JPH0743131A - 角度測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便に高精度に傾き角度を検出する。 【構成】 半導体レーザ１から出射されたコヒーレント
光が、測定対象物８で反射された光と、半透明膜１３の
面１３１で反射された光とを受光素子１１上に入射さ
れ、測定対象物８の角度を、受光素子１１上の干渉縞の
光量に応じた信号を検出する方法による。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコヒーレント光による干
渉効果を利用した角度検出方式ならびに角度、方向検出
装置であって、光制御、光伝送、光情報処理等さまざま
な分野に利用される。

【０００２】

【従来の技術】従来より非接触で精度良く物体の傾きを
検出する方法として、コヒーレントな２ビームによる角
度検出方法があった（例えば特開昭５９−２１１８１
０）。ここでは、音響光学素子を用いて周波数の異なる
２つのコヒーレント光を得、それらコヒーレント光を測
定対象物に照射し、その反射光を干渉させ行路長差から
来る位相差を検出し、角度を検出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方式に於いては行路差が±λ／４を越えるものは位
相差が判別出来ず測定不可能であり、傾きの大きな面を
測定することが出来ないといった問題があった。

【０００４】また、広い面の傾き角の測定をするにはビ
ーム光を走査し、平均化する必要がある等の問題があっ
た。

【０００５】また、音響光学素子を用いることにより装
置が大型化し、位相検出を必要とするために位相の基準
を与える光学系が必要となり、光学的、電気的に複雑な
構成となるといった問題があった。

【０００６】本発明は、上記問題点を解決することを目
的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するため、互いに光束の角度が異なるコヒーレント
な２光束を受光素子にて受光し、上記受光素子上の干渉
縞の光強度に対応した信号強度変化に基づいて測定対象
物の角度を測定することを特徴とする角度測定方法によ
るものである。

【０００８】また、本発明は、上記コヒーレントな２光
束を周波数変調することを特徴とする上記記載の角度測
定方法によるものである。

【０００９】また、本発明は、上記コヒーレントな２光
束を位相変調することを特徴とする上記記載の角度測定
方法によるものである。

【００１０】また、本発明は、コヒーレントな光源と、
該光源から出射した光を２光束に分配し該２光束の内一
方の光束を測定対象物に照射する手段と、上記２光束を
合波する手段と、上記２光束の干渉縞を受光する受光素
子とを備え、上記記載の角度測定方法により角度を測定
することを特徴とする角度測定装置である。

【００１１】また、本発明は、上記受光素子が、少なく
とも３方向以上にアレイ状に配置してなることを特徴と
する上記記載の角度測定装置である。

【００１２】

【作用】本発明によれば、２つの光を受光素子（例え
ば、フォトダイオード光を電流に変換するものならばよ
い）で受光したときそこに励起される電流が干渉縞の発
生により変化する事を利用する。以下、その測定原理に
ついて説明する。

【００１３】図８に示すように、それぞれ平面波である
２つのコヒーレント光１と２が、角度δだけずれて入射
しているとき、照射部では間隔λ／ｓｉｎδなる干渉縞
が現われる。この干渉縞全体を１つの受光素子にて検出
する場合には、縞の明部と暗部が打ち消しあってその光
量に対応する電流が出力される。例えば、半導体レーザ
の注入電流の周波数変調をしておき、受光素子に励起さ
れるビート信号電流は波面の傾きと共に急激に減少し、
ある角度で０となる。この角度は受光素子の大きさと波
長とにより決定される。図９には波長８３０ｎｍ、受光
素子の大きさ５００μｍのときのビート信号強度の角度
依存性を示したものである。この図より、角度が０．０
８９°ずれるとビート信号は検出できなくなる。この原
理を用いる事により傾き角が検出可能となる。しかしな
がら、より広い角度範囲を測定しようとすると受光素子
の大きさは小さくせねばならず、例えば±０．２５°ま
での範囲で角度検出を可能とするためには受光素子の大
きさは２００μｍ以下でなければならない。この時に
は、信号強度の減少が問題となるが、本発明はかかる問
題をも解決した角度を検出する方式およびその装置を提
供するものである。

【００１４】つまり、測定角度は干渉縞の間隔から求ま
るので、縞の明暗の光量に対応してビート信号電流が生
じ、ビート電流が０となるか変曲点をもつ所を測定する
ことにより角度を測定することができる。ここで電流に
て測定しているが、電流値を電圧、容量等に変換して検
出してもよい。

