(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源手段からの光束を物体に入射させ、前記物体からの散乱光を光検出器により受光し、該散乱光の周波数変移に基づいて前記物体との間の相対的な変位情報を測定する変位情報測定装置に於いて、前記物体からの散乱光を採光する光検出器の採光領域又は採光方向を変化させる採光変化手段を有し、前記採光変化手段が受光光路を少なくとも一部遮蔽するための光路遮蔽部材を有し且つ該光路遮蔽部材の共振周波数に合わせて該光路遮蔽部材を振動させることを特徴とする変位情報測定装置。
【請求項２】
前記光路遮断部材が音叉型の振動部材で構成されていることを特徴とする請求項１記載の変位情報測定装置。
【請求項３】
前記物体からの散乱光をレンズ系を介して前記光検出器に導くことを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の変位情報測定装置。
【請求項４】
前記物体に入射する光束を２光束とし、前記光検出器と前記採光変化手段を前記２光束の光路の成す面外に配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の変位情報測定装置。
【請求項５】
さらに前記光検出器からの出力信号を元に周期信号を形成するフェーズロックドループを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の変位情報測定装置。
【請求項６】
前記採光変化手段は圧電材によって振動部を振動させる構成を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の変位情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は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）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偏移に関する偏移情報や移動物体の移動速度を非接触で測定するようにしたドップラー効果を利用した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、移動する物体や流体にレーザー光を照射し、該移動物体もしくは移動流体による散乱光の周波数が、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、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。
【０００３】
図１は、従来のレーザードップラー速度計の一例を示す説明図である。
【０００４】
同図においてレーザー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となり、ビームスプリッター４によって二光束５ａ及び５ｂに分割されてミラー６ａ及び６ｂで反射された後、速度Ｖで移動している物体もしくは流体７に入射角θで二光束照射される。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。このとき二光束による散乱光の周波数は、移動速度Ｖに比例して各々＋Δｆ、−Δｆのドップラーシフトを受ける。ここで、レーザー光の波長をλとすれば、Δｆは次の（１）式で表すことができる。
【０００５】
Δｆ＝Ｖｓｉｎθ／λ                  …  （１）
【０００６】
＋Δｆ、−Δｆのドップラーシフトを受けた散乱光は、互いに干渉し合って光検出器９の受光面での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。
【０００７】
Ｆ＝２Ｖｓｉｎθ／λ                  …  （２）
【０００８】
従って、光検出器９の出力信号の周波数（以下、ドップラー周波数と呼ぶ）を測定すれば、（２）式に基づいて移動物体７の速度Ｖを求めることができる。
【０００９】
図２は光検出器９からの信号を処理する電気処理部Ｃの概略図である。
【００１０】
光検出器９から得られた信号はバンドパスフィルター（ＢＰＦ）１２より信号のＳ／Ｎを改善し、フェーズロックドループ（ＰＬＬ）１３にて連続信号として出力される。
【００１１】
ここで、図３のようにドロップアウトが生じた時の動作について説明する。図３はドロップアウト（Ａ部）が生じた場合のＢＰＦ１２からの信号の一例である。ドロップアウト検出器１８では、常にＡ部信号をチェックし、図３のようにドップラー信号レベルがある一定値以下となるとドロップアウトが生じたと判断し、スイッチ（ＳＷ）１５をオフにし、位相比較器１４の出力とヴォルテージコントロールドオッシレータ（ＶＣＯ）１７の入力を分離する。ローパスフィルター（ＬＰＦ）１６ではＳＷ１５のオフ直前の電圧を保持し、ＶＣＯ１７は一定値を出力する。これによりＰＰＬ１３ではドップラー信号のドロップアウトによる乱れを生じず、ドロップアウト直前の周波数出力を維持する。そして、ドップラー信号レベルが再び一定値以上になるとドロップアウト検出器１８はＳＷ１５をオンにして、通常のＰＬＬの動作を行う。
