JP4407433B2 - Tilt angle measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象に設けられた平面ミラーの傾きを計測することができる傾き角度測定装置に関する。 The present invention relates to an inclination angle measuring apparatus capable of measuring the inclination of a plane mirror provided on a measurement object.
従来、測定対象の傾き測定する装置として、オートコリメータが知られている。オートコリメータでは、対物光学系の焦点位置に点状光源を配設し、その光源から発せられた光を対物光学系でコリメートした後に、コリメートされた光を測定対象に設けられた平面ミラーに照射する。ミラーで反射された光は再び対物光学系に入射し、対物光学系により集光される。 Conventionally, an autocollimator is known as an apparatus for measuring the inclination of a measurement target. In an autocollimator, a point light source is arranged at the focal position of the objective optical system, collimates the light emitted from the light source with the objective optical system, and then irradiates the collimated light onto a flat mirror provided for the measurement target. To do. The light reflected by the mirror enters the objective optical system again and is collected by the objective optical system.
対物光学系と光源との間にはビームスプリッタが配置されており、対物光学系で集光された光はビームスプリッタにより反射され、光スポット位置検出器によって検出される。この検出位置は平面ミラーの傾き、すなわち測定対象の傾きによって変化する。よって、傾きゼロの場合に計測されるべき位置と実際に計測された位置とのずれから、測定対象の傾きを演算により推定することができる。 A beam splitter is disposed between the objective optical system and the light source, and the light condensed by the objective optical system is reflected by the beam splitter and detected by the light spot position detector. This detection position varies depending on the tilt of the plane mirror, that is, the tilt of the measurement target. Therefore, the inclination of the measurement target can be estimated by calculation from the deviation between the position to be measured when the inclination is zero and the actually measured position.
しかしながら、従来のオートコリメータでは、測定対象物に設けられた平面ミラーが対物光学系から大きく離れてしまうと、傾いた平面ミラーで反射された反射光束が対物光学系から外れてしまい傾き角度の計測ができなくなるという問題があった。 However, in the conventional autocollimator, when the plane mirror provided on the measurement object is far away from the objective optical system, the reflected light beam reflected by the tilted plane mirror is separated from the objective optical system, and the tilt angle is measured. There was a problem that could not be.
請求項1の発明は、測定対象に固定された平面ミラーに光を照射し、平面ミラーからの反射光を検出して平面ミラーの傾きを計測する傾き角度測定装置であって、平面ミラーからの反射光を集光する対物光学系と、対物光学系で集光された光を受光して、その受光位置を計測する光位置計測手段と、対物光学系内部または対物光学系の近傍に配置され、対物光学系を介して光位置計測手段に入射する光を制限する開口絞りと、対物光学系の光軸上であって開口絞りの位置またはその近傍から、平面ミラーに向けて発散光を出射する発散光発生手段とを備えたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の傾き角度測定装置において、発散光発生手段を、発散光を発生する光源と、対物光学系の光軸上であって開口絞りの位置またはその近傍に光源の像を結像する結像光学系とで構成した。
The invention of
According to a second aspect of the present invention, in the tilt angle measuring apparatus according to the first aspect, the divergent light generating means includes a light source that generates divergent light and an optical axis of the objective optical system, and the position of the aperture stop or the vicinity thereof. And an imaging optical system for forming an image of the light source.
本発明によれば、対物光学系の光軸上であって開口絞りの位置またはその近傍から、平面ミラーに向けて発散光を出射するようにしたので、開口絞りと平面ミラーとの距離が大きく離れていても、平面ミラーの反射光の一部が開口絞りを通過するようにさせることができ、平面ミラーの傾き角度を計測することが可能である。 According to the present invention, divergent light is emitted toward the plane mirror from the position of the aperture stop at or near the optical axis of the objective optical system, so that the distance between the aperture stop and the plane mirror is large. Even if they are separated from each other, part of the reflected light of the plane mirror can pass through the aperture stop, and the tilt angle of the plane mirror can be measured.
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は本発明による傾き角度変化測定装置の一実施の形態を示す図である。1は発散光を発生する光源であり、例えば、封止用レンズの無いLEDチップや、レーザダイオード(LD)等が用いられる。リレー光学系2は全体で正のパワーを持った屈折光学系であり、図1では一つのレンズとして図示したが複数のレンズで構成されていても良い。リレー光学系2は後述の対物光学系4と協同して光源1の光を集光し、対物光学系4の光軸J上であって開口絞り5の位置に光源1の像(2次光源像)を結像する。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a tilt angle change measuring apparatus according to the present invention.
