JP7004947B2 - Measuring device and measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、磁場を有する測定対象物に対する磁場の測定と距離(位置、形状、寸法、及び振動等でも可)の測定とを行う測定装置及び測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring device and a measuring method for measuring a magnetic field and a distance (position, shape, dimensions, vibration, etc.) with respect to a measurement object having a magnetic field.
従来、非接触式のプローブ又は接触式のプローブを用いて測定対象物の形状及び寸法等の測定を行う形状測定装置が知られている。そして、近年では、各種電動機に用いられる磁石等のような磁場を有する測定対象物に対する形状等の測定の需要が高くなっている。このように測定対象物が磁場を有するものである場合、形状等以外に磁場測定を行うことが要求される場合がある。 Conventionally, a shape measuring device that measures the shape and dimensions of an object to be measured by using a non-contact probe or a contact probe is known. In recent years, there has been an increasing demand for measuring the shape and the like of a measurement object having a magnetic field such as a magnet used in various motors. When the object to be measured has a magnetic field as described above, it may be required to measure the magnetic field in addition to the shape and the like.
特許文献1には、磁気光学効果(ファラデー効果)を発現する磁気転写膜を透過した測定光を受光することで、この磁気転写膜の磁場測定を行う磁場測定デバイスが開示されている。特許文献2には、磁気カー効果を発現する測定対象物に多色光の直線偏光を照射し、その反射光を受光することで、反射光の偏光面の角度変化の波長依存性を測定する偏光変化スペクトル装置が開示されている。特許文献3には、ホール素子を用いて測定対象物の磁場を測定する磁気センサが開示されている。
磁場を有する測定対象物の形状測定及び磁場測定を行う場合、これらを同時に行うことが望ましい。この際に、非接触式のプローブを用いる形状測定装置では、測定対象物の複数の測定点に測定光(レーザ光等)を順次照射し、この測定光の反射光を測定点ごとに受光した結果に基づき、予め定めた基準位置から各測定点までの距離を検出することで、測定対象物の形状等を測定する。しかし、このタイプの形状測定装置では、測定対象物の磁場を同時に測定することはできない。 When measuring the shape of a measurement object having a magnetic field and measuring the magnetic field, it is desirable to perform these at the same time. At this time, in the shape measuring device using the non-contact probe, the measurement light (laser light, etc.) is sequentially irradiated to a plurality of measurement points of the measurement object, and the reflected light of the measurement light is received at each measurement point. Based on the result, the shape of the object to be measured is measured by detecting the distance from the predetermined reference position to each measurement point. However, this type of shape measuring device cannot measure the magnetic field of the object to be measured at the same time.
また、接触式のプローブを用いる形状測定装置についても同様に、測定対象物の磁場を同時に測定することができない。さらにこのタイプの形状測定装置では、プローブの一部が金属で形成されているため、測定対象物が強い磁場を有する場合に、この磁場の影響(すなわち引力)により形状測定の精度が悪化するという問題もある。 Similarly, a shape measuring device using a contact-type probe cannot simultaneously measure the magnetic field of an object to be measured. Furthermore, in this type of shape measuring device, since a part of the probe is made of metal, when the object to be measured has a strong magnetic field, the effect of this magnetic field (that is, attractive force) deteriorates the accuracy of shape measurement. There is also a problem.
一方、上記各特許文献に開示されている各種装置を測定対象物の磁場測定に利用することで、この測定対象物の磁場測定は可能であるが、測定対象物の形状等を同時に測定することはできない。 On the other hand, by using the various devices disclosed in the above patent documents for measuring the magnetic field of the object to be measured, the magnetic field of the object to be measured can be measured, but the shape and the like of the object to be measured can be measured at the same time. Can't.
そこで、非接触式の形状測定装置による測定対象物の形状等の測定と、上記各特許文献に開示されている各種装置を利用した測定対象物の磁場測定と、を個別に行う方法が考えられる。しかし、この場合には、非接触式の形状測定装置による測定対象物の距離の測定点と、各特許文献の装置による測定対象物の磁場の測定点との位置が一致しない。また、例えば、非接触式の形状測定装置のプローブの近傍に磁気測定センサ(ホール素子等)を別途設けたとしても、両者の位置は同一にならないので、測定対象物における距離の測定点と磁場の測定点とが一致しないという問題は残る。 Therefore, it is conceivable to individually measure the shape of the object to be measured by a non-contact shape measuring device and the magnetic field of the object to be measured by using various devices disclosed in the above patent documents. .. However, in this case, the positions of the measurement points of the distance of the measurement object by the non-contact shape measuring device and the measurement points of the magnetic field of the measurement object by the devices of each patent document do not match. Further, for example, even if a magnetic measurement sensor (Hall element, etc.) is separately provided near the probe of the non-contact shape measuring device, the positions of the two are not the same, so that the measurement point of the distance and the magnetic field in the measurement object are not the same. The problem that the measurement points of are not the same remains.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、測定対象物の測定点の距離及び磁場を同時に測定することができる測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a measuring device and a measuring method capable of simultaneously measuring the distance and the magnetic field of a measuring point of a measuring object.
本発明の目的を達成するための測定装置は、直線偏光を出射する光源部と、光源部から出射された直線偏光を測定光と参照光とに分割する光分割部と、光分割部にて分割された測定光を測定対象物の測定点に向けて出射する光出射部と、光分割部にて分割された参照光を反射する反射部と、測定点にて反射された測定光の第1反射光と、反射部にて反射された参照光の第2反射光との干渉光を分割して出力する干渉光出力部と、干渉光出力部から出力された干渉光を検出する光検出部と、干渉光出力部から出力された干渉光から、第1反射光の偏光状態を検出する偏光状態検出部と、を備える。 The measuring device for achieving the object of the present invention includes a light source unit that emits linear polarization, an optical division unit that divides the linear polarization emitted from the light source unit into measurement light and reference light, and an optical division unit. A light emitting unit that emits the divided measurement light toward the measurement point of the object to be measured, a reflection unit that reflects the reference light divided by the optical division unit, and a measurement light reflected at the measurement point. Light detection that detects the interference light output from the interference light output unit and the interference light output unit that divides and outputs the interference light between the 1 reflected light and the second reflected light of the reference light reflected by the reflection unit. A unit and a polarization state detection unit that detects the polarization state of the first reflected light from the interference light output from the interference light output unit are provided.
