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公開番号2025120564
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-18
出願番号2024015426
出願日2024-02-05
発明の名称レーザドップラ速度計
出願人アクト電子株式会社
代理人個人
主分類G01S 17/58 20060101AFI20250808BHJP(測定;試験)
要約【課題】レーザドップラ速度計において、2つの光ビームの交点である焦点と移動する物体の表面との距離の測定を行うことにより速度誤差を補正し、より高精度のレーザドップラ速度計を提供する。
【解決手段】レーザ光源から分離した二本のレーザビームを移動する物体に照射し該物体からの散乱反射光を受けて前記移動する物体の速度をドップラ効果に基づいて計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を受光する第一の光学受信系と前記移動する物体からの散乱反射光を受光し前記移動する物体の速度を提供する第二の光学受信系と前記第一の光学受信系と前記第二の光学受信系に接続した信号処理系とを有し前記信号処理系は前記第一の光学受信系からの受信信号と前記第二の光学受信系からの受信信号により前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離と前記移動する物体の速度を算出する。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
レーザ光源から分離した二本のレーザビームを、移動する物体に照射し、該物体からの散乱反射光を受けて前記移動する物体の速度をドップラ効果に基づいて計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、
前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を受光する第一の光学受信系と、
前記移動する物体からの散乱反射光を受光する第二の光学受信系と、
前記第一の光学受信系と前記第二の光学受信系に接続した信号処理系とを有し、
前記信号処理系は前記第一の光学受信系からの受信信号と前記第二の光学受信系からの受信信号により、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離と、前記移動する物体の速度を算出することを特徴とする。
続きを表示（約 640 文字）【請求項２】
請求項１に記載の差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記第一の光学受信系は、前記移動する物体からの正反射光や散乱反射光を検出して、前記信号処理系にて前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の算出を行うことを特徴とする。
【請求項３】
請求項１に記載の差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記信号処理系は、論理演算回路とルックアップテーブルを有し、前記ルックアップテーブルは、前記第二の光学受信系で計測される移動速度に対する速度誤差の、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の依存特性、を保有し、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の計測値に応じて計測した移動速度に補正を掛けることを特徴とする。
【請求項４】
請求項３に記載の差動型レーザドップラ速度計に於いて、前記第一の光学受信系は二次元のイメージセンサを有し、前記移動する物体に照射される前記レーザビームの位置と形状を検出し、前記信号処理系は、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の算出と、前記レーザビームの傾きであるピッチ角と、ロール角を算出し、前記信号処理系は、前記ルックアップテーブルに保有する前記速度誤差の、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の依存特性と、前記移動する物体と前記二本のビームの交点間の距離の計測値と、前記ピッチ角と前記ロール角の算出値を用いて、計測した移動速度に補正を掛けることを特徴とする。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光によるドップラ効果を用いた速度計に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
レーザ光線とドップラ効果を利用したレーザドップラ速度計は、測定対象物の速度が非接触で正確に測れるため、今日、多くの分野で利用されている。その利用分野の一例として、高機能フィルム製造時の搬送速度の計測がある。
高機能フィルムとは電機、自動車、建材、医薬品、食品包装などの分野で用いられるフィルムであり、その品質を均一化すべく製造時の伸延速度の監視や制御用として、非接触型のレーザドップラ速度計が利用される。
【０００３】
レーザドップラ速度計は、動作検証が1964年に行われている。その一例が、非特許文献１に示されている。また、レーザドップラ速度計の発展形として、非特許文献２に示された差動型レーザドップラ速度計が開発されてきた。
【０００４】
差動型レーザドップラ速度計は、レーザ光源から分離した２本の光束を、移動する非測定物に照射する構成である。非測定物に対し、２本の光束の内、一方の光束は移動する非測定物の前方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が増加する方向となり、他の光束は移動する非測定物の後方向から照射するのでドップラ散乱光は光周波数が減少する方向となる。
これら２つの散乱光を、光検出器で光ヘテロダイン検波すると、その出力電気信号の周波数は２つの散乱光成分の差分となる。出力電気信号のビート周波数の変位量は、一本のみの散乱光を用いていた非特許文献１の系の２倍となるので、速度検出感度が上がるという利点がある。
また、光学系が差動型となっているので、非測定物の表面の凹凸から発生する雑音成分や、光源自体の強度雑音から発生する雑音成分の影響も除外できるので、レーザドップラ速度計の感度を向上させることができる。
【０００５】
さらに、最近では、小型の差動型レーザドップラ速度計も開発されている。その一例が、特許文献１に開示されている。
図３に特許文献１に示されたレーザドップラ速度計の構成を示した。
図３では、従来の差動型レーザドップラ速度計に対して、ミラー６とミラー１０を同一方向かつ同時に動かし左右の光路長を等しく調整することで、半導体レーザがマルチモード発振しても速度検出が可能となり、レーザドップラ速度計としての安定性や低価格化を図ったものである。
【０００６】
図３にて、レーザ光源１は、マルチモード動作した波長６６０ｎｍの半導体レーザである。レーザ光源１からから出射されるレーザビームは、コリメータレンズ２で平行ビームとなる。このレーザビームを周波数シフト素子（ＡＯＭ）３に入射し、このＡＯＭに４０ＭＨｚのｆｍ信号を印加して、入射したレーザビームの一部に４０ＭＨｚの周波数シフトを加え、Ｓ偏向にシフトした１次回折光８と、レーザビームの周波数はシフトせずＰ偏向のままの０次回折光１２を得る。これらの光を偏向ビームスプリッタ４に入射させてＰ偏光ビームとＳ偏光ビームに二分する。Ｐ偏光ビームは、透過側に直進し、ミラー９で反射した後、λ／２波長板５で円偏波ビームとなり移動する物体０に照射する。偏光ビームスプリッタ４からのＳ偏向ビームは、ミラー６で反射後、λ／２波長板７にて円偏波ビームとなり移動する物体０に照射する。
【０００７】
移動する物体０からの散乱光を、受光レンズ１３で集光してミラー１４を介して受光素子１５に入射させて光電変換による光ヘテロダイン検波を行う。その電気信号出力のビート信号周波数は、ドップラ効果により４０ＭＨｚを中心にプラスやマイナス方向に変位し、変位した周波数量は物体０の移動速度に比例する。この電気信号を処理することにより、物体０の移動速度を算出する。
【０００８】
本レーザドップラ速度計は、差動型レーザドップラ系を採用しているので高感度であり、周波数シフト変調を行っているので速度がゼロや逆方向の速度計測も可能となり、かつ半導体レーザを光源に使用しているので小型化が可能という特徴を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特許第６７８８９２８号
【非特許文献】
【００１０】
Y.Yeh et al., "Localized Fluid Flow Measurements with an He-Ne Laser Spectrometer", Applied Physics Letters, vol.4, no.10, pp.176-178, May, 1964.
Bruce E.Truax et al.,"Laser Doppler velocimeter for velocity and length measurements of moving surfaces" , Applied Optics, vol.23, Issue 1, pp.67-73, 1984.
岡田英史、南谷晴之、“鏡面反射光を利用した個体表面速度および角度のレーザ・ドップラ計測”、計測自動制御学会論文集、Vol.22, No.10（昭和61年10月）、pp.1101-1106.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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