JP2015505050A - 集積光学アセンブリの改良 - Google Patents

Abstract

集積光学アセンブリであって、集積光学アセンブリがレーザーレーダーシステムの一部を形成する場合に特に有用な改良を備えた集積光学アセンブリが提供される。集積光学アセンブリは、走査反射器の光学特性に関連するか又は光源に対する走査反射器の相対的な位置もしくは相対的な方位の変化に関連した参照ビームを生成する。従って、もしも走査反射器の方位が意図された方位からシフトする場合に（例えば、熱膨張などに起因して）、又は、走査反射器の特性（例えば、走査反射器の屈折率）が温度変化のために変化する場合に、参照ビームを使用することによって、そのような変化の原因を明らかにするために使用可能なデータが提供出来る。さらに、もしも走査反射器が所望される方位と異なる方位が付けられて位置付けられる場合に、そのような位置付けを特定及び補正するために参照ビームを用いることが出来る。

Description

発明者：スミス、ダニエル・ジーン
関連出願の参照情報及び優先権の主張：本願は、２０１１年１２月２３日に出願された「集積光学アセンブリの改良」と題された仮特許出願第６１／５８０，１１８号に関連し、該仮特許出願の優先権を主張する。上記仮出願の開示全てをここに援用して本文の記載の一部とする。

＜導入説明及び発明の概要＞
本発明によって、光源からのビーム（光線）を視線に沿って集光させるための光学アセンブリ及びそのような光学アセンブリにおいて有用なデータを生成する方法が提供される。本発明の光学アセンブリ及び方法は、米国特許出願第１３／２８１，３９３号に示されたタイプのレーザーレーダーシステムにおいて記載されたタイプの集積光学アセンブリ（ＩＯＡ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）において特に有用であり、この米国特許出願第１３／２８１，３９３号の開示全てをここに援用して本文の記載の一部とする。米国特許出願第１３／２８１，３９３号の写しを「別紙Ａ」としてここに添付する。

別紙Ａに示されたタイプのＩＯＡにおいて、光源（例えば、光源は光学ファイバーチップを通して生成される、光ファイバーチップが光源とみなすことができる。）からの測定ビームは、レンズ、走査反射器（例えば、調整可能なコーナーキューブ）及び固定反射器であって、光源からのビームが走査反射器によって固定反射器へと反射されるとともに該固定反射器から反射された光が該走査反射器によって再び反射されてレンズを通して視線に沿って方向付けられるように互いに相対的に方位（向き）が付けられたレンズ、走査反射器及び固定反射器によって、視線に沿って方向付けられる。この測定ビームはターゲットに向かって方向が付けられており、ターゲットからの戻り光（例えば、ターゲットから反射されるか又は散乱された測定ビーム）は光源として機能する光学ファイバーに向けて方向付けられて、ターゲットに関するデータを生成するために検出され処理される。走査反射器はビームの焦点を視線に沿って調整するために、光源、レンズ及び固定反射器に対して相対的に移動可能である。それゆえに、走査反射器はまた「調整可能な反射器」とも称され、本発明において好ましい走査反射器はレトロレフレクターとしても機能するコーナーキューブである（光の方向を変える際に光を反射及び透過するやり方に因る）ので、走査反射器はまた「走査レトロリフレクター」と称されてよい。

本発明によれば、集積光学アセンブリは走査反射器の光学特性に関連するか又は光源に対する走査反射器の相対的な位置もしくは相対的な方位の変化に関連した参照ビームを生成する。このような参照ビームは別紙Ａに示されたタイプのＩＯＡにおいて、いくつかの点において有用である。例えば、もしも走査反射器の方位が意図された方位からシフトする場合に（例えば、熱膨張などに起因して）、又は、もしも走査反射器の特性（例えば、走査反射器の屈折率）が温度変化のために変化する場合に、参照ビームを使用することによって、そのような変化の原因を明らかにするために使用可能なデータが提供出来る。さらに、もしも走査反射器が所望される方位と異なる方位が付けられて位置付けられた場合に、そのような位置付けを特定及び補正するために参照ビームを用いることが出来る。本質的に、参照ビームは上述の要因によって発生した可能性のあるエラーを除去するために用いることが出来る。

本発明は、ＩＯＡのいくつかの実施態様であって、ＩＯＡがそれによって参照ビームを生成できるいくつかの実施態様を提供する。例えば、光学アセンブリは光源と走査反射器との間に配置されたレンズであって、走査反射器を少なくとも２回横切り、次いで光源に再び集光される連続的な平行参照ビームを生成するように構成されたレンズを含むことが出来る。レンズはビームを光源から若干の角度を付けて平行にするように光源に対して偏心しており、光学アセンブリはさらに、走査反射器を２回通過した後の参照信号が光源に隣接する反射器に再び集光され、走査反射器をさらに２回横切り、次いで光源に再び集光するように構成される。

本発明の別の実施態様によると、測定ビーム及び参照ビームは、一対のファイバーを介して生成された測定ビーム及び参照ビームが事実上「光源」を備えるように（及び、これらの測定及び参照ビームが共に、測定及び参照ビームに分割される同じ光源から発生するように）、一対のファイバーを介して方向が付けられる。一対のファイバーのうちの一方のファイバーから生成された測定ビームは折り返しミラーによって反射され、走査レトロリフレクター（コーナーキューブ）を横切り、固定反射器によって反射され、走査レトロリフレクターを再び横切り、そしてレンズを通して視線に沿って方向が付けられる。一対のファイバーのうちの他方のファイバーから生成された参照ビームは折り返しミラーによって反射され、走査レトロリフレクターを横切り、プリズム又は参照ビームをシフトさせるその他の好適な光学素子によって反射され、走査レトロリフレクターを再び横切り、軸上の参照ビームを走査レトロリフレクターに反射し返す小型の固定レトロリフレクターによって反射されて走査レトロリフレクターを再び横切り、次いで、参照ビームのためのファイバーに戻って到達する前にもう一度ビームが走査レトロリフレクターを横切るように、前の工程においてビームをシフトさせるために用いられたプリズム又はその他の好適な光学素子によって反射される。それゆえに、参照ビームは走査レトロリフレクターを少なくとも２回（この場合においては４回）横切り、次いで光源（この場合においてはすなわち参照ビームのファイバー）に再び集光される平行参照信号である。

本発明のさらなる特徴は下記の詳細な説明及び添付の図面から、さらに明らかになるであろう。

図１は別紙Ａに示されたタイプのＩＯＡの模式図である。 図２ａは本発明に従う、別紙ＡのＩＯＡに対する改良の一つのバージョンの模式図である。図２ｂは図２ａの一部の拡大図である。 図３は、図２ａ、図２ｂのバージョンにおいて用いることが出来る、ビーム経路（及びそのいくつかの変形形態）の模式図である。 図４は本発明に従う方法の工程の模式図である。 図５は本発明に従う光学アセンブリを有するＩＯＡが備えられたレーザーレーダーシステムの模式図である。 図６は好ましいタイプのレーザーレーダーシステムの正面図である。 図７は本発明を実施する光学アセンブリの代替的な構成の模式図である。 図８は本発明を実施する光学アセンブリの代替的な構成の模式図である。 図９は本発明を実施する光学アセンブリの代替的な構成の模式図である。 図１０は構造体製造システム７００のブロック図である。 図１１は、構造体製造システム７００のプロセスフローを示すフローチャートである。

前述のように、本発明は、別紙Ａに記載されたタイプのレーザーレーダーシステムのための集積光学アセンブリ（ＩＯＡ）について特に有用な、ＩＯＡに対する改良及び方法を提供するものである。本文に記載された本発明は別紙Ａに示されたタイプのＩＯＡと関連して記載され、本発明が別紙ＡのＩＯＡと互換性のある様々な装置と提携して使用可能なやり方は、本発明の記載から当業者にとって明らかとなるであろう。

本発明に従うＩＯＡの改良は、別紙Ａに記載されたレーザーレーダーシステム及び方法において特に有用である。別紙Ａにおいて説明されているように、レーザーレーダーは非接触であって、且つ、真に単独の操作者による物体（しばしばターゲットと称される）の検査を提供する、多用途の計測システムである。レーザーレーダー計測は、航空宇宙産業、代替エネルギー、アンテナ、人工衛星、標準より大きい鋳造及び他の大型の用途などの多様な産業における高品質の物体検査データの取得に特に有用な物体検査を提供する。レーザーレーダーは、例えば、構造体を製造するために用いることが出来、設計情報に基づいて構造体を形成することと、レーザーレーダーを用いることによって構造体の形状情報を得ることと、製造された構造体を配置することによって構造体の形状情報を得ることと、得られた形状情報を設計情報と比較することとを含む。

別紙Ａ及び図５、図６のレーザーレーダーシステム及び方法において、集積光学アセンブリ（ＩＯＡ）はレーザーレーダーシステム２００の一部として提供されている。ＩＯＡは小型になるように、且つ、指向ビーム（ポインティングビーム）及び測定ビームを光学レーダーシステムの出口に向けて方向付け且つ集光させるための素子を比較的単純に組み立てたものを利用するように設計される。ポインティングビーム及び測定ビームの「光源」は、光源によって生成された光が光学ファイバーを通して方向が付けられるという意味において、光学ファイバーを備える。ポインティングビームは可視（例えば約６１０ｎｍから７５０ｎｍのような赤色）波長範囲内で生成され、測定ビームは異なる所定の波長（例えば約０．７μｍから１０μｍなどの赤外光、つまりＩＲ）範囲内で生成される。

図５のレーザーレーダーシステムにおいて、ポインティングビームは、測定ビームが向けられるターゲット２２０上の点（位置）を識別するために用いられる。測定ビームはターゲットから反射され、その反射または散乱された測定ビームの一部分がレーザーレーダーシステムに戻って受光され、該レーザーレーダーシステム内においてはファイバーを通して方向付けられて戻され、検出器に伝達され、制御ユニットによって処理されてレーザーレーダーシステムの特性である有用なタイプの情報をもたらす。

図６に示されるように、レーザーレーダーシステム２００は、光学アセンブリが設置、固定されるハウジング（例えば回転可能シリンダ１１３）を含む。それにより光学アセンブリはシリンダ１１３と一体として、レーザーレーダーシステムの基部１１０に対して相対的に移動する。レーザーレーダーシステムは、ハウジング１１３において出口１２０を含み、出口１２０を通して放射（例えば２つの波長のポインティングビーム及び測定ビーム）がレーザーレーダーシステムから方向付けられる。基部１１０は、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に開示されるレーザーレーダーシステムの処理性能を含む。このシステムのサイズは、カメラ１４０がレーザーレーダーシステムの移動部分に設置されるように十分小さく設計されるべきである。

さらに別のレーザーレーダーシステムのコンセプトは、レーザーレーダーシステムの他の部品に対して相対的に回転し且つビームの所望される方向を達成するために用いられる、回転走査（ポインティング）ミラーを有する。レーザーレーダーシステムのその他のコンセプトは、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に開示されており、これらの米国特許及び日本特許の開示全てをここに援用して本文の記載の一部とする。レーザーレーダーシステムからのレーザービーム（ここでは「測定ビーム」として称される）はレーザーレーダーシステムの光学系によって制御され、レーザーレーダーシステムからターゲットに向けて方向が付けられる。

図１は別紙Ａの図１２に示されたＩＯＡの模式図である。このＩＯＡにおいて、光源（すなわち、ガラス窓１０１内のフェルール１０２に支持されたファイバーチップ１００）からのビームは、レンズ１０４、走査反射器１０６（例えば、コーナーキューブ）及び固定反射器（ガラス窓１０１上に支持されるミラー１０８）であって、光源１００からのビームが走査反射器１０６によって固定反射器１０８へと反射され、そして固定反射器からの反射光が走査反射器によって再び反射され、レンズ１０４を通して視線１３８に沿って方向付けられるように、互いに対して方位が付けられているレンズ１０４、走査反射器１０６及び固定反射器によって視線１３８に沿って方向が付けられている。走査反射器１０６は、視線１３８に沿ってビームの焦点を調整するために、光源１００、レンズ１０４及び固定反射器１０８に対して相対移動可能である。

本発明によってもたらされる改良に従い、集積光学アセンブリは走査反射器１０６の光学特性又は走査反射器１０６の光源（すなわち、ファイバーチップ１００）に対する位置もしくは方位の変化に関連する参照ビームを生成するよう構成されている。この参照ビームは別紙Ａ及び図１に示されたタイプのＩＯＡにおいていくつかの点で有用である。例えば、もしも走査反射器１０６の方位が意図された方位からシフトする場合に（例えば、熱膨張などに起因して）、又は、もしも走査反射器の特性（例えば、走査反射器の屈折率）が温度変化のために変化する場合に、参照ビーム（図５に示されている検出器によって検出されるとともに図５に示されている制御ユニットによって処理される参照ビーム）を使用することによって、そのような変化の原因を明らかにするために使用可能なデータが提供出来る。加えて、もしも走査反射器１０６が所望される方位と異なる方位を付けられて位置付けられる場合に、そのような位置付けを特定及び補正するために参照ビームを用いることが出来る。本質的に、参照ビームは上述の要因によって発生した可能性のあるエラーを除去するために用いることが出来る。

図２ａ及び図２ｂは上記のような参照信号を生成するように構成された、本発明に従うＩＯＡの一つのバージョンを示す。この光学アセンブリは、光源１００と走査反射器１０６との間に配置されたレンズ１１０であって、走査反射器１０６を少なくとも２回横切り、次いで光源１００に再び集光される連続的な平行参照信号を生成するように構成されたレンズ１１０を含んでいる。レンズ１１０は光源１００に対して偏心配置されて、ビームを光源に対して若干の角度を付けて平行にするとともに、光学アセンブリは、参照信号が２回走査反射器を横切った後、参照信号は光源１００に隣接する反射器１１２（例えば、窓、フェルールなど）に再度集光され、走査反射器１０６をさらに２回横切り、次いで光源１００に再度集光されるように構成されている。

