JPH045122B2

JPH045122B2 -

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Publication number: JPH045122B2
Application number: JP18140283A
Authority: JP
Priority date: 1983-09-29
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1992-01-30
Also published as: JPS6071911A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の属する分野〕本発明は、光の干渉を利用して変位量および回
転変位量を測定する光学式変位・回転測定装置に
関するものである。

さらに詳しくは、本願は、光源からの可干渉な
光を、２次元的な変位および回転変位を行なう可
動拡散面に照射し、そこから得られるスペツクル
パターンを利用して２次元の変位量および回転変
位量を測定するようにした光学式変位・回転測定
装置に関するものである。

〔従来技術〕

このような測定装置の一例としては、出願人が
すでに特願昭57−109348号として出願した光学式
機械量測定装置がある。これは光学的な手段を利
用して３次元的な変位量を測定するようにしたも
ので、以下にその構成および動作を説明する。

この光学式機械量測定装置は、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
ンを利用して２次元の機械量を測定するととも
に、このスペツクルパターン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。

第１図は本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、
２５は第５のPBSである。第１、第２、第３の
PBS、２１，２２，２３は、入射する光ビーム
を２方向に分割する役目をし、第４のPBS２４
は２方向から来るビームを１方向ビームにする役
目をしている。また、第５のPBS２５は、第４
のPBSに対して45°回転した位置関係となるよう
に設置されており、２種の光を干渉させて縞を作
る役目をしている。３１，３２はそれぞれ焦点距
離がf₁、f₂のレンズ、３０はレンズ３１と３３と
の間であつて、レンズ３１からf₁、レンズ３２か
らf₂の距離に設置した絞り板で、これには、径が
ｄの透孔が設けられている。４は拡散面４０を有
するターゲツトで、レンズ３２からｌ（ｌは０〜
2f₂程度が好ましい）だけ離れて設置され、これ
には例えば、図示するようにｘ、ｙ、ｚ方向の３
次元の測定機械量が与えられる。５１はレンズ３
２とターゲツト４との間に設置したλ／４板、６
１，６２はミラーで、第１のPBS２１で分割さ
れた光源１からの光が、第４のPBS２４に入射
するように設置されている。ここでミラー６１は
その光軸Clに対してθ₁＝45°だけ傾斜しているの
に対し、ミラー６２は光軸Clに対してθ₂＝45°＋
Δθだけ傾斜してある。５２はミラー６１と第１
のPBS２１との間に設置したλ／２板、５３は
第１のPBS２１と第２のPBSとの間に設けた
λ／４板、５４は第２のPBS２２と第３のPBS
２３との間に設けたλ／４板である。

７１は第３のPBS２３で分割された一方の光
を受光するｘ軸受光器、７２は第３のPBSで分
割された他方の光を受光するｙ軸受光器で、これ
らには多数個の受光素子をアレイ状に配列して構
成されるCCDなどのイメージセンサが使用され
る。なお、各受光器７１，７２において、その受
光素子の配列方向は互いに直交するように設置さ
れているものとする。７３は第５のPBSから出
た光を受光する受光器である。この受光器７３と
しては、CCDなどのイメージセンサが用いられ
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、７
０は、例えばCCDで構成された各受光器７１，
７２，７３を駆動するクロツク発振器で、例えば
周波数fcのクロツク信号を各受光器に印加してい
る。８１，８２，８３は各受光器７１，７２，７
３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f_Rとをミキシングするミキ
サ、９１，９２，９３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
させるローパスフイルタ、４１，４２，４３はそ
れぞれローパスフイルタ９１，９２，９３からの
周波数信号を計数するカウンタ、６は各カウンタ
４１，４２，４３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。６０は
表示装置で、例えばCRTが使用され、演算回路
６での演算結果を表示する。

