JP4324507B2

JP4324507B2 - 振動計測装置

Info

Publication number: JP4324507B2
Application number: JP2004124630A
Authority: JP
Inventors: 浄史松田; 昇央福智; 博岡本; 勉原
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005308497A

Description

本発明は、ホログラフィ技術を用いて被測定物の振動を計測する振動計測装置に関するものである。

振動計測技術として、ホログラフィ技術を用いて被測定物の振動を計測する技術が知られている。このような従来の振動計測技術では、被測定物に光が入射して該被測定物で反射された光が物体光とされ、この物体光と参照光との干渉による干渉縞が写真乾板上に形成される。このとき、被測定物の振動の周期と比べて充分に長い時間に亘り写真乾板が露光されて、この写真乾板にホログラムが記録される。

被測定物の振動の節の部分では動きが無い（または小さい）ので、その部分で反射された物体光と参照光との干渉による干渉縞は写真乾板に記録される。一方、被測定物の振動の節以外の腹の部分は動きが大きいので、その部分で反射された物体光と参照光との干渉による干渉縞は、時間平均すると打ち消されてしまい、写真乾板には記録されない。

この写真乾板に記録されたホログラムに照明光を照射することで再生光を発生させると、この再生光により得られる再生像において、被測定物の振動の節の部分については明るく表示され、他の部分については暗く表示される。したがって、この再生像から、被測定物の振動の２次元的な様子を計測することができる。

写真乾板を用いた振動計測技術では、写真乾板を露光した後に該写真乾板を現像し、この現像の後に再生像を得て、振動を計測する必要がある。したがって、この振動計測技術は、被測定物の振動を実時間で計測することができず、実用に供するには支障がある。このような問題点を解決することを意図したものとして、特許文献１に提案された振動計測装置が知られている。

この文献で提案されている振動計測装置は、上記の写真乾板に替えて空間光変調器を用い、この空間光変調器にホログラムを書き込むものである。この振動計測装置では、物体光と参照光との干渉による干渉縞が空間光変調器に書き込まれ、また、この空間光変調器に照明光が入射することで再生光が発生する。
特開平４−２２１７２１号公報

しかしながら、一般に、空間光変調器は写真乾板と比較して空間解像度が低い。現時点で入手可能な空間光変調器であって最も空間解像度が高いものを用いた場合であっても、空間光変調器の空間解像度より干渉縞の空間周波数が高いので、特許文献１に提案された振動計測装置は、ホログラムを記録することができず、被測定物の振動を計測することができない。

本発明は、本願発明者が見出した上記問題点を解消する為になされたものであり、空間分解能が比較的低い空間光変調器を用いる場合であっても被測定物の振動を実時間で計測することができる振動計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る振動計測装置は、(1) コヒーレントな光を出力する第１光源と、(2) 第１光源から出力された光を被測定物の表面に対して斜め入射させる第１光学系と、(3) 書込面に入射した光の空間的強度分布情報が書き込まれる空間光変調器と、(4) 第１光学系から被測定物への光入射に伴い被測定物の表面で反射または散乱された光を空間光変調器の書込面に斜め入射させて結像させる第２光学系と、(5) 第１光学系の途中から分岐した光を空間光変調器の書込面に斜め入射させる第３光学系と、を備えることを特徴とする。そして、第２光学系が、被測定物の表面で反射または散乱された光を集光するレンズ系と、このレンズ系の後焦点位置に開口を有するマスクとを含み、被測定物の側においてテレセントリックな光学系を構成し、第２光学系および第３光学系それぞれの一部が共通の光学系となっており、空間光変調器は、第２光学系および第３光学系の共通の光学系を経て書込面に斜め入射した光の干渉による干渉縞が空間的強度分布情報として書き込まれる、ことを特徴とする。

この振動計測装置では、第１光源から出力されたコヒーレントな光は、第１光学系により被測定物の表面に対して斜めに入射されて反射または散乱され、その被測定物の表面から物体光が発生する。その物体光は、テレセントリック光学系を構成する第２光学系により空間光変調器の書込面に斜め入射されて結像される。また、第１光学系の途中から分岐された参照光は、第３光学系により、空間光変調器の書込面に斜め入射される。そして、第２光学系および第３光学系それぞれの一部が共通の光学系となっていて、その共通の光学系を経て空間光変調器の書込面に斜め入射した物体光と参照光との干渉による干渉縞が空間光変調器に空間的強度分布情報として書き込まれる。このようにして、空間光変調器に被測定物の表面のイメージホログラムが書き込まれる。

