JPS63204183A - 反射型レ−ザドツプラ速度測定装置 - 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】 技術分野 本発明は反射型レーザドツプラ速度測定装置に関し、特
に、被測定物の移動速度の二次元方向成分を同時に測定
する技術に関するものである。

従来技術 運動中の被測定物にレーザ光を照射すると、その被測定
物からの反射光はドツプラシフトを受けている。このよ
うな性質を利用して被測定物から反射される光の周波数
変化を検知することにより被測定物の移動速度を測定す
る反射型レーザドツプラ速度測定装置が考えられている
。この場合、散乱光の微小な周波数変化を求めるために
は測定分解能の非常に高い光センサを用いる必要がある
ため、通常は、上記ドツプラシフトに対応した基準光と
のビート周波数或いは散乱光相互のビート周波数が検出
される。

発明が解決すべき問題点 ところで、従来の反射型レーザドツプラ速度測定装置は
、たとえば、第５図に示す装置を用いて実行されている
ため、被測定物の一次元方向における移動速度しか検出
できなかった。すなわち、第５図において、レーザ発振
器１１０から放射されたレーザ光はビームスプリッタ１
１２において２分され、一方のレーザ光はミラー１１４
により光路が変換されて被測定物１１６に方向へクトル
ｊ、の方向で入射させられる。他方のレーザ光はミラー
１１８および１２０により光路が変換されて方向ベクト
ルｊ２の方向で被測定物１１６に上記と同じ入射点に入
射させられる。被測定物１１６からの散乱光はミラー１
２２および集光レンズ１２４により導かれて光センサ１
２６により検出される。この光センサ１２６により観測
される散乱光は、方向ベクトル７Ｉに沿って入射された
レーザ光の散乱光であって被測定物１１６の移動速度と
関連したドツプラシフトを受けたものと、方向ベクトル
１□に沿って入射されたレーザ光の散乱光であって被測
定物１１６の移動速度と関連したドツプラシフトを受け
たものとが干渉した結果合成された合成散乱光となる。

このため、上記光センサ１２６により検出される合成散
乱光には、それぞれの散乱光の周波数の差から、被測定
物１１６の移動速度に対応したビート周波数が生じてい
る。このビート周波数は被測定物１１６の方向ベクトル
（Ｌ　　ｉｉ’＋）方向の移動速度、すなわち被測定物
１１６の移動速度の方向ベクトル（１□−７１）の方向
成分に対応したものであるので、このビート周波数に基
づいて算出する上記従来の測定方式では、被測定物１１
６の一次元方向の移動速度しか測定できないのである。

したがって、従来のレーザドツプラ速度測定装置におい
ては、被測定物の移動速度を高精度にて測定しようとす
る場合に被測定物の移動方向と測定装置の測定方向、す
なわち上記方向ベクトル（７ｚＬ）方向とを正確に一致
させねばならず、また、測定中に被測定物の移動方向が
変化した場合には移動速度測定が困難となる不都合があ
った。

問題点を解決するための手段 本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、
その要旨とするところは、被測定物をレーザ光にて照射
したときにその被測定物から反射される散乱光のドツプ
ラシフトに基づいてその被測定物の移動速度の二次元方
向成分を同時に求める反射型レーザドツプラ速度測定装
置であって、［ａｌ共通のレーザ光から互いに直交する
偏光面を備えた第１偏光および第２偏光を発生させるレ
ーザ光出力装置と、（ｂｌ前記第１偏光および第２偏光
を前記被測定物上の一点に集光するための集光レンズを
備え、その集光レンズの光軸を含む第１平面内において
前記第１偏光をその先軸に対して予め定められた一定の
角度だけ傾斜した２本のビームにてその光軸の両側から
前記一点に向かって照射するとともに、その先軸を含み
且つ上記第１平面と直交する第２平面内において前記第
２偏光をその光軸に対して予め定められた一定の角度だ
け傾斜した２本のビームにて上記光軸の両側から前記一
点に向かって照射するレーザ光照射手段と、（ｃ）前記
被測定物から反射した散乱光から前記第１偏光および第
２偏光に対応した第１偏光散乱光および第２偏光散乱光
を選別する選別手段と、（ｄｌ前記第１偏光散乱光間の
干渉によるビート周波数に基づいて前記第１平面内の前
記光軸と直交する方向における前記被測定物の移動速度
を決定するとともに、前記第２偏光散乱光間の干渉によ
るビート周波数に基づいて前記第２平面内の前記光軸と
直交する方向における前記被測定物の移動速度を決定す
る速度決定手段とを、含むことにある。

