JPS5979803A - 光干渉形回転角計測装置 - Google Patents

光干渉形回転角計測装置

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JPS5979803A
JPS5979803A JP18929582A JP18929582A JPS5979803A JP S5979803 A JPS5979803 A JP S5979803A JP 18929582 A JP18929582 A JP 18929582A JP 18929582 A JP18929582 A JP 18929582A JP S5979803 A JPS5979803 A JP S5979803A
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JP
Japan
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beam splitter
frequency
signal
linearly polarized
optical signal
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Pending
Application number
JP18929582A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Takeuchi
弘 竹内
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/266Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Optical Transform (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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光干渉形計測装置に係り特に回転角の変化量を
高精度で測定する光干渉形回転角計測装置に関する。
〔技術的背景と問題点〕
回転角を検知する手段として一般にエンコーダまたはパ
ルス発信器が用いられている。いずれの場合にも検出分
解能を高めると検出部の微細加工を必要とし回転角の検
出精度には限界がある。従来の一般的な回転角検出装置
では検出分解能は8.3〜2.8 x IO−’回転程
度であり高精度の回転角検出装置でも1xLO’回転以
上の検出分解能は得られないと云う問題がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は検出分解能の高い超精密回転角の計測を
可能とした光干渉形回転角計測装置を得ることにある。
〔発明の概要〕
本発明は第1の周波数のgiの光信号及び第2の周波数
の第2の光信号を発生するレーザ光源と、前記Jl、第
2の光信号の一部を基準光信号として分離するビームス
プリッタと、前記基準光信号から前記第1 、J2の周
波数の差の周波数の基準信号を得る第1の光電変換回路
と、前記第1.第2の光信号を個別に分離する偏光ビー
ムスプリッタと、個別に分離された前記第1の光信号を
再度前記偏光ビームスプリッタに遺す第1の反射鏡と、
個別に分離された前記第2の光信号を再度前記偏光ビー
ムスプリッタに戻す第2の反射鏡と、この14光ビーム
スプリツタに戻された前記第1.42の光(1号から差
の周波数の検知信号を得る第2の光電変換回路を具備し
、前記偏光ビームスプリッタと前記第2の反射鏡の間に
回転角の変位に対応して透過光路長が直線状に変化する
透過円板を介在させ、前記基準信号及び前記検知信号か
ら前記透過円板の回転量を高い分解能で検知する測定回
路を備えた超高精度の光干渉形回転角計測装置である。
例のブロック構成図である。同図に於て、1は近接した
2周波数f、 、 f、の直交した一線偏波光を発生す
る2周波ゼーマンレーザ光源(例えばHP仕kle −
Ne 5501A )ランジューサシステム等)であり
、2周波gf、 、 f2はビート周波数、即ちその差
の周波数が数メガヘルツの値となる様に選定して電気回
路に於ける信号処理を容易に行なんる様にする。2は2
周波ゼーマンレーザ光源lから入射した2周波数f、 
、 f、の直交した一線偏波光の一部をそれぞれ反射し
て基準光信号2Aとして分離するためのビームスプリッ
タである。
ビームスプリッタ2を透過した2周波数f1.f。
の直交した直a偏波光2Bは偏光ビームスプリッタ3に
入射し、一方の直線偏波光(例えは周波数f、の直線偏
波光)はそのま\透過させ他方の一線偏波光(例えば周
