JPH08292266A - 速度センサヘッド及び速度計測装置 - Google Patents
速度センサヘッド及び速度計測装置Info
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- JPH08292266A JPH08292266A JP7119047A JP11904795A JPH08292266A JP H08292266 A JPH08292266 A JP H08292266A JP 7119047 A JP7119047 A JP 7119047A JP 11904795 A JP11904795 A JP 11904795A JP H08292266 A JPH08292266 A JP H08292266A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 センサヘッドとしての小型軽量化を実現する
とともに、安価かつ容易に製造できるようにし、さらに
Ｓ／Ｎの悪化を招かないようにする。 【構成】 光源は小型軽量な半導体レーザ１とする。ま
た半導体レーザからの出力光を光導波路基板４において
光導波路上で複数系統に分岐させるとともに一方の光導
波路上において光変調を行なうようにして、変調光Ｌ
OUT1と無変調光ＬOU T2を出力する。さらに変調光を被検
体９０に対して照射させるとともに、その被検体からの
反射光と無変調光を合成し、合成光を検出することがで
きるように光学素子（５〜１３）を配する。
とともに、安価かつ容易に製造できるようにし、さらに
Ｓ／Ｎの悪化を招かないようにする。 【構成】 光源は小型軽量な半導体レーザ１とする。ま
た半導体レーザからの出力光を光導波路基板４において
光導波路上で複数系統に分岐させるとともに一方の光導
波路上において光変調を行なうようにして、変調光Ｌ
OUT1と無変調光ＬOU T2を出力する。さらに変調光を被検
体９０に対して照射させるとともに、その被検体からの
反射光と無変調光を合成し、合成光を検出することがで
きるように光学素子（５〜１３）を配する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高い精度で速度測定結
果を得ることができるレーザドップラ速度計となる速度
計測装置及びその速度センサヘッドに関するものであ
る。
果を得ることができるレーザドップラ速度計となる速度
計測装置及びその速度センサヘッドに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、レーザドップラ速度計において
は、被測定対象として例えば移動体の移動速度、振動体
の振動速度、流体の流速等を測定するようになされたも
のがある（電子通信学会研究報告ＯＱＥ85-160、25頁〜
30頁）。すなわち、被測定対象（被検体）にレーザ光源
から得られる光ビームを照射すると、被測定対象の速度
に応じて周波数が偏移した反射光ビームを得ることがで
きるため、被測定対象に照射した光ビームに対する反射
光ビームの周波数偏移量を測定すれば被測定対象の速度
を検出することができる。
は、被測定対象として例えば移動体の移動速度、振動体
の振動速度、流体の流速等を測定するようになされたも
のがある（電子通信学会研究報告ＯＱＥ85-160、25頁〜
30頁）。すなわち、被測定対象（被検体）にレーザ光源
から得られる光ビームを照射すると、被測定対象の速度
に応じて周波数が偏移した反射光ビームを得ることがで
きるため、被測定対象に照射した光ビームに対する反射
光ビームの周波数偏移量を測定すれば被測定対象の速度
を検出することができる。
【０００３】このような測定原理に基づくレーザドップ
ラ速度計の一種として、レーザ光源から得られる光ビー
ムから所定の光変調を施した変調光と、変調を施さない
無変調光を得、変調光を被検体に照射し、さらにその被
検体からの反射光と無変調光を合成して干渉させ、干渉
光を光検出器により電気信号として取り出すものがあ
る。そして、光検出器からの信号に対して所定の処理を
施すことで被検体の速度を得るようにしている。
ラ速度計の一種として、レーザ光源から得られる光ビー
ムから所定の光変調を施した変調光と、変調を施さない
無変調光を得、変調光を被検体に照射し、さらにその被
検体からの反射光と無変調光を合成して干渉させ、干渉
光を光検出器により電気信号として取り出すものがあ
る。そして、光検出器からの信号に対して所定の処理を
施すことで被検体の速度を得るようにしている。
【０００４】ここで、このようなレーザドップラ速度計
において被検体に光を照射するセンサヘッドとしては、
図６〜図９のような構造例があった。図６の例では、セ
ンサヘッド８０としてＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）
レーザ８１と、干渉光学系８２が一体に設けられてい
る。干渉光学系８２には、光変調器、ビームスプリッ
タ、光検出器などの各種光学素子が設けられており、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ８１からの出射光から、変調光及び無変
調光を生成する。そして変調光をレンズ部８４から被検
体９０に照射し、またその反射光をレンズ部８４から取
り込んだ後、反射光と無変調光を干渉させ、干渉信号を
光検出器から信号ＳＤとして出力する構成となってい
る。
において被検体に光を照射するセンサヘッドとしては、
図６〜図９のような構造例があった。図６の例では、セ
ンサヘッド８０としてＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）
レーザ８１と、干渉光学系８２が一体に設けられてい
る。干渉光学系８２には、光変調器、ビームスプリッ
タ、光検出器などの各種光学素子が設けられており、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ８１からの出射光から、変調光及び無変
調光を生成する。そして変調光をレンズ部８４から被検
体９０に照射し、またその反射光をレンズ部８４から取
り込んだ後、反射光と無変調光を干渉させ、干渉信号を
光検出器から信号ＳＤとして出力する構成となってい
