JP4059809B2 - Laser Doppler vibrometer - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転体の振動や変位を、ドップラ効果によって、回転体で反射させたレーザ光に生じるドップラシフトを利用して測定するレーザドップラ振動計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
測定物の振動や変位を、ドップラ効果によって、回転体で反射させたレーザ光に生じるドップラシフトを利用して測定するレーザドップラ振動計としては、たとえば、図5に構成を示す、ヘテロダイン干渉法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、特開平7-120304号公報)。
【0003】
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で周波数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を介して受光ユニット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と送受光ヘッド7を介して測定物100に照射され、測定物100で反射された反射ビームは送受光ヘッド7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を介して受光ユニット5に入射する。
【0004】
ここで、反射ビームの周波数には、測定物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のビート周波数が受光ユニット5において観測される。そこで、解析装置9において、fDの周波数成分を抽出し、FM復調することにより、測定物100の振動速度に応じた信号が得られ、この振動速度を積分することにより測定物100の変位が求められる。
【0005】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【0006】
【特許文献1】
特開平7-120304号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のレーザドップラ振動計によれば、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を測定する場合に以下の問題が生じる。
すなわち、レーザビームの光軸上に、回転体の回転軸が正確に位置していないと、回転体の周速の影響が測定結果に混入し、測定精度が劣化する。また、回転体の反射面で生じた正反射光以外の散乱光成分の受光ユニット5への入射による精度劣化の程度が比較的大きい。
【0008】
そこで、本発明は、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を精度良く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。
【0009】
【課題を解決するための手段】
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のシフト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物に照射し、測定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、前記ビート信号を解析し前記測定物の振動を算出する解析手段とを備えたレーザドップラ振動計に、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数との一致の有無、または、当該一致の有無及び前記中心周波数と前記シフト周波数との大小関係をユーザに提示する中心周波数変位提示手段を設けたものである。
【0010】
このようなレーザドップラ振動計によれば、測定物が回転体であって、ユーザが回転軸に垂直な方向の振動や変位を測定したい場合に、ユーザは、中心周波数変位提示手段の提示を頼りに、前記中心周波数と前記シフト周波数が一致するように送受光ヘッドの位置等を調整することにより、送受光ヘッド7の光軸を、光軸が正確に測定物の回転中心を通るように調整することができる。そして、これによって、測定物の周速の測定への影響を排除して、レーザドップラ振動計の測定の精度を高めることができる。
【0011】
ここで、このような中心周波数変位提示手段を設けることにより、ユーザの、送受光ヘッドの光軸調整を支援する代わりに、前記送受光ヘッドを移動するステージと、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数とが一致するように前記ステージを駆動して前記送受光ヘッドを移動する光軸調整手段とを設け、送受光ヘッドの光軸調整を自動化することも好ましい。
【0012】
また、前記課題達成のために、本発明は、測定物にレーザビームを照射し、入射される反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定するレーザドップラ振動計の校正装置として、反射体と、前記反射体を振動する加振装置と、前記レーザドップラ振動計から出射されたビームの光路を変更し前記反射体に導くと共に前記反射体で反射されたビームの光路を変更して測定物に照射し、前記測定物で反射した反射ビームを前記反射体に導くと共に前記反射体で反射された反射ビームの光路を変更して前記レーザドップラ振動計に入射する光路変更手段とを備えた校正装置を提供する。ここで、このような校正装置に用いる反射体としては、たとえば、コーナキューブが適している。また、校正装置と、レーザドップラ振動計ユニットとして、前記レーザドップラ振動計とセット化してもよい。
【0013】
このような校正装置によれば、加振装置の振動によるドップラシフトをレーザドップラ振動計に入射する反射光に与えることができる。したがって、この既知の振動によるドップラシフトを評価することにより、レーザドップラ振動計の校正を行うことができる。すなわち、このような校正装置によれば、簡易に、実測定系において、レーザドップラ振動計の校正を行うことができるようになる。
【0014】
