(57)【要約】【課題】より正確に振動変位を計測することができる振動変位計測装置、振動変位計測方法及びプログラムを提供する。【解決手段】レーザ素子と、レーザ素子から射出されたレーザ光の強度を検出して、レーザ素子から射出され計測対象面で反射してレーザ素子に戻入したレーザ光と、レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が重畳した検出信号を出力する検出部と、検出信号に基づいて、計測対象面の変位に係る変位信号を生成する変位信号生成部と、を備え、変位信号生成部は、検出信号の振幅範囲内の代表値と検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分されたフリンジ期間を特定し、フリンジ期間における検出信号の最大ピーク及び最小ピークの少なくとも一方の位置に基づいて、フリンジ期間における計測対象面の変位方向を特定し、フリンジ期間の数を、変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数して変位信号を生成する。【選択図】図８
2020173103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を射出するレーザ素子と、
前記レーザ素子から射出されたレーザ光の強度を検出して、前記レーザ素子から射出され計測対象面で反射して前記レーザ素子に戻入したレーザ光と、前記レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が重畳した検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号に基づいて、前記計測対象面の変位に係る変位信号を生成する変位信号生成部と、
を備え、
前記変位信号生成部は、
前記検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、前記検出信号の振幅範囲内の代表値を取得し、
前記代表値と前記検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、前記ビート信号の各周期に対応するフリンジ期間を特定し、
前記フリンジ期間における前記検出信号の最大ピーク及び最小ピークの少なくとも一方の位置に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定し、
前記フリンジ期間の数を、前記特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数して前記変位信号を生成することを特徴とする振動変位計測装置。
【請求項２】
前記変位信号生成部は、
前記フリンジ期間の半期における中心位置と、前記フリンジ期間のうち前記検出信号が前記代表値より大きい部分における前記検出信号の最大ピークの位置との関係、及び、
前記フリンジ期間の半期における中心位置と、前記フリンジ期間のうち前記検出信号が前記代表値より小さい部分における前記検出信号の最小ピークの位置との関係
の少なくとも一方に基づいて、前記計測対象面の変位方向を特定することを特徴とする請求項１に記載の振動変位計測装置。
【請求項３】
前記変位信号生成部は、
前記検出信号の大きさが前記代表値未満の値から前記代表値以上の値に切り替わる時点で区分された前記フリンジ期間を特定し、
前記フリンジ期間の前半期における中心位置より前に前記検出信号の最大ピークがある場合に、前記フリンジ期間における前記計測対象面の前記変位方向が、前記レーザ素子に近付く方向であると特定することを特徴とする請求項２に記載の振動変位計測装置。
【請求項４】
前記変位信号生成部は、
前記検出信号の大きさが前記代表値以上の値から前記代表値未満の値に切り替わる時点で区分された前記フリンジ期間を特定し、
前記フリンジ期間の前半期における中心位置より前に前記検出信号の最小ピークがある場合に、前記フリンジ期間における前記計測対象面の前記変位方向が、前記レーザ素子から遠ざかる方向であると特定することを特徴とする請求項２に記載の振動変位計測装置。
【請求項５】
前記変位信号生成部は、前記フリンジ期間のうち前記検出信号が前記代表値より大きい第１期間における前記検出信号の最大ピークの位置、及び前記検出信号が前記代表値より小さい第２期間における前記検出信号の最小ピークの位置の少なくとも一方に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定することを特徴とする請求項１に記載の振動変位計測装置。
【請求項６】
前記変位信号生成部は、前記第１期間における中心位置と、当該第１期間における前記検出信号の最大ピークの位置との関係、及び前記第２期間における中心位置と、当該第２期間における前記検出信号の最小ピークの位置との関係、の少なくとも一方に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定することを特徴とする請求項５に記載の振動変位計測装置。
【請求項７】
前記変位信号生成部は、
前記第１期間における中心位置より前に前記検出信号の最大ピークがある場合、及び前記第２期間における中心位置より後に前記検出信号の最小ピークがある場合に、前記フリンジ期間における前記計測対象面の前記変位方向が、前記レーザ素子に近付く方向であると特定することを特徴とする請求項６に記載の振動変位計測装置。
【請求項８】
前記変位信号生成部は、
第１期間における前記検出信号の最大ピークの位置、及び第２期間における前記検出信号の最小ピークの位置に基づいて前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定し、
前記第１期間及び前記第２期間についてそれぞれ特定された変位方向が互いに異なる場合には、当該第１期間及び第２期間を含むフリンジ期間を計数せずに前記変位信号を生成することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の振動変位計測装置。
【請求項９】
前記変位信号生成部は、前記変位信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた前記変位信号の代表値に基づいて前記変位信号を補正することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の振動変位計測装置。
【請求項１０】
前記変位信号生成部は、前記変位信号の代表値に対して１未満の所定の係数を乗じて得られた値を前記変位信号から差し引く前記補正を行うことを特徴とする請求項９に記載の振動変位計測装置。
【請求項１１】
レーザ光を射出するレーザ素子と、前記レーザ素子から射出されたレーザ光の強度を検出して、前記レーザ素子から射出され計測対象面で反射して前記レーザ素子に戻入したレーザ光と、前記レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が重畳した検出信号を出力する検出部と、を備えた振動変位計測装置により前記計測対象面の振動変位を計測する振動変位計測方法であって、
前記検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、前記検出信号の振幅範囲内の代表値を取得する代表値取得工程と、
前記代表値と前記検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、前記ビート信号の各周期に対応するフリンジ期間を特定するフリンジ期間特定工程と、
前記フリンジ期間における前記検出信号の最大ピーク及び最小ピークの少なくとも一方の位置に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定する変位方向特定工程と、
前記フリンジ期間の数を、前記特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数することで、前記計測対象面の変位に係る変位信号を生成する計数工程と、