また、本発明に係る振動計測装置は、(6) コヒーレントな光を出力する第２光源と、(7) 第２光源から出力された光を空間光変調器の読出面に入射させる第４光学系と、(8) 第４光学系から空間光変調器の読出面への光入射に伴い空間光変調器において回折により発生した光を導く第５光学系と、を更に備える。これにより、第２光源から出力されたコヒーレントな光は第４光学系により空間光変調器の読出面に入射され、この光入射に伴い空間光変調器において回折により発生した再生光は第５光学系により導かれる。この第５光学系により導かれた再生光による再生像を観察することで、被測定物の振動モードを解析することができる。

また、本発明に係る振動計測装置は、(9) 第５光学系により導かれた光の像を撮像する撮像部と、(10) 撮像部による撮像に得られた画像を表示する表示部と、を更に備えるのが好適である。この場合には、第５光学系により導かれた再生光による再生像は、撮像部により撮像されて、表示部により表示される。

また、第２光学系におけるマスクの開口の開口径をＤとし、マスクと空間光変調器との間の光路長をｚとし、第１光源から出力される光の波長をλとし、空間光変調器の空間分解能をＲとしたときに、これらのパラメータが「Ｄ＜λｚ／Ｒ」なる関係式を満たすのが好適である。この場合には、空間光変調器の書込面上における物体光と参照光との干渉による干渉縞のコントラストを高くすることができる。

また、本発明に係る振動計測装置では、第２光学系および第３光学系の共通の光学系を経て空間光変調器の書込面に斜め入射する光は、各々の波面の空間的に対応する部分が空間光変調器の書込面上で干渉するのが好適である。この場合には、高いコントラストのイメージホログラムが空間光変調器に書き込まれ、鮮明な再生像が得られる。

また、本発明に係る振動計測装置は、第５光学系の途中に設けられ、空間光変調器において回折により発生した光のうち特定次数の回折光を選択的に通過させる開口を有するマスクを更に備えるのが好適である。この場合には、その特定次数の再生光による鮮明な再生像が得られる。

本発明によれば、空間分解能が比較的低い空間光変調器を用いる場合であっても、被測定物の振動を実時間で計測することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
先ず、本発明に係る振動計測装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る振動計測装置１の構成図である。この図に示される振動計測装置１は、ホログラフィ技術を用いて被測定物９の振動を計測するものである。

この振動計測装置１は、第１光源１１、第２光源１２、レンズ２１、レンズ２２、マスク２３、ビームスプリッタ２４、ミラー２５、ミラー３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、レンズ４２、マスク４３、レンズ４４、空間光変調器５１、ドライバ５２、ＮＤフィルタ６１、λ／４波長板６２、レンズ６３、ミラー６４、レンズ６５、ポラライザ６６、ビームスプリッタ６７、ミラー７１、レンズ７３、ミラー７４、マスク７５、レンズ７６、撮像部８１および表示部８２を備える。

第１光源１１および第２光源１２それぞれは、コヒーレント光を出力するものであり、好適にはレーザ光源である。空間光変調器５１は、ドライバ５２により駆動されて動作し、書込面５１ａに入射した光の空間的強度分布情報が書き込まれるとともに、読出面５１ｂへの光の入射に伴い該光を回折して出力する。なお、空間光変調器５１の構造については図２を用いて後に説明する。

第１光源１１から被測定物９に至るまでの第１光学系は、第１光源１１から出力された光を被測定物９の表面に対して斜め入射させるものであり、その光路に沿って順に、レンズ２１、レンズ２２、マスク２３、ビームスプリッタ２４およびミラー２５が配置されている。レンズ２１およびレンズ２２は、光源１１から出力された光を入力し、この光の光束径を拡大するとともに該光をコリメートして出力する。マスク２３は、一方向に長い長方形状の開口２３ａを有していて、レンズ２２から到達した光のうち開口２３ａを通過した光をビームスプリッタ２４へ出力する。ビームスプリッタ２４は、マスク２３から到達した光の一部を透過させ残部を反射させることで該光を２分岐し、透過光をミラー２５へ出力し、反射光をミラー３１へ出力する。ミラー２５は、ビームスプリッタ２４から到達した光を反射させて、その光を被測定物９の表面に対して斜め入射させる。被測定物９の表面への光の入射の際に、その光の横断面形状は長方形であって、その長辺は入射面に垂直である。

