追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置
【課題】絶対距離計などの複雑な装置を利用することなく、簡単な機構を追加するだけで、追尾式レーザ干渉測定装置の機構の回転中心と標的との距離が長い場合でも絶対距離を高精度に計測できるようにする。
【解決手段】 標的３１にレーザ光を照射するレーザ干渉計１３と、レーザ干渉計１３の出射方向を変える２軸回転機構１１，１２と、２軸回転機構１１，１２を制御してレーザ干渉計１３で標的３１を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置１０の標的間絶対距離計測方法であって、並進移動機構１４により、レーザ干渉計１３を第１位置に配置し、この第１位置で標的３１をレーザ光２０で捕捉し、次に、レーザ干渉計１３を第２位置へ移動させ、この第２位置で標的３１をレーザ光２１で捕捉し、標的３１の固定位置、第１位置および第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行い、第１位置にあるレーザ干渉計１３と標的３１との絶対距離Ｌを計測する。
【解決手段】 標的３１にレーザ光を照射するレーザ干渉計１３と、レーザ干渉計１３の出射方向を変える２軸回転機構１１，１２と、２軸回転機構１１，１２を制御してレーザ干渉計１３で標的３１を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置１０の標的間絶対距離計測方法であって、並進移動機構１４により、レーザ干渉計１３を第１位置に配置し、この第１位置で標的３１をレーザ光２０で捕捉し、次に、レーザ干渉計１３を第２位置へ移動させ、この第２位置で標的３１をレーザ光２１で捕捉し、標的３１の固定位置、第１位置および第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行い、第１位置にあるレーザ干渉計１３と標的３１との絶対距離Ｌを計測する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の空間位置を追尾測定できる装置として、追尾式レーザ干渉測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
追尾式レーザ干渉測定装置は、水平な基準面における方位角および同基準面に対する仰角についての２軸の回転機構を用いて、レーザ干渉計を空間の任意方向に向けられるようにしている。そして、同空間内を任意に移動する再帰反射体を標的として追尾するとともに、回転機構の回転中心にある基準点と標的との距離の変動をレーザ干渉によって測定する。
このような追尾式レーザ干渉測定装置によれば、標的を測定対象物の表面に設定しておくことで、この測定対象物の空間位置および移動状態を測定することができる。
【０００３】
追尾式レーザ干渉測定装置において、レーザ干渉計からのレーザ光線を再帰的に反射させるために、標的として再帰反射体が用いられる。
再帰反射体は、入力される光線と反射する光線が平行となるように作製された光学部品であり、その代表的なものはレトロリフレクタである。
追尾式レーザ干渉測定装置は、追尾動作を実現するために、射出する光線と標的で反射された光線とのずれ量（レーザ光軸直交方向の変位）をモニタする光線位置検出器を備えている。そして、標的の移動により発生したずれ量を、光線位置検出器の出力信号から検出し、前述したずれ量から換算される角度の調整量に応じて２軸の回転機構を作動させ、ずれ量がゼロになるように制御することで標的の追尾を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５７５２２号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９６７７号公報
【特許文献３】特開２００９−２２９０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述した標的の追尾動作において、位置のずれ量を角度の調整量に変換する過程において、追尾式レーザ干渉測定装置の２軸の回転機構の回転中心と標的との間の距離が既知である必要がある。
この距離を計測する方法として、絶対距離計を利用する方法や、あらかじめ距離が既知である点を起点とする方法など、いくつかの提案がなされている。
特許文献２は、付加的な装置を必要とせずにこの距離を計測する方法を開示する。
しかし、この方法では、光線のずれ量をモニタする光線位置検出器のダイナミックレンジが小さい場合に、距離が長くなると共に距離測定の精度が低下する問題がある。
特許文献３は、追尾中における制御量の変化量等を積算することにより、この精度低下を最小限とする方法を開示する。
しかし、この方法によっても、距離が長い位置において追尾が大きく外れた場合などに、距離を正確に再計測することには限界がある。
【０００６】
本発明の主な目的は、絶対距離計などの複雑な装置を利用することなく、簡単な機構を追加するだけで、追尾式レーザ干渉測定装置の機構の回転中心と標的との距離が長い場合でも、その絶対距離を高精度に計測することができる、追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法は、標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構とを有し、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法であって、前記レーザ干渉計を配置可能な第１位置および第２位置を同じ測定軸線上に設け、前記測定軸線から離れた位置に前記標的を固定し、前記レーザ干渉計を第１位置に配置し、この第１位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、前記レーザ干渉計を第２位置へ移動させ、この第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行い、前記第１位置にある前記レーザ干渉計と前記標的との絶対距離を計測することを特徴とする。
