JPH0472161B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はホログラフイーを利用した直線計や
回転角度計等の変位計に関するものである。

例えば工作機械等においては、刃物台等が案内
に沿つて直線運動するようになつており、その運
動の直線性の良否が加工精度の良否を決定する重
要な要因となつている。したがつて、このような
工作機械等においては、組立てや精度検査の時に
刃物台等の横振れ（運動方向に垂直な平面内での
変位二成分）や回転変位を検査する必要がある。
また加工中に刃物台等の横振れや回転変位を常時
検出して運動を直線状に制御して加工精度の向上
をはかろうとする試みもあり、刃物台等の部材の
これら直線変位や回転変位を検出するためには直
線計や回転角度計等の変位計が使用される。その
ような変位計のうち光学的な変位計としては従来
オート・コリメーター等が利用されているが、オ
ート・コリメーターは反射光による像と元の像を
重ね合わせて求める方法で、反射鏡がθ傾いてい
る場合には、対物レンズの焦点距離をｆとする
と、2fθによつて与えられる。また読み取り精度
がレンズのＦ値によつて決定され、焦点距離が長
く、かつ、Ｆ値の小さいレンズを得ることは困難
であるところから、その測定精度に限度がある。

一方、最近ホログラフイー技術が干渉計測い応
用され、生ずる干渉縞の性質も明らかにされてき
つつあるところから、ホログラフイー干渉法を変
位計に応用することが考えられている。この発明
者等も、ホログラフイーを利用した新たな変位計
を開発し、高精度の測定を可能にした。（昭和55
年特許願第39476号、昭和55年特許願第168996号
等参照） これら新たに開発された変位計のうち、直線計
の一列を簡単に説明すると、第１図に示す如く、
固定体上に位置する光学素子群１０の構成素子た
るレーザー発光装置２を発光させ、ビームスプリ
ツタ３によつて光F₁と光F₂とに分割し、光F₂を
移動体上に位置するホログラム４に照射し、ホロ
グラム４から物体光を再生（再生物体光）し、ま
た、光F₁で拡散板５を照明し、拡散板５からの
物体光をホログラム４に照明し、この物体光を前
述の再生物体光と干渉させる。この干渉によつて
生ずる干渉縞はスクリーン６上に観測可能に投影
される。この干渉縞を観測することによつて物体
光の光軸に垂直な平面内での移動体の変位一成分
若しくは変位二成分を同時に検出することができ
る。

ところで、ここで用いられているホログラフイ
は、オフアクシスホログラフイー、または２光束
ホログラフイーであるが、オフアクシスホログラ
フイーは、参照光束F₂が物体光束F₁に対して傾
きを持つているため、光路は長くなるとホログラ
ムのできる領域及び再生する領域が小さくなり、
光路長がさらに長くなると、ついには両光束が分
離されてしまう。つまり、このオフアクシスホロ
グラフイーを利用した直線計では、移動台の移動
距離が大きい場合には、移動台の横方向変位の検
出が不可能になるという問題を提起する。

このことは、直線移動すべき移動台等の回転変
位を検出するための、回転角度計についても同様
であつて、移動台の直線移動距離が大きい場合に
は、その移動台の回転変位を検出することができ
なくなる。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、直線運動する物体の移動距離の大き
い場合の変位測定をも可能にするホログラム変位
計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、この発明のインラインホ
ログラム直線計は、物体光と参照光を発生させる
光学系と、前記光学系から出射する光の光路上に
おいて前記参照光により再生可能に置かれたホロ
グラムにして、該ホログラムは該光路の基準位置
において前記物体光と前記参照光により形成され
た干渉縞を記録したものと、前記ホログラムから
の再生像の波面と前記光学系からの物体光により
干渉縞を生ぜしめ、かつ該干渉縞の変化を測定す
る検出系と、から成り、更に、前記物体光の光軸
と前記参照光の光軸を平行にし、かつ、前記光路
に対する平行を保ちつつ前記光学系に対して前記
ホログラムが相対変位するように設けられたこと
を特徴としている。また、この発明のインライン
ホログラム回転計は、物体光と参照光を発生させ
る光学系と、前記光学系から出射する光の光路上
において前記参照光により再生可能に置かれたホ
ログラムにして、該ホログラムは該光路の基準位
置において前記物体光と前記参照光により形成さ
れた干渉縞を記録したものと、前記ホログラムか
らの再生像の波面と前記光学系からの物体光によ
り干渉縞を生ぜしめ、かつ該干渉縞の変化を測定
する検出系と、から成り、更に、前記物体光の光
軸と前記参照光の光軸を平行にし、かつ、前記光
学系及び前記ホログラムに対して相対回転変位
し、該変位により前記光路を該ホログラムに対し
て平行にシフトさせる光学要素が設けられたこと
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２図において、１００は直線計である。直線
計１００はブロツクＡで示される構成部材とブロ
ツクＢで示される構成部材とから成つている。ブ
ロツクＡに含まれる構成部材は刃物台等の移動体
８に取り付けられ、またブロツクＢに含まれる構
成部材は基礎等の固定体に取り付けられている。

