JPS59166805A - 光学投影器及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 この発明は光学投影器、更に具体的に云えば、物体に光
ビームを投射して、反射光の特性を感知することによっ
て物体の位置を決定覆ると共に、レーザ光を使う時、光
源の指向不安定性の影響を減らす様に作用する投影器に
関する。

発　　明　　の　　背　　景 物体上の一点の空間に於ける位置を測定する為に、光学
式３角測吊法が普通に使われる。１形式の光学式３角測
量装置は２つのレンズから成る装置を用いるのが普通で
ある。即ち、光ビームを物体に投射する投射レンズ装置
と、反射光を受取る受光レンズ装置とである。反射光の
位置から導き出した情報を使って、物体の位置を決定す
る。

他の形式の光学装置は物体に光を投射して、レンズ装置
で処理した後の反則光の焦点の程度を感知することによ
り、物体の位置を決定する。

一般的にこういう２種類の光学式投影装置は複雑である
。更に、こういう装置がレーザ光を使う時、装置は多く
のレーザ光源に固有の特性の影響を受ける、即ち指向不
安定性がある。指向不安定性とは、レーザ光ビームがそ
の理想的な通路から散発的に、予測出来ない形で角度偏
差を持つことである。

発　　明　　の　　目　　的 この発明の目的は、新規で改良された光学投影器を提供
することである。

この発明の別の目的は、光学式３角測量法を用いるが、
光ビームを物体に投射するのと、物体から反射された光
を受取るのに１個のレンズを用いる新規に改良された光
学投影器を提供することである。

この発明の別の目的は、空間内の予定の一点に物体が存
在することを感知する新規で改良された光学投影器を提
供することである。

この発明の別の目的は、物体に向って光を投射し、それ
に応答して、物体によって光が反射される点が、レンズ
の特定の焦点にあるかどうかに関する情報を発生する新
規で改良された光学投影器を提供することである。

この発明の別の目的は、レーリ゛に於ける指向不安Ｔ性
の影響を少なくづる新規で改良された光学投影器を提供
することである。

発　　明　　の　　概　　要 この発明の１形式では、光ご一点かレンズの光軸に対し
て非平行に、該レンズの第１の側に投射される。レンズ
かこの光ビームを、レンズの第２の側の一点にある物体
に集束する。（近くの点とは対照的に）この第２の点て
反射された光をレンズによって光検出器に集束する。光
検出器に接続された手段が、光か第２の点で反射された
かどうかを表わし、従って物体が第２の点にあるがどう
かを表わす信号を発生ずる。

この発明の１形式が第１図に示されている。この図で、
対称的な両凸レンズ３が光軸６を持つことか示されてい
る。以下の説明では、２番目の種類の＠線が重要である
。即ち、軸１９の様な軸線であり、これはレンズ３がら
伸び、点１２で光軸６と交差づる。こ１で説明Ｊる実施
例では、点１２はレンズ３から焦点距離の２倍（２Ｆ）
の所にある。この明細用ては軸線９を投射軸線と呼ぶが
、これは、後で説明するレーザ・ビームがたどる第１の
通路である。主焦点１５．１８が光軸６上にあって、レ
ンズ３の両側の距ＭＦの所にある。この明細ｔｒ２倍焦
点焦点、２２と呼ぶ点もあり、これらは光軸６上にあっ
て、レンズ３がら焦点１５．１８の２倍の距離の所にあ
る。即ち、４つの距離Ｆが等しい。

２セル又は２重素子の光感用装置が第１及び第２の光検
出器２４Ａ、２６Ｂの対で構成されてぃて、その間にあ
る空間２４Ｃは、２倍焦点の内の１番目１２が空間２４
Ｃ内にある様に位置ぎめされている。この為、第１の２
倍焦点１２に集束された光線２７．２９の様な光が、両
方の光検出器２４Ａ、２４Ｂを照らす。光線２７．２９
は、これらの光線が、光検出器２４Ａ、２４Ｂの間の決
まった点て交差することが示されているけれども、両方
の光検出器を照らすという、その理由は次の通りである
。レーザ・ビームの断面が理論的（こ無限大の幅を持つ
、光強度の変化する分布であるか、光ｌ＠２７．２９で
示した境界の様な成る境界を越えると、強度が急速に低
下りることはよく知られている。この為、第１図は、光
線２７．２９の間にある光かこれらの光検出器に入射す
ることを示していないけれども、光検出器２４Ａ、２４
Ｂは何れも成る程度の照明を受取る。両方の光検出器２
４Ａ、２４Ｂからの出力信号の差がゼロであること（差
がゼロＣあることがゼロ信号である）と組合せて、夫々
が有限の信号を発生覆ることは、光線２７．２９が第１
の２倍焦点１２に集束されたことを表わす。この独特な
組合せが発生したことは、信号を観察する人により、又
は公知の電子回路によって確認づることが出来る。

