(57)【要約】【課題】  短い測定時間、高い空間分解能で、被測定面の変形量が大きい場合でも、鏡面可動物の変位速度分布及び変位量分布を取得する周期可動物の速度測定装置及び変位測定装置を提供する。【解決手段】  略周期運動する被測定物にパルス光を照射するための光源２と、被測定物１の変位と光源２によるパルス光の発光とのタイミングを調整するタイミング調整手段１２と、被測定物１からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系６と、干渉光学系６による干渉縞を撮像するための撮像手段８と、撮像手段８による干渉縞画像から干渉縞のコントラストを検出し、干渉縞のコントラストと被測定物１の面の略法線方向への変位速度との相関関係から被測定物１の面の略法線方向への変位速度を求める演算器１１を備えるようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略周期運動する被測定物にパルス光を照射するための光源と、前記被測定物の変位と前記光源によるパルス光の発光とのタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系による干渉縞を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段による干渉縞画像から干渉縞のコントラストを検出し、前記干渉縞のコントラストと前記被測定物の面の略法線方向への変位速度との相関関係から前記被測定物の面の略法線方向への変位速度を求める演算手段と、を備えることを特徴とする周期可動物の速度測定装置。
【請求項２】
前記光源からのパルス光のパルス幅の変化に付随して前記光源から前記被測定物に照射する光の光量を調整するための照射光量調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の周期可動物の速度測定装置。
【請求項３】
前記撮像手段にて取得した干渉縞画像をフーリエ変換し、周波数空間で干渉縞の傾き成分を取り除いたのち逆フーリエ変換して得られる複素振幅の振幅情報、あるいは振幅の二乗の情報を前記干渉縞のコントラストとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の周期可動物の速度測定装置。
【請求項４】
前記被測定物の面の法線方向への変位速度をＶとし、前記光源の波長をλとし、前記干渉縞のコントラストがほぼなくなるときのパルス幅をｔとし、Ｖ＝λ／（２・ｔ）の関係から前記Ｖを求めることを特徴とする請求項２記載の周期可動物の速度測定装置。
【請求項５】
前記照射光量検出手段の機能を前記撮像手段に持たせたことを特徴とする請求項２記載の周期可動物の速度測定装置。
【請求項６】
略周期運動する被測定物にパルス光を照射するための光源と、前記被測定物の変位と前記光源によるパルス光の発光とのタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系による干渉縞を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段による干渉縞画像から干渉縞のコントラストを検出し、前記干渉縞のコントラストと前記被測定物の面の略法線方向への変位量との相関関係から被測定物の面の略法線方向への変位量を求める演算手段と、を備えることを特徴とする周期可動物の変位測定装置。
【請求項７】
前記光源からのパルス光のパルス幅の変化に付随して前記光源から前記被測定物に照射する光の光量を調整するための照射光量調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の周期可動物の変位測定装置。
【請求項８】
前記撮像手段にて取得した干渉縞画像をフーリエ変換し、周波数空間で干渉縞の傾き成分を取り除いたのち逆フーリエ変換して得られる複素振幅の振幅情報、あるいは振幅の二乗の情報を前記干渉縞のコントラストとすることを特徴とする請求項６または７記載の周期可動物の変位測定装置。
【請求項９】
前記被測定物の変位量をＡとし、前記光源の波長をλとし、前記被測定物の変位周波数をｆとし、前記干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときのパルス幅をｔとし、Ａ＝λ／（４・ｆ・ｔ）の関係から前記Ａを求めることを特徴とする請求項７記載の周期可動物の変位測定装置。
【請求項１０】
