(57)【要約】【課題】変位の測定にホモダイン式のレーザ干渉計を使用した追尾式レーザ干渉計における、トラッキングエラーが増加すると変位の測定とＳＮ比が低下するという問題点を解決する。【解決手段】レトロリフレクタ１０８に入射するレーザビームの光軸と、レトロリフレクタ１０８の中心位置との間の距離をトラッキングエラー量ΔＴｒとして検出し、検出されたトラッキングエラー量ΔＴｒから、干渉計１０７で変位の測定に用いるリサージュ信号の振幅を一定に保つためのレーザビームの光量の調整量を求め、前記トラッキングエラー量ΔＴｒに応じて、レーザビーム光量を調整する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用して得たリサージュ信号を用いて、レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計において、
前記レトロリフレクタに入射するレーザビームの光軸と、レトロリフレクタの中心位置との間の距離をトラッキングエラー量として検出し、
検出されたトラッキングエラー量から、前記リサージュ信号の振幅を一定に保つためのレーザビーム光量の調整量を求め、
前記トラッキングエラー量に応じて、レーザビーム光量を調整することを特徴とする追尾式レーザ干渉計の出力安定化方法。
【請求項２】
前記トラッキングエラー量を、そのＸ方向成分とＹ方向成分から計算す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の出力安定化方法。
【請求項３】
被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用して得たリサージュ信号を用いて、レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計において、
前記レトロリフレクタに入射するレーザビームの光軸と、レトロリフレクタの中心位置との間の距離をトラッキングエラー量として検出する手段と、
検出されたトラッキングエラー量から、前記リサージュ信号の振幅を一定に保つためのレーザビーム光量の調整量を求める手段と、
前記トラッキングエラー量に応じて、レーザビーム光量を調整する手段と、
を備えたことを特徴とする追尾式レーザ干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体を追尾しながら、該移動体の変位や位置を高精度に測定するための追尾式レーザ干渉計に係る。特に、被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用して得たリサージュ信号を用いて、レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体を追尾しながら、該移動体の変位や位置を高精度に測定するための追尾式レーザ干渉計として、特許文献１や２に記載のものがある。これらの追尾式レーザ干渉計で、変位の測定に、９０度位相差の２相正弦波信号であるリサージュ信号を用いる、いわゆるホモダイン式のレーザ干渉計を使用する場合、トラッキングエラー量が増加すると、変位測定値のＳＮ比が低下するという問題がある。
【０００３】
上記の内容について以下で詳述する。
【０００４】
図１に、出願人が特願２００５−２１６１１０号（出願時未公開）で提案した、変位を計測するためのレーザ干渉計としてホモダイン式のマイケルソン型レーザ干渉計を使用した装置を一例として示す。
【０００５】
本装置は、固定された基準球１０５の中心をデータムとしたときのレトロリフレクタ１０８の変位ΔＬを、干渉計１０７と変位計１０６とを用いて測定している。具体的には、干渉計１０７とレトロリフレクタ１０８との距離の変化ΔＬ１を干渉計１０７を用いて測定し、基準球１０５と変位計１０６との距離の変化ΔＬ２を変位計１０６を用いて測定する。ΔＬ１とΔＬ２とを加算することでΔＬを求めることができる。
【０００６】
干渉計１０７に入射するレーザは、例えば周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１０１から入射され、レンズ１０２と光ファイバ１０３を介して干渉計１０７に入射する。干渉計１０７に入射したレーザは２つに分割され、一方が干渉測長の参照光として使用され、他方はレトロリフレクタ１０８に向けて出射される。レトロリフレクタ１０８に向けて出射されたレーザは、レトロリフレクタ１０８で反射された後、再び干渉計１０７に入射する。干渉計１０７に再入射したレーザは２つに分割され、一方は測定光として前記参照光と干渉させる。この干渉光の強度変化を位相計で検出し、信号処理回路１１１で処理して、パソコン（ＰＣ）１１６を用いて変位ΔＬ１を計測する。
