JP2010203860A

JP2010203860A - 振動計測装置及び振動計測方法

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Publication number: JP2010203860A
Application number: JP2009048392A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Imai; 一宏今井; Motonobu Korogi; 元伸興梠
Original assignee: Optical Comb Inc
Current assignee: Optical Comb Inc
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】測定対象における多点の振動情報を同時に測定可能な振動計測装置を提供する。
【解決手段】所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを出射する光源１０と、光源から出射された測定光を周波数成分毎に分けて測定面２４の複数点に照射する分光ヘッド２０と、光源１０から出射された測定光を分光ヘッド２０に入射するとともに、測定面２４で反射された測定光と光源１０から出射された基準光とを干渉させる干渉光学系３０と、干渉光学系３０により発生した干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離する回折格子４１と、回折格子４１により分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出する光検出器アレイ４２とからなる検出部４０と、検出部４０により検出した各スペクトル成分に基づいて、測定面２４の複数点における振動情報を解析する信号処理部５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いて測定対象の振動情報を計測する振動計測装置及び振動計測方法に関する。

振動を検出して電気信号に変換して振動を測定する計測器として、振動計が用いられている。振動計には、接触式と非接触式のものがある。接触式の振動計は、センサを測定対象物に接続して振動の加速度を計測する。非接触式の振動計は、センサの取り付けによって振動の状態が変化する場合、測定対象が回転体であって信号の読み出しが難しい場合、寸法や材質のためにセンサの取り付けが難しい場合等に用いられる。

非接触式の振動計としては、渦電流型、静電容量型、レーザ型、レーザドップラ型等がある。例えば、レーザドップラ型の振動計は、振動体にレーザ光を照射して、ドップラ効果による反射光の周波数変化（ドップラシフト）を観測して振動の測定を行うものである。

従来の振動計測装置においては、接触式、非接触式によらず、１つのヘッドについて１箇所の振動を計測するものであり、装置によっては、ヘッドを増設することにより複数ポイントの振動測定に対応できるものもある。

特開２００８−１０１９６３号公報

振動の発生原因や振動による負荷を調査するためには、測定対象の面内の振動分布の計測が求められる。例えば、定常的な振動であれば、振動の周期に合わせて場所をずらしながら振動計測を行うことによって、面内の振動分布を測ることができる。

しかしながら、過渡的に変化する振動を実時間で計測したい場合、どのような周波数成分の振動が含まれているか予め分からない場合等、数点の振動情報を同時に必要とする場合には、数点の振動情報を同時に測定できる振動計測装置が必要となる。

例えば、レーザドップラ振動計のような従来の装置においても多くのヘッドと干渉計を用い、装置間の同期をとりながら計測を行うことによって、多点の振動測定が可能であるが、多点のレーザ光線の光軸調整や測定時刻の同期をとるのは容易ではない。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、複雑な光軸調整をすることがなく、測定対象の多点の振動情報を同時に測定可能な振動計測装置及び振動計測方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る振動計測装置は、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを出射する光源と、上記光源から出射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する分光ヘッドと、上記光源から出射された測定光を上記分光ヘッドに入射するとともに、上記測定面で反射され上記分光ヘッドを介して入射された測定光と、上記光源から出射された基準光とを干渉させる干渉光学系と、上記干渉光学系により発生した干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離する回折格子と、上記回折格子により分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出する複数の光検出器とからなる検出部と、上記検出部により検出した各スペクトル成分に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を解析する信号処理部とを備える。

また、本発明に係る振動計測装置は、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを出射する光源と、上記光源から出射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する分光ヘッドと、上記光源から出射された測定光を上記分光ヘッドに入射するとともに、上記測定面で反射され上記分光ヘッドを介して入射された測定光と、上記光源から出射された基準光とを干渉させる干渉光学系と、上記干渉光学系で発生した干渉光を検出する検出部と、上記検出部により検出した干渉光に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を解析する信号処理部とを備える。

また、本発明に係る振動計測方法は、所定の周波数間隔のスペクトルであって、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを光源から出射する出射工程と、上記光源から出射された測定光を分光ヘッドに入射する入射工程と、上記分光ヘッドに入射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する照射工程と、上記測定面で反射され、上記分光ヘッドを介して入射された測定光と上記光源から出射された基準光とを干渉光学系により干渉させる干渉工程と、上記干渉光に含まれる光スペクトル成分を回折格子により分離する分離工程と、上記分離した各スペクトル成分をそれぞれ複数の光検出器により検出する検出工程と、上記検出した各スペクトル成分に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を信号処理部により解析する解析工程とを有する。

