JPS6334402B2

JPS6334402B2 -

Info

Publication number: JPS6334402B2
Application number: JP5158182A
Authority: JP
Inventors: Joji Matsuda; Tomoaki Nagasu; Suketsugu Enomoto; Yoshitaro Yoshida
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1982-03-30
Filing date: 1982-03-30
Publication date: 1988-07-11
Also published as: JPS58167907A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は回転物体の回転中心位置を検出する
ための方法に関するものである。工作機械におい
て、被加工物の平面状の加工面を超精密仕上げす
る場合には、通常その加工面を工作機械に取付け
て回転させ、刃物台に取りつけたダイヤモンドバ
イト等を加工面の外周部から回転中心部に向けて
進める。而してこのバイト等を加工面の回転中心
に向けて正確に進めるためには、加工面の回転中
心位置を検出して、それを刃物台の制御にフイー
ドバツクさせればよいわけであり、この発明の発
明者等は先にレーザードツプラ法を応用してこの
加工面の回転中心位置を検出するための方法を開
発した。この新たに開発された回転物体の回転中
心位置検出方法は回転面の回転中心を高精度にか
つ簡単に検出することが出来るのであるが、回転
面の中心部近傍のように回転速度の遅い部分にお
いてペデスタル成分と信号成分との分離がより簡
単に行えればいつそう望ましいと考えられる。

この発明は上記のごとき事情に鑑みてなされた
ものであつて、レーザドツプラ法を応用して高精
度にかつ簡単に回転面の回転中心を検出する事が
でき、かつ特に、回転速度の遅い部分の測定にお
いてペデスタル成分と信号成分との分離が容易な
回転中心位置検出方法を提供することを目的とす
るものである。

この目的に対応して、この発明の回転物体の回
転中心位置検出方法は、光電検出器と周波数解析
器を有する干渉縞測定装置と、二光束法レーザド
ツプラ用干渉縞発生装置と、及び顕微鏡、とを使
用し、前記レーザドツプラ用干渉縞発生装置によ
つて発生したレーザドツプラ用干渉縞を前記顕微
鏡によつて被測定物の表面で散乱させ、前記被測
定物の表面からの散乱光を前記干渉縞測定装置の
前記光電検出器によつて光電変換して前記周波数
解析器によつて前記被測定物の表面上の前記レー
ザドツプラ用干渉縞のドツプラ信号周波数を測定
し、そのような測定を前記被測定物の表面上の複
数箇所で行つて前記ドツプラ信号周波数が０にな
る前記表面上の位置を検出し、その位置をもつて
前記表面の回転中心とする回転物体の回転中心位
置検出方法であつて、二光束法における二光束の
うち一方の光束の光束路中に楔状のプリズムを前
記光束路における前記プリズムの厚さが変化する
方向に前記プリズムが移動し得るよう位置させ、
前記プリズムによつて前記一方の光束の周波数を
変調することを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。

第１図において、１はこの発明の回転中心位置
検出方法において使用する回転中心位置検出装置
である。回転中心位置検出装置１は干渉縞発生装
置２、顕微鏡３、干渉縞測定装置４を備えてい
る。干渉縞発生装置２はレーザ発生装置５を備
え、かつレーザ発生装置５からのレーザの進行方
向に順次ミラー６、ビームスプリツタ７、２個の
ポラライザ８ａ，８ｂ、他のポラライザ９、レン
ズ１１を備えている。特に重要なこととして光束
F₂にはビームスプリツタ７とポラライザ８ｂと
の間には楔状のプリズム１０が挿入されている。
このプリズム１０はその厚みが変化する方向に移
動し得るように構成されている。２個のポラライ
ザ８ａ，８ｂはビームスプリツタ７からの光束
F₁，F₂の光量を一致させるためのものであり、
他のポラライザ９はポラライザ８ａ，８ｂを使用
したためにF₁，F₂光束に生じた偏光状態の相違
を一致させるためのものである。顕微鏡３は対物
レンズを被測定面に対向させて配設される。被測
定面１２は工作物の仕上げ面であつて、工作機械
のチヤツク等に挟みつけられて回転するものであ
り、これがこの発明の装置によつて回転中心位置
を検出しようとする対象物である。干渉縞測定装
置４は光電検出器１３、周波数解析器１４を備え
ている。

