JP6212466B2 - レーザ測定装置及び照準光合成装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いて測定を行うレーザ測定装置に関するものである。

レーザ光を用いて測定を行うレーザ測定装置としては、測定対象物にレーザ光を照射し測定対象物で反射したレーザ光にドップラ効果によって生じるドップラシフトを利用して測定対象物の振動や速度や変位を測定するレーザドップラ振動計（たとえば、特許文献１）や、測定対象物にレーザ光を照射し測定対象物で反射したレーザ光の強弱より測定対象物の変位を測定するレーザ変位計（たとえば、特許文献２）など、さまざまな測定装置が知られている。

また、赤外光を用いて距離を計測する光学式距離計において、赤外光に可視光を波長合成器で合成して測定対象物に出射することにより、測定対象物上の赤外光の照射箇所を可視光により視認可能とする技術も知られている（たとえば、特許文献３）。

特開２００６-０１０６９３号公報 特開２０１１-２０９０３４号公報 特開２００５-０９８８３５号公報

人間の目に対する安全性の観点からは、レーザ測定に用いるレーザ光としては、アイセーフレーザと呼ばれる近赤外レーザ光を用いることが好ましい。
一方、近赤外レーザ光をレーザ測定に用いた場合、近赤外レーザ光は不可視光であるため、近赤外レーザ光の照射位置を視認することができなくなる。そこで、上述した赤外光に可視光を波長合成器で合成する技術を応用して、近赤外レーザ光に可視光を波長合成器で合成して測定対象物に出射することにより、測定対象物上の近赤外レーザ光の照射箇所を可視光により提示することが考えられる。

しかしながら、この場合に、単に波長合成器で近赤外レーザ光と可視光を合成するだけでは、近赤外レーザ光と可視光との間に生じる色収差によって、測定対象物上の近赤外レーザ光の照射位置と可視光の照射位置が一致しなくなることがある。

そこで、本発明は、レーザ測定に用いるレーザ光として不可視レーザ光を用いるレーザ測定装置において、不可視レーザ光の照射位置を正しく提示することを課題とする。

前記課題達成のために本発明は、波長が可視領域外のレーザ光である測定光を出射し、測定光の測定対象物による反射光を用いて測定対象物の測定を行う測定部と、前記測定部から出射された測定光が通過する測定光用レンズと、波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、前記照準レーザ光源から出射された照準光が通過する照準光用レンズと、前記測定光用レンズを通過した測定光と前記照準光用レンズを通過した照準光を同一光軸上に合成する合成器と、前記合成器で合成された測定光と照準光を、測定対象物上に集光する対物レンズと、前記対物レンズを光軸方向に移動する対物レンズ移動機構と、前記照準光用レンズを光軸方向に移動する照準光用レンズ移動機構とを備えたレーザ測定装置を提供する。

以上のようなレーザ測定装置によれば、対物レンズを移動して測定光のフォーカス位置を変化させた場合にも、対物レンズの移動後の位置に応じた位置に、照準光用レンズ移動機構を利用して照準光用レンズを移動することにより、対物レンズから出射される測定光と照準光との色収差を補正することができる。よって、不可視のレーザ光である測定光の照射位置を可視の照準光によって正しく提示することができる。

ここで、このようなレーザ測定装置には、前記対物レンズの位置に応じて定まる、前記対物レンズから出射する測定光と照準光との色収差が補正される位置に、前記照準光用レンズ移動機構を制御して前記照準光用レンズを移動する照準光用レンズ位置制御手段を設けることが好ましい。

このようにすることにより、自動的に、対物レンズの位置に応じて照準光用レンズを移動して、対物レンズから出射される測定光と照準光との色収差を補正することができる。

また、このようなレーザ測定装置に、前記対物レンズを通過して入射する前記反射光の強度が最大となる位置に、前記対物レンズ移動機構を制御して前記対物レンズを移動するフォーカス制御手段を設けてもよい。