【００１２】
以上の動作で連続信号として得られたドップラー周波数Ｆは（２）式に基づいて演算手段１９により移動物体７の移動速度Ｖを算出し測定を行う。
【００１３】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、ドロップアウトが長時間生じた場合、ＰＬＬ１３で補足した信号と実際に物体が移動したときに出力されるべき信号とに誤差が生じることになり測定精度が悪化する。特に同一物体を測定した場合には低速の時のほうがドロップアウトの時間は長く測定精度が悪くなる傾向がある。
【００１４】
また一方、静止状態から速度方向も含め測定を可能とする技術として、２光束を被測定物に照射する前に周波数差を付ける方法（周波数シフター）がある。
【００１５】
この場合は周波数シフターによるシフト量をｆＲとすると、（２）式が
Ｆ＝２Ｖｓｉｎ（θ）／λ＋ｆＲ              …（３）
となる。このような場合に、ドロップアウトが生じた状態で静止すると、ドロップアウト状態が静止中継続することになる。
【００１６】
一般にドロップアウト状態が長時間継続すると測定不可能状態であると判断して検出エラー状態となるため、連続信号として測定できなくなる場合が生じる。
【００１７】
このドップラー信号のドロップアウトは、様々な位相を持つ複数のスペックルをセンサーで採光した際に平均化作用により偶然光電信号のＡＣ成分が消失した際に起こる。
【００１８】
図４は、スペックルパターン観測の構成図であり、１０は被測定物７に照射された２光束スポットで、ＣＣＤカメラ１１でのスポット１０からのスペックルパターンを図５に示す。
【００１９】
被測定物７が図４の矢印方向に移動すると、図３のスペックルパターンの明暗強度が移動距離λ／２ｓｉｎθを周期として変調される。ドロップアウトとは、スペックルパターンの明暗分布がほぼ同一の時にトータルの光強度のビート信号振幅が小さくなる現象である。
【００２０】
本発明は、このようなドロップアウトによる検出不能状態を防止し常に連続的に変位情報検出できる変位情報測定装置を提供することを目的とする。
【００２１】
本発明は特に、このような常に連続的に変位情報検出できる装置において、より正確にドロップアウトの影響防止を実行できる変位情報測定装置を提供することを第１の目的とする。
【００２２】
本発明は又、このような常に連続的に変位情報検出できる装置において、より効率的にドロップアウトの影響防止を実行できる変位情報測定装置を提供することを第２の目的とする。
【００２４】
【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第１発明は、光源手段からの光束を物体に入射させ、前記物体からの散乱光を光検出器により受光し、該散乱光の周波数変移に基づいて前記物体との間の相対的な変位情報を測定する変位情報測定装置に於いて、前記物体からの散乱光を採光する光検出器の採光領域又は採光方向を変化させる採光変化手段を有し、前記採光変化手段が受光光路を少なくとも一部遮蔽するための光路遮蔽部材を有し且つ該光路遮蔽部材の共振周波数に合わせて該光路遮蔽部材を振動させることを特徴とする変位情報測定装置である。
【００２５】
第２発明は、上述構成において、更に前記光路遮断部材が音叉型の振動部材で構成されていることを特徴とする。
【００２６】
第３発明は、上記構成において、更に前記物体からの散乱光をレンズ系を介して前記光検出器に導くことを特徴とする。
【００２７】
第４発明は、上記構成において、更に前記物体に入射する光束を２光束とし、前記光検出器と前記採光変化手段を前記２光束の光路の成す面外に配置することを特徴とする。
【００２８】
第５発明は、上記構成において、さらに前記光検出器からの出力信号を元に周期信号を形成するフェーズロックドループを有することを特徴とする。
【００２９】
第６発明は、上記構成において、更に前記採光変化手段が圧電材によって振動部を振動させる構成を有することを特徴とする。
【００３０】
【実施例】
図６は本発明の実施例１のレーザードップラー速度計の要部概略図である。
【００３１】
ハウジング１００内において、レーザーダイオード１から出射されたレーザー光はＺ軸に直線偏光となるように配置され、コリメーターレンズ２によって平行光束３となる。平行光束３は格子配列方向がＹ軸で格子ピッチｄの回折格子４０によって２光束５ａ及び５ｂに回折角θで分割される。
【００３２】
このとき、回折角θは、レーザー波長をλとして
ｄｓｉｎθ＝λ              …（５）