また、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測定物に対して照射し、前記測定物で反射した反射ビームを集光する送受光ヘッドと、前記送受光ヘッドが集光した反射ビームに生じたドップラシフト量に基づき、測定物の振動を測定する測定手段とを有するレーザドップラ装置において、前記送受光ヘッドに、前記測定物による散乱光の集光をマスクするスペーシャルフィルタまたはアパーチャを設けたものである。または、このような送受光ヘッドに、入射した反射ビームに含まれる正反射光成分のモードのみを通過させるように配置したシングルモード光ファイバを用いて構成した、入射した反射ビームから、当該反射ビームに含まれる散乱光成分を除去するためのフィルタを設けたものである。
【0015】
これらの送受光ヘッドの構成によれば、測定物で反射する正反射光成分と共に散乱光成分が集光されてしまうことを抑制して、より精度の良い測定を行うことができるようになる。
ここで、前記送受光ヘッドには、測定物に対して照射するビームの波面を、測定物の反射面の形状に揃えるシリンドリカルレンズを設けることも、正反射光を効率良く集光する上で好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
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、受光ユニット5、第3ビームスプリッタ6、送受光ヘッド7、ミラー8、解析装置9、校正用ミラー10、コーナキューブ11、加振装置12、送受光ヘッド7の位置の調整を行うためのステージ13、光軸モニタ14、表示器15、第3ビームスプリッタ6と送受光ヘッダとの間のビームの導路となる光ファイバユニット16とを備えている。
【0017】
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で周波数fM分の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を介して受光ユニット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と光ファイバユニット16と送受光ヘッド7を介して校正用ミラー10に出射される。校正用ミラー10に出射されたビームは、校正用ミラー10、コーナキューブ11、校正用ミラー10の順に反射し測定物100に照射される。そして、測定物100で反射された反射ビームは、以上の経路を逆に辿り、校正用ミラー10、コーナキューブ11、校正用ミラー10の順に反射し送受光ヘッド7で受光される。そして、送受光ヘッド7で受光された反射ビームは、光ファイバユニット16、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を介して受光ユニット5に入射する。
【0018】
ここで、反射ビームの周波数には、測定物100の速度に応じたドップラシフトfDと、往復2回生じるコーナキューブ11の速度に応じたドップラシフトの和fRが生じており、反射ビームの周波数はf0+(fD+fR)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+fR)のビート周波数を持つビート信号が受光ユニット5において観測される。
【0019】
ここで、加振装置12によるコーナキューブ11の加振を行わない場合、上記ビート周波数は、fM±fDとなり、従来同様に、解析装置9において、ビート信号より、fDの周波数成分を抽出し、FM復調することにより、測定物100の振動速度に応じた信号が得られ、この振動速度を積分することにより測定物100の変位が求められる。
【0020】
一方、加振装置12によって、コーナキューブ11の加振を行っている場合、上記ビート信号には、加振装置12によってコーナキューブ11に与えている振動に応じた成分が含まれることになる。
次に、本レーザドップラの送受光ヘッド7について説明する。
本送受光ヘッド7は、照射するビームを測定物100の反射面にフォーカスし、測定物100で反射した反射ビームを受光ユニット5方向に導入するための光学系を含み、測定物100で反射する反射光に含まれる散乱光成分の受光ユニット5方向への導入量を抑制するために、図2a、b、cに示す3つの構成のいずれかを単独で、または、複数の構成を組み合わせて備えている。
【0021】
図2aに示した構成は、スペーシャルフィルタ21を、ビームを測定物100の反射面にフォーカスさせるためのレンズ系20と第3ビームスプリッタ6の間に配置したものである。
また、図2bは、アパーチャ22を、ビームを測定物100の反射面にフォーカスさせるためのレンズ系20と測定物100の間に配置したものである
次に、図2cは、測定物100からの正反射光成分のみを導波するシングルモード光ファイバ24を、反射ビームの光路を形成するように、送受光ヘッド7の光学系23に組み込んだものである。
【0022】
これらいずれの構成によっても、実質的に、レンズ系の開口数Naを小さくし、正反射光成分に比べ光軸に対する大きな入射角をもつ散乱光成分の、受光ユニット5方向への導入を抑制することができる。
また、このようにレンズ系の開口数Naを小さくする構成としては、以上の構成の他、レンズ系と測定物100の距離を大きくとることも同様に有効である。
ここで、以上の図2の各構成やレンズ系と測定物100の距離を大きくとる構成をとった場合、受光ユニット5方向への導入光に含まれる正反射光成分も幾分抑制されることになる。そこで、正反射光成分をより効率良く集めるために、図3に示す構成を合わせて採用することも有意義である。
【0023】
すなわち、図3は、測定物100が回転軸を中心とした円盤状の物体である場合に、測定物100に照射するビームの波面形状を、測定物100の反射面の形状に合わせるシリンドリカルレンズ群31を、送受光ヘッド7の光学系32に含めたものである。このようなシリンドリカルレンズ群31を設けることにより効率的に正反射光成分を集め、受光器ユニット方向に導入することができるようになる。なお、図3は、散乱光を抑制するための構成として、スペーシャルフィルタ21を設けた場合についての例である。
【0024】
次に、このようなレーザドップラ振動計の調整、校正について説明する。
