JP3427182B6

JP3427182B6 - 首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長器

Info

Publication number: JP3427182B6
Application number: JP2000289812A
Authority: JP
Inventors: 尊光大澤; 利之高辻; 富蔵黒澤; 宏徳野口; ホンジャン
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-09-25

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＸＹＺ三次元座標空間内で移動する光学反射鏡の空間内移動量を光線により追尾しつつ三辺測量又は四辺測量する光線追尾式レーザ干渉測長器に関する。
【０００２】
【従来の技術】光の干渉を用いた測量器は公知である。その測量器は三角測量用の目的で開発された測量器の望遠鏡の鏡筒中に干渉光学系を組込み、反射鏡の移動量を計測しようとするものである。
【０００３】この技術については三角測量法が用いられる産業分野、例えば、土木建築分野等で使用されるもので、従来巻尺を使用して測定した方法を、レーザ干渉により測定しようとするものである。干渉計測であるから、従来の巻尺測定より高精度で測定できる。
【０００４】また、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、例えば図８に示すものがある。この追尾式レーザ干渉測長器は、最終段の反射ミラー６１０が回転体６１４，６１６を介してＸ軸及びＹ軸の周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６１０を支持する回転体６１４は、回転体６１６に対して軸受け６１２，６１２を介してＸ軸の周りに回動自在に支持され、回転体６１６は固定台６１８に対して軸受け６２０，６２０を介してＹ軸の周りに回動自在に支持されている。
【０００５】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６１８に固定された偏光ビームスプリッタ６２２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６２４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６２２を介して検出部６２６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６２８によってＹ軸と同軸上に折り曲げられ、その後、回転体６１６に支持されたプリズム６３０，６３２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６１０に入射される。
【０００６】従って、反射ミラー６１０から出射されるレーザビームは、回転体６１６がＹ軸の周りに回動すると旋回し、回転体６１４がＸ軸の周りに回動すると上下方向に移動するため、回転体６１４及び６１６の回動をそれぞれ制御することにより移動体に設けられ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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明が目指す計測では計測原点の回転による偏心を１μｍ以下にする必要があるが、従来の計測器の構成ではこの回転偏心量を１μｍ以下にすることは困難であった。その理由を、図８を模式化した図９を参照して説明すると次のとおりである。
（１）反射ミラー６１０から出射されるレーザビームのレーザ光軸６０１がある断面積を持った円筒の仮想的軸線であるので機械的接触が不可能であること。
（２）Ｘ−Ｙ２軸のジンバル回転中心線６０２を、共にレーザ光軸６０１に合致させる３軸合致が困難であること。等による。
【０００８】前記３軸交点の合致に誤差があると、望遠鏡の姿勢を変えた場合、干渉測定原点として不動であって欲しい、近似的３軸交点の位置が、偏心運動し、測長の一次誤差となる。高精度測定を目標とするならば、この誤差を極力小さくする必要がある。本発明は、光軸の姿勢が変化しても、干渉計測原点すなわち首振り運動光てこの反射面の中心の移動量を微少にすることのできる追尾式レーザ干渉測長器を得ることにある。
【０００９】
