JPS58202823A - 投受光プロ−ブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光を投光しこの投光した光の反射光を受光す
るようにした投受光プローブに関するものである。

光を投光しこの投光した光の反射光を受光する機構とし
ては、従来からレーザドツプラー速度計専の反射型測定
器で使用されている第１図〜第６図に示す様な溝道のも
のがある。

第１図は前方散乱式システムと呼ばれる機構の一例を示
しておシ、この機構で流体の流速を測定している状態で
ある。この第１図に於いて、前方散乱式システムと呼ば
れる機構は、ビームスプリッタ機構（１）、収１束用レ
ンズ（２）、集光用レンズ（３）、収束用レンズ（４）
及び光電変換器（５）を具備している。

ビームスプリッタ機構（１）と凸レンズ等から成る収束
用レンズ（２）とは相前後して配設されており、機構（
１）とは反対側にある収束用レンズ（２）の焦点位置が
、光を反射する粒子を含み速度ベクトルＶで流れている
流体（６）中に位置する様に、測定器の位置が調整され
ている。流体（６）に対して機構（１）及び収束用レン
ズ（２）とは反対側の位置に、凸レンズ等から成る集光
用レンズ（３）、収束用レンズ（４）及び光電変換器（
５）が順次配設されている。

以上の様な構成の第１図に示す機構に於いて、レーザ（
図示せず）から射出されたレーザ光（力は、ビームスプ
リッタ機構（１）に依って元のレーザ光（７）に平行な
複数の光に分岐された後、収束用レンズ（２）に入射す
る。収束用レンズ（２）に入射したレーザ光（７）は、
収束用レンズ（２）の焦点位置に収束する力ζこの焦点
位置近傍を流れている流体（６）中に含まれている粒子
に当たシ種々の方向に反射する。反射したレーザ光（力
の一部は、集光用レンズ（３）で集光され、収束用レン
ズ（４）で収束されて光電変換器（５）に入射する。充
電変換器（５）の出力は周波数解析器（図示せず）に入
力され、その結果から反射されたレーデ光（７）の周波
数を得る。周波数解析器で得たレーザ光（７）の周波数
には、流体中の粒子が移動していることに依るドツプラ
ー効果が現われており、レーザから射出された時点のレ
ーザ光（７）の周波数とはその１直が異なる。従ってそ
の両者を比較することば依って、流体（６）中の粒子の
移動速度つまり流体（６）の流速を求めることが出来る
。

しかし第１図に示した様な前方散乱式システムでは、夫
々のレンズの光軸やビームスプリッタの位置が振動等で
ずれ、又それらの軸合わせや位置調整が容易でない為、
光学系が不安定であり、常に正１な測定を行うというこ
ｔが出来ない。又このシステムでは多数の高級な光学素
子を使用する瓢光学系がＸきぐ且つ高価である。更に各
光学素子を容易に取シ替えられない為、測定器と測定対
称物との相対的な位置を変更することは困難である。

又このシステムでは投光用レンズ系が一組しか無い為、
このシステムを速度計で使用した場合、速度ベクトルの
一方向の成分しか測定出来ず、例えばＸ軸方向及びＹ軸
方向等の各成分を測定することは出来ない。その上第１
図に於いて明らかな様に、測定器本体を測定対称物の近
傍に配置する必要があり、測定対称物の位置に従って測
定器本体を移動させる必要がちる。又ビームスプリッタ
機構（１）と収束用レンズ（２）との間及び集光用レン
ズ（３）と収束用レンズ（４）との間には、レンズとの
屈折率の差の大きい空気がある為、レンズ表面での反射
型が高く光のロスが多す結果、光電変換器（５）（入射
する光量が少なくなシ、その分だけ測定器の検出感度が
低くなるという欠点がある。

