JP2011085589A - 干渉振動計及び干渉振動測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉振動測定を行う振動計におけるユーザの使い易さの改善。
【解決手段】ソースビームを測定ビームおよび基準ビーム５に分割するための第１のビームスプリッタ３と、検出器１０および集束手段９とを備え、集束手段９が、測定ビームを物体８上の測定点７上に焦点合わせするために配置され、１１００ｎｍよりも大きな波長を有する測定ビームが生成され、物体の少なくとも１つの測定点７の周りの部分領域の平面的な画像を形成するために画像形成ユニット１２が備えられ、集束手段９が測定ビームを物体８上の測定点７上に焦点合わせするために画像形成ユニット１２と物体８間に配置され、測定ビームの焦点が画像形成ユニット１２の焦点面内に存在し、集束手段９によって、測定ビームの焦点および画像形成ユニット１２の焦点面が同時に変位可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ソースビームを生成するためのビーム源、このソースビームを測定ビームおよび基準ビームに分割するためのビームスプリッタ、検出器および集束手段を備える、物体の振動を測定する干渉式振動計、及びビームスプリッタによってソースビームから分けられた測定ビームと基準ビームとを用いて干渉式で物体の振動を測定する方法に関する。

物体における振動を、例えばレーザ・ドップラー干渉計などの干渉計を用いて非接触測定することが公知である。典型的なこのような干渉計は、ビーム源、ビームスプリッタおよび検出器を備えている。その際、ビーム源から生成されたソースビームがビームスプリッタを用いて測定ビームと基準ビームとに分割される。測定ビームが物体上の測定点上に導かれて少なくとも部分的に物体によって反射された測定ビームは、検出器の検出面上において基準ビームと重ね合わされることにより、検出器によって測定ビームと基準ビーム間の重畳（重ね合わせ）信号または干渉信号が測定可能となる。物体表面の動き、つまり振動によって測定ビームの振動数が影響を受けるため、測定ビームおよび基準ビームの重畳信号から物体の動き、具体的には物体表面の時間当たりの振動数を推定することが可能である。ビーム源は、単色性ビームまたは少なくとも十分な大きさのコーヒレンス長を有するビームを生成する必要がある。典型的にはレーザ発生装置がビーム源として用いられる。

さらに、測定ビームのビーム路程に集束手段を配置し、この集束手段を用いて測定ビームの焦点が物体上の測定点に照準を合わせることが公知である。通常、干渉振動測定においては、レーザによって生成された可視領域における波長、すなわち３８０ｎｍから７５０ｎｍの波長領域を有する測定ビームが用いられる。この場合、特に人の目に対する損傷の危険性が生じうる。従って、より高い安全策が必要であるか、あるいは例えば２５μＷ以下の性能を有するクラス１のレーザなど、低性能のレーザを用いる必要がある。しかしこのことは、利用範囲の制限、安全策によって発生する費用および／またはレーザ性能の低下およびこれに伴う測定ビームの強度の低下による測定信号の品質低下（具体的には信号対雑音比の低下）などの悪影響を及ぼす。

本発明の課題は、物体の干渉振動測定のための公知の振動計および公知の方法をユーザの使い易さという観点から改善し、具体的には、さらなる安全対策を講じることなしに、その利用範囲の拡大を可能にすることである。また測定ビームの調整および／またはフォーカシングを簡単にすることを目的とする。なお、本明細書において、Ａおよび／またはＢなる用語は、ＡまたはＢあるいはＡとＢの両方を意味する。

ソースビームを生成するためのビーム源と、前記ソースビームを測定ビームおよび基準ビームに分割するための第１のビームスプリッタと、検出器および集束手段とを備える、物体の振動を測定する干渉式振動計において、上記課題を解決するため、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと基準ビームとが検出器の検出面上で重ね合わされ、
前記集束手段が、測定ビームを物体上の測定点上に焦点合わせするために測定ビームのビーム路程に配置され、
１１００ｎｍよりも大きな波長を有する測定ビームが生成され、
物体の少なくとも１つの測定点の周りの部分領域の平面的な画像を形成するために画像形成ユニットが備えられ、
前記集束手段が測定ビームを物体上の測定点上に焦点合わせするために前記画像形成ユニットと物体間のビーム路程に配置され、測定ビームの焦点が前記画像形成ユニットの焦点面内に存在し、前記集束手段によって、測定ビームの焦点および前記画像形成ユニットの焦点面が同時に変位可能である。

物体の振動を干渉法で測定する振動測定方法は、上記課題を解決するため、ビーム源を用いてソースビームを生成するステップと、ソースビームを第１のビームスプリッタを用いて基準ビームおよび測定ビームに分割するステップと、基準ビームと物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームとを検出器の検出面上で重ね合わせるステップとを備え、測定ビームの焦点が集束手段を用いて物体上の測定点に合わせられ、かつ
１１００ｎｍよりも大きな波長を有する測定ビームが生成され、さらに、少なくとも物体の測定点の周りの部分領域が画像形成ユニットによって平面的に画像形成され、その際に画像形成ユニットが集束手段を用いて物体の部分領域上に焦点合わせされ、集束手段は、測定ビームの焦点が常に画像形成ユニットの焦点面に存在するように構成され、前記集束手段によって画像形成ユニットが少なくとも物体の部分領域上に焦点を合わされ、その際同時に測定ビームが少なくとも測定点上に焦点を合わされる。

