JP2021056090A

JP2021056090A - Vibration meter

Info

Publication number: JP2021056090A
Application number: JP2019179115A
Authority: JP
Inventors: 亮浩藤井; Akihiro Fujii
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-08
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: JP7276051B2

Abstract

To provide a vibration meter capable of multipoint measurement, with its device construction simplified.SOLUTION: A first comb generator generates an optical comb of y-polarized light of center frequency f0(Hz) and frequency interval fm as probe light and sends probe light to a λ/4 plate via a polarized beam splitter. A second comb generator generates an optical comb of x-polarized light of center frequency f0(Hz) and frequency interval fm+Δfm as reference light and sends reference light to an orthogonal detection unit. The λ/4 plate converts the probe light of y-polarized light into circular polarized light, and converts scattered light of the probe light having been reflected by a measurement object into x-polarized light. A wavelength filter separates the wavelength of probe light into N wavelength bands (N=integer 2 or greater), irradiates the measurement object with these, as well as receives scattered light and sends it to the orthogonal detection unit. The orthogonal detection unit orthogonally detects the scattered light and reference light and generates a beat signal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、振動計に関するものである。 The present invention relates to a vibrometer.

レーザードップラー振動計は、物体の振動を非接触で測定することが可能な非接触型の振動計である。 The laser Doppler vibrometer is a non-contact type vibrometer that can measure the vibration of an object in a non-contact manner.

振動している物体に光を照射し散乱光を発生させると、散乱光にはドップラー効果による振動成分が重畳される。したがって散乱光を受光し復調することによって物体の振動を測定することが可能となる。 When a vibrating object is irradiated with light to generate scattered light, a vibration component due to the Doppler effect is superimposed on the scattered light. Therefore, it is possible to measure the vibration of an object by receiving and demodulating the scattered light.

レーザードップラー振動計は非接触の測定が可能であるため、従来は困難であった遠方にある物体の振動の測定や高温・高磁場下の物体の振動測定も可能である。このような利点を活かし、さまざまな点検用途に利用されている。 Since the laser Doppler vibrometer can measure non-contact, it is also possible to measure the vibration of a distant object and the vibration of an object under a high temperature and a high magnetic field, which was difficult in the past. Taking advantage of these advantages, it is used for various inspection purposes.

物体の振動を詳細に測定するためには、振動の測定箇所は一点よりも多点の方が好ましい。例えば、道路や橋梁のような大規模な構造物の振動を測定するためには、構造物の一点の振動を観察するよりも多点を観察したほうが包括的な結果を得られるためである。 In order to measure the vibration of an object in detail, it is preferable to measure the vibration at multiple points rather than at one point. For example, in order to measure the vibration of a large-scale structure such as a road or a bridge, it is better to observe multiple points than to observe the vibration of one point of the structure to obtain comprehensive results.

多点計測可能なレーザードップラー振動計として、光コムと呼ばれる等周波数間隔及び同位相の線スペクトル列の光を対象物に略同時に照射し、それぞれの散乱光の位相変化を抽出することによる、多点同時計測可能な振動計がある（例えば、特許文献１、２又は３参照）。 As a laser Doppler vibrometer capable of multi-point measurement, a multi-point measurement is performed by irradiating an object with light of a line spectrum sequence having an equal frequency interval and the same phase, which is called an optical comb, and extracting the phase change of each scattered light. There are vibrometers capable of simultaneous point measurement (see, for example, Patent Documents 1, 2 or 3).

この多点同時計測可能な振動計の第１の従来例では、例えば、レーザ光源で生成されたレーザ光を２分岐し、２分岐されたレーザ光から、互いに異なる周波数間隔の２つの光コムを、参照光及び測定光として生成する。そして、参照光又は測定光の中心周波数を周波数シフトさせる。測定光は、測定対象物に略同時に照射され、測定対象物から得られた各散乱光は、参照光と合波され、ヘテロダイン検波される。 In the first conventional example of this multi-point simultaneous measurement vibrometer, for example, a laser beam generated by a laser light source is branched into two, and two optical combs having different frequency intervals are generated from the two-branched laser beam. , Generated as reference light and measurement light. Then, the center frequency of the reference light or the measurement light is frequency-shifted. The measurement light irradiates the measurement object substantially at the same time, and each scattered light obtained from the measurement object is combined with the reference light and heterodyne detection is performed.

また、多点同時計測可能な振動計の第２の従来例では、異なる中心周波数及び異なる周波数間隔の２つの光コムを、位相同期した２つのモード同期レーザを用いて生成する。 Further, in the second conventional example of the vibrometer capable of simultaneously measuring multiple points, two optical combs having different center frequencies and different frequency intervals are generated by using two mode-locked lasers that are phase-locked.

