JPH1130667A - 変位情報検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度を維持しながら低価格化を実現できる
変位情報検出装置を提供する。 【解決手段】 ２光束の交差部の少なくとも所定位置に
干渉縞を発生させ、該交差部からの散乱光を受光して該
交差部を通過する物体の変位情報を検出する装置であっ
て、温度変動による前記所定位置における干渉縞間隔の
変動を少なくとも該２光束の収束発散状態の変更によっ
て補償する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動する物体の変
位情報を非接触で測定する変位情報検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、物体の変位情報を非接触且つ
高精度に測定する装置として、レーザードップラー速度
計やレーザーエンコーダーが使用されている。レーザー
ドップラー速度計では、移動する物体や流体にレーザー
光を照射し、移動物体もしくは移動流体による散乱光の
周波数が、移動する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】従来のレーザードップラー速度計の一例を
図１に示す。

【０００４】１’はガスレーザー、３は平行光束、４は
ビームスプリッター、６ａ、６ｂはミラー、７は測定ヘ
ッドに対向し速度Ｖで矢印方向に移動している被測定物
であり、８は集光レンズ、９は光検出器である。

【０００５】ガスレーザー１’から出射された平行光束
３は、ビームスプリッター４に照射され、二光束5a及び
5bに分割されてミラー6a、6bで反射されたのち、光軸垂
直方向に速度Ｖで移動している被測定物７に入射角θ
（交差角2θ）で二光束照射される。物体からの散乱光
は、集光レンズ８を介して光検出器９で検出される。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＋Δｆ、−Δｆ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。

【０００６】 Δｆ＝Ｖ・sin（θ）／λ … （１）

【０００７】＋Δｆ、−Δｆのドップラーシフトを受け
た散乱光は、互いに干渉しあって光検出器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。

【０００８】 Ｆ＝２・Δｆ＝２・Ｖ・sin（θ）／λ … （２）

【０００９】（２）式から、光検出器９の周波数Ｆ（以
下ドップラー周波数と呼ぶ）を測定すれば被測定物７の
速度Ｖが求められる。

【００１０】また最近は、より小型化された、低価格の
非接触速度計が求められている。

【００１１】図２は、小型化を可能とする光学系を実現
するレーザードップラー速度計の一例である。

【００１２】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、格子
ピッチｄが同一で向きが逆向きのブレーズド回折格子Ｇ
１、Ｇ２よりなる回折格子に角度φにて斜入射され、回
折格子Ｇ１により回折光Ｒ１が、また回折格子Ｇ２によ
り回折光Ｒ２が生じ、それぞれｄ・sin（θ）＝λの関
係を満たす回折角θにて射出される。光軸に垂直方向に
速度Ｖで移動している被測定物７にそれぞれ交差角2θ
で二光束照射されると、そこからの散乱光は、光検出器
９で検出され、そのビート周波数Ｆは（２）式同様、 Ｆ＝２・Ｖ・sin（θ）／λ となる。ここで、この交差半角θは回折角θと等しいた
め、 ｄ・sin（θ）＝λ … （３） の関係が成立する。（２）式、（３）式から、以下のよ
うな波長λ依存性のない式が導出される。

【００１３】 Ｆ＝２・Ｖ／ｄ … （４）

【００１４】以上のような構成により、今までになく小
型で、レーザーの波長依存性がない構成、つまりはセン
サーの温度依存性を無くす構成が可能となる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、図１の
ようなプリズムを使用した構成では、（２）式から解る
ように波長が変化すると測定精度にズレが生じるため、
高精度にするためには波長が安定なガスレーザーを用い
るか、波長に温度依存性のあるレーザーダイオードを厳
密に温度制御して使用する必要があった。

【００１６】この点で図２のような構成では、高精度化
が達成され、これと共に小型化、低価格化が図られてい
る。

【００１７】しかしながら今後は機器組み込み想定した
量産性に適するより一層の低価格化が求められ、例えば
前述の回折格子Ｇ１のプラスチック化などの必要性が生
じている。回折格子Ｇ１がプラスチックであると温度に
より格子ピッチｄがプラスチックの熱膨張係数分だけ延
び縮みする。仮に（４）式を満たす光学系で回折格子を
プラスチックにすると、検出されるドップラー周波数Ｆ
には再び温度依存性が生じることになる。

