JPH04204104A - 変位測定装置 - Google Patents
変位測定装置Info
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- JPH04204104A JPH04204104A JP2333835A JP33383590A JPH04204104A JP H04204104 A JPH04204104 A JP H04204104A JP 2333835 A JP2333835 A JP 2333835A JP 33383590 A JP33383590 A JP 33383590A JP H04204104 A JPH04204104 A JP H04204104A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- moving object
- measuring device
- frequency
- displacement measuring
- Prior art date
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- Granted
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
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- Remote Sensing (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野コ
本発明は、移動する物体や流体等の変位情報を測定する
変位測定装置、特にレーザ光等の可干渉性光束の周波数
の偏移を検知して速度等の情報を検出する変位測定装置
に関する。
変位測定装置、特にレーザ光等の可干渉性光束の周波数
の偏移を検知して速度等の情報を検出する変位測定装置
に関する。
［従来の技術］
従来から、移動する物体や流体等（以下、「移動物体」
と称する）の移動速度を非接触且つ高精度に測定する装
置として、レーザドツプラ速度計が知られている。レー
ザドツプラ速度計とは、移動物体にレーザ光を照射し、
該５ｌｌｌ物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、所謂ドツプラ効果
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。
と称する）の移動速度を非接触且つ高精度に測定する装
置として、レーザドツプラ速度計が知られている。レー
ザドツプラ速度計とは、移動物体にレーザ光を照射し、
該５ｌｌｌ物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、所謂ドツプラ効果
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。
この従来のレーザドツプラ速度計の一例を第３図に示す
。図中、１はレーザ、２はコリメータレンズ、３は平行
光束、４はビームスプリッタ、６および６′は反射鏡、
７は速度Ｖで矢印方向に移動している移動物体、８は集
光レンズ、９は光検出器である。
。図中、１はレーザ、２はコリメータレンズ、３は平行
光束、４はビームスプリッタ、６および６′は反射鏡、
７は速度Ｖで矢印方向に移動している移動物体、８は集
光レンズ、９は光検出器である。
この構成においてレーザ１から出射されたレーザ光は、
コリメータレンズ２によって平行光束３となり、ビーム
スプリッタ４によって三光束５及び５′に分割されて、
それぞれ反射鏡６及び６′で反射された後、速度■で移
動している移動物体７に入射角θで三光束が重なって照
射される。移動物体による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。三光束による散乱光の周波
数は、移動物体の移動速度Ｖに比例して各々＋Δｆ、
−Δｆのドツプラシフトを受ける。ここで、レーザ光の
波長をλとすれば、Δｆは次の（１）式で表すことがで
きる。
コリメータレンズ２によって平行光束３となり、ビーム
スプリッタ４によって三光束５及び５′に分割されて、
それぞれ反射鏡６及び６′で反射された後、速度■で移
動している移動物体７に入射角θで三光束が重なって照
射される。移動物体による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。三光束による散乱光の周波
数は、移動物体の移動速度Ｖに比例して各々＋Δｆ、
−Δｆのドツプラシフトを受ける。ここで、レーザ光の
波長をλとすれば、Δｆは次の（１）式で表すことがで
きる。
Δｆ −Ｖ ５ｉｎ（θ）／λ −（１
）＋Δｆ、 −Δｆのドツプラ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の受光面での周期的な
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。
）＋Δｆ、 −Δｆのドツプラ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の受光面での周期的な
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。
Ｆ−２Δｆ −２Ｖ ５ｉｎ（θ）／λ ・（
２）よって（２）式から、光検出器９の周波数Ｆ（以下
ドツプラ周波数と呼ぶ）を測定すれば移動物体７の速度
■を求めることができる。
２）よって（２）式から、光検出器９の周波数Ｆ（以下
ドツプラ周波数と呼ぶ）を測定すれば移動物体７の速度
■を求めることができる。
上記従来例のようなレーザドツプラ速度計では（２）式
から分かるようにドツプラ周波数Ｆはレーザの波長λに
反比例する。従ってレーザドツプラ速度計の光源には波
長が安定したレーザ光源を使用する必要があった。連続
