JPH08219742A - 短焦点レンズを用いたレーザ角変位計測および変位計測 の感度向上 - Google Patents
短焦点レンズを用いたレーザ角変位計測および変位計測 の感度向上Info
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- JPH08219742A JPH08219742A JP5832595A JP5832595A JPH08219742A JP H08219742 A JPH08219742 A JP H08219742A JP 5832595 A JP5832595 A JP 5832595A JP 5832595 A JP5832595 A JP 5832595A JP H08219742 A JPH08219742 A JP H08219742A
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- displacement
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- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 10
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- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
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- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】物体の角変位計測や変位計測の高感度化とセン
サの小型化を行うこと。 【構成】レーザ光源ＬＤ１のレーザビームを物体Ｏ１に
入射し，物体の角変位による反射レーザビームの位置移
動を短焦点レンズＬ１（一次元測定には円筒とつレンズ
または２次元測定には球面とつレンズ）で拡大し，光位
置検出素子Ｄ１でレーザビームの中心位置の移動量を測
定する。
サの小型化を行うこと。 【構成】レーザ光源ＬＤ１のレーザビームを物体Ｏ１に
入射し，物体の角変位による反射レーザビームの位置移
動を短焦点レンズＬ１（一次元測定には円筒とつレンズ
または２次元測定には球面とつレンズ）で拡大し，光位
置検出素子Ｄ１でレーザビームの中心位置の移動量を測
定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用技術】角変位計測は，各種センサや最近
では原子間力顕微鏡のカンチレバーの変形測定の微小角
変位計測などに利用されている。また変位計測は各種セ
ンサに利用されている。
では原子間力顕微鏡のカンチレバーの変形測定の微小角
変位計測などに利用されている。また変位計測は各種セ
ンサに利用されている。
【０００２】
【従来の技術】物体の角変位（傾斜角度の変化）計測や
変位計測においてレーザビームを測定物体に入射し角変
位や変位によって生じる反射レーザビームの位置移動を
光位置検出素子（２〜４分割フォトダイオードや表面ラ
テラル効果を用いた素子）を用いて測定するセンサがあ
る。前者では光テコの原理，後者ではレーザ三角測距法
が用いられる。光テコの感度向上のためには測定物体と
光位置検出素子との間の距離を長くとること（マルチパ
スによる距離をかせぐことも含め）が行われてきた。レ
ーザ三角測距法では，測定物体と光位置検出素子との間
の距離によって感度は変わらない。
変位計測においてレーザビームを測定物体に入射し角変
位や変位によって生じる反射レーザビームの位置移動を
光位置検出素子（２〜４分割フォトダイオードや表面ラ
テラル効果を用いた素子）を用いて測定するセンサがあ
る。前者では光テコの原理，後者ではレーザ三角測距法
が用いられる。光テコの感度向上のためには測定物体と
光位置検出素子との間の距離を長くとること（マルチパ
スによる距離をかせぐことも含め）が行われてきた。レ
ーザ三角測距法では，測定物体と光位置検出素子との間
の距離によって感度は変わらない。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】本特許では，物体の
角変位計測や変位計測において，該物体と光位置検出素
子の間の距離が短い状態で，測定感度を向上し，センサ
の小型化をはかることを目的とする。
角変位計測や変位計測において，該物体と光位置検出素
子の間の距離が短い状態で，測定感度を向上し，センサ
の小型化をはかることを目的とする。
【０００４】
【本発明が解決しようとする手段】測定物体と光位置検
出素子の間に，短焦点レンズ（１次元測定においては円
筒レンズを，２次元測定においては球面レンズを使用）
を用いて測定物体の角変位または変位によるレーザビー
ムの位置移動を拡大し光位置検出素子で測定する。物体
の角変位の測定の略図を図１に，物体の変位の測定の略
図を図２示す。図１では，レーザ光源ＬＤ１から出射し
たビームは，物体Ｏ１で反射されレンズＬ１を通して光
位置検出素子Ｄ１上に入射する。物体Ｏ１が角度θ１傾
