JPS5922906B2 - レ−ザ速度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、鉄鋼、非鉄工業等における各種鋼板および
鋼管、ステンレス板およびステンレス管、アルミ板およ
びアルミ管、銅板および銅管等の製造ラインで必要とさ
れている非接触でかつ高精度なレーザ速度測定装置に関
するものである。

従来、上記の各製造ラインにおける被測定物の速度は接
触式のメジヤリング、ローラによつて測定されている。
この方式は、０。１％以上の測定精度が得られる高精度
なものであるが、接触式であるため、ラインが高速にな
るとスリップ誤差を生ずるローラの摩耗による誤差を生
ずる高温雰囲気で使用不可等の問題がある。

この問題点を解決する手段として、レーザ光の回折現象
で被測定物面上で生ずるスペツクル・パターン（ＳＰｅ
ＣｋｔＰａｔｔｅｒｎ）を空間フイルタ一（一定のピツ
チをもつ格子状スリツト等）で処理することによつて、
被測定物の速度に比例した周波数を測定し、上記の速度
を測定する非接触のレーザ速度計が開発されている。こ
の方式により、スリツプによる誤差、摩耗による誤差は
解決できたが、上記スペツクルパターンがランダムな粒
状をもつために、信号の信号対雑音比Ｓ／ＮおよびＱ値
は必ずしも良好とはいえず、特に被測定物の低速度領域
で測定精度が低下し、メジヤリング・ロール相当の精度
を出すには、かなり高度な技術が必要とされる状況にあ
る。一方、レーザ光のコヒーレンシイを利用したドプラ
一効果により、気体、液体中の粒子の運動等を非接触で
高精度に測定する方式が開発され製品も市販されており
、各研究機関等で利用されている。この方式は、イ非接
触である、口絶対測定で直線性がよい、八応答が速い、
二測定対象が局部的で空間分解能が高い、ホ速度の測定
範囲が大きく、特に低速度域で有利である、等の特長を
もつている。ところが、この方式を土述した各種製造ラ
インにおける鋼板等の速度測定に適用しようとすると、
一般にライン変動（鋼板等の位置変動）が±５ｍＩ〜±
５０ｍ１１と大きいため、この方式の大きな特徴の一つ
であつた空間分解能が高いことにより、大きな測定誤差
を生ずるか、あるいは測定不能になる難点があり、その
用途は気体、液体中の粒子の運動測定等に限定されてい
た。そこで、この発明では上述したライン変動の影響を
受けにくいドプラ一効果による高精度なレーザ速度測定
装置を提供するものである。以下、図面によりこの発明
について説明する。

第１図は従来のドプラ一効果を用いたレーザ速度測定装
置のうち、最も優れた方式であるフリンジ゜モード（Ｆ
ｒｉｎｇｅＭＯｄｅ）の慨略構成図を示したものである
。図において、１はレーザ発振器、２は半透鏡、３は全
反射鏡、４は集束用レンズ、５は被測定物、６は受光用
レンズ、７は光検知器、８は信号処理部、Ｒは参照光、
Ｓは試料光である。レーザ発振器１からのレーザ・ビー
ムを半透鏡２で２本の平行光、すなわち参照光（以下Ｒ
光という）と試料光（以下Ｓ光という）に分割し、集束
用レンズ４で上記２本のビームを交叉岱せると、この交
叉部にフリンジ（Ｆｒｉｎｇｅ）が生じ、被測定物５（
粒子、鋼板等）がこのフリンジを通過する場合に、被測
定物５がフリンジの明部にあれば散乱光が強く、フリン
ジの暗部にあれば散乱光は弱い。受光用レンズ６および
光検知器Ｔはこの散乱光を集めて元電変換を行う。今、
簡単化のために、被測定物５は速度ｖで上記フリンジに
垂直に運動しているとすると、散乱光の強さの単位時間
当りの変化Ｆｄは、ｇをフリンジの間隔としてが得られ
る。

一方、レーザビームの交叉角をθ、レーザ光の波長をλ
とすれば２本ビームの等傾角の干渉から、ｇは次式で与
えられる。

（１），（２）式から光検知器ｒの出力信号Ｆｄは次の
ように表わきれる。

ここで、λ＝０．６３２８μｍ（Ｈｅ−Ｎｅガスレーザ
）、θ＝１（５），ｖ−６ｍ／分の数値を（３）式に代
入するとの周波数となり、数ｍ／分の低速度域において
も、十分な精度で周波数処理ができ、高精度な速度測定
が可能であることが判る。

