JPH09281219A - 光学式変位情報測定装置 - Google Patents
光学式変位情報測定装置Info
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- JPH09281219A JPH09281219A JP8092469A JP9246996A JPH09281219A JP H09281219 A JPH09281219 A JP H09281219A JP 8092469 A JP8092469 A JP 8092469A JP 9246996 A JP9246996 A JP 9246996A JP H09281219 A JPH09281219 A JP H09281219A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ２光束の光路を含む面内でアフォーカル光学
系を構成し、且つ光学ヘッドを大きくせずにワーキング
ディスタンスを大きくした場合にも、広い測定深度で高
精度を実現する事が可能な光学式変位情報測定装置を提
供する。 【解決手段】 第１のレンズ光学系及び該第１のレンズ
光学系より焦点距離の大きい第２のレンズ光学系により
少なくとも２光束の光路を含む面内でアフォーカル光学
系を構成し、且つ回折格子と第１レンズ光学系との間隔
を第１のレンズ群の焦点距離より短く構成すると共に、
第２レンズ光学系をパワーがマイナスのレンズとプラス
のレンズとの組み合わせとした。
系を構成し、且つ光学ヘッドを大きくせずにワーキング
ディスタンスを大きくした場合にも、広い測定深度で高
精度を実現する事が可能な光学式変位情報測定装置を提
供する。 【解決手段】 第１のレンズ光学系及び該第１のレンズ
光学系より焦点距離の大きい第２のレンズ光学系により
少なくとも２光束の光路を含む面内でアフォーカル光学
系を構成し、且つ回折格子と第１レンズ光学系との間隔
を第１のレンズ群の焦点距離より短く構成すると共に、
第２レンズ光学系をパワーがマイナスのレンズとプラス
のレンズとの組み合わせとした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学式変位情報測定
装置に関する。本発明は例えば、移動する物体や流体等
（以下「移動物体」と称する。）にレーザー光を照射
し、該移動物体の移動速度に応じてドップラーシフトを
受けた散乱光の周波数の偏移を検出することにより移動
物体の変位に関する変位情報や移動物体の移動速度を非
接触で測定できるようにしたドップラー効果を利用した
光学式変位情報測定装置に良好に適用できるものであ
る。
装置に関する。本発明は例えば、移動する物体や流体等
（以下「移動物体」と称する。）にレーザー光を照射
し、該移動物体の移動速度に応じてドップラーシフトを
受けた散乱光の周波数の偏移を検出することにより移動
物体の変位に関する変位情報や移動物体の移動速度を非
接触で測定できるようにしたドップラー効果を利用した
光学式変位情報測定装置に良好に適用できるものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来より移動物体の移動速度を非接触且
つ高精度に測定する装置として、レーザードップラー速
度計が使用されている。レーザードップラー速度計は移
動物体にレーザー光を照射し、該移動物体からの散乱光
の周波数が、移動物体の移動速度に比例して偏移（シフ
ト）する効果（ドップラー効果）を利用して、移動物体
の移動速度を測定している。
つ高精度に測定する装置として、レーザードップラー速
度計が使用されている。レーザードップラー速度計は移
動物体にレーザー光を照射し、該移動物体からの散乱光
の周波数が、移動物体の移動速度に比例して偏移（シフ
ト）する効果（ドップラー効果）を利用して、移動物体
の移動速度を測定している。
【０００３】一例として図１に特願平２−１３０５９０
号で提案されているレーザードップラー速度計の要部概
略図を示す。同図において、１０１はレーザードップラ
ー速度計である。１はレーザー、２はコリメーターレン
ズ、７は移動物体としての被測定物体、１０は格子ピッ
チｄの回折格子、１１、１２は焦点距離がｆの凸レンズ
であり、図に示すような配置構成になっている。回折格
子１０からレンズ１１までの距離をａ、レンズ１２から
被測定物体７までの距離をｂとしたとき、ａ、ｂはａ+
ｂ=２ｆの関係を満たしている。
号で提案されているレーザードップラー速度計の要部概
略図を示す。同図において、１０１はレーザードップラ
ー速度計である。１はレーザー、２はコリメーターレン
ズ、７は移動物体としての被測定物体、１０は格子ピッ
チｄの回折格子、１１、１２は焦点距離がｆの凸レンズ
