(57)【要約】【課題】表面に凹凸を有する試験体の表面変位を測定するレーザ変位計において、結合効率ηＣと距離Ｌをともに大きくすることにより検出感度を向上させることを目的とする。【解決手段】本発明に係るレーザ変位計は、試験体からの反射光を略平行光に変換する第１レンズと前記略平行光を光検出器に対して集束させる第２レンズを備え、照射部が照射するレーザ光の第１光軸と前記試験体から反射された前記レーザ光の第２光軸は、重ならないように配置されている。【選択図】図３Ａ
2020118623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸がある試験体の表面変位を測定するレーザ変位計であって、
前記試験体に対してレーザ光を照射する照射部、
前記試験体から反射された前記レーザ光を集光して略平行光に変換する第１レンズ、
前記略平行光の光路上に配置され、前記略平行光を集束して出力する第２レンズ、
前記第２レンズが出力する光を検出する光検出器、
を備え、
前記照射部、前記第１レンズ、および前記第２レンズは、前記表面変位が生じているとき、前記照射部が照射するレーザ光の第１光軸と前記試験体から反射された前記レーザ光の第２光軸が重ならないように配置されている
ことを特徴とするレーザ変位計。
【請求項２】
前記第１レンズは、前記第１レンズと前記試験体の表面との間の距離が前記第１レンズの焦点距離以内となる位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。
【請求項３】
前記レーザ変位計はさらに、ビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタは、前記照射部が出射した前記レーザ光を前記第１レンズに向かって反射するとともに、前記試験体から反射した前記レーザ光を前記第２レンズに向かって透過させるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。
【請求項４】
前記レーザ変位計はさらに、前記第１レンズを通過した前記略平行光が前記第２レンズに対して入射する前に前記略平行光を反射させることにより、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の光路長を前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離よりも長くする、光反射部を備える
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。
【請求項５】
前記光反射部は、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置された第１および第２ミラーを備え、
前記第１ミラーは、前記第１レンズを透過した前記略平行光を前記第２ミラーに向かって反射させるように配置されており、
前記第２ミラーは、前記第１ミラーから反射された前記略平行光を前記第２レンズに向かって反射させるように配置されている
ことを特徴とする請求項４記載のレーザ変位計。
【請求項６】
前記第１レンズまたは前記第２レンズのうち少なくともいずれかは、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に複数個配置されている
ことを特徴とする請求項５記載のレーザ変位計。
【請求項７】
前記光反射部は、前記略平行光を通過させる光導波路を備え、
前記光導波路の内壁は、前記略平行光を反射させるように構成されており、
前記第１レンズは、前記光導波路の内部において前記略平行光が反射するように、前記光導波路に対して前記略平行光を入射させる
ことを特徴とする請求項４記載のレーザ変位計。
【請求項８】
前記光検出器は、アレイ状に配置された複数の光検出素子を備え、各前記光検出素子が検出した光信号を比較することにより、前記光検出器に対する光の照射位置と強度を検出することができるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。
【請求項９】
前記第２レンズの開口数は前記第１レンズの開口数より小さい
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。
【請求項１０】
前記第１レンズと前記第２レンズとの間の光伝搬距離が４００ｍｍ以上である
