JPH0786594B2 - テレセントリツク光線を発生する方法及び装置 - Google Patents

テレセントリツク光線を発生する方法及び装置

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JPH0786594B2
JPH0786594B2 JP62074586A JP7458687A JPH0786594B2 JP H0786594 B2 JPH0786594 B2 JP H0786594B2 JP 62074586 A JP62074586 A JP 62074586A JP 7458687 A JP7458687 A JP 7458687A JP H0786594 B2 JPH0786594 B2 JP H0786594B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光学系の焦点内の光線を角度範囲によつて偏
向させかつ光学系によつてテレセントリツク方向に偏向
させることにより、特に光線の偏向ストローク範囲内に
ある物体の寸法及び／又は位置を測定するための、テレ
セントリツク光線を発生させる方法並びに該方法を実施
する装置に関する。
従来の技術 この種の方法は公知であり、その際には回転多面鏡によ
つて光線が一定の角度だけ周期的に偏向される。光線を
テレセントリツク方向に偏向させる光学系及びテレセン
トリツク光線を光電変換器に向けて偏向させる別の光学
系は、比較的高価なレンズ系として構成されている。こ
れらのレンズ系のためには高い費用が必要であるにもか
かわらず、テレセントリツク光線の運動を一定の関数、
特に角度関数に基づき直線的に又は正確に構成すること
はほとんど不可能である。レンズ系のための費用は、比
較的大きな物体を測定するためにテレセントリツク光線
の大きな偏向ストロークが必要である場合には、特に高
くなる。テレセントリツク光線を発生させる公知方法の
もう１つの欠点は、例えば寸法測定のために役立つテレ
セントリツク光線の他に、補助目的のために使用するこ
とのできる部分光線が提供されないことにある。このよ
うな部分光線の偏向はめんどうであり、高い費用を必要
とする。
発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は、同時に公知方法の簡易化及び低廉化及
び質的改良を達成することであつた。
問題点を解決するための手段 前記課題は、冒頭に記載した形式の方法において、光線
を少なくとも１つのホログラフイー光学素子（HOE）で
の回折により偏向させることにより解決される。
発明の作用及び効果 この種のホログラフイー光学素子の通常の光学系に比較
した利点は、僅かな重量、簡単な幾何学的形状、安いコ
スト、同時にまた大きな口径比、短い焦点距離、最小の
レンズ誤差、最適な再生幾何学的形状及び光線の入射角
度と光線の基準軸線からの距離との間の明らかな数学的
関数にある。その他の利点は、以下に説明に記載する。
更には、本発明は、前記方法を実施するための、特許請
求の範囲第８項に記載した装置並びに特許請求の範囲第
11項に記載した、特許請求の範囲第１項記載の方法を用
いてテレセントリツク光線を発生させる際に使用するた
めのHOEの製法に関する。
実施例 次に図示の実施例につき発明を詳細に説明する。
第１図及び第２図は、該図面に一点鎖線で示された物体
１、例えば押出機を出たケーブル又は管の寸法及び位置
を検出する装置を示す。このような製品の少なくとも１
つの寸法を検出することは、製品の欠陥を連続的に検出
しかつ補正するために特に重要である。測定装置は発振
部分２を有し、該発振部分は測定範囲内のテレセントリ
ツク光線を発生させるために役立つ。レーザ光源３が設
けられており、該光源は連続的単色光線を鎖４を介して
球面の発散光学系５に供給し、該光学系から発散された
光線は円筒状の発散光学系６に入射する。それによつ
て、その面が被測定物体の長手方向軸線に対して平行で
ある偏平な光線が発生される。このことは第１図及び第
２図には、物体の領域内の光線７が第１図による投影図
では極めて小さな厚さを有するが、但し第２図の投影図
では一定の幅を有することにより示されている。この光
線７は別の偏向鏡８及び９を介して回転可能な８角形の
鏡10に投射される。この鏡を時計方向に回転させると、
入射光線７は周期的に、第１図に鎖線によつて示された
角度範囲に亙つて上から下に偏向される。次いで、該光
線はホログライー光学素子11（以下にはHOEと略示す
る）に当る。その光学的に有効な層が極めて薄くかつ薄
い光透過性支持体上に存在するHOEはプリズム体12と接
