WO2012067012A1 - レーザートラッカー - Google Patents

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WO2012067012A1
WO2012067012A1 PCT/JP2011/075937 JP2011075937W WO2012067012A1 WO 2012067012 A1 WO2012067012 A1 WO 2012067012A1 JP 2011075937 W JP2011075937 W JP 2011075937W WO 2012067012 A1 WO2012067012 A1 WO 2012067012A1
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WO
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gain
target
axis
laser
angle
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PCT/JP2011/075937
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English (en)
French (fr)
Inventor
中島明生
矢田雄司
Original Assignee
Ntn株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/66—Tracking systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • the present invention relates to a laser tracker and, for example, to a technique for measuring spatial coordinates of an object such as a material, a product, a building, or a natural object in a production field or a measurement field.
  • Patent Document 1 a laser tracking technique in which the direction of a laser beam serving as a guide is controlled by a biaxial motor to follow a moving target is known (Patent Document 1).
  • the spatial direction of the moving target can be known using a biaxial encoder attached to the motor.
  • the target is generally a retro-reflector or a reflector using three mirrors each called an orthogonal reflector. In any case, the reflector can return light in the incident direction.
  • laser distance measurement technology has been established.
  • laser interferometers such as Agilent (formerly Hewlett-Packard), Renishaw, etc., measure distances of several meters with a resolution of nanometers.
  • Agilent formerly Hewlett-Packard
  • Renishaw etc.
  • a device that combines these two technologies can measure the distance and spatial angle from the device to the target and determine the spatial position of the target relative to the device. It is. They are commercialized by API (Automated Precision Inc.), FARO, etc., and the principle is disclosed (Patent Document 3).
  • JP-A-62-165114 Japanese Patent Laid-Open No. 5-264215 Special table 2003-506691 gazette
  • the coordinates (X, Y, Z) of the target can be determined from three values, the distance L measured with laser light and its spatial angle ( ⁇ , ⁇ ).
  • ⁇ , ⁇ the distance L measured with laser light
  • control is performed using servo technology.
  • the amount of angle to be corrected changes depending on the distance to the target. Therefore, it is necessary to confirm the servo system at a plurality of points even when adjusting the servo system, and it is difficult to adjust the servo system optimally for all points.
  • the angle correction amount is ⁇ 1 with respect to the target position deviation S1.
  • the angle correction amount is ⁇ 2 with respect to the target position deviation S2.
  • S1 S2
  • L2> L1 L1
  • An object of the present invention is to provide a laser tracker capable of setting a servo gain to an optimum value by using distance information in control of a laser tracker having an optimum servo gain depending on a distance.
  • the laser tracker is a laser tracker for obtaining a spatial coordinate of one target provided on a measurement object, the laser light source for irradiating the target with a laser beam, and the laser beam for the moving target.
  • Angle adjusting means that can adjust the angle around two axes orthogonal to each other, a light receiving unit that recognizes position information of reflected light of the laser beam reflected by the target, and reflected light of the laser beam reflected by the target.
  • Control means for controlling the angle by the angle adjusting means, and the gain Gain command means for setting in the variable gain setting section, wherein the gain command means obtains a gain inversely proportional to the distance measured by the measurement means, or (b) adjusts by the angle adjustment means.
  • the crosstalk amount of two angle components of the laser beam in the light receiving unit is calculated
  • the gain command means obtains a gain inversely proportional to the distance measured by the measuring means
  • the laser beam emitted from the laser light source reaches the target via the angle adjusting means.
  • the reflected light reflected by the target returns to the irradiation laser tracker through substantially the same path.
  • the measuring means receives the reflected light and measures the distance from the laser beam irradiated by the laser light source and the received reflected light to the target.
  • the control unit controls the angle by the angle adjusting unit based on the gain set in the variable gain setting unit from the position information recognized by the light receiving unit.
  • the optimum servo gain for the output of the light receiving unit of the laser tracker varies depending on the distance to the target.
  • the control means controls the angle by the angle adjusting means based on the servo gain obtained as described above.
  • a laser tracker having an appropriate and stable servo system can be realized regardless of the distance to the target.
  • the servo system may be adjusted at an arbitrary point.
  • crosstalk may occur between the outputs of the light receiving unit.
  • the gain command means calculates the crosstalk amount of two angle components of the laser beam in the light receiving unit from the angle information of the laser beam adjusted by the angle adjustment means, and obtains a gain that cancels the crosstalk amount. This suppresses the occurrence of crosstalk and enables stable servo control.
  • the variable gain setting unit may be a programmable gain amplifier, and the gain command means may command the obtained gain to the programmable gain amplifier.
  • the variable gain setting unit may be a multiplier, and the control unit may multiply the signal by a voltage corresponding to a gain using the multiplier.
  • the variable gain setting unit includes any one of a microcomputer, a personal computer, and a programmable logic controller (abbreviated as PLC), an AD converter, and a DA converter, and the control means is suitable for a signal input from the AD converter. It is also possible to output with a DA converter with a certain gain.
  • PLC programmable logic controller
  • the variable gain setting unit may be provided with a switch capable of changing the gain. For example, when multiple switches are used, the distance to the target is divided into the same number of areas as the switches, and the gain in each switch is determined so that the appropriate gain is obtained in each area. Switch to the other switch.
  • the control means includes an angle detection means for detecting an angle of each axis of the angle adjustment means, and a feedback control unit for each axis for controlling the angle adjustment means using a detection value of the angle detection means,
  • the variable gain setting unit may adjust the gain of the feedback control unit of each axis in addition to the gain change by the distance.
  • variable gain setting unit When the variable gain setting unit is also used as an adjustment unit that adjusts the servo gain, the control unit may observe the state of the servo system and automatically change the gain. According to this configuration, when the servo seems to oscillate, the servo gain can be automatically changed to a smaller value to bring the servo in a stable direction.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the principle of a laser tracker according to first to fifth embodiments of the present invention. It is a block diagram of the control system of the laser tracker concerning the embodiment. It is the schematic showing the relationship between a deviation and an angle when a target is near. It is the schematic showing the relationship between a deviation and an angle when a target is far.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the principle of a laser tracker according to first to fifth embodiments of the present invention. It is a block diagram of the control system of the laser tracker concerning the embodiment. It is the schematic showing the relationship between a deviation and an angle when a target is near. It is the schematic showing the relationship between a deviation and an angle when a target is far.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the principle of a laser tracker according to first to fifth embodiments of the present invention. It is a block diagram of the control system of the laser tracker concerning the embodiment. It is the schematic showing the relationship between a deviation and an angle when a target is near. It
  • FIG. 10 is a block diagram of a laser tracker control system according to sixth to eighth embodiments of the present invention. It is a block diagram of the control system of the laser tracker concerning a reference proposal example. It is a schematic diagram which shows schematic structure in case the light-receiving part of the laser tracker consists of a 4-part photodiode. It is a coordinate diagram showing the locus
  • the laser tracker follows the movement of one target provided on the measurement object and obtains spatial coordinates.
  • the following description also includes a description of the spatial coordinate measurement method.
  • the target Tg is attached in a stationary state at one place on the measurement object W.
  • a spherical retro reflector is used as the target Tg. However, it is not limited to a spherical retro reflector.
  • the laser tracker 1 mainly has a laser light source 2, an angle adjusting means 3, a measuring means 4, and a control means 5.
  • the laser light source 2 irradiates the target Tg with the laser beam Lb, and the measuring means 4 measures the distance to the target Tg using the laser beam Lb reflected by the target Tg.
  • the measuring means 4 for example, a length measuring device comprising an interferometer or an absolute distance meter is used.
