(57)【要約】【課題】コンパクトな光学系を用いて測定精度の高い偏角測定装置及び方法を提供することを目的とする。【解決手段】偏角測定装置は、測定光を出射する光源１と、光源１が出射する測定光を集光しビーム化するレンズ４と、測定光を入射し偏角を測定する被測定物２と、ビーム化した測定光の光軸上に配置した受光器５と、受光器５の光源側前面に配置しスリット孔６を有する遮光板７と、該遮光板７を固定したガイド８と、前記遮光板７を受光器５に平行に移動させるための動力となると共に移動量を認識するモータ９と、該モータ９に固定して前記ガイド８に設けた板状の歯に噛合い、遮光板７を移動させる歯車１０とにより構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光を集光しビーム化するレンズと、ビーム化した測定光の光軸上に配置した受光器と、前記受光器の光源側前面にスリット孔を有する遮光板と、該遮光板を移動するための駆動手段と、前記遮光板の移動量を検出する移動量検出手段とを備えており、
前記レンズから出射する測定光の光軸上に被測定物を配置して該被測定物の光路偏角を測定することを特徴とする偏角測定装置。
【請求項２】
前記遮光板をその主面が前記レンズから出射する測定光の光軸に対してほぼ直交するよう配置すると共に、前記主面に平行な方向に移動可能としたことを特徴とする請求項１に記載の偏角測定装置。
【請求項３】
前記スリット孔はその長手方向が前記遮光板の移動方向と直交するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏角測定装置。
【請求項４】
測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光を集光しビーム化するレンズと、ビーム化した測定光の光軸上に配置した受光器と、前記受光器の光源側前面にスリット孔を有する遮光板と、該遮光板を移動するための駆動手段と、前記遮光板の移動量を検出する移動量検出手段とを備えた偏角測定装置を用いて、
前記レンズから出射する測定光の光軸上に戴置された被測定物の光路偏角を測定する方法であって、
被測定物を前記偏角測定装置に戴置しない状態において、前記遮光板を移動させながらその移動量と前記受光器の出力とを測定し、前記受光器の出力が最大となったときの前記遮光板の位置を第一のピーク値として認識するステップと、
被測定物を戴置した状態において、前記遮光板を移動させながらその移動量と前記受光器の出力とを測定し、前記受光器の出力が最大となったときの前記遮光板の位置を第二のピーク値として認識するステップと、
被測定物を戴置した位置から前記受光器までの距離をＡとし前記第一のピーク位置から第二のピーク位置までの距離をＢとして、被測定物の偏角θを次式
θ＝ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）
に基づいて算出するステップとを含んだことを特徴とする偏角測定方法。
【請求項５】
測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光の光軸上に配置した角度プリズムと、該角度プリズムから出射した測定光の光軸上に配置した受光器とを備えており、
前記光源から出射する測定光の光軸上に基準となる光学部品及び被測定物を順次配置して被測定物の偏角誤差を測定することを特徴とする偏角測定装置。
【請求項６】
測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光の光軸上に配置した角度プリズムと、該角度プリズムから出射した測定光の光軸上に配置した受光器とを備えた偏角測定装置を用いて、
前記光源から出射する測定光の光軸上に戴置された被測定物の偏角誤差を測定する方法であって、
基準となる光学部品を前記偏角測定装置に戴置して、前記光源が出射する測定光を受光器に結像させた点を基準点とするステップと、
被測定物を前記偏角測定装置に戴置して、前記光源が出射する測定光を受光器に結像させた結像点と前記基準点との間の距離を計測するステップと、
計測した前記距離を基に基準となる光学部品が有する偏角に対する被測定物が有する偏角誤差を算出するステップとを含んだことを特徴とする偏角測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏角の測定装置及び方法に関し、特に光学部品において規定される光路偏角を、コンパクトで精度良く測定可能とする偏角測定装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学部品においては、特開２００１−２８１６０２号公報に開示されている通り、入射する光線を所定の位置に精度良く出射する性能を有する必要があり、入射光線に対して所定の角度で曲げられた出射光線との関係を光路偏角として規定している。
