JP2692778B2 - 高速追尾式レーザ干渉測長器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速追尾式レーザ干渉測
長器に係り、特に移動体を追尾しながらその移動体の変
位や位置を高精度に測定するための高速追尾式レーザ干
渉測長器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動体にレーザビームを向けるた
めの追尾式レーザ干渉測長器として、図７に示すのもが
ある（U.S.P.No.4,790,651) 。同図に示すように、この
追尾式レーザ干渉測長器は、最終段の反射ミラー１０が
回転体１４、１６を介してＸ軸及びＹ軸の回りにそれぞ
れ回動できるように構成され、これにより移動体に設け
られている逆反射体（図示せず）にレーザビームを照射
できるようになっている。即ち、反射ミラー１０を支持
する回転体１４は、回転体１６に対して軸受け１２、１
２を介してＸ軸の回りに回動自在に支持され、回転体１
６は固定台１８に対して軸受け２０、２０を介してＹ軸
の回りに回動自在に支持されている。

【０００３】そして、図示しないレーザ光源から発振さ
れたレーザビームは、固定台１８に固定された偏光ビー
ムスプリッタ２２によって分割され、分割された一方の
レーザビームはコーナー・キューブ２４に入射し、その
反射光は参照光として偏光ビームスプリッタ２２を介し
て検出部２６に入射する。一方、分割された他方のレー
ザビームは、プリズム２８によってＹ軸と同軸上に折り
曲げられ、その後、回転体１６に支持されたプリズム３
０、３２を介してＸ軸と同軸上に折り曲げられ、最終段
の反射ミラー１０に入射される。

【０００４】従って、反射ミラー１０から出射されるレ
ーザビームは、回転体１６がＹ軸の回りに回動すると旋
回し、回転体１４がＸ軸の回りに回動すると上下方向に
移動するため、回転体１４及び１６の回動をそれぞれ制
御することにより移動体に設けらている逆反射体に向け
てレーザビームを出射することができる。移動体に設け
らている逆反射体からの反射光は、測定光として前記反
射ミラー１０、プリズム３２、３０、２８及び偏光ビー
ムスプリッタ２２を介して検出部２６に入射する。

【０００５】検出部２６では、コーナー・キューブ２４
によって反射された参照光と、移動体に設けらている逆
反射体によって反射された測定光との干渉に基づいて移
動体の移動を測定する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、追尾式
レーザ干渉測長器は、近距離側に於いて高速で移動する
移動体に対しては、大きな角速度で追尾することが要求
される一方、遠距離側に於いて高速で移動する移動体に
対しては、微小角度の追尾誤差しか許されない。従っ
て、上記従来の追尾式レーザ干渉測長器は、Ｘ軸回り並
びにＹ軸回りの回転体１４、１６の回転動作が高速の移
動体には正確に追尾できない欠点があった。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、高速で移動する移動体にも正確に追尾すること
ができる高速追尾式レーザ干渉測長器を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、移動体に配設された第１の逆反射体と、直
交するＸ軸及びＹ軸の回りにそれぞれ回動自在な回転体
と、レーザ光源から発振されたレーザビームを前記回転
体の回動にかかわらず該回転体に導く手段と、前記回転
体に固定配設された複数の光学部品からなる光学系であ
って、前記回転体に導かれたレーザビームを分割し、分
割した一方のレーザビームを前記Ｘ軸とＹ軸の交点を通
る直線上の光路で前記第１の逆反射体に入射させるとと
もに、他方のレーザビームを第２の逆反射体に入射さ
せ、前記第１及び第２の逆反射体からの反射光をそれぞ
れ得る光学系と、前記回転体に於いて傾動自在に配設さ
れ、前記回転体に導かれたレーザビームを微小角度偏向
させる反射光学部品と、前記第１の逆反射体からの反射
光と第２の逆反射体から反射した参照光との干渉に基づ
いて前記第１の逆反射体の移動量を検出する検出部と、
前記回転体に固定配設され、前記第１の逆反射体からの
反射光の一部が入射され、前記第１の逆反射体に入射す
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、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第１の応答速度で前
記反射光学部品の傾きを制御する第１の制御手段と、前
記位置検出手段からの位置信号及び／又は前記反射光学
部品の基準位置からの傾きを示す信号に基づいて前記反
射光学部品を前記基準位置に戻すように第２の応答速度
で前記回転体を前記Ｘ軸及びＹ軸回りの回動位置を制御
する第２の制御手段と、から成ることを特徴としてい
る。