また、本発明に係る振動計測方法は、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを光源から出射する出射工程と、上記光源から出射された測定光を分光ヘッドに入射する入射工程と、上記分光ヘッドに入射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する照射工程と、上記測定面で反射され、上記分光ヘッドを介して入射された測定光と上記光源から出射された基準光とを干渉光学系により干渉させる干渉工程と、上記干渉光学系で発生した干渉光を検出部により検出する検出工程と、上記検出部により検出した干渉光に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を信号処理部により解析する解析工程とを有する。

本発明によれば、複雑な光軸調整をすることがなく、測定点間の時刻の同期を配慮せずに、多点の同期を必要とする測定対象の振動計測が可能となる。

振動計測装置の一例を示すブロック図である。第１の実施の形態に係る振動計測装置の光源の構成例を示すブロック図である。光周波数コムの発生器から出力される光周波数コムを周波数軸上で模式的に示す図である。分光ヘッドの構成例を模式的に示す図である。（Ａ）は、反射型回折格子を用いた場合の分光ヘッドの構成例を模式的に示す図であり、（Ｂ）は、透過型回折格子を用いた場合の分光ヘッドの構成例を模式的に示す図である。（Ａ）は、アレイ導波路格子を用いた場合の分光ヘッドの構成例を模式的に示す図であり、（Ｂ）は、狭帯域フィルタを用いた場合の分光ヘッドの構成例を模式的に示す図である。干渉光学系の構成例を示すブロック図である。検出部の構成例を模式的に示す図である。本実施の形態に係る振動計測装置の他の構成例を示すブロック図である。差動検波器の構成例を示すブロック図である。第２の実施の形態に係る振動計測装置の構成例を示すブロック図である。第２の実施の形態に係る干渉光学系に戻される測定光と基準光とを周波数軸上で模式的に示す図である。第３の実施の形態に係る振動計測装置の構成例を示すブロック図である。第３の実施の形態に係る干渉光学系に戻される測定光と基準光とを周波数軸上で模式的に示す図である。１ｋＨｚで振動するピエゾ素子に光周波数コムを照射して振動を検出した結果を示す図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、実施の形態とする）について説明する。

＜１．第１の実施の形態＞
本実施の形態に係る振動計測装置１は、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを出射する光源１０と、光源１０から出射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面２４の複数点に照射する分光ヘッド２０と、光源１０から出射された測定光を分光ヘッド２０に入射するとともに、測定面２４で反射され分光ヘッド２０を介して入射された測定光と光源１０から出射された基準光とを干渉させる干渉光学系３０と、干渉光学系３０により発生した干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離し、この分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出する検出部４０と、検出部４０により検出した各スペクトル成分に基づいて、測定面２４の複数点における振動情報を解析する信号処理部５０とを備える。

振動計測装置１において、光源１０は、例えば図２（Ａ）に示すように、例えば、周波数がνのレーザ光を出射するレーザ光源１１と、レーザ光源１１からレーザが入射される光周波数コム発生器１２と、光周波数コム発生器１２に所定周波数の変調信号を与える発振器１３とから構成される。また、光源１０においては、光周波数コム発生器１２からの出力が、ビームスプリッタ２１により測定光（ＯＦＣ１）と基準光（ＯＦＣ２）とに分割される。

光周波数コム発生器１２は、互いに干渉性の良いコム（櫛）状のスペクトルを有する光源を発生して出射するものである。光周波数コム発生器１２は、例えば、レーザ外部で光の強度や位相を変調する電気光学変調器（ＥＯＭ）と、このＥＯＭを挟むように対向して配設された反射鏡とからなり、電気光学変調器と反射鏡とで光発振器を構成してなる外部変調方式の光周波数コム発生器が用いられる。また、この他にも、光周波数コム発生器１２としては、ＬｉＮｂＯ_３結晶を使った位相変調器、強度変調器、ファブリペロー型の電気光学変調器、半導体の吸収や位相の変化を利用する変調器等を用いることができる。