を含むことを特徴とする振動変位計測方法。
【請求項１２】
レーザ光を射出するレーザ素子と、前記レーザ素子から射出されたレーザ光の強度を検出して、前記レーザ素子から射出され計測対象面で反射して前記レーザ素子に戻入したレーザ光と、前記レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が重畳した検出信号を出力する検出部と、を備えた振動変位計測装置に設けられたコンピュータを、
前記検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、前記検出信号の振幅範囲内の代表値を取得する代表値取得手段、
前記代表値と前記検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、前記ビート信号の各周期に対応するフリンジ期間を特定するフリンジ期間特定手段、
前記フリンジ期間における前記検出信号の最大ピーク及び最小ピークの少なくとも一方の位置に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定する変位方向特定手段、
前記フリンジ期間の数を、前記特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数することで、前記計測対象面の変位に係る変位信号を生成する計数手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動変位計測装置、振動変位計測方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ素子のセルフミキシング現象を利用して、計測対象面の振動変位を計測する振動変位計測装置が知られている（例えば、引用文献１）。セルフミキシング現象は、レーザ素子から射出されたレーザ光のうち計測対象面で反射してレーザ素子に戻入した戻り光と、レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が、レーザ素子からのレーザ光の検出信号に重畳する現象である。このビート信号は、セルフミキシング信号とも呼ばれる。上記の振動変位計測装置は、このセルフミキシング信号に含まれるフリンジ（干渉縞）の解析結果に基づいて、計測対象面の振動変位を特定するものである。
【０００３】
詳しくは、レーザ素子との距離が振動により図１３（ａ）のように変化する計測対象面に対してレーザ光を照射すると、戻り光との干渉により、図１３（ｂ）に示すような、鋸刃状のフリンジを含むセルフミキシング信号が重畳した検出信号が得られる。このセルフミキシング信号における各フリンジの傾きは、計測対象面の変位方向に応じて逆転するため、セルフミキシング信号の微分信号（図１３（ｃ））が所定の正負の閾値のうちいずれを超えたかによって、計測対象面の変位方向を特定することができる。よって、図１３（ｃ）の微分信号が正負の各閾値を超えた数（すなわち、フリンジの数）を、変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数することで、図１３（ｄ）に示されるような、計測対象面の変位を表す復元変位信号を取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２８２７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、レーザ光の強度の検出信号には、スペックル（計測対象面で乱反射したレーザ光が不規則な位相関係で干渉し合うことによる強度むら）などによるノイズが含まれるため、セルフミキシング信号におけるフリンジの傾きが計測対象面の変位方向を反映したものとはならない場合が多い。このため、上記従来の技術では、セルフミキシング信号の微分信号から計測対象面の変位方向を正確に特定することができず、この結果、計測対象面の振動変位を正確に計測することができないという課題がある。
【０００６】
この発明の目的は、より正確に振動変位を計測することができる振動変位計測装置、振動変位計測方法及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の振動変位計測装置の発明は、
レーザ光を射出するレーザ素子と、
前記レーザ素子から射出されたレーザ光の強度を検出して、前記レーザ素子から射出され計測対象面で反射して前記レーザ素子に戻入したレーザ光と、前記レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が重畳した検出信号を出力する検出部と、
前記検出信号に基づいて、前記計測対象面の変位に係る変位信号を生成する変位信号生成部と、
を備え、
前記変位信号生成部は、
前記検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、前記検出信号の振幅範囲内の代表値を取得し、
前記代表値と前記検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、前記ビート信号の各周期に対応するフリンジ期間を特定し、
前記フリンジ期間における前記検出信号の最大ピーク及び最小ピークの少なくとも一方の位置に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定し、
前記フリンジ期間の数を、前記特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数して前記変位信号を生成することを特徴としている。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、
前記フリンジ期間の半期における中心位置と、前記フリンジ期間のうち前記検出信号が前記代表値より大きい部分における前記検出信号の最大ピークの位置との関係、及び、
前記フリンジ期間の半期における中心位置と、前記フリンジ期間のうち前記検出信号が前記代表値より小さい部分における前記検出信号の最小ピークの位置との関係
の少なくとも一方に基づいて、前記計測対象面の変位方向を特定することを特徴としている。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、
前記検出信号の大きさが前記代表値未満の値から前記代表値以上の値に切り替わる時点で区分された前記フリンジ期間を特定し、
前記フリンジ期間の前半期における中心位置より前に前記検出信号の最大ピークがある場合に、前記フリンジ期間における前記計測対象面の前記変位方向が、前記レーザ素子に近付く方向であると特定することを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、
前記検出信号の大きさが前記代表値以上の値から前記代表値未満の値に切り替わる時点で区分された前記フリンジ期間を特定し、
前記フリンジ期間の前半期における中心位置より前に前記検出信号の最小ピークがある場合に、前記フリンジ期間における前記計測対象面の前記変位方向が、前記レーザ素子から遠ざかる方向であると特定することを特徴としている。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、前記フリンジ期間のうち前記検出信号が前記代表値より大きい第１期間における前記検出信号の最大ピークの位置、及び前記検出信号が前記代表値より小さい第２期間における前記検出信号の最小ピークの位置の少なくとも一方に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定することを特徴としている。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、前記第１期間における中心位置と、当該第１期間における前記検出信号の最大ピークの位置との関係、及び前記第２期間における中心位置と、当該第２期間における前記検出信号の最小ピークの位置との関係、の少なくとも一方に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定することを特徴としている。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、
