JP2007101430A - レーザドップラ振動計 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の半波長を超える変位を適正に算出する。
【解決手段】位相処理部１１９は、直交復調器１１８がビート信号を参照信号を用いて直交復調したＩ成分とＱ成分が示すＩＱ座標平面上の座標の逆正接θより、変位がλ／２であるときθが２π変化するものとして、測定対象物１００の変位を求める。カウンタ１１６は、ビート信号を成形した矩形波の１周期毎にカウントアップ動作を行うと共に、レーザ光の位相シフトに用いた参照信号を成形した矩形波の１周期毎にカウントダウン動作を行う。加算変位算出部１２０は、カウンタ１１６のカウント値にレーザ光の半波長λ／２を乗じた値を加算変位として加算部１２１に出力する。加算部１２１は、位相処理部１１９から入力する変位と、加算変位算出部１２０から入力する加算変位を加算し、測定対象物１００の変位として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の振動や変位を測定するレーザドップラ振動計に関するものである。

測定対象物の振動や変位を測定するレーザドップラ振動計としては、たとえば、図３に示す構成を備えた、直交復調を用いたレーザドップラ振動計が知られている（たとえば、特許文献１）。
図中において、レーザ光源１から出射された周波数f0のレーザービームは、第１ビームスプリッタ２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子３において、参照信号生成部７が生成する周波数fMの参照信号を用いて、周波数fM分、周波数がシフトされ周波数f0＋fMの参照ビームとして、第２ビームスプリッタ４を介して光電変換器５に入射する。一方、二分された他方のビームは、第３ビームスプリッタ６を介して測定対象物１００に照射され、測定対象物１００で反射された反射ビームは、第３ビームスプリッタ６、ミラー８、第２ビームスプリッタ４を介して光電変換器５に入射する。

ここで、反射ビームの周波数には、測定対象物１００の速度に応じたドップラシフトfDが生じており、反射ビームの周波数はf0＋fDとなる。したがって、参照ビームと反射ビームとの干渉によりfM±fDのビート信号が光電変換器５において観測される。また、このビート信号と参照信号生成部７が生成する参照信号との間には、参照ビームと反射ビームの光路長の差によって位相差が生じる。そこで、この位相差より変位算出装置９において測定対象物の表面の変位が求められる。

さて、光電変換器５で反射光ビームを変換した電気信号と、参照信号生成部７が生成した参照信号は、変位算出装置９に入力する。変位算出装置９の直交復調器９１は、光電変換器５から入力する電気信号に含まれるビート信号を、同期検波を行うことにより参照信号と同じ位相の成分（Ｉ成分）と、その位相に対しπ/４度進んだ位相の成分（Ｑ成分）の２つの成分に分解して、位相処理部９２に出力する。位相処理部９２は、Ｉ成分とＱ成分によって示される、ＩＱ座標平面上の点の逆正接をビート信号と参照信号との位相差θとし、位相差θを変位に変換し、加算部９３に出力する。ここで、反射ビームと参照ビームとの光路長の差が、レーザ光の１波長分変化したとき、ビート信号と参照信号との位相差の変化は２πとなり、測定対象物がレーザ光の１/２波長変位したときに、反射ビームと参照ビームとの光路長の差の変化はレーザ光の１波長となる。したがって、たとえば、（レーザ光の波長λ/２）×（θ／２π）を、測定対象物１００の変位として位相処理部９２において求めることができる。

さて、直交復調部９２では、その原理上、２π以上の位相差θを求めることはできない。したがって、位相処理部９２では、レーザ光の１/２波長以上の変位を算出することができない。そこで、マイクロコンピュータ９４は、位相処理部が求めた位相差θを監視し、θが増加方向に２π変化する毎に、レーザ光の１/２波長分の変位を積算し、θが減少方向に２π変化する毎に、レーザ光の-１/２波長分の変位を積算値から減算していく、そして積算値を加算部９３に出力する。

そして、加算部９３は、位相処理部９２から入力する変位と、マイクロコンピュータ９４から入力する積算値を加算し、測定対象物１００の変位として出力する。
特開平１０-３１８８２７号公報

