JP2947894B2 - Polar coordinate type non-contact distance measuring device - Google Patents
Polar coordinate type non-contact distance measuring deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は非接触測距装置、特に光ヘテロダイン法によ
る非接触測距装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a non-contact distance measuring device, and more particularly to a non-contact distance measuring device using an optical heterodyne method.
（従来の技術） 従来の光ヘテロダイン法では、測定用レーザーがミラ
ーにより方向を変えられたのち測定対象物へ照射される
ものであった。このため、精密測定にとって重要なレー
ザーの偏波面が所要の方向を保持できる直交座標型動作
装置にのみ適用されている。(Prior Art) In the conventional optical heterodyne method, a measurement laser is irradiated on a measurement object after its direction is changed by a mirror. For this reason, it is applied only to a rectangular coordinate type operation device in which a polarization plane of a laser important for precision measurement can maintain a required direction.
極座標型に動作する装置ではミラーによる方向変更の
際に偏波面がねじれる。従って、この型の場合は機械的
計測（モーターの回転量の計測等）による他なかった。In a device operating in a polar coordinate system, the polarization plane is twisted when the direction is changed by a mirror. Therefore, in the case of this type, there was no alternative but to mechanical measurement (measurement of the amount of rotation of the motor, etc.).
（発明が解決しようとする課題） 現在、検査の際に要求される測定精度は±１μｍレベ
ルもしくはサブミクロンレベルが要求されており、レー
ザー光ヘテロダイン法によれば極小波長を利用するため
これを容易に実現できる。しかし、この光ヘテロダイン
法は光の偏波を利用しているから、単なる鏡による反射
等を用いる方法では回転部分を有する極座標型アームへ
正しい偏光面のレーザーを供給することが不可能であっ
た。(Problems to be Solved by the Invention) At present, the measurement accuracy required at the time of inspection is required to be ± 1 μm level or submicron level, and according to the laser light heterodyne method, since the minimum wavelength is used, this can be easily performed. Can be realized. However, since this optical heterodyne method uses the polarization of light, it is impossible to supply a laser having a correct polarization plane to a polar coordinate arm having a rotating part by a method using mere reflection by a mirror or the like. .
このような実情に鑑み、本発明の目的は基部の周りに
回動する極座標型アームに対し、反射鏡によることな
く、歪みのないレーザー光線が導かれる構成の光ヘテロ
ダイン法による非接触測距装置を提供することにある。In view of such a situation, an object of the present invention is to provide a non-contact distance measuring apparatus using an optical heterodyne method in which a laser beam without distortion is guided to a polar coordinate type arm that rotates around a base without using a reflecting mirror. To provide.
（課題を解決するための手段） 本発明による極座標型非接触測距装置は、架台に枢着
されて回動可能な基部と、この基部に対してテレスコピ
ック伸縮が可能な延長部とを有する極座標型アームが設
けられ、この極座標型アームの前記基部に、光ヘテロダ
イン法による計測回路へのレーザー受信結果出力信号発
信器とレーザー照射用の固定子とが並置され、２周波レ
ーザー光源と前記固定子とが偏波保存性の光ファイバー
で接続されていると共に、該固定子から前記延長部の先
端近傍に設けた反射鏡に至る往路と該反射鏡から前記発
信器へ帰還する帰路となるからレーザー光路が前記極座
標型アームに沿って形成されていることを特徴とする。(Means for Solving the Problems) A polar coordinate type non-contact distance measuring apparatus according to the present invention is a polar coordinate system having a base pivotally attached to a gantry and rotatable, and an extension capable of telescopic expansion and contraction with respect to the base. A type arm is provided, and at the base of the polar coordinate type arm, a laser reception result output signal transmitter to a measurement circuit by an optical heterodyne method and a laser irradiation stator are juxtaposed, and a two-frequency laser light source and the stator are provided. Are connected by a polarization-maintaining optical fiber, and provide a forward path from the stator to a reflector provided near the tip of the extension and a return path from the reflector to the transmitter. Are formed along the polar coordinate type arm.
本発明において、前記レーザー光路における反射鏡と
前記固定子及び発信器との間に、前記往路と帰路とが通
る反射鏡を含む干渉計が前記基部からの距離を不変に介
装され、前記延長部の先端近傍に設けた反射鏡の背面側
からは非接触型の測定子が前記極座標型アームの先端に
突設されているのが好ましい。In the present invention, an interferometer including a reflecting mirror through which the outward path and the return path pass is interposed between the reflecting mirror and the stator and the transmitter in the laser beam path in a constant distance from the base, and the extension is performed. It is preferable that a non-contact type tracing stylus protrude from the rear end of the reflecting mirror provided near the front end of the portion to the front end of the polar coordinate arm.
