JPH10325874A

JPH10325874A - レーザー・ドップラー原理に基づく速度測定方法

Info

Publication number: JPH10325874A
Application number: JP9307828A
Authority: JP
Inventors: Peter Drewling; ペーター・ドリューリング
Original assignee: LAP GmbH Laser Applikationen
Current assignee: LAP GmbH Laser Applikationen
Priority date: 1996-10-22
Filing date: 1997-10-21
Publication date: 1998-12-08
Also published as: US6064472A; EP0838695A1; DE19643475C1

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単で、低コストで実施できるレーザ
ー・ドップラー原理に基づく速度測定方法を提供するこ
と。【解決手段】レーザー・ドップラー原理に基づく速
度測定方法であって、ビームスプリッターによりレーザ
ーのビームを、測定対象物の上もしくは中で交差する２
つの部分光に分光し、また、受光器により反射光の強度
モジュレーションのスペクトル最大値を測定する。ケス
タープリズムをビームスプリッターとして用い、形成さ
れる前記部分光を測定対象物の上もしくは中において所
望の角度で交差させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、請求項１前文に記載し
たレーザー・ドップラー原理に基づく速度測定方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】特殊フィルター原理により速度測定を行
う場合、測定対象物上もしくは測定媒質中に、等間隔の
複数本の投射光によるスクリーンが形成される。格子と
なる各光線に対して垂直に位置する測定対象物や媒質の
表面が移動することにより、反射光は強度変化を示し、
この強度変化におけるスペクトル最大値が移動速度に直
接比例する。

【０００３】前記投射光が形成するパターンとその格子
定数が、重要な測定係数となるので、システム全体の測
定精度は直接的にこのスクリーンの精度に依存する。レ
ーザー・ドップラー原理による速度測定の場合このスク
リーンは、レーザービームのビームスプリッティング、
もしくは、２つの同調レーザーにより生み出される２本
のコヒーレントな部分ビームの重ね合せによって、測定
物に形成される。

【０００４】また、前記した精度を判定するスクリーン
定数は、２つの基本パラメータ、即ち２本の部分ビーム
の重ね合わせ角度と、レーザー光の波長によって決ま
る。前記スクリーン形成のために主に用いられるビーム
・スプリッティングに関しては下記のような各種の方法
があるが、その１つとして、レーザー光を用いてこれ
を、光路に対し４５°の半透過性の平面鏡を通して第一
の部分ビームを形成してこれを測定対象物に当てるとと
もに、第二の平面鏡によって形成される第二の部分ビー
ムを、第一の部分ビームと同様に、測定対象物に当てる
という方法がある。また、所謂ビームスプリッティング
キューブを用いる場合は、スプリッター面が光路に対し
４５°の角度で配置されており、部分ビームが平面鏡を
介して測定対象物に当てられる。尚、このビームスプリ
ッティングキューブは光路に対し約４５°回転させるこ
とによりスプリッター面を光路に対し斜めの角度に配置
した鏡を別途に設けること無く２本の部分ビームを形成
することも可能である。更に、光学格子（グリッド）
や、ホログラム形式の光学素子によってビームスプリッ
ティングを行うことも知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで前述した従来
のシステムのうち最初の２つにはいくつか欠点がある。
即ち、複数のコンポーネントの使用が必要であり、これ
により振動の安定性について問題が生じる。また、各別
の反射面それぞれについての角度調節のためにコスト高
となることを考慮しなければならない。更に、形成され
る部分ビームの光学波長が互いに異るので、例えばダイ
オードレーザーなど、コヒーレンス長の短いレーザーに
よるビームに基づく場合、重ね合せコントラストの減損
につながるという問題もある。

【０００６】また、光路に対し所定角度回転可能とした
前記ビームスプリッティングキューブを用いる場合に
は、最適なビームスプリッター比の達成が困難という問
題がある。即ち、ビームスプリッター面の平滑性にわず
かでも誤差があれば相当な影響がでる。また、光の衝突
角度が比較的小さいので、（詳細に定義されない）屈折
率遷移により、ビームスプリッティングキューブの浸炭
面に対して、消極的ながら影響がある。更に、傾斜した
衝突角度による、スプリッター面の反射／伝達比の偏り
依存性も、無視出来ない。

