JP3131242B2 - 光ビーム入射角の測定方法、測定装置及び該装置を距離測定に使用する方法 - Google Patents
光ビーム入射角の測定方法、測定装置及び該装置を距離測定に使用する方法Info
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- JP3131242B2 JP3131242B2 JP03118736A JP11873691A JP3131242B2 JP 3131242 B2 JP3131242 B2 JP 3131242B2 JP 03118736 A JP03118736 A JP 03118736A JP 11873691 A JP11873691 A JP 11873691A JP 3131242 B2 JP3131242 B2 JP 3131242B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術及びその課題】光ビームの入射角もしくは
目的物と検出器との間の距離を光学的装置により測定す
る多くの方法及び装置が存在する。長い距離と高精度の
測定を行うのに、通常レーザを使用し、そのレーザによ
り長い距離離間した目的物に対する時間を測定したり、
高精度を達成するために干渉縞を分析したりする。短い
距離の測定及びあまり高い精度が要求されない機械にお
いて測定を行うために、一般的に下記に記述する三角測
量の原理に従い、図１に図示のように操作する。この三
角測量原理は充分な精度を得るためには重要な基礎を必
要とし、使用する光学装置を原因として測定範囲が非常
に限定されるという問題が主に発生する。これらの不利
益は、工作機械等に取付けるために、可能な最小寸法の
トランスデューサ内に全体の装置を配設しなければなら
ない場合特に問題である。このトランスデューサは、光
源と受光器とを可能ならば同一のハウジング内に備えな
ければならず、このハウジングは、使用スペースが非常
に限定される場合が多いために、可能な最小寸法としな
ければならない。
目的物と検出器との間の距離を光学的装置により測定す
る多くの方法及び装置が存在する。長い距離と高精度の
測定を行うのに、通常レーザを使用し、そのレーザによ
り長い距離離間した目的物に対する時間を測定したり、
高精度を達成するために干渉縞を分析したりする。短い
距離の測定及びあまり高い精度が要求されない機械にお
いて測定を行うために、一般的に下記に記述する三角測
量の原理に従い、図１に図示のように操作する。この三
角測量原理は充分な精度を得るためには重要な基礎を必
要とし、使用する光学装置を原因として測定範囲が非常
に限定されるという問題が主に発生する。これらの不利
益は、工作機械等に取付けるために、可能な最小寸法の
トランスデューサ内に全体の装置を配設しなければなら
ない場合特に問題である。このトランスデューサは、光
源と受光器とを可能ならば同一のハウジング内に備えな
ければならず、このハウジングは、使用スペースが非常
に限定される場合が多いために、可能な最小寸法としな
ければならない。
【０００２】
【課題を解決するための手段、作用、及び効果】従っ
て、本発明の第１の目的は単純な光ビームの入射角の測
定方法を提供し、装置の構造の大きさを公知の装置と比
較してかなり小さくすることを可能とすることである。
本発明の他の目的は良好な精度と、三角測量の原理に従
い操作する装置より大きな測定範囲とを有し、大きさが
小さい、距離測定装置を利用することである。これらの
目的は特許請求の範囲に記載した測定方法、測定装置及
び該測定装置を距離の測定に使用する方法により達成さ
れる。
て、本発明の第１の目的は単純な光ビームの入射角の測
定方法を提供し、装置の構造の大きさを公知の装置と比
較してかなり小さくすることを可能とすることである。
本発明の他の目的は良好な精度と、三角測量の原理に従
い操作する装置より大きな測定範囲とを有し、大きさが
小さい、距離測定装置を利用することである。これらの
目的は特許請求の範囲に記載した測定方法、測定装置及
び該測定装置を距離の測定に使用する方法により達成さ
れる。
【０００３】光ビームの入射角の測定方法の特徴は、偏