図２（Ａ）に示すように、光周波数コム発生器１２には、発振器１３により、例えば周波数ｆｍの変調信号が与えられる。光周波数コム発生器１２は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光に基づいて、一定間隔の離散的な周波数成分からなる光である光周波数コムを発生して出射する。光周波数コムは、例えば、図３に示すように、光周波数νを中心にマイクロ波周波数（変調信号の周波数）ｆｍに一致する等周波数間隔で発生させた側波帯（サイドバンド）を有する光であり、光周波数コムの中心周波数が入射されるレーザの光周波数νに一致している。光周波数νは、数百ＴＨｚの領域であるため、光の位相情報を直接取り扱うことが難しいが、ｆｍは高くても数十ＧＨｚの領域なので、従来の電子回路技術で位相情報を容易に扱うことができる。したがって、光周波数コムを用いることにより、相対的な光の周波数や位相の情報を、光周波数コムが存在している帯域内で電気的に取り扱うことが可能となる。

後に詳述するように、光周波数コムと別の比較対象レーザ、例えば、測定面で反射された測定光とを干渉させることにより、最も近い周波数にある光周波数コムのモードの１本と比較対象レーザとの干渉信号が検出される。その周波数は、比較対象のレーザの周波数がどこにあっても、（ｆｍ／２）以下である。測定対象レーザの周波数や位相の情報は、光周波数コムの帯域内であれば、干渉信号を通して得ることができる。

また、光源１０として、図２（Ｂ）に示すような一定のタイミングで規則正しく発生するモード同期レーザ１４や、図２（Ｃ）に示すような多モード発振レーザ１５を用い、モード同期レーザ１４又は多モード発振レーザ１５からの出力をビームスプリッタ２１により基準光と測定光とに分割するようにしてもよい。例えば、モード同期レーザ１４のように一定のタイミングで規則正しく発生する光パルス光源は、周波数軸では繰返し周期の逆数に一致する周波数間隔のコム状スペクトルであるため、光源１０として利用することができる。なお、光源１０は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように１台の光源の出力をビームスプリッタ２１で分割して基準光と測定光とを出射するものとして説明したが、干渉性がよければ独立な２台の光源としてもよい。

続いて、分光ヘッド２０には、光源１０から出射された測定光が入射する。分光ヘッド２０は、この入射した測定光を周波数成分毎に分けて測定面２４の複数点に照射する。図４に示すように、分光ヘッド２０は、例えば、分光器（分散素子）２２と、レンズ２３とを有する。分光器２２は、例えば周波数（波長）に応じて異なる角度で光を回折する回折格子のような機能を有し、光周波数コムの周波数成分を空間に分離する。分光器２２としては、例えば、図５（Ａ）に示すように、入射した光をレンズ２３に反射する反射型の回折格子２５や、図５（Ｂ）に示すように入射した光をレンズ２３に透過する透過型の回折格子２６を用いることができる。

また、分光ヘッド２０としては、図６（Ａ）に示すようなアレイ導波路格子２７（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating)や、図６（Ｂ）に示すような狭帯域フィルタ２８を用いることもできる。図６（Ａ）に示すアレイ導波路格子２７は、送信側において複数波長を１本に多重化し、受信側において多重化された光信号を波長毎に分波する機能を有するものである。図６（Ｂ）に示す狭帯域フィルタ２８は、光フィルタ２８ａ〜２８ｆを有し、各光フィルタが特定周波数（波長）のみ反射・透過することで、必要な周波数成分だけを光周波数コムから切り出すものである。例えば、図６（Ｂ）に示すように、少しずつ異なる周波数（波長）を反射する光フィルタ２８ａ〜２８ｆを複数使用することにより、光周波数コムから必要な周波数成分であるｆ_０、ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_−１、ｆ_−２を切り出すことができる。

分光ヘッド２０においては、分光器２２として回折格子を用いた場合には、光周波数コムが周波数スペクトルの広がりに応じたシート状になって測定対象の測定面２４に照射される。分光器２２により空間的に分離された光は、測定面２４における各測定点に照射された後、反射されてレンズ２３を介して分光ヘッド２０に戻り、分光器２２で再び１本のビームに束ねられる。測定面２４の測定点から分光ヘッド２０に戻る戻り光の位相は、測定面２４の位置に応じた位相のシフトを受ける。例えば、測定面２４が動いている場合には、戻り光の周波数が測定面２４の速度に比例したドップラシフトを受ける。ドップラシフトとは、ある一定の周波数成分を持つ音波、電波又は光波をある速度で移動している物体に当てると、移動物体の持つ速度成分に比例して周波数が変化する現象をいう。なお、測定対象は、滑らかに繋がった表面に限定されず、例えば、光周波数コムの各モードをそれぞれ独立に振動する物体に照射することも可能である。