る。
【０００５】図７の例は、センサヘッド８０内にはＨｅ
−Ｎｅレーザ８１は設けず、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１から
の光を光ファイバー８３で干渉光学系８２に供給する構
成である。さらに図８の例は、センサヘッド８０内には
Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１や干渉光学系８２を設けず、被検
体９０に対する光入出力端となるレンズ部８４のみをセ
ンサヘッド８０としたものである。つまり、干渉光学系
８２とレンズ部８４の間を光ファイバ８３により光が伝
送されるようにしている。また図９の例は、図６とほぼ
同様であるが、光源として半導体レーザ８５を用いたも
のである。
−Ｎｅレーザ８１は設けず、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１から
の光を光ファイバー８３で干渉光学系８２に供給する構
成である。さらに図８の例は、センサヘッド８０内には
Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１や干渉光学系８２を設けず、被検
体９０に対する光入出力端となるレンズ部８４のみをセ
ンサヘッド８０としたものである。つまり、干渉光学系
８２とレンズ部８４の間を光ファイバ８３により光が伝
送されるようにしている。また図９の例は、図６とほぼ
同様であるが、光源として半導体レーザ８５を用いたも
のである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の構成例におけるセンサヘッド８０では以下のような問
題があった。まず図６のセンサヘッド８０では、Ｈｅ−
Ｎｅレーザ８１を内蔵することからセンサヘッド８０が
大型で重量のあるものとなってしまい、ハンドリングが
悪いという問題がある。また各種光学素子による干渉光
学系８２を構成することから高価な光学部品を多数使用
し、コスト的にも問題がある。特に光変調処理を光学系
で実行することで、部品コストのアップや製造の困難化
は避けられない。
の構成例におけるセンサヘッド８０では以下のような問
題があった。まず図６のセンサヘッド８０では、Ｈｅ−
Ｎｅレーザ８１を内蔵することからセンサヘッド８０が
大型で重量のあるものとなってしまい、ハンドリングが
悪いという問題がある。また各種光学素子による干渉光
学系８２を構成することから高価な光学部品を多数使用
し、コスト的にも問題がある。特に光変調処理を光学系
で実行することで、部品コストのアップや製造の困難化
は避けられない。
【０００７】また図７の場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザ８１を
内蔵しないことから或る程度小型軽量化が実現され、ハ
ンドリングのよいものとなるが、光ファイバ８３に振
動、応力が加わると、振動速度検出信号のＳ／Ｎが変化
してしまうため、高精度の速度検出という点で難があ
る。また、干渉光学系８２及び光ファイバ８３によりコ
ストアップも生じる。
内蔵しないことから或る程度小型軽量化が実現され、ハ
ンドリングのよいものとなるが、光ファイバ８３に振
動、応力が加わると、振動速度検出信号のＳ／Ｎが変化
してしまうため、高精度の速度検出という点で難があ
る。また、干渉光学系８２及び光ファイバ８３によりコ
ストアップも生じる。
【０００８】図８の場合は、センサヘッド８０はレンズ
部８４のみであるため、非常に小型軽量のものが実現で
き、ハンドリングは極めて良いものとなるが、被検体９
０からの反射光をレンズ部８４から光ファイバ８３に導
くことは非常に難しく、製造上のアライメントが困難で
あるという問題がある。また干渉光学系８２に戻される
反射光の光量も少なくならざるを得ず、このためＳ／Ｎ
は悪化する。さらに、図８、図７の場合と同様にコスト
の高いものとなってしまう。
部８４のみであるため、非常に小型軽量のものが実現で
き、ハンドリングは極めて良いものとなるが、被検体９
０からの反射光をレンズ部８４から光ファイバ８３に導
くことは非常に難しく、製造上のアライメントが困難で
あるという問題がある。また干渉光学系８２に戻される
反射光の光量も少なくならざるを得ず、このためＳ／Ｎ
は悪化する。さらに、図８、図７の場合と同様にコスト
の高いものとなってしまう。
【０００９】図９の例では、半導体レーザ８５を用いる
ことで小型軽量化が実現でき、ハンドリングは良いもの
となるが、図６〜図７の場合と同様に干渉光学系８２に
おける多数の光学部品によりコストアップは避けられな
いという問題がある。
ことで小型軽量化が実現でき、ハンドリングは良いもの
となるが、図６〜図７の場合と同様に干渉光学系８２に
おける多数の光学部品によりコストアップは避けられな
いという問題がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点にかんがみてなされたもので、センサヘッドとしての
小型軽量化を実現するとともに、安価かつ容易に製造で
きるようにし、さらにＳ／Ｎの悪化を招かないようにす
ることを目的とする。
点にかんがみてなされたもので、センサヘッドとしての
小型軽量化を実現するとともに、安価かつ容易に製造で
きるようにし、さらにＳ／Ｎの悪化を招かないようにす
ることを目的とする。
【００１１】このため、単一モード発振する半導体レー
ザ手段と、半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路
上で複数系統に分岐させるとともに、分岐された一方の
光導波路上において光変調を行なう光変調器が設けられ
ることで、変調光と無変調光を出力することができるよ
うにされた光導波路手段と、変調光を被検体に対して照
射させるとともに、その被検体からの反射光と無変調光
を合成し、干渉光を検出することができるように光学素
子が配されて成る光学系手段と、から速度センサヘッド
を構成する。また、このような速度センサヘッドから出
力される合成光検出情報に対して所定の信号処理を行な
い、被検体の速度を算出する速度算出手段を設けて速度
計測装置を構成する。