この測定装置によれば、測定点の距離の解析に用いられる干渉光の検出結果と、測定点の磁場の解析に用いられる偏光状態の検出結果とが同時に取得されるので、実質的に測定対象物の同一の測定点に対する距離測定と磁場測定とを同時に実行することができる。 According to this measuring device, the detection result of the interference light used for the analysis of the distance of the measurement point and the detection result of the polarization state used for the analysis of the magnetic field of the measurement point are acquired at the same time. Distance measurement and magnetic field measurement for the same measurement point of an object can be performed at the same time.
本発明の他の態様に係る測定装置において、光源部は、波長掃引しながら直線偏光を出力する。これにより、測定対象物の同一の測定点に対する距離測定(振動数測定)と磁場測定とを同時に実行することができる。 In the measuring device according to another aspect of the present invention, the light source unit outputs linearly polarized light while sweeping the wavelength. As a result, distance measurement (frequency measurement) and magnetic field measurement for the same measurement point of the object to be measured can be performed at the same time.
本発明の他の態様に係る測定装置において、光検出部による干渉光の検出結果に基づき、光出射部から測定点までの距離を解析する第1解析部と、偏光状態検出部が検出した第1反射光の偏光状態に基づき、測定点の磁場を解析する第2解析部と、を備える。これにより、測定対象物の同一の測定点に対する距離と磁場とが同時に得られる。 In the measuring device according to another aspect of the present invention, the first analysis unit that analyzes the distance from the light emitting unit to the measurement point based on the detection result of the interference light by the light detection unit, and the first analysis unit that detects the polarization state detection unit. A second analysis unit that analyzes the magnetic field at the measurement point based on the polarization state of the reflected light is provided. As a result, the distance to the same measurement point of the object to be measured and the magnetic field can be obtained at the same time.
本発明の他の態様に係る測定装置において、第2解析部は、偏光状態検出部が検出した第1反射光の偏光状態に基づき、第1反射光のカー回転角を解析するカー回転角解析部と、カー回転角解析部の解析結果に基づき、カー回転角と磁場との関係を示す対応関係を参照して、測定点の磁場を決定する磁場決定部と、を備える。これにより、測定対象物の測定点の磁場が測定される。 In the measuring device according to another aspect of the present invention, the second analysis unit analyzes the car rotation angle of the first reflected light based on the polarization state of the first reflected light detected by the polarization state detection unit. A unit and a magnetic field determination unit for determining the magnetic field at the measurement point are provided with reference to the correspondence relationship showing the relationship between the car rotation angle and the magnetic field based on the analysis result of the car rotation angle analysis unit. As a result, the magnetic field at the measurement point of the object to be measured is measured.
本発明の他の態様に係る測定装置において、偏光状態検出部は、干渉光を偏光方向が異なる複数の偏光に分割する光学素子と、光学素子により分割された複数の偏光を差動検出する差動光検出器と、を備える。これにより、上述のカー回転角の解析に用いる差分信号が得られる。 In the measuring device according to another aspect of the present invention, the polarization state detection unit is a difference between an optical element that divides interference light into a plurality of polarizations having different polarization directions and a difference that differentially detects a plurality of polarizations divided by the optical element. It is equipped with a dynamic light detector. As a result, the difference signal used for the above-mentioned analysis of the car rotation angle can be obtained.
本発明の目的を達成するための測定方法は、直線偏光を出射する直線偏光出射ステップと、直線偏光出射ステップで出射された直線偏光を測定光と参照光とに分割する光分割ステップと、光分割ステップで分割された測定光を測定対象物の測定点に向けて出射する測定光出射ステップと、光分割ステップで分割された参照光を反射する反射ステップと、測定点にて反射された測定光の第1反射光と、反射ステップにて反射された参照光の第2反射光との干渉光を分割して出力する干渉光出力ステップと、干渉光出力ステップで出力された干渉光を検出する干渉光検出ステップと、干渉光出力ステップで出力された干渉光から、第1反射光の偏光状態を検出する偏光状態検出ステップと、を有する。 The measurement method for achieving the object of the present invention includes a linear polarization emission step that emits linear polarization, an optical division step that divides the linear polarization emitted in the linear polarization emission step into measurement light and reference light, and light. The measurement light emission step that emits the measurement light divided in the division step toward the measurement point of the object to be measured, the reflection step that reflects the reference light divided in the optical division step, and the measurement reflected at the measurement point. Detects the interference light output step that divides and outputs the interference light between the first reflected light of the light and the second reflected light of the reference light reflected in the reflection step, and the interference light output in the interference light output step. It has an interference light detection step for detecting the polarization state of the first reflected light from the interference light output in the interference light output step.
本発明の測定装置及び測定方法は、測定対象物の測定点の距離及び磁場を同時に測定することができる。 The measuring device and measuring method of the present invention can simultaneously measure the distance and the magnetic field of the measuring point of the object to be measured.