このバージョンの基礎をなす原則は、偏心レンズ１１０を用いることによって、ビームを一回通過させた後にファイバーチップ１００の隣にある反射器１１２に再度集光させるために、ビームをファイバーの軸に対して若干の角度を付けて平行にする（及び、ミラーを垂直に戻す）というものである。上記の反射後、ビームはコーナーキューブシステムを２度目に横切って、次いで参照光としてファイバーチップ１００に集光される。この集光は自動的に起こるものであり、単なる結像システムの特性である。したがって、面倒な配置は特に何ら必要とされない。

図２ａ及び図２ｂに示された本発明のこのバージョンによると、安定し且つ高感度な参照ビームが、複光路平行参照ビーム経路による集光範囲全体にわたってもたらされ、参照ビームは走査反射器を４回横切る。図２ａ及び図２ｂにおいて、レンズ１１０の偏心は視覚化のために幾分誇張して描かれている。環状の反射領域１１０ａ、１１０ｂをレンズ１１０に設けて（図３）、測定ビームによって用いられるパワーを制限することなくゴースト効率を高めることも可能である。さらに、レンズ１１０は窓１０１（又はミラー１０８）に切り込まれた凹部に直接搭載することも可能であろうし、必要とされる偏心も含むことも可能であろう。図２ａに示された別の変形例は、反射性のフェルール１１２を用いるか、又は、レンズをより小型にすることが可能であろうから、反射器をファイバーチップ１１０に対してきわめて接近配置するものである。

図２ａ、２ｂ及び図３に模式的に示されているように、２回通過させる構成によって、範囲測定の補償に必要とされる感度が正しい量で達成される。平行参照ビームによって、全ての範囲においてシステムをハイパワーに維持することが可能となる。平行ビームを生成するレンズ１１０又はいかなるその他の光学素子は、同時に非平行測定ビームが通過することをも許容しなければならない。このことは、フレネルゾーンプレート又はその他のホログラフィックレンズによっても達成出来るが、別の取り組みとして、平行ゴースト反射をも有するゼロパワーレンズ（図３）を用いるというものがある。そのようなレンズは、２回屈折経路に対して何らパワーを有さないように設計されているが、ゴースト経路と称される２回反射経路は、有限の焦点距離によって平行となる。

環状の反射領域１１０ａ、１１０ｂをレンズ１１０に設けて（図３）、測定ビームによって用いられるパワーを制限することなくゴースト効率を高めることも可能である。その結果、環状の参照ビームが得られる。さらに、レンズを窓（又はミラー）に切り込まれた凹部に直接搭載することも可能であろうし、必要とされる偏心も含むことも可能であろう。これによって、反射性のフェルール１１２、及び反射器をファイバーチップ１１０に極めて接近配置するためのその他の方法は、これによってレンズをより小型にすることが可能となるために魅力的なものとなる。

リターンミラーに対して実質的に平行な（完璧に平行である必要は無いが）窓をファイバーチップ１００に接近させて有することで、結果として、この経路を一つの焦点位置で参照信号を生成するために用いることが可能となる。

図４に模式的に示されているように、本発明に従う方法において、光学アセンブリは光源からのビームが走査反射器によって固定反射器へと反射され、固定反射器からの反射光が走査反射器によって再び反射されてレンズを通して視線に沿って方向が付けられるように互いに向き（方位）が付けられたレンズ、走査反射器及び固定反射器を含み、走査反射器は、ビームの焦点を視線に沿って調整するために光源、レンズ及び固定反射器に対して相対的に移動可能である。光学アセンブリは測定ビームをターゲットに向け、戻り光は検出器に伝達されて制御ユニットによって処理される一方で、走査反射器の光源に対する相対的な方位に関する参照ビームが生成される。この参照ビームは、別紙Ａ及び図１に示されたタイプのＩＯＡにおいていくつかの点で有用である。例えば、仮に走査反射器の方位が意図された方位から（例えば、熱膨張などに起因して）シフトするか、又は仮に走査反射器の特性（例えば、走査反射器の屈折率など）が温度変化のために変化する場合に、参照ビームを使用することによって、そのような変化の原因を明らかにするために使用可能なデータが提供出来る。さらに、もしも走査反射器が所望される方位と異なる方位が付けられて位置付けられた場合に、そのような位置付けを特定及び補正するために参照ビームを用いることが出来る。本質的に、参照ビームは上述の要因によって発生した可能性のあるエラーを除去するために用いることが出来る。

従って、走査反射器の反射特性又は屈折特性が、（１）走査反射器の意図された方位の変化、又は（２）走査反射器の方位角の変化、走査反射器の温度変化、に起因して変化した原因を明らかにするためのデータを生成するために参照ビームを用いることが出来る。

この方法は例えば、走査反射器と光源との間に、走査反射器を少なくとも１回横切る（そして好ましくは図２ａ、２ｂに示されているように４回横切る）とともに、次いで光源に再度集光される連続的な平行参照信号を生成することによって実施出来る。図２ａ、２ｂに示されているように、ビームは光源に対して若干の角度を付けて平行にされており、光学アセンブリは、参照ビームが走査反射器を２回横切った後、参照ビームは光源に隣接した反射器に再度集光され、次いで隣接反射器によって反射された後に、ビームは走査反射器を３回目及び４回目としてさらに横切って、その後光源に再度集光されるように構成されている（例えば、図２ａ、２ｂ参照）。

本発明の方法は、図７〜９に模式的に示されたやり方によっても実施出来る。図７はその実施の主要な構成要素を模式的に示している。図８はその実施の測定ビームの経路を示している。図９はその実施の参照ビームの経路を示している。図７〜９の実施において、測定ビーム及び参照ビームはそれぞれチップ２００ａ及びチップ２００ｂを有するファイバー対を通して方向付けられている。それゆえに、ファイバー対を通して方向が付けられている測定ビーム及び参照ビームは事実上「光源」を備えている（そして測定ビーム及び参照ビームは共に同じ光源から発せられることが出来、この同じ光源は測定ビームと参照ビームとに分割される）。図７及び図８から分かるように、ファイバーチップ２００ａからの測定ビームは、折り返しミラー２０４によって反射され、走査レトロリフレクター２０２（移動可能なコーナーキューブであることが好ましい）を横切り、固定反射器２０６によって反射され、走査レトロリフレクター２０２を再び横切り、そして少なくとも一つのレンズ及び反射要素２０８を通して視線に沿って方向が付けられる。それゆえに、測定ビームの経路は図１に示されるとともに図１に関連して記載されたものと同じである。図７及び図９から分かるように、ファイバーチップ２００ｂからの参照ビームは、レンズ２０９を通して方向が付けられ、折り返しミラー２１０によって反射され、走査レトロリフレクター２０２を横切り、プリズム２１２又はその他の参照ビームをシフトさせる好適な光学素子によって反射され、走査レトロリフレクター２０２を再び横切り、軸上の参照ビームを走査レトロリフレクター２０２に反射し返す小型の固定レトロリフレクターに２１４に反射され、その走査レトロリフレクター２０２を再び横切り、次いで、参照ビームのためのファイバーチップ２００ｂに反射し返される。それゆえに参照ビームは、走査レトロリフレクター２０２を少なくとも２回横切り、次いで、光源（この実施形態においては、参照ビームのためのファイバーチップ２００ｂ）に再度集光される、平行参照信号である。

従って、本発明は、レーザーレーダーシステムにおいて特に有用なタイプのＩＯＡに対する改良を提供するものである。本発明による改良は、ＩＯＡ（及び方法）であって、走査反射器の光学特性に関連するか又は光源に対する走査反射器の相対的な位置もしくは相対的な方位の変化に関連した参照ビームを生成するＩＯＡ（及び方法）を提供する。前述の開示を考慮すれば、様々なタイプのＩＯＡアセンブリにおいて実施し得るそのような強化（改良）がなされるやり方は、当業者にとって明らかとなるであろう。

本文に記載されているＩＯＡアセンブリの参照ビーム経路は、走査反射器を少なくとも１回横切らなければならず、そしてすべての場合において、参照ビーム及測定ビームを、それぞれが独自の内部参照を有する、別々の干渉計の測定ビームとすることが可能である。参照干渉計は、走査反射器の位置によって増大する経路長を有するであろう。この経路長の増大は（参照光の）横切る回数の２倍（２ｎｘ）に比例し、この場合において「ｘ」は走査反射器の位置の変化を表し、「ｎ」は横切る回数を表し、横切る回数の最小値は１（１回）である。測定干渉計の経路もまた、走査反射器の位置によって増大するが、因数８ｘで増加する。したがって、走査反射器のシフトに対して、測定経路の変化を（４／ｎ）倍したものを減算することによって測定経路を補償できる。

好ましい実施形態はまた、参照ビームを測定ビームに干渉させて、参照ビームの経路と測定ビームの経路との差異に対する走査反射器の位置の寄与が最小限である干渉計を形成することを参照ビームと測定ビームに許容するものである。これは、参照ビームが例えば図２ａ、２ｂについて記載されたように走査反射器を４回横切る場合にのみ発生する。

開示された実施形態において、測定経路と参照経路は同じコーナーキューブ（１０６、２０２）を使用する。しかしながら、測定経路のコーナーキューブは参照経路のコーナーキューブと異なっていてもよい。したがって、測定経路のコーナーキューブの動きは、測定経路のコーナーキューブの動きと同期してもよい。

次に、上述の測定装置（レーザーレーダーシステム２００）を備える構造体製造システムについて説明する。

図１０は構造体製造システム７００のブロック図である。この構造体製造システムは、少なくとも一つの材料から、例えば船、航空機などの少なくとも一つの構造体を製造し、構造体を形状測定装置２００によって検査するためのものである。実施形態の構造体製造システム７００は、実施形態において上述されたように形状測定装置２００を含み、さらに設計装置６１０、成形装置６２０、制御装置６３０（検査装置）及びリペア装置６４０を含む。制御装置６３０は、座標保管部６３１及び検査部６３２を含む。

設計装置６１０は、構造体の形状に関して設計情報を作成し、作成した設計情報を成形装置６２０へ送信する。さらに、設計装置６１０は、作成した設計情報を制御装置６３０の座標保管部６３１に保管させる。設計情報は、構造体の位置の各々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いて構造体を製造する。成形装置６２０による成形工程は、例えば、鋳造、鍛造、切削などを含む。形状測定装置２００は製造された構造体の座標を測定（物体を測定）し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置６３０に送る。

制御装置６３０の座標保管部６３１は、設計情報を保管する。制御装置６３０の検査部６３２は、座標保管部６３１から設計情報を読み出す。検査部６３２は、形状測定装置２００から受信した座標を示す情報（形状情報）を座標保管部６３１から読みだされた設計情報と比較する。比較結果に基づき、検査部６３２は、構造体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。換言すると、検査部６３２は、製造された構造体に欠陥がないかどうかを判定する。構造体が設計情報に従って成形されていない場合、検査部６３２は、構造体が修復可能かどうかを判断する。もし修復可能な場合は、検査部６３２は、比較結果に基づいて欠陥部分及び修復量を計算し、欠陥部分を示す情報及び修復量を示す情報をリペア装置６４０に送信する。

リペア装置６４０は、制御装置６３０から受信した欠陥部分を示す情報及び修復量を示す情報に基づき、構造体の欠陥部分の処理を行う。

図１１は、構造体製造システム７００のプロセスフローを示すフローチャートである。構造体製造システム７００に関して、まず、設計装置６１０が、構造体の形状に関して設計情報を作成する（Ｓ１０１工程）。次に、成形装置６２０が、設計情報に基づいて構造体を製造する（Ｓ１０２工程）。次いで、形状測定装置１００が、製造された構造体を測定してその形状情報を得る（Ｓ１０３工程）。次いで、制御装置６３０の検査部６３２が、形状測定装置２００から得られる形状情報を設計情報と比較することによって、構造体が真に設計情報に従って製造されているかどうか検査する（Ｓ１０４工程）。

次いで、制御装置６３０の検査部６３２が、製造された構造体に欠陥がないかどうかを判定する（Ｓ１０５工程）。製造された構造体に欠陥がないと検査部６３２が判定した場合（Ｓ１０５工程における「ＹＥＳ」）、構造体製造システム７００はプロセスを終了する。一方、製造された構造体に欠陥があると検査部６３２が判定した場合（Ｓ１０５工程における「ＮＯ」）、次いで検査部６３２は、構造体が修復可能かどうかを判断する（Ｓ１０６工程）。

検査部６３２が製造された構造体が修復可能であると判断した場合（Ｓ１０６工程の「ＹＥＳ」）、次いでリペア装置６４０が構造体に対して再処理プロセスを実行し（Ｓ１０７工程）、構造体製造システム７００はプロセスをＳ１０３工程に戻す。検査部６３２が製造された構造体が修復不可能であると判断した場合（Ｓ１０６工程の「ＮＯ」）、次いで構造体製造システム７００はプロセスを終了する。そうして、構造体製造システム７００は、図１１のフローチャートに示される全プロセスを終了する。

実施形態の構造体製造システム７００に関して、実施形態の形状測定装置２００は構造体の座標を正確に測定することができるため、製造された構造体に欠陥がないかどうかを判断することができる。さらに、構造体に欠陥がある場合、構造体製造システム７００は構造体に対して再処理プロセスを実行して構造体を修復することができる。

さらに、実施形態においてリペア装置６４０によって実行される修復工程は、例えば成形装置６２０に成形工程をもう一度行わせることと置き換えられてもよい。このような場合において、制御装置６３０の検査部６３２が構造体は修復可能と判断した場合、次いで成形装置６２０は成形工程（鍛造、切削など）をもう一度実行する。例えば具体的には、成形装置６２０は、切削を受けるべきであったが受けなかった構造体の部分に切削工程を実行する。これによって、構造体製造システム７００が構造体を正確に製造することができるようになる。

上記の実施形態において、構造体製造システム７００は、形状測定装置２００、設計装置６１０、成形装置６２０、制御装置６３０（検査装置）及びリペア装置６４０を含む。しかし、本教示はこの構成に限定されない。例えば、本教示に従う構造体製造システムは、少なくとも成形装置及び形状測定装置を含めばよい。

よって、本発明は装置、光学アセンブリ、物体の検査方法又は測定方法、及び構造体を製造する方法について、新規で役に立つコンセプトを提供する。前述の説明を考慮すれば、それらのコンセプト（例えば本実施形態の光学アセンブリ）を様々なタイプのレーザーレーダーシステムや他のタイプの光学システム及び方法において実施することができるやり方が、当業者にとって明らかであるだろう。

