(57)【要約】【課題】簡単な構成で高速で可動する物体の各領域毎に変位量や変位速度を計測する。【解決手段】可動する被測定物例えば回転しているポリゴンミラー１００からの反射光と参照光とによる干渉縞２２をＣＣＤカメラ１６で撮像する。撮像した干渉縞２２のコントラストをコンピュータ６で検出し、検出した干渉縞２２のコントラストと、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較してポリゴンミラー１００のミラー面の場所ごとにおける変位速度と変位量を測定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞のコントラストを二次元的に配列した受光素子アレイにより検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出することを特徴とする可動物体の変位量と変位速度の測定方法。
【請求項２】
前記参照光の光軸の傾きを可変して、被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の間隔を可変する請求項１記載の可動物体の変位量と変位速度の測定方法。
【請求項３】
前記可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の明暗変化の振幅から干渉縞のコントラストを検出する請求項１又は２記載の可動物体の変位量と変位速度の測定方法。
【請求項４】
前記被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変して干渉縞のコントラストを高める請求項１乃至３のいずれかに記載の可動物体の変位量と変位速度の測定方法。
【請求項５】
前記変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データを、被測定物に照射する光の発光パルス幅を変化させながらあらかじめ取得し、前記被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変しながら干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出する請求項４記載の可動物体の変位量と変位速度の測定方法。
【請求項６】
照射光学系と参照光光学系と受光光学系と駆動制御部及び演算処理装置を有し、
前記照射光学系は、光源から出射したレーザ光の一部を可動物体である被測定物に照射し、他の一部を参照光光学系に入射し、
前記参照光学系は入射したレーザ光を反射して参照光とし、
前記受光光学系は被測定物からの反射光と参照光を受光して干渉縞を撮像する撮像手段を有し、
前記駆動制御部は、可動する被測定物の駆動と前記撮像手段の撮像との間で同期をとって被測定物の駆動と前記撮像手段の撮像のタイミングを調整し、
前記演算処理装置は、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データが格納され、前記撮像手段で撮像した干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ格納された変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出することを特徴とする可動物体の変位量と変位速度の測定装置。
【請求項７】
照射光学系と参照光光学系と受光光学系と駆動制御部及び演算処理装置を有し、
前記照射光学系は、光源から出射したレーザ光の一部を可動物体である被測定物に照射し、他の一部を参照光光学系に入射し、
前記参照光学系は入射したレーザ光を反射して参照光とし、
前記受光光学系は被測定物からの反射光と参照光を受光して干渉縞を撮像する撮像手段を有し、
前記駆動制御部は、可動する被測定物の駆動と前記照射光学系の光源から出射する光の発光との同期をとって被測定物の駆動と光源における発光のタイミングを調整し、
前記演算処理装置は、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データが格納され、前記撮像手段で撮像した干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ格納された変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出することを特徴とする可動物体の変位量と変位速度の測定装置。
【請求項８】
前記参照光学系に参照光の光軸の傾きを可変する調整手段を有する請求項６又は７記載の可動物体の変位量と変位速度の測定装置。
【請求項９】
前記演算処理装置は、可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の明暗変化の振幅から干渉縞のコントラストを検出する請求項６乃至８のいずれかに記載の可動物体の変位量と変位速度の測定装置。
【請求項１０】
前記照射光学系は、被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変して前記撮像手段で撮像する干渉縞のコントラストを高める請求項６乃至９のいずれかに記載の可動物体の変位量と変位速度の測定装置。
【請求項１１】
