JP2007285898A - レーザ振動計 - Google Patents

Abstract

【課題】高価なＡＯＭを用いずに光周波数をシフトさせ、安価で高精度のレーザ振動計を提供すること。
【解決手段】光ドップラー周波数の変位分を検出するために、光ヘテロダインを構成する方法として、安価なピエゾ素子などの振動素子を使用し、レーザ光源部から出力される所定波長のレーザ光の周波数と、振動素子が発生する所定の周波数とを、混合してレーザ光の周波数をシフトさせ、前記振動素子が発生する所定の周波数をキャリア周波数として被測定物の振動する周波数成分により変調された変調波から、前記光検出器、前記周波数変調波復調器及び前記信号処理装置を通じて、前記変調波から前記被測定物の振動する周波数成分を抽出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて被測定物の振動等を実時間で高い精度で測定することが可能なレーザ振動計に関する。

従来、振動物体の振動速度を測定する方法として、振動物体に対してレーザ光の送受波を行い、振動物体からドップラー効果により周波数シフトを受けた散乱レーザ光を、参照レーザ光と干渉させることでビート周波数を検出して振動速度を測定する方法が、文献や過去に製品化されたレーザ振動計のカタログ等により既に公知となっている。

動く対象物の振動状態を計測する方法としては、対象物の「変位」を計測する方法と、対象物の振動「速度」（ｍ／ｓ）を計測する方法とがあるが、レーザ振動計では動く対象物の振動「速度」（ｍ／ｓ）を計測する。対象物の「変位」を計測する方法によると、対象の微小振動をバックグランドノイズの影響を受けている環境下では、バックグランドノイズの変位が大きく、対象物の変位は埋もれてしまい、波形の観測は困難になる。この影響を除く為には性能の高い除振台が必要となる。
一方、振動「速度」を計測する方法であれば、周波数の低いバックグランドノイズの速度値は対象物の振動速度より小さい為、対象物の振動波形の観察が容易になる。高速で振動する物ほど、速度出力で計測するとバックグランドノイズの影響を受けにくくなる。

光の周波数は、例えばＨｅＮｅレーザ波長（６３３ｎｍ）では４７４ＴＨｚというように極めて高く信号処理が困難であるため、直接光周波数を扱うのではなく、光ヘテロダイン干渉法を用いる。レーザ光は、自ら出射した光電場と戻り光電場との干渉に基づき、自己混合変調されるという特性を有している。この自己混合変調をミキサとして利用し光ヘテロダインを行う。

光波は電磁波の一種であるから、電磁波を利用した無線機に使用される中間周波数へ変換するダウンコンバートの原理と同様に、周波数の異なる２つの光波を重ね合わせると、その差周波数に等しい光のうなりを生じる。このうなりをここでは「光ビート」と呼び、光ビートの周波数を中間周波数ではなく、「ビート周波数」と呼ぶ。光ビートは、光強度の周期的な変化として検出することが可能である。

２つの光のうち一方の光に何らかの情報を与えると、それに対応して光ビートにも情報が現れる。ここで情報とは、光の振幅、位相、周波数のいずれかに与えられた変化量をいう。すなわち、２つの光のうち一方の光に前記情報が重畳されるとき、その情報が重畳された光に対して、「基準となる」他方の光（これを参照光という）を重ね合わせると、光ビート信号から前記情報を取り出すことが可能となる。この様な信号検出方法を光ヘテロダイン干渉法という。

光ビートを生成する周波数の異なる２つの光を作り出す方法は、出射光を一定の周波数シフトさせる方法による。この光波の周波数シフトには、従来、音響光学変調器（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）が用いられていた。シフトさせる周波数はＡＯＭに供給される超音波周波数で決まる。ＡＯＭは、圧電媒質と超音波を伝播させる音響光学効果を有する光学媒質からなるもので、超音波が光学媒質中を伝播すると、音響光学効果により超音波の波長λｓの周期を持つ屈折率の粗密格子が音速で進行することとなり、レーザ入射波の波長をλとすると、
フラッグの条件：２λｓＳｉｎθ＝λ
の条件が満たされるとき、角度θ方向にレーザ光が回折される。回折に伴い、
光波と音波の間でエネルギーの授受が起こり、光波のエネルギーすなわち周波数シフトが生ずる。

