JPS59211810A - 光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法 - Google Patents
光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法Info
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- JPS59211810A JPS59211810A JP8637883A JP8637883A JPS59211810A JP S59211810 A JPS59211810 A JP S59211810A JP 8637883 A JP8637883 A JP 8637883A JP 8637883 A JP8637883 A JP 8637883A JP S59211810 A JPS59211810 A JP S59211810A
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/26—Measuring 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)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
法による微小角度測定装置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密モニ
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、オプティ力ルフラノ−トを用(・たニュートンリ
ング測定法、オートコリメータによる測定法などかあ簡
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。
密機械産業においては、工作機械の加工状態の精密モニ
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、オプティ力ルフラノ−トを用(・たニュートンリ
ング測定法、オートコリメータによる測定法などかあ簡
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、通常の境環下で
非接触で0001°のオーダの精度で計測が中米る微小
角度測定装置を実現することを目的とするものである。
非接触で0001°のオーダの精度で計測が中米る微小
角度測定装置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。
光ヘテロゲイン干渉は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f、’−
W2の光波なE、−’E、、とすれば E、 (t)=A、 (t)cos (2πf+ t
+96+ (1)E2 (t)=A’2 (t)cos
(2πf 2 ’t +12I))ここで−A、+
A2は振幅、メ1、〆2は位相を示す。
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f、’−
W2の光波なE、−’E、、とすれば E、 (t)=A、 (t)cos (2πf+ t
+96+ (1)E2 (t)=A’2 (t)cos
(2πf 2 ’t +12I))ここで−A、+
A2は振幅、メ1、〆2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
1 (i)二l El(t) + E2 (t) ’
+2 となる。
+2 となる。
これを光検出器で電流i’、(t)に変換すると1(t
)ocA″、 ” +A2” +2A、 A2cos(
2πΔft+Δ96)但し Δf−f1−f2− ΔX
=グ、−グ。
)ocA″、 ” +A2” +2A、 A2cos(
2πΔft+Δ96)但し Δf−f1−f2− ΔX
=グ、−グ。
なる電気信号が得られる。
ここでΔfは10’〜10”I(z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、もとの光波が持っている光の
周波数領域での情報を高精度に取り出すことができる。
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、もとの光波が持っている光の
周波数領域での情報を高精度に取り出すことができる。
光へ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2本発明による微小角度測定装置でぽ、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。
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2本発明による微小角度測定装置でぽ、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へテロダイン干渉法による微小
角度測定装置の′システムブロック線図ヲ示す。
角度測定装置の′システムブロック線図ヲ示す。
HeTNeレーザ管あるいは半導体レーザ等によるレー
ザ発振部100がら放射された周波数−foめ光ビーム
(1本)101は音響光学素子(A・0)10λに入射
される。A・0106はfmなる周波数の正弦波発振器
111を入力裏するA・0ドライバー112によって超
音波進行波をその内部に発生させ、光と超音波の相互作
用により光ヘテロノ゛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及びここでA・
0ドライバー112は■CO1高周波パワーアンプ。平
衡変調器等から一構成され、ある高周波信号の周波数f
aに対してAM変調を行ない、キャリアー周波数fa成
分を抑圧して一イドバンドバクを発生させることが必要
である。
ザ発振部100がら放射された周波数−foめ光ビーム
(1本)101は音響光学素子(A・0)10λに入射
される。A・0106はfmなる周波数の正弦波発振器
111を入力裏するA・0ドライバー112によって超
音波進行波をその内部に発生させ、光と超音波の相互作
用により光ヘテロノ゛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及びここでA・
0ドライバー112は■CO1高周波パワーアンプ。平
衡変調器等から一構成され、ある高周波信号の周波数f
aに対してAM変調を行ない、キャリアー周波数fa成
分を抑圧して一イドバンドバ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−f、m、ビー
ム105はfo+fa+fmなる周波数成分を有する。
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ッタ−及び1/4波長板から
構成される光アイソレータで、A・0素子106と測定
する物体面1070間に設置する。
構成される光アイソレータで、A・0素子106と測定
する物体面1070間に設置する。
2ビーム104及び105は光アイソレータ102で2
つの方向に分割する。一方は物体面107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10し
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126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フォ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。
つの方向に分割する。一方は物体面107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10し
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126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フォ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ットをすれば得られる
交流電圧信号124及び125は各々A、 C03(2
yt 112 fmt+θ1)A2CO3(2π・2f
mt十θ2) で表わされる。
交流電圧信号124及び125は各々A、 C03(2
yt 112 fmt+θ1)A2CO3(2π・2f
mt十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って起こる2ビ一
