(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を対象物へ向けて照射する発光部と、前記対象物で反射されたレーザ光を反射して再び前記対象物へ向けて照射する反射部と、この反射部を経由して前記対象物で反射されたレーザ光を受けて電気信号に変換する受光部と、この受光部で変換された電気信号に含まれるビート波に基づき前記対象物の振動に関する情報を得る信号処理部と、を備えた自己混合型レーザドップラ振動計であって、
前記反射部は、前記発光部と前記対象物との間に設けられた偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタと前記対象物との間に設けられた１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタで反射されたレーザ光を反射して再び当該偏光ビームスプリッタへ向けて照射するミラーとを備えた、
ことを特徴とする自己混合型レーザドップラ振動計。
【請求項２】
前記レーザ光を減衰させる減衰フィルタが前記発光部に設けられ、この減衰フィルタの透過率が１％以下である、
請求項１記載の自己混合型レーザドップラ振動計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動している対象物の振動変位をレーザ光を用いて非接触で精度良く検出する振動計測技術に関し、詳しくは自己混合型レーザドップラ振動計に関する。この技術の応用分野としては、自動車や鉄道などの車両内の各部の振動を評価する装置、微細な精度を要求される生産試験装置（例えば半導体製造装置等）において微細な振動を評価する装置、各種建造物やプラント施設において振動を評価する装置などが挙げられる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば半導体製造技術の分野では、微小な振動変位や位置ずれが問題となったり、微小な振動変位を有する超音波振動が利用されたりしている。この微小な振動変位を非接触で計測するための装置として、レーザドップラ振動計が好適である。レーザドップラ振動計はヘテロダイン型が一般的である。しかし、ヘテロダイン型では、大きくかつ高価な変調器が必要となるとともに、光学的に複雑な構成となるため、大型化及び高価格化を招くことになる。
【０００３】
このようなヘテロダイン型の欠点を解決したレーザドップラ振動計として、例えば特公平７−６９４２５号公報、特開平１０−２６０２５４号公報等に自己混合型が開示されている。この自己混合型は、ヘテロダイン型に比べて部品点数が少なく簡素な構成になるので、小型化及び低価格化を達成できる。
【０００４】
図８は、従来の自己混合型レーザドップラ振動計を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。
【０００５】
従来の自己混合型レーザドップラ振動計９０は、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて照射する発光部９２と、発光部９２から照射されて対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２を受けて電気信号Ｓに変換する受光部９４と、受光部９４で変換された電気信号Ｓに含まれるビート波Ｂに基づき対象物Ｍの振動に関する情報を得る信号処理部９６とを備えたものである。なお、対象物Ｍの振動方向ｍは、対象物Ｍ表面の法線Ｎ方向であるとする。
【０００６】
半導体レーザ９８は、レーザ光Ｌ１を発するレーザ共振器として動作するレーザダイオード９２１と、レーザ光Ｌ１をモニタする受光部９４としてのフォトダイオード９４１とが、１パッケージに内蔵された市販品である。発光部９２は、レーザ光Ｌ１を発するレーザダイオード９２１と、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて収束させるレンズ系９２２とからなる。信号処理部９６は、例えばフィルタ回路、増幅器及びＤＳＰ又はマイクロコンピュータからなり、所定の信号処理プログラムに従って動作する。対象物Ｍの振動に関する情報とは、ビート波Ｂに基づき算出される振動変位、振動周期、振動周波数、振幅、速度、加速度等である。
【０００７】
次に、自己混合型レーザドップラ振動計９０の動作を説明する。
【０００８】
半導体レーザ９８内のレーザダイオード９２１から発せられたレーザ光Ｌ１は、レンズ系９２２を介して対象物Ｍに集光照射される。対象物Ｍで反射したレーザ光Ｌ２は、対象物Ｍの振動の影響を受けて、すなわちドップラ効果により周波数偏移を受ける。そして、レーザ光Ｌ２は、再びレーザダイオード９２１に帰還することで、もとの振動周波数を有するレーザ光Ｌ１と干渉（混合）する。その結果生じた光強度の時間変化（ビート波Ｂ）を、フォトダイオード９４１によって電気信号Ｓとして取り出す。このビート波Ｂを信号処理部９６で処理することにより、振動変位等を検出する。
