JP2009186254A - 光線角度検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】微小角度センサのダイナミックレンジの増大と、センサ出力の安定性の向上のために、ディジタル読みの角度センサを提供する。
【解決手段】目的の光線をセンサ内で２分して、同じ光路長を経た後、所定の交差角で干渉面に入射させて両スポットを重ねることで生成されるスポット内の干渉縞を目盛として用いる。目的の光線のセンサへの入射角が変わるとその微小角変位に比例して干渉面上のスポットが干渉縞を維持したまま移動し、スポット内の干渉縞がエンコーダにおける目盛移動と同様の効果を現出する。
【選択図】図1

Description

本発明は測定技術に関し、とくに、光線の進行方向の角度変化を測定する光線角度検出器に関する。

精密な機械の運動中の姿勢誤差の測定には、角度センサが不可欠である。また、精密な鏡面を成す加工面の形状測定にも角度センサが有効に利用されることが知られている。そのための角度センサとしては、光線の方向変化角を光路長に比例した光スポットの変位として取り出す（測定対象面から反射した光束を用いて角度を検出する）光てこ方式や、前記光てこ方式の光路長を対物レンズの焦点距離として、固定することの出来るオートコリメーションの原理によるものが古くから利用されており、近年はそのオートコリメーションの原理による光線角度の検出装置で、読取部に光電素子を用いて電気信号として角度を取り出す装置が多用されている。

オートコリメーションの原理の他には、臨界角近傍での光線の入射角の変化に対する反射率の急変を利用した、臨界角方式の光電式角度センサも研究されている。また、最近は、この反射率の変化を反射光だけでなく透過光も利用した差動型検出の原理も発明されている（特許文献１参照）。また、光学干渉計の２本の干渉腕を構成する固定鏡と移動鏡を一体化して移動物体上に固定することで前記移動物体の姿勢変化が両干渉腕の光路長差として干渉信号の変化に現れることを利用する原理も干渉測長システムに組み込まれて使われている。
特開２００４−１７７１８９号公報

従来の角度測定装置のうち、オートコリメーションや反射率変化を原理とするものはアナログ式のセンサであり、SN比などの関係からダイナミックレンジが制限され、高分解能のものは測定範囲が狭くなり、測定範囲を広げると分解能が悪くなるという難点があった。また、アナログセンサの難点である、長時間でのセンサ出力の安定性に課題があった。

また、姿勢変化を干渉計の光路長差に変換して検出するディジタル型のものでは、角度変化を光路長変化に変えるために必要な前記固定鏡と移動鏡の距離の制限から分解能を高められないという課題があった。また、この干渉計測方式では、移動物体の姿勢変化は測定できても、鏡面形状における法線方向測定などには使えないという難点がある。

このように、従来のアナログ型の角度測定器では、ダイナミックレンジが不足することと、長時間の安定性にかけるという嫌いがあった。そのためこれらを用いて球面や非球面など、法線方向角度変化が大きくなる、平面以外の鏡の形状を精度良く測定することは大変困難な状況にある。

本発明は、かかる問題点に鑑み、光てこの原理で移動する光スポット内に固定される干渉縞を構成し、方向を測定すべき光線の角度変化による光スポットの移動によって、リニヤエンコーダの目盛移動に相当する状態を作り出す手段を提供することを目的とする。

本発明は、角度を検出すべき目的の光線を検出部に入射後に所定の点で分岐（光路分岐と称す）して、光路分岐後の２つの光線が等しい光路長を有する光路を通過後に相互に所定の角度だけ傾いた状態で所定の干渉面で重ね合わされるように照射され、両光線が重なるときに生じる干渉縞を目盛として用いて、当該目盛が相対移動する量から前記光路分岐点に入射する前記目的の光線の方向角度変化を読み取ることを特徴とする。

本発明の原理を図面を参照して説明する。本発明の光線角度検出器の概略構成を示す図１において、ハーフミラーである光路分岐面を有する第１ビームスプリッタＢＳ１，第１ミラーＭ１，第２ミラーＭ２，内部に直交する反射面を有する光路調整用プリズムＬＡＰ、光路結合面を有する第２ビームスプリッタＢＳ２，干渉面ＩＰが図のように配置されている。尚、光線角度検出器内で光線が通過する光路内において、空気の揺らぎの影響を低減するため、空中に曝される範囲を出来るだけ小さくし、光学要素間は、真空か一様材質の透明物体が配置されているものとする。又、ビームスプリッタの代わりに、ウォラストンプリズムを用いて複屈折を利用して光束を２方向に分けることもできる。