前記照射光量検出手段の機能を前記撮像手段に持たせたことを特徴とする請求項７記載の周期可動物の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光応用計測分野及び可動物の動作性能評価分野において略周期運動をする鏡面可動物の変位速度、または変位量を測定する周期可動物の速度測定装置及び変位測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から略周期運動をする鏡面可動物の変位速度、または変位量を測定する装置が存在しており、共振中のミラー面には共振に伴う慣性力の影響が懸念されるため、共振中のミラー面の挙動を評価するようになされることが知られている（例えば特許文献１乃至４参照）。
図７は測定対象の一例である共振ミラーを示す概略斜視図である。共振ミラー１は計測器や画像表示装置などの様々な用途において、ビーム走査に使用される部品である。
図７において、共振ミラー１は、ミラー面１ａがベース１ｂに取り付いていて軸１ｃを回転軸にして矢印の方向に共振（揺動）することにより、ミラー面１ａに照射された光ビームを走査する。
この場合に、共振中のミラー面１ａには共振に伴う慣性力の影響が懸念されるため、上述したように、共振中のミラー面の挙動を評価したいという要求が存在する。
可動物の挙動の測定方法として、特許文献１に示すレーザドップラ方式や、特許文献２に示すレーザ干渉計（測長器）方式がある。
これらの方法では細いレーザビームの当たる領域のみの速度を測定する、所謂点計測であるため、被測定物の面全体で変位や速度を求めるには照射するレーザビームを二次元的に走査する必要があり、測定に時間を要する。また、面内の空間分解能が照射するレーザのビーム径により決まるため、空間分解能が上がらないという問題がある。
また二次元画像を収録して速度を求める方法として、特許文献３に示すスペックルパターンを用いる方法があるが、スペックル方式では、スペックルパターンを発生させるために被測定物は微視的に複雑な表面形状である必要がある。ミラー面ではスペックルパターンが発生しないため、被測定物が鏡面可動物である場合対応が困難である。
また特許文献４には、被測定物に被測定物の変位速度に対して時間的に十分短いパルス光を照射して干渉縞を発生させ、取得した干渉縞から変位中の被測定物の表面形状を求める技術が開示されている。
【特許文献１】特許第２８０７７８２号
【特許文献２】特許第２５９２２５４号
【特許文献３】特許第３３５３３６５号
【特許文献４】特許第３１５０２３９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献４に示す方法ではパルス光を照射した瞬間の表面形状は測定できるが、共振中のミラー面の挙動を全て取得できない。また被測定物の変形量が面の場所によって大きく異なると、干渉縞が空間的に密になりすぎて撮像手段のサンプリングピッチより細かくなって測定ができなくなるという問題が生じる。
さらに、被測定物に光を照射し、その反射光から干渉縞を形成する。光の照射中に被測定面が変位すると、変位に応じてパターンを変化させる干渉縞が照射パルス光のパルス幅の時間内で重ね合わされ、重ね合わされた結果撮像手段にて取得される干渉縞画像のコントラストが低下する。
そこで、本発明は上述した実情を考慮して、短い測定時間、高い空間分解能で、被測定面の変形量が大きい場合でも、鏡面可動物の変位速度分布及び変位量分布を取得することができる周期可動物の速度測定装置及び変位測定装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、被測定物の変位速度に対する測定の汎用性を向上させ、測定レンジを拡大させ、さらに干渉縞の取得条件に起因する測定誤差を低減させることができる周期可動物の速度測定装置及び変位測定装置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】
