JPH10170334A - Vibration measuring instrument - Google Patents

Vibration measuring instrument

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Publication number
JPH10170334A
JPH10170334A JP8332114A JP33211496A JPH10170334A JP H10170334 A JPH10170334 A JP H10170334A JP 8332114 A JP8332114 A JP 8332114A JP 33211496 A JP33211496 A JP 33211496A JP H10170334 A JPH10170334 A JP H10170334A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibration
laser light
light
laser
phase
Prior art date
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Pending
Application number
JP8332114A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Genma
隆志 玄間
Hitoshi Wada
仁 和田
Makoto Nara
誠 奈良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Nikon Gijutsu Kobo KK
Original Assignee
Nikon Corp
Nikon Gijutsu Kobo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp, Nikon Gijutsu Kobo KK filed Critical Nikon Corp
Priority to JP8332114A priority Critical patent/JPH10170334A/en
Publication of JPH10170334A publication Critical patent/JPH10170334A/en
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To measure the vibrational pattern of minor vibrations without providing any vibrating object in a measuring system. SOLUTION: The interference fringe signal of laser light is acquired by receiving light from an optical path to be inspected which guides reflected light from a vibrating body T to be inspected by superimposing light from a reference optical path upon the reflected light. At the time of receiving the light, the wavelength of the laser light emitted from a laser light source 12 is modulated by means of a controller 10 and, at the same time, the phase of the modulated laser light is changed against the vibrational phase of the body T by vibrating the body T at the same frequency as that of the laser light by means of a vibration imparting device 11. While the controller 10 controls in such a way, the amplitude distribution and phase distribution in the vibration of the body T are measured by acquiring an interference fringe signal by means of a solid-state image pickup element 30.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、微小な振幅を持つ
振動体の振幅分布、位相分布を測定する装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for measuring an amplitude distribution and a phase distribution of a vibrating body having a small amplitude.

【0002】[0002]

【従来の技術】光の干渉を利用した測定は、測定精度が
高いこともあり、様々な測定に用いられている。このよ
うな干渉計としては、トワイマングリーン干渉計、マッ
ハツェンダー干渉計、フィゾー干渉計等がある。
2. Description of the Related Art Measurements utilizing light interference may be used for various measurements due to their high measurement accuracy. Such interferometers include a Twyman-Green interferometer, a Mach-Zehnder interferometer, and a Fizeau interferometer.

【0003】さらにこのような干渉計において、参照光
路の光路長を変調することにより、被検振動体の微小振
動を測定する方法も知られている。例えば、振幅a(x,
y)、周波数ωで調和振動する物体に波長λの光を照射し
てその像をTVカメラ上に結像させ、この物体からTV
カメラへの反射光の入射光路内に上記照射光と同一光源
からの光をそのまま参照光として入射させて物体からの
光と干渉させ、これをカメラに映し出すという方法があ
る。なおここで、(x,y)は振動面の座標位置を示す。こ
のとき得られる干渉信号I(x,y,t)は、振動物体からの
光の強度をIo(x,y)とし、参照光の強度をIr(x,y)とす
ると、式(1.1)および(1.2)により表される。
なお、これら式において、tは時間、θo(x,y)は物体の
振動の初期位相、Lは物体からの光の光路と参照光の光
路の光路長差である。
Further, in such an interferometer, there is also known a method of measuring a minute vibration of a vibration body to be measured by modulating an optical path length of a reference optical path. For example, the amplitude a (x,
y), irradiating an object that harmonically oscillates at a frequency ω with light of wavelength λ to form an image on a TV camera,
There is a method in which light from the same light source as the irradiation light is directly incident as reference light in the optical path of the reflected light to the camera, interferes with light from an object, and is projected on the camera. Here, (x, y) indicates the coordinate position of the vibration surface. In the interference signal I (x, y, t) obtained at this time, if the intensity of the light from the vibrating object is Io (x, y) and the intensity of the reference light is Ir (x, y), the equation (1. 1) and (1.2).
In these equations, t is time, θo (x, y) is the initial phase of the vibration of the object, and L is the optical path length difference between the optical path of the light from the object and the optical path of the reference light.

【0004】[0004]

【数1】 (Equation 1)

【0005】この干渉信号I(x,y,t)を十分に多くの周
期にわたって(少なくとも10周期以上にわたって)積
分すると、式(1.3)で表される強度分布M(x,y)が
得られることが従来から知られており、これにより振動
の振幅分布を求めることができる。なお、J0は、0次
のベッセル関数である。この強度分布M(x,y)は、図2
に示すように、振動振幅a=0の場所で最大強度1とな
り、約λ/4毎に第2,第3・・・のピークを取る。式
(1.3)は、強度分布M(x,y)が、物体の振動により
生じる光路長差(光源から物体に照射されて反射されT
Vカメラに至る光路長(被検光路長)と、光源から参照
光路を通ってTVカメラに至る光路長(参照光路長)と
の差の変化量2a(x,y)の関数として表されることを示
している。
When the interference signal I (x, y, t) is integrated over a sufficiently large number of periods (at least over 10 periods), an intensity distribution M (x, y) represented by the equation (1.3) is obtained. It is known from the prior art that the amplitude distribution can be obtained. Note that J0 is a zero-order Bessel function. This intensity distribution M (x, y) is shown in FIG.
As shown in (1), the maximum intensity becomes 1 at the place where the vibration amplitude a = 0, and the second, third,... Equation (1.3) indicates that the intensity distribution M (x, y) is obtained by calculating the difference in optical path length caused by the vibration of the object (the light source irradiates the object and reflects it.
It is expressed as a function of the amount of change 2a (x, y) of the difference between the optical path length to the V camera (tested optical path length) and the optical path length from the light source through the reference optical path to the TV camera (reference optical path length). It is shown that.