ザ手段と、半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路
上で複数系統に分岐させるとともに、分岐された一方の
光導波路上において光変調を行なう光変調器が設けられ
ることで、変調光と無変調光を出力することができるよ
うにされた光導波路手段と、変調光を被検体に対して照
射させるとともに、その被検体からの反射光と無変調光
を合成し、干渉光を検出することができるように光学素
子が配されて成る光学系手段と、から速度センサヘッド
を構成する。また、このような速度センサヘッドから出
力される合成光検出情報に対して所定の信号処理を行な
い、被検体の速度を算出する速度算出手段を設けて速度
計測装置を構成する。
【００１２】
【作用】レーザドップラ速度計において、半導体レーザ
手段を用いることで小型軽量化が可能となる。また、光
変調については光導波路上で変調を行なうようにするこ
とで、製造の簡易化及びコストダウンを実現できる。
手段を用いることで小型軽量化が可能となる。また、光
変調については光導波路上で変調を行なうようにするこ
とで、製造の簡易化及びコストダウンを実現できる。
【００１３】
【実施例】以下、図１〜図５により本発明の実施例を説
明する。図１はレーザドップラ速度検出装置におけるセ
ンサヘッドの一実施例を示す構成図である。このセンサ
ヘッド２０においては、レーザ光源として半導体レーザ
１が配されている。半導体レーザ１から出射された光は
レンズ２を用いて光アイソレータ３に導かれ、光アイソ
レータ３を介して光導波路基板４に入射される。
明する。図１はレーザドップラ速度検出装置におけるセ
ンサヘッドの一実施例を示す構成図である。このセンサ
ヘッド２０においては、レーザ光源として半導体レーザ
１が配されている。半導体レーザ１から出射された光は
レンズ２を用いて光アイソレータ３に導かれ、光アイソ
レータ３を介して光導波路基板４に入射される。
【００１４】光導波路基板４は図２のように構成されて
いる。光アイソレータ３を介した入射光ＬINは光導波路
基板４の入射端面４１に集光され、光導波路４２内を伝
搬することになる。なお、半導体レーザ１からの出射光
を光導波路基板４に導く系において、光アイソレータ３
は必ずしも必要ではないが、これは入射光ＬINのうち入
射端面４１に反射した光成分が半導体レーザ１に戻らな
いようにするものであるため、光アイソレータ３を設け
ることが好適である。
いる。光アイソレータ３を介した入射光ＬINは光導波路
基板４の入射端面４１に集光され、光導波路４２内を伝
搬することになる。なお、半導体レーザ１からの出射光
を光導波路基板４に導く系において、光アイソレータ３
は必ずしも必要ではないが、これは入射光ＬINのうち入
射端面４１に反射した光成分が半導体レーザ１に戻らな
いようにするものであるため、光アイソレータ３を設け
ることが好適である。
【００１５】光導波路４２内に導入された光は、金属ク
ラッド４６により、光の偏光方向が揃えられたものとな
る。即ち金属クラッド４６は結晶表面に対して光の垂直
な成分を吸収するものであり、従って光導波路４２上で
金属クラッド４６の部分を通過するのは光の平行成分の
みとなる。
ラッド４６により、光の偏光方向が揃えられたものとな
る。即ち金属クラッド４６は結晶表面に対して光の垂直
な成分を吸収するものであり、従って光導波路４２上で
金属クラッド４６の部分を通過するのは光の平行成分の
みとなる。
【００１６】光導波路４２は分岐部４３で分岐され、光
導波路４４，４５の２系統に分けられたものとなってい
る。つまり光導波路基板４上には全体で、Ｙ分岐型の光
導波路が形成されたものとなっている。分岐部４３から
光導波路４４に進んだ光成分は、そのまま出射端面４９
側に導かれる。一方、光導波路４５側には光変調器４８
が形成されており、分岐部４３から光導波路４５に進ん
だ光成分は、光変調器４８に印加される電界Ｓ2 により
位相変調されてから、出射端面４９側に導かれることに
なる。
導波路４４，４５の２系統に分けられたものとなってい
る。つまり光導波路基板４上には全体で、Ｙ分岐型の光
導波路が形成されたものとなっている。分岐部４３から
光導波路４４に進んだ光成分は、そのまま出射端面４９
側に導かれる。一方、光導波路４５側には光変調器４８
が形成されており、分岐部４３から光導波路４５に進ん
だ光成分は、光変調器４８に印加される電界Ｓ2 により
位相変調されてから、出射端面４９側に導かれることに
なる。
【００１７】光導波路４４，４５は、それぞれ出射端面
４９までは延伸されておらず、例えば出射端面４９より
数１００μｍ程度手前で終了されている。これは光導波
路４４，４５内を伝搬してきた光のうち端面反射される
成分を減少させるためである。また、光導波路４４，４
５を伝搬してきた光は、金属クラッド４９を介してから
出射端面４９に導かれるものとなっており、つまり直線
偏光成分のみが出射端面４９からの出射光として取り出
されることになる。
４９までは延伸されておらず、例えば出射端面４９より
数１００μｍ程度手前で終了されている。これは光導波
路４４，４５内を伝搬してきた光のうち端面反射される
成分を減少させるためである。また、光導波路４４，４
５を伝搬してきた光は、金属クラッド４９を介してから
出射端面４９に導かれるものとなっており、つまり直線
偏光成分のみが出射端面４９からの出射光として取り出
されることになる。
【００１８】出射端面４９からの出射光としては、光変
調器４８により位相変調を受けた変調光ＬOUT1と、光導
波路４４を伝搬してきた、つまり変調処理を施されてい
ない無変調光ＬOUT2が得られる。変調光ＬOUT1と無変調
光ＬOUT2はいづれも金属クラッド４９により直線偏光成
分のみとなっているため、後述する干渉系で合成される
際にＳ／Ｎの良い干渉信号を得ることができるようにな
る。
調器４８により位相変調を受けた変調光ＬOUT1と、光導
波路４４を伝搬してきた、つまり変調処理を施されてい
ない無変調光ＬOUT2が得られる。変調光ＬOUT1と無変調
光ＬOUT2はいづれも金属クラッド４９により直線偏光成
分のみとなっているため、後述する干渉系で合成される
際にＳ／Ｎの良い干渉信号を得ることができるようにな
る。
