JP5193490B2 - 追尾式レーザ干渉計による測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、追尾式レーザ干渉計による測定方法に係り、特に、測定範囲の拡大や測定精度の向上を可能とする追尾式レーザ干渉計の測定方法に関する。

測定光であるレーザビームの出射方向を制御し、測定対象物に取付けられた再帰的反射体（レトロリフレクタとも称する）を追尾し、かつ前記再帰的反射体までの距離をレーザ干渉により高精度に測定する装置として、追尾式レーザ干渉計がある。以下に、特許文献１に代表される追尾式レーザ干渉計について、図１の構成概略図に基づいて説明する。

この追尾式レーザ干渉計は、測定対象物７０に取付けられた再帰的反射体２０と、図示しない測定光を出射する手段と、受光手段３０と、出射方向制御手段４０と、制御手段５０とを有する。そして本体１０は、図示しない測定光を出射する手段と、受光手段３０と、出射方向制御手段４０とからなる。

前記再帰的反射体２０は、入射する光と反射する光の光軸が平行であり、かつ、前記再帰的反射体２０の中心に対して入射する光と反射する光の光軸が点対象となる光学素子である。そのため、再帰的反射体２０は、入射された測定光を入射方向に反射して戻す機能（反射で戻される測定光を戻り光と称する）を有する。なお、測定光が再帰的反射体２０の中心から離れた位置に入射した場合には、測定光と戻り光との光軸の位置が異なることから、後述する第２の受光手段３６により、前記光軸のずれ量が観測されることとなる。

前記測定光を出射する手段は、レーザビームの一部をハーフミラーなどで再帰的反射体２０に向けて測定光を出射する。なお、レーザビームの他の一部は距離測定の参照光として、後述する第１の受光手段３１に入射する。

前記受光手段３０は、本体１０内の基準点６０から測定対象７０に固定された再帰的反射体２０までの距離を測定するために使用される第１の受光手段３１と、再帰的反射体２０の変位を追尾制御するために使用される第２の受光手段３６とから構成される。第１の受光手段３１は、再帰的反射体２０で反射されて戻ってくる戻り光と前述した参照光とを受光して、その受光信号を制御部５０に送る。一方、第２の受光手段３６は、測定光の光軸と、戻り光の光軸とを受光して、両光軸のずれ量についての信号を制御部５０に送る。

前記出射方向制御手段４０は、互いに直交する２軸の回転機構により構成されており、この場合には２軸の共通する中心位置を基準点６０としている。なお、第１の受光手段３１による距離の測定が途切れないようにするために、出射方向制御手段４０によって、第２の受光手段３６から送られる前記両光軸のずれ量は常に一定に保たれる。

前記制御手段５０は、第１の受光手段３１から送られる信号に基づき、基準点６０と再帰的反射体２０との距離の増減に応じた距離を求める。また、第２の受光手段３６から送られる信号に基づき、測定光の出射方向を再帰的反射体２０に向けるように、出射方向制御手段４０を制御する。

このような構成と機能により、出射方向制御手段４０の回転角度情報と第１の受光手段３１で観測される距離、又は、第１の受光手段３１で観測される距離が、追尾式レーザ干渉計の測定値として出力される。すなわち、追尾式レーザ干渉計を３次元座標値の計測に用いると、前者の場合には、測定値から直接３次元空間内の座標値を求めることができ、後者の場合には複数台の追尾式レーザ干渉計を組み合わせて３辺測長を行なうことで同様に座標値を求めることが可能である。

特許２６０３４２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に代表される従来の追尾式レーザ干渉計の測定範囲は、出射方向制御手段４０の出射方向変更可能範囲や再帰的反射体であるレトロリフレクタ２０の反射可能範囲により制限される。そして、追尾式レーザ干渉計１０には電線や光ファイバなどがつながっており、構造上の制約もある。このため、測定空間内に測定できない死角が生じてしまう。

例えば、紙面内での回転角度を考えたとき、出射方向制御手段４０の出射方向変更可能範囲を図２に示す角度範囲１２とするならば、それ以外の範囲ではレトロリフレクタ２０に測定光を入射させることはできず、測定範囲は角度範囲１２に制限される。

また、従来の追尾式レーザ干渉計の測定は、前記出射方向制御手段４０の回転中心である基準点６０からレトロリフレクタ２０までの距離が測定されるため、基準点６０と再帰的反射体２０とで構成される光軸に対して再帰的反射体２０が垂直に変位した場合には、距離の変化はコサイン誤差のオーダーのため、距離測定にほとんど反映されない。

例えば、図３に示す紙面内での上方への変位δを考えたとき、基準点６０とレトロリフレクタ２０との距離は、ＬからＬ１に変化する。このとき、Ｌ、Ｌ１、δの関係は式（１）のように表される。

ここでδがＬに比べて小さい場合には式（１）は式（２）のようになる。

レトロリフレクタ２０がδ変位したことによる距離測定値の変化は微少量(δ/Ｌ)の更に２次の量であり、距離測定値に反映されない。このように、測長感度が著しく劣る位置及び方向（特異点と称する）が存在してしまう。

