(57)【要約】      （修正有）【課題】温度などの外部環境の測定を行わずに、簡略な構成で、追尾式レーザ干渉計の測定光の波長を推定可能とする。【解決手段】本体１０内の基準点１２と再帰的反射体３２との距離の増減に応じてカウント値を出力する追尾式レーザ干渉計において、前記再帰的反射体３２を、変位の方向に沿って設けられたスケール５０で変位が読み取り可能な１軸以上の変位方向を有する座標測定装置４０上のヘッド５２に設け、該ヘッド５２を複数位置に変位させて該スケール５０による測定位置と前記基準点１２と再帰的反射体３２との距離に応じたカウント値とを出力し、該測定位置とカウント値と前記基準点１２と測定光の波長、および、再帰的反射体３２の初期位置から基準点１２までの距離である初期オフセット距離とによって定まる関係式に複数位置における測定位置とカウント値とを代入して連立させ、該連立された関係式である連立方程式を解くことにより波長を推定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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、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カウント値を出力する追尾式レーザ干渉計において、
前記再帰的反射体を、変位の方向に沿って設けられたスケールで変位が読み取り可能な１軸以上の変位方向を有する座標測定装置上のヘッドに設け、
該ヘッドを複数位置に変位させて、該スケールによる測定位置と、前記基準点と再帰的反射体との距離に応じたカウント値とを出力し、
該測定位置と、カウント値と、前記基準点と、測定光の波長、および、再帰的反射体の初期位置から基準点までの距離である初期オフセット距離とによって定まる関係式に、複数位置における測定位置とカウント値とを代入して連立させ、
該連立された関係式である連立方程式を解くことにより、波長を推定することを特徴とする追尾式レーザ干渉計の波長推定方法。
【請求項２】
前記本体を、座標測定装置の定盤に設けることを特徴とする請求項１記載の追尾型レーザ干渉計の波長推定方法。
【請求項３】
前記連立方程式は、前記カウント値と波長との積に初期オフセット距離を加えた距離が、前記基準点と測定位置とから求められる距離と等しいとする関係式からなり、
測定位置ごとに定まる該関係式を連立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の波長推定方法。
【請求項４】
前記基準点を、前記座標測定装置の移動体の変位方向が１軸の場合には該軸上に、２軸の場合には該２軸で構成される平面内に、設け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の波長推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、追尾式レーザ干渉計の波長推定方法に係り、特に、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、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カウント値を出力する追尾式レーザ干渉計を用いるのに好適な、測定光の波長が未知である場合や、外部環境に依存して空気の屈折率が変化する場合などに、測定光の波長の推定を可能とする追尾式レーザ干渉計の波長推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、３次元測定機の運動誤差に起因する（指示）誤差の測定に使用することを主な用途とする装置として、追尾式レーザ干渉計があげられる。これは、測定光であるレーザビームの出射方向を制御して、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ものである。このような測定は３次元測定機の製造工程の１過程として行なわれ、３次元測定機を含む座標測定装置のスケールなど未知の基準に対して、測定空間の歪みを測定することができる。
【０００３】
以下、特許文献１に代表される、上記の用途を有す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。
【０００４】
この追尾式レーザ干渉計は、本体１０と、制御装置２８と、測定対象物３０に取付けられる再帰的反射体３２と、を有する。そして本体１０は、基準点１２から測定光１４を出射する手段である光出射部（図示せず）と、第１および第２の受光素子２２、２４を含む受光手段である受光器２０と、出射方向制御手段である２軸回転機構２６とを有する。
【０００５】
前記光出射部は、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３２に向けて測定光１４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、第１の受光素子２２に入射する。