発信が可能で波長が安定したレーザ光源としては、例え
ばＨｅ−Ｎｅレーザ等のガスレーザが良く使用されるが
、これはレーザ発信器本体が大型で電源に高圧か必要で
あり装置が大きく高価になる。一方、コンパクトディス
ク、ビデオディスク、光フアイバ通信等に使用されてい
るレーザダイオード（又は半導体レーザ）は超小型で駆
動も容易であるが、温度依存性を有するという問題点を
持っている。
から分かるようにドツプラ周波数Ｆはレーザの波長λに
反比例する。従ってレーザドツプラ速度計の光源には波
長が安定したレーザ光源を使用する必要があった。連続
発信が可能で波長が安定したレーザ光源としては、例え
ばＨｅ−Ｎｅレーザ等のガスレーザが良く使用されるが
、これはレーザ発信器本体が大型で電源に高圧か必要で
あり装置が大きく高価になる。一方、コンパクトディス
ク、ビデオディスク、光フアイバ通信等に使用されてい
るレーザダイオード（又は半導体レーザ）は超小型で駆
動も容易であるが、温度依存性を有するという問題点を
持っている。
第４図はレーザダイオードの標準的な温度依存性の一例
であり（１９８７三菱半導体データブック：光半導体素
子編から引用）、波長が連続的に変化している部分は、
主としてレーザダイオードの活性層の屈折率の温度変化
によるもので、００．５〜０．０６ｎｍ／”Ｃである。
であり（１９８７三菱半導体データブック：光半導体素
子編から引用）、波長が連続的に変化している部分は、
主としてレーザダイオードの活性層の屈折率の温度変化
によるもので、００．５〜０．０６ｎｍ／”Ｃである。
一方、波長が不連続に変化している部分は縦モードホッ
ピングと呼ばれ０．２〜０．３ｎｍ／ｌである。
ピングと呼ばれ０．２〜０．３ｎｍ／ｌである。
波長を安定させるために一般にはレーザダイオードを一
定温度に保つよう制御する方法が採られる。この方法で
はヒータ、放熱器、温度センサ等の温度制御部材をレー
ザダイオードに小さな熱抵抗で取付け、精密に温度制御
を行なう必要がある。これをレーザドツプラ速度計に使
用すると、装置か比較的大型でコスト高になるうえに、
前述の縦モートホッピングによる不安定さは、完全には
除去できない。
定温度に保つよう制御する方法が採られる。この方法で
はヒータ、放熱器、温度センサ等の温度制御部材をレー
ザダイオードに小さな熱抵抗で取付け、精密に温度制御
を行なう必要がある。これをレーザドツプラ速度計に使
用すると、装置か比較的大型でコスト高になるうえに、
前述の縦モートホッピングによる不安定さは、完全には
除去できない。
そこでこの問題を解決するレーザドツプラ速度計を本願
出願人は特願平１−８３２０８号等において提案した。
出願人は特願平１−８３２０８号等において提案した。
これは半導体レーザ等の光源からのレーザ光を回折格子
に入射し、得られる回折光の内、０次以外の＋１次、−
０次（ｎは１．２、・・・）の二つの回折光を、該三光
束の成す角度と同じ交差角で移動物体あるいは移動流体
に照射し、該移動物体あるいは流体からの散乱光をフォ
トディテクタで検出する方式（以下、ｒＧ−ＬＤＶ方式
」と称する）である。
に入射し、得られる回折光の内、０次以外の＋１次、−
０次（ｎは１．２、・・・）の二つの回折光を、該三光
束の成す角度と同じ交差角で移動物体あるいは移動流体
に照射し、該移動物体あるいは流体からの散乱光をフォ
トディテクタで検出する方式（以下、ｒＧ−ＬＤＶ方式
」と称する）である。
第５図は格子ピッチｄなる透過型の回折格子１０にレー
ザ光Ｉを格子の配列方向ｔに垂直に入射した時の回折例
を示し、回折角θ。は次式となる。
ザ光Ｉを格子の配列方向ｔに垂直に入射した時の回折例
を示し、回折角θ。は次式となる。
ｓｉｎθ。−ｍλ／ｄ
ｍは回折次数（０，１，２，・・・）、λは光の波長こ
の内０次以外の±ｎ次光は次式で表される。
の内０次以外の±ｎ次光は次式で表される。
ｓｉｎθｏｌ−±ｎλ／ｄ −（３
）（ｎ： １，２．・・・） 第６図はこの±ｎ次光をミラー６．６′によって被測定
物７に入射角がθ。になるように２光束照射した図であ
り、光検出器９のドツプラ周波数Ｆは（２）及び（３）
式から Ｆ−２Ｖ ｓｉｎθ。／λｍ２ｎＶ／ｄ、、、、 、
−（４）となり、レーザ光Ｉに依存せず、回折格子
ｉｏの格子ピッチｄに反比例し、被測定物７の速度に比
例する。格子ピッチｄは充分安定にしうるので、ドツプ
ラ周波数Ｆは被測定物７の速度のみに比例した周波数を
得ることができる。回折格子１ｏは反射型の回折格子に
しても同様である。
）（ｎ： １，２．・・・） 第６図はこの±ｎ次光をミラー６．６′によって被測定
物７に入射角がθ。になるように２光束照射した図であ
り、光検出器９のドツプラ周波数Ｆは（２）及び（３）
式から Ｆ−２Ｖ ｓｉｎθ。／λｍ２ｎＶ／ｄ、、、、 、
−（４）となり、レーザ光Ｉに依存せず、回折格子
ｉｏの格子ピッチｄに反比例し、被測定物７の速度に比
例する。格子ピッチｄは充分安定にしうるので、ドツプ
ラ周波数Ｆは被測定物７の速度のみに比例した周波数を
得ることができる。回折格子１ｏは反射型の回折格子に
しても同様である。
ここで、一般にレーザ等の可干渉性の高い光を物体に照
射すると、物体表面の微細な凹凸により散乱光はランダ
ムな位相変調を受けて、観察面上に斑点模様、いわゆる
スペックルパターンを形成する。レーザドツプラ速度計
においては、移動物体が移動すると、光検出器の検出面
上でのドツプラシフトによる明暗の変化が、スペックル
パターンの漬れによる不規則な明暗の変化で変調され。
射すると、物体表面の微細な凹凸により散乱光はランダ
ムな位相変調を受けて、観察面上に斑点模様、いわゆる
スペックルパターンを形成する。レーザドツプラ速度計
においては、移動物体が移動すると、光検出器の検出面
上でのドツプラシフトによる明暗の変化が、スペックル
パターンの漬れによる不規則な明暗の変化で変調され。
また、光検出器の出力信号は被検物体の透過率（あるい