【０００８】
具体的な幾何学演算としては、第１位置および第２位置において標的に向けられたレーザ干渉計の向き（２軸回転機構の各軸が示す角度）と、第１位置および第２位置の距離とが解れば、これらの２つの角度と距離により三角形を特定し、正弦定理により各辺の長さを計算することで、第１位置にあるレーザ干渉計と標的との絶対距離を求めることができる。
この際、第１位置および第２位置においてレーザ干渉により標的の距離を測定する必要はなく、基準点計測の必要あるいは第１位置から第２位置までの移動を連続的に行う必要はない。従って、第１位置および第２位置においては、単にレーザ干渉計が固定できればよく、着脱可能な支持部分を測定軸線上に２箇所形成するだけでもよい。一方、連続的に移動させてもよく、測定軸線に沿ったガイドレール等の移動機構を設けてもよい。
【０００９】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法において、前記測定軸線上に前記第１位置および前記第２位置と異なる第３位置を設け、前記第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉した後、前記レーザ干渉計を第３位置へ移動させ、この第３位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算とともに、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第３位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行うことが望ましい。
【００１０】
このような第３位置を用いて２つの三角形に関する幾何学演算を行うことで、追尾式レーザ干渉測定装置の空間座標系に対する測定軸線の傾き等があっても、第１位置にあるレーザ干渉計と標的との絶対距離を正確に計測することができる。
すなわち、追尾式レーザ干渉測定装置の空間座標系に対する測定軸線の傾きは、２軸の回転機構に対応して水平な基準面における方位角および同基準面に対する仰角として表される。このような測定軸線の方位角および仰角は、測定および調整によりそれぞれゼロに近づけることができるが、２つの三角形に関する幾何学演算を行うことで測定軸線の傾きに影響されずに絶対距離の演算を行うことができる。
【００１１】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法において、前記第１位置は前記追尾式レーザ干渉測定装置における前記レーザ干渉計の測定位置であることが望ましい。
このような構成では、演算で得られた第１位置の絶対距離をそのまま追尾式レーザ干渉測定装置での測定の基準として利用できる。
【００１２】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置は、標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構とを有し、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置であって、前記レーザ干渉計および前記２軸回転機構を、同じ測定軸線上にある第１位置および第２位置で支持可能な支持機構を有することを特徴とする。
【００１３】
このような本発明では、レーザ干渉計および２軸回転機構を第１位置および第２位置で支持した状態で、それぞれレーザ干渉計で標的を捕捉することができる。このような２位置での標的の捕捉ができれば、前述した本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法に基づいて、第１位置にあるレーザ干渉計と標的との絶対距離を求めることができる。
【００１４】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置において、
前記測定軸線に沿って延びるガイドレールを有し、前記レーザ干渉計は前記ガイドレールで案内されて前記測定軸線上を移動可能であることが望ましい。
【００１５】
このような本発明では、レーザ干渉計をガイドレールで連続的に移動させるため、着脱等の操作が簡略にできるとともに、姿勢の精度も維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置によれば、絶対距離計などの複雑な装置を利用することなく、簡単な機構を追加するだけで、追尾式レーザ干渉測定装置の機構の回転中心と標的との距離が長い場合でも、その絶対距離を高精度に計測することができる、
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態の装置構成を示す斜視図。
【図２】前記実施形態の動作を示す斜視図。
【図３】前記実施形態における第１の測定を示す模式図。
【図４】前記実施形態における第２の測定を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔装置構成〕
図１において、本実施形態の追尾式レーザ干渉測定装置１０は、空間を任意に移動可能なように支持された標的３１の動的位置を追尾しつつ、その三次元位置を計測するものである。この標的３１は、テーブル３２に対して三次元に移動可能な図示されない移動機構に、ヘッド３０を介して支持される。このような機構の具体例としては、例えばテーブルに対して主軸が三次元移動する工作機械などがあげられる。
標的３１は、レトロリフレクタであり、ヘッド３０に装着される。標的３１としては他の再帰反射体であってもよい。
【００１９】
追尾式レーザ干渉測定装置１０は、２軸の回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を有する。
第１の回転機構１１は、内部のエンコーダにより初期位置に対する現在の回転角度（方位角θ）を検出して信号出力する。
