(57)【要約】【課題】回転体の、曲率中心がおよそ回転中心となる表面を、当該表面の曲率半径の大小によらず精度良く測定する。【解決手段】焦点が測定対象物１００の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）に位置するようにレーザ光を測定対象物１００の表面に照射する。これにより、曲率半径が小さい場合（ａ）も曲率半径が大きい場合（ｂ）も、ｃに示すようにレーザ光の測定対象部表面に対する最大入射角は等しくなるため、最大反射角も等しく反射光４３の拡がり角は同じものとなる。よって、測定対象物１００の表面の曲率半径の大小にかかわらず、レンズ光学系７１で受光できる反射光４３の光量を等しく良好なものとすることができる。【選択図】図３
2007003200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を回動可能に保持する回転体保持手段と、
レーザ光源で生成されたレーザ光を、前記回転体保持手段に保持された前記回転体に照射すると共に、前記回転体の表面で反射した反射光を受光するレンズ光学系と、
前記レンズ光学系で受光した反射光に基づいて、前記回転体の表面を測定する測定手段とを有し、
前記レンズ光学系の焦点は、前記回転体保持手段に保持された前記回転体の回転中心に位置するよう設定されていることを特徴とするレーザ測定装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ測定装置であって、
前記レンズ光学系は焦点距離が可変であり、
当該レーザ測定装置は、
前記レンズ光学系を、当該レンズ光学系の光軸方向に移動可能に支持するステージと、
前記レンズ光学系の位置に応じて、当該レンズ光学系の焦点が前記回転体保持手段に保持された前記回転体の回転中心に位置するよう、当該レンズ光学系の焦点距離を調整する焦点距離調整手段とを有することを特徴とするレーザ測定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のレーザ測定装置であって、
当該レーザ測定装置は、ドップラ効果によって、前記回転体で反射した反射光に生じるドップラシフトを利用して、前記回転体の表面の振動または変位を求めるレーザドップラ振動計であることを特徴とするレーザ測定装置。
【請求項４】
レーザ光源で生成されたレーザ光を、測定対象物に照射すると共に、前記測定対象物の表面で反射した反射光を受光するレンズ光学系と、前記レンズ光学系で受光した反射光に基づいて、前記測定対象物の表面を測定する測定手段とを有するレーザ測定装置を用いて、前記測定対象物の表面を測定する方法であって、
前記測定対象物を、所定の軸を回転中心軸として回転するようにセットするステップと、
前記レンズ光学系の光軸上の焦点を、前記測定対象物の回転中心に位置するよう設定するステップと、
前記測定対象物を回転するステップと、
前記測定対象物を回転させながら、前記レーザ測定装置を用いて、前記測定対象物の表面を測定するステップとを有することを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザドップラ振動計などの、測定対象物に照射したレーザの反射光を用いて測定対象物表面の測定を行うレーザ測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物に照射したレーザの反射光を用いて測定を行うレーザ測定装置としては、測定対象物の振動や変位を、ドップラ効果によって、測定対象物で反射したレーザ光に生じるドップラシフトを利用して測定するレーザドップラ振動計などが知られている（たとえば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平７-１２０３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
たとえば、レーザドップラ振動計において、測定対象物の表面の振動や変位を測定する場合には、測定対象物の表面に焦点を合わせ、測定対象物の表面上の一点にレーザ光を集光させて測定を行うことが一般的である。
しかし、このようにすると、モータ軸のように、曲率中心がおよそ回転中心となる表面をもつ回転体を測定対象物として、その曲率中心がおよそ回転中心となる表面の振動や変移の測定を、測定対象物を回転させながら行うような場合には次のような問題が生じる。
すなわち、図４ａ１に示すように曲率半径の小さな測定対象物１００の表面の変位や振動を測定する場合と、図４ｂ１に示すように曲率半径の大きな測定対象物１００の表面の変位や振動を測定する場合との双方において、レーザ光４０をレンズ４１で照射光４２として測定対象物１００の表面に同じように集光させると、両者において、測定対象物１００の反射光４３の拡がり角が異なったものとなる。すなわち、ａ２に示すように曲率半径が小さい場合は、ｂ２に示した曲率半径が大きい場合に比べ、照射光４２の測定対象物１００の表面に対する最大入射角が大きくなるため、反射光４３の最大反射角も大きくなり、結果、反射光４３の拡がり角が大きなものとなる。したがって、レンズ４１で反射光４３を受光する場合において、測定する表面の曲率半径が小さいほど、レンズ４１で受光できる反射光４３の光量が小さなものとなり、結果的に振動や変位の測定精度を劣化させることになる。
【０００４】