光子分析器の前に配設した複屈折板を通過する偏光光ビ
ームを使用して連続した干渉縞を形成し、入射角と直接
相関する上記干渉縞の間隔を好適な検出器と分析電子回
路により分析することである。
光子分析器の前に配設した複屈折板を通過する偏光光ビ
ームを使用して連続した干渉縞を形成し、入射角と直接
相関する上記干渉縞の間隔を好適な検出器と分析電子回
路により分析することである。
【０００４】上記方法を実施する装置は複屈折板及び偏
光子分析器と、光度変化検出器及び分析電子回路とによ
り特徴づけられる。
光子分析器と、光度変化検出器及び分析電子回路とによ
り特徴づけられる。
【０００５】上記装置と、被測定目的物の反射面との間
の距離の測定に上記装置を使用する方法の特徴は目的物
の所定位置での干渉縞の間隔を基準として決定し、更に
目的物の位置と相関する干渉縞の間隔の変化を測定する
ことである。
の距離の測定に上記装置を使用する方法の特徴は目的物
の所定位置での干渉縞の間隔を基準として決定し、更に
目的物の位置と相関する干渉縞の間隔の変化を測定する
ことである。
【０００６】
【実施例】図１は三角測量による距離測定原理を示し、
鎖線で囲ったトランスデューサＣが占めるスペースを理
解することが可能である。夫々基準位置に配置されたレ
ーザダイオード１と、集束レンズ２と、被測定目的物３
とが図示されている。上記レーザダイオードの光ビーム
４は上記目的物３により反射され、影像レンズ５を通過
して位置を感知する検出器６に入射する。測定範囲Ｍが
比較的限定され、基本距離Ｇが比較的大きいのが分か
る。これはこのシステムの利用可能性が限定されている
ことを意味する。
鎖線で囲ったトランスデューサＣが占めるスペースを理
解することが可能である。夫々基準位置に配置されたレ
ーザダイオード１と、集束レンズ２と、被測定目的物３
とが図示されている。上記レーザダイオードの光ビーム
４は上記目的物３により反射され、影像レンズ５を通過
して位置を感知する検出器６に入射する。測定範囲Ｍが
比較的限定され、基本距離Ｇが比較的大きいのが分か
る。これはこのシステムの利用可能性が限定されている
ことを意味する。
【０００７】図２は光軸Ｚを有する複屈折板７を図示
し、入射角αの光線がこの光軸に入射する。角度βでこ
の材料を貫通する光線は偏光作用により２つの光線に分
光し、即ち最初の光線は常光線屈折率ｎoで、他方の光
線は異常光線屈折率ｎで分光し、後者はβ＝９０°のと
きの値ｎeと、常光線屈折率ｎoに相当する値との間を変
動する（図３）。常光線屈折率は一定であるが、異常光
線屈折率は角度βの関数として変動し、下記式により求
めることができる。
し、入射角αの光線がこの光軸に入射する。角度βでこ
の材料を貫通する光線は偏光作用により２つの光線に分
光し、即ち最初の光線は常光線屈折率ｎoで、他方の光
線は異常光線屈折率ｎで分光し、後者はβ＝９０°のと
きの値ｎeと、常光線屈折率ｎoに相当する値との間を変
動する（図３）。常光線屈折率は一定であるが、異常光
線屈折率は角度βの関数として変動し、下記式により求
めることができる。
【数１】 次に、複屈折材料を異なる速度で進む常光線Ｗｏと異常
光線Ｗｅとに分光する（図４）直線偏光光波を調べる。
Ｗｏ（図４）とＷｅとの間に１／２波長の相対的位相差
を生じる距離の後、再結合波の偏光面が図４に図解的に
示すように、９０°回転したことが分かる。この光路長
Ｌは１／２波長板と称され、下記式によって求めること
ができる：
光線Ｗｅとに分光する（図４）直線偏光光波を調べる。
Ｗｏ（図４）とＷｅとの間に１／２波長の相対的位相差
を生じる距離の後、再結合波の偏光面が図４に図解的に
示すように、９０°回転したことが分かる。この光路長
Ｌは１／２波長板と称され、下記式によって求めること
ができる：
【数２】 ここで、λは光波Ｗの波長である。
【０００８】本発明により提案されている一方法は複屈
折材に偏光された単色光線を投射する工程を含んでい
る。上記２つの式から明らかなように、該単色光線はこ
の材料の１／２波長板を入射角の関数として決定する。
これら波長板の長さは入射光線の入射角が光軸から離れ
