JP2019011999A - レーザドップラ速度計のアダプタ、及び、レーザドップラ速度計システム - Google Patents

Abstract

【課題】ワーキングデスタンスを変化せずにビームの交差角を小さくする。
【解決手段】センサユニット１からアダプタ２に入射する第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との中央を通る軸を中央軸Ｊとして、アダプタ２において、第１ビームＢ１は、第１ビーム用折返ミラー２２で、中央軸Ｊに近づく方向に折り返された後、第１ビーム用出射ミラー２３から中央軸Ｊと成す角がθ１となるように出射される。第２ビームＢ２も同様に光路が変更され、中央軸Ｊと成す角が-θ１となるようにアダプタ２から出射される。ただし、センサユニット１から入射する第１ビームＢ１、第２ビームＢ２が中央軸Ｊと成す角の絶対値を|θ０|として、|θ１|は|θ１|＜|θ０|である。また、センタユニットの先端から第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差点までの距離が、アダプタ２によって変化しないように各ミラーの配置、向きは設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザドップラ速度計のアダプタに関するものである。

レーザ光を分岐した二つの光束を、被測定物上の同じ領域に、被測定物の移動方向と垂直な方向に対して成す角が+θ、-θとなる方向から照射すると共に、照射した二つの光束によって被測定物上で生じる反射光を検出し、反射光のビート周波数をヘテロダイン検波して、被測定物の移動速度を算出するレーザドップラ速度計が知られている（特許文献１）。

図７ａに、このようなレーザドップラ速度計の構成例を示す。
図示するように、このレーザドップラ速度計は、レーザ光源７０１、ビームスプリッタ７０２、ミラー７０３、対物レンズ７０４、光検出器７０５を備えている。
レーザ光源７０１から出射されたビームは、ビームスプリッタ７０２で第１ビームと第２ビームに分岐され、第２ビームは、さらにミラー７０３で反射される。そして、第１ビームとミラー７０３で反射した第２ビームは、被測定物の移動方向と垂直な方向に対して成す角が+θ、-θとなる方向から被測定物７１０の同じ領域に照射され、当該領域で第１ビームと第２ビームとが交差角２×θで交差する。

そして、被測定物７１０で反射された第１ビームと第２ビームの反射光が、対物レンズ７０４によって光検出器７０５に集光され、光検出器７０５は集光された反射光を光電変換した検出信号Doutを出力する。

ここで、被測定物７１０の照射領域には、第１ビームと第２ビームとの干渉によって干渉縞が生成される。そして、干渉縞の間隔ｄは、λをレーザ光源７０１が出射するビームの波長として、
d =λ/2sinθ
によって表される。したがって、この干渉縞の間隔ｄは、レーザ光源７０１の波長と、第１ビームと第２ビームとの交差角２×θに応じて定まる、レーザドップラ速度計毎に固有の固定値となる。

また、この状態で、被測定物７１０が速度ｖで移動すると、光検出器７０５に集光された反射光を光電変換した検出信号Doutには、第１ビームの反射光と第２ビームの反射光との干渉によって下式で表される周波数fdのビート信号が表れる。

fd = (v×2sinθ）/λ= v/d
したがって、光検出器７０５が出力する検出信号Doutに表れるビート信号の周波数fdを測定することにより、測定した周波数fdとレーザドップラ速度計の固有の干渉縞の間隔ｄから、
v= fd×d
によって被測定物７１０の速度ｖを計測することができる。

また、このようなレーザドップラ速度計のアダプタに関する技術としては、レーザドップラ速度計に装着したアダプタにより、第１ビームと第２ビームとの交差角２×θを変更したり、レーザドップラ速度計のワーキングデスタンス（第１ビームと第２ビームとの交差点までの距離）を大きくする技術が知られている（特許文献２）。

ここで、この技術では、アダプタに内蔵した、２枚のレンズよりなるアフォーカル光学系で、第１ビームと第２ビームの進行方向を変化させることにより、第１ビームと第２ビームとの交差角２×θを変更している。

また、この技術では、アダプタに内蔵した、光線の平行移動を行う菱形プリズムでレーザドップラ速度計から出射された第１ビームと第２ビームとの間隔を拡大したり、ビームエキスパンダとして機能する２枚のレンズよりなるアフォーカル光学系により、レーザドップラ速度計から出射された第１ビームと第２ビームとの間隔を拡大することにより、ワーキングデスタンスを大きくしている。

特開２００５-６１９２８号公報 特開平７-５５９４０号公報

上述した、アダプタに内蔵した、２枚のレンズよりなるアフォーカル光学系で、第１ビームと第２ビームの進行方向を変化させることにより交差角を変更する技術を適用して、交差角を小さくすると、第１ビームと第２ビームとの交差点が遠ざかるためワーキングデスタンスが大きくなってしまう。

また、この技術では、交差角の変更に、２枚のレンズよりなるアフォーカル光学系を用いているため、アダプタ内に、中央軸方向の間隔をあけて２枚のレンズを中央軸方向に並べて配置することが必要であり、レンズの中央軸方向のアダプタのサイズを小型化することが難しい。