【００１８】本発明は、上述従来例に鑑み、高精度を維
持しながら低価格化を実現できる変位情報検出装置を提
供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上述目的を達成するため
の第１発明は、２光束の交差部の少なくとも所定位置に
干渉縞を発生させ、該交差部からの散乱光を受光して該
交差部を通過する物体の変位情報を検出する装置であっ
て、温度変動による前記所定位置における干渉縞間隔の
変動を少なくとも該２光束の収束発散状態の変更によっ
て補償することを特徴とする変位情報検出装置である。

【００２０】上述目的を達成するための第２発明は、２
光束の交差部の少なくとも所定位置に干渉縞を発生さ
せ、該交差部からの散乱光を受光して該交差部を通過す
る物体の変位情報を検出する装置であって、温度変動に
よる前記所定位置における干渉縞間隔の変動を該２光束
の交差角の変更及び該２光束の収束発散状態の変更によ
って補償することを特徴とする変位情報検出装置であ
る。

【００２１】上述目的を達成するための第３発明は、温
度によって波長が変化する光源からの２光束の交差部の
少なくとも所定位置に干渉縞を発生させ、該交差部から
の散乱光を受光して該交差部を通過する物体の変位情報
を検出する装置であって、温度変動によって該２光束の
収束発散状態を前記所定位置における干渉縞間隔変動を
抑える方向に変更する構成にしたことを特徴とする変位
情報検出装置である。

【００２２】上述目的を達成するための第４発明は、温
度によって波長が変化する光源からの２光束の交差部の
少なくとも所定位置に干渉縞を発生させ、該交差部から
の散乱光を受光して該交差部を通過する物体の変位情報
を検出する装置であって、前記光源の波長の変化によっ
て該２光束の交差角を、且つ温度変動によって該２光束
の収束発散状態を、夫々前記所定位置における干渉縞間
隔変動を抑える方向に変更する構成にしたことを特徴と
する変位情報検出装置である。

【００２３】上述目的を達成するための第５発明は、レ
ーザー光を所定の位置で所定の交差角で交差させて移動
物体に入射させ、前記移動物体から散乱光の偏移を光検
出器で検知し、検知された信号に基づいて前記移動物体
の変位情報を検出する変位情報検出装置であって、光源
からの光束を測定方向に対し概略平行光束とする平行光
束形成手段と、前記平行光束形成手段による平行光束状
態をレーザー波長または温度に連動して変化させる光学
構成と、前記概略平行光束の異なる領域を偏向する偏向
手段とを有し、該偏向手段によって偏向された光束の交
差部の所定の位置で移動物体に光束入射させることを特
徴とする変位情報検出装置である。

【００２４】第６発明は上述構成において更に、前記平
行光束形成手段はコリメータレンズを有し、前記光学構
成として、光源点とコリメータレンズまでの距離が温度
に連動して変化することを特徴とする。

【００２５】第７発明は上述構成において更に、前記平
行光束形成手段はコリメータレンズを有し、前記光学構
成として、コリメータレンズの焦点距離がレーザー波長
または温度に連動して変化することを特徴とする。

【００２６】第８発明は上述構成において更に、前記偏
向手段は、温度に連動して格子ピッチが変化する回折格
子を有することを特徴とする。

【００２７】第９発明は上述構成において更に、前記所
定の位置での２つの光束の交差半角θがレーザー波長λ
または温度に連動して、sinθ／λが一定となるように
変化することを特徴とする。

【００２８】上述目的を達成するための第１０発明は、
温度によって波長が変化するレーザー光源と、該レーザ
ー光源からの出射光束を概略平行にするコリメート光学
系と、該コリメート光学系からの概略平行光束を部分的
に異なる方向へ偏向して出射直後に交差部を形成させる
交差光学系と、該交差部における干渉縞の所定位置にお
ける間隔の温度変化に起因する変動を抑える方向に、前
記コリメート光学系からの概略平行光束の平行光束状態
を変化させる平行状態変更手段とを有することを特徴と
する変位情報検出装置である。

【００２９】第１１発明は上述構成において更に、前記
平行状態変更手段は温度変化に基づいて平行光束状態を
変化させることを特徴とする。

【００３０】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の第１実施例のレ
ーザードップラー速度計の構成説明図である。

