JPS6071911A - Optical device for measuring displacement and rotation - Google Patents

Optical device for measuring displacement and rotation

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JPS6071911A
JPS6071911A JP18140283A JP18140283A JPS6071911A JP S6071911 A JPS6071911 A JP S6071911A JP 18140283 A JP18140283 A JP 18140283A JP 18140283 A JP18140283 A JP 18140283A JP S6071911 A JPS6071911 A JP S6071911A
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JP
Japan
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target
displacement
light
axis
pbs
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JP18140283A
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Eiji Ogita
英治 荻田
Daisuke Yamazaki
大輔 山崎
Toshitsugu Ueda
敏嗣 植田
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Hokushin Electric Corp
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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

Abstract

PURPOSE:To enable measurement of two-dimensional and rotating displacements without contact with a target by detecting the extent of the movement of a speckle with photodetectors placed in the position deviated forward and backward from the imaging position of the target and calculating the same. CONSTITUTION:Photodetectors 71, 74 and photodetectors 72, 75 are disposed respectively before and behind an imaging position P and therefore the detectors generate the outputs in the directions opposite from each other with respect to the rotation of a target 4. If the outputs from the photodetectors 71, 74, 72, 75 are designated to be respectively Sx1, Sx2, Sy1, Sy2, Sx1+Sx2 is the displacement in the X-axis direction, Sx1-Sx2 is the rotating displacement around the Y-axis, Sy1+Sy2 is the displacement in the Y-axis direction and Sy1-Sy2 is the rotating displacement around the X-axis. The outputs respectively proportional to X, Y, thetax, thetay are thus obtd.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 本発明は、光の干渉を利用して変位量および回転変位量
を測定する光学式変位・回転測定装置に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of the Invention] The present invention relates to an optical displacement/rotation measuring device that measures displacement and rotational displacement using optical interference.

さらに詳しくは、本願は、光源からの可干渉な光を、2
次元的な変位および回転変位を行なう可動拡散面に照射
し、そこから得られるスペックルパターンを利用して2
次元の変位量および回転変位量を測定するようにした光
学式変位・回転測定装置に関するものでおる。
More specifically, the present application combines coherent light from a light source into two
A movable diffusion surface that undergoes dimensional and rotational displacement is irradiated, and the resulting speckle pattern is used to
This invention relates to an optical displacement/rotation measuring device that measures dimensional displacement and rotational displacement.

〔従来技術〕[Prior art]

このような測定装置の一例としては、出願人がすでに特
願昭57−109548号として出願した光学式機械量
測定装置がめる。これは光学的な手段を利用して5次元
的な変位量を測定するようにしたもので、以下にその構
成および動作を説明する。
An example of such a measuring device is an optical mechanical quantity measuring device already filed by the applicant as Japanese Patent Application No. 109548/1983. This uses optical means to measure the amount of five-dimensional displacement, and its configuration and operation will be explained below.

この光学式機械量測定装置は、光源からの可干渉な光を
被測定根絨量が与えられている可動拡散面に照射し、そ
こから得られるスペックルパターンを利用して2次元の
機械量を測定するとともに、このスペックルパターンに
光源からの光を参照光として照射し、その結果得られる
パターンを利用して可動拡散板の前記2次元の軸と直交
する軸方向の変位等の機械量を測定するようにした点に
構成上の特徴がある。
This optical mechanical quantity measuring device irradiates coherent light from a light source onto a movable diffusing surface on which the root volume to be measured is given, and uses the resulting speckle pattern to measure two-dimensional mechanical quantities. At the same time, this speckle pattern is irradiated with light from a light source as a reference light, and the resulting pattern is used to measure mechanical quantities such as the displacement of the movable diffuser plate in the axial direction orthogonal to the two-dimensional axis. A unique feature of the structure is that it measures .

第1図は本装置の一例を示す構成説明図でろる。FIG. 1 is a configuration explanatory diagram showing an example of this device.

図において、1は光源で、例えばHeNeレーザ光源が
使用され、ここから可干渉な光が出射される。
In the figure, reference numeral 1 denotes a light source, for example, a HeNe laser light source is used, from which coherent light is emitted.

11、12はレンズで、光源1から出射した光を拡げて
平行光とするビームエクスパンダBxft構成している
。21は第1の偏光ビームスプリッタ(以下PBSと略
す)、22は第2のPBS 、 23は第5のPBS 
Lenses 11 and 12 constitute a beam expander Bxft that expands the light emitted from the light source 1 into parallel light. 21 is a first polarizing beam splitter (hereinafter abbreviated as PBS), 22 is a second PBS, and 23 is a fifth PBS.
.

