JP2011027648A - 振動計測装置及び振動計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定対象の振動情報と高さ情報を複数点同時に計測する。
【解決手段】
光源部１１０から出射された互いに位相同期され干渉性のある参照光L_Rと測定光L_Ｍを干渉光学系１４０において分割して参照光学系１２０と測定光学系１３０に入射し、測定光L_Ｍを光分合波器１３１によりチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分離して測定面１０の複数の測定点に照射し、測定面１０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜’Ｌ_ＣＨｎ’を測定L_Ｍ’として測定光学系１３０から干渉光学系１４０に戻し、参照光学系１２０と測定光学系１３０から戻ってくる参照光L_R’と測定光L_Ｍ’の干渉光L_Ｘに含まれる光スペクトルを検出部１５０で検出して信号処理部１６０において各スペクトル成分を解析し、測定面１０の複数の測定点における振動情報と高さ情報を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いて測定対象の振動情報と高さ情報を複数点同時に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。

また、従来のレーザドップラ振動計では、振動の振幅を測定することができるが、静止状態の高さを得ることはできず、また、一般的に計測可能な速度レンジは、毎秒１０ｍ程度でしかない。

本件出願人は、上述の如き従来の問題点に鑑み、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し、上記光源から出射された測定光を分光ヘッドに入射し、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の測定点に照射することにより、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、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し、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し、検出した各スペクトル成分に基づいて、上記測定面の複数の測定点における振動情報を信号処理部により解析することにより、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とした振動計測装置及び振動計測方法を特願２００９−０４８３９２として先に提案している。

本発明の目的は、本件出願人が先にて提案した振動計測装置及び振動計測方法を改良し、測定対象の振動情報と高さ情報を複数点同時に計測できるようにした振動計測装置及び振動計測方法を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本願発明では、光周波数コムを異なるチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定対象に照射し、測定対象により反射された測定光と干渉光学系において基準光とを干渉させて干渉光を得て、上記干渉光に含まれる光スペクトル成分を分離し、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し、検出した各スペクトル成分に基づいて、上記測定面の複数の測定点における振動情報を信号処理部により解析することにより、測定対象の振動情報と高さ情報を複数の測定点同時に計測する。

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部と、上記光源部から出射された参照光と測定光を分割して参照光学系と測定光学系に入射し、上記参照光学系と測定光学系から戻ってくる参照光と測定光の干渉光を発生する干渉光学系と、上記干渉光学系において分割された参照光が入射され、入射された参照光を上記干渉光学系に戻す参照光学系と、上記干渉光学系において分割された測定光が入射され、入射された測定光をチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光を１つに合わせる光分合波器を備え、上記測定面の複数の測定点で反射された測定光を上記光分合波器を介して上記干渉光学系に戻す測定光学系と、上記干渉光学系により発生された干渉光に含まれる光スペクトルを分離する光スペクトル分離部と、上記光スペクトル分離部により分離された各光スペクトルを検出する複数の光検出器からなる光検出部と、上記検出部により検出した各スペクトル成分を解析し、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る信号処理部とを備えることを特徴とする。

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、上記光源部から出射された参照光と測定光を分割して参照光学系と測定光学系に入射し、上記参照光学系と測定光学系から戻ってくる参照光と測定光の干渉光を発生する干渉光学系と、上記干渉光学系において分割された参照光が入射され、入射された参照光を上記干渉光学系に戻す参照光学系と、上記干渉光学系において分割された測定光が入射され、入射された測定光をチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光を１つに合わせる光分合波器を備え、上記測定面の複数の測定点で反射された測定光を上記光分合波器を介して上記干渉光学系に戻す測定光学系と、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、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る信号処理部とを備えることを特徴とする。

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部から出射する出射工程と、上記光源部から出射された測定光を光分合波器に入射する入射工程と、上記光分合波器に入射された測定光をチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定対象の測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数の測定光を上記光分合波器により１つに合わせて干渉光学系に入射する照射工程と、上記測定面で反射され、上記光分合波器を介して入射された測定光と上記光源部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、上記干渉光学系により発生された干渉光に含まれる光スペクトルを分離して、各光スペクトルを検出する検出工程と、上記検出工程において検出した各スペクトル成分を解析し、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る解析工程とを有することを特徴とする。

さらに、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部から出射する出射工程と、上記出射工程において光源部から出射された測定光を光分合波器によりチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定対象の測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数の測定光を上記光分合波器により１つに合わせて干渉光学系に入射する照射工程と、上記光分合波器を介して入射された測定光と上記光源部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する検出工程と、上記検出工程において検出した干渉光に基づいて、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る解析工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、測定対象の振動情報と高さ情報を複数点同時に計測できる。

本発明を適用した振動計測装置の一例を示すブロック図である。 上記振動計測装置に備えられた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。 上記振動計測装置に備えられた光分合波器により分波された光周波数コムの周波数成分と各チャンネルとの関係を模式的に示す図である。 三角プリズム用いた上記光分合波器の構成例を模式的に示す図である。 アレイ導波路格子を用いた光分合波器の構成例を模式的に示す図である。 複数の波長分割多重フィルタを用いた上記光分合波器の構成例を模式的に示す図である。 上記振動計測装置の検出部において検出される複数の干渉信号の波形及び相対位相を模式的に示す図である。 上記振動計測装置において光分合波器により分波された複数のチャンネルの測定光を各チャンネルのヘッド部を介して測定面の長手方向（ｘ方向）に沿った直線上に位置する複数の測定点に照射する状態を模式的に示す図である。 上記振動計測装置において、測定面について振動情報を２次元で計測するために、各チャンネルの測定光に含まれる複数の周波数の光を１周波数が１測定点に対応するように分離する光分離素子を各ヘッド部に設けて、各チャンネルのヘッド部でそれぞれｙ方向の３点の測定点に測定光を照射する状態を模式的に示す図である。 上記振動計測装置において、測定面の捻れを計測するために、２列に配置した各チャンネルのヘッド部を介して各チャンネルの測定光を照射する状態を模式的に示す図である。 本発明を適用した振動計測装置の他の構成例を示すブロック図である。 上記振動計測装置において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。 本発明を適用した振動計測装置のさらに他の構成例を示すブロック図である。 上記振動計測装置において光源部から出射される２台の光周波数コム発生から参照光と測定光として出射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。