前記第１期間における中心位置より前に前記検出信号の最大ピークがある場合、及び前記第２期間における中心位置より後に前記検出信号の最小ピークがある場合に、前記フリンジ期間における前記計測対象面の前記変位方向が、前記レーザ素子に近付く方向であると特定することを特徴としている。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項５〜７のいずれか一項に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、
第１期間における前記検出信号の最大ピークの位置、及び第２期間における前記検出信号の最小ピークの位置に基づいて前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定し、
前記第１期間及び前記第２期間についてそれぞれ特定された変位方向が互いに異なる場合には、当該第１期間及び第２期間を含むフリンジ期間を計数せずに前記変位信号を生成することを特徴としている。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、前記変位信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた前記変位信号の代表値に基づいて前記変位信号を補正することを特徴としている。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の振動変位計測装置において、
前記変位信号生成部は、前記変位信号の代表値に対して１未満の所定の係数を乗じて得られた値を前記変位信号から差し引く前記補正を行うことを特徴としている。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、請求項１１に記載の振動変位計測方法の発明は、
レーザ光を射出するレーザ素子と、前記レーザ素子から射出されたレーザ光の強度を検出して、前記レーザ素子から射出され計測対象面で反射して前記レーザ素子に戻入したレーザ光と、前記レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が重畳した検出信号を出力する検出部と、を備えた振動変位計測装置により前記計測対象面の振動変位を計測する振動変位計測方法であって、
前記検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、前記検出信号の振幅範囲内の代表値を取得する代表値取得工程と、
前記代表値と前記検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、前記ビート信号の各周期に対応するフリンジ期間を特定するフリンジ期間特定工程と、
前記フリンジ期間における前記検出信号の最大ピーク及び最小ピークの少なくとも一方の位置に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定する変位方向特定工程と、
前記フリンジ期間の数を、前記特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数することで、前記計測対象面の変位に係る変位信号を生成する計数工程と、
を含むことを特徴としている。
【００１８】
また、上記目的を達成するため、請求項１２に記載のプログラムの発明は、
レーザ光を射出するレーザ素子と、前記レーザ素子から射出されたレーザ光の強度を検出して、前記レーザ素子から射出され計測対象面で反射して前記レーザ素子に戻入したレーザ光と、前記レーザ素子内のレーザ光との干渉によるビート信号が重畳した検出信号を出力する検出部と、を備えた振動変位計測装置に設けられたコンピュータを、
前記検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、前記検出信号の振幅範囲内の代表値を取得する代表値取得手段、
前記代表値と前記検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、前記ビート信号の各周期に対応するフリンジ期間を特定するフリンジ期間特定手段、
前記フリンジ期間における前記検出信号の最大ピーク及び最小ピークの少なくとも一方の位置に基づいて、前記フリンジ期間における前記計測対象面の変位方向を特定する変位方向特定手段、
前記フリンジ期間の数を、前記特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数することで、前記計測対象面の変位に係る変位信号を生成する計数手段、
として機能させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に従うと、より正確に振動変位を計測することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】振動変位計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】振動変位計測装置の機能構成を示すブロック図である。
【図３】変位計測部の機能構成を示すブロック図である。
【図４】セルフミキシング信号が重畳している検出信号、及びその２値化信号の例を示す図である。
【図５】変位信号生成処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】フリンジ期間ごとに区分された検出信号を示す図である。
【図７】計測対象面の変位方向の特定方法を説明する図である。
【図８】変位信号生成部の機能構成を示すブロック図である。
【図９】振動変位計測装置による振動変位の計測結果の例を示す図である。
【図１０】復元変位信号の補正の効果を示す図である。
【図１１】変形例１に係る計測対象面の変位方向の特定方法を説明する図である。
【図１２】変形例２に係る計測対象面の変位方向の特定方法を説明する図である。
【図１３】従来の振動変位の計測方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の振動変位計測装置、振動変位計測方法及びプログラムに係る実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態である振動変位計測装置１の概略構成を示す図である。
振動変位計測装置１は、半導体レーザにより構成されたレーザ素子２４と、フォトダイオード２５（検出部）と、レンズ３と、これらのレーザ素子２４、フォトダイオード２５及びレンズ３を内部に収容する筐体２と、を備えている。
【００２３】
レーザ素子２４は、閾値電流以上の駆動電流が供給されることで、所定周波数のレーザ光を射出面２４ａから射出する。本実施形態では、レーザ素子２４としてＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）が用いられている。ＶＣＳＥＬでは、光の共振器が半導体基板の基板面に垂直な方向（射出面２４ａに垂直な方向）に形成され、共振器内で増幅、共振したレーザ光が基板面に垂直な方向に射出される。
【００２４】
フォトダイオード２５は、入射した光の強度に応じた大きさの電流を出力する光検出素子である。フォトダイオード２５の光の検出面２５ａの一部には、レーザ素子２４の射出面２４ａとは反対側の面が固着されている。フォトダイオード２５は、レーザ素子２４から射出されレンズ３の表面などで反射されたレーザ光を、検出面２５ａのうちレーザ素子２４が固着されていない部分で受けて検出する。
【００２５】
