JPH0134082Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、光源からの可干渉光を被測定機械量
が与えられるターゲツトに照射し、そこからの拡
散光によつて作られるスペツクルパターンおよび
干渉縞の移動から機械量を知るようにした光学式
機械量測定装置に関するものである。更に詳しく
は、本考案は、照射された光を拡散するターゲツ
トの拡散面を工夫し、被測定機械量を確実に測定
できるようにした光学式機械量測定装置に関する
ものである。

本考案に係る装置は、ターゲツトの拡散面を再
帰性反射物体で覆うとともに、この再帰性反射物
体上に規則的な模様を施した点に特徴がある。

第１図は、本考案装置に用いられるターゲツト
の一例を示す構成斜視図、第２図はターゲツト表
面の一部を拡大して示す図である。

この図において、１は測定すべき変位量、変位
速度、振動数等の機械量が与えられるターゲツ
ト、１０はこのターゲツト１の表面を覆うように
取付けられた再帰性反射物体で、例えばスコツチ
ライト（登録商標）が使用される。１１はこの再
帰性反射物体１０上に取付けられたガラス板で、
その表面には第２図に示すように円形の不透明部
分が規則的に配列する模様１２が形成されてい
る。このような規則的模様は、ガラス板１１に、
例えばエマルジヨンマスクして形成できる。ここ
で、模様１２（ここでは円形の不透明部分）のピ
ツチＰは、抽出しようとする空間周波数に相当す
るピツチ（例えばｐ＝172.8μｍ）に選定される。

第３図は、再帰性反射物体１０上に施される規
則的な模様の他の例を示す説明図である。この例
では、空間周波数のピツチＰで不透明縞部分が格
子状に配列した規則的な模様を示す。なお、ここ
では、規則的模様をガラス板上に形成させたが、
これを再帰性反射物体上に印刷等によつて形成さ
せてもよい。

このように構成したターゲツトを用いた装置に
よれば、ターゲツトが再帰性反射物体のみの場合
に比較して、XYの広範囲の変位に対しても信号
消滅を大きく減少させることができ、XYの測定
範囲を拡大することができた。

第４図は、本考案に係る装置の一例を示す構成
説明図で、ここでは３次元の各種機械量を装定で
きる装置を構成している。図において、４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。４１，４２はレンズ
で、光源４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BXを構成している。２１は
第１の偏光ビームスプリツタ（以下PBSと略す）
で、ビームエクスパンダBXを通つて入射する光
源４からの光ビームを、２方向に分割する。２２
は第２のPBSで、第１のPBSに対して45゜回転し
て設置されており、ここに入射する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f₁，f₂のレンズ、３０はレン
ズ３１と３２との間であつて、レンズ３１から
f₁、レンズ３２からf₂の距離に設置した絞り板
で、これには、径ｄの透孔が設けられている。１
は第１図に示したような構成の拡散面を有するタ
ーゲツトで、レンズ３２からｌ（ｌはイメージセ
ンサ上にターゲツトの像が結ぶ距離付近がよい。）
だけ離れて設置されており、これには、例えば図
示のようにｘ，ｙ，ｚ方向の３次元の測定機械量
が与えられる。５１はレンズ３２とターゲツト１
との間に設置したλ／４板、６はミラーで、光源
４の光軸Clに対して僅かな角度Δθだけ傾斜して
設置されており、第１のPBS21で分割された光
源４からの光ビームが入射する。５２は第１の
PBS21とミラー６との間に設置したλ／４板、
７は第２のPBS22から出射した光を受光する受
光器である。

第５図は、この受光器７の受光面の構成例を示
す平面図である。ここには、例えば多数個の受光
素子をアレイ状に配列して構成されるCCDなど
のイメージセンサ７１，７２を、受光素子の配列
方向が互いに直交するように設置して構成してあ
る。

第６図は第４図装置において、電気的な回路を
示す構成ブロツク図である。この図において、７
０は、例えばCCDで構成された各受光器７１，
７２を駆動するクロツク発振器で、例えば周波数
cのクロツク信号を各受光器に印加している。８
１，８２は各受光器７１，７２からの出力周波数
信号x，yを入力し、これと参照周波数信号_R1
とをミキシングするミキサ、８３は受光器７１か
らの周波数信号xを入力し、これと参照周波数
信号_R2とをミキシングするミキサ、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
イルタ、６１，６２，６３はそれぞれローパスフ
イルタ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６１，６２，６３
からの計数信号₁，₂，₃を入力する演算回路
で、この演算回路としては、例えばマイクロプロ
セツサが使用される。６０は表示装置で、例えば
CRTが使用され、演算回路６での演算結果を表
示する。