そこで、本発明は、回転体の、曲率中心がおよそ回転中心となる表面を、当該表面の曲率半径の大小によらず精度良く測定できるレーザ測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題達成のために、本発明は、回転体を回動可能に保持する回転体保持手段と、レーザ光源で生成されたレーザ光を、前記回転体保持手段に保持された前記回転体に照射すると共に、前記回転体の表面で反射した反射光を受光するレンズ光学系と、前記レンズ光学系で受光した反射光に基づいて、前記回転体の表面を測定する測定手段とを備えたレーザ測定装置を提供する。ここで、本レーザ測定装置において、前記レンズ光学系の焦点は、前記回転体保持手段に保持された前記回転体の回転中心に位置するよう設定されているものである。
【０００６】
このようなレーザ測定装置によれば、回転体の曲中心が回転中心となる表面の測定を行う場合に、当該表面曲率半径によらず、当該表面での反射光の拡がり角を等しくすることができる。したがって、回転体の表面の曲率半径の大小にかかわらず、レンズ光学系で受光できる反射光の光量を等しく良好なものとし、回転体の表面の曲率半径が小さい場合でも測定精度を劣化させないことができる。
【０００７】
ここで、このようなレーザ測定装置は、前記レンズ光学系として、焦点距離が可変なレンズ光学系を備えるようにしてもよい。また、この場合には、レーザ測定装置に、前記レンズ光学系を、レンズ光学系の光軸方向に移動可能に支持するステージと、前記レンズ光学系の位置に応じて、当該レンズ光学系の焦点が前記回転体保持手段に保持された前記回転体の回転中心に位置するよう当該レンズ光学系の焦点距離を調整する焦点距離調整手段とを設けることが好ましい。
【０００８】
このようにすることにより、回転体の表面の曲率半径の大小にかかわらず、レンズ光学系で受光できる反射光の光量をおよそ等しく良好なものとしつつ、回転体の表面に形成される照射光のスポットの大きさを任意に設定することができるようになる。
なお、以上のレーザ測定装置は、ドップラ効果によって、前記回転体で反射した反射光に生じるドップラシフトを利用して、前記回転体表面の振動または変位を求めるレーザドップラ振動計であってよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、回転体の、曲率中心がおよそ回転中心となる表面を、当該表面の曲率半径の大小によらず精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、レーザドップラ振動計への適用を例にとり説明する。
図１に、本実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示す。
図示するように、レーザドップラ振動計は、レーザ光源１、第１ビームスプリッタ２、音響光学素子３、第２ビームスプリッタ４、受光ユニット５、第３ビームスプリッタ６、送受光ヘッド７、ミラー８、参照信号生成部９、解析装置１０、回転センサ１１、送受光ヘッド７を移動可能に支持するヘッドステージ１２、測定対象物１００を保持する測定対象物保持台１３とを備えている。
ここで、本実施形態では、測定対象物１００の表面の振動や変移の測定を、測定対象物１００を回転させながら行う。そして、振動や変移を測定する測定対象物１００の表面は、曲率中心がおよそ測定対象物１００の回転中心となる曲率を持つ表面である。また、測定対象物保持台１３は、このような測定対象物１００の回転の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）の位置が、測定対象物１００によらずに所定の位置となるように測定対象物１００を保持するものである。
【００１１】
さて、このような構成において、レーザ光源１から出射された周波数f0のレーザービームは、第１ビームスプリッタ２で二分され、二分された一方のビームは、音響光学素子３で参照信号生成部９が生成する周波数fMの参照信号を用いて、周波数fM分、周波数がシフトされ周波数f0＋fMの参照ビームとして、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。一方、二分された他方のビームは、第３ビームスプリッタ６と送受光ヘッド７を介して、測定対象物保持台１３で保持されながら回転する測定対象物１００に照射され、測定対象物１００の表面で反射された反射光は送受光ヘッド７で受光され、第３ビームスプリッタ６、ミラー８、第２ビームスプリッタ４を介して受光ユニット５に入射する。
【００１２】
ここで、反射光の周波数には、測定対象物１００の表面の振動速度に応じたドップラシフトfDが生じており、反射光の周波数はf0＋fDとなる。したがって、参照ビームと反射光との干渉によりfM±fDのビート信号が受光ユニット５において観測される。そこで、解析装置１０において、入力するビート信号を参照信号の周波数fMでFM復調することにより、測定対象物１００の振動に応じた速度信号Vが得られ、９において、この速度信号Vを解析することにより測定対象物１００の表面の変位が求められる。または、解析装置１０において、反射光と参照ビームの光路長の差によって生じる参照信号とビート信号との位相差より測定対象物１００の表面の変位が求められる。
【００１３】
一方、回転センサ１１は、測定対象物１００の回転周期を検出し、測定対象物１００の回転に同期した同期信号を解析装置１０に出力するセンサであり、この回転センサ１１の同期信号を用いて、解析装置１０は測定対象物１００の回転角度と、求めた変位や速度とを対応づける。
次に、図２に、送受光ヘッド７とヘッドステージ１２を示す。
