(57)【要約】【課題】測定距離の長いレーザドップラー計測装置、及び計測方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様にかかるレーザドップラー計測装置は、レーザ光を分岐することで、参照レーザ光と測定対象物に照射される照射レーザ光とを生成する分岐用ＰＢＳ１６と、分岐用ＰＢＳ１６と測定対象物５との間に配置され、測定対象物５で反射された反射レーザ光を受光するＰＢＳ１７と、照射レーザ光及び反射レーザ光を反射する反射型λ／４板２１と、参照レーザ光の周波数をシフトするＡＯＭ３１と、参照レーザ光と反射レーザ光とを合成して、合成光を生成する合成用ハーフミラー３３と、合成光を検出する検出器３８と、検出器３８からの出力信号に基づいて、測定対象物の振動を算出する処理装置６３と、を備えたものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光を分岐することで、基準レーザ光と測定対象物に照射される照射レーザ光とを生成する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記照射レーザ光を受光するとともに、前記測定対象物で反射された反射レーザ光を受光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の偏光ビームスプリッタと前記測定対象物との間に配置され、前記照射レーザ光及び前記反射レーザ光を反射する反射型λ／４板と、
前記第２の偏光ビームスプリッタからの前記反射レーザ光の周波数をシフトする周波数シフタと、
前記周波数シフタで周波数シフトされた前記反射レーザ光を、前記基準レーザ光と合成して、合成光を生成する合成手段と、
前記合成光を検出する検出器と、
前記検出器からの出力信号に基づいて、測定対象物の振動を算出する処理装置と、を備えたレーザドップラー計測装置。
【請求項２】
前記第２の偏光ビームスプリッタからの照射レーザ光が入射する凸面鏡と、
前記凸面鏡で反射された前記照射レーザ光を反射して、前記測定対象物に集光する凹面鏡と、をさらに備えた請求項１のレーザドップラー計測装置。
【請求項３】
前記凸面鏡を前記反射型λ／４板とともに移動して、前記照射レーザ光の焦点位置を調整する駆動手段をさらに備えた請求項２に記載のレーザドップラー計測装置。
【請求項４】
前記凹面鏡に補償光学素子が設けられている請求項２、又は３に記載のレーザドップラー計測装置。
【請求項５】
前記照射レーザ光を波長１５３２ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザドップラー計測装置。
【請求項６】
前記レーザ光源が赤外レーザ光と同軸に前記測定対象物に照射される可視レーザ光を出射する可視レーザ光源をさらに備える請求項５に記載のレーザドップラー計測装置。
【請求項７】
前記レーザ光を反射する反射面を有し、前記反射面の角度が変わることで、前記レーザ光を走査する光スキャナをさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザドップラー計測装置。
【請求項８】
レーザ光源がレーザ光を出射するステップと、
第１の偏光ビームスプリッタが前記レーザ光を分岐することで、基準レーザ光と測定対象物に照射される照射レーザ光とを生成するステップと、
前記照射レーザ光を第２の偏光ビームスプリッタに入射するステップと、
前記第２の偏光ビームスプリッタからの前記照射レーザ光を反射型λ／４板によって反射するステップと、
前記反射型λ／４で反射した前記照射レーザ光を前記測定対象物に照射させるステップと、
前記測定対象物で反射した反射レーザ光を前記反射型λ／４で反射するステップと、
前記反射型λ／４板で反射した前記反射レーザ光を前記第２の偏光ビームスプリッタに入射させるステップと、
前記第２の偏光ビームスプリッタからの前記反射レーザ光の周波数をシフトするステップと、
周波数シフトされた前記反射レーザ光を前記基準レーザ光と合成して、合成光を生成する合成ステップと、
前記合成光を検出するステップと、
前記合成光の検出結果に基づいて、前記測定対象物の振動を算出するステップと、を備えたレーザドップラー計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザドップラー計測装置、及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の損傷検出には、目視・打音検査が広く利用されている。しかしながら、目視・打音検査では、作業の安全性に問題がある。例えば、厳しい放射線環境下や作業場所の安全を確保できない構造物に対しては、検査が困難になってしまう。
【０００３】
また、構造物の損傷検出として、レーザドップラー速度計を用いた方法が開発されている（非特許文献１、２）。レーザドップラー速度計を用いることで、非接触での検査が可能になる。さらに、レーザドップラー測定を行うことで、構造物の損傷を検出することができるため、レーザドップラー速度計は構造物の劣化度合いを検出するために非常に有効な手段である。
【０００４】
なお、特許文献１には、Ｓ波とＰ波とを用いて、測定対象の振動状態を測定するレーザドップラー振動計が開示されている。ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）によって、レーザ光がＰ波とＳ波とに分離される。そして、Ｐ波が参照レーザ光となり、Ｓ波が照射レーザ光となる。Ｓ波である照射レーザ光は測定対象に照射される。
【０００５】