第２図は、第１図におけるビームの交叉部分を拡大し、
交叉部分の幾何学的な寸法を算出するための図である。
この図でが成り立つ。ここにＤｎｌ：ビームの最小径（
レンズ焦点におけるビーム径）ｆ：レンズの焦点距離 △θ：ビームの集束角 Ｄｂ：レーザ・ビームの径 である。

ここで、Ｄｂ＝１ｍｍ１λ＝０．６３２８μＭｌｆ二３
００ｍｍ１θ二１６）として（４），（６）蟹７），（
８）式を数値計算すると、が得られる。

つまり、幅０Ｊ７ｍｍ１高さ０．１７ｍｍ１長さ１．９
６ｍｍという非常に小さな交叉部分にのみフリンジが生
じ、この部分からの散乱光のみが有．効な信号であるこ
とが判る。従つて、気体、液体等における層流測定等に
おいて空間的な分解能を高める必要がある分野において
は有効であるが、前述したライン変動がある鋼板等の速
度測定には、このままでは適用できない。第３図はこの
発明の一実施例の概略構成図を示したもので、９はビー
ム拡大器、１０は全反射鏡、１１は半透鏡、１２は半透
鏡である。

ビーム拡大器９は、例えば倍率ｎの逆望遠鏡であシ、レ
ーザ発振器１からのレーザビーム径ＤｂをＮＤｂＯ革の
平行光とする。全反射鏡１０は、ＳｙＧの光軸を（９♂
−θ）の角度で半透鏡１２へ送る機能をもつている。半
透鏡１１はＲ光を半透鏡１２へ送るとともに、被測定面
で散乱されて半透鏡１２で集められた散乱光を受光用レ
ンズ６へ送る。この発明においては、Ｒ光とＳｙｆ．と
が互いにθの交叉角で半透鏡１２であらかじめ重なりあ
つて被測定物５に照射？れることが大きな特長である。
ここで、上記のθ ，ＮＤｂは半透鏡１２と被測定物５
間の距離ｔと、被測定物５面上におけるＲ光とＳ光の重
なりの許容ずれ量から最適値を選定できるようになつて
いる。この方式における光検知器ｒの出力周波数Ｆｄ′
は、前記（１），（３）式と同様に表わされる。θ また、Ｄｎｌ，ｗｎｌ，ｈｎｌ，ｔｎｌに相当するパラ
メータは夫々下記で近似される。

ここで、θ二Ｆ，λ二０。

６３２８μＭ，ｖ＝６ｍＺトＤｂ＝１ｍｍ，ｎ＝１０と
して、（９）式〜（自）式を数値計算すると、が得られ
、ドプラ一周波数は小さくなるが、ｔが大きくなり、ラ
イン変動に対して強い方式が実現できることが判る。

Ｆｄｎ小さくなつたといえ、ＫＨｚオーダの周波数であ
るので、信号処理部８における周波数処理過程で精度を
低下させる要因にはならない。さらに、全反射鏡１０の
中心と半透鏡１２の中心間の距離をＴ。

として、被測定面上におけるＲ光とＳ光の重なりのずれ
量を算出してみる。第３図の座標系でＳ光の被測定物面
上におけるビーム径の中心位置は、と表わされる。

ここで、ＴＯ＝５０ｍ７！１，ｔ二３００１１ｍ，θ＝
１とすると、Ｚ＝３５０×Ｔａｎｌミ６．１７７！ＭＲ
光のビーム径の中心位置をＺ：Ｏに置いているから、第
４図の斜線で示した部分がＲ光とＳ光の交叉部分で、こ
れがｘ方向に約８００ｍｍの範囲に渡つて存在するため
、フリンジを発生する有効領域が第１図に示した系と比
較して格段に向上したことになる。

なお第４図においてＳ，Ｒは夫々Ｓ光，Ｒｙｆ：．のス
ポットを示す。第５図はこの発明の他の実施例の概略構
成図を示したもので、１３は中央部に所要の大きさの光
学的な透明部分をもち、他は全反射面をもつ半透鏡であ
る。

