JP2014511480A - 対象の位置および移動を測定するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、測定容積内の対象（２０）の位置を測定するシステム（１００）に関し、光学的角度測定デバイスに関して測定容積内の対象の方位角および仰角を測定するように構成された、静的光学系とともに配設された、光学的角度測定デバイス（５０）と、測定容積内の対象（２０）の範囲を測定するように構成された、静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイス（７０）と、を備える。さらに、本発明は、システムの使用および測定方法に関する。

Description

本発明は、システムの測定容積内の対象の位置の連続的で正確な測定を行うシステム、およびその移動（対象追跡）に関する。対象が触覚または光学的測定プローブ（tactile or optical measurement probe）である場合、システムは、工業用および他の部品の寸法検証に、また部品の形状および寸法のリバースエンジニアリングに使用され得る。

光学的追跡および測定システムは、対象に取り付けられ得る反射ターゲットの３ＤＯＦ（ＸＹＺデカルト座標基準系内の位置に対する、３自由度）を測定する。光学的追跡および測定システムは、対象に関して固定された少なくとも３つのターゲットの位置を測定することによって対象の６ＤＯＦ（６自由度、例えば、位置と向きである）を測定することができる。

光学的測定および追跡システムは、当技術分野で知られており、多関節アーム、光学的ＣＭＭ、レーザートラッカー、レーザーレーダー、白色光投影システムなど、業界において容易に利用可能である。これらは、適宜一定時間にわたって対象の移動を追跡するため、対象の位置を正確に計算する。

米国特許第６，１６６，８０９号明細書 独国特許第１９６０３２６７号明細書 英国特許第２２６００５１号明細書

ペターセン（Pettersen）らの特許文献１では、トラッカーと角度測定用の光学系との組み合わせを使用する光学的計測システムを開示している。しかし、範囲測定システムは、電動式偏向ミラーを使用するトラッカーである。これは、移動コンポーネントを収納しており、したがって、ドリフト、摩耗、安定性問題などの影響を受けやすい。電動式偏向ミラーが測定精度に影響を及ぼす可能性がある。これは、システムの精度およびメンテナンスのコストを監視するうえで時間と費用を必要とする。

特許文献２では、対象の範囲および位置の測定を行うための機器を開示している。範囲測定では、測定平面をスキャンするために駆動装置を使用する。

特許文献３では、カムコーダー用の追跡システムおよびオートフォーカスシステムを開示している。追跡およびオートフォーカスシステムでは、記録される対象を追跡するために電動式駆動装置を使用する。このシステムは、記録される対象の位置もしくは距離に関する情報を返さない。

本発明は、精度劣化を回避する光学的測定および追跡システムを実現することを目的とする。

捕捉する対象とともに、本発明の一実施形態の光学的位置測定システムを例示する図である。 非接触測定プローブである捕捉の対象を例示する概略図である。 接触測定プローブである捕捉の対象を例示する概略図である。 非接触測定プローブを使用する計測用に構成された本発明の一実施形態のシステムを例示する概略図である。 対象の範囲が範囲測定ＲＭデバイスを使用して捕捉される本発明の一実施形態のシステムを例示する概略図である。 対象の方位角および仰角が光学的角度測定ＯＡＭデバイスを使用して捕捉される本発明の一実施形態のシステムを例示する概略図である。 頑丈な支持材に取り付けられた、システムによって使用される能動的および非能動的ターゲットを例示する図である。 触覚プローブのハウジングに取り付けられた、システムによって使用される能動的および非能動的ターゲットを示す図である。 ３次元空間内の対象の位置を与える範囲測定（ＲＭ）および光学的角度測定（ＯＡＭ）デバイスから得られるデータの組み合わせを例示する概略図である。 システムの使用を例示するフローチャートである。 ＯＡＭデバイスの動作原理を例示する概略図である。 構造物製造システムを例示する概略図である。 製造システムの動作原理を例示するフローチャートである。

当技術分野の測定システムは、典型的には、電動式偏向ミラーを利用するトラッカーを採用する。これは、移動コンポーネントを収納しており、したがって、ドリフト、摩耗、安定性問題などの影響を受けやすい。電動式偏向ミラーが測定精度に影響を及ぼす可能性がある。本発明は、精度劣化を回避する光学的測定および追跡システムを実現することを目的とする。

上述の問題のうちの１つまたは複数を解決するために、本発明では、図面に対応する実施形態に例示されているような以下の構造を採用する。しかし、各要素に振られている括弧で囲まれた、または太字にした参照番号は、単に、例として要素を示すだけであり、各要素を制限することを意図していない。

本発明の第１の態様によれば、対象の位置を測定するシステム（１００）が実現され、このシステムは、
− 対象に関連付けられて配置構成されるターゲットの方向を測定するように構成され、静的光学系とともに配設された、角度測定デバイス（５０）と、
− 対象の範囲を測定するように構成され、静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイス（７０）と、
を備える。

本発明の第２の態様によれば、対象の位置を測定する方法が提供され、この方法は、
− ターゲットを対象上に配置するステップと、
− 静的光学系とともに配設された、角度測定デバイスを使用して対象の方向を測定するステップと、
− 静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイスを使用して対象の範囲を測定するステップと、
を含む。

本発明の第３の態様によれば、上述の態様のシステムもしくは方法の使用が提示される。

本発明は、以下の特定の実施形態に従って説明される。

本発明の一実施形態は、対象（２０）の位置を測定するシステム（１００）であり、このシステムは、
− 対象（２０）の方向を測定するように構成され、静的光学系とともに配設された、光学的角度測定デバイス（５０）と、
− 対象（２０）の範囲を測定するように構成され、１つまたは複数の、好ましくはすべての、静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイス（７０）と、
を備える。

対象は、測定容積内で測定される。方向は、方位角と仰角であるとみなせる。静的光学系は、光学的角度測定デバイスに関して測定容積内の対象の方位角および仰角を測定するように構成され得る。光学的角度測定デバイス（５０）は、対象に関連付けられている第１のターゲットの方向を測定するように構成され得る。範囲測定デバイス（７０）は、測定容積内の対象（２０）の範囲を測定するように構成された、１つまたは複数の、好ましくはすべての、静的コンポーネントとともに配設され得る。範囲測定デバイス（７０）は、対象に関連付けられている第２のターゲットの範囲を測定するように構成され得る。システムは、範囲および方向から対象（２０）の位置を計算するように構成された、処理デバイスをさらに備えることができる。３つの第１のターゲットがあり得り、処理デバイスは、対象の向きを計算するようにさらに構成され得る。光学的角度測定デバイスおよび範囲測定デバイスは、好ましくは測定容積内の、対象の移動を測定するように構成され得る。範囲測定デバイスによって放射される光線は、測定時に空間的に固定され得る。光学的角度測定によって放射される光線は、測定時に空間的に固定され得る。光学的角度測定デバイス（５０）と範囲測定デバイス（７０）との間の位置関係は、知ることができる。方向は、好ましくは、光学的角度測定デバイスに関するターゲットの方位角および仰角を含む。光学的角度測定デバイスは、静的光学系を使用することによって発散光を測定するように配置構成され得る。光学的角度測定デバイス（５０）は、非平行に配置された２つの１次元光学的センサー、または２次元光学的センサーを有する静的光学系を介して検出するセンサーを備えることができる。光学的センサーは、電荷結合素子、相補型金属酸膜半導体、または位置感知型検出器タイプのものとすることができる。光学的角度測定デバイス（５０）は、静的光学系を使用することによってターゲットに照らすための固定光線源をさらに備えることができる。静的コンポーネントは、対象によって反射された波エネルギーの放射から検出までの間の遅延時間を測定する飛行時間型測定システムを備えることができる。飛行時間型測定システムは、固定光線出力を有する波エネルギー用の放射体を備えることができる。範囲測定デバイス（７０）は、光学的静的コンポーネントを備える光学的範囲測定デバイスとすることができる。放射体は、レーザー、つまりコヒーレントレーザーレーダーのレーザーとすることができる。放射体は、音波もしくは超音波トランスデューサとすることができる。対象は、測定プローブもしくはその一部とすることができる。システムは、測定プローブから得られたデータをプローブの計算された位置および移動と同期させるための同期デバイスをさらに備えることができる。第１のターゲットおよび第２のターゲットは、同じであってもよい。

本発明の別の実施形態は、対象の位置を測定する方法であり、
− 静的光学系とともに配設された、光学的角度測定デバイスを使用して、対象の方向を測定するステップと、
− 静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイスを使用して、対象の範囲を測定するステップと、
を含む。

方法は、好ましくは測定容積内で測定を実行する。対象の方向は、光学的角度測定デバイスに関して測定容積内で測定され得る。対象の範囲は、範囲測定デバイスに関して測定容積内で測定され得る。対象に関連付けられて配置構成された第１のターゲットの方向が決定され得る。対象に関連付けられて配置構成された第２のターゲットの範囲が決定され得る。

