JPH045122B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH045122B2 JPH045122B2 JP18140283A JP18140283A JPH045122B2 JP H045122 B2 JPH045122 B2 JP H045122B2 JP 18140283 A JP18140283 A JP 18140283A JP 18140283 A JP18140283 A JP 18140283A JP H045122 B2 JPH045122 B2 JP H045122B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- target
- light
- displacement
- axis
- pbs
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 52
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 22
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する分野〕
本発明は、光の干渉を利用して変位量および回
転変位量を測定する光学式変位・回転測定装置に
関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of the Invention] The present invention relates to an optical displacement/rotation measuring device that measures displacement and rotational displacement using optical interference.
さらに詳しくは、本願は、光源からの可干渉な
光を、2次元的な変位および回転変位を行なう可
動拡散面に照射し、そこから得られるスペツクル
パターンを利用して2次元の変位量および回転変
位量を測定するようにした光学式変位・回転測定
装置に関するものである。 More specifically, the present application irradiates coherent light from a light source onto a movable diffusing surface that undergoes two-dimensional displacement and rotational displacement, and utilizes the speckle pattern obtained therefrom to determine the amount of two-dimensional displacement and The present invention relates to an optical displacement/rotation measuring device that measures the amount of rotational displacement.
このような測定装置の一例としては、出願人が
すでに特願昭57−109348号として出願した光学式
機械量測定装置がある。これは光学的な手段を利
用して3次元的な変位量を測定するようにしたも
ので、以下にその構成および動作を説明する。
An example of such a measuring device is an optical mechanical quantity measuring device which the applicant has already filed as Japanese Patent Application No. 109348/1982. This uses optical means to measure the amount of three-dimensional displacement, and its configuration and operation will be explained below.
この光学式機械量測定装置は、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ツクルパター
ンを利用して2次元の機械量を測定するととも
に、このスペツクルパターン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。 This optical mechanical quantity measuring device irradiates coherent light from a light source onto a movable diffusing surface on which the mechanical quantity to be measured is given, and uses the resulting speckle pattern to measure two-dimensional mechanical quantities. At the same time, the speckle pattern is irradiated with light from a light source as a reference light, and the resulting pattern is used to measure mechanical quantities such as the displacement of the movable diffuser plate in the axial direction perpendicular to the two-dimensional axis. There is a structural feature in the point that was chosen to be measured.
第1図は本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HeNe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
プリツタ(以下PBSと略す)、22は第2の
PBS、23は第3のPBS、24は第4のPBS、
25は第5のPBSである。第1、第2、第3の
PBS、21,22,23は、入射する光ビーム
を2方向に分割する役目をし、第4のPBS24
は2方向から来るビームを1方向ビームにする役
目をしている。また、第5のPBS25は、第4
のPBSに対して45°回転した位置関係となるよう
に設置されており、2種の光を干渉させて縞を作
る役目をしている。31,32はそれぞれ焦点距
離がf1、f2のレンズ、30はレンズ31と33と
の間であつて、レンズ31からf1、レンズ32か
らf2の距離に設置した絞り板で、これには、径が
dの透孔が設けられている。4は拡散面40を有
するターゲツトで、レンズ32からl(lは0〜
2f2程度が好ましい)だけ離れて設置され、これ
には例えば、図示するようにx、y、z方向の3
次元の測定機械量が与えられる。51はレンズ3
2とターゲツト4との間に設置したλ/4板、6
1,62はミラーで、第1のPBS21で分割さ
れた光源1からの光が、第4のPBS24に入射
するように設置されている。ここでミラー61は
その光軸Clに対してθ1=45°だけ傾斜しているの
に対し、ミラー62は光軸Clに対してθ2=45°+
Δθだけ傾斜してある。52はミラー61と第1
のPBS21との間に設置したλ/2板、53は
第1のPBS21と第2のPBSとの間に設けた
λ/4板、54は第2のPBS22と第3のPBS
23との間に設けたλ/4板である。 FIG. 1 is a configuration explanatory diagram showing an example of this device. In the figure, reference numeral 1 denotes a light source, for example, a HeNe laser light source is used, from which coherent light is emitted. 11 and 12 are lenses, which are beam expanders that expand the light emitted from the light source 1 and make it parallel light.
It constitutes BX. 21 is the first polarizing beam splitter (hereinafter abbreviated as PBS), 22 is the second polarizing beam splitter
PBS, 23 is the third PBS, 24 is the fourth PBS,
25 is the fifth PBS. 1st, 2nd, 3rd
The PBSs 21, 22, 23 serve to split the incident light beam into two directions, and the fourth PBS 24
serves to transform beams coming from two directions into a one-way beam. In addition, the fifth PBS25 is the fourth PBS25.