は反射率）の変化によっても変調を受ける。
は反射率）の変化によっても変調を受ける。
前述のＧ−ＬＤＶ方式では、一般にスペックルパターン
の流れによる明暗の変化の周波数および移動物体の透過
率（あるいは反射率）の変化の周波数は、前述（４）式
で示されるドツプラ周波数に比べて低周波であるため、
光検出器の出力をバイパスフィルタに通して低周波成分
を電気的に除去し、ドツプラ信号のみを取り出す方法が
用いられているが、被測定物の速度が遅くてドツプラ周
波数が低いと、低周波変動成分との周波数差゛が小さく
なり、バイパスフィルタが使えず被測定物の速度が測定
できないという問題点が生じる。又、移動方向は原理的
に検出することができない。
の流れによる明暗の変化の周波数および移動物体の透過
率（あるいは反射率）の変化の周波数は、前述（４）式
で示されるドツプラ周波数に比べて低周波であるため、
光検出器の出力をバイパスフィルタに通して低周波成分
を電気的に除去し、ドツプラ信号のみを取り出す方法が
用いられているが、被測定物の速度が遅くてドツプラ周
波数が低いと、低周波変動成分との周波数差゛が小さく
なり、バイパスフィルタが使えず被測定物の速度が測定
できないという問題点が生じる。又、移動方向は原理的
に検出することができない。
そこで本願出願人は先に特願平２−３０６４４号におい
て第７図に示す構成の装置を提案した。同図において、
格子ピッチｄの回折格子は図に示す様に速度Ｖｇで移動
させる。レーザ光を移動する回折格子に入射すると、±
ｎｎ次回先光５．５′分かれそれぞれ正負のドツプラシ
フト±Ｖｇ／ｎｄを受け。
て第７図に示す構成の装置を提案した。同図において、
格子ピッチｄの回折格子は図に示す様に速度Ｖｇで移動
させる。レーザ光を移動する回折格子に入射すると、±
ｎｎ次回先光５．５′分かれそれぞれ正負のドツプラシ
フト±Ｖｇ／ｎｄを受け。
回折角θ。は。
ｓｉｎθ。−λ／ｎｄ −（５）
（λ：光の波長） を満たす、この±ｎ次光をミラー６．６′によって速度
■の移動物体７に入射角が００になるように２光束照射
すると、被測定物７からの散乱光は＋ｎ０次光が＋（Ｖ
ｇ＋Ｖ）／ｎｄ 、 −ｎ次光５′が−（Ｖｇ◆Ｖ）／
ｒ＋ｄのドツプラシフトを受け、互いに干渉しあってド
ツプラ周波数Ｆとしては Ｆ＝２ （Ｖｇ＋Ｖ）／ｎｄ
＝ （６）となり、レー
ザ光の波長に依存しないドツプラ周波数が得られる。つ
まり被測定物７の速度Ｖが遅い場合でも、ドツプラ周波
数は１回折格子の移動速度Ｖｇによって、前述のスペッ
クルパターンの流れや被測定物の透過率（あるいは反射
率）の変化に起因する低周波成分との周波数差は十分に
取ることができ、光種−出器からの出力信号をバイパス
フィルタに通して低周波成分を電気的に除去しドツプラ
信号のみを取り出すことにより、速度検出が可能となる
。
（λ：光の波長） を満たす、この±ｎ次光をミラー６．６′によって速度
■の移動物体７に入射角が００になるように２光束照射
すると、被測定物７からの散乱光は＋ｎ０次光が＋（Ｖ
ｇ＋Ｖ）／ｎｄ 、 −ｎ次光５′が−（Ｖｇ◆Ｖ）／
ｒ＋ｄのドツプラシフトを受け、互いに干渉しあってド
ツプラ周波数Ｆとしては Ｆ＝２ （Ｖｇ＋Ｖ）／ｎｄ
＝ （６）となり、レー
ザ光の波長に依存しないドツプラ周波数が得られる。つ
まり被測定物７の速度Ｖが遅い場合でも、ドツプラ周波
数は１回折格子の移動速度Ｖｇによって、前述のスペッ
クルパターンの流れや被測定物の透過率（あるいは反射
率）の変化に起因する低周波成分との周波数差は十分に
取ることができ、光種−出器からの出力信号をバイパス
フィルタに通して低周波成分を電気的に除去しドツプラ
信号のみを取り出すことにより、速度検出が可能となる
。
第８図は回折格子を用いたレーザドツプラ速度計におけ
る被測定物の速度Ｖとドツプラ周波数Ｆとの関係を示す
もので、（ａ）は回折格子を固定している場合、（ｂ）
は回折格子の移動速度をＶｇとする場合である。図から
分かるように（ａ）ではある周波数Ｆ、を検出したとし
ても方向の異なる二つの速度ｖ１ ＋ −Ｖ＋が対応す
るため、移動方向の判断が不可能であるが、（ｂ）では
速度Ｖ、に対しＦ−Ｆｇ＋Ｆ、、速度−ｖｌに対しＦ−
Ｆｇ−Ｆ、のドツプラ周波数が得られ、速度Ｖの方向も
同時に検出できる。
る被測定物の速度Ｖとドツプラ周波数Ｆとの関係を示す
もので、（ａ）は回折格子を固定している場合、（ｂ）
は回折格子の移動速度をＶｇとする場合である。図から
分かるように（ａ）ではある周波数Ｆ、を検出したとし
ても方向の異なる二つの速度ｖ１ ＋ −Ｖ＋が対応す
るため、移動方向の判断が不可能であるが、（ｂ）では
速度Ｖ、に対しＦ−Ｆｇ＋Ｆ、、速度−ｖｌに対しＦ−
Ｆｇ−Ｆ、のドツプラ周波数が得られ、速度Ｖの方向も
同時に検出できる。
（′６）式より、速度Ｖは
Ｖ−Ｆ （ｄ／２） −Ｖｇ
−（７）なる式で表され、回折格子の移動速度Ｖｇを制
御すれば、Ｆを検出する事により、（７）式に示される
速度Ｖを測定する事ができる。
−（７）なる式で表され、回折格子の移動速度Ｖｇを制
御すれば、Ｆを検出する事により、（７）式に示される
速度Ｖを測定する事ができる。
［発明が解決しようとする課題］
しかしながら、前述の方式では測定精度を維持するのに
回折格子の移動速度を精密に制御しなければならないた
め、駆動系として比較的大型となりコストも高価となる
。又、駆動及び速度検出に回転系を用いると偏心等の誤
差が生し、（７）式のＦｇの正確な値を検出するのは難
しい。
回折格子の移動速度を精密に制御しなければならないた
め、駆動系として比較的大型となりコストも高価となる
。又、駆動及び速度検出に回転系を用いると偏心等の誤
差が生し、（７）式のＦｇの正確な値を検出するのは難
しい。
［課題を解決するための手段］
上記課題を解決する本発明の変位測定装置は、周波数の
異なる２つの可干渉光束を生成する照明系と、該２つの
光束をそれぞれ回折せしめて、第１と第２の回折光を形
