JPS5979803A - 光干渉形回転角計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は光干渉形計測装置に係り特に回転角の変化量を
高精度で測定する光干渉形回転角計測装置に関する。

〔技術的背景と問題点〕

回転角を検知する手段として一般にエンコーダまたはパ
ルス発信器が用いられている。いずれの場合にも検出分
解能を高めると検出部の微細加工を必要とし回転角の検
出精度には限界がある。従来の一般的な回転角検出装置
では検出分解能は８．３〜２．８　ｘ　ＩＯ−’回転程
度であり高精度の回転角検出装置でも１ｘＬＯ’回転以
上の検出分解能は得られないと云う問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は検出分解能の高い超精密回転角の計測を
可能とした光干渉形回転角計測装置を得ることにある。

〔発明の概要〕

本発明は第１の周波数のｇｉの光信号及び第２の周波数
の第２の光信号を発生するレーザ光源と、前記Ｊｌ、第
２の光信号の一部を基準光信号として分離するビームス
プリッタと、前記基準光信号から前記第１　、Ｊ２の周
波数の差の周波数の基準信号を得る第１の光電変換回路
と、前記第１．第２の光信号を個別に分離する偏光ビー
ムスプリッタと、個別に分離された前記第１の光信号を
再度前記偏光ビームスプリッタに遺す第１の反射鏡と、
個別に分離された前記第２の光信号を再度前記偏光ビー
ムスプリッタに戻す第２の反射鏡と、この１４光ビーム
スプリツタに戻された前記第１．４２の光（１号から差
の周波数の検知信号を得る第２の光電変換回路を具備し
、前記偏光ビームスプリッタと前記第２の反射鏡の間に
回転角の変位に対応して透過光路長が直線状に変化する
透過円板を介在させ、前記基準信号及び前記検知信号か
ら前記透過円板の回転量を高い分解能で検知する測定回
路を備えた超高精度の光干渉形回転角計測装置である。

例のブロック構成図である。同図に於て、１は近接した
２周波数ｆ、　、　ｆ、の直交した一線偏波光を発生す
る２周波ゼーマンレーザ光源（例えばＨＰ仕ｋｌｅ　−
Ｎｅ　５５０１Ａ　）ランジューサシステム等）であり
、２周波ｇｆ、　、　ｆ２はビート周波数、即ちその差
の周波数が数メガヘルツの値となる様に選定して電気回
路に於ける信号処理を容易に行なんる様にする。２は２
周波ゼーマンレーザ光源ｌから入射した２周波数ｆ、　
、　ｆ、の直交した一線偏波光の一部をそれぞれ反射し
て基準光信号２Ａとして分離するためのビームスプリッ
タである。

ビームスプリッタ２を透過した２周波数ｆ１．ｆ。

の直交した直ａ偏波光２Ｂは偏光ビームスプリッタ３に
入射し、一方の直線偏波光（例えは周波数ｆ、の直線偏
波光）はそのま＼透過させ他方の一線偏波光（例えば周
波数ｆ、の直ｌ鍜偏波光）はｔべて反射し一〇２周波数
ｊ、、ｆ、の光信号を分離する。

分離された周波数ｆ！の光信号３Ａはコーナーキューブ
４で反射されて他方の直線偏波光のま＼再び偏光ビーム
スブリック３に戻る。

分離された周波数ｆ、の一方の直線偏波光の光信号３Ｂ
は回転角検出用透過円板５を透過し、コーナーキューブ
６で反射され再度、回転角検出用透過円板５を透過して
一方の直線偏波光のま＼偏光ビームスプリッタ３に戻さ
れる。

この際に、周波数ｆ、の光信号３Ｂは回転角検出用透過
円板５を最初に透過したときΔｆ１の周波数の変化を受
け、反射されて再度円板５を透過したとき更にΔｆ１の
周波数の変化を受は偏光ビームスプリッタ３に戻された
光信号３Ｎの周波数はｆ１±２ΔＬ　ｒｔｃ変化する。

