JP2013528798A - 物理的パラメータの光学測定デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、物理的パラメータを光学測定するためのデバイス（１０）に関し、デバイス（１０）は、
−目標物（２０）の方向に測定ビームを生成し、前記目標物によって反射された測定ビームを受け取るためのレーザ光源（１１）であり、前記測定ビームが光路に沿って移動し、光路の変動が決定される物理的パラメータに依存し、前記レーザ光源が光キャビティ（１１１）を含む、レーザ光源（１１）と、
−レーザ光源（１１）のためのモーション・センサ（１４）と、
−レーザ光源（１１）において測定された信号とモーション・センサ（１４）によって測定された信号とから物理的パラメータを計算するための手段（１５）と
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はオプトエレクトロニクス・デバイスの分野に関する。より具体的には、本発明は目標物の変位を光学測定するための測定デバイスに関する。

いわゆる非破壊測定の実施が可能な、すなわち、非破壊測定対象の目標物を劣化させないように、目標物の変位、振動、距離などを測定する多くのデバイスが存在する。

光学的方法は、目標物に接触せず非侵入である利点からしばしば使用される。光学的方法とは、レーザ光源から目標物の方に光ビームを送出し、次に、目標物によって戻された光ビームの光学的性質の変化を、好適な検出測定手段を使用して測定する方法である。

既存の光学デバイスの中にはマイケルソン型干渉計、光ファイバ干渉計、および三角測量センサがある。しかし、これらのタイプのデバイスは多くの光学構成要素を使用しなければならないため、コンパクトで、使いやすく、低コストのセンサは実現し難い。さらに、これらのデバイスの中には、測定範囲が数センチメートルまたは数ミリメートルにさえ制限されるものがある。

これとは対照的に、一般に「自己混合」と呼ばれる光フィードバック現象に基づくデバイスにより、コンパクトで、融通性があり、低コストを実現するシステムが提案されている。

このデバイスは簡単に実現でき、例えば、変位を測定する目標物に測定光ビームを放出する１つのレーザ光源しか必要としない。測定ビームの一部が目標物によって反射され、レーザ源の能動キャビティにフィードバックされ、それにより、干渉がレーザ源の能動キャビティ中に生成される。

例えば、目標物の変位、または目標物が配置されている媒体の屈折率の変化のために、レーザ光源から発され目標物にぶつかる測定ビームの移動光路に変化がある場合、これらの干渉によって引き起こされる揺らぎ、特に、放出される光強度の揺らぎが生じる。これらの揺らぎは、光検出器によって、例えば、レーザ源の後ろ側に配置されたフォトダイオードによって、またはレーザ光源の接合部電圧を直接介して検出される。フォトダイオードまたはレーザ光源の接合部電圧から生じる信号は好適な処理手段によって処理され、そこから目標物の変位または媒体の屈折率の変化に関する情報が導き出される。このようにして、レーザ源は、外部の光学構成要素を必要とすることなく、光源の役目とマイクロ干渉計の役目の両方を果たす。しかし、目標物が数センチメートルよりも遠くに位置する場合、レーザ光源と目標物の間にレンズを置くことができる。

このように、これらの光フィードバック・デバイスは、自己整合的で、コンパクトで、従来の干渉計を使用するよりも低コストであるという利点を有する。

しかし、これらのデバイスは寄生振動に特に敏感である。ゆえに、これらのデバイスは、実施される測定の精度を保証するために、目標物に対して安定して固定された、例えば光学テーブルなどのような取付け台に置く必要がある。この状況は、第１に、追加コストの原因となり、第２に、例えば、産業拠点での設置など、実社会でこれらのデバイスを使用するには適していない。

したがって、本発明の目的は、サイズ、性能、およびコスト制約条件に対応し、産業的な使用を実現させる、光フィードバック現象に基づく測定デバイスを提案することである。

この目的のため、本発明の対象は物理的パラメータを光学測定するための測定デバイスである。この測定デバイスは、
−目標物の方向に測定ビームを生成し、前記目標物によって反射された測定ビームを受け取るためのレーザ光源であり、前記測定ビームが光路に沿って移動し、光路の変動が決定される物理的パラメータに依存し、前記レーザ光源が光キャビティを含む、レーザ光源と、
−レーザ光源のためのモーション・センサと、
−レーザ光源において測定された信号とモーション・センサによって測定された信号とから物理的パラメータを計算するための計算手段と
を備える。