そして、ＰＢＳと測定対象との間にλ／４板が配置されている。したがって、測定対象で反射した反射レーザ光は、Ｐ波となって参照レーザ光と合成される。そして、参照レーザ光と反射レーザ光とを合成した合成光を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−７３８０９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】局所的な振動特性に着目したコンクリート構造物の空隙検出  貝戸清之、阿部雅人、藤野陽三、熊坂和宏  土木学会論文集Ｎｏ．６９０／Ｖ−５３．１２１−１３２、２００１年１１月
【非特許文献２】レーザ常時微動計測手法の構築と構造物の損傷検出への応用  貝戸清之、阿部雅人、藤野陽三、熊坂和宏  土木学会論文集Ｎｏ．６８９／Ｉ−５７．１８３−１９９、２００１年１０月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、現在のレーザドップラー振動計（速度計）では、測定距離が最大１００ｍ程度である。測定距離が短いと、構造物の近傍にレーザドップラー振動計を設置する必要がある。測定対象物が放射線環境下にある場合、レーザドップラー振動計を設置することが困難である。また、測定対象物が橋梁である場合や大型の建造物である場合等は、計測装置を高所に設置する必要がある。よって、安全に計測することができないおそれがある。
【０００９】
本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、測定距離が長いレーザドップラー計測装置、及び計測方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態の一態様にかかるレーザドップラー計測装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を分岐することで、基準レーザ光と測定対象物に照射される照射レーザ光とを生成する第１の偏光ビームスプリッタと、前記照射レーザ光を受光するとともに、前記測定対象物で反射された反射レーザ光を受光する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第２の偏光ビームスプリッタと前記測定対象物との間に配置され、前記照射レーザ光及び前記反射レーザ光を反射する反射型λ／４板と、前記第２の偏光ビームスプリッタからの前記反射レーザ光の周波数をシフトする周波数シフタと、前記周波数シフタで周波数シフトされた前記反射レーザ光を、前記基準レーザ光と合成して、合成光を生成する合成手段と、前記合成光を検出する検出器と、前記検出器での検出結果に基づいて、測定対象物の振動を算出する処理装置と、を備えたものである。これにより、光学的なノイズを低減することができるため、測定距離を長くすることができる。
【００１１】
上記のレーザドップラー計測装置は、前記第２の偏光ビームスプリッタからの照射レーザ光が入射する凸面鏡と、前記凸面鏡で反射された前記照射レーザ光を反射して、前記測定対象物に集光する凹面鏡と、をさらに備えていてもよい。これにより、光学的なノイズを低減することができるため、測定距離を長くすることができる。
【００１２】
上記のレーザドップラー計測装置は、前記凸面鏡を前記反射型λ／４板とともに移動して、前記照射レーザ光の焦点位置を調整する駆動手段をさらに備えていてもよい。こうすることで、焦点位置を調整することができる。
【００１３】
上記のレーザドップラー計測装置において、前記凹面鏡に補償光学素子が設けられていてもよい。これにより、光学的な収差すなわちノイズを低減することができ、測定距離を長くすることができる。
【００１４】
上記のレーザドップラー計測装置において、前記照射レーザ光を波長１５３２ｎｍであってもよい。これにより、大気中における水分のレーザ光の吸収によるロスを低減することができるため、測定距離を長くすることができる。
【００１５】
上記のレーザドップラー計測装置は、前記レーザ光源が赤外レーザ光と同軸に前記測定対象物に照射される可視レーザ光を出射する可視レーザ光源をさらに備えていてもよい。こうすることで、光学系の調整を容易に行うことができる。
【００１６】
上記のレーザドップラー計測装置は、前記レーザ光を反射する反射面を有し、前記反射面の角度が変わることで、前記レーザ光を走査する光スキャナをさらに備えていてもよい。こうすることで、レーザ光を容易に走査することができる。
【００１７】
本実施形態の一態様にかかるレーザドップラー計測方法、レーザ光源がレーザ光を出射するステップと、第１の偏光ビームスプリッタが前記レーザ光を分岐することで、基準レーザ光と測定対象物に照射される照射レーザ光とを生成するステップと、前記照射レーザ光を第２の偏光ビームスプリッタに入射するステップと、前記第２の偏光ビームスプリッタからの前記照射レーザ光を反射型λ／４板によって反射するステップと、前記反射型λ／４で反射した前記照射レーザ光を前記測定対象物に照射させるステップと、前記測定対象物で反射した反射レーザ光を前記反射型λ／４で反射するステップと、前記反射型λ／４板で反射した前記反射レーザ光を前記第２の偏光ビームスプリッタに入射させるステップと、前記第２の偏光ビームスプリッタからの前記反射レーザ光の周波数をシフトするステップと、周波数シフトされた前記反射レーザ光を前記基準レーザ光と合成して、合成光を生成する合成ステップと、前記合成光を検出するステップと、前記合成光の検出結果に基づいて、前記測定対象物の振動を算出するステップと、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、測定距離が長いレーザドップラー計測装置、及び計測方法を提供することを目的とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施の形態にかかるレーザドップラー振動計を用いた計測システムの全体構成を示す図である。
