JPH0599659A - 光ビーム入射角の測定方法、測定装置及び距離測定装置の使用 - Google Patents
光ビーム入射角の測定方法、測定装置及び距離測定装置の使用Info
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- JPH0599659A JPH0599659A JP3118736A JP11873691A JPH0599659A JP H0599659 A JPH0599659 A JP H0599659A JP 3118736 A JP3118736 A JP 3118736A JP 11873691 A JP11873691 A JP 11873691A JP H0599659 A JPH0599659 A JP H0599659A
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Abstract
(57)【要約】
光ビームの入射角を測定するために、偏向分析器の前に
配設した複屈折板を通過する偏向光ビームを使用して連
続した干渉縞を形成し、被測定角の直接の関数である前
記干渉縞の周期の間隔を、好適な検出器と電子回路とに
より分析する。目的物の所定の位置にて前記干渉縞の周
期の基準間隔を決定し、更に前記間隔を長さの単位で表
示するために、前記間隔の変化を目的物の位置の関数と
して測定することにより、前記装置と被測定目的物の反
射面との間の距離を測定する入射角測定装置が利用可能
である。前記方法により、小型で、従来のものに比べ広
い測定範囲を有し、更に精度が向上した装置を使用し
て、入射角もしくは距離の測定が可能となる。
配設した複屈折板を通過する偏向光ビームを使用して連
続した干渉縞を形成し、被測定角の直接の関数である前
記干渉縞の周期の間隔を、好適な検出器と電子回路とに
より分析する。目的物の所定の位置にて前記干渉縞の周
期の基準間隔を決定し、更に前記間隔を長さの単位で表
示するために、前記間隔の変化を目的物の位置の関数と
して測定することにより、前記装置と被測定目的物の反
射面との間の距離を測定する入射角測定装置が利用可能
である。前記方法により、小型で、従来のものに比べ広
い測定範囲を有し、更に精度が向上した装置を使用し
て、入射角もしくは距離の測定が可能となる。
Description
【０００１】
【従来の技術及びその課題】光ビームの入射角もしくは
目的物と検出器との間の距離を光学的装置により測定す
る多くの方法及び装置が存在する。長い距離と高精度の
測定を行うのに、通常レーザを使用し、そのレーザによ
り長い距離離間した目的物に対する時間を測定したり、
高精度を達成するために干渉縞を分析したりする。短い
距離の測定及びあまり高い精度が要求されない機械にお
いて測定を行うために、一般的に下記に記述する三角測
量の原理に従い、図１に図示のように操作する。この三
角測量原理は充分な精度を得るためには重要な基礎を必
要とし、使用する光学装置を原因として測定範囲が非常
に限定されるという問題が主に発生する。これらの不利
益は、工作機械等に取付けるために、可能な最小寸法の
トランスデューサ内に全体の装置を配設しなければなら
ない場合特に問題である。このトランスデューサは、光
源と受信器とを可能ならば同一のハウジング内に備えな
ければならず、このハウジングは、使用スペースが非常
に限定される場合が多いために、可能な最小寸法としな
ければならない。
目的物と検出器との間の距離を光学的装置により測定す
る多くの方法及び装置が存在する。長い距離と高精度の
測定を行うのに、通常レーザを使用し、そのレーザによ
り長い距離離間した目的物に対する時間を測定したり、
高精度を達成するために干渉縞を分析したりする。短い
距離の測定及びあまり高い精度が要求されない機械にお
いて測定を行うために、一般的に下記に記述する三角測
量の原理に従い、図１に図示のように操作する。この三
角測量原理は充分な精度を得るためには重要な基礎を必
要とし、使用する光学装置を原因として測定範囲が非常
に限定されるという問題が主に発生する。これらの不利
益は、工作機械等に取付けるために、可能な最小寸法の