第２の回転機構１２は、第１の回転機構１１に支持され、内部のエンコーダにより初期位置に対する現在の回転角度（仰角φ）を検出して信号出力する。
【００２０】
レーザ干渉計１３は、第２の回転機構１２に支持され、２つの回転機構１１，１２で指定される方角（方位角θ、仰角φ）に向けてレーザ光線を照射し、標的３１で再帰反射されたレーザ光線２０を受光し、照射光と反射光との干渉から回転機構１１，１２の回転中心（各々の回転軸の交点）と標的３１との距離の変化を測定する。
これらの２軸の回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３は外部接続された制御および測定演算用のコンピュータシステム（図示省略）により制御される。特に、レーザ干渉計１３が標的３１を捕捉している状態では、標的３１が移動した場合でも標的３１を自動的に追尾する。また、コンピュータシステムは、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を駆動制御するとともに、必要な測定値を取り込み、形状処理に必要な演算処理を実行し、標的３１の移動量ないし初期位置からの累積移動量に基づく現在位置を測定する。
【００２１】
以上は追尾式レーザ干渉測定装置としての基本的な機能であり、既存の構成が用いられる。
追尾式レーザ干渉測定装置１０は、支持機構としての並進移動機構１４を有し、前述した２軸の回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３は並進移動機構１４により支持され、テーブル３２上を所定の測定軸線に沿って移動可能である。
並進移動機構１４は、測定軸線を規定する高精度なガイドレール、高精度な送り動作が可能な駆動機構、現在位置を高精度に検出するエンコーダを含む構成とすることができる。具体的には、いわゆるリニアステージ等を利用して並進移動機構１４を構成することができる。
【００２２】
〔第１の測定〕
図２において、追尾式レーザ干渉測定装置１０における回転機構１１，１２の回転中心と標的３１との絶対距離Ｌの測定は次のように行われる。
先ず、標的３１をテーブル３２上の空間の任意位置に配置するとともに、並進移動機構１４を作動させ、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を第１位置（図２の点線表示）に配置する。
次に、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を作動させ、標的３１の反射光線とレーザ干渉計１３から射出光線２０の位置のずれを、レーザ干渉計１３の光位置検出器の出力がゼロになるように回転機構を調整する（第１位置での標的の捕捉）。
【００２３】
続いて、並進移動機構１４を作動させ、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を既知の距離ｌだけ移動させる（図２の実線表示）。そして、回転機構１１，１２を再度作動させて光線２１の位置のずれがゼロになるように同様な調整を行う（第２位置での標的の捕捉）。
回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３が第１位置から第２位置へ移動しても、標的３１は移動していないため、移動前のレーザ光線２０と移動後のレーザ光線２１とは標的３１において角度αで交わるＶ字状をなす。そして、レーザ光線２０，２１の経路および並進移動機構１４で移動された際の回転機構１１，１２の回転中心の回転中心の描く軌跡は三角形O0OTO1を構成する（図３参照）。
【００２４】
図３において、並進移動の距離ｌを既知とし、三角形O0OTO1の頂点の角度α，β，γとすると、これらの角度を計測できれば、正弦定理を用いることにより求める距離Ｌを算出することができる。
【００２５】
【数１】
…(1)
【００２６】
式(1)を計算するために、まず角度αを求める。機構の回転中心から標的に向かう単位ベクトルをｖ0、並進移動後の機構の回転中心から標的に向かう単位ベクトルをｖ1とおく。追尾式レーザ干渉測定装置１０の２軸の回転機構に関連付けられた回転位置検出器から出力される方位角θ，仰角φを、それぞれ第１位置および第２位置を示す添字付きで表示すればθ0，φ0，θ1，φ1となり、これらに基づきベクトルｖ0，ｖ1はそれぞれ次式で表すことができる。
【００２７】
【数２】
…(2)
【００２８】
角度αはこれらの値を用いて、内積から次のように計算することができる。
【００２９】
【数３】
…(3)
【００３０】
従って、角度α、距離ｌが得られることになり、角度γ（または角度γを計算できる角度β）を求めることができれば、式(1)から距離Ｌを算出することができる。
前述したように、角度γまたは角度βは、それぞれ並進移動機構１４の連続方向（測定軸線）と標的に向かうレーザ光線２０，２１（追尾式レーザ干渉測定装置１０の内部座標系での単位ベクトルｖ0，ｖ1）とのなす角度である。並進移動機構１４の連続方向が、前述した追尾式レーザ干渉測定装置１０の内部座標系のＸ軸線に一致していれば、前述した式(1)で距離Ｌが求められる。
【００３１】
ところで、前述した式(1)のみで距離Ｌを求めるためには、並進移動機構１４の連続方向と前述した追尾式レーザ干渉測定装置１０の内部座標系のＸ軸線とが一致していることが必要である。
これに対し、以下のような第２の測定を行うことで、方位角オフセットθfおよび仰角オフセットφfに関わりなく絶対距離Ｌの測定を行うことができる。
【００３２】
〔第２の測定〕
第２の測定としては、前述した２位置での標的３１の捕捉と演算を２度実施する。
図４に示すように、第２の測定では、第１位置での標的３１の捕捉に続いて並進移動機構１４により回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を距離ｌ1だけ離れた第２位置へ移動させ、標的３１を捕捉して第1の三角形O0OTO1を形成する。第１の三角形O0OTO1は、頂点の角度α1、測定軸線に沿った底辺の長さがｌ1となる。
