(57)【要約】【課題】光軸のずれを検出するセンサが小型で、その検出範囲が狭い場合でも、測定中に正確な絶対距離を推定可能とする。【解決手段】レーザ干渉計１０１と、該レーザ干渉計の光軸のずれを検出する光軸ずれ量検出センサ１０２と、前記レーザ干渉計を任意の方向に向ける２軸回転機構１０４と、該２軸回転機構の回転角を検出する角度センサ１０５と、入射光と平行な方向に反射光を反射する再帰反射体１０７と、前記光軸ずれ量検出センサと角度センサの信号を元に再帰反射体を追尾するように２軸回転機構を駆動するコントローラ１０８とを有する追尾式レーザ干渉計において、前記再帰反射体の停止を検出し、該停止検出時に、前記光軸ずれ量検出センサで求めた移動中の光軸のずれ量の総和と、前記角度センサで求めた移動中の回転角を元に距離を計算する。【選択図】図７
2009229066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ干渉計と、
該レーザ干渉計の光軸のずれを検出する光軸ずれ量検出センサと、
前記レーザ干渉計を任意の方向に向ける２軸回転機構と、
該２軸回転機構の回転角を検出する角度センサと、
入射光と平行な方向に反射光を反射する再帰反射体と、
前記光軸ずれ量検出センサと角度センサの信号を元に再帰反射体を追尾するように２軸回転機構を駆動するコントローラとを有する追尾式レーザ干渉計において、
前記再帰反射体の停止を検出し、
該停止検出時に、前記光軸ずれ量検出センサで求めた移動中の光軸のずれ量の総和と、前記角度センサで求めた移動中の回転角を元に距離を計算することを特徴とする追尾式レーザ干渉計と標的間距離の推定方法。
【請求項２】
前記再帰反射体移動中の制御周期毎に、前記回転角を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と標的間距離の推定方法。
【請求項３】
レーザ干渉計と、
該レーザ干渉計の光軸のずれを検出する光軸ずれ量検出センサと、
前記レーザ干渉計を任意の方向に向ける２軸回転機構と、
該２軸回転機構の回転角を検出する角度センサと、
入射光と平行な方向に反射光を反射する再帰反射体と、
前記光軸ずれ量検出センサと角度センサの信号を元に再帰反射体を追尾するように２軸回転機構を駆動するコントローラとを有する追尾式レーザ干渉計において、
前記光軸ずれ量検出センサと角度センサの信号を元に再帰反射体の停止を検出する手段と、
前記光軸ずれ量検出センサの値から対応する角度を求める手段と、
停止検出時に、前記光軸ずれ量検出センサで求めた移動中の光軸のずれ量の総和と、前記角度センサで求めた移動中の回転角を元に距離を計算する手段と、
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、追尾式レーザ干渉計と標的間距離の推定方法及び追尾式レーザ干渉計に係り、特に、光軸のずれを検出するセンサの検出範囲が狭い場合でも、正確な絶対距離を測定中に推定可能な追尾式レーザ干渉計と標的間距離の推定方法、及び、この推定方法を採用した追尾式レーザ干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
戻り光の光軸のずれ量を検出する光軸ずれ量検出センサを搭載したレーザ干渉計と、該レーザ干渉計を任意の方向に向ける２軸回転機構と、測定対象に固定したレトロリフレクタ等の再帰反射体で構成される追尾式レーザ干渉計が知られている（特許文献１、２参照）。ここで、再帰反射体は、入射光と反射光が平行になる光学素子で、光軸ずれ量検出センサの出力を元に、光軸のずれ量が０になるように２軸回転機構を制御することで、任意の方向で干渉測長が可能になる。
【０００３】
一般的な追尾式レーザ干渉計は、図１に例示する如く、レーザ干渉計（単に干渉計とも称する）１０１、及び、測定光と反射光の光軸のずれ量を検出する光軸ずれ量検出センサ１０２を内蔵した測定ヘッド１０３と、該測定ヘッド１０３を任意の方向へ向ける２軸回転機構１０４と、該２軸回転機構１０４の回転角を検出する角度センサ１０５と、測定対象１０６に固定した再帰反射体１０７と、測定対象１０６の追尾と測定データの収集を行なうコントローラ１０８を含んで構成されている。
【０００４】
前記コントローラ１０８は、干渉計１０１から距離信号、前記光軸ずれ量センサ１０２から光軸ずれ量、前記２軸回転機構１０４から角度信号を収集し、光軸ずれが０になるように、前記２軸回転機構１０４を駆動する。
【０００５】