光路は、光ビームが移動する幾何学的距離を光ビームが通過する媒体の屈折の性質に応じてスケーリングしたもの、すなわち、この幾何学的距離に媒体の屈折率を乗算したものとして定義される。

測定ビームの光路を変更する、決定された物理的パラメータは、例えば、目標物が配置されている媒体の屈折率の変動、レーザ光源の前に配置された光ファイバに印加される応力（機械的、熱など）、および、好ましくは、レーザ光源を通り抜ける光軸に沿って移動する目標物の変位である。

レーザ光源は目標物の方向に測定ビームを放出し、目標物はビームの一部を反射する。この反射された測定ビームはレーザ光源の光キャビティに完全にまたは部分的にフィードバックされ、これにより光キャビティ中で放出測定ビーム干渉を生成する。

好ましくは、レーザ光源はレーザ・ダイオードであるが、例えば、ガスレーザなどの他のタイプのレーザ光源を使用することが可能である。

測定ビームが移動する光路が変化すると、誘起された干渉により、特に、レーザ・ダイオードが放出する入射ビームの光強度が変化する。

レーザ光源において測定される信号は測定ビームの光強度のこの変動に依存する。この変動は光路の変動に依存する。測定信号は、例えば、電圧、電流、またはデジタル信号である。

モーション・センサにより動作中のレーザ光源の移動に関する変位が有利に測定できる。この移動は、用途の要件に伴うレーザ光源の変位、または振動を受けたレーザ光源によって引き起こされる寄生変位であることがある。

モーション・センサは、動作中のレーザ光源の変位を測定することができるデバイス、例えば、加速度計、ジャイロスコープ、または光センサなどである。

例えば、モーション・センサが加速度計である場合は、好ましくは、レーザ光源のできるだけ近くに置かれ、レーザ光源に固定される。モーション・センサが非接触センサ、例えば光学式である場合は、少し離して置くことができ、その光ビームはレーザ光源の方向に向けられる。

モーション・センサによって測定される信号はレーザ光源の変位に依存する。測定信号は、例えば、電圧、電流、またはデジタル信号である。

計算手段により、レーザ光源において測定された信号とモーション・センサによって測定された信号とから物理的パラメータを決定することができる。

この計算手段は、
−レーザ光源において測定された信号を、「光路の全変動測定値」と呼ばれる光路変動の測定値に変換するための第１の変換手段と、
−モーション・センサによって測定された信号を、「変位測定値」と呼ばれるレーザ光源の変位の測定値に変換するための第２の変換手段と
を含む。

光路の全変動測定値には、光路での実際の変動測定値と、変位測定値との両方が考慮に入れられている。

本発明の好ましい実施形態では、計算手段は、レーザ光源に対してモーション・センサを較正するために較正手段をさらに含む。

実現化するための一例では、較正手段は、モーション・センサの利得の誤差を補償し、レーザ光源の測定系統とモーション・センサの測定系統とを時間的に同期させるものである。

測定デバイスの１つの実施形態では、較正手段は、モーション・センサの測定系統において第２の変換手段の出力部に置かれる。

測定デバイスの１つの実施形態では、信号対雑音比を改善するために、測定デバイスはレーザ光源の出力部において第１の変換手段の上流にフォトダイオードを含み、レーザ光源において測定される信号はフォトダイオードによって得られる信号である。

測定デバイスの好ましい実施形態では、レーザ光源がレーザ・ダイオードである場合、フォトダイオードはレーザ・ダイオードと同じハウジングに組み込まれる。

測定デバイスの別の実施形態では、レーザ光源がレーザ・ダイオードである場合、レーザ・ダイオードにおいて測定される信号は前記レーザ・ダイオード接合部電圧を増幅することによって得られる信号である。

測定デバイスの別の実施形態では、目標物がレーザ光源から数センチメートルより離れて置かれる場合、測定デバイスは、光軸ＸＸ’上で、レーザ光源と目標物との間に置かれたレンズを含む。好ましくは凸状であるこのレンズにより、測定ビームを集束／コリメートすることができる。前記レンズは自動コリメーション／集束化用の適応レンズでもよい。

測定デバイスの別の実施形態では、分解能を改善するために、前記測定デバイスは、レーザ光源と目標物との間に、測定ビームの位相を変調することができる電気光学変調器を含む。

