JP2013022676A - レーザ光振れ量検出装置、変位測定装置、光学素子成形用金型の製造方法及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の光軸に直交する２方向の光軸振れを高精度に測定する。
【解決手段】第１の偏光ビームスプリッタ４は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａを、第１の直線偏光成分２ｂと第２の直線偏光成分２ｃとに分割する。光学系３は、第１の直線偏光成分２ｂの振れ方向と第２の直線偏光成分２ｃの振れ方向とが互いに直交するように第１の直線偏光成分２ｂ及び第２の直線偏光成分２ｃのうち少なくとも一方の直線偏光成分を光軸まわりに回転させて合成光とする。遮光部材８は、先端８ａを合成光に突出させて合成光の一部を遮光する。第２の偏光ビームスプリッタ９は、遮光部材８で遮光されずに通過した通過光を、第１の直線偏光成分２ｂと第２の直線偏光成分２ｃとに分割する。各受光素子１０ａ，１０ｂは、偏光ビームスプリッタ９で分割されたそれぞれの直線偏光成分の光量を測定する。演算部１２は、測定結果に基づきレーザ光２ａの振れ量を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光の光軸に直交する２方向のレーザ光の振れ量を検出するレーザ光振れ量検出装置、レーザ光振れ量検出装置を備えた変位測定装置、光学素子成形用金型の製造方法及び光学素子に関するものである。

工作機械で加工を行う時には、工作機械上における工具の位置、工具の刃先形状の情報が必要である。工具の位置、工具の刃先形状の情報を測定する方法の１つとして、レーザ光を工具に照射して、工具により遮光されずに通過した通過光の光量を測定することにより非接触に工作機械上で工具情報（刃先位置、刃先形状）を測定する方法がある。この測定方法は、工具情報の測定の為のダミー加工が不要であるので、ダミー加工の時間分のスループット向上やダミー加工時の工具磨耗を抑えられる利点がある。しかし、被測定物で遮光することにより通過した通過光の光量を測定する変位測定方法では、レーザ光の光軸振れが測定誤差となってしまう。

そこで従来は、４分割フォトダイオードを用いてレーザ光の光軸に直交する２方向の光軸の振れ量を測定してレーザ光の光軸振れを補正している（特許文献１参照）。この４分割フォトダイオードは、４つの受光素子からなり、各素子で測定した受光量を、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする。そして、２方向のうちの一方向の振れ量は、Ａ＋Ｂ−（Ｃ＋Ｄ）の演算結果に基づいて求められ、他方向の振れ量は、Ａ＋Ｄ−（Ｂ＋Ｃ）の演算結果に基づいて求められる。

特開平６−６０４０４号公報

しかしながら、４分割フォトダイオードを用いて光軸振れを測定する方法では、４分割フォトダイオードの画素数により分解能に限界があり、レーザ光の光軸の振れを高精度に測定するのは困難であった。すなわち、２方向のそれぞれの振れ量は、４つの受光素子の受光結果を加減算することにより求められるので、求められた振れ量には４つの受光素子の測定誤差が累積してしまうこととなり、２方向のレーザ光の振れ量を高精度に測定するのは困難であった。

そこで、本発明は、レーザ光に直交する２方向の光軸振れを高精度に測定できるレーザ光振れ量検出装置及びレーザ光振れ量検出装置を備えた変位測定装置、光学素子成形用金型の製造方法及び光学素子を提供することを目的とするものである。

本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に直交し且つ互いに直交する２方向の、レーザ光の振れ量を検出するレーザ光振れ量検出装置において、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、第１の直線偏光成分と、偏光方向が前記第１の直線偏光成分に直交する第２の直線偏光成分とに分割する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第１の直線偏光成分の振れ方向と前記第２の直線偏光成分の振れ方向とが互いに直交するように前記第１の直線偏光成分及び前記第２の直線偏光成分のうち少なくとも一方の直線偏光成分を光軸まわりに回転させ、前記第１の直線偏光成分の偏光方向と前記第２の直線偏光成分の偏光方向とを直交させた状態で前記第１の直線偏光成分と前記第２の直線偏光成分とを重ね合わせる光学系と、前記光学系により得られた合成光に含まれる互いに直交する振れ方向の２つの光成分のうち一方の光成分の振れ方向と平行な方向に延びるように形成された先端を有し、前記先端を前記合成光に突出させて前記合成光の一部を遮光するように配置された遮光部材と、前記遮光部材で遮光されずに通過した通過光を、前記第１の直線偏光成分と、前記第２の直線偏光成分とに分割する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第２の偏光ビームスプリッタにより分割された前記第１の直線偏光成分の光量を測定する第１の受光素子と、前記第２の偏光ビームスプリッタにより分割された前記第２の直線偏光成分の光量を測定する第２の受光素子と、前記第１の受光素子により測定された光量から前記２方向のうちの一方向の振れ量を求めると共に、前記第２の受光素子により測定された光量から前記２方向のうちの他方向の振れ量を求める演算手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、第２の偏光ビームスプリッタにより分割されて得られた第１の直線偏光成分の光量は、互いに直交する２方向のうちの一方向への光軸の振れで変化する。また、第２の偏光ビームスプリッタにより分割されて得られた第２の直線偏光成分の光量は、２方向のうちの他方向への光軸の振れで変化する。したがって、２方向それぞれのレーザ光の振れ量を、別々の受光素子の測定結果に基づいて求めることができるようになり、２方向のレーザ光の振れ量を高精度に測定することができる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ光振れ量検出装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係るレーザ光振れ量検出装置の光学系を示す斜視図であり、 遮光部材をＸ軸方向と平行な方向から見た図である。（ａ）はレーザ光源から出射されたレーザ光に振れがない状態を示している。（ｂ）はレーザ光源から出射されたレーザ光がＸ軸方向に振れた状態を示している。（ｃ）はレーザ光源から出射されたレーザ光がＺ軸方向に振れた状態を示している。 本発明の第２実施形態に係る変位測定装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る変位測定装置の測定対象である切削工具を示す斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ光振れ量検出装置の概略構成を示す説明図である。図１に示すレーザ光振れ量検出装置１００は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａの光軸（図１ではＹ軸）に直交し且つ互いに直交する２方向（図１ではＸ軸方向及びＺ軸方向）の、レーザ光２ａの振れ量を検出するものである。