[測定装置の構成]
図1は、例えば磁石等の測定対象物9の形状及び磁場を同時測定する測定装置10の概略図である。この測定装置10は、測定対象物9の複数の測定点9aごとの距離及び磁場を非接触で測定することで、測定対象物9の形状(位置、変位、及び寸法も可)、及びその測定点9aごとの磁場を測定する。
[Measuring device configuration]
FIG. 1 is a schematic view of a measuring device 10 that simultaneously measures the shape and magnetic field of a
測定装置10は、波長掃引光源11と、偏光子12と、ファイバーカプラ13と、第1ファイバーコネクタ14Aと、第1コリメータ15Aと、第2ファイバーコネクタ14Bと、第2コリメータ15Bと、これら各部を接続する光経路である光ファイバーケーブルFと、ミラー17(反射鏡)と、光検出器20と、偏光ビームスプリッタ21と、差動光検出器22と、制御装置25と、を備える。
The measuring device 10 includes a wavelength sweeping
波長掃引光源11は、光ファイバーケーブルFを介して偏光子12に接続しており、この偏光子12と共に本発明の光源部を構成する。波長掃引光源11は、時間の経過と共に、一定の波長掃引周期(一定の波長掃引周波数)且つ一定波長帯で波長を例えば正弦波状に変化させながら、光ファイバーケーブルFを介して偏光子12へ波長掃引光を出射する。
The wavelength
図2は、波長掃引光源11から出射される波長掃引光の波長の時間変化の一例を示したグラフである。ここで、図2のグラフの横軸は経過時間tであり、縦軸は波長掃引光源11から射出される波長掃引光の波長λである。図2に示すように、波長掃引光源11は、所定の波長掃引周期毎に、所定の波長帯で波長が正弦波(Sin波)状に変化する波長掃引光を出射する。
FIG. 2 is a graph showing an example of time change of the wavelength of the wavelength sweep light emitted from the wavelength
図1に戻って、偏光子12は、光ファイバーケーブルFを介して、波長掃引光源11及びファイバーカプラ13に接続している。偏光子12は、波長掃引光源11から入力された波長掃引光を直線偏光であるP偏光ALに変換してファイバーカプラ13へ出力する。P偏光ALは、本実施形態では測定対象物9の光入射面に平行な任意の直線偏光である。これにより、波長掃引光源11及び偏光子12は、波長掃引されたP偏光ALをファイバーカプラ13へ出力する。
Returning to FIG. 1, the polarizing
ファイバーカプラ13は、光ファイバーケーブルFを介して、第1ファイバーコネクタ14Aと第2ファイバーコネクタ14Bと光検出器20と偏光ビームスプリッタ21とにそれぞれ接続している。ファイバーカプラ13は、偏光子12から光ファイバーケーブルFを介して入力されたP偏光ALを、測定光MLと参照光RLとに一定の割合で分割(分波)する。従って、ファイバーカプラ13は、P偏光ALが入力された場合には本発明の光分割部として機能する。そして、ファイバーカプラ13は、光ファイバーケーブルFを介して測定光MLを第1ファイバーコネクタ14Aに出力し、且つ光ファイバーケーブルFを介して参照光RLを第2ファイバーコネクタ14Bに出力する。
The
なお、ファイバーカプラ13、及び各部を接続する光ファイバーケーブルFとしては、後述の磁気カー効果によるカー回転角φKerr(図4参照)の測定のため、偏波保持機能を有するものが用いられる。
As the
第1ファイバーコネクタ14Aは、ファイバーカプラ13に接続する光ファイバーケーブルFと第1コリメータ15Aに接続する光ファイバーケーブルFとを低光損失で接続する。また、第2ファイバーコネクタ14Bは、ファイバーカプラ13に接続する光ファイバーケーブルFと第2コリメータ15Bに接続する光ファイバーケーブルFとを低光損失で接続する。これにより、第1ファイバーコネクタ14Aに入力された測定光MLが光ファイバーケーブルFを介して第1コリメータ15Aに入力される。また、第2ファイバーコネクタ14Bに入力された参照光RLが光ファイバーケーブルFを介して第2コリメータ15Bに入力される。
The
第1コリメータ15Aは、本発明の光出射部に相当するものであり、例えば光ファイバーケーブルFから入力される測定光MLを平行光に変換又は測定光MLを集光して、この測定光MLを測定対象物9の任意(所望)の測定点9aに向けて出射する。ここで距離L1は、第1コリメータ15Aと測定対象物9の測定点9aとの間の距離である。
The
測定対象物9に向けて出射された測定光MLの一部又は全部は、測定対象物9の測定点9aにて第1コリメータ15Aに向けて反射される。これにより、第1コリメータ15Aには、測定対象物9にて反射された測定光MLの反射光である第1反射光BL1が入射する。第1コリメータ15Aに入射した第1反射光BL1は、第1ファイバーコネクタ14A及び各光ファイバーケーブルFを介して、ファイバーカプラ13に入力される。
A part or all of the measurement light ML emitted toward the
図3は、第1反射光BL1の偏光状態を説明するための説明図である。図3に示すように、測定対象物9の測定点9aに入射する測定光MLは、既述の通りP偏光ALを分割した光である。ここで測定対象物9は磁場を有している(磁化されている)。このため、測定光ML(P偏光AL)を測定点9aに入射した場合、この測定点9aで反射される第1反射光BL1は、磁気カー効果(極カー効果及び縦カー効果等)により図中の符号Eで示すように楕円偏光となり、且つその主軸d2が測定光ML(P偏光AL)の偏光方向d1から回転する。なお、主軸d2の偏光方向d1に対する回転角がカー回転角φKerr(図4参照)である。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the polarization state of the first reflected light BL1. As shown in FIG. 3, the measurement light ML incident on the
図1に戻って、第2コリメータ15Bは、例えば光ファイバーケーブルFから入力される参照光RLを平行光に変換又は参照光RLを集光して、この参照光RLをミラー17に向けて出射する。ここで、距離L2は第2コリメータ15Bとミラー17との間の距離である。なお、本実施形態では、ファイバーカプラ13から第1コリメータ15Aまでの測定光MLの光路長と、ファイバーカプラ13から第2コリメータ15Bまでの参照光RLの光路長と、が等しく設定されている。
Returning to FIG. 1, the
ミラー17は、本発明の反射部に相当するものであり、第2コリメータ15Bから出射された参照光RLを反射する。これにより、ミラー17にて反射された参照光RLの反射光である第2反射光BL2が第2コリメータ15Bに入射する。第2コリメータ15Bに入射した第2反射光BL2は、第2ファイバーコネクタ14B及び各光ファイバーケーブルFを介して、ファイバーカプラ13に入力される。なお、ミラー17の代わりに、例えばコーナーキューブプリズム等の各種の反射部を用いてもよい。
The
ファイバーカプラ13は、第1ファイバーコネクタ14Aから光ファイバーケーブルFを介して入力された第1反射光BL1と、第2ファイバーコネクタ14Bから光ファイバーケーブルFを介して入力された第2反射光BL2と、を合波する。そして、ファイバーカプラ13は、合波した干渉光SL(合波光)を任意の割合で分割し、分割した干渉光SLを、光ファイバーケーブルFを介して光検出器20と偏光ビームスプリッタ21とにそれぞれ出力する。従って、ファイバーカプラ13は、第1反射光BL1及び第2反射光BL2が入力された場合、本発明の干渉光出力部として機能する。
The