このように構成した装置の動作は次の通りであ
る。光源１から出射された波長λの光は、ビーム
エクスパンダBXで拡げられ、平行光となつて第
１のPBS２１に入射する。ここで、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）は反射し、レンズ３１、絞
り板３０の透孔、レンズ３２及びλ／４板５１を
経て、ターゲツト４の拡散面４０に平行光となつ
て照射される。ターゲツト４の拡散面４０に照射
された平行光は、この拡散面の凹凸によつてラン
ダムな位相変調を受けて反射し、この反射光は、
再びλ／４板５１、レンズ３２、絞り板３０の透
孔、レンズ３１を通つて戻り、第１のPBS２１
に入射する。ここで、レンズ３１、絞り板３０、
レンズ３２は、スペツクルの純移動状態を実現し
ここを通過する光の空間周波数を下げるローパス
フイルタとして機能するものである。第１の
PBS２１に再入射する光は入射面に対して、振
動方向が平行な光成分（Ｐ波）となつており、第
１のPBS２１を通過する。ここを通過したター
ゲツト４の拡散面４０からの反射光は、λ／４板
５３を通過して円偏光となり、第２のPBS２２
で２つに分かれ、一方はλ／４板５４を通つて円
偏光となり、第３のPBS２３で分かれて、ｘ軸
受光器７１及びｙ軸受光器７２にそれぞれ入射す
る。そして、これらの受光面にスペツクルパター
ンをつくる。

第３図は、ｘ軸受光器７１及びｙ軸受光器７２
上に得られるスペツクルパターンの一例を示す図
である。この図において、スペツクルパターン
は、ターゲツト４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４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
受光器７１は、この受光面に照射された第３図に
示すようなスペツクルパターンのｘ軸方向変位を
把える。また、ｙ軸受光器７２は、この受光面に
照射された第３図に示すようなスペツクルパター
ンのｙ軸方向変位を把える。

一方、第４のPBS２４へ入射した拡散面４０
からの反射光は、そのまま通過し、第５のPBS
２５に入射する。また、光源１から第１のPBS
２１に入射した光の中で、Ｐ波成分はここを通過
し、λ／２板５２を通過して90°偏波面が回転さ
れ、ミラー６１，６２を経て、第４のPBS２４
に入射し、ここで反射して第５のPBS２５に参
照光として入射する。第５のPBS２５は、第４
のPBS２４に対して45°回転して置かれており、
ここで、互いに偏波面が90°異なるターゲツト４
からの反射光と、光源１からの参照光とのうち、
第５図に示すように45°の成分のものが透過し、
ｚ軸受光器７３上に干渉縞がつくられる。なお、
第５のPBS２５は偏光板を用いてもよい。

第４図は、ｚ軸受光器７３上に得られたパター
ンの一例を示す図であつて、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４が矢印ｚ方向
に移動すると、ｚ方向に移動する。ｚ軸受光器７
３は、この受光面に照射された第４図に示すよう
なパターンのｚ軸方向変位を把える。

ここで、レンズ３１，３２の距離がf₁＋f₂であ
ることと、ターゲツト４に平面波が照射されるよ
うにすれば、所謂純移動状態となり、この状態で
は、各受光器の受光面に得られるスペツクルパタ
ーンの、平均的スペツクル径は、（f₁λ）／（xd）
で与えられる。したがつて、レンズ３１から各受
光器までの距離や、レンズ３２とターゲツト４と
の間の距離ｌは、純移動状態とスペツクル径には
無関係となる。

各受光器７１，７２，７３は、一端にクロツク
発振器７０から周波数fcのクロツク信号が印加さ
れて駆動されており、各受光器７１，７２，７３
からfc＝fc／Ｎ（ただしＮは受光器７１，７２，
７３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６図は、各受光器７１，７２，７３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foの整数倍の点でピークがあり、
かつそのピークは、各受光器の全幅の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４の移動とともに、移動す
る。例えば、ターゲツト４がｘ方向にＸだけ移動
すれば、受光器７１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Δfmxだけ周波数シフトす
る。同じように、ターゲツト４がｙ方向にＹだけ
移動すれば、受光器７２かの周波数信号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。受
光器７３からの周波数信号についても同様であ
る。つまり、Δfmx、Δfmy、Δfmz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８１，８
２，８３は、各受光器から出力されるｍ次高調波
Pmと、その近傍周波数f_R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９１，９２，９３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、
foy、fozをそれぞれ得る。

fox＝mfo−f_R±Δfmx foy＝mfo−f_R±Δfmy foz＝mfo−f_R±Δfmz 各カウンタ４１，４２，４３は、これらの周波
数信号をそれぞれ計数する。演算回路６は、各カ
ウンタ４１，４２，４３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４の各矢印
ｘ、ｙ、ｚ方向を変位量Ｘ、Ｙ、Ｚを知ることが
できる。またΔfmx、Δfmy、Δfmzは、ターゲツ
ト４の移動方向に応じて正、負に極性が変ること
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
受光器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。

