JPH01233307A - 差動オートコリメーションセンサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、精密に仕上げられた、大きい広がりを持つ鏡
面などの面の形状や２面のなす角度を、精密に非接触で
測定する差動オートコリメーシッンセンサに関する。

〔従来の技術〕

真直度の測定方法として、従来、オートコリメーシッン
などで光軸を基準にする方法、水準器などで重力方向を
基準にする方法が知られている。

そのほか、特別の基準を使うことなく直線の真直度を測
定する方法がいくつか知られている。

その１つは、変位検出器を３本、等間隔に並べて、その
検出器の間隔で測定面をサンプリングして測定する逐次
３点法である。また、サンプリング間隔はかならずしも
検出器の間隔に合わせないで、３つの検出器からの変位
出力を合成し１つの点での変位に関する情報を得る、３
点法と呼ばれる方法がある。後者の場合、検出された情
報に含まれる周波数成分ごとの歪を計算で補正するよう
にしている。

また、被測定線を、仮想的な基準をはさんで、１８０度
反転して、反転前後に２回測定し、その測定値から計算
で真直度を出そうとする反転法と呼ばれる方法などもあ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

反射鏡とオートコリメーションを組合わせる方法は、非
接触型の測定には通しないし、平行光線を直接被測定面
に入射するオートコリメーションの方法は、被測定面上
を走査するのが難しい、また、光軸方向が基準となるの
で、測定中にその方向を厳密に保持する必要があり、測
定環境の管理が難しくなる。逆に、被測定面を移動させ
る形の測定が必要なときは、基準の移動を伴うので測定
精度に限界が生じてくる。

水準器などで重力方向を基準に使う方法では、緯度を考
慮した補正まで考えれば、基準は極めて安定したものが
得られるが、このままでは、非接触型の測定には通用で
きない。

一方、反転法は特別の基準は必要ないが、被測定線を反
転する装置と、検出器を高い再現精度で繰り返して移動
させるための装置が必要になる。つまり、検出器の移動
の再現精度が測定の精度を決定する一種の基準になって
しまう。

従来の３点法など、特別の基準を必要としない方法は、
被測定面が高精度になればなるほど、有効な方法となる
。しかし、これを非接触の光学的測定に応用しようとす
ると、高価な光学式変位検出器を３本必要とするため、
測定系全体がさらに高価なものになる。

また、高精度の光学式の変位計を小さいピッチで３本並
べるのは空間的に困難が伴うため、高い空間周波数の情
報が必要な時には、この方法の適用は難しい。

更に、３点法として、光学式の変位計を３本並べると、
重量も大きくなるので検出器側の高速の移動も難しくな
る。従って、非球面の形状測定など、被測定面を移動さ
せる必要のある測定には適しない。

以上のような理由で、その有効性はよく知られているが
、３点法で光学式の非接触の測定を実現した例は未だな
い。

特別の基準のない条件で真直度を測定するために３本の
変位計を必要とするのは、被測定面上を相対移動させる
時の、検出器の、面法線方向の並進変位とピッチングの
影響を、計算で取り除く必要があるためである。

ところが、反射面に直接に平行光線を入射することによ
って面の法線の方向（曲線の１回の微係数）を検出する
オートコリメーションの原理では、被測定面の光軸方向
の変位は検出され　〔ない、したがって、オートコリメ
ーション法で測定するときには、検出器と被測定面の相
対移動時のピッチングだけを取り除けば正しい測定がで
きる。２つの反射点での法線方向の角度が同一基準で検
出できるセンサがあれば、この相対移動時のピッチング
を取り除（ことができる。

したがって、オートコリメーションの原理を利用すれば
、２点法と呼ぶべき測定法が成立する。

【課題を解決するための手段〕

本発明は、光源に対し、２個の偏光ビームスプリッタと
偏光ビームスプリッタを介して透過屈折した光を受光す
る受光部を具備し、光源からの光を被測定面に所定の間
隔で２回投射し、入射光軸に対する反射光の振れを検出
し、２つの反射点での面法線のなす角度を差動測定する
ようにしたものである。すなわち、検出器と被測定面の
相対移動の度に、２点での法線方向の角度を検出するセ
ンサがあれば、特別の基準を必要としない真直度の測定
系が構成できる。

