(57)【要約】【課題】測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができるレーザドップラ速度計を提供する。【解決手段】測定対象物にそれぞれ異なる角度からレーザ光を照射する３つの光源と、測定対象物によって散乱された光を対応する３つの光源を介して受光し、対応する３つの光源からの光と散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号をそれぞれ生成する３つの受光部と、３つの受光部からの信号をそれぞれ周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、ドップラシフト周波数に基づいて測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、を具備し、３つの光源からが照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とするレーザドップラ速度計。【選択図】図４
2013174456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物にそれぞれ異なる角度からレーザ光を照射する３つの光源と、
前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記３つの光源を介して受光し、前記対応する３つの光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号をそれぞれ生成する３つの受光部と、
前記３つの受光部からの前記信号をそれぞれ周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、
前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、
を具備し、
前記３つの光源からが照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とするレーザドップラ速度計。
【請求項２】
前記３つの光源から照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度の全ての角度が９０°であることを特徴とする請求項１に記載のレーザドップラ速度計。
【請求項３】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射された前記レーザ光を第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光に分割して出射するカプラと、
前記カプラから出射された前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光を測定対象物にそれぞれ異なる角度から照射する第１の光学ヘッド、第２の光学ヘッド及び第３の光学ヘッドと、
前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記第１の光学ヘッド又は前記第２の光学ヘッド又は前記第３の光学ヘッドと前記カプラとを介して受光し、前記光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号を生成する受光部と、
前記受光部からの前記信号を周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、
前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、
を具備し、
前記第１の光学ヘッド、前記第２の光学ヘッド及び前記第３の光学ヘッドから照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とするレーザドップラ速度計。
【請求項４】
前記受光部は、前記第１の光学ヘッド又は前記第２の光学ヘッド又は前記第３の光学ヘッド及び前記カプラに加え、前記光源を介して前記測定対象物によって散乱された光を受光することを特徴とする請求項３に記載のレーザドップラ速度計。
【請求項５】
前記第１の光学ヘッド、前記第２の光学ヘッド及び前記第３の光学ヘッドから照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度の全ての角度が９０°であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のレーザドップラ速度計。
【請求項６】
前記周波数検出部は、フーリエ変換を行って前記信号を周波数分析することを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか一項に記載のレーザドップラ速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザドップラ速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
光計測技術の一つであるレーザドップラ速度計（Ｌａｓｅｒ  Ｄｏｐｐｌｅｒ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ：ＬＤＶ）は、光のドップラ効果を利用した速度測定器である。レーザドップラ速度計は、高空間分解能、広帯域測定、実時間測定及び非接触測定が可能という特長を有しており、回転又は往復運動している物体の速度計に応用されている。
【０００３】
レーザドップラ速度計においては、光源となるレーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄ）等から出射されたレーザ光を移動している測定対象物に照射することによって生じた散乱光と元のレーザ光とが干渉しビートを起こした光をフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）で受光する。このフォトダイオードの出力を電気スペクトラムアナライザで検出すると、光源のレーザ光の周波数とレーザダイオードに戻ってくる光の周波数との差分であるドップラシフト周波数が観測される。レーザドップラ速度計の原理は、このドップラシフト周波数とレーザ光の照射角度とから測定対象物の速度を求めるというものである。（特許文献１乃至特許文献３）
【０００４】
近年、レーザドップラ速度計の精度向上等のため、測定対象物に対して異なる方向から２つのレーザ光を照射する２ビーム照射型レーザドップラ速度計の研究が進められている（特許文献１乃至特許文献３）。２ビーム照射型レーザドップラ速度計においては、一方からのレーザ光が測定対象物に入射する際の入射角が９０°である場合も、異なる入射角で入射する他方からのレーザ光によるドップラシフト周波数を観測して測定対象物の速度を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５０５４４号公報
