(57)【要約】 【課題】  高精度のくさび角度測定が可能で、ペア取得数の向上およびペア組合せ作業の効率化を可能にする、くさび角度測定ペア決定装置を提供すること。【解決手段】  レーザー光源２と、偏光板３と、ルチル偏光素子４のセット用治具を載せたステージ１と、ルチル偏光素子４を透過したレーザー光の輝点映像を写し出す輝点プレート５と、基準面からの高さが可変でレーザー輝点９，１０の映像を撮像するＣＣＤカメラ６と、レーザー輝点９，１０の位置からくさび角度を算出するコンピュータ７およびプログラム８とを有するくさび角度測定手段を備えると共に、設定した角度差以内にある偏光素子のペアを選択して群を形成しペア数を最大とするだけでなくペア数が最大となる群に対しては角度差の平均値を最小とするようにペアの群を決定するペア決定手段を備える。【選択図】  図１
2007010611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
くさび形光学部品のくさび角度測定手段と、前記くさび角度の測定データを保存する手段と、設定した角度差以内にある偏光素子のペアを選択して群を形成しペア数を最大とするだけでなくペア数が最大となる群に対しては角度差の平均値を最小とするようにペアの群を決定するペア決定手段と、決定されたペアの群のデータを管理する手段とを備えることを特徴とするくさび角度測定ペア決定装置。
【請求項２】
前記くさび角度測定手段は、レーザー光源と、偏光板と、くさび形光学部品のセット用治具を載せたステージと、前記くさび形光学部品を透過したレーザー光の輝点映像を写し出す輝点プレートと、基準面からの高さが可変で前記輝点映像を撮像するカメラと、前記輝点映像の位置からくさび角度を算出する処理装置とを備えることを特徴とする請求項１記載のくさび角度測定ペア決定装置。
【請求項３】
前記くさび角度測定手段は、前記輝点プレート上の輝点の位置座標、およびくさび形光学部品と輝点プレート間の距離から、２分法によりくさび角度を求めることを特徴とする請求項１または２記載のくさび角度測定ペア決定装置。
【請求項４】
前記ペア決定手段は、ｎ（自然数）個のくさび角度の測定値に対し、ｋ（１≦ｋ≦ｎ）番目の測定値について、定められた角度差以内にあるペア可能な測定値を角度差の小さい順に並べて１つの数列をつくり、すべてのｋについて全体でｎ個の数列をつくるステップと、ｎ個の測定値に可能なｎの階乗個の順列のすべてについて、各順列の１番目にある測定値から始めてｎ番目まで、順番に、すでにペアとして選択された測定値を除き角度差が最小となるペアの選択を繰り返すステップと、すべての順列のうち、最大のペア数を与える順列を定め、最大のペア数を与える順列が複数存在するときは、ペア間の角度差の平均値が最小となる順列を定めるステップとを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のくさび角度測定ペア決定装置。
【請求項５】
前記ペア決定手段は、ロット毎にペアの群を決定するだけでなく、１つのロット内でペアが形成されなかったくさび形光学部品についてロット間でペア選択を行う手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のくさび角度測定ペア決定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、くさび形光学部品測定ペア決定装置に関し、特に光アイソレータ用のくさび形偏光素子の製造に適したくさび角度測定ペア決定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光アイソレータなどに用いられるくさび形光学部品測定には、３次元測定器等、形状測定装置による測定が行われてきた。一般に、光学プリズムなどの２面間の角度を測定するのに、レーザービームを測定しようとする面に照射し、その界面での反射または屈折によって変化した角度に依存した受光点でのビームスポットの位置変化を計測して角度を求める方法が、光学素子の面間の角度測定によく用いられている（たとえば特許文献１）。
【０００３】