【００１５】なお、半導体レーザは、周波数変調または
位相変調することにより、より安定した発振波長が得ら
れ、耐雑音性が向上する。

【００１６】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を説明する。

【００１７】第１の実施例 本発明の第１の実施例を図１を用いて説明する。ここ
で、８は測定対象物である。半導体レーザ１より発せら
れたコヒーレント光はコリメートレンズ２によりコリメ
ートされた後、半透明鏡１３に入射する。ここで入射し
た光の約１／２は面１３１で反射され受光素子１１に入
射する。残りの光は半透明鏡１３を透過した後、測定対
象物８により反射されて受光素子１１に入射し、先の反
射光と重なり（射影部分１４）、干渉縞を作る。ここで
は半導体レーザとして発振波長８３０ｎｍ、ＧａＡｌＡ
ｓ系半導体レーザを用いた。受光素子１１の大きさはビ
ームの幅と同程度としておく。また図の様に面１３２で
の反射光が測定対象物８からの反射光と重ならないよう
にする。半導体レーザ１を三角波駆動すると、受光素子
１１上のビームの重なる部分１４にはビート信号電流が
励起され、その他の部分にはレーザの強度に応じた直流
電流が励起される。このビート信号電流の振幅は測定対
象物が傾くと急激に減少することは先に述べた通りであ
り、この変化分から測定対象物の角度を検出できる。本
実施例では、ビーム幅を２．５ｍｍとし、レーザ１及
び、受光素子１１と面１３１との距離を１０ｍｍ、面１
３１と測定対象物８の反射面との距離を５０μｍとし
た。また、受光素子１１は図２に示されるようにアレイ
化しておく。先に述べたように、受光部の大きさが小さ
い時、ビート信号検出可能な角度範囲は大きくなる。し
かしながら、受光素子を小さくすると信号強度が充分と
れない。本実施例では図２に示すように幅２００μｍの
受光素子を３方向に配列し、その長さを長くすることで
光強度の確保を実現した。これにより、３次元方向の角
度検出範囲は約±０．２５°となり、さらには、３方向
の受光素子の信号を処理することにより絶対角度０°の
検出が簡単に行なえるようになった。つまり、一方向の
受光素子に干渉縞が出て、かつ、他の受光素子で干渉縞
がでない時には、一方向に測定対象物８が傾いているこ
とが分かり、また、どの受光素子でも同じ干渉縞がでる
時は、測定対象物８が全く傾いていないことが分かる。
本実施例では測定対象物８の傾き角度６°までの範囲で
射影部分１４が存在し、±０．２５°までの角度検出に
は充分である。

【００１８】第２の実施例 本発明の第２の実施例を図３を用いて説明する。半導体
レーザ１より発せられたコヒーレント光はコリメートレ
ンズ２でコリメートされた光合波器４に入射する。入射
した光の約１／２はハーフミラーで反射しミラー５で反
射され集光レンズ９に入射する（実線にて図示）。残り
の光は透過し測定対象物８で反射して光合波器４に戻
り、集光レンズ９に入射する（破線にて図示）。この
時、集光レンズ９をその焦点が光合波器４の中心に来る
ように設置することにより、上記２つの光束はレンズ９
からその焦点距離だけ離れた面上に集光する。さらに
は、その集光面から上記焦点距離だけ離れた所に設置さ
れたレンズ１０（レンズ９と同一のもの）により１点に
集光する。この集光点での上記２光束（実線と点線）の
波面のずれ角は測定対象物８のずれ角の２倍の大きさに
なる。

【００１９】ここで、半導体レーザ１を周波数変調する
ことにより、上記集光点での受光素子１１では２光束の
行路長差に応じたビート信号が検出できる。しかしなが
ら、受光素子面上に多数の干渉縞がでるとビート信号強
度は減少し、ある角度で０となる。

【００２０】本実施例では、集光レンズ９、１０として
開口数０．１３のものを用いた。この時、受光素子上で
のビームウエストは約５μｍとなる。この時、ビート信
号強度は測定対象物８の傾きが２．５°まで測定でき
る。受光素子１１の大きさはφ２００μｍとし、上記干
渉縞を充分受光出来る大きさとした。本実施例では、測
定対象物８と光合波器４の距離を精度良く合わせ込まな
くとも、角度検出が可能で、約２ｃｍの範囲に自由に設
置することができる。