別紙Ａ
[書類名] 明細書
[発明の名称] 装置、光学アセンブリ、物体を検査又は測定する方法、及び構造体を製造する方法
[技術分野]
関連出願の参照情報：本願は、２０１０年１０月２５日に出願された仮特許出願第６１／４５５，７６８号に関連し、該仮特許出願の優先権を主張する。上記仮出願の開示全てをここに援用して本文の記載の一部とする。
[背景技術]
[０００１]
レーザーレーダーは、非接触であって、且つ、真に単独の操作者による物体（しばしばターゲットと称される）の検査を提供する、多用途の計測システムである。レーザーレーダー計測は、航空宇宙産業、代替エネルギー、アンテナ、人工衛星、標準より大きい鋳造及び他の大型の用途などの多様な産業における高品質の物体検査データの取得に特に有用な物体検査を提供する。
[０００２]
レーザーレーダーシステムについて知られているコンセプトは、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号において開示されており、これらをここに援用して本文の記載の一部とする。レーザーレーダーシステムからのレーザービーム（ここでは「測定ビーム」と称する）は、レーザーレーダーシステムの光学系によって制御され、且つレーザーレーダーシステムからターゲットに向けて方向づけられる。レーザーレーダーシステムからの方向づけられたレーザービームは、スプリッタを通過しうる。スプリッタはレーザービームを測定経路に沿ってターゲットに向けて方向づけ、処理システムに向かって、レーザービームの一部分を分離させる。なお、処理システムは、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号において開示されるが本発明のどの部分も形成しない。測定経路に沿って方向づけられるレーザービームはターゲットから反射または散乱され、その反射または散乱されたレーザービームの一部分は、レーザーレーダーシステムに戻って受光され、そこでその反射または散乱されたレーザービームの一部分は、ターゲットについての情報をもたらすために検出され且つ処理される。反射または散乱された光の検出及び処理は、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に従ってもたらされ、これらの文献を援用して本文の記載の一部とする。また、これらの文献には、本発明の本質的な部分は記載されていない。本発明は、レーザーレーダーシステムからポインティングビーム及び測定レーザービームを伝達する光学アセンブリに関する。
[発明の概要]
[発明が解決しようとする課題]
[０００３]
既存のレーザーレーダーシステムは、レーザーレーダーシステムの他の部品に対して回転し且つビームのポインティングを達成するために用いられる、比較的大きな回転走査（ポインティング）ミラーを備える。このミラーはシステムの不安定性及び偏光の問題を引き起こす。また、既存のシステムは色収差があるため、２つの波長（例えばポインティングビーム波長と測定ビーム波長）を同時に空間の部分に集光させることができない。さらに、既存のシステムは、レーザーレーダーと同じ方向に向けられたカメラの視野を制限する。
[課題を解決するための手段]
[０００４]
本発明は上記の事情を考慮してなされ、本発明の目的は、装置の一部として一体として移動可能な光学アセンブリを含み、光学アセンブリの出口を通して測定ビームを方向づけるように構成された装置を提供することである。なお、光学アセンブリは、光学アセンブリの出口を通して方向づけられている測定ビームの光路を折り返すように構成される。
[０００５]
本発明の他の目的は、視線に沿ってビームを集光する光学アセンブリを提供することである。該光学アセンブリは、レンズと、レンズを通って延在する視線に沿って光源からのビームを集光するために協働する走査反射器及び固定反射器とを備え、光源からのビームが走査反射器によって固定反射器へ反射され、固定反射器からの反射光が再び走査反射器によって反射されてレンズを通して視線に沿って方向づけられるように、レンズ、走査反射器及び固定反射器が互いに関連して方向付けられ、視線に沿ってビームの焦点を調節するために、走査反射器が光源、レンズ、固定反射器に対して移動可能である。
[０００６]
本発明の他の目的は、物体を検査又は測定する方法であって、測定ビームを光学アセンブリの出口を通して方向づけるように構成された光学アセンブリを用いることによって測定ビームを物体に向ける方法を提供することである。なお、前記光学アセンブリは、光学アセンブリの出口を通して方向づけられている測定ビームの光路を折り返すように構成される。
[０００７]
本発明のさらに他の目的は、構造体を製造する方法であって、設計情報に基づいて構造体を形成することと、前記装置を用いることによって構造体の形状情報を得ることと、形成された構造体を配置することによって構造体の形状情報を得ることと、得られた形状情報を設計情報と比較することとを含む、構造体を製造する方法を提供することである。
[発明の効果]
[０００８]
本発明のさらなる特徴は、以下の詳細な説明及び付随の図面から明らかになるだろう。
[図面の簡単な説明]
[０００９]
[図１]図１は、実施形態に従う光学アセンブリを用いることができるタイプのレーザーレーダーシステムの概略図面である。
[００１０]
[図２]図２は、好ましいタイプの実施形態に従う光学アセンブリを用いることができるレーザーレーダーシステムの正面図である。
[００１１]
[図３]図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、第１実施形態に従う光学アセンブリの異なるバージョンの例である。
[００１２]
[図４]図４は、第１実施形態に従う光学アセンブリの他の例の反射屈折部を示す。
[００１３]
[図５]図５は、第１実施形態に従う光学アセンブリの特定の性能を示す。
[００１４]
[図６]図６は、第１実施形態に従う光学アセンブリのさらなる性能を示す。
[００１５]
[図７]図７ａは、第２実施形態に従う光学アセンブリのあるバージョンの概略図である。
[００１６]
図７ｂは、図７ａの光学アセンブリの断片的な概略図であり、コーナーキューブ及び平面鏡によりもたらされる反射の図式を示す。
[００１７]
[図８]図８ａ及び図８ｂは、第２実施形態に従う光学アセンブリの第２のバージョンの概略側面及び上面図である。
[００１８]
図８ｃは、図８ａ及び図８ｂの光学アセンブリの断片的な概略図であり、それらの構成部品の反射ルーフによりもたらされる反射の図式を示す。
[００１９]
[図９]図９は、第２実施形態に従う光学アセンブリのさらなるコンセプトの概略図である。
[図１０]図１０は、第２実施形態に従う光学アセンブリのさらなるコンセプトの概略図である。
[図１１]図１１は、第２実施形態に従う光学アセンブリのさらなるコンセプトの概略図である。
[図１２]図１２は、第２実施形態に従う光学アセンブリのさらなるコンセプトの概略図である。
[図１３]図１３は、第２実施形態に従う光学アセンブリのさらなるコンセプトの概略図である。
[００２０]
[図１４]図１４は、構造体製造システム７００のブロック図である。
[００２１]
[図１５]図１５は、構造体製造システム７００のプロセスフローを示すフローチャートである。
[発明を実施するための形態]
[００２２]
本発明によるレーザーレーダーシステム１００の実施形態を、以下で図面を参照して説明する。しかし、本発明はそれらに限定されない。
[００２３]
本発明の実施形態は、小型の光学アセンブリ（集積光学アセンブリ又はＩＯＡと称されることがある）を提供する。このような小型の光学アセンブリはレーザーレーダーシステムにおいて有用であり、他の様々な光学システムにおいても有用である。
[００２４]
レーザーレーダーシステムにおいて、光学アセンブリは、レーザーレーダーシステムがターゲットに向けられるように、レーザーレーダーシステムと一体として動くように構成され、レーザーレーダーシステムの他の部品に対して移動可能な大きな走査（ポインティング）ミラーを不要にする。
[００２５]
光学アセンブリは小型であり、ポインティングビーム及び測定ビームを光学レーダーシステムの出口に向けて方向づけ集光させるための素子を比較的単純に組み立てたものを利用するように設計される。
[００２６]
第１実施形態に従う光学システムは、レーザーレーダーと一体として移動可能であり、レーザーレーダーシステムが向けられるターゲットへポインティングビームと測定ビームの両方を方向づける反射屈折光学系を含み、反射屈折光学系は、ポインティングビームを方向づけるためにレーザーレーダーの他の部品に対して移動可能な走査（ポインティング）ミラーを不要にする。ポインティングビームは可視（例えば約６１０ｎｍから７５０ｎｍのような赤色）波長範囲内で作り出され、測定ビームは異なる所定の波長（例えば約０．７μｍから１０μｍなどの赤外光、つまりＩＲ）範囲内で作り出される。ポインティングビーム及び測定ビームをレーザーレーダーシステムから（ターゲットに）方向づけるために、ポインティングビーム及び測定ビームは、レーザーレーダーシステムと一体として動く本実施形態の小型の光学アセンブリによって、レーザーレーダーの他の部品に対して移動可能な走査（ポインティング）ミラーの使用をしない方法で操作される。
[００２７]
光学アセンブリは、光学パワー(optical power)の大部分をもたらす凹面鏡を含む反射屈折光学系を含み、２つの必要とされる波長の間の色収差の容易な補正を可能にする。凹面鏡は、光路をそれ自身に向けて折り返し、光学アセンブリの全体の大きさを実質的に減じる。光学アセンブリのサイズは、カメラがレーザーレーダーシステムの移動部分に設置されるように十分小さく設計され、カメラの光軸が測定ビームの軸と同一線上になるようにする反射窓又はコールドミラーを用いることにより、視差効果を取り除く。凹面鏡は、システムの色収差の補正に役立ち、また光路を折り返して、走査のために光学アセンブリ全体がレーザーレーダーシステムと一体として回転するようにする小型の光学システムを作り出し、既存のシステムの高価で手間のかかる回転（ポインティング）ミラーを除外する。
[００２８]
基本的に第１実施形態は、レーザーレーダーシステムの一部として一体として移動可能であり、且つポインティングビーム及び測定ビームをレーザーレーダーシステムの出口を通して方向づけるように構成される光学アセンブリを含む。光学アセンブリは、光学アセンブリの大きさを圧縮するために、レーザーレーダーシステムの出口を通して方向づけられているポインティングビーム及び測定ビームの光路を折り返すように構成される反射屈折光学系を含む。
[００２９]
第１実施形態は様々な方法で実施(implemented)され得る。例えば、光学アセンブリは、ポインティングビーム及び測定ビームをレーザーレーダーシステムの出口に向かって方向づける透過部分を備える窓を含む。中継システムが、ポインティングビーム及び測定ビームを光ファイバーから窓の反射領域へ方向づけ、反射屈折光学系が窓の反射領域からのポインティングビーム及び測定ビームを受光し、反射して窓の透過部分に戻す。それによりレーザーレーダーシステムの出口を通して方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの光路が折り返され、光学アセンブリの大きさが圧縮される。凹面鏡は、光路をそれ自身に向けて折り返す。換言すると、光路の一部が重なる。測定ビームの光路に関しては、凹面鏡と窓の反射領域の間の光路が重なる。換言すると、光学アセンブリは光源からの光の２以上の方向を有する。
[００３０]
この実装のある具合的なバージョンにおいて、光学アセンブリは、反射屈折光学系によって反射されて窓の透過部分を通るように戻されたポインティングビーム及び測定ビームの焦点を変えるために、少なくとも一つの移動可能な光学系を含む。他の具体的なバージョンにおいて、反射屈折光学系によって反射されて窓の透過部分を通るように戻されたポインティングビーム及び測定ビームの焦点は、光学パワーは低いが（low optical power)球面収差が大きいことを特徴とする複数の光学系を動かすことによって変化する。
[００３１]
第１実施形態の他の実装において、窓は、ポインティングビーム及び測定ビームの各々の波長範囲を含む所定の波長範囲内の光を透過するコールドミラーを含み、ポインティングビーム及び測定ビームを伝達する光ファイバーがコールドミラーの中心部位に設置される。反射屈折光学系は光ファイバーからのポインティングビーム及び測定ビームを受光し、ポインティングビーム及び測定ビームを反射して、レーザーレーダーシステムの出口へ方向づけられるコールドミラーに戻す。カメラ１４０は、コールドミラー１２２の被膜によって反射された光をカメラが受光するように位置づけられ、カメラの視線は測定ビーム及びポインティングビームの軸と同一線上になる。コールドミラー１２２はカメラの光軸を測定ビームの軸と同一線上にする。
[００３２]
この実装のある具体的なバージョンにおいて、光学アセンブリは、反射屈折光学系によって反射されてコールドミラーを通るように戻るポインティングビーム及び測定ビームの焦点を変えるために、少なくとも一つの移動可能な光学系を含む。他の具体的なバージョンにおいて、反射屈折光学系によって反射されてコールドミラーを通るように戻ったポインティングビーム及び測定ビームの焦点は、光学パワーは低いが（low optical power)球面収差が大きいことを特徴とする複数の光学系を動かすことによって変えられる。
[００３３]
本発明の第２実施形態の基本的な態様に従うと、光学アセンブリは、ポインティングビーム及び測定ビームを視線に沿って且つレーザーレーダーシステムの出口を通して方向づけるように構成される。光学アセンブリは、光源、レンズ、走査反射器及び固定反射器を含み、これらはレンズを通って延在する視線に沿って光源からのポインティングビーム及び測定ビームを集光するために協働する。光源、レンズ、走査反射器及び固定反射器は、光源からのポインティングビーム及び測定ビームが走査反射器によって固定反射器へ反射され、固定反射器からの反射されたポインティングビーム及び測定ビームが再び走査反射器によって反射され、レンズを通して視線に沿って方向づけられるように、互いに関連して方向づけられる。そして走査反射器は、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点を視線に沿って調節するために、光源、レンズ及び固定反射器に対して移動可能である。
[００３４]
第２の実施形態の好ましいバージョンに従うと、走査反射器はレトロリフレクターを含み、固定反射器は平面鏡を含む。光源、レンズ及び平面鏡は全て、光学アセンブリの支持構造体に対して固定された部位にあり、レトロリフレクターは、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点を視線に沿って変化させるために、それらの固定された部位に対して移動可能である。
[００３５]
また、以下の詳細な説明は、第２実施形態の光学アセンブリのいくつかのバージョンを提供する。あるバージョンにおいて、レトロリフレクターは、次のように方向づけられる少なくとも３つの反射面を有するコーナーキューブを含む。（ｉ）光源からのポインティングビーム及び測定ビームがコーナーキューブを通して平面鏡へ反射される。（ｉｉ）平面鏡から反射されたポインティングビーム及び測定ビームが再びコーナーキューブを通して反射される。（ｉｉｉ）少なくとも一つの所定の方向におけるコーナーキューブの動きによって、所定の方向を横切る方向におけるコーナーキューブの動きまたは所定の方向に対するコーナーキューブの回転に実質的に影響されない方法で、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点が視線に沿って調節される。
[００３６]
第２実施形態に従う光学アセンブリの別のバージョンにおいて、走査反射器は、ポインティングビーム及び測定ビームの２つの反射光をもたらす反射ルーフを含み、固定反射器は、ポインティングビーム及び測定ビームの２つの反射光をもたらす反射ルーフを含み、両方の反射ルーフの交線は互いに相対して所定の方向を向いている。
[００３７]
また以下の詳細な説明は、（例えば第２実施形態の）光学アセンブリの部品を構成し方向づけるためのコンセプトをもたらす。それらのコンセプトは、例えば、光学アセンブリを可能な限り小型に保ったまま、光学アセンブリを軽量にし、光学アセンブリの性能を改善するために設計される。
[００３８]
あるコンセプトにおいて、走査反射器によって反射され且つレンズを通して視線に沿って方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームは、レンズを通して方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの視線を折り返す折り返しミラーによって反射される。光源は折り返しミラーに支持される光ファイバーを含む。