【特許文献２】特開２００４−１０９０８３号公報
【特許文献３】特開２００６−２２０４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来型の１ビーム照射型レーザドップラ速度計では、ビームと移動する物体とが成す角度を予め正確に定めておく必要があり、ビームと移動する物体とが成す角度が９０°である場合はドップラ効果が得られないため速度の計測が行うことができないという問題があった。また、２ビーム照射型レーザドップラ速度計は、２つのビームが成す面に対して平行に移動する物体の速度を測定することはできても、平行に移動しない物体の速度を測定できない、即ち、測定対象物に対する２ビームの照射位置が限定されてしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の問題点に鑑み、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができるレーザドップラ速度計を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態に係るレーザドップラ速度計は、測定対象物にそれぞれ異なる角度からレーザ光を照射する３つの光源と、前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記３つの光源を介して受光し、前記対応する３つの光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号をそれぞれ生成する３つの受光部と、前記３つの受光部からの前記信号をそれぞれ周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、を具備し、前記３つの光源からが照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一実施形態に係るレーザドップラ速度計は、レーザ光を出射する光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を第１のレーザ光、第２のレーザ光及び第３のレーザ光に分割して出射するカプラと、前記カプラから出射された前記第１のレーザ光、前記第２のレーザ光及び前記第３のレーザ光を測定対象物にそれぞれ異なる角度から照射する第１の光学ヘッド、第２の光学ヘッド及び第３の光学ヘッドと、前記測定対象物によって散乱された光を対応する前記第１の光学ヘッド又は前記第２の光学ヘッド又は前記第３の光学ヘッドと前記カプラとを介して受光し、前記光源からの光と前記散乱された光とが混合されることにより生成された合成光に基づく信号を生成する受光部と、前記受光部からの前記信号を周波数分析してドップラシフト周波数を算出する周波数検出部と、前記ドップラシフト周波数に基づいて前記測定対象物の速度の大きさを算出する演算部と、を具備し、前記第１の光学ヘッド、前記第２の光学ヘッド及び前記第３の光学ヘッドから照射されるレーザ光が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のレーザドップラ速度計は、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザドップラ速度計の概略構成を示すブロック図である。
【図２】測定対象物にレーザ光を照射する光源の位置関係を示す概略図である。
【図３】測定対象物にレーザ光を照射する光源の位置関係の一例を示す概略図である。
【図４】測定対象物の移動速度の大きさの算出を説明するための図である。
【図５】測定対象物にレーザ光を照射する光源の位置関係の別の一例を示す概略図である。
【図６】測定対象物の移動速度の大きさの算出を説明するための図である。
【図７】本発明の別の実施形態に係るレーザドップラ速度計の概略構成を示すブロック図である。
【図８】測定対象物にレーザ光を照射する光学ヘッドの位置関係を示す概略図である。
【図９】測定対象物にレーザ光を照射する光学ヘッドの位置関係の一例を示す概略図である。
【図１０】測定対象物にレーザ光を照射する光学ヘッドの位置関係の別の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明のさらに別の実施形態に係るレーザドップラ速度計の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願発明者は、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができるレーザドップラ速度計を検討した結果、３つのレーザ光を測定対象物に照射し、この際、前記３つのレーザ光が互いに成す角度のうち少なくとも２つの角度を９０°に設定することに想到し、測定対象物に対する向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができることを確認した。以下、本願発明者が想到した本発明のレーザドップラ速度計について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明のレーザドップラ速度計は、以下の実施形態に限定されることはなく、種々の変形を行ない実施することが可能である。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザドップラ速度計１０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係るレーザドップラ速度計１０は、光源１１ａ〜１１ｃ、受光部１３ａ〜１３ｃ、増幅器１５ａ〜１５ｃ、周波数検出部１７ａ〜１７ｃ及び演算部１９を具備している。
【００１４】
光源１１ａ〜１１ｃには半導体レーザ（レーザダイオード）などを用いることができる。受光部１３ａ〜１３ｃには、フォトダイオードなどを用いることができる。周波数検出部１７ａ〜１７ｃは、スペクトラムアナライザなどを含む。演算部１９には、ＣＰＵなどを用いる。
【００１５】