作用および発明の効果 このようにすれば、第１平面内における２本のビームに
沿って集光レンズの両側から被測定物に向かって照射さ
れる第１偏光に対応した２種類の散乱光相互の干渉によ
り発生するビート周波数に基づいて、第１平面内の光軸
に直交した方向における被測定物の移動速度が決定され
るとともに、第２平面内における２本のビームに沿って
集光レンズの両側から被測定物に向かって照射される第
２偏光に対応した２種類の散乱光相互の干渉により発生
するビート周波数に基づいて、第２平面内の光軸に直角
な方向における前記被測定物の移動速度が決定される。

すなわち、上記第１平面内において光軸に直交する方向
と上記第２平面内において光軸に直交する方向との二次
元方向における被測定物の移動速度が測定されるのであ
る。したがって、被測定物の移動方向と測定装置の測定
方向とを正確に一致させる必要がなく、また、測定中の
被測定物の移動方向が前記平面内において変化したとし
ても、被測定物の移動速度を高精度にて測定することが
できるのである。

実施例 第１図において、レーザ発振器１０がら放射されたレー
ザ光は偏光ビームスプリンタ１２により互いに直交する
偏光面を備えた直線偏光であるＰ偏光１−、およびＳ偏
光り、に２分され、Ｐ偏光Ｌ２はマ方向へＳ偏光Ｌｓは
ブ方向へ進む。この後、Ｐ偏光ＬＰはミラーＩ４におい
てプ方向へ反射され且つビームスプリッタ１６に入射し
、ｊ方向において平行な２本のビームに分割される。こ
のようにして分割された２本の平行なＰ偏光ＬｐＩおよ
びＬＰ□は、偏光ビームスプリンタ１８を直進し、集光
レンズ２２により被測定物２４上の一点Ａに所定の角度
で集光される。

上記偏光ビームスブリック１２．１８および後述の３２
は、良く知られたものであって、その入射面に平行な偏
光面を備えたＰ偏光を通過させ且つ入射面に垂直な偏光
面を備えたＳ偏光を反射させる。この入射面とは、入射
光線、入射点の面法線、反射光線若しくは屈折光線を含
む平面である。

また、上記ビームスプリッタ１６および後述のビームス
プリッタ２８は、一対のプリズムを貼り合わせで構成さ
れており、その貼り合わせ面において略半分の光量にて
入射ビームを分割し、分割された２本のビームが互いに
平行となるように屈折させる。また、後述のビームスプ
リッタ２ｏは所謂ハーフミラ−と同様の機能を備えたも
のであっで、入射光の一部を透過させ且つ残りを反射さ
せる。

前記偏光ビームスプリンター２によって反射されたＳ偏
光り、、はミラー２６により方向ベクトルマ方向へ進み
、偏光ビームスブリック１８においてブ方向へ反射され
る。第２図は、偏光ビームスプリンタ１８の下方におい
てｊ方向に見た場合の各光線位置を示している。偏光ビ
ームスプリッタ１８によりｊ方向へ反射されたＳ偏光り
、は、前記ビームスプリンター６と同様に構成されたビ
ームスプリッタ２８を通過させられることによりｊ方向
において互いに平行な２本のＳ偏光ＬＳＩおよびＳ偏光
■１．、□に分割される。第３図は、ビームスプリンタ
２８の下方においてｊ方向に見た場合の各光線位置を示
している。図に示すように、４本の互いに平行なＰ偏光
Ｌ２．およびＬｐ□とＳ偏光ＬＨおよびＬｓ□は、集光
レンズ２２の光軸Ｊを中心とする一辺の長さがａである
正方形の対角線上の角にそれぞれ位置させられている。

そして、上記４本の互いに平行なＰ偏光Ｌ　ｐＩおよび
Ｌｐ□とＳ偏光ＩＪＳＩおよびＬｓ２は、第４図に示す
ように、集光レンズ２２を通りその集光レンズ２２の集
光作用によって被測定物２４上の一点Ａに照射される。