前記演算処理装置は、被測定物に照射する光の発光パルス幅を変化させながらあらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データが記憶され、前記被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変しながら前記撮像手段で撮像した干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ記憶した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出する請求項１０記載の可動物体の変位量と変位速度の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば電子写真方式の画像形成装置等に使用するポリゴンミラー等の可動物体の変位量と変位速度を測定する変位量と変位速度の測定方法及び測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転する可動物体、例えば電子写真方式の画像形成装置の書込み光学系に使用するポリゴンミラー１００は、図２に示すように、入射したレーザビームを中心軸の回りに高速回転する多角柱のミラー面１０１で偏向して光スポットを走査する。このポリゴンミラー１００の回転数は画像形成装置に要求される書込み速度で決められる。近年、画像形成装置では高速書込みが要求され、ポリゴンミラー１００の回転数も高速に設定されている。この高速回転するポリゴンミラー１００において、ミラー面１０１に局部的な変形が生じて、中心軸の軸心１０２からミラー面１０１までの距離ｒがミラー面１０１の場所により所定値からずれると、ミラー面１０１の線速が場所によって所定値から変動し、走査ビームの結像位置にピッチ誤差を生じさせる。この走査ビームの結像位置に生じるピッチ誤差を防ぐために、回転しているポリゴンミラー１００のミラー面１０１の場所ごとに、ミラー面１０１と直交する方向の変位量と変位速度を測定する必要がある。
【０００３】
一般的な可動物体の変位や速度を検出する方法として、特許文献１に示すように、レーザドップラー速度計測装置や、特許文献２に示すように、レーザ干渉装置が使用されている。これら方法はレーザビームを被測定面に収束しているため、いわゆる点計測であり、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１の領域毎に変位や速度を求めるにためには、照射するレーザビームを２次元的に走査する必要がある。このように照射するレーザビームを２次元的に走査すると、走査時間がかかるため、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１のように高速で移動しているかどう物体に適用することは困難であった。
【０００４】
また、被測定物の２次元画像から速度を求める方法として、特許文献３に示すように、被測定物に照射したレーザ光の反射光又は透過光によって得られる第１の時刻と第２の時刻のスペックルパターンを用いて被測定物の変位速度を求める方法がある。この方法は、スペックルパターンを発生させるため、被測定物は微視的に複雑な表面形状である必要があり、鏡面であるミラー面１０１ではスペックルパターンが発生しないため，ポリゴンミラー１００のミラー面１０１に適用することは困難である。
【０００５】
さらに、ポリゴンミラーの回転角速度を測定する方法として特許文献４に示された光学走査装置は、ポリゴンミラーによって偏向された投光ビームの走査線上に配置した反射手段で投光ビームをポリゴンミラーへ向けて反射し、ポリゴンミラーで再び反射した投光ビームの光出力の時間間隔からポリゴンミラーの回転角速度を計測するようにしている。この光学走査装置ではポリゴンミラーの回転角速度を検出することはできるが、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１の領域毎に変位や速度を求めることは困難であった。
【特許文献１】特許公報第２８０７７８２号公報
【特許文献２】特許公報第２５９２２５４号公報
【特許文献３】特許公報第３３５３３６５号公報
【特許文献４】特開２００１−２３５３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、前記問題を解消し、簡単な構成で高速で可動する物体の各領域毎に変位量や変位速度を計測することができる可動物体の変位量と変位速度の測定方法及び測定装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
また、高速で可動する物体の各領域毎に変位量や変位速度を計測するときの汎用性や操作性を高めるとともに測定時間を短縮することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の可動物体の変位量と変位速度の測定方法は、可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞のコントラストを二次元的に配列した受光素子アレイにより検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出することを特徴とする。
【０００９】
前記参照光の光軸の傾きを可変して、被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の間隔を可変することが望ましい。
【００１０】
また、前記可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の明暗変化の振幅から干渉縞のコントラストを検出すると良い。
【００１１】
さらに、前記被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変して干渉縞のコントラストを高めることが望ましい。
【００１２】
また、前記変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データを、被測定物に照射する光の発光パルス幅を変化させながらあらかじめ取得し、前記被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変しながら干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出する。
