DE69433105T2

DE69433105T2 - Geschwindigkeitsmesser und Anlage zur Positionserfassung

Info

Publication number: DE69433105T2
Application number: DE69433105T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Ohta-ku Kato; Hidejiro Ohta-ku Kadowaki; Yasuhiko Ohta-ku Ishide; Makoto Ohta-ku Takamiya; Jun Ohta-ku Ashiwa; Shinji Ohta-ku Ueda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-06-29
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2014-06-29
Also published as: DE69433105D1; EP0632292B1; EP0632292A3; EP0632292B8; EP0632292A2; US5502466A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Geschwindigkeitsmesser und eine Verrichtung zur Positionserfassung und im einzelnen einen Geschwindigkeitsmesser und eine Verrichtung zur Positionserfassung, welche bei einem Doppler-Geschwindigkeitsmesser zur genauen Messung der Bewegungsgeschwindigkeit und der Bewegungsentfernung eines sich bewegenden Objektes oder eines Fluides in einer berührungslosen Weise geeignet angewandt werden können.
Ähnlicher Stand der Technik
Es ist wohl bekannt, dass ein Doppler-Geschwindigkeitsmesser eine Vorrichtung zum Messen der Bewegungsgeschwindigkeit und der Bewegungsentfernung eines sich bewegenden Objektes oder eines Fluides ist durch Verwendung der Tatsache, dass ein Lichtstrahl durch bei der Ausstrahlung eines Laserstrahles auf ein sich bewegendes Objekt oder Fluid erzeugte Beugung oder Interferenz moduliert wird.
Die 1A zeigt ein Beispiel von Beugung, welche auftritt, wenn ein Laserstrahl I von einer Laserdiode 1 auf ein Beugungsgitter vom Durchlasstyp 1) in einer Ausrichtungsrichtung t von Gitterlinien bzw. Gitterstrichen mit einem Gitterstrichabstand dg einfällt. Wenn m die Ordnung (1, 2,..) der Beugung und λ die Wellenlänge des Lichtes darstellt, dann ist ein Beugungswinkel Θ₀ gegeben durch: sin Θ0 = mλ / dg (1)
Der Beugungswinkel der ± n-ten Ordnung der Lichtkomponenten (n = 1, 2,...) ist, mit Ausnahme der 0-ten Ordnung, gegeben durch: sin Θ0 = ± n λ/dg (2)
Die 1B ist eine Ansicht, welche einen Zustand zeigt, wo durch das Beugungsgitter 10 geschickte, gebeugte Lichtkomponenten 5a und 5b der ± n-ten Ordnung durch Spiegel 6a und 6b reflektiert werden, um auf einem zu vermessenden Objekt 7 als ein sich bewegendes Objekt einen Beugungswinkel Θ₀ zu haben. Eine Dopplerfrequenz F, die mittels eines Photodetektors 9 erfasst wird, welcher von dem zu vermessenden Objekt 7, das sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt, divergentes Licht empfängt, ist gegeben durch: F = 2V sin Θ0/λ = 2n V/dg (3)
Von daher hängt die Frequenz F nicht von der Wellenlänge λ des Laserstrahles I ab, ist umgekehrt proportional zu den Gitterlinienabstand dg des Beugungsgitters 10 und ist proportional zur Geschwindigkeit V des zu vermessenden Objektes 7. Da der Gitterlinienabstand dg hinreichend stabil ist, ist die Dopplerfrequenz F eine Frequenz, welche proportional zu lediglich der Geschwindigkeit V des zu vermessenden Objektes 7 ist.
In der 1B fokussiert eine Linse 8 Licht, welches von dem zu vermessenden Objekt 7 auf den Photodetektor 9 reflektiert wird, und ein Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 61 hält die obig genannten, konstituierenden Elemente. Die Spiegel 6A und 6B sind voneinander über eine Entfernung L getrennt, und das Beugungsgitter 10 und das zu vermessende Objekt 7 sind über eine Mess-Entfernung voneinander getrennt. Das Beugungsgitter 10 kann durch ein Beugungsgitter vom reflektierenden Typ ersetzt werden.
Ein in der 1C gezeigter herkömmlicher Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser weist ein optisches System auf, welches einen Laserstrahl auf das zu vermessende Objekt 7 ausstrahlt, so dass sich ein Einfallswinkel Θ in Übereinstimmung mit einer Veränderung der Wellenlänge λ des Laserstrahles abändert und sin Θ/λ konstant wird. Das optische System setzt sich aus dem Beugungsgitter 10 zum Ausbilden von gebeugten Lichtkomponenten der ± n-ten Ordnung (n = 1, 2, 3,...) durch Beugung des Laserstrahles, und aus zwei Linsen 11L und 12L zusammen, die eine gleiche Brennweite f haben. Die Entfernung zwischen den beiden Linsen 11L und 12L ist auf das Zweifache der Brennweite f gesetzt. Diese konstituierenden Elemente werden auf einem Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 gehalten, wodurch eine bestimmte positionale Beziehung beibehalten wird.
Mit dieser Anordnung kann eine Verschiebung zwischen zwei sich schneidenden Lichtstrahlen bei einer Variation der Wellenlänge minimalisiert werden. Ein Laserstrahl von der Laserdiode 1 wird mittels einer Kollimatorlinse 2 zu einem kollimierten bzw. parallelen Strahl 3 gebündelt, welcher eine Strahl-Lichtpunktgröße von 1,2 mm aufweist, und der kollimierte Strahl 3 fällt in die Ausrichtungsrichtung des Beugungsgitters 10 vom Durchlasstyp ein, welches einen Gitterlinienabstand von 3,2 μm aufweist.
Wenn die von dem Beugungsgitter 10 vom Durchlasstyp erhaltenen, gebeugten Lichtkomponenten 5a und 5b der ± 1-ten Ordnung auf die konvexe Linse 11L mit der Brennweite f einfallen, dann werden, wie in 1C gezeigt, Lichtstrahlen 13a und 13b erzielt. Wenn diese Lichtstrahlen 13a und 13b in die andere, von der Linse 11L durch den Abstand 2f separierte, konvexe Linse 12L einfallen, werden erneut kollimierte Strahlen 14a und 14b erzielt. Dann werden die kollimierten Strahlen 14a und 14b, welche eine Strahl-Lichtpunktgröße von 1,2 mm haben, auf das zu vermessende Objekt 7, welches sich in die Richtung des Pfeils 7a in der 1C bewegt, unter einem Winkel ausgestrahlt, der gleich dem Beugungswinkel Θ von dem obig erwähnten Beugungsgitter 10 ist.
Da das von dem zu vermessenden Objekt 7 divergierende Licht effizient auf einen lichtempfindlichen Abschnitt 9a des Photodetektors 9 über die konvexe Linse 12L und der Fokussierlinse 8 gerichtet wird, kann die Dopplerfrequenz F über die folgende Gleichung erfasst werden: F = 2V/dg (4)
Es sei angenommen, dass sich die Wellenlänge λ der Laserdiode 1 verändert, Θ in Übereinstimmung mit dg sin Θ = λ variiert, jedoch ändert sich in der obig erwähnten Vorrichtung nicht das Doppler-Signal. In dieser Vorrichtung kann die Lichtpunktposition der beiden Lichtstrahlen derart gesetzt werden, unbeweglich bzw. unveränderlich zu sein. Im einzelnen tritt keine positionale Verschiebung zwischen den Lichtpunkten auf, da das zu vermessende Objekt 7 unbeweglich bzw. unveränderlich ist, und ein geeigneter Strahlkreuzungszustand wird grundsätzlich bereitgestellt. Da eine Entfernung a zwischen dem Beugungsgitter 10 und der konvexen Linse 11L kleiner als eine Entfernung b zwischen der konvexen Linse 12L und dem zu vermessenden Objekt 7 ist, ist die Entfernung b relativ groß und eine große Arbeitsdistanz kann sichergestellt werden, was in einem hohen Grad der Freiheit hinsichtlich der Geschwindigkeitsauslegung resultiert. Darüber hinaus ist die Temperaturabhängigkeit der Messgenauigkeit sehr gering, und es kann eine hochpräzise Geschwindigkeitsmessung realisiert werden.