作　　用〕 本発明は、固定して用いると極めて高精度で高分解能の
オートコリメーションのセンサを、２本組合わせて、被
測定面上の２点の法線方向がなす角度、あるいは、面法
線方向が既知の参照面に対する被測定面の法線方向のな
す角度を精度よく検出する光学式センサである。この方
法は、従来のオートコリメーション法と違って、光源か
らの光軸の方向が変ってもその影響を受けず、被測定面
と検出器のどちらを移動させても、移動の精度は測定精
度に関係しない。

センサが軽量であり、しかも移動時の被測定面垂直方向
の並進変位とピッチングはもちろん、ローリングにも感
じないのでセンサの高速度移動が可能であり、センサの
移動が必要な測定系でも迅速な測定ができる。

また、２つの反射点の一方に、センサと一体となった容
器に保持された水銀の反射面を置けば、重力方向を基準
にした、オートコリメーション光学系が構成できる。こ
れによって、従来の技術で不可能であった重力方向基準
の非接触測定が可能になる。

〔実施例〕

以下に図を利用して本発明の一実施例をもとに、先ず原
理的な構成を詳細に説明する。

第１図は検出器の原理を示す略図で、被測定面に垂直な
平面での断面であり、測定対象の直線や、曲線はこの平
面（紙面）内にある。なお、面法線の、この平面からは
ずれる方向の振れ（センサ入射光軸に対するローリング
）は、それを受光するか、無視するかの問題で、以下の
説明には関係しないので省略して考える。

センサ（１）は、光源部（２）と第１及び第２の偏光ビ
ームスプリッタ（３）（５）と、この偏光ビームスプリ
ッタに設けた１／４λ波長板（４）（６）と、受光部（
８）からなっている。

光源部（２）は、レーザダイオードなどの発光部（２，
）とコリメータレンズ（２ｂ）などから構成され、必要
な光束の平行光線（２ｅ）を出す、平行光Ｍ　（２ｃ）
は第１番目の偏光ビームスプリッタ（３）及び１／４λ
波長板（４）を介して、被測定面（１０）の理論的な法
線方向に入射される。入射光に対して被測定面の実際の
法線方向が０１だけ傾いているとき、反射光は入射光に
対して−２０，たけ傾斜して反射する。

この反射光は、第１番目のビームスプリッタ（３）で第
２番目の偏光ビームスプリッタ（５）に向けて曲げられ
る。第２番目の偏光ビームスプリッタ（５）で再度被測
定面（１０）の法線方向に曲げられた反射光は１ハλ波
長板（６）を介して被測定面（ｌＯ）の別な位置に入射
する。

この入射光は、理論的に正しい法線方向に対して、−２
０１だけ傾斜している。第２番目の入射点での法線方向
が理論的に正しい法線方向から０２だけ傾斜していると
、反射光は理論的に正しい法線方向に対して、２（θ！
−θ１）だけ傾斜して反射する。この反射光は、１／４
λ波長板（６）及びビームスプリッタ（５）を通過して
、受光部（８）で受光され、例えば４分割フォトダイオ
ードなどの光電素子（８，）で振れ角が検出される。

被測定対象の線が直線である時は、ビームスブリフタ（
５）で曲げられた光は、入射光（２ｃ）とほぼ平行にな
るように反射面の角度を調節する０円弧の形状測定、あ
るいは、面角度の測定のように、被測定面の法線方向の
変化率が一定のとき、２つの入射点での法線方向の理論
的変化値に相当するだけ、第２図に示すように１番目と
２番目の入射点への理論的入射光の方向を傾ける。なお
、受光部（８）は傾ける角度を自由に調節できるよう可
動型にすると更によい。