このように構成した装置の動作は次の通りであ
る。光源４から出射された波長λの光は、ビーム
エクスパンダBXで拡げられ、平行光となつて第
１のPBS21に入射する。ここに入射した光のう
ち、入射面に対して振動方向が平行な光成分（Ｐ
波）は、ここを通過し、レンズ３１、絞り板３
０、レンズ３２及びλ／４板５１を経てターゲツ
ト１の拡散面に平行光となつて照射される。ター
ゲツト１に照射された平行光は、そこに覆われて
いる規則的に配列する模様を施した再帰性反射物
体１０に当たり反射、散乱するが、この際反射、
散乱光はランダムな位相変調を受ける。すなわ
ち、再帰性反射物体１０は直径数十μｍの球ある
いは、一辺が数十μｍのキユーブコーナが全面に
わたつて施され、個々の球やキユーブコーナはそ
れぞれの光軸方向が不一致となつているために、
ここで反射する光の位相は、鏡面のように一致し
たものでなく、ランダムな位相変調を受けること
となる。一方、再帰性反射物体１０には、規則的
に配列する模様が施されているために、散乱光に
は、規則的に配列する模様が含まれたものとな
る。この散乱光は、ランダムに干渉し合つて空間
にスペツクルを作りつつ、λ／４板５１、レンズ
３２、絞り板３０、レンズ３１を通つて戻り、第
１のPBS21に入射する。

ここで、レンズ３１、絞り板３０、レンズ３２
は、ここを通過する光の空間周波数を下げるロー
パスフイルタとして機能しており、必ずしも必要
でない。第１のPBSに再入射する光は、λ／４
板５１を２度通過したので、90゜偏波面が回転し
てＳ波となつており、このPBS21で反射して、
第２のPBS22に入射する。一方光源４から第１
のPBS21に入射した光のうち、Ｓ波成分は、こ
こで反射し、λ／４板５２を通つて、ミラー６で
反射し、再びλ／４板５２を通つて、第１の
PBS21に再入射する。この光はＰ波となつてお
り、このPBS21を通過して、第２のPBS22に参
照光として入射する。第２のPBS22は、第１の
PBS21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゜異なるターゲツト１から
の反射光と、光源４からミラー６で反射してくる
参照光とのうち、第７図に示すように45゜成分の
ものが透過し、受光器７上に干渉縞がつくられ
る。なお、第２のPBS22は、偏光板を用いても
よい。

第８図は、受光器７上に得られたパターンの一
例を示す図であつて、スペツクルパターンSPに、
マイケルソン干渉縞が重畳したものとなる。そし
て、このパターンにおいて、ターゲツト１がｘ，
ｙ方向へ変位すると、スペツクルパターンSPは
第８図において、ｘ，ｙ方向に移動する。また、
ターゲツト１がｚ方向へ変位すると、マイケルソ
ン干渉縞MPはｘ方向へ変位し、そのときスペツ
クルパターンSPは動かない。

ここで、レンズ３１，３２の距離が₁＋₂であ
ることと、ターゲツト１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り、この状態で
は、受光器７の受光面に得られるスペツクルパタ
ーンの、平均的スペツクル径は、（₁・λ）／
（π・ｄ）で与えられる。また、干渉縞の平均ピ
ツチはλ／sinΔθで与えられ、ひとつのスペツク
ルパターンの中には、５〜10本の縞が入るように
選ぶのが望ましい。したがつて、レーズ３２とタ
ーゲツト１との間の距離や、レンズ３１から受
光器７までの距離は、純移動状態、スペツクル
径、干渉縞のピツチには無関係となる。

受光器７の各受光器７１，７２は、一端にクロ
ツク発振器７０から周波数cのクロツク信号が印
加されて駆動されており、各受光器７１，７２か
らo＝c／Ｎ（ただしＮは受光器７１，７２のビ
ツト数）を基本周波数とする周波数信号k，y
が出力される。