であり、図に示すような配置構成になっている。回折格
子１０からレンズ１１までの距離をａ、レンズ１２から
被測定物体７までの距離をｂとしたとき、ａ、ｂはａ+
ｂ=２ｆの関係を満たしている。
【０００４】波長λが約０．６８μｍのレーザーダイオ
ード１からのレーザー光はコリメーターレンズ２によっ
て直径１．２ｍｍφの平行光束３となり、格子ピッチｄ
が３．２μｍの透過型の回折格子１０の格子配列方向に
垂直に入射する。このとき±１次の回折光５ａ、５ｂは
（１）式の回折条件式によって回折され、回折角θ=１
２゜で出射する。
ード１からのレーザー光はコリメーターレンズ２によっ
て直径１．２ｍｍφの平行光束３となり、格子ピッチｄ
が３．２μｍの透過型の回折格子１０の格子配列方向に
垂直に入射する。このとき±１次の回折光５ａ、５ｂは
（１）式の回折条件式によって回折され、回折角θ=１
２゜で出射する。
【０００５】 ｄｓｉｎθ＝λ ・・・（１）
【０００６】光束５ａ、５ｂが焦点距離ｆ（＝１５ｍ
ｍ）の凸レンズ１１に入射すると、図のような光束１３
ａ、１３ｂが得られる。光束１３ａ、１３ｂが２ｆ（＝
３０ｍｍ）離れたもう１つの凸レンズ１２に入射する
と、再び平行光１４ａ、１４ｂが得られ、前述の回折格
子１０からの回折角θと等しい角度で１．２ｍｍφのス
ポット径となって速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）の被測定物体
７を照射する。
ｍ）の凸レンズ１１に入射すると、図のような光束１３
ａ、１３ｂが得られる。光束１３ａ、１３ｂが２ｆ（＝
３０ｍｍ）離れたもう１つの凸レンズ１２に入射する
と、再び平行光１４ａ、１４ｂが得られ、前述の回折格
子１０からの回折角θと等しい角度で１．２ｍｍφのス
ポット径となって速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）の被測定物体
７を照射する。
【０００７】被測定物体７からの散乱光を凸レンズ１２
および集光レンズ８により効率よく光検出器９受光部９
ａへと集光させ、（２）式に示すドップラー信号が含有
された光信号を検出する。
および集光レンズ８により効率よく光検出器９受光部９
ａへと集光させ、（２）式に示すドップラー信号が含有
された光信号を検出する。
【０００８】 Ｆ＝２Ｖｓｉｎθ／λ ・・・（２） ＝２Ｖ／ｄ ＝Ｖ／１．６（ｋＨｚ） ここでａ＝１０ｍｍ、ｂ＝２０ｍｍとしており、ｂは比
較的長くなり、ワーキングディスタンスを大きくして速
度計設置の自由度を大きくしている。
較的長くなり、ワーキングディスタンスを大きくして速
度計設置の自由度を大きくしている。
【０００９】このような構成では、レーザーダイオード
１のレーザー波長λが温度などにより変化すると、
（１）式に対応して回折角θが変化するが、ドップラー
信号は（２）式からわかるように最終的にレーザー波長
λに依存せず、環境安定性に優れたレーザードップラー
速度計を実現する。
１のレーザー波長λが温度などにより変化すると、
（１）式に対応して回折角θが変化するが、ドップラー
信号は（２）式からわかるように最終的にレーザー波長
λに依存せず、環境安定性に優れたレーザードップラー
速度計を実現する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】図１に示す構成のレー
ザードップラー速度計はグレーティング１０からの回折
角と被測定物体上での回折角が等しい構成であり、レー
ザー波長が変化した場合でもドップラー信号は変動せず
高精度な速度測定を実現する。しかしながら、最近はワ
ーキングディスタンスをさらに効率的に大きくする必要
性が生じてきた。
ザードップラー速度計はグレーティング１０からの回折
角と被測定物体上での回折角が等しい構成であり、レー
ザー波長が変化した場合でもドップラー信号は変動せず
高精度な速度測定を実現する。しかしながら、最近はワ
ーキングディスタンスをさらに効率的に大きくする必要
性が生じてきた。
【００１１】図２は、回折角≠交差角の構成をとるレー
ザードップラー速度計の要部概略図を示す。レンズ１
１、１２として焦点距離の互いに異なるレンズによりア
フォーカル光学系を構成する点以外は図１と同一構成で
ある。
ザードップラー速度計の要部概略図を示す。レンズ１
１、１２として焦点距離の互いに異なるレンズによりア
フォーカル光学系を構成する点以外は図１と同一構成で
ある。
【００１２】このときのドップラー信号は、（３）式よ
り得られる。
り得られる。
【００１３】 Ｆ＝２Ｖｓｉｎθ２／λ ・・・（３）
【００１４】図３は、焦点距離が異なるアフォーカル光
学系を説明する図であり、焦点距離がｆ１の第１レンズ