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。
【請求項１１】
前記第１レンズのＮＡ値は０．５以上である
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。
【請求項１２】
表面に凹凸がある試験体に対して励起レーザ光を入射させることにより表面変位を生じさせる超音波発生ユニット、
前記表面変位を測定するレーザ変位計、
を備え、
前記レーザ変位計は、
前記試験体に対してレーザ光を照射する照射部、
前記試験体から反射された前記レーザ光を集光して略平行光に変換する第１レンズ、
前記略平行光の光路上に配置され、前記略平行光を集束して出力する第２レンズ、
前記第２レンズが出力する光を検出する光検出器、
を備え、
前記照射部、前記第１レンズ、および前記第２レンズは、前記表面変位が生じているとき、前記照射部が照射するレーザ光の第１光軸と前記試験体から反射された前記レーザ光の第２光軸が重ならないように配置されている
ことを特徴とする超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験体の表面変位を測定するレーザ変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な超音波技術においては、圧電効果を利用した圧電素子の接触型センサを、超音波伝搬媒質を介して試験体に接触させることにより、超音波信号を送受信する。一方、非接触式超音波技術として、超音波の送受信をレーザ技術により実施するレーザ超音波法が提案されている（Ｓ．Ｋｒｉｓｈｎａｓｗａｍｙ．：“Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”，＜ＵＲＬ＞ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｑｅ．ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ．ｅｄｕ／ｓｋ／ＳＫ−Ｐａｐｅｒｓ／Ｂ５＿ｌｕｔｃｈａｐｔｅｒ＿２００３．ｐｄｆ）。レーザ超音波法は、非接触（レーザ光のパワー密度が低い場合は非破壊）で測定できるので、試験体に対して接触することが困難な場合（例えば高温、高所、高放射線場、複雑形状部など）や、近接性が悪く遠隔操作による測定手法が求められる場合に適しており、今後様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
レーザ超音波装置は、試験体表面を変位させることによりその表面上において超音波を誘起するための励起用レーザと、表面変位を測定するレーザ変位計を備える。レーザによる超音波励起は、時間的にパルス状のレーザ光を試験体に照射することにより実施する。レーザ光のパワー密度が小さい場合は、表面微小領域の急加熱−急冷却過程により熱応力が発生し、発生した熱応力が材料の歪み元となって超音波信号を発生させる（熱弾性モード）。レーザ光のパワー密度が大きい場合は、試験体の表面が蒸発によって気化し、その反作用力が試験体に圧力として加わって超音波が発生する（アブレーションモード）。
【０００４】
レーザ変位計は、超音波によって誘起される試験体表面の変位をレーザ照射によって計測する際に用いられる。レーザ変位計として、マイケルソン干渉計、ファブリペロー干渉計、フォトリフラクティブ素子を用いた干渉計などの干渉法をベースにしたものと（例えば、Ｒ．Ｊ．Ｄｅｗｈｕｒｓｔ  ｅｔ  ａｌ．：“Ｏｐｔｉｃａｌ  ｒｅｍｏｔｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ”，Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｖｏｌ．１０，ｐｐ．１３９−１６８（１９９９））、ナイフエッジ法と呼ばれる表面変位によるビームの偏向を用いる方法がある（Ｊ．Ｍｏｎｃｈａｌｉｎ：“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ”，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，ｖｏｌ．ＵＦＦＣ−３３，ｐｐ．Ｎｏ．５，４８５−４９９（１９８６））。
【０００５】