  • the laser light source 2 and the length measuring device constitute a laser length measuring device which is an integrated device and are accommodated in, for example, a cylindrical casing 6.
  • the angle adjusting means 3 is capable of adjusting the angle of the laser beam Lb around two axes perpendicular to the moving target Tg, and includes an optical device and a light receiving unit 7.
  • the optical apparatus includes a half mirror 8, a ⁇ -axis motor 9, a ⁇ -axis encoder 10 that is an angle detection unit, a ⁇ -axis motor 11, a ⁇ -axis encoder 12 that is an angle detection unit, and a mirror 13.
  • the ⁇ axis and the ⁇ axis in the ⁇ axis motor 9 and the ⁇ axis motor 11 are two orthogonal axes, and the ⁇ axis is arranged in parallel to the axial center of the cylindrical casing 6.
  • a ⁇ -axis motor 9 and a ⁇ -axis encoder 10 are provided at the upper end portion of the casing 6, and the rotating body 14 is supported via the ⁇ -axis motor 9 so as to be rotationally driven.
  • the rotating body 14 is configured to be angularly displaceable around the ⁇ axis relative to the casing 6 at the upper end portion of the casing 6.
  • a ⁇ -axis motor 11 and a ⁇ -axis encoder 12 are supported on the upper end of the rotating body 14 via a concave frame 15.
  • the axes of the ⁇ -axis motor 11 and the ⁇ -axis encoder 12 are parallel to the ⁇ axis orthogonal to the ⁇ axis, and the mirror 13 is supported on the axes of the ⁇ -axis motor 11 and the ⁇ -axis encoder 12 so as to be angularly displaceable.
  • a hole h through which a laser beam (including reflected light) Lb passes is formed in the upper end portion of the casing 6, the rotating body 14, and the frame 15.
  • the laser beam Lb emitted from the laser light source 2 passes through the half mirror 8 and is reflected by the mirror 13 before reaching the target Tg.
  • the laser beam Lb reflected by the target Tg that is, the reflected light passes through substantially the same path, returns to the irradiation source laser tracker 1, is reflected by the half mirror 8, and reaches the light receiving unit 7 disposed in the casing 6.
  • the light receiving unit 7 recognizes the position information of the reflected light of the laser beam Lb, and is configured by, for example, a semiconductor position detection element (abbreviated as PSD) or a quadrant photodiode.
  • PSD semiconductor position detection element
  • the control means 5 controls the ⁇ -axis motor 9 and the ⁇ -axis motor 11 so that the reflected light reaching the light receiving unit 7 returns to the center of the light receiving unit 7.
  • the light receiving unit 7 includes a two-dimensional semiconductor position detecting element
  • a current representing the position data “that is, position information” itself of the laser spot that has reached the surface of the light receiving unit is obtained.
  • This current is converted into a voltage and input to a programmable gain amplifier 17 described later.
  • the position information is a deviation from the reference origin of the X and Y coordinates on the surface of the light receiving unit.
  • the laser beam Lb deviates from the center of the target Tg
  • the laser spot that reaches the surface of the light receiving unit deviates from the semiconductor position detecting element, and an error signal is generated.
  • the target Tg is moved to obtain a large number of spatial coordinates and the movement of the target Tg is tracked by the laser tracker 1, the center of each target Tg is tracked by the laser beam Lb based on the position data from the light receiving unit 7. obtain.
  • the light receiving unit 7 is composed of, for example, a four-division photodiode
  • the change in the center of gravity of the projected image of the laser spot that reaches the surface of the light receiving unit is measured. That is, the displacement is measured as a voltage from the differential output of the photodiode in each of the four divided regions.
  • the control unit 5 includes a gain command unit 16, a programmable gain amplifier 17 as a variable gain setting unit, a ⁇ axis control unit 18, a ⁇ axis control unit 19, a ⁇ axis driver 20, and a ⁇ -axis driver 21.
  • These ⁇ -axis control unit 18 and ⁇ -axis control unit 19 are constituted by, for example, a microcomputer or other electronic devices.
  • the ⁇ -axis control unit 18 and the ⁇ -axis control unit 19 respectively command the ⁇ -axis driver 20 and the ⁇ -axis driver 21 so that the laser beam Lb always returns to the center of the light receiving unit based on the signals from the light receiving unit 7.
  • the ⁇ -axis motor 9 and the ⁇ -axis motor 11 angularly displace the mirror 13 around the orthogonal ⁇ -axis and ⁇ -axis based on the command value. As a result, the mirror 13 is always directed in an appropriate direction.
  • a calculation means 22 is electrically connected to the length measuring device, the ⁇ -axis encoder 10 and the ⁇ -axis encoder 12.
  • the computing means 22 obtains the spatial coordinates of the target Tg from the measured value of the distance to the target Tg measured by the length measuring instrument and the measured values of the ⁇ -axis encoder 10 and the ⁇ -axis encoder 12.
  • the target Tg is moved manually or automatically, and the laser tracker 1 tracks the movement of the target Tg. That is, the angle of the laser beam Lb is displaced with respect to the moving target Tg, and the target Tg at each position is irradiated with the laser beam Lb.
  • a gain command means 16 and a programmable gain amplifier 17 are provided on the circuit.
  • a ⁇ -axis control unit 18 and a ⁇ -axis control unit 19 are electrically connected to the subsequent stage of the light receiving unit 7 via a programmable gain amplifier 17.
  • a programmable gain amplifier 17 is electrically connected to the length measuring device via a gain command means 16.
  • the gain command means 16 obtains a gain inversely proportional to the distance measured by the measuring means 4 and sets it in the programmable gain amplifier 17. That is, when the length measurement result from the length measuring device is transmitted to the gain command means 16, the gain command means 16 determines the gain according to the formula (5) described later from the distance information, and determines the gain to the programmable gain amplifier 17. Command the gain.
  • the programmable gain amplifier 17 for example, a voltage corresponding to position information that has reached the surface of the light receiving unit is input, and this input voltage is amplified with a predetermined amplification factor by the commanded gain.
  • the ⁇ -axis control unit 18 and the ⁇ -axis control unit 19 use the variable gain obtained by the programmable gain amplifier 17 as described above, instead of the fixed gains ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ , by the angle adjusting unit 3. Control the angle.
  • the programmable gain amplifier 17 is an amplifier whose gain is variable according to the gain input from the gain input terminal.
  • the optimum servo gain of the laser tracker 1 varies depending on the distance to the target Tg.
  • the angle of the target position after the movement with respect to the target position of the movement is ⁇
  • the optimum servo gain is inversely proportional.
  • the servo gain g (dB) is expressed as L for the distance to the target Tg and L0 for the reference distance.
  • the gain is determined according to the distance to the target Tg with respect to the reference distance, and the determined gain is commanded to the programmable gain amplifier 17.
  • the control means 5 controls the angle adjustment by the angle adjustment means 3 based on the servo gain obtained as described above.
  • the ⁇ -axis control unit 18 and the ⁇ -axis control unit 19 in the control unit 5 always return the laser beam Lb to the center of the light-receiving unit to the ⁇ -axis driver 20 and the ⁇ -axis driver 21 based on the signals from the light receiving unit 7, respectively.
  • the ⁇ -axis control unit 18 and the ⁇ -axis control unit 19 give commands based on the servo gain taking into account the distance information to the target Tg to the ⁇ -axis driver 20 and the ⁇ -axis driver 21, respectively.
  • the ⁇ -axis motor 9 and the ⁇ -axis motor 11 angularly displace the mirror 13 around the orthogonal ⁇ -axis and ⁇ -axis based on the command value.