24は第4のPBS、25は第5のPBSで必る。第1
゜第2#第3のPBS 、21.22.23は、入射す
る光ビームを2方向に分割する役目をし、第4のPBS
24は2方向から来るビームを1方向ビームにする役目
をしている。また、第5のPBS 25は、第4のPB
Sに対して45°回転した位置関係となるように設置さ
れており、2種の光を干渉させて縞を作る役目をしてい
る。31.32はそれぞれ焦点距離がfI Tf2のレ
ンズ、30はレンズ31と33との間でろって、レンズ
31からfl、レンズ32からfzの距離に設置した絞
り板で、これには、径がdの透孔が設けられている。4
は拡箕面40ヲ有するターゲットで、レンズ32から1
(1は0〜2fz程度が好ましい)だけ離れて設置され
、これには例えば、図示するようにx、 y、 z 方
向の3次元の測定機械数が与えられる051はレンズ3
2とターゲット4との間に設置したλ/4板、61.6
2はミラーで、第1のPBS 21で分割された光源1
からの光が、第4のPBS 24に入射するように設置
されている。ここでミラー61はその光軸Ctに対して
θ1=45°だけ傾斜しているのに対し、ミラー62は
光軸Ctに対してθ2−4f十Δθだけ傾斜しである0
52はミラー61と第1のpI3S 21との間に設置
したλ/2板、53は第1のPBS 21と第2のPB
Sとの間に設けたλ/4板、54は第2のPBS 22
と第3のPBS 23との間に設けたλ/4板でおる。
24 is required for the fourth PBS, and 25 is required for the fifth PBS. 1st
゜The 2nd #3rd PBS, 21.22.23 serves to split the incident light beam into two directions, and the 4th PBS
24 serves to convert beams coming from two directions into a one-way beam. Further, the fifth PBS 25 is the fourth PB
It is installed so that it has a positional relationship rotated by 45 degrees with respect to S, and its role is to cause two types of light to interfere and create stripes. 31 and 32 are lenses with focal lengths of fI and Tf2, and 30 is a diaphragm plate installed between lenses 31 and 33 at a distance of fl from lens 31 and fz from lens 32. A through hole d is provided. 4
is a target with a magnifying surface 40, and a lens 32 to 1
(1 is preferably about 0 to 2fz), and is given a three-dimensional measurement machine number in the x, y, and z directions as shown in the figure.051 is the lens 3
λ/4 plate installed between 2 and target 4, 61.6
2 is a mirror, and the light source 1 is divided by the first PBS 21.
The fourth PBS 24 is arranged such that light from the fourth PBS 24 is incident on the fourth PBS 24 . Here, the mirror 61 is inclined by θ1=45° with respect to the optical axis Ct, whereas the mirror 62 is inclined by θ2−4f+Δθ with respect to the optical axis Ct.
52 is a λ/2 plate installed between the mirror 61 and the first pI3S 21, and 53 is the first PBS 21 and the second PB
A λ/4 plate 54 is provided between the S and the second PBS 22
A λ/4 plate is provided between the PBS 23 and the third PBS 23.

71は第3のPBS 23で分割された一方の光を受光
するX軸受光器、72は第3のpBSで分割てれた他方
の光を受光するy軸受光器で、これらには多数個の受光
素子をプレイ状に配列して構成逼れるCOD などのイ
メージセンサが使用される。なお、各受光器71.72
において、その受光素子の配列方(5) 向は互いに直交するように設置されているものとする。
71 is an X-axis receiver that receives one of the lights divided by the third PBS 23, and 72 is a Y-axis receiver that receives the other light that is split by the third PBS. An image sensor such as a COD is used, which is constructed by arranging light-receiving elements in a play shape. In addition, each light receiver 71.72
In (5), it is assumed that the light receiving elements are arranged so that the directions are orthogonal to each other.

73は第5のI’BSから出た光を受光する受光器でる
る。この受光器73としては、CCDなどのイメージセ
ンサが用いられる。
Reference numeral 73 denotes a light receiver that receives the light emitted from the fifth I'BS. As this light receiver 73, an image sensor such as a CCD is used.