光源１１ａ〜１１ｃは、移動している測定対象物２０上の所定の照射点Ｐに向けてそれぞれ異なる方向からレーザ光（以下、レーザビームともいう）を照射する。図２は、測定対象物２０にレーザビームを照射する光源１１ａ〜１１ｃの位置関係を示す概略図である。図２では、図面において手前方向に向かって回転する回転ファンを測定対象物２０として示しているが、本願発明のレーザドップラ速度計によって移動速度の大きさ及びその方向を測定される測定対象物は回転ファンに限定されない。ここで、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°になるように、光源１１ａ〜１１ｃの配置を設定する。光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であれば、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意である。光源１１ａ〜１１ｃから照射されたレーザビーム１〜３は、測定対象物２０によって散乱される。このとき、散乱されたレーザビームの一部は、光源１１ａ〜１１ｃから照射された際に辿った経路を逆に辿り、光源１１ａ〜１１ｃにそれぞれ入射する。測定対象物２０からの散乱されたレーザビームは、光源１１ａ〜１１ｃが発するレーザビームと混合される。移動している測定対象物２０によって散乱されたレーザビームは、ドップラ効果によって測定対象物２０の移動速度及び測定対象物２０の移動方向とレーザビームの散乱方向とが成す角度に応じた周波数がシフトしている（ドップラシフト周波数）。ドップラシフト周波数は、測定対象物２０によって散乱されたレーザビームと光源１１ａ〜１１ｃが発するレーザビーム１〜３とが混合された合成光に干渉として現れる。本実施形態では、光源１１ａ〜１１ｃから発せられたレーザビーム１〜３が測定対象物２０によって散乱され、散乱されたレーザビームが対応する光源１１ａ〜１１ｃに戻って光源１１ａ〜１１ｃから発せられるレーザビーム１〜３と自己混合されるため、外部参照光は必要ない。光源１１ａ〜１１ｃは、合成光を受光部１３ａ〜１３ｃにそれぞれ出射する。
【００１６】
受光部１３ａ〜１３ｃは、光源１１ａ〜１１ｃから出射された合成光をそれぞれ電気的な信号に変換し、周波数検出部１７ａ〜１７ｃに出力する。受光部１３ａ〜１３ｃから出力された信号は、それぞれ増幅器１５ａ〜１５ｃによって増幅されて、周波数検出部１７ａ〜１７ｃに供給されてもよい。周波数検出部１７ａ〜１７ｃは、受光部１３ａ〜１３ｃからの信号からドップラシフト周波数をそれぞれ検出する。測定対象物２０には、３つの光源１１ａ〜１１ｃによってそれぞれ異なる方向からレーザビーム１〜３が照射されているため、３つのドップラシフト周波数が検出される。周波数検出部１７ａ〜１７ｃは、検出したドップラシフト周波数のデータを演算部１９に供給する。演算部１９は、供給されたドップラシフト周波数に基づき、測定対処物２０の移動速度Ｖの大きさを算出する。
【００１７】
上述したように、本願発明のレーザドップラ速度計１０は、３つの光源１１ａ〜１１ｃを有しており、これらの光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光源１１ａ〜１１ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。
【００１８】
以下、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法を説明する。
【００１９】
図３は、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光源１１ａ〜１１ｃの位置関係を示す概略図である。図３に示す通り、光源１１ａから照射されるレーザビーム１と光源１１ｂから照射されるレーザビーム２との間の角度は９０°であり、且つ光源１１ｂから照射されるレーザビーム２と光源１１ｃから照射されるレーザビーム３との間の角度は９０°であり、且つ光源１１ｃから照射されるレーザビーム３と光源１１ａから照射されるレーザビーム１との間の角度も９０°である。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３は、それぞれ互いに直交している。このとき、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、図３に示す速度ベクトルＶの大きさである。ここで、レーザビーム１〜３は互いに直交しているため、それぞれのビーム軸を直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標系）と見なすことができる。
【００２０】
図４は、図３に示した光源１１ａ〜１１ｃからそれぞれ照射されるレーザビーム１〜３のビーム軸をＸ，Ｙ，Ｚ座標系に当てはめた場合を示した図である。図４では、図３における光源１１ａから照射されるレーザビーム１のビーム軸をＸ軸、光源１１ｂから照射されるレーザビーム２のビーム軸をＹ軸、光源１１ｃから照射されるレーザビーム３のビーム軸をＺ軸に当てはめた場合を示している。図４を参照すると、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解することができる。測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、以下の（式１）を用いて各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより算出される。
【数１】
2013174456.tif 000003
【００２１】
一般的に、移動速度Ｖを有する対象物にレーザビームを照射してドップラシフト周波数を観測し、移動速度Ｖを求める場合、以下の（式２）が用いられる。
【数２】
2013174456.tif 000004
ここで、λは光源１１から対象物に照射されたレーザビームの光波長であり、θはレーザビームと対象物の速度方向とが成す角度であり、ｆは観測されたドップラシフト周波数である。
【００２２】
（式２）を用いて、図４に示した各軸と測定対象物２０の速度方向とが成す角度θ１、θ２、θ３と、測定対象物２０の移動速度Ｖとの関係は、以下の（式３）のように表せる。
【数３】
2013174456.tif 000005
ここで、λ１〜λ３は光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３の光波長であり、ｆ１〜ｆ３は図４の各軸に当てはめた光源１１ａ〜１１ｃの各ビーム軸においてそれぞれ観測されたドップラシフト周波数である。一方、図４に示した各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３と測定対象物２０の移動速度Ｖとの関係は以下の（式４）で表される。
【数４】
2013174456.tif 000006
以上の（式３）及び（式４）から各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３は、以下の（式５）で表される。
【数５】
2013174456.tif 000007
（式５）を用いて算出した各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３を（式１）に代入することにより、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを算出することができる。