別の態様によれば、本発明は、レーザ測定により物理的パラメータを測定する方法に関する。

この方法は、
−測定ビームを目標物の方向にレーザ光源で放出するステップと、
−光路の全変動を表す信号をレーザ光源において測定するステップと、
−レーザ光源において測定するステップの間、レーザ光源の変位を表す信号をモーション・センサで測定するステップと、
−レーザ光源において測定された信号から、第１の変換手段によって光路の全変動を決定するステップと、
−モーション・センサによって測定された信号から、第２の変換手段によってレーザ光源の変位を決定するステップと、
−光路の全変動とレーザ光源の変位とから物理的パラメータを決定するステップと
を含む。

光路の全変動を表す信号のレーザ光源における測定値とモーション・センサによるレーザ光源の変位を表す信号の測定値とは、単一の基点（ｏｒｉｇｉｎ）により同期的に実現される。

レーザ光源において測定された信号から、第１の変換手段によって光路の全変動が決定されるステップと、モーション・センサによって測定された信号から、第２の変換手段によってレーザ光源の変位が決定されるステップの実施順序は定められたものではなく、前記ステップの結果を変更することなく、方法に応じて、説明した順序と逆の順序で実施してもよく、または好ましくは同時に実現することができる。

本発明は、さらに、非破壊的な方法で材料と製造部分を検査および制御し、かつそれらをモーダル解析するための光学測定デバイスの使用に関する。

本発明は、さらに、目標物の変位および振動を測定するための光学測定デバイスの使用に関する。

本発明は、さらに、気体および／または液体混合物の変化を検出するための光学測定デバイスの使用に関する。

この光学測定デバイスの他の用途として、例えば、目標物の不規則な変位の測定、接合／溶接のモニタ、衝撃検出、高速機械加工の最適化、材料の機械的応力の測定がある。

上記で挙げた用途での測定デバイスの実施態様は、とりわけ、当業者の技術の範囲内にある。

この光学測定デバイスは、さらに、移動搭載システムにさえ使用することができるという長所を有する。

好ましい実施形態では、光学測定デバイスにより、軸ＸＸ’に沿った目標物の変位の測定が可能になる。前記測定デバイスは、
−目標物の方向に測定ビームを生成し、前記目標物によって反射された測定ビームを受け取るためのレーザ光源であり、前記測定ビームが光路に沿って移動し、光路の変動が目標物の変位に依存し、前記レーザ光源が光キャビティを含む、レーザ光源と、
−レーザ光源のためのモーション・センサと、
−レーザ光源において測定された信号とモーション・センサによって測定された信号とから目標物の変位を計算するための計算手段と
を備える。

本発明は、さらに、Ｎ軸に沿って目標物の変位を測定するためのシステムに関し、ここでＮは２以上であり、該システムは、各々が１つの軸に沿って位置づけられるＮ個の光学測定デバイスを備える。

本発明の一実施形態の単なる一例として、添付図を参照しながら以下に説明する。

本発明による、光フィードバック現象に基づいた、目標物の変位を測定するためのデバイスの一例を概略的に示す図である。 測定デバイスの信号処理の一例を示す図である。 第１実施例の過程で測定された変位および再構成された変位の曲線を示す図である。 第２実施例の過程で測定された変位および再構成された変位の曲線を示す図である。 第３実施例の過程で測定された変位および再構成された変位の曲線を示す図である。 第４実施例の過程で測定された変位および再構成された変位の曲線を示す図である。

測定デバイスを実現化する例を、目標物の変位測定に適用させて詳細に説明する。この選択は非限定であり、本発明は、さらに、レーザの前に配置された光ファイバに印加される応力、またはレーザと目標物間の気体混合物の変動に起因する、例えば、媒体の光屈折率の変動などの他の物理的パラメータにも当てはまる。

図１は、本発明の特定の実施形態により光フィードバック現象に基づいた、目標物２０の変位を測定するための光学デバイス１０を概略的に示す。

デバイスは、レーザ光源１１、レンズ１２、検出器１３、モーション・センサ１４、および目標物の変位を計算するための計算手段１５を備える。

レーザ光源１１、レンズ１２、および目標物２０は共通の光軸ＸＸ’上に配置される。

レーザ光源１１は光フィードバックに敏感であり、光キャビティ１１１を備え、光軸ＸＸ’に沿って目標物２０の方向に波長λの光測定ビームを放出し、反射された測定ビームを受け取るように設計される。