【００１９】図１に戻って、光導波路基板４から出力さ
れる変調光ＬOUT1と無変調光ＬOUT2は、出射端面４９か
らは拡散光として出力されるものであるが、これがコリ
メートレンズ５によって平行光とされる。またこのと
き、変調光ＬOUT1と無変調光ＬOUT2はそれぞれ異なる角
度でコリメートレンズ５から出力されるようになされて
いる。
れる変調光ＬOUT1と無変調光ＬOUT2は、出射端面４９か
らは拡散光として出力されるものであるが、これがコリ
メートレンズ５によって平行光とされる。またこのと
き、変調光ＬOUT1と無変調光ＬOUT2はそれぞれ異なる角
度でコリメートレンズ５から出力されるようになされて
いる。
【００２０】変調光ＬOUT1はコリメートレンズ５によっ
てその光軸方向に等しくなるようにコリメートされ、偏
光ビームスプリッタ６に達し、これを透過する。そして
１／４波長板７によって直線偏光から円偏光とされ、収
光レンズ８によって被検体９０に収光される。被検体９
０は矢印方向に振動速度ｖで振動しているものとする
と、被検体９０からの反射光ＬREF は、ドップラー効果
により被検体９０の振動速度ｖに比例した周波数偏移
（２ｖ／λ）をうけることになる。
てその光軸方向に等しくなるようにコリメートされ、偏
光ビームスプリッタ６に達し、これを透過する。そして
１／４波長板７によって直線偏光から円偏光とされ、収
光レンズ８によって被検体９０に収光される。被検体９
０は矢印方向に振動速度ｖで振動しているものとする
と、被検体９０からの反射光ＬREF は、ドップラー効果
により被検体９０の振動速度ｖに比例した周波数偏移
（２ｖ／λ）をうけることになる。
【００２１】このような周波数偏移を受けている反射光
ＬREF は、収光レンズ８から１／４波長板７に導かれ、
円偏光から直線偏光とされる。そして、このとき反射光
ＬRE F は、最初に偏光ビームスプリッタ６を通過したと
きの変調光ＬOUT1とは９０°回転した直線偏光となって
いるため、この反射光ＬREF は偏光ビームスプリッタ６
によって偏光板１２側に反射されることになる。
ＬREF は、収光レンズ８から１／４波長板７に導かれ、
円偏光から直線偏光とされる。そして、このとき反射光
ＬRE F は、最初に偏光ビームスプリッタ６を通過したと
きの変調光ＬOUT1とは９０°回転した直線偏光となって
いるため、この反射光ＬREF は偏光ビームスプリッタ６
によって偏光板１２側に反射されることになる。
【００２２】一方、光導波路基板４から出力された無変
調光ＬOUT2は、コリメートレンズ５によってその光軸方
向に対して或る角度をつけられた状態にコリメートさ
れ、光路長調整器９に入射される。光路長調整器９には
端面ミラー９ａが形成されているとともに、光路長調整
器９近辺の所定位置にミラー１０が配されており、これ
により光路長調整器９に入射された光は光路長調整器９
内を数回伝搬することになる。つまり、無変調光ＬOUT2
は光路長調整器９内を通って端面ミラー９ａによって反
射される。そして光路長調整器９内を通って出射された
後、ミラー１０に反射されて再び光路長調整器９内に入
射される。このように所定回、光路長調整器９内を通過
した後、光路長調整器９からミラー１１に達する。そし
てミラー１１に達した無変調光ＬOUT2はミラー１１で反
射された後、偏光ビームスプリッタ６を通過し、偏光板
１２側に導かれる。
調光ＬOUT2は、コリメートレンズ５によってその光軸方
向に対して或る角度をつけられた状態にコリメートさ
れ、光路長調整器９に入射される。光路長調整器９には
端面ミラー９ａが形成されているとともに、光路長調整
器９近辺の所定位置にミラー１０が配されており、これ
により光路長調整器９に入射された光は光路長調整器９
内を数回伝搬することになる。つまり、無変調光ＬOUT2
は光路長調整器９内を通って端面ミラー９ａによって反
射される。そして光路長調整器９内を通って出射された
後、ミラー１０に反射されて再び光路長調整器９内に入
射される。このように所定回、光路長調整器９内を通過
した後、光路長調整器９からミラー１１に達する。そし
てミラー１１に達した無変調光ＬOUT2はミラー１１で反
射された後、偏光ビームスプリッタ６を通過し、偏光板
１２側に導かれる。
【００２３】この光路長調整器９は、偏光ビームスプリ
ッタ６の時点までにおける反射光ＬREF の光路長と無変
調光ＬOUT2の光路長を一致させ、この２つの光を良好に
干渉させるようにするものである。つまり反射光ＬREF
は、変調光ＬOUT1としてコリーメートレンズ５から被検
体９０までの光路と被検体９０から偏光ビームスプリッ
タ６までの光路を足した距離（光路長）を進行してきて
おり、この反射光ＬREF と無変調光ＬOUT2を合成させる
際には、無変調光ＬOUT2の光路長も反射光ＬREF の光路
長に一致させることが好適であるが、単純に空間上で無
変調光ＬOUT2の光路を長くするにはそれだけ空間長が必
要になり、光学系が大型にならざるを得ない。そこで本
実施例では光路長調整器９内を所定回数往復させて無変
調光ＬOUT2の光路長をかせぐようにしており、これによ
り無変調光ＬOUT2の伝送空間を小さくすることができ、
光学系の小型化に寄与できることとなる。なお、光路長
調整器９において光の伝搬距離を空気中より長くするた
めには、光路長調整器９として屈折率の大きな材料を選
べばよい。
ッタ６の時点までにおける反射光ＬREF の光路長と無変
調光ＬOUT2の光路長を一致させ、この２つの光を良好に
干渉させるようにするものである。つまり反射光ＬREF
は、変調光ＬOUT1としてコリーメートレンズ５から被検
体９０までの光路と被検体９０から偏光ビームスプリッ
タ６までの光路を足した距離（光路長）を進行してきて
おり、この反射光ＬREF と無変調光ＬOUT2を合成させる
際には、無変調光ＬOUT2の光路長も反射光ＬREF の光路
長に一致させることが好適であるが、単純に空間上で無
変調光ＬOUT2の光路を長くするにはそれだけ空間長が必
要になり、光学系が大型にならざるを得ない。そこで本
実施例では光路長調整器９内を所定回数往復させて無変
調光ＬOUT2の光路長をかせぐようにしており、これによ
り無変調光ＬOUT2の伝送空間を小さくすることができ、