  • the laser tracker 1 having an appropriate and stable servo system can be realized regardless of the distance to the target Tg. Furthermore, since it is sufficient to adjust the servo system at an arbitrary point, it is not necessary to adjust the servo system at a plurality of points, and man-hours can be reduced. Therefore, the spatial coordinates of the target Tg can be specified easily and accurately.
  • the control means 5 multiplies the signal by a voltage corresponding to the gain using the multiplier.
  • the control means 5 instead of the programmable gain amplifier 17, any one of a microcomputer, a personal computer, and a programmable logic controller (abbreviated as PLC), an AD converter, and a DA converter are provided, and the control means 5 includes: The signal input from the AD converter is given an appropriate gain and output by the DA converter.
  • a switch capable of changing the gain is provided instead of the programmable gain amplifier 17.
  • the distance to the target Tg in FIG. 1 is divided into the same number of areas as the switches, and the gain in each switch is determined so as to obtain an appropriate gain in each area. Switch to the specified switch every time.
  • the measurement space is divided into several to several tens of areas based on the distance to the target Tg.
  • the calculation means 22 specifies an existing area from the measured value of the distance to the target Tg measured by the length measuring device. Thereby, it switches to the switch linked
  • a gain is determined for each switch, whereby the ⁇ -axis control unit 18 and the ⁇ -axis control unit 19 in FIG. 2 are distances from the ⁇ -axis driver 20 and the ⁇ -axis driver 21 to the target Tg, respectively.
  • a command based on the servo gain with information added is given.
  • the ⁇ -axis motor 9 and the ⁇ -axis motor 11 angularly displace the mirror 13 around the orthogonal ⁇ -axis and ⁇ -axis based on the command value. Therefore, the laser tracker 1 having a servo system in consideration of distance information to the target Tg can be realized.
  • the control means 5 may be able to change the gain automatically by observing the state of the servo system. According to this configuration, when the servo seems to oscillate, the servo gain a can be automatically changed to a small value to bring the servo in a stable direction.
  • the ⁇ -axis motor 9 (FIG. 1) must be rotated in order to cause the laser beam to follow the target.
  • the laser light source 2, the measuring means 4 such as a length measuring device, the light receiving unit 7, and the half mirror 8 (hereinafter referred to as “light receiving unit etc.”) must be rotated at the same time.
  • the light-receiving unit or the like is not rotated, the change information of the position of the laser beam at the light-receiving unit 7 that must be separated in the ⁇ and ⁇ directions cannot be separated as the ⁇ -axis motor 9 rotates.
  • the locus of the laser beam on the light receiving unit 7 when the angle ⁇ is not necessarily 0 and the light receiving unit or the like does not rotate in synchronization with the rotation angle ⁇ of the ⁇ -axis motor 9 will be described with reference to FIG. .
  • the ⁇ -axis motor 9 rotates by an angle ⁇
  • the locus of the laser beam in the x and y directions on the light receiving unit 7 rotates by ⁇ .
  • the trajectory of the laser beam in the x direction is decomposed into xcos ⁇ and ⁇ xsin ⁇
  • the trajectory of the laser beam in the y direction is decomposed into ycos ⁇ and ysin ⁇ , respectively. Therefore, if the movement amount of the locus of the laser beam on the light receiving unit 7 is (x, y) and the conversion rate to voltage is e, the output (X, Y) of the light receiving unit 7 is
  • the crosstalk amount of two angle components of the laser beam in the light receiving unit 7 is calculated from the angle information of the laser beam adjusted by the angle adjusting means 3, and a gain for canceling the crosstalk amount is obtained.
  • Gain command means 16 is provided for setting in the variable gain setting section.
  • the light receiving unit 7 recognizes the positional information of the reflected light of the laser beam Lb, that is, the positional deviation amount of the reflected light with respect to the reference position, and similarly to the above embodiments, the semiconductor position detecting element (abbreviated as PSD) or 4 It is composed of a divided photodiode or the like.
  • PSD semiconductor position detecting element
  • the “positional information” of the reflected light represents the displacement amount of the laser spot in the two orthogonal directions on the light receiving unit 7.
  • the light receiving unit 7 is composed of a two-dimensional semiconductor position detecting element
  • the biaxial directions (X and Y axis directions) orthogonal to the reference position such as the center position on the surface of the light receiving unit at the laser spot reaching the surface of the light receiving unit
  • a current represented by coordinates (x, y) is obtained.
  • X of coordinates (x, y) indicates only the amount of positional deviation in the X-axis direction among the laser spots on the surface of the light receiving unit
  • y of coordinates (x, y) indicates Y of the laser spots on the surface of the light receiving unit. Only the axial displacement is shown.
  • This current is converted into a voltage and input to a programmable gain amplifier 17 (FIG. 5) described later.
  • the laser beam Lb deviates from the center of the target Tg
  • the laser spot that reaches the surface of the light receiving unit deviates from the semiconductor position detecting element, and an error signal is generated.
  • the target Tg is moved to obtain a large number of spatial coordinates and the movement of the target Tg is tracked by the laser tracker 1, the center of each target Tg is tracked by the laser beam Lb based on the position data from the light receiving unit 7. obtain.
  • the light receiving unit 7 is composed of, for example, a four-division photodiode
  • the change in the center of gravity of the projected image of the laser spot that has reached the surface of the light receiving unit is measured. That is, the displacement is measured as a voltage from the differential output of the photodiode in each of the four divided regions.
  • the output (current value) of each of the four divided regions of the photodiode is A, B, C, D on the surface of the light receiving unit in the clockwise direction
  • the amount of positional deviation in the orthogonal biaxial direction with respect to the reference position on the surface of the light receiving unit is represented as (B + C) ⁇ (D + A)
  • the displacement in the Y-axis direction is represented as (A + B) ⁇ (C + D).
  • the control unit 5 includes a gain command unit 16, a programmable gain amplifier 17 as a variable gain setting unit, a ⁇ axis control unit 18, a ⁇ axis control unit 19, a ⁇ axis driver 20, and a ⁇ -axis driver 21.
  • These ⁇ -axis control unit 18 and ⁇ -axis control unit 19 are constituted by, for example, a microcomputer or other electronic devices.
  • the ⁇ -axis control unit 18 and the ⁇ -axis control unit 19 respectively command the ⁇ -axis driver 20 and the ⁇ -axis driver 21 so that the laser beam Lb always returns to the center of the light receiving unit based on the signals from the light receiving unit 7.
  • the ⁇ -axis motor 9 and the ⁇ -axis motor 11 angularly displace the mirror 13 around the orthogonal ⁇ -axis and ⁇ -axis based on the command value. As a result, the mirror 13 is always directed in an appropriate direction.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a laser tracker control system including a gain command means 16 and a control means not provided with the programmable gain amplifier 17 as a reference proposal example.
  • theta axis control unit 18, the [psi axis control unit 19, respectively, fixed gain kappa theta, kappa [psi is set.
  • the control means of this reference proposal example uses the gains ⁇ ⁇ and ⁇ ⁇ for the output (X, Y) obtained by converting the positional deviation amount (current) of the laser spot that has reached the surface of the light receiving portion into a voltage, and adjusts the angle.
  • the angle by means 3 is controlled.
  • the laser tracker 1 does not have a rotation mechanism for synchronously rotating the light receiving unit or the like, but separates the signals in the orthogonal ⁇ and ⁇ axial directions as the ⁇ axis motor 9 rotates
  • the control circuit shown in FIG. 2 has a structure that can apply Equation (4) described later so that stable servo can be applied.