好ましくは、レーザ光源１１はレーザ・ダイオードであるが、例えば、ガスレーザのような他のタイプのレーザ光源を使用することが可能である。

好ましい実施形態では、電流値は、ある時間の間、実質的に途切れることなくレーザ・ダイオード１１に供給される。

別の実施形態では、レーザ・ダイオード１１には、ある時間の間、例えば、正弦波または三角波タイプの周期的電流などの可変的な電流が供給される。

従来の干渉計と異なり、追加コストを必要とするサーボ制御システムを使用してレーザ・ダイオードの波長を安定化させる必要がなく、サーボ制御なしで得ることができる精度は、低コストデバイスを必要とする多くの用途にとって十分に高い精度である。

レーザ・ダイオード１１は目標物から距離Ｌ_ｅｘｔに置かれる。

レンズ１２は光測定ビームが移動する光路上に置かれ、レーザ源と目標物との間に配置される。

好ましくは、レンズ１２は、数センチメートルより離れた距離Ｌ_ｅｘｔで目標物の変位を測定するのに使用される。一般に、レンズ１２は数センチメートル未満の距離Ｌ_ｅｘｔでは必要でない。

レンズ１２は、第１に、レーザ・ダイオード１１から発された測定ビームを受け取り、前記測定ビームを目標物の方向にコリメート／集束するために、第２に、目標物によって反射された測定ビームの一部を受け取り、それをレーザ・ダイオード１１の内部キャビティ１１１に向けてコリメート／集束するために選択される。

目標物２０は、一例として矢印２１によって概略的に示されるように光軸ＸＸ’に沿って移動している。

したがって、本発明による測定デバイス１０は、光軸ＸＸ’の方向に沿った目標物２０の変位を測定するのに好適である。

目標物２０は、レーザ・ダイオードから発された測定ビームの少なくとも一部を受け取り、前記測定ビームを反射するための表面区域２１を有するように設計される。

好ましくは、目標物２０の表面区域２１は、可能な限り最も高い精度を得るために、実質的に平坦でかつ光軸ＸＸ’に実質的に垂直である。しかし、平坦な表面区域も光軸に対し垂直であることも、本発明による目標物の変位の測定を達成するのに必須ではない。レーザ・ダイオードの光キャビティに向けて測定ビームの少なくとも一部を反射するものであれば、他の形態の表面区域でも使用することができる。

変位が垂直でない場合、目標物の変位測定は、光軸ＸＸ’に沿った投影により行われることになる。

実現化するための一例では、目標物２０は、変位が測定される物体の一部とすることができる。

代替として、目標物２０は物体から離れているが、物体に取り付けられているものとすることができ、その結果、目標物の変位の測定は物体の変位の測定と等価である。

その結果、レーザ・ダイオード１１から発されるコリメートされていない測定ビームは、レンズ１２の方に向かい、レンズ１２により目標物２０の方にコリメート／集束される。

目標物２０は測定ビームのごく一部分を反射する。

反射された測定ビームは、レンズ１２を通過した後、レーザ・ダイオード１１の光キャビティ１１１にフィードバックされ、レーザ・ダイオードによって放出された測定ビームとの干渉を生成する。

目標物２０が光軸ＸＸ’に沿って移動している場合、ビームが移動する光路の長さ、すなわち、レーザ・ダイオード１１と目標物２０との間の往復距離が変化し、目標物の変位に依存する干渉がレーザ・ダイオード１１によって放出される測定ビームの光強度の変動が生じる。

測定検出器１３は、レーザ・ダイオードが放出した測定ビームの光強度の変動を検出し、それを目標物の変位に依存する干渉を含む「ＳＭ信号」と呼ばれる信号に変換する。このＳＭ信号は、例えば、電流量、電圧、電力の信号、デジタル信号とすることができる。

測定検出器は、好ましくは、フォトダイオード１３である。実現化するための一例では、フォトダイオード１３は、レーザ・ダイオード１１と同じハウジングに組み込まれ、レーザ・ダイオードの後ろ側に配置されるフォトダイオードである。レーザ・ダイオードの出力を、通常、サーボ制御するこのフォトダイオードは、光フィードバック現象によって引き起こされるレーザ・ダイオードの光強度の変動を検出するために利用される。

フォトダイオードの出力部において、図２に示すように、第１の変換手段１５１と呼ばれる変換手段が、フォトダイオードから生じるＳＭ信号を処理し、それを全変位測定値Ｄ_ＳＭと呼ばれる変位の測定値に変換する。