【００３３】
さらに、これらを第２位置から距離ｌ2だけ離れた第３位置へ移動させ、同様に標的３１を捕捉して第２の三角形O0OTO2を形成する。第２の三角形O0OTO2は、頂点の角度（α1＋α2）、測定軸線に沿った底辺の長さが（ｌ1＋ｌ2）となる。
なお、第１〜第３の位置におけるレーザ光線の方向の単位ベクトルｖ0，ｖ1，ｖ2と測定軸線とのなす角は角度β，γ1，γ2とする。
【００３４】
ここで、２つの三角形形O0OTO1，O0OTO2は、長さＬ（測定すべき絶対距離）の辺と角度βをなす頂点O0を共有している。
従って、それぞれの三角形に対して正弦定理を適用すると、次の２つの式が得られる。
【００３５】
【数４】
…(4)
【００３６】
【数５】
…(5)
【００３７】
このうち、２つの角度α1，α2および距離l1，l2は、前述した第１の測定の手順により得ることができる。
また、三角形の内角の和をラジアンで表せばπであるから、角度γ1，γ2は角度α1，α2，βを用いて次のように変形できる。
【００３８】
【数６】
…(6)
【００３９】
【数７】
…(7)
【００４０】
これらの式をそれぞれＬについてまとめることで式(8)、式(9)から式(10)が得られる。
【００４１】
【数８】
…(8)
【００４２】
【数９】
…(9)
【００４３】
【数１０】
…(10)
【００４４】
式(10)において、未知数はβのみなので、βを含む項についてまとめて変形し式(11)〜式(13)を得る。
【００４５】
【数１１】
…(11)
【００４６】
【数１２】
…(12)
【００４７】
【数１３】
…(13)
【００４８】
式(13)を次の式(14)のように変形することにより、角度βを算出することができる。
【００４９】
【数１４】
…(14)
【００５０】
最後に、角度βを式(6)に代入すれば、距離Ｌを計算する式(15)が得られる。これは式(1)と等価な式である。
【００５１】
【数１５】
…(15)
【００５２】
以上に説明した本実施形態によれば、追尾式レーザ干渉測定装置１０において、絶対距離計などの複雑な装置を用いることなく、並進移動機構１４という簡単な機構を追加することによって、レーザ干渉計１３の回転中心と標的３１との間の絶対距離Ｌを計測することができる。
また、演算に用いる角度を推定するために必要な並進移動機構１４の距離を長く取れるので、レーザ干渉計１３の回転中心と標的３１との間の絶対距離Ｌが長い場合においても、高精度にその絶対距離Ｌを計測することが可能になる。
【００５３】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲の変形等は本発明に含まれるものである。
例えば、支持機構である並進移動機構１４は、リニアステージ等の装置を利用したものに限らず、他の駆動機構、ガイド機構、位置測定機構を備えたものであってもよく、あるいは駆動機構は手動としてもよい。
さらに、支持機構としては、並進移動機構１４のように連続したガイド機構に沿って移動するものに限らず、例えば測定軸線に沿って複数の保持機構を配列し、何れかの保持機構を選択して回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３が第１位置および第２位置をとれるような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置に利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…追尾式レーザ干渉測定装置
１１，１２…２軸回転機構である回転機構
１３…レーザ干渉計
１４…支持機構である並進移動機構
２０，２１…レーザ光線
３０…ヘッド
３１…標的
３２…テーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の空間位置を追尾測定できる装置として、追尾式レーザ干渉測定装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
追尾式レーザ干渉測定装置は、水平な基準面における方位角および同基準面に対する仰角についての２軸の回転機構を用いて、レーザ干渉計を空間の任意方向に向けられるようにしている。そして、同空間内を任意に移動する再帰反射体を標的として追尾するとともに、回転機構の回転中心にある基準点と標的との距離の変動をレーザ干渉によって測定する。
このような追尾式レーザ干渉測定装置によれば、標的を測定対象物の表面に設定しておくことで、この測定対象物の空間位置および移動状態を測定することができる。
【０００３】
追尾式レーザ干渉測定装置において、レーザ干渉計からのレーザ光線を再帰的に反射させるために、標的として再帰反射体が用いられる。
再帰反射体は、入力される光線と反射する光線が平行となるように作製された光学部品であり、その代表的なものはレトロリフレクタである。
追尾式レーザ干渉測定装置は、追尾動作を実現するために、射出する光線と標的で反射された光線とのずれ量（レーザ光軸直交方向の変位）をモニタする光線位置検出器を備えている。そして、標的の移動により発生したずれ量を、光線位置検出器の出力信号から検出し、前述したずれ量から換算される角度の調整量に応じて２軸の回転機構を作動させ、ずれ量がゼロになるように制御することで標的の追尾を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０５７５２２号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９６７７号公報
【特許文献３】特開２００９−２２９０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述した標的の追尾動作において、位置のずれ量を角度の調整量に変換する過程において、追尾式レーザ干渉測定装置の２軸の回転機構の回転中心と標的との間の距離が既知である必要がある。
