JP2013538331A - 光ファイバスイッチを用いドリフトを抑える絶対距離計 - Google Patents
光ファイバスイッチを用いドリフトを抑える絶対距離計 Download PDFInfo
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Abstract
別の場所にあるターゲットへと光の第1ビームを出射し、そのターゲットが第1ビームの一部を第2ビームとして遡行させるよう次元計測装置を構成する。この装置は、第1光源、ファイバカプラアセンブリ、並びに第1状態又は第2状態を有する第1電気信号の供給を受けその信号が第1状態ならスイッチ側計測ポート、第2状態ならスイッチ側基準ポートから第2部分を出射する光ファイバスイッチを備える。この装置は、更に、光学系、基準用再帰反射器、第1状態又は第2状態を有する第1電気信号を発生させる一方第3部分を第1基準値に変換し、第1電気信号が第1状態なら第5部分を第1計測値に、第2状態なら第7部分を第2基準値に変換する第1電気回路、並びに第1計測値、第1基準値及び第2基準値に少なくとも部分的に依拠しつつ次元計測装置からターゲットまでの第1距離を導出するプロセッサを備える。
Description
本願は、2009年8月7日付米国暫定特許出願第61/232222号に基づく利益を享受する2010年8月3日付米国特許出願第12/849065号のほか、2011年4月15日付米国暫定特許出願第61/475703号、並びに2012年1月30日付米国暫定特許出願第61/592049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。
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。
光学系としては、光検波器上で光に別の波長の光をミキシングすることが可能な時間非コヒーレント系が使用される。時間非コヒーレント系のうち最もシンプルなもの、即ち計測チャネルが1個、基準チャネルが0個の系では、通常、レーザビームにパワー変調が施される。再帰反射ターゲットでの反射光を光検波器で捉えると同じ変調周波数の電気信号に変換されるので、その電気信号を電気的に処理することで、レーザトラッカ・ターゲット間の距離を求めることができる。ただ、こうした系には、電気的構成部材や光学的構成部材の応答が経時的に変化し距離導出結果にジッタやドリフトが生じる、という大きな問題がある。
時間非コヒーレント系で生じるそれらの誤差を減らす手法としては、例えば計測チャネルに加え基準チャネルを設け、計測チャネルに一組、基準チャネルに一組、都合二組の電子回路を設ける手法がある。この手法では、離れた場所にある再帰反射ターゲットで再帰反射されたレーザ光が光検波器で電気信号に変換され、その電気信号が計測チャネル用電子回路へと送られる。基準チャネル用電子回路には、計測チャネルでの変調に使用された電気信号が供給される。それら、計測チャネル用電子回路で求まった距離から基準チャネル用電子回路で求まった距離を減ずると、ジッタやドリフトが少ないADM出力が得られる。この種の手法であれば、電気的構成部品で生じる変動による誤差、特に温度変化によるものを概ね抑えることができる。しかし、レーザや光検波器をはじめ光電的構成部品での変動による誤差を除去することはできない。
それらの誤差を更に減らすには、変調成分を含むレーザビームを基準チャネル用光検波器に分岐入射させればよい。計測,基準チャネル間でレーザビームの変動がほとんどコモンモードになるため、計測チャネルで求まった距離から基準チャネルで求まった距離を減ずることでその変動を相殺することができる。
ADMを使用するシステム、特に長期間又は広い温度範囲に亘り使用されるシステムでは、これらの手法を講じてもなお、無視し得ない量のドリフトが残りうる。それは、上掲の諸構成では光学的構成部品や電気的構成部品での変動によるドリフト及び反復誤差が生じやすく、しかもそれが計測チャネル・基準チャネル間で同一でないからである。例えば、ADM内の光ファイバでは温度変化による光路長変化が生じうるし、ADM内の電気的アセンブリ例えば増幅器やフィルタでは温度変化による電気的位相の変化が生じうる。
レーザトラッカ内ADMで生じるドリフトの影響を大きく減らせる技術としては、特許文献4(発明者:Bridges;この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)に記載の方法及びシステムがある。これは、チョッパ機構を使用しレーザ反射光の行く先を計測,基準チャネル間で交番的に切り替えるものである。この仕組みはうまく稼働するが、チョッパホイールの回転速度ひいてはADMによるデータ収集の速度に上限がある。
移動する再帰反射ターゲットまでの距離を特許文献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)記載の方法に従い計測する場合、特許文献1に係る発明の長所を最大限に引き出すには距離計算を高速、好ましくは10kHz以上の速度で反復する必要がある。しかしながら、特許文献4記載のチョッパ機構をそうした速度で動作させるのは難しい。従って、ADMで生じるドリフトの問題を克服するにはまた別の手法が必要である。
距離計で生じるドリフトを補正する手法としては、レーザビームの行く先を2本の自由空間光路間で機械的に切り替える手法もある。それら自由空間光路のうち、一方は装置外の計測対象物体に達した後自装置に戻る計測光路であり、他方は装置内を巡る基準光路である。計測光路経由の光と基準光路経由の光は、同じ光検波器に入射するけれども、機械的スイッチの働きで切り替わっているのでその光検波器に同時に入射することはない。機械的スイッチとしては、ミラー、プリズム、ビームスプリッタ、チョッパホイール等、機械的に作動させうる光学部品を使用できる。それを作動させるアクチュエータとしては、ソレノイド、モータ、ボイスコイル、マニュアルアジャスタ等のデバイスを使用できる。このように光検波器や電気回路が計測光路・基準光路間で共用される構成では、ほぼ全てのドリフトがコモンモードになって相殺されることとなる。この手法をベースとした発明としては、特許文献5(発明者:Hewlett et al.)、6(発明者:Madigan et al.)、7(発明者:DeWitt)、8(発明者:Nakazawa et al.)、9(発明者:Hines et al.)、10(発明者:Shipp et al.)、11(発明者:Wendt)、12(発明者:Wiklund)、13(発明者:Epstein)、14(発明者:Chaborski)、15(発明者:Buck et al.)、16(発明者:Ohishi et al.)、17(発明者:Payne et al.)、18(発明者:Kaneko et al.)、19(発明者:Kubo)、20(発明者:Hirunuma)、21(発明者:Damm)、22(発明者:Shirai et al.)、4(発明者:Bridges)、23(発明者:Ohtomo et al.)、24(発明者:Ohtomo et al.)、25(発明者:Stierle et al.)、26(発明者:Schmidt et al.)、27(発明者:Aoki et al.)、28(発明者:Nakamura et al.)、29(発明者:Liu et al.)、30(発明者:Ohtomo et al.)、31(発明者:Osada)、32(発明者:Oishi et al.)、33(発明者:Luo et al.)、34(発明者:Wolf et al.)等に記載のものがある。ただ、これらの発明では低速な機械スイッチが使用されており、移動する再帰反射ターゲットの詳細な絶対距離計測に適した高速で切替を実行することができない。