リレー光学系2を出射した光源光はビームスプリッタ3に入射する。ビームスプリッタ3は2つの直角プリズムの斜面同士を接合したものであり、ビームスプリッタ3を通過した光は、対物光学系4に入射して上述したように開口絞り5の位置に結像される。開口絞り5は対物光学系4とは別個に設けられる場合もあるし、対物光学系4のレンズ枠が開口絞り5の役割を果たす場合もある。また、対物光学系4は全体として正のパワーを持った光学系であるが、複数のレンズから構成される場合には、開口絞り5の位置が対物光学系4内に位置する場合もある。
The light source light emitted from the relay
光源光は開口絞り5絞り面上の光軸との交点にある結像位置から発散するように図示右側に出射され、予め測定対象に固定されている平面ミラー6に入射する。本実施の形態の装置が適用される測定対象の場合、開口絞り5と平面ミラー6との間隔は数メートルの距離になる。例えば、戦車の砲身の曲がりの計測に用いられる場合、開口絞り5が設けられた装置本体は砲塔に設けられ、平面ミラー6は砲身の先端部分に固定される。
The light source light is emitted to the right side in the figure so as to diverge from the image forming position at the intersection with the optical axis on the aperture stop 5 diaphragm surface, and is incident on the
開口絞り5の結像位置から発散するように出射された光源光は、平面ミラー6の領域R2に入射し、図示左方向に反射される。光源光が発散光であるため、平面ミラー6で反射された反射光も図示左側に進行するほど広がっている。そのため、反射光は開口絞り5の開口部よりも大きな範囲に照射されることになる。また、領域R2で反射された反射光の内、領域R1の部分で反射された光だけが開口絞り5を通過することができる。なお、図1に示した例では、平面ミラー6は、そのミラー面が対物光学系4の光軸Jに対して垂直となるように配置されている。そのため、領域1は光軸Jを中心とした領域となっている。
The light source light emitted so as to diverge from the imaging position of the
開口絞り5を通過した反射光は対物光学系4により集光され、その集光された反射光はビームスプリッタ3により図示上方に反射されて光位置計測手段であるPSD(Position Sensitive Detector)7に入射する。PSD7はスポット状の光の位置を検出できる光センサであって、受光している光量の重心位置を得ることができる。そのため、スポット光がピンボケであっても一様に拡がっている場合には、正確な位置データが得られる。8はPSD7のドライバであり、9はPSD7で得られた位置データに基づいて平面ミラー6の傾きを演算する演算部である。なお、PSD7は光位置計測手段の一例であり、他のセンサを用いてもかまわない。
The reflected light that has passed through the
《動作の説明》
上述した図1では、平面ミラー6のミラー面が対物光学系4の光軸Jに対して垂直になっている場合について示した。図2は、平面ミラー6の上端が左側にずれるように角度θだけ傾いている場合を示したものである。なお、図2ではドライバ8および演算部9の図示を省略した。また、図3は平面ミラー6で反射されて開口絞り5を通過する光束を説明するための図であり、(a)は平面ミラー6が光軸Jに垂直な場合で、(b)は平面ミラー6が垂直から角度θだけ傾いた場合を示している。
<Description of operation>
In FIG. 1 described above, the case where the mirror surface of the
図3(a)に示すように、光源光は、開口絞り5の位置に形成される2次光源像Pから発散されるように出射する。そのため、点Pを中心とし平面ミラー6の反射面と接する球面S1を考えた場合、この球面S1を反射面と仮定すると、球面S1で反射された光は全て点Pに戻ることになる。一方、垂直に配置された平面ミラー6による反射の場合、点Pから出射される発散光は、あたかも点Q1から発散する光のように図示左方向に反射される。点Q1は反射面に関して点Pと対象な位置にある点であり、光軸J上にある。
