JP2008025996A

JP2008025996A - 透光体の内部歪の測定方法及び測定装置

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Publication number: JP2008025996A
Application number: JP2006195166A
Authority: JP
Inventors: Osami Sasaki; 修己佐々木
Original assignee: Niigata University NUC
Current assignee: Niigata University NUC
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】微小な内部歪に対する検出精度を向上させた透光体の内部歪の測定方法及び測定装置を提供する。
【解決手段】本測定装置は、光源としての半導体レーザ１０と、変調手段としての強度変調駆動回路１１と、レンズ１２と、ある程度の透過率を有する第一ミラー２０及び第ニミラー２１と、回転偏光板３１と、光検出器３２と、変調振幅検出回路３３とから構成され、被測定物体５０の内部歪を測定する。第一ミラー２０及び第ニミラー２１を平行に配置し、これらのミラーの間に被測定物体５０を置く。第一ミラー２０から直線偏光の光を入射し、被測定物体５０に多数回光を通過させる。第ニミラー２１から出射される光の直線偏光の方向を検出する。この直線偏光の方向が入射した光の直線偏光の方向と異なることから、内部応力歪の存在を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部応力歪みを持つ例えばガラス材料又はプラスティック材料などの透光体に光を通過させた場合に生じる複屈折現象を利用した透光体の内部歪の測定方法及び測定装置に関する。

内部応力歪みを持つ例えばガラス材料又はプラスチック材料などの透光体に直線偏光の光を通過させると複屈折により偏光状態が変化することが知られている。この複屈折現象は、例えば、ガラスびんの内部応力によるびん割れ予知検査や、ガラス材料又はプラスティック材料の内部歪検査など周知の非破壊検査に利用されている。

例えば特許文献１には、光源からの直線偏光の主軸に位相差を与えた光波を、成形されたプラスティック材料等からなるディスク基板上に入射して、該ディスク基板の内部に生じる複屈折による偏光の変化量から複屈折位相差と主軸方位の変化を画像処理し、成形された前記ディスク基板の内部応力歪み、樹脂の成形時の流動状態や複屈折分布などの面内分布を、位相シフト法を用いて多次元に複屈折を測定することを特徴とするディスク基板の内部応力状態の測定法が開示されている。
特開２００１−２２８０３４号公報

しかし、透光体の内部応力歪みを測定する従来の方法では、光を１回だけ測定対象となる透光体に通す方法であるために、内部応力歪みが微小な場合は、偏光状態の変化が少ない。すなわち、微小な内部応力歪みを検出することができない問題点がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、微小な内部歪に対する検出精度を向上させた透光体の内部歪の測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。

本発明における請求項１の測定方法では、光源から直線偏光の光を照射し、前記光の照射線状に、所定の透過率を有する複数のミラーを測定対象となる透光体を介した状態で対向させて配置し、当該ミラーを通過した光を回転可能に構成された偏光板に入射させ、前記偏光板を回転させながら前記偏光板を通過した光の強度の変化を観測し、前記透光体の有無における当該光の強度が最小となる前記偏光板の角度の変化量から前記透光体の内部歪を測定することを特徴とする。

また、本発明における請求項５の測定装置では、直線偏光の光を照射する光源と、前記光の照射線状に配置され所定の透過率を有する複数のミラーと、当該ミラーを通過した光が入射し回転可能に構成された偏光板と、前記偏光板を通過した光の強度を検出する光検出器とを備え、前記各ミラーを対向させると共に、当該ミラーの間に測定対象となる透光体を設置可能に構成したことを特徴とする。

このようにすると、一方のミラーから入射した直線偏光の光が、対向するミラー間で繰り返し反射することにより、測定対象となる透光体に多数回光を通過させた状態で、他方のミラーから出射される。すなわち、透光体の微小な内部歪による複屈折の影響が増幅された形で、他方のミラーから出射される光の直線偏光の方向に現れる。この直線偏光の方向が入射した光の直線偏光の方向と異なることから、偏光板を回転させながら前記偏光板を通過した光の強度の変化を観測し、透光体を設置しない場合における直線偏光の方向と対比することにより、透光体における内部歪の存在を検出することができる。