合され、それにより機械的に安定化されている。０次の
一定の部分光線70は回折されずにHOE11を透過しかつ内
側から発振器２のケーシングの前方壁13に当る。それに
対して、入射光線７の主成分は回折されかつ１次の光線
71として一定の角度でHOEから射出する。該光線はプリ
ズム体12の全反射する又は鏡面化された面14で反射され
かつ窓15を透過して測定範囲に投射される。０次の射出
光線70の当射面に、単数又は複数の光電変換器16を配置
することができる。光線71は測定範囲の対向側で窓15を
透過して受光器17のケーシング内に入射し、該ケーシン
グ内にはHOE11に相当するHOE19を有するプリズム体12に
相当して構成されたプリズム体18が設置されている。入
射する光線はプリズム体18の反射面20によつてHOE19に
投射され、該HOEは光線を常に光電変換器21、例えばホ
トセルに投射する。
第１図に鎖線によつて制限された偏向ストロークだけテ
レセントリツク光線が周期的に偏向される際に、光源は
物体１によつて遮蔽されない限り変換器21に達する。遮
蔽の持続時間と、遮蔽の開始及び終了時点とから、物体
１の寸法及び位置を決めることができる。回転鏡10で反
射された光線７と、装置の長手方向対称軸線Ａとが形成
する偏向角度θに関しては、該長手方向対称軸線からテ
レセントリツク光線の距離はＨ＝a.tagθであり、この
場合ａは鏡10での反射位置とHOE11との間の距離を表
す。HOEは無視できる程小さな厚さを有し、平坦であり
かつ装置の長手方向対称軸線Ａに対して垂直であるとい
う事実から出発して、テレセントリツク光線７の偏向
は、鏡10で反射された光線７の角速度が一定である仮定
すると、正確に正接関数に基づいて行われる。従つて、
変換器21で発生する測定信号を評価する際には、上記正
接関数を考慮することができ、それにより装置の特別な
校正を行うことなく物体１の寸法及び位置の正確な確認
を実施することができる。この場合、光電変換器16を用
いてなおテレセントリツク光線が装置の長手方向対称軸
線を通過する正確な時点を検出する場合には、tagθ＝
０である上記０通過での全ての測定値を採用することが
できる。それによつて、HOEによるHOEによる光線の偏向
が光学系の特別の簡単化におけるだけでなく、また付加
的に測定の簡単化及び精度においても作用を及ぼすこと
が判明した。
第３〜５図は、発振器２及び受光器17の光学系の若干の
変更実施例を示し、この場合相応する部分は第１図及び
第２図におけると同様に示されている。HOE11は第３図
によれば平坦な透明支持体22上に施されている。回折光
線71は、この場合には反射板23で偏向される。相応し
て、受光器17にも反射板24が配置されかつ受光器17のHO
E19は平坦な支持板25上に被覆されている。
第４図によれば、HOE11及び19は相応して平坦な支持体2
2及び25上被覆され、かつ光線偏向は屈折プリズム26又
は27によつて行われる。
第５図によれば、HOE11及び19は夫々プリズム体28又は2
9上に被覆されており、かつテレセントリツク光線71は
プリズム面30又は31での屈折により偏向される。
第６図はHOE11及び19の１つの製造形式を示す。この場
合には、感光性層を有する平坦な条片を、空間フイルタ
32によつて発生される点光源のHe−Neガスレーザから成
るコヒーレント光と、同時に同じレーザの照準光線又は
平坦な波面33で露光する。この点光源もしくは空間フイ
ルタ32からの球面波と、平坦な波面33での露光は、感光
性材料の適当な現像後に、第１図及び第２図につき説明
した相応する光の光線の偏向を生じるHOEを形成する。
この場合には、光源32が感光性材料に関して相応する位
置で回転鏡10での再度の偏向点の位置に又は該位置の上
に存在することが前提条件である。従つて、第６図によ
る距離ａは第１図の距離ａに等しいべきである。こうし
て製造されたHOEは同時に角度θだけ偏向された光線７
をテレセントリツクに偏向しかつまた該テレセントリツ
ク光線を変換器21に向けて偏向する前記作用を有する。
この場合、第１図では同じ形式のHOE11及び19を使用す
る、すなわち距離もしくは焦点距離ａが両者の場合同じ
であると仮定している。もちろん別の寸法のHOEを使用
することもできる。特に受光器では幾分か低い品質のHO
E19又は短い焦点距離ａで操作するのが可能である、そ
れというのそこで光線71の光の著しい成分は変換器21に
投射されるという条件が生じるからである。特定の寸法
のために製造されたHOEは、引続き簡単な光学的複写法
により、特にホログラフイーコンタクトコピーとして任