本発明の別の実施形態は、対象（２０）の位置および移動を測定するための、本明細書で説明されているシステム（１００）の使用である。

本発明の別の実施形態は、構造物を製造する方法であり、
− 設計情報を使用して構造物を生産するステップと、
− 本明細書で説明されている測定システムを使用することによって構造物の形状情報を取得するステップと、
− 取得された形状情報を設計情報と比較するステップと、
を含む。

比較するステップは、例えば、生産誤差を是正するために、構造物をさらに処理する（再処理する）必要があるかどうかを決定する。構造物を製造する方法は、比較結果に基づき構造物を再処理するステップをさらに含むことができる。構造物を再処理するステップは、さらに繰り返して構造物を生産するステップを含むことができる。

本発明のシステムおよび方法について説明する前に、本発明が特定のシステムおよび方法または説明されている組み合わせに、そのようなシステムおよび方法および組み合わせがもちろん変わり得るため、限定されないことは理解されるであろう。また、本発明の範囲は付属の請求項によってのみ制限されるため、本明細書で使用されている用語は、制限するものとして意図されていないことも理解されるであろう。

本明細書の英語原文において用いられる単数形を示す「a」、「an」および「the」は、文脈からそうではないことが明らかでない限り、単数および複数の指示対象を含む。

本明細書で使用されるような「含む」、「備える」（「comprising」、「comprises」）、および「からなる」（「comprised of」）という言い回しは、「含む」（「including」、「includes」）または「収納する」（「containing」、「contains」）と同義であり、包括的または非限定的であり、別の引用されていない部材、要素、または方法ステップを排除するものではない。本明細書で使用されているような「含む」、「備える」（「comprising」、「comprises」）、および「からなる」（comprised of）という言い回しは、「からなる」（「consisting of」、「consists」、および「consists of」）を含むことは理解されるであろう。

終点による数値範囲の参照は、各範囲内に包含されるすべての数値および分数、さらには参照されている終点を含む。

部材のグループの中の１つまたは複数または少なくとも１つの部材などの「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」という言い回しは、さらなる例示を用いて、それ自体明白であるが、この言い回しは、なかんずく、例えば、前記部材のうちの任意≧３、≧４、≧５、≧６、または≧７などの部材、および最大で前記すべての部材など、前記部材のうちの任意の１つへの参照、または前記部材のうちの任意の２つまたはそれ以上への参照を包含する。

本明細書で引用されているすべての参考文献は、参照により本明細書に組み込まれる。特に、特に参照されている本明細書のすべての参考文献の教示は、参照により本明細書に組み込まれる。

断りのない限り、技術および科学用語を含む、本発明の開示で使用されるすべての用語は、本発明が関係している技術分野の当業者に通常理解される意味と同じ意味を有する。さらなる指針を用いることで、本発明の教示が理解しやすくなるように用語の定義が含まれる。

以下の文において、本発明の異なる態様がさらに詳しく定義される。こうして定義されたそれぞれの態様は、反対のことが明確に指示されていない限り他の１つまたは複数の態様と組み合わせることができる。特に、好ましいものとして、または有利であるとして指示されている特徴を好ましいものとして、または有利であるとして指示されている他の１つまたは複数の特徴と組み合わせることができる。

本明細書全体を通して「一実施形態」または「実施形態」と記述されている場合、これは、その実施形態に関して説明されている特定の特徴、構造、特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。そのため、「一実施形態では（において）」または「実施形態では（において）」という語句が本明細書のさまざまな箇所に記載されていても、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているとは限らないが、指していてもよい。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において、本開示から当業者にとって明らかであるように、好適な仕方で組み合わせることができる。さらに、本明細書で説明されているいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれているいくつかの特徴を含み、他の特徴を含まないが、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内にあることが意図され、当業者であれば理解するように、異なる実施形態をなす。例えば、付属の請求項において、請求されている実施形態のうちのどれかを任意の組み合わせで使用することができる。

本発明の以下の詳細な説明では、その一部をなし、本発明を実施できる特定の実施形態のみが図で示されている、付属の図面を参照する。他の実施形態が利用され得るものであり、また本発明の範囲から逸脱することなく構造または論理に関する変更が加えられ得ることは理解されるであろう。したがって、以下の詳細な説明は、限定する意味で解釈されないものとする。

この実施形態によるシステムは、図１から図４を参照しつつ説明される。図１は、捕捉する対象とともに、一実施形態の光学的位置測定システムを例示する図である。図２は、非接触測定プローブである捕捉の対象を例示する概略図である。図３は、接触測定プローブである捕捉の対象を例示する概略図である。図４は、非接触測定プローブを使用する計測用に構成された一実施形態のシステムを例示する概略図である。

図１において、システム１００は、対象の方向を測定するように構成された、静的光学系とともに配設された光学的角度測定（ＯＡＭ）デバイス５０と、対象の範囲を測定するように構成された、静的コンポーネントとともに配設された範囲測定（ＲＭ）デバイス７０とを備える。ターゲットは、対象に関連付けられるように配置構成され得る。したがって、システム１００は、ＯＡＭデバイス５０とＲＭデバイス７０との組み合わせを使用して測定容積内に配置される少なくとも１つのターゲット３０、３０´、３０´´の位置を測定する。ターゲットは、ＯＡＭおよびＲＭデバイスの作動容積内に置かれる。一定時間にわたって複数の測定を行うことによって、対象２０の位置を追跡することができる。図１は、３つのターゲットとともに配設された対象２０を示しているが、決してそれらに制限されることは意図されていない。ターゲットの数が１である場合、対象の位置を決定することができる。ターゲットの数が２である場合、対象の位置と部分的向きとを決定することができる。ターゲットの数が３またはそれ以上である場合、対象の位置だけでなく向きも（つまり、６ＤＯＦ）をシステム１００から得られた情報から決定することができる。３つより多いターゲットを使用すると、位置および向きのみを計算するときに冗長性が生じ、測定の精度が改善されるか、または付加的情報（例えば、対象の変形）の計算を行うことができる。対象は、位置および適宜移動が測定される製造品とすることができる。対象は、製造品の周りを移動し、製造品を測定するように構成された測定プローブとすることができる。

システム１００は、コントローラ１５を備えることができる。コントローラ１５は、ＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０による測定を制御するように構成される。コントローラ１５は、ＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０を使用することによって対象２０の測定中にＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０に対する制御信号を送る。

ＲＭデバイスを使用することによって、デバイスからある地点までの距離を直接測定することができ、この距離を現在の光学的ＣＭＭシステムのように三角測量によって推測する必要はない。そのため、システムの精度は、このような方法で動作する光学的ＣＭＭと比較して改善される。それに加えて、測定デバイスに関するその地点の方向は、光学的角度測定デバイスによって測定されるため、範囲測定デバイスは、この目的のために可動ミラーを使用しなければならないレーザートラッカーもしくはレーザーレーダーとは反対に、その地点を追跡もしくは追随する必要はない。追跡は不要なので、移動可能なヘッドは不要であり、コストの高い高精度ロータリーエンコーダは不要であり、収集を高速実行できる。

範囲測定（ＲＭ）デバイス７０は、対象もしくはターゲットとＲＭデバイスとの間の範囲（つまり、距離）を測定する。ＲＭデバイス７０は、好ましくは非接触型である。これは、対象によって反射された波エネルギーの伝達から検出までの間の遅延時間を決定する非接触飛行時間型（ＴＯＦ）測定システムを使用することができる。波エネルギーは、好ましくは、可視光線もしくは赤外線としてよい光であるが、超音波もしくは音波などの反射が可能な伝搬する波エネルギーであってもよい。ＲＭデバイスが光を使用する場合、これは光学的範囲測定（ＯＲＭ）デバイスとして知られ、ＯＲＭデバイスによる検出が行われるように構成された光学的に検出可能なターゲット（第２のターゲット）が対象上に置かれる。ＲＭデバイスが超音波もしくは音波を使用する場合、第２のターゲットは不要である。

ＲＭデバイス７０は、好ましくは、波エネルギーを伝搬する放射体、反射されたエネルギーを受け取るための検出器、放射体に供給され、検出器から受け取った電気的信号に基づき範囲を計算するＲＭプロセッサを備える。放射体もしくはその出力は、測定が持続している間、空間的に固定される（非追跡）。受信機も、測定が持続している間、空間的に固定される（非追跡）。

ＲＭデバイス７０は、静的コンポーネントを有する。放射されたエネルギーの出力の方向は、好ましくは、電子的に制御可能なものではない。放射体は、好ましくは非追跡型である。放射体は、好ましくは、固定された光線出力を有する。放射体は、好ましくは広角である。放射体の出力は、好ましくは集束されない。