【０００９】

【作用】本発明によれば、回転体に設けられた反射光学
部品を位置検出手段からのずれ量がゼロになるように傾
動位置を制御することにより、回転体のＸ軸及びＹ軸回
りの回動と同様にレーザビームの偏向方向を制御する第
１の制御手段と、回転体を位置検出手段からのずれ量及
び反射光学部品の傾動量がゼロになるようにＸ軸及びＹ
軸回りの回動位置を制御する第２の制御手段とが設けら
れている。反射光学部品は回転体に比べて微小範囲では
あるが小さな時定数で移動体に追尾することができる。
反射光学部品が傾動されると、回転体は反射光学部品を
当初の位置に戻すように回動する。従って、移動体が急
加減速や速度変動を伴って高速で移動しても、第２の制
御手段により回転体をＸ軸及びＹ軸回りに回動制御して
移動体を追尾し、第１の制御手段により反射光学部品を
傾動制御して回転体の追尾誤差を補うことにより、正確
に移動体を追尾することができる。

【００１０】

【実施例】以下添付図面に従って本発明に係る高速追尾
式レーザ干渉測長器の好ましい実施例を詳述する。図１
は本発明に係る高速追尾式レーザ干渉測長器の一実施例
を示す斜視図である。同図に示すように、この高速追尾
式レーザ干渉測長器は、主として固定台１００に配設さ
れた光源部１０２、検光部１０４及びキャッツアイ１０
６と、回転体１０８と、空間を移動する移動体（図示せ
ず）に配設されるキャッツアイ１１０と、４分割のフォ
トダイオード１１２、モータＭ_{X ,} Ｍ_Y 及びモータ駆動
回路１１４、ピエゾ駆動回路１１５からなる追尾制御部
とから構成されている。

【００１１】上記回転体１０８は、支持枠１２０との間
に設けられた軸受け１２２、１２４を介してＸ軸の回り
に回動自在に支持され、支持枠１２０は、固定台１００
との間に設けられた軸受け１２６を介してＹ軸の回りに
回動自在に支持されている。従って、回転体１０８は固
定台１００に対してＸ軸及びＹ軸の回りにそれぞれ回動
自在に支持される。

【００１２】制御装置１１４は、４分割のフォトダイオ
ード１１２からの出力信号（この信号の詳細については
後述する）に基づいて、レーザビームが測定光用のキャ
ッツアイ１１０に入射するように回転体１０８を回動さ
せるモータＭ_X 及び支持枠１２０を回動させるモータＭ
_Y を駆動制御するとともに、ミラー１５２を傾動制御す
る。

【００１３】光源部１０２と検光部１０４とはユニット
化されており、光源部１０２は図示しないレーザ光源か
ら光ファイバ１２３を介してレーザビームが加えられて
おり、このレーザビームを平行光にして出射する。検光
部１０４は後述する干渉光を光電変換したのち、信号ケ
ーブル１２５を介して図示しない信号処理部に出力す
る。