本発明による物体の干渉振動測定のための振動計は、ソースビームを生成するためのビーム源と、このソースビームを測定ビームと基準ビームとに分割するための第１のビームスプリッタと、検出器および集束手段とを備える。

本発明は、公知の干渉計の場合のように、測定ビームを物体上における測定点へと導き、物体によって、少なくとも部分的に反射される測定ビームと基準ビームとが検出器の検出面上で重ね合わされるように構成されている。従って、検出器の測定信号によって、測定点における物体表面の振動数を決定することが可能となる。集束手段は、測定ビームのビーム路程に設けられており、測定ビームの焦点が物体上における測定点上に合わせられるように構成されている。１１００ｎｍよりも大きい波長の測定ビームを生成することが可能であり、本振動計がさらに物体の測定点の周りの少なくとも１つの部分領域を平面的に表示する画像形成ユニットを有し、さらに集束手段が画像形成ユニットと物体間のビーム路程に配置されていることが、本発明による振動計にとって、重要である。集束手段は、測定ビームの焦点がおおよそ画像形成ユニットの焦点面に存在し、この集束手段を用いて測定ビームの焦点と画像形成手段の焦点面とが同時に変位可能であるように構成されている。

従って、公知の振動計との本質的な違いは、測定ビームが１１００ｎｍよりも大きな波長を有する、つまり具体的に言えば、測定ビームが人の目には不可視であるという点である。これによって物体における測定が人の目によって検出されず、より少ない安全策を必要としながらも、可視領域における測定ビームの使用と比較して、高い強度の測定ビームの使用が可能となる利点が得られる。

しかしながら、人の目には不可視である測定ビームの使用によって、ユーザが直接視覚的にコントロールして測定ビームの調整をチェックすることができなくなるため、所望の測定条件の調節、具体的には測定ビームを物体上における所望の測定点に調整することが困難となる。このため、本発明による振動計においては、測定ビームのビーム路程のみならず画像形成ユニットと物体間のビーム路程も集束手段を超えて延ばされている。すなわち両方のビーム路程は、少なくとも部分的に集束手段に属する光学的要素を通って延びている。

従って、本発明による振動計においては、測定ビームの焦点がおおよそ画像形成ユニットの焦点面内に存在し、これに応じて集束手段による画像形成ユニットの焦点面の変位が、同時に測定ビームの焦点の対応する変位と連係することが確立する。

本発明による振動計を用いて本発明による物体の干渉振動測定を実施する方法は、以下の手順で行われる。まず、ビーム源によってソースビームが生成され、このビームが第１のビームスプリッタによって基準ビームと測定ビームとに分割される。基準ビームは、少なくとも部分的に物体によって反射される測定ビームと、検出器の検出面上で重ね合わされる。さらに測定ビームは、集束手段によってその焦点が物体の測定点上に合わせられる。測定ビームは、１１００ｎｍ以上の波長を有する。さらに、画像形成ユニットにより物体の測定点の周りの部分領域が平面的に表示され、その際、画像形成ユニットは同様に集束手段によってその焦点が部分領域に合わせられる。

測定ビームの焦点が常に画像形成ユニットの焦点面内におおよそ存在するため、集束手段を用いて画像形成ユニットの焦点を部分領域に合わせる動作は、測定ビームの焦点を少なくともおおよそ測定点に合わせる動作と同時に実施される。

従って、本発明による振動計および本発明による方法は、ユーザによる、人の目には不可視である測定ビームの調整および焦点合わせが著しく簡素化されるという利点を有する。

画像形成ユニットによって表示された、物体の測定点の周りの部分領域を視覚を用いてコントロールすることによって、ユーザが測定点の周りの部分領域を直接チェックすることができるため、ユーザは簡単な方法で測定ビームを調整することができる。同様に、ユーザが視覚を用いて表示された部分領域をコントロールすることにより画像形成ユニットの焦点をこの部分領域に合わせる。同時に、測定ビームの焦点を測定点に合わせる動作をすることにより、写真用カメラやビデオカメラにおいて知られているように簡単な方法でいわゆる「ピント合わせ」をするように、測定設定を行うことができる。

従って、例えば本発明による振動計と測定すべき物体間の距離を知らなくても、測定ビームの調整および焦点合わせが可能となる。さらに、測定ビームが不可視であるだけでなく測定すべき物体における部分領域の表示も人の目には見えないため、物体における測定が人の目には見えないことになる。

本発明による振動計および本発明による方法は、画像形成ユニットに測定ビームに対する感度をもたせるような構成にする必要がないという利点を有する。なぜならば調整および焦点合わせという観点から見た場合、表示された部分領域と測定点間における関連付けよって、測定ビームまたは測定点自体をユーザのために画像形成ユニットによって可視化する必要がないからである。具体的には、従来の画像形成ユニットを可視領域における表示のために用いることが可能であり、例えばＩｎＧａＡｓセンサなど、１１００ｎｍよりも大きい波長領域においても感受性を有するような、高価な画像形成ユニットを用いる必要がない。