【０００４】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、略周期運動する被測定物にパルス光を照射するための光源と、前記被測定物の変位と前記光源によるパルス光の発光とのタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系による干渉縞を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段による干渉縞画像から干渉縞のコントラストを検出し、前記干渉縞のコントラストと前記被測定物の面の略法線方向への変位速度との相関関係から前記被測定物の面の略法線方向への変位速度を求める演算手段と、を備える周期可動物の速度測定装置を特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記光源からのパルス光のパルス幅の変化に付随して前記光源から前記被測定物に照射する光の光量を調整するための照射光量調整手段をさらに備える請求項１記載の周期可動物の速度測定装置を特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、前記撮像手段にて取得した干渉縞画像をフーリエ変換し、周波数空間で干渉縞の傾き成分を取り除いたのち逆フーリエ変換して得られる複素振幅の振幅情報、あるいは振幅の二乗の情報を前記干渉縞のコントラストとする請求項１又は２に記載の周期可動物の速度測定装置を特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、前記被測定物の面の法線方向への変位速度をＶとし、前記光源の波長をλとし、前記干渉縞のコントラストがほぼなくなるときのパルス幅をｔとし、Ｖ＝λ／（２・ｔ）の関係から前記Ｖを求める請求項２記載の周期可動物の速度測定装置を特徴とする。
【０００５】
また請求項５に記載の発明は、前記照射光量検出手段の機能を前記撮像手段に持たせた請求項２記載の周期可動物の速度測定装置を特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、略周期運動する被測定物にパルス光を照射するための光源と、前記被測定物の変位と前記光源によるパルス光の発光とのタイミングを調整するタイミング調整手段と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前記干渉光学系による干渉縞を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段による干渉縞画像から干渉縞のコントラストを検出し、前記干渉縞のコントラストと前記被測定物の面の略法線方向への変位量との相関関係から被測定物の面の略法線方向への変位量を求める演算手段と、を備える周期可動物の変位測定装置を特徴とする。
また請求項７に記載の発明は、前記光源からのパルス光のパルス幅の変化に付随して前記光源から前記被測定物に照射する光の光量を調整するための照射光量調整手段をさらに備える請求項６記載の周期可動物の変位測定装置を特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、前記撮像手段にて取得した干渉縞画像をフーリエ変換し、周波数空間で干渉縞の傾き成分を取り除いたのち逆フーリエ変換して得られる複素振幅の振幅情報、あるいは振幅の二乗の情報を前記干渉縞のコントラストとする請求項６または７記載の周期可動物の変位測定装置を特徴とする。
また請求項９に記載の発明は、前記被測定物の変位量をＡとし、前記光源の波長をλとし、前記被測定物の変位周波数をｆとし、前記干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときのパルス幅をｔとし、Ａ＝λ／（４・ｆ・ｔ）の関係から前記Ａを求める請求項７記載の周期可動物の変位測定装置を特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、前記照射光量検出手段の機能を前記撮像手段に持たせた請求項７記載の周期可動物の変位測定装置を特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１、６の発明によれば、被測定物に光を照射して、その反射光から干渉縞を形成するようにしているため、光の照射中に被測定面が変位すると、変位に応じてパターンを変化させる干渉縞が照射パルス光のパルス幅時間内で重ね合わされ、その結果、撮像手段にて取得される干渉縞画像のコントラストが低下するが、干渉縞画像のコントラストと被測定物の変位速度、または変位量との間には相関があるため、演算手段により干渉縞のコントラストを検出することにより、被測定物の変位速度分布と変位量分布を得ることができる。このようにすれば、面計測が可能になるため、測定に時間を要さず、高い空間分解能を得ることができ、またスペックルパターンを必要としないため鏡面物体であっても測定することができるようになる。
また被測定面の変位速度を検出して面の変形を得るため、面のある瞬間での情報ではなく挙動の総合的な情報を取得でき、面の変形量が大きい場合も情報を取得することができる。
