JPH0140283B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はホログラフイーを利用した直線計に
関するものである。

例えば工作機械等においては、刃物台等が案内
に沿つて直線運動するようになつており、その運
動の直線性の良否が加工精度の良否を決定する重
要な要因となつている。したがつて、このような
工作機械等においては、組立てや精度検査の時に
刃物台等の横振れ（運動方向に垂直な平面内での
変位二成分）を検査する必要がある。また加工中
に刃物台等の横振れを常時検出して運動を直線状
に制御して加工精度の向上をはかろうとする試み
もある。

このような場合に、直線計が使用され、そのう
ち光学的な直線計としては従来オート・コリメー
ター、レーザ直線計（ツーリング・レーザ）等が
利用されているが、一成分の回転ないし変位を検
出するものであつて、かつ、精度不足などでいず
れも上記の目的には不充分であつた。

一方、最近ホログラフイ技術が干渉計測に応用
され、生ずる干渉縞の性質も明らかにされ、２次
元面内の横変位測定が可能なホログラフイ干渉法
を直線計に応用することが考えられている。この
場合にホログラムを直線計として装置化するため
には、実時間干渉を行わせなければならないが、
これまで、ホログラフイ干渉法は、実時間干渉法
の実験がかなり難しいために、主に二重露光法に
よつて研究が進められてきた。また、従来のホロ
グラフイ干渉法を応用した直線計においては、直
線計の精度、空気のゆらぎや外部振動の影響、可
動体の光軸に沿つた移動距離に関する測定可能範
囲について解決すべき問題が残つている。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、実時間干渉が簡単に行え、空気のゆ
らぎや外部振動の影響を排除することができ、か
つ精度が高いホログラム直線計を提供することを
目的とするものである。

この目的に対応して、この発明の直線計は、拡
散板及び前記拡散板の物体光と参照光を発光させ
得る光学素子を固定体上に配設し、可動体の移動
の移動量が零である基準位置における前記物体光
と前記参照光により形成したホログラムを前記固
定体上の直線移動経路に沿つて前記移動し得る前
記可動体上に配設し、前記物体光及び前記参照光
が前記ホログラムに入射するように構成され、前
記直線移動経路に垂直な面内での前記可動体の変
位に伴つて前記ホログラムからの再生像の波面と
前記光学素子からの物体光の波面との相対的なず
れの方向及び量の情報を縞の傾角及び間隔として
含む等傾角干渉縞を生じさせるように構成したこ
とを特徴としている。

以下この発明の詳細を一実施例を示す図面につ
いて説明する。

第１図において、１は直線計である。直線計１
はブロツクＡで示される構成部材とブロツクＢで
示される構成部材とから成つている。ブロツクＡ
に含まれる構成部材は刃物台等の可動体２に取り
付けられ、またブロツクＢに含まれる構成部材は
基礎等の固定体に取り付けられている。

ブロツクＡに含まれる構成部材としては、ホロ
グラム３、集束レンズ４及びスクリーン５があ
り、これらのホログラム３、集束レンズ４及びス
クリーン５は同光軸状に可動体２上に取り付けら
れている。可動体２は本来光軸方向に移動し得る
ように構成されたものである。

一方、ブロツクＢに含まれる構成部材として
は、レーザー発光装置６、ビームスプリツター
７、コンデンサーレンズ８、ピンホール９、ミラ
ー１１、コリメーターレンズ１２及び拡散板１３
を備えている。拡散板１３は粗面１４を有するス
リガラス等に構成されている。さらにブロツクＢ
にはビームスプリツター１５、コリメーターレン
ズ１６、ミラー１７、偏光板１８、コンデンサー
レンズ２１、及びピンホール２２を備えている。