この全変位測定値Ｄ_ＳＭは、目標物の変位の測定値と、動作中のレーザ・ダイオード１１の移動に起因する変位の測定値とを考慮に入れている。

実現化するための一例では、第１の変換手段１５１は、ＳＭ信号から全変位Ｄ_ＳＭを再構成するために干渉縞計数法を使用する。この方法の精度は、使用されるレーザ・ダイオードの波長に関係する。

実現化するための別の例では、第１の変換手段１５１は、ＳＭ信号から全変位Ｄ_ＳＭを再構成するために位相アンラッピング法を使用する。

上記で引用した両方の方法、すなわち、干渉縞計数法および位相アンラッピング法はそれら自体が既知の方法であるため、説明はしない。

第１の変換手段１５１はＳＭ信号に応じてアナログまたはデジタルとすることができる。

測定デバイス１０はモーション・センサ１４をさらに備える。実現化するための好ましい例では、このモーション・センサは、レーザ・ダイオード１１の近くに配置され、好ましくはレーザ・ダイオードに固定された加速度計である。本発明によれば、加速度計１４は、有利には、レーザ・ダイオード１１の移動に起因する変位を測定するために使用される。

加速度計１４は、例えば、光学タイプまたは圧電タイプのものとすることができる。実現化するための好ましい例では、加速度計は、ＭＥＭＳと呼ばれる微小電子機械システムに基づいた加速度計である。ＭＥＭＳベースの加速度計は小型であり、有利には、前記加速度計をレーザ源の極めて近くに位置づけることを可能にする。

レーザ・ダイオードの移動により生じた変位は、レーザ源の加速度を加速度計で測定することによって間接的に測定される。

加速度計の出力部において、第２の変換手段１５２と呼ばれる変換手段が、加速度計から生じる「加速度信号」と呼ばれる信号を処理し、それを「変位測定値Ｄ_ｐ」と呼ばれるレーザ・ダイオードの変位の測定値に変換する。

加速度信号は、例えば、電圧の信号、デジタル信号とすることができる。

第２の変換手段の一例では、図２に示されるように、前記第２の変換手段１５２は、加速度信号からレーザ・ダイオードの変位を再構成するために加速度信号の二重積分の方法を使用する。

第２の変換手段１５２は、加速度信号に応じてアナログまたはデジタルとすることができる。

第２の変換手段１５２の出力部において、レーザ・ダイオード１１に対して加速度計１４を較正するための較正手段１５３が、レーザ・ダイオード１１の変位の測定値を較正する。

較正手段１５３を実現化するための一例では、図２に示されるように、前記較正手段は、加速度計自体の利得誤差を補償できるようにするための可変利得システム１５４と、２つの測定系統、すなわち、レーザ・ダイオード測定系統と加速度計測定系統とを同期させるための位相シフタ１５５とを含む。

次に、目標物２０の再構成された実際の変位Ｄ_Ｔは、移動によりレーザ・ダイオードが得た全変位測定値Ｄ_ＳＭと加速度計から得られた較正済み変位測定値Ｄ_ａｃｃとの減算によって決定される。

第１および第２の変換手段１５１、１５２、ならびに較正手段１５３は計算手段１５を構成する。

本発明による測定デバイス１０により、目標物の変位Ｄ_Ｔの測定値を再構成することができる。このデバイスは、有利には、広い測定範囲にわたって使用することができる。実際は、測定範囲はレーザ・ダイオードのコヒーレンス長の半分に制限され得る。測定値範囲は、選択したレーザ光源に応じて数メートルに達し得る。

ここで、この方法では、レーザ・ビームの方向に加速度計によって得た測定変位を、レーザ源の寄生変位を補正するために減算することが重要である。

加速度信号から再構成された変位信号の利得および位相は、自己混合信号および加速度信号を処理することによって導入された位相シフトを考慮に入れるように補正される。これらの補正により、高レベルの測定精度を得ることが可能になる。

２つのチャネル（加速度計チャネルおよび自己混合チャネル）の各々で行われる信号処理ステップは本質的に非線形である（フィルタ処理、積分、微分など）ので、両チャネルの最終信号の位相はゼロでなく、システムの全帯域幅にわたって変化する。