It is installed so that it is rotated 45 degrees with respect to the PBS, and its role is to create stripes by interfering with two types of light. 31 and 32 are lenses with focal lengths of f 1 and f 2 respectively; 30 is an aperture plate installed between lenses 31 and 33 at a distance of f 1 from lens 31 and f 2 from lens 32; is provided with a through hole having a diameter of d. 4 is a target having a diffusing surface 40, from the lens 32 to l (l is 0 to
2f (preferably about 2 ), and this includes, for example, three distances in the x, y, and z directions as shown
A measured mechanical quantity of dimension is given. 51 is lens 3
λ/4 plate installed between 2 and target 4, 6
Mirrors 1 and 62 are installed so that the light from the light source 1 divided by the first PBS 21 enters the fourth PBS 24. Here, the mirror 61 is tilted by θ 1 =45° with respect to the optical axis Cl, whereas the mirror 62 is tilted by θ 2 =45°+ with respect to the optical axis Cl.
It is tilted by Δθ. 52 is the mirror 61 and the first
53 is a λ/4 board installed between the first PBS 21 and the second PBS, 54 is the second PBS 22 and the third PBS
This is a λ/4 plate provided between the
71は第3のPBS23で分割された一方の光
を受光するx軸受光器、72は第3のPBSで分
割された他方の光を受光するy軸受光器で、これ
らには多数個の受光素子をアレイ状に配列して構
成されるCCDなどのイメージセンサが使用され
る。なお、各受光器71,72において、その受
光素子の配列方向は互いに直交するように設置さ
れているものとする。73は第5のPBSから出
た光を受光する受光器である。この受光器73と
しては、CCDなどのイメージセンサが用いられ
る。 71 is an x-axis receiver that receives one of the lights divided by the third PBS 23, and 72 is a y-axis receiver that receives the other light that is split by the third PBS. An image sensor such as a CCD, which is configured by arranging elements in an array, is used. It is assumed that in each of the light receivers 71 and 72, the arrangement directions of the light receiving elements are orthogonal to each other. 73 is a light receiver that receives the light emitted from the fifth PBS. As this light receiver 73, an image sensor such as a CCD is used.
第2図は第1図装置において、電気的な回路を
示す構成ブロツク図である。この図において、7
0は、例えばCCDで構成された各受光器71,
72,73を駆動するクロツク発振器で、例えば
周波数fcのクロツク信号を各受光器に印加してい
る。81,82,83は各受光器71,72,7
3からの出力周波数信号fx,fy,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、91,92,93はそれぞれ対応するミキサ
からの出力信号のなかの特定な周波数信号を通過
させるローパスフイルタ、41,42,43はそ
れぞれローパスフイルタ91,92,93からの
周波数信号を計数するカウンタ、6は各カウンタ
41,42,43からの計数信号fox,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ツサが使用される。60は
表示装置で、例えばCRTが使用され、演算回路
6での演算結果を表示する。 FIG. 2 is a block diagram showing an electrical circuit in the apparatus shown in FIG. In this figure, 7
0 is each light receiver 71 configured with a CCD, for example.
A clock oscillator for driving 72 and 73 applies, for example, a clock signal of frequency fc to each photoreceiver. 81, 82, 83 are each light receiver 71, 72, 7
Mixers 91, 92, and 93 input the output frequency signals fx, fy, and fz from 3 and mix them with the reference frequency signal fR . The low-pass filters 41, 42, and 43 are counters that count the frequency signals from the low-pass filters 91, 92, and 93, respectively, and 6 is the count signal fox, foy, and foz from each of the counters 41, 42, and 43.
This is an arithmetic circuit that inputs
For example, a microprocessor is used. Reference numeral 60 denotes a display device, for example, a CRT, which displays the calculation results of the calculation circuit 6.
