DE69031577T2

DE69031577T2 - Doppler-Geschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE69031577T2
Application number: DE1990631577
Authority: DE
Inventors: Kadowaki Hidejiro; Yasuhiko Ishida; Hiroshi Sugiyama; Haruhiko Takahashi; Makoto Takamiya; Ken Tsuchii; Masafumi Wataya; Kosuke Yamamoto; Toshiyuki Yanaka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2010-03-31
Also published as: EP0391278B1; EP0391278A2; EP0391278A3; DE69031577D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsmesser, der in der Lage ist, die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts oder eines fließenden Fluids berührungslos zu messen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Doppler-Geschwindigkeitsmesser, der einen Laserstrahl auf ein sich bewegendes Objekt oder Fluid richtet und die Geschwindigkeit durch Erfassen einer Verschiebung der Frequenz des Laserstrahls mißt.
Bisher war ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser bekannt und im Einsatz, der in der Lage ist, die Bewegungs geschwindigkeit eines Objekts oder Fluids berührungslos und mit hoher Genauigkeit zu messen. Kurz beschrieben ist ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser eine Einrichtung, die die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts oder eines fließenden Fluids unter Verwendung einer als Doppler-Effekt bezeichneten Erscheinung mißt, d.h. einer Erscheinung, bei der die Frequenz eines Laserstrahis, der durch das Objekt oder Fluid abgelenkt wird, gegenüber der Frequenz des auf das Objekt oder Fluid gerichteten Laserstrahls um einen Betrag verschoben wird, der proportional zu der Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts oder des Fluids ist.
Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt ein bekannter Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser, als dessen Hauptkomponenten, einen Laser 1, eine Kollimatorlinse 2, einen parallelen Lichtstrahl 3, einen Strahlteiler 4, Reflexionsspiegel 6, 6', eine Kondensorlinse 8 und einen Photodetektor 9. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein Objekt oder ein Fluid, welches sich mit einer Geschwindigkeit V in Pfeilrichtung fortbewegt.
Ein von einem Laser 1 emittierter Laserstrahl wird durch eine Kollimatorlinse 2 in einen parallel gerichteten Lichtstrahl 3 umgeformt, der dann durch einen Strahlteiler 4 in zwei Lichtstrahlen 5 und 5' aufgespalten wird. Diese Lichtstrahlen 5, 5' werden unter einem durch θ repräsentierten Einfallswinkel auf das sich mit der Geschwindigkeit V bewegende Objekt gerichtet. Das reflektierte und durch das Objekt oder Fluid 7 gebeugte bzw. gebeugte Licht gelangt durch die Kondensorlinse 8 und wird durch den Photodetektor 9 erfaßt. Die Frequenzen des gebeugten Lichts werden gemäß dem Doppler-Effekt jeweils um Beträge von +Δf und -Δf, die proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit V sind, verschoben. Der Betrag Δf der Frequenzverschie bung, der die Wellenlänge λ des Laserstrahls repräsentiert, wird durch die nachstehende Formel (1) ausgedrückt:
Δf = V sin 8/λ ...(1)
Die gestreuten Lichtstrahlen, deren Frequenzen um Beträge von +Δf bzw. -Δf verschoben wurden, interferieren miteinander, um eine periodische Änderung der Helligkeit auf der Lichtempfangsfläche des Photodetektors 9 zu bewirken. Die Frequenz F der vorstehend genannten periodischen Änderung der Helligkeit ist durch die nachstehende Formel (2) gegeben:
F = 2Δf = 2V sin 8/λ ...(2)
Es ist daher möglich, die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts oder des fließenden Fluids 7 in Übereinstimmung mit der vorstehenden Formel (2) zu ermitteln, indem die durch den Photodetektor 9 ausgegebene Frequenz gemessen wird.
Um einen kompakten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser zu erhalten, wird bevorzugt, als Lichtquelle anstelle eines Gaslasers wie beispielsweise einem He-Ne-Laser einen Halbleiterlaser wie beispielsweise eine Laserdiode zu verwenden. Im allgemeinen jedoch ist die Emissionswellenlänge von Halbleiterlasern nicht so stabil wie die eines Gaslasers und ändert sich in unerwünschter Weise in Abhängigkeit von der Temperatur. Da, wie aus der vorstehenden Formel (2) hervorgeht, die Dopplerfrequenz F von der Wellenlänge λ abhängt, wird die Genauigkeit der Erfassung der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts oder Fluids in unerwünschter Weise durch eine Fluktuation in der Wellenlänge λ des Laserstrahls beeinträchtigt.
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die - dem Mitsubishi Haibleiter-Datenbuch, 1987, Ausgabe für Photohalbleiter- Bauelemente, entnommene - Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenlänge einer handelsüblichen Laserdiode zeigt. In dieser Figur werden lineare Abschnitte der Kurve in der Hauptsache durch eine Änderung im Refraktionsindex der aktiven Schicht der Laserdiode aufgrund einer Änderung der Temperatur verursacht. Die Änderungsrate der Wellenlängenänderung beträgt etwa 0,05 bis 0,06 nm/Cº. Andererseits ist eine nichtlineare Änderung der Emissionswellenlänge auf eine Erscheinung zurückzuführen, die als "longitudinales Modusspringen" (longitudinal mode hopping) bekannt ist, bei dem sich die Wellenlänge mit einer großen Rate von 0,2 bis 0,3 nm/ºC ändert.
Infolgedessen ist die Emissionswellenlänge der Laserdiode ziemlich instabil. Wenn diese Art von Laser als Lichtquelle eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers verwendet wird, ist es erforderlich, zusammen mit der Laserdiode eine Temperatursteuereinheit anzuordnen, die aus beispielsweise einer Heizeinrichtung, einer Wärmeabstrahleinrichtung und einem Temperatursensor besteht. Die Verwendung einer derartigen Temperatursteuereinheit vergrößert in unerwünschter Ärt und Weise die Abmessungen des Geschwindigkeitsmesser und erhöht unwirtschaftlich die Kosten.
Es wird ferner angemerkt, daß das longitudinale Modusspringen auch durch andere Ursachen als eine Temperaturänderung ausgelöst wird. Es ist selbst dann, wenn eine Temperatursteuereinheit zusammen mit der Laserdiode verwendet wird, unmöglich, eine Fluktuation der Emissionswellenlänge einer Laserdiode vollständig zu unterdrücken.
Außerdem offenbart die Druckschrift EP-A-0 127 244 ein Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit und/oder der Länge von sich bewegenden Objekten, sowie, in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Bei diesem bekannten Verfahren und dieser bekannten Anordnung wird eine konstante Doppler-Frequenzverschiebung durch Vorverschieben oder Variieren der Frequenz des durch eine Laserstrahlquelle ausgegebenen und mittels eines sich drehenden Gitters, welches dementsprechend auf eine variable Geschwindigkeit gesteuert wird, auf das Objekt gerichteten Laserstrahls erzeugt. Hierbei breitet sich der Laserstrahl ausgehend von der Laserstrahlquelle linear durch das sich drehende durchlässige Gitter und eine Linsenanordnung zum Objekt hin aus, so daß eine Anordnung mit großen Abmessungen benztigt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser mit kompakten Abmessungen zu schaffen, der in der Lage ist, die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts oder Fluids ungeachtet einer irgendwie gearteten Änderung der Wellenlänge des abgestrahlten Laserstrahls genau zu erfassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser gemäß Patentanspruch 1 sowie durch einen auf eine Bildaufzeichnungseinrichtung gemäß Patentanspruch 6 angewandten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser.
Der erfindungsgemäße Geschwindigkeitsmesser kann von einem Laser als Emissionsquelle und einem Laserstrahl als emittiertem Strahl Gebrauch machen. In einem solchen Fall wird, um einen kompakten Geschwindigkeitsmesser zu realisieren, als Laser bevorzugt ein Halbleiterlaser verwendet.
Die Erfindung kann jedoch auch mit anderen stabilen oder instabilen Emissionsquellen und Strahlen ausgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung ist der Geschwindigkeitsmesser derart aufgebaut, daß der emittierte Strahl ungeachtet einer irgendwie gearteten Änderung der Wellenlänge des Strahls gleichbleibend auf einen vorbestimmten Ort gerichtet wird. So kann beispielsweise das optische System derart angeordnet sein, daß die Position, an der sich ein erster und ein zweiter gebeugter Strahl kreuzen, im wesentlichen unverändert bleibt. Diese Anordnung macht es möglich, die Meßempfindlichlkeit im wesentlichen konstant zu halten und infolgedessen eine stabile Messung der Geschwindigkeit zu erreichen. Ein solches optisches System kann dadurch erhalten werden, daß das Beugungs- bzw. Streugitter und das Objekt im wesentlichen in einer optisch konjugierten Beziehung zueinander angeordnet werden, indem Linsenanordnungen in dem optischen System verwendet werden, eine Vielzahl von Streugittern parallel vorgesehen werden oder verschiedenartige optische Komponenten wie beispielsweise Spiegel in geeigneter Art und Weise angeordnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der abgestrahlte Strahl im wesentlichen in Form eines parallel gerichteten Strahls auf das Objekt gerichtet. Eine derartige Zufuhr des Strahls kann nicht nur dadurch bewirkt werden, daß ein zuvor parallel gerichteter Strahl auf das Objekt gerichtet wird, sondern auch dadurch, daß der Strahl auf das Objekt oder dessen Umgebung gebündelt wird, um das Objekt mit einem Strahl zu beaufschlagen, der einen parallel gerichteten Strahl annähert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der emittierte Strahl durch ein Streugitter gebeugt und zumindest einer der gebeugten Strahlen auf das Objekt gerichtet. Verschiedene Bauformen von Gittern sind hierzu verwendbar, wie beispielsweise nach dem Amplituden prinzip arbeitende Streugitter und nach dem Phasenprinzip arbeitende Streugitter. Nach dem Reliefprinzip arbeitende Streugitter, die auf einfache Art und weise durch Massenproduktion herstellbar sind, können erfindungsgemäß wirkungsvoll verwendet werden. Solche Streugitter können derart ausgebildet sein, daß der einfallende Strahl gebeugt wird, während er reflektiert wird.
Bei dem Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung wird das Streugitter zum Zwecke des Änderns des Einfallswinkels des emittierten Strahls auf das Objekt in Übereinstimmung mit einer Änderung der Wellenlänge des emittierten Strahls verwendet. Es ist möglich, die Frequenz des Signals aus dem Detektor durch Hinzufügen eines Mechanismus, der in der Lage ist, das Streugitter mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit in der Richtung der Anordnung des Streugitters zu bewegen, zu modulieren. Eine derartige Modulation ermöglicht die Unterscheidung der Richtung der Bewe gung des Objekts sowie die genaue Erfassung der Geschwindigkeit des sich mit geringer Geschwindigkeit bewegenden Objekts.
Die in dem erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmesser verwendete Erfassungseinrichtung kann derart angeordnet sein, daß sie entweder das transmittiv durch das Objekt gebeugte oder das reflektiv durch das Objekt gebeugte Licht erfaßt.
Wenn das Streugitter von der den emittierten Strahl reflektierenden, beugenden und ablenkenden Bauart ist, empfiehlt es sich, daß die Erfassungseinrichtung von der Bauart ist, die in der Lage ist, das durch Reflexion gebeugte Licht zu erfassen, so daß die Emissionsquelle, beispielsweise ein Halbleiterlaser, und ein Detektor, beispielsweise ein Photodetektor, in dem Raum zwischen dem Streugitter und dem Objekt installiert werden können, welches zu einer Verringerung der Abmessungen des Geschwindigkeitsmesser beiträgt. Ferner wird bevorzugt, daß der Detektor derart angeordnet ist, daß sein Konverter zum Konvertieren des gebeugten Strahls in ein Signal im wesentlichen auf eine zu dem Objekt optisch konjugierte Art und weise positioniert ist. Eine derartige Anordnung ermöglicht, daß der durch das Objekt gebeugte Strahl effizient auf den Konver ter fällt, wodurch ein hoher Signal/Rausch-Abstand erzielt wird.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist es daher möglich, einen kompakten Geschwindigkeitsmesser zu erhalten, indem ein Halbleiterlaser als Emissionsquelle verwendet wird.
Ein solcher kompakter Geschwindigkeitsmesser kann bequgm in eine Vorrichtung wie beispielsweise ein Telefaxgerät, einen Drucker oder dergleichen einbezogen und infolgedessen eine verbesserte Vorrichtung verwirklicht werden. Diese Beschreibung offenbart einige verbesserte Vorrichtungen der beschriebenen Art. Eines der am meisten bevorzugten Beispiele einer solchen Vorrichtung ist eine Bildaufzeichnungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 6. Eine solche Vorrichtung kann eine Transporteinrichtung zum Transportieren eines Aufzeichnungsmediums wie beispielsweise eines Blattes Papier, eine Aufzeichnungseinrichtung zum Aufzeichnen eines Bilds auf dem Aufzeichnungsmedium und einen Geschwindigkeitsmesser zum Erfassen der Geschwindigkeit des Aufzeichnungsmediums, welches durch die Transporteinrichtung transportiert wird, umfassen, wobei der Geschwindig keitsmesser in der Lage ist, einen emittierten Strahl auf einen ausgewählten Abschnitt der Transporteinrichtung zu richten, einen an einem solchen Abschnitt der Transporteinrichtung erzeugten gebeugten Strahl zu erfassen und ein Signal auszugeben, welches die Transportgeschwindigkeit angibt und welches der Frequenz des gebeugten Strahls entspricht; wobei der Einfallswinkel des emittierten Strahls auf den vorab ausgewählten Abschnitt der Transporteinrichtung in Übereinstimmung mit einer Änderung der Wellenlänge geändert wird, um einedurch eine Änderung der Wellenlänge des emittierten Strahls verursachte Änderung der Frequenz im wesentlichen zu kompensieren.
Der Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung kann ferner auf verschiedenen anderen Arten von Vorrichtungen angebracht werden. Obwohl hierin viele Arten von erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmessern beschrieben werden, liegt es dem Fachmann nahe, im Rahmen der Erfindung verschiedene andere als die offenbarten Geschwindigkeitsmesser auszubilden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines bekannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers;
Fig. 2 ein Diagramm, welches ein Beispiel der Temperaturabhängigkeit der Emissionswellenläge einer Laserdiode zeigt;
Fig. 3 und 4 Darstellungen, die das Prinzip der von einer durch einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser durchgeführten Geschwindigkeitserfassung erklären;
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung;
Fig. 6(a) bis 6(c) Darstellungen des Zusammenhangs zwischen der Wellenlänge eines Laserstrahls und zwei auf einem Objekt erzeugten Lichtpunkten;
Fig. 7 eine Darstellung des Einfallswinkels eines Laserstrahls auf ein Streugitter und der Dopplerfrequenz;
Fig. 8 eine Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Neigung eines Streugitters und der Dopplerfrequenz;
Fig. 9 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Wellenlänge eines Laserstrahls und der Dopplerfrequenz zeigt, der erhalten wird, wenn die Neigung des Streugitters als Parameter verwendet wird;