したがって、当業者が２つの最終信号を簡単に直接減算しただけでは、目標物の変位の正確な評価を得ることができない。

その結果として、この方法は、信号のそれぞれの位相を較正および補正する追加のステップを含む。

実際に、位相補正は利得補正よりも重要であり、２つの最終信号間の位相差が大きいと、減算後に得られる信号は非常に劣ったものとなる。

２つの最終信号間の位相補正は様々な手段によって達成することができ、それらのうちの３つが非限定の例として以下で列記される。
１）アナログ・オールパス・フィルタを、２つの最終信号の一方の位相を他の信号に関連して補正するように設計されたカスタマイズした位相関係で使用することができる。
２）カスタマイズした位相関係を有するデジタル・フィルタを、一方の信号の位相を他方に対応させるために使用することができる。この種の解決策は、アナログ−デジタル変換およびデジタル−アナログ変換のための追加コストを含むことがある。しかし、非常に正確な位相関係をデジタル・データで実現することができる。
３）最後の２つの信号のスペクトル分析により、これら２つの信号の関係を得ることが可能である。次に、得られた２つの信号が同位相になるように、これらのスペクトルを修正変更することで補正が実現される。

しかし、この利得および位相の補正は、本方法の場合のようにレーザ・センサの固有分解能に近い分解能が要望される場合、十分ではない。事実上、２つの別個の現象、すなわち、
・加速度計からの雑音
・加速度計の様々な軸同士の結合
が誤差を引き起こすことがある。

まず、加速度計雑音について検討する。加速度信号から変位信号を得るのに必要とされる二重積分プロセスの間、加速度センサからの雑音に関してもこの二重積分が行われる。

このため、このように再構成された変位信号の雑音は１／ｆ２増加する。ここで、ｆは検討中の周波数である。

このように得られたセンサの低周波ドリフト（ランダム・ウォーク）を避けるために、本方法は、加速度計から生じた信号を高次ハイパス・フィルタでフィルタ処理するステップを含む。

一般に、このフィルタの低域遮断周波数は、システムが許容可能な最大誤差によって設定される。

例えば、ＳＴ（登録商標）からのブランド名ＬＩＳ３４４ＡＬＨ（登録商標）で知られているタイプの線形加速度計では、この周波数は自己混合の分解能に等しい分解能、すなわち５０ｎｍの補正を得るには２０Ｈｚである。これは、Ｃｏｌｉｂｒｙｓ（登録商標）からのブランド名ＳＦ１５００（登録商標）で知られているタイプのデバイスでは１Ｈｚになることになる。

加速度計の様々な軸同士の結合に関して、この結合は、外在性（レーザ・センサに関する）または内在性（加速度計の内部軸に関する）の不十分な位置合わせによって生じることがある。一般に、この結合は２％未満で生じる。加速度計が単一の軸、２つの軸、または３つの軸を有しているかにかかわらず、この結合を観察するよう留意されたい。

したがって、レーザに加えられる干渉（寄生振動）が主としてレーザ・ビームの軸に対し垂直な軸に沿った方向に向けられる場合、加速度計によって与えられる情報は損なわれる。

ゆえに、非限定の例としてここで説明する方法は、軸間の結合に関して加速度計を較正するステップを含み、そのステップは所望の分解能を保証可能にするために必要である。

本発明による測定デバイスからの目標物の再構成された変位を示すために、多くの実験がなされ、４つの実施例の形態で以下に要約される。

すべての実験において、
−レーザ光源は、内蔵フォトダイオードをもつ７８５ｎｍの波長λで放出するＨｉｔａｃｈｉ（登録商標）からのブランド名ＨＬ ７８５１Ｇ（登録商標）で知られているタイプのレーザ・ダイオードである。３０ｍＡの一定注入電流がレーザ・ダイオードに供給され、レーザ・ダイオードは５０ｍＷの最大出力を有する。
−加速度センサは、３００μｇ／√Ｈｚの分解能および５ｋＨｚの帯域幅をもつＡｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ（登録商標）からのブランド名ＡＤＸＬ３１１（登録商標）で知られているタイプの加速度計である。
−例えば、レーザ・ダイオードの寄生となる可能性のある振動／変位は、レーザ・ダイオードおよび加速度計が取り付けられている振動機によって生成される。
−目標物はレーザ・ダイオードから４５ｃｍの距離に位置づけられ、その変位はＰｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ（登録商標）による圧電センサ・タイプＰ７５３．２ＣＤによって生成される。この圧電センサは、圧電センサの変位を２ｎｍの分解能で直接測定するために静電容量センサに結合される。