また請求項２の発明によれば、照射光量調整手段によりパルス幅を変化させるようにしているため、幅広い被測定物の変位速度に対して対処することができる。これにより、被測定物の変位速度に対する測定の汎用性の向上、測定レンジの拡大を図ることができ、さらに干渉縞の取得条件に起因する測定誤差を低減させることができる。
請求項３、８の発明によれば、二次元ＦＦＴ演算などでフーリエ変換すれば高速に処理できるため、処理時間、測定時間を短縮することができる。
請求項４の発明によれば、干渉縞のコントラストがほぼなくなるときの照射パルス光のパルス幅から被測定物との変位速度を理論計算で求めることにより、実験的に取得した相関関係のデータを取得しないため、測定誤差の低減、相関データ取得のための手間を省くことができる。
請求項５、１０の発明によれば、照射光量検出手段の機能を干渉縞撮像手段にもたせることにより、光量検出のための追加部品を付加しないで済むため、構成の簡素化及びコストの低減を図ることができる。
また請求項７の発明によれば、照射光量調整手段によりパルス幅を変化させるようにしているため、幅広い被測定物の変位量に対して対処することができる。これにより、被測定物の変位速度に対する測定の汎用性の向上、測定レンジの拡大を図ることができ、さらに干渉縞の取得条件に起因する測定誤差を低減させることができる。
請求項９の発明によれば、干渉縞のコントラストがほぼなくなるときの照射パルス光のパルス幅から被測定物との変位量を理論計算で求めることにより、実験的に取得した相関関係のデータを取得しないため、測定誤差の低減、相関データ取得のための手間を省くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態に係る周期可動物の変位測定装置の構成を示した概略図である。
図１に示す周期可動物の変位測定装置Ａにおいて、光源２である半導体レーザは半導体レーザドライバ３にて駆動され、所定の時間幅（パルス幅）のパルス光を発光する。半導体レーザ２からの光の強度を調整するためにＮＤフィルタ４が設けられ、続いてビームエキスパンダ５が配置される。ビームエキスパンダ５にて拡大された光の一部はビームスプリッタ６を透過し、一部はビームスプリッタ６で反射される。
ビームスプリッタ６を透過した光は被測定物１に照射される。被測定物１にて反射された光は光路を逆行して、ビームスプリッタ６にて反射され、レンズ７を介してＣＣＤカメラ８に到達する。
一方、ビームスプリッタ６にて反射された光はミラー９で反射される。ミラー９による反射光は光路を逆行してビームスプリッタ６を透過し、レンズ７を介してＣＣＤカメラ８に到達する。
被測定物１にて反射された物体光とミラー９にて反射された参照光について、物体光の光路長と参照光の光路長との差を光源の半導体レーザ２のコヒーレンス長以下に設定しておき、物体光と参照光の光軸を略一致させたとき、被測定物１が静止していれば両者は干渉を起こして干渉縞が発生する。
レンズ７は被測定物１の像がＣＣＤカメラ８の撮像面上で結像するように、その位置が調整されている。被測定物１は、図７に示したような共振ミラーである。物体光と参照光との間で発生した干渉縞はＣＣＤカメラ８にて撮像される。
撮像された干渉縞はフレームグラバ１０にて捕捉されてコンピュータ１１に転送され、コンピュータ１１のメモリに記憶されるとともにコンピュータ１１のモニタに表示される。ＮＤフィルタ４は干渉縞強度を調整するのに使用される。
【０００８】
被測定物１が図の破線の矢印方向に振動したとき、被測定面が測定光学系の光軸に対して略垂直になるタイミングでＣＣＤカメラ８の露光を行い、このＣＣＤカメラ８の露光時間（シャッタースピード）内における被測定面の変位量が光源波長の半分より小さいとき干渉縞が発生する。
即ち、被測定面の任意の位置ｘ，ｙにおける面の法線方向の変位速度をＶ（ｘ，ｙ）とし、ＣＣＤカメラ８の露光時間をｔとし、半導体レーザの波長をλとすると、
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・・・（１）
を満たすとき干渉縞が発生する。
被測定物１の共振とＣＣＤカメラ８の露光とのタイミングは、例えば被測定物１を駆動するための信号発生器とＣＣＤカメラ８へ露光トリガを与えるための信号発生器とに共通のものを用いる。