ところで、１対のくさび形偏光素子を用いた偏光無依存型光アイソレータのように、くさび角度が高精度で等しい偏光素子同士で組合せが決定される製品については、測定した角度データを基に人がそのペアを選択する作業を繰り返し最適な組合せを見出していた。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３０４０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
３次元測定器等、形状測定装置による測定では、偏光素子の寸法によって、倍率が制限されて検査精度が左右されていた。また、汎用の形状測定装置のため、測定器自体の価格も高いものになっていた。さらに測定操作は人手によるため、測定時間が掛かっていた。したがって、本発明の目的は、偏光素子の寸法に制限されない検査精度と、安価で測定時間の短い角度測定技術の提供にある。
【０００６】
さらに、角度のよく揃ったペアで使用する偏光素子の場合、測定した角度データを基に人が組合せを行うと、組合せの母数が多くなったときには、組合せの判断に多くの時間を要し、角度誤差が最小でかつ、組合せ不可能な残存率（ペアを形成できない偏光素子数の投入数に対する割合）を最小とするには、熟練した技能が要求されていた。そのようにしても、一例として、１００個の偏光素子に対して、４２組（８４個）については、ペアを形成できるが、残り１６個については、所定の角度差内にあるペアを形成することができないという状況があった。そこで、本発明の他の目的は、ペア取得数の向上およびペア組合せ作業の効率化と簡便化を図ることにある。
【０００７】
すなわち、本発明の課題は、高精度のくさび角度測定が可能で、ペア取得数の向上およびペア組合せ作業の効率化を可能にする、くさび角度測定ペア決定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、測定する偏光素子をセットするステージと、レーザー光を照射するためのレーザー光源と、偏光板と、屈折して透過したレーザー光の輝点が写るプレートと、そのプレートを撮像するＣＣＤカメラと、輝点の位置を画像処理によって自動認識するためのコンピュータおよびプログラムから構成され、輝点の位置からプログラムによる演算で、偏光素子に加工されたくさび角度を算出し、さらに、測定した角度データはコンピュータに蓄積され、そのデータを基に角度誤差が最小となり、かつ組合せ不可能な残存率が最小となる組合せをコンピュータプログラムによって自動的に組合せ処理するものである。
【０００９】
すなわち、本発明のくさび角度測定ペア決定装置は、くさび形光学部品のくさび角度測定手段と、前記くさび角度の測定データを保存する手段と、設定した角度差以内にある偏光素子のペアを選択して群を形成しペア数を最大とするだけでなくペア数が最大となる群に対しては角度差の平均値を最小とするようにペアの群を決定するペア決定手段と、決定されたペアの群のデータを管理する手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
前記くさび角度測定手段は、レーザー光源と、偏光板と、くさび形光学部品のセット用治具を載せたステージと、前記くさび形光学部品を透過したレーザー光の輝点映像を写し出す輝点プレートと、基準面からの高さが可変で前記輝点映像を撮像するカメラと、前記輝点映像の位置からくさび角度を算出する処理装置とを備えるとよい。
【００１１】
前記くさび角度測定手段では、前記輝点プレート上の輝点の位置座標、およびくさび形光学部品と輝点プレート間の距離から、２分法によりくさび角度を求めるとよい。
【００１２】
前記ペア決定手段は、ｎ（自然数）個のくさび角度の測定値に対し、ｋ（１≦ｋ≦ｎ）番目の測定値について、定められた角度差以内にあるペア可能な測定値を角度差の小さい順に並べて１つの数列をつくり、すべてのｋについて全体でｎ個の数列をつくるステップと、ｎ個の測定値に可能なｎの階乗個の順列のすべてについて、各順列の１番目にある測定値から始めてｎ番目まで、順番に、すでにペアとして選択された測定値を除き角度差が最小となるペアの選択を繰り返すステップと、すべての順列のうち、最大のペア数を与える順列を定め、最大のペア数を与える順列が複数存在するときは、ペア間の角度差の平均値が最小となる順列を定めるステップとを備えるとよい。
【００１３】