トランスデューサ内に全体の装置を配設しなければなら
ない場合特に問題である。このトランスデューサは、光
源と受信器とを可能ならば同一のハウジング内に備えな
ければならず、このハウジングは、使用スペースが非常
に限定される場合が多いために、可能な最小寸法としな
ければならない。
【０００２】
【課題を解決するための手段、作用、及び効果】従っ
て、本発明の第１の目的は単純な光ビームの入射角の測
定方法を提供し、装置の構造の大きさを公知の装置と比
較してかなり小さくすることを可能とすることである。
本発明の他の目的は良好な精度と、三角測量の原理に従
い操作する装置より大きな測定範囲とを有し、大きさが
小さい、距離測定装置を利用することである。これらの
目的は特許請求の範囲に記載した測定方法、測定装置及
び測定装置の使用により達成される。
て、本発明の第１の目的は単純な光ビームの入射角の測
定方法を提供し、装置の構造の大きさを公知の装置と比
較してかなり小さくすることを可能とすることである。
本発明の他の目的は良好な精度と、三角測量の原理に従
い操作する装置より大きな測定範囲とを有し、大きさが
小さい、距離測定装置を利用することである。これらの
目的は特許請求の範囲に記載した測定方法、測定装置及
び測定装置の使用により達成される。
【０００３】光ビームの入射角の測定方法の特徴は、偏
向分析器の前に配設した複屈折板を通過する偏向光ビー
ムを使用して連続した干渉縞を形成し、被測定角度の直
接の関数である上記干渉縞の周期の間隔を好適な検出器
と分析電子回路により分析することである。
向分析器の前に配設した複屈折板を通過する偏向光ビー
ムを使用して連続した干渉縞を形成し、被測定角度の直
接の関数である上記干渉縞の周期の間隔を好適な検出器
と分析電子回路により分析することである。
【０００４】上記方法を実施する装置は複屈折板及び偏
向分析器と、光度変化検出器及び分析電子回路とにより
特徴づけられる。
向分析器と、光度変化検出器及び分析電子回路とにより
特徴づけられる。
【０００５】上記装置と、被測定目的物の反射面との間
の距離の測定装置の使用の特徴は目的物の所定位置で干
渉縞の周期の基準間隔を決定し、更に目的物の間隔を長
さの単位で表示するために間隔の変化を目的物の位置の
関数として測定することである。
の距離の測定装置の使用の特徴は目的物の所定位置で干
渉縞の周期の基準間隔を決定し、更に目的物の間隔を長
さの単位で表示するために間隔の変化を目的物の位置の
関数として測定することである。
【０００６】
【実施例】図１は三角測量による距離測定原理を示し、
一点鎖線で囲ったトランスデューサＣが占めるスペース
を理解することが可能である。夫々基準レベルで配設さ
れたレーザダイオード１と、集束レンズ２と、被測定目
的物３とが図示されている。上記レーザダイオードの光
ビーム４は上記目的物３により反射され、影像レンズ５
を通過して位置を感知する検出器６に入射する。測定範
囲Ｍが比較的限定され、基本距離Ｇが比較的大きいのが
分かる。これはこのシステムの利用可能性が限定されて
いることを意味する。
一点鎖線で囲ったトランスデューサＣが占めるスペース
を理解することが可能である。夫々基準レベルで配設さ
れたレーザダイオード１と、集束レンズ２と、被測定目
的物３とが図示されている。上記レーザダイオードの光
ビーム４は上記目的物３により反射され、影像レンズ５
を通過して位置を感知する検出器６に入射する。測定範
囲Ｍが比較的限定され、基本距離Ｇが比較的大きいのが
分かる。これはこのシステムの利用可能性が限定されて
いることを意味する。
【０００７】図２は光軸Ｚを有する複屈折板７を図示
し、本発明により測定する入射角αの光線がこの光軸に
入射する。角度βでこの材料を貫通する光線は偏向作用
により２つの光線に分光し、即ち最初の光線は常光線屈
折率ｎo で、他方の光線は異常光線屈折率ｎで分光し、
後者はβ＝９０°のときの値ｎe と、常光線屈折率ｎo
に相当する値との間を変動する。第１の屈折率は一定で
あるが、第２の屈折率は角度βの関数として変動し、下
記式により求めることができる。
し、本発明により測定する入射角αの光線がこの光軸に
入射する。角度βでこの材料を貫通する光線は偏向作用