ここで、このような機械量測定装置において
は、ｘ、ｙ、ｚ各軸方向における変位の測定を目
的としているために、各軸を中心としたターゲツ
トの回転に対しては、その回転量を測定すること
はできない。

すなわち、ターゲツトが回転すると、受光器側
の空間に存在するスペツクルもターゲツトの結像
位置を中心に回転する。このため、受光器をター
ゲツトの結像位置より外れた位置に置いた場合に
は、ターゲツトの回転に伴つて受光器上のスペツ
クルが移動し、ターケツトの回転が軸横行の変位
として誤つて検出されてしまう。したがつて、こ
の装置では、受光器はターゲツトの結像位置に置
く以外になく、各軸を中心としたターゲツトの回
転変位量を測定することはできない。

〔発明の目的〕

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなく
し、２次元的な変位量ばかりでなく、回転変位量
をも測定することのできる光学式変位・回転測定
装置を実現することを目的としたものである。

〔発明の概要〕

本発明の光学式変位・回転測定装置は、ターゲ
ツトの回転に伴つて移動するスペツクルの移動方
向が、ターゲツトの結像位置の前後で逆方向とな
ることを利用して、受光器をターゲツトの結像位
置から前後にずれた位置に置いて、それぞれスペ
ツクルの移動量を検出するとともに、これらの検
出結果を演算することにより、ターゲツトの回転
変位量を測定するようにしたものである。

〔実施例〕

以下、本発明を詳しく説明する。

第７図は本発明の光学式変位・回転測定装置の
一実施例を示す構成図である。図において、前記
第１図と同様のものは同一符号を付して示す。２
６〜２８はハーフミラー、７４，７５は新たに設
けられた受光器である。受光器７１，７４はター
ゲツト４におけるＸ軸方向の変位ＸおよびＹ軸を
中心とした回転変位θ_yを検出するために設けられ
たものであり、同様に受光器７２，７５はＹ軸方
向の変位ＹおよびＸ軸を中心とした回転変位θ_xを
検出するために設けられたものである。ここで、
ハーフミラー２７，２８付近の光路中にＰで示し
た点は、レンズ３１，３２により形成されるター
ゲツト４の結像位置であり、受光器７１，７２は
この結像位置Ｐより後に、また受光器７４，７５
は結像位置Ｐより前にそれぞれ配置されている。

第８図はターゲツト４が回転した場合における
スペツクルの動きを示す説明図である。図におい
て、ターゲツト４が回転した場合、空間に存在す
るスペツクルも同様に回転する。この時、途中に
レンズが置かれていると、スペツクルの動きはタ
ーゲツト４の結像位置Ｐを境としてその前後で反
対向きとなる。図中の○印は結像位置Ｐの前後の
空間に存在するスペツクルの一部を表したもので
ある。また、動きの量はターゲツト４の回転角θ
と結像位置Ｐから距離l₁，l₂に比例したものとな
る。

さて、第７図にもどつて、受光器７１，７４お
よび受光器７２，７５はそれぞれ結像位置Ｐの前
後に配置されているので、ターゲツト４の回転に
対しては互いに逆方向の出力を発生することにな
る。例えば、ターゲツト４がＹ軸を中心に回転し
た場合には、受光器７１，７４が出力を発生し、
Ｘ軸を中心に回転した場合には、受光器７２，７
５が出力を発生する。なお、ターゲツト４のｘ，
ｙ軸上の変位に対しては、スペツクルが結像位置
Ｐの前後にかかわらず同方向に移動するので、受
光器７１，７４および受光器７２，７５は同方向
の出力を発生する。

