(57)【要約】【課題】簡単な構成で要求される性能を維持しつつ、測定が中断しても高精度な測定を行うことができ、使い勝手の良いレーザトラッカを提供する。【解決手段】本体からターゲット１０６迄の絶対距離を測定する光コム距離計２０１と、モータ１１３、１１５を用いてレーザ光３の方向を変えることのできる２軸の回転機構と、ターゲットと本体との相対的な角度を測定する２軸分の角度測定手段１１４、１１６と、光コム距離計が出力する絶対距離のデータと角度測定手段が出力する２軸分の角度データから、ターゲットの空間座標を算出するデータ処理装置１１０と、ターゲットに入射するレーザ光の光軸と直角方向にターゲットが移動すると、この移動量と移動する方向に応じた信号を出力する光位置検出手段１０９と、光位置検出手段から出力された信号を用いて、移動量がゼロになるように２軸の回転機構を制御する制御手段１１１、１１２とを備える。【選択図】図２
2010054429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を用いてターゲットを追尾しつつ、本体からターゲット迄の距離を測定するレーザトラッカにおいて、
本体からターゲット迄の絶対距離を測定する光コム距離計と、
モータを用いてレーザ光の方向を変えることのできる２軸の回転機構と、
ターゲットと本体との相対的な角度を測定する２軸分の角度測定手段と、
前記光コム距離計が出力する絶対距離のデータと前記角度測定手段が出力する２軸分の角度データから、ターゲットの空間座標を算出するデータ処理装置と、
ターゲットに入射するレーザ光の光軸と直角方向にターゲットが移動すると、この移動量と移動する方向に応じた信号を出力する光位置検出手段と、
該光位置検出手段から出力された信号を用いて、前記移動量がゼロになるように前記２軸の回転機構を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするレーザトラッカ。
【請求項２】
前記光コム距離計が２軸回転機構とは別に配設され、該２軸回転機構上に、レーザ光を反射するジンバルミラーが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザトラッカ。
【請求項３】
前記光コム距離計が２軸回転機構上に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザトラッカ。
【請求項４】
前記光コム距離計のヘッドとレーザ光源が別体とされ、該光コム距離計のヘッドが２軸回転機構上に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザトラッカ。
【請求項５】
前記２軸回転機構に、固定データムと、該固定データムに対する光コム距離計のヘッドの変位を測定する変位計が配設されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザトラッカ。
【請求項６】
前記光コム距離計による絶対距離の測定を複数の波長で行って、空気の屈折率変化の影響を補償することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のレーザトラッカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いてターゲットを追尾しつつ、本体からターゲットまでの距離を測定するレーザトラッカに係り、特に、簡単な構成で要求される性能を維持しつつ、測定が中断しても高精度な測定をそのまま再開することができ、測定中断前後でデータの整合性をとる必要が無く、使い勝手の良いレーザトラッカに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、大型のロボットハンド先端の動きの検出や、飛行機等の大型装置の組立に際して、目標部品にターゲットを配設し、レーザ光を用いて該ターゲットを追尾しつつ、本体からターゲットまでの距離（例えば１〜１０ｍ程度）を測定するレーザトラッカが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
このレーザトラッカは、「レーザ干渉計」と「レーザを使用した絶対距離計」を両方備えることが一般的である。これは（１）レーザ干渉計のみを使用した場合、変位の測定精度は高いものの絶対距離の測定ができない、これに対し（２）絶対距離計のみを使用した場合、絶対距離の測定はできるものの、測定精度は１００μｍ程度と要求される精度に達しないことによる。絶対距離の測定が可能であれば任意の位置で測定を開始することができるため測定に要する時間を短縮することができる。
【０００４】
したがって、従来のレーザトラッカでは、「レーザ干渉計」と「絶対距離計」の２つの装置を組み込まなければならないという問題があった。
【０００５】
