JP2795612B2 - High-speed tracking laser interferometer - Google Patents

High-speed tracking laser interferometer

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JP2795612B2
JP2795612B2 JP12544394A JP12544394A JP2795612B2 JP 2795612 B2 JP2795612 B2 JP 2795612B2 JP 12544394 A JP12544394 A JP 12544394A JP 12544394 A JP12544394 A JP 12544394A JP 2795612 B2 JP2795612 B2 JP 2795612B2
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laser
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収 中村
幸司 豊田
吉久 谷村
透 中俣
俊郎 黒沢
望 高井
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Tokyo Seimitsu Co Ltd
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Tokyo Seimitsu Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は高速追尾式レーザ干渉測
長器に係り、特に移動体を追尾しながらその移動体の変
位や位置を高精度に測定するための高速追尾式レーザ干
渉測長器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-speed tracking laser interferometer and, more particularly, to a high-speed tracking laser interferometer for measuring the displacement and position of a moving object with high accuracy while tracking the moving object. About the vessel.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、移動体にレーザビームを向けるた
めの追尾式レーザ干渉測長器として、図8に示すのもが
ある(U.S.P.No.4,790,651) 。同図に示すように、この
追尾式レーザ干渉測長器は、最終段の反射ミラー10が
回転体14、16を介してX軸及びY軸の回りにそれぞ
れ回動できるように構成され、これにより移動体に設け
られている逆反射体(図示せず)にレーザビームを照射
できるようになっている。即ち、反射ミラー10を支持
する回転体14は、回転体16に対して軸受け12、1
2を介してX軸の回りに回動自在に支持され、回転体1
6は固定台18に対して軸受け20、20を介してY軸
の回りに回動自在に支持されている。
2. Description of the Related Art FIG. 8 shows a conventional tracking type laser interferometer for directing a laser beam to a moving body (US Pat. No. 4,790,651). As shown in the figure, the tracking type laser interferometer is configured so that the reflection mirror 10 at the last stage can rotate around the X axis and the Y axis via rotating bodies 14 and 16, respectively. Thereby, a retroreflector (not shown) provided on the moving body can be irradiated with a laser beam. That is, the rotating body 14 that supports the reflecting mirror 10 is configured such that the rotating body 16
2 and is rotatably supported about the X axis via
6 is supported by a fixed base 18 via bearings 20 and 20 so as to be rotatable around the Y axis.

【0003】そして、図示しないレーザ光源から発振さ
れたレーザビームは、固定台18に固定された偏光ビー
ムスプリッタ22によって分割され、分割された一方の
レーザビームはコーナー・キューブ24に入射し、その
反射光は参照光として偏光ビームスプリッタ22を介し
て検出部26に入射する。一方、分割された他方のレー
ザビームは、プリズム28によってY軸と同軸上に折り
曲げられ、その後、回転体16に支持されたプリズム3
0、32を介してX軸と同軸上に折り曲げられ、最終段
の反射ミラー10に入射される。
A laser beam oscillated from a laser light source (not shown) is split by a polarizing beam splitter 22 fixed to a fixed base 18, and one of the split laser beams is incident on a corner cube 24 and reflected therefrom. The light enters the detection unit 26 via the polarization beam splitter 22 as reference light. On the other hand, the other split laser beam is bent coaxially with the Y axis by the prism 28, and then the prism 3 supported by the rotating body 16
It is bent coaxially with the X axis via 0 and 32, and is incident on the reflection mirror 10 at the final stage.

【0004】従って、反射ミラー10から出射されるレ
ーザビームは、回転体16がY軸の回りに回動すると旋
回し、回転体14がX軸の回りに回動すると上下方向に
移動するため、回転体14及び16の回動をそれぞれ制
御することにより移動体に設けらている逆反射体に向け
てレーザビームを出射することができる。移動体に設け
らている逆反射体からの反射光は、測定光として前記反
射ミラー10、プリズム32、30、28及び偏光ビー
ムスプリッタ22を介して検出部26に入射する。
Accordingly, the laser beam emitted from the reflection mirror 10 rotates when the rotating body 16 rotates around the Y axis, and moves vertically when the rotating body 14 rotates around the X axis. By controlling the rotation of the rotating bodies 14 and 16, respectively, a laser beam can be emitted toward the retroreflector provided on the moving body. The reflected light from the retroreflector provided on the moving body enters the detection unit 26 as the measurement light via the reflection mirror 10, the prisms 32, 30, and 28, and the polarization beam splitter 22.

【0005】検出部26では、コーナー・キューブ24
によって反射された参照光と、移動体に設けらている逆
反射体によって反射された測定光との干渉に基づいて移
動体の移動を測定する。
[0005] In the detector 26, the corner cube 24
The movement of the moving body is measured based on the interference between the reference light reflected by the mirror and the measuring light reflected by the retroreflector provided on the moving body.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、追尾式
レーザ干渉測長器は、近距離側に於いて高速で移動する
移動体に対しては、大きな速度で追尾することが要求さ
れる一方、遠距離側に於いて高速で移動する移動体に対
しては、微小角度の追尾誤差しか許されない。従って、
上記従来の追尾式レーザ干渉測長器は、X軸回り並びに
Y軸回りの回転体14、16の回転動作が高速の移動体
には正確に追尾できない欠点があった。
However, the tracking type laser interferometer is required to track a moving object moving at a high speed on the short distance side at a high speed, while it is required to track at a high speed. For a moving body moving at a high speed on the distance side, only a tracking error of a small angle is allowed. Therefore,
The conventional tracking type laser interferometer has a drawback that the rotating bodies 14 and 16 around the X-axis and the Y-axis cannot accurately track a moving body having a high speed.