In dem herkömmlichen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser muss jedoch ein zu vermessendes Objekt innerhalb eines Bereiches, wo Interferenzringe bzw. Interferenz-Streifen bei der Überkreuzung von Laserstrahlen ausgebildet werden, vorhanden sein. In der Anordnung des in der 1C gezeigten herkömmlichen Laser-Ddoppler-Geschwindigkeitsmessers ist die Strahl-Lichtpunktgröße des Laserstrahles auf 1,2 mm und der Laserkreuzungswinkel auf 12° gesetzt. Aus diesem Grund wird ein Bereich ausgebildet, wo Interferenzringe bzw. Interferenzstreifen hinreichend vermessen werden, d. h. der messbare Bereich ist 20 ± 1 mm von der Konvexlinse 12L bei der aktuellen Messung. Wenn beispielsweise die Bewegungsgeschwindigkeit einer Stahlplatte gemessen werden muss, ist eine Uneinheitlichkeit in der Tiefe von lediglich 2 mm gestattet, wenn die Stahlplatte ein dreidimensionales Oberflächengitter bzw. -gestaltung oder eine Verformung aufweist.
Das aus dem Stand der Technik bekannte Dokument „PROCEEDINGS OF THE IEEE, Vol. 70, Nr. 6, 1982, Seiten 652 bis 658, Stevenson, W. H." berichtet von dem gegenwärtigen Status der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser, wobei ein Laserstrahl mittels eines Strahlteilers aufgeteilt wird, um zwei Lichtstrahlen zu erhalten, die in die Richtung des zu vermessenden Objektes ausgestrahlt werden. Im einzelnen werden die Lichtstrahlen kollimiert und zur Überschneidung gebracht, und das von dem Objekt gestreute, zu erfassende Licht fällt auf eine Erfassungseinrichtung ein. Das optische System stellt ein Zwei-Komponentensystem bereit, welches zur Handhabung bzw. Bearbeitung der gestreuten Lichtstrahlen und zum Richten der Lichtstrahlen auf die Erfassungseinrichtung eine optische Einrichtung aufweist. Das System stellt zwei Ring- bzw. Streifensätze bereit, die normal zu einander liegen, und in dem zweidimensionalen System muss das gestreute Licht von den beiden Ring- bzw. Streifensätzen vor der Erfassung getrennt werden. Da der zweite Ring- bzw. Streifensatz normal zu dem ersten Ring- bzw. Streifensatz liegt, ist eine zweidimensionale Geschwindigkeitsmessung möglich. Im einzelnen wird die Bewegungsgeschwindigkeit des zu vermessenden Objektes in zwei Dimensionen auf der Basis einer Datenauswertung der Ausgabesignale der Erfassungseinrichtung ermittelt.
Des weiteren betrifft das Dokument US 4,948,257 eine optische Lasermesseinrichtung und ein Verfahren zur Stabilisierung von Ring- bzw. Streifenmusterabständen, wobei auf der Basis eines Strahlteilungsverfahrens zwei Lichtstrahlen bereitgestellt werden, welche kollimiert und miteinander in Überschneidung gebracht werden, um sich kreuzende Lichtstrahlen zu erhalten. Im einzelnen kann der Ring- bzw. Streifenmusterabstand mit der Laserstrahlwellenlänge und der Richtung variiert werden. Die Laserstrahlrichtung ist entsprechend modifiziert, um Wellenlängenveränderungen derart zu kompensieren, dass für eine Messgenauigkeit ein konstanter Ring- bzw. Streifenmusterabstand erzielt wird.
Das Dokument EP 0 458 276 A offenbart ein Doppler-Geschwindigkeitsmesser, wobei ein optisches System eine Strahlteilung eines einzelnen Lichtstrahles bewirkt, um zwei kollimierte und sich kreuzende Lichtstrahlen zu erzielen. Die Lichtstrahlen werden bei einer bestimmten Position auf ein zu vermessendes Objekt ausgestrahlt, und das von dem zu vermessenden Objekt gestreute Licht wird mittels einer Photodetektoreinrichtung gemessen, und das Ausgabesignal hiervon wird ausgewertet, um Geschwindigkeitsinformationen von diesem Objekt zu erzielen. Des weiteren ist eine Einrichtung zur Erfassung eines Zustandes der Ausstrahlung vorgesehen, um einen Abweichungszustand der Abstrahlungsposition des Lichtstrahles zu erfassen, und in Abhängigkeit von dem Abweichungszustand wird die Abstrahlung für eine optimale Abstrahlung und eine stabile Präzision der Erfassung der Geschwindigkeitsinformation bei einer Hochgeschwindigkeit eingestellt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Positionsinformationserfassung und einen Geschwindigkeitsmesser bereitzustellen, welche einer Variation in der Richtung der Tiefe eines zu vermessenden Objektes gerecht werden, ohne dass die Anordnung der Vorrichtung groß gemacht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Ausgabe durch eine Vorrichtung zur Erfassung einer Positionsinformation gelöst, wie sie in den anhängenden Patentansprüchen definiert ist.
In der vorliegenden Erfindung haben die Interferenzringe bzw. -streifen des ersten und zweiten Erfassungssystems im wesentlichen die gleiche Anordnung, da sich die Interferenzringe bzw. -streifen des zweiten Erfassungssystems im groben in die Intervallrichtung (Tiefenrichtung) zwischen dem Doppler-Geschwindigkeitsmesser und dem zu vermessenden Objekt erstrecken. Genau gesagt, ist nur der mittige bzw. zentrale Interferenzring bzw. -streifen parallel zu der Tiefenrichtung, aber die anderen Interferenzringe bzw. – streifen zur linken und zur rechten Seite des mittigen Interferenzringes bzw. -streifens haben nur den geringen Neigungswinkel, so dass diese Interferenzringe bzw. -streifen im wesentlichen auf die selbe Art und Weise angeordnet sind, wie in dem ersten Erfassungssystem, welches parallele Interferenzringe bzw. -streifen zur Verfügung stellt.
Zusammenfassend ist in der vorliegenden Erfindung die Anordnungsrichtung der durch das erste Erfassungssystem hervorgerufenen Interferenzringe bzw. -streifen im wesentlichen die gleiche, wie die, die durch das zweite Erfassungssystem hervorgerufen werden. Im einzelnen erstrecken sich die durch das erste Erfassungssystem hervorgerufenen Interferenzringe bzw. -streifen parallel in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Objektes, während die durch das zweite Erfassungssystem hervorgerufenen Interferenzringe bzw. -streifen eine derart divergente Konfiguration aufweisen, dass sich der zentrale bzw. mittige Interferenzring bzw. -streifen in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Objektes erstreckt, und die an den beiden Seiten bezüglich des zentralen bzw. mittigen Interferenzringes bzw. -streifens angeordneten Interferenzringe bzw. -streifen erstrecken sich derart, um bezüglich des mittigen Interferenzringes bzw. -streifens unter einem Einfallswinkel eingestrahlt zu werden, der in eine Richtung weg von dem mittigen Interferenzring bzw. – streifen größer wird.