レーｆ２９の様な光源が、第１の鏡３２の様な第１の反
則手段に向って光ビーム３１Ａを投射する。鏡３２がレ
ーザ・ビーム３１Ｂを鏡３４の様な第２の反則手段に反
射する。鏡３４が割出しビーム３１Ｃを投射軸線９に沿
っＣ反則する。割出しビーム３１Ｃは投射軸線に中心合
せすることが好ましい。投射軸線９か光軸６を横切り、
第１の２倍焦点１２と交差する為、並びに割出しビーム
３１Ｇが投射軸線９をたどる為、割出しビーム３１Ｃが
、光軸に沿ってレンズ′３の反対側で焦点距離の２倍の
所にある点、即ち、第２の２倍焦点２２に集束される。

即ち、両凸レンズ３の様なレンズの一般的な性質の為、
第１の２倍焦点１２を通過し又はそこから出てレンズ３
に入る全ての光線は、光線３６Ａ、３６Ｂで示１様に、
第２の２倍焦点２２に集束される。第１の２倍焦点１２
を通過しないか或いはそこから出て来ない全ての光線は
、第２の２倍焦点２２に集束されない。

更に、レンズの相反性により、物体４ｏによって反射さ
れた光線３８Ａ、３８Ｂの様に、第２の２倍焦点２２か
らレンズ３に入る光線は、同じく、光線２７．２９の様
に、第１の２倍焦点１２に集束される。繰返して云えば
、２倍焦点１２又は１２の一方を通過する（或いは同じ
ことであるが、そこから出て来る）光線は、他方の、相
反的な２倍焦点に集束される。割出しビーム３１は第１
の２倍焦点１２から出て来た様に通るので、割出しビー
ム３１が第２の２倍焦点２２に集束される。

物体４０が正確に第２の２倍焦点２２の所に存在してい
れば、光線３８Ａ、３８Ｂとして第２の２倍焦点２２か
ら出て来る反射光は、レンズ３によって収集され、且つ
光線２７．２９として、第１の２倍焦点１２に配置され
た光検出器２４Ａ、２４Ｂに集束される。光検出器２４
Ａ、２４′Ｂがゼロ信号を発生することは、光線３８Ａ
、３８Ｂが第２の２倍焦点２２で反射されたことを表わ
しており、これから、物体４ｏがその位置にあるこ物体
による反射が第２の２倍焦点２２以外の点で起る場合、
反射光が精密に第１の２倍焦点１２に集束されない。特
に、第２図に示づ様に、第２の２倍焦点２２よりもレン
ズ３に一層近い物体４５によって反射された光は、レン
ズ３により、優先的に第１の光検出器２４△を照らす光
線４８Ａ、４８Ｂとして集束される。逆に、第３図に示
す様に、第２の２倍焦点２２よりもレンズから一層遠く
にある物体４９によって反射された光は、優先的に第２
の光検出器２４Ｂを照らす５１Ａ、５１Ｂに示す様な光
線として集束される。この為、光検出器２４Ａ、２４Ｂ
によって発された信号は、物体４０による反射が第２の
２倍焦点２２で起ったかどうか、もしそうでなければ、
その反射が第２の２倍焦点２２よりもレンズ３に一層近
い（内側）又は一層遠い（外側）の点で起ったがどうか
を表わす。

第２図及び第３図の光検出器２４Ａ又は２４Ｂが、第２
の２倍焦点２２の内側又は外側の何れにある物体によっ
て照らされたかということの１つの理由は、光線３６Ａ
、３６Ｂによって区切られた割出しビームが、正確に光
軸６に沿つ′Ｃ通らず、光軸から離れた所を通る為であ
ることに注意されたい、。即ち、投射軸線９は光軸６に
対して非平行であり、レンズ３に中心から外れて入射ツ
る。

（光軸６はレンズ３の中心を通る。）その結果、割出し
ビーム３６は内側領域〈領域■）では光軸６の下側にあ
り、外側領域（領域■）で゛は光軸６の上側にある。物
体による反射が領域■で光軸６より下側で起るか、領域
■で光軸６より上側で起るかは、光検出器２４Ａ、２４
Ｂが受取った反射光を通じて、これらの光検出器によっ
て確認される。