ＲＭデバイス７０は、対象の範囲測定が決定され得る測定容積を有する。これはシステム１００の測定容積と重なり合う。ＲＭデバイス７０の測定容積は、ＲＭデバイスと固定された関係にあるように保持され得る。ＲＭデバイス７０の測定容積は、ＲＭデバイス７０の放射体および／または検出器と固定された関係にあるように保持され得る。この固定された関係は、測定中に保持され得る。固定された関係とは、固定された位置および／または向きを意味する。

放射体、またはＲＭデバイス７０から放射された光線は、測定中、固定され得る。言い換えると、放射体もしくはそこから放射された光線は、測定中に固定された位置および向きに保持され得る。放射体、またはＲＭデバイス７０から放射された光線は、測定中、コントローラ１５によって生成される制御信号によって固定され得る。測定中に光線がＲＭデバイス７０によって放射されるときに、コントローラ１５の出力信号は、範囲測定の出力のため固定され得る。

ＯＲＭデバイス７０が使用される場合、放射体は静的光学系を有する光源である。放射される光の出力の方向は、好ましくは、電子的に制御可能なものではない。そのようなものとして、ＲＭデバイス７０は、可動ミラーを欠いていてもよい。光放射体は、好ましくは非追跡型である。光放射体は、好ましくは固定光線である。光放射体は、好ましくは広角である。光放射体は、好ましくは集束されない。これは、レーザーもしくはコヒーレントレーザーレーダーとすることができる。第２のターゲットは、好ましくは光反射体３４である。

ＯＲＭデバイス７０は、光学的範囲測定の知られている原理に従って動作する。例えば、図５を参照すると、光錐７２が、ＯＲＭデバイス７０から測定容積の方へ放射されることがわかる。測定容積内に配置されている対象２０に置かれた第２のターゲット３４は、光線７４をＯＲＭデバイス７０の方へ戻す形で反射する。反射光の一部は、ＯＲＭデバイス７０内の受信機によってピックアップされる。ＯＲＭデバイス７０内では、受信機が受け取った光を放射光と組み合わせて、放射光線と受け取った光線との間の遅延時間を決定する。遅延時間の決定は、例えば、光線がレーザー光線である場合にレーザー干渉計により実行され得るが、当技術分野で知られている他の方法も使用することができる。測定された遅延時間と知られている光の速度とから、ＯＲＭデバイスからターゲットへ、そしてＯＲＭデバイスに戻る光の全移動距離が、ＯＲＭプロセッサによって計算される。出力された範囲情報は、処理デバイス（例えば、ラップトップ４０）に送られ、ＯＡＭデバイス（図６）から受信した情報と組み合わせて測定容積内のターゲットの３次元位置を計算する。光学的範囲測定を最適な形で実行するために、広いビーム角度を持つコヒーレントレーザーレーザー光線を使用することができる。

ＯＲＭデバイス７０が、超音波もしくは音波を使用する場合、放射体は超音波もしくは音波トランスデューサであり、受信機は、その超音波もしくは音波の検出用にチューニングされる。超音波もしくは音波ＲＭデバイス７０は、超音波もしくは音波範囲測定の知られている原理に従って動作する。そのような場合、第２のターゲットは不要である。出力された範囲情報は、処理デバイス（例えば、ラップトップ４０）に送られ、ＯＡＭデバイス（図６）から受信した情報と組み合わせて測定容積内のターゲットの３次元位置を計算する。

範囲測定は、ＲＭデバイスの固定された基準系に関して行われる。ＲＭデバイスは、当技術分野で知られている、レーザーレーダー、レーザー干渉計、レーザートラッカー、絶対距離測定を行うレーザートラッカーなどである。例えば、知られている周波数の光線が、ＲＭデバイスから送られて、ＲＭターゲット３０によって反射される。反射された信号は、元の信号と組み合わされて、２つの信号の間の位相シフト（または範囲）を計算する際に基となる干渉を発生する。

光学的角度測定（ＯＡＭ）デバイス５０は、対象の方向を測定する。ＯＡＭは、好ましくは、ＯＡＭデバイスに関して、対象上に置かれたＯＡＭデバイスによる検出が行われるように構成された、光学的に検出可能なターゲット、特に第１のターゲットの方向を測定することができる。

方向は、対象もしくはターゲットのアジマス（または方位角）およびエレベーション（または仰角）として表され得る。アジマスは、水平面に関する対象もしくは第１のターゲットの角度位置を表し、エレベーションは、垂直面に関する対象もしくは第１のターゲットの角度位置を表す。ＯＡＭデバイスを使用することで、これに関連付けられている対象またはターゲットのアジマスおよびエレベーションを計算することができることが理解され、これは、互いに垂直な方位角および仰角を測定することによって、または非平行な投影角度に関してターゲットの角度を決定することによって直接的に導出することができる。方位角および仰角は、ＯＡＭデバイス５０に関して固定されている基準系において表される。

対象もしくはターゲット３０の検出のため、ＯＡＭデバイス５０は、カメラである光受信機を備える。受信機は、好ましくは直交した配置の２つの１次元光学的角度センサーを備えることができる。この場合、アジマスとエレベーションの測定は、それぞれのセンサーを別々に使用して実行され得る。１次元光学的角度センサーは、アナモルフィックレンズ（例えば、円柱光学系）と組み合わせた、線形光学的センサーとすることができる。

受信機は、２次元光学的角度センサーを備えることができる。この場合、方位角と仰角の両方が、同時に測定され得る。２次元光学的角度センサーは、球面レンズと組み合わせた、エリアセンサーであってよい。１または２次元光学的センサーは、ＣＣＤ（電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸膜半導体）、またはＰＳＤ（位置感知型検出器）タイプのものとすることができる。これらのタイプのセンサーを使用する第１のターゲットの角度測定は、当技術分野で知られている。

ＯＡＭデバイスは、光学的角度測定の知られている原理に従って動作する。図６を参照すると、例えば、測定容積内に配置されている対象２０上に置かれた能動的ターゲット３２である第１のターゲットは、ＯＡＭデバイス５０内のカメラによって検出されることがわかる。ターゲットは、能動的ターゲット３２であるので、ＯＡＭデバイス５０もしくはシステム内で一体化された照明源は不要である。カメラ内の光学的角度センサーは、センサー上のターゲットの投影の位置から、ターゲット３２のアジマス５２およびそのエレベーション５４を決定する。

図１１を参照すると、第１のターゲット３２、３４から発せられた光線９２は、ＯＡＭデバイス５０のレンズ５６を通過し、ＯＡＭ撮像装置５８に当たることがわかる。レンズおよび撮像装置は、互いに関して固定され、相対的位置は、通常、焦点距離（ｆ）として表される。撮像装置は、光線によって照らされるピクセル（ｕ，ｖ）５９を検出する。そこで、光線の方向（あるいは、アジマスおよびエレベーション）は、（ｕ，ｖ）ピクセルおよびレンズの中心を通るベクトル９２として計算される。

ＯＡＭデバイス５０の出力は、処理デバイス（例えば、図４のラップトップ４０）に送られ、ＲＭデバイス（図５）から受信した情報と組み合わせて測定容積内のターゲットの位置を計算する。図５および図６は範囲データおよび角度データの収集を別々に示しているが、これらは同時にまたは連続的に収集できることも理解されるであろう。

第１のターゲットが受動的ターゲット３４である場合、ＯＡＭは、それを照らすための光源である放射体を備えることができる。光源は、固定光線（静的、非追跡）光源とすることができる。これは、広角であってもよい。光源の好適な例として、フラッシュライト（例えば、ＬＥＤ、タングステンもしくはハロゲン）、またはストロボスコープが挙げられる。光源をＯＡＭデバイスのハウジング内に組み込むか、または別に備えることができる。能動的な第１のターゲット３２の場合、システム内に一体化された照明源は不要である。

ＯＡＭデバイス５０は、対象の方向が決定され得る測定容積を有する。これはシステム１００の測定容積と重なり合う。ＯＡＭデバイス５０の測定容積は、ＯＡＭデバイス５０と固定された関係にあるように保持され得る。ＯＡＭデバイス５０の測定容積は、ＯＡＭデバイス５０の光学的受信機と固定された関係にあるように保持され得る。この固定された関係は、測定中に保持され得る。固定された関係とは、固定されて位置および／または向きを意味する。

ＯＡＭデバイス５０からの光学的受信機は、測定時に固定され得る。言い換えると、受信機もしくは光学的受信機によって測定される容積は、測定中に固定された位置および向きに保持され得る。光学的受信機またはＯＡＭデバイス５０の光学的受信機によって測定された容積は、測定中、コントローラ１５によって生成される制御信号によって固定され得る。測定中に容積がＯＡＭデバイス５０によって測定されるときに、コントローラ１５の出力信号は、範囲測定の出力のため固定され得る。

ＯＡＭデバイス５０の放射体（光源）またはそこから放射された光線は、測定中、固定され得る。言い換えると、放射体もしくはそこから放射される光線は、測定中に固定された位置および向きに保持され得る。放射体、またはそこから放射された光線は、測定中、コントローラ１５によって生成される制御信号によって固定され得る。測定中に光線がＯＡＭデバイス５０によって放射されるときに、コントローラ１５の出力信号は、範囲測定の出力のため固定され得る。