意の数で廉価かつ簡単に製造することができる。それに
より従来の光学系に対してコストを決定的に低下させる
ことができる。
第７図は、第６図に基づき製造されたHOEを第１図に略
示した装置での使用形態を示す。相応部分及び大きさ
は、第１図におけると同じに示されている。この場合に
は、第１図とは異なり、回転鏡10によつて偏光された光
線７は、HOE11の面に対して傾斜した面内を運動し、一
方射出するテレセントリツク１次光線71はHOE11の面に
対して直角に射出する。このような配置ももちろん可能
である。
第８図はHOEの特性を利用した測定装置の特に好ましい
構造を略示する。この場合、相応する部分は第１図及び
第２図におけると同じに示されている。発振器２及び受
光器17は、この場合には偏平なケーシングとして測定範
囲の両側及び被測定物体１の貫通方向に対して平行に配
置されている。この場合には、レーザ３、図示されてい
ない素子５及び６、回転鏡10及びHOE11の間の光路は、
物体１の通過方向に対して平行である面内にある。HOE1
1は透明な支持体34上に被覆されている。回折した光線7
1は、例えば45゜傾斜したHOE11から物体１の通過方向も
しくは発振器２内の光路７の面に対して直角に射出す
る。受光器17内のHOE19は相応して配置されかつ支持体3
5上に配置されている。これは光線を変換器21上で回折
し、その際この光線の面は物体１の通過方向に対して再
び平行になる。このようにして測定範囲の両側での偏平
なケーシング部分の特に好ましい、場所を取らない配置
を可能にする。第８図に同様に明らかに示すとおり、テ
レセントリツク光線のための射出及び入射開口15は窓36
によつて閉鎖されている。
第９図及び第10図は、光線７の偏向角度θと、装置の長
手方向軸線Ａからテレセントリツク光線７″までの距離
Ｈとの間の間係を直線化するための装置を示す。この場
合、第10図は第９図による装置をある程度展開したもの
でありかつ全領域の半分だけを示す。回転鏡によつて偏
向された光線７は第１のHOE37に当り、該HOEは回折され
た光線７′を第２のHOE38に当る際にその都度角度θに
比例する距離Ｈだけ対称軸線Ａから遠ざけるように構成
されている。この第２のHOE38はそれ自体、入射光線
７′が常にテレセントリツク方向で対称軸線Ａに対して
平行に回折され、ひいてはテレセントリツク光線７″が
発生するように構成されている。従つて、関係式Ｈ＝Ｋ
・θ（該式中Ｋは定数である）ように構成されている。
このことは第10図には、テレセントリツク光線７″が角
度θで対称軸線Ａからの距離Ｈを有し、一方角度２θで
は距離2Hを有することによつて示されている。この解決
法は、回転鏡10によつて偏向された光線７の一定の角速
度の前提条件下で、テレセントリツク光線７″が一定の
角速度で測定範囲内を運動することによつて、測定結果
の評価を更に簡略化する。
両者のHOE37及び38を製造するには、以下のように実施
することができる。HOE37はコンピユータ計算により製
造する。従つて、いわゆるコンピユータ製造ホログラム
又はCGHと称される。こうして製造されたCGH37を、今や
光線７の出力位置における点光源を基準として、第９図
による位置に配置する。第９図におけるHOE38の位置に
感光性材料を施し、次いで該材料を共通に点光源からCG
Hを介してかつ焦準された光線もしくは平坦な波面を用
いてテレセントリツク方向で露光する。そうすることに
よつて、第９図及び第10図につき説明したように光線
７′を光線７″の所望の方向に回折させるHOEが生じ
る。
また逆に、先にHOE38をコンピユータ計算を基にして製
造し、次いでこのHOEを介してテレセントリツク方向か
ら平坦な波面をHOE37の位置の感光性材料に投射し、該
感光性材料を同時に収れんする球面波から偏向された光
線７の出力位置の位置に対して露光することにより実施
することができる。その際には専ら、別のHOEをホログ
ラフイー法で製造するために、HOEの１つを再使用する
ことが可能であり、それによりこのようなHOEの改良も
可能である。従つて、このような処理は、特に重要なこ
ともある、それというのも大きな寸法のCGHを十分な精
度で並びに十分な解像能力で製造するのは困難であるか
らである。前記改良は、制限された解像力の場合には、
利用され得ないかつまた抑制することのできない多数の
好ましくない高次の光線が比較的強度に発生するため
に、予測することができる。CGHを用いてHOEをホログラ
フイー的に再生する際には、実際に１次の波だけを作用
させることができ、このことはそれ自体１次の回折のた
めに著しく改良された特性を有するHOEを生じる。