以下、発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明は、例えば図１に示すような構成の振動計測装置１００に適用される。

この振動計測装置１００は、参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとを出射する光源部１１０、上記参照光Ｌ_Ｒが入射される参照光学系１２０、上記測定光Ｌ_Ｍが入射される測定光学系１３０、上記参照光学系１２０を介して上記参照光Ｌ_Ｒが入射されるとともに上記測定光学系１３０を介して上記測定光Ｌ_Ｍが入射される干渉光学系１４０、上記干渉光学系１４０で発生した干渉光Ｌ_Ｘを検出する検出部１５０、上記検出部１５０により検出された干渉光Ｌ_Ｘの検出出力を解析する信号処理部１６０などからなる。

この振動計測装置１００において、上記光源部１１０は、例えば、周波数がνのレーザ光を出射するレーザ光源１１１と、上記レーザ光源１１１からレーザが入射される光周波数コム発生器１１２と、上記光周波数コム発生器１１２に所定周波数の変調信号を与える発振器１１３とからなり、上記光周波数コム発生器１１２により発生される光周波数コムを互いに位相同期され干渉性のある参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとして出射する。

上記光周波数コム発生器１１２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ファブリペロー型電気光学変調方式のものが用いられる。なお、上記光周波数コム発生器１１２としては、この他にも、ＬｉＮｂＯ_３結晶を使った位相変調器、強度変調器、半導体の吸収や位相の変化を利用する変調器等を用いてもよい。
上記光周波数コム発生器１１２は、上記レーザ光源１１１から出射されたレーザ光を上記発振器１１３から与えられる周波数ｆ_ｍの変調信号で変調することにより、光周波数コムを発生する。光周波数コムは、例えば、図２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）ｆ_ｍ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、ｆ_ｍ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。

なお、上記光源部１１０には、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１台の光源、例えばモード同期レーザを用いてもよい。干渉性がよければ独立な２台の光源としてもよい。

この振動計測装置１００において、参照光学系１２０は、上記光源部１１０から参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとして出射された光周波数コムを上記干渉光学系１４０において上記ビームスプリッタ１４１により分割された参照光Ｌ_Ｒが１／８波長（λ／８）板１２１を介して入射される参照面１２２により、入射された参照光Ｌ_Ｒを反射して上記１／８波長（λ／８）板１２１を介して上記干渉光学系１４０に戻すようになっている。

また、この振動計測装置１００において、測定光学系１３０は、上記干渉光学系１４０において上記ビームスプリッタ１４１により分割された測定光Ｌ_Ｍが入射され、入射された測定光Ｌ_Ｍをチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分離して、複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを測定面１０上の対応する複数の測定点に照射し、上記測定面１０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を１つに合わせる光分合波器１３１を備え、上記測定面１０において複数の測定点で反射された測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を上記光分合波器１３１を介して上記干渉光学系１４０に戻すようになっている。

上記光分合波器１３１は、入射された測定光Ｌ_Ｍをチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分離して、上記複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを測定面１０上の複数の測定点に照射する分波機能と、上記測定面１０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を１つに束ねて上記測定面１０で反射されて戻ってきた測定光Ｌ_Ｍ’として上記干渉光学系１４０に入射する合波機能を有するもので、光を合波・分波するための部品としては、プリズム、干渉膜フィルタ、あるいは回折格子等の分光素子が用いられる。

上記光分合波器１３１は、図３に示すように、光周波数コムの周波数成分がチャンネル毎に２つ以上入るように、各チャンネルの出力バンド幅と中心周波数が設定される。

上記光分合波器１３１は、例えば図４に示すように、集光レンズ１３１Ａ，１３１Ｃを介して測定光Ｌ_Ｍが入出射される三角プリズム１３１Ｂからなり、上記三角プリズム１３１Ｂにより、入射された測定光Ｌ_Ｍをチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分波し、また、上記測定面１０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を合波して１つに束ねることができる。

また、上記光分合波器１３１には、例えば、図５に示すように、光導波路により上記三角プリズムの機能を果たすようにしたアレイ導波路格子１３１Ｄ（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating)を用いることができる。

さらに、上記光分合波器１３１は、例えば、図６に示すように、分割波長が少しずつ異なる複数の波長分割多重フィルタを縦接続して構成することもできる。

この図６に示す光分合波器１３１は、９個の波長分割多重フィルタ１３１ａ〜１３１ｉを縦接続してなる。９個の波長分割多重フィルタ１３１ａ〜１３１ｉは、入射される測定光Ｌ_Ｍ、すなわち、上記光源１１０から出射される所定の周波数間隔の光周波数コムの各スペクトラムの波長λ_−ｎ、λ_−ｎ＋１、・・・λ_−５、λ_−４、λ_−３、λ_−２、λ_−１、λ_０、λ_１、λ_２、λ_３、λ_４、λ_５・・・λ_ｎ−１、λ_ｎに対し、ｍ＝−４、−３、−２、−１、０、１、２、３、４の整数として、λ_３ｍ＋１以下の波長の光は透過し、λ_３ｍ＋２以上の波長の光は透過する光学特性を有する。

この光分合波器１３１は、９個の波長分割多重フィルタ１３１ａ〜１３１ｉにより、次のように波長分割を行う。

第１の波長分割多重フィルタ１３１ａは、入射される測定光Ｌ_Ｍに含まれる波長λ_−１３、λ_−１２、λ_−１１の光は透過して第１チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１として出射し、λ_−１０以下の波長の光は反射して第２の波長分割多重フィルタ１３１ｂに入射する。

また、第２の波長分割多重フィルタ１３１ｂは、入射される測定光Ｌ_Ｍに含まれる波長λ_−１０、λ_−９、λ_−８の光は透過して第２チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ２として出射し、λ_−７以下の波長の光は反射して第３の波長分割多重フィルタ１３１ｃに入射する。

また、第３の波長分割多重フィルタ１３１ｃは、波長λ_−７、λ_−６、λ_−５の光は透過して第３チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ３として出射し、λ_−４以下の波長の光はして第４の波長分割多重フィルタ１３１ｄに入射する。

また、第４の波長分割多重フィルタ１３１ｄは、波長λ_−４、λ_−３、λ_−２の光は透過して第４チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ４として出射し、λ_−１以下の波長の光は反射して第５の波長分割多重フィルタ１３１ｅに入射する。