被測定物９から空間光変調器５１に至るまでの第２光学系は、第１光学系から被測定物９への光入射に伴い被測定物９の表面で反射または散乱された光（物体光）を空間光変調器５１の書込面に結像させるものであり、その光路に沿って順に、ビームスプリッタ４１、レンズ４２、マスク４３およびレンズ４４が配置されている。ビームスプリッタ４１は、被測定物９の表面で反射または散乱された光の一部を透過させてレンズ４２へ出力するとともに、レンズ３２から到達した光の一部を反射させてレンズ４２へ出力する。レンズ４２は、ビームスプリッタ４１から到達した光を集光する。レンズ４４は、レンズ４２により集光された後に発散した光を入力し、該光をコリメートして空間光変調器５１へ出力する。

レンズ４２およびレンズ４４は、テレセントリック光学系を構成しており、被測定物９の表面からの光を空間光変調器９の書込面５１ａ上に結像する。マスク４３は、レンズ４２の後焦点位置に配置されていて、円形の開口４３ａを有し、上記テレセントリック光学系におけるテレセントリック絞りとして作用する。マスク４３の開口４３ａの開口径をＤとし、マスク４３と空間光変調器５１との間の光路長をｚとし、第１光源１１から出力される光の波長をλとし、空間光変調器５１の空間分解能をＲとする。このときに、これらのパラメータが以下の関係式を満たすのが好適である。このようにすることにより、空間光変調器５１の書込面５１ａ上における物体光と参照光との干渉による干渉縞のコントラストが高くなる。

Ｄ＜λｚ／Ｒ …(1)
ビームスプリッタ２４からレンズ３１，３２を経て空間光変調器５１に至るまでの第３光学系は、第１光学系の途中から分岐した光（参照光）を空間光変調器５１の書込面に入射させるものであり、その光路に沿って順に、ミラー３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、レンズ４２、マスク４３およびレンズ４４が配置されている。ミラー３１は、第１光学系の光路上に設けられたビームスプリッタ２４により反射されて到達した光を入力し、この光をミラー３２へ反射させる。ミラー３２は、ミラー３１から到達した光をビームスプリッタ４１へ反射させる。ビームスプリッタ４１は、ミラー３２から到達した光の一部を反射させてレンズ２４へ出力する。

ビームスプリッタ４１からレンズ４４へ至るまでの光学系は、第２光学系と第３光学系とで共通である。ただし、この共通の光学系において、第２光学系を進む物体光の主光線と、第３光学系を進む参照光の主光線とは、互いに平行ではなく或る角度をなしている。空間光変調器５１の書込面５１ａには、第２光学系を経て物体光が入射するとともに、第３光学系を経て参照光が入射する。これにより、空間光変調器５１は、物体光と参照光との干渉による干渉縞が空間的強度分布情報として書き込まれる。

また、第２光学系を経て空間光変調器５１の書込面５１ａに入射する物体光と、第３光学系を経て空間光変調器５１の書込面５１ａに入射する参照光とは、各々の波面の空間的に対応する部分が空間光変調器５１の書込面５１ａ上で干渉するのが好適である。また、第１光源１１から第１光学系および第２光学系を経て空間光変調器５１に到達する物体光の光路長と、第１光源１１から第１光学系の一部および第３光学系を経て空間光変調器５１に到達する参照光の光路長とは、互いに略等しいのが好適である。このようにすることにより、空間光変調器５１の書込面５１ａ上における物体光と参照光との干渉による干渉縞のコントラストが高くなる。

第２光源１２から空間光変調器５１に至るまでの第４光学系は、第２光源１２から出力された光（照明光）を空間光変調器５１の読出面５１ｂに入射させるものであり、その光路に沿って順に、ＮＤフィルタ６１、λ／４波長板６２、レンズ６３、ミラー６４、レンズ６５、ポラライザ６６およびビームスプリッタ６７が配置されている。ＮＤフィルタ６１は、透過率が可変のものであり、第２光源１２から出力された光の一部を透過させ、所望の強度の光をλ／４波長板６２へ出力する。λ／４波長板６２は、ＮＤフィルタ６１を透過した光を入力し、この光を円偏光としてレンズ６３へ出力する。レンズ６３およびレンズ６５は、λ／４波長板６２から出力された光を入力し、この光の光束径を拡大するとともに該光をコリメートして出力する。ミラー６４は、レンズ６３から出力された光をレンズ６５へ反射させる。ポラライザ６６は、レンズ６５から到達した円偏光の光を入力し、その光のうちの第１方位の直線偏光成分を透過させてビームスプリッタ６７へ出力する。ビームスプリッタ６７は、ポラライザ６６から到達した光の一部を透過させて空間光変調器５１の読出面５１ｂに入射させる。