このように構成した装置の動作は次の通りであ
る。光源1から出射された波長λの光は、ビーム
エクスパンダBXで拡げられ、平行光となつて第
1のPBS21に入射する。ここで、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)は反射し、レンズ31、絞
り板30の透孔、レンズ32及びλ/4板51を
経て、ターゲツト4の拡散面40に平行光となつ
て照射される。ターゲツト4の拡散面40に照射
された平行光は、この拡散面の凹凸によつてラン
ダムな位相変調を受けて反射し、この反射光は、
再びλ/4板51、レンズ32、絞り板30の透
孔、レンズ31を通つて戻り、第1のPBS21
に入射する。ここで、レンズ31、絞り板30、
レンズ32は、スペツクルの純移動状態を実現し
ここを通過する光の空間周波数を下げるローパス
フイルタとして機能するものである。第1の
PBS21に再入射する光は入射面に対して、振
動方向が平行な光成分(P波)となつており、第
1のPBS21を通過する。ここを通過したター
ゲツト4の拡散面40からの反射光は、λ/4板
53を通過して円偏光となり、第2のPBS22
で2つに分かれ、一方はλ/4板54を通つて円
偏光となり、第3のPBS23で分かれて、x軸
受光器71及びy軸受光器72にそれぞれ入射す
る。そして、これらの受光面にスペツクルパター
ンをつくる。 The operation of the device configured as described above is as follows. Light with a wavelength λ emitted from the light source 1 is expanded by the beam expander BX, becomes parallel light, and enters the first PBS 21. Here, the light component (S wave) that vibrates in the direction perpendicular to the incident plane created by the incident light ray and the normal line to the incident plane is reflected, The light passes through the plate 51 and is irradiated onto the diffusing surface 40 of the target 4 as parallel light. The parallel light irradiated onto the diffusing surface 40 of the target 4 undergoes random phase modulation and is reflected by the unevenness of this diffusing surface, and this reflected light is
Returns through the λ/4 plate 51, the lens 32, the aperture of the aperture plate 30, and the lens 31, and returns to the first PBS 21.
incident on . Here, the lens 31, the aperture plate 30,
The lens 32 functions as a low-pass filter that realizes a state of pure speckle movement and lowers the spatial frequency of light passing therethrough. first
The light re-entering the PBS 21 is a light component (P wave) whose vibration direction is parallel to the plane of incidence, and passes through the first PBS 21 . The reflected light from the diffusing surface 40 of the target 4, which has passed through this point, passes through the λ/4 plate 53 and becomes circularly polarized light, which is transmitted to the second PBS 22.
The light is split into two, one passes through the λ/4 plate 54, becomes circularly polarized light, is split at the third PBS 23, and enters an x-axis light receiver 71 and a y-axis light receiver 72, respectively. A speckle pattern is then created on these light-receiving surfaces.
第3図は、x軸受光器71及びy軸受光器72
上に得られるスペツクルパターンの一例を示す図
である。この図において、スペツクルパターン
は、ターゲツト4が矢印x方向に移動したとき
は、x軸方向に移動し、ターゲツト4が矢印y方
向に移動したときは、y軸方向に移動する。x軸
受光器71は、この受光面に照射された第3図に
示すようなスペツクルパターンのx軸方向変位を
把える。また、y軸受光器72は、この受光面に
照射された第3図に示すようなスペツクルパター
ンのy軸方向変位を把える。 FIG. 3 shows an x-axis light receiver 71 and a y-axis light receiver 72.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a speckle pattern obtained above. In this figure, the speckle pattern moves in the x-axis direction when the target 4 moves in the arrow x direction, and moves in the y-axis direction when the target 4 moves in the arrow y direction. The x-axis light receiver 71 detects the displacement in the x-axis direction of the speckle pattern shown in FIG. 3 irradiated onto this light-receiving surface. Further, the y-axis light receiver 72 detects the displacement in the y-axis direction of the speckle pattern shown in FIG. 3 irradiated onto this light-receiving surface.
一方、第4のPBS24へ入射した拡散面40
からの反射光は、そのまま通過し、第5のPBS
25に入射する。また、光源1から第1のPBS
21に入射した光の中で、P波成分はここを通過
し、λ/2板52を通過して90°偏波面が回転さ
れ、ミラー61,62を経て、第4のPBS24
に入射し、ここで反射して第5のPBS25に参
照光として入射する。第5のPBS25は、第4
のPBS24に対して45°回転して置かれており、
ここで、互いに偏波面が90°異なるターゲツト4
からの反射光と、光源1からの参照光とのうち、
第5図に示すように45°の成分のものが透過し、
z軸受光器73上に干渉縞がつくられる。なお、
第5のPBS25は偏光板を用いてもよい。 On the other hand, the diffusion surface 40 incident on the fourth PBS 24
The reflected light from the 5th PBS passes through as is.
25. Also, from light source 1 to the first PBS
Among the light incident on the PBS 21, the P wave component passes through this, passes through the λ/2 plate 52, the plane of polarization is rotated by 90 degrees, passes through the mirrors 61 and 62, and is transmitted to the fourth PBS 24.
The light is reflected there and enters the fifth PBS 25 as a reference light. The fifth PBS25 is the fourth
It is rotated 45 degrees with respect to PBS24 of
Here, targets 4 whose polarization planes differ by 90° from each other
Of the reflected light from the light source 1 and the reference light from the light source 1,
As shown in Figure 5, the 45° component is transmitted,
Interference fringes are created on the z-axis light receiver 73. In addition,
A polarizing plate may be used for the fifth PBS 25.
