JP5235158B2 - 追尾式レーザ干渉測長計 - Google Patents

Description

本発明は、追尾式レーザ干渉測長計に係り、特に、三次元座標測定機の空間補正手段、ロボットアーム等、先端の軌跡の履歴追跡手段、工作機械のテーブルの運動性能チェック手段、非直交型座標測定システムを構成する追尾ステーション等に用いるのに好適な、空間の移動体（標的）までの距離を追尾しながら測長する追尾式レーザ干渉測長計の改良に関する。

空間の移動体（標的）までの距離を追尾しながら測長する追尾式レーザ干渉測長計が知られている。

例えば、特許文献１には、測定基準となる再帰逆反射体（キャッツアイリフレクタ）と、ターゲットとなる再帰逆反射体との相対的な変位を測定するための追尾式レーザ干渉測長計が記載されている。

特許文献１に記載の装置は、図１に示す如く、測定基準となる参照用の第１の再帰逆反射体１０１と、移動体に設置された測定用の第２の再帰逆反射体１０２と、前記第１の再帰逆反射体１０１の中心を通るＸ軸及びＹ軸の周りにそれぞれ回転自在な回転部１０３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１０３の回動に拘らず、該回転部１０３に導く手段と、前記回転部１０３に固定配設された複数の光学部品（１／４波長板１０４、１０５、プリズム１０６〜１１０、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１１）からなる光学系と、を備える。

この光学系は、前記回転部１０３に導かれたレーザビームをＰＢＳｌｌｌ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の再帰逆反射体１０１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測定光として出射して前記第２の再帰逆反射体１０２に入射させ、前記第１及び第２の再帰逆反射体１０１、１０２からの反射光を、それぞれ得ることができるように設計されている。

さらに、前記２つの反射光の干渉に基づいて、前記第２の再帰逆反射体１０２の移動量を検出する検出部（図示省略）と、前記第２の再帰逆反射体１０２からの反射光の一部が入射され、その光軸のずれ量に応じた位置信号を出力する追尾用位置検出手段としての４分割フォトダイオード（ＰＤ）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１０３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。

この特許文献１に記載の追尾式レーザ干渉測長計によれば、回転部１０３の回動中心が振れても、ＰＢＳ１１１から参照用の再帰逆反射体１０１までの距離と、測定用の再帰逆反射体１０２までの距離との差が変化しないため、測定用の再帰逆反射体１０２が設置された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ことができる。

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、以下の問題が発生する。

（１）ＰＢＳ１１１の所で参照光と測定光とを直角に分離し、第１と第２の再帰逆反射体１０１と１０２のそれぞれからの反射光を再びＰＢＳ１１１で重ね合わせて、干渉状態を作り、測長する干渉計を用いているため、２軸に回転できるジンバル機構である回転部１０３における光学部品の配置が極めて複雑且つ部品点数が多く、高価になる。

（２）第１の再帰逆反射体１０１の中心位置と前記回転部１０３に配置されるレーザビームのアライメント調整などが極めて複雑且つ困難である。

（３）再帰逆反射体が球形キャッツアイの場合、屈折率が約２の軟らかい光学材料で作られる特注品となるため、一般には市販されておらず高価になる。

（４）球形キャッツアイの表面(焦点を結ぶ側の面)に少しでも傷やほこりがあると反射光が乱れ、干渉測長が実行できなくなる。

前記問題点を克服するため、特許文献２では、特許文献１とは異なる配置のレーザ干渉計を用いて特許文献１と同様の効果を達成している。装置の光学系の構成は文献中のＦｉｇ．６に示されているが、レーザ干渉測長に関係する部分のみを抜き出した概略を図２に示す。

このレーザ干渉計は、基準球２０２、対物レンズ２０８、破線で囲った干渉計本体部２１４、測定側再帰逆反射体（ターゲット）２０３から成る特徴を持つ。

なお、図２において、ビームスプリッタ２１５と４分割ＰＤ２１６から成る追尾用位置検出手段２１７は、レーザ干渉計の干渉計本体部２１４と測定側再帰逆反射体２０３の位置ずれ量を検出し、制御装置（図示せず）によって追尾するためのものである。

図２の装置の機能を詳述すると次のようになる。

レーザ光源（図示せず）より偏波面保存ファイバ２０４を通って出射したレーザビームは、レンズ２０５を通過し、直交する２つの直線偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）を持つ平行光２０６にされ、ＰＢＳ２０１へ向かう。ＰＢＳ２０１では、紙面に平行なＰ偏光は、そのままＰＢＳ２０１を通過し、干渉計の参照光となる。

一方、紙面に垂直な振動面を持つＳ偏光はＰＢＳ２０１で反射され、１／４波長板２０７を通過して円偏光となり、レンズ２０８でその焦点位置が基準球２０２の中心Ｏまたは外側表面となるように絞られる。基準球２０２の表面での反射光２０９は再びレンズ２０８で平行光にされ、ｌ／４波長板２０７を通過するとＰ偏光となり、ＰＢＳ２０１、１／４波長板２１０を通過して円偏光の状態で測定側再帰逆反射体２０３へ向かう。測定側再帰逆反射体２０３での反射光が再び１／４波長板２１０を通過すると、今度はＳ偏光となり、ＰＢＳ２０１で反射され、干渉計の測定光となる。