成するための回折格子と、前記′ｓ１と第２の回折光が
前記回折格子から射出した角とほぼ同じ入射角で、各々
移動物体に入射せしめる光学系と、前記第１と第２の回
折光で照射された前君己移動物体からの散乱光を受光す
る受光手段と、該受光手段からのドツプラ信号に基づい
て前記移動物体の変位情報を検出する手段と、を有する
ことを特徴とする。
異なる２つの可干渉光束を生成する照明系と、該２つの
光束をそれぞれ回折せしめて、第１と第２の回折光を形
成するための回折格子と、前記′ｓ１と第２の回折光が
前記回折格子から射出した角とほぼ同じ入射角で、各々
移動物体に入射せしめる光学系と、前記第１と第２の回
折光で照射された前君己移動物体からの散乱光を受光す
る受光手段と、該受光手段からのドツプラ信号に基づい
て前記移動物体の変位情報を検出する手段と、を有する
ことを特徴とする。
［実施例］
以下、本発明の詳細な説明するが、先ず本発明の測定原
理の前提となるドツプラシフトについて数学的に説明す
る。
理の前提となるドツプラシフトについて数学的に説明す
る。
Ｉ９図は、第６図における光の強度及び光検出器９の出
力を説明する図で、Ｉｏは、周波数ｆ０、波長λ。なる
入射光束である。Ｅｔ（ｔ） 、ε、（ｔ） は回折格
子１０からの回折光５ａ、５ｂが共に移動物体７に照射
され、それぞれの回折光が光軸に対しθ、の傾きで散乱
された光を示し、それぞれ次式で表せる。
力を説明する図で、Ｉｏは、周波数ｆ０、波長λ。なる
入射光束である。Ｅｔ（ｔ） 、ε、（ｔ） は回折格
子１０からの回折光５ａ、５ｂが共に移動物体７に照射
され、それぞれの回折光が光軸に対しθ、の傾きで散乱
された光を示し、それぞれ次式で表せる。
Ｅｌ（ｔ）＝Ａ＋ ｅｘｐ［ｆ−２π（ｆ。
＋ｖ／λ。（ｓｉｎθ。−５ｉｎθり）ｔｌＥｚ（ｔ）
−＾ｚ ｅｘｐ［ｉ・２π （ｆ。
−＾ｚ ｅｘｐ［ｉ・２π （ｆ。
＋ｖ／λ。（ｓｉｎθ。÷ｓｉｎθり）ｔｌ・・・（８
） 光検出器９での出力は、Ｅｌ （ｔ） 、 Ｉ２ （ｔ
）を合成したもので次の様になる。
） 光検出器９での出力は、Ｅｌ （ｔ） 、 Ｉ２ （ｔ
）を合成したもので次の様になる。
・・・（９）
よって、光検出器９の出力の周波数（ドツプラ周波数）
は、以下の式で表わせる。
は、以下の式で表わせる。
ｓｉｎθ０
Ｆ−２Ｖ□ ・・・（１０）
λ。
次に第１０図は本発明の測定原理を説明する図であり、
Ｉ、は周波数ｆ１、波長λ１の光束、又、Ｉ２は周波数
ｆ２、波長λ２の光束である。
Ｉ、は周波数ｆ１、波長λ１の光束、又、Ｉ２は周波数
ｆ２、波長λ２の光束である。
Ｉ３（ｔ） 、Ｉ４（ｔ）は、ＩＩ、１２の回折格子１
０からの回折光５ｃ、５ｄがそれぞれ移動物体７に照射
され、それぞれ光軸に対しθ、の傾きで散乱された光を
示し次式で表せる。
０からの回折光５ｃ、５ｄがそれぞれ移動物体７に照射
され、それぞれ光軸に対しθ、の傾きで散乱された光を
示し次式で表せる。
Ｅｓ （ｔ）−＾３ｅｘｐ［１−２ｙｔ （ｆ＋十ｖ／
λ＋（ｓｉｎθＨ−ｓｉｎθ５））ｔｌＥ４（ｔ）−Ａ
、 ｅｘｐ［ｉ４π（ｆ２＋ｖ／λｚ（ｓｉｎθ２＋
ｓｉｎθ５））ｔｌ・・・（１１） よって、光検出器゛９の出力は、 １ （ｔ）−Ａ３”＋Ａ、’＋２Ａ３八、 ｃｏｓ［
２π （Δｆ。
λ＋（ｓｉｎθＨ−ｓｉｎθ５））ｔｌＥ４（ｔ）−Ａ
、 ｅｘｐ［ｉ４π（ｆ２＋ｖ／λｚ（ｓｉｎθ２＋
ｓｉｎθ５））ｔｌ・・・（１１） よって、光検出器゛９の出力は、 １ （ｔ）−Ａ３”＋Ａ、’＋２Ａ３八、 ｃｏｓ［
２π （Δｆ。
・・・（１２）
よって、ドツプラ周波数は、
となる。一方、
（Ｃ：光速）
以下の（１４）式が得られる。
Ｆ−Δｆｏ”２ｎＶ／ｄ ・・
’ （１４）以上により、簡単な構成で速度方向及び０
近債の速度検出が高精度に行える。
’ （１４）以上により、簡単な構成で速度方向及び０
近債の速度検出が高精度に行える。
さて次に、本発明の具体的な実施例についての説明を行
なう。第１図は本発明の実施例の構成図である。図中、
１２ａ、１２ｂは波長シフタであり、本実施例では音響
光学素子を用いる。各音響光学素子は１２ａが４０ＭＨ
ｚ、１２ｂが４１ＭＨ２周波数シフトさせる特性を有す
る。レーザダイオード１からコリメータレンズ２により
平行光となったレーザ光３（周波数ｆ０、波長λ。）は
、ハーフミラ−と全反射ミラーから成るビームスプリッ
タ光学系１３により２光束に分岐され、それぞれ１２ａ
、１２ｂの音響光学素子に導かれる。
なう。第１図は本発明の実施例の構成図である。図中、
１２ａ、１２ｂは波長シフタであり、本実施例では音響
光学素子を用いる。各音響光学素子は１２ａが４０ＭＨ
ｚ、１２ｂが４１ＭＨ２周波数シフトさせる特性を有す
る。レーザダイオード１からコリメータレンズ２により
平行光となったレーザ光３（周波数ｆ０、波長λ。）は
、ハーフミラ−と全反射ミラーから成るビームスプリッ
タ光学系１３により２光束に分岐され、それぞれ１２ａ
、１２ｂの音響光学素子に導かれる。
音響光学素子１２ａから６射する光束Ｉ＋ （周波数
ｆ１、波長λ１）と音響光学素子１２ｂから出射する光
束１２ （周波数ｆ２、波長λ２）の周波数は、レー
ザ光３の周波数ｆ０に対し、それぞれ４１ＭＨｚ、４０
ＭＨｚ上乗せされ、一定周波数（Δｆｏ＝ｆｔ−ｆｚ＝
Ｉ Ｍ ＨＺ ）異なる２つの光束となる。
ｆ１、波長λ１）と音響光学素子１２ｂから出射する光
束１２ （周波数ｆ２、波長λ２）の周波数は、レー
ザ光３の周波数ｆ０に対し、それぞれ４１ＭＨｚ、４０
ＭＨｚ上乗せされ、一定周波数（Δｆｏ＝ｆｔ−ｆｚ＝
Ｉ Ｍ ＨＺ ）異なる２つの光束となる。
レーザ光１１．Ｉ２は、互いに平行なコリメート光とし
て、回折格子１０にそれぞれ垂直に照射される。回折格
子１０はブレーズド型の回折格子を採用し、レーザ光１
．は紙面に向かって左側、レーザ光Ｉ２は紙面に向かっ
て右側の１次回折光を効率良く射出するよう設計されて
いる。回折光５ｃ、５ｄはそれぞれミラー６．６′で折
