JPS63204182A - レ−ザドツプラ速度測定方法および装置 - 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 本発明はレーザドツプラ速度測定方法および装置に関し
、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の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レーザ
ドツプラ速度測定方法が考えられている。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、
ト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、従来のレーザドツプラ速度測定方法は、たと
えば、第３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３図において、レーザ発振器１１
０から放射されたレーザ光はビームスプリッタ１１２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に方向ベクトル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ヘクトルＴ２
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１２２お
よび集光レンズ１２４により導かれて光センサ１２６に
より検出される。

この先センサ１２６により観測される散乱光は、方向へ
クトルｊ、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ｊ２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　　Ｌ）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（Ｌ　　Ｌ）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１１６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方法におい
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（Ｌ　　Ｌ）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第１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
したときに該被測定物から得られる散乱光のドツプラシ
フトに基づいて該被測定物の移動速度を求めるレーザド
ツプラ速度測定方法であって、（Ｒ）共通のレーザ光か
ら得た互いに直交する偏光面を備えた第１偏光および第
２偏光を所定の照射条件下で前記被測定物に照射する工
程と、（ｂｌ前記被測定物からの散乱光から、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偏光散乱光をそれぞれ選別する工程と、（Ｃ１前記第
１偏光散乱光のドツプラシフトに基づいて前記被測定物
の移動速度の二次元方向成分の一方を決定し、前記第２
偏光散乱光のドツプラシフトに基づいて該二次元方向成
分の他方を決定する工程とを、含むことにある。

作用および第１発明の効果 このようにすれば、互いに直交する偏光面を備えた第１
偏光および第２偏光が所定の照射条件下で前記被測定物
に照射され、その被測定物からの散乱光から前記第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
偏光散乱光が選択され、そして、第１偏光散乱光のドツ
プラシフトに基づいて前記被測定物の移動速度の二次元
方向成分の一方が決定され、且つ、前記第２偏光散乱光
のドツプラシフトに基づいて該二次元方向成分の他方が
決定される。

したがって、上記被測定物の移動速度の二次元方向成分
の一方および他方が同時に決定されるので、被測定物の
移動方向と測定装置の測定方向、たとえば前記方向ベク
トル（７ｚ　　７＋）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。

問題点を解決するための第２の手段 また、上記第１発明を好適に実施するための態様の要旨
とするところは、被測定物をレーザ光にて照射したとき
に該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
に求めるレーザドツプラ速度測定装置であって、（ａ）
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偏光を前記被測定物に向かって照射する
とともに、その第１偏光を含む平面内において該第１偏
光に対して予め定められた一定の角度だけ傾斜した２本
のビームにて該第１偏光の両側からその照射点に向かっ
て前記第２偏光を照射するレーザ光照射手段と、（Ｃ）
前記被測定物からの散乱光から、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、ｆｄｌ前記第１偏光散乱光と前
記第１偏光との干渉によるビート周波数に基づいて前記
平面内の前記第１偏光の照射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平面内の前記
第１偏光の照射方向に直角な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。

作用および第２発明の効果 このようにすれば、被測定物からの第１偏光散乱光とそ
の被測定物を照射する前の第１偏光との干渉によるビー
ト周波数に基づいて、被測定物に向かう第１偏光を含む
平面内のその第１偏光の照射方向における前記被測定物
の移動速度が決定されるとともに、その平面内における
前記２木のビームに沿って第１偏光の両側からその照射
点に向かって照射される第２偏光の散乱光相互の干渉に
より発生ずるビート周波数に基づいて、上記平面内の第
１偏光の照射方向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、上記平面内における
第１偏光の照射方向とこれ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から放射されたレー
ザ光は偏光ビームスプリッタ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ＬＰおよびＳ偏光
Ｌ５に２分され、Ｐ偏光Ｌｐ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１４において
ｊ方向へ反射され且つビームスプリッタ１６に入射し、
ブ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木の平行なＰ偏光ＬＰは、偏光
ビームスプリッタ１８およびビームスプリッタ２０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。

」−記偏光ビームスプリッタ１２．１８および後述の３
２は、良く知られたものであって、その人射面に平行な
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は、一対のプリズムを
貼り合わせて構成されており、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
、」−記ビームスプリッタ２０、後述のビームスプリッ
タ２８および３０は所謂ハーフミラ−と同様の機能を備
えたものであって、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ッタ１２によって反則されたＳ偏
光り、はミラー２６により父方向へ進み、ビームスプリ
ッタ２８を透過したものが偏光ビームスプリンタ１８に
おいて父方向へ反射される。