【０００９】
次に、対象物Ｍの振動に関する情報をビート波Ｂから得る原理について説明する。
【００１０】
まず、対象物の振動を次式（１）で表すとする。
ｚ＝ｚ０＋（ｄｏｂｊ／２）ｓｉｎ（２πｆｏｂｊｔ）  ・・・（１）
ここで、ｚは振動中心の位置をｚ０とした場合の対象物の位置座標、ｄｏｂｊは対象物の振幅、ｆｏｂｊは対象物の振動周波数、ｔは時間である。
【００１１】
対象物の振動の半周期に計測されるビート波数をｎｂとすると、次式（２）が得られる。
ｎｂ＝（Ｔｏｂｊ／２）／Ｔｂ＝（Ｔｏｂｊ／２）／ｆｂ−１＝…＝ｄｏｂｊ／（λ／２ｃｏｓθ１）  ・・・（２）
ここで、Ｔｏｂｊは対象物の振動周期、Ｔｂはドップラビート周期、ｆｂはドップラビート周波数、λはレーザ光の波長、θ１はレーザ光が対象物に入射する角度である。
【００１２】
振動周期Ｔｏｂｊ（振動周波数ｆｏｂｊの逆数）は、ビート波Ｂ（鋸歯状波）の傾きの変化を計測することによって得られる。また、式（２）において、波長λ及び入射角θ１は既知であるから、ビート波数ｎｂを計測することにより対象物の振幅ｄｏｂｊが得られる。したがって、これらの振動周波数ｆｏｂｊ及び振幅ｄｏｂｊを式（１）に代入することによって、対象物の位置座標ｚが得られる。
【００１３】
なお、ビート波１個分の振動の変位量すなわち分解能Δｚは、式（２）より次式（３）で表される。
Δｚ＝ｄｏｂｊ／ｎｂ＝λ／２ｃｏｓθ１（≒λ／２）  ・・・（３）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、式（２）に示すように、対象物の振幅ｄｏｂｊが小さくなるほどビート波数ｎｂが減少する。そして、振幅ｄｏｂｊが半波長以下になると、観測されるビート波数ｎｂが１以下となるため、ビート波数ｎｂから振幅ｄｏｂｊを得ることは事実上不可能となる。
【００１５】
すなわち、従来の自己混合型レーザドップラ振動計では、使用するレーザ光の波長λの半分程度（λ／２程度）に分解能が制限されるという問題があった。なお、レーザドップラ振動計に使用する半導体レーザの波長は通常６００〜８００［ｎｍ］であるため、分解能は０．３〜０．４［μｍ］程度となる。
【００１６】
この問題を解決するためには、次の三つの技術が考えられる。（ａ）波長の短い光を発するレーザ光源を使用する。（ｂ）レーザ光源から発せられる光の周波数を、ＡＯ（acousto-optic effect）変調器等を用いて強制的にシフトさせる。（ｃ）半波長以下の振動変位を観測した場合に得られる正則でないビート波形状に対して、適切なアルゴリズムからなる波形処理を実行することにより振動変位を得る。
【００１７】
（ａ）の技術では、式（２）の分母が小さくなることにより、ビート波数ｎｂが増えるので、式（３）の分解能Δｚを引き下げることができる。近年、半導体レーザの短波長化が進展し、４００〜５００［ｎｍ］付近の青紫色乃至緑色レーザも開発されている。しかし、この青紫色乃至緑色レーザについては、１万時間以上の長時間にわたり安定的に波長スペクトルを維持しながら発振する小型で使い勝手の良いものが、未だ製品化されていない。
【００１８】
（ｂ）の技術でも、（ａ）の技術と同様に、式（２）の分母が小さくなるため、式（３）の分解能Δｚを引き下げることができる。しかし、ＡＯ変調器を始めとして、ビームスプリッタ、精密光軸調整装置等が必要となるため、小型で簡素な構成である自己混合型の利点を生かせないことになる。
【００１９】
（ｃ）の技術では、測定信号から変位量を得るまでの演算方法が複雑であるため、演算処理に時間がかかり過ぎるという問題がある。したがって、実用化は困難である。
【００２０】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、レーザ光の波長を短くしたり、ＡＯ変調器等を付加したりすることなく、対象物の振動の半周期に計測されるビート波数ｎｂを増やすことにより、分解能を向上できる自己混合型レーザドップラ振動計（以下、単に「レーザドップラ振動計」という。）を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザドップラ振動計は、レーザ光を対象物へ向けて照射する発光部と、対象物で反射されたレーザ光を反射して再び対象物へ向けて照射する反射部と、この反射部を経由して対象物で反射されたレーザ光を受けて電気信号に変換する受光部と、この受光部で変換された電気信号に含まれるビート波に基づき対象物の振動に関する情報を得る信号処理部とを備えたものである。そして、反射部は、発光部と対象物との間に設けられた偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタと対象物との間に設けられた１／４波長板と、偏光ビームスプリッタで反射されたレーザ光を反射して再び当該偏光ビームスプリッタへ向けて照射するミラーとを備えている。ここで「対象物で反射されたレーザ光を反射して再び対象物へ向けて照射する」とは、対象物で反射されたレーザ光をただ一回反射して対象物へ向けて照射する場合の他に、対象物で反射されたレーザ光を何回も反射して対象物へ向けて繰り返し照射する場合も含まれる。