第4図は、z軸受光器73上に得られたパター
ンの一例を示す図であつて、スペツクルパターン
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、ターゲツト4が矢印z方向
に移動すると、z方向に移動する。z軸受光器7
3は、この受光面に照射された第4図に示すよう
なパターンのz軸方向変位を把える。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a pattern obtained on the z-axis photoreceiver 73, in which Michelson interference fringes are superimposed on a speckle pattern. This pattern moves in the z direction as the target 4 moves in the z direction. Z-axis receiver 7
3, the displacement in the z-axis direction of the pattern shown in FIG. 4 irradiated onto this light-receiving surface is grasped.
ここで、レンズ31,32の距離がf1+f2であ
ることと、ターゲツト4に平面波が照射されるよ
うにすれば、所謂純移動状態となり、この状態で
は、各受光器の受光面に得られるスペツクルパタ
ーンの、平均的スペツクル径は、(f1λ)/(xd)
で与えられる。したがつて、レンズ31から各受
光器までの距離や、レンズ32とターゲツト4と
の間の距離lは、純移動状態とスペツクル径には
無関係となる。 Here, if the distance between the lenses 31 and 32 is f 1 + f 2 and the target 4 is irradiated with a plane wave, a so-called pure movement state will occur, and in this state, there will be a gain on the light receiving surface of each light receiver. The average speckle diameter of the speckle pattern is (f 1 λ)/(xd)
is given by Therefore, the distance from the lens 31 to each light receiver and the distance l between the lens 32 and the target 4 are independent of the pure movement state and the speckle diameter.
各受光器71,72,73は、一端にクロツク
発振器70から周波数fcのクロツク信号が印加さ
れて駆動されており、各受光器71,72,73
からfc=fc/N(ただしNは受光器71,72,
73のビツト数)を基本周波数とする周波数信号
fx,fy,fzが出力される。 Each of the light receivers 71, 72, 73 is driven by applying a clock signal of frequency fc from a clock oscillator 70 to one end.
From fc=fc/N (where N is the receiver 71, 72,
Frequency signal whose fundamental frequency is 73 bits)
fx, fy, fz are output.
第6図は、各受光器71,72,73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、各受光器の全幅の1/(整
数)と、干渉縞の間隔が等しいところが一番大き
くなり、ターゲツト4の移動とともに、移動す
る。例えば、ターゲツト4がx方向にXだけ移動
すれば、受光器71からの周波数信号fxの例えば
m次高調波に相当するピークPmは、その移動速
度dx/dtに比例したΔfmxだけ周波数シフトす
る。同じように、ターゲツト4がy方向にYだけ
移動すれば、受光器72かの周波数信号fyのm次
高調波に相当するピークPmは、その移動速度
dy/dtに比例したfmyだけ周波数シフトする。受
光器73からの周波数信号についても同様であ
る。つまり、Δfmx、Δfmy、Δfmzの位相を測定
すれば、x、y、zの変位量を測定できる。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing frequency spectra of frequency signals fx, fy, and fz obtained from each of the light receivers 71, 72, and 73. The frequency spectrum of this signal has a peak at an integer multiple of the fundamental frequency fo,
The peak is greatest where the interval between the interference fringes is equal to 1/(integer) of the total width of each light receiver, and moves as the target 4 moves. For example, if the target 4 moves by X in the x direction, the peak Pm corresponding to, for example, the m-th harmonic of the frequency signal fx from the light receiver 71 shifts in frequency by Δfmx that is proportional to the moving speed dx/dt. Similarly, if the target 4 moves by Y in the y direction, the peak Pm corresponding to the m-th harmonic of the frequency signal fy of the photoreceiver 72 will be equal to its moving speed.
The frequency is shifted by fmy which is proportional to dy/dt. The same applies to the frequency signal from the light receiver 73. That is, by measuring the phases of Δfmx, Δfmy, and Δfmz, the amounts of displacement in x, y, and z can be measured.
例えば第2図の回路において、ミキサ81,8
2,83は、各受光器から出力されるm次高調波
Pmと、その近傍周波数fR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イ
ルタ91,92,93を介することによつて、そ
の出力端に次式に示すような周波数信号fox、
foy、fozをそれぞれ得る。 For example, in the circuit shown in FIG.
2,83 is the m-th harmonic output from each receiver
By mixing Pm and its neighboring frequency f R , that is, performing heterodyne detection, and passing each output through low-pass filters 91, 92, and 93, a frequency signal fox as shown in the following equation is output to the output terminal.