【００１３】
この発明の可動物体の変位量と変位速度の測定装置は、照射光学系と参照光光学系と受光光学系と駆動制御部及び演算処理装置を有し、照射光学系は、光源から出射したレーザ光の一部を可動物体である被測定物に照射し、他の一部を参照光光学系に入射し、参照光学系は入射したレーザ光を反射して参照光とし、受光光学系は被測定物からの反射光と参照光を受光して干渉縞を撮像する撮像手段を有し、駆動制御部は、可動する被測定物の駆動と撮像手段の撮像との間で同期をとって被測定物の駆動と撮像手段の撮像のタイミングを調整し、演算処理装置は、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データが格納され、撮像手段で撮像した干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ格納された変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出することを特徴とする。
【００１４】
この発明の他の可動物体の変位量と変位速度の測定装置は、照射光学系と参照光光学系と受光光学系と駆動制御部及び演算処理装置を有し、照射光学系は、光源から出射したレーザ光の一部を可動物体である被測定物に照射し、他の一部を参照光光学系に入射し、参照光学系は入射したレーザ光を反射して参照光とし、受光光学系は被測定物からの反射光と参照光を受光して干渉縞を撮像する撮像手段を有し、駆動制御部は、可動する被測定物の駆動と照射光学系の光源から出射する光の発光との同期をとって被測定物の駆動と光源における発光のタイミングを調整し、演算処理装置は、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データが格納され、撮像手段で撮像した干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ格納された変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出することを特徴とする。
【００１５】
前記参照光学系に参照光の光軸の傾きを可変する調整手段を有することが望ましい。
【００１６】
また、前記演算処理装置は、可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の明暗変化の振幅から干渉縞のコントラストを検出することが望ましい。
【００１７】
さらに、照射光学系は、被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変して撮像手段で撮像する干渉縞のコントラストを高める。
【００１８】
また、演算処理装置は、被測定物に照射する光の発光パルス幅を変化させながらあらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データが記憶され、被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変しながら撮像手段で撮像した干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ記憶した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出する。
【発明の効果】
【００１９】
この発明は、可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出するから、被測定物にレーザ光を２次元的に走査することなしに、被測定面全体にわたって、場所ごとにおける変位速度と変位量を測定することができる。また、測定のためにスペックルパターンを用いないため、被測定面が鏡面であっても変位速度と変位量を測定することができる。
【００２０】
また、参照光の光軸の傾きを可変して、被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の間隔を可変することにより、被測定物のサイズに合わせて変位速度測定の空間分解能を最適化することができ、測定の汎用性を高めることができる。
【００２１】
さらに、可動する被測定物からの反射光と参照光とによる干渉縞の明暗変化の振幅から干渉縞のコントラストを検出することにより、測定時間と計算時間を短縮することができ、変位量や変位速度の測定処理を高速化することができる。
【００２２】
また、被測定物に照射する光の発光パルス幅を可変しながら干渉縞のコントラストを検出し、検出した干渉縞のコントラストと、あらかじめ発光パルス幅を可変しながら取得した変位量及び変位速度と干渉縞のコントラストとの相関データとを比較して被測定物の変位量及び変位速度を算出することにより、被測定面全体の変位量や変位速度を広いダイナミックレンジで測定することができる。
【００２３】
また、可動する被測定物の駆動と照射光学系の光源から出射する光の発光との同期をとって被測定物の駆動と光源における発光のタイミングを調整することにより、干渉縞をほぼ静止させることができ、一度の画像収録操作により干渉縞画像を収録することができ、測定の操作性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は可動物体である被測定物、例えば図２に示すように、電子写真方式の画像形成装置の書込み光学系に使用するポリゴンミラー１００の各ミラー面１０１の場所毎の，軸心１０２からの距離ｒの変位量であるミラー面１０１と直交する方向の変位量と変位速度（以下、面外変位量と面外変位速度という）を測定する測定装置の構成図である。図に示すように、測定装置１は照射光学系２と参照光光学系３と受光光学系４と駆動制御部５及び演算処理装置例えばコンピュータ６を有する。
