JP4776454B2 - 追尾式レーザ干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、移動体を追尾しながら、該移動体の変位や位置を高精度に測定するための追尾式レーザ干渉計に係る。特に、被測定体であるレトロリフレクタに向けてレーザビームを照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用してレトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計の改良に関する。

被測定体であるレトロリフレクタに向けてレーザビームを照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用してレトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計が知られている。

例えば特許文献１には、図１（全体構成）及び図２（レーザ干渉計の詳細構成）に示す如く、被測定体であるレトロリフレクタ１０と、基準球１２の中心Ｃとの相対的な変位を測定するための追尾式レーザ干渉計が記載されている。

このレーザ干渉計は、基準球１２と、該基準球１２の中心Ｃを中心として回転するようにされたキャリッジ１４と、該キャリッジ１４上に設けられた、光源（図示省略）を含むレーザ干渉計１６と、測定光を基準球１２の中心Ｃ若しくは表面を焦点とするように集光する集光レンズ１８とを備えている。

このような構成において、図２に示す如く、光源から出射された光線は、光ファイバ２０及びコリメータレンズ２２を介して無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）２４に入射され、該ＮＰＢＳ２４により一部が反射され、偏光板２６及び光ファイバ２８を介して、光ファイバ内のクロストークを補償するための光参照計数信号として光検出器（図示省略）に導かれる。又、前記ＮＰＢＳ２４を透過した光は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０により２つに分けられる。一方は、直進して、測定光との干渉光を得るための参照光となる。他方は、ＰＢＳ３０で反射され、１／４波長（λ／４）板３２及び前記集光レンズ１８を介して、測定光として前記基準球１２の中心Ｃ又は表面に向けて出射される。

該基準球１２の表面で反射された測定光は、前記集光レンズ１８、λ／４板３２、ＰＢＳ３０、λ／４板３４、ＮＰＢＳ３６を経て、前記レトロリフレクタ１０に向かう。

該レトロリフレクタ１０で反射した測定光は、レーザ干渉計１６に再び入射する。レーザ干渉計１６に入射した測定光の一部は、前記ＮＰＢＳ３６で反射され、位置検出器（ＰＳＤ）３８に入射する。又、残りの一部は、前記λ／４板３４、ＰＢＳ３０、偏光板４０、光ファイバ４２を経て、前記参照光と干渉して前記光検出器に入射する。

光検出器の出力は、入射した干渉光の干渉縞に応じて変化するので、該光検出器の出力を用いて、基準球１２の中心Ｃを基準としたレトロリフレクタ１０の変位を測定することができる。

高精度な基準球１２の表面は、基準球１２の中心Ｃからの距離が高い精度で一定であるので、レーザ干渉計１６がレトロリフレクタ１０を追尾して基準球１２の中心Ｃの周りに回動した場合でも、基準球１２の中心Ｃを基準としたレトロリフレクタ１０の変位を、高精度に測定することができる。

一方、レトロリフレクタ１０に対する追尾は、次のようにして行なわれる。即ち、レーザ干渉計１６に入射した測定光は、一部がＰＳＤ３８に入射するが、このＰＳＤ３８上の測定光の位置を常に一定するようにキャリッジ１４の位置を制御することにより、レトロリフレクタ１０を自動的に追尾することができる。これは、測定光の光軸と垂直な方向のレトロリフレクタ１０の変位に応じて、ＰＳＤ３８に入射する測定光の位置が変位することを利用しており、レトロリフレクタ１０が測定光の光軸と垂直な方向に変位すると、レトロリフレクタ１０から戻ってくる測定光の光軸が平行に変位することによる。

又、特許文献２には、図３に示す如く、基準となる逆反射体１０６と、ターゲットである逆反射体（レトロリフレクタ）１１０との相対的な変位を測定するための追尾式レーザ干渉計が記載されている。

このレーザ干渉計は、固定位置に配設された第１の逆反射体１０６と、移動体に配設された第２の逆反射体１１０と、前記第１の逆反射体１０６を中心に直交するＸ軸及びＹ軸の周りにそれぞれ回転自在な回転部１０８と、レーザ光源（図示省略）から発振されたレーザビームを前記回転部１０８の回動に拘わらず、該回転部１０８に導く手段と、前記回転部１０８に固定配設された複数の光学部品（λ／４板１４８、１６４、プリズム１５０、１５２、１５８、１６０、１６２、ＰＢＳ１５４）からなる光学系と、を備える。