つまり、レーザ光源（レーザヘッド）１のポインティング安定性によりレーザ光源１から出射する時のレーザ光２ａの角度が振れたり、光路の空気揺らぎにより途中光路でのレーザ光２ａが振れたりする。したがって、レーザ光振れ量検出装置１００は、このようなレーザ光２ａの２方向の振れ量を検出するためのものである。ここで、レーザ光の２方向の振れとは、レーザ光の２方向の位置ずれや振動のことをいう。なお、本第１実施形態では、レーザ光源１によりレーザ光２ａが出射される方向をＹ軸方向、Ｙ軸に直交する２方向をＸ軸方向及びＺ軸方向としている。

レーザ光振れ量検出装置１００は、大別して、第１の偏光ビームスプリッタ４、光学系３、集光レンズ７ａ、遮光部材８、集光レンズ７ｂ、第２の偏光ビームスプリッタ９、第１の受光素子１０ａ、第２の受光素子１０ｂを備えている。また、レーザ光振れ量検出装置１００は、演算手段としての演算部１２及び記憶手段としての記憶部１３を備えている。レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａは、＋Ｙ軸方向に進行し、レーザ光源１の後段に配置された第１の偏光ビームスプリッタ４に入射される。

第１の偏光ビームスプリッタ４は、入射されたレーザ光２ａを、第１の直線偏光成分２ｂと、偏光方向が第１の直線偏光成分２ｂに直交する第２の直線偏光成分２ｃとに分割するものである。

本第１実施形態では、第１の直線偏光成分２ｂが第１の偏光ビームスプリッタ４で反射する直線偏光成分（即ちｓ偏光）であり、第２の直線偏光成分２ｃが第１の偏光ビームスプリッタ４を透過する直線偏光成分（即ちｐ偏光）であるものとして説明する。第１の偏光ビームスプリッタ４は、入射されたレーザ光２ａのうち、第１の直線偏光成分２ｂを反射させ、第２の直線偏光成分２ｃを透過させる。この場合、第１の直線偏光成分２ｂは、第１の偏光ビームスプリッタ４で直角に＋Ｘ軸方向に反射する。第１の偏光ビームスプリッタ４で反射した後の第１の直線偏光成分２ｂは、ｓ偏光である。また、第２の直線偏光成分２ｃは、第１の偏光ビームスプリッタ４を＋Ｙ軸方向に透過する。

光学系３は、第１の直線偏光成分２ｂの振れ方向と第２の直線偏光成分２ｃの振れ方向とが互いに直交するように第１の直線偏光成分２ｂ及び第２の直線偏光成分２ｃのうち少なくとも一方の直線偏光成分を光軸まわりに回転させるものである。そして、光学系３は、第１の直線偏光成分２ｂの偏光方向と第２の直線偏光成分２ｃの偏光方向とを直交させた状態で第１の直線偏光成分２ｂと第２の直線偏光成分２ｃとを重ね合わせるものである。ここで、第１の直線偏光成分２ｂと第２の直線偏光成分２ｃとを重ね合わせるとは、レーザ光２ａにおいて振れがない状態で、第１の直線偏光成分２ｂの光軸と第２の直線偏光成分２ｃの光軸とが一致することである。

以下、本第１実施形態における光学系３の構成について詳細に説明する。図２は、光学系３を示す斜視図である。光学系３は、第２の直線偏光成分２ｃの偏光方向を９０度回転させる偏光部としての１／２波長板（以下、「１／２λ板」という）５と、複数の反射部材である６つのミラー（ベンダーミラー）６ａ〜６ｆと、を有している。

これらミラー６ａ〜６ｆは、偏光ビームスプリッタ４を通過した第２の直線偏光成分２ｃを、偏光ビームスプリッタ４にて反射した第１の直線偏光成分２ｂの反射方向と同一方向に偏光ビームスプリッタ４に入射させるものである。その際、ミラー６ａ〜６ｆは、第２の直線偏光成分２ｃの振れ方向を、第１の直線偏光成分２ｂに対して光軸まわりに９０度回転させる。具体的にはミラー６ａ〜６ｆは、偏光ビームスプリッタ４を通過して＋Ｙ軸方向に進行したレーザ光２ｃを−Ｚ軸方向、−Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、−Ｘ軸方向、＋Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向に順次反射させることでレーザ光２ｃをレーザ光２ｂに対して９０度回転させる。

