JP2004151058A - レーザ干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】信号光量と参照光量の比を適正に保持し、且つ、フォトリフラクティブ効果を維持すること。
【解決手段】リアルタイムにホログラムを形成しリアルタイムに元の像を再生するリアルタイムホログラム形成媒体９と、ホログラムを生成するレーザ光を発振させる第１光源（図示されず）と、第１光源と異なる光源である第２光源１７とを具備している。第２光源１７により生成される光１８は、リアルタイムホログラム形成媒体を光学的に励起する励起光として用いられる。第２光源１７は、第１光源のレーザー光が分割される２光束の光量比を理想化し、且つ、その両光量を有効に用いることができ、フォトリフラクティブ効果が有効に維持される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ干渉計に関し、特に、光学的に粗い面の運動を計測するレーザ干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
構造物体の周期的な膨張収縮の運動を検出することは、多様な構造物体の力学的物性、化学的物性を知るために重要である。そのような構造物体として、航空機構造部分、金属又はセラミックで形成されるコンピュータ用電子部品構造体が知られている。力学的物性としては、構造内欠陥の存在による疲労破壊性が例示される。多様な外力を受ける構造物体には、内部応力伝播に起因する振動が生じる。振動として、超音波振動が知られている。逆に、超音波振動面の運動を計測することにより、物体内の欠陥を探傷することができる。そのような振動の解析は、その構造物体の表面の運動（その物体の膨張収縮運動）を検出することにより実行される。表面振動の検出は、過去には、非常に困難であった。表面振動を有効に検出する技術として、リアルタイムホログラム媒体を用いる２光波干渉法が知られている。そのような干渉技術は、特表２０００−５０１１８９号でその歴史的技術背景とともにその電気光学的ホログラフィー原理が詳細に開示されている。
【０００３】
電気光学的ホログラフィー原理は、単一発光源のレーザから生成される物体表面照射光と参照光とをリアルタイムホログラム生成媒体で干渉させ、物体表面の映像をレンズレスに実像であるホログラムとしてそのリアルタイムホログラム生成媒体に結像させ、実質的にリアルタイムにそのホログラムから被写体である元の物体表面を時系列的に再生し、その再生像を電気信号に変換して、物体表面の振動を検出する技術を実現している。リアルタイムホログラム生成媒体としては、既述の公開文献に詳細に記述され、局所的光照射を受けて屈折率を局所的に換え且つ電気光学効果により電荷格子（電気的干渉縞）を生成する電気光学効果的光屈折率結晶、又は、フォトリフラクティブポリマーのような非晶質材料が有効に例示される。
【０００４】
このような電気光学的ホログラフィー原理に基づく超音波計測技術は、計測対象である物体表面が粗面である場合に、その計測精度を劣化させる。計測精度の向上のために、既出の公知技術は、高感度と高速応答性をその技術的課題としている。その技術的課題を克服した場合に、更に、問題点が残存している。
【０００５】
その問題点は、ホログラム生成の原理の中にある。同一光源から生成され異なる光路を通る光波は互いに干渉するが、異なる光源から生成され異なる光路を通る光波は互いに干渉しない。同一光源か生成される単一ビームは、ホログラム生成のために、照射光と参照光の２光束に分割され、照射光は被写体で反射されてホログラム媒体に信号光として入射し、参照光はそのままにその同じホログラム媒体に入射し、参照光に干渉する信号光は、ホログラム媒体上に立体的に又は平面的にホログラム像を実像として結実する。このようなホログラムの形成のためには、参照光と信号光との光路差、両光の相対的角度が重要であり、更に、参照光の光量と信号光の光量との比が適正であることが重要である。被写体である物体表面の粗さは、その光量比に強く影響する。粗面は光散乱性の程度が高く、粗面に入射する光の光量に対して、その粗面で反射してホログラム媒体に向かう光の量は極端に少なくなる。粗面の信号光量に対する影響を補償するためには、照射光量の増加を行えばよい。しかし、上述のように照射光と参照光は同一光源からの出射光を分岐して生成するため、照射光量が多くなれば、参照光量が少なくなる。参照光は、干渉のためだけでなく、ホログラム媒体の励起光源として重要であり（フォトリフラクティブ効果）、参照光量はある程度の量であることが要求されるため、照射光量の増加には制限がある。また、光源出力の大幅な増加で補償することは可能であるが、装置全体の大幅なコスト上昇を引き起こしてしまうことになる。