Die obige Aufgabe und andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargestellt werden, ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Ansicht, welche einen Beugungszustand zeigt, der ausgebildet wird, wenn ein Laserstrahl I auf ein Beugungsgitter vom Durchlasstyp einfällt, das einen Gitterlinienabstand d in der Ausrichtungsrichtung der Gitterlinien aufweist;
1B ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, wo mittels des in 1A gezeigten Beugungsgitters gebeugte Lichtkomponenten der ± n-ten Ordnung mit einem optischen Spiegelsystem reflektiert werden, um einen Einfallswinkel Θ₀ auf ein zu vermessendes Objekt zu haben;
1C ist eine Ansicht, welche die Anordnung zeigt, die erzielt wird, wenn das in 1B gezeigte optische Spiegelsystem mittels eines optischen Linsensystems aufgebaut wird;
2A ist ein optisches Lichtwegdiagramm von divergentem Licht in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2B ist ein optisches Lichtwegdiagramm von kollimiertem Licht in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2C ist eine Seitenansicht eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 setzt sich aus den 3A und 3B zusammen, welche die Ablaufdiagramme zur Erklärung einer Steuerungsoperation der ersten Ausführungsform zeigen;
4 ist ein optisches Lichtwegdiagramm von divergentem Licht in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein optisches Lichtwegdiagramm von kollimiertem Licht in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Seitenansicht eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 setzt sich aus den 7A und 7B zusammen, welche Ablaufdiagramme zeigen zum Erklären einer Steuerungsoperation der zweiten Ausführungsform;
8 ist ein optisches Lichtwegdiagramm von divergentem Licht in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein optisches Lichtwegdiagramm von kollimiertem Licht in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 setzt sich aus den 10A und 10B zusammen, welche Ablaufdiagramme zeigen zum Erklären einer Steuerungsoperation der dritten Ausführungsform;
11 ist ein optisches Lichtwegdiagramm von kollimiertem Licht in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist ein optisches Lichtwegdiagram von divergentem Licht in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
13 setzt sich aus den 13A und 13B zusammen, welche Ablaufdiagramme zeigen zum Erklären einer Steuerungsoperation in der vierten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 2A bis 2C zeigen die Anordnung eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 2A zeigt den optischen Lichtwegabschnitt des divergenten Lichtes, die 2B zeigt den optischen Lichtwegabschnitt des kollimierten Lichtes und die 2C zeigt eine Seitenansicht des Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers.
Ein von einer Laserdiode 1 emittierter Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ von etwa 0,68 μm wird mittels einer Kollimatorlinse 2 zu einem kollimierten Strahl 3 gebündelt, welcher eine Lichtpunktgröße von 1,2 mm aufweist. Der kollimierte Strahl 3 wird mittels eines Strahlteilers 20 in zwei Strahlen aufgeteilt. Von diesen beiden Strahlen wird, wie in den 2A und 2C gezeigt, ein unter einem rechten Winkel mittels des Strahlteilers 20 reflektierter Lichtstrahl 3a durch einen Spiegel 21 in eine Richtung parallel zu einem Lichtstrahl 3b reflektiert, und fällt auf ein Beugungsgitter 10 vom Durchlasstyp ein, welches einen Gitterlinienabstand dg = 3,2 μm in einer Richtung senkrecht zu der Gitterlinien-Ausrichtungsrichtung des Beugungsgitters 10 hat. Der einfallende Lichtstrahl 3a wird in gebeugte Lichtkomponenten 5a und 5b der ± 1-ten Ordnung geteilt.
Die gebeugten Lichtkomponenten 5a und 5b der ± 1-ten Ordnung treten aus dem Beugungsgitter 10 mit einem Beugungswinkel Θ = 12° aus und fallen in eine konvexe Linse 11 ein, welche eine Brennweite f hat, um derart Lichtstrahlen 13a und 13b, wie in 2B gezeigt, zu erhalten. Die Lichtstrahlen 13a und 13b fallen über ein Prisma 24 auf eine andere konvexe Linse 12 ein, wodurch derart die Lichtstrahlen 14a und 14b, wie in 2B gezeigt, erhalten werden. Wenn die Entfernung zwischen den Linsen 11 und 12 derart festgelegt ist, um kollimierte Strahlen 14a und 14b zu erhalten, dann fallen die Lichtstrahlen 14a und 14b auf ein zu vermessendes Objekt 7 ein, um einen Einfallswinkel zu haben, der gleich dem Beugungswinkel Θ des obig genannten Beugungsgitters 10 ist, und um eine Strahllichtpunktgröße von 1,2 mm zu haben.
Mit diesen Strahlen werden Interferenzringe bzw. -streifen auf dem zu vermessenden Objekt 7 bei einem bestimmten Intervall ausgebildet, und wenn der Beugungswinkel Θ gleich einem Winkel Θ_n ist, welcher die Hälfte des Kreuzungswinkels der beiden Strahlen auf dem zu vermessenden Objekt ist, dann ist ein Interferenzringabstand p gegeben durch: p = dg/2 (6)
Das Licht, welches durch das zu vermessende Objekt 7 reflektiert wird, wird in zwei Strahlen in entgegengesetzten Richtungen mittels eines Spiegels 23 über die Linse 12 eingeteilt, und diese Lichtstrahlen werden über Fokussierlinsen 40a und 40b auf Photodetektoren 60a und 60b gerichtet. Wenn sich das zu vermessende Objekt 7 sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt, wird von daher eine Dopplerfrequenz F, die durch die folgende Gleichung (7) gegeben ist, von einem optischen Signal erzielt, das ein Dopplerfrequenzsignal einschließt, und mittels des Photodetektors 60b erfasst. Eine Recheneinheit (nicht dargestellt) berechnet eine Geschwindigkeit basierend auf der Gleichung (7) F = 2V/dg (7)
Andererseits wird der andere Lichtstrahl 3b, der mittels des Strahlteilers 20 aufgespalten wird, durch den Strahlteiler 20, wie in den 2A und 2C gezeigt, übertragen und fällt auf das Beugungsgitter 10 in einer Richtung senkrecht zu der Gitterlinien-Anordnungsrichtung des Beugungsgitters 10 auf die selbe Art und Weise wie der Lichtstrahl 3a ein, und wird in Lichtstrahlen 5c und 5d eingeteilt. Die Lichtstrahlen 5c und 5d werden durch die konvexen Linsen 11 und 12 übertragen und fallen auf das zu vermessende Objekt als divergentes Strahlen 14c und 14d ein. Mit diesen Strahlen werden Interferenzringe abhängig von der Tiefe (in der Auf-und-Ab-Richtung der 2A bis 2C) ausgebildet, und ein Interferenzabstand p₁ ist gegeben durch die folgende Gleichung (8) p1 = λ/2 sin Θn (8) wobei Θ_n der Kreuzungswinkel der Hauptstrahlen in dem Lichtstrahlkreuzungsabschnitt ist.
Das von dem zu vermessenden Objekt 7 auf der Basis des Interferenzabstandes p₁ reflektierte Licht wird durch die Linse 12 übertragen und in zwei Strahlen in entgegengesetzte Richtungen mittels des Spiegels 20 geteilt. Diese beiden Strahlen fallen jeweils über die Fokussierungslinsen 40a und 40b auf die Photodetektoren 60a und 60b ein. Hieraus resultiert ein Dopplerfrequenzsignal, welches durch den Photodetektor 60a erzielt wird, das heißt, eine Dopplerfrequenz F₁ eines Referenzsignals, gegeben durch die folgende Gleichung (9): F1 = 2V sin Θn/λ (9)
Der Abstand p der Interferenzringe, die bei einer Position in der Tiefenrichtung (die Auf-und-Ab- Richtung von 2A bis 2C) ausgebildet sind, wo der Kreuzungswinkel Θ_n der Hauptstrahlen in dem Strahlkreuzungsbereich der beiden Strahlen gleich dem Beugungswinkel Θ wird, ist gleich dem Interferenzringabstand, der durch die obige Gleichung (6) gegeben ist, und diese Position ist gleich der Position, wo sich die kollimierten Strahlen, die aus der konvexen Linse 12 heraustreten, gegenseitig schneiden.