【００１４】さて、光源部１０２から出射されたレーザ
ビームは４５度傾いた偏光面を持つ直線偏光であり、こ
れは同一位相の垂直偏光成分と水平偏光成分に分けて考
えることができる。この２つの直線偏光はプリズム１３
０を介して無偏光ビームスプリッタ１３２に入射する。
無偏光ビームスプリッタ１３２で分割されたレーザビー
ムは、１／４波長板１３４を通過することにより右回り
の円偏光と左回りの円偏光に変換され、この２つの円偏
光のレーザビームはプリズム１３６、支持枠１２０の中
空軸１３８、支持枠１２０に固定されたプリズム１４
０、１４２、１４４を介してＸ軸と同軸上の回転体１０
８の中空軸１４６に入射される。この中空軸１４６の入
射端には１／４波長板１４８が設けられており、前記２
つの円偏光のレーザビームはこの１／４波長板１４８を
通過することにより再び進行方向に垂直な面内で互いに
直角方向に振動する２つの直線偏光に変換される。

【００１５】２つの直線偏光に変換されたレーザビーム
は、回転体１０８の中空軸１４６を介して回転体１０８
の同一平面上に設けられた光学系に入射される。即ち、
レーザビームはＸ軸上に設けられたプリズム１５０によ
ってＸ軸と直交する方向に折り曲げられ、その後、ミラ
ー１５２を介して偏光ビームスプリッタ１５４に入射さ
れる。２つの直線偏光のレーザビームは、偏光ビームス
プリッタ１５４によって進行方向に垂直な面内で互いに
直角方向に振動する２つの直線偏光に分割され、偏光ビ
ームスプリッタ１５４によって反射される一方の直線偏
光は、レンズ群１５６によって細いビームにされたのち
キャッツアイ１０６に入射する。

【００１６】キャッツアイ１０６は、例えば屈折率２の
真球で、その半球面に反射鏡が形成されて成り、所定の
入射範囲で入射するレーザビームを入射方向と逆方向に
反射することができる。尚、レンズ群１５６によってレ
ーザビームを収束させるようにすれば、キャッツアイ１
０６の屈折率を２よりも小さくすることができる。上記
キャッツアイ１０６によって反射した反射光は、参照光
としてその入射光路と逆方向に戻される。

【００１７】一方、偏光ビームスプリッタ１５４を透過
する他方の直線偏光は、プリズム１５８、１６０、１６
２、及び１／４波長板１６４を介して移動体に配設され
るキャッツアイ１１０に出射され、キャッツアイ１１０
によって反射した反射光は、測定光としてその入射光路
と逆方向に戻される。ミラー１５２は、図２、図３に示
すようにｙ軸を中心に回動自在に支持されると共にＬ字
形取付板１５３とミラー１５２との間にはｙ軸を挟んで
バランスばね１５３Ｃとピエゾ素子１５３Ｙが設けられ
ている。また、取付板１５３は、図３に示すように、ｘ
軸を中心に回動自在にベース板１５５に取付けられ、ベ
ース板１５５と取付板１５３との間には、ｘ軸を挟んで
ピエゾ素子１５３Ｘとバランスばね（図示せず）とが設
けられている。そして、ピエゾ素子１５３Ｙを駆動する
と、ミラー１５２は図２上の紙面と直交する軸（以下、
ｙ軸という）の回りに回動し、ピエゾ素子１５３Ｘを駆
動すると、ミラー１５２はｙ軸と直交する軸（以下、ｘ
軸という）の回りに回動する。

【００１８】このようにして、ミラー１５２をｘ軸及び
ｙ軸の回りに回動させることにより、レーザビームを上
下及び左右方向に振ることができる。尚、ピエゾ素子１
５３Ｘ、１５３Ｙによって駆動されるミラー１５２の回
動範囲は小さいが、ミラー１５２の応答性は高く、その
ため移動体が急速に移動する場合でも追尾することがで
きるようになっている。

【００１９】１／４波長板１６４は追尾制御用の反射光
を取り出すためのもので、直線偏光のレーザビームの偏
光面を僅かに回転する。その結果、キャッツアイ１１０
からの反射光は、その一部が偏光ビームスプリッタ１５
４によって反射され、干渉フィルタ１６６を介して４分
割のフォトダイオード１１２に投影される。尚、レーザ
ビームがキャッツアイ１１０の球心に向かって入射して
いる場合には、その反射光はフォトダイオード１１２の
受光面の中心に入射するようになっている。

