JPH0660938B2 - 二次元レ−ザ速度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は光ビームを断続させて微粒子の二次元の速度を
測定するようにしたデュアルビーム型の二次元レーザ速
度測定装置に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明による二次元レーザ測定測定装置は、単一波長の
レーザビームを４分割して２対の光ビームとすると共
に、各対の光ビームを交互に断続し所定領域で交叉させ
て交互に縞の向きが異なる干渉縞を形成している。そし
て干渉縞を通過する粒子により散乱される散乱光の周波
数を測定し夫々の干渉縞に対応した方向の速度を測定す
るようにしたものである。

〔従来技術とその問題点〕

従来より可干渉性及び単色性に優れたレーザ光の特徴に
着目してレーザ光を用いて粒子速度を測定する装置が提
案され、近年デュアルビームによるレーザ速度計が広く
用いられている。デュアルビームレーザ速度計は同一の
偏光面を有するレーザビームを一点で交叉させて干渉縞
を形成し、交叉領域を粒子が通過するときに生じる散乱
光が干渉縞に対応した周期的な強度変化を有することか
ら粒子速度を測定するものである。ところがこのような
従来のレーザ速度測定装置は干渉縞の垂直方向の速度成
分しか測定するとができないため、干渉縞を通過する粒
子の二次元速度情報が得られないという問題点があっ
た。

そこで干渉縞領域を通過する粒子の二次元速度を測定す
るために種々の装置が提案されている。その一つはアル
ゴンレーザ等の複数の波長のレーザ光を発するレーザ光
源を用い、夫々の波長のレーザビームを分離し干渉縞の
方向が異なるように一点で交叉せしめて、その交叉領域
を通過する被測定粒子からの散乱光をその光の波長の相
違に基づいて分離して二次元の速度情報を得るようにし
た速度測定装置である。

しかしながらこのような測定装置は、大型のアルゴンレ
ーザ等の２色レーザが必要となり光学系の調整時の操作
も複雑になるという問題点があった。

又他の二次元速度測定装置としては、単一波長のレーザ
光源を用い偏光ビームスプリッタにより偏光方向が互い
に垂直の二つの成分に分離すると共に、夫々を更に二本
の平行ビームとしてそれらを一点で干渉せしめ偏光方向
の異なる二つの干渉縞を形成し、そこから得られた前方
散乱光を偏光ビームスプリッタにより分離して互いに垂
直な二つの速度成分を得るようにしたものが考えられ
る。このような二次元速度測定装置ではレーザ光源を偏
光方向毎に分離する偏光ビームスプリッタが必要とな
り、光学的な調整が複雑になるという問題点があった。
又散乱光の偏光面は完全に保存されていないので、相互
干渉が起こり易くなるという問題点もあった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような従来の二次元速度測定装置の問題点
を解消するものであって、単一波長のレーザ光源を用い
ると共に光学系を容易に構成することができる二次元レ
ーザ速度測定装置を提供するものである。

〔発明の構成と効果〕

本発明はデュアルビーム型の二次元レーザ速度測定装置
であって、単一波長のレーザ光を発生するレーザ光源
と、レーザ光源より得られるレーザ光を４分割して第１
対及び第２対の光ビームとし、第１対の光ビームの光路
を含む第１の面と第２対の光ビームの光路を含む第２の
面との成す角を直角となるように分離するビーム分離手
段と、ビーム分離手段より得られる２対の光ビームを各
対毎に交互に断続する光ビーム断続手段と、光ビーム断
続手段より与えられる各対の光ビームを交互に１点で交
叉させる第１の光学手段と、交叉領域を粒子が通過する
際に得られる散乱光を集光する第２の光学手段と、第２
の光学手段により集光された散乱光を電気信号に変換す
る光電変換器と、第１対の光ビームの駆動時にその光路
を含む第１の面に平行な粒子の速度成分及び第２対の光
ビームの駆動時にその光路を含む第２の面に平行な粒子
の速度成分を、交互に光電変換器より得られる信号の周
波数により測定する信号処理手段と、各対の光ビームの
駆動によって信号処理手段より得られる粒子の互いに垂
直な速度成分を光ビームの断続信号に基づいて分離する
分離出力手段と、を具備することを特徴とするものであ
る。