そこで、そのタイミングは、信号発生器の一方のチャンネルで被測定物１を駆動し、他方のチャンネルで被測定物１の駆動周波数と同じ周波数か、もしくは約数の周波数の信号でＣＣＤカメラ８へ露光のトリガをかけ、両チャンネル間の信号の位相を調整することにより調整することができる。図１において、符号１２は２チャンネルの出力を有する信号発生器であり、符号１３は共振ミラー１のドライバである。
【０００９】
図２は図１に示した光学系により観測される被測定面の像と被測定面上に発生した干渉縞の様子を示す模式図である。図２では、図１に示した光学系により観測される被測定面（図７のミラー面に対応）１ａの像とこの被測定面１ａ上に発生した干渉縞１ｄの様子を示している。符号１１ａはコンピュータモニタを表す。
図２では、被測定面１ａの法線方向への変位が殆どない軸１ｃ付近で最も干渉縞のコントラスト（干渉縞の暗い部分と明るい部分のＣＣＤ強度の比）が高くなり、軸１ｃから最も離れた位置の変位量が最も大きい部分で干渉縞のコントラストが最も低くなる。
変位量が大きい部分では変位速度が速くなり、被測定面１ａの位置変化に伴いパターンが変化した干渉縞がＣＣＤカメラ８（図１参照）の露光時間内で重ね合わされることによってコントラストが低下する。
図２に示すように干渉縞画像を取得し、被測定面１ａの場所ごとで干渉縞の暗い部分と明るい部分の比を求め、予め求めておいた被測定面１ａの変位速度と干渉縞のコントラストとの相関関係から、被測定面１ａの変位速度を求めることができる。
被測定面１ａに振動に伴う慣性力の影響によって変形（うねり）が生じた場合に、それに伴い面の場所ごとで変位速度が異なってくるため、その変位速度分布が測定される。
干渉縞の本数（暗い部分と明るい部分のペアの数）を多く発生させれば面内の空間分解能を上げることができる。被測定面１ａの変位速度と干渉縞のコントラストとの相関関係データは、例えば、後述の治具を用いて取得する。
図３は被測定面の変位速度と干渉縞のコントラストとの相関関係データを取得するのに用いる治具を示す概略図である。
図３において、ミラー１４はピエゾ素子１５を介してベース１６に接着されている。ピエゾ素子１５に電圧を印加することでミラー面１４ａを矢印方向に変位させることができる。
図３の治具を図１の光学系に被測定物１として設置し干渉縞を発生させる。ピエゾ素子１５への印加信号の電圧、もしくは周波数を変化させてミラー１４面の変位速度を変化させてそのとき得られる干渉縞のコントラストを検出する。
【００１０】
図４は変位速度とコントラストの相関関係をグラフで表す図である。
干渉縞のコントラストの検出から、図４のように変位速度ＶとコントラストＣの相関関係を表すデータを取得できる。
ピエゾ素子１５への印加信号の電圧、もしくは周波数とミラー１４面の変位速度との関係は、別途変位計などを用いて取得しておけばよい。また図４のグラフから近似式を求め、干渉縞のコントラストの値から変位速度を算出するようにしても良い。
被測定面１ａの変位速度に対してＣＣＤカメラ８（図１参照）の露光時間が長過ぎて、上記式（１）を満たさないと干渉縞が消えてしまい、ＣＣＤカメラ８の露光時間が短すぎると干渉縞のコントラスト変化が微小になって検出できなくなる。このため、被測定物１の変位速度の仕様値を基に、上記式（１）から、例えば被測定物１の最大変位速度と露光時間との積が光源波長の半分とほぼ同じ値になるような適切な露光時間に設定しておく必要がある。
このように第１の実施の形態では被測定物１に光を照射し、その反射光から干渉縞を形成する。干渉縞画像のコントラストと被測定物１の変位速度、あるいは変位量との間には相関があるため、干渉縞のコントラストを検出することによって、被測定物１の面の法線方向への変位速度分布と変位量分布を得ることができる。被測定物１の反射光を撮像手段に到達させるために、被測定物１の変位と撮像手段（ＣＣＤカメラ）８における露光とのタイミングが調整される。面計測であるため、測定に時間を要さず、高い空間分解能を得ることができる。また、スペックルパターンを必要としないため鏡面物体であっても測定が可能である。
さらに、被測定面１ａの変位に伴う干渉縞のコントラスト変化を検出するため、面のある瞬間での情報ではなく挙動の総合的な情報を取得でき、面の変形量が大きい場合も情報を取得できる。
【００１１】
上述した実施の形態において、被測定物１の変位速度と干渉縞のコントラストとの相関関係データの代わりに、被測定物１の変位量と干渉縞のコントラストとの相関関係データを予め取得しておいて、測定光学系において取得した干渉縞画像のコントラストから被測定物１の変位量分布を求めることができる。また、上述した実施の形態に記載の方法で被測定物１の変位速度分布を求め、それに被測定物１の共振周期を乗じることで変位量分布を求めても良い。