【0007】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、高速で移動する移動体にも正確に追尾すること
ができる高速追尾式レーザ干渉測長器を提供することを
目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to provide a high-speed tracking laser interferometer that can accurately track a moving object that moves at high speed.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために、移動体に配設された第1の逆反射体と、直
交するX軸及びY軸の回りにそれぞれ回動自在な回転体
と、傾動自在に配設されレーザ源からのレーザビームを
平行光線に形成するコリメータユニットと、レーザ光源
から発振されたレーザビームを前記回転体の回動にかか
わらず該回転体に導く手段と、前記回転体に固定配設さ
れた複数の光学部品からなる光学系であって、前記回転
体に導かれたレーザビームを分割し、分割した一方のレ
ーザビームを前記X軸とY軸の交点を通る直線上の光路
で前記第1の逆反射体に入射させるとともに、他方のレ
ーザビームを第2の逆反射体に入射させ、前記第1及び
第2の逆反射体からの反射光をそれぞれ得る光学系と、
前記第1の逆反射体からの反射光と第2の逆反射体から
反射した参照光との干渉に基づいて前記第1の逆反射体
の移動量を検出する検出部と、前記回転体に固定配設さ
れ、前記第1の逆反射体からの反射光の一部が入射さ
れ、前記第1の逆反射体に入射するレーザビームのずれ
量に応じた位置信号を出力する位置検出手段と、前記位
置検出手段からの位置信号に基づいて前記ずれ量がゼロ
になるように第1の応答速度で前記コリメータユニット
の傾きを制御する第1の制御手段と、前記位置検出手段
からの位置信号及び/又は前記コリメータユニットの基
準位置からの傾きを示す信号に基づいて、前記コリメー
タユニットを前記基準位置に戻すように第2の応答速度
で前記回転体を前記X軸及びY軸回りの回動位置を制御
する第2の制御手段と、から成ることを特徴としてい
る。
In order to achieve the above object, the present invention provides a first retroreflector disposed on a moving body, which is rotatable about orthogonal X and Y axes. A rotating body, a collimator unit that is disposed to be tiltable and forms a laser beam from a laser source into a parallel beam, and means for guiding a laser beam oscillated from a laser light source to the rotating body regardless of the rotation of the rotating body And an optical system including a plurality of optical components fixedly disposed on the rotating body, wherein the laser beam guided to the rotating body is divided, and one of the divided laser beams is divided into the X axis and the Y axis. The first retroreflector is made incident on the first retroreflector on a straight optical path passing through the intersection, and the other laser beam is made incident on the second retroreflector, and the reflected light from the first and second retroreflectors is reflected. The optical system to obtain each,
A detecting unit that detects an amount of movement of the first retroreflector based on interference between light reflected from the first retroreflector and reference light reflected from the second retroreflector; A position detection unit that is fixedly arranged, receives a part of the reflected light from the first retroreflector, and outputs a position signal corresponding to a shift amount of the laser beam incident on the first retroreflector; First control means for controlling the inclination of the collimator unit at a first response speed based on a position signal from the position detection means so that the displacement amount becomes zero, and a position signal from the position detection means. And / or rotating the rotator around the X-axis and the Y-axis at a second response speed so as to return the collimator unit to the reference position based on a signal indicating an inclination of the collimator unit from the reference position. Second control means for controlling the position It is characterized in that it consists of.

【0009】また、本発明は、コリメータユニットを傾
動させることに代えて、コリメータレンズに対して光フ
ァイバ出射端を光軸に対して平行移動させることを特徴
としている。
Further, the present invention is characterized in that, instead of tilting the collimator unit, the output end of the optical fiber is moved in parallel to the optical axis with respect to the collimator lens.

【0010】[0010]

【作用】本発明によれば、コリメータユニットを位置検
出手段からのずれ量がゼロになるように傾動位置を制御
することにより、回転体のX軸及びY軸回りの回動と同
様にレーザビームの偏向方向を制御する第1の制御手段
と、回転体を位置検出手段からのずれ量及び/又はコリ
メータユニットの傾動量がゼロになるようにX軸及びY
軸回りの回動位置を制御する第2の制御手段とが設けら
れている。コリメータユニットは回転体に比べて微小範
囲ではあるが小さな時定数で移動体に追尾することがで
きる。コリメータユニットが傾動されると、回転体はコ
リメータユニットを当初の位置に戻すように回動する。
従って、移動体が急加減速や速度変動を伴って高速で移
動しても、第2の制御手段により回転体をX軸及びY軸
回りに回動制御して移動体を追尾し、第1の制御手段に
よりコリメータユニットを傾動制御して回転体の追尾誤
差を補うことにより、正確に移動体を追尾することがで
きる。
According to the present invention, by controlling the tilting position of the collimator unit so that the amount of displacement from the position detecting means becomes zero, the laser beam is rotated in the same manner as the rotation of the rotating body about the X axis and the Y axis. Control means for controlling the direction of deflection of the X-axis and the Y-axis so that the amount of displacement of the rotating body from the position detection means and / or the amount of tilt of the collimator unit becomes zero.
Second control means for controlling the rotational position about the axis is provided. The collimator unit can track the moving body with a small time constant, though in a smaller range than the rotating body. When the collimator unit is tilted, the rotating body rotates to return the collimator unit to the initial position.
Therefore, even if the moving body moves at a high speed with rapid acceleration / deceleration or speed fluctuation, the second control means controls the rotation of the rotating body about the X axis and the Y axis to track the moving body, and By controlling the tilting of the collimator unit by the control means (1) and compensating for the tracking error of the rotating body, the moving body can be accurately tracked.

【0011】また、本発明は、コリメータユニットを傾
動させることに代えて、コリメータレンズに対して光フ
ァイバ出射端を光軸に対して平行移動さても同様の効果
を得ることができる。
Further, according to the present invention, the same effect can be obtained by moving the emission end of the optical fiber parallel to the optical axis with respect to the collimator lens, instead of tilting the collimator unit.