光検出器20は、本発明の光検出部に相当するものであり、例えばCCD(Charge Coupled Device)型又はCMOS(complementary metal oxide semiconductor)型のイメージセンサ、或いはシリコンフォトダイオードが用いられる。光検出器20は、ファイバーカプラ13から光ファイバーケーブルFを介して入力(入射)された干渉光SLを受光し、この干渉光SLを電気信号である干渉信号SGに変換及び増幅して制御装置25へ出力する。この光検出器20は、波長掃引速度[測定対象物9が振動(変位)している場合にはその時間変位]よりも十分に速い応答速度、例えば1MHz以上の応答速度を有することが好ましい。
The
偏光ビームスプリッタ21及び差動光検出器22は本発明の偏光状態検出部に相当するものであり、干渉光SL(第1反射光BL1)の偏光状態の検出に用いられる。ここでいう偏光状態とは、干渉光SLを偏光方向の異なる複数の偏光に分割(分解)した場合における各偏光の強度比(強度差)である。具体的に本実施形態では、偏光状態として、既述のカー回転角φKerr(図4参照)の解析に用いられる後述の差分信号DGを検出する。なお、偏光状態にはカー回転角φKerrそのものが含まれていてもよい。
The
偏光ビームスプリッタ21は、本発明の光学素子に相当するものであり、ファイバーカプラ13から光ファイバーケーブルFを介して入力される干渉光SLを、偏光方向の異なる複数の偏光、すなわちP偏光CL1とS偏光CL2とに分割(分解)する。なお、P偏光CL1は先のP偏光ALと実質的に同じである。また、本実施形態のS偏光CL2は、P偏光CL1(P偏光AL)と直交する直線偏光である。そして、偏光ビームスプリッタ21は、光ファイバーケーブルFを介して、分割したP偏光CL1及びS偏光CL2をそれぞれ差動光検出器22へ出力する。
The
ここで、第1反射光BL1は磁気カー効果により楕円偏光となるのに対して、第2反射光BL2はP偏光ALのままである。このため、P偏光CL1は第1反射光BL1のP偏光成分と第2反射光BL2とを合成したものであり、S偏光CL2は第1反射光BL1のS偏光成分である。そして、カー回転角φKerr(図4参照)の大きさ及び方向に応じて、第1反射光BL1のP偏光成分及びS偏光成分の強度比(強度差)が変化するのに対して、第2反射光BL2の強度は一定である。このため、P偏光CL1及びS偏光CL2の強度比(強度差)は、第1反射光BL1のカー回転角φKerrを示す指標となる。 Here, the first reflected light BL1 is elliptically polarized due to the magnetic car effect, whereas the second reflected light BL2 remains P-polarized AL. Therefore, the P-polarized CL1 is a combination of the P-polarized component of the first reflected light BL1 and the second reflected light BL2, and the S-polarized CL2 is the S-polarized component of the first reflected light BL1. The intensity ratio (intensity difference) of the P-polarized component and the S-polarized component of the first reflected light BL1 changes according to the size and direction of the car rotation angle φ Kerr (see FIG. 4). 2 The intensity of the reflected light BL2 is constant. Therefore, the intensity ratio (intensity difference) of the P-polarized CL1 and the S-polarized CL2 is an index indicating the car rotation angle φ Kerr of the first reflected light BL1.
差動光検出器22は、光ファイバーケーブルFを介して個別に入力されるP偏光CL1及びS偏光CL2を差動検出し、既述のカー回転角φKerr(図4参照)に比例する差分信号DGを制御装置25へ出力する。この差動光検出器22は、図示は省略するが、P偏光CL1を検出する第1光検出器と、S偏光CL2を検出する第2光検出器と、第1検出器及び第2検出器に接続された差動増幅回路と、を備える。なお、P偏光CL1及びS偏光CL2の差分信号DGを検出可能であれば、差動光検出器22は上記構成に特に限定はされない。
The
制御装置25は、例えばパーソナルコンピュータ等の演算処理装置であり、波長掃引光源11、光検出器20、及び差動光検出器22などの測定装置10の各部の動作を統括制御する。また、制御装置25は、光検出器20から入力された干渉信号SG及び差動光検出器22から入力された差分信号DGを解析して、測定対象物9の測定点9aの位置情報(距離L1等)と測定点9aの磁場とをそれぞれ決定する。
The
[制御装置の構成]
図4は、制御装置25の構成を示すブロック図である。制御装置25には、測定対象物9の測定点9aの位置情報及び磁場等の各種解析結果を表示する表示部30と、これら各種解析結果を記憶する記憶部31と、が接続されている。
[Control device configuration]
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the
制御装置25の不図示のCPU(central processing unit)又はFPGA(field-programmable gate array)を含む演算処理回路は、不図示の制御プログラムを実行することにより、測定制御部33と、第1解析部34と、第2解析部35として機能する。
The arithmetic processing circuit including the CPU (central processing unit) or FPGA (field-programmable gate array) (not shown) of the
測定制御部33は、波長掃引光源11による波長掃引光の出射、光検出器20による干渉信号SGの出力、及び差動光検出器22による差分信号DGの出力などを制御する。
The
第1解析部34は、光検出器20から干渉信号SGを取得し、この干渉信号SGを解析して、測定対象物9の測定点9aにおける距離L1を導出する。また、第1解析部34は、測定対象物9が振動している場合には、測定対象物9(測定点9a)の振動数(変位)も導出する。なお、干渉信号SGを解析して距離L1及び振動数を導出する方法は、公知技術(特開2017-167065号公報、特開2016-24086号公報、及び特開2016-17919号公報)であるので、その詳細についての説明は省略する。そして、第1解析部34は、測定対象物9の測定点9aの距離L1及び振動数(測定対象物9が振動している場合)等の位置情報を、表示部30及び記憶部31にそれぞれ出力する。
The
第2解析部35は、差動光検出器22から入力される差分信号DGを解析して、測定対象物9の測定点9aの磁場(磁場強度)を導出する。なお、本明細書における磁場には磁束密度も含まれる。この第2解析部35は、カー回転角解析部36と磁場決定部37とを有する。
The
カー回転角解析部36は、差動光検出器22から差分信号DGを取得し、この差分信号DGを解析することにより、測定対象物9の測定点9aにおける第1反射光BL1のカー回転角φを導出する。既述の通り、差分信号DGはカー回転角φKerrに比例するため、差分信号DGからカー回転角φKerrを導出することができる。
The car rotation
以下、カー回転角φKerrの導出方法の一例について説明を行う。カー回転角φKerrは下記の[数1]式のように光測定強度で表される。 Hereinafter, an example of a method for deriving the car rotation angle φ Kerr will be described. The car rotation angle φ Kerr is expressed by the light measurement intensity as shown in the following equation [Equation 1].