ム間の光路差によって生じる位相差で状態によって変化
する量である。このθ1−02の差を位相比較器114
によって検出し、得られた位相差データをマイクロプロ
セッサ−等を用いたデータ処理部126によって角度に
換算する。
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って起こる2ビ一
ム間の光路差によって生じる位相差で状態によって変化
する量である。このθ1−02の差を位相比較器114
によって検出し、得られた位相差データをマイクロプロ
セッサ−等を用いたデータ処理部126によって角度に
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に
は光ヘテロダイン干渉を行なわせる光学系に依存する。
は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−160及び134はシ
リンドリカルレンズで各々の焦点距離は11 とする、
161及び132は平凸レン蕃 ズで各々の焦点距離は
12とする。166は偏光ビームスプリンター、165
はl/4波長板−106はレーザ集光レンズで焦点距離
はl。とする。
の一実施例を示す模式図であり−160及び134はシ
リンドリカルレンズで各々の焦点距離は11 とする、
161及び132は平凸レン蕃 ズで各々の焦点距離は
12とする。166は偏光ビームスプリンター、165
はl/4波長板−106はレーザ集光レンズで焦点距離
はl。とする。
一般にA・0103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−0103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
160と平凸レンズ161の組み合せで幅の広いだ円ビ
ームを発生させる。
波の変調を行なうもので、A−0103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
160と平凸レンズ161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な用いることにより、偏光ビーム
スプリッタ−1133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。
スプリッタ−1133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、待相
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℃・。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。
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℃・。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(するため、偏光ビー
ムスプリッタ−166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。
ムスプリッタ−166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−0103によって分離された
2ビームは図示していないが、実際には非常に接近した
2ビームに分離している。
2ビームは図示していないが、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ビ一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
。
物体面107上での2ビームの分離距離dは
。
で与えられる。
但し■はA・0106を伝わる超音波の速度である。
■はA−0103の媒質で決まる。λはレーザの波長で
He = N eレーザの場合は0.6328ミクロン
メートルである。例えば■二3.’ 8 km / s
ec、f 、 =’15mm−’f、、 = 50’
Omn、 f(、=7’wとすれば、fm=100k
Hzで、−d=7μmである、また物体照射面でのビー
ムスポット径は集光レンズ106に入射されるビームの
径(こσ)ときシま円形ガウスビームに変換されている
)とレンズ106の焦点距離l。に関係するが、小さく
・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164と焦光レンズ166の
間にビームエクスノくンダーを入れればよ(・0 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。
He = N eレーザの場合は0.6328ミクロン
メートルである。例えば■二3.’ 8 km / s
ec、f 、 =’15mm−’f、、 = 50’
Omn、 f(、=7’wとすれば、fm=100k
Hzで、−d=7μmである、また物体照射面でのビー
ムスポット径は集光レンズ106に入射されるビームの
径(こσ)ときシま円形ガウスビームに変換されている
)とレンズ106の焦点距離l。に関係するが、小さく
・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164と焦光レンズ166の
間にビームエクスノくンダーを入れればよ(・0 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2だけ傾斜の付℃・た斜面角の計測例
を示す模式図オ゛ある。61に示す平面を基準状態面、
62に示す平面を測定状態面とする。
を示す模式図オ゛ある。61に示す平面を基準状態面、
62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θ3、θ2の絶対値は意味を持たず、従
ってその差θ1−θ2だけも意味を持たず、意味がある
のは(θ1−02 )の状態変化による変化量である、
斜面角ダを求めるのに、まず基準となる状態面61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。
号の各々の位相θ3、θ2の絶対値は意味を持たず、従
ってその差θ1−θ2だけも意味を持たず、意味がある
のは(θ1−02 )の状態変化による変化量である、
斜面角ダを求めるのに、まず基準となる状態面61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−θ2二〇とす
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、偏光ビームスプリッタ−166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。
、θ1−θ2=0とするのがよい。θ1−θ2二〇とす
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、偏光ビームスプリッタ−166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62に2ビームを照射してそのときの位
相角を測定する。
相角を測定する。
このときは明らかに角度グによる段差があるため、2ビ
一ム間に光路差が生じて位相に変化が起こる。
一ム間に光路差が生じて位相に変化が起こる。
今、2ビ一ム間にZなる段差があれば、ZはZ−λ・θ
/4π で表わされる。
/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 −N eレーザを用いれば−0,1
58、g Z−; 0.−L5一番キイロンメートルが
一度に測ることができる限界である。位相差θ二1゜当
すのZは、88オングストロームであり、電気的にlo
の位相測定は十分に可能である。
58、g Z−; 0.−L5一番キイロンメートルが
一度に測ることができる限界である。位相差θ二1゜当
すのZは、88オングストロームであり、電気的にlo
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2は第4図
の模式図により、メ=jan−’ Z / dで求めら
れる。
の模式図により、メ=jan−’ Z / dで求めら
れる。
dは2ビ一ム間の距離で前述の如(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。
使用するレンズの焦点距離から求められる。
基準面61及び斜面62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
つし・て何回かの測定を行ない統計がある。