光学系の小型化に寄与できることとなる。なお、光路長
調整器９において光の伝搬距離を空気中より長くするた
めには、光路長調整器９として屈折率の大きな材料を選
べばよい。
【００２４】偏光ビームスプリッタ６に達した反射光Ｌ
REF と無反射光ＬOUT2はともに偏光板１２に達すること
になる。偏光ビームスプリッタ６に達した時点での反射
光ＬREF と無反射光ＬOUT2は、互いに偏光方向が９０°
異なっているため、そのままでは干渉は発生しない。そ
こで、偏光板１２としては、反射光ＬREF と無反射光Ｌ
OUT2のそれぞれに対して偏光方向として４５°傾いた状
態としておく。すると偏光板１２を通過した反射光Ｌ
REF と無反射光ＬOUT2の各光成分は干渉した状態で合成
され、これが光検出器１３によって干渉信号Ｓ0 が検出
されることになる。
REF と無反射光ＬOUT2はともに偏光板１２に達すること
になる。偏光ビームスプリッタ６に達した時点での反射
光ＬREF と無反射光ＬOUT2は、互いに偏光方向が９０°
異なっているため、そのままでは干渉は発生しない。そ
こで、偏光板１２としては、反射光ＬREF と無反射光Ｌ
OUT2のそれぞれに対して偏光方向として４５°傾いた状
態としておく。すると偏光板１２を通過した反射光Ｌ
REF と無反射光ＬOUT2の各光成分は干渉した状態で合成
され、これが光検出器１３によって干渉信号Ｓ0 が検出
されることになる。
【００２５】本実施例のセンサヘッド２０は以上のよう
に構成されているが、ここで、このセンサヘッド２０に
おけるレーザ光の電界強度の変化について述べておく。
まず半導体レーザ１から出射される光の電界強度を式
（１）であらわす。 Ａ1 sin(ω0t＋Φ0 ） ・・・・・・・・・・・・・・（１） （ただし、Ａ1 ：強度，ω0 ：光の角周波数，Φ0 ：初
期位相）
に構成されているが、ここで、このセンサヘッド２０に
おけるレーザ光の電界強度の変化について述べておく。
まず半導体レーザ１から出射される光の電界強度を式
（１）であらわす。 Ａ1 sin(ω0t＋Φ0 ） ・・・・・・・・・・・・・・（１） （ただし、Ａ1 ：強度，ω0 ：光の角周波数，Φ0 ：初
期位相）
【００２６】この光が光導波路基板４において分岐部４
３で分岐され、光導波路４４，４５に導かれる。ここ
で、光変調器４８に印加される電圧Ｓ2 を、 Ｓ2 ＝Ａ2 sin(ω1t） ・・・・・・・・・・・・・・（２） （ただし、Ａ2 ：強度，ω1 ：印加電圧の角周波数） であるとすると、光変調器４８で変調された光の電界強
度は式（３）であらわせられる。 Ａ3 sin(ω0t＋Ａ4 sin(ω1t）＋Φ1 ） ・・・・・・・・・・・・・・（３） （ただし、Ａ4 ＝απＬｎ3 ｒＡ2 ／λｄ、Ｌ：変調器
長、ｎ：導波路基板の屈折率、ｒ：電気光学定数、λ：
光の波長、ｄ：変調器電極間隔、α：効率）
３で分岐され、光導波路４４，４５に導かれる。ここ
で、光変調器４８に印加される電圧Ｓ2 を、 Ｓ2 ＝Ａ2 sin(ω1t） ・・・・・・・・・・・・・・（２） （ただし、Ａ2 ：強度，ω1 ：印加電圧の角周波数） であるとすると、光変調器４８で変調された光の電界強
度は式（３）であらわせられる。 Ａ3 sin(ω0t＋Ａ4 sin(ω1t）＋Φ1 ） ・・・・・・・・・・・・・・（３） （ただし、Ａ4 ＝απＬｎ3 ｒＡ2 ／λｄ、Ｌ：変調器
長、ｎ：導波路基板の屈折率、ｒ：電気光学定数、λ：
光の波長、ｄ：変調器電極間隔、α：効率）
【００２７】さらに、速度Ｖ(t) で振動している被検体
からの反射光は、ドップラー効果により式（４）だけ周
波数偏移する。 ２Ｖ(t) ／λ ・・・・・・・・・・・・・・（４） そしてこの周波数偏移した反射光ＬREF は式（５）で表
わすことができる。 Ａ3 sin(ω0t＋Ａ4 sin(ω1t)+２π∫（2V(t)/λ）dt＋Φ1) ・・・・・・（５）
からの反射光は、ドップラー効果により式（４）だけ周
波数偏移する。 ２Ｖ(t) ／λ ・・・・・・・・・・・・・・（４） そしてこの周波数偏移した反射光ＬREF は式（５）で表
わすことができる。 Ａ3 sin(ω0t＋Ａ4 sin(ω1t)+２π∫（2V(t)/λ）dt＋Φ1) ・・・・・・（５）
【００２８】この反射光ＬREF と無変調光ＬOUT2が干渉
することにより、光検出器１３からは、式（６）で表わ
される干渉信号Ｓ0 が得られる。 Ｓ0 ＝Ａ6 cos(Ａ4 sin(ω1t)+２π∫（2V(t)/λ）dt＋Φ3) ・・・・・・（６） この干渉信号Ｓ0 は、即ち被検体９０の振動速度成分を
含むものとなり、これにたいして所要の信号処理を行な
うことで、被検体の速度を検出することができる。
することにより、光検出器１３からは、式（６）で表わ
される干渉信号Ｓ0 が得られる。 Ｓ0 ＝Ａ6 cos(Ａ4 sin(ω1t)+２π∫（2V(t)/λ）dt＋Φ3) ・・・・・・（６） この干渉信号Ｓ0 は、即ち被検体９０の振動速度成分を
含むものとなり、これにたいして所要の信号処理を行な
うことで、被検体の速度を検出することができる。
【００２９】図１、図２のセンサヘッド２０を有する本
実施例の速度計測装置のブロック図を図３に示す。駆動
回路６０は、基準信号ＳC に基づいて上述した光変調器
４８を駆動するための電圧Ｓ2 （正弦波信号）を発生さ
せる。センサヘッド２０から得られた干渉信号Ｓ0 は、
バンドパスフィルタ５０及びバンドパスフィルタ５３に
供給される。
実施例の速度計測装置のブロック図を図３に示す。駆動
回路６０は、基準信号ＳC に基づいて上述した光変調器
４８を駆動するための電圧Ｓ2 （正弦波信号）を発生さ
せる。センサヘッド２０から得られた干渉信号Ｓ0 は、
バンドパスフィルタ５０及びバンドパスフィルタ５３に
供給される。
【００３０】バンドパスフィルタ５０は、光変調器４８
の駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 を中心周波数とするフィ
ルタとされている。一方、バンドパスフィルタ５３は、
光変調器４８の駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 の２倍の角
