JP2021076501A - レーザ光集光装置、レーザ光受光装置、およびレーザ光集光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ超音波法による検査などに使用するレーザ光集光装置、レーザ光受光装置、およびレーザ光集光方法を提供する。【解決手段】測定対象における光源からのレーザ光を集光するレーザ光集光装置１００は、中央に凹面ミラー中央開口が形成された凹面ミラー１１０と、凹面ミラー１１０の凸部とは反対側にあって凹面ミラー１１０と同じ方向に凸部を向けて、かつ凹面ミラー１１０の光軸上に当該光軸が重なるように配されて中央に凸状ミラー中央開口１２３が形成された凸状ミラー１２０とを備える。凸状ミラー１２０の光軸上の位置は、凹面ミラー１１０の焦点位置より凹面ミラー１１０側に近い。凹面ミラー１１０の直径は、凸状ミラー１２０の直径より大きく、凹面ミラー中央開口１１３の直径は凸状ミラー中央開口１２３の直径より小さい。【選択図】図８

Description

本発明の実施形態は、レーザ光集光装置、レーザ光受光装置、およびレーザ光集光方法に関する。

レーザは指向性や収束性に優れ、可干渉性を有する光として、材料加工、分光、計測などの幅広い技術分野で活用されており、その応用範囲は、レーザ手術、ホログラフィックイメージングなどを含め、多岐にわたっている。レーザ振動計やレーザ距離計は、レーザ光を利用して、物体の振動や物体までの距離を光学的に計測し、数値化することが可能な装置として、一般的に良く使用されている。これらの装置および手法では、レーザを物体に照射して、物体の表面で反射した光を干渉計や光検出センサにより計測している。

また、レーザ誘起ブレークダウン分光法のように、発光分光により対象の元素組成を分析する手法も広く用いられている。パルスレーザの物体への照射により超音波を励起し、別のレーザおよびレーザ干渉計により物体表面の微小振動を計測するレーザ超音波法（LUT：Laser Ultrasonic Testing）などの方法も実用化されている。

レーザ超音波法は非接触で検査できるため、溶接施工中の検査などに適用されており、超音波の検出向上のための光学的な設定方法、超音波信号の処理方法、検査対象内部を映像化するための装置や手法について、用途に応じた多様な形態が提案されている。その他、レーザ超音波法を用いた溶接中の溶融池の形状を計測する手法なども考え出されており、融液である溶融池と固体である母材金属との界面を超音波により検出することで、リアルタイムで金属が溶融する過程を評価する方法が提示されている。

特許第５６５１５３３号公報 特許第６５５９６０４号公報

レーザを物体に照射することで、物体の物性、振動、物体までの距離などの情報を得る場合、受光できるレーザ光の量は、レーザの出力、波長、照射角度、物体表面のレーザに対する反射率などにより変化する。例えば、レーザ光を物体の表面に照射し、表面で反射したレーザ光を用いて計測を行う際、レーザを照射する面が曲面である場合や面粗さが大きい場合などでは、反射光は散乱しやすくなるため、受光量が減少する。反対に面粗さが小さい場合は、反射光の散乱は小さくなるが、受光位置による光量変化が大きくなるため、受光機構の設置位置、角度などを精密に調整する必要が生じる。受光量が不十分な場合、検出感度が低下し、また受光量の変化が大きい場合、測定精度が低下するという問題が発生する。

そこで、本発明の実施形態は、レーザ光を効率的に集光させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係るレーザ光集光装置は、光源からのレーザ光を集光するレーザ光集光装置であって、中央に凹面ミラー中央開口が形成された凹面ミラーと、前記凹面ミラーの凸部とは反対側にあって、前記凹面ミラーと同じ方向に凸部を向けて、かつ前記凹面ミラーの光軸上に、自身の光軸が重なるように配されて中央に凸状ミラー中央開口が形成された凸状ミラーと、を備え、前記凸状ミラーの前記光軸上の位置は、前記凹面ミラーの焦点位置より前記凹面ミラー側に近く、前記凹面ミラーの直径は、前記凸状ミラーの直径より大きい、ことを特徴とする。

また、本実施形態に係るレーザ光受光装置は、上述のレーザ光集光装置と、前記レーザ光を干渉計測するための干渉計と、を具備することを特徴とする。

また、本実施形態に係るレーザ光集光方法は、測定対象における光源からのレーザ光を集光するレーザ光集光方法であって、前記光源からのレーザ光を凹面ミラーで反射する凹面ミラー反射ステップと、前記凹面ミラーで反射したレーザ光を凸状ミラーで反射する凸面ミラー反射ステップと、前記凸状ミラーで反射したレーザ光を前記凹面ミラーに形成された凹面ミラー中央開口を通過させる開口通過ステップと、を有することを特徴とする。

