JP3915978B2

JP3915978B2 - レーザドップラ振動計

Info

Publication number: JP3915978B2
Application number: JP2002305988A
Authority: JP
Inventors: 秀和水島; 賢一郎室崎
Original assignee: Graphtec Corp
Current assignee: Graphtec Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: JP2004138590A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を測定対象に照射し、その反射レーザ光からドップラ効果により付加される振動成分を取り出すことにより、測定対象の振動状態を測定するレーザドップラ振動計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象物にレーザビームを照射して非接触で振動測定を行うこの種の装置は、干渉計のレンズ−ミラー系がモータまたは圧電素子或いはその両方で動かされて、複数の測定点において振動測定を行うことができるよう構成されている。図３は、この種の振動計の構成を示す図であり、図において１は振動センサ、２は一対のガルバノメータミラーよりなる光学系、３は凸レンズ、４は測定対象物、５はＣＣＤカメラユニットである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２８１４７１号公報
【０００４】
図３において、振動センサ１は、図示しない光源から発生されたレーザ光を基準光と測定光に分割し、この測定光を測定対象物に照射してその反射光を基準光と重ねて干渉させることにより、測定対象物の振動に応じた周波数シフト量を検出し、これにより振動状態を測定するよう構成されている。光学系２は、可動型反射ミラーである一対のガルバノメータミラー２１，２２よりなり、このガルバノメータミラーはそれぞれミラーを保持しているガルバノメータ（またはガルバノモータ）に所定の電圧（制御信号）を印加してその回転角度を変位させ、レーザ光の反射角度を調整するよう構成されている。また、Ｘガルバノメータミラー２１は、制御信号に応じてレーザ光のＸ方向の反射角度を調整し、このＸガルバノメータミラー２１のモータに対して９０度の角度をもって配置されるＹガルバノメータミラー２２は、制御信号に応じてレーザ光のＹ方向の反射角度を調整する。したがって、Ｘ，Ｙガルバノメータミラー２１，２２を制御することにより、振動センサ１から出力される測定光の照射位置をＸ，Ｙ軸方向に任意にコントロールすることが出来るよう構成されている。
【０００５】
Ｘガルバノメータミラー２１，Ｙガルバノメータミラー２２が、各々反射角度が９０度、即ち図においてはそれぞれ振動センサ１からの出力光に対して４５度をなす角度に位置づけられる状態を中立の位置（基準位置）とし、ミラーＭ２はこの状態でＹガルバノメータミラー２２からのレーザ光を測定対象物４に対して垂直に照射するように位置づけられている。また、この中立状態において、測定対象物４から反射するレーザ光は、入射したレーザ光と同じ経路で振動センサ１に測定光として入力される。
【０００６】
レンズ３は、光学系２の素子がそれぞれ中立位置にある状態で測定対象物に照射され、反射するレーザ光が、その中心に入射するよう位置づけられるとともに、この状態におけるＸガルバノメータミラー２１のレーザ光反射点が焦点となるように位置づけられている。これにより、光学系２が中立位置にある状態での測定光の経路が、レンズ３の光軸となる。これにより、ミラーＭ２からレンズ３に照射されるレーザ光は、レンズ３を通過するとこの光軸に平行となり、測定対象物４に対して垂直に照射される。すなわち、Ｘガルバノメータミラー２１およびＹガルバノメータミラー２２の姿勢を変化させて反射角度を変更しても、測定光は測定対象物４に垂直に照射され、その反射光は入射光と同じ経路で振動センサ１に入力されるよう構成されている。これにより、安定した測定が行えるよう構成されている。