また、第５の波長分割多重フィルタ１３１ｅは、波長λ_−１、λ_−０、λ_１の光は透過して第５チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ５として出射し、λ_２以下の波長の光は反射して第６の波長分割多重フィルタ１３１ｆに入射する。

また、第６の波長分割多重フィルタ１３１ｆは、波長λ_２、λ_３、λ_４の光は透過して第６チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ６として出射し、λ_５以下の波長の光は反射して第７の波長分割多重フィルタ１３１ｇに入射する。

また、第７の波長分割多重フィルタ１３１ｇは、波長λ_５、λ_６、λ_７の光は透過して第７チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ７として出射し、λ_８以下の波長の光は反射して第８の波長分割多重フィルタ１３１ｈに入射する。

また、第８の波長分割多重フィルタ１３１ｈは、波長λ_８、λ_９、λ_１０の光は透過して第８チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ８として出射し、λ_１１以下の波長の光は反射して第９の波長分割多重フィルタ１３１ｉに入射する。

さらに、第９の波長分割多重フィルタ１３１ｉは、波長λ_１１、λ_１２、λ_１３の光は透過して第９チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ９として出射する。

すなわち、この光分合波器１３１は、入射された測定光Ｌ_Ｍを上記９個の波長分割多重フィルタ１３１ａ〜１３１ｉによりチャンネル毎に３つの周波数成分を含む９チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨ９に分波して、上記９チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨ１９を測定面１０上の複数の測定点に照射する。

また、この光分合波器１３１は、上記測定面１０で反射されて戻ってきた９チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨ９’を上記９個の波長分割多重フィルタ１３１ａ〜１３１ｉにより合波する。

すなわち、上記測定面１０で反射されて戻ってきた９チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨ９’は、第１チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’に含まれる波長λ_−１３、λ_−１２、λ_−１１の光は第１の波長分割多重フィルタ１３１ａを透過し、第２チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ２’に含まれる波長λ_−１０、λ_−９、λ_−８の光は第２の波長分割多重フィルタ１３１ｂを透過し、第３チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ３’に含まれる波長λ_−７、λ_−６、λ_−５の光は第３の波長分割多重フィルタ１３１ｃを透過し、以下同様に、各チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ４’〜Ｌ_ＣＨ９’に含まれる波長λ_−４〜λ_１３の光は各波長分割多重フィルタ１３１ｄ〜１３１ｉを透過することにより合波され１つに束ねられる。

すなわち、上記９個の波長分割多重フィルタ１３１ａ〜１３１ｉは、上記測定面１０で反射されて戻ってきた９チャンネルの測定光に含まれるλ_−１３〜λ_１３の波長の光を合波して１つに束ねて、上記測定面１０で反射されて戻ってきた測定光Ｌ_Ｍ’として上記干渉光学系１４０に戻す。

ここで、１チャンネルに含まれる光の波長の数及びチャンネル数は、測定対象に応じて任意の数とすることができる。

上記光分合波器１３１により空間的に分離された各チャンネルの測定光は、光周波数コムが周波数スペクトルの広がりに応じた形状、例えばシート状とされて測定対象の測定面１０における各測定点に照射され、上記測定面１０の各測定点において反射されて上記光分合波器１３１に戻り再び１本のビームに束ねられる。上記測定面１０の測定点から上記光分合波器１３１に戻る戻り光の位相は、測定面１０の位置に応じた位相のシフトを受ける。例えば、測定面１０が動いている場合には、戻り光の周波数が測定面１０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。

上記干渉光学系１４０には、上記測定光学系１３０において、上記測定面１０に照射された各チャンネルの測定光が各測定点において反射されて上記光分合波器１３１に戻り再び１本のビームに束ねられて入射される。

上記干渉光学系１４０は、上記測定面１０に照射された各チャンネルの測定光測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎが各測定点において反射されて上記光分合波器１３１に戻り再び１本のビームに束ねられた測定光Ｌ_Ｍ’が上記測定光学系１３０から入射され、上記参照光学系１２０に入射される参照光Ｌ_R’と上記測定光学系１３０から入射される測定光Ｌ_Ｍ’とを上記ビームスプリッタ１４１において重ね合わせることにより、上記参照光Ｌ_R’と測定光Ｌ_Ｍ’とを干渉させ、その干渉光Ｌ_Ｘを検出部１５０に入射する。

この振動計測装置１００において、検出部１５０は、上記干渉光学系１４０から入射される干渉光Ｌ_Ｘを直交する２つの偏光成分の光Ｌ_Ｘ１、Ｌ_Ｘ２に分離する偏光ビームスプリッタ１５１と、上記偏光ビームスプリッタ１５１された直交する２つの偏光成分の光Ｌ_Ｘ１、Ｌ_Ｘ２が入射される２つの光検出部１５２Ａ、１５２Ｂからなる。２つの光検出部１５２Ａ、５２Ｂは、それぞれ回折格子などの分光素子１５２Ａ１，１５２Ｂ１と、光検出器アレイ５２Ａ２，５２Ｂ２を備える。

この検出部１５０では、上記干渉光学系１４０から入射される干渉光Ｌ_Ｘを偏光ビームスプリッタ１５１により直交する２つの偏光成分の光Ｌ_Ｘ１、Ｌ_Ｘ２に分離し、光検出部１５２Ａにおいて、一方の偏光成分の光Ｌ_Ｘ１に含まれる各光スペクトル成分を分光素子１５２Ａ１により分離して光検出器アレイ１５２Ａ２で検出し、また、光検出部１５２Ｂにおいて、他方の偏光成分の光Ｌ_Ｘ２に含まれる各光スペクトル成分を分光素子５２Ｂ１により分離して光検出器アレイ１５２Ｂ２で検出する。

上記分光素子１５２Ａ１，１５２Ｂ１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１５２Ａ２，１５２Ｂ２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１５２Ａ２，１５２Ｂ２は、多数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、分光素子１５２Ａ１，１５２Ｂ１として用いる回折格子の回折角や光学系の配置を調整する。