次に、上述した、アダプタに内蔵した、光線の平行移動を行う菱形プリズムや２枚のレンズよりなるビームエキスパンダとして機能するアフォーカル光学系によりワーキングデスタンスを大きくする技術は、第１ビームと第２ビームとの間隔を拡大するものであるため、この技術によっては、第１ビームと第２ビームとの交差角を変化させずにワーキングデスタンスのみを小さくすることはできない。また、上述のように、アダプタにおいて、２枚のレンズよりなるアフォーカル光学系を用いて、第１ビームと第２ビームとの交差角を小さくした場合において、この技術を適用して、ワーキングデスタンスを変化させないようにしたり、ワーキングデスタンスを小さくしたりすることもできない。

そこで、本発明は、レーザドップラ速度計に装着されるアダプタであって、小型化に適した構造によって、ワーキングデタンスを変化させずに、第１ビームと第２ビームとの交差角を小さくすることのできるアダプタを提供することを課題とする。

また、併せて、本発明は、レーザドップラ速度計に装着されるアダプタであって、小型化に適した構造によって、第１ビームと第２ビームとの交差角を変化させずに、もしくは、当該交差角を小さくしつつ、ワーキングデタンスを小さくすることのできるアダプタを提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、入出射面の離間した位置から、第１のビームと第２のビームを、当該第１のビームと第２のビームの中央を通る軸である中央軸上の前記入出射面から距離L0離れた点である測定点で、交差角２×θ0で交差するように出射し、前記測定点で反射して入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光の干渉によるビート信号の周波数から前記測定点の速度を計測するレーザドップラ速度計の前記入出射面に装着されるアダプタに、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第１のビームの光路上に配置され、入射する第１のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第１ビーム用第１ミラーと、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第１ビーム用第１ミラーで反射された第１のビームの光路上に配置され、前記第１ビーム用第１ミラーから入射する第１ビームを、前記第１ビーム用第１ミラーの前記第１のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角がθ1（但し、|θ1|＜|θ0|）となるように反射して、アダプタから出射させる第１ビーム用第２ミラーと、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第２のビームの光路上に配置され、入射する第２のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第２ビーム用第１ミラーと、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第２ビーム用第１ミラーで反射された第２のビームの光路上に配置され、前記第２ビーム用第１ミラーから入射する第２ビームを、前記第２ビーム用第１ミラーの前記第２のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が-θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第２ビーム用第２ミラーとを設けたものである。ただし、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第１のビームと第２のビームが、前記入出射面から前記距離L0離れた前記測定点で交差するように、前記第１ビーム用第２ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーの配置と向きは設定されている。

このようなアダプタによれば、各ビームを第１ビーム用第１ミラー／第２ビーム用第１ミラーによって中央軸に近づく方向に折り返して両ビーム間の間隔を狭めた上で、第１ビーム用第２ミラー／第２ビーム用第２ミラーで各ビームの中央軸に対する角度を、レーザドップラ速度計から出射された時の角度よりも小さく調整して出射するので、レーザドップラ速度計のワーキングデタンスを変化させずに、第１ビームと第２ビームとの交差角だけを小さくすることができる。また、第１ビーム用第１ミラーと第１ビーム用第２ミラー、第２ビーム用第１ミラーと第２ビーム用第２ミラーとは、中央軸方向に並べて配置する必要がなく、中央軸方向の位置が少なくとも部分的に重複するように配置することもできるので、アダプタの中央軸方向のサイズを小型化することができる。

ここで、このようなアダプタは、前記第１ビーム用第１ミラーと前記第１ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方と、前記第２ビーム用第１ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方とは、前記θ１が変化するように、位置または向きを可変に構成してもよい。

また、前記課題達成のために、本発明は、入出射面の離間した位置から、第１のビームと第２のビームを、当該第１のビームと第２のビームの中央を通る軸である中央軸上の前記入出射面から距離L0離れた点である測定点で、交差角２×θ0で交差するように出射し、前記測定点で反射して入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光の干渉によるビート信号の周波数から前記測定点の速度を計測するレーザドップラ速度計の前記入出射面に装着されるアダプタに、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第１のビームの光路上に配置され、入射する第１のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第１ビーム用第１ミラーと、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第１ビーム用第１ミラーで反射された第１のビームの光路上に配置され、前記第１ビーム用第１ミラーから入射する第１ビームを、前記第１ビーム用第１ミラーの前記第１のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が所定の角度θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第１ビーム用第２ミラーと、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第２のビームの光路上に配置され、入射する第２のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第２ビーム用第１ミラーと、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第２ビーム用第１ミラーで反射された第２のビームの光路上に配置され、前記第２ビーム用第１ミラーから入射する第２ビームを、前記第２ビーム用第１ミラーの前記第２のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が-θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第２ビーム用第２ミラーとを設けたものである。ただし、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第１のビームと第２のビームが、前記入出射面から所定の距離L1(但し、L1≠L0)離れた位置で交差するように、前記第１ビーム用第２ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーの配置と向きは設定されている。

ここで、このようなアダプタは、前記θ1が、|θ1|＝|θ0|を満たし、前記L1が、L1＜L0を満たすように構成してもよいし、前記θ1が、|θ1|＜|θ0|を満たし、前記L1が、L1＜L0を満たすように構成してもよいし、前記θ1が、|θ1|＜|θ0|を満たし、前記L1が、L1＞L0を満たすように構成してもよいし、前記θ1が、|θ1|＞|θ0|を満たし、前記L1が、L1＜L0を満たすように構成してもよい。

