JPH0460430A - 平行光計測装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学を応用したセンサなとに使われる光線の
平行度の計測及び調整可能な平行光計測装置に関する。

（従来の技術） 位置、距離１寸法などを計測するために各種レーザやＬ
ＥＤなどの光源を用いた光字センサか幅広く使ねわでい
る。これらのセンサにはその光学系の一部に平行光が使
用されていることが多い。

平行光は、ＬＥＤやレーザダイオードなどの発光部が点
に近いものについてはコリメータレンズとの組合わせに
よって、またＨｅＮｅレーザなどではビームエキスパン
ダとの組合わせによって作り出される。平行光の良否、
即ち平行光束中の光線の平行度によってセンサ自体の性
能が左右されることも少なくなく、光線の平行度は各光
学素子の性能と共に各光学素子間の相対位置精度によっ
て決まる。したかって、各光学素子の配設作業には光線
の平行度を精密に計測する装置と各光学素子間の相対位
置を精密に変位させる装置か必要である。

従来の光線の平行度の計測は、レーザ光ては干渉計によ
って光束の波面のゆがみを測定することで行ない、可干
渉性のないランプやＬＥＤの光ては光源に近い場所と遠
い場所での光束の大きさや光強度分布を測定したり、ピ
ンホールを使って光７１を追跡することで行なっている
。

（発明か解決しようとする課題） 上述した光束の波面のゆがみを測定する干渉計は構成が
難しく、現れた干渉縞の処理も単純てはない。また、レ
ーザ光源ても比較的コヒーレンスの良くない場合は干渉
縞のコントラストか悪くて測定か難しいとう欠点があっ
た。一方、光束の大きさや光強度分布を測定する場合は
、正確な輪郭を測定するのか難しかったり測定に時間が
かかったりして効果的でないという問題があった。

本発明は上述のような事情からなされたものであり、本
発明の目的は、可干渉性の有無によらず簡単な構成で光
線の平行度の計測や調整を効果的に行なうことかできる
平行光計測装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、光学を応用したセンサなどに使われる光線の
平行度の計測可能な平行光計測装置に関するものであり
、本発明の上記目的は、第１の回折格子と、前記第１の
回折格子の格子定数と同一であって、前記％ｌの回折格
子の格子線に対し各々の格子線か平行となるように配設
された第２の回折格子と、被計測用の光源ユニットから
発せられた光束のうち前記各回折格子を透過した光束を
受光する少なくとも２つの光電変換素子から成る光電変
換部と、前記第１及び第２の回折格子の少なくとも一方
をその回折格子の面内で格子線に垂直な方向に移動させ
る移動手段とを備え、前記少なくとも２つの光電変換素
子で得られる光強度から前記光束中の光線の平行度を計
測することによって達成される。

（作用） 本発明の平行光計測装置は、同一の格子定数を持った２
枚の回折格子を透過した光束を少なくとも２つの光電変
換素子て受け、これらの光電変換素子て得られる光強度
や、一方の回折格子を移動させたときに少なくとも２つ
の光電変換素子で得られる周期信号の位相差から光線の
平行度を計測するものである。

（実施例） 第５図は本発明の平行光計測装置の前提となる平行光計
測装置の一例を示す構造図であり、平行光を発する光源
ユニットＬＳＩと、所定の格子定数を持った透過型回折
格子が施された第１格子ＧＲＩ及び第１格子ＧＲＩと同
一の格子定数を持った透過型回折格子が施された第２絡
子ＧＲ２と、第１格子ＧＲＩ及び第２格子ＧＲ２を透過
した光束を受光する受光面ＳＣとから成っている。ここ
で、第１格子ＧＲＩ　と第２格子ＧＲ２とはそれぞれの
面が互いに平行であって、かつそれぞれの格子線が互い
に平行になるように調整されている。

光源ユニットＬＳＬＩからの光束が完全な平行光であれ
ば受光面ＳＣ上に現れる光強度分布は光源ユニットＬＳ
Ｕを出たときの光強度分布と同じ形状になり、光源ユニ
ットＬＳＩＩを出たときの光強度分布が一様であるとす
るならば、受光面ＳＣには光束の当たる範囲において一
様な明るさを持った分布ができる。ところが、光源ユニ
ットＬＳＬＩからの光束かＸ方向に広がったり狭まって
いる光束である場合、受光面ＳＣ上に現れる光強度分布
は一様でなくなり、例えば第１図示の縞が発生する。こ
の縞の間隔Ｓは、２枚の格子ＧＲ１，ＧＲ２の格子定数
Ｐ、　　２枚の格子ＧＲＩ、ＧＲ２の間隙Ｇ、第１格子
ＧＲＩと受光面ＳＣとの距ＨＤ及び光線の平行度によっ
て決まる。したかって、縞の間隔Ｓを測定することによ
フて光線の平行度の計測を行なうことができる。

