JPH0451771B2 - - Google Patents
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- JPH0451771B2 JPH0451771B2 JP7921387A JP7921387A JPH0451771B2 JP H0451771 B2 JPH0451771 B2 JP H0451771B2 JP 7921387 A JP7921387 A JP 7921387A JP 7921387 A JP7921387 A JP 7921387A JP H0451771 B2 JPH0451771 B2 JP H0451771B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser
- laser beam
- beam splitter
- electrical signal
- piezoelectric actuator
- Prior art date
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、レーザ光を用いて、鏡面あるいはそ
れに近い面積度を有する表面の微小振動を非接触
で測定する微小振動測定装置に関する。
れに近い面積度を有する表面の微小振動を非接触
で測定する微小振動測定装置に関する。
（従来の技術）
固体や液体の表面の振動を測定する方法とし
て、古くから接触式の圧電振動子が多用されて来
ているが、最近レーザ光を用いて非接触で同様の
表面振動を測定する方法がいくつか報告されてい
る。その中で代表的なものの１つにマイケルソン
干渉計を利用したものがある。
て、古くから接触式の圧電振動子が多用されて来
ているが、最近レーザ光を用いて非接触で同様の
表面振動を測定する方法がいくつか報告されてい
る。その中で代表的なものの１つにマイケルソン
干渉計を利用したものがある。
（発明が解決しようとする問題点）
従来より報告されているこのマイケルソン干渉
計を基本とした振動測定方法では、レーザ光ビー
ムを参照光路と被測定光路に２分するのに、単純
な金属蒸着のプレートハーフミラーが使われてい
るため、レーザ光ビームがこのハーフミラーで反
射あるいはミラー内を通過するとき20％〜30％の
吸収損失が避けられず、更に、レーザ光エネルギ
ーの半分は振動測定に利用できず、レーザ光エネ
ルギーが有効に利用されないという欠点があつ
た。
計を基本とした振動測定方法では、レーザ光ビー
ムを参照光路と被測定光路に２分するのに、単純
な金属蒸着のプレートハーフミラーが使われてい
るため、レーザ光ビームがこのハーフミラーで反
射あるいはミラー内を通過するとき20％〜30％の
吸収損失が避けられず、更に、レーザ光エネルギ
ーの半分は振動測定に利用できず、レーザ光エネ
ルギーが有効に利用されないという欠点があつ
た。
（問題点を解決するための手段）
本発明の目的は、上記の欠点を除去するため、
直線偏光レーザ光源、２個の偏光ビームスプリツ
タ、２個の四分の一波長板、圧電アクチユエータ
及び２個の光検出器（フオトダイオード）を用い
てレーザ光エネルギーをほぼ100％有効に利用し、
同時に２個の光検出器の出力信号の差演算によつ
てレーザ光源の出力変動に伴う雑音を大幅に抑圧
することができる微小振動測定装置を提供するこ
とにある。以下本発明の実施例を図面を用いて詳
細に説明する。
直線偏光レーザ光源、２個の偏光ビームスプリツ
タ、２個の四分の一波長板、圧電アクチユエータ
及び２個の光検出器（フオトダイオード）を用い
てレーザ光エネルギーをほぼ100％有効に利用し、
同時に２個の光検出器の出力信号の差演算によつ
てレーザ光源の出力変動に伴う雑音を大幅に抑圧
することができる微小振動測定装置を提供するこ
とにある。以下本発明の実施例を図面を用いて詳
細に説明する。
（実施例）
第１図は、本発明の一実施例の測定系の構成を
示したものである。図において、１はHe−Neレ
ーザ、Arレーザ等の直線偏光レーザ発振器、２
はレーザ光ビーム、３，１５は偏光ビームスプリ
ツタ、４，５はレーザ光ビーム、６，１１は四分
の一波長板、８，１２はアクロマテイツクレン
ズ、９は平面ミラー、１０は圧電アクチユエー
タ、１３は試料、１８，２３は平凸レンズ、１
９，２４は光検出器、２０は電圧アクチユエータ