斜し，Ｏ１’の位置になると，反射レーザビームの位置
はもとのビームに対して角度２θ１傾斜する。レンズＬ
１でのビームの位置の移動量ｘ１は ａ１ ｔａｎ２θ
１となり，この移動量をレンズＬ１（１次元測定の場合
は円筒とつレンズを，２次元測定の場合は球面とつレン
ズを使用）で拡大する。その拡大率はｂ１／ｆ１で与え
られる。しがって光位置検出素子Ｄ１上での位置移動量
ｘ１’は（ｂ１／ｆ１）ａ１ ｔａｎ２θ１となる。図
２では，レーザ光源ＬＤ２から出射したビームは入射角
γ／２で物体Ｏ２に入射し，反射されレンズＬ２を通し
て光位置検出素子Ｄ２に入射する。物体Ｏ２がＯ２’に
距離ｄ変位するとレンズＬ２でのビームの位置移動量ｘ
２はｄ ｔａｎ（γ／２）となり，この位置移動量をレ
ンズＬ２で拡大する。その拡大率ｂ２／ｆ２で与えられ
る。したがって光位置検出素子Ｄ２上での位置移動量ｘ
２’は（ｂ２／ｆ２）ｄ ｔａｎ（γ／２）となる。
出素子の間に，短焦点レンズ（１次元測定においては円
筒レンズを，２次元測定においては球面レンズを使用）
を用いて測定物体の角変位または変位によるレーザビー
ムの位置移動を拡大し光位置検出素子で測定する。物体
の角変位の測定の略図を図１に，物体の変位の測定の略
図を図２示す。図１では，レーザ光源ＬＤ１から出射し
たビームは，物体Ｏ１で反射されレンズＬ１を通して光
位置検出素子Ｄ１上に入射する。物体Ｏ１が角度θ１傾
斜し，Ｏ１’の位置になると，反射レーザビームの位置
はもとのビームに対して角度２θ１傾斜する。レンズＬ
１でのビームの位置の移動量ｘ１は ａ１ ｔａｎ２θ
１となり，この移動量をレンズＬ１（１次元測定の場合
は円筒とつレンズを，２次元測定の場合は球面とつレン
ズを使用）で拡大する。その拡大率はｂ１／ｆ１で与え
られる。しがって光位置検出素子Ｄ１上での位置移動量
ｘ１’は（ｂ１／ｆ１）ａ１ ｔａｎ２θ１となる。図
２では，レーザ光源ＬＤ２から出射したビームは入射角
γ／２で物体Ｏ２に入射し，反射されレンズＬ２を通し
て光位置検出素子Ｄ２に入射する。物体Ｏ２がＯ２’に
距離ｄ変位するとレンズＬ２でのビームの位置移動量ｘ
２はｄ ｔａｎ（γ／２）となり，この位置移動量をレ
ンズＬ２で拡大する。その拡大率ｂ２／ｆ２で与えられ
る。したがって光位置検出素子Ｄ２上での位置移動量ｘ
２’は（ｂ２／ｆ２）ｄ ｔａｎ（γ／２）となる。
【０００５】
【作用】物体角変位の測定では物体と光位置検出素子の
間の距離を離すことにより，感度の向上が可能である
が，当該発明の方法では，物体と光位置検出素子の間の
距離を離す代わりに，レンズを用いてビーム位置の移動
を拡大することにより，物体と光位置検出素子の間の距
離が短くても，感度の向上が可能になる特色がある。物
体変位の測定では，ビームが平行に移動するので，本発
明の拡大方法によってのみ拡大可能である。
間の距離を離すことにより，感度の向上が可能である
が，当該発明の方法では，物体と光位置検出素子の間の
距離を離す代わりに，レンズを用いてビーム位置の移動
を拡大することにより，物体と光位置検出素子の間の距
離が短くても，感度の向上が可能になる特色がある。物
体変位の測定では，ビームが平行に移動するので，本発
明の拡大方法によってのみ拡大可能である。
【０００６】
【実施例】実施例として，物体の角変位測定を行った結
果を図３に示す。図１で物体としてミラーを用い，ゴニ
オステージにより，パルスモータにより５０ｐｐｓの速
度で回転させた。レンズＬ１として，焦点距離ｆ１＝
７．３ｍｍの円筒レンズを用い，ａ１＝５２０ｍｍ，ｂ
１＝１０３ｍｍで，レンズによる拡大率は１４である。
レーザビームは拡大するので，４０ｍｍ長の表面ラテラ
ル効果を用いた１次元光位置検出素子を用い，強度分布
のあるレーザビームの中心位置の移動を測定した。図３
では，ステップは２０ｍｓ毎に観測され，当該位置検出
素子の出力電圧５０ｍＶは，物体の角変位０．００１度
の２倍角度０．００２度のビームの角変位に対応する。
このようにステップ高さの差があることから，パルスモ
ータの送りのステップに微小な角変位むらが観測でき
る。
果を図３に示す。図１で物体としてミラーを用い，ゴニ
オステージにより，パルスモータにより５０ｐｐｓの速
度で回転させた。レンズＬ１として，焦点距離ｆ１＝
７．３ｍｍの円筒レンズを用い，ａ１＝５２０ｍｍ，ｂ
１＝１０３ｍｍで，レンズによる拡大率は１４である。
レーザビームは拡大するので，４０ｍｍ長の表面ラテラ
ル効果を用いた１次元光位置検出素子を用い，強度分布
のあるレーザビームの中心位置の移動を測定した。図３
では，ステップは２０ｍｓ毎に観測され，当該位置検出
素子の出力電圧５０ｍＶは，物体の角変位０．００１度
の２倍角度０．００２度のビームの角変位に対応する。
このようにステップ高さの差があることから，パルスモ
ータの送りのステップに微小な角変位むらが観測でき
る。
【０００７】
【発明の効果】ビームの位置の移動をレンズを用いて拡
大することにより，物体の角変位，変位を高感度で測定
でるとともに，測定物体と光位置検出素子の間の距離を
短くでき，センサの小型化が可能である。
大することにより，物体の角変位，変位を高感度で測定