り返され、回折格子から射出した時の互いに成す角と同
じ交差角で移動物体７に入射する。この時発生する移動
物体７からの散乱光は、集光レンズ８によって効率良く
光検出器９に導かれる。そして先の（１４）式でｎ＝１
とした以下の（１５）式にしめずドツプラ周波数Ｆを有
する信号を出力する。
て、回折格子１０にそれぞれ垂直に照射される。回折格
子１０はブレーズド型の回折格子を採用し、レーザ光１
．は紙面に向かって左側、レーザ光Ｉ２は紙面に向かっ
て右側の１次回折光を効率良く射出するよう設計されて
いる。回折光５ｃ、５ｄはそれぞれミラー６．６′で折
り返され、回折格子から射出した時の互いに成す角と同
じ交差角で移動物体７に入射する。この時発生する移動
物体７からの散乱光は、集光レンズ８によって効率良く
光検出器９に導かれる。そして先の（１４）式でｎ＝１
とした以下の（１５）式にしめずドツプラ周波数Ｆを有
する信号を出力する。
Ｆ−Δｆｏ十２ｖ／ｄ
−（１５）音響光学素子１２は動作
安定性が非常に高いため、Δｆｏ−Ｉ Ｍ Ｈｚは非常
に安定している。よってドツプラ周波数Ｆを検出するこ
とにより、次式（１６）に示す速度■を高精度に検出す
ることができる。
−（１５）音響光学素子１２は動作
安定性が非常に高いため、Δｆｏ−Ｉ Ｍ Ｈｚは非常
に安定している。よってドツプラ周波数Ｆを検出するこ
とにより、次式（１６）に示す速度■を高精度に検出す
ることができる。
ＶＩＦ−Ａ ｆｏ） Ｘ ｄ／２
・＝ （１６）以上の構成によって、スペッ
クルパターンの濯れや移動物体の透過率（あるいは反射
率）の変化に起因する低周波成分との周波数差は十分に
取ることができ、光検出器からの出力信号をバイパスフ
ィルタに通して低周波成分を電気的に除去しドツプラ信
号のみを取り出すことにより速度検出が可能となる。こ
の（１６）式の右辺の絶対値は、移動物体７の速度の絶
対値を表し、士の符号は移動の方向を表す。これらの電
気的処理は光検出器９に接続される不図示の電気回路に
よって行なわれる。
・＝ （１６）以上の構成によって、スペッ
クルパターンの濯れや移動物体の透過率（あるいは反射
率）の変化に起因する低周波成分との周波数差は十分に
取ることができ、光検出器からの出力信号をバイパスフ
ィルタに通して低周波成分を電気的に除去しドツプラ信
号のみを取り出すことにより速度検出が可能となる。こ
の（１６）式の右辺の絶対値は、移動物体７の速度の絶
対値を表し、士の符号は移動の方向を表す。これらの電
気的処理は光検出器９に接続される不図示の電気回路に
よって行なわれる。
次に本発明の他の実施例を説明する。第２図は他の実施
例の構成図であり、第１図と同一の符号は同一あるいは
同等の部品を表わす。回折格子１０はブレーズド型で、
先の実施例と異なりレーザ光１１は紙面に向かって右側
、レーザ光Ｉ２は紙面に向かって左側の１次回折光を効
率良く射出するように設計されている。レーザ光５ｃ、
５ｄは、直接回折格子から射出した時の互いに成す角と
同じ交差角で移動物体７に入射する。移動物体７からの
散乱光は、集光レンズ８によって、効率良く光検出器９
に取り込み、実施例と同様（１５）式のドツプラ周波数
Ｆを有する信号を出力し、先の実施例と同等の効果を得
ることができる。本実施例では折り返しミラー６．６′
が不要となるため先の実施例に較べ更なる簡素化が図れ
る。
例の構成図であり、第１図と同一の符号は同一あるいは
同等の部品を表わす。回折格子１０はブレーズド型で、
先の実施例と異なりレーザ光１１は紙面に向かって右側
、レーザ光Ｉ２は紙面に向かって左側の１次回折光を効
率良く射出するように設計されている。レーザ光５ｃ、
５ｄは、直接回折格子から射出した時の互いに成す角と
同じ交差角で移動物体７に入射する。移動物体７からの
散乱光は、集光レンズ８によって、効率良く光検出器９
に取り込み、実施例と同様（１５）式のドツプラ周波数
Ｆを有する信号を出力し、先の実施例と同等の効果を得
ることができる。本実施例では折り返しミラー６．６′
が不要となるため先の実施例に較べ更なる簡素化が図れ
る。
なお、上記各実施例では、２つの音響光学素子を使用し
、その差分の周波数をシフトさせたが、片方の光路中に
のみ音響光学素子を配して、音響光学素子で周波数シフ
トさせた光束と、周波数シフトの無い光束の２つを形成
して、回折格子に照射するような構成をとっても良い。
、その差分の周波数をシフトさせたが、片方の光路中に
のみ音響光学素子を配して、音響光学素子で周波数シフ
トさせた光束と、周波数シフトの無い光束の２つを形成
して、回折格子に照射するような構成をとっても良い。
又、音響光学素子に限らず様々な波長シフタが使用可能
である。
である。
又、以上の実施例は移動物体の速度を測定する実施例を
示したが、これを時間積分すれば変位量を求めることが
でき、所謂エンコーダとして使用することもできる。
示したが、これを時間積分すれば変位量を求めることが
でき、所謂エンコーダとして使用することもできる。
又、上記実施例では移動物体の表面速度を検出する例を
示したが、特願平２−３５２７４号等に示されるような
、２光束を絞ってビームウェストを交差させて、流体中
の微小部分の速度を検出する場合においても本発明は通
用でき同様の効果が得られる。
示したが、特願平２−３５２７４号等に示されるような
、２光束を絞ってビームウェストを交差させて、流体中
の微小部分の速度を検出する場合においても本発明は通
用でき同様の効果が得られる。
さて、第１１図は上記ドツプラ速度計を有するシステム
の一例を示すもので、主に画像記録装置や画像読取り装
置等に使用される、速度計を有する駆動システムのシス
テム構成図である。駆動モータや回転ローラ等を含む駆
動機構を有する駆動手段１０２によってシート等の移動
物体１００をＢ動させる。この移動物体１００の移動速
度や移動量は上記説明した速度計１０１によって検出さ
れる。そしてこの速度計の検出出力は制御手段１０３に