【0006】[0006]

【数2】 (Equation 2)

【0007】上記の振動測定方法は、λ/4以上の大き
な振幅分布を計測するのには適しているが、振動振幅a
(x,y)が小さい場合には、図2からも分かるように、強
度分布M(x,y)は最大強度1近傍の値のみとなってしま
うため、微小な振動分布を検出することは難しい。
The above-described vibration measuring method is suitable for measuring a large amplitude distribution of λ / 4 or more.
When (x, y) is small, as can be seen from FIG. 2, the intensity distribution M (x, y) has only a value near the maximum intensity 1, so that it is impossible to detect a minute vibration distribution. difficult.

【0008】このような欠点を補う方法として、参照光
光路変調法が知られている。この方法の場合には、上述
の計測を行う装置における参照光路中に配設したミラー
を、振幅bで、被検振動体と同じ振動周波数ωで振動さ
せる。これにより干渉信号の位相項φ(x,y)は、式
(2.1)で表される。
As a method for compensating for such a defect, a reference light path modulation method is known. In the case of this method, the mirror arranged in the reference light path in the apparatus for performing the above measurement is vibrated at the amplitude b and at the same vibration frequency ω as the vibration body to be measured. Accordingly, the phase term φ (x, y) of the interference signal is expressed by Expression (2.1).

【0009】[0009]

【数3】 φ(x,y)=2a(x,y)sin(ωt+θo(x,y))−2bsin(ωt+θr) ・・・(2.1)## EQU3 ## φ (x, y) = 2a (x, y) sin (ωt + θo (x, y)) − 2b sin (ωt + θr) (2.1)

【0010】ここで、θrは参照光の初期位相である。
式(2.1)を変形すると、式(2.2)となる。
Here, θr is the initial phase of the reference light.
By transforming equation (2.1), equation (2.2) is obtained.

【0011】[0011]

【数4】 φ(x,y)=2A(x,y)sin(ωt+θd) ・・・(2.2) 但し、 A(x,y)2 =a(x,y)2+b2−2a(x,y)bcos(θo(x,y)−θr) ・・・(2.3) tanθd=(a(x,y)sinθo(x,y)−bsinθr)/(a(x,y)cosθo(x,y)−bcosθr) ・・・(2.4)(4) φ (x, y) = 2A (x, y) sin (ωt + θd) (2.2) where A (x, y) 2 = a (x, y) 2 + b 2 -2a (x, y) bcos (θo (x, y) −θr) (2.3) tanθd = (a (x, y) sinθo (x, y) −bsinθr) / (a (x, y) cosθo (x, y) −bcosθr) (2.4)

【0012】式(2.1)は、「参照光路中のミラーを
振幅bで振動させて光路長を変調すること」が「被検振
動物体の振幅が式(2.2)で表される振幅A(x,y)で
振動し、参照光路は変調しない場合」に等しいことを示
しており、式(1.3)のa(x,y)をA(x,y)で置き換え
て式(2.5),(2.6)が得られる。
In the equation (2.1), “modulating the optical path length by oscillating the mirror in the reference optical path with the amplitude b” means “the amplitude of the vibration object to be measured is expressed by the equation (2.2). Vibration at amplitude A (x, y) and reference light path is not modulated ", and a (x, y) is replaced by A (x, y) in equation (1.3). (2.5) and (2.6) are obtained.

【0013】[0013]

【数5】 (Equation 5)

【0014】この方法によれば、被検物体の振動振幅a
(x,y)が小さいときでも、bの値を大きくすることによ
り、振動振幅a(x,y)の分布を感度良く強度分布M(x,y)
に置き換えることができる。最も効果があるのは、bの
値を関数Jo2が最も大きく、リニアな部分(b〜λ/1
0)に設定する方法である。この領域では、強度分布M
(x,y)は、近似的に式(2.7)と表すことができる。
According to this method, the vibration amplitude a of the test object is
Even when (x, y) is small, by increasing the value of b, the distribution of the vibration amplitude a (x, y) can be changed with high sensitivity to the intensity distribution M (x, y).
Can be replaced by The most effective is that the value of b is the largest when the function Jo 2 is the largest and the linear part (b to λ / 1
0). In this region, the intensity distribution M
(x, y) can be approximately expressed as Expression (2.7).

【0015】[0015]

【数6】 M(x,y)=k0−k1A(x,y) ・・・(2.7)[6] M (x, y) = k0 -k 1 A (x, y) ··· (2.7)

【0016】また、被検物体の振動振幅a(x,y)がミラ
ー振幅bに比べて十分小さい場合には、式(2.3)よ
りA(x,y)は、式(2.8)と近似的に表される。
When the vibration amplitude a (x, y) of the object to be measured is sufficiently smaller than the mirror amplitude b, A (x, y) is calculated from the equation (2.3) by the equation (2.8). ) Is approximately expressed.

【0017】[0017]

【数7】 (Equation 7)

【0018】合成振幅A(x,y)は、被検物体とミラーの
振動の位相関係Δθ(x,y)を変化させることにより、b
+a(x,y)と、b−a(x,y)との間で変化する。式(2.
8)を式(2.7)に代入すると、強度分布を表す式
(2.9)が得られる。
The composite amplitude A (x, y) is calculated by changing the phase relationship Δθ (x, y) between the vibration of the test object and the mirror.
+ A (x, y) and ba- (x, y). Equation (2.
By substituting 8) into equation (2.7), equation (2.9) representing the intensity distribution is obtained.

