(57)【特許請求の範囲】
【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、第１のレンズ光学系と前記第１のレンズ光学系より焦点距離が大きい第２のレンズ光学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、
前記第１と第２のレンズ光学系は、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、
温度変化に起因する前記光束の波長変動による測定誤差を補正するように、前記第１と第２のレンズ光学系の間隔を変位させる部材に前記第１と第２のレンズ光学系を固設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レンズ光学系は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請求項１の光学式変位情報測定装置。
【請求項３】
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または２記載の光学式変位情報測定装置。
【請求項４】
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１〜３に記載の光学式変位情報測定装置。
【請求項５】
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４記載の光学式変位情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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=１２゜で出射する。
【０００５】
ｄｓｉｎθ＝λ                    ・・・（１）
【０００６】
光束５ａ、５ｂが焦点距離ｆ（＝１５ｍｍ）の凸レンズ１１に入射すると、図のような光束１３ａ、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９ａ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】
0003647135.tif 000002
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。
【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。
【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。
【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１１、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００２５】
このとき、回折角θ１は、以下のようになる。
【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２６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２５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２６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。
【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。
【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。
【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。
【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１０μｍ、干渉縞ピッチ１０μｍの構成では表１の誤差が生じる。
【００３５】
【表１】
0003647135.tif 000003
【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）
【００３７】
【表２】
0003647135.tif 000004
【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。
【００３９】
【表３】
0003647135.tif 000005
【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。
【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。
【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。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本願によれば、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。また、前記構成にすることにより発生する光源の波長変化に起因する測定誤差を補正することにより温度変化に対しても強い光学式変位情報測定装置を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【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
【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
【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
【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
【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
【符号の説明】
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
【図１】
0003647135.tif 000006
【図２】
0003647135.tif 000007
【図３】
0003647135.tif 000008
【図４】
0003647135.tif 000009
【図５】
0003647135.tif 000010
【図６】
0003647135.tif 000011