[００３９]
別のコンセプトにおいて、レンズ、ビーム源及び平面鏡は、それらが、レトロリフレクターに対して一体として動くことが可能であるような方法で支持され、視線はその一体となったレンズ、ビーム源及び平面鏡とともに動く。
[００４０]
さらなる別のコンセプトにおいて、走査反射器によって反射され且つレンズを通して視線に沿って方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームは、レンズを通して方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの視線を折り返す偏光ビームスプリッタによって反射される。光源は、レンズを通して方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの視線を折り返す偏光ビームスプリッタに対する所定の部位において光ファイバーを含む。
[００４１]
さらに別のコンセプトにおいて、光源は、平面鏡として機能する部分及び走査反射器によって反射され且つレンズを通して視線に沿って方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの視線を折り返す別の部分を有するモノリシック部材によって支持される光ファイバーを含む。
[００４２]
さらに別のコンセプトにおいて、光源は、平面鏡を支持する透過部材に支持される光ファイバーを含む。
＜第１実施形態＞
[００４３]
上記のように本発明は、レーザーレーダーシステムと一体として移動可能であり且つレーザーレーダーシステムからのポインティングビーム及び測定ビームを伝達するように構成される光学アセンブリを提供し、ポインティングビーム及び測定ビームはレーザーレーダーシステムが向けられるターゲットに向けられ得る。本発明は、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に記載されるタイプのレーザーレーダーシステムと関連してここに記載され、これらをここに援用して本文の記載の一部とする。また、その記載から、本発明を様々なタイプのレーザーレーダーシステムに実装することができる方法は当業者にとって明らかであるだろう。
[００４４]
図１及び図２は、この明細書で開示される実施形態の全てを含むレーザーレーダーシステムを示す。図１及び図２に示されるように、レーザーレーダーシステム１００は、可視（例えば、赤色）波長範囲内のポインティングビームと、別の（例えば、赤外、ＩＲ）波長範囲内の測定ビームを形成し、ポインティングビーム及び測定ビームをレーザーレーダーシステムの出口１２０へ方向づける（伝達する）。ポインティングビームは、測定ビームが向けられるターゲット１０６上の位置を識別するために用いられる。ポインティングビーム及び測定ビームの光源は異なる。制御ユニットは、レーザーレーダーシステム１００を制御することができる。この実施形態において、レーザーレーダーシステム１００は制御ユニットを備える。しかし、レーザーレーダーシステム１００に連結される別々のシステムが制御ユニットを備えてもよい。
[００４５]
測定ビームは、スプリッタ１０２を通過してもよく、スプリッタ１０２は、測定ビーム（及びポインティングビーム）を測定経路１０４に沿って且つターゲット１０６に向けて方向づけ、レーザービームの一部分が米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に記載される方法で処理される回路１０８を通して測定ビームの一部分を送る。図１において、そのスプリッタは１０２と識別される下部のスプリッタである。測定経路１０４に沿って方向づけられる測定ビームがターゲット１０６から反射され、その反射または散乱された測定ビームの一部分がレーザーレーダーシステム１００に戻って受光される。反射または散乱された測定ビームの一部分は、図１に示される上部のスプリッタによって検出器へ方向づけられ、ターゲット１０６についての情報をもたらすために検出され処理される。反射又は散乱される測定ビームからの放射の検出及び処理は、レーザーレーダーシステム１００の基部１１０でなされ、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に従って、反射される放射を検出し処理するように構成される。これらの特許文献をここに援用して本文の記載の一部するが、これらは本実施形態のどの部分も形成しない。簡潔には、光ヘテロダイン式検出は、ターゲット１０６へ方向づけられ、ターゲット１０６から反射される光源光線を提供する。次いで、ターゲット１０６についての詳細な情報を提供するために処理されうる光干渉パターンをもたらすために、リターン光線は光検出器でローカルオシレーター光線と混合される。光ヘテロダイン技術は、光源光線及び反射光線の相互関係を利用する。例えばこれらの光線は実質的に同じ波長であり、同じ光軸上に方向づけられる。測定経路１０４及びターゲット経路１０４は同じである。このことより信号対雑音比（ＳＮＲ）が改善され感度が高まる。ＳＮＲは公知の直接検出システムと対照的に、小さい受光開口を用いてもよいように十分に高い。小さい受光開口は、アクセスが制限される領域に挿入できる非常に小さいレンズとして想定されてもよい。また、小さい受光開口はターゲットについての詳細な情報を提供できるため、コヒーレントシステムの光学部品は非常に小さく形成されてもよく、関連する走査速度及び正確さの上昇をもたらしてもよい。例えば、１／２インチ（約１．３ｃｍ）の開口を用いるコヒーレント光システムは、直接光検出システムで用いられる４インチ（約１０．１ｃｍ）の開口よりも多くのターゲットについての情報を得ることができる。本発明は、ポインティングビーム及び測定ビームをレーザーレーダーシステムの出口１２０に伝達する光学アセンブリを対象とする。
[００４６]
公知のレーザーレーダーシステムにおいて、ポインティングビームをターゲットへと方向づけるために、移動可能なミラーが設けられる。移動可能なミラーは、測定ビームを伝達する光学系から離れており、移動可能なミラーとレーザーレーダー光学系の両方を収容するために比較的大きなレーザーレーダーハウジングを必要とする。測定ビームとポインティングビームの両方がレーザーレーダーシステム１００と一体として移動可能で且つ比較的小型な光学アセンブリによって形成されるため、本発明は比較的小型である。さらに、本発明の光学アセンブリは、ビーム伝達／受光動作を実行する場合に比較的安定であるように設計される。光学アセンブリを移動するために電気モーターが設けられる。この実施形態において、光学アセンブリは、異なる方向と関連する２つの軸について移動可能である。図２に示されるように、２つの軸は、ＹＺ面とＸＹ面で定まる。２つの軸はＺ軸及びＸ軸である。光学アセンブリの位置をモニターするためにエンコーダが設けられる。制御ユニットは、光学アセンブリの位置によって電気モーターのパワーを制御することができる。
[００４７]
図２に示されるように、レーザーレーダーシステム１００は、光学アセンブリが設置、固定されるハウジング（例えば回転可能シリンダ１１２）を含む。それにより光学アセンブリはシリンダ１１２と一体として、レーザーレーダーシステムの基部１１０に対して移動する。レーザーレーダーシステムは、ハウジング１１２において出口１２０を含み、出口１２０を通して放射（例えば２つの波長のポインティングビーム及び測定ビーム）がレーザーレーダーシステムから方向づけられる。基部１１０は、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に開示されるレーザーレーダーシステムの処理性能を含む。
[００４８]
本実施形態の第１実施形態の光学アセンブリ１１４の基本的な特徴は、図３Ａ〜３Ｃから理解することができる。図３Ａにおいて、光学アセンブリ１１４は、ポインティングビーム及び測定ビームが伝達される光ファイバー（ファイバーチップ１１６で表される）と、光ファイバー１１６からのポインティングビーム及び測定ビームを（図３Ａ〜３Ｃの実施形態においては、折り返しミラーとも称される）窓１２２の小さい反射領域１２６へと方向づける中継システム１２４と、窓１２２の反射領域１２６からのポインティングビーム及び測定ビームを受光及び反射し窓１２２を通るように戻す反射屈折光学系１２８とを含み、ポインティングビーム及び測定ビームは、ハウジング１１２の出口１２０を通して方向づけられる。窓１２２は、片面に反射領域１２６を形成する小さな銀色の領域を有し、もう一方の面に赤色及び赤外範囲内の放射が窓を透過して出力開口１２０に伝達されるようにする被膜を有する。カメラ１４０が、窓１２２の被膜によって反射された光を受光するように、カメラの視線が測定ビーム及びポインティングビームの軸と同一線上になるようにして設置される。なお、カメラ１４０の位置及び向きが図３Ａに示されているが、図３Ｂ、図３Ｃ、図４に示される第１実施形態のバージョンにおいて、カメラ１４０を窓１２２に対して同様に位置づけ、方向づけることができる。
[００４９]
さらに、光学アセンブリ１１４は、ターゲット１０６から反射または散乱された少なくともいくつかの放射を受光するように構成され、その放射がファイバー１１６に戻るように方向付ける。ファイバー１１６は、可視（例えば赤色）波長範囲内のポインティングビームを異なる、例えば赤外（ＩＲ）の波長範囲内の測定ビームと結合する、ファイバービーム結合器を有し得る。ポインティングビーム及び測定ビームは別々の光源から発生させられ、当業者によく知られた方法で基部１１０内に設置されるファイバービーム結合器によって結合される。
[００５０]
この実施形態のレーザーレーダーシステム１００は、ポインティングビーム及び測定ビームを有する。しかしレーザーレーダーシステム１００は測定ビームを有し、ポインティングビームを有さなくてもよい。測定ビームは、例えば可視である。ゆえにこの場合では、測定ビームがポインティングビームにもなり得る。この実施形態のレーザーレーダーシステム１００は、ポインティングビームと測定ビームの間で異なる波長領域を有する。しかしレーザーレーダーシステム１００は、例えば可視領域などの同じ波長領域を有してもよい。
[００５１]
図３Ａにおいて、光学アセンブリ１１４は、光ファイバー１１６からのポインティングビーム及び測定ビームを窓１２２の小さな反射領域１２６へと方向づける中継システム１２４と、窓１２２の反射領域１２６からのポインティングビーム及び測定ビームを受光及び反射し、窓１２２の透過部を通るように戻す反射屈折光学系１２８とを含み、ポインティングビーム及び測定ビームは、ハウジングの出口１２０を通して方向づけられる。反射屈折光学系１２８は、放射（つまり、ポインティングビーム及び測定ビーム）を反射する球面鏡１３０と、放射を方向づける１つ以上の光学系を含む。図３Ａの実施形態において、光学アセンブリは、球面鏡１３０から反射された放射の焦点を変化させ、窓１２２を通して戻すために、少なくとも一つの移動可能な光学系１３２を含む。光学系１３２は両凹でも平凹でもよく、少なくとも一つの凹部１３４が折り返しミラー１２２に対面する。移動可能な光学系１３２は、球面鏡１３０から反射された放射をターゲットに集光するように構成される。また移動可能な光学系１３２は、透過レンズ表面で反射された迷光（ゴースト像）が戻ってファイバー１１６を通るように方向付けられることを減少させるように構成される。具体的には（specifically）、光学系１３２の凹部１３４は、レンズ表面で反射された迷光が戻ってファイバーを通るように方向付けられる可能性を減少させるために、ファイバー複合体とは全く異なる曲率中心を有する。また、光学アセンブリに関して固定されるレンズ１３５は、ターゲット上の回折限界集光スポットを許容し（allowing for)、球面収差を補正する。球面鏡は光路をそれ自身に向かって折り返す。言い換えると、光路の一部分が重なる。測定ビームの光路に関して、凹面鏡と反射領域１２６の間の光路が重なる。言い換えると、光源からの光の進行方向が光学アセンブリ内で変わる。反射領域１２６から凹面鏡への方向は、凹面鏡から反射領域１２６への方向と異なる。第１実施形態の別の特定のバージョンでは、図３Ｂ及び図３Ｃに示されるように、光学アセンブリは、球面鏡１３０及び窓１２２に対してグループとして移動できる光学系の組１３６を含む。図３Ｂ及び３Ｃの実施形態において、反射屈折光学系によって反射され戻って窓１２２を通るように方向づけられたポインティングビーム及び測定ビームの焦点は、光学系の組１３６を動かすことによって変化する。その光学系は、光学パワーは低いが（low optical power)球面収差が大きいことを特徴とする。よって、図３Ｂの例において、短い距離（例えば、約１メートル）の焦点をもたらすために、光学系の組１３６が窓１２２に比較的近接している。図３Ｃにおいては、比較的長い距離（例えば、約６０メートル）の焦点をもたらすために、光学系の組１３６が球面鏡１３０に比較的近接している。移動するグループ１３６の位置は、２つの極端な状態の間で連続的に可変であり、レーザーレーダー光学アセンブリから例えば１〜６０メートルの間のいかなる距離においても、測定ビーム及びポインティングビームを集光できる。
[００５２]
第１実施形態のさらに別の特定のバージョンにおいて、その反射屈折部分が図４に示されるが、窓１２２は「コールドミラー」として知られるものを含む。なぜならコールドミラーはポインティングビーム及び測定ビームの可視赤色波長領域及びＩＲ波長領域の放射を透過し、より短い波長の放射を反射するためである。光ファイバー１１６はコールドミラー１２２の中心部位の孔１３７に設置される。反射屈折光学系は、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃに関係して記載された方法で、光ファイバー１１６からのポインティングビーム及び測定ビームの放射を受光し、コールドミラー１２２を通してレーザーレーダーのハウジング１２２の出口１２０へその放射を反射して戻す。また、第１実施形態のこのバージョンは、反射されてコールドミラーを通るように戻された放射の焦点を変化させるために、（例えば図３Ａにおいて１３２で示されるような）一つの両凹又は平凹の光学系を含み得る。（一つの両凹又は平凹の光学系は、レンズ表面から反射された迷光（ゴースト像）が戻ってファイバーを通るように方向付けられることを減少させるために、ファイバー複合体とは全く異なる曲率中心を有する凹表面１３４を備える。）あるいは、その第１実施形態のバージョンは、（例えば、図３Ｂ及び３Ｃにおいて１３６で示されるような）複数の移動する光学系を含み得る。複数の移動する光学系は、光学パワーは低いが（low optical
power)球面収差が大きいことを特徴とする光学系の組１３６を動かすことによって、反射屈折光学系によって反射され且つ戻ってコールドミラー１２２を通るように方向付けられたポインティングビーム及び測定ビームの焦点が変化するように構成される。
[００５３]
図５は、本発明の第１実施形態に従う光学アセンブリの性能の例を示す。図５の例において、１、２、５、２４及び６０メートルにおいて（赤外光について）性能が示されているが、赤色光はいずれの位置についてもよく集光する。図５（及び別紙Ａ）は、当業者によく知られている光学システムの性能水準を示すスポットダイアグラムを示す。図５（及び別紙Ａ）の実線の円は、波長及びレーザーレーダー光学システムの開口によって定まる回折限界を示す。回折限界は、当業者によく知られるように、この光学システムにとって可能な最良の性能を示す。１、２、５、２４及び６０メートルの各ターゲット距離についての３つのプロットは、反射屈折光学システム１２８及び／又は中継システム１２４に対してファイバーが軸外に移動するときの性能を示す。各ターゲット距離についての３つのプロットは、左上は軸外距離０ｍｍについて、右上は軸外距離０．３ｍｍについて、中央下は軸外距離０．５ｍｍについてである。「＋」記号は、異なる光線の集光位置を示す。これらの記号全てが回折限界を示す円内または円に近接している場合は、当業者によく理解されるように、レンズの性能は回折限界的である。
[００５４]
ターゲットの３次元における位置を測定するためのレーザーレーダーの能力の重要な側面は、レーザーレーダーのポインティング（光学）軸に垂直な面におけるスポットの位置の分解能である。これは、光学アセンブリ全体をポイントするステアリングアセンブリの２つのポインティング角を正確に測定することによってなされる。しかしある状況において、ポインティング軸に垂直な面におけるターゲット位置の空間分解能は、光学アセンブリがターゲット上に結像するスポットの大きさに制限され得る。換言すると、ターゲットの結像される光のスポットが小さいほど、ターゲットの３次元位置がよりよく定められ得る。よって図５に示される性能は、当業者にとって明らかなように、本明細書に記載されるタイプのシステムを用いて達成される典型的な性能は回折限界的であり得ることを示す。