このような特徴を有する本発明によれば、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザ等の単一波長の光源を用いて２対のレーザビームと
し、各対のレーザビームにより形成される面の成す角を
直角としている。そして各対の光ビームを光ビーム断続
手段によって断続し、交互に切換えて測定領域に干渉縞
を形成している。従って測定領域に形成される干渉縞に
応じて２方向の微粒子速度を測定することができるの
で、色収差等の問題がなく光学系の構成が容易となり、
装置を小型化することが可能である。又夫々の方向の速
度を測定する信号処理部も共用することによって夫々の
出力を交互に得ることができるため、装置を小型化し安
価な二次元レーザ速度測定装置とすることが可能とな
る。

〔実施例の説明〕

第１図は本発明による二次元速度測定装置の一実施例の
光学系の配置を示す斜視図であり、第２図は駆動部及び
信号処理部のブロック図である。これらの図において単
一波長のレーザ光源、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ１のレー
ザビームはビームスプリッタ２に与えられる。ビームス
プリッタ２は与えられたレーザ光を２本の光強度が等し
い平行なレーザビームに分離するものであって、夫々の
出射面にビームスプリッタ３及び４が設けられる。ビー
ムスプリッタ３及び４は夫々与えられたレーザビームを
２対の平行なレーザビームａ，ｂ及びｃ，ｄに変換する
ものである。ビームスプリッタ３，４は第１対のレーザ
ビームａ，ｂの光路を含む第１の面、及び第２対のレー
ザビームの光路ｃ，ｄを含む第２の面が垂直になるよう
に配置されるものとする。そしてビームスプリッタ３，
４のビーム出力端には夫々ブラッグセル５ａ，５ｂ，５
ｃ，５ｄが設けられる。ブラッグセル５ａ〜５ｄは超音
波信号によって駆動され、音響光学効果により入射され
たレーザビームの１部を所定方向に回折すると共に、周
波数をシフトするものである。各ブラッグセル５ａ〜５
ｄの回折光及び透過光は夫々ウエッジ６ａ〜６ｄに与え
られる。ウエッジ６ａ〜６ｄはブラッグセル５ａ〜５ｄ
から与えられる回折光を元の光ビームの光路にシフトさ
せるのである。そしてこの各光路上に絞り７ａ〜７ｄが
夫々設けられる。絞り７ａ〜７ｄは不要なレーザビーム
を遮断し各ブラッグセル５ａ〜５ｄによって回折された
レーザビームのみを集束レンズ８に与える。集束レンズ
８は２対のレーザビームａ，ｂ及びレーザビームｃ，ｄ
を測定領域に集束すると共に、測定領域を通過する粒子
による散乱光を集光するものである。絞り７ａ〜７ｄの
中間位置には散乱光を反射させるミラー９が設けられ
る。ミラー９の光行路には反射された散乱光を１点に集
束させる集束レンズ１０及びその焦点位置に光電変換器
１１が設けられる。光電変換器１１は例えばアバランシ
ェ型フォトダイオード等かた成り、光信号を電気信号に
変換するものであって、その出力を信号処理部１２に与
える。

さて前述したブラッグセル５ａ〜５ｄはブラッグセル駆
動部１３により駆動される。ブラッグセル駆動部１３は
第２図に示すように所定の相異なる高周波、例えば78MH
z及び82MHzの周波数を夫々発振する高周波発振器１４，
１５とクロック信号発生器１６を有している。クロック
信号発生器１６は２対のレーザビームを切換える切換え
信号を発生するものであって、その出力をゲート信号と
してアナログスイッチ１７，１８及びインバータ１９を
介してアナログスイッチ２０，２１に与える。高周波発
振器１４，１５の出力は夫々アナログスイッチ１７，２
０及び１８，２１に与えられる。アナログスイッチ１
７，１８の出力は夫々ブラッグセル５ａ，５ｂに与えら
れており、アナログスイッチ２０，２１の出力は夫々ブ
ラッグセル５ｃ，５ｄに与えられている。一方信号処理
部１２は光電変換器１１より与えられるバースト周波数
を算出するものであり、Ｆ／Ｖ変換器や入力周波数の基
準クロックを計数するカウンタ型の周波数測定器が用い
られる。信号処理部１２の周波数出力はアナログスイッ
チ２２，２３に与えられる。又信号処理部１２は周波数
を識別した後処理確認信号を発生しており、その確認信
号は夫々アナログ回路２４，２５に与えられる。アンド
回路２４にはゲート信号としてクロック信号発生器１６
の出力が直接与えられ、アンド回路２５にはゲート信号
としてクロック信号発生器１６の出力がインバータ１９
を介して与えられている。アンド回路２４，２５は論理
積出力をゲート信号として夫々アナログスイッチ２２，
２３に与えることによって信号処理部１２の出力を選択
するものである。