波数f、の直l鍜偏波光)はtべて反射し一〇2周波数
j、、f、の光信号を分離する。
分離された周波数f!の光信号3Aはコーナーキューブ
4で反射されて他方の直線偏波光のま\再び偏光ビーム
スブリック3に戻る。
分離された周波数f、の一方の直線偏波光の光信号3B
は回転角検出用透過円板5を透過し、コーナーキューブ
6で反射され再度、回転角検出用透過円板5を透過して
一方の直線偏波光のま\偏光ビームスプリッタ3に戻さ
れる。
この際に、周波数f、の光信号3Bは回転角検出用透過
円板5を最初に透過したときΔf1の周波数の変化を受
け、反射されて再度円板5を透過したとき更にΔf1の
周波数の変化を受は偏光ビームスプリッタ3に戻された
光信号3Nの周波数はf1±2ΔL rtc変化する。
この周波数Δf8の変化は光信号3Bが透過する回転角
検出用透過円板5の透過帯の屈折率nが空気屈折率n。
と異なり、その透過光路長が回転角の変化に対して直線
状に変化するために生ずるものである。
上述の様にして偏光ビームスプリッタ3に戻された周波
数f、±2Δf1の光信号3Dは一方の直線偏波光なの
で偏光ビームスプリッタ3を透過して検光子7に入射さ
れる。またコーナーキューブ4から戻された周波数f、
の光信号3Cは他方の@巌偏波光なので偏光ビームスプ
リッタ3で反射され光信号3Dと合流して検光子7に入
射される。この2つの光信号3C,3L)は互いに干渉
し検光子7を経た光信号が光電変換器8によりビート周
波数1f、±2Δ、f、−J、iの亀″A信号に変換さ
れる。
一方、ビームスプリッタ2で分離された基準光信号2人
は・検光子9を経て光・1変換器10に入射されビート
周波数+f、−f、Iの電気信号に変換される。
光電変換器8.lOからの電気信号はそれぞれパルス変
換器11 、12に入力され電気i、!号の周波数に対
応した周波数のパルス信号11 A 、 12 AKe
換される。13は可逆計数回路を含む測定回路でパルス
信号11 A 、 12 Aにより可逆計数して回転角
の変化を検知する。
以下、本発明の作用を詳細に説明する。
第2図、第3図は本発明の回転角検出用透過円板5の透
過帯を表現した透過帯モデル図である。
第2図に於て、斜線部5Aが透過円板5に設けられた透
過帯を示しており、半径rの位置を中心として径方向に
数n〜数儂の幅を有する円環状とする。この透過帯5A
の軸方向の厚み、即ち透過光路長は回転角度に対して直
線状に変化する形状とする。
第3図は円環状の透過帯5Aを一直線状に展開した図で
ある。同図の)に示す様に透過帯の厚さは円周の長さ2
πrに対して角度ψで直線状に変化し、1回転でHだけ
厚さが変化する。
この透過帯5Aを構成する物質は、屈折率nが空気の屈
折率n。より大きく、透過効率の高い材料を用いる。例
えばアクリル樹脂は屈折率が約1.49であり透過効率
はNe−Neレーザに対して100%に近い。
第4図は回転角検出用透過円板5の光学系の詳細図であ
り、第5図はlA4図の上面から見た図である。
第4図に示す様に偏光ビームスプリッタ3を透過した周
波数f1の光信号3Bは透過円板5を透過した後コーナ
ーキューブ6で反射され再度透過円板5を透過して偏光
ビームスプリッタ3に戻される。
この様な構成とすることにより回転角の変化に対応して
光信号3Dの周波数は往路、復路共に同一方向に変化を
受は周波数変化が2倍になる利点がある。
透過円板5の透過帯の厚さは前述した通り1回転に対し
てHの厚さだけ変化する様に円周に添って角度ψの勾配
を有する。従って光信号3Bが入射する透過円板5の第
1の面5Bは回転軸5Dに垂直な透過円板5の第2の面
5Cに対して角反ψの傾きを持つ。光信号3Bは第1の
面5Bに対して垂直に入射し透過円板5を透過して第2
の而5Cの屈折点5Eで屈折してコーナーキューブ6に
向う。
コーナーキューブ6は入射光線を同一回転角の位置へ反
射して戻し透過円板5を透過して偏光ビームスプリッタ
3へ戻る光信号3Dが入射光信号3Bとはり同じ光路で
平行して戻る様に設置する。
これにより透過円板5が回転して光信号3Bの透過する
透過帯の厚さが変化しても光信号3Bが第1の面5Bに
対し垂直に入射しているので屈折点5Eからコーナーキ
ューブ6に向う光信号は常に一定の位置に保たれ、また
、光信号3Bと平行して戻る光信号3Dも常に一定の位
置に保たれる。
透過円板5の屈折率を11空気の屈折率をnO1光48
号3Bの周波数f、に於ける真空中の波長なλ1、透過
円板5を透過する光信号の光路長の変化速度をVとする
と、透過円板5を透過した光信号は(11式の値の周波
数の変化を受ける。
ここで正負の極性は光路長の変化速度Vの方向により定