ると非常に急激に減少する。それは入射角度が大きくな
ると、異常光線屈折率の値は常光線屈折率から徐々に異
なってくるからである。 複屈折材の厚さが１／２波長板
の整数値に相当する度に、出射光は直線偏光になる。複
屈折材の厚さが１／２波長板の整数値に相当しない時は
楕円偏光になる。複屈折材によって分光された２光線を
偏光子に通して分析すると、そこに連続した干渉縞がで
きる。この干渉縞の間隔は入射角に依存している（図
５）。したがって、この間隔を測定することによって、
入射角を求めることが出来る。入射光線の偏光が円偏光
である場合には、１／４波長板に相当する距離を移動し
た後では直線偏光になる。その後の動作は上記と同様で
ある。
折材に偏光された単色光線を投射する工程を含んでい
る。上記２つの式から明らかなように、該単色光線はこ
の材料の１／２波長板を入射角の関数として決定する。
これら波長板の長さは入射光線の入射角が光軸から離れ
ると非常に急激に減少する。それは入射角度が大きくな
ると、異常光線屈折率の値は常光線屈折率から徐々に異
なってくるからである。 複屈折材の厚さが１／２波長板
の整数値に相当する度に、出射光は直線偏光になる。複
屈折材の厚さが１／２波長板の整数値に相当しない時は
楕円偏光になる。複屈折材によって分光された２光線を
偏光子に通して分析すると、そこに連続した干渉縞がで
きる。この干渉縞の間隔は入射角に依存している（図
５）。したがって、この間隔を測定することによって、
入射角を求めることが出来る。入射光線の偏光が円偏光
である場合には、１／４波長板に相当する距離を移動し
た後では直線偏光になる。その後の動作は上記と同様で
ある。
【０００９】図５において、Ｐは偏光光源を、Ｚは光軸
を、αは入射角を表わし、厚さがｅである複屈折板７が
図示されている。
を、αは入射角を表わし、厚さがｅである複屈折板７が
図示されている。
【００１０】図６において、計測用点光源Ｓから出射し
た光線Ｗの入射角αを測定する装置を図解的に示す。こ
の光線が偏光されていないときは、偏光子８が複屈折板
７の前に配置される。複屈折板を形成するために、例え
ば、方解石もしくは水晶を使用することができる。寸
法、主に厚さｅの選択は所望の角度範囲に依存する。例
えば、１mmの厚さの方解石は１０°の範囲内での測定を
可能にする。
た光線Ｗの入射角αを測定する装置を図解的に示す。こ
の光線が偏光されていないときは、偏光子８が複屈折板
７の前に配置される。複屈折板を形成するために、例え
ば、方解石もしくは水晶を使用することができる。寸
法、主に厚さｅの選択は所望の角度範囲に依存する。例
えば、１mmの厚さの方解石は１０°の範囲内での測定を
可能にする。
【００１１】複屈折板７の出射光は偏光子９、例えば干
渉縞を視覚で認識可能にするポラロイドにより分析され
る。例えばＣＣＤフォトトランスデューサを設けた検出
器１０は、電子回路１１が干渉縞の位置もしくは間隔を
分析し、かつ測定に関する情報を所望な形態において送
ることを可能にする。
渉縞を視覚で認識可能にするポラロイドにより分析され
る。例えばＣＣＤフォトトランスデューサを設けた検出
器１０は、電子回路１１が干渉縞の位置もしくは間隔を
分析し、かつ測定に関する情報を所望な形態において送
ることを可能にする。
【００１２】小さな角度変化を測定するためには、図７
に示した測定装置を使用することが好ましく、図７にお
いて値ｅ１とｅ２との間を変化する厚さを有する複屈折
板１８が図示され、更に計測用点光源より出射したビー
ムの代わりに平行な光ビームＷＰが使用されている。こ
の装置において、他の手段は図６に示した装置の物と同
じである。１／２波長板の位置Ｘを測定することによ
り、その長さを決定し、それから入射角αを算出する。
Ｘを算出することにより、角度αの変動の非常に敏感な
測定が可能となる。第１例と同様に、複屈折板の平均厚
さ及びその変動は測定装置の角度範囲及び感度の関数と
して決定されなければならない。
に示した測定装置を使用することが好ましく、図７にお
いて値ｅ１とｅ２との間を変化する厚さを有する複屈折
板１８が図示され、更に計測用点光源より出射したビー