ここで、偏光ビームスプリッタ４を透過した直後のレーザ光２ｃは、偏光膜を透過できる偏光方向であるｐ偏光である。この後、ミラー６ａ〜６ｆにより、再び偏光ビームスプリッタ４を透過する直前までにレーザ光２ｃの光軸振れ方向に９０度回転しているが偏光方向も一緒に９０度回転している。即ち、第２の直線偏光成分２ｃはミラー６ａ〜６ｆを通過することにより偏光方向も９０度回転する。

レーザ光２ｃは、１度目に偏光ビームスプリッタ４を透過した時と同じ偏光方向でないと、２度目に偏光ビームスプリッタ４を透過できないので、偏光方向だけ９０度回転して戻す必要がある。そこで、偏光ビームスプリッタ４と複数のミラー６ａ〜６ｆとで形成される第２の直線偏光成分２ｃの光路に、１／２λ板５を配置している。

このように１／２λ板５をレーザ光２ｃの光路上に配置することで、レーザ光２ｃの偏光方向を９０度回転させる光学系３を簡易に構成することができる。ここで、１／２λ板５は、レーザ光２ｃの偏光方向を９０度回転させるように配置してあれば、光学系３におけるレーザ光２ｃの光路上のどこに配置してもよい。本第１実施形態では、１／２λ板５を偏光ビームスプリッタ４とミラー６ａとの間に配置している。これにより、偏光ビームスプリッタ４に再び入射する第２の直線偏光成分２ｃをｐ偏光にしている。そして、これらミラー６ａ〜６ｆ及び１／２λ板５を経たｐ偏光である第２の直線偏光成分２ｃは、偏光ビームスプリッタ４を＋Ｘ軸方向に透過して、偏光ビームスプリッタ４で＋Ｘ軸方向に反射して進行する第１の直線偏光成分２ｂと重なり合う。以下、第１の直線偏光成分２ｂと第２の直線偏光成分２ｃとが重なり合ったレーザ光を合成光という。

この合成光（レーザ光２ｂ及びレーザ光２ｃ）は、図１に示す集光レンズ７ａで集光される。この集光レンズ７ａの後段には、集光レンズ７ａで集光される位置に遮光部材８が配置される。言い換えれば、集光レンズ７ａは、遮光部材８が配置された位置に合成光を集光させる。また、遮光部材８は、先端８ａに向かって厚さ方向（Ｘ軸方向）に肉薄に形成されているのが好ましい。集光レンズ７ａの焦点位置に先端８ａを合わせやすいからである。

図３は、遮光部材８をＸ軸方向と平行な方向から見た図である。図３（ａ）は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａに振れがない状態を示している。図３（ｂ）は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａがＸ軸方向に振れた状態を示している。図３（ｃ）は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａがＺ軸方向に振れた状態を示している。

遮光部材８は、直線状に形成された先端８ａを有している。この先端８ａは、光学系３により得られた合成光に含まれる互いに直交する振れ方向（Ｙ軸方向及びＺ軸方向）の２つの光成分のうち一方の光成分の振れ方向（Ｙ軸方向でもよいが、本第１実施形態では、Ｚ軸方向）と平行な方向に延びるように形成されている。そして、この遮光部材８は、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａに振れがない状態で、先端８ａを集光レンズ７ａに集光された合成光（レーザ光２ｂ，２ｃ）に突出させて合成光の一部を遮光するように配置されている。本第１実施形態では、図３（ａ）に示すように、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａに振れがない状態で合成光（レーザ光２ｂ，２ｃ）の半分を遮光する位置に配置されている。

この遮光部材８の後段には、図１に示すように、集光レンズ７ｂが配置されている。この集光レンズ７ｂは、遮光部材８の位置に集光され、遮光部材８を通過して広がった通過光（レーザ光２ｂ，２ｃ）を平行光にする。

この平行光となった通過光（レーザ光２ｂ，２ｃ）は、第２の偏光ビームスプリッタ９に導かれる。第２の偏光ビームスプリッタ９は、遮光部材８で遮光されずに通過した通過光を、第１の直線偏光成分２ｂと、第２の直線偏光成分２ｃとに分割する。ここで、本第１実施形態では、第１の直線偏光成分２ｂはｓ偏光であり、第２の直線偏光成分２ｃはｐ偏光である。したがって、第１の直線偏光成分２ｂは、第２の偏光ビームスプリッタ９で直角に反射し、第１の受光素子１０ａで受光される。また、第２の偏光ビームスプリッタ９を透過して直進し、第２の受光素子１０ｂで受光される。

第１の受光素子１０ａは、第２の偏光ビームスプリッタ９により通過光が分割されて得られた第１の直線偏光成分２ｂの光量を測定することができるものである。また、第２の受光素子１０ｂは、第２の偏光ビームスプリッタ９により通過光が分割されて得られた第２の直線偏光成分２ｃの光量を測定することができるものである。第１の受光素子１０ａ及び第２の受光素子１０ｂは、例えばフォトダイオードである。