【００２３】
以上に説明したように、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合、それぞれのビーム軸を直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と見なすことができる。測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度を全て９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計１０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。
【００２４】
以上、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法を説明した。しかしながら、本願発明はこれに限定されず、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定すれば、測定対象物２０に対する光源１１ａ〜１１ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。
【００２５】
次に、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法を説明する。
【００２６】
図５は、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、２つの角度を９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光源１１ａ〜１１ｃの位置関係を示す概略図である。図５に示す通り、光源１１ａから照射されるレーザビーム１と光源１１ｂから照射されるレーザビーム２との間の角度は９０°であり、光源１１ｃから照射されるレーザビーム３と光源１１ａから照射されるレーザビーム１との間の角度も９０°であるが、光源１１ｂから照射されるレーザビーム２と光源１１ｃから照射されるレーザビーム３との間の角度は任意の角度αに設定する。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３のうち、レーザビーム１とレーザビーム２、及びレーザビーム１とレーザビーム３は、互いに直交しているが、レーザビーム２とレーザビーム３は角度αを成している。このとき、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、図５に示す速度ベクトルＶの大きさである。ここで、互いに直交するレーザビーム１及びレーザビーム２のビーム軸を直交座標系（Ｘ，Ｙ座標系）に当てはめ、互いに直交するレーザビーム１及びレーザビーム３のビーム軸を直交座標系（Ｘ，Ｚ座標系）に当てはめる。
【００２７】
図６は、図５に示した光源１１ａ、１１ｂからそれぞれ照射されるレーザビーム１及びレーザビーム２のビーム軸をＸ，Ｙ座標系に当てはめ、レーザビーム１及びレーザビーム３のビーム軸をＸ，Ｚ座標系に当てはめた場合を示した図である。図６を参照すると、測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、Ｘ軸上の速度成分ｖ１及びｖ２３に分解することができる。速度成分ｖ２３は、Ｙ軸上の速度成分ｖ２、Ｚ軸上の速度成分ｖ３に分解される。速度成分各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３は、前述の（式５）を用いて算出される。
【数６】
2013174456.tif 000008
【００２８】
次に速度成分ｖ２、ｖ３を合成して速度成分ｖ２３を求める。速度成分ｖ２３は、余弦定理により以下の（式６）によって求めることができる。
【数７】
2013174456.tif 000009
【００２９】
測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさは、以下の（式７）を用いてＸ軸上の速度成分ｖ１、と（式５）により算出された速度成分ｖ２３を合成することにより求めることができる。
【数８】
2013174456.tif 000010
【００３０】
以上に説明したように、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合、互いに直交するレーザビームのビーム軸を直交座標系にそれぞれ当てはめることにより、測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度うち、任意の２つの角度を９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計１０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。
【００３１】
以上の実施形態１で説明したように、本願発明のレーザドップラ速度計１０は、測定対象物２０にレーザビーム１〜３をそれぞれ照射する３つの光源１１ａ〜１１ｃを有しており、これらの光源１１ａ〜１１ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光源１１ａ〜１１ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。
【００３２】
（実施形態２）
以下、本願発明者が想到した本発明の実施形態２に係るレーザドップラ速度計について、図面を参照しながら説明する。図７は、本発明の実施形態２に係るレーザドップラ速度計７０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０は、光源７１、カプラ７２、受光部７３、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ、増幅器７５、周波数検出部７７及び演算部７９を具備している。
【００３３】
実施形態１と同様に、光源７１には半導体レーザなどを用いることができる。また、受光部７３には、フォトダイオードなどを用いることができる。
【００３４】
カプラ７２は、入力される光信号を分波・合波できる受動光デバイスである。本実施形態において、カプラ７２は４つのポートを有している。カプラ７２の４つのポートは、光源７１に接続されている光導波路７６、及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに接続されている光導波路７８ａ〜７８ｃにそれぞれ接続される。カプラ７２は、光導波路７６を通じて供給される光源７１からのレーザ光を分岐比１：１：１で分配し、光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに供給する。また、カプラ７２は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて供給される測定対象物２０によって散乱されたレーザ光を多重して、光導波路７６を通じて光源７１に供給する。