この周波数Δｆ８の変化は光信号３Ｂが透過する回転角
検出用透過円板５の透過帯の屈折率ｎが空気屈折率ｎ。

と異なり、その透過光路長が回転角の変化に対して直線
状に変化するために生ずるものである。

上述の様にして偏光ビームスプリッタ３に戻された周波
数ｆ、±２Δｆ１の光信号３Ｄは一方の直線偏波光なの
で偏光ビームスプリッタ３を透過して検光子７に入射さ
れる。またコーナーキューブ４から戻された周波数ｆ、
の光信号３Ｃは他方の＠巌偏波光なので偏光ビームスプ
リッタ３で反射され光信号３Ｄと合流して検光子７に入
射される。この２つの光信号３Ｃ，３Ｌ）は互いに干渉
し検光子７を経た光信号が光電変換器８によりビート周
波数１ｆ、±２Δ、ｆ、−Ｊ、ｉの亀″Ａ信号に変換さ
れる。

一方、ビームスプリッタ２で分離された基準光信号２人
は・検光子９を経て光・１変換器１０に入射されビート
周波数＋ｆ、−ｆ、Ｉの電気信号に変換される。

光電変換器８．ｌＯからの電気信号はそれぞれパルス変
換器１１　、１２に入力され電気ｉ、！号の周波数に対
応した周波数のパルス信号１１　Ａ　、　１２　ＡＫｅ
換される。１３は可逆計数回路を含む測定回路でパルス
信号１１　Ａ　、　１２　Ａにより可逆計数して回転角
の変化を検知する。

以下、本発明の作用を詳細に説明する。

第２図、第３図は本発明の回転角検出用透過円板５の透
過帯を表現した透過帯モデル図である。

第２図に於て、斜線部５Ａが透過円板５に設けられた透
過帯を示しており、半径ｒの位置を中心として径方向に
数ｎ〜数儂の幅を有する円環状とする。この透過帯５Ａ
の軸方向の厚み、即ち透過光路長は回転角度に対して直
線状に変化する形状とする。

第３図は円環状の透過帯５Ａを一直線状に展開した図で
ある。同図の）に示す様に透過帯の厚さは円周の長さ２
πｒに対して角度ψで直線状に変化し、１回転でＨだけ
厚さが変化する。

この透過帯５Ａを構成する物質は、屈折率ｎが空気の屈
折率ｎ。より大きく、透過効率の高い材料を用いる。例
えばアクリル樹脂は屈折率が約１．４９であり透過効率
はＮｅ−Ｎｅレーザに対して１００％に近い。

第４図は回転角検出用透過円板５の光学系の詳細図であ
り、第５図はｌＡ４図の上面から見た図である。

第４図に示す様に偏光ビームスプリッタ３を透過した周
波数ｆ１の光信号３Ｂは透過円板５を透過した後コーナ
ーキューブ６で反射され再度透過円板５を透過して偏光
ビームスプリッタ３に戻される。

この様な構成とすることにより回転角の変化に対応して
光信号３Ｄの周波数は往路、復路共に同一方向に変化を
受は周波数変化が２倍になる利点がある。

透過円板５の透過帯の厚さは前述した通り１回転に対し
てＨの厚さだけ変化する様に円周に添って角度ψの勾配
を有する。従って光信号３Ｂが入射する透過円板５の第
１の面５Ｂは回転軸５Ｄに垂直な透過円板５の第２の面
５Ｃに対して角反ψの傾きを持つ。光信号３Ｂは第１の
面５Ｂに対して垂直に入射し透過円板５を透過して第２
の而５Ｃの屈折点５Ｅで屈折してコーナーキューブ６に
向う。

コーナーキューブ６は入射光線を同一回転角の位置へ反
射して戻し透過円板５を透過して偏光ビームスプリッタ
３へ戻る光信号３Ｄが入射光信号３Ｂとはり同じ光路で
平行して戻る様に設置する。

これにより透過円板５が回転して光信号３Ｂの透過する
透過帯の厚さが変化しても光信号３Ｂが第１の面５Ｂに
対し垂直に入射しているので屈折点５Ｅからコーナーキ
ューブ６に向う光信号は常に一定の位置に保たれ、また
、光信号３Ｂと平行して戻る光信号３Ｄも常に一定の位
置に保たれる。

