JPH02500860A - 光学角度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学角度測定装置 本発明は光ビームと測定装置との間の角度を測定する光学装置に関する。

角度を測定する最も一般的な方法は目盛が何等かの方法で観測される円形スケー ルの助けによるものであろう。この原理で操作する自動システムもまた見られる 。他の原理は回転鏡からスケールへ光を反射させ、望遠鏡と鏡との助けによりス ケールを観測するという原理に基づくものであり、この方法は１８２９年にポゲ ンドルフ（ＰｏｇｇｅｎｄｏｒｆＴ）により発明された。第３の方法は自動規準 法である。

しかし、本発明はハイディンガ（Ｈａｉｄｉｎｇｅｒ）　（１７９５−１８７１ ）にちなんで名付けら、ファプリ（Ｆａｂｒｙ）とベロフト（Ｐｅｒｏｔ）によ りこれらの人々にちなんで名付けられた干渉計において適用され波長を正確に測 定するのに用いられる等しい傾斜に対する所謂干渉の原理に似た干渉計測定法（ ｉｎｔｅｒｆｅｒ−ｏｍｅｔｒｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ）に関する。この方法は次に 述べるように複雑であるが、これら周知の干渉計の背後にある理論は本発明を説 明するのに用いることができる。

この干渉計の理論は過去８０年に亙り比較的によ（発展してきた。部分的に反射 する厳密に平行な面から成るエタロン（ｅｔａｌｏｎ）’Ｔ士片側を被調査光で 照射され、他側に位置する光学システムは透過光を互いに異なる方向で調査する ことを可能にする。このシステムは最も簡単な場合、正レンズとこのレンズの焦 点に位置するスクリーンとから成る。

多数の干渉リングがスクリーンに現れ、ここで最内方のリングは波長に対応し、 この波長は、リングの大きさによる寄与に応じて、エタロンの厚みを構成する光 の半波長に本質的に一致する。ファブリーペロフトエタロンの理論は例えばＢｏ ｒｎ　ｌ　Ｗｏｌｆ著１９８０年第６版、”Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｏｐ ｔｉｃｓ”７．５−７．６章、およびＴｏｌａｎｓｋｙ著の特に”Ａｎ　１ｎｔ ｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ”に記載されている。

これらの干渉測定法において、興味があるのは最内方のするものであり、高次の 干渉は入射光がエタロンの平面に対して直角である従来の位置からエタロンが偏 倚するときに調査できる。従来の７アブリーペロツト干渉と正反対に、観察でき る縞は本質的に垂直線であり、厳密にはハイディンガ縞または「等しい傾斜に対 する縞」と名付けることができる。

長さまたは距離を測定する干渉計測定法は技術上一般に周知である。この点につ いては、マイケルソン干渉計および同様の構造を参照でき、これらは、コヒーレ ンス長の大きいレーザの出現と相俟って、比較的に長い距離を測定するのに実用 できる。互いに平行関係に相互に相対的に動かされる２個の７アブリーベロツト エタロンをこの目的に使用できる；　Ｌ）Ｓ−Ａ−４，５５８，９５０参照。し かし、本発明は角度検出器としての対応するエタロンの使用に関するものであり 、回転によりハイディンガ縞は検出器を越えて動くケールラインＪはレーザ装置 から投影される充円錐に関して平面平行板の回転を規定する単調であるが非線形 スケールを形成する。

標準ファブリーベロフト干渉計の場合、２つの部分反射面間のスペースは僅かに 楔形のガラス板に担持される。しかし、波長の絶対値は本発明の場合興味がない から、好ましくは平面平行ガラス板が使用され、かかる板は商業的に入手可能で あり、干渉フィルタとして使用される。成る場合には、非常に厚いガラス板、例 え幌厚さ１００ｍｍ程度のガラス板が使用される、というのはその場合角分解能 が非常に高いからである。以下の説明から明らかになるが、厳密な平行性は本発 明の場合ファブリーベロフト干渉計の場合よりも重要性が低い。