ファブリペロー干渉計と、フォトリフラクティブ素子を用いたレーザ変位計は、試験体の表面が粗い場合でも適用できるので実用的であるが、高価である欠点を有する。一方、ナイフエッジ法を用いるレーザ変位計は安価であるが、粗面には対応していない。近年、粗い表面を有する試験体にも適用可能なＳｐｅｃｋｌｅ  Ｋｎｉｆｅ  Ｅｄｇｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ（以下、ＳＫＥＤ）が開発されている（特許文献１）。したがって、ナイフエッジ型検出器（特にＳＫＥＤ）を用いることにより、実用的で安価なレーザ超音波装置が実現可能である。
【０００６】
試験体の表面が凹凸を有する場合、受信レーザ光が試験体表面において散乱するので、レーザ光を光検出器に対して集束させるための集束レンズが必要になる。例えばナイフエッジ検出器と試験体との間にレンズを配置し、試験体から反射されたレーザ光をそのレンズによって集光するとともに光検出器に対して集束させることができる。
【０００７】
下記特許文献２は、『微細な凹凸が形成された受光面を有する固体撮像素子の反り量を、迅速に精度良く測定する方法を提供する。』ことを課題として、『ＡＦアクティブ方式やその他の方法を用いて、まず、オンチップレンズを備えていないエリア１０の領域の測定点を測定し、これから仮想基準面Ａを定める（ｂ）。（ｂ）に示すように、仮想基準面Ａは傾いていることがある。次に、この仮想基準面Ａを基準にして、ＡＦエリアコントラスト方式のスキャン範囲を決め、その範囲でオンチップレンズを備えたエリア９内の測定点を測定する（ｃ）。よって、ＡＦエリアコントラスト方式のスキャン範囲を短くすることにより、測定時間を短くでき、かつ、ＡＦエリアコントラスト方式を使用しているので、オンチップレンズによる凹凸がある場合でも、正確な距離測定が可能となる。』という技術を開示している（要約参照）。
【０００８】
下記特許文献３は、『測定面の傾斜方向に拘わらず、傾斜誤差を低減できる表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供する。』ことを課題として、『測定対象物の測定面の測定点に照射光を照射する照射手段と、前記測定点からの反射光を受光し、その反射光をｎ個（ｎは２以上の整数）に分割した分割光の受光量差に基づいて、基準位置からの前記測定点の変位を焦点誤差として検出する変位検出手段と、を備え、焦点誤差検出方法を用いて、前記測定面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、前記変位検出手段は、前記測定面の傾斜方向を検出する傾斜方向検出手段と、検出された前記傾斜方向に基づいて、前記測定点の変位がないときの前記焦点誤差が小さくなるように前記受光量差を調整する受光量差調整手段と、を有することを特徴とする。』という技術を開示している（要約参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２０１５−５０５３６２号公報
【特許文献２】特開２００４−３２７８１８号公報
【特許文献３】特開２００４−０３７２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ナイフエッジ法における検出感度は、試験体の表面変位量が大きいほど向上する。したがって検出感度を高めるためには、表面変位を励起させるレーザ光の信号強度を高めればよい。これに対してレーザ変位計自体の検出感度を高めるためには、結合効率ηを高めるか、または試験体と光検出器との間の距離Ｌを大きくすればよいと考えられる。結合効率とは、光検出器に対して入力する光パワーの割合である。
【００１１】
試験体表面における散乱の影響を抑制するために集束レンズを用いる場合、結合効率ηを高めるためには、試験体と集束レンズとの間の距離を短くする必要があり、この場合、必然的に集束レンズと光検出器との間の距離は短くなる。従って、試験体と光検出器との間の距離も短くなる。すなわち集束レンズを用いる従来のナイフエッジ法においては、結合効率ηＣと距離Ｌをともに大きくすることは困難であるので、レーザ変位計の検出感度を向上させるのは困難である。
【００１２】