（実施例の動作） 次に本実施例の動作について波形図を参照しつつ説明す
る。Ｈｅ−Ｎｅレーザ１の出力はビームスプリッタ２及
び３，４によって４本の平行なレーザビームａ〜ｄに分
離されて夫々ブラッグセル５ａ〜５ｄに与えられてい
る。さて第３図(a),(c)に示すようにクロック信号発生
器１６の出力が“Ｈ”レベルである時間帯Ｔ_ｘにはアナ
ログスイッチ１７，１８のゲートが開放され、高周波発
振器１４、１５の夫々の出力が夫々ブラッグセル５ａ及
び５ｂに与えられる。従ってブラッグセル５ａ，５ｂよ
り一次回折光及び透過光がウエッジ６ａ，６ｂを介して
絞り７ａ，７ｂに与えられ、第４図(a)に示すように絞
り７ａ，７ｂを通過して集束レンズ８によって測定領域
に集束される。一方ブラッグセル５ｃ，５ｄには超音波
信号は伝えられないので透過光のみがウエッジ６ｃ，６
ｄを介して絞り７ｃ，７ｄに与えられるのが、第４図
(a)に示すように絞りによってこの信号が遮断され集束
レンズ８には与えられない。従って時間帯Ｔ_ｘにはレー
ザビームａ，ｂによる干渉縞が測定領域に形成される。
ここでレーザビームａ，ｂはＨｅ−Ｎｅレーザの発振周
波数より夫々78MHz,82MHzシフトしているため、レーザ
ビームａ，ｂは４ＭHzの周波数差を持っている。従って
測定領域に形成される干渉縞自体も４ＭHzに対応する速
さで移動するものとなる。

さて微粒子ｐがこの干渉縞領域を第４図(a)に示すよう
にＸ軸方向に通過したものとすると、そのとき生じる散
乱光は干渉縞に対応した周期的な強度変化を有するもの
となる。そして散乱光が集束レンズ８によって集束され
ミラー９及び集束レンズ１０を介して光電変換器１１に
よって第３図(e)に示すように電気信号に変換される。
この信号の高周波成分の周波数が信号処理部１２によっ
て測定され、その周波数が算出される。その後第３図
(e),(f)に示すように信号処理部１２は処理確認信号を
出力する。そのときクロック信号発生器１６の出力が直
接アンド回路２４に与えられているため、その論理積出
力によってアナログスイッチ２２が開放され、出力が出
される。ここで干渉縞自体が４ＭHzの周波数を持ってた
め散乱光の周波数成分は４ＭHzを原点としてその上下に
シフトする周波数により微粒子ｐのＸ方向の速度と方向
を判別することが可能となる。

一方クロック信号発生器１６の出力が“Ｌ”レベルとな
る時間帯Ｔ_ｙにはアナログスイッチ１７，１８が閉鎖さ
れ、インバータ１９を介して“Ｈ”レベルが入力される
アナログスイッチ２０，２１が開放する。従って高周波
発振器１４，１５の出力がアナログスイッチ２０，２１
を通じて夫々ブラッグセル５ｃ，５ｄに伝えられる。こ
のときも各レーザビームａ〜ｄが同様に夫々ウエッジ６
ａ〜６ｄを介して絞り７ａ〜７ｄに加えられるが、レー
ザビームａ，ｂは全て透過光であるため絞り７ａ，７ｂ
により遮断され、ブラッグセル５ｃ，５ｄの回折光のみ
が絞り７ｃ，７ｄを通過して第４図(b)に示すように集
束レンズ８によって前述した測定点で集束される。この
とき形成される干渉縞は第４図(a)で形成された干渉縞
と90°異なるものとなっている。そして微粒子ｐ′が測
定領域を通過すれば散乱光が集束レンズ８により集光さ
れミラー９及び集束レンズ１０を介して光電変換器１１
に伝えられ、第３図(e)に示すように光電変換器１１に
よって電気信号に変換される。そして第３図(f)に示す
ように信号処理部１２は周波数を検出すると、処理確認
信号を出力する。そのときクロック信号発生器１６の出
力がインバータ１９を介してアンド回路２５に与えられ
ているため、その論理積信号によってアナログスイッチ
２３が開放され出力が出される。このとき生じる干渉縞
も同様にして周波数４ＭHzでシフトするため、移動する
微粒子ｐ′のＹ方向の速度と方向を判別することが可能
である。