ところか上述した平行光計測装置ては縞の解析のために
ＣＣＤカメラやＴＶモニターを必要とするため、装置が
大型化してしまうという問題があった。また、光束を最
終的に平行に微調整する場合に縞か完全に消えたか否か
判断しにくいという問題かあった。

そこで、これらの問題声を解消する本発明の平行光計測
装置を以下詳細に説明する。

第１図は本発明の平行光計測装置の一例を第５図に対応
させて示す構造図であり、同一構成箇所は同符号を付し
て説明を省略する。この平行光計測装置は、従来の受光
面ＳＣの代わりに第１格子ＧＲＩ及び第２格子ＧＲ２を
透過した光束を受光する少なくとも２つの光電変換素子
を有する光電変換部ＬＥＣか設けられており、本実施例
の充電変換部ＬＥｃニハ４ツノ光電変換素子Ｐ１．Ｐ２
．Ｐ３．Ｐ４か配設されている。

光のユニットＬＳＩからの光束が完全な平行光てあれは
光電変換部ＬＥＣて得られる光強度分布は光源ユニット
ＬＳＩＩを出たときの光強度分布と同し形状ニなり、光
源ユニットＬＳＩＪを出たときの光強度分布か一様であ
るとするならば、光電変換部ＬＥＣには光束の当たる範
囲において一様な明るさを持った分布ができる。ところ
が、光源ユニットＬＳＩからの光束がＸ方向に広がった
り狭まっている光束である場合、光電変換部ＬＥＣで得
られる光強度分布は一様でなくなり、各光電変換素子Ｐ
ＩＰ２．Ｐ３．Ｐ４て得られる電気信号には電位差か生
じる。この電位差は、２枚の格子ＧＲＩ、ＧＲ２の格子
定数Ｐ、２枚の格子ＧＲＩ、ＧＲ２の間隔Ｇ及び光線の
平行度によって決まる。したがって、電位差を測定する
ことによって光線の平行度の計測を行なうことができる
。

次に上述した本発明の原理を第２図を用いて簡単に説明
する。第２図は第１図をＹ方向から見たものを模式的に
表した図である。ここでは、広がりぎみの光束を考える
。

光束ユニットＬＳＵからの光束ＬＢは第１格子ＧＲＩを
透過したあと、間１！ｉＧだけ隔てて置かれた第２格子
ＧＲ２を透過し、第１格子ＧＲＩから一定距離だけ隔て
て配設されている光電変換部ＬＥＣに当たる。ただし、
２枚の格子ＧＲＩ　、ＧＲ２の格子定数は等しくＰであ
る。同図で表されるように第１格子ＧＲＩ　と第２格子
ＧＲ２との相対位置関係により、第１格子ＧＲＩ　を透
過した光線群のうち一部は第２格子ＧＲ２の透過部を通
って光電変換部ＬＥＣに至り、残りは第２格子ＧＲ２の
非透過部によって遮蔽される。そのため、光；変換部Ｌ
ＥＣ上には光強度の強い部分と弱い部分かてきる。ここ
て光電変換素子Ｐ１に向う光束ＬＢＩ及び光電変換素子
Ｐ２に向う光束ＬＢ２に着目する。そして、第１格子Ｇ
ＲＩ及び第２格子ＧＲ２か回折格子の明部及び暗部か正
対しているとすると、光束ＬＢのうち光電変換素子Ｐ２
へ向う光束ＬＢ２のＬＢＩに対する非平行性θｅ−は次
式％式％ なお、上式（１）は次式（２）に変形できる。

ａ−Ｇ−ＴＡＮ（θｅｒｒ） ・・・・・・（２） このような条件下において、第１格子ＧＲＩもしくは第
２格子ＧＲ２のいずれかをＸ方向に変位させると光電変
換素子ＰＩ及びＰ２において互いに位相差ψを持フた周
期信号Ｅｌ及びＥｌが得られる（第３図参照）。この周
期信号Ｅｌ′ｇｔびＥｌの位相差ψは、光束の平行性を
知るパラメータとなり、次式（３）で表される。