このような構成の直線計１においては、まず変
位前の拡散板１３の粗面１４に関するホログラム
３を作成する必要がある。ホログラム３の作成は
次の通りである。まず感光材をホログラム３の位
置に置き、次にレーザー発光装置６を発光させ
る。レーザー発光装置６からの光をビームスプリ
ツター７で２分割し、一の光F₁をコンデンサー
レンズ８とコリメーターレンズ１２で拡げ、平行
光束にして拡散板１３を照明し、コリメーターレ
ンズ１２を通過後物体光として使用し、偏光板１
８を通してホログラム３の位置にある位置にある
感光材を露光させる。他の光F₂はコンデンサー
レンズ２１及びコリメーターレンズ１６で平行光
束にし、参照光として使用する。このようにして
ホログラム３の位置におかれた感光材に拡散板１
３からの物体光を平面波の参照光でホログラムと
して記録し、写真処理後元の位置（ホログラム３
の位置）に配置する。これにより直線計が完成す
る。

(1) このようにして準備が完了した直線計１によ
る可動体２の横方向変位の測定は次のようにす
る。まずレーザー発光装置６を再び発光させ、
ビームスプリツター７によつて光F₁と光F₂と
に分割し、光F₂を前述と同じ光路を通してホ
ログラム３に照射し、ホログラム３から物体光
を再生（再生物体光）し、また、光F₁を前述
と同じ光路を経て拡散板１３を照明し、拡散板
１３からの物体光をホログラム３に照射し、こ
の物体光を前述の再生物体光と干渉させる。こ
の干渉によつて生ずる干渉縞はスクリーン５に
観測可能に投映される。

今仮に、光軸と一致し若しくは平行な移動方
向を持つ可動体２が横変位した場合には、ホロ
グラム３が横変位し、このため再生物体光の波
面が横方向に変位して生ずる。このように横変
位の場合には、スクリーン５上に局在する直線
上の干渉縞になる。これまでのホログラフイに
よる干渉縞の解析から、干渉縞の線方向に対し
て垂直方向が可動体の変位方向になることがわ
かる。第２図には典型的な３つの干渉パターン
と変位方向が示されており、このようにして光
軸に垂直な２次元面内の変位を計測することが
できる。この場合、可動体２の移動方向を光学
系の光軸（ミラー１７からホログラム３に到達
する平行光の中心線）に一致または平行に調整
せねばならない。そのために、ミラー１７はミ
ラー面内の２軸のまわりの回転機構とコリメー
ターレンズ１６の光軸方向への移動機構を取り
付けてある。また、ミラー１７の前方に平行平
面板からなる偏光板１８を置き、この偏光板１
８を光軸に垂直な２軸のまわりに回転すること
により、波面を上下、左右方向に変位して微調
整を行う。

(2) 可動体変位方向の正負の判定：以上の操作に
より可動体が左右の方向に変位したか、上下方
向に変位したかを判定することができるが、次
に変位の方向の正負の判定について述べる。い
ま、ホログラム３をたとえば右方向に移動させ
ておき、スクリーン５上に干渉縞を生じさせて
おく。この時、可動体が右方向に変位した場合
には、干渉縞の本数が増加し、左方向に変位し
た場合には本数が減少する。このように干渉縞
の本数の増減によつて、方向の正負の判定をす
ることができる。

(3) 精度：空気のゆらぎや外部振動のない理想的
な場合の精度を求めよう。いま、可動体２の横
変位量を光軸に対して垂直面内でΔx、Δy、ス
クリーン５上の座標をξ、ηとすると干渉縞の
最大強度の軌跡はΔx・ｙ＋Δy・ξ＝nλf（但
し、ｎ＝０、±１、±２、…、ｆは集束レンズ４
の焦点距離）によつて表わされる。簡単にする
ために横変位だけが生じた場合には、Δy＝０
としてΔx＝nλ・ｆ／η、視野の中にｎ本の干
渉縞が生ずる場合にはΔx＝nλF（但し、Ｆはレ
ンズのＦ数）。今、視野の中に１本の干渉縞が
増加するための移動量をΔx_lとすると、Δx_l＝
λF。λ＝0.633μｍ、Ｆ＝15とするとΔx_l≒9.5μ
ｍとなる。干渉縞の増加が1/10フリンジまで読
める場合には、約1μｍの横移動まで検出され
る。