（作 用） 前記の極座標型アームの基部に固定されたレーザー光
線照射用の固定子へは、可撓性のガラスファイバーのよ
うな偏波保存性の光ファイバーを通して光源から２周波
レーザー光線が導かれるので、アームがどのように回動
してもレーザー光線の偏光面は変化しない。尚、アーム
先端近傍の１対の反射鏡における反射の態様、つまり反
射角度は該アームの回動・伸縮とは無関係に一定である
から、前記光路中においてレーザー偏光面が捩じれる恐
れはない。(Operation) Since a dual-frequency laser beam is guided from a light source through a polarization-maintaining optical fiber such as a flexible glass fiber to a laser beam irradiation stator fixed to the base of the polar coordinate type arm, No matter how the arm rotates, the plane of polarization of the laser beam does not change. The mode of reflection at the pair of reflectors near the tip of the arm, that is, the reflection angle is constant irrespective of the rotation and expansion / contraction of the arm, so that there is no possibility that the laser polarization plane is twisted in the optical path.
前記アームの固定中心軸と被測定物体との間の距離が
変わると、該アームがテレスコピック、つまり望遠鏡の
筒のように伸縮し、該アーム先端の反射鏡は該固定中心
軸からの距離を変える。これに反し、前記干渉計は該固
定中心軸からの距離が常に一定であるから、結局該干渉
計と反射鏡との間の光路長が被測定物体の距離に応じて
変化する。その結果、該干渉計を通る往路のレーザー光
線と、同じく該干渉計を通る帰路のレーザー光線との間
における干渉の状態も前記距離の変化につれて変化する
ことになる。従って、この干渉状態の変化を検出すれば
対物距離を測定できる。When the distance between the fixed center axis of the arm and the object to be measured changes, the arm expands and contracts like a telescopic tube, that is, a telescope tube, and the reflector at the tip of the arm changes the distance from the fixed center axis. . On the contrary, since the distance from the fixed central axis of the interferometer is always constant, the optical path length between the interferometer and the reflecting mirror eventually changes according to the distance of the object to be measured. As a result, the state of interference between the outgoing laser beam passing through the interferometer and the returning laser beam also passing through the interferometer will change as the distance changes. Therefore, the object distance can be measured by detecting the change in the interference state.
光ヘテロダイン法による測距原理は第２図の通りであ
る。The principle of distance measurement by the optical heterodyne method is as shown in FIG.
即ち、測定光f1と参照光f2の周波数をずらせ、ビート
周波数f2−f1と、被測定物からの反射光f1＋Δｆを参照
光から引いた値f2−（f1＋Δｆ）、との差Δｆをカウン
トして被測定物の変位を測定する。被測定物が光の進行
方向に速度ｖで動くと、反射光の周波数はドップラーシ
フトし、 となるので となる。That is, shifting the frequency of the measuring beam f 1 and the reference light f 2, and the beat frequency f 2 -f 1, the value f 2 obtained by subtracting the reflected light f 1 + Delta] f from the reference light from the object to be measured - (f 1 + Δf) , And the displacement Δ of the object to be measured is measured. When the device under test moves at a speed v in the direction of travel of light, the frequency of the reflected light is Doppler shifted, Because Becomes
ここの測定光f1と参照光f2は互いに直交する偏波であ
り、一本のレーザー光にまとめられ照射されている。Measuring beam f 1 and the reference light f 2 Here is a polarization orthogonal to each other, it is irradiated grouped into a single laser beam.
具体的には例えば２周波ヘリウムネオンレーザー発信
器１から出て基準ビームスプリッター２を通過した周波
数f1・f2の偏波レーザービームは干渉計17で別れ、周波
数f1のレーザービームはミラー3,4で反射されてレシー
バー５に至り、周波数f2のレーザービームは反射鏡17′
で反射されそのままレシーバー５に至る。このとき、例
えば周波数f1の方のレーザービームの周波数はf1±Δｆ
となっているものとし、これと周波数f2との差f2−f1±
Δｆはレシーバー５により誤差に相当した電気信号に変
換されて、例えば差動回路などを含んだ出力回路６へ測
定信号Ｓとして供給される。Specifically, for example, the polarized laser beams of frequencies f 1 and f 2 that have exited from the dual-frequency helium-neon laser oscillator 1 and passed through the reference beam splitter 2 are separated by an interferometer 17, and the laser beam of frequency f 1 is , is reflected by 4 reaches the receiver 5, a laser beam of frequency f 2 is the reflecting mirror 17 '
The light is reflected at the receiver 5 as it is. In this case, for example, the frequency of the laser beam towards the frequency f 1 is f 1 ± Delta] f
And the difference between this and the frequency f 2 is f 2 −f 1 ±
Δf is converted into an electric signal corresponding to an error by the receiver 5 and supplied as a measurement signal S to an output circuit 6 including, for example, a differential circuit.
