JP6795154B2

JP6795154B2 - 干渉計

Info

Publication number: JP6795154B2
Application number: JP2016142034A
Authority: JP
Inventors: 涼秋古谷
Original assignee: Tokyo Denki University
Current assignee: Tokyo Denki University
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: JP2018013371A

Description

本発明は、複数の位置までの各距離を高精度にそれぞれ測定する際に用いられる干渉計に関し、特にレーザー干渉計に好適なものである。

レーザー干渉計等の干渉計は、物体の位置や姿勢、更には物体までの距離などの測定に使用されている。これに伴い、干渉計により温度や振動などによる長さ変化に依存する項目の測定も可能となっている。そして、複数の位置までの各距離を高精度にそれぞれ測定する際には近年、レーザー干渉計が用いられている。このレーザー干渉計は、測定点に対応して複数のコーナーキューブやキャッツアイ等のレトロリフレクタを反射鏡として採用し、各測定点にこれらをそれぞれ固定し、これらからの反射光を利用して測定していた。さらに、このように複数の位置を測定する場合、各測定点に合わせるようにレーザー光を広げて出射することが考えられるが、レーザー光が広がるのに伴って複数のレトロリフレクタに同時に光が入射すると共に反射して測定が困難であった。

このため、レトロリフレクタを１つずつ固定して設置しレーザー光を照射するか、あるいはレトロリフレクタを複数設置するのに合わせてレーザー光の光軸を細く絞り、光軸の姿勢を各レトロリフレクタに順次変更することによって、レトロリフレクタと参照鏡との間で順番に干渉させて距離を計測することが考えられていた。

この一方、このような干渉計の従来技術として、下記特許文献１〜４が知られている。
特許文献１では、レーザ光を被測定面上に載置されたコーナーキューブに入射させ、基準平面と被測定面との間の寸法に応じて平行に変位させた反射光をこのコーナーキューブで反射し、この反射光を検出して受光位置の変化から被測定面の平面度を測定していた。

また、特許文献２では、複数のガラス玉を用いた反射鏡が採用されると共に反射フィルムとキャッツアイ反射鏡のような平面状の反射要素が反射鏡の基準軸に対して配置することで測定する技術が開示されている。さらに、特許文献３では、干渉縞パターンのうち同位相の領域を抽出する窓を有する空間的な液晶フィルターを光路中に配置し、この液晶フィルターにより同位相のスペックル干渉縞パターンを形成して、位相情報を選択する技術が示されている。

特許文献４では、測定対象物である反射鏡を任意の空間位置にセットし、光源から等しい周波数間隔で並んだ複数の周波数成分を有する光コムを出射し、この光コムを参照光と測距光とに分割するものであるが、複数の光源に光スイッチを設けて、反射鏡に光を入射して距離を算出する技術が示されている。

特開6-102030公報特表2009-510413公報特開平5-196419公報特開2015-194410公報

しかし、これら特許文献１〜４であっても、複数の位置を簡易且つ高精度に測定できる干渉計は存在していなかった。これに対して、産業の高度化に伴い複数の位置を簡易且つ高精度に測定する計測技術の必要性が高まっていた。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、複数の位置を簡易且つ高精度に測定できる干渉計を提供することを目的とする。

上記課題を解決した請求項１記載の発明は、光束を発生させるレーザー光源およびこのレーザー光源からの光束を拡散させて拡散光とする拡散レンズとを含む光源と、
光源からの拡散光を入射した光軸に沿ってそれぞれ反射する複数のボールレンズと、
光源と複数のボールレンズとの間に配置されて個々のボールレンズに対する拡散光の入射を遮断可能とする液晶フィルターと、
個々のボールレンズに対応する液晶フィルターの各部分における光の遮断を制御する制御手段と、
ボールレンズで反射された反射光を受光すると共に、光源に源を有する光の一部を参照光として受光する受光素子と、
を含む干渉計である。

請求項１の発明のような干渉計によれば、光束を発生させるレーザー光源およびこのレーザー光源からの光束を拡散させて拡散光とする拡散レンズとを含む光源にて発生された拡散光が複数のボールレンズに入射され、この入射した光軸に沿ってそれぞれボールレンズが反射する。また、光源と複数のボールレンズとの間に配置されている液晶フィルターが、個々のボールレンズに対する拡散光の入射を遮断可能とし、制御手段が個々のボールレンズに対応する液晶フィルターの各部分における光の遮断を制御する。