周波数２ω1 を中心周波数とするフィルタとされてい
る。バンドパスフィルタ５３の出力に対しては乗算回路
５４において基準信号ＳCが乗算され、さらにその乗算
出力信号は、中心周波数が角周波数ω1 と設定されたバ
ンドパスフィルタ５５を介して出力される。このため、
バンドパスフィルタ５５の出力信号は、あたかも中心周
波数が駆動電圧Ｓ2 の２倍の角周波数２ω1 で成る信号
成分を、角周波数ω1 に低周波変換したと同様の信号と
なる。
の駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 を中心周波数とするフィ
ルタとされている。一方、バンドパスフィルタ５３は、
光変調器４８の駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 の２倍の角
周波数２ω1 を中心周波数とするフィルタとされてい
る。バンドパスフィルタ５３の出力に対しては乗算回路
５４において基準信号ＳCが乗算され、さらにその乗算
出力信号は、中心周波数が角周波数ω1 と設定されたバ
ンドパスフィルタ５５を介して出力される。このため、
バンドパスフィルタ５５の出力信号は、あたかも中心周
波数が駆動電圧Ｓ2 の２倍の角周波数２ω1 で成る信号
成分を、角周波数ω1 に低周波変換したと同様の信号と
なる。
【００３１】増幅回路５１、位相回路５２、及び増幅回
路５６、位相回路５７は、それぞれバンドパスフィルタ
５０，５５の出力信号の信号レベルが互いに等しくなる
ように増幅した後、さらに互いの信号の位相合わせを行
なって、加算回路５８に入力するものとなる。
路５６、位相回路５７は、それぞれバンドパスフィルタ
５０，５５の出力信号の信号レベルが互いに等しくなる
ように増幅した後、さらに互いの信号の位相合わせを行
なって、加算回路５８に入力するものとなる。
【００３２】そして、バンドパスフィルタ５０，５５の
出力信号が同レベル及び同位相で加算される加算回路５
８の出力は、光変調器４８に印加される電圧Ｓ2 の角周
波数ω1 を中心周波数にして、被検体９０の変位に応じ
て周波数が変位した信号、即ち周波数変調信号が得られ
ることになる。従ってこの周波数変調信号をＦＭ復調回
路５９で復調処理することにより、被検体９０の速度の
測定結果ＤOUT が得られることになる。
出力信号が同レベル及び同位相で加算される加算回路５
８の出力は、光変調器４８に印加される電圧Ｓ2 の角周
波数ω1 を中心周波数にして、被検体９０の変位に応じ
て周波数が変位した信号、即ち周波数変調信号が得られ
ることになる。従ってこの周波数変調信号をＦＭ復調回
路５９で復調処理することにより、被検体９０の速度の
測定結果ＤOUT が得られることになる。
【００３３】本実施例のセンサヘッド２０及び速度計測
装置は、以上のように構成されており、センサヘッド２
０としては、光導波路基板４を用いることで複雑な光学
系を搭載することが不要となる。即ちＹ分岐型の光導波
路（４２，４３，４４，４５）で光路を２系統に分ける
ことで、ビームスプリッタやこれに付随する光学系で光
路を分けることが不要になり、また光変調器４８も光導
波路基板４上で構成されることで、光学素子を用いた複
雑な変調器は不要となる。そして光導波路基板４は半導
体フォトリソグラフィ技術で製造することができ、容易
にしかも安価に製造でき、さらに小型の基板とできると
ともに、センサヘッド２０内への組込工程も非常に容易
なものとなる。さらに光源としては小型軽量な半導体レ
ーザ１を用いている。
装置は、以上のように構成されており、センサヘッド２
０としては、光導波路基板４を用いることで複雑な光学
系を搭載することが不要となる。即ちＹ分岐型の光導波
路（４２，４３，４４，４５）で光路を２系統に分ける
ことで、ビームスプリッタやこれに付随する光学系で光
路を分けることが不要になり、また光変調器４８も光導
波路基板４上で構成されることで、光学素子を用いた複
雑な変調器は不要となる。そして光導波路基板４は半導
体フォトリソグラフィ技術で製造することができ、容易
にしかも安価に製造でき、さらに小型の基板とできると
ともに、センサヘッド２０内への組込工程も非常に容易
なものとなる。さらに光源としては小型軽量な半導体レ
ーザ１を用いている。
【００３４】これらのことから、小型軽量でハンドリン
グが良く、しかも製造コストの低いセンサヘッド２０を
実現することができ、また、小型軽量化のために図７、
図８で例示したように光ファイバを用いる必要もないた
め、Ｓ／Ｎの悪化や製造上のアライメントが困難になる
ということもない。そして、このようなセンサヘッド２
０を用いる速度計測装置としては、低コストで、操作性
がよく、しかも測定精度の高いものを実現できる。
グが良く、しかも製造コストの低いセンサヘッド２０を
実現することができ、また、小型軽量化のために図７、
図８で例示したように光ファイバを用いる必要もないた
め、Ｓ／Ｎの悪化や製造上のアライメントが困難になる
ということもない。そして、このようなセンサヘッド２
０を用いる速度計測装置としては、低コストで、操作性
がよく、しかも測定精度の高いものを実現できる。
【００３５】なお、本発明の速度計測装置の他の実施例
として図４、図５の構成を説明しておく。図４の実施例
では、センサヘッド２０からの干渉信号Ｓ0 をバンドパ
スフィルタ６１に入力し、駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1
の信号成分と、その２倍の角周波数２ω1 の信号成分と
を抽出して信号処理するようにしている。増幅回路６８
と位相回路６７は基準信号ＳC に対して増幅及び位相調
整を行なう。また逓倍回路６６、増幅回路６５、位相回
路６４は基準信号ＳC に対して２逓倍した後、増幅及び
位相調整を行なう。
として図４、図５の構成を説明しておく。図４の実施例
では、センサヘッド２０からの干渉信号Ｓ0 をバンドパ
スフィルタ６１に入力し、駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1
の信号成分と、その２倍の角周波数２ω1 の信号成分と
を抽出して信号処理するようにしている。増幅回路６８
と位相回路６７は基準信号ＳC に対して増幅及び位相調