１１と焦点距離がｆ２の第２レンズ１２の間隔はｆ１＋
ｆ２となり、回折格子１０から第１レンズ１１までの距
離をａ、第２レンズ１２から被測定物体７までの距離を
ｂとしている。図３の光線Ｉは、ａ＝ｆ１、ｂ＝ｆ２の
場合、光線ＩＩは、ａ≠ｆ１、ｂ≠ｆ２の場合であり、
ａ＝ｆ１−Δａ、ｂ＝ｆ２＋Δｂとしている。このとき
ΔａとΔｂとの関係は以下のようになる。
学系を説明する図であり、焦点距離がｆ１の第１レンズ
１１と焦点距離がｆ２の第２レンズ１２の間隔はｆ１＋
ｆ２となり、回折格子１０から第１レンズ１１までの距
離をａ、第２レンズ１２から被測定物体７までの距離を
ｂとしている。図３の光線Ｉは、ａ＝ｆ１、ｂ＝ｆ２の
場合、光線ＩＩは、ａ≠ｆ１、ｂ≠ｆ２の場合であり、
ａ＝ｆ１−Δａ、ｂ＝ｆ２＋Δｂとしている。このとき
ΔａとΔｂとの関係は以下のようになる。
【００１５】 ｂ＝（ｆ２／ｆ１）2×Δａ ・・・（４） この式からわかるように、効率よくレーザードップラー
速度計自体の大きさを大きくせずに、ワーキングディス
タンスを大きくするには、ｆ２／ｆ１の比率を大きくし
てａを小さくすればよい。
速度計自体の大きさを大きくせずに、ワーキングディス
タンスを大きくするには、ｆ２／ｆ１の比率を大きくし
てａを小さくすればよい。
【００１６】しかしながら、ｆ２に比較してｆ１の小さ
い光学系において更にａを小さくしていくと、第２レン
ズの光束入射位置は外周部であるために収差が大きくな
り、高精度を維持したまま広い測定深度を実現するのは
難しい。
い光学系において更にａを小さくしていくと、第２レン
ズの光束入射位置は外周部であるために収差が大きくな
り、高精度を維持したまま広い測定深度を実現するのは
難しい。
【００１７】また、アフォーカル光学系を採用する場
合、光学系の配置がある程度決まってしまうため、光学
系を更に小さくしながらワーキングディスタンスを更に
のばすような設計をするのが難しい。
合、光学系の配置がある程度決まってしまうため、光学
系を更に小さくしながらワーキングディスタンスを更に
のばすような設計をするのが難しい。
【００１８】本発明は、光学ヘッドを大きくせずにワー
キングディスタンスを大きくした場合にも、広い測定深
度で高精度を実現する事が可能な光学式変位情報測定装
置を提供することを第１の目的とする。
キングディスタンスを大きくした場合にも、広い測定深
度で高精度を実現する事が可能な光学式変位情報測定装
置を提供することを第１の目的とする。
【００１９】本発明は、アフォーカル光学系を採用しな
がら、光学系を更に小さく且つワーキングディスタンス
を更に大きく設計することが可能な光学式変位情報測定
装置を提供することを第２の目的とする。
がら、光学系を更に小さく且つワーキングディスタンス
を更に大きく設計することが可能な光学式変位情報測定
装置を提供することを第２の目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本願の第１発明は、光源からの光束を回折格子で分
離することにより発生させた２光束を、レンズ系を用い
て交差させて被測定物に照射し、前記被測定物からの散
乱光を検出手段で検出して被測定物の変位情報を測定す
る為の光学式変位情報測定装置において、前記レンズ系
が第１のレンズ光学系及び該第１のレンズ光学系より焦
点距離の大きい第２のレンズ光学系により少なくとも前
記２光束の光路を含む面内でアフォーカル光学系を構成
し、且つ前記回折格子と前記第１レンズ光学系との間隔
を前記第１のレンズ群の焦点距離より短く構成すると共
に、前記第２レンズ光学系をパワーがマイナスのレンズ
とプラスのレンズとの組み合わせとしたことを特徴とす
る。
めの本願の第１発明は、光源からの光束を回折格子で分
離することにより発生させた２光束を、レンズ系を用い
て交差させて被測定物に照射し、前記被測定物からの散
乱光を検出手段で検出して被測定物の変位情報を測定す
る為の光学式変位情報測定装置において、前記レンズ系
が第１のレンズ光学系及び該第１のレンズ光学系より焦
点距離の大きい第２のレンズ光学系により少なくとも前
記２光束の光路を含む面内でアフォーカル光学系を構成
し、且つ前記回折格子と前記第１レンズ光学系との間隔
を前記第１のレンズ群の焦点距離より短く構成すると共
に、前記第２レンズ光学系をパワーがマイナスのレンズ
とプラスのレンズとの組み合わせとしたことを特徴とす
る。
【００２１】本願の他の発明はそれぞれ更に、前記第２
レンズ光学系の主平面が前記第２レンズ光学系の前記被
測定物との対向面より前記被測定物側に位置すること、
更に前記散乱光を前記検出手段に集光するための集光レ
ンズを有し、前記散乱光を前記第２レンズ光学系と該集
