JP2007309677A - 追尾式レーザ干渉計の絶対距離推定方法及び追尾式レーザ干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】オペレータに煩雑な原点復帰の作業を強いたり、高価な絶対距離センサを付加したりすることなく、装置と再帰的反射体との距離に応じて追尾制御の制御量を適切に増減できるようにする。
【解決手段】入射された測定光Ａを入射方向に反射して戻すための再帰的反射体７０と、測定光Ａと戻り光Ｂの光軸が平行となるように測定光Ａの出射方向を回動する２軸回転機構４０を有し、装置と再帰的反射体７０の距離の増減に応じて測定値を出力する追尾式レーザ干渉計と、再帰的反射体７０との間の絶対距離Ｌを推定する際に、再帰的反射体７０からの戻り光Ｂの所定位置からのずれ量ｄを所定値ｄ₂とした時の２軸回転機構４０の角度位置変化量θ₂により、装置と再帰的反射体７０の絶対距離Ｌを演算により推定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、入射された測定光を入射方向に反射して戻すための再帰的反射体と、測定光と戻り光の光軸が平行となるように測定光の出射方向を回動する２軸回転機構を有し、装置と再帰的反射体の距離の増減に応じて測定値を出力する追尾式レーザ干渉計と、再帰的反射体の間の絶対距離を推定する方法、及び、この方法を利用した追尾式レーザ干渉計に関する。

レーザビームとその出射方向を制御する２軸回転機構、及び、各々の角度読み取り機構を用い、三角測量の原理によって、移動体の２軸座標を測定する、レーザビームを用いた移動体の追尾距離測定装置が、特許文献１に記載されている。この装置は、移動体に設けた再帰反射手段（コーナーキューブ）からの戻り光（ビーム）の光軸のずれ量をモニタしておき、回転機構に与えた回転角度情報と合わせて演算処理することによって、装置から移動体までの距離を測定することに特徴がある。

しかしながら、この技術は、三角測量の原理によって、空間の２軸座標の測定機能を有する測定機について、光軸方向の測定値を、上記手法によって付加的に与える機能を有するため、測定の精度は、三角測量の精度や上記手法にともなう精度により制限されるという問題点を有していた。結果として、高精度化が進む計測の分野において、この技術は殆んど使われていない。

一方、レーザビームの出射方向を制御する装置であって、その測定精度を大幅に向上するものとして、レーザ干渉測長による追尾式レーザ干渉計が実用化されており、例えばＦＡＲＯ社Laser Tracker、Leica Geosystems社、Laser Tracker ＬＴＤ７００、ＬＴＤ８００等が挙げられる。

これらの従来の追尾式レーザ干渉計は、図１に例示する如く、光学系１０と、２軸回転機構４０と、コントローラ５０から構成されている。ここで、光学系１０は、測定対象６０に固定した再帰的反射体７０までの距離を測定するレーザ干渉測長機２０と、追尾制御系で使用する追尾光学系３０に分かれている。

追尾制御系は、レーザ干渉測長機２０の測定が途切れないよう、測定光を再帰的反射体７０に向ける。再帰的反射体７０は、入射光と反射光の光軸が平行になる光学素子で、再帰的反射体中心に対して入射光と反射光が点対称になるため、入射光が再帰的反射体７０の中心から離れた位置に入射すると、反射光にずれが生じる。追尾光学系３０は、この入射光（測定光）と反射光（戻り光）のずれを測定し、コントローラ５０で、２軸回転機構４０を制御する。

図２に、追尾式レーザ干渉計の光学系を示す。レーザ干渉測長機２０の測定光が、追尾光学系３０を通り、再帰的反射体７０で反射して、レーザ干渉測長機２０に再び戻る。追尾光学系３０には、半透過鏡３２と光スポット位置検出素子３４があり、再帰的反射体７０での反射光（戻り光）が半透過鏡３２で分岐され、光スポット位置検出素子３４に入射される。