本発明における請求項２の測定方法では、光源から直線偏光の光を照射し、前記光の照射線状に、所定の透過率を有する複数のミラーを測定対象となる透光体を介した状態で対向させて配置し、当該ミラーを通過した光を分光手段により複数の光に分けて、当該複数の光を基準方向を含む各々異なる所定の偏光方向で設置された複数の偏光板にそれぞれ入射させ、この各偏光板を通過した光の強度を検出し、これらの光の強度を比較した結果、最小となるものに対応する前記偏光板が有する偏光方向の前記基準方向に対する角度差から前記透光体の内部歪を測定する測定方法であって、前記基準方向が、前記透光体がないときに前記ミラーを通過した光の強度が最小となる偏向方向であることを特徴とする。

また、本発明における請求項６の測定装置では、直線偏光の光を照射する光源と、前記光の照射線状に配置され所定の透過率を有する複数のミラーと、前記ミラーを通過した光を複数の光に分ける分光手段と、当該複数の光がそれぞれ入射し基準方向を含む各々異なる所定の偏光方向で設置された複数の偏光板と、前記各偏光板を通過した光の強度を検出する複数の光検出器とを備え、前記各ミラーを対向させると共に、当該ミラーの間に測定対象となる透光体を設置可能に構成された測定装置であって、前記基準方向が、前記透光体がないときに前記ミラーを通過した光の強度が最小となる偏向方向であることを特徴とする。

このようにすると、透光体の中を多数回通過した光を異なる角度方向に固定された複数の偏光板に通すことによって、偏向板を回転させる必要がなく、透光体の内部歪で生じる偏光方向の回転を自動検出することもできる。

本発明における請求項３の測定方法では、前記光源から照射される光を所定の周波数で正弦波状に強度変調し、前記偏向板を通過した光の強度を光検出器により電気信号に変換し、この電気信号から変調振幅検出回路によって前記所定の周波数で正弦波状に変化する信号を取り出し、当該信号の振幅を前記偏光板を通過した光の強度として検出することを特徴とする。

また、本発明における請求項７の測定装置では、前記光源から照射される光を所定の周波数で正弦波状に強度変調する変調手段と、前記光検出器の出力信号から前記所定の周波数で正弦波状に変化する信号を取り出し、当該信号の振幅を検出する変調振幅検出回路とを備えたことを特徴とする。

このようにすると、光源の照射光を正弦波状に強度変調することによって、検出した光の強度から前記照射光に起因するもののみを取り出すことができ、明るい環境においても測定可能となる。

本発明における請求項４の測定方法では、前記光源が半導体レーザであることを特徴とする。

また、本発明における請求項８の測定装置では、前記光源が半導体レーザであることを特徴とする。

このようにすると、高出力かつ直線偏光を有する半導体レーザを光源として利用することにより、従来一般的に用いられている白色光源において、測定対象への入射光の一部が出射光となることから出射光を正確に検出できないという問題を解消することができる。また、半導体レーザの光は、直線偏光であることに加え、容易に正弦波状に強度変調することができ、この強度変調によって微弱な光の直線偏光の方向を正確に測定することが可能となる。

本発明の請求項１及び請求項５によると、微小な内部歪に対する検出精度を向上させた透光体の内部歪の測定方法及び測定装置を提供することができる。

本発明の請求項２及び請求項６によると、偏向板の回転制御をせずとも、内部歪の自動測定が可能となる。

本発明の請求項３及び請求項７によると、環境に依存しない計測が可能となる。

本発明の請求項４及び請求項８によると、測定の正確性を向上させることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における透光体の内部歪の測定方法及び測定装置の好ましい実施例を説明する。

本発明における透光体の内部歪の測定方法の要点について説明する。ある程度の透過率を有するミラーを２枚平行に配置し、これらのミラーの間に測定対象を置く。一方のミラーから直線偏光の光を入射し、測定対象に多数回光を通過させる。他方のミラーから出射される光の直線偏光の方向を検出する。この直線偏光の方向が入射した光の直線偏光の方向と異なることから、内部応力歪の存在を検出することができる。本実施例においては、当該測定方法は、これに基づく測定装置の使用による作用効果を通じて説明される。