【００２２】
従来技術において、発光部から照射されたレーザ光は、対象物で反射されると、直ちに発光部に戻ってくる。これに対し、本発明において、発光部から照射されたレーザ光は、対象物で反射されると反射部へ進み、その後再び対象物で反射されて発光部に戻ってくる。反射部と対象物との間では、レーザ光が少なくとも一往復する。すなわち、レーザ光は対象物で少なくとも二回反射される。
【００２３】
ここで、発光部と対象物との間の典型的な距離を１０［ｃｍ］程度と仮定すれば、レーザ光が発光部と対象物との間を往復する時間は１［ｎｓ］以下という短い時間である。この時間は、対象物の典型的な振動周期（数［μｓ］）に比べて充分に短い。したがって、レーザ光が発光部と対象物との間を往復する程度の時間では、対象物はほぼ静止しているとみなせる。
【００２４】
一方、計測されるビート波数ｎｂを表す式（２）では、レーザ光は対象物で一回反射されることを前提としている。そこで、レーザ光が対象物で多重反射された後に発光部に帰還するという工夫をすれば、式（２）において、レーザ光は反射の回数分だけ連続してドップラビート周波数ｆｂの偏移を受けると近似できる。すなわち、Ｎ回の反射で、ビート波数ｎｂがＮ倍になるので、分解能がＮ倍向上する。
【００２５】
図９は、本発明に係るレーザドップラ振動計の原理を示す説明図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００２６】
本発明に係るレーザドップラ振動計の原理は、図面を用いて光路長の変化としてとらえると理解しやすい。図９［１］に示す従来技術（対象物で１回反射）において、対象物が変位する前の発光部から対象物までの距離をｘとすると、光路長Ｘ０は発光部−対象物間の往復距離であるからＸ０＝２ｘである。ここで、対象物がΔｘだけ変位したとすると、光路長Ｘ１はＸ１＝２（ｘ−Δｘ）に変化する。したがって、対象物の変位前後における光路長の変化はＸ０−Ｘ１＝２Δｘ…(1)となる。
【００２７】
一方、図９［２］に示す本発明（対象物でＮ回反射）において、対象物が変位する前の発光部から対象物までの距離をｘとすると、光路長Ｘｎ０は発光部−対象物間の往復距離のＮ倍であるからＸｎ０＝２Ｎｘである。ただし、反射部での反射は発光部の近傍で生じるものとする。ここで、対象物がΔｘだけ変位したとすると、光路長Ｘｎ１はＸｎ１＝２Ｎ（ｘ−Δｘ）に変化する。したがって、対象物の変位前後における光路長の変化はＸｎ０−Ｘｎ１＝２ＮΔｘ…(2)となる。
【００２８】
式(1)，(2)から明らかなように、対象物の変位前後における光路長の変化は、本発明では従来技術のＮ倍となる。すなわち、Δｘが振幅であるとすれば、本発明では従来技術に比べて振幅をＮ倍に拡大して計測できることになる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の前提となるレーザドップラ振動計の第一参考例を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図８と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００３０】
本参考例のレーザドップラ振動計１０は、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて照射する発光部１２と、対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２を反射して再びレーザ光Ｌ３を対象物Ｍへ向けて照射する反射部１４と、反射部１４を経由して対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４を受けて電気信号Ｓに変換する受光部９４と、受光部９４で変換された電気信号Ｓに含まれるビート波Ｂに基づき対象物Ｍの振動に関する情報を得る信号処理部９６とを備えている。発光部１２と反射部１４とは、対象物Ｍ表面の法線Ｎを中心に対称な二本の直線上に、それぞれ配置されている。
【００３１】