ここでは、ＣＣＤカメラ８の露光時間を可変とし、例えば、初期状態ではＣＣＤカメラ８の露光時間を短くしておいて、干渉縞を取得しながら露光時間を除々に長くしていく。そうすれば初期状態では干渉縞コントラストが高くても露光時間が長くなって、上記式（１）の干渉縞発生条件の境界に近づくにつれ干渉縞のコントラストが低下していく。
そして干渉縞のコントラストがほぼ無くなった（暗い部分と明るい部分のＣＣＤ強度が等しい）ときのＣＣＤ露光時間を記憶する。干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときの露光時間と被測定物１の変位速度との相関関係データを予め取得しておけば、干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときのＣＣＤ露光時間から被測定物１の変位速度を求めることができる。
本実施の形態によれば、撮像手段における露光時間を除々に変化させながら干渉縞のコントラストを検出して、干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときの露光時間を被測定面１ａの場所ごとで求める。そしてその露光時間と被測定物１の変位速度との相関関係から被測定物１の変位速度を求める。露光時間を変化させるため幅広い被測定物１の変位速度に対して対処できる。
【００１２】
図５は測定手順の概略を示すフローチャートである。
図５においてｔ０はＣＣＤ露光時間の初期値、Δｔは露光時間を変化させるピッチ、ｉは整数（０，１，２，・・・）、Ｎは露光時間を変化させる回数、ｔ（ｘ，ｙ）はＣＣＤ画像の座標ｘ，ｙにおける干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときの露光時間、Ｖ（ｘ，ｙ）はＣＣＤ画像の座標ｘ，ｙにおける変位速度である。
図５を参照して、露光時間＞＝ｔ０＋Δｔ・ｉとし（Ｓ１）、干渉縞を収録する（Ｓ２）。次いでコントラストを検出し（Ｓ３）、ｉ＜Ｎかどうかを判断し（Ｓ４）、ｉ＜Ｎならば、画素ごとでコントラストが最小になるときの露光時間ｔ（ｘ，ｙ）を取得する（Ｓ５）。ｔ（ｘ，ｙ）から画素ごとで速度Ｖ（ｘ，ｙ）を取得する（Ｓ６）。
干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときのＣＣＤ露光時間は、背景光の影響を受けにくいため、より高精度な測定を実施することができる。また或る特定のＣＣＤ露光時間では発生しなかった干渉縞であっても、露光時間を変化させることにより発生するようになる。
または、逆にある特定のＣＣＤ露光時間ではほとんど干渉縞のコントラスト変化が見られなかった干渉縞であっても露光時間を変化させることによりコントラストに変化がみられるようになったりして、測定のレンジを広げることもできる。
本実施の形態では、撮像手段（ＣＣＤカメラ）８における露光時間を除々に変化させながら干渉縞のコントラストを検出して、干渉縞のコントラストがほぼなくなるときの露光時間を被測定面の場所ごとで求める。そしてその露光時間と被測定物の変位量との相関関係から被測定物の変位量を求める。
露光時間を変化させるために幅広い被測定物１の変位量に対して対処することができる。また、被測定物の変位量に対する測定の汎用性を向上させ、測定レンジを拡大させること、さらに干渉縞の取得条件に起因する測定誤差を低減させることができる。
干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときのＣＣＤ露光時間と被測定物１の変位速度との相関関係データの代わりに、被測定物１の変位量と干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときのＣＣＤ露光時間との相関関係データを予め取得しておいて、測定において取得したＣＣＤ露光時間から被測定物１の変位量分布を求めることができる。
被測定物１の反射光と参照光との干渉により生じる干渉縞からフーリエ変換法の原理により干渉縞の振幅スペクトルを求め、振幅スペクトルを干渉縞コントラストとしても良い。
【００１３】
上述したように領域ごとで干渉縞の暗い部分と明るい部分の強度の比を求めてコントラストを求める場合に対して、高速な演算処理が可能となる。また、この方法で被測定物の変位速度分布を求め、それに被測定物の振動周期を乗じることで変位量分布を求めても良い。