第２図は後方散乱式システムと呼ばれる従来の投受光機
構の一例、を示している。この後方散乱式システムと呼
ばれる機構は、集光用レンズ（３）、受光用凹面′３１
＋８）　、収束用レンズ（４）及び光電変換器（５）が
ビームスプリッタ機構（１）と収束用レンズ（２）との
間に配設されていることを除いて、第１図に示した前方
散乱式システムと呼ばれる機構と実質的に同一の構成で
あってよい。

以上の様な構成の第２図に示す機構に於いて、レーザ光
（７）はビームスプリッタ機構（１）と収束用レンズ（
２）とを通シ流体（６）中に含まれている粒子に当たっ
て種々の方向に反射する。反射したレーザ光（７）の一
部は、再度収束用レンズ（２）へ入射し、集光用レンズ
（３）を通った後、受光用凹面鏡（８）で略９０’の角
度で以って反射され入収束用レンズ（４）を経て光電変
換器（５）へ入射する。その後、光電変換器（５）の出
力を周波数解析器（図示せず）に入力しその結果から流
体（６）の流速を得る手順は、第１図に示した従来例の
場合と全く同様である。

しかし第２図に示した様な後方散乱式システムにも、第
１図の前方散乱式システムと全く同様な欠点がちる。

第３図はファイバ式システムと呼ばれる従来の投受光機
構の一例を示し２ており、この機構で流体の流速を測定
している状態である。この第６図に於いて、ファイバ式
システムと呼ばれる機構は、第１及び第２の光ファイバ
ｆ２１！Ｅ及び光電変換器（５）を具備している。

第１及び第２の光ファイバｔ２ｎｕの夫々の一端面（２
１ａ）　（２２ａ）は、流体（６）の方向を向く様に配
設されておシ、第２の光ファイバ（社）の他端部は光電
変換器（５）に接続されている。

以上の様な構成の第３図に示す機構に於いてレーザ（図
示せず）から射出され光ファイバ（２の中を通ってその
一端面（２１ａ）から放射されたレーザ光（力は、流体
（６）中に含まれている粒子に当た）ｌ４の方向に反射
中る。反射したレーザ光（６）の一部は、光ファイバＱ
の一端面（２２ａ　）へ入射し、その中を伝播して光電
変換器（５）へ入射する。その後、光電変換器（５）の
出方を周波数解析器（図示せず）に入力しその結果から
流体（６）の流速を得る手順は、第１図に示した従来例
の場合と全く同様である。

しかし第３図〈示した様なファイバ式システムでは、レ
ーザ光（刀が光ファイバ。υの一端面（２１ａ）から放
射状に射出される為、反射光が光７アイノく、ｌｚの一
端面（２２ａ）に受光される割合が低く、従って光の噴
出感度が低い。又このシステムでは太さの刑い光ファイ
バｔ′２つで反射光を直接受光しているので、Ｎ子から
一端面（２２ａ）を見る角度が小さく、この砧果５１Ｊ
定器の分解能が低ぐな）、近接する粒子からの、反射光
が干渉し合って精度の高い測定が出来ｉい。更に投光用
光ファイバが一本しか無い為、このシステムを速度計で
使用した場合、速度ベクトルの一方向の成分しか測定出
来ず、例えばＸ軸方向及びＹ＠力方向の各成分を測定す
ることは出来なＡｏ 本発明は上述の如き問題を屏決する為に発明されたもの
であって、小形、％量、安甑である（Ｃもかかわらず、
光学系が安定であり、光の検出感度と分解能が鴬＜、投
受光プローブと測定対象物との相対的な位置を容易に麦
豐出来、測定器本体から連れた位Ｉでも投受光可能【し
たものである。

以下、第４Ａ図〜第６Ｂ図を参照して、本発明をレーザ
ドツプラー速１宜計に適用した場合の実施例及びこのレ
ーザドツプラー速度計を使用して流体の流速を測定する
手順に付いて説明する。

