JP2005326316A

JP2005326316A - 動的形状測定装置

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Publication number: JP2005326316A
Application number: JP2004145628A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Morita; 展弘森田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: JP4307321B2

Abstract

【課題】余分なコストを掛けることなく、確実に被測定物の動的形状を測定可能とする。
【解決手段】変位中の被測定物１に光を照射する第１の光源５と、照射光学系７、８、９と、前記被測定物１の変位と光の照射とのタイミングを調整するタイミング調整手段３と、被測定物１からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系１２と、この干渉縞を受光する受光手段１１と、干渉縞を受光面上で結像させる結像手段１０と、干渉縞から前記被測定物１の表面形状を求める演算器とから構成される変位中の被測定物の表面形状を求める動的形状測定装置において、前記光源５の発光時間中、あるいは前記受光手段１１の受光時間中における前記被測定物１の変位量が前記光源５の波長の半分以下になるような時間幅で、前記被測定物１にパルス光を照射、あるいは前記干渉縞を受光し、得られる干渉縞から変位中の前記被測定物１の形状輪郭を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動物の動作性能評価分野、例えばポリゴンミラーの動的形状測定等の変位中の被測定物の表面形状を求める動的形状測定装置に関するものであり、特に可動物の性能評価を行う方法及び装置に関する。

従来から、被測定物の周期運動に同期させてパルス光を被測定物に照射し、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させた干渉縞を時間変調することにより被測定物の運動中における変位量をナノメータオーダで測定する技術は提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１においては、また、被測定物の運動周期と僅かに異なる周期でパルス光を被測定物に照射し、両者の周期の差異に伴う干渉縞の強度変化を検出することにより被測定物の運動中における変位量をナノメータオーダで測定することが開示されている。
尚、通常の干渉計測における干渉縞は被測定物が静止していると観測されるが、被測定物が動くと干渉縞が消えてしまって測定できなくなるため、上記の測定方法では、被測定物に照射する光をパルス化することによって、被測定物が動いていても干渉縞を観測可能とする。
また共振ミラーの動的形状と共振中のベースに対する角度とを同時に測定する振動物体の動的測定方法および装置も研究されており、この技術はパルス光干渉と位相シフト法、もしくはフーリエ変換法を応用させて測定する。
また、フーリエ変換法を用いた可動物の動的形状測定において、被測定物の非周期運動成分に起因する測定時間の増大、操作性の低下という課題を解決する可動物の動的形状測定装置および方法も研究されている。
さらに、フーリエ変換法を用いた可動物の動的形状測定において、被測定物の形状の符号（形状の凹凸）を明確にしたうえで、形状測定する可動物の動的形状測定装置および方法も研究されている。
特許第３１５０２３９号

図１６は本発明に関連する測定対象となる可動物の一例で、レーザプリンタやデジタルコピー機といった画像機器の書き込み光学系において使用されるポリゴンミラーである。
ポリゴンミラー１は軸心１ｂを軸にして高速で回転しながら光源からポリゴンミラー面（図の１ａ）に照射された光ビームを高速走査する。画像機器に要求される書き込み速度に応じてポリゴンミラーの回転数が決められる。
高速書き込みが要求され、高速回転が要求される近年のポリゴンミラーにおいては、回転に伴う熱や遠心力の影響等によりミラー面が変形を起こすことがある。変形した面により反射されたビームは所定の位置に結像しなくなるため、高速回転中のポリゴンミラーの面形状を正確に測定および評価したいという要求がある。
静止状態のポリゴンミラーの面形状測定には干渉計が使えるが、ミラー面が回転すると干渉縞が観察できなくなるため、回転中のポリゴンミラー面形状を測定することはできない。
ポリゴンミラーのような可動物の動的形状をナノメータオーダで測定可能な方法として、特許文献１に開示された微小周期振動変位の測定装置がある。この装置では被測定物に入力する信号の周期と光源をパルス発光させるための信号の周期との間にわずかな差を与え、被測定物の表面変位を前記両周期の差に基づくビート信号として測定することを特徴としている。
また、特許文献１の参考例に示されている方法では、信号に応じて変位する被測定物に与える信号と同期させて光源を瞬間的に発生させることにより、表面変位を静止画像データとして取り込んで測定する。
しかしながら、上記測定法においては、被測定物の動作速度に対するパルス光の時間幅が明確化されていないため、被測定物の動作速度がパルス光の時間幅に対して速くなったとき干渉縞が観測できなくなるという不具合がある。
フェムト秒パルス光源等の超短パルス光源を用いると多くの可動物の動作速度より十分短い時間幅のパルス光が得られるため干渉縞が観測できるが、被測定物によっては必要以上のパルス光の時間幅を用いていることになり、その分余分なコストが掛ってしまう。
同様のことが、現在研究されている上述した振動物体の動的測定方法および装置、可動物の動的形状測定装置および方法、および可動物の動的形状測定装置および方法でもいえる。