レーザ光により試験体の表面変位を誘起させてナイフエッジ法のレーザ変位計によりその表面変位を測定する場合、試験体に対する入射光の光路と試験体からの反射光の光路が互いに重ならないようにするのが通常である。特許文献２と３は、このようなレーザ光により誘起した表面変位を測定する技術ではなく、試験体が元来有している表面凹凸を測定するための技術であるので、入射光路と反射光路は同一である。したがってこれら文献記載の技術は、レーザ光によって試験体の表面変位を誘起させてナイフエッジ法のレーザ変位計によりその表面変位を測定する場合においてそのまま用いることはできない。
【００１３】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、表面に凹凸を有する試験体の表面変位を測定するレーザ変位計において、結合効率ηＣと距離Ｌをともに大きくすることにより検出感度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るレーザ変位計は、試験体からの反射光を集光し略平行光に変換する第１レンズと前記略平行光を光検出器に対して集束させる第２レンズを備え、照射部が照射するレーザ光の第１光軸と前記試験体から反射された前記レーザ光の第２光軸は、重ならないように配置されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るレーザ変位計によれば、試験体の表面が有する凹凸によってレーザ光が散乱される場合であっても、表面変位の検出感度が高いレーザ変位計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】超音波によって生じた試験体の表面変位をナイフエッジ法によって検出する原理を説明する図である。
【図２】集光または集束レンズを配置した例である。
【図３Ａ】実施形態１に係るレーザ変位計１００の構成図である。
【図３Ｂ】実施形態１に係るレーザ変位計１００の変形例である。
【図４】超音波励起用パルスレーザを照射した試験体の表面変位を測定した結果を示すグラフである。
【図５】実施形態３に係るレーザ変位計１００の構成図である。
【図６Ａ】光反射部１４の変形例である。
【図６Ｂ】光反射部の別変形例である。
【図６Ｃ】光反射部の別変形例である。
【図７】実施形態４に係る超音波検査装置２００の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜従来のナイフエッジ検出法について＞
図１は、超音波によって生じた試験体の表面変位をナイフエッジ法によって検出する原理を説明する図である。試験体の表面２は、超音波によって例えば表面３のように変位する。光検出器７は、ナイフエッジ法によりその変位を検出する。具体的には、レーザ光１を試験体に対して照射し、その反射光を光検出器７によって検出する。試験体表面と光検出器７との間は距離６だけ離れている。表面２からの反射光４と表面３からの反射光５は、光検出器７に対する入射位置が互いに異なる。光検出器７の入射面における反射光４と５それぞれの入射位置は、互いに距離８だけ離れている。
【００１８】
光検出器７の検出感度は、入射光のパワーを光検出器７に対してできる限り多く入力させることにより、向上させることができる。また、表面変位の大きさは距離８に表れているので、表面変位に対して距離８をできる限り大きく変化させることにより、検出感度を向上させることができる。距離８を大きく変化させるためには、距離６を大きくすればよいと考えられる。
【００１９】
以上の原理によれば、ナイフエッジ検出法における検出感度Ｓは、下記式１で表すことができる（Ｍ．Ａ．Ｏｌｍｓｔｅａｄ  ｅｔ  ａｌ．：“Ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：Ａｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｂｅ  ｆｏｒ  Ｓｏｌｉｄｓ  ａｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ，ｖｏｌ．３２，ｐｐ．１４１−１５４（１９８３））。γはナイフエッジ光検出器の変換効率、ηＣは結合効率（光検出器７へ入力する光パワーの割合）、ｕＺは超音波による試験体表面の変位量、ｒは位置座標、Ｌは試験体から光検出器７までの光路長である。距離Ｌは、試験体と光検出器７との間の距離６と一致する：Ｓ＝γηＣ（ｄｕＺ/ｄｒ）Ｌ  （１）。
【００２０】
式１によれば、検出感度Ｓを大きくするためには、超音波のパワー密度を高くして変位量ｕＺを大きくする以外に、結合効率ηＣと距離Ｌを大きくすることが必要であることが分かる。
