JP2013534636A - 発光器改良型レーザトラッカ - Google Patents

Abstract

座標計測装置であって、第１及び第２角度計測装置、距離計、位置検出器、第１及び第２発光部群並びにプロセッサを備える。第１軸周りでは可回動で第２軸に対しては固定の第１発光部群は、可視スペクトル域に属する複数通りの色から選定された色の第１光を放つよう構成される一方、第２軸上にあり本座標計測装置から見て互いに逆側に位置する装置外第１及び第２ポイントからその第１光が見えるよう構成する。第１軸及び第２軸周りで可回動な第２発光部群は、可視スペクトル域に属する複数通りの色から選定された色の第２光を放つよう構成する。プロセッサは、第１及び第２発光部群をあるパターンに従い発光させる。

Description

本願は、２０１２年１月３０日付米国暫定特許出願第６１／５９２０４９号、２０１１年４月１５日付米国暫定特許出願第６１／４７５７０３号、並びに２０１２年２月２１日付米国意匠特許出願第２９／４１３８１１号に基づく利益を享受する出願である。この参照を以て各出願の全内容を本願に繰り入れることにする。

本発明は、注目点に向けてレーザビームを輻射しその点の三次元（３Ｄ）座標値を計測する座標計測装置及びそれに類する機器に関する。例えば、ジンバル式ビームステアリング機構を用いビーム方向を制御しつつ注目点又はそこに接触させてある再帰反射ターゲットにレーザビームを入射させ、絶対距離計（ＡＤＭ）、干渉計（ＩＦＭ）等の距離計測装置でその点までの距離を、また角度エンコーダ等の角度計測装置でその点に対する二種類の角度を計測し、それら距離計測及び角度計測の結果に基づき注目点の座標を求める機器である。

レーザトラッカは、１本又は複数本のレーザビームを輻射しそのビームで再帰反射ターゲットを追尾するタイプの座標計測装置である。これに類する座標計測装置にはレーザスキャナやトータルステーションがある。レーザスキャナは１本又は複数本のレーザビームを物体の表面に向けて出射しそこでの散乱光を捉える装置であり、その光に基づきその面上の各点までの距離及びその点に対する二種類の角度を求める。トータルステーションは測量等で広く使用されている装置であり、拡散反射ターゲットや再帰反射ターゲットの座標計測に使用される。以下、レーザスキャナやトータルステーションを包含する広い意味で「レーザトラッカ」の語を使用することにする。

通常、レーザトラッカに発するレーザビームの輻射先は再帰反射ターゲット、例えば金属球にキューブコーナリフレクタを組み込んだ構成の球体実装再帰反射器（ＳＭＲ）である。これは、相直交する３枚のミラーで構成されるキューブコーナリフレクタを、その頂点即ちミラー同士の交点が中心に来るよう金属球内に配置したものである。球内ミラー配置がそうした配置であるので、キューブコーナ頂点からＳＭＲの当接先面へと下ろした垂線の長さはＳＭＲが転がっても変わらない。従って、その面に倣いＳＭＲを移動させつつレーザトラッカでそのＳＭＲの位置を追跡することで、面上にある各点の３Ｄ座標を計測することができる。言い換えれば、レーザトラッカでは、輻射方向沿い距離に関する１自由度及び角度に関する２自由度を併せ３自由度のみの計測で、面上にある各点の３Ｄ座標が全て特定される。

レーザトラッカのなかには、ＩＦＭを使用するがＡＤＭを使用しないタイプのものがある。この種のトラッカでは、自トラッカ発レーザビームの光路が何らかの物体で遮蔽されるとＩＦＭが距離基準を逸する。この場合、オペレータが再帰反射ターゲットを既知位置に移動させ距離を基準距離にリセットしてからでないと計測を続けることができない。この問題を回避するにはレーザトラッカ内にＡＤＭを設ければよい。後に詳示するように、ＡＤＭなら距離をポイント＆シュート形式で計測することができる。ＡＤＭを使用するがＩＦＭを使用しないタイプのレーザトラッカもある。特許文献１（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ ｅｔ ａｌ．；この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）に記載のレーザトラッカではＩＦＭが使用されておらず、移動ターゲットの詳細スキャンが可能なＡＤＭが使用されている。特許文献１に先立つ技術では、ＡＤＭが低速すぎて移動ターゲットの詳細位置計測を実行することができない。

レーザトラッカにジンバル機構を設けるのは、自トラッカ発のレーザビームをＳＭＲ等に指向させるためである。即ち、ＳＭＲからレーザトラッカへと遡行した光のうち一部を位置検出器で捉え、位置検出器に対するその光の入射位置に基づきレーザトラッカ内制御システムを作動させ、自トラッカ内機械軸の回動角を然るべく調整することで、レーザビームをそのＳＭＲに指向させ続けることができる。ひいては、注目物体の表面沿いに移動するＳＭＲを追尾乃至追跡することができる。更に、これ以外の目的でレーザトラッカにジンバル機構を設けることもできる。例えば、可視ビームポインタを備えるが距離計を欠く形態のレーザトラッカであれば、向かう先の再帰反射ターゲットが次から次へと移り変わるように光ビームをステアリングし、個々のターゲットに対する角度を計測することができるよう、ジンバル式ステアリング装置を設けることができる。

レーザトラッカの機械軸には角度エンコーダ等の角度計測装置が装着される。レーザトラッカでは、距離計測値を一通り、角度計測値を二通り得てＳＭＲの３Ｄ位置を完全に特定することが可能である。

そうした通常の３自由度計測用レーザトラッカと違い、６自由度計測向けに開発、提案されたレーザトラッカもある。例えば、特許文献２（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ ｅｔ ａｌ；この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）や特許文献３（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ ｅｔ ａｌ；この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）に記載の６自由度システムである。

米国特許第７３５２４４６号明細書 米国特許第７８００７５８号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１２８２５９号明細書 米国特許第７７０１５５９号明細書

ここに、従来のレーザトラッカでは、対オペレータ通知用の発光部として発光ダイオード（ＬＥＤ）を設け、計測が実行されているときや無効になっているときにそのことを示す情報を伝えるようにしていた。しかしながら、こうした構成では、そのＬＥＤをレーザトラッカの正面以外から視認するのが難しい。従って、レーザトラッカ用発光システムの改善が必要である。

本発明の一実施形態は、離れた空間位置にある再帰反射ターゲットによってその一部が第２光ビームとして反射されるよう、当該再帰反射ターゲットへと第１光ビームを差し向ける座標計測装置である。本装置は、まず、第１モータが第１軸周りで第１回動角に亘り回動させる一方、第２モータが第２軸周りで第２回動角に亘り回動させる、という協働を通じ第１光ビームの方向を定める第１モータ及び第２モータを備える。本装置は、また、第１回動角を計測する第１角度計測装置及び第２回動角を計測する第２角度計測装置と、第２光ビームのうち第１部分を第１光検波器で受光し、その結果を全面的に又は部分的に利用しつつ、本装置から再帰反射ターゲットまでの距離即ち第１距離を計測する距離計と、第２光ビームのうち第２部分を受光し、その入射位置に基づき第１信号を生成する位置検出器と、を備える。本装置は、更に、少なくとも第１信号に基づき第２及び第３信号を生成し、第２信号を第１モータ、第３信号を第２モータに供給することで、再帰反射ターゲットの空間位置に従い第１光ビームの方向を調整する制御システムと、可視スペクトル域に属する複数通りの色から選定された色の第１光を放つよう構成される一方、第２軸上にあり本座標計測装置から見て互いに逆側に位置する装置外第１及び第２ポイントからその第１光が見えるよう構成されており、第１軸周りでは可回動で第２軸に対しては固定の第１発光部群と、可視スペクトル域に属する複数通りの色から選定された色の第２光を放つよう構成されており、第１軸及び第２軸周りで可回動な第２発光部群と、第１距離、第１回動角及び第２回動角に全面的に又は部分的に依拠しつつ再帰反射ターゲットの３Ｄ座標を求める一方、第１及び第２発光部群をあるパターンに従い発光させるプロセッサと、を備える。

本発明の一実施形態に係るレーザトラッカシステム及び再帰反射ターゲットを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るレーザトラッカシステム及び６自由度ターゲットを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るレーザトラッカの光学的・電子的構成諸部材を示すブロック図である。 従来の無限焦点型ビームエクスパンダを示す図である。 その別例を示す図である。 従来の光ファイバ式ビームランチャを示す図である。 従来の位置検出器を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 本発明の一実施形態における位置検出器の構成を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 従来型ＡＤＭの電子的・光電的構成諸部材を示すブロック図である。 従来型光ファイバ網を構成する光ファイバ利用諸部材を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 本発明の一実施形態にて光ファイバ網を構成する光ファイバ利用諸部材を示す模式図である。 従来型のレーザトラッカを示す分解図である。 従来型のレーザトラッカを示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るレーザトラッカの情報処理・通信関連諸部材を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る単一波長使用型レーザトラッカの構成を示すブロック図である。 その別例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る６自由度計測型レーザトラッカの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係り有用な諸特徴を備えるレーザトラッカの構成を示す前面図である。 その斜視図である。 同じくその斜視図である。