図５は、従来の偏角測定装置の一例である。図５は、光路偏角を簡易的に測定する方法を示すものであり、測定光を出射する光源１と、被測定物２と、被測定物２が出射する光を投射するスクリーン３とにより構成する。
【０００３】
図５の動作を説明すると、光源１よりビーム光を被測定物２の入射面に照射し、被測定物２が出射するビーム光をスクリーン３に投射する。スクリーン３は、例えば板状のものに所定の間隔で目盛りが振られたものであり、被測定物２の光軸に対して投射されたビーム光が曲げられた距離を測定する。この時、被測定物２の偏角θは、被測定物２とスクリーン３との最短距離をＡとし、被測定物２によりビーム光が曲げられた距離をＢとすると、
偏角θ＝ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）
として求めることが出来る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の偏角測定方法は、測定精度を高めるために、被測定物２から投射されるビーム光が曲げられた距離Ｂを相対的に大きくする必要があり、従って、被測定物２とスクリーン３間の距離Ａも大きくなる。そのため、測定に要する光学系が大きなものになってしまうと共に、スクリーン３に投射されるビーム径が大きくなり、前述の距離Ｂの微小な変動を読み取ることが困難であることから、測定精度の高い偏角測定が難しいという問題が生じていた。因みに、従来の偏角測定方法により得られる分解能は、被測定物２とスクリーン３との距離Ａ＝８ｍの時に、距離Ｂの判別可能距離＝２ｍｍとした際に、偏角θが、０．８６′程度である。
本発明は、上述したような問題を解決させるためになされたものであって、コンパクトな光学系を用いて測定精度の高い偏角測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係わる偏角測定装置及び方法は、以下の構成をとる。
請求項１記載の偏角測定装置は、測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光を集光しビーム化するレンズと、ビーム化した測定光の光軸上に配置した受光器と、前記受光器の光源側前面にスリット孔を有する遮光板と、該遮光板を移動するための駆動手段と、前記遮光板の移動量を検出する移動量検出手段とを備えており、前記レンズから出射する測定光の光軸上に被測定物を配置して該被測定物の光路偏角を測定するよう構成する。
【０００６】
請求項２記載の偏角測定装置は、前記遮光板をその主面が前記レンズから出射する測定光の光軸に対してほぼ直交するよう配置すると共に、前記主面に平行な方向に移動可能とするよう構成する。
【０００７】
請求項３記載の偏角測定装置は、前記スリット孔がその長手方向が前記遮光板の移動方向と直交するように形成されるよう構成する。
【０００８】
請求項４記載の偏角測定方法は、測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光を集光しビーム化するレンズと、ビーム化した測定光の光軸上に配置した受光器と、前記受光器の光源側前面にスリット孔を有する遮光板と、該遮光板を移動するための駆動手段と、前記遮光板の移動量を検出する移動量検出手段とを備えた偏角測定装置を用いて、前記レンズから出射する測定光の光軸上に戴置された被測定物の光路偏角を測定する方法であって、被測定物を前記偏角測定装置に戴置しない状態において、前記遮光板を移動させながらその移動量と前記受光器の出力とを測定し、前記受光器の出力が最大となったときの前記遮光板の位置を第一のピーク値として認識するステップと、被測定物を戴置した状態において、前記遮光板を移動させながらその移動量と前記受光器の出力とを測定し、前記受光器の出力が最大となったときの前記遮光板の位置を第二のピーク値として認識するステップと、被測定物を戴置した位置から前記受光器までの距離をＡとし前記第一のピーク位置から第二のピーク位置までの距離をＢとして、被測定物の偏角θを次式  θ＝ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）に基づいて算出するステップとを含むよう構成する。
【０００９】