となる。２光束５ａ、５ｂはそれぞれ角度θをもって、Ｚ軸にｃ軸（光学軸）を持つ電気光学結晶２２ａ、２２ｂに入射される。電気光学結晶２２ａには電極２３ａ、２３ｂにより電圧が印加され、従って光束５ａのみに電界を掛ける様にしてある。電気光学結晶２２ａ、２２ｂの形状を厚さｄｅ＝１ｍｍ、長さｌ＝２０ｍｍとし、レーザー波長をλ＝７８０ｎｍ、格子ピッチｄ＝１．６μｍとすると、光束５ａ、５ｂが電気光学結晶２２ａ、２２ｂを透過する実質長さｌ´は、
ｌ´＝ｌ／ｃｏｓ（θ´）          …（６）
但し、θ´は電気光学結晶内部での光束の角度であり、電気光学結晶の異常光屈折率をＮｅとすると、以下の様になる。
【００３３】
ｓｉｎ（θ）＝Ｎｅ・ｓｉｎ（θ´）        …（７）
【００３４】
（５）式よりθ≒２９．１８度だから、ｌ´＝２０．５４ｍｍとなり、異常光屈折率Ｎｅ＝２．２、ポッケルス定数γ＝３２．２×１０−９（ｍｍ／Ｖ）とすると、電圧振幅はＶ≒２２４Ｖで２光束の位相差が２πとなる。周波数ｆＲでセロダイン駆動すると、ｆＲの周波数差を持つ２光束５ｃ、５ｄが得られる。２光束５ｃ及び５ｄはミラー２１ａ、２１ｂで偏向され、速度Ｖで移動している被測定物７に入射角θで二光束照射する。物体による散乱光は、集光レンズ８を介して反射プリズム２４にて集光光学系光軸を折り返し、回路基板３０に一体的に構成されている（図６では図示されない）光検出器９で検出される。
【００３５】
このように反射プリズム２４にて反射した光束を受光する位置に光検出器９や、後述する振動子２６を設けた回路基板３０を配置しており、これにより、２光束５ｃ、５ｄの光路が成す平面の外に光検出器９や振動子２６を配置でき、光学系部分を小型化することが可能な構成となっている。
【００３６】
検出された散乱光のドップラ−周波数は、２光束の周波数差ｆＲにより（３）式同様次のようになる。
【００３７】
Ｆ＝２Ｖｓｉｎ（θ）／λ＋ｆＲ              …（８）
【００３８】
（５）式より、（８）式は
Ｆ＝２Ｖ／ｄ＋ｆＲ                    …（９）
となり、レーザーの波長依存性がない信号を検出することが可能となる。即ち、波長が変動すると（５）式によって回折角が変化し、これによってドップラー信号の波長変動による周波数変動は相殺され、波長依存性が消去される。また、電気光学結晶２２ａ、２２ｂに入射する角度も変化するが偏光方向が電気光学結晶２２ａ、２２ｂのｃ軸と一致するため、電気光学結晶２２ａ、２２ｂ透過後も偏光方向は維持される。また、（６）式より実質長さｌ´が変化し電圧振幅が変わるが、変化量は殆ど無視できる。このため波長が変動しても高精度な信号を検出する事ができる。
【００３９】
上述のような形で物体からの散乱光を受光した光検出器９からの検出信号は、ＢＰＦやＰＬＬ、ドロップアウト検出器を含む図２に示されたものと同様な電気処理部により信号処理されて連続信号とされ、この連続信号より得られた周波数Ｆから不図示の演算器で（９）式を元に速度測定される。
【００４０】
この構成では、２光束光路内にそれぞれ電気光学結晶２２ａ、２２ｂを配置しているため、２光束光路長など光学的位置関係を変えることなく、電気光学結晶２２ａ、２２ｂの導入が行われる。
【００４１】
図７は、図６の回路基板３０に一体構成されている光検出器９及び振動子２６などの構成を示す図で、（ａ）は図６の側面から回路基板３０を見た図で、（ｂ）は図６の下から回路基板３０を見た図である。振動子２６は圧電セラミックス２５が貼り付けられ、片持ち梁として振動子固定部材２７により固定されている。振動子２６の共振周波数ｆｓ（Ｈｚ）は、
ｆｓ＝（１．８７５２／２πｌ２）√（ＥＩ／ρＡ）        …（１０）
ｌ：長さ（ｍ）、Ｅ：縦弾性係数（Ｐａ）、Ｉ：断面２次モーメント（ｍ４）
ρ：比重（ｋｇ／ｍ３）、Ａ：断面積（ｍ２）
により計算される。圧電セラミックス２５を振動子２６の共振周波数ｆｓと同じ周波数で駆動させて振動子２６を振動させることにより、少ない電圧で振動子２６の振動変位量をかせぐことができる。
【００４２】
このような構成で、集光光学系の光路上に設けた振動子２６を振動させることにより採光方向、採光領域を変化させることができる。ドロップアウト発生時に圧電振動アクチュエーターでセンサー方向への特定採光方向の光路を遮蔽すれば、センサー上でのスペックルパターンの明暗のバランスが崩れ、ドロップアウト状態ではなくなる。よって移動物体が低速で移動しているときでも長時間のドロップアウトが回避できる。
【００４３】
この目的のために、光検出器９の受光面９ａと振動子２６とは、正確に位置合わせされていなければならない。図７の（ｂ）で解るように、光検出器９の受光面９ａ（０．６ｍｍφ）と振動子２６（幅０．３ｍｍ）との位置合わせは精度を要するが、本実施例においては光検出器９、振動子２６が共に回路基板３０に一体的に構成されていることにより、位置合わせが容易な構成となっている。また、図７のように構成すれば、図６に示される集光光学系の光軸調整を行えば振動子２６はそのまま遮断部材としての効果を発揮する構成となる。
【００４４】