この光学系は、回転部１０８に導かれたレーザビームをＰＢＳ１５４で分割し、分割した一方のレーザビームを前記Ｘ軸と直交する光路を経由して前記第１の逆反射体１０６に入射させると共に、他方のレーザビームを前記光路の延長上に出射して前記第２の逆反射体１１０に入射させ、前記第１及び第２の逆反射体１０６、１１０からの反射光を、それぞれ得ることができるようにされている。

更に、前記光学系を介して得られる２つの反射光の干渉に基づいて、前記第２の逆反射体１１０の移動量を検出する検出部（図示省略）と、前記回転部１０８に固定配設され、前記第２の逆反射体１１０からの反射光の一部が入射され、前記第２の逆反射体１１０に入射するレーザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段としての４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）１１２と、該位置検出手段からの位置信号に基づいて前記ずれ量がゼロになるように前記回転部１０８のＸ軸及びＹ軸周りの回転位置を制御する制御手段（図示省略）とを備えている。

又、特許文献３には、前記基準球の代わりに、干渉光学系の光路中に首振り運動光てこを設け、該首降り運動光てこの反射面の中心にレーザ光線を入射し、首振り運動光てこを制御することにより、その反射光線を任意の方向に変化可能とし、反射光線を計測対象であるレトロリフレクタに照射して追尾するようにした光線追尾式レーザ干渉測長器が記載されている。

米国特許第６１４７７４８号明細書 特許第２６０３４２９号公報 特開２００２−９８５１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、（１）測定光が基準球１２の中心Ｃを焦点とするように集光される場合は、回転機構のランアウト（回転機構が回転する際に回転機構上のある点が描く、実際の軌跡と理想的な軌跡との偏差）に対して影響を受け易いという問題点がある。即ち、回転機構のランアウトにより測定光の焦点の中心がＣの位置からずれると、光検出器から生じる信号のＳ／Ｎが悪くなり、変位測定が不可能になってしまう。このため、回転機構のランアウトの影響を受け易い。又、（２）基準球１２の表面を焦点とする場合は、基準球表面の疵や埃の影響を受け易く、特に、焦点の径が小さい程、小さな疵や埃の影響を受け易いという問題点を有する。

又、特許文献２の技術においても、基準球として、金属球や金属コートされたガラス球を使用する場合は、特許文献１と同様に、（１）基準球の中心を焦点とする場合、回転機構のランアウトに対してロバストでなく、（２）基準球の表面を焦点とする場合、基準球表面の疵や埃の影響を受け易いという問題点を有する。

又、基準球として屈折率２．０の材質で作成された球を使用する場合は、上記（２）の問題点に加えて、そのような球が一般的には販売されていないので、基準球の価格が高く、入手が困難であるという問題点を有する。

更に、特許文献３に記載の技術では、レーザビームの中心とミラーの回転中心とが一致していない場合、この誤差が測長の誤差の要因となるが、レーザビームの中心位置を高精度に測定することは困難なため、これをミラーの回転中心と高精度に一致させることは困難である。又、引っ張りばねの張力で鋼球と半球を加圧的に着座させているため、３点球面座の鋼球とミラーの半球部分との摩擦が大きくなってしまい、精密な制御が困難である。更に、高精度な球は製作が比較的容易であるが、高精度な半球は高価であり、半球形状のミラーの製作のコストが高くつくという問題点を有する。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、回転機構のランアウトに対してロバストで、且つ、基準球表面の疵や埃の影響を受け難く、更に、比較的安価な基準球を使用することができる追尾式レーザ干渉計を提供することを目的とする。

本発明は、被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用してレトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計において、固定配設された基準球と、該基準球の中心を中心として回動するようにされたキャリッジと、該キャリッジ上に設けられた、前記レトロリフレクタの変位に応じた変位信号を出力するレーザ干渉計、及び、前記基準球と変位計との相対的な変位に応じた変位信号を出力する変位計と、該変位計が出力する変位信号と、レーザ干渉計が出力する変位信号とから、基準球を基準としたレトロリフレクタの変位を算出するデータ処理装置と、前記レトロリフレクタから反射されてレーザ干渉計に戻ってくるレーザビームが、その光軸と直交する方向にずれたとき、そのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号に基づいて、前記ずれ量がゼロになるようにキャリッジの回動を制御する制御手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。

前記レーザ干渉計は、マイケルソン干渉計とすることができる。

前記変位計を、前記基準球の両側に設けて、温度変動の影響を受けないようにすることができる。

前記変位計は、静電容量式変位計又は過電流式変位計とすることができる。

前記基準球は、金属製とすることができる。

前記位置検出手段は、４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）又は２次元位置検知形検出器（ＰＳＤ）とすることができる。

