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、表面の非接触振動測定に使用される科学機器です。LDV からのレーザービームは対象表面に向けられ、表面の動​​きによる反射レーザー ビーム周波数のドップラー シフトから振動振幅と周波数が抽出されます。LDV の出力は通常、レーザー ビームの方向に沿った対象速度成分に 正比例する連続アナログ電圧です。

LDV が加速度計などの類似の測定装置に比べて優れている点は、アクセスが困難なターゲットや、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熱すぎたりするターゲットに LDV を向けることができることです。また、LDV はターゲットに質量負荷をかけずに振動測定を行います。これはMEMSデバイスにとって特に重要です。

振動計は一般に、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 で最も一般的なレーザーの種類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、光検出器（通常はフォトダイオード）上の参照ビームと干渉します。ほとんどの市販の振動計は、既知の周波数シフト（通常は 30～40 MHz）をビームの 1 つに追加することで、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]

_{一般的なレーザー振動計の概略図を上に示します。周波数 f o}のレーザーからのビームは、ビームスプリッターによって基準ビームとテストビームに分割されます。テストビームは次にブラッグセルを通過し、周波数シフト f _bが追加されます。この周波数シフトされたビームはターゲットに向けられます。ターゲットの動きによって、ビームにドップラーシフトが追加されます。これは f _d = 2*v(t)*cos(α)/λ で表されます。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 は光の波長です。

光はターゲットからあらゆる方向に散乱しますが、光の一部は LDV によって収集され、ビームスプリッターによって光検出器に反射されます。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ビームと結合されます。レーザーの初期周波数は非常に高く (> 10 ¹⁴ Hz)、検出器の応答よりも高くなります。ただし、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)) には応答します。

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 標準周波数変調(FM) 信号です。この信号を復調すると、振動するターゲットの速度と時間を導き出すことができます。

LDV は、科学、産業、医療のさまざまな用途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の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、楽器の性能を診断するためにも使用されています。^[3]
• 建築 – 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 – 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、正確な速度の測定など、多くの自動車用途で広く使用されています。^[5]
• ^{生物学 – LDVは鼓膜診断[6]や昆虫コミュニケーション[7]}など多様な用途に使用されてきました。
• 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ーの校正によく使用されます。^[8]
• ハードディスクドライブ診断 - LDVはハードディスクドライブの解析、特にヘッド位置決め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改善す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非常に有望であることが示されています。この技術では、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ます。LDV は地面の振動の振幅を測定します。地雷が埋設されたエリアでは、地雷と土壌の共振周波数で地表速度が増加します。シングルビームスキャン LDV ^[11] 、 LDV アレイ^[12]、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としての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、レーザービームが当たって戻ってく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、特にレーザー走査振動計は、カーボンプレートなどの現代の材料の表面振動を測定することができます。欠陥のある材料は欠陥のない材料と比較して異なる振動プロファイルを示すため、振動情報は欠陥の特定と研究に役立ちます。^[15]

• シングルポイント振動計 – これは最も一般的なタイプのLDVです。^[16]一方向の面外運動を測定できます。^[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し、単一のレーザー ビームを対象の表面上で移動できるようにします。
• ホログラフィックレーザードップラー振動計（HLDV） – 画像レンダリングにデジタルホログラフィーを利用した拡張照明LDVで、表面の動​​きを多くの点で同時に捉えます。^{[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て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および面外速度を決定できます。^[20]
• 回転振動計 – 回転 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、ターゲット上の 2 つの位置間の面外速度の差を測定します。
• 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。
• 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。^[21]これらは通常、光検出器を内蔵したレーザーダイオードをベースにしています。^{[22] [23]}
• 連続走査レーザードップラー振動計（CSLDV） - 試験片の表面をレーザーで連続的に走査し、同時に多くの点で表面の動きを捉える改良型LDV

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