第2図は第1図装置において、電気的な回路を示す構成
ブロック図である。この図において、70は)例えばC
ODで構成された各受光器71.72.73を駆動する
クロック発振器で、例えば周波数fcのクロック信号を
各受光器に印加している。81.82゜83は各受光器
71.72.73からの出力周波数信号fx。
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical circuit in the apparatus shown in FIG. In this figure, 70 is) for example C
This is a clock oscillator that drives each of the optical receivers 71, 72, and 73 configured with an OD, and applies a clock signal of, for example, a frequency fc to each optical receiver. 81.82°83 is the output frequency signal fx from each photoreceiver 71.72.73.

fy、 fzを入力し、これと参照周波数個号fRとを
ミキシングするミキ?、91.92.93はそれぞれ対
応するミキサからの出力信号のなかの特定な周波数信号
を通過させるローパスフィルタ、41.42.43はそ
れぞれローパスフィルタ91.92.93からの周波数
信号を計数するカウンタ、6は各カウンタ41゜42、
43からの計数信号fax、 foy、 foz f入
力する演算回路で、この演算回路としては、例えばマイ
クロプロセッサが使用される。60は表示装置で、例え
ばCRTが使用され、演算回路6での演算結果を(4) 表示する。
Miki inputs fy and fz and mixes them with the reference frequency code fR. , 91.92.93 are low-pass filters that pass specific frequency signals in the output signals from the corresponding mixers, and 41.42.43 are counters that count the frequency signals from the low-pass filters 91.92.93, respectively. , 6 is each counter 41°42,
This is an arithmetic circuit which inputs the count signals fax, foy, foz f from 43, and a microprocessor is used as this arithmetic circuit, for example. Reference numeral 60 denotes a display device, for example, a CRT, which displays (4) the calculation results of the calculation circuit 6.

とのように構成した装置の動作は次の通りである。光源
1から出射された波長λの光は、ビームエクスパンダB
Xで拡げられ、平行光となって第1のPBS 21に入
射する。ここで、入射光線と入射面にたてた法線が作る
入射面に垂直方向に振動する光成分(B波)は反射し、
レンズ31.絞り板30の透孔、レンズ32及びλ/4
板51を経て、ターゲット4の拡散面40に平行光とな
って照射される。ターゲット4の拡散面40に照射され
た平行光は、この拡散面の凹凸によってランダムな位相
変調を受けて反射し、この反射光は、再びλ/4板51
.レンズ32.絞シ板30の透孔、レンズ31を通って
戻り、第1のPBS 21に入射する。ここで、レンズ
31.絞り板30.レンズ32は、スペックルの純移動
状態を実現しここを通過する光の空間周波数を下げるロ
ーパスフィルタとして機能するものである。第1のPB
S 21に再入射する光は入射面に対して、振動方向が
平行な光成分(P波)となっており、第1のPBS 2
1を通過する。ここを通過したターゲット4の拡散面4
0からの反射光は、λ/4板53ヲ通過して円偏光とな
り、第2のPBS 22で2つに分かれ、一方はλ/4
板54ヲ通って円偏光となり、第5のPBS 23で分
かれて、X軸受光器71及びy軸受光器72にそれぞれ
入射する。そして、これらの受光面にスペックルパター
ンをつくる。
The operation of the device configured as above is as follows. The light with wavelength λ emitted from light source 1 is transmitted to beam expander B.
The light is expanded by X, becomes parallel light, and enters the first PBS 21. Here, the light component (B wave) that vibrates in the direction perpendicular to the incident surface created by the incident light ray and the normal line to the incident surface is reflected,
Lens 31. Through hole of aperture plate 30, lens 32 and λ/4
The light passes through the plate 51 and is irradiated onto the diffusion surface 40 of the target 4 as parallel light. The parallel light irradiated onto the diffusing surface 40 of the target 4 undergoes random phase modulation due to the unevenness of this diffusing surface and is reflected.
.. Lens 32. The light returns through the through hole of the aperture plate 30 and the lens 31 and enters the first PBS 21 . Here, lens 31. Aperture plate 30. The lens 32 functions as a low-pass filter that realizes a state of pure movement of speckles and lowers the spatial frequency of light passing therethrough. 1st PB
The light re-entering the PBS 21 is a light component (P wave) whose vibration direction is parallel to the plane of incidence, and the light re-enters the PBS 21.
Pass through 1. Diffusion surface 4 of target 4 that passed here
The reflected light from 0 passes through the λ/4 plate 53 and becomes circularly polarized light, and is split into two by the second PBS 22, one of which is a λ/4
The light passes through the plate 54, becomes circularly polarized light, is separated by the fifth PBS 23, and enters the X-axis light receiver 71 and the Y-axis light receiver 72, respectively. A speckle pattern is then created on these light-receiving surfaces.