光レンズによって前記検出手段上に集光すること、前記
集光レンズがメニスカスレンズであること、更に温度変
化に起因する前記光源からの光束の波長変動による測定
誤差を打ち消すように、前記温度変化に応じて前記レン
ズ系を変位させる部材を有することを特徴とする。
レンズ光学系の主平面が前記第２レンズ光学系の前記被
測定物との対向面より前記被測定物側に位置すること、
更に前記散乱光を前記検出手段に集光するための集光レ
ンズを有し、前記散乱光を前記第２レンズ光学系と該集
光レンズによって前記検出手段上に集光すること、前記
集光レンズがメニスカスレンズであること、更に温度変
化に起因する前記光源からの光束の波長変動による測定
誤差を打ち消すように、前記温度変化に応じて前記レン
ズ系を変位させる部材を有することを特徴とする。
【００２２】上述の目的を達成するための本願の第６発
明は、光源からの光束を回折格子で分離することにより
発生させた２光束を、レンズ系を用いて交差させて被測
定物に照射し、前記被測定物からの散乱光を検出手段で
検出して被測定物の変位情報を測定する為の光学式変位
情報測定装置において、前記レンズ系が第１のレンズ光
学系及び第２のレンズ光学系により少なくとも前記２光
束の光路を含む面内でアフォーカル光学系を構成し、前
記第２レンズ光学系の主平面が前記第２レンズ光学系の
前記被測定物との対向面より前記被測定物側に位置する
ことを特徴とする。
明は、光源からの光束を回折格子で分離することにより
発生させた２光束を、レンズ系を用いて交差させて被測
定物に照射し、前記被測定物からの散乱光を検出手段で
検出して被測定物の変位情報を測定する為の光学式変位
情報測定装置において、前記レンズ系が第１のレンズ光
学系及び第２のレンズ光学系により少なくとも前記２光
束の光路を含む面内でアフォーカル光学系を構成し、前
記第２レンズ光学系の主平面が前記第２レンズ光学系の
前記被測定物との対向面より前記被測定物側に位置する
ことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】図４は、本発明の第１実施例のレ
ーザードップラー速度計の光学構成を示す図で、図４
（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図である。
ーザードップラー速度計の光学構成を示す図で、図４
（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図である。
【００２４】２００はレーザードップラ速度計の光学ヘ
ッド部であり、以下のような構成になっている。レーザ
ーダイオード１から出射されたレーザー光はコリメータ
ーレンズ２によって平行光束３となる。レーザーダイオ
ード１とコリメーターレンズ２によって構成されるレー
ザーユニットは、不図示の他の部材とは熱膨張係数の異
なる材質、例えばアンバーの如く熱膨張率の低い材質で
互いの位置関係を固定されており、温度によって出射光
束のコリメート性が崩れないようになっている。平行光
束３は格子配列方向がＹ軸方向で格子ピッチｄの回折格
子１０によって、ＸＹ面内で２光束５ａ、５ｂに回折角
θ１で分割される。
ッド部であり、以下のような構成になっている。レーザ
ーダイオード１から出射されたレーザー光はコリメータ
ーレンズ２によって平行光束３となる。レーザーダイオ
ード１とコリメーターレンズ２によって構成されるレー
ザーユニットは、不図示の他の部材とは熱膨張係数の異
なる材質、例えばアンバーの如く熱膨張率の低い材質で
互いの位置関係を固定されており、温度によって出射光
束のコリメート性が崩れないようになっている。平行光
束３は格子配列方向がＹ軸方向で格子ピッチｄの回折格
子１０によって、ＸＹ面内で２光束５ａ、５ｂに回折角
θ１で分割される。
【００２５】このとき、回折角θ１は、以下のようにな
る。
る。
【００２６】 ｄｓｉｎθ１＝λ ・・・（５）
【００２７】光束５ａ、５ｂは、第１レンズ２１を透過
しシリンドリカルレンズ２２により被測定面でＺ軸方向
に収束する光束５ｅ、５ｆに変換される。集光レンズ２
６には２光束５ｅ、５ｆが屈折されないように、且つ光
量をかせぐために２光束５ｅ、５ｆの光路部に穴を開け
てある。この穴を通過した２光束５ｅ、５ｆは、さらに
両凹レンズ２３、両凸レンズ２４からなる第２レンズ群
２５により屈折され、Ｙ方向には平行でＺ方向には収束
する光束５ｇ、５ｈに変換されて、速度Ｖで移動してい
る被測定物７に入射角θ２で２光束照射される。
しシリンドリカルレンズ２２により被測定面でＺ軸方向
に収束する光束５ｅ、５ｆに変換される。集光レンズ２
６には２光束５ｅ、５ｆが屈折されないように、且つ光