ＡＯＭによるシフト周波数範囲は、ＡＯＭに使われる媒質によって概ね５０〜３００ＭＨｚの範囲である。従って、ＡＯＭを透過した光と透過してない光とでは、この周波数差の２つの光波が生じることとなる。この２つの光を干渉させると、この周波数（５０〜３００ＭＨｚ）の光ビート信号が得られる。

特開平８−２６５２６２号公報

従来の光干渉計において周波数シフタとして使用されていた前記ＡＯＭは、製造しているメーカーが限られ価格も比較的高い。また、前記ＡＯＭは前記角度θ方向にレーザ光が回折されるため、レーザ光と微弱な散乱光との波面を整合させるために調整作業が必要であった。さらに、振動計として大きすぎるという問題点があった。これらの問題点は、特に複数の被測定物の振動を計測しようとする場合に顕著となる。

そこで、本願発明は、上述の問題点を鑑みてなされたものであり、ＡＯＭを用いない、安価で高精度であり、調整作業が容易なレーザ振動計を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係るレーザ振動計は、
所定波長のレーザ光を出力するレーザ光源部と、
偏光ビームスプリッタと、
λ／４板と、
反射鏡と、
所定の周波数を発生させる振動素子と、
入射した光の一部を透過させ残りを反射させるハーフミラーと、
光を電気信号に変換する光検出器と、
周波数変調波復調器と、
信号処理装置と
を備え、
前記レーザ光源部から出力される所定波長のレーザ光の光軸上に、前記ハーフミラーと前記偏光ビームスプリッタと前記λ／４板と前記反射鏡と前記振動素子とが順次配置され、前記偏光ビームスプリッタで反射される光軸方向に前記被測定物が配置され、前記ハーフミラーで反射される光軸方向に前記光検出器が配置されたこと
を特徴としている。

前記ハーフミラーで反射される光軸方向の一方に前記光検出器を配置し、他方に反射鏡を配置してもよい。

前記振動素子はピエゾ素子であってもよい。

前記振動素子は水晶振動子であってもよい。

前記振動子が発振する波形は、三角波形であってもよい。

前記振動子が発振する波形は、のこぎり波形であってもよい。

前記レーザ光源部は、半導体レーザからなるようにしてもよい。

前記レーザ光源部は、半導体レーザにより励起される固体レーザからなるようにしてもよい。

また、本発明の一実施形態に係るレーザ振動計は、
前記ハーフミラーを透過した前記所定波長のレーザ光を複数の光に分岐する複数の無偏光ビームスプリッタを備え、
前期無偏光ビームスプリッタにより生成された複数の光の光軸上それぞれに、前記偏光ビームスプリッタと前記λ／４板と前記反射鏡と前記振動素子とが順次配置され、前記偏光ビームスプリッタで反射される光軸方向に前記被測定物が配置され、前記ハーフミラーで反射される光軸方向に前記光検出器が配置されたこと
を特徴としている。

本発明により、安価で被測定物の振動を実時間で高い精度で測定することが可能となる。特に複数の被測定物の振動を測定するために光学系を構成するに際して、より安価でありながら高い精度を保ち複数の被測定物の振動を測定することが可能となる。

以下、本発明の実施例に係るレーザ振動計について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。

（第１実施形態）
図１は、本発明のレーザ振動計の第１の実施例を示すブロック図である。本発明のレーザ振動計は、レーザ１０１と、ハーフミラー１０２と、偏光ビームスプリッタ１０３と、λ／４板１０４と、反射鏡１０５と、振動素子１０６と、被測定物１０７と、フォトダイオード１０８とから構成される。