  • the gain command means 16 and the programmable gain amplifier 17 are provided on the circuit.
  • the programmable gain amplifier 17 is an amplifier whose amplification factor is variable according to the gain input from the gain input terminal.
  • a ⁇ -axis control unit 18 and a ⁇ -axis control unit 19 are electrically connected to the subsequent stage of the light receiving unit 7 via a programmable gain amplifier 17.
  • a programmable gain amplifier 17 is electrically connected to the ⁇ -axis encoder 10 that is an angle detection unit of the angle adjustment unit 3 via a gain command unit 16.
  • the gain command means 16 determines the angle in the biaxial direction perpendicular to the reference position on the surface of the light receiving unit of the laser beam Lb in the light receiving unit 7 from the measured value of the angle of the ⁇ -axis encoder 10.
  • the amount of crosstalk between two angle components is calculated as the amount of displacement.
  • the coordinate x of the laser beam Lb in the X-axis direction is decomposed into xcos ⁇ and ⁇ xsin ⁇
  • the coordinate y of the laser beam Lb in the Y-axis direction is decomposed into ycos ⁇ and ysin ⁇ , respectively. Therefore, assuming that the coordinate which is the positional deviation amount with respect to the reference position of the laser beam Lb on the light receiving unit 7 is (x, y) and the conversion rate to voltage is e, the output (X, Y) of the light receiving unit 7 is
  • the crosstalk amount from x to Y and the crosstalk amount from y to X are respectively determined as sin ⁇ by the gain command means.
  • the gain command means 16 determines the gain of the A1 amplifier as a1 and the gain of the A2 amplifier as a2 in the programmable gain amplifier 17 from the measured value of the ⁇ angle of the ⁇ -axis encoder 10 according to the above equation (4).
  • the gain of the A3 amplifier is a3
  • the gain of the A4 amplifier is a4.
  • the programmable gain amplifier 17 may be used not only as a gain change based on the angle information of the laser beam Lb but also as an adjusting means for adjusting the servo gain itself. That is, the control means 5 detects the angle of each axis ( ⁇ axis, ⁇ axis) of the angle adjusting means 3 and the detected values of the ⁇ axis encoder 10, the ⁇ axis encoder 12, and the ⁇ axis encoder 10, the ⁇ axis encoder 12. The gain of the feedback control unit for the ⁇ axis and ⁇ axis for controlling the angle adjusting means 3 may be adjusted. In this case, if the servo gains of the ⁇ -axis and the ⁇ -axis are g ⁇ and g ⁇ , the overall gain is expressed by the following equation (7).

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Abstract

　距離により最適なサーボゲインが異なるレーザートラッカーの制御において、距離情報を用いて、サーボゲインを最適な値にすることができるレーザートラッカーを提供する。レーザートラッカー(1)は、ターゲット(Tｇ)にレーザービーム(Lｂ)を照射するレーザー光源(2)と、同レーザービームを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能な角度調整手段(3)、反射光を受光する受光部(7)、照射するレーザービーム(Lｂ)と受光した反射光とからターゲット(Tｇ)までの距離を測定する測定手段(4)と、受光部(7)で認識された位置情報から可変ゲイン設定部に設定されたゲインに基づいて、角度調整手段(3)による角度を制御する制御手段(5)とを設けた。さらに測定手段(4)で測定した距離に反比例したゲインを求めて可変ゲイン設定部に設定するゲイン指令手段(16)を設けた。

Description

レーザートラッカー 関連出願
　本出願は、２０１０年１１月１５日出願の特願２０１０－２５４４９７、２０１０年１１月２９日出願の特願２０１０－２６４５７２の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、レーザートラッカーに関し、例えば、生産分野、計測分野において、素材、生産物や建築物、自然物等の物体の空間的座標を測定する技術に関する。
　従来、ガイドとなるレーザー光の方向を、２軸のモータで制御し、移動するターゲットに追従させるレーザートラッキング技術が公知である（特許文献１）。この場合、モータに取り付けた２軸のエンコーダを用いて、移動するターゲットの空間的な方向を知ることができる。ターゲットはレトロリフレクターあるいは単にリフレクターと呼ばれるそれぞれ直交する３枚の鏡を使用した反射鏡を用いるのが一般的である。このリフレクターは、どのような場合でも入射した方向に光を返すことができる。
　また、レーザーで距離を測る技術は確立されており、例えば、アジレント社(旧ヒューレット・パッカード社)、レニショー社等のレーザー干渉計では、数メートルの距離を、ナノメートル単位の分解能で測定することができる（特許文献２）。