【００２５】
照射光学系２は、光源７とＮＤフィルタ（neutral density filter）８とビームエキスパンダ９及びビームスプリッタ１０を有する。光源１０は半導体レーザ素子からなりレーザ光を出射する。ＮＤフィルタ８は光源７から出射された光ビームの強度を調整する。ビームエキスパンダ９は２枚のレンズ１１，１２が焦点位置を一致させて配置され、ＮＤフィルタ８で強度が調整された光ビームを拡大する。ビームスプリッタ１０は、ビームエキスパンダ９により拡大された光ビームの一部を透過して被測定物であるポリゴンミラー１００のミラー面１０１に入射し、他の一部を反射して参照光光学系３に入射し、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１からの反射光を反射して受光光学系４に入射し、参照光光学系３からの反射光を透過して受光光学系４に入射する。参照光光学系３はＮＤフィルタ１３とミラー１４を有し、ビームスプリッタ１０で反射した光ビームをミラー１４で反射させ参照光としてビームスプリッタ１０に入射する。受光光学系４はレンズ１５とＣＣＤカメラ１６を有し、ビームスプリッタ１０で反射したミラー面１０１からの反射光とビームスプリッタ１０を透過したミラー１４からの参照光をレンズ１５で集光してＣＣＤカメラ１５の撮像面に入射する。このＣＣＤカメラ１５に入射するポリゴンミラー１００のミラー面１０１に入射して反射する物体光とミラー１４に入射して反射する参照光の光路長の差を光源７から出射するレーザ光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ておくと、物体光と参照光は干渉して干渉縞が発生する。ＣＣＤカメラ１６は、この物体光と参照光により生じる干渉縞を撮像する。この干渉縞の強度を調整するために、ＮＤフィルタ８とＮＤフィルタ１３を使用した。
【００２６】
駆動制御部５はポリゴンミラー１００を回転するモータを有する回転駆動部１７と、回転駆動部１７を駆動するドライバ１８と、ＣＣＤドライバ１９とパルスジェネレータ２０及びフレームグラバー２１を有する。パルスジェネレータ２０は２つ以上のチャンネルを有し、ドライバ１８に回転駆動部１７を駆動させるための信号を出力するとともに、別のチャンネルを用いて、ＣＣＤドライバ１９に画像を撮像するためのトリガー信号を出力して、ポリゴンミラー１００の駆動とＣＣＤカメラ１６の撮像時間とで同期がとれるようにする。すなわち、被測定物が照射光学系２の光軸と略平行な方向に変位する場合は、被測定物の動作中に任意のタイミングでＣＣＤカメラ１６により干渉縞の画像を撮像できるが、ポリゴンミラー１００のように軸心を中心にして回転する場合、照射光学系２の光軸に対する被測定面であるミラー面１０１の角度が動作中に変化し、かつＣＣＤカメラ１６で観測するミラー面１０１が時間によって変化するため、ポリゴンミラー１００の回転中に任意のタイミングでＣＣＤカメラ１６で画像を撮像しても干渉縞を撮像することはできない。そこでポリゴンミラー１００の駆動とＣＣＤカメラ１６の撮像時間との間で同期をとって両者のタイミングを調整して、ＣＣＤカメラ１６で干渉縞を撮像する。例えばポリゴンミラー１００の回転数を1800ｒｐｍとすると、ポリゴンミラー１００のある特定のミラー面１０１が同じ位置に戻る周波数は30Ｈｚとなる．そのため30Ｈｚの周波数でＣＣＤドライバ１９に撮像のトリガー信号を繰返して出力し、図３の出力波形図に示すように、ポリゴンミラー１００のある特定のミラー面１０１がＣＣＤカメラ１６で観察できるように、ポリゴンミラー１００を駆動する駆動部７への信号とＣＣＤドライバ１９への信号の位相ψを調整する。この調整により、ポリゴンミラー１００のある特定のミラー面１０１が照射光学系２の軸に対して略垂直となり、ミラー面１０１からの物体光と参照光による干渉縞をＣＣＤカメラ１６で観察できる。フレームグラバー２１は ＣＣＤカメラ１６で撮像した干渉縞の像をコンピュータ６に転送する。コンピュータ６は転送された干渉縞の像をメモリに記憶するとともにモニターに表示し、表示した干渉縞により、ミラー面１０１の面外変位量と面外変位速度を算出する。
【００２７】
この測定装置１でポリゴンミラー１００を回転駆動部１７で高速回転させながら、光源７からレーザ光を出射し、ＮＤフィルタ８で光ビームの強度を調整し、ビームエキスパンダ９で光ビームを拡大してビームスプリッタ１０により２つに分け、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１と参照光光学系３のミラー１４に入射する。ミラー面１０１で反射した物体光とミラー１４で反射した参照光をビームスプリッタ１０とレンズ１５を介してＣＣＤカメラ１６に入射して干渉縞を撮像する。
【００２８】
この回転しているポリゴンミラー１００におけるミラー面１０１の回転に伴う面外変位速度を図４に示す。ポリゴンミラー１００が回転しているとき、ポリゴンミラー１００の軸心１０２からミラー面１０１のある位置Ａまでの距離ｒは、ミラー面１０１の中心Ｂからの距離ｘに応じて変化し、位置Ａの変位速度Ｖ（ｘ）は下記（１）式で表せる。
Ｖ（ｘ）＝２πｆｒsinθ            （１）
ここでｆはポリゴンミラー１００の回転周波数、θはポリゴンミラー１００の軸心１０２とミラー面１０１の中心Ｂを結ぶ線分と、軸心１０２とミラー面１０１の位置Ａを結ぶ線分のなす角である。
【００２９】