以下、別紙図面を参照しつつ諸実施形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲がそれを以て限定されるものではない。図中、同様の部材には同様の参照符号を付してある。

図１にレーザトラッカシステムの一例５を示す。このシステム５はレーザトラッカ１０、再帰反射ターゲット２６、補助ユニットプロセッサ５０（省略可）及び補助コンピュータ６０（省略可）を備えている。トラッカ１０はジンバル式ビームステアリング機構１２を備えているので、アジマスベース１６上のゼニスキャリッジ１４をアジマス軸２０周りで回動させると共に、ゼニスキャリッジ１４上のペイロード１５をゼニス軸１８周りで回動させることができる。その軸１８，２０はトラッカ１０内で相直交しており、その交点即ちジンバル点２２が通例に倣い距離計測の原点とされている。レーザビーム４６を仮想的に引き延ばした線が点２２を通りゼニス軸１８に直交するので、レーザビーム４６は軸１８，２０双方に対し平行なあらゆる面にほぼ直交することとなる。ビーム４６の出射方向は、ペイロード１５のゼニス軸１８周り回動及びゼニスキャリッジ１４のアジマス軸２０周り回動によって制御される。トラッカ１０内ではゼニス軸１８沿いに延びるゼニス機械軸に軸１８用の角度エンコーダ、アジマス軸２０沿いに延びるアジマス機械軸に軸２０用の角度エンコーダが装着されているので、それらの角度エンコーダで軸１８，２０周り回動角を高精度検出することができる。出射されたビーム４６は再帰反射ターゲット２６、例えば前掲のＳＭＲへと伝搬していく。点２２・ターゲット２６間輻射方向距離、ゼニス軸１８周り回動角及びアジマス軸２０周り回動角を計測することで、トラッカ側球座標系によるターゲット２６の位置が求まる。

出射されるレーザビーム４６は、後述の通り、一通り又は複数通りの波長成分を含んでいる。以下の説明ではそのステアリング機構として図１に示したものを想定するが、これは簡明化のためであり、他種ステアリング機構を使用することもできる。例えば、アジマス軸及びゼニス軸周りで可回動なミラーを用いレーザビームを反射させるタイプの機構を使用してもよい。本願記載の技術は、ステアリング機構のタイプ如何によらず適用することができる。

レーザトラッカ上に設けられている磁気ネスト１７は、そのトラッカをホームポジションに従いリセットすることができるよう、ＳＭＲのサイズ、例えば１．５インチ、７／８インチ、１／２インチ等のサイズ毎に設けられている（１インチ＝約０．０２５ｍ）。オントラッカ再帰反射器１９はトラッカを基準距離にリセットするためのものである。そして、図１では隠れているが、オントラッカミラーをオントラッカ再帰反射器と併用することで、特許文献１（この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）記載の自己補償を実行することができる。

図２に別例に係るレーザトラッカシステム７を示す。このシステム７は図１に示したレーザトラッカシステム５に似ているが、再帰反射ターゲット２６が６自由度プローブ１０００に置き換わっている点で異なっている。図１の構成では、これら以外にも様々な種類の再帰反射ターゲットを使用可能である。例えば、そのガラス構造の後部反射面上に光が合焦して小さな光スポットが生じるようガラスで形成されたキャッツアイ再帰反射器である。

図３に、レーザトラッカを構成する光学的・電気的諸部材のブロック配置を示す。これは、ＡＤＭ用の第１波長と可視ポインタ用及び追尾用の第２波長とで輻射する二波長光輻射型レーザトラッカでの例である。可視ポインタは、トラッカ発レーザビームで形成されるスポットの位置をユーザに知らせるためのものであり、ＡＤＭ用波長の光と自由空間型のビームスプリッタにて結合される。光電システム１００を形成しているのは可視光源１１０、アイソレータ１１５、第１ファイバランチャ１７０（省略可）、ＩＦＭ１２０（省略可）、ビームエクスパンダ１４０、第１ビームスプリッタ１４５、位置検出器１５０、第２ビームスプリッタ１５５、ＡＤＭ１６０及び第２ファイバランチャ１７０の諸部材である。

可視光源１１０は発光デバイス、例えばレーザや高輝度ＬＥＤ等である。アイソレータ１１５は光源１１０に向かう遡行光を抑えることが可能なデバイス、例えばファラデーアイソレータや減衰器である。ＩＦＭ１２０は様々な形態で実現可能だが、この例ではビームスプリッタ１２２、再帰反射器１２６、１／４波長板１２４，１３０及び位相分析器１２８でＩＦＭ１２０が構成されている。光源１１０からの輻射光は自由空間を伝搬し、アイソレータ１１５内自由空間を通り、そしてこのＩＦＭ１２０を通過する。図５を参照して後述するように、光源１１０・アイソレータ１１５間を光ファイバケーブルで結合させ、アイソレータ１１５からの出射光が第１ファイバランチャ１７０から自由空間へと出射されるようにしてもよい。

ビームエクスパンダ１４０は様々なレンズ配置に従い実現可能である。図４Ａ及び図４Ｂに、従来から広く用いられている配置の例を２個示す。図４Ａに示す例１４０Ａでは負レンズ１４１Ａ及び正レンズ１４２Ａが使用されており、負レンズ１４１Ａに入射した平行光ビーム２２０Ａがより太い平行光ビーム２３０Ａとなって正レンズ１４２Ａから出射される。図４Ｂに示す例１４０Ｂでは２個の正レンズ１４１Ｂ，１４２Ｂが使用されており、第１正レンズ１４１Ｂに入射した平行光ビーム２２０Ｂがより太い平行光ビーム２３０Ｂとなって第２正レンズ１４２Ｂから出射される。ビームエクスパンダ１４０から出射された光は、レーザトラッカ外に向かう途上のビームスプリッタ１４５，１５５で反射され損失になる少量の部分を除き、ビームスプリッタ１５５を透過してＡＤＭ１６０からの出射光と結合し、合成光ビーム１８８となってトラッカを離れ再帰反射ターゲット９０へと進んでいく。

この例では、そのＡＤＭ１６０が、光源１６２、ＡＤＭ用電子回路１６４、ファイバ網１６６、相互接続用電気ケーブル１６５及び相互接続用光ファイバ１６８，１６９，１８４，１８６を備えている。電子回路１６４は、光源１６２例えば波長＝約１５５０ｎｍで発振する分布帰還レーザに対し、電気的変調電圧及びバイアス電圧を供給する。ファイバ網１６６は例えば図８Ａに示す従来型のファイバ網４２０Ａである。図３で光源１６２発の光が入射しているファイバ１８４は、図８Ａでは光ファイバ４３２として表されている。

図８Ａに示したファイバ網は、第１ファイバカプラ４３０、第２ファイバカプラ４３６及び低反射率ファイバ終端器４３５，４４０を備えている。第１ファイバカプラ４３０通過後の光路は二分岐しており、一方は光ファイバ４３３を通り第２ファイバカプラ４３６、他方は光ファイバ４２２を通りファイバ長等化器４２３に至っている。等化器４２３は、図３中の光ファイバ１６８を介しＡＤＭ用電子回路１６４の基準チャネルにつながっている。等化器４２３の役目は、基準チャネル側光ファイバ長に計測チャネル側光ファイバ長を整合させ、ＡＤＭ誤差のうち周囲温度変化によるものを減らすことである。そうした誤差を減らせるのは、光ファイバの有効光路長がその光ファイバの平均屈折率と長さの積に等しいことでその誤差が生じているからである。光ファイバの屈折率はそのファイバの温度に依存するので、ファイバ温度が変化すると計測，基準各チャネル側光ファイバの有効光路長が変化する。計測チャネル側光ファイバ・基準チャネル側光ファイバ間で有効光路長の変化に違いがあると、再帰反射ターゲット９０が一定位置を保っていたとしても、そのターゲット９０の位置が見かけ上シフトしてしまうことがある。ファイバ長整合はこの問題を回避するための策であり、基準チャネル側光ファイバ長に計測チャネル側光ファイバ長をできるだけ整合させる段階と、計測チャネル側光ファイバと基準チャネル側光ファイバがほぼ同じ温度変化に遭遇するよう両者をできるだけ横並びに配置させる段階とを含んでいる。