整を行なう。また逓倍回路６６、増幅回路６５、位相回
路６４は基準信号ＳC に対して２逓倍した後、増幅及び
位相調整を行なう。
【００３６】位相回路６４，６７の出力は合成されて乗
算回路６２に供給され、バンドパスフィルタ６１の出力
に対して乗算される。乗算回路６２の出力はバンドパス
フィルタ６３により角周波数ω1 と等しい中心周波数の
信号成分が抽出されることになり、これは即ち、被検体
９０の変位に応じて周波数が変位した周波数変調信号と
なる。そしてこの周波数変調信号をＦＭ復調回路５９で
復調処理することにより、被検体９０の速度の測定結果
ＤOUTが得られることになる。
算回路６２に供給され、バンドパスフィルタ６１の出力
に対して乗算される。乗算回路６２の出力はバンドパス
フィルタ６３により角周波数ω1 と等しい中心周波数の
信号成分が抽出されることになり、これは即ち、被検体
９０の変位に応じて周波数が変位した周波数変調信号と
なる。そしてこの周波数変調信号をＦＭ復調回路５９で
復調処理することにより、被検体９０の速度の測定結果
ＤOUTが得られることになる。
【００３７】次に図５の実施例でも、センサヘッド２０
からの干渉信号Ｓ0 をバンドパスフィルタ６１に入力
し、駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 の信号成分と、その２
倍の角周波数２ω1 の信号成分とを抽出して信号処理す
るようにしている。この場合、逓降回路６９は基準信号
ＳC に対して角周波数を１／２に逓降する。そして増幅
回路７０、位相回路７１は、基準信号ＳC を逓降した信
号について増幅及び位相調整を行なう。位相回路７１の
出力は乗算回路６２に供給され、バンドパスフィルタ６
１の出力に対して乗算される。
からの干渉信号Ｓ0 をバンドパスフィルタ６１に入力
し、駆動電圧Ｓ2 の角周波数ω1 の信号成分と、その２
倍の角周波数２ω1 の信号成分とを抽出して信号処理す
るようにしている。この場合、逓降回路６９は基準信号
ＳC に対して角周波数を１／２に逓降する。そして増幅
回路７０、位相回路７１は、基準信号ＳC を逓降した信
号について増幅及び位相調整を行なう。位相回路７１の
出力は乗算回路６２に供給され、バンドパスフィルタ６
１の出力に対して乗算される。
【００３８】この乗算回路６２の出力には角周波数ω1
に対して３／２倍の角周波数３ω／２の信号成分が含ま
れることになる。このような乗算回路６２の出力は、角
周波数３ω／２を中心周波数とするバンドパスフィルタ
７２に供給される。そしてバンドパスフィルタ７２の出
力は被検体９０の変位に応じて周波数が変位した周波数
変調信号となり、この周波数変調信号をＦＭ復調回路５
９で復調処理することにより、被検体９０の速度の測定
結果ＤOUT が得られる。
に対して３／２倍の角周波数３ω／２の信号成分が含ま
れることになる。このような乗算回路６２の出力は、角
周波数３ω／２を中心周波数とするバンドパスフィルタ
７２に供給される。そしてバンドパスフィルタ７２の出
力は被検体９０の変位に応じて周波数が変位した周波数
変調信号となり、この周波数変調信号をＦＭ復調回路５
９で復調処理することにより、被検体９０の速度の測定
結果ＤOUT が得られる。
【００３９】なお、以上実施例を説明してきたが、本発
明のセンサヘッド及び速度計測装置は上記実施例に限ら
れず、その構成は、本発明の要旨の範囲内でさらに多種
考えられる。
明のセンサヘッド及び速度計測装置は上記実施例に限ら
れず、その構成は、本発明の要旨の範囲内でさらに多種
考えられる。
【発明の効果】以上説明したように本発明では、単一モ
ード発振する半導体レーザ手段と、半導体レーザ手段か
らの出力光を、光導波路上で複数系統に分岐させるとと
もに、分岐された一方の光導波路上において光変調を行
なう光変調器が設けられることで、変調光と無変調光を
出力することができるようにされた光導波路手段と、変
調光を被検体に対して照射させるとともに、その被検体
からの反射光と無変調光を合成し、干渉光を検出するこ
とができるように光学素子が配されて成る光学系手段と
から速度センサヘッドを構成するようにしている。そし
て、レーザ光の分岐及び変調に光導波路手段を用いるこ
と、及び半導体レーザ手段を用いることにより、センサ
ヘッドとしてと小型軽量化が実現でき、ハンドリングの
良いものとすることができるという効果がある。
ード発振する半導体レーザ手段と、半導体レーザ手段か
らの出力光を、光導波路上で複数系統に分岐させるとと
もに、分岐された一方の光導波路上において光変調を行
なう光変調器が設けられることで、変調光と無変調光を
出力することができるようにされた光導波路手段と、変
調光を被検体に対して照射させるとともに、その被検体
からの反射光と無変調光を合成し、干渉光を検出するこ
とができるように光学素子が配されて成る光学系手段と
から速度センサヘッドを構成するようにしている。そし
て、レーザ光の分岐及び変調に光導波路手段を用いるこ
と、及び半導体レーザ手段を用いることにより、センサ
ヘッドとしてと小型軽量化が実現でき、ハンドリングの
良いものとすることができるという効果がある。
【００４０】また光導波路手段は半導体フォトリソグラ
フィ技術で製造することができ、容易にしかも安価に製
造でき、センサヘッドとしての製造コストの低下や工程
の能率化が促進されるという効果もある。
フィ技術で製造することができ、容易にしかも安価に製
造でき、センサヘッドとしての製造コストの低下や工程
の能率化が促進されるという効果もある。
【００４１】さらに、光ファイバを用いる必要もないた
め、Ｓ／Ｎの悪化や製造上のアライメントが困難になる
ということもなく、この点でも製造の簡易化に適してお
り、そのうえ測定精度の悪化ももたらさないという利点
もある。
め、Ｓ／Ｎの悪化や製造上のアライメントが困難になる
ということもなく、この点でも製造の簡易化に適してお
り、そのうえ測定精度の悪化ももたらさないという利点
もある。
【図１】本発明の実施例のセンサヘッドの説明図であ
る。
る。
【図２】実施例のセンサヘッドの光導波路基板の説明図
である。
である。
【図３】本発明の実施例の速度計測装置のブロック図で
ある。
ある。