また、これらの課題を解決するために、追尾式レーザ干渉計の設置位置を変更することも考えられるが、設置したい場所に何らかの干渉物が存在する場合や、適当な安定した設置位置が見つからない場合など、移動が不可能な場合もある。なにより、追尾式レーザ干渉計は精密測定機器であり、移動には設置と調整の手間がかかるなどの問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、追尾式レーザ干渉計を動かすことなく、簡便な構成により、測定範囲の拡大や特異点における測定精度の向上を可能とすることを課題とする。

本発明は、入射された測定光を反射して入射方向に戻すための再帰的反射体と、測定光を出射する手段、前記再帰的反射体で反射され戻ってくる戻り光を受光する受光手段、測定光と戻り光の両光軸の距離が常に一定となるように測定光の出射方向を制御する出射方向制御手段を有する本体と、該出射方向制御手段の制御を行う制御部と、を有し、前記本体内の基準点と再帰的反射体と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よる測定方法において、光反射手段の配置により形成される前記基準点の虚像位置を予め意識し、前記本体と再帰的反射体との間の光路中に、少なくとも１つの前記光反射手段を配置して、前記測定光及び戻り光の光軸の方向を変化させ、該光反射手段に反射される該測定光を該再帰的反射体に向けるために、前記制御部が前記出射方向制御手段を回転制御し、前記虚像位置を新たな基準点として測定を行うことにより、前記課題を解決したものである。

前記本体から出射された測定光が、前記出射方向制御手段の出射方向変更可能範囲外に反射されるように、前記光反射手段を設置することにより、測定範囲を拡大させることができる。

又、前記光反射手段により、前記再帰的反射体に入射する測定光の光軸が、該再帰的反射体の変位方向と直交しないように、再帰的反射体に測定光を入射させることができる。

又、前記光反射手段により、前記再帰的反射体に入射する測定光の光軸が、該再帰的反射体の変位方向と一致するように、再帰的反射体に測定光を入射させることができる。

本発明によれば、光反射手段を設けるという簡便な構成で、測定範囲を拡大させることが可能となる。また、光反射手段で測定光を反射させることで、再帰的反射手段への入射測定光の光軸方向を変化させることができるので、特異点における測定精度の向上が可能となる。

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。

図４は本実施形態に係る追尾式レーザ干渉計を用いた測定装置の構成概略図、図５は本実施形態における測定可能範囲を示す図、図６は従来の特異点に該当する場合の本実施形態における装置配置を示す図、図７は追尾式レーザ干渉計本体の虚像関係を示す図を、それぞれ示している。

図４に示す如く、本実施形態は、従来の追尾式レーザ干渉計の構成要素である、測定対象物７０に取付けられた再帰的反射体２０と、図示しない測定光を出射する手段と、受光手段３０と、出射方向制御手段４０と、制御手段５０とに加え、本実施形態の特徴的な構成要素の光反射手段８０を有する。

前記光反射手段８０は、測定光であるレーザビームを平面的に反射するものであり、例えば、市販されている平面度の良いミラーを使用することができる。それ以外の構成要素は、図１に示した従来の追尾式レーザ干渉計と同一なので、説明を省略する。

このように本実施形態は、図４に示されるように、極めて簡便に構成することが可能である。

次に、本実施形態の作用について説明する。

測定光を出射する手段から、測定光であるレーザビームが出射される。再帰的反射体２０と本体１０との間の光路中に挿入された光反射手段８０によって、測定光は反射される。光反射手段８０の反射面は平面であるので、入射する測定光が平行度を保った平行光であれば、その平行光のままに反射される。反射された測定光は再帰的反射体２０に入射する。入射した測定光は、再帰的反射体２０によって、入射した方向に反射される。反射された光は、戻り光となって再び光反射手段８０で平行度を保ったまま反射され、受光手段３０で受光される。このとき、第１の受光手段３１は、基準点６０と光反射手段８０の反射面を介した再帰的反射体２０との距離を測定するための信号を制御部５０に送る。制御部５０はその信号に基づき、距離を求める。第２の受光手段３６は、再帰的反射体２０へ出射された測定光と戻り光の両光軸のずれに関する位置信号を制御部５０に送る。そして、第１の受光手段３１による距離の測定が途切れないように、測定光を再帰的反射体２０に向けるために、制御部５０は、第２の受光手段３６からの信号に基づき、出射方向制御手段４０の回転制御を行う。

このように本実施形態においては、従来の追尾式レーザ干渉計の制御動作を複雑にすることが無いという利点を有する。

次に、本実施形態における測定可能範囲について以下に説明する。

図２に示したように紙面上での出射方向制御手段４０の出射方向変更可能範囲が角度範囲１２である場合に、図５に示す如く、光反射手段８０を角度範囲内１２に配置すれば、光反射手段８０の反射により測定範囲は角度範囲１２の範囲外の角度範囲１４に拡大するので、角度範囲１４にも再帰的反射体２０を配置させることができる。すなわち、第２の光反射手段８０を設置することにより、従来、追尾式レーザ干渉計の位置を変えなければ測定できなかった角度範囲１４に測定範囲を容易に拡大可能となる。