【0012】[0012]

【実施例】以下添付図面に従って本発明に係る高速追尾
式レーザ干渉測長器の好ましい実施例を詳述する。図1
は本発明に係る高速追尾式レーザ干渉測長器の一実施例
を示す斜視図である。同図に示すように、この高速追尾
式レーザ干渉測長器は、主として固定台100に配設さ
れたコリメータユニット102、検光部104及びキャ
ッツアイ106と、回転体108と、空間を移動する移
動体(図示せず)に配設されるキャッツアイ110と、
4分割のフォトダイオード112、モータMX , Y
びモータ駆動回路114、ピエゾ駆動回路115からな
る追尾制御部とから構成されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of a high-speed tracking type laser interferometer according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a high-speed tracking laser interferometer according to the present invention. As shown in the figure, this high-speed tracking type laser interferometer moves in space mainly with a collimator unit 102, a light analyzer 104 and a cat's eye 106, which are arranged on a fixed base 100, and a rotating body 108. A cat's eye 110 disposed on a moving body (not shown);
4 division photodiode 112, the motor M X, M Y and the motor driving circuit 114, and a tracking control unit comprising a piezoelectric driving circuit 115.

【0013】上記回転体108は、支持枠120との間
に設けられた軸受け122、124を介してX軸の回り
に回動自在に支持され、支持枠120は、固定台100
との間に設けられた軸受け126を介してY軸の回りに
回動自在に支持されている。従って、回転体108は固
定台100に対してX軸及びY軸の回りにそれぞれ回動
自在に支持される。
The rotator 108 is supported rotatably around the X axis via bearings 122 and 124 provided between the rotator 108 and the support frame 120.
Are supported rotatably about the Y axis via a bearing 126 provided between the first and second members. Therefore, the rotating body 108 is rotatably supported on the fixed base 100 around the X axis and the Y axis.

【0014】モータ駆動回路114は、4分割のフォト
ダイオード112からの出力信号(この信号の詳細につ
いては後述する)に基づいて、レーザビームが測定光用
のキャッツアイ110に入射するように回転体108を
回動させるモータMX 及び支持枠120を回動させるモ
ータMY を駆動制御する。図2に示すように、コリメー
タユニット102は図示しないレーザ光源から光ファイ
バ123を介してレーザビームが加えられており、この
レーザビームをコリメータユニット102を介して平行
光にして出射する。検光部104は後述する干渉光を光
電変換したのち、信号ケーブル125を介して図示しな
い信号処理部に出力する。
The motor drive circuit 114 rotates the rotating body based on an output signal from the four-division photodiode 112 (the details of this signal will be described later) so that the laser beam is incident on the cat's eye 110 for measurement light. 108 drives and controls the motor M Y for rotating the motor M X and the supporting frame 120 to rotate the. As shown in FIG. 2, the collimator unit 102 receives a laser beam from a laser light source (not shown) via an optical fiber 123, and emits this laser beam as parallel light via the collimator unit 102. The photodetector 104 photoelectrically converts the interference light, which will be described later, and outputs the signal via a signal cable 125 to a signal processor (not shown).

【0015】さて、コリメータユニット102から出射
されたレーザビームは45度傾いた偏光面を持つ直線偏
光であり、これは同一位相の垂直偏光成分と水平偏光成
分に分けて考えることができる。この2つの直線偏光は
プリズム130を介して無偏光ビームスプリッタ132
に入射する。無偏光ビームスプリッタ132で分割され
たレーザビームは、1/4波長板134を通過すること
により右回りの円偏光と左回りの円偏光に変換され、こ
の2つの円偏光のレーザビームはプリズム136、支持
枠120の中空軸138、支持枠120に固定されたプ
リズム140、142、144を介してX軸と同軸上の
回転体108の中空軸146に入射される。この中空軸
146の入射端には1/4波長板148が設けられてお
り、前記2つの円偏光のレーザビームはこの1/4波長
板148を通過することにより再び進行方向に垂直な面
内で互いに直角方向に振動する2つの直線偏光に変換さ
れる。
The laser beam emitted from the collimator unit 102 is linearly polarized light having a polarization plane inclined at 45 degrees, and can be considered as a vertically polarized light component and a horizontally polarized light component having the same phase. The two linearly polarized lights pass through a prism 130 to a non-polarizing beam splitter 132.
Incident on. The laser beam split by the non-polarizing beam splitter 132 is converted into right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light by passing through a quarter-wave plate 134, and the two circularly polarized laser beams are converted into a prism 136. , Via the hollow shaft 138 of the support frame 120 and the prisms 140, 142, 144 fixed to the support frame 120, to the hollow shaft 146 of the rotating body 108 coaxial with the X axis. A quarter-wave plate 148 is provided at the incident end of the hollow shaft 146, and the two circularly polarized laser beams pass through the quarter-wave plate 148 so that the laser beam is again in a plane perpendicular to the traveling direction. , The light is converted into two linearly polarized lights that vibrate in directions perpendicular to each other.

【0016】2つの直線偏光に変換されたレーザビーム
は、回転体108の中空軸146を介して回転体108
の同一平面上に設けられた光学系に入射される。即ち、
レーザビームはX軸上に設けられたプリズム150によ
ってX軸と直交する方向に折り曲げられ、その後、プリ
ズム152を介して偏光ビームスプリッタ154に入射
される。2つの直線偏光のレーザビームは、偏光ビーム
スプリッタ154によって進行方向に垂直な面内で互い
に直角方向に振動する2つの直線偏光に分割され、偏光
ビームスプリッタ154によって反射される一方の直線
偏光は、レンズ群156によって細いビームにされたの
ちキャッツアイ106に入射する。
The laser beam converted into the two linearly polarized lights passes through the hollow shaft 146 of the rotator 108 and rotates the rotator 108.
Are incident on an optical system provided on the same plane. That is,
The laser beam is bent in a direction orthogonal to the X-axis by a prism 150 provided on the X-axis, and then enters the polarization beam splitter 154 via the prism 152. The two linearly polarized laser beams are split by the polarizing beam splitter 154 into two linearly polarized lights that oscillate at right angles to each other in a plane perpendicular to the traveling direction, and one linearly polarized light reflected by the polarizing beam splitter 154 is: After being made into a narrow beam by the lens group 156, the beam enters the cat's eye 106.