図１７は被測定面の微小な変位を説明する概略図である。図１８は図１７と異なる被測定面の微小な変位を説明する概略図である。光源の発光時間、あるいは受光手段の受光時間内においても被測定面は微小に変位しており、発光、あるいは受光を開始するタイミングによって、その変位の仕方が異なる。
具体的に、図１７および図１８に変位の仕方の相違を示すが、図１７では被測定面１ａ、基準軸（例えば照射光学系光軸）２で、この基準軸２に対して被測定面１ａが垂直になったとき（図の実線１ａ）の変位量を０とする。
図１７の上方への変位（図の点線１ａ’）を正の変位、下方への変位（図の一点鎖線１ａ’’）を負の変位として、発光、あるいは受光時間内における被測定面１ａの変位量をＡとしている。
図１７では、被測定面１ａが基準軸２に対して垂直になったとき（変位量０）に対して、被測定面１ａが均等な変位量±Ａ／２だけ変位している。一方、図１８では、変位量０に対して正の方向にＡだけ変位し、負の方向への変位が０となっている。
そのように発光、受光を開始するタイミングによって基準に対する被測定面の変位の仕方が異なり、変位の仕方の相違は参照面に対する被測定面の角度の相違となる。
参照面に対する被測定面の角度は干渉縞の間隔に影響し、干渉縞間隔が干渉縞を受光する手段における画素の整数倍となったとき最も正確な測定値が得られる。したがって干渉縞間隔が受光手段における画素の整数倍となるようなタイミングで、光源の発光、あるいは受光手段の受光を開始すると常に正確な測定ができる。
被測定物が略周期変位する物体の場合、変位の周期に同期をとって光を照射するが、変位の周期に誤差がある場合、すなわち周期が変動する場合、測定を実施することが困難になる。
本発明は、上述した実情を考慮して、光源の発光時間中、あるいは受光手段の受光時間中における被測定物の変位量が光源波長の半分以下になるような時間幅で、被測定物にパルス光を照射、あるいは前記干渉縞を受光することにより、動作中の被測定物の形状を反映した干渉縞を取得し、取得した干渉縞から被測定物形状を求める。それにより余分なコストを掛けることなく、確実に被測定物の動的形状を測定可能とする動的形状測定装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、変位中の被測定物に光を照射する第１の光源と、この第１の光源からの光を前記被測定物に照射するための照射光学系と、前記被測定物の変位とこの被測定物への光の照射とのタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、この干渉光学系による干渉縞を受光する受光手段と、前記干渉縞を受光面上で結像させる結像手段と、前記受光手段にて検出した前記干渉光学系による干渉縞から前記被測定物の表面形状を求める演算器とから構成される、変位中の被測定物の表面形状を求める動的形状測定装置において、前記光源の発光時間中、あるいは前記受光手段の受光時間中における前記被測定物の変位量が前記光源の波長の半分以下になるような時間幅により、前記被測定物にパルス光を照射、あるいは前記干渉縞を受光し、得られる干渉縞から変位中の前記被測定物の形状輪郭を求める動的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記受光手段の受光面上における干渉縞の間隔が前記受光手段の画素の整数倍となるときの被測定面角度を基準に前記第１の光源の発光時間中、あるいは前記受光手段の受光時間中における被測定面の角度変化が略均等になるように、前記第１の光源の発光、あるいは前記受光手段の受光を開始させる請求項１記載の動的形状測定装置を特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、被測定面の照射光学系光軸に対する角度を検知するために前記被測定物に光を照射するための第２の光源と、前記被測定物により反射された前記第２の光源２からの光を受光するための第２の受光手段と、前記第２の受光手段の出力に基づき干渉縞を作るための第１の光源から前記被測定物に光を照射するタイミング、あるいは干渉縞を受光する第１の受光手段により干渉縞を受光するタイミングを計算するための第２の演算器と、を更に備えた構成である請求項２記載の動的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記第１の光源と前記第２の光源とで偏光方向を異なるものとし、前記被測定物からの反射光の前記被測定物から前記第１の受光手段までの光路中に前記第１の光源の偏光方向に近い光以外をカットする偏光フィルタを設けた請求項３記載の装置を特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記第１の光源と前記第２の光源とで偏光方向を異なるものとし、前記被測定物からの反射光の前記被測定物から前記第１の受光手段までの光路中に前記第１の光源の偏光方向に近い光以外をカットする偏光フィルタを設けた請求項３記載の装置を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記被測定物の変位と前記被測定物への光の照射とのタイミング調整手段に前記第１の光源から前記被測定物までの光路内に設置した遅延光学系を用いる請求項１または２記載の動的形状測定装置を特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記遅延光学系に光ファイバを用いた請求項６記載の動的形状測定装置を特徴とする。

