JPH0140921B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はホログラフイーを利用した直線計や
回転角度計等の変位計に関するものである。

例えば工作機械等においては、刃物台等が案内
に沿つて直線運動するようになつており、その運
動の直線性の良否が加工精度の良否を決定する重
要な要因となつている。したがつて、このような
工作機械等においては、組立てや精度検査の時に
刃物台等の横振れ（運動方向に垂直な平面内での
変位二成分）や回転変位を検査する必要がある。
また加工中に刃物台等の横振れや回転変位を常時
検出して運動を直線状に制御して加工精度の向上
をはかろうとする試みもあり、刃物台等の部材の
これら直線変位や回転変位を検出するためには直
線計や回転角度計等の変位計が使用される。その
ような変位計のうち光学的な変位計としては従来
オート・コリメーター等が利用されているが、オ
ート・コリメーターは反光による像と元の像を重
ね合せて求める方法で、反射鏡がθ傾いている場
合には、対物レンズの焦点距離をｆとすると、
2fθによつて与えられる。また読み取り精度がレ
ンズのＦ値によつて決定され、焦点距離が長く、
かつ、Ｆ値の小さいレンズを得ることは困難であ
るところから、その測定精度に限度がある。

一方、最近ホログラフイー技術が干渉計測に応
用され、生ずる干渉縞の性質も明らかにされてき
つつあるところから、ホログラフイー干渉法を変
位計に応用することが考えられている。この場合
にホログラムを変位計として装置化するために
は、実時間干渉を行わせなければならないが、こ
れまでホログラフイー干渉法は、実時間干渉法の
実験がかなり難しいために、主に二重露光法によ
つて研究が進められてきた。また、従来のホログ
ラフイー干渉法を応用した変位計においては、変
位計の精度、空気のゆらぎや外部振動の影響、可
動体の光軸に沿つた移動距離に関する測定可能範
囲について解決すべき問題が残つていた。これら
の問題をいくつか解決するために、この発明の発
明者はホログラフイーを利用した新たな変位計を
開発し、実時間干渉の簡単な実施、空気のゆらぎ
や外部振動の影響の軽減、及び高精度の測定を可
能にした（特願昭55−39476号、特願昭55−
168996号等参照）。

これら新たに開発された変位計のうち、直線計
の一例を簡単に説明すると、第１図に示す如く、
固定体上に位置する光学素子群１０の構成素子た
るレーザー発光装置２を発光させ、ビームスプリ
ツタ３によつて光F₁と光F₂とに分割し、光F₂を
移動体上に位置するホログラム４に照射し、ホロ
グラム４から物体光を再生（再生物体光）し、ま
た、光F₁で拡散板５を照明し、この物体光を前
述の再生物体光と干渉させる。この干渉によつて
生ずる干渉縞はスクリーン６上に観測可能に投影
される。この干渉縞を観測することによつて物体
光の光軸に垂直な平面内での移動体の変位一成分
若しくは二成分を同時に検出することができる。

また、回転角度計の一例を簡単に説明すると、
第２図に示す如く、固定体上に位置する光学素子
群１０の構成要素たるレーザー発光装置２を発光
させ、ビームスプリツタ３によつて光F₁と光F₂
とに分割し、光F₂を移動体上の反射素子１７を
介して固定体上に位置するホログラム４に照射
し、ホログラム４から物体光を再生（再生物体
光）し、また、光F₁で拡散板５に照明し、拡散
板５からの物体光を反射素子１７を介してホログ
ラム４に照射し、この物体光と前述の再生物体光
とを干渉させる。この干渉によつて生ずる干渉縞
はスクリーン６上に観測可能に投影され、この干
渉縞を観測することによつてｙ軸（紙面に垂直な
軸）のまわりの移動体の回転変位を検出すること
ができる。