続いて、干渉光学系３０には、分光ヘッド２０の分光器２２で１本のビームに束ねられた測定光が入射される。図７（Ａ）に示すように、振動計測装置１の干渉光学系３０では、分光ヘッド２０から戻された測定光Ｐｂと光源１０から出射された基準光Ｐａとを重ね合わせて干渉させることで干渉光Ｐｃを発生させる。また、振動計測装置１においては、光源１０から出射される基準光及び測定光の周波数が全て等しい場合には、図７（Ｂ）に示すように干渉光学系３０を介して入射され、この入射した基準光を干渉光学系３０に戻す反射鏡３２を備えた構成とすることもできる。

続いて、検出部４０においては、干渉光学系３０により発生した干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離して、分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出する。図８に示すように、検出部４０は、例えば、干渉光学系３０により発生した干渉光Ｐｃに含まれる光スペクトル成分を分離する回折格子４１と、回折格子４１により分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出する複数の光検出器である光検出器アレイ４２とからなる。回折格子４１により分解された各光スペクトル成分は、光検出器アレイ４２の１素子毎に、１本のサイドバンドが入射されるようになっている。光検出器アレイ４２は、多くの検出器が並んだものであり、１つの検出器に干渉光の複数の周波数成分が入らないように、回折格子４１の回折角や光学系の配置を調整する。検出部４０から得られる信号は、多くの光周波数コムと光周波数コムとの干渉信号である。上述したように、干渉光学系３０により発生した干渉光の周波数は、基準光と測定光との間の差の周波数に等しく、この干渉光の強度を検出部４０で測定する。このように検出部４０では、干渉光学系３０により発生した干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離して、分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出することにより、測定面２４における複数点の振動を分離して計測することが可能となる。

続いて、信号処理部５０では、検出部４０で検出した干渉光の各スペクトル成分に基づいて測定面２４の複数点における振動情報を解析する。測定面２４における１点毎の振動測定の原理については、従来のレーザドップラ振動計と同様である。具体的には、上述した測定面２４で反射された測定光における周波数シフト、すなわち、ドップラシフトを利用して測定面２４の速度成分を測定する。例えば、光の波長をλとしたとき、ドップラシフト分の周波数変化ｆｄと測定面２４の振動速度Ｖとの間には、下記（１）式の関係が成立する。

ｆｄ＝２Ｖ／λ （１）

したがって、振動計測装置１においては、ドップラシフト分の周波数変化ｆｄから、測定面２４の振動情報、例えば、振動速度、移動距離、加速度等を解析することができる。

このように、本実施の形態に係る振動計測装置１によれば、まず、光源１０により所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを出射する。続いて、分光ヘッド２０により、光源１０から出射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面２４の複数点に照射する。続いて、干渉光学系３０により、光源１０から出射された測定光を分光ヘッド２０に入射する。続いて、干渉光学系３０により、測定面２４で反射され分光ヘッド２０を介して入射された測定光と、光源１０から出射された基準光とを干渉させる。続いて、検出部４０の回折格子４１により、干渉光学系３０で発生した干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離する。続いて、検出部４０の光検出器アレイ４２により、回折格子４１で分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出する。続いて、信号処理部５０により、検出部４０で検出した各スペクトル成分に基づいて、測定面２４の複数点における振動情報を解析する。これにより、複雑な光軸調整を個別の振動計測装置においてする必要がなく、測定点間の時刻の同期に配慮しなくても多点の同期を必要とする測定対象の測定面の振動情報を計測することが可能となる。