【００２０】ここで、移動体の移動に伴ってレーザビー
ムがキャッツアイ１１０の球心からずれてキャッツアイ
１１０に入射すると、その反射光はそのずれ方向及びず
れ量に応じてフォトダイオード１１２の受光面の中心か
らずれて入射することになる。４分割のフォトダイオー
ド１１２は、その受光面が上下左右に４分割されてお
り、各分割面に入射するレーザビームの光量に応じた４
つの電気信号をモータ駆動回路１１４とピエゾ素子駆動
回路１１５に出力する。ピエゾ素子駆動回路１１５は、
入力する４つの電気信号のうち、上下の分割面に対応す
る電気信号のレベルが一致するようにピエゾ素子１５３
Ｘを駆動するとともに、左右の分割面に対応する電気信
号のレベルが一致するようにピエゾ素子１５３Ｙを駆動
する。これによりミラー１５２は、Ｘ軸及びＹ軸の回り
に回動制御され、その結果、レーザビームは常時キャッ
ツアイ１１０に入射するようにその出射方向が制御され
る。

【００２１】同様にモータ駆動回路１１４は、入力する
４つの電気信号のうち、上下の分割面に対応する電気信
号のレベルが一致し、かつミラー１５２のｘ軸回りの回
動位置が当初位置にもどされるようにモータＭ_X を駆動
するとともに、左右の分割面に対応する電気信号のレベ
ルが一致し、かつミラー１５２のｙ軸回りの回動位置が
当初位置にもどされるようにモータＭ_Y を駆動する。こ
れにより回転体１０８は、Ｘ軸及びＹ軸の回りに回動制
御され、その結果、レーザビームは常時キャッツアイ１
１０に入射するようにその出射方向が制御される。

【００２２】さて、偏光ビームスプリッタ１５４を介し
て重ね合わされた参照光と測定光は、ミラー１５２、プ
リズム１５０、１／４波長板１４８、プリズム１４４、
１４２、１４０、１３６、及び１／４波長板１３４を介
して無偏光ビームスプリッタ１３２に入射し、無偏光ビ
ームスプリッタ１３４を透過する参照光と測定光は、検
光部１０４に入射する。

【００２３】検光部１０４では、互いに直角方向に振動
する２つの直線偏光である上記参照光と測定光を適切な
手段で干渉させることにより干渉縞を発生させ、その干
渉縞を光電変換して信号ケーブル１２５を介して図示し
ない信号処理部に出力する。信号処理部では、周知のよ
うに干渉縞を示す電気信号に基づいて干渉縞の移動数及
び位相を求めることにより、移動体の変位を検出する。
尚、移動体の空間内の位置を測定するためには、冗長性
を持たせるための追尾式レーザ干渉測長器を含む少なく
とも４台の追尾式レーザ干渉測長器を設け、各追尾式レ
ーザ干渉測長器によって測定される移動体の変位から移
動体の空間内の位置を測定することができる。

【００２４】次に、上記追尾式レーザ干渉測長器の追尾
方法について説明する。図４は図１の回転体１０８の内
部構成を示す要部平面図である。同図に示すように、偏
光ビームスプリッタ１５４によって反射されるレーザビ
ームは、Ｘ軸と直交する光路を経由してキャッツアイ１
０６の球心に向かって入射する。一方、偏光ビームスプ
リッタ１５４を透過するレーザビームは、プリズム１５
８、１６０、１６２、及び１／４波長板１６４を介して
移動体に配設されるキャッツアイ１１０に入射するが、
このとき１／４波長板１６４からキャッツアイ１１０に
出射されるレーザビームは、偏光ビームスプリッタ１５
４からキャッツアイ１０６に出射されるレーザビームの
光路の延長上に出射される。