Obtain foy and foz respectively.
fox=mfo−fR±Δfmx
foy=mfo−fR±Δfmy
foz=mfo−fR±Δfmz
各カウンタ41,42,43は、これらの周波
数信号をそれぞれ計数する。演算回路6は、各カ
ウンタ41,42,43からの信号fox、foy、
fozを入力し、所定の演算、例えば積分を含む演
算をすることによつて、ターゲツト4の各矢印
x、y、z方向を変位量X、Y、Zを知ることが
できる。またΔfmx、Δfmy、Δfmzは、ターゲツ
ト4の移動方向に応じて正、負に極性が変ること
から、移動方向の判別も同時にできる。 fox=mfo-f R ±Δfmx foy=mfo-f R ±Δfmy foz=mfo-f R ±Δfmz Each counter 41, 42, 43 counts these frequency signals, respectively. The arithmetic circuit 6 receives signals fox, foy, and
By inputting foz and performing predetermined calculations, such as calculations including integration, the displacement amounts X, Y, and Z of the target 4 in the directions of the arrows x, y, and z can be determined. Furthermore, since the polarities of Δfmx, Δfmy, and Δfmz change between positive and negative depending on the moving direction of the target 4, the moving direction can also be determined at the same time.
このように構成される装置は、ひとつの光源か
らのビームによつて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
受光器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。 The device configured in this manner can simultaneously measure three-dimensional displacement using a beam from one light source, and the overall configuration can be simplified. Furthermore, since the signals obtained from each light receiver are frequency signals, calculation processing is easy and various mechanical quantities can be measured with high resolution.
ここで、このような機械量測定装置において
は、x、y、z各軸方向における変位の測定を目
的としているために、各軸を中心としたターゲツ
トの回転に対しては、その回転量を測定すること
はできない。 Here, since the purpose of such a mechanical quantity measuring device is to measure displacement in each of the x, y, and z axis directions, the amount of rotation of the target around each axis cannot be measured. It cannot be measured.
すなわち、ターゲツトが回転すると、受光器側
の空間に存在するスペツクルもターゲツトの結像
位置を中心に回転する。このため、受光器をター
ゲツトの結像位置より外れた位置に置いた場合に
は、ターゲツトの回転に伴つて受光器上のスペツ
クルが移動し、ターケツトの回転が軸横行の変位
として誤つて検出されてしまう。したがつて、こ
の装置では、受光器はターゲツトの結像位置に置
く以外になく、各軸を中心としたターゲツトの回
転変位量を測定することはできない。 That is, when the target rotates, the speckle existing in the space on the photoreceiver side also rotates around the image formation position of the target. For this reason, if the photoreceiver is placed at a position away from the target imaging position, the speckle on the photoreceiver will move as the target rotates, and the rotation of the target will be erroneously detected as a transverse axis displacement. I end up. Therefore, in this device, the only option is to place the light receiver at the imaging position of the target, and it is not possible to measure the amount of rotational displacement of the target around each axis.
本発明は、上記のような従来装置の欠点をなく
し、2次元的な変位量ばかりでなく、回転変位量
をも測定することのできる光学式変位・回転測定
装置を実現することを目的としたものである。
The present invention aims to eliminate the drawbacks of conventional devices as described above and to realize an optical displacement/rotation measuring device that can measure not only two-dimensional displacement but also rotational displacement. It is something.
本発明の光学式変位・回転測定装置は、ターゲ
ツトの回転に伴つて移動するスペツクルの移動方
向が、ターゲツトの結像位置の前後で逆方向とな
ることを利用して、受光器をターゲツトの結像位
置から前後にずれた位置に置いて、それぞれスペ
ツクルの移動量を検出するとともに、これらの検
出結果を演算することにより、ターゲツトの回転
変位量を測定するようにしたものである。
The optical displacement/rotation measuring device of the present invention uses the fact that the direction of movement of speckles that move as the target rotates is opposite before and after the imaging position of the target. The speckles are placed at positions shifted forward and backward from the image position, and the amount of rotational displacement of the target is measured by detecting the amount of movement of each speckle and calculating these detection results.
以下、本発明を詳しく説明する。 The present invention will be explained in detail below.