図３に、光軸に対して垂直な方向に再帰的反射体７０が移動した場合の光学系を示す。レーザ干渉測長機２０の光軸上で、２軸回転機構４０の回転中心となる点をＯとする。再帰的反射体７０が移動すると、再帰的反射体７０上の点Ｐ₀で反射していたレーザ光が、光路ＯＰ₁Ｐ₂Ｏ’を通るため、測定光（入射光）Ａと戻り光（反射光）Ｂが同軸にならない。このとき、光スポット位置検出素子３４で観測するレーザスポットは、Ｑ₀からＱ₁に移動するため、元の位置Ｑ₀に戻るように２軸回転機構４０を∠Ｐ₀’ＯＰ₁回転することで測定光Ａと戻り光Ｂが同軸になり、再帰的反射体７０が移動する場合にも、継続して測定を行なうことができる。

特開昭６３−２３１２８６号公報

しかしながら、従来の追尾光学系は、次のような問題点を有していた。

再帰的反射体７０がレーザ干渉測長機２０の光軸方向に移動した場合の光学系を図４に示す。レーザ干渉測長機２０を出た測定光Ａは、再帰的反射体７０ａで反射した場合、光路ＯＰ₁Ｐ₂Ｏ’を通る。一方、レーザ干渉測長機２０に近づいた再帰的反射体７０ｂは、光路ＯＰ₁’Ｐ₂’Ｏ’を通る。再帰的反射体が７０ａ、７０ｂのどちらの位置にあっても、観測する光スポット位置検出素子３４では同じ点Ｑ₁にレーザスポットが当たるため、どちらの場合も偏差出力信号ｄは同じになる。追尾式レーザ干渉計は、２軸回転機構４０を制御することによって、偏差出力信号ｄを常に最小化するようにフィードバック制御する。しかし、光スポット位置検出素子３４の出力信号を元に、測定光ＡをＰ₀、Ｐ₀’に合わせようとすると、装置から再帰的反射体７０までの距離に応じて必要な２軸回転機構４０の回転角度に差を生じる。

この角度差を反映した制御を実施するためには、レーザ干渉測長機２０と再帰的反射体７０との絶対距離の情報を回転角度の制御に反映する必要がある。しかし、レーザ干渉測長機２０は、干渉光源の波長オーダの相対距離測定であり、一般に絶対距離を測定することはできない。

この問題を解決するために、追尾式レーザ干渉計の測定前に絶対距離を測定し、測定中はレーザ干渉測長機との相対位置との和で現在の絶対距離を求める方法がある。この際、絶対距離の測定方法には、主に次の二種類の方法がある。

（１）レーザ干渉測長機との距離が既知の点を参照用の基点として、レーザ干渉測長機を基点からの相対距離を測ることで絶対位置を計算する。

（２）絶対距離を測定可能な距離センサを搭載する。

しかしながら、（１）の方法は、基点に再帰的反射体を移動するだけで絶対距離が測定できるものの、追尾が途切れて絶対距離が不明になった時には、改めて基点まで戻って絶対距離を再測定する必要があり、煩雑な操作が要求される。

一方、（２）の方法は、常に絶対距離を測定できるため、追尾が途切れても、その場で再度絶対距離を求められるが、距離センサを別に搭載する必要があるため、装置の搭載や取り扱いが複雑になり、又、高コストになるという問題がある。

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、オペレータに煩雑な原点復帰の作業を強いたり、又、高価な絶対距離センサを付加したりすることなく、装置と再帰的反射体の距離に応じて追尾制御の制御量を適切に増減できるようにすることを課題とする。

本発明は、入射された測定光を入射方向に反射して戻すための再帰的反射体と、測定光と戻り光の光軸が平行となるように測定光の出射方向を回動する２軸回転機構を有し、装置と再帰的反射体の距離の増減に応じて測定値を出力する追尾式レーザ干渉計と、再帰的反射体との間の絶対距離を推定する際に、再帰的反射体からの戻り光の所定位置からのずれ量を所定値とした時の２軸回転機構の角度位置変化量により、装置と再帰的反射体の絶対距離を演算により推定するようにして、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、入射された測定光を入射方向に反射して戻すための再帰的反射体と、測定光と戻り光の光軸が平行となるように測定光の出射方向を回動する２軸回転機構を有し、装置と再帰的反射体の距離の増減に応じて測定値を出力する追尾式レーザ干渉計において、再帰的反射体からの戻り光の所定位置からのずれ量に応じた偏差信号を出力する位置検出手段と、２軸回転機構の角度位置変化量を出力する角度位置検出手段と、再帰的反射体からの戻り光の所定位置からのずれ量を所定値とした時の角度位置変化量により、装置と再帰的反射体の絶対距離を演算により推定する手段を備え、推定された絶対距離を測定値に代入するようにされていることを特徴とする追尾式レーザ干渉測長機を提供するものである。