第11図は、テレセントリツク光線の直線化、すなわち光
線７の偏向角度と、テレセントリツク光線71の偏向Ｈと
の間の直線的関係を達成するためのもう１つの可能性を
示す。第11図には、計算された一定の曲線に基づいてわ
ん曲したHOE39が設けられている。曲率は、回転鏡10で
反射された光線７のあらゆる任意の偏向角度θに関し
て、該光線のHOE39の光学的に有効な層に対する投照位
置が、角度に比例する長手方向対称軸線Ａからの距離Ｈ
にあるように選択されている。該HOEは、回折した光線7
1が常に第11図に示されているように平行なテレセント
リツク方向で射出するように構成されている。
HOE39を製造するには、計算に基づきわん曲した感光性
材料をHOE39の位置に施しかつ同時に点光源によつて光
線７の反射位置及びテレセントリツク方向からの平坦な
波面の位置で露光する形式で実施することができる。そ
れにより所望のHOEが生じる。
最適な結果を達成するためには、一定の条件を維持すべ
きである。系の幾何学的構成は極めて正確に維持されね
ばならないことを別にしても、この幾何学的形状は作動
中に変化しないこと、特にHOEもしくはCGHの寸法変化が
生じないことに留意すべきである。後者のことは感光性
層による水分吸収を阻止するために気密接合することに
より達成することができる。例えばカバーガラスと感光
性材料との間の屈折率を合わせるための接着剤及びカバ
ーガラスを有するサンドウイツチ構造を使用することが
できる。更に、トツプコートを施すか、又はSiO又は同
種のものを直接的に蒸着させることができる。第２図及
び第５図による実施例では、光学パテを用いて偏向プリ
ズムに写真担体を直接的に接着もしくは接合を行うこと
もできる。更に、全系において偏光条件が維持されるよ
うに留意すべきである。偏光プリズムに写真層を直接施
すこともできる。
これらの全ての条件を維持すれば、高い効率、すなわち
良好な光収率を達成することができ、かつ最適な幾何学
的形状では最小のレンズ収差が期待される。この場合に
は、比較的大きな口径比及び短い焦点距離を実現するこ
とが可能である。
大抵の場合、理想的系集積は、例えばHOEをその支持体
と共に直接的に窓として利用することができる意味にお
いて可能である。このことは例えば第１図及び第２図に
おいては、プリズム12及び18を直接開口部15で窓として
利用することができる場合に可能である。
前述のように、HOEを製造する際には有利にテレセント
リツク光線を発生するために製作された格子を後で使用
する際と同じ波長の光を使用することができる。相応し
て、もちろん両処理のためには同じ光源、例えばヘリウ
ム−ネオンレーザを使用することができる。
実施例では、第11図による反射ホログラムの他に透過ホ
ログラムが存在する。しかしながら、その都度の状況に
基づき任意のホログラムを使用することができる。第９
図及び第10図に基づく装置の場合には、場合により両者
のHOEを有利に反射ホログラムとして構成されていても
よく、ひいては好ましい場所を取らない光線ガイドが可
能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は物体の寸法及び位置を検出する装置の、物体の
端面方向から見た略示構成図、第２図は同装置の平面
図、第３図、第４図及び第５図は第１図の装置の変更実
施例を示す略示図、第６図及び第７図はHOEの製造法及
びテレセントリツク光線を発生させる際の作用を示す略
示図、第８図は測定装置の別の実施例の略示図、第９図
及び第10図は光線偏向を直線化するための２つの共働す
るHOEの適用例を示す図及び第11図はテレセントリツク
光線の線状偏向装置を用いた別の実施例を示す略示図で
ある。 １……物体、７……光線、11;37,38;39……ホログラフ
イー光学素子（HOE）

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光学系の焦点内の光線を角度範囲によつて
    偏向させかつ光学系によつてテレセントリツク方向に偏
    向させることにより、特に光線の偏向ストロークの範囲
    内の物体（１）の寸法及び／又は位置を測定するため
    の、テレセントリツク光線を発生する方法において、光
    線（７）を少なくても１つのホログラフイー光学素子HO
    E（11;37,38;39）での回折により偏向させることを特徴
    とする、テレセントリツク光線を発生する方法。
  2. 【請求項２】回折を、種々の波面、例えば平坦な波面
    と、一点から出発する球面波とのオーバラツプにより生