また、前記課題達成のために、本発明は、波長が可視領域外のレーザ光である不可視レーザ光に波長が可視領域内のレーザ光である照準光を合成して集光する照準光合成装置として、前記不可視レーザ光が通過する不可視レーザ光用レンズと、前記照準光を出射する照準レーザ光源と、前記照準レーザ光源から出射された照準光が通過する照準光用レンズと、前記不可視レーザ光用レンズを通過した不可視レーザ光と前記照準光用レンズを通過した照準光を同一光軸上に合成する合成器と、前記合成器で合成された不可視レーザ光と照準光を集光する対物レンズと、前記対物レンズを光軸方向に移動する対物レンズ移動機構と、前記照準光用レンズと前記不可視レーザ光用レンズのうちの一方を可動レンズとして、当該可動レンズを光軸方向に移動するレンズ移動機構とを備えた照準光合成装置を提供する。

ここで、このような照準光合成装置には、前記対物レンズの位置に応じて定まる、前記対物レンズから出射する不可視レーザ光と照準光との色収差が補正される位置に、前記レンズ移動機構を制御して前記可動レンズを移動する可動レンズ位置制御手段を設けることが好ましい。
また、このような照準光合成装置と、前記照準光合成装置の前記不可視レーザ光用レンズを通過するように、不可視レーザ光を出射し、不可視レーザ光の測定対象物による反射光を用いて測定対象物の測定を行う測定部とよりレーザ測定装置を構成するようにしてもよい。

このような照準光合成装置によれば、対物レンズを移動して可視レーザ光のフォーカス位置を変化させた場合にも、対物レンズの移動後の位置に応じた位置に、レンズ移動機構を利用して照準光用または不可視レーザ光用レンズを移動することにより、対物レンズから出射される不可視レーザ光と照準光との色収差を補正することができる。よって、不可視レーザ光の照射位置を可視の照準光によって正しく提示することができる。また、可動レンズ位置制御手段を設けた場合には、自動的に、可動レンズを移動して、対物レンズから出射される不可視レーザ光と照準光との色収差を補正することができる。

以上のように、本発明によれば、レーザ測定に用いるレーザ光として不可視レーザ光を用いるレーザ測定装置において、不可視レーザ光の照射位置を正しく提示することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る色収差調整機構の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ測定装置の使用形態を示す図である。 本発明の実施形態に係る照射光調整処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る波長合成器の他の例を示す図である。を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るレーザ測定装置について説明する。
図１にレーザ測定装置の構成を示す。
図１に示すように、レーザ測定装置１０は、インジケータ１、操作キー２、測定装置３、測定光学系４、照準光合成光学系５、対物光学系６とを備えている。
測定光学系４は、測定装置３と共にレーザドップラ振動計を構成しており、測定用レーザ光源４１、第１ビームスプリッタ４２、第２ビームスプリッタ４３、第３ビームスプリッタ４４、ミラー４５、音響光学素子（AOM）４６、光検出器４７とを備えている。

ここで、測定用レーザ光源４１は、近赤外レーザ光（たとえば波長1550nmの近赤外レーザ光）を測定光として出射する。
次に、照準光合成光学系５は、凸レンズ系である測定光用レンズ５１、照準用レーザ光源５２、凸レンズ系である照準光用レンズ５３、波長合成器５４、照準光用レンズ５３を光軸方向に移動する色収差調整機構５５を備えている。

ここで、照準用レーザ光源５２は、可視レーザ光（たとえば、波長635nmの赤色レーザ光）を照準光として出射する。また、波長合成器５４としては、ダイクロイックキューブ（ダイクロイックプリズム）を用いている。

次に、対物光学系６は、凸レンズ系である対物レンズ６１と、対物レンズ６１を光軸方向に移動するフォーカス調整機構６２を備えている。
ここで、照準光合成光学系５の色収差調整機構５５の構成について説明する。
図２ａ１、ａ２、ａ３、ａ４に色収差調整機構５５の４面図を示すように、色収差調整機構５５は照準光用レンズ５３を保持したレンズホルダ５５１、レンズホルダ５５１の照準光用レンズ５３の光軸方向への移動を案内するリニアレール５５２、ボールネジ５５３、ボールネジ５５３を回転するモータ５５４を備えている。

照準光用レンズ５３の光軸方向からレンズホルダ５５１を単体で見た様子を図２ｂに示すように、レンズホルダ５５１にはボールネジナット５５５が組み込まれており、ボールネジ５５３はボールネジナット５５５と螺合している。