この距離を計測する方法として、絶対距離計を利用する方法や、あらかじめ距離が既知である点を起点とする方法など、いくつかの提案がなされている。
特許文献２は、付加的な装置を必要とせずにこの距離を計測する方法を開示する。
しかし、この方法では、光線のずれ量をモニタする光線位置検出器のダイナミックレンジが小さい場合に、距離が長くなると共に距離測定の精度が低下する問題がある。
特許文献３は、追尾中における制御量の変化量等を積算することにより、この精度低下を最小限とする方法を開示する。
しかし、この方法によっても、距離が長い位置において追尾が大きく外れた場合などに、距離を正確に再計測することには限界がある。
【０００６】
本発明の主な目的は、絶対距離計などの複雑な装置を利用することなく、簡単な機構を追加するだけで、追尾式レーザ干渉測定装置の機構の回転中心と標的との距離が長い場合でも、その絶対距離を高精度に計測することができる、追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法は、標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構とを有し、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法であって、前記レーザ干渉計を配置可能な第１位置および第２位置を同じ測定軸線上に設け、前記測定軸線から離れた位置に前記標的を固定し、前記レーザ干渉計を第１位置に配置し、この第１位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、前記レーザ干渉計を第２位置へ移動させ、この第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行い、前記第１位置にある前記レーザ干渉計と前記標的との絶対距離を計測することを特徴とする。
【０００８】
具体的な幾何学演算としては、第１位置および第２位置において標的に向けられたレーザ干渉計の向き（２軸回転機構の各軸が示す角度）と、第１位置および第２位置の距離とが解れば、これらの２つの角度と距離により三角形を特定し、正弦定理により各辺の長さを計算することで、第１位置にあるレーザ干渉計と標的との絶対距離を求めることができる。
この際、第１位置および第２位置においてレーザ干渉により標的の距離を測定する必要はなく、基準点計測の必要あるいは第１位置から第２位置までの移動を連続的に行う必要はない。従って、第１位置および第２位置においては、単にレーザ干渉計が固定できればよく、着脱可能な支持部分を測定軸線上に２箇所形成するだけでもよい。一方、連続的に移動させてもよく、測定軸線に沿ったガイドレール等の移動機構を設けてもよい。
【０００９】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法において、前記測定軸線上に前記第１位置および前記第２位置と異なる第３位置を設け、前記第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉した後、前記レーザ干渉計を第３位置へ移動させ、この第３位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算とともに、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第３位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行うことが望ましい。
【００１０】
このような第３位置を用いて２つの三角形に関する幾何学演算を行うことで、追尾式レーザ干渉測定装置の空間座標系に対する測定軸線の傾き等があっても、第１位置にあるレーザ干渉計と標的との絶対距離を正確に計測することができる。
すなわち、追尾式レーザ干渉測定装置の空間座標系に対する測定軸線の傾きは、２軸の回転機構に対応して水平な基準面における方位角および同基準面に対する仰角として表される。このような測定軸線の方位角および仰角は、測定および調整によりそれぞれゼロに近づけることができるが、２つの三角形に関する幾何学演算を行うことで測定軸線の傾きに影響されずに絶対距離の演算を行うことができる。
【００１１】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法において、前記第１位置は前記追尾式レーザ干渉測定装置における前記レーザ干渉計の測定位置であることが望ましい。
このような構成では、演算で得られた第１位置の絶対距離をそのまま追尾式レーザ干渉測定装置での測定の基準として利用できる。
【００１２】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置は、標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構とを有し、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置であって、前記レーザ干渉計および前記２軸回転機構を、同じ測定軸線上にある第１位置および第２位置で支持可能な支持機構を有することを特徴とする。
【００１３】
このような本発明では、レーザ干渉計および２軸回転機構を第１位置および第２位置で支持した状態で、それぞれレーザ干渉計で標的を捕捉することができる。このような２位置での標的の捕捉ができれば、前述した本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法に基づいて、第１位置にあるレーザ干渉計と標的との絶対距離を求めることができる。
【００１４】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置において、
前記測定軸線に沿って延びるガイドレールを有し、前記レーザ干渉計は前記ガイドレールで案内されて前記測定軸線上を移動可能であることが望ましい。