【０００７】
変位計１０６は、例えば静電容量式変位計もしくは過電流式変位計で、信号処理回路１１２で信号処理を行った後の信号をＰＣ１１６で計測することによりΔＬ２を計測する。
【０００８】
ＰＣ１１６上でΔＬ１とΔＬ２とを加算することでΔＬを求めることができる。
【０００９】
干渉計１０７に再入射したレーザの内のもう一方は、図２に示される光位置検出器２３８に入射される。光位置検出器２３８は、具体的には２次元ＰＳＤもしくは４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）で、レトロリフレクタ１０８に入射するレーザの光軸とレトロリフレクタ１０８の中心位置との間の距離を検出することができる。この距離を以下トラッキングエラー量ΔＴｒと呼ぶ。図２において、２２２はコリメータレンズ、２２６、２３４はλ／４板、２３０は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、２３６は無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）、２４０は偏光板、２７０は平面鏡、２７２は光検出器である。
【００１０】
光位置検出器２３８は、ΔＴｒを、直交する２方向の成分に分けて測定することができる。例えば図１に示すように、干渉計１０７から出射するレーザの光軸をＺとして、Ｚ軸に垂直で水平方向の軸をＸ軸、ＺおよびＸと直交する方向にＹ軸をとったとき、光位置検出器２３８は、ΔＴｒのＸ方向成分ΔＴｒＸと、Ｙ方向成分ΔＴｒＹとを検出することができる。ΔＴｒＸおよびΔＴｒＹに応じた信号を信号処理回路１１３を介してＰＣ１１６に取り込み、ΔＴｒＸおよびΔＴｒＹの値に応じてモータ駆動回路１１４および１１５を介して仰角用モータ１０９および方位角用モータ１１０を制御することにより、キャリッジ１０４を仰角方向と方位角方向に回転させて、レトロリフレクタ１０８の中心位置と干渉計１０７から出射するレーザの光軸とが一致するように制御を行う。
【００１１】
図３に信号処理回路１１１の機能ブロック図を示す。干渉計１０７から入力された干渉光の強度変化に応じた信号は、前置増幅回路２０１で処理されてリサージュ信号（９０度位相差の２相正弦波信号）となる。前置増幅回路２０１から出力されたリサージュ信号は、リサージュ補正・内挿回路２０２でＡＤ変換とリサージュの補正と内挿が行われ、９０度位相差の２相方形波となって出力される。この２相方形波はカウンタ２０３に入力され、カウントが行われる。このカウント値は前記ΔＬ１に応じて変化するので、このカウント値をＰＣ１１６で読み込むことにより、ΔＬ１を計測することができる。
【００１２】
【特許文献１】特許第２６０３４２９号公報
【特許文献２】米国特許第６１４７７４８号明細書
【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、上記のように、変位の測定にホモダイン式のレーザ干渉計を使用した追尾式レーザ干渉計において、トラッキングエラー量が増加すると変位の測定値のＳＮ比が低下するという問題がある。
【００１４】
図４に、トラッキングエラー量ΔＴｒと、リサージュ信号の振幅の関係の実測値を示す。横軸がΔＴｒで、縦軸は正規化したリサージュ信号の振幅である。ΔＴｒが大きくなるにつれ、前記参照光の光軸の位置と前記測定光の光軸の位置とのずれが大きくなってくるので、干渉を生じるレーザの割合が少なくなってくる。従ってΔＴｒが大きくなるにつれ、リサージュ信号の振幅が小さくなってくる。リサージュ信号の振幅が小さくなると干渉計の変位信号のＳＮ比は低下する。
【００１５】
追尾式レーザ干渉計はΔＴｒが０になるように制御を行うが、レトロリフレクタ１０８の位置が変化するため、実際にはリサージュ信号の振幅が小さくなってしまうことがある。
【００１６】
上記の説明では、装置の一例を示したが、特許文献１や２の装置の場合でも、変位の測定にホモダイン式のレーザ干渉計を使用していれば、図１の装置の場合と同様にトラッキングエラー量の増加に伴って変位の測定値のＳＮが低下するという問題があると考えられる。
【００１７】
