(57)【要約】【課題】複雑な光軸調整をすることなく、可動部を有する微細部品からなる測定対象の多点の振動情報を同時に測定可能な振動計測装置を提供する。【解決手段】所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する光源部１０と、光源部１０で出射された測定光を周波数成分毎に分けて、可動部を有する微細部品からなる測定対象の測定面５９の複数点に顕微鏡光学系を介して照射する測定光学系と、測定光を測定光学系に入射するとともに、測定面５９で反射され顕微鏡光学系を介して入射された測定光と参照光との重ね合わせを行うための反射光学系とを有するヘッド部５０と、反射光学系によりにより重ね合わされた光に基づく干渉信号を検出する検出部３０と、検出した干渉信号に基づいて測定面５９の複数点における振動情報を解析する信号処理部７０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する光源部と、
上記光源部で出射された測定光を周波数成分毎に分けて、可動部を有する微細部品からなる測定対象の測定面の複数点に顕微鏡光学系を介して照射する測定光学系と、上記光源部で出射された測定光を上記測定光学系に入射するとともに、上記測定面で反射され上記顕微鏡光学系を介して入射された測定光と上記光源部から出射された参照光との重ね合わせを行うための反射光学系とを有するヘッド部と、
上記反射光学系により重ね合わされた光に基づく干渉信号を検出する検出部と、
上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を解析する信号処理部と
を備え、
上記測定光学系は、上記光源部で出射された測定光を周波数成分毎に分ける分光器と、上記分光器で周波数成分毎に分けられた測定光を集光して上記測定面の複数点に上記顕微鏡光学系を介して照射する集光部とを有し、
上記反射光学系は、上記光源部で出射された参照光を参照面に入射するとともに、上記参照面から戻ってくる参照光と、上記測定面で反射され上記顕微鏡光学系を介して入射された測定光とを重ね合わせて上記検出部に戻す振動計測装置。
【請求項２】
上記光源部は、
第１の発振器により第１の変調周波数の変調信号でレーザ光を変調して上記測定光としての第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生器と、
上記レーザ光の周波数をシフトする周波数シフタと、
第２の発振器により上記第１の変調周波数とは異なる第２の変調周波数の変調信号で、上記周波数シフタで周波数がシフトされたレーザ光を変調することにより、上記第１の光周波数コムとはモード周波数間隔が異なる上記参照光としての第２の光周波数コムを生成する第２の光周波数コム発生器と
を有する請求項１記載の振動計測装置。
【請求項３】
上記ヘッド部は、着脱自在なマウントアダプタを有し、該マウントアダプタを介して上記顕微鏡光学系が交換可能である請求項１又は２記載の振動計測装置。
【請求項４】
上記反射光学系は、
上記光源部で出射された測定光を上記測定光学系に入射するとともに上記光源部で出射された参照光を参照面に入射し、上記参照面から戻ってくる参照光と上記測定面で反射され上記顕微鏡光学系を介して入射された測定光とを重ね合わせて上記検出部に戻す偏光ビームスプリッタと、
上記偏光ビームスプリッタと上記参照面との間に配置され上記偏光ビームスプリッタから上記参照面までの光路長と上記偏光ビームスプリッタから上記測定面までの光路長とが同じとなるように、上記偏光ビームスプリッタと上記参照面との間の光路長を調整するステージ部と
をさらに有する請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の振動計測装置。
【請求項５】
上記検出部は、上記参照面から戻ってくる参照光と上記顕微鏡光学系を介して上記測定面から戻る測定光との第１の干渉光に基づく振動の反転した１組の第１の干渉信号の電流の差分を検出する測定光検出器と、上記光源部から出射された参照光と測定光との第２の干渉光に基づく振動の反転した１組の第２の干渉信号の電流の差分を検出する参照光検出器とをさらに有し、
上記信号処理部は、上記測定光検出器で検出した第１の干渉信号と上記参照光検出器で検出した第２の干渉信号との位相差に基づいて上記測定面の複数点における振動情報を解析する制御部を有する請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の振動計測装置。
【請求項６】
所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを光源部から出射する出射工程と、
測定光学系により、上記光源部で出射された測定光を周波数成分毎に分けて、可動部を有する微細部品からなる測定対象の測定面の複数点に顕微鏡光学系を介して照射する測定光照射工程と、
上記測定面で反射され、上記顕微鏡光学系を介して上記ヘッド部に入射された測定光と上記光源部から出射された参照光との干渉光を反射光学系により発生する干渉光発生工程と、