Wenn die Kreuzungsposition der kollimierten Strahlen 14a und 14b, die von der konvexen Linse 12 ausgehen, als ein geeigneter Messpunkt definiert ist, erzeugt von daher der Photodetektor 60a, falls das zu vermessende Objekt 7 beispielsweise vor diesem geeigneten Messpunkt vorhanden ist, als das in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit V des sich bewegenden, zu vermessenden Objektes 7 erzielte Dopplerfrequenzsignal ein Dopplerfrequenzsignal mit einer Frequenz höher als die des Photodetektors 60b, d. h. ein Referenzsignal.
Gewindewellen 102a und 102b, die einen Mechanismus zur Bewegung eines Hauptkörpers in die Vor- und Zurückrichtung darstellen, werden mittels einer Antriebsquelle (nicht dargestellt) auf der Basis des Referenzsignals gedreht, wobei dadurch ein Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 in Richtung eines Pfeils in den 2A bis 2C bewegt wird, an welchem zylindrische Muttern 103a und 103b gewaltsam in Eingriff mit diesen an den beiden Seiten herausragenden Gewindewellen 102a und 102b stehen, bis die Frequenzen der von den Photodetektoren 60a und 60b erlangten Signale miteinander gleich werden. In diesem Fall wird die Entfernung zwischen dem Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 und dem zu vermessenden Objekt 7 mittels einer CPU (nicht dargestellt) als eine Positionsunterscheidungseinrichtung gesteuert.
Die Steuerungsoperation der CPU der ersten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme des Ablaufdiagramme in den 3A und 3B beschrieben.
Nachdem in Schritt ST11-1 die Stromversorgung des Körpers bzw. Gehäuses des Geschwindigkeitsmessers 101 eingeschaltet ist, werden die Gewindewellen 102a und 102b in Schritt ST11-2 gedreht, um den Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 auf (aufwärts) oder herab (abwärts) in Bezug auf das zu vermessende Objekt 7 zu bewegen. In Schritt ST11-3 wird während der Bewegung des Körpers bzw. Gehäuses des Geschwindigkeitsmessers 101 überprüft, ob die Dopplerfrequenzen der Ausgaben von den Photodetektoren 60a und 60b die Beziehung F₁ = F erfüllen. Wenn in Schritt ST11-3 ein „JA" auftritt, wird ermittelt, dass der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 eine geeignete Messposition erreicht hat, und die Gewindewellen 102a und 102b werden in Schritt ST11-4 angehalten, um die Bewegung des Körpers bzw. Gehäuses des Geschwindigkeitsmessers zu stoppen, wodurch dieser Zustand gehalten wird.
Wenn der Geschwindigkeitsmesser 101 die geeignete Messposition erreicht hat, wird eine Servosteuerung gestartet. Es wird in Schritt ST11-5 überprüft, ob die Dopplerfrequenz F₁ der Ausgabe von dem Photodetektor 60a gleich der Dopplerfrequenz F der Ausgabe von dem Photodetektor 60b ist. Wenn in Schritt ST11-5 ein „NEIN" auftritt, wird in Schritt ST11-6 überprüft, ob F₁ größer F gilt. Wenn in Schritt ST11-6 ein „JA" auftritt, werden die Gewindewellen 102a und 102b in Schritt ST11-7 gedreht, um den Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 herabzubewegen, wodurch der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 nahe an das zu vermessende Objekt 7 gebracht wird. In Schritt ST11-8 wird erneut überprüft, ob F₁ = F gilt. Wenn in Schritt St11-8 ein „JA" auftritt, werden die Gewindewellen 102a und 102b in Schritt ST11-9 angehalten, und der Geschwindigkeitsmesser 101 wird bei dieser Position gestoppt.
Wenn andererseits in Schritt ST11-6 ein „NEIN" auftritt, fährt das Ablaufdiagramm weiter mit Schritt ST11-10, um die Gewindewellen 102a und 102b in eine Richtung entgegengesetzt zu der obig beschriebenen zu drehen, wodurch der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 aufwärts bewegt wird, das heißt, wodurch der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 weiter weg von dem zu vermessenden Objekt 7 gebracht wird. In Schritt ST11-11 wird erneut überprüft, ob F₁ = F gilt. Wenn in Schritt ST11-11 ein „JA" auftritt, dann fährt das Ablaufdiagramm weiter mit Schritt ST11-9, um die Gewindewellen 102a und 102b anzuhalten, wodurch der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 gestoppt wird. In Schritt ST11-12 wird überprüft, ob ein Betriebszustand bzw, eine Operation endet. Wenn in Schritt ST11-12 ein „NEIN" auftritt, dann kehrt das Ablaufdiagramm zu Schritt ST11-5 zurück, um die zuvor erwähnte Betriebsweise bzw. Operation zu wiederholen.
Selbst wenn die Oberfläche des zu vermessenden Objektes 7 ähnlich wie eine Stahlplatte gewellt ist, kann mit dieser Steuerung die Entfernung zu dem zu vermessenden Objekt 7 zuverlässig angeglichen bzw. angepasst werden. Von daher kann ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser realisiert werden, welcher zuverlässig die Geschwindigkeit messen kann, selbst wenn sich die Entfernung zu dem zu vermessenden Objekt 7 abändert.
Die 4 bis 6 zeigen die Anordnung eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 4 zeigt den optischen Wegabschnitt des divergenten Lichtes, die 5 zeigt den optischen Wegabschnitt des kollimierten Lichtes und die 6 ist eine Seitenansicht eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers.
In der zweiten Ausführungsform sind Paare von Spiegeln 41a und 42a, 41b und 42b, 41c und 42c, und 41d und 42d jeweils in die optischen Wege der durch die Linse 12 gesendeten Lichtstrahlen 14a bis 14d eingebracht. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform werden Lichtstrahlen zu divergente Strahlen, wenn sie durch das Prisma 24 gesendet werden, und Lichtstrahlen werden zu kollimierte Strahlen, wenn sie nicht durch das Prisma 24 gesendet werden. Da die anderen Anordnungen die gleichen wie die in ersten Ausführungsform sind, bezeichnen die gleichen Bezugsziffern in dieser Ausführungsform die gleichen Teile wie die in der ersten Ausführungsform, und auf eine wiederholte Beschreibung hiervon wird verzichtet. Die Spiegel 41a und 42a, 41b und 42b, 41c und 42c und 41d und 42d sind derart angeordnet, dass ihre reflektierenden Oberflächen parallel zueinander stehen, und die mittels der gleichen Bezugsziffern bezeichneten Spiegel sind symmetrischen über die lichtempfangende optische Achse angeordnet. Jeder der Spiegel 41a und 41b und der Spiegel 41b und 41c sind integral angeordnet, und die Spiegel 41a und 41b und die Spiegel 41c und 41d sind bewegbar in der Intervallrichtung, um symmetrisch über die lichtempfangende optische Achse zu sein.
