JPH0339563B2 - - Google Patents

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JPH0339563B2
JPH0339563B2 JP58086378A JP8637883A JPH0339563B2 JP H0339563 B2 JPH0339563 B2 JP H0339563B2 JP 58086378 A JP58086378 A JP 58086378A JP 8637883 A JP8637883 A JP 8637883A JP H0339563 B2 JPH0339563 B2 JP H0339563B2
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JP
Japan
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beams
light
measured
angle
optical
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JP58086378A
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JPS59211810A (ja
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Hiroo Fujita
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Citizen Watch Co Ltd
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Citizen Watch Co Ltd
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Publication date
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Priority to US06/608,744 priority patent/US4650330A/en
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザーを用いた光ヘテロダイン干渉
法による微小角度の測定方法に関するものであ
る。
現在精密機械産業においては、工作機械の加工
状態の精度モニター、加工物の精密測定の要求が
高まり、その一分野として微小角度の非接触高精
度測定器の実現が望まれている。
従来微小角度の測定としては、静止物体では、
オプテイカルフラツトを用いたニユートンリング
測定法、オートコリメータによる測定法などがあ
り、また動的物体においてはホログラフイ干渉法
など各種の測定法があるが、通常環境下におい
て、簡単な装置で非接触で高速に高精度に角度計
測が可能な方法というのは実用化されていないの
が実情である。
本発明は光ヘテロダイン干渉法により、通常の
環境下で非接触で0.001゜のオーダの精度で計測が
出来る微小角度の測定方法を実現することを目的
とするものである。
以下光ヘテロダイン干渉法について説明する。
光ヘテロダイン干渉は2つの異なる周波数成分
を持つ光を干渉させて、その強度を光電変換し
て、差の周波数のビート信号を得る方法である。
例えば周波数f1、f2の光波をE1、E2とすれば E1(t)=A1(t)cos(2πf1+φ1(t)) E2(t)=A2(t)cos(2πf2+φ2(t)) ここで、A1、A2は振幅、φ1、φ2は位相を示す。
この2つの光波を干渉させると、その強度I(t)
は I(t)=|E1(t)+E2(t)|2となる。
これを光検出器で電流i(t)に変換すると i(t)∝A2 1+A2 2+2A1A2cos(2πΔft+Δφ) 但し Δf=f1+f2、Δφ=φ1+φ2 なる電気信号が得られる。
ここでΔfは105〜106Hzのオーダで十分に電気的
検出が可能で、このビート信号の周波数、位相の
変化を検出することにより、もとの光波が持つて
いる光の周波数領域での情報を高精度に取り出す
ことができる。
光ヘテロダイン干渉を行なわせる手段として
は、ゼーマンレーザを用いる方法、音響光学素子
を用いる方法が一般的であり、本発明による微小
角度測定装置では、音響光学素子を用いて、前記
ビート信号のうちのΔfは一定としておき、位相
の変化を電気的に検出して、その位相の変化から
角度を算出するものである。
第1図に本発明による光ヘテロダイン干渉法に
よる微小角度の測定方法を示す装置のシステムブ
ロツク線図を示す。
He−Neレーザ管あるいは半導体レーザ等によ
るレーザ発振器100から放射された周波数f0
光ビーム(1本)101は音響光学素子(A・
O)103に入射される。A・O103はfmな
る周波数の正弦波発振器111を入力とするA・
Oドライバー112によつて超音波進行波をその
内部に発生させ、光と超音波の相互作用により光
ヘテロダイン干渉の基礎となる周波数の異なる2
本の光ビーム(2ビーム)104及び105を発
生させる。
ここでA・Oドライバー112はVCO、高周
波パワーアンプ、平衡変調器等から構成され、あ
る高周波信号の周波数faに対してAM変調を行な
い、キヤリアー周波数fa成分を抑圧して、fa−
fm及びfa+fmの周波数成分を持つサイドバンド
パクを発生させることが必要である。
この様にしてビーム104はfo+fa−fm、ビ
ーム105はfo+fa+fmなる周波数成分を有す
る。
102は偏光ビームスプリツター及び1/4波長
板から構成される光アイソレータで、A・O素子
103と測定する物体面107の間に設置する。
2ビーム104及び105は光アイソレータ1