そして、モータ５５４でボールネジ５５３を回転すると、図２ｃに示すように、レンズホルダ５５１を光軸方向に照準光用レンズ５３と共に移動することができる。

次に、対物光学系６のフォーカス調整機構６２の構成は、照準光合成光学系５の色収差調整機構５５の照準光用レンズ５３を対物レンズ６１に置き換えた構成と同様の構成を備えており、フォーカス調整機構６２のモータ５５４を回転することにより対物レンズ６１を光軸方向に移動できるようになっている。

以下、このようなレーザ測定装置１０を用いた計測について説明する。
レーザ測定装置１０を用いた計測は、たとえば図３に示すように三脚などを用いてレーザ測定装置１０を測定対象物７に向けて設置した状態で、測定装置３に、対物レンズ６１と照準光用レンズ５３の位置を調整する照射光調整処理を実行させながら、測定対象物７上の所望の測定対象位置に測定光と照準光のスポットを形成した上で、計測処理を測定装置３に実行させることにより行われる。

まず、計測処理について説明する。
オペレータから操作キー２を用いて計測開始を指示されると、測定装置３は計測処理を開始する。
そして、計測処理において、測定装置３は、測定用レーザ光源４１と照準用レーザ光源５２を点灯状態に維持すると共に、音響光学素子４６に周波数fMの参照信号を出力する。

測定光学系４で、測定用レーザ光源４１から出射された周波数f0の測定光は、第１ビームスプリッタ４２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子４６に入射する。音響光学素子４６は測定装置３から入力する周波数fMの参照信号を用いて、第１ビームスプリッタ４２から入射した測定光の周波数をfMシフトし、周波数f0＋fMの参照光として出射する。そして、音響光学素子４６から出射された参照光は、ミラー４５、第３ビームスプリッタ４４を経由して光検出器４７に入射する。

一方、第１ビームスプリッタ４２で二分された他方の測定光は、第２ビームスプリッタ４３を通過して照準光合成光学系５の測定光用レンズ５１に出射され、測定光用レンズ５１で収束方向に屈折した測定光は波長合成器５４に入射する。

一方、照準用レーザ光源５２から出射された照準光は照準光用レンズ５３で収束方向に屈折し波長合成器５４に入射する。
波長合成器５４は、入射した測定光と照準光を合成し、対物光学系６の対物レンズ６１に出射する。なお、測定光学系４、照準光合成光学系５の各部は、波長合成器５４で測定光と照準光とが光軸が一致した状態で合成されるように配置されている。

波長合成器５４で合成された測定光と照準光とは、一旦、収束した後に発散して対物レンズ６１に入射し、対物レンズ６１で測定対象物７の上に光スポットを形成するように集光される。

そして、測定対象物７で反射した測定光と照準光の反射光は、対物レンズ６１によって、波長合成器５４に入射され、波長合成器５４によって測定光の反射光が分離されて、測定光用レンズ５１を通過して測定光学系４の第２ビームスプリッタ４３に出射される。そして、第２ビームスプリッタ４３に入射した測定光の反射光は、第３ビームスプリッタ４４を経由して、光検出器４７に入射する。

ここで、測定対象物７による測定光の反射光の周波数には、測定対象物７の表面の速度に応じたドップラシフトfDが生じており、反射光の周波数はf0＋fDとなる。したがって、光検出器４７において、第３ビームスプリッタ４４からの入射光を検出した信号中には、参照光と反射光との干渉によるfM±fDのビート信号が観測される。

そこで、測定装置３は、計測処理において、光検出器４７で検出した信号中のビート信号を参照信号の周波数fMでFM復調して、測定対象物７の速度を算出する。また、この速度を解析して、測定対象物７の表面の加速度や振動周波数や変位などを算出する。また、測定装置３は、計測処理において、このようにして算出された結果のインジケータ１への表示や、外部への出力や、保存などを行う。