本発明によれば、光源の発光時間内での被測定物の変位量が、光源波長の半分以下になるように、被測定物の変位速度に合わせて前記光源の発光の時間幅を設定することにより、被測定物の動作速度に対して必要なパルス光の時間幅を明確化し、それにより余分なコストを掛けることなく、確実に干渉縞を観測でき、動的形状輪郭を測定可能とすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明による動的形状測定装置の第１の実施形態の構成を示す概略図である。図１において、被測定物であるポリゴンミラー１はパルス発生器３からの所定周波数のパルス信号を受けてドライバ４により回転駆動される。
所定のパルス幅のパルス光を発光する光源（第１の光源）である半導体レーザ５はパルス発生器３からの信号をレーザドライバ６に外部トリガとして入力し、所定の発光周波数にて発光する。半導体レーザ５からの光の強度を調整するためのＮＤフィルタ７およびビームエキスパンダ８が設けられる。
ビームエキスパンダ８にて拡大された光の一部はビームスプリッタ９を透過し、一部はビームスプリッタ９で反射される。ビームスプリッタ９を透過した光は、被測定物であるポリゴンミラー１に照射される。
ポリゴンミラー（被測定物）１において反射された光は到来した光路を逆行して、ビームスプリッタ９にて反射され、結像レンズ１０を介してＣＣＤカメラ１１に到達する。
一方、ビームスプリッタ９にて反射された光は、参照ミラー１２に照射され、参照ミラー１２にて反射された光は到来した光路を逆行して、ビームスプリッタ９を透過して、結像レンズ１０を介してＣＣＤ１１に到達する。

ポリゴンミラー１にて反射された物体光と参照ミラー１２にて反射された参照光について、物体光の光路長と参照光の光路長との差を光源である半導体レーザ（第１の光源）５のコヒーレンス長以下に設定しておき、物体光と参照光の光軸を略一致させれば、両者は干渉を起こして干渉縞が発生する。
結像レンズ１０は被測定物１の像がＣＣＤカメラ１１の撮像面上で結像するように、その位置が調整されている。物体光と参照光との間で発生した干渉縞はＣＣＤカメラ１１にて撮像される。
この干渉縞はフレームグラバ１３にて捕捉されてコンピュータ１４に転送され、コンピュータ１４のメモリに記憶されるとともにコンピュータのモニタに表示される。なお、符号１５はＣＣＤドライバである。
ＣＣＤカメラ１１にて撮像される干渉縞からポリゴンミラー面形状輪郭を求めるためには、例えば、ポリゴンミラー面と参照ミラー面との間に所定量の傾斜を与えて干渉縞に空間的な変調をかけてフーリエ変換法を実行する演算器（図示せず）を使用する。
または、参照ミラー１２にこの参照ミラー１２を光軸方向に微動させるためのピエゾアクチュエータを取り付け、干渉縞に時間変調をかけて位相シフト法を実行する演算器（図示せず）を使用すればよい。