第２ファイバカプラ４３６通過後の光路は二分岐しており、一方は低反射率ファイバ終端器４４０に、他方は光ファイバ４３８に至っている。この図では図３中の光ファイバ１８６がファイバ４３８として表されており、そこに入射した光は第２ファイバランチャ１７０へと伝搬される。

ファイバランチャ１７０は例えば図５に示す従来型の構成である。図５の構成では、図３中の光ファイバ１８６から光ファイバ１７２に光が入射する。ファイバ１７２はフェラル１７４及びレンズ１７６と共にランチャ１７０を構成しており、その取付先であるフェラル１７４はレーザトラッカ１０内構造に安定に取り付けられている。ファイバ１７２の端部には、後方反射が少なくなるよう研磨で傾斜を付けるのが望ましい。ファイバ１７２は、その種類及び使用する光の波長に応じた直径、例えば４〜１２μｍの範囲内の直径を有する単一モード光ファイバであり、そのコアからは光２５０が出射される。その光２５０は相応の角度に亘り拡散した後レンズ１７６に入射し平行光化される。特許文献２の図３に記載の通り、このような手法でＡＤＭ側光ファイバ１本に光信号を入出射させることができる。

図３中の第２ビームスプリッタ１５５はダイクロイックビームスプリッタであり、その反射波長と透過波長が異なっている。そのため、ＡＤＭ１６０からの光はビームスプリッタ１５５で反射され、可視光源１１０からビームスプリッタ１５５へと伝搬してきた光と結合される。その合成光ビーム１８８はレーザトラッカ外の再帰反射ターゲット９０まで第１光ビームとして伝搬される。ターゲット９０ではそのビーム１８８の一部が第２光ビームとして反射される。第２光ビームとして反射される部分はＡＤＭ出射光と同波長であるので、ビームスプリッタ１５５で反射され第２ファイバランチャ１７０経由で光ファイバ１８６に入射していく。

この例では、その光ファイバ１８６が図８Ａ中の光ファイバ４３８に対応している。遡行光がファイバ４３８及び第２ファイバカプラ４３６を通過した後に辿る光路は二分岐しており、一方は光ファイバ４２４即ち光ファイバ１６９を経て図３に示すＡＤＭ用電子回路１６４の計測チャネル、他方は光ファイバ４３３を経て第１ファイバカプラ４３０に至っている。第１ファイバカプラ４３０通過後の光路は二分岐しており、一方は光ファイバ４３２、他方は低反射率ファイバ終端器４３５に至っている。この例ではファイバ４３２が光ファイバ１８４に対応しており、それは図３中の光源１６２に至っている。その光源１６２には、原則として、ファイバ４３２から光源１６２への入射光量を抑えるビルトイン式のファラデーアイソレータを組み込んでおく。光路を遡行した不要光が入射するとレーザ等では不安定化が生じかねないからである。

ファイバ網１６６からの出射光は光ファイバ１６８，１６９経由でＡＤＭ用電子回路１６４に入射する。図７に従来技術に係るＡＤＭ用電子回路の一例を示す。この図では、図３中のファイバ１６９が光ファイバ３２３０、図３中のファイバ１６８が光ファイバ３２３２として表されている。図中のＡＤＭ用電子回路３３００は基準周波数発振器３３０２、シンセサイザ３３０４、計測用検波器３３０６、基準用検波器３３０８、計測用ミキサ３３１０、基準用ミキサ３３１２、調整用電子回路３３１４，３３１６，３３１８，３３２０、Ｎ分周器３３２４及びアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）３３２２を備えている。発振器３３０２例えば恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）は、基準周波数ｆＲＥＦ例えば１０ＭＨｚの信号をシンセサイザ３３０４に供給する。シンセサイザ３３０４は周波数ｆＲＦの電気信号及び周波数ｆＬＯの電気信号を発生させ、周波数ｆＲＦの電気信号を図３中の光源１６２に相当する光源３１０２に、また周波数ｆＬＯの電気信号を二経路でミキサ３３１０，３３１２に供給する。検波器３３０６，３３０８は、ファイバ３２３０，３２３２即ち図３中のファイバ１６９，１６８経由で計測，基準チャネルに入射した光信号を電気信号に変換する（符号同順）。電子回路３３１４，３３１６は、その信号に調整を施し対応するミキサ３３１０，３３１２に供給する。ミキサ３３１０，３３１２は、ｆＬＯ−ｆＲＦの絶対値に等しい周波数ｆＩＦを有する信号を発生させる。ｆＲＦは比較的高い周波数例えば２ＧＨｚであり、ｆＩＦは比較的低い周波数例えば１０ｋＨｚである。

Ｎ分周器３３２４は、供給される基準周波数ｆＲＥＦの信号を整数値で分周する。例えば、周波数１０ＭＨｚの信号を４０分周して周波数２５０ｋＨｚの信号を出力する。その場合、その１０ｋＨｚ信号がＡＤＣ３３２２に供給され、レート２５０ｋＨｚにてサンプリングされる結果、１サイクル当たり２５個の標本値がもたらされる。それらの標本値はＡＤＣ３３２２からデータプロセッサ３４００に供給される。プロセッサ３４００としては、例えば、図３中のＡＤＭ用電子回路内に１個又は複数個のディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ユニットを設ける。

ＡＤＣ出力に基づく距離計算は、基準，計測各チャネルのＡＤＣ出力位相を求める手法で実行する。使用する手法は特許文献４（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ ｅｔ ａｌ．；この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）に詳示されている手法、使用する式は同文献中の式（１）〜（８）である。加えて、ＡＤＭによる再帰反射ターゲット計測の開始に当たっては、シンセサイザの発振周波数を何回かに亘り（例えば３回に亘り）変化させ、その周波数値毎にＡＤＭによる再帰反射ターゲット計測及び距離計算を実行し、別々の周波数下で求まった距離計算値同士を比較する。これは、ＡＤＭにおける距離計算の結果から曖昧さを除去するためである。特許文献４中の式（１）〜（８）を同文献の図５に記載の同期方法及び同文献に記載のカルマンフィルタリング法と併用することで、ＡＤＭで移動ターゲットを計測することが可能となる。なお、他の絶対距離計算手法、例えば位相差ではなくパルス飛行時間を用いる手法に従い絶対距離を求めることもできる。

ビームスプリッタ１５５は反射光ビーム１９０の一部を透過させてビームスプリッタ１４５に供給する。ビームスプリッタ１４５はそのビーム１９０の一部をビームエクスパンダ１４０に、他の一部を位置検出器１５０にそれぞれ供給する。レーザトラッカ１０又は光電システム１００からの出射光を第１光ビーム、再帰反射ターゲット９０又は２６における反射光を第２光ビームと呼ぶなら、システム１００を構成する諸機能部材に送られるのは第２光ビームの諸部分である。例えば、第１部分は距離計たる図３中のＡＤＭ１６０に、第２部分は検出器１５０に送られる。場合によっては、第３部分が他の機能ユニット例えばＩＦＭ１２０（省略可）に送られる。なお、図３に示す例では第２光ビームの第１，第２部分をビームスプリッタ１５５，１４５で反射させてＡＤＭ１６０，検出器１５０に供給しているけれども、反射ではなく透過させて供給する構成にすることも可能であるので、その点を理解されたい（符号同順）。

図６Ａ〜図６Ｄに、従来技術に係る位置検出器を４例１５０Ａ〜１５０Ｄに亘り示す。図６Ａに示したのは最も単純な構成であり、位置センサ１５１及びそれが載る回路基板１５２によって位置検出器が構成されている。基板１５２は、電子回路ボックス３５０から電力供給を受けそのボックス３５０に信号を返戻する。ボックス３５０は、レーザトラッカ１０、補助ユニットプロセッサ５０又は補助コンピュータ６０の随所に備わる電子的処理機能を一括して表したものである。図６Ｂでは、センサ１５１に到達しないよう光フィルタ１５４で不要波長光を阻止している。ビームスプリッタ１４５やセンサ１５１の表面を相応の膜で被覆すること等でも、不要波長光を阻止することができる。図６Ｃでは光ビーム径を抑えるレンズ１５３が使用されている。図６Ｄではフィルタ１５３及びレンズ１５３が併用されている。