請求項５記載の偏角測定装置は、測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光の光軸上に配置した角度プリズムと、該角度プリズムから出射した測定光の光軸上に配置した受光器とを備えており、前記光源から出射する測定光の光軸上に基準となる光学部品及び被測定物を順次配置して被測定物の偏角誤差を測定するよう構成する。
【００１０】
請求項６記載の偏角測定方法は、測定光を出射する光源と、該光源が出射した測定光の光軸上に配置した角度プリズムと、該角度プリズムから出射した測定光の光軸上に配置した受光器とを備えた偏角測定装置を用いて、前記光源から出射する測定光の光軸上に戴置された被測定物の偏角誤差を測定する方法であって、基準となる光学部品を前記偏角測定装置に戴置して、前記光源が出射する測定光を受光器に結像させた点を基準点とするステップと、被測定物を前記偏角測定装置に戴置して、前記光源が出射する測定光を受光器に結像させた結像点と前記基準点との間の距離を計測するステップと、計測した前記距離を基に基準となる光学部品が有する偏角に対する被測定物が有する偏角誤差を算出するステップとを含むよう構成する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る偏角測定装置及び方法の第一の実施形態を示す機能図である。本実施例は、測定光を出射する光源１と、光源１が出射する測定光を集光しビーム化するレンズ４と、測定光を入射し偏角を測定する被測定物２と、ビーム化した測定光の光軸上に配置した受光器５と、受光器５の光源側前面に配置しスリット孔６を有する遮光板７と、該遮光板７を固定したガイド８と、前記遮光板７を受光器５に平行に移動させるための動力となると共に移動量を認識するモータ９と、該モータ９に固定して前記ガイド８に設けた板状の歯に噛合い、遮光板７を移動させる歯車１０とにより構成する。又、遮光板７は、レンズから出射する測定光の光軸に対してほぼ直交するよう配置すると共に、受光器５に平行に移動する。
【００１２】
図１の動作を説明すると、光源１から出射される測定光は、レンズ４に入射して集光し、受光器５に結像するように光学系が調整されている。そこで、先ず、測定にあたって偏角測定のための測定系の基準データを得るため、被測定物を配置しない状態で遮光板７を移動させ、受光器５において検出する測定光の受光量を測定する。受光器５には、図示していないパソコン等が接続されており、遮光板７の移動量と受光量の測定データを入力してグラフ化し、基準データを出力する。
【００１３】
本実施例において使用している遮光板７は、例えば薄い金属プレート等の中央に、長さ６ｍｍ、幅０．１ｍｍ程度のスリット孔６を設けたものであり、この遮光板７を所定の間隔で受光器５に平行に移動させた際に、スリット孔６を通過する測定光の強度を受光器５により検出する。モータ９は、遮光板７を所定の間隔で移動させる際の動力源であり、このモータ９は、印加されるパルスによって回転する機能を有しており、パルスが入力される度に所定の間隔で回転すると共に、遮光板７の移動量を認識する。
【００１４】
そこで、モータ９には歯車１０が固定されており、モータ９が回転すると、この歯車１０と噛合っている板状のガイド８が所定のステップで移動し、従って、ガイド８に固定された遮光板７が、受光器５に平行に移動する。図１に示したスリット基点とスリット終点の範囲をスリット孔６は移動し、基準となる測定光が受光器５に結像する位置と、被測定物２が出射する測定光が受光器５に結像する位置とは、この移動範囲に含まれるものとする。
【００１５】
次に、基準データ採取後、被測定物２を偏角測定装置の所定の位置に配置し、基準データ採取時と同様に、スリット基点からスリット終点まで、モータ９へ入力するパルス数により制御される所定の間隔で遮光板７を移動させ、その時に受光器５で検出される受光量を測定する。受光器５には、図示していないパソコン等が接続されており、遮光板７の移動量と受光量の測定データを入力してグラフ化し、受光特性を出力する。
【００１６】
図２は、本発明に係わる偏角測定装置及び方法の第一の実施形態において、基準データと被測定データをグラフ化した図である。図２は、上述したように、被測定物を配置しない時（基準データ）と被測定物を配置した時（被測定データ）に、スリット孔をスリッド基点からスリット終点まで所定の間隔で移動させた時の、受光器が検出した受光量をグラフ化したものである。図２（ａ）は、スリット基点からスリット終点までに検出した受光量を示し、図２（ｂ）は、基準データと被測定データのピーク点を拡大したものである。図２（ｂ）の拡大図において、Ｌは、スリット孔を移動させる際のステップ距離を示す。そこで、基準データと被測定データのピーク値間の距離Ｂを求めると、距離Ｂは、被測定物を光学測定系に配置したことにより測定光が曲げられた距離を示し、従って、偏角θは、図１に示したように被測定物と受光器間の最短距離をＡとすると、