図１は、本発明における透光体の内部歪の測定方法を実現する測定装置の構成を示すブロック図である。本測定装置は、光源としての半導体レーザ１０と、変調手段としての強度変調駆動回路１１と、レンズ１２と、第一ミラー２０と、第ニミラー２１と、回転偏光板３１と、光検出器３２と、変調振幅検出回路３３とから構成され、例えばガラス材料，プラスティック材料などの透光体からなる被測定物体５０の内部歪を測定する。

本発明の方法では、後述するように、測定対象である被測定物体５０に入射された一部の光だけが出射光となって検出されるため、従来一般的に用いられている白色光源では出射光を正確に検出できない問題点があった。そこで、本発明では、高出力かつ直線偏光を有する半導体レーザを光源として利用している。半導体レーザの光は、直線偏光であることに加え、容易に正弦波状に強度変調することができ、この強度変調によって微弱な光の直線偏光の方向を正確に測定することが可能となる。

強度変調駆動回路１１は、半導体レーザ１０から照射される光について強度変調するものであり、例えば半導体レーザ１０の注入電流などを制御することにより照射光の強度変調を可能とする。もちろん、直接変調方式以外にも、半導体レーザ１０からの照射光を外部で電気信号により強度変調する外部変調方式を採用しても良い。

レンズ１２は、半導体レーザ１０からの照射光を平行光にする例えばコリメータレンズなどであり、半導体レーザ１０の光出力部に装着される。

第一ミラー２０及び第二ミラー２１はある程度の透過率を有するミラーであり、例えばハーフミラーなどを使用すればよい。第一ミラー２０及び第二ミラー２１は、両者の間でこれらの反射光が往復するように、レンズ１２を通過した半導体レーザ１０の平行光に対して略直交状態で配置されており、被測定物体５０を挟んで水平に対向している。

回転偏光板３１は、偏光板を回転可能に設けたものであり、第二ミラー２１に対向して半導体レーザ１０に起因する光が透過する側に配置される。この回転偏光板３１は、例えばサーボモータやステッピングモータなどからなる位置決め装置を利用して回転制御可能に構成するのが好ましい。

光検出器３２は、回転偏光板３１を通過した光を検出してその光強度を電気信号に変換する光検出器であり、例えばフォトダイオードや光電管などから構成される。

変調振幅検出回路３３は、光検出器３２から出力される電気信号から特定の信号を取り出して、当該特定信号の振幅レベルを検出する回路である。

次に、上記構成の作用について、被測定物体５０の内部歪の測定方法と共に説明する。

半導体レーザ１０の直線偏光の光を、強度変調駆動回路１１によって周波数ｆ［Ｈｚ］で正弦波状に強度変調する。この半導体レーザ１０の直線偏光の光を、レンズ１２で平行光にし、第一ミラー２０に入射する。第一ミラー２０を通過した光は、被測定物体５０を通過し、第二ミラー２１に到る。第二ミラー２１に入射された光の一部は第二ミラー２１で反射され、残りの光は第二ミラー２１を通過する。第二ミラー２１で反射された光は、再び被測定物体５０を通過し、第一ミラー２０でその光の一部は反射され、一部は通過する。第一ミラー２０で反射された光は、再び被測定物体５０を通過し、第二ミラー２１に入射され、その光の一部は第二ミラー２１で反射され、残りの光は第二ミラー２１を通過する。このように、被測定物体５０を多数回通過した光を回転偏光板３１に入射させる。回転偏光板３１を通過した光の強度を光検出器３２で電気信号に変換し、変調振幅検出回路３３によって周波数ｆ［Ｈｚ］で正弦波状に変化する信号を取り出し、その検出信号振幅ａを出力する。回転偏光板を回転させながら、検出信号振幅ａの変化を観測する。半導体レーザ１０の光を正弦波状に強度変調することによって、明るい環境においても測定可能である。