レーザ発生装置５から発光したレーザ光はミラ
ー６で光路変換したのちビームスプリツタ７へ入
射し、ここで２つの光束F₁，F₂に分割する。光
束F₁はポラライザ８ａで光量調整され、さらに
ポラライザ９で偏光調整されたのち、レンズ１１
を通して焦点位置０に結像する。

一方光束F₂はプリズム１０で周波数変調され、
次いでポラライザ８ｂで光量調整され、さらにポ
ラライザ９で偏光調整されたのち、レンズ１１を
通して焦点位置０に結像する。したがつて、この
２つの光束F₁，F₂が焦点位置０で互いに重なり
合い干渉縞が生じる。

この焦点位置０における干渉縞は顕微鏡３を通
して被測定面１２上に投影されるが、この干渉縞
は回転移動する被測定面１２上の微小な凹凸によ
つて散乱され、その光が光電検出器１３で光電変
換され電気信号が周波数解析器１４によつて解析
される。

第２図に示す如く、周波数f₀の光が被測定面１
２上の被測定点に、その移動方向に各々（π／
２）−β、（π／２）＋βの方向から入射し、その
散乱光をπ／２の方向から観測したときに、それ
ぞれの方向からの散乱光の周波数がf₁、f₂になる
ものとすれば、Ｖを被測定点の移動速度、λを波
長として、 f₁＝f₀＋（Ｖ sinβ／λ） f₂＝f₀−（Ｖ sinβ／λ）二光束差動型LDVのドツプラ信号周波数ｆはｆ＝｜f₁−f₂｜＝（2V sinβ）／λ であるから、このｆを測定することによつて被測
定点の速度Ｖを検出することができ、さらにこの
速度Ｖ＝０の点を求めれば、被測定面１２の回転
中心位置を検出することができる。速度Ｖ＝０の
点を検出するためには第３図に示すごとく干渉縞
の測定を、被測定面１２上のＸ方向の複数の任意
点、及びＹ方向の複数の任意点において行う。こ
の場合、観測方向は被測定点の移動方向に垂直で
ある。この発明では、特定の場所のみにレーザ光
を照射しているので、例えば、＋側にドツプラシ
フトが生じているときのみ信号が取り込まれるよ
うにしているので、得られる信号にはドツプラシ
フトが観測される。

なお、ドツプラビート周波数ｆについては次の
ようにも説明できる。

測定位置に生じている干渉縞の明暗の１周期の
間隔αは同一条件の場合 α＝Ｘ／2sinβ となるので、ここを速度Ｖの被測定物体が通過す
ると、散乱光の強弱の周期ｆはｆ＝Ｖ／α＝2V sinβ／λ となり、これは先に計算されたｆと一致する。

ところで、ここで注意すべきことは、プリズム
１０の存在である。すなわち、プリズム１０が存
在せず、かつ、被測定面１２の回転速度が低い場
合には第４図ａに示すように、被測定面１２によ
る散乱光からの信号成分はペデスタル成分に埋も
れた状態となつて両者の弁別が困難である。そこ
でこの弁別を可能にするために本発明ではプリズ
ム１０を設けたのであるが、プリズム１０は第５
図に示すごとく、直行する２面S₁，S₂とプリズム
頂角Θの斜面S₃とを持つ楔状で、その材質はたと
えばBK７で構成される。プリズム１０は面S₂が
入射光束F₂に直交するように配設され、かつ、
移動架台（図示せず）を使用して斜面S₃に平行な
方向に移動できるように構成されている。光束
F₂はプリズム１０で光路長が変えられ、光束F₁，
F₂の位相関係が変化し、かつ、プリズム１０の
厚みを連続的に変えることによつて位相関係も連
続的に変化し、したがつて二光束F₁，F₂の周波
数に差が生じる。プリズム１０の厚みを連続的に
変化させることは、プリズム１０を斜面S₃と平行
な方向に連続的に移動させることによつて行な
う。この場合の二光束F₁，F₂の周波数の差Δf₀
は、ｎをプリズム１０の屈折率、Vdをプリズム
１０の厚さの増加速度、Vpをプリズム１０の移
動速度とすると、 Δf₀＝（１−ｎ）・Vd／λ Vd＝Vp・sinθ したがつて、光束F₁，F₂とに周波数の差Δf₀が
生じる。このとき、二光束差動型L.D.V.のドツ
プラ信号周波数ｆと被測定面１２の回転速度との
関係はｆ＝2sinβ・f₀・Ｖ／Ｃ−Δf₀ ただし、Ｃは光速である。