当技術分野で知られている標準画像検出アルゴリズムを利用して、得られた画像内の反射ターゲットの位置を計算することができる。

正確な角度測定は、共通のサブピクセル化技術によって、または数学的アルゴリズムおよび／または較正方法を使用することによって得られる。Nikon Metrology社製Kseries機器、ならびにいくつかの利用可能な光学的ターゲット測定およびターゲット追跡デバイス、例えば、Metronor社製SOLO、Creaform社製Handyscan 3D、GOM社製tritopにおいて、類似の技術が使用されている。

本発明の一実施形態によれば、ＯＡＭデバイス５０は、光学的座標測定機（ＯＣＭＭ）とすることができる。

ＲＭデバイス７０によって使用される静的コンポーネントおよびＯＡＭデバイス５０によって使用される静的光学系は、静止、非（電気機械）追跡動作モードを意味する。超音波を使用するＲＭデバイス７０の場合、超音波放射体および／または受信機は静的である。ＯＲＭデバイス７０の場合、光学系は静的である。ＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０コンポーネントもしくは光学系は、少なくとも測定が持続している間は静的である。デバイス５０、７０は、コンポーネント、つまり放射体および／または受信機の電子的に制御された移動のための機構を欠いている場合がある。測定デバイス５０、７０が、光源（例えば、ＯＲＭデバイス７０の場合にはレーザー）を備えている場合、透過光線の出力の方向は、電子的に制御可能な移動を行うように構成されえない。言い換えると、これは、可動ミラーを欠いていてもよい。同様に、測定デバイス５０、７０の受信機コンポーネントは、静止し、受け取ったエネルギー（例えば、光、超音波）は、電子的に制御可能な機構によって方向付けられない。静的コンポーネント（例えば、光学系、超音波トランスデューサ）を使用することで、生産コストの簡素化および低減がなされる。移動する部分がないため、時間の経過による性能劣化はなく、また寿命も延びる。これにより、測定と測定との間に、電気機械／機械追跡システムを再位置合わせする必要がないため移動する対象の測定頻度を増やすことができる。あるいは、いくつかの対象の測定もしくは追跡を「ほとんど」同時に行うことができる。

ＲＭデバイス７０によって使用される静的コンポーネントおよびＯＡＭデバイス５０によって使用される静的光学系は、システム１００に関して固定されているシステム１００の測定容積を意味するものとしてよい。ＲＭデバイス７０の測定容積は、ＲＭデバイス７０に関して、特にその放射体および／または受信機に関して、固定され得る。ＯＡＭデバイス５０の測定容積は、ＯＡＭデバイス５０に関して、特にその受信機に関して、固定され得る。ＲＭデバイス７０とＯＡＭデバイス５０の測定容積（measurement volumes）間の交差（共通部分（intersection））は、システムの測定容積を表し得る。システムの測定容積は、対象の方向測定と範囲測定の両方を決定できる容積である。

ターゲット３０、３０´、３０´´は、光学的に検出可能なデバイスである。ターゲットは、ＯＲＭデバイスもしくはＯＡＭデバイスにより光学的検出を行うように構成された発光素子（能動）または反射素子（受動）であるものとしてよい。ターゲット３０、３０´、３０´´は、対象上に置くか、または対象に取り付けるように構成される。置くこと、または取り付けは、恒久的であるか、または取り外し可能であるものとしてよい。ターゲット３０、３０´、３０´´は、対象上に直接的に置くように構成され得る。ターゲットは、例えば、取付具を使用して、対象に取り付けることができる。取付具は、磁気マウント、一体形成されたクランプ、ネジ山アセンブリ、吸引マウント、または接着剤とすることができる。ターゲット３０、３０´、３０´´は、例えば、本明細書の別のところで詳細に説明されているような支持体を使用して、対象上に間接的に置くように構成され得る。対象は、少なくとも１つの光学的に検出可能なターゲット３０、３０´、３０´´を上に置いたときの影響を受けやすい。対象は、好適な表面および／または往復運動取り付けにより配設され得る。

２つのタイプのターゲット、つまり第１のターゲットと第２のターゲットとがあり得る。第１のターゲットは、ＯＡＭデバイスによる検出を行えるように構成される。第１のターゲットは、ＯＡＭデバイス５０によって排他的に検出可能であるか、または非排他的に、ＯＲＭデバイス７０によって検出することも可能である。第１のターゲットは、ＯＡＭデバイス５０によってのみ、または排他的に検出するのに適したものにする特性を有することができる。第１のターゲットは、ＯＡＭデバイス５０とＯＲＭデバイス７０の両方によって検出するのに適したものにする特性を有することができる。

第２のターゲットは、ＯＲＭデバイス７０による検出を行えるように構成される。第２のターゲットは、ＯＲＭデバイス５０によって排他的に検出可能であるか、または非排他的に、ＯＡＭデバイス５０によって検出することも可能である。第２のターゲットは、ＯＲＭデバイス７０によってのみ、または排他的に検出するのに適したものにする特性を有することができる。第２のターゲットは、ＯＲＭデバイス７０とＯＡＭデバイス５０の両方によって検出するのに適したものにする特性を有することができる。

同一のターゲットを、ＯＡＭデバイス５０とＯＲＭデバイス７０の両方によって検出するように構成することができる。

対象上に複数のターゲットがある場合、これらの間の距離は知られているか、または決定することができる。第１および第２のターゲットの個数は、同じでも異なっていてもよい。

第１のターゲットは、ＯＡＭデバイスによる検出を行えるように構成される。１つの第１のターゲットがある場合、ターゲットのアジマスおよびエレベーションを計算することができる。少なくとも３つの第１のターゲットがある場合、範囲情報と組み合わせた角度測定結果を使用して、対象の向きを計算することができる。

一実施形態によれば、第１のターゲットは発光（能動的）ターゲット３２である。能動的な第１のターゲット３２は、光を発生する光トランスデューサを備えることができる。光トランスデューサは、例えば、可視光もしくは赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、電界発光シート、または白熱電球とすることができる。可視光ＬＥＤは、単色であるか、または異なる色の光を発光することができるものとしてよい。光トランスデューサからの光は、光ファイバーを使用してターゲットの表面へ向けられ得る。光トランスデューサは、典型的には、電源（例えば、電池、太陽電池、誘導、本線変圧器）、および適宜、制御信号を供給するコントローラを備える電子回路の一部である。制御信号は、静的もしくは脈動する出力、脈動速度、光強度、および放射される色を決定することができる。複数の能動的な第１のターゲットがある場合、コントローラは、照射順序を決定することができる。脈動する光は、適宜同期（例えば、同期パルスの発生）用としてよい。

別の実施形態によれば、第１のターゲットは光反射（受動的）ターゲット３４である。反射光は、可視光、赤外線、紫外線とすることができる。受動的な第１のターゲットは、好適な任意のタイプ、例えば、コーナーキューブ逆反射体、逆反射ガラスビーズ材料、キャッツアイ逆反射体、光学的パール（optical pearls）が埋め込まれた表面、コーナーキューブタイプのインプリントフォイルとすることができる。

受動的な第１のターゲット３４は、固定光線（静的非追跡）光源によって光を照射され、その好適な例として、フラッシュライト（例えば、ＬＥＤ、タングステンもしくはハロゲン）、またはストロボスコープが挙げられる。光源をＯＡＭデバイス７０のハウジング内に組み込むか、または別に備えることができる。

受動的な第１のターゲット３４は、代替的に、典型的にはレーザーである、ＯＲＭデバイス内に組み込まれ、通常第２のターゲットに光を照射するために使用される固定光線（静的、非追跡）光源によって光を照射され得る（以下参照）。

ＯＡＭデバイス５０およびＯＲＭデバイス７０が両方とも、受動的ターゲット３４を使用する場合、範囲測定と角度測定との間の干渉は、さまざまな方法で回避することができる。例えば、照明源は、異なり、異なる波長を適宜検出器の前にある適切なフィルターと一緒に使用することができる。あるいは、ＯＡＭおよびＯＲＭデバイスは、ターゲットもしくは対象に光を非同期に（異なる時刻に）照射するか、または遅延時間を固定して光を照射することができる。

光学的に検出可能なターゲット（第２のターゲット）のうちの少なくとも１つは、ＯＲＭデバイス７０による検出を行えるように構成され得る。第２のターゲットは、反射体（受動的デバイス）３４から光を出す。最適な性能を発揮させるために、入射光にほとんど平行な光を反射する逆反射ターゲットタイプであってよい。このようなターゲットの例として、コーナーキューブ（コーナーリフレクタ）、ガラス球、キャッツアイ、光学的パールが埋め込まれた表面、コーナーキューブタイプのインプリントシート材料が挙げられる。