これらのようなアダプタによれば、各ビームを第１ビーム用第１ミラー／第２ビーム用第１ミラーによって中央軸に近づく方向に折り返して両ビーム間の間隔を狭めた上で、第１ビーム用第２ミラー／第２ビーム用第２ミラーで各ビームの中央軸に対する角度を、レーザドップラ速度計から出射された時の角度以下の角度に調整して出射するので、第１ビームと第２ビームの交差角を変化させずにレーザドップラ速度計のワーキングデタンスだけを小さくしたり、第１ビームと第２ビームの交差角とレーザドップラ速度計のワーキングデタンスの双方を小さくしたり、第１ビームと第２ビームの交差角を小さくしつつレーザドップラ速度計のワーキングデタンスを大きくしたり、第１ビームと第２ビームの交差角を大きくしつつレーザドップラ速度計のワーキングデタンスを小さくしたりすることができる。また、第１ビーム用第１ミラーと第１ビーム用第２ミラー、第２ビーム用第１ミラーと第２ビーム用第２ミラーとは、中央軸方向に並べて配置する必要がなく、中央軸方向の位置が少なくとも部分的に重複するように配置することもできるので、アダプタの中央軸方向のサイズを小型化することができる。

ここで、このようなアダプタは、前記レーザドップラ速度計が、前記ビート信号を検出するために前記測定点で反射して入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光を光電変換する光検出器と、前記測定点で反射して入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光を前記光検出器に集光する対物レンズとを備えたものである場合、当該アダプタに、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第１ビームと第２ビームの、当該第１ビームと第２ビームの交差点における反射光が入射する、前記対物レンズとレンズ群を形成するレンズを備えると共に、当該レンズの焦点距離は、前記レンズと対物レンズとよりなるレンズ群の焦点距離が、前記第１ビームと第２ビームの交差点における反射光を良好に前記光検出器に集光できる焦点距離となるように設定するようにしてもよい。

また、このようなアダプタは、前記第１ビーム用第１ミラーと前記第１ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方と、前記第２ビーム用第１ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方とは、前記距離L1が変化するように、位置または向きを可変に構成してもよい。

ここで、以上のようなアダプタには、当該アダプタをレーザドップラ速度計に装着して速度を計測する場合に、当該レーザドップラ速度計において計測に用いるべき設定を、当該アダプタが装着されたときに前記レーザドップラ速度計から読み出し可能に格納した記憶装置を設けるようにしてもよい。

また、本発明は、併せて、以上のアダプタのいずれかであるアダプタを１または複数有すると共に、当該アダプタが前記入出射面に選択的に装着されるレーザドップラ速度計を有するレーザドップラ速度計システムも提供する。

以上のように、本発明によれば、レーザドップラ速度計に装着されるアダプタであって、小型化に適した構造によって、ワーキングデタンスを変化させずに、第１ビームと第２ビームとの交差角を小さくすることのできるアダプタを提供することができる。

また、本発明によれば、レーザドップラ速度計に装着されるアダプタであって、小型化に適した構造によって、第１ビームと第２ビームとの交差角を変化させずに、もしくは、当該交差角を小さくしつつ、ワーキングデタンスを小さくすることのできるアダプタを提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザドップラ速度計システムを示す図である。 本発明の実施形態に係るアダプタの構成と作用を示す図である。 本発明の実施形態に係るアダプタの構成と作用を示す図である。 本発明の実施形態に係るアダプタの構成と作用を示す図である。 本発明の実施形態に係るアダプタの構成と作用を示す図である。 本発明の実施形態に係るアダプタの構成と作用を示す図である。 レーザドップラ速度計の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１ａに、本実施形態に係るレーザドップラ速度計システムの構成を示す。
図示するように、レーザドップラ速度計システムは、センサユニット１と、１または複数のアダプタ２と、制御装置３とを含んでいる。
センサユニット１は、少なくとも先に図７ａに示した構成を内蔵しており、先端に設けた光学窓１１から第１ビームと第２ビームを両ビームの交差点での交差角が２×θ0となるように出射し、光学窓１１に入射する第１ビームと第２ビームの被測定物による反射光を光電変換した検出信号Dout、もしくは、検出信号Doutに所定の信号処理を施した信号を制御装置３に出力する。

制御装置３は、センサユニット１から出力される信号に基づいて被測定部物の速度の計測などの各種計測処理を行う装置であり、センサユニット１への電源供給も行う。
そして、アダプタ２は、図１ｂに示すように、ネジ等によりセンサユニット１の先端に選択的に装着して使用される装置であり、装着時にセンサユニット１と反対側となる面に、第１ビームと第２ビームを入出射するための光学窓２１が設けられている。

以下、本実施形態に係るアダプタ２について説明する。
まず、上述のように、センサユニット１は、第１ビームと第２ビームを両ビームの交差点での交差角が２×θ0となるように出射する装置であり、センサユニット１をアダプタ２を装着せずに単体で使用した場合、図２ａに示すように、センタユニットの先端から第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差点Ｐまでの距離であるワーキングデスタンスはL0となる。

また、上述のようにセンサユニット１は、光電変換を行う光検出器７０５と、被測定物で反射された第１ビームと第２ビームの反射光を光検出器７０５に集光する対物レンズ７０４を内蔵している。

ここで、以下では、第１ビームＢ１に対する角度と第２ビームＢ２に対する角度が、絶対値が等しく正負が逆となる、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差点Ｐを通る直線の軸、すなわち、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の中央を通る軸を「中央軸Ｊ」と呼んで説明を行う。