距離計の光学的構成部分ではなく電気的構成部分のみでドリフトを補正する手法もある。この手法では、計測光路経由光を計測チャネル用光検波器、基準光路経由光を基準チャネル用光検波器に入射させ、それら光検波器で生じた電気信号を電気的スイッチに供給する。そのスイッチは、2個の光検波器から供給される電気信号を単一の電気的ユニットへと交互に供給する。その電気ユニットではその信号を処理してターゲットまでの距離を求める。この手法をベースにした発明としては、特許文献35(発明者:Hoelscher)、36(発明者:Reifer)、37(発明者:Steinlechner)、38(発明者:Giger)、39(発明者:Giger)、40(発明者:Giger)、41(発明者:Giger)等に記載のものがある。ただ、こうして電気的スイッチを用いることは、ADM内電気的構成部分でのドリフト低減につながるけれども、一般にそれと同等以上に大きな光学的構成部分でのドリフトを低減することができない。加えて、数GHzで変調された電気信号での位相シフトを回避しうる高速スイッチング型の電気的スイッチを構成するのは難しい。このように、実用性及び実現性が低いため、電気的スイッチはADMで生じるドリフトの補正向けの手段ではない。
双安定距離計については、二文献で光ファイバスイッチの使用が提案されている。そのうち特許文献42(発明者:Constantikes)に記載の手法では、ビームの出射光路上に一方の光ファイバスイッチ、遡行光路上に他方の光ファイバスイッチが配置される。これら2個の光ファイバスイッチは、計測光路又は基準光路経由の光が光検波器に到達するよう同時にスイッチングされる。特許文献43(発明者:Cole)に記載の手法では、双安定距離計への遡行光路を辿った光がファイバスイッチの第1ポート、出射ビームの一部が第2ポートに入射する。これら、ファイバスイッチを使用する構成は双安定なデバイスにしか適用できず、前掲の理由でレーザトラッカと併用することができない。
特許文献44(発明者:Bridges;この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)には、光ファイバを用いドリフトを減らすADMについての記載がある。この文献に記載の手法は、計測用光学系経由の光信号と基準用光学系経由の光信号とが共通の光検波器及び電子回路で受波、処理されるよう、光ファイバスイッチを用い計測チャネル及び基準チャネルを高速交番させるものである。この手法を使用すればドリフトを非常に効果的に削減できるが、そのためには超高速の光ファイバスイッチが必要となる。超高速の光ファイバスイッチはかなり高価であるため、それ無しでドリフトを除去する手法が求められている。
このように、移動ターゲットの詳細計測に使用でき、ドリフトが少ないADMが必要とされている。単安定でドリフトが少なく、低コストで実現できることも求められている。
本発明のある実施形態は、別の空間位置を占めるターゲットへと光の第1ビームを出射し、そのターゲットが第1ビームの一部を反射し第2ビームとして遡行させる次元計測装置である。本装置は、第1光を輻射する第1光源と、カプラ内入射ポート、カプラ外出射ポート、カプラ側計測ポート及びカプラ側基準ポートを有し、第1光のうち第1部分がカプラ内入射ポート経由で入りそのうちの第2部分がカプラ外出射ポート、第3部分がカプラ側基準ポート経由で出て行くよう構成されたファイバカプラアセンブリと、を備える。本装置は、また、スイッチ内入射ポート、スイッチ側計測ポート及びスイッチ側基準ポートを有し、スイッチ内入射ポート経由で入ってきた第2部分が、供給された第1電気信号の状態が第1状態ならスイッチ側計測ポート、第2状態ならスイッチ側基準ポート経由で出て行くよう構成された光ファイバスイッチと、を備える。本装置は、更に、スイッチ側計測ポート経由で入ってきた第2部分が第1ビームとして次元計測装置外に出射され、入射してきた第2ビームが第4部分としてスイッチ側計測ポートから出て光ファイバスイッチ経由でカプラ外出射ポートに至り、そのうちの第5部分がファイバカプラアセンブリ経由でカプラ側計測ポートから出るよう構成された光学系と、スイッチ側基準ポートを経て入射してきた第2部分が第6部分としてカプラ外出射ポートへ遡行し、そのうちの第7部分がファイバカプラアセンブリ経由でカプラ側計測ポートから出るよう構成された基準用再帰反射器と、を備える。本装置は、加えて、第1状態又は第2状態を有する第1電気信号を発生させる一方第3部分を第1基準値に変換し、また第1電気信号が第1状態なら第5部分を第1計測値に、第2状態なら第7部分を第2基準値に変換する第1電気回路と、第1計測値、第1基準値及び第2基準値に少なくとも部分的に依拠しつつ次元計測装置からターゲットまでの第1距離を導出するプロセッサと、を備える。
本発明の他の実施形態は、ターゲットへと光の第1ビームを出射し、第1ビームの一部をそのターゲットから第2ビームとして遡行させる次元計測装置向けの方法である。本方法は、第1光を輻射する第1光源、カプラ内入射ポート、カプラ外出射ポート、カプラ側計測ポート及びカプラ側基準ポートを有するファイバカプラアセンブリ、スイッチ内入射ポート、スイッチ側計測ポート及びスイッチ側基準ポートを有する光ファイバスイッチ、光学系、基準用再帰反射器、第1電気回路、並びにプロセッサを準備するステップを有する。本方法は、また、第1光のうち第1部分をカプラ内入射ポートに入射させるステップと、第1部分のうち第2部分をカプラ外出射ポートから出射させるステップと、第1部分のうち第3部分をカプラ側基準ポートから出射させるステップと、第2部分をスイッチ内入射ポートに入射させるステップと、第1状態又は第2状態を有する第1電気信号を光ファイバスイッチに供給するステップと、第1電気信号が第1状態ならスイッチ側計測ポート、第2状態ならスイッチ側基準ポートから第2部分を出射させるステップと、スイッチ側計測ポートから出射された第2部分を光学系に入射させその光学系から次元計測装置外へと第1ビームとして出射させるステップと、光学系に入射してきた第2ビームを第4部分としてスイッチ側計測ポートに入射させるステップと、第4部分を光ファイバスイッチ経由でカプラ外出射ポートに入射させるステップと、第4部分のうち第5部分をカプラ側計測ポートから出射させるステップと、スイッチ側基準ポートから出射された第2部分を基準用再帰反射器に入射させ第6部分としてカプラ外出射ポートへと遡行させるステップと、第6部分のうち第7部分をカプラ側計測ポートから出射させるステップと、第3部分を第1基準値に変換する一方、第1電気信号が第1状態なら第5部分を第1計測値、第2状態なら第7部分を第2基準値に変換するステップと、第1計測値、第1基準値及び第2基準値に少なくとも部分的に依拠しつつ次元計測装置からターゲットまでの第1距離を導出するステップと、導出した第1距離を格納するステップと、を有する。