【0017】キャッツアイ106は、例えば屈折率2の
真球で、その半球面に反射鏡が形成されて成り、所定の
入射範囲で入射するレーザビームを入射方向と同方向に
反射することができる。尚、レンズ群156によってレ
ーザビームを収束させるようにすれば、キャッツアイ1
06の屈折率を2よりも小さくすることができる。上記
キャッツアイ106によって反射した反射光は、参照光
としてその入射光路と逆方向に戻される。
The cat's eye 106 is, for example, a true sphere having a refractive index of 2 and a hemispherical surface formed with a reflecting mirror, and can reflect a laser beam incident in a predetermined incident range in the same direction as the incident direction. . If the laser beam is converged by the lens group 156, the cat's eye 1
06 can be smaller than 2. The reflected light reflected by the cat's eye 106 is returned as reference light in a direction opposite to the incident light path.

【0018】一方、偏光ビームスプリッタ154を透過
する他方の直線偏光は、プリズム158、160、16
2、及び1/4波長板164を介して移動体に配設され
るキャッツアイ110に出射され、キャッツアイ110
によって反射した反射光は、測定光としてその入射光路
と逆方向に戻される。図2に示すようにコリメータユニ
ット102には、光ファイバ123の出射端に臨んでコ
リメータレンズ102Aが設けられ、コリメータレンズ
102Aは図3に示すように光ファイバ123の出射端
からのレーザビームを平行光に形成する。図3、図4に
示すようにコリータユニット102とコリメータユニッ
ト取付部との間には、2軸直交する位置関係でピエゾ素
子102Xと102Yが配設されている。そして、ピエ
ゾ素子102Yを駆動すると、コリメータユニット10
2は図3上の紙面と直交する軸(以下、y軸)の回りに
回動し、ピエゾ素子102Xを駆動すると、コリメータ
ユニット102はy軸と直交する軸(以下、x軸)の回
りに回動する。
On the other hand, the other linearly polarized light transmitted through the polarization beam splitter 154 is converted into prisms 158, 160, 16
The light is emitted to the cat's eye 110 disposed on the moving object via the two- and quarter-wave plates 164,
The reflected light is returned as measurement light in a direction opposite to the incident light path. As shown in FIG. 2, the collimator unit 102 is provided with a collimator lens 102A facing the emission end of the optical fiber 123. The collimator lens 102A parallelizes the laser beam from the emission end of the optical fiber 123 as shown in FIG. Formed into light. As shown in FIGS. 3 and 4, piezo elements 102X and 102Y are disposed between the correlator unit 102 and the collimator unit mounting portion in a positional relationship orthogonal to two axes. When the piezo element 102Y is driven, the collimator unit 10
2 rotates around an axis (hereinafter, y-axis) orthogonal to the plane of FIG. 3 and drives the piezo element 102X, and the collimator unit 102 rotates around an axis (hereinafter, x-axis) orthogonal to the y-axis. Rotate.

【0019】このようにして、コリメータユニット10
2をx軸及びy軸の回りに回動させることにより、回転
体108のプリズム162から出射されるレーザビーム
を上下及び左右方向に振ることができる。尚、ピエゾ素
子102X、102Yによって駆動されるコリメータユ
ニット102の回動範囲は小さいが、コリメータユニッ
ト102の応答性は回転体108の動きに比べて高く、
そのため移動体が高速(例えば5m/秒)で移動する場
合でも追尾することができるようになっている。
Thus, the collimator unit 10
By rotating 2 around the x-axis and the y-axis, the laser beam emitted from the prism 162 of the rotating body 108 can be swung in the vertical and horizontal directions. The rotation range of the collimator unit 102 driven by the piezo elements 102X and 102Y is small, but the responsiveness of the collimator unit 102 is higher than the movement of the rotating body 108,
Therefore, even when the moving body moves at a high speed (for example, 5 m / sec), it can be tracked.

【0020】コリメータユニット102の全体を傾動す
ることに代えて、図5に示すように光ファイバ123と
ファイバ取付部との間に、2軸直交する位置関係でピエ
ゾ素子123X、123Yを設けてもよい。この場合、
ピエゾ素子123Xを駆動すると光ファイバ123の出
射端は光軸と平行にx軸方向に微小距離移動し、ピエゾ
素子123Yを駆動すると光ファイバ123の出射端は
光軸と平行にy軸方向に移動する。このように図6の2
点鎖線で示すように光ファイバ123の出射端を光軸と
平行に移動すると、図6の2点鎖線で示すようにコリメ
ータレンズ102Aから出射されて平行光束は上下及び
左右に振れ、回転体108のプリズム162から出射さ
れるレーザビームを上下及び左右に振ることができる。
Instead of tilting the entire collimator unit 102, piezo elements 123X and 123Y may be provided between the optical fiber 123 and the fiber mounting portion in a two-axis orthogonal positional relationship as shown in FIG. Good. in this case,
When the piezo element 123X is driven, the emission end of the optical fiber 123 moves a small distance in the x-axis direction parallel to the optical axis. When the piezo element 123Y is driven, the emission end of the optical fiber 123 moves in the y-axis direction parallel to the optical axis. I do. Thus, 2 in FIG.
When the emission end of the optical fiber 123 is moved in parallel with the optical axis as shown by the dashed line, the parallel light flux is emitted from the collimator lens 102A as shown by the two-dot chain line in FIG. The laser beam emitted from the prism 162 can be swung up and down and left and right.

【0021】1/4波長板164は追尾制御用の反射光
を取り出すためのもので、直線偏光のレーザビームの偏
光面を僅かに回転する。その結果、キャッツアイ110
からの反射光は、その一部が偏光ビームスプリッタ15
4によって反射され、干渉フィルタ166を介して4分
割のフォトダイオード112に投影される。尚、レーザ
ビームがキャッツアイ110の球心に向かって入射して
いる場合には、その反射光はフォトダイオード112の
受光面の中心に入射するようになっている。
The quarter-wave plate 164 is for extracting reflected light for tracking control, and slightly rotates the plane of polarization of a linearly polarized laser beam. As a result, Cat's Eye 110
Of the reflected light from the polarization beam splitter 15
The light is reflected by 4 and is projected to the four-division photodiode 112 via the interference filter 166. When the laser beam is incident on the spherical center of the cat's eye 110, the reflected light is incident on the center of the light receiving surface of the photodiode 112.