制御部、２１，２５は信号検出部、２２は差演算
処理部である。次にその動作を説明する。直線偏
光レーザ発振器１により発せられるレーザ光ビー
ム２は最初の第１の偏光ビームスプリツタ３に入
射する。このとき、レーザ光ビーム２の偏波面は
偏光ビームスプリツタ３の入射面の対角線の方向
と一致するようにする。このようにすると入射光
ビーム２はほぼ損失なく参照光路であるＳ偏光成
分（レーザ光ビーム４）と被測定光路のＰ偏光成
分（レーザ光ビーム５）に光量が均等に分割され
る。レーザ光ビーム４は、続いて四分の一波長板
６を通過することによつて円偏光ビーム７に変換
され、更に球面収差の小さいアクロマテイツクレ
ンズ８によつて平面ミラー９の表面で焦点が形成
されるように変換される。平面ミラー９は圧電ア
クチユエータ１０に装着されており、参照光路長
を数μｍの範囲で精度よく制御できるようになつ
ている。平面ミラー９で反射されたレーザ光は再
びアクロマテイツクレンズ８、四分の一波長板６
を通過して偏光ビームスプリツタ３に再入射す
る。このとき、平面ミラー９で反射されて戻つて
きたレーザ光ビームは四分の一波長板６を２回通
過していることから、その偏波面は行きのレーザ
光ビーム４に対して90°回転したＰ偏光となつて
いる。したがつて戻つてきたレーザ光ビーム４は
偏光ビームスプリツタ３をほぼ損失なく通過して
レーザ光ビーム１４となる。
示したものである。図において、１はHe−Neレ
ーザ、Arレーザ等の直線偏光レーザ発振器、２
はレーザ光ビーム、３，１５は偏光ビームスプリ
ツタ、４，５はレーザ光ビーム、６，１１は四分
の一波長板、８，１２はアクロマテイツクレン
ズ、９は平面ミラー、１０は圧電アクチユエー
タ、１３は試料、１８，２３は平凸レンズ、１
９，２４は光検出器、２０は電圧アクチユエータ
制御部、２１，２５は信号検出部、２２は差演算
処理部である。次にその動作を説明する。直線偏
光レーザ発振器１により発せられるレーザ光ビー
ム２は最初の第１の偏光ビームスプリツタ３に入
射する。このとき、レーザ光ビーム２の偏波面は
偏光ビームスプリツタ３の入射面の対角線の方向
と一致するようにする。このようにすると入射光
ビーム２はほぼ損失なく参照光路であるＳ偏光成
分（レーザ光ビーム４）と被測定光路のＰ偏光成
分（レーザ光ビーム５）に光量が均等に分割され
る。レーザ光ビーム４は、続いて四分の一波長板
６を通過することによつて円偏光ビーム７に変換
され、更に球面収差の小さいアクロマテイツクレ
ンズ８によつて平面ミラー９の表面で焦点が形成
されるように変換される。平面ミラー９は圧電ア
クチユエータ１０に装着されており、参照光路長
を数μｍの範囲で精度よく制御できるようになつ
ている。平面ミラー９で反射されたレーザ光は再
びアクロマテイツクレンズ８、四分の一波長板６
を通過して偏光ビームスプリツタ３に再入射す
る。このとき、平面ミラー９で反射されて戻つて
きたレーザ光ビームは四分の一波長板６を２回通
過していることから、その偏波面は行きのレーザ
光ビーム４に対して90°回転したＰ偏光となつて
いる。したがつて戻つてきたレーザ光ビーム４は
偏光ビームスプリツタ３をほぼ損失なく通過して
レーザ光ビーム１４となる。
一方被測定光路のＰ偏光レーザ光ビーム５は、
参照光路ビーム４と同様な原理によつて、四分の
一波長板１１、アクロマテイツクレンズ１２を通
過し、アクロマテイツクレンズ１２の焦点位置に
置かれた試料１３の表面で反射され、再びアクロ
マテイツクレンズ１２、四分の一波長板１１を通
過することによつてＳ偏光に変換され、偏光ビー
ムスプリツタ３に再入射する。そしてほぼ損失な
く反射されレーザ光ビーム１４となる。
参照光路ビーム４と同様な原理によつて、四分の
一波長板１１、アクロマテイツクレンズ１２を通
過し、アクロマテイツクレンズ１２の焦点位置に
置かれた試料１３の表面で反射され、再びアクロ
マテイツクレンズ１２、四分の一波長板１１を通
過することによつてＳ偏光に変換され、偏光ビー
ムスプリツタ３に再入射する。そしてほぼ損失な
く反射されレーザ光ビーム１４となる。
したがつて、レーザ光ビーム１４は、参照光路
からの戻り光と被測定光路からの戻り光とが合成
されたものとなつている。そしてこの２つの戻り
光は互いに偏波面が直交しているために干渉は生
じない。また、偏光ビームスプリツタ３からレー