また、ＣＣＤカメラ１６で撮像してコンピュータ６のモニター６１に表示された干渉縞２２を図５に示す。干渉縞２２のコントラストは、図５に示すように、ミラー面１０１の位置に応じて変化する。すなわち、ポリゴンミラー１００が静止しているとき、干渉縞２２のコントラストが最も高くなり、ポリゴンミラー１００が回転すると、ＣＣＤカメラ１６で干渉縞２２を撮像する時間内でミラー面１０１が面外方向に動いた量に応じて干渉縞２２のコントラストが低下する。ポリゴンミラー１００が回転しているとき、ミラー面１０１の中心Ｂ付近ではＣＣＤカメラ１６の撮像時間あたりの回転に伴う面と直交方向の変位量である面外変位量がほぼ零になるため干渉縞２２のコントラストは高くなるが、ミラー面１０１の中心Ｂから離れるにしたがって面外変位量が大きくなり、それにより干渉縞２２のコントラストが低下する。この面外変位量を干渉縞２２の撮像時間で除算した値がその領域の面外方向への変位速度である面外変位速度になり、干渉縞２２のコントラストとミラー面１０１の面外変位量及び面外変位速度には相関がある。そこで干渉縞２２のコントラストを検出することにより、ミラー面１０１の各領域毎に面外変位量と面外変位速度を求めることができる。
【００３０】
そこで測定装置１で、回転しているポリゴンミラー１００のミラー面１０１における各領域の面外変位速度を測定するとき、ＣＣＤカメラ１６で撮像される干渉縞２２のコントラストとミラー面１０１の面外変位速度との相関データを取得するために、まず、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１とほぼ等しい反射率の反射面を有し、反射面がほぼ反射面と垂直方向に移動できる治具、例えば図６に示すように、ミラー２３を水晶やロッシェル塩又はチタン酸バリウムなどの圧電素子２４を介してベース２５に取付けた治具２６を使用して、照射光学系２の光軸と平行な方向に変位するミラー２３の表面であるミラー面２３１の変位速度と干渉縞のコントラストとの相関を調べる。
【００３１】
このミラー面２３１の変位速度と干渉縞のコントラストとの相関を調べるとき、ミラー面２３１が照射光学系２の光軸とほぼ垂直になるように治具２６をセットしてベース２５を固定する。そして圧電素子２４に電圧を印加すると、圧電素子２４は印加した電圧に応じて矢印方向に伸縮し、ミラー２３が照射光学系２の光軸とほぼ平行な方向に変位する。そこでパルスジェネレータ２０を用い、図７の波形図に示すように、周期Ｆで３角波状に変化する電圧信号を圧電素子２４に印加すると、電圧信号の周波数Ｆと、印加電圧と圧電素子２４の圧電定数により求められる圧電素子２４の振動振幅からミラー面２３１の変位速度が得られる。なお、ミラー２３の重量等により印加電圧から振動振幅が直接求められない可能性がある場合は、レーザードップラー振動計等の点計測タイプの速度測定器におけるプローブ光をミラー２３に照射してその速度を検出しても良い。このミラー面２３１を変位させながら照射光学系２の光源７からレーザ光を出射してミラー面２３１の反射光と参照光により干渉縞を発生させ、ミラー面２３１の変位速度を変化させながらＣＣＤカメラ１６で干渉縞のコントラストを検出して、図８に示す変位速度と干渉縞コントラストとの相関データを取得しコンピュータ６に記憶させる。このとき干渉縞のコントラストCは、図９に示すように、干渉縞の強度分布において極大値Ｉmaxと極小値Ｉminを用い、下記（２）式で求める。
Ｃ＝（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin）          （２）
【００３２】
治具２６を使用してミラー面２３１の変位速度と干渉縞のコントラストＣの相関データを取得してコンピュータ６に記憶させた後、ポリゴンミラー１００を回転駆動部１７にセットし、ポリゴンミラー１００を高速回転しながら光源７からレーザ光を出射して、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１で反射した物体光とミラー１４で反射した参照光により発生する干渉縞２２をＣＣＤカメラ１６で撮像し、撮像した干渉縞２２の画像をコンピュータ６に送る。コンピュータ６は送られた干渉縞２２の画像を記憶するとともに、図５に示すようにモニター６１に表示する。コンピュータ６はモニター６１に表示された干渉縞２２の場所毎に検査者が指定した局所的な領域２２１、あるいはコンピュータ６にあらかじめミラー面１０１の座標を指定して登録した局部的な領域２２１毎に（２）式を用いて干渉縞コントラストを求め、求めた干渉縞コントラストと、あらかじめ記憶した図８に示す変位速度と干渉縞コントラストとの相関特性に当てはめ、ミラー面１０１の局所的な領域２２１毎の外面変位速度を求める。この外面変位速度を求めるとき、図８に示す変位速度と干渉縞コントラストとの相関特性の近似式を求め、局部的な領域２２１毎の干渉縞コントラストデータを近似式に代入して外面変位速度を求めても良い。コンピュータ６は求めた外面変位速度と（１）式で求めた外面変位速度Ｖ（ｘ）から、ミラー面１０１の局部的な領域２２１毎の外面変位速度の誤差を求める。すなわち、ポリゴンミラー１００のミラー面１０１が設計通り製作され、回転に伴う変形がポリゴンミラー１００に生じない場合、ミラー面１０１の外面変位速度は場所ごとに（１）式で表せるから、（１）式で求めた外面変位速度Ｖ（ｘ）に対するずれを求めることにより外面変位速度の誤差を求めることができる。また、コンピュータ６は局部的な領域２２１毎の外面変位速度にＣＣＤカメラ１６の撮像時間を乗算してミラー面１０１の局部的な領域２２１毎の変位量を求める。
【００３３】
このようにしてレーザビームを２次元的に走査することなしに、被測定面であるミラー面１０１の全体にわたって、場所ごとにおける変位速度と変位量を測定することができる。また、測定のためにスペックルパターンを用いないため、被測定面が鏡面であっても変位速度と変位量を測定することができる。