ここで、測定面２４の数点の振動情報の計測であれば、従来から用いられているレーザドップラ振動計を複数用い、この複数のドップラ振動計において測定の同期をとることでも可能と考えられる。しかし、このような複数のドップラ振動計において測定の同期をとることで、数百点程度の多点の振動情報の測定を行うことは、光軸調整を個別に行わなければならないこと、測定時刻の同期をとるのが難しいこと等を考えると現実的ではない。このような実情に鑑みて、本実施の形態に係る振動計測装置１では、上述したような構成により測定面２４の多点の振動情報を同期をとって振動情報を測定することができ、これによりリアルタイムで、その瞬間の振動の様子の可視化、表示及びモード解析等が可能となる。

ここで、振動計測装置１は、振動の方向が異なっても同じ変化を示すため、振動の方向を特定できない。

そこで、図９に示すように、第１の実施の形態に係る振動計測装置１は、光源１０から出射された基準光が干渉光学系３０を介して入射され、この入射された基準光を直線偏光から円偏光に変換して干渉光学系３０に戻すための参照光学系４４を備える。このような直角位相ホモダイン干渉計を用いる例においては、光源１０の偏光を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３３の出力偏光に対して４５度になるように設定しておく。参照光学系４４においては、参照面４４ａの経路に１／８波長板４４ｂを挿入し、往復で２回１／８波長板４４ｂを通過することにより、入射した基準光が直線偏光から円偏光になる。

例えば、参照光学系４４には、光源１０から出射された基準光が干渉光学系３０を介して入射され、この入射した基準光が直線偏光から円偏光に変換される。この円偏光に変換された基準光は、参照光学系４４から干渉光学系３０に戻される。続いて、干渉光学系３０では、参照光学系４４から戻された基準光と分光ヘッド２０を介して入射された測定光との干渉光を発生する。続いて、偏光ビームスプリッタ３３により、干渉光学系３０で発生した干渉光を２つの直交成分に分離する。続いて、回折格子４１ａ及び回折格子４１ｂにより、偏光ビームスプリッタ３３で分離した各直交成分に含まれる光スペクトル成分を分離する。そして、光検出器アレイ４２ａにより、回折格子４１ａで分離した第１の直交成分に含まれる光スペクトル成分を検出し、光検出器アレイ４２ｂにより、回折格子４１ｂで分離した第２の直交成分に含まれる光スペクトル成分を検出する。このようにして、光検出器アレイ４２ａ及び光検出器アレイ４２ｂにおいて検出される干渉光は、直交位相関係（サイン及びコサイン出力）になる。振動計測装置１においては、このような構成により、測定面２４の振動速度に加えて、測定面２４の振動の変化の方向についても特定することが可能となる。

また、検出部４０として、図１０に示すように、１台の検出器について２つの検出素子４６、４７及び差分器４８で差動検出器４９を構成するようにしてもよい。差動検出器４９においては、振動の反転した２つ１組の干渉信号を得るように干渉光学系３０を配置する。干渉光学系３０により発生した光源１０からの基準光と分光ヘッド２０を介して入射した測定光との干渉光は、ビームスプリッタ３４により分割され検出素子４６及び検出素子４７に入力される。そして、検出素子４６及び検出素子４７で検出した信号電流の差分を差分器４８により取り出す。このようにして、差動検出器４９においては、干渉光学系３０により発生した干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を検出することで干渉信号が強調され、光源１０の強度雑音のような干渉によらない変化分を相殺することができる。

＜２．第２の実施の形態＞
図１１に示すように、第２の実施の形態に係る振動計測装置は、図２に示す第１の実施の形態に係る振動計測装置１と比較して、光源１０’において、周波数がシフトした基準光を干渉光学系３０に出射している点で異なる。以下の説明においては、第１の実施の形態に係る振動計測装置１と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第２の実施の形態に係る振動計測装置においては、光源１０’から出射される基準光と測定光との周波数間隔が同じであるため、上述した振動計測装置１と同様に同じビート周波数に複数の光周波数コムの情報が重なってしまう。そのため、測定面２４の振動速度に加えて測定面２４の振動の変化の方向についても特定するには、光周波数コムを周波数成分毎に分けて検出する必要がある。そこで、第２の実施の形態に係る振動計測装置においては、上述した第１の実施の形態に係る振動計測装置１と同様に、基準光と測定光との干渉光を検出する検出器として、図８に示す光検出器アレイ４２を使用する。