いま、受光器７１，７４，７２，７５の出力を
それぞれS_x1、S_x2、S_y1、S_y2とすると、ターゲツ
ト４の変位Ｘ、ＹおよびＸ軸、Ｙ軸を中心とした
回転変位θ_x、θ_yに対して、これらの出力は次式の
ような関係を有することになる。

S_x1＝aX＋bθ_y S_x2＝aX−bθ_y S_y1＝aY＋bθ_x S_y2＝aY−bθ_x ａ，ｂは比例定数である。

上式より明らかなように、各受光器７１，７
２，７４，７５の出力を演算し、（S_x1＋S_x2）を
Ｘ軸方向の変位量、（S_x1−S_x2）をＹ軸を中心と
した回転変位量、（S_y1＋S_y2）を軸方向の変位量、
（S_y1−S_y2）をＹ軸を中心とした回転変位量とす
ることにより、それぞれＸ、Ｙ、θ_x、θ_yに比例し
た出力を得ることができる。

第９図は本発明の光学式変位・回転測定装置の
他の実施例を示す構成図である。この実施例は、
前記第７図の装置において、片方の受光器７１，
７２をそれぞれターゲツト４の結像位置Ｐに配置
したものである。このように、片方の受光器７
１，７２を結像位置Ｐに配置すると、この受光器
７１，７２における出力はターゲツト４の回転に
は左右されず、ｘ、ｙ軸方向の変位にのみ対応し
たものとなる。この結果、各受光器７１，７２，
７４，７５の出力は、 S_x1＝aX S_x2＝aX＋bθ_y S_y1＝aY S_y2＝aY＋bθ_x となり、（S_x2−S_x1）および（S_y2−S_y1）を演算
することにより、ターゲツト４の回転変位量を測
定することができる。

なお、上記の説明では、２枚のレンズ３１，３
２を使用した光学系を例示したが、光学系はこれ
に限られるものではなく、ターゲツト４の像が受
光器７１，７２，７４，７５の付近に結ぶもので
あれば、どのような構成のものでも良い。また、
ターゲツト４の拡散面４０に、再帰性反射物を貼
布するようにし検出感度を増大させるようにして
もよい。さらに、ここでは、各受光器として、
CCDのようなイメージセンサを用いることを想
定したが、空間フイルタを組合せたようなパター
ン検出器を用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光学式変位・回
転測定装置では、ターゲツトとは非接触で、この
ターゲツトの２次元的な変位量ばかりでなく、回
転変位量をも測定することのできる光学式変位・
回転測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光学式機械量測定装置の一例を
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図及び第４図は第１図装置に
おいてｘ軸受光器（ｙ軸受光器）及びｚ軸受光器
の受光面につくられるスペツクルパターンの一例
を示す説明図、第５図は受光器７３付近の光の偏
波面の説明図、第６図は各受光器から得られる信
号の周波数スペクトルを示す説明図、第７図は本
発明の光学式変位・回転測定装置の一実施例を示
す構成図、第８図はターゲツト４の回転とスペツ
クルの移動との関係を示す説明図、第９図は本発
明の光学式変位・回転測定装置の他の実施例を示
す構成図である。１……光源、２１，２２，２３，２４，２５…
…偏光ビームスプリツタ、１１，１２，３１，３
２……レンズ、３０……絞り板、４……ターゲツ
ト、４０……拡散面、５１，５３，５４……λ／
４板、５２……λ／２板、６１，６２……ミラ
ー、７１，７２，７３，７４，７５……受光器、
２６，２７，２８……ハーフミラ。

Claims

【特許請求の範囲】

１被測定量に応じて変位するターゲツトの拡散
面に可干渉な光を照射するとともにその反射光に
より生じるスペツクルの動きを検出し前記ターゲ
ツトの変位量を測定するようにした光学的測定装
置において、前記ターゲツトの１つの軸方向の動
きに対して前記スペツクルの動きを検出する検出
点を前記ターゲツトの結像位置またはその前後の
いずれか２点に選定するとともに、各検出点より
得られる検出信号を演算して前記ターゲツトの変
位量および回転変位量に比例した出力を発生する
ことを特徴とする光学式変位・回転測定装置。