本発明によれば、基準球と変位計の相対的な変位に応じた変位信号を出力する変位計をキャリッジ上に設けて、該変位計とレーザ干渉計を併用して距離を測定するようにしたので、回転機構のランアウトの影響を原理的に受けず、回転機構のランアウトに対して非常にロバストである。又、基準球表面にはレーサビームを照射しないので、基準球表面の疵や埃に対してロバストである。更に、比較的安価な基準球を使用することができる。

以下図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図４（全体図）、図５（要部の斜視図）及び図６（干渉計部分の光路図）に示す如く、固定配設された基準球２１２と、該基準球２１２の中心Ｃを中心として回動するように設計されたキャリッジ２１４と、該キャリッジ２１４上に設けられた、被測定体であるレトロリフレクタ２１０の変位に応じた変位信号を出力するレーザ干渉計２１６、及び、基準球２１２と変位計との相対的な変位に応じた変位信号を出力するための、レーザビームと同軸上に、且つ、基準球２１２を挟んで、その両側に対向するように配設された変位計２１８、２１９と、該変位計２１８、２１９が出力する変位信号と、前記レーザ干渉計２１６が出力する変位信号とから、基準球２１２を基準としたレトロリフレクタ２１０の変位を算出するデータ処理装置２５０（図５）と、前記レトロリフレクタ２１０から反射されてレーザ干渉計２１６に戻ってくるレーザビームが、その光軸と直交する方向に移動したとき、そのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段であるＱＰＤ２３８（図６）と、前記位置検出手段からの位置信号に基づいて、前記ずれ量がゼロになるようにキャリッジ２１４の回動を制御する制御手段であるＸ軸モータ２５２Ｘ及びＹ軸モータ２５２Ｙとを備えている。

前記変位計２１８、２１９としては、例えば静電容量式変位計や渦電流式変位計を使用することができる。これらの変位計は、センサの有効面積が埃や疵の大きさと比較して大きく、センサの横分解能が比較的低いので、基準球２１２表面上の埃や疵の影響を受け難い。なお、変位計２１８、２１９として、ファイバセンサや各種接触式の変位センサを使用することもできる。

前記基準球２１２としては、市販の金属製の球を使用することができる。この球は工業的に広く使われており、特許文献２で用いられている屈折率２．０の材質で製作した球と比較して、圧倒的に安価である。なお、基準球２１２は、金属製の他、セラミックス製、半導体製、ガラス製又は金属コーティングされた球を使用することもできる。但し、渦電流センサを変位センサとして使用する場合は、金属製か金属コーティングされた球を使用する必要がある。

前記ＱＰＤ２３８は、二次元ＰＳＤであっても良い。

図５において、２６０は、キャリッジ２１４をＹ軸周りに回動自在に支持する支持枠、２６２は、該支持枠２６０をＸ軸周りに回動自在に支持するベースであり、図６において、２２０は、光源（図示省略）からの光をレーザ干渉計２１６に入射するための光ファイバ、２２２はコリメータレンズ、２３０はＰＢＳ、２２６はλ／４板、２３６はＮＰＢＳ、２４０は偏光板、２７０は、参照光を反射するための平面鏡、２７２は、干渉光の強度を検出するための光検出器である。

以下、変位の測定方法を詳細に説明する。

位置の基準点として使用する、固定された基準球２１２とレトロリフレクタ２１０との間の長さの変化量（変位）ΔＬは、次式により算出する。

ΔＬ＝（ΔＬ₂−ΔＬ₃）／２＋ΔＬ₁ …（１）

ここで、ΔＬ₁は、前記レーザ干渉計２１６を用いて計測された、レーザ干渉計２１６とレトロリフレクタ２１０との相対的な変位（距離が増える向きを＋とする）である。又、ΔＬ₂は、レーザ干渉計２１６と基準球２１２との間に設置された変位計２１８と基準球２１２の表面との相対的な変位（距離が増える向きを＋とする）である。又、ΔＬ₃は、変位計２１９と基準球２１２の表面との相対的な変位（距離が増える向きを＋とする）である。

高精度な基準球２１２の表面は、基準球２１２の中心Ｃからの距離が高い精度で一定であるので、キャリッジ２１４がＣを中心として回動した場合でも、基準球２１２の中心Ｃを基準としたレトロリフレクタ２１０の変位を高精度に測定することができる。

