JPH08240604A - 変位情報測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドップラー効果を利用して移動物体の変位情
報を高精度に検出することができる変位情報測定装置を
得ること。 【構成】 光源手段からの光束を回折格子に入射させ、
該回折格子からの２つの回折光を移動物体面上に異なっ
た方向から該２つの回折光が該移動物体面近傍で交差す
るように各要素を設定して照射し、該移動物体面からの
ドップラーシフトを受けた散乱光を検出手段で検出し、
該検出手段で得られる信号を利用して該移動物体の移動
情報を検出する際、該回折格子からの２つの回折光を該
移動物体の変位情報検出方向にのみに屈折力を有する第
１レンズと球面レンズより成る第２レンズとを介して該
移動物体に入射させており、変位情報検出方向における
該第１レンズと第２レンズの焦点距離を各々ｆ_１ ，ｆ
_２ としたとき該第１レンズと第２レンズとの間隔を略
ｆ_１ ＋ｆ_２ としていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は変位情報測定装置に関
し、例えば移動する物体や流体等（以下「移動物体」と
称する。）にレーザー光を照射し、該移動物体の移動速
度に応じてドップラーシフトを受けた散乱光の周波数の
偏移を検出することにより移動物体の変位に関する変位
情報や移動物体の移動速度を非接触で測定するようにし
たドップラー効果を利用した変位情報測定装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より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、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は移
動物体にレーザー光を照射し、該移動物体からの散乱光
の周波数が、移動物体の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、移動物体
の移動速度を測定している。

【０００３】一例として図２に特願平２−１３０５９０
号で提案されているレーザードップラー速度計の要部概
略図を示す。同図において、１０１はレーザードップラ
ー速度計である。１はレーザー、２はコリメーターレン
ズ、７は移動物体としての被測定物体、１０は格子ピッ
チｄの回折格子、１１，１２は焦点距離がｆの凸レンズ
であり、図に示すような配置構成になっている。回折格
子１０からレンズ１１までの距離をａ，レンズ１２から
被測定物体（移動物体）７までの距離ｂとしたとき、
ａ，ｂはａ＋ｂ＝２ｆの関係を満足している。

【０００４】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２ｍｍφの平行光束３となり、格子ピッチｄが
３．２μｍの透過型の回折格子１０の格子配列方向に垂
直に入射する。このとき±１次の回折光５ａ，５ｂの回
折角θはｄｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝１）より回折角θ１＝
１２°で出射する。

【０００５】光束５ａ，５ｂが焦点距離ｆ（＝１５ｍ
ｍ）の凸レンズ１１に入射すると、図のような光束１３
ａ，１３ｂが得られる。光束１３ａ，１３ｂが２ｆ（＝
３０ｍｍ）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１０からの回折角θ１と等しい角度で２ｍｍφのスポ
ット径となって速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）の被測定物体７
を照射する。

【０００６】被測定物体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
へと集光させる。このとき受光部９ａ面上では２光束１
４ａ，１４ｂの散乱光による明暗の変化が生じる。検出
部９では、（１）式に示すドップラー信号が含有された
光信号（ドップラー周波数Ｆ）を検出する。そして演算
手段２４により（１）式を用いて移動物体７の速度情報
を得ている。

【０００７】 Ｆ＝２Ｖ／ｄ＝Ｖ／１．６（ｋＨｚ） ・・・・・・（１） ここでレーザーダイオード１からのレーザー光の波長λ
が変化したとすると、ｄｓｉｎθ＝λに対応して回折角
θが変動するが、ドップラー信号Ｆは変動しない。又こ
の装置では２光束スポットの位置２５も不動にしてい
る。即ち、被測定物体７を図２に示す配置に設定して、
被測定物体７上で２光束のスポットの位置が不動となる
ようにしてスポット間の位置ずれが生じないようにし
て、常に適正な交差状態を保っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図２に示すドップラー
速度計では被測定物体７に照射される２光束は直径Ｄ₀
の光束であり、反射散乱光は不規則な斑点状のいわゆる
スペックルパターンを形成し、被測定物体７面から距離
Ｌだけ離れた集光レンズ８面上でのスペックルパターン
の平均直径Ｄは、 Ｄ∝λＬ／Ｄ₀ ・・・・・・（２） で表される。

【０００９】即ち、有限な大きさである直径Ｄの平行光
束及び有限な距離Ｌのために、集光レンズ８面上では多
くのスペックルが形成されていることになり、そのため
光検出器９の出力は直流成分に対して、交流成分（ドッ
プラー信号分）の小さいＳ／Ｎの低い信号になるという
欠点があった。