により２つの光線に分光し、即ち最初の光線は常光線屈
折率ｎo で、他方の光線は異常光線屈折率ｎで分光し、
後者はβ＝９０°のときの値ｎe と、常光線屈折率ｎo
に相当する値との間を変動する。第１の屈折率は一定で
あるが、第２の屈折率は角度βの関数として変動し、下
記式により求めることができる。
【数１】 次に、複屈折材料を異なる速度で進む常光線Ｗｏと異常
光線Ｗｅとに分光する（図４）直線偏向光波を調べる。
Ｗｏ（図４）とＷｅとの間に１／２波長の相対的位相差
を生じる距離の後、再結合波の偏向面が図４に図解的に
示すように、９０°回転したことが分かる。この光路長
Ｌは１／２波長板と称され、下記式によって求めること
ができる：
光線Ｗｅとに分光する（図４）直線偏向光波を調べる。
Ｗｏ（図４）とＷｅとの間に１／２波長の相対的位相差
を生じる距離の後、再結合波の偏向面が図４に図解的に
示すように、９０°回転したことが分かる。この光路長
Ｌは１／２波長板と称され、下記式によって求めること
ができる：
【数２】 ここで、λは光波Ｗの波長である。
【０００８】本発明により提案されている方法は複屈折
材に偏向した単色光ビームを投射する工程を含む。光線
はこの材料の１／２波長板を入射角の関数として決定す
る。可変屈折率の値が常屈折率から徐々に異なってくる
ので、これらの波長板の長さは、入射光線の角度が光軸
から外れるとき非常に急激に減少する。材料の厚さは１
／２波長板の整数値に対応し、出射光は適切に限定され
た直線偏向になる。これらの領域間において、円偏向に
なる。直線もしくは円偏向子を通してこの光を分析する
とき、連続した干渉縞を観察し、この干渉縞の間隔は被
測定角の直接関数である（図５）。入射ビームが円偏向
になるとき、１／２波長板に相当する距離を移動後直線
偏向になる。その後の動作は前述した場合と同様にあ
る。
材に偏向した単色光ビームを投射する工程を含む。光線
はこの材料の１／２波長板を入射角の関数として決定す
る。可変屈折率の値が常屈折率から徐々に異なってくる
ので、これらの波長板の長さは、入射光線の角度が光軸
から外れるとき非常に急激に減少する。材料の厚さは１
／２波長板の整数値に対応し、出射光は適切に限定され
た直線偏向になる。これらの領域間において、円偏向に
なる。直線もしくは円偏向子を通してこの光を分析する
とき、連続した干渉縞を観察し、この干渉縞の間隔は被
測定角の直接関数である（図５）。入射ビームが円偏向
になるとき、１／２波長板に相当する距離を移動後直線
偏向になる。その後の動作は前述した場合と同様にあ
る。
【０００９】図５において、Ｐは偏向光源を、Ｚは光軸
を、αは入射角を表わし、厚さがｅである複屈折板７が
図示されている。
を、αは入射角を表わし、厚さがｅである複屈折板７が
図示されている。
【００１０】図６において、正確な光源Ｓから出射した
光線Ｗの入射角αを測定する装置を図解的に示す。この
光源が偏向されないとき、偏向子８が複屈折板７の前に
配置される。複屈折板を形成するために、例えば、方解
石もしくは水晶を使用することができる。寸法、主に厚
さｅの選択は所望の角度範囲に依存する。例えば、１mm
の厚さの方解石は１０°の範囲内での測定を可能とす
る。
光線Ｗの入射角αを測定する装置を図解的に示す。この
光源が偏向されないとき、偏向子８が複屈折板７の前に
配置される。複屈折板を形成するために、例えば、方解
石もしくは水晶を使用することができる。寸法、主に厚
さｅの選択は所望の角度範囲に依存する。例えば、１mm
の厚さの方解石は１０°の範囲内での測定を可能とす
る。
【００１１】複屈折板７の出射光は分析器９、例えば干
渉縞を視覚で認識可能にするポラロイドにより分析され
る。例えばＣＣＤフォトトランスデューサを設けた検出
器１０は、電子回路１１が干渉縞の位置もしくは間隔を
分析し、かつ測定に関する情報を所望な形態において送
ることを可能とする。
渉縞を視覚で認識可能にするポラロイドにより分析され
る。例えばＣＣＤフォトトランスデューサを設けた検出
器１０は、電子回路１１が干渉縞の位置もしくは間隔を
分析し、かつ測定に関する情報を所望な形態において送
ることを可能とする。
【００１２】小さな角度変化を測定するためには、図７
