JP2016148577A - レーザ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不可視光のレーザ光の周波数シフトと可視光のレーザ光との合成を簡便な構成において実現する。
【解決手段】測定用レーザ光源１が出射した測定光と、照準用レーザ光源２が出射した照準光とを、ダイクロイックミラー３で波長合成した上で、ビームスプリッタ５で二つのビームに分岐した光の一方を、ＡＯＭ６に入射する。ＡＯＭ６は、所望のシフト周波数fsの信号と周波数fjの信号でＡＯＭ６を駆動される。周波数fjは、周波数fsの信号で周波数シフトされる測定光の回折角と一致する回折角を照準光に与える周波数とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて測定を行うレーザ測定装置に関するものである。

レーザ光を用いて測定を行うレーザ測定装置としては、被測定物で反射したレーザ光にドップラ効果によって生じるドップラシフトをヘテロダイン検波によって検出するレーザドップラ振動計（たとえば、特許文献１）やレーザドップラ速度計（たとえば、特許文献２）やレーザ距離計（たとえば、特許文献３）などが知られている。

ここで、これらのレーザ測定装置においては、ドップラシフトの正負を識別可能とするために、レーザ光の光路中に所定のシフト周波数で駆動した音響光学素子（ＡＯＭ）を配置し、レーザ光の周波数を前記所定のシフト周波数分シフトすることが行われている。

特開２００１-１５９５６１号公報 特開２００５-６１９２８号公報 特開２００２-００５６１４号公報

人間の目に対する安全性を向上するために、レーザ測定装置において測定に用いるレーザ光として、人の目に損傷を与えにくいアイセーフレーザ（波長1400nmから2600nmのレーザ）と呼ばれる近赤外のレーザ光を用いることが好ましい。しかしながら、近赤外のレーザ光は不可視光であるため、測定に用いるレーザ光として近赤外のレーザ光を用いると、レーザ光の照射位置が視認できなくなり、安全上の問題や取り扱い上の不便を生じる。

そこで、測定に用いる近赤外のレーザ光に、可視光のレーザ光を同軸状に合成して出射することにより、近赤外のレーザ光の照射位置を可視光のレーザ光で提示するようにすることが考えられるが、このようにすると次のような問題が生じる。
すなわち、音響光学素子の回折角はレーザ光の波長に依存するため、同軸状に合成した近赤外のレーザ光と可視光のレーザ光の光路中に、上述のように所定のシフト周波数で駆動した音響光学素子を配置すると、波長の異なる近赤外のレーザ光と可視光のレーザ光の光軸がずれてしまう。そして、このことがレーザ測定装置の設計上の制限となり、測定に可視光のレーザ光のみを用いる場合に比べ、大幅な構成の付加が必要となることがある。すなわち、たとえば、測定のためにＡＯＭで周波数をシフトした近赤外のレーザ光と、周波数をシフトしていない近赤外のレーザ光との二つの近赤外のレーザ光を測定のために出射するレーザ測定装置においては、出射する二つの近赤外のレーザ光のそれぞれについて、近赤外のレーザ光に可視光のレーザ光を合成する構成を付加する必要が生じる。

そこで、本発明は、音響光学素子を用いて周波数をシフトした測定用のレーザ光と、可視光のレーザ光とを同軸状に合成して出力するレーザ測定装置の構成を簡略化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が出射した波長が可視領域外のレーザ光である測定光を、当該測定光の周波数を所定の周波数シフトした上で被測定物に照射して測定を行うレーザ測定装置に、波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準用レーザ光源と、前記レーザ光源が出射した測定光と前記照準用レーザ光源が出射した照準光を同一光軸上に合成する波長合成器と、前記波長合成器が測定光と照準光とを合成した光である合成光の光路中に配置された音響光学素子と、前記音響光学素子に駆動信号を印加する駆動手段とを備えたものである。ただし、前記駆動手段は、前記駆動信号として、前記所定の周波数の信号である第１信号と、当該第１信号の周波数と異なる周波数の信号である第２信号とを前記音響光学素子に印加するものである。また、前記第２信号の周波数は、前記第１信号によって前記音響光学素子において、周波数が前記所定の周波数シフトされた前記合成光中の測定光が出射される方向に、前記合成光中の照準光を前記音響光学素子に回折させる周波数である。