上記[数1]式において、ILinierは、測定光ML(入射光)の直線偏光成分であり、磁場が零の測定対象物9(例えばミラー)を測定対象とした場合に光検出器20で検出される干渉信号SGの信号強度を予め測定した得られたものである。なお、ILinierを0.5などの固定値に設定してもよい。
In the above equation [Equation 1], the I Linier is a linear polarization component of the measurement light ML (incident light), and the
また、上記[数1]式において、IRCは右回り円偏光に対応する強度であり、ILCは左回り円偏光に対応する強度である。本実施形態ではIRC及びILCの一方がP偏光CL1の強度に対応し、IRC及びILCの他方がS偏光CL2の強度に対応している。そして、差分信号DG[P偏光CL1及びS偏光CL2の信号強度の差(信号強度比)]と、IRC及びILCとの対応関係を、測定対象物9の種類及び波長掃引光(測定光ML)の強度ごとに予め測定しておくことで、差分信号DGからIRC及びILCを決定することができる。
Further, in the above equation [Equation 1], the IR C is the intensity corresponding to the clockwise circular polarization, and the ILC is the intensity corresponding to the counterclockwise circular polarization. In this embodiment, one of IRC and ILC corresponds to the intensity of P-polarized CL1, and the other of IRC and ILC corresponds to the intensity of S-polarized CL2. Then, the correspondence between the difference signal DG [difference in signal intensity between P-polarized CL1 and S-polarized CL2 (signal intensity ratio)] and IRC and ILC is determined by the type of
従って、カー回転角解析部36は、予め測定して得られたILinierと、差分信号DGから求められたIRC及びILCとを上記[数1]式に代入することで、測定点9aごとに第1反射光BL1のカー回転角φKerrを算出し、この算出結果を磁場決定部37へ出力する。
Therefore, the car rotation
なお、偏光ビームスプリッタ21及び差動光検出器22を用いてカー回転角φKerrを解析する方法は公知技術(例えば特開2008-159196号公報)であるので、カー回転角φKerrの解析方法は上記方法に限定されるものではない。例えば、測定対象物9の種類及び波長掃引光(測定光ML)の強度ごとに、差分信号DGとカー回転角φKerrとの対応関係を予め測定しておくことで、差分信号DGからカー回転角φKerrを直接算出する方法を用いてもよい。
Since the method of analyzing the car rotation angle φ Kerr using the
磁場決定部37は、カー回転角解析部36から入力された第1反射光BL1のカー回転角φKerrから、この第1反射光BL1が反射した測定点9aの磁場(磁場強度)を決定する。この際に、磁場決定部37は、校正データ38を用いて磁場の決定を行う。
The magnetic
図5は、校正データ38の一例を示した説明図である。測定点9aの磁場と、この測定点9aで反射された第1反射光BL1のカー回転角φKerrとは、測定対象物9の種類及び波長掃引光(測定光ML)の強度に応じた一定の関係を有する。このため、図5に示すように、校正データ38は、測定対象物9の種類及び波長掃引光(測定光ML)の強度ごとに、磁場とカー回転角φKerrとの対応関係を予め測定して得られたものである。そして、校正データ38は、測定対象物9の種類別且つ波長掃引光の強度別に作成されたものが、不図示のデータベース(外部データベースでも可)、外部サーバ、又は記憶部31に格納されている。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of
図4に戻って、磁場決定部37は、ユーザによる選択操作に応じて、測定対象物9の種類及び波長掃引光(測定光ML)の強度の双方に対応した校正データ38をデータベース(不図示)等から取得する。これにより、磁場決定部37は、カー回転角解析部36から入力されたカー回転角φKerrに基づき、校正データ38を参照することにより、測定点9aの磁場を決定する。そして、磁場決定部37は、測定点9aの磁場決定結果を表示部30と記憶部31とにそれぞれ出力する。
Returning to FIG. 4, the magnetic
このように測定装置10では、測定対象物9の測定点9aの距離L1等の位置情報と、磁場とを同時に測定することができる。
In this way, the measuring device 10 can simultaneously measure the position information such as the distance L1 of the
図6は、測定装置10による測定対象物9の形状測定を説明するための説明図である。図6に示すように、測定装置10(第1コリメータ15A)と測定対象物9とは、測定対象物9の表面(外面)に沿って自動又は手動で相対移動可能(第1コリメータ15Aの姿勢変更を含む)になっている。このため、両者を相対移動させることで、測定光MLにより測定対象物9の表面を走査することができる。その結果、測定対象物9における複数の測定点9aごとに、第1反射光BL1及び第2反射光BL2の干渉光SLの出力と、干渉信号SGの出力及び解析と、差分信号DGの出力及び解析と、を行うことができる。これにより、測定対象物9の複数の測定点9aごとの位置情報(距離L1等)及び磁場を測定することができる。
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the shape measurement of the
図4に戻って、記憶部31内の測定データ40には、測定対象物9の測定点9aごとに位置情報(距離L1等)及び磁場が対応付けて記憶されている。なお、図示は省略するが、測定点9aごとの測定装置10(第1コリメータ15A)と測定対象物9との相対移動量及び相対移動方向に関する情報も既知又は予め測定されている。このため、例えば、第1解析部34は、測定点9aごとの距離L1と、測定点9aごとの相対移動量及び相対移動方向(第1コリメータ15Aの姿勢)とに基づき、測定対象物9の形状(寸法)を測定することができる。この測定対象物9の形状測定結果についても表示部30に表示され且つ記憶部31に記憶される。
Returning to FIG. 4, in the
[測定装置の作用]
次に、図7を用いて上記構成の測定装置10の作用について説明する。図7は、測定装置10による測定対象物9の距離L1及び形状等と、測定対象物9の磁場との同時測定処理(測定方法)の流れを示すフローチャートである。
[Action of measuring device]
Next, the operation of the measuring device 10 having the above configuration will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a flowchart showing the flow of simultaneous measurement processing (measurement method) of the distance L1 and the shape of the