フィードバックされ、制御手段１０３においては設定手
段１０４で設定された状態となるように駆動手段１０２
に駆動信号を伝達する。このようなフィードバック系を
構成することによって、設定手段１０４で設定された通
りに移動物体１００を移動させることができる。このよ
うな駆動システムは、各種工作機械や製造機械、計測機
器、映像音響機器、ＯＡ種機器情報機器、更にはこれら
に限らず駆動機構を有する装置全般に広く通用すること
ができる。
の一例を示すもので、主に画像記録装置や画像読取り装
置等に使用される、速度計を有する駆動システムのシス
テム構成図である。駆動モータや回転ローラ等を含む駆
動機構を有する駆動手段１０２によってシート等の移動
物体１００をＢ動させる。この移動物体１００の移動速
度や移動量は上記説明した速度計１０１によって検出さ
れる。そしてこの速度計の検出出力は制御手段１０３に
フィードバックされ、制御手段１０３においては設定手
段１０４で設定された状態となるように駆動手段１０２
に駆動信号を伝達する。このようなフィードバック系を
構成することによって、設定手段１０４で設定された通
りに移動物体１００を移動させることができる。このよ
うな駆動システムは、各種工作機械や製造機械、計測機
器、映像音響機器、ＯＡ種機器情報機器、更にはこれら
に限らず駆動機構を有する装置全般に広く通用すること
ができる。
［発明の効果］
以上説明したように、本発明によれば非常に簡単な構成
で、移動物体が低速の場合にも正確な変位測定が可能と
なる。
で、移動物体が低速の場合にも正確な変位測定が可能と
なる。
第１図は本発明の実施例の図、
第２図は本発明の他の実施例を説明する図、第３図はレ
ーザドツプラ速度計の従来例を示す図、 １ｓ４図はレーザダイオードの発振周波数の温度依存性
の一例を示す図、 ′ｓ５図は回折格子の説明図、 ′！Ｊ６図は回折格子を用いたレーザドツプラ速度針の
説明図、 第７図は回折格子移動型のレーザドツプラ速度計の説明
図、 第８図は移動物体の速度Ｖとドツプラ周波数Ｆの関係を
示す図、 第９図は第６図に於ける光の強度及び光検出器の出力を
説明する図、 第１０図は本発明の詳細な説明する図、第１１図は速度
計を有する駆動システムのシステム構成図、 であり、図中の主な符号は、 １・・・・レーザ、 ２・・・・コリメーターレンズ、 ３・・・・平行レーザ光束、 ４・・・・ビームスプリッタ、 ５・・・・レーザ光束、 ６・・・・ミラー、 ７・・・・移動物体、 ８・・・・集光レンズ、 ９・・・・光検出器、 １０・・・・回折格子、 １１・・・・円筒、 １２・・・・音響光学素子、 １３・・・・ビーＩスブリツタ 喘 ３ 図 ′桔４図 ケース、Ｊ！Ｌ＆ＴｃＣｃ）
ーザドツプラ速度計の従来例を示す図、 １ｓ４図はレーザダイオードの発振周波数の温度依存性
の一例を示す図、 ′ｓ５図は回折格子の説明図、 ′！Ｊ６図は回折格子を用いたレーザドツプラ速度針の
説明図、 第７図は回折格子移動型のレーザドツプラ速度計の説明
図、 第８図は移動物体の速度Ｖとドツプラ周波数Ｆの関係を
示す図、 第９図は第６図に於ける光の強度及び光検出器の出力を
説明する図、 第１０図は本発明の詳細な説明する図、第１１図は速度
計を有する駆動システムのシステム構成図、 であり、図中の主な符号は、 １・・・・レーザ、 ２・・・・コリメーターレンズ、 ３・・・・平行レーザ光束、 ４・・・・ビームスプリッタ、 ５・・・・レーザ光束、 ６・・・・ミラー、 ７・・・・移動物体、 ８・・・・集光レンズ、 ９・・・・光検出器、 １０・・・・回折格子、 １１・・・・円筒、 １２・・・・音響光学素子、 １３・・・・ビーＩスブリツタ 喘 ３ 図 ′桔４図 ケース、Ｊ！Ｌ＆ＴｃＣｃ）
Claims (6)
- （１）周波数の異なる２つの可干渉光束を生成する照明
系と、 該２つの光束をそれぞれ回折せしめて、 第１と第２の回折光を形成するための回折格子と、 前記第１と第２の回折光が前記回折格子か ら射出した角とほぼ同じ入射角で、各々移動物体に入射
せしめる光学系と、 前記第１と第２の回折光で照射された前記 移動物体からの散乱光を受光する受光手段と該受光手段
からのドップラ信号に基づいて 前記移動物体の変位情報を検出する手段と、を有するこ
とを特徴とする変位測定装置。 - （２）移動物体を移動させる駆動機構と、 該移動物体の変位状態を測定する変位測定 装置と を有し、該変位測定装置は、 周波数の異なる２つの可干渉光束を生成す る光学系と、 該２つの光束をそれぞれ回折せしめて、 第１と第２の回折光を形成するための回折格子と、 前記第１と第２の回折光が前記回折格子か ら射出した時の互いに成す角とほぼ同じ交差角で、前記
第１と第２の回折光を移動物体に入射せしめる光学系と
、 前記第１と第２の回折光で照射された前記 移動物体からの散乱光を受光する受光手段と該受光した
散乱光の周波数偏移に基づいて 前記移動物体の変位情報を検出する手段と、を有するこ
とを特徴とする変位測定装置を用いた駆動システム。 - （３）請求項１記載の変位測定装置または請求項２記載
の駆動システムにおいて、前記照明系は、可干渉光束を
発生する光源と、該光源からの光束の２光束に分岐する
光学系と、該２光束の少なくとも一方の光束の周波数を
シフトさせる波長シフタを有する請求項１記載の変位測
定装置。 - （４）請求項１記載または請求項３記載の変位測定装置
または請求項２記載の駆動システムにおいて、前記照明
系は半導体レーザを有する。 - （５）請求項３記載の変位測定装置において、前記波長
シフタは音響光学素子を有する。 - （６）請求項２記載の駆動システムにおいて、更に前記
変位測定装置によって測定される移動物体の変位状態を
基に前記駆動機構の制御を行う制御手段を有する。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2333835A JP2962819B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 変位測定装置 |