【０００６】
前記受光器２０は、本体１０内の基準点１２から測定対象物３０に固定された再帰的反射体３２までの距離を測定するために使用される第１の受光素子２２と、再帰的反射体３２の変位を追尾制御するために使用される第２の受光素子２４とから構成される。第１の受光素子２２は、再帰的反射体３２で反射されて戻ってくる光（以下、戻り光と称する）と前述した参照光とを受光して、その受光信号を制御装置２８に出力する。一方、第２の受光素子２４は、測定光１４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装置２８に出力する。
【０００７】
前記２軸回転機構２６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１２としている。なお、第１の受光素子２２による距離の測定が途切れないようにするために、２軸回転機構２６によって、第２の受光素子２４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。
【０００８】
前記制御装置２８は、第１の受光素子２２から入力される信号に基づいてカウント値を求める。ここで、カウント値は、再帰的反射体３２の初期位置から移動先までの距離の増減に応じた変位によって生じる干渉光の明暗の波の数をカウントすることにより求められる。つまり、インクリメント式の測定によって求められる値である。また、制御装置２８は、第２の受光素子２４から入力される信号に基づき、測定光１４の出射方向を再帰的反射体３２に向けるように、２軸回転機構２６を制御する。
【０００９】
前記再帰的反射体３２は、入射する光と反射する光の光軸が平行であり、かつ、該再帰的反射体３２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３２は、入射された測定光１４を入射方向に反射して戻す機能を有する。なお、測定光１４が再帰的反射体３２の中心から離れた位置に入射した場合には、測定光１４と戻り光との光軸の位置が異なることから、前記第２の受光素子２４により、前記光軸のずれ量が観測されることとなる。
【００１０】
なお、カウント値は、前述のように再帰的反射体３２の初期位置からの変位のみを表し、基準点１２と再帰的反射体３２の位置との距離を表すものではない。従って、基準点１２と再帰的反射体３２の位置との距離を求めるには、基準点１２と再帰的反射体３２の初期位置との距離（以下初期オフセット距離と称する）と、再帰的反射体３２の移動によって得られる測定値から求められる距離を加算する必要がある。
【００１１】
このような構成と機能により、第１の受光素子２２で観測される距離に応じたカウント値が、追尾式レーザ干渉計の測定値として出力される。従って、一般には、複数台の追尾式レーザ干渉計を組み合わせて同時に再帰的反射体３２までの距離を測定して、３辺測量の原理によって、再帰的反射体３２の３次元座標を同定する。
【００１２】
【特許文献１】特許２６０３４２９号公報
【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、温度などの外部環境が変化すると、測定光路における光学的な屈折率に大きな影響が生じる。そして屈折率が変化すると、測定光１４の波長が変化してしまう。これでは、「誤った波長」を用いて測定を行ってしまうこととなり、そのカウント値はその「誤った波長」に引きずられて逆にゆがめられてしまう。言い換えれば、物差（スケール）が伸びたり縮んだりしていることと等価の情況となり、測定距離が真の長さより伸びたり縮んだりしてカウント値が測定されてしまうこととなる。従って、高精度の測定を行うには、外部環境の変化要因を正確に把握する必要がある。しかし、測定のためには、高価な装置が必要となってしまい、コスト面での負担は大変大きなものとなる。
【００１４】
しかし、高価な装置を購入して周囲環境の観測・測定を行って波長の補正をしても、測定する距離が長くなると補正しきれなかった微小な誤差が積み重なり、誤差は大きくなってしまう。又、何らかの原因で正確な屈折率が推定できない場合も考えられる。
【００１５】
又、最初から波長が未知である場合もあり、その際には波長の推定が必要であるという問題点を有していた。
【００１６】
