JPS6091225A - 非接触超音波受信装置 - Google Patents

非接触超音波受信装置

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JPS6091225A
JPS6091225A JP19908183A JP19908183A JPS6091225A JP S6091225 A JPS6091225 A JP S6091225A JP 19908183 A JP19908183 A JP 19908183A JP 19908183 A JP19908183 A JP 19908183A JP S6091225 A JPS6091225 A JP S6091225A
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JP
Japan
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light
receiving device
contact ultrasonic
ultrasonic receiving
generator
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Application number
JP19908183A
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English (en)
Inventor
Jun Kubota
純 窪田
Soji Sasaki
佐々木 荘二
Kazuya Sato
佐藤 弌也
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、物体の表面で反射または散乱された光が、該
表面に生じている超音波振動によシ変調されることを利
用して該振動を光によシ検出する装置に係シ、特に該表
面に入射させる光を予め変調しておくことによシ該振動
を高感度に検出する非接触超音波受信装置に関する。
〔発明の背景〕
本発明は特開昭51−83549に関連するもので、ま
ず、この公知技術について図面を用いて説明する。第1
図は従来公知の干渉法を用いた超音波振動の検出法の解
説図である。被検査体4は、超音波振動を受け、または
、伝播して来た超音波によシ、その表面4aが振動して
いるものとする。該表面4aはレーザ2からの単色コヒ
ーレントな平行光によって照射される。反射された光ビ
ーム5はビームスプリッタ31に伝達され、2本のビー
ム5a及び5bに分割される。主ビーム5aは鏡32に
伝達され、反射されて再びビームスプリッタ31に戻さ
れ、光検出器6に送られる。ビームスプリッタ31で分
割された他のビーム5bは該スプリッタ31と反射鏡向
32′との間を折シ返された光経路の形態を有する遅延
経路33を伝播せしめられて遅延光となシ、栴びビーム
スプリッタ31を通って光検出器6に到達する。遅延経
路33はSの長さを持ち、遅延時間28/C(C:光速
)だけ、ビーム5bがビーム58に対して遅延される。
反射光ビーム5は被検体表面4aの振励によシ変詞また
は位相ずれを受けるが、遅延時間2S/Cを大略該振動
の半周期とし、両ビーム5a、5bの干渉強度の便化が
該振動に従う位相ずれに対し最大となるよう調整する事
によシ、光検出器6の出力する信号として該振動を検出
することができる。
この従来技術において、超音波周V数は一般に0.4〜
30MHz程度で、特に良く使用される2MH2を例に
とると、振動の半周期は250nSとなる。光速3 X
 I Q8m/sから計算すると、光遅延経路33の長
さSは37.5mにも及び、一般に用いられる探傷益や
診断装置或は振動検出器等、机上に載る装置に較べ桁外
れに大きくなる。この大きさは、鏡等によシ折返し、縮
小することもできるが、路長Sは不変でなければならな
いし、光の波長(214m)以下の精度で安定でなくて
はならない。即ち、光の経路33や、ビームスプリッタ
31と鏡32の間の経路の屈折率や距離が、37.5m
に対する1μm以下の精度で安定でなくてはならないが
、10′″7以下の機械的精度を、気温等の種々の環境
状件に対し一定に保つのは容易なことではない。
以上の説明かられかるように、この従来技術の欠点は、
光遅延経路を必要とするので必然的に大形化すること、