一方基準ビームスプリッター２から反射されたレーザ
ービームは、偏光ビームスプリッター７からミラー８を
経て光電変換素子９で電気信号に変えられ、増幅器10を
経て、２周波数f1とf2の差f2−f1に相当した参照信号Ｒ
として前記出力回路６へ供給される。On the other hand, the laser beam reflected from the reference beam splitter 2 is converted into an electric signal by the photoelectric conversion element 9 through the mirror 8 from the polarizing beam splitter 7, and is converted through the amplifier 10 into the difference f 2 −2 between the two frequencies f 1 and f 2. Reference signal R corresponding to f 1
Is supplied to the output circuit 6.
該出力回路６では、前記両信号の差±Δｆが求められ
た出力信号Ｔとして、図外の、例えばリバーシブルカウ
ンターへ送られ、そこでアーム回動中心軸から先端の測
定子までの距離ｘがこのように求められる。In the output circuit 6, the difference ± Δf between the two signals is sent as an output signal T, which is not shown, for example, to a reversible counter, where the distance x from the arm rotation center axis to the tip tracing stylus is calculated. Asked to do so.
他方、該測定子には、これから測定対象物までの間の
距離ｙを非接触方式で簡単に求めることができる手段、
例えばレーザによる三角測量方式のＶ字形先端形状の非
接触形状測定子などを備えているから、ｘ＋ｙの計算
（但しｘ≫ｙ）によりアームの回動中心軸から測定対象
物までの距離が、偏波レーザービームを利用して極座標
方式で測定されるのである。On the other hand, the measuring element has a means that can easily determine the distance y from now to the measuring object by a non-contact method,
For example, since a non-contact shape measuring element having a V-shaped tip of a triangulation method using a laser is provided, the distance from the center axis of rotation of the arm to the object to be measured is deviated by calculating x + y (where x 但 y). It is measured in polar coordinates using a wave laser beam.
（実施例） 次に、本発明の具体的な一実施例を図面を参照しつつ
説明する。第１図に示されるように、支持台20には、周
波数の異なる２条の偏波レーザービームを発振する構成
の、２周波ヘリウムネオンレーザー発振器11が設置され
ている。(Example) Next, a specific example of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the support 20 is provided with a dual-frequency helium-neon laser oscillator 11 configured to oscillate two polarized laser beams having different frequencies.
このレーザー発振器11で発生され集光レンズ12で集光
されたレーザービームは、偏波保存性の光ファイバー13
によって極座標型アーム21の基部22上の固定子23へ導か
れる。該基部22には同軸芯上にモーター15が取付けら
れ、該モーター15を介して架台14へ該アームが枢着され
ている。The laser beam generated by the laser oscillator 11 and focused by the focusing lens 12 is a polarization preserving optical fiber 13.
Is guided to the stator 23 on the base 22 of the polar coordinate type arm 21. A motor 15 is mounted on the base 22 on a coaxial core, and the arm is pivotally connected to the gantry 14 via the motor 15.
前記極座標型アーム21はテレスコピック構造であり、
基部22に内嵌されこの基部22からの摺動的突出と引込み
が制御される第１延長部22aと、該第１延長部22aに内嵌
され、この第１延長部22aからの摺動的突出と引込みが
制御される第２延長部22bを備えている。第１および第
２延長部22a,22bの引込み時のほぼ全長に相当した長さ
の固定突出部22cは前記基部22と一体に形成され、該基
部22から離隔した側の端部近傍には干渉計17と反射鏡17
とが取付けられている。一方、第２延長部22bの先端側
には反射鏡18と、更にこれよりも前方へ突出した非接触
型測定子19とが取付けられている。The polar coordinate arm 21 has a telescopic structure,
A first extension portion 22a which is internally fitted to the base portion 22 and whose sliding protrusion and retraction from the base portion 22 are controlled; and a first extension portion 22a which is internally fitted to the first extension portion 22a and which slides from the first extension portion 22a. It has a second extension 22b whose protrusion and retraction are controlled. A fixed protruding portion 22c having a length corresponding to substantially the entire length of the first and second extension portions 22a and 22b when retracted is formed integrally with the base portion 22 and has no interference near the end portion on the side separated from the base portion 22. 17 in total and 17 mirrors
And are attached. On the other hand, a reflecting mirror 18 and a non-contact type tracing stylus 19 projecting further forward are attached to the distal end side of the second extension portion 22b.