ここで、発明者が行なった実験結果を示し、検出信号振幅ａの観測手順を具体的に説明する。

被測定物体５０が設置されていないときに、検出信号の振幅ａが最小となるように回転偏光板３１を回転させる。このときの回転偏光板３１の角度をθ＝０［度］とする。次に、被測定物体５０を設置すると、被測定物体５０の内部応力歪によって、検出信号振幅ａが最小となる回転偏光板３１の角度は角度θ_D［度］となる。これは、被測定物体５０を多数回通過した光の偏光方向は、角度θ＝０［度］から角度θ_D［度］だけ回転したことを意味する。この角度θ_Dを最暗角と呼ぶ。

出力８０ｍＷの半導体レーザを用い、周波数１ＫＨｚの正弦波状の強度変調を行った。被測定物体５０として、４本の一升びんＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを使用した。Ａは新品のびんであり、Ｂ，Ｃ，Ｄの順に劣化が進んでおり、内部応力歪が存在すると考えられる。びんの表面にキズがほとんどない高さＨ＝７〜１１ｃｍの箇所を測定領域とし、１つの測定高さでは、びんを４５度ずつ回転させて４つの円周上の位置で角度θ_Dを測定した。測定結果を以下の表１に示す。

新品のびんＡでは、偏光方向の変化はなくθ_D＝０［度］と測定された。それに対し、びんＢ，Ｃ，Ｄでは、θ_D＝１，−１，２，−２［度］が多く現れている。この測定結果から、びんの内部応力歪を検出できることが確認された。

図２に、θ_D＝０，１，２，−２［度］の場合について、回転偏光板を角度θ＝０［度］から角度θだけ回転したときに検出された検出信号振幅ａを示す。この結果から、３つの回転偏光板を用いれば、びんの内部歪の存在を自動検出する装置を構成できることが分る。すなわち、第二ミラー２１を通過した光を例えばビームスプリッタなどの分光手段で３つの光に分ける。それぞれの光を、それぞれ回転角度θ＝０，１，２［度］（又はθ＝０，−１，−２［度］などθ＝０を含む３点）に固定された回転偏光板に通過させ、光検出器３２と変調振幅検出回路３３を用い、検出信号振幅ａ₀，ａ₁，ａ₂を検出する。振幅ａ₀，ａ₁，ａ₂を比較することによって、被測定物体の最暗角θ_Dを求めることができる。

例えば、図２では、θ_D＝１［度］の場合は、ａ₀とａ₂の値は３６０ｍＶ程度となり、ａ₁の値はそれらより小さい２２０ｍＶ程度となる。θ_D＝−２［度］の場合は、振幅ａ₂，ａ₁，ａ₀の順で非常に大きな値となる。

以上により、例えばガラスびんなどの透光体の中を多数回通過した半導体レーザ１０の光を異なる角度方向に固定された３つの回転偏光板に通すことによって、透光体の内部応力歪で生じる偏光方向の回転を自動検出できることが明らかにされた。その他、回転偏光板３１の回転制御を行うことにより各回転角における振幅を自動記録し、これらの振幅を比較することによっても、内部歪の存在を自動検出する装置を構成することができる。

以上のように本実施例の測定方法では、光源としての半導体レーザ１０から直線偏光の光を照射し、前記光の照射線状に、所定の透過率を有する複数のミラーとしての第一ミラー２０及び第二ミラー２１を測定対象となる透光体としての被測定物体５０を介した状態で対向させて配置し、当該第二ミラー２１を通過した光を回転可能に構成された回転偏光板３１に入射させ、回転偏光板３１を回転させながら回転偏光板３１を通過した光の強度の変化を観測し、被測定物体５０の有無における当該光の強度が最小となる回転偏光板３１の角度の変化量から被測定物体５０の内部歪を測定することを特徴とする。

また、本実施例の測定装置では、直線偏光の光を照射する光源としての半導体レーザ１０と、前記光の照射線状に配置され所定の透過率を有する複数のミラーとしての第一ミラー２０及び第二ミラー２１と、第二ミラー２１を通過した光が入射し回転可能に構成された回転偏光板３１と、回転偏光板３１を通過した光の強度を検出する光検出器３２とを備え、第一ミラー２０と第二ミラー２１とを対向させると共に、第一ミラー２０と第二ミラー２１との間に測定対象となる透光体としての被測定物体５０を設置可能に構成したことを特徴とする。