第7図は本発明の光学式変位・回転測定装置の
一実施例を示す構成図である。図において、前記
第1図と同様のものは同一符号を付して示す。2
6〜28はハーフミラー、74,75は新たに設
けられた受光器である。受光器71,74はター
ゲツト4におけるX軸方向の変位XおよびY軸を
中心とした回転変位θyを検出するために設けられ
たものであり、同様に受光器72,75はY軸方
向の変位YおよびX軸を中心とした回転変位θxを
検出するために設けられたものである。ここで、
ハーフミラー27,28付近の光路中にPで示し
た点は、レンズ31,32により形成されるター
ゲツト4の結像位置であり、受光器71,72は
この結像位置Pより後に、また受光器74,75
は結像位置Pより前にそれぞれ配置されている。 FIG. 7 is a configuration diagram showing an embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention. In the figure, the same parts as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. 2
6 to 28 are half mirrors, and 74 and 75 are newly provided light receivers. The light receivers 71 and 74 are provided to detect the displacement X in the X-axis direction and the rotational displacement θy about the Y-axis in the target 4, and similarly the light receivers 72 and 75 are provided to detect the displacement X in the X-axis direction and the rotational displacement θy about the Y-axis. It is provided to detect the displacement Y and the rotational displacement θ x about the X axis. here,
The point indicated by P in the optical path near the half mirrors 27 and 28 is the image formation position of the target 4 formed by the lenses 31 and 32, and the light receivers 71 and 72 are located after this image formation position P and receive the light. Vessels 74, 75
are arranged in front of the imaging position P, respectively.
第8図はターゲツト4が回転した場合における
スペツクルの動きを示す説明図である。図におい
て、ターゲツト4が回転した場合、空間に存在す
るスペツクルも同様に回転する。この時、途中に
レンズが置かれていると、スペツクルの動きはタ
ーゲツト4の結像位置Pを境としてその前後で反
対向きとなる。図中の○印は結像位置Pの前後の
空間に存在するスペツクルの一部を表したもので
ある。また、動きの量はターゲツト4の回転角θ
と結像位置Pから距離l1,l2に比例したものとな
る。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing the movement of speckles when the target 4 rotates. In the figure, when the target 4 rotates, the speckles existing in space also rotate. At this time, if a lens is placed in the middle, the movement of the speckle will be in opposite directions before and after the imaging position P of the target 4 as a boundary. The circles in the figure represent part of the speckles existing in the space before and after the imaging position P. Also, the amount of movement is the rotation angle θ of target 4.
and are proportional to the distances l 1 and l 2 from the imaging position P.
さて、第7図にもどつて、受光器71,74お
よび受光器72,75はそれぞれ結像位置Pの前
後に配置されているので、ターゲツト4の回転に
対しては互いに逆方向の出力を発生することにな
る。例えば、ターゲツト4がY軸を中心に回転し
た場合には、受光器71,74が出力を発生し、
X軸を中心に回転した場合には、受光器72,7
5が出力を発生する。なお、ターゲツト4のx,
y軸上の変位に対しては、スペツクルが結像位置
Pの前後にかかわらず同方向に移動するので、受
光器71,74および受光器72,75は同方向
の出力を発生する。 Now, returning to FIG. 7, since the light receivers 71 and 74 and the light receivers 72 and 75 are respectively placed before and after the imaging position P, they generate outputs in opposite directions with respect to the rotation of the target 4. I will do it. For example, when the target 4 rotates around the Y axis, the light receivers 71 and 74 generate outputs,
When rotated around the X axis, the receivers 72, 7
5 generates an output. In addition, x of target 4,
With respect to displacement on the y-axis, the speckle moves in the same direction regardless of whether it is before or after the imaging position P, so the light receivers 71, 74 and the light receivers 72, 75 generate outputs in the same direction.
いま、受光器71,74,72,75の出力を
それぞれSx1、Sx2、Sy1、Sy2とすると、ターゲツ
ト4の変位X、YおよびX軸、Y軸を中心とした
回転変位θx、θyに対して、これらの出力は次式の
ような関係を有することになる。 Now, if the outputs of the light receivers 71, 74, 72, and 75 are S x1 , S x2 , S y1 , and S y2 , respectively, then the displacements X and Y of the target 4 and the rotational displacement around the X and Y axes θ x , θ y , these outputs have the following relationship.
Sx1=aX+bθy Sx2=aX−bθy Sy1=aY+bθx Sy2=aY−bθx a,bは比例定数である。 S x1 = aX + bθ y S x2 = aX - bθ y S y1 = aY + bθ x S y2 = aY - bθ x a and b are proportionality constants.
上式より明らかなように、各受光器71,7
2,74,75の出力を演算し、(Sx1+Sx2)を
X軸方向の変位量、(Sx1−Sx2)をY軸を中心と
した回転変位量、(Sy1+Sy2)を軸方向の変位量、
(Sy1−Sy2)をY軸を中心とした回転変位量とす
ることにより、それぞれX、Y、θx、θyに比例し
た出力を得ることができる。 As is clear from the above equation, each light receiver 71, 7
2, 74, and 75, (S x1 + S x2 ) is the amount of displacement in the X-axis direction, (S x1 - S x2 ) is the amount of rotational displacement around the Y-axis, and (S y1 + S y2 ) is axial displacement,
By setting (S y1 −S y2 ) as the amount of rotational displacement about the Y axis, outputs proportional to X, Y, θ x , and θ y can be obtained, respectively.