以上、測定装置３が行う計測処理について説明した。
次に以上のような計測処理に先立って測定装置３に行わせる照射光調整処理について説明する。
まず、照射光調整処理において用いるために、予め測定装置３に記憶しておく色収差補正位置テーブルについて説明する。
色収差補正位置テーブルは、対物レンズ６１の移動可能範囲内の各位置に対して、当該対物レンズ６１の位置に対応する照準光用レンズ５３の位置を登録したテーブルである。ここで、対物レンズ６１の位置に対応する照準光用レンズ５３の位置としては、予め実験または計算により求めた、対物レンズ６１がその位置にあるときに、照準光用レンズ５３を、その位置とすれば、対物レンズ６１から出射される測定光と照準光の色収差が補正される照準光用レンズ５３の位置を登録する。

さて、図３に示すように三脚などを用いてレーザ測定装置１０を測定対象物７に向けて設置した状態で、オペレータが操作キー２を用いて照射光の調整を指示すると、測定装置３は照射光調整処理を開始する。

図４の照射光調整処理の手順に示すように、照射光調整処理において測定装置３は、まず、測定用レーザ光源４１と照準用レーザ光源５２を点灯する（ステップ４０２）。
そして、対物光学系６のフォーカス調整機構６２のモータ５５４を制御し、光検出器４７で検出される光の強度が最大となる位置に対物レンズ６１を移動する（ステップ４０４）。ここで、このステップ４０４により、測定光のフォーカス位置が測定対象物７の上の測定光の照射位置に調整される。

次に、照準光合成光学系５の色収差調整機構５５のモータ５５４を制御して、対物レンズ６１の位置に対して色収差補正位置テーブルに登録されている位置に照準光用レンズ５３を移動する（ステップ４０６）。ここで、このステップ４０６により、対物レンズ６１から出射される測定光と照準光との色収差が補正され、測定光の不可視の光スポットと中心や大きさが良好に一致する照準光の光スポットが測定対象物７の上に形成される。

次に、計測開始を指示されているかどうかを調べ（ステップ４０８）、指示されている場合には、照射光調整処理を終了し、指示されていない場合にはステップ４０４からの処理に戻る。

さて、測定装置３が照準光調整処理を行っている期間中に、オペレータは、レーザ測定装置１０から出射された可視光の照準光により測定対象物７上に形成される光スポットが所望の測定対象位置上に位置するようにレーザ測定装置１０の位置や姿勢を調整する。ここで、上述の照射光調整処理によって、測定光は測定対象物７上にフォーカス位置が調整され、測定光と照準光との色収差は補正されている。したがって、照準光により測定対象物７上に形成される光スポットを所望の測定対象位置上に位置づけることにより、測定光の光スポットも正しく所望の測定対象位置上に位置づけることができる。

そして、レーザ測定装置１０の位置や姿勢の調整が完了したならば、オペレータは、操作キー２から計測開始を測定装置３に指示し、指示を受けた測定装置３は上述のように計測処理を開始する。

以上、本発明の実施形態について説明した。
ここで、以上の実施形態では、照準光合成光学系５の波長合成器５４としてダイクロイックキューブを用いたが、波長合成器５４としてダイクロイックミラーを用いることもできる。

ただし、図５ａに示すように、波長合成器５４として１枚のダイクロイックミラー５４１を用いると波長合成器５４で光軸のずれが生じる。そこで、図５ｂに示すように光軸方向に対して逆方向に傾けた２枚のダイクロイックミラー５４１を光軸のずれが相殺されるように用いて、光軸のずれが発生しないようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、照射光調整処理のステップ４０６で、対物レンズ６１の各位置に対して対応する照準光用レンズ５３の位置を登録した色収差補正位置テーブルと対物レンズ６１の位置を用いて照準光用レンズ５３を移動する位置を求めたが、色収差補正位置テーブルに代えて、対物レンズ６１の各位置と、当該位置に対応する照準光用レンズ５３の位置との関係を示す関係式を予め測定装置３に記憶し、照射光調整処理のステップ４０６では、対物レンズ６１の位置と関係式に従って照準光用レンズ５３を移動する位置を求めるようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、測定光学系４と測定装置３がレーザドップラ振動計を構成しているものとして説明したが、測定光学と測定装置３とは、不可視のレーザ光を測定光として測定対象物７に照射し、測定対象物７で反射した測定光の反射光を用いて測定対象物７の測定を行うものあれば、レーザドップラ振動計に代えて、レーザ変位計、レーザ測距計、レーザ回転計、レーザ干渉計、レーザライダーなどの任意の計測装置を構成するものであってよい。