縞が発生する原理は第１図に示されている。入来光ビーム（１本だけが示されて いる）は、板１の面での屈折（外部の屈折率ｎ０は空気中では１に近い）に続い て、反復的に反射または透過し、角度θ、θ゛で互いに増幅する外出光ビームを 与える。基本的な幾何学的条件によると、板の厚さがｈ、単色光の真空波長をλ 。とすれば、相次ぐ光線間の位相差（ラジアン）は または、入射角θの関数として、 構造干渉はδ＝ｍ２πのとき得られ、ここにｍは干渉次数（整数）である。角θ は式 により、干渉次数の関数としてこの関係から得られる。

２つの相次ぐ縞の間の角 Δθ＝θｍ−θｍ−１（４） は先の式から得ることができる。式（３）は角θとオーダナンバ（ｏｒｄｅｒ　 ｎｕｍｂｅｒ）ｍとの間に非線形であるが単調な関係があることを示す。オーダ ナンバｍは当然ながら高い値を有する。例えば、ｈ＝ｌＱｍｍであれば、λ。＝ ６３２ｍｍ％ｎ’　＝１．５である。縞を観察または識別出来るｍの最低値は４ ７０００の区域にある。

互いに隣接した綿量の距離Δθの測定値は式（３）の誘導から得ることができる 。

θに関して、この式の導関数は（−１／５ｉｎｅ　θ）である。

２つの縞の間の角は、この角が非常に大きいほぼ法線方向の入射と前記角が非常 に小さいグレージング入射角との間で広（変化することは容易に解るであろう。

しかし、スケールの変化は法線入射から偏倚した角の場合比較的に穏やかである 。更に、法線入射に近い干渉縞は曲げられ、故に測定に関しては役に立たない。

本発明の代表実施例の場合、これは例えば−５°くθ〈＋５°の範囲内の角度検 出におけるジャンプを意味する。厚さ］Ｑｍｍの干渉板では、１０’と６０°と の間の３０ア一ク秒（ａｒｃ　５ｅｃｏｎｄｓ）の典型的間隔を期待できる。達 成できる角度分解能は使用する検出器に依存する。もしこの検出器が１個または ２個の構成要素または素子を持つならば、肉分解能は同程度の大きさになる。大 きい分解能を有する線形検出器は可視性が充分であれば分解能は５００倍増加で きる。ダイオードを使用能を比較的に容易に得ることができる。

可視性は反射面の反射性に依存する。反射率が高いほど、縞が狭くなる。反射率 が９０％である°と、２ｏ０くθ〈５０°であり、板厚１２．７ｍｍでは縞の幅 は２ア一ク秒に相当する。

法線および近法線入射における低い観察可能性に関する上記欠点は、本発明の一 実施例によれば、２つの異なるレーザビームをエタロンに投光し、ビームが互い に異なる容度でエタロンに入射させることにより克服できる。２個のレーザを例 えば４５°の固定角度レーザビーム関係で配置し、各レーザに透過用の線検出器 および直接反射を検出する反射検出器、例えば正確な校正検出器および同様のリ ミットスイッチを２つのビーム経路の間に設けることにより、高い分解能を維持 し、０°ないし３６０°の角度を連続的に測定できる。

本発明の原理は理論上の周知のファプリーペロフト干渉計に関する条件から述べ られた。しかし、実際に存在する条件は更に複雑である。理論的に見ると、ハイ ディンガ縞は無限の距離にある縞であり、而して平行ビームをスクリーンのスポ ットに合わせたときに識別できるだけである。

しかし、本発明の構成では、観察される縞はスクリーン上に直接見ることができ 、またスクリーンを斜めに位置決めすることにより、縞は相互の間隔が増すが鮮 明にできる。

故にかかるスクリーンが外出ビームのグレージング入射（−８５°）に相当する 角度に位置決めされ、その像は多チャンネルまたは他の位置感応電気検出器に生 じる。恐らく、本発明を実施するときに識別される縞が古典的理論により無限の 距離に位置しないが任意の距離でスクリーン上に細くされることができるという 理由は、使用される光源がレーザだからである。初期の理論は点状でない光源は 互いにコヒーレントでない点状光源であると考えられるべきであるという仮定に 基づいている。