【図２】本実施の形態にかかるレーザドップラー振動計の光学系を示す図である。
【図３】レーザドップラー振動計に用いられる補償光学素子を示す平面図である。
【図４】レーザドップラー振動計に用いられる補償光学素子を示す側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本実施の形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００２１】
実施の形態１．
本実施の形態にかかるレーザドップラー振動計と、それを用いた構造物の計測方法について、図を用いて説明する。図１は、構造物の計測を行うための計測システムの全体構成を示す図である。なお、測定対象物５となる構造物としては、ビルディング、病院や学校などの建物、橋梁、高架道路、発電所、プラント等が挙げられるが、特に限定されるものではない。
【００２２】
作業者６は、レーザドップラー振動計１、及びガスボンベ３を搭載した自動車４によって測定対象物５の周辺に移動する。そして、作業者６は、レーザドップラー振動計１を設置する。なお、作業者６は、測定対象物５から測定距離以内の位置に移動して、レーザドップラー振動計１を設置すればよい。なお、レーザドップラー振動計１の測定距離は、１ｋｍあるいは、それ以上であるため、遠方からの計測が可能にある。
【００２３】
レーザドップラー振動計１の測定距離が非常に長くなっているため、設置場所の確保が容易である。さらには、測定対象物５が、放射線環境下や高温環境下等の危険な環境下にあったとしても、離れた位置にレーザドップラー振動計１を設置することができる。また、測定対象物５が大型構造物であっても、レーザドップラー振動計１を高所に設置する必要がないため、作業者６が危険な環境下で作業する必要がない。これにより、より安全かつ効率的に計測を行うことができる。さらに、作業者６が自動車４に乗った状態で計測することができるため、安全性を確保することができる。原発事故等が起こった環境下であっても、安全に計測を行うことができる。
【００２４】
ガスボンベ３は計測時において、レーザドップラー振動計１のガスを供給する。ガスボンベ３のガスとしては、窒素や空気などである。ガスボンベ３からのガスをレーザドップラー振動計１に噴出することで、埃や塵がレーザドップラー振動計１内に入り込むのを防ぐことができる。
【００２５】
レーザドップラー振動計１の電源は、自動車４のバッテリ２から取ることができる。すなわち、バッテリ２から供給されるＤＣ電源によって、レーザドップラー振動計１が動作する。なお、自動車４としては、バッテリ２の容量の大きい電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車等を用いることが好ましい。こうすることで、自動車４のエンジンを停止した状態での計測が可能になる。例えば、バッテリ２としてはリチウムイオンバッテリを用いることができる。バッテリ２からＤＣ電源を直接供給することが望ましい。ＡＣ電源を介さずにＤＣ電源のみを用いることで、ＡＣノイズやスイッチングノイズなどの影響を低減することができる。よって、より正確に測定することができる。
【００２６】
次に、図２を用いて、レーザドップラー振動計１の構成について、説明する。図２は、レーザドップラー振動計１の全体構成を示す図である。レーザドップラー振動計１は、光学系が配置される本体部１０１と、ＡＯＭドライバ６１、復調器６２、処理装置６３、コントローラ６４等を備えている。
【００２７】
本体部１０１は、測定対象から十分離れた箇所に設置される。本体部１０１は、光源、検出器、レンズ、ミラー、ハーフミラー、スキャナ、及び偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ）等を収容するケースを有している。作業者６が本体部１０１を自動車４内に設置する。
【００２８】
本体部１０１には、赤外レーザ光源１１と、可視レーザ光源７１と、レーザレンジファインダ９１を備えている。赤外レーザ光源１１は、光ヘテロダイン方式のレーザドップラー振動計を構成する。赤外レーザ光源１１からの赤外レーザ光が、レーザドップラー振動計に用いられる。したがって、赤外レーザ光源１１からの赤外レーザ光は、本体部１０１内の光学系を介して、測定対象物５に照射される。そして、本体部１０１内において、測定対象物５で反射した信号光と、参照光が合成される。そして、反射レーザ光と参照レーザ光とを重ね合せて干渉させることで、測定対象物５の振動周波数を検出する。
【００２９】
可視レーザ光源７１は、レーザ光のアライメント、及び赤外レーザ光源１１からの赤外レーザ光の照射位置を確認するために、設けられている。すなわち、本体部１０１内の光学系によって、可視レーザ光源７１からの可視レーザ光は、赤外レーザ光源１１からの赤外レーザ光と同軸になる。そして、可視レーザ光源７１からの可視レーザ光は、測定対象物５に照射する。レーザレンジファインダ９１は、測定対象物５までのおおよその距離、及び測定位置を検出するために設けられている。波面センサ９３は、後述する補償光学素子２７で波面を補正するために設けられている。
【００３０】
まず、赤外レーザ光源１１の測定光学系について説明する。なお、以下の説明において、赤外レーザ光源１１から出射して、測定対象物５に照射される光を照射レーザ光とし、測定対象物５で反射されて検出器３８に入射する光を反射レーザ光とする。
【００３１】
赤外レーザ光源１１は、可干渉性の赤外レーザ光を出射するレーザ光源である。赤外レーザ光源１１からの照射レーザ光は、ファイバ１２を通過して、レンズ１３に入射する。レンズ１３は、照射レーザ光を平行光束とする。レンズ１３で平行光束となった照射レーザ光は、アイソレータ１４を通過して、波長変換手段１８に入射する。なお、アイソレータ１４、戻り光が赤外レーザ光源１１に入射しないように設けられている。