　これら二つの技術を組み合わせた装置は、レーザートラッカーと称されて、その装置からターゲットまでの距離と空間的な角度を測定し、その装置を基準とした、ターゲットの空間位置を特定することが可能である。それらは、API(Automated Precision Inc.)社、FARO社等から商品化されており、その原理が公開されている（特許文献３）。
特開昭６２－１６５１１４号公報 特開平５－２６４２１５号公報 特表２００３－５０６６９１号公報
　レーザートラッカーにおいて、ターゲットの座標(X,Y,Z)は、レーザー光で測定した距離 L とその空間的な角度（θ、ψ）の3つの数値から決定することができる。この測定の場合、ターゲットを、ある基準点から非測定物まで移動させ、その間、角度（θ、ψ）をターゲットの方向に従って連続的に追従させる必要がある。そのため、サーボ技術を用いて制御を行うが、ある位置偏差が生じた場合、ターゲットまでの距離により、修正すべき角度量が変わってしまうという欠点がある。そのため、サーボ系の調整でも、複数の点で確認する必要があり、すべての点に対し最適なサーボ系の調整は困難である。
　ターゲットが近い場合の状態を図３で説明する。この場合、ターゲットの位置偏差Ｓ１に対して、角度補正量はθ１となる。この場合、角度補正量θ１は
　　θ１　＝　arctan(S1/L1)
となる。
　また、ターゲットが遠い場合の状態を図４で説明する。この場合、ターゲットの位置偏差Ｓ2に対して、角度補正量はθ2となる。この場合、角度補正量θ2は
　　θ2　＝　arctan(S2/L2)
となる。S1＝S2の時、L2＞L1　であるため、θ2＜θ1　となる。
　したがって、ターゲットが遠い場合と近い場合とにおいて、同じ偏差Ｓ１を生じたとき、ターゲットが遠い場合の方が角度補正量は少なくて済み、サーボゲインは距離にほぼ比例して高くなり、発振しやすくなるなどの悪影響がある。
　この発明の目的は、距離により最適なサーボゲインが異なるレーザートラッカーの制御において、距離情報を用いて、サーボゲインを最適な値にすることができるレーザートラッカーを提供することである。
　この発明のレーザートラッカーは、測定物上に設けられた一つのターゲットの空間座標を求めるレーザートラッカーであって、前記ターゲットに対しレーザービームを照射するレーザー光源と、移動するターゲットに対し、前記レーザービームを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能な角度調整手段と、前記ターゲットで反射されたレーザービームの反射光の位置情報を認識する受光部と、前記ターゲットで反射されたレーザービームの反射光を受光し、前記レーザー光源の照射するレーザービームと受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定する測定手段と、前記受光部で認識された位置情報から、可変ゲイン設定部に設定されたゲインに基づいて、前記角度調整手段による角度を制御する制御手段と、前記ゲインを前記可変ゲイン設定部に設定するゲイン指令手段とを有し、前記ゲイン指令手段は、（ａ）前記測定手段で測定した距離に反比例したゲインを求めるか、または（ｂ）前記角度調整手段で調整するレーザービームの角度情報から、前記受光部におけるレーザービームの２つの角度成分のクロストーク量を演算し、そのクロストーク量を打ち消すゲインを求める、ものとしている。前記位置情報とは、受光部で認識された位置の偏差のデータを表すものである。
　前記ゲイン指令手段により、前記測定手段で測定した距離に反比例したゲインを求める場合には、レーザー光源から発せられたレーザービームは、角度調整手段を経由してターゲットに到達する。このターゲットで反射された反射光は、略同じ経路を通り照射元のレーザートラッカーに戻る。測定手段は、前記反射光を受光し、レーザー光源の照射するレーザービームと受光した反射光とからターゲットまでの距離を測定する。制御手段は、受光部で認識された位置情報から、可変ゲイン設定部に設定されたゲインに基づいて、前記角度調整手段による角度を制御する。ここで、レーザートラッカーは、ターゲットまでの距離により、前記受光部の出力に対する最適なサーボゲインが異なる。測定物の形状を測定するためターゲットを移動させるとき、基準となるターゲット位置に対する移動後のターゲット位置の角度をθとすると、θが小さい場合、ｔａｎθ＝θ、ａｒｃｔａｎθ＝θとみなすことができる。したがって偏差は、小さな角度θのため、最適なサーボゲインは反比例する。
　例えば、サーボゲインｇ（ｄＢ）は、ターゲットまでの距離をＬ、基準距離をＬ0とし
、基準距離での最適なゲインを0ｄＢとすると、次式
　　　ｇ＝20 log10（Ｌ0/Ｌ）
として求めればよい。
　制御手段は、前記のように求めたサーボゲインに基づいて、前記角度調整手段による角度の制御を行う。これにより、ターゲットまでの距離にかかわらず、適切な、安定したサーボ系をもつレーザートラッカーを実現できる。さらに、サーボ系の調整は、任意の１点で行えばよくなる。
　ターゲットが移動するとき、レーザービームをターゲットに追従させる駆動源を駆動する場合に、受光部の出力間にクロストークが発生することがある。前記ゲイン指令手段により、前記角度調整手段で調整するレーザービームの角度情報から、前記受光部におけるレーザービームの２つの角度成分のクロストーク量を演算し、そのクロストーク量を打ち消すゲインを求める場合には、クロストークの発生を抑え、安定したサーボ制御が可能となる。
　前記可変ゲイン設定部はプログラマブルゲインアンプであり、前記ゲイン指令手段は、前記プログラマブルゲインアンプに、求めたゲインを指令するものとしても良い。前記可変ゲイン設定部は乗算器であり、制御手段は、ゲインに相当する電圧を前記乗算器を用いて信号に乗じたものとしても良い。
　前記可変ゲイン設定部は、マイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ、およびプログラマブルロジックコントローラ（略称ＰＬＣ）のいずれか一つと、ＡＤコンバータと、ＤＡコンバータとを含み、制御手段は、ＡＤコンバータから入力した信号に、適切なゲインを持たせて、ＤＡコンバータで出力するものとしても良い。
　前記可変ゲイン設定部は、ゲインを変更可能なスイッチを設けたものとしても良い。例えば、複数個のスイッチを用いる場合、ターゲットまでの距離をスイッチと同数のエリアに分割して、それぞれのエリアで適切なゲインになるように各スイッチでのゲインを決定し、エリア毎に指定されたスイッチに切り替える。
　前記制御手段は、前記角度調整手段の各軸の角度を検出する角度検出手段と、この角度検出手段の検出値を用いて前記角度調整手段を制御する各軸のフィードバック制御部を有し、前記可変ゲイン設定部は、距離によるゲインの変更に加えて、前記各軸のフィードバック制御部のゲインを調整するものであっても良い。
　前記可変ゲイン設定部をサーボゲインを調整する調整手段としても用いる場合に、前記制御手段は、サーボ系の状態を観察してゲインを自動的に変更可能としても良い。この構成によると、サーボが発振気味の場合は、サーボゲインを自動的に小さく変更してサーボを安定方向に持っていくことができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の第１～第５実施形態に係るレーザートラッカーの原理を示す概略図である。 同実施形態に係るレーザートラッカーの制御系のブロック図である。 ターゲットが近い場合の偏差と角度の関係を表す概略図である。 ターゲットが遠い場合の偏差と角度の関係を表す概略図である。 この発明の第６～第８実施形態に係るレーザートラッカーの制御系のブロック図である。 参考提案例に係るレーザートラッカーの制御系のブロック図である。 同レーザートラッカーの受光部が４分割フォトダイオードから成る場合の概略構成を示す模式図である。 同レーザートラッカーの受光部上のレーザービームの軌跡を表す座標図である。
