JPH0444922B2 - - Google Patents

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JPH0444922B2
JPH0444922B2 JP59072380A JP7238084A JPH0444922B2 JP H0444922 B2 JPH0444922 B2 JP H0444922B2 JP 59072380 A JP59072380 A JP 59072380A JP 7238084 A JP7238084 A JP 7238084A JP H0444922 B2 JPH0444922 B2 JP H0444922B2
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JP
Japan
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light
beam splitter
polarizing beam
target
axis
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Expired
Application number
JP59072380A
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English (en)
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JPS60216207A (ja
Inventor
Toshitsugu Ueda
Eiji Ogita
Yoshinobu Sugihara
Daisuke Yamazaki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
Application filed by Yokogawa Electric Corp filed Critical Yokogawa Electric Corp
Priority to JP59072380A priority Critical patent/JPS60216207A/ja
Publication of JPS60216207A publication Critical patent/JPS60216207A/ja
Publication of JPH0444922B2 publication Critical patent/JPH0444922B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/70Using polarization in the interferometer

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、光の干渉を利用して変位量、変位速
度、振動数等の機械量を知るようにした光学式機
械量測定装置に関するものである。
(従来技術) 従来より光信号を利用して2次元の機械量を知
るものはあるが、3次元の機械量を高精度かつ高
分解能で測定するものはなかつた。
(本発明の目的) 本発明の目的は、被測定物体とは非接触で3次
元の各種機械量を高精度で、かつ高分解能で測定
することのできる構造の簡単な、この種の装置を
実現しようとするものである。
また、本発明の他の目的は、被測定機械量が与
えられるターゲツトの種類に応じて、光学系を調
整することが容易な機械量測定装置を提供するこ
とにある。
(本発明の概要) 本発明に係る装置は、光源からの可干渉な光を
被測定機械量が与えられている可動拡散面に照射
し、そこから得られるスペツクルパターンを径の
大きい第1のピンホールと径の小さな第2のピン
ホールを通し、第1のピンホールを通つた光を利
用して2次元の機械量を測定するとともに、第2
のピンホールを通つた光に光源からの光を参照光
として照射し、その結果得られる干渉縞のパター
ンを利用して可動拡散板の前記2次元の軸と直交
する軸方向の変位等の機械量を測定するようにし
た点に構成上の特徴がある。
(実施例) 第1は本発明に係る装置の一例を示す構成説明
図である。図において、1は光源で、例えば
HeNeレーザ光源が使用され、ここから可干渉な
光が出射される。11,12はレンズで、光源1
から出射した光を拡げて平行光とするビームエク
スパンダBXを構成している。21は第1の偏光
ビームスプリツタ(以下PBSと略す)、22は第
2のPBS,23は第3のPBS,24は第4の
PBSである。各PBSは、入射する光ビームを2
方向に分割する役目をなし、入射光線と入射面に
たてた法線が作る入射面に垂直方向に振動する光
成分(S波)と、平行に振動する光成分(P波)
に分かれる。第1のPBSにおいて、P波はこの
PBSを通過し、ミラー31で反射し、λ/2板
41を通つてミラー32で反射し、第4のPBS
24に入つてZ系の参照光となる。また、第1の
PBS21において、S波はこのPBSで反射され、
λ/4板42を通つて、ターゲツト5の拡散面5
0に照射される。このターゲツト5には、図示す
るように測定すべき3次元の機械量X,Y,Zが
与えられている。
ターゲツト5の拡散した光(反射光)は、λ/
4板42を通つてPBS21に戻り、ここを通過
後、レンズ13(焦点f0)、第1のピンホール6
0を有した絞り6及び、この絞り6に近接して設
置した第2のピンホール40を有するλ/2板4