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、変位の測定にホモダイン式のレーザ干渉計を使用した場合に、トラッキングエラー量が増加すると変位の測定値のＳＮ比が低下するという問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用して得たリサージュ信号を用いて、レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計において、前記レトロリフレクタに入射するレーザビームの光軸と、レトロリフレクタの中心位置との間の距離をトラッキングエラー量として検出し、検出されたトラッキングエラー量から、前記リサージュ信号の振幅を一定に保つためのレーザビーム光量の調整量を求め、前記トラッキングエラー量に応じて、レーザビーム光量を調整することにより、前記課題を解決したものである。
【００１９】
前記トラッキングエラー量を、そのＸ方向成分とＹ方向成分から計算することができる。
【００２０】
本発明は、又、被測定体であるレトロリフレクタに向けて照射し、該レトロリフレクタによって戻り方向に反射されたレーザビームの干渉を利用して得たリサージュ信号を用いて、レトロリフレクタの変位を検出すると共に、前記レーザビームの光軸の位置の変化を用いてトラッキングを行うようにした追尾式レーザ干渉計において、前記レトロリフレクタに入射するレーザビームの光軸と、レトロリフレクタの中心位置との間の距離をトラッキングエラー量として検出する手段と、検出されたトラッキングエラー量から、前記リサージュ信号の振幅を一定に保つためのレーザビーム光量の調整量を求める手段と、前記トラッキングエラー量に応じて、レーザビーム光量を調整する手段と、を備えたことを特徴とする追尾式レーザ干渉計を提供するものである。
【発明の効果】
【００２１】
変位の測定にホモダイン式のレーザ干渉計を使用した追尾式レーザ干渉計において、トラッキングエラー量ΔＴｒとリサージュ信号の振幅の間には、図４に示したような関係があるので、トラッキングエラー量ΔＴｒの値を検出し、ΔＴｒの値に応じて干渉計に入射するレーザの光量を制御することで、ΔＴｒが変化しても、リサージュ信号の振幅を一定に保ち、変位の測定値のＳＮ比の低下を防ぐことができる。
【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】
本実施形態は、図１の装置と同様の構成において、図５に示す如く、光ファイバ１０３の途中に減衰量可変光減衰器４０１を挿入し、該減衰量可変光減衰器４０１を、ＰＣ１１６で計算した減衰量可変光減衰器駆動信号により駆動して、トラッキングエラー量ΔＴｒが変化してもリサージュ信号の振幅を一定に保つようにしたものである。
【００２４】
前記減衰量可変光減衰器４０１としては、図６に例示するような、ＮＤフィルタ４０２をステッピングモータ４０３を用いて移動させることで入力光を任意の値に減衰させる構造のモニタＰＤ内蔵型減衰量可変光減衰器を用いることができる。
【００２５】
図６において、光ファイバ１０３Ａを介して可変光減衰器４０１に入射したレーザは、レンズ４０４によりコリメートされて平行光になる。コリメートされたレーザの光量は、減衰量可変式ＮＤフィルタ４０２を通過することで減衰される。ＮＤフィルタ４０２を通過したレーザは、レンズ４０５を介して光ファイバ１０３Ｂに入射する。
【００２６】
前記減衰量可変式ＮＤフィルタ４０２は、ＮＤフィルタの長手方向（図６の上下方向）の位置に応じて減衰量が変化するＮＤフィルタであり、モータ４０３を用いてＮＤフィルタ４０２を矢印Ａで示すように、その長手方向に移動させることによって、透過するレーザの減衰量を制御することができる。
【００２７】
２個のＰＤ（フォトディテクタ）４１０、４１１は、ビームスプリッタ４１２、４１３を用いて、ＮＤフィルタ４０２の減衰量をモニタする。２個のＰＤ４１０、４１１で検出されたレーザの光量の比をとることにより、減衰量を算出することができる。
【００２８】
信号処理回路４２０は、指令信号で指令された減衰量と、２個のＰＤ４１０、４１１によって検出されたＮＤフィルタ４０２の減衰量とが一致するように、モータ４０３を制御する。従って、可変光減衰器４０１は、指令信号によって指令された減衰量になるように減衰量を変化させることができる。
【００２９】
以下、作用を説明する。
【００３０】