【０００６】
信号光量と参照光量の比を適正に保持し、且つ、フォトリフラクティブ効果を維持することができる技術の確立が求められる。
【０００７】
【特許文献１】
特表２０００−５０１１８９号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、信号光量と参照光量の比を適正に保持し、且つ、フォトリフラクティブ効果を維持する技術を確立することができるレーザ干渉計を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【００１０】
本発明によるレーザ干渉計は、リアルタイムにホログラムを形成しリアルタイムに元の像を再生するリアルタイムホログラム形成媒体（９）と、ホログラムを生成するレーザ光を発振させる第１光源（図示されず）と、第１光源と異なる光源である第２光源（１７）とを具備している。第２光源（１７）により生成される光（１８）は、リアルタイムホログラム形成媒体を光学的に励起する励起光として用いられる。第２光源起因の光は、第１光源起因の光に干渉することはない。
【００１１】
第２光源（１７）は、第１光源のレーザー光が分割される２光束の光量比を適正化し、且つ、その両光量を有効に用いることができ、フォトリフラクティブ効果が有効に維持される。第２光源（１７）はレーザ光であり得るが、ＬＥＤ（発光ダイオード、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光又はランプ光が効果的に用いられる。レーザに代えられて用いられるＬＥＤは、又はランプは、コストを低減させることができる。リアルタイムホログラム形成媒体（９）で回折されるレーザ光を検出する検出器（１６）により、リアルタイムに超音波の波面を計測することができる。
【００１２】
第２光源（１７）とリアルタイムホログラム形成媒体（９）との間に介設され、フォトリフラクティブ効果を空間的に均一化する空間フィルタ（２１）が効果的に追加される。空間フィルタ（２１）は、リアルタイムホログラム形成媒体（９）のフォトリフラクティブ効果発現分布特性を均一分布特性に矯正することができる。
【００１３】
レーザ光のうちの照射光（５）が照射される被写体の表面に超音波を生成する超音波生成器（図示されず）の超音波生成周期が制御される。リアルタイムホログラム形成媒体（９）を電気的に励起する励起電源（３１）による励起周期又はその期間と、第２光源（１７）の駆動周期又はその期間と、超音波生成器の超音波生成周期又はその期間との重なりを制御する制御器（図示されず）が効果的に追加される。超音波の生成周期と励起期間の周期と駆動期間の周期を可変的に一致させる制御を実行する制御器（図示されず）が更に効果的に追加される。制御器による周期制御は、リアルタイム計測の感度を良好化して、計測精度を向上させることができる。
【００１４】
リアルタイムホログラム形成媒体（９）と第１光源とは、干渉計本体（図示されず）に同体化されてユニット化されることが特に重要である。そのようなユニット化は、光学計測系を１つの計測器として可搬化することができ、狭い空間の中に持ち込まれることができる。その場合に、第２光源（１７）は干渉計本体のサイズを維持した状態で、干渉計内に組み込むことができるように十分に小型であるか、又は、干渉計本体にユニット化されないことが重要である。第２光源（１７）はユニットに組み込まれない場合には、第２光源（１７）とリアルタイムホログラム形成媒体（９）との間に光ファイバ（２３）を介設することが特に効果的である。励起光（１８）は光ファイバ（２３）を介してリアルタイムホログラム形成媒体（９）に照射される。光ファイバ（２３）は干渉計本体にユニット化されていて、計測現場で第２光源（１７）を光ファイバ（２３）に差し込み式に接続することにより、励起系のユニット化効果を容易に実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明によるレーザ干渉計は、リアルタイムホログラム形成媒体が干渉光学系と電気光学系とともに設けられている。リアルタイムホログラム形成媒体は、時系列的に実質的にリアルタイムにホログラムを形成し、且つ、そのホログラムにより同時的に時系列的に実質的にリアルタイムに元の像を再生することができる周知の電気光学的ホログラム形成媒体であり、結晶質であるか非晶質であるかは問われない。