図６Ｅに、調光器１４９Ｅを有する新規な位置検出器を示す。この調光器１４９Ｅは、レンズ１５３及び波長フィルタ１５４（省略可）を備えている。それに加え、散光器（群）１５６及び空間フィルタ１５７を設けたのは、前掲の通りキューブコーナ型の再帰反射ターゲットが広く使用されているためである。例えば、他の２枚に対し直交するよう３枚のミラーを相互に接合した構成を採るキューブコーナ型の再帰反射ターゲットでは、ミラー同士の接合線に若干であれ太さがあるので、そこからの光がレーザトラッカへと完全には反射され得ない。しかも、伝搬につれ回折が進むため、位置検出器上でそれらの線がもとのままの外観で現れることもない。しかし、回折光パターンが完全に対称なパターンになることもほとんどない。そのため、位置センサ１５１に入射する光によって、回折線の周辺に光パワー的な凹凸（ホットスポット）等が形成されることになる。ターゲット反射光の均質性が再帰反射ターゲット毎に異なりうることや、位置検出器上での光分布が再帰反射ターゲットの回動又は傾斜につれ変わりうることからすれば、センサ１５１への入射光が円滑化されるよう散光器１５６を設けるのが有益である。理想的な位置センサなら重心に対して応答するし、理想的な散光器ならスポットを対称的に拡散させるのであるから、位置センサでもたらされる位置に影響は及ばない、と考える向きもあるかもしれない。しかしながら、実際には、散光器を設けることで位置検出性能が向上する。これは、恐らく、センサ１５１及びレンズ１５３に非線形性（欠陥）があるためである。ガラスで形成されたキューブコーナ型の再帰反射ターゲットでも、不均一な光スポットがセンサ１５１上に生じることがある。位置センサ上での光スポットばらつきは、２０１２年２月１０日付米国特許出願第１３／３７０３３９号及び２０１２年２月２９日付米国特許出願第１３／４０７９８３号（いずれも譲受人は本願出願人；この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）から明瞭に読み取れるように、とりわけ６自由度ターゲットに組み込まれたキューブコーナからの遡行光で甚だしくなる。この例では、乱れがなく均質な光を特定の角度範囲に亘りもたらすホログラフィック散光器を散光器１５６として使用しているが、他種散光器、例えば研磨ガラス散光器乃至オパール散光器を用いることもできる。

位置検出器１５０Ｅに空間フィルタ１５７を設けたのは、光学面での不要反射等で生じるゴーストビームを阻止し、位置センサ１５１への入射を妨げるためである。このフィルタ１５７は開口を有するプレート状の構成であり、レンズの焦点距離とほぼ等しい距離だけレンズから離れた場所に配置されている。そのため、遡行光２４３Ｅは、自身が最も細くなっている部分即ちくびれ部分でフィルタ１５７を通過する。これとは別の角度で伝搬してきたビーム、例えば光学的構成部材による反射で生じたビームは、開口から離れた位置にてフィルタ１５７にぶつかりセンサ１５１には届かない。図６Ｅに例示するように、ビームスプリッタ１４５での表面反射を経た不要なゴーストビーム２４４Ｅは、行き着く先のフィルタ１５７で阻止される。フィルタ１５７がなければ、こうしたビーム２４４Ｅがセンサ１５１に入射し、センサ１５１に対する遡行光２４３Ｅの入射位置が不正確に判別されるであろう。ビーム２４４Ｅが弱いものであったとしても、主たる光スポットから比較的大きく離れた位置にそのビーム２４４Ｅが入射しているなら、センサ１５１上での重心の位置に顕著な変化を及ぼす可能性がある。

上掲の再帰反射ターゲット、例えばキューブコーナ型やキャッツアイ型のターゲットには、自身への入射光を入射方向に対し平行な方向に沿い反射する性質や、自身の対称中心を挟み光の入出射位置が対称になる性質がある。対称中心になるのは、例えば外気に対し開放しているキューブコーナ型再帰反射ターゲットではキューブコーナ頂点である。ガラス製のキューブコーナ型再帰反射ターゲットでもキューブコーナ頂点が対称中心になるが、ガラス・空気界面での光路屈曲の影響を受けることに注意が必要である。屈折率＝２．０のキャッツアイ型再帰反射ターゲットではその球の中心が対称中心となる。２個のガラス半球を同じ平面を挟み着座させたキャッツアイ型再帰反射ターゲットでは、その平面上にあり各半球の球面中心に位置する点が対称中心となる。要は、レーザトラッカでよく使用されるタイプの再帰反射ターゲットでは、入射したレーザビームがそのターゲットの頂点を挟み入射位置とは逆側の位置にて反射されトラッカへと遡行していく、ということである。

図３に示した再帰反射ターゲット９０におけるこうした挙動は、レーザトラッカ１０によるターゲット追尾の基本である。位置センサの表面上（通常は位置センサの中心付近）には理想追尾点、即ちターゲット９０の対称中心（ＳＭＲならキューブコーナ頂点）で反射されたレーザビームが遡行入射する点がある。ターゲット９０に対するレーザビームの入射位置が対称中心からずれている場合、そのビームは対称中心を挟み逆側の面で反射され、理想追尾点とは異なる位置で位置センサに入射する。位置センサ上での遡行ビーム入射位置を調べ、トラッカ１０内制御システムでモータを駆動することで、レーザビームの入射先をターゲット９０の対称中心に近づけることができる。

再帰反射ターゲットがトラッカに対し一定の速度で横断方向に移動している場合、そのターゲットに光ビームが入射する位置（過渡期後の収束位置）は、同ターゲットの対称中心から相応のオフセット距離だけずれた位置になる。レーザトラッカでは、精密な計測で求められているスケールファクタ、並びに位置センサにおける光ビーム入射位置から理想追尾点までの距離に基づき、再帰反射ターゲットでのオフセット距離を反映させるための補正を実行する。

上述のように、位置検出器には２個の重要な機能、即ち追尾を実現する機能並びに再帰反射ターゲットの移動が反映されるよう計測値を補正する機能がある。位置検出器内位置センサとしては、位置検知型検出器、感光アレイ等、位置計測が可能な諸種デバイスを使用できる。位置検知型検出器なら横効果検出器や象限検出器、感光アレイならＣＭＯＳアレイやＣＣＤアレイが望ましい。

この例では遡行光のうちビームスプリッタ１４５で反射されなかった部分がビームエクスパンダ１４０を通り小径化されているが、位置検出器とＩＦＭの位置関係を逆にし、ビームスプリッタ１４５で反射された光がＩＦＭ、ビームスプリッタ１４５を透過した光が位置検出器へと伝搬するようにしてもよい。

光は、続いて、ＩＦＭ及びアイソレータを通り可視光源１１０に達する。この段階では、そのパワーが、光源１１０が不安定化されない程に弱まっていなければならない。

この例では可視光源１１０からの輻射光が図５中のファイバランチャ１７０を介し発射されている。このランチャ１７０は、光源１１０の出射端に装着することも、アイソレータ１１５の光ファイバ出射端に装着することも可能である。

図３中のファイバ網１６６として、図８Ｂに示す従来型のファイバ網４２０Ｂを使用してもよい。この図では、図３中の光ファイバ１８４，１８６，１６８，１６９が光ファイバ４４３，４４４，４２２，４２４として表されている。図示のファイバ網４２０Ｂは図８Ａに示したそれに類似しているが、ファイバカプラが２個ではなく１個である点で相違している。図示の構成は図８Ａに示したファイバ網に比し単純な点で有利であるが、不要な後方反射光がファイバ４２２，４２４に入射しやすくなっている。

図３中のファイバ網１６６として、図８Ｃに示すファイバ網４２０Ｃを使用してもよい。この図では、図３中の光ファイバ１８４，１８６，１６８，１６９が光ファイバ４４７，４５５，４２２，４２４として表されている。また、ファイバ網４２０Ｃに備わるファイバカプラ４４５，４５１のうち第１ファイバカプラ４４５は入射ポートを２個、出射ポートを２個有する２×２カプラである。この種のカプラは、通常、２個のファイバコアを密接配置して熱しながら引き延ばすことで形成されるものであり、ファイバ間結合がエバネッセントであるので、隣り合うファイバ間で光を部分分岐させることができる。また、第２ファイバカプラ４５１はサーキュレータと呼ばれるタイプであり、所定方向に限り光を入出射可能なポートを３個有している。例えば、光ファイバ４４８からポート４５３への入射光は矢印に沿いポート４５４に到達して光ファイバ４５５上に出射される。同様に、ファイバ４５４からポート４５４への入射光は矢印に沿いポート４５６に到達して幾ばくかがファイバ４２４上に出射される。ポートが３個しか必要でない場合、２×２カプラに比べサーキュレータの方が光パワー損失が少ない点で有利だが、サーキュレータは２×２カプラに比べ高価であるし、サーキュレータで偏光モード分散が生じる点が問題になることもありうる。

図９及び図１０に、特許文献３（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ ｅｔ ａｌ．；この参照を以て本願に繰り入れる）の図２及び図３に示した従来技術に係るレーザトラッカ２１００の展開形状（図９）及び断面（図１０）を示す。そのアジマスアセンブリ２１１０にはポストハウジング２１１２、アジマスエンコーダアセンブリ２１２０、下部アジマスベアリング２１１４Ａ、上部アジマスベアリング２１１４Ｂ、アジマスモータアセンブリ２１２５、アジマススリップリングアセンブリ２１３０及びアジマス回路基板２１３５が備わっている。