この一方、受光素子がボールレンズで反射された反射光を受光すると共に、光源に源を有する光の一部を参照光として受光することで、何れかのボールレンズからの反射光と参照光との間の光路差を測定することを順次行うのに伴い、各ボールレンズの位置が把握可能となる。

従って、本請求項に係る干渉計は、複数のボールレンズと液晶フィルターとを一体的な構造として、測定対象物に設置することで、複数のボールレンズの各位置を簡易且つ高精度に測定できる。この結果として、例えば測定対象物の空間内における３軸上の位置や姿勢を正確に計測可能となる。

さらに、本請求項に係る干渉計を用いることによって、例えばレーザー装置で励起されたレーザー光を拡散光とすることができるので、拡散光のとどく広い範囲を一度に測定可能となる。また、レトロリフレクタの再設置の必要性がないので、レトロリフレクタの再設置によって生じるコストが不要となる。

他方、本請求項に係る干渉計によれば、ボールレンズと液晶フィルターにより構成される反射鏡を拡散光の中に置くだけで、光学の知織がなくても簡単にレーザー干渉計等の干渉計を構成することができるため、レーザー干渉計を用いた測定の用途や市場が広がる。これに伴い、レーザー干渉計を使うことへの敷居が低くなり、気楽に位置等の測定をすることで測定の精度向上や品質向上への要求の高まりに答えることもできる。

また、本発明では、光源が、光束を発生させるレーザー光源とこのレーザー光源からの光束を拡散させて拡散光とする拡散レンズとを含んでいる。このようにレーザー光源と拡散レンズとを組み合わせることにより、広角で均一に拡散する拡散光を容易に作り出すことが可能となり、これに伴い各ボールレンズを複数の相互に異なる位置に配置した場合でも、個々のボールレンズに光源からの光がいき渡り、高精度に計測可能となる。

請求項２の発明は、複数のボールレンズが、光源に対して対面する平面上に少なくとも６つのボールレンズが配置された形とされている請求項１に記載の干渉計である。
このように６つのボールレンズを採用したことで、６つのボールレンズ及び液晶フィルターを測定対象物に設置するのに伴い、測定対象物の相互に直交する３軸上（例えば、高さ方向、横方向、奥行き方向）の各位置の計測だけで無く、この３軸上における測定対象物の各傾きを計測可能となる。

請求項３の発明は、液晶フィルターが、液晶の偏光角を変えて光の透過率を変更することで光の遮断を可能とする光学シャッターにより構成される請求項１又は請求項２に記載の干渉計である。
このように一般的な液晶技術を採用することで、より一層の低コストとしつつ複数のボールレンズの各位置を簡易且つ高精度に測定可能になる。

本発明に係る干渉計によれば、複数の位置を簡易且つ高精度に測定可能になる。これに伴い、本発明に係る干渉計はボールレンズと液晶フィルターにより構成される反射鏡を拡散光の中に置くだけで良いので、光学の知織がなくても簡単に干渉計を構成できる結果として、測定の用途も広がることになる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザー干渉計の概略図である。本発明の第１の及び第２の実施形態に適用されるボールレンズと液晶フィルターを含む反射鏡を示す図であって、（Ａ）は一部破断した上面図であり、（Ｂ）は正面図である。本発明の第１の実施形態に係るレーザー干渉計の測定手順を示す反射鏡の斜視図であって、（Ａ）は第１の手順であり、（Ｂ）は第２の手順である。本発明の第２の実施形態に係るレーザー干渉計の概略図である。本発明の第２の実施形態に係るレーザー干渉計の測定手順を示す反射鏡の斜視図であって、（Ａ）は第１の手順であり、（Ｂ）は第２の手順である。

以下、本発明に係る干渉計の第１の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１及び図２に示すように本実施形態のレーザー干渉計１０においては、レーザー光を発生するレーザー光源であるレーザー装置１２の前に、このレーザー装置１２からのレーザー光の光束Ｌを拡散させて拡散光Ｋとする拡散レンズ１４が配置されている。

この拡散レンズ１４を透過して拡散光Ｋとなった光の中心軸ＣＡ上には、この拡散光Ｋを２つに分離するためのビームスプリッタ１６が配置されていて、このビームスプリッタ１６に対して中心軸ＣＡと直交する方向に沿って参照鏡１８が配置されている。このため、ビームスプリッタ１６で分離された拡散光Ｋの一部が直角に出射して参照鏡１８に送り込まれると共に参照鏡１８で反射して、ビームスプリッタ１６側に戻るようになっている。

