JP2012068239A - 光学式位置測定機構 - Google Patents

Abstract

【課題】光束を測定リフレクタ方向に向ける偏向ユニットを簡素かつコンパクトにする。
【解決手段】光線偏向ユニット４０に二つのカルダンフレーム４１，４２を備えたカルダン構造を含んでおり、その内の第一カルダンフレーム４１は第一回転軸Ａ１を中心に動作的に変位自在であり、第一カルダンフレーム内にある第二カルダンフレーム４２は、第一回転軸に対して直角に向いた第二回転軸Ａ２を中心に動作的に変位自在である。二つの回転軸は、参照リフレクタ３０が配設されている位置固定された参照点Ｒで交差している。カルダンフレームに多数のミラーが固定して配設されているので、複数のミラーを介することにより光束が、測定リフレクタへ向けられる時に位置固定された参照点を中心に旋回自在である。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の光学式位置測定機構に関するものである。

このような形式の位置測定機構は、空間内で移動する点に対する位置固定された点の相対位置を、一般的に距離および／または角度測定を介して高精密で特定するために使用する。そのとき空間内で移動する点に測定リフレクタが配置されており、それに光学式位置測定機構の光束を向けて測定過程で追随する。このようにして得られる距離および／または角度情報を介して、測定リフレクタの位置、それにより空間内で移動する点の位置を特定することができる。

当該形式の光学式位置測定機構は、欧州特許第０９１９８３０Ｂ１で公知である。この機構は、光源、位置固定された参照リフレクタ、空間内で可動の測定リフレクタ、検知ユニット、そして光線偏向ユニットを有している。光線偏向ユニットを介することにより、光源から発光された光束を測定リフレクタの方向に向けることができる。そのために光線偏向ユニットにスライドユニットを含んでおり、それがカルダン構造において球状に構成された参照リフレクタを中心に旋回自在で支承されている。そこでは球状参照リフレクタの中心点が、位置固定された参照点を示している。スライドユニットを使っていることにより加えて、光源、検知ユニット、および参照リフレクタと測定リフレクタ間で干渉計方式で距離測定するために必要な別の部品も旋回する。この公知の解決手段で欠点として分かっていることは、干渉計方式で距離測定するために必要な質量の大きな構成部品、例えば光源、検知ユニット等をスライドユニットと共に、位置固定された参照点を中心に一緒に旋回せねばならないことである。このことが、スライドユニットの支承に対する要求を著しく増加する。

このような形式の機構における代替として、光源および／または検知ユニットをスライドユニットの外側に配設し光ファイバを介して光束を伝送するようにする場合には、別の問題が発生する。これは、このような形式の光ファイバが許容できるのは一定の曲げ半径のみであることが原因となっている。許容曲げ半径が比較的大きいことの結果として、そのような機構の構造空間が著しく大きくなる。

本発明の課題は、光束を測定リフレクタの方向に向けるために備えている光線偏向ユニットを、出来るだけ簡単且つコンパクトに構成した光学式位置測定機構を得ることである。

この課題を本発明により、請求項１の特徴を備えた光学式位置測定機構により解決する。
本発明による光学式位置測定機構の利点ある実施方法は、従属請求項に記載の対応により得られる。

本発明による光学式位置測定機構は、光源、空間内で可動の測定リフレクタ、検知ユニットおよび、光源から発光された少なくとも一つの光束を測定リフレクタの方向に向けることができる光線偏向ユニットを有している。光線偏向ユニットに二つのカルダンフレームを備えたカルダン構造を含んでおり、その内の第一カルダンフレームは第一回転軸を中心に動作的に変位自在であり、第一カルダンフレーム内にある第二カルダンフレームは、第一回転軸に対して直角に向いた第二回転軸を中心に動作的に変位自在である。二つの回転軸は、参照リフレクタが配設されている位置固定された参照点で交差している。カルダンフレームに多数のミラーが固定して配設されているので、複数のミラーを介することにより光束が、測定リフレクタへ向けられる時に位置固定された参照点を中心に旋回自在である。

本発明による機構の可能性ある実施形態では、
− 光束が、第一カルダンフレームの第一回転軸に沿って入射し、
− 光路にある最初のミラーにより、第一回転軸から離れるように光束を偏向し、
− 第一回転軸と関連する光路にある最後のミラーにより、それに入射する光束を第二カルダンフレームの第二回転軸の方向へ偏向し、そして
− 第二回転軸と関連する光路にある最後のミラーにより、それに入射する光束を位置固定された参照点の方向へ偏向するようになっている。

光源が静止状態で配設されており、そして光源から発光された光束を、光線偏向ユニットを介して測定リフレクタに送ることができると利点がある。
検知ユニットが静止状態で配設されており、そして参照リフレクタおよび測定リフレクタにより逆反射された光束を、検知ユニットに送ることができると同じく利点がある。

参照リフレクタが、球対称の逆反射リフレクタまたは三角プリズムまたは三角ミラーとして構成されていることもある。
利点ある実施形態では、第一カルダンフレームが第一駆動部と連結されており、第二カルダンフレームが第二駆動部と連結されている。

そのとき駆動部がそれぞれ、ピエゾ直接駆動部として構成されているようにする場合がある。
本発明による機構の別の実施形態では、
− 第一ミラーが、光線偏向ユニットの入光範囲において、第一回転軸上で第一カルダンフレームに配設されており、
− 第二ミラーが、第二カルダンフレームの支承範囲において、第二回転軸に対して同心で第一カルダンフレームに配設されており、
− 第三ミラーが、第二回転軸に対して同心で、第二カルダンフレームに配設されており、そして
− 第四ミラーが、第二回転軸の外側で第二カルダンフレームに配設されている
ようにしていることがある。

更に、
− 第一カルダンフレームに少なくとも二つのミラーが配置されており、この最初のミラーが、光路において第一回転軸上に配設されており、そしてこの最後のミラーが、光路において第一回転軸の外側で第二回転軸上に配設されており、そして
− 第二カルダンフレームに少なくとも二つのミラーが配置されており、この最初のミラーが、光路において第二回転軸上に配設されており、そしてこの最後のミラーが、光路において第二回転軸の外側に配設されていることがある。

この場合に第一カルダンフレームで光路にある最後のミラーが、第二カルダンフレームの第二回転軸上の位置に配設されており、それに入射する光束を第二回転軸に沿って偏向するように方向を向けられていることがある。

ここで更に、
− 第二カルダンフレームにある最後のミラーを除いて光路にある全てのミラーが、それに入射する光束を光路においてそれぞれ後続するミラーの方向へそれぞれ偏向するように、方向を向けて配設されており、そして
− 第二カルダンフレームにある最後のミラーが、それに入射する光束を位置固定された参照点の方向へ偏向するように、方向を向けて配設されているようにしていることがある。
利点があるのは、
− 第一駆動部（４３）が、第一回転軸（Ａ１）を中心にして第一カルダンフレーム（４１）の少なくとも３６０°の回転を、そして
− 第二駆動部（４４）が、第二回転軸（Ａ２）を中心にして第二カルダンフレーム（４２）の少なくとも９０°の回転を可能にする時である。

最後にあげるのは、本発明による機構において、
− 検知ユニットにセンサユニットを含んでおり、それが位置固定された参照点からの、測定リフレクタにより逆反射された光束の横方向偏差を検出して、偏差信号に変換し、そして
− 制御・演算ユニットが、偏差信号を介して第一および第二駆動部用の制御信号を生成できるように構成されており、それにより第一および／または第二回転軸を中心にして第一および／または第二カルダンフレームを変位することにより、横方向偏差を最小化することがある。

本発明による光学式位置測定機構の特別な利点として、光線偏向ユニットの動作部品の質量を著しく低減できることが挙げられる。設けられたカルダン構造の可動カルダンフレームを共に旋回せねばならないのは、小さい構造で軽量のミラーのみである。ここでは、価格的に有利に入手できる簡単な平面ミラーを使用することができる。よって、動作質量が小さいことにより、光線偏向ユニットで可動の部品に対する要求も著しく低下する。その結果は、本発明による機構にとって低減された製造コストである。

更に、光線偏向ユニットまで乃至から光束を伝送するために、光ファイバを使用する必然性がなくなる。それに関連する構造サイズの制限が、本発明による機構を使うことにより回避される、即ち、これをコンパクトな構成で実施することができる。

本発明の別の利点と詳細は、添付図面を使った以下における実施例の説明から分かる。

本発明による光学式位置測定機構の実施例の概略的な全体図示。 測定リフレクタの異なった位置に対して、図１での本発明による位置測定機構の実施例における光線偏向ユニット部分の立体外観図。 測定リフレクタの異なった位置に対して、図１での本発明による位置測定機構の実施例における光線偏向ユニット部分の立体外観図。 図２ａ，２ｂの光線偏向ユニットとそれにより走査可能な空間範囲の図示。 偏向された光束が当たることができる面の外観図。

図１においては本発明による光学式位置測定機構の実施例を、非常に概略化した形態で示している。図で示しているのは、機構全体における幾つかの機能ブロックのみであり、詳細には残りの図を使い、以下において特に光線偏向ユニットを説明する。

本発明による光学式位置測定機構が図示の実施例で含んでいるのは、光源１０、分光ユニット２０、位置固定された参照リフレクタ３０、光線偏向ユニット４０、空間内で可動の測定リフレクタ５０、検知ユニット６０、および制御・演算ユニット７０である。

例えばレーザとして構成された光源１０から発光された光束Ｓは変化することなく、まず分光ユニット２０を通過する。これは例えば、λ／４位相差プレートを備えた偏光分光器として構成されていることがある。

引き続き光束Ｓは光線偏向ユニット４０において、そこで中心に配設された参照リフレクタ３０に当たる。入射する光束Ｓの一部が、即ち光束Ｓ_Ｒとして、参照リフレクタ３０により入射方向とは逆に、再び分光ユニット２０に向かって逆反射される。よって、逆反射された光束Ｓ_Ｒを介して、意図する干渉計方式距離測定用の参照分岐光路が構成される。参照リフレクタ３０は、図１において好ましい実施形態で示しているように、逆反射特性を備えた球対称の参照リフレクタとして実施されている。そこで参照リフレクタに入射する光束Ｓの一部が、反射するボール内面で焦点が合い、そこから参照光束Ｓ_Ｒとして、入射する光束Ｓの方向に逆反射される。そのとき球状の参照リフレクタ３０の中心は、位置固定された参照点Ｒと一致している。入射する光束Ｓで参照リフレクタ３０により反射されない部分は、光束Ｓ_Ｍとして測定リフレクタ５０の方向に更に進み、それにより干渉計方式距離測定用の測定分岐光路を構成する。

可能性のある変形例においては本発明による機構の球状参照リフレクタ３０が、片側を反射性材料でコーティングした透明なボールで出来ており、そのボール材料は屈折率ｎ＝２を有している。これに関しては、刊行物“レーザトラッカーターゲットとしての全視野角キャッツアイリフレクタ”、トシユキ・タカツジ他、１９９９年、測定科学技術、１０Ｎ８７を参照されたい。

可能性がある別の実施形態では、参照リフレクタ３０が三角ミラーまたは三角プリズムとして構成されていることもある。
参照リフレクタ３０に対しては更に、勿論別の構成の可能性も考慮できる。参照リフレクタ３０の光学的機能に関して必要なことは、入射する光束Ｓの一部がそれを介して再び分光ユニット２０の方向に逆反射されるということのみである。

参照リフレクタ３０の当該中心は、既に上記で述べたように、以下においても位置固定された参照点Ｒとしても表すことになる。
測定分岐光路を構成する光束Ｓ_Ｍは光線偏向ユニット４０を介して、空間内で可動の測定リフレクタ５０の方向に偏向される乃至向けられる。そのために行われる光線偏向ユニット４０の具体的な構成は、続く説明経過の中で更に詳細に説明する。測定リフレクタ５０に光束Ｓ_Ｍを向けることは、光束Ｓ_Ｍが常に位置固定された参照点Ｒを中心にして旋回するように、光線偏向ユニットを介して行う。

測定リフレクタ５０により、それに入射する光束Ｓ_Ｍが入射方向とは反対に逆反射され、光線偏向ユニット４０を介して再び分光ユニット２０に到達する。そのとき測定リフレクタ５０は、本発明による光学式位置測定機構を介して位置を測定する空間内の点に配置されている。測定リフレクタ５０としては参照リフレクタ３０の場合のように、逆反射する光学要素で同じ変形例、即ち例えば球状測定リフレクタ、三角ミラーまたは三角プリズム等が考慮される。

測定分岐光路の測定光束Ｓ_Ｍは、最終的に同じく分光ユニット２０に逆反射される参照分岐光路からの光束Ｓ_Ｒと一緒に、検知ユニット６０の方向に進む。そこで得られるのは、相対測定する干渉計方式の場合には、位置固定された参照リフレクタ３０ないし参照点Ｒと空間内で可動の測定リフレクタ５０間の距離が変化する時に、変化した距離の量を表す干渉信号である。検知ユニット６０に含まれるのは、検知のために好ましくは多数の光電式検知要素であり、それを介して位相がずれた多数の干渉信号を検出することができる。

検知ユニット６０を介して生成された干渉信号は、後に配設された制御・演算ユニット７０により更に処理される。これは例えば、適切なコンピュータとして構成されていることがあり、それを介して干渉信号の計算と距離の特定、および／または参照リフレクタ３０ないし参照点Ｒと測定リフレクタ５０間における距離変化の特定を行う。

本発明による機構においては基本的に、異なった干渉計方式測定原理を使用することができる。例えば距離変化のみを検出する相対測定原理にも、或いは参照リフレクタ３０ないし参照点Ｒと測定リフレクタ５０の距離の直接特定を可能にする絶対測定原理も適している。制御・演算ユニット７０を使うことにより、多数の距離、距離変化、および／または角度の測定結果から、測定リフレクタないし必要とする空間ポイントの三次元位置を特定することができる。

更に制御・演算ユニット７０は、距離および場合により位置を特定する他に、光線偏向ユニット４０の−図１で示していない−駆動部のコントロールを行い、それにより測定分岐光路における測定光束Ｓ_Ｍを、空間内で可動の測定リフレクタ５０に追随させる。そのために検知ユニット６０には、少なくとも一つの−図示していない−センサ要素を含んでおり、それが、測定リフレクタ５０により逆反射された光束Ｓ_Ｍの位置固定された参照点Ｒからの、場合により現れる横方向偏差を検出して偏差信号に変換する。検出された横方向偏差を最小化して測定分岐光路における光束Ｓ_Ｍを空間内の測定リフレクタ５０に追随させるために、制御・演算ユニット７０は、偏差信号を介して光線偏向ユニット４０の駆動部用の制御信号を生成できるように構成されている。

以下においては別の図を使い、本発明による光学式位置測定機構の光線偏向ユニットで利点ある例を説明する。図２ａと２ｂはそれぞれ、図１における本発明による光学式位置測定機構で使用できるような、当該形式光線偏向ユニット４０の立体部分外観を示している。ここで二つの図２ａと２ｂの違いは、それにより偏向される測定分岐光路の光束Ｓ_Ｍの方向であり、その光束が−この図では図示していない−測定リフレクタの方向に進む。

本発明による機構の光線偏向ユニット４０には、第一カルダンフレーム４１と第二カルダンフレーム４２を備えたカルダン構造を含んでいる。第一カルダンフレーム４１は、駆動部４３を介して第一回転軸Ａ１を中心に動作的に変位自在であり、或いは旋回自在である。第二カルダンフレーム４２は、駆動部４４を介して第二回転軸Ａ２を中心に動作的に変位自在である。カルダンフレーム４１，４２と連結された二つの駆動部４３，４４は、ピエゾ直接駆動部として構成されていると好ましい。二つのカルダンフレーム４１，４２の回転軸Ａ１，Ａ２は互いで直角方向を向いており、見て分かるように位置固定された参照点Ｒで交差し、上記したようにその参照点に参照リフレクタが配設されている。図２ａ，２ｂにおいて参照リフレクタは、光路における小さなボールとして概略的に図示している。

呈示の例ではカルダンフレーム４１，４２に、簡単な平面ミラーとして構成された合計４個のミラー４５．１〜４５．４が固定して配設されている。それを正確に配置するためには以下の説明を参照されたい。図２ａにおいて左側から第一回転軸Ａ１に沿って入射する光束Ｓ_Ｍは、この光束Ｓ_Ｍが測定リフレクタ５０に向けられる時に常に、位置固定された参照点Ｒを中心に旋回するように、光線偏向ユニット４０の種々ミラー４５．１〜４５．４を介して方向転換される。それにより空間内における測定リフレクタの位置に関係なく、それに向けられた光束Ｓ_Ｍは、光線偏向ユニット４０の選択された構成により位置固定された参照点Ｒに常に重なる。光束Ｓ_Ｍが空間内でそれぞれ異なった位置に向けられている二つの図２ａと２ｂを使って、このことを明らかにすることにする。二つのケースで光束Ｓ_Ｍは、測定リフレクタの異なった空間位置へ向けられる時に、図から分かるように位置固定された参照点Ｒを中心にして旋回する。

従って、二つの回転軸Ａ１，Ａ２を中心にして二つのカルダンフレーム４１，４２を規定量変位ないし旋回することを介して、空間内で可動の測定リフレクタの方向に光束Ｓ_Ｍを向け、これに追随させることができる。このような形式と方法により、空間内の任意点と位置固定された参照点Ｒ間で、高精密な干渉計方式距離測定が可能である。

光線偏向ユニット４０の構成に基づき、−図２ａ，２ｂで図示していない−光源を検知ユニットとしても、静止状態ないし固定して配設できる場合がある。参照リフレクタ３０において問題なく光束Ｓ_Ｒ，Ｓ_Ｍに分離され、続いて参照リフレクタと測定リフレクタで光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒが逆反射された後に、これらは最終的に光線偏向ユニット４０を介して検知ユニットに送られる。偏向ユニット４０に向かって光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒを送ることも、反射された光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒを固定された検知ユニットに向かって送ることも、図２ａ，２ｂで分かるように第一カルダンフレーム４１の第一回転軸Ａ１に沿って行われる。光源および検知ユニットが静止状態で配設されていることにより、本発明による機構では光線偏向ユニット４０内にある可動部品の質量を著しく削減できる。

理解し易くする理由から光線偏向ユニット４０の内部では、測定分岐光路を構成すると共に測定リフレクタに向けられる光束Ｓ_Ｍの光路のみを図示している。従って光線偏向ユニット４０の内部で、少なくとも光束Ｓ_Ｍが以下で説明する偏向作用を受ける。

光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒは、−図２ａ，２ｂで分かるように−図示している実施例では、第一カルダンフレーム４１の第一回転軸Ａ１に沿って光線偏向ユニット４０に入射する。光線偏向ユニット４０の入光範囲において、第一ミラー４５．１が第一カルダンフレーム４１に第一回転軸Ａ１上で固定して配設されている。光路にある第一ミラー４５．１を介して、それに入射する光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒが第一回転軸Ａ１から離れるように、第一回転軸Ａ１の外側にある第二ミラー４５．２の方向へ偏向する。

第二ミラー４５．２は第二カルダンフレーム４２の支承部分で、第二回転軸Ａ２に対して同心で第一カルダンフレーム４１に固定して配設されている。従ってミラー４５．２は、第二カルダンフレーム４２が旋回する時に、第二回転軸Ａ２を中心に回転しない。第二ミラー４５．２を介することにより、それに入射する光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒが、第二回転軸Ａ２の方向ないし第三ミラー４５．３の方向へ偏向される。第一カルダンフレーム４１において光路で最後のミラー４５．２は基本的に、第二カルダンフレーム４２の第二回転軸Ａ２上の位置に配設されていると共に、それに入射する光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒを第二回転軸Ａ２に沿って偏向するように方向が向けられている。

第三ミラー４５．３は、第二回転軸Ａ２に対して同心で第二カルダンフレーム４２に配設されている。従って、第二カルダンフレーム４２が第二回転軸Ａ２を中心に回転する場合には、第三ミラー４５．３は第二回転軸Ａ２を中心に一緒に回転する。第三ミラーを介して、それに入射する光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒが、最終的に第四ミラー４５．４の方向に偏向される。

第四ミラー４５．４は、第二回転軸Ａ２の外側で第二カルダンフレーム４２に固定して配設されている。第四ミラー４５．２を介することにより最終的に、それに入射する光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒが、位置固定された参照点Ｒの方向に偏向される。

種々のミラー４５．１〜４５．４を二つのカルダンフレーム４１，４２に配設する時に注意すべきことは、第二カルダンフレーム４２にある最後のミラー４５．４を除いて、光路における全てのミラー４５．１〜４５．３がそれぞれ、それに入射する光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒを光路においてそれぞれ後続するミラーの方向に偏向するように向けて配設されていることである。それに対して第二カルダンフレーム４２にある最後のミラー４５．４は、それに入射する光束Ｓ_Ｍ，Ｓ_Ｒを位置固定された参照点Ｒの方向に偏向するように向けて配設されている。

図示している実施例では、このように動作的に変位自在である二つのカルダンフレーム４１，４２に種々のミラー４５．１〜４５．４を配設することを介して、光束Ｓ_Ｍの方向を測定リフレクタに向ける時に、この光束Ｓ_Ｍが常に位置固定された参照点Ｒを中心に旋回することが確保される。よって、光束Ｓ_Ｍが到達できる測定リフレクタのいずれの空間位置においても、測定分岐光路の光束Ｓ_Ｍが参照点Ｒに重なる。そのとき測定リフレクタに関する光束Ｓ_Ｍの方向と追随は、光線偏向ユニット４０において二つの駆動部４３，４４を使い、二つのカルダンフレーム４１，４２を規定量変位することにより行う。そのためには駆動部４３，４４に、制御・演算ユニットにより対応する制御信号を与える。

以下においては図３と４を使って、どのように二つのカルダンフレーム４１，４２を規定量変位して、光束Ｓ_Ｍを空間内で可動の測定リフレクタの方向に向けることができるかを説明することにする。ここで図３は、先に説明した光線偏向ユニット４０の立体的図示および、二つのカルダンフレーム４１，４２を対応して回転することを介して光束Ｓ_Ｍにより網羅ないし走査できる面を示している。図４では、図２ａ，２ｂによる光線偏向ユニット４０を使って実現可能な、多数の走査軌道ないし走査模様を有するこの面の二次元外観を示している。図３における参照符号は、図２ａ，２ｂでのものと同一で選んでいる。

図から分かるように、記載している断面内で円環状走査範囲１００に光束Ｓ_Ｍを向けることは、光線偏向ユニット４０により可能である。この走査範囲１００にある各位置に測定リフレクタを配設することができ、そして二つの回転軸Ａ１，Ａ２を中心にして二つのカルダンフレーム４１，４２を対応して変位することにより、光束Ｓ_Ｍを当該位置に方向を向ける。

図４において、第二回転軸Ａ２を中心とした第二カルダンフレーム４２の変位角Δα_Ａ２を介して、円環中心Ｚからのこの面に衝突する光束ＳＭの衝突点の距離が設定される。
参照方向に関する面におけるこの衝突点の方位角度位置は、第一回転軸Ａ１を中心とした第一カルダンフレーム４１の変位角Δα_Ａ１を介して設定される。

よって、第一および第二回転軸Ａ１，Ａ２を中心にして二つのカルダンフレーム４１，４２を規定量変位することにより、この断面の光束Ｓ_Ｍを介して円環状走査範囲１００の各点に到達できる。この走査範囲を完全にカバーするために利点ある実施形態では、第一駆動部４３が、第一回転軸Ａ１を中心にして少なくとも３６０°の第一カルダンフレーム４１の回転を可能にし、そして第二駆動部４４が、第二回転軸Ａ２を中心にして少なくとも９０°の第二カルダンフレーム４２の回転を可能にするようにしている。しかしながら基本的には、カルダンフレーム４１，４２の別の旋回範囲を設けることもできる；それにより網羅する走査範囲は場合により小さくなる。

具体的に説明した実施例の他にも本発明の範疇では勿論、本発明による光学式位置測定機構には代替実施の可能性もある。
それで光線偏向ユニットで説明した例では、例えば使用するミラーの数に関して変更することもできる。例えば光束の方向転換のために、カルダンフレーム当たり二つだけではなく多数のミラーを設けることも可能である。この場合に特に、第一カルダンフレーム４１にある第一および第二ミラー４５．１，４５．２の間に、更に別のミラーを配置するようにしていることもある；同じく、第二カルダンフレームにある第三および第四ミラー４５．３，４５．４間の光路に、更に追加のミラーを配設していることもある。

更に、光線偏向のために優先して使用するミラーを、光線偏向に適している代替の光学的構成要素により置き換えることも可能である。考えられるのは例えば、対応して構成されたプリズム、反射・透過格子、クサビ状プレート、またはこのような形式の組み合わせであろう。

更に、入射する光束の断面を適切に制限する等の絞りを、一つ又は複数のミラーに配設することもある。

１０ 光源
２０ 分光ユニット
３０ 参照リフレクタ
４０ 光線偏向ユニット
４１ 第一カルダンフレーム
４２ 第二カルダンフレーム
４３ 駆動部
４４ 駆動部
４５ ミラー
５０ 測定リフレクタ
６０ 検知ユニット
７０ 制御・演算ユニット
１００ 走査範囲
Ａ 回転軸
Ｒ 参照点
Ｓ 光束

Claims (13)

1. 光学式位置測定機構であって、光源、空間内で可動の測定リフレクタ、検知ユニットおよび光源から発光された少なくとも一つの光束を測定リフレクタの方向に向けることができる光線偏向ユニットを有しており、光線偏向ユニットに二つのカルダンフレームを備えたカルダン構造を含んでおり、その内の第一カルダンフレームは第一回転軸を中心に変位自在であり、第一カルダンフレーム内にある第二カルダンフレームは、第一回転軸に対して直角に向いた第二回転軸を中心に変位自在であり、二つの回転軸は、参照リフレクタが配設されている位置固定された参照点で交差している、光学式位置測定機構において、
   カルダンフレーム（４１，４２）に多数のミラー（４５．１〜４５．４）が固定して配設されており、複数のミラー（４５．１〜４５．４）を介することにより光束（Ｓ_Ｍ）が、測定リフレクタ（５０）へ向けられる時に位置固定された参照点（Ｒ）を中心に旋回自在であることを特徴とする、光学式位置測定機構。
2. 請求項１に記載の光学式位置測定機構において、
   − 光束（Ｓ_Ｍ）が、第一カルダンフレーム（４１）の第一回転軸（Ａ１）に沿って入射し、
   − 光路にある最初のミラー（４５．１）により、第一回転軸（Ａ１）から離れるように光束（Ｓ_Ｍ）を偏向し、
   − 第一回転軸（Ａ１）と関連する光路にある最後のミラー（４５．２）により、それに入射する光束（Ｓ_Ｍ）を第二カルダンフレーム（４２）の第二回転軸（Ａ２）の方向へ偏向し、そして
   − 第二回転軸（Ａ２）と関連する光路にある最後のミラー（４５．４）により、それに入射する光束（Ｓ_Ｍ）を位置固定された参照点（Ｒ）の方向へ偏向することを特徴とする、光学式位置測定機構。
3. 請求項１に記載の光学式位置測定機構において、
   光源（１０）が静止状態で配設されており、そして光源（１０）から発光された光束（Ｓ_Ｍ）を、光線偏向ユニット（４０）を介して測定リフレクタ（５０）に送ることができることを特徴とする、光学式位置測定機構。
4. 請求項１または３に記載の光学式位置測定機構において、
   検知ユニット（６０）が静止状態で配設されており、そして参照リフレクタ（３０）および測定リフレクタ（５０）により逆反射された光束（Ｓ_Ｒ，Ｓ_Ｍ）を、検知ユニット（６０）に送ることができることを特徴とする、光学式位置測定機構。
5. 請求項１に記載の光学式位置測定機構において、
   参照リフレクタ（３０）が、球対称の逆反射リフレクタまたは三角プリズムまたは三角ミラーとして構成されていることを特徴とする、光学式位置測定機構。
6. 請求項１に記載の光学式位置測定機構において、
   第一カルダンフレーム（４１）が第一駆動部（４３）と連結されており、第二カルダンフレーム（４２）が第二駆動部（４４）と連結されていることを特徴とする、光学式位置測定機構。
7. 請求項６に記載の光学式位置測定機構において、
   駆動部（４３，４４）がそれぞれ、ピエゾ直接駆動部として構成されていることを特徴とする、光学式位置測定機構。
8. 請求項１に記載の光学式位置測定機構において、
   − 第一ミラー（４５．１）が、光線偏向ユニット（４０）の入光範囲において、第一回転軸（Ａ１）上で第一カルダンフレーム（４１）に配設されており、
   − 第二ミラー（４５．２）が、第二カルダンフレーム（４２）の支承範囲において、第二回転軸（Ａ２）に対して同心で第一カルダンフレーム（４１）に配設されており、
   − 第三ミラー（４５．３）が、第二回転軸（Ａ２）に対して同心で、第二カルダンフレーム（４２）に配設されており、そして
   − 第四ミラー（４５．４）が、第二回転軸（Ａ２）の外側で第二カルダンフレーム（４２）に配設されていることを特徴とする、光学式位置測定機構。
9. 請求項１に記載の光学式位置測定機構において、
   − 第一カルダンフレーム（４１）に少なくとも二つのミラー（４５．１，４５．２）が配置されており、最初のミラー（４５．１）が、光路において第一回転軸（Ａ１）上に配設されており、そして最後のミラー（４５．２）が、光路において第一回転軸（Ａ１）の外側で第二回転軸（Ａ２）上に配設されており、そして
   − 第二カルダンフレーム（４２）に少なくとも二つのミラー（４５．３，４５．４）が配置されており、最初のミラー（４５．３）が、光路において第二回転軸（Ａ２）上に配設されており、そして最後のミラー（４５．４）が、光路において第二回転軸（Ａ２）の外側に配設されていることを特徴とする、光学式位置測定機構。
10. 請求項９に記載の光学式位置測定機構において、
    第一カルダンフレーム（４１）で光路にある最後のミラー（４５．２）が、第二カルダンフレーム（４２）の第二回転軸（Ａ２）上の位置に配設されており、それに入射する光束（Ｓ_Ｍ）を第二回転軸（Ａ２）に沿って偏向するように方向を向けられていることを特徴とする、光学式位置測定機構。
11. 請求項１０に記載の光学式位置測定機構において、
    − 第二カルダンフレーム（４２）にある最後のミラー（４５．４）を除いて光路にある全てのミラー（４５．１〜４５．３）が、それに入射する光束（Ｓ_Ｍ）を光路においてそれぞれ後続するミラーの方向へそれぞれ偏向するように、方向を向けて配設されており、そして
    − 第二カルダンフレーム（４２）にある最後のミラー（４５．４）が、それに入射する光束（Ｓ_Ｍ）を位置固定された参照点（Ｒ）の方向へ偏向するように、方向を向けて配設されていることを特徴とする、光学式位置測定機構。
12. 請求項６または１１に記載の光学式位置測定機構において、
    − 第一駆動部（４３）が、第一回転軸（Ａ１）を中心にして第一カルダンフレーム（４１）の少なくとも３６０°の回転を、そして
    − 第二駆動部（４４）が、第二回転軸（Ａ２）を中心にして第二カルダンフレーム（４２）の少なくとも９０°の回転を可能にすることを特徴とする、光学式位置測定機構。
13. 請求項６に記載の光学式位置測定機構において、
    − 検知ユニット（６０）にセンサユニットを含んでおり、それが位置固定された参照点（Ｒ）からの、測定リフレクタ（５０）により逆反射された光束（Ｓ_Ｍ）の横方向偏差を検出して、偏差信号に変換し、そして
    − 制御・演算ユニット（７０）が、偏差信号を介して第一および第二駆動部（４３，４４）用の制御信号を生成できるように構成されており、それにより第一および／または第二回転軸（Ａ１，Ａ２）を中心にして第一および／または第二カルダンフレーム（４１，４２）を変位することにより、横方向偏差を最小化することを特徴とする、光学式位置測定機構。

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