JP2523334B2 - 光学式変位計 - Google Patents
光学式変位計Info
- Publication number
- JP2523334B2 JP2523334B2 JP62200808A JP20080887A JP2523334B2 JP 2523334 B2 JP2523334 B2 JP 2523334B2 JP 62200808 A JP62200808 A JP 62200808A JP 20080887 A JP20080887 A JP 20080887A JP 2523334 B2 JP2523334 B2 JP 2523334B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- total reflection
- measured
- light
- angle
- incident
- 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 - Lifetime
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、被測定物の微小変位を検出する光学式変位
計に関する。
計に関する。
（従来の技術） 従来、被測定物に光線を入射する光源手段と、被測定
物で反射された光線を被測定物の変位に応じた角度で変
向させるレンズ等の変向手段と、該変向手段からの光線
の受光部に列設した多数の受光素子から成る計測手段と
を備え、何れの受光素子が光線を受光したかで変向手段
による光線の変向角度を計測し、これにより被測定物の
変位を検出するようにした光学式変位計は知られてい
る。
物で反射された光線を被測定物の変位に応じた角度で変
向させるレンズ等の変向手段と、該変向手段からの光線
の受光部に列設した多数の受光素子から成る計測手段と
を備え、何れの受光素子が光線を受光したかで変向手段
による光線の変向角度を計測し、これにより被測定物の
変位を検出するようにした光学式変位計は知られてい
る。
（発明が解決しようとする問題点） 上記のものは、受光素子の配列ピッチを或る程度以下
には狭められず、この制約から変向角度の測定感度を高
めるにも限度があって、被測定物をミクロンオーダーで
検出することはできない。
には狭められず、この制約から変向角度の測定感度を高
めるにも限度があって、被測定物をミクロンオーダーで
検出することはできない。
ところで、光線が光学的に密な物質（屈折率n1）から
粗な物質（屈折率n2）に入射する際、入射角Θｉが臨界
角Θｃを越えて全反射すると、光の入射面に平行なＰ波
と垂直なＳ波間の位相変化δを生ずることが知られてい
る。
粗な物質（屈折率n2）に入射する際、入射角Θｉが臨界
角Θｃを越えて全反射すると、光の入射面に平行なＰ波
と垂直なＳ波間の位相変化δを生ずることが知られてい
る。
ここで、位相変化δは、屈折率比をｎ（ｎ＝n2/n1）
として、 で表わされ、第４図に示す如く臨界角近傍では入射角Θ
ｉに応じて急峻に変化する。
として、 で表わされ、第４図に示す如く臨界角近傍では入射角Θ
ｉに応じて急峻に変化する。
本発明は、かかる現象に着目し、全反射に利用して変
向手段による被測定物からの反射光の変向角度を高精度
で計測し得るようにし、ミクロンオーダでの変位検出を
可能とした変位計を提供するとをその目的とする。
向手段による被測定物からの反射光の変向角度を高精度
で計測し得るようにし、ミクロンオーダでの変位検出を
可能とした変位計を提供するとをその目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成すべく、被測定物に光線を
入射する光源手段と、被測定物で反射された光線を被測
定物の変位に応じた角度で変向させる変向手段と、該変
向手段による光線の変向角度を計測する計測手段とから
成る変位計において、該計測手段を、該変向手段からの
光線を変向角度に応じた入射角で入射し内部で適宜の回
数全反射させる全反射手段と、この全反射により生ずる
光線のＰ波とＳ波間の位相変化を検出する検出手段とで
構成したことを特徴とする。
入射する光源手段と、被測定物で反射された光線を被測
定物の変位に応じた角度で変向させる変向手段と、該変
向手段による光線の変向角度を計測する計測手段とから
成る変位計において、該計測手段を、該変向手段からの
光線を変向角度に応じた入射角で入射し内部で適宜の回
数全反射させる全反射手段と、この全反射により生ずる
光線のＰ波とＳ波間の位相変化を検出する検出手段とで
構成したことを特徴とする。
（作 用） 変向手段による光線の変向角度に応じて全反射手段へ
の光線の入射角が変化し、全反射に際しこの入射角に応
じたＰ波とＳ波間の位相変化を生じ、これが検出手段で