従来のレーザトラッカの一例の構成を図１に示す。レーザ干渉計１０１から出射された、例えば可視域の波長６３３ｎｍの連続光でなるレーザ光１は、ハーフミラー１０２、レーザ光１の波長近傍の波長の光のみを通過するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０３、ハーフミラー１０４、方位角用モータ１１３および仰角用モータ１１５を用いて２軸の回転を行うことができるジンバルミラー１０５を介して、例えばレトロリフレクタでなるターゲット１０６に到達し、同じ経路を通ってレーザ干渉計１０１に再び入射する。レーザ干渉計１０１は、公知のマイケルソン型もしくはフィゾー型の干渉計で、レーザ光１の光軸に沿ったターゲット１０６の変位を測定することができる。レーザ干渉計１０１で測定したターゲット１０６の変位のデータは、パソコン（ＰＣ）１１０を用いて収集する。
【０００６】
レーザ光１がターゲット１０６で反射されてレーザ干渉計１０１に戻るとき、ハーフミラー１０２においてレーザ光１の一部が反射されて２次元ＰＳＤ１０９に入射する。ターゲット１０６に入射するレーザ光１の光軸と直角方向にターゲットが移動すると、この移動量と移動する方向に応じて２次元ＰＳＤ１０９に入射するレーザ光１の位置が変化する。このレーザ光１の位置の変化を２次元ＰＳＤ１０９を用いて検出し、このレーザ光１の位置が常に一定になるようにＰＣ１１０、モータ駆動回路１１１、１１２、方位角用モータ１１３および仰角用モータ１１５を用いて、ジンバルミラー１０５の方向を制御する。これによりターゲット１０６をレーザ光１を用いてトラック（追尾）することができる。
【０００７】
公知の絶対距離計１０７から出射された、レーザ光１とは異なる波長、例えば赤外域の波長７８０ｎｍのパルス光でなるレーザ光２は、該レーザ光２の波長近傍の波長の光のみを透過するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０８、前記ハーフミラー１０４、ジンバルミラー１０５を介してターゲット１０６で反射され、同じ経路を通って絶対距離計１０７に入射する。絶対距離計１０７は、レーザトラッカ本体からターゲット１０６までの絶対距離を測定することができ、絶対距離の測定値はＰＣ１１０を用いて収集する。
【０００８】
レーザトラッカがターゲット１０６を追尾しているとき、レーザトラッカとターゲット１０６との相対的な角度は、方位角用ロータリーエンコーダ１１４と仰角用ロータリーエンコーダ１１６を用いて測定される。これら２つの角度データはＰＣ１１０を用いて収集する。
【０００９】
ＰＣ１１０は、これら２つの角度データと、前述の絶対距離計１０７による絶対距離のデータ、および前述のレーザ干渉計１０１による変位のデータを用いて、ターゲット１０６の三次元座標を算出することができる。
【００１０】
以上が従来のレーザトラッカの構成である。
【００１１】
また、従来技術として、１μｍオーダの精度の絶対距離測定が可能な「光コム距離計」が知られている（特許文献２、非特許文献１参照）。
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−５７５２２号公報
【特許文献２】特開２００１−１３２４５号公報
【非特許文献１】美濃島  薫「フェムト秒光パルスの時間・周波数関係を利用した空間精密計測」電子情報通信学会誌Ｖｏｌ．８６  Ｎｏ．８（２００３年8月）ｐｐ６３２〜６３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら従来は、（１）レーザ干渉計１０１と絶対距離計１０７が両方必要であり、構成が複雑である。
【００１４】
又、（２）絶対距離計１０７で測定した絶対距離のデータの精度は、レーザ干渉計１０１で測定した変位データの精度に比べて低い。従って、測定が中断しなければレーザ干渉計１０１の精度で測定できるが、測定が中断すると、絶対距離計１０７で絶対距離を測定し直す必要があり、絶対距離計の誤差の分だけデータの精度が悪化するため、高精度の測定をそのまま再開することができない。
【００１５】
更に、（３）測定が中断した場合、座標が既知の一点に一度戻るなど、測定中断前後でのデータの整合性を取る作業を行なわなければ、測定が中断しなかった場合と同程度の精度で測定を行うことができず、使い勝手が悪い等の問題点を有していた。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、簡単な構成で要求される性能を維持しつつ、測定が中断しても高精度な測定をそのまま再開することができ、測定中断前後でデータの整合性をとる作業を行なう必要が無く、使い勝手の良いレーザトラッカを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、レーザ光を用いてターゲットを追尾しつつ、本体からターゲット迄の距離を測定するレーザトラッカにおいて、本体からターゲット迄の絶対距離を測定する光コム距離計と、モータを用いてレーザ光の方向を変えることのできる２軸の回転機構と、ターゲットと本体との相対的な角度を測定する２軸分の角度測定手段と、前記光コム距離計が出力する絶対距離のデータと前記角度測定手段が出力する２軸分の角度データから、ターゲットの空間座標を算出するデータ処理装置と、ターゲットに入射するレーザ光の光軸と直角方向にターゲットが移動すると、この移動量と移動する方向に応じた信号を出力する光位置検出手段と、該光位置検出手段から出力された信号を用いて、前記移動量がゼロになるように前記２軸の回転機構を制御する制御手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１８】