図８は光検出器９からの検出信号の一例を表しており、図８の（ａ）は、静止状態でドロップアウトが生じた場合、（ｂ）は（ａ）の状態から振動子２６を駆動させた場合である。図８の（ａ）に示される信号状態では、図２で述べた信号処理を行っても、検出エラーとなり連続信号が出力されない。本発明の構成では図８（ｂ）からわかるように、共振周波数ｆｓの周期でドロップアウト状態とそうでない状態が繰り返されることになり、連続したドロップアウト状態が防止される。このような周期的な信号検出状態であれば、図２で述べた信号処理を行うことにより連続した信号出力が可能となる。
【００４５】
本実施例では、上述のように光検出器と前記光検出器の採光領域を変化させる手段とを一体的に構成することにより、遮断部材と光検出器９の受光面との位置合わせが容易になり、又両者の経時変化等による位置ズレも起こりにくくなる。
【００４６】
又、本実施例では、上述のように振動子２６をその共振周波数ｆｓと同じ周波数で駆動することにより、少ない電圧で効率的に振動子２６の振動変位量を得ることができる。
【００４７】
図９に本発明の第２実施例のレーザードップラー速度計における回路基板３０の構成を示す。本実施例の他の部分の構成は第１実施例と同様なので、説明は省略する。（ａ）は図６の側面から回路基板３０を見た図で、（ｂ）は図６の下から回路基板３０を見た図である。本実施例においては、遮断部材が図のような音叉型振動子２８により構成されており、音叉の一方に圧電セラミックス２５が貼り付けられ、圧電セラミックス２５を振動子２６の共振周波数ｆｓと同じ周波数で駆動させて音叉を振動させる構成になっている。音叉型振動子２８は回路基板３０とは半田付けされ、一体構成となっている。図９の音叉型振動子２８では、左右の振動子がそれぞれ反対方向に振動しトルクが節部で逆方向に掛かるが、回路基板３０への取付け部では２つのトルクが相殺し合う構成となっている。このため取付け部付近に振動時のトルクによって不要な振動モードが発生することが無い、より安定した状態となっている。
【００４８】
図１０は、音叉型振動子２８の共振モードをシミュレーションした結果を示す。点線部が振動前の位置を示す。これからも回路基板３０への取付け部では振動がないことがわかる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ドロップアウトによる検出不能状態を防止し常に連続的に変位情報検出できる。
【００５１】
又第１発明によれば、このような常に連続的に変位情報検出できる装置において、採光変化手段の有する光路遮蔽部材を、その共振周波数に合わせて振動させることにより、少ない電圧で光路遮断部材の振動変位量を得ることができ、より効率的にドロップアウトの影響防止ができる。
【００５２】
又第２発明によれば、光路遮断部材を音叉型振動部材で構成していることにより、不要な振動モードを発生させることなく共振させることができる。
【００５３】
又第３発明によれば、レンズ系を介して散乱光を光検出器に導くことにより、信号を含む散乱光の受光効率を上げることができ、Ｓ／Ｎ向上が図れる。
【００５４】
又第４発明によれば、光検出器と採光変化手段を前記２光束の光路の成す面外に配置することにより、装置全体を小型化することが可能となる。
【００５５】
又第５発明によれば、フェーズロックドループを用いた装置において、ドロップアウトによる検出不能状態を防止し常に連続的に変位情報検出することが可能になる。
【００５６】
又第６発明によれば、採光変化手段をより小型な構成にすることができ、装置構成のコンパクト化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来のレーザードップラー速度計の１例の説明図
【図２】
レーザードップラー速度計の信号処理系を説明する図
【図３】ドップラー信号のドロップアウトを説明する図
【図４】スペックルパターン観測構成図
【図５】スペックルパターンを示す図
【図６】本発明の第１実施例のレーザードップラー速度計の概要図
【図７】本実施例の回路基板構成図
【図８】ドップラー信号を説明する図
【図９】本発明の第２実施例のレーザードップラー速度計の回路基板構成図
【図１０】音叉振動子の共振シミュレーションの結果を示す図
【符号の説明】
１  光源手段
２  コリメーターレンズ
４  ビームスプリッター
６ａ、６ｂ  ミラー
７  移動物体
８  集光レンズ
９  光検出部
１３  ＰＬＬ
１９  演算手段
２０  絞り部材あるいは振動部材
２１ａ、２１ｂ  ミラー
２２ａ、２２ｂ  電気光学結晶
２３  電極
２４  反射プリズム
２５  圧電セラミックス
２６  振動子
２７  振動子固定部材
２８  音叉振動子
３０  回路基板
４０  回折格子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003566392.tif 000008
【図８】
0003566392.tif 000009
【図９】
0003566392.tif 000010
【図１０】
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