すなわち、集光レンズ２２がら被測定物２４上の一点へ
に向かう一対のＳ偏光Ｌｓ＋およびＬｓ□を含む第１平
面内において、予め定められた一定の角度θだけ集光レ
ンズ２２の光軸Ｊに対して傾斜した２本のビームにてＳ
偏光Ｌ　ＳＩおよびり、ｓ□が光軸Ｊの両側から照射点
Ａに向がって照射される。また、集光レンズ２２がら被
測定物２４上の一点Ａに向かう一対のＰ偏光り、、１お
よびＬｐ□を含む第２平面内において、予め定められた
一定の角度θだけ集光レンズ２２の光軸Ｊに対して傾斜
した２本のビームにてＰ偏光り、い、およびＬｐ２が光
軸Ｊの両側から照射点Ａに向かって照射される。したが
って、本実施例では、ミラー１４．２６、ビームスプリ
ッタ１６．２８、偏光ビームスプリッタ１８、集光レン
ズ２２が、上記条件下で４本のＰ偏光ＬｐｌおよびＬ２
□とＳ偏光Ｌｓ＋およびＬｓ２とを照射点Ａに向かって
照射させるレーザ光照射手段として機能し、レーザ発振
器１０および偏光ビームスプリッタ１２が、互いに垂直
なＳ偏光ＬＳおよびＰ偏光Ｌｐを発生させるレーザ光出
力装置として機能するのである。

被測定物２４上の一点Ａから反射された散乱光は、集光
レンズ２２によって集められるとともに平行化され、ビ
ームスプリッタ２０により一父方向へ取り出される。こ
の散乱光には、２本のＰ偏光り、、。およびＬｐ□がそ
れぞれ散乱された２種類のＰ偏光散乱光１−ｐｓ＋およ
びＬｐｓ□と、２本のＳ偏光Ｌｓ＋およびＬｓ□がそれ
ぞれ散乱された２種類のＳ偏光散乱光ＬＳ□およびＬＳ
Ｓ□とが含まれている。このように２種類のＳ偏光散乱
光Ｌ　ｓ５＋およびＬ　ｓｓ□と２種類のＰ偏光散乱光
Ｌｐ９１および■。

ｐｓｚとを含む散乱光は、本実施例において選別手段と
して機能する偏光ビームスプリッタ３２によりＰ偏光成
分とＳ偏光成分とに２分される。そして、Ｐ偏光成分で
ある上記Ｐ偏光散乱光！＋ｌｌ５ＩおよびＩＪＩ）Ｓ□
はレンズ３４を通して光センサ３６により検出され、Ｓ
偏光成分である上記Ｌｓ□およびＬ　ｓｓｚはレンズ３
８を通して光センサ４０により検出される。

被測定物２４からの散乱光に含まれる２種類のＳ偏光散
乱光Ｌ　ｓｓｌおよびＬｓｓ□は」−紀元センサ４０に
より検出されるが、たとえば第４図に示すように前記第
１平面が方向ベクトルマ＋フおよびｊを含む平面である
とすると、それら２種類のＳ偏光散乱光Ｌ　ｓ　ｓ　Ｉ
およびＬ　ｓ　ｓ　２は被測定物２４のマ＋ブ方向の移
動速度Ｖ　、、ｙに対応したドツプラシフトをそれぞれ
受けているため、それらの２種類のＳ偏光散乱光Ｌ　５
Ｓ＋およびＬ　ｓｓ２相互の干渉の結果として観測され
るＳ偏光散乱光には被測定物２４の移動速度に対応した
ビート周波数ｆ　ｂｘ＋ｙが含まれ、そのビート周波数
ｒ　ｈＸ＋ｙが光センサ４０により検出される。そして
、本実施例において速度決定手段として機能する演算装
置４２では、そのビート周波数ｆ　ｂｘ＋ｙに基づいて
被測定物２４の移動速度Ｖ　Ｘ、ｙが算出される。すな
わち、前記集光レンズ２２から被測定物２４の一点Ａへ
向かう２本のＳ偏光Ｌ　ＳＩおよびり、□の方向をそれ
ぞれ７＋および１□とすると、それら２本のＳ偏光Ｌ５
Ｉおよびり、、□により発生する２種類のＳ偏光散乱光
Ｌ　ｓｓｌおよびＬ　ｓｓ２の周波数ｆ　ｓｓｌおよび
ｆ　ｓｓ２はそれぞれドツプラシフトを受けているため
、次式（１）および（２）に従って表される。