Fig. 10A und 10B vereinfachte Darstellungen eines zweiten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung;
Fig. 11 eine Darstellung der Art und Weise, in der ein Laserstrahl geneigt auf ein Streugitter gerichtet wird;
Fig. 12 eine vereinfachte Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmesser in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 13 eine vereinfachte Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 14 eine Darstellung eines Verfahrens zum Bewirken einer Frequenzmodulation durch Bewegen eines Streugitters;
Fig. 15 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit eines Objekts und der Dopplerfrequenz zeigt;
Fig. 16 eine vereinfachte Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 17 eine vereinfachte Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 18 ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Empfangen eines Ausgangssignals von einem Photodetektor;
Fig. 19 bis 21 vereinfachte Darstellungen eines siebten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung;
Fig. 22 eine vereinfachte Darstellung eines Beispiels eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers, welches zum Messen von Fluidgeschwindigkeiten ausgebildet ist;
Fig. 23 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen einer Änderung der Wellenlänge eines Laserstrahls und einer Änderung des Doppler-Effekts zeigt;
Fig. 24 eine teilweise vereinfachte Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels, welches aus einer Modifikation des in Fig. 22 gezeigten Beispiels eines Geschwindigkeitsmessers hervorgeht; und
Fig. 25, 26 und 27 vereinfachte Darstellungen verschiedener Bildaufzeichnungsvorrichtungen, die die Erfindung verkörpernde Geschwindigkeitsmesser beinhalten.
Fig. 3 und 4 sind Darstellungen des Prinzips eines erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmessers.
Fig. 3 veranschaulicht den Zustand der Beugung eines La serstrahls 1 mit einer Wellenlänge λ, wenn der Lichtstrahl auf ein transmittiv arbeitendes bzw. durchlässiges Streugitter 10 mit einem Gitterabstand d einfällt, wie dieser beobachtet wird, wenn der Laserstrahl I in einer Richtung senkrecht zu der Richtung t des Gitters 10 auftrifft. Die Beugungswinkel θ gebeugter Lichtstrahlen der jeweiligen Ordnungen, erzeugt durch das Streugitter 10, werden durch die nachstehende Formel (3) ausgedrückt:
sin θ = ± m/λd ... (3) (m = 0, 1, 2, ...)
Daher werden die Beugungswinkel θn der gebeugten Lichtstrahlen der von der Ordnung 0 (m = 0) verschiedenen ±n-ten Ordnungen durch die nachstehende Formel (4) ausgedrückt:
sin θn = t n/λd ... (4) (n = 1, 2, ...)
Wie aus Formel (4) hervorgeht, hängt der Beugungswinkel θn der gebeugten Lichtstrahlen der ±n-ten Ordnungen von der Wellenlänge λ des einfallenden Laserstrahls I ab, so daß sich die Winkel, mit welchen die gebeugten Lichtstrahlen der In-ten Ordnungen von dem Streugitter emittiert werden, in Übereinstimmung mit einer Änderung in der Wellenlänge λ ändern.
Fig. 4 veranschaulicht einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser, bei dem das Streugitter gemäß Fig. 3 in dessen optisches System einbezogen ist. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung und ist materiell gesehen gleich wie die der in Fig. 1 gezeigten bekannten Einrichtung, mit der Ausnahme, daß das Streugitter 10 vorgesehen ist. Daher werden in Fig. 4 dieselben Bezugszeichen verwendet, um Komponenten zu bezeichnen, die zu Komponenten in Fig. 1 gleich sind, und eine detaillierte Beschreibung solcher Komponenten weggelassen.
In dem in Fig. 4 gezeigten optischen System werden die gebeugten Lichtstrahlen 41, 42 der ±n-ten Ordnungen, die von dem Streugitter 10 emittiert werden, durch parallele Spiegel 6, 6' reflektiert, und treffen an im wesentlichen demselben Punkt mit einem Einfallswinkel θn der gleich den Einfallswinkeln ± θn ist, auf ein Objekt 7 auf. Die reflektierenden Spiegel 6, 6' weisen reflektierende Oberflä chen auf, die in Ebenen angeordnet sind, die senkrecht zu der Richtung der Anordnung des Streugitters 10 und der Bewegungsrichtung des Objekts 7 liegen.
Die durch das Ausgangssignal des Photodetektors 9 repräsentierte Dopplerfrequenz kann in diesem Zustand durch die folgende Formel (5) ausgedrückt werden, die von den vorstehenden Formeln (2) und (4) abgeleitet ist:
F = 2V sin θn/λ = 2nv/d (...5)
Infolgedessen hängt die Dopplerfrequenz F nicht von der Wellenlänge λ des Laserstrahls ab, sondern ist zu dem Abstand d des Gitters umgekehrt proportional und zu sowohl der Nummer n der Ordnung des gebeugten Lichtstrahls als auch der Bewegungsgeschwindigkeit V des Objekts 7 proportional. Da der Abstand d des Streugitters 10 ausreichend stabil ist, hängt die Dopplerfrequenz F unabhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls nur von der Geschwindigkeit V des Objekts 7 ab. Daher erzeugt der Photodetektor 9 ein Ausgangssignal, das unabhängig von einer irgendwie gearteten Änderung der Emissionswellenlänge des Lasers, der nicht gezeigt ist, exakt der Geschwindigkeit V des Objekts 7 entspricht.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers unter Bezugnahme auf das vorstehend dargestellte Prinzip beschrieben. Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwenden ein nach dem Reflexionsprinzip arbeitendes Streugitter.
Es wird jedoch angemerkt, daß im Nachfolgenden der Erfindung zugrundeliegende Prinzipien unter Bezugnahme auf durchlässige Streugitter erklärt werden. Natürlich gelten die diesen Erklärungen zugrundeliegenden Grundlagen auch für reflektierende Gitter, wie sie in Ubereinstimmung mit der Erfindung eingesetzt werden.
Fig. 5 ist eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um Komponenten zu bezeichnen, die gleich Komponenten sind, wie sie in der in Fig. 1 gezeigten bekannten Einrichtung verwendet werden. Eine detaillierte Beschreibung derselben wird weggelassen.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Laserdiode 1, die in der Lage ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ von 0,78 µm zu emittieren, verwendet, um einen kompakten Aufbau zu verwirklichen. Der Laser 1 kann ein Einzelmodus-Laser oder ein Mehrfachmodus-Laser sein. Das Streugitter 10 ist ein reflektierendes Streugitter mit einem Gitterabstand d yon 1,6 µm. Das Streugitter 10 kann dadurch vorbereitet werden, daß periodisch reflektierende Schichten aus Al oder Au auf der Oberfläche eines Substrats, wie beispielsweise einem Glassubstrat, ausgebildet werden, oder daß periodisch Nuten in der Substratoberfläche und dann ein reflektierender Film auf der Substrato berfläche ausgebildet werden. Es ist infolgedessen möglich, verschiedene Typen von Streugittern wie beispielsweise nach dem Amplitudenprinzip oder nach dem Phasenprinzip (Reliefbauart) arbeitende Gitter als Streugitter 10 zu verwenden.
Der Laserstrahl aus der Laserdiode 10 wird durch die Kollimatorlinse 2 parallel in einen Strahl 3 mit einem Durchmesser von etwa 3 mm gerichtet. Dieser parallel gerichtete Lichtstrahl 3 wird auf das reflektierende Streugitter 10 in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Anordnung des Streugitters 10 zum Auftreffen gebracht. Die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der Ordnung ± 1, erzeugt durch das Streugitter 10, werden von dem Streugitter 10 mit Beugungswinkeln θ&sub1; von etwa 29º emittiert und durch die Spiegel 6, 6' mit Oberflächen senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters reflektiert, um jeweils schräg mit einem Einfallswinkel θ&sub0; auf das Objekt 7 aufzutreffen. Infolgedessen erzeugen die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 Lichtpunkte mit etwa 2 mm Durchmesser, die sich auf dem Objekt 7 überlagern. Der Photodetektor 9 weist einen Lichtempfangsabschnitt 9a auf mit einem Durchmesser von 0,8 mm, wobei die zentralen Abschnitte mit 0,8 mm Durchmesser der durch die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 erzeugten Lichtpunkte mit ihrer wirklichen Größe auf den Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 projiziert werden. Infolgedessen empfängt der Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 effektiv das Interferenzlicht zweier gebeugter Lichtstrahlen 61, 62 und konvertiert das Interferenzlicht in ein elektrisches Signal. Der Photodetektor 9 erzeugt dann ein der Dopplerfrequenz F entsprechendes Signal, welches zu F = 2V/d erhalten wird, indem n = 1 in Formel (5) substituiert wird, und welches unabhängig von der Wellenlänge λ ist.
Repräsentiert 1 den Abstand zwischen den Spiegeln 6 und 6', dann ist der Abstand h zwischen dem Streugitter 10 und dem Objekt 7, bei dem sich zwei gebeugte Lichtstrahlen 61, 62 vollständig überlagern, durch die nachstehende Formel (6):
h = l d² - λ²/λ (...6)
gegeben.
wenn daher der Abstand 1 zwischen den Spiegeln 6, 6' 30 mm beträgt, ergibt sich für den Abstand h zwischen dem Streugitter 10 und dem Objekt 7 h = 53,7 mm, da in diesem Fall die Wellenlänge und der Gitterabstand jeweils zu λ = 0,78 µm und d = 1,6 µm gegeben sind. Wenn die Oszillationsfrequenz der Laserdiode 1 um 1% geändert wird (welches im allgemeinen einer Änderung der Temperatur der Laserdiode 1 um etwa 30 ºC entspricht), überlagern sich die durch zwei gebeugte Lichtstrahlen gebildeten Lichtpunkte auf die in Fig. 6(b) und 6(c) gezeigte Art und Weise, wenn die Frequenz in Richtung langer Wellenlängen bzw. kurzer Wellenlängen geändert wird. In jedem der in Fig. 6(b) und 6(c) gezeigten Fälle sind beide Lichtpunkte um etwa 0,8 mm gegeneinander versetzt. Da der Photodetektor 9 den Abschnitt 7a erfaßt, in dem sich zwei Lichtpunkte überlappen, ist der Photodetektor 9 in der Lage, gleichzeitig gebeugte Lichtstrahlen, die durch die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 erzeugt werden, zu erfassen, und kann ein der Dopplerfrequenz F entsprechendes Signal ohne Fehler erzeugen. Es wird daher klar, daß eine Fluktuation der Emissiönswellenlänge keinen wesentlichen Fehler verursacht.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 1 in einer zu der Richtung t der Anordnung des Streugitters 10 senkrechten Richtung zum Auftreffen auf das Streugitter 10 gebracht. Die Genauigkeit der Erfassung der Geschwindigkeit hängt jedoch nicht von dem Einfallswinkel θi auf das Streugitter 10 ab. Außerdem ist der Einfluß einer Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls I auf die Erfassung der Geschwindigkeit auch dann klein, wenn das Streugitter 10 geneigt ist. Fig. 7 veranschaulicht im Prinzip einen Zustand, in dem ein Laserstrahl I mit einem Einfallswinkel θi auf das Streugitter 10, welches derart angeordnet ist, daß die Richtung der Anordnung des Gitters senkrecht zu den parallelen reflektierenden Oberflächen der Reflexionsspiegel 6, 6' ist, zum Einfall gebracht wird. Der Beugungswinkel θ&sub1; der Ordnung +1 und der Beugungswinkel θ&sub2; der Ordnung -1 des Streugitters 10 genügen der nachfolgenden Formel (6), wenn positive werte dieser Winkel θ&sub1; und θ&sub2; bereitgestellt werden:
sin θ&sub1; = λ/d + sin θ&sub1; ...(6) sin θ&sub2; = λ/d - sin θ&sub1;
Andererseits ist die Dopplerfrequenz F, die durch die Interferenzen zwischen Lichtstrahlen, die durch das Objekt 7, welches sich mit einer Geschwindigkeit V in der Richtung senkrecht zu den reflektierenden Oberflächen der reflektierenden Spiegel 6, 6' bewegt und welches sich an der Position befindet, an der sich zwei durch die Spiegel 6, 6' reflektierte gebeugte Lichtstrahlen kreuzen, festgelegt wird, durch die nachstehende Formel (7) gegeben:
Aus den Formeln (5) und (6) wird die Dopplerfrequenz F zu F = 2V/d ermittelt. Es wird somit deutlich, daß die Dopplerfrequenz F von dem Einfallswinkel θ&sub1; des Laserstrahls auf das Streugitter 10 unabhängig ist.
Demzufolge ist es möglich, den Laserstrahl mit einem beliebigen Winkel θi bezüglich des Streugitters 10 auf das Streugitter 10 zu richten, indem das Streugitter 10 parallel zu der Bewegungsrichtung des Objekts 7 angeordnet wird, während die Spiegel 6, 6' derart angeordnet werden, daß ihre reflektierenden Oberflächen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Objekts liegen.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung, die nicht Teil der Erfindung ist, bei der die Spiegel 6, 6' mit reflektierenden Oberflächen senkrecht zu der Richtung der Bewegung des Objekts 7 parallel zueinander angeordnet sind, wie in der Anordnung gemäß Fig. 7, wobei der Pfad des Laserstrahls 1 so festgelegt wird, daß er parallel zu den reflektierenden Oberflächen der Spiegel 6, 6' verläuft, so daß die zu dem durchlässigen Streugitter 10 normale Linie in einem Winkel ψ&sup0; gegenüber dem Pfad des Laserstrahls I geneigt ist. Fig. 9 zeigt die Zusammenhänge zwischen der Wellenlänge λ des Laserstrahls I und der Dopplerfrequenz f, wie sie erhalten werden, wenn der Winkel ψ&sup0; 5º bzw. 10º beträgt.
Wie aus Fig. 9 hervorgeht, ist es möglich, den Einfluß der Wellenlänge auf die Dopplerfrequenz dadurch zu unterdrükken, daß der Neigungswinkel ψ&sup0; des Streugitters 10 mit ψ = 5º beibehalten wird. Die Einstellung des Streugitters 10 derart, daß dieses Erfordernis erfüllt wird, kann ohne Schwierigkeiten bewerkstelligt werden. Es ist infolgedessen möglich, gleichbleibend eine hohe Genauigkeit der Erfassung der Geschwindigkeit zu erzielen.
Mit der in Fig. 5 gezeigten Anordnung ist es möglich, den Versatz zweier Lichtpunkte auf dem Objekt 7 aufgrund einer Fluktuation der Wellenlänge durch Festlegen eines kleinen Abstands 1 zwischen den Spiegeln 6 und 6' zu reduzieren. In Übereinstimmung mit dieser Anordnung kann der Abstand h zwischen dem Streugitter 10 und dem Objekt 7 ebenfalls klein gemacht werden, so daß der Geschwindigkeitsmesser kompakt ausgeführt werden kann und die Herstellung des Geschwindigkeitsmessers erleichtert wird.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist die Anzahl der Ordnungen der zur Erfassung herangezogenen Lichtstrahlen nicht auf die erste Ordnung beschränkt. Beispielsweise wird durch Verwenden des Beugungslichts der zweiten Ordnung in dem in Fig. 5 gezeigten Geschwindigkeitsmesser die Dopplerfrequenz F durch die Formel (4) zu F = 4v/d festgelegt, wodurch die Auflösung verbessert wird.
Die Erfindung kann wirksam nicht nur mit einem Halbleiterlaser wie beispielsweise einer Laserdiode ausgeführt werden, sondern auch mit anderen Typen von Lasern, bei welchen eine Fluktuation in der Emissionswellenlänge auftreten kann. Die Anordnungen optischer Systeme gemäß Fig. 4 und 5 dienen ferner nur der Veranschaulichung. Vielmehr können verschiedene andere Anordnungen verwendet werden, von welchen einige nachstehend beschrieben werden.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet ein Paar gebeugter Lichtstrahlen der ±n-ten Ordnungen, erzeugt durch das Streugitter 10. Dies jedoch ist nicht ausschließlich, so daß die vorstehend beschriebenen Vorteile der Erfindung auch dann herbeigeführt werden können, wenn nur ein gebeugter Lichtstrahl verwendet wird. Wenn ein gebeugter Lichtstrahl verwendet wird, wird der Laserstrahl aus dem Laser in zwei Strahlen aufgespalten, von welchen einer auf ein Streugitter gerichtet wird, um dort gebeugt zu werden. Das gebeugte Licht wird auf das Objekt gerichtet, durch dieses gestreut, und das gestreute Licht wird zur Interferenz mit einem Referenzlicht gebracht, welches der andere durch die Strahlteilung erhaltene Lichtstrahl ist, so daß ein interferierendes Licht erzeugt wird.