特開２０１０−２０３８６０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-203860 特開２０１０−２６１９１１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-261911 特開２０１１−２７６４８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-27648

https://goochandhousego.com/wp-content/uploads/2016/11/GH_DS_FO_FIBERQ_PM_1550nm_80MHz_Fiber_Coupled_Acousto_Optic_Modulator.pdfhttps://goochandhousego.com/wp-content/uploads/2016/11/GH_DS_FO_FIBERQ_PM_1550nm_80MHz_Fiber_Coupled_Acousto_Optic_Modulator.pdf https://hojo.keirin-autorace.or.jp/seikabutu/seika/21nx_/bhu_/zp_/21-10koho-07.pdfhttps://hojo.keirin-autorace.or.jp/seikabutu/seika/21nx_/bhu_/zp_/21-10koho-07.pdf

ここで、第１の従来例では、ヘテロダイン検波を行うために、参照光又は測定光の中心周波数が一定量シフトされている。この中心周波数を一定量シフトさせるために用いる周波数シフタの典型例は、音響光学変調器である。音響光学変調器は、一般的に高額であり、かつ、３ｄＢ程度の損失がある（例えば、非特許文献１参照）。 Here, in the first conventional example, the center frequency of the reference light or the measurement light is shifted by a certain amount in order to perform heterodyne detection. A typical example of a frequency shifter used to shift the center frequency by a certain amount is an acousto-optic modulator. Acousto-optic modulators are generally expensive and have a loss of about 3 dB (see, for example, Non-Patent Document 1).

非接触型の振動計では一般に微小な散乱光に情報が重畳されており、必然的に信号対雑音比が劣悪となる。このため、所望の測定信号を得るために雑音低減に必要となる信号処理の負荷は大きい。したがって、構成に起因して光の損失を増加させ、信号対雑音比の更なる劣化を招く音響光学変調器を用いる構成は、雑音低減に要する負荷をさらに大きくする可能性があるため好ましくない。 In a non-contact type vibrometer, information is generally superposed on minute scattered light, and the signal-to-noise ratio is inevitably poor. Therefore, the load of signal processing required for noise reduction in order to obtain a desired measurement signal is large. Therefore, a configuration using an acousto-optic modulator that increases light loss due to the configuration and causes further deterioration of the signal-to-noise ratio is not preferable because the load required for noise reduction may be further increased.

また、第２の従来例では、中心周波数が位相同期され、異なる中心周波数、モード間隔を持つ２つのモード同期レーザが用いられている。この第２の従来例で用いられる、モード同期レーザは高額であるばかりでなく、２つの光を安定に長時間位相同期させることは容易ではない。このため、２つのモード同期レーザを位相同期する構成を除外する風潮がある（非特許文献２参照）。 Further, in the second conventional example, two mode-locked lasers in which the center frequencies are phase-locked and have different center frequencies and mode intervals are used. The mode-locked laser used in this second conventional example is not only expensive, but it is not easy to stably synchronize the phase of two lights for a long time. Therefore, there is a tendency to exclude the configuration in which the two mode-locked lasers are phase-locked (see Non-Patent Document 2).

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、周波数シフタを用いないことにより、装置構成を簡素化された多点計測可能な振動計を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. An object of the present invention is to provide a vibrometer capable of multipoint measurement with a simplified device configuration by not using a frequency shifter.

上述した目的を達成するために、この発明の振動計は、連続光光源、ビームスプリッタ、偏光変換部、偏光ビームスプリッタ、第１コム発生器、第２コム発生器、λ／４板、波長フィルタ、直交検波部、ディジタル信号生成部及び信号処理部を備えて構成される。 In order to achieve the above-mentioned object, the vibrometer of the present invention includes a continuous light source, a beam splitter, a polarization converter, a polarization beam splitter, a first comb generator, a second comb generator, a λ / 4 plate, and a wavelength filter. , A orthogonal detection unit, a digital signal generation unit, and a signal processing unit.

連続光光源は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）で発振する、ｙ偏光状態である連続光を生成する。ビームスプリッタは、連続光を第１連続光と第２連続光に２分岐する。第１連続光は第１コム発生器に送られ、第２連続光は偏光変換部に送られる。 The continuous light source produces continuous light in a y-polarized state that oscillates at a center frequency of f0 (Hz). The beam splitter splits the continuous light into two, a first continuous light and a second continuous light. The first continuous light is sent to the first comb generator, and the second continuous light is sent to the polarization converter.

第１コム発生器は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）の第１連続光の入力に対し、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍの光コムを、プローブ光として生成し、生成したプローブ光を、偏光ビームスプリッタを経てλ／４板に送る。 The first comb generator generates an optical comb having a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm as probe light with respect to the input of the first continuous light having a center frequency of f0 (Hz), and generates the generated probe light. It is sent to the λ / 4 plate via a polarized beam splitter.

λ／４板は、ｙ偏光の前記プローブ光を円偏光に変換し、プローブ光が測定対象物で反射した散乱光をｘ偏光に変換する。波長フィルタは、プローブ光をＮ（Ｎは２以上の整数）の波長帯域に波長分離して、コリメータを経て第１〜第Ｎの測定対象物に照射し、及び、散乱光を、コリメータを経て受け取り、λ／４板を経て偏光ビームスプリッタに送る。 The λ / 4 plate converts the y-polarized probe light into circularly polarized light, and the scattered light reflected by the probe light on the object to be measured is converted into x-polarized light. The wavelength filter splits the probe light into wavelength bands of N (N is an integer of 2 or more), irradiates the first to Nth measurement objects through a collimator, and emits scattered light through the collimator. It receives it and sends it to the polarization beam splitter via the λ / 4 plate.