なお、本実施形態に係るセンサユニット１においては、第１ビームＢ１の出射点と第２ビームＢ２の出射点の中間点Ｍと、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差点Ｐを結ぶ直線が中央軸Ｊとなる。また、図中において時計回り方向に角度を測ることとして、センサユニット１は、第１ビームＢ１を、中央軸Ｊに対して成す角の大きさがθ0となるように出射し、第２ビームＢ２を、中央軸Ｊに対して成す角の大きさが-θ0となるように出射している。

次に、図２ｂに、本実施形態に係る第１のアダプタ２の構成を示す。
図示するように、アダプタ２の内部には、第１ビーム用折返ミラー２２、第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用折返ミラー２４、第２ビーム用出射ミラー２５が配置されている。

なお、第１ビーム用折返ミラー２２はミラーホルダ２２０に保持されており、ミラーホルダ２２０をアダプタ２のフレームにネジ等により固定することにより、第１ビーム用折返ミラー２２はアダプタ２の内部に固定される。同様に、第１ビーム用出射ミラー２３はミラーホルダ２３０に保持されており、ミラーホルダ２３０をアダプタ２のフレームにネジ等により固定することにより、第１ビーム用出射ミラー２３はアダプタ２の内部に固定される。また、第２ビーム用折返ミラー２４はミラーホルダ２４０に保持されており、ミラーホルダ２４０をアダプタ２のフレームにネジ等により固定することにより、第２ビーム用折返ミラー２４はアダプタ２の内部に固定される。また、第２ビーム用出射ミラー２５はミラーホルダ２５０に保持されており、ミラーホルダ２５０をアダプタ２のフレームにネジ等により固定することにより、第２ビーム用出射ミラー２５はアダプタ２の内部に固定される
さて、アダプタ２の、装着時にセンサユニット１側となる面は開放されており、センサユニット１から出射された第１ビームＢ１と第２ビームＢ２は、アダプタ２の内部に進入する。

第１ビーム用折返ミラー２２は、アダプタ２の内部に進入した第１ビームＢ１の光路上に反射面が位置するように配置されており、反射面に入射した第１ビームＢ１を反射し、センサユニット１の中央軸Ｊに近づく方向に折り返す。また、第２ビーム用折返ミラー２４は、アダプタ２の内部に進入した第２ビームＢ２の光路上に反射面が位置するように配置されており、反射面に入射した第２ビームＢ１を反射し、センサユニット１の中央軸Ｊに近づく方向に折り返す。なお、第１ビーム用折返ミラー２２と第２ビーム用折返ミラー２４とは、センサユニット１の中央軸Ｊに対して線対称に配置されている。

次に、第１ビーム用出射ミラー２３は、第１ビーム用折返ミラー２２よりも中央軸に近い位置に配置されており、第２ビーム用出射ミラー２５は、第２ビーム用折返ミラー２４よりも中央軸に近い位置に配置されている。また、中央軸Ｊと垂直な方向にみて第１ビーム用折返ミラー２２と少なくとも部分的に重なるように第１ビーム用出射ミラー２３は配置されており、中央軸Ｊと垂直な方向にみて第２ビーム用折返ミラー２４と少なくとも部分的に重なるように第２ビーム用出射ミラー２５は配置されている。

そして、第１ビーム用折返ミラー２２は、このように配置された第１ビーム用出射ミラー２３に第１ビームＢ１が入射するように第１ビームＢ１の反射を行い、第２ビーム用折返ミラー２４は、このように配置された第２ビーム用出射ミラー２５に第２ビームＢ２が入射するように第２ビームＢ２の反射を行う。

さて、第１ビーム用出射ミラー２３の反射面は、第１ビーム用折返ミラー２２で反射され折り返された第１ビームＢ１の光路上にあり、反射面に入射した第１ビームＢ１を、センサユニット１と反対側に、中央軸Ｊと成す角がθ１となるように反射する。また、第２ビーム用出射ミラー２５の反射面は第２ビーム用折返ミラー２４で折り返された第２ビームＢ２の光路上にあり、反射面に入射した第２ビームＢ２を、センサユニット１と反対側に、中央軸Ｊと成す角が-θ１となるように反射する。なお、第１ビーム用出射ミラー２３と第２ビーム用出射ミラー２５とは、センサユニット１の中央軸Ｊに対して線対称に配置されている。

そして、第１ビーム用出射ミラー２３で反射された第１ビームＢ１と、第２ビーム用出射ミラー２５で反射された第２ビームＢ２は、アダプタ２の光学窓２１から出射される。
ここで、第１ビーム用出射ミラー２３と第２ビーム用出射ミラー２５の向きは、|θ1|＜|θ0|となるように設定されており、第１ビーム用出射ミラー２３から出射された第１ビームＢ１と第２ビーム用出射ミラー２５から出射された第２ビームＢ２の交差点での交差角は２×θ1となる。

したがって、第１のアダプタ２をセンサユニット１に装着したときの交差角は、図２ａに示したセンサユニット１を単体で用いた場合の交差角２×θ0より小さくなる。
また、第１ビーム用出射ミラー２３と第２ビーム用出射ミラー２５の向きは、センサユニット１の先端から第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差点までの距離がL0となるように設定している。