【００１０】本発明は回折格子より生ずる回折光を集光
する第１レンズの屈折力を適切に設定することにより、
光検出器からＳ／Ｎ比の良い信号を得て移動物体の変位
情報を高精度に検出することのできるドップラー効果を
利用した変位情報測定装置の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の変位情報測定装
置は、光源手段からの光束を回折格子に入射させ、該回
折格子からの２つの回折光を移動物体面上に異なった方
向から該２つの回折光が該移動物体面近傍で交差するよ
うに各要素を設定して照射し、該移動物体面からのドッ
プラーシフトを受けた散乱光を検出手段で検出し、該検
出手段で得られる信号を利用して該移動物体の移動情報
を検出する際、該回折格子からの２つの回折光を該移動
物体の変位情報検出方向にのみに屈折力を有する第１レ
ンズと球面レンズより成る第２レンズとを介して該移動
物体に入射させており、変位情報検出方向における該第
１レンズと第２レンズの焦点距離を各々ｆ_１ ，ｆ_２
としたとき該第１レンズと第２レンズとの間隔を略ｆ_１
＋ｆ_２ としていることを特徴としている。

【００１２】特に、前記回折格子と前記第１レンズとの
間隔を略ｆ_１ としていることを特徴としている。

【００１３】

【実施例】図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例１の要
部平面図と要部断面図である。

【００１４】本実施例では図１（Ａ）の紙面内（移動面
内）において移動物体７が速度Ｖで矢印７ａの如く移動
している場合を示している。図１において２０１は速度
計である。

【００１５】１は光源で、例えばレーザーダイオード等
（以下「レーザー」と称する。）より成っており、波長
λ＝０．６８μｍのレーザー光を放射している。２はコ
リメーターレンズであり、レーザー１からの光束を直径
２ｍｍの平行光束３にしている。１０は回折格子であ
り、例えば格子ピッチｄが３．２μｍの透過型の回折格
子より成り±１次回折光５ａ，５ｂが回折角θ１（θ１
＝１２°）で回折するように設定している。

【００１６】２１は速度方向（矢印ａ方向）にのみ屈折
力を有する第１レンズ（光学素子）としてのシリンドリ
カルレンズ（焦点距離ｆ₁＝１６ｍｍ）である。シリン
ドリカルレンズ２１は移動面内において、回折格子１０
からの±１次回折光５ａ，５ｂを集光し、光束２３ａ，
２３ｂとし、点Ｐに集光した後に第２レンズとしてのレ
ンズ群２２に導光している。レンズ群２２は球面レンズ
（焦点距離ｆ₂＝２５ｍｍ）より成り、入射してきた光
束２３ａ，２３ｂを平行光束２４ａ，２４ｂとして射出
させて入射角θ２２で移動物体７に入射させている。

【００１７】コリメーターレンズ２、回折格子１０、第
１レンズ２１、そして第２レンズ２２等は光源手段１か
らの光束を移動物体７に入射させる光学部材の一要素を
構成している。

【００１８】図１（Ｂ）の移動面とは直交する面ではシ
リンドリカルレンズ２１は回折光５ａ，５ｂをそのまま
平行光束２３として通過させ第２レンズ２２に入射して
いる。第２レンズ２２は平行光束２３を集光して光束２
４として移動物体７に入射させている。

【００１９】第１レンズ２１と第２レンズ２２はそれら
の間隔が略ｆ₁ ＋ｆ₂（＝４１ｍｍ）となるように配置
している。７は移動物体または移動流体（以下「移動物
体」と称する。）であり、移動速度Ｖで矢印７ａ方向に
移動している。

【００２０】８は集光レンズであり、移動物体７からの
反射光をレンズ群２２を介して集光して光検出器９に導
光している。

【００２１】本実施例において、レーザー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、回折格子１０に垂直入射する。そして回折
格子１０からの±１次（ｎ次）回折光５ａ，５ｂは回折
角θ１で射出し、第１レンズ２１に入射する。そして図
（Ａ）の移動面内においては回折光５ａ，５ｂは第１レ
ンズ２１で光束２３ａ，２３ｂとして点Ｐに集光した後
に第２レンズ２２に入射している。

【００２２】このとき光束２３ａ，２３ｂを距離ｆ₁ ＋
ｆ₂ ＝４１ｍｍ離れた第２レンズ２２に入射させて、図
１（Ａ）の速度測定方向では再び平行光２４ａ，２４ｂ
とし、図（Ｂ）の速度測定方向に対し垂直な方向では被
測定物体７で収束する光束２４としている。