前記ペア決定手段は、ロット毎にペアの群を決定するだけでなく、１つのロット内でペアが形成されなかったくさび形光学部品についてロット間でペア選択を行う手段を備えるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、レーザー光を直接、測定する偏光素子に照射し、輝点の位置からくさび角度を算出するもので、偏光素子と輝点の距離を長く取ることで測定精度を高めることが可能となり、偏光素子の寸法には左右されない。また、測定に要する時間は、偏光素子をステージにセットした後は、約０．１秒以下で終了することができる。したがって、汎用の形状測定装置と比較して、安価に高精度な角度測定を高速に行うことが可能となる。
【００１５】
また、組合せ処理もコンピュータプログラムが自動で行うため、専門の技能は必要とせず、高速に組合せ処理を行うことが可能となり、生産効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るルチル偏光素子のくさび角度測定装置を示し、図１（ａ）は全体構成を示す模式図、図１（ｂ）は輝点プレート上の輝点を示す正面図である。本装置は、偏光素子をセットするための、ＸＹＺΘ軸が微調整可能なステージ１、偏光素子にレーザー光を照射するためのレーザー光源２、偏光板３、ルチル偏光素子４を透過して屈折したレーザー光の輝点を写すための輝点プレート５、輝点プレートを撮像するためのＣＣＤカメラ６、画像処理および演算を行うためのコンピュータ７とプログラム８で構成される。
【００１７】
レーザー光源２から照射されたレーザー光は、ステージ１にセットされたルチル偏光素子４で屈折され輝点プレート５に写し出される。このとき輝点はルチルの複屈折により２つ生じ、２つの輝点が均一に写る様に偏光板３で調整する。輝点プレート５に写し出されたレーザー輝点９，１０を、ＣＣＤカメラ６で撮像し、コンピュータ内のプログラムによって画像処理を行い、画像上の輝点の位置からルチル偏光素子のくさび角度を算出するものである。なお、レーザー輝点９および１０については、一方だけの座標を使用して、くさび角度の算出を行ってもよく、両方の座標を使用することで、測定精度を上げてもよい。
【００１８】
[角度測定原理]  図２は、本発明の一実施の形態での角度測定原理を示し、図２（ａ）はルチル偏光素子を示す斜視図、図２（ｂ）はルチル偏光素子を通過したレーザー光の輝点位置を示す光学図である。図２（ｂ）は複屈折媒質に対する場合であるが、常光および異常光の両方に対してスネルの法則が成立する場合である。この関係式を利用することで、くさび角度θｘのルチル偏光素子にレーザーを入射した時に屈折によって写し出されるレーザー輝点の座標（Ｘ，Ｙ）から、逆算によってくさび角度θｘを求めることができる。
【００１９】
[くさび角度算出方法]  本装置のようなくさび角度測定アルゴリズムにはニュートン法や２分法を用いて角度測定算出を行うことができるが、本実施の形態における角度測定では、ニュートン法よりも安定性のある２分法を用いている。以下に、くさび角度測定方法の具体的プロセスを説明する。
【００２０】
図２（ｂ）は、ルチル偏光素子を図２（ａ）で示すところのＡ視から見たものである。この図に基づいて説明する。
【００２１】
カメラ視野範囲の上端とＸ軸原点間の距離Ｘ０は基準ワーク（角度が既知のルチル偏光素子）を用いることによる測定系の校正を行うことで、既知になっているものとする。ここで、画像処理によって得られるのは座標値Ｘ１であり、Ｘ１から出射角θｙ２を求める。
【００２２】
θｙ２＝ｔａｎ-1（Ｘ０＋Ｘ１）／Ｌ  
【００２３】
スネルの法則は、ｎ０・ｓｉｎθｘ＝ｎ１・ｓｉｎθｙ１であり、ｎ０＝１であるから、以下の関係式が成立する。
【００２４】
ｓｉｎθｙ２＝ｎ１・ｓｉｎ（θｘ−θｙ１）  ……（１）
ｓｉｎθｙ１＝（ｓｉｎθｘ）／ｎ１         ……（２）                                
【００２５】
（１）式の右辺に加法定理を適用して展開すると、
ｓｉｎθｙ２＝ｎ１（ｓｉｎθｘ・ｃｏｓθｙ１−ｃｏｓθｘ・ｓｉｎθｙ１）
＝ｎ１{ｓｉｎθｘ・(１−ｓｉｎ２θｙ１）1/2−ｃｏｓθｘ・ｓｉｎθｙ１}
＝ｎ１[ｓｉｎθｘ・（１−ｓｉｎ２θｙ１）1/2−（１−ｓｉｎ２θｘ）1/2・ｓｉｎθｙ１]
（２）式を代入すると、
ｓｉｎθｙ２＝ｎ１[ｓｉｎθｘ・｛１−（（ｓｉｎθｘ）／ｎ１)2｝1/2−（１−ｓｉｎ2θｘ）1/2（ｓｉｎθｘ）／ｎ１｝
＝ｎ１・ｓｉｎθｘ[｛１−（（ｓｉｎθｘ）／ｎ１)2｝1/2−（１−ｓｉｎ２θｘ)1/2／ｎ１]
＝ｎ１・ｓｉｎθｘ｛（ｎ１２−ｓｉｎ２θｘ）1/2／ｎ１−（１−ｓｉｎ２θｘ)1/2  ／ｎ１｝