【００３５】
周波数検出部７７は、分析部７７ａ及び検出部７７ｂを備えていてもよい。周波数検出部７７は、ＣＰＵなどを含む。また、周波数検出部７７は、スペクトラムアナライザなどを含んでもよい。演算部７９には、ＣＰＵなどを用いる。
【００３６】
光源７１は、レーザ光を出射する。光源から出射されたレーザ光は光導波路７６を通じてカプラ７２に伝搬される。カプラ７２は、供給されたレーザ光を３つに分離する。カプラ７２によって分離されたレーザ光は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに接続された光導波路７８ａ〜７８ｃにそれぞれ伝搬されて、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに供給される。光学ヘッド７４ａ〜７４ｃは、移動している測定対象物２０上の所定の照射点Ｐに向けてそれぞれ異なる方向からレーザビームを照射する。図８は、測定対象物２０にレーザビームを照射する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの位置関係を示す概略図である。図８では、図２と同様に、図面において手前方向に向かって回転する回転ファンを測定対象物２０として示しているが、本願発明のレーザドップラ速度計７０によって移動速度の大きさ及びその方向を測定される測定対象物は回転ファンに限定されない。ここで、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°になるように、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの配置を設定する。光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いになす３つの角度のうち、少なくとも２つの角度が９０°であれば、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意である。
【００３７】
光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されたレーザビーム１〜３は、測定対象物２０によって散乱される。このとき、散乱されたレーザビームの一部は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射された際に辿った経路を逆に辿り、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから光導波路７８ａ〜７８ｃを通じてカプラ７２に伝搬される。カプラ７２は、光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて光学ヘッド７４ａ〜７４ｃからそれぞれ伝搬された測定対象物２０により散乱されたレーザ光を多重する。カプラ７２によって多重された光学ヘッド７４ａ〜７４ｃからのレーザ光は、光源７１に接続された光導波路７６に伝搬されて、光源７１に入射する。測定対象物２０からの散乱されたレーザ光は、光源７１が発するレーザ光と混合される。移動している測定対象物２０によって散乱されたレーザ光は、ドップラ効果によって測定対象物２０の移動速度及び測定対象物２０の移動方向とレーザビームの散乱方向とが成す角度に応じた周波数がシフトしている（ドップラシフト周波数）。ドップラシフト周波数は、測定対象物２０によって散乱されたレーザビームと光源７１が発するレーザ光とが混合された合成光に干渉として現れる。本実施形態では、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを通して発せられたレーザビーム１〜３が測定対象物２０によって散乱され、散乱されたレーザビームが対応する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ及びカプラ７２を介して光源７１に戻って光源７１から発せられるレーザ光と自己混合されるため、外部参照光は必要ない。光源７１は、合成光を受光部７３に出射する。
【００３８】
受光部７３は、光源７１から出射された合成光を電気的な信号に変換し、周波数検出部７７に出力する。受光部７３から出力された信号は、増幅器７５によって増幅されて、周波数検出部７７に供給されてもよい。周波数検出部７７は、受光部７３からの信号からドップラシフト周波数を検出する。測定対象物２０には、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃによってそれぞれ異なる方向からレーザビーム１〜３が照射されているため、３つのドップラシフト周波数が検出される。受光部７３から出力された信号は、先ず、分析部７７ａに供給されてもよい。分析部７７ａは、供給された信号をフーリエ変換することにより、周波数スペクトルを算出する。算出された周波数スペクトルは、検出部７７に供給されてもよい。検出部７７ｂは、得られた周波数スペクトルから３つのドップラシフト周波数を検出する。周波数検出部７７は、検出したドップラシフト周波数のデータを演算部７９に供給する。演算部７９は、供給されたドップラシフト周波数に基づき、測定対処物２０の移動速度Ｖの大きさを算出する。
【００３９】
本願発明のレーザドップラ速度計７０は、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。
【００４０】
光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定する場合、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃのそれぞれの位置を、図９及び図１０に示す。図９は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの位置関係を示す概略図である。図１０は、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、２つの角度を９０°に設定した場合における、測定対象物２０（図示せず）上の所定の照射点Pにレーザビーム１〜３を照射する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの位置関係を示す概略図である。
【００４１】