【００１５】
このような本発明では、レーザ干渉計をガイドレールで連続的に移動させるため、着脱等の操作が簡略にできるとともに、姿勢の精度も維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置によれば、絶対距離計などの複雑な装置を利用することなく、簡単な機構を追加するだけで、追尾式レーザ干渉測定装置の機構の回転中心と標的との距離が長い場合でも、その絶対距離を高精度に計測することができる、
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態の装置構成を示す斜視図。
【図２】前記実施形態の動作を示す斜視図。
【図３】前記実施形態における第１の測定を示す模式図。
【図４】前記実施形態における第２の測定を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔装置構成〕
図１において、本実施形態の追尾式レーザ干渉測定装置１０は、空間を任意に移動可能なように支持された標的３１の動的位置を追尾しつつ、その三次元位置を計測するものである。この標的３１は、テーブル３２に対して三次元に移動可能な図示されない移動機構に、ヘッド３０を介して支持される。このような機構の具体例としては、例えばテーブルに対して主軸が三次元移動する工作機械などがあげられる。
標的３１は、レトロリフレクタであり、ヘッド３０に装着される。標的３１としては他の再帰反射体であってもよい。
【００１９】
追尾式レーザ干渉測定装置１０は、２軸の回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を有する。
第１の回転機構１１は、内部のエンコーダにより初期位置に対する現在の回転角度（方位角θ）を検出して信号出力する。
第２の回転機構１２は、第１の回転機構１１に支持され、内部のエンコーダにより初期位置に対する現在の回転角度（仰角φ）を検出して信号出力する。
【００２０】
レーザ干渉計１３は、第２の回転機構１２に支持され、２つの回転機構１１，１２で指定される方角（方位角θ、仰角φ）に向けてレーザ光線を照射し、標的３１で再帰反射されたレーザ光線２０を受光し、照射光と反射光との干渉から回転機構１１，１２の回転中心（各々の回転軸の交点）と標的３１との距離の変化を測定する。
これらの２軸の回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３は外部接続された制御および測定演算用のコンピュータシステム（図示省略）により制御される。特に、レーザ干渉計１３が標的３１を捕捉している状態では、標的３１が移動した場合でも標的３１を自動的に追尾する。また、コンピュータシステムは、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を駆動制御するとともに、必要な測定値を取り込み、形状処理に必要な演算処理を実行し、標的３１の移動量ないし初期位置からの累積移動量に基づく現在位置を測定する。
【００２１】
以上は追尾式レーザ干渉測定装置としての基本的な機能であり、既存の構成が用いられる。
追尾式レーザ干渉測定装置１０は、支持機構としての並進移動機構１４を有し、前述した２軸の回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３は並進移動機構１４により支持され、テーブル３２上を所定の測定軸線に沿って移動可能である。
並進移動機構１４は、測定軸線を規定する高精度なガイドレール、高精度な送り動作が可能な駆動機構、現在位置を高精度に検出するエンコーダを含む構成とすることができる。具体的には、いわゆるリニアステージ等を利用して並進移動機構１４を構成することができる。
【００２２】
〔第１の測定〕
図２において、追尾式レーザ干渉測定装置１０における回転機構１１，１２の回転中心と標的３１との絶対距離Ｌの測定は次のように行われる。
先ず、標的３１をテーブル３２上の空間の任意位置に配置するとともに、並進移動機構１４を作動させ、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を第１位置（図２の点線表示）に配置する。
次に、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を作動させ、標的３１の反射光線とレーザ干渉計１３から射出光線２０の位置のずれを、レーザ干渉計１３の光位置検出器の出力がゼロになるように回転機構を調整する（第１位置での標的の捕捉）。
【００２３】
続いて、並進移動機構１４を作動させ、回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を既知の距離ｌだけ移動させる（図２の実線表示）。そして、回転機構１１，１２を再度作動させて光線２１の位置のずれがゼロになるように同様な調整を行う（第２位置での標的の捕捉）。
回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３が第１位置から第２位置へ移動しても、標的３１は移動していないため、移動前のレーザ光線２０と移動後のレーザ光線２１とは標的３１において角度αで交わるＶ字状をなす。そして、レーザ光線２０，２１の経路および並進移動機構１４で移動された際の回転機構１１，１２の回転中心の回転中心の描く軌跡は三角形O0OTO1を構成する（図３参照）。
【００２４】
図３において、並進移動の距離ｌを既知とし、三角形O0OTO1の頂点の角度α，β，γとすると、これらの角度を計測できれば、正弦定理を用いることにより求める距離Ｌを算出することができる。
【００２５】
【数１】
…(1)
【００２６】