として各々の表面の微小粗さをふくむため、各々の面に
つし・て何回かの測定を行ない統計がある。
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。
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0007°である。この様
に非常に高精度計測が可能である。
度は位相角1°の誤差につき0007°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ビ一ム照射位置を変えて測
定する必要があるが、A−0103に可変直流電圧を印
加してA−0106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って位置を変えて
もよい。
定する必要があるが、A−0103に可変直流電圧を印
加してA−0106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って位置を変えて
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となちたときの角度差グを求
めるもので、例えば工作機械の加工ヘッドの運動状態を
検出する場合である。
51が回転して面状態52となちたときの角度差グを求
めるもので、例えば工作機械の加工ヘッドの運動状態を
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510位相差
を測定しておき、次に角度ダ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グが求められる。
を測定しておき、次に角度ダ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グが求められる。
第6図は第3の計測例を示す模式図であり、物体の変形
量網側の場合で、鍵形前の基準面61σ)各部分につい
ての位相を計測し一変形後の状態面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。
量網側の場合で、鍵形前の基準面61σ)各部分につい
ての位相を計測し一変形後の状態面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測定装置は非接触
−高速、1−精1し計1肋峰同゛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太
きい。
−高速、1−精1し計1肋峰同゛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太
きい。
第1図は本発明の実施例による微小角度測定装置のブロ
ック線図、第2図は第1図の微小角度測定装置に用℃・
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
度測定装置による各μ度泪測例を示す各模式図、第4図
は角度算出説す用の模式図。 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、122.126・・・・・・光電変換部、126
・・・・・・データ処理部。 163・・・・・・偏光ビームスプリンター、135・
・・・・・1/4波長板。
ック線図、第2図は第1図の微小角度測定装置に用℃・
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
度測定装置による各μ度泪測例を示す各模式図、第4図
は角度算出説す用の模式図。 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、122.126・・・・・・光電変換部、126
・・・・・・データ処理部。 163・・・・・・偏光ビームスプリンター、135・
・・・・・1/4波長板。
Claims (1)
- レーザ発振部から出射された光を音響光学素子により周
波数の異なる2つの光線に分割し、該2つの周波数成分
を有する2つの光を物体面に照射する光へテロダイン干
渉法による微小角度測定装置にオ6いて、前記音響光学
素子と物体面の間に、偏光ビームスプリッタ−と1/4
波長板から成る光アイソレータを設け、該2つの周波数
成分を有する2つの光線を、前記光アイソレータにより
2つの方向に分割し、一方は物体面に照射しない参照光
となし、他方は物体面に照射し、その反射光を前記光ア
イツレ〜りにより再び進路を曲げ物体反射光となし一前
記参照光と物体反射光を各々光電変換してビート信号を
作成する各光電変換部と、該各光電変換部からの信号相
互の位相差を検出する位相比較器と、該位相比較器から
の位相差データに基づき、前記物体面の基準となる状態
の位相と、該基準となφ状態から変化して(・る状態の
位相とを得て、角度を演算するデータ処理部とからなる
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
測定装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8637883A JPS59211810A (ja) | 1983-05-17 | 1983-05-17 | 光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法 |
US06/608,744 US4650330A (en) | 1983-05-13 | 1984-05-10 | Surface condition measurement apparatus |
GB08412312A GB2146116B (en) | 1983-05-13 | 1984-05-14 | Surface condition measurement apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8637883A JPS59211810A (ja) | 1983-05-17 | 1983-05-17 | 光ヘテロダイン干渉法による微小角度測定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS59211810A true JPS59211810A (ja) | 1984-11-30 |
JPH0339563B2 JPH0339563B2 (ja) | 1991-06-14 |
Family
ID=13885211
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP8637883A Granted JPS59211810A (ja) | 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 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS59211810A (ja) |
Cited By (3)
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 |
JP2014071432A (ja) * | 2012-10-02 | 2014-04-21 | Astro Design Inc | レーザー走査顕微鏡装置 |
CN110006367A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-12 | 北京信息科技大学 | 偏摆角、俯仰角测量方法和装置 |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6337543B2 (ja) * | 2014-03-19 | 2018-06-06 | アイシン精機株式会社 | 形状測定装置及び形状測定方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5536922A (en) * | 1978-09-04 | 1980-03-14 | Hitachi Metals Ltd | Manufacturing of ferrite |
-
1983
- 1983-05-17 JP JP8637883A patent/JPS59211810A/ja active Granted
Patent Citations (1)
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0339563B2 (ja) | 1991-06-14 |
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