【００２１】
従来のレーザ超音波装置において用いられるナイフエッジ検出法は、表面が光学的に滑らかな試験体をターゲットにしているので、光検出器７の前には、集光用または集束用レンズがないか（Ｃ．Ｅｄｗａｒｄｓ  ｅｔ  ａｌ．：“ＬＡＳＥＲ  ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ  ＦＯＲ  ＴＨＥ  ＳＴＵＤＹ  ＯＦ  ＴＨＩＮ  ＳＨＥＥＴＳ”，Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｖｏｌ．１２，ｐｐ．５３９−５４８（１９９３））、またはレンズが１つのみ配置されている（Ｒ．Ｌ．Ｗｈｉｔｍａｎ  ａｎｄ  Ａ．Ｋｏｒｐｅｌ：“Ｐｒｏｂｉｎｇ  ｏｆ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ  ｂｙ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｌｉｇｈｔ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，ｖｏｌ.８，ｐｐ．１５６７−１５７６（１９６９））。
【００２２】
図２は、集光または集束レンズを配置した例である。試験体表面が光学的に滑らかな場合は、図１で説明したような光学系を用いることができる。しかし試験体表面に凹凸がある場合は、レーザ光１が試験体表面において散乱するので、その散乱した反射光を集光して光検出器７に対して集束するためのレンズ１１が必要となる。図２においては、レーザ光１を照射レンズ１０（照射部）によって試験体９の表面に集束させ、さらにレンズ１１によって反射光を集光するとともに光検出器７に対して集束させている。この光学系においては以下のような課題が生じる。
【００２３】
試験体９とレンズ１１との間の距離、およびレンズ１１と光検出器７との間の距離は、それぞれレンズの焦点距離ｆの２倍（２ｆ）である。すなわち、試験体９と光検出器７との間の距離Ｌは４ｆとなる。試験体表面からの散乱が大きい場合、結合効率ηＣを大きくするためには、焦点距離ｆを小さくする必要がある。そうすると、Ｌ（＝４ｆ）は小さくなり、ηＣとＬを同時に増加することはできない。したがって式１から明らかなように、検出感度Ｓの大きな改善を期待することはできない。
【００２４】
以上を前提として、特許文献１記載の技術についてさらに説明する。特許文献１の光学系は、以下のように構成されている：（ａ）ファイバヘッドから出射した光を第１レンズによって第１ミラーに対して集束させる、（ｂ）第１ミラーから反射した光をサンプルに対して入射させる、（ｃ）サンプルから反射した光を第２ミラーによって反射する、（ｄ）第２ミラーから反射した光を第２レンズによってコリメートする、（ｅ）コリメート光を第３レンズによって検出器に対して集束させる（同文献の図１参照）。
【００２５】
第２レンズによって反射光がコリメート光に変換されているので、レンズの焦点距離とは無関係に、サンプルと光検出器との間の光路長Ｌを大きくすることができる。しかし同文献の光学系においては、試験体と第２レンズとの間に第２ミラーが設置されているので、試験体表面の凹凸によってレーザ光が散乱されると、結合効率ηＣを大きくすることは困難である。第２レンズの焦点距離を調整したとしても、第２ミラーと試験体との間の集光率を調整することはできないからである。したがって特許文献１においては、表面に凹凸がある試験体の表面変位を検出する際に、結合効率ηＣと距離Ｌをともに大きくすることにより検出感度を高めるのは困難である。
【００２６】
ナイフエッジ法による表面変位の測定は、表面変位によってビームが偏向されることを前提にしている（例えば図１における反射光４と５）。すなわち、試験体に対して入射するレーザ光１の光路は単一であるのに対して、反射光の光路はある程度の幅を有する。したがって、入射光の光路を構成する光学系と、反射光の光路を構成する光学系は、別系とする必要がある。入射光の光路に幅を持たせると、試験体に対する入射光の照射位置が定まらないからである。
【００２７】