また、前記課題達成のために、本発明は、レーザ光源が出射した波長が可視領域外のレーザ光である測定光を、当該測定光の周波数を所定の周波数シフトした上で被測定物に照射して測定を行うレーザ測定装置に、波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準用レーザ光源と、前記レーザ光源が出射した測定光と前記照準用レーザ光源が出射した照準光を同一光軸上に合成する波長合成器と、前記合成光を第１分割光と第２分割光とに分割するビームスプリッタと、前記第２分割光の光路中に配置された音響光学素子と、前記音響光学素子に駆動信号を印加する駆動手段と、前記第１分割光と、前記音響光学素子から出射された第２分割光とが、異なる方向から前記被測定物上に設定した照射領域に照射されるように、前記第１分割光と、前記音響光学素子から出射された第２分割光とのうちの少なくとも一方の進行方向を変化させる進路変更光学系と、前記照射領域における前記測定光の散乱光の強度を検出し検出信号として出力する光検出器と、前記検出信号のビート周波数に基づいて前記被測定物の移動速度を計測する計測部とを備えたものである。ただし、前記駆動手段は、前記駆動信号として、前記所定の周波数の信号である第１信号と、当該第１信号の周波数と異なる周波数の信号である第２信号とを前記音響光学素子に印加する。また、前記第２信号の周波数は、前記第１信号によって前記音響光学素子において、周波数が前記所定の周波数シフトされた前記合成光中の測定光が出射される方向に、前記第２分割光中の照準光を前記音響光学素子に回折させる周波数である。

ここで、以上のレーザ測定装置において、前記測定光は、1400nm以上2600nm以下の波長のレーザ光とすることが安全確保の観点から好ましい。
以上のようなレーザ測定装置によれば、測定光に与える周波数シフトの周波数の第１信号と、第１信号による測定光の回折角と等しい回折角を照準光に与える第２信号との二つの周波数の信号で音響光学素子を駆動することにより、測定光の所望の周波数分の周波数シフトを、波長合成された測定光と照準光との同軸状態を維持したまま行うことができる。

よって、たとえば、音響光学素子で周波数をシフトした測定光と、周波数をシフトしていない測定光とを測定のために出射する場合には、音響光学素子による測定光の周波数シフトの前段で、測定光と照準光の波長合成を行って合成光を形成した上で、合成光を二つの分割光に分割し、一方の分割光を音響光学素子に入射して当該分割光中の測定光を周波数シフトすれば、周波数をシフトした測定光と照準光とを合成した光束と、周波数をシフトしていない測定光と照準光とを合成した光束とを得ることができ、出射する二つの測定光のそれぞれについて、照準光を合成する構成を付加する必要がなくなる。

以上のように、本発明によれば、音響光学素子を用いて周波数をシフトした測定用のレーザ光と、可視光のレーザ光とを同軸状に合成して出力するレーザ測定装置の構成を簡略化することができる。

本発明の実施形態に係るレーザドップラ速度計の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る音響光学素子の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザドップラ速度計の他の構成例を示す図である。

以下、本発明に係るレーザ測定装置の実施形態をレーザドップラ速度計への適用を例にとり説明する。
図１に、本実施形態に係るレーザドップラ速度計の構成を示す。
図示するようにレーザドップラ速度計は、測定用レーザ光源１、照準用レーザ光源２、ダイクロイックミラー３、コリメータレンズ４、ビームスプリッタ５、ＡＯＭ(音響光学素子)６、ミラー７、対物レンズ８、光検出器９、計測装置１０を備えている。
ここで、測定用レーザ光源１は、計測装置１０によって駆動され、近赤外レーザ光を測定光として出射する。測定用レーザ光源１が出射する近赤外レーザ光の波長は、1400nmから2600nmまでのアイセーフレーザと呼ばれるレーザの波長範囲の波長を用いる。以下では、測定光として波長1550nmの近赤外レーザ光を用いるものとして説明を行う。