【００３１】レーザーユニット５０は、平行光束状態が
レーザー波長λまたは温度に連動して変化する光学系を
構成しており、温度Ｔ＝０℃においてはレーザー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
て厳密に平行光束３となるように配置されている。平行
光束３は、格子ピッチｄ（温度Ｔ＝０℃ではｄ0）が同
一で向きが逆向きのブレーズド回折格子Ｇ１、Ｇ２より
なる、材質がプラスチックの基板上に設けられた回折格
子Ｇ（熱膨張率α）上に、格子配列方向に垂直な面内で
角度φにて斜入射（格子配列方向を含む面内では垂直入
射）される。

【００３２】回折格子の材質は、例えばＰＣ（ポリカー
ボネート）や脂環式ポリオレフィン樹脂（非晶性ポリオ
レフィン樹脂）などの低吸湿性光学用プラスチック材料
を用いる。

【００３３】回折格子Ｇ１により回折光Ｒ１が、回折格
子Ｇ２により回折光Ｒ２が生じ、それぞれｄ0・sin（θ
0）＝λの関係を満たす回折角θ0にて射出される。回折
格子Ｇから距離ｃのところを速度Ｖで移動している被測
定物７に交差角2θ0で二光束照射されると、そこからの
散乱光は、光検出器９で検出され、そのビート周波数Ｆ
は（２）式同様、 Ｆ＝２・Ｖ・sin（θ0）／λ … （５） となる。ここで、この交差半角θ0は回折角θ0と等しい
ため、 ｄ0・sin（θ0）＝λ … （６） の関係が成立する。（５）式、（６）式から、以下のよ
うな波長λ依存性のない式が導出される。

【００３４】 Ｆ＝２・Ｖ／ｄ0 … （７）

【００３５】この構成では、例えばレーザーの波長に広
がりがある場合でも、回折格子Ｇから距離ｃのところで
の２光束より得られる干渉縞間隔は一致し、光学的に安
定した系となる。よって、光検出器９で検出されたビー
ト信号から不図示の信号処理装置で周波数を求め、
（７）式に基づいて速度を求めることにより、安定した
速度測定が実現される。

【００３６】ここで、温度がＴ1（＝Ｔ0＋ΔＴ）：（単
位℃、ΔＴ：温度変化）になった場合を考える。

【００３７】そのときの格子ピッチｄは、Ｔ＝０℃での
格子ピッチｄ0に対し、 ｄ＝ｄ0・（１＋α・ΔＴ） … （８） となる。

【００３８】仮にレーザーユニット５０の平行光束状態
が変化しないと、ビート周波数Ｆは Ｆ＝２・Ｖ／ｄ＝｛２・Ｖ／ｄ0｝／（１＋α・ΔＴ） … （９） となり、温度変化ΔＴに対応してα・ΔＴの割合で測定
精度が劣化することになる。

【００３９】たとえば、α＝60×10^-6/℃、ΔＴ＝25℃
とすると、0.15％分だけ精度劣化が生じる。ここで低吸
湿性プラスチック材料であれば、湿度特性においては寸
法変化率は最大で０．０４％程度であり、測定精度の劣
化は温度特性が支配的となる。

【００４０】図４は温度変化ΔＴが生じた場合の本発明
第１実施例の光線を説明する図である。図４は回折格子
から出射する２本の回折光束の光軸がなす面上での断面
図として示してある。

【００４１】本実施例では、レーザーユニット５０によ
って、回折光Ｒ1、回折光Ｒ2の光軸光線Ｉ1、Ｉ2（光軸
高さをｈとする）の回折格子への入射角θ'が温度変化
ΔＴに対応して、 sin（θ'）＝λ／ｄ−λ／ｄ0 ＝−（λ・α・ΔＴ）／｛ｄ0・（１＋α・ΔＴ）｝ … （10 ） の関係で変化するように平行光束状態（収束発散状態）
が変化する光学系をとる。

【００４２】（10）式の関係で平行光束状態が変化する
と、光軸光線Ｉ1、Ｉ2の距離cの位置にある被測定物７
上での交差半角をθとするとビート周波数Ｆは、 Ｆ＝２・Ｖ・sin（θ）／λ … （２） であるが、交差半角θは ｄ｛sin（θ'）＋sin（θ）｝＝λ … （11） の関係で変動する。（10）、（11）式より、sin（θ）
は、sin（θ）＝λ／ｄ0となり、ビート周波数Ｆは温度
変化ΔＴが生じても常に、Ｆ＝２・Ｖ／ｄ0となり、光
学系の温度依存性、レーザー波長依存性を消去すること
が可能となる。