3をそれぞれ通つてPBS22に入り、ここで、
第2のピンホール40を通つた光は、Z系の光成
分(直進する光)として、第1のピンホール60
を通つた光は、X,Y系の光成分(反射する光)
としてそれぞれ分けられる。なお、絞り6に設け
られているピンホール60の径は、λ/2板43
に設けられているピンホール40の径より大きく
選定されている。XY系の光成分は、ミラー33
で反射し、レンズ14(焦点f)、λ/4板44
を通つて、PBS23に入り、ここでX系、Y系
に分けられ、各々のX軸センサ8X、Y軸センサ
8Yの受光面にスペツクルパターンを作り、これ
がそれぞれ検出される。
PBS22において分けられたZ系の光成分は、
レンズ15(焦点f)、PBS24及び偏光板7を
通つて、Z軸センサ8Z上に照射され、その受光
面にミラー32側からくる参照光と干渉して干渉
縞が作られ、これを検出する。
X軸センサ8X、Y軸センサ8Y及びZ軸セン
サ8Zは、多数個の受光素子をアレイ上に配列し
て構成されるもので、CCDなどのイメージセン
サが使用可能であり、X軸センサ8XとY軸セン
サ8Yの各受光素子の配列方向は互いに直交する
ように配置されている。
第2図は第1図装置において、電気的な回路を
示す構成ブロツク図である。この図において、8
0は、例えばCCDで構成された各センサ8X,
8Y,8Zを駆動するクロツク発振器で、例えば
周波数feのクロツク信号を各センサに印加してい
る。71,72,73は各センサ8X,8Y,8
Zからの出力周波数信号fx,fy,fzを入力し、こ
れと参照周波数信号fRとをミキシングするミキ
サ、81,82,83はそれぞれ対応するミキサ
からの出力信号のなかの特定な周波数信号を通過
させるローバスフイルタ、91,92,93はそ
れぞれローバスフイルタ81,82,83からの
周波数信号を計数するカウンタ、90は各カウン
タ91,92,93からの計数信号fox,foy,
fozを入力する演算回路で、この演算回路として
は、例えばマイクロプロセツサが使用される。9
5は表示装置で、例えばCRTが使用され、演算
回路90での演算結果を表示する。
X軸センサ8X、Y軸センサ8Y上に作られる
スペツクルパターンは、ターゲツト5が矢印X方
向に移動したときは、X軸方向に移動し、ターゲ
ツト5が矢印y方向に移動したときは、y軸方向
に移動する。X軸センサ8Xは、この受光面に作
られるスペツクルパターンのX軸方向変位を把え
る。また、Y軸センサ8Yは、この受光面に作ら
れるスペツクルパターンのY軸方向変位を把え
る。
z軸センサ8Z上に得られるパターンは、スペ
ツクルパターンにマイケルソン干渉縞が重畳した
ようなものとなる。このパターンは、ターゲツト
5が矢印z方向に移動すると、一方向に移動す
る。Z軸センサ8Zは、この受光面上に作られる
パターンの一方向変位を把える。
第3図は、空間周波数Fと、スペクトル強度I
との関係を示す線図である。この線図において、
ピンホール径を小さくすると、この特性曲線は矢
印a方向に、ピンホール径を大きくすると、矢印
b方向に変化する状態を示している。
本発明に係る装置においては、絞り6に設けた
第1のピンホール60の径を大きくし、スペツク
ル中の高い空間周波数成分を通し、この成分を
PBS22でXY系側に分離させるようにしてい
る。また、λ/2板43に設けた第2のピンホー
ル40の径を小さくし、スペツクル中の低い空間
周波数成分を通過(高周波成分をカツト)させ、
この成分をPBS22を通してZ径側で利用する
ようにしている。すなわち、第1のピンホール6
0を通過した光は、λ/2板で偏光面が90°回転
するので、PBS22で反転し、X,Y系側に向
かい、第2ピンホール40を通過した光は、偏光
面が回転することはないので、PBS22を通過
し、Z系側に向かう。ここで、第1のピンホール
60の径は、第2のピンホール40の径に比べて
10倍程度大きいことが望ましい。これによつて、
光強度の低下を抑えてS/Nを良好にし、Z軸セ
ンサ8Zの受光面につくられる干渉縞を鮮明に
し、ターゲツト5のZ方向変位を確実に検出でき
るようにしている。
第2図において、各センサ8X,8Y,8Z
は、一端にクロツク発振器80からの周波数fcの
クロツク信号が印加されて駆動されており、各セ
ンサ8X,8Y,8Zから、fc=fc/N(ただし、
Nは各センサのビツト数)を基本周波数とする周
波数信号fx,fy,fzが出力される。
第4図は、各センサ8X,8Y,8Zから得ら
れる周波数信号fx,fy,fzの周波数スペクトルを
示す説明図である。この信号の周波数スペクトル
は、基本周波数f0の整数倍の点でピークがあり、
かつそのピークは、各センサの全幅の1/(整
数)と、干渉縞の間隔が等しいところが一番大き
くなり、ターゲツト5の移動とともに、移動す
る。例えば、ターゲツト5がx方向にXだけ移動
すれば、センサ8Xからの周波数信号fxの例えば
m次高調波に相当するピークPmは、その移動速
度dX/dtに比例したΔfnxだけ周波数シフトする。
同じように、ターゲツト5がy方向にYだけ移動
すれば、センサ8Yからの周波数信号fyのm次高
調波に相当するピークpmは、その移動速度dY/
dtに比例したfmyだけ周波数シフトする。センサ
8Zからの周波数信号についても同様である。つ
まり、Δfnx,Δfny,Δfnzの位相を測定すればx,
y,zの変位量を測定できる。
例えば第2図の回路において、ミキサ71,7
2,73は、各センサから出力されるm次高調波
