JPH09119821A

JPH09119821A - 光線の入射角の示差測定方法、およびその装置

Info

Publication number: JPH09119821A
Application number: JP8189075A
Authority: JP
Inventors: Charles Rheme; レームシャルル
Original assignee: OPUTOSHISU AG; Optosys SA
Current assignee: OPUTOSHISU AG; Optosys SA
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1997-05-06
Also published as: US5764351A; EP0754955A1; CA2181306A1

Abstract

(57)【要約】【課題】光線の入射角を測定する簡単な、かつ感度の
高い方法と、該方法を実施するための、在来の装置に比
して所要空間が少なくて済む装置を提供する。【解決手段】光線の入射角の示差測定方法は、偏光し
た光線（１０）を使用し、該光線が、偏光検光子（１
１）の後続する、複屈折板（１２）を２回通るようにす
ることによって、一連の干渉縞が得られるようにし、か
つ測定角度（γ）の直接関数である、前記縞の頂きの配
向、および該頂きの間隔を、適当な検出器（１５）、お
よび電子的分析回路によって分析する。測定装置は、単
一の偏光検光子（１１）と、反射鏡（１３）の後続する
複屈折板（１２）であって、光線（１０）を２回通すよ
うになった複屈折板と、光度の変化を検出する装置（１
５）であって、電子的分析回路を含む装置から成ってい
る。複屈折板に、光線を２回通すことによって、一つの
面（Ｖ）内における光学的素子を調節して、効率および
感度を最適化し、かつ他の面（Ｈ）内における測定を最
適化し、したがって簡単な、かつ角度変位に対して敏感
な、たとえば振動を測定できる装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光線の入射角の示差
測定方法、およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学的装置によって光線の入射角を測定
する方法、および（または）装置には種々のものがあ
り、たとえばＵＳ特許Ｎｏ．ＵＳ−Ａ−４，６２６，１
００には、遠隔レーザの角度位置を検出するための、広
視野測定装置が記載されている。ウォラストンプリズム
から成り、かつ超精密測定を目的とするこの装置は、非
常に複雑である。この装置は正確な動作を行うために
は、多数の光学的精密素子と、均等な角度、および厚さ
を有するように切削された複屈折結晶を必要とし、かつ
これらの素子を厳密に整合させることが不可欠である。

【０００３】なお同じ出願人による、公知のＵＳ特許Ｎ
ｏ．ＵＳ−Ａ−５，１８２，６１２は、偏光光線を使用
する光学的測定方法、およびその装置に関するものであ
り、この光線は、偏光検光子の後続する複屈折板に導か
れ、一連の干渉縞を得るようになっており、該干渉縞の
二つの頂きの間隔は、測定せんとする角度の直接関数で
ある。

【０００４】２番目に述べたＵＳ特許にはすでに、在来
技術に比して明らかに簡易化された方法、および装置が
記載されている。しかしながら、光線を円錐形に配分
し、したがって湾曲した干渉縞を形成する、単一の複屈
折板を使用することは、著しく進歩した検出装置と、電
子的評価装置を必要とし、しかも得られる感度は制限さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光線
の入射角を測定する、簡単で、感度の高い方法と、同様
に感度の高い装置であって、周知の装置に比し、所要空
間が少なくて済む装置を提供することである。この目的
は光線の入射角測定方法において、光線をその偏光した
形で使用し、かつ偏光検光子の後続する複屈折板を、２
回通して一連の干渉縞を形成するようにし、この時測定
せんとする角度の直接関数である前記縞の配向、または
頂きの間隔を、適当な検出器、および電子的分析回路に
よって分析する方法によって達成される。

【０００６】

【実施例】複屈折板による測定原理に関する限り、ＵＳ
特許Ｎｏ．５，１８２，６１２、および本発明の出願人
のヨーロッパ特許Ｎｏ．ＥＰ−Ａ−４５８，７５２を参
照した。次に添付図面を参照して、本発明の実施例を詳
述する。図１は光軸Ｚを有する複屈折板４、５を示し、
該複屈折板上に、本発明によって測定せんとする入射角
αで、光線が入射する。角度βで材料を透過する光線
は、偏光によってそれぞれ、常屈折率ｎ₀に従う光線
と、異常屈折率ｎに従う光線の二つに分割され、後者は
β＝９０°に対する値ｎ_eと、常屈折率ｎ₀に対応する
値との間で変化する。第１屈折率は一定であるが、第２
屈折率は角度βの関数として変化し、かつ次式に従って
計算することができる：

【０００７】常光線Ｗ_o、および異常光線Ｗ_eに分割さ
れ、異なる速度で、複屈折材料内を伝搬する、直線偏光
の光波を考えよう（図３）。一つの光路が、二分の一波
長の相対的移相を起こした後は、再合成された波長の偏
光面は、図３に示されるように９０°回転している。こ
の光路の長さＬは、二分の一波長板と称され、次のよう
な値を有している：式中λは光波Ｗの波長。