【００４３】図５は、本実施例における温度変化が生じ
たときの干渉縞の発生状態を示す説明図であり、（ａ）
はΔＴ＞０の時、（ｂ）はΔＴ＝０の時、（ｃ）はΔＴ
＜０の時を示している。このように温度変化が生じても
距離ｃの位置では、温度に依存せず一定となる。一方深
度ずれ方向の各位置における干渉縞間隔は温度に比例し
た変化量を生じる。

【００４４】レーザー波長λは温度依存性があり、例え
ば温度Ｔ＝０℃でのレーザー波長をλ0、温度依存性の
項をβとすると、 λ＝λ0＋β・ΔＴ … （12） よって、（10）式の厳密式は、 sin（θ'）＝−｛（λ0＋β・ΔＴ）・α・ΔＴ｝／｛ｄ0・（１＋α・ΔＴ ）｝ … （13） となるが、Ｔ＝０℃でのレーザー波長λ0＝0.78μm、β
＝2×10^-4μm/℃、ｄ0＝5μmで、α＝60×10^-6/℃とし
た場合を考えると、（13）式は、（λ0＋β・ΔＴ）の
β・ΔＴの項と（１＋α・ΔＴ）のα・ΔＴの項は無視
でき、 sin（θ'）≒−λ0・α・ΔＴ／ｄ0 … （14） と簡略化できる。

【００４５】このような割合で平行光束状態が変化する
光学系を構成する第１の例を次に説明する。

【００４６】コリメータレンズ２は焦点距離ｆで、温度
やレーザー波長の温度変化分での焦点距離ｆ変化分は無
視できるガラス材質とする。

【００４７】このとき、レーザー出射点０とコリメータ
レンズ２とは保持部材２１に保持され、その間隔ａは、
Ｔ＝０℃時で厳密に焦点距離ｆに合わされている。

【００４８】ここで、回折格子Ｇがない状態を図６に示
し、これを元に説明する。温度変化ΔＴが生じると、間
隔ａが保持部材の熱膨張分だけ変動し、 １／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ … （15） の関係で光束の平行光束状態が変化する。

【００４９】光軸光線Ｉ1、Ｉ2の角度ズレ分θ'は、（1
5）式より、 sin（θ'）≒−ｈ／ｂ＝ｈ・（１／ｆ−１／ａ） ≒−ｈ・（ａ−ｆ）／（ｆ・ａ） … （16） 出射点−レンズ間隔ａでの実質熱膨張率をα'とする
と、（16）式は sin（θ'）≒−ｈ・α'・ΔＴ／ｆ … （17） となる。

【００５０】（14）、（17）式より、−λ0・α・ΔＴ
／ｄ0≒−ｈ・α'・ΔＴ／ｆとなるので λ0・α／ｄ0＝ｈ・α'／ｆ … （18）

【００５１】この（18）式を満たすレーザーユニット構
成にすれば、回折格子Ｇから距離ｃの所定の位置では、
温度依存性、レーザー波長依存性のない光学系を実現す
る。

【００５２】具体的には、λ0＝780nm、ｈ＝0.5mm、ｄ0
＝5μmで、回折格子Ｇ、保持部材２１共に脂環性ポリオ
レフィン樹脂としてα≒α'≒60×10^-6／℃とすれば、
ｆ≒3.2mmで（18）式を満たす構成が可能となる。

【００５３】実際には、回折格子Ｇから距離ｃでは測定
精度ズレはないが、測定深度がずれると測定精度ズレが
生じる。しかしながら、例えば、α＝α'＝60×10^-6/
℃、ΔＴ＝25℃とすると、回折格子Ｇ部分で0.15％分だ
け精度劣化が生じても、測定部分（深度ズレ分ｅ）では
ｅ／ｃ×0.15％分だけの精度劣化になるため、測定深度
と測定中心までの距離ｃとの比率を選択することによっ
て、必要精度を確保することができる。（ｅ＝１mm、ｃ
＝５mmとすると、精度ズレは0.03％のみ）

【００５４】次に、（14）式の割合で平行光束状態が変
化する第２の実施例のレーザードップラー速度計の光学
系を構成する部分を説明する。本実施例の説明は図６同
様に回折格子Ｇがない状態での光学系部分を図７に示
し、これに基づいて行う。他の部材等の説明は第１実施
例と同様のため省略する。