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内で相直交していて、その交点即ちジンバル点22が通常は距離計測の原点とされる。レーザビーム46を仮想的に引き延ばした線は点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しることもできる。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46(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。図1の構成ではこれら以外の再帰反射ターゲットを用いることもできる。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・電子的諸部材のブロック配置を示す。これは、ADM用の波長と可視ポインタ用及び追尾用の波長とで輻射する二波長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発光ダイオード等である。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141A,142A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に入射する。
この例では、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、基準チャネル内光ファイバ長を計測チャネル内光ファイバ長に整合させ、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,基準各チャネル内光ファイバの有効光路長が変化する。計測チャネル内光ファイバ・基準チャネル内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、基準チャネル内光ファイバ長を計測チャネル内光ファイバ長にできるだけ整合させる段階と、計測チャネル内光ファイバと基準チャネル内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ビームとして反射される。第2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中のADM用電子回路164の計測チャネル、他方は光ファイバ433経由で第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るからである。
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45(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、シンセサイザで発生させる周波数の値を何回かに亘り(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45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の諸例を示す。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及びに加えフィルタ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り、そこからの光はレーザトラッカへと完全に反射されるわけではない。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とは限らない。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ひとしい距離だけレンズから離れた場所に配置されている。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を通り、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る。
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。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。アジマス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に装着されていて内側パーツ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上の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及びコンピュータ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の三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。
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エラー伝送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及び1個又は複数個の光源970を、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。
例えば、光電モジュール176にビームスプリッタ、波長板等の光学的構成部材と、光検波器、増幅器等の光電的構成部材を併設し、位相差dを直交分解可能な構成にすることができる。直交成分として得られるのはsin(d)188及びcos(d)190である。電気的カウンタではこれら直交成分に基づき位相差dの全360°シフト個数を計数する。その計数値(又はその断片)は、供給先のカウンタ178にて暫し追尾された上で、ライン180を介しプロセッサへと供給され、そこで計数値に基づく距離算出に使用される。