演算部１２は、各受光素子１０ａ，１０ｂから出力された光量を示す測定信号の入力を受ける。そして、演算部１２は、第１の受光素子１０ａにより測定された光量から２方向のうちの一方向（本第１実施形態ではＸ軸方向）の振れ量を求める。また、演算部１２は、第２の受光素子１０ｂにより測定された光量から２方向のうちの他方向（本第１実施形態ではＺ軸方向）の振れ量を求める。

以下、レーザ光振れ量検出装置１００による検出動作について詳細に説明する。レーザ光源１からＹ軸方向に出射されたレーザ光２ａは、レーザ光源１の安定性範囲内でＸ軸方向及び（又は）Ｚ軸方向に光軸が振れる。レーザ光２ａは、図２に示すように、偏光ビームスプリッタ４でｓ偏光である第１の直線偏光成分２ｂと、ｐ偏光である第２の直線偏光成分２ｃとに分割される。

まず、Ｘ軸方向にレーザ光２ａの光軸が振れた場合について説明する。第１の直線偏光成分２ｂは、偏光ビームスプリッタ４でＸ軸方向に反射したことでＹ軸方向の振れとなる。他方、第２の直線偏光成分２ｃは、Ｘ軸方向に振れた状態で１／２λ板５を通過し、ミラー６ａ，６ｂ，６ｃで反射する。そして、第２の直線偏光成分２ｃは、ミラー６ｄで反射することによりＺ軸方向の振れとなり、ミラー６ｅで反射することによりＸ軸方向の振れとなり、ミラー６ｆで反射することによりＺ軸方向の振れとなる。その後、レーザ光２ｃは、偏光ビームスプリッタ４を再度透過する。偏光ビームスプリッタ４を透過後は、レーザ光２ｂとレーザ光２ｃとが重ね合わさる。この合成光の直進方向はＸ軸方向である。

したがって、レーザ光２ａのＸ軸方向に振れている光軸振れは、レーザ光２ｂではＹ軸方向の光軸振れとなり、レーザ光２ｃではＺ軸方向の光軸振れとなる。このように、レーザ光２ａの時点では同じ方向の光軸振れが、光学系３及び偏光ビームスプリッタ４を通過後は、レーザ光２ｂとレーザ光２ｃとで光軸の振れ方向が９０度違っている。

次に、Ｚ軸方向にレーザ光２ａの光軸が振れた場合について説明する。第１の直線偏光成分２ｂは、偏光ビームスプリッタ４でＺ軸方向の振れのまま反射する。他方、第２の直線偏光成分２ｃは、Ｚ軸方向に振れた状態で１／２λ板５を通過し、ミラー６ａで反射することによりＹ軸方向の振れとなり、ミラー６ｂで反射することによりＺ軸方向の振れとなり、ミラー６ｃで反射することによりＹ軸方向の振れとなる。次いで、第２の直線偏光成分２ｃは、Ｙ軸方向に振れた状態のままミラー６ｄ，６ｅ，６ｆで反射し、偏光ビームスプリッタ４を再度透過する。偏光ビームスプリッタ４を透過後は、レーザ光２ｂとレーザ光２ｃとが重ね合わさる。この合成光の直進方向はＸ軸方向である。

したがって、レーザ光２ａのＺ軸方向に振れている光軸振れは、レーザ光２ｂではＺ軸方向の光軸振れとなり、レーザ光２ｃではＹ軸方向の光軸振れとなる。このように、レーザ光２ａの時点では同じ方向の光軸振れが、光学系３及び偏光ビームスプリッタ４を通過後は、レーザ光２ｂとレーザ光２ｃとで光軸の振れ方向が９０度違っている。

ここで、レーザ光２ａに振れがない状態の場合、図３（ａ）に示すように、偏光ビームスプリッタ４を通過した第１の直線偏光成分（レーザ光）２ｂの光軸と第２の直線偏光成分（レーザ光）２ｃの光軸とが一致している。そして、遮光部材８でレーザ光２ｂとレーザ光２ｃをＹ軸方向から半分遮光している。

次に、レーザ光２ａがＸ軸方向に振れた場合、図３（ｂ）に示すように、第１の直線偏光成分２ｂの光軸はＹ軸方向に振れ、第２の直線偏光成分２ｃの光軸はＺ軸方向に振れる。したがって、遮光部材８を通過した第２の直線偏光成分２ｃの光量は、レーザ光２ａに振れがない状態と同じであり変化はないが、遮光部材８を通過した第１の直線偏光成分２ｂの光量は、レーザ光２ａの振れ量に応じて変化する。具体的には、レーザ光２ａが＋Ｘ軸方向（−Ｘ軸方向）に振れた場合、遮光部材８に照射される第２の直線偏光成分２ｃは、＋Ｚ軸方向（−Ｚ軸方向）に振れ、遮光部材８を通過する第２の直線偏光成分２ｃの光量に変化はない。これに対し、レーザ光２ａが＋Ｘ軸方向に振れた場合、遮光部材８に照射される第１の直線偏光成分２ｂは−Ｙ軸方向に振れ、遮光部材８を通過する第２の直線偏光成分２ｃの光量は、レーザ光２ａの振れ量に応じて減少する。逆に、レーザ光２ａが−Ｘ軸方向に振れた場合、遮光部材８に照射される第２の直線偏光成分２ｃは＋Ｙ軸方向に振れ、遮光部材８を通過する第２の直線偏光成分２ｃの光量は、レーザ光２ａの振れ量に応じて増加する。