ここで、第１ビームスプリッタＢＳ１の光路分岐面に対して所定角度で、基準光線（光線角度が既知である必要はない）を入射させると、その一部は第１光線Ｌ１として、実線で示すように光路分岐面の光路分岐点ＤＰを通過し、第１ビームスプリッタＢＳ１から出射し、光路調整用プリズムＬＡＰに入射して、内部の反射面で２回反射した後、第２ビームスプリッタＢＳ２に入射し、内部の光路結合面で反射して、更に第２ビームスプリッタＢＳ２から出射して、干渉面ＩＰにスポット光として照射される。

一方、第１ビームスプリッタＢＳ１の光路分岐面に対して所定角度で入射した基準光線の残りは、第２光線Ｌ２として、実線で示すように光路分岐面の光路分岐点ＤＰで反射し、第１ビームスプリッタＢＳ１から出射した後、第１ミラーＭ１で反射され、次いで第２ミラーＭ２で反射され、光路調整用プリズムＬＡＰを通過することなく、第２ビームスプリッタＢＳ２に入射し、内部の光路結合面を通過した後、第２ビームスプリッタＢＳ２から出射して、第１光線Ｌ１のスポット光と重なるようにして、干渉面ＩＰにスポット光として照射される。このとき、方向調整用反射面である第２ミラーＭ２及び／又は光路長調整用ピリズムＬＡＰを微小回転変位させることで、第１光線Ｌ１と第２光線Ｌ２との干渉面上での交差角を所定値に調整し、且つ第１光線Ｌ１の光路長と、第２光線Ｌ２の光路長とを等しくするようにする。これにより、第１光線Ｌ１と第２光線Ｌ２とが干渉面ＩＰの同じ位置に照射された場合、図２に示すように、光線Ｌ１，Ｌ２の傾きに依存した干渉縞が観察される。かかるスポット光の位置を、便宜上基準位置とする。

これに対し、図１に点線で示すように、基準光線に対して角度θで傾いた、方向を検出すべき被測定光線が、第１ビームスプリッタＢＳ１に入射したものとする。かかる場合、光路分岐面を通過した第１光線Ｌ１は同様な光路を辿り、干渉面ＩＰの基準位置とは異なる位置にスポット光として照射される。一方、第２ビームスプリッタＢＳ２の光路分岐面で反射した第２光線Ｌ２も同様な光路を辿り、第１光線Ｌ１のスポット光と重なるようにして、干渉面ＩＰ上にスポット光として照射される。光線１と光線2は、それぞれ光路内に配置された方向調整用の可動な反射面（Ｍ２，ＬＡＰ）により反射されるようになっており、これにより角度センサの構築の際に両光線のなす角を所望の角度に調整されると好ましい。干渉面ＩＰで二つの光線Ｌ１，Ｌ２が作るスポットが重なり、その重なった領域では光線の相互の傾斜角に応じたピッチで干渉縞が生成される。

ここで、方向を検出すべき被測定光線が、基準光線に対して角度θで傾いているために、第１光線Ｌ１と第２光線Ｌ２のスポット光の位置は、角度θに応じた距離Δだけ基準位置からシフトすることとなるが、観察された像のみから距離Δを求めるのは困難である。そこで、本発明においては、干渉縞の間隔から距離Δを求めることとする。

より具体的には、図３に示した例のように、フォトダイオード等の読取部を用いて、干渉面ＩＰ上に形成された干渉縞の明暗を電気信号に変えて、干渉縞の通過数を電気回路(不図示)で読み取ることができる。より具体的には、図３（ａ）のように、2分割フォトダイオードＡ１をスポットが覆う位置に配置すると、スポットの移動に伴う干渉縞の移動によってフォトダイオードＡ１の差動出力から正弦波信号が得られる。この正弦波の信号レベルがマイナスからプラスに向けてゼロになる回数を読み取れば、干渉縞の数だけの移動量がわかる。その縞と縞の間の量は、通常のエンコーダや干渉測長機と同様にアナログ量として電気的に内挿する。

また、2分割フォトダイオードＢ１を、前記2分割フォトダイオードＡ１と干渉縞ピッチで１／４だけずれた位置に配置するようにすると、通常の干渉計やエンコーダの読み取りにおけると同様、いずれの方向への移動かを示す方向弁別信号を作製するために使える。このとき、干渉縞に位相変調を加えて縞間内挿値を読み取ることも、通常の干渉計と同じ原理で出来る。