しかるに、ここで使用される光学素子群１０は
物体光と参照光を発生させる機能を持つものであ
るが、そこにはレーザー発光装置２、顕微鏡対物
レンズ７、ピンホール８、ミラー９、コリメータ
ーレンズ１１、スリガラス等から成る拡散板５、
コリメーターレンズ１２、ビームスプリツタ３、
ミラー１３、顕微鏡対物レンズ１４、ピンホール
１５、ビームスプリツター１６等を含んでおり、
構成要素数が多く、これがために装置が複雑化
し、また、各構成要素の正しいセツテイングが相
当に困難である。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、光学素子群の構成素子数を少なく
し、構成を簡単にして、そのセツテイング等を簡
単になし得るホログラム変位計を提供することを
目的とするものである。

この目的に対応して、この発明のホログラム変
位計は、固定体に対して検出すべき変位を生ずる
移動体の前記変位を検出する変位計であつて、光
学上無限遠若しくは無限遠と等価の距離に位置す
る物体の物体光と参照光とを記録した第１のホロ
グラムと、及び前記物体の基準位置における物体
光と参照光により形成される干渉縞を記録した第
２のホログラムとを前記固定体若しくは前記移動
体の一方に設置し、反射素子を前記固定体若しく
は前記移動体の他方に設置し、固定位置にある光
源からの光が前記第１のホログラムに入射した後
に前記反射素子で反射して前記第２のホログラム
に入射するように構成したことを特徴としてい
る。

以下この発明の詳細を一実施例を示す図面につ
いて説明する。

第３図にはこの発明を回転角度計に適用した実
施例が示されている。第３図において１は回転角
度計である。回転角度計１はブロツクＡで示され
る構成部材とブロツクＢで示される構成部材とか
ら成つている。ブロツクＡに含まれる構成部材は
刃物台等の回転を検出しようとする移動体に取り
付けられ、また、ブロツクＢに含まれる構成部材
は基礎等の固定部に取り付けられている。

ブロツクＡに含まれる構成部材としては、反射
素子１７があり、反射素子１７は移動体上に取り
付けられている。移動体は、本来、光軸方向の直
線移動径路１８に沿つて移動し得るように構成さ
れたものである。

一方、ブロツクＢに含まれる構成部材として
は、光源１９、顕微鏡対物レンズ１４、ピンホー
ル１５、コリメーターレンズ１２、ホログラム２
０、ホログラム４、コリメーターレンズ２３及び
スクリーン６がある。ホログラム２０は物体光と
参照光を発生させる機能を持つものである。

一方、反射素子１７は２枚のミラー２１，２２
を備えている。ミラー２１，２２は反射面を平行
に、かつ、対向させて位置させており、ホログラ
ム２０とホログラム４までの光路の途中に位置し
ている。ミラー２１，２２はホログラム２０から
の光束の光軸に対して所定の角度（この実施例に
おいては、光軸に対して45゜）をなしており、、ホ
ログラム２０からの光束はミラー２１によつて光
路を変更してミラー２２に入射し、さらにミラー
２２で反射して光路を変更してホログラム４を照
射する。

ホログラム４及びホログラム２０は次のように
して作成したものである。すなわち、第３図に示
す回転角度計１におけるホログラム再生光学素子
群２０を第４に示す光学素子群２０′で置き替
えたものを準備する。光学素子群２０′は、物体
光と参照光を発生させる光学素子として機能する
もので、第１図及び第２図に示す光学素子群１０
と同じものである。すなわち、光学素子群２０′
は、すりガラス等の拡散板５、ビームスプリツタ
ー１６、コリメーターレンズ１２、ビームスプリ
ツター３、ミラー１３、顕微鏡対物レンズ１４、
ピンホール１５、レーザー発光装置２、顕微鏡対
物レンズ７、ピンホール８、ミラー９、コリメー
ターレンズ１１を含んでいる。この第４図に示す
光学素子群２０′を第３図におけるホログラム再
生光学素子群２０の代りに組込んだものは第５
図に示す構成を採る。