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、温度などの外部環境の測定を行わずに、簡略な構成で、追尾式レーザ干渉計の測定光の波長を推定可能とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、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カウント値を出力する追尾式レーザ干渉計において、前記再帰的反射体を、変位の方向に沿って設けられたスケールで変位が読み取り可能な１軸以上の変位方向を有する座標測定装置上のヘッドに設け、該ヘッドを複数位置に変位させて、該スケールによる測定位置と、前記基準点と再帰的反射体との距離に応じたカウント値とを出力し、該測定位置と、カウント値と、前記基準点と、測定光の波長、および、再帰的反射体の初期位置から基準点までの距離である初期オフセット距離とによって定まる関係式に、複数位置における測定位置とカウント値とを代入して連立させ、該連立された関係式である連立方程式を解くことにより、波長を推定することで前記課題を解決したものである。これは、追尾型レーザ干渉計を用いて座標測定装置の運動誤差を観測する際に、上記のように誤った波長が用いられると、その分、観測される誤差は拡大されたり、縮小されたりしてしまう。この場合、なんらかの方法で正しい波長の値を求め、補正を行い正しいスケール（物差）に直してやらなければならないことから、本発明では座標測定装置に搭載されているスケールを用いてこれを行うものである。
【００１８】
前記本体を、座標測定装置の定盤に設けることができる。
【００１９】
又、前記連立方程式は、前記カウント値と波長との積に初期オフセット距離を加えた距離が、前記基準点と測定位置とから求められる距離と等しいとする関係式からなり、測定位置ごとに定まる該関係式を連立させることができる。
【００２０】
又、前記基準点を、前記座標測定装置の移動体の変位方向が１軸の場合には該軸上に、２軸の場合には、該２軸で構成される平面内に設けることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、従来の追尾式レーザ干渉計に、スケールを有する座標測定装置を組み合わせることで、追尾式レーザ干渉計の測定光の波長を推定することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図２は本実施形態に係る追尾式レーザ干渉計の波長推定のための構成概略図を示している。
【００２４】
本実施形態は、本体１０と再帰的反射体３２とを有する従来の追尾式レーザ干渉計と、座標測定装置４０とを有する。図２に示す如く、追尾式レーザ干渉計の本体１０は座標測定装置４０の定盤４２に設置され、再帰的反射体３２はヘッド５２に取付けられる。
【００２５】
前記座標測定装置４０は、例えば、３次元測定機とすることができ、定盤４２に設けられた門形のフレーム４４上にヘッド５２を有し、該ヘッド５２上のプローブにより、測定物の３次元形状を測定するものである。前記門形のフレーム４４は、定盤４２から立ち上がる１対のコラム４６と、該１対のコラム４６間にかけ渡されたビーム４８からなる。コラム４６はビーム４８を支え、ヘッド５２は該ビーム４８に沿って図の左右方向（ｘ軸方向）に移動可能となっている。なお、図では示していないが、ビーム４８に対してヘッド５２が図の上下方向（ｚ軸方向）に移動可能となっている。また、コラム４６は定盤４２を図の前後方向（ｙ軸方向）に移動できるため、ヘッド５２はｙ軸方向にも移動可能となっている。
【００２６】
ビーム４８には、精度の高いスケール５０と温度センサ６０とが取付けてある。ヘッド５２のｘ軸方向の移動距離をスケール５０で読み取ることが可能であり、測定時の外部環境温度を温度センサ６０が検出して補正をすることで、ビーム４８やスケール５０および空気の温度変化による膨張や収縮によって生じる誤差を除去することが可能である。同様な構成が他の移動方向にも設けられ、z軸、y軸方向においても高精度な移動距離を読み取ることが可能である。
【００２７】
追尾式レーザ干渉計については、図１に示したものと同一なので、説明を省略する。
【００２８】
次に、波長の推定原理について以下に説明する。
【００２９】
座標測定装置４０は、その直進性能や各軸を構成する機構の運動時の傾きによって生じる運動誤差を有する。そのため、測定空間内の個々の移動位置においては、運動誤差が生ずる。この運動誤差を観測するために、一般的には追尾型レーザ干渉計を用いている。しかし、座標測定装置４０に使用されるスケール５０は、もともと高精度であり、更に、温度補正等もなされており、比較的広範囲においてもそれほど誤差も大きくはない。ここで、スケール５０が座標測定装置４０に搭載されると上述した運動誤差によるアッベ誤差等が発生し、座標測定装置４０上のヘッド５２に取付けた再帰的反射体３２の位置はスケール５０の測定位置からずれてしまう。しかし、このアッベ誤差は測定空間の狭い範囲ではスケール５０のムラとして発生するが、比較的広範囲の測定空間においては誤差の平均はほぼ０となると考えることができる。この考えに基づき、波長の値を固定せずにスケール５０の読み取り位置を基準として、追尾式レーザ干渉計を逆校正することにより、測定値に無理な歪が生じないようにする。従って、測定空間全体にわたる複数位置の座標について、座標測定装置４０と追尾式レーザ干渉計の両方を用いて測定して、その結果を処理することで、追尾式レーザ干渉計の波長を推定することが可能となる。
【００３０】