まず、レーザドップラ振動計の、測定物100への射出レーザビームの光軸の調整について説明する。ただし、ここでは測定物100が回転軸を中心とした円盤状の物体である場合を例にとり説明する。
さて、光軸モニタ14は、受光ユニット5から周波数fM±fDのビート信号を入力し、フーリエ変換などにより、ビート信号のスペクトル分布を求める。そして、所定レベル以上の強さのスペクトルが分布している範囲の中心周波数を求め、求めた中心周波数と音響光学素子3のシフト周波数fMとを比較し、中心周波数がシフト周波数fMと一致している場合には、表示器15に一列に配置して設けた3つのランプのうちの中央のランプを点灯し、中心周波数がシフト周波数fMより大きい場合には、表示器15の一方の端のランプを点灯し、中心周波数がシフト周波数fMより大きい場合には、表示器15の他方の端のランプを点灯する。
【0025】
ここで、図4aに示すように、測定物100が時計廻りに回転し、送受光ヘッド7の照射ビームの光軸が、送受光ヘッド7のビーム射出点と測定物100の回転中心を結ぶ線より上方にずれている場合、以上のようにして求められる中心周波数は、測定物100の周速によるドップラシフトのためシフト周波数fMより小さくなる。また、図4bに示すように、測定物100が時計廻りに回転し、送受光ヘッド7の照射ビームの光軸が、送受光ヘッド7のビーム射出点と測定物100の回転中心を結ぶ線より下方にずれている場合、以上のようにして求められる中心周波数は、測定物100の周速によるドップラシフトのためシフト周波数fMより大きくなる。そして、図4cに示すように、測定物100が時計廻りに回転し、送受光ヘッド7の照射ビームの光軸が、測定物100の回転中心を通る場合、周速の影響は現れず、以上のようにして求められる中心周波数はシフト周波数fMと一致する。
【0026】
したがって、ユーザは、表示器15の3つのランプの点灯状態を頼りにステージ13を操作して、送受光ヘッド7の光軸を光軸が測定物100の回転中心を通るように調整することができる。
なお、このような手動による光軸調整に代えて、光軸モニタ14において算出させた中心周波数と音響光学素子3のシフト周波数fMとの差分をフィードバック信号として入力し、当該差分が最小となるようにステージ13を移動するアクチュエータを用いたフィードバック機構を備えるようにしてもよい。
【0027】
さて、このようにして、光軸を調整したならば、次に、解析装置9の調整を行う。
すなわち、上述のように、受光ユニット5で観測されるビート信号には、加振装置12によってコーナキューブ11に与えている振動に応じた成分が含まれる。すなわち、反射ビームが往復2回のドップラシフトをコーナキューブ11によって受けていることより、加振装置12によってコーナキューブ11に与えている変位や速度の2倍の値を持つ変位や速度として解析装置9によって算出されるべき成分がビート信号には含まれる。そこで、たとえば、加振装置12によって、Z=Asin(wt)の振動をコーナキューブ11に与え、周波数wの変位成分として、解析装置9が、ピーク値で変位2Aを算出するように前記FM復調のゲイン(速度出力のゲイン)等を調整することにより、実測定系上で、解析装置9の校正を行うことができる。
【0028】
なお、このような校正は、測定物100を回転させた状態において行うことが好ましいが、回転体の回転を停止させた状態において行うこともできる。
さて、以上のような光軸の調整、解析装置9の校正の後の、実測定は、加振装置12によるコーナキューブ11の振動を停止して行う。これにより上記ビート周波数は、fM±fDとなり、従来同様に、解析装置9において、fDの周波数成分を抽出し、FM復調することにより、測定物100の振動速度に応じた信号が得られ、この振動速度を積分することにより測定物100の変位が求められる。
【0029】
なお、本レーザドップラ振動計においては、校正用ミラー10を光路外に移動可能に構成し、実測定中には、送受光ヘッド7から測定物100に直接ビームを照射すると共に送受光ヘッド7で測定物100の反射ビームを直接受光するようにしてもよい。
【0030】
以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、本実施形態に係るレーザドップラ振動系は、たとえば、ハードディスクを測定物100として、その芯ブレ、偏心などを評価するためなどに適用することができる。
【0031】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回転体の回転軸と垂直な方向の振動や変位を精度良く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ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】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図である。
【図2】本発明の実施形態に係る送受光ヘッドの散乱光抑制のための構成を示す図である。
【図3】本発明の実施形態に係る送受光ヘッドの散乱光抑制のための構成を示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係る光軸調整の原理を示す図である。
【図5】従来のレーザドップラ振動計の構成を示す図である。
【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:受光ユニット、6:第3ビームスプリッタ、7:送受光ヘッド、8:ミラー、9:解析装置、10:校正用ミラー、11:コーナキューブ、12:加振装置、13:ステージ、14:光軸モニタ、15:表示器、16:光ファイバユニット、100:測定物。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser Doppler vibrometer that measures the vibration and displacement of a rotating body by using the Doppler shift generated in laser light reflected by the rotating body by the Doppler effect.