ホログラム４を作成する場合には、この第５図
に示す構成において、次のようにする。まず感光
材４′をホログラム４の位置に置き、次にレーザ
ー発光装置２を発光させる。レーザー発光装置２
からの光をビームスプリツター３で２分割し、一
方の光F₁を顕微鏡対物レンズ７とコリメーター
レンズ１１で拡げ、平行光束にしてすりガラスか
ら成る拡散板５を照明し、コリメーターレンズ１
２を通過後物体光として使用し、ホログラム４の
位置にある感光材４′を露光させる。他の光F₂は
顕微鏡対物レンズ１４及びコリメーターレンズ１
２で平行光束にし、参照光として使用する。この
よううにしてホログラム４の位置に置かれた感光
材４′に拡散板５からの物体光を平面波の参照光
でホログラムとして記録し、写真処理してホログ
ラム４が完成する。一方、ホログラム２０を作成
するには、感光材２０″を光学素子群２０′の光路
出口側に置き、ホログラム４を作成した場合と同
様に感光材２０″を露光し、写真処理して完成す
る。これによつて光学上無限遠若しくは無限遠と
等価の距離に位置する物体（拡散板５）の物体光
と参照光とを記録したホログラム２０が得られ
る。

このようにして得られたホログラム４，２０を
固定体上にセツトして第３図に示す回転角度計１
が完成する。この第３図に示す回転角度計１と、
第２図に示す回転角度計１′とを対比して見ると
明らかな通り、回転角度計１は第２図における回
転角度計１′における光学素子群１０をホログラ
ム再生光学素子群２０で置き替えたものに等し
く、かつホログラム２０は光学素子群２０′の発
した物体光と参照光を記録したものであるから、
光源１９からホログラム２０に平行光束を照射し
た場合には、物体光と参照光を生じさせる機能に
おいて光学素子群１０と等価のものであり、した
がつて、第２図及び第３図に示す回転角度計１，
１′は同じ光学的機能を発揮する。

このようにして構成した回転角度計１による移
動体の回転変位の測定は次のようにする。まず光
源１９からの光を顕微鏡対物レンズ１４、ピンホ
ール１５、コリメーターレンズ１２によつて平行
光束にし、この光をホログラム２０に照明する。
この照明によつてホログラム２０に先に記録され
た光学上無限遠若しくは無限遠と等価の距離に位
置する物体（拡散板５）の物体光と参照光が再生
される。物体光と参照光はともに固定体上のホロ
グラム４に入射し、このうち参照光はホログラム
４に記録されている物体光を再生させて再生物体
光が発生し、この再生物体光を前述の物体光と干
渉させる。この干渉によつて生ずる干渉縞はスク
リーン６上に観測可能に投影される。この干渉縞
を解析して移動体の回転変位を求めることができ
る。干渉縞の解析の手法については前述の特願昭
55−168996号明細書に記載されたものと同じであ
る。

次に、この発明を直線変位を検出する直線計に
適用することもできる。その一例としては、特願
昭55−178615号「反射素子を備えたホログラム直
線計」の明細書及び図面第３図に示した直線計２
１の光学素子３２をホログラム２０及び光源１９
で置き換えることによつてただちに実現する。

すなわち、第６図及び第７図にはこの発明を直
線計に適用した実施例が示されている。

第６図及び第７図において、１ｂは直線計であ
る。直線計１ｂはブロツクＡで示される構成部材
とブロツクＢで示される構成部材とから成つてい
る。ブロツクＡに含まれる構成部材は横変位を検
出しようとする刃物台等の移動体に取り付けら
れ、またブロツクＢに含まれる構成部材は基礎等
の固定部に取り付けられている。

ブロツクＡに含まれる構成部材としては、ホロ
グラム４、コリメータレンズ２３及びスクリーン
６があり、これらのホログラム４、コリメータレ
ンズ２３及びスクリーン６は光軸に沿つて配列さ
れ、移動体上に取り付けられている。また、ブロ
ツクＡにはホログラム再生光学素子群２０が移
動体上に取り付けられている。移動体は、本来、
光軸方向の直線移動径路に沿つて移動し得るよう
に構成されたものである。