この一方、ビームスプリッタ１６に対して中心軸ＣＡと直交し且つ参照鏡１８と逆方向に沿って、拡散光Ｋを集光するための集光レンズ２０及びこの集光レンズ２０により集められた光を検出する受光素子である光検出器２２がそれぞれ位置している。このため、参照鏡１８で反射して戻ってきた光を参照光Ｓとしてこの光検出器２２が受光する。

さらに、ビームスプリッタ１６を直線的に透過した拡散光Ｋ内に位置するように反射鏡３０が配置されている。この反射鏡３０は、図１及び図２に示すように拡散光Ｋを光軸ＬＡ〜ＬＩに沿ってそれぞれ反射する９個とされる複数のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉが、直方体状に樹脂材料や金属材料等により形成されたブラケット３２の各凹部３２Ａ内に支持されつつ配置された構造になっている。なおここでボールレンズとは、高屈折率ガラスを球形に精密研磨したレンズであり、入射した光を入射方向と平行かつ反対方向へと反射する機能を有するものである。また、ブラケット３２の各凹部３２Ａは、各ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉとの対向面が反射面となるように表面がコートされている。

具体的には、図１に示すように、レーザー装置１２や拡散レンズ１４に対して直交して対面する平面上に図２に示す９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉが１列あたり３個で３列に配列されて配置される形になるように、ブラケット３２に支持されている。これに伴い、９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉから各光軸ＬＡ〜ＬＩに沿って反射光Ｈがビームスプリッタ１６にそれぞれ戻るようになっている。

但し、９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉのビームスプリッタ１６側の位置には、個々のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉに対する拡散光Ｋの照射を遮断可能とする液晶フィルター３６が配置されている。また、この液晶フィルター３６もブラケット３２に支持されて複数のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉと液晶フィルター３６とで一体的な構造の反射鏡３０とされている。そして、この液晶フィルター３６は、液晶の偏光角を変えて光の透過率を変更することで光の遮断を可能とする光学シャッターとされている。したがって、この液晶フィルター３６は、拡散レンズ１４と各ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉとの間を繋ぐ各光軸ＬＡ〜ＬＩに対応する領域を液晶の偏光角の変更に伴って拡散光Ｋの透過と遮断との選択を可能としている。

さらに、この液晶フィルター３６は、液晶フィルター３６の動作を制御する制御手段であるコントローラ２４に接続されていて、このコントローラ２４によって液晶フィルター３６の個々のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉに対応する各光軸ＬＡ〜ＬＩを含む各領域での拡散光Ｋの透過と遮断とが制御されている。このため、コントローラ２４に制御された液晶フィルター３６により、９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの内のいずれか一つ或いは二つ以上で光の通過が可能となる。

そして、液晶フィルター３６を透過してボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの内の何れかで反射して光軸ＬＡ〜ＬＩ上を戻ってきた反射光Ｈがビームスプリッタ１６に再度入射し、この内の主な反射光Ｈが集光レンズ２０に送られて、この集光レンズ２０により絞られた光を光検出器２２が検出することになる。

以上より、この光検出器２２は、ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉで反射されて戻ってきた反射光Ｈを受光すると共に、前述の参照鏡１８からの参照光Ｓを受光することになる。これに伴い、図１に示す反射光Ｈと参照光Ｓとの間の光路差を測定可能になる。また、前述のコントローラ２４は、この光検出器２２にも接続されていると共に、光路差に基づく反射鏡３０の位置や姿勢を表示したりするディスプレイやこれらのデータを蓄積したりするハードディスク等の記憶媒体からなる表示記憶部２６にも接続されている。

次に、本実施形態に係るレーザー干渉計１０の作用を以下に説明する。
本実施形態のレーザー干渉計１０によれば、レーザー装置１２が発生させた光束Ｌを拡散レンズ１４が拡散させて拡散光Ｋとしている。拡散レンズ１４及びビームスプリッタ１６に対して対面する平面上に配置されている９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉが、この拡散光Ｋを入射した光軸ＬＡ〜ＬＩに沿ってそれぞれ反射し得るようになっている。また、ビームスプリッタ１６と９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉとの間に配置されている液晶フィルター３６の動作がコントローラ２４により制御されて、個々のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉに対応する液晶フィルター３６の各部分における拡散光Ｋの入射を遮断可能としている。

さらに、光検出器２２がボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉで反射された反射光Ｈを受光すると共に、レーザー装置１２に源を有する光の一部である参照鏡１８からの参照光Ｓとして受光することで、各ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの何れかからの反射光Ｈと参照光Ｓとの間の光路差をコントローラ２４が測定し、表示記憶部２６が表示や記憶等するのに伴い、各ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの位置が把握可能となる。