(4) 測定可能な直線運動の移動距離を決める要因
についての検討：最も重要な要因は、元の物体
光の複素振幅分布と再生物体光の複素振幅分布
が可動体を移動させたときにどの程度違つてく
るかということである。この複素振幅分布の違
いはスクリーン上に生ずる干渉縞のビジビリテ
イを低下させる。もう１つの要因は参照光が傾
きをもつているためにホログラムを照明する領
域が小さくなることである。これは開口が絞ら
れることに相当する。本直線計では最終的には
１ｍ以上の移動距離を目指している。

(5) 空気のゆらぎや外部振動の影響の排除：空気
のゆらぎや外部振動の影響を少なくするために
は、互に干渉する２波面を共通光路にする必要
がある。このために、第１図の干渉計はほぼ共
通光路になるように考慮されている。すなわ
ち、ミラー１７以後は物体光と参照光をほぼ同
じ光路を通るようにしてあり、この部分で生ず
る空気のゆらぎや外部振動の影響は、再生物体
光と元の物体光の両方に同じ様に入り、このた
め互に干渉した時に打ち消し合うことになる。

(6) 可動体の回転の影響：可動体が回転した場合
について数学的解析を行つた結果、一般的には
ホログラムの直前で再生物体光と元の物体光と
の間で位相差が生じ、この位相差がスクリーン
上に生ずる干渉縞のビジビリテイを低下させ
る。しかし、特殊な条件ではこの位相差を零に
することができる。それはホログラム面を参照
光に対して垂直に配置することである（第３図
参照）。そこで垂直にする許容範囲をビジビリ
テイの低下を考慮して数学的に解析すると、
（2π／λ）Δα（１−cosα）ｘ≦π／２の条件式
が得られる。可動体の回転角Δα＝１≒（1/3）
×10^-3、光の波長λ≒0.6×10^-3mm、ホログラ
ムの大きさｘ＝50mmとすると、ホログラムをセ
ツテイングする許容角度αは6゜となる。参照光
に対してホログラムをこの角度にセツテイング
することは非常に簡単なことである。

〔実験及び結果〕

次の点を確かめる目的で実験を行つた。(1)第１
図に示す直線計で実際に実時間干渉を行うことが
できるかどうか。また、その時に物体として使用
するスリガラスの直径をどの程度にしたらよい
か。(2)空気のゆらぎの影響はどうか。(3)直線計の
精度が計算通りに得られるかどうか。(4)光軸に垂
直な面内２成分の変位測定が可能か。

実験は第１図に示す光学系（Ｆ＝15）で行わ
れ、横変位は偏光板１８を回転して行なつた。そ
の結果、このような横変位によつて得られた干渉
縞のコンラストはかなり良好であつた。また、ホ
ログラムの写真処理後のセツテイングも容易に行
うことができた。第４図はこのようにして得られ
た横変位量とフリンジ数をグラフにして示したも
のである。このグラフから、10μｍの横変位で１
フリンジ増加することがわかる。そして計算から
得られた精度とも良く一致する。また、空調され
ている実験室で測定されたが、干渉縞の動きはほ
とんどなかつた。

以上の説明から明らかな通り、この発明によれ
ば、実時間干渉が簡単に行え、空気のゆらぎや外
部振動の影響を排除することができ、かつ精度の
高いホログラム直線計を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る直線計を示
す構成図、第２図は干渉縞と変位方向を示す説明
図、第３図はブロツクＡと参照光、物体光の関係
を示す説明図、及び第４図は横変位量とフリンジ
数の関係を示すグラフである。 １……直線計、２……可動体、３……ホログラ
ム、５……スクリーン、６……レーザー発光装
置、１３……拡散板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 拡散板及び前記拡散板の物体光と参照光を発
   光させ得る光学素子を固定体上に配設し、可動体
   の移動の移動量が零である基準位置における前記
   物体光と前記参照光により形成したホログラムを
   前記固定体上の直線移動経路に沿つて前記移動し
   得る前記可動体上に配設し、前記物体光及び前記
   参照光が前記ホログラムに入射するように構成さ
   れ、前記直線移動経路に垂直な面内での前記可動
   体の変位に伴つて前記ホログラムからの再生像の
   波面と前記光学素子からの物体光の波面との相対
   的なずれの方向及び量の情報を縞の傾角及び間隔
   として含む等傾角干渉縞を生じさせるように構成
   したことを特徴とする直線計。