第１のアダプタ２をセンサユニット１に装着したときのワーキングデスタンスは、図２ａに示したセンサユニット１を単体で用いた場合のワーキングデスタンスと同じとなる。
以上、本実施形態に係る第１のアダプタ２について説明した。
第１のアダプタ２によれば、センサユニット１から出射された第１ビームＢ１と第２ビームＢ２を中央軸Ｊに近づく方向に折り返すことにより、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との間の間隔を狭めた上で、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との交差点における交差角がセンサユニット１を単体で用いた場合よりも小さくなるように進行方向を変更して出射するので、ワーキングデスタンスを変化させることなく第１ビームＢ１と第２ビームＢ２交差角を小さくすることができる。

また、第１ビーム用折返ミラー２２と第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用折返ミラー２４と第２ビーム用出射ミラー２５とは、中央軸方向に並べて配置する必要がなく、図２ｂに示したように中央軸Ｊ方向の位置が少なくとも部分的に重複するように配置することができるので、アダプタ２の中央軸Ｊ方向のサイズを小型化することができる。

なお、このように第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差角を小さくすることにより、より高速なレンジで速度を計測することができるようになる。
すなわち、上述のように、レーザドップラ速度計においては、
fd = (v×2sinθ）/λ
に従って発生する周波数fdのビート信号を観測することにより速度vを計測する。

そして、ビート信号の周波数fdは、上記式に従って第１ビームＢ１と第２ビームＢ２交差角が小さいほど低くなる。よって、一定の周波数の範囲内で、ビート信号の周波数fdを検出する場合、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差角が小さいほど、より高速な速度を計測することができるようになる。ただし、交差角が小さいほど、速度vの変化に対するビート信号の周波数fdの変化が小さくなるので、速度計測の分解能は低下する。

以下、本実施形態に係る第２のアダプタ２について説明する。
図３ｂに、第２のアダプタ２の構成を示す。なお、図３ａは、センサユニット１を単体で使用した場合の、交差角とワーキングデスタンスを示したものである。
さて、図３ｂに示すように、第２のアダプタ２の構成は、図２ｂに示した第１のアダプタ２と同様に、第１ビーム用折返ミラー２２、第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用折返ミラー２４、第２ビーム用出射ミラー２５を備えている。また、第２のアダプタ２は、補正レンズ２６を備えている。

ここで、上述した第１のアダプタ２とは異なり、第２のアダプタ２では、第１ビーム用出射ミラー２３を、反射面に入射した第１ビームＢ１を、センサユニット１と反対側に、中央軸Ｊと成す角がθ0となるように反射する向きで配置し、第２ビーム用出射ミラー２５を、反射面に入射した第２ビームＢ２を、センサユニット１と反対側に、中央軸Ｊと成す角が-θ0となるように反射する向きで配置している。

したがって、第２のアダプタ２から出射された第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差点での交差角は２×θ0となり、図３ａに示したセンサユニット１を単体で用いた場合の交差角２×θ0と等しくなる。

また、第２のアダプタ２において、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２を中央軸Ｊに近づく方向に折り返すことにより、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との間の間隔を狭めた上で、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との交差点における交差角がセンサユニット１を単体で使用した場合と等しくなるように進行方向を変更して出射しているので、第２のアダプタ２をセンサユニット１に装着したときのワーキングデスタンスL1は、図３ａに示したセンサユニット１を単体で用いた場合のワーキングデスタンスL0より小さくなる。

したがって、第２のアダプタ２によれば、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２の交差角を変化させることなく、ワーキングデスタンスを小さくすることができる。
さて、センサユニット１の対物レンズ７０４は、センサユニット１を単体で用いた場合のワーキングデスタンスL0、中央軸Ｊ方向にセンサユニット１の先端から離れた位置で反射した第１ビームと第２ビームの反射光を、光検出器７０５に良好に集光できるように焦点距離が設定されている。

したがって、第２のアダプタ２によってワーキングデスタンスをL1に変更すると、対物レンズ７０４のみによっては、第１ビームと第２ビームの反射光を、光検出器７０５に良好に集光できなくなってしまう。

第２のアダプタ２の補正レンズ２６は、このようなワーキングデスタンスの変更による、光検出器７０５への集光の問題を解決するために設けられており、補正レンズ２６と対物レンズ７０４とよりなるレンズ群の焦点距離（補正レンズ２６と対物レンズ７０４の合成焦点距離）が、ワーキングデスタンスL1、中央軸Ｊ方向にセンサユニット１の先端から離れた位置で反射した第１ビームと第２ビームの反射光を光検出器７０５に良好に集光できる焦点距離となるように、補正レンズ２６の焦点距離は設定されている。

但し、補正レンズ２６が無くても、ワーキングデスタンスL1、中央軸Ｊ方向にセンサユニット１の先端から離れた位置で反射した第１ビームと第２ビームの反射光を光検出器７０５に、測定に支障の無い程度に良好に集光できる場合には、補正レンズ２６は必ずしも設ける必要はない。

以上、第２のアダプタ２について説明した。
以上のように、第２のアダプタ２によれば、センサユニット１から出射された第１ビームＢ１と第２ビームＢ２を中央軸Ｊに近づく方向に折り返すことにより、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との間の間隔を狭めた上で、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との交差点における交差角がセンサユニット１を単体で用いた場合と等しくなるように進行方向を変更して出射するので、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２交差角を変化させることなくワーキングデスタンスを小さくすることができる。