量をかせぐために２光束５ｅ、５ｆの光路部に穴を開け
てある。この穴を通過した２光束５ｅ、５ｆは、さらに
両凹レンズ２３、両凸レンズ２４からなる第２レンズ群
２５により屈折され、Ｙ方向には平行でＺ方向には収束
する光束５ｇ、５ｈに変換されて、速度Ｖで移動してい
る被測定物７に入射角θ２で２光束照射される。
【００２８】ここで、レンズ（群）２１、２５はＸＹ面
内で倍率２のアフォーカル光学系を構成し、 ｆ２／ｆ１＝２ ・・・（６） の関係になっている。第１レンズ２１と第２レンズ群２
５の対向する主平面の間隔はｆ２＋ｆ１となっている。
内で倍率２のアフォーカル光学系を構成し、 ｆ２／ｆ１＝２ ・・・（６） の関係になっている。第１レンズ２１と第２レンズ群２
５の対向する主平面の間隔はｆ２＋ｆ１となっている。
【００２９】光束５ｇ、５ｈを照射された被測定物７か
らの散乱光を第２レンズ群２５と穴あきの集光レンズ２
６を介して集光して光検出器９に取り込む。集光レンズ
２６は、収差を抑えるためにメニスカスレンズとなって
いる。光検出器９で得られる速度情報を含んだ光のビー
ト信号（ドップラー周波数）は、（３）、（５）、
（６）式より、以下の式に基づく。
らの散乱光を第２レンズ群２５と穴あきの集光レンズ２
６を介して集光して光検出器９に取り込む。集光レンズ
２６は、収差を抑えるためにメニスカスレンズとなって
いる。光検出器９で得られる速度情報を含んだ光のビー
ト信号（ドップラー周波数）は、（３）、（５）、
（６）式より、以下の式に基づく。
【００３０】 Ｆ＝Ｖ／ｄ ・・・（７） この式（７）を用いて光検出器９の検出信号のビート周
波数Ｆから不図示の信号処理系で被測定物７の速度Ｖを
演算する。
波数Ｆから不図示の信号処理系で被測定物７の速度Ｖを
演算する。
【００３１】このとき、第２レンズ群２５より出射され
る光束５ｇ、５ｈはシリンドリカルレンズ２２によって
集平行となっているので、測定レンジではかなり扁平率
の高い楕円となり、速度検出方向への光線径を拡大しつ
つ信号のＳ／Ｎも向上する。
る光束５ｇ、５ｈはシリンドリカルレンズ２２によって
集平行となっているので、測定レンジではかなり扁平率
の高い楕円となり、速度検出方向への光線径を拡大しつ
つ信号のＳ／Ｎも向上する。
【００３２】これら各部材は熱膨張率２４×１０-6／℃
のアルミニウム合金を材質とする基材２０１に固設され
ている。
のアルミニウム合金を材質とする基材２０１に固設され
ている。
【００３３】ここで、レーザードップラ速度計２００の
温度による精度誤差について２５℃を基準として説明す
る。レーザーダイオード１のレーザー波長λは２５℃で
７８０ｎｍで、０.２ｎｍ／℃の温度依存性を持つもの
を想定している。
温度による精度誤差について２５℃を基準として説明す
る。レーザーダイオード１のレーザー波長λは２５℃で
７８０ｎｍで、０.２ｎｍ／℃の温度依存性を持つもの
を想定している。
【００３４】温度によってレンズ間隔が変化せずにレー
ザーの波長だけが変化した場合は、回折格子ピッチ１０
μｍ、干渉縞ピッチ１０μｍの構成では表１の誤差が生
じる。
ザーの波長だけが変化した場合は、回折格子ピッチ１０
μｍ、干渉縞ピッチ１０μｍの構成では表１の誤差が生
じる。
【００３５】
【表１】
【００３６】一方、温度によってレーザーの波長が変化
せずにアルミニウム合金の熱膨張（２４×１０-6／℃）
によるレンズ間隔だけが変化した場合は、回折格子ピッ
チ１０μｍ、干渉縞ピッチ１０μｍの構成では表２の誤
差が生じる。（第１レンズ２１と第２レンズ群との間隔
は、約１３５ｍｍ）
せずにアルミニウム合金の熱膨張（２４×１０-6／℃）
によるレンズ間隔だけが変化した場合は、回折格子ピッ
チ１０μｍ、干渉縞ピッチ１０μｍの構成では表２の誤
差が生じる。（第１レンズ２１と第２レンズ群との間隔
は、約１３５ｍｍ）
【００３７】
【表２】
【００３８】本実施例では、温度により波長変動と熱膨
張とが同時に発生するため、互いに光学誤差がキャンセ
ルしあい、表３のように最終光学誤差はほぼゼロとな
る。
張とが同時に発生するため、互いに光学誤差がキャンセ
ルしあい、表３のように最終光学誤差はほぼゼロとな
る。
【００３９】
【表３】
【００４０】図５は、本発明のアフォーカル光学系を説
明する図である。ＰＰ１、ＰＰ２は第１レンズ２１の、
ＰＰ３、ＰＰ４は第２レンズ群２５の、それぞれ物体
側、像側主平面を表す。図から解るように、第２レンズ
群の主平面ＰＰ３、ＰＰ４がレーザードップラー速度計
本体よりも被測定物側に位置している。このため、第１
レンズ２１と第２レンズ群の実際の間隔はｆ２＋ｆ１よ
りも小さくでき、よってレーザードップラー速度計自体
の大きさが小さくなる。同時に実質ワーキングディスタ