第４Ａ図及び第４Ｂ図は本発明の第１実施例を示すもの
であって、この第４Ａ図及び第４Ｂ図に於いて、レーザ
ドツプラー速度計の投受光プローブ（至）は、ヘッド金
具３υと、この金具６υ内に挿入固定された第１及び第
２の屈折率分布型レンズ（３３（３３と、これらのレン
ズ０３＠の夫々の一方の端面（３２ｍ）（３３ｍ）に接
合された第１及び第２の光ファイバ（ロ）（至）とを具
備している。

投受光プローブ（至）のヘッドを形成するヘッド金具Ｃ
３１）は円筒形状であり、この金具ｃｌυ内には、金具
ｃｌηの内径の略１／２に等しい直径と光の蛇行周期の
１／４ピツチよりも長い長さｌとを有する円柱形状の第
１及び第２の屈折率分布型レンズ（至）例が挿入されて
いる。金具０１）はレンズ０つ（至）の長さｌよシも長
く構成しそあ）、金具Ｃ３１）内にレンズ（３カ（至）
が挿入された状態では、レンズ（至）（至）の夫々の一
方の端面（３２ｍ）　（３３ａ）は金具（１１１の一方
の開放端から所定の間隔だけ離されておシ、他方の端面
（３２ｂ）（３３ｂ）は金具３υの他方の開放端と面一
に構成されている。

レンズｔａａＣ３３の夫々の一方の端面（３２ｍ）　（
３３ａ）の中心同士を結んだ線の延長線上で且つこれら
の中心からの偏位がΔｒである位置には、第１及び第２
の光ファイバ３４１（至）の夫々の一端面（３４ｍ）　
（３５ｍ）が１３１） 接合されている。又レンズ（至）（至）と金にとの隙間
を少なくする為に、円柱形状の２つの支持具（至）が、
その外周壁を金具３１）の内周壁及びレンズ＠（至）の
夫夫の外周壁に接し且つその両端面をレンズ曽（至）の
両端面と面一にして挿入されている。更に金具ｃ３氏レ
ンズ（至）（至）、光ファイバ（至）（至）及び支持具
（至）の間の隙間には、夫々を互いに接着することに依
って互いの位置関係を固定する充填材Ｇ７）が充填され
ており、第２の光７アイパ（至）の他端部には光電変換
器（５）が接続されている。

なお光が光７アイパ（至）の一端面（３４ｍ）から射出
されレンズ６３を通過して端面（３２ｂ）から投光され
た場合、この光が金具１３１１の細心の延長線上で且つ
端面（３２ｂ）　ｔｌ−含む面との垂直な距離がｄであ
る点ｐに収束する様に、既述の長さ！及び偏位Δｒが予
め選定されている。そして流体（６）中にこの点ｐが位
置する様に、投受光プローブ（至）の位置を調整しであ
る。

以上の様な構成に於いて、レーザ（図示せず）で生成さ
れ光ファイバ（財）を通ってレンズ（至）中に射出され
るレーザ光（７）は、レンズ（３りに依って屈折作用を
学けた後に端面（３２ｂ）から投光される。なお、光フ
ァイバ（ロ）からレンズ０３の軸心に平行な方向に射出
されたレーザ光（刀が端面（３２ｂ）の位置でこの輪心
方向と成す角度をθとする。端面（３２ｂ）から投光さ
れた後に点ｐに収束するレーザ光（刀は、点ｐ近傍を通
過している流体（６）中の粒子に当たって反射し、レン
ズ（至）の端面（３３ｂ）で受光される。端面（３３ｂ
）は点ｐ以外を通過している粒子に依って反射されたレ
ーザ光（７）も受光するが、その様な粒子に対しては投
光されたレーザ光（刀が収束していないので粒子の輝度
が低く、従って端面（３３ｂ）は点ｐを通過する粒子に
依って反射されたレーザ光（７）を主に受光する。レン
ズ關の長さはレンズ１３２の長さ【等しく構成してろシ
、又端面（３３ａ）の中心と一端面（３５ａ　）の中心
との偏位も端面（３２ａ）の中心と一端面（３４ａ）の
中心との偏位に等しく構成しである。従って点ｐで反射
し端面（３３ｂ）で受光されたレーザ光］力は、レンズ
１瀾中で屈折作用を受は端面（３３ａ）に到達した時に
は光ファイバ（至）の一端ｚ（３５ａ）に収束し、そこ
から光７アイパ（至）中へ入射する。この時、レンズ・
腸の軸心と平行な方向から光ファイバ間中へ入射するレ
ーザ光（力は、端面（３３ｂ）の位置でこの軸心方向と
角度θを成している。光フアイバ１４３１中へ入射しそ
の中を伝播したレーザ光（７）は、光電変換器（５）に
入力される。その後光電変喚器（５）の出力を周波数解
析器（図示せず）Ｋ入力し、その結果から流体（６）の
流速を得る手順は、第１図に示した従来例の場合と全く
同様である。