上述した装置において、干渉縞のコントラストを検出する場合、干渉縞の明部と暗部の比をとっても良いが、処理が複雑になり時間がかかる。本発明では前記撮像手段にて取得した干渉縞画像をフーリエ変換し、周波数空間で干渉縞の傾き成分を取り除いたのち逆フーリエ変換して得られる複素振幅の振幅情報、あるいは振幅の二乗の情報を用いて前記干渉縞のコントラストとする。
二次元ＦＦＴ演算などでフーリエ変換すれば高速に処理できるため、処理時間、測定時間を短縮することができる。これにより測定における演算処理を簡略化し、処理速度を向上させることができる。
干渉縞のコントラストを検出しながらＣＣＤカメラ７の露光時間を変化させ、干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときの露光時間を求める。そしてそれを次の式（２）におけるｔ（ｘ，ｙ）に代入することにより被測定面１ａの場所ごとで変位速度Ｖ（ｘ，ｙ）を算出することができる。
2006162523.tif 000004
・・・（２）
実験的に取得した相関関係のデータを取得しないため、測定誤差の低減、相関データ取得のための手間を省ける。
干渉縞のコントラストを検出しながらＣＣＤカメラ８の露光時間を変化させ、干渉縞のコントラストがほぼ無くなるときの露光時間を求める。そしてそれを次の式（３）におけるｔ（ｘ，ｙ）に代入することにより被測定面１ａの場所ごとで変位量Ａ（ｘ，ｙ）を算出することができる。
2006162523.tif 000005
・・・（３）
実験的に取得した相関関係のデータを取得しないため、測定誤差の低減、相関データ取得のための手間を省くことができる。
【００１４】
ＣＣＤカメラ８の露光時間を変化させると、撮像面に露光される光の量が多くなったり少なくなったりするので、撮像される干渉縞画像が全体的に明るくなったり、暗くなったりする。
露光時間に伴う光量の変化が大きくなると、干渉縞のコントラストを検出するときにＳＮ比が変化し、検出誤差が発生する場合がある。本発明では、例えばＣＣＤカメラ８の露光時間の変化に応じて、光源の半導体レーザ２への注入電流により被測定物１への照射光量を変化させる。
露光時間が短い場合は画像の光量が少なくなるため、半導体レーザ２への注入電流を増やして強い光を被測定物１に照射する。露光時間が長い場合は画像の光量が多くなるため、半導体レーザ２への注入電流を減らして弱い光を被測定物１に照射する。予め注入電流と露光時間との相関関係データを取得しておき、測定のさい、露光時間に応じて注入電流を変化させれば良い。
パソコン１１から信号発生器１２などを介してＣＣＤカメラ８の露光時間を変化させ、ＤＡ変換器などを介して半導体レーザ２への注入電流を変化させれば自動調整、自動測定が可能である。半導体レーザ２への注入電流を変化させる代わりに、照射光路内に強度フィルタを設置し、フィルタ強度を変化させることで照射光量を調整しても良い。
上記の装置では、注入電流と露光時間との相関関係データに基づいて照射光強度を調整したが、本発明では、例えば干渉縞画像における干渉縞の明るい部分のＣＣＤ画素強度を検出して干渉縞画像の明るさを検出する。
例えば、上述した図５の測定手順において、初期状態で干渉縞画像を収録した後に干渉縞の明るい部分を構成しているＣＣＤ画素強度Ｉ０（ｘ，ｙ）を検出し、基準強度として記憶しておく。そして、露光時間を変化させた後干渉縞画像を収録し、さきほどと同じ位置のＣＣＤ画素での強度Ｉ（ｘ，ｙ）を検出する。Ｉ（ｘ，ｙ）が基準値Ｉ０（ｘ，ｙ）と異なっていれば、両者がほぼ同じ値となるように半導体レーザ２への注入電流を調整する。露光時間を変化させるたびに上記のＣＣＤ画素強度の検出と半導体レーザ２への注入電流調整を行えば良い。
【００１５】
図６は第２の実施の形態に係る周期可動物の変位測定装置の構成を示した概略図である。第１の実施の形態に係る変位測定装置では、注入電流とパルス幅との相関関係データに基づいて照射光強度を調整したが、第２の実施の形態では、例えば、図６のような装置を用いて半導体レーザからの光の照射強度を検出する。
図６において、図１に示した変位測定装置と同一部位には同一の符号を付して詳しい説明は省略する。
図６に示した変位測定装置では、光源２の半導体レーザからの光の一部を取り出すビームサンプラ１７、このビームサンプラ１７にて取り出された光の強度を検出するためのフォトダイオード１８を設けるようにした点が、上記図１に示した変位測定装置と異なるとされる。