ンスも、第２レンズ群の像側主平面ＰＰ４と被測定物７
との間隔ｂより大きくできる。これにより、小型でワー
キングディスタンスの大きい装置が実現されることにな
る。
明する図である。ＰＰ１、ＰＰ２は第１レンズ２１の、
ＰＰ３、ＰＰ４は第２レンズ群２５の、それぞれ物体
側、像側主平面を表す。図から解るように、第２レンズ
群の主平面ＰＰ３、ＰＰ４がレーザードップラー速度計
本体よりも被測定物側に位置している。このため、第１
レンズ２１と第２レンズ群の実際の間隔はｆ２＋ｆ１よ
りも小さくでき、よってレーザードップラー速度計自体
の大きさが小さくなる。同時に実質ワーキングディスタ
ンスも、第２レンズ群の像側主平面ＰＰ４と被測定物７
との間隔ｂより大きくできる。これにより、小型でワー
キングディスタンスの大きい装置が実現されることにな
る。
【００４１】図６は、第１レンズ２１と第２レンズ群の
球面収差を示す図である。左側が第１レンズの収差図、
右側中段左側が両凹レンズ２３の収差図、同右側が両凸
レンズ２４の収差図、同下段が第２レンズ群全体の収差
図である。図からわかるように、第２レンズ群ではパワ
ーがマイナスのレンズとプラスのレンズとを組み合わせ
ることにより第２レンズ群全体の収差の程度を適切に設
計することが容易である。この実施例では、パワーがマ
イナスのレンズとプラスのレンズとを組み合わせること
により第２レンズ群全体の収差をかなり打ち消す構成と
なっている。第１レンズから出射した光束は一旦集光
し、第１レンズ２１で発生した球面収差が逆転した状態
で第２レンズ群２５に入射する。ワーキングディスタン
スを大きくとった構成のため、第２レンズ群２５におけ
る光束入射位置は第１レンズ２１のそれよりも光軸から
離れた位置になる。しかし、本実施例では前述した第２
レンズ群全体の収差をかなり打ち消す構成により、この
第２レンズ群２５における光束入射位置における収差曲
線の傾きを、第１レンズ２１での光束入射位置における
収差曲線をアフォーカル光学系の倍率で光軸垂直方向に
拡大した曲線の傾きと概略一致するように設計されてい
る。よって、第１レンズ２１と第２レンズ群２５のそれ
ぞれによって光束に発生する収差の足し合わせにより、
最終的出射光に測定に直接影響するＸＹ平面内でほとん
ど収差が無い状態となり、広い測定深度に対しても安定
した精度を保証する。
球面収差を示す図である。左側が第１レンズの収差図、
右側中段左側が両凹レンズ２３の収差図、同右側が両凸
レンズ２４の収差図、同下段が第２レンズ群全体の収差
図である。図からわかるように、第２レンズ群ではパワ
ーがマイナスのレンズとプラスのレンズとを組み合わせ
ることにより第２レンズ群全体の収差の程度を適切に設
計することが容易である。この実施例では、パワーがマ
イナスのレンズとプラスのレンズとを組み合わせること
により第２レンズ群全体の収差をかなり打ち消す構成と
なっている。第１レンズから出射した光束は一旦集光
し、第１レンズ２１で発生した球面収差が逆転した状態
で第２レンズ群２５に入射する。ワーキングディスタン
スを大きくとった構成のため、第２レンズ群２５におけ
る光束入射位置は第１レンズ２１のそれよりも光軸から
離れた位置になる。しかし、本実施例では前述した第２
レンズ群全体の収差をかなり打ち消す構成により、この
第２レンズ群２５における光束入射位置における収差曲
線の傾きを、第１レンズ２１での光束入射位置における
収差曲線をアフォーカル光学系の倍率で光軸垂直方向に
拡大した曲線の傾きと概略一致するように設計されてい
る。よって、第１レンズ２１と第２レンズ群２５のそれ
ぞれによって光束に発生する収差の足し合わせにより、
最終的出射光に測定に直接影響するＸＹ平面内でほとん
ど収差が無い状態となり、広い測定深度に対しても安定
した精度を保証する。
【００４２】上述の実施例では以上の構成により、レー
ザードップラー速度計２００の長さが２００ｍｍに対し
てワーキングディスタンスを３００ｍｍ、測定深度を±
３０ｍｍ以上を実現し、環境温度（０〜５０℃）におい
ても、光学精度を±０.０３％以下に抑えた構成となっ
ている。
ザードップラー速度計２００の長さが２００ｍｍに対し
てワーキングディスタンスを３００ｍｍ、測定深度を±
３０ｍｍ以上を実現し、環境温度（０〜５０℃）におい
ても、光学精度を±０.０３％以下に抑えた構成となっ
ている。
【００４３】
【発明の効果】以上説明したように、本願の第１発明に
より、光学ヘッドを大きくせずに、ワーキングディスタ
ンスを大きくし、かつ、広い測定深度で高精度測定が実
現される。
より、光学ヘッドを大きくせずに、ワーキングディスタ
ンスを大きくし、かつ、広い測定深度で高精度測定が実
現される。
【００４４】また、第２発明によれば更に、装置自体の