図２はポリゴンミラードライバに供給するパルス電圧信号と半導体レーザドライバに供給するパルス電圧信号とのタイミングを示す図である。共通のパルス発生器３から両ドライバに信号を供給することにより、ポリゴンミラー１の回転と半導体レーザ５の発光とは同期が取れる。
同じパルス発生器３の異なるチャンネルからそれぞれのドライバに信号を供給する場合、半導体レーザ用信号の周波数をポリゴンミラー用信号の周波数と一致させるか、もしくは約数に設定し、チャンネル間での信号の位相を調整すれば、前記回転と発光との間で、同期を取ったうえでタイミング調整ができる。
信号のタイミング調整により、ポリゴンミラー１に光が照射された瞬間におけるポリゴンミラー面の測定光学系光軸に対する角度が調整できるため、ポリゴンミラー面が測定光学系の光軸に対して略垂直になるように信号のタイミングを調整すれば、ポリゴンミラー１からの反射光と参照光とが干渉をお越し干渉縞が発生し、ＣＣＤカメラ１１にて干渉縞を撮像できる。
半導体レーザ５の発光周波数がＣＣＤカメラ１１の撮像周波数より低い場合は、半導体レーザドライバ６への供給信号と同期の取れた同じ周波数の信号をＣＣＤドライバ１５とフレームグラバ１３に供給して外部トリガを掛けるとよく、その場合ＣＣＤカメラ１１の露光時間中に半導体レーザ５が発光するようにタイミングを調整する。
半導体レーザ５の発光周波数がＣＣＤカメラ１１の撮像周波数より高い場合は、ＣＣＤカメラ１１の内部同期で撮像を行えばよいが、その場合は半導体レーザ５の発光周波数をＣＣＤカメラ１１の撮像周波数で割った商だけの回数の平均化強度画像が得られることになる。
半導体レーザ５の発光の時間幅とポリゴンミラー１の回転速度について、回転に伴うポリゴンミラー面の光学系光軸方向への変位速度をＶ（ｘ）とし、発光の時間幅をｔとすると、発光時間中にポリゴンミラー面は光学系光軸方向にＶ（ｘ）・ｔだけ変位する。
ｘはポリゴンミラー面の長手方向における位置を表し、ポリゴンミラー面の中心を０とし、ミラー面の最端を±ｘｍａｘとすると、Ｖ（０）はゼロであり、Ｖ（±ｘｍａｘ）は最大となる。

図３は半導体レーザの発光の時間幅がポリゴンミラー面の光学系光軸方向への変位速度に対して十分短いとき得られる干渉縞を示す模式図である。図４は発光時間幅が変位速度に対して十分短くなっていないときに得られる干渉縞画像を示す模式図である。
図３および図４において、符号１６で表したモニタ画面において、１ａは図１６と同様なミラー面、１ｂは回転軸で、１ｄは干渉縞を示している。図４において、ポリゴンミラー面上の中心付近の光軸方向への変位速度が小さい領域では干渉縞が観察される。
しかし、ポリゴンミラー面の長手方向において端に近づくにつれ変位速度が速くなり、それに伴い干渉縞１ｄのコントラストが低下してしまい（１ｄ’参照）、やがて正常に観察できなくなることを示している。正常に干渉縞が観察できないと形状輪郭を求めることはできない。
図５は光学系光軸に対してポリゴンミラー面が略垂直になったとき得られる干渉縞のポリゴンミラー長手方向に対する断面強度分布のシミュレーション例を示す図である。図６は角度が９０度から僅かにずれたときの断面強度分布のシミュレーション例を示す図である。
ポリゴンミラー１は回転中に光学系光軸に対する角度を変化させるため、光学系光軸に対してポリゴンミラー面が垂直に近いときの干渉縞の半導体レーザ発光時間中における合成が干渉縞画像として観察されることになる。
図７は半導体レーザ発光時間中における合成干渉縞の断面強度分布のシミュレーション例を示す図である。図８はポリゴンミラーの長手方向の最端部分において、光源発光時間中におけるポリゴンミラー面の変位が光源波長の半分より小さいときの合成干渉縞の断面強度分布のシミュレーション例を示す図である。