Pmと、その近傍周波数fRとをミキシング、すな
わちヘテロダイン検波し、各出力をローパスフイ
ルタ81,82,83を介することによつて、そ
の出力端に次式に示すような周波数信号fox,
roy,fozをそれぞれ得る。
fox=mfo−fR±Δfnx foy=mfo−fR±Δfny foz=mfo−fR±Δfnz 各カウンタ91,92,93は、これらの周波
数信号をそれぞれ計数する。演算回路90は、各
カウンタ91,92,93からの信号fox,foy,
fozを入力し、所定の演算、例えば積分を含む演
算をすることによつて、ターゲツト5の各矢印
x,y,z方向の変位量X,Y,Zを知ることが
できる。またΔfnx,Δfny,Δfnzは、ターゲツト5
の移動方向に応じて、正、負に極性が変わること
から、移動方向の判別も同時にできる。
このように構成される装置は、ひとつの光源か
らのビームによつて3次元の変位が同時に測定で
きるもので、全体構成を簡単にできる。また、各
センサから得られる信号は周波数信号であること
から、演算処理が容易であり、高分解能で、各種
機械量を測定することができる。
なお、上記の実施例において、光源1の光パワ
ーに余裕のある場合は、PBS22,23,24
等はハーフミラーとしてもよい。また、ターゲツ
ト5の拡散面50には、再帰性反射物やその他必
要な模様等を設けるようにし、検出感度を増大さ
せるようにしてよい。また、ここでは、ターゲツ
トのx,y,z方向の変位量や移動速度を測定す
る場合を説明したが、ターゲツト5の振動数や回
転数、あるいは形状変化等、各種の3次元の機械
量を測定することができる。
以上説明したように、本発明に係る装置によれ
ば、被測定機械量が与えられるターゲツトとは非
接触で、このターゲツトの3次元の変位量など各
種機械量を高分解能で測定することができる。
また、本発明においては、第1のピンホールを
有する絞り6と、第2のピンホール40を有する
λ/2板43とを、第1の偏光ビームスプリツタ
21と、第2の偏光ビームスプリツタ22との間
に配置する構成であるために、絞り6とλ/2板
43とを、光軸に対して同時に調整しながら容易
に配置することが可能であり、また、これらをタ
ーゲツトの種類に応じて取り替えるような場合
も、同じ設置位置で行えるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る装置の一例を示す構成説
明図、第2図は電気的な回路を示す構成ブロツク
図、第3図は空間周波数とスペツクトル強度との
関係を示す線図、第4図は各センサから得られる
信号の周波数スペツクトルを示す説明図、であ
る。 1……光源、21,22,23,24……偏光
ビームスプリツタ、31,32……ミラー、5…
…ターゲツト、6,43……絞り、60,40…
…ピンホール、8X,8Y,8Z……X軸、Y
軸、Z軸センサ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 可干渉な光を出射する光源1と、 x,y,z軸方向の被測定機械量が与えられる
    ターゲツト5と、 前記光源からの光を2方向に分割する第1の偏
    光ビームスプリツタ21と、 この第1の偏光ビームスプリツタで分割された
    一方の光をλ/4板42を介して前記ターゲツト
    に照射すると共に、ターゲツトからの反射、散乱
    光を前記λ/4板42を介して前記第1の偏光ビ
    ームスプリツタ21に導く光学系と、 この第1の偏光ビームスプリツタ21を通過し
    てくる光を通す第1のピンホール60を有する絞
    り6と、 この絞り6に近接して設置され第1の偏光ビー
    ムスプリツタ21を通過してくる光を通す、前記
    第1のピンホール60の径より小さい径の第2の
    ピンホール40を有するλ/2板43と、 第1,第2のピンホールを通過してきた光を2
    方向に分割する第2の偏光ビームスプリツタ22
    と、 第2の偏光ビームスプリツタ22により分割さ
    れた一方の光を受光しその受光面に得られるスペ
    ツクルパターンのx軸方向およびy軸方向の移動
    を検出するx軸受光手段8xおよびy軸受光手段
    8yと、 前記第2の偏光ビームスプリツタ22により分
    割された他方の光の他の方向から導かれた光とを
    1方向の光にするための光方向一致手段24と、 前記第1の偏光ビームスプリツタ21で分割さ
    れた他方の光をλ/2板41を経て前記光方向一
    致手段24に他の方向からの光として導く光学系
    31,32と、 前記光方向一致手段24で1方向となつた2種
    の光を干渉させるための偏光手段7と、 この偏光手段7を通過した光を受光した当該受
    光面に得られた干渉縞の移動を検出するz軸受光
    手段8zと を備えた光学式機械量測定装置。
JP59072380A 1984-04-11 1984-04-11 光学式機械量測定装置 Granted JPS60216207A (ja)

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JPS60216207A JPS60216207A (ja) 1985-10-29
JPH0444922B2 true JPH0444922B2 (ja) 1992-07-23

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