偏光ビームスプリッタは、ｙ偏光のプローブ光を、第１コム発生器から受け取り、λ／４板に送り、ｘ偏光の散乱光を、λ／４板から受け取り、直交検波部に送る。 The polarization beam splitter receives the y-polarized probe light from the first comb generator and sends it to the λ / 4 plate, and receives the x-polarized scattered light from the λ / 4 plate and sends it to the orthogonal detector.

偏光変換部は、入力されたｙ偏光の第２連続光をｘ偏光に変換して第２コム発生器に送る。 The polarization conversion unit converts the input y-polarized second continuous light into x-polarized light and sends it to the second comb generator.

第２コム発生器は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）の第２連続光の入力に対し、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍ＋Δｆｍ（Ｈｚ）の光コムを、参照光として生成し、参照光を直交検波部に送る。 The second comb generator generates an optical comb with a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm + Δfm (Hz) as reference light with respect to the input of the second continuous light having a center frequency of f0 (Hz), and generates the reference light. Send to the orthogonal detector.

直交検波部は、散乱光及び参照光を直交検波してビート信号を生成する。 The orthogonal detection unit generates a beat signal by orthogonally detecting scattered light and reference light.

ディジタル信号生成部は、ビート信号を、所定の標本化周波数でサンプリングしてディジタル信号に変換する。信号処理部は、ビート信号の位相変化から、第１〜第Ｎの測定対象物の振動を算出する。 The digital signal generator samples the beat signal at a predetermined sampling frequency and converts it into a digital signal. The signal processing unit calculates the vibration of the first to Nth measurement objects from the phase change of the beat signal.

この振動計の好適実施形態によれば、波長フィルタは、Ｎの波長帯域に波長分離したプローブ光を、コリメータを経て第１〜第Ｎの測定対象物に略同時に照射する。 According to a preferred embodiment of this vibrometer, the wavelength filter irradiates the first to Nth measurement objects substantially simultaneously with probe light wavelength-separated into the N wavelength band via a collimator.

この発明の振動計によれば、周波数シフタを用いることなく、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍの光コムを、プローブ光として生成し、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍ＋Δｆｍの光コムを、参照光として生成する。この結果、装置構成の簡素化及びコスト低減が可能となるばかりでなく、信号対雑音比の向上が期待できる。 According to the vibration meter of the present invention, an optical comb having a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm is generated as probe light without using a frequency shifter, and an optical comb having a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm + Δfm is generated. Is generated as a reference light. As a result, not only the device configuration can be simplified and the cost can be reduced, but also the signal-to-noise ratio can be expected to be improved.

多点計測可能な振動計の実施形態を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the embodiment of the vibrometer capable of multi-point measurement. 振動計の各構成要素におけるスペクトルを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spectrum in each component of a vibrometer.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the shape, size, and arrangement of each component are only schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Further, although a preferable configuration example of the present invention will be described below, it is merely a suitable example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many modifications or modifications can be made that can achieve the effects of the present invention without departing from the scope of the constitution of the present invention.

図１及び図２を参照して、多点計測可能な振動計の実施形態を説明する。図１は、多点計測可能な振動計の実施形態を説明するための模式図である。図２は、振動計の各構成要素におけるスペクトルを示す模式図である。図２（Ａ）〜（Ｆ）は、横軸に周波数（Ｈｚ）を取って示し、縦軸に、信号強度（任意単位）を取って示している。 An embodiment of a vibrometer capable of measuring multiple points will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an embodiment of a vibrometer capable of measuring multiple points. FIG. 2 is a schematic diagram showing a spectrum of each component of the vibrometer. In FIGS. 2A to 2F, the frequency (Hz) is shown on the horizontal axis, and the signal strength (arbitrary unit) is shown on the vertical axis.

振動計は、例えば、連続光光源１１０、ビームスプリッタ（ＢＳ：ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）１２１、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：ＰｏｌａｒｉｚｉｎｇＢＳ）１２２、偏光変換部１２３、第１及び第２コム発生器１３１及び１３２、第１〜第３発振器１４１〜１４３、λ／４板１５０、波長フィルタ１６０、直交検波部２００、ディジタル信号生成部３００及び信号処理部４００を備えて構成される。 The vibrometer includes, for example, a continuous light light source 110, a beam splitter (BS: Beam Splitter) 121, a polarization beam splitter (PBS: Polarizing BS) 122, a polarization converter 123, first and second comb generators 131 and 132, and a first. The first to third oscillators 141 to 143, a λ / 4 plate 150, a wavelength filter 160, a orthogonal detection unit 200, a digital signal generation unit 300, and a signal processing unit 400 are included.