上記反射光学系で発生した干渉光に基づく干渉信号を検出部により検出する干渉信号検出工程と、
上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を信号処理部により解析する振動情報解析工程と
を有し、
上記測定光照射工程では、上記光源部で出射された測定光を上記測定光学系の分光器により周波数成分毎に分け、上記分光器で周波数成分毎に分けられた測定光を上記測定光学系の集光部により集光して上記測定面の複数点に上記顕微鏡光学系を介して照射し、
上記干渉光発生工程では、上記反射光学系により、上記光源部で出射された参照光を参照面に入射するとともに、上記参照面から戻ってくる参照光と上記測定面で反射され上記顕微鏡光学系を介して入射される測定光とを重ね合わせて上記検出部に戻す振動計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部を有する微細部品からなる測定対象の振動情報を光を用いて計測する振動計測装置及び振動計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスは、半導体集積回路作製技術等を用いて作成された機械要素部品を電気駆動することで機械的に動作させる可動部を有するデバイスである。このＭＥＭＳデバイスのように、可動部を有する微細部品からなる測定対象（以下、測定対象という。）の振動を検出して電気信号に変換して振動を測定する計測器として振動計が用いられる。振動計には、接触式と非接触式のものがある。接触式の振動計は、センサを測定対象物に接続して振動の加速度を計測する。非接触式の振動計は、センサの取り付けによって振動の状態が変化する場合、測定対象が回転体であって信号の読み出しが難しい場合、寸法や材質のためにセンサの取り付けが難しい場合等に用いられる。
【０００３】
非接触式の振動計としては、渦電流型、静電容量型、レーザ型、レーザドップラ型等がある。例えば、レーザドップラ型の振動計は、振動体にレーザ光を照射して、ドップラ効果による反射光の周波数変化（ドップラシフト）を観測して振動の測定を行うものである。
【０００４】
従来の振動計測装置においては、接触式、非接触式によらず、１つのヘッドについて１箇所の振動を計測するものであり、装置によっては、ヘッドを増設することにより複数ポイントの振動測定に対応できるものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０１９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
振動の発生原因や振動による負荷を調査するためには、測定対象の面内の振動分布の計測が求められる。例えば、定常的な振動であれば、振動の周期に合わせて場所をずらしながら振動計測を行うことによって、面内の振動分布を測ることができる。
【０００７】
しかしながら、過渡的に変化する振動を実時間で計測したい場合、どのような周波数成分の振動が含まれているか予め分からない場合等、数点の振動情報を同時に必要とする場合には、数点の振動情報を同時に測定できる振動計測装置が必要となる。
【０００８】
例えば、レーザドップラ振動計のような従来の装置においても多くのヘッドと干渉計を用い、装置間の同期をとりながら計測を行うことによって多点の振動測定が可能であるが、多点のレーザ光線の光軸調整や測定時刻の同期をとるのは容易ではない。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、複雑な光軸調整をすることなく、可動部を有する微細部品からなる測定対象における多点の振動情報を同時に測定可能な振動計測装置及び振動計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明に係る振動計測装置は、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する光源部と、上記光源部で出射された測定光を周波数成分毎に分けて、可動部を有する微細部品からなる測定対象の測定面の複数点に顕微鏡光学系を介して照射する測定光学系と、上記光源部で出射された測定光を上記測定光学系に入射するとともに、上記測定面で反射され上記顕微鏡光学系を介して入射された測定光と上記光源部から出射された参照光との重ね合わせを行うための反射光学系とを有するヘッド部と、上記反射光学系により重ね合わされた光に基づく干渉信号を検出する検出部と、上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を解析する信号処理部とを備え、上記測定光学系は、上記光源部で出射された測定光を周波数成分毎に分ける分光器と、上記分光器で周波数成分毎に分けられた測定光を集光して上記測定面の複数点に上記顕微鏡光学系を介して照射する集光部とを有し、上記反射光学系は、上記光源部で出射された参照光を参照面に入射するとともに、上記参照面から戻ってくる参照光と、上記測定面で反射され上記顕微鏡光学系を介して入射された測定光とを重ね合わせて上記検出部に戻す。