空間光変調器５１から撮像部８１に至るまでの第５光学系は、第４光学系から空間光変調器５１の読出面５１ｂへの光入射に伴い空間光変調器５１において回折により発生した光（再生光）を導くものであり、その光路に沿って順に、ビームスプリッタ６７、ミラー７１、レンズ７３、ミラー７４、マスク７５およびレンズ７６が配置されている。ビームスプリッタ６７は、空間光変調器５１から到達した光の一部をミラー７１へ反射させる。ミラー７１は、ビームスプリッタ６７から到達した光をレンズ７３へ反射させる。レンズ７３およびレンズ７６は、ミラー７１から到達した光を入力して、その光を撮像部８１の撮像面に結像させる。ミラー７４は、レンズ７３から到達した光をレンズ７６へ反射させる。

マスク７５は、レンズ７３の後焦点位置に配置されていて、空間光変調器５１において回折により発生した光のうち特定次数の回折光（再生光）を選択的に通過させる開口７５ａを有する。このようにすることにより、その特定次数の再生光による鮮明な再生像が撮像部８１の撮像面に結像される。撮像部８１は、第５光学系により導かれた光の再生像を撮像する。そして、表示部８２は、撮像部８１による撮像に得られた画像を表示する。

図２は、空間光変調器５１の断面図である。この図に示されるように、空間光変調器５１は、書込面５１ａの側において、外から順に、反射防止膜１１１、ガラス基板１２１、透明電極１３１、水素化アモルファスシリコン層１４０、遮光層１５０、誘電体ミラー１６０および配向層１７１が設けられている。空間光変調器５１は、読出面５１ｂの側において、外から順に、反射防止膜１１２、ガラス基板１２２、透明電極１３２および配向層１７２が設けられている。また、空間光変調器５１は、配向層１７１と配向層１７２との間において、スペーサ１８１およびスペーサ１８２に挟まれて、液晶層１９０が設けられている。

水素化アモルファスシリコン層１４０は、光導電体であって、インピーダンスが入射光強度に応じて変化する。液晶層１９０は、光の位相を変調するものであって、ネマチック液晶からなり、液晶分子がガラス基板１２１，１２２の面に平行になるように配向されている。誘電体ミラー１６０は、ＳｉＯ_２およびＴｉＯ_２の多層膜からなり、書込側と読出側とを光学的に分離する。

ドライバ５２により透明電極１３１と透明電極１３２との間に数ボルトの電圧が印加される。このとき、書込面５１ａに入射する光の強度に応じて、水素化アモルファスシリコン層１４０のインピーダンスが変化する。水素化アモルファスシリコン層１４０のうち光が入射していない領域のインピーダンスは液晶層１９０のインピーダンスと比較して大きいので、液晶層１９０に与えられる電圧は小さく、液晶分子の方位の変化は小さい。一方、水素化アモルファスシリコン層１４０のうち光が入射している領域のインピーダンスは小さくなるので、液晶層１９０に与えられる電圧は大きくなり、液晶分子の方位の変化は大きくなる。液晶分子の方位の変化は、液晶を透過する光に対する屈折率の変化をもたらし、該光の位相の変化をもたらす。

したがって、書込面５１ａに物体光と参照光とが入射して干渉縞が形成されると、この干渉縞における光強度分布に応じて、水素化アモルファスシリコン層１４０においてインピーダンス分布が生じ、さらには、読出面５１ｂに入射し誘電体ミラー１６０により反射されて外部へ出力される光において位相が空間的に変調される。このようにして、空間光変調器５１にホログラムが書き込まれ、また、このホログラムから再生光が得られる。