【０００７】また、グリッドや、ホログラム形式の素子
を用いる方法の場合は、相当コストが高くなるし、再生
用の基材に設けるホログラムの湿気の問題や経時変化の
危険性の問題がある。また、光学性能も比較的低い。

【０００８】

【課題を解決するための手段】而して本発明の目的は、
構造簡単で、低コストでしかも少量でも生産可能であ
り、また従来のコンポーネントを利用可能な、レーザー
・ドップラー原理に基づく速度計測方法を提供する点に
ある。この目的は請求項１記載の態様により達成され
る。本発明においては、所謂ケスター・プリズムをビー
ムスプリッターとして用いこれにより形成される部分ビ
ームを対象物の上もしくは中で所望の角度で交差させ
る。

【０００９】前記ケスター・プリズムはそれ自体公知で
あり、三角形状をした分光用のビームスプリッティング
素子から成る。分光面はプリズムの一角からこれに対向
する面へ垂直に伸びている。ケスター・プリズムは通
常、２本の平行な光線を生み出すための干渉計に用いら
れている。ケスター・プリズムの一側面に対するレーザ
ービームの衝突角度を変更し得るという事実により、２
本の部分ビームがプリズム側面で反射して形成され、測
定対象物上で通常の如く交差する。

【００１０】ケスター・プリズムの利用により相当な利
点が得られる。即ち、光学装置自体の振動安定性の高さ
が顕著である。また、部分ビームの重ね合わせ角度につ
いて、温度による浮動が無いし、機械的な原因による長
時間の浮動の問題も生じない。更に、２つの反射・分離
面を互いに角度調節する必要も無い。また、２本の部分
ビームが同一の光路長に維持され、これにより、（特
に、ダイオードレーザーを用いた場合）部分ビームの重
ね合わせコントラストが向上する。また５０：５０のビ
ームスプリッティング比も簡単に達成できる。また、ス
プリッター面の平滑性の誤差による影響も、ビームのス
プリッター面への衝突角が比較的大きいことから、わず
かである。また、プリズムの浸炭面への、ゆがみ依存性
の、（詳細に定義されない）屈折率遷移についても同様
のことが言える。更に、スプリッター層の反射／伝達比
の偏り依存性も比較的低い。

【００１１】更に詳記すると、ケスター・プリズムは従
来からの光学器材であって、容易に入手可能であり、値
段も高くなく、また、製造も少量生産も大量生産も可能
である。また、光学性能が良好であることから測定操作
に際し、低いレーザーエネルギーで十分賄える。また、
部分ビームの重ね合わせ角度の設定もプリズムを回すだ
けという簡単な操作で行える。そのため測定機器の速度
スケールの設定においても大きな自由度が得られる。

【００１２】尚、レーザー・ドップラー原理による速度
測定において千分の一の単位のレンジでの精度を求める
には、波長が実質的に安定しているビーム源が必要であ
る。そのため、独自の安定性を備えたガスレーザーが使
用できるがガスレーザーでは構造が複雑になる。また、
ダイオードレーザーを用いることも知られており、ダイ
オードレーザーの場合、波長の安定は外部的に操作して
得られる。また、レーザー温度をサーモスタットの助け
によって安定させることも知られている。

【００１３】本発明の更に別の目的は、波長が安定しな
いレーザーについての温度非依存性の達成である。この
目的は請求項２に記載の態様によって達成される。例え
ば１つのレーザーダイオードにおける、温度による波長
の変化はおおよそ下記の数１の通りである。

【数１】その結果、相対的な変化量は下記数２の通りと
なる。

【数２】修正を加えない場合、下記数３の測定誤差が生
じる。

【数３】この場合、Ｖは、実際の速度、Ｖ_dは、表示された速度、Ｋλは、 λの相対的変化、Ｔ₀は、基準温度である。従って、実際の速度について下記の式が得られる。Ｖ＝Ｖ_d・（１＋Ｋλ・（Ｔ−Ｔ₀））

【００１４】この波長の温度依存性が、測定された速度
値の修正に適用され、読取り値が、別途に記憶されてい
る修正表に従って修正され、修正値が表示される。この
修正方法を実施するためには、レーザー温度の測定だけ
が必要である。尚、いづれの場合も、読取り値を速度値
に転換するためのプロセッサが存在する。