Nachfolgend wird die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform beschrieben. Wenn die Weglängen der Lichtstrahlen 13c und 13d gesetzt sind, so dass die beiden fokussierenden Lichtstrahlen 14c und 14d auf die Punkte 50c und 50d an den Spiegeln 42c und 42d über die Spiegel 41c und 41d fokussiert werden, dann wird eine Entfernung (Ideal-Entfernung) d₁ zwischen den Punkten 50c und 50d auf den Spiegeln 42c und 42d und dem zu vermessenden Objekt 7 durch Berechnung der folgenden Gleichung mittels einer CPU (nicht dargestellt) als eine Entfernungs-Berechnungseinrichtung und als eine Entfernungs-Steuerungseinrichtung erzielt. Es sei darauf hingewiesen, dass X das Intervall zwischen den Punkten 50c und 50d ist, und durch eine Messeinrichtung (nicht dargestellt) gemessen wird. d1 = X/2 tan Θn (10)
Aus den Gleichungen (7) und (8) folgt des weiteren:
Wenn Θ hinreichend klein ist, und die Variation in der Tiefenrichtung des zu vermessenden Objektes 7 klein ist, dann ist der Abstand der Punkte 50a und 50b bei Bewegung der Spiegel 41c und 41d in Richtung der lichtempfangenen optischen Achse vernachlässigbar klein. Unter Verwendung der Gleichung (11) kann aus diesem Grund die Entfernung d₁ zwischen den Punkten 50a und 50b und dem zu vermessenden Objekt 7 und die Variation dieser Entfernung ermittelt werden. Andererseits ist die Entfernung d zwischen der Kreuzungsposition der Lichtstrahlen 14a und 14b und den Punkten 50a und 50b gegeben durch d = X/(2 tan Θ).
Die Steuerungsbetriebsweise der CPU der zweiten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme des Ablaufdiagramms in den 7A und 78 beschrieben.
Nachdem in Schritt ST12-1 die Stromversorgung eingeschaltet ist, wird das Intervall X zwischen Spiegeln 41a und 41B mittels einer Erregung, beispielsweise mittels einer Schwinkspule, in Schritt ST12-2 vergrößert oder verkleinert. In Schritt ST12-3 wird überprüft, ob die Gleichung
gilt. Wenn in Schritt ST12-3 ein „JA" auftritt, werden in Schritt ST12-4 die Spiegel 41a und 41b angehalten.
Nachdem die Spiegel 41a und 41b bei geeigneten Positionen angeordnet sind, wird die Operation zur Steuerung der Positionen der Spiegel 41a und 41b gestartet, um die Beziehung d₁ = d zu erfüllen (wobei d₁ die Ideal-Entfernung und d die Entfernung zwischen der Kreuzungsposition der beiden kollimierten, durch die Linse 12 gesendeten Strahlen 41a und 41b und den Punkten 50a und 50b auf den Spiegeln 42a und 42b ist).
In Schritt ST12-5 wird überprüft, ob die Beziehung
gilt. Wenn in Schritt ST12-5 ein „NEIN" auftritt, wird in Schritt ST12-6 überprüft, ob die Beziehung
gilt. Wenn in Schritt ST-12-6 ein „JA" auftritt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST12-7 fort, um das Intervall X zwischen den Spiegeln 41a und 41d anwachsen zu lassen.
Danach wird erneut in Schritt ST12-8 überprüft, ob die Beziehung
gilt. Wenn in Schritt ST12-8 ein „JA" auftritt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST12-9 fort, um die Spiegel 41a und 41b anzuhalten.
Wenn andererseits in Schritt ST12-6 ein „NEIN" auftritt, dann wird das Intervall X zwischen den Spiegeln 41a und 41b in Schritt ST12-10 herabgesetzt, und es wird in Schritt ST12-11 überprüft, ob die Beziehung
gilt. Wenn in Schritt ST12-11 ein „JA" auftritt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST12-9 fort, um die Spiegel 41a und 41b anzuhalten. Es wird dann in Schritt St12-12 überprüft, ob eine Operation bzw. ein Betriebszustand endet. Wenn in Schritt ST12-12 ein „NEIN" auftritt, dann kehrt das Ablaufdiagramm zu Schritt ST12-5 zurück, um die zuvor genannte Operation bzw. Betriebsweise zu wiederholen.
Selbst wenn die Oberfläche des zu vermessenden Objektes ähnlich wie eine Stahlplatte gewölbt ist, kann mit dieser Steuerung die Entfernung d₁ zu dem zu vermessenden Objekt zuverlässig angepasst bzw. eingestellt werden, und selbst wenn die Entfernung zu dem zu vermessenden Objekt sich abändert, kann die Geschwindigkeit zuverlässig gemessen werden.
Die 8 und 9 zeigen die Anordnung eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 8 zeigt den optischen Lichtwegabschnitt des kollimierten Lichtes, und die 9 zeigt den optischen Lichtwegabschnitt des divergenten Lichtes.
Ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ von etwa 0,68 μm und von einer Laserdiode 1b emittiert, wird mittels einer Kollimatorlinse 2b in einen kollimierten Strahl 3b kollimiert, welcher eine Strahllichtpunktgröße von 1,2 mm hat, und der kollimierte Strahl 3b wird durch einen dichroitischen Spiegel 20a gesendet, welcher eingesetzt wird, um Licht zu reflektieren, welches eine Wellenlänge aufweist, die innerhalb eines Bereiches von 0,78 ± 10 μm fällt. Der kollimierte Strahl 3b fällt dann auf ein Beugungsgitter vom Durchlasstyp, welches einen Gitterlinienabstand dg = 3,2μm in einer Richtung senkrecht zu der Gitterlinien-Ausrichtungsrichtung des Beugungsgitters 10 hat, und wird in gebeugte Lichtkomponenten 5a und 5b der ± 1-ten Ordnung geteilt.
Die gebeugten Lichtkomponenten 5a und 5b der ± 1-ten Ordnung treten von dem Beugungsgitter 10 unter einem Beugungswinkel Θ = 12° aus und fallen auf eine konvexe Linse 11, welche eine Brennweite f hat, wodurch Lichtstrahlen 13a und 13b, wie in 8 gezeigt, erzielt werden. Die Lichtstrahlen 13a und 13b fallen auf eine konvexe Linse 12, von daher werden Lichtstrahlen 14a und 14b, wie in 8 gezeigt, erzielt. Wenn die Entfernung zwischen den Linsen 11 und 12 so gesetzt ist, um diese Lichtstrahlen 14a und 14b in kollimierte Strahlen zu konvertieren bzw. umzuwandeln, dann fallen die Lichtstrahlen 14a und 14b auf ein zu vermessendes Objekt 7, um einen Einfallswinkel zu haben, welcher gleich dem Beugungswinkel Θ von dem zuvor genannten Beugungsgitter 10 ist, und um eine Lichtpunktgröße von 1,2 mm zu haben.