ここで、前記光コム距離計を２軸回転機構とは別に配設し、該２軸回転機構上に、レーザ光を反射するジンバルミラーを設けることができる。
【００１９】
あるいは、前記前記光コム距離計を２軸回転機構上に配設することができる。
【００２０】
あるいは、前記光コム距離計のヘッドとレーザ光源を別体とし、該光コム距離計のヘッドを２軸回転機構上に配設することができる。
【００２１】
更に、前記２軸回転機構に、固定データムと、該固定データムに対する光距離計のヘッドの変位を測定する変位計を配設することができる。
【００２２】
又、前記光コム距離計による絶対距離の測定を複数の波長で行って、空気の屈折率変化の影響を補償することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、（１）従来のような絶対距離計１０７及び、その関連部品（１０３、１０４、１０８）が不要となり、簡単な構成で、要求される性能を維持することができる。また、（２）絶対距離のデータの精度が高いため、測定が途中で中断しても、データの精度が悪化せず、高精度な測定をそのまま再開することができる。更に、（３）測定が中断しても高精度な測定を行うことができるので、測定中断前後でデータの整合性をとる作業を行なう必要が無い。従って、レーザトラッカの使い勝手が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
本発明の第１実施形態を図２に示す。図２において、１μｍオーダの精度の絶対距離測定が可能な光コム距離計２０１から出射されたレーザ光３は、ハーフミラー１０２、方位角用モータ１１３および仰角用モータ１１５を用いて２軸の回転を行うことができるジンバルミラー１０５を介して、例えばレトロリフレクタでなるターゲット１０６に到達し、同じ経路を通って光コム距離計２０１に再び入射する。光コム距離計２０１によって測定したレーザトラッカとターゲット１０６との絶対距離は、ＰＣ１１０を用いて収集される。
【００２６】
レーザ光３がターゲット１０６で反射されて光コム距離計２０１に戻るとき、ハーフミラー１０２においてレーザ光３の一部が反射されて２次元ＰＳＤ１０９に入射する。ターゲット１０６に入射するレーザ光３の光軸と直角方向にターゲットが移動すると、この移動量と移動する方向に応じて２次元ＰＳＤ１０９に入射するレーザ光３の位置が変化する。このレーザ光３の位置の変化を２次元ＰＳＤ１０９を用いて検出し、このレーザ光３の位置が常に一定になるようにＰＣ１１０、モータ駆動回路１１１、１１２、方位角用モータ１１３および仰角用モータ１１５を用いて、ジンバルミラー１０５の方向を制御する。これによりターゲット１０６をレーザ光３を用いてトラック（追尾）することができる。
【００２７】
レーザトラッカがターゲット１０６を追尾しているとき、レーザトラッカとターゲット１０６との相対的な角度は、方位角用ロータリーエンコーダ１１４と仰角用ロータリーエンコーダ１１６を用いて測定される。これら２つの角度データは、ＰＣ１１０を用いて収集する。
【００２８】
ＰＣ１１０は、これら２つの角度データと前述の光コム距離計２０１による絶対距離のデータを用いてターゲット１０６の三次元座標を算出する。
【００２９】
本実施形態においては、従来のレーザ干渉計１０１を光コム距離計２０１に置き換えるだけで、絶対距離計１０７及びバンドパスフィルタ１０３、１０８、ハーフミラー１０４を省略できるので、構成が簡略である。又、従来のようにレーザ干渉計１０１と絶対距離計１０７のレーザ光１と２の波長を変えたり、あるいは時分割にして、これらを区別する必要もない。
【００３０】
なお、第１実施形態では、ジンバルミラー１０５を用いてレーザ光３の出射方向を変更するようにされていたが、図３に示す第２実施形態のように、光コム距離計２０１と２次元ＰＳＤ１０９及びハーフミラー１０２を２軸の回転機構上に設けたキャリッジ３０１に搭載することによって、ジンバルミラーを省略することも可能である。本実施形態によれば、第１実施形態よりも更に構成が簡略である。
【００３１】
なお、前記第２実施形態では、光コム距離計２０１の全体がキャリッジ３０１上に搭載されていたが、図４に示す第３実施形態のように、光源部分のフェムト秒ファイバレーザ４０１を切り離して外部に設置し、光ファイバ４０２により光コム距離計ヘッド４０３に導くことにより、キャリッジ３０１に搭載する要素を小型軽量化して、キャリッジ３０１の回転の応答速度を上げることができる。