ブロツクＡに含まれる構成部材としては、ホロ
グラム４、集光レンズ７及びスクリーン６があ
り、これらのホログラム４、集光レンズ７及びス
クリーン６は同一光軸上に移動体８上に取り付け
られている。移動体８は本来光軸方向に移動し得
るように構成されたものである。

一方、ブロツクＢに含まれる構成部材として
は、レーザー発光装置２、ビームスプリツター
３、ビームスプリツター１１、コリメーターレン
ズ１２、ミラー１３、顕微鏡対物レンズ１４、ピ
ンホール１５、顕微鏡対物レンズ１６、ピンホー
ル１７、ミラー１８、コリメーターレンズ１９及
びミラー２１を含んでいる。

ホログラム４を作成する場合には、この第２図
に示す構成において、次のようにする。まず感光
材４′をホログラム４の位置に置き、次にレーザ
ー発光装置２を発光させる。レーザー発光装置２
からの光をビームスプリツター３で２分割し、一
方の光F₁を顕微鏡対物レンズ１６とコリメータ
ーレンズ１９で拡げ、平行光束にしてすりガラス
から成る拡散板５を照明し、コリメーターレンズ
１２を通過後物体光として使用し、ホログラム４
の位置にある感光材４′を露光させる。他の光F₂
は顕微鏡対物レンズ１４及びコリメーターレンズ
１２で平行光束にし、参照光として使用する。こ
のようにしてホログラム４の位置に置かれた感光
材４′に拡散板５からの物体光を平面波の参照光
でホログラムとして記録し、写真処理してホログ
ラムが完成する。

ここで特に重要なこととして注意すべき点は、
参照光と物体光の位置である。すなわち、この発
明では、参照光と物体光とは接近した位置にあつ
て平行をなし、最適な場合では参照光と物体光は
共通光路をとつている。つまり、ここで使用され
るホログラフイーはインラインホログラフイー若
しくは単光束ホログラフイーであつて、最適な場
合では両光束の中心は一致する、すなわち、拡散
板５の像面において物体光束の中心に参照光束が
くるが、そうでない場合にも、参照光束と物体光
束は拡散板５の像面において部分的に重なつてい
る。

このように構成された直線計１００による移動
体８の横方向変位の測定は次のようにする。ま
ず、レーザー発光装置２を発光させて、２光束
F₁，F₂を得て、このうち、光束F₁を拡散板５を
通して物体光とし、また、光束F₂は拡散板５を
通さずに参照光とするが、ビームスプリツター１
１の出口側で、物体光F₁と参照光F₂とは光軸が
一致し、共通光路をとつてホログラム４を照明す
る。このうち参照光はホログラム４に記録されて
いる物体光を再生させて再生物体光が発生し、こ
の再生物体光を前述の物体光と干渉させる。この
干渉によつて生ずる干渉縞はスクリーン上に観測
可能に投影される。

今仮に、光軸と一致し若しくは平行な移動方向
を持つ移動体８が横変位した場合には、ホログラ
ムが横変位し、このため再生物体光の波面が横方
向へ変位して生ずる。このように横変位の場合に
は、スクリーン上に局在する直線上の干渉縞にな
る。これまでのホログラフイーによる干渉縞の解
析から、干渉縞の線方向に対して垂直方向が可動
体の変位方向になることがわかる。

(1) 第３図には典型的な３つの干渉パターンと変
位方向が示されており、このようにして光軸に
垂直な２次元面内の変位を計測することができ
る。この場合、移動体８の移動方向を光学系の
光軸（ミラー２１からホログラム６に到達する
平行光の中心線）に一致または平行に調整せね
ばならない。そのために、ミラー２１はミラー
面内の２軸まわりの回転機構とコリメーターレ
ンズ１２の光軸方向への移動機構を取り付けて
ある。また、ミラー２１の前方に平行平面板か
らなる偏光板を置き、この偏向板を光軸に垂直
２軸のまわりに回転することにより、波面を上
下、左右方向に変位して微調整を行う。

(2) 可動体変位方向の正負の判定：以上の操作に
より可動体が左右の方向に変位したか、上下方
向に変位したかを判定することができるが、次
に変位の方向の正負の判定について述べる。い
ま、ホログラム４を例えば右方向に移動させて
おき、スクリーン６に干渉縞を生じさせてお
く。この時、可動体が右方向に変位した場合に
は、干渉縞の本数が増加し、左方向に変位した
場合には本数が減少する。このように干渉縞の
本数の増減によつて、方向の正負の判定をする
ことができる。