Mit diesen Strahlen werden Interferenzringe auf dem zu vermessenden Objekt 7 bei einem bestimmten Intervall ausgebildet, und wenn der Beugungswinkel Θ gleich einem Winkel Θ_n ist, der die Hälfte des Kreuzungswinkels der beiden Lichtstrahlen auf dem zu vermessenden Objekt ist, dann ist, wie obig beschrieben, ein Interferenzabstand p durch die folgende Gleichung gegeben: p = dg/2 (6)
Das durch das zu vermessende Objekt 7 auf der Basis des Interferenzringabstandes p reflektierte Licht wird durch die Linse 12 und dann über eine Fokussierlinse 40 durch einen dichroitischen Spiegel 23a geschickt, welcher eingesetzt wird, um den gleichen Reflektionswellenlängenbereich zu haben, wie der des dichroitischen Spiegels 20a. Das reflektierte Licht fällt dann auf einen Photodetektor 60. Wenn von daher das zu vermessende Objekt 7 sich mit einer Geschwindigkeit V bewegt, kann eine durch die obige Gleichung (7) gegebene Dopplerfrequenz F von einem optischen Signal erzielt werden, welches ein mittels des Photodetektors 60A erzieltes Dopplerfrequenzsignal enthält, das heißt, ein Messsignal. Eine CPU 100 berechnet die Geschwindigkeit basierend auf der Gleichung (7): F = 2V/dg (7)
Andererseits wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ₁ = 780 nm und emittiert von einer Laserdiode 1a mittels einer Kollimatorlinse 2a in einen kollimierten Strahl 3a kollimiert, und wird unter einem rechten Winkel mittels des dichroitischen Spiegels 20a reflektiert. Der kollimierte Strahl 30a trifft auf das Beugungsgitter 10 in einer Richtung senkrecht zu der Gitterlinien-Anordnungsrichtung des Beugungsgitters 10, wie bei dem Lichtstrahl 3b, und wird in Lichtstrahlen 5c und 5d geteilt. Die Lichtstrahlen 5c und 5d werden über die konvexen Linsen 11 und 12 gesendet und in divergente Strahlen 14c und 14d umgewandelt. Die divergenten Strahlen 14c und 14d fallen bei im wesentlichen den gleichen Positionen (an der optischen Lichtempfangsachse) als die einfallenden Positionen der kollimierten Lichtstrahlen 14a und 14b ein. Mit diesen Strahlen werden Interferenzringe auf dem zu vermessenden Objekt 7 ausgebildet, deren Ringintervall von der Tiefe (die Auf- und Abrichtung in den 8 und 9) abhängt. Ein Interferenzringabstand p₁ der Interferenzringe ist gegeben durch die folgende Gleichung (8)', wobei Θ_n der Kreuzungswinkel der Mittelstrahlen in dem Lichtstrahlkreuzungsabschnitt ist: p1 = λ1/2 sin Θn (8)'
Das Licht, welches durch das zu vermessende Objekt auf der Basis des Interferenzringabstandes p₁ reflektiert wird, wird durch die Linse 12 gesendet und durch den dichroitischen Spiegel 23a über die Fokussierlinse 40 reflektiert. Das reflektierte Licht trifft dann auf einen Photodetektor 60a. Eine Dopplerfrequenz F₁ eines durch den Photodetektor 60a erzielten Dopplerfrequenzsignals, d. h. eines Referenzsignals, ist gegeben durch die folgende Gleichung (9)': F1 = 2V sin Θn/λ1 (9)'
Der Abstand p₁ der Interferenzringe, die bei einer Position in der Tiefenrichtung (die Auf- und Abrichtung in den 8 und 9) ausgebildet sind, wo der Kreuzungswinkel Θ_n der Hauptstrahlen in dem Lichtstrahl-Kreuzungsabschnitt gleich dem Beugungswinkel Θ wird, ist λ1/λ-mal dem durch die Gleichung (6) gegebenen Interferenzringabstand p, und die Position in der Tiefenrichtung ist im wesentlichen gleich einer Position, wo sich die kollimierten Lichtstrahlen schneiden, die von der konvexen Linse 12 ausgehen.
Wenn die Kreuzungsposition der kollimierten Strahlen 14a und 14b, die von der konvexen Linse 12 ausgehen, als ein geeigneter Messpunkt definiert ist, erzeugt von daher der Photodetektor 60a, falls das zu vermessende Objekt 7 beispielsweise vor diesem geeigneten Messpunkt (die untere Seite in den 8 und 9) vorhanden ist, als das in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit V des sich bewegenden, zu vermessenden Objektes 7 erzielte Dopplerfrequenzsignal ein Dopplerfrequenzsignal mit einer Frequenz höher als die des Photodetektors 60b, d. h. ein Referenzsignal.
Basierend auf dem Referenzsignal werden Gewindewellen 102a und 102b, welcher einen Mechanismus zur Bewegung eines Hauptkörpers darstellen, mittels einer Antriebsquelle (nicht dargestellt) gedreht und ein Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 in Richtung eines Pfeils in den 8 und 9 bewegt, an welchem zylindrische Muttern 103a und 103b gewaltsam mit den von den beiden Seiten hervorstehenden Gewindewellen 102a und 102b in Eingriff stehen, bis die von dem Photodetektor 60a erzielte Dopplerfrequenz des Referenzsignals λ₁/λ-mal der Dopplerfrequenz des von dem Photodetektor 60b erzielten Messsignals wird. Wenn das zu vermessende Objekt 7 hinter dem geeigneten Messpunkt (die obere Seite der 8 und 9) vorhanden ist, dann wird eine Steuerung entgegengesetzt der obig beschriebenen Steuerung durchgeführt. Diese Steuerung wird mittels der CPU 100 durchgeführt. Im einzelnen wird das Intervall zwischen dem Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 und dem zu vermessenden Objekt 7 durch die CPU 100 unterschieden und gesteuert.
Die Steuerungsbetriebsweise der CPU 100 der dritten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme des Ablaufdiagramms in den 10A und 10B beschrieben.
Nachdem die Stromversorgung des Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 in Schritt ST11-1 eingeschaltet ist, wird in Schritt ST11-2 die Gewindewelle 102a gedreht, um den Körper bzw. Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 111 nach oben (aufwärts) oder nach unten (abwärts) in Bezug auf das zu vermessende Objekt 7 zu bewegen. In Schritt ST11-3 wird überprüft, ob die Dopplerfrequenzen der Ausgaben von den Photodetektoren 60a und 60b die Beziehung F₁ = (λ₁/λ) × F während der Bewegung des Körpers bzw. Gehäuses des Geschwindigkeitsmessers 101 erfüllen. Wenn in Schritt ST11-3 ein „JA" vorliegt, wird ermittelt, dass der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 die geeignete Messposition erreicht hat, und die Gewindewelle 102a wird in Schritt ST11-4 angehalten, um den Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers zu stoppen, um dadurch den Zustand zuhalten.
Wenn der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 die geeignete Position erreicht hat, wird die Servosteuerung gestartet. In Schritt ST11-5 wird überprüft, ob die Dopplerfrequenz F₁ der Ausgabe von dem Photodetektor 60b eine bestimmte proportionale Beziehung, d. h. (λ₁/λ) × F, mit der Dopplerfrequenz der Ausgabe von dem Photodetektor 60a aufweist. Wenn in Schritt ST11-5 ein „NEIN" vorliegt, wird in Schritt St11-6 überprüft, ob die Beziehung F₁ > (λ₁/λ) × F gilt. Wenn in Schritt ST11-6 ein „JA" vorliegt, wird die Gewindewelle 102a in Schritt ST11-7 gedreht, um den Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 herabzubewegen, wodurch er nahe an das zu vermessende Objekt 7 gebracht wird. In Schritt ST11-8 wird erneut überprüft, ob die Beziehung F₁ = (λ₁/λ) × F gilt. Wenn in Schritt ST11-8 ein „JA" vorliegt, wird die Gewindewelle 102a in Schritt St11-9 angehalten, wodurch der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 bei dieser Position angehalten wird.
Wenn andererseits in Schritt ST11-6 ein „NEIN" auftritt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST11-10 fort, um die Gewindewelle 102a in eine Richtung entgegengesetzt zu der obig beschriebenen zu drehen, wodurch der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 aufwärts bewegt wird und dieser weiter von dem zu vermessenden Objekt 7 weggebracht wird. In Schritt ST11-11 wird erneut überprüft, ob die Beziehung F₁ = (λ₁/λ) × F erfüllt ist. Wenn in Schritt ST11-11 ein „JA" vorliegt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST11-9 fort, um die Gewindewelle 102a anzuhalten, wodurch der Körper bzw. das Gehäuse des Geschwindigkeitsmessers 101 angehalten wird. In Schritt St11-12 wird überprüft, ob eine Operation bzw. ein Betriebszustand endet. Wenn in Schritt St11-12 ein „NEIN" auftritt, dann kehrt das Ablaufdiagramm zu Schritt ST11-5 zurück, um die obig erwähnte Operation zu wiederholen.
Selbst wenn die Oberfläche des zu vermessenden Objektes 7 ähnlich wie eine Stahlplatte wellig bzw. gewölbt ist, kann mit dieser Steuerung die Entfernung zu dem vermessenden Objekt 7 zuverlässig eingestellt werden. Von daher kann ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser realisiert werden, welcher zuverlässig die Geschwindigkeit messen kann, selbst wenn sich die Entfernung zu dem zu vermessenden Objekt 7 abändert.