第3図は、X軸受光器71及びy軸受光器72上に得ら
れるスペックルパターンの一例を示ス図テある。この図
において、スペックルパターンは、ターゲット4が矢印
X方向に移動したときは、X軸方向に移動し、ターゲッ
ト4が矢印y方向に移動したときは、y軸方向に移動す
る。X軸受光器71は、この受光面に照射された第3図
に示すようなスペックルパターンのX軸方向変位を把え
る。また、y軸受光器72は、この受光面に照射された
第3図に示すようなスペックルパターンのy軸方向変位
を把える。
FIG. 3 shows an example of a speckle pattern obtained on the X-axis photodetector 71 and the Y-axis photodetector 72. In this figure, the speckle pattern moves in the X-axis direction when the target 4 moves in the arrow X direction, and moves in the y-axis direction when the target 4 moves in the arrow y direction. The X-axis light receiver 71 detects the displacement in the X-axis direction of the speckle pattern shown in FIG. 3, which is irradiated onto the light-receiving surface. Further, the y-axis light receiver 72 detects the displacement in the y-axis direction of the speckle pattern as shown in FIG. 3 irradiated onto this light-receiving surface.

一方、第4のPBS 24へ入射した拡散面4oがらの
反射光は、そのtま通過し、第5のPBS 25に入射
する。また、光源1がら第1のPBS 21に入射した
光の中で、P波成分はここを透過し、λ/2板52を通
過して90°偏波面が回転され、ミラー61.62を経
て、第4のPBS 24に入射し、ここで反射して第5
のPBS 25に参照光として入射する。第5のPBS
 25は、第4のPBS 24に対して45°回転して
置かれており、ここで、互いに偏波面が90°異なるタ
ーゲット4からの反射光と、光源1からの参照光とのう
ち、第5図に示すように45°成分のものが透過し、2
軸受光器73上に干渉縞がつくられる。
On the other hand, the reflected light from the diffusing surface 4o that has entered the fourth PBS 24 passes through until that time and enters the fifth PBS 25. In addition, among the light incident on the first PBS 21 from the light source 1, the P wave component is transmitted through this, passes through the λ/2 plate 52, the plane of polarization is rotated by 90 degrees, and passes through the mirrors 61 and 62. , enters the fourth PBS 24, is reflected here and is transmitted to the fifth PBS 24.
The light is incident on the PBS 25 as a reference light. 5th PBS
25 is placed rotated by 45 degrees with respect to the fourth PBS 24, and here, among the reflected light from the target 4 whose polarization planes are different from each other by 90 degrees, and the reference light from the light source 1, the As shown in Figure 5, the 45° component is transmitted, and 2
Interference fringes are created on the shaft light receiver 73.

なお、第5のPBS 25は偏光板を用いてもよい。Note that a polarizing plate may be used for the fifth PBS 25.

第4図は、2軸受光器73上に得られたパターンの一例
を示す図であって、スペックルパターンにマイケルソン
干渉縞が重畳したようなものとなる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a pattern obtained on the two-axis photodetector 73, which resembles a speckle pattern superimposed with Michelson interference fringes.

このパターンは、ターゲット4が矢印2方向に移動する
と、瓢方向に移動する。2軸受光器73は、この受光面
に照射された第4図に示すようなパターンの2軸方向変
位を把える。
In this pattern, when the target 4 moves in the direction of the arrow 2, it moves in the gourd direction. The two-axis light receiver 73 detects the displacement in the two-axis direction of the pattern shown in FIG. 4, which is irradiated onto the light-receiving surface.

ここで、レンズ31.32の距離がf1+f2であるこ
とと、ターゲット4に平面波が照射されるようにすれば
、所謂純移動状態となシ、この状態では、−lノ 各受光器の受光面に得られるスペックルパターンの、平
均的スペックル径は、(f□λ)/(πd)で与えられ
る口したがって、レンズ31から各受光器までの距離や
、レンズ32とターゲット4との間の距離tは、純移動
状態とスペックル径には無関係となる。
Here, if the distance between the lenses 31 and 32 is f1+f2 and the target 4 is irradiated with a plane wave, there will be a so-called pure movement state. The average speckle diameter of the speckle pattern obtained is given by (f□λ)/(πd). Therefore, the distance from the lens 31 to each photodetector and the distance between the lens 32 and the target 4 are The distance t is unrelated to the pure movement state and the speckle diameter.

各受光器71.72.73は、一端にクロック発振器7
0から周波数fcのクロック信号が印加されて駆動され
ており1各受光器71.72.73からfc = fc
/N (ただしNは受光器71.72.73のど、ト数
)を基本周波数とする周波数信号fx、 fy、 fz
が出力される。
Each receiver 71, 72, 73 has a clock oscillator 7 at one end.
A clock signal of frequency fc is applied and driven from 0 to 1, and fc = fc from each photoreceiver 71, 72, and 73.
Frequency signals fx, fy, fz whose fundamental frequency is /N (where N is the number of light receivers 71, 72, 73)
is output.