【００１６】
電気光学的ホログラム形成媒体は、光のエネルギーを受けてその屈折率が変化する電気光学物性を持つ半導体、誘電体、有機化合物、又は、それらの複合材である。電気光学的ホログラム形成媒体が形成するホログラムで回折される再生光（照射光又は参照光の一部の流用が可能）は、再度に計測器の像形成面（例示：ＣＣＤ面）で干渉的に実像化し、リアルタイムにホログラム形成と実像再生とを同時化することができる。そのような電気光学的ホログラム形成媒体には、フォトリフラクティブ効果の空間分布特性が存在する。
【００１７】
その干渉光学系１は、図１に示されるように、単一光源（図示されず）で生成されるレーザ光２を２光束に分割するビームスプリッタ３と、ピエゾミラー４とから構成されている。ピエゾミラー４は、電圧信号を受けて振動し反射面に超音波を生成する光学的素子であり、その超音波振動面が反射面に一致している。レーザ光２は、ビームスプリッタ３により照射光５と参照光６との適正量比で分割される。照射光５と参照光６とは、互いに可干渉性を有している。ピエゾミラー４とビームスプリッタ３の間に、第１偏向用反射鏡７が介設されている。照射光５は、第１偏向用反射鏡７で偏向されてピエゾミラー４に入射し、ピエゾミラー４で反射する。ピエゾミラー４で反射する光は、信号光８と呼ばれる。
【００１８】
ピエゾミラー４で反射した信号光８は、リアルタイムホログラム形成媒体９に拡散的に向かい、リアルタイムホログラム形成媒体９に入射する。リアルタイムホログラム形成媒体９とビームスプリッタ３との間に、第２偏向用反射鏡１２とビーム拡大レンズ１３とが介設されている。参照光６は第２偏向用反射鏡１２で偏向し、ビーム拡大レンズ１３でビーム拡大されて、リアルタイムホログラム形成媒体９の受光領域１１に入射する。リアルタイムホログラム形成媒体９の中で信号光８と参照光６は干渉し、ホログラム（干渉縞）１１を形成する。
【００１９】
リアルタイムホログラム形成媒体９には、高圧電源３１により直流高圧が可変的に又は非可変的に印加される。電気光学系１４は、リアルタイムホログラム形成媒体９のと高圧電源３１とから構成されている。リアルタイムホログラム形成媒体９は、電気光学系１４の構成要素であり、且つ、干渉光学系１の構成要素である。リアルタイムホログラム形成媒体９に入射するレーザー光は、干渉成分光であり、且つ、自らが生成したホログラム１１で回折して再生実像を生成する。ホログラム１１で回折（屈折）して再生実像を形成する実像形成光１５は、光電気変換検出器１６で電気信号（電圧信号）に変換される。
【００２０】
既述の公知の干渉計に第２光源として、励起光源１７が追加される。励起光源１７は拡散型又は非拡散型の点状光源である。励起光源１７から出射する非拡散型のクリスタル励起光１８は、ビーム拡径レンズ１９によりビーム拡大されて、リアルタイムホログラム形成媒体９の全面に入射する。クリスタル励起光１８の光エネルギーは、電気光学素子の任意の部位の光干渉媒体性能を光学的に励起する。励起光源１７は、光源としてレーザ光２を生成するレーザ光源と異なっていて、クリスタル励起光１８は、信号光８と信号光８が受光領域１１で回折する回折光とに対して可干渉性を有さず、且つ、参照光６と参照光６が受光領域１１で回折する回折光とに対して可干渉性を有さない。
【００２１】
実施例：
レーザ光２として、波長が５３２ｎｍであるＹＡＧレーザ光が用いられる。励起光源１７として、波長が４７０ｎｍであるＬＥＤ光が用いられる。リアルタイムホログラム形成媒体９に用いられるクリスタルとして、ＢＳＯ（Ｂｉ１２ＳｉＯ２０）が用いられ得る。ＬＥＤ光に代えられて、レーザ光源又はランプが用いられ得る。
【００２２】