フォトダイオード１８の出力はオシロスコープ１９にてモニタされる。例えば図５に示した測定手順において、初期状態で干渉縞画像を収録した後にフォトダイオード出力Ｉ０を検出し、基準強度として記憶しておく。そしてパルス幅を変化させた後干渉縞画像を収録し、フォトダイオード出力Ｉを検出する。
オシロスコープ１９でモニタしながらフォトダイオード出力Ｉが基準強度Ｉ０と異なっていれば、両者がほぼ同じ値となるように半導体レーザへの注入電流を調整する。
パルス幅を変化させるたびに上記のフォトダイオード出力Ｉの検出と半導体レーザへの注入電流調整を行えばよい。フォトダイオード出力Ｉを、ＡＤ変換器などを介してパソコンに取り込んで半導体レーザへの電流注入と協働させて自動測定を行っても良い。
光源からのパルス光のパルス幅を変化させながら干渉縞のコントラストを検出する場合に、パルス幅を変化させると取得される干渉縞画像の全体光量が変化する。そのためパルス幅を変化させるたびにコントラストの検出精度が変わってくるため、それにより測定誤差が生じる場合がある。
本実施の形態では、パルス幅の変化に付随して光源から被測定物に照射する光の光量を調整するための照射光量調整手段を構成に付加して、パルス幅の変化に応じて被測定物への照射光の光量を調整するようにしている。
これにより、パルス幅の変化に拘わらず、常に略一定の干渉縞画像の全体光量が得られるため、パルス幅の変化に伴うコントラストの検出精度変化を抑えることができる。パルス幅の変化に伴う測定誤差を低減させることができる。
【００１６】
なお、第２の実施の形態に係る変位測定装置では、半導体レーザ２からの光の一部を取り出して照射光強度を検出したが、これはあくまでも一例であり、本発明では、例えば干渉縞画像における干渉縞の明るい部分のＣＣＤ画素強度を検出して干渉縞画像の明るさを検出するようにしてもよい。
例えば、図５の測定手順において、初期状態で干渉縞画像を収録した後に干渉縞の明るい部分を構成しているＣＣＤ画素強度Ｉ０（ｘ，ｙ）を検出し、基準強度として記憶しておく。そしてパルス幅を変化させたのち干渉縞画像収録し、さきほどと同じＣＣＤ画素での強度Ｉ（ｘ，ｙ）を検出する。
強度Ｉ（ｘ，ｙ）が基準強度Ｉ０（ｘ，ｙ）と異なっていれば、ほぼ同じ値となるように半導体レーザへの注入電流を調整する。パルス幅を変化させるたびに上記のＣＣＤ画素強度の検出と半導体レーザへの注入電流調整を行えばよい。
本発明によれば、照射パルス光のパルス幅の変化に付随して前記光源から前記被測定物に照射する光の光量を検出するための照射光量検出手段を構成に付加し、照射光量検出手段の出力に基づいて被測定物への照射光の光量を調整する。
これにより、パルス幅の変化に関わらず、常に略一定の干渉縞画像の全体光量が得られるため、パルス幅の変化に伴うコントラストの検出精度変化を抑えることができ、また相関関係データを使用しないため、相関関係データ取得時と測定時との間の条件の差異による照射光量の調整誤差が生じない。パルス幅の変化に伴う測定誤差を低減させることができる。
照射光量検出手段の機能を干渉縞撮像手段に持たせることにより、光量検出のための追加部品を付加しないで済む。装置構成の簡素化、装置コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る周期可動物の変位測定装置の構成を示した概略図。
【図２】図１に示した光学系により観測される被測定面の像と被測定面上に発生した干渉縞の様子を示した模式図。
【図３】被測定面の変位速度と干渉縞のコントラストとの相関関係データを取得するのに使用する治具の概略図。
【図４】変位速度とコントラストの相関関係をグラフ図。
【図５】測定手順の概略を示すフローチャート。
【図６】第２の実施の形態に係る周期可動物の変位測定装置の構成を示した概略図。
【図７】測定対象の一項である共振ミラーを示す概略斜視図。
【符号の説明】
【００１８】
Ａ  周期可動物の速度及び変位測定装置、１  被測定物（共振ミラー）、１ａ  被測定面、２  光源（半導体レーザ）、４  ＮＤフィルタ（照射光量調整手段）、５  干渉光学系（レンズ）、６  干渉光学系（ビームスプリッタ）、８  撮像手段（ＣＣＤカメラ）、９  干渉光学系（ミラー）、１１  演算器（コンピュータ）、１１ａ  コンピュータモニタ、１２  タイミング調整手段（信号発生器）、１８  照射光量検出手段（フォトダイオード）
【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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