レーザードップラー振動計

レーザードップラー振動計（LDV ）は、表面の振動を​​非接触で測定するために使用される科学機器です。LDVからのレーザー光を測定対象表面に照射し、表面の動​​きによって反射されたレーザー光の周波数がドップラーシフトすることで、振動の振幅と周波数を算出します。LDVの出力は一般的に、レーザー光の方向における対象物の速度成分に直接比例する連続的なアナログ電圧です。

LDVは、加速度計などの類似の測定装置と比較して、アクセスが困難な対象物や、物理的なトランスデューサを取り付けるには小さすぎたり高温すぎたりする対象物にも向けられるという利点があります。また、LDVは対象物に質量負荷をかけずに振動測定を行うため、 MEMSデバイスにとって特に重要です。

振動計は一般的に、内部参照ビームとテストビーム間の周波数（または位相）差を測定する2ビームレーザー干渉計です。LDVで最も一般的に使用されるレーザーはヘリウムネオンレーザーですが、レーザーダイオード、ファイバーレーザー、Nd:YAGレーザーも使用されます。テストビームはターゲットに向けられ、ターゲットからの散乱光が収集され、通常はフォトダイオードである光検出器上で参照ビームと干渉します。市販の振動計のほとんどは、一方のビームに既知の周波数シフト（通常30～40MHz）を加えることでヘテロダイン方式で動作します。この周波数シフトは通常、ブラッグセルまたは音響光学変調器によって生成されます。^{[ 1 ]} 

_{典型的なレーザー振動計の概略図を上に示した。周波数 f o}のレーザー光は、ビームスプリッターによって基準光と試験光に分割される。試験光はブラッグセルを通過し、周波数シフト f _bが加えられる。この周波数シフトされた光はターゲットに向けられる。ターゲットの動きによって、光にドップラーシフトが加わる。${\displaystyle f_{d}={\frac {2v(t)\cos(\alpha )}{\lambda }}}$ここで、v(t)は時間の関数としてのターゲットの速度、αはレーザービームと速度ベクトルの間の角度、λは光の波長である。

光はターゲットからあらゆる方向に散乱しますが、その一部はLDVによって集光され、ビームスプリッターによって反射されて光検出器に送られます。この光の周波数は f _o + f _b + f _dに等しくなります。この散乱光は光検出器で参照光と合成されます。レーザーの初期周波数は非常に高く（> 10 ¹⁴ Hz）、検出器の応答周波数よりも高くなっています。しかし、検出器は2つのビーム間のビート周波数（f _b + f _d、通常は数十MHzの範囲）に応答します。

光検出器の出力は、ブラッグセル周波数を搬送周波数、ドップラーシフトを変調周波数とする標準的な周波数変調（FM）信号です。この信号を復調することで、振動するターゲットの速度と時間の関係を求めることができます。

LDVは、科学、産業、医療など幅広い分野で使用されています。以下にいくつかの例を示します。

• 航空宇宙 – LDVは航空機部品の非破壊検査ツールとして使用されています。^{[ 2 ]}
• 音響 – LDVはスピーカー設計の標準的なツールであり、楽器の性能診断にも使用されています。^{[ 3 ]}
• 建築分野 – LDVは橋梁や構造物の振動試験に使用されています。^{[ 4 ]}
• 自動車分野 – LDVは、構造力学、ブレーキ診断、騒音、振動、ハーシュネス（NVH）の定量化、正確な速度測定など、多くの自動車用途で広く使用されています。 ^{[ 5 ]}
• ^{生物学的用途 - LDVは、鼓膜診断[ 6 ]}や昆虫のコミュニケーション^{[ 7 ]}など、さまざまな用途に使用されています。
• 校正 – LDVは光の波長に直接校正できる動きを測定するため、他のタイプのトランスデューサの校正によく使用されます。^{[ 8 ]}
• ハードディスクドライブの診断 – LDVはハードディスクドライブの分析、特にヘッド位置の分野で広く使用されています。^{[ 9 ]}
• 歯科機器 - LDVは、歯科業界で歯科用スケーラーの振動特性を測定して振動品質を向上させるために使用されます。^{[ 10 ]}
• 地雷探知 – LDVは埋設地雷の探知において大きな可能性を示しています。この技術は、スピーカーなどの音源を使用して地面を励起し、地面を非常にわずかに振動させ、LDVを使用して地面の振動の振幅を測定します。埋設地雷の上部の領域は、地雷と土壌の系の共振周波数で地盤速度が増大します。シングルビーム走査LDV ^{[ 11 ]} 、 LDVアレイ^{[ 12 ]}、およびマルチビームLDV ^{[ 13 ]}による地雷探知が実証されています。
• セキュリティ – 非接触振動センサーであるレーザードップラー振動計（LDV）は、遠隔音声取得機能を備えています。視覚センサー（カメラ）の助けを借りて、音声イベントが発生する環境内のさまざまなターゲットを、LDVによる音響信号の収集のための反射面として選択できます。LDVの性能は、レーザービームが照射され、反射されるシーン内の選択されたターゲット（表面）の振動特性に大きく依存します。^{[ 14 ]}
• 材料研究 – 非接触方式のため、レーザー振動計、特にレーザースキャン振動計は、カーボンプレートなどの最新材料の表面振動を測定できます。振動情報は、欠陥のある材料は欠陥のない材料とは異なる振動プロファイルを示すため、欠陥の特定と研究に役立ちます。^{[ 15 ]}

• 一点式振動計 – これは最も一般的なタイプのLDVです。^{[ 16 ]}平面外の一方向の動きを測定できます。^{[ 17 ]}
• 走査型振動計– 走査型LDVは、XY走査ミラーのセットを追加することで、単一のレーザービームを対象の表面に沿って移動させることができます。
• ホログラフィックレーザードップラー振動計（HLDV） –デジタルホログラフィーによる画像レンダリングを利用して、表面の動​​きを多数の点で同時に捉える拡張照明LDV 。 ^{[ 18 ] [ 19 ]}

• 3D振動計 – 標準的なLDVは、レーザービームの方向に沿ったターゲットの速度を測定します。ターゲットの速度の3つの成分すべてを測定するために、3D振動計は、3つの異なる方向からターゲットに当たる3つの独立したビームで位置を測定します。これにより、ターゲットの完全な面内速度と面外速度を決定できます。^{[ 20 ]}
• 回転式振動計 – 回転式LDVは、回転速度または角速度を測定するために使用されます。
• 差動振動計 – 差動LDVは、対象物上の2つの位置間の面外速度差を測定します。
• マルチビーム振動計 – マルチビームLDVは、複数の場所で同時にターゲットの速度を測定します。^{[ 21 ]}
• 自己混合振動計– 超小型光学ヘッドを備えたシンプルな LDV 構成。^{[ 22 ]}これらは一般的に、内蔵フォトディテクタを備えたレーザーダイオードに基づいています。^{[ 23 ] [ 24 ]}
• 連続走査レーザードップラー振動計（CSLDV） – レーザーを試験片の表面全体に連続的に走査し、表面の多くの点における動きを同時に捉える改良型LDV

• 光ファイバー式ジャイロスコープ
• レーザードップラーイメージング
• レーザードップラー速度測定
• レーザーマイク
• レーザースキャン振動測定
• レーザーターンテーブル
• 光ヘテロダイン検出

• レーザードップラー振動計の概要と物理原理
• レーザードップラー振動計の基本原理に関するビデオ