(57)【要約】【課題】スペックルの影響を抑えて測定精度の向上を図ることができるレーザー変位測定装置及びその方法を提供する。【解決手段】レーザ光Ｓの位相を位相変調手段７によりランダムに変化させて測定面Ｔに照射し、測定面Ｔで反射された反射光Ｒの重心位置を位置検出素子１１により検出する。検出された重心位置は重心位置平均化手段１３により平均化される。平均化することにより重心位置が正規分布に近づき、異常振幅が減少するため、スペックルの影響が小さくなって測定精度が向上する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射されたレーザ光を測定面に照射する照射系光学手段と、測定面からの反射光を受光する位置に配置されてその反射光の重心位置情報を取得する位置情報取得手段と、取得された重心位置情報に基づいて測定面の高さ変位を算定する変位算定手段と、を備えたレーザ変位測定装置において、
前記照射系光学手段にレーザ光の位相をランダムに高速変調させる位相変調手段を設けると共に、前記位置情報取得手段に反射光の重心位置の平均化手段を設けたことを特徴とするレーザ変位測定装置。
【請求項２】
位相変調手段がレーザ光を高速移動する粗面で反射することにより位相を変調させる構造であることを特徴とする請求項１記載のレーザ変位測定装置。
【請求項３】
粗面が高速で往復移動することを特徴とする請求項２記載のレーザ変位測定装置。
【請求項４】
粗面が高速で回転することを特徴とする請求項２記載のレーザ変位測定装置。
【請求項５】
光源から出射されたレーザ光の位相をランダムに変調させて測定面に照射するレーザ光照射工程と、測定面からの反射光を受光して反射光の重心位置を平均化した状態で取得する位置情報取得工程と、取得された重心位置に基づいて測定面の高さ変位を算定する変位算定工程、を備えたことを特徴とするレーザ変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ変位測定装置及びレーザ変位測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より測定面の高さの変位を測定する変位測定法として、三角測量を応用した光学的三角測距方式が知られている。この変位測定法は可干渉性で指向性の強い半導体レーザ等を測定面に照射し、測定面から拡散反射された反射光を位置検出素子（ＰＳＤやＣＣＤ）上で受光する。測定面の凹凸による照射距離の変動に応じて位置検出素子上のスポットが移動するため、その移動量を測定面の高さ変位量に変換して測定する。この三角測距方式は、測定範囲が広く、作動距離が長く、高速測定が可能で、構造が簡単などの利点を持っている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４７２９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の変位測定法では、測定面の変位量によって位置検出素子上で結ぶ反射光のスポットの大きさが変化しないように、指向性の強いレーザ光を用いるが、このレーザ光は可干渉性があるため、測定面で散乱反射した反射光が互いに干渉し合うことにより、反射光のスポットにスペックルと呼ばれる明暗の斑点模様が現れる。このスペックルによりスポットにおける光強度分布の重心位置が変動し、測定値に異常振幅が現れて測定精度を低下させていた。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、スペックルの影響を抑えて測定精度の向上を図ることができるレーザ変位測定装置及び変位測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、光源から出射されたレーザ光を測定面に照射する照射系光学手段と、測定面からの反射光を受光する位置に配置されると共にその反射光の重心位置情報を取得する位置情報取得手段と、取得された重心位置情報に基づいて測定面の高さ変位を算定する変位算定手段と、を備えたレーザ変位測定装置において、前記照射系光学手段にレーザ光の位相をランダムに高速変調させる位相変調手段を設けると共に、前記位置情報取得手段に反射光の重心位置の平均化手段を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光源から出射されたレーザ光の位相を位相変調手段によりランダムに変化させて測定面に照射している。そのため測定面で反射された反射光の強度分布（スペックル）もランダムに変化する。そしてランダムに変化する反射光の重心位置は平均化されて位置情報取得手段により取得される。平均化によりスペックルの影響が抑えられて測定精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】三角測距方式を示す原理図。