図14Aに、図13及び図17中の光電システムで使用されうる指向カメラの一例910を示す。指向カメラの一般原理は特許文献2に記載の通りであり、それはこのカメラ910にも概ね当てはまる。この例のカメラ910はボディ1210、無限焦点ビーム縮小器1220、拡大器1240、経路長調整器1230、アクチュエータアセンブリ1260及び感光アレイ1250を備えている。縮小器1220は正レンズ1222、ミラー1223及び負レンズ1224,1226を備えており、光軸(レンズの中心を通る軸)に対し平行な光線がレンズ1222に入射した場合に光軸に対し平行な光線をレンズ1226から出射する特性や、レンズから被写体までの距離によらず一定サイズの像をもたらす特性を有している。拡大器1240は正レンズ1242、負レンズ1244,1248及びミラー1246を備えており、より大きな像が生じるスケールである点以外は顕微鏡の対物系と同様の機能を有している。感光アレイ1250、例えばCMOS乃至CCDのアレイは、自アレイを構成する個々の画素での輝点を表すディジタルデータのアレイへと入射光を変換する。その輝点のパターンは、例えば、6自由度ターゲット上のマークを示すものとなる。経路長調整器1230はプラットフォーム1231、2個のミラー1232,1233及びボールスライド1234を備えている。ミラー1232,1233は、プラットフォーム1231の移動に応じ縮小器1220・拡大器1240間の距離が変化するようプラットフォーム1231上に実装されている。この距離変化は、レーザトラッカ・ターゲット間の距離変化によらず感光アレイ1250上の像を鮮明に保つ上で必要である。プラットフォーム1231は、低摩擦で直線運動するようボールスライド1234上に実装されている。アクチュエータアセンブリ1260は、この例の場合、モータ1261、モータシャフト1262、フレキシブルカプラ1263、アダプタ1264及びモータナット1265を備えている。ナット1265がアダプタ1264に固定されているので、ネジ付のシャフト1262をモータ1261で回動させると、ナット1265がモータ1261に対し離隔又は接近する。どちらになるかは回動方向による。カプラ1263はアダプタ1264に取り付けられており、シャフト1262及びボールスライド1234が互いに平行であってもプラットフォーム1231が自在に動けるようにしている。
図示例の指向カメラ910は、様々な対ターゲット距離で横倍率が一定になるよう構成されている。横倍率とは、像のサイズを被写体のサイズで除したもののことである。図示例では被写体サイズが13mmのときに感光アレイ1250上での像サイズが3mm一定になるようレンズが選定されているので、その横倍率は3mm/13mm=0.23となる。この横倍率はトラッカに対するターゲットの距離が0.5〜30mmの範囲内で一定に保持される。3mmというこの像サイズは1/4インチサイズのCCD乃至CMOSアレイ向けであるので、1インチサイズのCCD乃至CMOSアレイを使用する際には横倍率を上掲の値の4倍にすればよい。カメラ910の横倍率は、ボディ1210のサイズはそのままで、拡大器1240内にある3個のレンズの焦点長及び間隔を変化させることで、高めることができる。
図中の構成で無限焦点ビーム縮小器1220を構成している3個のレンズ1222,1224,1226は、順に85.9mm、−29.6mm、−7.2mmの有効焦点長を有している。被写体からの光がこれら3個のレンズを通過するとその被写体の虚像が生じる。レーザトラッカからの距離が0.5mの被写体なら0.44mmサイズの虚像1229がレンズ1226から7mmの場所に生じ、30mの被写体なら0.44mmサイズの虚像1228がレンズ1224から1.8mmの場所に生じる。虚像1228・1229間の距離が39.8mmであるので、プラットフォームの最大輸送範囲をその半値である19.9mmにする必要がある。縮小器1220の横倍率は0.44mm/13mm=0.034となる。また、拡大器を構成している3個のレンズ1242,1244,1248は、順に28.3mm、−8.8mm、−8.8mmの有効焦点長を有している。レーザトラッカからの距離が0.5mのターゲットでも、30mの場所にあるターゲットでも、その他どのような場所にあるターゲットでも、感光アレイ1250上での像のサイズは3mmとなるので、拡大器の横倍率は3mm/0.44mm=6.8となる。指向カメラ全体での横倍率は3mm/13mm=0.23である。拡大器の横倍率を4倍化して4×6.8=27に高め、全体での横倍率を0.5〜30mの諸距離について12mm/13mm=0.92にすることも可能である。
図14B〜図14Dに指向カメラの別例を示す。図14Bはその側面2750B、図14Cは図14B中の線A−Aに沿った縦断面2750Cを上から見たもの、図14Dは図14C中の線B−Bに沿った横断面2750Dを表している。光ビームは、各図に示す光路2755沿いに、第1レンズ群2760を通り、ミラー2762で反射され、レンズ2764を通り、ミラー2766,2768で反射され、第2レンズ群2770を通り、ミラー2772,2774で反射された後に、感光アレイ2776に入射する。第1レンズ群2760及びレンズ2764は無限焦点レンズ系を構成しているので、既述の通り、光軸に対し平行な光線が第1レンズ群2760に入射すると光軸に対し平行な光線がレンズ2764から出射される。図14B〜図14Dでは省略したが、レーザトラッカから再帰反射ターゲットまでの距離が有限であるため、この無限焦点レンズ系はレンズ2764からある距離隔たった位置に虚像2778を発生させる。レンズ2764から虚像2778までの距離dはレーザトラッカから再帰反射ターゲットまでの距離に左右される。例えば、トラッカから再帰反射ターゲットまでの距離が4mのときにレンズ2764から虚像2778までの距離dが約82mmになる系なら、トラッカから再帰反射ターゲットまでの距離が40mのときには距離dが約51mmになる。第2レンズ群2770はその虚像2778をアレイ2776へと中継する。動力用アクチュエータ2780は、その虚像2778から第2レンズ群2770までの距離が正確な値に保たれるようミラー2766,2768の位置を調整することによって、アレイ2776上の像を合焦状態に維持する。第1レンズ群2760の合成焦点長は例えば112mm、レンズ2764の焦点長は例えば−5.18mm、第2レンズ群2770の合成焦点長は例えば約59.3mmである。この場合、系全体の倍率が約1/8になるので、アレイ2776上の光パターンは再帰反射ターゲット上のそれに比し約1/8のサイズになる。こうした系は、レーザトラッカから再帰反射ターゲットまでの距離によらず一定倍率が維持されるレンズ系の一例である。