また、本実施形態に係るレーザ光集光方法は、レーザ光集光装置を設置するレーザ光集光装置設置ステップと、前記レーザ光集光装置の後段に、ビームスプリッタ、レーザ発振器、および受光機構を設置するレーザ光送受信装置構成ステップと、前記レーザ発振器でレーザ光を計測対象に照射するレーザ光照射ステップと、前記計測対象で反射したレーザ光を前記レーザ光集光装置により集光する集光ステップと、前記レーザ光集光装置で集光したレーザ光を前記受光機構で受光する受光ステップと、を有し、レーザ光送受信を確実にすることを特徴とする。

第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の構成を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の変形例の構成を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光方法の手順を示すフロー図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するための従来の集光方法を示す概念的な第１の縦断面図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するための従来の集光方法を示す概念的な第２の縦断面図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するための従来の集光方法を示す概念的な第３の縦断面図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するためのレーザ光受光装置の受光状態を示す概念的な第１の縦断面図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するためのレーザ光受光装置の受光状態を示す概念的な第２の縦断面図である。 第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するためのレーザ光受光装置の受光状態を示す概念的な第３の縦断面図である。 第２の実施形態に係るレーザ光集光装置の構成を示す縦断面図である。 第２の実施形態に係るレーザ光集光装置の作用を示す縦断面図である。 第３の実施形態に係るレーザ光集光装置の構成を示す縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の構成を示す縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の変形例の構成を示す縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の他の変形例の構成を示す縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第１の作用を説明の比較のための従来例の概念的な縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第１の作用を説明する縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第２の作用を説明の比較のための従来例の概念的な縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第２の作用を説明する概念的な縦断面図である。 第４の実施形態に係るレーザ光集光方法の手順を示すフロー図である。 第５の実施形態に係るレーザ光受光装置を示す概念的な縦断面図である。 第６の実施形態に係るレーザ光受光装置を示す概念的な縦断面図である。 第７の実施形態に係るレーザ光受光装置の構成を示す縦断面図である。 第７の実施形態の変形例におけるレーザ光受光装置の構成を示す縦断面図である。 第７の実施形態に係るレーザ光集光方法の手順を示すフロー図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ光集光装置、レーザ光集光方法、およびレーザ光受光装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の構成を示す縦断面図である。

レーザ光集光装置１００は、凹面ミラー１１０、凸状ミラー１２０、および凸面レンズ１３０を有する。なお、レーザ光集光装置１００は、以下に述べるような、凹面ミラー１１０、凸状ミラー１２０、および凸面レンズ１３０の相対的な位置を保持するための保持構造を、さらに有するが、図示を省略している。以下、同様である。

凹面ミラー１１０は、凹面ミラー本体１１１と、その凹面側に配された凹面ミラー鏡面部１１２を有する。凹面ミラー本体１１１の形状は、たとえば回転楕円形などの非球面形状の一部をなす形状である。凹面ミラー本体１１１の中央には、円形の凹面ミラー中央開口１１３が形成されている。

凹面ミラー鏡面部１１２は、凹面ミラー本体１１１の凹面側に鏡面仕上げ等により形成された鏡面部であってもよい。あるいは、反射機能を有するのであれば、凹面ミラー本体１１１の凹面側に取り付けられた表面が反射する部材であってもよい。

凸状ミラー１２０は、凸状ミラー本体１２１と、その凸面側に配された凸状ミラー鏡面部１２２を有する。凸状ミラー本体１２１の形状は、たとえば回転楕円形などの非球面形状の一部をなす形状である。凸状ミラー本体１２１の中央には、円形の凸状ミラー中央開口１２３が形成されている。

凸状ミラー鏡面部１２２は、凸状ミラー本体１２１の凸面側に鏡面仕上げ等により形成された鏡面部であってもよい。あるいは、反射機能を有するのであれば、凸状ミラー本体１２１の凸面側に取り付けられた表面が反射する部材であってもよい。

凸状ミラー鏡面部１２２は、凹面ミラー１１０の凸部とは反対側に、凹面ミラー１１０と同じ方向に凸部を向けて、かつ凹面ミラー１１０の中心軸（以下、光軸１０１）上に、当該光軸１０１が重なるように配されている。凸状ミラー１２０の光軸１０１上の位置は、凹面ミラー１１０の焦点位置より凹面ミラー１１０側に近い位置である。凹面ミラー１１０の直径は、凸状ミラー１２０の直径より大きい。凹面ミラー中央開口１１３の直径は、凸状ミラー中央開口１２３の直径より小さい。

