JP6964340B2

JP6964340B2 - 直線発生方法及び直線発生装置

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Publication number: JP6964340B2
Application number: JP2018096085A
Authority: JP
Inventors: 龍介辻
Original assignee: Ibaraki University NUC
Current assignee: Ibaraki University NUC
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2021-11-10
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: JP2019200176A

Description

本発明は、コヒーレント光の直線位置を取得する直線発生方法及び直線発生装置に関する。

建築物の設計・施工、保守・点検などにおいては、直線位置に高い精度が求められている。例えば、リニアモーターカー事業では、鉄道のレールに相当するガイドウェイの地上コイルの位置について、長距離にわたり、数ミリ以下の精度が求められる。また、線形加速器では、ビームを制御する磁石などが、誤差５０マイクロメートル以下の精度で設置されている。さらに、精密機器の製造ラインに導入される産業用ロボットでは、直線運動部について、直線運動部全体にわたって高精度にズレを修正できれば、製造ラインの品質向上に繋がる。

土木建築の現場では、レーザ墨出し器などの測定器が利用されている。一般的には、使用距離１０メートルで性能誤差は１ミリメートル程度の精度である。レーザ光は、レーザ発振器を用いて人工的に作られたビーム状の光であり、指向性や収束性に優れている。また、レーザ光は、干渉可能なコヒーレント光である。

レーザ光を用いた測定器の問題点としては、ビームの広がり角とビームが照射されたときのスポット径の大きさがある。光の発生位置から照射位置までの距離が大きく延びれば、それに比例してビーム径も少しずつ拡がっていく。特許文献１に記載されているように、レーザ光照射器から照射位置までの距離が変化しても、近距離においてレーザ光のスポット径が変化しないようにする方法も開示されている。

ビームの広がり角の影響を大幅に低減させつつスポット径の大きさを小さくする方法として、アラゴスポットの利用が検討されている。コヒーレント光を球体や円板などの障害物に照射すると、その影の中心に輝点が現れる。これは、アラゴスポット（ポアソンスポット）と呼ばれ、障害物の陰の縁の外周上の各点から影の中心までの距離が全て同じことから光が強め合うように干渉した結果であり、光の波動説を証明するものである。特許文献２に記載されているように、アラゴスポットを利用して球体の球径を測定する方法も開示されている。

特開平６−１５５８３号公報特許第５７５１５１４号公報

特許文献１に記載の発明は、レーザ光の照射位置までの距離を測定し、それに合わせて照射器のレンズを動かすことでスポット径を一定に維持するものであるが、レーザ光の照射位置が遠くなればビーム径も広がることに変わりなく、直線位置を精度良く取得できる訳ではない。

また、特許文献２に記載の発明では、球体を移動させたときのアラゴスポットの位置又は移動量を用いて球径を高精度に測定しているが、あくまで球径を測定するものであり、コヒーレント光の照射位置が遠くなったときの直線位置を精度良く取得することを目的とするものではない。

そこで、本発明は、コヒーレント光の直線位置を精度良く取得する方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明である直線発生方法は、コヒーレント光を球体に照射し、前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する方法であって、前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、ことを特徴とする。

また、本発明である直線発生装置は、コヒーレント光が照射される球体と、前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する検出器と、を有し、前記検出器は、前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、ことを特徴とする。

前記直線発生装置において、前記コヒーレント光は、ビーム拡大機で拡大された上で前記球体に照射される、ことを特徴とする。

前記直線発生装置において、前記コヒーレント光は、発散光にされて前記球体に照射される、ことを特徴とする。

前記直線発生装置において、前記球体は不透明である、ことを特徴とする。

前記直線発生装置は、前記球体を円板に変えて前記コヒーレント光が前記円板に照射される、ことを特徴とする。

前記直線発生装置は、前記球体を陰の縁が円である障害物に変えて前記コヒーレント光が前記障害物に照射される、ことを特徴とする。

前記直線発生装置において、前記障害物は、陰の縁の５０％以上が円弧である、ことを特徴とする。

前記直線発生装置は、前記検出器の基準点と、前記検出器で特定された直線位置を比較することにより、前記球体の位置ズレを検出する、ことを特徴とする。

本発明によれば、コヒーレント光の照射位置が遠くなっても、コヒーレント光を直接照射したときよりも小さいスポット径で直線位置を取得することができる。なお、スポット径の５０分の１程度の測定誤差でスポットの中心位置を推定することができるので、コヒーレント光の直線位置を精度良く取得することができる。