【００３４】
このようにポリゴンミラー１００のミラー面１０１からの反射光と参照光による干渉縞２２のコントラストを求める場合、干渉縞２２の暗線と明線が少なくとも１つ以上必要である。したがって干渉縞２２の間隔によってコントラストすなわち外面変位速度を測定できる最小領域である最小空間分解能が決まる。外面変位速度を測定できる空間分解能は干渉縞２２の間隔を小さくすれば上げることができるが、干渉縞２２の１対の暗線と明線を検出するためにはＣＣＤカメラ１６の少なくとも２画素以上が必要であり、干渉縞２２の間隔を小さくしすぎると干渉縞２２の検出ができなくなる。また、被測定物であるポリゴンミラー１００のサイズが大きくなると、被測定物を観測するための光学系の倍率を下げて被測定物を縮小して観測する必要があり、干渉縞２２の間隔が小さくなる。そこで被測定物のサイズに合わせて光学系倍率を決め、倍率に合わせて最小空間分解能が得られるように干渉縞２２の間隔を決めることが必要である。すなわち被測定物のサイズに合わせて干渉縞２２の間隔（キャリヤ周波数）を可変にすると変位速度測定の汎用性を向上させることができる。干渉縞２２の間隔は、被測定物の反射光と参照光との光軸の傾きによって変化するため、それらの光軸の傾きを可変することにより干渉縞２２の間隔を任意に設定できることができる。そこで、図１０の構成図に示すように、参照光学系３のミラー１４に傾き調整手段２７を設け、ミラー１４の傾きを可変した参照光の光軸の傾きを変化させることにより干渉縞２２の間隔を可変でき、被測定物のサイズに合わせて変位速度測定の空間分解能を最適化することができる。したがって測定の汎用性を高めることができる。また、静止した干渉縞２２を観察してコンピュータ６に画像を収録することにより、参照光学系３のミラー１４を微小量ずつ移動させて干渉縞２２に時間変調をかけることにより、位相シフト法の原理を用いたポリゴンミラー１００のミラー面１０１の形状測定も行うことができる。
【００３５】
前記説明ではポリゴンミラー１００のミラー面１０１の局所的な領域２２１毎の干渉縞強度の極大値と極小値を求めて干渉縞コントラストを求める場合について説明したが、干渉縞振幅を求めて干渉縞コントラストを取得するようにしても良い。この干渉縞振幅からコンピュータ６で干渉縞コントラストを求める場合について説明する。
【００３６】
ＣＣＤカメラ１６で観測する干渉縞２２の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は下記（３）式で表すことができる。
Ｉ(ｘ，ｙ)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ)・cos[ψ(ｘ，ｙ)]        （３）
（３）式において、ｘ，ｙはＣＣＤカメラ１６の撮像面上における座標を表し、ａ（ｘ，ｙ）は干渉縞２２のバックグラウンド強度分布、ｂ（ｘ，ｙ）は干渉縞２２の明暗変化の振幅の分布、ψ（ｘ，ｙ）は被測定物の形状に対応した反射光の位相分布を表す。
また、干渉縞の間隔を所定量に設定し、干渉縞間隔を空間周波数ｆＸ０，ｆＹ０で表すと、干渉縞２２の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は下記（３）式で表すことができる。
Ｉ(ｘ、ｙ)＝ａ(ｘ，ｙ)＋ｂ(ｘ，ｙ)・cos[２π(ｆＸ０＋ｆＹ０)ψ(ｘ，ｙ)] （４）
（４）式の干渉縞画像を変数ｘ，ｙについてフーリエ変換すると、下記５）式に示す二次元空間周波数スペクトルが得られる。
Ｇ(ｆＸ，ｆＹ)＝Ａ(ｆＸ，ｆＹ)＋Ｃ｛(ｆＸ−ｆＸ０)，（ｆＹ−ｆＹ０）｝
＋Ｃ＊{−(ｆＸ＋ｆＸ０)，−(ｆＹ＋ｆＹ０)}          （５）
ここで肩に＊を付けたのは共役複素数、Ａ(ｆＸ，ｆＹ)はａ(ｘ，ｙ)のフーリエスペクトルを表し、Ｃ（ｘ，ｙ）は干渉縞２２の明暗変化の複素振幅である下記（６）式のフーリエスペクトルを表す。
Ｃ(ｘ，ｙ)＝(１／２)・ｂ(ｘ，ｙ)exp{ｉψ(ｘ、ｙ)}            （６）
空間キャリヤ周波数ｆＸ０とｆＹ０に対してバックグラウンド強度分布ａ（ｘ，ｙ）や干渉縞２２の明暗変化の複素振幅分布Ｃ（ｘ，ｙ）の変化がゆるやかであれば、各スペクトルがキャリヤ周波数により分離されるため、（５）式における第２項の成分のみを抽出し、フーリエスペクトル座標における原点の位置に移動することにより空間キャリヤ周波数ｆＸ０とｆＹ０を取り除き、干渉縞２２の明暗変化の複素振幅分布Ｃ（ｘ，ｙ）を得ることができる。そしてスペクトルＣ（ｆＸ，ｆＹ）の逆フーリエ変換により（６）式に示す複素振幅が得られる。このＣ（ｘ，ｙ）の実部と虚部を用いて下記（７）式により干渉縞２２の明暗変化の振幅Ａ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
Ａ(ｘ，ｙ)＝〔[Ｒｅ{Ｃ(ｘ，ｙ)}]２＋[Ｉｍ{Ｃ(ｘ，ｙ)}]２〕１／２    （７）
（７）式に示すように干渉縞２２のコントラストが低いと干渉縞振幅Ａ（ｘ，ｙ）は小さくなり、コントラストが高いと干渉縞振幅Ａ（ｘ，ｙ）は大きくなるため、干渉縞振幅Ａ（ｘ，ｙ）を求めることにより干渉縞コントラストを取得することができ、ミラー面１０１の変位速度を測定することができる。すなわち干渉縞振幅Ａ（ｘ，ｙ）とミラー面１０１の変位速度との相関データを取得してコンピュー６に記憶しておくと、干渉縞振幅Ａ（ｘ，ｙ）を求めることによりミラー面１０１の変位速度を測定することができる。干渉縞振幅Ａ（ｘ，ｙ）は、ＣＣＤカメラ１６で観測したミラー面１０１における二次元空間（ｘｙ空間）にて得られるから、ミラー面１０１の場所ごとに干渉縞振幅を求めることができ、求めた干渉縞振幅よりミラー面１０１の場所ごとで変位速度を測定することができる。このように干渉縞振幅からミラー面１０１の変位速度を測定することにより、前記局所的な干渉縞強度の極大値と極小値を求めて干渉縞コントラストを求める方法より測定時間と計算時間を短縮することができ、変位速度測定処理を高速化することができる。