凸面レンズ１３０は、凹面ミラー１１０を挟んで凸状ミラー１２０とは反対側で、光軸１０１上に当該中心軸が一致するように配されている。

図２は、第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の変形例の構成を示す縦断面図である。

変形例におけるレーザ光集光装置１００は、凹面ミラー１１０および凸状ミラー１２０を有する。本変形例におけるレーザ光集光装置１００は、凸面レンズ１３０を有しない。図１で示す凸面レンズ１３０の位置に後述する受光機構５１（図７）が設けられている場合は、凹面ミラー１１０および凸状ミラー１２０で反射したレーザ光と、凹面ミラー１１０の中央に形成された凹面ミラー中央開口１１３および凸状ミラー本体１２１の中央に形成された凸状ミラー中央開口１２３を通過してきたレーザ光を、受光機構５１が感知することができる。このように構成することで、最小限の設備で、レーザ光集光装置１００を構成することができる。

なお、以下では、図１に示す構成を有するレーザ光集光装置１００の場合を例にとって説明する。

図３は、第１の実施形態に係るレーザ光集光方法の手順を示すフロー図である。

レーザ光集光方法としては、まず、レーザ光集光装置１００を設置する（ステップＳ０１）。すなわち、レーザ光源１（図７ないし図９）からのレーザ光を集光するための位置に、レーザ光集光装置１００を設置する。レーザ光集光装置１００は、凸状ミラー１２０を凹面ミラー１１０よりも光源１側に近くなるように設置する。

ここで、光源１は、たとえば、レーザ光を生成し発射するレーザ発振器自体であってもよいし、照射されたレーザ光を反射する部分であってもよい。

次に、光源１からのレーザ光を、凹面ミラー１１０で反射する（ステップＳ０２）。なお、光源１からのレーザ光のうち、凹面ミラー１１０の中央に形成された凹面ミラー中央開口１１３および凸状ミラー本体１２１の中央に形成された凸状ミラー中央開口１２３を通過するものがあれば、レーザ光の一部は、凹面ミラー中央開口１１３および凸状ミラー中央開口１２３を通過する。

次に、凹面ミラー１１０で反射したレーザ光を凸状ミラー１２０で反射する（ステップＳ０３）。

次に、凸状ミラー１２０で反射したレーザ光を、凹面ミラー中央開口１１３を通過させる（ステップＳ０４）。

次に、凹面ミラー中央開口１１３から取り出したレーザ光を凸面レンズで集光する（ステップＳ０５）。

図４は、第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するための従来の集光方法を示す概念的な第１の縦断面図、図５は、概念的な第２の縦断面図、また、図６は、概念的な第３の縦断面図である。

従来の集光方法の代表的な例は、図４に示すように、光源１から発せられたレーザ光を凸面レンズ２により集光し、センサ等のレーザ受光部３で受光するものである。光源１は、レーザ光の射出口、あるいはレーザ光が物体に照射された照射点などである。

このような体系では、光源１のサイズ、形状には制約がないが、光源１が凸面レンズ２の光軸上にあり、ある照射角の範囲に発せられたレーザ光を集光することになる。

一方、光源１が凸面レンズ２の光軸上から外れている場合は、その位置関係、たとえば図５に示すような場合には、レーザ光はレーザ受光部３に到達することができない。

このため、光源１が凸面レンズ２の光軸上から外れている場合は、図６に示すように、光学系全体を傾斜させ、レーザ受光部３の位置を調整する必要がある。

図７は、第１の実施形態に係るレーザ光集光装置の効果を説明するためのレーザ光受光装置の受光状態を示す概念的な第１の縦断面図、図８は、概念的な第２の縦断面図、また、図９は、概念的な第３の縦断面図である。

本実施形態に係るレーザ光集光装置１００においては、光源１に近い側から、凸状ミラー１２０、凹面ミラー１１０、および凸面レンズ１３０が、光軸１０１を一つにして配置されている。この際、凸状ミラー１２０と凹面ミラー１１０は、凸状部分をともに光源１とは反対方向に向けて配されている。

図７に示すように、光源１が、凸状ミラー１２０のレーザ光集光装置１００の光軸１０１上にある場合は、レーザ光は、凸状ミラー中央開口１２３および凹面ミラー中央開口１１３を経由して凸面レンズ１３０を通過することにより集光され、受光機構５１により受光される。