ここで、この振動計測装置１００では、直角位相ホモダイン干渉計を用いるので、上記光源部１１０から出射される光の偏光を上記検出部１５０に備えられた偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５１の出力偏光に対して４５度になるように設定しておき、参照光学系１２０においては、参照面１２２により参照光Ｌ_Ｒを反射して上記干渉光学系１４０に戻す経路に１／８波長（λ／８）板１２１を挿入し、往復で２回１／８波長（λ／８）板１２１を通過させることにより、入射した直線偏光の参照光Ｌ_Ｒを円偏光の参照光Ｌ_Ｒ’として上記干渉光学系１４０に戻すようにしている。

上記干渉光学系１４０により発生した干渉光Ｌ_Ｘの周波数は、参照光Ｌ_Ｒ’と測定光Ｌ_Ｍ’との間の差の周波数に等しく、上記検出部１５０では、この干渉光Ｌ_Ｘの強度を検出する。このように、上記検出部１５０において、干渉光学系１４０により発生した干渉光Ｌ_Ｘ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１０上の複数の測定点における振動を分離して計測することができる。

この振動計測装置１００において、信号処理部１５０では、検出部１５０で検出した干渉光Ｌ_Ｘの各スペクトル成分に基づいて測定面１０上の複数の測定点における振動情報を解析する。測定面１０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１０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１０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ｆ_ｄと測定面１０の振動速度Ｖとの間には、下記（１）式の関係が成立する。

ｆ_ｄ＝２Ｖ／λ （１）
したがって、振動計測装置１００においては、ドップラシフト分の周波数変化ｆ_ｄから、測定面１０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。

そして、この振動計測装置１００において、信号処理部１６０では、光源部１１０から出射される光周波数コムのコムモード次数をｎとし、干渉信号の振幅をａ_ｎ、干渉信号の位相をθ_ｎとして、例えば、上記干渉光Ｌ_Ｘの一方の偏光成分の光Ｌ_Ｘ１に含まれる光スペクトル成分の強度を検出する上記第１の光検出部１５２Ａにより光検出器アレイ１５２Ａ２による検出出力に基づいて、干渉信号のａ_ｎｃｏｓθ_ｎ成分の電圧値を算出するとともに、上記干渉光Ｌ_Ｘの他方の偏光成分の光Ｌ_Ｘ２に含まれる光スペクトル成分の強度を検出する上記第２の光検出部１５２Ｂにより光検出器アレイ１５２Ｂ２による検出出力に基づいて、上記干渉信号のａ_ｎｓｉｎθ_ｎ成分の電圧値を算出し、算出した干渉信号のｓｉｎ成分とｃｏｓ成分の電圧値から、上記干渉光学系１４０を構成している上記ビームスプリッタ４１から測定面１０までの距離Ｄ_Ｒを求める。

ここで、この振動計測装置１００では、光分合波器１３１を介して、チャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光を測定面１０の複数の測定点に照射し、上記測定面１０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光を１つに束ねて干渉光学系１４０に入射するので、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、干渉信号の周波数成分の相対位相は距離λ_ｍ＝ｃ／Δν当たり２πの割合で変化する。Δνは光周波数コムの周波数間隔であるから数１０ＧＨｚ程度で、光の周波数よりもはるかに低い。Δν＝１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚとすると、距離λ_ｍは光の波長に比べればはるかに長い３００ｍｍ〜１０ｍｍである。したがって、相対位相を計測することにより静止状態の高さ情報を得ることができる。また、振動測定においても、１つの周波数の干渉信号は光波長の半分（数百ｎｍ）の周期性を持つため、感度が高く、サンプリング周期内に半波長以上変位する場合は正しく測定できないが、相対位相は、変位に対する感度が低いので、１測定時間内にλ_ｍ／２以内での変位であれば正しく測定することができる。

すなわち、この振動計測装置１００では、光源部１１０から出射される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干渉光学系１４０により分割し、分割した参照光を参照光学系１２０に入射するとともに分割した測定光を測定光学系１３０に入射し、入射された測定光をチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定面１０の複数の測定点に照射し、上記測定面１０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光を１つに合わせる光分合波器１３１を備える測定光学系１３０により、上記測定面１０の複数の測定点で反射された測定光を上記光分合波器１３１を介して上記干渉光学系１４０に戻し、上記干渉光学系１４０において、測定面１０で反射され光分合波器１３１を介して入射された測定光と、参照光学系１から入射された参照光とを干渉させ、上記干渉光学系１４０により発生された干渉光Ｌ_Ｘに含まれる光スペクトルを光スペクトル分離部により分離して複数の光検出器からなる光検出部１５０で検出することにより、信号処理部１６０において、上記検出部１５０により検出した各スペクトル成分を解析し、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面１０の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面１０の複数の測定点における高さ情報を得る。

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１０の振動情報を計測することができ、また、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面１０の複数の測定点における高さ情報を得ることができる。

ここで、この振動計測装置１００では、上記光分合波器１３１により分波された複数のチャンネルの測定光を測定面１０に照射するに当たり、図８に示すように、測定面１０の長手方向（ｘ方向）に沿った直線上に配置した各チャンネルのヘッド部Ｈ_１〜Ｈ_ｎを介して各チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを照射することにより、測定面１０の直線上に位置する複数の測定点における振動情報と高さ情報を複数点同時に計測することができる。また、上記測定面１０の長手方向（ｘ方向）に沿った直線上に配置した各チャンネルのヘッド部Ｈ_１〜Ｈ_ｎをｘ方向に直交するｙ方向に移動させる走査手段を設けることにより、測定面１０について振動情報と高さ情報を２次元で計測することもできる。

なお、高さ情報は失われてしまうが、例えば、図９（Ａ）に示すように、各チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに含まれる複数の周波数の光を１周波数が１測定点に対応するように分離する光分散素子１３５を各ヘッド部Ｈ_ＣＨ１〜Ｈ_ＣＨｎに設け、図９（Ｂ）に示すように、各チャンネルのヘッド部Ｈ_ＣＨ１〜Ｈ_ＣＨｎでそれぞれｙ方向の３点の測定点に測定光を照射することにより、測定面１０について振動情報を２次元で計測することもできる。

さらに、この振動計測装置１００では、例えば、図１０に示すように、２列に配置した各チャンネルのヘッド部Ｈ_ＣＨ１〜Ｈ_ＣＨｎを介して各チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを照射することにより、測定面１０の捻れも計測することができる。