前述のように、３０ア一ク秒の縞間隔または距離は僅か１０ｍｍの板厚で得るこ とができ、これは位置感応検出器の助けにより、１ア一ク秒の６００分の１に相 当する５００部以内までの位置の正補間を行うことができる。通常アークの５秒 に等しい目盛で目盛られた良好な円形スケールは０．２ないし０．５ア一ク秒の 偶発的測定誤差と１−３ア一ク秒の系統的目盛誤差を与えるということに関しく 　Ｋｏｈｌｒａｕｓｃｈ著、“Ｐｒａｋｔｉｓｃｈｅ　Ｐｈｙｓｉｋ”、Ｓｔｕ ｔｔｇａｒｔ、１９６８゜第１０９頁）、本発明は最良の周知の古典的方法より も少なくとも１桁良好な再現可能な角測定を可能にすること、および再現性と同 じ精度を達成する校正は困難な仕事であることは明らかである。しかし、ががる 精度は必ずしも常に必要でなく、本発明は精度が遥かに低いものに対しても適用 できる。而して、エタロンの厚みを小さくし、以て縞距離を大きくするならば、 精度が低い場合には簡単な測定装置を使用でき、システムを容易に自動化できる 。

綿量の補間は位置検出器が無くとも、既知の小さな角度だけエタロンを回転する ことにより得ることができる。例えば、補間の目的で使用できる一連の同期クロ ックパルスを用いてエタロンを一定速度で回転できる。

本発明の装置は主として角度計であると考えることができるが、本発明の原理を 他の種類の計器および測定装置の製作にも適用できる。例えば、本発明は無数の 距離測定装置に適用できる。

第１の型式の距離計の場合、レーザビームをビームの方向の位置を決められるべ き物体に入射させる。入射スポットは種々の方向に放射線を発生する。エタロン はレーザビームに対して僅かに偏倚しており、物体上の照射スポットをしてエタ ロンの放射線源を構成させ、これにより放射角度を測定でき、またｒ三角測量」 により所望の距離を測定できる。

第２の型式の距離測定装置において、測定目的で別個の光ビームが使用され、そ の入射角は測定光ビームがエタロン上での反射で固定光検出器と一致するまでレ ーザビーム中に配置したエタロンを回転することにより測定され、これによりエ タロンの回転角が決められる。

本発明の一特定実施例によれば、２個の角変位したエタロンを使用でき、これに より０−３６０°の角範囲をカバーできる。

次に本発明を添付図面に示す非限定典型実施例に関して述べる。

上記第１図は本発明の基礎となる角依存干渉の原理を示す。

第２図は角度計の模式図である。

第３図は第１の距離測定用途を示す。

第４図は第２の距離測定用途を示す。

第５図と第６図は角測定装置の他の発展を示す。

第７図は第４図、第５図似示す例での特定用途において縞間隔が角度と共に変化 する態様を示す。

測定を行う原理は第１図に関して上に述べてきた。第２図は本発明により機能す る角度計を極めて模式的に示す。

レーザＬはコヒーレントな光を発生し、この光はレンズ２と穴３とを通り、回転 角を測定されるべき回転可能エタロンＥに入射する。エタロンＥを通る光ビーム は傾斜位置したスクリーンＳに捕捉される。視覚識別可能な干渉縞がスクリーン に生じ、干渉縞はレンズ４の助けにより検出器Ｄ、好ましくは位置感応検出器に 結像できる。技術上各種の適当な検出器が知られており、例えばダイオードアレ イ（ｄｉｏｄｅ　ａｒｒａｙ）がある。検出器りの片側に示すように、山と谷を 持つ強度分布が得られる。強度分布の鮮鋭度に対応する縞を観察できる範囲は、 エタロン面の反射率に依存す厚さ１２．７ｍｍ、反射率９０％の試験されたエタ ロンの場合、対応線は入射角２０−５０°、ｃａ２〃の幅、およびｃａ３０〃の 間隔を有していた。スクリーンＳを斜めに位置することにより、３０〃間隔を検 出に先立って約３ｍｍまで広くできる。厚さ１−２５ｍｍ、直径］−１００ｍｍ の干渉板が一般に好ましい。