【図４】他の実施例の速度計測装置のブロック図であ
る。
る。
【図５】さらに他の実施例の速度計測装置のブロック図
である。
である。
【図６】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
【図７】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
【図８】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
【図９】従来のセンサヘッドの構成の説明図である。
１ 半導体レーザ ４ 光導波路基板 ５ コリメートレンズ ６ 偏光ビームスプリッタ ７ １／４波長板 ８ 収光レンズ ９ 光路長調整器 １０，１１ ミラー １２ 偏光板 １３ 光検出器 ２０ センサヘッド ４１ 入射端面 ４２，４４，４５ 光導波路 ４３ 分岐部 ４６，４９ 金属クラッド ４８ 光変調器 ４９ 出射端面 ５０，５３，５５，６１，６３，７２ バンドパスフィ
ルタ ５４，６２ 乗算回路 ５１，５６，６５，６８，７０ 増幅回路 ５２，５７，６４，６７，７１ 位相回路 ５８ 加算回路 ５９ ＦＭ復調回路
ルタ ５４，６２ 乗算回路 ５１，５６，６５，６８，７０ 増幅回路 ５２，５７，６４，６７，７１ 位相回路 ５８ 加算回路 ５９ ＦＭ復調回路
Claims (2)
- 【請求項１】 単一モード発振する半導体レーザ手段
と、 前記半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路上で複
数系統に分岐させるとともに、分岐された一方の光導波
路上において光変調を行なう光変調器が設けられること
で、変調光と無変調光を出力することができるようにさ
れた光導波路手段と、 前記変調光を被検体に対して照射させるとともに、その
被検体からの反射光と前記無変調光を合成し、干渉光を
検出することができるように光学素子が配されて成る光
学系手段と、 から構成されることを特徴とする速度センサヘッド。 - 【請求項２】 単一モード発振する半導体レーザ手段
と、 前記半導体レーザ手段からの出力光を、光導波路上で複
数系統に分岐させるとともに、分岐された一方の光導波
路上において光変調を行なう光変調器が設けられること
で、変調光と無変調光を出力することができるようにさ
れた光導波路手段と、 前記変調光を被検体に対して照射させるとともに、その
被検体からの反射光と前記無変調光を合成し、干渉光を
検出することができるように光学素子が配されて成る光
学系手段と、 前記光学系手段から出力される合成光検出情報に対して
所定の信号処理を行ない、被検体の速度を算出する速度
算出手段と、 から構成されることを特徴とする速度計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11904795A JP3605881B2 (ja) | 1995-04-21 | 1995-04-21 | 速度センサヘッド及び速度計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11904795A JP3605881B2 (ja) | 1995-04-21 | 1995-04-21 | 速度センサヘッド及び速度計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08292266A true JPH08292266A (ja) | 1996-11-05 |
| JP3605881B2 JP3605881B2 (ja) | 2004-12-22 |
Family
ID=14751608
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11904795A Expired - Fee Related JP3605881B2 (ja) | 1995-04-21 | 1995-04-21 | 速度センサヘッド及び速度計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3605881B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013008580A1 (ja) * | 2011-07-13 | 2013-01-17 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 干渉計およびそれを備えた分光器 |
| US20140355631A1 (en) * | 2013-06-04 | 2014-12-04 | Toptica Photonics Ag | Method for optical frequency synthesis |
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| JPH03131764A (ja) * | 1989-10-18 | 1991-06-05 | Ono Sokki Co Ltd | ビーム分岐光学系を用いたレーザドップラ振動計 |
| JPH03259203A (ja) * | 1990-03-09 | 1991-11-19 | Sony Corp | 光導波路装置 |
| JPH052075A (ja) * | 1991-06-25 | 1993-01-08 | Sony Corp | レーザドツプラ速度計 |
-
1995
- 1995-04-21 JP JP11904795A patent/JP3605881B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| US9036670B2 (en) * | 2013-06-04 | 2015-05-19 | Toptica Photonics Ag | Method for optical frequency synthesis |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3605881B2 (ja) | 2004-12-22 |
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