Wenn das Objekt transparent ist, kann der Geschwindigkeitsmesser derart aufgebaut sein, daß der Photodetektor dasjenige Licht empfängt, welches durch das Objekt transmittiv gestreut wird.
Alle diese Modifikationen liegen im Rahmen einer einfachen Auswahl durch den Fachmann. Die vorstehenden sowie weitere Ausführungsbeispiele sind daher nur darstellend und sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist das optische System gemäß der Erfindung derart angeordnet, daß sich der Einfallswinkel θ des Laserstrahls auf das sich bewegende Objekt oder Fluid in Übereinstimmung mit einer Änderung der Emissionswellenlänge des Laserstrahls ändert, um den Wert von sin θ/λ im wesentlichen konstant zu halten, so daß die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts oder Fluids exakt erfaßt werden kann.
Es ist infolgedessen möglich, einen kompakten und nicht teuren Doppler-Geschwindigkeitsmesser zu erhalten, der eine kleine Halbleiter-Lasereinheit, wie beispielsweise eine Laserdiode, beinhaltet.
Fig. 10A und 10B sind eine vereinfachte, von vorne gesehene Aufsicht und eine vereinfachte, von der Seite gesehene Aufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In diesen Figuren werden dieselben Bezugszeichen verwen det, um zu in Fig. 5 gezeigten Komponenten oder Elementen gleiche Komponenten oder Elemente zu bezeichnen. Wie aus einem Vergleich zwischen den Fig. 10A, 10B und 5 hervorgeht, ist der grundlegende Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers materiell gesehen der gleiche wie der des in Fig. 5 gezeigten erstenäusführungsbeispiels. Die Verbesserung des zweiten Ausführungsbeispiels gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht in einer geänderten Anordnung der Laserdiode 1, der Kollimatorlinse 2 und des reflektiv arbeitenden Streugitters 10. Die Laserdiode 1 und die Kollimatorlinse 2 sind in Fig. 10A weggelassen, während in Fig. 10B die Darstellung der Spiegel 6, 6' weggelassen ist.
Das kennzeichnende Merkmal dieses Ausführungsbeispiels ist gut der Fig. 10B entnehmbar, welche eine von der Seite her gesehene Aufsicht darstellt. Wie aus Fig. 10B hervorgeht, sind die Laserdiode 1 und die Kollimatorlinse 2 an Positionen angeordnet, die gegenüber der Einfallsebene (der Ebene des Zeichnungsblatts der Fig. 10A), welche die Lichtpfade für die in den 1 ersten Ordnung gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 beinhaltet, beabstandet sind. Außerdem ist das Streugitter 10 innerhalb einer Ebene (Z-Y- Ebene) angeordnet, die senkrecht zu sowohl der Einfallsebene (Z-X-Ebene) als auch der Bewegungsrichtung des Objekts 7 (X-Richtung) liegt.
Im einzelnen ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das Streugitter 10 derart geneigt, daß die Richtung der Gitterlinie (der Linie, die der zu der Richtung t der Gitteranordnung senkrechten Nut entspricht) einen Winkel α mit der Richtung (Y-Richtung), die senkrecht zu der Richtung der Bewegung des Objekts ist, bildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Winkel α auf 150 festgelegt.
Andererseits ist das die Laserdiode 1 und die Kollimatorlinse 2 beinhaltende Strahlbeaufschlagungssystem derart angeordnet, daß die optische Achse AX dieses Beleuchtungssystems einen Winkel W mit der zu dem Objekt senkrechten Achse (Z-Richtung) bildet. Der Winkel W wird in derselben Ebene, in der das Streugitter 10 geneigt ist, gebildet, d.h. in der Z-Y-Ebene. In diesem Fall wird der Winkel W auf 28,06º festgelegt.
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 11, ist eine Gitterebene (t-S-Ebene) durch die Richtung t der Anordnung des Gitters und die Richtung 5, in der sich die Gitterlinien g ausbreiten, festgelegt. Wenn ein Laserstrahl mit einem Einfallswinkel θ gegenüber der zu der t-S-Ebene normalen Linie u auf das Streugitter einfällt, wird der zwischen der die Lichtpfade der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung beinhaltenden Ebene gebildete Winkel durch α repräsentiert, während der Doppelsektor des zwischen den gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung gebildete Winkel durch θ&sub1; repräsentiert wird. Dann sind die nachfolgenden Bedingungen erfüllt:
d sin θ&sub1; = λ
(worin d den Abstand des Streugitters und λ die Wellenlänge repräsentieren)
sin λ = cos θ&sub1; sin α
In diesem Ausführungsbeispiel wird, weil die Winkel α und W jeweils 15º und 28,06º betragen, während θ als θ = W - α ausgedrückt wird, der Beugungswinkel θ&sub1; der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung als θ&sub1; = 29º ausgedrückt. Außerdem ist die Einfallsebene, die die Pfade der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung enthält, senkrecht zu dem Objekt 7 und parallel zu der Z-X-Ebene. In diesem Ausführungsbeispiel werden ferner die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung durch das Streugitter 10 mit einem Beugungswinkel θ&sub1;, der im wesentlichen gleich 29º ist, emittiert, und durch die Spie gel mit reflektierenden Oberflächen senkrecht zu der Richtung X der Bewegung des bbjekts 7 reflektiert, um mit einem Einfallswinkel θ&sub1; schräg auf das Objekt 7 aufzutreffen. Die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 bilden Lichtpunkte mit etwa 2 mm Durchmesser, die sich auf dem Objekt 7 überlappen. Der Photodetektor 9 weist einen Lichtempfangsabschnitt 9a mit 0,8 mm Durchmesser auf, auf den der zentrale Abschnitt der sich überlappenden Lichtpunkte mit dem Durchmesser von 0,8 mm durch die Kondensorlinse 8 in realer Größe projiziert wird. Infolgedessen empfängt der Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 effizient das Interferenzlicht, welches durch die gestreuten Lichtstrahlen, die aus den gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 erhalten werden, erzeugt wird, und konvertiert das Interferenzlicht photoelektrisch in ein elektrisches Signal. Der Photodetektor 9 erzeugt daher ein Signal, welches der Dopplerfrequenz F entspricht, die durch Substituieren von n = 1 in Formel (5) zu F = 2V/d erhalten wird, und welches von der Wellenlänge λ unabhängig ist.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Geschwindigkeitsmesser wird der Abstand h zwischen dem Objekt 7 und dem Streugitter 10 zu h = 53,7 mm festgelegt. Demgegenüber kann bei dem Geschwindigkeitsmesser des in Fig. 10A oder 10B gezeigten Ausführungsbeispiels, bei dem das die Laserdiode 1 und die Kollimatorlinse 2 beinhaltende Lichtzufuhrsystem an einer Position außerhalb der Einfallsebene, welche die Pfade der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung beinhaltet, angeordnet ist, der Abstand h zwischen dem Objekt 7 und dem Streugitter 10 auf etwa 32 mm reduziert werden. Eine Änderung der Oszillationsfrequenz der Laserdiode 1 um 1% verursacht etwa 0,5 mm Abweichung jedes Lichtpunkts. Infolgedessen wird der Versatz zweier Lichtpunkte voneinander im Vergleich zu dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel reduziert.
Es wird daher deutlich, daß das zweite Ausführungsbeispiel des in Fig. 10A und 10B gezeigten Geschwindigkeitsmessers eine reduzierte Größe haben und dennoch in der Lage sein kann, die Geschwindigkeit mit einer gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel höheren Erfassungsgenauig keit zu messen.
Fig. 12A und 12B sind eine vereinfachte, von vorne gesehene Aufsicht und eine vereinfachte, von der Seite her gesehene Aufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In diesen Figuren werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um zu in Fig. 5, 11A und 11B gezeigten Komponenten oder Elementen gleiche Komponenten oder Elemente zu bezeichnen. Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 5 und Fig. 12A, 12B hervorgeht, weist das dritte Ausführungsbeispiel des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung einen grundlegenden Aufbau auf, der im wesentlichen gleich dem des in Fig. 5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels ist. Die Verbesserung des dritten Ausführungsbeispiels gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht in einer bestimmten Anordnung der Laserdiode 1, der Kollimatorlinse 2 und dem nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden Streugitter 10. Ein weiter unterschiedlicher Punkt besteht darin, daß das Streugitter 10 in dem dritten Ausführungsbeispiel benachbart zu dem Photodetektor und parallel zu der Oberfläche des Objekts 7 angeordnet ist, während in dem in Fig. 11A, 11B gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel das Streugitter 10 schräg an einer Position oberhalb des Photodetektors 9 installiert ist.
Die Laserdiode 1 und die Kollimatorlinse 2 sind in Fig. 12A weggelassen, während in Fig. 12B die Darstellung der Spiegel 6, 6' fehlt. In Fig. 12B bezeichnet das Bezugszeichen 11 einen Punkt, an dem das gebeugte Licht 61 oder 62 durch die nicht gezeigten Spiegel 6' oder 6 reflektiert wird.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Streugitter 10 im wesentlichen auf derselben Höhe wie der Photodetektor 9 positioniert. Wie vorstehend erklärt, ist das Streugitter 10 im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Objekts 7 angeordnet, und stimmt die Richtung t der Anordnung des Gitters mit der Richtung X der Bewegung des Objekts 7 überein.
Die optische Achse AX des Lichtzufuhrsystems mit der La serdiode 1 und der Kollimatorlinse 2 ist bezüglich der X-Y-Ebene um einen vorbestimmten Winkel β zu den Gitterlinien des Streugitters 10 hin geneigt. Das von der Laserdiode 1 emittierte Laserlicht wird durch die Kollimatorlinse 2 parallel gerichtet und trifft schräg auf das feststehende Streugitter 10 auf. Daher bilden die Emissionsrichtungen der reflektierten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung des Streugitters 10 den vorstehend erwähnten Winkel β zu den Gitterlinien des Streugitters 10 bezüglich der Z-Y-Ebene. Die Einfallsebene, die die Lichtpfade der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung enthält, ist daher zu sowohl dem Streugitter 10 als auch der Oberfläche des Objekts 7 hin geneigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden, wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen, der Gitterabstand d des Gitters 10 bzw. die Wellenlänge λ zu d = 1,6 µm und λ 0,78 µm festgelegt. Die Beugungswinkel der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der 1 ersten Ordnung werden daher zu = 290 festgelegt.
Die durch Reflexion gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 aus dem Streugitter 10 werden jeweils durch die Spiegel 6, 6' mit reflektierenden Oberflächen senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters reflektiert und treffen schräg mit dem Winkel θ&sub1; zu der Z-X-Ebene und mit dem Winkel β zu der X-Y-Ebene auf das Objekt 7 auf. Die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 bilden Lichtpunkte von einigen Millimetern Durchmesser, die sich auf dem Objekt 7 überlappen. Der Photodetektor 9 weist einen Lichtempfangsabschnitt 9a von 0,8 mm Durchmesser auf, auf welchen der zentrale Abschnitt der sich überlappenden Lichtpunkte mit dem Durchmesser von 0,8 mm in realer Größe durch die Kondensorlinse 8 projiziert wird. Infolgedessen empfängt der Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 effizient das Interferenzlicht, welches durch die aus den gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 erhaltenen gestreuten Lichtstrahlen gebildet wird, und konvertiert das Interferenzlicht photoelektrisch in ein elektrisches Signal. Der Photodetektor 9 erzeugt daher ein Signal, welches der Dopplerfrequenz F entspricht, die zu F 2V/d erhalten wird, indem n = 1 in Formel (5) sub stituiert wird, und das unabhängig von der Wellenlänge λ ist.
In diesem Ausführungsbeispiel sind das Licht zuführende optische System mit der Laserdiode 1 und der Kollimatorlinse 2 sowie das optische Erfassungssystem mit der Kondensorlinse 8 und dem Photodetektor 9 an Positionen außerhalb der die Lichtpfade der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 enthaltenden Einfallsebene angeordnet, so daß gegenüber dem in Fig. hA und lib gezeigten Aufbau ein kompakterer Aufbau des Geschwindigkeitsmessers erhalten wird. Beispielsweise kann in diesem Ausführungsbeispiel des Geschwindigkeitsmessers der Abstand h' zwischen dem Streugitter 10 und dem Objekt 7 entlang der die Pfade der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 enthaltenden Einfallsebene auf etwa 23 mm reduziert werden, während der Abstand zwischen dem Streugitter 10 und dem Objekt 7 auf 20 mm oder weniger verkleinert werden kann. Außerdem kann bei dem Geschwindigkeitsmesser gemäß diesem Ausführungsbeispiel die durch eine Abweichung von 1% in der Oszillationsfrequenz der Laserdiode 1 verursachte Abweichung jedes der durch die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 erzeugten Lichtpunkte auf 0,35 mm verkleinert werden.
Fig. 13A und 13B sind eine vereinfachte, von vorne betrachtete Aufsicht und eine vereinfachte, von der Seite betrachtete Aufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In diesen Figuren werden zur Bezeichnung von zu den in den Fig. 5, 10A, 10B, 12A und 12B gezeigten Komponenten und Elementen gleichen Komponenten und Elementen gleiche Bezugszeichen verwendet. In Fig. 13A und 13B bezeichnet das Bezugszeichen 12 einen doppelseitigen Spiegel.
Dieses Ausführungsbeispiel weist gegenüber dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ein zusätzliches Merkmal dahingehend auf, daß die Laserdiode 1, die Kollimatorlinse 2, die Kondensorlinse 8 und der Photodetektor 9 in einer Ebene angeordnet sind, die dank der Verwendung des doppelseitigen Spiegels 12 parallel zu sowohl der Oberfläche des Objekts 7 als auch des Streugitters 10 liegt.
In diesem Ausführungsbeispiel stimmen die Richtung t des Streugitters 10 und die Richtung X der Bewegung des Objekts 7 überein und sind, wie noch zu beschreiben ist, die die Lichtpfade der gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 enthaltenden Einfallsebenen senkrecht zu den Richtungen t und X und der Oberfläche des Objekts 7.
