(57)【要約】【課題】  測定対象に固定された平面ミラーとの距離が大きく離れていても、平面ミラーの傾き角度を計測することができる傾き角度測定装置。【解決手段】  リレー光学系２は光源１から出射された発散光を集光し、対物光学系４の光軸Ｊ上であって開口絞り５の位置またはその近傍に２次光源像を結像する。光源光は、２次光源像から発散するように平面ミラー６に照射される。そのため、平面ミラー６の領域Ｒ３に入射する光源光の入射角はゼロまたはゼロに近く、開口絞り５の開口に向けて反射される。よって、平面ミラー６が開口絞り５から遠く離れていても、開口絞り５の開口に入射する反射光が存在し、その光をＰＳＤ７で検出することができる。その結果、平面ミラー６の傾きを計測することができる。【選択図】        図２
2006071310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に固定された平面ミラーに光を照射し、前記平面ミラーからの反射光を検出して前記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、
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。
【請求項２】
請求項１に記載の傾き角度測定装置において、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】特許第２７４８１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
《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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による傾き角度測定装置の一実施の形態を示す図である。
【図２】平面ミラー６が角度θだけ傾いた場合を示す図である。
【図３】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図であり、（ａ）は平面ミラー６が光軸Ｊに垂直な場合、（ｂ）は平面ミラー６が垂直から角度θだけ傾いた場合である。
【図４】ＰＳＤ７における入射光の位置を示す図であり、（ａ）は平面ミラー６が光軸に垂直の場合で、（ｂ）は平面ミラー６が垂直から傾いた場合である。
【図５】Δｄを説明する図である。
【図６】従来のオートコリメータを説明する図である。
【符号の説明】
【００２９】
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
【図１】
2006071310.tif 000003
【図２】
2006071310.tif 000004
【図３】
2006071310.tif 000005
【図４】
2006071310.tif 000006
【図５】
2006071310.tif 000007
【図６】
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