前述の干渉計の参照光と測定光が重なった状態で偏光板２１１を通過すると、干渉光２１２が得られる。干渉光は干渉光信号として光ファイバ２１３を伝播し、電装部装置（図示せず）から測長結果が出力される。

図２に示すレーザ干渉計の大きな特長は、干渉計本体部２１４がレーザビームに沿った方向に変位しても、観測される距離（基準球２０２の中心Ｏから測定側再帰逆反射体２０３のＰ点までの距離Ｌ）は変化しない点にある（特許文献１と同じ効果）。また、特許文献１に記載の技術に比べて簡素な部品構成で、同等の性能が達成できる。

しかしながら、特許文献２の技術は、次のような問題点を有していた。

（１）レーザビームがレンズ２０８により基準球２０２の中心Ｏを焦点とするように集光される場合、回転機構の運動誤差の影響を受けやすい。即ち、回転機構の運動誤差により、測定光の焦点の位置が基準球２０２の中心Ｏの位置からずれると、反射光２０９の波面が乱れるため、干渉光２１２から得られる信号のＳ／Ｎが悪くなり変位測定が困難になってしまう。

（２）レーザビームがレンズ２０８により基準球２０２の外側表面を焦点とするように集光される場合、基準球２０２の表面の埃やごみの影響を受けやすい。即ち、焦点ではビームの径が小さくなるため、小さな傷や埃の影響を受けやすい。

（３）基準球２０２で反射されたレーザビームの波面は、レンズ２０８の焦点のずれの影響により乱れが生じる。従って、レーザビームが基準球２０２で反射された後に測定側再帰逆反射体（ターゲット）２０３に向かうようにレーザビームのパスをとると、基準球２０２での反射により波面が乱れた状態のレーザビームを、遠方にある測定側再帰逆反射体２０３まで飛ばすことになり、回折や収差などの影響が大きくなる。

このような問題点を解決するべく、特許文献１の段落［００１６］に示唆されているように、基準球として透明なガラス材料等を用いて作製された真球を用いることが考えられる。

特許第２６０３４２９号公報（図２、段落［００１６］） 米国特許第６１４７７４８号明細書（Ｆｉｇ．６）

しかしながら、基準球への入射を細いビームとした場合には、入射面のゴミの影響を受けやすい。又、基準球の内部での反射が点である場合には、基準球表面の傷などの影響を受けやすく、又、基準球の局所的な真球誤差の影響を受けやすい等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、入射面のゴミの影響を受けにくく、基準球表面の傷等に対してロバストであり、基準球の局所的な真球誤差の影響を受けにくい追尾式レーザ干渉測長計を提供することを課題とする。

本発明は、固定位置に配設された透明な基準球と、移動体に配設された再帰逆反射体と、前記基準球の中心を中心として回動するように設計されたキャリッジと、該キャリッジに固定配設され、前記再帰逆反射体と前記基準球の間でレーザビームを往復させる光学系を含み、前記再帰逆反射体と前記基準球の間の距離を干渉測長する測長手段と、前記キャリッジに固定配設され、前記再帰逆反射体の入射光と反射光の光軸のずれ量に応じた信号を出力する追尾用位置検出手段と、該追尾用位置検出手段により得られる前記光軸のずれ量がゼロとなるように前記キャリッジの回動を制御する制御部とを備えた追尾式レーザ干渉測長計において、前記基準球に入射されるレーザビームが、基準球の中心に焦点を結び、入射側と反対の内側球面で反射されるようにして前記課題を解決したものである。

ここで、前記再帰逆反射体と前記基準球の間でレーザビームを往復させる場合、先に移動体に配設された再帰逆反射体にレーザビームを向け、その反射するレーザビームを基準球に向けることができる。

本発明によれば、基準球への入射時に、光のビーム径にある程度の幅が確保できるので、入射面のゴミの影響などを受けにくい。又、基準球の内部での反射が点ではなく、面での反射となるため、基準球表面の傷等に対してロバストとなり、基準球の局所的な真球誤差の影響も受けにくい。