大きさを小さくでき、同時に実質ワーキングディスタン
スも更に大きくできる。
大きさを小さくでき、同時に実質ワーキングディスタン
スも更に大きくできる。
【００４５】また、第３発明によれば更に、光学系を一
部兼用して効果的に受光ができる。
部兼用して効果的に受光ができる。
【００４６】また、第４発明によれば更に、収差を軽減
して効率よく受光ができる。
して効率よく受光ができる。
【００４７】また、第５発明によれば更に、温度変化に
も影響されない高精度な測定が実現される。
も影響されない高精度な測定が実現される。
【００４８】これとは別に、本願の第６発明により、ア
フォーカル光学系を用いても、装置自体の大きさを更に
小さく、且つ実質ワーキングディスタンスを更に大きく
設計することが可能になる。
フォーカル光学系を用いても、装置自体の大きさを更に
小さく、且つ実質ワーキングディスタンスを更に大きく
設計することが可能になる。
【図１】従来提案されているレーザードップラー速度計
の要部概略図
の要部概略図
【図２】回折角≠交差角の構成をとるレーザードップラ
ー速度計の要部概略図
ー速度計の要部概略図
【図３】焦点距離が異なるアフォーカル光学系を説明す
る図
る図
【図４】本発明の第１実施例のレーザードップラー速度
計の光学構成を示す図
計の光学構成を示す図
【図５】本実施例のアフォーカル光学系を説明する図
【図６】第２レンズ群の球面収差を示す図
１ 光源 ２ コリメーターレンズ １０、２０ 回折格子 １１、１２ レンズ ７ 被測定物 ８ 集光レンズ ９ 光検出器 ２１ 第１レンズ ２３ 両凹レンズ ２４ 両凸レンズ ２５ 第２レンズ群 ２６ 穴あき集光レンズ １０１、２００ レーザードップラー速度計
Claims (6)
- 【請求項１】 光源からの光束を回折格子で分離するこ
とにより発生させた２光束を、レンズ系を用いて交差さ
せて被測定物に照射し、前記被測定物からの散乱光を検
出手段で検出して被測定物の変位情報を測定する為の光
学式変位情報測定装置において、前記レンズ系が第１の
レンズ光学系及び該第１のレンズ光学系より焦点距離の
大きい第２のレンズ光学系により少なくとも前記２光束
の光路を含む面内でアフォーカル光学系を構成し、且つ
前記回折格子と前記第１レンズ光学系との間隔を前記第
１のレンズ群の焦点距離より短く構成すると共に、前記
第２レンズ光学系をパワーがマイナスのレンズとプラス
のレンズとの組み合わせとしたことを特徴とする光学式
変位情報測定装置。 - 【請求項２】 前記第２レンズ光学系の主平面が前記第
２レンズ光学系の前記被測定物との対向面より前記被測
定物側に位置することを特徴とする請求項１記載の光学
式変位情報測定装置。 - 【請求項３】 更に前記散乱光を前記検出手段に集光す
るための集光レンズを有し、前記散乱光を前記第２レン
ズ光学系と該集光レンズによって前記検出手段上に集光
することを特徴とする請求項１記載の光学式変位情報測
定装置。 - 【請求項４】 前記集光レンズがメニスカスレンズであ
ることを特徴とする請求項３記載の光学式変位情報測定
装置。 - 【請求項５】 更に温度変化に起因する前記光源からの
光束の波長変動による測定誤差を打ち消すように、前記
温度変化に応じて前記レンズ系を変位させる部材を有す
ることを特徴とする請求項１記載の光学式変位情報測定
装置。 - 【請求項６】 光源からの光束を回折格子で分離するこ
とにより発生させた２光束を、レンズ系を用いて交差さ
せて被測定物に照射し、前記被測定物からの散乱光を検
出手段で検出して被測定物の変位情報を測定する為の光
学式変位情報測定装置において、前記レンズ系が第１の
レンズ光学系及び第２のレンズ光学系により少なくとも
前記２光束の光路を含む面内でアフォーカル光学系を構
成し、前記第２レンズ光学系の主平面が前記第２レンズ
光学系の前記被測定物との対向面より前記被測定物側に
位置することを特徴とする光学式変位情報測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09246996A JP3647135B2 (ja) | 1996-04-15 | 1996-04-15 | 光学式変位情報測定装置 |
| US08/835,462 US5926276A (en) | 1996-04-15 | 1997-04-08 | Apparatus having an afocal lens system used in optical measurement of displacement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09246996A JP3647135B2 (ja) | 1996-04-15 | 1996-04-15 | 光学式変位情報測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09281219A true JPH09281219A (ja) | 1997-10-31 |