ザ発振器１への戻り光がほとんどゼロであるの
で、レーザ発振器１の発振の戻り光による影響が
十分に抑えられる。
からの戻り光と被測定光路からの戻り光とが合成
されたものとなつている。そしてこの２つの戻り
光は互いに偏波面が直交しているために干渉は生
じない。また、偏光ビームスプリツタ３からレー
ザ発振器１への戻り光がほとんどゼロであるの
で、レーザ発振器１の発振の戻り光による影響が
十分に抑えられる。
レーザ光ビーム１４は続いて２番目の偏光ビー
ムスプリツタ１５に導かれる。このとき、第２の
偏光ビームスプリツタ１５は、第１の偏光ビーム
スプリツタ３に対してレーザ光ビーム１４を回転
軸として45°傾けて配置されている。偏光ビーム
スプリツタ１５によつてレーザ光ビーム１４は、
レーザ光ビーム１６（偏光ビームスプリツタ１５
から見たＰ偏光成分）とレーザ光ビーム１７（偏
光ビームスプリツタ１５から見たＳ偏光成分）と
にほぼ損失なく光量が均等に２分される。する
と、レーザ光ビーム１６及び１７は、偏波面が揃
うために干渉が生じるようになる。
ムスプリツタ１５に導かれる。このとき、第２の
偏光ビームスプリツタ１５は、第１の偏光ビーム
スプリツタ３に対してレーザ光ビーム１４を回転
軸として45°傾けて配置されている。偏光ビーム
スプリツタ１５によつてレーザ光ビーム１４は、
レーザ光ビーム１６（偏光ビームスプリツタ１５
から見たＰ偏光成分）とレーザ光ビーム１７（偏
光ビームスプリツタ１５から見たＳ偏光成分）と
にほぼ損失なく光量が均等に２分される。する
と、レーザ光ビーム１６及び１７は、偏波面が揃
うために干渉が生じるようになる。
レーザ光ビーム１６は平凸レンズ１８によつて
収光され、光検出器１９によつて光量に比例した
電気信号に変換される。検出された電気信号は圧
電アクチユエータ制御部２０と信号検出部２１へ
送られる。圧電アクチユエータ制御部２０では、
検出された電気信号の内、直流から数百Hzの低周
波成分の信号を適当なレベルに増幅し、圧電アク
チユエータへ高圧制御信号を送る。また、信号検
出部２１では、数百ＫHz以上の微小振動信号が適
当なレベルに増幅され、その信号は差演算処理部
２２へ送られる。
収光され、光検出器１９によつて光量に比例した
電気信号に変換される。検出された電気信号は圧
電アクチユエータ制御部２０と信号検出部２１へ
送られる。圧電アクチユエータ制御部２０では、
検出された電気信号の内、直流から数百Hzの低周
波成分の信号を適当なレベルに増幅し、圧電アク
チユエータへ高圧制御信号を送る。また、信号検
出部２１では、数百ＫHz以上の微小振動信号が適
当なレベルに増幅され、その信号は差演算処理部
２２へ送られる。
レーザ光ビーム１７は、レーザ光ビーム１６と
同様、平凸レンズ２３、光検出器２４を介して、
その光量に比例した電気信号に変換される。続い
て進行検出部２５で、その電気信号は適当なレベ
ルに増幅され、差演算処理部２２へ送られる。
同様、平凸レンズ２３、光検出器２４を介して、
その光量に比例した電気信号に変換される。続い
て進行検出部２５で、その電気信号は適当なレベ
ルに増幅され、差演算処理部２２へ送られる。
第２図は、光検出器１９で検出される干渉パタ
ーンＡ（干渉によつて生じるレーザ光ビーム１６
の光量の明暗変化）と光検出器２４の干渉パター
ンＢを示したものである。今まで述べてきた構成
の干渉計によつて、第２図に示すような互いに逆
相なコンプリメンタリーパターンが得られる。そ
して前述した圧電アクチユエータ１０と圧電アク
チユエータ制御部２０によつて、干渉計の動作点
を干渉計が置かれている周囲の機械振動や空気の
流れ等の低周波の擾乱に対して感度最大（干渉光
量が中間の明るさ）となる点Ｃに保持するように
する。このようにしたとき、試料１３の表面に使
用レーザ光源の波長に対して微小振動変位Ｄが存
在したとすると、信号検出部２１の出力波形Ｅ１
と信号検出部２５の出力波形Ｅ２は、第２図に示
すように互いに逆相の振動波形となる。
ーンＡ（干渉によつて生じるレーザ光ビーム１６
の光量の明暗変化）と光検出器２４の干渉パター
ンＢを示したものである。今まで述べてきた構成
の干渉計によつて、第２図に示すような互いに逆
相なコンプリメンタリーパターンが得られる。そ
して前述した圧電アクチユエータ１０と圧電アク
チユエータ制御部２０によつて、干渉計の動作点