以上説明した実施の形態では、検出部１５０において、上記干渉光学系１４０から入射される干渉光Ｌ_Ｘを偏光ビームスプリッタ１５１により直交する２つの偏光成分の光Ｌ_Ｘ１、Ｌ_Ｘ２に分離して２つの光検出部１５２Ａ、１５２Ｂで検出する波長分割直交移相ホモダイン検波を行うようにした振動計測装置１００に本発明を適用したが、本発明は、例えば図１１に示すように、検出部２５０において、波長分割ヘテロダイン検波を行う振動計測装置２００に適用することもできる。

この振動計測装置２００において、上記振動計測装置１００と共通する構成要素については、その詳細な説明を省略する。

この振動計測装置２００は、参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとを出射する光源部２１０、上記参照光Ｌ_Ｒが入射される参照光学系２２０、上記測定光Ｌ_Ｍが入射される測定光学系測定光学系２３０、上記参照光学系２２０を介して上記参照光Ｌ_Ｒが入射されるとともに上記測定光学系２３０を介して上記測定光Ｌ_Ｍが入射される干渉光学系２４０、上記干渉光学系２４０で発生した干渉光Ｌ_Ｘを検出する検出部２５０、上記検出部２５０により検出された干渉光Ｌ_Ｘの検出出力を解析する信号処理部２６０などからなる。

この振動計測装置２００において、参照光学系２２０は、干渉光学系２４０を構成しているビームスプリッタ２４１により分離された参照光Ｌ_Ｒが周波数シフタ１２１を介して参照面２２２に入射され、上記参照面２２２で反射した参照光Ｌ_Ｒ’が上記周波数シフタ２２２を介して上記干渉光学系２４０に戻るようになっている。

上記周波数シフタ２２２は、発振器２２３の出力により動作し、上記干渉光学系２４０から入射された参照光Ｌ_Ｒの周波数をｆ_ａ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。上記周波数シフタ２２２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参照光の位相を変化させる音響光学変調器（ＡＯＭ：acoustooptic modulator）からなる。

また、検出部２５０は、上記干渉光学系２４０において、上記参照光学系２２０と測定光学系２３０から戻される参照光Ｌ_Ｒ’と測定光Ｌ_Ｍ’を上記ビームスプリッタ２４１で重ね合わせ、干渉させることにより発生される干渉光L_Ｘを分光素子２５１により各光スペクトル成分に分解して光検出器アレイ２５２により検出するようになっている。

この振動計測装置２００において、光源部２１０のレーザ光源２１１から出射されるレーザ光の周波数をν、光周波数コム発生器２１２に発振器２１３から与えられる変調信号の周波数をｆ_ｍとすると、図１２の（Ａ）に示すように、中心（０次）周波数がνで、ｎ次コムモード周波数がν＋ｎｆ_ｍの測定光Ｌ_Ｍ’が上記測定光学系２３０を介して上記干渉光学系２４０に戻され、図１２の（Ｂ）に示すように、中心（０次）周波数がν＋ｆ_ａで、ｎ次コムモード周波数がν＋ｆ_ａ＋ｎｆ_ｍの参照光Ｌ_Ｒ’が上記参照系２３０を介して上記干渉光学系２４０に戻される。

したがって、上記干渉光学系２４０において発生される干渉光Ｌ_Ｘのビート周波数は、０次の周波数が（ν＋ｆ_ａ）−ν＝ｆ_ａで、ｎ次周波数が｛ν＋ｆ_ａ＋ｎｆ_ｍ｝−（ν＋ｎｆ_ｍ）＝ｆ_ａ（ここで、ｎ＝０，±１，±２，…．．）、すなわち、すべてｆ_ａになる。

すなわち、上記検出部２５０の光検出器アレイ２５２の各素子では、すべてビート周波数がｆ_ａの各光スペクトル成分が検出される。

ここで、ｎ次モードの干渉波の電界ｅｎ（ｔ）は、次の（２）式にて示される。

この（２）式において、νはレーザ周波数、ｆ_ａはシフト周波数、ｎはコムモード次数、ｆ_ｍは変調周波数、ＥＴ_ｎは測定光の電界、ＥＲ_ｎは参照光の電界である。さらに、θ_ｎは、参照光パルスのｎ次モードの位相に対する測定光パルスの相対位相である。

そして、上記光検出器アレイ２５２による検出出力電流ｉｎ（ｔ）は、次の（３）式にて示される。

この（３）式において、ａは比例定数である。

したがって、信号処理部２６０では、光検出器アレイ２５２で同時に検出された交流信号ｉｎ（ｔ）の位相と振幅を比較することによりサイドバンド間の相対位相・振幅をリアルタイムに知ることができる。

干渉信号Ｌ_Ｘの直流成分を測る場合、測定された電圧値から測定光の振幅と隣接サイドバンド間の位相差を求めることは容易でないが、この振動計測装置２００のように参照光Ｌ_Ｒの経路に周波数シフタ２２２を挿入することにより、光検出器アレイ２５２で観測される信号がシフト周波数ｆ_ａになるため、信号処理部２６０における信号処理による位相比較が行いやすくなり、また、交流成分を観測しているので1モードあたり1個の検出器で干渉信号の位相と振幅を知ることができる。

この振動計測装置２００では、光源部２１０から出射される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Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとを干渉光学系２４０により分割し、分割した参照光Ｌ_Ｒを参照光学系２２０に入射するとともに分割した測定光Ｌ_Ｍを測定光学系２３０に入射し、入射された測定光Ｌ_Ｍをチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分離して、複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを測定面２０の複数の測定点に照射し、上記測定面２０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を１つに合わせる光分合波器２３１を備える測定光学系２３０により、上記測定面２０の複数の測定点で反射された測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を上記光分合波器２３１を介して上記干渉光学系２４０に戻し、上記干渉光学系２４０において、測定面２０で反射され光分合波器２３１を介して入射された測定光Ｌ_Ｍ’と、参照光学系２２０から入射された参照光Ｌ_Ｒ’とを干渉させ、上記干渉光学系２４０により発生された干渉光Ｌ_Ｘに含まれる光スペクトルを分光素子２５１により分離して光検出器アレイ２５２からなる光検出部２５０で検出することにより、信号処理部２６０において、上記検出部２５０により検出した各スペクトル成分を解析し、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面２０の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面２０の複数の測定点における高さ情報を得る。