特許文献２と３は、試験体表面が有する凹凸に起因するデフォーカス量を用いてその凹凸を検出する技術である。デフォーカス量を検出するためには、入射光路と反射光路を変える必要はないので、これら文献において入射光路と反射光路は同じである。またこれら文献における検出感度はデフォーカス量に依拠するので、図１における反射光４と５のように、表面変位によって生じる反射光の偏向量を大きくする必要はない。したがって特許文献２と３は、レーザ光によって試験体の表面変位を誘起させてレーザ変位計によりその表面変位を測定する場合には、採用する意義が乏しい。
【００２８】
＜実施の形態１＞
図３Ａは、本発明の実施形態１に係るレーザ変位計１００の構成図である。レーザ変位計１００は、表面に凹凸を有する試験体９の表面変位を計測する装置であり、照射レンズ１０、第１レンズ１２、第２レンズ１３、光検出器７を備える。照射レンズ１０は、レーザ光１を集光して試験体９に対して照射する。第１レンズ１２は、試験体９から反射されたレーザ光１（散乱反射光）を集光し、略平行光にコリメートする。第２レンズ１３は、第１レンズによって略平行光に変換されたレーザ光を集束する。光検出器７は、第２レンズ１３が集束したレーザ光を検出する、ナイフエッジ型検出器である。
【００２９】
光検出器７が検出した光は、図示しない信号処理ユニットによって、ナイフエッジ法を用いて信号処理される。光検出器７としては、ＳＫＥＤ、２分割フォトダイオード、または光位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）などを用いることができる。
【００３０】
照射レンズ１０、第１レンズ１２、および第２レンズ１３は、レーザ光１の光軸と反射光の光軸が互いに重ならないように配置されている。すなわち、レーザ光１の光路と反射光の光路との間には０°超の角度が形成されている。光路３０は超音波による表面変位がない場合の光路を表し、光路３１は超音波による表面変位がある場合の光路を示す。光路３０と３１いずれの光軸も、レーザ光１の光軸と重ならないように配置されている。
【００３１】
第１レンズ１２は、試験体９表面が有する凹凸によって散乱した反射光を集光する役割を有する。したがって第１レンズ１２と試験体９表面との間の距離は、第１レンズ１２の焦点距離以内であることが望ましい。
【００３２】
図３Ｂは、本実施形態１に係るレーザ変位計１００の変形例である。照射レンズ１０はレーザ光１をビームスプリッタ３２に対して照射する。ビームスプリッタ３２はレーザ光１を第１レンズ１２に向けて反射させる。試験体９から反射した反射光は、第１レンズ１２によって略平行光に変換された後、ビームスプリッタ３２を通過して第２レンズ１３へ向かう。したがって試験体９の表面変位が生じていないとき、レーザ光１の光軸と反射光（光路３０）の光軸は同軸（光軸間の角度は０°）である。試験体９の表面変位が生じたとき、光路３１の光軸は光路３１の光軸とは異なる。したがって図３Ｂの構成も、図３Ａと同様の効果を発揮することができる。
【００３３】
図４は、超音波励起用パルスレーザを照射した試験体の表面変位を測定した結果を示すグラフである。表面変位の測定系として図３の構成を用いた。光検出器７としてＳＫＥＤを用いた。図４上段は、観測された表面変位を表す信号強度の時間変化である。図４下段は、信号振幅（上限値と下限値との間の差分）のＬに対する依存性を示す。式１が示すとおり、Ｌが増加するにしたがって信号強度が大きくなることを実験的に確認した。第１レンズ１２は変えていないので、結合効率ηＣは一定である。この測定結果から、Ｌを４００ｍｍ以上にすれば検出感度を２倍以上に改善できることが分かる。
【００３４】
＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係るレーザ変位計１００は、レーザ光１の光軸と反射光の光軸が重ならないように各レンズが配置されており、第１レンズ１２は反射光を集光して略平行光に変換する。第１レンズ１２により、試験体９の表面に凹凸がある場合であっても散乱光を集光することができるとともに、焦点距離に依拠することなく試験体９と光検出器７との間の距離を大きくすることができる。また入射光と反射光が重ならないので、反射光の偏向量に基づきナイフエッジ法により表面変位を測定することができる。
【００３５】
＜実施の形態２＞
実施形態１において、第１レンズ１２のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、散乱光を高効率で集光するために大きな値（たとえば０．５以上）のものが望ましい。第２レンズ１３のＮＡは、光の収差をできるだけ抑えて集束させるため、第１レンズ１２のＮＡに比べて小さい方が望ましい。