クリスタル励起光１８は、フォトリフラクティブ効果をリアルタイムホログラム形成媒体９に有効に付与する。従って、参照光６の光量をフォトリフラクティブ効果のために増加する必要がなく、クリスタル励起光１８によりフォトリフラクティブ効果を与えられたリアルタイムホログラム形成媒体９に入射する参照光６の光量の光量比として、干渉のために必要である程度の光量比が照射光５に対して与えることができるため、レーザ光２の光量の極端な増大を回避することができる。励起光源１７として用いられるＬＥＤはレーザ光２の光源に比べて非常に安価である。
【００２３】
図２は、公知技術と本発明との計測レベルの比較を示している。縦軸は、光電気変換検出器１６が検出するピエゾミラー４の超音波信号計測レベルを示している。横軸は、参照光パワー強度を示している。参照光６の強度は、その値が１００ｍＷであれば、信号光８の強度の１００倍である。公知技術では、超音波信号計測レベルが１５０ｍＶに到達するためには参照光パワー強度は１００ｍＷが必要であるが、本発明では、励起光源１７のＬＥＤ（強度２７ｍＷ）をＢＳＯ結晶に照射することにより、２０ｍＷの程度の参照光パワー強度で同じ超音波信号計測レベルを得ることができる。
【００２４】
図３に示されるように、リアルタイムホログラム形成媒体９と励起光源１７との間に空間フィルタ２１を導入することは有効である。リアルタイムホログラム形成媒体９のフォトリフラクティブ特性には、もともとに、フォトリフラクティブ効果の空間的不均一性が存在する。図４（ａ）は不均一性を模式的に示している。空間フィルタの非導入の場合は、励起光源１７の光量分布が図４（ｂ）に示されるように平面的であれば、この場合のフォトリフラクティブ効果は、図４（ｃ）に示されるように、その空間的不均一性は解消されない。空間フィルタ２１の導入により、励起光源１７の光量に図４（ｄ）に示される空間分布が与えられれば、図４（ｅ）に示されるように、そのフォトリフラクティブ効果は、空間的均一性を獲得する。このようにクリスタル励起光１８の光量分布の制御は、フォトリフラクティブ効果の空間的均一性を与えて、結果的に、クリスタル励起をより有効化することができる。空間フィルタとしては通常の光学フィルタ、液晶フィルタ等を用いることが可能である。
【００２５】
図５は、本発明によるレーザ干渉計の実施の他の形態を示している。リアルタイムホログラム形成媒体９と励起光源１７との間に、光学系が介設されている。その光学系は、拡径レンズ２２と光ファイバ２３とファイバ末端器２４とから構成されている。ファイバ末端器２４から出射するクリスタル励起光１８は、拡径レンズ２２により拡径されて受光領域１１に入射する。拡径レンズ２２と励起光源１７との間のクリスタル励起光１８は、拡径レンズ２２により自由に誘導されるので、励起光源１７は、干渉系外に配置され得る。このような配置は、干渉系ユニットであるレーザ干渉計のサイズを公知技術のそれと同じ程度の小ささに保持することができる。
【００２６】
図６は、本発明によるレーザ干渉計の実施の更に他の形態を示している。実施の本形態は、ピエゾミラー４と励起光源１７の同期制御を実現している。図６（ａ）は、ピエゾミラー４に超音波を生起させるためにピエゾ素子に与える電気的超音波信号２５を示している。図６（ｂ）は、クリスタル励起光１８を生成するために励起光源１７を駆動する励起光駆動信号２６を示している。図６（ｃ）は、受光領域１１を励起するために高圧電源１７を駆動するクリスタル励起信号２７を示している。励起光駆動信号２６のＯＮ期間は、クリスタル励起信号２７のＯＮ期間に概ね一致している。電気的超音波信号２５は、励起光駆動信号２６のＯＮ期間の間で生成される。超音波が生成されていない間では、励起光駆動信号２６とクリスタル励起信号２７は生成されないので、リアルタイムホログラム形成媒体９の発熱量の増大を有効に抑制し、且つ、干渉計の安定性を向上させることができる。
【００２７】
図７、図８は、本発明によるレーザ干渉計の実施の更に他の形態を示している。図７（ａ）は、図６に周波数ｆが記入された信号周期を示している。図７（ａ）の超音波信号生成周期ｆ１は（図中は周期間隔（時間）を超音波生成周期の逆数で示している）は計測スピードを決定する条件となり、より短くできれば高速計測が可能となる。超音波生成周期を決定するパラメータは、クリスタルの励起時定数τ１である（図７（ｃ）中）。このτが小さいほど高速計測が可能となる。図８（ｂ）の光源１７の駆動状態は図７（ｂ）の場合と異なり、超音波信号が存在しない時間においても零でなく、定格出力より低い出力で、クリスタルの発熱を発生させない程度にクリスタルの励起を続けている。よって、定格までクリスタルを励起する時定数τ２はτ１より小さくなる。