【００３２】
波長変換手段１８は、チューナブルフィルタなどであり、照射レーザ光の波長を１５３２ｎｍとする。照射レーザ光を波長１５３２ｎｍとすることで、空気中での吸収によるロスを低減することができ、長距離の伝搬が可能となる。波長変換手段１８で波長１５３２ｎｍとなった赤外レーザ光は、グラントンプソンプリズム１５に入射する。
【００３３】
グラントンプソンプリズム１５は、方解石製の偏光プリズムであり、高い消光比を有している。グラントンプソンプリズム１５は例えば、１００００００：１の消光比を有している。グラントンプソンプリズム１５を通過した直線偏光の照射レーザ光は、分岐用ＰＢＳ１６に入射する。分岐用ＰＢＳ１６は、偏光状態に応じて、照射レーザ光を分岐する。したがって、照射レーザ光のＰ偏光成分（以下、Ｐ波）は、分岐用ＰＢＳ１６を通過し、Ｓ偏光成分（以下、Ｓ波）は、分岐用ＰＢＳ１６で反射する。Ｓ波は、測定対象物５に照射される信号光となり、Ｐ波は、測定対象物５に照射されない参照光となる。後述するように、信号光と参照光とが合成されて、検出器３８で検出される。
【００３４】
まず、信号光の光路について説明する。分岐用ＰＢＳ１６で反射したＳ波は、ＰＢＳ１７に入射する。ＰＢＳ１７は、偏光状態に応じて、光を反射又は透過する。ＰＢＳ１７は、Ｓ波を反射し、Ｐ波を透過する。よって、ＰＢＳ１７で反射したＳ波は、反射型λ／４板２１の方向に進む。
【００３５】
反射型λ／４板２１は、ＰＢＳ１７からのＳ波を凸面鏡２２の方向に反射する。さらに、反射型λ／４板２１は、光学軸に垂直な成分と平行な成分との間に１／４波長分の位相差を与える。したがって、反射型λ／４板２１で反射した照射レーザ光は円偏光に変換される。反射型λ／４板２１で反射された円偏光の照射レーザ光は凸面鏡２２に入射する。
【００３６】
凸面鏡２２は、照射レーザ光を凹面鏡２３の方向に反射する。凸面鏡２２で反射された照射レーザ光は、拡がりながら、凹面鏡２３に向かって進む。凹面鏡２３で反射された照射レーザ光は、絞られながら、ポリゴンミラー２４の方向に進む。凹面鏡２３と凸面鏡２２とは、反射面が対向配置されている。したがって、凹面鏡２３で反射した照射レーザ光のうち、凸面鏡２２の外側を通過した光のみが、ポリゴンミラー２４に入射する。すなわち、凹面鏡２３の中心軸上の光は、凸面鏡２２に入射するため、ポリゴンミラー２４に到達しない。
【００３７】
ポリゴンミラー２４は第１の光スキャナであり、照射レーザ光を第１の方向に走査する。すなわち、ポリゴンミラー２４が回転することで、照射レーザ光の反射方向が変わる。これにより、測定対象物５における反射レーザ光の照射位置が走査することができる。ポリゴンミラー２４で反射した照射レーザ光は、ガルバノミラー２５に入射する。ガルバノミラー２５は、第２の光スキャナであり、照射レーザ光を第２の方向に走査する。そして、ガルバノミラー２５で反射した照射レーザ光は、本体部１０１の開口部２８を通過して、測定対象物５に入射する。
【００３８】
例えば、ポリゴンミラー２４は測定対象物５における照射レーザ光の照射位置をＸ方向に走査し、ガルバノミラー２５は、照射位置をＸ方向と直交するＹ方向に走査する。このように、レーザドップラー振動計１は、２つの光スキャナを用いて、測定対象物５の表面上を２次元走査している。よって、測定対象物５の一定の領域の振動を計測することができる。なお、光スキャナはポリゴンミラー２４、及びガルバノミラー２５に限られるものではない。また、光スキャナとして、ガルバノミラー２５を２つ用いてもよい。光スキャナは、レーザ光を反射する反射面を有し、反射面の角度が変わることで、前記レーザ光を走査する。
【００３９】
測定対象物５に照射した照射レーザ光は、測定対象物５で反射して反射レーザ光となる。反射レーザ光は、ドップラーシフトによって、周波数が変化する。すなわち、反射レーザ光は、測定対象物５の振動成分によって、照射レーザ光と異なる周波数となる。例えば、赤外レーザ光源１１の照射レーザ光（λ＝１５３２ｎｍ）に対応する基準周波数をｆｓとし、振動成分の周波数をｆｄとすると、反射レーザ光の周波数はｆｓ±ｆｄとなる。
【００４０】
凸面鏡２２と凹面鏡２３とは、シュミット・ニュートン望遠鏡と同様の光学系を構成する。そして、凹面鏡２３は、測定対象物５上に照射レーザ光を集光する。すなわち、測定対象物５の表面が照射レーザ光の集光位置となるように、凹面鏡２３で反射した照射レーザ光は、絞られながら進んでいく。さらに、本実施形態では、焦点位置を調整するために直線駆動装置５０が設けられている。
【００４１】
直線駆動装置５０は、サーボモータ５１とリニアガイド５２とベース５３を備えている。ベース５３に反射型λ／４板２１と凸面鏡２２とが固定されている。リニアガイド５２は、ベース５３を移動可能に支持している。サーボモータ５１が回転することで、ベース５３がリニアガイド５２に沿って直線移動する。このように、ベース５３に設けられた反射型λ／４板２１と凸面鏡２２とが、矢印Ａの方向に移動する。
【００４２】
直線駆動装置５０によって、凸面鏡２２と凹面鏡２３とが近づいたり離れたりする。凸面鏡２２と凹面鏡２３との間隔が変化することで、照射レーザ光の焦点位置が光軸に沿って変化する。このように、凹面鏡２３に対して、凸面鏡２２を移動させることで、焦点位置を調整することができる。よって、測定対象物５の表面上に集光することができる。さらに、凸面鏡２２と反射型λ／４板２１とが一体に移動しているため、容易に焦点位置の調整が可能になる。
【００４３】
また、凹面鏡２３の裏面側には、補償光学素子２７が設けられている。補償光学素子２７は、反射レーザ光の波面を補正するために設けられている。補償光学素子２７の構成については後述する。
【００４４】