【０００７】
また、この装置においては、測定対象物４にレーザ光が照射されている状態を視認するためのＣＣＤユニット５が設けられており、このＣＣＤユニット５は、ハーフミラーであるミラーＭ２を透過したレーザ光が照射されるように、測定対象物４の法線上、即ちレンズ３の光軸上に設けられている。ＣＣＤカメラ５０には測定対象物４に照射されているレーザ光のビームスポットが映し出されるが、輝度が極めて高いこのビームスポットによるハレーションの発生を防ぐため、ハーフミラー５１から照射される光は、振動センサ１で使用されるレーザの波長のみを減光する減光フィルタ５２を介してＣＣＤカメラ５０に入力されるよう構成されている。
【０００８】
この装置において測定対象物４の振動状態を測定する場合、操作者は振動センサ１からのレーザスポットの照射位置をＣＣＤカメラ５０からの映像により確認しながらＸガルバノメータミラー２１およびＹガルバノメータミラー２２を調整し、これにより測定対象物４上の任意の位置にレーザ光を照射して、その振動状態を測定するよう構成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の装置においては、ＣＣＤカメラユニット５が測定対象物４の法線上に設置されており、これにより測定対象物４の全体像を捉えることができるが、例えば振動センサ１からのレーザ照射ポイントをクローズアップするような場合においては、特定の構図でしか行うことができなかった。このため、光学系２の各ガルバノメータミラー２１，２２を操作してレーザビームの照射位置を変更した場合に、その測定光の画像がＣＣＤカメラユニットの画像から外れてしまうといった不具合が生じていた。この変更される測定光の照射位置を高倍率で確認するためには、ＣＣＤカメラユニット５の撮影角度を光学系２に追従するよう変更すればよいが、ＣＣＤカメラユニット５の姿勢を変更する機構が必要となるとともに、高速に操作されるビームスポットに追従させるための複雑な制御が必要となり、装置自体の製作コストが上昇するという問題が生じていた。
【００１０】
本発明はこれらの不具合を解決するためになされたもので、振動センサの測定光が測定対象物に照射されるそのビームスポットを、走査に追従するとともに高倍率で確認することができるレーザドップラ振動計を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のレーザドップラ振動計においては、光源から発生されたレーザ光を基準光と測定光に分割し、この測定光を測定対象物に照射してその反射光を基準光と重ねて干渉させることにより、測定対象物の振動に応じた周波数シフト量を検出し、これにより振動状態を測定する振動センサと、この振動センサから出射される測定光を、制御信号に基づいてＸ軸方向についての反射角度が調整される第１の可動型反射ミラーと、この第１の可動型反射ミラーより反射された振動センサからの測定光を、制御信号に基づいて上記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向についての反射角度が調整される第２の可動型反射ミラーとからなる光学系と、この第１の可動型反射ミラー及び第２の可動型反射ミラーよりなる光学系と振動センサ間における測定光の光路上に設けられる半透過手段と、この半透過手段より反射される測定光ならびに測定対象物表面からの反射光を受光して、測定対象物の表面状態を撮像する撮像手段とを設けて構成した。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明のレーザドップラ振動計を詳細に説明する。
図１は本発明のレーザドップラ振動計の構成を示す図で、上述の従来のレーザドップラ振動計と同等な構成については同一符号を以て示されている。