ビーム源は、１１００ｎｍよりも大きな波長を有するソースビームを生成することが可能であるように構成される、すなわちビーム源を用いて１１００ｎｍよりも大きな波長を有するソースビームを生成することが好ましい。これにより、簡単な方法で測定ビームが１１００ｎｍよりも大きな波長を有するようになる。

本発明による振動計は、測定ビームの焦点が常に正確に画像形成ユニットの焦点内に存在するように構成されることが好適である。また、本発明による方法では、測定ビームも同時に正確に測定点上に焦点合わせされることが好ましい。しかしながら、使用する光学的要素の（製造誤差など）技術的な条件によって、わずかなズレが生じる場合がある。

画像形成ユニットは、可視領域（３８０ｎｍから７５０ｎｍの波長領域）あるいは少なくともその部分領域において、部分領域が平面的に表示可能であるように構成されると好適である。また、本発明による方法では、画像領域が可視領域あるいは少なくともその部分領域において平面的に表示されることが好適である。これによって、簡単な方法でユーザによる視覚を用いたコントロールが可能となる。

本発明による振動計は、集束手段と検出器間の測定ビームのビーム路程および集束手段と画像形成ユニット間の画像形成ユニットのビーム路程に設けられる第２のビームスプリッタを備えることが好ましい。このビームスプリッタは、集束手段と画像形成ユニット間のビーム路程における可視領域のビームについては強度損失が５０％よりも小さく、集束手段と検出器の検出面間のビーム路程における測定ビームについては同様に強度損失が５０％よりも小さくなるように構成配置されると好適である。従って、好適な実施形態においては、第２のビームスプリッタによって少なくとも可視領域において、ビームが集束手段から５０％より大きいビーム強度で画像形成ユニット上に導かれ、物体によって反射された測定ビームが集束手段から同様に５０％より大きいビーム強度で検出器の検出面上に導かれる、ビーム分割が行われる。

本発明による振動計においては、集束手段から、測定ビームが少なくとも主に検出器上へ、また可視ビームが少なくとも主に画像形成ユニットへと導かれる、ビームの分割が実施される。これによって、特に検出器の検出面上だけでなく、画像形成ユニットにおいても関連性のあるビームに関して高い強度を得ることが可能であるため、より良好な測定結果（具体的にはより良好な信号対雑音比）あるいはより良好な画質を得ることが可能となる。可視領域におけるビームのみならず測定ビームについても前述の強度損失が３０％よりも小さいこと、すなわち第２のビームスプリッタによって、少なくとも可視領域におけるビームが７０％よりも大きいビーム強度で画像形成ユニットへ、さらに物体によって反射された測定ビームが７０％よりも大きいビーム強度で検出器へと導かれることが特に好適である。

第２のビームスプリッタは、ダイクロイックビームスプリッタとして構成されていることが好ましい。具体的には、可視領域においてはビーム強度に関してビームの少なくとも５０％が第２のビームスプリッタを通過し、第２のビームスプリッタが測定ビームのビーム強度に関して少なくとも５０％を反射するような構造が好ましい。特に、可視領域におけるビームの透過率がビーム強度に関して少なくとも７０％、またビーム強度に関する測定ビームの反射率が少なくとも７０％であることが好ましい。

第２のビームスプリッタをダイクロイックビームスプリッタとして構成することによって、簡単な方法で、一方では可視領域におけるビームに関して、他方では測定ビームに関して、ビームを所望の分割が実現可能となる。

画像形成ユニットは、画像形成ユニットによって表示される、物体の部分領域上の測定点の位置においてマーカ、好ましくはクロス照準マーカを表示可能であるように構成されることが好ましい。本発明による方法では、画像形成ユニットによって、マーカ、特にクロス照準マーカが物体の部分領域の表示上に測定点の位置で表示されることが好ましい。これによって簡単な方法で、ユーザに対して物体の部分領域の表示上に測定点の位置が表示され、その結果、簡単な方法で測定すべき物体上の測定点の正確な位置づけが可能となる。

マーカの表示は、物体と画像形成ユニット間のビーム路程において、画像形成ユニット上にクロス照準マーカを表示する光学的要素を設けることによって得られる。しかし、好ましい実施形態においては、画像形成ユニットの画像信号に対して相応に補完および／または修正を実施し、画像信号を例えばモニター上に表示する際にマーカが見られるようにすることによってマーカを生成する。この好ましい実施形態では、仮想的なマーカが画像信号の補完および／または修正によって生成される。

特に好適なのは、マーカをこのマーカの周りの画像領域に対して高い明度対比を有するように構成することである。マーカの周りの画素の明度の平均値を取得し、この平均値が所定のしきい値より小さい場合にはマーカを明るい色、具体的には白で表示し、またこの平均値が所定のしきい値よりも大きい場合にはマーカを暗い色、具体的には黒で表示することが好ましい。

本発明による振動計は、検出器の測定信号を増幅および／または補正するための、検出器と連結された評価ユニットを備えることが好ましく、この評価ユニットは、測定点において検出器によって可聴可能な周波数領域、またはその部分領域で測定された物体の振動を聴覚認識可能なように出力するように構成される。聴覚認識可能な出力とは、前記振動計が、可聴周波数領域における振動を電気振動で出力することによって、通常のスピーカあるいはヘッドフォンを介して実施されることが好ましい。従って、この好適実施形態においては、物体上の測定点の位置に存在する振動を、簡単な方法で聴覚認識可能に出力する。よって、例えば、測定すべき物体の位置または領域における、物体に対して対応する振動を付与することになる音波が、本発明の振動計による聴覚認識可能な出力によってユーザに聞こえることなる。