02で2つの方向に分割する。一方は物体面10
7に照射しない参照光104′,105′となし、
他方は集光用レンズ106を通して物体面107
に照射する。物体面107からの反射光を再び集
光用レンズ106を通して光アイソレータ102
により再び進路を曲げ物体反射光120,121
とする。122及び123は参照光104′,1
05′及び物体反射光120,121の干渉を行
なわせる光電変換部で例えばPINフオトダイオー
ド等で構成され、得られたビート電流信号の電流
−電圧変換等を行なわせる。
さらに得られた電圧信号の直流カツトをすれば
得られる交流電圧信号124及び125は各々 A1cos(2π・2fmt+θ1) A2cos(2π・2fmt+θ2)で表わされる。
θ1は参照信号の初期位相で一定量であり、θ2はビ
ーム104及び105が照射されたときの物体面
107の角度状態に起因する幾何学的形状によつ
て起こる2ビーム間の光路差によつて生じる位相
差で状態によつて変化する量である。このθ1、θ2
の差を位相比較器114によつて検出し、得られ
た位相差データをマイクロプロセツサー等を用い
たデータ処理部126によつて角度に換算する。
電気的に得られた位相データを角度データに変
換する光ヘテロダイン干渉を行なわせる光学系に
依存する。
第2図は本発明による微小角度を測定するため
の測定装置に用いる光学系の一実施例を示す模式
図であり、130及び134はシリンドリカルレ
ンズで各々の焦点距離はl1とする。131及び1
32は平凸レンズで各々の焦点距離はl2とする。
133は偏光ビームスプリツター、135は1/4
波長板、106はレーザ集光レンズで焦点距離は
l0とする。
一般にA・O103は光と超音波の相互作用に
より、光波の変調を行なうもので、A・O103
に入射する光のビーム幅は広いのが好ましいた
め、シリンドリカルレンズ130と平凸レンズ1
31の組み合せで幅の広いだ円ビームを発生させ
る。
さらに直線偏光レーザを用いることにより、偏
光ビームスプリツター133と1/4波長板135
の組み合せから参照光と物体光の分離を行なう。
ビート信号124と125は一般に振幅が異な
り、位相比較器114にはできるだけ振幅が近い
状態の電気信号を入力するのが好ましいため、照
射する物体の反射率に応じて、例えばレーザ管を
回転させ直線偏光の軸を調整すればよい。あるい
は偏光板を回転させて直線偏光軸を回転してもよ
い。
さらにビート信号のS/N比を良くするため、
偏光ビームスプリツター133は干渉光がだ円ビ
ームとなる場所に設置するのが好ましい。
第2図の実施例では、A・O103によつて分
離された2ビームは図示しないが、実際には非常
に接近した2ビームに分離している。
この2ビーム分離を与える周波数をfmとした
とき、物体面107上での2ビームの分離距離d
は d=2l2・l0λfm/l1・V で与えられる。
但しVはA・O103を伝わる超音波の速度で
ある。
VはA・O103の媒質で決まる。λはレーザ
の波長でHe−Neレーザの場合は0.6328ミクロン
メートルである。例えばV=3.8Km/sec、f1=15
mm、f2=500mm、f0=7mmとすれば、fm=100kHz
で、d=7μmである。
また物体照射面でのビームスポツト径は集光レ
ンズ106に入射されるビームの径(このときは
円形ガウスビームに変換されている)とレンズ1
06の焦点距離l0に関係するが、小さいビーム径
及び2ビームの間かくdをより小さくするには、
シリンドリカルレンズ134と集光レンズ136
の間にビームエクスパンダーを入れればよい。
以上説明した光学系を用いて角度測定を行なう
実施例を以下に説明する。
第3図は微小角度φだけ傾斜の付いた斜面角の
計測例を示す模式図である。31に示す平面を基
準状態面、32に示す平面を測定状態面とする。
第1図での説明で明らかな如く、参照信号と物
体反射信号の各々の位相θ1、θ2の絶対値は意味を
持たず、従つてその差θ1−θ2だけも意味を持た
ず、意味があるのは(θ1−θ2)の状態変化による
変化量である。斜面角φを求めるのに、まず基準
となる状態面31の平面に2ビームを照射してそ
のときの位相角を測定する。前述の如く位相差
(θ1−θ2)は任意量であるため、 θ1−θ2=0とするのがよい。θ1−θ2=0とするに
は参照信号の位相を調整すればよく、第2図で説
明した光学系において、偏光ビームスプリツター
133により進路を曲げられた参照光のだ円ビー
ムに対して光電変換受光器122の位置を移動さ
せて位置調整さすことができる。位相は光電検出
器122の移動に対して直線的に変化する。
次に測定状態面32に2ビームを照射してその
ときの位相角を測定する。
このときは明らかに角度φによる段差があるた
め、2ビーム間に光路差が生じて位相に変化が起
こる。
今、2ビーム間にZなる段差があれば、Zは Z=λ・θ/4πで表わされる。
λはレーザ光源の波長、θは位相差である。
レーザとしてHe−Neレーザを用いれば−
0.158Z0.158ミクロンメートルが一度に測る
ことができる限界である。位相差θ=1゜当りのZ
は、8.8オングストロームであり、電気的に1゜の
位相測定は十分に可能である。
位相差θによりZが求められるため、角度φは
第4図の模式図により、φ=tan-1Z/dで求めら
れる。
dは2ビーム間の距離で前述の如く発振周波数
fm及び使用するレンズの焦点距離から求められ
る。
基準面31及び斜面32が鏡面でなく粗面の場
合は、Zとして各々の表面の微小粗さをふくむた
め、各々の面について何回かの測定を行ない統計
的処理での表面粗さを取り除くようにする必要が
ある。
第3図の場合ではd=7μmの場合に測定でき
る最大角度は±1.3゜である。
例えば0.5゜程度の微小角度測定においては、測
