JPS6071911A - 光学式変位・回転測定装置 - 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】 〔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。

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ッ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おる。

〔従来技術〕

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５７−１０９５４８号として出願した光学式機械量
測定装置がめる。これは光学的な手段を利用して５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。

この光学式機械量測定装置は、光源からの可干渉な光を
被測定根絨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ッ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、このスペックルパターンに
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。

第１図は本装置の一例を示す構成説明図でろる。

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Ｂｘｆｔ構成している
。２１は第１の偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳと略
す）、２２は第２のＰＢＳ　、　２３は第５のＰＢＳ　
。

２４は第４のＰＢＳ、２５は第５のＰＢＳで必る。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ＰＢＳ
２４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ＰＢＳ　２５は、第４のＰＢ
Ｓ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ｆＩ　Ｔｆ２のレ
ンズ、３０はレンズ３１と３３との間でろって、レンズ
３１からｆｌ、レンズ３２からｆｚ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
は拡箕面４０ヲ有するターゲットで、レンズ３２から１
（１は０〜２ｆｚ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次元の測定機械数が与えられる０５１はレンズ３
２とターゲット４との間に設置したλ／４板、６１．６
２はミラーで、第１のＰＢＳ　２１で分割された光源１
からの光が、第４のＰＢＳ　２４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Ｃｔ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Ｃｔに対してθ２−４ｆ十Δθだけ傾斜しである０
５２はミラー６１と第１のｐＩ３Ｓ　２１との間に設置
したλ／２板、５３は第１のＰＢＳ　２１と第２のＰＢ
Ｓとの間に設けたλ／４板、５４は第２のＰＢＳ　２２
と第３のＰＢＳ　２３との間に設けたλ／４板でおる。

７１は第３のＰＢＳ　２３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で分割てれた他方
の光を受光するｙ軸受光器で、これらには多数個の受光
素子をプレイ状に配列して構成逼れるＣＯＤ　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（５） 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Ｉ’ＢＳから出た光を受光する受光器でる
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。

第２図は第１図装置において、電気的な回路を示す構成
ブロック図である。この図において、７０は）例えばＣ
ＯＤで構成された各受光器７１．７２．７３を駆動する
クロック発振器で、例えば周波数ｆｃのクロック信号を
各受光器に印加している。８１．８２゜８３は各受光器
７１．７２．７３からの出力周波数信号ｆｘ。

ｆｙ、　ｆｚを入力し、これと参照周波数個号ｆＲとを
ミキシングするミキ？、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ィルタ、４１．４２．４３はそ
れぞれローパスフィルタ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ｆａｘ、　ｆｏｙ、　ｆｏｚ　ｆ入
力する演算回路で、この演算回路としては、例えばマイ
クロプロセッサが使用される。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（４） 表示する。

と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Ｂ
Ｘで拡げられ、平行光となって第１のＰＢＳ　２１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（Ｂ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、ターゲット４の拡散面４０に平行光とな
って照射される。ターゲット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ってランダムな位相
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．絞シ板３０の透孔、レンズ３１を通って
戻り、第１のＰＢＳ　２１に入射する。ここで、レンズ
３１．絞り板３０．レンズ３２は、スペックルの純移動
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
ーパスフィルタとして機能するものである。第１のＰＢ
Ｓ　２１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）となっており、第１のＰＢＳ　２
１を通過する。ここを通過したターゲット４の拡散面４
０からの反射光は、λ／４板５３ヲ通過して円偏光とな
り、第２のＰＢＳ　２２で２つに分かれ、一方はλ／４
板５４ヲ通って円偏光となり、第５のＰＢＳ　２３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ックルパター
ンをつくる。

第３図は、Ｘ軸受光器７１及びｙ軸受光器７２上に得ら
れるスペックルパターンの一例を示ス図テある。この図
において、スペックルパターンは、ターゲット４が矢印
Ｘ方向に移動したときは、Ｘ軸方向に移動し、ターゲッ
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
に示すようなスペックルパターンの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ックルパターンのｙ軸方向変位
を把える。