レンズ３は、レーザ素子２４から射出されたレーザ光の一部を屈折させつつ透過させることで、レーザ光の発散角を低減させて平行光とする光学素子である。レンズ３としては、例えばガラスからなるものを用いることができる。
【００２６】
筐体２は、光を透過させない材質、例えば金属や樹脂などにより構成され、計測対象面１００からの反射光以外の光が内部に侵入しないように遮光するとともに、レーザ素子２４、フォトダイオード２５及びレンズ３を保護する。また、筐体２のうちレンズ３を透過したレーザ光が通る部分は、光透過性を有する部材（ガラスや樹脂等）により構成された透過窓となっている。
【００２７】
振動変位計測装置１は、レーザ素子２４から筐体２の外部に射出されて計測対象面１００で反射したレーザ光が、レーザ素子２４に戻入する構成となっており、この戻入したレーザ光（戻り光）とレーザ素子２４内のレーザ光とが干渉する。ここで、計測対象面１００がレーザ光の光軸方向に振動していると、戻り光の光路長が周期的に変動するため、戻り光と、レーザ素子２４内のレーザ光とは、共振条件及び減衰条件を交互に繰り返し満たすこととなる。この結果、レーザ素子２４から射出されるレーザ光の強度は、当該繰り返しの周期で増減するため、レーザ光のフォトダイオード２５による検出信号は、戻り光とレーザ素子２４内部のレーザ光との干渉によるビート信号（セルフミキシング信号）が重畳したものとなる。このように、戻り光との干渉によるビート信号がレーザ光の検出信号に重畳する現象は、セルフミキシング現象と呼ばれる。
本実施形態の振動変位計測装置１は、このセルフミキシング信号に含まれるフリンジ（セルフミキシング信号の１周期に対応する干渉縞）の解析結果に基づいて、計測対象面１００の振動変位を計測する。
【００２８】
図２は、振動変位計測装置１の機能構成を示すブロック図である。
振動変位計測装置１は、ＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、記憶部１３、通信部１４及び変位計測部２０などを備える。これらの各部は、バス１５により接続されている。
【００２９】
ＣＰＵ１１は、振動変位計測装置１の各部を制御するプロセッサである。ＣＰＵ１１は、記憶部１３に記憶されたプログラム１３１を読み出してＲＡＭ１２に展開し、当該プログラム１３１を実行して各種演算処理を行う。
【００３０】
ＲＡＭ１２は、ＣＰＵ１１に作業用のメモリ空間を提供し、一時データを記憶する。ＲＡＭ１２は、不揮発性メモリを含んでいてもよい。
【００３１】
記憶部１３は、ＣＰＵ１１により実行されるプログラム１３１や設定データといった各種データを記憶する。プログラム１３１は、コンピュータ読み取り可能なプログラムコードの形態で記憶部１３に格納されている。
【００３２】
通信部１４は、アンテナ、変復調回路、信号処理回路などを有する通信モジュールであり、所定の通信規格に従って外部装置との間で無線データ通信を行う。通信部１４は、例えば、計測対象面１００の振動変位の計測結果に係るデータを外部装置に送信する。
【００３３】
変位計測部２０は、レーザ素子２４及びフォトダイオード２５などを備え、フォトダイオード２５により検出された、セルフミキシング信号が重畳している検出信号を解析して、計測対象面１００の振動変位を計測し、その結果をＣＰＵ１１に出力する。
【００３４】
図３は、変位計測部２０の機能構成を示すブロック図である。
変位計測部２０は、ホストＩ／Ｆ（インターフェース）２１と、レーザ制御部２２と、レーザ駆動部２３と、レーザ素子２４と、フォトダイオード２５と、電流電圧変換部２６と、増幅部２７と、アンチエイリアスフィルタ２８と、ＡＤＣ（ＡＤコンバータ）２９と、変位信号生成部３０などを備える。
【００３５】
ホストＩ／Ｆ２１は、ホスト（ここでは、ＣＰＵ１１）との間で、ＳＰＩやＩ２Ｃといったシリアル通信などによりデータの送受信を行う。具体的には、ホストＩ／Ｆ２１は、ホストとしてのＣＰＵ１１から、振動変位計測装置１の動作の各種設定に係るデータや、変位計測動作の開始命令などを受信し、振動変位の計測結果などをＣＰＵ１１に送信する。
【００３６】
レーザ制御部２２は、ホストＩ／Ｆ２１から入力された制御信号に応じて、レーザ素子２４の駆動動作を開始させるための制御信号をレーザ駆動部２３に対して出力する。
【００３７】
レーザ駆動部２３は、レーザ制御部２２から入力された制御信号に応じて所定の電流信号をレーザ素子２４に供給することで、レーザ素子２４を駆動してレーザ光を射出させる。
【００３８】
レーザ素子２４は、レーザ駆動部２３から供給された電流信号に応じて所定周波数のレーザ光を射出する。当該レーザ光は、上述のとおり、計測対象面１００で反射して戻入し、レーザ素子２４内のレーザ光と干渉する。
【００３９】
フォトダイオード２５は、レーザ素子２４から射出されたレーザ光を検出し、レーザ光の強度に応じた大きさの検出電流（検出信号）を出力する。この検出電流には、戻り光とレーザ素子２４内のレーザ光との干渉によるセルフミキシング信号が重畳されたものとなる。
【００４０】
電流電圧変換部２６は、フォトダイオード２５から出力された検出電流を電圧信号に変換する。
【００４１】
増幅部２７は、電流電圧変換部２６によって生成された電圧信号を、所望の電圧範囲に収まるように増幅する。
【００４２】
アンチエイリアスフィルタ２８は、後段のＡＤＣ２９によるサンプリングにおいて折り返し（エイリアス）信号が生じるのを防ぐために、サンプリング周波数の１／２以上の周波数成分を減衰させる。
【００４３】
ＡＤＣ２９は、アンチエイリアスフィルタ２８を通過した電圧信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタル信号に変換する。このデジタル信号は、セルフミキシング信号が重畳したフォトダイオード２５の検出信号をデジタル化したものに相当する。以下では、このデジタル化された検出信号及びセルフミキシング信号を指して、単に検出信号及びセルフミキシング信号と記す。
【００４４】
変位信号生成部３０は、ＡＤＣ２９から入力された検出信号を解析し、計測対象面１００の変位を表す復元変位信号（変位信号）を生成してホストＩ／Ｆ２１に出力する。
【００４５】
次に、変位信号生成部３０による復元変位信号の生成動作について説明する。
ＡＤＣ２９から出力された検出信号は、ノイズがない理想的な場合には、図１３（ｂ）に示すような、片面の傾きが急峻な鋸刃状のフリンジを有するセルフミキシング信号が重畳したものとなる。各フリンジの傾きは、計測対象面１００の変位方向に応じて逆転するため、理想的なセルフミキシング信号が重畳している場合には、セルフミキシング信号の微分信号（図１３（ｃ））が正負の閾値を超えた数を計数することで、図１３（ｄ）のような復元変位信号を生成することができる。このようにフリンジを計数して復元変位信号を生成する方式は、フリンジカウント方式とも呼ばれる。
【００４６】
しかしながら、実際のセルフミキシング信号には、上述したスペックルの影響などによるノイズが含まれる。
図４（ａ）は、ノイズを含むセルフミキシング信号ＳＭが重畳している検出信号の例を示す図である。この図に示すように、ノイズが無視できない場合には、セルフミキシング信号ＳＭの振幅が大きく変動し、またＤＣレベルのシフトも生じる。この結果、セルフミキシング信号ＳＭにおけるフリンジの傾きは、計測対象面１００の変位方向を反映した傾きとはならない場合が多い。また、フリンジの傾きは、ノイズの他にも、計測対象面１００の反射率や変位の態様などによっても変化し得る。このため、上記の微分信号を用いる方法では、実際には、セルフミキシング信号ＳＭから計測対象面１００の変位方向を正確に特定することができず、この結果、計測対象面１００の振動変位を正確に計測することができない。また、フリンジカウント方式では、変位方向が誤検出された場合には、当該誤検出による誤差が復元変位信号に累積されてしまうため、復元変位信号のＤＣレベルがシフトしてしまう問題も生じる。
【００４７】