本発明である直線発生装置の仕組みを説明する図である。本発明である直線発生装置で利用するアラゴスポットについて説明する図である。本発明である直線発生装置で利用するアラゴスポットを示す図である。本発明である直線発生装置で利用するアラゴスポットの大きさを比較した図である。本発明である直線発生装置の別実施例を示す図である。本発明である直線発生装置を利用して球体の位置ズレを検出する方法を説明する図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

まず、本発明である直線発生装置について説明する。図１は、直線発生装置の仕組みを説明する図である。図２は、直線発生装置で利用するアラゴスポットについて説明する図である。図３は、直線発生装置で利用するアラゴスポットを示す図である。図４は、直線発生装置で利用するアラゴスポットの大きさを比較した図である。

図１（ａ）に示すように、レーザ発生装置２００から細いビーム状のレーザ光３００を発射すると、距離に比例してビーム径が増加する。レーザ光３００は、直進性が良いというものの、遠方ではビームが広がってしまう。

ここで、レーザ発生装置２００の射出口の直径をｄ、射出口から照射場所４００までの距離をＬ、ビームの広がり角をθ、レーザ光３００の波長をλとすると、ビーム径の大きさは、
Ｄ１（Ｌ）＝ｄ＋２Ｌｔａｎθ＝ｄ＋２Ｌθ＝ｄ＋２Ｌ（λ／ｄ）（式１）
と表される。
距離Ｌでの照射場所のビーム径Ｄ１（Ｌ）がレーザ発生装置２００だけによるスポット径になる。

なお、ビーム径の増分は、２Ｌｔａｎθとなるが、θが小さい場合はｔａｎθ＝θとみなすことができる。また、ビームの広がり角は、光の回折の観点からλ／ｄに比例し、これ以下の直線性は望めない。すなわち、レーザ光３００は、波長が短いほど直線性が良く、射出口が大きいほど広がりにくい。

レーザ発生装置２００だけでは、射出口径ｄを小さくしてもビームの広がり角が大きくなるので、距離Ｌの照射場所４００におけるスポット径の大きさを小さくするには限界（正の値）があることが（式１）から分かる。そこで、アラゴスポットを利用した直線発生装置１００により、ビームの広がり角の影響を低減させる。

図１（ｂ）に示すように、直線発生装置１００は、レーザ発生装置２００から球体５００にレーザ光３００を照射したときに、球体５００の先にある照射場所４００において生じた球体５００の影内に表れるアラゴスポット４１０によって、直線位置を取得する。

レーザ発生装置２００は、発振器などを用いてレーザ光３００など干渉可能なコヒーレント光を発生させる手段である。レーザ光３００としては、例えば、直進性の良いヘリウムネオンレーザなどを用いて、フィルタで観測しやすい光強度に調整しても良い。また、レーザ光３００は、ビーム拡大機６００で拡大することにより平行光に変換したレーザ光３００ａにしても良い。

球体５００は、レーザ発生装置２００と照射場所４００の間に配置する障害物である。球体５００は、ベアリング等に使用する鋼球などを用いれば良い。図２（ａ）に示すように、球体５００にレーザ光３００が照射されたときに、レーザ発生装置２００とは反対側にある照射場所４００に球体５００の影が生じれば良い。

レーザ光３００は、球体５００に照射された後、球体５００の陰の縁の外周を回折して、回折光３１０が球体５００の先に進む。球体５００の陰の縁の外周上の任意の点から照射場所４００における球体５００の影の中心までは全て同じ距離である。そのため、球体５００の影の中心に向かう全ての回折光３１０は、位相が揃っており強め合うように干渉するので、影の中心に明るい輝点となってアラゴスポット４１０が生じる。

ここで、図１（ｂ）に示すように、球体５００の直径をＲ、球体５００の中心から照射場所４００までの距離をＬ、レーザ光３００の波長をλとすると、アラゴスポット４１０の大きさは、
Ｄ２（Ｌ）＝２Ｌ（λ／Ｒ）（式２）
と表される。
（式２）から分かるように、アラゴスポットの大きさは、直径Ｒを大きくすればゼロに近づく。

球体５００の中心と、照射場所４００における球体５００の影の中心とを結ぶ中心線５１０上においては、全ての回折光３１０が強め合うように干渉するので、照射場所４００を球体５００に近づけても遠ざけてもアラゴスポット４１０が現れる。すなわち、中心線５１０上に連続するアラゴスポット４１０によって、レーザ光３００の直線位置が得られる。