前記ΔＬ₁の測定は、図６に示した如く、レトロリフレクタ２１０を被測定体とした公知のマイケルソン干渉計による測定方法で測定することができる。

即ち、図に示さない光源から光ファイバ２２０に入射させ、コリメータレンズ２２２から出射された光線は、一部が参照光として使用され、残部が測定光として使用される。

参照光は、ＰＢＳ２３０を透過し、平面鏡２７０で反射され、ＰＢＳ２３０で反射されて光検出器２７２に向かう。

一方、ＰＢＳ２３０で最初に反射された測定光は、レトロリフレクタ２１０に向かう。該レトロリフレクタ２１０で反射した測定光は、レーザ干渉計２１６に戻って入射し、その一部はＮＰＢＳ２３６で反射されてＱＰＤ２３８に入射する。又、ＮＰＢＳ２３６を透過した測定光は、前記参照光と干渉して光検出器２７２に入射する。

該光検出器２７２の出力は、入射した干渉光の干渉縞の強度に応じて変化するので、該光検出器２７２の出力を用いて、レーザ干渉計２１６とレトロリフレクタ２１０との相対的な変位ΔＬ₁を測定することができる。

又、前記レトロリフレクタ２１０の自動的な追尾は、特許文献１や２に示された方法と同じ方法で行なわれる。

即ち、レーザ干渉計２１６に入射した測定光は、一部がＱＰＤ２３８に入射するが、このＱＰＤ２３８上の測定光の位置を、いつも一定とするように、モータ２５２Ｘ、Ｙを回転してキャリッジ２１４の位置を制御することにより、レトロリフレクタ２１０を自動的に追尾することができる。これは、測定光の光軸に対し垂直な方向のレトロリフレクタ２１０の変位に応じて、ＱＰＤ２３８に入射する測定光の位置が変位することを利用している。即ち、レトロリフレクタ２１０が測定光の光軸に対して垂直な方向に変位すると、レトロリフレクタ２１０から戻ってくる測定光の光軸が平行に変位するので、ＱＰＤ２３８からデータ処理装置２５０に出力される位置信号を、いつも一定とするようにＸ軸モータ２５２Ｘ及びＹ軸モータ２５２Ｙを駆動することにより、レトロリフレクタ２１０を自動的に追尾する。

本実施形態において、変位計２１８、２１９を基準球２１２の両側に設けているのは、変位計２１８、２１９の温度ドリフトを補償するためである。即ち、変位計２１８と２１９で温度ドリフトの傾向が同じであれば、（１）式で求めた変位ΔＬは、変位計の温度ドリフトの影響を受けない。例えば、変位計２１８で計測した変化量ΔＬ₂に温度ドリフトによる誤差ΔＤが生じ、ΔＬ₂＋ΔＤとなったとする。変位計２１８と２１９で温度ドリフトの傾向が等しいとすると、このとき、変位計２１９で計測した変位量ΔＬ₃も温度ドリフトによる同じ誤差が生じ、ΔＬ₃＋ΔＤとなる。このとき、ΔＬは、次式のようになるので、ΔＬは変位計の温度ドリフトの影響を受けない。

ΔＬ＝｛ΔＬ₂＋ΔＤ−（ΔＬ₃＋ΔＤ）｝／２＋ΔＬ₁
＝（ΔＬ₂−ΔＬ₃）／２＋ΔＬ₁ …（２）

同様に、基準球２１２が等方的に熱膨張する場合は、該基準球２１２の熱膨張を補償することができる。

従って、変位計２１８、２１９を基準球２１２の両側に設けた場合には、温度変動にロバストなシステムを構築することができる。

次に、本実施形態の装置が、回転機構のランアウトに対しても非常にロバストであることを示す。

基準球２１２の周りをキャリッジ２１４が回動する際、キャリッジ全体がレーザ干渉計２１６の測定光の光軸方向（図４、５のＺ方向）に変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けない。即ち、例えばキャリッジ全体がレトロリフレクタ２１０の向きにΔＤ変位したとする。このとき、ΔＬ₁はΔＬ₁−ΔＤとなり、ΔＬ₂はΔＬ₂＋ΔＤとなり、ΔＬ₃はΔＬ₃−ΔＤとなる。従って、ΔＬは、次式となる。

ΔＬ＝｛（ΔＬ₂＋ΔＤ）−（ΔＬ₃−ΔＤ）｝／２＋（ΔＬ₁−ΔＤ）
＝（ΔＬ₂−ΔＬ₃）／２＋ΔＬ₁ …（３）

このように、キャリッジ２１４が測定光の光軸方向に変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けない。