また、レーザ光２ａがＺ軸方向に振れた場合、図３（ｃ）に示すように、第１の直線偏光成分２ｂの光軸はＺ軸方向に振れ、第２の直線偏光成分２ｃの光軸はＹ軸方向に振れる。したがって、遮光部材８を通過した第１の直線偏光成分２ｂの光量は、レーザ光２ａに振れがない状態と同じであり変化はないが、遮光部材８を通過した第２の直線偏光成分２ｃの光量は、レーザ光２ａの振れ量に応じて変化する。具体的には、レーザ光２ａが＋Ｚ軸方向（−Ｚ軸方向）に振れた場合、遮光部材８に照射される第１の直線偏光成分２ｂは、＋Ｚ軸方向（−Ｚ軸方向）に振れ、遮光部材８を通過する第１の直線偏光成分２ｂの光量に変化はない。これに対し、レーザ光２ａが＋Ｚ軸方向に振れた場合、遮光部材８に照射される第２の直線偏光成分２ｃは＋Ｙ軸方向に振れ、遮光部材８を通過する第２の直線偏光成分２ｃの光量は、レーザ光２ａの振れ量に応じて増加する。逆に、レーザ光２ａが−Ｚ軸方向に振れた場合、遮光部材８に照射される第２の直線偏光成分２ｃは−Ｙ軸方向に振れ、遮光部材８を通過する第２の直線偏光成分２ｃの光量は、レーザ光２ａの振れ量に応じて減少する。

遮光部材８で遮光されずに通過した通過光（レーザ光２ｂ，２ｃ）は、第２の偏光ビームスプリッタ９で分割され、第１の直線偏光成分２ｂは第１の受光素子１０ａ、第２の直線偏光成分２ｃは第２の受光素子１０ｂに受光される。遮光部材８はＹ軸方向から遮光を行っているので、受光素子１０ａ，１０ｂにおいてＺ軸方向の光軸振れには感度が無くて、Ｙ軸方向の光軸振れのみ遮光量が変動する。つまり、レーザ光２ａの光量に変動がないとした場合、第１の受光素子１０ａで受光される第１の直線偏光成分２ｂの光量は、レーザ光２ａのＸ軸方向の振れのみで増減する。これに対し、第２の受光素子１０ｂで受光される第２の直線偏光成分２ｃの光量は、レーザ光２ａのＺ軸方向の振れのみで増減する。したがって、演算部１２は、第１の直線偏光成分２ｂの光量からレーザ光２ａのＸ軸方向の振れを求めることができ、第２の直線偏光成分２ｃの光量からレーザ光２ａのＺ軸方向の振れを求めることができる。

具体的に説明すると、記憶部１３には、予めレーザ光２ａの振れのない状態で第１の受光素子１０ａで測定された第１の直線偏光成分２ｂの光量を第１の光量基準値として記憶させている。また、記憶部１３には、予めレーザ光２ａの振れのない状態で第２の受光素子１０ｂで測定された第２の直線偏光成分２ｃの光量を第２の光量基準値として記憶させている。そして、演算部１２は、実際に第１の受光素子１０ａで測定された光量と、記憶部１３に記憶された第１の光量基準値との偏差に基づいてレーザ光２ａのＸ軸方向のずれ量を演算する。また、演算部１２は、実際に第２の受光素子１０ｂで測定された光量と、記憶部１３に記憶された第２の光量基準値との偏差に基づいてレーザ光２ａのＺ軸方向のずれ量を演算する。なお、第１の光量基準値と第２の光量基準値とが同一（略同一を含む）である場合には、記憶部１３には、１つの光量基準値が記憶され、演算部１２は、光量の測定結果とこの光量基準値との偏差に基づいてずれ量を求めてもよい。

このように、演算部１２は、第１の受光素子１０ａで測定された光量の変化から、レーザ光２ａのＸ軸方向のずれ量を求めると共に、第２の受光素子１０ｂで測定された光量の変化から、レーザ光２ａのＺ軸方向のずれ量を求めている。

以上、本第１実施形態によれば、第２の偏光ビームスプリッタ９により分割されて得られた第１の直線偏光成分２ｂの光量は、互いに直交する２方向のうちの一方向（Ｘ軸方向）への光軸の振れで変化する。また、第２の偏光ビームスプリッタ９により分割されて得られた第２の直線偏光成分２ｃの光量は、２方向のうちの他方向（Ｚ軸方向）への光軸の振れで変化する。したがって、２方向（Ｘ，Ｚ軸方向）それぞれのレーザ光２ａの振れ量を、別々の受光素子１０ａ，１０ｂの測定結果に基づいて求めることができるようになり、２方向のレーザ光２ａの振れ量を高精度に測定することができる。