この系においては、被測定物５からの散乱光に対して上
記半透鏡１３の光学的な透明部分が有効な開口径として
作用する。ここで述べているフリンジ、モードによる方
式ではレーザビームの断面における強度分布が一般にガ
ウス分布をとるため、２本のビームを交叉させた場合に
生ずるフリンジについても強度分布が生じ、交叉部分全
てからの散乱光を受光すると信号のＳ／Ｎが低下するこ
とが知られている。従つて、上記の有効開口径（半透鏡
１３の光学的透明部分）はこのＳ／Ｎを維持するために
所要の受光立体角αを選定すること、また、第４図で示
したＲ光とＳ光の被測定物５面上における重なりのずれ
量に対して生ずるビーム交叉部分の最も有効な部分を受
光して信号強度並びに信号のＳ／Ｎを維持するための受
光光軸並びに受光立体角を選定する作用をもつている。
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、従
来の方式に２枚の鏡を追加するだけで、従来困難視され
ていた、ライン変動の大きい鋼板等の速度を、非接触で
かつ高精度に測定することが可能とな）、同時に需要の
多いこれらラインにおける長さ計としても実用できるこ
とになり、その効果は極めて大きいと考えられる。

この発明の実施例については、Ｒ光の光軸とＳ光の光軸
の相対角度θを、Ｓ光側の全反射鏡１０で可変設定する
としたが、これは、Ｒ光側の半透鏡１１または１３でし
ても良いし、またＳ′ｆ：．路、Ｒ光路の所要の鏡の角
度の組合わせでθを設定してもよい。

また、散乱光の受光系をＳ光側に置いた例について説明
したが、この受九系をＲ）Ｆ．側に置いてもよいことは
もちろんである。愼らに、受光する散乱光として、鋼板
等の測定を重視しているために後方散乱光を対象とした
実施例について説明したが、前方散乱光を対象とした方
式もこの発明の請求範囲を逸脱するものではない。又こ
の発明は速度を時間積分して長さを測定する長さ計にも
適用できることは言うまでもない。

図面の簡申な説明 第１図は従来のドプラ一効果（フリンジ・モード）を用
いたレーザ速度計の概略構成図、第２図は第１図のビー
ム交叉部分を拡大した図、第３図はこの発明の一実施例
を示す概略構成図、第４図は第３図における被測定物面
上のＲ光とＳ光の重なりを示す図、第５図はこの発明の
他の一実施例を示す概略構成図である。

図において、１はレーザ発振器、２は半透鏡、３は全反
射鏡、４は集束用レンズ、５は被測定物、６は受光用レ
ンズ、７は光検知器、８は信号処理部、９はビーム拡大
器、１０は全反射鏡、１１は半透鏡、１２ぱ半透鏡、１
３は半透鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コヒーレントな光を発するレーザ装置と、上記レー
   ザ装置からのレーザビームを平行かつ所要の倍率で拡大
   する手段と、前記手段により拡大された平行のレーザビ
   ームを参照光と試料光に分割する手段と、前記手段によ
   り分割された上記参照光と試料光の二つの平行光を半透
   鏡を用いて再び集合し、互いのビーム間に重なりをもた
   せるとともにその重なり領域が光軸方向に長くなるよう
   に外部へ照射する手段と、上記試料光の光軸と上記参照
   元の光軸の相対角度を所要の角度に設定する手段と、上
   記の重なり合つた参照光と試料光の二つの平行光とが被
   測定物で散乱されたときの散乱光を所要の開口径で受光
   する手段と、上記受光信号を光電変換する手段とを備え
   たことを特徴とするレーザ速度測定装置。 ２ 試料光の光軸を参照光の光軸に対して所要の角度だ
   け可変設定するようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のレーザ速度測定装置。 ３ 参照光の光軸を試料光の光軸に対して所要の角度だ
   け可変設定するようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のレーザ速度測定装置。 ４ 散乱光を受ける開口として上記参照光と試料光を集
   合し、互いのビームに所要の重なりをもたせて外部へ照
   射する半透鏡の有効径を用いることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のレーザ速度測定装置。 ５ 散乱光を受ける開口として、上記の参照光と試料光
   を集合するために用いる全反射鏡の参照光側の全反射鏡
   または試料光側の全反射鏡で、所要の中央部分を光学的
   に透明にした有効径を用いることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のレーザ速度測定装置。 ６ 散乱光の受光路を参照光側においたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれか記載のレー
   ザ速度測定装置。 ７ 散乱光の受光路を試料光側においたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれか記載のレー
   ザ速度測定装置。 ８ 上記の拡大されたレーザビーム径と、試料光の光軸
   と参照光の光軸間の角度と、被測定物面上の参照光と試
   料光の重なりのずれ量との間に、受信される信号の信号
   対雑音比Ｓ／ＮおよびＱ値が最適値となる固有の関係を
   もたせたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   レーザ速度測定装置。