連続光光源１１０は、コヒーレント光を生成可能な、例えば、任意好適な従来周知のレーザ光源で構成される。連続光光源１１０は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）で発振する、ｙ偏光状態である連続光を生成する。連続光光源１１０が生成した連続光は、ＢＳ１２１に送られる（図２（Ａ）参照）。 The continuous light source 110 is composed of, for example, any suitable conventionally known laser light source capable of generating coherent light. The continuous light light source 110 generates continuous light in a y-polarized state that oscillates at a center frequency of f0 (Hz). The continuous light generated by the continuous light light source 110 is sent to the BS 121 (see FIG. 2A).

ＢＳ１２１は、ｙ偏光である連続光を第１連続光と第２連続光とに２分岐する。第１連続光は、第１コム発生器１３１に送られ、第２連続光は、偏光変換部１２３に送られる。 The BS 121 branches the y-polarized continuous light into two, a first continuous light and a second continuous light. The first continuous light is sent to the first comb generator 131, and the second continuous light is sent to the polarization conversion unit 123.

偏光変換部１２３は、例えば、ｙ偏光の光を透過させ、ｘ偏光の光を反射させるように設けられたＰＢＳ１２５とλ／４板１２６と参照ミラー１２７とで構成される。偏光変換部１２３に入力されたｙ偏光の第２連続光は、ＰＢＳ１２５を透過してλ／４板１２６に送られ、λ／４板１２６で円偏光状態に変換されて参照ミラー１２７で反射される。参照ミラー１２７で反射された第２連続光の偏光状態は、参照ミラー１２７に照射された第２連続光に対して反対周りの円偏光状態となる。参照ミラー１２７で反射された円偏光状態
の第２連続光は、λ／４板１２６でｘ偏光状態に変換され、ＰＢＳ１２５で反射されて第２コム発生器１３２に送られる。 The polarization conversion unit 123 is composed of, for example, a PBS 125 provided so as to transmit y-polarized light and reflect x-polarized light, a λ / 4 plate 126, and a reference mirror 127. The y-polarized second continuous light input to the polarization conversion unit 123 is transmitted to the λ / 4 plate 126 through the PBS 125, converted into a circularly polarized state by the λ / 4 plate 126, and reflected by the reference mirror 127. To. The polarized state of the second continuous light reflected by the reference mirror 127 is a circularly polarized state opposite to the second continuous light irradiated to the reference mirror 127. The second continuous light in the circularly polarized state reflected by the reference mirror 127 is converted into the x-polarized state by the λ / 4 plate 126, reflected by the PBS 125, and sent to the second comb generator 132.

第１コム発生器１３１は、第１発振器１４１で生成される発振周波数ｆｍ（Ｈｚ）の正弦波の駆動信号で駆動する。第１コム発生器１３１は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）の第１連続光の入力に対し、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍ（Ｈｚ）の光コムを、プローブ光として生成する（図２（Ｂ）参照）。 The first comb generator 131 is driven by a drive signal of a sine wave having an oscillation frequency of fm (Hz) generated by the first oscillator 141. The first comb generator 131 generates optical combs having a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm (Hz) as probe light with respect to the input of the first continuous light having a center frequency of f0 (Hz) (FIG. 2). (B)).

第２コム発生器１３２は、第２発振器１４２で生成される発振周波数ｆｍ＋Δｆｍ（Ｈｚ）の正弦波の駆動信号で駆動する。第２コム発生器１３２は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）の第２連続光の入力に対し、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍ＋Δｆｍ（Ｈｚ）の光コムを、参照光として生成する（図２（Ｃ）参照）。 The second comb generator 132 is driven by a sine wave drive signal having an oscillation frequency of fm + Δfm (Hz) generated by the second oscillator 142. The second comb generator 132 generates an optical comb having a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm + Δfm (Hz) as reference light with respect to the input of the second continuous light having a center frequency of f0 (Hz) (FIG. 2). (C)).

第１コム発生器１３１で生成されたプローブ光は、ＰＢＳ１２２に送られる。 The probe light generated by the first comb generator 131 is sent to the PBS 122.

ＰＢＳ１２２は、ｙ偏光の光を透過させ、ｘ偏光の光を反射させるように設けられる。従って、ＰＢＳ１２２は、ｙ偏光のプローブ光を透過させる。ＰＢＳ１２２を透過したプローブ光は、λ／４板１５０に送られる。 PBS 122 is provided so as to transmit y-polarized light and reflect x-polarized light. Therefore, PBS 122 transmits y-polarized probe light. The probe light transmitted through the PBS 122 is sent to the λ / 4 plate 150.

λ／４板１５０は、ＰＢＳ１２２から入力されたｙ偏光状態のプローブ光を、円偏光状態に変換する。円偏光状態に変換されたプローブ光は、波長フィルタ１６０に送られる。 The λ / 4 plate 150 converts the probe light in the y-polarized state input from the PBS 122 into the circularly polarized state. The probe light converted into the circularly polarized state is sent to the wavelength filter 160.