次に、基準球２１２の周りをキャリッジ２１４が回動する際、キャリッジ全体が測定光の光軸と直交する方向に（直線的に）変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けないことを示す。まずΔＬ₁は、この変位の影響を受けない。レーザ干渉計２１６が測定光の光軸と直交する方向に変位しても、レーザ干渉計２１６とレトロリフレクタ２１０との往復の光路長は変化しないため、ΔＬ₁は、この変位の影響を受けない。これは、レトロリフレクタ２１０の性質によるものである。次に、変位計２１８が測定光の光軸と直交する方向に変位し、ΔＬ₂の値がΔＥだけ大きくなるとすると、ΔＬ₃の値もΔＥだけ大きくなる。このとき、ΔＬは、次式となる。

ΔＬ＝｛（ΔＬ₂＋ΔＥ）−（ΔＬ₃＋ΔＥ）｝／２＋ΔＬ₁
＝（ΔＬ₂−ΔＬ₃）／２＋ΔＬ₁ …（４）

従って、キャリッジ全体が測定光の光軸と直交する方向に変位しても、算出されたΔＬは、この変位の影響を受けないことが分かる。

以上説明したように、レーザ干渉計２１６が測定光の光軸の方向に変位しても、測定光の光軸と直交する方向に変位しても、ΔＬは、これらの変位の影響を受けない。従って、本実施形態の装置は、回転機構のランアウトに対して非常にロバストである。

次に、本発明の第２実施形態の主要部を図７に示す。

この第２実施形態では、基準球２１２のレトロリフレクタ２１０側にのみ変位計２１８を設けて、ΔＬを測定するようにしている。変位ΔＬは、次式を用いて算出する。

ΔＬ＝ΔＬ₂＋ΔＬ₁ …（５）

ここで、ΔＬ₂及びΔＬ₁の定義は、第１実施形態と同じである。

本実施形態によれば、変位計が１個でよいので、装置を安価に製作することができる。

なお、本実施形態では、キャリッジ全体が測定光の光軸と直交する方向に（直線的に）変位した場合、ΔＬ₂に生じる誤差が、そのままΔＬに加算されてしまうが、従来技術のうち、基準球１２の中心Ｃを焦点とする特許文献１の場合と比較すれば、レーザ干渉計が出力する変位信号のＳ／Ｎが悪くなって、測定不能になるようなことはないので、回転機構のランアウトに対して、ロバストである。

特許文献１に記載された追尾式レーザ干渉計の主要構成を示す断面図 同じく干渉計部分の詳細構成を示す光路図 特許文献２に記載された追尾式レーザ干渉計の主要構成を示す光路図 本発明の第１実施形態の主要構成を示す断面図 同じく斜視図 同じく干渉計部分を示す光路図 本発明の第２実施形態の主要構成を示す断面図

符号の説明

２１０…レトロリフレクタ（被測定体）
２１２…基準球
２１４…キャリッジ
２１６…レーザ干渉計
２１８、２１９…変位計
２２２…コリメータレンズ
２３０…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２３６…無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）
２３８…４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）
２４０…偏光板
２５０…データ処理装置
２５２Ｘ…Ｘ軸モータ
２５２Ｙ…Ｙ軸モータ
２６０…支持枠
２６２…ベース
２７０…平面鏡
２７２…光検出器

Claims (6)

1. 被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用してレトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計において、
   固定配設された基準球と、
   該基準球の中心を中心として回動するようにされたキャリッジと、
   該キャリッジ上に設けられた、前記レトロリフレクタの変位に応じた変位信号を出力するレーザ干渉計、及び、前記基準球と変位計との相対的な変位に応じた変位信号を出力する変位計と、
   該変位計が出力する変位信号と、レーザ干渉計が出力する変位信号とから、基準球を基準としたレトロリフレクタの変位を算出するデータ処理装置と、
   前記レトロリフレクタから反射されてレーザ干渉計に戻ってくるレーザビームが、その光軸と直交する方向にずれたとき、そのずれ量に応じた位置信号を出力する位置検出手段と、
   該位置検出手段からの位置信号に基づいて、前記ずれ量がゼロになるようにキャリッジの回動を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする追尾式レーザ干渉計。
2. 前記レーザ干渉計が、マイケルソン干渉計であることを特徴とする請求項１に記載の追尾式レーザ干渉計。
3. 前記変位計が、前記基準球の両側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の追尾式レーザ干渉計。
4. 前記変位計が、静電容量式変位計又は過電流式変位計であることを特徴とする請求項１又は３に記載の追尾式レーザ干渉計。
5. 前記基準球が金属製であることを特徴とする請求項１又は３に記載の追尾式レーザ干渉計。
6. 前記位置検出手段が、４分割フォトダイオード又は２次元ＰＳＤであることを特徴とする請求項１又は３に記載の追尾式レーザ干渉計。

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