反射率が低いと、特に約３０’以下の角においてコントラストに富む縞を得るこ とが困難になる。故に、透過の場合、６０−９９．９％の反射率が一般に好まし い。しかし、縞は低い強度においてではあるが反射にて調査することもでき、遥 かに低い反射率（４％）にて縞を観察することが可能である。入射角が大きいと 、Ｒ＝４％のときの反射の場合、強度が弱くなり、故にエタロンを透過により調 査するのが一般に好ましい。透過の場合、縞検出器はエタロンの軸線に関して静 止装着できる、というのは光学軸線はエタロンが回転するとき僅かに数ミリ動く だけだからである。

第３図は距離測定の一用途を示す。レーザしにより生じるレーザビームはビーム に沿う位置を決定されるべき物体６へ指向される。物体６は小さい照射スポット から光を発し、この光は物体の位置により明確に規定された角度でエタロンＥに 入射する。第２図に関して述べた態様と同様に、干渉縞は傾斜スクリーンＳによ り捕捉され、スクリーンは位置感応検出器りへ投影される。レーザＬと物体６と の間の距離の変化は、スクリーンＳ上で通過する縞の数を観察することにより測 定できる。問題を三角法的に考えると、入射角の増加に伴う相次ぐ縞の間隔の減 少はかなり補償されるが、その理由は与えられれた運動経路に亙る角の変化は物 体６がレーザから遠ざかる程益々小さくなるからであり、このことは線形方向の 補償効果を暗示する。

第４図は２個のレーザＬ、　Ｌ’　を用いた距離を規定するための他の用途を示 す。第３図に示す実施例の場合、強度に関し、物体は照射レーザビームの多くを 反射することが必要である。しかし、第４図の実施例の場合、物体は固定レーザ Ｌ°　により照射され、エタロンＥは鏡として用いられて光を検出器Ｄ１へ反射 し、エタロンの回転はサーボ機構（図示せず）により行われる。エタロンＥのこ の回転は透過に次いでスクリーンＳに縞を生ぜしめる他の固定レーザしにより生 じるレーザビームの助けにより測定される。

この場合、レーザ上１エタロンＥおよびスクリーンＳと検出器りとの組み合わせ は、角度計として機能し、従来の円形スケールにより得られる成績と同様の成績 が得られる。

しかし、図示の角度計はデータの自動記録に特に適する。

参照角を得る目的で、エタロンＥにはレンズシステム７を通じて検出器Ｄ２の助 けにより観察できる参照マークが適当に設けられる。このシステムは自動規準シ ステムにできる。

第５図、第６図はより完全な角度計を示す。この実施例のエタロンＥはレーザＬ ｌ、Ｌ２からの２本のレーザビームに照射される。ビームは４５°の角度を形成 し、第６図に示すように距離ｄだけ垂直に変位する。２本の透過ビームにおける 干渉縞はスクリーンＳｌ、Ｓ２に捕捉され、縞検出器ＤＩ、Ｄ２により調査され る。また角度計は４個の反射検出器６０−６３を含み、各反射検出器はスクリー ン、物体および光検出器を有し、ビーム５２の平面に置かれる。

２つの隣接線の角距離は９０°の入射角において非常に大きく、また前記角と共 にかなり変化する。更に、縞を目視可能にすべきであれば、エタロンＥの２つの 面は互いに厳密に平行でなければならない。更に、縞は曲げられる。