【図２】第１実施形態に係るレーザ変位測定装置を示す構成図。
【図３】位置変調手段を示す構成図。
【図４】スペックルの重心変動を示す模式図。
【図５】位相変調方式と通常方式の変位特性を示すグラフ。
【図６】位相変調方式（平均化）と通常方式の測定面測定結果を示すグラフ。
【図７】第２実施形態に係るレーザ変位測定装置を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１〜図６は本発明の第１実施形態を示す図である。
【００１０】
図１は三角測距方式の原理を示す図である。光源１からレーザ光Ｓを出射し、レーザ光ＳをレンズＬ１で測定面Ｔに集光させる。測定面Ｔからの反射光ＲはレンズＬ２で集光され、位置検出素子（ＰＳＤ）２の表面に結像する。位置検出素子２は反射光Ｒのスポットの光強度の重心位置を検出する。測定面Ｔが測定面Ｔ’に変化して高さ変位Δが生じると、位置検出素子２上ではその高さ変位Δに応じてスポットが移動し信号出力が変化する。その信号出力の変化から測定面Ｔ’の高さ変位Δを算定して求めることができる。
【００１１】
位置検出素子２上のスポットの移動距離Ｐｘと高さ変位Δとの関係は、レンズＬ２と測定面Ｔとの距離をａ、レンズＬ２の焦点距離をｆ２、入射光と反射光の角度をθ、位置検出素子２の傾きをαとすれば、以下の式１で表すことができる。尚、ｆ１はレンズＬ１の焦点距離、ｂはレンズＬ２と位置検出素子２との距離である。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
次に図２に基づいてこの実施形態に係るレーザ変位測定装置の構成を説明する。
【００１４】
光源３からレーザ光（半導体レーザ）Ｓが水平に出射される。レーザ光Ｓはレンズ４により収束されてビームスプリッタ５を通過する。ビームスプリッタ５を通過したレーザ光Ｓは対向位置のレンズ６にて集光され、位相変調器７に入光する。位相変調器７には高速に動く反射板が設けられてる。反射板の表面は粗面になっており、レーザ光Ｓが反射板表面で位置を変えながら反射されることで、レーザ光Ｓの位相がランダムに変調された状態で元のビームスプリッタ５側へ反射される。位相変調器７における変調波面周期は変調ドライバー８により制御される。またレーザ光Ｓの位相は反射板の粗面状態により変化する。
【００１５】
ここで図３を用いて位相変調器７の構造をより詳しく説明する。
【００１６】
レンズ６の焦点面に反射面１４が粗面の反射板１５を置き、入光するレーザ光Ｓの光軸に対する垂直方向に反射板１５を駆動部１６により高速で往復移動させる。駆動部１６はこの実施形態ではピエゾ素子を用いている。反射面１４が粗面のためその凹凸により光路差が発生しランダム位相変調された波面が発生する。この時の位相変調周波数はピエゾ素子の移動速度と表面粗度に比例し高速な周波数を得ることができる。もし反射面１４が鏡面の場合、反射光には光路差が発生しないため一様な波面のままである。
【００１７】
このような位相変調器７でランダムに位相変調されたレーザ光Ｓはビームスプリッタ５で下向きに反射され、レンズ９で収束された後に測定面Ｔに照射される。
【００１８】
測定面Ｔに照射されたレーザ光Ｓは測定面Ｔにより拡散状態で反射されるが、その反射光Ｒがレンズ１０により集光されて位置検出素子１１上に結像する。位置検出素子１１では反射光Ｒの光強度の重心位置が検出される。
【００１９】
位置検出素子１１にはランダムに高速変化するスペックルパターンにより平均化された正規分布のスポットが結像される。位相変調されていない場合、測定面Ｔから発生するスペックルパターンは変化しないために異常値が大きい測定結果を示す。
【００２０】
このような位相変調器７で位相がランダムに変調されてビームスプリッタ５に戻されたレーザ光Ｓはビームスプリッタ５で下向きに反射され、レンズ９で収束された後に測定面Ｔに照射される。
【００２１】