【００１１】
また、本発明に係る振動計測方法は、所定の周波数間隔のスペクトルであり、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを光源部から出射する出射工程と、測定光学系により上記光源部で出射された測定光を周波数成分毎に分けて、可動部を有する微細部品からなる測定対象の測定面の複数点に顕微鏡光学系を介して照射する測定光照射工程と、上記測定面で反射され、上記顕微鏡光学系を介して上記ヘッド部に入射された測定光と上記光源部から出射された参照光との干渉光を反射光学系により発生する干渉光発生工程と、上記反射光学系で発生した干渉光に基づく干渉信号を検出部により検出する干渉信号検出工程と、上記検出部により検出した干渉信号に基づいて、上記測定面の複数点における振動情報を信号処理部により解析する振動情報解析工程とを有し、上記測定光照射工程では、上記光源部で出射された測定光を上記測定光学系の分光器により周波数成分毎に分け、上記分光器で周波数成分毎に分けられた測定光を上記測定光学系の集光部により集光して上記測定面の複数点に上記顕微鏡光学系を介して照射し、上記干渉光発生工程では、上記反射光学系により、上記光源部で出射された参照光を参照面に入射するとともに、上記参照面から戻ってくる参照光と上記測定面で反射され上記顕微鏡光学系を介して入射される測定光とを重ね合わせて上記検出部に戻す。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複雑な光軸調整をすることなく、測定点間の時刻の同期を配慮せずに、複雑に変化する可動部を有する微細部品からなる測定対象における多点の振動情報を同時に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】振動計測装置の一例を示すブロック図である。
【図２】振動計測装置の一例を示すブロック図である。
【図３】光周波数コム発生器から出射される光周波数コムを周波数軸上で模式的に示す図である。
【図４】光周波数コム発生器から出射される測定光と参照光とを周波数軸上で模式的に示す図である。
【図５】ヘッド部の構成例を模式的に示す図である。
【図６】ヘッド部の構成例を模式的に示す図である。
【図７】ヘッド部の構成例を模式的に示す図である。
【図８】測定対象の一例を示す模式図である。
【図９】信号処理部の構成例を示すブロック図である。
【図１０】ヘッド部の構成例を模式的に示す図である。
【図１１】測定方法の一例を模式的に示す図である。
【図１２】（Ａ）は、ピエゾ素子の駆動周波数を１４ｋＨｚとしてステンレス板に光周波数コムを照射して振動を計測した結果を示す図であり、（Ｂ）は、ピエゾ素子の駆動周波数を７．４ｋＨｚとしてステンレス板に光周波数コムを照射して振動を計測した結果を示す図であり、（Ｃ）は、ピエゾ素子の駆動周波数を２．６ｋＨｚとしてステンレス板に光周波数コムを照射して振動を計測した結果を示す図であり、（Ｄ）は、ピエゾ素子の駆動周波数を４５０Ｈｚとしてステンレス板に光周波数コムを照射して振動を計測した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、発明を実施するための形態（以下、実施の形態とする）について説明する。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る振動計測装置１は、光源部１０と検出部３０とヘッド部５０と信号処理部７０とから構成される。振動計測装置１においては、光源部１０が、所定の周波数間隔のスペクトルであり互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する。また、ヘッド部５０が、光源部１０で出射された測定光を周波数成分毎に分けて、測定対象の測定面の複数点に顕微鏡光学系を介して照射する測定光学系と、測定面で反射され顕微鏡光学系を介して入射された測定光と光源部１０から出射された参照光との重ね合わせを行うための反射光学系とを有する。また、検出部３０が、ヘッド部５０の反射光学系により重ね合わされた光に基づく干渉信号を検出する。そして、信号処理部７０が、検出部３０により検出した干渉信号に基づいて、測定面の複数点における振動情報を解析する。振動計測装置１のヘッド部５０においては、後に詳述するように、測定光を周波数成分毎に分けて測定対象の複数点に顕微鏡光学系を介して照射することにより、光軸調整をすることなく測定点間の時刻の同期を配慮せずに、顕微鏡の倍率に応じて可動部を有する微細部品からなる測定対象における多点の振動情報を同時に測定することが可能となる。
【００１５】