【００２５】図５は回転体の内部構成の他の実施例を示
す要部平面図である。尚、図４と共通する部分には同一
の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図５におい
て、反射ミラー１５０はｘ軸の回りのみに回動自在に支
持され、反射ミラー１５２はｙ軸の回りのみに回動自在
に支持されている。即ち、図４に示した実施例では１つ
のミラー１５２をｘ軸及びｙ軸の回りに回動させるよう
にしているが、図５に示す実施例では２つの反射ミラー
１５０、１５２を各別に回動制御することによりレーザ
ビームを上下及び左右方向に振るようにしている。

【００２６】図６は回転体１０８及びミラー１５２を制
御する制御ブロックを示す。尚、同図では、簡単のため
に１軸制御（例えば、回転体１０８のＹ軸回りの制御及
びミラー１５２のｙ軸回りの制御）のみについて説明す
る。先ず、移動体が移動すると、キャッツアイ１１０か
らの反射光はフォトダイオード１１２の受光面の中心か
らずれて入射する。これに基づきフォトダイオード１１
２からはキャッツアイ１１０の中心からレーザビームが
左右方向にずれていることを示すずれ信号が積分回路１
７２、加算回路１７３、１７４に出力される。積分回路
１７２は入力するずれ信号を積分することにより、ピエ
ゾ素子の変位量に変換し、加算回路１７３に出力する。
加算回路１７３には、フォトダイオード１１２からのず
れ信号も特性補償のため入力し、その加算値をピエゾ駆
動回路１１５に出力する。ピエゾ駆動回路１１５は加算
回路１７３からの入力信号をミラー１５２の制御目標と
し、ミラー１５２が制御目標の角度となるようにピエゾ
素子１５３Ｙを駆動する。

【００２７】一方、加算回路１７４にはフォトダイオー
ド１１２からのずれ信号と加算回路１７３の出力信号が
加えられており、加算回路１７４はずれ信号と加算回路
１７３の出力信号とを加算し、その加算値をモータ駆動
回路１１４に出力する。モータ駆動回路１１４は加算回
路１７４からの入力信号に応じた回転速度でモータＭ _Y
を駆動する。尚、１７６はモータＭ_Y の回転速度を検出
するタコジェネレータで、モータＭ_Y が所要の速度で制
御されるようにフィードバック信号をモータ駆動回路１
１４に出力する。

【００２８】上記構成によれば、キャッツアイ１１０の
中心からのレーザビームのずれ量（フォトダイオード１
１２における入射光のずれ量）は、ミラー１５２の傾き
がピエゾ素子１５３Ｙによって制御されること及び回転
体１０８が、主にミラー１５２が当初位置に戻されるよ
うにその回動位置が制御されることによって修正され
る。このミラー１５２によるずれ修正時の応答速度は、
移動体が急速に移動する場合でも移動体を追尾できるよ
うに速い。一方、回転体１０８の応答速度はミラー１５
２の応答速度よりも遅いが、回転体１０８の回動範囲は
ミラー１５２の回動範囲よりも十分に大きく、移動体の
追尾範囲を大きくとることができる。また回転体１０８
の回動速度は、移動体が高速で移動する場合でも移動体
を追尾できるように速い。

【００２９】尚、本実施例では、逆反射体としてキャッ
ツアイを使用するようにしたが、これに限らず、例え
ば、コーナー・キューブ、直角三面鏡、表面が鏡面とな
っている球体等を使用するようにしてもよい。また、回
転体はジンバル機構によってＸ軸及びＹ軸の回りに回動
自在になっているが、これに限らず、例えばＬ字ブラケ
ットをモータによって回動させるとともに、Ｌ字ブラケ
ットに固定したモータに回転体を固定して回転体を回動
させるようにしてもよい。更に、回転体へのレーザビー
ムの導入は、上記Ｘ軸及びＹ軸に沿って行う場合に限ら
ず、光ファイバを用いるようにしてもよい。但し、この
場合には、光ファイバが回転体の回動の邪魔にならない
ようにする必要がある。