【0019】[0019]

【数8】 M(x,y,Δθ)=k0−k1(b−a(x,y)cosΔθ(x,y)) ・・・(2.9)[Equation 8] M (x, y, Δθ) = k0-k 1 (b-a (x, y) cosΔθ (x, y)) ··· (2.9)

【0020】Δθ(x,y)が全面でほぼ等しい値を取る場
合(物体の振動の位相分布θ0が物体全面で等しい場
合)には、物体と参照ミラーの振動が同位相(Δθ=
0)のときと、逆位相(Δθ=π)のときの差を取る
と、式(2.10)のようになり、物体の微小な振幅a
(x,y)を計測することができる。
When Δθ (x, y) takes substantially the same value over the entire surface (when the phase distribution θ 0 of the vibration of the object is the same over the entire surface of the object), the vibration of the object and the reference mirror has the same phase (Δθ =
0) and the case of the opposite phase (Δθ = π), the equation (2.10) is obtained, and the small amplitude a of the object
(x, y) can be measured.

【0021】[0021]

【数9】 ΔM(x,y)=M(x,y,π)−M(x,y,0)=2k1a(x,y) ・・・(2.10)ΔM (x, y) = M (x, y, π) −M (x, y, 0) = 2k 1 a (x, y) (2.10)

【0022】Δθ(x,y)が全面で一定とは見なせない場
合には、参照光路の初期位相がθr=0,π/2,π,
3π/2のときのM(x,y)の値をそれぞれM0(x,y),M1
(x,y),M2(x,y),M3(x,y)とすると、これらは式
(2.11)〜(2.14)のようになる。
If Δθ (x, y) cannot be considered to be constant over the entire surface, the initial phase of the reference optical path is θr = 0, π / 2, π,
The values of M (x, y) at 3π / 2 are M0 (x, y) and M1 respectively.
Assuming (x, y), M2 (x, y), and M3 (x, y), these are as shown in equations (2.11) to (2.14).

【0023】[0023]

【数10】 M0(x,y)=k0−K1(b−a(x,y)cosθ0(x,y)) ・・・(2.11) M1(x,y)=k0−K1(b−a(x,y)cos(θ0(x,y)−π/2)) =k0−K1(b+a(x,y)sinθ0(x,y)) ・・・(2.12) M2(x,y)=k0−K1(b−a(x,y)cos(θ0(x,y)−π)) =k0−K1(b+a(x,y)cosθ0(x,y)) ・・・(2.13) M3(x,y)=k0−K1(b−a(x,y)cos(θ0(x,y)−3π/2)) =k0−K1(b−a(x,y)sinθ0(x,y)) ・・・(2.14)Equation 10] M0 (x, y) = k0 -K 1 (b-a (x, y) cosθ0 (x, y)) ··· (2.11) M1 (x, y) = k0-K 1 (b-a (x, y ) cos (θ0 (x, y) -π / 2)) = k0-K 1 (b + a (x, y) sinθ0 (x, y)) ··· (2.12) M2 (x, y) = k0 -K 1 (b-a (x, y) cos (θ0 (x, y) -π)) = k0-K 1 (b + a (x, y) cosθ0 (x, y) ) ··· (2.13) M3 (x , y) = k0-K 1 (b-a (x, y) cos (θ0 (x, y) -3π / 2)) = k0-K 1 (b −a (x, y) sin θ0 (x, y)) (2.14)

【0024】上記式から次のように定義されるS(x,y)
を計算すれば、式(2.15)に示すように、微小振幅
a(x,y)のみをとりだすことができる。また、このとき
の物体の振動の初期位相の分布θ0(x,y)は、式(2.1
6)により求めることができる。なお、K1はベッセル関
数J0の傾きであり既知の値である。
From the above equation, S (x, y) defined as follows:
Is calculated, only the minute amplitude a (x, y) can be extracted as shown in the equation (2.15). The distribution θ0 (x, y) of the initial phase of the vibration of the object at this time is given by the equation (2.1
6). Note that K1 is the slope of the Bessel function J0 and is a known value.

【0025】[0025]

【数11】 S(x,y) =(M1(x,y)−M3(x,y))2+(M2(x,y)−M0(x,y))2 =(2k1a(x,y)sinθo(x,y))2+(2k1a(x,y)cosθ0(x,y))2 =4k1 2a(x,y)2 ・・・(2.15) θ0(x,y)=arctan((M1(x,y)−M3(x,y))/(M2(x,y)−M0(x,y)) ・・・(2.16)S (x, y) = (M1 (x, y) −M3 (x, y)) 2 + (M2 (x, y) −M0 (x, y)) 2 = (2k 1 a ( x, y) sinθo (x, y)) 2 + (2k 1 a (x, y) cosθ0 (x, y)) 2 = 4k 1 2 a (x, y) 2 ··· (2.15) θ0 (x, y) = arctan ((M1 (x, y) -M3 (x, y)) / (M2 (x, y) -M0 (x, y)) (2.16)

【0026】[0026]

【発明が解決しようとする課題】以上の方法を用いれ
ば、微小振動の計測が可能であるが、上記のような従来
の方法では波長が一定である光源を用いており、参照ミ
ラーを振動させる必要がある。ところで、上記のように
して物体の微小振動を計測するには、計測のための光学
系が安定していなければならないが、参照ミラーを振動
させるとその振動が他の光学系にまで伝わり、正確な計
測が難しいという問題がある。
With the above-mentioned method, it is possible to measure minute vibrations. However, in the above-mentioned conventional method, a light source having a constant wavelength is used, and the reference mirror is vibrated. There is a need. By the way, in order to measure the minute vibration of an object as described above, the optical system for measurement must be stable, but when the reference mirror is vibrated, the vibration is transmitted to other optical systems and accurate. Measurement is difficult.

