２のレン
ズ系の球面収差によって打ち消す様に配置した事を特徴
とする変位情報検出装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4123595A JP2899165B2 (ja) | 1992-05-15 | 1992-05-15 | ドップラー速度計及び変位情報検出装置 |
| US08/419,746 US5483332A (en) | 1992-05-15 | 1995-04-10 | Displacement information detecting apparatus and doppler velocimeter apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4123595A JP2899165B2 (ja) | 1992-05-15 | 1992-05-15 | ドップラー速度計及び変位情報検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05322911A true JPH05322911A (ja) | 1993-12-07 |
| JP2899165B2 JP2899165B2 (ja) | 1999-06-02 |
Family
ID=14864505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4123595A Expired - Fee Related JP2899165B2 (ja) | 1992-05-15 | 1992-05-15 | ドップラー速度計及び変位情報検出装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5483332A (ja) |
| JP (1) | JP2899165B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2564071C1 (ru) * | 2014-06-27 | 2015-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Способ компенсации световых потерь, вызванных сферическими аберрациями в системе с интерферометром фабри-перо |
| JP2019097574A (ja) * | 2017-11-28 | 2019-06-24 | 愛知時計電機株式会社 | 測定装置 |
Families Citing this family (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7831358B2 (en) * | 1992-05-05 | 2010-11-09 | Automotive Technologies International, Inc. | Arrangement and method for obtaining information using phase difference of modulated illumination |
| US5796470A (en) * | 1995-02-28 | 1998-08-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Frequency shifter and optical displacement measuring apparatus using the frequency shifter |
| JP3492012B2 (ja) * | 1995-03-09 | 2004-02-03 | キヤノン株式会社 | 変位情報検出装置 |
| JPH08304430A (ja) * | 1995-05-12 | 1996-11-22 | Canon Inc | 周波数シフタ及びそれを用いた光学式変位計測装置 |
| JPH09113523A (ja) * | 1995-10-23 | 1997-05-02 | Canon Inc | ドップラー速度計及び駆動システム |
| JP3647135B2 (ja) * | 1996-04-15 | 2005-05-11 | キヤノン株式会社 | 光学式変位情報測定装置 |
| US6151185A (en) * | 1996-09-05 | 2000-11-21 | Canon Kabushiki Kaisha | Position detecting apparatus, positioning apparatus, and information recording apparatus using the same |
| JPH10227858A (ja) * | 1997-02-13 | 1998-08-25 | Canon Inc | 変位情報測定装置 |
| US6631047B2 (en) | 1997-09-22 | 2003-10-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Interference device, position detecting device, positioning device and information recording apparatus using the same |
| EP1131639A4 (en) | 1998-09-28 | 2002-09-18 | California Inst Of Techn | MINIATURIZED OPTICAL SENSOR |
| JP4365927B2 (ja) * | 1999-03-12 | 2009-11-18 | キヤノン株式会社 | 干渉計測装置及び格子干渉式エンコーダ |
| EP1045227B2 (en) | 1999-04-16 | 2012-04-18 | Canon Kabushiki Kaisha | Encoder |
| JP2000321021A (ja) | 1999-05-10 | 2000-11-24 | Canon Inc | 干渉装置、変位測定装置、及びそれを用いた情報記録又は／及び再生装置 |
| JP4298093B2 (ja) | 1999-11-10 | 2009-07-15 | キヤノン株式会社 | 光学式回転位置情報検出装置 |
| US7085203B2 (en) * | 2000-03-03 | 2006-08-01 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical head with defocusing correction and spherical aberration correction |
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