Die 11 und 12 zeigen die Anordnung eines Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 11 zeigt den optischen Lichtwegabschnitt des kollimierten Lichtes, und die 12 zeigt den optischen Lichtwegabschnitt des divergenten Lichtes.
In der vierten Ausführungsform sind, ungleich zu der dritten Ausführungsform, Paare von Spiegeln 41a und 42a, und 41b und 42b jeweils in die optischen Lichtwege der durch die Linse 12 hindurchlaufenden Lichtstrahlen 14a und 14b eingebracht. Die Spiegel 41a und 42a und die Spiegel 41b und 42b sind derart angeordnet, dass ihre Reflektionsoberflächen parallel zueinander stehen, und die mittels der gleichen Bezugsziffern bezeichneten Spiegel sind derart angeordnet, um symmetrisch zur optischen Lichtempfangsachse zu sein. Die Spiegel 41a und 41b sind in die Intervallrichtung bewegbar, um symmetrisch über die optische Lichtempfangsachse zu sein. Im Gegensatz zu der obigen Ausführungsform wird Licht in konvergentes Licht umgewandelt, wenn es durch einen dichroitischen Spiegel 20b geschickt wird; und es wird in kollimiertes Licht umgewandelt, wenn es mittels des dichroitischen Spiegels 20b reflektiert wird. Auch ist die Anordnung eines dichroitischen Spiegels 23b und der Photodetektoren 60a und 60b entgegengesetzt zu der in der dritten Ausführungsform. Da die anderen Anordnungen die gleichen wie die in der dritten Ausführungsform sind, bezeichnen die gleichen Bezugsziffern in dieser Ausführungsform die gleichen Teile wie in der dritten Ausführungsform, und auf eine wiederholte Beschreibung hiervon wird verzichtet.
Die Betriebsweise der vierten Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben. Da sich die beiden kollimierten Strahlen 14a und 14b in einer im wesentlichen gleichen Weise wie in der dritten Ausführungsform fortpflanzen, mit der Ausnahme, dass sie sich über die Spiegel 41a, 42a, 41b und 42b fortpflanzen, wird auf eine Beschreibung hiervon verzichtet. Die Positionen der Prismen sind derart gesetzt, dass zwei konvergente, durch die Linse 12 gesendete Strahlen 14c und 14d über die Spiegel 41a und 41b auf die Punkte 50a und 50b auf den Spiegeln 42a und 42b fokussiert werden. Eine Entfernung (Ideal-Entfernung) d₁ zwischen den Punkten 50a und 50b auf den Spiegeln 42a und 42b und dem zu vermessenden Objekt 7 wird mittels Berechnung der folgenden Gleichung durch die CPU 100 erzielt. Es sei darauf hingewiesen, dass X die Entfernung zwischen den Punkten 50a und 50b ist, welche mittels einer Messeinrichtung (nicht dargestellt) gemessen wird: d1 = X/(2 tan Θn) (10)'
Aus den Gleichungen (7) und (8)' folgt des weiteren:
Wenn Θ hinreichend klein ist und die Variation in der Tiefenrichtung des zu vermessenden Objektes 7 klein ist, ist die Entfernung in der Richtung der optischen Lichtempfangsachse von den Punkten 50a und 50b bei Bewegung der Spiegel 41a und 41b vernachlässigbar klein. Unter Verwendung von Gleichung (11)' kann aus diesem Grund die Entfernung d₁ zwischen den Punkten 50a und 50b und dem zu vermessenden Objekt 7 und die Variation dieser Entfernung erlangt werden. Andererseits ist die Entfernung d zwischen der Kreuzungsposition der Lichtstrahlen 14a und 14b und der Punkte 50a und 50b gegeben durch D = X/(2 tan Θ).
Die Steuerungsoperation der CPU 100 der vierten Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in den 13A und 13B beschrieben.
Nachdem die Stromversorgung in Schritt ST12-1 eingeschaltet ist, wird das Intervall X zwischen den Spiegeln 41a und 41b durch Erregung, beispielsweise einer Erregerspule, in Schritt ST12-2 erhöht oder herabgesetzt. In Schritt ST12-3 wird überprüft, ob die folgende Gleichung erfüllt ist:
Wenn in Schritt ST12-3 ein „JA" vorliegt, werden in Schritt ST12-4 die Spiegel 41a und 41b angehalten.
Nachdem die Spiegel 41a und 41b bei geeigneten Positionen angeordnet sind, wird die Betriebsweise zur Steuerung der Positionen der Spiegel 41a und 41b gestartet, um die Beziehung d₁ = d zu erfüllen (,wobei d₁ die Ideal-Entfernung und d die Entfernung zwischen der Kreuzungsposition der beiden kollimierten, durch die Linse 12 gesendeten Strahlen 14a und 14b und den Punkten 50a und 50b auf den Spiegeln 42a und 42b sind).
In Schritt ST12-5 wird überprüft, ob die folgende Gleichung gilt.
Wenn in Schritt St12-5 ein „NEIN" auftritt, wird in Schritt ST12-6 überprüft, ob die folgende Beziehung gilt:
Wenn in Schritt ST12-6 ein „JA" auftritt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST12-7 fort, um die Entfernung X zwischen den Spiegeln 41a und 41b anwachsen zu lassen. Danach wird erneut in Schritt ST12-8 überprüft, ob die folgende Beziehung erfüllt ist:
Wenn in Schritt ST12-8 ein „JA" vorliegt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST12-9 fort, um die Spiegel 41a und 41b anzuhalten.
Wenn andererseits ein „NEIN" in Schritt ST12-6 auftritt, dann wird die Entfernung X zwischen den Spiegeln 41a und 41b in Schritt ST12-1 herabgesetzt, und in Schritt ST12-11 wird überprüft, ob die folgende Bedingung gilt:
Wenn in Schritt ST12-11 ein „JA" vorliegt, dann fährt das Ablaufdiagramm mit Schritt ST12-9 fort, um die Spiegel 41a und 41b anzuhalten. Es wird dann in Schritt ST12-12 überprüft, ob eine Operation bzw. ein Betriebszustand endet. Wenn in Schritt ST12-12 ein „NEIN" auftritt, dann kehrt das Ablaufdiagramm zu Schritt ST12-5 zurück, um die obig genannte Betriebsweise zu wiederholen. Selbst wenn die Oberfläche des zu vermessenden Objektes 7 wie eine Stahlplatte gewellt bzw. gewölbt ist, kann mit dieser Steuerung die Entfernung d zu dem zu vermessenden Objekt zuverlässig eingestellt werden, und selbst wenn sich die Entfernung zu dem zu vermessenden Objekt ändert, kann die Geschwindigkeit zuverlässig gemessen werden.
Zusätzlich zu der Anordnung, welche die beiden Lichtquellen wie in der obigen Ausführungsform verwendet, können die Lichtquellen durch einen einzelnen Zwei-Frequenzlaser ersetzt werden. In diesem Fall brauchen die optischen Lichtwege der Lichtquellen nicht mittels des dichroitischen Spiegels 20a oder 20b aufgeteilt werden. Lichtkomponenten mit verschiedenen Wellenlängen werden in verschiedene Richtungen mittels des dichroitischen Spiegels 23 vor der Fokussierlinse geführt, und der gleiche Effekt, wie obig beschrieben, kann erzielt werden.
In der Beschreibung der obigen Ausführungsform sind die Lichtstrahlen 14c und 14d divergente Strahlen. Jedoch können diese Strahlen konvergente Strahlen sein. In diesem Fall ist die Bewegungsrichtung des Hauptkörpers oder der Spiegel umgekehrt zu der in der obigen Ausführungsform.