横倍率が一定の指向カメラは、これとは異なる組合せのレンズで実現することも可能である。また、横倍率が一定のレンズ系が望ましいけれども、それ以外のレンズ系も使用することができる。総じて、図14A〜図14Dに示したカメラは、ズーム可能で、視野が狭く、レーザトラッカの光軸に対する整列性がよい点で際立っている。
図15に光電システムの一例700を示す。これはその波長が異なる二種類の光同士が光ファイバカプラで結合されるシステムであり、第1光源705、第2光源750、第1アイソレータ710、第2アイソレータ755、光電変調器410(省略可)、ADM用電子回路715、ファイバ網720、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。第1光源705は例えば780nmで作動するレーザダイオード、第2光源755は例えば赤色又は緑色のレーザダイオードである。第1光源705からの輻射光は光ファイバ780経由で第1アイソレータ710に入射する。第1アイソレータ710はファラデーアイソレータ、減衰器等のデバイスであり、その入射ポート及び出射ポートにはファイバが結合されている。第1アイソレータ710からの出射光は変調器410に入射しそこで変調される。変調器410は電子回路715からの電気信号716に従い変調を実行する。変調器410抜きの構成、即ち電子回路715からの変調信号に従い光源705で直に変調を施す構成にしてもよい。第1光源705からこれらを経て光ファイバ781に入射した光はファイバ網720まで伝搬する。その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722を通って電子回路715の基準チャネルに入射する。他の一部はファイバ網720を出て光ファイバ782経由でランチャ170に入射し、ランチャ170から光ビーム783として自由空間に出射される。その光は、ビームスプリッタ145で反射され損失となる少量の部分を除き、ビームスプリッタ145を透過し、光ビーム784として再帰反射ターゲット90まで伝搬し、そしてビームスプリッタ145まで光ビーム786として遡行する。その光の一部がビームスプリッタ145で反射され位置検出器150まで伝搬する一方、他の一部はランチャ170及び光ファイバ782を経てファイバ網720に入射し、光ファイバ724内を伝搬して電子回路715の計測チャネルに入射する。
第2光源750からの輻射光ビームは第2光ファイバ790、第2アイソレータ755及び光ファイバ791を通りファイバ網720に入射する。図16にファイバ網720の一例構成を示す。このファイバ網720は、光ファイバ1781,1791に通ずる都合2個の入射ポート(第1,第2ポート)と、光ファイバ1782,1755に通ずる都合2個の出射ポート(第3,第4ポート)とを有している。ファイバ1781経由でファイバ網720の第1ポートに入射した光は第1ファイバカプラ1730内を伝搬する。その光の一部は、光ファイバ1722及びファイバ長等化器1723経由でADM用電子回路715の基準チャネルに入射する。幾ばくかの部分は、第2ファイバカプラ1740及び第3ファイバカプラ1750経由でファイバ網720を出てファイバ1782に入射する。第3ファイバカプラ1750では、光ファイバ1743経由で入射してきた光がファイバ1791経由で入射してきた光と結合し、ファイバ1782に向かう合成光ビームが発生する。第3ファイバカプラ1750は、このように二種類の波長を扱えるダイクロイックカプラである。発生した合成光ビームは、ファイバ1782を経由しレーザトラッカ外に出射され、再帰反射ターゲット90にて反射され、ファイバ網720内に遡行する。その光のうち第1光源由来の成分は第3ファイバカプラ1750及び第2ファイバカプラ1740を通過し、光ファイバ1724経由で電子回路715の計測チャネルに入射する。第2光源750由来の成分は、ファイバ1791経由でアイソレータ755へと伝搬するが、そこで第2光源750への入射を阻止される。
ファイバカプラ1730,1740,1750としては例えば熔融タイプを使用する。これは、コア及びクラッド領域を有するファイバ同士を密接配置して熔融させたタイプの光カプラであり、そのコア間ではエバネッセントな結合を介し光が交換される。使用する波長が二種類の場合、第1波長光が第1波長用光ファイバに沿い完全に伝搬し、且つ第2波長光が第1波長用光ファイバへと完全に伝搬するよう、エバネッセント結合型の光カプラを設計することが可能である。現実には、ファイバカプラでロスレス伝送が生じるように完全な(100%の)光結合を常時維持することはできない。しかし、その波長が異なる光同士を良好に結合させうるファイバカプラは購入可能であり、980nm、1300nm、1550nm等といった多用される波長のものは容易に入手することができる。しかも、ファイバカプラは可視波長用を含め様々な波長用のものが豊富に在庫されており、そのカスタム設計、カスタム製造も可能である。例えば、図16中の第3ファイバカプラ1750を、第1波長光が光ファイバ1743から光ファイバ1782へと低光損失で伝搬する一方、第2波長光が光ファイバ1791から同じファイバ1782へと略完全に伝搬するよう設計することができる。この構成では、第1波長光と第2波長光がカプラ1750経由で同じファイバ1782上に低損失で伝達される。購入可能な光カプラのなかには、その波長が大きく異なる光同士を結合させるもの、例えば波長=1310nmの光と波長=660nmの光を結合させるものもあるが、波長の異なる光を単一横モードで且つ低パワー損失で長距離に亘り伝搬させるには、一般にその波長が近いことが必要とされる。例えば、使用波長が633nm及び780nmであれば、割合に近い波長であるので、単一モード光ファイバで長距離に亘り低損失で伝搬させることができよう。こうした構成を採る光電システム700の長所は、ファイバ網720内のファイバカプラ1750がダイクロイックであり、自由空間型ビームスプリッタに比べコンパクトな点にある。更に、ダイクロイックなファイバカプラであれば、第1及び第2波長光を好適に整列させることができ、生成中に特別な光学的整列手順を実施する必要もない。
図17に光電システムの一例1900を示す。これは、図13に示した光電システム900に似ているが第1光源705及び第2光源750を併せ都合2個の光源を有する点で相違している。図中の第1光源705、第2光源750、第1アイソレータ710及び第2アイソレータ755は、図15を参照して上述したそれと同様の構成である。