【００５５】コリメータレンズは焦点距離ｆ0（温度Ｔ
＝０℃の時）の材質プラスチックのフレネルゾーンプレ
ート型レンズ２０（熱膨張率α"）であり、レーザー出
射点０とフレネルゾーンプレート型レンズ２０とは保持
部材２１に保持され、その間隔は実質的に温度により変
動せず、常にｆ0となるように構成されている。保持部
材２１は、例えばインバー等の低熱膨張特性を持つ材質
とする。

【００５６】フレネルゾーンプレート型レンズ２０の偏
向特性はフレネルピッチと波長との回折条件により決定
される。

【００５７】このとき光軸光線Ｉ1、Ｉ2部でのフレネル
ピッチをｄ20（温度Ｔ＝０℃の時）とし、レーザー出射
点０からの光軸光線Ｉ1、Ｉ2の角度をθ2とすると（図
７）、 ｄ20・sin（θ2）＝λ0， ｔａｎ（θ2）＝ｈ／ｆ0 … （19） の関係が成り立ち、温度変化ΔＴが生じたときの光軸光
線Ｉ1、Ｉ2部のズレ角θ'は、この時の光軸光線Ｉ1、Ｉ
2部でのフレネルピッチをｄ2として ｄ2｛sin（θ2）−sin（θ'）｝＝λ， ｄ2＝ｄ20・（１＋α"・ΔＴ） … （20） したがって、（11）、（19）、（20）式より、 sin（θ'）＝λ0／ｄ20−λ／ｄ2 ＝λ0（α"−β／λ0）ΔＴ／｛ｄ20（１＋α"・ΔＴ）｝ ≒λ0（α"−β／λ0）ΔＴ／ｄ20 … （21） （14）、（21）式より、 ｄ20＝（β／λ0ーα"）・ｄ0／α … （22） を満たす熱膨張率α"、フレネルピッチｄ20のフレネル
ゾーンプレート型レンズ２０を構成すればよい。

【００５８】ここで、λ0＝0.78μm、β＝2×10^-4μm/
℃、ｄ0＝5μm、α＝60×10^-6/℃、ｈ＝0.5mmとする
と、ｄ2＝16.37μmとなり、（19）式より、焦点距離は
ｆ0＝10.48mmとなる。

【００５９】図８は、本発明の第３実施例のレーザード
ップラー速度計の構成該略図である。

【００６０】レーザーユニット５０は、平行光束状態が
レーザー波長λまたは温度に連動して変化する光学系を
構成しており、温度Ｔ0℃においてはレーザー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
厳密に平行光束３となるように配置されている。平行光
束３は、プリズムに垂直入射され、プリズムＰ１により
偏向光束Ｒ１が、プリズムＰ２により偏向光束Ｒ２が生
じ、屈折の条件式にて出射角θ0にて射出される。プリ
ズムＰから距離ｃのところを速度Ｖで移動している被測
定物７に入射角θ0で二光束照射されるとそこからの散
乱光は、光検出器９で検出され、そのビート周波数Ｆは
（２）式同様、 Ｆ＝２・Ｖ・sin（θ0）／λ0 … （23） となる。ここで、プリズムＰは、干渉縞ピッチｐ0がｐ0
＝λ0／２sin（θ0）＝50μmとなるように設計されてお
り、（23）式は以下のようになる。

【００６１】 Ｆ＝Ｖ／ｐ0 … （24）

【００６２】ここで、温度がＴ1（＝Ｔ0＋ΔＴ）℃：
（ΔＴ：温度変化）になった場合を考える。

【００６３】光軸光線Ｉ1、Ｉ2の被測定物７への入射角
をθ、レーザー波長λをとすると、ビート周波数Ｆは、
（２）式同様Ｆ＝２・Ｖ・sin（θ）／λであるが、レ
ーザー波長λは（11）式同様温度依存性があり、 Ｆ＝２・Ｖ・sin（θ）／（λ0＋β・ΔＴ） … （25） となる。

【００６４】仮にレーザーユニット５０の平行光束状態
が変化しないと、ビート周波数Ｆは Ｆ＝２・Ｖ・sin（θ0）／（λ0＋β・ΔＴ） ＝｛Ｖ／ｐ0｝／（１＋β／λ0・ΔＴ） … （26） となり、温度変化ΔＴに対応してβ／λ0・ΔＴの割合
で測定精度が劣化することになる。

