JPH0210362B2 - - 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）を検査する必要がある。また加工中
に刃物台等の横振れ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
もある。

このような場合に、直線計が使用され、そのう
ち光学的な直線形としては従来オート・コリメー
ター、レーザ直線計（ツーリング・レーザ）等が
利用されているが、、一成分の回転ないし変位を
検出するものであつて、かつ、精度不足などでい
ずれも上記の目的には不充分であつた。一方、近
来ホログラフイー技術が開発されつつある。この
ホログラフイーは、物体を照射して位相と振幅の
変調を受けた物体光と物体を照射しない参照光と
により生ずる干渉縞を記録したホログラムに、再
生照明光を照射して物体光と同等の光波を再生す
るものであり、この発明の発明者はこのホログラ
フイー技術を直線計に適用してこの発明を完成し
た。

すなわちこの発明の直線計は、直線運動をする
可動体上に拡散板を配設し、固定体上に拡散板の
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ホログラムを配設することに
より、可動体の直線運動に伴つてホログラムから
の再生像の波面と拡散板からの物体光の波面との
相対的なずれの方向及び量の情報を縞の傾角及び
間隔として含む等傾角干渉縞を生ぜしめ、かつ、
同干渉縞の傾角及び間隔を実時間測定することに
より可動体の運動方向に対して垂直な平面内での
変位二成分を同時にかつ高精度に検出するように
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１図において、１は直線計である。直線計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及び光源Ｃ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可
動体２に取り付けられ、またブロツクＢに含まれ
る構成部材及び光源Ｃは基礎等の固定体３に取り
付けられている。

ブロツクＡにおいては、粗面の反射面５を有す
るスリガラス等の拡散板４を反射面５が運動方向
に対してほぼ垂直に位置するように配設し、その
前方にピンホール部材６、絞り７、ハーフミラー
（ビームスプリンター）８、コリメータレンズ９
を順次同軸上にそなえ、またハーフミラー８の横
方向（後述するブロツクＢからブロツクＡに達す
る光束の光軸に直角な方向をいう。この明細書に
おいて同じ。）にミラー１１、アライメント用レ
ンズ１２を備えている。

一方、ブロツクＢにおいては、ハーフミラー１
３、コンデンサーレンズ１４、ホログラム１５、
像画１６、しや光板１７、コリメータレンズ１
８、ミラー１９及びアライメント用レンズ２０を
順次同軸上に備えている。ハーフミラー１３の横
方向にはコンデンサーレンズ２１、対物レンズ２
２が同軸上に位置し、さらにその横方向に光源Ｃ
が同軸上に位置し、かつミラー１８の横方向にス
クリーン２３が位置する。

このような構成の直線計１においては、まず変
位前の拡散板４の反射面５に関するホログラム１
５を作成する必要がある。ホログラム１５の作成
は次の通りである。まず感光材をホログラム１５
の位置に置き、次に光源Ｃを発光させる。光源Ｃ
からの光束はコンデンサーレンズ２１によつて平
行光束にされた後、ハーフミラー１３で反射され
てブロツクＡに達する。ブロツクＡに達した光束
はコリメータレンズ９によつて収束されて、ビー
ムスプリツター８に達し、ビームスプリツター８
により振幅分割された光束の一部はビームスプリ
ツター８を通過し、かつ絞り７及びピンホール部
材６のピンホールを通過して拡散板４の反射面５
に入射する。反射面５に入射した光束は、反射面
５で反射して波面の振幅と位相の変調を受けた物
体光となり、入射した時と同じ経路を逆方向に通
り、かつハーフミラー１３及びコンデンサーレン
ズ１４を通してホログラム１５の位置にある感光
材に達する。一方、ビームスプリツター８によつ
て振幅分割された入射光束の残部はミラー１１で
反射された後、入射した時の経路をわずかにずれ
て物体光に対して一定の角度でかつハーフミラー
１３及びコンデンサーレンズ１４を通して感光材
に達する。このミラー１１で反射されて感光材に
達する光束は参照光として機能するものである。
この参照光と先の物体光との干渉による干渉縞が
感光材に記録されるから、これを現像してホログ
ラム１５を得る。このホログラム１５は前述の感
光材のあつた位置と正確に一致させてセツトす
る。