さらに、本第１実施形態では、遮光部材８の位置でレーザ光２ｂ，２ｃを集光レンズ７ａにより集光させている。集光位置では、レーザ光２ｂ，２ｃのレーザ径が小さくなるので、光軸振れにより遮光部材８によって遮光された時の光量変化の割合が大きくなる。したがって、レーザ光２ａのＸＺ軸２方向の光軸振れ測定分解能を上げることができ、より高精度に測定することができる。

また、本第１実施形態では、遮光部材８は、図３（ａ）に示すように、レーザ光源１から出射されたレーザ光２ａに振れがない状態で合成光（レーザ光２ｂ，２ｃ）の半分を遮光する位置に配置されている。つまり、レーザ光２ｂ，２ｃは、断面略円形形状であるので、遮光部材８は、レーザ光２ｂ，２ｃ（円形）の半円分を遮光する。このように遮光部材８を配置することで、レーザ光２ａの振れによるレーザ光２ｂ，２ｃの光量の変化量が最も大きくなり、高分解能となる。したがって、更にずれ量の測定精度が向上する。

なお、上記第１実施形態では、レーザ光２ｂとレーザ光２ｃとで光軸が振れる方向を９０度回転させた場合について説明したが、おおよそ９０度であれば本実施形態は成り立つ。ただし、角度差は９０度に近い方が光軸振れを高精度に測定できるので好適である。

また、上記第１実施形態では、光学系３として、６つのミラー６ａ〜６ｆと、１／２λ板５とを備える場合について説明したが、これに限定するものではない。ミラーの代わりにプリズム等の反射部材を用いることが可能である。また、反射部材の数及び配置は、上記第１実施形態に限定するものではなく、複数の反射部材で直線偏光の振れ方向を９０度回転できればよい。

また、上記第１実施形態では、偏光部として１／２λ板５の場合について説明したが、これに限定するものではなく、１／４波長板（１／４λ板）を２枚組み合わせてもよい。

また、上記第１実施形態では、光学系３が第２の直線偏光成分２ｃの振れ方向を光軸まわりに回転させるように構成されている場合について説明したが、これに限定するものではない。光学系を、第１の直線偏光成分２ｂを回転させるように構成してもよく、また、両方の直線偏光成分２ｂ，２ｃを回転させるように構成してもよい。つまり、合成光に含まれる第１の直線偏光成分と第２の直線偏光成分とが振れ方向で９０度、偏光方向で９０度の差が生じればよい。

また、上記第１実施形態では、合成光を遮光部材８でＹ軸方向から遮光した場合について説明したが、遮光部材８でＺ軸方向から遮光してもよい。この場合、第２の偏光ビームスプリッタ９により分割されて得られた第１の直線偏光成分２ｂの光量は、互いに直交する２方向のうちの一方向（Ｚ軸方向）への光軸の振れで変化する。また、第２の偏光ビームスプリッタ９により分割されて得られた第２の直線偏光成分２ｃの光量は、２方向のうちの他方向（Ｙ軸方向）への光軸の振れで変化する。したがって、この場合も別々の受光素子１０ａ，１０ｂの測定結果に基づいて求めることができるようになり、２方向のレーザ光２ａの振れ量を高精度に測定することができる。

また、集光レンズ７ａ，７ｂにより更に高精度にレーザ光２ａの振れ量を測定できるが、更なる精度向上の必要がない場合は、集光レンズ７ａ，７ｂを省略してもよい。

また、合成光（レーザ光２ｂ，２ｃ）の半分を遮光する位置に遮光部材８を配置するのが好ましいが、半分に限定するものではなく、合成光の一部を遮光する場合であれば、振れ量の測定は可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る変位測定装置について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る変位測定装置の概略構成を示す説明図である。なお、図４に示す本第２実施形態の変位測定装置２００において、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

変位測定装置２００は、被測定物１９でレーザ光２ｄを遮光して通過量より被測定物１９の位置形状を測定するものであり、例えば、工作機械の工具の位置、形状の測定に適用されるものである。

変位測定装置２００は、上記第１実施形態と同様の構成のレーザ光振れ量検出装置１００、レーザ光源１、反射部材としての補正用ミラー１４、駆動源１５、ビームスプリッタ１６、集光レンズ１７ａ，１７ｂ、被測定物１９を駆動する移動軸１８を備えている。また、変位測定装置２００は、第３の受光素子２０、測定手段としての測定部２１、補正手段としての補正部２２を備えている。

レーザ光源１は、−Ｙ軸方向にレーザ光２を出射する。反射部材（補正用反射部材）としての補正用ミラー１４は、レーザ光源１と被測定物１９との間に配置され、レーザ光源１から出射されたレーザ光２の振れを補正するためのものであり、レーザ光２の光軸を補正しつつレーザ光２を＋Ｘ軸方向に反射する。なお、反射部材として補正用ミラー１４の代わりにプリズム等あらゆる反射部材であってもよい。駆動源１５は、補正用ミラー１４を駆動するものである。この駆動源１５は、本第２実施形態では回転２軸駆動源であり、補正用ミラー１４をＹＺ軸回りで駆動することができる。