透過円板５の屈折率を１１空気の屈折率をｎＯ１光４８
号３Ｂの周波数ｆ、に於ける真空中の波長なλ１、透過
円板５を透過する光信号の光路長の変化速度をＶとする
と、透過円板５を透過した光信号は（１１式の値の周波
数の変化を受ける。

ここで正負の極性は光路長の変化速度Ｖの方向により定
まる。

今、時間Δｔ（秒）の間に透過円板５０回転角がΔφ（
ラジアン）だけ変化したとすると第３図（Ｂ）の関係か
ら光路長の変化Δｌは（２）式で示される。

Δｌ＝ｒ・Δφｔａｘψ　　　　　　　・・・・・・（
２）但し、ｒは透過円板を透過する光信号の位置の半径
である。従って光路長の変化速度Ｖは（３）式となる。

Δを 光信号は往復して透過円板を透過するが往路。

復路共に同じ光路長の変化速度とすると周波数の変化量
は（４）式の様になる。

更に、周波数の変化量Δｆを時間積分すると（５）式が
得られ、積分の結果は回転角の変化量であることがイつ
かる。

・・・・・・（５） ここで、周波数Δｆに比例したパルス信号をΔｔの時間
に計数すればその計数値Ｎは回転角の変化量として検出
することができる。第１図の実施例ではパルス変換器１
１　、１２から周波数がｆｌ±Δｆ　−ｆｔと、ｆ、−
ｆ、のパルス信号１１Ａ、１２Ａを出力して測定回路１
３で可逆計数してΔｆを（６）式の如く積分し回転角の
変化量Δφを（７）式により検出している。

上述の様にして構成した本発明の光干渉形回転角計測装
置の検出分解能はｌ／にで定まる。

例えばｎｏ”’１．Ｏｎ　＝　１．４９　Ｈ＝＝　１０
１１ｍ　　λ、＝０．６３３μｍとすると１カウント当
りの検出分解能は（８）式より０．６５　ＸＩＯ’　　
回転となり極めて高精度の回転角検出が可能となる。

尚、本実施例では透過円板による周波数シフトを往復に
介在させた例で示したが一方のみに介在させでもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば従来では得られなかった高い分解能で回
転角を検出することが可能となり微少回転角の検知に極
めて有効な光干渉形回転角計測装置を得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光干渉形回転角計測装置の一実施例を
示したブロック構成図、第２図は回転角検出用透過円板
５の透過帯を示した図で第３図はその透過帯を一直線状
に展開した図、第４図、第５図は回転角検出用透過円板
５の光学系の詳細図である。 ｌ・・・２周波ゼーマンレーザ光源、 ２・・・ビームスプリッタ、 ３・・・偏光ビームスプリッタ、 ４．６・・・コーナーキューブ、 ５・・・回転角検出用透過円板、７，９・・・検光子、
８．１０・・・光電変換器、１１．１２・・・パルス変
換器、１３・・・測定回路。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の周波数の第１の光信号及び第２の周波数の第２の
   光信号を発生するレーザ光源と、前記第１、第２の光信
   号の一部を基準光信号として分離するビームスプリッタ
   と、前記基準光信号から前記第１．第２の周波数の差の
   周波数の基準信号を得る第１の光電変換回路と、前記第
   １．第２の光信号を個別に分離する偏光ビームスプリッ
   タと、個別に分離された前記第１の光信号を再度前記偏
   光ビームスプリッタに戻す第１の反射鏡と、個別に分離
   された前記第２の光信号を再度前記偏光ビームスプリッ
   タに戻す第２の反射鏡と、この偏光ビームスプリッタに
   戻された前記第１．第２の光信号から差の周波数の検知
   信号を得る第２の光電変換回路を具備し、前記偏光ビー
   ムスプリッタと前記第２の反射鏡の間に回転角の変位に
   対応して透過光路長が直線状に変化する透過円板を介在
   させ、前記基準信号及び前記検知信号から前記透過円板
   の回転量を検知する測定回路を備えた光干渉形回転角計
   測装置。