＝ｓｉｎθｘ｛（ｎ１２−ｓｉｎ２θｘ）1/2−（１−ｓｉｎ２θｘ）1/2｝  ……（３）
となる。ここで、
ｘ＝ｓｉｎθｘ      ……（４）
ｙ＝ｓｉｎθｙ２     ……（５）
とおくと、（３）式は、
ｙ＝ｘ｛（ｎ１2−ｘ2)1/2−（１−ｘ2）1/2｝、となる。両辺を入れ換えて両辺からｙを引くと、ｘ｛（ｎ１2−ｘ2)1/2−（１−ｘ2)1/2｝−ｙ＝０、
ここで、ｆ（ｘ）＝ｘ｛（ｎ１２−ｘ2)1/2−（１−ｘ2)1/2｝−ｙ、とおくと、
ｆ（ｘ）＝０の解ｘansを求めることで、（４）式からくさび角度θｘが求まる。そのとき、ｆ（ｘ）＝０の解ｘansを求めるには２分法を用いる。
【００２６】
［２分法］  以下に２分法について述べる。ｆ（ｘ）＝０の解が存在すると考えられる区間（ａ，ｂ）について、ｆ（ｘ）の符号を調べながら、次第に区間の幅を狭めていく方法を区間縮小法と呼ぶ。区間幅の縮小の仕方は色々考えられるが、最も単純な方法は２分の１ずつに縮小していく方法で、これが２分法である。
【００２７】
２分法は、関数ｆ（ｘ）が連続関数であるとき、ｆ（ａ）＜０、かつ、ｆ（ｂ）＞０なら、ｆ（ｘans）＝０となる解ｘansが区間（ａ，ｂ）に存在するという事実を用いている。
【００２８】
解を求める手順は、以下のようになる。
（１）探索区間（ａ，ｂ）を与える。ここで、解が存在する範囲をａ＝０、ｂ＝１／（２1/2）とした。
（２）探索区間幅ｄ＝｜ｂ−ａ｜とする。
（３）ｘ０＝ｂとする。
（４）ｘ１＝ｆ（ｘ０）を計算する。
（５）ｘ１＞０のとき、ｘ０＝ｘ０−ｄ／２  、ｄ＝ｄ／２、とする。
ｘ１＜０のとき、ｘ０＝ｘ０＋ｄ／２  、ｄ＝ｄ／２、とする。
（６）もし、収束条件：｜ｘ１｜＜ｘ０／１００００００ならば、解ｘans＝ｘ０、そうでないならば、（４）へ戻る。なお、収束条件ｘ０／１００００００の含む誤差は、０．１６２”（０．１６２秒）に相当する。
【００２９】
上記の手順を繰り返すことで、解ｘans＝ｘ０が求まる。したがって、２分法から求めた解ｘansを（４）式に代入すると、くさび角度θｘはθｘ＝ｓｉｎ-1ｘansと求めることができる。
【００３０】
次に、前述した角度測定方法によって測定した偏光素子の角度データが、ペアの群を形成するのに、どのように組合せ処理されるかについて説明する。測定者が測定したデータは測定順にコンピュータ内部に測定結果ファイルとして保存される。そのファイルに基づくｎ（自然数）個のくさび角度の測定値に対し、ｋ（１≦ｋ≦ｎ）番目の測定値について、定められた角度差以内にあるペア可能な測定値を角度差の小さい順に並べて１つの数列をつくり、すべてのｋについて全体でｎ個の数列をつくるステップと、ｎ個の測定値に対して可能なｎの階乗個の順列のすべてについて、各順列の１番目にある測定値から始めてｎ番目まで、順番に、すでにペアとして選択された測定値を除き角度差が最小となり、かつ所定の角度差の範囲内にあるペアの選択を繰り返すステップと、すべての順列のうち、最大のペア数を与える順列を定め、最大のペア数を与える順列が複数存在するときは、ペア間の角度差の平均が最小となる順列を定めるステップとを経て、ペアの群を決定する。
【００３１】
具体的には、たとえば、図３のフローに示す組合せ形成処理を行うことで、プログラムは自動的にくさび角度の組合せを決定して、組合せリスト結果ファイルを生成する。図３において、組合せリストの生成ステップ３１では、ワーク（偏光素子）の１〜ｎまで、組合せ可能な相手のリストを組合せ角度差（組合せた角度の誤差）が小さい順に生成する。たとえば、１００個のワークの場合、最大１００Ｃ２件（４９５０件）のペアの可能性がある。また、組合せのパターンを決定するステップ３２では、確定した組合せ数が最も多く、かつ組合せ角度差平均値が最小のパターンとする。
【００３２】
組合せリスト結果ファイルには、組合せるべき測定番号と組合せ対象の測定番号が自動的に表示される。したがって、測定者は角度の組合せリスト結果ファイルに表示された番号にしたがって、ただ機械的に組合せ作業を行うのみでよいことになる。つまり、測定者は組合せの判断に時間を要せず、表示にしたがって効率的に作業を行うことができる。ここで重要な点は、図３に示された組合せ形成処理フローであり、これによって、組合せ数が最大かつ組合せ角度差平均値が最小となるものを組合せとする様に組合せを選択する工夫をしており、組合せ不可能な残存率を低く抑えることが可能となる。