Eine Positionsinformations-Erfassungsvorrichtung weist folgendes auf: ein erstes Erfassungssystem zum Aussenden von zwei kollimierten Lichtstrahlen auf ein zu vermessendes Objekt bei einem bestimmten Kreuzungswinkel, um Interferenzringe bzw. -streifen bei einem bestimmten Intervall auszubilden, und zum Erfassen von gestreutem Licht, welches von dem zu vermessenden Objekt durch die Interferenzringe bei dem bestimmten Intervall ausgeht; und ein zweites Erfassungssystem zum Ausstrahlen von zwei Lichtstrahlen auf das zu vermessende Objekt bei einem bestimmten Kreuzungswinkel, um Interferenzringe bzw. Interferenzstreifen auszubilden, welche einen Gradienten in einer Richtung senkrecht zu der Anordnungsrichtung der Ringe bzw. Streifen aufweisen, und zum Erfassen von gestreutem Licht, welches von dem zu vermessenden Objekt durch die den Gradienten aufweisenden Interferenzringe bzw. Interferenzstreifen ausgeht; und eine Erfassungseinheit zum Vergleichen von Ausgabesignalen von dem ersten und dem zweiten Erfassungssystem, und zum Erfassen einer relativen Positionsinformation entlang der entgegengesetzten Richtung der ersten und zweiten Erfassungssysteme des zu vermessenden Objektes.

Claims

Eine Positionserfassungsvorrichtung, die folgendes aufweist: ein erstes Erfassungssystem (1, 2, 10, 12, 20, 21, 23, 24, 60b) zum Aussenden von zwei parallelen bzw. kollimierten Lichtstrahlen (14a, 14b) auf ein zu vermessendes Objekt (7) unter einem Kreuzungswinkel, um Interferenzringe bzw. Interferenzstreifen bei einem bestimmten Intervall auszubilden, wobei das erste Erfassungssystem gestreutes Licht erfasst, welches von dem zu vermessenden Objekt durch die Interferenzstreifen bei dem bestimmten Intervall ausgeht, ein zweites Erfassungssystem (1, 2, 10, 12, 20, 23, 60a) zum Aussenden von zwei divergenten Lichtstrahlen (14c, 14d) auf das zu vermessende Objekt (7) unter einem Kreuzungswinkel, um Interferenzstreifen auszubilden, welche ein Intervall zwischen angrenzenden Interferenzstreifen aufweisen, das sich in Übereinstimmung mit einer Position entlang einer entgegengesetzten Richtung zu dem zu vermessenden Objekt abändert, wobei das zweite Erfassungssystem gestreutes Licht erfasst, welches von dem zu vermessenden Objekt durch die Interferenzstreifen ausgeht, wobei die Anordnungsrichtung der Interferenzstreifen, die durch die beiden sich kreuzenden Lichtstrahlen (14a, 14b) in dem ersten Erfassungssystem verursacht werden, im wesentlichen die gleiche wie die in dem zweiten Erfassungssystem ist, und das erste und zweite Erfassungssystem jeweils Ausgabesignale ausgeben, welche die Dopplerfrequenz durch die Erfassung des gestreuten Lichtes von dem Objekt (7) enthalten, und eine Erfassungseinrichtung (100) ist entlang der entgegengesetzten Richtung zu dem Objekt vorgesehen zur Erfassung der relativen Positionsinformation des zu vermessenden Objektes (7) mittels Vergleich der jeweils mittels des ersten und zweiten Erfassungssystems erlangten Doppler-Frequenzsignale.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner folgendes aufweisend: eine Geschwindigkeitsinformations-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Bewegungsgeschwindigkeitsinformation relativ zu dem zu vermessenden Objekt (7) auf der Basis eines Ausgabesignals von dem ersten Erfassungssystem (1, 2, 10, 12, 20, 21, 23, 24, 60b).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Erfassungssystem einen Lichtstrahl von einer gemeinsamen Lichtquelle (1) aufspalten, um zwei Paare von Lichtstrahlen (14a, 14b, 14c, 14d) auszubilden, welche sich bei verschiedenen Positionen schneiden.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner eine Intervallsteuerungseinrichtung (102a, 102b, 103a, 103b) aufweisend zur Steuerung eines Intervalls zwischen dem ersten und zweiten Erfassungssystem und dem zu vermessenden Objekt (7) auf der Basis eines Erfassungsergebnisses von der Erfassungseinrichtung (100).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner eine Kreuzungspositions-Steuerungseinrichtung aufweisend zum Abändern einer Beziehung zwischen dem Erfassungssystem und der Kreuzungsposition der beiden Strahlen in jedem der ersten und zweiten Erfassungssysteme auf der Basis eines Erfassungsergebnisses von der Erfassungseinrichtung (100).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei jeweils das erste und das zweite Erfassungssystem Lichtquellen (1a, 1b) aufweisen, die verschiedene Ausgabelichtwellenlängen haben, und jedes zwei Lichtstrahlen führt, die von einem von der entsprechenden Lichtquelle (1a, 1b) emittierten Lichtstrahl ausgebildet sind, um sich gegenseitig zu schneiden.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das erste und zweite Erfassungssystem die Lichtstrahlen von den entsprechenden Lichtquellen (1a, 1b) zu dem zu vermessenden Objekt (7) über ein gemeinsames optisches System (10, 11, 12, 20a) führen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei jeweils das erste und das zweite Erfassungssystem die beiden Lichtstrahlen führen, um sie bei einer im wesentlichen der gleichen Position an dem zu vermessenden Objekt (7) zu kreuzen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Erfassungseinrichtung (100) eine Entfernung zu dem zu vermessenden Objekt (7) entlang der entgegengesetzten Richtung erfasst.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Erfassungseinrichtung (100) erfasst, ob oder ob nicht das zu vermessende Objekt (7) an einer geeigneten Position in der entgegengesetzten Richtung vorhanden ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das erste und dass zweite Erfassungssystem einen Lichtstrahl von einer gemeinsamen Lichtquelle (1) aufteilen, um zwei Paare von Lichtstrahlen (14a, 14b, 14c, 14d) auszubilden, welche sich bei verschiedenen Positionen kreuzen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, ferner eine Intervallsteuerungseinrichtung (102a, 102b, 103a, 103b) aufweisend zum Steuern eines Intervalls zwischen dem ersten und zweiten Erfassungssystem und dem zu vermessenden Objekt (7) auf der Basis eines Erfassungsergebnisses von der Erfassungseinrichtung (100).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, ferner eine Kreuzungspositions-Steuerungseinrichtung aufweisend zum Abändern einer Beziehung zwischen dem Erfassungssystem und der Kreuzungsposition der beiden Strahlen in jedem der ersten und zweiten Erfassungssysteme auf der Basis eines Erfassungsergebnisses von der Erfassungseinrichtung (100).
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei jeweils das erste und zweite Erfassungssystem Lichtquellen (1a, 1b) aufweisen, die verschiedene Ausgabelichtwellenlängen haben, und jedes zwei Lichtstrahlen (13a, 13b, 13c, 13d) führen, die von einem der entsprechenden Lichtquelle (1a, 1b) emittierten Lichtstrahlen ausgebildet sind, um sich gegenseitig zu kreuzen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei das erste und zweite Erfassungssystem die Lichtstrahlen (13a, 13b, 13c, 13d) von den entsprechenden Lichtquellen (1a, 1b) zu dem zu vermessenden Objekt (7) über ein gemeinsames optisches System (10, 11, 12, 20a) führen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei jeweils das erste und zweite Erfassungssystem die beiden Lichtstrahlen führen, um sie bei im wesentlichen der gleichen Position an dem zu vermessenden Objekt (7) zu schneiden.