複数の第２のターゲットが使用される場合、ＯＲＭデバイス７０は、これらを区別することができるものとしてよい。第２のターゲットの測定結果は、いくつかの技術により互いに分離することができる。第２のターゲットは、ＯＲＭデバイス７０に逐次的に見えるように構成された、シャッター機能を備えることができる。シャッターは、第２のターゲットの前にあるか、または第２のターゲットの本体部内に一体形成され得る。シャッターは、機械的または電気光学的であってよい。シャッターは、理想的には、ＯＲＭデバイス７０と同期し、これによりＯＲＭデバイスはどのターゲットがすべての範囲測定について能動的であるかどうかを判定することができる。一態様は、液晶技術（例えば、ＰＩセル）を使用するシャッターを備えた第２のターゲットである。別の態様は、フロントレンズの背後、逆反射体の前に配置された、またはレンズの前に配置されたシャッターを備える、キャッツアイ逆反射体である、第２のターゲットである。別の態様は、フロントレンズの背後、逆反射体の前に配置された、またはレンズの前に配置されたシャッターを備える、コーナーキューブである、第２のターゲットである。別の態様は、フロントレンズの背後、逆反射体の前に配置された、またはレンズの前に配置されたシャッターを備える、ガラスパール逆反射体である、第２のターゲットである。第２のターゲットがシャッターを収納している場合、これは、電源（例えば、電池、太陽電池、誘導、本線変圧器）、および適宜同期のための電子回路デバイスに接続され得る。

第２のターゲットは、ＲＭデバイスが範囲検出に超音波を使用する場合になくてもよい。

光学的に検出可能なターゲット３０、３０´、３０´´は、対象上に間接的に置くように構成され得る。後者の場合、これは頑丈な支持体に取り付けられ、次いで、これは、例えば上で説明されているように取付具を使用して対象上に置くように構成される。図７は、光学的に検出可能なターゲット３０、３２、３４が固定されて取り付けられる非直線的シャフト３６を備える光学的に検出可能なターゲット３０、３２、３４の支持体を示している。好ましくは、すべての第１のターゲットが、同じ平面内に位置決めされるわけではなく、図７では、１つの第１のターゲット３２が異なる深さにセットされる。シャフトは、調整可能な、または固定された継手を使用して基部３８に取り付けることができる。基部３８は、取付具を備えるものとしてよい。頑丈な支持体の利点は、隣接するターゲット同士の間の距離を工場で構成することができる点である。他の支持体幾何学的形状も想定される。支持体は、ターゲットがコーナーおよび／またはエッジの一部または全部にそって設けられる正多角形または非正多角形を含むものとしてよい。例えば、支持体は、４つのターゲットがピラミッドのコーナー上に配置されているピラミッドを含み得る。

対象２０は、寸法測定プローブ（以下参照）を有することができ、その場合、光学的に検出可能なターゲット３０、３０´、３０´´は、好ましくは、プローブのハウジングに固定して取り付けられ、好ましくは後部に取り付けられる。図８は、寸法接触測定プローブ２２を示しており、能動的ターゲット３２と受動的ターゲット３４との組み合わせがプローブハウジング３３に取り付けられている。プローブヘッド２３は球形である。好ましくは、すべての第１のターゲットが、同じ平面内に位置決めされる。ターゲット３０、３０´、３０´´の間の距離は、工場で較正可能である。

ターゲット３０、３０´、３０´´が対象上に直接的にまたは間接的に置かれるかどうかに関係なく、ターゲットのほとんどまたはすべてがＲＭデバイスおよび／またはＯＡＭデバイスの視線上に置かれることが理解される。ターゲット３０、３０´、３０´´は、システムの一部として供給されるか、または個別に提供され得る。

脈動する発光（能動的）ターゲット３２は、好ましくは、システムと時間的尺度で同期される。同様に、シャッターを備える受動的ターゲット３４も同期されなければならない。同期されるとは、ＯＲＭデバイス７０またはＯＡＭデバイス５０のすべての測定について、測定の時間的尺度においてどのターゲットが能動的であるかが判定され得ることを意味する。これは、ターゲット３２、３４に対する駆動電子回路をターゲットを捕捉するＯＲＭデバイス７０またはＯＡＭデバイス５０と同期させることによって達成され得る。ターゲットによって送信される有線もしくはワイヤレス方式の同期信号により、電子回路の同期をとることが可能である。ワイヤレス方式の伝送は、ＲＦ（無線周波数）制御、ＩＲ（赤外線）出そう、または他の任意のタイプとすることができる。同期は、同期デバイスによって実行することができ、これは、処理デバイス内に組み込むことができる。

本発明の一態様によれば、システムによって検出される対象２０は、例えば大きな製造部品であってもよい別の対象の測定データを捕捉するように適合された測定プローブ２２、２４である。システム１００は、前記測定プローブ２２、２４を備えることができる。測定プローブ２２、２４は、測定される部分上を移動し、データを収集し、その間、システムを使用して、プローブ２２、２４の３次元位置、および適宜その向きを導出することができる。測定プローブ２２、２４ならびにＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０は、プローブの読み取り値が空間内のその位置および適宜向きと相関するように同期される。

同期方法は、当技術分野で知られている。同期は、プローブに対する駆動電子回路をプローブ位置を捕捉するＲＭデバイス７０またはＯＡＭデバイス５０と同期させることによって達成され得る。プローブによって送信される有線もしくはワイヤレス方式の同期信号により、電子回路の同期をとることができる。ワイヤレス方式の伝送は、ＲＦ（無線周波数）制御、ＩＲ（赤外線）伝送、または他の任意のタイプとすることができる。同期は、同期デバイスによって実行することができ、これは、処理デバイス内に組み込むことができる。

プローブは、任意の種類のプローブ、例えば、非接触プローブ２２、例えば、光ストライプ２８（図２）を放射する非接触プローブ２２、または例えば、プローブフィンガー２９（図３）を利用する接触プローブ２４とすることができる。プローブはデータを捕捉するように構成され、プローブによって捕捉されるデータのタイプは、寸法、温度、厚さ、色、光度、および同様のものを含む任意のタイプとすることができる。

非接触プローブ２２（図２、図４）のタイプとして、レーザースキャナー、白色光プロジェクタ、放射線測定器、温度プローブ、厚さプローブ、輪郭測定プローブが挙げられる。厚さプローブでは、超音波、または電離放射線を使用することができる。接触プローブ２４のタイプとして、触覚プローブが挙げられる。

プローブ２２、２４は、ロボットに取り付けるように構成された、またはハンドヘルド、マニュアルデータ収集に使用される結合部材２６を備えることができる。

別のところで述べているように、光学的に検出可能なターゲット３０、３０´、３０´´は、プローブのハウジング３３に固定されて取り付けられる。好ましい一態様によれば、少なくとも３つの第１のターゲットおよび少なくとも１つの第２のターゲットがプローブハウジング３３に取り付けられている。好ましくは、第１のターゲットのすべてが、図示されているのと同じ平面内に配置構成されるわけではない。図８は、寸法接触測定プローブ２２を示しており、能動的ターゲット３２と受動的ターゲット３４との組み合わせがプローブハウジング３３に取り付けられている。プローブヘッド２３は球形である。

コントローラ
システム１００は、コントローラ１５を備えることができる。コントローラ１５は、ＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０による測定を制御するように構成される。コントローラ１５は、ＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０を使用することによって対象２０の測定中にＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０に対する制御信号を送る。

ＲＭデバイス７０からの範囲情報およびＯＡＭデバイス５０からの方向（アジマスおよびエレベーション）データを使用して、３次元空間内の対象の２０位置、つまり、ＸＹＺデカルト座標基準系内の位置を計算する。少なくとも３つのターゲット３０、３０´、３０´´が使用される場合、ＯＡＭデバイス５０および／またはＯＲＭデバイス７０から追加の情報が利用可能であり、これにより、対象の向きまたは変形などの対象の他の特性の計算も可能になる。

ＯＡＭデバイス５０の出力およびＲＭデバイス７０（図５）の出力は、主プロセッサである処理デバイス（例えば、図４、４０のラップトップ）に向けられる。処理デバイスは、測定容積内のターゲットの位置を計算する。同じ処理デバイスもしくは前記処理デバイスに接続された別の（第１の）サブプロセッサを使用して、ターゲットの位置を計算するために使用されるＯＡＭデバイス５０によって取得された角度情報を計算することができる。同じ処理デバイスもしくは前記処理デバイスに接続された別の（第２の）サブプロセッサを使用して、ターゲットの位置を計算するために使用されるＯＲＭデバイス７０によって取得された範囲情報を計算することができる。各サブプロセッサは、ＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０内に、またはＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０の両方を収納するハウジング１０内に配置されたＦＰＧＡもしくはＤＳＰ、マイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラを備える回路として実現され得る。処理デバイスは、ラップトップ、表示画面を有するデスクトップ、コンピュータプロセッサ、およびコンピュータ可読記憶媒体上に格納されているコンピュータプログラムを実行する機能などのコンピュータとして実現され得る。あるいは、ＲＭデバイス７０、またはＯＡＭデバイス５０、またはＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０の両方を収納する単一のハウジング１０内に、または外部に備えられた、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、マイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラなどの回路として実現され得る。