照射場所４００までの距離Ｌは、球体５００の直径Ｒの数十倍以上が好ましい。例えば、球体５００の直径Ｒが５ミリメートルの場合、距離Ｌは、直径Ｒの４０倍として２０センチメートル以上にすれば良い。レーザ光３００は、球体５００の陰の縁から角度を変えて回折光３１０となって奥側に進むので、距離Ｌが短すぎるとアラゴスポット４１０が現れにくくなる。

図２（ｂ）に示すように、球体５００の陰の縁の外周を回折した回折光３１０は、照射場所４００における球体５００の影の中心以外でも、強め合う場所においては明るくなり、弱め合う場所においては暗くなる。そのため、照射場所４００における球体５００の影内には輝点を中心とした同心円状に干渉縞が現れる。

図３（ａ）に、球体５００から照射場所４００までの距離Ｌを１０メートル、球体５００の直径Ｒを５ミリメートル、１０ミリメートル、及び２０ミリメートルとしたときの照射場所４００の一辺２ミリメートルの正方形領域におけるアラゴスポット４１０を示す。中心が輝点、その周りが干渉縞である。

図３（ｂ）に示すように、標準的な射出口径１ミリメートルのレーザ発生装置２００から１０メートル離れた照射場所４００に直接レーザ光３００を照射したとき、ビーム径の大きさは一辺４０ミリメートルの範囲に収まる。それに対し、レーザ光３００を直径２０ミリメートルの球体５００に照射したとき、１０メートル離れた照射場所４００に生じるアラゴスポット４１０の場合は、アラゴスポット４１０の大きさが一辺２ミリメートルの範囲に収まるくらい精度が向上する。

図４（ａ）に示すように、直接レーザ光３００を照射したときは、レーザ発生装置２００の射出口径ｄを１ミリメートルにすると、照射場所４００までの距離Ｌが２０メートルだと照射場所４００におけるビーム径Ｄ１（Ｌ）の増分は２０ミリメートルであり、距離Ｌが５００メートルだとビーム径Ｄ１（Ｌ）の増分は５００ミリメートルである。すなわち、距離Ｌに比例してビーム径Ｄ１（Ｌ）が増加する。

また、距離Ｌを２０メートルにしたとき、射出口径ｄが１ミリメートルだと、ビーム径Ｄ１（Ｌ）の増分は２０ミリメートルであり、射出口径ｄが５ミリメートルだと、ビーム径Ｄ１（Ｌ）の増分は４ミリメートルである。すなわち、射出口径ｄが大きいほどビーム径Ｄ１（Ｌ）の増分は抑えられる。

図４（ｂ）に示すように、アラゴスポット４１０の場合、球体５００の直径Ｒを５ミリメートルにすると、球体５００から照射場所４００までの距離Ｌが２０メートルだと輝点の径Ｄ２（Ｌ）は４ミリメートルであり、距離Ｌが５００メートルだと輝点の径Ｄ２（Ｌ）は１００ミリメートルである。距離Ｌとアラゴスポット４１０の大きさＤ２（Ｌ）の増分は比例するが、標準的な射出口径１ミリメートルのレーザ光３００を直接照射したときよりも５分の１程度に小さくなる。

また、距離Ｌを２０メートルにしたとき、球体５００の直径Ｒが５ミリメートルだと輝点の径Ｄ２（Ｌ）は４ミリメートルであり、球体５００の直径Ｒが２０ミリメートルだと輝点の径Ｄ２（Ｌ）は１ミリメートルである。球体５００の直径Ｒが大きいほどアラゴスポット４１０の大きさＤ２（Ｌ）は小さくなる。

上記（式１）と（式２）を比較すると、（式２）には項が一つしかなく、Ｒ＞ｄとすることで、常にＤ２（Ｌ）＜Ｄ１（Ｌ）となる。Ｌの大小によらず、Ｄ２（Ｌ）＜Ｄ１（Ｌ）となるので、近距離でも遠距離でもスポット径を小さくすることができる。ビーム径の〜１／５０程度の測定誤差でビームの中心位置を推定できるので、直線を精度良く発生させることができる。