また、第１ビーム用折返ミラー２２と第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用折返ミラー２４と第２ビーム用出射ミラー２５とは、中央軸方向に並べて配置する必要がなく、図３ｂに示したように中央軸Ｊ方向の位置が少なくとも部分的に重複するように配置することができるので、アダプタ２の中央軸Ｊ方向のサイズを小型化することができる。

なお、本第２のアダプタ２は、図３ｃに示すように、ワーキングデスタンスがセンサユニット１を単体で用いた場合のワーキングデスタンスL0より小さいワーキングデスタンスL２となると共に、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との交差点における交差角２×θ２が、センサユニット１を単体で用いた場合の交差角２×θ0より小さくなるように構成してもよい。

また、本第２のアダプタ２は、図３ｄに示すように、ワーキングデスタンスがセンサユニット１を単体で用いた場合のワーキングデスタンスL0より大きいワーキングデスタンスL３となると共に、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との交差点における交差角２×θ３が、センサユニット１を単体で用いた場合の交差角２×θ0より小さくなるように構成してもよい。

また、本第２のアダプタ２は、ワーキングデスタンスがセンサユニット１を単体で用いた場合のワーキングデスタンスL0より小さいワーキングデスタンスとなると共に、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との交差点における交差角２×θ２が、センサユニット１を単体で用いた場合の交差角２×θ0より大きくなるように構成することもできる。

次に、本実施形態に係る第３のアダプタ２について説明する。
第３のアダプタ２は、図２ｂに示した第１のアダプタ２において交差角を可変にしたものである。
すなわち、第３のアダプタ２は、第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５の第３のアダプタ２のフレームへの取り付け位置を、図４ａに示した取り付け位置と、図４ｂに示した取り付け位置との間で変更できるように構成されている。

また、図４ａに示した取り付け位置に第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５を取り付けた場合と、図４ｂに示した取り付け位置に第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５を取り付けた場合とで、ワーキングデスタンスが変化せずに交差角のみ２×θ4（θ4＜θ0、θ4≠θ1）、に変化するように各取り付け位置、及び、各取り付け位置に取り付けたときに第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５の反射面が向く方向は設定されている。

なお、このような第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５の取り付け位置の変更は、たとえば、図４ｃ１、ｃ２に第２ビーム用出射ミラー２５について示したように、第１ビーム用出射ミラー２３を保持したミラーホルダ２３０と、第２ビーム用出射ミラー２５を保持したミラーホルダ２５０を、固定するためのネジ穴４００のセットを、取り付け位置毎に、第３のアダプタ２のフレームに複数設け、ミラーホルダ２３０、ミラーホルダ２５０を、取り付け位置に応じたネジ穴４００のセットを用いてアダプタ２のフレームにネジで固定すること等により行うことができる。

以上、第３のアダプタ２について説明した。
以上では、第１ビーム用出射ミラー２３と第２ビーム用出射ミラー２５の取り付け位置を変更することにより、ワーキングデスタンスを変更することなく交差角を変更したが、これは、第１ビーム用折返ミラー２２と第２ビーム用折返ミラー２４、または、第１ビーム用出射ミラー２３と第２ビーム用出射ミラー２５と第１ビーム用折返ミラー２２と第２ビーム用折返ミラー２４の取り付け位置を変更することにより、ワーキングデスタンスを変更することなく交差角を変更するようにしてもよい。

次に、本実施形態に係る第４のアダプタ２について説明する。
第４のアダプタ２は、図３ｂに示した第２のアダプタ２においてワーキングデスタンスを可変にしたものである。
すなわち、第４のアダプタ２は、第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５の第３のアダプタ２のフレームへの取り付け位置を、図５ａに示した取り付け位置と、図５ｂに示した取り付け位置との間で変更できるように構成されている。また、第４のアダプタ２は、補正レンズ２６を、異なる焦点距離の補正レンズ２６に交換できるように構成されている。

また、図５ａに示した取り付け位置に第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５を取り付けた場合と、図５ｂに示した取り付け位置に第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５を取り付けた場合とで、交差角が変化せずにワーキングデスタンスのみL4（L4＜L0,L4≠L1)に変化するように各取り付け位置、及び、各取り付け位置に取り付けたときに第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５の反射面が向く方向は設定されている。

なお、このような第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５の取り付け位置の変更は、上述のように、たとえば、第１ビーム用出射ミラー２３を保持したミラーホルダ２３０と、第２ビーム用出射ミラー２５を保持したミラーホルダ２５０に固定するためのネジ穴４００のセットを、取り付け位置毎に、アダプタ２のフレームに複数設け、ミラーホルダ２３０、ミラーホルダ２５０を、取り付け位置に応じたネジ穴４００のセットを用いてアダプタ２のフレームにネジで固定すること等により行うことができる。

また、補正レンズ２６の交換は、補正レンズ２６を保持させたホルダをアダプタ２のフレームにネジ等により固定することとし、ネジの取り外しによって、ホルダごと補正レンズ２６を交換することにより行う。

なお、アダプタ２に取り付ける補正レンズ２６は、第１ビーム用出射ミラー２３、第２ビーム用出射ミラー２５を取り付け位置によって定まるワーキングデスタンス分、中央軸Ｊ方向にセンサユニット１の先端から離れた位置で反射した第１ビームと第２ビームの反射光を、対物レンズ７０４と補正レンズ２６によって、光検出器７０５に良好に集光できるようになる焦点距離を持つ補正レンズ２６とする。