検出され、この検出結果から変向角度、従ってこれと一
定の関係にある被測定物の変位を計測することができ
る。
の光線の入射角が変化し、全反射に際しこの入射角に応
じたＰ波とＳ波間の位相変化を生じ、これが検出手段で
検出され、この検出結果から変向角度、従ってこれと一
定の関係にある被測定物の変位を計測することができ
る。
この場合、全反射手段への入射角が臨界角近傍で変化
するように変向手段と全反射手段との光学的な位置関係
を設定しておけば、被測定物の微小変位によってもＰ波
とＳ波間の位相差は大きく変化し、更に全反射手段で複
数回全反射させることにより位相変化が増幅され、その
結果ミクロンオーダーで変位を計測することが可能とな
り、又全反射の回数により感度も自由に設定することが
できる。
するように変向手段と全反射手段との光学的な位置関係
を設定しておけば、被測定物の微小変位によってもＰ波
とＳ波間の位相差は大きく変化し、更に全反射手段で複
数回全反射させることにより位相変化が増幅され、その
結果ミクロンオーダーで変位を計測することが可能とな
り、又全反射の回数により感度も自由に設定することが
できる。
（実施例） 第１図を参照して、１は被搬送物Ｗに光線を入射する
光源手段、２は被測定物Ｗで反射された光線を被測定物
Ｗの変化に応じた角度で変向させる変向手段としての対
物レンズを示し、光源手段１からの光線を第２図示の如
く該対物レンズ２にその中心から一定距離Ｄずらして入
射し、該レンズ２の焦点距離ｆの近傍に置かれた被測定
物Ｗにビーム径を絞って入射される光線の反射光を該レ
ンズ２を通して変向させるようにした。この変向角度ｄ
θと、対物レンズ２の焦点位置に対する被測定物の変位
dxとの間には、次式 tandθ＝D/f−D/（ｆ−2dx） …（２） の関係が成立する。
光源手段、２は被測定物Ｗで反射された光線を被測定物
Ｗの変化に応じた角度で変向させる変向手段としての対
物レンズを示し、光源手段１からの光線を第２図示の如
く該対物レンズ２にその中心から一定距離Ｄずらして入
射し、該レンズ２の焦点距離ｆの近傍に置かれた被測定
物Ｗにビーム径を絞って入射される光線の反射光を該レ
ンズ２を通して変向させるようにした。この変向角度ｄ
θと、対物レンズ２の焦点位置に対する被測定物の変位
dxとの間には、次式 tandθ＝D/f−D/（ｆ−2dx） …（２） の関係が成立する。
そして、上記の如く変向された光線をハーフミラー３
を介して全反射手段たるガラス製（BK−７）の全反射プ
レート４に入射し、該プレート４内で複数回全反射を繰
返させて出射させるようにし、この全反射により生ずる
Ｐ波とＳ波間の位相変化を検出手段で検出するようにし
た。
を介して全反射手段たるガラス製（BK−７）の全反射プ
レート４に入射し、該プレート４内で複数回全反射を繰
返させて出射させるようにし、この全反射により生ずる
Ｐ波とＳ波間の位相変化を検出手段で検出するようにし
た。
この位相変化は、偏光解析に従来用いられているエル
プソメータで検出することも可能であるが、本実施例で
はヘテロダイン法を利用して位相変化を検出するように
した。
プソメータで検出することも可能であるが、本実施例で
はヘテロダイン法を利用して位相変化を検出するように
した。
これを更に詳述すると、前記光源手段１をHe−Neレー
ザ５と、アイソレータ６と、AOモジュレータ７とで構成
し、該モジュレータ７でレーザ光を所定の周波数差例え
ば1MHzの周波数差を持った直交直線２周波偏光に変換
し、これを光ファイバ８と前記ハーフミラー３とを介し
て前記対物レンズ２に入射すると共に、該ハーフミラー
３によりこの偏光光線の一部を反射して45゜方位の第１
検光子９と光ファイバ10とを介して第１光電変換器11に
入射せしめるようにし、又前記全反射プレート４をその
全反射面4aに垂直な入射面が偏光光線の一方の偏光面に
合致するよう方位を合わせて配置して、この偏光面に平
行な偏光成分がＰ波、これに直交する変向成分がＳ波と
なって全反射が行われるようにし、該プイト４からの出
射光45゜方位の第２検光子12と光ファイバ13とを介して
第２光電変換器14に入射せしめるようにした。
ザ５と、アイソレータ６と、AOモジュレータ７とで構成
し、該モジュレータ７でレーザ光を所定の周波数差例え
ば1MHzの周波数差を持った直交直線２周波偏光に変換
し、これを光ファイバ８と前記ハーフミラー３とを介し
て前記対物レンズ２に入射すると共に、該ハーフミラー
３によりこの偏光光線の一部を反射して45゜方位の第１
検光子９と光ファイバ10とを介して第１光電変換器11に
入射せしめるようにし、又前記全反射プレート４をその
全反射面4aに垂直な入射面が偏光光線の一方の偏光面に
合致するよう方位を合わせて配置して、この偏光面に平
行な偏光成分がＰ波、これに直交する変向成分がＳ波と