ψ＝　（ａ／Ｐ）　　・２　ｒｃ　　（ｒａｄ）　　　
−・−（３）上式（３）よりａ・ψ・Ｐ／２πを得、上
式（１）に代入すると次式（４）が得られる。

θｅｒｒ　　−八ｒｃＴＡＮ　　（ψ・Ｐ／（２ｎ　−
Ｇ））　　　・＝　（４）以上より光電変換素子ＰＩ及
びＰ２より得られる１３号Ｅ】及びＥｌの位相差ψと既
知の２枚の格子ＧＲＩ　。

ＧＲ２の格子定数Ｐと２枚の格子ＧＲ１，ＧＲ２の間隙
Ｇとから平行性が求められることが分る。

また、上式より、この測定系の測定倍率はＧによフて任
意に変えられることが分かる。つまり、２枚の格子ＧＲ
Ｉ　、ＧＲ２の間ＪＩＧを調整すれは、格子ＧＲＩ、Ｇ
Ｒ２自体を交換することなく高分解能な平行度の計測か
らレンジの広い平行度の計測まてか可能である。この特
質を利用することにより、２枚の格子ＧＲＩ、ＧＲ２の
間１１ｊｆｊ　Ｇを狭い状、整かうたんたん広げていく
ことにより、光線を正確な平行度に調整することか可能
である。

第４図は本発明の平行光計測装置の別の一例を第１図に
対応させて示す構造図であり、同一構成箇所は同符号を
付して説明を省略する。第１格子ＧＲＩをＸ方向に移動
させるＸステージＸ−５Ｔと、第２２８子ＧＲ２をＺ方
向に移動させるＺステージＺ−５Ｔと、第１格子ＧＲＩ
及び第２ｉ子ＧＲ２を透過した光束を受光するフォトダ
イオードＰＩ’、Ｐ２’、Ｐ３’、Ｐ４からなる光電変
換部ＬＥＣとを備えている。なお、第１格子ＧＲＩに２
ステージＺ−５Ｔを設け、第２ね子ＧＲ２にＸステージ
Ｘ−５Ｔを設けても良い。そして、光源ユニットＬＳＩ
は、レーザダイオードＬＤと、コリメータレンズＣＬと
、図示しないレーザダイオードＬＤとコリメータレンズ
ＣＬとの相対位置を変位させる機構とから成っている。

ここで、正確な平行光を得るためには厳密な焦点距Ｉ１
１調整か必要である。以下にレーザダイオードＬＤとコ
リメータレンズＣＬの焦点ｔｉを調整する場合を例にと
って動作を説明する。初期状、態として未調整の光源ユ
ニットＬＳＩＩからの光束が２枚の格子ＧＲＩ及びＧＲ
２を透過してフォトダイオード群に入射しており、フォ
トダイオードＰＩ’　　とＰ４°の出力ＥｌとＥ４の間
には適当な電位差か生しるように第１格子ＧＲＩ　と第
２格子ＧＲ２との間隙Ｇか調整されているとする。ここ
で、ＸステージＸ−５Ｔを変位させるとフォトダイオー
ドＰ１’、Ｐ４’　からは互いに位相差ψを有する周期
信号ε１．Ｅ４か得られる。前述の式（４）から、この
位相差ψより光束の平行性かわかる。また、光束が広が
りきみなのか挟まりきみなのかは、ＸステージＸ−５Ｔ
の進行方向と信号の位相関係から判定でき、レーザタイ
オートＬＤとコリメータレンズＣＬの相対位置を変位さ
せる機構で先の誤差を修正する。この調整の初期におい
ては第１格子ＧＲＩ　と第２格子ＧＲ２の間隙Ｇを狭く
することにより粗調整が行なえ、次第にＺステージＺ−
５Ｔによって第２格子ＧＲ２をフォトダイード群の方に
移動させて第１格子ＧＲＩと第２格子ＧＲ２の間ＩＳ仝
Ｇを広げて測定倍率を高めることにより光束の平行度を
精密に調整することかできる。そして、最終的には、周
期信号Ｅｌ、Ｅ４の位相差ψか；となったところで光束
の平行性は最適となり調整は完了する。

尚、図中のＸ方向、Ｙ方向の距離調整やＸ方向、Ｙ方向
を軸としたあおり調整なとは、ＨｅＮｅレーサ光を基準
光軸として簡易に調整が可能である。

更に、フォトタイオートＰ２’　、Ｐ３°で得られるイ
言号Ｅ２．Ｅ３により安定した計測が行なえる。それは
平行性が著しく悪い場合、例えばＴＡＮ　（θ、、、）
＞Ｐ／Ｇの様な場合でもＥｌ、Ｅｌ、Ｅ３．Ｅ４の位相
関係から平行性か判断できるからである。