第6図は、各受光器71.72.73がら得られる周波
数信号fx、 fy、 fzの周波数スペクトルを示す
説明図である。乙の信号の周波数スペクトルは、基本周
波数foの整数倍の点でピークがあり、がっそのピーク
は、各受光器の全幅の17(整数)と、干渉縞の間隔が
等しいところが一番大きくなり、ターゲット4の移動と
ともに、移動する。例えば、ターゲット4がX方向にX
だけ移動すれば、受光器71からの周波数信号fxの例
えばm次高調波に相(8) 当するピークPmは、その移動速度dx/dtに比例し
たΔfmxだけ周波数シフトする。同じように1ターゲ
ツト4がy方向にYだけ移動すれば、受光器72からの
周波数信号fyのm次高調波に相当するピークPmは、
その移動速度dyldtに比例したfmyだけ周波数シ
フトする。受光器73からの周波数信号についても同様
である。つまり、Δfmx 、Δfmy 。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the frequency spectra of frequency signals fx, fy, and fz obtained from each light receiver 71, 72, and 73. The frequency spectrum of the signal B has a peak at a point that is an integer multiple of the fundamental frequency fo, and the peak is greatest where the interval between the interference fringes is equal to 17 (an integer) of the total width of each receiver. , moves as the target 4 moves. For example, target 4 is
If the light receiver 71 moves by a certain amount, for example, the peak Pm corresponding to the m-th harmonic of the frequency signal fx from the light receiver 71 shifts in frequency by Δfmx that is proportional to the moving speed dx/dt. Similarly, if one target 4 moves by Y in the y direction, the peak Pm corresponding to the m-th harmonic of the frequency signal fy from the optical receiver 72 is
The frequency is shifted by fmy which is proportional to the moving speed dyldt. The same applies to the frequency signal from the light receiver 73. That is, Δfmx, Δfmy.

Δfmz の位相を測定すれば、x+ytZの変位量を
測定できる。
By measuring the phase of Δfmz, the amount of displacement of x+ytZ can be measured.

例えば第2図の回路において、ミキv81.82゜83
は、各受光器から出力されるm矢高調波Pmと、その近
傍周波数fRとをミキシング、すなわちヘテロゲイン検
波し、各出力をローパスフィルタ91゜92、93を介
するととによって、その出力端に次式に示すような周波
数信号fax、 foy、 fozをそれぞれ得る。
For example, in the circuit shown in Figure 2, MIKI v81.82°83
mixes the m harmonic Pm output from each photoreceiver and its neighboring frequency fR, that is, performs hetero gain detection, passes each output through low-pass filters 91, 92, 93, and outputs the following to the output end. Frequency signals fax, foy, and foz as shown in the equations are obtained, respectively.

fax = mfo −fR±Δ fmxfoy = 
mfo −fR±Δfmyfoz = mfo −fR
±Δfmz各カウンタ41.42.43は、これらの周
波数信号をそれぞれ計数する。演算回路6は、各カウン
タ41.42.43からの信号fax、 foy、 f
oz t−人力し、所定の演算、例えば積分を含む演算
をすることによって、ターゲット4の各矢印x+ 3’
+ z方向の変位量X、Y、Zl知ることができる。ま
たΔfmx rΔfmy 、Δfmz は、ターゲット
4の移動方向に応じて、正、負に極性が変ることから、
移動方向の判別も同時にできる。
fax = mfo -fR±Δ fmxfoy =
mfo −fR±Δfmyfoz = mfo −fR
The ±Δfmz counters 41, 42, and 43 respectively count these frequency signals. The arithmetic circuit 6 receives signals fax, foy, f from each counter 41, 42, 43.
oz t- each arrow x+3' of the target 4 by manually performing predetermined calculations, such as calculations including integrals.
+ The amount of displacement X, Y, Zl in the z direction can be known. Furthermore, since the polarity of Δfmx rΔfmy and Δfmz changes between positive and negative depending on the moving direction of the target 4,
The direction of movement can also be determined at the same time.

このように構成てれる装置は、ひとつの光源からのビー
ムによって5次元の変位が同時に測定でするもので、全
体構成を簡単にできる。また、各受光器から得られる信
号は周波数信号であることから、演算処理が容易でおり
、高分解能で、各種機械量を測定することができる。
The device configured in this manner can simultaneously measure five-dimensional displacements using a beam from one light source, and the overall configuration can be simplified. Furthermore, since the signals obtained from each light receiver are frequency signals, calculation processing is easy and various mechanical quantities can be measured with high resolution.

ここで、このような機械量測定装置においては、x+ 
’V、s z各軸方向における変位の測定を目的として
いるために、各軸を中心としたターゲットの回転に対し
ては、その回転量を測定することはできない。
Here, in such a mechanical quantity measuring device, x+
'V, sz Since the objective is to measure displacement in each axis direction, it is not possible to measure the amount of rotation of the target around each axis.