[００５５]
さらに、結像したスポットの大きさは、光学アセンブリによってどれだけ光が集められ得るかを決定する。より多くの光がターゲットに集光する場合、より多くの光がターゲットによって反射又は散乱され、その反射又は散乱された光の適当な一部分が光学アセンブリによって集められ、集光されてファイバー１１６に戻され、これによりレーザーレーダーとターゲットの間の距離の正確な測定が可能となる。換言すると、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に記載される技術を用いると、スポットが小さいほど、より多くの測定光が光学アセンブリに戻り、より正確な距離測定がなされる。上記の特許文献はここに援用され本文の記載の一部とされる。
[００５６]
図６は、本実施形態に従う光学アセンブリを用いた、移動するグループ１３６の軸方向の位置を関数とする測定ビーム及びポインティングビームの焦点位置の例を示す。図６に示されるプロットは、特に図３Ｂ及び３Ｃに示される構成についての移動するグループの位置を示し、１メートルから６０メートルの距離まで（レーザーレーダーハウジング１１２からターゲットまで）進むためには、光学系の移動可能なグループ１３６が約４７ｍｍ動く必要があることを示す。
[００５７]
当業者に理解されるように、第１実施形態の光学アセンブリ１１４は小型で堅牢であり、光学パワーの大半のために凹面鏡１３０を用いる。また、凹面鏡１３０は色収差を生じない。図３Ａ〜３Ｃの実施形態において、窓１２２は、窓の片面に小さな銀色の領域１２６が加えられ（、少し不明瞭化を生じ）る。窓１２２の他方の面は、所定の波長（例えば、可視赤色、ＩＲ）範囲内の光を透過し、可視ポインティングビームに使用される波長以外のスペクトルの可視域の光を反射する波長選択性被膜を備える。これによりカメラ１４０は、レーザーレーダーシステムによって測定されている場所を見るためにその残りの可視光を使用できる。
[００５８]
また、主ミラー１３０は凹型であり、好ましい実施形態において、主ミラーは球形であることにも注目すべきである。主ミラー１３０は、光学アセンブリの色収差を補正するのに役立ち得る。図３Ａの実施形態における両凹又は平凹の移動レンズ１３２により集光を達成（accomplish）することができる。レンズグループ１３６（図３Ｂ、３Ｃ）を主ミラー１３０とコールドミラー１２２の間で動かすことによっても集光を達成（accomplish）することができる。
[００５９]
よって、第１実施形態の反射屈折光学アセンブリは、（ｉ）移動するミラーの必要性を取り除（いて、問題のあるドップラー効果を取り除）き、（ｉｉ）２つの波長（赤及び赤外）を同時に集光させるように設計される、小型の光学アセンブリを提供する。凹面鏡１３０と窓（又はコールドミラー）１２２の間に設置される移動可能なレンズ１３２又はレンズグループ１３６が、ここに記載され示される部品と共に、集光を実現する。
[００６０]
さらに、光学アセンブリは、窓（又はコールドミラー）１２２から１メートルから６０メートルの連続的な集光範囲をもたらすように設計される。窓（又はコールドミラー）の背面での不明瞭化はごくわずかであり、中継システム１２４によってもたらされる色収差は反射屈折光学系によって補正される。
[００６１]
よって、第１実施形態は、小型の光学アセンブリを提供し、この光学アセンブリは、レーザーレーダーシステムの他の部品に対して移動可能な大きな走査（ポインティング）ミラーを不要にするため、レーザーレーダーシステムにおいて役立つ。さらに、第１実施形態の小型の光学アセンブリは、屈折力のほとんどをもたらす凹面鏡を備える反射屈折構成を有し、ポインティングビーム及び測定ビームの２つの所要波長間でより容易に色収差を補正する。凹面鏡は、光路をそれ自身へ向けて折り返し、全体的な大きさを実質的に減じる。システムの大きさは、カメラ１４０（図２、３Ａ）がレーザーレーダーシステムの動く部分に設置されるように十分に小さいべきであり、カメラの光軸が測定ビームの軸と同一線上になるようにする反射窓又はコールドミラーを用いることで視差効果を除外する。窓（又はコールドミラー）１２２は光がターゲットに投影される前の最後の光学要素であるため、この新たな光学アセンブリは、カメラの視野が窓（またはコールドミラー）１２２から反射されるように構成することによって、レーザーレーダーと同じ方向に同じ軸に沿って向けることができる広角カメラ１４０を使用できるようにする。不明瞭化はわずかであり、レーザーレーダーの作動中にターゲットに形成されるスポットの大きさを大幅に増加させないだろう。
[００６２]
したがって、上記の説明からわかるように、本実施形態は、レーザーレーダーシステム用の小型の光学アセンブリを提供する。光学アセンブリは、レーザーレーダーシステムと一体として移動しポインティングビーム及び測定ビームをレーザーレーダーシステムの出口へ伝達する反射屈折光学系を備え、レーザーレーダーシステムの他の部品に対して移動可能な走査（ポインティング）ミラーを不要にする。上記の説明を考慮すると、本実施形態の光学アセンブリを様々なタイプのレーザーレーダーシステムに実装できる方法が当業者にとって明らかであろう。
[００６３]
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態は、上記で図１及び２に関連して説明される基本原則に従って構成され作動するレーザーレーダーシステム１００を備える。図７ａ及び７ｂから、本実施形態の第２実施形態に従う光学アセンブリ１１４の基本的な特定の特徴が理解されるだろう。図７ａの光学アセンブリは、ポインティングビーム及び測定ビームが方向づけられるファイバー１３０で表される光源と、レンズ１３２、走査反射器１３４、及び固定反射器を含む。図７ａにおいて固定反射器は平面鏡１３６を含む。これらの要素は、ファイバー１３０からのポインティングビーム及び測定ビームを視線１３８に沿って方向づけ集光するために協働する。視線１３８は光学アセンブリの光軸と一致しレンズ１３２を通って延在することが好ましい。ファイバー１３０、レンズ１３２、走査反射器１３４及び平面鏡は、ファイバー１３０からのポインティングビーム及び測定ビームが走査反射器１３４によって平面鏡１３６へ反射され、平面鏡１３６からの反射されたポインティングビーム及び測定ビームが再び走査反射器１３４によって反射され、レンズ１３２を通して視線１３８に沿って方向づけられるように、互いに関連して方向づけられる。次いでポインティングビーム及び測定ビームはレーザーレーダーシステムからターゲット１０６に方向づけられる。
[００６４]
図７ａの実施形態において、走査反射器１３４はレトロリフレクターを含む。レトロリフレクターは好ましくは、光学アセンブリの支持構造に全て固定されるファイバー１３０、レンズ１３２及び平面鏡１３６に対して（例えばＺ方向に）移動するコーナーキューブである。コーナーキューブ１３４の移動により、ファイバーとレンズの間で測定ビームが進行する距離を変えることで、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点を視線１３８に沿って調節される。コーナーキューブ１３４は、次のように方向づけられる少なくとも３つの反射面を有する。（ｉ）光源からのポインティングビーム及び測定ビームがコーナーキューブ１３４を通して平面鏡１３６へ反射される。（ｉｉ）平面鏡１３６から反射されたポインティングビーム及び測定ビームが再びコーナーキューブ１３４を通して反射される。（ｉｉｉ）少なくとも一つの所定の方向（例えば図７ａのＺ方向）におけるコーナーキューブの動きによって、所定の方向を横切る方向におけるコーナーキューブの動きまたは所定の方向に対するコーナーキューブの回転に実質的に影響されない方法で、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点が視線１３８に沿って調節される。図７ｂは図７ａの光学アセンブリの断片的な概略図であり、コーナーキューブ１３４及び平面鏡１３６によりもたらされる反射の図式を示し、これは、ポインティングビーム及び測定ビームの反射が、Ｚ方向を横切る方向におけるコーナーキューブ１３４の動きまたはＺ方向に対するコーナーキューブの回転に影響されないようにする。
[００６５]
ファイバー１３２は、可視（例えば赤色）波長範囲内のポインティングビームを異なる、例えば赤外（ＩＲ）の波長範囲内の測定ビームと結合するファイバービーム結合器を伴う。ポインティングビーム及び測定ビームは、別々の光源から発生させられ、当業者によく知られる方法で（基部１１０内に設置される）ファイバービーム結合器によって結合される。結合されるポインティングビーム及び測定ビームはここに記載される方法で、ファイバー１３０から方向づけられ、視線１３８に沿って集光される。
[００６６]
よって、図７ａ及び７ｂに示される第２実施形態のバージョンにおいて、ポインティングビーム及び測定ビームは視線１３８に沿って方向づけられ、視線に沿ったポインティングビーム及び測定ビームの焦点は、一つの部品（つまり、コーナーキューブ１３４）を移動することにより、Ｚ方向を横切る方向におけるコーナーキューブの動きまたはＺ方向に対するコーナーキューブの回転に反応しない（つまり、影響されない）方法で調節される。また、図７ａ及び７ｂの光学アセンブリは非常に小型であり、比較的少ない部品で構成されている。ある構成において、コーナーキューブ１３４は、固定された素子（ファイバー、平面鏡及びレンズ）に対して約２２ｍｍ以下の距離にわたって移動することにより、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点を調節することができ、そのことは光学アセンブリの小型化に寄与する。
[００６７]
図７ａ及び７ｂの第２実施形態のバージョンにおいて、ポインティングビーム及び測定ビームは視線に沿って、レーザーレーダーシステムの出口１２０へ方向づけられる。ポインティングビーム及び測定ビームは、測定ビームをレーザーレーダーシステムからターゲット１０６上のスポットに方向づけ、そこで放射がターゲットから反射及び／又は散乱される。レーザーレーダーシステムの動作原理に従うと、光学アセンブリ１１４は、ターゲット１０６から反射または散乱される少なくともいくつかの放射を受光し、その放射は、当業者にとって明らかな方法で、戻ってファイバー１３０を通るように方向づけられるであろう。
[００６８]
ターゲット１０６上に結像した測定ビームのスポットの大きさは、どれだけの光が光学アセンブリによって集められ得るかを決定する。より多くの光がターゲット上に集光する場合、より多くの光がターゲットによって反射又は散乱され、その反射または散乱された光の適当な一部分が光学アセンブリによって集められ、ファイバー１３０に集光し戻され、これによりレーザーレーダーとターゲットの間の距離の正確な測定が可能となる。換言すると、米国特許第４,７３３,６０９号、第４，８２４,２５１号、第４,８３０，４８６号、第４,９６９，７３６号、第５,１１４，２２６号、第７,１３９，４４６号、第７,９２５，１３４号及び日本特許第２,６６４,３９９号に記載される技術を用いると、スポットがより小さいほど、より多くの測定光が光学アセンブリに戻り、より正確な距離測定が成なされる。上記の特許文献はここに援用され本文の記載の一部とされる。
[００６９]
図７ａ及び７ｂに示される第２実施形態のバージョンの光学アセンブリにおいて、コーナーキューブ１３４に関連して固定される平面鏡１３６の設備は、コーナーキューブを出た第１経路ビームを送り戻してコーナーキューブを通すが、システムは移動するコーナーキューブのＺ方向に対する傾斜に依然として反応しない。コーナーキューブ１３４のＺ方向における横方向の移動は依然として第１経路にシフトを引き起こすが、しかし平面鏡１３６がビームを反転し戻してコーナーキューブを通し、それが等価な反対のシフトを引き起こし、シフトが相殺される。コーナーキューブを通る経路の各々について、コーナーキューブの再帰反射特性は、コーナーキューブの向き、つまり傾斜又は回転に関わらず、出力ビームが入力ビームに平行であることを確実にする。したがって、図７ａのシステムは名目上、コーナーキューブの傾斜及びｘ／ｙ方向の動きには反応しない。図７ｂは、固定された平面鏡１３６が、システムをどのようにコーナーキューブのｘ／ｙ方向の動きに反応しないようにするかを示す。
[００７０]
さらに、レーザーレーダーシステムは２つの波長を用いており、またシステムは背面反射に敏感であるため、コーナーキューブ１３４は、固体ガラスの従来のコーナーキューブよりもむしろ、３つのミラーの組（エアコーナーキューブ）であってもよい。そして、ビームの各々が表面鏡に入射する。したがって、レーザーレーダーの距離測定部品についてノイズフロア（noise floor)に寄与し得るゴースト像を形成し得る面は、光学パワー（optical power)をもたらすための２インチ（約５．０８ｃｍ）レンズ以外は存在しない。
[００７１]
コーナーキューブ１３４は、ビームによって２回横切られ、且つ反射されるため、ファイバー１３０とレンズ１３２の間の光路は、コーナーキューブの動きの４倍である；コーナーキューブの１ｍｍの動きはファイバーとレンズの間の距離を４ｍｍ変化させる。ファイバーの既知のＮＡ約０．１に基づき、且つ出口開口５０ｍｍに基づくと、固定レンズ１３２の理想的な焦点距離は約２５０ｍｍであることがわかる。物体と像の関係についてのニュートン方程式に基づくと、必要な総焦点範囲は、近焦点位置（１メートル）と遠焦点位置（６０メートル）の間で約８８ｍｍである。これは、８８／４＝約２２ｍｍのコーナーキューブの移動に換算される。したがって唯一の必要なレンズは直径２インチ（約５．０８ｃｍ）の対物レンズ１３２である。
[００７２]
この光学アセンブリの他の大きな利点は、光路１３８がコーナーキューブ１３４を通して２回折り返されるため、非常に小型な容積の中に２５０ｍｍから（８８＋２５０）＝３３８ｍｍが収められることである。また長い焦点距離は、より短い折り返しのないシステムと比べて、レンズ１３２の収差の要求が緩和されることも意味する。
[００７３]
このシステムと透過光学系が移動するシステムとの主要な違いは、ファイバーがＺ位置の基準であるために、集光部品（コーナーキューブ１３４）の動きがファイバー１３０と最後のレンズ部品の間のＺ位置を変化させることである。したがって、システムは、この動きを簡単に補正するように十分正確にコーナーキューブの位置がわからなければならない。現在用いられているシステムパラメータは５μｍ＋１．２５ｐｐｍ／ｍの軸方向位置測定精度を有し、最低で１メートル焦点あたり６．２５μｍの軸方向位置精度を有する。これはステージ位置が最悪でも６．２５／４＝１．５６μｍの精度で測定されなければならないことを意味する。遠焦点（６０ｍ）において、ステージは８０／４＝２０μｍの精度で知られなければならないだけである。このシステムのすべての利点を考慮すると、これはささいなトレードオフであるように思われる。
[００７４]
図７ａのシステムについて、入力ファイバー１３０は分岐する出力ビームのちょうど真ん中にある。システムが図７ａのように造られる場合、ファイバー１３０を保持する構造体が光を遮り、光の一部が戻って直接ファイバーに入射し、ノイズフロア（noise floor)をもたらす可能性がある。図８ａ、８ｂ及び８ｃに示される代替システムは、この問題に対処する方法を提供する。
[００７５]
図８ａ、８ｂ及び８ｃに示される光学アセンブリ１１４ａは第２実施形態の第２バージョンを提供し、測定ビーム及びポインティングビームの光源を提供するファイバー１３０ａ、レンズ１３２ａ、走査反射器１３４ａ及び固定反射器１３６ａを含む。走査反射器１３４ａは、ポインティングビーム及び測定ビームを２回反射する反射ルーフを含み、固定反射器１３６ａもポインティングビーム及び測定ビームを２回反射する反射ルーフを含む。また、反射ルーフ１３４ａ及び１３６ａのそれぞれの交線１４０、１４２は互いに相対して所定の方向に向けられている。
[００７６]