波長フィルタ１６０は、例えば、アレイ導波路素子（ＡＷＧ：ＡｒｒａｙｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ）を備えて構成される。波長フィルタ１６０は、プローブ光を波長分離する。波長フィルタ１６０で波長分離されたプローブ光はコリメータレンズ１６２を介して測定対象物に照射される。プローブ光が測定対象物に照射されると、測定対象物において散乱光が発生する。このときの散乱光の偏光状態は、測定対象物に照射されたプローブ光に対して反対回りの円偏光状態となる。 The wavelength filter 160 is configured to include, for example, an array waveguide element (AWG). The wavelength filter 160 separates the wavelength of the probe light. The probe light wavelength-separated by the wavelength filter 160 is applied to the object to be measured via the collimator lens 162. When the probe light is applied to the object to be measured, scattered light is generated in the object to be measured. The polarized state of the scattered light at this time is a circularly polarized state in the opposite direction to the probe light irradiated to the object to be measured.

測定対象物で散乱された円偏光状態の散乱光は、コリメータレンズ１６２を介して波長フィルタ１６０に送られる。波長フィルタ１６０を通過した散乱光は、λ／４板１５０に送られる。 The circularly polarized light scattered by the object to be measured is sent to the wavelength filter 160 via the collimator lens 162. The scattered light that has passed through the wavelength filter 160 is sent to the λ / 4 plate 150.

λ／４板１５０は、測定対象物から受けた円偏光状態の散乱光を、ｘ偏光状態に変換する。ここで、直線偏光状態のプローブ光は、λ／４板１５０を２回通過し、かつ、測定対象物で散乱することにより、直線偏光状態の散乱光になる。このとき、λ／４板１５０に入力される直線偏光状態のプローブ光と、λ／４板１５０から出力される直線偏光状態の散乱光とは、偏光方向が直交する。すなわち、λ／４板１５０から出力される散乱光はｘ偏光となる。ｘ偏光状態の散乱光は、ＰＢＳ１２２に送られる（図２（Ｄ）参照）。 The λ / 4 plate 150 converts the scattered light in the circularly polarized state received from the object to be measured into the x-polarized state. Here, the probe light in the linearly polarized state passes through the λ / 4 plate 150 twice and is scattered by the object to be measured, so that the probe light is in the linearly polarized state. At this time, the polarization directions of the probe light in the linearly polarized state input to the λ / 4 plate 150 and the scattered light in the linearly polarized state output from the λ / 4 plate 150 are orthogonal to each other. That is, the scattered light output from the λ / 4 plate 150 is x-polarized. The scattered light in the x-polarized state is sent to PBS 122 (see FIG. 2 (D)).

ＰＢＳ１２２は、ｘ偏光の散乱光を反射させる。ＰＢＳ１２２で反射した散乱光は、直交検波部２００に送られる。第２コム発生器１３２で生成された参照光も、直交検波部２００に送られる（図２（Ｅ）参照）。 PBS 122 reflects x-polarized scattered light. The scattered light reflected by the PBS 122 is sent to the orthogonal detection unit 200. The reference light generated by the second comb generator 132 is also sent to the orthogonal detection unit 200 (see FIG. 2E).

直交検波部２００は、９０°光ハイブリッドカプラ２１０、第１及び第２バランス検波器（単に検波器とも称する。）２２１及び２２２、並びに、第１及び第２ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２３１及び２３２を備えて構成される。 The orthogonal detector 200 includes a 90 ° optical hybrid coupler 210, first and second balanced detectors (also simply referred to as detectors) 221 and 222, and first and second low-pass filters (LPF) 231 and 232. It is composed of.

９０°光ハイブリッドカプラ２１０は、散乱光と参照光を合波する。９０°光ハイブリッドカプラ２１０に入力される散乱光の強度をＥ_Ｓ（ｔ）とし、参照光をＥ_ＬＯ（ｔ）と
すると、Ｅ_Ｓ（ｔ）及びＥ_ＬＯ（ｔ）は、以下の式（１）で与えられる。 The 90 ° optical hybrid coupler 210 combines scattered light and reference light. The intensity of the scattered light input to 90 ° optical hybrid coupler 210 and _E S (t), when the reference light _{_{E LO (t), E S}} (t) and _E LO (t) has the following formula ( Given in 1).

ただし、以下の式(２)で与えられる関係がある。 However, there is a relationship given by the following equation (2).

上記式（２）中、Ｐ_Ｓ＿ｉは、散乱光の強度を示し、Ｐ_ＬＯ＿ｌは、参照光の強度を示す。 In the above formula (2), _{PS_i} indicates the intensity of scattered light, and P _{LO_l} indicates the intensity of reference light.

ここで、９０°光ハイブリッドカプラ２１０の４つの出力Ｅ_１（ｔ）、Ｅ_２（ｔ）、Ｅ_３（ｔ）及びＥ_４（ｔ）は、以下の式（３）で与えられる。 _{Here, the four outputs E 1} (t), E ₂ (t), E ₃ (t) and E ₄ (t) of the 90 ° optical hybrid coupler 210 are given by the following equation (3).

９０°光ハイブリッドカプラ２１０の４つの出力のうち、Ｅ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ）は、第１バランス検波器２２１でバランス検波される。第１バランス検波器２２１の出力Ｖ_Ｉ（ｔ）は、以下の式（４）で与えられる。 Of the four outputs of the 90 ° optical hybrid coupler 210, E ₁ (t) and E ₂ (t) are balanced-detected by the first balanced detector 221. The output _V I of the first balance detector 221 (t) is given by the following equation (4).