以上、本発明の第４のアダプタ２について説明した。
以上では、第１ビーム用出射ミラー２３と第２ビーム用出射ミラー２５の取り付け位置を変更することにより、交差角を変更することなくワーキングデスタンスを変更したが、これは、第１ビーム用折返ミラー２２と第２ビーム用折返ミラー２４、または、第１ビーム用出射ミラー２３と第２ビーム用出射ミラー２５と第１ビーム用折返ミラー２２と第２ビーム用折返ミラー２４の取り付け位置を変更することにより交差角を変更することなくワーキングデスタンスを変更するようにしてもよい。

なお、第４のアダプタ２についても、第２のアダプタ２と同様に、ワーキングデスタンスがセンサユニット１を単体で用いた場合のワーキングデスタンスL0より小さいワーキングデスタンスL２となると共に、第１ビームＢ１と第２ビームＢ２との交差点における交差角２×θ２が、センサユニット１を単体で用いた場合の交差角２×θ0より小さくなるように構成してもよい
ところで、以上に示してきた第１のアダプタ２や第３のアダプタ２をセンサユニット１に装着して計測を行う場合、センサユニット１を単体で使用した場合と交差角が異なるので、
fd = (v×2sinθ）/λ= v/d
に従って、観測されるビート信号の周波数fdと速度vの関係が変化する。

したがって、センサユニット１や制御装置３における速度vの算出動作の設定を、装着したアダプタ２や、アダプタ２を装着したときの交差角に応じて変更する必要がある。
また、交差角以外の要素についても、アダプタ２の装着により計測の特性が変化することがあり、当該特性の変化に追従するようにセンサユニット１や制御装置３の設定を変更する必要がある場合がある。

ここで、このような設定の変更は、装着したアダプタ２に応じて、ユーザが制御装置３に対して設定変更操作を行うことにより実現する。
ただし、このような設定の変更は、装着したアダプタ２に適合する設定をアダプタ２に記憶しておき、センサユニット１が装着されたアダプタ２に記憶されている設定を読み出して、当該設定への設定変更をセンサユニット１や制御装置３において行うことにより実現してもよい。

すなわち、この場合には、たとえば、図６に示すように、各アダプタ２に、当該アダプタ２に適合するセンサユニット１や制御装置３の設定を格納した記憶装置MEMを設け、センサユニット１に、コントローラCNTを設けるようにする。また、センサユニット１とアダプタ２に、センサユニット１にアダプタ２が装着されたときに相互に接続する接点のセット（もしくコネクタ）６０、６１を設け、センサユニット１のコントローラCNTにおいて、接点のセット６０、６１を介してセンサユニット１に装着されたアダプタ２の記憶装置MEMに格納されている設定を読み出して制御装置３に転送し、制御装置３において転送された設定への、センサユニット１や制御装置３の設定変更を行う。この場合において、センサユニット１へのアダプタ装着の有無の検出は、アダプタ２の装着により短絡される接点を設け、センサユニット１のコントローラCNTにおいて当該接点の短絡を検出すること等により行う。

なお、装着アダプタに応じた設定の変更は、センサユニット１において装着されたアダプタ２の種別を認識して、制御装置３に通知し、制御装置３において、あらかじめ記憶しておいた各種別のアダプタ用の設定のうちから、通知されたアダプタ２の種別に適合する設定を読み出して、当該設定へのセンサユニット１や制御装置３の設定変更を行うようにしてもよい。

この場合、センサユニット１における装着されたアダプタ２の種別の識別は、たとえば、センサユニット１の先端に複数の接点のセットを設け、アダプタ２にセンサユニット１に装着されたときにセンサユニット１の接点を短絡する短絡構造を設けると共に、当該短絡構造を、アダプタ２の種別毎に、センサユニット１の異なる接点を短絡するものとして、センサユニット１において短絡された接点から装着されたアダプタ２の種別を識別すること等により行うことができる。

または、センサユニット１における装着されたアダプタ２の種別の識別は、センサユニット１の先端に複数のプッシュスイッチを設け、アダプタ２にセンサユニット１に装着されたときにセンサユニット１のプッシュスイッチを押し込む押し込み部材を設けると共に、当該押し込み部材を、アダプタ２の種別毎に、センサユニット１の異なるプッシュスイッチを押し込むものとして、センサユニット１において押し込まれたプッシュスイッチから装着されたアダプタ２の種別を識別すること等によっても行うことができる。

１…センサユニット、２…アダプタ、３…制御装置、１１…光学窓、２１…光学窓、２２…第１ビーム用折返ミラー、２３…第１ビーム用出射ミラー、２４…第２ビーム用折返ミラー、２５…第２ビーム用出射ミラー、２６…補正レンズ、４００…ネジ穴、７０１…レーザ光源、７０２…ビームスプリッタ、７０３…ミラー、７０４…対物レンズ、７０５…光検出器。

Claims (11)

