JP3915978B2 - レーザドップラ振動計 - Google Patents
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Description
【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
5 CCDカメラユニット
Claims (1)
- 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。
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