に示した測定装置を使用することが好ましく、図７にお
いて値ｅ１とｅ２との間を変動可能な厚さを有する複屈
折板１８が図示され、更に正確な光源より出射したビー
ムの代わりに平行な光ビームＷＰを使用することが好ま
しい。この装置において、他の手段は図６に示した装置
の物と同じである。１／２波長板の位置Ｘを測定するこ
とにより、その長さを決定し、それから入射角αを算出
する。Ｘを算出することにより、角度αの変動の非常に
敏感な測定が可能となる。第１例と同様に、複屈折板の
平均厚さ及びその変動は測定装置の角度範囲及び感度の
関数として決定しなければならない。
に示した測定装置を使用することが好ましく、図７にお
いて値ｅ１とｅ２との間を変動可能な厚さを有する複屈
折板１８が図示され、更に正確な光源より出射したビー
ムの代わりに平行な光ビームＷＰを使用することが好ま
しい。この装置において、他の手段は図６に示した装置
の物と同じである。１／２波長板の位置Ｘを測定するこ
とにより、その長さを決定し、それから入射角αを算出
する。Ｘを算出することにより、角度αの変動の非常に
敏感な測定が可能となる。第１例と同様に、複屈折板の
平均厚さ及びその変動は測定装置の角度範囲及び感度の
関数として決定しなければならない。
【００１３】図解的に示した上記方法および装置は目的
物と、測定装置に設けられたトランスデューサとの間の
距離を測定するのに使用するのが有利であり、このトラ
ンスデューサは公知例による距離のトランスデューサに
比べ、小型化することが可能である。図８は例えば、本
発明による測定装置の実施例を図解的に示す。図８は目
的物１２を示し、この目的物との距離は２つの位置、即
ちｄ１と、一点鎖線で示したｄ２とにおいて測定しなけ
ればならない。この図解的図面において、明確化のため
に、これらの距離は目的物１２の前端部と、光源ＳＬ、
例えばレーザの前端部との間において測定しなければな
らない。
物と、測定装置に設けられたトランスデューサとの間の
距離を測定するのに使用するのが有利であり、このトラ
ンスデューサは公知例による距離のトランスデューサに
比べ、小型化することが可能である。図８は例えば、本
発明による測定装置の実施例を図解的に示す。図８は目
的物１２を示し、この目的物との距離は２つの位置、即
ちｄ１と、一点鎖線で示したｄ２とにおいて測定しなけ
ればならない。この図解的図面において、明確化のため
に、これらの距離は目的物１２の前端部と、光源ＳＬ、
例えばレーザの前端部との間において測定しなければな
らない。
【００１４】実際上、エミッタ及びトランスデューサは
同一のハウジング内に配設され、上記距離は被測定目的
物の一定面と、ハウジングの一定面との間で測定され
る。レーザ源の反射光ＷＲは光源が偏向されていないと
き、偏向子８を設け、更に複屈折板７と、分析器９と、
フォトトランスデューサＣＣＤ１０とを備えるトランス
デューサ１３に入射する。フォトトランスデューサ１０
に入射する光度の分配、すなわち干渉縞、特にこれらの
干渉縞間の間隔はサンプル・ホールド電子回路１４によ
り視覚的に認識可能となり、光度の分配は上記電子回路
の出力として、２つの異なる波動を囲む円により図解的
に示したオシログラフ１５により観察可能である。電子
回路１４の出力は帯域通過フィルタ１６に接続し、この
フィルタは、出力が図示していない表示装置に接続した
マイクロプロセッサ１７に接続する。入射角は被測定目
的物と、測定装置、特にレーザ源との間の距離と共に変
動すること、更に目的物が距離ｄ２の位置にあるときの
入射角α1 は、目的物が距離ｄ２の位置にあるときの入
射角α2 より、非常に小さいということが図８から明確
に分かる。
同一のハウジング内に配設され、上記距離は被測定目的
物の一定面と、ハウジングの一定面との間で測定され
る。レーザ源の反射光ＷＲは光源が偏向されていないと
き、偏向子８を設け、更に複屈折板７と、分析器９と、
フォトトランスデューサＣＣＤ１０とを備えるトランス
デューサ１３に入射する。フォトトランスデューサ１０
に入射する光度の分配、すなわち干渉縞、特にこれらの
干渉縞間の間隔はサンプル・ホールド電子回路１４によ
り視覚的に認識可能となり、光度の分配は上記電子回路