本実施形態に係る振動計測装置１は以下のように動作する。第１光源１１から出力された光は、レンズ２１およびレンズ２２により径が拡大されて平行光とされ、マスク２３の開口２３ａにより横断面形状が規定され、ビームスプリッタ２４に入射して透過光と反射光とに２分岐される。ビームスプリッタ２４を透過した光は、ミラー２５により反射されて、被測定物９の表面に対して斜めに入射して反射または散乱される。被測定物９の表面で反射または散乱された光（物体光）は、ビームスプリッタ４１を一部が透過し、レンズ４２，マスク４３の開口４３ａおよびレンズ４４を経て、空間光変調器５１の書込面５１ａ上に斜めに入射する。また、ビームスプリッタ２４で反射された光（参照光）は、ミラー３１およびミラー３２により反射され、さらに、ビームスプリッタ４１により一部が反射され、レンズ４２，マスク４３の開口４３ａおよびレンズ４４を経て、空間光変調器５１の書込面５１ａ上に斜めに入射する。

空間光変調器５１の書込面５１ａ上に斜めに入射する物体光の強度分布は、被測定物４１の表面で反射または散乱された光が結像されたものである。空間光変調器５１の書込面５１ａ上において、この物体光と参照光とが干渉して干渉縞が形成される。ドライバ５２により空間光変調器５１の透明電極１３１と透明電極１３２との間に電圧が印加されていると、空間光変調器５１の水素化アモルファスシリコン層１４０において、干渉縞における光強度分布に応じたインピーダンス分布が生じる。この水素化アモルファスシリコン層１４０におけるインピーダンス分布は、被測定物４１の表面のイメージホログラムとなっている。

第２光源１２から出力された光（照明光）は、ＮＤフィルタ６１により強度が調整され、λ／４波長板６２により円偏光にされ、レンズ６３およびレンズ６５により径が拡大されて平行光とされ、ポラライザ６６を第１方位の直線偏光成分が選択的に透過し、ビームスプリッタ６７を一部が透過して、空間光変調器５１の読出面５１ｂに垂直に入射する。空間光変調器５１の読出面５１ｂに入射した光は、誘電体ミラー１６０により反射されることにより、液晶層１９０を２度通過し、この液晶層１９０を通過する際に位相が空間的に変調される。液晶層１９０による空間的位相変調の分布は、水素化アモルファスシリコン層１４０におけるインピーダンス分布に応じたものである。

位相変調されて読出面５１ｂから外部へ出射された光（再生光）は、ビームスプリッタ６７により一部が反射され、ミラー７１により反射され、レンズ７３、マスク７５の開口７５ａおよびレンズ７６を経て、撮像部８１の撮像面に到達して撮像される。撮像部８１の撮像により得られた画像（すなわち再生像）は表示部８２により表示される。このようにして、本実施形態に係る振動計測装置１は、空間光変調器５１に被測定物９の表面のイメージホログラムを書き込むとともに、このイメージホログラムから再生像を得て、被測定物９の振動を実時間で計測することができる。

本実施形態に係る振動計測装置１は以下のような特徴を有している。第１の特徴として、この振動計測装置１では、被測定物１の表面に光を斜め入射させる。例えば、入射角（被測定物９の表面の法線と入射光の主光線とがなす角度）は、好適には７５度以上であり、より好適には８０度以上である。一般には被測定物９の表面は粗面であるが、被測定物９の表面に対して光を斜め入射させると、その光のうちの殆どは、入射角と同じ反射角で反射される。すなわち、被測定物９の表面に光を斜め入射させることにより、被測定物９の表面が実質的に鏡面と同等となり、被測定物９の表面からの空間周波数が高い散乱光成分が減って、空間光変調器５１の空間解像度の不足を補うことができ、また、被測定物９の表面からの拡散光が減って、光エネルギの利用効率を高めることができる。

第２の特徴として、この振動計測装置１では、空間光変調器５１の書込面５１ａにも物体光および参照光を斜め入射させる。これにより、空間光変調器５１の書込面５１ａが被測定物９の表面の像面となって、空間光変調器５１に被測定物９の表面のイメージホログラムを書き込むことができる。このようにしたのは以下のような理由による。すなわち、ホログラフィ技術を用いた被測定物の振動計測は、被測定物の表面のうち動きが無い節の部分についてのみホログラムが作成されて再生光が得られることを利用するものである。したがって、得られる再生像において、被測定物の表面のうち振動の節の部分のみが明るくなり、節以外の腹の部分は暗い。そして、空間光変調器５１に被測定物９の表面のイメージホログラムを書き込むことにより、被測定物９の表面のうちの振動の節の部分からの物体光により形成される高コントラストの干渉縞を、そのまま空間光変調器５１の書込面５１ａ上に形成して空間光変調器５１に書きこむことができる。