レーザ１０１は、半導体レーザ（ＬＤ）でもよいが、マイクロチップ固体レーザを使用しＬＤで端面励起し発振させる方法が望ましい。分解能および光感度の高い振動計を実現するためには、高いキャリア対雑音比（ＣＮＲ）特性が要求される。ＣＮＲは、蛍光寿命比Ｋ＝τ／τｐ（τ：蛍光寿命、τｐ：光子寿命）に依存する。マイクロチップ固体レーザでは、共振器長に比例する光子寿命を蛍光寿命（１００μｓ程度）に比べて５〜７桁短くできるため、高い光感度を容易に実現することができるからである。また、自ら出射した光電場と戻り光電場を干渉させ、ビート周波数でレーザを強度変調する自己混合変調にＬＤを用いる場合、ＬＤは戻り光を受けると端子電圧が変化し、特性が劣化するため、自己混合変調にＬＤを用いることは望ましくないからである。なお、マイクロチップ固体レーザは、ＬＤ駆動部（図示せず）からの注入電流でＬＤを発振させ、その発振光で固体レーザを励起し発光するものであり、注入電流は、一定の直流電流である。

ハーフミラー１０２は、入射した光の一部を透過させると共に、残りを一定角度の方向に反射させる。

偏光ビームスプリッタ１０３は、任意の方位の直線偏光の光が入射したときに、その直線偏光をＰ偏光（ｐ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）とＳ偏光（ｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）に分離し、Ｐ偏光は透過させ、Ｓ偏光を９０°反射させる。

λ／４板１０４は、直線偏光の光が入射したときに、その直線偏光の方位が１／４波長板における結晶の光軸に対して成す角度が４５°のとき、１／４波長板を通過した光は元の直線偏光から円偏光の光になる現象を利用して直線偏光から円偏光を作り出したり、円偏光から直線偏光を作り出したりする。

振動素子は、例えば電圧、磁気等を与えると変形する性質を持ち、電圧を変えることで振動周波数が可変となるピエゾ素子を使用することが望ましい。また、振動周波数は、波形の立ち上がりが直線性を示す三角波やのこぎり波でなければならない。のこぎり波印加電圧の立ち上がり時、あるいは、三角波印加電圧立ち上がり及び立下り時にレーザ光が入射されることによる光ドップラシフトを利用する。

光検出器１０８は、例えばＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）などの半導体からなるフォトダイオード（ＰＤ）を使用する。フォトダイオードは、光を吸収すると電流が発生する性質を有する、光を電流に変換する光センサで、入射光に対する直線性に優れている。感度波長範囲が広く、小型・軽量・長寿命であるなどの特長を備えており、光の有無の検出、光の強弱の測定、位置検知などに使用される。

レーザ１０１より出力されたレーザ光は、ハーフミラー１０２に入射する。ハーフミラー１０２に入射したレーザ光の一部は、ハーフミラー１０２を透過し、偏光ビームスプリッタ１０３に入射する。偏光ビームスプリッタ１０３に入射したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０３によって、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離され、Ｓ偏光のレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０３を透過する。

次に、偏光ビームスプリッタを透過した直線偏光（Ｓ偏光）の１１２は、λ／４板１０４により円偏光１１３に変換される。円偏光１１３は、振動素子１０６に入射し、振動素子１０６の振動周波数に基づいて、周波数シフトされる。

そして、周波数シフトされた円偏光１１３は、反射鏡１０５により反射されてλ／４板１０４により直線偏光（Ｐ偏光）１１４に変換される。この直線偏光１１４はＰ偏光であるので、偏光ビームスプリッタ１０３により、９０°反射して直線偏光１１５となり、その光軸上に設けられた被測定物１０７に入射する。被測定物に入射した直線偏光１１５は、被測定物の振動状態に応じて、周波数変動を受け、反射されて偏光ビームスプリッタ１０３へ戻る。

この被測定物からの戻り光１１５はＰ偏光であるから、偏光ビームスプリッタ１０３により９０°反射されて直線偏光１１４となり再びλ／４板１０４で円偏光１１３に変換される。円偏光１１３は、振動素子１０６に入射し、振動素子１０６の振動周波数に基づいて、再び周波数シフトされる。そして、周波数シフトした円偏光１１３は、反射鏡１０５により反射されてλ／４板１０４により直線偏光（Ｓ偏光）１１２に変換される。直線偏光１１２は、Ｓ偏光であるので、偏光ビームスプリッタ１０３を透過して、ハーフミラー１０２に入射する。

