JPS60216207A - 光学式機械量測定装置 - Google Patents

光学式機械量測定装置

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JPS60216207A
JPS60216207A JP59072380A JP7238084A JPS60216207A JP S60216207 A JPS60216207 A JP S60216207A JP 59072380 A JP59072380 A JP 59072380A JP 7238084 A JP7238084 A JP 7238084A JP S60216207 A JPS60216207 A JP S60216207A
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light
pinhole
passing
dimensional
axis
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JP59072380A
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JPH0444922B2 (ja
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Toshitsugu Ueda
敏嗣 植田
Eiji Ogita
英治 荻田
Yoshinobu Sugihara
吉信 杉原
Daisuke Yamazaki
大輔 山崎
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Hokushin Electric Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2290/00Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/70Using polarization in the interferometer

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

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) 本発明は、光の干渉を利用して変位量、変位速度、振動
故郷の機械量を知るようにした光学式機械量測定装置に
関するものである。
(従来技術) 定するものはなかった。
(本発明の目的) 本発明の目的は、被測定物体とは非接触で3次元の各種
機械量を高精度で、かつ高分解能で測定することのでき
る構造の簡単な、この種の装置を実現しようとするもの
である。
(本発明の概要) 本発明に係る装置は、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
られるスペックルパターンを径の大*い第1のピンホー
ルと径の小さな第2のピンホールを通し、第1のピンホ
ールを通った光を利用して2次元の機械量を測定すると
ともくい第2のピンホールを通った光に光源からの光を
参照光として照射し、その結果得られる干渉縞のパター
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。
(実施例) 第1図は本発明に係る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HaNe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ッタ(以下PB8と略す)、
22は第2のPBS 、 25は第3 ノPB8 、2
aは第4のPBS−t’ある。各PBSは、入射する光
ビームを2方向に分割する役目をなし、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)と、平行に振動する光成分(P波)K分かれ
る。第1のPBS において、P波はこのPBSを通過
し、ミラー31で反射し、λ/2板41を通ってミラー
52で反射し、第4のPBS 24に入って2系の参−
〜なる。また、第1のPR821において、S波はコノ
PBsテ反射され、λ/4板42を通って、ターゲット
5の拡散面5oに照射される。このターゲット5には、
図示するように測定すべき3次元の機械111x、y、
zが与えられている。
ターゲット5の拡散した光(反射光)は、λ/4板42
を通ってPBS21に戻り、ここを通過後、レンするJ
/2板4板金3れぞれ通ってPBS 22に入り、ここ
で、第2のピンホール4oを通った光は、z系の光成分
(直進する光)として、第1のピンホール60を通った
光は、X、Y系の光成分(反射する光)としてそれぞれ
分けられる。々お、絞り6に設けられているピンホール
6oの径は、λ/2板45に設けられているピンホール
40の径より犬きく選定されている。XY系の光成分は
、ミラー33で反射し、レンズ14(焦点ず)、λ/4
板44を通って、PBS 25に入り、ここで、X系、
Y系に分けられ、各々のX軸センサBX、Y軸センサ8
Yの受光面にスペックルパターンを作り、これがそれぞ
れ検出される。
PBS 22において分けられたZ系の光成分は、レン
ズ15(焦点f)、PB824及び偏光板7を通って、
2軸センサ8z上に照射され、その受光面にミラー32
側からくる参照光と干渉して干渉縞が作られ、これを検
出する。
X軸センサ8X、Y軸センサ8Y及び2軸センサ8zは
、多数個の受光素子をプレイ状に配列して構成されるも
ので、CCDなどのイメージセンサが使用可能であり、
X軸センサ8XとY軸センサ8Yの各受光素子の配列方
向は互いに直交するように配置されている。
第2図は第1図装置において、電気的な回路を示す構成
ブロック図である。この図において、8゜は、例えばC
ODで構成された各センサ8X、 BY、 8Zを駆動
するクロック発振器で、例えば周波数fcのクロ、り信
号を各センサに印加している。71,72゜73は各セ
ンサ8X、 8Y、 8Zからの出カ周波数個号fx。
”In fzを入力し、これと参照周波数信号fRとを
ミキシングするミキサ、81.82.85はそれぞれ対
応するミキサからの出力信号のながの特定な周波数信号
を通過させるローパスフィルタ、91゜92.95はそ
れぞれローパスフィルタ81.82.83からの周波数
信号を計数するカウンタ、9oは各カウンタ91゜92
、93からの計数信号fax 、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
クロプロセッサが使用される。95は表示装置で、例え
ばCRTが使用され、演算回路9oでの演算結果を表示
する。
X軸センサ8X、Y軸センサ8Y上に作られるスペック
ルパターンは、ターゲット5が矢印X方向に移動したと
きは、X軸方向に移動し、ターゲット5が矢印y方向に
移動したときは、y軸方向に移2軸センサ8z上に得ら
れるパターンは、スペッ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
ーゲット5一方向変位を把える。
第3図は、空間周波数Fと、スペクトル強度■との関係
を示す線図である。この線図において、ピンホール径を