【００３０】また、フリンジカウント方式の干渉測長器
を使用するようにしたが、これに限らず、例えばヘテロ
ダイン方式の干渉測長器を使用するようにしてもよい。
また、前記実施例では反射光学部品としてプリズム型ミ
ラーを用いたがこれに限らず他の型のミラーでも良い。
また、前記実施例ではミラーを駆動するのにピエゾ素子
を用いたが、これに限定されるものでなく、モータ、ガ
ルバノメータ等でもよい。

【００３１】また、前記実施例ではモータ駆動回路１１
４はずれ信号と加算回路１７３からの信号に基づいて制
御したが、いずれか一方の信号に基づいて制御してもよ
い。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る高速追
尾式レーザ干渉測長器によれば、移動体を追尾する回転
体上に俊敏に移動体に追従する反射光学部品を設けたの
で、高速で急加減速をともなって移動する移動体でも正
確に追尾することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る高速追尾式レーザ干渉測長
器の一実施例を示す斜視図

【図２】図２はミラーを回動するピエゾ素子を示す説明
図

【図３】図３は図２のミラーの斜視図

【図４】図４は図１の回転体の内部構成を示す要部平面
図

【図５】図５は回転体の内部構成の他の実施例を示す要
部平面図である。

【図６】図６はモータとピエゾ素子の制御ブロック図

【図７】図７は従来の追尾式レーザ干渉測長器の一例を
示す斜視図

【符号の説明】

１００…固定台 １０２…光源部 １０４…検光部 １０６、１１０…キャッツアイ １０８…回転体 １１２…４分割フォトダイオード １１４…モータ駆動回路 １１５…ピエゾ駆動回路 １２０…支持枠 １２３…光ファイバ １２５…信号ケーブル Ｍ_{X ,} Ｍ_Y …モータ １５２…ミラー １５２Ｘ、１５２Ｙ…ピエゾ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 収 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院 計量研究所内 (72)発明者 谷村 吉久 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業 技術院 計量研究所内 (72)発明者 中俣 透 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株 式会社東京精密内 (72)発明者 黒沢 俊郎 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株 式会社東京精密内 (72)発明者 高井 望 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株 式会社東京精密内 審査官 岡田 卓弥 (56)参考文献 特開 平７−120213（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体に配設された第１の逆反射体と、 直交するＸ軸及びＹ軸の回りにそれぞれ回動自在な回転
   体と、 レーザ光源から発振されたレーザビームを前記回転体の
   回動にかかわらず該回転体に導く手段と、 前記回転体に固定配設された複数の光学部品からなる光
   学系であって、前記回転体に導かれたレーザビームを分
   割し、分割した一方のレーザビームを前記Ｘ軸とＹ軸の
   交点を通る直線上の光路で前記第１の逆反射体に入射さ
   せるとともに、他方のレーザビームを第２の逆反射体に
   入射させ、前記第１及び第２の逆反射体からの反射光を
   それぞれ得る光学系と、 前記回転体に於いて傾動自在に配設され、前記回転体に
   導かれたレーザビームを微小角度偏向させる反射光学部
   品と、 前記第１の逆反射体からの反射光と第２の逆反射体から
   反射した参照光との干渉に基づいて前記第１の逆反射体
   の移動量を検出する検出部と、 前記回転体に固定配設され、前記第１の逆反射体からの
   反射光の一部が入射され、前記第１の逆反射体に入射す
   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、 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第１の応答速度で前記反射光学部品
   の傾きを制御する第１の制御手段と、 前記位置検出手段からの位置信号及び／又は前記反射光
   学部品の基準位置からの傾きを示す信号に基づいて、前
   記反射光学部品を前記基準位置に戻すように第２の応答
   速度で前記回転体の前記Ｘ軸及びＹ軸回りの回動位置を
   制御する第２の制御手段と、 から成ることを特徴とする高速追尾式レーザ干渉測長
   器。
2. 【請求項２】 前記反射光学部品は、前記回転体におけ
   る第１の方向に傾動自在な第１の反射光学部品と、第２
   の方向に傾動自在な第２の反射光学部品とから成ること
   を特徴とする請求項１に記載の高速追尾式レーザ干渉測
   長器。