偏角θ＝ｔａｎ−１（Ｂ／Ａ）
により求めることが出来る。
【００１７】
本実施例における最小分解能は、距離Ａを１００ｍｍ、Ｌを１μｍと設定すると、約０．０４′が可能となり高精度な偏角測定が可能となると共に、被測定物と受光器間の距離を短縮することが出来ることから、コンパクトな偏角測定装置を構成可能である。
【００１８】
図３は、本発明に係る偏角測定装置及び方法の第二の実施形態を示す機能図である。本実施例は、測定光を出射する光源１と、測定光を入射し偏角を測定する被測定物２と、光源が出射した測定光の光軸上に配置した角度プリズム１１と、測定光を結像させる受光器となるＣＣＤカメラ１２とにより構成する。
図３の動作を説明すると、光源１が出射する測定光は、被測定物２に入射された後、角度プリズム１１に出射する。角度プリズム１１は、被測定物２において発生した光路偏角θを任意の倍率αで拡大するためのもので、角度プリズム１１に入射した測定光は、偏角がα倍拡大してＣＣＤカメラ１２に出射される。
【００１９】
次に、ＣＣＤカメラに出射した測定光を用いて具体的に偏角の計算方法を説明する。本実施例においては、被測定物の偏角を直接計測する目的のものではなく、基準となる光学部品の偏角と比較して被測定物の偏角がどの程度の微小な誤差を有しているかを精度良く計測するためのものである。そのため、偏角測定にあたって、先ず、偏角が既知である基準となる光学部品を被測定物の代わりに測定系に挿入して、測定光を基準となる光学部品に照射し、角度プリズムを経由してＣＣＤカメラのモニターの中心部に結像させ、この結像点を基準値とする。次に、基準となる光学部品に代え被測定物を測定系に挿入して、測定光を被測定物に照射し、角度プリズムを経由してＣＣＤカメラのモニターに結像させ、この結像点と既知である基準値との距離の差を計測することにより基準となる光学部品と被測定物との偏角の誤差を識別するものである。そこで、両者の偏角の差と、ＣＣＤカメラに結像した基準値と測定値と間の距離の関係がどのようになるか具体的な計算例を用いて説明する。
【００２０】
図４は、本発明に係わる偏角測定装置及び方法の第二の実施形態において、測定光が出射される様子を示す。
角度プリズムを挿入しない状態で、測定光が被測定物を透過し、ＣＣＤカメラに出射した際に測定光が曲げられた距離をＳ１、被測定物からＣＣＤカメラまでの距離をＬ１、その時の偏角をθ２−θ１とし、測定系に角度プリズムを挿入した状態で、測定光が被測定物を透過した後、角度プリズムを介してＣＣＤカメラに出射した際に測定光が曲げられた距離をＳ２、角度プリズムからＣＣＤカメラまでの距離をＬ４、及び、θ３、θ４、θ５を図４に示した角度とすると以下の関係式であらわすことが出来る。
Ｓ２＝Ｌ４×ｔａｎ（θ５−θ４）  ・・・・・（１）
又、大気の屈折率をｎ０、被測定物の屈折率をｎ１、角度プリズムの屈折率をｎ２とすると、
ｎ０×ｓｉｎθ５＝ｎ２×ｓｉｎ（θ４＋θ３）  ・・・・・（２）
ｎ２×ｓｉｎθ３＝ｎ０×ｓｉｎ（θ２−θ１）  ・・・・・（３）
ｎ０×ｓｉｎθ２＝ｎ１×ｓｉｎθ１  ・・・・・（４）
の関係式が成り立つので、式（１）、（２）、（３）、（４）よりθ５は、
θ５＝ｓｉｎ−１（（ｎ１／ｎ０）×ｓｉｎ（θ４＋ｓｉｎ−１（（ｎ０／ｎ２
）×ｓｉｎ（ｓｉｎ−１（（ｎ１／ｎ０）×ｓｉｎθ１）−θ１））））・・・・・（５）
により求められる。
【００２１】
そこで、先ず、測定系に基準となる光学部品を挿入した場合について、これを計算例Ａとして、Ｌ１＝１０００ｍｍ（Ｌ２＝５０ｍｍ、Ｌ３＝１０ｍｍ、Ｌ４＝９４０ｍｍ）、ｎ０＝１、ｎ１＝ｎ２＝１．５１、θ１＝１°、θ４＝３０°としθ５Ａを求めてみると、式（５）より
θ５Ａ≒４９．７０°
Ｓ２Ａは、式（１）より
Ｓ２Ａ≒３３６．５７ｍｍ
が求められる。
【００２２】
一方、次に被測定物を測定系に挿入し、これを計算例Ｂとして、  Ｌ１＝１０００ｍｍ（Ｌ２＝５０ｍｍ、Ｌ３＝１０ｍｍ、Ｌ４＝９４０ｍｍ）、ｎ０＝１、ｎ１＝ｎ２＝１．５１、θ１＝１．０５°、θ４＝３０°の場合について、同様にθ５Ｂを求めてみると、式（５）より
θ５Ｂ≒５６．５６°
Ｓ２Ｂは、式（１）より
Ｓ２Ｂ≒４６９．９ｍｍ
が求められる。従って、計算例ＡとＢの両者の差を求めると
Ｓ２Ｂ−Ｓ２Ａ＝１３３．３３ｍｍ
となり、基準となる光学部品の偏角に対して、被測定物の偏角が０．０５°（３′）の角度差を有する時に、Ｓ２の距離に換算すると１３３．３３ｍｍとなる。従って、上述したような計算例を基に各角度差に対するＳ２の距離が換算できるので、本測定系において、被測定物を挿入しＣＣＤカメラに測定光を結像させた際に、この結像点と前記基準点との距離を計測することにより、基準となる光学部品に対して被測定物の偏角がどの程度誤差を有しているかの計測が可能となる。