このようにして、干渉縞からの信号をペデスタ
ル成分から分離することができる。

なお、この第３図に示す如き検出操作におい
て、被測定面１２上のＸ、Ｙ方向の複数点での干
渉縞の測定をより簡略化することが望まれる場合
には、干渉縞の測定を第６図に示す如く行つても
よい。すなわち、被測定面１２上のXY座標軸上
に２個の干渉縞Ａ，Ｂが生ずるように干渉縞発生
装置を構成する。この様に２個の干渉縞Ａ，Ｂを
同時に被測定面１２上に形成すれば、それらの測
定によりＸ軸上のＢ点の速度とＹ軸上のＡ点の速
度がプリズムによつてシフトされた周波数に対応
する速度に等しくなる点を捜して被測定面１２の
回転中心位置として検出することが出来る。ま
た、プリズムによつてシフトされた周波数の位置
に対して得られたドツプラ信号の周波数が高い方
にずれたが、低い方にずれたかを調べることによ
り、速度方向の正負を判定することができる。そ
して検出位置と速度の大きさと方向から回転中心
位置を計算によつて求めることができる。すなわ
ち、速度ｖ、回転面の角速度ωとすると、検出位
置から回転中心までの距離ｒは、ｒ＝ｖ／ω、に
よつて与えられる。Ａ点、Ｂ点の検出から、それ
ぞれｙ軸及びｘ軸方向の点Ａ，Ｂからの距離の大
きさがｒの式から求まり、方向は速度の正負から
求められる。この場合には、回転面の角速度ωを
回転中心から充分離れた位置で前もつて測定して
おく必要がある。（本発明のようにμオーダーの
中心位置検出を問題としている場合は、角速度ω
を測定する位置は回転中心から数センチメートル
離れていれば十分である。）この方法の利点は検
出器を移動しなくても良い点にある。

この様な干渉縞Ａ，Ｂの形成のためには、レー
ザ光を分割して必要数の多光束を得る必要があ
り、そのためには、多光束ビームスプリツタを必
要とするが、この多光束ビームスプリツタを、多
重露光したホログラムによつて構成する事がで
き、これにともなつてレーザドツプラ用干渉縞発
生装置の構成を簡単にすることができる。すなわ
ち、第７図にはこの発明の他の実施例に係わる回
転中心位置検出装置１ａが示されており、この回
転中心位置検出装置１ａでは、干渉縞発生装置２
ａがレーザ発生装置５と、レーザ発生装置５から
のレーザの進行方向に順次配置されたミラー６、
ミラー６ａ、レンズ１５、レンズ１６、ホログラ
ムＨ、及びレンズ１７で構成されている。光束Ｆ
にはプリズム１０が挿入されている。レンズ１
５，１６はビームエキスパンダを構成し、レーザ
ビームは拡大して平行光束となつたのちホログラ
ムＨを照明する。ホログラムＨからは複数の物体
光が再生されて、レンズ１７を通り、焦点位置
O′に集光して干渉縞を形成する。

多光束ビームスプリツタとして機能するホログ
ラムＨを作製する方法は次の通りである。すなわ
ち、第８図及び第９図に示す如く、角度の異なる
３本の平行光束からなる物体光O₂，O₄を平行な
３本の参照ビームR₁，R₃，R₄によつて、ホログ
ラムＨに記録するが、その際ホログラムを小ブロ
ツクにわけ、各部分に各物体光を記録する。（全
面に一度に記録することも可能だが、コントラス
トや不必要な干渉がおこるのを防ぐためである。） (1) まず、物体光O₂を参照ビームR₃，R₄によつ
てブロツクH₃，H₄に記録する。この場合参照
ビームR₄の光路にはプリズム１０を挿入して
おく。

(2) 次に、第９図に示す如く、物体光O₂の中心
光線を含む面と垂直な面内に物体光O₄の中心
光線をおく。

(3) 前と同様に、物体光O₄を参照光R₁，R₄によ
つて、ブロツクH₁，H₄に記録する。

これらの操作によりブロツクH₁に物体光O₄、
ブロツクH₃に物体光O₂、ブロツクH₄に物体光
O₂，O₄が記録された。次に、これらを再生する
ときは第１０，１１図に示すように、このホログ
ラムＨに参照ビームR₁，R₃，R₄を包含するよう
な参照光Ｒをあてると、ホログラムＨの作製され
ている部分から物体光O₂，O₄が再生される。こ
の場合参照ビームR₄の光路のみにはプリズム１
０を挿入する。このときひとつの物体光は二つの
参照ビームによつてホログラムに記録されている
ので二つの平行に進むビームとして再生される。
従つて二つづつ平行な２組の平行に進むビームが
再生されることになる。