　この発明の第１実施形態を図１および図２と共に説明する。この実施形態に係るレーザートラッカーは、測定物上に設けられた一つのターゲットの動きに追従し、空間座標を求めるものである。以下の説明は、空間座標測定方法についての説明をも含む。図１に示すように、この例では、前記ターゲットＴｇは、測定物Ｗ上の一箇所に静止した状態で取り付けられるものである。ターゲットＴｇとして、例えば、球状のレトロリフレクターが用いられる。ただし、球状のレトロリフレクターに限定されるものではない。
　レーザートラッカー１は、主に、レーザー光源２、角度調整手段３、測定手段４、および制御手段５を有する。レーザー光源２は、ターゲットＴｇにレーザービームＬｂを照射させるものであり、測定手段４は、前記ターゲットＴｇで反射したレーザービームＬｂを用いて前記ターゲットＴｇまでの距離を測定するものである。測定手段４として、例えば、干渉計または絶対距離計等から成る測長器が使用される。前記レーザー光源２および測長器は、一体化した機器であるレーザー測長器を構成して例えば筒状のケーシング６の内部に収容される。
　前記角度調整手段３は、移動するターゲットＴｇに対し、レーザービームＬｂを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能なものであり、光学機器および受光部７を含む。前記光学機器は、ハーフミラー８、θ軸モータ９，角度検出手段であるθ軸エンコーダ１０、ψ軸モータ１１，角度検出手段であるψ軸エンコーダ１２、およびミラー１３を有する。θ軸モータ９，ψ軸モータ１１におけるθ軸，ψ軸は直交する２軸であり、θ軸が筒状の前記ケーシング６の軸心と平行に配置される。ケーシング６の上端部に、θ軸モータ９およびθ軸エンコーダ１０が設けられ、前記θ軸モータ９を介して回転体１４が回転駆動可能に支持されている。
　したがって、回転体１４は、ケーシング６の上端部においてこのケーシング６に対し相対的にθ軸回りに角変位可能に構成されている。回転体１４の上端部に、凹形状のフレーム１５を介してψ軸モータ１１およびψ軸エンコーダ１２が支持されている。ψ軸モータ１１およびψ軸エンコーダ１２の軸心は、θ軸に直交するψ軸に平行であり、前記ミラー１３は、このψ軸モータ１１およびψ軸エンコーダ１２の軸に角変位可能に支持されている。なお、ケーシング６の上端部、回転体１４、およびフレーム１５には、レーザービーム（反射光も含む）Ｌｂを通す孔ｈが形成されている。
　レーザー光源２から発せられたレーザービームＬｂは、ハーフミラー８を透過し、ミラー１３で反射した後前記ターゲットＴｇに到達する。このターゲットＴｇで反射したレーザービームＬｂつまり反射光は、略同じ経路を通り照射元のレーザートラッカー１に戻り、前記ハーフミラー８で反射され、ケーシング６内に配置された受光部７に到達する。この受光部７は、レーザービームＬｂの反射光の位置情報を認識するものであり、例えば、半導体位置検出素子（略称ＰＳＤ）または４分割フォトダイオード等により構成される。
　制御手段５は、前記受光部７に到達した反射光が同受光部７の中心に戻るように、θ軸モータ９，ψ軸モータ１１を制御する。受光部７が、例えば、二次元の半導体位置検出素子から成る場合、受光部表面に到達したレーザースポットの位置データ「つまり位置情報」そのものを表す電流が得られる。この電流は電圧に変換されて後述するプログラマブルゲインアンプ１７に入力される。前記位置情報とは、受光部表面のＸ、Ｙ座標の基準原点からの偏差である。レーザービームＬｂがターゲットＴｇの中心から外れると、受光部表面に到達するレーザースポットは、半導体位置検出素子から外れエラー信号が生成される。多数の空間座標を求めるためにターゲットＴｇを移動させ、レーザートラッカー１でターゲットＴｇの動きを追尾させる場合に、前記受光部７からの位置データにより、各ターゲットＴｇの中心をレーザービームＬｂで追尾し得る。
　受光部７が、例えば、４分割フォトダイオードから成る場合、受光部表面に到達したレーザースポットの投影像の重心位置の変化を計測する。つまり４分割の各領域のフォトダイオードの差動出力から変位を電圧として計測する。
　前記レーザートラッカー１に戻った反射光の一部は、ハーフミラー８で反射されずに前記測長器に入り、この測長器は、反射光を受光しレーザー光源２の投光するレーザービームＬｂと受光した反射光とからターゲットＴｇまでの距離を測定する。
　図２に示すように、制御手段５は、ゲイン指令手段１６と、可変ゲイン設定部としてのプログラマブルゲインアンプ１７と、θ軸制御部１８と、ψ軸制御部１９と、θ軸ドライバ２０と、ψ軸ドライバ２１とを有する。これらθ軸制御部１８，ψ軸制御部１９は、例えばマイクロコンピュータやその他の電子機器で構成される。θ軸制御部１８，ψ軸制御部１９は、それぞれ受光部７からの信号に基づいて、θ軸ドライバ２０，ψ軸ドライバ２１に、常にレーザービームＬｂが受光部中心に戻るように指令する。θ軸モータ９，ψ軸モータ１１は指令値に基づいてミラー１３を直交するθ軸，ψ軸回りに角変位させる。これによりミラー１３を常に適切な方向に向ける。
　図１に示すように、前記測長器およびθ軸エンコーダ１０，ψ軸エンコーダ１２には、演算手段２２が電気的に接続されている。この演算手段２２は、測長器により測定されたターゲットＴｇまでの距離の測定値と、θ軸エンコーダ１０，ψ軸エンコーダ１２の測定値より、ターゲットＴｇの空間座標を求める。
　測定物Ｗの形状を測定するためには、多数の空間座標を求める必要がある。そのため、ターゲットＴｇを手動または自動的に移動させ、レーザートラッカー１をターゲットＴｇの動きを追尾させる。つまり移動するターゲットＴｇに対し、レーザービームＬｂの角度を変位させ、各位置のターゲットＴｇにレーザービームＬｂを照射させる。
　本発明の第１実施形態では、前記レーザートラッカー１をターゲットＴｇの動きを追尾させる場合のサーボ系のゲインを、ターゲットＴｇまでの距離により最適な値に調整するため、図２に示すように、ゲイン指令手段１６とプログラマブルゲインアンプ１７を回路上に設けている。受光部７の後段に、プログラマブルゲインアンプ１７を介して、θ軸制御部１８、ψ軸制御部１９が電気的に接続される。前記測長器に、ゲイン指令手段１６を介してプログラマブルゲインアンプ１７が電気的に接続されている。
　ゲイン指令手段１６は、測定手段４で測定した距離に反比例したゲインを求めてプログラマブルゲインアンプ１７に設定する。つまりゲイン指令手段１６に、測長器からの測長結果を伝達すると、ゲイン指令手段１６は、その距離情報から後述する式（５）に従って、ゲインを決定し、プログラマブルゲインアンプ１７に、決定したゲインを指令する。
　プログラマブルゲインアンプ１７では、例えば、受光部表面に到達した位置情報に相当する電圧が入力され、この入力電圧を、前記指令されたゲインによる所定の増幅率でもって増幅する。θ軸制御部１８、ψ軸制御部１９は、固定されたゲインΚθ、Κψに代えて、前記のようにプログラマブルゲインアンプ１７で得られた可変のゲインを用いて、角度調整手段３による角度を制御する。プログラマブルゲインアンプ１７は、ゲインの入力端子から入力されたゲインによって、増幅率を可変としたアンプである。
　ここで、レーザートラッカー１は、ターゲットＴｇまでの距離により最適なサーボゲインが異なる。図３、図４に示すように、移動元のターゲット位置に対する移動後のターゲット位置の角度をθとすると、θが小さい場合、ｔａｎθ＝θ、ａｒｃｔａｎθ＝θとみなすことができる。したがって、偏差Ｓ１、Ｓ２は小さな角度θのため、最適なサーボゲインは反比例する。
　例えば、サーボゲインｇ（ｄＢ）は、ターゲットＴｇまでの距離をＬ、基準距離をＬ0
とし、基準距離での最適なゲインを0ｄＢとすると、
　　　ｇ＝20 log10（Ｌ0/Ｌ）
として求められる。
　上式に従って、基準距離に対するターゲットＴｇまでの距離に応じてゲインを決定し、プログラマブルゲインアンプ１７に、決定したゲインを指令する。
　制御手段５は、前記のように求めたサーボゲインに基づいて、角度調整手段３による角度調整の制御を行う。制御手段５における、θ軸制御部１８，ψ軸制御部１９は、それぞれ受光部７からの信号に基づいて、θ軸ドライバ２０，ψ軸ドライバ２１に、常にレーザービームＬｂが受光部中心に戻るように指令する。これと共にθ軸制御部１８，ψ軸制御部１９は、それぞれθ軸ドライバ２０，ψ軸ドライバ２１に対し、ターゲットＴｇまでの距離情報を加味したサーボゲインに基づく指令を与える。θ軸モータ９，ψ軸モータ１１は指令値に基づいてミラー１３を直交するθ軸，ψ軸回りに角変位させる。これにより、ターゲットＴｇまでの距離にかかわらず、適切な、安定したサーボ系をもつレーザートラッカー１を実現できる。さらに、サーボ系の調整は、任意の１点で行えば足りるため、サーボ系の調整を複数点で行う必要がなく工数低減を図ることができる。したがって、ターゲットＴｇの空間座標を容易に且つ精度良く特定することができる。