As shown in FIG. 3A, the light source light is emitted so as to diverge from the secondary light source image P formed at the position of the
図3(b)のように平面ミラー6が角度θだけ傾いている場合、平面ミラー6の反射面に接する球面S2は上述した球面S1よりも半径が小さく、光軸Jから上方に離れた位置で平面ミラー6の反射面と接している。この場合も、球面S2を反射面と仮定すれば、球面S2で反射された光は全て点Pに戻ることになる。一方、傾いた平面ミラー6で反射する場合には、図3(a)の場合と同様に、点Pから出射される発散光は、反射面に関して点Pと対称な位置にある点Q2から発散する光のように、図示左斜め下方向に反射される。図3(b)の場合には、点Pから出射された発散光が反射面に垂直に入射する位置は光軸Jよりも図示上方にあるため、点Q2も光軸Jの上方に位置することになる。
When the
このように、本実施の形態では、平面ミラー6に照射される光源光は光軸J上の開口絞り5の位置から発散するように出射されるため、平面ミラー6が傾いていた場合であっても垂直に入射する光が必ず存在する。そして、図3(a),(b)に示すように、垂直入射した光の反射光は点Pを通過し、垂直入射位置近傍に入射した光の反射光は開口絞り5の開口を通過することになる。図1に示す例では平面ミラー6の領域R1で反射された光が開口絞り5を通過し、図2に示す例では平面ミラー6の領域R3で反射された光が開口絞り5を通過する。
Thus, in the present embodiment, since the light source light applied to the
上述したように、開口絞り5を通過した反射光は、対物光学系4を通過した後にビームスプリッタ3で反射され、PSD7に入射する。図4はPSD7をビームスプリッタ3の方向から見た図であり、PSD7の受光面上における入射位置を示したものである。PSD7は、光軸上の光がPSD7の中心に入射するように配置されている。
As described above, the reflected light that has passed through the
図4(a)は、平面ミラー6が傾いていない図1の場合の入射位置を示したものである。この場合、図3(a)に示したように、反射光はあたかも光軸J上の点Q1から出射された発散光のようになっているので、対物光学系4によって光軸J上に集光される。そのため、図4(a)に示すようにスポット光70はPSD7の中心に入射する。
FIG. 4A shows an incident position in the case of FIG. 1 in which the
一方、図4(b)は、平面ミラー6が角度θだけ傾いた図2の場合の入射位置を示したものである。この場合、図3(b)に示したように、反射光はあたかも光軸Jよりも図示上方にある点Q2から出射された発散光のようになっている。図1,2では、反射光の光路はビームスプリッタ3で反射されて90度曲がっているが、図5は反射光の光路を真っ直ぐな光路と見なして図示したものである。PSD7は光軸J上に二点鎖線で記載した。図3(b)の点Q2から出射された発散光は、図5に示すように集光位置は光軸Jよりも図示下側に集光される。これは、図4(b)に示すPSD7の受光面上では中心より図示右側に対応している。その結果、スポット光70は、PSD7の中心から右側にΔdだけ離れた位置に入射する。
On the other hand, FIG. 4B shows the incident position in the case of FIG. 2 in which the
PSD7が図5のような位置に配設されている場合、間隔Δdは、次式(1)により与えられる。
Δd=(f+ΔL)・tanθ …(1)
式(1)において、fは対物光学系4の焦点距離であり、ΔLは焦点位置とPSD7との距離であり、L=f+ΔLである。ΔLの符号はPSD面が焦点位置より前側にある場合は(−)、焦点位置より後側にある場合には(+)となる。f,ΔLは予め演算部9に設けられた目盛りに記憶されており、それらと計測されたΔdと式(1)とを用いて、平面ミラー6の傾きθを算出することができる。なお、本実施の形態ではPSD7を焦点からΔLだけ離れた位置に配置したが、対物光学系4から焦点距離fだけ離れた位置に配置してもかまわない。
When the PSD 7 is disposed at a position as shown in FIG. 5, the interval Δd is given by the following equation (1).