| JP3647135B2 JP3647135B2 (ja) | 2005-05-11 |
Family
ID=14055203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09246996A Expired - Fee Related JP3647135B2 (ja) | 1996-04-15 | 1996-04-15 | 光学式変位情報測定装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5926276A (ja) |
| JP (1) | JP3647135B2 (ja) |
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| JP4365927B2 (ja) | 1999-03-12 | 2009-11-18 | キヤノン株式会社 | 干渉計測装置及び格子干渉式エンコーダ |
| DE60033075T3 (de) | 1999-04-16 | 2012-08-30 | Canon K.K. | Kodierer |
| JP2000321021A (ja) | 1999-05-10 | 2000-11-24 | Canon Inc | 干渉装置、変位測定装置、及びそれを用いた情報記録又は／及び再生装置 |
| JP4298093B2 (ja) | 1999-11-10 | 2009-07-15 | キヤノン株式会社 | 光学式回転位置情報検出装置 |
| WO2001038884A1 (en) * | 1999-11-22 | 2001-05-31 | California Institute Of Technology | Micro photonic particle sensor |
| JP4593768B2 (ja) | 1999-12-27 | 2010-12-08 | キヤノン株式会社 | 光干渉装置及び位置検出装置 |
| US6914682B2 (en) * | 2001-10-25 | 2005-07-05 | Canon Kabushiki Kaisha | Interferometer and position measuring device |
| ATE309545T1 (de) * | 2002-07-05 | 2005-11-15 | Kamstrup As | Laser-doppler-anemometry mit beugenden optischen elementen |
| DE102008012028A1 (de) * | 2008-02-29 | 2009-09-10 | Fachhochschule Trier | Vorrichtung zur Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2924301B2 (ja) * | 1990-05-21 | 1999-07-26 | キヤノン株式会社 | 速度計 |
| JP2899165B2 (ja) * | 1992-05-15 | 1999-06-02 | キヤノン株式会社 | ドップラー速度計及び変位情報検出装置 |
| 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 |
| JP3491969B2 (ja) * | 1994-06-27 | 2004-02-03 | キヤノン株式会社 | 変位情報測定装置 |
| JP3513247B2 (ja) * | 1994-07-11 | 2004-03-31 | キヤノン株式会社 | 周波数シフター及びそれを用いた光学式変位計測装置 |
-
1996
- 1996-04-15 JP JP09246996A patent/JP3647135B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-04-08 US US08/835,462 patent/US5926276A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5926276A (en) | 1999-07-20 |
| JP3647135B2 (ja) | 2005-05-11 |
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