【００１５】更に、レーザー・ドップラー原理による速
度測定によれば、特別な手間をかけずに、測定対象物も
しくは媒質について、２つの移動方向の確認が可能であ
る。方向の判定については所謂周波数オフセットによっ
て実施することが知られており、これにより、重ね合わ
せた２本の部分ビームのうち一方の部分ビームの周波数
を他方に対しほぼ一定量変化させる。尚、それにつれ
て、測定周波数もほぼ同じ量だけ変化する。その結果、
一方の方向への移動では周波数が高くなり、また、他方
の方向への移動の周波数は低めになって、明確に捕捉可
能となる。しかしながら、例えば、音響・光学的効果
や、グリッドを移動させることなど、レーザービームの
周波数を変化させるための技術的努力は相当多大なもの
となる。

【００１６】そのため、本発明は更に別の目的として、
レーザー・ドップラー原理に基づく速度測定により、簡
単な方法によって移動方向判定を実施可能とする。本発
明によればこの方法は、位置を判別する検出器の助けに
より、反射光の粒状コントラスト構造の移動方向を測定
するという形で実施される。これに見合う検出器は公知
のもので、例えば、ＣＣＤライン（電荷結合素子）を用
いても良いし、またＰＳＤ（位置感知検出器）やその他
同様の装置でも良い。

【００１７】尚、放散面にコヒーレントなレーザービー
ムを投射した場合、反射光は（確率的粗面輪郭におい
て）均質に分布するのではなく、確率的強度の最小値と
最大値を備えた三次元の干渉構造を持つ。そして、放散
面を動かすと、これに対応して前記の三次元強度構造も
移動する。

【００１８】前記三次元強度構造の平面が位置感知検出
器（ＰＳＤ、ＣＣＤアレー、ダイオードライン等）でコ
ピーされると、一時的に間隔をあけたいくつかの像が形
成され記憶される。そして、移動方向の評価が、個々の
像の読取り値の相関関係に基づいて為される。

【００１９】この原理は、スペックルパターン相関関係
原理に基づいた速度測定法と似ているが、本発明の場合
は速度測定のために差・ドップラー (difference Doppl
er)法を用いており、速度がゼロの場合に方向反転を判
定する測定能力を拡大するためにだけスペックルパター
ン相関関係を使っている。従って、本発明においては、
スペックルパターン相関関係による直接的な速度測定に
おける最大の欠点、即ち、測定値が結像系の焦点位置に
依存する（距離の依存性）という欠点は防止できる。

【００２０】以下、実施例により本発明を更に詳細に説
明する。ダイオードレーザー（１０）はコヒーレント光
（１２）を、ケスタープリズム（１４）の表面に当て
る。図示した状態において、ビーム（１２）の光路は、
これに対向するプリズム（１４）における面（１６）に
対し概ね垂直である。プリズム（１４）には、スプリッ
ター面（１８）を含んでおり、前記スプリッター面（１
８）はプリズム（１４）におけるエッジ（２０）からこ
れに対向するプリズム面（２２）まで伸びている。尚、
前記プリズム面（２２）は前記スプリッター面（１８）
に対し垂直に伸びている。この構成により２本の部分光
（２４）（２６）が形成され、これら部分光は、２つの
等しく長い光路長を通過した後、速度（ｖ）で矢印（３
０）方向に動く物体（２８）の表面で交差する。この物
体の速度（ｖ）が測定の対象である。この場合、プリズ
ム（１４）の前記面（２２）は物体（２８）の移動方向
（３０）と平行であり、換言すると、前記スプリッター
面（１８）が物体移動方向に対し垂直である。但し、前
記プリズム（１４）の回転位置を変更することにより、
部分光（２４、２６）の交差角度を変えることが出来
る。

【００２１】そして、感光性受光器（３２）が物体から
の反射光を受け、これに対応する出力信号をプロセッサ
（３４）へ入力し、前記プロセッサ（３４）がスペクト
ル最大値を求め、それに基づいて速度読み取り値を演算
し、この値が表示装置（３６）に表示される。尚、読み
取りが行われればこれ以外の登録も当然可能である。