一方、ブロツクＢに含まれる構成部材として
は、反射素子３３、反射素子３４を備えている。
反射素子３３は直交する平面内に位置するミラー
４５，４６を有し、また反射素子３４は直交する
平面内に位置するミラー４７，４８を有し、それ
ぞれのミラー４５，４６，４７，４８は光路に対
して45゜をなしている。但し、反射素子３３，３
４はそれぞれプリズムで代替することもできる。
一対の反射素子３３，３４は直線移動径路に沿つ
た固定位置に配設されブロツクＡを間に位置させ
て対向している。反射素子３３は光学素子３２か
らの光の光路の方向をxz平面内で180゜変更するよ
うに配置し、また、反射素子３４は反射素子３３
からの光をyz平面内で180゜光路変更させてホログ
ラム４に入射するように配置する。

ホログラム再生光学素子群２０は、第８図に
示す如く光源１９、顕微鏡対物レンズ１４、ピン
ホール１５、コリメータレンズ１２、ホログラム
２０を含んである。

ホログラム４及びホログラム２０は次のように
作成する。

まずホログラム４を作成する場合には、この第
６図、第７図においてホログラム再生光学素子群
２０の代りに第９図に示す光学素子群２０′を
組込んだ構成において、次のようにする。まず感
光材４′をホログラム４の位置に置き、次にレー
ザー発光装置２を発光させる。レーザー発光装置
２からの光をビームスプリツター３で２分割し、
一方の光F₁を顕微鏡対物レンズ７とコリメータ
レンズ１１で拡げ、平行光束にしてすりガラスか
ら成る拡散板５を照明し、コリメータレンズ１２
を通過後物体光として使用し、ホログラム４の位
置にある感光材４′を露光させる。他の光F₂は顕
微鏡対物レンズ１４及びコリメータレンズ１２で
平行光束にし、参照光として使用する。このよう
にしてホログラム４の位置に置かれた感光材４′
に拡散板５からの物体光を平面波の参照光でホロ
グラムとして記録し、写真処理してホログラム４
が完成する。

一方、ホログラム２０を作成するには、感光材
２０″を光学素子群２０′の光路出口側に置き、ホ
ログラム４を作成した場合と同様に感光材２０″
を露光し、写真処理して完成する。これによつて
光学上無限遠若しくは無限遠と等価の距離に位置
する物体（拡散板５）の物体光と参照光とを記録
したホログラム２０が得られる。

このようにして得られたホログラム４を固定体
上にセツトし、かつ、ホログラム２０をホログラ
ム再生光学素子群２０にセツトして第６図に示
す直線計１ｂが完成する。

このようにして構成した直線計１ｂによる移動
体の変位の測定は次のようにする。まず、光源１
９からの光を顕微鏡対物レンズ１４、ピンホール
１５、コリメータレンズ１２によつて平行光束に
し、この光をホログラム２０に照明する。この照
明によつてホログラム２０に先に記録された光学
上無限遠若しくは無限遠と等価の距離に位置する
物体（拡散板５）の物体光と参照光が再生され
る。物体光と参照光はともに固定体上のホログラ
ム４に入射し、このうち参照光はホログラム４に
記録されている物体光を再生させて再生物体光が
発生し、この再生物体光を前述の物体光と干渉さ
せる。この干渉によつて生ずる干渉縞はスクリー
ン６上に観測可能に投影される。この干渉縞を解
析して移動体の横変位を求めることができる。