この後方にレンズ１７をおくことにより、一組
の平行なビームは焦点上で１点に重なり干渉縞を
形成する。ビームは２組あるので２点に干渉縞が
形成される。

なおホログラムにレンズ１７の作用を同時に記
録させて、レンズ１７を省略することも可能であ
る。この場合のホログラムＨの作製は、ホログラ
ムＨの記録を第１０図のレンズ１７の後方で行
い、かつ、こうして作製したホログラムH′をホ
ログラムＨに代替する。また、ホログラムＨから
の再生光をレンズ１７を通してホログラムH′に
他の参照光Ｒを用いて記録し、こうして作製され
たホログラムH′をホログラムＨに代替して使用
する。

次ぎに、これらを再生するときは、第１２図及
び第１３図に示すように、ホログラムＨに参照ビ
ームR₁，R₃，R₄を包含するような参照光Ｒをあ
てると、ホログラムH′の作成されている部分か
ら物体光O₂，O₄が再生して使用される。

第１４図及び第１５図には、第３図に示す測定
操作によつてそれぞれ被測定面のＹ＝0μｍ、Ｙ
＝300μｍの位置をＸ方向にスキヤンして測定し
た結果のグラフであるが、それぞれＸ方向の距離
とドツプラ信号周波数ｆとが比例し、ｆ＝０とな
る点、すなわち回転中心位置が良好に検出される
ことを確認することが出来る。

以上の説明から明らかな通り、この発明によれ
ば高精度に、かつ簡単に回転面の回転中心を検出
することが出来、特に被測定面の回転速度が低い
場合にもペデスタル成分と信号成分との弁別が容
易に出来る回転中心位置検出方法を得ることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に関わる回転中心
位置検出方法において使用する回転中心位置検出
装置を示す構成説明図、第２図は干渉縞形成部位
への光束の入射角を示す説明図、第３図は被測定
面上の測定部位を示す説明図、第４図は信号成分
とペデスタル成分を示すグフフ、第５図はプリズ
ムを示す説明図、第６図は干渉縞を示す説明図、
第７図はこの発明の他の実施例に係わる回転中心
位置検出装置を示す構成説明図、第８図は多重露
光ホログラムの作製過程を示す説明図、第９図は
多重露光ホログラムの他の作製過程を示す説明
図、第１０図は多重露光ホログラムの再生操作を
示す斜視説明図、第１１図は多重露光ホログラム
の再生操作を示す側面説明図、第１２図はレンズ
効果を記録したホログラムの再生操作を示す斜視
説明図、第１３図はレンズ効果を記録したホログ
ラムの再生操作を示す側面説明図、第１４図は測
定結果を示すグラフ、及び第１５図は測定結果を
示すグラフである。１……回転中心位置検出装置、２……干渉縞発
生装置、３……顕微鏡、４……干渉縞測定装置、
５……レーザ発生装置、６……ミラー、７……ビ
ームスプリツタ、８ａ，８ｂ……ポラライザー、
９……他のポラライザ、１０……プリズム、１１
……レンズ。

Claims

【特許請求の範囲】

１光電検出器と周波数解析器を有する干渉縞測
定装置と、二光束法レーザドツプラ用干渉縞発生
装置と、及び顕微鏡、とを使用し、前記レーザド
ツプラ用干渉縞発生装置によつて発生したレーザ
ドツプラ用干渉縞を前記顕微鏡によつて被測定物
の表面で散乱させ、前記被測定物の表面からの散
乱光を前記干渉縞測定装置の前記光電検出器によ
つて光電変換して前記周波数解析器によつて前記
被測定物の表面上の前記レーザドツプラ用干渉縞
のドツプラ信号周波数を測定し、そのような測定
を前記被測定物の表面上の複数箇所で行つて前記
ドツプラ信号周波数が０になる前記表面上の位置
を検出し、その位置をもつて前記表面の回転中心
とする回転物体の回転中心位置検出方法であつ
て、二光束法における二光束のうち一方の光束の
光束路中に楔状のプリズムを前記光束路における
前記プリズムの厚さが変化する方向に前記プリズ
ムが移動し得るよう位置させ、前記プリズムによ
つて前記一方の光束の周波数を変調することを特
徴とする回転物体の回転中心位置検出方法。