及び機械的精度と安定度の要求が厳しく、何らかの補正
機構等を要する点である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、前記の欠点を無くシ、小形で遅延路長
の機械的補正手段等の必要の無い、外乱に対し安定な非
接触超音波受信装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
第2図は前記公知例において、物体表面が連続波状に振
動している場合の反射光5及び光検出器6の出力のスペ
クトル強度を、夫々(a)及び(b)のグラフとして示
したものである。レーザ光の周波数ωopは振動の周波
数ωυLの変調を受け、反射光は側帯波を持つ。光検出
器の応答は高々IGH2なので側帯波のみを出力するが
、このレベルは干渉強度により影響を受け、S/Nひい
ては検出感度に影響する。
これに対し本発明では、物体を照明する光(第1図のレ
ーザの出力光に相当)を、光検出器の応答する範囲の周
波数で予め振幅変調もしくはパルス変調しておき、光検
出器でその変調周波数成分を、位相まで含めて検出し、
さらにその中から超音波振動速度に対応する周波数のF
MまたはPM酸成分抽出することによって、第1図の干
渉系3を省き、小形化すると共にその不安定度による干
渉強度の変動を除去したものである。また、反射光の強
度の変動による影響を受けに〈〈シたものである。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第3図によp説明する。信号
発生器1は、光検出器6が応答し得る周波数、例えば1
00JtJH2乃至IGH2で安定な連続波またはパル
ス波の信号を出力する。変調光発生器2は、その信号に
よって襲幅変調された変調光を発生し、方向フィルタ3
5等から成る光伝播手段3を通して平行光とし、物体4
の振動している表面4aを照射する。そこで光は、表面
4aが平滑であれば反射、また、粗面であれば散乱され
、反射光5となるが、それと同時に、該表面4aの振動
速度により周波数変調または位相変調を受ける。この時
の変調は光の周波数に対すると同時に、前記振幅変調の
周波数にも働く。反射光5は方向フィルタ35等からな
る光伝播手段3を通って光検出器6に到達するが、この
時点で光の干渉等の現象を起こす要因が無いので、強度
の変動は無く、安定に受光できる。光検出器はフォトダ
イオード、マイクロチャンネルプレート、或はフォトマ
ルチプライヤ等によシ実現できる。それらに対応する光
受信器7を通して、反射光5に対応する′電気信号が、
前記信号発生器1の出力する信号とほぼ同じ周波数帯を
含む信号として出力される。復調器8は、該電気信号を
FMまたはPM検波して、超音波振動を速度に比例する
形で検出・出力し、例えばCRTモニタのような表示器
に出力する。
第4図は、以上説明した動作において、反射光5と復調
器8の出力とのスペクトルを、第2図と比較し得る形で
示したものである。ωopは光の周波数であるが、この
周波数成分は光検出器6で検出できないので、その側帯
波成分は省略しである。
ωlは振幅変調の周波数で、ωIを中心として±ωtl
Lの範囲の信号(もしくはSSBのように片側の側帯波
とω1の成分)を同調フィルタにより抽出し、復調器8
で超音波振動に対応する周波数の側帯波成分のみが取り
出される。
本実施例によれば、入射光の光検出器6への直接の漏れ
込みが少ないので、反射光5か弱い時にも測定可能であ
る。
次に本実施例実現の為の細部説明を行う。信号発生器1
は数10MH2乃至IGH2の高安定度の標準信号発生
器により実現できる。変調光発生器2はレーザダイオー
ドを使ったE10変換器、或は、レーザと光変調器との
組合せによって実現できる。方向フィルタ35は、レン
ズ等により、また光検出器6はフォトダイオードが使え
るが、反射光強度の微小な時はフォトマルチグライヤや
マイクロチャンネルプレート等の高感度検出器も使用可
能である。光受信器7は、信号発生器1の信号周波数を
中心周波数として、超音波振動の周波数をカバーできる
周波数帯域幅を持つ受信器が、特に無線通信の分野で使
われており、それによって実現できる。
復調器8は、超音波信号を検出するため、少なく共その
周波数帯域の変調信号を復調する能力が必要である。F
M放送受信器等に用いられている回路は、可聴帯域(2
0〜20,000 H2)なので適用できないが、同様