第９図は、各受光器７１から得られる周波数信
号xの周波数スペクトルを示す説明図である。
この信号のパワースペクトルは、基本周波数o
の整数倍の点でピークがあり、かつこれらのピー
クの包絡線は_R2の周波数（_R2≫_R1とする）で、
干渉縞によるピークを有している。ここで、ター
ゲツト１がｘ方向にＸだけ移動すれば、ｍ次高調
波に相当するピークPmは、その移動速度dx／dt
に比例したmxだけ周波数シフトする。また、タ
ーゲツト１がｚ方向に移動すれば、包絡線のピー
クが移動する。

第６図において、ミキサ８１，８２は各受光器
７１，７２から出力される周波数信号と、周波数
_R1とをミキシング、すなわち、ヘテロダイン検
波し、各出力をローパスフイルタ９１，９２及び
カウンタ６１，６２を介することによつて、例え
ばｍ次高調波に相当するピークPmの、ターゲツ
ト１のｘ，ｙ方向変位に伴う周波数シフト
Δmx，Δmyに対応した信号をそれぞれ得る。
演算回路６は、これらの信号を入力し、所定の演
算、例えば積分演算することによつて、ターゲツ
ト１のｘ，ｙ方向の変位量Ｘ，Ｙを知ることがで
きる。同じように、ミキサ８３は、受光器７１か
ら出力される周波数信号と、周波数_R2とをミキ
シングし、ローパスフイルタ９３、カウンタ６３
を介することによつて、包絡線のピークのシフト
Δzに対応した信号を得る。演算回路６は、この
信号を入力し、所定の演算をすることによつて、
ターゲツト１のｚ方向の変位量Ｚを知ることがで
きる。なお、Δmx，Δmy，Δzは、いずれも
ターゲツト１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。

このように構成される装置は、ひとつの光源か
らのビームによつて３次元の変位が同時に測定で
きるもので、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、演算処理が容易であり、高分解能で各種機
械量を測定することができる。

なお、第４図の実施例において、ミラー６は、
入射光と反射光とがΔθ傾くものならば、他の構
成、例えば、頂角がπ／２＋Δθ／２のプリズム
やキユープコーナーを用いてもよい。また、ここ
では、受光器７１，７２としてCCDようなイメ
ージセンサを用いることを想定したが、空間フイ
ルタを組合せたようなパターン検出器を用いても
よい。

なお、上記の説明では、第４図に示すように構
成した装置に適用した場合であるが、ターゲツト
からの拡散光によつて作られるスペツクルパター
ンの移動からターゲツトに与えられる機械量を知
る装置におけるターゲツトに広く適用できる。

以上説明したように、本考案によれば各種の機
械量を広い範囲で、確実に測定できる装置が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案装置に用いられるターゲツトの
一例を示す構成斜視図、第２図及び第３図はター
ゲツト表面の一部を拡大して示す拡大図、第４図
は本考案に係る装置の一例を示す構成説明図、第
５図は第４図装置に用いられている受光器の構成
説明図、第６図は電気的な回路を示す構成ブロツ
ク図、第７図は受光器に照射される光の偏波面の
説明図、第８図は受光器の受光面につくられるパ
ターンの一例を示す説明図、第９図は受光器から
得られる信号の周波数スペクトルを示す説明図で
ある。 １……ターゲツト、１０……再帰性反射物体、
１１……ガラス板、１２……規則的模様、４……
光源。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 可干渉な光を出射する光源と、 規則的に配列する模様を施した再帰性反射物体
   で覆われたターゲツトと、 前記光源からの光を２方向に分割する偏光ビー
   ムスプリツタと、 この偏光ビームスプリツタで分割された一方の
   光をλ／４板を介して前記ターゲツトに照射する
   と共に、ターゲツトからの反射光を前記λ／４板
   を介して前記偏光ビームスプリツタに導く光学系
   と、 前記偏光ビームスプリツタで分割された他方の
   光をλ／４板を介して、前記光源からの光の光軸
   に対して所定の角度をもつて設置されたミラーに
   照射すると共に、当該ミラーからの反射光をλ／
   ４板を介して前記偏光ビームスプリツタに導く光
   学系と、 前記偏光ビームスプリツタで反射した前記ター
   ゲツトからの拡散光と、前記偏光ビームスプリツ
   タを通過した前記ミラーからの反射光とを受光す
   る受光手段と、 前記偏光ビームスプリツタと前記受光手段との
   間に設置され、前記受光手段上に干渉縞を作るた
   めの偏光手段とを備え、 前記受光手段上に得られる干渉縞およびスペツ
   クルパターンの移動から前記ターゲツトに与えら
   れる機械量を知るようにした光学式機械量測定装
   置。