[0002]
[Prior art]
As a laser Doppler vibrometer that measures the vibration and displacement of the measurement object by using the Doppler shift generated in the laser beam reflected by the rotating body due to the Doppler effect, for example, a heterodyne interferometry shown in FIG. 5 is used. A laser Doppler vibrometer used is known (for example, JP-A-7-120304).
[0003]
In the drawing, the laser beam having the frequency f 0 emitted from the laser light source 1 is divided into two by the first beam splitter 2, and one of the divided beams is shifted in frequency by the frequency f M by the acoustooptic device 3. The light beam enters the light receiving unit 5 through the second beam splitter 4 as a reference beam having a frequency of f 0 + f M. On the other hand, the other divided beam is irradiated onto the measurement object 100 via the third beam splitter 6 and the light transmission / reception head 7, and the reflected beam reflected by the measurement object 100 is received by the transmission / reception head 7. The light enters the light receiving unit 5 through the beam splitter 6, the mirror 8, and the second beam splitter 4.
[0004]
Here, a Doppler shift f D corresponding to the speed of the measurement object 100 occurs in the frequency of the reflected beam, and the frequency of the reflected beam is f 0 + f D. Therefore, a beat frequency of f M ± f D is observed in the light receiving unit 5 due to interference between the reference beam and the reflected beam. Therefore, in the analysis device 9 extracts a frequency component of f D, by FM demodulation, a signal corresponding to the vibration velocity obtained in test 100, the displacement of the measurement object 100 by integrating the vibration velocity Desired.
[0005]
Prior art document information relating to the invention of this application includes the following.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-120304
[Problems to be solved by the invention]
According to the conventional laser Doppler vibrometer, the following problems occur when measuring vibration and displacement in a direction perpendicular to the rotation axis of the rotating body.
That is, if the rotation axis of the rotating body is not accurately positioned on the optical axis of the laser beam, the influence of the peripheral speed of the rotating body is mixed into the measurement result, and the measurement accuracy is deteriorated. In addition, the degree of accuracy deterioration due to incidence of scattered light components other than specularly reflected light generated on the reflecting surface of the rotating body on the light receiving unit 5 is relatively large.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a laser Doppler vibrometer that can accurately measure vibration and displacement in a direction perpendicular to the rotation axis of a rotating body.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a laser light source, a beam splitter that separates a beam emitted from the laser light source into two beams, and a frequency of one of the separated beams as a predetermined shift frequency. A frequency shift means that outputs a reference beam after shifting by a minute, and irradiates the measurement object with the other of the separated beams, and generates a beat signal by causing the reflected beam reflected by the measurement object to interfere with the reference beam. A laser Doppler vibrometer comprising a beat signal generating means for analyzing the beat signal and calculating a vibration of the measured object, and a coincidence of the center frequency of the spectral distribution of the beat signal and the shift frequency. Center frequency displacement presenting means for presenting the user with presence / absence, presence / absence of coincidence, and magnitude relationship between the center frequency and the shift frequency Those digits.
[0010]
According to such a laser Doppler vibrometer, when the measurement object is a rotating body and the user wants to measure vibration and displacement in a direction perpendicular to the rotation axis, the user relies on the presentation of the center frequency displacement presentation means. In addition, the optical axis of the transmission / reception head 7 is adjusted so that the optical axis accurately passes through the center of rotation of the object to be measured by adjusting the position of the transmission / reception head so that the center frequency matches the shift frequency. can do. As a result, the influence on the measurement of the peripheral speed of the measurement object can be eliminated, and the measurement accuracy of the laser Doppler vibrometer can be improved.