【００２３】その際、前述の回折格子１０からの回折角
θ₁ に対し、 ｆ₁ ｔａｎθ₁ ＝ｆ₂ ｔａｎθ₂ ・・・・・・（３） より得られる角度θ₂ で被測定物体７に照射している。
被測定物体７からの散乱光を第２レンズ２２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、（４）式に示すドップラー信号Ｆが含有された光
信号を検出している。

【００２４】 Ｆ＝２Ｖｓｉｎθ₂ ／λ ・・・・・・（４） ここで、レーザーダイオード１からの光束の波長λが変
化したとすると、 ｄｓｉｎθ₁ ＝λ ・・・・・・・・（５） に対応してθ₁ が変動するが、（３），（４），（５）
式及び近軸結像関係（ｓｉｎθ≒ｔａｎθ≒θ）によ
り、ドップラー信号Ｆは、 Ｆ＝２Ｖｆ₁ ／ｆ₂ ｄ＝Ｖ／２．５（ｋＨｚ） ・・・・・・（６） となり、近似的にではあるが波長依存性のない光学系を
実現している。

【００２５】この時、光束２４ａ，２４ｂの被測定物体
７への照射径は、速度測定方向は元々の直径２ｍｍφに
対し、ｆ₂ ／ｆ₁ ＝１．５６倍になり、速度測定方向に
対し垂直な方向では理想的にはビームウエストの式によ
り数十μｍまで絞ることができる。

【００２６】このとき（２）式により、速度測定方向に
対し垂直な方向での集光レンズ８面上でのスペックルパ
ターンの平均直径が飛躍的に大きくなり、これにより光
検出器９の出力は直流成分に対して交流成分（ドップラ
ー信号分）の平均化が小さくなり、高いＳ／Ｎを実現し
ている。

【００２７】本実施例では焦点距離ｆ₁ とｆ₂ が違う場
合を示したが、当然ながらｆ₁ ＝ｆ ₂ としても良く、そ
の場合はドップラー信号Ｆが（１）式と同一となる。

【００２８】また本実施例では、回折格子１０と第１レ
ンズ２１との間隔を第１レンズ２１の焦点距離ｆ₁ に設
定しているが、例えば回折格子１０と第１レンズ２１と
の間隔をｆ₁ より小さくすると第２レンズ２２と被測定
物体７との間隔を大きくすることができ、ワーキングデ
ィスタンスを大きくすることができる。また光検出器９
自体の小型化も図れる。その際、被測定物体７への照射
径は速度測定方向に対し垂直な方向ではビームウエスト
から外れるが比較的照射径を小さくでき、本発明の実施
例と同様に高いＳ／Ｎを実現することができる。

【００２９】また本実施例においては、被測定物体７の
代わりにスケールを配置しても良く、これによればエン
コーダーの機能を果たすことができる。この際、スケー
ルの移動方向に対し垂直方向に照射光束が絞られている
ため、仮にスケールの取付けが傾いても、スケールから
の２つの回折光はスケール移動方向に対し垂直方向には
干渉縞が立ちにくく、交流成分の平均化が小さくなり、
高いＳ／Ｎを得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、回折格子
より生ずる回折光を集光する第１レンズの屈折力を適切
に設定することにより、光検出器からＳ／Ｎ比の良い信
号を得て移動物体の変位情報を高精度に検出することの
できるドップラー効果を利用した変位情報測定装置を達
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の要部概略図

【図２】従来のレーザードップラー速度計の要部概略図

【符号の説明】

１ 光源 ２ コリメーターレンズ ７ 移動物体 ８ 集光レンズ ９ 検出手段 １０ 回折格子 ２１ 第１レンズ ２２ 第２レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源手段からの光束を回折格子に入射さ
   せ、該回折格子からの２つの回折光を移動物体面上に異
   なった方向から該２つの回折光が該移動物体面近傍で交
   差するように各要素を設定して照射し、該移動物体面か
   らのドップラーシフトを受けた散乱光を検出手段で検出
   し、該検出手段で得られる信号を利用して該移動物体の
   移動情報を検出する際、該回折格子からの２つの回折光
   を該移動物体の変位情報検出方向にのみに屈折力を有す
   る第１レンズと球面レンズより成る第２レンズとを介し
   て該移動物体に入射させており、変位情報検出方向にお
   ける該第１レンズと第２レンズの焦点距離を各々ｆ₁ ，
   ｆ₂ としたとき該第１レンズと第２レンズとの間隔を略
   ｆ₁ ＋ｆ₂ としていることを特徴とする変位情報測定装
   置。
2. 【請求項２】 前記回折格子と前記第１レンズとの間隔
   を略ｆ₁ としていることを特徴とする請求項１の変位情
   報測定装置。