【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、干渉光学系の光路中に首振り運動光てこを設け、該首振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ことを特徴とする。また、本発明は、上面を光学的反射面とした半球と球状接触子とを連結軸で結合した首振り運動光てこの前記半球の球面部を三球球面座に加圧的に設座させるとともに前記球状接触子を移動テーブルの上面に固定したＶ板のＶ形面に加圧的に接触させるようにしてなることを特徴とする。
【００１０】また、本発明は、干渉光学系の戻り光路中に干渉計測用とは別のビームスプリッタを設け、戻り光のほぼ１／２を四分割受光素子に導き、該受光素子により得られる電気的出力を制御装置への入力として、該受光素子のＸ方向及びＹ方向出力の中立点が最大光量点となるごとく、移動テーブルの位置制御を行うことによりＶ形面を移動させて首振り運動光てこの姿勢を制御することを特徴とする。また、本発明は、光線追尾式レーザ干渉測長器を４セット使用して、計測対象であるレトロリフレクタの位置を所定回数追尾計測することにより、光線追尾式レーザ干渉測長器の互いの位置関係及び光線追尾式レーザ干渉測長器とレトロリフレクタとの距離が測定できない場合においてもレトロリフレクタの位置を決定可能とすることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１，２において、１は本発明の基本的構成に係る首振り運動光てこであり、その詳細は図３，４，５に示してある。図３，４，５において、２は半球であり、軸受用鋼球を仕上代を残すべく半分より若干大きく切断し、切断面をラッピング加工して、半径Ｒに等しい厚さＨに仕上げている。この半球２はガラス半球を前記鋼球と同様に仕上げても良い。軸受用鋼球の場合は選別して真球度０．０５〜０．１μｍのものが容易に入手できる。また、Ｒ−Ｈの値を０．１〜０．１５μｍ程度にラッピング仕上げすることも容易にできる。両数値を総合して、０．１５〜０．２５μｍの偏心量となるが、この数値は本発明が目標としている１μｍよりはるかに小さい。この半球２を後記する三球球面座中に設座した場合、首振り運動による偏心が微少な、測定の基準となる原点が得られる。
【００１２】４は球状接触子である。球状接触子４は連結軸３で、半球２と一体に結合されている。９は三球球面座基板で、その内面には３個の穴４２が１２０°間隔で設けられており、その穴の中に１個ずつ合計３個の鋼球４１が圧入されており、三球球面座基板９と鋼球４１とで三球球面座を構成している。三球球面座基板９は、ベース板１２にスタンド１７、１７を介して結合した上板１８に固定されており、熱膨張変位並びに振動振幅以外に動く要因はない。また、鋼球４１も穴４２の中に固定されており、微動及び微少回転することはない。
【００１３】首振り運動光てこ１の半球２は、その球面部で三球球面座に設座しており、また、球状接触子４はＸ移動テーブル１０の上面に固定されたＶ板５のＶ形面５１に接触している。すなわち、垂直方向から傾斜した左右２本の引張ばね７が連結軸３とＶ板５にそれぞれピン６，８を介して取付けられており、この引張ばね７の張力で半球２が三球球面座の３個の鋼球４１と、また、球状接触子４がＶ形面５１と同時に加圧接触するようになっている。なお、引張ばね７のかわりに電気磁気力を使用しても同様な効果が得られる。
【００１４】図１，２において、Ｘ移動テーブル１０は、モータ１５によりカップリング１６と送りねじ１４を介してＸ方向に移動できる。Ｙ移動テーブル１１は、モータ１５’，カップリング１６’と送りねじ１４’を介してＹ方向に移動できるように構成されている。このＹ移動系はガイドウエー１９を介してベース板１２上に組付けられている。モータ１５，１５’には、パルスモータとかサーボモータ又はリニアモータ等が使用でき、リニアモータを使用する場合には送りねじ１４，１４’等は必要ない。
【００１５】１００はキャッツアイで、位置計測が必要な対象物である。キャッツアイ１００の中心１０１を目指して入射した平行光線１０２は、入射点の真裏で反射し、元の位置及び方向に戻ってくるように、使用するレーザ波に合わせて球半径及びガラスの屈折率が決められている。このキャッツアイ１００の代替品としてキューブコーナ反射鏡を使用することもできる（これら反射鏡を本明細書においては「レトロリフレクタ」という。）。
【００１６】図１において、２点鎖線はレーザ光の光軸を示しており、レトロリフレクタ１００からの戻り光は、首振り運動光てこ１の半球２の上面中心２０で反射して、平面反射鏡１０４，直角プリズム１０５を通過し、ビームスプリッタ１０６に達する。この戻り光の約１／２は、ここで反射して四分割受光素子１０７に入射する。四分割受光素子１０７は、図６に示すような４つの受光面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを持っている。