【0022】ここで、移動体の移動に伴ってレーザビー
ムがキャッツアイ110の球心からずれてキャッツアイ
110に入射すると、その反射光はそのずれ方向及びず
れ量に応じてフォトダイオード112の受光面の中心か
らずれて入射することになる。4分割のフォトダイオー
ド112は、その受光面が上下左右に4分割されてお
り、各分割面に入射するレーザビームの光量に応じた4
つの電気信号をモータ駆動回路114とピエゾ素子駆動
回路115に出力する。モータ駆動回路114は、入力
する4つの電気信号のうち、上下の分割面に対応する電
気信号のレベルが一致するようにモータMX を駆動する
とともに、左右の分割面に対応する電気信号のレベルが
一致するようにモータMY を駆動する。これにより回転
体108は、X軸及びY軸の回りに回動制御され、その
結果、レーザビームは常時キャッツアイ110に入射す
るようにその出射方向が制御される。
Here, when the laser beam deviates from the center of the cat's eye 110 and enters the cat's eye 110 with the movement of the moving body, the reflected light is reflected on the light receiving surface of the photodiode 112 according to the direction and amount of the deviation. Is incident off the center. The light receiving surface of the four-division photodiode 112 is divided into four parts in the upper, lower, left, and right directions.
The two electric signals are output to the motor drive circuit 114 and the piezo element drive circuit 115. The motor drive circuit 114, among the input four electrical signals which, together with the level of the electrical signal corresponding to the upper and lower divided surfaces to drive the motor M X to match the level of the electrical signal corresponding to the left and right divided surface There drives the motor M Y to match. As a result, the rotation of the rotating body 108 is controlled around the X axis and the Y axis. As a result, the emission direction of the laser beam is controlled so that the laser beam always enters the cat's eye 110.

【0023】同様にピエゾ素子駆動回路115は、入力
する4つの電気信号のうち、上下の分割面に対応する電
気信号のレベルが一致するようにピエゾ素子102Xを
駆動するとともに、左右の分割面に対応する電気信号の
レベルが一致するようにピエゾ素子102Yを駆動す
る。これによりコリメータユニット102は、X軸及び
Y軸の回りに回動制御され、その結果、レーザビームは
常時キャッツアイ110に入射するようにその出射方向
が制御される。
Similarly, the piezo element drive circuit 115 drives the piezo element 102X so that the levels of the electric signals corresponding to the upper and lower division planes of the four electric signals to be inputted coincide with each other. The piezo element 102Y is driven so that the levels of the corresponding electric signals match. Accordingly, the collimator unit 102 is controlled to rotate around the X axis and the Y axis. As a result, the emission direction of the laser beam is controlled so that the laser beam always enters the cat's eye 110.

【0024】さて、偏光ビームスプリッタ154を介し
て重ね合わされた参照光と測定光は、プリズム152、
150、1/4波長板148、プリズム144、14
2、140、136、及び1/4波長板134を介して
無偏光ビームスプリッタ132に入射し、無偏光ビーム
スプリッタ134を透過する参照光と測定光は、検光部
104に入射する。
Now, the reference light and the measurement light superimposed via the polarization beam splitter 154 are combined with the prism 152,
150, quarter wave plate 148, prisms 144, 14
The reference light and the measurement light that enter the non-polarization beam splitter 132 through the 2, 140, 136, and 1 / wavelength plate 134 and pass through the non-polarization beam splitter 134 enter the light detection unit 104.

【0025】検光部104では、互いに直角方向に振動
する2つの直線偏光である上記参照光と測定光を適切な
手段で干渉させることにより干渉縞を発生させ、その干
渉縞を光電変換して信号ケーブル125を介して図示し
ない信号処理部に出力する。信号処理部では、周知のよ
うに干渉縞を示す電気信号に基づいて干渉縞の数及び位
相を求めることにより、移動体の変位を検出する。尚、
移動体の空間内の位置を測定するためには、冗長性を持
たせるための追尾式レーザ干渉測長器を含む少なくとも
4台の追尾式レーザ干渉測長器を設け、各追尾式レーザ
干渉測長器によって測定される移動体の変位から移動体
の空間内の位置を測定することができる。
The analyzer 104 generates interference fringes by causing the reference light and the measurement light, which are two linearly polarized lights vibrating in the direction perpendicular to each other, to interfere with each other by appropriate means, and photoelectrically converts the interference fringes. The signal is output to a signal processing unit (not shown) via the signal cable 125. The signal processing unit detects the displacement of the moving body by calculating the number and phase of the interference fringes based on the electric signal indicating the interference fringes, as is well known. still,
In order to measure the position of the moving body in the space, at least four tracking laser interferometers including a tracking laser interferometer for providing redundancy are provided, and each tracking laser interferometer is provided. The position of the moving body in the space can be measured from the displacement of the moving body measured by the elongate device.

【0026】次に、上記追尾式レーザ干渉測長器の追尾
方法について説明する。図に示すように、偏光ビームス
プリッタ154によって反射されるレーザビームは、X
軸と直交する光路を経由してキャッツアイ106の球心
に向かって入射する。一方、偏光ビームスプリッタ15
4を透過するレーザビームは、プリズム158、16
0、162、及び1/4波長板164を介して移動体に
配設されるキャッツアイ110に入射するが、このとき
1/4波長板164からキャッツアイ110に出射され
るレーザビームは、偏光ビームスプリッタ154からキ
ャッツアイ106に出射されるレーザビームの光路の延
長上に出射される。
Next, a tracking method of the tracking type laser interferometer will be described. As shown, the laser beam reflected by the polarizing beam splitter 154 is X
The light enters the sphere of the cat's eye 106 via an optical path perpendicular to the axis. On the other hand, the polarization beam splitter 15
4 pass through the prisms 158, 16
The laser beam is incident on the cat's eye 110 disposed on the moving body via the 0, 162, and 1 / wavelength plate 164. At this time, the laser beam emitted from the 波長 wavelength plate 164 to the cat's eye 110 is polarized. The laser beam emitted from the beam splitter 154 to the cat's eye 106 is emitted on an extended optical path.