発光部１２は、レーザダイオード９２１、レンズ系９２２及び減衰フィルタ１２１からなる。レーザダイオード９２１から発生したビームは、一般に発散光となっている。そのため、レンズ系９２２は、レーザダイオード９２１から発生したビームを平行光に変える。これにより、レーザ光Ｌ１はビーム径が一定となる。また、減衰フィルタ１２１は、光強度を減衰させるＮＤ（neutral density）フィルタ等である。レーザ光Ｌ４がレーザダイオード９２１に戻る場合、その光量が多いと、一般的にレーザ出力が不安定になる。そのため、減衰フィルタ１２１は、レーザ光を往復で例えば０．０１［％］以下（すなわち１［％］×１［％］以下）に減衰させる。
【００３２】
対象物Ｍの表面には、鏡面体Ｍ１が設けられている。鏡面体Ｍ１は平面鏡であるので、対象物Ｍで反射したレーザ光Ｌ２は散乱せずに平行光として進む。
【００３３】
反射部１４は、ミラー１４１からなる。ミラー１４１は、平面鏡であるので、対象物Ｍで反射したレーザ光Ｌ２を同一光路へ帰還させる。これにより、対象物Ｍ表面の同一点で、レーザ光Ｌ３が二回目の反射を起こす。また、ミラー１４１は、対象物Ｍ表面の法線Ｎ及びレーザ光Ｌ１を含む平面上であって、レーザ光Ｌ１の入射角θ２に等しい反射角方向に配置される。なお、後述するように、入射角θ２はπ／３［ｒａｄ］以下とすることが望ましい。
【００３４】
次に、レーザドップラ振動計１０の動作を説明する。
【００３５】
レーザダイオード９２１から照射されたレーザ光Ｌ１は、レンズ系９２２及び減衰フィルタ１２１を透過して、対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２は、ミラー１４１で反射される。ミラー１４１で反射されたレーザ光Ｌ３は、再び対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により再び周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４は、減衰フィルタ１２１及びレンズ系９２２を透過して、レーザダイオード９２１に戻る。これにより、レーザ光Ｌ４は周波数偏移を二回受けたことになるので、分解能も二倍向上する。
【００３６】
次に、レーザドップラ振動計１０の効果を、数式を用いて説明する。
【００３７】
Ｎ回の多重反射の光学系において、対象物の振動の半周期に計測されるビート波数ｎｂは、対象物表面に対するレーザ光の入射角をθ２とすれば、次式（４）で表される。
ｎｂ＝（Ｔｏｂｊ／２）／Ｔｂ＝（Ｔｏｂｊ／２）／（Ｎ・ｆｂ）−１＝…＝（Ｎ・ｄｏｂｊ）／（λ／２ｃｏｓθ２）  ・・・（４）
【００３８】
ここで、図８に示した従来のレーザドップラ振動計に対するビート波数ｎｂの増加率をｋとすると、増加率ｋは式（２）と式（４）との比により次式（５）で表される。
ｋ＝Ｎ（ｃｏｓθ２／ｃｏｓθ１）  ・・・（５）
【００３９】
このように、従来技術に比べて、入射角θ１，θ２が同じであれば、ビート波数ｎｂがＮ倍になるので、分解能がＮ倍向上する。
【００４０】
また、入射角θ２をπ／３［ｒａｄ］未満に設定すれば、従来技術における入射角θ１がどのような値であっても、次式（６）のように増加率ｋは必ず１よりも大きくなる。
ｋ＞２ｃｏｓ（π／３）／ｃｏｓ（０）＝２×（１／２）／１＝１  ・・・（６）
【００４１】
次に、レーザドップラ振動計１０を更に具体化した例（以下「具体例」という。）について、比較例ととともに説明する。
【００４２】
図２［１］は図８のレーザドップラ振動計９０（比較例）におけるビート波を示すグラフであり、図２［２］は図１のレーザドップラ振動計１０（具体例）におけるビート波を示すグラフである。以下、図１、図２及び図８に基づき説明する。
【００４３】
半導体レーザ９８は、波長６５５［ｎｍ］かつ定格出力１０［ｍＷ］の赤色レーザである。レンズ系９２２としては、焦点距離２．７５［ｍｍ］の非球面レンズを一枚用いた。対象物Ｍとして、比較例では白紙を用い、具体例ではミラーを用いた。対象物Ｍは周波数５００［Ｈｚ］で振動させた。減衰フィルタ１２１としては、透過率０．８％を有するＮＤフィルタを使用した。レーザ光Ｌ１の対象物Ｍ表面への入射角θ１，θ２は、ともに４９°とし、６０°（＝π／３［ｒａｄ］）以下とした。ミラー１４１及び鏡面体Ｍ１は金コートとした。
【００４４】
レーザ光強度は、半導体レーザ９８に内蔵されたＰＩＮ型のフォトダイオード９４１により電気信号に変換した。この電気信号をコンデンサを介して交流信号とし、これを約１０００倍のオペアンプで増幅し、得られた出力信号をオシロスコープで測定した。
【００４５】