較正手段のための利得および位相較正係数を得るために、本発明の特定の実施形態による測定デバイスを較正する段階が、実現化するためのこの実施例では、より良好な分解能を達成するために使用される。この較正段階の間、レーザ・ダイオードのみが、この実施例では振動機の助けを借りて移動し、目標物は静止している。４セットの測定が２０Ｈｚと４００Ｈｚの間で２０Ｈｚ刻みで行われた。加速度計およびレーザ・ダイオードから抽出された信号は利得および位相較正係数を得るために比較され、表に値が記録される。この較正段階後、測定された位相誤差は２°未満であり、測定された利得誤差は３％未満である。

次に、４つの実験が提示される。得られた結果がそれぞれ図３、図４、図５、および図６に示される。各図において、
−曲線１は、レーザ・ダイオードによって得られた信号から再構成された全変位信号を示し、
−曲線２は、レーザ・ダイオードおよび加速度計によって得られた信号から再構成された実際の変位信号を示し、
−曲線３は目標物の変位信号を示し、基準曲線である。

実施例１：同じ周波数で正弦波のように振動させた目標物および振動機。

この第１の実施例では、振動機および目標物を、それぞれ３．５μｍおよび２．５μｍの信号振幅で同一の８１Ｈｚの周波数で振動させた。

結果が図３に示されている。

曲線１では変位振幅は５μｍの誤差を有するが、曲線２は曲線３に近いことが分かる。

この第１の実施例により、本発明による測定デバイスが、同じ周波数の振動状態でさえ、目標物の実際の変位を再構成可能であることが分かる。これは、測定デバイスと振動する目標物との間に望ましくない機械的結合がある場合にしばしば生じることがある。

実施例２：異なる周波数で正弦波のように振動させた目標物および振動機。

この第２の実施例では、振動機を１６７Ｈｚの周波数で２μｍの信号振幅で振動させ、目標物は９７Ｈｚの周波数で２．５μｍの信号振幅で振動させた。

結果が図４に示されている。

この第２の実施例において、曲線１の変位信号は歪んでいるが、曲線２は曲線３に近いことが分かる。

実施例３：不規則に振動させた目標物および振動機。

振動機を、４６Ｈｚ−９２Ｈｚ−１９４Ｈｚ−２７６Ｈｚの周波数の組合せで振動させた。

目標物は、２６Ｈｚ−１０４Ｈｚ−２１６Ｈｚの周波数の組合せで振動させた。

結果が図５に示されている。

この第３の実施例において、曲線１の変位信号は大きい振幅で大きく歪んでいるが、曲線２はやはり基準曲線３に近いことが分かる。

実施例４：固定周波数で正弦波のように振動させた目標物と、不規則に振動させた振動機。

振動機を、４６Ｈｚ−９２Ｈｚ−１９４Ｈｚ−２７６Ｈｚの周波数の組合せで振動させた。

目標物は９１Ｈｚの周波数で２．３μｍの信号振幅で振動させた。

結果が図６に示されている。

この第４の実施例において、曲線１の変位信号は歪み振幅が大きいが、曲線２はやはり基準曲線３に近いことが分かる。

本発明による測定デバイスにより、有利には、レーザ・ダイオードの変位によって生じる、光フィードバック・センサを用いた目標物の変位の測定における誤差を低減することができる。

本発明による測定デバイスは、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＡＤＸＬ３１１タイプの加速度計を用いて実現化させるために３００ｎｍの精度で変位を測定するデバイスであり、実現するのが簡単で、サイズが小さく、自己整合で、頑強なデバイスである。さらに、手頃な価格で、産業環境へ輸送可能であるという利点を有する。

本発明の１つの実現化のための変形では、異なる軸に沿って位置づけられた少なくとも２つの光学測定デバイス１０を関連づけることによって構成され、目標物２０の横断変位を共同して測定する測定システムを想定することができる。

実現化のための一例では、２つの異なる軸に沿って位置づけられた２つの光学測定デバイス１０でアセンブリが製作される場合、目標物２０の変位は２つの軸で形成された平面内で２次元で決定される。