この追尾式レーザ干渉計を使用した距離測定は、次のようにして行なう。追尾制御中のレーザ干渉計１０１の光軸と、干渉計１０１の回転中心Ｏ、再帰反射体１０７の中心Ｐの位置関係の一例を図２に示す。ここでは、簡単のため、２軸回転機構１０４のうち水平方向に回転する１軸についてのみ考える。
【０００６】
追尾式レーザ干渉計の光軸を球座標系で表わした場合、水平方向の回転角をθｔとし、同様に再帰反射体１０７の中心をＰとして、Ｐの位置を球座標系で表わした場合、水平方向の回転角をθｒとする。
【０００７】
追尾式レーザ干渉計が再帰反射体１０７を追尾しているとき、レーザ干渉計１０１の測定光と、点Ｏ、点Ｐの位置関係の一例を図３に示す。θｒの方角で点Ｏから距離Ｌに位置する再帰反射体１０７の中心Ｐに対して、測定光の方角はθｔとすると、θｒとθｄ（再帰反射体１０７の中心Ｐの方角）の角度軸差Δθｄと光軸のずれ量ｄ、点Ｏと点Ｐの間の距離Ｌの間には、次式が成立する。
【０００８】
ｄ＝２Ｌsin（θｒ−θｔ）＝２ＬsinΔθｄ      …（１）
【０００９】
これを変形して、角度偏差Δθｄを求めると、次式になる。
【００１０】
Δθｄ＝θｒ−θｔ＝sin−１（ｄ／２Ｌ）           …（２）
【００１１】
図４は、一般的な角度制御系のブロック線図である。目標値θｒと、角度センサ４０３で検出された現在値θｔから角度偏差Δθｄをとり、角度補償要素４０１をかけて角速度指令値ωを求め、制御対象４０２に入力する。
【００１２】
追尾式レーザ干渉計では、再帰反射体１０７の移動量を球座標系で表したθｒを指令値とし、２軸回転機構１０４に搭載された角度センサ１０５で得られた角度θｔをフィードバック信号とするフィードバック制御系として２軸回転機構１０４の制御を行なう。しかし、実際にはθｒを観測する方法が無いため、図５のように、光軸ずれ量ｄと距離Ｌから角度偏差Δθｄへ変換する換算要素５０３で置き換えて、（２）式でＬとｄを元に求めたΔθｄを角度偏差として制御を行なっている。
【００１３】
以上のように、追従制御系には、干渉計回転中心Ｏと再帰反射体中心Ｐ間の距離Ｌが必要になる。しかし、干渉計１０１は相対距離を測定するため、絶対距離Ｌを求めることができない。追従制御で計算する際の距離Ｌはｍｍオーダーの分解能で充分なため、干渉計１０１とは別に距離Ｌを推定する方法を用意している。
【００１４】
干渉計回転中心Ｏと再帰反射体中心Ｐ間の距離Ｌを推定する方法は、アブソリュート距離センサを使う方法や、距離が既知の点を測定し、その点からの距離を使って距離Ｌを求める方法等が考えられる。しかし、前者はシステム全体の高コスト化、後者は測定スループットの低下につながる。
【００１５】
この問題点を解決するべく、出願人は、特許文献３で、駆動機構に搭載されている角度センサ１０５を使用し、光軸ずれ量検出センサ１０２内に設けた光スポット位置検出素子の検出範囲内で光軸を走査して、検出範囲の幅と対応する角度幅を元に距離を求めることを提案している。
【００１６】
【特許文献１】特開昭６３−２３１２８６号公報
【特許文献２】特開２００７−５７５２２号公報
【特許文献３】特開２００７−３０９６７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
この特許文献３で提案した方法によれば、任意の位置で絶対距離を推定することが可能であるが、光軸ずれ量検出センサの検出範囲が狭いほど、誤差が大きくなるという問題点を有していた。
【００１８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされた場合でも、光軸のずれを検出するセンサが小型で、その検出範囲が狭い場合でも、距離測定のために測定を中断すること無く、測定中に正確な絶対距離を推定可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、レーザ干渉計と、該レーザ干渉計の光軸のずれを検出する光軸ずれ量検出センサと、前記レーザ干渉計を任意の方向に向ける２軸回転機構と、該２軸回転機構の回転角を検出する角度センサと、入射光と平行な方向に反射光を反射する再帰反射体と、前記光軸ずれ量検出センサと角度センサの信号を元に再帰反射体を追尾するように２軸回転機構を駆動するコントローラとを有する追尾式レーザ干渉計において、前記再帰反射体の停止を検出し、該停止検出時に前記光軸ずれ量検出センサで求めた移動中の光軸のずれ量の総和と、前記角度センサで求めた移動中の回転角を元に距離を計算することにより、前記課題を解決したものである。
【００２０】
ここで、前記再帰反射体移動中の制御周期毎に、前記回転角を計算するすることができる。
【００２１】