ビームスプリッタ１６は、補正用ミラー１４の後段に配置され、補正用ミラー１４で反射されたレーザ光２を、＋Ｙ軸方向に進行するレーザ光２ａと＋Ｘ軸方向に進行するレーザ光２ｄとに分割するものであり、例えばハーフミラーである。レーザ光２ａは、上記第１実施形態で説明した通り、レーザ光振れ量検出装置１００の偏光ビームスプリッタ４に入射される。

集光レンズ１７ａは、レーザ光２ｄを被測定物１９の位置に集光する。移動軸１８は、被測定物１９をＹＺ軸方向に移動させることができるものである。集光レンズ１７ｂは、レーザ光２ｄを再度平行光にする。第３の受光素子２０は、被測定物１９で遮光されずに通過したレーザ光（通過光）２ｄを受光するものであり、レーザ光２ｄの光量を測定している。

測定部２１は、第３の受光素子２０の出力変化により被測定物１９の変位を測定するものである。

補正部２２は、レーザ光振れ量検出装置１００の演算部１２の演算により得られたレーザ光２ａの２方向（Ｘ軸方向及びＺ軸方向）の振れ量を補償するように駆動源１５を動作させるものである。つまり、補正部２２は、レーザ光振れ量検出装置１００で検出される振れ量が０となる方向に補正用ミラー１４を駆動源１５に駆動させる。

次に、変位測定装置２００による変位測定動作について説明する。変位測定装置２００は、レーザ光２ｄを被測定物１９が任意の量で遮光した位置（レーザ光２ｄと被測定物１９の相対位置）を測定するものである。レーザ光２ｄは、レーザ光２，２ａと同じくレーザ光源１の安定性範囲内で光軸が振れており、変位測定誤差となる。そこで、レーザ光振れ量検出装置１００によりレーザ光２ａの光軸の振れ量を検出することにより、補正用ミラー１４でレーザ光２の振れを補正する。

ここで、レーザ光２ａの光軸振れの測定方法は、上記第１実施形態で説明した通りである。そして、演算部１２が、受光素子１０ａ，１０ｂの光量測定値よりレーザ光２ａの光軸の振れ量を算出し、補正部２２が、光軸の振れが安定化するように駆動源１５に指令を出して補正用ミラー１４を駆動させる。これにより、レーザ光源１によるレーザ光軸振れによる影響を低減できる。よって、レーザ光源１によるレーザ光軸振れによる影響を低減しているので、レーザ光２ｄの光軸振れも低減されており高精度な変位測定を行うことができる。

以上、本第２実施形態の変位測定装置２００によれば、レーザ光源１の光軸振れの影響を低減して被測定物１９の変位を高精度に測定することができる。

さらに、遮光部材８と被測定物１９の位置で集光させている。集光位置では、レーザ光２ａ，２ｄのレーザ径が小さいので、光軸振れにより遮光部材８、被測定物１９によって遮光された時の光量変化の割合が大きくなる。そこで、レーザ光２ａのＸＺ軸２方向の光軸振れ測定分解能と被測定物の変位測定分解能を上げて、より高精度に測定することができる。

変位測定装置２００の具体的な用途としては、被測定物１９の形状を測定する形状測定装置として用いることが可能である。測定対象である被測定物１９としては、図５に示す切削工具２３がある。切削工具２３は、シャンク２４にダイヤモンドバイト２５が固定されており、ダイヤモンドバイト２５の刃先２６で被加工物を切削する構成となっている。ここで、シングルポイント加工以外の加工方法においては、刃先稜線２６の形状が加工結果に影響するので、刃先２６の形状精度が低いと被加工物の形状精度も低下してしまう。しかし、ダイヤモンドバイト２５は難加工材料であり、刃先２６を高精度に加工することは困難である。そこで、刃先２６の形状を本手法で計測し、加工プログラムにより刃先稜線２６の形状誤差を補正することで高精度な加工を行うことができる。

この測定方法としては、測定部２１の制御の下で移動軸１８により、被測定物１９である刃先２６によるレーザ光２ｄの遮光量が一定になるように被測定物１９である切削工具２３の刃先２６を走査する。即ち、測定部２１は、第３の受光素子２０の出力（通過光量）を一定に維持しながら切削工具２３（移動軸１８）を移動させることで、刃先２６における遮光量を一定に維持してレーザ光２ｄを刃先２６に沿って走査させる。この時の移動軸１８（つまり、刃先２６）の移動履歴が刃先２６の形状となる。これにより、刃先２６の形状が測定部２１に測定される。また他の測定方法としては、移動軸１８を被測定物１９である切削工具２３の刃先２６の設計形状になるように走査して、遮光量（通過光量）の変化量より設計形状との差分形状を測定する方法もある。以上のように、測定部２１は、第３の受光素子２０の出力を参照しながら刃先２６を移動させた結果に基づき刃先２６の形状を測定する。

なお、演算部１２、測定部２１、補正部２２は、それぞれ異なる制御装置で構成されていてもよいし、１つの制御装置でそれぞれの機能を有するように構成されていてもよい。また、レーザ光２ｂとレーザ光２ｃとで光軸が振れる方向を９０度回転させているが、おおよそ９０度であれば本実施例は成り立つ。ただし、角度差は９０度に近い方が光軸振れを高精度に測定できるので好適である。

