JPH0210208A

JPH0210208A - 微小角度測定装置

Info

Publication number: JPH0210208A
Application number: JP16213588A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kaneko; 豊金子
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-06-29
Filing date: 1988-06-29
Publication date: 1990-01-16
Anticipated expiration: 2012-03-26
Also published as: JP2595050B2

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、光学的な微小角度の測定装置に関する。

（従来の技術）水出原人は、干渉縞解析により直交２軸方向の微小角度
を同時に精度よく測定することができるようにした微小
角度測定装置について先に特許出願した。特開昭６２−
２３４１１７号にかかる発明がこれであり、レーザ光源
からのレーザビームを平行光束に拡大するビームエキス
パンダと、上記平行光束を２光束に振幅分割するビーム
スプリッタと１分割された一方の光束を反射すると共に
フリンジスキャニングさせる基準反射鏡と、分割された
他方の光束の測定対象反射面での反射光束と上記基準反
射鏡による反射光束とを上記ビームスプリッタで重ねあ
わせることにより生じる干渉縞を撮像するエリアセンサ
とを有してなり、上記エリアセンサで撮像された干渉縞
を解析して光束の波面のなす角度を測定することにより
測定対象の角度を測定するようにしたことを特徴とする
。

上記出願にかかる微小角度測定装置によれば、エリアセ
ンサを用いて面として角度を測定するようにすると共に
、フリンジスキャニング法を用いて干渉縞パターンを解
析することにより角度を測定するようにしたため、高精
度かつ高分解能で直交２軸に対する傾き角度を同時に測
定できるという効果を奏する。

（発明が解決しようとする課題）上記出願にかかる微小角度測定装置においては、角度分
解能が０．５　Ｘ　１０−’ｒａｄ（０，１秒）程度で
あり、これ以上の高感度の要求に対応することができな
い。また、測定角度範囲も固定的であり、広い角度範囲
にわたって測定することはできない。

本発明は、上記光の出願にかかる微小角度ｎ１す定装置
をさらに改良したもので、高感度化を図って分解能をさ
らに向上させると共に、測定可能な角度範囲を拡大する
ことができる微小角度測定装置を提供することを目的と
する。

（課題を解決するための手段）本発明は、レーザ光源からのレーザビームを平行光束に
拡大するビームエキスパンダと、上記平行光束を２光束
に振幅分割するビームスプリッタと、分割された一方の
光束を反射すると共にフリンジスキャニングさせる基準
反射鏡と、分割された他方の光束の測定対象反射面での
反射光束と上記基準反射鏡による反射光束とを上記ビー
ムスプリッタで重ねあわせることにより生じる干渉縞を
撮像するエリアセンサとを有してなり、上記エリアセン
サで撮像された干渉縞を解析して光束の波面のなす角度
を測定することにより測定対象の角度を測定するように
した微小角度測定装置において、上記ビームスプリッタ
で分割され、測定対象面に向かう光束光路中にアフォー
カルレンズを設けたことを特徴とする。

上記アフォーカルレンズの倍率Ｍは、Ｍ＞ｌとしてもよ
い。

（作用）測定対象面での反射光束と基準反射鏡による反射光束と
の間に角度があると、この角度に応じた干渉縞がエリア
センサ上に生じるから、エリアセンサで撮影された干渉
縞を解析することにより測定対象の角度を測定すること
ができる。角度画定の分解能は、アフォーカルレンズの
倍率Ｍによって決まる。倍率Ｍを大きくすれば分解能は
高くなる０倍率Ｍを、Ｍ＞１とすれば分解能はそれほど
期待できないが、測定可能な角度範囲を拡大することが
できる。

（実施例）以下１図面を参照しながら本発明にかかる微小角度測定
装置の実施例について説明する。

第１図において、符号１１は例えばＨｅ　−Ｎ　ｅレー
ザ等でなるレーザ光源であり、このレーザ光源１１から
出射したレーザビームはビームエキスパンダ１２で拡大
された平行光束とされたのちビームスプリッタ１３によ
り２光束に振幅分割される６ビームスプリツタ１３で反
射方向に分割された平行光束は基準反射鏡１４で反射さ
れビームスプリッタ１３を透過し、エリアセンサである
ＣＣＤカメラ１５に入射する。一方、ビームスプリッタ
１３で透過方向に分割された他方の平行光束は、アフォ
ーカルレンズ３０で拡大された平行光束とされたのち、
測定対象となる平面反射鏡１６で反射され、アフォーカ
ルレンズ３０を逆に伝搬して縮小された平行光束とされ
、さらにビームスプリッタ１３で反射されてＣＣＤカメ
ラ１５に入射する。従って、基準反射鏡１４で反射され
た一方の平行光束と測定対象をなす反射鏡１６で反射さ
れた平行光束はビームスプリッタ１３で重ね合わせられ
て干渉縞パターンを生じ、この干渉縞パターンがＣＣＤ
カメラ１５で撮像される。撮像された干渉縞パターンは
モニタ２４によって観察することができる。