次に、本実施形態における特異点における測定精度について以下に説明する。

図３に示したように紙面上で上方向へ再帰的反射体２０がδ変位した場合には、図６に示す如く、光反射手段８０を紙面上の再帰的反射体２０の下方近傍に配置することで、距離測定が可能となる。ここで、前記変位δの場合には、図３で示したように、従来の追尾式レーザ干渉計の配置では特異点に該当するので測定精度の低下が見られる。これは、追尾式レーザ干渉計による距離測定においては、測定光の光軸と同じ方向の変位量に対しては測定の感度がよいが、光軸と直交する方向の変位量に対しては測定の感度が著しく悪いということからくるものである。しかし、本実施形態では、光反射手段８０で測定光を反射させることにより、再帰的反射体２０への測定光の入射方向、すなわち光軸を変位方向と直交させず、どちらかというと一致させるようにする。このために、追尾式レーザ干渉計を測定感度のよい状態で使用でき、追尾式レーザ干渉計の移動をしなくても、測定精度を従来に比べて向上させることが可能となる。

次に、本実施形態における光反射手段８０を用いたときに生ずる虚像位置を基準点として測定を行う場合について、図７を用いて説明する。光反射手段８０を用いた場合には、追尾式レーザ干渉計の本体１０およびその基準点６０の虚像は、図７で示す位置１１と位置６１に定まる。従って、再帰的反射体２０までの距離の測定は、基準点６０の虚像位置である６１を基準点とすることにより、光反射手段８０の存在を意識することなく、容易に距離を求めることが可能となる。なお、この虚像位置は、追尾式レーザ干渉計本体１０を仮想的に位置１１に移動したことと等価であることを示している。このため、予めこれらの虚像位置を意識することで、従来の特異点や測定範囲の問題を回避できるように、光反射手段８０の配置検討を十分に行うことが可能となる。

以上、本実施形態においては、光反射手段８０を平面ミラーとしたが、例えば、プリズムなどを用いても本発明に含まれる。また、本実施形態では光反射手段８０による反射が１度であったが、光反射手段８０を複数とし、複数の反射回数としても本発明に含まれる。また、上記実施形態では追尾式レーザ干渉計の本体に制御部を含めなかったが、制御部を含めて本体と捉えることも、言うまでもなく本発明に含まれる。

なお、本発明は再帰的反射体２０の反射可能範囲から生じる測定範囲の制限を回避することにも有効である。

従来の追尾式レーザ干渉計の概略構成図 同じく測定可能範囲を示す図 同じく特異点における装置配置を示す図 本発明の実施形態に係る追尾式レーザ干渉計を用いた測定装置の構成概略図 同じく測定可能範囲を示す図 従来の特異点に該当する場合の本実施形態における装置配置を示す図 同じく追尾式レーザ干渉計本体の虚像関係を示す図

符号の説明

１０…本体
１１…本体の虚像
１２…出射方向変更可能範囲
１４…測定範囲
２０…再帰的反射体
３０、３１、３６…受光手段
４０…出射方向制御手段
５０…制御部
６０、６１…基準点
７０…測定対象物
８０…光反射手段

Claims (4)

1. 入射された測定光を反射して入射方向に戻すための再帰的反射体と、
   測定光を出射する手段、前記再帰的反射体で反射され戻ってくる戻り光を受光する受光手段、測定光と戻り光の両光軸の距離が常に一定となるように測定光の出射方向を制御する出射方向制御手段を有する本体と、
   該出射方向制御手段の制御を行う制御部と、を有し、
   前記本体内の基準点と再帰的反射体と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よる測定方法において、
   光反射手段の配置により形成される前記基準点の虚像位置を予め意識し、前記本体と再帰的反射体との間の光路中に、少なくとも１つの前記光反射手段を配置して、前記測定光及び戻り光の光軸の方向を変化させ、該光反射手段に反射される該測定光を該再帰的反射体に向けるために、前記制御部が前記出射方向制御手段を回転制御し、前記虚像位置を新たな基準点として測定を行うことを特徴とする追尾式レーザ干渉計による測定方法。
2. 前記本体から出射された測定光が、前記出射方向制御手段の出射方向変更可能範囲外に反射されるように、前記光反射手段を設置することにより、測定範囲を拡大させ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による測定方法。
3. 前記光反射手段により、前記再帰的反射体に入射する測定光の光軸が、該再帰的反射体の変位方向と直交しないように、再帰的反射体に測定光を入射させることを特徴とする請求項１又は２に記載の追尾式レーザ干渉計による測定方法。
4. 前記光反射手段により、前記再帰的反射体に入射する測定光の光軸が、該再帰的反射体の変位方向と一致するように、再帰的反射体に測定光を入射させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の追尾式レーザ干渉計による測定方法。

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