定すると共にこれらを金具εＤ中に挿入しであるので、
衝零、撮動等に強く、光学系が安定している。

又投受光プローブ（７）は屈折率分布型レンズ（漫關を
使用しているので投光するレーザ光（７）を一点ｐに収
束させることが出来ると共に、受光したレーザ光（７）
を光ファイバ（ト）の一端面（３５ａ）に収束させるこ
とが出来る。即ち、レンズＣ３２１■の長さｌとしては
光の蛇行周期の０．２０〜０．３５ピツチが望ましいが
、長さｌ！が０，２５ピツチを運えていれば、本実施例
の様に光ファイバ（ロ）の一端面（３４ａ）がレンズＯ
２の端面（３２ａ）に密着していても、端面（３２ｂ）
から投光するレーザ光（４１は一点に収束し、長さｌが
Ｑ、２５ピツチ以下であれば、光７アイバ８４）の一端
面（３４ａ）をレンズ■の端面（３２ａ）から離して配
設することに依って、端面（３２ｂ）から投光するレー
ザ光Ｔ４０を一点に収束させることが出来る。一般にレ
ンズＩ３３の長さ！を長くすれば収束点ｐまでの既述の
距離ｄは短くなシ、逆に長さｌを短くすればとの距離ｄ
は長くなる。更に本実施例に於いては、光ファイバ、、
、＠４．甲とレンズ（至）（至）とを端面同士で接合し
ているので；それらの間に光７アイー惰□□□及びレン
ズｃ３ａ□□□との屈折率の差の大きい空気が無く、従
ってレーザ光（７）が端面（３２ａ）　（３５ａ）に入
射する時の反射率が低く、レーザ光（７）のロスが少な
　　　１い。これらの結果、反射率が低い測定対象物で
も輝度を上げることが出来、受光強度も強くなるので、
測定器の検出感度が高くなる。又光ファイバ（ロ）から
射出されたレーザ光（７）を屈折させ且つ金具１３１）
の内周壁に当たることに依るレーザ光（７）のロス　　
（を少なくする為に、偏位Δｒは、レンズｌ３２（至）
の直径が１．８　ｍの場合には１０〜３００μｍが望ま
しいが、角度θをミリラジアン、偏位Δｒをミクロンで
表わすと、レンズ（３邊（至）の直径が１．８　ｔｍで
長さｌが１／４ピツチの場合には、θ−Δｒの関係が　
　′成立する。従って偏位Δｒが１０〜３００μｍと　
　（すれば、距離ｄは略Ｑ、５〜１０備という小さい値
　　−で良い。この結果、投受光プローブ（至）がレン
ズ（至）　　・（３３と光ファイバ（３４）□□□との
組合せであるので、測定対象物との距離ｄも含めて測定
システムが小形、怪量、安価となる。父上記の様に光の
収束点ｐの位置は、レンズＣ３２Ｉ３３の長さｌを変え
ることに依つ　　。