いま、ビームスプリッタ１３で振幅分割されかつ反射さ
れた２光束がＣＣＤカメラ１５の撮像面に同一角度で入
射したとすると、入射光束全体が等位相となって１色に
なる。また、２光京間に角度Ｏがあると、角度Ｏに応じ
た干渉縞がＣＣＤカメラ１５の撮像面に生じる。第２図
に示すように、上記干渉縞のピッチをＰ、光源の波長を
λとしたとき、Ｐ　ｔａｎ○＝λ となる。オートコリメータのように微小角度範囲で測定
する場合はｔａｎＯ＝θ と近似できる。従って。

θ＝λ／Ｐとなる。

第１図において、ＣＣＤカメラ１５の撮像面に生じた干
渉縞は光電変換されかつＡ／Ｄ変換され、フレームメモ
リ２１にストックされる。ストックされた信号はパソコ
ン２２に入力され、パソコン２２は２光束の波面のなす
角度を解析し、直交２方向の２光束の波面のなす角度（
２θ）の１／２の角度（θ）をデイスプレィ２３に表示
する。

ところが、単に干渉縞のピッチを読み取るだけでは、光
学的コントラストやごみや埃による回折等の影響を受け
てノイズとなり、測定精度が劣化する。そこで、第１図
の実施例では、基準反射鏡１４をピエゾ素子１８に固着
し、ピエゾ素子１８をパソコン２２により制御して基準
反射鏡１４をフリンジスキャンさせ、干渉縞の高精度測
定を行う。

フリンジスキャニング法は、参照先の位相を段階的に変
化させて干渉縞の強度を光電測定し、測定値からフーリ
エ級数の計算によって物体光の位相を求める方法で、次
の原理に基づく。

干渉パターンの強度は任意の点Ｘについて次のように表
すことができる。

Ｉ　（ｘ）＝ｕｏ”（ｘ）＋　ｕγ”＋　２　ｕｏ（ｘ
）　ｕ。

Ｘ　ｃｏｓ　（Φｒ−Φ。（Ｘ））　　　　　（１”）
これを参照光の位相Φｒについての余弦関数とみなすと
１次のような直流分と基本波成分のみのフーリエ級数の
形で表すことができる。

Ｉ（ｘ、Φ）＝　ａｏ（ｘ）＋　ａ工（ｘ）ｃｏｓΦ十
ｂ　１（ｘ）ｓｉｎΦ　　（２）ただし、簡単のためにΦＹ＝Φとしである。Φを周期２
πの１　／　ｎずつ、Ｐ周期にわたって変化させるとす
ると、 Φ・＝　ｊ（２π／ｎ）　　　Ｊ　＝Ｌ２＋３”’＋ｎ
ｐ　　　（３）となる。Φｊに対応する干渉パターンの
強度をＩ　（ｘ、Φ）とすると、（２）式の係数はそれ
ぞれ次のような式で与えられる。

ａｏ（ｘ）＝（１／ｎｐ）ΣＩ（ｘ、Φ・）＝ｕ、”　
（ｘ）＋ｕＨ”　　　　（４）、ｌＪａ工（ｘ）＝（２／ｎｐ）ΣＩ（ｘ、Φ））ｃｏ鳴：＝
２ｕｏ　（ｘ）ｕ、ｃｏｓΦ。（ｘ）　　（５）ｂｌ（
ｘ）”（２／ｎｐ）ΣＩ（ｘ、　ｏｊ）ｓｉｎΦｊ＝２
ｕｏ（ｘ）ｕ、ｓｉｎΦ。（ｘ）　　　（６）声１これから Φａ　（ｘ）＝ｔａｎ−’　［ｂｔ　（ｘ）／ａｉ　（
ｘ））　　ｍｏｄ２７ｍ　　　　（７）となり、物体光
の位相が求められる。干渉パターン全体を走査して位相
分布を求めるとき、位相の連続性を考慮すれば、２πの
不確定性は除去できる。

ところで、アフォーカルレンズ３０は第３図に示すよう
に、焦点層ｆｒ’ｌｌ　ｆのレンズ３１と、焦点距離Ｍ
ｆのレンズ３１とから構成されてアフォーカルレンズ３
０の倍率はＭ倍になっている。測定対象となる平面反射
鏡１６で反射された光束がレンズ３２にθの角度を有し
て入射すると、レンズ３１からはθ′の角度を有して出
射する。ここで、○’＝ＭＯとなる。従って、ビームス
プリッタ１３により、基準反射鏡１４で反射された光束
と平面反射鏡１６で反射された光束とが重ねあわせられ
ることにより生じる干渉縞パターンは、アフォーカルレ
ンズ３ｏを用いない場合に比へでＭ倍の干渉縞、即ちＭ
倍の角度として読み取ることができ、Ｍ倍の高感度が達
成できる。