前述のように、図３に示した従来レーザドップラ振動計では、位相差処理部９２が求めた位相差θよりビート信号と参照信号の２πを単位とする位相差をマイクロコンピュータ９４で算出するが、この構成には以下の問題がある。
すなわち、測定対象物１００が一度に大きく変位した場合には、マイクロコンピュータ９４において、位相差処理部９２が求めた位相差θの前回求めた位相差θからの増減方向や増減量を判別することができなくなる。すなわち、たとえば、位相差θが０、π／４、π／２、３π／４、πと漸次的に変化した場合には位相差θが増加方向に変化して０からπになったと蓋然性をもって判別することもできるが、位相差θが一度に０からπに変化した場合には、位相差θが増加方向に変化して０からπに変化したのか、位相差θが減少方向に変化して０からπに変化したのかは、これを判別することができない。また、たとえば、位相差θが一度に０からπに変化した場合に、これが反射ビームと参照ビームとの光路長の差の変化が、ビート信号と参照信号との位相差をπ変化させるものであるために生じたのか、３π変化させるものであるために生じたのか、-３π変化させるものであるために生じたのかは、これを判別することができない。

したがって、このような場合には、マイクロコンピュータ９４において正しく積算値を算出することができず、この結果、測定対象物１００の変位を正しく算出することができなくなる。よって、このようなレーザドップラ振動計の変位測定の信頼性は必ずしも充分ではない。

なお、充分に短い時間間隔で位相差θの算出や、マイクロコンピュータ９４における積算値の算出の処理を行えば、位相差θが大きく変化することを抑制することができるが、この場合には、マイクロコンピュータ９４に高い処理能力が必要となる。
そこで、本発明は、より信頼性高く、測定対象物の変位を測定することのできるレーザドップラ振動計を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを二つのビームに分離するビームスプリッタと、分離されたビームの内の一方のビームの周波数を、所定周波数の参照信号を用いて参照信号の周波数分シフトさせて参照ビームとして出力する周波数シフト手段と、分離されたビームの内の他方のビームを測定対象物に照射し、測定対象物で反射した反射ビームと前記参照ビームとを干渉させビート信号を生成するビート信号生成手段とを有するレーザドップラ振動計に、前記参照信号を用いてビート信号を直交成分に分解する直交復調器と、直交復調器が分解した直交成分を変位に変換する変位変換手段と、前記ビート信号の１周期の出現回数と前記参照信号の１周期の出現回数の差を計数する計数手段と、前記計数手段の計数値に前記レーザ光源から出射されるビームの波長の１／２を乗じた値を加算変位として算出する加算変位算出手段と、前記変位変換手段が変換した変位と、前記加算変位算出手段が算出した加算変位とを加算し出力する加算手段とを備えたものである。

このような、レーザドップラ振動計によれば、ビート信号と参照信号の２πを単位とする位相差を、計数手段によりビート信号と参照信号より直接計測する。したがって、従来のレーザドップラ振動計の位相差処理部が求めた位相差θよりビート信号と参照信号の２πを単位とする位相差をマイクロコンピュータで算出する構成とは異なり、測定対象物が短期間に大きく変位した場合でも、適正に当該変移を算出することができる。よって、従来のレーザドップラ振動計に比べ、より信頼性高く、測定対象物の変位を測定することができる。また、このような構成は、マイクロコンピュータによるソフトウエア処理によらずとも、前記ビート信号の１周期毎にカウントアップ動作を行い、前記参照信号の１周期毎にカウントダウン動作を行うカウンタを計数手段として用いたりすることにより、簡易なハードウエア回路として安価かつ高速処理可能に形成することができる。

以上のように、本発明によれば、より信頼性高く、測定対象物の変位を測定するレーザ測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。
図１に、本実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示す。
図示するように、レーザドップラ振動計は、レーザ光源１、第１ビームスプリッタ２、音響光学素子３、第２ビームスプリッタ４、光電変換器５、第３ビームスプリッタ６、参照信号生成部７、ミラー８、送受光光学部１０、変位算出装置１１とを備えている。
また、変位算出装置１１は、バンドパスフィルタ１１１、ログアンプ１１２、ビート信号アンプ１１３、ビート信号成形処理部１１４、参照信号成形処理部１１５、カウンタ１１６、参照信号アンプ１１７、直交復調器１１８、位相処理部１１９、加算変位算出部１２０、加算部１２１とを備えている。