【0027】本発明はこのような問題に鑑み、ミラーを
振動させることなく微小振動の振動パターンの計測が可
能な振動測定装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a vibration measuring apparatus capable of measuring a vibration pattern of minute vibration without vibrating a mirror.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段】このような目的達成のた
め、本発明においては、波長変調可能なレーザ光源と、
被検震動体を振動させる振動付与器と、レーザ光源から
の出射レーザ光を二分割する光分割手段と、光分割手段
により分割された一方のレーザ光を被検振動体上に照射
させて被検振動体から反射されてくる光を導く被検光路
と、被検光路の長さと異なる光路長さを有するとともに
光分割手段により分割された他方のレーザ光を導く参照
光路と、被検光路を通ったレーザ光と参照光路を通った
レーザ光とを重ね合わせる光合成手段と、光合成手段に
より重ね合わされたレーザ光を受光してこのように重ね
合わされたレーザ光の干渉縞信号を得る信号取得手段
と、レーザ光源の出力波長を変調制御するレーザ波長変
調手段とを備えて構成される。
According to the present invention, a laser light source capable of wavelength modulation is provided.
A vibration imparting device for vibrating the vibration object to be measured, a light splitting means for splitting a laser beam emitted from a laser light source into two, and one of the laser beams split by the light splitting means is irradiated on the vibration body to be measured to be irradiated. A test light path for guiding the light reflected from the vibrating body, a reference light path having an optical path length different from the length of the test light path and guiding the other laser light split by the light splitting means, and a test light path. A light synthesizing unit that superimposes the laser light that has passed through and the laser light that has passed through the reference optical path; And a laser wavelength modulating means for modulating and controlling the output wavelength of the laser light source.

【0029】そして、レーザ波長変調手段によりレーザ
光源からの出射レーザ光の波長を変調し、同時に振動付
与器により、このように変調されたレーザ光の周波数と
同一の周波数で被検振動体を振動させ、変調されたレー
ザ光の位相を被検振動体の振動位相に対して変化させ
る。このようにしてレーザ波長変調手段による制御が行
われている間にわたって、信号取得手段により干渉縞信
号を取得して被検振動体における振動の振幅分布および
位相分布を測定する。
Then, the wavelength of the laser light emitted from the laser light source is modulated by the laser wavelength modulation means, and at the same time, the vibration body is vibrated at the same frequency as the frequency of the laser light thus modulated by the vibration applicator. Then, the phase of the modulated laser light is changed with respect to the vibration phase of the test vibration body. While the control by the laser wavelength modulating means is being performed in this manner, the interference fringe signal is acquired by the signal acquiring means, and the amplitude distribution and phase distribution of the vibration in the vibration body to be measured are measured.

【0030】以上の構成の本発明に係る振動測定装置の
場合には、振動する被検振動体に照射するレーザ光を変
調するだけで被検振動体の微小振動の測定が可能であ
る。このため、従来のようにミラーを振動させる必要が
なく、測定系に振動するものが存在しないため、高精度
な測定が可能である。
In the case of the vibration measuring apparatus according to the present invention having the above-described configuration, it is possible to measure the minute vibration of the vibration object by simply modulating the laser beam applied to the vibration object. For this reason, it is not necessary to vibrate the mirror as in the related art, and since there is no vibration in the measurement system, highly accurate measurement is possible.

【0031】なお、レーザ波長変調手段によるレーザ光
の波長変調量Δλは、被検光路と参照光路との光路長差
をL、レーザ光の波長をλとして、式 λ2/(10
L)< Δλ < λ2/(4L) により求めるのが
好ましい。
The wavelength modulation amount Δλ of the laser light by the laser wavelength modulating means is represented by the following formula: λ 2 / (10) where L is the optical path length difference between the test light path and the reference light path, and λ is the laser light wavelength.
L) <Δλ <λ 2 / (4L)

【0032】また、十分に長い時間にわたって(少なく
とも周波数周期の10倍以上の長い時間にわたって)得
られた干渉縞信号の平均値から、被検振動体における振
動の振幅分布および位相分布を測定するのが望ましい。
Further, the amplitude distribution and phase distribution of the vibration in the vibrating body to be measured are measured from the average value of the interference fringe signals obtained over a sufficiently long time (at least over a time longer than 10 times the frequency period). Is desirable.