ガルバノミラー２５で反射した照射レーザ光を通過するための開口部２８がケースである本体部１０１に設けられている。そして、開口部２８から塵や埃が入らないように、開口部２８にガスを供給している。すなわち、測定中において、ケースである本体部１０１の内側から外側に向けて窒素ガスを流している。例えば、図１で示したガスボンベ３が窒素ガスを供給する。このようにすることで、開口部２８から本体部１０１に塵や埃が侵入するのを防ぐことができる。よって、精度の高い計測が可能になる。
【００４５】
信号光は、測定対象物５で反射して、上記した光学系を伝搬する。すなわち、反射レーザ光は、照射レーザ光と反対方向に伝搬する。反射レーザ光は、ガルバノミラー２５、ポリゴンミラー２４でデスキャンされる。ガルバノミラー２５、ポリゴンミラー２４で反射された反射レーザ光は凹面鏡２３、凸面鏡２２で反射される。そして、凹面鏡２３、及び凸面鏡２２で反射した反射レーザ光は、反射型λ／４板２１に入射する。
【００４６】
反射型λ／４板２１は、円偏光である反射レーザ光は、反射型λ／４板２１で反射されることにより、Ｐ波になる。すなわち、赤外レーザ光は、往復で２回反射型λ／４板２１で反射しているため、Ｓ波からＰ波に変換される。Ｐ波となった反射レーザ光は、ＰＢＳ１７を通過して、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）３１に入射する。このように、ＰＢＳ１７は、分岐用ＰＢＳ１６から反射型λ／４板２１までの光路中に配置されている。そして、ＰＢＳ１７は、分岐用ＰＢＳ１６からの照射レーザ光を受光するとともに、反射型λ／４板２１からの反射レーザ光を受光する。
【００４７】
ＡＯＭ３１は反射レーザ光を周波数変調する。例えば、ＡＯＭ３１は、ＡＯＭドライバ６１によって、８０ＭＨｚでドライブされている。例えば、赤外レーザ光源１１の照射レーザ光（λ＝１５３２ｎｍ）に対応する基準周波数をｆｓとし、測定対象物５の振動成分の周波数をｆｄとし、ＡＯＭ３１の変調周波数を８０ＭＨｚとすると、ＡＯＭ３１からの反射レーザ光の周波数はｆｓ±ｆｄ＋８０ＭＨｚになる。ＡＯＭ３１は周波数シフタとして機能する。なお、ＦＭ周波数が測定ノイズとなる場合は、ＡＯＭ３１の変調周波数を２４０ＭＨｚとすることができる。
【００４８】
ＡＯＭ３１によって周波数変調された反射レーザ光は、ミラー３２で反射されて、合成用ハーフミラー３３に入射する。合成用ハーフミラー３３は、入射光の一部を透過して、残りを反射する。ハーフミラーは偏光状態によらず、所定の割合で光を反射又は透過する。合成用ハーフミラー３３で反射した反射レーザ光は、検出器３８の第１受光部３６に入射する。合成用ハーフミラー３３を透過した反射レーザ光は、ミラー３４で反射して検出器３８の第２受光部３７に入射する。
【００４９】
次に、参照光の光路について説明する。分岐用ＰＢＳ１６を通過したＰ波の参照レーザ光は、ミラー４１、ミラー４２で反射されて、バンドパスフィルタ４３に入射する。バンドパスフィルタ４３は、波長１５３２ｎｍ周辺に通過帯域を有するフィルタである。バンドパスフィルタ４３を通過した参照レーザ光はミラー４４に入射する。
【００５０】
ミラー４４は互いに傾斜した２つの反射面を有している。ミラー４４の一方の反射面で反射した参照レーザ光は、ハーフミラー４５に入射する。ハーフミラー４５は入射した参照レーザ光の半分を反射して、残り半分を透過する。ハーフミラー４５は、偏光状態によらず、所定の割合で光を反射又は透過する。ハーフミラー４５で反射した参照レーザ光をレンズ４６で集光されて、ファイバ４８に入射する。ファイバ４８は定偏波面ファイバである。
【００５１】
ファイバ４８から出射した参照レーザ光は、参照ミラー５５に入射する。参照ミラー５５は、レーザドップラー振動計１を差動型とするために設けられている。すなわち、参照ミラー５５は、計測される測定対象物５の振動方向と同じベクトル方向に向けて参照レーザ光が反射するように配置されている。これにより、本体部１０１の振動成分がキャンセルされ、測定対象物５の振動成分のみを検出することができる。参照ミラー５５は、例えば、クランプなどによって固定部５６に設置されている。固定部５６は自動車４の外側に設けられた地面、支柱、又は構造物などである。
【００５２】
レーザドップラー振動計１の光学系において参照ミラー５５のみが本体部１０１には固定されておらず、参照ミラー５５が固定部５６に直接設置されている。したがって、計測環境の振動によって本体部１０１が振動したとしても、参照ミラー５５は振動しない。レーザドップラー振動計１自体が受ける振動を打ち消すことができる。これにより、自動車４のエンジンによる振動や、作業者６が移動したときに発生する振動の影響を打ち消すことができる。このように、参照ミラー５５は、計測環境の振動によるノイズ成分をキャンセルするために設けられている。
【００５３】
参照ミラー５５で反射した参照レーザ光は、ファイバ４８、及びレンズ４６を介して、ハーフミラー４５に入射する。ハーフミラー４５で反射した参照レーザ光は、ミラー４９の他方の反射面に入射する。そして、参照レーザ光はミラー４４の他方の反射面で反射されて、合成用ハーフミラー３３に入射する。
【００５４】
合成用ハーフミラー３３は、参照レーザ光の一部を透過して、残りを反射する。合成用ハーフミラー３３を透過した参照レーザ光は、検出器３８の第１受光部３６に入射する。合成用ハーフミラー３３で反射した参照レーザ光は、ミラー３４で反射して、検出器３８の第２受光部３７に入射する。このように、参照レーザ光は、本体部１０１内の光学系を伝搬して、検出器３８に入射する。
【００５５】
合成用ハーフミラー３３は参照レーザ光（参照光）と反射レーザ光（信号光）とを合成する合成手段となる。すなわち、合成用ハーフミラー３３で参照レーザ光と反射レーザ光とが重ね合わされて、同軸に伝搬する。合成用ハーフミラー３３は、参照レーザ光及び反射レーザ光が重ね合わされた合成光を生成する。合成光は、検出器３８で検出される。なお、ドップラーシフト、及びＦＭ変調によって、参照レーザ光と反射レーザ光は異なる周波数となっている。