式(1)を計算するために、まず角度αを求める。機構の回転中心から標的に向かう単位ベクトルをｖ0、並進移動後の機構の回転中心から標的に向かう単位ベクトルをｖ1とおく。追尾式レーザ干渉測定装置１０の２軸の回転機構に関連付けられた回転位置検出器から出力される方位角θ，仰角φを、それぞれ第１位置および第２位置を示す添字付きで表示すればθ0，φ0，θ1，φ1となり、これらに基づきベクトルｖ0，ｖ1はそれぞれ次式で表すことができる。
【００２７】
【数２】
…(2)
【００２８】
角度αはこれらの値を用いて、内積から次のように計算することができる。
【００２９】
【数３】
…(3)
【００３０】
従って、角度α、距離ｌが得られることになり、角度γ（または角度γを計算できる角度β）を求めることができれば、式(1)から距離Ｌを算出することができる。
前述したように、角度γまたは角度βは、それぞれ並進移動機構１４の連続方向（測定軸線）と標的に向かうレーザ光線２０，２１（追尾式レーザ干渉測定装置１０の内部座標系での単位ベクトルｖ0，ｖ1）とのなす角度である。並進移動機構１４の連続方向が、前述した追尾式レーザ干渉測定装置１０の内部座標系のＸ軸線に一致していれば、前述した式(1)で距離Ｌが求められる。
【００３１】
ところで、前述した式(1)のみで距離Ｌを求めるためには、並進移動機構１４の連続方向と前述した追尾式レーザ干渉測定装置１０の内部座標系のＸ軸線とが一致していることが必要である。
これに対し、以下のような第２の測定を行うことで、方位角オフセットθfおよび仰角オフセットφfに関わりなく絶対距離Ｌの測定を行うことができる。
【００３２】
〔第２の測定〕
第２の測定としては、前述した２位置での標的３１の捕捉と演算を２度実施する。
図４に示すように、第２の測定では、第１位置での標的３１の捕捉に続いて並進移動機構１４により回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３を距離ｌ1だけ離れた第２位置へ移動させ、標的３１を捕捉して第1の三角形O0OTO1を形成する。第１の三角形O0OTO1は、頂点の角度α1、測定軸線に沿った底辺の長さがｌ1となる。
【００３３】
さらに、これらを第２位置から距離ｌ2だけ離れた第３位置へ移動させ、同様に標的３１を捕捉して第２の三角形O0OTO2を形成する。第２の三角形O0OTO2は、頂点の角度（α1＋α2）、測定軸線に沿った底辺の長さが（ｌ1＋ｌ2）となる。
なお、第１〜第３の位置におけるレーザ光線の方向の単位ベクトルｖ0，ｖ1，ｖ2と測定軸線とのなす角は角度β，γ1，γ2とする。
【００３４】
ここで、２つの三角形形O0OTO1，O0OTO2は、長さＬ（測定すべき絶対距離）の辺と角度βをなす頂点O0を共有している。
従って、それぞれの三角形に対して正弦定理を適用すると、次の２つの式が得られる。
【００３５】
【数４】
…(4)
【００３６】
【数５】
…(5)
【００３７】
このうち、２つの角度α1，α2および距離l1，l2は、前述した第１の測定の手順により得ることができる。
また、三角形の内角の和をラジアンで表せばπであるから、角度γ1，γ2は角度α1，α2，βを用いて次のように変形できる。
【００３８】
【数６】
…(6)
【００３９】
【数７】
…(7)
【００４０】
これらの式をそれぞれＬについてまとめることで式(8)、式(9)から式(10)が得られる。
【００４１】
【数８】
…(8)
【００４２】
【数９】
…(9)
【００４３】
【数１０】
…(10)
【００４４】
式(10)において、未知数はβのみなので、βを含む項についてまとめて変形し式(11)〜式(13)を得る。
【００４５】
【数１１】
…(11)
【００４６】
【数１２】
…(12)
【００４７】
【数１３】
…(13)
【００４８】
式(13)を次の式(14)のように変形することにより、角度βを算出することができる。
【００４９】
【数１４】
…(14)
【００５０】
最後に、角度βを式(6)に代入すれば、距離Ｌを計算する式(15)が得られる。これは式(1)と等価な式である。
【００５１】
【数１５】
…(15)
【００５２】
以上に説明した本実施形態によれば、追尾式レーザ干渉測定装置１０において、絶対距離計などの複雑な装置を用いることなく、並進移動機構１４という簡単な機構を追加することによって、レーザ干渉計１３の回転中心と標的３１との間の絶対距離Ｌを計測することができる。
また、演算に用いる角度を推定するために必要な並進移動機構１４の距離を長く取れるので、レーザ干渉計１３の回転中心と標的３１との間の絶対距離Ｌが長い場合においても、高精度にその絶対距離Ｌを計測することが可能になる。
【００５３】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲の変形等は本発明に含まれるものである。
例えば、支持機構である並進移動機構１４は、リニアステージ等の装置を利用したものに限らず、他の駆動機構、ガイド機構、位置測定機構を備えたものであってもよく、あるいは駆動機構は手動としてもよい。
さらに、支持機構としては、並進移動機構１４のように連続したガイド機構に沿って移動するものに限らず、例えば測定軸線に沿って複数の保持機構を配列し、何れかの保持機構を選択して回転機構１１，１２およびレーザ干渉計１３が第１位置および第２位置をとれるような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法および追尾式レーザ干渉測定装置に利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…追尾式レーザ干渉測定装置
１１，１２…２軸回転機構である回転機構
１３…レーザ干渉計
１４…支持機構である並進移動機構
２０，２１…レーザ光線
３０…ヘッド
３１…標的
３２…テーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構と、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法であって、
前記レーザ干渉計を配置可能な第１位置および第２位置を同じ測定軸線上に設け、
前記測定軸線から離れた位置に前記標的を固定し、