(3) 精度：空気のゆらぎや外部振動のない理想的
な場合を求めよう。いま、移動体８の横変位量
を光軸に対して垂直面内でΔx，Δy、スクリー
ン６上の座標をξ，ηとすると干渉縞の最大強
度の軌跡はΔx・η＋Δy・ξ＝nλf（但し、ｎ＝
０、±１、±２、……、ｆは集束レンズ７の焦点
距離）によつて表わされる。簡単にするために
横変位だけが生じた場合には、Δy＝０として
Δx＝nλ・ｆ／η、視野の中にはｎ本の干渉縞
が生ずる場合にはΔx＝nλF（但し、Ｆはレンズ
のＦ数）。いま、視野の中に１本の干渉縞が増
加するための移動量をΔx_lとすると、 Δx_l＝λF、λ＝0.633μｍ、Ｆ＝15とするとλx_l
≒9.5μｍとなる。干渉縞の増加が1/10フリンジ
まで読める場合には、 約1μｍの横移動まで検出される。

このように、この発明のホログラム変位計にお
いては、物体光と参照光が平行な光路ないし共通
光路をとるから、両光束が遠方においても分離す
ることがなく、したがつてホログラムを遠方に置
くことができ、換言すれば、ホログラムを取り付
けた移動体の移動距離が大きくても、ホログラフ
イー干渉による横方向変位の検出が可能である。
また、光学系が単純となるほか、共通光路のため
に、空気のゆらぎや、外部振動による影響が両光
束について同一であるから、これらの影響に対す
る補正の問題も生じない。

以上の説明は、この発明を直線計に適用した実
施例についてのものであるが、この発明を回転角
度計に適用した場合にも同様である。すなわち、
この発明を回転角度計に適用した一例は第３図に
示す通りである。

第４図において、１００′は回転角度計である。
回転角度計１００′はブロツクＣで示される構成
部材とブロツクＤで示される構成部材となら成つ
ている。ブロツクＣに含まれる構成部材は刃物台
等の回転角度を検出しようとする移動体８に取り
付けられ、また、ブロツクＤに含まれる構成部材
は基礎等の固定部に取り付けられている。

ブロツクＣに含まれる構成部材としては、反射
素子２４があり、反射素子２４は移動体８上に取
り付けられている。

一方、ブロツクＤに含まれる構成部材として
は、光素子群１０、ホログラム４、集光レンズ７
及びスクリーン６がある。光学素子群１０は第２
図に示す光学素子群１０と同じ構成である。

反射素子２４は第４図に示す如く、２枚のミラ
ー２２，２３を備えている。ミラー２２，２３は
反射面を平行に、かつ、対向させて位置させてお
り、光学素子群１０からホログラム４までの光路
の途中に位置している。ミラー２２，２３の光学
素子群１０からの光束の光軸に対して所定の角度
（この実施例においては、光軸に対して45°）をな
しており、光学素子群１０からの光束はミラー２
２によつて光路を変更してミラー２３に入射し、
更にミラー２３で反射して光路を変更してホログ
ラム４を照射する。

このような構成の回転角度計においては、まず
反射素子２４の回転前の基準位置における拡散板
５に関するホログラム４を作成する必要がある。
ホログラム４の作成は次の通りである。まず感光
材をホログラム４の位置に置き、次にレーザー発
光装置２を発光させる。レーザー発光装置２から
の光をビームスプリツタ３で二分割し、一方の光
F₁を顕微鏡対物レンズ１６とコリメータレンズ
１９で拡げ、平行光束にして拡散板５を照明し、
コリメータレンズ１１を通過後、物体光として使
用し、反射素子２４を介してホログラム４の位置
にある感光材を露光させる。他方、光F₂は顕微
鏡対物レンズ１４及びコリメータレンズ１１で平
行光束にし、参照光として使用する。このように
してホログラム４の位置におかれた感光材に拡散
板５からの物体光を平面波の参照光でホログラム
として記録し、写真処理後、元のホログラム４の
位置に配置する。これにより回転角度計１００′
が完成する。

ここで特に重要なこととして注意すべき点は、
参照光と物体光の位置である。すなわち、この発
明では、参照光と物体光とは接近した位置にあつ
て平行をなし、最適な場合では参照光と物体光は
共通光路をとつている。つまり、ここで使用され
るホログラフイーはインラインホログラフイー若
しくは単光束ホログラフイーであつて、最適な場
合では両光束の中心は一致する、すなわち、拡散
板５の像面において物体光束の中心に参照光束が
くるが、そうでない場合にも、参照光束と物体光
光束は拡散板５の像面において部分的に重なつて
いる。