図２［１］に示すように、比較例では、対象物Ｍの振動の半周期、すなわちＷ字型の波形の中心時刻とＭ字型の波形の中心時刻との間で、三個のビート波が観測された。これに対し、図２［２］に示すように、具体例では、対象物Ｍの半周期分の時間で、六個のビート波が観測された。また、式（４）からわかるように、具体例における二回反射では、比較例における一回反射に比べて、ビート波数が二倍になると計算できる。したがって、理論どおりの実験結果が得られた。
【００４６】
図３は、本発明に係るレーザドップラ振動計の第一実施形態を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００４７】
本実施形態のレーザドップラ振動計２０は、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて照射する発光部１２と、対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２を反射して再びレーザ光Ｌ３を対象物Ｍへ向けて照射する反射部２２と、反射部２２を経由して対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４を受けて電気信号Ｓに変換する受光部９４と、受光部９４で変換された電気信号Ｓに含まれるビート波Ｂに基づき対象物Ｍの振動に関する情報を得る信号処理部９６とを備えている。
【００４８】
反射部２２は、発光部１２と対象物Ｍとの間に設けられた偏光ビームスプリッタ２２１と、偏光ビームスプリッタ２２１と対象物Ｍとの間に設けられた１／４波長板２２２と、偏光ビームスプリッタ２２１で反射されたレーザ光Ｌ２を反射して再び偏光ビームスプリッタ２２１へ向けてレーザ光Ｌ３を照射するミラー２２３とからなる。
【００４９】
次に、レーザドップラ振動計２０の動作を説明する。
【００５０】
レーザダイオード９２１から照射されたレーザ光Ｌ１は、レンズ系９２２、減衰フィルタ１２１、偏光ビームスプリッタ２２１、１／４波長板２２２を透過して、対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２は、１／４波長板２２２を透過した後、偏光ビームスプリッタ２２１で反射され、続いてミラー２２３で反射される。ミラー２２３で反射されたレーザ光Ｌ３は、偏光ビームスプリッタ２２１で反射され、１／４波長板２２２を透過して、再び対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により再び周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４は、１／４波長板２２２、偏光ビームスプリッタ２２１、減衰フィルタ１２１及びレンズ系９２２を透過して、レーザダイオード９２１に戻る。これにより、レーザ光Ｌ４は周波数偏移を二回受けたことになるので、分解能も二倍向上する。
【００５１】
また、発光部１２及び反射部２２を一本の直線上に配置することができるので、小型化が容易である。しかも、発光部１２と反射部２２とを一本の直線上に配設することにより、式（４）において、対象物Ｍ表面に対するレーザ光Ｌ１の入射角θ２を０°にできるので、対象物Ｍの振動の半周期に計測されるビート波数ｎｂを最大にできる。したがって、最大限の分解能が得られる。
【００５２】
なお、レーザ光Ｌ２が偏光ビームスプリッタ２２１で反射される理由は、レーザ光Ｌ２が１／４波長板２２２を一往復したものであるので、その偏光の向きが１８０°ずれているためである。また、レーザ光Ｌ４が偏光ビームスプリッタ２２１を透過する理由は、レーザ光Ｌ４が１／４波長板２２２を二往復したものであるので、その偏光の向きが元に戻るためである。
【００５３】
図４は、本発明に関連するレーザドップラ振動計の第二参考例を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００５４】
本参考例のレーザドップラ振動計３０は、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて照射する発光部１２と、対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ８を反射して再びレーザ光Ｌ４，Ｌ６，Ｌ９を対象物Ｍへ向けて照射する反射部３２と、反射部３２を経由して対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ１０を受けて電気信号Ｓに変換する受光部９４と、受光部９４で変換された電気信号Ｓに含まれるビート波Ｂに基づき対象物Ｍの振動に関する情報を得る信号処理部９６とを備えている。
【００５５】
反射部３２は、法線Ｎを中心にレーザ光Ｌ１と対称な直線上に配置されたミラー３２１と、法線Ｎを中心に対称な二本の直線上にそれぞれ配置されたミラー３２２，３２３とからなる。