センサ（１）全体が被測定面（１０）にたいして、光軸
（２ｃ）のピッチング方向あるいはローリング方向に傾
いている場合も、受光部（８）にはその影響は現れない
、また、ビームスプリッタ（５）の反射面の傾斜角度に
設定誤差があっても、その影響が測定データ全てにおな
しように現れるので、最後の計算処理で取り除くことが
できる。

以下の説明では、簡単のためこの一定値を取り除いて考
える。理論的な直線あるいは曲線に沿う方向にＸ軸、そ
の理論的な法線方向を基準にして法線方向の理論値から
のずれをθ（ｘ）とする、２つの反射点間の距離をｘ−
Ｌとする。

いま、被測定対象の曲線の法線方向θがθ（ｘ　）　＝
　Ｅ　Ｘ　Ｐ　（ｉ　ＧＪ　Ｘ　）　　・＝−−−−−
−−−−−−−−−−（１）で与えられると、充電素子
（８，）の出力は２（θ１−θｚ　）−２ＥＸＰ　（ｉ
ωｘ）　　（１−［！ＸＰ　（ｉωＬ）１−一−−−・
・・〜・・−・−・・−−−−−−−−（２＋に比例す
る。すなわち、曲線の周波数ωの成分は２　（１−ＥＸ
Ｐ　（ｉａ＋Ｌ））だけ拡大、あるいは縮小されて検出
されることになる。

従って、離散的な等間隔のｎ点のＸについて測定データ
を得て、これをフーリエ変換で周波数領域に変換し、各
周波数ごとに上の拡大、縮小割合に応じて補正した上で
、逆フーリエ変換で、もとの曲線にもどすと、測定によ
る歪を取り除いた、法線の角度に関するデータが得られ
る。

なお、逆フーリエ変換の前に積分をしておけば、逆フー
リエ変換の結果は、曲線の形を与える。

次に第３図を用いて他の実施例を説明する。

第１図では光源部（２）からの入射光（２ｃ）は２回操
り返して測定面で反射するＢｎを示した。この態様では
、光学的に差を算出した上でそれを検出するので、検出
感度を大きくできる。

しかし、ビームスプリッタ（５）への入射位置が変わる
と２回の反射点間の距離（Ｌ）が変わるという性質があ
る。

これを避けるためには、第３図に示すように光源部（図
示せず）からの入射光（２ｃ）をビームスプリッタ（３
）（５）で２回分技して被測定面に入射してもよい、そ
のときは、被測定面（１０）からのそれぞれの反射光の
振れをそれぞれの受光部（８）（９）で受けて出力に相
当する結果を得る。（４）（６）は１／４λ波長板であ
る。

なお、第１図、第２図あるいは第３図の実施例で、受光
部に２次元の振れ角を検出できる素子を用いれば、Ｘ軸
回りの回転角（ビームスプリッタ（３）あるいは（５）
への入射光軸に関を説明するための図である。先ず、第
４図は、光源部２と５個の偏光ビームスプリッタ１１と
、２個のハーフプリズム１２と、受光部に用いる２つの
コリメータレンズ系１３と、最初の偏光ビームスプリッ
タ１１に取付けた１／４λ波長板１４と、２個の直角プ
リズム１５ａ、１５ｂと、１個の反射鏡１６を用い、か
つ、投射角監視用光学系ＮにフォトダイオードアレイＮ
Ｐを、また、反射角度検出用光学系Ｍにフォトセンシテ
ィブダイオードＭＰを用いたものである。なお、直角プ
リズム１５ａ、１５ｂの中、第１のプリズム１５ａはビ
ームベンダーとして、第２のプリズム１５ｂはビームシ
フターとして作用する。このように形成した光源部から
の投射光を、光回路の中で２分割した後、一方を平行に
シフトしたり、傾斜させたりすることにより、投射光の
方向や、間隔を任意に制御することもできるので、任意
の凹凸を有する非球面の形状画定用として対応すること
ができる。