処理デバイスもしくは主プロセッサは、単一のユニットとして、または動作可能に相互接続されているが、空間的に分離されている複数のユニットとして実現され得る。処理デバイスは、ＲＭデバイス７０またはＯＡＭデバイス５０のハウジング内に、またはＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０の両方を収納する単一のハウジング１０内に完全にまたは部分的に一体化され得る。部分的一体化がある場合、これは、ハウジングの外部の別のユニットが処理デバイスの電子回路の一部を収納し得ることを意味する。あるいは、処理デバイスは、ＯＡＭデバイスもしくはＲＭデバイスのハウジングまたはＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０の両方（例えば、ラップトップ、デスクトップコンピュータ、スマートフォン、タブレットデバイスとして）収納する単一のハウジング１０の完全な外部に収納され得る。処理デバイスが完全に外部に収納されるか、または一部のみ一体化されている場合、デバイス間の相互接続に、ケーブルもしくはワイヤレス接続（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、または他の標準）を利用する。サブプロセッサおよび／または処理デバイスは、同期、システム制御、パワーマネージメント、Ｉ／Ｏ通信、および典型的にはデジタルシステムに関連する同様のものなどの他のタスクを実行することもできることは理解されるであろう。処理デバイスも、他の（計測）デバイス（ハードウェアおよびソフトウェアの両方）で動作し得る。

システム１００の１つまたは複数の要素、例えば、ＯＡＭデバイス５０、ＲＭデバイス７０、処理デバイス、およびコントローラ１５は、複数の別々のハウジング内に備えられるか、あるいは単一のハウジング１０（図１）内に一体化され得る。単一なハウジングには、携帯性とサイズの点で利便性がある。それに加えて、ハウジングまたはその中の内部シャシーは、ＯＡＭデバイス５０およびＲＭデバイス７０に対する剛体固定具となり、これらを最適な性能を発揮するように固定された相対的空間配置に保持することができる。

ＯＡＭデバイス５０およびＲＭデバイス７０がそのように堅く接続されたときに、ＯＡＭデバイスとＲＭデバイスとの間の関係（較正）は、さらなる較正を必要とすることなくシステムの寿命の少なくとも一部について容易に決定され、設定され得る。較正は、工場で設定することができる。関係は、システムによって追跡される測定プローブを使用して得ることができ、サイズが知られている参照物理的対象の寸法がプローブによって取得される場合、較正は、取得された対象寸法を対象の公称的（スキャンではなく、コンピュータ生成されたもの）ＣＡＤモデルの寸法と比較することによって導くことができる。較正がわかると、毎回の使用のために再計算する必要がなくなるが、較正は、定期的に、例えば、必要に応じて毎月または毎年の間隔で実行され得ることは理解されるであろう。

ＯＡＭデバイス５０およびＲＭデバイス７０が、ユーザーによって、隣同士となるように、例えば、個別の三脚に装着される場合、ＯＡＭデバイス５０とＲＭデバイス７０との間の関係は、ユーザーによって、例えば、上で説明されている較正技術を使用して評価され得る。較正は、それぞれの個別のセットアップの前に実行することができる。

ＯＡＭデバイス５０およびＯＲＭデバイス７０の光学系の部分は、共有され得ることは理解される。

別のところで述べたように、処理デバイスは、単一のハウジング１０内に一体化され得る。他の可能なハウジング一体化コンポーネントとして、電源（例えば、電池、電源変圧器）、ファン、アンテナ、通信ポートなどが挙げられる。

別のところで述べたように、測定容積内のターゲット３０、３０´、３０´´の位置は、範囲測定値と方位角および仰角の値との組み合わせから計算される。ＯＡＭデバイス５０とＲＭデバイス７０との間の空間的関係は知られているか、または計算で求めることができる。ターゲット３０、３０´、３０´´の間の空間的関係は知られているか、または計算で求めることができる。

当業者であれば、位置を計算する方法、その後、対象の移動を理解するであろうが、以下は図９を参照しつつ一般的指針として与えられる。範囲測定値から、ターゲット３０が半径ｒが測定範囲であるＲＭデバイス７０の基準系を中心とする球体９０上に配置されることが知られる。角度値から、ターゲット３０は、原点がＯＡＭデバイス５０の基準系９４の原点であり、方向がアジマスａとエレベーションｅで与えられる光線９２上に配置されることが知られる。ターゲットの位置は、光線９２と球体９０との交差として計算される。

ＯＡＭデバイス５０の基準系９４とＲＭデバイス７０の基準系との間の相対位置は、４×４行列Ｔで都合よく記述され得る。ＯＡＭデバイス５０の基準系で表される、ターゲットの位置Ｐは、
Ｐ＝ａｖ （１）
および
｜｜Ｔ．Ｐ｜｜^２＝ｒ （２）
で与えられる。

（１）からのＰを（２）に代入すると、｜｜ａＴ．ｖ｜｜^２＝ｒとなり、式
ａ^２＝ｒ^２／｜｜Ｔ．ｖ｜｜^２ （３）
からａ（したがってＰ）に対する２つの解が得られ、そのうちの一方は、ＯＡＭデバイス５０とＲＭデバイス７０から見える。

システム１００は、対象２０の移動を追跡するように構成され得る。本出願では、この１つもしくは複数のターゲットの位置は、一定期間にわたって連続的に測定される。ターゲットは、移動が持続している間、測定容積内に留まることは理解される。複数の測定が自動的に実行される。測定の頻度（１分あたりの測定回数）は、一定であるか、または可変であってよく、これは、ユーザーによって事前に決定されるか、または自動的に決定され得る。測定結果は、タイミング情報と一緒にシステムによって記録される。したがって、ターゲットの位置は、時間の関数として得られる。光学的測定および追跡システムは、移動するコンポーネントを含まないため、次々に現れるターゲットを高速測定することができる。典型的なサンプリングレートは、１分に測定回数０．１から１０，０００回であり、高速移動を観測するのに適している。サンプリング頻度は、その後、要件に応じて、アップグレードまたはダウングレードすることができる。

本発明の一実施形態では、前述のシステム１００の２つまたはそれ以上（例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれ以上）を相互接続して、アレイを形成することができる。このようなアレイは、例えば、測定容積を拡大し、精度を改善し、または性能を高めるために使用され得る。同期測定データを生成するために、複数のシステムを同期させることができる。有線もしくはワイヤレス方式の相互接続を、複数の光学的追跡システム間で行い、同期を確立することができる。

上で述べたように、システムは、静的（非追跡）光学系およびコンポーネントを使用して、対象のアジマスおよびエレベーション、および範囲を測定する。レーザーで対象もしくはその上のターゲットを狙う必要はないので、可動ミラーなどの移動するコンポーネントが不要になり、時間の経過とともに生じる摩耗が少なくなり、または一貫した性能を維持できる。システムは、少なくとも３−ＤＯＦにおける大規模な対象の位置決定、運動測定、および寸法測定（対象が測定プローブである場合）に対して有用である。

システムは、好ましくは、飛行時間型システム（例えば、レーザーもしくは超音波ベースのシステム）を使用して、対象またはその上に置かれたターゲットの範囲を測定する。これは、別のシステムを使用して、光学的ターゲット検出に基づきアジマスおよびエレベーションを測定する。ＯＡＭデバイスおよびＲＭデバイスを単一のシステム内に組み合わせることができるので、携帯性およびロバスト性が高い。

このシステムの用途は多数ある。実際の軌道の測定、および公称的軌道との比較、および測定された偏位の補正、人間と動物の運動の測定（生体力学的研究、風洞試験における運動測定）によってロボットの較正に使用され得る。対象が、位置が追跡される測定プローブである場合、システムは、大規模計測（サイズが１００ｍｍから最大６０ｍまで、またはそれ以上）、固定された測定セットアップにおける、または生産ライン（自動車製造、造船、航空宇宙、鋳造、エネルギー、石油、家具）におけるモバイルセットアップとして、個別の部品の寸法検査（つまり、幾何公差に関する実際値と公称値との比較）、工業部品の寸法および形状のリバースエンジニアリング（自動車製造、造船、航空宇宙、家具）、自由な形状の対象の２値化（美術、塑像、遺跡発掘現場、キャラクタ）、例えば航空機コンポーネントの自動組み立てなどで使用することができる。

本発明の別の実施形態は、測定容積内の対象の位置を測定する方法であり、
− 静的光学系とともに配設されている、光学的角度測定デバイスを使用する光学的角度測定に関して測定容積内の対象の方位角および仰角を測定するステップと、
− 静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイスを使用して対象の範囲を測定するステップと、
を含む。