評価ユニットは、検出器の測定信号強度を再現するための、具体的には測定点の位置における物体の振動振幅と関連するレベルを再現するためのレベル表示器を備えることが好ましい。これによって、ユーザはさらに測定点の位置における物体の振動、具体的には振動の強度に関する視覚的な調整を行うことが可能となる。これによって、測定信号強度、すなわちレベル表示器により監視できる信号レベルが焦点合わせの微調整によって最大限となるように、ユーザが焦点合わせを微調整することが可能となる。

評価ユニットは、複数の周波数領域を選択的に所定の方法で減少させるための多周波数フィルタ（イコライザ）を備えることが好ましい。このような多周波数フィルタは、それ自体公知であり、それぞれ選択的に前設定された度合いで種々の周波数領域をダンピングするため、すなわち各周波数領域における信号強度を選択的に前設定された度合いで減少させるために、例えば音楽の再生装置で利用されているように、振動計においても用いられる。

従って、本発明による振動計のこの好適実施形態においては、干渉効果が主に発生する周波数領域を、その他の周波数領域と比較して完全にあるいはより強く抑制することによって、干渉効果を抑制することが可能となる。具体的には、多周波数フィルタがメモリユニットを有し、このメモリユニットが複数のフィルタパラメータのセットを記憶し、各周波数領域に関するフィルタパラメータのセットが相当する減少要素を保持するものであることが好ましい。多周波数フィルタは、フィルタパラメータのセットが選択的にユーザによって選択可能であり、選択されたフィルタパラメータのセットに相当する、評価ユニットから出力された信号の変更が実施されるように構成される。

これによって、例えば種々の物体の材料に応じて最適化されたフィルタパラメータのセットをメモリユニットに設けることにより、ユーザが物体の素材特性に関係なく相当する素材のフィルタパラメータのセットを選択することによって、物体の位置に存在する音波の最適な再生（再現）を得ることが可能となる。

画像形成ユニットは、前述のとおり、測定すべき物体の少なくとも１つの部分領域を表示するために用いられ、その場合、測定点は部分領域内に存在する。原則として、画像形成ユニットは、光学的顕微鏡または望遠鏡(望遠式照準器)と同様に構成することが可能である。しかしながら、画像形成ユニットは写真用カメラおよび／またはビデオカメラ、特にデジタルカメラとして構成されていることが好ましい。

さらに、画像形成ユニットは、好ましくはデジタルカメラにおいて公知の光学的ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳ技術に基づく光学的センサなどのデジタル式で平面状の撮影センサを備えることが好ましい。このユニットは、物体の部分領域が、集束手段および必要に応じてその他の光学的要素を介してデジタル式の画像センサ上に表示されるように構成される。

画像形成ユニットは、物体の直接的な画像を撮影および／または表示、特に干渉法を用いないで表示するように構成されていることが好ましい。カメラは、それ自体写真用カメラやビデオカメラにおいて公知の方法で、写真撮影および／または物体の表示を行うように構成されていることが好ましい。

さらに、画像形成ユニットは、デジタル式画像センサによって撮影された部分領域を表示するための通知ユニットおよび／または例えばディスプレイおよび／またはメガネ型ディスプレイなどの画像表示デバイスを接続するための端子を有することが好ましい。

これによって、簡単且つ安価な方法で、特にＬＣＤディスプレイまたはＬＣＤメガネ型ディスプレイなどの市販の製品を用いた、物体の部分領域の視覚的表示が可能となる。

画像形成ユニットの画像信号は、ディスプレイ（モニター）および／またはメガネ型ディスプレイなどの通常の表示デバイス上に表示可能であるように、前述の評価ユニットによって処理されることが好ましい。具体的には、評価ユニットを用いて前述のように仮想的なマーカが付加される。

前述のとおり、本発明の振動計は、測定点が部分領域内に存在し、部分領域の変位が相当する測定点の変位にもつながることによって、部分領域内の測定点の相対位置が不変であるように構成されている。測定点は、画像形成ユニットに表示された物体の部分領域内において略中央に位置することが好ましい。

部分領域と測定点の調整は、ユーザが本発明による振動計全体を移動または回転および／または傾斜させることによって実施できる。さらに、本振動計が回転鏡などの光学的偏向機構を有することも本発明の範囲内に含まれており、これらの機構が物体と画像形成ユニット間のビーム路程だけでなく測定ビームのビーム路程にも設けられることによって、部分領域に対する測定点の位置が変わることなく、部分領域と測定点とが同時に物体上で変位可能となる。この変位は、選択的に２つの互いに垂直な空間方向で実施されることが好ましい。

特に頑丈で簡単な本発明による振動計の好ましい構造は、振動計全体が共通のハウジング内に設けられ、このハウジングを対応して回転および／傾斜させることによって調整を行い、偏向機構が設けられない場合に得られる。従って、本発明による振動計をビデオカメラのように旋回および傾斜可能ヘッド（雲台）を介して三脚に設けることによって、ビデオカメラにおいて公知のように本振動計を回転および／旋回させることにより部分領域および物体上の測定点の調整を実施することが可能であり得る。