測定面Ｔに照射されたレーザ光Ｓは測定面Ｔにより拡散状態で反射されるが、その反射光Ｒがレンズ１０により集光されて位置検出素子１１上に結像する。位置検出素子１１では反射光Ｒの光強度の重心位置が検出される。
【００２２】
位置検出素子１１には変位算定手段１２が接続され、位置検出素子１１で検出された反射光Ｒのスポットの重心位置の変化から測定面Ｔの高さ変位を算出することができる。この実施形態の変位算定手段１２は反射光Ｒのスポットの重心位置をそのまま検出するのではなく、内部に重心位置平均化手段１３を有し、検出された複数の重心位置を最適な演算を行なって高さ変位の算定をする。演算の一つとして平均化して、その平均値を重心位置として高さ変位の算定をする。
【００２３】
以上において、光源３、レンズ４、ビームスプリッタ５、レンズ９等により「照射系光学手段」が構成され、レンズ６、位相変調器７、変調ドライバー８等により「位相変調手段」が構成され、レンズ１０、位置検出素子１１等により位置情報取得手段が構成されている。
【００２４】
図４に反射光Ｒのスペックルの模式図を示す。本来レーザ光Ｓは可干渉性を有するため、スペックルの影響により重心が中心値に合致せずに強度分布が理想（正規分布）から外れることがある。しかしこの実施形態ではレーザ光Ｓの位相を位相変調器７にて積極的に変調させ、位置検出素子１１の表面における反射光Ｒのスポットの重心位置をランダムに変化させている。そしてランダム化した重心位置を平均化しているため、光強度分布における重心位置が平均化されて正規分布に近づき、スペックルの影響を小さくして測定精度を向上させることができる。
【００２５】
図５に放電加工面を測定面としたときの変位特性（測定面Ｔと位置検出素子１１の距離による焦点信号の変化）を示した。本実施形態のように位相変調した場合（位相変調方式）と、位相変調しない場合（通常方式）の両方で求めた。横軸が距離で縦軸が焦点信号（位置検出素子１１の出力電圧）である。図を見やすくするために位相変調式は焦点信号を通常方式に対してオフセットさせている。
【００２６】
両方とも距離の変化に対してほぼ直線的に焦点信号は変化しているが、通常方式ではスペックルノイズの影響でうねりが生じている。それに比べて位相変調式ではうねりの少ない直線が得られた。すなわち位相変調を行なって光強度分布を平均化することにより直線性の良い変位特性が得られ、変位感度は０．０１０３Ｖ／μｍとなり通常状態の感度よりもわずかであるが高い感度を得ることができた。
【００２７】
図６に放電加工面を測定面Ｔとしたときの表面形状測定を行った時の結果を示す。測定面Ｔに対してレーザ光Ｓを水平に移動させて高さ変位を測定した。横軸は測定位置で、縦軸は図５で求めた変位感度（０．０１０３Ｖ／μｍ）から変位に換算した値である。
【００２８】
通常方式のときはスペックルの影響により異常振幅の最大は約１０μｍであったが、位相変調方式では最大異常振幅は約２μｍであり、全体的にも異常振幅を減少させることができた。
【００２９】
図７は、本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それらと同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。
【００３０】
この実施形態では別の構造の位相変調器１７を示す。この実施形態では、駆動部１８としてのモータで反射面１９が粗面の反射板２０を回転させる。この方式によればレンズ６で集光されたレーザ光Ｓのスポット照射位置の半径Ｄにおける周速に比例した変調周波数が得られる。変調ドライバー２１で回転数を制御することにより、先の実施形態よりも更に高速な変調周波数が得られる。
【００３１】
以上の実施形態では、学的三角測距方式を例にしたが、共焦点変位センサやナイフエッジ式変位センサなど正反射光を用いる変位測定に対しても有効である。
【符号の説明】
【００３２】
１、３  光源（照射系光学手段）
２、１１  位置検出素子（位置情報取得手段）
４、６、９、１０  レンズ
５  ビームスプリッタ（照射系光学手段）
７、１７  位相変調手段（位相変調手段）
８、２１  変調ドライバー（位相変調手段）
１２  変位算出手段
１３  重心位置平均化手段
Ｓ  レーザ光
Ｒ  反射光
Ｔ、Ｔ’測定面
【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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