JPH03505377A - モアレ距離測定方法及び装置 - 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】 モアレ距離測定方法及び装置 狡五血分丘 この発明は距離を測定するための方法及び装置に、更に詳細にはモアレ図形が距 離測定に使用されているそのような方法及び装置に向けられている。

金班夏１１ １９８８年２月２日リプナツト（Ｌｉｖｎａｔ）外に発行された米国特許第４， ７２２．６０５号は、高度の確度を持った鏡面反射面の小さい変位の非接触測定 のために有効なモアレ距離測定方法及び装置を示している。リプナツト外によっ て説明された技法はコリメートされた光ビームを第１回折格子を通じて鏡面反射 面上へ投影することを必要とする。反射面によって反射された光は第１回折格子 に対して角度θに回転させられた第２回折格子によって変調されてモアレ図形を 形成する。反射面の変位のためにモアレ図形が移動する。モアレ図形における移 動は反射面の移動した距離を測定するために検出される。

この方法によれば、測定される面の比較的大きい区域が比較的平らで且つ鏡面反 射性でなければならない。この方法は、液体、及び板ガラスのようなシート材料 の表面を測定するために非常に有効である。しかしながら、自動化された製造環 境においては、比較的大きい鏡面反射性の面を持っていない部品の小さい変位を 正確に測定することが多くの場合望ましい。

従って、拡散反射性の面の変位を測定するためのモアレ距離測定方法及び装置を 提供することがこの発明の目的である。

発護Ｒと【ｈ この発明の目的は第１回折格子の像を拡散反射面上へ投影することによりモアレ 距離測定を行うことによって達成される。

投影像の画像が第２回折格子上に形成されてモアレ図形を発生する。このモアレ 図形の変化が検出されて、反射面の移動した距離が決定される。一つの実施例に おいては、投影像の画像は第２回折格子と合同であり、これにより一様は地のモ アレ図形が生成される。地における明から暗への変化が検出され且つ計数されて 、反射面の移動した距離が決定される。更なる実施例によれば、測定の確度は位 相偏移技法又は空間同期検出技法を使用することによって改善される。

凹皿■Ｒ班 図１はこの発明によってモアレ距離測定装置の概略図であり、又 図２はこの発明の一実施例による空間同期検出方法におけるセンサの配列を示し た線図である。

Ｈる 図１はこの発明によるモアレ距離測定装置１０を示した概略図である。第１回折 格子１２の像を拡散反射面１４上へ投射するための光学系は、光源１６、集光レ ンズ１８、及び投影レンズ２０からなっている。投影レンズ２０の光軸２２は面 １４に対する法線２４から角度θに配列されている。第１回折格子は例えば４０ 本／ｌｌｌ１１のピッチを持ったロンチけい線（Ｒｏｎｃｈｉ　ｒｕｌｉｎｇ） からなることができる、法線２４に対して角度θで配列された光軸２８を持った 観察レンズ２６からなる第２の光学系は第２回折格子３０上に投影像の画像を形 成する。回折格子３０上の画像及び回折格子自体はモアレ図形を形成する。この モアレ図形はレンズ３４によってセンサ３２上へ焦点合せされる。

この装置は面１４が法線２４に平行な方向に移動されたときのモアレ図形の変化 を検出することによって機能する。変化するモアレ図形を検出するためには幾つ かの方法は使用することができる。　　− 最も簡単な方法に従って、レンズ２６により回折格子３０上に形成された第１回 折格子の像と回折格子３０は合同である（すなわち、同じピッチを持っていて平 行に整列させられている）。結果として生じるモアレ図形は、面１４が法線２４ と平行な方向に移動されるにつれて明から暗へ変化する一様な地である。観察図 形は面１４が一つの区切り線間隔Ｃ移動すると明から暗へ、更に明へと変化する （すなわち、一つの干渉しま周期だけ移動する）。