図８ａ、８ｂ及び８ｃに示される本発明のバージョンは、図７ａ及び７ｂのバージョンと全般的に同じ方法で作動する。反射ルーフ１３４ａは、次のように方向づけられる一組の反射面を備える。（ｉ）光源からのポインティングビーム及び測定ビームが反射ルーフ１３４ａを通して固定反射ルーフ１３６ａへ反射され、固定反射ルーフ１３６ａから反射されたポインティングビーム及び測定ビームが再び反射ルーフ１３４ａを通して反射される。（ｉｉ）少なくとも一つの所定の方向（例えば図８ａのＺ方向）における反射ルーフ１３４ａの動きによって、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点が視線１３８ａに沿って調節される。図８ｃは図８ａ及び８ｂの光学アセンブリの断片的な概略図であり、反射ルーフ１３４ａ及び固定反射ルーフ１３６ａによりもたらされる反射の図式を示す。よって、ポインティングビーム及び測定ビームは視線１３８ａに沿って方向づけられ、視線１３８ａに沿ったポインティングビーム及び測定ビームの焦点は、一つの部品（反射ルーフ１３４ａ）を固定反射ルーフ１３６ａ、レンズ１３２ａ及びファイバー１３０ａに対してＺ方向に移動することによって調節される。図８ａ、８ｂ及び８ａの光学アセンブリは非常に小型であり、比較的少ない部品で構成されている。前のバージョンと同様に、反射ルーフ１３４ａは、固定された素子（ファイバー１３０ａ、固定反射ルーフ１３６ａ及びレンズ１３２ａ）に対して２２ｍｍ以下の距離にわたって移動することにより、ポインティングビーム及び測定ビームの焦点を調節することができ、そのことは光学アセンブリ１１４ａの小型化に寄与する。
[００７７]
図８ａ、８ｂ及び８ｃの光学アセンブリは、分岐する出力ビームのちょうど真ん中に入力ファイバーがあり、その結果ファイバーを保持するための構造が光を遮り、光の一部が戻ってファイバーに直接入射し、ノイズフロア（noise floor)をもたらすだろうという問題に対処する。具体的には、コーナーキューブを移動させること及び固定ミラーを用いることの代わりに、光学アセンブリは２つの反射ルーフ１３４ａ、１３６ａに分けられる。反射ルーフ１３４ａはコーナーキューブの代わりに移動し、反射ルーフ１３６ａは固定され且つ反射ルーフ１３４ａの移動に対して光学軸の周りを９０°回転する。この光学アセンブリは、一つの主要なさらなる利点と一つの不利益と共に、図７ａのシステムと同じ利点を達成する。入力ファイバー１３０からのポインティングビーム及び測定ビームは、動く反射ルーフ１３４ａに向かい、反射ルーフ１３４ａによって下へ移動される。次いでポインティングビーム及び測定ビームは、固定反射ルーフ１３６ａに向かい、反射ルーフ１３６ａはそれらのビームを図の手前から奥へずらす。次いでビームは、反射ルーフ１３４ａを通して戻され、入力ファイバー１３０ａに対して拡大され、しかし平行に外に出る。しかし、固定ルーフ１３６ａのおかげで、ビームはファイバー１３０に対して図８ａ及び８ｂのＹ方向に移動される。したがって、不明瞭化の問題も背面反射の問題もない。しかし、もし移動するルーフがＺ軸の周りを回転する場合は、この理想的な特性はもはや、必ずしも当てはまらないという不利益がある。
[００７８]
もし反射ルーフ１３４ａが移動中にＹ軸の周りを回転する場合、反射ルーフ１３４ａは屋根のように作動し、角度は変化しない。もし反射ルーフ１３４ａがＸ軸の周りを回転する場合、反射ルーフ１３４ａは平面鏡のように振る舞うが、固定反射ルーフ１３６ａがＺ軸の周りを９０°回転するため、固定反射ルーフ１３６ａがこの角度変化を除去する。もし反射ルーフ１３４ａがＸ方向にシフトする場合、それはビームをシフトさせるが、しかし、次いで固定反射ルーフ１３６ａが（図７ａのシステムにおけるように）ミラーのように振る舞い、反射ルーフ１３４ａを通る第２経路がシフトを補正する。最後に、反射ルーフ１３４ａがＹ方向にシフトする場合、それは平面鏡と同様であるため、ビームに変化は生じない。
[００７９]
ファイバー１３０ａと固定レンズ１３２ａの間の軸方向距離を変化させるために、（反射ルーフ１３４ａ、１３６ａを形成する２つの屋根型プリズムの形の）一連の第１面鏡（表面鏡）が用いられる。このシステムは名目上、動く部品（反射ルーフ１３４ａ）の傾斜及びｘｙ方向のシフトには反応しない。２つのルーフ型のシステムからの出力ビームは、入力ファイバー１３０ａに対してシフトされているので、不明瞭化や背面反射の問題はない。さらに、すべての面が第１面鏡であるため、ゴースト反射を生じ得る界面がない。ビーム経路の折り返さられた性質は、機械的安定性を許容し（allowing for)、システムを非常に小型にする。システムの長い焦点距離は、固定反射ルーフ１３６ａが既製の色補正ダブレットであることが好ましいこと意味する。
[００８０]
図９〜１３は、第２実施形態の光学アセンブリの部品を構成し方向づける様々なコンセプトを概略的に示す。
[００８１]
例えば、図９に示されるように、走査反射器１３４によって反射され、レンズを通して視線１３８に沿って方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームは、レンズ１３２を通して方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの視線１３８を折り返す折り返しミラー１４４によって反射される。さらに図９に示されるように、ファイバー１３０は折り返しミラー１４４の中に設置することができる。
[００８２]
本発明の光学アセンブリは、レンズ１３２から１メートルから６０メートルの範囲で集光されるように設計される。図９に示されるシステムがレンズから１メートルで集光される場合、より少ない光がターゲットに方向づけられるが、光損失はたった数パーセントである。コーナーキューブ１３４が約２２ｍｍ動くことによって、光学アセンブリがレンズから６０メートルで集光される場合、ビームはレンズ１３２の開口をほとんど満たし、よって実質的にすべての光が、ターゲットに衝突する（impinges on)スポットを形成するために用いられる。
[００８３]
さらに、図１０に概略的に示されるように、レンズ１３２、ビーム源（つまり、ファイバー１３０）及び平面鏡１３６は、それらがレトロリフレクター１３４に対して一体として動くことができるような方法で支持され、その場合、視線がその一体とともに動く。よって、図１０に示されるように、レンズ１３２、平面鏡及びファイバー１３０はボックス１４６によって支持される。そのため、それらの部品の全てがレトロリフレクター１３４に対して一体として動くことができる。したがって、レトロリフレクター及び他の部品（ファイバー、レンズ、固定反射器）が互いに「対して、相対的に」移動可能であるということは、他の部品が支持構造体によって固定され、レトロリフレクターが支持構造体に対して動くこと、または、他の部品の支持構造体（例えは図１０のボックス１４６）が、それらの他の部品がレトロリフレクター１３４に対して一体として動く（例えば回転する）ことを可能にすることを指し得る。
[００８４]
さらに、図１０にも示されるように、走査反射器１３４によって反射され、レンズ１３２を通して視線１３８に沿って方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームは、レンズを通して方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの視線１３８を折り返す偏光ビームスプリッタプレート１５０によって（図９に示される方法と同様の方法で）反射される。図１０において、偏光ビームスプリッタプレート１５０は、偏光ビームスプリッタプレート１５０が偏光ビームスプリッタとして機能することを可能にする偏光ビームスプリット被膜を有し、平面鏡１３６から反射されたビームの偏光を調節するために平面鏡１３６に４分の１波長板１４８が設けられる。図１０において、ビーム源である光ファイバー１３０は、偏光ビームスプリッタプレート１５０に対して所定の位置においてドットで（by a dot)表わされる。
[００８５]
よって、図１０に示されるコンセプトにおいて、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）プレート１５０は、視線に沿って方向づけられる光が結合してファイバー１３０へ戻ることを防ぐために用いられる。測定ビームは直線偏光されているため、その偏光状態は、４分の１波長板（ＱＷＰ）１４８を通過して４５度に２度方向づけられることにより９０度回転され得る。またこの場合、ＱＷＰ１４８は、システムのミラー１３６として図７ａと関連して示され且つ記載される方法で振る舞う第２面鏡（裏面鏡）１３６を備える。ファイバー１３０はＰＢＳプレート１５０の裏面近傍に設置される。ＰＢＳプレートであり、入力面がファイバーに対して４５度傾斜していることから、いかなる裏面反射もファイバーに戻らないだろう。コーナーキューブ１３４は固体ガラスである。なぜなら固体ガラスは既製部品であり、ファイバーとレンズの間の軸方向距離（物理的距離）を増すためである。この光学アセンブリには不明瞭性はない。
[００８６]
また、図１０に示されるコンセプトにおいて、コーナーキューブ１３４は、固定保持され得、（すべてがボックス１４６内に支持さる）平面鏡、折り返しミラー、レンズ及びファイバーは全てコーナーキューブの中心線を軸に回転する。回転はコーナーキューブの中心線を軸としなければならず、そうでないと回転中にビームがコーナーキューブの端の外に移動するだろう。第２実施形態のこのコンセプトは、仰角軸の回りを動く必要がある回転する質量を減らすことができ、そのため、より小型で軽量の仰角軸モーターを使用でき、さらに結果として発熱が少なくなる（熱源は部品を動かすために使用されるアクチュエーターである）。また、それによってさらにより小型のアセンブリとなってもよい。また、それは集光ステージの複雑さの低減にもつながり得、回転接合部を通過する必要があるケーブルがより少なくなり得る。それによりケーブルの経路設定がより単純になり、ケーブルが動くことによって引き起こされるケーブルの阻害を減少させることができ、動きの正確性が向上し、それゆえに機器の性能が向上する。それゆえ、図１０のコンセプトのこの側面は、より小型でより単純なコスト効率のよりよい光学アセンブリを作り出すことができ、また、ケーブルの阻害の減少により正確性が向上する。
[００８７]
さらに、図１１に概略的に示されるように、光源は、平面鏡として機能する部分１３６ｂと走査反射器１３４によって反射され且つレンズ１３２を通して視線に沿って方向づけられるポインティングビーム及び測定ビームの視線１３８を折り返す別の部分１５４を有するモノリシック部材１５２によって支持される光ファイバー１３０を含む。
[００８８]
また、図１２に概略的に示されるように、光源は、平面鏡を形成する反射部１３６ｃを表面に有する透過部材（例えばガラス窓１６０）に支持される光ファイバー１３０を含み得る。さらに、光ファイバーは、出願人が「スパイダー」と称する、図１３に示される、機械構造体１６２によって支持され得る。機械構造体１６２は、光ファイバーの支持体を形成する中央開口１６６を有する一連の支柱１６４含む。スパイダー１６２はアルミニウムのような軽量の金属で形成することができる。それゆえ、光学アセンブリは、（図１２に示されるように、）ファイバー用の孔及びミラー１３６ｃのような銀色の領域を有するガラス板１６０を含み得る。又は、光学アセンブリは、（図１３のような）ファイバーを保持し光を透過させるためのスパイダーを有する金属板と、スパイダーに取り付けられて反射領域１３６ｃを形成する、機械加工及び研磨された別の鏡面を備え得る。したがって、図１２においてファイバーを支持する透過部材１６０はガラス部品であり、図１３において透過部材はスパイダー１６２の機械的構成物の間の空間であるということを除いては、図１２及び１３は同様である。
[００８９]
図１１、１２及び１３に示されるコンセプトは、本発明の第２実施形態に従う光学アセンブリにさらなる有利な特徴をもたらす。例えば、図１１のコンセプトは、両方のミラーとして及びファイバーの保持のために一つの基板を用いる。これはより単純な構成をもたらし、一つの基板が比較的軽量なアルミニウムで形成されてもよいことになる。図１２及び１３のコンセプトに関しては、折り返しミラーを窓、又は窓／スパイダー構成で代替することで、折り返しミラーの重量が除外されるため、光学アセンブリの全体の重量を減少させることができる。また、図１２及び１３のコンセプトは、表面形状及びミラー角度位置についてのさらなる許容誤差の要件を減少させることができる。結果として、ここではコーナーキューブはレンズの光学軸に対して垂直に動くよりもむしろ平行に動く。ゆえに、光学アセンブリはミラーが一つ少ないため、光学アセンブリはより単純化され、ミラーの間の角度は適合すべき仕様が一つ少ない。さらに、表面に垂直にカッティングするときに（もし図１１のモノリシック金属ミラーのコンセプトを用いる場合は問題ではないが）、ファイバーの孔とミラー表面の間の角度がより直接的に制御可能である。また、製造中にレンズに対するファイバーの軸の位置を、（例えば両方の部品をチューブ内に保持することによって）より簡単に維持でき、それによってビームが開口の中心に置かれていないために起こる焦点ずれの（反復可能な）照準エラーが減少する。さらに、ファイバーの孔がレンズの光軸と平行であるため、それら二つを整列し熱的照準エラーを大きく減少させることがより容易である。さらに、コーナーキューブをファイバーにより近づけることができ、そしてより小型になり得る。
[００９０]
したがって、上記の説明からわかるように、本発明の第２実施形態は、レーザーレーダーシステム用の小型の光学アセンブリを提供する。光学アセンブリは、光源、レンズ、走査反射器、及び固定反射器を含み、これらは、レンズを通って延在する視線に沿って光源からのビームを集光するために協働する。光源、レンズ、走査反射器、及び固定反射器は、（ｉ）光源からのビームが走査反射器によって固定反射器へ反射され、（ｉｉ）固定反射器から反射された光が再び走査反射器によって反射され、レンズを通して視線に沿って方向づけられ、（ｉｉｉ）ビームの焦点を視線に沿って調節するために、走査反射器が、光源、レンズ及び固定反射器に対して移動可能であるように、互いに対して相対的に（relative to)方向づけられる。
[００９１]
この実施形態において、レーザーレーダーシステム１００はポインティングビーム及び測定ビームを有する。しかしレーザーレーダーシステム１００は測定ビームを有し、ポインティングビームを有さなくてもよい。測定ビームは例えば可視である。ゆえにこの場合では、測定ビームがポインティングビームの役割をし得る。この実施形態のレーザーレーダーシステム１００は、ポインティングビームと測定ビームの間で異なる波長領域を有する。しかしレーザーレーダーシステム１００は、例えば可視領域などの同じ波長領域を有してもよい。
[００９２]
随意の実施形態において、光学アセンブリはレンズ１３２、走査反射器１３４及び固定反射器を備える。しかし、光学アセンブリはレンズ１３２と走査反射器１３４を有し固定反射器を有さなくてもよい。例えば、測定ビームを反射器１３４からレンズ１３２へ直接方向づけることができる。
[００９３]
また、レーザーレーダーシステム１００に関して、第２実施形態は、反射器又は反射器が配置される物体の６自由度（α、β、ｄ、φ、χ、ψ）を測定し、且つ、例えば米国特許出願公開第２００６−０２２２３１４号（ここに援用し本文の記載の一部とする）に開示されるレーザートラッカーのような角度及び距離測定装置を含む、距離測定システムに適用することができる。また、レーザーレーダーシステム１００に関して、本発明は、放射されるレーザー光と反射されるレーザー光を比較することによって測定システムとターゲット位置の間の距離及び／またはこの距離の変化を測定する距離測定システム、例えば米国特許出願公開第２０１１−０１８１８７２号（ここに援用し本文の記載の一部とする）に開示されるようなレーザートラッカーに適用することができる。
[００９４]
次に、上記の測定装置(レーザーレーダーシステム１００)を備える構造体製造システムに関して説明する。
[００９５]
図１４は構造体製造システム７００のブロック図である。構造体製造システムは、少なくとも一つの材料から、例えば船、航空機などの少なくとも（at least a structure）一つの構造体を製造し、構造体を形状測定装置１００によって検査するためのものである。実施形態の構造体製造システム７００は、実施形態において上に説明するように形状測定装置１００を含み、さらに設計装置６１０、成形装置６２０、制御装置６３０（検査装置）及びリペア装置６４０を含む。制御装置６３０は、座標保管部６３１及び検査部６３２を含む。
[００９６]
設計装置６１０は、構造体の形状に関して設計情報を作成し、作成した設計情報を成形装置６２０へ送信する。さらに、設計装置６１０は、作成した設計情報を制御装置６３０の座標保管部６３１に保管させる。設計情報は、構造体の位置の各々の座標を示す情報を含む。
[００９７]
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いて構造体を製造する。成形装置６２０による成形工程は、例えば、鋳造、鍛造、切削などを含む。形状測定装置１００は製造された構造体の座標を測定（物体を測定）し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置６３０に送る。
[００９８]