図９は半導体レーザ発光時間中におけるポリゴンミラー面の変位が光源波長の半分より大きいときの合成干渉縞の断面強度分布のシミュレーション例を示す図である。
しかし、図９におけるポリゴンミラー１の端部のように半導体レーザ発光時間中におけるポリゴンミラー面の変位が半導体レーザ５の波長の半分より大きくなったとき干渉縞のコントラストが失われる。
そのためポリゴンミラー１の仕様から最高速度Ｖｍａｘを求め、次の（１）式を満足するようなパルス発光時間幅を有する半導体レーザを、光源として用いればよい。
Ｖｍａｘ・ｔ＜λ／２・・・・（１）
光源には、半導体レーザ以外でパルス光を発光するものを用いてもよいし、光源にＨｅ―ＮｅレーザなどのＣＷ光を用い、それを回転チョッパなどの外部パルス変調器で変調して所定時間幅のパルス光を得てもよい。
また、ＣＷ光源を用い、ＣＣＤカメラの露光時間を調整することにより、光源のパルス発光時間幅を調整することと同様の効果を得てもよい。その場合（１）式におけるｔはＣＣＤカメラの露光時間に相当する。
フーリエ変換法のように空間的に変調した干渉縞を１ショット画像として収録し、被測定物１の形状を求める測定法では、干渉縞の間隔がＣＣＤカメラ等の受光手段の画素の整数倍のとき最も正確な測定値が得られる。例えば干渉縞が３．５画素に１本観察されるときより３画素に１本観察されるときのほうが正確な測定結果が得られる。

図１０は干渉縞間隔が画素の整数倍のときに求めたポリゴンミラーの長手方向断面形状のシミュレーション例を示す図である。図１１は干渉縞間隔が画素の整数倍でないときに求めた形状のシミュレーション例を示す図である。
しかし、図１０に対して図１１に測定誤差が生じている。干渉縞の間隔は被測定物１の反射光の光軸と参照光の光軸との傾きにより決まるため、被測定物１を静止させた状態で干渉縞が画素の整数倍になるように物体反射光と参照光との角度を調整しておき、その後被測定物１を変位させて測定を行うとよい。
しかしながら、図１７および図１８の例に示したように、被測定物１に照射する光の発光タイミングにより参照光に対する物体反射光の傾きが変わるため、それに応じて干渉縞の間隔が若干変わってしまう。本発明では、誤差が最小になるように、常に図１８の状態で測定する。
例えばポリゴンミラー１を静止させた状態でほぼ照射光学系光軸に対して垂直になるようにセットして、そのとき観察される干渉縞間隔がＣＣＤ画素の整数倍になるように参照光用のミラーの傾きを調整しておく。その後ポリゴンミラー１を回転させる。
パルス発生器３のチャンネル間位相調整による信号遅延の分解能が要求される第１の光源（半導体レーザ）５のパルス発光時間幅より小さい場合に、ポリゴンミラー１と半導体レーザ５のそれぞれのドライバ４、６にパルス発生器３から信号を供給し、ＣＣＤ画像のモニタに干渉縞が観察されるまでチャンネル間位相を調整する。
干渉縞が観察されたらチャンネル間位相をさらに微調整し、干渉縞が観察され得るチャンネル間位相の上限と下限を、モニタした干渉縞を見ながら確認し、上限と下限の中心に位相を合わせる。
すると、被測定面１ａが照射光学系光軸２に対して垂直になったとき（変位量０）に対して、被測定面１ａが基準に対して均等な変位量±Ａ／２だけ変位することになる。したがってそのような状態にしてから干渉縞を収録して測定を行うようにすれば、常に図１０の状態で測定ができ、測定誤差を低減することができる。