アジマスエンコーダアセンブリ２１２０の役目は、ポストハウジング２１１２に対するヨークハウジング２１４２の回動角を正確に計測することである。このアセンブリ２１２０はエンコーダディスク２１２１及び読取ヘッドアセンブリ２１２２を備えており、前者はヨークハウジング２１４２のシャフト、後者はポストアセンブリ２１１０に取り付けられている。読取ヘッドアセンブリ２１２２の回路基板上には読取ヘッド（群）が固定されている。ディスク２１２１上には微細な格子線があり、読取ヘッドに発するレーザ光がその線によって反射されるので、読取ヘッド側の検波器でその反射光を捉え処理することで、読取ヘッド（固定）に対するディスク２１２１の回動角を計測することができる。

アジマスモータアセンブリ２１２５はアジマスモータロータ２１２６及びアジマスモータステータ２１２７を備えている。ロータ２１２６は永久磁石を備えており、その磁石はヨークハウジング２１４２のシャフトに直に装着されている。ステータ２１２７はポストアセンブリ２１１２に装着されており、所要磁界を発生させる界磁巻線を備えている。この磁界がロータ２１２６上の磁石に鎖交すると相応の回転運動が発生する。

アジマス回路基板２１３５は、アジマス関連部材例えばエンコーダやモータで必要とされる電気的諸機能を提供する基板（群）である。アジマススリップリングアセンブリ２１３０は外側パーツ２１３１及び内側パーツ２１３２で構成されている。この例ではワイヤ束２１３８が補助ユニットプロセッサ５０から延びており、トラッカへの電力供給、トラッカへの信号供給、トラッカからの信号返送等に使用されている。そのワイヤ束２１３８を構成するワイヤの一部は回路基板上のコネクタに達している。図１０に示す例では、ワイヤが基板２１３５、アジマス読取ヘッドアセンブリ２１２２及びアジマスモータアセンブリ２１２５へと配線されるほか、スリップリングアセンブリ２１３０の内側パーツ２１３２にも配線されている。内側パーツ２１３２がポストアセンブリ２１１２に装着され固定状態に保たれるのに対し、外側パーツ２１３１はゼニスアセンブリ２１４０に装着されており内側パーツ２１３２に対し回動する。スリップリングアセンブリ２１３０は、外側パーツ２１３１とそれに対し回動する内側パーツ２１３２との間に低インピーダンスな電気的接触が生じるように構成されている。

ゼニスアセンブリ２１４０はヨークハウジング２１４２、ゼニスエンコーダアセンブリ２１５０、左部ゼニスベアリング２１４４Ａ、右部ゼニスベアリング２１４４Ｂ、ゼニスモータアセンブリ２１５５、ゼニススリップリングアセンブリ２１６０及びゼニス回路基板２１６５を備えている。

ゼニスエンコーダアセンブリ２１５０の役目は、ヨークハウジング２１４２に対するペイロードフレーム２１７２の回動角を正確に計測することである。このアセンブリ２１５０はゼニスエンコーダディスク２１５１及びゼニス読取ヘッドアセンブリ２１５２を備えており、前者はペイロードフレーム２１７２、後者はヨークハウジング２１４２に取り付けられている。ゼニス読取ヘッドアセンブリ２１５２の回路基板上には読取ヘッド（群）が固定されている。ディスク２１５１上には微細な格子線があり、読取ヘッドに発するレーザ光がその線によって反射されるので、読取ヘッド側の検波器でその反射光を捉え処理することで、読取ヘッド（固定）に対するディスク２１５１の回動角を計測することができる。

ゼニスモータアセンブリ２１５５はゼニスモータロータ２１５６及びゼニスモータステータ２１５７を備えている。ロータ２１５６は永久磁石を備えており、その磁石はペイロードフレーム２１７２のシャフトに直に装着されている。ステータ２１５７はヨークハウジング２１４２に装着されており、所要磁界を発生させる界磁巻線を備えている。この磁界がロータ２１５６上の磁石に鎖交すると相応の回転運動が発生する。

ゼニス回路基板２１６５は、ゼニス関連部材例えばエンコーダやモータで必要とされる電気的諸機能を提供する基板（群）である。ゼニススリップリングアセンブリ２１６０は外側パーツ２１６１及び内側パーツ２１６２で構成されている。ワイヤ束２１６８はアジマススリップリングアセンブリの外側パーツ２１３１から延び、電力搬送や信号伝搬に使用されている。ワイヤ束２１６８を構成するワイヤのなかには回路基板へと配線されるものがある。図１０に示す例ではワイヤがゼニス回路基板２１６５、ゼニスモータアセンブリ２１５０及びゼニス読取ヘッドアセンブリ２１５２へと配線されるほか、スリップリングアセンブリ２１６０の内側パーツ２１６２にも配線されている。内側パーツ２１６２がヨークハウジング２１４２に装着されアジマス軸周りでのみ回動する（ゼニス軸周りでは回動しない）のに対し、外側パーツ２１６１はペイロードフレーム２１７２に装着されアジマス，ゼニス各軸周りで回動する。スリップリングアセンブリ２１６０は、外側パーツ２１６１とそれに対し回動する内側パーツ２１６２との間に低インピーダンスな電気的接触が生じるように構成されている。ペイロードアセンブリ２１７０は主光学アセンブリ２１８０及び副光学アセンブリ２１９０を備えている。

図１１に次元計測用電子処理システムの一例１５００を示す。このシステム１５００はレーザトラッカ用電子処理システム１５１０、周辺部材１５８２，１５８４，１５８６用の処理システム、並びにコンピュータ１５９０を備え、ネットワーク構成部材１６００のクラウドに接続されている。この例ではレーザトラッカ用電子処理システム１５１０にマスタプロセッサ１５２０、ペイロード機能用電子回路１５３０、アジマスエンコーダ用電子回路１５４０、ゼニスエンコーダ用電子回路１５５０、表示兼ユーザインタフェース（ＵＩ）用電子回路１５６０、リムーバブルストレージ装置１５６５、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）用電子回路及びアンテナ１５７２等が設けられている。ペイロード機能用電子回路１５３０には複数個のサブ機能が備わっており、そのなかには６自由度用電子回路１５３１、カメラ用電子回路１５３２、ＡＤＭ用電子回路１５３３、位置検出器（ＰＳＤ）用電子回路１５３４及び傾斜計用電子回路１５３５が含まれている。これらサブ機能の大半は１個又は複数個のプロセッサユニット、例えばＤＳＰやフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）で構成できる。図中で電子回路１５３０，１５４０，１５５０が別体に描かれているのはそのレーザトラッカ内位置が異なるためである。即ち、ペイロード機能用電子回路１５３０が図９及び図１０中のペイロードアセンブリ２１７０内にあるのに対し、アジマスエンコーダ用電子回路１５４０はアジマスアセンブリ２１１０内、ゼニスエンコーダ用電子回路１５５０はゼニスアセンブリ２１４０内にある。

周辺部材としては様々なデバイスを使用可能であるが、ここでは温度センサ１５８２、６自由度プローブ１５８４及びスマートフォン等の携帯情報端末（ＰＤＡ）１５８６という三種類の部材が例示されている。レーザトラッカ・周辺部材間の連携は様々な手段、例えばアンテナ１５７２経由無線通信、カメラ等の視覚システムの働き、並びに６自由度プローブ１５８６その他の協調性ターゲットに関するレーザトラッカでの距離，角度計測を通じて行われる。周辺部材内にプロセッサを設けることもできる。６自由度プローブシステム、６自由度スキャナ、６自由度プロジェクタ、６自由度センサ、６自由度インジケータ等の６自由度アクセサリを使用することもできる。そうした６自由度アクセサリ内にプロセッサを設け、レーザトラッカ内処理装置、外部コンピュータ、クラウド内処理リソースと連携させることもできる。総じて、レーザトラッカや計測装置では、外部コンピュータやクラウド構成装置をそのプロセッサとして使用することができる。

この例ではマスタプロセッサ１５２０から個別の電子回路１５３０，１５４０，１５５０，１５６０，１５６５，１５７０へと個別に通信バスが延びている。各バスは、例えば、データライン、クロックライン及びフレームラインなる３組のシリアルラインを有している。フレームラインは電子回路にクロックラインの参照を促すラインであり、このライン経由でクロックライン参照が指示されている間、電子回路は、対応するデータライン上の最新情報をクロック信号毎に読み取る。そのクロック信号としてはクロックパルスの立ち上がりエッジ等が使用される。データライン上の情報は、この例では、それぞれ「アドレス」、「数値」、「データメッセージ」及び「チェックサム」を含むパケットの形態を採っている。「アドレス」は対応する電子回路内のどこにデータメッセージを送るべきかを表している。送られる場所の例としては、その電子回路内のプロセッサ上で稼働するサブルーチン等がある。「数値」は対応するデータメッセージの長さ、「データメッセージ」はその電子回路で実行すべき指令又はデータを表すものである。「チェックサム」は対応する通信ラインでの伝送が原因でエラーが生じる確率を抑えるのに使用される。