図３（ｂ）は、スポット径以上の移動をもたらす角度変化を読み取るために、Δ／４干渉縞ピッチずつ互いにずらした受光フォトダイオードを3対配置した場合の模式図である。また、図３（ｃ）は、干渉縞に等しいスリット幅の読み取り用の格子Ｄ１をフォトダイオードの前に配置して、格子Ｄ１の明暗と干渉縞の明暗が重なる量の変化で正弦波信号を得ようとする場合の例で、格子Ｄ１を通り抜ける光を集光レンズＬＳで集めて、受光フォトダイオードで検出するようにすれば、格子Ｄ１の長さで測定範囲が拡張できる。角変位が大きくなる場合は、光線分岐点から格子までの光路長を半径とする円弧上に格子Ｄ１を配置することで読み取り精度を高めることも出来る。

また、読取用格子Ｄ２を前記読取用格子Ｄ１と干渉縞ピッチの１／４だけずれた位置に配置するようにすると、やはり方向弁別信号を作製するために使える。また、このとき干渉縞に位相変調を加えて縞間内挿値をよみとることも、通常の干渉計と同じ原理で出来る。もちろん、位相変調を加えないで、直接アナログ値の大小から縞間内挿をすることもできる。

このように本発明によれば、角度を検出すべき目的となる光線を、検出部としての第１ビームスプリッタＢＳ１に入射後に、所定の光路分岐点ＤＰで分岐して、分岐後の２つの光線Ｌ１，Ｌ２が等しい光路長を有する光路を通過後に、相互に所定の角度だけ傾いた状態で所定の干渉面ＩＰで干渉するように調整することにより、両光線Ｌ１，Ｌ２が重なるスポット内に干渉縞を生じることを利用して、光線角度を求めることができるのである。干渉縞は、干渉形状測定器に置いて参照鏡と基準鏡が相互に傾斜しているときの生じる干渉縞と同様のものである。

この干渉縞は、前記目的の光線の光線角度検出器の内部での光路分岐後の両光線Ｌ１，Ｌ２の交差角度だけで決まるので、光路内の光学要素を動かさない限りその縞間隔は不変であり、エンコーダの目盛として安定しているといえる。また、光路分岐後の光線Ｌ１，Ｌ２は大部分真空又は一様材質の透明物体を通り、空気にさらされることが無いので空気による揺らぎがなく干渉縞の安定度は高い。

光路分岐面へ入射する光線の角度（入射角）θが変わると、前記干渉縞を有するスポットが全体として入射光の角度変化に比例して移動するので、あたかもリニヤエンコーダのスケール全体が移動するように干渉縞全体が移動する。この干渉縞の移動を通常の干渉測長機やリニヤエンコーダの読み取り原理と同じように読み取れば、検出部に入射する光線の角度変化を読み取ることができる。

すなわち、前記光路分岐点ＤＰから前記干渉面ＩＰまでの光路長を腕とする光てこによって干渉面ＩＰでのスポットが干渉縞を一定に保ったまま、光路分岐点ＤＰへの入射角の変化に応じて移動することで、ディジタル型の角度検出器が実現できる。

数値を使って定量的に述べると、５００ナノメートルの波長を有する光線を使うと、０．１radの交差角で重ねた光線は、スポット径１ｍｍあたり２００本の干渉縞が生じる。これは光路長を１０００ｍｍとすると一本あたり５マイクロrad、すなわち１秒の目盛となる。スポット径を１０ｍｍとすると、目盛範囲は、０．０１rad、２０００秒となり、検出部を１０ｍｍ間隔で３個置くと、全体としての測定範囲は６０００秒、約1．６度となる。目盛間を１/1000で内挿できると、分解能５nrad、程度となる。光路長を５００ｍｍとすれば、ダイナミックレンジが同じであるとして、分解能10nrad、測定範囲３．２度となる。

本発明の原理によれば、光てこ方式の腕の長さを光線角度検出器内での長さに固定することになるので、変位に対する感度は無くなり、光路分岐点ＤＰから干渉面ＩＰまでの光路長が原理的に固定されているので、光路内の光学要素を動かさない限りスポット内での干渉縞の移動はない。光線角度検出器への入射光線の干渉面ＩＰ上でのスポットが、スポット内での干渉縞を不変に保ったまま前記入射光線の角度方向に比例して移動するので、干渉面ＩＰ上では角度に比例して移動する等間隔の目盛の役目をすることになる。

なお、拡散光、収束光である光束についても、光路を形成する光学素子の幅が許す範囲の光線方向変化幅であれば、干渉面での干渉縞の間隔が平行光線の場合と異なることを考慮すれば、同様にその入射光束の方向変化は検出可能である。

従来技術ではアナログ出力しかなかったため、ダイナミックレンジに限界があった微小角度センサに、本発明によれば、干渉測長機と類似の干渉縞によるディジタル的な目盛を持たせることが出来る。そのため、高い分解能と広い測定範囲を同時に実現する微小角度センサが提供できる。