ムの代わりに平行な光ビームＷＰが使用されている。こ
の装置において、他の手段は図６に示した装置の物と同
じである。１／２波長板の位置Ｘを測定することによ
り、その長さを決定し、それから入射角αを算出する。
Ｘを算出することにより、角度αの変動の非常に敏感な
測定が可能となる。第１例と同様に、複屈折板の平均厚
さ及びその変動は測定装置の角度範囲及び感度の関数と
して決定されなければならない。
【００１３】図解的に示した上記方法および装置は目的
物と、測定装置に設けられたトランスデューサとの間の
距離を測定するのに使用するのが有利であり、このトラ
ンスデューサは公知例による距離のトランスデューサに
比べ、小型化することが可能である。図８は例えば、本
発明による入射角測定装置を距離測定に使用する例を図
解的に示す。図８は目的物１２を示し、この目的物との
距離は２つの位置、即ちｄ１と、鎖線で示したｄ２とに
おいて測定しなければならない。この図解的図面におい
て、明確化のために、これらの距離は目的物１２の前端
部と、光源ＳＬ、例えばレーザの前端部との間において
測定しなければならない。
物と、測定装置に設けられたトランスデューサとの間の
距離を測定するのに使用するのが有利であり、このトラ
ンスデューサは公知例による距離のトランスデューサに
比べ、小型化することが可能である。図８は例えば、本
発明による入射角測定装置を距離測定に使用する例を図
解的に示す。図８は目的物１２を示し、この目的物との
距離は２つの位置、即ちｄ１と、鎖線で示したｄ２とに
おいて測定しなければならない。この図解的図面におい
て、明確化のために、これらの距離は目的物１２の前端
部と、光源ＳＬ、例えばレーザの前端部との間において
測定しなければならない。
【００１４】実際上、エミッタ及びトランスデューサは
同一のハウジング内に配設され、上記距離は被測定目的
物の一定面と、ハウジングの一定面との間で測定され
る。レーザ源の反射光ＷＲは光源が偏光されていないと
き、偏光子８を設け、更に複屈折板７と、偏光子９と、
フォトトランスデューサＣＣＤ１０とを備えるトランス
デューサ１３に入射する。フォトトランスデューサ１０
に入射する光度の分布、すなわち干渉縞、特にこれらの
干渉縞の間隔はサンプル・ホールド電子回路１４により
視覚的に認識可能となり、光度の分布は上記電子回路の
出力として、２つの異なる波動を囲む円により図解的に
示したオシログラフ１５により観察可能である。電子回
路１４の出力は帯域通過フィルタ１６に接続され、この
フィルタはマイクロプロセッサ１７に接続され、その出
力が図示していない表示装置に接続されている。入射角
は被測定目的物と、測定装置、特にレーザ源との間の距
離と共に変動すること、更に目的物が距離ｄ２の位置に
あるときの入射角α1は、目的物が距離ｄ２の位置にあ
るときの入射角α2より、非常に小さいということが図
８から明確に分かる。
同一のハウジング内に配設され、上記距離は被測定目的
物の一定面と、ハウジングの一定面との間で測定され
る。レーザ源の反射光ＷＲは光源が偏光されていないと
き、偏光子８を設け、更に複屈折板７と、偏光子９と、
フォトトランスデューサＣＣＤ１０とを備えるトランス
デューサ１３に入射する。フォトトランスデューサ１０
に入射する光度の分布、すなわち干渉縞、特にこれらの
干渉縞の間隔はサンプル・ホールド電子回路１４により
視覚的に認識可能となり、光度の分布は上記電子回路の
出力として、２つの異なる波動を囲む円により図解的に
示したオシログラフ１５により観察可能である。電子回
路１４の出力は帯域通過フィルタ１６に接続され、この
フィルタはマイクロプロセッサ１７に接続され、その出
力が図示していない表示装置に接続されている。入射角
は被測定目的物と、測定装置、特にレーザ源との間の距
離と共に変動すること、更に目的物が距離ｄ２の位置に
あるときの入射角α1は、目的物が距離ｄ２の位置にあ
るときの入射角α2より、非常に小さいということが図
８から明確に分かる。
【００１５】図５を参照して既述したように、干渉縞の
間隔は距離の関数であり、従って、図８の円１５におい
て図解的に示したように、距離ｄ１のときの間隔ａ１は