図18Aに、図12A、図12B及び図13中のファイバ網420として使用しうるファイバ網の別例420Dを示す。このファイバ網420Dは、第1ファイバカプラ457、第2ファイバカプラ463、2個の低反射率ファイバ終端器462,467、光スイッチ468及び再帰反射器472を備えており、光スイッチ468には電気信号469が入力されている。スイッチ468として使用できる光スイッチは幾種類かある。今日入手可能で、一般的且つ割合に安価なものは、微細電気機械システム(MEMS)タイプの光スイッチである。この種の光スイッチは、例えば半導体構造の一部として構成された小型ミラーを備えている。また、変調器をスイッチ468として使用することもできる。変調器なら特定の波長で超高速スイッチングさせうるものを入手可能であるが、MEMSタイプの光スイッチに比べ若干高コストになる。更に、光減衰器をスイッチ468として使用することもできる。例えば、送られてきた電気信号に応じてターンオン/オフするタイプの光減衰器である。ファイバ式光スイッチの選定に当たっては、この他、特許文献44(発明者:Bridges;この参照を以てその内容を繰り入れる)に記載の諸条件を考慮すべきであろう。一般に、所要性能と単純さを両立させるには、ファイバ式光スイッチをスイッチ468として用いる必要がある。また、ここまでファイバ網420に関し説明してきたが、ご理解頂けるように、上掲の光スイッチング概念は二色ベースファイバ網、例えば図3中のファイバ網166や図15中のファイバ網720にも同じように適用できる。
ファイバ網420Dは、ファイバカプラ及び低反射率ファイバ終端器を各2個備える点でファイバ網420Aに似ているが、ファイバ網420Aに備わっていない光スイッチ468及び再帰反射器472を備えている。通常時は、光ファイバ465上の光がスイッチ468の上側ポートを通り光ファイバ470に抜けるので、ファイバ網420Dはファイバ網420Aと同様に作動する。これに対し、レーザトラッカによるターゲットの計測が行われていないときには、ファイバ465上の光信号がスイッチ468によって光ファイバ471へと逸らされ再帰反射器472に入射する。光の行く手を再帰反射器472に切り替えるのは、ADMを構成する部材にて生じる諸々の熱ドリフトを除去するためである。熱ドリフトをもたらしうる部材としては、例えば、光検波器、ADM内光ファイバ等の光電的構成部材や、ミキサ、増幅器、シンセサイザ、ADC等の電気的構成部材や、レンズ、レンズマウント等の光学的構成部材がある。仮に、ある時点で、スイッチ468で光を再帰反射器472に逸らしているときの計測チャネル内光路長が基準チャネル内光路長に比べ20mm長かったとする。後の時点で、その値が20.003mmに延びたならば、ADM用のデータプロセッサ例えば図7中のプロセッサ3400では、それ以後、ADM計測値から0.003mmを減ずる。この手順は、重要なことに、レーザトラッカのホームポジションでADM出力がセットされるたびに新規に開始される。
ホームポジションとは、そのレーザトラッカのジンバル点22に対する距離が判明している点の空間位置のことであり、レーザトラッカのベースに対し固定的であるのが普通である。例えば、図1に示すレーザトラッカ10では、アジマスベース16上にある3個のホームポジションに磁気ネスト17が配置されている。それら3個のネスト17は、一般に入手可能なSMRを受け容れうるサイズ、例えば順に1.5インチ、7/8インチ、1/2インチのサイズを有している。計測セッション開始時には、それらホームポジションのうち任意の1個にSMRを配置して図1中の光ビーム46を入射させ、ジンバル点22からそのホームポジション(ネスト17内)にあるSMRまでの距離をレーザトラッカ10で計測する。この計測により、各ホームポジションにあるSMRについてのADM出力が正確な値にセットされる。ジンバル点22から個々のホームポジション上のSMRまでの距離、いわゆるR0距離は、工場にて実施される補償手順で導出し、後刻使用できるようメモリに格納しておくのが望ましい。その後、ADM内光学系やADM内電気系での熱ドリフトが原因で、時間の経過に伴う微変がADM出力に生じた場合でも、図18A中の光ファイバ465から再帰反射器472に向かうよう光の行く手を切り替え、そのドリフトの影響を除去することができる。
図18A中の再帰反射器472としては、様々な光反射デバイスを使用することができる。その一例は図18Bに示す光ファイバ型の再帰反射器472Aであり、通例に倣い、フェラル472と、その端面に連なる光ファイバ研磨面を覆うコーティング473とを備えている。コーティング473としては金の膜、誘電体の多層薄膜等を使用する。再帰反射器472の別例としては、図18Cに示す自由空間型の再帰反射器472B、即ちコリメータ474をキューブコーナ型再帰反射スラグ等の再帰反射器476と併用するものもある。このレーザコリメータ474は、光ファイバ471からの光をレンズ越しに発射できるよう例えば図5に倣い構成することができる。
翻って、図12Aでは電気信号469がファイバ網420、例えばファイバ網420Dに対するスイッチング電圧の供給に使用されている。電気信号469がプロセッサ、例えば図11中の電子回路1536の制御下にある。他のプロセッサ、例えばマイクロプロセッサ、DSP、FPGA等でその機能を代替させるようにしてもよい。図示例では、マスタプロセッサ1520から供給されるスイッチング電圧に従い、相異なるスイッチ状態に対応する二値のスイッチング電圧が生成される。そのうち一方は光が図18A中の入射ポート(465)から計測ポート(470)に向かう状態、他方は基準ポート(471)に向かう状態に係る値である。ファイバ網420は光ファイバ422経由でADM内電子回路530の基準チャネル、光ファイバ424経由で計測チャネルに光を送出する。電子回路530はケーブル532を介し可視光源110に変調信号を供給する。
図18Aに示す2個のファイバカプラ457,463は、いわば、カプラ内入射ポート(459)、カプラ外出射ポート(465)、カプラ側計測ポート(424)及びカプラ側基準ポート(422)を有する一体のファイバカプラアセンブリであり、光スイッチ468はいわばスイッチ内入射ポート(465)、スイッチ側計測ポート(470)及びスイッチ側基準ポート(471)を備えるスイッチである。
これらファイバカプラアセンブリ及び光スイッチは上述したファイバ網、例えば図18Aに示したファイバ網420Aに組み込まれている。これまでの説明では、専ら、そうしたファイバ網がレーザトラッカ、トータルステーション等の三次元座標計測装置で使用されるものとしていたが、絶対距離を計測するのみで角度を計測しない一次元計測装置でもそのファイバ網を同様に使用できることは明瞭であろう。更に、これまでの説明では再帰反射ターゲット例えば図1中のターゲット26に入射し反射された光を採り上げていたが、ファイバ網420Dやその類のファイバ網は、別体のターゲットを用いることなく拡散的な散乱面までの絶対距離を計測する際にも同様に使用することができる。そうした装置はハンドヘルド化やスタンド又はマシン実装化が可能であり、単一の点又は単一のスキャンモードでのデータ収集に使用することができる。