すなわち、ターゲットが回転すると、受光器側の空間に
存在するスペックルもターゲットの結像位置を中心に回
転する。このため、受光器をターゲットの結像位置より
外れた位置に置いた場合には、ターゲットの回転に伴っ
て受光器上のスペックルが移動し、ターゲットの回転が
軸方向の変位として誤って検出されてしまう0したがっ
て、この装置では、受光器はターゲットの結像位置に置
く以外になく、各軸を中心としたターゲットの回転変位
量を測定することはで!!ない。
That is, when the target rotates, the speckles existing in the space on the light receiver side also rotate around the target imaging position. Therefore, if the receiver is placed at a position away from the target imaging position, the speckles on the receiver will move as the target rotates, and the rotation of the target will be incorrectly detected as axial displacement. Therefore, with this device, the only option is to place the light receiver at the imaging position of the target, and it is impossible to measure the amount of rotational displacement of the target around each axis. ! do not have.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、2次
元的な変位量ばかりでなく、回転変位量tも測定するこ
とのできる光学式変位・回転測定装置を実現することを
目的としたものである。
The present invention aims to eliminate the drawbacks of the conventional devices as described above and to realize an optical displacement/rotation measuring device that can measure not only the two-dimensional displacement amount but also the rotational displacement amount t. It is something.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明の光学式変位・回転測定装置は、ターゲットの回
転に伴って移動するスペックルの移動方向が、ターゲッ
トの結像位置の前後で逆方向となることを利用して、受
光器をターゲットの結像位置から前後にずれた位置に置
いて、それぞれスペ(11) ツクシの移動量を検出するとともに、これらの検出結果
を演算することにより、ターゲットの回転変位量を測定
するようにしたものである。
The optical displacement/rotation measurement device of the present invention takes advantage of the fact that the speckles that move as the target rotates in opposite directions before and after the target imaging position. It is designed to measure the amount of rotational displacement of the target by detecting the amount of movement of each spade (11) by placing it at a position shifted forward and backward from the imaging position, and by calculating these detection results. be.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の詳細な説明する。 The present invention will be explained in detail below.

第7図は本発明の光学式変位・回転測定装置の一実施例
を示す構成図である。図において、前記第1図と同様の
ものは同一符号を付して示す。26〜28はハーフミラ
−%74.75は新たに設けられた受光器である。受光
器71.、74はターゲット4におけるX軸方向の変位
XおよびY軸を中心とした回転変位θyk検出するため
に設けられたものであり、同様に受光器72.75はY
軸方向の変位Yお工びX軸を中心とした回転変位θx1
に検出するために設けられたものである。ここで、ハー
フミラ−27,28付近の光路中にPで示した点は、レ
ンズ31.32により形成されるターゲット4の結像位
置でsb、受光器71.72はこの結像位置Pより後に
、また受光器74.75は結像位置Pよシ前にそれぞれ
配置されている・ (12) 第8図はターゲット4が回転した場合におけるスペック
ルの動きを示す説明図である。図において、ターゲット
4が回転した場合、空間に存在するスペックルも同様に
回転する。この時、途中にレンズが置かれていると、ス
ペックルの動きはターゲット4の結像位置Pt−境とし
てその前後で反対向きとなる。また、動きの量はターゲ
ット4の回転角θと結像位置Pからの距離11.12に
比例したものとなる。
FIG. 7 is a configuration diagram showing an embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention. In the figure, the same parts as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. 26 to 28 are half mirrors, and %74.75 is a newly installed light receiver. Light receiver 71. , 74 are provided to detect the displacement X in the X-axis direction and the rotational displacement θyk about the Y-axis in the target 4, and similarly, the light receivers 72.75 are
Axial displacement Y Rotational displacement around the machining X axis θx1
It is provided for the purpose of detection. Here, the point P in the optical path near the half mirrors 27 and 28 is the imaging position sb of the target 4 formed by the lens 31.32, and the light receiver 71.72 is located after this imaging position P. , and the light receivers 74 and 75 are respectively arranged in front of the imaging position P. (12) FIG. 8 is an explanatory diagram showing the movement of speckles when the target 4 rotates. In the figure, when the target 4 rotates, the speckles existing in space also rotate. At this time, if a lens is placed in the middle, the movement of the speckles will be in opposite directions before and after the imaging position Pt-boundary of the target 4. Further, the amount of movement is proportional to the rotation angle θ of the target 4 and the distance 11.12 from the imaging position P.