ユーザが、磁場を有する測定対象物9を所定の測定位置にセットした後、測定装置10の操作部(不図示)にて測定開始操作を行うと、制御装置25の測定制御部33が波長掃引光源11、光検出器20、及び差動光検出器22を作動させる。また、ユーザが、測定対象物9の種類及び波長掃引光(測定光ML)の強度の選択操作を行うと、磁場決定部37は測定対象物9の種類及び波長掃引光の強度の双方に対応した校正データ38をデータベース等から取得する。
When the user sets the
ユーザの測定開始操作を受けて、波長掃引光源11は波長掃引光を出射する(ステップS1)。この波長掃引光は、光ファイバーケーブルFを介して偏光子12に入力され、偏光子12にてP偏光ALに変換される(ステップS2)。このP偏光ALは、偏光子12から光ファイバーケーブルFを介してファイバーカプラ13へ出力される。なお、ステップS1及びステップS2は、本発明の直線偏光出射ステップに相当する。
In response to the user's measurement start operation, the wavelength
ファイバーカプラ13に入力されたP偏光ALは、このファイバーカプラ13により測定光MLと参照光RLに分割される(ステップS3、本発明の光分割ステップに相当)。そして、測定光MLは、第1ファイバーコネクタ14A等を介して、第1コリメータ15Aに入力される。一方、参照光RLは、第2ファイバーコネクタ14B等を介して、第2コリメータ15Bに入力される。
The P-polarized AL input to the
第1コリメータ15Aに入力された測定光MLは、第1コリメータ15Aから測定対象物9に向けて出射される(ステップS4、本発明の測定光出射ステップに相当)。そして、測定対象物9の1番目の測定点9aにて反射された測定光MLの第1反射光BL1は第1コリメータ15Aに入射する。この際に、測定対象物9は磁場を有するので、測定光MLは直線偏光(P偏光AL)であるのに対して、第1反射光BL1は磁気カー効果により楕円偏光となる。
The measurement light ML input to the
一方、第2コリメータ15Bに入力された参照光RLは、第2コリメータ15Bからミラー17に向けて出射され、ミラー17にて反射される(ステップS5、本発明の反射ステップに相当)。これにより、第2反射光BL2が第2コリメータ15Bに入射する。
On the other hand, the reference light RL input to the
第1コリメータ15Aに入力された第1反射光BL1は、第1ファイバーコネクタ14A等を介してファイバーカプラ13に入力される。また、第2コリメータ15Bに入力された第2反射光BL2は、第2ファイバーコネクタ14B等を介してファイバーカプラ13に入力される。
The first reflected light BL1 input to the
そして、ファイバーカプラ13に入力された第1反射光BL1と第2反射光BL2とは、ファイバーカプラ13にて合波される(ステップS6)。合波された第1反射光BL1及び第2反射光BL2の干渉光SLは、ファイバーカプラ13にて分割された後、光検出器20と偏光ビームスプリッタ21とにそれぞれ出力される(ステップS7、本発明の干渉光出力ステップに相当)。
Then, the first reflected light BL1 and the second reflected light BL2 input to the
光検出器20に入力された干渉光SLは、光検出器20にて受光(検出)される。これにより、光検出器20から干渉光SLの検出結果である干渉信号SGが制御装置25の第1解析部34へ出力される(ステップS8、本発明の干渉光検出ステップに相当)。
The interference light SL input to the
一方、偏光ビームスプリッタ21に入力された干渉光SLは、偏光ビームスプリッタ21においてP偏光CL1及びS偏光CL2に分割される(ステップS9)。分割されたP偏光CL1及びS偏光CL2は差動光検出器22に入力される。これにより、差動光検出器22においてP偏光CL1及びS偏光CL2の差分信号DGが検出され、この差分信号DGが第2解析部35のカー回転角解析部36へ出力される(ステップS10)。なお、ステップS9及びステップS10は、本発明の偏光状態検出ステップに相当する。
On the other hand, the interference light SL input to the
ステップS1からステップS10までの処理により、測定対象物9の1番目の測定点9aまでの距離L1等の解析に用いられる干渉信号SGと、1番目の測定点9aにおける磁場の解析に用いられる差分信号DGとが同時に取得される。すなわち、実質的に測定対象物9の同一の測定点9aに対する距離測定と磁場測定とが同時に実行される。
By the processing from step S1 to step S10, it is used for the analysis of the interference signal SG used for the analysis of the distance L1 and the like from the first
光検出器20から干渉信号SGの入力を受けた第1解析部34は、干渉信号SGを公知の方法で解析して、測定対象物9の1番目の測定点9aに対応する距離L1(位置)を導出し、さらに測定対象物9が振動している場合には1番目の測定点9aにおける振動数を導出する(ステップS11)。そして、第1解析部34は、1番目の測定点9aにおける距離L1及び振動数等の位置情報を、表示部30及び記憶部31にそれぞれ出力する。
Upon receiving the input of the interference signal SG from the
一方、差動光検出器22から差分信号DGの入力を受けたカー回転角解析部36は、差分信号DGを公知の各種方法で解析して干渉光SL(第1反射光BL1)のカー回転角φKerrを導出し、このカー回転角φKerrの導出結果を磁場決定部37へ出力する(ステップS12)。
On the other hand, the car rotation
そして、カー回転角φKerrの導出結果の入力を受けた磁場決定部37は、このカー回転角φKerrに基づき先に取得した校正データ38を参照して、1番目の測定点9aの磁場を決定する(ステップS13)。次いで、磁場決定部37は、1番目の測定点9aの磁場決定結果を表示部30と記憶部31とにそれぞれ出力する。
Then, the magnetic
第1解析部34から出力された距離L1等の位置情報と、磁場決定部37から出力された磁場とは、1番目の測定点9aに対応付けられた状態で表示部30に表示されると共に、記憶部31内の測定データ40に記憶される(ステップS14)。
The position information such as the distance L1 output from the first
次いで、測定装置10(第1コリメータ15A)と測定対象物9とが相対移動された後、既述のステップS1からステップS14までの処理が繰り返し実行される(ステップS15)。これにより、測定対象物9の2番目の測定点9aに対応する位置情報(距離L1等)と磁場とが、表示部30に表示されると共に、記憶部31内の測定データ40に記憶される。
Next, after the measuring device 10 (
以下同様に、測定対象物9の表面の全測定範囲が測定光MLで走査されるまで、測定装置10(第1コリメータ15A)と測定対象物9とが相対移動されるごとに、既述のステップS1からステップS14までの処理が繰り返し実行される(ステップS15)。これにより、記憶部31内の測定データ40には、測定対象物9の測定範囲内の測定点9aごとに位置情報(距離L1等)及び磁場が対応付けて記憶される。