| EP91120622A EP0488416B1 (en) | 1990-11-30 | 1991-11-29 | Displacement or velocity measuring apparatus |
| DE69126506T DE69126506T2 (de) | 1990-11-30 | 1991-11-29 | Gerät zur Verschiebung- oder Geschwindigkeit- Messung |
| US08/164,846 US5327222A (en) | 1990-11-30 | 1993-12-09 | Displacement information detecting apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2333835A JP2962819B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04204104A true JPH04204104A (ja) | 1992-07-24 |
| JP2962819B2 JP2962819B2 (ja) | 1999-10-12 |
Family
ID=18270475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2333835A Expired - Fee Related JP2962819B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 変位測定装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5327222A (ja) |
| EP (1) | EP0488416B1 (ja) |
| JP (1) | JP2962819B2 (ja) |
| DE (1) | DE69126506T2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7196780B2 (en) | 2003-08-08 | 2007-03-27 | Sharp Kabushiki Kaisha | Velocimeter, displacement meter, vibrometer and electronic device |
| US7317538B2 (en) | 2004-01-07 | 2008-01-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical two-dimensional velocity and/or movement detector |
| US7333185B2 (en) | 2003-09-02 | 2008-02-19 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical velocimeter, displacement information measurement device and conveying and processing device |
| JP2019011999A (ja) * | 2017-06-29 | 2019-01-24 | 株式会社小野測器 | 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 |
| JP2025096482A (ja) * | 2019-03-28 | 2025-06-26 | セイコーエプソン株式会社 | 周波数シフター型光変調器及びレーザードップラー計測装置 |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69433105T2 (de) * | 1993-06-29 | 2004-04-01 | Canon K.K. | Geschwindigkeitsmesser und Anlage zur Positionserfassung |
| JP3082533B2 (ja) * | 1993-08-23 | 2000-08-28 | キヤノン株式会社 | レーザードップラー速度計 |
| US5512745A (en) * | 1994-03-09 | 1996-04-30 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr. University | Optical trap system and method |
| JP3279116B2 (ja) * | 1994-03-22 | 2002-04-30 | 株式会社豊田中央研究所 | レーザドップラ流速計 |
| DE4424900A1 (de) * | 1994-07-15 | 1996-01-18 | Polytec Gmbh | Interferometrische Meßverfahren |
| US5815267A (en) * | 1994-09-09 | 1998-09-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Displacement information measuring apparatus in which a light-receiving condition on a photodetector is adjustable |
| JP3492012B2 (ja) * | 1995-03-09 | 2004-02-03 | キヤノン株式会社 | 変位情報検出装置 |
| JP3548275B2 (ja) * | 1995-05-12 | 2004-07-28 | キヤノン株式会社 | 変位情報測定装置 |