まず、信号処理回路１１３からＰＣ１１６に入力される、ΔＴｒＸに応じた信号とΔＴｒＹに応じた信号とから、ＰＣ１１６を用いてΔＴｒを算出する。ΔＴｒＸとΔＴｒＹとは、ΔＴｒを直交する２方向に分解した成分であるので、次式を用いてΔＴｒを算出することができる。
【００３１】
ΔＴｒ＝√{（ΔＴｒＸ）2＋（ΔＴｒＹ）2}    ・・・（１）
【００３２】
次に、算出したΔＴｒの値に応じて、ＰＣ１１６から可変光減衰器４０１の減衰量を制御するための光減衰器制御信号を出力する。
【００３３】
ここで、図４に示したようなΔＴｒとリサージュ信号の振幅との関係を予め求めておき、この関係からΔＴｒの値とリサージュ信号の振幅が一定になるような可変光減衰器の減衰量Ｒ(ΔTr)との関係式を求めておく。例えば、ΔＴｒ＝１ｍｍのときのリサージュ信号の振幅が、ΔＴｒ＝０ｍｍのときのリサージュ信号の振幅と比較して８０％減衰するとき、ΔＴｒ＝１ｍｍのときには、ΔＴｒ＝０ｍｍのときと比較して可変光減衰器４０１を透過するレーザの光量が８０％増加するように可変光減衰器の減衰量Ｒ(ΔTr=1mm)を決定すれば良い。Ｒ(ΔTr)をΔＴｒを変えながら決定していき、ΔＴｒとＲ(ΔTr)との関係式を求めておく。
【００３４】
この関係式は、例えば次式（２）で表される。
【００３５】
Ｒ(ΔTr)＝１００−(１００−Ｒ(ΔTr=０))／Ａ(ΔTr)      ・・・（２）
【００３６】
ここで、Ｒ(ΔTr=０)は、ΔＴｒ＝０のときのＲであり、任意に設定できる。又、Ａ(ΔT)は、ΔＴｒ＝０のときのリサージュ信号の振幅で規格化したリサージュ信号の振幅であり、ΔＴｒとＡとの関係は、一般的な計算用のソフトウェアを用いて、図４のグラフから多項式の形で近似的に求めることができる。
【００３７】
又、減衰量Ｒ(ΔTr)の単位は％で、減衰量Ｒは次式（３）で定義することができる。
【００３８】
Ｒ＝（Ｉ0−Ｉ1）／Ｉ0×１００              ・・・（３）
【００３９】
ここで、Ｉ0は可変光減衰器に入射するレーザの光量、Ｉ1は可変光減衰器から出射するレーザの光量である。
【００４０】
この関係式を用いることで、ＰＣ１１６で算出したΔＴｒの値から、ＰＣ１１６を用いてＲ(ΔTr)を算出することができるので、可変光減衰器４０１の減衰量がＲ(ΔTr)となるように、ＰＣ１１６から可変光減衰器４０１に対して光減衰器制御信号を出力する。
【００４１】
最後に、可変光減衰器４０１は、ＰＣ１１６からの光減衰器制御信号に応じて、干渉計１０７に入射するレーザの光量を調整する。
【００４２】
以上のように、トラッキングエラー量ΔＴｒをモニタし、ΔＴｒの変化に応じて可変光減衰器４０１の減衰量を適切に調整することにより、リサージュ信号の振幅を一定の値に保つことができる。従って、ΔＴｒが変化しても測定値のＳＮ比の低下を抑制することができる。
【００４３】
なお、前記実施形態においては、本発明が図１に示す装置に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、例えば特許文献１や２の装置の場合でも、変位の測定にホモダイン式のレーザ干渉計を使用していれば、同様に適用できる。
【００４４】
又、レーザビーム光量を調整する手段も、図６に例示したモニタＰＤ内蔵型減衰量可変光減衰器に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】変位を計測するためのレーザ干渉計としてホモダイン式のレーザ干渉計を使用した装置の例を示す、一部ブロック図を含む斜視図
【図２】図１の装置の干渉計の構成例を示す光路図
【図３】同じく信号処理回路の構成例を示すブロック図
【図４】従来の問題点を説明するための、トラッキングエラー量とリサージュ信号の振幅の関係の例を示す図
【図５】本発明に係る追尾式レーザ干渉計の実施形態の構成を示す、一部ブロック図を含む斜視図
【図６】前記実施形態で用いられる減衰量可変光減衰器の構成例を示す、一部ブロック図を含む光路図
【符号の説明】
【００４６】
１０１…レーザ光源
１０３…光ファイバ
１０４…キャリッジ
１０５…基準球
１０６…変位計
１０７…干渉計
１０８…レトロリフレクタ
１０９…仰角用モータ
１１０…方位角用モータ
１１１〜３…信号処理回路
１１４、１１５…モータ駆動回路
１１６…パソコン（ＰＣ）
４０１…減衰量可変光減衰器
【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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