Similarly, as described above, each time the measuring device 10 (
そして、第1解析部34は、測定点9aごとの距離L1と、測定点9aごとの相対移動量及び相対移動方向(第1コリメータ15Aの姿勢)とに基づき、測定対象物9の形状(寸法)を測定して、この形状の測定結果を表示部30に表示させる共に記憶部31に記憶させる。
Then, the
[本実施形態の効果]
以上のように本実施形態の測定装置10では、測定対象物9の測定点9aごとに距離L1等の位置情報と磁場とを同時測定することができる。そして、この同時測定によって測定点9aごとの距離L1等と磁場との対応関係が明確になる。このため、測定対象物9の形状だけではなく、測定対象物9の各部における磁場(磁場分布)も同時且つ正確に測定することができる。また、本実施形態の測定装置10では非接触式の測定を行うため、強い磁場を有する測定対象物9でも距離L1等(振動数、形状)と磁場との同時測定が可能になる。
[Effect of this embodiment]
As described above, in the measuring device 10 of the present embodiment, the position information such as the distance L1 and the magnetic field can be simultaneously measured at each
[その他]
測定装置10の光学系の構成は、第1反射光BL1と第2反射光BL2との干渉光SLを分割して出力可能であれば、図1に示した構成に限定されず、同等の機能を有する部材又は構成に適宜変更することができる。
[others]
The configuration of the optical system of the measuring device 10 is not limited to the configuration shown in FIG. 1 and has the same function as long as the interference light SL between the first reflected light BL1 and the second reflected light BL2 can be divided and output. It can be appropriately changed to a member or a structure having the above.
上記実施形態の測定装置10では、波長掃引光源11及び偏光子12を用いて直線偏光であるP偏光ALを出射しているが、直線偏光(例えばS偏光等のP偏光AL以外でも可)を出射可能であればその構成は特に限定されない。また、波長掃引されているP偏光AL等の直線偏光(すなわち、波長掃引光源11)の代わりに、距離L1(変位)が測定可能な単一波長の直線偏光(単一波長のレーザ光源等)を用いてもよい。
In the measuring device 10 of the above embodiment, the wavelength
上記実施形態の測定装置10では、偏光ビームスプリッタ21を用いて干渉光SLをP偏光CL1とS偏光CL2とに分割しているが、例えば回転駆動される偏光板等の各種の光学素子を用いて干渉光SLをP偏光CL1とS偏光CL2とに分割してもよい。また、干渉光SL(第1反射光BL1)の偏光状態を検出可能であれば、上記各種の光学素子により干渉光SLを偏光方向の異なる複数の偏光に分割してもよい。
In the measuring device 10 of the above embodiment, the interference light SL is divided into P-polarized CL1 and S-polarized CL2 by using the
上記実施形態では、ファイバーカプラ13を用いて第1反射光BL1と第2反射光BL2との干渉光SLを分割出力しているが、他の同等の機能を有する光学素子を本発明の干渉光出力部として用いてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態の測定装置10では、制御装置25により測定点9aごとの距離L1等及び磁場の解析を行っているが、この解析は他の装置で行ってもよい。このため、本発明の測定装置には、制御装置25を除いた構成、すなわち、測定点9aに対応する距離L1等の解析に用いられる干渉信号SGと、測定点9aの磁場の解析に用いられる差分信号DGとを同時に取得可能な装置も含まれる。
In the measuring device 10 of the above embodiment, the
9…測定対象物,
9a…測定点,
10…測定装置,
11…波長掃引光源,
12…偏光子,
13…ファイバーカプラ,
17…ミラー,
20…光検出器,
21…偏光ビームスプリッタ,
22…差動光検出器,
25…制御装置,
34…第1解析部,
35…第2解析部,
36…カー回転角解析部,
37…磁場決定部
9 ... Measurement target,
9a ... Measurement point,
10 ... Measuring device,
11 ... Wavelength sweep light source,
12 ... Polarizer,
13 ... Fiber coupler,
17 ... Mirror,
20 ... Photodetector,
21 ... Polarization beam splitter,
22 ... Differential photodetector,
25 ... Control device,
34 ... First Analysis Department,
35 ... Second Analysis Department,
36 ... Car rotation angle analysis unit,
37 ... Magnetic field determination unit
Claims (6)
前記光源部から出射された前記直線偏光を測定光と参照光とに分割する光分割部と、
前記光分割部にて分割された前記測定光を測定対象物の測定点に向けて出射する光出射部と、
前記光分割部にて分割された前記参照光を反射する反射部と、
前記測定点にて反射された前記測定光の第1反射光と、前記反射部にて反射された前記参照光の第2反射光との干渉光を分割して出力する干渉光出力部と、
前記干渉光出力部から出力された前記干渉光を検出する光検出部と、
前記干渉光出力部から出力された前記干渉光から、前記第1反射光の偏光状態を検出する偏光状態検出部と、
前記光検出部による前記干渉光の検出結果に基づき、前記光出射部から前記測定点までの距離を解析する第1解析部と、
前記偏光状態検出部が検出した前記第1反射光の偏光状態に基づき、前記測定点の磁場を解析する第2解析部と、
を備える測定装置。 A light source that emits linearly polarized light and
An optical dividing unit that divides the linearly polarized light emitted from the light source unit into measurement light and reference light, and
A light emitting unit that emits the measured light divided by the optical dividing unit toward the measurement point of the measurement object, and a light emitting unit.