続いて、振動計測装置１における各構成について具体的に説明する。図２に示すように、光源部１０は、周波数がνのレーザ光を出射するレーザ光源１１と、ビームスプリッタ１２と、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１）１３と、光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）１４と、発振器１５，１６，１７と、周波数をシフトさせる周波数シフタ（ＡＯＦＳ）１８と、位相同期させるための基準発振器１９とを備える。光源部１０では、所定の周波数間隔のスペクトルであって、互いに変調周波数及び中心周波数が異なり、互いに位相同期され干渉性のある参照光と測定光とを出射する。
【００１６】
光周波数コム発生器１４の前段には、周波数シフタ１８が設けられている。周波数シフタ１８は、例えば、内部に発生した超音波により音響光学相互作用で参照光の位相を変化させる音響光学変調器（ＡＯＭ：acoustooptic modulator）からなる。この周波数シフタ１８は、例えば、発振器１７の出力により動作し、レーザ光源１１から入射されたレーザ光の周波数をｆａだけシフトさせて、光周波数コム発生器１４に出射する。また、発振器１７は、基準発振器１９により位相同期される。
【００１７】
光源部１０を構成する２台の光周波数コム発生器１３，１４は、例えば、レーザ外部で光の強度や位相を変調する電気光学変調器（ＥＯＭ）と、このＥＯＭを挟むように対向して配設された反射鏡とからなり、電気光学変調器と反射鏡とで光発振器を構成してなるファブリペロー型電気光学変調方式の光周波数コム発生器が用いられる。この他にも、光周波数コム発生器１３，１４としては、ＬｉＮｂＯ３結晶を使った位相変調器、強度変調器、半導体の吸収や位相の変化を利用する変調器等を用いることができる。
【００１８】
光周波数コム発生器１３，１４は、互いに異なる周波数により駆動される。例えば、光周波数コム発生器１３は、周波数ｆｍで発振する発振器１５により駆動し、光周波数コム発生器１４は、周波数ｆｍ＋△ｆｍで発振する発振器１６により駆動する。発振器１５，１６は、共通の基準発振器１９により位相同期されることで、ｆｍ＋△ｆｍとｆｍとの相対周波数が安定になる。
【００１９】
光周波数コム発生器１３，１４では、レーザ光源１１から出射されたレーザ光に基づいて一定間隔の離散的な周波数成分からなる光である光周波数コムを発生して出射する。図３に示すように、光周波数コムは、光周波数νを中心にマイクロ波周波数（変調信号の周波数）ｆｍに一致する等周波数間隔で発生させた側波帯（サイドバンド）を有する光であり、光周波数コムの中心周波数が入射されるレーザの光周波数νに一致している。光周波数νは、数百ＴＨｚの領域であるため、光の位相情報を直接取り扱うことが難しいが、ｆｍは高くても数十ＧＨｚの領域なので、従来の電子回路技術で位相情報を容易に扱うことができる。したがって、光周波数コムを用いることにより、相対的な光の周波数や位相の情報を、光周波数コムが存在している帯域内で電気的に取り扱うことが可能となる。
【００２０】
光周波数コム発生器１３，１４では、例えば、図４に示すような周波数の光周波数コム（ＯＦＣ１、ＯＦＣ２）を出射する。図４（Ａ）は、光周波数コム発生器１３から出射された光周波数コム（測定光：ＯＦＣ１）を表しており、図４（Ｂ）は、光周波数コム発生器１４から出射された光周波数コム（参照光：ＯＦＣ２）をそれぞれ表している。図４に示す光周波数コムは、光パルスの繰り返し周波数に一致したコム状のモードを持っている。モード間隔は、図４（Ａ）に示す測定光がｆｍであり、図４（Ｂ）に示す参照光がｆｍ＋△ｆｍである。
【００２１】
図４に示す例では、スペクトル中央のモードを中心にモード番号を付け、Ｎ＝０のモード間の干渉信号の周波数をｆａと仮定している。この図４に示す例において、中心周波数成分を０番目として数えてモードにつけた番号をＮとすると、Ｎ番目のビート周波数は、以下の（１）式のように表わされ、光周波数コムのモードによって異なる周波数に出る。
Ｎ番目のビート周波数＝ｆａ＋Ｎ△ｆｍ              （１）
【００２２】
以上説明した光源部１０においては、光周波数コム発生器１３が発振器１５による変調周波数の変調信号でレーザ光を変調して測定光としての光周波数コムを生成し、周波数シフタ１８がレーザ光の周波数をシフトし、発振器１６が周波数シフタ１８で周波数がシフトされたレーザ光を発振器１５による変調周波数とは異なる変調周波数の変調信号で変調することにより、モード周波数間隔が異なる参照光としての光周波数コムを生成することができる。すなわち、光源部１０においては、単一レーザ光を入力とし、駆動周波数がそれぞれ異なる２台の光周波数コム発生器１３及び光周波数コム発生器１４を備えることにより、同じビート周波数に複数の光周波数コムの情報が重ならないため、振動情報を検出する際に光周波数コムを周波数成分に分けずに１個の検出器で測定対象の測定面における多点の振動情報を分離して検出することが可能となる。なお、光源部１０としては、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、かつ、キャリア周波数が安定化された２台の光源、例えばモード同期レーザを用いてもよい。