又、前記絶対距離の推定、および、測定値の代入を、自動的に実施することができる。

更に、前記測定光の間欠的な遮断による絶対距離の不連続を検出して、絶対距離の設定を自動的に実施することもできる。

２軸回転機構によるレーザビーム追尾制御においては、装置と再帰的反射体との距離に応じて追尾制御の制御量を適切に増減することが必要である。

本発明によれば、測定光と戻り光の間隔と、絶対距離から、再帰的反射体中心へのレーザビームを移動させるために必要な角度を計算できるので、オペレータに煩雑な原点復帰の作業を強いたり、又、高価な絶対距離センサを付加したりせずに、これを実現することができる。又、常に自立的に追尾制御の最適化が図られる結果として、より高速な、又、追尾誤差の少ない高精度の追尾式レーザ干渉計を実現することができる。

なお、追尾式レーザ干渉計を適用する実際のアプリケーションを想定すると、組み立て・搬送ロボットや配管類、或いは作業者の移動などによって、追尾式レーザ干渉計からターゲットとなる再帰的反射体までの光路が間欠的に遮られる恐れがある。

本発明によれば、干渉測長の精度には及ばないながら、絶対距離の情報をその場で再推定することができるので、実際の適用環境に対応してロバストな座標測定システムを構築できる。その際、絶対距離の再推定の精度は、レーザ干渉測長の精度には及ばないが、現実の幾何測定が測定データムを参照した相対測定になっていることを考えると、データム面などの測定をやり直すことで、十分に対応可能であり、工業的な実用化を妨げる要因とはならない。

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。

本発明では、再帰的反射体が、次のような特性を持っていることを利用している。

（１）入射光と反射光が平行になる。

（２）入射光と反射光の位置は、再帰的反射体の中心を基点にして点対称になる。

（３）再帰的反射体の中心に入射した光の反射光は同軸になる。

本発明に係る追尾式レーザ干渉計の実施形態の全体構成を図５に示す。図１の従来例からの変更点は、光学系１０の姿勢を制御する２軸回転機構４０に、角度信号を出力するセンサ（図示省略）を搭載した点で、コントローラ５０が、レーザ干渉測長機２０の戻り光のずれ量を示す偏差出力信号ｄ、レーザ干渉測長機２０で測定される距離信号、２軸回転機構４０の角度信号を受取れるようになっている。

以下、図６を参照して、本発明による絶対距離の推定原理を説明する。

追尾式レーザ干渉計の光学系１０が再帰的反射体７０を追尾するとき、レーザ干渉測長機２０の測定光Ａの回転中心をＯとする。レーザ干渉測長機２０の測定光Ａは、再帰的反射体７０で反射し、戻り光ずれ量に相当する測定光Ａと戻り光Ｂの間隔（光軸ずれ量とも称する）がｄとなる場合、光スポット位置検査素子３４に向かう戻り光ＢはＱ₁に入射する。

測定光Ａと戻り光Ｂの間隔ｄを０にするため、光スポット位置検査素子３４の受光面上の戻り光をＱ₁からＱ₀に戻るように２軸回転機構４０を制御する。その際、光学系１０の回転角度∠Ｐ₀ＯＰ₁をθとすると、次式が成立する。

ｄ＝２Ｌtanθ ・・・（１）

この式から、原点Ｏから測定対象Ｐ₀までの絶対距離Ｌが求められる。

Ｌ＝ｄ／（２tanθ） ・・・（２）

具体的には、図２のようにレーザ干渉測長機２０の測定光Ａが再帰的反射体７０の中心Ｐ₀で反射し、測定光Ａと戻り光Ｂが同軸になる状態から、図７のように、測定光Ａと戻り光Ｂの間隔を光軸ずれ量として測定するセンサである光スポット位置検出素子３４の外縁部Ｑ₂を通過し、戻り光Ｂが光スポット位置検出素子３４の測定範囲を外れるまで回転させる。そして、外線部Ｑ₂に戻り光Ｂが入射したときの光学系の回転量をθ₂とする。