前記基部22において前記固定子23と並置されているの
はレシーバー16であり、従って該極座標型アーム21上に
は、固定子23から干渉計17を取り反射鏡17′に、ならび
に固定子23から干渉計17を通り反射鏡18に至る往路（１
点鎖線）30と、該反射鏡18から干渉計17を経て出力信号
発信器としてのレシーバー16に帰還する帰路（２点鎖
線）31とからなる光路が形成され、該光路は第２図右上
部の１点鎖線枠Ｋ内の構成部分に対応している。At the base 22 juxtaposed with the stator 23 is a receiver 16, so on the polar arm 21 the interferometer 17 is taken from the stator 23 to the reflector 17 ′ and from the stator 23. Outgoing path through interferometer 17 to reflector 18 (1
A return path (two-dot chain line) 31 is formed to return from the reflecting mirror 18 to the receiver 16 as an output signal transmitter via the interferometer 17, and the light path is formed in the upper right part of FIG. Corresponds to the components within the dashed-dotted line frame K.
使用に当っては、非接触型測定子19からの測定対象物
位置情報にもとづいて前記モーター15の回転による矢印
Ｕ方向の、前記極座標型アーム基部22の回動と、前記第
１および第２延長部22a,22bの出退量の調節とによって
測定対象物（図示せず）表面から常に一定距離離れた位
置で倣うように非接触型測定子19が合致させられる。In use, the rotation of the polar coordinate type arm base 22 in the direction of arrow U due to the rotation of the motor 15 based on the measurement object position information from the non-contact type tracing stylus 19, and the first and second By adjusting the extension amounts of the extension portions 22a and 22b, the non-contact type tracing stylus 19 is matched so as to always follow the surface of the measuring object (not shown) at a fixed distance.
その結果、干渉計17と反射鏡18までの距離が変わり、
第３図に示されるように基部22から該反射鏡18までの間
の距離ｘが前記第２図の原理により測定されることにな
る。その際、レシーバー16から制御装置32へ図外のケー
ブルを通じ送られる出力信号と、同じく前記レーザー発
振器11及び第２図の２点鎖線Ｌ内に示した各部から図外
のケーブルを通じ制御装置32へ送られる各種信号とが距
離の演算に利用されるのである。As a result, the distance between the interferometer 17 and the reflecting mirror 18 changes,
As shown in FIG. 3, the distance x from the base 22 to the reflecting mirror 18 is measured according to the principle of FIG. At this time, an output signal transmitted from the receiver 16 to the control device 32 through a cable (not shown) is transmitted to the control device 32 from the laser oscillator 11 and the respective portions shown in a two-dot chain line L in FIG. The various signals sent are used for calculating the distance.
上記実施例は次のように改変できる。例えば、アーム
の先端にアーム先端から対象物ｗまでの距離を非接触で
計測する測定子19をとりつけ、その距離ｙを求め、これ
に極座標用測距装置で求めたアーム中心からアーム先端
までの直線距離ｘを足し合わすと、このｘ＋ｙはアーム
中心から測定対象物ｗまでの高精度な距離を示す。The above embodiment can be modified as follows. For example, a tracing stylus 19 for measuring the distance from the arm tip to the object w in a non-contact manner is attached to the tip of the arm, the distance y is obtained, and the distance y from the arm center to the arm tip obtained by the polar coordinate distance measuring device is calculated. When the linear distances x are added, x + y indicates a highly accurate distance from the center of the arm to the measurement object w.
これを用いれば検査用、測定用三次元非接触測定機に
応用できる。If this is used, it can be applied to a three-dimensional non-contact measuring machine for inspection and measurement.
そのほか、前記モーター15を介し架台14へ連結されて
いるアーム基部22を、該架台14に対し平行に移動できる
ようにいわばＸ−Ｙ移動型に近い構成とすれば、測定対
象製図が拡大し好都合である。In addition, if the arm base 22 connected to the gantry 14 via the motor 15 is configured so as to be close to an XY movable type so as to be able to move in parallel with the gantry 14, the drawing of the object to be measured is enlarged, which is convenient. It is.