このようにすると、一方の第一ミラー２０から入射した直線偏光の光が、対向する第一ミラー２０と第二ミラー２１との間で繰り返し反射することにより、測定対象となる被測定物体５０に多数回光を通過させた状態で、他方の第二ミラー２１から出射される。すなわち、被測定物体５０の微小な内部歪による複屈折の影響が増幅された形で、他方の第二ミラー２１から出射される光の直線偏光の方向に現れる。この直線偏光の方向が入射した光の直線偏光の方向と異なることから、回転偏光板３１を回転させながら回転偏光板３１を通過した光の強度の変化を観測し、被測定物体５０を設置しない場合における直線偏光の方向と対比することにより、被測定物体５０における内部歪の存在を検出することができる。以上により、微小な内部歪に対する検出精度を向上させた透光体の内部歪の測定方法及び測定装置を提供することができる。

本実施例の測定方法では、光源としての半導体レーザ１０から直線偏光の光を照射し、前記光の照射線状に、所定の透過率を有する複数のミラーとしての第一ミラー２０及び第二ミラー２１を測定対象となる透光体としての被測定物体５０を介した状態で対向させて配置し、当該第二ミラー２１を通過した光を分光手段により複数の光に分けて、当該複数の光を基準方向を含む各々異なる所定の偏光方向で設置された複数の偏光板（回転偏向板３１）にそれぞれ入射させ、この各偏光板を通過した光の強度を検出し、これらの光の強度を比較した結果、最小となるものに対応する前記偏光板が有する偏光方向の前記基準方向に対する角度差から被測定物体５０の内部歪を測定する測定方法であって、前記基準方向が、被測定物体５０がないときに第二ミラー２１を通過した光の強度が最小となる偏向方向であることを特徴とする。

また、本実施例の測定装置では、直線偏光の光を照射する光源としての半導体レーザ１０と、前記光の照射線状に配置され所定の透過率を有する複数のミラーとしての第一ミラー２０及び第二ミラー２１と、第二ミラー２１を通過した光を複数の光に分ける分光手段と、当該複数の光がそれぞれ入射し基準方向を含む各々異なる所定の偏光方向で設置された複数の偏光板（回転偏向板３１）と、前記各偏光板を通過した光の強度を検出する複数の光検出器（光検出器３２）とを備え、前記各ミラーを対向させると共に、当該ミラーの間に測定対象となる透光体としての被測定物体５０を設置可能に構成された測定装置であって、前記基準方向が、被測定物体５０がないときに第二ミラー２１を通過した光の強度が最小となる偏向方向であることを特徴とする。

このようにすると、被測定物体５０の中を多数回通過した光を異なる角度方向に固定された複数の偏光板に通すことによって、偏向板を回転させる必要がなく、被測定物体５０の内部歪で生じる偏光方向の回転を自動検出することもできる。従って、偏向板の回転制御をせずとも、内部歪の自動測定が可能となる。

本実施例の測定方法では、半導体レーザ１０から照射される光を所定の周波数で正弦波状に強度変調し、回転偏光板３１を通過した光の強度を光検出器３２により電気信号に変換し、この電気信号から変調振幅検出回路３３によって前記所定の周波数で正弦波状に変化する信号を取り出し、当該信号の振幅を回転偏光板３１を通過した光の強度として検出することを特徴とする。

また、本実施例の測定装置では、半導体レーザ１０から照射される光を所定の周波数で正弦波状に強度変調する変調手段としての強度変調駆動回路１１と、光検出器３２の出力信号から前記所定の周波数で正弦波状に変化する信号を取り出し、当該信号の振幅を検出する変調振幅検出回路３３とを備えたことを特徴とする。

このようにすると、半導体レーザ１０の照射光を正弦波状に強度変調することによって、検出した光の強度から前記照射光に起因するもののみを取り出すことができ、明るい環境においても測定可能となる。従って、環境に依存しない計測が可能となる。