そして、直交復調器１１８は、位相スプリッタ１１８１、I信号用ミキサ１１８２、Ｑ信号用ミキサ１１８３、I信号用ローパスフィルタ１１８４、Ｑ信号用ローパスフィルタ１１８５、I信号用Ａ／Ｄ変換器１１８６、Ｑ信号用Ａ／Ｄ変換器１１８７を備えている。

さて、このような構成において、レーザ光源１から出射された周波数f0のレーザービームは、第１ビームスプリッタ２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子３で参照信号生成部７が生成する周波数fMの参照信号を用いて、周波数fM分、周波数がシフトされ周波数f0＋fMの参照ビームとして、第２ビームスプリッタ４を介して光電変換器５に入射する。一方、二分された他方のビームは、第３ビームスプリッタ６と送受光光学部１０を介して、回転する測定対象物１００に照射され、測定対象物１００の表面で反射された反射ビームは送受光光学部１０で受光され、第３ビームスプリッタ６、ミラー８、第２ビームスプリッタ４を介して光電変換器５に入射する。

ここで、反射ビームの周波数には、測定対象物１００の速度に応じたドップラシフトfDが生じており、反射ビームの周波数はf0＋fDとなる。したがって、参照ビームと反射ビームとの干渉によりfM±fDのビート信号成分が光電変換器５で変換される電気信号に含まれる。

変位算出装置１１において、バンドパスフィルタ１１１は、光電変換器５から入力する電気信号からビート信号成分を抽出する。抽出されたビート信号成分は、ログアンプ１１２、ビート信号アンプ１１３で増幅された後、直交復調器１１８に入力する。一方、参照信号生成部７から入力する参照信号は、参照信号アンプ１１７で増幅された後、直交復調器１１８に入力する。

直交復調器１１８において、参照信号は、位相スプリッタ１１８１により、参照信号（０）と、位相をπ／２進めた参照信号（π／２）に分離される。Ｉ信号用ミキサ１１８２は、参照信号（０）でビート信号アンプ１１３から入力するビート信号成分を同期検波しＩ信号を出力する。また、Ｑ信号用ミキサ１１８３は、参照信号（π／２）でビート信号アンプ１１３から入力するビート信号成分を同期検波しＱ信号を出力する。そして、Ｉ信号用ミキサ１１８２から出力されるＩ信号は、Ｉ信号用ローパスフィルタ１１８４で不要成分が除去された後、I信号用Ａ／Ｄ変換器１１８６でデジタル信号に変換され位相処理部１１９に入力する。また、Ｑ信号用ミキサ１１８３から出力されるＱ信号は、Ｑ信号用ローパスフィルタ１１８５で不要成分が除去された後、Ｑ信号用Ａ／Ｄ変換器１１８７でデジタル信号に変換され位相処理部１１９に入力する。

位相処理部１１９は、Ｉ信号用Ａ／Ｄ変換器１１８６から入力されるデジタルＩ信号と、Ｑ信号用Ａ／Ｄ変換器１１８７から入力されるデジタルＱ信号によって示される、ＩＱ座標平面上における点の逆正接を参照信号とビート信号との位相差θとし、位相差θを変位に変換し、加算部１２１に出力する。ここで、参照ビームと反射ビームの光路長の差が、レーザ光の１波長分変化したとき、参照信号とビート信号の位相差の変化は２πとなり、測定対象物１００がレーザ光の１/２波長変位したときに、参照ビームと反射ビームの光路長の差の変化はレーザ光の１波長となる。したがって、たとえば、（レーザ光の波長λ/２）×（θ／２π）を、測定対象物１００の変位として位相処理部１１９において求めることができる。

一方、バンドパスフィルタ１１１で抽出されたビート信号はビート信号成形処理部１１４に送られて、矩形波に成形された後、カウンタ１１６のアップ端子に入力する。また、参照信号アンプ１１７から出力される参照信号は、参照信号成型処理部に送られて矩形波に成形された後、カウンタ１１６のダウン端子に入力する。

カウンタ１１６は、ビート信号を成形した矩形波の１周期毎にカウントアップ動作を行うと共に、参照信号を成形した矩形波の１周期毎にカウントダウン動作を行う。そして、加算変位算出部１２０は、カウンタ１１６のカウント値にレーザ光の半波長λ／２を乗じた値を加算変位として加算部１２１に出力する。