方法は、本明細書で説明されている測定システム１００の使用を含み得る。

対象の位置を測定する本明細書のシステム１００の例示的な動作について、図１０のフローチャートを参照しつつ説明する。

第１のステップＳ１（ステップ１）において、システムのデバイスがセットアップされる、つまり、ＯＡＭデバイス５０、ＯＲＭデバイス７０、および好ましくは別の処理デバイスがセットアップされる。最も単純な構成では、ＯＡＭデバイス５０、ＯＲＭデバイス７０を、１つまたは複数のターゲットが配設される対象の方へ向けられる三脚などの支持体上に置かれる単一のハウジング１０内に組み合わせる。これにラップトップが接続される。例えば、寸法特性が知られているアーチファクトを測定することによってシステムチェックが実行され得る。

その後Ｓ２（ステップ２）において、ＯＡＭデバイス５０とＯＲＭデバイス７０との間の変換が計算され、処理デバイスによって使用される。あるいは、変換は、ファイルから処理デバイス内に読み込まれる。次いで、システムは、対象の位置を直ちに測定することができる。

次いでＳ３（ステップ３）で、ＯＡＭデバイス５０は、ターゲットの方向を測定する。ターゲットは、測定容積内にあり、ＯＡＭデバイス５０によって捕捉されるように向き付けられていることは理解される。

次いでＳ４（ステップ４）で、ＲＭデバイス７０は、ターゲットまたは対象の範囲を測定する。ステップ４は、ステップ３の前に実行され得るか、またはステップ３とステップ４は両方とも同時に実行され得ることに留意されたい。ステップ３および４を複数回実行して、読み取りの精度を改善することができる。ＲＭ測定およびＯＡＭ測定の回数は同じである必要はないことに留意されたい。

次いで、Ｓ５（ステップ５）において、ターゲットの３Ｄ座標を計算する。処理デバイスは、ステップ３とステップ４の測定からのデータを組み合わせる。これは、方程式（３）または類似の方程式を解くことによって達成され得る。

ステップ３、ステップ４、およびステップ５のサイクルをＳ６（ステップ６）で繰り返し、例えば、対象上に複数のターゲットがある場合に他のターゲットの位置を決定し、および／または一定時間にわたる対象の移動を追跡することができる。収集が完了した後、この方法はＳ７（ステップ７）で停止する。

ステップ３、ステップ４、およびステップ５のサイクルをマルチターゲット対象のそれぞれのターゲットについて繰り返すことができる、つまり、次のターゲットに対するステップ３およびステップ４における測定は、前のターゲットの座標がステップ５で計算された後にのみ得られる。あるいは、すべてのターゲットをステップ３およびステップ４で同時に測定し、ステップ５で処理することができ、このため、繰り返しが少なくて済み、後者は、ＯＲＭデバイスがマトリックスカメラを有し、すべてのターゲットがきちんと分離されている場合に特に適用可能である。カメラの１つのフレームを読み取り、例えば、並列回路を使用して３Ｄ座標の集合を並列計算するのに十分である。

上で説明されているように、ＯＡＭデバイス５０によるターゲットの方向およびＲＭデバイス７０によるターゲットの範囲を測定することによって、対象の位置を測定することが可能である。次いで、対象を十分に測定することができる。

本発明の別の実施形態は、対象の位置および／または向き、および適宜、移動を測定するための、本明細書で説明されているようなシステムである。

本発明の別の実施形態は、本明細書で説明されているようなシステムの使用であり、対象は、位置および適宜移動が測定される製造品である。本発明の別の実施形態は、本明細書で説明されているようなシステムの使用であり、対象は、製造品の周りを移動し、製造品の寸法を測定するように構成された測定プローブ（例えば、接触または非接触）である。本発明の別の実施形態は、本明細書で説明されているようなシステムの使用であり、システムは、測定プローブから得られたデータをプローブの計算された位置および適宜向きと同期させるための同期デバイスをさらに備える。

図４は、単一のハウジング１０内に一緒にＯＡＭデバイス５０およびＲＭデバイス７０を備える本発明の例示的なシステム１００を示す。ハウジング１０は、携帯三脚１８上に支持される。他のタイプの支持体、例えば、固定三脚、壁取付支持体、天井支持体、または他のタイプの固定された支持体を使用することができることは理解されるであろう。支持体は、移動可能なキャリッジ、ロボット、台車、または他のタイプの携帯支持体とすることができる。本線変圧器１４は、電力をシステムに供給する。システムは、プローブ２２が位置および移動が捕捉される対象２０である複数の光学的に検出可能なターゲット３０、３０´、３０´´とともに配設される非接触測定プローブ２２をさらに備える。システム１００は、ＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０による測定の制御を行うように構成されたＲＭデバイス７０およびＯＡＭデバイス５０に動作可能に接続されたコントローラ１５を備えるように示されている。

システムは、計測用途、つまり寸法測定プローブ２２を備える用途向けにセットアップされている。プローブ２２は、ロボットのエフェクター端部に取り付けられるか、またはマニュアルデータ収集用のハンドグリップとして使用され得る結合部２６を収納する。プローブ２２は、同期信号、プローブデータを伝送し、および適宜プローブ用に電源から電力を供給するケーブル１６を使ってハウジング１０に収納されている測定デバイス５０、７０に接続される。しかし、データおよび同期信号を転送するために、プローブおよび測定デバイス５０、７０は、代替的に、またはそれに加えて、ハウジング１０上のワイヤレスアンテナ１２および測定プローブ２２上のワイヤレスアンテナ２５を利用してワイヤレス通信を行うことができる。ワイヤレスプロトコルは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、他の標準もしくは専用プロトコルとすることができる。ＲＭデバイスからの範囲情報およびＯＡＭデバイスからのアジマスおよびエレベーションデータが、ラップトップ４０として例示されている処理デバイスに供給され、そこで、３次元空間内のプローブ２２の位置および向きを計算し、適宜、プローブ２２から得られたデータを、好ましくは同期モードで記録することができる。一定期間にわたって行われる測定により、プローブの移動を決定することができる。

ラップトップは、ケーブル１９を使用して、またはワイヤレス接続を使用して測定デバイス５０、７０と通信することができる。

本発明は、構造物を製造する方法も提供し、この方法は
− 設計情報を使用して構造物を生産するステップと、
− 本明細書で説明されている測定システム１００を使用することによって構造物の形状情報を取得するステップと、
− 取得された形状情報を設計情報と比較するステップと、
を含む。

より具体的には、こうして生産された構造物の形状情報は、本明細書で説明されているシステム１００を対象である輪郭測定プローブなどの測定プローブと組み合わせて使用して得られる。設計情報および形状情報は、好ましくは、比較の前に格納される。構造物を製造する方法は、比較結果に基づき構造物を再処理するステップをさらに含むことができる。

本発明は、本明細書で説明されているシステム１００を含む構造物製造システムも実現する。図１２には、構造物製造システム７００のブロック図が示されている。構造物製造システム７００は、例えば、船舶、航空機、自動車などの構造物を、少なくとも１種類の材料から生産し、本明細書で説明されている位置測定装置１００と関連する輪郭測定プローブを備える輪郭測定装置１００´を使用して、こうして生産された構造物を検査することを目的とする。輪郭測定装置の可能な配置構成の例は図４に示されている。プローブは、輪郭測定プローブであるものとしてよい。

この実施形態の構造物製造システム７００は、輪郭測定装置１００´、設計装置６１０、成形装置６２０、検査装置を組み込んだコントローラ６３０、および補修装置６４０を備える。

コントローラ６３０は、座標格納セクション６３１および検査セクション６３２を備える。

設計装置６１０は、構造物の形状に関する設計情報を生成し、生成された設計情報を成形装置６２０に送信する。さらに、設計装置６１０は、コントローラ６３０の座標格納セクション６３１と通信して、生成された設計情報を座標格納セクション６３１に格納する。設計情報は、構造物のそれぞれの位置の座標を示す情報を含む。

成形装置６２０は、設計装置６１０から入力された設計情報に基づき構造物を生産する。成形装置６２０によって実行される成形プロセスは、鋳造、鍛造、切削加工、機械加工、３Ｄ印刷、および同様のものなどのプロセスを含む。輪郭測定装置１００´は、生産された構造物（測定対象）の座標を測定し、測定された座標（形状情報）を示す情報をコントローラ６３０に送信する。

コントローラ６３０の座標格納セクション６３１は、設計情報を格納する。コントローラ６３０の検査セクション６３２は、座標格納セクション６３１から設計情報を読み出す。検査セクション６３２は、輪郭測定装置１００´から受信した座標（形状情報）を示す情報を座標格納セクション６３１から読み出された設計情報と比較する。比較結果に基づき、検査セクション６３２は、構造物が設計情報に従って成形されているかどうかを判定する。言い換えると、検査セクション６３２では、生産された構造物に欠陥がないかどうかを判定する。構造物が設計情報に従って成形されていない場合、検査セクション６３２は、構造物が補修可能かどうかを判定する。補修可能であれば、検査セクション６３２は、比較結果に基づき欠陥部分および補修量を計算し、欠陥部分を示す情報および補修量を示す情報を補修装置６４０に送信する。