図８は、光源１が光軸１０１上からずれている場合を示す。この場合、光源１から発せられたレーザ光は、凹面ミラー１１０の凹面ミラー鏡面部１１２で、凸状ミラー１２０の方向に反射される。凹面ミラー鏡面部１１２で反射されたレーザ光は、凸状ミラー１２０の凸状ミラー鏡面部１２２で再び反射され、その多くは、凹面ミラー１１０の凹面ミラー中央開口１１３を経由して凸面レンズ１３０に至る。凸面レンズ１３０に至ったレーザ光は、集光され受光機構５１により受光される。

さらに、光軸１０１からのずれが小さい場合は、図９に示すように、凸状ミラー中央開口１２３および凹面ミラー中央開口１１３を経由して凸面レンズ１３０を通過することにより集光される経路と、凹面ミラー１１０および凸状ミラー１２０で反射され凹面ミラー中央開口１１３を経由して凸面レンズ１３０に至り集光される経路の両者が確保され、さらに安定した光量を得ることができる。

以上のように、本実施形態に係るレーザ光集光装置１００は、レーザ光を効率的に集光することができる。

［第２の実施形態］
図１０は、第２の実施形態に係るレーザ光集光装置の構成を示す縦断面図である。

本第２の実施形態におけるレーザ光集光装置１００ａは、第１の実施形態の変形であり、第１の実施形態におけるレーザ光集光装置１００の凸状ミラー１２０に代えて、凸状ミラー１２０ａを有する。

凸状ミラー１２０ａでは、マジックミラー１２５が用いられている。マジックミラー１２５は、光源１側からのレーザ光を透過するとともに、凹面ミラー１１０側に対向する表面の凸状ミラー鏡面部１２２においては、凹面ミラー１１０で反射されたレーザ光を反射する。

これらの点以外は、本第２の実施形態は、第１の実施形態と同様である。

図１１は、第２の実施形態に係るレーザ光集光装置の作用を示す縦断面図である。

図９で示した第１の実施形態におけるレーザ光集光装置１００の作用に比べて、さらに、破線ＰＸで示すように、マジックミラー１２５を透過し、凹面ミラー１１０で反射し、さらに凸状ミラー鏡面部１２２で反射したレーザ光が、凸面レンズ１３０に到達する分だけ、集光能力が向上する。

［第３の実施形態］
図１２は、第３の実施形態に係るレーザ光集光装置の構成を示す縦断面図である。

本第３の実施形態におけるレーザ光集光装置１００ｂは、第１の実施形態の変形であり、第１の実施形態におけるレーザ光集光装置１００の凸状ミラー１２０に代えて、凸状ミラー１２０ｂを有する。

凸状ミラー１２０ｂは、複数の反射球体１２７を有する。複数の反射球体１２７は、全体として第１の実施形態における凸状ミラー１２０と同様の外形を有し、厚み方向に１層あるいは複数層に配列されている。それぞれの反射球体１２７は、第１の実施形態と同様に、表面に反射球体鏡面部１２８を有する。

なお、複数の反射球体１２７は、たとえば、図示しない網目状の保持部材により相互の位置関係が保持されている。

これらの点以外は、本第２の実施形態は、第１の実施形態と同様である。

なお、図１２では、凸状ミラー１２０ｂのみが複数の反射球体１２７で構成されている場合を示しているが、これに限定されない。すなわち、凹面ミラー１１０の方が、これに代えて複数の反射球体で構成されたものであってもよい。あるいは、凸状ミラー１２０ｂに加えて、凹面ミラー１１０がこれに代えて複数の反射球体で構成されたものであってもよい。

このように構成することにより、第１の実施形態の凸状ミラー１２０と同様の反射機能を有する。

なお、互いに隣接する反射球体１２７を互いに密着させずに、間隔を形成することでもよい。このような配列によって、第２の実施形態と同様に、光源１からのレーザ光を、凹面ミラー１１０側に透過させる機能も、併せて有することができる。

［第４の実施形態］
図１３は、第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の構成を示す縦断面図である。

システム全体としてのレーザ光送受信装置２００は、レーザ発振器２１、レーザ光集光装置１００、レーザ光受光装置２１０を有する。

レーザ光送受信装置２００は、レーザ光集光装置１００の光軸を、計測対象１０の表面に垂直となるように配されている。

レーザ光集光装置１００は、第１の実施形態に示したものと同様であるが、これを、第２の実施形態におけるレーザ光集光装置１００ａ、あるいは、第３の実施形態におけるレーザ光集光装置１００ｂに置き換えてもよい。以下の実施形態においても同様である。