本発明は、又、レーザ干渉計と、該レーザ干渉計の光軸のずれを検出する光軸ずれ量検出センサと、前記レーザ干渉計を任意の方向に向ける２軸回転機構と、該２軸回転機構の回転角を検出する角度センサと、入射光と平行な方向に反射光を反射する再帰反射体と、前記光軸ずれ量検出センサと角度センサの信号を元に再帰反射体を追尾するように２軸回転機構を駆動するコントローラとを有する追尾式レーザ干渉計において、前記光軸ずれ量検出センサと角度センサの信号を元に再帰反射体の停止を検出する手段と、前記光軸ずれ量検出センサの値から対応する角度を求める手段と、停止検出時に、前記光軸ずれ量検出センサで求めた移動中の光軸のずれ量の総和と、前記角度センサで求めた移動中の回転角を元に距離を計算する手段と、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】
【００２２】
本発明によれば、光軸のずれを検出するセンサが小型で、その検出範囲が狭い場合でも、推定精度が悪化せず、高精度の距離推定が可能である。又、距離推定のために測定を中断して時間をとる必要がなく、使い勝手が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
図６に、本発明の第１実施形態で用いるコントローラ１０８で処理する制御系のブロック図を示す。
【００２５】
本実施形態は、図５の従来例と同様の、ＯＰ間の距離Ｌと光軸ずれ量ｄを換算要素５０３で計算したΔθｄを角度補償要素４０１に入力して求めた速度指令値ωを、制御対象である２軸回転機構１０４に入力する制御系において、更に、２軸回転機構１０４の回転角を検出する角度センサ１０５と、該角度センサ１０５で測定した角度θｔ、及び、光軸ずれ量ｄからＯＰ間距離Ｌを計算する距離計算要素（距離推定要素）６０５を追加したものである。
【００２６】
前記距離計算要素６０５は、光軸のずれ量ｄと干渉計１０１の回転角θｔを制御周期毎に入力し、再帰反射体１０７が停止したときに距離Ｌを出力する。
【００２７】
以下、距離計算要素６０５の計算方法を詳細に説明する。
【００２８】
再帰反射体１０７と追尾式レーザ干渉計の加速時間が十分短く、再帰反射体１０７が一定速度ωで移動する場合、θｒ、θｔは、次式で表わせる。
【００２９】
θｒ（ｔ）＝ω・ｔ                …（３）
θｔ（ｔ）＝ω・ｔ＋ω・ｃ        …（４）
【００３０】
ここで、ｃは、追尾式レーザ干渉計の制御系の動特性で決まる定数である。
【００３１】
（３）、（４）式から、角度偏差Δθｄは、次のように表わせる。
【００３２】
Δθｄ＝θｒ−θｔ＝−ω・ｃ        …（５）
【００３３】
次式に示す如く、この（５）式を元にΔθｄを積分した値をθｄとする。
【００３４】
θｄ（ｔ）＝∫Δθｄ（ｔ）dt
＝−ｃ・ω・∫dr
＝−ｃ・ω・ｔ          …（６）
【００３５】
θｄをθｒで表わすと、次式が成立する。
【００３６】
θｄ（ｔ）＝−ｃθｒ（ｔ）          …（７）
θｒ（ｔ）＝−１／ｃ・θｄ（ｔ）    …（８）
【００３７】
（８）式より再帰反射体１０７の回転角θｒをθｄを使って表わすことができる。又、測定対象（標的）１０６が静止したときにθｒ＝θｔが成り立つため、標的が静止した時に限れば、θｄを使ってθｔを表わすことができる。
【００３８】
（２）式からθｄを求めると、次式が成立する。
【００３９】
θｄ（ｔ）＝∫sin−１（ｄ／２Ｌ）dt          …（９）
θｄ（ｔ）＝ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ）        …（１０）
【００４０】
（８）式にθｒ＝θｔと（１０）式を代入して変形すると、次式が得られる。
【００４１】
θｔ（ｔ）＝−（１／ｃ）・ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ）      …（１１）
【００４２】
加速時間が充分に短く、一定速度で一定の光軸ずれ量になる追尾式レーザ干渉計において、再帰反射体の静止時に（１１）式が成り立つ。そこで、（１１）式を元にＯＰ間距離Ｌを推定する。Ｌが不明なため、仮の標的距離Ｌ０を与えて求めた回転角θｄをθｄ´とすると、（１０）、（１１）式より、次式が成立する。
【００４３】
θｄ´(t)＝ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ０）                  …（１２）