1. 入出射面の離間した位置から、第１のビームと第２のビームを、当該第１のビームと第２のビームの中央を通る軸である中央軸上の前記入出射面から距離L0離れた点である測定点で、交差角２×θ0で交差するように出射し、前記測定点で反射して入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光の干渉によるビート信号の周波数から前記測定点の速度を計測するレーザドップラ速度計の前記入出射面に装着されるアダプタであって、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第１のビームの光路上に配置され、入射する第１のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第１ビーム用第１ミラーと、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第１ビーム用第１ミラーで反射された第１のビームの光路上に配置され、前記第１ビーム用第１ミラーから入射する第１ビームを、前記第１ビーム用第１ミラーの前記第１のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角がθ1（但し、|θ1|＜|θ0|）となるように反射して、アダプタから出射させる第１ビーム用第２ミラーと、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第２のビームの光路上に配置され、入射する第２のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第２ビーム用第１ミラーと、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第２ビーム用第１ミラーで反射された第２のビームの光路上に配置され、前記第２ビーム用第１ミラーから入射する第２ビームを、前記第２ビーム用第１ミラーの前記第２のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が-θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第２ビーム用第２ミラーとを有し、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第１のビームと第２のビームが、前記入出射面から前記距離L0離れた前記測定点で交差するように、前記第１ビーム用第２ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーの配置と向きは設定されていることを特徴とするアダプタ。
   
2. 入出射面の離間した位置から、第１のビームと第２のビームを、当該第１のビームと第２のビームの中央を通る軸である中央軸上の前記入出射面から距離L0離れた点である測定点で、交差角２×θ0で交差するように出射し、前記測定点で反射して入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光の干渉によるビート信号の周波数から前記測定点の速度を計測するレーザドップラ速度計の前記入出射面に装着されるアダプタであって、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第１のビームの光路上に配置され、入射する第１のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第１ビーム用第１ミラーと、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第１ビーム用第１ミラーで反射された第１のビームの光路上に配置され、前記第１ビーム用第１ミラーから入射する第１ビームを、前記第１ビーム用第１ミラーの前記第１のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が所定の角度θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第１ビーム用第２ミラーと、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、レーザドップラ速度計から出射された第２のビームの光路上に配置され、入射する第２のビームを前記中央軸に近づく方向に反射する第２ビーム用第１ミラーと、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、前記第２ビーム用第１ミラーで反射された第２のビームの光路上に配置され、前記第２ビーム用第１ミラーから入射する第２ビームを、前記第２ビーム用第１ミラーの前記第２のビームの反射位置よりも中央軸に近い位置で、前記入出射面と反対側の方向に前記中央軸と成す角が-θ1となるように反射して、アダプタから出射させる第２ビーム用第２ミラーとを有し、
   当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第１のビームと第２のビームが、前記入出射面から所定の距離L1(但し、L1≠L0)離れた位置で交差するように、前記第１ビーム用第２ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーの配置と向きは設定されていることを特徴とするアダプタ。
   
3. 請求項２記載のアダプタであって、
   前記θ1は、|θ1|＝|θ0|を満たし、前記L1は、L1＜L0を満たすことを特徴とするアダプタ。
   
4. 請求項２記載のアダプタであって、
   前記θ1は、|θ1|＜|θ0|を満たし、前記L1は、L1＜L0を満たすことを特徴とするアダプタ。
   
5. 請求項２記載のアダプタであって、
   前記θ1は、|θ1|＜|θ0|を満たし、前記L1は、L1＞L0を満たすことを特徴とするアダプタ。
   
6. 前記θ1は、|θ1|＞|θ0|を満たし、前記L1は、L1＜L0を満たすことを特徴とするアダプタ。
   
7. 請求項２、３、４、５または６記載のアダプタであって、
   前記レーザドップラ速度計は、前記ビート信号を検出するために前記測定点で反射して前記入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光を光電変換する光検出器と、前記測定点で反射して前記入出射面に入射した第１のビームの反射光と第２のビームの反射光を前記光検出器に集光する対物レンズとを備え、
   当該アダプタは、当該アダプタが前記レーザドップラ速度計に装着されたときに、当該アダプタから出射された第１ビームと第２ビームの、当該第１ビームと第２ビームの交差点における反射光が入射する、前記対物レンズとレンズ群を形成するレンズを備え、
   当該レンズの焦点距離は、前記レンズと対物レンズとよりなるレンズ群の焦点距離が、前記第１ビームと第２ビームの交差点における反射光を良好に前記光検出器に集光できる焦点距離となるように設定されていることを特徴とするアダプタ。
   
8. 請求項１記載のアダプタであって、
   前記第１ビーム用第１ミラーと前記第１ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方と、前記第２ビーム用第１ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方は、前記θ１が変化するように、位置または向きが可変であることを特徴とするアダプタ。
   
9. 請求項２、３、４、５、６または７記載のアダプタであって、
   前記第１ビーム用第１ミラーと前記第１ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方と、前記第２ビーム用第１ミラーと前記第２ビーム用第２ミラーとのうちの少なくとも一方は、前記距離L1が変化するように、位置または向きが可変であることを特徴とするアダプタ。
   
10. 請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９記載のアダプタであって、
    当該アダプタをレーザドップラ速度計に装着して速度を計測する場合に、当該レーザドップラ速度計において計測に用いるべき設定を、当該アダプタが装着されたときに前記レーザドップラ速度計から読み出し可能に格納した記憶装置を有することを特徴とするアダプタ。
    
11. 請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０記載のアダプタのいずれかであるアダプタを１または複数有すると共に、当該アダプタが前記入出射面に選択的に装着されるレーザドップラ速度計を有することを特徴とするレーザドップラ速度計システム。