レーザ光受光装置２１０は、ビームスプリッタ４１および受光機構５１を有する。ビームスプリッタ４１は、光軸１０１に対して４５度の傾きをもって配され、レーザ発振器２１から光軸１０１に垂直な方向に発せられたレーザ光を、計測対象１０の方向に反射するとともに、計測対象１０から変調して光軸１０１に沿って戻ってくるレーザ光をその方向のまま透過させる。受光機構５１は、このレーザ発振器２１レーザ光を受光する。

図１４は、第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の変形例の構成を示す縦断面図である。本変形例では、レーザ発振器２１と受光機構５１の位置関係が互いに入れ替わった体系となっている。

このため、レーザ発振器２１が光軸１０１上にあることから、レーザ発振器２１から発せられたレーザ光は、光軸１０１に沿ってビームスプリッタ４１を透過する。計測対象１０から変調して光軸１０１に沿って戻ってくるレーザ光は、ビームスプリッタ４１で光軸１０１に垂直な方向に反射し、受光機構５１により受光される。

図１５は、第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の他の変形例の構成を示す縦断面図である。本変形例では、ビームスプリッタ４１を用いずに、レーザ光の照射経路と反射経路が別の経路となっている。また、レーザ光の干渉計測を行うための干渉計５２が受光機構５１の後段に設けられている。

ここで、干渉計５２としては、例えばマイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリー=ペロー干渉計およびフォトリフラクティブ干渉計などを用いることができる。また干渉計測以外の方法として、ナイフエッジ法も考えられる。干渉計５２は、計測対象１０に対して干渉計測を行うためのものだが、図１５の構成に限らず、図１３や図１４のような照射系と受光系が同軸の構成の場合でも、同様に干渉計を組み合わせることができる。また、ここでは干渉計測を例にあげたが、スペクトル解析や光量の評価など、計測の目的に応じて必要な機器を組み合わせても良い。

これらの変形例を用いてもよいが、以下では、図１３に示す体系の場合で説明する。

図１６は、第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第１の作用の説明の比較のための従来例の概念的な縦断面図である。なお、光学システム５は、分かりやすいように一方のみに符号を付している。

従来例においては、光学システム５においては、凸面レンズ２、ビームスプリッタ４、および受光機構５１は、光軸Ｌ１上に並んでいる。ビームスプリッタ４は、光軸Ｌ１に対して４５度傾いており、レーザ発振器２１は、光軸Ｌ１に垂直な方向にビームスプリッタ４にレーザ光を発する。

計測対象１０の仮想接平面Ｓ１上の光源Ｐ１の場合、光学システム５は、光軸Ｌ１を仮想接平面Ｓ１に垂直となるように配されることにより、受光機構５１はレーザ光を受光できる。

光源の位置が計測対象１０の仮想接平面Ｓ２上の光源Ｐ２に移り、仮想接平面Ｓ２が仮想接平面Ｓ１に対して傾いている場合、受光機構５１がレーザ光を受光するためには、光学システム５は、光軸Ｌ１を仮想接平面Ｓ２に垂直となるように配される必要がある。

図１７は、第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第１の作用を説明する縦断面図である。なお、レーザ光送受信装置２００は、分かりやすいように一方のみに符号を付している。

計測対象１０の仮想接平面Ｓ１上の光源Ｐ１の場合、レーザ光送受信装置２００は、光軸１０１を仮想接平面Ｓ１に垂直となるように配されることにより、光源Ｐ１から発せられたレーザ光は、凸状ミラー中央開口１２３および凹面ミラー中央開口１１３を通過して、受光機構５１に到達する。

光源の位置が計測対象１０の仮想接平面Ｓ２上の光源Ｐ２に移り、仮想接平面Ｓ２が仮想接平面Ｓ１に対して傾いている場合には、光源Ｐ２から発せられたレーザ光は、一部は凸状ミラー中央開口１２３および凹面ミラー中央開口１１３を通過して受光機構５１に到達するが、さらに、凹面ミラー１１０および凸状ミラー１２０で反射した後に、凸面レンズ１３０で集光され、受光機構５１に到達するものがあり、集光能力を確保することができる。

図１８は、第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第２の作用の説明の比較のための従来例の概念的な縦断面図である。

光源の位置すなわちレーザ光を照射する位置が、面粗さ小計測対象１２すなわち計測対象１０において表面の面粗さが相対的に小さな部分の位置Ｐ１にある場合（図１７の上側の部分）に、凸面レンズ２がカバーする光量を考える。