| FR2742877B1 (fr) * | 1995-12-26 | 1998-02-06 | Thomson Csf | Systeme optique de mesure de vitesse et/ou de distance d'objet |
| JP3937596B2 (ja) | 1998-06-16 | 2007-06-27 | キヤノン株式会社 | 変位情報測定装置 |
| JP3606067B2 (ja) * | 1998-10-30 | 2005-01-05 | スズキ株式会社 | 振動測定方法および装置 |
| US6437855B1 (en) * | 2000-07-13 | 2002-08-20 | Honeywell International Inc. | Laser doppler velocimeter with high immunity to phase noise |
| US7009710B2 (en) * | 2001-08-20 | 2006-03-07 | Agilent Technologies, Inc. | Direct combination of fiber optic light beams |
| ATE309545T1 (de) * | 2002-07-05 | 2005-11-15 | Kamstrup As | Laser-doppler-anemometry mit beugenden optischen elementen |
| CN103759753B (zh) * | 2013-12-13 | 2016-07-06 | 合肥工业大学 | 一种光栅光电信号速度测试装置 |
| CN104634254A (zh) * | 2015-03-06 | 2015-05-20 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统 |
| GB201511551D0 (en) | 2015-07-01 | 2015-08-12 | St Microelectronics Res & Dev | Photonics device |
| US10785400B2 (en) | 2017-10-09 | 2020-09-22 | Stmicroelectronics (Research & Development) Limited | Multiple fields of view time of flight sensor |
| CN109373915B (zh) * | 2018-11-15 | 2020-07-10 | 华中科技大学 | 一种基于混沌布里渊散射的多相液体厚度测量方法及系统 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4633714A (en) * | 1985-08-13 | 1987-01-06 | University Of Arkansas | Aerosol particle charge and size analyzer |
| US4948257A (en) * | 1987-09-14 | 1990-08-14 | Tsi Incorporated | Laser optical measuring device and method for stabilizing fringe pattern spacing |
| DE69031577T2 (de) * | 1989-03-31 | 1998-04-16 | Canon Kk | Doppler-Geschwindigkeitsmesser |
-
1990
- 1990-11-30 JP JP2333835A patent/JP2962819B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1991
- 1991-11-29 DE DE69126506T patent/DE69126506T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1991-11-29 EP EP91120622A patent/EP0488416B1/en not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-12-09 US US08/164,846 patent/US5327222A/en not_active Expired - Lifetime
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| US7317538B2 (en) | 2004-01-07 | 2008-01-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical two-dimensional velocity and/or movement detector |
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| JP2025096482A (ja) * | 2019-03-28 | 2025-06-26 | セイコーエプソン株式会社 | 周波数シフター型光変調器及びレーザードップラー計測装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0488416A1 (en) | 1992-06-03 |
| EP0488416B1 (en) | 1997-06-11 |
| US5327222A (en) | 1994-07-05 |
| JP2962819B2 (ja) | 1999-10-12 |
| DE69126506T2 (de) | 1998-01-22 |
| DE69126506D1 (de) | 1997-07-17 |
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