Der doppelseitige Spiegel 12 wird beispielsweise durch Ausbilden reflektierender Schichten von Al auf beiden Seiten eines Glassubstrats hergestellt. Alternativ kann der doppelseitige Spiegel 12 aus einer Platte aus Metall hergestellt werden. Der doppelseitige Spiegel 12 ist derart zwischen dem Objekt 7 und dem Streugitter 10 angeordnet, daß die reflektierenden Oberflächen auf beiden Seiten des doppelseitigen Spiegels 12 45º mit der Oberfläche der Oberfläche des Objekts 7 bilden. Das Licht zuführende Sy stem mit der Laserdiode 1 und der Kollimatorlinse 2 ist derart angeordnet, daß der Laserstrahl so auf die obere reflektierende Fläche des doppelseitigen Spiegels 12 gerichtet wird, daß die optische Achse AX dieses Systems parallel zu den Gitterlinien des Streugitters 10 verläuft. Das Erfassungssystem mit der Kondensorlinse 8 und dem Photodetektor 9 ist derart angeordnet, daß das durch die untere reflektierende Fläche des doppelseitigen Spiegels 12 reflektierte Licht empfangen wird, und daß die optische Achse dieses Systems parallel zu der optischen Achse AX des Licht zuführenden Systems verläuft. Die optische Achse AX der Licht zuführenden Einrichtung wird an der reflektierenden Oberfläche des doppelseitigen Spiegels 12 orthogonal abgelenkt und kreuzt das Streugitter 10 orthogonal. Auch die optische Achse des Erfassungssystems wird an der reflektierenden Fläche des doppelseitigen Spiegels 12 ebenfalls orthogonal abgelenkt und kreuzt die Oberfläche des Objekts 7 orthogonal.
Im Betrieb wird der Laserstrahl aus der Laserdiode 1 durch die Kollimatorlinse 2 parallel gerichtet, so daß der parallel gerichtete Strahl auf eine der reflektierenden Oberflächen des doppelseitigen Spiegels 12 auftrifft. Der durch den Spiegel 12 reflektierte Laserstrahl trifft dann vertikal auf das zu diesem senkrecht stehende, feste Streugitter 10 auf, und wird durch das Streugitter 10 reflektiv gebeugt. Unter den gebeugten Lichtstrahlen vieler Ordnungen werden die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung mit dem Beugungswinkel θ&sub1; von etwa 29º emittiert und jeweils auf die Spiegel 6, 6' gerichtet. Der doppelseitige Spiegel 12 ist derart bemessen und geformt, daß er die Lichtpfade 61, 62 der durch das Streugitter 10 abgeleiteten ± ersten Ordnung nicht unterbricht. Die reflektierenden Oberflächen der Spiegel 6, 6' sind parallel zu der Ebene, die die Richtung X der Bewegung des Objekts 7 und die Richtung t der Anordnung des Gitters des Streu gitters 10 orthogonal kreuzt, angeordnet.
Die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 werden durch die Spiegel 6, 6' reflektiert und fallen mit einem Einfallswinkel θ&sub1; schräg auf das Objekt 7 ein. Die gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 bilden Lichtpunkte von etwa 2 mm Durchmesser, die sich auf dem Objekt 7 überlagern. Der Photodetektor 9 weist einen Lichtempfangsabschnitt 9a auf mit 0,8 mm Durchmesser, auf den der zentrale Abschnitt der sich überlappenden Lichtpunkte mit 0,8 mm Durchmesser durch die Kondensorlinse 8 in realer Größe projiziert wird. Infolgedessen empfängt der Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 effizient das Interferenzlicht, welches durch die aus den aus den gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 erhaltenen gestreuten Lichtstrahlen erleugt wird, und konvertiert das Interferenzlicht photoelektrisch in ein elektrisches Signal. Der Photodetektor 9 erzeugt dadurch ein der Dopplerfrequenz F entsprechendes Signal, welches durch Substituieren von n = 1 in Formel (5) zu F = 2V/d erhalten wird, und welches von der Wellenlänge λ unabhängig ist.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Laserdiode, die Kollimatorlinse 2, die Kondensorlinse 8 und der Photodetektor 9 außerhalb der Einfallsebene angeordnet, die die Lichtpfade beider gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 enthält, so daß diese Elemente in einer Ebene angeordnet sind, die dank der Bereitstellung des doppelseitigen Spiegels 12, der schräg zwischen dem Streugitter 10 und dem Objekt 7 angeordnet ist, im wesentlichen parallel zu sowohl dem Streugitter 10 als auch dem Objekt 7 liegt. Dieses Ausführungsbeispiel stellt daher einen Geschwindigkeitsmesser bereit, der Vergleich zu dem in Fig. 10A und 10B gezeigten Ausführungsbeispiel noch immer kompakt ist. In der Tat macht es dieses Ausführungsbeispiel möglich, den Abstand h zwischen dem Streugitter 10 und dem Objekt 7 auf etwa 20 mm zu reduzieren, während ebenfalls die durch die gebeug ten Lichtstrahlen 61, 62 in Antwort auf eine Änderung von 1% der Laserdioden-Oszillationsfrequenz erzeugte Abweichung jedes der Lichtpunkte auf etwa 0,3 mm reduziert wird.
In den vorstehend beschriebenen zweiten bis vierten Ausführungsbeispielen werden die gebeugten Lichtstrahlen der ± ersten Ordnung als ein Paar der auf das Objekt 7 zu richtenden gebeugten Lichtstrahlen verwendet. Dies ist jedoch nur veranschaulichend, und die Erfindung schließt die Verwendung eines Paares von gebeugten Lichtstrahlen derselben Ordnung mit entgegengesetzten Graden wie beispielsweise ± zweiten Ordnungen oder 1 dritten Ordnungen sowie eine Kombination zweier gebeugter Lichtstrahlen unterschiedlicher Ordnungen nicht aus.
In den beschriebenen zweiten bis vierten Ausführungsbeispielen stimmt die Richtung t der Anordnung des Streugitters 10 mit der Richtung X der Bewegung des Objekts 7 überein. Dies ist jedoch nur veranschaulichend, so daß das Streugitter 10 derart geneigt werden kann, daß die Rich tung t der Anordnung des Gitters bezüglich der Z-X-Ebene, d.h. der Einfallsebene, die die Lichtpfade des Paares gebeugter Lichtstrahlen enthält, zu der Bewegungsrichtung X hin geneigt ist. Alternativ kann die Anordnung derart sein, daß das parallel ausgerichtete Licht aus dem Licht zuführenden System 10 bezüglich der Einfallsebene schräg auf das Streugitter 10 auftrifft. Trotzdem wird eine genaue Messung der Geschwindigkeit durch eine Anordnung derart möglich gemacht, daß das Paar gebeugter Lichtstrahlen auf im wesentlichen demselben Punkt auf dem Objekt 7 auftrifft, mit einem Kreuzungswinkel, der im wesentlichen gleich dem zwischen diesen beiden gebeugten Lichtstrahlen gebildeten Winkel ist, wenn diese Lichtstrahlen von dem Streugitter 10 emittiert werden.
Im allgemeinen wird dann, wenn ein Licht mit einer starken Neigung zur Interferenz, wie beispielsweise ein Laserstrahl, auf ein Objekt gerichtet wird, das Licht durch feine Konvexitäten und Konkavitäten gestreut, dadurch auf zufällige Art und Weise phasenmoduliert, und bildet ein als sogenanntes Fleckenmuster bezeichnetes Punktmuster auf einer Beobachtungsfläche wie beispielsweise einer Lichtempfangsfläche auf dem Photodetektor 9.
Daher wird bei einem gewöhnlichen Doppler-Geschwindigkeitsmesser dann, wenn sich das Objekt oder das Fluid be wegt, eine Änderung der Helligkeit des Interferenzlichts, die durch eine Dopplerverschiebung verursacht wird, durch eine unregelmäßige Änderung der Helligkeit, die durch einen Fluß des Fleckenmusters verursacht wird, moduliert. Das Ausgangssignal des Photodetektors 9 wird ebenfalls durch eine Änderung der Durchlässigkeit bzw. Transmittanz (oder der Reflektivität) des Objekts moduliert. Die Frequenz der Änderung der Helligkeit, die durch den Fluß des Fleckenmusters verursacht wird, und die Änderung der Frequenz der Durchlässigkeit (oder der Reflektivität) des Objekts sind im Vergleich zu der durch die Formel (4) ausgedrückten Dopplerfrequenz sehr niedrig. Es ist daher eine übliche Maßnahme, das Ausgangssignal des Photodetektors durch ein Hochpaßfilter zu leiten, um die niederfrequenten Komponenten elektrisch zu entfernen und auf diese Art und Weise nur das Dopplerfrequenzsignal aufzunehmen.
Wenn die Geschwindigkeit der Bewegung des Objekts sehr gering ist, besteht nur ein geringer Unterschied zwischen der Dopplerfrequenz und den zu entfernenden niederfrequenten Komponenten, so daß es nicht möglich ist, ein Hochpaß filter zu verwenden. In einem solchen Fall ist es nicht möglich, die Geschwindigkeit des Objekts zu messen. Im allgemeinen kann ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser theoretisch die Bewegungsrichtung (der Richtung der Bewegung des Objekts) nicht unterscheiden. Dies beschränkt in unerwünschter Art und Weise den Einsatz des Geschwindigkeitsmessers.
Erfindungsgemäße Geschwindigkeitsmesser, die nachstehend beschrieben werden, sind in der Lage, dieses Problem zu beseitigen, während sie dieselben Vorteile bieten, wie sie auch durch die vorangehenden Ausführungsbeispiele bereitgestellt werden.
Fig. 14, die aus Vereinfachungsgründen wieder auf ein durchlässiges Gitter Bezug nimmt, zeigt vereinfacht die Art und Weise, in der eine Frequenzmodulation durch Bewegen des Streugitters durchgeführt wird. Das Streugitter 10 mit einem Gitterabstand d bewegt sich mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit von rechts nach links, wie in Fig. 14 dargestellt. wenn der Laserstrahl 1 auf das sich bewegende Streugitter 10 auftrifft, werden die gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 der In-ten Ordnungen um einen durch ±Vg/nd ausgedrückten Betrag positiv und negativ Dopplerverschoben. Der Beugungswinkel θn der gebeugten Lichtstrahlen 51 und 52 erfüllen die folgende Bedingung (8):
sin θn = λ/nd ...(8)
worin λ die Wellenlänge des Lichts repräsentiert.
wenn die gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 der In-ten Ordnungen über die Spiegel 6, 6' derart auf das sich mit der Geschwindigkeit V bewegende Objekt 7 gerichtet werden, daß jeder der gebeugten Lichtstrahlen einen Einfallswinkel θn aufweist, wird der gebeugte Lichtstrahl 51 der +n-ten Ordnung um den Betrag von (Vg + V)/nd Doppler-verschoben, während der gebeugte Lichtstrahl 52 der -n-ten Ordnung um den Betrag von (Vg + V)/nd Doppler-verschoben wird. In diesem Fall ist daher die Dopplerfrequenz F durch die nachstehende Formel (9) gegeben:
F = 2(Vg + V)/nd ...(9)
Es ist daher möglich, eine Dopplerfrequenz zu erhalten, die unabhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls ist.
Wie der Formel (9) entnehmbar ist, ist es dank der Bewe gung des Streugitters 10 mit der Geschwindigkeit Vg möglich, die Dopplerfrequenz F mit einem wert zu erhalten, der einen großen Unterschied zwischen der Dopplerfrequenz und den durch eine Änderung im Fleckenmuster oder der Durchlässigkeit (oder Reflektivität) des Objekts verur sachten niederfrequenten Komponenten bereitstellt. Es ist daher möglich, am Ausgang des Photodetektors durch Eliminieren der niederfrequenten Komponenten des Ausgangssignals mittels eines Hochpaßfilters nur das Dopplersignal abzugreifen und auf diese Art und Weise die Geschwindigkeitsmessung auch dann zu ermöglichen, wenn die Geschwindigkeit gering ist. Die Geschwindigkeit Vg der Bewegung des Streugitters 10 kann auf geeignete Art und weise unter Berücksichtigung von Faktoren wie beispielsweise der Geschwindigkeit des Objekts, der Frequenzcharakteristiken des Hochpaßfilters usw. festgelegt werden.
Gemäß der in Fig. 14 dargestellten Erklärung wird das Streugitter 10 von rechts nach links bewegt, wie in dieser
Figur dargestellt. Dies jedoch ist nicht ausschließlich, so daß das Streugitter 10 von links nach rechts bewegt werden kann, wie in dieser Figur dargestellt. Die Bewegung des Streugitters in einer solchen Richtung wird dann be wirkt, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit V des Objekts sehr hoch ist. Eine sehr hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts 7 erzeugt eine sehr hohe Dopplerfrequenz F mit dem Ergebnis, daß die Frequenz des Ausgangssignals aus dem Photodetektor entsprechend hoch wird. Es ist daher erfor derlich, daß die Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Photodetektors 9 überragende Frequenzantwortcharakteristiken aufweist. In einem solchen Fall wird das Streugitter 10 wie in Fig. 5 dargestellt von links nach rechts bewegt, so daß sich die Ge schwindigkeit Vg in Formel (9) auf -Vg ändert, und infolgedessen der auf die Schaltung wirkende Lastpegel reduziert wird.
Fig. 15A und 15B zeigen die Zusammenhänge zwischen der Geschwindigkeit V des Objekts und der Dopplerfrequenz. Im einzelnen zeigt Fig. 15(A) die Zusammenhänge, wie sie erhalten werden, wenn das Streugitter feststeht, während Fig. 15(B) den Zusammenhang zeigt, der erhalten wird, wenn das Streugitter in Übereinstimmung mit der Anordnung gemäß Fig. 14 mit einer Geschwindigkeit Vg bewegt wird. Wie den Fig. 15A und 15B entnehmbar ist, ist die Frequenz F&sub1;&sub1; die erfaßt wird, wenn das Streugitter feststeht, eine Funktion der beiden Geschwindigkeiten V&sub1; und -V&sub1; unterschiedlicher Richtungen, so daß es unmöglich ist, die Richtung der Bewegung des Objekts zu unterscheiden. Demgegenüber wird dann, wenn das Streugitter bewegt wird, eine DoppLerfrequenz F, die durch F = Fg + F&sub1; ausgedrückt wird, für eine Geschwindigkeit V&sub1; erhalten, während eine Dopplerfrequenz F, die durch F = Fg - F&sub1; ausgedrückt wird, für eine Geschwindigkeit -V&sub1; erhalten wird, wodurch somit nicht nur die Erfassung der Geschwindigkeit, sondern gleichzeitig auch die der Richtung der Bewegung des Objekts ermöglicht wird.
Wie beschrieben wurde, kann der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung eine Funktion zum Unterscheiden der Richtung der Bewegung des Objekts aufweisen.
Fig. 16 zeigt vereinfacht ein fünftes Ausführungsbeispiel des Geschwindigkeitsmessers in Übereinstimmung mit der Erfindung, der eine Funktion zum Unterscheiden der Richtung der Bewegung des Objekts aufweist. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um Komponenten zu bezeichnen, die gleich solchen in der das erste Ausführungsbeispiel zeigenden Fig. 5 sind.
Das Bezugszeichen 11 zeigt einen Zylinder, bei dem auf der inneren Umfangsfläche ein Streugitter 10 mit einem Gitterabstand d von 1,6 µm ausgebildet ist. Das Streugitter 10 arbeitet reflektierend und weist Gitterlinien (Nuten) auf, die sich in einer Richtung senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters, d.h. in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene der Fig. 16, erstrecken. Das Streugitter 10 kann dadurch erzeugt werden, daß periodisch reflektierende Schichten von A, Au oder dergleichen angeordnet werden, oder daß Nuten periodisch entlang der Seitenfläche des den Zylinder 11 bildenden Elements ausgebildet werden.
Auf diese Art und Weise kann das Streugitter 10 in diesem Ausführungsbeispiel wie bei anderen Ausführungsbeispielen vom Amplitudentyp oder vom Phasentyp (Relieftyp) sein. Der Zylinder 11 ist an der Antriebswelle (Rotorwelle) 11a eines Motors befestigt, so daß der Zylinder 11 mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit in Drehung versetzt wird, wenn der Motor arbeitet, wodurch das Streugitter 10, welches an der Umfangswand des Zylinders 11 ausgebildet ist, mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit Vg bewegt wird. Die Richtung der Bewegung des Streugitters 10 stimmt mit der Richtung t der Anordnung des Gitters überein. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Zylinder 11 im Uhrzeigersinn in Drehung versetzt, so daß das Streugitter 10 an einem Punkt A von rechts nach links, d.h. in der zu der Bewegung des Objekts 7 entgegengesetzten Richtung, bewegt wird. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Rahmen, in welchen verschiedene Komponenten und Elemente eingebaut sind.
Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt als den Laser 1 eine Laserdiode, die in der Lage ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ von 0,78 µm zu emittieren, um einen kompakten Aufbau zu verwirklichen. Der Laser 1 kann ein Einzelmodus-Laser oder ein Mehrfachmodus-Laser sein.