ここで、Ｒ（Ａ／Ｗ）は変換効率である。バランス検波器は、入力が電場Ｅの次元を持ち、出力Ｉが電流の次元を有している。電流Ｉは、電場Ｅの２乗に比例し、その比例定数が変換効率Ｒである。また、バランス検波器は、通常、後段に負荷抵抗ｒ（Ω）のディメンジョンを持つトランスインピーダンスアンプが接続され、最終的には電圧信号として出力される。 Here, R (A / W) is the conversion efficiency. In the balanced detector, the input has the dimension of the electric field E and the output I has the dimension of the current. The current I is proportional to the square of the electric field E, and its proportionality constant is the conversion efficiency R. Further, in the balance detector, a transimpedance amplifier having a dimension of the load resistance r (Ω) is usually connected to the subsequent stage, and finally is output as a voltage signal.

９０°光ハイブリッドカプラ２１０の４つの出力のうち、Ｅ_３（ｔ）及びＥ_４（ｔ）は、第２バランス検波器２２２でバランス検波される。第２バランス検波器２２２の出力Ｖ_Ｑ（ｔ）は、以下の式（５）で与えられる。 Of the four outputs of the 90 ° optical hybrid coupler 210, E ₃ (t) and E ₄ (t) are balanced-detected by the second balanced detector 222. _{The output V Q} (t) of the second balance detector 222 is given by the following equation (5).

上記Ｖ_Ｉ（ｔ）及びＶ_Ｑ（ｔ）を、複素数の信号として表現すると、以下の式（６）〜（８）となる。 The _V I (t) and _V Q (t), is expressed as a complex number of the signal by the following expression (6) to (8).

このようにして、散乱光が直交検波される。 In this way, the scattered light is orthogonally detected.

直交検波の場合、参照光や散乱光に複数の周波数成分が含まれていても、参照光同士の干渉成分及び散乱光同士の干渉成分はいずれも相殺される。このため、参照光と散乱光の間の干渉成分のみがビート信号として検出される。 In the case of orthogonal detection, even if the reference light or the scattered light contains a plurality of frequency components, both the interference component between the reference lights and the interference component between the scattered lights are canceled out. Therefore, only the interference component between the reference light and the scattered light is detected as a beat signal.

ここで、角周波数ω_０を第１及び第２バランス検波器２２１及び２２２を構成する光電変換器の帯域より大きくとると、受光できるのは、ｉ＝ｌの場合のみである。また、Δω_０を第１及び第２バランス検波器２２１及び２２２を構成する光電変換器の帯域より十分小さく、かつ、検出したい位相θ_{ｓｉｇ＿ｉ}よりも十分大きくとると、各ｌΔω_０ｔの近傍に、検出したい位相θ_{ｓｉｇ＿ｉ}が現れる。 Here, if the angular frequency ω _{0 is set} to be larger than the band of the photoelectric converters constituting the first and second balanced detectors 221 and 222, light can be received only when i = l. Further, if Δω ₀ is sufficiently smaller than the band of the photoelectric converters constituting the first and second balanced detectors 221 and 222 and sufficiently larger than the _{phase θ sig_i} to be detected, it will be in the vicinity of _{each lΔω 0 t.} The phase θ _{sig_i to} be detected appears.

なお、上記式（８）中の角周波数ω_０及びΔω_０は、以下の式（９）で与えられる。 _{The angular frequencies ω 0} and Δω ₀ in the above equation (8) are given by the following equation (9).

ここで、位相θ_{ｓｉｇ＿ｉ}は、以下の式（１０）で表すことができる。 Here, the phase θ _{sig_i} can be expressed by the following equation (10).

θ_ＬＯ＿ｉは、連続光光源からの出力時の位相、φ_ｉは、測定対象物に照射され、散乱光として戻ってきて参照光と干渉するまでに重畳される位相雑音等により生じる位相差、ψ_{ｄｏｐｐｌｅｒ＿ｉ}は、ドップラーシフトによる位相差である。 θ _{LO_i} is the phase at the time of output from the continuous light source, φ _i is the phase difference caused by the phase noise that is superimposed until the object to be measured is irradiated and returned as scattered light and interferes with the reference light, ψ _{doppler_i} is the phase difference due to the Doppler shift.

上記式（１０）を用いると、上記式（７）の右辺は、以下の式（１１）となる。 When the above formula (10) is used, the right side of the above formula (7) becomes the following formula (11).

第１及び第２バランス検波器２２１及び２２２の出力は、それぞれ、第１及び第２ＬＰＦ２３１及び２３２に送られる。第１及び第２ＬＰＦ２３１及び２３２の透過帯域を適切に定めることにより、散乱光と同じ周波数帯域の参照光とのビート信号が得られる（図２（Ｆ）参照）。なお、第１及び第２ＬＰＦ２３１及び２３２の前段に増幅器などを配置するのが一般的であるが、ここでは省略している。 The outputs of the first and second balanced detectors 221 and 222 are sent to the first and second LPF231 and 232, respectively. By appropriately defining the transmission bands of the first and second LPFs 231 and 232, a beat signal with the reference light in the same frequency band as the scattered light can be obtained (see FIG. 2F). In addition, although it is common to arrange an amplifier or the like in front of the first and second LPF231 and 232, it is omitted here.