図19に方法4100を示す。その実行に重く関わる部材は諸図、特に図18Aに記載のものである。ステップ4100では第1光源、ファイバカプラアセンブリ、光ファイバスイッチ、光学系、基準用再帰反射器、第1電気回路及びプロセッサを準備する。第1光源は第1光を輻射する部材、ファイバカプラアセンブリはカプラ内入射ポート、カプラ外出射ポート、カプラ側計測ポート及びカプラ側基準ポートを有するアセンブリ、光ファイバスイッチはスイッチ内入射ポート、スイッチ側計測ポート及びスイッチ側基準ポートを有するスイッチである。ステップ4115では、第1光のうち第1部分がカプラ側入射ポート経由から入りそのうちの第2部分がカプラ外出射ポート、第3部分がカプラ側基準ポート経由から出て行く。ステップ4120では、スイッチ内入射ポートから入ってくる第2部分が、光ファイバスイッチに供給される第1電気信号が第1状態ならスイッチ側計測ポート、第2状態ならスイッチ側基準ポートから出て行く。ステップ4125では、スイッチ側計測ポートからの第2部分が光学系に入り、第1ビームとして次元計測装置外に出射される。ステップ4130では、第2ビームが第4部分として光学系に入射し、その第4部分がスイッチ側計測ポートに入っていく。ステップ4135では、第4部分が光ファイバスイッチ経由でカプラ外出射ポートに入っていく。ステップ4140では、第4部分のうち第5部分がカプラ側計測ポートから出て行く。ステップ4145では、スイッチ側基準ポートから出てきた第2部分が基準用再帰反射器に入射し、第6部分としてカプラ外出射ポートへと遡行する。ステップ4150では、第6部分のうち第7部分がカプラ側計測ポートから出て行く。ステップ4155では、第3部分を第1基準値に変換する一方、第1電気信号が第1状態なら第5部分を第1計測値、第2状態なら第7部分を第2基準値に変換する。ステップ4160では、第1計測値、第1基準値及び第2基準値に少なくとも部分的に依拠しつつ次元計測装置からターゲットまでの第1距離を導出して格納する。
図20に、図19に示した諸ステップの実行結果Aに基づき実行される計測方法内諸ステップ4200を示す。ステップ4215では基準用光検波器及び計測用光検波器を準備する。ステップ4220では基準用光検波器が第3部分を第1基準電気信号に変換する。ステップ4225では計測用光検波器が第5部分を第1計測電気信号に変換する。ステップ4230では計測用光検波器が第7部分を第2基準電気信号に変換する。
図21に、図20に示した諸ステップ4200の実行結果Bに基づき実行される計測方法内諸ステップ4300を示す。ステップ4315では第1モータ、第2モータ、第1角度計測装置及び第2計測装置を準備する。第1モータ及び第2モータは、光の第1ビームを第1方向に向けるべく協働する部材である。第1方向は、第1軸周りの第1回動角及び第2軸周りの第2回動角で決まる方向である。ステップ4320では、第1モータが第1軸周り回動、第2モータが第2軸周り回動を発生させる。ステップ4325では、第1回動角及び第2回動角を計測する。ステップ4330では、第1距離、第1回動角及び第2回動角に少なくとも部分的に依拠しつつ再帰反射ターゲットの3D座標を導出する。
以上、例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本件技術分野で習熟を積まれた方々(いわゆる当業者)には自明な通り、それら実施形態の構成要素については、本発明の技術分野を逸脱することなく様々な変更、様々な均等物置換を施すことができる。また、本願で教示されている事項については、個別の状況、個別の素材に対処するに当たり、本発明の技術的範囲を逸脱することなく様々な改変を施すことができる。このように、本発明は、そもそも、その実施に最適なベストモードとして記述されている個別の実施形態には限定されるものではなく、寧ろ別紙特許請求の範囲で定義されている技術的範囲に収まる実施形態全てを包含するものである。更に、第1、第2等々の用語は順序や重要性を示すものではなく、構成要素同士を区別する趣旨で使用されている。同様に、単複の明示がなくても単数に限定されるわけではなく、参照される事物が少なくとも1個存在していればよい。
Claims (20)
- 別の空間位置を占めるターゲット(26)へと光の第1ビーム(46)を出射し、そのターゲットが第1ビームの一部を反射し第2ビーム(47)として遡行させる次元計測装置(10)であって、
第1光(790)を輻射する第1光源(705,3102)と、
カプラ内入射ポート(459)、カプラ外出射ポート(465)、カプラ側計測ポート(424)及びカプラ側基準ポート(422)を有し、第1光のうち第1部分がカプラ内入射ポート経由で入り、そのうちの第2部分がカプラ外出射ポート、第3部分がカプラ側基準ポート経由で出て行くよう構成されたファイバカプラアセンブリ(457,463)と、
スイッチ内入射ポート(465)、スイッチ側計測ポート(470)及びスイッチ側基準ポート(471)を有し、スイッチ内入射ポート経由で入ってきた第2部分が、供給された第1電気信号(469)の状態が第1状態ならスイッチ側計測ポート、第2状態ならスイッチ側基準ポート経由で出て行くよう構成された光ファイバスイッチ(468)と、
スイッチ側計測ポートを経て入ってきた第2部分が第1ビームとして次元計測装置外に出射され、入射してきた第2ビームが第4部分としてスイッチ側計測ポート経由で光ファイバスイッチに入ってカプラ外出射ポートに至り、そのうちの第5部分がファイバカプラアセンブリ経由でカプラ側計測ポートから出るよう構成された光学系(170)と、
スイッチ側基準ポートを経て入射してきた第2部分が第6部分としてカプラ外出射ポートへ遡行し、そのうちの第7部分がファイバカプラアセンブリ経由でカプラ側計測ポートから出るよう構成された基準用再帰反射器(472,472A,472B)と、
第1状態又は第2状態を有する第1電気信号を発生させる一方、第3部分を第1基準値に変換し、また第1電気信号が第1状態なら第5部分を第1計測値に、第2状態なら第7部分を第2基準値に変換する第1電気回路(1536)と、
第1計測値、第1基準値及び第2基準値に少なくとも部分的に依拠しつつ、次元計測装置からターゲットまでの第1距離を導出するプロセッサ(1533,1520)と、
を備える次元計測装置。 - 請求項1記載の次元計測装置であって、第3部分(3232)が基準用光検波器(3308)によって第1基準電気信号、第5部分が計測用光検波器(3306)によって第1計測電気信号、また第7部分が計測用光検波器(3306)によって第2基準電気信号に変換される次元計測装置。
- 請求項1記載の次元計測装置であって、
第1軸(20)周りの第1回動角及び第2軸(18)周りの第2回動角で決まる第1方向を光の第1ビームが指向するよう協働しつつ第1回動角を発生させる第1モータ(2125)及び第2回動角を発生させる第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、