なって全反射が行われるようにし、該プイト４からの出
射光45゜方位の第２検光子12と光ファイバ13とを介して
第２光電変換器14に入射せしめるようにした。
上記した45゜方位の各検光子9,12に直交直線２周波偏
光を通すと、Ｐ波とＳ波のヘテロダイン干渉によるビー
ト波が形成され、このビート波に応じた信号が前記各光
電変換器11,14から出力されるもので、ビート波の強度
１は、Ｐ波の振幅と周波数を夫々a,f1,S波のそれをb,
f2,P波とＳ波の位相差をΔとして、 Ｉ＝a2＋b2＋2abcos（ωｔ＋Δ） ……（３） ω＝２π（f1−f2） となり、ここで全反射プレート４からの出射光のＰ波と
Ｓ波の位相差は該プレート４に入射する前の光線のＰ波
とＳ波の位相差に比し１回毎に全反射で生ずるＰ波とＳ
波間の位相変化δを累計した位相変化Δ分だけ変化して
おり、かくて前記両光電変換器11,14からのビート波信
号を位相計15に入力して両信号の位相の偏差を検出する
ことで全反射による位相変化Δを計測できる。
光を通すと、Ｐ波とＳ波のヘテロダイン干渉によるビー
ト波が形成され、このビート波に応じた信号が前記各光
電変換器11,14から出力されるもので、ビート波の強度
１は、Ｐ波の振幅と周波数を夫々a,f1,S波のそれをb,
f2,P波とＳ波の位相差をΔとして、 Ｉ＝a2＋b2＋2abcos（ωｔ＋Δ） ……（３） ω＝２π（f1−f2） となり、ここで全反射プレート４からの出射光のＰ波と
Ｓ波の位相差は該プレート４に入射する前の光線のＰ波
とＳ波の位相差に比し１回毎に全反射で生ずるＰ波とＳ
波間の位相変化δを累計した位相変化Δ分だけ変化して
おり、かくて前記両光電変換器11,14からのビート波信
号を位相計15に入力して両信号の位相の偏差を検出する
ことで全反射による位相変化Δを計測できる。
この位相変化Δは、上記の如く全反射プレート４への
光線の入射角に応じて変化し、この入射角は前記対物レ
ンズ２による被測定物Ｗからの反射光の変向角度ｄΘに
応じて変化するから、ｄΘと上記（２）式の関係にある
被測定物Ｗの変位dxを位相変化Δに基いてコンピュータ
や換算表を用いて測定できる。
光線の入射角に応じて変化し、この入射角は前記対物レ
ンズ２による被測定物Ｗからの反射光の変向角度ｄΘに
応じて変化するから、ｄΘと上記（２）式の関係にある
被測定物Ｗの変位dxを位相変化Δに基いてコンピュータ
や換算表を用いて測定できる。
次に試験結果について説明する。試験は、被測定物Ｗ
をマイクロメータWaと圧電素子Wdとで微小変位し得るよ
うに設けた移動鏡で構成し、移動鏡Ｗが対物レンズ２の
焦点位置に存するとき全反射プレート４への光線の入射
角が臨界角Θより少許大きくなるように対物レンズ２と
全反射プレート４との光学的な位置関係を設定すると共
に、全反射プレート４内で12回全反射が行われるように
し、移動鏡Ｗを焦点位置から前後に微小変位させつつ位
相計15で位相変化Δを計測することにより行った。
をマイクロメータWaと圧電素子Wdとで微小変位し得るよ
うに設けた移動鏡で構成し、移動鏡Ｗが対物レンズ２の
焦点位置に存するとき全反射プレート４への光線の入射
角が臨界角Θより少許大きくなるように対物レンズ２と
全反射プレート４との光学的な位置関係を設定すると共
に、全反射プレート４内で12回全反射が行われるように
し、移動鏡Ｗを焦点位置から前後に微小変位させつつ位
相計15で位相変化Δを計測することにより行った。
第３図のａ線は12回全反射したときの位相変化Δと変
位dxの関係を表す理論値、○印が計測値であり、計測値
は理論値に良く一致しており、ミクロンオーダーでの変
位測定が可能であることが分る。
位dxの関係を表す理論値、○印が計測値であり、計測値
は理論値に良く一致しており、ミクロンオーダーでの変
位測定が可能であることが分る。
尚、第３図のｂ線は全反射を100回行ったときの理論
値を示し、全反射の回数により感度を自由に設定できる
ことが分る。
値を示し、全反射の回数により感度を自由に設定できる
ことが分る。
又、対物レンズ２に対する光源手段（１）からの光線
の偏光距離Ｄを小さくして変向角度ｄΘの変化両を少な
くする一方全反射の回数を多くすれば、変位dxの比較的
広範囲な変化によっても変位dxと位相変化Δとの直線的
な関係が得られ、位相変化Δに基づく変位dxの測定が容
易となる。
の偏光距離Ｄを小さくして変向角度ｄΘの変化両を少な
くする一方全反射の回数を多くすれば、変位dxの比較的
広範囲な変化によっても変位dxと位相変化Δとの直線的
な関係が得られ、位相変化Δに基づく変位dxの測定が容
易となる。
更に、上記実施例の如くヘテロダイン法を用いて位相
変化Δを計測すれば、エリプソメータを使用するものに
比し計測を迅速に行い得られると共に、光ファイバ8,1