この父方向へ反射されたＳ偏光Ｌ５は、父方向において
互いに平行な２本のＰ偏光Ｌｌ、の中間に位置させられ
、ビームスプリッタ２０および集光しンズ２２を通りそ
の集光レンズ２２の光軸に沿って被測定物２４上の一点
Ａに照射される。すなわち、集光レンズ２２から被測定
物２４上の一点Ａに向かうＳ偏光Ｔ、ｇを含む平面内に
おいて、予め定められた一定の角度θだけ集光レンズ２
２の光軸に対して傾斜した２木のビームにてＰ偏光Ｌｐ
がＳ偏光ＬＳの両側からその照射点Ａに向かって照射さ
れるのである。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、偏光ビームスプリッタ
１８、集光レンズ２２が、上記条件下で２本のＰ偏光Ｌ
ｐおよびＳ偏光Ｌｓ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
偏光ビームスプリンタ１２が、互いに垂直なＳ偏光り、
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−父方向へ取り出される。こ
の散乱光には、２本のＰ偏１　　つ 光Ｌｐがそれぞれ散乱された２種類のＰ偏光散乱光Ｌｐ
ｓと、Ｓ偏光Ｌｓが散乱されたＳ偏光散乱光Ｌ　ｓｓと
が含まれている。このようにＳ偏光散乱光Ｌｓｓと２種
類のＰ偏光散乱光Ｌｐｓとを含む散乱光には、ビームス
プリッタ３０により照射前のＳ偏光Ｌｓが混入されると
ともに、その後には、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ンタ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
」二記２種類のＰ偏光散乱光Ｌｐｓ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
Ｓ偏光散乱光Ｌ　ｓｓと照射前のＳ偏光Ｉ、Ｓはレンズ
３８を通して光センサ４０により検出される。

上記のように被測定物２４からの散乱光に含まれる２種
類のＰ偏光散乱光Ｌｐｓは、上記光センサ３６により検
出されるが、それら２種類のＰ偏光散乱光Ｉ−ｐｓは被
測定物２４の父方向の移動速度ＶＸ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　ｐｓ相互の干渉の結果として観測される合成散乱
光には被測定物２４１乙 の移動速度に対応したビート周波数ｒｂｘが含まれ、そ
のビート周波数ｒｂｘ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ｆｂＸに基づい
て被測定物２４の移動速度ずつが算出される。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Ｌｐの方向をそれぞれ７１および′ｆ２
とすると、それら２本のＰ偏光しいにより発生する２種
類のＰ偏光散乱光Ｌ２ｓの周波数ｆ□１およびｆ　１１
５２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。

但し、Ｃは光速、ｆ、はＰ偏光Ｌｐ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３６によって検出されるビート周波数
ｒｈｘは、上記２種類のＰ偏光散乱光り、）９の周波数
ｒｐｓ＋およびｆ’ｓ。の差であるから、次式（３）に
て表される。

ｆｂｘ”ｉ　（ｆｏ　／Ｃ）ｖｘ　　・　（Ｌ　　Ｌ　
）・・・（３） この（３）式において、ｆｏおよびＣは既知であり、１
゜および１．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２４の
移動速度ＶＸ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　−７＋　）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
に基づいて移動速度ｖＸが決定される。この移動速度ｖ
Ｘの方向はｊ２および７Ｉを含む平面内であって集光レ
ンズ２２の光軸に直交する方向（′ｆ２−１１）、すな
わちｆ方向である。

一方、被測定物２４からの散乱光に含まれるＳ偏光散乱
光Ｌ　ｓｓは、前述のように光センサ４ｏにより検出さ
れるが、そのＳ偏光散乱光Ｌ　ｓｓは被測定物２４の父
方向の移動速度に対応したドツプラシフトを受けている
ため、ビームスプリッタ３゜により混入されたＳ偏光Ｌ
ｓとの干渉の結果としての合成散乱光には被測定物２４
の父方向の移動速度に対応したビート周波数ｆｂｚが光
センサ４０により観測される。そして、演算装置４２で
は、そのビート周波数ｆｂｚに基づいて被測定物２４の
父方向の速度が算出される。すなわち、Ｓ偏光り、。

に関して、光センサ４０に到達するまでの光路の変化量
は被測定物２４の移動量の２倍であるから、被測定物２
４の父方向の移動速度をｖ２とすると、光センサ４０に
よって検出されるビート周波数ｆｂ２は次式（４）によ
り表される。

ｆｂ−＝　２　ｆ　ｏ　　（’；’２／　Ｃ）　　　・
・・（４１従って、演算装置４２の記憶部には、上記（
４）式、Ｓ偏光Ｌ５の周波数ｆ。および光速Ｃが予め記
憶されており、それらから光センサ４０により求められ
たビート周波数ｆｂｚに基づいて被測定物２４の７方向
の移動速度ｖ２が決定される。