また、図示はしないが、光学系の組合せにより、入射光
が被測定面で第一回目の反射を行った反射光を、偏光ビ
ームスプリッタ等で２つの方向に分離し、それぞれの光
を、別の偏光ビームスプリッタで曲げて、被測定面の法
線方向に入射し、直交２軸回りの回転角（ピッチングと
ローリングに相当）を同時に得るようにすることも可能
である。このときは今までの受光部に相当するもう一つ
の受光部を、あらたに追加した別の偏光ビームスプリッ
タと組合わせて、ローリング角度の検出をできるように
してもよい。

このようにすると第４図のような、特別の基準を要しな
い２次元の角度センサは、平面や円筒面あるいは球面の
精密測定に有効である。

なお、上記実施例のうち第１図、第２図、第４図では、
光源部（２）もセンサに組込んだが、測定に際して、被
測定面だけが移動する場合、あるいはセンサの移動方向
が限られている場合は、第３図あるいは第零図のように
、光源部はセンサと切離して外部に置いてもよい、第５
図は、一対の偏光ビームスプリッタ（３）（５）と受光
部（８）をセンサ（１）内に設け、このセンサ（１）に
穿った透孔（１，）の内側に反射ｇ！（７％　）を設け
たもので、図示しな・い光源からの入射光は透孔（１１
）を介して反射鏡（７，）で反射させ被測定面ｌＯを投
射するものである。この場合は、外部光源からの入射光
軸（２ｃ）とセンサ（１）を相対的に上下に振るだけで
、２つの反射点間の距離を変化させることもできる。な
お、（４）（６）は１／４λ波長板である。

以上説明した実施例は反射点が両方とも被測定面上にあ
るが、第６図にように、一方の反射点を被測定面より高
精度な場合や、面形状が既に分っている参照面（１１）
の場合でも測定することができる。即ち、第６図では、
上記式（２）で、θ１か６ｇの一方がＯかあるいは既に
知っていることであり、ＬもＯとしてよいので、式（１
）のθが直接測定できることになる。なお、第６図で、
一方の反射点の位置に絶えず正しい反射面を置く方法と
して、第７図、第８図に示すように、容器に水銀を入れ
、その容器をセンサ（１）に固定して水銀面（１２）の
中心付近に入射光が入射する様にすることも可能である
。

この時は、センサ力（ｆ頃いていても、キャンセルして
計れるので被測定面の法線の傾斜角が、重力方向を絶え
ず参照して測定されることになる。

第７図で、受光部９と偏光ビームスプリッタ１５を除く
と第６図と同じようにあらさを測定することができる。

なお、上の例ではビームスプリッタと１／４λ波長板を
用いて光を反射光と透過光に分割しているが、光の強度
を分割して反射光と透過光に分ける時は、波長板は必要
ない。

〔発明の効果〕

本発明によると、比較的簡単な構成にして、精密に仕上
げられた、鏡面などの形状や、２面のなす角度を非接触
状態で簡単に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す原理的説明図９第２
図乃至第８図は、この発明の他の実施例を示す説明図で
ある。 １・−・・−・−・−センサ ２−−−−−−−−−・光源部 ２ｃ・・・・・光軸 ３−・−・−・−・第１の偏光ビームスプリッタ５−・
・・・−・−・・第２の偏光ビームスプリッタ８・・−
・・−受光部 ｉｏ−・・・−・被測定面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源と、少くとも２個の偏光ビームスプリッタと
   、受光部とを具備し、光源からの１本の光線を被測定面
   に所定の間隔で２回投射し、入射光軸に対する反射光の
   振れを受光部で検出し、２つの反射点での面法線のなす
   角度を差動測定するようにした事を特徴とする差動オー
   トコリメーションセンサ。
2. （２）光源と、少くとも２個の偏光ビームスプリッタと
   、受光部とを具備し、光源からの１本の光線を被測定面
   と基準反射面に、夫々所定の間隔で投射し、入射光軸に
   対する反射光の振れを受光部で検出し、基準反射面と被
   測定面上の面法線が互いになす角度を検出測定するよう
   にした事を特徴とする差動オートコリメーションセンサ
   。