【００５６】
第１受光部３６、第２受光部３７は、検出光を電気信号に光電変換する。第１受光部３６、及び第２受光部３７は、例えば、波長１５３２ｎｍに感度を有するＩｎＧａＡｓのアバランシェフォトダイオードをそれぞれ有している。第１受光部３６、第２受光部３７は、フォトダイオードに限られるものではなく、例えば光電子増倍管とすることもできる。そして、検出器３８は、第１受光部３６、第２受光部３７から出力される電気信号をそれぞれＡ／Ｄ変換する。これにより、検出器３８は、参照レーザ光と反射レーザ光とを含む合成光の光量に応じた検出信号を出力する。
【００５７】
検出器３８からの検出信号は、復調器６２に入力される。復調器６２は、ＡＯＭ３１での変調周波数に応じて、検出信号を復調する。したがって、復調器６２が検出信号を８０ＭＨｚでＦＭ復調する。復調器６２が復調した検出信号は、処理装置６３に出力される。
【００５８】
処理装置６３はラップトップ型のワークステーション、又はノートパソコンなどの情報処理装置である。処理装置６３は復調器６２からの検出信号に対して所定の処理を施す。こうすることで、測定対象物５の振動成分のみを取り出すことができる。処理装置６３は、検出器３８での検出結果から振動を算出する。例えば、処理装置６３は、フーリエ変換などを行うことで、振動成分のスペクトル分布を求める。そして、処理装置６３は周波数フィルタを用いてビート信号を抽出する。これにより、測定対象物５の振動に応じた振動信号を得ることができる。そして、処理装置６３が振動成分を解析することで、測定対象物５の損傷や劣化度合いを求めることができる。
【００５９】
また、本実施の形態では、合成用ハーフミラー３３を透過した合成光を第１受光部３６で検出し、合成用ハーフミラー３３を反射した合成光を第２受光部３７で検出している。すなわち、検出器３８は、合成用ハーフミラー３３からの２本の合成光をそれぞれ検出している。第１受光部３６に入射する合成光と、第２受光部３７に入射する合成光は位相がずれているが、処理装置６３での処理によって位相を揃えることができる。こうすることで、実質的に２倍の信号強度を得ることができ、より精度の高い測定を行うことができる。
【００６０】
さらに、処理装置６３は、コントローラ６４と接続されている。コントローラ６０は、ガルバノコントローラ６５と、ポリゴンドライバ６６、ピエゾコントローラ６７、サーボモータコントローラ６８を備えている。ガルバノコントローラ６５はガルバノミラー２５を制御する。すなわち、ガルバノコントローラ６５がガルバノミラー２５を駆動することで、照射レーザ光が走査される。ポリゴンドライバ６６は、ポリゴンミラー２４を制御する。すなわち、ポリゴンドライバ６６は、ポリゴンミラー２４のモータを駆動することで、照射レーザ光が走査される。ガルバノコントローラ６５、ポリゴンドライバ６６が、ガルバノミラー２５、ポリゴンミラー２４を同期して、駆動する。こうすることで、照射レーザ光が２次元走査される。これにより、測定対象物５の所定の領域に対して、振動を計測することができる。
【００６１】
サーボモータコントローラ６８は、サーボモータ５１を制御する。すなわち、サーボモータコントローラ６８がサーボモータ５１を駆動することで、反射型λ／４板２１、凸面鏡２２が矢印Ａの方向に移動する。これにより、焦点位置を調整することができる。
【００６２】
本実施の形態にかかるレーザドップラー振動計１では、測定距離が１ｋｍ程度となり、かつＮＡが小さい。測定深度（被写界深度）が、１００ｍ程度まで深くなる。一度、フォーカスを合わせれば、一気にスキャンして、計測を終了することができる。
【００６３】
また、測定対象物５の表面に凹凸がある場合や、高層ビルなどを地上から測定する場合、焦点位置のずれにより、いくつかのポイントでは側的できなくなってしまう恐れがある。この場合、測定前にＸＹスキャンして、処理装置６３に各ポイントでの信号強度が高いフォーカス条件を予め設定することができる。すなわち、各ポイントにおいて適切な焦点位置を求めておくことできる。例えば、検出器３８やカメラ８１での検出結果に基づいて、焦点位置を設定することができる。こうすることで、信号を検出できない測定ポイントの数を少なくすることができる。また、リトライ機能を設けて、信号が検出できないポイントを再度測定するようにしてもよい。光学系を用いてフォーカシングすることも可能である。
【００６４】
ピエゾコントローラ６７は、補償光学素子２７を制御する。ピエゾコントローラ６７は、補償光学素子２７に設けられたピエゾアクチュエーターを駆動する。補償光学素子２７を設けることで、凹面鏡２３が可変形鏡となる。なお、補償光学素子２７の構成については後述する。
【００６５】
上記のように、直線偏光を円偏光にするλ／４板として反射型λ／４板２１を用いている。こうすることで、透過型のλ／４板を用いた場合よりも、ノイズを低減することができる。透過型のλ／４板を用いた場合、照射レーザ光、及び反射レーザ光が透過型のλ／４板を透過する時に、偏光状態に変化してしまう。したがって、反射レーザ光に含まれるＳ偏光成分が増加してしまい、光学的なノイズ生じてしまう。これに対して、本実施の形態では、反射型λ／４板２１を用いているため、光学的なノイズの発生を防ぐことができる。よって、測定距離が長くなった場合でも、正確に測定することができる。
【００６６】
また、光学的なノイズを低減することができるため、レーザ光出力を高くしなくてもよい。したがって、レーザの安全クラスを下げることができる。小型の赤外レーザ光源１１を用いることができ、装置を小型化することができる。さらには、赤外レーザ光源１１の出力が低いため、消費電力を低減することができる。
