光学やフォトニクスの他の多くの分野と同様に、レーザーの出現は光学計測に革命的な変化をもたらしました。 初期の頃から、光計測の原理は、振幅、位相、光周波数、波長、コヒーレンス、偏光状態など、光を特徴付ける様々な物理パラメータの独創的な使用に基づいています。 したがって、光学計測における問題の核心は、オブジェクト情報を可能な限り最高の精度で光に最もよく符号化し、光から復号化できるように、これらのパラメータをどのように正確に制御できるかにある。

レーザーの使用は、このような高度に制御された光が検出-測定のための物体情報取得の物理媒体として使用できるようになったことは、光学計測の長い歴史の中で初めてであり、光学計測の新たな可能性を切り開いた。 例えば、スペクトル領域に強く閉じ込められた光を持つ周波数安定化レーザーは、次元計測のための明確な標準を提供し、時間領域に強く閉じ込められた光を持つ超短パルスレーザーは、高分解能の範囲探索を可能にしました。

レーザーが光学計測に及ぼす影響は大きすぎて広範囲に及んでおり、この短い記事では説明できません。 従って私達はレーザーが産業干渉法をいかに変えたか私達の焦点を制限します、言葉の干渉法がホログラフィック干渉法および斑点の干渉法を含

OCTを有効にする

光干渉法の光源としてのレーザーの導入は、産業用途にとって特に重要でした。 ブラッグセルまたは安定化ゼーマンレーザーによって生成されたレーザ光の二つの異なる光周波数間のショットノイズ制限ビート信号を用いたヘテロダイン干渉法は、-1オングストロームに達する高さ分解能の超高分解能表面プロフィロメトリーを可能にした。 位相シフト法または現代のフリンジ解析と組み合わせた空間キャリア法によるホモダイン位相検出に基づくレーザ干渉法は,光学表面のフルフィールドテストに広く使用されている。

位相測定レーザー干渉法の強さは、ナノメートルの範囲まで位相を決定する能力にあります。 しかし、この強さは、検出された位相が(-π、π)の範囲に包まれ、あいまいさが2πの整数倍で包まれるという弱さを伴う。 この位相のあいまいさのために,マイクロマシンなどの被試験物体が位相ジャンプに対応する大きな不連続性を持つときに測定に失敗する。

光周波数調整可能なレーザを用いたスペクトル領域干渉法は、レーザ光の単色性から生じたこの問題の解決策を与えてくれました。 周波数調整可能なレーザの光周波数を走査することによって生成されるスペクトルフリンジは、それらのフリンジ周波数における不連続な物体の高さに関する明確な深さ情報を運ぶ。 レーザーの周波数同調性を利用したスペクトル干渉法のこの技術は、今日の高度な周波数領域光コヒーレンス断層撮影(OCT)の基礎を形成しました。

ホログラフィック技術

レーザーによってもたらされた光学計測のもう一つの重要な変化は、拡散面から散乱されたランダムな光学場の干渉を含む光干渉法の拡張であった。

この点で最も重要なのは、レーザー光のコヒーレンスが基本的な役割を果たすホログラフィック干渉法とスペックルメトロロジーの出現でした。 3Dオブジェクトからの光学フィールドを記録し、再構築するホログラフィーの能力は、オブジェクトが変形および/または変位する前と後の時間の異

ホログラフィック干渉法と従来の干渉法を区別するもう一つの重要な特徴は、研磨されていない表面を持つ一般的な物体に適用できることです。 ホログラフィック干渉法のこれらの独特な特徴は自動車のためのタイヤの非破壊的なテストによって最もよく例証される多くの巧妙な産業適用を 振動解析によく使用される代替ホログラフィック技術は、時間平均ホログラフィーである。 振動面を振動周期よりも長い記録時間でホログラムに記録し,振動ノードからの光によって生成された静的干渉縞のみをホログラムに記録し,振動ループからの光によって生成された動的縞は長い記録時間の間に平均化する。 このように,再構成画像は振動モードをフリンジ等高線マップとして可視化する。

短パルスレーザーの使用は、ホログラフィーによる飛行中の光記録の別の可能性を提供しています。 ホログラムを斜めに照らす短いパルス参照ビームは、ホログラムの各部分が異なる瞬間に物体を再構築し、飛行中の光の可視化を可能にするように、