を干渉計が置かれている周囲の機械振動や空気の
流れ等の低周波の擾乱に対して感度最大（干渉光
量が中間の明るさ）となる点Ｃに保持するように
する。このようにしたとき、試料１３の表面に使
用レーザ光源の波長に対して微小振動変位Ｄが存
在したとすると、信号検出部２１の出力波形Ｅ１
と信号検出部２５の出力波形Ｅ２は、第２図に示
すように互いに逆相の振動波形となる。
一方、通常のレーザ光源は、数Hzから数ＭHzの
帯域に渡つて数％以下の出力変動が発生してい
る。この出力変動は、マイケルソン干渉計を基本
とした微小振動測定においては一種の雑音と考え
ることができる。ところが、前述したように、圧
電アクチユエータ１０とその制御部２０によつて
干渉計の動作点がＣに保持されている場合、この
出力変動は、信号検出部２１と２５の出力には同
相波形として現れる。したがつて信号検出部２１
と２５の出力信号を差演算処理部２２で差演算す
れば、振動信号振幅は倍加されるが、レーザ光源
の出力変動雑音は相殺され大幅に抑圧される。
帯域に渡つて数％以下の出力変動が発生してい
る。この出力変動は、マイケルソン干渉計を基本
とした微小振動測定においては一種の雑音と考え
ることができる。ところが、前述したように、圧
電アクチユエータ１０とその制御部２０によつて
干渉計の動作点がＣに保持されている場合、この
出力変動は、信号検出部２１と２５の出力には同
相波形として現れる。したがつて信号検出部２１
と２５の出力信号を差演算処理部２２で差演算す
れば、振動信号振幅は倍加されるが、レーザ光源
の出力変動雑音は相殺され大幅に抑圧される。
第３図は実測波形の一例を示したものである。
これは、ＱスイツチYAGレーザ光（出力数ｍＪ、
パルス幅約5ns）をアルミ試料20t×60φの円形表
面の中心に照射したとき、照射点と反対側円形表
面の中心で生じる光音響弾性振動変位を本微小振
動測定装置を用いて測定したときの検出波形であ
る。Ｆは信号検出部２１の出力波形であり、約
1.3MHzのレーザ発振器の出力変動雑音が見られ
る。Ｇが直接波縦波振動波形である。Ｈは差演算
処理部２２の出力波形であり、レーザ発振器１の
出力変動が抑圧され、振動波形の振幅は倍加され
ている様子が分かる。１１，１２はYAGレーザ
発振時の電気的誘導である。
これは、ＱスイツチYAGレーザ光（出力数ｍＪ、
パルス幅約5ns）をアルミ試料20t×60φの円形表
面の中心に照射したとき、照射点と反対側円形表
面の中心で生じる光音響弾性振動変位を本微小振
動測定装置を用いて測定したときの検出波形であ
る。Ｆは信号検出部２１の出力波形であり、約
1.3MHzのレーザ発振器の出力変動雑音が見られ
る。Ｇが直接波縦波振動波形である。Ｈは差演算
処理部２２の出力波形であり、レーザ発振器１の
出力変動が抑圧され、振動波形の振幅は倍加され
ている様子が分かる。１１，１２はYAGレーザ
発振時の電気的誘導である。
尚、測定対象微小振動の振幅をレーザ発振器１
の波長の約10分の１以下と規定した理由は、第２
図から分かるように、干渉計の動作曲線が正弦曲
線であるために微小振動振幅が大きくなるにつれ
て検出波形の振動波形に対する忠実度が低下する
ことによる。したがつて忠実度をあまり気にしな
ければ更に大きい振幅の測定も可能である。
の波長の約10分の１以下と規定した理由は、第２
図から分かるように、干渉計の動作曲線が正弦曲
線であるために微小振動振幅が大きくなるにつれ
て検出波形の振動波形に対する忠実度が低下する
ことによる。したがつて忠実度をあまり気にしな
ければ更に大きい振幅の測定も可能である。
（発明の効果）
以上説明したように、本発明によれば、レーザ
光を用いて非接触で物体表面の微小振動を測定す
るとき、レーザ光エネルギーを無駄なくほぼ100
％有効に利用でき、同時に２個の光検出器の出力
信号の差演算によつてレーザ光源の出力変動雑音
を十分に抑圧でき、もつて高い信号対雑音比
（Ｓ／Ｎ）を得ることができる利点がある。
光を用いて非接触で物体表面の微小振動を測定す
るとき、レーザ光エネルギーを無駄なくほぼ100
％有効に利用でき、同時に２個の光検出器の出力
信号の差演算によつてレーザ光源の出力変動雑音
を十分に抑圧でき、もつて高い信号対雑音比
（Ｓ／Ｎ）を得ることができる利点がある。
第１図は本発明による一実施例の測定系の構成