第9図は本発明の光学式変位・回転測定装置の
他の実施例を示す構成図である。この実施例は、
前記第7図の装置において、片方の受光器71,
72をそれぞれターゲツト4の結像位置Pに配置
したものである。このように、片方の受光器7
1,72を結像位置Pに配置すると、この受光器
71,72における出力はターゲツト4の回転に
は左右されず、x、y軸方向の変位にのみ対応し
たものとなる。この結果、各受光器71,72,
74,75の出力は、
Sx1=aX
Sx2=aX+bθy
Sy1=aY
Sy2=aY+bθx
となり、(Sx2−Sx1)および(Sy2−Sy1)を演算
することにより、ターゲツト4の回転変位量を測
定することができる。 FIG. 9 is a configuration diagram showing another embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention. This example is
In the apparatus shown in FIG. 7, one of the light receivers 71,
72 are respectively arranged at the imaging position P of the target 4. In this way, one of the receivers 7
1 and 72 are placed at the imaging position P, the output from the light receivers 71 and 72 is not affected by the rotation of the target 4, but only corresponds to the displacement in the x and y axis directions. As a result, each light receiver 71, 72,
The outputs of 74 and 75 are S x1 = aX S x2 = aX + bθ y S y1 = aY S y2 = aY + bθ x , and by calculating (S x2 − S x1 ) and (S y2 − S y1 ), the target 4 The amount of rotational displacement can be measured.
なお、上記の説明では、2枚のレンズ31,3
2を使用した光学系を例示したが、光学系はこれ
に限られるものではなく、ターゲツト4の像が受
光器71,72,74,75の付近に結ぶもので
あれば、どのような構成のものでも良い。また、
ターゲツト4の拡散面40に、再帰性反射物を貼
布するようにし検出感度を増大させるようにして
もよい。さらに、ここでは、各受光器として、
CCDのようなイメージセンサを用いることを想
定したが、空間フイルタを組合せたようなパター
ン検出器を用いてもよい。 In addition, in the above explanation, two lenses 31, 3
2, but the optical system is not limited to this, and any configuration may be used as long as the image of the target 4 is focused near the light receivers 71, 72, 74, and 75. Anything is fine. Also,
A retroreflective material may be applied to the diffusion surface 40 of the target 4 to increase the detection sensitivity. Furthermore, here, as each receiver,
Although it is assumed that an image sensor such as a CCD is used, a pattern detector such as a combination of a spatial filter may also be used.
以上説明したように、本発明の光学式変位・回
転測定装置では、ターゲツトとは非接触で、この
ターゲツトの2次元的な変位量ばかりでなく、回
転変位量をも測定することのできる光学式変位・
回転測定装置を実現することができる。
As explained above, the optical displacement/rotation measuring device of the present invention uses an optical displacement/rotation measuring device that can measure not only the two-dimensional displacement amount of the target but also the rotational displacement amount without contacting the target. Displacement/
A rotation measuring device can be realized.
第1図は従来の光学式機械量測定装置の一例を
示す構成説明図、第2図は電気的な回路を示す構
成ブロツク図、第3図及び第4図は第1図装置に
おいてx軸受光器(y軸受光器)及びz軸受光器
の受光面につくられるスペツクルパターンの一例
を示す説明図、第5図は受光器73付近の光の偏
波面の説明図、第6図は各受光器から得られる信
号の周波数スペクトルを示す説明図、第7図は本
発明の光学式変位・回転測定装置の一実施例を示
す構成図、第8図はターゲツト4の回転とスペツ
クルの移動との関係を示す説明図、第9図は本発
明の光学式変位・回転測定装置の他の実施例を示
す構成図である。
1……光源、21,22,23,24,25…
…偏光ビームスプリツタ、11,12,31,3
2……レンズ、30……絞り板、4……ターゲツ
ト、40……拡散面、51,53,54……λ/
4板、52……λ/2板、61,62……ミラ
ー、71,72,73,74,75……受光器、
26,27,28……ハーフミラ。
Figure 1 is a configuration explanatory diagram showing an example of a conventional optical mechanical quantity measuring device, Figure 2 is a configuration block diagram showing an electrical circuit, and Figures 3 and 4 are x-axis light receiving devices in the device shown in Figure 1. FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the speckle pattern created on the light-receiving surfaces of the receiver (y-axis receiver) and z-axis receiver. FIG. 5 is an explanatory diagram of the polarization plane of light near the receiver 73, and FIG. An explanatory diagram showing the frequency spectrum of the signal obtained from the optical receiver, FIG. 7 is a configuration diagram showing an embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention, and FIG. 8 shows the rotation of the target 4 and the movement of the speckle. FIG. 9 is a configuration diagram showing another embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention. 1...Light source, 21, 22, 23, 24, 25...