Im Betrieb wird der Laserstrahl aus der Laserdiode 1 durch die Kollimatorlinse 2 parallel gerichtet, und trifft der parallel gerichtete Strahl mit etwa 2 mm Durchmesser in einer Richtung senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters auf das reflektierende Streugitter 10 auf. Die gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 der ± ersten Ordnung werden von dem Streugitter 10 mit einem Winkel θ&sub1; von etwa 29º emittiert und jeweils auf die Spiegel 6, 6' gerichtet, welche reflektierende Oberflächen senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters aufweisen, und werden durch diese Spiegel derart reflektiert, daß sie mit einem Einfallswinkel 61 auf das Objekt 7 auftreffen. Die gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 bilden Lichtpunkte mit etwa 2 mm Durchmesser, die sich auf dem Objekt 7 überlappen. Der Photodetektor 9 weist einen Lichtempfangsabschnitt 9a von 0,8 mm Durchmesser auf, auf den der zentrale Abschnitt der sich überlappenden Lichtpunkte mit einem Durchmesser von 0,8 mm durch die Kondensorlinse 8 in realer Größe projiziert wird. Infolgedessen empfängt der Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 effizient das Interferenzlicht, welches durch die gestreuten Lichtstrahlen erzeugt wird, die aus den gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 erhalten werden, und konvertiert das Interferenzlicht photoelektrisch in ein elektrisches Signal. Der Photodetektor 9 erzeugt dann ein Ausgangssignal, welches der Dopplerfrequenz entspricht, welches unabhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls ist und welches in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit Vg des Streugitters und der Bewegungsgeschwindigkeit V des Objekts 7 gemäß der nachstehenden, von Formel (9) durch Festlegen der Ordnungsnummer n auf n = 1 abgeleiteten Formel (10) ermittelt wird. Da die Bewegungsgeschwindigkeit Vg des Streugitters konstant ist, ist es möglich, die Geschwindigkeit V gemäß der nachstehenden Gleichung (11) zu messen:
F = 2 (Vg + V)/d ...(10)
V = F (d/2) - Vg ...(11)
Die Messung der Geschwindigkeit V des Objekts 7 wird auf die nachstehend gezeigte Art und Weise durchgeführt.
Wie in Fig. 18 gezeigt, wird das Ausgangssignal aus dem Photodetektor 9 durch einen Verstärker 91 verstärkt, und wird das verstärkte Signal an eine Verarbeitungsschaltung 93 ausgegeben. Die Verarbeitungsschaltung 93 führt die Verarbeitung entsprechend der Gleichung (11) durch und liefert eine Spannung, die der Geschwindigkeit V des Objekts entspricht.
In diesem Ausführungsbeispiel trifft der Laserstrahl in einer Richtung senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters auf das Streugitter 10 auf. Wie jedoch vorstehend ausgeführt wurde, zeigt die Genauigkeit der Erfassung der Geschwindigkeit des Objekts 7 eine irgendwie geartete Abhängigkeit von dem Einfallswinkel des Laserstrahls 1. Darüber hinaus beeinflußt eine irgendwie geartete Fluktuation der Wellenlänge des Laserstrahls die Erfassung der Geschwindigkeit des Objekts 7 auch dann nicht wesentlich, wenn das Streugitter 10 geneigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann daher die Position des Licht zuführenden Systems einschließlich der Laserdiode 1 und der Kollimatorlinse 2 relativ zu dem Streugitter 10 geändert werden.
Fig. 17 zeigt vereinfacht ein sechstes Ausführungsbeispiel des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung mit einer Funktion zum Unterscheiden der Bewegungsrichtung des Objekts. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um zu den in Fig. 5 und 16 erscheinenden Komponenten gleiche Komponenten zu bezeichnen. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Scheibe, bei der ein radiales Streugitter 10 mit einem Gitterabstand d von 1,6 µm auf deren umfänglichen Endabschnitt ausgebildet ist. Das Streugitter 10 in diesem Ausführungsbeispiel kann wie in dem Fall des in Fig. 16 gezeigten Ausführungsbeispiels von einem beliebigen gewünschten Typ sein. Die Scheibe 11 ist an der Antriebswelle (Rotorwelle) 12a eines Motors befestigt, so daß der Zylinder 11 mit einer konstanten Geschwindigkeit in Drehung versetzt wird, wenn der Motor arbeitet, wodurch das auf der Umfangswand des Zylinders 11 ausgebildete Streugitter 10 mit einer konstanten Geschwindigkeit Vg bewegt wird. Die Richtung der Bewegung des Streugitters 10 stimmt mit der Richtung der Anordnung t des Gitters überein. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Zylinder 11 im Uhrzeigersinn in Drehung versetzt, so daß das Streugitter 10 an einem Punkt B von rechts nach links, d.h. in der zu der Bewequng des Objekts 7 entgegengesetzten Richtung, bewegt wird. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Rahmen, in den verschiedene Komponenten und Elemente eingeschlossen sind.
Dieses Ausführungsbeispiel beinhaltet als den Laser 1 eine Laserdiode, obwohl wie in den Fällen anderer Ausführungsbeispiele verschiedene andere Typen von Lasern verwendet werden können.
In Betrieb wird der Laserstrahl aus der Laserdiode 1 durch die Kollimatorlinse 2 parallel gerichtet, und trifft der parallel gerichtete Strahl von etwa 2 mm Durchmesser in einer Richtung senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters auf das reflektierende Streugitter 10 auf. Die gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 der ± ersten Ordnung werden von dem Streugitter 10 mit einem Winkel θ von etwa 29º emittiert und jeweils auf die Spiegel 6, 6' gerichtet, welche reflektierende Oberflächen senkrecht zu der Richtung t der Anordnung des Gitters aufweisen, und werden durch diese Spiegel derart reflektiert, daß sie mit einem Einfallswinkel θ&sub1; auf das Objekt 7, welches beispielsweise aus Papier besteht, auftreffen. Die gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 bilden Lichtpunkte mit etwa 2 mm Durchmesser, die sich auf dem Objekt 7 überlappen. Der Photodetektor 9 weist einen Lichtempfangsabschnitt 9a von 0,8 mm Durchmesser auf, auf den der zentrale Abschnitt der sich überlappenden Lichtpunkte mit einem Durchmesser von 0,8 mm durch die Kondensorlinse 8 in realer Größe projiziert wird. Infolgedessen empfängt der Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 effizient das Interferenzlicht, welches durch die gestreuten Lichtstrahlen erzeugt wird, die aus den gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 erhalten werden, und konvertiert das Interferenzlicht photoelektrisch in ein elektrisches Signal. Der Photodetektor 9 erzeugt dann ein Ausgangssignal, welches der Dopplerfrequenz entspricht, welches unabhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls ist und welches in Übereinstimmung mit der Formel (10) ermittelt wird. Sodann wird, wie in Fig. 18 gezeigt, das Ausgangssignal des Photodetektors 9 durch einen Verstärker 91 und ein Hochpaßfilter 92 an eine Verarbeitungsschaltung 93 ausgegeben, so daß ein der Geschwindigkeit V der Bewegung des Objekts 7 entsprechendes Spannungssignal von der Verarbeitungsschaltung 93 abgeleitet wird.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das Streugitter 10 radiale Beugungslinien auf, so daß die gebeugten Lichtstrahlen 51, 52 der 1 ersten Ordnung einen ovalen Querschnitt aufweisen. Eine derartige Deformation des Strahlquerschnitts kann jedoch vermieden werden, wenn die Scheibe 11 einen Durchmesser hat, der groß genug ist, um zu ermöglichen, daß die Gitterlinien als materiell gesehen parallel zueinander verlaufend betrachtet werden können.
In den in Fig. 16 und 17 gezeigten Ausführungsbeispielen bewegt sich das Objekt 7, wie in diesen Figuren dargestellt, unidirektional von links nach rechts, und sind die optischen Systeme derart angeordnet, daß die Frequenz des Ausgangssignals des Photodetektors 9 in Übereinstimmung mit der Bewegung des Objekts allmählich zunimmt. Dies jedoch dient nur der Veranschaulichung, so daß das optische System in jedem dieser Ausführungsbeispiele derart angeordnet sein kann, daß sowohl die Bewegungsgeschwindigkeit als auch die Bewegungsrichtung erfaßt werden kann, wenn das Objekt in zwei entgegengesetzte Richtungen bewegbar ist. Es ist ferner ebenfalls möglich, das optische System derart anzuordnen, daß die Frequenz des Ausgangssignals aus dem Photodetektor 9 in Antwort auf die Bewegung des Objekts abgesenkt wird. Infolgedessen wird das Streugitter in jedem der in Fig. 16 und 17 gezeigten Ausführungsbeispiele bewegt. Faktoren wie der Gitterabstand, die Bewegungsgeschwindigkeit und die Bewegungsrichtung des Streugitters werden unter Berücksichtigung der zu erzielenden Wirkung oder Genauigkeit festgelegt.
Das Paar von reflektiv gebeugten Lichtstrahlen der ± ersten Ordnung, welches in dem fünften und dem sechsten Ausführungsbeispiel durch das Streugitter 10 erzeugt und dem Objekt 7 zugeführt wurde, kann durch andere Arten der Kombination gebeugter Lichtstrahlen wie beispielsweise durch ein Paar transmittiv gebeugter Lichtstrahlen, die durch das Streugitter gebeugt werden, durch das Streugitter erzeugte gebeugte Lichtstrahlen der 1 zweiten Ordnung, oder durch das Streugitter erzeugte gebeugte Lichtstrahlen der ± dritten Ordnung substituiert werden. Es ist infolgedessen unschwer möglich, verschiedenartige Bauformen des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers auszubilden.
Wie der vorstehenden Beschreibung entnehmbar ist, ist es möglich, die Geschwindigkeit der Bewegung eines Objekts oder die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Fluids ungeachtet einer irgendwie gearteten Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls genau zu erfassen. Es ist darüber hinaus möglich, eine An.prdnung derart zu treffen, daß der Photodetektor ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz höher oder niedriger liegt als eine vorbestimmte Frequenz. Darüber hinaus kann der Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung derart aufgebaut sein, daß nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Richtung der Bewegung eines Objekts erfaßt wird.
Da der Geschwindigkeitsmesser derart angeordnet werden kann, daß der Photodetektor ein Ausgangssignal mit einer Frequenz erzeugt, die höher ist als eine vorbestimmte Frequenz, ist die Erfassung der Geschwindigkeit auch dann möglich, wenn die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts sehr gering ist, wodurch der Meßbereich des Geschwindigkeitsmessers beträchtlich verbreitert werden kann. Daher wird die Erfassung der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts auch dann möglich gemacht, wenn die Bewegung des Objekts gerade eben begonnen hat oder die Bewegung angehalten werden wird. Der Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung ist daher auch als Längenmeßeinrichtung zum Auffinden bzw. Feststellen der Lage eines Objekts verwendbar.
Fig. 19 ist eine vereinfachte Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um Komponenten oder Elemente zu bezeichnen, die gleich Komponenten oder Elementen des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 sind. Das siebte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß anstelle der in Fig. 5 gezeigten Spiegel 6, 6' transmittive bzw. durchlässige Streugitter 191, 192 verwendet werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird auf das reflektiv arbeitende Streugitter 10 als "erstes Streugitter 10" Bezug genommen, während die Streugitter 191 und 192 als "zweites Streugitter 192" bzw. "drittes Streugitter 193" bezeichnet werden.
Die Lichtempfangsflächen des ersten, zweiten und dritten Streugitters liegen parallel zueinander, und Achsen, die senkrecht zu diesen Lichtempfangsflächen verlaufen, sind parallel zu den optischen Achsen der Kollimatorlinse 2 und der Linse 8. Die Richtungen der Anordnungen von Gittern des zweiten und dritten Streugitters 191, 192 sind gleich denjenigen des ersten Streugitters 10, und sämtliche der ersten bis dritten Streugitter weisen einen gleichen Gitterabstand auf, der durch d = 1,6 µm repräsentiert wird.
Darüber hinaus sind die ersten bis dritten Streugitter derart angeordnet, daß der Abstand zwischen den Lichtempfangsflächen des ersten Streugitters 10 und des zweiten Streugitters 191 gleich dem Abstand zwischen den Lichtempfangsflächen des dritten Streugitters 193 und des Objekts sind. Das zweite und das dritte Streugitter 191 und 192 sind Relief-Streugitter.
Im Betrieb wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die im wesentlichen gleich 0,78 µm ist, durch die Kollimatorlinse 2 in einen parallel gerichteten Strahl 3 mit einem Durchmesser von etwa 2 mm parallel gerichtet. Der parallel gerichtete Strahl trifft im wesentlichen senkrecht zu der Lichtempfängsfläche des Streugitters 10 auf das erste Streugitter 10 auf. Das erste Streugitter 10 reflektiert und beugt den einfallenden parallel gerichteten Strahl 3. Demzufolge emittiert das erste Streugitter 10 gebeugte Lichtstrahlen 61, 62 der ± ersten Ordnung mit einem Beugungsvinkel θn, der im wesentlichen gleich 29º ist. Diese gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 werden dem zweiten Streugitter 191 zugeführt. Die Anordnung ist derart, daß ein gebeugter Lichtstrahl 72 der Ordnung -1, der aus dem Lichtstrahl 62 erhalten wird, und ein gebeugter Lichtstrahl 71 der Ordnung +1, der aus dem Lichtstrahl 61 erhalten wird, von dem zweiten Streugitter 191 parallel zueinander sowie auch parallel zu dem parallel gerichteten Strahl 3, d.h. der optischen Achse, emittiert werden. Diese gebeugten Lichtstrahlen 71 und 72 werden auf das durchlässige Streugitter 192 gerichtet. Die Anordnung ist derart, daß ein gebeugter, parallel gerichteter Lichtstrahl 82 der Ordnung -1, der aus dem gebeugten, parallel gerich teten Lichtstrahl 72 erhalten wird, und ein gebeugter, parallel gerichteter Lichtstrahl 81 der Ordnung +1, der aus dem gebeugten, parallel gerichteten Lichtstrahl 71 erhalten wird, von dem durchlässigen Streugitter 192 emittiert werden. Diese gebeugten Lichtstrahlen 81 und 82 werden in Richtung des Objekts 7 gerichtet und mit dem Einfallswinkel θn zum Einfallen auf das Objekt 7 gebracht, wobei Lichtpunkte mit 2 mm Durchmesser auf dem Objekt erzeugt werden. Sodann ermittelt, wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben, bei Empfang des durch den Photodetek tor 9 reflektierten und gestreuten Lichts der Photodetektor 9 die Dopplerfrequenz F dadurch, daß n = 1 in Formel (5) substituiert wird:
F = 2V/d ...(12)
Wenn die Emissionswellenlänge λ der Laserdiode 1 geändert wird, ändert sich der Winkel θn aufgrund der Beziehung d sin θn = λ. Dennoch bleiben die Positionen der durch die gebeugten Lichtstrahlen 81 und 82 erzeugten Lichtpunkte unverändert. Darüber hinaus überlappen sich diese beiden Lichtpunkte immer, weil der Abstand zwischen dem reflektierenden Streugitter 10 und dem durchlässigen Streugitter 191 gleich dem Abstand zwischen dem durchlässigen Streugitter 192 und dem Objekt 7 gemacht wurde.
Fig. 20 zeigt eine Anordnung, bei der das erste, das zweite und das dritte Streugitter 10, 191 und 195 parallel zueinander angeordnet sind, mit einem Laserstrahl 1, der mit einem Einfallswinkel θi auf das erste Streugitter 10 einfällt. Aus Gründen der Vereinfachung der Figuren geht die Beschreibung in Verbindung mit Fig. 20 und Fig. 21, die später beschrieben wird, von der Annahme aus, daß das erste Streugitter 10 durchlässig bzw. transmittiv ist. Auch hier gelten die erklärten Prinzipien dann, wenn ein reflektierendes Streugitter eingesetzt wird.