また本発明によれば、目盛となる干渉縞は、光源の波長の安定性の許容する範囲で、また、光源光線の方向性の安定する限りにおいて安定したものとなる。

本発明はまた、前記光路分岐後の2本の光線の相互の傾き角を調節することで、生じる干渉縞の間隔を制御することのできることを特徴とする。例えば図１，２の第２ミラーＭ２を回転させて、反射面の傾きを変えることで、光線Ｌ１、Ｌ２の交差角を変更することができ、それにより干渉縞の任意の間隔を設定できる。

本発明はまた、角度を検出すべき目的の光線を、前記光路分岐点の前で分岐して分岐後の一方を屈折率の異なる境界面に入射させたときの反射率と透過率のバランスから前記目的の光線のセンサ光軸に対する角度の原点を決めることを特徴とする。これにより、光線角度検出器固有の光軸に対する目盛の原点を決めることが出来る。すなわち、これは、エンコーダにおいて絶対座標を決めることに相当する。

図1の分岐点に入射する光線が、実線の方向から破線の方向に変わると、干渉面ＩＰでのスポット位置は図1に示すように移動する。この移動量ｘは、分岐後の光路長L(光線Ｌ１も光線Ｌ２も基本的に同じ長さに調整してある)と、微小な角度変化量θに近似的に比例し、ｘ＝Lθとなる。このセンサに基準を作るのが、原点を決めるアナログセンサである。後述する図５の角度センサ(光線角度検出装置１)におけるアナログ出力が所定の値になるときを原点とし、その状態で入射する光線を基準光線として良い。通常はこのアナログ出力がゼロになるところ、先の反射率変化による角度センサでは反射率50%のところ、すなわち反射光と透過光の強度が等しくなるところと決めるが、本発明においては、必ずしも基準光線を決める必要はなく、２つの光線の角度変化を求めることができることがポイントである。

また、図５の光線角度検出装置２は前記角度センサと類似のもので、光源の角度方向の揺らぎを検出して補正するのに使える。

本発明はまた、干渉前の光線を分岐し、干渉時の2本の光線のなす角度をそれぞれ調整することで、生じる干渉縞間隔を２段階以上にして、間隔の異なる目盛を複数形成することを特徴とする。例えば図４に示すように、干渉面ＩＰ上で間隔の異なる干渉縞を持つ二つのスポットＳＰ１，ＳＰ２を生成することも出来る。

本発明はまた、前記目的の光線を直交する2方向に2次元分岐後、それぞれの光線を含む直交する前記2面内でさらに2つの干渉腕に前記検出分岐することで、前記目的の光線の前記2面内での傾きの変化検出することが出来る。干渉腕とは、光線L１については、分岐点DPから光路長調整プリズムLAP、光線方向調整用プリズムBS2を経て干渉面IPまでの光路長を、光線L2については、分岐点DPから、反射鏡面M1、方向調整用鏡面M2を経て干渉面IPまでの光路長を指す。

前記光路分岐後の一方の光線の光路長を変化させることで干渉縞読み取りにおける縞間内捜を、ゼロクロス点を使って実現することを特徴とする。

前記干渉縞が形成されるスポット径を超えた移動範囲の干渉縞を読み取るために複数の読取部を具備していることを特徴とする。

干渉縞の読取部として、エンコーダの読取部として多用されている干渉縞と等しい間隔の格子（読取格子）を受光部に配置し多数の干渉縞を同時に使って縞の明暗を受光することを特徴とする。

前記読取格子形成に液晶を用いて、コンピュータ制御で複数の受光部に対応した格子を配置することが出来ることを特徴とする。

前記光路分岐前の光線の方向を、音響光学素子、圧電素子（PZT）と鏡などで変化させることで、干渉縞の位相を移動させ干渉縞読み取りにおける縞間内捜を、ゼロクロス点を使って実現することを特徴とする。

図５は、本発明の光線角度検出器を適用した角度センサの概略構成図である。ここでは、目盛間の内挿に、位相変調技術を適用して、ゼロクロス点を使った高分解能の内挿を実現している。図５の実施の形態は、図１の構成に類似しているが、単一の光源ＬＤと、第３ビームスプリッタＢＳ３と、図１の光線角度検出器１、２とを設け、更に第１ミラーＭ１の代わりに第４ビームスプリッタＢＳ４を設け、光路調整用プリズムＬＡＰを位相変調用アクチュエータＡＣＴで移動可能としている。