【００６５】λ0＝0.78μm、β＝2×１０^-4μm/℃、Δ
Ｔ＝25℃とすると、0.64％分だけ精度劣化が生じる。

【００６６】図９は温度変化ΔＴが生じた場合の本実施
例の光線を説明する図で、レーザーユニット５０によっ
て、偏向光束Ｒ1、偏向光束Ｒ2の光軸光線Ｉ1、Ｉ2（光
軸高さをｈとする）のプリズムＰ（屈折率ｎ）への入射
角θ'が温度変化ΔＴに対応して、 θ'＝β・ΔＴ／2ｐ0 … （27） の関係で変化するように平行光束状態が変化する光学系
をとる。

【００６７】（27）式の関係で平行光束状態が変化した
場合の光線角度を考える。

【００６８】図９のように角度θ'、θ2'、θa、θb、
θを設定し、屈折条件式を解く。この場合、全ての角度
は１度以下なので、sin（１度）と１度との差は、１×1
0^-4％程度であることを考慮してsin（θ...）≒θ...と
近似する。

【００６９】θ'＝ｎ×θ2'ｎ（θa＋θ2'）＝θbθ＝
θb−θaθ0＝（ｎ−１）θa

【００７０】以上の４式により、以下の式が導かれる。

【００７１】 θ＝θ0＋θ' … （28）

【００７２】また、光軸光線Ｉ1、Ｉ2の被測定物７への
入射角をθとするとビート信号は、 Ｆ＝２・Ｖ・θ／（λ0＋β・ΔＴ） ＝２・Ｖ・（θ0＋θ'）／（λ0＋β・ΔＴ） … （29） となる。この式に、（27）式のように入射角θ'を温度
変化により変化させると、 Ｆ＝２・Ｖ・（θ0＋β・ΔＴ／2ｐ0）／（λ0＋β・ΔＴ） ＝Ｖ／ｐ0 … （30） となり、ビート周波数Ｆは温度変化ΔＴが生じても、光
学系の温度依存性、レーザー波長依存性を消去すること
が可能となる。

【００７３】本実施例では（27）式の割合で平行光束状
態が変化する光学系として、図３と同一構成で実現して
いる。これを次に説明する。

【００７４】コリメータレンズ２は焦点距離ｆで、温度
やレーザー波長の温度変化分での焦点距離ｆ変化分は無
視できるガラス材質とする。

【００７５】このとき、レーザー出射点０とコリメータ
レンズ２とは保持部材に保持され、その間隔ａは、Ｔ＝
０℃時で厳密に焦点距離ｆに合わされている。

【００７６】ここで温度変化ΔＴが生じると、間隔ａが
保持部材の熱膨張分だけ変動し、 １／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ … （15） の関係で光束の平行光束状態が変化する。（図６参照）

【００７７】光軸光線Ｉ1、Ｉ2の角度ズレ分θ'は、（1
5）式より、 θ'＝ｈ／ｂ＝ｈ・（１／ｆ−１／ａ） ＝ｈ・（ａ−ｆ）／（ｆ・ａ） … （16'） 出射点−レンズ間隔ａでの実質熱膨張率をα'とする
と、（16'）式は θ'＝ｈ・α'・ΔＴ／ｆ … （17'） となる。（27）、（17'）式より、 β／2ｐ0＝ｈ・α'／ｆ … （31）

【００７８】この(31)式を満たすレーザーユニット構成
にすれば、プリズムＰから距離ｃの所定の位置では、温
度依存性、レーザー波長依存性のない光学系を実現す
る。

【００７９】例えば、λ0＝0.78μm、β＝2×10^-4μm/
℃、α'＝60×10^-6/℃、ｈ＝0.5mmとすると、ｆ＝15mm
の焦点距離を持つコリメータレンズ２を選定すればよ
い。

【００８０】以上の実施例では、レーザードップラー速
度計を例として説明したが、被測定物に回折格子を設け
たスケール部材を配置すると、そのまま光学式エンコー
ダとなる。