次に、照準用レーザ光源２は、計測装置１０によって駆動され、可視レーザ光を照準光として出射する。以下では、照準光として波長635nmの赤色のレーザ光を用いるものとして説明を行う。
このようなレーザ測定装置の構成において、測定用レーザ光源１から出射された測定光と、照準用レーザ光源２から出射された照準光とは、ダイクロイックミラー３に入射し、同軸状に波長合成されコリメータレンズ４に出射される
コリメータレンズ４は、ダイクロイックミラー３から入射する測定光と照準光とを平行光束に変換してビームスプリッタ５に出射する。

ビームスプリッタ５は、コリメータレンズ４から入射する測定光と照準光とをそれぞれ二つに分岐し、分岐した一方の測定光と照準光とよりなる第１レーザ光群を被測定物１００に照射し、分岐した他方の測定光と照準光とよりなる第２レーザ光群をＡＯＭ６に出射する。

ＡＯＭ６は、計測装置１０から入力する所定の駆動信号で駆動される。そして、ＡＯＭ６は、ビームスプリッタ５から入射する第２レーザ光群を回折してミラー７に向けて出射する。また、このとき、ＡＯＭ６は、第２レーザ光群の測定光を周波数fsシフトする。
ここで、このＡＯＭ６の構成と作用については後に詳述する。
そして、ミラー７は、ＡＯＭ６から入射する第２レーザ光群を反射し被測定物１００に照射する。
ここで、ビームスプリッタ５から出射された第１レーザ光群とミラー７から出射された第２レーザ光群は、被測定物１００の同じ領域に照射する。また、ビームスプリッタ５から出射された第１レーザ光群は、被測定物１００の移動方向と垂直な方向から被測定物１００の正の移動方向にθ傾けた方向から被測定物１００を照射し、ミラー７から出射された第２レーザ光群は、被測定物１００の移動方向と垂直な方向から被測定物１００の負の移動方向にθ傾けた方向から被測定物１００を照射する。なお、移動方向の正負は、測定の目的に応じて任意に設定してよい。

ここで、第１レーザ光群の測定光と第２レーザ光群の測定光が照射されている領域には、第１レーザ光群の照準光と第２レーザ光群の照準光も照射され、二つの照準光による可視の光スポットが形成される。
次に、対物レンズ８は、被測定物１００で散乱された第１レーザ光群と第２レーザ光群の散乱光を光検出器９に集光し、光検出器９は集光された散乱光の測定光の成分を光電変換し、測定光の成分の強度を表す検出信号を計測装置１０に出力する。
ここで、第１レーザ光群の測定光の散乱光の周波数と第２レーザ光群の測定光の散乱光の周波数には、被測定物１００の移動速度に応じた大きさのドップラーシフトが生じており、光検出器９が出力する検出信号には、ドップラーシフトの大きさと、ＡＯＭ６における測定光のシフト周波数fsとに応じた周波数のビートが生じている。

そこで、計測装置１０は、光検出器９から出力された検出信号のビート周波数を計測し、計測したビート周波数とシフト周波数fsの差の大きさと、当該差の正負から被測定物１００の移動速度ｖと移動方向を算定する。
次に、上述したＡＯＭ６の構成と作用について説明する。
図２ａに示すように、ＡＯＭ６は、二酸化テルル (TeO2) 等の結晶である音響光学媒体６１と、音響光学媒体６１に接着や蒸着により固着されたトランデューサ６２とを有し、トランデューサ６２は計測装置１０から入力する駆動信号を超音波信号に変換し音響光学媒体６１中に伝搬させる。