図１１（Ａ）に示すように、光源１０’は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１からレーザが入射される光周波数コム発生器１２と、光周波数コム発生器１２に所定周波数の変調信号を与える発振器１３と、光周波数コム発生器１２から出射された基準光又は測定光の周波数をシフトする周波数シフタ１６を備える。周波数シフタ１６は、例えば、内部に発生した超音波により音響光学相互作用で基準光の位相を変化させる音響光学変調器（ＡＯＭ：acoustooptic modulator）からなる。周波数シフタ１６は、例えば、発振器１７の出力により動作し、レーザ光源１１から入射された基準光の周波数をｆａだけシフトさせ、この周波数をシフトさせた基準光を出射する。

また、光源１０’としては、図１１（Ｂ）に示すような一定のタイミングで規則正しく発生するモード同期レーザ１４や、図１１（Ｃ）に示すような多モード発振レーザ１５を用いてもよい。この図１１（Ｂ）、（Ｃ）に示す例においては、モード同期レーザ１４又は多モード発振レーザ１５から出射されたレーザ光を周波数シフタ１６により周波数をシフトさせた基準光を出射する。

図１２（Ａ）に示すように、第２の実施の形態に係る振動計測装置において、レーザ光源１１から出射されるレーザの周波数をν、光周波数コム発生器１２に発振器１３から与えられる変調信号の周波数をｆｍとすると、中心（０次）周波数がνで、ｎ次コムモード周波数が（ν＋ｎｆｍ）の測定対象で反射された測定光Ｐｂが、分光ヘッド２０を介して干渉光学系３０に戻される。また、図１２（Ｂ）に示すように、中心（０次）周波数がν＋ｆａで、ｎ次コムモード周波数がν＋ｆａ＋ｎｆｍの基準光が、干渉光学系３０に出射される。

続いて、図７（Ａ）に示す干渉光学系３０においては、光源１０’から出射された基準光Ｐａと測定対象で反射された測定光Ｐｂとを重ね合わせることにより、基準光Ｐａと測定光Ｐｂとの干渉光Ｐｃを発生する。干渉光学系３０により発生した干渉光Ｐｃは、上述したように、図８に示す検出部４０の回折格子４１により各光スペクトル成分に分解される。回折格子４１により分解された各光スペクトル成分は、光検出器アレイ４２の１素子毎に、１本のサイドバンドが入射される。

ここで、干渉光学系３０において発生される干渉光Ｐｃのビート周波数は、０次の周波数が（ν＋ｆａ）−ν＝ｆａで、ｎ次周波数が｛（ν＋ｆａ＋ｎｆｍ）−（ν＋ｎｆｍ）｝＝ｆａ（ここで、ｎ＝０、±１、±２、・・・）、すなわち、すべてｆａになる。すなわち、図８に示す光検出器アレイ４２の各素子では、全てビート周波数がｆａである干渉光Ｐｃの各光スペクトル成分が検出される。

このように、第２の実施の形態に係る振動計測装置においては、光源１０’が周波数シフタ１６を備え、光周波数コム発生器１２から出射される基準光又は測定光の周波数をシフトさせるとともに、全てビート周波数がｆａである干渉光Ｐｃの各光スペクトル成分を光検出器アレイ４２により検出することができるため、測定面２４の振動速度に加えて、振動の変化の方向についても特定することができる。

＜３．第３の実施の形態＞
図１３に示すように、第３の実施の形態に係る振動計測装置は、光源１０’’において、図２に示す第１の実施の形態に係る振動計測装置１と比較して、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり干渉性のある基準光と測定光とを出射する点で異なる。この第３の実施の形態に係る振動計測装置によれば、以下に詳述するように、同じビート周波数に複数の光周波数コムの情報が重ならないため、検出の際にも光周波数コムを周波数成分に分けずに１個の検出器で測定面２４における多点の振動情報を分離して検出することができる。以下の説明においては、第１の実施の形態に係る振動計測装置１及び第２の実施の形態に係る振動計測装置と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１３（Ａ）に示すように、第３の実施の形態に係る振動計測装置における光源１０’’は、モード周波数間隔が異なる２台の光周波数コム発生器１２，１８、周波数シフタ１６、発振器１７、及び発振器１９を備える。また、第３の実施の形態に係る振動計測装置における光源１０’’としては、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、かつ、キャリア周波数が安定化された２台の光源、例えば、図１３（Ｂ）に示すようなモード同期レーザ１４ａ及びモード同期レーザ１４ｂを用いてもよい。