小さくすると、この特性曲線は矢印島方向に、ピンホー
ル径を大きくすると、矢印す方向に変化する状態を示し
ている。
本発明に係る装置においては、絞り6に設けた第1のピ
ンホール60の径を太きくシ、スペックル中の高い空間
周波数成分を通し、この成分をPB822でXY系側に
分離させるようにしている。また、λ/2板43に設け
た第2のピンホール40の径を小さくシ、スペックル中
の低い空間周波数成分を通過(高周波成分をカット)さ
せ、この成分をPH122を通して2系側で利用するよ
うKしている。すなわち、第1のピンホール60を通過
した光は、λ/2板で偏光面が90°回転するので、P
B822で反転し、X、Y系側に向かい、第2のピンホ
ール40を通過した光は、偏光面が回転することはない
ので、PBS22を通過し、2系側圧向かう。ここで、
第1のピンホール60の径は、第2のピンホール40の
径に比べて10倍程度大きいことが望ましい。これKよ
って、光強度の低下を抑えてS/Nを良好にし、2軸セ
ンサ8zの受光面につくられる干渉縞を鮮明にし、ター
ゲット5の2方向変位を確実に検出できるよう処してい
る。
第2図において、各センサ8X、 8Y、 8Zは、一
端にクロック発振器80からの周波数faのクロック信
号が印加されて駆動されており、各センサ8X、 8Y
8zから、fc=fe/N(ただし、Nは各センサのビ
ット数)を基本周波数とする周波数信号lx、 fy。
fzが出力される。
第4図は、各センサ8X、 8Y、 8Z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、各センサの全幅の17(整数)と、干渉縞の間
隔が等しいところが一番大きくな9、ターゲット5の移
動とともに1移動する。例えば、ターゲット5がX方向
にXだけ移動すれは、センサ8Xからの周波数信号tx
の例えばm次高調波に相当するピークPmは、その移動
速1idX/dtに比例したΔtmxだけ周波数シフト
する。同じように、ターゲット5がy方向にYだけ移動
すれば、センサ8Yからの周波数信号tyのm次高調波
に相当するピークbは、その移動速度dY/dtK比例
したfmyだけ周波数シフトする。センサ8zからの周
波数信号についても同様である。つまり、Δfmx、Δ
fmy。
Δfmzの位相を測定すればXaY+”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71,72゜73
は、各センナから出力されるm次高調波Pmと、その近
傍周波数fH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ィルタ81゜82、 85を
介することによって、その出力端に次式に示すような周
波数信号foz 、foy 、fozをそれぞれ得る。
foz = mfo −fH±Δtmxfoy = m
fo −fH±Δfmyfoz= mfo = fH±
Δfmz各カウンタ91.92 、93は、これらの周
波数信号をそれぞれ計数する。演算回路90は、各カウ
ンタ91、92.93からの信号fax 、foy 、
faxを入力し、所定の演算、例えば積分を含む演算を
することKよって、ターゲット5の各矢印X * F 
+ z方向の変位量x、y、zを知ることができる。ま
たΔtmx。
Δf my、Δfmzは、ターゲット5の移動方向に応
じて、正、負に極性が変わることから、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
ムによって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、各センナから得られる信
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。
第5図は、第1図において、絞96.λ/2板43及び
PH122部分の他に構成例を示す要部断面図及び要部
の平面図でおる。
この例では、透明のガラス基板61上に光を反射しない
部分62とだ円形状の光透過部63及びこの光透過部6
3の中央にだ円形状の反射部64を設けたものである。
ここで、光透過部65の大きさとしては、例えば、長軸
2.8mm、短軸2mm反射部64の大きさとしては、
例えば長軸0.28mm、短軸0.2mm程度に選定さ
れる。
Z系の光成分を同時に分離して得ることができ、全体構
成を簡単にできる。
なお、上記の実施例において、光源1の光パワーに余裕
のある場合は、PH122,23,24等はハーフミラ
−としてもよい。また、ターゲット5の拡散面50には
、再帰性及財物やその他必要な模様等を設けるようにし
、検出感度を増大させるよう処してもよい。また、ここ
では、ターゲットのX。
FEZ方向の変位量や移動速度を測定する場合を説明し
たが、ターゲット5の撮動数や回転数、あるいは形状変
化等、各種の3次元の機械量を測定することができる。
以上説明したように1本発明に係る装置によれば、被測
定機械量が与えられるターゲットとは非接触で、このタ
ーゲットの5次元の変位量など各種機械量を高分解能で
測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る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ック図、第3図は空
間周波数とスペックトル強度との関係を示す線図、第4
図は各センサから得られる信号の周波数スペックトルを
示す説明図、第5図はXY系の光成分と、2系の光成分
を得る部分の他の構成例を示す図で(イ)は断面図(ロ
)は平面図である。 1・・・光源、21.22.25.24・・・偏光ビー
ムスプリッタ、751. 32・・・ミラー、5・・・
ターゲット、6,43・・・絞jll 、60.40−
・・ピンホール、BX、 8Y、 8z・X軸。 Y軸、2軸センサ。 篤3図 篤4図 篤5圓 (イ) 1 (ロ) 6フ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. からの反射光を径の大きい第1のピンホールと、径の小
    さい第2のピンホールとをそれぞれ通過させるとともに
    第1のピンホールを通った光と、第2のピンホールを通
    った光を分離させ、前記第1のピンホールを通った光に
    よるパターンの移動を検出して前記ターゲットの1次元
    あるいは2次元方向の機械量をそれぞれ測定するととも
    に1前記第2のピンホールを通った光に、前記光源から
    の可干渉光を参照光として照射して作られるパターンの
    移動を検出して前記1次元又は2次元方向の軸と直交す
    る軸方向の機械量を測定するようにした光学式機械量測
    定装置。
JP59072380A 1984-04-11 1984-04-11 光学式機械量測定装置 Granted JPS60216207A (ja)

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JPS60216207A true JPS60216207A (ja) 1985-10-29
JPH0444922B2 JPH0444922B2 (ja) 1992-07-23

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