別の好ましい実施例において、本発明の振動計は、本振動計と連結され、望遠式照準器の視野が測定点を含むように、具体的には測定点が望遠式照準器の視野において略中央に存在するように配置される光学的望遠式照準器をさらに備える。さらに、望遠式照準器は、望遠式照準器の視野が画像形成ユニット上に表示される物体の部分領域の視野よりもはるかに大きいように構成されていることが好ましい。

従って、この好ましい実施例においては、望遠式照準器の視野が画像形成ユニット上に表示された物体の部分領域と比較してはるかに大きな領域をカバーするため、部分領域および測定ビームの調整のために最初に望遠式照準器を用いて粗調整を行うことが可能となる。そのためには、望遠式照準器もまた測定点の位置をマーキングする、クロス照準マーカのような照準を有することが特に好ましい。従って、粗調整は、ユーザが望遠式照準器を覗き込み、所望の測定点が望遠式照準器の視野の中央に存在するように、あるいはマーカを所望の測定点上に調整するように、本発明による振動計を調整することによって実現される。その後、ユーザは画像形成ユニット上に表示される物体の部分領域の表示を（例えば画像表示またはメガネ型ディスプレイを介して）観察し、振動計の方向を必要に応じて再調整することによって微調整を行う。画像形成ユニットを介して測定点の位置においてマーカがユーザに対して表示されている場合、微調整は特に正確に実施される。

方法ステップＦ１において少なくとも測定物体の部分領域に対する焦点合わせが実施され、焦点合わせを行う間、部分領域の表示が繰り返し画像形成ユニット上で（例えば画像表示またはメガネ型ディスプレイなどの）表示デバイスを介して再現されることによって、ユーザが視覚に基づく調整を行いながら焦点合わせを実施できることが好ましい。画像形成ユニットの焦点合わせと測定ビームとを連結することによって、ここでは少なくとも測定ビームの測定点への焦点合わせが実施される。

（必要に応じてその間にその他の方法ステップを挟んだ上で）その後に続く方法ステップＦ２において、本発明の方法の好ましい実施例において、検出器の測定信号の信号レベルが視覚的および／または聴覚的に出力されるか、または／及び検出器によって測定された測定点の振動が可聴周波数領域において出力されることによって、測定ビームの測定点への焦点合わせの微調整が行われる。従って、ユーザが信号レベルを最大値にし、または聴覚認識可能に出力することによる微調整によって微調整を行う。

前述の調整は、好ましくは、本発明の方法の第１ステップＦ１および第２ステップＦ２の前に（必要に応じてその間にその他の方法ステップを挟んだ上で）、前ステップＦ０として実施される。さらに、調整と焦点合わせとを同時に複数の部分ステップにおいて交互に連続的に実施することも本発明の範囲内に含まれる。

ビーム源は、好ましくは単色ビームを生成するように構成されている。具体的にはビーム源がレーザ、好ましくは２ｋＨｚより小さい線幅を有する狭帯域レーザ、さらに好ましくはエルビウムファイバレーザとして構成されることが好ましい。２ｋＨｚ、好ましくは５００Ｈｚより小さい線幅を用いることで、測定信号における雑音が低減される。検出器は、ＩｎＧａＡｓ検出器として構成されることが好ましい。

集束手段は、好ましくは少なくとも変位可能なレンズ、特に好ましくは少なくとも１つの変位可能なレンズを備え、これによって１つ以上のレンズを変位することによって画像形成ユニットの焦点面だけでなく測定ビームの焦点もが対応して同時に変位するように構成されている。

ビーム源は、１１００ｎｍよりも大きい波長を有するソースビームを生成するレーザとして構成されることが好ましい。
ビーム源は、１５００ｎｍよりも大きい波長領域、特に１５００ｎｍから１８００ｎｍの波長領域におけるソースビームを生成することが好ましい。これは、この波長領域においては、測定ビームの性能が１０ｍＷを越えない場合、レーザクラス１への分類が得られるからである。これによって一方では高品質の測定信号（具体的には良好な信号対雑音比）を得ることが可能であり、他方ではレーザクラス１に属することによって、より高いレーザクラスと比較して、本発明による振動計を製造する際に、または本発明による方法を使用する際に考慮すべき安全策が少なくなる。従って、この振動計は、測定ビームの性能が１０ｍＷより小さく、５ｍＷ、好ましくは８ｍＷよりも大きくなるように構成されていることが好ましい。特に、ビーム源が約１５５０ｎｍの波長を有する測定ビームを生成するレーザとして構成されることが好ましい。

測定点および画像形成ユニットによって表示される部分領域の大きさは、実質的に振動計の光学的要素の構造、特に集束手段の構造およびさらに物体と集束手段間の距離によって実質的に左右される。距離が大きくなればなる程、（それぞれ焦点が合った状態における）部分領域および物体上の測定点が大きくなる。本振動計は、測定が少なくとも物体と集束手段間の距離が２０ｍから５０ｍ、好ましくは５ｍから１００ｍの範囲で実施可能であるように構成されていることが好ましい。