次にレーデの指向不安定性の彩管が減少づることについ
て説明する。第１図のレーザ２９は、第４図に示す様に
、２つの境界の間にある点光１１ｉｉｉ６０とみなすこ
とが出来る。これらの境界は鏡又はビーム分割器６３．
６４ｒニーあってよい。点源６０がビーム分割器６３を
介して、レーザ軸線６８に沿ってレーザ・ビーム６６を
投射するが、必ずしもレーザ軸線６８に沿っていない。

即ち、レーザ・ビーム６６は点１１ｉｉｉ６０の周りに
不規則に回転することがあり、この為、通路６６Ａ乃至
６６Ｂをたどる。レーザ軸線６８と常に一致していない
ことを指向不安定性と呼ぶ。

距Ｍ７１、即ち鏡３４．３２の反射点７３．７５の間の
距離と、距離７８、即ち、点光源６０及び鏡３２の反射
点７５の間の距離との和が、距離８１、即ら第１の２倍
焦点１２及び第２の鏡３４の反射点７３の間の距離に等
しくなる様に、第１図のレーザ２９を位置ぎめすること
により、指向不安定性の回転作用を減少ケることが出来
る。上に述べた様にレーザ２９を位置ぎめすると、投射
されるビーム６６の回転の中心である点源６０を、みか
けの原点、即ち第１の２倍焦点１２に位置ぎめする効果
を持つ。この為、従って、指向不安定性は、割出し光ビ
ーム３１Ｃをこのみかけの原点の周りに回転させる効果
を持ち、この回転は光ビーム３６が第２の２倍焦点２２
に集束されることを変えない。事実上、割出し光ビーム
は、回転に関係なく、第１の２倍焦点から出て来るもの
になる。従って、レーザ２９の指向不安定性の影響が理
論的にはなくなり、実際にも大幅に減少する。

上に述べた投影器を使って、工作物が加工している間に
、回転する工作物の直径を測定づることが出来る。第５
図に示す様に、回転づる工作物９０が研削機械９３によ
って所望の半径９５まで研削される。工作物９０はガス
タービン機関の回転子９６であってよく、動翼９８Ａ乃
至９８Ｙ（全部は示してない）の様なタービンの動翼を
支持することが出来る。回転子９６が静止している時、
動翼は溝孔１０１Ａ乃至１０１Ｙの様な溝孔にゆるく取
付けられている。動作中、回転子９６が回転し、遠心り
によって動１９８Ａ乃至９８Ｙは半径方向外向きに押出
される。５．０００乃至１０゜０００　ｐｐｍの動作速
度に達すると、遠心力が十分大きくなり、動翼９８Ａ乃
至９８Ｙけ夫々の溝孔１０１ａ乃至１０１ｙの所定位置
にしっかりと固定される。

回転子９６並びに動翼９８Ａ乃至９８Ｙの用法が遠心力
荷重によっ−Ｃ変化する時、研削機械９３が全ての動翼
の半径を精密で一様な寸法に研削することが出来る様に
、各々の動翼の先端から回転子の中心１０５までの実際
の半径９５を測定することか希望される。回転中に各々
の動翼の先端１０３の半径を測定する為、上に述べた光
学投影器を次の様に利用する。レンズ３は、その光軸６
が回転子９６の半径方向と整合し且つ第２の２倍焦点２
２か回転する動翼の先端１０３の近くに来る様に位置き
めする。動翼９８Ｈの先端１０３の様な動翼の先端が、
第２の焦点を正確に横切ると、光検出器２４Ａ、２４Ｂ
がそういうことが起ったことを表示する。動翼９８Ｓの
先端１０３が領域工に入るか、又は動Ｍ９８Ｕの先端１
０３が領域■に入ると、光検出器２４Ａ、２４Ｂがそれ
に応じて、前に第１図乃至第３図について述べた様に表
示する。

高速動作中、光検出器２４Ａ、２４Ｂが差動増幅装置１
１０を介して、オッシロスコープ１１２に接続され、動
翼９８が光軸６を横切る度に、公知の手段によってオッ
シロスコープの１〜レース１１４をトリガづる。回転子
９６が２５枚の動翼９８Ａ乃至９８Ｙ（全部は示してな
い）を持っているとすると、オッシロスコープ１１２は
そのスクリーン１１２Ａ上の２５の位置（全部は示して
ない）に、第２の焦点２２に対する動翼９８８乃至９８
Ｕの回転子の先端１０３の位置に対応する１１６Ａ乃至
１１６Ｕの様な情報を表示する。例えば、トレース１１
４上の点１１６Ｓは！ＩＩ翼９８Ｓの先端１０３に対応
すると云う風になる。動翼９８丁の先端１０３はトレー
ス１１４に電圧信号を発生しない。これは、この先端が
第２の２倍焦点２２を正確に横切るからである。然し、
領域■に入る動）！９８Ｓの先端１０３は正の電圧スパ
イク１１６Ｓを発生する。領域■に入る動翼９８Ｕの先
端１０３は負のスパイク１１６Ｕを発生する。