このようにもとめた刃先の形状は、高い形状精度を求められる切削加工等に好適に用いることができる。このように高精度に測定された切削工具は、例えば、プラスチックレンズまたはガラスレンズ等の光学素子を成形するための光学素子成形用金型の製造に用いることができる。光学素子を成形する金型の加工は、加工プログラムによって切削工具の刃先と金型とを相対移動させて切削加工するという、公知の製造方法によって作製される。従来、切削工具の刃先と被加工物である金型とを相対移動させて、所望の形状を加工するための加工プログラムは、切削工具の刃先の位置と被加工物の位置をそれぞれ規定することにより作成される。切削工具の刃先の位置は、例えば切削工具の刃先の設計形状から規定される。実際加工する時の切削工具の刃先の形状が、設計されている形状と異なる形状であった場合は、その刃先の形状誤差が加工誤差となって被加工物の加工精度に影響を与えてしまうことになる。そこで本実施形態の変位測定装置で求めた刃先の形状のデータを、加工プログラムの作成に用いることによって、金型の加工に及ぼす刃先の形状誤差の影響を非常に小さくすることが可能になり、よって金型の加工精度を向上させることができる。ひいてはこの金型を用いて成形される光学素子の形状精度を向上させることができる。

１…レーザ光源、３…光学系、４…第１の偏光ビームスプリッタ、７ａ…集光レンズ、８…遮光部材、８ａ…先端、９…第２の偏光ビームスプリッタ、１０ａ…第１の受光素子、１０ｂ…第２の受光素子、１２…演算部（演算手段）、１４…補正用ミラー（反射部材）、１５…駆動源、１９…被測定物、２０…第３の受光素子、２１…測定部（測定手段）、２２…補正部（補正手段）、１００…レーザ光振れ量検出装置、２００…変位測定装置

Claims (7)

1. レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に直交し且つ互いに直交する２方向の、レーザ光の振れ量を検出するレーザ光振れ量検出装置において、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、第１の直線偏光成分と、偏光方向が前記第１の直線偏光成分に直交する第２の直線偏光成分とに分割する第１の偏光ビームスプリッタと、
   前記第１の直線偏光成分の振れ方向と前記第２の直線偏光成分の振れ方向とが互いに直交するように前記第１の直線偏光成分及び前記第２の直線偏光成分のうち少なくとも一方の直線偏光成分を光軸まわりに回転させ、前記第１の直線偏光成分の偏光方向と前記第２の直線偏光成分の偏光方向とを直交させた状態で前記第１の直線偏光成分と前記第２の直線偏光成分とを重ね合わせる光学系と、
   前記光学系により得られた合成光に含まれる互いに直交する振れ方向の２つの光成分のうち一方の光成分の振れ方向と平行な方向に延びるように形成された先端を有し、前記先端を前記合成光に突出させて前記合成光の一部を遮光するように配置された遮光部材と、
   前記遮光部材で遮光されずに通過した通過光を、前記第１の直線偏光成分と、前記第２の直線偏光成分とに分割する第２の偏光ビームスプリッタと、
   前記第２の偏光ビームスプリッタにより分割された前記第１の直線偏光成分の光量を測定する第１の受光素子と、
   前記第２の偏光ビームスプリッタにより分割された前記第２の直線偏光成分の光量を測定する第２の受光素子と、
   前記第１の受光素子により測定された光量から前記２方向のうちの一方向の振れ量を求めると共に、前記第２の受光素子により測定された光量から前記２方向のうちの他方向の振れ量を求める演算手段と、を備えたことを特徴とするレーザ光振れ量検出装置。
2. 前記遮光部材の位置に前記合成光を集光させる集光レンズを備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光振れ量検出装置。
3. 前記遮光部材は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光に振れがない状態で前記合成光の半分を遮光する位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ光振れ量検出装置。
4. レーザ光源と、
   前記レーザ光源と被測定物との間に配置され、前記レーザ光源から出射されたレーザ光の振れを補正するための反射部材と、
   前記反射部材を駆動する駆動源と、
   前記反射部材で反射され、前記被測定物で遮光されずに通過したレーザ光を受光する第３の受光素子と、
   前記第３の受光素子の出力変化により前記被測定物の変位を測定する測定手段と、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ光振れ量検出装置と、
   前記レーザ光振れ量検出装置の演算手段の演算により得られた前記２方向の振れ量を補償するように前記駆動源を動作させる補正手段と、を備えたことを特徴とする変位測定装置。
5. 前記被測定物は切削工具の刃先であることを特徴とする請求項４記載の変位測定装置。
6. 加工プログラムにより切削工具の刃先と金型とを相対移動させて前記金型を切削加工する光学素子成形用金型の製造方法であって、
   請求項５に記載の変位測定装置により測定した切削工具の刃先の形状から前記加工プログラムを作成し、作成した前記加工プログラムにより前記切削工具と前記金型とを相対移動させて前記金型を切削加工することを特徴とする光学素子成形用金型の製造方法。
7. 請求項６に記載の金型の製造方法により製造された金型を用いて成形されたことを特徴とする光学素子。

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