そこで、本実施形態の変位信号生成部３０は、セルフミキシング信号ＳＭの微分信号を用いずに計測対象面１００の変位方向を特定して、フリンジカウント方式により復元変位信号を生成する。また、復元変位信号を補正することで、復元変位信号のＤＣレベルのシフトを抑制する。
【００４８】
図５は、変位信号生成部３０により実行される変位信号生成処理の手順を示すフローチャートである。
変位信号生成部３０は、まず、セルフミキシング信号ＳＭが重畳した検出信号をＡＤＣ２９から取得する（ステップＳ１０１）。
【００４９】
次に、変位信号生成部３０は、検出信号を遅延させた信号を生成する（ステップＳ１０２）。この遅延された信号が、図４（ａ）に示すセルフミキシング信号ＳＭに相当する。
その一方で、変位信号生成部３０は、セルフミキシング信号ＳＭが重畳した検出信号の振幅範囲内で、検出信号の代表値（図４（ａ）の平均値ＡＶＧ）を算出する（ステップＳ１０３：代表値取得工程）。この代表値は、検出信号の大きさに係るデータ（ＡＤＣ２９から出力されたデジタル信号）に対して所定の平滑化処理を行うことで算出することができる。この平滑化処理としては、移動平均を出力するローパスフィルタ（例えばＣＩＣフィルタ）を用いることができる。また、ＦＩＲフィルタやＩＩＲフィルタなどの他の平滑化処理が用いられても良い。
なお、検出信号の代表値は、正確な平均値であることが最も好ましいが、平滑化処理の種別や特性などに起因して平均値からずれた値であっても良い。
【００５０】
次に、変位信号生成部３０は、セルフミキシング信号ＳＭの１周期（セルフミキシング信号ＳＭの各フリンジ）に対応するフリンジ期間ＦＲを特定する（ステップＳ１０４：フリンジ期間特定工程）。
ステップＳ１０４では、変位信号生成部３０は、まず平均値ＡＶＧと検出信号とを比較して、平均値ＡＶＧと検出信号との大小関係が切り替わる時点を特定し、検出信号を２値化した２値化信号（図４（ｂ））を生成する。この２値化信号は、検出信号が平均値ＡＶＧより大きい期間（セルフミキシング信号ＳＭのフリンジの山に対応する期間）で１となり、検出信号が平均値ＡＶＧより小さい期間（セルフミキシング信号ＳＭのフリンジの谷に対応する期間）で０となる信号である。
その後、変位信号生成部３０は、２値化信号の各周期に対応するフリンジ期間ＦＲ（図４（ｂ））を特定する。ここでは、２値化信号のうち、値が１である区間と、当該区間の後の値が０である区間とからなる期間を１つのフリンジ期間ＦＲとして特定する。すなわち、検出信号の大きさが平均値ＡＶＧ未満の値から平均値ＡＶＧ以上の値に切り替わる時点で区分されたフリンジ期間ＦＲを特定する。換言すれば、検出信号が平均値ＡＶＧを超えて立ち上がる時点でフリンジ期間ＦＲを区分する。
【００５１】
次に、変位信号生成部３０は、図６に示すように、検出信号をフリンジ期間ＦＲごとに区分し、各フリンジ期間ＦＲにおける検出信号（セルフミキシング信号ＳＭ）の最大ピークＰａ及び最小ピークＰｂの少なくとも一方の位置を検出する（ステップＳ１０５）。ここで、最大ピークＰａ及び最小ピークＰｂのいずれの位置を検出するか（又は双方の位置を検出するか）については、予め定められている。ここでは、最大ピークＰａの位置を検出して計測対象面１００の変位方向の特定に用いる例に挙げて説明する。なお、以下では、最大ピークＰａ及び最小ピークＰｂを互いに区別しない場合には、ピークＰとも記す。
【００５２】
次に、変位信号生成部３０は、検出された最大ピークＰａの位置に基づいて、各フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定する（ステップＳ１０６：変位方向特定工程）。詳しくは、変位信号生成部３０は、フリンジ期間ＦＲの半期における中心位置と、当該フリンジ期間ＦＲのうち検出信号が平均値ＡＶＧより大きい部分における検出信号の最大ピークＰａの位置との関係に基づいて、計測対象面１００の変位方向を特定する。
【００５３】
図７は、計測対象面１００の変位方向の特定方法を説明する図である。
図７（ａ）に示すように、フリンジ期間ＦＲの半期の長さをＴとした場合に、フリンジ期間ＦＲの開始時点から検出信号の最大ピークＰａ（最大値）までの長さｎがｎ＜Ｔ／２を満たす場合には、計測対象面１００がレーザ素子２４（すなわち、振動変位計測装置１）に近づいている（接近している）と特定することができる。すなわち、フリンジ期間ＦＲの前半期における中心位置より前に検出信号の最大ピークＰａがある場合に、当該フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に近付く方向であると特定することができる。
図７（ａ）に示す、ｎ＜Ｔ／２を満たすフリンジは、図１３（ｂ）に示す理想のセルフミキシング信号のうち、立ち上がりの傾きが立ち下がりの傾きより急峻な、フリンジ群ｆ１のフリンジに対応する。
【００５４】
また、図７（ｂ）に示すように、フリンジ期間ＦＲの開始時点から検出信号の最大ピークＰａまでの長さｎがｎ＞Ｔ／２を満たす場合には、計測対象面１００がレーザ素子２４（すなわち、振動変位計測装置１）から遠ざかっている（離反している）と特定することができる。すなわち、フリンジ期間ＦＲの前半期における中心位置より後に検出信号の最大ピークＰａがある場合に、当該フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に遠ざかる方向であると特定することができる。
図７（ｂ）に示す、ｎ＞Ｔ／２を満たすフリンジは、図１３（ｂ）に示す理想のセルフミキシング信号のうち、立ち下がりの傾きが立ち上がりの傾きより急峻な、フリンジ群ｆ２のフリンジに対応する。
なお、ｎ＝Ｔ／２となる場合については、接近及び離反のうちの一方に対応するものと予め定めておいても良いし、接近又は離反のいずれとも特定できないため当該フリンジ期間ＦＲの結果は使用しない（すなわち、復元変位信号としてフリンジを計数しない）こととしても良い。
【００５５】
次に、変位信号生成部３０は、フリンジ期間ＦＲの数を、特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数し、復元変位信号を生成する。すなわち、ｎ＜Ｔ／２を満たし計測対象面１００が接近していると特定された場合には（ステップＳ１０７で“Ｙｅｓ”）、当該フリンジ期間ＦＲについては減算、すなわちカウントダウンする（ステップＳ１０８）。また、ｎ＞Ｔ／２を満たし計測対象面１００が離反していると特定された場合には（ステップＳ１０７で“Ｎｏ”）、当該フリンジ期間ＦＲについては加算、すなわちカウントアップする（ステップＳ１０９）。
【００５６】
また、変位信号生成部３０は、復元変位信号の生成においては、各時点で復元変位信号の平均値（代表値）を算出し、この平均値に基づいて復元変位信号の値を補正する（ステップＳ１１０）。詳しくは、算出された平均値に１未満の所定の係数を乗じ、得られた値を復元変位信号から差し引く補正を行う。これにより、変位方向の誤検出により復元変位信号に誤差が含まれた場合であっても、誤差が累積して復元変位信号のＤＣレベルがシフトするのを抑制することができる。復元変位信号の平均値の算出は、上述した検出信号の代表値の算出と同様の平滑化処理により行うことができる。また、算出された平均値に乗ずる係数は、計測対象面１００の振動周波数によって調整しても良い。ステップＳ１０７〜ステップＳ１１０の処理が、計数工程に対応する。
なお、復元変位信号の代表値は、正確な平均値であることが最も好ましいが、平滑化処理の種別や特性などに起因して平均値からずれた値であっても良い。
図５に示した変位信号生成処理の各ステップは、変位信号生成部３０の複数の機能構成により同時並行的に行われる。
【００５７】
図８は、変位信号生成部３０の機能構成を示すブロック図である。
変位信号生成部３０は、ＦＩＦＯ３１と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３２と、比較部３３と、フリンジ期間検出部３４と、ピーク検出部３５と、変位方向特定部３６と、フリンジカウンタ３７と、ＬＰＦ３８などを備える。
【００５８】