そして、以上のように、被測定物２４の父方向の移動速
度Ｖ、および父方向の移動速度ｖ２が決定されると、そ
れらから被測定物２４の移動速度Ｖ　（−ｖＸ’＋Ｖ、
　）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偏光り、およびＰ偏光ＬＰ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ＬｓおよびＰ偏光Ｌｐに対応した
Ｓ偏光散乱光ＬｓｓとＰ偏光散乱光Ｌ　ｐｓとが選択さ
れ、そして、Ｓ偏光散乱光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ｖ２が決定され、且つ、Ｐ偏光散乱光ＬｐＳ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ＶＸ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ｖ２および他方７Ｘ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。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説
明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号
を付して説明を省略する。

前述の実施例では、被測定物２４の移動速度Ｖが方向ベ
クトルマおよびアを含む平面内において求められていた
が、被測定物２４の移動速度Ｖが方向ベクトルマおよび
Ｙを含む平面内において求められることもできる。この
場合には、前述の第１図の実施例のＳ偏光ＬｓがＰ偏光
Ｌｐの場合と同様に、集光レンズ２２の光軸Ｊに対して
所定の角度を成した２木のビームに沿って被測定物２４
に対して照射される。第２図はその要部を示している。

それら２木のＳ偏光Ｌｓのビームは、通常、２木のＰ偏
光Ｌｐのビームが含まれる平面と光軸Ｊにおいて直交す
る第２平面内、すなわち方向へクトルブおよびアが含ま
れる平面内に位置させられる。このため、２本のＳ偏光
り、の照射ビームの方向ベクトルを１．およびｊ４とす
ると、それら２本のＳ偏光ＬＳの照射ビームに対応した
２種類のＳ偏光散乱光Ｌ　ｓｓは被測定物２４のブ方向
の移動速度Ｖｙ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Ｓ偏光散乱光Ｌ　ｓｓ相互の干
渉の結果として観測される合成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　ｂｙが含まれ、
そのビート周波数ｆ、ｙが光センサ４０により検出され
る。なお、本実施例の場合にはビームスプリッタ２８お
よび３０が除去される。

そして、前記（３）式と同様の次式（４）から、上記ビ
ート周波数ｆ　ｂｙに基づいて被測定物２４の移動速度
ｖｙが演算装置４２によって算出される。

ｆ　ｂｙ＃（ｆ　ｏ　／　Ｃ）　”；ｙ　　’　　（Ｔ
４〜Ｌ）・　・　・（４） 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、前述の実施例では、被測定物２４から集光レ
ンズ２２側へ反射される散乱光に基づいて被測定物２４
の移動速度が算出されているが、集光レンズ２２と反対
側へ透過される散乱光に基づいても被測定物２４の移動
速度が決定され得る。

被測定物２４が細かな粒子などである場合にはこの方法
が好適に用いられる。

また、第１図に示す実施例と第２図に示す実施例とを組
み合わせることにより、被測定物２４の移動速度の三次
元方向成分を同時に測定できるようにしても良いのであ
る。

また、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、ビームスプリッタ１６に
より分割された互いに平行な２本のＰ偏光ＬＰのビーム
が含まれる平面と方向ベクトルマおよびｊが含まれる平
面とが一致させられていたが、必ずしも一致させなくて
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、ビームスプリッ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図は本発明の他の実施例の要部を説明する図で
ある。第３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２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物をレーザ光にて照射したときに該被測定
   物から得られる散乱光のドップラシフトに基づいて該被
   測定物の移動速度を求めるレーザドップラ速度測定方法
   であって、 共通のレーザ光から得た互いに直交する偏光面を備えた
   第１偏光および第２偏光を所定の照射条件下で前記被測
   定物に照射する工程と、 前記被測定物からの散乱光から、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
   を選別する工程と、 前記第１偏光散乱光のドップラシフトに基づいて前記被
   測定物の移動速度の二次元方向成分の一方を決定し、前
   記第２偏光散乱光のドップラシフトに基づいて該二次元
   方向成分の他方を決定する工程と、 を含むことを特徴とするレーザドップラ速度測定方法。
2. （２）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偏光を前記被測定物に向かって照射するととも
   に、該第１偏光を含む平面内において該第１偏光に対し
   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
   にて該第１偏光の両側からその照射点に向かって前記第
   ２偏光を照射するレーザ光照射手段と、 前記被測定物からの散乱光から、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偏光散乱光と前記第１偏光との干渉によるビー
   ト周波数に基づいて前記平面内の前記第１偏光の照射方
   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
   づいて前記平面内の前記第１偏光の照射方向に直角な方
   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レーザドップラ速度測
   定装置。