【００５６】
次に、レーザドップラ振動計３０の動作を説明する。
【００５７】
レーザダイオード９２１から照射されたレーザ光Ｌ１は、レンズ系９２２及び減衰フィルタ１２１を透過して、対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により一回目の周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２は、ミラー３２１で反射される。ミラー３２１で反射されたレーザ光Ｌ３は、ミラー３２２で反射される。ミラー３２２で反射されたレーザ光Ｌ４は、再び対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により二回目の周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ５は、ミラー３２３で反射される。ミラー３２３で反射されたレーザ光Ｌ６は、再び対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により三回目の周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ７は、ミラー３２２で反射される。ミラー３２２で反射されたレーザ光Ｌ８は、ミラー３２１で反射される。ミラー３２１で反射されたレーザ光Ｌ９は、再び対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により四回目の周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ１０は、減衰フィルタ１２１及びレンズ系９２２を透過して、レーザダイオード９２１に戻る。これにより、レーザ光Ｌ４は周波数偏移を四回受けたことになるので、分解能も四倍向上する。
【００５８】
図５は、本発明に関連するレーザドップラ振動計の第三参考例を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００５９】
本参考例のレーザドップラ振動計４０は、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて照射する発光部９２と、対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２を反射して再びレーザ光Ｌ３を対象物Ｍへ向けて照射する反射部４２と、反射部４２を経由して対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４を受けて電気信号Ｓに変換する受光部９４と、受光部９４で変換された電気信号Ｓに含まれるビート波Ｂに基づき対象物Ｍの振動に関する情報を得る信号処理部９６とを備えている。
【００６０】
発光部９２と反射部４２とは、対象物Ｍ表面の法線Ｎを中心に対称な二本の直線上に、それぞれ配置されている。反射部４２は、球面ミラー４２１からなる。球面ミラー４２１の曲率半径は、球面ミラー４２１から対象物Ｍまでの距離に等しくすることが望ましい。また、対象物Ｍの表面は散乱面となっている。そのため、レーザ光Ｌ２，Ｌ４は散乱光になるので、減衰フィルタは不要である。
【００６１】
次に、レーザドップラ振動計４０の動作を説明する。
【００６２】
レーザダイオード９２１から照射されたレーザ光Ｌ１は、レンズ系９２２を透過して、対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２は、球面ミラー４２１で反射される。球面ミラー４２１で反射されたレーザ光Ｌ３は、再び対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により再び周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４は、レンズ系９２２を透過して、レーザダイオード９２１に戻る。これにより、レーザ光Ｌ４は周波数偏移を二回受けたことになるので、分解能も二倍向上する。
【００６３】
図６は、本発明に係るレーザドップラ振動計の第四参考例を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００６４】
本参考例のレーザドップラ振動計５０は、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて照射する発光部９２と、対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２を反射して再びレーザ光Ｌ３を対象物Ｍへ向けて照射する反射部５２と、反射部５２を経由して対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４を受けて電気信号Ｓに変換する受光部９４と、受光部９４で変換された電気信号Ｓに含まれるビート波Ｂに基づき対象物Ｍの振動に関する情報を得る信号処理部９６とを備えている。