近年のCCDやCMOS技術の進歩により、高解像度イメージセンサでホログラムをデジタル記録し、コンピュータや空間光変調器で光学的に光学的に光学場を数値的に再構成することが可能になった。 このデジタルホログラフィーの技術は,光の伝搬や集束や収差補正などの任意の数値演算を行うことにより,異なる時間と異なる場所に記録された二つの光学場を数値データに基づいて直接比較できるホログラフィック干渉法にこのような新しい機能を追加した。

ホログラフィック干渉法の他に、ホログラフィーは光干渉法に波面整形のもう一つの重要な機能を導入しています。 コンピュータで生成したホログラムを用いると,非球面の干渉測定試験のためのプロトタイプ標準として役立つ所望の非球面波面を合成することができる。

スペックル干渉法

スペックル現象は、レーザーがホログラフィーや光学情報処理に使用されるようになって以来、長い間知られてきました。 拡散面から散乱された多くのランダムな光学場のコヒーレントな重ね合わせから生じるこれらのレーザ誘起粒状強度分布は,レーザ光でイメージングを行うときに避けられないノイズまたは迷惑とみなされた。 すぐに研究者は任意レーザーの斑点がレーザー光が分散する目的の表面についての有用な情報を運ぶことわかるようになりました。

スペックルフォトグラフィーでは、物体の表面で観察されたスペックルパターンを、物体の表面上の個々の位置を示すユニークなマーカーとして使用し、これらのスペックルマ

スペックル干渉法は、散乱によって生成された拡散物体表面上のランダムな光学場と、滑らかな波面またはランダムな波面のいずれかを有するこ フリンジ等高線マップを用いて物体情報を直接与える従来の干渉法とは異なり,物体表面で観測されたランダムスペックルパターンは物体自体について直接情報を与えない。 しかし,熱荷重や外力などによって物体が変形すると,スペックルパターンは変形によってもたらされる光路差の変化によりその分布を変化させる。 変形前後の二つのスペックルパターンの違いは、通常、2D差分布を整流することによってフリンジ等高線マップとして視覚化される変形の分布を明

高解像度イメージセンサーと最新のフリンジ解析の併用により、スペックル計測は現在、産業用途や土木工学の非破壊検査に不可欠な手段となってい

上記のような非常に限られた事例であっても、レーザーが産業用途のための現代の光学計測の進化に大きな影響を与えたことがわかります。 産業光学度量衡学の分野の私達の同僚とともに、私達はレーザーの50周年を祝うことを望みます。

周波数コム
テオドール-ヘンシュは、2005年のノーベル物理学賞の半分を共有しました

写真提供:ルートヴィヒ-マクシミリアン-ウニベルシタット、ミュンヘン。

ドイツのTheodor Hänschは、光周波数コム技術を含むレーザーベースの精密分光法の開発で、2005年のノーベル物理学賞の半分をアメリカのJohn Hallと共有しました。

周波数コム技術により、毎秒の光振動数を15桁の精度で極端な精度で測定することが可能になりました。

レーザーによる計測技術は、物質、空間、時間の性質に関する知識を深め、非常に正確な光時計やGPSなどの衛星ベースのナビゲーションシステムに進歩をもたら

レーザー用途

干渉法、顕微鏡、分光法などの多数の用途に追加しました。 レーザーはに使用されます:

  • 自動車のガスと流体の流れを測定する
  • 加速度と回転を感知する
  • 航空機、ミサイル、および発射体の周りの気流を研究する
  • カメラレンズの滑らかな表面を確保
  • 間隔および変位を測定して下さい
  • 測定の温度および圧力変化
武田光雄

SPIEフェロー武田光雄は、東京電気通信大学教授であり、日本光学会会長でもある。 彼はホログラフィーおよび光学度量衡学の開発への彼の貢献の認識のSPIEによって与えられるDennis Gabor賞の2010年の勝者である。

Malgorzata Kujawinska

SPIE Fellow Malgorzata Kujawinskaはワルシャワ工科大学の応用光学とフォトニクスの教授であり、Photonics21の副社長です。 彼女はSPIEの元会長であり、国際光学委員会の元副会長でもあります。 2010年、SPIE監督賞を受賞した。