ＦＩＦＯ３１は、ＡＤＣ２９から出力された検出信号を先入れ先出し方式で一定期間保持して出力することで、検出信号を遅延させる。この遅延時間は、ＬＰＦ３２による出力の遅延分と一致するように調整されている。ＦＩＦＯ３１の出力は、図４（ａ）に示すセルフミキシング信号ＳＭが重畳した検出信号に相当する。ＦＩＦＯ３１が実行する処理は、図５のステップＳ１０２に相当する。
【００５９】
ＬＰＦ３２は、ここではＣＩＣフィルタであり、ＡＤＣ２９から出力された検出信号の移動平均データを出力する。ＬＰＦ３２の出力が、図４（ａ）に示す平均値ＡＶＧに相当する。ＬＰＦ３２が実行する処理は、図５のステップＳ１０３に相当する。
【００６０】
比較部３３は、ＦＩＦＯ３１の出力（セルフミキシング信号ＳＭを含む検出信号）とＬＰＦ３２の出力（平均値ＡＶＧ）とを比較して、図４（ｂ）に示す２値化信号を出力する。
フリンジ期間検出部３４は、比較部３３から入力された２値化信号における各フリンジ期間ＦＲを特定する信号を出力する。
比較部３３及びフリンジ期間検出部３４が実行する処理は、図５のステップＳ１０４に相当する。
【００６１】
ピーク検出部３５は、フリンジ期間検出部３４により特定された各フリンジ期間ＦＲ内における、ＦＩＦＯ３１から入力された検出信号のピークＰの位置（ここでは、最大ピークＰａの位置）を検出する。ピーク検出部３５が実行する処理は、図５のステップＳ１０５に相当する。
【００６２】
変位方向特定部３６は、フリンジ期間検出部３４から入力されたフリンジ期間ＦＲの情報、及びピーク検出部３５から入力された最大ピークＰａの位置の情報に基づいて、上述したアルゴリズムにより各フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定する。変位方向特定部３６が実行する処理は、図５のステップＳ１０６に相当する。
【００６３】
フリンジカウンタ３７は、変位方向特定部３６により特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えてフリンジ期間ＦＲの数を計数し、復元変位信号を出力する。また、ＬＰＦ３８は、ここではＣＩＣフィルタであり、フリンジカウンタ３７から出力された復元変位信号の移動平均データ（平均値）を出力してフリンジカウンタ３７にフィードバックする。フリンジカウンタ３７は、上記復元変位信号を出力する際には、フィードバックされた平均値に１未満の所定の係数を乗じて得られた値をフリンジ期間ＦＲの数の計数結果から差し引いて補正する。フリンジカウンタ３７及びＬＰＦ３８が実行する処理は、図５のステップＳ１０７〜ステップＳ１１０に相当する。
【００６４】
図９は、振動変位計測装置１による振動変位の計測結果の例を示す図である。
図９の上段には、計測対象面１００を振動させるために用いた駆動信号が示されている。この駆動信号により、計測対象面１００は、駆動信号と同一の位相で振動変位計測装置１からの距離方向に振動する。
図９の中段には、計測対象面１００で反射した戻り光との干渉により得られたセルフミキシング信号（検出信号）が示されている。
図９の下段には、セルフミキシング信号が重畳した検出信号を用いて生成された復元変位信号が示されている。このように、振動変位計測装置１によれば、上段の駆動信号（すなわち、計測対象面１００の振動変位）を正確に反映した復元変位信号が得られる。
【００６５】
図１０は、復元変位信号の補正の効果を示す図である。
図１０の上段には、復元変位信号を補正せず、単にフリンジ期間ＦＲを計数した結果をそのまま用いた場合の復元変位信号の例が示されている。このように、復元変位信号を補正しない場合には、変位方向を誤検出するたびに誤差が累積されて復元変位信号のＤＣレベルがシフトし、ダイナミックレンジの範囲外までシフトすると計測対象面１００の振動変位を反映した復元変位信号が得られなくなってしまう。
一方、図１０の下段には、ＬＰＦ３８からフィードバックされた復元変位信号の平均値に基づいて補正した場合の復元変位信号の例が示されている。このように、復元変位信号を補正することで、変位方向の誤検出があっても復元変位信号のＤＣレベルを一定に保つことが可能となり、計測対象面１００の振動変位を正確に反映した復元変位信号が得られる。この図１０の下段を拡大したものが、図９に相当する。
【００６６】
次に、上記実施形態の変形例について説明する。これらの変形例は、フリンジ期間ＦＲの区分方法、及び変位方向の判定方法が上記実施形態と異なる。以下では、上記実施形態との相違点について説明する。
【００６７】
（変形例１）
本変形例では、変位信号生成部３０は、図４（ｂ）の２値化信号のうち、値が０である区間と、当該区間の後の値が１である区間とからなる期間を１つのフリンジ期間ＦＲとして特定する。すなわち、検出信号（セルフミキシング信号）の大きさが平均値ＡＶＧ以上の値から平均値ＡＶＧ未満の値に切り替わる時点で区分されたフリンジ期間ＦＲを特定する。換言すれば、検出信号が平均値ＡＶＧを超えて立ち下がる時点でフリンジ期間ＦＲを区分する。
【００６８】
図１１は、変形例１に係る計測対象面１００の変位方向の特定方法を説明する図である。
本変形例では、変位信号生成部３０は、フリンジ期間ＦＲの半期における中心位置と、当該フリンジ期間ＦＲのうち検出信号が平均値ＡＶＧより小さい部分における検出信号の最小ピークＰｂの位置との関係に基づいて、計測対象面１００の変位方向を特定する。すなわち、図１１（ａ）に示すように、フリンジ期間ＦＲの開始時点から検出信号の最小ピークＰｂ（最小値）までの長さｎがｎ＞Ｔ／２を満たす場合には、計測対象面１００がレーザ素子２４（すなわち、振動変位計測装置１）に近づいている（接近している）と特定することができる。すなわち、フリンジ期間ＦＲの前半期における中心位置より後ろに検出信号の最小ピークＰｂがある場合に、当該フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に近付く方向であると特定することができる。
また、図１１（ｂ）に示すように、フリンジ期間ＦＲの開始時点から検出信号の最小ピークＰｂまでの長さｎがｎ＜Ｔ／２を満たす場合には、計測対象面１００がレーザ素子２４（すなわち、振動変位計測装置１）から遠ざかっている（離反している）と特定することができる。すなわち、フリンジ期間ＦＲの前半期における中心位置より前に検出信号の最小ピークＰｂがある場合に、当該フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に遠ざかる方向であると特定することができる。
【００６９】
（変形例２）
本変形例では、フリンジ期間ＦＲのうち、検出信号（セルフミキシング信号）が平均値ＡＶＧより大きい第１期間における検出信号の最大ピークＰａ、及び検出信号が平均値ＡＶＧより小さい第２期間における検出信号の最小ピークＰｂの少なくとも一方に基づいて、計測対象面１００の変位方向を特定する。上記の第１期間は、図４（ｂ）の２値化信号のうち値が１となっている期間、すなわち検出信号が平均値ＡＶＧを超えて立ち上がってから平均値ＡＶＧを超えて立ち下がるまでの期間（フリンジの山に対応する期間）に相当する。また、第２期間は、図４（ｂ）の２値化信号のうち値が０となっている期間、すなわち検出信号が平均値ＡＶＧを超えて立ち下がってから平均値ＡＶＧを超えて立ち上がるまでの期間（フリンジの谷に対応する期間）に相当する。
【００７０】
図１２は、変形例２に係る計測対象面１００の変位方向の特定方法を説明する図である。
このうち図１２（ａ）は、第１期間における検出信号の最大ピークＰａの位置から計測対象面１００の変位方向を特定する例を示している。ここでは、第１期間の長さをＴ１とした場合に、第１期間の開始時点から検出信号の最大ピークＰａまでの長さｎ１がｎ１＜Ｔ１／２を満たす場合には、計測対象面１００が近付いていると特定することができる。すなわち、第１期間の中心位置より前に検出信号の最大ピークＰａがある場合に、当該フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に近付く方向であると特定することができる。また、図示は省略されているが、ｎ１＞Ｔ１／２を満たす場合には、計測対象面１００が遠ざかっていると特定することができる。