定精度は位相角1゜の誤差につき0.007゜である。こ
の様に非常に高精度計測が可能である。
本例の場合は測定対象物の2ビーム照射位置を
変えて測定する必要があるが、A・O103に可
変直流電圧を印加してA・O103の偏向角を変
えて位置を変えることもでき、またXYステージ
の移動によつて位置を変えてもよい。
第5図は第2の角度計測例を示す模式図であ
り、基準面51が回転して面状態52となつたと
きの角度差φを求めるもので、例えば工作機械の
加工ヘツドの運動状態を検出する場合である。
本計測例の場合も基準となす状態の基準面51
の位相差を測定しておき、次に角度φだけ回転し
たときに生じる光路差による位相変化を測定すれ
ば、第3図の計測例で説明した様な演算をすれば
角度φが求められる。
第6図は第3の計測例を示す模式図であり、物
体の変形量計測の場合で、変形前の基準面61の
各部分についての位相を計測し、変形後の状態面
62の位相を計測して、変形角から変形量の計測
が可能である。
以上述べた如く、本発明による微小角度の測定
方法では、その精度が位相角1゜の誤差につき、
10-2〜10-3のオーダーでの測定が可能で、大変高
精度な計測を行なうことができるばかりでなく、
非接触で且つ高速な計測も可能で、光ヘテロダイ
ン干渉法の利点を生かし通常境環下で使用される
ために、オンライン・オフライン共に計測できる
方法で効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例による微小角度の測定
方法を用いた装置のブロツク線図、第2図は第1
図の微小角度測定装置に用いられる光ヘテロダイ
ン干渉法の光学系の説明用の模式図、第3図、第
5図及び第6図はそれぞれ本発明の微小角度測定
方法を用いた装置による各角度計測例を示す各模
式図、第4図は角度算出説明用の模式図。 100……レーザ発振部、103……音響光学
素子、102……光アイソレータ、107……物
体面、114……位相比較器、122,123…
…光電変換部、126……データ処理部、133
……偏光ビームスプリツター、135……1/4波
長板。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 レーザ発振部から放射されるレーザ光を、少
    なくとも周波数fmの交流信号で駆動される音響
    光学素子により周波数が異なり且つ異なる方向へ
    進行する2ビーム光を発生せしめ、該2ビーム光
    を光アイソレータにより2つの方向に分割し、一
    方の方向に進行する2ビーム光を第1の受光器で
    検出して参照光信号を形成し、他方の方向に進行
    する2ビーム光を対物レンズにより前記周波数
    fmに応じた距離だけ離れて互いに平行に進行す
    る2ビーム光に変換して角度が測定されるべき被
    測定物面上に照射せしめ、該被測定物からの反射
    光を第2の受光器で検出して物体反射光信号と成
    し、該物体反射光信号と前記参照信号との間の位
    相差を検出する位相差検出器を設けて前記被測定
    物に照射された2ビーム光の間の光路差を検出し
    て、該光路差と前記被測定物に照射した2ビーム
    光の距離の関係により前記被測定物の角度を計測
    することを特徴とする光ヘテロダイン干渉法によ
    る微小角度測定方法。
JP8637883A 1983-05-13 1983-05-17 光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法 Granted JPS59211810A (ja)

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US06/608,744 US4650330A (en) 1983-05-13 1984-05-10 Surface condition measurement apparatus
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015178982A (ja) * 2014-03-19 2015-10-08 アイシン精機株式会社 形状測定装置及び形状測定方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1306245C (zh) * 2005-02-08 2007-03-21 王治平 激光数字式角度测量方法及其装置
JP6014449B2 (ja) * 2012-10-02 2016-10-25 アストロデザイン株式会社 レーザー走査顕微鏡装置
CN110006367B (zh) * 2019-04-17 2021-08-13 北京信息科技大学 偏摆角、俯仰角测量方法和装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5536922A (en) * 1978-09-04 1980-03-14 Hitachi Metals Ltd Manufacturing of ferrite

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5536922A (en) * 1978-09-04 1980-03-14 Hitachi Metals Ltd Manufacturing of ferrite

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015178982A (ja) * 2014-03-19 2015-10-08 アイシン精機株式会社 形状測定装置及び形状測定方法

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