図５は、直線発生装置の別実施例を示す図である。図５（ａ）に示すように、直線発生装置１００ａでは、球体５００の代わりに、円板５００ａなど球体５００の一部にしても良い。アラゴスポット４１０は、回折光３１０が強め合う位置に現れるので、円板５００ａの中心から同じ距離にある円周縁から同位相でレーザ光３００が回折すれば、円板５００ａの中心から法線方向に延びる線上に輝点が現れる。

また、照射場所４００に検出器４００ａを設置して、レーザ光３００が照射された方向の直線位置を取得すれば良い。直線位置を特定することで、アラゴスポット４１０による直線を精度良く発生させることができる。

図５（ｂ）に示すように、直線発生装置１００ｂでは、コヒーレント光であれば、平行光でなくても、発散光のレーザ光３００ｂでも良い。レンズ６１０などを用いて発散させたレーザ光３００ｂを球体５００に照射しても、回折光３１０によりアラゴスポット４１０を検出することができる。発散光のレーザ光３００ｂでは球体５００の影の領域が拡大されるので、照射場所４００でアラゴスポットが容易に見つけやすいという利点がある。

図６は、直線発生装置を利用して球体の位置ズレを検出する方法を説明する図である。図６に示すように、球体の位置ズレ検出装置１００ｃでは、アラゴスポット４１０が発生した位置を見ることで、球体５００の位置を確認する。

例えば、検出器４００ａにおいて、球体の位置が正確な場合のアラゴスポットを基準点４２０として予め設定しておく。測定対象の球体５００にレーザ光３００を照射して、検出器４００ａが取得したアラゴスポット４１０と基準点４２０のズレ方向及びズレ量を算出する。そして、アラゴスポット４１０が基準点４２０に合うように、球体５００の位置を調整すれば良い。

ベアリングなど球体５００を使用する装置等において、球体５００の位置に正確性が求められる場合に、アラゴスポット４１０を用いて球体５００の位置ズレを精度良く検出することができる。この原理により、球体５００を固定した装置の位置ズレを精度良く検出することができる。

本発明によれば、コヒーレント光の照射位置が遠くなっても、コヒーレント光を直接照射したときよりも小さい径で直線位置を取得することができる。なお、スポット径の５０分の１程度の測定誤差で中心位置を推定することができるので、コヒーレント光の直線位置を精度良く取得することができる。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。

１００：直線発生装置
１００ａ：直線発生装置
１００ｂ：直線発生装置
１００ｃ：球体の位置ズレ検出装置
２００：レーザ発生装置
３００：レーザ光
３００ａ：レーザ光
３００ｂ：レーザ光
３１０：回折光
４００：照射場所
４００ａ：検出器
４１０：アラゴスポット
４２０：基準点
５００：球体
５００ａ：円板
５１０：中心線
６００：ビーム拡大機
６１０：レンズ

Claims

コヒーレント光を球体に照射し、前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する方法であって、
前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、
ことを特徴とする直線発生方法。
コヒーレント光を発生するコヒーレント光発生手段と、
前記コヒーレント光発生手段で発生させたコヒーレント光が照射される球体と、
前記球体の陰の縁の外周から回折した光が干渉することで前記球体の影内に生じた輝点の位置によって、前記コヒーレント光が照射された方向の直線位置を取得する検出器と、を有し、
前記検出器は、前記コヒーレント光の射出位置における径よりも前記球体の直径を大きくすることにより、前記コヒーレント光を直接に到達位置まで照射したときの径よりも小さい範囲で前記直線位置を特定する、
ことを特徴とする直線発生装置。
前記コヒーレント光は、ビーム拡大機で拡大された上で前記球体に照射される、
ことを特徴とする請求項２に記載の直線発生装置。
前記コヒーレント光は、発散光にされて前記球体に照射される、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の直線発生装置。
前記球体は不透明である、
ことを特徴とする請求項２乃至４の何れか一に記載の直線発生装置。
前記球体を円板に変えて前記コヒーレント光が前記円板に照射される、
ことを特徴とする請求項２乃至５の何れか一に記載の直線発生装置。
前記球体を陰の縁が円である障害物に変えて前記コヒーレント光が前記障害物に照射される、
ことを特徴とする請求項２乃至５の何れか一に記載の直線発生装置。
前記障害物は、陰の縁の５０％以上が円弧である、
ことを特徴とする請求項７に記載の直線発生装置。
前記検出器の基準点と、前記検出器で特定された直線位置を比較することにより、前記球体の位置ズレを検出する、
ことを特徴とする請求項２乃至８の何れか一に記載の直線発生装置。