[0011]
Here, by providing such a center frequency displacement presentation means, instead of assisting the user in adjusting the optical axis of the light transmitting / receiving head, the stage for moving the light transmitting / receiving head and the center of the spectral distribution of the beat signal are provided. It is also preferable to provide an optical axis adjusting means for driving the stage so as to move the transmitting / receiving head so that the frequency and the shift frequency coincide with each other, thereby automating the optical axis adjustment of the transmitting / receiving head.
[0012]
In order to achieve the above object, the present invention provides a calibration apparatus for a laser Doppler vibrometer that irradiates a measurement object with a laser beam and measures the vibration of the measurement object based on the Doppler shift amount generated in the incident reflected beam. And changing the optical path of the beam emitted from the laser Doppler vibrometer and guiding it to the reflector and changing the optical path of the beam reflected by the reflector. And an optical path changing means for guiding the reflected beam reflected by the measured object to the reflector and changing the optical path of the reflected beam reflected by the reflector and entering the laser Doppler vibrometer. A calibration apparatus comprising: Here, as a reflector used in such a calibration device, for example, a corner cube is suitable. Further, the calibration apparatus and the laser Doppler vibrometer unit may be combined with the laser Doppler vibrometer.
[0013]
According to such a calibration device, a Doppler shift due to vibration of the vibration exciting device can be given to reflected light incident on the laser Doppler vibrometer. Therefore, the laser Doppler vibrometer can be calibrated by evaluating the Doppler shift due to this known vibration. That is, according to such a calibration apparatus, the laser Doppler vibrometer can be easily calibrated in the actual measurement system.
[0014]
In order to achieve the above object, the present invention provides a laser light source, a transmission / reception head that irradiates a measurement object with a beam emitted from the laser light source, and collects a reflected beam reflected by the measurement object; In a laser Doppler apparatus having a measuring means for measuring vibration of a measurement object based on a Doppler shift amount generated in a reflected beam condensed by the transmission / reception head, the light transmission / reception head collects scattered light from the measurement object. A spatial filter or aperture for masking light is provided. Alternatively, an incident reflected beam composed of a single mode optical fiber arranged to pass only the mode of the specularly reflected light component contained in the incident reflected beam is transmitted from the incident reflected beam. The filter for removing the scattered light component contained in is provided.
[0015]
According to these configurations of the light transmission / reception head, it is possible to suppress the collection of the scattered light component together with the specularly reflected light component reflected by the measurement object, and perform more accurate measurement.
Here, the transmission / reception head is preferably provided with a cylindrical lens that aligns the wavefront of the beam irradiated to the measurement object with the shape of the reflection surface of the measurement object, in order to efficiently collect the regular reflection light. .
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration of a laser Doppler vibrometer according to the present embodiment.
As shown in the figure, the laser Doppler vibrometer includes a laser light source 1, a first beam splitter 2, an acoustooptic device 3, a second beam splitter 4, a light receiving unit 5, a third beam splitter 6, a light transmitting / receiving head 7, a mirror 8, Analysis device 9, calibration mirror 10, corner cube 11, vibration device 12, stage 13 for adjusting the position of light transmission / reception head 7, optical axis monitor 14, display 15, third beam splitter 6, and light transmission / reception And an optical fiber unit 16 serving as a beam guiding path between the header and the header.
[0017]
In such a configuration, the laser beam having the frequency f 0 emitted from the laser light source 1 is bisected by the first beam splitter 2, and one of the bisected beams has a frequency of f M by the acoustooptic device 3. The light beam enters the light receiving unit 5 via the second beam splitter 4 as a shifted reference beam having a frequency f 0 + f M. On the other hand, the other divided beam is emitted to the calibration mirror 10 via the third beam splitter 6, the optical fiber unit 16, and the light transmission / reception head 7. The beam emitted to the calibration mirror 10 is reflected in the order of the calibration mirror 10, the corner cube 11, and the calibration mirror 10, and irradiates the measurement object 100. Then, the reflected beam reflected by the measurement object 100 follows the above path in reverse, is reflected in the order of the calibration mirror 10, the corner cube 11, and the calibration mirror 10, and is received by the transmission / reception head 7. The reflected beam received by the light transmitting / receiving head 7 enters the light receiving unit 5 through the optical fiber unit 16, the third beam splitter 6, the mirror 8, and the second beam splitter 4.