図１２は本発明による動的形状測定装置の第２の実施の形態の構成を示す概略図である。図１２において図１と同じ番号の部品は図１と共通であり、作用も等しい。
図１２において、回転中の被測定ポリゴンミラー１にＣＷレーザ光を照射するための半導体レーザ（第２の光源）１７は略平行光７／９を照射する。半導体レーザ１７はレーザドライバ１８によって駆動される。
半導体レーザ１７からの光は回転中のポリゴンミラー１により反射、走査されて、走査された光のうち一部がフォトダイオード（第２の受光手段）１９で受光される。フォトダイオード１９はポリゴンミラー１の各面により反射された光をパルスとして検出できるように高速で応答するものが望ましい。
変換器２０はフォトダイオード１９からの出力を電流−電圧変換し、カウンタ２１はフォトダイオード１９の出力をカウントする。ポリゴンミラー１の回転に伴いフォトダイオード１９により検出されるパルス状の信号をカウンタ２１でカウントし、所定回数カウントしたのちパルス発生器３にパルス信号を発生させるためのトリガ信号を出力する。
例えば図１２のポリゴンミラー１は６面体であるため、６つのパルス信号出力をカウントするたびにパルス発生器３にトリガ信号を出力すればよく、ポリゴンミラー１の回転の数周期で１回の光源パルス発光を行う場合は、それに応じてカウント回数を増やせばよい。
電流−電圧変換した信号はアナログ状であるため、信号にノイズがある場合はフィルタやコンパレータを用いてパルス波形を整形するとよい。ポリゴンミラー１を回転させながらフォトダーオード１９の出力によりトリガを掛けて半導体レーザ１７を発光させる。
干渉縞が観察できるように、トリガ信号に対する半導体レーザ５の発光の遅延を調整する。干渉縞が観察できたら前述したように、パルス発生器３のチャンネル間位相の調整により遅延量をさらに微調整する。
干渉縞が観察され得る遅延量の上限と下限を、モニタした干渉縞を見ながら確認して、上限と下限の中心に遅延量を合わせると、被測定面１ａが照射光学系光軸２に対して垂直になったとき（変位量０）に対して、被測定面１ａが対称な変位量±Ａ／２だけ変位することになる。
それによりポリゴンミラー１の回転周波数が変動する場合においても常に図１０の状態で測定ができ、測定誤差を低減することができる。

図１３は本発明による動的形状測定装置の第３の実施の形態の構成を示す概略図である。図１３において図１２と同じ番号の部品は図１２と共通であり、作用も等しい。
図１３において、所定の波長の光のみを透過させる波長フィルタ２２が示されている。例えばポリゴンミラー面の形状を測定するための半導体レーザ５の光の波長を６３５ｎｍとし、ポリゴンミラーの回転周波数変動をモニタするための半導体レーザ１７の光の波長を４０５ｎｍとする。
そこで波長フィルタ２２に６３５ｎｍ近傍の波長の光のみを透過させるフィルタを用いると、ＣＣＤカメラ１１では形状測定のための干渉縞のみが観察される。ノイズ光が防げるため正確な測定が可能となる。
図１４は本発明による動的形状測定装置の第４の実施の形態の構成を示す概略図である。図１４において図１と同じ番号の部品は図１と共通で作用も同様である。
図１４において、第１の光源（半導体レーザ）５からの光を折り返して取り出すためのミラー２３が示されている。このミラー２３によって取り出された光はミラー２４により折り返され、リトロリフレクタ２５によって到来した方向に折り返される。
リトロリフレクタ２５により折り返された光は、ミラー２６、２７で反射され、被測定物１に照射する計測光となる。ミラー２３からミラー２７までの光路の分だけ計測光に時間遅延が与えられる。リトロリフレクタ２５を矢印方向に進退させることにより遅延量を連続的に変えられる。

図１５は本発明による動的形状測定装置の第５の実施の形態の構成を示す概略図である。図１５において図１と同じ番号の部品は図１と共通で、その作用も同様である。
図１５において、光源５からの光を折り返して取り出すためのミラー２８が示されており、このミラー２８により照射光学系光路から取り出された光はカップリングレンズ２９により光ファイバ３０に導かれ、カップリングレンズ３１により光ファイバ３０から取り出され、ミラー３２により照射光学系光路に戻される。
ミラー３２により反射された光は測定物１に照射される計測光となる。光は１ナノ秒で約３０ｃｍ進むため、光ファイバ３０の長さを指定することにより、被測定物１に照射する光のタイミングをナノ秒水準で調整できる。
光ファイバ端をＦＣコネクタ等で規格化しておけば、容易に交換ができるため、長さの異なる光ファイバを幾つか用意しておけば、必要な遅延量に合わせた調整が可能となる。
パルス発生器３等を用いた電気的な時間遅延と光ファイバ３０による遅延を併用して、電気的な遅延の分解能以下での遅延の調整を、光ファイバ３０により補完すれば、より正確なタイミング調整が可能となる。
上述した光ファイバ３０と同様の伝送長の考え方で、パルス発生器３と光源（半導体レーザ）ドライバ６とを繋ぐ電気ケーブルの長さによりタイミング調整してもよい。
前述したリトロリフレクタ２５による遅延光学系を併用して、大きな遅延量を光ファイバ３０により与え、小さな遅延をリトロリフレクタ２５により与えれば、高分解能で広いレンジの遅延を、装置を大型化することなく得ることができる。