前記レーザ干渉計を第１位置に配置し、この第１位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、
前記レーザ干渉計を第２位置へ移動させ、この第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、
前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行い、
前記第１位置にある前記レーザ干渉計と前記標的との絶対距離を計測することを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載した追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法において、
前記測定軸線上に前記第１位置および前記第２位置と異なる第３位置を設け、
前記第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉した後、前記レーザ干渉計を第３位置へ移動させ、この第３位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、
前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算とともに、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第３位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行うことを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法。
【請求項３】
標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構とを有し、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置であって、前記レーザ干渉計および前記２軸回転機構を、同じ測定軸線上にある第１位置および第２位置で支持可能な支持機構を有することを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載した追尾式レーザ干渉測定装置において、
前記測定軸線に沿って延びるガイドレールを有し、前記レーザ干渉計は前記ガイドレールで案内されて前記測定軸線上を移動可能であることを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置。
【請求項１】
標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構と、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法であって、
前記レーザ干渉計を配置可能な第１位置および第２位置を同じ測定軸線上に設け、
前記測定軸線から離れた位置に前記標的を固定し、
前記レーザ干渉計を第１位置に配置し、この第１位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、
前記レーザ干渉計を第２位置へ移動させ、この第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、
前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行い、
前記第１位置にある前記レーザ干渉計と前記標的との絶対距離を計測することを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載した追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法において、
前記測定軸線上に前記第１位置および前記第２位置と異なる第３位置を設け、
前記第２位置で前記標的をレーザ光で捕捉した後、前記レーザ干渉計を第３位置へ移動させ、この第３位置で前記標的をレーザ光で捕捉し、
前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第２位置を頂点とする三角形についての幾何学演算とともに、前記標的の固定位置、前記第１位置および前記第３位置を頂点とする三角形についての幾何学演算を行うことを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置の標的間絶対距離計測方法。
【請求項３】
標的にレーザ光を照射するレーザ干渉計と、前記レーザ干渉計の出射方向を変える２軸回転機構とを有し、前記２軸回転機構を制御して前記レーザ干渉計で前記標的を追尾させる追尾式レーザ干渉測定装置であって、前記レーザ干渉計および前記２軸回転機構を、同じ測定軸線上にある第１位置および第２位置で支持可能な支持機構を有することを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載した追尾式レーザ干渉測定装置において、
前記測定軸線に沿って延びるガイドレールを有し、前記レーザ干渉計は前記ガイドレールで案内されて前記測定軸線上を移動可能であることを特徴とする追尾式レーザ干渉測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４５５５０（Ｐ２０１２−１４５５５０Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６２４３（Ｐ２０１１−６２４３）
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１４日（２０１１．１．１４）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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