【００２３】
続いて、検出部３０の具体的な構成例について説明する。図２に示すように、検出部３０は、入力部３１，３２と、アイソレータ３３と、偏光ビームスプリッタ３４と、無偏光ビームスプリッタ３５と、測定光検出器３６と、参照光検出器３７と、測定光出力部３８と、参照光出力部３９と、入出力部４０とを備える。本実施の形態に係る振動計測装置１においては、検出部３０における測定光検出器３６及び参照光検出器３７以外の光学系、すなわち、入力部３１，３２とアイソレータ３３と偏光ビームスプリッタ３４と無偏光ビームスプリッタ３５と測定光出力部３８と参照光出力部３９と入出力部４０とを干渉光学系と定義する。
【００２４】
検出部３０の入力部３１では、光源部１０の出力部２０を介して出力された光周波数コム発生器１３からの測定光を入力する。また、検出部３０の入力部３２では、光源部１０の出力部２１を介して出力された光周波数コム発生器１４からの参照光を入力する。アイソレータ３３ａ、３３ｂは、光を単一方向にだけ通すものである。アイソレータ３３ａでは、入力部３１で入力された測定光を偏光ビームスプリッタ３４の方向に伝え、アイソレータ３３ｂでは、入力部３２で入力された参照光を偏光ビームスプリッタ３４の方向に伝える。偏光ビームスプリッタ３４は、アイソレータ３３ａを介して入射した測定光とアイソレータ３３ｂを介して入射した参照光とを混合して重ね合わせることにより、参照光と測定光を直交する偏光で重ね合わせ、重ね合わされた光を無偏光ビームスプリッタ３５に入射する。無偏光ビームスプリッタ３５は、偏光ビームスプリッタ３４により発生した干渉光を所定の比率で参照光検出器３７に向かう光とヘッド部５０に向かう光とに分離する。
【００２５】
測定光検出器３６は、アイソレータ３６ａ、偏光ビームスプリッタ３６ｂ、２つの検出素子３６ｃ、検出素子３６ｄ、差分器３６ｅ及び半波長板３６ｆで構成されている。測定光検出器３６においては、後に詳述するヘッド部５０の反射光学系を介して入射された干渉光に基づく振動の反転した１組の第１の干渉信号の電流の差分を検出する。すなわち、測定光検出器３６においては、無偏光ビームスプリッタ３５により分離された干渉光が、アイソレータ３６ａを介して半波長板３６ｆに入射され、半波長板３６ｆで偏光軸が４５°に調整された後に偏光ビームスプリッタ３６ｂに入射される。そして、偏光ビームスプリッタ３６ｂに入射された干渉光が偏光ビームスプリッタ３６ｂで２つに分割され、分割された干渉光がそれぞれ検出素子３６ｃ及び検出素子３６ｄに入力される。そして、検出素子３６ｃ及び検出素子３６ｄで検出された干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を差分器３６ｅで取り出す。測定光検出器３６において検出された干渉信号、すなわち、光周波数コム発生器１３と光周波数コム発生器１４との光路差及び参照面と測定面の距離差の和に応じた干渉信号は、測定光出力部３８を介して出力される。測定光出力部３８から出力された干渉信号は、アッテネータ４１で所定の信号レベルに減衰され、増幅器４２で増幅された後に信号処理部７０に入力される。このように測定光検出器３６においては、干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を検出することで干渉信号が強調され、光源部１０の強度雑音のような干渉によらない変化分を相殺することができる。
【００２６】
参照光検出器３７は、アイソレータ３７ａ、偏光ビームスプリッタ３７ｂ、２つの検出素子３７ｃ、検出素子３７ｄ、差分器３７ｅ及び半波長板３７ｆで構成されている。参照光検出器３７においても、測定光検出器３６と同様に干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を検出することで干渉信号が強調され、光源部１０の強度雑音のような干渉によらない変化分を相殺することができる。参照光検出器３７で検出された干渉信号、すなわち、光周波数コム発生器１３と光周波数コム発生器１４との光路差に応じた干渉信号は、測定光出力部３８を介して出力される。参照光出力部３９から出力された干渉信号は、アッテネータ４３で所定の信号レベルに減衰され、増幅器４４で増幅された後に信号処理部７０に入力される。
【００２７】
続いて、ヘッド部５０の具体的な構成例について説明する。図２に示すように、ヘッド部５０は、大別すると反射光学系と測定光学系とからなる。ヘッド部５０の反射光学系は、コリメータ５２とファラデー回転子（ＦＲ）５３と半波長（λ／２）板５４と偏光ビームスプリッタ５５と参照面５６とからなる。本実施の形態に係る振動計測装置１においては、図２に示すヘッド部５０の入出力部５１から参照面５６までの光学系を反射光学系と定義する。また、ヘッド部５０の測定光学系は、分光器（分散素子）５７と集光部５８と、図示しない顕微鏡レンズからなる顕微鏡光学系とからなる。本実施の形態に係る振動計測装置１においては、図２に示す分光器５７から測定面５９までの光学系を測定光学系と定義する。
【００２８】