【００８１】図１０はこのような光学式エンコーダに本
発明を適用した第４実施例の部分説明図である。本実施
例では被測定物に回折格子Ｇ３を用いた点を除けば、構
成は図３に示す第１実施例と同様である。回折格子Ｇ３
の格子配列方向は回折格子Ｇ１、Ｇ２と同様であり、回
折格子Ｇ３の格子ピッチｄ3は回折格子Ｇ１、Ｇ２の格
子ピッチｄ（温度Ｔ＝０℃でｄ0）と等しく、回折格子
Ｇ１、Ｇ２それぞれから出射する回折光の（回折格子Ｇ
３が存在する）距離ｃの位置における干渉縞のピッチの
２倍に等しい。ここでは回折格子Ｇ３の材質は温度によ
り格子ピッチが実質的に変動しないガラス材を使用して
おり、測定精度が環境によらないようにしている。回折
格子Ｇ3からは回折格子Ｇ１、Ｇ２おのおのからの＋１
次光、−１次光がそれぞれ回折されて発生する−１次
光、＋１次光が常に波面を一致するように合波されて干
渉光束として出射され、光検出器９で検出される。これ
により、回折格子Ｇ３の移動に伴って、回折格子Ｇ３の
格子ピッチｄ3の半分のピッチを周期とする周期信号が
安定して発生する。これを元に不図示の信号処理回路に
て回折格子Ｇ３との間の相対変位量が測定される。

【００８２】本実施例においても、（18）式を満たすレ
ーザーユニット構成にしたことにより、回折格子Ｇから
距離ｃの所定の位置では、温度依存性、レーザー波長依
存性のない光学系を実現する。これにより、環境安定性
に優れた廉価なエンコーダが実現されることになる。

【００８３】

【発明の効果】以上、第１発明によれば、温度変化で発
生する干渉縞間隔の変動が少なくとも光束の収束発散で
補償されるので、安価な部材を用いても高精度な変位情
報検出が可能である。

【００８４】また、第２発明によれば、温度変化で発生
する干渉縞間隔の変動が光束の交差角と収束発散で補償
されるので、安価な部材を用いても高精度な変位情報検
出が可能である。

【００８５】また、第３発明によれば、温度変動によっ
て２光束の収束発散状態を所定位置における干渉縞間隔
変動を抑える方向に変更する構成にしたので、温度変化
に起因する干渉縞間隔変動が温度変化に基づいて正確に
抑制され、安価な部材を用いても高精度な変位情報検出
が可能である。

【００８６】また、第４発明によれば、光源の波長の変
化によって２光束の交差角を、且つ温度変動によって２
光束の収束発散状態を、夫々所定位置における干渉縞間
隔変動を抑える方向に変更する構成にしたので、温度変
化に起因する干渉縞間隔変動が温度変化と波長変化に基
づいて正確に抑制され、安価な部材を用いても高精度な
変位情報検出が可能である。

【００８７】また、第５発明によれば、平行光束状態が
レーザー波長または温度に連動して変化する光学構成に
より、所定の位置での検出精度に影響する移動物体に入
射させる光学系が持つ温度（波長）依存性を、この光学
構成によって消去することが可能となり、安価な部材を
用いても高精度な変位情報検出が可能である。

【００８８】第６発明によれば更に、この様な光学構成
を光源点とコリメータレンズとの間隔を温度により変化
させる機械的可動部の無い簡易構成で実現できる。

【００８９】第７発明によれば更に、この様な光学構成
をコリメータレンズの焦点距離を温度により変化させる
実質的可動部の無い簡易構成で実現できる。

【００９０】第８発明によれば更に、温度に連動して格
子ピッチが変化する回折格子を用いても温度依存性が消
去できる構成なので、安価な回折格子を用いても高精度
な検出が可能となる。

【００９１】第９発明によれば更に、波長変動により強
い構成が実現される。

【００９２】また、第１０発明によれば、干渉縞の所定
位置における間隔の温度変化に起因する変動を抑える方
向に、コリメート光学系からの概略平行光束の平行光束
状態を変化させる平行状態変更手段を設けたことによ
り、安価な回折格子を用いても高精度な検出が可能とな
る。

【００９３】第１１発明によれば更に、平行状態を温度
変化に基づいて適切に変更でき、より高精度な検出が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レ−ザ−ドップラ−速度計の従来例を示す図

【図２】小型レ−ザ−ドップラ−速度計の構成例

【図３】本発明の第１実施例のレ−ザ−ドップラ−速度
計の構成説明図

【図４】光線説明図

【図５】干渉縞の発生状態を説明する図

【図６】回折格子がない状態での光線を説明する図

【図７】本発明の第２実施例のレーザードップラー速度
計の部分説明図

【図８】本発明の第３実施例のレーザードップラー速度
計の部分説明図

【図９】第３実施例の光線を説明する図

【図１０】本発明の第４実施例の光学式エンコーダの部
分説明図

【符号の説明】

１ レ−ザ−ダイオード ２ コリメ−タ−レンズ ３ レーザー光束 ５ａ、５ｂ レーザー光束 ６ ミラ− ７ 被検物体 ８ 集光レンズ ９ 光検出器 ２０ フレネルゾーンプレート型レンズ ２１ 保持部材 ５０ レーザーユニット Ｇ 回折格子 Ｐ プリズム