【００１７】四分割受光素子１０７は、レトロリフレクタ１００が静止しているときに該受光素子１０７の４つの受光面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄからそれぞれ得られる電気的出力ａ，ｂ，ｃ，ｄが全て等しくなるように中立位置が調整されて組付けられている。レトロリフレクタ１００が移動すると、前記電気的出力ａ，ｂ，ｃ，ｄの出力バランスが崩れる。電気的出力に関して、〔ａ＋ｃ〕−〔ｂ＋ｄ〕の値を制御偏差として〔ａ＋ｃ〕−〔ｂ＋ｄ〕＝０を目標としたＸ軸方向の位置制御を、同様にして〔ａ＋ｂ〕−〔ｃ＋ｄ〕の値を制御偏差として〔ａ＋ｂ〕−〔ｃ＋ｄ〕＝０を目標としたＹ軸制御を実行することにより、レトロリフレクタ１００の位置を追尾できる。
【００１８】図１の１点鎖線で囲まれた部分１０８は測長用干渉計の原理的構成を示しており、この干渉計１０８の中心１０９から首振り運動光てこ１の上面中心２０までの光路長は常に一定な長さであるから、干渉計１０８の中心１０９からレトロリフレクタ１００の中心１０１までの光路長を計測することにより、レトロリフレクタ１００の中心１０１と光てこ１の上面中心２０までの、レトロリフレクタ１００の移動による距離差、即ち、Ｌ１−Ｌ０の値を干渉計測できる。
【００１９】図７は、前記した計測ユニットを使用して三辺測量を実施する方法の説明図である。０１，０２，０３の三カ所に計測ユニットを設置し、１００にはコーナーキューブあるいはキャッツアイなどのレトロリフレクタを設置する。三カ所に設置した計測ユニット０１，０２，０３からレトロリフレクタ１００の中心１０１までの距離Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を測定する。ここで計測ユニット０１，０２，０３の互いの位置関係を予め計測しておけば、三辺測量の原理により距離Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３からレトロリフレクタ１００の中心位置１０１を一意に決定することができる。
【００２０】しかしながら、計測ユニットの互いの位置関係を１μｍ以下の精度で正確に測定することは非常に困難である。さらに計測ユニットにインクリメンタルなカウンタを用いたレーザ干渉計を使用した場合、レトロリフレクタの移動量のみが測定可能であり、計測ユニットとレトロリフレクタとの絶対的な距離を測定することができない。この場合、以下に述べる自己校正法により計測ユニットの互いの位置関係と測定開始時の計測ユニットとレトロリフレクタの絶対距離を決定することが可能であり、したがって、三辺測量の原理によりレトロリフレクタの中心位置を決定することが可能になる。
【００２１】次に自己校正法の原理について説明する。上記したような三辺測量を行うには、計測ユニットが３台必要である。自己校正法を行うためには、３つの計測ユニット０１，０２，０３に加えて第４の計測ユニット０４を使用する。この場合、計測ユニット間の位置関係と、それぞれの計測ユニットとレトロリフレクタ１００の中心までの距離は未知で良い。次にレトロリフレクタ１００を任意の位置に設置し、それぞれの計測ユニットに装備されたレーザ干渉計のカウンタをゼロにリセットする。さらにレトロリフレクタ１００を任意の別の位置に移動し、それぞれの計測ユニットのレーザ干渉計で計測を行う。つまりこの時点では４台の計測ユニットから、都合４つの計測値が得られたことになる。さらにレトロリフレクタ１００を別の場所に移動し計測を行うことを繰り返すと、ｎ回の移動を行った後には合計４×ｎ個の計測値を得ることができる。
【００２２】ここで各々の測定点の座標は測定者にとっては未知数である。これは三次元の座標であるので、未知数は３個である。上記の測定はｎ回行われたので、合計３×ｎ個の未知数が存在することになる。さらに計測ユニットの位置関係に関する未知数が６個、レトロリフレクタの初期位置に関する未知数が３個、存在する。したがって、未知数の合計は、３×ｎ＋６＋３個である。一方、測定値は４×ｎ個存在するので、これら二つの数がもし等しくなる、つまり方程式３×ｎ＋６＋３＝４×ｎを解いてｎ＝９、したがって９点の測定を行えば、これらの未知数は全て数学的に一意に決定できる。以上が自己校正法の原理であり、この方法により、一旦、計測ユニットの位置関係とレトロリフレクタまでの初期距離が決定できれば、その後任意の場所にレトロリフレクタが移動した場合においても、各計測ユニットに装備されたレーザ干渉計の測定値から三辺測量の原理によりレトロリフレクタの位置を決定することができる。なお、未知数の決定のための計算に９点以上の測定点が利用できる場合は、方程式が過拘束の状況になり解くことができないので、その場合は最小二乗法を用いて決定すれば良い。
【００２３】