ここで、ＡＯＭ６の出射光は、入射光を音響光学媒体６１で回折した回折光（一次光）であり、回折光の周波数には、駆動信号の周波数分の周波数シフトが生じる。
また、等方性ＡＯＭの場合は、入射光と回折光間の角度θ1は、光の波長をλ、駆動信号の周波数をｆa、音響光学媒体６１中の音の速度をVaとした場合、
θ1 = (λ×ｆa)/ ２Va
によって表されることが知られている。また、異方性ＡＯＭの場合においても、同様に入射光と回折光間の角度は、光の波長と駆動信号の周波数に依存する。したがって、任意の波長の入射光について、回折光の出射角は、駆動信号の周波数ｆaの大きさによって任意の角度に設定することができる。

したがって、シフト周波数fsを駆動信号として、測定光をＡＯＭ６で回折させることにより、第２レーザ光群の測定光に周波数fsの周波数シフトを与えることができる。
また、適切な周波数fjを駆動信号として、照準光をＡＯＭ６で回折させることにより、シフト周波数fsを駆動信号として測定光をＡＯＭ６で回折させた場合の測定光の出射角と同じ出射角で照準光をＡＯＭ６から出射させることができる。
そこで、本実施形態では、シフト周波数fsと周波数fjとを加算した信号を駆動信号としてトランデューサ６２を駆動する。そして、これにより、ＡＯＭ６で第２レーザ光群の測定光に周波数fsの周波数シフトを与えると共に、周波数fsの周波数シフトを与えられた測定光と同軸に、第２レーザ光群の照準光をＡＯＭ６から出射させる。

なお、シフト周波数fsを駆動信号として測定光をＡＯＭ６で回折させた場合の測定光の出射角と同じ出射角で照準光をＡＯＭ６から出射させることができる駆動信号の周波数fjは、実験、コンピュータシミュレーション、計算などにより求める。
また、周波数fjによる周波数シフトを与えられた測定光と、周波数fsによる周波数シフトを与えられた照準光とは、周波数fsの周波数シフトを与えられた測定光と出射角が異なるため、周波数fsの周波数シフトを与えられた測定光と、当該測定光の同軸の照準光のみを抽出してＡＯＭ６の出射光とすることができる。

ここで、図２ａのＡＯＭ６では、シフト周波数fsと周波数fjとを加算した信号を駆動信号としてトランデューサ６２を駆動したが、これは、図２ｂに示すように、トランデューサ６２を二つ設け、一方のトランデューサ６２を、シフト周波数fsの駆動信号で駆動し、他方のトランデューサ６２を周波数fjの駆動信号で駆動するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ところで、以上の実施形態では、測定光と照準光の波長合成にダイクロイックミラー３を用いたが、照準光の波長合成には、ファイバ型ＷＤＭ光カプラや、導波路型光カプラやダイクロイックキューブ（ダイクロイックプリズム）や、その他の波長合成器を用いるようにしてもよい。

すなわち、たとえば、ファイバ型ＷＤＭ光カプラを用いる場合には、図３に示すように、測定用レーザ光源１から出射された測定光を光ファイバ１１によってファイバ型ＷＤＭ光カプラ３０に導入し、照準用レーザ光源２から出射された照準光を光ファイバ２１によってファイバ型ＷＤＭ光カプラ３０に導入するようにする。そして、ファイバ型ＷＤＭ光カプラ３０において、導入された測定光と照準光とを波長合成し、コリメータレンズ４に出射する。

以上のように、本実施形態に係るレーザドップラ速度計によれば、速度測定用のレーザとして、人の目に損傷を与えにくいアイセーフレーザ（波長1400nmから2600nmのレーザ）を用いつつ、測定光の照射位置を視認できるように可視光の照準光を測定光と波長合成して同軸状にレーザドップラ速度計から出射するので、安全性を確保しつつ測定光の出力を大きくして測定精度の向上を図ることができる。