【0027】図7に従って回転体108及びコリメータ
ユニット102を制御する制御ブロックを示す。尚、同
図では、簡単のために1軸制御(例えば、回転体108
のY軸回りの制御及びコリメータユニット102のy軸
回りの制御)のみについて説明する。先ず、移動体が移
動すると、キャッツアイ110からの反射光はフォトダ
イオード112の受光面の中心からずれて入射する。こ
れに基づきフォトダイオード112からはキャッツアイ
110の中心からレーザビームが左右方向にずれている
ことを示すずれ修正信号が積分回路172、加算回路1
73、174に出力される。積分回路172は入力する
ずれ修正信号の高周波成分をカットするローパスフイル
タとして作用し、加算回路173に出力する。加算回路
173には、フォトダイオード112からのずれ修正信
号も入力し、その加算値をピエゾ駆動回路115に出力
する。ピエゾ駆動回路115は加算回路172からの入
力信号をコリメータユニット102の制御目標とし、コ
リメータユニット102のy軸回りの回動量を検出する
変位センサ178の検出信号をフィードバック信号とし
て入力し、コリメータユニット102が制御目標の角度
となるようにピエゾ素子153Yを駆動する。尚、コリ
メータユニット102が制御目標の角度になると、レー
ザビームのキャッツアイ110に対する左右方向のずれ
がなくなる。
FIG. 7 shows a control block for controlling the rotating body 108 and the collimator unit 102. Note that, in the figure, for simplicity, one-axis control (for example,
Only the control around the Y axis and the control around the y axis of the collimator unit 102) will be described. First, when the moving body moves, the reflected light from the cat's eye 110 enters the photodiode 112 with a deviation from the center of the light receiving surface of the photodiode 112. Based on this, a shift correction signal indicating that the laser beam is shifted in the left-right direction from the center of the cat's eye 110 is output from the photodiode 112 to the integration circuit 172 and the addition circuit 1.
73 and 174 are output. The integration circuit 172 functions as a low-pass filter that cuts the high-frequency component of the input shift correction signal, and outputs the result to the addition circuit 173. The addition circuit 173 also receives a shift correction signal from the photodiode 112 and outputs the added value to the piezo drive circuit 115. The piezo drive circuit 115 sets the input signal from the adding circuit 172 as a control target of the collimator unit 102, and inputs the detection signal of the displacement sensor 178 for detecting the amount of rotation of the collimator unit 102 around the y-axis as a feedback signal. Drives the piezo element 153Y so that the angle becomes the control target angle. Note that when the collimator unit 102 reaches the control target angle, the laser beam does not deviate from the cat's eye 110 in the left-right direction.

【0028】一方、加算回路アンプ174にはフォトダ
イオード112からのずれ修正信号と変位センサ178
の検出信号が加えられており、加算回路174はずれ修
正信号と変位センサ178の検出信号とを加算し、その
加算値を増幅してモータ駆動回路114に出力する。モ
ータ駆動回路114は加算回路174からの入力信号が
小さくなるようにモータMY を駆動する。尚、176は
モータMY の回転速度を検出するタコジェネレータで、
モータMY が所要の速度で制御されるようにフィードバ
ック信号をモータ駆動回路114に出力する。
On the other hand, a shift correction signal from the photodiode 112 and the displacement sensor 178 are supplied to the adder circuit amplifier 174.
The addition circuit 174 adds the displacement correction signal and the detection signal of the displacement sensor 178, amplifies the added value, and outputs the result to the motor drive circuit 114. The motor drive circuit 114 drives the motor M Y as an input signal from the adder circuit 174 becomes small. Note that 176 is a tachometer for detecting the rotational speed of the motor M Y,
A feedback signal to the motor M Y is controlled at the required rate to output to the motor driving circuit 114.

【0029】上記構成によれば、キャッツアイ110の
中心からのレーザビームのずれ量(フォトダイオード1
12における入射光のずれ量)は、主にコリメータユニ
ット102の傾きがピエゾ素子102Yによって制御さ
れることによって修正される。このずれ修正時の応答速
度は、移動体が高速で移動する場合でも移動体を追尾で
きるように速い。一方、回転体108は、主にコリメー
タユニット102が基準位置に戻されるようにその回動
位置が制御される。尚、回転体108の応答速度はコリ
メータユニット102の応答速度よりも遅いが、回転体
108の回動範囲はコリメータユニット102の回動範
囲よりも十分に大きく、装置のため移動体の追尾範囲を
大きくとることができる。
According to the above configuration, the amount of deviation of the laser beam from the center of the cat's eye 110 (the photodiode 1
12) is corrected mainly by controlling the tilt of the collimator unit 102 by the piezo element 102Y. The response speed at the time of correcting the deviation is high so that the mobile body can be tracked even when the mobile body moves at high speed. On the other hand, the rotating position of the rotating body 108 is controlled such that the collimator unit 102 is returned to the reference position. Although the response speed of the rotator 108 is lower than the response speed of the collimator unit 102, the rotation range of the rotator 108 is sufficiently larger than the rotation range of the collimator unit 102. Can be large.

【0030】図7の制御ブロックは図5、図6の光ファ
イバ123の出射端を平行移動する場合と同様であるの
で、光ファイバ123を平行移動する場合の説明は省略
する。尚、本実施例では、逆反射体としてキャッツアイ
を使用するようにしたが、これに限らず、例えば、コー
ナー・キューブ、直角三面鏡、表面が鏡面となっている
球体等を使用するようにしてもよい。また、回転体はジ
ンバル機構によってX軸及びY軸の回りに回動自在にな
っているが、これに限らず、例えばL字ブラケットをモ
ータによって回動させるとともに、L字ブラケットに固
定したモータに回転体を固定して回転体を回動させるよ
うにしてもよい。更に、回転体へのレーザビームの導入
は、上記X軸及びY軸に沿って行う場合に限らず、光フ
ァイバを用いるようにしてもよい。但し、この場合に
は、光ファイバが回転体の回動の邪魔にならないように
する必要がある。
The control block shown in FIG. 7 is the same as that in the case where the exit end of the optical fiber 123 shown in FIGS. 5 and 6 is translated, so that the description of the case where the optical fiber 123 is translated is omitted. In this embodiment, the cat's eye is used as the retroreflector. However, the present invention is not limited to this. For example, a corner cube, a right-angled three-sided mirror, a sphere having a mirror surface, or the like may be used. You may. The rotating body is rotatable around the X axis and the Y axis by a gimbal mechanism. However, the present invention is not limited to this. For example, an L-shaped bracket may be rotated by a motor and a motor fixed to the L-shaped bracket may be used. The rotating body may be fixed and the rotating body may be rotated. Further, the introduction of the laser beam to the rotating body is not limited to the case where the laser beam is introduced along the X axis and the Y axis, and an optical fiber may be used. However, in this case, it is necessary to prevent the optical fiber from hindering the rotation of the rotating body.