光源ＬＤを出た光線は、第３ビームスプリッタＢＳ３で、法線方向測定反射面ＯＰに向けて反射し、更に法線方向測定反射面ＯＰからの反射光が、第３ビームスプリッタＢＳ３を通過して、第１ビームスプリッタＢＳ１に入射する。なお、光源ＬＤからの光線の一部が光線角度検出器１に向かっているが、光線角度検出器1では光源ＬＤからの光線の方向が変化しないよう監視し、変化するようであればその変化量を用いて、角度センサの出力を修正するものである。

また、第１ビームスプリッタＢＳ１の光路分岐点ＤＰで反射された光線Ｌ2の一部が直接、光線角度検出装置２に向かっているが、この光線角度検出器２の角度ゼロの出力が、角度センサの光軸のゼロを決めることになり、干渉縞による目盛の座標の原点を定めるのに用いる。

位相変調用アクチュエータＡＣＴは、光路長調整プリズムＬＡＰに微少変位を加えて、最終的に干渉縞に位相変調を当てるのに使う。位相変調用アクチュエータＡＣＴにより光路長調整プリズムが偏された場合、変位の2倍だけ光線Ｌ1の光路長が変化するので、干渉縞がそれに応じて移動することになり、即ち干渉縞の位相を変えることが出来る。なお、光路長でなく、光線Ｌ1あるいは光線Ｌ2の方向を微小変化させると、干渉縞全体が微小移動して位相変調と同様の効果が得られる。

また、この光線角度検出装置の角度検出部に、光てこ型の角度センサでなく反射率変化型のセンサを用いることでコンパクトなセンサが実現できる。

更に本発明によれば、光線角度検出装置を２次元的に組み合わせることで、光線の直交2方向の角度変化を検出することが出来る。

また、本発明によれば、読取部を追加することで測定範囲を拡大することが出来る。更に本発明によれば、干渉縞の読取において複数の干渉縞を同時に使って強度変化の振幅を大きくしてＳＮ比を高めることが出来る。また、干渉測長機やエンコーダにおける同じように、角度の増減を識別する方向弁別を行うことも出来る。

本発明の原理を示す図である。 本発明の原理を示す図である。 本発明の原理を示す図である。 本発明の原理を示す図である。 受光部と光源を一体化させた発明の実施形態の例を示す図である。

符号の説明

ＢＳ１ ビームスプリッタ
ＢＳ２ ビームスプリッタ
ＢＳ３ ビームスプリッタ
ＢＳ４ ビームスプリッタ
ＤＰ 光路分岐点
ＩＰ 干渉面
Ｌ１，Ｌ２ 光線
ＬＡＰ 光路長調整プリズム
ＬＤ 光源
Ｍ１ ミラー
Ｍ２ ミラー
ＯＰ 法線方向測定反射面
Ａ１，Ａ２，Ａ３ ２分割フォトダイオード
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ ２分割フォトダイオード
Ａ，Ｂ フォトダイオード
Ｄ１，Ｄ２ 読み取り用格子
１，２ 光線角度検出装置 (ゼロ点検出用アナログ型角度センサ)

Claims (5)

1. 角度を検出すべき目的の光線を検出部に入射後に所定の点で分岐（光路分岐と称す）して、光路分岐後の２つの光線が等しい光路長を有する光路を通過後に相互に所定の角度だけ傾いた状態で所定の干渉面で重ね合わされるように照射され、両光線が重なるときに生じる干渉縞を目盛として用いて、当該目盛が相対移動する量から前記光路分岐点に入射する前記目的の光線の方向角度変化を読み取る光線角度検出器。
2. 前記光路分岐後の2本の光線の相互の傾き角を調節することで、生じる干渉縞の間隔を制御することのできる請求項1に記載の光線角度検出器
3. 前記目的の光線の光路分岐前の光線の一部を原点検出のために分岐（原点検出分岐と称する）して、屈折率の異なる境界面に入射させたときの反射率と透過率のバランスから、光線角度検出器の角度原点に対する前記目的の光線の角度を決めることの出来る請求項１又は２に記載の光線角度検出器。
4. 干渉前の光線を分岐（分割分岐と称す）し、分割分岐後の干渉時の2本の光線のなす角度をそれぞれ調整することで、生じる干渉縞間隔を２段階以上にして、間隔の異なる目盛を複数形成することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の光線角度検出器。
5. 前記目的の光線を直交する2方向に分岐（2次元分岐と称す）後、それぞれの光線を含む直交する前記2面内でさらに2つの干渉腕に前記光路分岐することで、前記目的の光線の前記2面内での角度変化を検出することの出来る請求項1〜４のいずれかに記載の光線角度検出器。