【００７１】
また、図１２（ｂ）は、第２期間における検出信号の最小ピークＰｂの位置から計測対象面１００の変位方向を特定する例を示している。ここでは、第２期間の長さをＴ２とした場合に、第２期間の開始時点から検出信号の最小ピークＰｂまでの長さｎ２がｎ２＞Ｔ２／２を満たす場合には、計測対象面１００が近づいていると特定することができる。すなわち、第２期間の中心位置より後に検出信号の最小ピークＰｂがある場合に、当該フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に近付く方向であると特定することができる。また、図示は省略されているが、ｎ２＜Ｔ２／２を満たす場合には、計測対象面１００が遠ざかっていると特定することができる。
【００７２】
また、図１２（ｃ）は、第１期間及び第２期間の各々において変位方向を特定する例を示している。第１期間及び第２期間における変位方向の特定方法は、図１２（ａ）、図１２（ｂ）と同一である。この場合には、第１期間の最大ピークＰａの位置に基づいて特定された変位方向と、第２期間の最小ピークＰｂの位置に基づいて特定された変位方向とが互いに異なる場合には、そのフリンジ期間ＦＲについては復元変位信号に計数しない（すなわち、カウントダウンもカウントアップもしない）こととしても良い。
【００７３】
（変形例３）
上記実施形態では、変位信号生成部３０の各機能構成により検出信号から復元変位信号を生成したが、これに代えて、プログラム１３１に従ってＣＰＵ１１（コンピュータ）が行うソフトウェア処理により、検出信号から復元変位信号を生成しても良い。この場合の変位信号生成処理の流れも、図５に示すフローチャートと同様である。本変形例のＣＰＵ１１は、プログラム１３１に従って各種処理を実行することで、代表値取得手段、フリンジ期間特定手段、変位方向特定手段、計数手段、として機能する。
【００７４】
以上のように、本実施形態の振動変位計測装置１は、レーザ光を射出するレーザ素子２４と、レーザ素子２４から射出されたレーザ光の強度を検出して、レーザ素子２４から射出され計測対象面１００で反射してレーザ素子２４に戻入したレーザ光と、レーザ素子２４内のレーザ光との干渉によるセルフミキシング信号ＳＭ（ビート信号）が重畳した検出信号を出力するフォトダイオード２５と、検出信号に基づいて、計測対象面１００の変位に係る変位信号を生成する変位信号生成部３０と、を備え、変位信号生成部３０は、検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、検出信号の振幅範囲内の平均値ＡＶＧを取得し、平均値ＡＶＧと検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、セルフミキシング信号ＳＭの各周期に対応するフリンジ期間ＦＲを特定し、フリンジ期間ＦＲにおける検出信号の最大ピークＰａ及び最小ピークＰｂの少なくとも一方の位置に基づいて、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定し、フリンジ期間ＦＲの数を、特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数して復元変位信号（変位信号）を生成する。
このような構成によれば、検出信号にスペックル等によるノイズが含まれており検出信号の微分信号から計測対象面１００の変位方向を正確に特定できない場合においても、簡易な方法で正確に変位方向を特定することができる。すなわち、平均値ＡＶＧと検出信号との大小関係を判定する方法を用いることで、ノイズによる検出信号の振幅やＤＣレベルの変動があっても簡易かつ適切にフリンジ期間ＦＲを特定することができる。また、フリンジ期間ＦＲにおける検出信号のピークＰの位置を用いる簡易な方法により、ノイズにより検出信号の傾きが計測対象面１００の変位方向を反映しないものとなっていても、正確に変位方向を特定することができる。よって、検出信号の微分信号を用いる従来の技術と比較して、簡易かつ正確に振動変位を計測することができる。
また、フリンジ期間ＦＲごとに計測対象面１００の変位方向を特定することができるため、少なくとも変位方向の特定対象のフリンジ期間ＦＲに係る検出データ（より正確には、ＦＩＦＯ３１及びＬＰＦ３２で用いられるデータの方が多い場合には当該データも含む）を保持すれば足り、変位方向の特定が終了したフリンジ期間ＦＲに係る検出信号のデータは保持しておく必要がない。このため、振動変位の計測に必要な記憶容量、及び記憶素子の回路面積を小さく抑えることができるため、振動変位計測装置１の低コスト化及び小型化を実現することができる。
また、フリンジ期間ＦＲごとに計測対象面１００の変位方向を特定することができるため、リアルタイムで振動変位を計測することができる。
【００７５】
また、変位信号生成部３０は、フリンジ期間ＦＲの半期における中心位置と、フリンジ期間ＦＲのうち検出信号が平均値ＡＶＧより大きい部分における検出信号の最大ピークＰａの位置との関係、及び、フリンジ期間ＦＲの半期における中心位置と、フリンジ期間ＦＲのうち検出信号が平均値ＡＶＧより小さい部分における検出信号の最小ピークＰｂの位置との関係、の少なくとも一方に基づいて、計測対象面１００の変位方向を特定する。
また、変位信号生成部３０は、検出信号の大きさが平均値ＡＶＧ未満の値から平均値ＡＶＧ以上の値に切り替わる時点で区分されたフリンジ期間ＦＲを特定し、フリンジ期間ＦＲの前半期における中心位置より前に検出信号の最大ピークＰａがある場合に、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に近付く方向であると特定する。
これによれば、上記中心位置とピークＰの位置との位置関係を判定する簡易な処理で計測対象面１００の変位方向を正確に特定することができる。
【００７６】
また、変形例１に係る変位信号生成部３０は、検出信号の大きさが平均値ＡＶＧ以上の値から平均値ＡＶＧ未満の値に切り替わる時点で区分されたフリンジ期間ＦＲを特定し、フリンジ期間ＦＲの前半期における中心位置より前に検出信号の最小ピークＰｂがある場合に、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４から遠ざかる方向であると特定する。このように、検出信号が平均値ＡＶＧを超えて立ち下がる時点でフリンジ期間ＦＲを区分しても、簡易な処理で計測対象面１００の変位方向を正確に特定することができる。
【００７７】
また、変形例２に係る変位信号生成部３０は、フリンジ期間ＦＲのうち検出信号が平均値ＡＶＧより大きい第１期間における検出信号の最大ピークＰａの位置、及び検出信号が平均値ＡＶＧより小さい第２期間における検出信号の最小ピークＰｂの位置の少なくとも一方に基づいて、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定する。
また、変位信号生成部３０は、第１期間における中心位置と、当該第１期間における検出信号の最大ピークＰａの位置との関係、及び第２期間における中心位置と、当該第２期間における検出信号の最小ピークＰｂの位置との関係、の少なくとも一方に基づいて、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定する。
また、変位信号生成部３０は、第１期間における中心位置より前に検出信号の最大ピークＰａがある場合、及び第２期間における中心位置より後に検出信号の最小ピークＰｂがある場合に、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向が、レーザ素子２４に近付く方向であると特定する。
このような方法によっても、簡易な処理で計測対象面１００の変位方向を正確に特定することができる。