第１及び第２ＬＰＦ２３１及び２３２を透過した信号は、ディジタル信号生成部３００に送られる。ディジタル信号生成部３００は、例えば、アナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ：ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）を備えて構成される。 The signals that have passed through the first and second LPFs 231 and 232 are sent to the digital signal generation unit 300. The digital signal generation unit 300 is configured to include, for example, an analog-to-digital converter (ADC).

ＡＤＣ３００は、ビート信号を所定の標本化周波数でサンプリングしてディジタル信号を得る。このディジタル信号であるビート信号は、信号処理部４００に送られる。 The ADC 300 samples the beat signal at a predetermined sampling frequency to obtain a digital signal. The beat signal, which is a digital signal, is sent to the signal processing unit 400.

信号処理部４００は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）で構成される。信号処理部４００は、ディジタル信号を処理する部分である。信号処理部４００では、例えば、ＣＰＵがソフトウェアを実行することにより、所望の機能が実現される。 The signal processing unit 400 is composed of, for example, a personal computer (PC). The signal processing unit 400 is a unit that processes a digital signal. In the signal processing unit 400, for example, a CPU executes software to realize a desired function.

第３発振器１４３は、第２発振器１４２と同期しており、発振周波数Δｆｍ（Ｈｚ）、すなわち、角周波数Δω_０の正弦波を生成する。この第３発振器１４３が生成した正弦波はディジタル信号生成部３００に送られ、ディジタル信号に変換された後、信号処理部４００に送られる。 The third oscillator 143 is synchronized with the second oscillator 142 and generates a sine wave having an oscillation frequency of Δfm (Hz), that is, an angular frequency of Δω _0. The sine wave generated by the third oscillator 143 is sent to the digital signal generation unit 300, converted into a digital signal, and then sent to the signal processing unit 400.

ここで、ビート信号は、Δｆｍの整数倍の周波数成分を有する。信号処理部４００は、Δｆｍの発信周波数の正弦波を利用して、ドップラーシフトに起因する位相差ψ_{ｄｏｐｐｌｅｒ＿ｉ}を抽出する。 Here, the beat signal has a frequency component that is an integral multiple of Δfm. The signal processing unit 400 uses a sine wave having a transmission frequency of _Δfm to extract the phase difference ψ Doppler_i caused by the Doppler shift.

このために、信号処理部４００では、第３発振器１４３が生成した正弦波は例えばヒル
ベルト変換などにより複素信号へ変換される。これにより、図２（Ｆ）に示されたビート信号は、自在にΔｆｍ（Ｈｚ）、すなわち、Δω_０の整数倍でダウンコンバージョン可能となる。その後、既存のアンラップアルゴリズムなどを用い、さらに、位相雑音φ_ｉをフィルタで緩和すると、ドップラーシフトによる位相差ψ_{ｄｏｐｐｌｅｒ＿ｉ}が得られる。この位相差ψ_{ｄｏｐｐｌｅｒ＿ｉ}を時間微分すれば、測定対象物の振動を取得することができる。 Therefore, in the signal processing unit 400, the sine wave generated by the third oscillator 143 is converted into a complex signal by, for example, Hilbert transform. As a result, the beat signal shown in FIG. 2F can be freely down-converted by Δfm (Hz), that is, an integral multiple of _{Δω 0.} Then, by using an existing unwrap algorithm or the like and further _{relaxing the phase noise φ i} with a filter, the phase difference ψ _{doppler_i} due to the Doppler shift can be obtained. By time-differentiating this phase difference ψ _{dropler_i} , the vibration of the object to be measured can be obtained.

１１０連続光光源
１２１ビームスプリッタ（ＢＳ）
１２２、１２５偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１２３偏光変換部
１２６、１５０ λ／４板
１２７参照ミラー
１３１、１３２コム発生器
１４１、１４２、１４３発振器
１６０波長フィルタ
２００直交検波部
２１０９０°光ハイブリッドカプラ
２２１、２２２検波器
２３１，２３２ＬＰＦ
３００ディジタル信号生成部
４００信号処理部

110 Continuous light source 121 Beam splitter (BS)
122, 125 Polarization Beam Splitter (PBS)
123 Polarization converter 126, 150 λ / 4 plate 127 Reference mirror 131, 132 Comb generator 141, 142, 143 Oscillator 160 Wavelength filter 200 Orthogonal detector 210 90 ° optical hybrid coupler 221, 222 Detector 231,232 LPF
300 Digital signal generator 400 Signal processing unit