[0018]
Here, the Doppler shift f D corresponding to the speed of the measurement object 100 and the Doppler shift sum f R corresponding to the speed of the corner cube 11 generated twice reciprocally occur in the frequency of the reflected beam. The frequency is f 0 + (f D + f R ). Therefore, a beat signal having a beat frequency of f M ± (f D + f R ) is observed in the light receiving unit 5 due to interference between the reference beam and the reflected beam.
[0019]
Here, when the corner cube 11 is not vibrated by the vibration device 12, the beat frequency is f M ± f D , and the frequency component of f D is obtained from the beat signal by the analysis device 9 as in the prior art. By extracting and FM demodulating, a signal corresponding to the vibration speed of the measurement object 100 is obtained, and the displacement of the measurement object 100 is obtained by integrating the vibration speed.
[0020]
On the other hand, when the corner cube 11 is vibrated by the vibration device 12, the beat signal includes a component corresponding to the vibration applied to the corner cube 11 by the vibration device 12.
Next, the transmission / reception head 7 of the laser Doppler will be described.
The transmission / reception head 7 includes an optical system for focusing the irradiated beam on the reflection surface of the measurement object 100 and introducing the reflected beam reflected by the measurement object 100 toward the light receiving unit 5, and reflects the measurement object 100. In order to suppress the amount of the scattered light component contained in the reflected light introduced in the direction of the light receiving unit 5, any one of the three configurations shown in FIGS. 2a, 2b and 2c is provided alone or in combination with a plurality of configurations. ing.
[0021]
In the configuration shown in FIG. 2 a, the spatial filter 21 is disposed between the lens system 20 for focusing the beam on the reflection surface of the measurement object 100 and the third beam splitter 6.
2b shows the aperture 22 disposed between the lens system 20 for focusing the beam on the reflecting surface of the object 100 and the object 100. Next, FIG. A single mode optical fiber 24 that guides only a specularly reflected light component is incorporated into the optical system 23 of the light transmitting / receiving head 7 so as to form an optical path of a reflected beam.
[0022]
In any of these configurations, the numerical aperture Na of the lens system is substantially reduced, and the introduction of the scattered light component having a larger incident angle with respect to the optical axis than the specularly reflected light component is suppressed in the direction of the light receiving unit 5. be able to.
As a configuration for reducing the numerical aperture Na of the lens system in this way, it is also effective to increase the distance between the lens system and the measurement object 100 in addition to the above configuration.
Here, when the configuration shown in FIG. 2 and the configuration in which the distance between the lens system and the measurement object 100 is large are taken, the specularly reflected light component included in the introduced light toward the light receiving unit 5 is somewhat suppressed. become. Therefore, in order to collect the specularly reflected light components more efficiently, it is also meaningful to adopt the configuration shown in FIG.
[0023]
That is, FIG. 3 shows a cylindrical lens group that matches the wavefront shape of the beam irradiated to the measurement object 100 with the shape of the reflection surface of the measurement object 100 when the measurement object 100 is a disk-shaped object centered on the rotation axis. 31 is included in the optical system 32 of the light transmission / reception head 7. By providing such a cylindrical lens group 31, it becomes possible to efficiently collect specularly reflected light components and introduce them in the direction of the light receiver unit. FIG. 3 shows an example in which a spatial filter 21 is provided as a configuration for suppressing scattered light.
[0024]
Next, adjustment and calibration of such a laser Doppler vibrometer will be described.
First, adjustment of the optical axis of the laser beam emitted from the laser Doppler vibrometer to the measurement object 100 will be described. However, here, the case where the measurement object 100 is a disk-shaped object centering on the rotation axis will be described as an example.
The optical axis monitor 14 receives the beat signal having the frequency f M ± f D from the light receiving unit 5 and obtains the spectrum distribution of the beat signal by Fourier transform or the like. Then, a center frequency in a range in which a spectrum having an intensity of a predetermined level or higher is distributed, the calculated center frequency is compared with the shift frequency f M of the acoustooptic device 3, and the center frequency is equal to the shift frequency f M. If the center frequency is higher than the shift frequency f M , one of the three lamps arranged in a row on the display 15 is turned on. If the center frequency is higher than the shift frequency f M , the other end lamp of the display unit 15 is turned on.