てレンズｆ３Ｂ３の軸心方向へ、又光ファイノ＜３４）
（至）の接合点の偏位Δｒを変えることに依ってレンズ
Ｇ３Ｉの径方向へ夫々移動させることが出来る。従って
光の収束点ｐの位置が異なる種々の投受光グローブ（７
）を準備すれば、状況に応じて投受光プローブ（至）と
測定対象物との相対的な位置を容易に変更出来る。又第
３図の従来例の様に細い光ファイバ日で反射光を直接受
光するのではなく、光ファイバ（至）よりも太いレンズ
（至）で反射光を受光するので、流体（６）中の粒子か
ら端面（３６ｂ）を見る角度が大きく、この結果測定器
の分屏能が高くなシ、近接する粒子からの反射光が干渉
し合うことがないので、隋変の高い測定を行える。更に
投受光プローブ（至）Ｄ光７アイバ（３４）（ト）を長
くすることに依シ、レーザ、光電変換器（５）及び周波
数解析器等から相当離れた立置にある対象物も測定器本
体を移動させることなく測定が可能であり、非常に実用
的である。

第５Ａ図及び第５Ｂ図は本発明の第２実施例を示してい
る。この第５Ａ図及び第５Ｂ図に示す投受光プローブ（
至）に２いては、投受光用の屈折率分布型レンズＣ３Ｑ
がヘッド金具Ｇυ内に２組配設されている□ことを除い
て、第４Ａ図及び第４Ｂ図に示した投受光プ四−ブ（至
）と実質的に同一の構成であってよい。なおこれらの２
組は互いに９０度を成すように配電されている。

以上の様な構成に於いて、レーザ光（力がレンズ・３２
から投光され、流体（６）中の粒子に依って反射された
後、レンズ（至）で受光される動作は、第４Ａ図及び第
４Ｂ図に示した第１実施例の場合と実質的に同じである
。但し、投受光用レンズ（３２Ｑが２組配設されている
ので、上記動作がこの２組で同時に行われる。

以上の様に、この第２実施例の投受光プループ■は、投
光用レンズＣＩ３が２個あるので、第４Ａ図及び第４Ｂ
図で示した第１実。施例が有している特徴の外に、流体
（６）の速度ベクトルＶの例えばＸ軸方向及びＸ軸方向
という様な２方向の成分を測定出来、更に受光用レンズ
も２個あシそれらの各々を別個の光電変換器及び周波、
、、、整置換器に接続しであるので、前記２方向の成□
分を同時に測定出来るという優れた特徴を有している。

第６Ａ図及び第６Ｂ図は本発明の第６実施例を示してい
る。この第６Ａ図及び第６Ｂ図に示す投受光プローブ（
３υは、受光用の屈折率分布型レンズ（至）がヘッド金
具１３１）の軸心部分に配設されていることと、投光用
の屈折率分布型レンズ＠がレンズ例の周囲に互いに等角
度を成すように６個配設されていることと、光ファイバ
０９がレンズ例の細心位置に接合されていることとを除
いて、第４Ａ図及び第４Ｂ図に示した投受光プローブ■
と実質的に同一の構成であってよい。

以上の様な構成に於いて、レーザ光（７）がレンズＯａ
から投光され、流体（６）中の粒子に依って反射された
後、レンズ（至）で受光される動作は、一つの直径上に
配設されている２個のレンズ例が１組となって同時にレ
ーザ光（７）を投光することと、反射されたレーザ光（
７）がレンズ例の端面（３３ｂ）に垂直に入射し、レン
ズ１の端面（３３ａ）の中心位置に収束することとを除
いて、第４Ａ図及び第４Ｂ図に示した第１実施例□の場
合と実質的に同じである。但し、投光用レンズ・３７Ｊ
が６個つまり６組配設されているので、上記動作はこれ
らの６組の投光用し／ズＬ（３ｔｌ−＋Ｉ＃次切シ換え
ることに依って、時間をずらせて行われる。