【００３３】
次に本実施の形態で得られた結果の詳細を説明する。本発明によるくさび角度測定ペア決定装置（本装置）と従来装置とで、同じ測定者が、くさび角度が５°７．５’（５度７．５分）で既知の偏光素子をセットし直して１０回測定した時の繰り返し精度を確認した。
【００３４】
その時の本装置の繰り返し精度と従来装置の繰り返し精度をそれぞれ表１と表２に示す。
【００３５】
【表１】
2007010611.tif 000003
【００３６】
【表２】
2007010611.tif 000004
【００３７】
上の表から、本装置において、同一偏光素子をセットし直した場合には、くさび角度のバラツキは３σで、本装置の場合０．１３’（＝７．８”（７．８秒））であり、これに対して従来装置の場合は０．２９’（＝１７．４”）である。よって本装置は従来装置に比べて、繰り返し精度が向上していることが分かった。
【００３８】
[くさび角度の組合せ選択処理における残存率の比較]  以下の表に、同一作業者が従来装置と本装置とで角度測定を行い、その後に組合せ選択処理を行った場合の、本装置と従来装置における組合せ選択処理後の偏光素子の残存率（残存数／投入数）をそれぞれ表３、表４に示す。また、本装置と従来装置の残存率比較図を図４に示す。
【００３９】
さらに、従来装置と本装置とで、作業者が角度測定と組合せ選択に要した作業時間の比較を表５に示す。
【００４０】
【表３】
2007010611.tif 000005
【００４１】
【表４】
2007010611.tif 000006
【００４２】
【表５】
2007010611.tif 000007
【００４３】
上の表３、表４および図４のように、従来装置と本装置において組合せ選択処理後の残存率が１６．４％から３．３％と低くなったことが確認できる。これは、本装置がコンピュータを用いて自動的に組合せ選択処理を行ったことによるものと言える。なぜなら、従来は測定者が組合せ決定のときに、組合せの件数が最大となるような組合せを実質的には考慮していないのに対し、本装置はコンピュータによる組合せ選択処理で、組合せ数が最大でかつ組合せ角度差平均値が最小のものを組合せ決定の条件として考慮しているからである。また、表５より作業時間も３分の１に短縮されていることが確認できる。
【００４４】
以上に述べてきたように、本発明による角度測定装置によれば、画像処理を用いて自動で角度測定を行うことで測定精度の向上が可能になる。さらに、角度の組合せ選択処理においては、コンピュータを用いたことで、これまでの様に作業者が組合せ選択に時間を要することがなく、測定に熟練技術を必要とせず、作業時間が短縮された。したがって、本発明によって角度測定組合せ作業の効率化と簡便化ができた。
【００４５】
ところで、１つのロット内でペアが形成できず、残存した偏光素子を集めて、その集合について、１つのロット内でペアを選択するのと同様の方法によりペアを形成すれば、さらに、使用できるペア数を増やすことができる。
【００４６】
以上の実施の形態は複屈折物質であるルチル偏光素子のペアを決定する場合であったが、等方性の透明物質からなるプリズムなどで、プリズム角度が高精度で等しいペアを形成して使用する用途などに対しても、本発明の角度測定とペア決定の組合せ装置を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るルチル偏光素子のくさび角度測定装置を示し、図１（ａ）は全体構成を示す模式図、図１（ｂ）は輝点プレート上の輝点を示す正面図。
【図２】本発明の一実施の形態での角度測定原理を示し、図２（ａ）はルチル偏光素子を示す斜視図、図２（ｂ）はルチル偏光素子を通過したレーザー光の輝点位置を示す光学図。
【図３】組合せ形成処理フロー図。
【図４】残存率の比較図。
【符号の説明】
【００４８】
１    ステージ
２    レーザー光源
３    偏光板
４    ルチル偏光素子
５    輝点プレート
６    ＣＣＤカメラ
７    コンピュータ
８    プログラム
９，１０    レーザー輝点
３１，３２    ステップ
【図１】
2007010611.tif 000008
【図２】
2007010611.tif 000009
【図３】
2007010611.tif 000010
【図４】
2007010611.tif 000011