この振動計は、高い測定精度を得るために、物体上における測定点が３００ｍｍ²よりも小さい面、特に１００ｍｍ²よりも小さい面、好ましくは５０ｍｍ²よりも小さい面をカバーするように構成されていることが好ましい。物体と集束手段間の距離が約５ｍである場合、物体上の測定点が０．２ｍｍ²よりも小さく、好ましくは０．０５ｍｍ²から０．２ｍｍ²の範囲、好ましくは約０．１ｍｍ²よりも小さい面をカバーし、さらに／または物体と集束手段間の距離が約１００ｍである場合、１００ｍｍ²よりも小さく、好ましくは７０ｍｍ²から３０ｍｍ²の範囲、好ましくは約５０ｍｍ²よりも小さい面をカバーするように構成されることが好ましい。

画像形成ユニットによって表示されている部分領域について、測定点よりも大きい、特に５０ｃｍ²よりも大きく、好ましくは１００ｃｍ²よりも大きい面を有する物体の部分領域が表示されることにより、調整と焦点合わせとを簡単に実施できるように構成されていることが好ましい。具体的に、物体と集束手段間の距離が約５ｍである場合、物体上の部分領域が１００ｃｍ²よりも大きく、好ましくは１００ｃｍ²から５００ｃｍ²の範囲、好ましくは約１５０ｃｍ²である面をカバーし、さらに／または物体と集束手段との間の距離が約１００ｍである場合、１ｍ²よりも大きく、好ましくは１ｍ²から１０ｍ²の範囲、好ましくは約５ｍ²である面をカバーするように構成されていることが好ましい。

測定点は、丸、正方形または長方形（特に、基部側と高さの関係が１より大きく１０より小さく、好ましくは５より小さく、特に２より小さい長方形）であるように形成されることが好ましい。同様のことが表示される部分領域にも当てはまる。

本発明による干渉式振動計の機能ブロックを模式的に示す模式図である。

本発明による振動計および本発明による方法のその他の特徴と好ましい実施形態は、以下において図１に概略的に示されている、本発明による振動計の実施形態に基づいて詳述される。

図１に示す実施形態は、その波長が１５５０ｎｍであり、その線幅が５００Ｈｚより小さい、単色性ソースビーム２を生成するレーザとして構成されるビーム源１を備える。第１のビームスプリッタ３によって、ソースビーム２の測定ビーム４と基準ビーム５とへの分割が行われる。

測定ビーム４は、第２のビームスプリッタ６によって測定すべき物体８上の測定点７へと導かれる。測定ビーム４を測定点７に焦点合わせするために、集束手段９が物体８と第２のビームスプリッタ６間の測定ビーム４のビーム路程に設けられている。集束手段９は、（図示しない）測定ビーム４に対して平行に変位可能な光学的レンズを備える。

物体８によって少なくとも部分的に反射される測定ビーム４は、集束手段９および第２のビームスプリッタ６を介して検出器１０の検出面へと導かれ、この面上で基準ビーム５と重ね合わされる。測定ビームと基準ビームと重ね合わせは、それ自体公知の方法で、別途設けられた光学的要素：鏡１１ならびに２つの別のビームスプリッタ３ａおよび３ｂを用いて行われる。

本発明による振動計が、さらにデジタル式ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラとして構成された画像形成ユニット１２を備えることが重要である。画像形成ユニット１２は、画像形成ユニット１２のＣＣＤチップ上に部分領域Ａが平面的に表示されるように、集束手段９および第２のビームスプリッタ６と協働するように構成されている。図面の簡素化のため、図１においては単に部分領域Ａと画像形成ユニット１２間の中央のビーム路程のみを示す。

従って、集束手段９は、測定ビーム４の焦点合わせだけでなく画像形成ユニット１２に画像形成された部分領域Ａの焦点合わせにも用いられる。本発明の振動計は、測定点７が部分領域Ａの中央に位置し、測定ビームの焦点がおおよそ画像形成ユニット１２の焦点面内に存在するように構成されている。

さらに図１における振動計は望遠式照準器１３を備え、この望遠式照準器は、この振動計本体と連結されており、測定点７および部分領域Ａが望遠式照準器１３の視野の中心に位置するように調整されている。図１において、より良好に図示するため、正確な縮尺ではない図面が選択されており、具体的には、振動計と物体８間の距離が本発明の振動計の寸法に比べて著しく縮小されて表されている。望遠式照準器１３は、望遠式照準器の視野の中央に配置されるクロス照準マーカを有し、この望遠式照準器が測定点７の位置をマーキングする。

図１による振動計は、ギアヘッド１５を介して三脚１４上に取り付けられている。さらに振動計は、検出器１０だけでなく画像形成ユニット１２とも連結されている評価ユニット１６を備える。

物体８の測定点７において干渉振動測定を実施するためには、最初に振動計の粗調整が実施される。この際、ユーザは望遠式照準器１３を覗き込んでギアヘッド１５を用いて回転および／または旋回動作を行うことにより、望遠式照準器１３の視野におけるクロス照準マーカがおおよそ物体８上の所望の測定点７に位置させる。

評価ユニット１６は、メガネ型ディスプレイを接続するための端子を有し、画像形成ユニット１２のＣＣＤチップの相当する画像信号をこの端子に対して出力する。さらに評価ユニット１６は、画像形成ユニット１２の画像信号に加えて、測定点７の位置をマーキングするクロス照準マーカを出力するように構成されている。