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２０の振動情報を計測することができ、また、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面２０の複数の測定点における高さ情報を得ることができる。

また、上述の振動計測装置１００、２００では、光源部１１０、２１０においてそれぞれ１つの光周波数コム発生器１１２、２１２により発生される光周波数コムを参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとして用いて振動計測を行うようにしたが、本発明は、例えば、図１３に示すように、参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを２つの光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂにより発生される光周波数コムを参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとして用いて振動計測を行う振動計測装置３００に適用することもできる。

この振動計測装置３００は、参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとを出射する光源部３１０、上記参照光Ｌ_Ｒが入射される参照光学系３２０、上記測定光Ｌ_Ｍが入射される測定光学系３３０、上記参照光学系３２０を介して上記参照光Ｌ_Ｒが入射されるとともに上記測定光学系３３０を介して上記測定光Ｌ_Ｍが入射される干渉光学系３４０、上記干渉光学系３４０で発生した干渉光Ｌ_Ｘを検出する検出部３５０、上記検出部３５０により検出された干渉光Ｌ_Ｘの検出出力を解析する信号処理部３６０などからなる。

この振動計測装置３００において、光源部３１０は、２台の光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂを用いて、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参照光と測定光と発生するものであって、周波数がνのレーザ光を出射するレーザ光源３１１、このレーザ光源３１１から出射されたレーザ光がビームスプリッタ３１２により分割されて入射される２台の光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂ、上記２台の光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂにより個別に発生された光周波数コムを参照光と測定光として重ね合わせて出射する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１８等からなる。

この光源部３１０において、レーザ光源３１１から出射される周波数がνのレーザ光は、ビームスプリッタ３１２により分割され、分割された一方のレーザ光が光周波数コム発生器３１３Ａに直接入射され、分割された他方のレーザ光が周波数シフタ（ＡＯＦＳ）３１４を介して光周波数コム発生器３１３Ｂに入射される。

上記周波数シフタ３１４は、発振器３１５により与えられる発振信号により駆動され、上記光周波数コム発生器３１３Ｂに入射するレーザ光の周波数をｆ_ａｏｍだけシフトする。上記周波数シフタ３１７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入射光の位相を変化させる音響光学変調器（ＡＯＭ：acoustooptic modulator）で構成される。

上記光周波数コム発生器３１３Ａは、上記ビームスプリッタ３１２により分割された一方のレーザ光を発振器３１６Ａにより与えられる周波数がｆ_ｍの変調信号で変調することにより、光周波数コムを発生する。この光周波数コム発生器３１３Ａにより発生された光周波数コムは、測定光Ｌ_Ｍとして偏光ビームスプリッタ３１８に入射される。

また、上記光周波数コム発生器３１３Ｂは、上記ビームスプリッタ３１２により分割され、上記周波数シフタ３１４により周波数シフトされたレーザ光を発振器３１６Ｂにより与えられる周波数がｆ_ｍ＋Δｆ_ｍの変調信号で変調することにより、光周波数コムを発生する、この光周波数コム発生器３１３Ｂにより発生された光周波数コムは、半波長（λ／２）板３１７を介して参照光Ｌ_Ｒとして上記偏光ビームスプリッタ３１８に入射される。

ここで、上記２台の光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂに変調信号を与える発振器３１６Ａ，３１６Ｂは、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、ｆ_ｍ＋Δｆ_ｍとｆ_ｍとの相対周波数が安定化されている。

光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂには、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するファブリペロー型電気光学変調方式のものや、ＬｉＮｂＯ_３結晶を使用した位相変調器、強度変調器、半導体の吸収や位相の変化を利用する変調器等が用いられる。

上記光源部３１０として２台の光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂを用いることにより、測定光Ｌ_Ｍと参照光Ｌ_Ｒとの間で光周波数コムの周波数をモード毎にずらすことが可能となる。これにより、干渉信号の周波数をモードによって違った値にできるため、光検出の際に波長分割しなくても、干渉信号の周波数解析により各モードの位相情報を分離することが可能となる。

上記光源部３１０は、光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂにより、例えば図１４（Ａ）、（Ｂ）に示すような周波数の光周波数コム（ＯＦＣ１、ＯＦＣ２）を出射する。図１４（Ａ）は、光周波数コム発生器３１３Ａから出射された測定光としての光周波数コム（ＯＦＣ１）を表している。また、図１４（Ｂ）は、周波数シフタ３１４で周波数がシフトされた参照光としての光周波数コム（ＯＦＣ２）を表している。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おり、図１４（Ａ）に示す測定光のモード間隔がｆ_ｍであり、図１４（Ｂ）に示す参照光のモード間隔がｆ_ｍ＋△ｆ_ｍである。

図１４に示す光周波数コムの例は、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ｆ_ａと仮定している。図１４に示す光周波数コムの例において、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＝ｆ_ａ＋Ｎ△ｆ_ｍとなり、Ｎ番目のビート周波数が光周波数コムのモードによって異なる周波数に出る。

上記偏光ビームスプリッタ３１８は、光周波数コム発生器３１３Ａから入射された測定光Ｌ_Ｍと半波長（λ／２）板３１７を介して光周波数コム発生器２１３Ｂから入射された参照光Ｌ_Ｒとを混合して、参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを直交する偏光で重ね合わせた光を出射する。

以上説明したように、上記光源部３１０は、単一レーザ光を入力とし、駆動周波数がそれぞれ異なる２台の光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Bを備えることにより、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ようにする。

なお、上記光源部３１０には、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、例えばモード同期レーザを用いてもよい。

この振動計測装置３００において、干渉光学系３４０には、上記光源部３１０から出射される上記偏光ビームスプリッタ３１８により参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを直交する偏光で重ね合わせた光が入射される。

干渉光学系３４０は、上記光源部３１０から参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを直交する偏光で重ね合わせた光が入射され、入射された光を分割するビームスプリッタ３４１と、このビームスプリッタ３４１により分割された一方の光が入射される第１の偏光子３４４Ａと、このビームスプリッタ３４１により分割された他方の光が光ファイバ３４２を介して入射される偏光ビームスプリッタ３４３と、上記偏光ビームスプリッタ３４３から上記光ファイバ２４３を介して戻されてくる光が上記ビームスプリッタ３４１を介して入射される第２の偏光子３４４Ｂを備える。