さて、第7図にもどって、受光器71.74および受光
器72.75はそれぞれ結像位置Pの前後に配置されて
いるので、ターフッ140回転に対しては互いに逆方向
の出力を発生することになる。例えば、ターゲット4が
Y軸を中心に回転した場合には、受光器71.74が出
力を発生し、Xli+IIIを中心に回転した場合には
、受光器72.75が出力を発生する。なお、ターゲッ
ト4のx、y軸上の変位に対しては、スペックルが結像
位置Pの前後にかかわらず同方向に移動するので、受光
器71.74および受光器72.75は同方向の出力を
発生する◇いま)受光器71.74.72.75の出力
をそれぞれsxi’ sx2’ syl’ sy2とす
ると、ターゲ、yト4tv変位X、YおよびX軸、Yi
llllを中心とした回転変位θX、θyに対して、こ
れらの出力は次式のような関係を有することになる。
Now, returning to FIG. 7, since the light receivers 71.74 and 72.75 are placed before and after the imaging position P, they generate outputs in opposite directions for 140 rotations of the turret. It turns out. For example, when the target 4 rotates around the Y axis, the light receiver 71.74 generates an output, and when the target 4 rotates around Xli+III, the light receiver 72.75 generates an output. Note that with respect to the displacement of the target 4 on the x and y axes, the speckle moves in the same direction regardless of whether it is before or after the imaging position P, so the light receivers 71.74 and 72.75 move in the same direction. ◇ Now) If the outputs of the photoreceivers 71, 74, 72, and 75 are respectively sxi'sx2'syl' sy2, then the target, y, 4tv displacements X, Y, and the X axis, Yi
With respect to rotational displacements θX and θy about llll, these outputs have a relationship as shown in the following equation.

5x1−ax+bθy S エaX、bθア 2 Syl = aY + bθ・ S、2= aY −bθ・ ユ、bは比例定数である。5x1-ax+bθy S air aX, bθa 2 Syl = aY + bθ・ S, 2 = aY - bθ・ Yu and b are proportionality constants.

上式より明らかなように、各受光器71.72.74゜
75の出力を演算し、(SX1+SX□)をX軸方向の
変位量、(s −s )をY軸を中心とした回転x1 
x2 変位量、(SX1+SX□)をY軸方向の変位量、(S
−S)をX@を中心とした回転変位量とすyt y2 ることにより、それぞれ罵Y、θX、θy に比例した
出力を得ることができる。
As is clear from the above formula, the output of each light receiver 71, 72, 74° 75 is calculated, (SX1 + SX□) is the displacement in the X-axis direction, and (s - s ) is the rotation x1 around the Y-axis.
x2 displacement amount, (SX1+SX□) is the displacement amount in the Y-axis direction, (S
-S) is the amount of rotational displacement about X@, yt y2 , it is possible to obtain outputs proportional to Y, θX, and θy, respectively.

第9図は本発明の光学式変位・回転測定装置の他の実施
例を示す構成図である。この実施例は、前記第7図の装
置において、片方の受光器71.72をそれぞれターゲ
ット4の結像位置Pに配置したものである。このように
、片方の受光器71.72を結像位置Pに配置すると、
この受光器71.72における出力はターゲット4の回
転には左右されず、X+ 5’軸方向の変位にのみ対応
したものとなる。この結果、各受光器71.72.74
.75の出力は、X1−ax SX2=ax+bθy S −aY yt − 8y2 = aY +ゝθ8 となり、(S −8)および(s−s’)をx2 xi
 y2 yl 演算することにより、ターゲット4の回転変位量を測定
することができる。
FIG. 9 is a configuration diagram showing another embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention. In this embodiment, in the apparatus shown in FIG. 7, one of the light receivers 71 and 72 is arranged at the imaging position P of the target 4, respectively. In this way, when one of the light receivers 71 and 72 is placed at the imaging position P,
The output from the light receivers 71 and 72 is not affected by the rotation of the target 4 and corresponds only to the displacement in the X+5' axis direction. As a result, each receiver 71.72.74
.. The output of 75 is
By calculating y2 yl, the amount of rotational displacement of the target 4 can be measured.