　この発明の第２～第８実施形態について説明する。以下の実施形態の説明においては、先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
　第２実施形態では、図２のプログラマブルゲインアンプ１７に代えて乗算器を設け、制御手段５は、ゲインに相当する電圧を前記乗算器を用いて信号に乗じたものとする。第３実施形態では、前記プログラマブルゲインアンプ１７に代えて、マイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ、およびプログラマブルロジックコントローラ（略称ＰＬＣ）のいずれか一つと、ＡＤコンバータと、ＤＡコンバータとを設け、制御手段５は、ＡＤコンバータから入力した信号に、適切なゲインを持たせて、ＤＡコンバータで出力する。
　第４実施形態では、前記プログラマブルゲインアンプ１７に代えて、ゲインを変更可能なスイッチを設けている。例えば、複数個のスイッチを設ける場合、図１のターゲットＴｇまでの距離をスイッチと同数のエリアに分割して、それぞれのエリアで適切なゲインになるように各スイッチでのゲインを決定し、エリア毎に指定されたスイッチに切り替える。
　具体的には、先ず、ターゲットＴｇまでの距離をもとに測定空間を数箇所ないし数十箇所のエリアに分けておく。ターゲットＴｇの任意の位置にてレーザービームＬｂを照射するとき、演算手段２２は、測長器により測定されたターゲットＴｇまでの距離の測定値から存在するエリアを特定する。これにより、特定されたエリアに関連付けられたスイッチに切り替えられる。
　また、各スイッチ毎にゲインが定められており、これにより、図２のθ軸制御部１８，ψ軸制御部１９は、それぞれθ軸ドライバ２０，ψ軸ドライバ２１に対し、ターゲットＴｇまでの距離情報を加味したサーボゲインに基づく指令を与える。θ軸モータ９，ψ軸モータ１１は指令値に基づいてミラー１３を直交するθ軸，ψ軸回りに角変位させる。したがって、ターゲットＴｇまでの距離情報を加味したサーボ系をもつレーザートラッカー１を実現できる。
　さらに第５実施形態として、前記プログラマブルゲインアンプ１７を、ターゲットＴｇまでの距離によるゲインの変更だけでなく、サーボゲインそのものを調整する調整手段としても用いても良い。すなわち制御手段５は、角度調整手段３の各軸（θ軸，ψ軸）の角度を検出するθ軸エンコーダ１０，ψ軸エンコーダ１２と、このθ軸エンコーダ１０，ψ軸エンコーダ１２の検出値を用いて角度調整手段３を制御する前記θ軸，ψ軸のフィードバック制御部のゲインを調整するものとしても良い。
　この場合、サーボゲインをａ（ｄＢ）とすると全体のゲインｇは
　　　ｇ＝２０ ａlog10（Ｌ0/Ｌ）
となる。
　前記プログラマブルゲインアンプ１７をサーボゲインを調整する調整手段としても用いる場合に、制御手段５は、サーボ系の状態を観察してゲインを自動的に変更可能としても良い。この構成によると、サーボが発振気味の場合は、サーボゲインａを自動的に小さく変更してサーボを安定方向に持っていくことができる。
　ところで、ターゲットが水平方向に移動した場合、レーザービームをターゲットに追従させるためθ軸モータ９（図１）を回転させなければならない。このθ軸モータ９の回転に伴い、レーザー光源２、測長器のような測定手段４、受光部７、およびハーフミラー８（以下、「受光部等」と称す）を、θ軸モータ９と同時に回転させなければならない。受光部等を回転させない場合、θ軸モータ９の回転につれ、θ、ψ方向に分離させなければならない受光部７でのレーザービームの位置の変化情報が、交じり合って分離できなくなる。その結果、角度θが大きくなると、サーボ系が発振するなどの悪影響を与える。そのため、一般的なレーザートラッカーにおいて、受光部等をθ軸モータ９と同時に回転させる機構が必要になるが、回転部分が複雑になり、ケーブルの処理が困難になるなどの問題がある。
　角度θが０で、ターゲットがＹ軸方向に動いた場合、受光部７上のレーザービームの軌跡は、図７に示すように、受光部７上のＹ軸方向に平行に動く。そのため、受光部７上のレーザービームの軌跡の移動量を（ｘ，ｙ）、電圧への変換率をｅとすると、受光部７の出力（Ｘ，Ｙ）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 となる。
　次に、角度θが必ずしも０でなく、受光部等がθ軸モータ９の回転角度θと同期して回転しない場合の、受光部７上のレーザービームの軌跡を、図７を用いて説明する。先ず、θ軸モータ９が角度θだけ回転した場合、受光部７上のｘ方向、ｙ方向のレーザービームの軌跡はθだけ回転する。すると、ｘ方向のレーザービームの軌跡は、ｘcosθと－ｘsinθに、また、ｙ方向のレーザービームの軌跡は、ｙcosθとｙsinθにそれぞれ分解される。したがって、受光部７上のレーザービームの軌跡の移動量を（ｘ，ｙ）、電圧への変換率をｅとすると、受光部７の出力（Ｘ，Ｙ）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 となる。
　この場合、sinθ分だけ、ｘからＹに、また、ｙからＸにクロストークが発生し、θが大きくなると、制御が不安定になるなどの問題が発生する。
　そこで、上記ストロークを抑制した第６実施形態を図５と共に説明する。この実施形態の基本的な構成は前記各実施形態とほぼ同様であり、詳しい説明は省略する。この実施形態において、前記角度調整手段３で調整するレーザービームの角度情報から、前記受光部７におけるレーザービームの２つの角度成分のクロストーク量を演算し、そのクロストーク量を打ち消すゲインを求めて前記可変ゲイン設定部に設定するゲイン指令手段１６を有する。前記受光部７は、レーザービームＬｂの反射光の位置情報、つまり反射光の基準位置に対する位置ずれ量を認識するものであり、前記各実施形態と同様、半導体位置検出素子（略称ＰＳＤ）または４分割フォトダイオード等により構成される。前記反射光の「位置情報」とは、受光部７上での直交する２軸方向におけるレーザースポットの変位量を表す。
　受光部７が、例えば、二次元の半導体位置検出素子から成る場合、受光部表面に到達したレーザースポットにおける受光部表面上の中心位置等の、基準位置に対する直交２軸方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の位置ずれ量として、座標（ｘ，ｙ）にて表される電流が得られる。座標（ｘ，ｙ）のｘは、受光部表面上のレーザースポットのうちＸ軸方向の位置ずれ量のみを示し、座標（ｘ，ｙ）のｙは、受光部表面上のレーザースポットのうちＹ軸方向の位置ずれ量のみを示す。この電流は電圧に変換されて後述するプログラマブルゲインアンプ１７（図５）に入力される。レーザービームＬｂがターゲットＴｇの中心から外れると、受光部表面に到達するレーザースポットは、半導体位置検出素子から外れエラー信号が生成される。多数の空間座標を求めるためにターゲットＴｇを移動させ、レーザートラッカー１でターゲットＴｇの動きを追尾させる場合に、前記受光部７からの位置データにより、各ターゲットＴｇの中心をレーザービームＬｂで追尾し得る。
　図７に示すように、受光部７が、例えば、４分割フォトダイオードから成る場合、受光部表面に到達したレーザースポットの投影像の重心位置の変化を計測する。つまり４分割の各領域のフォトダイオードの差動出力から変位を電圧として計測する。フォトダイオードの４分割の各領域の出力（電流値）を受光部表面上の時計回りにＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、受光部表面上の基準位置に対する直交２軸方向の位置ずれ量のうち、Ｘ軸方向の変位が（Ｂ＋Ｃ）－（Ｄ＋Ａ）として表され、Ｙ軸方向の変位が（Ａ＋Ｂ）－（Ｃ＋Ｄ）として表される。これらＸ，Ｙ軸方向の変位は、前記二次元の半導体位置検出素子の場合と同様に、電圧に変換されてプログラマブルゲインアンプ１７（図５）に入力される。