オッシロスコープのトレース１１４はタービンの回転子
の１回転毎に繰返される。

特定の動翼の長さは、関心のある動翼に対応する電圧ス
パイクが消えるまで、レンズ３を移動することによって
決定づることが出来る。この時、その先端１０３が第２
の焦点２２を横切ることが判る。この為、先端１０３の
実際の位置、従って各々の動翼９８Ａ乃至９８Ｙの長さ
を、ガスタービン回転子９６の実際の回転速度で、一度
に１つずつ決定することが出来る。このタービンの動翼
の測定について、更に詳しいことは米国特許第４゜０７
４．１０４号に記載されている。

割出し光ビームが、事実上、光軸上にあってレンズから
焦点距離の２倍の所に配置された第１の２倍焦点にある
みかけの原点から出て来る様に、割出し光ビームをレン
ズに対して投射する光学投影器を説明した。この為、割
出し光ビームが第１の２倍焦点の周りに回転することは
、割出し光ビームが、レンズの反対側にある相反的な第
２の２倍焦点に集束されることに実質的に何の影響もな
い。相反的な焦点の近くに配置された物体が反射する光
が、レンズによって捕捉される。

相反的な焦点に対する物体の相対的な位置に応じて、レ
ンズが捕捉した光が光検出手段に対して異なる形で集束
される。この光検出手段は、反則の相異なる種類を弁別
して、相反的な焦点に対づる反射点の相対位置を表わす
信号を発生する。この光学投影器は、カスタービン機関
の高速で′回転づる回転子にあるタービン機関の先端の
様な、相反的な焦点の近くを通過する高速の一連の物体
の位置を決定づる為に使うことが出来る。この発明の重
要な１面は、（勿論、レーザ２９から直接的に受取る光
が高度に］リメー１〜されているが、そのことを別にづ
れば）光ビームのコリメーシ」ンを用いずに、物体の位
置を光学的に検出することである。即ら、光線３６Ａ、
３６Ｂによって区切られた割出しビームとしＣレンズ３
によつＣ反則される光、光線３８Ａ、３８Ｂによって区
切られた反射光、及び光線２７．２９によつＣＬ％切ら
れた、光検出器２４Ａ、２４Ｂに集束される光は、何れ
もコリメートされていない光である。

この発明の範囲内でいろいろな変更を加えることが出来
る。特に、役割軸線９が第１の２倍焦点１２以外の点で
光＠６と交差しても、この発明の考えを依然として利用
することが出来ることが判っている。即ち、第１の２倍
焦点はレンズから正確に焦点距離の２倍の所にある必要
はない。然し、次の式の条件を充たづことが好ましい。

ＸＦ ３−Ｆ こ）て△は第１図のレンズ３から第２の２倍焦点２２ま
でのｙｌ】離。

Ｂはレンズ３から第１の２倍焦点１２までの距離。

Ｆはレンズ３の焦点距離。

更に、光検出器２４Ａ、２４Ｂ及びレーザ２９の位♂ｉ
は第６図に示す一様に変えることが出来る。

この場合、レーザ・ビームは第１の焦点］２から光し、
鏡１０３の孔１０２を通ってレンズ゛３に達する。物体
４０によって反射されてレンズ３によって捕捉される光
が、光ビーム１０７として鏡１０３に向けて集束され、
その後光検出器２４Ａ。