区切り線間隔Ｃとシステムの幾何学的形態との関係を導出することは簡単である 。投影された回折格子の像が観察回折格子３０に対して回折格子のピッチだけ変 位させられたときに面１４は１区切り線間隔Ｃ移動した。面１４における投影回 折格子のピッチＰｏは Ｐｏ　−ｍＰ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）である。ここで 、 Ｐ＝回折格子１２のピッチ ｌ＝レンズ２０から拡散面１４までの距離−＝倍率＝（ｆ−ｆ）／ｆ ｆ＝レンズ２０の焦点距離 面１４が法線２４に沿って移動されるにつれて、面１４上の投影回折格子１２の 像は、この図形が投影レンズの光軸に中心を配置されたままであるので、横に移 動するように見える。この移動Ｓは ｓ＝ｄ　　ｔａｎ（θ）（２） である。ここで、ｄは面１４の変位である。たとえモアレ図形がこれの投影図形 の画像と第２回折格子３０との重合せによって形成されていても、モアレ図形が 拡散面１４上に形成されていることを視覚化することは比較的容易である。これ は解析になんらの誤差も導入しない。図１に示された構成の対称性は第１格子１ ２と同じ周期を持った第２格子３０を要求する。この第２回折格子３０の面１４ における画像は面１４が移動されるときに第１格子１２と同じ周期ではあるが反 対の移動を呈する。一つの区切り線間隔Ｃは二つの回折格子画像を互いに１周期 Ｐｏだけ移動させるために必要とされる面１４の縦方向運動であるように定義さ れる。

区切り線間隔Ｃの変位に対して、各回折格子はＰＯ／２だけ移動する。従って、 Ｐｏ／２＝ｃ　ｔａｎ（θ）（３） 又は ｃ　＝Ｐｏ／２　ｔａｎ（θ）　＝ｏ＋Ｐ／２　ｔａｎ　θモアレ図形は面１４ が平行移動するにつれて明から暗へ、更に明へと変化する。法線２４に関して対 称的な構成が簡単のために記述されたが、非対称的構成が使用されることもでき 、従って各構成はその構成に特有の区切り線間隔を持つことになる。

上に開示された簡単な例においては、面１４により横切られる距離は簡単な光電 池３２でモアレ図形を検出して明から暗への遷移の数を計数することによって測 定される。各遷移は一つの区切り線間隔Ｃの移動を表しており、面１４の全変位 は±Ｃの確度で測定されることができる。４０本／ＩＩＩ！Ｑの回折格子（１２ ，３０）、１０５鵬のレンズ（２０，２６）、及び６°の角度θを使用したシス テムは面１４から６メートルの距離において約±６．６＋ａ＋ｎの分解能を持つ ことになる。

距離測定の確度を増大することのできる幾つかの方法がある。

位相偏移干渉計法に類恨した一つの方法においては、第１又は第２の回折格子１ ２又は３０は、例えば、図１に概略的に示された圧電形駆動器３６によってＸピ ッ手段階で機械的に変位させられて、投影画像と第２格子３０との間の相対的位 相偏移を与える。

モアレ図形の明るさの複数の測定が面１４の変位ごとに行われて、回折格子の相 対的位相がセンサの読みから計算される。ただ一つのセンサが必要とされること に注意せよ。面１４における傾斜又は検出器の二つの辺における倍率の小さい差 に起因するモアレじまは、これが検出器３２によって観察される区域より小さく なければ測定される相対的位相に影響を及ぼさないが、このことは検出器がモア レじまより小さくなければならないことを意味する。加えて、検出器は回折格子 が分解されないようにユニの格子線より大きくなければならない。

前に説明された簡単な測定方法においては、面１４の移動方向は測定からは検出 されないであろう。位相偏移方法においては、移動方向はデータ解析の直接の結 果であり、位相が各測定量増大しているか又は減小しているかによって決定され る。