Die Winkel θ&sub1; und θ&sub2;, mit welchen die transmittiv gebeugten Lichtstrahlen 61 und 62 der Ordnungen +1 und -1 durch das erste Streugitter 10 emittiert werden, werden - wenn diese Winkel in positiven Werten ausgedrückt werden - durch die nachstehenden Formeln (13) ausgedrückt:
sin θ&sub1; = λ/d + sin θi
sin θ&sub2; = λ/d - sin θi ...(13)
Bei Empfang der gebeugten Lichtstrahlen 61 und 62 emittiert das zweite Streugitter 191 parallele gebeugte Lichtstrahlen 71 und 72 mit einem Winkel θi und werden diese Lichtstrahlen 71, 72 in dem dritten Streugitter 192 weiter gebeugt, wodurch gebeugte Lichtstrahlen 81 und 82 erhalten werden. Diese Lichtstrahlen 81 und 82 treffen mit Winkeln 61 bzw. 62 auf das Objekt 7 auf. Die durch die aus diesen gebeugten Lichtstrahlen 81 und 82 erhaltenen gestreuten Lichtstrahlen erzeugte Dopplerfrequenz F' ist durch die nachstehende Formel (14) gegeben:
Aus den Formeln (13) und (14) wird die Dopplerfrequenz F' wie folgt ermittelt:
F' = 2V/d ...15)
Diese Frequenz ist dieselbe wie die Frequenz des senkrecht auf das erste Streugitter 10 auftreffenden Laserstrahls (sh. Formel (12)). Es wird daher deutlich, daß die Dopplerfrequenz nicht von dem Einfallswinkel θi des Laserstrahls abhängt. Die Positionen der Lichtpunkte 81 und 82 ändern sich auch dann nicht, wenn sich die Emissionswellenlänge λ der Laserdiode 1 ändert. Infolgedessen wird der überlappende Zustand der beiden Lichtpunkte auf dem Objekt 7 gleichbleibend aufrecht erhalten, wenn der Abstand zwischen den Lichtempfangsflächen des ersten Streugitters 10 und des zweiten Streugitters 191 gleich dem Abstand zwischen der Lichtempfangsfläche des dritten Streugitters 192 und dem Objekt 7 gehalten wird.
In Fig. 21 wird das erste Streugitter 10 derart gehalten, daß seine Lichtempfangsfläche parallel zu dem Objekt 7 liegt, während das zweite und das dritte Streugitter 191 und 192 derart angeordnet werden, daß ihre Lichtempfangsflächen in einem Winkel θj gegenüber den Flächen parallel zu der Lichtempfangsfläche des ersten Streugitters 10 geneigt sind. Infolgedessen sind die Lichtempfangsflächen des zweiten und des dritten Streugitters 191, 192 parallel zueinander. Wird der Neigungswinkel der gebeugten Strahlen 71 und 72 gegenüber der optischen Achse durch θ dargestellt, erfüllen diese gebeugten Lichtstrahlen die nachstehende Bedingung gemäß Formel (16) und breiten sich ent lang den wechselweise parallelen Lichtpfaden zu dem dritten Streugitter 192 hin aus. Schließlich treffen die gebeugten Lichtstrahlen 71 und 72 mit einem Einfallswinkel θn auf das Objekt 7 auf. Infolgedessen ist die in diesem Fall erhaltenen Dopplerfrequenz F gleich der Dopplerfrequenz, die aus der Formel (12) abgeleitet wird. Es wird daher deutlich, daß die Positionen der Lichtpunkte auf dem Objekt 7 unabhängig von der Neigung der Lichtempfangsflächen des zweiten und dritten Streugitters 191 und 192 relativ zu den gebeugten Lichtstrahlen 61, 62 der Ordnung ± 1 unverändert beibehalten werden, vorausgesetzt, daß diese Lichtempfangsflächen parallel zueinander sind.
Die in Fig. 19 bis 21 gezeigten Geschwindigkeitsmesser machen Gebrauch von den gebeugten Lichtstrahlen der Ordnung ± 1. Dies jedoch ist nur veranschaulichend, so daß die in diesen Figuren gezeigten Geschwindigkeitsmesser derart aufgebaut werden können, daß sie die gebeugten Lichtstrahlen der Ordnungen 11 oder 12 nutzen können. Ferner ist es möglich, eine Anordnung derart vorzusehen, daß der Photodetektor 9 durch die Linse 8 die von dem Objekt übermit telten und reflektierten Lichtstrahlen empfängt, obwohl die in Fig. 19, 20 und 21 gezeigten Geschwindigkeitsmesser so angeordnet sind, daß sie die von dem Objekt 7 reflektierten und gestreuten Lichtstrahlen empfangen.
In dem in Fig. 19 gezeigten Ausführungsbeispiel können das zweite und das dritte Streugitter 191 und 192 auf unabhängigen Substraten bereitgestellt sein. Es empfiehlt sich jedoch, das zweite und das dritte Streugitter 191 und 192 auf oberen und unteren Flächen des aus Plastik bestehenden Substrats auszubilden, so daß diese Streugitter 191, 192 auf einfache Art und Weise in Beziehung zueinander gesetzt werden können.
In den in Fig. 19 bis 21 gezeigten Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Dopplerfrequenz zu erfassen, ohne durch eine irgendwie geartete Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls beeinflußt zu werden, während die Abweichung der beiden auf dem Objekt erzeugten Lichtpunkte dank des Vorhandenseins einer Vielzahl von Streugittern unterdrückt wird. Es ist daher möglich, einen hochgenauen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser zu erhalten, der in der Lage ist, die Geschwindigkeit mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu erfassen.
Darüber hinaus wird die Konstruktion in schätzenswerter Art und Weise vereinfacht, weil die Punkte, auf welche zwei Strahlen gerichtet werden, durch eine Vielzahl variabler Faktoren, so z.B. zumindest durch den Aufbau und die Positionen dreier Streugitter, festgelegt werden kann.
Fig. 22 ist eine vereinfachte Darstellung eines Beispiels eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers, der zum Messen einer Fluidgeschwindigkeit ausgelegt ist. In dieser Figur werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um Komponenten zu bezeichnen, die gleich in dem in Fig. 5 gezeigten Geschwindigkeitsmesser verwendeten Komponenten sind. In diesem Beispiel ist daher das Objekt 7 ein sich mit einer Geschwindigkeit V bewegendes Fluid, während das mit 10 bezeichnete Streugitter ein Gitter ist, welches in der Lage ist, durchgelassene gebeugte Lichtstrahlen zu erzeugen.
Das Streugitter 10 wird nachstehend als "erstes Streugitter 10" bezeichnet. Die Bezugszeichen 171 und 172 bezeichnen zweite Streugitter, während das Bezugszeichen 173 eine Kondensorlinse 173 bezeichnet. Das erste Streugitter 10 und die zweiten Streugitter 171 und 172 weisen denselben Gitterabstand und dieselbe Richtung der Anordnung des Gitters auf. Das erste und die zweiten Streugitter 10, 171, 172 sind derart angeordnet, daß Achsen senkrecht zu den Lichtempfangsflächen des ersten, zweiten und dritten Streugitters 10, 171 und 712 parallel zu den optischen Achsen der Linsen 2, 8 und 173 sind. Der Abstand 1 zwischen der Lichtempfangsfläche des ersten Streugitters 10 und denjenigen der zweiten Streugitter 171, 172 entlang der vorstehend erwähnten optischen Achse sowie der Abstand zwischen der Linse 173 und dem Objekt 7 sind gleich der Brennweite f&sub1; der Linse 173. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Positionen des ersten und der zweiten Streugitter 10, 171, 172 so festgelegt, daß sie die Bedingung 1 f erfüllen. Dies jedoch ist nicht ausschließlich, so daß die Positionen der Streugitter so festgelegt werden können, daß sie die Bedingung 1 = f nicht erfüllen.
Der von der Laserdiode 1 emittierte Laserstrahl wird durch die Kollimatorlinse 2 in einen parallelen Lichtstrahl 3 parallel gerichtet, der senkrecht auf die Lichtempfangsfläche des Streugitters 10 auftrifft. Das Streugitter 10 beugt den einfallenden Lichtstrahl 3 derart, daß ein gebeugter Lichtstrahl 61 der Ordnung +1 und ein gebeugter Lichtstrahl 62 der Ordnung -1 mit einem Emissionswinkel (Beugungswinkel) θn durch das Streugitter 10 emittiert werden. Der gebeugte Lichtstrahl 61 mit der Ordnung +1 trifft auf das zweite Streugitter 171 auf und wird durch dieses derart gebeugt, daß er von diesem Streugitter 171 in einer Richtung emittiert wird, die im wesentlichen par allel zu den optischen Achsen der Linsen 8 und 173 ist. Demgegenüber trifft der gebeugte Lichtstrahl 62 mit der Ordnung ±1 auf das zweite Streugitter 172 auf und wird durch dieses derart gebeugt, daß er von diesem Streugitter 172 in einer Richtung emittiert wird, die im wesentlichen parallel zu den optischen Achsen der Linsen 8 und 173 ist.
Infolgedessen werden die gebeugten Lichtstrahlen 61 und 62 der Ordnungen 11 durch die -zweiten Streugitter 171 bzw. 172 mit dem Beugungswinkel θn gebeugt. Der gebeugte Lichtstrahl 64 der Ordnung +1 aus dem Streugitter 171 und der gebeugte Lichtstrahl 64 aus dem Streugitter 172 laufen entlang optischen Pfaden, die parallel zueinander sind, und treffen an Randabschnitten der Linse 173 auf. Die Linse 173 lenkt die gebeugten Lichtstrahlen 63 und 64 der Ordnungen 11 ab, kondensiert diese und richtet sie auf den Brennpunkt der Linse 173. Demzufolge werden die gebeugten Lichtstrahlen 63 und 64 der Ordnungen 11 in dem Brennpunkt der Linse 173 überlagert, um Lichtpunkte zu bilden. Die Einfallswinkel beider gebeugter Lichtstrahlen 63, 64 der Ordnungen ±1 betragen θn, welcher Wert gleich dem Winkel der Emission der einzelnen gebeugten Lichtstrahlen aus dem Streugitter 10 ist. Die gebeugten Lichtstrahlen der Ordnungen 11 können materiell als in dem Bereich in der Umgebung des Brennpunkts parallel zueinander betrachtet werden.
Das Objekt 7 bewegt sich in eine Position, die von der Linse 173 um den Abstand f, d.h. über den Brennpunkt der Linse hinaus, beabstandet ist, so daß die Lichtpunkte durch die gebeugten Lichtstrahlen 63, 64 der Ordnungen 11 auf dem Objekt 7 erzeugt werden. Die auf diese Art und Weise dem Objekt 7 zugeführten Lichtstrahlen werden durch das Objekt gestreut, werden durch die Linse 173 parallel gerichtet und dann durch die Linse 8 auf den Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 gerichtet. Infolgedessen empfängt der Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 ein Interferenzlicht, welches sowohl das gestreute Licht, welche als Resultat der Zufuhr des gebeugten Lichts 63 der Ordnung +1 erzeugt wurde, als auch das gestreute Licht, welche als Resultat der Zufuhr des gebeugten Lichts 64 der Ordnung -1 erzeugt wurde, enthält. Der Photodetektor 9 konvertiert sodann dieses Interferenzlicht photoelektrisch und erzeugt dann ein Signal, welches der Dopplerfrequenz entspricht.
In dem in Fig. 22 beschriebenen Beispiel sind die Linsen 8 und 173 derart angeordnet, daß die das Bild des Objekts 7 auf den Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 projizieren, so daß die durch das Objekt 7 gestreuten Lichtstrahlen wirksam durch den Lichtempfangsabschnitt 9a empfangen werden. Diese Linsen 8 und 173 können derart angeordnet sein, daß sie das Bild in realer Größe oder in vergrößertem oder verkleinertem Maßstab projizieren.
In diesem Beispiel ist das optische System derart angeordnet, daß der zwischen den gebeugten Lichtstrahlen 61 und 62 der Ordnungen 11, die durch das Streugitter 10 emittiert werden, gebildete Winkel gleich dem zwischen den gebeugten Lichtstrahlen 63 und 64 der Ordnungen 11, die auf das Objekt 7 einfallen, gebildeten Winkel ist. Dieser Winkel ändert sich in Übereinstimmung mit einer Änderung der Frequenz, d.h. der Wellenlänge λ, des Laserstrahls, um die Bedingung sin θn/λ zu erfüllen.
Daher wird die Dopplerfrequenz F des Interferenzlichts durch die vorstehend erwähnte Formel (5) festgelegt. Es ist daher möglich, aus dem Photodetektor 9 ein Signal zu erhalten, welches exakt der Dopplerfrequenz entspricht, ohne durch eine irgendwie geartete Änderung der Frequenz des Laserstrahls beeinträchtigt zu sein.
In diesem wie in Fig. 22 gezeigten Beispiel ist das optische System 171, 172, 173, welches bewirkt, daß die ge beugten Lichtstrahlen 61, 62 (64, 64) der Ordnungen ±1, die durch das Streugitter 10 emittiert werden, um dem Objekt 7 zugeführt zu werden, derart angeordnet, daß im wesentlichen ein optisch konjugierter Zusammenhang zwischen der Lichtempfangsfläche des Streugitters 10 und dem Objekt 7 erzielt wird. Daher können die gebeugten Lichtstrahlen 63 und 64 der Ordnungen ±1 ungeachtet einer durch eine Anderung der Frequenz des Laserstrahls verursachten, irgendwie gearteten Änderung des Beugungswinkels der gebeugten Lichtstrahlen 61 und 62 der Ordnungen ±1 auf der Oberfläche des Objekts 7 immer wirksam einander überlagert werden. Es ist somit möglich, Abweichungen der durch die durch die gebeugten Lichtstrahlen 63 und 64 der Ordnungen 11 erzeugten Lichtpunkte zu eliminieren, wie in dem zuvor beschriebenen siebten Ausführungsbeispiel Dies ermöglicht es, das Interferenzlicht effizient auf den Lichtempfangsabschnitt 9a des Photodetektors 9 zu richten und infolgedessen eine hohe Erfassungsempfindlichkeit des Geschwindigkeitsmesser zu bieten.
In dem in Fig. 22 gezeigten Beispiel eines Geschwindigkeitsmessers wird der Abstand 1 zwischen dem ersten Streugitter 10 und den zweiten Streugittern 171, 172 so festgelegt, daß dieser gleich der Brennweite f der Linse 173 wird. Jedoch ist unter der Voraussetzung, daß das System in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Konzept entwickelt und aufgebaut ist, auch dann, wenn der vorstehend erwähnt Abstand 1 nicht gleich der Brennweite f ist, der Betrag der Änderung der Dopplerfrequenz in Antwort auf eine Änderung der Frequenz (Wellenlänge) des Laserstrahls extrem klein, wie in Fig. 23 gezeigt. Fig. 23 zeigt den Betrag der Änderung der Dopplerfrequenz F, der durch eine Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls verursacht wird, unter Verwendung des Verhältnisses l/f als Parameter, wenn die Wellenlänge λ des Laserstrahls, der Gitterabstand d und die Zahl n der Ordnung der Beugung zu λ = 0,78 µm, d = 2 µm und n = 1 festgelegt sind.
In dieser Figur zeigt eine in durchbrochener Linie dargestellte Kurve B die Charakteristik eines herkömmlichen Geschwindigkeitsmessers gemäß Fig. 1. Es wird deutlich, daß sich bei diesem herkömmlichen Geschwindigkeitsmesser die Dopplerfrequenz im Verhältnis zu einer Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls ändert. Demgegenüber ist bei dem Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung der Betrag der Änderung der Dopplerfrequenz in Antwort auf eine Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls auch dann sehr klein, wenn der Abstand 1 zwischen dem ersten Streugitter 10 und den zweiten Streugittern 171, 172 nicht gleich der Brenn weite f der Linse 173 ist. Es ist daher möglich, den Abstand 1 zwischen dem ersten Streugitter 10 und den zweiten Streugittern 171, 172 auf geeignete Art und Weise festzulegen.
Fig. 24 ist eine fragmentierte vereinfachte Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers, der durch Modifikation des in Fig. 22 gezeigten Beispiels eines Geschwindigkeitsmesser entwickelt wurde. Im Rahmen dieser Modifikation werden Streugitter vom reflektierenden Typ als Streugitter 10, 171 und 172 verwendet. Die weiteren Komponenten der in Fig. 24 gezeigten Modifikation sind materiell gleich den in Fig. 22 gezeigten. Verschiedene Formen der reflektierenden Streugitter 10, 171 und 172 sind einsetzbar, wie vorstehend in Zusammenhang mit Fig. 5 erklärt.