【００３２】
次に、図５を参照して、特許文献１に記載した、固定データム型のレーザトラッカの干渉計として光コム距離計を用いた本発明の第４実施形態を説明する。
【００３３】
本実施形態においては、ベース板５０１上に設置した固定データム（例えば基準球）５０２とキャリッジ３０１との相対的な変位を静電容量変位計５０３で検出して補正することにより、固定データム５０２の中心を基準とした高精度な測定を行うことができる。ここで、固定データム５０２は、例えば真球度８０ｎｍ程度の金属製の球を用いることができる。
【００３４】
次に、図６を参照して、２色法を用いて空気の屈折率変化の影響を受け難いロバストな測定を行うようにした本発明の第５実施形態を説明する。
【００３５】
図６において、フェムト秒ファイバレーザ４０１からは、広帯域のレーザが発振されているので、図７に詳細に示すような構成の光コム距離計ヘッド６０１を用いて、例えば、ある基本波と、その第２高調波を用いて絶対距離測定を行う。基本波による絶対距離の測定値と、第２高調波による絶対距離の測定値に対して、非特許文献１の６３４頁〜６３５頁の２．３項に記載されているような２色法による屈折率補正のアルゴリズムを用いれば、測定環境に存在する空気の屈折率変化を補償できるため、１波長のレーザで絶対距離測定を実施した場合と比較して、高精度な測定を行うことができる。
【００３６】
前記２色法による測定のアルゴリズムは、次に示す非特許文献１中の式（２）で示されている。
【００３７】
Ｄ＝Ｄ２ω−Ａ（Ｄ２ω−Ｄω）
【００３８】
ここで、Ｄは、レーザトラッカ本体からターゲット１０６までの距離、Ｄωは、基本波を用いた絶対距離の測定値、Ｄ２ωは、第２高調波を用いた絶対距離の測定値、Ａは定数である。
【００３９】
前記光コム距離計ヘッド６０１の詳細を図７に示す。図７において、７０１は、基本波用のハーフミラー、７０２、７０３は同じくバンドパスフィルタ、７０４、７０５は同じく光検出器、７０６〜７０８は同じくバンドパスフィルタ、７０９は同じくダブルバランスドミキサ、７１０は同じく位相計、７１１は、第２高調波用のハーフミラー、７１２、７１３は同じくバンドパスフィルタ、７１４、７１５は同じく光検出器、７１６〜７１８は同じくバンドパスフィルタ、７１９は同じくダブルバランスドミキサ、７２０は同じく位相計であり、７２１はコリメータである。
【００４０】
前記光コム距離計ヘッド６０１の構成は、非特許文献１の図２に示される構成でも良く、非特許文献１の図２には示されていない色ガラスフィルタを用いて、基本波による測定と第２高調波による測定を交互に実施することができる。
【００４１】
又、図７に示したように、検出系を２系統（基本波用の検出系と第２高調波用の検出系）設けておけば、基本波を用いた絶対距離の測定値と、第２高調波を用いた絶対距離の測定値を同時に取得できるので、検出系が１系統の場合よりも、更に空気の屈折率変化の影響を受け難いロバストな測定が可能である。即ち、空気の屈折率は時間的に変動しているため、交互に測定を行うより、同時に測定を行ったほうが、空気の屈折率変化の影響を受け難いロバストな測定が可能である。
【００４２】
なお、前記実施形態においては、いずれも、２軸回転機構の回転角度を、モータ１１３、１１５に付設されたロータリエンコーダ１１４、１１６で検出していたが、回転角度を検出する手段は、これに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来のレーザトラッカの一例の構成を示す、一部斜視図を含むブロック図
【図２】本発明の第１実施形態の構成を示す、一部斜視図を含むブロック図
【図３】本発明の第２実施形態の構成を示す、一部斜視図を含むブロック図
【図４】本発明の第３実施形態の構成を示す、一部斜視図を含むブロック図
【図５】本発明の第４実施形態の構成を示す、一部斜視図を含むブロック図
【図６】本発明の第５実施形態の構成を示す、一部斜視図を含むブロック図
【図７】第５実施形態で用いられる光コム距離計ヘッドの構成例を示すブロック図
【符号の説明】
【００４４】
３…レーザ光
１０５…ジンバルミラー
１０６…ターゲット
１０９…二次元ＰＳＤ
１１０…パソコン（ＰＣ）
１１１、１１２…モータ駆動回路
１１３…方位角用モータ
１１４…方位角用ロータリーエンコーダ
１１５…仰角用モータ
１１６…仰角用ロータリーエンコーダ
２０１…光コム距離計
３０１…キャリッジ
４０１…フェムト秒ファイバレーザ
４０２…光ファイバ
４０３、６０１…光コム距離計ヘッド
５０２…固定データム
５０３…静電容量変位計
５０４…静電容量変位計用信号処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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