一方、第４のＰＢＳ　２４へ入射した拡散面４ｏがらの
反射光は、そのｔま通過し、第５のＰＢＳ　２５に入射
する。また、光源１がら第１のＰＢＳ　２１に入射した
光の中で、Ｐ波成分はここを透過し、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ＰＢＳ　２４に入射し、ここで反射して第５
のＰＢＳ　２５に参照光として入射する。第５のＰＢＳ
　２５は、第４のＰＢＳ　２４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
ーゲット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°成分のものが透過し、２
軸受光器７３上に干渉縞がつくられる。

なお、第５のＰＢＳ　２５は偏光板を用いてもよい。

第４図は、２軸受光器７３上に得られたパターンの一例
を示す図であって、スペッ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、ターゲット４が矢印２方向に移動する
と、瓢方向に移動する。２軸受光器７３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２軸方向変
位を把える。

ここで、レンズ３１．３２の距離がｆ１＋ｆ２であるこ
とと、ターゲット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シ、この状態では、−ｌノ 各受光器の受光面に得られるスペックルパターンの、平
均的スペックル径は、（ｆ□λ）／（πｄ）で与えられ
る口したがって、レンズ３１から各受光器までの距離や
、レンズ３２とターゲット４との間の距離ｔは、純移動
状態とスペックル径には無関係となる。

各受光器７１．７２．７３は、一端にクロック発振器７
０から周波数ｆｃのクロック信号が印加されて駆動され
ており１各受光器７１．７２．７３からｆｃ　＝　ｆｃ
／Ｎ　（ただしＮは受光器７１．７２．７３のど、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。

第６図は、各受光器７１．７２．７３がら得られる周波
数信号ｆｘ、　ｆｙ、　ｆｚの周波数スペクトルを示す
説明図である。乙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、がっそのピーク
は、各受光器の全幅の１７（整数）と、干渉縞の間隔が
等しいところが一番大きくなり、ターゲット４の移動と
ともに、移動する。例えば、ターゲット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（８） 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１ターゲ
ツト４がｙ方向にＹだけ移動すれば、受光器７２からの
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ｄｙｌｄｔ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＋ｙｔＺの変位量を
測定できる。

例えば第２図の回路において、ミキｖ８１．８２゜８３
は、各受光器から出力されるｍ矢高調波Ｐｍと、その近
傍周波数ｆＲとをミキシング、すなわちヘテロゲイン検
波し、各出力をローパスフィルタ９１゜９２、９３を介
するととによって、その出力端に次式に示すような周波
数信号ｆａｘ、　ｆｏｙ、　ｆｏｚをそれぞれ得る。

ｆａｘ　＝　ｍｆｏ　−ｆＲ±Δ　ｆｍｘｆｏｙ　＝　
ｍｆｏ　−ｆＲ±Δｆｍｙｆｏｚ　＝　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ｆａｘ、　ｆｏｙ、　ｆ
ｏｚ　ｔ−人力し、所定の演算、例えば積分を含む演算
をすることによって、ターゲット４の各矢印ｘ＋　３’
＋　ｚ方向の変位量Ｘ、Ｙ、Ｚｌ知ることができる。ま
たΔｆｍｘ　ｒΔｆｍｙ　、Δｆｍｚ　は、ターゲット
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。

このように構成てれる装置は、ひとつの光源からのビー
ムによって５次元の変位が同時に測定でするもので、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、演算処理が容易でおり
、高分解能で、各種機械量を測定することができる。

ここで、このような機械量測定装置においては、ｘ＋　
’Ｖ、ｓ　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ットの回転に対し
ては、その回転量を測定することはできない。

すなわち、ターゲットが回転すると、受光器側の空間に
存在するスペックルもターゲットの結像位置を中心に回
転する。このため、受光器をターゲットの結像位置より
外れた位置に置いた場合には、ターゲットの回転に伴っ
て受光器上のスペックルが移動し、ターゲットの回転が
軸方向の変位として誤って検出されてしまう０したがっ
て、この装置では、受光器はターゲットの結像位置に置
く以外になく、各軸を中心としたターゲットの回転変位
量を測定することはで！！ない。

〔発明の目的〕

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ｔ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。