また、以上の実施形態では、照準光用レンズ５３を移動して色収差の補正を行うようにしたが、照準光用レンズ５３に代えて測定光用レンズ５１を移動して色収差の補正を行うように構成するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、対物レンズ６１と照準光用レンズ５３の双方を自動で移動して測定光のフォーカス合わせと色収差の補正を行うようにしたが、対物レンズ６１と照準光用レンズ５３の一方または双方は、手動で移動するように構成してもよい。

１…インジケータ、２…操作キー、３…測定装置、４…測定光学系、５…照準光合成光学系、６…対物光学系、７…測定対象物、１０…レーザ測定装置、４１…測定用レーザ光源、４２…第１ビームスプリッタ、４３…第２ビームスプリッタ、４４…第３ビームスプリッタ、４５…ミラー、４６…音響光学素子、４７…光検出器、５１…測定光用レンズ、５２…照準用レーザ光源、５３…照準光用レンズ、５４…波長合成器、５５…色収差調整機構、６１…対物レンズ、６２…フォーカス調整機構、５４１…ダイクロイックミラー、５５１…レンズホルダ、５５２…リニアレール、５５３…ボールネジ、５５４…モータ、５５５…ボールネジナット。

Claims (4)

1. 波長が可視領域外のレーザ光である測定光を出射し、測定光の測定対象物による反射光を用いて測定対象物の測定を行う測定部と、
   前記測定部から出射された測定光が通過する測定光用レンズと、
   波長が可視領域内のレーザ光である照準光を出射する照準レーザ光源と、
   前記照準レーザ光源から出射された照準光が通過する照準光用レンズと、
   前記測定光用レンズを通過した測定光と前記照準光用レンズを通過した照準光を同一光軸上に合成する合成器と、
   前記合成器で合成された測定光と照準光を、測定対象物上に集光する対物レンズと、
   前記対物レンズを光軸方向に移動する対物レンズ移動機構と、
   前記照準光用レンズを光軸方向に移動する照準光用レンズ移動機構と、
   前記対物レンズの位置に応じて、当該対物レンズの位置より定まる、前記対物レンズから出射する測定光と照準光との色収差が補正される位置に、前記照準光用レンズ移動機構を制御して前記照準光用レンズを移動する照準光用レンズ位置制御手段を有することを特徴とするレーザ測定装置。
   
2. 請求項１記載のレーザ測定装置であって、
   前記対物レンズを通過して入射する前記反射光の強度が最大となる位置に、前記対物レンズ移動機構を制御して前記対物レンズを移動するフォーカス制御手段を有することを特徴とするレーザ測定装置。
   
3. 波長が可視領域外のレーザ光である不可視レーザ光に波長が可視領域内のレーザ光である照準光を合成して集光する照準光合成装置であって、
   前記不可視レーザ光が通過する不可視レーザ光用レンズと、
   前記照準光を出射する照準レーザ光源と、
   前記照準レーザ光源から出射された照準光が通過する照準光用レンズと、
   前記不可視レーザ光用レンズを通過した不可視レーザ光と前記照準光用レンズを通過した照準光を同一光軸上に合成する合成器と、
   前記合成器で合成された不可視レーザ光と照準光を集光する対物レンズと、
   前記対物レンズを光軸方向に移動する対物レンズ移動機構と、
   前記照準光用レンズと前記不可視レーザ光用レンズのうちの一方を可動レンズとして、当該可動レンズを光軸方向に移動するレンズ移動機構と、
   前記対物レンズの位置に応じて、当該対物レンズの位置より定まる、前記対物レンズから出射する不可視レーザ光と照準光との色収差が補正される位置に、前記レンズ移動機構を制御して前記可動レンズを移動する可動レンズ位置制御手段を有することを特徴とする照準光合成装置。
   
4. 請求項３記載の照準光合成装置と、前記照準光合成装置の前記不可視レーザ光用レンズを通過するように、不可視レーザ光を出射し、不可視レーザ光の測定対象物による反射光を用いて測定対象物の測定を行う測定部とを有することを特徴とするレーザ測定装置。