[0025]
Here, as shown in FIG. 4 a, the measurement object 100 rotates clockwise, and the optical axis of the irradiation beam of the transmission / reception head 7 is a line connecting the beam emission point of the transmission / reception head 7 and the rotation center of the measurement object 100. When shifted further upward, the center frequency obtained as described above is smaller than the shift frequency f M because of the Doppler shift due to the peripheral speed of the measurement object 100. Further, as shown in FIG. 4 b, the measurement object 100 rotates clockwise, and the optical axis of the irradiation beam of the transmission / reception head 7 is from the line connecting the beam emission point of the transmission / reception head 7 and the rotation center of the measurement object 100. When shifted downward, the center frequency obtained as described above is larger than the shift frequency f M because of the Doppler shift due to the peripheral speed of the measurement object 100. Then, as shown in FIG. 4c, when the measurement object 100 rotates clockwise and the optical axis of the irradiation beam of the transmission / reception head 7 passes through the rotation center of the measurement object 100, the influence of the peripheral speed does not appear. The center frequency obtained in this way matches the shift frequency f M.
[0026]
Therefore, the user can operate the stage 13 depending on the lighting state of the three lamps of the display 15 to adjust the optical axis of the light transmitting / receiving head 7 so that the optical axis passes through the rotation center of the measuring object 100. it can.
Instead of such manual optical axis adjustment, the difference between the center frequency calculated by the optical axis monitor 14 and the shift frequency f M of the acoustooptic device 3 is input as a feedback signal, and the difference is minimized. Thus, a feedback mechanism using an actuator that moves the stage 13 may be provided.
[0027]
If the optical axis is adjusted in this way, the analyzer 9 is adjusted next.
That is, as described above, the beat signal observed by the light receiving unit 5 includes a component corresponding to the vibration applied to the corner cube 11 by the vibration device 12. That is, since the reflected beam undergoes two reciprocal Doppler shifts by the corner cube 11, the analysis device is a displacement or velocity having a value twice as large as the displacement or velocity given to the corner cube 11 by the vibration device 12. The component to be calculated by 9 is included in the beat signal. Therefore, for example, the vibration of the Z = Asin (wt) is given to the corner cube 11 by the vibration device 12, and the FM demodulation is performed so that the analysis device 9 calculates the displacement 2A with the peak value as the displacement component of the frequency w. By adjusting the gain (speed output gain) and the like, the analyzer 9 can be calibrated on the actual measurement system.
[0028]
Such calibration is preferably performed in a state where the measurement object 100 is rotated, but can also be performed in a state where the rotation of the rotating body is stopped.
Now, the actual measurement after the adjustment of the optical axis and the calibration of the analysis device 9 as described above is performed by stopping the vibration of the corner cube 11 by the vibration device 12. As a result, the beat frequency becomes f M ± f D , and the signal corresponding to the vibration speed of the measurement object 100 is obtained by extracting the frequency component of f D and performing FM demodulation in the analyzer 9 as in the prior art. Then, the displacement of the measured object 100 is obtained by integrating the vibration speed.
[0029]
In this laser Doppler vibrometer, the calibration mirror 10 is configured to be movable out of the optical path. During actual measurement, the beam 100 is directly irradiated from the light transmitting / receiving head 7 to the measured object 100 and the light transmitting / receiving head 7 You may make it receive the reflected beam of the to-be-measured object 100 directly.
[0030]
The embodiment of the present invention has been described above.
Note that the laser Doppler vibration system according to the present embodiment can be applied, for example, to evaluate the core blurring, eccentricity, and the like using a hard disk as the measurement object 100.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a laser Doppler vibrometer that can accurately measure vibration and displacement in a direction perpendicular to the rotation axis of the rotating body.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser Doppler vibrometer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration for suppressing scattered light of a transmission / reception head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration for suppressing scattered light of a transmission / reception head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of optical axis adjustment according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional laser Doppler vibrometer.
[Explanation of symbols]
1: laser light source, 2: first beam splitter, 3: acousto-optic element, 4: second beam splitter, 5: light receiving unit, 6: third beam splitter, 7: light transmitting / receiving head, 8: mirror, 9: analysis Apparatus: 10: Calibration mirror, 11: Corner cube, 12: Excitation apparatus, 13: Stage, 14: Optical axis monitor, 15: Display, 16: Optical fiber unit, 100: Measurement object.