まず、ヘッド部５０においては、検出部３０の入出力部４０から出力された測定光と参照光とが、例えば偏波面保持ファイバ等のファイバケーブルを介してヘッド部の入出力部５１に入力され、この入力された測定光と参照光とが、凸レンズや非球面で構成されるコリメータ５２により平行な光とされる。コリメータ５２で平行な光とされた測定光と参照光は、ＦＲ５３を通過した後、半波長板５４によりＯＦＣＧ２（参照光）が偏光ビームスプリッタ５５に反射、ＯＦＣＧ１（測定光）が偏光ビームスプリッタ５５を透過となるように偏光面を調整され、偏光ビームスプリッタ５５に入射される。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ５５は、半波長板５４から入射された光を偏光に応じて参照光と測定光とに分離し、分離した参照光を参照面５６に入射するとともに、分離した測定光を分光器５７に入射する。さらに、偏光ビームスプリッタ５５は、参照面５６で反射された参照光と測定面５９で反射された測定光を直交した偏光で重ね合わせ、重ね合わされた光を半波長板５４に照射する。
【００３０】
ヘッド部５０の分光器５７は、例えば図５に示すように、周波数（波長）に応じて異なる角度で光を回折する回折格子のような機能を有し、偏光ビームスプリッタ５５で分離した測定光を周波数成分毎に分ける。分光器５７としては、例えば、図６（Ａ）に示すように、入射した測定光を集光部５８に反射する反射型の回折格子５７ａや、図６（Ｂ）に示すように入射した測定光を集光部５８に透過する透過型の回折格子５７ｂを用いることができる。例えば、分光器５７として図６（Ａ）に示す回折格子を用いた場合には、測定光である光周波数コムが周波数スペクトルの広がりに応じたシート状になって測定対象の測定面５９に照射される。本実施の形態に係る振動計測装置１においては、測定対象が滑らかに繋がった表面に限定されず、光周波数コムの各モードをそれぞれ独立に振動する物体に照射することも可能である。
【００３１】
集光レンズや凹面鏡で構成される集光部５８は、分光器５７により空間的に分離された光を集光し、顕微鏡光学系を介して測定対象に入射する。顕微鏡光学系を介して測定対象に入射された測定光は、測定面５９における各測定点に照射された後、反射して顕微鏡光学系を介して集光部５８を通過し、分光器５７で再び１本のビームに束ねられる。測定面５９の測定点からヘッド部５０に反射された戻り光（測定光）の位相は、測定面５９の位置に応じた位相のシフトを受ける。例えば、測定面５９が動いている場合には、戻り光の周波数が測定面５９の速度に比例したドップラシフトを受ける。ドップラシフトとは、ある一定の周波数成分を持つ音波、電波又は光波をある速度で移動している物体に当てると、移動物体の持つ速度成分に比例して周波数が変化する現象をいう。
【００３２】
また、図７に示すように、ヘッド部５０は、ステージ部６０とミラー６１とレーザポインタ６２とマウントアダプタ６３とマウントアダプタ６３上に載置された顕微鏡レンズ６４とレンズ６５とミラー６６とを備える。ヘッド部５０においては、着脱自在なマウントアダプタ６３を介して顕微鏡レンズ６４が交換可能である。ヘッド部５０は、顕微鏡レンズ６４をマウントアダプタ６３に取り付けることで顕微鏡として使用可能となる。
【００３３】
ヘッド部５０においては、検出部３０から入射された参照光と測定光とが偏光ビームスプリッタ５５で分離され、分離した参照光が参照面５６に入射される。偏光ビームスプリッタ５５で分離した測定光は、レンズ６５及びミラー６６を介して分光器５７に入射され、入射された測定光が分光器５７により周波数毎に分離されて凹面鏡で構成される集光部５８に入射する。集光部５８では周波数毎に分離された光周波数コムが集光される。すなわち、集光部５８では、測定面５９に向けて分光器５７から入射された測定光のビームを絞りながら空間ビームを出力する。集光部５８から出射された測定光は、マウントアダプタ６３に取り付けられた顕微鏡レンズ６４を介して測定対象の測定面５９に照射される。また、ヘッド部５０においては、測定面５９からの測定光の戻り光が顕微鏡レンズ６４を介して集光部５８に入射され、この入射された測定光が分光器５７に入射されて再び１本のビームに束ねられ、ミラー６６及びレンズ６５を介して入出力部５１から出力される。
【００３４】
このようにヘッド部５０においては、顕微鏡レンズ６４をマウントアダプタ６３に取り付けることにより、顕微鏡の倍率に応じて測定面５９における小さなエリア、すなわち、測定対象の多点の振動情報を測定間の時刻の同期を配慮せずに同時に測定することが可能となる。例えば、振動計測装置１においては、測定対象として、図８（Ａ）に示すように走査型プローブ顕微鏡において使用され走査型プローブ顕微鏡において使用され光学顕微鏡の対物レンズに相当するカンチレバー６７や、図８（Ｂ）に示すように可動電極６８を有するＭＥＭＳデバイスの振動測定が可能となる。ＭＥＭＳデバイスとは、半導体集積回路作製技術等を用いて作成された機械要素部品を電気駆動することで機械的に動作させる可動部を有するデバイスである。