【0033】変調されたレーザ光の位相を被検振動体の
振動位相と一致させたときにおける干渉縞信号の平均値
を第1データM0(x,y)として取得し、さらに、変調され
たレーザ光の位相を被検振動体の振動位相に対して、そ
れぞれπ,π/2,3π/2だけずらせたときにおける
干渉縞信号の平均値を第2データM1(x,y),第3データ
M2(x,y),第4データM3(x,y)として取得する。そし
て、式 (M1(x,y)−M3(x,y))2+(M2(x,y)−M0(x,
y))2=4k1 2a(x,y)2 から、振幅分布a(x,y)を計算
し、式 θ0(x,y)=arctan((M1(x,y)−M3(x,y))/(M
2(x,y)−M0(x,y))から、位相分布θ0(x,y)を計算する
ことができる。
The average value of the interference fringe signal when the phase of the modulated laser beam is matched with the vibration phase of the vibration body to be measured is obtained as first data M0 (x, y). The average value of the interference fringe signal when the phase of the light is shifted by π, π / 2, and 3π / 2 with respect to the vibration phase of the test object, respectively, is the second data M1 (x, y) and the third data. M2 (x, y) and the fourth data M3 (x, y). Then, the equation (M1 (x, y) −M3 (x, y)) 2 + (M2 (x, y) −M0 (x,
y)) 2 = 4k 1 2 Calculate the amplitude distribution a (x, y) from a (x, y) 2 and obtain the equation θ0 (x, y) = arctan ((M1 (x, y) −M3 (x , y)) / (M
2 (x, y) −M0 (x, y)), the phase distribution θ0 (x, y) can be calculated.

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施形態
を説明する。前述のように従来では参照光路に配設した
ミラーを振動させて被検振動物体の微小振動を計測して
いたが、このようにミラーを振動させるとこの振動が他
の光学系等に影響して測定誤差を増加させるという問題
がある。このため、本発明では、光源に半導体レーザを
用い、その波長を変調することによって固体振動を発生
させることなく被検振動物体の微小振動を測定する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. As described above, in the past, the mirror provided in the reference optical path was vibrated to measure the minute vibration of the vibration object to be measured, but when the mirror was vibrated in this way, this vibration affected other optical systems and the like. This increases the measurement error. For this reason, in the present invention, a semiconductor laser is used as a light source, and the minute vibration of the vibration object to be measured is measured without modulating the wavelength of the semiconductor laser to generate solid vibration.

【0035】まず、前述の式(1.1)において、波長
をΔλ(t)だけ変化させた場合を考えると、干渉信号I
(x,y,t)は、次式(3.1)のようになる。
First, in the above equation (1.1), considering the case where the wavelength is changed by Δλ (t), the interference signal I
(x, y, t) is represented by the following equation (3.1).

【0036】[0036]

【数12】 (Equation 12)

【0037】ここで、波長を式{Δλ(t)=Δλsin(ω
t+θl) ・・・(3.2)}となるように正弦波状に
変調する場合を考える。この式(3.2)を式(3.
1)に代入すると、式(3.3)および式(3.4)の
ように変形することができる。
Here, the wavelength is expressed by the formula {Δλ (t) = Δλsin (ω
(t + θl) (3) Let us consider a case where modulation is performed in a sinusoidal manner so as to satisfy (3.2)}. This equation (3.2) is converted into equation (3.
By substituting into 1), it can be transformed as shown in Expression (3.3) and Expression (3.4).

【0038】[0038]

【数13】 (Equation 13)

【0039】式(3.4)を式(2.1)と比べると、
式(2.1)のbを、(LΔλ/2λ)で置き換えたも
のに等しいことが分かる。このため、(LΔλ/2λ)
が、Jo2のリニアな領域(λ/20 〜 λ/8)に一致す
るΔλを選択すれば、前述の議論に従い、被検物体の微
小な振動a(x,y)を検出することが可能になる。この条
件は式(3.5)のように表される。
Comparing equation (3.4) with equation (2.1),
It can be seen that this is equivalent to the case where b in equation (2.1) is replaced by (LΔλ / 2λ). Therefore, (LΔλ / 2λ)
However, if Δλ that matches the linear region of Jo 2 (λ / 20 to λ / 8) is selected, it is possible to detect the minute vibration a (x, y) of the test object according to the above discussion. become. This condition is expressed as in equation (3.5).

【0040】[0040]

【数14】 (λ/20) <(Δλ/2λ)< (λ/8) よって、 λ2/(10L) < Δλ < λ2/(4L) ・・・(3.5)(Λ / 20) <(Δλ / 2λ) <(λ / 8) Therefore, λ 2 / (10 L) <Δλ <λ 2 / (4L) (3.5)

【0041】[0041]

【実施例】次に、本発明に係る振動測定装置の具体的な
実施例を図1を参照して説明する。この装置は、被検振
動体Tの振動を測定する装置であり、被検振動体Tに所
定振動を付与するピエゾ素子、アンプ、マイクロフォン
等からなる振動付与器11と、この振動付与器11の作
動を制御するコントローラ10と、同じくこのコントロ
ーラ10により出力制御されるレーザ光源12とが図示
のように設けられている。
Next, a specific embodiment of the vibration measuring device according to the present invention will be described with reference to FIG. This device is a device for measuring the vibration of the vibration body T to be tested, and includes a vibration applicator 11 composed of a piezo element, an amplifier, a microphone, and the like for imparting a predetermined vibration to the vibration body T to be tested. A controller 10 for controlling the operation and a laser light source 12 whose output is also controlled by the controller 10 are provided as shown in the figure.