Bezugnehmend auf Fig. 24 wird der von der Laserdiode 1 emittierte Laserstrahl durch eine Kollimatorlinse 2 in einen Strahl 3 parallel gerichtet. Der parallel gerichtete Strahl trifft senkrecht auf die Lichtempfangsfläche des ersten Streugitters 10 auf. Das erste Streugitter 10 reflektiert und beugt den einfallenden, parallel gerichteten Strahl 3 derart, daß gebeugte Lichtstrahlen 61 und 62 der Ordnungen 11 mit einem Beugungswinkel θn von dem ersten Streugitter 10 emittiert werden. Der gebeugte Lichtstrahl 61 der Ordnung +1 trifft schräg auf das zweite Streugitter 171 auf, wird durch dieses Gitter reflektiv gebeugt und von diesem in einer Richtung parallel zu der optischen Achse der Kollimatorlinse 2 emittiert. Andererseits trifft der gebeugte Strahl 62 der Ordnung -1 schräg auf das zweite Streugitter 172 auf, wird durch dieses Gitter reflektiv gebeugt und von diesem ein einer Richtung parallel zu der optischen Achse der Kollimatorlinse 2 emittiert. Die Beugungswinkel dieser gebeugten Lichtstrahlen 61 und 62 der Ordnungen 11 sind gleich und gleichen dem vorstehend erwähnten Beugungswinkel θn. Die gebeugten Lichtstrahlen 63, 64 der Ordnungen 11 aus den zweiten Streugittern 171, 172 sind parallel gerichtete Strahlen und werden zum Einfall auf die Linse 173 gebracht (vgl. Fig. 22). Die Abschnitte des Systems auf der Lichtausgabeseite der zweiten Streugitter 171, 172 sind exakt dieselben wie die in dem in Fig. 22 gezeigten Geschwindigkeitsmesser, so daß daher eine detaillierte Beschreibung dieser Abschnitte weggelassen wird.
Nachstehend wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, die gemäß dem in Fig. 24 gezeigten Ausführungsbeispiel von einem nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden Streugitter als dem ersten Streugitter 10 Gebrauch macht. Bei der in Fig. 24 gezeigten Anordnung sind die Laserdiode 1 und die Kollimatorlinse 2 auf der Seite des ersten Streugitters 10 gegenüber der Linse 173 angeordnet. Diese Anordnung kann jedoch dahingehend geändert werden, daß die Laserdiode 1 und die Kollimatorlinse 2 auf derselben Seite des ersten Streugitters wie die Linse 173 angeordnet werden, wie in Fig. 5 gezeigt. In einem solchen Fall sind die zweiten Streugitter 171, 172 und die Komponenten auf der Ausgangsseite der zweiten Streugitter 171, 172 auf dieselbe Art und Weise angeordnet wie in Fig. 22. Diese Anordnung wird bevorzugt, weil der gesamte Geschwindigkeitsmesser einen kompakten Aufbau haben kann.
In einer bevorzugten Form der Erfindung wird der Laserstrahl aus der Laserdiode durch eine Linse mit einer vergleichsweise großen Brennweite auf die Lichtempfangsfläche des ersten Streugitters konvergiert, so daß die gebeugten Lichtstrahlen der Ordnungen ±1 divergierend von dem ersten Streugitter emittiert werden. Diese beiden gebeugten Lichtstrahlen werden dann durch die Linse abgelenkt, um zu parallelen Lichtstrahlen zu werden, die auf die jeweiligen zweiten Streugitter gerichtet werden. Diese gebeugten Lichtstrahlen werden dann durch die zweiten Streugitter so gebeugt, daß sie auf denselben Punkt auf dem Objekt gerichtet werden.
Einige der vorstehend beschriebenen Geschwindigkeitsmesser verwenden ein Paar von zweiten Streugittern derart, daß jedes zweite Streugitter einen der gebeugten Lichtstrahlen der Ordnungen ±1 empfängt. Die Verwendung zweier getrennter Streugitter ist jedoch nicht ausschließlich. Denn es ist möglich, anstelle des Paares getrennter Gitter ein einzelnes Streugitter mit einer vergleichsweise großen Länge zu verwenden.
Es wird ferner angemerkt, daß die gebeugten Lichtstrahlen, die auf das Objekt 7 gerichtet werden sollen, Ordnungen von ±2, ±3 etc. haben können, obwohl gebeugte bzw. gebeugte Lichtstrahlen der Ordnungen ±1 in der vorangehenden Beschreibung insbesondere erwähnt sind.
Darüber hinaus kann der Strömungsgeschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung derart angeordnet sein, daß er das durch das Objekt transmittiv gestreute Licht erfaßt, obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele so angeordnet sind, daß das durch das Objekt reflektiv gestreute Licht erfaßt wird.
Obwohl in den beschrieben Ausführungsbeispielen die optischen Systeme aus Linsen und Streugittern bestehen, können diese optischen Systeme anstelle der beschriebenen Komponenten dieser optischen Systeme reflektierende Spiegel verwenden. Auch andere Modifikationen sind möglich. Beispielsweise können die in den in Fig. 5 und 24 gezeigten Ausführungsbeispielen verwendeten einzelnen Linsen 2, 8 und 173 durch ein einzelnes optisches System ersetzt werden, welches aus einer Vielzahl von Elementarlinsen besteht.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein einzelner Laserstrahl aus einer Laserdiode in eine Vielzahl von Strahlen unterteilt und durch ein Streugitter in zuvor ausgewählte Richtungen gerichtet. Diese Anordnung kann jedoch dahingehend modifiziert werden, daß ein einzelner Laserstrahl in eine gewünschte Anzahl von Strahlen unterteilt wird, die für die Geschwindigkeitserfassung notwendig sind, und daß diese Strahlen dann durch Beugungseinrichtungen gebeugt und abgelenkt werden. In einem solchen Fall kann die Anordnung derart sein, daß ein Streugitter für jeden der Strahlen oder, wie in den beschriebenen Ausführungsbeispielen, ein einzelnes Streugitter für eine Vielzahl von Strahlen verwendet wird.
Infolgedessen sind im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen und Modifikationen von Geschwindigkeitsmessern möglich.
Fig. 25 ist eine vereinfachte Darstellung eines Systems, welches einen Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung beinhaltet, der zur Steuerung eines Aufzeichnungspapiers in einem Telefax-Gerät dient.
In Fig. 25 kann der erfindungsgemäß Geschwindigkeitsmesser, allgemein mit einem Bezugszeichen 100 bezeichnet, ein beliebiges der vorstehend beschriebenen ersten bis achten Ausführungsbeispiele umfassen. Eine Papierzufuhreinheit 102 ist in der Lage, ein Blatt eines Aufzeichnungspapiers 106 auf einen Riemen 101 zu leiten, der zwischen einer Riemenwalze 104, die von dem Chassis des Telefax-Geräts getragen wird, und einer Antriebswalze 104, die mit einem Antriebsmotor 105 verbunden ist und durch diesen in der Richtung eines Pfeiles angetrieben wird, wodurch der Riemen 101 angetrieben wird, gespannt ist.
Das durch die Papierzufuhreinheit 102 zugeführte Papier 106 wird auf den Riemen 101 gelegt, um in Richtung eines Pfeiles bewegt zu werden, wenn der Riemen 101 durchläuft.
Der Geschwindigkeitsmesser 100 ist derart ausgebildet, daß ein Laserstrahl auf die Oberfläche des sich bewegenden Papiers 106 oder einen Abschnitt der Oberfläche des Riemens 101 gerichtet wird und das durch das Papier 106 oder den Riemen reflektiv gestreute Licht auf eine wie vorstehend in Verbindung mit dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel beschriebene Art und Weise empfangen wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal aus dem Photodetektor des Geschwindigkeitsmessers 100, welches der Dopplerfrequenz entspricht, einer Geschwindigkeitserfassungsschaltung 110 des Telefax-Geräts zugeführt. Die Geschwindigkeitserfassungsschaltung 110 erfaßt die Geschwindigkeit der Bewegung des Papiers 106 oder des Riemens 101 auf der Grundlage der Frequenz des von dem Photodetektor abgeleiteten Ausgangssignals.- Die auf diese Art und Weise aus der Schaltung 110 erhaltene Geschwindigkeitsinformation wird einer Steuerschaltung 111 zugeführt, die die Geschwindigkeit des Antriebsmotors 105 durch einen Motortreiber 112 steuert. Im einzelnen führt die Steuerschaltung 111 dem Treiber 112 ein Korrektursignal zu, welches dann die Betriebsgeschwindigkeit des Antriebsmotors 118 steuert, um eine gleichbleibende Bewegungsgeschwindigkeit des Riemens 101 und somit des Papiers 106 aufrechtzuerhalten. Dies macht es möglich, verschiedenartige Probleme, die bei einem bekannten Telefax-Gerät, welches ausschließlich mit einer rückgekoppelten Steuerung der Antriebswalze arbeitet, auftreten, wie beispielsweise eine periodische Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Riemens, die auf eine geringfügige Exzentrizität der Antriebswalze zurückzuführen ist, zu eliminieren. Auf diese Art und Weise kann dank der Verwendung des Geschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung der Transport des Aufzeichnungspapiers mit gleichbleibender Geschwindigkeit mit einem höheren Grad an Genauigkeit bewirkt werden.
Der Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung, der wie vorstehend beschrieben eine kleine Größe aufweist und mit einer kleinen Anzahl von Teilen aufgebaut werden kann, ist preiswert und kann wirkungsvoll in einem Telefax-Gerät oder einer anderen Bildaufzeichnungsvorrichtung verwendet werden ohne die Kosten einer solchen Vorrichtung wesentlich zu erhöhen.
Erneut auf Fig. 25 Bezug nehmend, wird ein Bild durch einen (nicht gezeigten) Druckkopf auf dem Papier 106, welches mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit transportiert wird, aufgezeichnet. Da der Transport des Papiers 106 in der Richtung der Unterabtastung während der Aufzeichnung mit einer exakt konstanten Geschwindigkeit erfolgt, ist es möglich, eine hohe Qualität des aufgezeichneten Bildes zu erhalten.
In dem in Fig. 25 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung zum Zwecke des Aufzeichnens (Druckens) eines Bilds in einem Telefax-Gerät als typisches Beispiel einer Bildaufzeichnungsvorrichtung verwendet. Dies jedoch dient nur der Veranschaulichung, und der Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung kann auch zu Zwecken des Lesens eines Bildes eingesetzt werden.
Fig. 26 zeigt vereinfacht ein System, in dem ein Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung zum Steuern des zeitlichen Ablaufs der Aufzeichnung eines mit Tintenbläschen arbeitenden Druckers (bubble jet printer) verwendet wird.
In Fig. 26 kann der Geschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung, allgemein mit einem Bezugszeichen 100 bezeichnet, gemäß einem beliebigen der vorstehend beschriebenen ersten bis achten Ausführungsbeispiele ausgebildet sein. Eine Papierzufuhreinheit 102 ist in der Lage, ein Blatt Aufzeich nungspapier 106 auf einen Riemen 101 zu transportieren, der zwischen einer Riemenwalze 104, die von dem Chassis des Telefax-Geräts getragen wird, und einer Antriebswalze 104, die mit einem Antriebsmotor 105 verbunden ist und durch diesen in der Richtung eines Pfeiles angetrieben wird, wodurch der Riemen 101 angetrieben wird, gespannt ist.
Das durch die Papierzufuhreinheit 102 zugeführte Papier 106 wird auf den Riemen 101 gelegt, um in Richtung eines Pfeiles bewegt zu werden, wenn der Riemen 101 durchläuft. Der Geschwindigkeitsmesser 100 ist derart ausgebildet, daß ein Laserstrahl auf die Oberfläche des sich bewegenden Papiers 106 oder einen Abschnitt der Oberfläche des Riemens 101 gerichtet wird und das durch das Papier 106 oder den Riemen 101 reflektiv gestreute Licht auf eine wie vorstehend in Verbindung mit dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel beschriebene Art und Weise empfangen wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal aus dem Photodetektor des Geschwindigkeitsmessers 100, welches der Dopplerfrequenz entspricht, einer Geschwindigkeitserfassungsschaltung 110 des Telefax-Geräts zugeführt. Die Geschwindigkeitserfassungsschaltung 110 erfaßt die Geschwindigkeit der Bewegung des Papiers 106 oder des Riemens 101 auf der Grundlage der Frequenz des von dem Photodetektor abgeleiteten Ausgangssignals. Die auf diese Art und Weise durch die Schaltung 110 abgeleitete Geschwindigkeitsinformation wird einer Steuerschaltung 111 zugeführt, die den zeitlichen Ablauf des von einem Aufzeichnungskopf 113 zum Aufzeichnen eines Bilds auf dem Papier 106 durchgeführten Aufzeichnungsvorgangs steuert.
Fig. 27A und 27B sind Querschnittsansichten eines wesentlichen Abschnitts des in Fig. 26 gezeigten Aufzeichnungskopfs.
Der Aufzeichnungskopf weist eine Kopfeinheit 211 auf, die ein wärmeerzeugendes Element 213 trägt, welches ihm zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie konvertiert und die Wärmeenergie an eine Aufzeichnungstinte 212 abgibt. Das Bezugszeichen 214 bezeichnet eine in der Tinte ausgebildete Blase, während 215 einen Entladungskanal angibt.
Im Betrieb erzeugt das wärmeerzeugende Element 213 Wärmeenergie in einem Umfang, der der ihm zugeführten elektrischen Energie entspricht, und gibt die Wärmeenergie an die Aufzeichnungstinte 212 ab, so daß die Blase 214 in.der Tinte in dem Tinten-Entladungskanal ausgebildet wird. Die Blase 214 verschiebt die Tinte, so daß ein Tintentröpfchen 217 aus einem Ausstoßport 216 auf die Oberfläche eines Aufzeichnungsmediums, beispielsweise des Papiers 206, ausgestoßen wird, wodurch ein Tintenpunkt auf der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums erzeugt wird.
Die in dem in Fig. 26 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendete Steuerschaltung 111 ist in der Lage, den zeitlichen Ablauf der Zufuhr der elektrischen Energie zu dem wärmeerzeugenden Element 213 zu ändern und dadurch den zeitlichen Ablauf des Aufzeichnungsvorgangs zu steuern. Der Aufzeichnungskopf 113 weist eine Vielzahl von Kopfeinheiten der in Fig. 27 gezeigten Art auf, die derart in einer Richtung parallel zu der Oberfläche des Aufzeichnungsmediums angeordnet sind, daß jede Kopfeinheit einem Pixel oder Punkt des zu erzeugenden Punkts entspricht. Es ist daher möglich, ein gewünschtes Punktmuster in der Richtung der Hauptabtastung senkrecht zu der Zeichnungsebene der Fig. 26 auf dem Papier 106, welches wie in Fig. 26 dargestellt entlang eines Pfades unmittelbar unter dem Aufzeichnungskopf 113 geführt wird, aufzuzeichnen. Der Aufzeichnungsvorgang des Aufzeichnungskopfs 113 erfolgt zu einem vorbestimmten Aufzeichnungszeitpunkt während der Bewegung des Papiers 106 in der Richtung der Unterabtastung, d.h. in einer durch einen Pfeil gezeigten Richtung, so daß die Punktmuster auf den nachfolgenden Hauptabtastzeilen erzeugt werden, wodurch ein zweidimensionales Bild auf dem Papier 106 aufgezeichnet wird.
Die Geschwindigkeit der Bewegung auf dem Papier 106 (dem Riemen 101) wird durch den Geschwindigkeitsmesser 100 und die Schaltung 110 wie vorstehend erklärt erfaßt, und die auf diese Art und Weise erhaltene Geschwindigkeitsinformation wird der Steuerschaltung 111 zugeführt. Die Steuerschaltung 111 vergleicht dann die erfaßte Geschwindigkeit mit einer Referenz-Papiertransportgeschwindigkeit V&sub0;. Wenn die Referenzgeschwindigkeit V&sub0; durch die erfaßte Geschwindigkeit überschritten wird, arbeitet die Steuerschaltung 111 derart, daß die Zeitpunkte der Aufzeichnungsvorgänge des Aufzeichnungskopfs vorverschoben werden, wohingegen dann, wenn die erfaßte Geschwindigkeit des Papiers geringer ist als die Referenzgeschwindigkeit V&sub0;, die Steuerschaltung 111 derart arbeitet, daß die Aufzeichnungszeit punkte zurückverschoben bzw. verzögert werden. Die durch die Steuerschaltung 111 durchgeführte Steuerung der Aufzeichnungszeitpunkte ermöglicht es, einen gleichbleibenden Abstand von Punktmustern auch in der Unterabtastrichtung zu erhalten und gewährleistet dadurch eine hohe Qualität des aufgezeichneten Bilds.