【０００８】本発明によって提案される方法は、複屈折
材料を偏光光線に曝すことから成っている。光線はその
入射角によって、前記材料内に二分の一波板を決定す
る。これら板の長さは、入射光線の角度が、光軸から偏
倚すれば急速に減少する。その理由は可変屈折率の値
は、偏倚に連れて益々常屈折率から離れるからである。
材料の厚さが、二分の一波長板の整数である数に対応す
る度に、通過光線は明確に画定された直線偏光を有して
いる。これら領域の間では、偏光は円形偏光となる性質
を有している。この光線を、直線偏光子または円形偏光
子によって分析することにより、一連の干渉縞が観察さ
れ、その相互間隔は、測定せんとする角度の直接関数で
ある（図４）。入射光線の偏光が円形性のものであれ
ば、この光線が四分の一波長板と等しい間隔を移動した
後は、直線性を有するようになる。継いでこの光線は前
述の場合と同様に作用する。

【０００９】図４において、Ｐは偏光光線の光源を表
し、Ｚは光軸、αは入射角を表し、かつ「ｅ」なる厚さ
を有する複屈折板４、５が示されている。

【００１０】ＵＳ特許Ｎｏ．５，１８２，６１２、およ
び同じ出願者の特願ＥＰ−Ａ−４５８，７５２に記載さ
れている方法においては、光線は複屈折板から円錐状に
配分され、したがって湾曲した干渉縞を形成し、この干
渉縞は正確に評価することは困難であることが分かっ
た。続く試験においては、干渉縞はほぼ直線状に形成さ
れ、もしも光線が複屈折板を２回通れば、入射角の移動
に対する感度を増加せしめ得ることが明らかとなった。

【００１１】図５（Ａ）、および図５（Ｂ）は、水平面
Ｈ（図５（Ａ））、および垂直面Ｖ（図５（Ｂ））無い
の点光源から発出した光線によって、二つの複屈折板
４、５の、光軸Ｚ、Ｚ’の間に含まれる角度の示差測定
を行う原理を示す。

【００１２】発光ダイオードである点光源２から発出し
た光線１は、偏光フイルター３によって、一様に偏光せ
しめられる。この偏光は、複屈折板４を通ることによっ
て光軸Ｚに対する光線の角度に従って、だ円形、円形ま
たは直線となる。この点に達するまでは、検光子を含む
組立体は、前記特許出願の組立体に対応する。

【００１３】光線が第２複屈折板５を通過する時、光線
の偏光は、光線と第２複屈折板５の光軸Ｚ’とによって
形成される角度αの関数として、再び空間的に変調され
る。検光子６は干渉縞を形成し、該干渉縞の相互間隔
は、光源２と光学系の間、および光学系素子の間の間隔
によって決まる。縞の傾斜は、二つの複屈折板４、５の
光軸Ｚ、Ｚ’間の角度の差によって左右される。

【００１４】Ｖ面内において画定される角度β、および
β’は、干渉縞の最適鮮鋭度を得るために、かつＨ面内
に画定される角度αに対する感度を調節するために、決
定され、調整される。このようにすることによって、第
１の在来装置の有用な情報より、２０倍も大きな有用情
報を得ることができる。

【００１５】検光子６から発出した光線は、たとえばＣ
ＣＤ光トランスヂューサの形の、検出器７を投射し、該
検出器は電子回路によって、縞の配向、または相互間隔
を分析し、所要の形で測定情報を形成し得るようになっ
ている。

【００１６】したがってこの測定原理によれば、最適分
析を行うための、干渉縞鮮鋭度の最適調節が可能となる
と同時に、他の面内における角度αの移動に対する感度
を最適にすることができ、前記角度αの移動は、光軸、
および測定装置に対する、測定せんとする物体の角度変
位に対応するようになる。

【００１７】図６（Ａ）、および図６（Ｂ）は、前述の
ような入射角の示差測定原理による測定装置の略線図
で、光ファイバー８が示されており、該ファイバーの端
部９は、光源１６から出た光の、点光源９を形成して、
光線１０を発出し、該光線はさらに偏光、および検光フ
ィルター１１を投射する。一様に偏光された光線は次
に、先ず複屈折板１２を通り、光線、および光軸Ｚによ
って形成される角度に従って、だ円形、円形または直線
形に偏光し、続いて反射鏡１３を投射し、該反射鏡の垂
線ｎは光軸Ｚと角度γを形成している。

【００１８】反射光線は再び、複屈折板１２を通り、一
方この反射光線の偏光は再び、複屈折板１２の光軸Ｚ
と、反射鏡１３の垂線ｎとの間の角度γの関数として、
空間的に変調される。

【００１９】図６（Ｂ）のＶ面内に画定された角度β、
およびβ’は、干渉縞の光学的鮮鋭度を得るためと、図
６（Ａ）のＨ面内において画定される角度γに対する感
度を調節するために、決定され、かつ調整される。