２４Ｂに反射される。

この発明の成る考えは係属中の米国Ｙｉ許隙第４６６．
７５７号に記載された「光学検査装置」並びに係属中の
米国特許願第４６６．７５８号に記載された「光ビーム
安定化器」に利用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１形式を示す略図、第２図及び第３
図は異なる位置にある２つの物体から反射された光線を
受取る第１図の装置を示寸略図、第４図はレーザの略図
、第５図はタービン機関の回転子の半径を測定する為に
利用する第１図に示したこの発明の装置の図、第６図は
この発明の第２の形式を示す略図である。 主な符号の説明 ３：レンズ、 ′６：光軸、 ２４Ａ、２４Ｂ：光検出器、 ２９：レーザ、 ３２．３４：鏡、 ４０：物体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光軸を持つレンズを有する光学投影器に於て、前記
   レンズの第１の側に配置されていて、前記光軸に非平行
   に光ビームを前記レンズに投射して、物体によって反射
   される様に前記光ビームを物体に向けてレンズの第２の
   側に集束すると共に、前記レンズが受取った反射光を光
   検出器に集束する投射手段と、前記光検出器に接続゛′
   されていて、前記反射光に応答して、前記物体の位置を
   導き出すことの出来る情報を発生する手段とを有する光
   学投影器。 ２、特許請求の範囲１）に記載した光学投影器に於て、
   前記投射手段によって投射される光ビームがたどる通路
   が前記光軸と交差し、前記物体に向（）て集束される光
   ビームがたどる通路も光軸と交差する光学投影器。 −３〉特許請求の範囲２）に記載した光学投影器に於て
   、夫々の光ビームが前記レンズから等距離の点で光軸と
   交差する光学投影器。 ４〉光ビームを第１の通路に沿って投射する光源と、中
   心、第１及び第２の側及び光軸を持っていて、第１の側
   で中心から外れて前記光ビームを受取り、前記光ビーム
   を前記レンズの第２の側に配置された物体に集束し、該
   物体から反射された光を受取り、該反射光を前記レンズ
   の第１の側にある一点に集束するレンズと、前記第１の
   側の一点の近くに配置されていて、集束された光を受取
   って、物体からの反射が予定の点で発生した時に予定の
   信号を発生ずる光感釦装置とを有づる光学投影器。 ５）特許請求の範囲４）に記載した光学投影器に於て、
   前記光源が指向不安定性を持ち、更に、前記第１の通路
   内に介在配置されていて、前記投射された光ビームを受
   取り、該光ビームを前記光軸に一対して非平行な第２の
   通路に沿ってレンズに向けて透過させ、前記光源とは位
   置の異なる見かけの源から投射された光ビームの特性を
   前記光ビ−ムに伝達する手段を有する光学投影器。 ６）特許請求の範囲５）に記載した光学投影器に於て、
   前記見かけの源が光感知装置内の空間の中に収容されで
   いる光学投影器。 ７）特許請求の範囲５）に記載した光学投影器に於−で
   、前記光少感知装置及び前記予定の点が、何れも前記レ
   ンズから焦点距離の２倍の所にあっ−ｃ１夫々光軸上に
   ある光学投影器。 ８）光軸及び成る焦点距離を持つレンズ手段を用いて物
   体を光学的に検査づる方法に於て、源から光軸に対して
   非平行な割出し光ビームをレンス′手段に投射して、該
   光ビームを物体に向けて集束して反射される様にし、前
   記レンズ手段を利用して物体から反射された光を焦点検
   出器に集束する工程から成る方法。 ９）特許請求の範囲８）に記載した方法に於−Ｃ１前記
   割出し光ビームかたとる通路が、前記レンズから焦点距
   離の２倍たけ離れた°点で光軸と交差する方法。 １０）特許請求の範囲８）に記載した方法に於て、前記
   源とは異なる位置にある見かけの源から投射された光ビ
   ームの特性を前記割出し光ビームに伝達する工程を含む
   方法。 １１）光軸及び成る焦点距離を持つレンズ手段を利用し
   て物体を光学的に検査する方法に於て、前記レンズから
   焦点距離の２倍だけ離れた点で前記光軸と交差する通路
   に沿って、前記レンズ手段の片側にレーザ・ビームを投
   射し、前記レンズ手段を用いて、当該物体によって反射
   される様に、前記レンズ手段の反対側にある物体に前記
   レーザ・ビームを集束し、前記レンズ手段を用いて、物
   体によって反０１された光を感知装置に集束し、該感知
   装置は、物体から反射された光が、光軸上にあって、前
   記レンズ手段から焦点距離の２倍だけ離れた所にある一
   点から反射された時、第１の信号を発生ずる方法。 １２、特許請求の範囲１１〉に記載した方法に於て、前
   記物体が前記一点よりも前記レンズ手段に一層近づいて
   いる時に、第２の信号を発生し、前記物体が前記一点よ
   りも前記レンズ手段から更に遠い時に第３の信号を発生
   する工程を含む方法。 １３）特許請求の範囲１１）に記載した方法に於て、前
   記物体がガスタービンの回転子の複数個の動翼の内隅１
   つの先端であり、前記動翼を中心の周りに回転させ、前
   記レンズ手段の光軸を全体的に半径方向に整合させ、各
   々の回転する動翼の先端による反射に応答して、第１、
   第２及び第３の信号を発生づる工程を含む方法。