具体的な推定方法について図３を用いて説明する。なお、追尾式レーザ干渉計の本体１０と再帰的反射体３２の概略形状が図２とは異なるが、図示のため簡略化したものであり、機能は同一である。
【００３１】
再帰的反射体３２を座標測定装置４０である３次元測定機のヘッド５２上のプローブ位置に取り付け、追尾式レーザ干渉計の本体１０を３次元測定機４０の定盤４２に設置し、複数点において測定を行う。
【００３２】
ここで、本体１０内の基準点１２を（ｘ０、ｙ０、ｚ０）と、複数回の測定回数のうちｉ番目の再帰的反射体３２の位置であって、スケール５０によって測定される位置を（ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ）と、推定する測定光１４の波長をλと、ｉ番目の再帰的反射体３２の位置での追尾式レーザ干渉計のカウント値をｎｉと、初期オフセット距離をｆとするならば、式（１）の関係式が導かれる。
【００３３】
((ｘｉ-ｘ０)2+(ｙｉ-ｙ０)2+(ｚｉ-ｚ０)2) 1/2=ｆ+ｎｉ*λ      …（１）
【００３４】
ここで、（ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ）とｎｉとが測定によって求められるが、（ｘ０、ｙ０、ｚ０）、λ、ｆは不明である。なお、両辺の値は基準点１２とｉ番目の再帰的反射体３２の位置との距離を表している。
【００３５】
そして、測定空間の十分広範囲において座標測定、およびカウント値測定を複数回行うことにより、測定回数に応じた式（１）が成立するので、それらを連立させ連立方程式として解くことにより、（ｘ０、ｙ０、ｚ０）、λ、ｆを推定することが可能となる。
【００３６】
連立方程式は、一般的な非線形最小二乗法を用いて解くことが可能である。例えば、Gauss-Newton法やMarquardt法およびハイブリッド法等を用いることができる。また、式（１）の両辺を二乗することにより線形最小二乗法で解くことも可能である。例えば、Cholesky法や固有値分解法などの正規方程式を立てて解く解法を適用しても良いし、Gram-Schmidt法やHouseholder法や特異値分解法などのヤコビアンの直接分解による解法を用いても良い。  
【００３７】
従って、上述した原理に基づくことで、極めて簡略な構成で、測定光１４の波長λを精度よく推定することができ、追尾式レーザ干渉計による高精度な測定が可能である。
【００３８】
同時に、空気屈折率の補正のために、温度などといった外部環境の測定をする必要がないので、そのための高価な機材にかかる費用を大幅に削減できる効果を有する。
【００３９】
なお、別途国家標準として定められているブロックゲージなどを測定し、測定空間の膨張や収縮を校正することにより、更に波長推定精度を高めることも可能である。
【００４０】
以上、本実施形態においては、測定空間を３次元としていたが、２次元や１次元空間でも同様の波長推定は可能である。ただしこの場合には、追尾式レーザ干渉計の基準点１２を測定空間と同一の空間においた測定となる。つまり、２次元の場合には、図４に示す如く、測定平面であるｘｙ平面に基準点１２が含まれるように、１次元の場合には、図５に示す如く、ｘ軸上に基準点１２が含まれるように配置する必要がある。この場合には、追尾式レーザ干渉計の本体１０の設置位置が限定されるため設置の手間がかかることとなるが、必ずしも３次元空間を測定可能な座標測定装置を必要とはしないので、より単純な装置で波長推定が可能となる。同時に、測定点数も少なくてすみ、連立方程式を容易に解くことが可能となる。
【００４１】
又、本実施形態は、測定光の波長が外部環境で変化するときを想定しているが、波長が不明であるときにも本発明を適用して、波長を推定することができるのは明らかである。
【００４２】
又、本発明は、波長が不明である場合や外部環境変化によって変化する測定光の波長を推定する場合に限らず、追尾式レーザ干渉計の定期的な校正などにも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来の追尾式レーザ干渉計の概略構成図
【図２】本発明の実施形態を示す概略構成図
【図３】同じく３次元測定空間における追尾式レーザ干渉計の本体と再帰的反射体との配置を示す概略図
【図４】２次元測定空間における追尾式レーザ干渉計の本体と再帰的反射体との配置を示す概略図
【図５】１次元測定空間における追尾式レーザ干渉計の本体と再帰的反射体との配置を示す概略図
【符号の説明】
【００４４】
１０…本体
１２…基準点
１４…測定光
２０…受光器
２６…２軸回転機構
２８…制御装置
３０…測定対象物
３２…再帰的反射体
４０…座標測定装置
４２…定盤
４４…門形のフレーム
４６…コラム
４８…ビーム
５０…スケール
５２…ヘッド
６０…温度センサ
【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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