比較例として、従来の振動計測技術について述べると、従来のものは、イメージホログラムを記録するのでは無く、通常のホログラムを記録する。この場合、被測定物の表面と写真乾板（または空間光変調器）とは適当な距離だけ隔てられて配置され、被測定物の表面のうちの振動の節の部分からの物体光の波面は写真乾板の全体に達し、また、振動の腹の部分からの物体光の波面も写真乾板の全体に達する。このことから、被測定物の表面のうちの振動の節の部分からの物体光により形成される干渉縞は、振動の腹の部分からの物体光に因りコントラストが低くなってしまう。

本実施形態では、このような比較例におけるコントラスト低下の問題を解消するために、空間光変調器５１に被測定物９の表面のイメージホログラムを書き込むこととしている。イメージホログラムでは、被測定物９の表面のうちの振動の節の部分からの物体光により形成される干渉縞は、腹の部分からの物体光が到達する領域とは異なる領域に形成されるので、コントラストの低下が防止される、そして、このイメージホログラムから再生光を得ることにより、鮮明な再生像を観察することができて、被測定物９の表面の振動をＳ／Ｎ比よく計測することができる。

第３の特徴として、この振動計測装置１では、物体光を伝搬させる第２光学系をテレセントリック光学系とし、その第２光学系に含まれる物体側のレンズ４２の後焦点位置に開口４３ａを有するマスク４３を設け、その開口４３ａの開口径Ｄが上記(1)式を満たすものとする。このようにすることに因り、空間光変調器５１の書込面５１ａ上でのスペックルの大きさを空間光変調器５１の空間解像度内に収めることができて、記録される干渉縞のコントラストを高くすることができる。すなわち、開口４３ａの開口径Ｄ、マスク４３と空間光変調器５１との間の光路長ｚ、および光の波長λを用いると、スペックルの大きさσは下記(2)式で表される。したがって、開口４３ａの開口径Ｄが上記(1)式を満たすことで、空間光変調器５１の書込面５１ａ上でのスペックルの大きさσを空間光変調器５１の空間解像度Ｒ内に収めることができる。例えば、開口４３ａの開口径Ｄを５ｍｍとし、レンズ４２の焦点距離ｆを２００ｍｍとし、光の波長λを６３３ｎｍとすると、スペックルの大きさσは、約２５μｍとなって、空間光変調器５１の空間解像度Ｒの範囲内とすることができる。

σ＝λｚ／Ｄ …(2)
第４の特徴として、この振動計測装置１では、空間光変調器５１の書込面５１ａに入射する物体光と参照光とは、各々の波面の空間的に対応する部分が書込面５１ａ上で干渉する。このようにすることにより、空間光変調器５１の書込面５１ａ上における物体光と参照光との干渉による干渉縞のコントラストを高くすることができる。

以上のような特徴を有する振動計測装置１は、空間光変調器５１として空間分解能が比較的低いもの（例えば１００lines／mm）を用いる場合であっても、被測定物９の振動を実時間で計測することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る振動計測装置の第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態に係る振動計測装置２の構成図である。なお、この図では、空間光変調器５１の読出面５２ｂに照明光を入射させて再生光を得るための構成については、第１実施形態の場合と同様であるので、図示を省略している。

この振動計測装置２は、第１光源１１、レンズ２１、ビームスプリッタ２４、ミラー２５、ミラー３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、レンズ４２、レンズ４４、マスク４５、ポラライザ４６および空間光変調器５１を備える。

第１光源１１から被測定物９に至るまでの第１光学系は、第１光源１１から出力された光を被測定物９の表面に対して斜め入射させるものであり、その光路に沿って順に、レンズ２１、ビームスプリッタ２４およびミラー２５が配置されている。レンズ２１は、光源１１から出力された光を入力し、この光を一旦集光した後に発散光とする。ビームスプリッタ２４は、レンズ２１から到達した発散光の一部を透過させ残部を反射させることで該光を２分岐し、透過光をミラー２５へ出力し、反射光をミラー３１へ出力する。ミラー２５は、ビームスプリッタ２４から到達した光を反射させて、その光を被測定物９の表面に対して斜め入射させる。