Ｌ、□の周波数、Ｖは散乱光の方向ベクトルである。

そして、光センサ４０によって検出されるビート周波数
ｆ　ｂＸ＋ｙは、上記２種類のＳ偏光散乱光Ｌｓｓｌお
よびＬ　ｓｓ□の周波数ｆ　ｓｓｌおよびｆ　ｓｓ□の
差であるから、次式（３）にて表される。

ｆ　ｂＸ＋ｙ＃（ｆ　ｏ　／　Ｃ）　”；ｘ＋ｙ・　（
Ｌ　　Ｌ）・・・（３） この（３）式において、ｆｏおよびＣは既知であり、ｔ
２およびｊ、は集光レンズ２２の被測定物２４に対する
集光条件から事前に求められ得、またｆｂｘ＋ｙは観測
されるものであるから、それらの値を用いて被測定物２
４の移動速度Ｖ　Ｘ、ｙが算出され得る。前記演算装置
４２の記憶部には、上記（３）式、およびｆ。、Ｃ１（
７ｚ　　Ｌ）が予め記憶されており、光センサ４０によ
って検出されたビート周波数ｆ　ｂＸ＋ｙに基づいて移
動速度Ｖ　Ｘ、ｙが決定される。この移動速度ザ、。、
の方向は１゜およびＩ。

を含む平面内であって集光レンズ２２の光軸Ｊに直交す
る方向（Ｌ　　Ｌ）、すなわちマ→−Ｖ方向である。

被測定物２４からの散乱光に含まれる２種類のＰ偏光散
乱光Ｉ−”ｌｌｌ５ＩおよびＬ　ｐｓ２は上記光センサ
３６により検出されるが、たとえば第４図に示すように
前記第２平面が方向ベクトル７Ｆおよびプを含む平面で
あるとすると、それら２種類のＰ偏光散乱光Ｌｐｓ＋お
よび■、ｐ５□は被測定物２４のマーＹ方向の移動速度
ｖＸ−アに対応したドツプラシフトを受けているため、
それらの２種類のＰ偏光散乱光Ｌ　ｐｓｌおよびＬ　ｐ
ｓ□相互の干渉の結果として観測されるＰ偏光散乱光に
は被測定物２４の移動速度に対応したビート周波数ｆ　
ｂｘ−ｙが含まれ、そのビート周波数ｆ　ｂｘ−ｙが光
センサ３６により検出される。そして、本実施例におい
て速度決定手段として機能する演算装置４２では、その
ビート周波数ｒ　ｂＭ−ｙに基づいて被測定物２４の移
動速度−７Ｘ−９が算出される。すなわち、前記集光レ
ンズ２２から被測定物２４の一点Ａへ向かう２本のＰ偏
光ＬｐＩおよびＬｐ□の方向をそれぞれｊ３およびＺａ
、被測定物２４のマーＹ方向の移動速度をＶに−ｙとす
ると、前述のＳ偏向散乱光の場合と同様に、次式（４）
に示す関係が得られる。

ｆｂｘ−ｙ”　（ｆｏ　／ｃ）ｖｂＸ−ｓ”　　（７４
Ｆ３　＞・・・（４） したがって、前記演算装置４２の記憶部には、上記（４
）式、およびｆｏ、ｃ、（７４７３）が予め記憶されて
おり、光センサ３６によって検出されたビート周波数ｆ
ｂｘ−アに基づいて移動速度Ｖゎアが決定される。この
移動速度ｖ８−アの方向はｊ４およびｊ３を含む平面内
であって集光レンズ２２の光軸Ｊに直交する方向（７ａ
　　Ｌ）、すなわち父−７方向である。

そして、以上のように、被測定物２４のｆ＋ブ方向の移
動速度Ｖ　Ｘ、、および父−Ｙ方向の移動速度Ｖいアが
決定されると、それらから被測定物２４の移動速度ｔ　
（−ＶＸ＋ｙ　＋　ＶＸ−ｙ　）が算出されるのである
。

このように、本実施例によれば、互いに直交する偏光面
を備えたＳ偏光ＬｓおよびＰ偏光Ｌｐが互いに平行な２
本のビームにそれぞれ分割されてＰ偏光ＬｐｌおよびＬ
Ｐ□とＳ偏光Ｌｓ＋およびＬＳ□とされた後、それら互
いに平行な４本のビームが所定の照射条件下で被測定物
２４に照射され、その被測定物２４からの散乱光から上
記Ｓ偏光ＬＳＩおよび１−ｓｚとＰ偏光１、ｐｌおよび
ＬＰ２とに対応したＳ偏光散乱光Ｌ　ＳＳＩおよびＬ　
ｓｓ□とＰ偏光散乱光■。