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２光束の交差部の少なくとも所定位置に
   干渉縞を発生させ、該交差部からの散乱光を受光して該
   交差部を通過する物体の変位情報を検出する装置であっ
   て、温度変動による前記所定位置における干渉縞間隔の
   変動を少なくとも該２光束の収束発散状態の変更によっ
   て補償することを特徴とする変位情報検出装置。
2. 【請求項２】 ２光束の交差部の少なくとも所定位置に
   干渉縞を発生させ、該交差部からの散乱光を受光して該
   交差部を通過する物体の変位情報を検出する装置であっ
   て、温度変動による前記所定位置における干渉縞間隔の
   変動を該２光束の交差角の変更及び該２光束の収束発散
   状態の変更によって補償することを特徴とする変位情報
   検出装置。
3. 【請求項３】 温度によって波長が変化する光源からの
   ２光束の交差部の少なくとも所定位置に干渉縞を発生さ
   せ、該交差部からの散乱光を受光して該交差部を通過す
   る物体の変位情報を検出する装置であって、温度変動に
   よって該２光束の収束発散状態を前記所定位置における
   干渉縞間隔変動を抑える方向に変更する構成にしたこと
   を特徴とする変位情報検出装置。
4. 【請求項４】 温度によって波長が変化する光源からの
   ２光束の交差部の少なくとも所定位置に干渉縞を発生さ
   せ、該交差部からの散乱光を受光して該交差部を通過す
   る物体の変位情報を検出する装置であって、前記光源の
   波長の変化によって該２光束の交差角を、且つ温度変動
   によって該２光束の収束発散状態を、夫々前記所定位置
   における干渉縞間隔変動を抑える方向に変更する構成に
   したことを特徴とする変位情報検出装置。
5. 【請求項５】 レーザー光を所定の位置で所定の交差角
   で交差させて移動物体に入射させ、前記移動物体から散
   乱光の偏移を光検出器で検知し、検知された信号に基づ
   いて前記移動物体の変位情報を検出する変位情報検出装
   置であって、光源からの光束を測定方向に対し概略平行
   光束とする平行光束形成手段と、前記平行光束形成手段
   による平行光束状態をレーザー波長または温度に連動し
   て変化させる光学構成と、前記概略平行光束の異なる領
   域を偏向する偏向手段とを有し、該偏向手段によって偏
   向された光束の交差部の所定の位置で移動物体に光束入
   射させることを特徴とする変位情報検出装置。
6. 【請求項６】 前記平行光束形成手段はコリメータレン
   ズを有し、前記光学構成として、光源点とコリメータレ
   ンズまでの距離が温度に連動して変化することを特徴と
   する請求項５に記載の変位情報検出装置。
7. 【請求項７】 前記平行光束形成手段はコリメータレン
   ズを有し、前記光学構成として、コリメータレンズの焦
   点距離がレーザー波長または温度に連動して変化するこ
   とを特徴とする請求項５に記載の変位情報検出装置。
8. 【請求項８】 前記偏向手段は、温度に連動して格子ピ
   ッチが変化する回折格子を有することを特徴とする請求
   項５に記載の変位情報検出装置。
9. 【請求項９】 前記所定の位置での２つの光束の交差半
   角θがレーザー波長λまたは温度に連動して、sinθ／
   λが一定となるように変化することを特徴とする請求項
   ５から８のいずれかに記載の変位情報検出装置。
10. 【請求項１０】 温度によって波長が変化するレーザー
    光源と、該レーザー光源からの出射光束を概略平行にす
    るコリメート光学系と、該コリメート光学系からの概略
    平行光束を部分的に異なる方向へ偏向して出射直後に交
    差部を形成させる交差光学系と、該交差部における干渉
    縞の所定位置における間隔の温度変化に起因する変動を
    抑える方向に、前記コリメート光学系からの概略平行光
    束の平行光束状態を変化させる平行状態変更手段とを有
    することを特徴とする変位情報検出装置。
11. 【請求項１１】 前記平行状態変更手段は温度変化に基
    づいて平行光束状態を変化させることを特徴とする請求
    項１０に記載の変位情報検出装置。