【００２３】
次に、本第二の実施形態が、従来の偏角測定方法の如く測定系に角度プリズムを挿入しない場合に比べ、どの程度分解能が改善されたかを説明する。
そこで、角度プリズムを挿入しない場合について、前述したような計算方法と同様に、図４を用いて角度差に対する距離を計算する。
測定光が被測定物を透過し、ＣＣＤカメラに出射した際に測定光が曲げられた距離をＳ１、被測定物からＣＣＤカメラまでの距離をＬ１、その時の偏角をθ２−θ１とすると以下の関係式であらわすことが出来る。
Ｓ１＝Ｌ１×ｔａｎ（θ２−θ１）  ・・・・・（６）
又、大気の屈折率をｎ０、被測定物の屈折率をｎ１とすると、
ｎ０×ｓｉｎθ２＝ｎ１ｓｉｎθ１  ・・・・・（７）
の関係式が成り立つので、式（６）、（７）よりＳ１は、
Ｓ１＝Ｌ１×ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｎ１×ｓｉｎθ１／ｎ０））  ・・・（８）
により求められる。
【００２４】
そこで、先ず、測定系に基準となる光学部品を挿入した場合について、これを計算例Ｃとして、Ｌ１＝１０００ｍｍ、ｎ０＝１、ｎ１＝１．５１、
θ１＝１°とし、Ｓ１Ｃを求めてみると、式（８）より
Ｓ１Ｃ≒２６．３６ｍｍ
が求められる。
【００２５】
一方、次に被測定物を測定系に挿入し、これを計算例Ｄとして、Ｌ１＝１０００ｍｍ、ｎ０＝１、ｎ１＝１．５１、θ１＝１．０５°の場合についてＳ１Ｄを求めてみると、式（８）より
Ｓ１Ｄ≒２７．６８ｍｍ
が求められる。従って、両者の差を求めると
Ｓ１Ｄ−Ｓ１Ｃ＝１．３２ｍｍ
となり、基準となる光学部品の偏角に対して、被測定物の偏角が０．０５°（３′）の角度差を有する時に、Ｓ１の距離に換算すると１．３２ｍｍとなる。従って、角度プリズムを挿入した場合の分解能に比べて大きく劣化している。
【００２６】
以上の計算結果より、角度θ４の角度プリズムを測定系に挿入することにより、偏角量に対する距離の関係が拡大し、より精度の高い偏角測定が可能となる。又、偏角量に対する距離の関係の拡大量は、角度プリズムのθ４の角度で調整することが可能である。
尚、第二の実施形態においては、結像点の距離の計測にＣＣＤカメラを使用したが、板状のスクリーンを用意し投射される結像点の距離を計測しても良い。
従って本第二の実施形態においても、コンパクトで高精度な偏角測定装置が実現出来る。
【００２７】
【発明の効果】
上述したように、請求項１及び４記載の発明は、受光器の前面にスリット孔を有する遮光板を設け、この遮光板を移動させて受光量のピーク値を求め、基準値とピーク値との距離を求めることにより高精度な偏角測定と、且つ、コンパクトな測定系を構成出来、光学部品の偏角を測定する上で著しい効果を発揮することが可能である。
【００２８】
請求項５及び６記載の発明は、測定系に角度プリズムを挿入することにより偏角が拡大され、基準となる光学部品が有する偏角に対して、被測定物が有する偏角の微小な誤差を高精度で計測でき、光学部品の偏角を測定する上で著しい効果を発揮することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏角測定装置及び方法の第一の実施形態を示す機能図である。
【図２】本発明に係わる偏角測定装置及び方法の第一の実施形態において、基準データと被測定データをグラフ化した図である。
【図３】本発明に係る偏角測定装置及び方法の第二の実施形態を示す機能図である。
【図４】本発明に係わる偏角測定装置及び方法の第二の実施形態において、測定光が出射される様子を示す。
【図５】従来の偏角測定装置の一例である。
【符号の説明】
１・・光源、                      ２・・被測定物、
３・・スクリーン、                ４・・レンズ、
５・・受光器、                    ６・・スリット孔、
７・・遮光板、                    ８・・ガイド、
９・・モータ、                  １０・・歯車、
１１・・角度プリズム、            １２・・ＣＣＤカメラ
【図１】
2004257882.tif 000003
【図２】
2004257882.tif 000004
【図３】
2004257882.tif 000005
【図４】
2004257882.tif 000006
【図５】
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