【００３６】
＜実施の形態３＞
図５は、本発明の実施形態３に係るレーザ変位計１００の構成図である。実施形態１で説明したように、試験体９と光検出器７との間の距離Ｌを増加することにより、検出感度Ｓを改善することができる。しかし、望ましいＬの値は４００ｍｍ以上であり、これによりレーザ変位計１００の装置サイズが大きくなる。そこで本実施形態３においては、レーザ変位計１００のサイズ増加を抑制しつつＬを大きくすることを図る。
【００３７】
距離Ｌは、試験体９と光検出器７との間の光学的距離（光路長）を意味する。本実施形態３においては、第１レンズ１２と第２レンズ１３との間の光路において光反射部１４を配置することにより、第１レンズ１２と第２レンズ１３との間の距離を増やすことなく光路長を増やすことを図る。
【００３８】
図５に示す光反射部１４は、１対の平板ミラー１５を備える。平板ミラー１５は、反射光の光路に沿って延伸しており、反射光が複数回反射するように配置されている。これにより平板ミラー１５間において反射光の光路長を実効的に増やすことができる。
【００３９】
図６Ａは、光反射部１４の変形例である。図６Ａにおける光反射部１４は、対向して配置された複数のミラー１６を備える。略平行光１７はいずれかのミラー１６に対して入射し、その反射光が別のミラー１６によって反射されることが繰り返され、これにより光路長を増加させている。
【００４０】
図６Ｂと図６Ｃは、光反射部の別変形例である。光反射部１４は、光が通過する空洞を有する円筒１８または四角柱１９によって構成することもできる。空洞の内壁は光を反射するように構成されている。したがって円筒１８と四角柱１９は、光導波路として構成されている。第１レンズ１２は、略平行光１７を空洞入口に対して斜めに入射させる。これにより略平行光１７は、内壁によって反射されながら空洞を通過するので、光路長を増加させることができる。
【００４１】
＜実施の形態４＞
図７は、本発明の実施形態４に係る超音波検査装置２００の構成図である。超音波検査装置２００は、超音波発生ユニット２３、レーザ変位計１００、制御ユニット２５、Ａ／Ｄ変換器２６、信号処理ユニット２７、画像化装置２８、を備える。超音波発生ユニット２３は、励起用レーザ２０、励起用レーザ２０を走査するための走査型ミラー２１、それらを同期するために必要な送信制御ユニット２２、を備える。超音波発生ユニット２３は、パルスレーザの他に圧電型または静電容量型の超音波発生素子でも構わない。レーザ変位計１００は、実施形態１〜３いずれかで説明したものであり、レーザ光１を照射するレーザ２９、光検出器７、などを備える。制御ユニット２５は、超音波発生ユニット２３とレーザ変位計１００を同期させる。制御ユニット２５は、送信制御ユニット２２による超音波発生時刻とレーザ変位計１００による計測時刻を揃えるためのものである。Ａ／Ｄ変換器２６は、レーザ変位計１００からの出力をアナログ信号からデジタル信号に変換する。信号処理ユニット２７はそのデジタル信号に対して信号処理を実施する。画像化装置２８は、表面変位の検出結果を表す検出画像を作成する。
【００４２】
＜本発明の変形例について＞
以上の実施形態において、光検出器７としては、例えば特許文献１が記載しているようなスペックルナイフエッジ検出器を用いることができる。スペックルナイフエッジ検出器は、検出素子がマトリクス状に配置されており、各検出素子による検出結果を比較することによって光の入射位置などを検出することができる。本発明はこれに限られるものではなく、その他タイプの検出器においても用いることができる。すなわち、表面に凹凸を有する試験体の表面変位をレーザ光によって検出するレーザ変位計において、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
９：試験体
１０：照射レンズ
１２：第１レンズ
１３：第２レンズ
１４：光反射部
１７：略平行光
２３：超音波発生ユニット
２５：制御ユニット
２６：Ａ／Ｄ変換器
２７：信号処理ユニット
２８：画像化装置
３２：ビームスプリッタ
１００：レーザ変位計
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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