JPH045122B2 - - Google Patents
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- 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
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- 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
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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 |
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