【0031】また、フリンジカウント方式の干渉計を使
用するようにしたが、これに限らず、例えばヘテロダイ
ン方式の干渉計を使用するようにしてもよい。また、前
記実施例ではコリメータユニット102、ファイバの出
射端123を駆動するのにピエゾ素子を用いたが、これ
に限定されるものでなく、モータ、ガルバノメータ等で
もよい。
Although the fringe count type interferometer is used, the present invention is not limited to this. For example, a heterodyne type interferometer may be used. In the above-described embodiment, the piezo element is used to drive the collimator unit 102 and the emission end 123 of the fiber. However, the present invention is not limited to this, and a motor, a galvanometer, or the like may be used.

【0032】また、前記実施例ではコリメータユニット
102を固定台100に支持したが、コリメータユニッ
ト102は回転体108上に設けてもよい。また、前記
実施例ではモータ駆動回路114はずれ修正信号と変位
センサ178からの信号に基づいて制御したが、いずれ
か一方の信号に基づいて制御してもよい。
Although the collimator unit 102 is supported by the fixed base 100 in the above embodiment, the collimator unit 102 may be provided on the rotating body 108. Further, in the above embodiment, the motor drive circuit 114 is controlled based on the displacement correction signal and the signal from the displacement sensor 178, but may be controlled based on either one of the signals.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る高速追
尾式レーザ干渉測長器によれば、移動体を追尾する回転
体の移動を制御する第2の制御手段の他に高速の移動体
に追従するようにコリメータユニット又は光ファイバの
出射端の移動を制御する第1の制御手段を設けたので、
高速で移動する移動体でも追尾することができる。
As described above, according to the high-speed tracking type laser interferometer according to the present invention, in addition to the second control means for controlling the movement of the rotating body for tracking the moving body, a high-speed moving body is provided. Since the first control means for controlling the movement of the collimator unit or the emission end of the optical fiber so as to follow
Even a moving object moving at high speed can be tracked.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は本発明に係る高速追尾式レーザ干渉測長
器の一実施例を示す斜視図
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of a high-speed tracking type laser interferometer according to the present invention.

【図2】図2はコリメータユニットを示す説明図FIG. 2 is an explanatory view showing a collimator unit.

【図3】図3はコリメータユニットを駆動するピエゾ素
子を示す説明図
FIG. 3 is an explanatory view showing a piezo element for driving a collimator unit;

【図4】図4は図3のコリメータユニットの正面図FIG. 4 is a front view of the collimator unit of FIG. 3;

【図5】図5はファイバを駆動するピエゾ素子を示す説
明図
FIG. 5 is an explanatory view showing a piezo element for driving a fiber;

【図6】図6はファイバの移動と出射する平行光の傾き
を示す説明図
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the movement of the fiber and the inclination of the emitted parallel light.

【図7】図7はモータとピエゾ素子の制御ブロック図、FIG. 7 is a control block diagram of a motor and a piezo element,

【図8】図8は従来の追尾式レーザ干渉測長器の一例を
示す斜視図
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a conventional tracking laser interferometer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100…固定台 102…コリメータユニット 102X、102Y…ピエゾ素子 106、110…キャッツアイ 108…回転体 112…4分割フォトダイオード 114…モータ駆動回路 115…ピエゾ駆動回路 120…支持枠 123…光ファイバ 125…信号ケーブル MX , Y …モータDESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fixed base 102 ... Collimator unit 102X, 102Y ... Piezo element 106, 110 ... Cat's eye 108 ... Rotating body 112 ... Four-division photodiode 114 ... Motor drive circuit 115 ... Piezo drive circuit 120 ... Support frame 123 ... Optical fiber 125 ... Signal cable M X, M Y … Motor