光源の位置すなわちレーザ光を照射する位置が、面粗さ大計測対象１３すなわち計測対象１０において表面の面粗さが相対的に大きな部分の位置Ｐ２に移った場合（図１７の下側の部分）、計測対象１０の表面に照射したレーザ光の散乱が大きくなり、その結果、凸面レンズ２に入ってくる光量は、光源の位置がＰ１にある場合に比べて減少する。

すなわち、従来の光学系の場合は、集光能力が、計測対象１０の表面の粗さに大きく依存する。

図１９は、第４の実施形態に係るレーザ光受光装置の第２の作用を説明する縦断面図である。

光源１の位置すなわちレーザ光を照射する位置が、面粗さ小計測対象１２すなわち計測対象１０において表面の面粗さが相対的に小さな部分の位置Ｐ１にある場合（図１８の上側の部分）に、レーザ光集光装置１００がカバーする光量を考える。

光源１の位置すなわちレーザ光を照射する位置が、面粗さ大計測対象１３すなわち計測対象１０において表面の面粗さが相対的に大きな部分の位置Ｐ２に移った場合（図１８の下側の部分）、計測対象１０の表面に照射したレーザ光の散乱が大きくなるが、広がったレーザ光で、凹面ミラー１１０に反射される量が増加することから、全体として凸面レンズ１３０に至る光量の減少は、従来の光学系に比べて少なくなる。

すなわち、従来の光学系の場合は、集光能力の、計測対象１０の表面の粗さへの依存性が小さくなる。

図２０は、第４の実施形態に係るレーザ光集光方法の手順を示すフロー図である。

まず、レーザ光集光装置１００を設置する（ステップＳ０１）。

次に、レーザ光集光装置１００の後段に、ビームスプリッタ４１、レーザ発振器２１、および受光機構５１を設置する（ステップＳ１０）。この結果、レーザ光送受信装置２００が構成される。

次に、レーザ発振器２１でレーザを発信し、レーザ光を計測対象１０に照射する（ステップＳ２１）。この際、照射するレーザ光は、レーザ光集光装置１００の凹面ミラー１１０に形成された凹面ミラー中央開口１１３、および凸状ミラー１２０に形成された凸状ミラー中央開口１２３を経由してもよい。あるいは、レーザ光集光装置１００を通過しない経路で照射してもよい。

次に、計測対象１０で反射したレーザ光をレーザ光集光装置１００により集光する（ステップＳ３１）。このステップ内の詳細は、第１の実施形態において図３を引用しながら説明した内容と同様である。

次に、レーザ光集光装置１００で集光したレーザ光を、受光機構５１で受光する（ステップＳ３２）。

以上のような手順により、レーザ光集光装置１００の機能を発揮させることができる。

［第５の実施形態］
図２１は、第５の実施形態に係るレーザ光受光装置を示す概念的な縦断面図である。

本実施形態は、第４の実施形態の変形である。本実施形態におけるレーザ光受光装置２１０を含むレーザ光送受信装置２００は、ガルバノスキャナ３５をさらに有する。その他の点は第４の実施形態と同様である。

ガルバノスキャナ３５は、レーザ発振器２１と計測対象１０の間に配されている。

本実施形態では、ガルバノスキャナ３５を用いて、計測対象１０における光源すなわち計測対象１０への照射点１ａの位置を制御するものである。

レーザ発振器２１からガルバノスキャナ３５にレーザ光を入射させ、ガルバノスキャナ３５内のミラーの角度制御により、計測対象１０の表面の照射点１ａを高速で移動させる。入射光の入射角度に応じて、それぞれの照射点１ａからの反射光の反射角度は変化する。第４の実施形態の説明で示したように、レーザ光集光装置１００は、レーザ光集光装置１００に入射するレーザ光の角度、あるいは光軸との関係への依存性が小さく、集光能力を維持することができるため、照射点１ａの位置が変化しても、当初の設置位置で、受光機構５１での受光機能を維持することができる。

従来の光学系では、受光系側の角度を変えながら受光するなどの工夫が必要であったが、本実施形態においては、受光側の光学系を動かすことなく、連続して受光することが可能であるため、高速で多点の計測が必要とされる場合などに有効である。

［第６の実施形態］
図２２は、第６の実施形態に係るレーザ光受光装置を示す概念的な縦断面図である。

本第６の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第６の実施形態に係るレーザ光受光装置２１０は、保持駆動機構１５０を有する。その他の点では、第１の実施形態と同様である。