【００７８】
また、変形例２に係る変位信号生成部３０は、第１期間における検出信号の最大ピークＰａの位置、及び第２期間における検出信号の最小ピークＰｂの位置に基づいてフリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定し、第１期間及び第２期間についてそれぞれ特定された変位方向が互いに異なる場合には、当該第１期間及び第２期間を含むフリンジ期間ＦＲを計数せずに復元変位信号を生成する。これによれば、信頼性が低い変位方向の特定結果を排除することができるため、復元変位信号に誤差が累積されるのを効果的に抑制することができる。
【００７９】
また、変位信号生成部３０は、復元変位信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた復元変位信号の平均値に基づいて復元変位信号を補正する。これにより、変位方向の誤検出により復元変位信号に誤差が含まれた場合であっても、誤差が累積して復元変位信号のＤＣレベルがシフトするのを抑制することができる。また、復元変位信号の生成時点での平均値を用いることで、リアルタイムに復元変位信号を補正することができる。よって、復元変位信号に累積し得る誤差分のダイナミックレンジを大きく確保する必要がないため、回路面積を小さく抑えることができ、振動変位計測装置１の低コスト化及び小型化を実現することができる。
【００８０】
また、変位信号生成部３０は、復元変位信号の平均値ＡＶＧに対して１未満の所定の係数を乗じて得られた値を復元変位信号から差し引く補正を行う。これによれば、補正により復元変位信号のＤＣレベル及び平均値が急激に変化して以降の補正が適切に行えなくなる不具合の発生を抑制することができる。
【００８１】
また、本実施形態の振動変位計測方法は、検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、検出信号の振幅範囲内の平均値ＡＶＧを取得する代表値取得工程と、平均値ＡＶＧと検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、セルフミキシング信号ＳＭの各周期に対応するフリンジ期間ＦＲを特定するフリンジ期間特定工程と、フリンジ期間ＦＲにおける検出信号の最大ピークＰａ及び最小ピークＰｂの少なくとも一方の位置に基づいて、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定する変位方向特定工程と、フリンジ期間ＦＲの数を、特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数することで、計測対象面１００の変位に係る復元変位信号を生成する計数工程と、を含む。このような方法によれば、検出信号にスペックル等によるノイズが含まれていても、簡易かつ正確に振動変位を計測することができる。また、振動変位の計測に必要な記憶素子の回路面積を小さく抑えることができるため、振動変位計測装置１の低コスト化及び小型化を実現することができる。また、フリンジ期間ＦＲごとに計測対象面１００の変位方向を特定することができるため、リアルタイムで振動変位を計測することができる。
【００８２】
また、変形例３に係るプログラム１３１は、振動変位計測装置１に設けられたコンピュータとしてのＣＰＵ１１を、検出信号に対して所定の平滑化処理を行って得られた、検出信号の振幅範囲内の平均値ＡＶＧを取得する代表値取得手段、平均値ＡＶＧと検出信号との大小関係が切り替わる時点で区分された、セルフミキシング信号ＳＭの各周期に対応するフリンジ期間ＦＲを特定するフリンジ期間特定手段、フリンジ期間ＦＲにおける検出信号の最大ピークＰａ及び最小ピークＰｂの少なくとも一方の位置に基づいて、フリンジ期間ＦＲにおける計測対象面１００の変位方向を特定する変位方向特定手段、フリンジ期間ＦＲの数を、特定された変位方向に応じて加算及び減算を切り替えて計数することで、計測対象面１００の変位に係る復元変位信号を生成する計数手段、として機能させる。このようなプログラムにより振動変位計測装置１を動作させることで、検出信号にスペックル等によるノイズが含まれていても、簡易かつ正確に振動変位を計測することができる。また、振動変位の計測に必要な記憶素子の回路面積を小さく抑えることができるため、振動変位計測装置１の低コスト化及び小型化を実現することができる。また、フリンジ期間ＦＲごとに計測対象面１００の変位方向を特定することができるため、リアルタイムで振動変位を計測することができる。
【００８３】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、レーザ素子２４としてＶＣＳＥＬを用いる例を挙げて説明したが、これに限られず、半導体基板に平行な方向に光共振器が形成され基板の端面からレーザ光を射出する端面発光レーザを用いても良い。この場合には、前方の端面からレンズ３に向けてレーザ光を射出するとともに、後方の端面から射出されたレーザ光をフォトダイオード２５により検出する構成としても良い。これにより、フォトダイオード２５に入射するレーザ光の強度を大きくしてセルフミキシング信号ＳＭの検出精度を向上させることができる。
【００８４】
また、レーザ素子２４から射出されたレーザ光を光ファイバに導いて、光ファイバの他方側の端部から計測対象面１００にレーザ光を射出する構成としても良い。
【００８５】
また、復元変位信号を補正する際に、復元変位信号の代表値（平均値）に対して１未満の計数を乗じて得られた値を用いる例を挙げて説明したが、これに限られず、復元変位信号の代表値をそのまま復元変位信号から差し引く補正を行っても良い。
【００８６】
また、図７を用いて説明した計測対象面１００の変位方向の特定方法では、前半期の中心位置と最大ピークＰａとの位置関係のみに基づいて変位方向を特定したが、これに加えて、又はこれに代えて、後半期の中心位置と最小ピークＰｂとの位置関係に基づいて変位方向を特定しても良い。
また、図１１を用いて説明した計測対象面１００の変位方向の特定方法では、前半期の中心位置と最小ピークＰｂとの位置関係のみに基づいて変位方向を特定したが、これに加えて、又はこれに代えて、後半期の中心位置と最大ピークＰａとの位置関係に基づいて変位方向を特定しても良い。
【００８７】
また、上記実施形態では、ホストとしてのＣＰＵ１１を内蔵する振動変位計測装置１を例に挙げて説明したが、これに限られず、変位計測部２０に対応する構成要素を備え、外部に設けられたホストからホストＩ／Ｆ２１に入力された制御信号に応じて動作する構成としても良い。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の範囲は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲とその均等の範囲を含む。
【符号の説明】
【００８９】
１  振動変位計測装置
２  筐体
３  レンズ
１１  ＣＰＵ（コンピュータ）
１２  ＲＡＭ
１３  記憶部
１３１  プログラム
２０  変位計測部
２１  ホストＩ／Ｆ
２２  レーザ制御部
２３  レーザ駆動部
２４  レーザ素子
２４ａ  射出面
２５  フォトダイオード（検出部）
２５ａ  検出面
２６  電流電圧変換部
２７  増幅部
２８  アンチエイリアスフィルタ
２９  ＡＤＣ
３０  変位信号生成部
３１  ＦＩＦＯ
３２  ＬＰＦ
３３  比較部
３４  フリンジ期間検出部
３５  ピーク検出部
３６  変位方向特定部
３７  フリンジカウンタ
１００  計測対象面
ＡＶＧ  平均値（代表値）
ＦＲ  フリンジ期間
Ｐａ  最大ピーク
Ｐｂ  最小ピーク
ＳＭ  セルフミキシング信号（ビート信号）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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