【００２２】また、前記プロセッサ（３４）には更に、
レーザー（１０）が発する光の波長の、レーザーの温度
に対する依存性を表す表もしくは方程式が記憶されてい
る。通常の温度領域、例えば、１０〜４０℃における前
記依存性は基本的にリニアであるので、測定された速度
値は、温度依存波長値により修正される。図から判る通
り、温度プローブ（３８）がレーザー（１０）の温度を
測定し、その測定信号が、前記出力信号と同じく、前記
プロセッサ（３４）に入力される。これに基づいて、プ
ロセッサ（３４）は、先に述べた手順によって実際の速
度を求め、表示することが出来る。

【００２３】更に、例えば、ＣＣＤライン（電荷結合素
子ライン）やＰＳＤ（位置感知検出器）等の検出器（４
０）が、物体（２８）表面のコントラスト構造の変位方
向、即ちは、物体の移動方向を計算する。この検出器
（４０）は前記プロセッサ（３４）に接続されている。
この物体移動方向の判定は前述した通り、スペックルパ
ターン相関関係に基づいて実施される。

【００２４】また、図２に示した如く、物体（２８）に
は、概略図１及び同図に関する前述の説明の通り、矢印
（５０）の方向にレーザー光が放射される。符号（５
２）の線は反射光を示している。反射光の方向や分布は
物体（２８）の表面構造に依存することが判る。この反
射するレーザー光は、位置感知検出器（５４）に入力さ
れ、位置感知検出器（５４）からの出力信号が評価ユニ
ット（５６）により求値される。図２の前記位置感知検
出器の上部に示したグラフには、前記位置感知検出器
（５４）に到着する光の強度と物体の位置との相関関係
が示してある。尚、矢印（５８）は、物体の移動方向を
示している。

【００２５】先にも述べたように、反射光は均質な分布
にはならないが、ランダムに分布した強度の確率的分布
の最小値、最大値を含んだ三次元的推論構造を持ってい
る。即ち、物体の表面が例えば前記矢印（５８）の方向
に移動すると、前記した三次元の強度構造がその移動と
同じ距離だけ移動する。そして前記検出器（５４）によ
って、時間ポイント毎にサンプルショットが撮影され、
前記評価ユニットに保持される。物体移動の方向は、サ
ンプルショットそれぞれを関連づけることにより得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための装置の概略図であ
る。

【図２】移動の方向を測定するための装置の概略図であ
る。

【符号の説明】

１０ダイオードレーザー１２コヒーレントなビーム１４ケスター・プリズム１６対向面１８スプリッター面２０プリズム一端部２２プリズム面２４部分ビーム２６部分ビーム２８測定対象物３０矢印３２光感知性受光器３４プロセッサ３６表示装置３８温度プローブ４０検出器５２反射光５４位置感知検出器５６評価ユニット５８対象物移動方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー・ドップラー原理に基づく速度測
定方法であって、ビームスプリッターによりレーザーの
ビームを、測定対象物の上もしくは中で交差する２つの
部分光に分光し、また、受光器により反射光の強度モジ
ュレーションのスペクトル最大値を測定する如くした前
記速度測定方法において、ケスタープリズムをビームス
プリッターとして用い、形成される前記部分光が測定対
象物の上もしくは中において所望の角度で交差する如く
した前記測定方法。
【請求項２】請求項１に基づき、レーザー・ドップラー
原理に基づく速度測定方法により読み取り値を修正する
ための方法であって、レーザーの波長と温度との関係を
示す修正表もしくは方程式が、測定対象物の速度を計算
するためのプロセッサに記憶されており、レーザーの温
度の測定が行われ、その読み取り値が前記プロセッサに
入力され、該プロセッサが、測定された速度を前記温度
に則した前記修正表もしくは方程式の値によって修正す
ることを特徴とする前記修正方法。
【請求項３】請求項１もしくは２に基づき、前記レーザ
ー・ドップラー法に則した手段によって速度を測定され
る測定対象物について移動方向を判定するための方法で
あって、前記対象物の表面にコヒーレントなレーザービ
ームが照射され、位置感知検出器により前記表面から像
が時折撮影され、所定間隔で記録が行われて記憶され、
前記移動方向が個々の記録の相関関係によって判定され
ることを特徴とする前記判定方法。