このようにして準備が完了した直線計１による
可動体２の横方向変位の測定は次のようにする。
まず光源Ｃを再び発光させ、ブロツクＢに入射す
る。今仮に可動体２が横方向に変位したとする
と、参照光は再生照明光としてホログラム１５を
照明して変位前の拡散板の像を像面１６上に再生
させるが、変位後の拡散板の像は像面１６上にお
いて可動体２すなわち拡散板４の変位に応じて変
位し、変位前の拡散板の像の波面と変位後の拡散
板の像の波面とが干渉してスクリーン２３上に第
２図に示す如き等傾角干渉縞Ｄが生ずる。この等
傾角干渉縞Ｄを実時間で観察することによつて可
動体２の横方向の平行移動の方向と量を知ること
ができる。この場合、後述の(3)式の△ｘまたは△
ｙが最小となる最小変位量をＵとしてレンズ１８
のエフ数をＦとするとＵ＝λFの関係がある。す
なわち後述の(3)式において△ｘ、△ｙが最小とな
るのは、ａ，ｂがレンズ１７の口径Ｄと等しくな
る場合（ａ＝Ｄ、ｂ＝Ｄの場合）であり、かつレ
ンズの焦点距離ｆと口径Ｄとエフ数Ｆとの間には ｆ／Ｄ＝Ｆの関係があるから、結局Ｕ＝λFの
関係がある。ここでλは波長である。仮にＦ＝
２，λ＝0.633μm（He―Neガスレーザ光の波長）
とすればＵ≒1.3μmとなり工作機械等に使用する
直線計として充分な感度を有する。

このようにして得られた等傾角干渉縞から変位
を求めるには次のプロセスによる 第３図において、ｚ軸はレンズ９，１４，１８
及びスクリーン２３の中心を通る光軸に対応し、
ｘ、ｙ軸は反射面５上に、η―ξ軸はスクリーン
２３上にそれぞれとつている。ｘ―ｙ面上での反
射面５の変位を（△ｘ，△ｙ）したとき、ξ―η
面上で観察される干渉パターン（明るい線の位
置）は次式で表わされる。

すなわち第６図に示すように、可動体が△ｘ，
△ｙだけもとの位置からずれたとすると、 （2π／λ）（△ｘ・sinθx＋△ｙ・sinθy）＝2nπ ここで、tanθx≒sinθx＝ξ／ｆ、 tanθy≒sinθy＝η／ｆ（ただしθx、θyが小さい
場合）だからこれを上式に代入して、 △ｘ・ξ＋△ｙ・η＝nλf（０，±１，±２，…）
(1) (i) 干渉じまがξ，η軸を切る切片をそれぞれ
na，nbとすると、干渉パターンは次のように
表わされる（第２図） aη−bξ＝nab（ｎ＝０，±１，±２，…） (2) (1)，(2)式より△ｘ，△ｙは、 (ii) ｌ×ｌの矩形内で干渉パターンを観察し、
ξ，η軸上で、それぞれｐ，ｑ本の縞が検出さ
れたとすると、 ａ＝ｌ／ｐ，ｂ＝ｌ／ｑ (4) (4)→(3)より (iii) 干渉じまの傾き角θと縞間隔Ｃを検出すれ
ば、 sinθ＝ｃ／ａ， cosθ＝ｃ／ｂ (6) (6)→(3)より △ｘ＝λ・ｆ／ｃsinθ △ｙ＝λ・ｆ／ｃcosθ｝ (7) 以上の検討から（ａ，ｂ）、（ｐ，ｑ）あるいは
（θ，Ｃ）のいずれかないしはこれ等の中の独立
な二つの値を光電的に検出することにより、拡散
板の変位（△ｘ，△ｙ）を自動的に求めることが
できる。