【００２８】
実施の本形態は、超音波周波数に対応して周期と時定数とが制御され、多様な周波数の超音波の速度可変な繰り返し計測が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によるレーザ干渉計は、信号光量と参照光量の比を適正に保持し、且つ、フォトリフラクティブ効果を維持する技術を確立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるレーザ干渉計の実施の形態を示す光学系図である。
【図２】図２は、超音波信号計測レベルを示すグラフである。
【図３】図３は、第２光源を示す光学系図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、フォトリフラクティブ特性をそれぞれに示すグラフである。
【図５】図５は、他の第２光源を示す光学系図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、信号の同期性を示すグラフである。
【図７】図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、信号の他の同期性を示すグラフである。
【図８】図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、信号の更に他の同期性を示すグラフである。
【符号の説明】
９…リアルタイムホログラム形成媒体
１７…第２光源
１８…光
１６…検出器
２１…空間フィルタ
３１…励起電源

Claims (12)

1. リアルタイムにホログラムを形成しリアルタイムに元の像を再生するリアルタイムホログラム形成媒体と、
   前記ホログラムを生成するレーザ光を発振させる第１光源と、
   前記第１光源と異なる光源である第２光源とを具え、
   前記第２光源により生成される光は、前記リアルタイムホログラム形成媒体を光学的に励起する励起光として用いられる
   レーザ干渉計。
2. 前記リアルタイムホログラム形成媒体は、半導体、誘電体、有機化合物を要素とする集合の中から選択される１又は１以上の要素である
   請求項１のレーザ干渉計。
3. 前記励起光は、レーザ光である
   請求項１のレーザ干渉計。
4. 前記励起光は、ＬＥＤ光である
   請求項１のレーザ干渉計。
5. 前記励起光は、ランプ光である
   請求項１のレーザ干渉計。
6. 前記リアルタイムホログラム形成媒体で回折される前記レーザ光を検出する検出器
   を更に具える請求項１のレーザ干渉計。
7. 前記第２光源と前記リアルタイムホログラム形成媒体との間に介設され、フォトリフラクティブ効果を空間的に均一化する空間フィルタ
   を更に具える請求項１〜６から選択される１請求項のレーザ干渉計。
8. 前記レーザ光のうちの照射光が照射される被写体の表面に超音波を生成する超音波生成器と、
   前記リアルタイムホログラム形成媒体を電気的に励起する励起電源とを更に具え、
   前記第２光源の駆動期間と前記励起電源の励起期間と前記超音波生成器の超音波生成期間との重なりを制御する制御器
   とを更に具える請求項１〜６から選択される１請求項のレーザ干渉計。
9. 前記超音波の生成周期と前記励起期間の周期と前記駆動期間の周期を可変的に一致させる制御を実行する制御器
   を更に具える請求項８のレーザ干渉計。
10. 前記リアルタイムホログラム形成媒体と前記第１光源とは、干渉計本体に同体化されてユニット化される
    請求項１のレーザ干渉計。
11. 前記第２光源は前記干渉計本体にユニット化されない
    請求項１０のレーザ干渉計。
12. 前記第２光源と前記リアルタイムホログラム形成媒体との間に介設される光ファイバを更に具え、
    前記励起光は前記光ファイバを介して前記リアルタイムホログラム形成媒体に照射され、前記光ファイバは前記干渉計本体にユニット化されている
    請求項１１のレーザ干渉計。

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