本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０において、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法、及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、実施形態１において説明した測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法と同様である。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３のビーム軸をそれぞれ直交座標系の軸に当てはめ、測定対象物２０の移動速度Ｖを各軸上の速度成分に分解して算出し、算出した各軸上の速度成分を合成することによって算出することができる。各軸上の速度成分の算出及び算出した各軸上の速度成分の合成には、前述した（式１）及び（式５）、又は（式５）〜（式７）を用いる。但し、本実施形態においては、レーザドップラ速度計７０では単独の光源７１を用いている。そのため、光源７１から出射されるレーザ光の光波長をλとすると、（式５）では、λ１、λ２、λ３にλを代入する。本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０による測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、前述したように実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００４２】
以上に説明したように、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、互いに直交するレーザビームのビーム軸を直交座標系にそれぞれ当てはめることにより、測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度うち、３つの角度の全て、又は任意の２つの角度を９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計７０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。
【００４３】
以上の実施形態２で説明したように、本願発明のレーザドップラ速度計７０は、測定対象物２０にレーザビーム１〜３をそれぞれ出射する３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。また、本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０は、光源が１つであり、実施形態１のレーザドップラ速度計１０のようにそれぞれの光源に対応する周波数検出部を設ける必要がない。そのため、本実施形態に係るレーザドップラ速度計７０では、周波検出部の構成を低減することができ、実施形態１のレーザドップラ速度計１０よりも構成を簡略化することができる。
【００４４】
（実施形態３）
以下、本願発明者が想到した本発明の実施形態３に係るレーザドップラ速度計について、図面を参照しながら説明する。図１１は、本発明の実施形態３に係るレーザドップラ速度計１１０の概略構成を示すブロック図である。図１１に示すレーザドップラ速度計１１０において、図７に示した実施形態２に係るレーザドップラ速度計７０と同一又は類似の構成については、図７における参照番号と同一の参照番号を付与し、重複する説明は省略する。本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０は、光源７１、カプラ１１２ａ、１１２ｂ、受光部１１３、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ、増幅器７５、周波数検出部７７及び演算部７９を具備している。
【００４５】
本実施形態において、カプラ１１２ａは３つのポートを有しており、カプラ１１２ｂは４つのポートを有している。カプラ１１２ａの３つのポートは、光源７１に接続されている光導波路７６、カプラ１１２ｂに接続されている光導波路１１４、及び受光部１１３に接続されている光導波路１１５にそれぞれ接続されている。カプラ１１２ｂの４つのポートは、カプラ１１２ａに接続されている光導波路１１４及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに接続されている光導波路７８ａ〜７８ｃにそれぞれ接続されている。先ず、カプラ１１２ａは、導波路７６を通じて供給される光源７１からのレーザ光を光導波路１１４を通じてカプラ１１２ｂに供給する。カプラ１１２ｂは、光導波路１１４を通じて供給される光源７１からのレーザ光を分岐比１：１：１で分配し、光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて光学ヘッド７４ａ〜７４ｃに供給し、且つ、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから光導波路７８ａ〜７８ｃを通じて供給される測定対象物２０によって散乱されたレーザ光を多重して、光導波路１１４を通じてカプラ１１２ａに供給する。カプラ１１２ａは、カプラ１１２ｂによって多重された散乱されたレーザ光を光導波路１１５を通じて受光部１１３に供給する。また、カプラ１１２ａは、光導波路７６の端面、或いはカプラ１１２ａと光導波路７６との不連続面（界面）で反射される光源７１からのレーザ光を光導波路１１５を通じて受光部１１３に供給する。
【００４６】
カプラ１１２ｂによって多重された光学ヘッド７４ａ〜７４ｃからの散乱されたレーザ光は、光導波路７６の端面、或いはカプラ１１２ａと光導波路７６との界面で反射された光源７１からのレーザ光と混合される。測定対象物２０の移動速度及び測定対象物２０の移動方向とレーザビームの散乱方向とが成す角度に応じたドップラシフト周波数は、測定対象物２０によって散乱されたレーザ光と光源７１が発するレーザ光とが混合された合成光に干渉として現れる。本実施形態では、実施形態１及び実施形態２とは異なり、光導波路７６の端面、或いはカプラ１１２ａと光導波路７６との界面で光源７１からのレーザ光が反射された際の反射光を外部参照光として用いている。受光部１１３は、生成された合成光を電気的な信号に変換し、周波数検出部７７に出力する。受光部１１３から出力された信号は、増幅器７５によって増幅されて、周波数検出部７７に供給されてもよい。
【００４７】