保持駆動機構１５０は、保持部１５１および駆動部１５２を有する。

保持部１５１は、レーザ光集光装置１００および受光機構５１を、これら相互間の位置関係を維持した状態で、これらを保持する支持構造である。保持部１５１には、計測対象側からのレーザ光を受ける側には、受光用の開口１５１ａが形成されている。また、レーザ光集光装置１００と受光機構５１との間には、レーザ光の通過用の開口１５１ｂが形成されている。

駆動部１５２が、たとえばＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向、あるいは、Ｒ、Θ、Ｚの３軸方向に駆動可能な電動機あるいは油圧機構などの駆動源と伝達機構とを有する。あるいは、ロボットアームのような形態でもよい。

本実施形態は、レーザ光集光装置１００で受光可能な範囲を超えて、計測対象１０の形状が変化する場合などに有効であり、従来の光学系で必要とされた微調整のための機構や作業が大幅に削減され、計測対象によらず安定した計測を実現できる。

［第７の実施形態］
図２３は、第７の実施形態に係るレーザ光受光装置の構成を示す縦断面図である。図２３は、第４の実施形態に係るレーザ光送受信装置２００を、超音波計測用に用いた場合の構成を示している。

レーザ光送受信装置２００におけるレーザ光受光装置２１０は、レーザ光集光装置１００および受光機構５１に加えて、干渉計５２、信号収録装置５３、および表示装置５４をさらに有する。干渉計５２は、照射点１ａで反射したレーザ光のドップラシフトを計測する。信号収録装置５３は、演算部とメモリを有し、干渉計５２による検出結果を解析処理し、受光機構５１が受光した信号、干渉計５２による検出結果、および解析処理結果を記憶、収納する。表示装置５４は、信号収録装置５３に記憶された内容を表示する。

超音波は、計測対象１０に取り付けた圧電素子８２から発生する。圧電素子は超音波探触子と呼ばれるものであり、超音波を発生する機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の発振面に取り付けられた前面板と、いずれかの構成もしくはその組み合わせからなる構成となる。圧電素子８２から超音波を発生させるための電圧の印加等は、超音波発生装置８１により行われる。

圧電素子８２から発生した超音波は、計測対象１０の内部の欠陥１０ｄなどで反射し、計測対象１０の表面に到達して表面を振動させる。

その振動面にレーザ光を照射し、反射したレーザ光のドップラシフトを、干渉計５２を用いて検出し、計測対象１０の表面の照射点１ａにおける表面変位を計測する。計測された信号は信号収録装置５３にて解析され、その結果が表示装置５４に表示される。

図２４は、第７の実施形態の変形例におけるレーザ光受光装置の構成を示す縦断面図である。

本変形例は、超音波の発生部分のみ異なるもので、超音波発生装置８１および圧電素子８２に代えて、パルスレーザ発振器８３および光学ミラー８４を有し、パルスレーザ発振器８３から出射されたレーザを、光学ミラー８４を用いて計測対象１０に照射するものである。

パルスレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、Ｅｒ ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザおよびエキシマレーザなどを用いることができる。また、これら以外のレーザ光源でもよい。

また、レーザ光の伝送は、光学ミラー８４により空間内を伝送する場合を示したが、光学ファイバにより伝送する方法や、ガルバノスキャナにより走査する方法などでもよい。

パルス幅数ナノ秒のレーザを計測対象１０に照射すると、照射点１ｂを音源とした超音波を励起することができる。計測対象１０内に伝搬する入射超音波は、欠陥１０ｄで反射し、反射超音波の到達により計測対象１０の表面が振動する。以降の過程は、図２２に示した場合と同様である。