図示例のマスタプロセッサ１５２０は諸情報パケットをバス１６１０を介しペイロード機能用電子回路１５３０に、バス１６１１を介しアジマスエンコーダ用電子回路１５４０に、バス１６１２を介しゼニスエンコーダ用電子回路１５５０に、バス１６１３を介し表示兼ＵＩ用電子回路１５６０に、バス１６１４を介しリムーバブルストレージ装置１５６５に、またバス１６１６を介しＲＦＩＤ兼無線用電子回路１５７０に送信する。

この例では、マスタプロセッサ１５２０が、更に、各電子回路に同期バス１６３０経由で同期パルスを同時供給し、その同期パルスに従いレーザトラッカ内計測機能間で計測動作を同期させる。例えば、アジマスエンコーダ用電子回路１５４０やゼニスエンコーダ用電子回路１５５０は、同期パルスを受信するとすぐさま対応するエンコーダの出力をラッチする。同様に、ペイロード機能用電子回路１５３０は、そのペイロードに備わる機能によって収集されたデータをラッチする。６自由度用、ＡＤＭ用及びＰＳＤ用の各電子回路は同期パルス受領に応じデータをラッチする。多くの場合、カメラ用や傾斜計用の電子回路は同期パルスより低い速度（但し同期パルスに比し周期が数倍程度の速度）でデータをラッチする。

アジマスエンコーダ用電子回路１５４０、ゼニスエンコーダ用電子回路１５５０及びペイロード用電子回路１５３０は、図９及び図１０中のスリップリングアセンブリ２１３０，２１６０で相互分離されている。そのため、図１１ではバス１６１０，１６１１，１６１２が互いに別のバスとして描かれている。

レーザトラッカ用電子処理回路１５１０は、外部のコンピュータ１５９０と通信しながら、或いはそれ自身で、レーザトラッカ内情報処理、表示及びＵＩ機能を提供する。レーザトラッカ・コンピュータ１５９０間通信用の通信リンク１６０６としては、イーサネット（登録商標）ライン、無線通信チャネル等が使用される。レーザトラッカ・ネットワーク接続部材１６００（クラウド）間通信用の通信リンク１６０２としては、１本又は複数本の電気ケーブル例えばイーサネット（登録商標）ケーブル、１本又は複数本の無線通信チャネル等が使用される。部材１６００の一例は他の三次元試験装置、例えば関節腕付ＣＭＭであり、その位置を本レーザトラッカで再判別することが可能である。コンピュータ１５９０・部材１６００間通信用の通信リンク１６０４としては、イーサネット（登録商標）等の有線リンクのほか無線リンクも使用可能である。オペレータは、別の場所にあるコンピュータ１５９０からイーサネット（登録商標）や無線でインターネットその他のクラウドに接続し、そこからイーサネット（登録商標）や無線でマスタプロセッサ１５２０にアクセスすることができる。ユーザはこうしてレーザトラッカの動作をリモート制御することができる。

今日のレーザトラッカでは可視光（通常は赤色光）及び赤外光（ＡＤＭ用）が一波長ずつ使用されている。赤色光を周波数安定化ヘリウムネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザで発生させＩＦＭ用の光及び赤色ポインタビームとして使用することもあれば、レーザダイオードで発生させポインタビームとして使用することもある。こうして二種類の波長を使用する構成には、光源、ビームスプリッタ、アイソレータその他の部材が二組必要であるためスペース及びコストが嵩むという短所や、全ビーム光路に亘り２本のビームを完全に整列させるのが難しいという短所がある。後者は、別々の波長で作動する様々なサブシステムから良好な性能を同時に引き出すことができない等、様々な問題の原因となる。図１２Ａに、使用する光源が１個でありこれらの短所がない光電システム５００を示す。

図１２Ａには、可視光源１１０、アイソレータ１１５、ファイバ網４２０、ＡＤＭ用電子回路５３０、ファイバランチャ１７０、ビームスプリッタ１４５及び位置検出器１５０が示されている。光源１１０は、例えば、赤色又は緑色ダイオードレーザや垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。アイソレータ１１５は、光源１１０に向かう反射光の量を十分に抑えることが可能なデバイス、例えばファラデーアイソレータや減衰器である。アイソレータ１１５からの出射光はファイバ網４２０、この例では図８Ａに示したファイバ網４２０Ａ内に伝搬していく。

図１２Ｂに単一波長を使用する光電システムの別例４００を示す。このシステム４００は光源での直接変調ではなく光電変調によって光を変調するシステムであり、可視光源１１０、アイソレータ１１５、光電変調器４１０、ＡＤＭ用電子回路４７５、ファイバ網４２０、ファイバランチャ１７０、ビームスプリッタ１４５及び位置検出器１５０を備えている。光源１１０、例えば赤色乃至緑色のレーザダイオードに発するレーザ光は、ファラデーアイソレータ、減衰器等のアイソレータ１１５や、その入射，出射ポートに結合している光ファイバを通り、光電変調器４１０に入射する。変調器４１０では、その光が所定周波数、例えば１０ＧＨｚ以上の周波数で変調される。変調器４１０によるこの変調は、電子回路４７５に発する電気信号４７６によって制御される。変調器４１０で変調された光はファイバ網４２０、例えば上述のファイバ網４２０Ａ〜４２０Ｄに入射する。その光は、光ファイバ４２２経由で電子回路４７５の基準チャネルに入射する部分を除き、トラッカ外に出射され、再帰反射ターゲット９０で反射され、トラッカへと遡行し、ビームスプリッタ１４５に到来する。その光は、少量がそのビームスプリッタ１４５で反射され、図６Ａ〜図６Ｆを参照して説明した位置検出器１５０に入射する一方、他の一部がビームスプリッタ１４５を透過してランチャ１７０に入射し、ファイバ網４２０及び光ファイバ４２４を通り電子回路４７５の計測チャネルに入射する。総じて、図１２Ａに示したシステム５００の方が図１２Ｂに示したシステム４００よりも低コストで製造可能だが、高い変調周波数で作動するよう変調器４１０を構成することも可能であることから、後者の方が有利になる場合もある。

図１３にロケータカメラシステム９５０付光電システムの一例９００を示す。このシステム９００は、指向カメラと３Ｄレーザトラッカ内光電機能との併用で６自由度計測を実行するシステムであり、可視光源９０５、アイソレータ９１０、光電変調器４１０（省略可）、ＡＤＭ用電子回路７１５、ファイバ網４２０、ファイバランチャ１７０、ビームスプリッタ１４５、位置検出器１５０、ビームスプリッタ９２２及び指向カメラ９１０を備えている。光源９１０からの輻射光は光ファイバ９８０に入射し、アイソレータ９１０やその入射，出射ポートに結合している光ファイバを介し変調器４１０に入射する。変調器４１０ではその光が電子回路７１５からの電気信号７１６に従い変調される。或いは、電子回路７１５からケーブル７１７経由で光源９０５に電気信号を送って変調させるようにしてもよい。ファイバ網４２０に入射した光のうち幾ばくかはファイバ長等化器４２３及び光ファイバ４２２を通り電子回路７１５の基準チャネルに入射する。電気信号４６９（省略可）をファイバ網４２０に供給し、ファイバ網４２０内光ファイバスイッチをスイッチングさせることもできる。その光の一部はファイバ網４２０からランチャ１７０へと伝搬し、そこで光ファイバから自由空間へと光ビーム９８２として発射される。その光のうち少量がビームスプリッタ１４５にて反射され損失となる一方、他の一部はビームスプリッタ１４５及び９２２を透過しトラッカ外に出て６自由度デバイス４０００に入射する。デバイス４０００となるのは例えばプローブ、スキャナ、プロジェクタ、センサその他のデバイスである。

６自由度デバイス４０００による反射光は往路を遡行して光電システム９００内のビームスプリッタ９２２に入射し、その一部がそのビームスプリッタ９２２で反射されて指向カメラ９１０に入射する。そのカメラ９１０では再帰反射ターゲット上にある特定のマークの位置が記録される。これらのマークからは、指向角（即ち６自由度のうち３自由度）が求まる。指向カメラの仕組みは後述の通りであり、特許文献２にも記載されている。光の他の一部はビームスプリッタ１４５を透過し、ファイバランチャ１７０によって光ファイバ上に送出され、ファイバ網に入射する。その光の一部は光ファイバ４２経由でＡＤＭ用電子回路７１５の計測チャネルに入射する。