三標本位相偏移システムに対するデータ解析が今度は説明されるが、確度増大の ためにＡピッチ段階以外の段階の大きさ又は四つ以上の標本を使用した方法が知 られており、これも又使用され得ることを注記しておく。位相偏移技法のための データを集めるために、標本Ａがセンサ３２によって取られ、可動回折格子３０ がＡピッチだけ変位させられ、標本Ｂがセンサ３２によって取られ、−可動回折 格子３０が更に２ピツチだけ変位させられ、そして第３の標本Ｃが取られる。こ れら三つの測定値ＡＳＢ及びＣは下の方程式４．５．６に示されたように記述さ れることができる。

Ａ＝Ｉｏ＋ａ（ｃｏｓ（φ））　　　　　　　　　　　　　　　　（４）Ｂ−Ｉ ｏ＋ａ（ｃｏｓ（φ＋π／２））＝Ｉｏ＋ａ（−ｓｉｎ（φ））　　　（５）Ｃ ＝Ｉｏ＋ａ（ｃｏｓ（φ＋ｘ　／２））　＝　Ｉｏ＋ａ（−ｃｏｓ（φ））　　 　（６）ここで、ＩｏはＤＣレベルであり且つａはモアレ図形の大きさであって 、これらは両方共計算から落ちる。φの正接はこの場合次のように計算される。

＝　　２ａ　５ｉｎ（φ）／（−２ａ　ｃｏｓ（φ））＝　（２Ｂ−Ｃ−Ａ）／ （Ｃ−Ａ） →　φ＝ｔａｎ−夏（（２Ｂ−Ｃ−Ａ）／（Ｃ−Ａ）　）方程式７は面１４の移 動における任意の点でのモアレ図形の絶対的位相を与える。面が移動した距離（ Ｘ）はによって与えられる。ここで、ｊは、位相変化が２πごとに繰り返される ので、位相変化が２πの間に生じる回数を計数することによって決定される整数 である。面速度がπ／標本の位相変化に対応する（ｃ／２）　／標本を越えたな らば、方向のあいまいさ及び／又は計数のしそこないが生じる。

モアレ図形における変化を検出する別の方法は空間同期検出干渉計法に類（以し ている。例えば、１９８８年１０月１１日クロスディル　（Ｃｒｏｓｄａｌｅ） に発行された米国特許第４，７７６．６９８号を見よ。

この方法においては、モアレ図形は、例えば、面１４を傾斜させることによって 、又はレンズ２０と２６との間にわずかに異なった倍率を与えることによって複 数のしまを呈するように作られる。

９０度の空間位相間隔で（＋／４のしま）配置された複数の検出器がモアレ図形 を観察する。センサからの信号は位相偏移測定に関して上述のように処理される 。この方策は面１４の傾斜におけるわずかな変化に怒じゃすいか、これはこの変 化がモアレじまの間隔における変化を生じさせるからである。上記のように、空 間同期検出の確度を改善する四つ以上のセンサを使用した諸技法が知られている 。

上述の位相偏移技法又は空間同期検出技法で、０．０１のしま移動を検出するこ と、従って、±０．Ｏ１区切り線間隔の範囲内まで距離変化を検出することが可 能である。４０本７ｍの回折格子、１０５Ｍのレンズ、及び６度のθを持った上 記の例については、これは６メートルにおいて約±７０ミクロンの測定確度を生 じることになるであろう。

図３に示されたように、１画素／格子線の間隔でＣＣＤイメ−ジセンサ３８のよ うな規則的に隔置された検出器配列も又回折格子３０の場所を占めるように使用 されることができ、モアレ図形は配列における隔置された検出器とセンサ上への 回折格子１２の投影像との間の相互作用によって形成される。そのような検出器 は画像フレームグラツバ４０のある又はないビデオカメラからなることができる 。しま図形をプログラム式ディジタル計算機４２によって監視して、しま中心の 位置を探し、面の縦方向移動Ｘを決定することができる。投影された格子を観察 格子又は規則的に隔置された検出器に対してわずかに回転させることによって、 規則的に隔置されたモアレしまの地を発生することができる。この技法はモアレ しま図形を必要とする任意の検出方式に対して使用されることができる。