この干渉光学系３４０において、上記ビームスプリッタ３４１は、上記光源部３１０から入射される参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを直交する偏光で重ね合わせた光を分割する。上記ビームスプリッタ３４１により分割された一方の光は、第１の偏光子３４４Ａを介して参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍの干渉光Ｓ１として検出部３５０の第１の光検出器３５１Ａに入射される。また、上記ビームスプリッタ３４１により分割された他方の光は、上記光ファイバ３４２を介して偏光ビームスプリッタ３４３に入射される。

また、偏光ビームスプリッタ３４３は、上記光ファイバ３４２を介して入射される参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを直交する偏光で重ね合わせた光に含まれる参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを分割する。そして、この偏光ビームスプリッタ３４３により分割された参照光Ｌ_Ｒは、参照光学系３２０に入射され、また、分割され測定光Ｌ_Ｍは測定光学系３３０に入射される。

また、上記偏光ビームスプリッタ３４３には、上記参照光学系３２０から戻されてくる参照光Ｌ_Ｒ’が入射されるとともに、上記測定光学系３３０から戻されてくる測定光Ｌ_Ｍ’が入射される。そして、上記偏光ビームスプリッタ３４３は、上記参照光Ｌ_Ｒ’を測定光Ｌ_Ｍ’を重ね合わせる。この上記光ファイバ３４２を介して上記ビームスプリッタ３４１に戻す。上記偏光ビームスプリッタ３４２から上記光ファイバ３４２を介してビームスプリッタ３４１に戻されてくる光は、上記ビームスプリッタ３４１から第２の偏光子３４４Ｂを介して、上記参照光Ｌ_Ｒ’を測定光Ｌ_Ｍ’の干渉光Ｓ２として上記検出部３５０の第２の光検出器３５１Ｂに入射される。

ここで、この振動計測装置３００において、上記光源部３１０から上記記干渉光学系３４０に入射される参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍが重ね合わされた光は、参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍの偏光が直交しており、そのままでは干渉光として検出することができないので、上記記干渉光学系３４０では、上記第１の偏光子３４４Ａの透過成分として参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍの干渉光Ｓ１を出射し、また、上記第２の偏光子３４４Ｂの透過成分として参照光Ｌ_Ｒ ’と測定光Ｌ_Ｍ ’の干渉光Ｓ２を出射する。上記記干渉光学系３４０の第１の偏光子３４４Ａは、参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍの偏光に対して斜めになるように偏光の向きを調整されている。また、 上記記干渉光学系３４０の第２の偏光子３４４Ｂは、参照光Ｌ_Ｒ ’と測定光Ｌ_Ｍ ’の偏光に対して斜めになるように偏光の向きを調整されている。

また、この振動計測装置３００において、参照光学系３２０は、上記干渉光学系３４０から上記偏光ビームスプリッタ３４３を介して入射される参照光Ｌ_Ｒを反射する参照面３２１を備え、上記参照面３２１により反射した参照光Ｌ_Ｒ’を上記参照光学系３２０に戻すようになっている。

また、この振動計測装置３００において、測定光学系３３０は、上記干渉光学系３４０から上記偏光ビームスプリッタ３４３を介して測定光がＬ_Ｍ入射され、入射された測定光Ｌ_Ｍをチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分離して、複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを測定面３０上の対応する複数の測定点に照射し、上記測定面３０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を１つに合わせる光分合波器３３１を備え、上記測定面３０において複数の測定点で反射された測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を上記光分合波器３３１を介して上記干渉光学系３４０に戻すようになっている。

上記光分合波器３３１は、入射された測定光Ｌ_Ｍをチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分離して、上記複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを測定面３０上の複数の測定点に照射する分波機能と、上記測定面３０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を１つに束ねて上記測定面３０で反射されて戻ってきた測定光Ｌ_Ｍ’として上記干渉光学系３４０に入射する合波機能を有するもので、光を合波・分波するための部品としては、プリズム、干渉膜フィルタ、あるいは回折格子などの分光素子が用いられる。

また、この振動計測装置３００において、検出部３５０は、上記記干渉光学系３４０を介して戻されてくる上記参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとの干渉光Ｓ１の光強度と、上記記干渉光学系３４０を介して戻されてくる上記参照光Ｌ_Ｒ’と測定光Ｌ_Ｍ’との干渉光Ｌ_Xの光強度を個別に検出する第１の光検出器３５１Ａと第２の光検出器３５１Ｂからなる。

この検出部３５０は、上記参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとの干渉光Ｓ１の光強度を上記第１の光検出器３５１Ａにより検出するとともに、上記参照光Ｌ_Ｒ’と測定光Ｌ_Ｍ’との干渉光Ｓ２の光強度を第２の光検出器３５１Ｂにより検出して、上記第１の光検出器３５１Ａと上記第２の光検出器３５１Ｂの各検出出力を信号処理部３６０に入力する。

この振動計測装置３００では、光源部３１０において、レーザ光源３１１が出射するレーザ光に基づいて２台の光周波数コム発生器３１３Ａ，３１３Ｂにより参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍを個別の光周波数コムとして発生する過程、すなわち、ビームスプリッタ３１２で分岐してから偏光ビームスプリッタ３１８で重ねるまでの間で遅延時間に差が生じてしまう可能性があるので、上記記干渉光学系３４０から上記第１の偏光子３４４Ａを介して入射される上記参照光Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとの干渉光Ｓ１の光強度を第１の光検出器３５１Ａにより検出し、この第１の光検出器３５１Ａによる上記干渉光Ｓ１の検出出力を信号処理部３６０において周波数解析して、上記光周波数コムを発生する過程での時間差を計測する。また、上記記干渉光学系３４０から第２の偏光子３４４Ｂを介して入射される上記参照光Ｌ_Ｒ’と測定光Ｌ_Ｍ’との干渉光Ｓ２の光強度を第２の光検出器３５１Ｂにより検出し、この第２の光検出器３５１Ｂによる上記干渉光Ｓ２の検出出力を上記信号処理部３６０において周波数解析して、上記参照光学系３２０から戻されてくる上記参照光Ｌ_Ｒ’と上記測定光学系３２０から戻されてくる上記測定光Ｌ_Ｍ’の時間差を計測する。