（発明の効果） 偏波保存性の光ファイバーを用いることにより、本発
明によれば極座標型に動くアームの半径方向の移動量測
定に光ヘテロダイン法を用いることが可能となった。こ
れにより例えば球面の測定を行う場合などに、従来の機
械的な計測（アーム先端の移動量をモーターの回転等で
知る）より格段に高精度（分解能はヘリウムネオンレー
ザー使用で0.1582μｍ）な計測が可能である。(Effect of the Invention) By using the polarization preserving optical fiber, according to the present invention, it becomes possible to use the optical heterodyne method for measuring the radial movement amount of the arm moving in a polar coordinate system. For example, when measuring a spherical surface, measurement with much higher precision (resolution is 0.1582 μm using a helium neon laser) than conventional mechanical measurement (the amount of movement of the arm tip is known by rotating the motor, etc.) Is possible.
第１図は本発明の一実施例に係る装置の斜視説明図、第
２図は測定原理を示した光路・回路図、第３図は要部拡
大斜視図であるとともに応用例を示す図である。 １……２周波ヘリウムネオンレーザー発振器 ２……基準ビームスプリッター 3,4,8……ミラー ５……レシーバー ６……出力回路 ７……偏光ビームスプリッター ９……光電変換素子 10……増幅器 11……２周波ヘリウムネオンレーザー発振器 12……集光レンズ 13……光ファイバー 14……架台 15……モーター 16……レシーバー 17……干渉計、17′……反射鏡 18……反射鏡 19……非接触型測定子 20……支持台 21……極座標型アーム 22……基部 23……固定子 30……往路 31……帰路 32……制御装置1 is an explanatory perspective view of an apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an optical path / circuit diagram showing a measurement principle, and FIG. 3 is an enlarged perspective view of a main part and shows an application example. is there. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 2 frequency helium neon laser oscillator 2 ... Reference beam splitter 3,4,8 ... Mirror 5 ... Receiver 6 ... Output circuit 7 ... Polarization beam splitter 9 ... Photoelectric conversion element 10 ... Amplifier 11 ... … Two-frequency helium neon laser oscillator 12 …… Condenser lens 13 …… Optical fiber 14 …… Base 15 …… Motor 16 …… Receiver 17 …… Interferometer, 17 ′… Reflector 18 …… Reflector 19 …… Contact type measuring element 20 ... Support 21 ... Polar coordinate type arm 22 ... Base 23 ... Stator 30 ... Outgoing path 31 ... Return path 32 ... Control device
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/00 - 21/30 G01B 9/02 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01B 11/00-11/30 G01B 21/00-21/30 G01B 9/02
Claims (2)
基部に対してテレスコピック伸縮が可能な延長部とを有
する極座標型アームが設けられ、この極座標型アームの
前記基部に、光ヘテロダイン法による計測回路へのレー
ザー受信結果出力信号発信器とレーザー照射用の固定子
とが並置され、２周波レーザー光源と前記固定子とが偏
波保存性の光ファイバーで接続されていると共に、該固
定子から前記延長部の先端近傍に設けた反射鏡に至る往
路と該反射鏡から前記発信器へ帰還する帰路とからなる
レーザー光路が前記極座標型アームに沿って形成されて
いることを特徴とする極座標型非接触測距装置。1. A polar coordinate arm having a base pivotally attached to a gantry and rotatable, and an extension capable of telescopic expansion and contraction with respect to the base is provided. A laser reception result output signal transmitter and a laser irradiation stator to the measurement circuit by the heterodyne method are juxtaposed, and a two-frequency laser light source and the stator are connected by a polarization preserving optical fiber. A laser light path consisting of a forward path from a stator to a reflector provided near the distal end of the extension and a return path returning from the reflector to the transmitter is formed along the polar coordinate arm. Polar non-contact distance measuring device.
定子及び発信器との間に、前記往路と帰路とが通る反射
鏡を含む干渉計が前記基部からの距離を不変に介装さ
れ、前記延長部の先端近傍に設けた反射鏡の背面側から
は非接触型の測定子が前記極座標型アームの先端に突設
されている請求項１に記載の極座標型非接触測距装置。2. An interferometer including a reflector passing through the forward path and the return path between the reflector and the stator and the transmitter in the laser beam path, wherein the interferometer is disposed at a constant distance from the base. 2. The polar coordinate type non-contact distance measuring apparatus according to claim 1, wherein a non-contact type tracing stylus protrudes from a rear side of a reflecting mirror provided near a distal end of the extension portion at a distal end of the polar coordinate type arm.
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|---|---|---|---|
| JP2195961A JP2947894B2 (en) | 1990-07-24 | 1990-07-24 | Polar coordinate type non-contact distance measuring device |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH0481602A JPH0481602A (en) | 1992-03-16 |
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| WO2018100762A1 (en) * | 2016-11-30 | 2018-06-07 | 株式会社ジャスティ | Displacement measurement device |
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| JPH0481602A (en) | 1992-03-16 |
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