【００６７】
さらに、本実施の形態では、照射レーザ光をＳ波とＰ波とに分離する分岐用ＰＢＳ１６の後に、凸面鏡２２と凹面鏡２３とを配置して、照射レーザ光を照射している。分岐用ＰＢＳ１６で参照レーザ光から分岐された照射レーザ光を反射型光学素子で集光している。こうすることで、透過型光学素子を通過する際に生じる偏光状態の変化を低減ことができる。例えば、レンズなどの光学素子を通過することで生じる偏光状態の変化を低減することができる。よって、光学的なノイズの発生を低減することができ、測定距離が長くなった場合でも、正確に測定することができる。
【００６８】
本実施の形態によって、１ｋｍの遠方にある測定対象物５を計測することができる。さらには、大気などの条件がそろっていれば２ｋｍ〜３ｋｍの遠方にある測定対象物5を計測することができる。したがって、測定対象物５が危険な環境下にある場合でもあっても、作業者６は安全な環境下で作業することができる。病院や学校などの建築物の耐震診断に応用することも可能である。
【００６９】
さらに、サーボモータ５１が凸面鏡２２と反射型λ／４板２１とを一体的に移動することで、焦点位置の調整を容易に行うことができる。こうすることで、照射レーザ光の集光点を測定対象物５の表面に調整することができる。よって、容易に計測を行うことができる。
【００７０】
次に、可視レーザ光源７１の光路について説明する。可視レーザ光源７１は、例えば波長５３２ｎｍのレーザ光を出射する。もちろん、可視レーザ光源７１の波長は特に限定されるものではない。なお、図２において、可視レーザ光の光路は、赤外レーザ光の光路よりも一段下側に配置されている。すなわち、紙面と垂直方向において、可視レーザ光源７１と赤外レーザ光源１１との位置が異なっている。そして、後述する合成部７９によって、赤外レーザ光と同軸になる。
【００７１】
可視レーザ光源７１からの可視レーザ光は、アライメントのためのガイド光となる。可視レーザ光は、ファイバ７２を通過して、レンズ７３に入射する。レンズ７３は、可視レーザ光を平行光束とする。レンズ７３で平行光束となった可視レーザ光は、アイソレータ７４を通過して、ハーフミラー７５に入射する。アイソレータ７４は、戻り光が可視レーザ光源７１に入射するのを防いでいる。
【００７２】
ハーフミラー７５、７６は、可視レーザ光の一部を透過して、残りを反射する。ハーフミラー７５を透過した可視レーザ光は、ハーフミラー７６に入射する。ハーフミラー７６を透過した可視レーザ光は、ミラー７７、ミラー７８で反射して、合成部７９に入射する。合成部７９は、例えば、ミラー等の光学素子を複数備えており、可視レーザ光と照射レーザ光とが同軸となるように合成する。例えば、合成部７９は穴開きミラーなどを有しており、可視レーザ光を赤外レーザ光と同軸にすることができる。そして、合成部７９からの可視レーザ光は、照射レーザ光と同軸となって凸面鏡２２に照射される。したがって、照射レーザ光と同様に、測定対象物５に入射する。
【００７３】
測定対象物５で反射した可視レーザ光は、反射レーザ光と同様の光路を伝搬する。すなわち、測定対象物５で反射した可視レーザ光は、ガルバノミラー２５、ポリゴンミラー２４、凹面鏡２３、凸面鏡２２、反射型λ／４板２１を介して、ＰＢＳ１７に入射する。そして、ＰＢＳ１７は、可視レーザ光の一部を分岐用ＰＢＳ１６の方向に反射する。そして、ＰＢＳ１７で反射した可視レーザ光は、分岐用ＰＢＳ１６、ハーフミラー７６を通過して、結像レンズ８０に入射する。結像レンズ８０は、可視レーザ光をカメラ８１に集光する。すなわち、結像レンズ８０は測定対象物５の像をカメラ８１に結像する。
【００７４】
カメラ８１は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ、又はＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラなどの２次元アレイ光検出器である。カメラ８１は、可視光レーザで照明された測定対象物５を撮像する。カメラ８１で撮像した画像は、処理装置６３に出力され、処理装置６３のモニタに表示される。これにより、作業者６が測定対象物５のどこが光軸と一致しているかを確認することができる。すなわち、カメラ８１で取得した画像によって、作業者６が、測定対象物５における照射レーザ光と可視レーザ光の照射位置を視認することができる。照射レーザ光の位置を簡便かつ適切に調整することができる。作業者６が可視レーザ光の照射位置を見ながら、光学系をアライメントすることで、測定対象物５の所望の位置に照射レーザ光を照射することができる。よって、光学系の調整を容易に行うことができる。
【００７５】
このように、赤外の照射レーザ光と可視レーザ光とが同軸になるように合成して、測定対象物５に照射している。こうすることで、赤外の照射レーザ光のアライメントを容易に行うことができる。
【００７６】
次に、レーザレンジファインダ９１の光路について説明する。レーザレンジンファインダ９１からのレーザ光は、ミラー９２で反射して、ハーフミラー７５に入射する。そして、ハーフミラー７５で反射したレーザ光は、可視レーザ光と同様の光路を伝搬する。レーザレンジファインダ９１からのレーザ光は、可視レーザ光源７１からのレーザ光と同軸となって、測定対象物５に入射する。そして、測定対象物５からの戻り光がレーザレンジファインダ９１に入射する。これにより、測定対象物５までのおおよその距離、及び照射位置を測定することができる。
【００７７】
なお、レーザドップラー振動計１に用いられるミラーは、波長３００ｎｍ〜２０００ｎｍに高い反射率を有するミラー、例えば、ＭｇＦ２をオーバーコートしたＡｌミラーや、誘電体多層膜ミラーを用いることが好ましい。
【００７８】