補修装置６４０は、欠陥部分を示す情報およびコントローラ６３０から受信した補修量を示す情報に基づき構造物の欠陥部分の処理を実行する。

図１３は、構造物製造システム７００の処理フローを示すフローチャートである。まず最初に、構造物製造システム７００に関して、設計装置６１０は、構造物の形状に関する設計情報を生成する（ステップＳ１０１）。その後、成形装置６２０は、設計情報に基づき構造物を生産する（ステップＳ１０２）。次いで、輪郭測定装置１００´が生産された構造物を測定して、その形状情報を取得する（ステップＳ１０３）。次いで、コントローラ６３０の検査セクション６３２が、輪郭測定装置１００から取得した形状情報を設計情報と比較することによって設計情報に従って構造物が生産されているかどうかを検査する（ステップＳ１０４）。

その後、コントローラ６３０の検査要素６３２が、生産された構造物に欠陥があるかどうかを判定する（ステップＳ１０５）。検査セクション６３２が、生産された構造物に欠陥がないと判定した場合（ステップＳ１０５の「はい」）、構造物製造システム７００はプロセスを終了する。他方、検査セクション６３２が、生産された構造物に欠陥があると判定した場合（ステップＳ１０５の「いいえ」）、生産された構造物が補修可能であるかどうかを判定する（ステップＳ１０６）。

検査セクション６３２が、生産された構造物に補修可能であると判定した場合（ステップＳ１０６の「はい」）、補修装置６４０は、構造物上で再処理プロセスを実行し（ステップＳ１０７）、構造物製造システム７００はプロセスをステップＳ１０３に戻す。検査セクション６３２が、生産された構造物が補修不可能であると判定した場合（ステップＳ１０６の「いいえ」）、構造物製造システム７００はプロセスを終了する。それにより、構造物製造システム７００は、図１３のフローチャートに示されているプロセス全体を終了する。

この実施形態の構造物製造システム７００に関して、この実施形態の輪郭測定装置１００´は、構造物の座標を正確に測定することができるため、これにより生産された構造物に欠陥がないかどうかを判定することが可能である。さらに、構造物に欠陥がある場合、構造物製造システム７００は、その構造物上で再処理プロセスを実行して、それを補修することができる。

さらに、この実施形態の補修装置６４０によって実行される補修プロセスは、成形装置６２０に成形プロセスをさらに繰り返して実行させるなどのために置き換えることができる。そのような場合、コントローラ６３０の検査セクション６３２が、構造物が補修可能であると判定した場合、成形装置６２０は、さらに繰り返し成形プロセス（鍛造、切削加工、機械加工、および同様のプロセス）を実行する。特に、例えば、成形装置６２０は、切削されるべきであるが、切削されていない構造物の部分に対して切削加工プロセスを実行する。これにより、構造物製造システム７００が、構造物を正しく生産することが可能になる。

上記の実施形態において、構造物製造システム７００は、輪郭測定装置１００´、設計装置６１０、成形装置６２０、コントローラ６３０（検査装置）、および補修装置６４０のうちの１つまたは複数、好ましくはすべてを備える。しかし、本発明の教示は、この構成に限定されない。例えば、本発明の教示による構造物製造システムは、少なくとも成形装置６２０および輪郭測定装置１００を備えることができる。

１０ ハウジング
１２ ワイヤレスアンテナ
１５ コントローラ
１６ ケーブル
１８ 携帯三脚
２０ 対象
２２、２４ 測定プローブ
２３ プローブヘッド
２５ ワイヤレスアンテナ
２６ 結合部材
２８ 光ストライプ
２９ プローブフィンガー
３０、３０´、３０´´ ターゲット
３２ 能動的ターゲット
３３ プローブハウジング
３４ 第２のターゲット
３８ 基部
４０ ラップトップ
５０ 角度測定デバイス
５２ アジマス
５４ エレベーション
５６ レンズ
５８ ＯＡＭ撮像装置
５９ ピクセル（ｕ，ｖ）
７０ 範囲測定デバイス
７２ 光錐
７４ 光線
９０ 球体
９２ 光線
９４ 基準系
１００ システム
１００´ 輪郭測定装置
６１０ 設計装置
６２０ 成形装置
６３０ コントローラ
６３１ 座標格納セクション
６３２ 検査セクション
６４０ 補修装置
７００ 構造物製造システム

Claims (25)

1. 測定容積内の対象（２０）の位置を測定するシステム（１００）であって、
   光学的角度測定デバイスに関して前記測定容積内の対象の方位角および仰角を測定するように構成され、静的光学系とともに配設された、光学的角度測定デバイス（５０）と、
   前記測定容積内の対象（２０）の範囲を測定するように構成され、静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイス（７０）と、
   を備えるシステム（１００）。
2. 前記対象の範囲および方位角および仰角から前記対象（２０）の位置を計算するように構成された、処理デバイスをさらに備える請求項１に記載のシステム（１００）。
3. 前記光学的角度測定デバイス（５０）は、前記対象に関連する第１のターゲットの方位角および仰角に対する測定を行うように構成され、前記範囲測定デバイス（７０）は、前記対象に関連付けられている第２のターゲットの範囲を測定するように構成された請求項１または２に記載のシステム（１００）。
4. 前記第１のターゲットの個数は３であり、前記処理デバイスは、前記対象の向きを計算するようにさらに構成された請求項３に記載のシステム（１００）。
5. 前記光学的角度測定デバイスおよび前記範囲測定デバイスは、前記測定容積内の前記対象の移動を測定するように構成される請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
6. 前記範囲測定デバイスによって放射される光線は、測定時に空間的に固定される請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
7. 前記光学的角度測定デバイスによって放射される光線は、測定時に空間的に固定される請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
8. 前記光学的角度測定デバイス（５０）と前記範囲測定デバイス（７０）との間の位置関係が知られている請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
9. 前記光学的角度測定デバイスは、前記静的光学系を使用することによって発散光を測定するように配置構成された請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
10. 前記光学的角度測定デバイス（５０）は、非平行に配置された２つの１次元の光学的センサー、または２次元の光学的センサーを有する、前記静的光学系を介して検出するセンサーを備える請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
11. 前記光学的センサーは、電荷結合素子、相補型金属酸膜半導体、または位置感知型検出器タイプのものである請求項１０に記載のシステム（１００）。
12. 前記光学的角度測定デバイス（５０）は、前記静的光学系を使用することによってターゲットを照明する固定光線源をさらに備える請求項３から１１のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
13. 前記静的コンポーネントは、前記対象によって反射された波エネルギーの放射から検出までの間の遅延時間を測定する飛行時間型測定システムを備える請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
14. 前記飛行時間型測定システムは、固定光線出力を有する波エネルギー用の放射体を備える請求項１３に記載のシステム（１００）。
15. 前記範囲測定デバイス（７０）は、光学的静的コンポーネントを備える光学的範囲測定デバイスである請求項１３または１４に記載のシステム（１００）。
16. 放射体は、レーザー、またはコヒーレントレーザーレーダーのレーザーである請求項１４または１５に記載のシステム（１００）。
17. 放射体は、音波または超音波トランスデューサである請求項１４から１６のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
18. 前記対象は、測定プローブである請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
19. 前記測定プローブから得られたデータを前記測定プローブの計算された位置および移動と同期させるための同期デバイスをさらに備える請求項１８に記載のシステム（１００）。
20. 前記第１のターゲットおよび前記第２のターゲットは、同じである請求項３から１９のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
21. 測定容積内の対象の位置を測定する方法であって、
    静的光学系とともに配設されている光学的角度測定デバイスを使用して、前記光学的角度測定デバイスに関して前記測定容積内の対象の方位角および仰角を測定するステップと、
    静的コンポーネントとともに配設された、範囲測定デバイスを使用して、前記対象の範囲を測定するステップと、
    を含む方法。
22. 対象（２０）の位置および移動を測定する請求項１から２０のいずれか一項に記載のシステム（１００）の使用。
23. 構造物を製造する方法であって、
    設計情報を使用して前記構造物を生産するステップと、
    請求項１から２０のいずれか一項に記載のシステム（１００）または請求項２１の方法を使用することによって構造物の形状情報を取得するステップと、
    前記取得された形状情報を前記設計情報と比較するステップと、
    を含む構造物を製造する方法。
24. 前記比較の結果に基づき前記構造物を再処理するステップをさらに含む請求項２３に記載の構造物を製造する方法。
25. 前記構造物を再処理するステップは、前記構造物をさらに繰り返して生産するステップを含む請求項２４に記載の構造物を製造する方法。

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