【0042】レーザ光源12から出射されたレーザ光は
第1ビームスプリッタ13により、被検光A1と参照光
A2とに分割される。被検光A1は第1ミラー14によ
り反射されて第1凸レンズ15に入射し、ここでピンホ
ール16に集光されてこれを通過して発散光となり、被
検振動体Tを照射する。被検振動体Tから反射された被
検光A1は、第2および第3凸レンズ17,18、可変
絞り19を介して固体撮像素子30に入射し、固体撮像
素子30により被検振動体Tの画像信号が取得される。
なお、このようにレーザ光源12から固体撮像素子30
に至る被検光A1の光路を被検光路と称する。
The laser light emitted from the laser light source 12 is split by the first beam splitter 13 into the test light A1 and the reference light A2. The test light A1 is reflected by the first mirror 14 and enters the first convex lens 15, where it is condensed on the pinhole 16 and passes therethrough to become divergent light, and irradiates the test vibration body T. The test light A1 reflected from the test object T enters the solid-state imaging device 30 via the second and third convex lenses 17 and 18 and the variable stop 19, and the solid-state image sensor 30 outputs the test light A1. An image signal is obtained.
Note that, as described above, the laser light source 12 is
Is referred to as a test light path.

【0043】一方、参照光A2は、NDフィルター21
およぴビームエキスパンダー22を通った後、第2ミラ
ー23により反射されて第4凸レンズ24に入射し、こ
こでピンホール25に集光されてこれを通過して発散光
となり、第2ビームスプリッタ27により被検光A1と
合成されて固体撮像素子30に入射する。なお、このよ
うにレーザ光源12から固体撮像素子30に至る参照光
A2の光路を参照光路と称する。
On the other hand, the reference light A2 is
After passing through the beam expander 22, it is reflected by the second mirror 23 and enters the fourth convex lens 24, where it is condensed on the pinhole 25, passes through it and becomes divergent light, and becomes the second beam splitter. The light 27 is combined with the test light A1 by 27 and enters the solid-state imaging device 30. The optical path of the reference light A2 from the laser light source 12 to the solid-state imaging device 30 is referred to as a reference optical path.

【0044】このように固体撮像素子30には、被検光
A1と参照光A2とが重ね合わされて入射され、この固
体撮像素子30により両光の干渉縞信号を取得すること
ができる。なお、このようにして固体撮像素子30によ
り得られた画像信号は画像処理装置31を介してモニタ
ー32により表示される。また、この信号情報はコント
ローラ10にフィードバックされる。
As described above, the test light A1 and the reference light A2 are superimposed and incident on the solid-state imaging device 30, and the solid-state imaging device 30 can obtain interference fringe signals of both lights. The image signal thus obtained by the solid-state imaging device 30 is displayed on the monitor 32 via the image processing device 31. This signal information is fed back to the controller 10.

【0045】以上の構成の振動測定装置において、コン
トローラ10によりレーザ光源12から出射されるレー
ザ光の波長を変調させれば、前述のように、被検振動体
Tの微小振動を検出することが可能である。この振動測
定の具体的な方法を以下に説明する。
In the vibration measuring apparatus having the above structure, if the wavelength of the laser light emitted from the laser light source 12 is modulated by the controller 10, the minute vibration of the vibration body T to be detected can be detected as described above. It is possible. A specific method of the vibration measurement will be described below.

【0046】(ステップ1) まず、検出光路と参照光
路の光路長差Lと、レーザ光源12から出射されるレー
ザ光の波長λとから、上述の式(3.5)に従って、波
長変調量Δλを決める。例えば、レーザ光の波長λ=8
30nm、光路長差L=20mmとすると、波長変調量
Δλ=0.0069nm=6.9pmが得られる。
(Step 1) First, from the optical path length difference L between the detection optical path and the reference optical path, and the wavelength λ of the laser light emitted from the laser light source 12, the wavelength modulation amount Δλ is obtained in accordance with the above equation (3.5). Decide. For example, the wavelength λ of the laser beam is
Assuming that the optical path length difference is 30 nm and the optical path length difference L is 20 mm, a wavelength modulation amount Δλ = 0.0069 nm = 6.9 pm is obtained.

【0047】(ステップ2) 予め測定しておいたレー
ザ光源12に用いられる半導体レーザのデータから、上
記波長変調量Δλに相当する電流変調量ΔIを決める。
ここで、上記波長変調量Δλ=6.9pmを得るために
は、すなわち、レーザ光の波長を6.9pm変調するに
は、例えば、レーザ光源12の駆動電流を0.52mA
変調すれば良く、これは十分大きな変調量である。
(Step 2) A current modulation amount ΔI corresponding to the wavelength modulation amount Δλ is determined from the data of the semiconductor laser used for the laser light source 12 measured in advance.
Here, in order to obtain the wavelength modulation amount Δλ = 6.9 pm, that is, to modulate the wavelength of the laser beam to 6.9 pm, for example, the drive current of the laser light source 12 is set to 0.52 mA.
The modulation may be performed, which is a sufficiently large modulation amount.

【0048】(ステップ3) 被検振動体Tに振動付与
器(ピエゾ素子)11により付与する振動の周波数と、
信号の強さを決める。なお、この振動周波数は、上記電
流変調量ΔIにより変調されるレーザ光の周波数と同一
に設定される。
(Step 3) The frequency of the vibration applied to the test vibration body T by the vibration applying device (piezo element) 11
Determine the signal strength. The oscillation frequency is set to be the same as the frequency of the laser beam modulated by the current modulation amount ΔI.

【0049】(ステップ4) 被検振動体Tの振動の周
波数および位相と、レーザ光源12からのレーザ光の周
波数および位相とを一致させる。すなわち、同一周波数
および位相の振動およびレーザ光となるように、コント
ローラ10により、振動付与器11およびレーザ光源1
2の作動を制御する。このときレーザ光源12に付与す
る駆動信号の電流変調量は上記のΔI(例えば、0.5
2mA)である。
(Step 4) The frequency and phase of the vibration of the vibration body T to be tested are matched with the frequency and phase of the laser beam from the laser light source 12. That is, the controller 10 causes the vibration applicator 11 and the laser light source 1 to generate vibration and laser light having the same frequency and phase.
2 is controlled. At this time, the current modulation amount of the drive signal applied to the laser light source 12 is ΔI (for example, 0.5
2 mA).