【００３７】
また、（６）式で干渉縞２２の明暗変化の複素振幅分布Ｃ（ｘ，ｙ）を得ることができるから、コンピュータ６で複素振幅分布Ｃ（ｘ，ｙ）の実部と虚部を用いて下記（８）式を計算することにより、干渉縞２２の明暗変化の位相分布ψ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
ψ(ｘ，ｙ)＝tan−１〔［Ｉｍ{Ｃ(ｘ，ｙ)}］／[Ｒｅ{Ｃ(ｘ，ｙ)}]〕  （８）
さらに、この位相分布ψ（ｘ，ｙ）にλ／２πを乗ずることにより、ミラー面１０１の測定物の表面形状を求めることができる。
【００３８】
前記各説明においては、ＣＣＤカメラ１６の撮像時間とポリゴンミラー１００の回転との同期をとり、ＣＣＤカメラ１６の撮像時間内におけるミラー面１０１の変位量に応じた干渉縞コントラストからミラー面１０１の変位速度を検出するが、ミラー面１０１の変位速度がＣＣＤカメラ１６の撮像時間に対して速くなりすぎると干渉縞２２が完全に消えてしまい、変位速度の測定ができなくなる。
【００３９】
このような場合、ミラー面１０１への照射光をパルス化し、そのパルス幅をＣＣＤカメラ１６の撮像時間より短くすると、 パルス光がミラー面１０１に照射されている時間内におけるミラー面１０１の変位量により干渉縞のコントラストが決定される。したがってＣＣＤカメラ１６の撮像時間に対してミラー面１０１の変位速度が速すぎる場合は、ミラー面１０１全体にわたって干渉縞２２が観察できるように、ミラー面１０１への照射光のパルス時間を決めればよい。このパルス幅の決め方は、ポリゴンミラー１００の回転数と回転半径から概略の変位速度を求め、概略の変位速度からパルス幅を推定しても良いし、パルス幅可変の光源７を用いてパルス幅の調整と干渉縞収録を繰り返すことにより、ミラー面１０１全体にわたって干渉縞２２が観察できるような最適なパルス幅を求めても良い。このようにして最適なパルス幅が決まったら、図６に示す治具２６を用いて干渉縞のコントラストと変位速度との相関データを取得してコンピュータ６に記憶し、ポリゴンミラー１００を測定装置１にセットしてミラー面１０１の場所ごとに干渉縞コントラストを検出し、変位速度と干渉縞コントラストとの相関データを用いてミラー面１０１の場所ごとに変位速度を求める。
【００４０】
ここでパルス光は固体パルスレーザを用いても良いし、半導体レーザ素子をパルス変調してパルス光を生成しても良い。また、ＣＷレーザと回転チョッパーを組み合わせてパルス光を生成しても良い。光源７として例えば半導体レーザ素子を使用した場合、半導体レーザ素子への注入電流をパルス変調することによりパルス光を得ることができ、パルス変調信号のパルス幅を変えることにより任意のパルス幅の照射光を得ることができる。そこで半導体レーザ素子への注入電流にパルス変調をかけて任意のパルス幅で発光させ、ミラー面１０１の反射光と参照光により干渉縞を発生させてポリゴンミラー１００を回転させると、ミラー面１０１の変位速度が速い領域では干渉縞２２が消えた画像が得られる。このとき発光パルス幅を短くして干渉縞２２を観察すると干渉縞２２が消えている領域が減少する。そこでパルス幅短縮と干渉縞収録及び干渉縞２２の消えている領域の確認を、ミラー面１０１のほぼ全体にわたって干渉縞２２が観察されるまで繰り返す。このとき干渉縞２２の消えている領域の確認は、干渉縞２２をコンピュータ６のモニターにより表示して目視で確認しても良いし、ＣＣＤカメラ１６にて干渉縞コントラストを検出可能なスレッシュレベルを定量把握しておいて、収録した干渉縞画像において最もコントラストの低い領域がスレッシュレベルを超えているかどうかを定量確認しても良い。このようにしてミラー面１０１のほぼ全体にわたって干渉縞２２が観察できるパルス幅を決定することができる。ここでパルス幅を短くしすぎると、変位速度測定のダイナミックレンジが狭くなるため、ミラー面１０１で変位速度が最も速いと予想される領域における干渉縞が観察しうる最も低いコントラストで観察できるようにパルス幅を決定すれば良い。
【００４１】
また、変位速度測定のダイナミックレンジは干渉縞２２のコントラストのみにより決まるため一般に狭い。干渉縞２２のコントラストはポリゴンミラー１００の回転速度だけでなくミラー面１０１への照射光のパルス幅によっても変化するため、干渉縞２２のコントラストとミラー面１０１への照射光のパルス幅の両データを用いてミラー面１０１の変位速度を求めると良い。
【００４２】
この場合、半導体レーザ素子の発光パルス幅と干渉縞２２のコントラストとミラー面１０１の変位速度との相関データを取得するため、図６に示した治具２６を用いる。この治具２６を測定装置１にセットして干渉縞を発生させる。このとき発光パルス幅Ｐを所定の発光パルス幅Ｐ０に設定し、面外変位速度を変化させながら干渉縞コントラストを検出して、図８に示すような変位速度と干渉縞コントラストとの相関データＷ（Ｐ０）を取得してコンピュータ６に記憶させる。次に発光パルス幅Ｐ０を少し変化させて発光パルス幅Ｐ１にして前記同様にして変位速度と干渉縞コントラストとの相関データＷ（Ｐ１）を取得してコンピュータ６に記憶させる。以下同様に一定の変化幅で発光パルス幅をn回変化させながら変位速度と干渉縞コントラストとの相関データＷ（Ｐｎ）を取得してそれらをコンピュータ６に記憶させる。
【００４３】