このようにして準備が完了した回転角度計１０
０′による移動体８の回転角度（ブロツクＣの回
転角度）の測定は次のようにする。まず、ブロツ
クＤのレーザー発光装置２を発光させ、ビームス
プリツタ３によつて光F₁と光F₂とに分割し、光
F₂を反射素子２４を介してホログラム４に照射
し、ホログラム４から物体光を再生（再生物体
光）し、また、光F₁で拡散板５に証明し、拡散
板５からの物体光を反射素子２４を介してホログ
ラム４に照射し、この物体光を前述の再生物体光
と干渉させる。この干渉によつて生ずる干渉縞は
スクリーン６上に観測可能に投影される。この干
渉縞を観測することによつてｙ軸（紙面垂直な
軸）のまわりの移動体の回転角度を検出すること
ができる。

今仮に、移動体がｙ軸のまわりにθだけ回転し
たとすると、第５図に示すように、移動体に取り
付けられているミラー２２，２３も鎖線２２′，
２３′で示す位置にｙ軸を中心として回転する。
このミラーの回転により、光学素子群１０からの
拡散板５の物体光の光束が回転前にはミラー２
２，２３においてａ点、ｂ点で反射していたのに
対し、回転後においてはa′点、b′点で反射するこ
ととなり、反射素子２４の出射側において横方向
にΔだけシフトし、このため再生物体光の波面が
横方向にシフトする結果、スクリーン６上に、第
６図に示く如く、直線状の干渉縞が生じる。

干渉縞の縞間隔Δξ、移動体の回転角度θ、光
の波長をλ、レンズの焦点距離Ｆ、ミラー２２，
２３の間隔をＤとすると、 Δξ＝（λ・ｆ）／〔Ｄ｛−１√２sin（θ＋（π／４
））｝〕……(1) から移動体の回転角θをスクリーン上の縞間隔
Δξの測定によつて検出することができる。

なお、光学素子群１０は、他のホログラムでお
き換えることができる。その光学素子群１０と他
のホログラムとのおき換えの技術については前記
の昭和55年特許願第168996号「ホログラム回転角
度計」に詳細に述べられている。

すなわち、第７図に示すように感光材１０″を
光学素子群１０の光路出口側に置き、レーザー発
光装置２を発光させて感光材１０″を露光し、写
真処理して完成する。これによつて光学上無限遠
若しくは無限遠と等価の距離に位置する物体（拡
散板５）の物体光と参照光とを記録したホログラ
ム１０′が得られる。ホログラム１０′は光学素子
１０の発した物体光と参照光を記録したものであ
るから、第８図に示すように、レーザー発光装置
３０からホログラム１０′に平行光束を照射した
場合には、物体光と参照光を生じさせる機能にお
いて光学素子群１０と等価のものである。こうし
て光学素子群１０は他のホログラム１０′でおき
換えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のホログラム直線計を示す構成説
明図、第２図はこの発明の一実施例に係る直線計
を示す構成説明図、第３図な干渉縞と変位方向を
示す説明図、第４図はこの発明の他の実施例に係
る回転角度計を示す構成説明図、第５図は反射素
子を示す説明図、第６図は干渉縞を示す説明図、
第７図は光学素子群を示す構成説明図、及び第８
図は光学素子群を他のホログラムで置き換えた状
態を示す構成説明図である。 ４……ホログラム、５……拡散板、６……スク
リーン、F₁……物体光束、F₂……参照光束。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体光と参照光を発生させる光学系と、前記
   光学系から出射する光の光路上において前記参照
   光により再生可能に置かれたホログラムにして、
   該ホログラムは該光路の基準位置において前記物
   体光と前記参照光により形成された干渉縞を記録
   したものと、前記ホログラムからの再生像の波面
   と前記光学系からの物体光により干渉縞を生ぜし
   め、かつ該干渉縞の変化を測定する検出系と、か
   ら成り、更に、前記物体光の光軸と前記参照光の
   光軸を平行にし、かつ、前記光路に対する平行を
   保ちつつ前記光学系に対して前記ホログラムが相
   対変位するように設けられたことを特徴とするイ
   ンラインホログラム直線計。 ２ 物体光と参照光を発生させる光学系と、前記
   光学系から出射する光の光路上において前記参照
   光により再生可能に置かれたホログラムにして、
   該ホログラムは該光路の基準位置において前記物
   体光と前記参照光により形成された干渉縞を記録
   したものと、前記ホログラムからの再生像の波面
   と前記光学系からの物体光により干渉縞を生ぜし
   め、かつ該干渉縞の変化を測定する検出系と、か
   ら成り、更に、前記物体光の光軸と前記参照光の
   光軸を平行にし、かつ、前記光学系及び前記ホロ
   グラムに対して相対回転変位し、該変位により前
   記光路を該ホログラムに対して平行にシフトさせ
   る光学要素が設けられたことを特徴とするインラ
   インホログラム回転計。