振動計の粗調整後、ユーザは前述の評価ユニット６の端子に対して接続されたメガネ型ディスプレイをかけることによって、簡単な方法で視覚を用いて調整しながら、測定点７を物体８上の所望の位置点に正確に位置づけるための微調整を行うことができる。

粗調整と微調整の違いは、望遠式照準器１３の視野が画像形成ユニット１２によって画像形成される部分領域Ａよりもはるかに大きいことに起因する。同様に、望遠式照準器１３によって得られる焦点深度が部分領域Ａを示す画像形成ユニット１２の焦点深度よりもはるかに大きい。

さらにねじ機構を有する雲台１５を用いて回転および／または旋回動作を実施することによっても微調整が行われる。調整後、焦点合わせが実施される。

この場合、ユーザが集束手段９を用いて、画像形成ユニット１２の焦点面が物体８の表面において部分領域Ａに存在するように選択する、すなわちユーザが部分領域Ａのピントを合わせることによって、最初に粗い焦点合わせが行われる。その後、焦点合わせの微調整が行われる。このためにユーザは評価ユニット１６と連結されているヘッドフォンを装着する。

評価ユニット１６は、物体８上の測定点７の可聴周波数領域にある振動を検出器１０の測定信号から取得し、対応する電気信号を前述のヘッドフォンが接続されているヘッドフォン出力に対して出力するように構成されている。物体８の周辺の音波によって物体８に対して相当する振動が付与されるため、ユーザにとってこの音波はヘッドフォンを介して可聴である。こうしてユーザは、簡単な方法で聴覚的にコントロールしながら、聴覚的に再現される音波の最適化、特に雑音レベルの最大化が実施されるような微調整を行うことが可能である。

測定制度の向上のために、図１に示す振動計の干渉構造は、ヘテロダイン式干渉計として構成されており、測定ビーム４と基準ビーム５間における変調周波数の周波数差を生成するブラッグセル１７を備える。評価ユニット１６による検出器１０の測定信号の評価は、このヘテロダイン式干渉計において公知の方法で実施される。

さらに図１の振動計は、凹レンズとして構成されている光学的レンズ１８を備える。このレンズ１８を用いて測定ビーム４について仮想的焦点が生成され、この焦点が集束手段９によって物体８の測定点７上に表示される。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

１：ビーム源
３：第１のビームスプリッタ
４：測定ビーム
５：基準ビーム
６：第２のビームスプリッタ
７：測定点
８：物体
９：集束手段
１０：検出器
１２：画像形成ユニット

Claims (14)