本実施例の測定方法では、前記光源が半導体レーザ１０であることを特徴とする。

また、本実施例の測定装置では、前記光源が半導体レーザ１０であることを特徴とする。

このようにすると、高出力かつ直線偏光を有する半導体レーザ１０を光源として利用することにより、従来一般的に用いられている白色光源において、測定対象への入射光の一部が出射光となることから出射光を正確に検出できないという問題を解消することができる。また、半導体レーザ１０の光は、直線偏光であることに加え、容易に正弦波状に強度変調することができ、この強度変調によって微弱な光の直線偏光の方向を正確に測定することが可能となる。以上により、測定の正確性を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

本発明における透光体の内部歪を測定する測定装置の構成を示すブロック図である。同上、図１による測定装置における回転偏光板の各角度に対する透過光強度の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０半導体レーザ（光源）
１１強度変調駆動回路（変調手段）
２０第一ミラー
２１第二ミラー
３１回転偏光板
３２光検出器
３３変調振幅検出回路
５０被測定物体（透光体）

Claims

光源から直線偏光の光を照射し、前記光の照射線状に、所定の透過率を有する複数のミラーを測定対象となる透光体を介した状態で対向させて配置し、当該ミラーを通過した光を回転可能に構成された偏光板に入射させ、前記偏光板を回転させながら前記偏光板を通過した光の強度の変化を観測し、前記透光体の有無における当該光の強度が最小となる前記偏光板の角度の変化量から前記透光体の内部歪を測定することを特徴とする透光体の内部歪の測定方法。
光源から直線偏光の光を照射し、前記光の照射線状に、所定の透過率を有する複数のミラーを測定対象となる透光体を介した状態で対向させて配置し、当該ミラーを通過した光を分光手段により複数の光に分けて、当該複数の光を基準方向を含む各々異なる所定の偏光方向で設置された複数の偏光板にそれぞれ入射させ、この各偏光板を通過した光の強度を検出し、これらの光の強度を比較した結果、最小となるものに対応する前記偏光板が有する偏光方向の前記基準方向に対する角度差から前記透光体の内部歪を測定する測定方法であって、前記基準方向が、前記透光体がないときに前記ミラーを通過した光の強度が最小となる偏向方向であることを特徴とする透光体の内部歪の測定方法。
前記光源から照射される光を所定の周波数で正弦波状に強度変調し、前記偏向板を通過した光の強度を光検出器により電気信号に変換し、この電気信号から変調振幅検出回路によって前記所定の周波数で正弦波状に変化する信号を取り出し、当該信号の振幅を前記偏光板を通過した光の強度として検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の透光体の内部歪の測定方法。
前記光源が半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の透光体の内部歪の測定方法。
直線偏光の光を照射する光源と、前記光の照射線状に配置され所定の透過率を有する複数のミラーと、当該ミラーを通過した光が入射し回転可能に構成された偏光板と、前記偏光板を通過した光の強度を検出する光検出器とを備え、前記各ミラーを対向させると共に、当該ミラーの間に測定対象となる透光体を設置可能に構成したことを特徴とする透光体の内部歪の測定装置。
直線偏光の光を照射する光源と、前記光の照射線状に配置され所定の透過率を有する複数のミラーと、前記ミラーを通過した光を複数の光に分ける分光手段と、当該複数の光がそれぞれ入射し基準方向を含む各々異なる所定の偏光方向で設置された複数の偏光板と、前記各偏光板を通過した光の強度を検出する複数の光検出器とを備え、前記各ミラーを対向させると共に、当該ミラーの間に測定対象となる透光体を設置可能に構成された測定装置であって、前記基準方向が、前記透光体がないときに前記ミラーを通過した光の強度が最小となる偏向方向であることを特徴とする透光体の内部歪の測定装置。
前記光源から照射される光を所定の周波数で正弦波状に強度変調する変調手段と、前記光検出器の出力信号から前記所定の周波数で正弦波状に変化する信号を取り出し、当該信号の振幅を検出する変調振幅検出回路とを備えたことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の透光体の内部歪の測定装置。
前記光源が半導体レーザであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載の透光体の内部歪の測定装置。