以上の様に、このＭ３実施例の投受光プローブ＋３１Ｊ
ｌは投光用レンズ対が６組あるので、第４Ａ図及び第４
Ｂ図で示した第１実施列が有している特徴の外に、流体
（６）の速度ベクトルＶの３方向の成分を測定出来ると
いう優れた！％徴を有している。又投光用レンズ対は６
組あるが受光用レンズ器は１個であるので、投光用レン
ズ対を順次切換えれば充電変換器（５を及び周波数変換
器が夫々１個しか無くても速度ベクトルＶの成分を測定
出来、更に２個のレンズ国で投光用レンズ対を構成して
おシ夫夫のレンズから出る光の主光線方向が異なるので
、特に光を乱反射する測定対象物の輝度を上げることが
出来るという第１及び第２実施例の何れにも無い特徴を
も有している。

以上、本発明の６つの実施例に付き述べたが、本発明は
これらの実施列に限定されるものではなド笠県の゛細心
の周５に配設する改元しンズ巧が大々１組及び２組であ
り、又第３実施例に於いてはヘッド金具の軸心の周囲に
配設する投光用レンズ対が３組であるが夫々何組であっ
てもよい。又本発明に依る投受光プローブを適用したレ
ーザドツプラー速度計は、流体の流速測定の外、振動体
の振動の振巾や周波数を測定することも出来る。更に本
発明に依る投受光プローブは、レーザドツプラー速度計
以外に、コンベア上を通過する物体を光学的に検知する
検知器、レコードプレーヤのターンテーブルの回転速度
を測定する速度計、その他各種の反射型測定器にも適用
可能である。

本発明は上述の如き構成であるから、小形、軽量、安価
であるにもかかわらず、光学系が安定であシ、光の検出
感度と分解能が高く、投光される光の収束−位置を投受
光プローブと測定対象物との間隔に応じて任意に選定す
ることが出来、測定器本体から離れた位置でも投受光可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は反射型測定器の従来例を示すものであ
って、第１図は前方散乱式システムの概略図、第２図は
後方散乱式システムの概略図、第６図はファイバ式シス
テムの概略図でおる。第４Ａ図〜第６Ｂ図は本発明に依
る投受光グローブの・実施例を示すものであって、＄４
Ａ図は第１実施例の縦）析面図、第４Ｂ図は同じく第１
実施例の正面図、第５Ａ図は第２実施例の縦断面図、第
５Ｂ図は同じく第２実施例の正面図、第６Ａ図は第６実
施例の縦断面図、第６Ｂ図は同じく第３実施例の正面図
である。 なお図面に用いられている符号に於いて、（至）・・・
・・・・・・・・・・・・投受光プローブ６２・・・・
・・・・・・・・・・・第１の屈折率分布型レンズ曽　
・・・・・・・・・・・・・・第２の屈折率分布型レン
ズ（ロ）・・・・・・・・・・・・・・・第１の光ファ
イバ關・・・・・・・・・・・・・・・第２の光ファイ
バである。 代理人　土産　勝 、、、′ 常包芳男 杉浦俊貴 第２図 第３図 第４　Ａ図 を 第４３図 第５Ａ図 第５Ｂ図 第６Ａ図 第６Ｂ図 Ｊ４Ｊｌピ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いに平行に配設された複数の屈折率分布型レンズと、
   夫々の一端面が前記複数の屈折率分布型レンズの夫々の
   一方の端面に対向配設された複数本の光ファイバとを具
   備し、これら複数本の光ファイバの少くとも１本の前記
   一端面をこれが対向配置される前記屈折率分布凰レンズ
   の軸心位置から偏位させたことを特徴とする投受光プロ
   ーブ。