次に上記した干渉縞の解析の手法をこの発明を
直線計に適用した実施例について説明する。

(1) 今仮に、光軸に一致し若しくは平行な移動方
向を持つ移動体が横変位した場合には、ホログ
ラムが横変位し、このため再生物体光の波面が
横方向へ変位して生ずる。このように横変位の
場合には、スクリーン上に局存する直線上の干
渉縞になる。これまでのホログラフイーによる
干渉縞の解析から、干渉縞の線方向に対して垂
直方向が可動体の変位方向になることがわか
る。

第１０図には典型的な３つの干渉パターンと
変位方向が示されており、このようにして光軸
に垂直な２次元面内の変位を計測することがで
きる。

(2) 可動体変位方向の正負の判定：以上の操作に
よる可動体が左右の方向に変位したか、上下方
向に変位したかを判定することができるが、次
に変位の方向の正負の判定について述べる。い
ま、ホログラム４を例えば右方向に移動させて
おき、スクリーン６に干渉縞を生じさせてお
く。この時、可動体が右方向に変位した場合に
は、干渉縞の本数が増加し、左方向に変位した
場合には本数が減少する。このように干渉縞の
本数の増減によつて、方向の正負の判定をする
ことができる。

(3) 精度：空気のゆらぎや外部振動のない理想的
な場合を求めよう。いま、移動体８の横変位量
を光軸に対して垂直面内でΔx，Δy、スクリー
ン６上の座標をζ，ηとすると干渉縞の最大強
度の軌跡はΔx・η＋Δy・ζ＝nλf（但し、ｎ＝
０，±１，±２，…，ｆは集束レンズ７の焦点距
離）によつて表わされる。簡単にするために横
変位だけが生じた場合には、Δy＝０としてΔx
＝nλ・ｆ／η、視野の中にはｎ本の干渉縞が
生ずる場合にはΔx＝nλF（但し、Ｆはレンズの
Ｆ数）。いま、視野の中に１本の干渉縞が増加
するための移動量をΔx_lとすると、Δx_l＝λF，
λ＝0.633μm，Ｆ＝15とするとλx_l≒9.5μmとな
る。干渉縞の増加が1/10フリンジまで読める場
合には、約1μmの横移動まで検出される。

以上の説明から明らかな通り、この発明によれ
ば、従来のホログラム直線計における参照光及び
物体光を発生させるための光学素子群を光源及び
１枚のホログラムをもつて構成することができる
から、素子数が少なく、構造が簡単で、かつ取扱
いの容易な直線計、回転角度計等の変位計を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のホログラム直線計の一例を示す
構成説明図、第２図は従来のホログラム回転角度
計の一例を示す構成説明図、第３図はこの発明の
一実施例に係るホログラム回転角度計を示す構成
説明図、第４図は光学素子群を示す構成説明図、
第５図は第３図のホログラム回転計における光源
及びホログラムを光学素子群で置き換えたものの
構成説明図、第６図はこの発明の他の実施例に係
わるホログラム直線計の構成を示す平面構成説明
図、第７図は第６図に示すホログラム直線計の構
成を示す斜視構成説明図、第８図はホログラム再
生光学素子群を示す構成説明図、第９図は光学素
子群を示す構成説明図、及び第１０図は干渉縞を
示す説明図である。 １…ホログラム回転角度計、４…ホログラム、
１９…光源、２０…ホログラム、２０′…光学素
子群、２０…ホログラム再生光学素子群。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 固定体に対して検出すべき変位を生ずる移動
   体の前記変位を検出する変位計であつて、光学上
   無限遠若しくは無限遠と等価の距離に位置する物
   体の物体光と参照光とを記録した第１のホログラ
   ムと、及び前記物体の基準位置における物体光と
   参照光により形成される干渉縞を記録した第２の
   ホログラムとを前記固定体若しくは前記移動体の
   一方に設置し、反射素子を前記固定体若しくは前
   記移動体の他方に設置し、固定位置にある光源か
   らの光が前記第１のホログラムに入射した後に前
   記反射素子で反射して前記第２のホログラムに入
   射するように構成したことを特徴とするホログラ
   ム変位計。