A reflecting unit that reflects the reference light divided by the light dividing unit, and a reflecting unit.
An interference light output unit that divides and outputs the interference light between the first reflected light of the measurement light reflected at the measurement point and the second reflected light of the reference light reflected by the reflection unit.
A photodetector that detects the interference light output from the interference light output unit,
A polarization state detection unit that detects the polarization state of the first reflected light from the interference light output from the interference light output unit, and a polarization state detection unit.
A first analysis unit that analyzes the distance from the light emitting unit to the measurement point based on the detection result of the interference light by the photodetection unit.
A second analysis unit that analyzes the magnetic field at the measurement point based on the polarization state of the first reflected light detected by the polarization state detection unit.
A measuring device equipped with.
前記偏光状態検出部が検出した前記第1反射光の偏光状態に基づき、前記第1反射光のカー回転角を解析するカー回転角解析部と、
前記カー回転角解析部の解析結果に基づき、前記カー回転角と前記磁場との関係を示す対応関係を参照して、前記測定点の磁場を決定する磁場決定部と、
を備える請求項1又は2に記載の測定装置。 The second analysis unit is
A car rotation angle analysis unit that analyzes the car rotation angle of the first reflected light based on the polarization state of the first reflected light detected by the polarization state detection unit.
Based on the analysis result of the car rotation angle analysis unit, the magnetic field determination unit for determining the magnetic field at the measurement point and the magnetic field determination unit with reference to the correspondence relationship showing the relationship between the car rotation angle and the magnetic field.
The measuring device according to claim 1 or 2 .
前記干渉光を偏光方向が異なる複数の偏光に分割する光学素子と、
前記光学素子により分割された前記複数の偏光を差動検出する差動光検出器と、
を備える請求項1から3のいずれか1項に記載の測定装置。 The polarization state detection unit is
An optical element that divides the interference light into a plurality of polarizations having different polarization directions,
A differential photodetector that differentially detects the plurality of polarizations divided by the optical element, and
The measuring device according to any one of claims 1 to 3 .
直線偏光出射ステップで出射された前記直線偏光を測定光と参照光とに分割する光分割ステップと、
前記光分割ステップで分割された前記測定光を光出射部から測定対象物の測定点に向けて出射する測定光出射ステップと、
前記光分割ステップで分割された前記参照光を反射する反射ステップと、
前記測定点にて反射された前記測定光の第1反射光と、前記反射ステップにて反射された前記参照光の第2反射光との干渉光を分割して出力する干渉光出力ステップと、
前記干渉光出力ステップで出力された前記干渉光を検出する干渉光検出ステップと、
前記干渉光出力ステップで出力された前記干渉光から、前記第1反射光の偏光状態を検出する偏光状態検出ステップと、
前記干渉光検出ステップによる前記干渉光の検出結果に基づき、前記光出射部から前記測定点までの距離を解析する第1解析ステップと、
前記偏光状態検出ステップで検出した前記第1反射光の偏光状態に基づき、前記測定点の磁場を解析する第2解析ステップと、
を有する測定方法。 A linearly polarized light emitting step that emits linearly polarized light, and a linearly polarized light emitting step,
An optical division step that divides the linear polarization emitted in the linear polarization emission step into measurement light and reference light, and
A measurement light emission step in which the measurement light divided in the optical division step is emitted from the light emitting unit toward the measurement point of the measurement object, and a measurement light emission step.
A reflection step that reflects the reference light divided by the light division step,
An interference light output step that divides and outputs the interference light between the first reflected light of the measurement light reflected at the measurement point and the second reflected light of the reference light reflected at the reflection step.
The interference light detection step for detecting the interference light output in the interference light output step, and the interference light detection step.
A polarization state detection step for detecting the polarization state of the first reflected light from the interference light output in the interference light output step, and a polarization state detection step.
Based on the detection result of the interference light by the interference light detection step, the first analysis step of analyzing the distance from the light emitting portion to the measurement point, and
A second analysis step of analyzing the magnetic field at the measurement point based on the polarization state of the first reflected light detected in the polarization state detection step, and
Measurement method with.
前記偏光状態検出ステップで検出した前記第1反射光の偏光状態に基づき、前記第1反射光のカー回転角を解析するカー回転角解析ステップと、A car rotation angle analysis step for analyzing the car rotation angle of the first reflected light based on the polarization state of the first reflected light detected in the polarization state detection step, and a car rotation angle analysis step.
前記カー回転角解析ステップの解析結果に基づき、前記カー回転角と前記磁場との関係を示す対応関係を参照して、前記測定点の磁場を決定する磁場決定ステップと、Based on the analysis result of the car rotation angle analysis step, the magnetic field determination step for determining the magnetic field at the measurement point and the magnetic field determination step with reference to the correspondence relationship showing the relationship between the car rotation angle and the magnetic field.
を有する請求項5に記載の測定方法。The measuring method according to claim 5.
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