このようにして本発明では２対のレーザビームを時間的
に切換えることによって２方向の微粒子の速度を測定し
ているため、簡単な構成で平均流速の分布を測定するこ
とが可能となる。

尚本実施例は２対のブラッグセル５ａ，５ｂ及び５ｃ，
５ｄに与える周波数を夫々異ならせ干渉縞自体を移動さ
せるようにしているが、ブラッグセル５ａ，５ｂ及び５
ｃ，５ｄに夫々同一の周波数を交互に与えるようにすれ
ばＸ方向及びＹ方向を通過する微粒子の速度の絶対値を
夫々求めることが可能となる。

又本実施例ではブラッグセルを用いてレーザビームのス
イッチングを行っているが、点対称の扇形遮光板を設け
て所定速度で回転させ２対のレーザビームを交互に断続
する等種々の構成により２対のレーザビームを交互に断
続するようにしてもよい。

又本実施例は２対のレーザビームを集束する集束レンズ
と微粒子の後方へ散乱光を集光するレンズとを一体化し
て後方散乱型の速度測定装置としたが、集束レンズ８の
前方に交叉領域から得られる散乱光を集光する他の集光
レンズを設けて散乱光を受光する前方散乱型の速度測定
装置とすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による二次元レーザ速度測定装置の一実
施例の光学系部分を示す斜視図、第２図はその駆動回路
部分と信号処理部を示すブロック図、第３図はその各部
の波形を示す波形図、第４図(a)はＸ方向，第４図(b)は
Ｙ方向を夫々測定する際のレーザビームを示す斜視図で
ある。 １……Ｈｅ−Ｎｅレーザ、２，３，４……ビームスプリ
ッタ、５ａ〜５ｄ……ブラッグセル、６ａ〜６ｄ……ウ
エッジ、７ａ〜７ｄ……絞り、８，１０……集束レン
ズ、１１……光電変換器、１２……信号処理部、１３…
ブラッグセル駆動部、１４，１５……高周波発振器、１
６……クロック発生器、１７，１８，２０〜２３……ア
ナログスイッチ、２４，２５……アンド回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一波長のレーザ光を発生するレーザ光源
   と、 前記レーザ光源より得られるレーザ光を４分割して第１
   対及び第２対の光ビームとし、前記第１対の光ビームの
   光路を含む第１の面と前記第２対の光ビームの光路を含
   む第２の面との成す角を直角となるように分離するビー
   ム分離手段と、 前記ビーム分離手段より得られる２対の光ビームを各対
   毎に交互に断続する光ビーム断続手段と、 前記光ビーム断続手段より与えられる各対の光ビームを
   交互に１点で交叉させる第１の光学手段と、 前記交叉領域を粒子が通過する際に得られる散乱光を集
   光する第２の光学手段と、 前記第２の光学手段により集光された散乱光を電気信号
   に変換する光電変換器と、 第１対の光ビームの駆動時にその光路を含む第１の面に
   平行な粒子の速度成分及び第２対の光ビームの駆動時に
   その光路を含む第２の面に平行な粒子の速度成分を、交
   互に前記光電変換器より得られる信号の周波数により測
   定する信号処理手段と、 各対の光ビームの駆動によって前記信号処理手段より得
   られる前記粒子の互いに垂直な速度成分を前記光ビーム
   の断続信号に基づいて分離する分離出力手段と、を具備
   することを特徴とする二次元レーザ速度測定装置。
2. 【請求項２】前記第１，第２の光学手段は、２対の光ビ
   ームを１点で交叉させると共に交叉領域からの散乱光を
   集光する集束レンズを有することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の二次元レーザ速度測定装置。
3. 【請求項３】前記光ビーム断続手段は、夫々異なる周波
   数で駆動されるブラッグセルを有し、２対のレーザビー
   ムを交互に回折させて断続することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の二次元レーザ速度測定装置。