【００３５】
また、ヘッド部５０におけるレーザポインタ６２は、例えば赤色レーザビームで測定対象に照射される測定光の中心位置やフォーカスポイントを特定するためのものである。ヘッド部５０は、レーザポインタ６２を備えることにより、顕微鏡レンズ６４を介して測定対象の振動情報を計測する際に、フォーカス位置を容易に特定することが可能となる。
【００３６】
ここで、レーザの発振スペクトル線幅が広い時には可干渉距離が短いため、偏光ビームスプリッタ５５から参照面５６までの光路長と偏光ビームスプリッタ５５から測定面５９までの光路長とのずれの影響を受けやすく、検出部３０で検出される干渉信号の周波数成分の幅が広がってしまう。そこで、ヘッド部５０は、図７に示すように、偏光ビームスプリッタ５５と参照面５６との間に配置され、偏光ビームスプリッタ５５から参照面５６までの光路長と偏光ビームスプリッタ５５から測定面５９までの光路長とが同じとなるように偏光ビームスプリッタ５５と参照面５６との間の光路長を調整するステージ部６０を備える。また、ステージ部６０と参照面５６との間は光ファイバで接続されており、偏光ビームスプリッタ５５と参照面５６との間の光路長を長くすることができる。ヘッド部５０において、偏光ビームスプリッタ５５で分離された参照光は、ミラー６１を介してステージ部６０に入射される。このようなステージ部６０を備える振動計測装置１においては、レーザ光の周波数がゆらいだ場合でも、偏光ビームスプリッタ５５から参照面５６又は測定面５９までの往復時間を同じにすることができるため、検出部３０で検出される干渉信号の周波数成分の幅が広くなることを防止して、干渉信号を鋭くすることができる。
【００３７】
続いて、信号処理部７０の構成例について説明する。図９に示すように、信号処理部７０は、測定光検出器３６で検出された第１の干渉信号が入力される入力部７１と、参照光検出器３７で検出された第２の干渉信号が入力される入力部７２と、入力部７１を介して入力された第１の干渉信号及び入力部７２を介して入力された第２の干渉信号をタイミングジェネレータ７７から供給される周波数に基づいてデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器７３と、Ａ／Ｄ変換器７３で変換した第１の干渉信号と第２の干渉信号との位相差に基づいて測定面５９の複数点における振動情報を解析する制御部７４とを備える。また、信号処理部７０は、制御部７４で処理された情報を一時保存するためのバッファメモリ７５と、インターフェース７６と、制御部７４と接続される入出力部７８とを備える。信号処理部７０としては、例えばＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)を含む信号処理ボードを用いることができる。
【００３８】
信号処理部７０の制御部７４では、Ａ／Ｄ変換器７３により変換した干渉信号における周波数コムの各モードの情報をプログラムにより高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のような周波数解析で分離することで、測定面５９の複数点における振動情報を解析する。モード情報が分離された後の１点毎の振動測定については、従来のレーザドップラ振動計と同様の原理で行うことができる。測定面５９における１点毎の振動測定の原理については、上述した測定面５９で反射された測定光における周波数シフト、すなわち、ドップラシフトを利用して測定面５９の速度成分を測定する。例えば、光の波長をλとしたとき、ドップラシフト分の周波数変化ｆｄと測定面５９の振動速度Ｖとの間には、下記（２）式の関係が成立する。
ｆｄ＝２Ｖ／λ        （２）
【００３９】
したがって、振動計測装置１においては、測定面５９の測定点に対応するビート周波数の位相や周波数を観測することによって、ドップラシフト分の周波数変化ｆｄから、測定面５９の振動情報、例えば、振動速度、移動距離、加速度等を解析することができる。
【００４０】
以上説明したように、振動計測装置１においては、マウントアダプタ６３上に顕微鏡レンズ６４を取り付けることにより、光軸調整をすることなく測定点間の時刻の同期を配慮せずに、顕微鏡の倍率に応じて可動部を有する微細部品からなる測定対象における多点の振動情報を同時に測定することが可能となる。
【００４１】
また、振動計測装置１は、光源部１０が単一レーザ光を入力とし、駆動周波数の異なる光周波数コム発生器を２台備えることにより、同じビート周波数に複数の光周波数コムの情報が重ならないため、検出の際にも光周波数コムを周波数成分に分けずに１個の検出器で測定面５９における多点の振動情報を分離して検出することができ、複数点の振動情報を同時に測定することが可能となる。
【００４２】