光電的な検出素子としてはダイオード・アレイ
（一次元）、イメージセンサ（二次元）、テレビカ
メラ（二次元）等を用い得る。一例として、四個
のダイオード・アレイを観察面ξ―η上に配置し
て（ｐ，ｑ）ないし（ａ，ｂ）を求める場合を第
４図に示す。

ダイオード・アレイをスキヤンすると受光面上
の光の強度に比例した信号が得られるから、その
山数を電気的に計数することにより直ちに（ｐ，
ｑ）が求める。すなわち、ダイオード・アレイ
，，，の出力から計数された山数をそれ
ぞれm〓，m〓，m〓，m〓とすると、 Ｐ＝m〓＋m〓，ｑ＝m〓＋m〓 また、ａ，ｂは ａ＝１／（m〓＋m〓）、ｂ＝１／（m〓＋m〓） である。

多数のダイオード・アレイを平行に並べて多く
のmiを求め、これを平均することにより測定精
度を向上できる。その場合には二次元情報を処理
できるイメージセンサーやテレビカメラが有効と
なる。

このように、この発明によれば、可動体の横方
向変位の二成分を容易に検出し得るホログラフイ
ーを利用した直線計を容易に得ることができる。

なお、第１図に示した実施例においては、物体
光としては拡散板４の反射面５からの反射光を利
用し、ブロツクＡとブロツクＢ間での空気の乱れ
の影響が少ないという利点とを持つものである
が、物体光として拡散板４を透過する光を利用し
てもよいのは勿論である。この透過光を物体光と
して利用する場合の直線計の一実施例は第５図に
示す通りである。すなわち第５図に示す実施例で
は、ブロツクＡに、同軸上に位置するミラー２
５、拡散板４′、ピンホール部材６、ハーフミラ
ー８′及びコリメータレンズ９と、ハーフミラー
８′の横方向に位置するミラー２６及びアライメ
ント用レンズ１２と、ミラー２５，２６に向けて
光束を振幅分割するハーフミラー２７とをもつて
構成する。この場合の拡散板４′は光透過型の拡
散板である。またブロツクＢは同軸上に順次位置
するコンデンサーレンズ１４、ホログラム１５、
しや光板１７、コリメータレンズ１８、ミラー１
９及びアライメント用レンズ２０と、ミラー１９
の横方向に位置するスクリーン２３とで構成され
ている。

このような直線計において、等傾角干渉縞Ｄ
（第２図）を得るためには光源Ｃを発光させ、こ
の光束をハーフミラー２７によつて振幅分割し、
分割された光束の一方をミラー２５で反射させて
拡散板４′を透過させ、この透過によつて位相、
振幅を変調した光束を物体光としてホログラム１
５に入射する。また、振幅分割した光束の他方を
ミラー２６及びハーフミラー８′で反射させてホ
ログラム１５に入射し、参照光及び再生照明光と
して使用する。このように構成された直線計にお
いては、物体光の減光はハーフミラー８′による
ものだけであるから、きわめて明るい像を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る直線計を示
す構成説明図、第２図は干渉縞の一例を示す説明
図、第３図は拡散板の反射面と干渉縞の位置関係
を示す説明図、第４図は変位検出装置の一例を示
すブロツク図、第５図はこの発明の他の実施例に
係る直線計を示す構成説明図、及び第６図はξ―
η座標上における反射面の変位を示す斜視説明図
である。 １……直線計、２……可動体、３……固定体、
４，４′……拡散板、５……反射面、１５……ホ
ログラム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直線運動をする可動体上に拡散板を配設し、
   固定体上に前記拡散板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ホロ
   グラムを配設することにより、可動体の直線運動
   に伴つて前記ホログラムからの再生像の波面と前
   記拡散板からの物体光の波面との相対的なずれの
   方向及び量の情報を縞の傾角及び間隔として含む
   等傾角干渉縞を生ぜしめ、かつ、同干渉縞の傾角
   及び間隔を実時間測定することにより前記可動体
   の運動方向に対して垂直な平面内での変位二成分
   を同時に検出するように構成したことを特徴とす
   る直線計。