周波数検出部７７は、受光部７３からの信号からドップラシフト周波数を検出する。測定対象物２０には、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃによってそれぞれ異なる方向からレーザビーム１〜３が照射されているため、３つのドップラシフト周波数が検出される。ドップラシフト周波数の検出方法は、実施形態２と同様であるため、個々での説明は省略する。周波数検出部７７は、検出したドップラシフト周波数のデータを演算部７９に供給する。演算部７９は、供給されたドップラシフト周波数に基づき、測定対処物２０の移動速度Ｖの大きさを算出する。
【００４８】
本願発明のレーザドップラ速度計１１０は、３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定した際の測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの配置は、図９及び図１０に示した通りである。
【００４９】
本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０において、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度の全てを９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法、及び光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、任意の２つの角度を９０°に設定した場合における測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、実施形態１において説明した測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法と同様である。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３のビーム軸をそれぞれ直交座標系の軸に当てはめ、測定対象物２０の移動速度Ｖを各軸上の速度成分に分解して算出し、算出した各軸上の速度成分を合成することによって算出することができる。各軸上の速度成分の算出及び算出した各軸上の速度成分の合成には、前述した（式１）及び（式５）、又は（式５）〜（式７）を用いる。但し、本実施形態においては、レーザドップラ速度計７０では単独の光源７１を用いている。そのため、光源７１から出射されるレーザ光の光波長をλとすると、（式５）では、λ１、λ２、λ３にλを代入する。本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０による測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさの算出方法は、前述したように実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００５０】
以上に説明したように、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから照射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、互いに直交するレーザビームのビーム軸を直交座標系にそれぞれ当てはめることにより、測定対象物２０の移動速度の大きさＶを各軸上の速度成分ｖ１、ｖ２、ｖ３に分解し、ｖ１、ｖ２、ｖ３をそれぞれ算出し、算出したｖ１、ｖ２、ｖ３を合成することにより測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることができる。したがって、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、３つの角度の全てを９０°に設定した場合、及び任意の２つの角度を９０°に設定した場合、レーザビーム１〜３の測定対象物２０への入射角は任意であってもよい。即ち、光学ヘッド７４ａ〜７４ｃから出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度うち、３つの角度の全て、又は任意の２つの角度を９０°に固定していれば、レーザドップラ速度計１１０は、測定対象物２０に対して任意の角度でレーザビームを照射しても測定対象物２０の移動速度Ｖの大きさを求めることが可能である。
【００５１】
以上の実施形態３で説明したように、本願発明のレーザドップラ速度計１１０は、測定対象物２０にレーザビーム１〜３をそれぞれ出射する３つの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃを有しており、これらの光学ヘッド７４ａ〜７４ｃ出射されるレーザビーム１〜３が互いに成す３つの角度のうち、少なくとも２つの角度を９０°に設定することにより、測定対象物２０に対する光学ヘッド７４ａ〜７４ｃの向きを調整することなく測定対象物の３次元的な速度の大きさを求めることができる。また、本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０は、光源が１つであり、実施形態１のレーザドップラ速度計１０のようにそれぞれの光源に対応する周波数検出部を設ける必要がない。そのため、本実施形態に係るレーザドップラ速度計１１０では、周波検出部の構成を低減することができ、実施形態１のレーザドップラ速度計１０よりも構成を簡略化することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１０、７０、１１０    レーザドップラ速度計
１１ａ〜１１ｃ、７１    光源
１３ａ〜１３ｃ、７３、１１３    受光部
１５ａ〜１５ｃ、７５    増幅器
１７ａ〜１７ｃ、７７    周波数検出部
７７ａ    分析部
７７ｂ    検出部
１９、７９    演算部
７２、１１２ａ、１１２ｂ    カプラ
７４ａ〜７４ｃ    光学ヘッド
７６、７８ａ〜７８ｃ、１１４、１１５    光導波路
２０    測定対象物
【図１】
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【図２】
2013174456.tif 000012
【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】
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【図８】
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【図９】
2013174456.tif 000019
【図１０】
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【図１１】
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