本発明によれば、照射光学系光軸に対して略垂直となったときの被測定面に対して発光、あるいは受光の時間内での被測定面の変位量が略対称となるタイミングで、被測定物１に光を照射、あるいは被測定物１からの反射光を受光することにより、発光、あるいは受光時間内での被測定面の変位量が正、負均等になるようにし、それにより形状測定結果における誤差を最小にすることができる。
本発明によれば、タイミング調整手段を、被測定物１に光を照射する第１の光源５と、この第１の光源５の被測定物１からの反射光を受光する受光手段１９と、前記受光手段１９の出力に基づき第１の光源５（干渉縞をつくるための光源）から被測定物１への光の照射タイミングを演算する演算器（カウンタ）２１とから構成する。
被測定物１の変位周期変動に追従しながら前記所定タイミングで被測定物１に光を照射、あるいは被測定物１からの反射光を受光することにより、被測定物１の変位周期に変動があってもその影響を抑えて被測定面の照射光学系光軸に対する角度検知を実施可能とすることができる。
本発明によれば、形状測定用の第１の光源５と周波数変動検知用の第２の光源１７とで波長が異なるものを用い、被測定物１からの反射光の被測定物１から受光手段９までの光路中に前記形状測定用の光源５の波長に近い光以外をカットするバンドパスフィルタ２２を設ける。
それにより前記形状測定用の光源５からの光が受光手段９に入射しないようにする。それにより形状測定のためにはノイズ光となる第２の光源１７からの光を干渉縞画像から除去し、より正確な形状測定を実現することができる。
本発明によれば、形状測定用の光源５と周波数変動検知用の第２の光源１７とで光の偏光方向を異なる方向とし、被測定物（形状測定用の光源）１からの反射光の被測定物１から受光手段９までの光路中に前記形状測定用の第１の光源５の偏光方向に近い光以外をカットする偏光フィルタを設ける。
これによって第２の光源１７からの光が受光手段に入射しないようにする。それにより形状測定のためにはノイズ光となる第２の光源１７からの光を干渉縞画像から除去し、より正確な形状測定を実現することができる。
本発明によれば、第１の光源５から被測定物１の間の光路内に光路長を長くするための光学系を設置し、被測定物に照射する光のタイミングに光路長が長くなった分だけの遅延を与えることにより前記タイミング調整を行う。それにより装置コストを低減することができる。
前述した遅延光学系に光ファイバ３０を用いることにより、装置を大型化することなく大きな光学遅延量を得ることができる。

本発明による動的形状測定装置の第１の実施の形態の構成を示す概略図。ポリゴンミラードライバに供給するパルス電圧信号と半導体レーザドライバに供給するパルス電圧信号とのタイミングを示す図。半導体レーザの発光の時間幅がポリゴンミラー面の光学系光軸方向への変位速度に対して十分短いとき得られる干渉縞を示す模式図。発光時間幅が変位速度に対して十分短くなっていないときに得られる干渉縞画像を示す模式図。光学系光軸に対してポリゴンミラー面が略垂直になったとき得られる干渉縞のポリゴンミラー長手方向に対する断面強度分布のシミュレーション例を示す図。角度が９０度から僅かにずれたときの断面強度分布のシミュレーション例を示す図。半導体レーザ発光時間中における合成干渉縞の断面強度分布のシミュレーション例を示す図。ポリゴンミラーの長手方向の最端部分において、光源発光時間中におけるポリゴンミラー面の変位が光源波長の半分より小さいときの合成干渉縞の断面強度分布のシミュレーション例を示す図。半導体レーザ発光時間中におけるポリゴンミラー面の変位が光源波長の半分より大きいときの合成干渉縞の断面強度分布のシミュレーション例を示す図。干渉縞間隔が画素の整数倍のときに求めたポリゴンミラーの長手方向断面形状のシミュレーション例を示す図。干渉縞間隔が画素の整数倍でないときに求めた形状のシミュレーション例を示す図。本発明による動的形状測定装置の第２の実施の形態の構成を示す概略図。本発明による動的形状測定装置の第３の実施の形態の構成を示す概略図。本発明による動的形状測定装置の第４の実施の形態の構成を示す概略図。本発明による動的形状測定装置の第５の実施の形態の構成を示す概略図。本発明に関連する測定対象となる可動物の一例で、レーザプリンタやデジタルコピー機といった画像機器の書き込み光学系において使用されるポリゴンミラーを示す図。被測定面の微小な変位を説明する概略図。図１７と異なる被測定面の微小な変位を説明する概略図。