を備え、そのプロセッサが、第1距離、第1回動角及び第2回動角に少なくとも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導出する次元計測装置。 - 請求項2記載の次元計測装置であって、そのターゲットが再帰反射ターゲットである次元計測装置。
- 請求項4記載の次元計測装置であって、そのターゲットが球体実装再帰反射器である次元計測装置。
- 請求項1記載の次元計測装置であって、その次元計測装置が、第1光を変調する変調器(3304)を有する次元計測装置。
- 請求項6記載の次元計測装置であって、その変調器が、一定周波数正弦波にほぼ従い第1光の光学的パワーを変調する次元計測装置。
- 請求項7記載の次元計測装置であって、その第1電気回路が、第3部分から第1基準位相、第5部分から第1計測位相、第7部分から第2基準位相を抽出する次元計測装置。
- 請求項6記載の次元計測装置であって、その変調器が、パルス方式に従い第1光の光学的パワーを変調する次元計測装置。
- 請求項6記載の次元計測装置であって、その変調器が、経時につれ周波数が変化する波形に従い第1光の光学的パワーを変調する次元計測装置。
- 請求項4記載の次元計測装置であって、その第1電気回路が、第1計測値に少なくとも部分的に依拠しつつ第1及び第2状態のうち一方を指定する次元計測装置。
- 請求項4記載の次元計測装置であって、その第1電気回路が、第2基準値が直近に取得されてからの経過時間に少なくとも部分的に依拠しつつ第1及び第2状態を指定する次元計測装置。
- 請求項4記載の次元計測装置であって、その第1電気回路が、第2基準値が直近に取得されてからの温度計測値変化に少なくとも部分的に依拠しつつ第1及び第2状態のうち一方を指定する次元計測装置。
- 請求項4記載の次元計測装置であって、その第1電気回路が、プロセッサが上記第1距離を導出するモードであるか否かに少なくとも部分的に依拠しつつ第1及び第2状態のうち一方を指定する次元計測装置。
- ターゲット(26)へと光の第1ビーム(46)を出射し、第1ビームの一部をそのターゲットから第2ビーム(47)として遡行させる次元計測装置(10)向けの方法であって、
第1光を輻射する第1光源(705,3102)、カプラ内入射ポート(459)、カプラ外出射ポート(465)、カプラ側計測ポート(424)及びカプラ側基準ポート(422)を有するファイバカプラアセンブリ(457,463)、スイッチ内入射ポート(465)、スイッチ側計測ポート(470)及びスイッチ側基準ポート(471)を有する光ファイバスイッチ(468)、光学系(170)、基準用再帰反射器(472,472A,472B)、第1電気回路(1536)、並びにプロセッサ(1533,1520)を準備するステップ(4110)と、
第1光のうち第1部分をカプラ内入射ポートに入射させるステップ(4115)と、
第1部分のうち第2部分をカプラ外出射ポートから出射させるステップ(4115)と、
第1部分のうち第3部分をカプラ側基準ポートから出射させるステップ(4115)と、
第2部分をスイッチ内入射ポートに入射させるステップ(4120)と、
第1状態又は第2状態を有する第1電気信号(469)を光ファイバスイッチに供給するステップ(4120)と、
第1電気信号が第1状態ならスイッチ側計測ポート、第2状態ならスイッチ側基準ポートから第2部分を出射させるステップ(4120)と、
スイッチ側計測ポートから出射された第2部分を光学系に入射させその光学系から次元計測装置外へと第1ビームとして出射させるステップ(4125)と、
光学系に入射してきた第2ビームを第4部分としてスイッチ側計測ポートに入射させるステップ(4130)と、
第4部分を光ファイバスイッチ経由でカプラ外出射ポートに入射させるステップ(4135)と、
第4部分のうち第5部分をカプラ側計測ポートから出射させるステップ(4140)と、
スイッチ側基準ポートから出射された第2部分を基準用再帰反射器に入射させ第6部分としてカプラ外出射ポートへと遡行させるステップ(4145)と、
第6部分のうち第7部分をカプラ側計測ポートから出射させるステップ(4150)と、
第3部分を第1基準値に変換する一方、第1電気信号が第1状態なら第5部分を第1計測値、第2状態なら第7部分を第2基準値に変換するステップ(4155)と、
第1計測値、第1基準値及び第2基準値に少なくとも部分的に依拠しつつ次元計測装置からターゲットまでの第1距離を導出するステップ(4160)と、
導出した第1距離を格納するステップ(4160)と、
を有する方法。 - 請求項15記載の方法であって、
基準用光検波器(3308)及び計測用光検波器(3306)を準備するステップ(4215)と、
基準用光検波器で上記第3部分を第1基準電気信号に変換するステップ(4220)と、
計測用光検波器で上記第5部分を第1計測電気信号に変換するステップ(4225)と、
計測用光検波器で上記第7部分を第2基準電気信号に変換するステップ(4230)と、
を有する方法。 - 請求項16記載の方法であって、
第1軸(20)周りの第1回動角及び第2軸(18)周りの第2回動角で決まる第1方向を光の第1ビームが指向するよう協働する第1モータ(2125)及び第2モータ(2155)、並びに第1角度計測装置(2120)及び第2角度計測装置(2150)を準備するステップと、
第1モータで第1回動角を発生させるステップ(4315)と、
第2モータで第2回動角を発生させるステップ(4320)と、
第1回動角を計測するステップ(4325)と、
第2回動角を計測するステップ(4325)と、
第1距離、第1回動角及び第2回動角に少なくとも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導出するステップ(4330)と、
を有する方法。 - 請求項17記載の方法であって、第4部分を光ファイバスイッチ経由でカプラ外出射ポートに入射させるステップが、第1計測値に少なくとも部分的に依拠しつつ第1及び第2状態のうち一方を指定するステップを含む方法。
- 請求項17記載の方法であって、第4部分を光ファイバスイッチ経由でカプラ外出射ポートに入射させるステップが、第2基準値が直近に取得されてからの温度計測値変化に少なくとも部分的に依拠しつつ第1及び第2状態のうち一方を指定するステップを含む方法。
- 請求項17記載の方法であって、第4部分を光ファイバスイッチ経由でカプラ外出射ポートに入射させるステップが、プロセッサが上記第1距離を導出するモードであるか否かに少なくとも部分的に依拠しつつ第1及び第2状態のうち一方を指定するステップを含む方法。
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