【0050】(ステップ5) このような制御を行った
ときに、被検光路と参照光路とから固体撮像素子30に
入射する光による干渉縞信号の平均値を、与えた信号の
周期に比べて十分長い時間(少なくとも、10周期以
上)にわたって取得し、これを第1データM0(x,y)とす
る。
(Step 5) When such control is performed, the average value of interference fringe signals due to light incident on the solid-state imaging device 30 from the test light path and the reference light path is compared with the period of the given signal. Acquired over a sufficiently long time (at least 10 cycles or more), and this is set as first data M0 (x, y).

【0051】(ステップ6) 次に、レーザ光源12に
与える駆動信号の位相のみを、上記ステップ4における
位相に対して、π/2だけずらし、ステップ5と同様の
データを取得し、これを第2データM1(x,y)とする。
(Step 6) Next, only the phase of the drive signal applied to the laser light source 12 is shifted by π / 2 with respect to the phase in the above step 4, and the same data as in the step 5 is obtained. It is assumed that two data M1 (x, y).

【0052】(ステップ7) さらに、同様にして、レ
ーザ光源12に与える駆動信号の位相のみを、上記ステ
ップ4における位相に対して、πおよび3π/2だけず
らし、それぞれステップ5と同様のデータを取得し、こ
れを第3データM2(x,y)および第4データM3(x,y)とす
る。
(Step 7) Further, similarly, only the phase of the drive signal applied to the laser light source 12 is shifted by π and 3π / 2 with respect to the phase in the above step 4, and the same data as in the step 5 is respectively obtained. Acquired and used as third data M2 (x, y) and fourth data M3 (x, y).

【0053】(ステップ8) 上記のようにして得られ
た第1〜第4データから、前述の式(2.15)を用い
て、被検振動体Tの振幅分布a(x,y)を計算する。
(Step 8) From the first to fourth data obtained as described above, the amplitude distribution a (x, y) of the test object T is calculated using the above-mentioned equation (2.15). calculate.

【0054】(ステップ9) 同様に式(2.16)を
用いて位相分布θ(x,y)を計算する。
(Step 9) Similarly, the phase distribution θ (x, y) is calculated using the equation (2.16).

【0055】(ステップ10) このようにして計算さ
れた振幅分布a(x,y)および位相分布θ(x,y)の計算結果
をモニター32等により表示する。
(Step 10) The calculation results of the amplitude distribution a (x, y) and the phase distribution θ (x, y) thus calculated are displayed on the monitor 32 or the like.

【0056】(ステップ11) 被検振動物体に与える
振動の条件を変えて、ステップ3〜10を繰り返す。
(Step 11) Steps 3 to 10 are repeated by changing the condition of the vibration applied to the vibration object to be tested.

【0057】[0057]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ波長変調手段によりレーザ光源からの出射レーザ
光の波長を変調し、同時に振動付与器により、このよう
に変調されたレーザ光の周波数と同一の周波数で被検振
動体を振動させ、変調されたレーザ光の位相を被検振動
体の振動位相に対して変化させ、このようにしてレーザ
波長変調手段による制御が行われている間にわたって、
信号取得手段により干渉縞信号を取得して被検振動体に
おける振動の振幅分布および位相分布を測定するので、
測定系に振動するものが存在せず、高精度な測定が可能
である。
As described above, according to the present invention,
The wavelength of the laser light emitted from the laser light source was modulated by the laser wavelength modulating means, and at the same time, the vibrating device was vibrated at the same frequency as the frequency of the laser light thus modulated by the vibration imparting device. The phase of the laser light is changed with respect to the vibration phase of the vibration body to be tested, and while the control by the laser wavelength modulation means is performed in this manner,
Since the interference fringe signal is acquired by the signal acquiring means and the amplitude distribution and the phase distribution of the vibration in the vibration object to be measured are measured,
There is no vibration in the measurement system, and highly accurate measurement is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る振動測定装置の一例を示す構成説
明図である。
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing an example of a vibration measuring device according to the present invention.