また、この装置は光線の平行度のＸ方向成分を計測する
ものであるので、光源ユニットＬＳＩをその光軸を中心
に回転させる機構を設けることによフてあらゆる方向の
光線の平行度の誤差成分を計測、調整できる。

なお、光電変換部ＬＥＣより得られる光強度信号の位相
を検出し演算処理を行なって、光線の平行度の誤差成分
を求め、この誤差成分に応してレーザダイオードＬＤと
コリメータレンズＣＬとの相対位置を変位させる機構を
制御するコントローラを付加するようにしてもよい。こ
の場合、平行度の誤差成分を無くす為には少なくとも２
つの光強度信号の位相差がτとなるように帰還をかけれ
はよく、平行度の誤差成分か無くなったところでレーザ
ダイオードＬＤとコリメータレンズＣＬとの相対位置の
関係は最適化される。

更に、このコントローラにＸステージＸ−５Ｔ、　　Ｚ
ステージＺ−５Ｔ及び光源ユニットＬＳＩＩをその光軸
を中心に回転させる機構を制御する機能を付するように
しても良い。

また、本発明による測定の精度を左右する回折格子の格
子定数の精度は機械的に測定が可能な上、２枚の格子の
格子定数が揃ってさえいれば所望の格子定数に対して誤
差があっても調整には支障かない。

以上に述へた実施例では２枚の透過型回折格子を用いて
透過光束を検出する例を示したか反射光束を検出するよ
うにしても良く、例えば第２格子を反射型回折格子とし
て、光源ユニット…りに反射する光束を利用しても同様
の効果か得られる。

また、第２格子をミラーとして第１格子を再透過する光
束を利用しても良い。その場合、計測精度は格子定数の
誤差に全く影響を受けず、高精度な計？リリか安価に可
能である。

（発明の効果） 以上のように本発明の平行光計測装置によれは、簡単な
構成により光線の平行度を精密に計測し、簡単な工程で
調整することができ、装置コストや光線の平行度の計測
調整工数の大幅な低減を図ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の平行光計測装置の一例を示す構造図、
第２図は本発明の詳細な説明する図、第３図は本発明に
用いられる波形の一例を示す図、第４図は本発明の平行
光計測装置の別の一例を示す構造図、第５図は本発明装
置の前提となる平行光計測装置の一例を示す構造図であ
る。 ＧＲＩ・・・第１格子、ＧＲ２・・・第２格子、ＳＣ・
・・受光面、ＬＥＣ・・・光電変換部、ＬＳＩＩ・・・
光源ユニット、ＬＢ・・・光束、Ｐｌ、Ｐ２．Ｐ３．Ｐ
４・・・光電変換素子、ＰｉＰ２°、Ｐ３°Ｐ４　　・
・・フォトダイオード、Ｘ−５Ｔ・・・Ｘステージ、Ｚ
−５Ｔ・・・２ステージ、ＬＤ・・・レーザタイオート
、ＣＬ・・−コリメータレンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の回折格子と、前記第１の回折格子の格子定数
   と同一であって、前記第１の回折格子の格子線に対し各
   々の格子線が平行となるように配設された第２の回折格
   子と、被計測用の光源ユニットから発せられた光束のう
   ち前記各回折格子を透過した光束を受光する少なくとも
   ２つの光電変換素子から成る光電変換部と、前記第１及
   び第２の回折格子の少なくとも一方をその回折格子の面
   内で格子線に垂直な方向に移動させる移動手段とを備え
   、前記少なくとも２つの光電変換素子で得られる光強度
   から前記光束中の光線の平行度を計測するようにしたこ
   とを特徴とする平行光計測装置。 ２、前記少なくとも２つの光電変換素子より得られる光
   強度信号の位相を検出して前記移動手段を制御する制御
   手段を備えた請求項１に記載の平行光計測装置。 ３　前記光源ユニット中の光学素子の相対位置を変位さ
   せる変位手段を備えた請求項１に記載の平行光計測装置
   。 ４、前記少なくとも２つの光電変換素子より得られる光
   強度信号の位相差を検出してこの位相差を零にするよう
   に前記移動手段及び変位手段を制御する制御手段を備え
   た請求項３に記載の平行光計測装置。 ５、前記少なくとも２つの光電変換素子が、前記回折格
   子に平行で格子線に垂直な方向に並設されている請求項
   １に記載の平行光計測装 置。 ６、前記第１の回折格子と第２の回折格子との間隙距離
   を任意に変化させる手段を備えた請求項１に記載の平行
   光計測装置。 ７、前記光源ユニットをその光軸を中心に回転させる手
   段を備えた請求項１に記載の平行光計測装置。