    じるHOEを用いて行う、特許請求の範囲第１項記載の方
    法。
  3. 【請求項３】テレセントリツク光線の所定の方向に延び
    る平坦な波面と、点状光源とを、露光すべき、回折する
    HOEの位置に存在する感光性材料に関して前記焦点内に
    設ける、特許請求の範囲第１項記載の方法。
  4. 【請求項４】相互に間隔を置いて配置された２つのホロ
    グラム（37,38）及び／又はわん曲したホログラム（3
    9）を用いて偏向角度（θ）に対するテレセントリツク
    光線（71）の偏向（Ｈ）の直線化を行う、特許請求の範
    囲第１項から第３項までのいずれか１項記載の方法。
  5. 【請求項５】特定の、例えば１次のテレセントリツク光
    線（71）の他に別の、例えば０次の光線（70）を助関数
    のために採用する、特許請求の範囲第１項から第４項ま
    でのいずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】光線運動の関数を検出するために、別の次
    数の光線（70）を少なくとも１つの光電変換器又は基準
    （16）、例えばダイオード列に投射する、特許請求の範
    囲第５項記載の方法。
  7. 【請求項７】光学系の焦点内の光線を角度範囲によつて
    偏向させかつ光学系によつてテレセントリツク方向に偏
    向させることにより、特に光線の偏向ストロークの範囲
    内の物体（１）の寸法及び／又は位置を測定するため
    の、テレセントリツク光線を発生する装置であつて、光
    線（７）をテレセントリツク方向に偏向するために構成
    された光学系の焦点の少なくとも近くの光線を偏向する
    ための装置（10）を有する形式のものにおいて、光学系
    が少なくとも１つのホログラフイー光学素子HOE（11;3
    7、38;39）を有することを特徴とする、テレセントリツ
    ク光線を発生する装置。
  8. 【請求項８】平坦なHOE（11）が支持体としてのプリズ
    ム（12,28）上に配置されており、該プリズムが光線形
    状を変化しかつ回折した光線（71）をテレセントリツク
    方向に偏向するために構成されている、特許請求の範囲
    第７項記載の装置。
  9. 【請求項９】テレセントリツク光線（71）を光電変換器
    （21）に投射する集光光学系を有し、該集光光学系が少
    なくとも１つのHOE（19）を有する、特許請求の範囲第
    ７項又は第８項記載の装置。
  10. 【請求項１０】光線（７）が前記装置（10）によつて偏
    向される面及び光線（71）が集光光学系（19）からの出
    力口の後方にある面に対して直角である面内でテレセン
    トリツク光線（71）を偏向させ、その際HOE（11,19）が
    上記面に対して一定の角度、例えば、45゜だけ傾斜して
    いる、特許請求の範囲第９項記載の装置。
  11. 【請求項１１】テレセントリツク光線を発生させる際に
    使用されるHOEが、感光性材料をコヒーレント光の種々
    の波面、例えば光線偏向位置の点光源（32）及びテレセ
    ントリツク光線の方向で延びる平坦な波面（33）から成
    る波面で露光することにより得られたものである、特許
    請求の範囲第７項記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記HOEの製法が、点光源（32）と感光
    性材料との間に、適当なHOE又はコンピユータ製作ホロ
    グラム（CGH,37）を使用し、該ホログラムが点光源（3
    2）で偏向した光線を感光性材料に対して、該材料に当
    る光線の投照点が偏向角度（θ）に対して線状で移動す
    るように回折させることより成る、特許請求の範囲第11
    項記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記HOEが、感光性材料上に生じたHOEを
    透過した平坦な波面及びCGHの位置での収れん球状波面
    を用いて、前記CGHの複製を製造することにより得られ
    たものである、特許請求の範囲第12項記載の装置。
JP62074586A 1986-04-03 1987-03-30 テレセントリツク光線を発生する方法及び装置 Expired - Fee Related JPH0786594B2 (ja)

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