【００６５】
反射部５２は、発光部９２と対象物Ｍとの間に設けられた透明球面体５２１である。透明球面体５２１はガラス等の透明な材質からなる。透明球面体５２１の内面５２２は、コーティングが施されることにより、反射率が数％の球面ミラーとなっている。透明球面体５２１の曲率半径は、透明球面体５２１から対象物Ｍまでの距離に等しくすることが望ましい。なお、透明球面体５２１の外面５２３にコーティングを施すことにより、外面５２３を球面ミラーとしてもよい。また、コーティングを施さなくても所望の反射率が得られれば、それを利用してもよい。更に、対象物Ｍの表面は散乱面となっている。そのため、レーザ光Ｌ２，Ｌ４は散乱光になるので、減衰フィルタは不要である。
【００６６】
次に、レーザドップラ振動計５０の動作を説明する。
【００６７】
レーザダイオード９２１から照射されたレーザ光Ｌ１は、レンズ系９２２及び透明球面体５２１を透過して、対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２は、透明球面体５２１の内面５２２で反射される。内面５２２で反射されたレーザ光Ｌ３は、再び対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により再び周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４は、透明球面体５２１及びレンズ系９２２を透過して、レーザダイオード９２１に戻る。これにより、レーザ光Ｌ４は周波数偏移を二回受けたことになるので、分解能も二倍向上する。
【００６８】
また、発光部９２及び反射部５２を一本の直線上に配置することができるので、小型化が容易である。しかも、発光部９２と反射部５２とを一本の直線上に配設することにより、式（４）において、対象物Ｍ表面に対するレーザ光Ｌ１の入射角θ２を０°にできるので、対象物Ｍの振動の半周期に計測されるビート波数ｎｂを最大にできる。したがって、最大限の分解能が得られる。
【００６９】
本参考例における多重反射回数Ｎは、以上のとおり‘２’として説明したが、実際には多くの値をとり得る。このときの多重反射回数Ｎと光強度Ｉとの関係は、次式（７）で与えられる。
Ｉ＝Ｉ０×ＲＮ  ・・・（７）
ここで、Ｉ０は光強度の初期値、Ｒは反射率（＜１）である。式（７）から明らかなように、多重反射回数Ｎが増加するにつれて光強度Ｉは急激に減衰する。
【００７０】
一方、多重反射後の光強度が一定のしきい値Ｉｔｈ以上でなければ、自己混合効果に影響が及ばない。したがって、次式（８）を満足する多重反射回数Ｎはビート波数ｎｂの増加には寄与しない。
Ｉｔｈ＞Ｉ０×ＲＮ  ・・・（８）
【００７１】
最も支配的な多重反射回数Ｎは、反射率、位相変化、光路長等の様々な要因によって決まるので、実験的に求める方法が現実的である。すなわち、反射回数が‘１’である場合の何倍のビート波数が得られるかを予め調べておくことにより、多重反射回数Ｎを決定する。
【００７２】
図７は、本発明に関連するレーザドップラ振動計の第五参考例を示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００７３】
本参考例のレーザドップラ振動計６０は、レーザ光Ｌ１を対象物Ｍへ向けて照射する発光部９２と、対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２を反射して再びレーザ光Ｌ３を対象物Ｍへ向けて照射する反射部６２と、反射部６２を経由して対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４を受けて電気信号Ｓに変換する受光部９４と、受光部９４で変換された電気信号Ｓに含まれるビート波Ｂに基づき対象物Ｍの振動に関する情報を得る信号処理部９６とを備えている。
【００７４】
反射部６２は、半導体レーザ９８の投光窓に予め設けられているウインドプレート６２１である。ウインドプレート６２１はガラス等の透明な材質からなる。すなわち、ウインドプレート６２１の表面を低反射率のミラーとして利用している。なお、ウインドプレート６２１の表面にコーティングを施すことにより、所望の反射率を得るようにしてもよい。また、レンズ系９２２のレンズ表面６２２，６２３を、反射部として利用してもよい。更に、対象物Ｍの表面は散乱面となっている。そのため、レーザ光Ｌ２，Ｌ４は散乱光になるので、減衰フィルタは不要である。