故に、これらの角は避けられるべきであり、間隔は２つのレーザビーム／検出器 アレイ間に分割される。切換は検出器６０−６３にネリ行われる。第５図におい て、角度計は０°の設定値を有しく第７図参照）、またレーザビーム５１は４５ ’の入射角において８１とＤｌの助けにより検出されるものとする。レーザビー ム５１はテーブル５０を正方向（反時計方向）に４５°回転するとエタロンに対 して直角になる。しかし、ビーム５２は正方向にテーブルを２２゜５°回転した 後に検出器に入射し、検出がビーム５１からビーム５２へ切り換えられる。同様 に、負方向に２２．５０回転することによりビーム５２が対応スイッチ用の検出 器６２へ反射する。６７．５°の正角において、ビーム５２は検出器６０を付勢 し、約６７．５”の負角では前記ビーム５２は検出器６３へ反射される。他の検 出器の設計も勿論考えられるが、重要なことは一方から他方への切換はエタロン Ｅにおける透性線入射角を避けるような角度で行われることである。第７図は縞 間隔を３０〃以下に保つ態様を示し、また切換を行う位置を示す。

これは法線入射に遭遇する困難にも拘わらず全円で回転する角度計を用いて本発 明の原理を適用できることを示す（ｆｆｔｔ密に言うと、前記信号シーケンスは １８０°までの角をカバーするが、理解されるように、検出器６０−６３は測定 を１回転に亙り、更には数回点に亙り行い得ることを保証する）。

干渉縞の通過方向を決めるために周知の態様で評価できる高速検出器を使用でき るから、回転可能エタロンの支承に関する全く機械上の困難を克服できる、干渉 計測定法による肉分解能を実用できる。更に、回転角は精度と正確さの両方につ いて従来可能であったよりも遥かに良好に測定できる。

ＦＩＧ　１ Ｆ旧、２ ｎ」障１財ゝゝゝ＼　物体 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．電磁放射線のビームと測定装置との間の角を測定する角測定装置であって、 ビームはコヒーレントな単色ビームであり、また測定装置は放射線に対して透明 でありかっ２つの実質的に平行な反射面により形成された媒体を含む平面平行板 （Ｅ）を含み、またコヒーレントな光ビームにより平面平行板に生じる干渉縞を 検出する干渉縞検出器（Ｄ）を含むことを特徴とする装置。
2. ２．平面平行板（Ｅ）および干渉縞検出器（Ｄ）は平面平行板への光ビームの入 射角を測定するために互いに静止して装着されたことを特徴とする請求項１記載 の装置。
3. ３．互いに強固に結合されたレーザビーム発生レーザ（Ｌ）と干渉検出器（Ｉ） とを含み、平面平行板（Ｅ）は板の反射面に対して平行でかつレーザビームに対 して直角な軸線の回りに回転するようにしたことを特徴とする請求項１記載の装 置。
4. ４．平面平行板（Ｅ）はガラスまたは同様の材料から作られ、６０−９９．９％ の反射率を有する反射性被覆と共に相対する側に設けたことを特徴とする前記請 求項のいずれかに記載の装置。
5. ５．２個のレーザビーム（５１，５２）は板の回転軸線の方向に互いに変位した 平面内に配置され、干渉縞検出器（Ｓ１，Ｄ１；Ｓ２，Ｄ２）を設けてレーザビ ームにより発生した干渉縞を検出し、またレーザビームが近法線入射角およびグ レージング入射角で板に衝突する回避間隔下の所定の間隔内で干渉縞を検出する 手段（６０、６３）を設けたことを特徴とする請求項３記載の装置。
6. ６．干渉縞検出器はスクリーン（Ｓ１，Ｓ２）を含み、前記スクリーンはスクリ ーンから板へ延びた検出器に対して直角な線に関して傾斜し、また前記干渉縞検 出器は光学像形成素子（４）、および前記素子のスクリーン像形成平面に位置す る位置感応検出器（Ｄ）を含むことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の 装置。
7. ７．レーザビームはレーザダイオードにより配置され、前記ダイオードの前方に レンズシステムを配置したことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. ８．回転可能板（Ｅ）の参照位置を確立する検出器（７、Ｄ２）を特徴とする請 求項１記載の装置。