検出器３８、復調器６２、ＡＯＭドライバ６１、処理装置６３、コントローラ６４等の電気機器には、図１で示したバッテリ２からのＤＣ電源が供給されている。ＡＣ電源を用いずに計測することで、ＡＣノイズの影響を低減することができる。これにより、測定距離を長くすることができる。
【００７９】
波面センサ９３は、例えば、シャックハルトマンセンサ又は曲率センサ等を備えている。シャックハルトマンセンサは、細かなレンズアレイによって、像のずれを測定する。曲率センサは、センサ本体の移動によって、光強度変化を捉えて、波動干渉による波面の状態を捉える。波面センサ９３からのセンサ信号は、処理装置６３に入力される。
【００８０】
処理装置６３は、センサ信号を基に位相制御計算を行う位相制御計算機を備えている。そして、処理装置６３は、可変形鏡である凹面鏡２３を制御するための制御信号を生成する。処理装置６３は、制御信号をピエゾコントローラ６７に出力する。そして、ピエゾコントローラ６７が補償光学素子２７を制御する。
【００８１】
なお、波面センサ８３について特に限定されるものではない。例えば、波面センサ９３に望遠レンズとＣＭＯＳカメラなどを用いてもよい。そして、処理装置６３が。波面センサ９３のＣＭＯＳカメラで取得した画像と、カメラ８１で取得した画像とのパターンマッチングを行ってもよい。処理装置６３がパターンマッチングの結果に基づいて、制御信号を生成してもよい。
【００８２】
次に、補償光学素子２７、及び凹面鏡２３の構成について、図３、及び図４を用いて説明する。図３は、凹面鏡２３の正面図であり、図４は、凹面鏡２３、及び補償光学素子２７の側面断面図である。補償光学素子２７は、反射レーザ光の波面を補償するために設けられている。
【００８３】
図３に示すように、凹面鏡２３はスリット２３ａによって、複数の領域２３ｂに分割されている。ここでは同心円状に４つ、かつ放射状に８つに分割されている。すなわち、凹面鏡２３が３２個の領域２３ｂに分割されている。
【００８４】
補償光学素子２７は、複数のピエゾアクチュエーター２７ａを有している。図4に示すように、ピエゾアクチュエーター２７ａは凹面鏡２３の裏面に配置されている。凹面鏡２３の領域２３ｂごとにピエゾアクチュエーター２７ａが設けられている。したがって、補償光学素子２７は３２個のピエゾアクチュエーター２７ａを有している。
【００８５】
複数のピエゾアクチュエーター２７ａは、ピエゾコントローラ６７に接続されている。ピエゾコントローラ６７は複数のピエゾアクチュエーター２７ａを独立して駆動する。すなわち、ピエゾコントローラ６７からの駆動信号によって、ピエゾアクチュエーター２７ａは、前後に伸縮する。こうすることで、凹面鏡２３の領域２３ｂが図４の矢印方向に移動する。
【００８６】
このように、凹面鏡２３の領域２３ｂには、それぞれピエゾアクチュエーター２７ａが設けられている。したがって、ピエゾアクチュエーター２７ａを独立して駆動することで、凹面鏡２３の反射面に位置を調整することができる。これにより、反射レーザ光の波面の歪を補正することができる。したがって、光学的な収差、即ちノイズを低減することができる。
【００８７】
ピエゾコントローラ６７は、波面センサ９３での検出結果に基づいて、ピエゾアクチュエーター２７ａを制御している。こうすることで、空気のゆらぎ等による波面のひずみを補正することができる。よって、測定距離が長くなった場合でも、より正確に測定することができる。
【００８８】
なお、第１受光部３６、及び第２受光部３７が波長５３２ｎｍに検出感度を有する場合、可視レーザ光がホワイトノイズになってしまう。したがって、第１受光部３６、及び第２受光部３７を波長５３２ｎｍに検出感度を有していないフォトダイオードとすることが望ましい。あるいは、第１受光部３６、第２受光部３７の前に、波長５３２の光を遮光するバンドパスフィルタやロングパスフィルタ等のフィルタを１枚以上配置してもよい。
【００８９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。
【符号の説明】
【００９０】
１  レーザドップラー振動計
２  バッテリ
３  ガスボンベ
４  自動車
５  測定対象物
６  作業者
１０１  本体部
１１  赤外レーザ光源
１２  ファイバ
１３  レンズ
１４  アイソレータ
１５  グラントンプソンプリズム
１６  分岐用ＰＢＳ
１７  ＰＢＳ
１８  波長変換手段
２１  反射型λ／４板
２２  凸面鏡
２３  凹面鏡
２３ａ  スリット
２４  ポリゴンミラー
２５  ガルバノミラー
２７  補償光学素子
２７ａ  ピエゾアクチュエーター
２８  窓
３１  ＡＯＭ
３２  ミラー
３３  合成用ハーフミラー
３４  ミラー
３６  第１受光部
３７  第２受光部
３８  検出器
４１  ミラー
４２  ミラー
４３  バンドパスフィルタ
４４  ミラー
４５  ハーフミラー
４６  レンズ
４８  ファイバ
４９  ミラー
５５  参照ミラー
５６  参照ミラー
５０  直線駆動装置
５１  サーボモータ
５２  リニアガイド
５３  ベース
６１  ＡＯＭドライバ
６２  復調器
６３  処理装置
６４  コントローラ
６５  ガルバノコントローラ
６６  ポリゴンドライバ
６７  ピエゾコントローラ
６８  サーボモータコントローラ
７１  可視レーザ光源
７２  ファイバ
７３  レンズ
７４  アイソレータ
７５  ハーフミラー
７６  ハーフミラー
７７  ミラー
７８  ミラー
７９  合成部
８０  結像レンズ
８１  カメラ
９１  レーザレンジファインダ
９２  ミラー
９３  波面センサ
【図１】
2015203592.tif 000003
【図２】
2015203592.tif 000004
【図３】
2015203592.tif 000005
【図４】
2015203592.tif 000006