なお、上記の説明では、2枚のレンズ31.32i使用
した光学系を例示したが、光学系はこれに限られるもの
ではなく、ターゲット4の像が受光器71、72.74
.75の付近に結ぶものであれば、どのような構成のも
のでも良い。また、ターゲット4の拡散面40に、再帰
性反射物を貼布するようにし検出感度を増大させるよう
にしてもよい。さらに、(15) ここでは、各受光器として、CODのようなイメージセ
ンサを用いることを想定したが、空間フィルタを組合せ
たようなパターン検出器を用いてもよいO 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明の光学式変位・回転測定装
置では、ターゲットとは非接触で、とのターゲットの2
次元的な変位量ばかりでなく、回転変位量をも測定する
ととのできる光学式変位・回転測定装置を実現すること
ができる。
In addition, in the above description, an optical system using two lenses 31 and 32i was illustrated, but the optical system is not limited to this, and the image of the target 4 is transmitted to the light receivers 71 and 72.
.. Any configuration may be used as long as it is tied near 75. Further, a retroreflective material may be attached to the diffusion surface 40 of the target 4 to increase the detection sensitivity. Furthermore, (15) Here, it is assumed that an image sensor such as a COD is used as each light receiver, but a pattern detector such as a combination of spatial filters may also be used. [Effects of the Invention] As explained above. As described above, the optical displacement/rotation measuring device of the present invention can measure two of the targets without contacting the target.
It is possible to realize an optical displacement/rotation measuring device that can measure not only dimensional displacement but also rotational displacement.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の光学式機械量測定装置の一例を示す構成
説明図、第2図は電気的な回路を示す構成ブロック図、
第3図及び第4図は第1図装置においてX軸受光器(y
軸受光器)及び2軸受光器の受光面につくられるスペッ
クルパターンの一例を示す説明図、第5図は受光器73
付近の光の偏波面の説明図、第6図は各受光器から得ら
れる信号の周波数スペクトルを示す説明図、第7@は本
発明の光学式変位・回転測定装置の一実施例を示す(1
6) 構成図、第8図はターゲット4の回転とスペックルの移
動との関係を示す説明図、第9図は本発明の光学式変位
・回転測定装置の他の実施例を示す構成図である。 1・・・光源、21.22.23.24.25・・・偏
光ビームスプリッタ% 11.12.31.32・・”
レンズ、30・・・絞り板、4・・・ターゲット、40
・・・拡散面、51.53.54・・・λ/4板、52
・・・λ/2板、61.62・・・ミラー、71.72
.73゜74、75・・・受光器、26.27.2B 
、、、ノ・−フミラ。 爪4図 一一一→−2 蔦5図 ンb 蒐6図 A 壓 −8図
FIG. 1 is a configuration explanatory diagram showing an example of a conventional optical mechanical quantity measuring device, FIG. 2 is a configuration block diagram showing an electrical circuit,
Figures 3 and 4 show the X-axis receiver (y
Fig. 5 is an explanatory diagram showing an example of a speckle pattern created on the light-receiving surface of a dual-axis optical receiver) and a dual-axis optical receiver.
Fig. 6 is an explanatory diagram showing the polarization plane of nearby light, Fig. 6 is an explanatory diagram showing the frequency spectrum of the signal obtained from each light receiver, and Fig. 7 @ shows an embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention. 1
6) A configuration diagram, FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the rotation of the target 4 and the movement of speckles, and FIG. 9 is a configuration diagram showing another embodiment of the optical displacement/rotation measuring device of the present invention. be. 1...Light source, 21.22.23.24.25...Polarizing beam splitter% 11.12.31.32..."
Lens, 30...Aperture plate, 4...Target, 40
...Diffusion surface, 51.53.54...λ/4 plate, 52
...λ/2 plate, 61.62...Mirror, 71.72
.. 73°74, 75...Receiver, 26.27.2B
,,,No-Fumira. Claw 4 Figure 111→-2 Tsuta 5 Figure Nb 蒐6 Figure A Figure 1-8

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 被測定量に応じて変位するターゲットの拡散面に可干渉
な光を照射するとともにその反射光により生じるスペッ
クルの動きを検出し前記ターゲットの変位量を測定する
ようにした光学的測定装置において、前記ターゲットの
1つの軸方向の動きに対して前記スペックルの動きを検
出する検出点を前記ターゲットの結像位置またはその前
後のいずれか2点に選定するとともに、各検出点より得
られる検出信号を演算して前記ターゲットの変位量およ
び回転変位量に比例した出力を発生することを特徴とす
る光学式変位・回転測定装置。
An optical measurement device that measures the amount of displacement of the target by irradiating coherent light onto a diffuse surface of a target that is displaced in accordance with the amount to be measured, and detecting the movement of speckles caused by the reflected light, Detection points for detecting the movement of the speckles with respect to the movement of the target in one axial direction are selected at the image formation position of the target or two points before and after the image formation position of the target, and a detection signal obtained from each detection point is selected. An optical displacement/rotation measuring device characterized in that the optical displacement/rotation measuring device calculates the amount of displacement and rotational displacement of the target and generates an output proportional to the amount of displacement and rotational displacement of the target.
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Cited By (4)

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JPH03128405A (en) * 1989-10-12 1991-05-31 Keyence Corp Feed quantity detecting device for material of forming machine or the like
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