以上のように、本実施形態に係るレーザー干渉計１０は、９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉとその前方に設置された液晶フィルター３６とを一体的な構造とした反射鏡３０を採用し、ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの前方に設置された液晶フィルター３６によって任意の領域以外の光を遮断可能になっている。

このため、この反射鏡３０を図示しない測定対象物に例えば設置することで、レーザー装置１２で励起されたレーザー光を図１のような拡散光Ｋとし、９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの位置に同時に出射可能にすることができる。つまり、この拡散光Ｋの届く範囲の広い範囲において９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの各位置を簡易且つ高精度に測定できるのに伴い、このレーザー干渉計１０により一度に空間内における測定対象物の位置や姿勢を正確に測定可能となる。

この際、本実施形態では、レーザー装置１２と拡散レンズ１４とを組み合わせたことにより、広角で均一に拡散する拡散光Ｋを容易に作り出すことが可能となり、これに伴い各ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉを相互に異なる位置に配置した場合でも、個々のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉにレーザー装置１２からの光がいき渡り、高精度に計測可能となる。

また、液晶フィルター３６の制御によってボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉのいずれかを選択可能となることで、レトロリフレクタの設置や再配置などの作業の必要性がないので、レトロリフレクタの再設置によって生じるコストが不要となるとともに、測定誤差の低減という大きな効果も期待できる。

他方、本実施形態のレーザー干渉計１０によれば、ボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉと液晶フィルター３６により構成される反射鏡３０を上記のように拡散光Ｋの中に置くだけで良いことになる。このため、光学の知織がなくても簡単にレーザー干渉計１０等の干渉計を構成できるのに合わせて、干渉計を使った測定の市場が広がる。これに伴い干渉計を使うことへの敷居が低くなり、位置等の測定を気楽にすることにより、測定の精度向上や品質向上への要求の高まりに答えることもできる。

なお、レーザー装置１２や拡散レンズ１４に対してビームスプリッタ１６を介して対面する平面上に９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉが配置された構造と本実施形態ではされている。但し、ボールレンズを少なくとも６つ採用すれば、液晶フィルター３６と共に測定対象物に設置するのに伴って、測定対象物の相互に直交する３軸上（例えば、高さ方向、横方向、奥行き方向）の各位置の計測だけで無く、この３軸上における測定対象物の各傾きを計測可能となる。

さらに、本実施形態では、図示しない２枚のガラス板間の液晶の偏光角を変え、光の透過率を変更することで光の遮断を可能とするデバイスである光学シャッターにより、液晶フィルター３６が構成されている。つまり、このように一般的な液晶技術を採用することで、干渉計の製造コストをより一層低減しつつ、複数のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの各位置を簡易且つ高精度に測定可能になる。

次に、本実施形態に係るレーザー干渉計１０による測定手順の例を説明する。
図３（Ａ）に示すように、９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの内の左上に位置するボールレンズ３４Ａだけで透過及び反射が可能なように、コントローラ２４が液晶フィルター３６を制御する。この結果として、このボールレンズ３４Ａからの反射光Ｈと参照鏡１８からの参照光Ｓとが図１に示すように光検出器２２で受光されることで、ボールレンズ３４Ａからの反射光Ｈと参照光Ｓとの間の光路差を測定できる。

さらに、図３（Ｂ）に示すように、左中に位置するボールレンズ３４Ｂだけで透過及び反射が可能なように、同様にコントローラ２４が液晶フィルター３６を制御する。そして、同様にこのボールレンズ３４Ｂからの反射光Ｈと参照鏡１８からの参照光Ｓとの間の光路差を測定する。そして、同様の手順でボールレンズ３４Ｃ、３４Ｇ〜３４Ｉの光路差を順次測定することで、測定対象物の相互に直交する３軸上の各位置の計測だけで無く、この３軸上における測定対象物の各傾きを計測可能となる。

次に、本発明に係る干渉計の第２の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、第1の実施形態で説明した部材と同一の部材には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図２及び図４に示すような本実施形態のレーザー干渉計１０は、第１の実施形態とほぼ同一の構造とされている。ただし、本実施形態では参照鏡１８が存在していない。これに伴い、光検出器２２が参照鏡１８からの参照光Ｓを受光しない替りに９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの内のいずれか２個にだけで透過及び反射が可能なように、コントローラ２４が液晶フィルター３６を制御する。