そして、上記信号処理部３６０では、上記第２の光検出器３５１Ｂの検出出力を周波数解析することにより計測される上記参照光Ｌ_Ｒ’と上記測定光Ｌ_Ｍ’の時間差から、上記第１の光検出器３５１Ａの検出出力を周波数解析することにより計測される上記参照光Ｌ_Ｒと上記測定光Ｌ_Ｍの時間差を引くことで、参照面３２１までの距離と測定面３０までの距離との差を光が伝搬する時間を求め、求めた時間に光速をかけた値を測定波長における屈折率で割ることにより、上記測定面３０までの絶対距離を求めることができる。

この振動計測装置３００では、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Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとを出射する光源３１０と、光源部３１０から出射される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Ｌ_Ｒと測定光Ｌ_Ｍとを干渉光学系３４０により分割し、分割した参照光Ｌ_Ｒを参照光学系３２０に入射するとともに分割した測定光Ｌ_Ｍを測定光学系３３０に入射し、入射された測定光Ｌ_Ｍをチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎに分離して、複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１〜Ｌ_ＣＨｎを測定面３０の複数の測定点に照射し、上記測定面３０で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を１つに合わせる光分合波器３３１を備える測定光学系３２０により、上記測定面３０の複数の測定点で反射された測定光Ｌ_ＣＨ１’〜Ｌ_ＣＨｎ’を上記光分合波器３３１を介して上記干渉光学系３４０に戻し、上記干渉光学系３４０において、測定面３０で反射され光分合波器３３１を介して入射された測定光Ｌ_Ｍ’と、参照光学系３２０から入射された参照光Ｌ_Ｒ’とを干渉させ、上記干渉光学系３４０により発生された干渉光に含まれる光スペクトルを光スペクトル分離部により分離して光検出部３５０で検出し、信号処理部３６０において、上記検出部３５０による検出出力を周波数解析することにより、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面３０の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面３０の複数の測定点における高さ情報を得ることができる。

１０，２０，３０ 測定面、１００，２００，３００ 振動計測装置、１１０，２１０，３１０ 光源部、１１１，２１１，３１１ レーザ光源、１１２、２１２，３１３Ａ，３１３Ｂ 光周波数コム発生器、１１３，２１３，２２３，３１５，３１６Ａ，３１６Ｂ 発振器、１２０，２２０、３２０ 参照光学系、１２１ １／８波長（λ／８）板、１２２，２２２，３２１ 参照面、１３０，２３０、３３０ 測定光学系、１３１，２３１、３３１ 光分合波器、１４０，２４０、３４０ 干渉光学系、１４１，２４１，３４１，３１２ ビームスプリッタ、１５０，２５０、３５０ 検出部、１５１ 偏光ビームスプリッタ、１５２Ａ，１５２Ｂ 光検出部、１６０，２６０、３６０ 信号処理部、２５１，１５２Ａ１，１５２Ｂ１ 分光素子、１５２Ａ２，１５２Ｂ２，２５２ 光検出器アレイ、２２１，３１４ 周波数シフタ、３１７ 半波長（λ／２）板、３１８，３４３ 偏光ビームスプリッタ、３４２ 光ファイバ、３４４Ａ，３４４Ｂ 偏光子、３５１Ａ，３５１Ｂ 第１の光検出器

Claims (7)

1. 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部と、
   上記光源部から出射された参照光と測定光を分割して参照光学系と測定光学系に入射し、上記参照光学系と測定光学系から戻ってくる参照光と測定光の干渉光を発生する干渉光学系と、
   上記干渉光学系において分割された参照光が入射され、入射された参照光を上記干渉光学系に戻す参照光学系と、
   上記干渉光学系において分割された測定光が入射され、入射された測定光をチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光を１つに合わせる光分合波器を備え、上記測定面の複数の測定点で反射された測定光を上記光分合波器を介して上記干渉光学系に戻す測定光学系と、
   上記干渉光学系により発生された干渉光に含まれる光スペクトルを分離する光スペクトル分離部と、上記光スペクトル分離部により分離された各光スペクトルを検出する複数の光検出器からなる検出部と、
   上記検出部により検出した各スペクトル成分を解析し、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る信号処理部と
   を備える振動計測装置。
2. 上記光源部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。
3. 上記光源部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光学系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、
   上記光スペクトル分離部は、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の分光素子と、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の分光素子とからなり、
   上記検出部は、上記第１の分光素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の分光素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。
4. 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、
   上記光源部から出射された参照光と測定光を分割して参照光学系と測定光学系に入射し、上記参照光学系と測定光学系から戻ってくる参照光と測定光の干渉光を発生する干渉光学系と、
   上記干渉光学系において分割された参照光が入射され、入射された参照光を上記干渉光学系に戻す参照光学系と、
   上記干渉光学系において分割された測定光が入射され、入射された測定光をチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数チャンネルの測定光を１つに合わせる光分合波器を備え、上記測定面の複数の測定点で反射された測定光を上記光分合波器を介して上記干渉光学系に戻す測定光学系と、
   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、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る信号処理部とを備える振動計測装置。
5. 上記光源部は、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４記載の振動計測装置。
6. 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部から出射する出射工程と、
   上記光源部から出射された測定光を光分合波器に入射する入射工程と、
   上記光分合波器に入射された測定光をチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定対象の測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数の測定光を上記光分合波器により１つに合わせて干渉光学系に入射する照射工程と、
   上記測定面で反射され、上記光分合波器を介して入射された測定光と上記光源部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、
   上記干渉光学系により発生された干渉光に含まれる光スペクトルを分離して、各光スペクトルを検出する検出工程と、
   上記検出工程において検出した各スペクトル成分を解析し、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る解析工程と
   を有する振動計測方法。
7. 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部から出射する出射工程と、
   上記出射工程において光源部から出射された測定光を光分合波器によりチャンネル毎に２つ以上の周波数成分を含む複数チャンネルの測定光に分離して、複数チャンネルの測定光を測定対象の測定面の複数の測定点に照射し、上記測定面で反射されて戻ってきた複数の測定光を上記光分合波器により１つに合わせて干渉光学系に入射する照射工程と、
   上記光分合波器を介して入射された測定光と上記光源部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する検出工程と、
   上記検出工程において検出した干渉光に基づいて、各チャンネルの周波数成分の位相情報から上記測定面の複数の測定点における振動情報を得るとともに、各チャンネル内の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得る解析工程と
   を有する振動計測方法。

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