図１３（Ａ）に示す光源１０’’においては、１台の単一周波数発振のレーザ光源１１から出射されるレーザ光が、ビームスプリッタ６０により２つに分割され、分割されたレーザ光が２台の光周波数コム発生器１２，１８にそれぞれ入射される。

光周波数コム発生器１２又は光周波数コム発生器１８は、互いに異なる周波数、例えば、周波数ｆｍで発振する発振器１３又は周波数ｆｍ＋Δｆｍで発振する発振器１９により駆動する。発振器１３及び発振器１９は、例えば、図示しない共通の基準発振器により位相同期されることで、ｆｍ＋Δｆｍとｆｍとの相対周波数を安定にすることができる。また、光周波数コム発生器１８の出力先には、上述したような周波数シフタ１６を設け、この周波数シフタ１６により光周波数コム発生器１８から出射された周波数ｆａの光周波数コムにシフトを与える。

光源１０’’を構成している２台の光周波数コム発生器１２，１８は、図１４に示すような周波数の光周波数コム（ＯＦＣ１及びＯＦＣ２）を出射する。図１４（Ａ）は、光周波数コム発生器１２から出射された光周波数コム（測定光：ＯＦＣ１）を表しており、図１４（Ｂ）は、周波数シフタ１６を介して出力された光周波数コム（基準光：ＯＦＣ２）をそれぞれ表している。図１４に示す光周波数コムは、光パルスの繰り返し周波数に一致したコム状のモードを持っている。モード間隔は、図１４（Ａ）示す測定光がｆｍであり、図１４（Ｂ）に示す基準光がｆｍ＋△ｆｍである。図１４に示す例では、スペクトル中央のモードを中心にモード番号を付け、Ｎ＝０のモード間の干渉信号の周波数をｆａと仮定している。この例において、中心周波数成分を０番目として数えてモードにつけた番号をＮとすると、Ｎ番目のビート周波数は、以下の（２）式のように表わされ、光周波数コムのモードによって異なる周波数に出る。

Ｎ番目のビート周波数＝ｆａ＋Ｎ△ｆｍ（２）

また、信号処理部５０においては、検出部４０で検出した光周波数コムの各モードの情報を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のような周波数解析により分離することで、測定面２４の複数点における振動情報を解析する。モード情報が分離された後の１点毎の振動測定については、上述した従来のレーザドップラ振動計と同様の原理で行うことができる。第３の実施の形態に係る振動計測装置においては、測定面２４の測定点に対応するビート周波数の位相や周波数を観測することによって、測定点の振動情報を得ることができる。

以上のように、第３の実施の形態に係る振動計測装置によれば、同じビート周波数に複数の光周波数コムの情報が重ならないため、検出の際に光周波数コムを周波数成分に分けて検出する必要がなくなり、光検出器アレイ４２を用いることなく１つの光検出器で測定面２４における多点の振動情報を分離して検出することができる。

また、第３の実施の形態に係る振動計測装置においては、上述した第１の実施の形態に係る振動計測装置１と同様に、検出部４０として図１０に示すような差動検出器４９を用いてもよい。これにより、検出部４０では、干渉光学系３０により発生した干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を検出することで干渉信号が強調され、光源１０’’の強度雑音のような干渉によらない変化分を相殺することができる。

続いて、本実施の形態に係る振動計測装置の実施例について説明する。図１５は、１ｋＨｚで振動するピエゾ素子に光周波数コムを照射して振動を検出した結果を示す図である。図１５において、横軸は時間（１msec/div）、縦軸は位相（２rad/div）をそれぞれ表している。図１５は、ピエゾ素子の同じ部分に光周波数コムを照射した場合における５点の振動結果、すなわち、例えばキャリア周波数を０としたときの光周波数コムの次数（番目）Ｎが４０、２０、０、−２０、−４０についての振動結果を示している。図１５に示すように、同じ位相タイミングの振動情報が５点すべてについて検出されていることが分かる。この結果から、本実施の形態に係る振動計測装置によれば、複雑な光軸調整をすることがなく、測定点間の時刻の同期を配慮せずに、多点の同期を必要とする測定対象の振動計測が可能であることが分かる。