ｐｓｌおよびＬ　ｐｓ２とがそれぞれ選択され、そして
、Ｓ偏光散乱光１＋ＳＳｌおよびＬ　ｓｓ□のドツプラ
シフトに基づいて被測定物２４の移動速度Ｖの二次元方
向成分の一方；　Ｘ、ｙが決定され、且つ、Ｐ偏光散乱
光Ｌ　ｐｓｌおよびＬ　ｐｓ□のドツプラシフトに基づ
いて上記二次元方向成分の他方ｖ８−２が決定される。

このように、被測定物２４の移動速度の二次元方向成分
の一方；　Ｘ、ｙおよび他方ｖＸ−アが同時に決定され
るので、被測定物２４の実際の移動方向と測定装置の測
定方向とを正確に一致させる必要がなく、また、測定中
の被測定物２４の移動方向が変化したとしても、被測定
物２４の移動速度Ｖを高精度にて測定することができる
のである。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、
本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前記レーザ発振器１０から出力されるレーザ
光の周波数を光周波数シフタにて変調し、このように変
調された周波数のレーザ光を用いて被測定物２４の移動
速度を測定するようにしてもよい。

また、前述の実施例において、ビームスプリ。

り２８により分割された互いに平行な２本のＳ偏光Ｌｓ
＋およびＬＳ□のビームが含まれる第１平面と方向ベク
トルｆ＋ブおよびｊが含まれる平面とが一致させられ、
また、ビームスプリッタ１６により分割された互いに平
行な２本のＰ偏光り、、、およびＬＰ□のビームが含ま
れる第２平面と方向へクトルマーブおよび／が含まれる
平面とが一致させられていたが、それら第１平面または
第２平面は」二記方向ベクトルマ＋ブおよびアが含まれ
る平面または方向へクトルマーブおよびブが含まれる平
面と必ずしも一致させられなくてもよいのである。

また、前述の実施例において、レンズ、ミラー、スリッ
ト、ビームスプリンタなどの他の光学素子が必要に応じ
て適宜設けられても差支えないのである。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその精神を逸脱しない範囲で種々変更が加え
られ得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を説明する斜視図であ
る。第２図および第３図は、第１図の実施例の光学系に
おける偏光ビームの相対位置関係をそれぞれ示す図であ
る。第４図は第１図の実施例において被測定物に対する
照射条件を詳しく説明するための要部斜視図である。第
５図は従来のレーザドツプラ速度測定装置を説明する図
である。 ２４：被測定物 ３２：偏光ビームスプリッタ（選別手段）４２：演算装
置（速度決定手段） 出願人　　ブラザー工業株式会社 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物をレーザ光にて照射したときに該被測定物から
   反射される散乱光のドップラシフトに基づいて該被測定
   物の移動速度の二次元方向成分を同時に求める反射型レ
   ーザドップラ速度測定装置であって、 共通のレーザ光から互いに直交する偏光面を備えた第１
   偏光および第２偏光を発生させるレーザ光出力装置と、 前記第１偏光および第２偏光を前記被測定物上の一点に
   集光するための集光レンズを備え、該集光レンズの光軸
   を含む第１平面内において前記第１偏光を該光軸に対し
   て予め定められた一定の角度だけ傾斜した２本のビーム
   にて該光軸の両側から前記一点に向かって照射するとと
   もに、該光軸を含み且つ該第１平面と直交する第２平面
   内において前記第２偏光を該光軸に対して予め定められ
   た一定の角度だけ傾斜した２本のビームにて該光軸の両
   側から前記一点に向かって照射するレーザ光照射手段と
   、 前記被測定物から反射された散乱光から前記第１偏光お
   よび第２偏光に対応した第１偏光散乱光および第２偏光
   散乱光を選別する選別手段と、前記第１偏光散乱光間の
   干渉によるビート周波数に基づいて前記第１平面内の前
   記光軸と直交する方向における前記被測定物の移動速度
   を決定するとともに、前記第２偏光散乱光間の干渉によ
   るビート周波数に基づいて前記第２平面内の前記光軸と
   直交する方向における前記被測定物の移動速度を決定す
   る速度決定手段と、 を含むことを特徴とする反射型レーザドップラ速度測定
   装置。