〔発明の概要〕

本発明の光学式変位・回転測定装置は、ターゲットの回
転に伴って移動するスペックルの移動方向が、ターゲッ
トの結像位置の前後で逆方向となることを利用して、受
光器をターゲッ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（１１） ツクシ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、ターゲットの回転変位量を測定
するようにしたものである。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

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。２６〜２８はハーフミラ
−％７４．７５は新たに設けられた受光器である。受光
器７１．、７４はターゲット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θｙｋ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お工びＸ軸を中心とした回転変位θｘ１
に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−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ット４の結像位
置でｓｂ、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よシ前にそれぞれ
配置されている・ （１２） 第８図はターゲット４が回転した場合におけるスペック
ルの動きを示す説明図である。図において、ターゲット
４が回転した場合、空間に存在するスペックルも同様に
回転する。この時、途中にレンズが置かれていると、ス
ペックルの動きはターゲット４の結像位置Ｐｔ−境とし
てその前後で反対向きとなる。また、動きの量はターゲ
ット４の回転角θと結像位置Ｐからの距離１１．１２に
比例したものとなる。

さて、第７図にもどって、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、ターフッ１４０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、ターゲット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、Ｘｌｉ＋ＩＩＩを中心に回転した場合には
、受光器７２．７５が出力を発生する。なお、ターゲッ
ト４のｘ、ｙ軸上の変位に対しては、スペックルが結像
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◇いま）受光器７１．７４．７２．７５の出力
をそれぞれｓｘｉ’　ｓｘ２’　ｓｙｌ’　ｓｙ２とす
ると、ターゲ、ｙト４ｔｖ変位Ｘ、ＹおよびＸ軸、Ｙｉ
ｌｌｌｌ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。

５ｘ１−ａｘ＋ｂθｙ Ｓ　エａＸ、ｂθア ２ Ｓｙｌ　＝　ａＹ　＋　ｂθ・ Ｓ、２＝　ａＹ　−ｂθ・ ユ、ｂは比例定数である。

上式より明らかなように、各受光器７１．７２．７４゜
７５の出力を演算し、（ＳＸ１＋ＳＸ□）をＸ軸方向の
変位量、（ｓ　−ｓ　）をＹ軸を中心とした回転ｘ１　
ｘ２ 変位量、（ＳＸ１＋ＳＸ□）をＹ軸方向の変位量、（Ｓ
−Ｓ）をＸ＠を中心とした回転変位量とすｙｔ　ｙ２ ることにより、それぞれ罵Ｙ、θＸ、θｙ　に比例した
出力を得ることができる。

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
ット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７１．７２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ット４の回
転には左右されず、Ｘ＋　５’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、Ｘ１−ａｘ ＳＸ２＝ａｘ＋ｂθｙ Ｓ　−ａＹ ｙｔ　− ８ｙ２　＝　ａＹ　＋ゝθ８ となり、（Ｓ　−８）および（ｓ−ｓ’）をｘ２　ｘｉ
　ｙ２　ｙｌ 演算することにより、ターゲット４の回転変位量を測定
することができる。

なお、上記の説明では、２枚のレンズ３１．３２ｉ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、ターゲット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、ターゲット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、（１５） ここでは、各受光器として、ＣＯＤのようなイメージセ
ンサを用いることを想定したが、空間フィルタを組合せ
たようなパターン検出器を用いてもよいＯ 〔発明の効果〕 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、ターゲットとは非接触で、とのターゲットの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
と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。

【図面の簡単な説明】

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ック図、
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２軸受光器の受光面につくられるスペッ
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＠は本
発明の光学式変位・回転測定装置の一実施例を示す（１
６） 構成図、第８図はターゲット４の回転とスペックルの移
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
光ビームスプリッタ％　１１．１２．３１．３２・・”
レンズ、３０・・・絞り板、４・・・ターゲット、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、２６．２７．２Ｂ　
、、、ノ・−フミラ。 爪４図 一一一→−２ 蔦５図 ンｂ 蒐６図 Ａ 壓 −８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定量に応じて変位するターゲットの拡散面に可干渉
   な光を照射するとともにその反射光により生じるスペッ
   クルの動きを検出し前記ターゲッ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、前記ターゲットの
   １つの軸方向の動きに対して前記スペックルの動きを検
   出する検出点を前記ターゲッ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ットの変位量およ
   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。