具体的には、９個のボールレンズ３４Ａ〜３４Ｉの内の中央に位置するボールレンズ３４Ｅを参照鏡１８の替りとして毎度、透過及び反射を可能とする。そして、図５（Ａ）に示すように、まず他のボールレンズとされる左上に位置するボールレンズ３４Ａとこのボールレンズ３４Ｅだけで透過及び反射を可能として、第１回目の測定をする。

さらに、図５（Ｂ）に示すように、左中に位置するボールレンズ３４Ｂとこのボールレンズ３４Ｅだけで透過及び反射を可能として、第２回目の測定をする。この後、順次、左下、右上、右中、右下の順でボールレンズ３４Ａ〜３４Ｃ、３４Ｇ〜３４Ｉの透過及び反射を可能として、２個のボールレンズからの反射光Ｈ間の光路差を測定するという手順で光路差を測定する。このことで、第１の実施形態と同様に図示しない測定対象物の相互に直交する３軸上の各位置の計測だけで無く、この３軸上における測定対象物の各傾きを計測可能となる。

尚、上記のようなコントローラ２４と反射鏡３０の液晶フィルター３６との間は有線により接続して制御しても良いが、測定対象物の移動範囲が大きい場合には、コントローラ２４及び液晶フィルター３６にそれぞれ送受信機を付けることで、無線により接続して制御しても良い。また、この液晶フィルターも本実施形態では一体のものを採用したが、ボールレンズの数に対応した数の小さな液晶フィルターを採用し、個々の液晶フィルターをそれぞれ制御するようにしても良い。

各ボールレンズの大きさは種々選択可能であるが、たとえば２ｍｍ〜５ｍｍ程度の直径のものが考えられ、また、ボールレンズの数としては少なくとも２個とすることができるが、測定対象物のピッチングやヨーイング等を測定する場合には上記のように例えば６個等とすることが考えられる。そして、各ボールレンズとビームスプリッタ１６との距離と参照鏡１８とビームスプリッタ１６との距離とは、光の干渉を考慮するとほぼ同一とすることが考えられる。

他方、本実施形態のビームスプリッタ１６から反射鏡３０までの距離はたとえば数ｍ程度が考えられ、測定対象物としては防振台に乗せられている精密機器等が考えられる。ただし、他の用途に用いても良く、測定対象物が大きく移動する場合には、拡散光をトラッキングしながら測定しても良い。また、レーザー装置１２は可視光である７００ｎｍ程度の波長のヘリウムネオンレーザーを用いたものが良いが、他の異なる波長のレーザー装置を採用しても良い。

表示記憶部２６は、ＣＲＴモニタやＬＣＤ等の表示装置としても良く、ハードディスクスやソリッドステートドライブ（Solid State Drive）等の他、ＣＤ、ＤＶＤ、ＵＳＢメモリー等の記録媒体を採用することが考えられるが、これら記録媒体に限定されるものではない。また、入力操作部を追加しても良く、パソコンを採用しても良い。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明は、精密測定器等の測定物対象物の位置や姿勢の測定の他にさまざまな産業分野に適用可能となる。たとえば、無人飛行するドローン等に取り付ければドローン等の飛行位置を計測可能になる。

１０レーザー干渉計
１２レーザー装置（光源）
１４拡散レンズ（光源）
１６ビームスプリッタ
１８参照鏡
２０集光レンズ
２２光検出器（受光素子）
２４コントローラ（制御手段）
２６表示記憶部
３０反射鏡
３４Ａ〜３４Ｉボールレンズ
３２ブラケット
３６液晶フィルター
ＣＡ中心軸
ＬＡ〜ＬＩ光軸
Ｌ光束
Ｋ拡散光
Ｓ参照光
Ｈ反射光

Claims

光束を発生させるレーザー光源およびこのレーザー光源からの光束を拡散させて拡散光とする拡散レンズとを含む光源と、
光源からの拡散光を入射した光軸に沿ってそれぞれ反射する複数のボールレンズと、
光源と複数のボールレンズとの間に配置されて個々のボールレンズに対する拡散光の入射を遮断可能とする液晶フィルターと、
個々のボールレンズに対応する液晶フィルターの各部分における光の遮断を制御する制御手段と、
ボールレンズで反射された反射光を受光すると共に、光源に源を有する光の一部を参照光として受光する受光素子と、
を含む干渉計。
複数のボールレンズが、光源に対して対面する平面上に少なくとも６つのボールレンズが配置された形とされている請求項１に記載の干渉計。
液晶フィルターが、液晶の偏光角を変えて光の透過率を変更することで光の遮断を可能とする光学シャッターにより構成される請求項１又は請求項２に記載の干渉計。