1. ソースビームを生成するためのビーム源（１）と、前記ソースビームを測定ビームおよび基準ビームに分割するための第１のビームスプリッタ（３）と、検出器（１０）および集束手段（９）とを備える、物体（８）の振動を測定する干渉式振動計であって、
   物体（８）によって少なくとも部分的に反射された測定ビーム（４）と基準ビームとが検出器（１０）の検出面上で重ね合わされ、
   前記集束手段（９）が、測定ビームを物体（８）上の測定点（７）上に焦点合わせするために測定ビームのビーム路程に配置され、
   １１００ｎｍよりも大きな波長を有する測定ビームが生成され、
   物体の少なくとも１つの測定点（７）の周りの部分領域の平面的な画像を形成するために画像形成ユニット（１２）が備えられ、
   前記集束手段（９）が測定ビームを物体（８）上の測定点（７）上に焦点合わせするために前記画像形成ユニット（１２）と物体（８）間のビーム路程に配置され、測定ビームの焦点が前記画像形成ユニット（１２）の焦点面内に存在し、前記集束手段（９）によって、測定ビームの焦点および前記画像形成ユニット（１２）の焦点面が同時に変位可能である振動計。
2. 第２のビームスプリッタ（６）が備えられ、前記集束手段（９）と前記検出器（１０）と間の測定ビームのビーム路程および前記集束手段（９）と前記画像形成ユニット（１２）間のビーム路程において、前記集束手段（９）と前記画像形成ユニット間の可視領域におけるビームの強度損失が５０％よりも小さく、前記集束手段（９）と前記検出器（１０）の検出面間の測定ビームの強度損失が５０％よりも小さく、好ましくは前記集束手段（９）と前記画像形成ユニット間の可視領域におけるビームの強度損失が３０％よりも小さく、前記集束手段（９）と前記検出器（１０）の検出面間の測定ビームの強度損失が３０％よりも小さくなるように、前記第２のビームスプリッタが構成配置されていることを特徴とする請求項１に記載の振動計。
3. 前記第２のビームスプリッタは、ダイクロイックビームスプリッタであり、好ましくは、可視領域におけるビームについてはビーム強度に関して少なくとも５０％を通過させ、測定ビーム（４）についてはビーム強度に関して少なくとも５０％を反射させるビームスプリッタであり、さらに好ましくは、可視領域におけるビームについてはビーム強度に関して少なくとも７０％を透過させ、測定ビーム（４）についてはビーム強度に関して少なくとも７０％を反射させるビームスプリッタであることを特徴とする請求項２に記載の振動計。
4. 前記画像形成ユニット（１２）または当該画像形成ユニットと連係動作するように構成された評価ユニット（１６）あるいはその両方が、前記画像形成ユニット（１２）によって形成された物体の部分領域（Ａ）を用いて、測定点の位置を示すマーカ、特にクロス照準マーカが表示できるように構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動計。
5. 前記検出器（１０）の測定信号を増幅または修正あるいはその両方を行うための評価ユニット（１６）が前記検出器と連結されており、前記評価ユニット（１６）は、前記検出器（１０）を用いて、測定点（７）における、可聴周波数領域あるいはその部分領域で測定された物体の振動を聴覚認識可能に出力できるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動計。
6. 前記評価ユニット（１６）が、前記検出器（１０）の測定信号強度を再現するため、特に物体の振動振幅と関連するレベルを再現するためのレベル表示器を備えることを特徴とする請求項５に記載の振動計。
7. 前記評価ユニット（１６）が、複数の周波数領域を選択的に所定の方法で減少させるための多周波数フィルタを備え、当該多周波数フィルタが、ユーザによって選択可能な複数のフィルタパラメータのセットが記憶されたメモリユニットを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の振動計。
8. 前記画像形成ユニット（１２）が、デジタルカメラとして構成されており、物体の部分領域を表示するために、このデジタルカメラが、卓上型ディスプレイ又はメガネ型ディスプレイあるいはその両方と接続可能であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の振動計。
9. さらに望遠式照準器（１３）が備えられ、この望遠式照準器は、当該望遠式照準器の視野が測定点（７）を含み、この測定点（７）が望遠式照準器の視野の略中央に存在するように配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の振動計。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の振動計を用いて物体（８）の振動を干渉法で測定する振動測定方法であって、ビーム源（１）を用いてソースビームを生成するステップと、ソースビームを第１のビームスプリッタを用いて基準ビームおよび測定ビームに分割するステップと、基準ビームと物体（８）によって少なくとも部分的に反射された測定ビームとを検出器（１０）の検出面上で重ね合わせるステップとを備え、測定ビーム（４）の焦点が集束手段（９）を用いて物体（８）上の測定点（７）上に合わせられ、かつ
    １１００ｎｍよりも大きな波長を有する測定ビームが生成され、
    さらに、少なくとも物体の測定点（７）の周りの部分領域（Ａ）が画像形成ユニット（１２）によって平面的に画像形成され、その際に画像形成ユニット（１２）が集束手段（９）を用いて物体の部分領域（Ａ）上に焦点合わせされ、集束手段（９）は、測定ビームの焦点が常に画像形成ユニット（１２）の焦点面に存在するように構成され、
    前記集束手段（９）によって画像形成ユニット（１２）が少なくとも物体の部分領域（Ａ）上に焦点を合わされ、その際同時に測定ビーム（４）は少なくとも測定点（７）上に焦点を合わされることを特徴とする振動測定方法。
11. 前記集束手段（９）と前記検出器（１０）間の測定ビームのビーム路程および前記集束手段（９）と前記画像形成ユニット（１２）間のビーム路程において、第２のビームスプリッタによって少なくとも可視領域においてビーム強度に関して５０％よりも大きいビームが前記画像形成ユニット（１２）に対して、またビーム強度に関して５０％よりも大きい物体（８）によって反射された測定ビーム（４）が前記検出器上に導かれるように、好ましくは前記第２のビームスプリッタによって少なくとも可視領域においてビーム強度に関して７０％よりも大きいビームが前記画像形成ユニット（１２）に対して、またビーム強度に関して７０％よりも大きい物体（８）によって反射された測定ビーム（４）が検出器上に導かれるようにビーム分割が行なわれることを特徴とする請求項１０に記載の振動測定方法。
12. 前記画像形成ユニット（１２）又は当該画像形成ユニット（１２）と連係する評価ユニット（１６）あるいはその両方を用いて、マーカ、特にクロス照準マーカを物体の部分領域の表示画像上の測定点の位置に表示することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の振動測定方法。
13. 前記焦点合わせは第１の方法ステップＦ１と第２の方法ステップＦ２とからなり、
    前記第１の方法ステップＦ１において、少なくとも測定物体の部分領域（Ａ）への焦点合わせが実施され、その焦点合わせの際に部分領域の表示が繰り返し画像形成ユニット上（１２）で表示ユニットを介して再現されることによって、ユーザが視覚的なコントロールをしながら焦点合わせを実施でき、その際に画像形成ユニット（１２）の焦点合わせと測定ビームとを連結することによって、ここで測定ビームの測定点（７）への焦点合わせが実施され、
    前記方法ステップＦ２において、前記検出器（１０）の測定信号の信号レベルが視覚的または聴覚的あるいはその両方で出力されることによって、または測定点（７）において、前記検出器（１０）によって可聴周波数領域またはその部分領域で測定された物体の振動が聴覚認識可能に出力されることによって、あるいはその両方によって、測定ビームの測定点（７）への焦点合わせの微調整が行われることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の振動測定方法。
14. 前記第１の方法ステップに先行する前ステップＦ０において、部分領域の表示を視覚的にコントロールすることによって測定ビームが調整され、最初に望遠式照準器を用いて粗調整した後、部分領域の表示を視覚的な確認を通じてコントロールすることによって微調整されることを特徴とする請求項１３に記載の振動測定方法。

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