１振動計測装置、１０光源、１１レーザ光源、１２光周波数コム発生器、１３発振器、１４モード同期レーザ、１５多モード発振レーザ、１６周波数シフタ、１７，１９発振器、１８光周波数コム発生器、２０分光ヘッド、３０干渉光学系、４０検出部、５０信号処理部、６０ビームスプリッタ

Claims

所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを出射する光源と、
上記光源から出射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する分光ヘッドと、
上記光源から出射された測定光を上記分光ヘッドに入射するとともに、上記測定面で反射され上記分光ヘッドを介して入射された測定光と、上記光源から出射された基準光とを干渉させる干渉光学系と、
上記干渉光学系により発生した干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離する回折格子と、上記回折格子により分離した各スペクトル成分をそれぞれ検出する複数の光検出器とからなる検出部と、
上記検出部により検出した各スペクトル成分に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を解析する信号処理部と
を備える振動計測装置。
上記光源から出射される基準光又は測定光の周波数をシフトする周波数シフタをさらに備える請求項１記載の振動計測装置。
上記光源から出射された基準光が上記干渉光学系を介して入射され、該入射した基準光を直線偏光から円偏光に変換して上記干渉光学系に戻す参照光学系と、
上記干渉光学系で発生した上記参照光学系から戻された基準光と上記分光ヘッドを介して入射された測定光との干渉光を、２つの直交成分に分離する偏光ビームスプリッタとをさらに備え、
上記回折格子は、上記偏光ビームスプリッタにより分離した第１の直交成分に含まれる光スペクトル成分を分離する第１の回折格子と、上記偏光ビームスプリッタにより分離した第２の直交成分に含まれる光スペクトル成分を分離する第２の回折格子とからなり、
上記複数の光検出器は、上記第１の回折格子により分離した第１の直交成分に含まれる光スペクトル成分をそれぞれ検出する第１の複数の光検出器と、上記第２の回折格子により分離した第２の直交成分に含まれる光スペクトル成分をそれぞれ検出する第２の複数の光検出器とからなる請求項１記載の振動計測装置。
上記検出部は、上記干渉光学系により発生した干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を検出する請求項１記載の振動計測装置。
所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを出射する光源と、
上記光源から出射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する分光ヘッドと、
上記光源から出射された測定光を上記分光ヘッドに入射するとともに、上記測定面で反射され上記分光ヘッドを介して入射された測定光と、上記光源から出射された基準光とを干渉させる干渉光学系と、
上記干渉光学系で発生した干渉光を検出する検出部と、
上記検出部により検出した干渉光に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を解析する信号処理部と
を備える振動計測装置。
上記光源は、第１の発振器により第１の変調周波数の変調信号でレーザ光を変調して第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生器と、第２の発振器により上記第１の変調周波数とは異なる第２の変調周波数の変調信号で上記レーザ光を変調することにより、上記第１の光周波数コムとはモード周波数間隔が異なる第２の光周波数コムを生成する第２の光周波数コム発生器とからなる請求項５記載の振動計測装置。
上記検出部は、上記干渉光学系により発生した干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を検出する請求項５記載の振動計測装置。
所定の周波数間隔のスペクトルであって、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを光源から出射する出射工程と、
上記光源から出射された測定光を分光ヘッドに入射する入射工程と、
上記分光ヘッドに入射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する照射工程と、
上記測定面で反射され、上記分光ヘッドを介して入射された測定光と上記光源から出射された基準光とを干渉光学系により干渉させる干渉工程と、
上記干渉光に含まれる光スペクトル成分を回折格子により分離する分離工程と、
上記分離した各スペクトル成分をそれぞれ複数の光検出器により検出する検出工程と、
上記検出した各スペクトル成分に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を信号処理部により解析する解析工程と
を有する振動計測方法。
所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある基準光と測定光とを光源から出射する出射工程と、
上記光源から出射された測定光を分光ヘッドに入射する入射工程と、
上記分光ヘッドに入射された測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の測定面の複数点に照射する照射工程と、
上記測定面で反射され、上記分光ヘッドを介して入射された測定光と上記光源から出射された基準光とを干渉光学系により干渉させる干渉工程と、
上記干渉光学系で発生した干渉光を検出部により検出する検出工程と、
上記検出部により検出した干渉光に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を解析する解析工程と
を有する振動計測方法。