実現化のための別の例では、３つの異なる軸に沿って位置づけられた３つの光学測定デバイス１０でアセンブリが製作される場合、目標物２０の変位は３次元で決定される。

１０ 光学デバイス、測定デバイス
１１ レーザ光源、レーザ・ダイオード
１２ レンズ
１３ 検出器、測定検出器、フォトダイオード
１４ モーション・センサ、加速度計
１５ 計算手段
２０ 目標物
２１ 矢印、表面区域
１１１ 光キャビティ、内部キャビティ
１５１ 第１の変換手段
１５２ 第２の変換手段
１５３ 較正手段
１５４ 可変利得システム
１５５ 位相シフタ

Claims (13)

1. 物理的パラメータを光学測定するための測定デバイス（１０）であって、前記測定デバイスが、
   −目標物（２０）の方向に測定ビームを生成し、前記目標物によって反射された前記測定ビームを受け取るためのレーザ光源（１１）であり、前記測定ビームが光路に沿って移動し、前記光路の変動が決定される物理的パラメータに依存し、前記レーザ光源が光キャビティ（１１１）を含む、レーザ光源（１１）と、
   −前記レーザ光源（１１）のためのモーション・センサ（１４）と、
   −前記レーザ光源（１１）において測定された信号と前記モーション・センサ（１４）によって測定された信号とから前記物理的パラメータを計算するための計算手段（１５）と
   を備えることを特徴とする測定デバイス。
2. 前記計算手段（１５）が、前記レーザ光源（１１）において測定された前記信号を前記光路の全変動の測定値に変換するための第１の変換手段（１５１）と、前記モーション・センサ（１４）によって測定された前記信号を前記レーザ光源の前記変位の測定値に変換するための第２の変換手段（１５２）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の測定デバイス。
3. 前記計算手段（１５）が、前記レーザ光源（１１）に対して前記モーション・センサ（１４）を較正するための較正手段（１５３）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の測定デバイス。
4. 前記モーション・センサ（１４）が加速度計であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の測定デバイス。
5. 前記レーザ光源（１１）の出力部において、前記第１の変換手段（１５１）の上流にフォトダイオード（１３）を含むことを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の測定デバイス。
6. 前記レーザ光源（１１）がレーザ・ダイオードであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の測定デバイス。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光学測定デバイスから物理的パラメータを測定する方法であって、前記方法が、
   −測定ビームを前記目標物（２０）の方向に前記レーザ光源（１１）で放出するステップと、
   −前記光路の前記全変動を表す信号を前記レーザ光源（１１）において測定するステップと、
   −前記レーザ光源において前記測定するステップの間、前記レーザ光源（１１）の前記変位を表す信号を前記モーション・センサ（１４）で測定するステップと、
   −前記レーザ光源（１１）において測定された前記信号から、前記第１の変換手段（１５１）によって前記光路の前記全変動を決定するステップと、
   −前記モーション・センサ（１４）によって測定された前記信号から、前記第２の変換手段（１５２）によって前記レーザ光源の前記変位を決定するステップと、
   −前記光路の前記全変動と前記レーザ光源の前記変位とから前記物理的パラメータを決定するステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
8. 非破壊的な方法で材料および製造部分を検査し制御するための請求項１から６のいずれか１項に記載の光学測定デバイスの使用。
9. 目標物の変位および振動を測定するための請求項１から６のいずれか１項に記載の光学測定デバイスの使用。
10. 気体および／または液体混合物における変動を検出するための請求項１から６のいずれか１項に記載の光学測定デバイスの使用。
11. 請求項１から６のいずれか１項に記載のデバイスを含む搭載システム。
12. 目標物（２０）の変位を軸ＸＸ’に沿って光学測定するための測定デバイス（１０）であって、前記測定デバイスが、
    −前記目標物の方向に測定ビームを生成し、前記目標物によって反射された前記測定ビームを受け取るためのレーザ光源（１１）であり、前記測定ビームが光路に沿って移動し、前記光路の変動が前記目標物の前記変位に依存し、前記レーザ光源が光キャビティ（１１１）を含む、レーザ光源（１１）と、
    −前記レーザ光源（１１）のためのモーション・センサ（１４）と、
    −前記レーザ光源（１１）において測定された信号と前記モーション・センサ（１４）によって測定された信号とから前記目標物の変位を計算するための計算手段（１５）と
    を備えることを特徴とする測定デバイス。
13. Ｎ軸に沿って目標物の変位を測定するためのシステムであって、Ｎが２以上であり、Ｎ個の請求項１２に記載の光学測定デバイスを含む、システム。

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