0,13を用いた光伝送が可能となって、センサヘッド化に
よる装置のコンパクト化や配置性の向上を図れ、更に遠
隔測定も可能となり有利である。
変化Δを計測すれば、エリプソメータを使用するものに
比し計測を迅速に行い得られると共に、光ファイバ8,1
0,13を用いた光伝送が可能となって、センサヘッド化に
よる装置のコンパクト化や配置性の向上を図れ、更に遠
隔測定も可能となり有利である。
（発明の効果） 以上の如く本発明によるときは、変向手段と全反射手
段との光学的位置関係や、全反射手段での全反射回数の
設定で被測定物の変位の測定感度を自由に設定でき、ミ
クロンオーダ更にはそれ以下のオーダでの変位測定も可
能となり、適用範囲が広い効果を有する。
段との光学的位置関係や、全反射手段での全反射回数の
設定で被測定物の変位の測定感度を自由に設定でき、ミ
クロンオーダ更にはそれ以下のオーダでの変位測定も可
能となり、適用範囲が広い効果を有する。
第１図は本発明装置の１例の線図、第２図は変向手段の
可能を示す線図、第３図は変位と位相変化との関係を示
す線図、第４図は全反射による位相変化と入射角との関
係を示す線図である。 Ｗ……被測定物、１……光学手段 ２……対物レンズ（変向手段） ４……全反射プレート（全反射手段） ９……第１検光子（検出手段） 11……第１光電変換器（検出手段） 12……第２検光子（検出手段） 14……第２光電変換器（検出手段） 15……位相計（検出手段）
可能を示す線図、第３図は変位と位相変化との関係を示
す線図、第４図は全反射による位相変化と入射角との関
係を示す線図である。 Ｗ……被測定物、１……光学手段 ２……対物レンズ（変向手段） ４……全反射プレート（全反射手段） ９……第１検光子（検出手段） 11……第１光電変換器（検出手段） 12……第２検光子（検出手段） 14……第２光電変換器（検出手段） 15……位相計（検出手段）
Claims (2)
- 【請求項１】被測定物に光線を入射する光源手段と、被
測定物で反射された光線を被測定物の変位に応じた角度
で変向させる変向手段と、該変向手段による光線の変向
角度を計測する計測手段とから成る変位計において、該
計測手段を、該変向手段からの光線を変向角度に応じた
入射角で入射し内部で適宜の回数全反射させる全反射手
段と、この全反射により生ずる光線のＰ波とＳ波間の位
相変化を検出する検出手段とで構成したことを特徴とす
る光学式変位計。 - 【請求項２】前記光源手段を、所定の周波数差を持った
直交直線２周波偏光光線を入射するものに構成し、前記
検出手段を、前記全反射手段に入射前の光線の一部を45
゜方位の第１検光子を介して入射する第１光電変換器
と、該全反射手段から出射された光線を45゜方位の第２
検光子を介して入射する第２の光電変換器と、該両光電
変換器からの信号を入力する位相計とで構成したことを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光学式変位
計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62200808A JP2523334B2 (ja) | 1987-08-13 | 1987-08-13 | 光学式変位計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62200808A JP2523334B2 (ja) | 1987-08-13 | 1987-08-13 | 光学式変位計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6444804A JPS6444804A (en) | 1989-02-17 |
| JP2523334B2 true JP2523334B2 (ja) | 1996-08-07 |
Family
ID=16430538
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62200808A Expired - Lifetime JP2523334B2 (ja) | 1987-08-13 | 1987-08-13 | 光学式変位計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2523334B2 (ja) |
-
1987
- 1987-08-13 JP JP62200808A patent/JP2523334B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6444804A (en) | 1989-02-17 |
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