フロントページの続き (72)発明者 豊田 幸司 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業 技術院 計量研究所内 (72)発明者 谷村 吉久 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業 技術院 計量研究所内 (72)発明者 中俣 透 東京都三鷹市下連雀9丁目7番1号 株 式会社東京精密内 (72)発明者 黒沢 俊郎 東京都三鷹市下連雀9丁目7番1号 株 式会社東京精密内 (72)発明者 高井 望 東京都三鷹市下連雀9丁目7番1号 株 式会社東京精密内 審査官 岡田 卓弥 (56)参考文献 特開 平7−120213(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 9/00 - 9/10 G01B 11/00 - 11/30Continuing from the front page (72) Inventor Koji Toyoda 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki Pref., National Institute of Industrial Science (72) Inventor Yoshihisa Tanimura 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki Pref. (72) Inventor Toru Nakamata 9-7-1 Shimorenjaku, Mitaka-shi, Tokyo Tokyo Incorporated Tokyo Seimitsu Co., Ltd. Inventor Nozomi Takai 9-7-1, Shimorenjaku, Mitaka-shi, Tokyo Examiner, Tokyo Seimitsu Co., Ltd. Takuya Okada (56) References JP-A-7-120213 (JP, A) (58) Fields investigated (Int .Cl. 6 , DB name) G01B 9/00-9/10 G01B 11/00-11/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 移動体に配設された第1の逆反射体と、 直交するX軸及びY軸の回りにそれぞれ回動自在な回転
体と、 傾動自在に配設されレーザ源からのレーザビームを平行
光線に形成するコリメータユニットと、 レーザ光源から発振されたレーザビームを前記回転体の
回動にかかわらず該回転体に導く手段と、 前記回転体に固定配設された複数の光学部品からなる光
学系であって、前記回転体に導かれたレーザビームを分
割し、分割した一方のレーザビームを前記X軸とY軸の
交点を通る直線上の光路で前記第1の逆反射体に入射さ
せるとともに、他方のレーザビームを第2の逆反射体に
入射させ、前記第1及び第2の逆反射体からの反射光を
それぞれ得る光学系と、 前記第1の逆反射体からの反射光と第2の逆反射体から
反射した参照光との干渉に基づいて前記第1の逆反射体
の移動量を検出する検出部と、 前記回転体に固定配設され、前記第1の逆反射体からの
反射光の一部が入射され、前記第1の逆反射体に入射す
るレーザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する位
置検出手段と、 前記位置検出手段からの位置信号に基づいて前記ずれ量
がゼロになるように第1の応答速度で前記コリメータユ
ニットの傾きを制御する第1の制御手段と、 前記位置検出手段からの位置信号及び/又は前記コリメ
ータユニットの基準位置からの傾きを示す信号に基づい
て、前記コリメータユニットを前記基準位置に戻すよう
に第2の応答速度で前記回転体の前記X軸及びY軸回り
の回動位置を制御する第2の制御手段と、 から成ることを特徴とする高速追尾式レーザ干渉測長
器。
1. A first retroreflector disposed on a moving body, a rotating body rotatable about orthogonal X-axis and Y-axis, respectively, a laser from a laser source disposed to be tiltable and A collimator unit for forming a beam into a parallel beam, a means for guiding a laser beam oscillated from a laser light source to the rotating body regardless of the rotation of the rotating body, and a plurality of optical components fixedly arranged on the rotating body Wherein the laser beam guided to the rotating body is divided, and one of the divided laser beams is divided into a first optical path and a light path on a straight line passing through an intersection of the X axis and the Y axis. And the other laser beam is made incident on a second retroreflector to obtain reflected light from the first and second retroreflectors, respectively; and an optical system from the first retroreflector. Reflected light and reference reflected from the second retroreflector A detection unit that detects an amount of movement of the first retroreflector based on interference with the light source; and a detector that is fixedly disposed on the rotating body and receives a part of reflected light from the first retroreflector. Position detecting means for outputting a position signal corresponding to the amount of deviation of the laser beam incident on the first retroreflector; and a first detecting means for outputting the position signal from the position detecting means so that the deviation becomes zero based on the position signal. First control means for controlling the inclination of the collimator unit at a response speed of; and a position signal from the position detection means and / or a signal indicating an inclination of the collimator unit from a reference position. High-speed tracking type laser interference, comprising: second control means for controlling the rotation position of the rotating body about the X axis and the Y axis at a second response speed so as to return to the reference position. Measuring instrument.
【請求項2】 移動体に配設された第1の逆反射体と、 直交するX軸及びY軸の回りにそれぞれ回動自在な回転
体と、 レーザ源からのレーザビームを平行光線に形成するコリ
メータレンズに向けて出射する光ファイバと、 レーザ光源から発振されたレーザビームを前記回転体の
回動にかかわらず該回転体に導く手段と、 前記回転体に固定配設された複数の光学部品からなる光
学系であって、前記回転体に導かれたレーザビームを分
割し、分割した一方のレーザビームを前記X軸とY軸の
交点を通る直線上の光路で前記第1の逆反射体に入射さ
せるとともに、他方のレーザビームを第2の逆反射体に
入射させ、前記第1及び第2の逆反射体からの反射光を
それぞれ得る光学系と、 前記第1の逆反射体からの反射光と第2の逆反射体から
反射した参照光との干渉に基づいて前記第1の逆反射体
の移動量を検出する検出部と、 前記回転体に固定配設され、前記第1の逆反射体からの
反射光の一部が入射され、前記第1の逆反射体に入射す
るレーザビームのずれ量に応じた位置信号を出力する位
置検出手段と、 前記位置検出手段からの位置信号に基づいて前記ずれ量
がゼロになるように第1の応答速度で前記光ファイバの
コリメータレンズ側出射端を光軸に対して平行移動制御
する第1の制御手段と、 前記位置検出手段からの位置信号及び/又は前記光ファ
イバの基準位置からの変位を示す信号に基づいて、前記
光ファイバを前記基準位置に戻すように第2の応答速度
で前記回転体の前記X軸及びY軸回りの回動位置を制御
する第2の制御手段と、 から成ることを特徴とする高速追尾式レーザ干渉測長
器。
2. A first retroreflector disposed on a moving body, a rotating body rotatable about orthogonal X-axis and Y-axis, respectively, and forming a laser beam from a laser source into a parallel beam. An optical fiber that emits light toward a collimator lens, a means for guiding a laser beam oscillated from a laser light source to the rotating body regardless of the rotation of the rotating body, and a plurality of optics fixedly arranged on the rotating body. An optical system comprising components, wherein the laser beam guided to the rotating body is divided, and one of the divided laser beams is reflected by the first retro-reflection on a linear optical path passing an intersection of the X axis and the Y axis. An optical system for causing the laser beam to enter the body and the other laser beam to enter the second retroreflector to obtain reflected light from the first and second retroreflectors, respectively; Reflected light from the second retroreflector A detecting unit that detects the amount of movement of the first retroreflector based on interference with reference light; and a detector that is fixed to the rotating body and receives a part of the reflected light from the first retroreflector. A position detecting means for outputting a position signal corresponding to the amount of deviation of the laser beam incident on the first retroreflector; and a means for causing the amount of deviation to be zero based on the position signal from the position detecting means. First control means for controlling the collimator lens-side emission end of the optical fiber in parallel with respect to the optical axis at a first response speed; and a position signal from the position detection means and / or a reference position of the optical fiber. Second control means for controlling a rotation position of the rotating body about the X-axis and the Y-axis at a second response speed based on a signal indicating the displacement of the optical fiber at the second response speed so as to return the optical fiber to the reference position; High-speed tracking type characterized by consisting of Over The interference length measuring device.
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