...Polarizing beam splitter, 11, 12, 31, 3
2...Lens, 30...Aperture plate, 4...Target, 40...Diffusion surface, 51, 53, 54...λ/
4 plates, 52... λ/2 plate, 61, 62... Mirror, 71, 72, 73, 74, 75... Light receiver,
26, 27, 28...Half Mira.
Claims (1)
面に可干渉な光を照射するとともにその反射光に
より生じるスペツクルの動きを検出し前記ターゲ
ツトの変位量を測定するようにした光学的測定装
置において、前記ターゲツトの1つの軸方向の動
きに対して前記スペツクルの動きを検出する検出
点を前記ターゲツトの結像位置またはその前後の
いずれか2点に選定するとともに、各検出点より
得られる検出信号を演算して前記ターゲツトの変
位量および回転変位量に比例した出力を発生する
ことを特徴とする光学式変位・回転測定装置。1. An optical measurement device that measures the amount of displacement of the target by irradiating coherent light onto the diffuse surface of a target that is displaced in accordance with the amount to be measured, and detecting the movement of speckles caused by the reflected light. Detection points for detecting the movement of the speckle with respect to the movement of the target in one axial direction are selected at the image formation position of the target or any two points before and after the image formation position of the target, and the detection signals obtained from each detection point are An optical displacement/rotation measuring device characterized in that it calculates and generates an output proportional to the amount of displacement and rotational displacement of the target.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18140283A JPS6071911A (en) | 1983-09-29 | 1983-09-29 | Optical device for measuring displacement and rotation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18140283A JPS6071911A (en) | 1983-09-29 | 1983-09-29 | Optical device for measuring displacement and rotation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6071911A JPS6071911A (en) | 1985-04-23 |
JPH045122B2 true JPH045122B2 (en) | 1992-01-30 |
Family
ID=16100121
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18140283A Granted JPS6071911A (en) | 1983-09-29 | 1983-09-29 | Optical device for measuring displacement and rotation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6071911A (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03128405A (en) * | 1989-10-12 | 1991-05-31 | Keyence Corp | Feed quantity detecting device for material of forming machine or the like |
US6642506B1 (en) | 2000-06-01 | 2003-11-04 | Mitutoyo Corporation | Speckle-image-based optical position transducer having improved mounting and directional sensitivities |
US6873422B2 (en) | 2000-12-08 | 2005-03-29 | Mitutoyo Corporation | Systems and methods for high-accuracy displacement determination in a correlation based position transducer |
JP4616692B2 (en) * | 2005-04-21 | 2011-01-19 | 株式会社ミツトヨ | Displacement detector |
-
1983
- 1983-09-29 JP JP18140283A patent/JPS6071911A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS6071911A (en) | 1985-04-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10429171B2 (en) | Laser multibeam differential interferometric sensor and methods for vibration imaging | |
US4512661A (en) | Dual differential interferometer | |
US6954273B2 (en) | Laser-based measuring apparatus for measuring an axial run-out in a cylinder of rotation and method for measuring the same utilizing opposing incident measuring light beams | |
JP2007163479A (en) | Interferometer | |
US3635552A (en) | Optical interferometer | |
RU2458352C2 (en) | Detector and method of determining speed | |
JPH0339605A (en) | Optical surface shape measuring instrument | |
JPH045122B2 (en) | ||
JPH0134082Y2 (en) | ||
JPS58225304A (en) | Optical type mechanical quantity measuring apparatus | |
JPH0141205B2 (en) | ||
JPS59162405A (en) | Optical-type mechanical-quantity measuring device | |
JP2779497B2 (en) | Interferometer | |
JPH04155260A (en) | Rotational speed measuring apparatus | |
JPH0141204B2 (en) | ||
JPH01142401A (en) | Optical displacement measuring apparatus | |
JPS58225301A (en) | Optical type displacement measuring apparatus | |
JPS60216207A (en) | Optical measuring instrument for mechanical amount | |
JPH06221853A (en) | Position detector | |
JPH0719842A (en) | Optical measuring apparatus for shape of surface | |
JP3466713B2 (en) | Measuring device | |
JPS62200209A (en) | Shape measuring apparatus | |
JPS63311325A (en) | Polarization separating/synthesizing device | |
JP2900052B2 (en) | Micro displacement meter | |
Huang et al. | Coordinate Transformation Assembly |