その後，測定装置１にポリゴンミラー１００をセットして干渉縞２２を発生させてからポリゴンミラー１００を回転させ、光源７から発光パルス幅Ｐ０の光ビームを出射して干渉縞２２を観測し、ミラー面１０１上で干渉縞２２が発生している領域において干渉縞コントラストを検出し、検出した干渉縞コントラストとコンピュータ６に記憶した変位速度と干渉縞コントラストとの相関データＷ（Ｐ０）を用いてその領域におけるミラー面１０１の変位速度を求める。このミラー面１０１において変位速度が求まった領域は測定済みとして、コンピュータ６のメモリの測定プログラムの中で記憶しておく。次に光源７から発光パルス幅Ｐ１の光ビームを出射して干渉縞２２を発生させ、変位速度測定が済んでいない領域において干渉縞コントラストを検出し、検出した干渉縞コントラストとコンピュータ６に記憶した変位速度と干渉縞コントラストとの相関データＷ（Ｐ１）を用いてその領域におけるミラー面１０１の変位速度を求め、前記と同様にミラー面１０１において変位速度が求まった領域は測定済みとして、コンピュータ６のメモリの測定プログラムの中で記憶しておく。このように発光パルス幅Ｐを変化させながらミラー面１０１の全ての領域における変位速度が測定されるまで、干渉縞コントラストの検出と変位速度の測定を繰り返す。このように光源７から出射する光ビームの発光パルス幅Ｐを徐々に変化させながら干渉縞コントラストを検出して、コンピュータ６に記憶した変位速度と干渉縞コントラストとの相関データＷ（Ｐ）と比較することにより、ミラー面１０１全体の変位速度を広いダイナミックレンジで測定することができる。
【００４４】
前記説明ではＣＣＤカメラ１６の撮像時間とポリゴンミラー１００の回転との同期をとってタイミング調整する場合について説明したが、図１１の構成図に示すように、パルスジェネレータ２０からの信号をＣＣＤドライバ１９のかわりに光源７の半導体レーザ素子を駆動するレーザドライバ２８に出力し、ポリゴンミラー１００の回転数が速くなった場合、パルス幅可変のレーザ光を用いて、光源７のパルス発光とポリゴンミラー１００の回転とで同期をとってタイミング調整をしても良い。
【００４５】
また、図１２の構成図に示すように、半導体レーザ素子２９からポリゴンミラー１００にレーザ光を照射し、ポリゴンミラー１００からの反射光を例えばフォトダイオード等の受光素子３０で受光し、受光素子３０で受光光量に応じて出力する電流を電流−電圧変換器３１で電圧信号に変換し、電流−電圧変換器３１から出力する電圧信号をカウンタ３２でポリゴンミラー１００の面数分、例えば６回計数して１つのパルス信号を発生し、このパルス信号により光源７の半導体レーザ素子を発光させるレーザドライバ２８を駆動する。このように回転しているポリゴンミラー１００に半導体レーザ素子２９からレーザ光を照射し、ポリゴンミラー１００が１回転するたびにカウンタ３２からレーザドライバ２８に１パルスの駆動信号を送ることにより、レーザドライバ２８の駆動信号をポリゴンミラー１００の回転周期と一致させることができ、光源７の発光をポリゴンミラーの回転周波数変動に追従でき、光源７から出射してポリゴンミラー１００で反射した反射光と参照光により生じる干渉縞２２をほぼ静止させることができる。したがって一度の画像収録操作によりコンピュータ６で干渉縞画像を収録することができ、画像収録操作を何度も繰り返さないで済み、測定の操作性を向上させることができる。
【００４６】
前記説明は高速回転しているポリゴンミラー１００におけるミラー面１０１の変位速度や変位量を測定する場合について説明したが、回転プリズム等他の可動物体にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の測定装置の構成図である。
【図２】被測定物であるポリゴンミラーの構成を示す斜視図である。
【図３】ポリゴンミラーを回転する回転駆動部とＣＣＤドライバへの出力波形図である。
【図４】ミラー面の回転に伴う面外変位速度を示す模式図である。
【図５】ミラー面からの反射光と参照光による干渉縞の表示図である。
【図６】干渉縞コントラストと面外変位速度との相関を取得する治具の構成図である。
【図７】治具の圧電素子に印加する電圧信号の波形図である。
【図８】干渉縞コントラストと面外変位速度との相関を示す特性図である。
【図９】治具により生じた干渉縞の強度分布図である。
【図１０】第２の測定装置の構成図である。
【図１１】第３の測定装置の構成図である。
【図１２】第４の測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１；測定装置、２；照射光学系、３；参照光光学系、４；受光光学系、
５；駆動制御部、６；コンピュータ、７；光源、８；ＮＤフィルタ、
９；ビームエキスパンダ、１０；ビームスプリッタ、１１；レンズ、１２；レンズ、
１３；ＮＤフィルタ、１４；ミラー、１５；レンズ、１６；ＣＣＤカメラ、
１７；回転駆動部、１８；ドライバ、１９；ＣＣＤドライバ、
２０；パルスジェネレータ、２１；フレームグラバー、２２；干渉縞、
２３；ミラー、２４；圧電素子、２５；ベース、２６；治具、
２７；傾き調整手段、２８；レーザドライバ、２９；半導体レーザ素子、
３０；受光素子、３１；電流−電圧変換器、３２；カウンタ、
１００；ポリゴンミラー、１０１；ミラー面。
【図１】
2005207807.tif 000003
【図２】
2005207807.tif 000004
【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】
2005207807.tif 000009
【図８】
2005207807.tif 000010
【図９】
2005207807.tif 000011
【図１０】
2005207807.tif 000012
【図１１】
2005207807.tif 000013
【図１２】
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