被測定物９から空間光変調器５１に至るまでの第２光学系は、第１光学系から被測定物９への光入射に伴い被測定物９の表面で反射または散乱された光（物体光）を空間光変調器５１の書込面に結像させるものであり、その光路に沿って順に、ビームスプリッタ４１、レンズ４２、レンズ４４、マスク４５およびポラライザ４６が配置されている。ビームスプリッタ４１は、被測定物９の表面で反射または散乱された光の一部を透過させてレンズ４２へ出力するとともに、レンズ３２から到達した光の一部を反射させてレンズ４２へ出力する。レンズ４２およびレンズ４４は、ビームスプリッタ４１から到達した光を集光し、ポラライザ４６は、その集光された光のうち所定方位の直線偏光成分を選択的に透過させて空間光変調器５１へ出力する。

レンズ４２およびレンズ４４は、テレセントリック光学系を構成しており、被測定物９の表面からの光を空間光変調器９の書込面５１ａ上に結像する。マスク４５は、第２光学系における光の集光位置に配置されていて、円形の開口４５ａを有し、上記テレセントリック光学系におけるテレセントリック絞りとして作用する。マスク４５の開口４５ａの開口径をＤとし、マスク４５と空間光変調器５１との間の光路長をｚとし、第１光源１１から出力される光の波長をλとし、空間光変調器５１の空間分解能をＲとする。このときに、これらのパラメータが上記(1)式の関係式を満たすのが好適である。このようにすることにより、空間光変調器５１の書込面５１ａ上における物体光と参照光との干渉による干渉縞のコントラストが高くなる。

ビームスプリッタ２４からレンズ３１，３２を経て空間光変調器５１に至るまでの第３光学系は、第１光学系の途中から分岐した光（参照光）を空間光変調器５１の書込面に入射させるものであり、その光路に沿って順に、ミラー３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、レンズ４２、レンズ４４、マスク４５およびポラライザ４６が配置されている。ミラー３１は、第１光学系の光路上に設けられたビームスプリッタ２４により反射されて到達した光を入力し、この光をミラー３２へ反射させる。ミラー３２は、ミラー３１から到達した光をビームスプリッタ４１へ反射させる。ビームスプリッタ４１は、ミラー３２から到達した光の一部を反射させてレンズ２４へ出力する。

ビームスプリッタ４１からポラライザ４６へ至るまでの光学系は、第２光学系と第３光学系とで共通である。ただし、この共通の光学系において、第２光学系を進む物体光の主光線と、第３光学系を進む参照光の主光線とは、互いに平行ではなく或る角度をなしている。空間光変調器５１の書込面５１ａには、第２光学系を経て物体光が入射するとともに、第３光学系を経て参照光が入射する。これにより、空間光変調器５１は、物体光と参照光との干渉による干渉縞が空間的強度分布情報として書き込まれる。

前述の第１実施形態の場合と比較すると、この第２実施形態に係る振動計測装置２は、被測定物９に発散光が入射する点で相違する。このようにすることにより、振動計測装置２は、振動計測の対象である被測定物９の表面が広い場合にも適用が可能である。また、この振動計測装置２は、空間光変調器５１の書込面５１ａに入射する物体光および参照光それぞれをポラライザ４６により直線偏光としていることにより、更に高いコントラストのイメージホログラムを記録することができる。

実施例の振動計測装置は、前述の第１実施形態に係る振動計測装置１に相当するものである。第１光源１１および第２光源１２それぞれとしてＨｅ-Ｎｅレーザ光源を用い、物体光，参照光および照明光それぞれの波長λを６３３ｎｍとした。レンズ２２の焦点距離は５００ｍｍであり、レンズ４２の焦点距離は２００ｍｍであり、レンズ４４の焦点距離は２００ｍｍであり、レンズ６５の焦点距離は５００ｍｍであり、レンズ７３の焦点距離は１０００ｍｍであり、レンズ７６の焦点距離は２００ｍｍであった。空間光変調器５１として空間解像度１００lines／mmのものを用いた。スピーカの振動面にアルミ箔を貼り付けたものを被測定物９として用い、ミラー２５からアルミ箔への光の入射角（アルミ箔の表面の法線と入射光の主光線とがなす角度）を８０度とした。そして、スピーカによりアルミ箔を周波数４４５Ｈｚ，６５２Ｈｚおよび１３０９Ｈｚそれぞれで振動させた。