距離ｄ２のときの間隔ａ２より大きい。
間隔は距離の関数であり、従って、図８の円１５におい
て図解的に示したように、距離ｄ１のときの間隔ａ１は
距離ｄ２のときの間隔ａ２より大きい。
【００１６】図６，７，８において、干渉縞の検出器１
０は光度プロファイルの検出器であり、この検出器は異
なる位置、同時期における光度変化を検出する。そのよ
うな装置とする代わりに、光ビームの入射角は時間と共
に変化するが、光度変化の測定を１つの位置で行う装置
を提供することも可能である。この目的のために、電子
機械的装置を使用して、上記複屈折板を周期的に回動す
る。この複屈折板の代わりに、これらの特性を有する液
晶を使用し、かつその整合軸に一時的変化を発生させる
ために可変電場を加えることも可能である。双方の装置
は公知の好適な検出器を利用し、かつ公知で信頼性のあ
る分析装置を使用可能である。
０は光度プロファイルの検出器であり、この検出器は異
なる位置、同時期における光度変化を検出する。そのよ
うな装置とする代わりに、光ビームの入射角は時間と共
に変化するが、光度変化の測定を１つの位置で行う装置
を提供することも可能である。この目的のために、電子
機械的装置を使用して、上記複屈折板を周期的に回動す
る。この複屈折板の代わりに、これらの特性を有する液
晶を使用し、かつその整合軸に一時的変化を発生させる
ために可変電場を加えることも可能である。双方の装置
は公知の好適な検出器を利用し、かつ公知で信頼性のあ
る分析装置を使用可能である。
【００１７】好適な光源はコヒーレンス干渉を減少させ
るために、マルチモードのレーザダイオードが好まし
い。しかし、コヒーレンスは本発明による前記方法には
充分であるので、単色発光ダイオードＬＥＤを使用する
ことも可能である。光源は前記例に限定されないことは
明白である。
るために、マルチモードのレーザダイオードが好まし
い。しかし、コヒーレンスは本発明による前記方法には
充分であるので、単色発光ダイオードＬＥＤを使用する
ことも可能である。光源は前記例に限定されないことは
明白である。
【００１８】光度プロファイルの正確な測定を行うに
は、ＣＣＤと称されるフォトトランスデューサを使用す
るのが好ましい。要求精度があまり高くないならば、他
のフォトトランスデューサもこれらの測定を行うのに充
分である。
は、ＣＣＤと称されるフォトトランスデューサを使用す
るのが好ましい。要求精度があまり高くないならば、他
のフォトトランスデューサもこれらの測定を行うのに充
分である。
【図１】公知例による、三角測量により距離を測定する
方法を図解的に示す図。
方法を図解的に示す図。
【図２】複屈折板を図解的に示す図。
【図３】異常光線屈折率の変化を入射角の関数として示
す図。
す図。
【図４】光波の２光線への分光を示す図。
【図５】干渉縞の間隔と入射角度との関係を図解的に示
す図。
す図。
【図６】入射角の測定装置の原理を示す図。
【図７】入射角の第２の測定装置の原理を示す図。
【図８】距離の測定を図解的に示す図。
１ レーザダイオード ２ 集束レンズ ３ 目的物 ４ ビーム ５ 影像レンズ ６ 検出器 ７ 複屈折板 ８ 偏光子 ９ 偏光子 １０ フォトトランスデューサ １１ 電子回路 １２ 目的物 １３ トランスデューサ １４ サンプル・ホールド電子回路 １５ オシログラフ １６ 帯域通過フィルタ １７ マイクロプロセッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/330 102 G01B 9/00 - 9/10 G01C 3/00 - 3/32 G01S 17/00 - 17/88 G01S 17/48 - 17/50
Claims (23)
- 【請求項１】 偏光子分析器の前に配置した複屈折板を
通過する偏光光ビームを使用して連続した干渉縞を形成
し、被測定角度の直接の関数である前記干渉縞の間隔を
好適な検出器と分析電子回路とにより分析する光ビーム
の入射角の測定方法。 - 【請求項２】 前記偏光子分析器の後で、光度プロファ
イル検出器により光度の局所的変動を分析する請求項１
に記載の方法。 - 【請求項３】 前記複屈折板の周期的回動により生じた