特許文献１に記載の技術の要部を示す図 特許文献２に記載の技術の要部を示す図 本発明の実施形態の全体を示す斜視図 同じく要部を示す光路図

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。

本実施形態は、図３（全体を示す斜視図）及び図４（要部を示す光路図）に示す如く、固定テーブル６１０にしっかり固定された支柱６１２に固定されることにより、固定位置に配設された、透明なガラス材料などを用いて作製された基準球６１４と、移動体に配設された再帰逆反射体でなる測定側反射体６２０と、前記基準球６１４の中心Ｏを中心として図４に示すＸ軸及びＹ軸周りに回動するように設計されたキャリッジ６３０と、該キャリッジ６３０に固定配設され、前記測定側反射体６２０と前記基準球６１４の間でレーザビーム（測定光）６４２を往復させる光学系（ＰＢＳ６４４、λ／４板６４６、６４８、偏光板６５０）を含み、前記測定側反射体６２０と前記基準球６１４の間の距離を干渉測長するための干渉計本体部６４０と、前記キャリッジ６３０に固定配設され、前記測定側反射体６２０の入射光と反射光の光軸のずれ量に応じた信号を出力するための、例えば特許文献２と同様のビームスプリッタ６６２及び４分割光検出器６６４でなる追尾用位置検出手段６６０（図４）と、該追尾用位置検出手段６６０により得られる前記光軸のずれ量がゼロとなるように前記キャリッジ６３０の回動を制御する制御部６７０とを備えた追尾式レーザ干渉測長計において、図４に詳細に示す如く、前記基準球６１４に入射されるレーザビームが、干渉計本体部６４０の基準球６１４側に設けた対物レンズ６８０により、基準球６１４の中心Ｏに焦点を結び、入射側と反対の内側球面で反射されるようにしたものである。

前記基準球６１４の反射側表面には、図４に示される如く、半球状の反射膜６１４Ｒを施して、反射率を高めることができる。尚、全球範囲を使用する場合は、最終的な反射の効率を最大にするため、球全体に対して３０％程度の反射コートを施すこともできる。

図において、６３２は、干渉計本体部６４０の裏側に設けられたモータ（図示省略）によりキャリッジ６３０が走行して移動する円形フレーム、６３４は、該円形フレーム６３２が固定される円筒型回転テーブル、６３６は該円筒型回転テーブル６３４を回転させるためのモータ、６３８は図示しないレーザ光源から干渉計本体部６４０に入射される平行レーザビーム、６５２は干渉計本体部６４０から出射される干渉光である。

このような構成において、基準球６１４に向かう平行光は、対物レンズ６８０によって、基準球６１４の中心で焦点を結び、その後、入射と反射側の球内面で反射して、再び光が入射した方向に戻る。基準球６１４が球形状であることから、平行レーザビームは、どの方向から入射しても、入射方向と同じ方向へ反射して戻る。

他の点については、特許文献２に記載された技術と同様であるので、詳細な説明は省略する。

尚、測長のターゲットとなる測定側反射体６２０としては、コーナキューブプリズム、屈折率２で作成された球、半球をはり合わせたタイプのキャッツアイリフレクタ等を利用することができる。

又、基準球６１４の反射膜６１４Ｒは、省略することもできる。

本実施形態においては、レーザビームのパスを、図４に示す如く、先に測定側反射体６２０に向かわせた後に基準球６１４へ向かわせるようにしているので、遠方に向かう光にきれいな平面波を使うことができ、回折や収差等の影響を抑えて、長距離での測定を安定に行うことができる。これに対して、レーザビームのパスをこれと逆の基準球６１４で反射された後に測定側反射体６２０に向かうように取ると、基準球６１４での反射により波面が乱れた状態のレーザビームを、遠方にある測定側反射体６２０まで飛ばすことになり、回折や収差などの影響が大きくなる。

尚、基準球６１４の中心Ｏに焦点を結ばせる集光手段は、対物レンズ６８０に限定されない。

６１０…固定テーブル
６１２…支柱
６１４…基準球
６１４Ｒ…反射膜
６２０…測定側反射体
６３０…キャリッジ
６３２…円形フレーム
６３４…円筒型回転テーブル
６３６…モータ
６３８…平行レーザビーム
６４０…干渉計本体部
６４２…測定光
６５２…干渉光
６６０…追尾用位置検出手段
６７０…制御部
６８０…対物レンズ

Claims (2)

1. 固定位置に配設された透明な基準球と、
   移動体に配設された再帰逆反射体と、
   前記基準球の中心を中心として回動するように設計されたキャリッジと、
   該キャリッジに固定配設され、前記再帰逆反射体と前記基準球の間でレーザビームを往復させる光学系を含み、前記再帰逆反射体と前記基準球の間の距離を干渉測長する測長手段と、
   前記キャリッジに固定配設され、前記再帰逆反射体の入射光と反射光の光軸のずれ量に応じた信号を出力する追尾用位置検出手段と、
   該追尾用位置検出手段により得られる前記光軸のずれ量がゼロとなるように前記キャリッジの回動を制御する制御部と、
   を備えた追尾式レーザ干渉測長計において、
   前記基準球に入射されるレーザビームが、基準球の中心に焦点を結び、入射側と反対の内側球面で反射されるようにしたことを特徴とする追尾式レーザ干渉測長計。
2. 請求項１に記載の追尾式レーザ干渉測長計において、
   前記再帰逆反射体と前記基準球の間でレーザビームを往復させる場合、先に移動体に配設された再帰逆反射体にレーザビームを向け、その反射するレーザビームを基準球に向けることを特徴とする追尾式レーザ干渉測長計。

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