また、以上のように、本実施形態によれば、測定光の所望の周波数分の周波数シフトを、波長合成された測定光と照準光との同軸状態を維持したまま行うことができるので、周波数シフトしてない測定光と周波数シフトした測定光のそれぞれについて、測定光に照準光を合成する構成を設ける必要がない。

なお、以上の実施形態ではレーザドップラ速度計への適用について説明したが、本実施形態で示した測定光と照準光とを波長合成した上で、音響光学素子で、測定光の周波数シフトを波長合成された測定光と照準光との同軸状態を維持したまま行う構成は、周波数シフトしたレーザ光を測定光として出射する、レーザドップラ振動計やレーザドップラ速度計やレーザドップラ変位計などの任意のレーザ測定装置において、可視光のレーザ光を波長合成した後に、測定光の周波数シフトを行う構成として適用することができる。

１…測定用レーザ光源、２…照準用レーザ光源、３…ダイクロイックミラー、４…コリメータレンズ、５…ビームスプリッタ、６…ＡＯＭ、７…ミラー、８…対物レンズ、９…光検出器、１０…計測装置、１１…光ファイバ、２１…光ファイバ、３０…ファイバ型ＷＤＭ光カプラー、６１…音響光学媒体、６２…トランデューサ、１００…被測定物。

Claims (3)

1. レーザ光源が出射した波長が可視領域外のレーザ光である測定光を、当該測定光の周波数を所定の周波数シフトした上で被測定物に照射して測定を行うレーザ測定装置であって、
   波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準用レーザ光源と、
   前記レーザ光源が出射した測定光と前記照準用レーザ光源が出射した照準光を同一光軸上に合成する波長合成器と、
   前記波長合成器が測定光と照準光とを合成した光である合成光の光路中に配置された音響光学素子と、
   前記音響光学素子に駆動信号を印加する駆動手段とを有し、
   前記駆動手段は、前記駆動信号として、前記所定の周波数の信号である第１信号と、当該第１信号の周波数と異なる周波数の信号である第２信号とを前記音響光学素子に印加し、
   前記第２信号の周波数は、前記第１信号によって前記音響光学素子において、周波数が前記所定の周波数がシフトされた前記合成光中の測定光が出射される方向に、前記合成光中の照準光を前記音響光学素子に回折させる周波数であることを特徴とするレーザ測定装置。
   
2. レーザ光源が出射した波長が可視領域外のレーザ光である測定光を、当該測定光の周波数を所定の周波数シフトした上で被測定物に照射して測定を行うレーザ測定装置であって、
   波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準用レーザ光源と、
   前記レーザ光源が出射した測定光と前記照準用レーザ光源が出射した照準光を同一光軸上に合成する波長合成器と、
   前記合成光を第１分割光と第２分割光とに分割するビームスプリッタと、
   前記第２分割光の光路中に配置された音響光学素子と、
   前記音響光学素子に駆動信号を印加する駆動手段と、
   前記第１分割光と、前記音響光学素子から出射された第２分割光とが、異なる方向から前記被測定物上に設定した照射領域に照射されるように、前記第１分割光と、前記音響光学素子から出射された第２分割光とのうちの少なくとも一方の進行方向を変化させる進路変更光学系と、
   前記照射領域における前記測定光の散乱光の強度を検出し検出信号として出力する光検出器と、
   前記検出信号のビート周波数に基づいて前記被測定物の移動速度を計測する計測部とを有し、
   前記駆動手段は、前記駆動信号として、前記所定の周波数の信号である第１信号と、当該第１信号の周波数と異なる周波数の信号である第２信号とを前記音響光学素子に印加し、
   前記第２信号の周波数は、前記第１信号によって前記音響光学素子において、周波数が前記所定の周波数シフトされた前記合成光中の測定光が出射される方向に、前記第２分割光中の照準光を前記音響光学素子に回折させる周波数であることを特徴とするレーザ測定装置。
   
3. 請求項１または２記載のレーザ測定装置であって、
   前記測定光は、1400nm以上2600nm以下の波長のレーザ光であることを特徴とするレーザ測定装置。