Claims

1. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsnesser, umfassend

eine Strahlzufuhreinrichtung (1, 2, 10), beinhaltend eine Strahl-Quelleinrichtung (1) zum Zuführen eines Laserstrahls (1), ein Streugitter (10), welches so ausgelegt ist, daß es von dem Laserstrahl aus der Laser-Quelleinrichtung getroffen wird und gestreute Strahlen generiert, und eine Einrichtung (6', 191, 192) zum Ablenken der gestreuten Strahlen, die sich von dem Streugitter (10) zu einem Objekt (7) ausbreiten, wobei die Strahizufuhreinrichtung (1, 2, 10) derart ausgebildet ist, daß sie das Objekt (7) mit den gestreuten Strahlen beaufschlagt und dabei die Einfaliswinkel der gestreuten Strahlen auf das Objekt in Übereinstimmung mit einer Änderung der Wellenlänge des Laserstrahls (1) aus der Strahl-Quelleinrichtung (1) derart ändert, daß eine Änderung der Frequenzverschiebung, die durch die Änderung der Wellenlänge verursacht wird, im wesentlichen kompensiert wird, und

eine Erfassungseinrichtung (8, 9) zum Erfassen eines reflektieren einzelnen Strahls, der durch Reflektion der von dem Objekt (7) gestreuten Strahlen erzeugt wird, wobei der reflektierte einzelne Strahl aus einen ersten einzelnen Strahl, der durch einen ersten der gestreuten Strahlen erzeugt wird, und einem zweiten ein zelnen Strahl, der durch einen zweiten der gestreuten Strahlen erzeugt wird, besteht, und zum Erzeugen eines Signals auf der Grundlage einer Interferenz der gestreuten Strahlen sowie auf der Grundlage einer Frequenzverschiebung des erfaßten einzelnen Strahls, die proportional zu der Geschwindigkeit des Objekts (7) 5 ist, wobei die Information über die Geschwindigkeit des Objekts (7) in Übereinstimmung mit den Signal erfaßt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Streugitter ein reflektierendes Streugitter ist,und

die Strahl-Quelleinrichtung (1) derart angeordnet ist, daß sie den Laserstrahl (I) aus einer Position im wesentlichen zwischen einem ersten Abschnitt, in dem der Laserstrahl (I) auf das reflektierende Streugitter (10) auftrifft, und einem zweiten Abschnitt, in dem dem die gestreuten Strahlen auf das Objekt (7) auftreffen, projiziert, wobei der erste und der zweite Abschnitt derart im wesentlichen einander nahezu gegenüberliegen, daß der Laserstrahl und die gestreuten Strahlen auf den ersten und den zweiten Abschnitt in im wesentlichen entgegengesetzter Richtung auftreffen.

2. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl- Quelleinrichtung (1) einen Halbleiter-Laser umfaßt.

3. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (8, 9) eine Umwandlungseinrichtung zum Empfangen eines Interferenzstrahls, der durch Interferenz des ersten und des zweiten einzelnen Strahls und Unwandeln derselben in Signale erzeugt wird, umfaßt.

4. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung zwei Ablenkebenen (6, 6') umfaßt, die parallel zueinander angeordnet sind zum Reflektieren der Streustrahlen des Streugitters (10) derart, daß sich diese auf dem Objekt (7) kreuzen, wobei sich beide der reflektierenden Ebenen (6, 6') senkrecht bezüglich der Ausrichtungsrichtung des Streugitters (10) schneiden.

5. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung zumindest ein Streugitter (191, 192) umfaßt zum Ablenken der gestreuten Strahlen aus dem Streugitter (10) derart, daß sich die gestreuten Strahlen auf dem Objekt (7) kreuzen.

6. Bildaufzeichnungsvorrichtung, umfassend

eine Zufuhreinrichtung (101, 104, 105) zum Zuführen eines Aufzeichnungsmediums (106),

eine Aufzeichnungseinrichtung (113) zum Aufzeichnen eines Bilds auf dem Aufzeichnungsmedium (106), das durch die Zufuhreinrichtung (101, 104, 105) zugeführt wird, und

einen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser (100) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, welches die Zufuhrgeschwindigkeit des Aufzeichnungsmediums (106) angibt, wobei der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser umfaßt:

eine Strahlzufuhreinrichtung (1, 2, 10) beinhaltend eine Strahl-Quelleinrichtung (1) zum Zuführen eines Laserstrahls (1), ein Streugitter (10), welches so ausgelegt ist, daß es von dem Laserstrahl aus der Laser-Quelleinrichtung getroffen wird und gestreute Strahlen generiert, und eine Einrichtung (6', 191, 192) zum Ablenken der gestreuten Strahlen, die sich von dem Streugitter (10) zu dem Aufzeichnungsmedium (106) ausbreiten, wobei die Strahlzufuhreinrichtung (1, 2, 10) derart ausgebildet ist, daß sie das Aufzeichnungsmedium (106) mit den gestreuten Strahlen beaufschlagt und dabei die Einfallswinkel der gestreuten Strahlen auf das Aufzeichnungsnedium in Übereinstimmung mit einer Anderung der Wellenlänge des Laserstrahls (1) aus der Strahl-Quelleinrichtung (1) derart ändert, daß eine An derung der Frequenzverschiebung, die durch die Anderung der Wellenlänge verursacht wird, im wesentlichen kompensiert wird, und

eine Erfassungseinrichtung (8, 9) zum Erfassen eines reflektieren einzelnen Strahls, der durch Reflektion der von dem Aufzeichnungsmedium (106) gestreuten Strahlen erzeugt wird, wobei der reflektierte einzelne Strahl aus einen ersten einzelnen Strahl, der durch einen ersten der gestreuten Strahlen erzeugt wird, und einem zweiten einzelnen Strahl, der durch einen zweiten der gestreuten Strahlen erzeugt wird, besteht, und zum Erzeugen eines Signals auf der Grundlage einer Interferenz der gestreuten Strahlen sowie auf der Grundlage einer Frequenzverschiebung des erfaßten einzelnen Strahls, die proportional zu der Geschwindigkeit des Aufzeichnungsmediuns (106) ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Streugitter ein reflektierendes Streugitter ist, und

die Strahl-Quelleinrichtung (1) derart angeordnet ist, daß sie den Laserstrahl (I) aus einer Position in wesentlichen zwischen einem ersten Abschnitt, in dem der Laserstrahl (I) auf das reflektierende Stleugitter (10) auftrifft, und einem zweiten Abschnitt, in dem die gestreuten Strahlen auf das Aufzeichnungsmedium (106) auftreffen, projiziert, wobei der erste und der zweite Abschnitt derart in wesentlichen einander nahezu gegenüberliegen, daß der Laserstrahl und die gestreuten Strahlen auf den ersten und den zweiten Abschnitt in im wesentlichen entgegengesetzter Richtung auftreffen.