　前記レーザートラッカー１に戻った反射光の一部は、ハーフミラー８で反射されずに前記測長器に入り、この測長器は、反射光を受光しレーザー光源２の投光するレーザービームＬｂと受光した反射光とからターゲットＴｇまでの距離を測定する。
　図５に示すように、制御手段５は、ゲイン指令手段１６と、可変ゲイン設定部としてのプログラマブルゲインアンプ１７と、θ軸制御部１８と、ψ軸制御部１９と、θ軸ドライバ２０と、ψ軸ドライバ２１とを有する。これらθ軸制御部１８，ψ軸制御部１９は、例えばマイクロコンピュータやその他の電子機器で構成される。θ軸制御部１８，ψ軸制御部１９は、それぞれ受光部７からの信号に基づいて、θ軸ドライバ２０，ψ軸ドライバ２１に、常にレーザービームＬｂが受光部中心に戻るように指令する。θ軸モータ９，ψ軸モータ１１は指令値に基づいてミラー１３を直交するθ軸，ψ軸回りに角変位させる。これによりミラー１３を常に適切な方向に向ける。
　なお参考提案例として図６には、ゲイン指令手段１６、およびプログラマブルゲインアンプ１７が設けられていない制御手段を含むレーザートラッカーの制御系のブロック図が示されている。この場合、θ軸制御部１８、ψ軸制御部１９には、それぞれ、固定されたゲインΚθ、Κψが設定されている。この参考提案例の制御手段は、受光部表面に到達したレーザースポットの位置ずれ量（電流）を電圧に変換した出力（Ｘ，Ｙ）に、それぞれゲインΚθ、Κψを用いて、角度調整手段３による角度を制御する。
　第７実施形態では、レーザートラッカー１に、受光部等を同期回転する回転機構を持たせずに、θ軸モータ９の回転に伴い、直交するθ，ψ各軸方向の信号を分離して、安定したサーボがかけられるように、図２の制御回路に、後述の式（４）を適用できる構造にしている。その結果、図５に示すように、ゲイン指令手段１６とプログラマブルゲインアンプ１７を回路上に設けている。プログラマブルゲインアンプ１７は、ゲインの入力端子から入力されたゲインによって、増幅率を可変としたアンプである。受光部７の後段に、プログラマブルゲインアンプ１７を介して、θ軸制御部１８、ψ軸制御部１９が電気的に接続される。角度調整手段３のうち、角度検出手段であるθ軸エンコーダ１０に、ゲイン指令手段１６を介してプログラマブルゲインアンプ１７が電気的に接続されている。
　ターゲットＴｇが例えば水平方向に移動する場合に、ゲイン指令手段１６は、θ軸エンコーダ１０の角度の測定値から、受光部７におけるレーザービームＬｂの受光部表面上の基準位置に対する直交２軸方向の位置ずれ量として２つの角度成分のクロストーク量を演算する。レーザービームＬｂの角度の測定値がθである場合、図８に示すように、受光部７上のＸ軸方向、Ｙ軸方向のレーザービームＬｂの軌跡、つまり受光部表面上のレーザースポットの基準位置に対する位置ずれ量はθだけ回転する。するとＸ軸方向のレーザービームＬｂの座標ｘは、ｘcosθと－ｘsinθに、Ｙ軸方向のレーザービームＬｂの座標ｙは、ｙcosθとｙsinθにそれぞれ分解される。したがって、受光部７上のレーザービームＬｂの基準位置に対する位置ずれ量である座標を（ｘ，ｙ）、電圧への変換率をｅとすると、受光部７の出力（Ｘ，Ｙ）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 となる。この場合、ｘからＹへのクロストーク量、ｙからＸへのクロストーク量は、ゲイン指令手段によりそれぞれsinθと求められる。受光部等を同期回転する回転機構を有す
ることなく、角度調整手段の角度調整に伴い、直交する各軸方向の信号を分離するために、式（２）の行列式の逆行列を求めると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 となる。このように式（４）を適用することで、レーザービームをターゲットに追従させる場合に、クロストークの発生を抑え安定したサーボをかけることができる。
　図６に示すように、ゲイン指令手段１６は、θ軸エンコーダ１０のθ角度の測定値から前記式（４）に従い、プログラマブルゲインアンプ１７における、Ａ１アンプのゲインをａ１、Ａ２アンプのゲインをａ２、Ａ３アンプのゲインをａ３、Ａ４アンプのゲインをａ４として、指令する。それぞれのゲインは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　さらに第８実施形態として、前記プログラマブルゲインアンプ１７を、レーザービームＬｂの角度情報によるゲインの変更だけでなく、サーボゲインそのものを調整する調整手段としても用いても良い。すなわち制御手段５は、角度調整手段３の各軸（θ軸，ψ軸）の角度を検出するθ軸エンコーダ１０，ψ軸エンコーダ１２と、これらθ軸エンコーダ１０，ψ軸エンコーダ１２の検出値を用いて角度調整手段３を制御する前記θ軸，ψ軸のフィードバック制御部のゲインを調整するものとしてもよい。この場合、θ軸，ψ軸のサーボゲインをｇθ、ｇψとすると、全体のゲインは下記式（７）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。
１…レーザートラッカー
２…レーザー光源
３…角度調整手段
４…測定手段
５…制御手段
７…受光部
１０…θ軸エンコーダ
１２…ψ軸エンコーダ
１６…ゲイン指令手段
１７…プログラマブルゲインアンプ
Ｌｂ…レーザービーム
Ｔｇ…ターゲット
Ｗ…測定物

Claims (7)

  1. 　測定物上に設けられた一つのターゲットの空間座標を求めるレーザートラッカーであって、
    　前記ターゲットに対しレーザービームを照射するレーザー光源と、
    　移動するターゲットに対し、前記レーザービームを直交する２軸回りにそれぞれ角度調整可能な角度調整手段と、
    　前記ターゲットで反射されたレーザービームの反射光の位置情報を認識する受光部と、
    　前記ターゲットで反射されたレーザービームの反射光を受光し、前記レーザー光源の照射するレーザービームと受光した反射光とから前記ターゲットまでの距離を測定する測定手段と、
    　前記受光部で認識された位置情報から、可変ゲイン設定部に設定されたゲインに基づいて、前記角度調整手段による角度を制御する制御手段と、
    　前記ゲインを前記可変ゲイン設定部に設定するゲイン指令手段とを有し、
    　前記ゲイン指令手段は、
    　（ａ）前記測定手段で測定した距離に反比例したゲインを求めるか、または
    　（ｂ）前記角度調整手段で調整するレーザービームの角度情報から、前記受光部におけるレーザービームの２つの角度成分のクロストーク量を演算し、そのクロストーク量を打ち消すゲインを求める、
    レーザートラッカー。
  2. 　請求項１において、前記可変ゲイン設定部はプログラマブルゲインアンプであり、前記ゲイン指令手段は、前記プログラマブルゲインアンプに、求めたゲインを指令するものとしたレーザートラッカー。
  3. 　請求項１において、前記可変ゲイン設定部は乗算器であり、制御手段は、ゲインに相当する電圧を前記乗算器を用いて信号に乗じたものとしたレーザートラッカー。
  4. 　請求項１において、前記可変ゲイン設定部は、マイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータ、およびプログラマブルロジックコントローラのいずれか一つと、ＡＤコンバータと、ＤＡコンバータとを含み、制御手段は、ＡＤコンバータから入力した信号に、適切なゲインを持たせて、ＤＡコンバータで出力するものとしたレーザートラッカー。
  5. 　請求項１において、前記可変ゲイン設定部は、ゲインを変更可能なスイッチであるレーザートラッカー。
  6. 　請求項１において、前記制御手段は、前記角度調整手段の各軸の角度を検出する角度検出手段と、この角度検出手段の検出値を用いて前記角度調整手段を制御する各軸のフィードバック制御部を有し、前記可変ゲイン設定部は、距離によるゲインの変更に加えて、前記各軸のフィードバック制御部のゲインを調整するレーザートラッカー。
  7. 　請求項６において、前記制御手段は、サーボ系の状態を観察してゲインを自動的に変更可能としたレーザートラッカー。
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