ハーフミラー１０２に入射した直線偏光１１２の一部は、ハーフミラー１０２を透過してレーザ１０１に入射し帰還する。帰還したレーザ光は、レーザ１０１から出射した光電場と自己混合変調される。

自己混合変調されたレーザ光は、その後、その一部がハーフミラー１０２により反射されて、光検出器１０８に入射される。その後は、周波数変調波復調器と信号処理装置とにより、被測定物の振動をキャリア周波数の変位として検出して演算処理を行い数値化し、映像処理などを行う。

ここで、振動素子の振動振幅長をＳａ（ｍ）とし、振動周波数をｆｍ（Ｈｚ）とすると、図１に示す光学系をとおして振動素子１０６によりドップラシフトされた振動素子１０６の振動速度Ｖは、以下の式（１）及び（２）で表される。

Ｖ＝Ｓａｆｍ （のこぎり波） ・・・（１）
Ｖ＝２Ｓａｆｍ （三角波） ・・・（２）

そして、キャリア周波数ｆｃはこの振動素子の振動振幅長Ｓａ、振動周波数ｆｍ及びレーザ光の波長λにより定まり、以下のキャリア周波数ｆｃが式（３）及び（４）のとおり導かれる。

キャリア周波数ｆｃ＝４Ｖ／λ＝（４Ｓａ／λ）ｆｍ （のこぎり波） ・・・（３）
キャリア周波数ｆｃ＝４Ｖ／λ＝（８Ｓａ／λ）ｆｍ (三角波) ・・・（４）

図１に示す光学系により、このキャリア周波数ｆｃに被測定物の振動周波数成分ｆｄ（ｔ）が重畳され、光検出器１０８、ｆｃをキャリア周波数とする周波数変調波復調器（図示せず）によって被測定物の振動周波数成分ｆｄ（ｔ）から振動振幅を検出することができる。のこぎり波の場合は、この検出された被測定物の振動周波数成分ｆｄ（ｔ）を信号処理装置（図示せず）によって信号処理することにより、被測定物の振動状態を実時間でモニターすることができる。三角波で振動させる場合には、立ち上がりと立下り時における周波数シフトの極性が逆転し、被測定物の振動に対応した複調電圧の極性が反転するため、三角波に同期して半周期ごとに複調電圧の極性を電気的に反転することにより、被測定物の振動を連続的に実時間で計測できる。

（第２実施形態）
図１は、本発明のレーザ振動計の第２の実施例を示すブロック図である。本発明のレーザ振動計の第２の実施例が本発明のレーザ振動計の第１の実施例と異なる点は、以下のとおりである。

ハーフミラー１２２が第１の実施例のハーフミラー１０２と９０°角度が異なっており、また、このハーフミラー１２２で反射される光軸方向の一方にフォトダイオード１０８が配置され、他方に反射鏡１２５が配置されている。

レーザ１０１から出射した光の一部は、ハーフミラー１２２で反射し、反射鏡１２５へ入射し、反射する。これを参照光として利用する。

他方で、振動素子１０６及びターゲット１０７で周波数シフトを受けた戻り光の一部は、ハーフミラー１２２で反射する。この戻り光と上記参照光とが合波されて、光検出器１０８に入射され、戻り光と参照光のフォトミキシングによりビート信号が電気的に取り出される。すなわち、前記第１実施形態のような、レーザの「出射光」と「戻り光」を干渉させて、ビート周波数でレーザを強度変調する「自己混合変調」ではなく、「戻り光」と「参照光」とを重ね合わせて、光検出器でフォトミキシングを行い、ビート周波数を電気信号として取り出す。その後は、周波数変調波復調器と信号処理装置とにより、被測定物の振動をキャリア周波数の変位として検出して演算処理を行い数値化し、映像処理などを行う。