の゛　　　び１占 この発明のモアレ距離装置は、例えば自動化生産ラインにおいて、拡散反射性の 面を持った部品の変位を測定するために有効である。この発明は測定を行うため に大きい鏡面反射性の面が必要とされないので従来技術の測定方法に比べて利点 を持っている。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ．回折格子の像を拡散反射面上へ投影するための、光源及び回折格子を備 えた装置、 ｂ．前記の投影像の画像を第２回折格子上に形成してモアレ図形を発生するため の装置、及び ｃ．反射面が移動されるときの前記のモアレ図形における変化を検出し、それに より前記の変化が反射面の移動された距離を決定することができるようにするた めの装置、を備えているモアレ距離測定装置。
2. ２．前記の第１回折格子の前記の形成画像及び前記の第２回折格子が合同であり 、これによってモアレ図形が一様な地であって反射面の運動が一様な地のモアレ 図形における明から暗への変化を生じることになり、且つ前記のモアレ図形にお ける変化を検出するための装置が、モアレ図形の明から暗への変化を検出し且つ 変化の数を計数するためのセンサである、請求項１に記載の装置。
3. ３．前記の形成画像と前記の第２格子との分散ピッチ段階での相対的移動を与え るための装置を更に備えており、且つ前記のモアレ図形における変化を検出する ための前記の装置が、反射面の第１及び第２の位置における前記のモアレ図形の 位相の位相偏移測定を行うための装置からなっている、請求項２に記載の装置。
4. ４．前記の第１回折格子の前記の形成画像及び前記の第２回折格子がピッチにお いて異なっていて、これによりモアレ図形が多重しま図形であり、且つモアレ図 形の位相における変化を検出するための前記の装置が、前記のモアレ図形の周期 に関して９０度間隔で配置された複数のセンサを備えた空間同期検出を行うため の装置からなっている、請求項１に記載の装置。
5. ５．前記のモアレ図形における変化を検出するための前記の装置が画像検出素子 の配列からなっており、且つ第２回折格子が前記の配列における前記のセンサ素 子の間隔によって規定されている、請求項１に記載の装置。
6. ６．ａ．回折格子の像を拡散反射面上へ投影する段階、ｂ．前記の投影像の画像 を第２回折格子上に形成してモアレ図形を発生する段階、及び ｃ．反射面が移動されるときの前記のモアレ図形における変化を検出して、これ により前記の変化が反射面の移動された距離を決定することができるようにする 段階、を含んでいるモアレ距離測定方法。
7. ７．前記の第１回折格子の前記の形成画像及び前記の第２格子が合同であり、こ れによってモアレ図形が一様な地であって反射面の運動が一様な地のモアレ図形 における明から暗への変化を生じることになり、且つモアレ図形における変化を 検出する段階が、モアレ図形の明から暗への変化を検出し且つこの変化の数を計 数することからなっている、請求項６に記載の方法。
8. ８．前記の形成画像と前記の第２回折格子との間に分数ピッチ段階において相対 的移動を与える段階を更に含んでおり、且つモアレ図形における変化を検出する 前記の段階が、反射面の第１及び第２部分における前記のモアレ図形の位相の位 相偏移測定を行うことからなっている、請求項７に記載の方法。
9. ９．前記の第１回折格子の前記の形成画像及び前記の第２回折格子がピッチにお いて異なっており、これによってモアレ図形が多重しま図形になり、且つモアレ 図形の位相における変化を検出する前記の段階が、前記のモアレ図形の周期に関 して９０度間隔で隔置された複数のセンサで空間同期検出を行うことからなって いる、請求項６に記載の方法。
10. １０．モアレ図形における変化を検出する前記の段階が画像検出素子の配列でこ の変化を検出することからなっており、且つ第２回折格子が前記の配列における 前記のセンサ素子の間隔によって規定されている、請求項６に記載の方法。