本発明のレーザドップラ振動計も、従来のレーザドップラ振動計と同様に、図示しない光源から発生されたレーザ光を基準光と測定光に分割し、この測定光を測定対象物４に照射してその反射光を基準光と重ねて干渉させることにより、測定対象物４の振動に応じた周波数シフト量を検出し、これにより振動状態を測定するよう構成された振動センサ１と、それぞれミラーを保持しているガルバノメータに所定の制御信号を印加してその回転角度を変位させ、レーザ光の反射角度を調整するよう構成された可動型反射ミラーである一対のＸ，Ｙガルバノメータミラー２１，２２よりなる光学系２を有しており、Ｘガルバノメータミラー２１は、制御信号に応じてレーザ光のＸ方向の反射角度を調整し、このＸガルバノメータミラー２１のモータに対して９０度の角度をもって配置されるＹガルバノメータミラー２２は、制御信号に応じてレーザ光のＹ方向の反射角度を調整するよう構成されており、Ｘ，Ｙガルバノメータミラー２１，２２を制御することにより、振動センサ１から出力される測定光の照射位置をＸ，Ｙ軸方向に任意にコントロールすることが出来るよう構成されている。
【００１３】
本発明のレーザドップラ振動計においては、振動センサ１および光学系２間の光路上、即ち、ミラーＭ１とＸガルバノメータミラー２１のレーザ光経路上に半透過手段であるハーフミラー５１が設けられ、ＣＣＤカメラユニット５には、このハーフミラー５１から反射される測定光ならびに測定対象物４の表面の反射光が入射されるよう構成されている。即ち、振動センサ１から出力されたレーザ光は、ミラーＭ１を介してハーフミラー５１を透過し、Ｘガルバノメータミラー２１に照射され、Ｙガルバノメータミラー２２，ミラーＭ２，レンズ３をそれぞれ介して測定対象物４に照射される。更に１の測定光は測定対象物４の表面で反射し、元の光路と同じ経路でレンズ３，ミラーＭ２，Ｙガルバノメータミラー２２，Ｘガルバノメータミラー２１のそれぞれに反射，照射され、ハーフミラー５１により分光される。ハーフミラー５１により分光され、これを透過した測定光は、ミラーＭ１を介して振動センサ１に戻り、振動状態の測定に供される。他方、ハーフミラー５１で反射したもう一方の測定光は、ミラーＭ３を介してＣＣＤカメラユニット５に入射される。
また、ＣＣＤカメラユニット５においては、測定対象物４の表面状態を撮像することができる。
図２は、ＣＣＤカメラユニット５による測定対象物４の表面状態の撮像を示す説明図である。
【００１４】
操作者は先ず、撮像する測定対象物４の表面の大きさを、視認するモニタの画面上で所望の大きさとなるよう、その横方向のサイズ（これをＬ１とする）を決定し、これに合わせてＣＣＤカメラ５０に接続される顕微鏡リレーレンズ５４ならびに顕微鏡対物レンズ５５の倍率を設定する。
次に、レンズ３から測定対象物４間での距離をＳ１，レンズ３の焦点距離をｆ１とすると、図に示す虚像１のレンズ３からの距離Ｓ１’はガウスの定理より次式で表すことができる。
１／ｆ１＝１／Ｓ１＋１／Ｓ１’
これを整理すると、距離Ｓ１’は
Ｓ１’ ＝（ｆ１ × Ｓ１）／（Ｓ１ − ｆ１）
となる。
ここで、ｆ１＞Ｓ１の時、虚像１は測定対象物４と同じ天地を有し、図に示されるように測定対象物４の方向に映し出される。この時、上記設定した撮像サイズＬ１とこれに対応する虚像１のサイズＬ１’は、次式で表される。
ｍ１＝Ｓ１’／Ｓ１＝Ｌ１’／Ｌ１
（ここでｍ１は横倍率）
これを整理すると、
Ｌ１’ ＝ｍ１ × Ｌ１
次に、リレーレンズ５３を虚像１から距離Ｓ２の位置に配置し、リレーレンズ５３の焦点距離をｆ２、虚像２とリレーレンズ５３の距離をＳ２’とすると、Ｓ２’はガウスの定理より次式で表すことができる。
１／ｆ２＝１／Ｓ２＋１／Ｓ２’ ・・・（１）
これを整理すると、距離Ｓ２’は
Ｓ２’ ＝（ｆ２ × Ｓ２）／（Ｓ２ − ｆ２）
となる。
ここで、虚像２の大きさをＬ２’とすると、横倍率ｍ２は次式で表される。
ｍ２＝Ｓ２’／Ｓ２＝Ｌ２’／Ｌ２
これを整理すると、
Ｌ２’ ＝ｍ２ × Ｌ２
となり、撮像サイズＬ２は上記虚像１のサイズＬ１’となるので、
Ｌ２’ ＝ｍ２ × Ｌ１’