ロケータカメラシステム９５０はカメラ９６０（図１中の部材５２）及び１個又は複数個の光源９７０（図１中の部材５４）を、またそのカメラ９６０はレンズ系９６２、感光アレイ９６４及びボディ９６６を備えている。このシステム９５０の第１の役目は作業空間における再帰反射ターゲットの位置を特定することであり、これは光源９７０を発光させ感光アレイ９６４上の輝点スポットをカメラ９６０で検知することで実行される。同システム９５０の第２の役目は、６自由度デバイス４０００の方向を粗画定することであり、これはデバイス４０００上の反射スポット又はＬＥＤの位置を観測することで実行される。レーザトラッカ上で複数個のロケータカメラシステムを稼働させうる場合は、作業空間における各再帰反射ターゲットの方向を三角法に従い算出することができる。カメラ９６０が１個でも、レーザトラッカの光軸に沿い反射された光を検知可能な位置にあれば、各再帰反射ターゲットの方向を検知することができる。カメラ９６０が１個で、レーザトラッカの光軸からずれた位置にある場合も、感光アレイで捉えた像から再帰反射ターゲットの概略方向を素早く求めることができる。この場合、ターゲットのより正確な方向を、トラッカ内機械軸を幾通りかの方向に沿い回動させつつ感光アレイ上でのスポット位置変化を観察することで計測することができる。

図１４Ａ及び図１４Ｂに、一実施形態に係るレーザトラッカ４１００の正面外観（図１４Ａ）及び斜視外観（図１４Ｂ）、特にその外形的な特徴でもある狭視野指示発光部４１１６、広視野サイドパネル状発光部４１４０、外形非対称化部４１１２，４１１４、接触感知ボタン４１３０及び伸縮ハンドル４１５０を示す。図１４Ｃに符号４１９０で示したのは、そのハンドル４１５０が伸展ポジションにあるときの斜視外観である。図１４Ａ〜図１４Ｃには、更に、指溝４１６８、柄４１５２、側縁把持部４１６４Ａ，４１６４Ｂ、その窪み４１６６及び凹状把持部４１６０も示されている。これらの図に示すレーザトラッカ４１００，４１９０では、まず、ハンドル４１５０が随時伸縮型の構成であるため、ゼニスキャリッジ１４を非常に頑丈で厚手のものとしつつ、ハンドル機能を提供すること及び輸送コンテナに載せて運ぶ際のトラッカ寸法を抑えることができる。その柄４１５２に滑り止め機能があるため、ハンドル４１５０が伸展ジションにあるときでも収縮ポジションにあるときでも、そのポジションを維持させることができる。ハンドル４１５０のどちら側からでもユーザが指溝４１６８内に指を差し込めるため、ハンドル４１５０に力を加え上方又は下方に動かす操作を容易に行うことができる。ハンドル４１５０を凹状把持部４１６０と簡便に併用できるため、ユーザがこのトラッカを両手で運搬、設置することができる。ハンドル４１５０が割合に頑丈であるため、それを用いトラッカを横倒しにすること、例えば保管箱への出し入れを横倒し姿勢で行うことができる。また、把持部４１６４Ａ，４１６４Ｂが備わっているので、ユーザがその両脇からトラッカに手を添えることができる。ユーザからユーザへとトラッカを手渡しする際に、こうした把持部４１６４Ａ，４１６４Ｂはことに便利なものである。この把持部４１６４Ａ，４１６４Ｂは弾性素材で形成されているため把持性は高い。把持部４１６４Ａ，４１６４Ｂに窪み４１６６が備わっていることも把持性を高めている。ユーザは、例えば、ハンドル４１５０でトラッカを提げている人物から、把持部４１６４Ａ，４１６４Ｂに手を添えるかたちでそのトラッカを受け取ることができる。なお、本願では、ハンドル４１５０がある側をトラッカの「上方」、凹状把持部４１６０がある側を「下方」と称している。これら「上方」「下方」なる表現は、通常使用時におけるレーザトラッカの姿勢を基準とする表現であるが、そのトラッカが横倒しになっているときでも上下逆さまになっているときでも同じ表現が使用される。

狭視野指示発光部４１１６には、正面から見て左から右への順で第１〜第６のインジケータが並んでいる。この例で最も内寄りにある２個のうち第３インジケータは赤色光、第４インジケータは緑色光を放つインジケータである。赤色光は計測の進行中に点灯する。緑色光は、レーザトラッカからの光ビームがターゲットにロックオンしているときには連続点灯し、レーザトラッカからの光ビームがターゲットにロックオンしていないが位置検出器で光ビームが検知されているときには点滅する。この例でその次に内寄りにある２個即ち第２及び第５インジケータは黄色光、最も外寄りにある２個即ち第１及び第６インジケータは青色光を放つインジケータである。これら黄色光や青色光によるインジケータは様々な目的、例えばオペレータへの通知に使用される。ユーザは、そうしたインジケータに持たせる役目を、ソフトウェア開発キット（ＳＤＫ）を用い設定することができる。

狭視野指示発光部のＬＥＤに発する光は遠くまで届くので、そのレーザトラッカから例えば８０ｍ隔たった場所でもオペレータが視認することができる。しかし、その長到達且つ狭視野な性質のため、そのトラッカの側方にいる看者がインジケータ発の光を視認するのは難しい。この問題を回避するため、広視野サイドパネル状発光部４１４０にはまた別の赤色光インジケータ及び緑色光インジケータが設けられ、散光性のカバーで覆われている。それら赤色光や緑色光のインジケータは、具体的には、トラッカの側方からは勿論、やや暗めにはなるが正面側や背面側からでも光を視認できるように配置されている。

広視野サイドパネル状発光部を設けるのは、就中、そのレーザトラッカが動作中であることを周囲に知らせるため、ひいては敏感な計測の進行が邪魔されないようにするためである。例えば、レーザビームがまさにターゲットに当たっているときに誰かがそのビームをよぎると、そのことが原因で計測が中断され再計測を余儀なくされる可能性がある。特に、ＡＤＭの助力なしでＩＦＭを使用しているときである。広視野サイドパネル状発光部を使用することで、トラッカや計測対象物体のそばを歩かないよう、周囲に促すこともできる。これは、トラッカ乃至計測対象物体が撓みやすい床の上、例えば薄手のコンクリート床の上に配置されているときに有益である。

本実施形態では、第２軸たるゼニス軸１８に沿いトラックのどちら側にあるポイントからも見えるように広視野サイドパネル状発光部が設けられている。両軸１８，２０に直交する線に沿いトラッカの後方にあるポイントからも見えるよう設けることや、トラッカに対しどちらの方向からでも見えるよう設けることも可能である。

本実施形態では、これら広視野サイドパネル状発光部が第１支持材４１７２Ａ及び第２支持材４１７２Ｂを介しゼニスキャリッジ１４に連結されている。具体的には、ゼニスキャリッジ支持材の前半部に装着される第１部品及び後半部に装着される第２部品（図示せず）を併せ都合２個の部品で個々の広視野サイドパネル状発光部が構成されている。個々の広視野サイドパネル状発光部には、散光性素材で形成されたカバーが備わっている。

広視野サイドパネル状発光部内やトラッカ前面上では、光源としてＬＥＤ型多色光源が使用されている。即ち、ＬＥＤから構成されており複数通りの色で発光可能な光源が使用されている。その種の光源の典型例は赤色光、緑色光及び青色光を放ちうるＲＧＢ光源であり、多くの場合、その混色で広い可視スペクトル域内の諸色、更には白色を発生させることができる。

広視野サイドパネル状発光部内では、その光源に光パイプが結合されている。その長手方向沿いに伝搬するにつれ光が散乱していくので、その散乱角が様々に異なる光が混じった広角散乱光を光パイプから得ることができる。光パイプにつながる光源としては幾つかのＬＥＤが使用されているが、他の種類の光源を使用することもできる。

将来的には、諸種表示素子の価格が激減する可能性がある。本実施形態では、レーザトラッカの前面、側面乃至背面にＬＥＤを配し、諸色の光、多様なメッセージをユーザ向けに発するようにしているが、これに代えＬＣＤ、ＬＣＯＳ、ピコプロジェクタ等の表示素子を配することもできる。