フリンジスキャニング法によれば、λ／１００の測定精
度が得られ、ＣＣＤカメラ１５の撮像体として２／３イ
ンチサイズ、即ち、８．８ｎ＋ｍＸ６．６［Ｉｌｍのも
のを用いても、（λ／１００）／６．６弁Ｉ　Ｘｌ０−Ｇ（ｒａｄ）の
角度解析が可能であり、測定対象となる反射鏡１６での
傾きとしては、０．５　Ｘ　１０”−’　（ｒａｄ）　
（０，０２秒）の測定精度が得られる。

なお、アフォーカルレンズとしては、第１図の実施例の
ように凸曲レンズの構成でもよいし、凹凸レンズあるい
はズームアフォーカルレンズでもよい。

また、測定結果としての角度表示では、光束波面のなす
角度に対してアフォーカルレンズの倍率Ｍで補正するこ
とは当然であるし、アフォーカルレンズによる角度の方
向の逆転を補正することも当然である（第３図参照）。

ところで、第４図に示すように、通常の角度測定装置に
おいて、測定対象１６の反射面の傾き角度が大きく、も
しくは角度変動が大きい場合は、第５図にも示すように
、測定対象１６からの反射光束３６と基準反射鏡１４か
らの反射光束３４との重なり部分３８が小さくなると共
に、上記二つの光束３４．３６の広がる範囲が広くなっ
てＣＣＤカメラ１５の撮像面から光束がはみ出してしま
う。このような場合には測定範囲を広くとって二つの光
束３４．３６のすべてをＣＣＤカメラ１５でとらえるよ
うにする必要がある。そこで、このような場合には、前
記実施例におけるアフォーカルレンズ３０の倍率Ｍを１
Ｍく１として、測定対象１６の傾きによる前記二つの光
束の位置ずれを小さくする。第６図はアフォーカルレン
ズ３０の倍率Ｍを、Ｍ＜１とした場合を示しており、ア
フォーカルレンズ３０への入射角度をθ、アフォーカル
レンズ３０からの出射角度をθ′としたとき、θ’＝Ｍ
Ｏより、Ｏ′〈θとなり、第７図に示すように、第４図
の場合に比べて二つの光束３４゜３６の重なり部分３８
を大きくとることが可能であり、測定範囲の拡大を図る
ことができる。

なお、第４図と第６図を比較する場合、ビームスプリッ
タ１３から測定対象１６の反射面までの距離を等しくす
べきであるが、作図上の見やすさの関係から上記距離は
異なっている。

（発明の効果）本発明によれば、エリアセンサを用いて面として角度を
測定するようにすると共に、フリンジスキャニング法を
用いて干渉縞パターンを解析することにより角度を測定
するようにしたため、高精度かつ高分解能で直交２軸に
対する傾き角度を同時に測定することができ、また、ビ
ームスプリッタで分割、され、　Ｉｇ定対象に向かう光
束の光路中にアフォーカルレンズを設けたため、このア
フォーカルレンズの倍率Ｍを、Ｍ＞１とすることにより
測定感度を高めて分解能をより一層高めることが可能で
あり、さらに、上記倍率Ｍを、Ｍ＜１とすることにより
測定可能な角度範囲を拡大することもできる。このよう
にしてアフォーカルレンズの倍率を適宜設定することに
より、測定角度範囲を自由に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる微小角度測定装置の一実施例を
示す光学配置図、第２図は同上実施例における２光束の
波長と角度と干渉縞ピッチとの関係を示す説明図、第３
図は上記実施例中のアフォーカルレンズの作用を示す光
学配置図、第４図は測定対象の傾き角度が大きい場合の
作用を一般的に示す光学配置図、第５図は上記の場合の
撮像面における２光束の重なりの状態を示す光束断面図
、第６図は前記実施例におけるアフォーカルレンズの倍
率を小さくした場合の例を示す光学配置図。第７図は上記の場合の撮像面における２光束の重なりの
状態を示す光束断面図である。１１・・・・レーザ光源　１２・・・・ビームエキスパ
ンダ　１３・・・・ビームスプリッタ　１４・・・・測
定対象　１５・・・・エリアセンサ　１８・・・・基準
反射鏡　３０・・・・アフォーカルレンズルＤ区馬

Claims

【特許請求の範囲】１、レーザ光源からのレーザビームを平行光束に拡大す
るビームエキスパンダと、上記平行光束を２光束に振幅分割するビームスプリッタ
と、分割された一方の光束を反射すると共にフリンジスキャ
ニングさせる基準反射鏡と、分割された他方の光束の測定対象反射面での反射光束と
上記基準反射鏡による反射光束とを上記ビームスプリッ
タで重ねあわせることにより生じる干渉縞を撮像するエ
リアセンサとを有してなり、上記エリアセンサで撮像された干渉縞を解析して光束の
波面のなす角度を測定することにより測定対象の角度を
測定するようにした微小角度測定装置において、上記ビームスプリッタで分割され、測定対象面に向かう
光束光路中にアフォーカルレンズを設けたことを特徴と
する微小角度測定装置。２、アフォーカルレンズの倍率Ｍは、Ｍ＞１である請求
項１記載の微小角度測定装置。