【００２０】測定光ファイバー１４は、縞の光線を集
め、かつこれを検出器１５に導き、該検出器は強度を測
定することによって、縞の配向に関する情報を形成す
る。光学的素子を使用して、光線とファイバーの光結合
を改良することができる。

【００２１】このような鋭敏な測定装置は、一つの面内
における物体の変移、または振動を測定する場合に、有
効に使用することができ、この時変位または振動、すな
わちその振幅は、処理の可能な、または機械の動作を監
視するに役立つ情報を供給する。このような装置は、磁
界、または電界に感応しない、完全に光学的なヘッドを
有するために、極限状態にある環境内で使用することが
できる。

【００２２】複屈折板としては、複屈折性を有する液晶
を使用することができ、この液晶に可変電界が適用さ
れ、その軸線の整合を、一時的に変化させるようになっ
ている。現在市場において入手できる「ポラロイド」シ
ートの他に、金属粒子をドープした、高耐熱性を有する
ガラスも使用し得ることがわかる。

【００２３】前述のような測定方法、および測定装置
は、一つの物体と、測定装置との間の距離を測定する場
合にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】複屈折板の略線図；

【図２】入射角の関数である、異常屈折率の変化を示す
図；

【図３】二つの光線に分割された光を示す図；

【図４】干渉縞の間の距離の変化を、測定角度と共に、
線図的に示す図：

【図５】（Ａ）と（Ｂ）は入射角の示差測定原理を示す
図。

【図６】（Ａ）と（Ｂ）は本発明による入射角の示差測
定装置の原理を示す図。

【符号の説明】

１光線２点光源３偏光フィルター４、５複屈折板６検光子７検出器８光ファィバー９端部１１偏光検光フィルター１２複屈折板１３反射鏡１４測定光ファィバー１５検出器１６光源Ｈ水平面Ｌ光学距離Ｐ偏光光線の光軸Ｖ垂直面Ｗ常光線Ｗ’ 異常光線Ｚ、Ｚ’ 光軸

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１０月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】図６は、前述のような入射角の示差測定原
理による測定装置の略線図で、光ファイバー８が示され
ており、該ファイバーの端部９は、光源１６から出た光
の、点光源９を形成して、光線１０を発出し、該光線は
さらに偏光、および検光フィルター１１を投射する。一
様に偏光された光線は次に、先ず複屈折板１２を通り、
光線、および光軸Ｚによって形成される角度に従って、
だ円形、円形または直線形に偏光し、続いて反射鏡１３
を投射し、該反射鏡の垂線ｎは光軸Ｚと角度γを形成し
ている。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】図６の（Ｂ）側に示したＶ面内に画定され
た角度β、およびβ’は、干渉縞の光学的鮮鋭度を得る
ためと、図６の（Ａ）側に示したＨ面内において画定さ
れる角度γに対する感度を調節するために、決定され、
かつ調整される。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】本発明による入射角の示差測定装置の原理を示
す図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光線の入射角を測定する方法において、
偏光光線（１）を使用し、かつこの光線が、偏光子
（６；１１）の後続する、複屈折板（４、５；１２）
を、２回通るようにして、一連の干渉縞を得るようにな
っており、かつ測定せんとする入射角（α、γ）の直接
関数である前記干渉縞の頂きの配向、または該頂き間の
距離を、適当な検出器（７；１５）、および電子的分析
回路によって分析するようになっていることを特徴とす
る方法。
【請求項２】反射鏡（１３）が第１の、唯一の複屈折
板（１２）の後方に配設され、該複屈折板（１２）を通
して、光線（１０）を２回反射させるようになってお
り、唯一の偏光検光子（１１）が、前記複屈折板を投射
した光線を偏光せしめ、かつ反射された光線を偏光せし
め、分析するようになっている請求項１記載の方法。
【請求項３】一つ、または二つの複屈折板（４、
５）、または複屈折板（１２）、および（または）反射
鏡（１３）が、一つの面（Ｖ）内において、光軸に対し
て、角度的に調節され、干渉縞の鮮鋭度を最適化するよ
うになっており、この時測定目的物の角度的変位（γ）
が、他の面（Ｈ）内において測定される請求項１記載の
方法。
【請求項４】複屈折性を有する液晶が使用され、かつ
可変電界が適用され、該液晶の整合軸線を、一時的に変
化させるようになっている請求項１記載の方法。
【請求項５】金属粒子をドープしたガラスが、偏光子
として使用され、前記ガラスが高温に耐えるようになっ
ている請求項１記載の方法。
【請求項６】請求項１記載の方法を実施する測定装置
において、単一の偏光検光子（１１）、反射鏡（１３）
の後続する複屈折板（１２）、および光度の変化を検出
する装置（１５）であって、電子的分析回路を含む装置
から成る測定装置。
【請求項７】出口が光線の点光源（９）を形成する光
ファイバー（８）であって、光源（１６）に接続された
光ファイバーと、単数、または複数の測定光ファイバー
（１４）であって、反射光線を受入れ、かつ光度の変化
を検出する前記装置（１５）に接続されている請求項６
記載の測定装置。