図示するように、送受光ヘッド７は、複数のレンズ群より構成された焦点距離可変なレンズ光学系７１と、レンズ光学系７１の焦点距離を調整する焦点距離調整機構７２とを備えている。レンズ光学系７１には、たとえば、第３ビームスプリッタ６から光ファイバ７３を介して入射したレーザ光を焦点距離調整機構７２によって調整された焦点距離をもって測定対象物１００に照射光４２として照射する。また、照射した照射光４２の測定対象物１００の表面での反射光４３を受光して、受光した反射光４３を光ファイバ７３に結合することにより第３ビームスプリッタ６に送る。ここで、ヘッドステージ１２と測定対象物保持台１３の位置関係は、ヘッドステージ１２に支持されたレンズ光学系７１から照射された照射光４２の光軸上に、測定対象物保持台１３に保持された測定対象物１００の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）が位置するように設定されている。
【００１４】
さて、送受光ヘッド７は、ヘッドステージ１２の上を、レンズ光学系７１の光軸方向について移動かつ任意の位置で固定できるように構成されている。そして、焦点距離調整機構７２は、送受光ヘッド７のヘッドステージ１２上の位置を検出し、検出した位置に応じて、レンズ光学系７１の焦点距離を、焦点が測定対象物保持台１３に保持された測定対象物１００の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）に一致するように調整する。なお、このような焦点距離調整機構７２は、レンズ光学系７１の焦点距離変更機構を駆動するモータと、送受光ヘッド７のヘッドステージ１２上の位置を検出するリニアエンコーダと、リニアエンコーダの検出した位置に応じてモータを駆動しレンズ光学系７１の焦点距離を変更する制御部などより構成することができる。
【００１５】
さて、本実施形態では、以上のように、焦点が測定対象物１００の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）に位置するように照射光４２を測定対象物１００の表面に照射する。
したがって、図３ａに示すように曲率半径の小さな測定対象物１００の表面の振動や変位を測定する場合も、図３ｂに示すように曲率半径の大きな測定対象物１００の表面の振動や変位を測定する場合も、測定対象物１００の表面での反射光４３の拡がり角は同じものとなる。すなわち、曲率半径が小さい場合も曲率半径が大きい場合も、ｃに示すように照射光４２の測定対象部表面に対する照射項２の最大入射角は等しくなるため、反射光４３の最大反射角も等しくなり、結果、反射光４３の拡がり角は同じものとなる。
【００１６】
したがって、測定対象物１００の表面の曲率半径の大小にかかわらず、レンズ光学系７１で受光できる反射光４３の光量を等しく良好なものとし、測定対象物１００の表面の曲率半径が小さい場合でも振動や変位の測定精度を劣化させないことができる。
ところで、送受光ヘッド７と測定対象物１００の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）との距離を一定とすると、図３ａ、ｂに示すように、曲率半径の大きな測定対象物１００の表面に形成される照射光４２のスポットの大きさは、曲率半径の小さな測定対象物１００の表面に形成される照射光４２のスポットの大きさよりも大きなものとなってしまい、測定の光軸と垂直な方向の分解能が劣化する。
【００１７】
そこで、このような分解能の劣化が問題となる場合には、図３ｄに示すように、送受光ヘッド７をヘッドステージ１２上で、測定対象物１００から遠ざかる方向に移動して測定を行うようにすればよい。このようにしても、送受光ヘッド７の焦点距離調整機構７２によるレンズ光学系７１の焦点距離の調整によって、焦点が測定対象物１００の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）に位置するように照射光４２が測定対象物１００の表面に照射されるので、測定対象物１００の表面に形成される照射光４２のスポットの大きさを小さくしつつ、レンズ光学系７１で受光できる反射光の光量を確保して、良好に振動や変位の測定を行うことができる。
【００１８】
以上、本発明の実施形態について説明した。
なお、以上では、レーザドップラ振動計への適用を例にとり説明したが、本実施形態で示した、焦点が測定対象物１００の回転中心（測定対象表面のおよその曲率中心）に位置するようにレーザ光を測定対象物１００の表面に照射する技術は、測定対象物１００に照射したレーザ光の反射光４３を用いて測定対象物１００の表面の測定を行う任意のレーザ測定装置に同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザドップラ振動計の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る送受光ヘッドとヘッドステージを示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザドップラ振動計による測定対象物への照射光と測定対象表面での反射光を示す図である。
【図４】従来のレーザドップラ振動計による測定対象物への照射光と測定対象表面での反射光を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１…レーザ光源、２…第１ビームスプリッタ、３…音響光学素子、４…第２ビームスプリッタ、５…受光ユニット、６…第３ビームスプリッタ、７…送受光ヘッド、８…ミラー、９…参照信号生成部、１０…解析装置、１１…回転センサ、１２…ヘッドステージ、１３…測定対象物保持台、４１…レンズ、７１…レンズ光学系、７２…焦点距離調整機構、７３…光ファイバ、１００…測定対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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