【発明の効果】本発明は、干渉光学系の光路中に首振り運動光てこを設け、該首振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ことにより、光軸の姿勢を変化させても、干渉計測原点の移動量を微少にすることのできる追尾式レーザ干渉測長器を得ることができる。また、本発明は、上面を光学的反射面とした半球と球状接触子とを連結軸で結合した首振り運動光てこの前記半球の球面部を三球球面座に加圧的に設座させるとともに前記球状接触子を移動テーブルの上面に固定したＶ板のＶ形面に加圧的に接触させるようにしたことにより、首振り運動による偏心が微少な、測定の基準となる原点が得られる。また、本発明は、干渉光学系の戻り光路中に干渉計測用とは別なビームスプリッタを設け、戻り光のほぼ１／２を四分割受光素子に導き、該受光素子により得られる電気的出力を制御装置への入力として、該受光素子のＸ方向及びＹ方向出力の中立点が最大光量点となるごとく、移動テーブルの位置制御を行うことによりＶ形面を移動させて首振り運動光てこの姿勢を制御することにより、レトロリフレクタの位置を的確に追尾することができる。
【００２４】本発明による光線追尾式レーザ干渉測長器を４セット使用して、計測対象であるキャッツアイ位置を追尾計測することで、光線追尾式レーザ干渉測長器の互いの位置関係及び光線追尾式レーザ干渉測長器とレトロリフレクタとの距離が測定できない場合においてもレトロリフレクタの位置を決定することができる。また、工業用ロボットの作業軸端にキャッツアイを取付けて、追尾させた場合に、ロボットの位置決め誤差が求められる。ロボットの位置決め誤差が判っておれば、現在、ロボットの実働現場で行われている、プログラム修正作業が不要となり、机上プログラミング作業で位置決めプログラミング作業を済ますことができ、大幅な時間節約となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の正面図で、その一部を断面図で表示している。
【図２】本発明の実施例の右側面図である。
【図３】本発明の実施例に係る首振り運動光てこ、首振り運動光てこを設座する三球球面座及び首振り運動光てこを制御するＶ板を示す正面図である。
【図４】本発明の実施例に係る首振り運動光てこの三球球面座への設座状況を示す平面図である。
【図５】本発明の実施例に係る首振り運動光てこの球状接触子とＶ形面との接触状態を示す平面図である。
【図６】本発明の実施例に係る四分割受光素子の正面図である。
【図７】本発明の実施例に係る光線追尾式レーザ干渉測長器を３又は４セット使用して３辺又は４辺測量する要領を示す説明図である。
【図８】従来の光線追尾式レーザ干渉測長器を示した正面図である。
【図９】図８に示した従来の光線追尾式レーザ干渉測長器の３軸交点の様子を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
１首振り運動光てこ
２半球
３連結軸
４球状接触子
５Ｖ板
６、８ピン
７引張ばね
９三球球面座基板
１０Ｘ移動テーブル
１１Ｙ移動テーブル
１２ベース板
１４，１４’ 送りねじ
１５，１５’ モータ
２０半球の上面中心
４１鋼球
５１Ｖ形面
１００レトロリフレクタ
１０１レトロリフレクタの中心
１０６ビームスプリッタ
１０７四分割受光素子
１０８干渉計

Claims

干渉光学系の光路中に首振り運動光てこを設け、該首振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ことを特徴とする首振り運動光てこによる光線追尾式レーザ干渉測長器。
上面を光学的反射面とした半球と球状接触子とを連結軸で結合した首振り運動光てこの前記半球の球面部を三球球面座に加圧的に設座させるとともに前記球状接触子を移動テーブルの上面に固定したＶ板のＶ形面に加圧的に接触させるようにしてなることを特徴とする請求項１記載の首振り運動光てこ。
干渉光学系の戻り光路中に干渉計測用とは別のビームスプリッタを設け、戻り光のほぼ１／２を四分割受光素子に導き、該受光素子により得られる電気的出力を制御装置への入力として、該受光素子のＸ方向及びＹ方向出力の中立点が最大光量点となるごとく、移動テーブルの位置制御を行うことによりＶ形面を移動させて首振り運動光てこの姿勢を制御することを特徴とする請求項１記載の首振り運動光てこの姿勢制御方法。
請求項１記載の光線追尾式レーザ干渉測長器を４セット使用して、計測対象であるレトロリフレクタの位置を所定回数追尾計測することにより、光線追尾式レーザ干渉測長器の互いの位置関係及び光線追尾式レーザ干渉測長器とレトロリフレクタとの距離が測定できない場合においてもレトロリフレクタの位置を決定可能とすることを特徴とする光線追尾式レーザ干渉測長器を用いた測量方法。