そして、加算部１２１は、位相処理部１１９から入力する変位と、加算変位算出部１２０から入力する加算変位を加算し、測定対象物１００の変位として出力する。
ここで、以上のようなカウンタ１１６の動作例を図２に示す。
まず、バンドパスフィルタ１１１で抽出されたビート信号がａに示すような波形を有するものであった場合、ビート信号は、ビート信号成形処理部１１４によって、ｂに示す、ビート信号と同周期の矩形波に変換される。参照信号アンプ１１７から出力される参照信号も、同様に参照信号成形処理部１１５によって、参照信号と同周期の矩形波に変換される。

カウンタ１１６は、たとえば、ビート信号を変換した矩形波の立ち上がりでカウントアップ動作を行うと共に、参照信号を変換した矩形波の立ち上がりでカウントダウン動作を行う。
この結果、ビート信号と参照信号がｃに示すようなものであった場合、図示するように、カウンタ１１６のカウント値は変化する。そして、加算変位算出部１２０は、たとえば、参照信号の立ち上がりでカウンタ１１６がカウントダウン動作して得られたカウント値にレーザ光の半波長λ／２を乗じた値を加算変位として求め、求めた加算変位を出力する。ここで、この加算変位算出部１２０は、求めた加算変位の出力を、次の参照信号の立ち上がりでカウンタ１１６が次のカウントダウン動作を行うまで維持する。

以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように、本実施形態によれば、ビート信号と参照信号の２πを単位とする位相差を、カウンタ１１６を用いてビート信号と参照信号より直接計測する。したがって、測定対象物１００が短期間に大きく変位した場合でも、適正に当該変移を算出することができる。よって、信頼性高く、測定対象物１００の変位を適正に測定することができる。また、このようなカウンタ１１６を用いる構成は、マイクロコンピュータによるソフトウエア処理によらずとも、簡易なハードウエア回路として安価かつ高速処理可能に形成することができる。

本発明の実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態にレーザドップラ振動計のカウンタの動作例を示す図である。 従来のレーザドップラ振動計の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…レーザ光源、２…第１ビームスプリッタ、３…音響光学素子、４…第２ビームスプリッタ、５…光電変換器、６…第３ビームスプリッタ、７…参照信号生成部、８…ミラー、１０…送受光光学部、１１…変位算出装置、１００…測定対象物、１１１…バンドパスフィルタ、１１２…ログアンプ、１１３…ビート信号アンプ、１１４…ビート信号成形処理部、１１５…参照信号成形処理部、１１６…カウンタ、１１７…参照信号アンプ、１１８…直交復調器、１１９…位相処理部、１２０…加算変位算出部、１２１…加算部、１１８１…位相スプリッタ、１１８２…Ｉ信号用ミキサ、１１８３…Ｑ信号用ミキサ、１１８４…Ｉ信号用ローパスフィルタ、１１８５…Ｑ信号用ローパスフィルタ、１１８６…信号用Ａ／Ｄ変換器、１１８７…Ｑ信号用Ａ／Ｄ変換器。

Claims (2)

1. レーザ光源と、レーザ光源から出射されたビームを二つのビームに分離するビームスプリッタと、分離されたビームの内の一方のビームの周波数を、所定周波数の参照信号を用いて参照信号の周波数分シフトさせて参照ビームとして出力する周波数シフト手段と、分離されたビームの内の他方のビームを測定対象物に照射し、測定対象物で反射した反射ビームと前記参照ビームとを干渉させビート信号を生成するビート信号生成手段とを有するレーザドップラ振動計であって、
   前記参照信号を用いてビート信号を直交成分に分解する直交復調器と、
   直交復調器が分解した直交成分を変位に変換する変位変換手段と、
   前記ビート信号の１周期の出現回数と前記参照信号の１周期の出現回数の差を計数する計数手段と、
   前記計数手段の計数値に前記レーザ光源から出射されるビームの波長の１／２を乗じた値を加算変位として算出する加算変位算出手段と、
   前記変位変換手段が変換した変位と、前記加算変位算出手段が算出した加算変位とを加算し出力する加算手段とを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。
2. 請求項１記載のレーザドップラ振動計であって、
   前記計数手段は、前記ビート信号の１周期毎にカウントアップ動作を行い、前記参照信号の１周期毎にカウントダウン動作を行うカウンタであることを特徴とするレーザドップラ振動計。