Claims (5)

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のシフト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物に照射し、測定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、前記ビート信号を解析し前記測定物の振動を算出する解析手段とを有するレーザドップラ振動計であって、
前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数とを比較する周波数比較手段と、
前記周波数比較手段の比較結果に基づいて、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数との一致の有無、または、当該一致の有無及び中心周波数と前記シフト周波数との大小関係をユーザに提示する中心周波数変位提示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。
A laser light source, a beam splitter that separates the beam emitted from the laser light source into two beams, and a frequency shift that outputs a reference beam by shifting the frequency of one of the separated beams by a predetermined shift frequency A beat signal generating means for irradiating the measurement object with the other one of the separated beams and causing the reflected beam reflected by the measurement object to interfere with the reference beam; and generating the beat signal. A laser Doppler vibrometer having an analysis means for analyzing and calculating the vibration of the measurement object ,
A frequency comparison means for comparing the center frequency of the spectral distribution of the beat signal and the shift frequency;
Based on the comparison result of the frequency comparison means, the presence or absence of coincidence between the center frequency of the spectrum distribution of the beat signal and the shift frequency, the presence or absence of the coincidence, and the magnitude relationship between the center frequency and the shift frequency are indicated to the user A laser Doppler vibrometer having center frequency displacement presenting means for presenting.
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のシフト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物に対して照射し、前記測定物で反射した反射ビームを集光する送受光ヘッドと、前記送受光ヘッドが集光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、前記ビート信号を解析し前記測定物の振動を算出する解析手段とを有するレーザドップラ振動計であって、
前記送受光ヘッドを移動するステージと、
前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数とを比較する周波数比較手段と、
前記周波数比較手段の比較結果に基づいて、前記ビート信号のスペクトル分布の中心周波数と前記シフト周波数とが一致するように前記ステージを駆動して前記送受光ヘッドを移動する光軸調整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。
A laser light source, a beam splitter that separates the beam emitted from the laser light source into two beams, and a frequency shift that outputs a reference beam by shifting the frequency of one of the separated beams by a predetermined shift frequency Means, a transmission / reception head that irradiates the measurement object with the other of the separated beams and collects the reflected beam reflected by the measurement object; and a reflected beam that is collected by the transmission / reception head; A laser Doppler vibrometer having beat signal generation means for generating a beat signal by interfering with the reference beam, and analysis means for analyzing the beat signal and calculating vibration of the measurement object ,
A stage for moving the transmission / reception head;
A frequency comparison means for comparing the center frequency of the spectral distribution of the beat signal and the shift frequency;
And an optical axis adjusting means for driving the stage to move the light transmitting / receiving head so that the center frequency of the spectral distribution of the beat signal matches the shift frequency based on the comparison result of the frequency comparing means. A laser Doppler vibrometer.
請求項1または2記載のレーザドップラ振動計であって、The laser Doppler vibrometer according to claim 1 or 2,
前記送受光ヘッドは、前記測定物による散乱光の集光をマスクするスペーシャルフィルタまたはアパーチャを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。The laser Doppler vibrometer, wherein the light transmitting / receiving head includes a spatial filter or an aperture that masks collection of scattered light by the measurement object.
請求項1または2記載のレーザドップラ振動計であって、The laser Doppler vibrometer according to claim 1 or 2,
前記送受光ヘッドは、入射した反射ビームに含まれる正反射光成分のモードのみを通過させるように配置したシングルモード光ファイバを用いて構成した、入射した反射ビームから散乱光成分を除去するためのフィルタを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。The transmission / reception head is configured to use a single mode optical fiber disposed so as to pass only a mode of a specular reflection light component included in an incident reflection beam, and removes a scattered light component from the incident reflection beam. A laser Doppler vibrometer having a filter.
請求項1または2記載のレーザドップラ振動計であって、The laser Doppler vibrometer according to claim 1 or 2,
前記送受光ヘッドは、測定物に対して照射するビームの波面を、測定物の反射面の形状に揃えるシリンドリカルレンズを有することを特徴とするレーザドップラ振動計。The laser Doppler vibrometer, wherein the light transmitting / receiving head includes a cylindrical lens that aligns a wavefront of a beam irradiated to a measurement object with a shape of a reflection surface of the measurement object.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102141430A (en) * 2010-12-30 2011-08-03 浙江大学 Method and system for wirelessly measuring resonant frequency of sample piece by combination of sound waves and electromagnetic waves
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