光度の一時的変動を分析し、本質的に点光度検出器を採
用する請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 電子機械的装置により前記複屈折板を周
期的に回動する請求項３に記載の方法。 - 【請求項５】 複屈折特性を有する液晶を採用し、その
整合軸の一時的変化を発生させるため、その液晶に可変
電場もしくは磁場を加える請求項３に記載の方法。 - 【請求項６】 前記複屈折板の前に偏光子を介在させる
ことにより、前記入射ビームを偏光させる請求項１に記
載の方法。 - 【請求項７】 点光源を採用する請求項１に記載の方
法。 - 【請求項８】 平行光と、厚さを変化可能な複屈折板と
を採用し、前記所望の入射角を算出し、かつ表示するた
めに、前記光度プロファイル検出器上の１／２波長板の
位置を測定することにより１／２波長板の長さを決定す
る請求項１に記載の方法。 - 【請求項９】 前記光ビームは本質的に単色の光源から
出射する請求項１に記載の方法。 - 【請求項１０】 目的物によって反射され拡散された光
を採用する請求項１に記載の方法。 - 【請求項１１】 レーザダイオードもしくは発光ダイオ
ードＬＥＤを光源として採用する請求項１に記載の方
法。 - 【請求項１２】 方解石もしくは他の光学的異方性材料
から形成された複屈折板を採用する請求項１に記載の方
法。 - 【請求項１３】 フォトトランスデューサＣＣＤを光度
プロファイル検出器として使用する請求項１または２に
記載の方法。 - 【請求項１４】 光ビームの入射角を測定するための装
置であって、光ビームが透過される複屈折板（７；１
８）と、該複屈折板（７；１８）の後に配置され、連続
した干渉縞を得るための偏光子分析器（９）と、該偏光
子分析器（９）の後に配置され、前記縞の間隔を分析す
る光度変動検出器（１０）と、該光度変動検出器（１
０）に接続され、前記分析に基づいて入射角を決定する
分析電子回路（１１）とを有している光ビームの入射角
を測定するための装置。 - 【請求項１５】 前記複屈折板の前に配設された偏光子
を具備する請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１６】 レーザ、レーザダイオードもしくは発
光ダイオードＬＥＤを備える本質的に単色の光源を具備
する請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１７】 一定の厚さを有する複屈折板を具備す
る請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１８】 可変な厚さを有する複屈折板と、平行
光源とを具備する請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１９】 前記複屈折板は方解石もしくは他の光
学的異方性材料から形成されている請求項１４に記載の
装置。 - 【請求項２０】 前記光度変化の検出器は局所的光度プ
ロファイルの検出器である請求項１４に記載の装置。 - 【請求項２１】 前記検出器は、帯域通過フィルタに接
続したサンプル・ホールド電子回路が後に配設されてい
るフォトトランスデューサＣＣＤであり、前記帯域通過
フィルタはマイクロプロセッサに接続している請求項２
０に記載の装置。 - 【請求項２２】 前記複屈折板は、その複屈折板、もし
くはその整合軸に周期的な角度変化を発生させるように
なっており、本質的に正確な光度検出器がその後に配設
される請求項１４に記載の装置。 - 【請求項２３】 請求項１４の装置を該装置と被測定目
的物の反射面との間の距離の測定に使用する方法であっ
て、前記目的物の特定位置において干渉縞の基準間隔を
決定し、距離の変化による干渉縞の間隔の変化を測定
し、前記基準間隔と比較して該変化を長さとして表す請
求項１４の装置を該装置と被測定目的物の反射面との間
の距離の測定に使用する方法。
Applications Claiming Priority (2)
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