Claims

連続光光源、ビームスプリッタ、偏光変換部、偏光ビームスプリッタ、第１コム発生器、第２コム発生器、λ／４板、波長フィルタ、直交検波部、ディジタル信号生成部及び信号処理部を備え、
前記連続光光源は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）で発振する、ｙ偏光状態である連続光を生成し、
前記ビームスプリッタは、前記連続光を第１連続光と第２連続光とに２分岐し、前記第１連続光を前記第１コム発生器に送り、前記第２連続光を前記偏光変換部に送り、
前記第１コム発生器は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）の前記第１連続光の入力に対し、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍの光コムを、プローブ光として生成し、前記プローブ光を、前記偏光ビームスプリッタを経てλ／４板に送り、
前記λ／４板は、ｙ偏光の前記プローブ光を円偏光に変換し、前記プローブ光が測定対象物で反射した散乱光をｘ偏光に変換し、
前記波長フィルタは、前記プローブ光をＮ（Ｎは２以上の整数）の波長帯域に波長分離して、コリメータを経て第１〜第Ｎの前記測定対象物に照射し、及び、前記散乱光を、前記コリメータを経て受け取り、前記λ／４板を経て偏光ビームスプリッタに送り、
前記偏光ビームスプリッタは、ｙ偏光のプローブ光を、前記第１コム発生器から受け取り、前記λ／４板に送り、ｘ偏光の散乱光を、前記λ／４板から受け取り、前記直交検波部に送り、
前記偏光変換部は、入力されたｙ偏光の前記第２連続光をｘ偏光に変換して前記第２コム発生器に送り、
前記第２コム発生器は、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）の前記第２連続光の入力に対し、中心周波数ｆ０（Ｈｚ）かつ周波数間隔ｆｍ＋Δｆｍの光コムを、参照光として生成し、前記参照光を前記直交検波部に送り、
前記直交検波部は、前記散乱光及び前記参照光を直交検波してビート信号を生成し、
前記ディジタル信号生成部は、前記ビート信号を、所定の標本化周波数でサンプリングしてディジタル信号に変換し、
前記信号処理部は、前記ビート信号の位相変化から、第１〜第Ｎの前記測定対象物の振動を算出する
ことを特徴とする振動計。 It is equipped with a continuous light source, a beam splitter, a polarization converter, a polarization beam splitter, a first comb generator, a second comb generator, a λ / 4 plate, a wavelength filter, an orthogonal detection unit, a digital signal generation unit, and a signal processing unit.
The continuous light source generates continuous light in a y-polarized state that oscillates at a center frequency of f0 (Hz).
The beam splitter splits the continuous light into a first continuous light and a second continuous light, sends the first continuous light to the first comb generator, and sends the second continuous light to the polarization conversion unit. Send,
The first comb generator generates an optical comb having a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm as probe light with respect to the input of the first continuous light having a center frequency of f0 (Hz), and generates the probe light. , Sent to the λ / 4 plate via the polarization beam splitter,
The λ / 4 plate converts the y-polarized probe light into circularly polarized light, and the scattered light reflected by the probe light on the object to be measured is converted into x-polarized light.
The wavelength filter splits the probe light into wavelength bands of N (N is an integer of 2 or more), irradiates the first to Nth measurement objects via a collimator, and emits the scattered light. , Received via the collimator, sent to the polarizing beam splitter via the λ / 4 plate,
The polarization beam splitter receives y-polarized probe light from the first comb generator, sends it to the λ / 4 plate, receives x-polarized scattered light from the λ / 4 plate, and sends it to the orthogonal detector. Send,
The polarization conversion unit converts the input y-polarized light of the second continuous light into x-polarized light and sends it to the second comb generator.
The second comb generator generates an optical comb having a center frequency of f0 (Hz) and a frequency interval of fm + Δfm as reference light with respect to the input of the second continuous light having a center frequency of f0 (Hz), and generates the reference light. Send to the orthogonal detection unit
The orthogonal detection unit generates a beat signal by orthogonally detecting the scattered light and the reference light.
The digital signal generator samples the beat signal at a predetermined sampling frequency and converts it into a digital signal.
The signal processing unit is a vibrometer characterized in that the vibration of the first to Nth measurement objects is calculated from the phase change of the beat signal.

前記波長フィルタは、Ｎの波長帯域に波長分離した前記プローブ光を、コリメータを経て第１〜第Ｎの前記測定対象物に略同時に照射する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動計。 The vibrometer according to claim 1, wherein the wavelength filter irradiates the first to Nth measurement objects substantially simultaneously with the probe light having wavelengths separated into the N wavelength band through a collimator.

前記ビート信号は、Δｆｍの整数倍の周波数成分を有し、
前記信号処理部は、前記Δｆｍの発振周波数の正弦波を利用して、ドップラーシフトに起因する位相差を抽出する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動計。 The beat signal has a frequency component that is an integral multiple of Δfm and has a frequency component.
The vibrometer according to claim 1 or 2, wherein the signal processing unit extracts a phase difference caused by a Doppler shift by using a sine wave having an oscillation frequency of Δfm.

前記直交検波部は、
前記散乱光及び前記参照光が入力される９０°光ハイブリッドカプラと、
前記９０°光ハイブリッドカプラの出力が入力される、第１及び第２バランス検波器とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動計。 The orthogonal detection unit is
A 90 ° optical hybrid coupler to which the scattered light and the reference light are input,
The vibrometer according to any one of claims 1 to 3, further comprising a first and second balance detector to which the output of the 90 ° optical hybrid coupler is input.