【００７５】
次に、レーザドップラ振動計６０の動作を説明する。
【００７６】
レーザダイオード９２１から照射されたレーザ光Ｌ１は、ウインドプレート６２１及びレンズ系９２２を透過して、対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ２は、レンズ系９２２を透過してウインドプレート６２１で反射される。内面５２２で反射されたレーザ光Ｌ３は、再びレンズ系９２２を透過して対象物Ｍで反射されるとともに対象物Ｍの振動により再び周波数偏移を受ける。対象物Ｍで反射されたレーザ光Ｌ４は、レンズ系９２２及びウインドプレート６２１を透過して、レーザダイオード９２１に戻る。これにより、レーザ光Ｌ４は周波数偏移を二回受けたことになるので、分解能も二倍向上する。
【００７７】
また、発光部９２及び反射部６２を一本の直線上に配置することができるので、小型化が容易である。しかも、部品点数は従来技術（図８）と同じである。更に、発光部９２と反射部６２とを一本の直線上に配設することにより、式（４）において、対象物Ｍ表面に対するレーザ光Ｌ１の入射角θ２を０°にできるので、対象物Ｍの振動の半周期に計測されるビート波数ｎｂを最大にできる。したがって、最大限の分解能が得られる。
【００７８】
なお、本参考例における多重反射回数Ｎは、以上のとおり‘２’として説明したが、実際には多くの値をとり得る。その値は、第四参考例と同じように実験的に求められる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係るレーザドップラ振動計によれば、Ｎを２以上の整数とすると、発光部から照射されたレーザ光が、対象物で反射されると反射部へ進み、更に（Ｎ−１）回対象物で反射された後に発光部に戻ることにより、レーザ光を対象物でＮ回反射させることができる。したがって、レーザ光は周波数偏移をＮ回受けたことになるので、分解能もＮ倍向上できる。すなわち、レーザ光の波長を短くしたり、ＡＯ変調器等を付加したりすることなく、対象物の振動の半周期に計測されるビート波数を増やすことにより、分解能を向上できる。
【００８０】
これに加え、発光部と対象物との間に設けられた偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタと対象物との間に設けられた１／４波長板と、偏光ビームスプリッタで反射されたレーザ光を反射して再び偏光ビームスプリッタへ向けて照射するミラーとによって反射部を構成したことにより、発光部と反射部とを一本の直線上に配設できるので、更に小型化を達成できる。しかも、発光部と反射部とを一本の直線上に配設することにより、対象物表面に対するレーザ光の入射角を０°にできるので、分解能を最大限にまで向上できる。
【００８１】
請求項２記載のレーザドップラ振動計によれば、レーザ光を減衰させる減衰フィルタを発光部に設け、この減衰フィルタの透過率を１％以下としたことにより、発光部に戻るレーザ光を適切に抑えることができるので、レーザ出力を安定化できる。
【００８２】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の前提となるレーザドップラ振動計の第一参考例を示す構成図である。
【図２】  図２［１］は図８のレーザドップラ振動計（比較例）におけるビート波を示すグラフであり、図２［２］は図１のレーザドップラ振動計（具体例）におけるビート波を示すグラフである。
【図３】  本発明に係るレーザドップラ振動計の第一実施形態を示す構成図である。
【図４】  本発明に関連するレーザドップラ振動計の第二参考例を示す構成図である。
【図５】  本発明に関連するレーザドップラ振動計の第三参考例を示す構成図である。
【図６】  本発明に関連するレーザドップラ振動計の第四参考例を示す構成図である。
【図７】  本発明に関連するレーザドップラ振動計の第五参考例を示す構成図である。
【図８】  従来のレーザドップラ振動計を示す構成図である。
【図９】  本発明に係るレーザドップラ振動計の原理を示す説明図であり、図９［１］が従来技術の場合、図９［２］が本発明の場合である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０、６０  レーザドップラ振動計
１２，９２  発光部
１４，２２，３２，４２，５２，６２  反射部
９４  受光部
９６  信号処理部
Ｍ  対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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