制御装置６３０の座標保管部６３１は、設計情報を保管する。制御装置６３０の検査部６３２は、座標保管部６３１から設計情報を読み出す。検査部６３２は、形状測定装置１００から受信した座標を示す情報（形状情報）を座標保管部６３１から読みだされた設計情報と比較する。比較結果に基づき、検査部６３２は、構造体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。換言すると、検査部６３２は、製造された構造体に欠陥がないかどうかを判定する。構造体が設計情報に従って成形されていない場合、検査部６３２は、構造体が修復可能かどうかを判断する。もし修復可能な場合は、検査部６３２は、比較結果に基づいて欠陥部分及び修復量を計算し、欠陥部分を示す情報及び修復量を示す情報をリペア装置６４０に送信する。
[００９９]
リペア装置６４０は、制御装置６３０から受信した欠陥部分を示す情報及び修復量を示す情報に基づき、構造体の欠陥部分の処理を行う。
[０１００]
図１５は、構造体製造システム７００のプロセスフローを示すフローチャートである。構造体製造システム７００に関して、まず、設計装置６１０が、構造体の形状に関して設計情報を作成する（Ｓ１０１工程）。次に、成形装置６２０が、設計情報に基づいて構造体を製造する（Ｓ１０２工程）。次いで、形状測定装置１００が、製造された構造体を測定してその形状情報を得る（Ｓ１０３工程）。次いで、制御装置６３０の検査部６３２が、形状測定装置１００から得られる形状情報を設計情報と比較することによって、構造体が真に設計情報に従って製造されているかどうか検査する（Ｓ１０４工程）。
[０１０１]
ついで、制御装置６３０の検査部６３２が、製造された構造体に欠陥がないかどうかを判定する（Ｓ１０５工程）。製造された構造体に欠陥がないと検査部６３２が判定した場合（Ｓ１０５工程における「ＹＥＳ」）、構造体製造システム７００はプロセスを終了する。一方、製造された構造体に欠陥があると検査部６３２が判定した場合（Ｓ１０５工程における「ＮＯ」）、次いで検査部６３２は、構造体が修復可能かどうかを判断する（Ｓ１０６工程）。
[０１０２]
検査部６３２が製造された構造体が修復可能であると判断した場合（Ｓ１０６工程の「ＹＥＳ」）、次いでリペア装置６４０が構造体に対して再処理プロセスを実行し（Ｓ１０７工程）、構造体製造システム７００はプロセスをＳ１０３工程に戻す。検査部６３２が製造された構造体が修復不可能であると判断した場合（Ｓ１０６工程の「ＮＯ」）、次いで構造体製造システム７００はプロセスを終了する。そうして、構造体製造システム７００は、図１５のフローチャートに示される全プロセスを終了する。
[０１０３]
実施形態の構造体製造システム７００に関して、実施形態の形状測定装置１００は構造体の座標を正確に測定することができるため、製造された構造体に欠陥がないかどうかを判断することができる。さらに、構造体に欠陥がある場合、構造体製造システム７００は構造体に対して再処理プロセスを実行して同様に修復することができる。
[０１０４]
さらに、実施形態においてリペア装置６４０によって実行される修復工程は、例えば成形装置６２０に成形工程をもう一度行わせることと置き換えられてもよい。このような場合において、制御装置６３０の検査部６３２が構造体は修復可能と判断した場合、次いで成形装置６２０は成形工程（鍛造、切削など）(forging cutting, and the like)をもう一度実行する。例えば具体的には、成形装置６２０は、切削を受けるべきであったが受けなかった構造体の部分に切削工程を実行する。これによって、構造体製造システム７００が構造体を正確に製造することができるようになる。
[０１０５]
上記の実施形態において、構造体製造システム７００は、形状測定装置１００、設計装置６１０、成形装置６２０、制御装置６３０（検査装置）及びリペア装置６４０を含む。しかし、本教示はこの構成に限定されない。例えば、本教示に従う構造体製造システムは、少なくとも成形装置及び形状測定装置を含めばよい。
[０１０６]
よって、本発明は装置、光学アセンブリ、物体の検査方法又は測定方法、及び構造体を製造する方法について、新規で役に立つコンセプトを提供する。前述の説明を考慮すると、それらのコンセプト（例えば本実施形態の光学アセンブリ）を様々なタイプのレーザーレーダーシステムや他のタイプの光学システム及び方法に実施することができる方法が、当業者にとって明らかであるだろう。
[書類名] 特許請求の範囲
[請求項１]
物体を検査又は測定するための装置であって、前記装置の一部として一体として移動可能な光学アセンブリを含み、測定ビームを前記光学アセンブリの出口を通して方向づけるように構成され、前記光学アセンブリは、前記光学アセンブリの前記出口を通して方向づけられる前記測定ビームの光路を折り返すように構成される装置。
[請求項２]
前記光学アセンブリが反射屈折光学系を含む、請求項１に記載の装置。
[請求項３]
光の進行方向が前記光学アセンブリ内で変化する、請求項２に記載の装置。
[請求項４]
さらに、前記測定ビームと参照ビームを分離するように構成される第１スプリッタを含む、請求項１に記載の装置。
[請求項５]
さらに、前記物体からの反射された測定ビームと前記参照ビームを混ぜて前記物体の距離を測定するように構成される第２スプリッタを含む、請求項４に記載の装置。
[請求項６]
さらに、異なる方向を有する２つの軸に沿って前記光学アセンブリを動かすように構成される移動可能な部分を含む、請求項１に記載の装置。
[請求項７]
前記光学アセンブリが、前記測定ビームが前記光学アセンブリの前記出口へ方向づけられる透過部を有する窓を含む、請求項２に記載の装置。
[請求項８]
前記光学アセンブリが、前記測定ビームを光ファイバーから前記窓の反射領域へ方向づける中継システムと、前記窓の前記反射領域からの前記測定ビームを受光し反射し返し前記窓の透過部分を通して、前記光学アセンブリの前記出口を通して方向づけられているポインティングビーム及び測定ビームの光路を折り返す反射屈折光学系を含む、請求項７に記載の装置。
[請求項９]
前記光学アセンブリが、前記反射屈折光学系によって反射され戻って前記窓の前記透過部を通るように方向付けられる前記測定ビームの焦点を変化させるために、少なくとも一つの移動可能な光学系を含む、請求項８に記載の装置。
[請求項１０]
前記反射屈折光学系によって反射され戻って前記窓の前記透過部を通るように方向づけられる前記測定ビームの前記焦点が、複数の光学系を動かすことによって変化し、前記複数の光学系が光学パワーは低いが球面収差が大きいことを特徴とする、請求項９に記載の装置。
[請求項１１]
前記窓は、前記ポインティングビーム及び前記測定ビームの波長範囲を含む所定の波長範囲内の光を透過するコールドミラーを含み、前記ポインティングビーム及び前記測定ビームを伝達する光ファイバーが前記コールドミラーの中心部位に設置され、前記反射屈折光学系は、前記光ファイバーからの前記測定ビームを受光し、前記測定ビームを反射して前記コールドミラーを通るように戻し、前記測定ビームが前記光学アセンブリの前記出口へ方向づけられる、請求項２に記載の装置。
[請求項１２]
前記光学アセンブリが、前記反射屈折光学系によって反射され戻って前記コールドミラーを通るように方向づけられた前記測定ビームの焦点を変えるために、少なくとも一つの移動可能な光学系を含む、請求項１１に記載の装置。
[請求項１３]
前記反射屈折光学系によって反射され戻って方向づけられて前記窓の前記透過部分を通る前記測定ビームの前記焦点が、複数の光学系を動かすことによって変えられ、前記複数の光学系は、光学パワーは低いが球面収差が大きいことを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
[請求項１４]
前記測定ビームがポインティングビームと組み合わされる、請求項１に記載の装置。
[請求項１５]
前記光学アセンブリが、前記測定ビームを視線に沿って且つ前記光学アセンブリの出口を通して方向づけるように構成され、前記光学アセンブリは走査反射器を含み、前記走査反射器は前記測定ビームの焦点を前記視線に沿って調節するために移動可能である、請求項１に記載の装置。
[請求項１６]
前記光学アセンブリは固定反射器を含み、前記固定反射器及び走査反射器は、光源からの前記測定ビームが前記走査反射器によって前記固定反射器へ反射され、前記固定反射器からの反射された測定ビームが再び前記走査反射器によって反射されるように、互いに対して相対的に方向づけられ、前記測定ビームの前記焦点を前記視線に沿って調節するために、前記走査反射器は前記固定反射器に対して移動可能である、請求項１５に記載の装置。
[請求項１７]
前記走査反射器がレトロリフレクターを含み、前記固定反射器が平面鏡を含む、請求項１６に記載の装置。
[請求項１８]
前記光源及び前記平面鏡が全て前記光学アセンブリの支持構造体に対して固定された部位にあり、前記測定ビームの前記焦点を前記視線に沿って変化させるために、前記レトロリフレクターがそれらの固定された部位に対して移動可能である、請求項１７に記載の装置。
[請求項１９]
前記レトロリフレクターは、少なくとも３つの反射面を有するコーナーキューブを含み、前記少なくとも３つの反射面は、（ｉ）前記光源からの前記測定ビームが前記コーナーキューブを通して前記平面鏡へ反射され、前記平面鏡から反射された前記測定ビームが再び前記コーナーキューブを通して反射され、（ｉｉ）少なくとも一つの所定の方向における前記コーナーキューブの動きによって、前記所定の方向を横切る方向における前記コーナーキューブの動きまたは前記所定の方向に対する前記コーナーキューブの回転に実質的に影響されない方法で、前記測定ビームの前記焦点が前記視線に沿って調節されるように方位が付けられる、請求項１８に記載の装置。
[請求項２０]
前記走査反射器は、前記測定ビームの２つの反射をもたらす反射ルーフを含み、前記固定反射器も、前記測定ビームの２つの反射光をもたらす反射ルーフを含み、両方の反射ルーフの交線は互いに相対して所定の方向を向いている、請求項１５に記載の装置。
[請求項２１]
前記走査反射器によって反射され、前記視線に沿って方向づけられる前記測定ビームが、前記測定ビームの前記視線を折り返す折り返しミラーによって反射される、請求項２０に記載の装置。
[請求項２２]
前記ビーム源及び前記平面鏡が、前記レトロリフレクターに対して一体として動くことが可能であるような方法で支持され、前記視線は前記一体とともに動く、請求項２１に記載の装置。
[請求項２３]
前記光源が前記折り返しミラーに支持される光ファイバーを含む、請求項２２に記載の装置。
[請求項２４]
前記走査反射器によって反射され、前記視線に沿って方向づけられる前記測定ビームが、前記測定ビームの前記視線を折り返す偏光ビームスプリッタによって反射され、前記光源は、前記測定ビームの前記視線を折り返す前記偏光ビームスプリッタに対する所定の部位において光ファイバーを備える、請求項１７に記載の装置。
[請求項２５]
前記光源が、前記平面鏡として機能する部分及び前記走査反射器によって反射される前記測定ビームの前記視線を折り返す別の部分を有するモノリシック部材によって支持される光ファイバーを含む、請求項１７に記載の装置。
[請求項２６]
前記光源が前記平面鏡を支持する透過部材によって支持される光ファイバーを含む、請求項１７に記載の装置。
[請求項２７]
ビームを視線に沿って集光するための光学アセンブリであって、レンズと、前記レンズを通って延在する視線に沿って光源からのビームを集光するために協働する走査反射器及び固定反射器と含み、前記光源からのビームが前記走査反射器によって前記固定反射器へ反射され、前記固定反射器からの反射光が再び前記走査反射器によって反射されて前記レンズを通して前記視線に沿って方向づけられるように、前記レンズ、前記走査反射器及び前記固定反射器が互いに対して相対的に方位が付けられ、前記視線に沿って前記ビームの前記焦点を調節するために、前記走査反射器が前記光源、前記レンズ及び前記固定反射器に対して相対的に移動可能である光学アセンブリ。
[請求項２８]
前記走査反射器がレトロリフレクターを含み、前記固定反射器が平面鏡を含む、請求項２７に記載の光学アセンブリ。
[請求項２９]
前記光源、前記レンズ及び前記平面鏡が全て前記光学アセンブリの支持構造体に対して固定され、前記測定ビームの前記焦点を前記視線に沿って変化させるために、前記レトロリフレクターがそれらの固定された部位に対して移動可能である、請求項２８に記載の光学アセンブリ。
[請求項３０]
前記レトロリフレクターは、少なくとも３つの反射面を有するコーナーキューブを含み、前記少なくとも３つの反射面は、（ｉ）前記光源からの光が前記コーナーキューブを通して前記平面鏡へ反射され、前記平面鏡から反射された光が再び前記コーナーキューブを通して反射され、（ｉｉ）少なくとも一つの所定の方向における前記コーナーキューブの動きによって、前記所定の方向を横切る方向における前記コーナーキューブの動きまたは前記所定の方向に対する前記コーナーキューブの回転に実質的に影響されない方法で、前記ビームの前記焦点が前記視線に沿って調節されるように方向づけられる、請求項２９に記載の光学アセンブリ。
[請求項３１]
前記走査反射器は、前記ビームの２つの反射をもたらす反射ルーフを含み、前記固定反射器も、前記ビームの２つの反射光をもたらす反射ルーフを含み、両方の反射ルーフの交線は互いに相対して所定の方向を向いている、請求項２７に記載の光学アセンブリ。
[請求項３２]
前記走査反射器によって反射され、前記レンズを通して前記視線に沿って方向づけられる前記ビームが、前記レンズを通して方向づけられる前記ビームの前記視線を折り返す折り返しミラーによって反射される、請求項３１に記載の光学アセンブリ。
[請求項３３]
前記レンズ、前記ビーム源及び前記平面鏡が、前記レトロリフレクターに対して一体として動くことが可能であるような方法で支持され、前記視線は前記一体とともに動く、請求項３２に記載の光学アセンブリ。
[請求項３４]
前記光源が前記折り返しミラーに支持される光ファイバーを含む、請求項３２に記載の光学アセンブリ。
[請求項３５]
前記走査反射器によって反射され、前記レンズを通して前記視線に沿って方向づけられる前記ビームが、前記レンズを通して方向づけられる前記ビームの前記視線を折り返す偏光ビームスプリッタによって反射され、前記光源が、前記レンズを通して方向づけられる前記ビームの前記視線を折り返す前記偏光ビームスプリッタに対する所定の部位において光ファイバーを含む、請求項２８に記載の光学アセンブリ。
[請求項３６]
前記光源が、前記平面鏡として機能する部分及び前記走査反射器によって反射され且つ前記レンズを通して前記視線に沿って方向づけられる前記ビームの前記視線を折り返す別の部分とを有するモノリシック部材によって支持される光ファイバーを含む、請求項２８に記載の光学アセンブリ。
[請求項３７]
前記光源が前記平面鏡を支持する透過部材によって支持される光ファイバーを含む、請求項２８に記載の光学アセンブリ。
[請求項３８]
物体を検査又は測定するための方法であって、光学アセンブリの出口を通して測定ビームを方向づけるように構成される光学アセンブリ用いて前記物体を測定ビームで照明することを含み、前記光学アセンブリは、前記光学アセンブリの前記出口を通して方向づけられている前記測定ビームの光路を折り返すように構成される、物体を検査又は測定するための方法。
[請求項３９]
前記光学アセンブリが反射屈折光学系を含む、請求項３８に記載の物体を検査又は測定するための方法。
[請求項４０]
前記光学アセンブリが、測定ビームを視線に沿って且つ前記光学アセンブリの前記出口を通して方向づけるように構成され、前記光学アセンブリは走査反射器を含み、前記走査反射器は前記測定ビームの焦点を前記視線に沿って調節するために移動可能である、請求項３９に記載の物体を検査又は測定するための方法。
[請求項４１]
設計情報に基づいて構造体を製造することと、
請求項３８の方法を用いることによって、構造体の形状情報を得ることと、
前記得られた形状情報を前記設計情報と比較することとを含む、構造体を製造する方法。
[請求項４２]
さらに、前記構造体を前記比較の結果に基づいて再処理することを含む、請求項４１に記載の構造体を製造する方法。
[請求項４３]
前記構造体の再処理が前記構造体をもう一度製造することを含む、請求項４１に記載の構造体を製造する方法。
要約書
物体の検査又は測定用のシステムのための光学アセンブリが提供される。光学アセンブリは、システムがターゲットに向けられるように、システムと一体として動くように構成され、システムの他の部品に対して相対的に（relative to)移動可能な大きな走査（ポインティング）ミラーを不要にする。光学アセンブリは、光学アセンブリの大きさを圧縮するために、システムの出口を通して方向づけられているポインティングビーム及び測定ビームの光路を折り返すように構成される反射屈折光学系を含む。