の回路、例えば地検波回路で素子及び回路の構成方法等
の工夫で超音波周波への適用も可能である。また、PL
L’(位相固定ループ)回路を用いた第5図の回路も適
用可能でおる。第5図では、数百Mllの入力信号に対
し、数十乃至百MH2位低い周波数の連続波を局部発振
器82で発生して、ミキサー81で混合し、差周波数の
中間周波IFにミックスダウンする。
IPフィルタ増幅器83でその周波数成分のみを抽出し
、位相比較器84.フィルタ85.VC086で構成さ
れるPLLによって超音波成分以下の周波数を取シ出す
。PLLの動作は、電圧制御発振器VCO86の自由発
振周波数を、IFの定常状態の周波数にほぼ一致させて
おき、その出力をIFフィルタ83の出力と、位相比較
器84で比較し、差周波数に比例した直流信号をフィル
タ85で取り出す。フィルタ85の出力は元の入力信号
の周波数の変動分を直流信号のレベルに変換したものに
相当するので、これにより復調が完了する。VCO86
は定常状態でのドリフト等による離調を防ぐため、フィ
ルタ85の直流出力によって常に修正され、安定なPL
Lを形成する。復調器8の出力として、低周波の妨害除
去や、周波数特性の調整等の必要な場合は、さらにフィ
ルタやイコライザを追加することも可能である。
VCO86の制御用の信号と、出力の信号の時定数を変
えたい時は、フィルタ85を、定数の異るもの2種設け
、夫々専用フィルタ回路とすることも可能である。
なお、方向フィルタとして、レンズ等の代り、または、
レンズ等と併用して光ファイバと光コネクタ等を使うこ
ともでき、その場合は本発明の装置と被検査体の位置関
係の自由度が高まる効果がある。
第6図は、本発明の第2の実施例を示すもので、光伝播
手段3として、方向フィルタ35の代りにビームスプリ
ッタ31を用いたもので、該スプリッタ31と物体4の
間のビームが1本になるので、狭い隙間を通しての測定
が可能になる。
第7図は、不発明のその他の実施列を示すもので、光伝
播手段3としてマイクロレンズ35と光ツァイパ−36
の組合せを用いた他、光受信器7の出力する受信信号を
超音波信号の半周期分遅延させ、混合器11で元の信号
と混合、干渉させてから復調することとしたものである
。前記公知例の光遅延経路に相当するものを電気回路に
よって実現したもので、光を予め復調可能な周波数で変
調しておくことによシ、技術的に可能となったものであ
る。本実施例によれば、遅延回路の遅延時間を調整する
ことによ、り干渉強度を制御でき、高感度な非接触超音
波受信装置が得られる。
〔発明の効果〕
本発明によれば光遅延経路(超音波周波数0.4〜30
MH2に対する長さ5乃至375m)を省くことができ
、かつ、変調光を照射することによって、従来例におけ
る光の波長オーダーの精度の要求が緩くなるので、環境
条件等の外乱に対して非常に安定かつ小形の装置が構成
できる。また、安定度の向上に伴って調整も容易になる
ので、可搬型の装置が構成できる。
本発明の副次的効果は、光の振幅変調の周波数成分にト
ラッキングしながら、或は信号発生器の出力信号に位相
ロックしながら、反射光を受信することが可能なので、
S/Nが大きく、かつ高感度な非接触超音波受信装置が
提供できる点である。
また反射光強度の変動に対する測定誤差が小さくなるの
で、特に粗面物体に対し有利となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の非接触超音波受信装置の配置を説明す
る構成ブロック図、第2図は第1図の装置の動作時のス
ペクトルの一例を示す説明図、第3図は本発明の一実施
例の構成を示すブロック図、第4図は該実施例の動作時
のスペクトルの一例を示す説明図、第5図は、第3図示
回路の一部変形例を示す図、第6図及び第7図は本発明
のその他の実施例を示す構成ブロック図である。 1・・・信号発生器、2・・・変調光発生器、3・・・
光伝播手段、4・・・物体、6・・・光検出器、7・・
・光受信器、第 1 図 第 Z 図 (i) (、、#) 瓦り光で5)の内固或−& L、倹r五tnよりスペク
トル第 3 図 第 /−1−閃 z−,6 反射先(5)のス欠フトル 棧調呑(3序工力茅5 国 拓 乙 刀 第 7 図 II 25

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、単色の連続レーザ光を発生し、かつ、該レーザ光を