の出力として、２つの異なる波動を囲む円により図解的
に示したオシログラフ１５により観察可能である。電子
回路１４の出力は帯域通過フィルタ１６に接続し、この
フィルタは、出力が図示していない表示装置に接続した
マイクロプロセッサ１７に接続する。入射角は被測定目
的物と、測定装置、特にレーザ源との間の距離と共に変
動すること、更に目的物が距離ｄ２の位置にあるときの
入射角α1 は、目的物が距離ｄ２の位置にあるときの入
射角α2 より、非常に小さいということが図８から明確
に分かる。
【００１５】図５を参照して既述したように、干渉縞の
周期の間隔は距離の関数であり、従って、図８の円１５
において図解的に示したように、距離ｄ１のときの間隔
ａ１は距離ｄ２のときの間隔ａ２より大きい。
周期の間隔は距離の関数であり、従って、図８の円１５
において図解的に示したように、距離ｄ１のときの間隔
ａ１は距離ｄ２のときの間隔ａ２より大きい。
【００１６】図６，７，８において、干渉縞の検出器１
０は光度プロファイルの検出器であり、この検出器は異
なる位置、同時期における光度変化を検出する。そのよ
うな装置とする代わりに、光ビームの入射角は時間と共
に変化するが、光度変化の測定を１つの位置で行う装置
を提供することも可能である。この目的のために、電子
機械的装置を使用して、上記複屈折板を周期的に回動す
る。この複屈折板の代わりに、これらの特性を有する液
晶を使用し、かつその整合軸に一時的変化を発生させる
ために可変電場を加えることも可能である。双方の装置
は公知の好適な検出器を利用し、かつ公知で信頼性のあ
る分析装置を使用可能である。
０は光度プロファイルの検出器であり、この検出器は異
なる位置、同時期における光度変化を検出する。そのよ
うな装置とする代わりに、光ビームの入射角は時間と共
に変化するが、光度変化の測定を１つの位置で行う装置
を提供することも可能である。この目的のために、電子
機械的装置を使用して、上記複屈折板を周期的に回動す
る。この複屈折板の代わりに、これらの特性を有する液
晶を使用し、かつその整合軸に一時的変化を発生させる
ために可変電場を加えることも可能である。双方の装置
は公知の好適な検出器を利用し、かつ公知で信頼性のあ
る分析装置を使用可能である。
【００１７】好適な光源はコヒーレンス縞を減少させる
ために、マルチモードのレーザダイオードが好ましい。
しかし、コヒーレンスは本発明による前記方法には充分
であるので、単色発光ダイオードＬＥＤを使用すること
も可能である。光源は前記例に限定されないことは明白
である。
ために、マルチモードのレーザダイオードが好ましい。
しかし、コヒーレンスは本発明による前記方法には充分
であるので、単色発光ダイオードＬＥＤを使用すること
も可能である。光源は前記例に限定されないことは明白
である。
【００１８】光度プロファイルの正確な測定を行うに
は、ＣＣＤと称されるフォトトランスデューサを使用す
るのが好ましい。要求精度があまり高くないならば、他
のフォトトランスデューサもこれらの測定を行うのに充
分である。
は、ＣＣＤと称されるフォトトランスデューサを使用す
るのが好ましい。要求精度があまり高くないならば、他
のフォトトランスデューサもこれらの測定を行うのに充
分である。
【図１】公知例による、三角測量により距離を測定する
方法を図解的に示す図。
方法を図解的に示す図。
【図２】複屈折板を図解的に示す図。
【図３】異常光線屈折率の変化を入射角の関数として示
す図。
す図。
【図４】光波の２光線への分光を示す図。
【図５】干渉縞の間隔と被測定角度との関係を図解的に
示す図。
示す図。
【図６】入射角の測定装置の原理を示す図。
【図７】入射角の第２の測定装置の原理を示す図。
【図８】距離測定装置を図解的に示す図。
１ レーザダイオード ２ 集束レンズ ３ 目的物 ４ ビーム ５ 影像レンズ ６ 検出器 ７ 複屈折板 ８ 偏向子 ９ 分析器 １０ フォトトランスデューサ １１ 電子回路 １２ 目的物 １３ トランスデューサ １４ サンプル・ホールド電子回路 １５ オシログラフ １６ 帯域通過フィルタ １７ マイクロプロセッサ
Claims (23)
- 【請求項１】 偏向分析器の前に配置した複屈折板を通