でるとともに，測定物体と光位置検出素子の間の距離を
短くでき，センサの小型化が可能である。
【図１】 角変位（傾斜角）の拡大測定
【図２】 変位の拡大測定
【図３】 角変位の測定例
図１ ＬＤ１レーザ光源 Ｏ１ 元の位置の物体 Ｏ１’角変位後の物体 θ１物体の角変位角 ２θ１反射ビームの角変位角 Ｌ１ レンズ Ｄ１ 光位置検出素子 ａ１ レンズＬ１と物体Ｏ１のレーザビームの入射位置
との間の距離 ｆ１ レンズＬ１の焦点距離 ｂ１ レンズＬ１の後側焦点と光位置検出素子Ｄ１の距
離 ｘ１ レンズＬ１でのビーム位置移動量 ｘ１’光位置検出素子位置でのビーム位置移動量 図２ ＬＤ２レーザ光源 Ｏ２ 元の位置の物体 Ｏ２’角変位後の物体 ｄ 物体の変位移動量 γ 物体へのレーザビーム入射角 Ｌ２ レンズ Ｄ２ 光位置検出素子 ａ２ レンズＬ２と物体Ｏ２のレーザビームの入射位置
との間の距離 ｆ２ レンズＬ２の焦点距離 ｂ２ レンズＬ２の後側焦点と光位置検出素子Ｄ２の距
離 ｘ２ レンズＬ２でのビーム位置移動量 ｘ２’光位置検出素子位置でのビーム位置移動量 ２θ１反射ビームの角変位角 図３ ｔ 時間（２０ｍｓ／ｄｉ） ｖ 光位置検出素子の出力電圧（１００ ｍＶ／ｄｉ
ｖ）
との間の距離 ｆ１ レンズＬ１の焦点距離 ｂ１ レンズＬ１の後側焦点と光位置検出素子Ｄ１の距
離 ｘ１ レンズＬ１でのビーム位置移動量 ｘ１’光位置検出素子位置でのビーム位置移動量 図２ ＬＤ２レーザ光源 Ｏ２ 元の位置の物体 Ｏ２’角変位後の物体 ｄ 物体の変位移動量 γ 物体へのレーザビーム入射角 Ｌ２ レンズ Ｄ２ 光位置検出素子 ａ２ レンズＬ２と物体Ｏ２のレーザビームの入射位置
との間の距離 ｆ２ レンズＬ２の焦点距離 ｂ２ レンズＬ２の後側焦点と光位置検出素子Ｄ２の距
離 ｘ２ レンズＬ２でのビーム位置移動量 ｘ２’光位置検出素子位置でのビーム位置移動量 ２θ１反射ビームの角変位角 図３ ｔ 時間（２０ｍｓ／ｄｉ） ｖ 光位置検出素子の出力電圧（１００ ｍＶ／ｄｉ
ｖ）
Claims (1)
- 【請求項１】 角変位計測や変位計測において，測定対
象の物体にレーザビームを入射し，該物体の角変位や変
位によって生じる反射レーザビームの移動を光位置検出
素子を用いて測定する方法において，レーザビームの移
動を短焦点レンズ（球面または円筒とつレンズ）を用い
て拡大し測定対象の物体と光位置検出素子の間の距離が
短い状態で測定感度を向上せしめ，センサの小型化と高
感度化を行う方法
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5832595A JPH08219742A (ja) | 1995-02-08 | 1995-02-08 | 短焦点レンズを用いたレーザ角変位計測および変位計測 の感度向上 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5832595A JPH08219742A (ja) | 1995-02-08 | 1995-02-08 | 短焦点レンズを用いたレーザ角変位計測および変位計測 の感度向上 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08219742A true JPH08219742A (ja) | 1996-08-30 |
Family
ID=13081150
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5832595A Pending JPH08219742A (ja) | 1995-02-08 | 1995-02-08 | 短焦点レンズを用いたレーザ角変位計測および変位計測 の感度向上 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08219742A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110779455A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-02-11 | 燕山大学 | 一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺 |
-
1995
- 1995-02-08 JP JP5832595A patent/JPH08219742A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110779455A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-02-11 | 燕山大学 | 一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺 |
| CN110779455B (zh) * | 2019-10-29 | 2021-03-26 | 燕山大学 | 一种利用激光反射测量齿轮加热后膨胀量的装置及工艺 |
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