【００２１】第３の実施例 本発明の第３の実施例を図４を用いて説明する。半導体
レーザ１より出射したコヒーレント光はコリメートレン
ズ２で集光された後、格子間隔２００μｍの回折格子３
に入射し、１次回折光６と−１次回折光７に分光され
る。この時、±１次回折光はもとの入射光に対して±
０．２５°の傾きを持っている。分光された±１次回折
光は光合波器４に入射する。以下、＋１次回折光につい
て説明する。＋１次回折光の一部は光合波器４内で反射
された後、ミラー５で反射し、第２の実施例と同様の構
造を持つ集光レンズ９、１０により受光素子１１上に集
光される。光合波器４を透過した光は、レーザからの距
離がミラー５と同じ位置におかれた測定対象物８で反射
され、ミラー５で反射した光と合波される。この光も同
様に、集光レンズ９、１０により受光素子１１面上に集
光される。一方、−１次回折光も同様に、光合波器４で
分波されそれぞれミラー５と測定対象物８で反射された
後、＋１次回折光と同様受光素子上に集光される（図示
せず）。

【００２２】この時、図示されているように、±１次回
折光はミラー５の異なる面で反射される。この面の傾き
はもとの入射光に対して±０．２５°としておく。よっ
て半導体レーザ１を位相変調することにより±１次回折
光が作り出す交流信号強度は図５の様に変化する。この
出力を減算処理することにより図６の様に線形性のよい
信号がえられ、簡単に絶対０°の検出が可能となった。

【００２３】以上、第１、第２、第３の実施例は半導体
レーザを用いたものであるが。位相雑音の少ないガスレ
ーザ等を利用すると、測定対象物の傾きに応じた干渉縞
により受光素子に励起される直流電流が変化する。これ
により角度検出が可能となる。この場合にはレーザを変
調する回路は必要なくなる。

【００２４】第４の実施例 本発明の第４の実施例を図７を用いて説明する。ここ
で、図７は光の到来方向を測定する方向測定装置を示し
ており、入射光（実線で図示）と半導体レーザ１の発せ
る光がコリメートレンズ２を介し受光素子１１面上で光
合波器４で合波され干渉するものとする。この時、受光
素子１１を図２に示す様に３方向のアレイ状とすること
により入射光の方向を決定できる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかな様に、本発明に
より、コヒーレント光の干渉を利用した小型で簡単な構
成を持つ角度測定方式が実現できる。その結果、走査を
必要とせずかつ絶対０°を含む広い角度範囲で高精度な
面の角度測定が簡単な構成で実現可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る角度測定装置を示
す図である。

【図２】本発明の実施例に係る受光素子のアレイ配置を
示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例に係る角度測定装置を示
す図である。

【図４】本発明の第３の実施例に係る角度測定装置を示
す図である。

【図５】本発明の第３の実施例に係る受光素子でのビー
ト信号強度を示す図である。

【図６】本発明の第３の実施例に係るビート信号強度の
減算結果を示す図である。

【図７】本発明の第４の実施例に係る方向測定装置を示
す図である。

【図８】２つのコヒーレント光が異なる角度δで入射し
た時の様子を示す図である。

【図９】２つのコヒーレント光による干渉縞のビート信
号強度の角度依存性を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ コリメートレンズ ３ 回折格子 ４ 光合波器 ５ ミラー ６ ＋１次回折光 ７ −１次回折光 ８ 測定対象物 ９、１０ 集光レンズ １１ 受光素子 １３ 半透明鏡 １４ 射影部分（干渉する部分）

フロントページの続き (72)発明者 種谷 元隆 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 瀧口 治久 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに光束の角度が異なるコヒーレント
   な２光束を受光素子にて受光し、上記受光素子上の干渉
   縞の光強度に対応した信号強度変化に基づいて測定対象
   物の角度を測定することを特徴とする角度測定方法。
2. 【請求項２】 上記コヒーレントな２光束を周波数変調
   することを特徴とする請求項１に記載の角度測定方法。
3. 【請求項３】 上記コヒーレントな２光束を位相変調す
   ることを特徴とする請求項１に記載の角度測定方法。
4. 【請求項４】 コヒーレントな光源と、該光源から出射
   した光を２光束に分配し該２光束の内一方の光束を測定
   対象物に照射する手段と、 上記２光束を合波する手段と、 上記２光束の干渉縞を受光する受光素子とを備え、 請求項１に記載の角度測定方法により角度を測定するこ
   とを特徴とする角度測定装置。
5. 【請求項５】 上記受光素子が、少なくとも３方向以上
   にアレイ状に配置してなることを特徴とする請求項４に
   記載の角度測定装置。