このとき、光軸ずれ量を測定する光スポット位置検出素子３４の測定範囲は既知であるので、光学系１０の回転量θ₂と光軸ずれ量ｄ₂（＝Ｑ₀Ｑ₂）を（２）式に代入することで、測定対象までの絶対距離Ｌが求められる。

このようにして２軸回転機構を有するレーザ干渉測長機において、装置に付随する角度位置センサと戻り光の光軸ずれ量により絶対距離が推定でき、これを元にしてレーザ干渉測長機をプリセットすることができる。

したがって、任意の位置で絶対距離の測定を中断し、その場所で再開することができ、レーザ光が遮られて測定が中断した場合でも、その場で絶対距離の再測定が可能となる。

更に、測定光と戻り光の間隔と、絶対距離から、再帰的反射体中心へのレーザビームを移動させるために必要な角度を計算できる。２軸回転機構を有するレーザ干渉測長機の追尾制御では、装置と再帰的反射体との距離に応じて制御量を増減することが必要であるが、本発明によって、装置は常に絶対距離を自律的に知ることができ、この情報を用いて閉ループ制御系を常に最適な状態に保持することができる。従って、結果として高速移動ができ、又、高精度な測定が実現する。

本実施形態においては、絶対距離の推定を、光スポット位置検出素子３４の外縁部Ｑ₂で行っているので、精度が高い推定を簡単に行なうことができる。なお、光スポット位置検出素子３４の他の点で絶対距離の推定を行なうこともできる。

従来の追尾式レーザ干渉計の全体構成を示す図 同じく光学系を示す光路図 同じく光軸に対して垂直な方向に反射体が移動した状態を示す光路図 同じく反射体が光学干渉計の光軸方向に移動した状態を示す光路図 本発明に係る追尾式レーザ干渉計の実施形態の全体構成を示す図 本発明による絶対距離の推定原理を示す光路図 本発明の実施例を示す光路図

符号の説明

１０…光学系
２０…レーザ干渉測長機
３０…レーザ追尾光学系
３２…半透過鏡
３４…光スポット位置検出素子
４０…２軸回転機構
５０…コントローラ
６０…測定対象
７０…再帰的反射体
Ａ…測定光
Ｂ…戻り光
ｄ…偏差出力信号

Claims (4)

1. 入射された測定光を入射方向に反射して戻すための再帰的反射体と、測定光と戻り光の光軸が平行となるように測定光の出射方向を回動する２軸回転機構を有し、装置と再帰的反射体の距離の増減に応じて測定値を出力する追尾式レーザ干渉計と、再帰的反射体との間の絶対距離を推定する際に、
   再帰的反射体からの戻り光の所定位置からのずれ量を所定値とした時の２軸回転機構の角度位置変化量により、装置と再帰的反射体の絶対距離を演算により推定することを特徴とする追尾式レーザ干渉計の絶対距離推定方法。
2. 入射された測定光を入射方向に反射して戻すための再帰的反射体と、測定光と戻り光の光軸が平行となるように測定光の出射方向を回動する２軸回転機構を有し、装置と再帰的反射体の距離の増減に応じて測定値を出力する追尾式レーザ干渉計において、
   再帰的反射体からの戻り光の所定位置からのずれ量に応じた偏差信号を出力する位置検出手段と、
   ２軸回転機構の角度位置変化量を出力する角度位置検出手段と、
   再帰的反射体からの戻り光の所定位置からのずれ量を所定値とした時の角度位置変化量により、装置と再帰的反射体の絶対距離を演算により推定する手段を備え、
   推定された絶対距離を測定値に代入するようにされていることを特徴とする追尾式レーザ干渉計。
3. 前記絶対距離の推定、及び、測定値への代入が、自動的に実施されることを特徴とする請求項２に記載の追尾式レーザ干渉計。
4. 前記測定光の間欠的な遮断による絶対距離の不連続を検出して、絶対距離の設定が自動的に実施されることを特徴とする請求項２に記載の追尾式レーザ干渉計。

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