図４は、実施例の振動計測装置により得られた再生像を示す図である。同図（ａ）は周波数４４５Ｈｚの場合に撮像部８１により撮像された再生像を示し、同図（ｂ）は周波数６５２Ｈｚの場合に撮像部８１により撮像された再生像を示し、また、同図（ｃ）は周波数１３０９Ｈｚの場合に撮像部８１により撮像された再生像を示す。この図に示されるように鮮明な再生像が得られ、被測定物であるアルミ箔の振動を計測することができた。

本発明に係る振動計測装置は、空間分解能が比較的低い空間光変調器を用いる場合であっても、被測定物の振動を実時間で計測することができる。このことから、この振動計測装置は、機械装置、自動車および楽器など構造物の振動を実時間で計測することができ、これらの構造物の欠陥を容易に解析することができる。

第１実施形態に係る振動計測装置１の構成図である。空間光変調器５１の断面図である。第２実施形態に係る振動計測装置２の構成図である。実施例の振動計測装置により得られた再生像を示す図である。

符号の説明

１，２…振動計測装置、９…被測定物、１１…第１光源、１２…第２光源、２１，２２…レンズ、２３…マスク、２４…ビームスプリッタ、２５…ミラー、３１，３２…ミラー、４１…ビームスプリッタ、４２…レンズ、４３…マスク、４４…レンズ、４５…マスク、４６…ポラライザ、５１…空間光変調器、５２…ドライバ、６１…ＮＤフィルタ、６２…λ／４波長板、６３…レンズ、６４…ミラー、６５…レンズ、６６…ポラライザ、６７…ビームスプリッタ、７１…ミラー、７３…レンズ、７４…ミラー、７５…マスク、７６…レンズ、８１…撮像部、８２…表示部。

Claims

コヒーレントな光を出力する第１光源と、
前記第１光源から出力された光を被測定物の表面に対して斜め入射させる第１光学系と、
書込面に入射した光の空間的強度分布情報が書き込まれる空間光変調器と、
前記第１光学系から前記被測定物への光入射に伴い前記被測定物の表面で反射または散乱された光を前記空間光変調器の前記書込面に斜め入射させて結像させる第２光学系と、
前記第１光学系の途中から分岐した光を前記空間光変調器の前記書込面に斜め入射させる第３光学系と、
を備え、
前記第２光学系が、前記被測定物の表面で反射または散乱された光を集光するレンズ系と、このレンズ系の後焦点位置に開口を有するマスクとを含み、前記被測定物の側においてテレセントリックな光学系を構成し、
前記第２光学系および前記第３光学系それぞれの一部が共通の光学系となっており、
前記空間光変調器は、前記第２光学系および前記第３光学系の前記共通の光学系を経て前記書込面に斜め入射した光の干渉による干渉縞が前記空間的強度分布情報として書き込まれる、
ことを特徴とする振動計測装置。
コヒーレントな光を出力する第２光源と、
前記第２光源から出力された光を前記空間光変調器の読出面に入射させる第４光学系と、
前記第４光学系から前記空間光変調器の前記読出面への光入射に伴い前記空間光変調器において回折により発生した光を導く第５光学系と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の振動計測装置。
前記第５光学系により導かれた光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像に得られた画像を表示する表示部と、
を更に備えることを特徴とする請求項２記載の振動計測装置。
前記マスクの開口の開口径をＤとし、前記マスクと前記空間光変調器との間の光路長をｚとし、前記第１光源から出力される光の波長をλとし、前記空間光変調器の空間分解能をＲとしたときに、これらのパラメータが「Ｄ＜λｚ／Ｒ」なる関係式を満たす、
ことを特徴とする請求項１記載の振動計測装置。
前記第２光学系および前記第３光学系の前記共通の光学系を経て前記空間光変調器の前記書込面に斜め入射する光は、各々の波面の空間的に対応する部分が前記空間光変調器の前記書込面上で干渉する、ことを特徴とする請求項１記載の振動計測装置。
前記第５光学系の途中に設けられ、前記空間光変調器において回折により発生した光のうち特定次数の回折光を選択的に通過させる開口を有するマスクを更に備えることを特徴とする請求項２記載の振動計測装置。