これをＬ１’＝ｍ１×Ｌ１に代入すると、
Ｌ２’ ＝ｍ２ × ｍ１ × Ｌ１
となり、顕微鏡対物レンズ５５により撮像する像をＬ１＝Ｌ２’とすると、
ｍ１＝１／ｍ２
となる。したがって、虚像２を物体と同じ大きさに結像するには、ｍ１に対して逆数を持つ横倍率ｍ２で結像すればよいので、
Ｓ１’／Ｓ１＝Ｓ２／Ｓ２’
整理して、
Ｓ２’ ＝（Ｓ１ × Ｓ２）／Ｓ１’
ここで、リレーレンズ５３からの焦点距離ｆ２は、上式（１）を整理して、
ｆ２＝（Ｓ２ × Ｓ２’）／（Ｓ１＋Ｓ１’）
となる。
したがって、リレーレンズ５３の焦点距離ｆ２が定められている場合のＳ２は、次式で求められる。
Ｓ２＝ｆ１ × （Ｓ１＋Ｓ１’）／Ｓ１
以上のように、レンズ３，測定対象物４およびリレーレンズ５３の配置を決定することができる。
【００１５】
本願発明によれば、走査型のレーザドップラ振動計において、その測定光の光軸をレンズ中心の光軸に対してそれぞれ平行にするために配置されたレンズで虚像を結像する。さらにこれをリレーレンズによって結像し、その虚像２をＣＣＤカメラにより撮像することにより、顕微鏡型の光学系の作動距離を長くとることが可能となる。さらに、レーザビームのスポットの動きに同期してＣＣＤカメラの視野を移動させることができ、常にモニタ上の所定位置に留めることができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のレーザドップラ振動計においては、光源から発生されたレーザ光を基準光と測定光に分割し、この測定光を測定対象物に照射してその反射光を基準光と重ねて干渉させることにより、測定対象物の振動に応じた周波数シフト量を検出し、これにより振動状態を測定する振動センサと、この振動センサから出射される測定光を、制御信号に基づいてＸ軸方向についての反射角度が調整される第１の可動型反射ミラーと、この第１の可動型反射ミラーより反射された振動センサからの測定光を、制御信号に基づいて上記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向についての反射角度が調整される第２の可動型反射ミラーとからなる光学系と、振動センサおよび光学系間の光路上に設けられた半透過手段と、この半透過手段より反射される測定光ならびに測定対象物表面からの反射光を受光して、測定対象物の表面状態を撮像する撮像手段とを設けて構成したので、振動センサの測定光が測定対象物に照射されるそのビームスポットを、走査に追従するとともに高倍率で確認することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザドップラ振動計の構成を示す図である。
【図２】本発明のレーザドップラ振動計の構成を示す図である。
【図３】従来のレーザドップラ振動計の構成を示す図である。
【符号の説明】
１振動センサ
２光学系
３凸レンズ
４測定対象物
５ＣＣＤカメラユニット

Claims

光源から発生されたレーザ光を基準光と測定光に分割し、この測定光を測定対象物に照射してその反射光を基準光と重ねて干渉させることにより、測定対象物の振動に応じた周波数シフト量を検出し、これにより振動状態を測定する振動センサと、
上記振動センサから出射される測定光を制御信号に基づいてＸ軸方向についての反射角度が調整される第１の可動型反射ミラーと、この第１の可動型反射ミラーより反射された振動センサからの測定光を制御信号に基づいて上記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向についての反射角度が調整される第２の可動型反射ミラーと、からなる光学系と、
上記第１の可動型反射ミラー及び第２の可動型反射ミラーよりなる光学系と上記振動センサ間における測定光の光路上に設けられる半透過手段と、この半透過手段より反射される測定光ならびに測定対象物表面からの反射光を受光して、測定対象物の表面状態を撮像する撮像手段と、
を有することを特徴とするレーザドップラ振動計。