θｔ´(t)＝−（１／ｃ）・ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ０）      …（１３）
【００４４】
（１１）式と（１３）式を角度比で表わすと、次式の関係が成立する。
【００４５】
θｔ(t)：θｔ´(t)
＝−（１／ｃ）・ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ）：−（１／ｃ）・ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ０）
…（１４）
【００４６】
この角度比から、次式が成立する。
【００４７】
−θｔ(t）・（１／ｃ）・ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ０）
＝−θｒ´(t)・（１／ｃ）・ｔ・sin−１（ｄ／２Ｌ０）    …（１５）
【００４８】
ｄに対して２Ｌ、２Ｌ０が充分大きいとして、（１５）式を変形すると、次式が得られる。
【００４９】
−θｔ(t）・（１／ｃ）・ｔ・（ｄ／２Ｌ０）
＝−θｔ´(t)・（１／ｃ）・ｔ・（ｄ／２Ｌ）          …（１６）
【００５０】
従って標的距離Ｌは次式で表わされる。
【００５１】
Ｌ＝（θｔ´(t)／θｔ(t)）Ｌ０              …（１７）
【００５２】
次に、（１７）式の距離推定を制御系に組み込む方法について説明する。
【００５３】
図７は、距離計算要素６０５の内部処理を流れ図でまとめたものである。
【００５４】
ｄ、θｔ、Ｌは、それぞれ図６で距離計算要素６０５に入出力した変数である光軸ずれ量、角度センサ１０５の出力、実際の測定対象距離、Ｌ０は、計算用に仮に定めた測定対象距離、θｔ´は、ｄとＬ０から求めたθｔに相当する角度値とする。距離計算要素６０５の処理は、測定対象の停止検出と距離推定の２つからなる。
【００５５】
回転角の算出は常時行ない（ステップ１０００）、停止検出時に光軸ずれ量の積分計算と距離推定を行なう。測定対象の移動・停止検出は、光軸ずれ量ｄが０（ステップ１０１０）で、更に干渉計１０１の回転角θｔの微分値が０になったとき（ステップ１０２０）に、測定対象の停止を検出する。
【００５６】
距離の算出は（１３）式を使用して、光軸ずれ量ｄから回転角θｔ´を求め（ステップ１０３０）、θｔ、θｔ´、Ｌ０から（１７）式でＬが求められる（ステップ１０４０）。
【００５７】
又、求めたＬをＬ０に代入することで、次回の推定精度を上げることができる。
【００５８】
本実施形態においては、停止検出時に光軸ずれ量の積分計算と距離推定をまとめて行なっているので、移動中の負荷が少ない。
【００５９】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
【００６０】
本実施形態は、図８に示す如く、第１実施形態において、制御周期毎にｄとＬ０からθｔ´を算出し（ステップ１０３０）、静止時（ステップ１０１０、１０２０）にＬを求める（ステップ１０４０）ようにしたものである。
【００６１】
この第２実施形態では、常時光軸ずれ量から角度を計算するため、静止時の計算処理が少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】追尾式レーザ干渉計の一般的な構成を示す図
【図２】追尾中のレーザ干渉計と再帰反射体の位置関係の一例を示す平面図
【図３】同じく干渉計回転中心、再帰反射体中心及び光軸ずれ量の関係の一例を示す拡大平面図
【図４】一般的な角度制御系のブロック線図
【図５】従来の追尾式レーザ干渉計のブロック線図
【図６】本発明による角度制御系のブロック線図
【図７】本発明の第１実施形態における距離計算の手順を示す流れ図
【図８】同じく第２実施形態における距離計算の手順を示す流れ図
【符号の説明】
【００６３】
１０１…レーザ干渉計
１０２…光軸ずれ量検出センサ
１０３…測定ヘッド
１０４…２軸回転機構
１０５…角度センサ
１０６…測定対象
１０７…再帰反射体
１０８…コントローラ
４０１…角度補償要素
５０３…換算要素
６０５…距離計算要素
【図１】
2009229066.tif 000003
【図２】
2009229066.tif 000004
【図３】
2009229066.tif 000005
【図４】
2009229066.tif 000006
【図５】
2009229066.tif 000007
【図６】
2009229066.tif 000008
【図７】
2009229066.tif 000009
【図８】
2009229066.tif 000010