まる。
今、時間Δt(秒)の間に透過円板50回転角がΔφ(
ラジアン)だけ変化したとすると第3図(B)の関係か
ら光路長の変化Δlは(2)式で示される。
Δl=r・Δφtaxψ       ・・・・・・(
2)但し、rは透過円板を透過する光信号の位置の半径
である。従って光路長の変化速度Vは(3)式となる。
Δを 光信号は往復して透過円板を透過するが往路。
復路共に同じ光路長の変化速度とすると周波数の変化量
は(4)式の様になる。
更に、周波数の変化量Δfを時間積分すると(5)式が
得られ、積分の結果は回転角の変化量であることがイつ
かる。
・・・・・・(5) ここで、周波数Δfに比例したパルス信号をΔtの時間
に計数すればその計数値Nは回転角の変化量として検出
することができる。第1図の実施例ではパルス変換器1
1 、12から周波数がfl±Δf −ftと、f、−
f、のパルス信号11A、12Aを出力して測定回路1
3で可逆計数してΔfを(6)式の如く積分し回転角の
変化量Δφを(7)式により検出している。
上述の様にして構成した本発明の光干渉形回転角計測装
置の検出分解能はl/にで定まる。
例えばno”’1.On = 1.49 H== 10
11m  λ、=0.633μmとすると1カウント当
りの検出分解能は(8)式より0.65 XIO’  
回転となり極めて高精度の回転角検出が可能となる。
尚、本実施例では透過円板による周波数シフトを往復に
介在させた例で示したが一方のみに介在させでもよい。
〔発明の効果〕
本発明によれば従来では得られなかった高い分解能で回
転角を検出することが可能となり微少回転角の検知に極
めて有効な光干渉形回転角計測装置を得ることができる
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光干渉形回転角計測装置の一実施例を
示したブロック構成図、第2図は回転角検出用透過円板
5の透過帯を示した図で第3図はその透過帯を一直線状
に展開した図、第4図、第5図は回転角検出用透過円板
5の光学系の詳細図である。 l・・・2周波ゼーマンレーザ光源、 2・・・ビームスプリッタ、 3・・・偏光ビームスプリッタ、 4.6・・・コーナーキューブ、 5・・・回転角検出用透過円板、7,9・・・検光子、
8.10・・・光電変換器、11.12・・・パルス変
換器、13・・・測定回路。 第1図 第2図 第3図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 第1の周波数の第1の光信号及び第2の周波数の第2の
    光信号を発生するレーザ光源と、前記第1、第2の光信
    号の一部を基準光信号として分離するビームスプリッタ
    と、前記基準光信号から前記第1.第2の周波数の差の
    周波数の基準信号を得る第1の光電変換回路と、前記第
    1.第2の光信号を個別に分離する偏光ビームスプリッ
    タと、個別に分離された前記第1の光信号を再度前記偏
    光ビームスプリッタに戻す第1の反射鏡と、個別に分離
    された前記第2の光信号を再度前記偏光ビームスプリッ
    タに戻す第2の反射鏡と、この偏光ビームスプリッタに
    戻された前記第1.第2の光信号から差の周波数の検知
    信号を得る第2の光電変換回路を具備し、前記偏光ビー
    ムスプリッタと前記第2の反射鏡の間に回転角の変位に
    対応して透過光路長が直線状に変化する透過円板を介在
    させ、前記基準信号及び前記検知信号から前記透過円板
    の回転量を検知する測定回路を備えた光干渉形回転角計
    測装置。
JP18929582A 1982-10-29 1982-10-29 光干渉形回転角計測装置 Pending JPS5979803A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0248277A2 (en) * 1986-06-03 1987-12-09 Optra, Inc. Two-frequency laser rotation sensor system
CN105547197A (zh) * 2015-12-10 2016-05-04 中国科学院合肥物质科学研究院 基于激光自混合干涉的同时测量角度与振动的方法及装置
CN110411335A (zh) * 2019-07-26 2019-11-05 浙江理工大学 差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法

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