以上のように、本実施形態によれば、計測対象１０の表面状態に依存することなく、安定した超音波探傷が可能となる。

図２５は、第７の実施形態に係るレーザ光集光方法の手順を示すフロー図である。

ステップＳ０１およびステップＳ１０は、図２０を引用しながら説明した第４の実施形態と同様である。

ステップＳ１０に続いて、計測対象１０に超音波を入射させる（ステップＳ４１）。

ステップＳ４１の後に、実施するステップＳ２１、Ｓ３１、およびＳ３２は、図２０を引用しながら説明した第４の実施形態と同様である。

以上のような手順により、超音波探傷においても、レーザ光集光装置１００の機能を発揮させることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…光源、１ａ、１ｂ…照射点、２…凸面レンズ、３…レーザ受光部、４…ビームスプリッタ、５…光学システム、１０…計測対象、１０ａ、１０ｄ…欠陥、１２…面粗さ小計測対象、１３…面粗さ大計測対象、２１…レーザ発振器、３５…ガルバノスキャナ、４１…ビームスプリッタ、５１…受光機構、５２…干渉計、５３…信号収録装置、５４…表示装置、８１…超音波発生装置、８２…圧電素子、８３…パルスレーザ発信器、８４…光学ミラー、１００、１００ａ、１００ｂ…レーザ光集光装置、１０１…光軸、１１０…凹面ミラー、１１１…凹面ミラー本体、１１２…凹面ミラー鏡面部、１１３…凹面ミラー中央開口、１２０、１２０ａ、１２０ｂ…凸状ミラー、１２１…凸状ミラー本体、１２２…凸状ミラー鏡面部、１２３…凸状ミラー中央開口、１２５…マジックミラー、１２７…反射球体、１２８…反射球体鏡面部、１３０…凸面レンズ、１５０…保持駆動機構、１５１…保持部、１５１ａ、１５１ｂ…開口、１５２…駆動部、２００…レーザ光送受信装置、２１０…レーザ光受光装置

Claims (12)

1. 光源からのレーザ光を集光するレーザ光集光装置であって、
   中央に凹面ミラー中央開口が形成された凹面ミラーと、
   前記凹面ミラーの凸部とは反対側にあって、前記凹面ミラーと同じ方向に凸部を向けて、かつ前記凹面ミラーの光軸上に、自身の光軸が重なるように配されて中央に凸状ミラー中央開口が形成された凸状ミラーと、
   を備え、
   前記凸状ミラーの前記光軸上の位置は、前記凹面ミラーの焦点位置より前記凹面ミラー側に近く、前記凹面ミラーの直径は、前記凸状ミラーの直径より大きい、
   ことを特徴とするレーザ光集光装置。
2. 前記凹面ミラー中央開口の直径は、前記凸状ミラー中央開口の直径より小さいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光集光装置。
3. 前記凹面ミラーを挟んで前記凸状ミラーとは反対側で前記光軸上に自身の光軸が重なるように配された凸面レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ光集光装置。
4. 前記凸状ミラーは、外側が非球面形状であり、その表面が鏡面となっていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光集光装置。
5. 前記凸状ミラーは、外側が非球面形状であり、凹面側から凸面側に前記レーザ光が透過するとともに凸面側の表面で反射することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光集光装置。
6. 前記凸状ミラーは、前記非球面形状に沿って配置され、それぞれの表面が前記レーザ光を反射可能な複数の球体を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ光集光装置。
7. 前記凹面ミラーと前記凸状ミラーとを保持する保持部と、
   前記保持部の方向および位置を調節する保持駆動機構と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のレーザ光集光装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のレーザ光集光装置と、
   前記レーザ光を干渉計測するための干渉計と、
   を具備することを特徴とするレーザ光受光装置。
9. 測定対象における光源からのレーザ光を集光するレーザ光集光方法であって、
   前記光源からの前記レーザ光を凹面ミラーで反射する凹面ミラー反射ステップと、
   前記凹面ミラーで反射した前記レーザ光を凸状ミラーで反射する凸状ミラー反射ステップと、
   前記凸状面ミラーで反射した前記レーザ光を前記凹面ミラーに形成された凹面ミラー中央開口を通過させる開口通過ステップと、
   を有することを特徴とするレーザ光集光方法。
10. 前記開口通過ステップの後に、前記凹面ミラー中央開口を通過させた凸レーザ光を凸面レンズで集光する凸面レンズ集光ステップをさらに有することを特徴とする請求項９に記載のレーザ光集光方法。
11. レーザ光集光装置を設置するレーザ光集光装置設置ステップと、
    前記レーザ光集光装置の後段に、ビームスプリッタ、レーザ発振器、および受光機構を設置するレーザ光送受信装置構成ステップと、
    前記レーザ発振器でレーザ光を計測対象に照射するレーザ光照射ステップと、
    前記計測対象で反射した前記レーザ光を前記レーザ光集光装置により集光する集光ステップと、
    前記レーザ光集光装置で集光した前記レーザ光を前記受光機構で受光する受光ステップと、
    を有し、
    レーザ光送受信を確実にすることを特徴とするレーザ光集光方法。
12. 前記レーザ光送受信装置構成ステップの後で、かつ、前記レーザ光照射ステップの前に、前記計測対象に超音波を入射させる超音波入射ステップをさらに有し、前記計測対象の超音波探傷を確実にすることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ光集光方法。

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