さらに、振動計測装置１においては、光源部１０として２台の光周波数コム発生器を使用することにより、ヘッド部５０の参照面５６の位置をスキャンすることなく、ほぼリアルタイムに干渉信号を得ることが可能となる。さらに、振動計測装置１においては、測定光検出器３６及び参照光検出器３７で干渉光に基づく振動の反転した１組の干渉信号の電流の差分を検出することにより干渉信号が強調されるため、光源部１０の強度雑音のような干渉によらない変化分を相殺することができる。
【００４３】
さらにまた、振動計測装置１においては、光周波数コムを干渉させたものを使用しているため、レーザ光や測定対象をスキャンする必要がなく、また、測定の同期を気にせずに複雑に変化する多点の振動情報を短時間に可視化することが可能となる。
【００４４】
また、振動計測装置１のヘッド部５０においては、偏光ビームスプリッタ５５と参照面５６との間に配置され、偏光ビームスプリッタ５５から参照面５６までの光路長と偏光ビームスプリッタ５５から測定面５９までの光路長とが同じとなるように、偏光ビームスプリッタ５５と参照面５６との間の光路長を調整するステージ部６０を備えることにより、レーザ光の周波数がゆらいだ場合でも、偏光ビームスプリッタ５５から参照面５６又は測定面５９までの往復時間を同じにすることができるため、干渉信号を鋭くすることができる。
【００４５】
ここで、測定面５９の数点の振動情報の計測であれば、従来から用いられているレーザドップラ振動計を複数用い、この複数のドップラ振動計において測定の同期をとることでも可能と考えられる。しかし、複数のドップラ振動計において測定の同期をとることで数百点程度の多点の振動情報の測定を行うことは、光軸調整を個別に行わなければならないこと、測定時刻の同期をとるのが難しいこと等を考えると現実的ではない。このような実情に鑑みて、本実施の形態に係る振動計測装置１では、上述したような構成により同期をとって測定面５９の多点の振動情報を測定することができ、これによりリアルタイムでその瞬間の振動の様子の可視化、表示及びモード解析等が可能となる。
【００４６】
続いて、本実施の形態に係る振動計測装置１による実施例について説明する。図１０は、振動計測装置１のヘッド部５０における顕微鏡光学系の構成例を示す模式図である。図１０に示すように、ヘッド部５０の顕微鏡レンズ６４と測定面であるステンレス板８２との間にヘッド部５０から出射された測定光の倍率を変えるためのレンズ８０及びレンズ８１を配置し、ヘッド部５０から出射された測定光がレンズ８０及びレンズ８１を介して測定対象であるステンレス板８２に照射され、ステンレス板８２で反射された測定光が再びレンズ８１及びレンズ８０を介してヘッド部５０に入射されるようにした。また、図１０及び図１１に示すように、ｆ１＝１００ｍｍ、ｆ２＝１００ｍｍとして顕微鏡の倍率を１倍に設定し、ステンレス板８２に測定光（光周波数コム）が照射される部分が１０ｍｍとなるようにした。
【００４７】
図１２（Ａ）〜（Ｄ）は、ステンレス板８２の振動情報を計測した結果を示す図である。図１２（Ａ）〜（Ｄ）は、ピエゾ素子の駆動周波数を１４ｋＨｚ、７．４ｋＨｚ、２．６ｋＨｚ、４５０Ｈｚとしたときの結果である。図１２（Ａ）〜（Ｄ）において、縦軸は時間を表しており、横軸は光周波数コムの次数（測定光が照射される空間）を表している。また、図１２（Ａ）〜（Ｄ）において、白い部分は振幅がプラスであることを表しており、黒い部分は振幅がマイナスであることを表している。
【００４８】
図１２（Ａ）〜（Ｄ）に示す結果から、ピエゾ素子８３の駆動周波数を高くするにつれて、縦軸の間隔が細かくなっていることが分かる。また、図１２（Ａ）に示す結果では横軸の次数４５付近、図１２（Ｂ）に示す結果では横軸の次数６５付近が、それぞれ振動の節の位置となっており、ピエゾ素子８３の駆動周波数に応じて振動の腹・節の位置が変化していることが分かる。さらに、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示す結果から、時間の経過につれて振動の振幅が反転していることが分かる。
【００４９】
以上のように、図１２（Ａ）〜（Ｄ）に示す結果から、本実施の形態に係る振動計測装置１によれば、複雑な光軸調整をすることなく測定点間の時刻の同期を配慮せずに可動部を有する微細部品からなる測定対象における多点の振動情報を計測可能であることが分かる。
【符号の説明】
【００５０】
１  振動計測装置、１０  光源部、１１  レーザ光源、１３，１４  光周波数コム発生器、１５，１６，１７  発振器、１８  周波数シフタ、１９  基準発振器、３０  検出部、３５  無偏光ビームスプリッタ、３６  測定光検出器、３７  参照光検出器、５０  ヘッド部、５５  偏光ビームスプリッタ、５６  参照面、５７  分光器、５８  集光部、５９  測定面、６０  ステージ、６２  レーザポインタ、６３  マウントアダプタ、６４  顕微鏡レンズ、７０  信号処理部、７３  Ａ／Ｄ変換器、７４  制御部、８２  ステンレス板、８３  ピエゾ素子
【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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