レーザトラッカの動作モードには前向き，後向きの二種類がある。前向きモードは通常の動作モードである。後向きモードは、前向きモードで動作している状態から（１）アジマス角を１８０°変化させるステップ及び（２）鉛直上方（０°）を挟みその符号が正負反転するようゼニス角を変化させるステップを実行することで、元の方向に対しほぼ逆の方向にレーザビームを差し向けた上で実行されるモードである。レーザトラッカによる計測では、そのトラッカが前向きモードで動作しているのかそれとも後向きモードで動作しているのかを、離れた場所からでも速やかに識別可能であることが往々にして望まれる。後向きモードでは外形非対称化部４１１２，４１１４の向きが反転するので、オペレータはそれを見てレーザトラッカの動作モードを識別することができる。また、後向きモードでは指示発光部がレーザトラッカの出射開口より下側に来るので、オペレータは、そのトラッカが前向きモードで動作しているのかそれとも後向きモードで動作しているのかを、そのことを手がかりにして識別することができる。

レーザトラッカ上での実行頻度が高い動作は限られている。そうした高頻度実行動作の例は、そのトラッカをホームポジションに戻すホーミング動作である。この動作は、レーザビームをＳＭＲに差し向けること、具体的には３個ある磁気ネスト４１２０上にあるＳＭＲのうちいずれかに差し向けることで実行される。それらＳＭＲからトラッカ内ジンバル点２２までの距離は既知であるので、ホーミング動作を実行することで、そのトラッカ内のＡＤＭやＩＦＭに係る距離基準を簡便にリセットすることができる。このホーミング動作を、コンピュータに立ち戻ってホーミングコマンドを実行させることなく迅速に実行したい、とオペレータが望むこともあろう。接触感知ボタン４１３０はこの望みを簡便にかなえる部材である。具体的には、そのボタン４１３０のうちいずれかにオペレータが触れると、そのボタン４１３０の直上にあるＳＭＲに向けそのトラッカからレーザビームが放たれる。ネスト４１２０上にあるＳＭＲは、その寸法例えば直径が１．５インチ、７／８インチ、１／２インチと互いに異なっている。従って、ネスト４１２０の下方にあるボタン４１３０の操作で、使用するＳＭＲを切り替えることができる。即ち、相応のネスト４１２０上に１／２インチ径のＳＭＲを配置し、その下方にあるボタン４１３０に触れるだけで、オペレータは、例えば１．５インチ径のＳＭＲから１／２インチ径のＳＭＲへと切り替えることができる。そのボタン４１３０は、既に低コストで入手可能となっている容量センサをベースにした構成である。ボタン４１３０を、実際の物理的な接触に先立つ接近に反応する構成にすることもできる。言い換えれば、接近センサを使用することも可能である。また、例示したボタン４１３０の用法は一例であり、接触センサはトラッカに対する発令に広く使用することができる。

以上、その実施形態を参照しつつ本発明について説明してきたが、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）にはご理解いただけるように、本発明の技術的範囲から逸脱しないよう諸種変形を施すこと及び相応構成への置換を施すことも可能である。更に、本願による教示に対しては、本発明の技術的範囲から基本的に逸脱することなく、特定の状況乃至素材に適合するよう様々な修正を施すことが可能である。従って、本発明に関しては、本発明の最良の実施形態として説明した特定の実施形態に限定されるように解釈するのではなく、別紙特許請求の範囲に収まりうる様々な形態が包含されるように解釈するのが本意である。更に、諸部材に冠されている「第１」「第２」等の語は、それら部材間の順序や重要度ではなく相互区別のためのものである。そして、複数であるとの明記がない部材については、その個数が１個でも複数個でもよいものと解されたい。

Claims (18)

1. 離れた空間位置にある再帰反射ターゲット（２６）によってその一部が第２光ビーム（４７）として反射されるよう、当該再帰反射ターゲットへと第１光ビーム（４６）を差し向ける座標計測装置（１０）であって、
   第１モータが第１軸（２０）周りで第１回動角に亘り回動させる一方、第２モータが第２軸（１８）周りで第２回動角に亘り回動させる、という協働を通じ第１光ビームの方向を定める第１モータ（２１２５）及び第２モータ（２１５５）と、
   第１回動角を計測する第１角度計測装置（２１２０）及び第２回動角を計測する第２角度計測装置（２１５０）と、
   第２光ビームのうち第１部分を第１光検波器（３３０６）で受光し、その結果を全面的に又は部分的に利用しつつ、本座標計測装置から再帰反射ターゲットまでの距離即ち第１距離を計測する距離計（１６０，１２０）と、
   第２光ビームのうち第２部分を受光し、その入射位置に基づき第１信号を生成する位置検出器（１５１）と、
   少なくとも第１信号に基づき第２及び第３信号を生成し、第２信号を第１モータ、第３信号を第２モータに供給することで、再帰反射ターゲットの空間位置に従い第１光ビームの方向を調整する制御システム（１５２０，１５３０，１５４０，１５５０）と、
   可視スペクトル域に属する複数通りの色から選定された色の第１光を放つよう構成される一方、第２軸上にあり本座標計測装置から見て互いに逆側に位置する装置外第１及び第２ポイントからその第１光が見えるよう構成されており、第１軸周りでは可回動で第２軸に対しては固定の第１発光部群（４１１６）と、
   可視スペクトル域に属する複数通りの色から選定された色の第２光を放つよう構成されており、第１軸及び第２軸周りで可回動な第２発光部群（４１４０）と、
   第１距離、第１回動角及び第２回動角に全面的に又は部分的に依拠しつつ再帰反射ターゲットの三次元座標を求める一方、第１及び第２発光部群をあるパターンに従い発光させるプロセッサ（１５２０，１５３０〜１５３５，１５４０，１５５０，１５６０，１５６５，１５７０，１５９０）と、
   を備える座標計測装置。
2. 請求項１記載の座標計測装置であって、その第１発光部群が、第１軸及び第２軸に直交する直線上にあり本座標計測装置から見て第１光ビームとは逆側に位置する装置外第３ポイントから、第１光ビームが第１軸に沿っていない状態で、第１光が見えるように構成されている座標計測装置。
3. 請求項２記載の座標計測装置であって、その第１発光部群が、本座標計測装置外の任意方向から第１光が見えるように構成されている座標計測装置。
4. 請求項１記載の座標計測装置であって、その第１発光部群に属する発光部のうち幾つかが発光ダイオードである座標計測装置。
5. 請求項１記載の座標計測装置であって、その第１発光部群が第１発光部、第２発光部群が第２発光部を含み、第１及び第２発光部が互いに同じ色で発光する座標計測装置。
6. 請求項５記載の座標計測装置であって、第１及び第２発光部が互いに同期して発光する座標計測装置。
7. 請求項１記載の座標計測装置であって、その第１発光部群に属する発光部が散光素材で覆われている座標計測装置。
8. 請求項１記載の座標計測装置であって、第１軸がアジマス軸、第２軸がゼニス軸である座標計測装置。
9. 請求項８記載の座標計測装置であって、第１発光部群がゼニスキャリッジ（１４）、第２発光部群がペイロード（１５）に固定装着されており、ゼニスキャリッジが第１軸周り、ペイロードが第１軸及び第２軸周りで可回動な座標計測装置。
10. 請求項９記載の座標計測装置であって、そのゼニスキャリッジが第１支持材（４１７２Ａ）及び第２支持材（４１７２Ｂ）を有し、第１及び第２支持材によってペイロードがゼニスキャリッジに装着されており、且つ第１軸及び第２軸に対し直交する線に沿い片側にゼニスキャリッジの前面、逆側に背面がある座標計測装置。
11. 請求項１０記載の座標計測装置であって、第１発光部群が第１及び第２部品を有し、第１部品が第１支持材、第２部品が第２支持材に装着されている標計測装置。
12. 請求項１０記載の座標計測装置であって、第１発光部群が第１乃至第４部材を有し、第１部材が第１支持材の前面、第２部材が第１支持材の背面、第３部材が第２支持材の前面、第４部材が第２支持材の背面に位置する座標計測装置。
13. 請求項１記載の座標計測装置であって、第１又は第２発光部群に属する発光部のうち１個又は複数個が発光ダイオード型多色光源である座標計測装置。
14. 請求項１３記載の座標計測装置であって、その発光部を赤、緑及び青を含む諸色で発光させうる座標計測装置。
15. 請求項１４記載の座標計測装置であって、その発光部を、赤、緑及び青の組合せ色で発光させうる座標計測装置。
16. 請求項１５記載の座標計測装置であって、その発光部を、白を含め赤、緑及び青の組合せ色で発光させうる座標計測装置。
17. 請求項１記載の座標計測装置であって、第１又は第２発光部群に属する発光部のうちいずれかが、１個又は複数個の光源を起点とする光パイプを有し、その光源に発した光即ち第３光がその光パイプに沿い伝搬した後出射される座標計測装置。
18. 請求項１７記載の座標計測装置であって、その光源が発光ダイオードを有する座標計測装置。
    

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