符号の説明

１被測定物（ポリゴンミラー）
３タイミング調整手段（パルス発生器）
５第１の光源（半導体レーザ）
７照射光学系（ＮＤフィルタ）
８照射光学系（ビームエキスパンダ）
９照射光学系（ビームスプリッタ）
１０結像手段（決像レンズ）
１１受光手段（ＣＣＤカメラ）
１２干渉光学系
１７第２の光源（半導体レーザ）
１９第２の受光手段
２２バンドパスフィルタ
３０遅延光学系（タイミング調整手段、光ファイバ）

Claims

変位中の被測定物に光を照射する第１の光源と、この第１の光源からの光を前記被測定物に照射するための照射光学系と、前記被測定物の変位とこの被測定物への光の照射とのタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、この干渉光学系による干渉縞を受光する受光手段と、前記干渉縞を受光面上で結像させる結像手段と、前記受光手段にて検出した前記干渉光学系による干渉縞から前記被測定物の表面形状を求める演算器とから構成される変位中の被測定物の表面形状を求める動的形状測定装置において、前記光源の発光時間中、あるいは前記受光手段の受光時間中における前記被測定物の変位量が前記光源の波長の半分以下になるような時間幅により、前記被測定物にパルス光を照射、あるいは前記干渉縞を受光し、得られる干渉縞から変位中の前記被測定物の形状輪郭を求めることを特徴とする動的形状測定装置。
前記受光手段の受光面上における干渉縞の間隔が前記受光手段の画素の整数倍となるときの被測定面角度を基準に前記第１の光源の発光時間中、あるいは前記受光手段の受光時間中における被測定面の角度変化が略均等になるように、前記第１の光源の発光、あるいは前記受光手段の受光を開始させることを特徴とする請求項１記載の動的形状測定装置。
被測定面の照射光学系光軸に対する角度を検知するために前記被測定物に光を照射するための第２の光源と、前記被測定物により反射された前記第２の光源２からの光を受光するための第２の受光手段と、前記第２の受光手段の出力に基づき干渉縞を作るための第１の光源から前記被測定物に光を照射するタイミング、あるいは干渉縞を受光する第１の受光手段により干渉縞を受光するタイミングを計算するための第２の演算器と、を更に備えたことを特徴とする請求項２記載の動的形状測定装置。
前記第１の光源１と前記第２の光源２とで波長が異なるものとし、前記被測定物からの反射光の前記被測定物から前記第１の受光手段までの光路中に前記第１の光源の波長に近い光以外をカットするバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする請求項３記載の動的形状測定装置。
前記第１の光源と前記第２の光源とで偏光方向を異なるものとし、前記被測定物からの反射光の前記被測定物から前記第１の受光手段までの光路中に前記第１の光源の偏光方向に近い光以外をカットする偏光フィルタを設けたことを特徴とする請求項３記載の動的形状測定装置。
前記被測定物の変位と前記被測定物への光の照射とのタイミング調整手段に前記第１の光源から前記被測定物までの光路内に設置した遅延光学系を用いることを特徴とする請求項１または２記載の動的形状測定装置。
前記遅延光学系に光ファイバを用いたことを特徴とする請求項６記載の動的形状測定装置。