【図2】干渉系を用いて被検振動物体の振動測定を行っ
た場合での、振動強度と振幅との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between vibration intensity and amplitude when vibration of a vibration object to be measured is measured using an interference system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 コントローラ 11 振動付与器 12 レーザ光源 13 第1ビームスプリッタ 27 第2ビームスプリッタ 30 固体撮像素子 31 画像処理装置 32 モニター Reference Signs List 10 controller 11 vibration imparting device 12 laser light source 13 first beam splitter 27 second beam splitter 30 solid-state imaging device 31 image processing device 32 monitor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 仁 宮城県仙台市青葉区八幡4丁目10の9 (72)発明者 奈良 誠 東京都品川区西大井1丁目7番11号 株式 会社ニコン技術工房内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hitoshi Wada 4-10-9, Yawata, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture (72) Inventor Makoto Nara 1-7-11 Nishioi, Shinagawa-ku, Tokyo Nikon Technical Studio Co., Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 波長変調可能なレーザ光源と、 被検震動体を振動させる振動付与器と、 このレーザ光源からの出射レーザ光を二分割する光分割
手段と、 この光分割手段により分割された一方のレーザ光を前記
被検振動体上に照射させ、前記被検振動体から反射され
てくる光を導く被検光路と、 この被検光路の長さと異なる光路長さを有し、前記光分
割手段により分割された他方のレーザ光を導く参照光路
と、 前記被検光路を通ったレーザ光と前記参照光路を通った
レーザ光とを重ね合わせる光合成手段と、 この光合成手段により重ね合わされたレーザ光を受光し
て前記重ね合わされたレーザ光の干渉縞信号を得る信号
取得手段と、 この信号取得手段により得られた前記干渉縞信号を信号
処理する信号処理手段と、 前記レーザ光源の出力波長を変調制御するレーザ波長変
調手段とを備え、 このレーザ波長変調手段により前記レーザ光源からの出
射レーザ光の波長を変調し、前記振動付与器によりこの
ように変調されたレーザ光の周波数と同一の周波数で前
記被検振動体を振動させ、前記変調されたレーザ光の位
相を前記被検振動体の振動位相に対して変化させ、 このような前記レーザ波長変調手段による制御が行われ
ている間に前記信号取得手段により得られた干渉縞信号
から、前記被検振動体における振動の振幅分布および位
相分布を測定することを特徴とする振動測定装置。
1. A laser light source capable of wavelength modulation, a vibration imparting device for vibrating an object to be measured, a light splitting means for splitting a laser beam emitted from the laser light source into two, and split by the light splitting means. A laser light path for irradiating one of the laser beams onto the vibration body to be tested and guiding the light reflected from the vibration body to be tested; and a light path length different from the length of the light path to be tested. A reference light path for guiding the other laser light split by the splitting means, a light combining means for overlapping the laser light passing through the test light path with the laser light passing through the reference light path, and a laser overlapped by the light combining means Signal acquisition means for receiving light to obtain an interference fringe signal of the superposed laser light; signal processing means for performing signal processing on the interference fringe signal obtained by the signal acquisition means; and an output wave of the laser light source Laser wavelength modulation means for controlling the modulation of the laser light. The laser wavelength modulation means modulates the wavelength of the laser light emitted from the laser light source, and the same as the frequency of the laser light thus modulated by the vibration imparting device. Vibrating the test vibration body at a frequency, and changing the phase of the modulated laser light with respect to the vibration phase of the test vibration body, while the control by the laser wavelength modulating means is being performed; A vibration measuring device for measuring an amplitude distribution and a phase distribution of the vibration in the vibration object to be measured from the interference fringe signal obtained by the signal acquiring means.
【請求項2】 前記レーザ波長変調手段によるレーザ光
の波長変調量Δλを、次式 λ2/(10L) <Δλ< λ2/(4L) 但し、L: 前記被検光路と前記参照光路との光路長
差、 λ: 前記出射レーザ光の波長λ により定まる範囲内において設定することを特徴とする
請求項1に記載の振動測定装置。
2. The wavelength modulation amount Δλ of the laser light by the laser wavelength modulation means is represented by the following formula: λ 2 / (10L) <Δλ <λ 2 / (4L) where L: the optical path to be measured and the reference optical path The vibration measuring apparatus according to claim 1, wherein the optical path length difference is set within a range determined by a wavelength λ of the emitted laser light.
【請求項3】 前記信号取得手段により少なくとも前記
周波数周期の10倍以上の長い時間にわたって得られた
干渉縞信号の平均値から、前記被検振動体における振動
の振幅分布および位相分布を測定することを特徴とする
請求項1もしくは2に記載の振動測定装置。
3. An amplitude distribution and a phase distribution of vibration in the vibration body to be measured are measured from an average value of interference fringe signals obtained by the signal acquisition means over a long period of time at least ten times the frequency period. The vibration measuring device according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項4】 前記変調されたレーザ光の位相を前記被
検振動体の振動位相と一致させたときにおける前記干渉
縞信号の平均値を第1データM0(x,y)として取得し、 前記変調されたレーザ光の位相を前記被検振動体の振動
位相に対して、それぞれπ,π/2,3π/2だけずら
せたときにおける前記干渉縞信号の平均値を第2データ
M1(x,y),第3データM2(x,y),第4データM3(x,y)と
して取得し、 次式 (M1(x,y)−M3(x,y))2+(M2(x,y)−M0(x,y))2=4k
1 2a(x,y)2 から、振幅分布a(x,y)を計算し、 次式 θ0(x,y)=arctan((M1(x,y)−M3(x,y))/(M2(x,y)−
M0(x,y)) から、位相分布θ0(x,y)を計算することを特徴とする請
求項1〜3のいずれかに記載の振動測定装置。
4. An average value of the interference fringe signal when a phase of the modulated laser light is made to coincide with a vibration phase of the vibration body to be measured is obtained as first data M0 (x, y). The average value of the interference fringe signal when the phase of the modulated laser beam is shifted by π, π / 2, and 3π / 2 with respect to the vibration phase of the vibration body to be tested is represented by second data M1 (x, y), the third data M2 (x, y) and the fourth data M3 (x, y), and the following equation (M1 (x, y) −M3 (x, y)) 2 + (M2 (x, y) y) -M0 (x, y)) 2 = 4k
1 2 Calculate the amplitude distribution a (x, y) from a (x, y) 2 and obtain the following equation: θ0 (x, y) = arctan ((M1 (x, y) −M3 (x, y)) / (M2 (x, y) −
The vibration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a phase distribution θ0 (x, y) is calculated from M0 (x, y)).
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