    外部信号によシ変調可能な光発生器と、該光発生器を制
    御して連続レーザ光を所定に振幅変調する(i号発生器
    と、上記光発生器からのレーザ光を物体表面に非接触で
    照射し、かつ、該表面からの反射レーザ光を非接触で取
    シ出す光伝播手段と、該伝播手段からの反射レーザ光の
    特に変調波成分を検出する光検出器および光受信器と、
    該変調波成分より、該表面の変位または変位速度によシ
    変調された周波数成分を検出する復調器とから成ること
    を特徴とする非接触超音波受信装置。 2、光発生器は半導体レーザとしてなる特許請求の範囲
    第1項記載の非接触超音波受信装置。 3、光発生器はレーザと光変調器とからなる特許請求の
    範囲第1項記載の非接触超音波受信装置。 4、レーザは単一波長で発振する単一モードレーザとし
    てなる特許請求の範囲第2項または第3項記載の非接触
    超音波受信装置。 5、光伝播手段は透明な気体としてなる特許請求の範囲
    第1項記載の非接触超音波受信装置。 6、光伝播手段は方向フィルタを備えた特許請求の範囲
    第1項記載の非接触超音波受信装置。 7、光伝播手段は光ファイバとしてなる特許請求の範囲
    第1項記載の非接触超音波受信装置。 8、光伝播手段はビームスプリッタを備えた特許請求の
    範囲第1項記載の非接触超音波受信装置つ9゜光検出器
    はフォトダイオードとしてなる特許請求の範囲第1項記
    載の非接触超音波受信装置。 10、光検出器はマイクロチャンネルプレートトシてな
    る特許請求の範囲第1項記載の非接触超音波受信装置。 11、復調器はFM復調器としてなる特許請求の範囲第
    1項記載の非接鼠超音波受信tX 12、単色の連続レーザ光を発生し、かつ、該レーザ光
    を外部信号により変調可能な光発生器と、該光発生器を
    制御して連続レーザ光を所定に振幅変調する信号発生器
    と、上記光発生器からのレーザ光を物体表面に非接触で
    伝播照射し、かつ、該表面からの反射レーザ光を受け伝
    播させる光伝播手段と、該反射レーザ光の特に変調波成
    分を検出する光検出器及び光受信器と、該変調波成分を
    物体表面の振動の中心周波数に対する半波長に相当する
    時間、遅延させる遅延回路と、該変調波成分と該遅延回
    路の出力信号とを混合し、干渉信号として出力する混合
    器と、該干渉信号から該振動の変位または変位速度によ
    り変調された周波数成分を検出する復調器とから成るこ
    とを特徴とする非接触超音波受信装置。 13、光発生器は半導体レーザとしてなる特許請求の範
    囲第12項記載の非接触超音波受信装置。 14、光伝播手段はレンズ、レンズ群または集合レンズ
    として成る特許請求の範囲第12項記載の非接触超音波
    受信装置。 15、光伝播手段は、レンズ及び光ファイバとその結合
    手段とから成る特許請求の範囲第12項記載の非接触超
    音波受信装置。 16、光検出器はフォトダイオードとして成る特許請求
    の範囲第12項記載の非接触超音波受信装置。 17、光検出器はマイクロチャンネルプレートトシて成
    る特許請求の範囲第12項記載の非接触超音波受信装置
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993017318A1 (en) * 1992-02-27 1993-09-02 United States Department Of Energy Apparatus and method for noninvasive characterization of eggs

Cited By (2)

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WO1993017318A1 (en) * 1992-02-27 1993-09-02 United States Department Of Energy Apparatus and method for noninvasive characterization of eggs
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