Δd = (f + ΔL) · tan θ (1)
In Expression (1), f is the focal length of the objective
図6は、対比例として一般的なオートコリメータの概略構成を示したものであり、図2と同一構成部分には同一符号を施した。図6からわかるように、図2と異なる点は、光源1の2次光源像を開口絞り5の位置に結像するリレー光学系2を備えているか否かである。図6の装置の場合、光源1は対物光学系4の焦点位置に配置され、光源1からの光は対物光学系4によってコリメートされる。対物光学系4によって平行光とされた光源光は開口絞り5を通過して平面ミラー6によって反射される。
FIG. 6 shows a schematic configuration of a general autocollimator as a comparative example, and the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. As can be seen from FIG. 6, the difference from FIG. 2 is whether or not the relay
図6では平面ミラー6は傾いており、入射した光は左斜め下方向に反射され、反射光の一部は開口絞り5を通過した後、対物光学系4およびビームスプリッタ3を介してPSD7に入射する。この場合、入射面の中心から図示右側にずれて入射する。しかしながら、平面ミラー6’のように開口絞り5との距離が大きくなると、左斜め下方向に反射された反射光は開口絞り5の開口よりも下側にずれてしまう。その結果、PSD7に達することができなくなり、平面ミラー6’の傾きを計測することが不可能となる。
In FIG. 6, the
一方、本実施の形態では、図3において説明したように、光源光が光軸J上の開口絞り5の位置から発散するように出射されるため、平面ミラー6で反射された光の一部(図1の領域R1、図2の領域R3)は、開口絞り5の開口に向けて反射されることになる。そのため、開口絞り5と平面ミラー6との間隔が大きくなっても、図6に示すように反射光が開口絞り5の開口から外れてしまって計測不能となるようなことがない。
On the other hand, in the present embodiment, since the light source light is emitted so as to diverge from the position of the
もちろん、図2の平面ミラー6が小さすぎて領域R3を得ることができないと、開口絞り5に入射する反射光を形成できないので、開口絞り5から平面ミラー6までの距離や平面ミラー6の傾き角度範囲等に応じて、平面ミラー6の大きさを設定する必要がある。
Of course, if the
上述した実施の形態では、図1に示すように光源1の光をリレー光学系2で集光して開口絞り5の位置に2次光源像を形成したが、開口絞り5の位置から発散する光を平面ミラー6に照射するような構成であれば、上述した構成に限らない。例えば、LEDの光を光ファイバに入射させ、その光ファイバの出射端を図3の点Pの位置に配設し、平面ミラー6に向けて出射するようにしても良い。
In the embodiment described above, the light from the
さらに、PSD7の計測に影響が出ない程度に光源を小さくすることができれば、点Pの位置に光源を配設するようにしても良い。このように、点Pの位置に光源を配設した場合、リレー光学系2およびビームスプリッタ3を省略して、PSD7を対物光学系4の後方の光軸J上に配置することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
Further, the light source may be arranged at the position of the point P as long as the light source can be made small enough not to affect the measurement of the PSD 7. Thus, when the light source is arranged at the position of the point P, the relay
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、PSD7は光位置計測手段を、リレー光学系2は結像光学系をそれぞれ構成する。
In the correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, PSD 7 constitutes an optical position measuring means, and relay
1 光源
2 リレー光学系
3 ビームスプリッタ
4 対物光学系
5 開口絞り
6,6’ 平面ミラー
7 PSD
8 ドライバ
9 演算部
DESCRIPTION OF
8
Claims (2)
前記平面ミラーからの反射光を集光する対物光学系と、
前記対物光学系で集光された光を受光して、その受光位置を計測する光位置計測手段と、
前記対物光学系内部または前記対物光学系の近傍に配置され、前記対物光学系を介して前記光位置計測手段に入射する光を制限する開口絞りと、
前記対物光学系の光軸上であって前記開口絞りの位置またはその近傍から、前記平面ミラーに向けて発散光を出射する発散光発生手段とを備えたことを特徴とする傾き角度測定装置。 A tilt angle measuring device that irradiates a plane mirror fixed to a measurement object with light, detects reflected light from the plane mirror, and measures the tilt of the plane mirror,
An objective optical system for condensing the reflected light from the plane mirror;
A light position measuring means for receiving the light collected by the objective optical system and measuring the light receiving position;
An aperture stop that is disposed inside or in the vicinity of the objective optical system and restricts light incident on the optical position measurement means via the objective optical system;
A tilt angle measuring device comprising divergent light generating means for emitting divergent light toward the plane mirror from the position of the aperture stop or the vicinity thereof on the optical axis of the objective optical system.
前記発散光発生手段を、発散光を発生する光源と、前記対物光学系の光軸上であって前記開口絞りの位置またはその近傍に前記光源の像を結像する結像光学系とで構成したことを特徴とする傾き角度測定装置。 In the inclination angle measuring device according to claim 1,
The divergent light generating means includes a light source that generates divergent light, and an imaging optical system that forms an image of the light source on or near the aperture stop on the optical axis of the objective optical system. An inclination angle measuring device characterized by that.
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