を示す図、第２図は２個の光検出器によつて得ら
れる干渉パターンを示す図、第３図は本発明の実
施例で得られた微小振動波形を示す図である。 １……レーザ発振器、２，４，５，７，１４，
１６，１７……レーザ光ビーム、３，１５……偏
光ビームスプリツタ、６，１１……四分の一波長
板、８，１２……アクロマテイツクレンズ、９…
…平面ミラー、１０……圧電アクチユエータ、１
３……試料、１８，２３……平凸レンズ、１９，
２４……光検出器、２０……圧電アクチユエータ
制御部、２１，２５……信号検出部、２２……差
演算処理部。
を示す図、第２図は２個の光検出器によつて得ら
れる干渉パターンを示す図、第３図は本発明の実
施例で得られた微小振動波形を示す図である。 １……レーザ発振器、２，４，５，７，１４，
１６，１７……レーザ光ビーム、３，１５……偏
光ビームスプリツタ、６，１１……四分の一波長
板、８，１２……アクロマテイツクレンズ、９…
…平面ミラー、１０……圧電アクチユエータ、１
３……試料、１８，２３……平凸レンズ、１９，
２４……光検出器、２０……圧電アクチユエータ
制御部、２１，２５……信号検出部、２２……差
演算処理部。
Claims (1)
- １ レーザ光を光源として、鏡面あるいはそれに
近い面精度を有する表面のレーザ光源波長の約10
分の一以下の振幅の微小振動を非接触で測定する
装置において、前記レーザ光を第１の偏光ビーム
スプリツタを介して、一方を四分の一波長板を通
して圧電アクチユエータに設けた平面ミラーによ
り反射させる手段と、他方を四分の一波長板を通
して試料に照射する手段と、前記反射ミラーから
反射したレーザ光と、前記試料から反射したレー
ザ光を前記第１の偏光ビームスプリツタを介し
て、該第１の偏光ビームスプリツタとは45°傾け
た第２の偏向ビームスプリツタにより２方向に分
岐する手段と、該分岐された各レーザ光を電気信
号に変換する手段と、該検出された電気信号を検
出し、その差を演算処理する手段と、前記電気信
号の変換手段により得られた電気信号により、前
記圧電アクチユエータを感度最大となるように制
御する手段とを備えたことを特徴とする微小振動
測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7921387A JPS63243819A (ja) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | 微小振動測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7921387A JPS63243819A (ja) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | 微小振動測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63243819A JPS63243819A (ja) | 1988-10-11 |
| JPH0451771B2 true JPH0451771B2 (ja) | 1992-08-20 |
Family
ID=13683655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7921387A Granted JPS63243819A (ja) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | 微小振動測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63243819A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007285898A (ja) * | 2006-04-17 | 2007-11-01 | Tokai Univ | レーザ振動計 |
-
1987
- 1987-03-31 JP JP7921387A patent/JPS63243819A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63243819A (ja) | 1988-10-11 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |