JP2012509464A - 六自由度計測装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図2及び図3に追尾ユニット100の詳細を示す。図2は分解図、図3は断面図である。まず、方位軸アセンブリ110は、ポストハウジング(ポストフレーム)112、方位軸エンコーダアセンブリ120、下側方位軸ベアリング114A、上側方位軸ベアリング114B、方位軸モータアセンブリ125、方位軸スリップリングアセンブリ130及び方位軸回路基板135を備えている。
図4に、被支持アセンブリ170に備わる主光学アセンブリ200をパターン投射アセンブリ(縞発生/投射アセンブリ)300と共に示す。本アセンブリ200は、電気変調器210、レーザ光源215、距離計測用電子回路220、位置検出器230、ビームスプリッタ240及び242、ダイクロイックビームスプリッタ244並びに出射窓246を備えている。そのスプリッタ240には光源215からのレーザビーム250が入射する。この例ではスプリッタ240がガラス製だが、光ファイバ製のビームスプリッタ等も使用することができる。スプリッタ240はレーザビームの一部を透過、一部を反射させる部材であり、再帰反射により返ってきたレーザビームの一部を回路220へと送るのに必要である。図示例でその距離計測方式として採用されているのは、強度変調及び位相計測を利用したADM、例えば特許文献8(発明者:Bridges and Hoffer)に記載のそれである。本アセンブリ200における距離計測を他のタイプのADMで行うことや、ADMではなく干渉計で行うこともできる。干渉計の場合は変調器210が不要、処理用の電子回路が別種のもの、レーザ光源が別種のものになり、またレーザ光源が既知波長にて周波数安定なこと及びそのコヒーレント長が長いことが求められる。ADMの場合、レーザ光源を数GHz以上の周波数にて変調することができる。本アセンブリ200で干渉計とADMを併用することも可能である。その場合、干渉計用レーザビームとADM用レーザビームを出射途上で結合させ入射途上で分離させることができるよう、相応のビームスプリッタを用いるのが望ましい。
追尾ユニット100及び電源/制御ユニット10があれば、パターン投射アセンブリ300無しでも再帰反射器410を三自由度に亘り計測することができる。ここでいう三自由度は標的に対する距離、方位角及び天頂角のことであり、これらは他の座標、例えばx座標、y座標及びz座標へと換算することができる。しかしながら、SMR等の追尾器用対称形状標的が付された物体ならばともかく、プローブ端470の座標は、三自由度計測では計測できないことがある。そのため、本システムでは六自由度に亘る計測を行う必要がある。
標的400は再帰反射器410を備えている。この反射器410はガラス製のキューブコーナプリズムであり、ある交点(いわゆる頂部)を共有する互いに垂直な三面を有している。その頂部付近の面は抗反射被覆で、また互いに直交する3個のガラス面は反射被覆(好ましくは薄膜誘電体多層被覆)で覆われている。こうした固形ガラス製のキューブコーナプリズムに代え、互いに直交するよう3枚のミラーを配した構成の再帰反射器、即ちオープンエアキューブコーナを使用することもできる。ただ、ガラス製キューブコーナプリズムの方がオープンエアキューブコーナよりも優れている。優れている点の一つは、スネルの法則に従いガラス内でレーザビームが屈折するため、オープンエアキューブコーナよりも許容角度範囲が大きくなる点である。他の一つは、ミラー配置スペースが不要であるため、その厚みの分だけ、位置検出器432の位置が反射器410に近くなる点である。
図11Aに、キューブコーナ型の再帰反射器410及び位置検出器432A,432Bの上面及び側面を示す。この図では、レーザビーム250が反射器410、レーザビーム370が検出器432A,432Bに、それぞれ直交方向から入射している。ビーム250は、反射器410の頂面中央412を通り反射器410の頂部414に達している。ビーム250の向きは、検出器230及びモータアセンブリ125,155の連携動作により、頂部414に至る向きに保たれている。ビーム370は常にビーム250に従っている。図示例の場合、そのビーム370で形成される縞が三部位で検出器432Aの能動領域433Aと交差、三部位で右側の検出器432Bの能動領域433Bと交差している。こうした交差部位の個数は、後に詳述する通り、追尾ユニット100に対する標的400のロール角で左右される。
上述した計測原理は六自由度計測方法及び装置のあらましを表している。次に、使用可能な情報処理手法について説明する。
図15に、位置検出器432A,432B上のレーザ入射パターンを示す実測シグネチャ値を求める手順の一例を示す。シグネチャとは極大点(山)及び極小点(谷)の位置のことであり、その極大点及び極小点は検出器432A,432B上に最大6個まで現れる。個々の極大点の位置はいずれかの縞に対応しており、個々の極小点の位置は極大点同士の狭間に対応している。シグネチャを求めることで、更に、検出器432A,432B上で各極大点乃至極小点の中央を占める交差の位置を、サブ画素精度で知ることができる。
カメラアセンブリ350はカメラ352及び1個又は複数個のLED354を備えている。上述の通り、このアセンブリ350を位置決めスポット480と併用することで、位置検出器432に交差する個々の縞を識別することができる。加えて、このアセンブリ350を使用することで、三自由度計測か六自由度かを問わず汎用型レーザ追尾器の動作を拡張することができる。
Claims (49)
- 少なくとも一軸周りで回動可能な被支持アセンブリ、その被支持アセンブリ上にあり第1レーザビームを輻射する主光学アセンブリ及び同じく被支持アセンブリ上にあり二次元パターンを呈するよう第2レーザビームを輻射するパターン投射アセンブリを有する追尾ユニットと、
再帰反射器及びその近傍に位置する位置検出アセンブリを有し、その再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にある標的と、
を備える六自由度計測用のレーザ追尾システム。 - 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、上記主光学アセンブリが、
上記第1レーザビームを輻射する第1レーザ光源と、
距離計測用電子回路と、
再帰反射されたレーザビーム又はその一部を距離計測用電子回路に送る第1ビームスプリッタと、
位置検出器と、
再帰反射されたレーザビーム又はその一部を位置検出器に送る第2ビームスプリッタと、
を有するレーザ追尾システム。 - 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、上記パターン投射アセンブリが、
第2レーザビームを輻射する第2レーザ光源と、
その第2レーザビームを拡張するビームエクスパンダと、
拡張された第2レーザビームを上記二次元パターンへと整形する整形部材と、
を有するレーザ追尾システム。 - 請求項3記載のレーザ追尾システムであって、上記整形部材がアポダイザを有するレーザ追尾システム。
- 請求項4記載のレーザ追尾システムであって、上記アポダイザが、ガラス板とガラス板の間に光学セメントで装着された連続トーン膜透光器を有するレーザ追尾システム。
- 請求項3記載のレーザ追尾システムであって、上記整形部材が回折素子を有するレーザ追尾システム。
- 請求項3記載のレーザ追尾システムであって、上記整形部材が、複数個のレンズ、複数個のビームスプリッタ及び複数個のプリズムを有するレーザ追尾システム。
- 請求項3記載のレーザ追尾システムであって、上記二次元パターンが、複数本の縞を有するパターンを含むレーザ追尾システム。
- 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、
上記追尾ユニットが、スタンドに実装された方位軸アセンブリと、方位軸周りで回動させうるよう方位軸アセンブリに実装された天頂軸アセンブリと、天頂軸周りで回動させうるよう天頂軸アセンブリに実装された上記被支持アセンブリと、を有し、
上記方位軸アセンブリが、天頂軸アセンブリを方位軸周りで回動させる方位軸モータアセンブリと、天頂軸アセンブリの回動角を計測する方位軸エンコーダアセンブリと、を有し、
上記天頂軸アセンブリが、上記被支持アセンブリを天頂軸周りで回動させる天頂軸モータアセンブリと、当該被支持アセンブリの回動角を計測する天頂軸エンコーダアセンブリと、を有するレーザ追尾システム。 - 請求項9記載のレーザ追尾システムであって、上記追尾ユニットが、再帰反射されたレーザビームが所定位置から外れた位置でその位置検出器に入射したとき誤差信号を発生させる位置検出器を有し、上記第1レーザビームが上記再帰反射器の中央に入射するようその誤差信号に従い上記方位軸モータアセンブリ及び天頂軸モータアセンブリが上記被支持アセンブリを回動させるレーザ追尾システム。
- 請求項3記載のレーザ追尾システムであって、上記パターン投射アセンブリが、カメラ及び1個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを備え、そのカメラアセンブリが、当該パターン投射アセンブリの光軸上に存するレーザ追尾システム。
- 請求項3記載のレーザ追尾システムであって、上記パターン投射アセンブリが、めいめいにカメラ及び1個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを複数個備えるレーザ追尾システム。
- 請求項11記載のレーザ追尾システムであって、上記標的が位置決めスポットを有するレーザ追尾システム。
- 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、上記再帰反射器がキューブコーナ型再帰反射器であるレーザ追尾システム。
- 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、上記再帰反射器及び位置検出アセンブリが共通の構造材に堅固連結されたレーザ追尾システム。
- 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、上記標的がプローブを有するレーザ追尾システム。
- レーザビームを輻射するレーザ光源と、
そのレーザビームを拡張するビームエクスパンダと、
拡張されたレーザビームを二次元パターンへと整形する整形部材と、
を備え、六自由度計測用のレーザ追尾システムで使用されるパターン投射アセンブリ。 - 請求項17記載のパターン投射アセンブリであって、上記整形部材がアポダイザを有するパターン投射アセンブリ。
- 請求項18記載のパターン投射アセンブリであって、上記アポダイザが、ガラス板とガラス板の間に光学セメントで装着された連続トーン膜透光器を有するパターン投射アセンブリ。
- 請求項17記載のパターン投射アセンブリであって、上記整形部材が回折素子を有するパターン投射アセンブリ。
- 請求項17記載のパターン投射アセンブリであって、上記整形部材が、複数個のレンズ、複数個のビームスプリッタ及び複数個のプリズムを有するパターン投射アセンブリ。
- 請求項17記載のパターン投射アセンブリであって、上記二次元パターンが、複数本の縞を有するパターンを含むパターン投射アセンブリ。
- 請求項17記載のパターン投射アセンブリであって、カメラ及び1個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを備え、そのカメラアセンブリが、本パターン投射アセンブリの光軸上に存するパターン投射アセンブリ。
- 請求項17記載のパターン投射アセンブリであって、めいめいにカメラ及び1個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを複数個備えるパターン投射アセンブリ。
- 再帰反射器と、
その近傍に位置する位置検出アセンブリと、
を備え、その再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にあり、六自由度計測用のレーザ追尾システムと併用される標的。 - 請求項25記載の標的であって、位置決めスポットを備える標的。
- 請求項25記載の標的であって、上記再帰反射器がキューブコーナ型再帰反射器である標的。
- 請求項25記載の標的であって、上記再帰反射器及び位置検出アセンブリが共通の構造材に堅固連結された標的。
- 請求項25記載の標的であって、プローブを備える標的。
- 再帰反射器及びその近傍に位置する位置検出アセンブリを有し且つその再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にある標的を準備するステップと、
二次元パターンを呈するようレーザビームをその標的に入射させるステップと、
位置検出アセンブリ上における二次元パターンの位置を調べそのパターンの向きを示すシグネチャ値を計測するステップと、
得られた実測シグネチャ値を理論シグネチャ値と繰返し比較するステップと、
実測シグネチャ値と理論シグネチャ値との差が収束条件を満たしたときにその実測シグネチャ値に基づき標的の向きを算出するステップと、
を実行して標的の向きを計測する方法。 - 請求項30記載の方法であって、
上記二次元パターンとして、中央の点から放射状に延びる複数本の縞を有するパターンを発生させ、
上記位置検出アセンブリとして、リニアな位置検出素子又は感光アレイを複数個有するものを使用する方法。 - 請求項31記載の方法であって、
上記複数個の位置検出素子又は感光アレイが複数個の画素を有し、
二次元パターンの位置を調べるステップが、
複数個一組の画素それぞれにつきその画素値を繰返し収集して平均化することで複数個一組の画素サンプル蓄積値を生成するステップと、
その画素サンプル蓄積値をフィルタリングするステップと、
当該画素サンプル蓄積値を間引くステップと、
隣接画素間の導関数値を算出するステップと、
その導関数値におけるゼロクロスを検出することで極大点及び極小点の候補を識別するステップと、
所定のしきい値より小規模な候補を検討対象外とするステップと、
残った候補の付近にあるデータポイント群に放物線を当て嵌めるステップと、
を含む方法。 - 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、上記位置検出アセンブリが、
位置検出素子又は感光アレイと、
その上に存する光学フィルタと、
を有するレーザ追尾システム。 - 請求項33記載のレーザ追尾システムであって、上記位置検出アセンブリが、位置検出素子又は感光アレイを複数個有するレーザ追尾システム。
- 請求項33記載のレーザ追尾システムであって、上記感光アレイたるCCD又はCMOSアレイを備えるレーザ追尾システム。
- 請求項34記載のレーザ追尾システムであって、上記位置検出素子又は感光アレイたるリニアアレイを複数個備えるレーザ追尾システム。
- 請求項33記載のレーザ追尾システムであって、上記光学フィルタが光学帯域通過フィルタ及び中性濃度フィルタを有するレーザ追尾システム。
- 請求項25記載の標的であって、上記位置検出アセンブリが、
位置検出素子又は感光アレイと、
その上に存する光学フィルタと、
を有する標的。 - 請求項38記載の標的であって、上記位置検出アセンブリが、位置検出素子又は感光アレイを複数個有する標的。
- 請求項38記載の標的であって、上記感光アレイたるCCD又はCMOSアレイを備える標的。
- 請求項39記載の標的であって、上記位置検出素子又は感光アレイたるリニアアレイを複数個備える標的。
- 請求項38記載の標的であって、上記光学フィルタが光学帯域通過フィルタ及び中性濃度フィルタを有する標的。
- 請求項1記載のレーザ追尾システムであって、
上記位置検出アセンブリ上における上記二次元パターンの位置を調べそのパターンの向きを示すシグネチャ値を計測するステップと、
得られた実測シグネチャ値を理論シグネチャ値と繰返し比較するステップと、
実測シグネチャ値と理論シグネチャ値との差が収束条件を満たしたときにその実測シグネチャ値に基づき上記標的の向きを算出するステップと、
を実行する電子回路を備えるレーザ追尾システム。 - 請求項43記載のレーザ追尾システムであって、
上記二次元パターンが、中央の点から放射状に延びる複数本の縞を有するパターンであり、
上記位置検出アセンブリが、リニアな位置検出素子又は感光アレイを複数個有するレーザ追尾システム。 - 請求項44記載のレーザ追尾システムであって、
上記複数個の位置検出素子又は感光アレイが複数個の画素を有し、
上記電子回路が、
複数個一組の画素それぞれにつきその画素値を繰返し収集して平均化することで複数個一組の画素サンプル蓄積値を生成するステップと、
その画素サンプル蓄積値をフィルタリングするステップと、
当該画素サンプル蓄積値を間引くステップと、
隣接画素間の導関数値を算出するステップと、
その導関数値におけるゼロクロスを検出することで極大点及び極小点の候補を識別するステップと、
所定のしきい値より小規模な候補を検討対象外とするステップと、
残った候補の付近にあるデータポイント群に放物線を当て嵌めるステップと、
を実行するレーザ追尾システム。 - 少なくとも一軸周りで回動可能な被支持アセンブリを有する追尾ユニットを備え、
その被支持アセンブリが、
第1レーザビームを輻射する主光学アセンブリと、
それぞれカメラ及び1個又は複数個の発光ダイオードを有する複数個のカメラアセンブリと、
を有するレーザ追尾システム。 - 請求項46記載のレーザ追尾システムであって、都合複数個備わるカメラの配置が、上記被支持アセンブリの光軸周りで対称であるレーザ追尾システム。
- 請求項46記載のレーザ追尾システムであって、都合複数個備わるカメラの位置が、上記被支持アセンブリの出射窓付近であるレーザ追尾システム。
- 請求項46記載のレーザ追尾システムであって、
再帰反射器を有する標的を備え、
都合複数個備わるカメラを用いその標的を立体視して標的に対する距離及び角度を推定するレーザ追尾システム。
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