Claims (14)

1. 光源からの光を視線に沿って集光させる光学アセンブリであって、レンズ、走査反射器及び固定反射器が、前記光源からのビームが前記走査反射器によって前記固定反射器へと反射され、前記固定反射器からの反射光が前記走査反射器によって再び反射されて前記レンズを通して前記視線に沿って方向が付けられるように互いに相対的に方位が付けられており、
   前記走査反射器は前記ビームの焦点を前記視線に沿って調整するために前記光源、前記レンズ及び前記固定反射器に対して相対的に移動可能であり、
   前記光学アセンブリは、前記走査反射器の前記光源に対する相対的な位置に関する参照信号を生成するように構成される、光学アセンブリ。
2. 前記光源と前記走査反射器との間に配置されたレンズであって、前記走査反射器を少なくとも２回横切り、次いで前記光源に再び集光される連続的な平行参照信号を生成するように構成されたレンズを含む、請求項１に記載の光学アセンブリ。
3. 前記レンズは前記ビームを前記光源に対して若干の角度を付けて平行にするように前記光源に対して偏心しており、
   前記光学アセンブリはさらに、前記走査反射器を２回通過した後の前記参照信号が前記光源に隣接する反射器に再び集光され、前記走査反射器をさらに２回横切り、次いで光源に再び集光するように構成される、請求項２に記載の光学アセンブリ。
4. 測定ビーム及び参照ビームがファイバー対を通して方向が付けられており、
   前記測定ビームは前記ファイバー対のうちの一方のファイバーを通して生成され、前記測定ビームは、
   ａ．折り返しミラーによって反射され、
   ｂ．前記走査反射器を横切り、
   ｃ．前記固定反射器によって反射され、
   ｄ．前記走査反射器を再び横切り、前記レンズを通して前記視線に沿って方向が付けられ、
   前記参照ビームは前記ファイバー対のうちの他方のファイバーを通して生成され、前記参照ビームは、
   ａ．前記走査反射器を横切り、
   ｂ．該参照ビームをシフトさせる光学素子によって反射され、
   ｃ．前記走査反射器を再び横切り、
   ｄ．前記参照ビームのファイバーに伝達されて戻される、請求項１に記載の光学アセンブリ。
5. 光源からの光を視線に沿って集光させる光学アセンブリにおいて有用なデータを生成するための方法であって、該光学アセンブリは、レンズ、走査反射器及び固定反射器を含み、前記レンズ、走査反射器及び固定反射器は、前記光源からのビームが前記走査反射器によって前記固定反射器へと反射され、前記固定反射器からの反射光が前記走査反射器によって再び反射されて前記レンズを通して前記視線に沿って方向が付けられるように互いに相対的に方位が付けられており、前記走査反射器は、前記ビームの焦点を前記視線に沿って調整するために前記光源、前記レンズ及び前記固定反射器に対して相対的に移動可能であり、
   前記走査反射器の前記光源に対する方位に関連する参照信号を生成することを含む方法。
6. 前記参照信号は、前記走査反射器と前記光源との間で、前記走査反射器を少なくとも２回横切り、次いで前記光源に再度集光される連続的な平行参照ビームによって生成される、請求項５に記載の方法。
7. 前記平行参照ビームは前記光源に対して若干の角度を付けて平行にされており、
   該方法は、前記参照信号が２回前記走査反射器を横切った後、前記参照信号は前記光源に隣接する反射器に再度集光され、前記走査反射器をさらに２回横切り、次いで前記光源に再度集光されるように、光学アセンブリをさらに構成することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記光学アセンブリが前記ビームを前記視線に沿って集光しているときに、前記参照信号は該光学アセンブリの屈折特性又は反射特性の変化の原因を明らかにするためのデータを提供する、請求項５に記載の方法。
9. 前記参照信号は、前記走査反射器の意図された方位の変化に起因する、該走査反射器の反射特性又は屈折特性の変化の原因を明らかにするためのデータを生成するために使用される、請求項５に記載の方法。
10. 前記参照信号は、前記走査反射器の方位角の変化に起因する、該走査反射器の屈折特性又は反射特性の変化の原因を明らかにするためのデータを生成するために使用される、請求項５に記載の方法。
11. 前記参照信号は、前記走査反射器の温度の変化に起因する、該走査反射器の反射特性又は屈折特性の変化の原因を明らかにするためのデータを生成するために使用される、請求項５に記載の方法。
12. 構造体を製造する方法であって、
    設計情報に基づいて構造体を製造することと、
    請求項５の方法を用いることによって、構造体の形状情報を得ることと、
    前記得られた形状情報を前記設計情報と比較することとを含む、構造体を製造する方法。
13. さらに、前記構造体を前記比較の結果に基づいて再処理することを含む、請求項１２に記載の構造体を製造する方法。
14. 前記構造体の再処理が前記構造体をもう一度製造することを含む、請求項１３に記載の構造体を製造する方法。

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