過する偏向光ビームを使用して連続した干渉縞を形成
し、被測定角度の直接の関数である前記干渉縞の周期の
間隔を好適な検出器と分析電子回路とにより分析する光
ビームの入射角の測定方法。 - 【請求項２】 前記偏向分析器の後で、光度プロファイ
ル検出器により光度の局所的変動を分析する請求項１に
記載の方法。 - 【請求項３】 前記複屈折板の周期的回動により生じた
光度の一時的変動を分析し、本質的に正確な光度検出器
を採用する請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 電子機械的装置により前記複屈折板を周
期的に回動する請求項３に記載の方法。 - 【請求項５】 複屈折特性を有する液晶を採用し、その
整合軸の一時的変化を発生させるため、その液晶に可変
電場もしくは磁場を加える請求項３に記載の方法。 - 【請求項６】 前記複屈折板の前に偏向器を介在させる
ことにより、前記入射ビームを偏向させる請求項１に記
載の方法。 - 【請求項７】 正確な光源を採用する請求項１に記載の
方法。 - 【請求項８】 平行光と、厚さを変化可能な複屈折板と
を採用し、前記所望の入射角を算出し、かつ表示するた
めに、前記光度プロファイル検出器上の位置を測定する
ことにより１／２波長板の長さを決定する請求項１に記
載の方法。 - 【請求項９】 前記光ビームは本質的に単色の光源から
出射する請求項１に記載の方法。 - 【請求項１０】 目的物の反射し、かつ拡散した光を採
用する請求項１に記載の方法。 - 【請求項１１】 レーザダイオードもしくは発光ダイオ
ードＬＥＤを光源として採用する請求項１に記載の方
法。 - 【請求項１２】 方解石もしくは他の光学的異方性材料
から形成された複屈折板を採用する請求項１に記載の方
法。 - 【請求項１３】 フォトトランスデューサＣＣＤを光度
プロファイル検出器として使用する請求項１または２に
記載の方法。 - 【請求項１４】 複屈折板と、偏向分析器と、光度変動
検出器と、分析電子回路とを具備する、請求項１に記載
の方法を実施するための測定装置。 - 【請求項１５】 前記複屈折板の前に配設された偏向器
を具備する請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１６】 レーザ、レーザダイオードもしくは発
光ダイオードＬＥＤを備える本質的に単色の光源を具備
する請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１７】 一定の厚さを有する複屈折板を具備す
る請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１８】 可変な厚さを有する複屈折板と、平行
光源とを具備する請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１９】 前記複屈折板は方解石もしくは他の光
学的異方性材料から形成されている請求項１４に記載の
装置。 - 【請求項２０】 前記光度変化の検出器は局所的光度プ
ロファイルの検出器である請求項１４に記載の装置。 - 【請求項２１】 前記検出器は、帯域通過フィルタに接
続したサンプル・ホールド電子回路が後に配設されてい
るフォトトランスデューサＣＣＤであり、前記帯域通過
フィルタはマイクロプロセッサに接続している請求項２
０に記載の装置。 - 【請求項２２】 前記複屈折板は、その複屈折板、もし
くはその整合軸に周期的な角度変化を発生させるように
なっており、本質的に正確な光度検出器がその後に配設
される請求項１４に記載の装置。 - 【請求項２３】 前記目的物の所定の位置と、干渉縞の
周期の基準間隔とを決定することにより、前記装置と、
被測定目的物の反射面との間の距離を測定し、更に、前
記間隔を長さの単位で表示するために、前記間隔の変動
を目的物の位置の関数として測定する請求項１４に記載
の装置の使用。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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