上記した本発明のレーザ振動計の第２の実施例では、参照光と戻り光との合波を行いビート波を電気信号に変換するため、光源を問わず光学系を構成することができる。

（第３実施形態）
図３は、本発明のレーザ振動計の第３の実施例を示すブロック図である。本発明のレーザ振動計は、複数の被測定物の振動を同時に測定するものである。レーザ１０１から出射されたレーザ光は、ハーフミラー１０２を透過し、複数の無偏光１０９、２０９、ｎ９により複数に分岐される。その後は、それぞれの分岐された光は、前記第１の実施形態と同様に、偏光ビームスプリッタ１０３と、λ／４板１０４と、反射鏡１０５と、振動素子１０６と、被測定物１０７とを経由する。

このとき、分岐された光からそれぞれ異なるキャリア周波数を生成するために、振動素子１０６、２０６、ｎ６は、異なる発振周波数とする。振動素子がピエゾ素子である場合には各ピエゾ素子の電圧を変えるようにすればよい。

そして、各被測定物１０７、２０７、ｎ７の振動状態は、異なるキャリア周波数ｆｃに重畳されることになるので、各キャリア周波数に含まれる周波数変位あるいは振幅変位を検出することで、各被測定物の振動周波数を検出する。

このように、複数の被測定物の振動測定を行う光学系を構成する場合、従来のＡＯＭを使用したときは、１つのＡＯＭで同一のキャリア周波数をビームスプリッタで分岐して複数の被測定物に入射させていた。しかし、高価なＡＯＭを用いずに、安価なピエゾ素子などの振動素子を用いることにより、被測定物の数に応じた複数のキャリア周波数を使用することが可能となり、安価でかつ、精度の高い振動測定が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ振動計の概略構成図。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ振動計の概略構成図。 本発明の第２の実施形態に係る複数の被測定物の振動を計測するレーザ振動計

符号の説明

１０１ レーザ
１０２、１２２ ハーフミラー
１０３、２０３、ｎ３ 偏光ビームスプリッタ
１０４、２０４、ｎ４ λ／４板 直線偏波
１０５、１２５、２０５、ｎ５ 反射鏡
１０６、２０６、ｎ６ 振動素子
１０７、２０７、ｎ７ ターゲット
１０８ フォトダイオード（光検出器）
１０９、２０９、ｎ９ 無偏光ビームスプリッタ
１１１、１１２、１１４、１１５ 直線偏光円偏光
１１３ 円偏光

Claims (9)

1. 所定波長のレーザ光を出力するレーザ光源部と、
   偏光ビームスプリッタと、
   λ／４板と、
   反射鏡と、
   所定の周波数を発生させる振動素子と、
   入射した光の一部を透過させ残りを反射させるハーフミラーと、
   光を電気信号に変換する光検出器と、
   周波数変調波復調器と、
   信号処理装置と
   を備え、
   前記レーザ光源部から出力される所定波長のレーザ光の光軸上に、前記ハーフミラーと前記偏光ビームスプリッタと前記λ／４板と前記反射鏡と前記振動素子とが順次配置され、前記偏光ビームスプリッタで反射される光軸方向に前記被測定物が配置され、前記ハーフミラーで反射される光軸方向に前記光検出器が配置されたこと
   を特徴とするレーザ振動計。
2. 前記ハーフミラーで反射される光軸方向の一方に前記光検出器が配置され、他方に反射鏡が配置されたこと
   を特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
3. 前記振動素子はピエゾ素子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
4. 前記振動素子は水晶振動子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
5. 前記振動子が発振する波形は、三角波形であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
6. 前記振動子が発振する波形は、のこぎり波形であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
7. 前記レーザ光源部は、半導体レーザからなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
8. 前記レーザ光源部は、半導体レーザにより励起される固体レーザからなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ振動計。
9. 前記ハーフミラーを透過した前記所定波長のレーザ光を複数の光に分岐する複数の無偏光ビームスプリッタを備え、
   前期無偏光ビームスプリッタにより生成された複数の光の光軸上それぞれに、前記偏光ビームスプリッタと前記λ／４板と前記反射鏡と前記振動素子とが順次配置され、前記偏光ビームスプリッタで反射される光軸方向に前記被測定物が配置され、前記ハーフミラーで反射される光軸方向に前記光検出器が配置されたこと
   を特徴とするレーザ振動計。
   

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