JP5554459B2 - 予配置型且つ可換型の光学ベンチを有するジンバル式装置 - Google Patents

Description

本願は２０１２年１月３０日付米国暫定特許出願第６１／５９２０４９号及び２０１１年４月１５日付米国暫定特許出願第６１／４７５７０３号に基づく利益を享受する出願であるので、この参照を以て両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座標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）等の距離計でその点までの距離を、また角度エンコーダ等の角度計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(laser tracker)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(retroreflector target)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表面に向けて出射しそこでの散乱光を捉え、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その光に基づき計測する装置である。トータルステーションは測量等で広く使用されており、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することができる。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”の語を用いることにする。

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、面上にある各点の三次元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（動径）に関する一自由度及び角度に関する二自由度を併せ三自由度に留まる計測で、面上にある諸点の三次元座標を全て特定することができる。

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、使用者は、計測を継続するのに先立ち、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する必要がある。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アンド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再帰反射された光の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。また、レーザトラッカ用ジンバル機構は他にも様々な用途に適用することができる。わかりやすい例は、一連の再帰反射ターゲットに可視光ポインタビームを差し向けその方向を計測するだけで、距離計が備わっていないジンバル式ステアリング装置であろう。

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が装着される。レーザトラッカで距離計測を一通り、角度計測を二通り行うことで、そのＳＭＲの三次元位置を十分な程度で特定することができる。

そうした通常の三自由度計測型レーザトラッカと違い、六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）に記載の六自由度システムである。

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

従来は、光学部品がレーザトラッカフレーム内に直に実装されていたため、その配置換えや修理がかなり面倒且つ高コストであった。従って、予配置型で可換な光学ベンチを備え、その製造及び修理が容易なレーザトラッカを提供することが必要である。

本発明の一実施形態は、別の空間位置を占める再帰反射ターゲットに第１光ビームを送り、当該第１光ビームのうち同再帰反射ターゲットから戻ってきた部分を第２光ビームとして受け取る寸法計測装置である。本装置は、まず、互いにジンバル点付近で交差していて互いに略垂直な第１軸及び第２軸に関し、第１軸周り回動角たる第１回動角を第１モータで発生させ第２軸周り回動角たる第２回動角を第２モータで発生させることで協働し、それら第１及び第２回動角によって定まる第１方向に第１光ビームを指向させる第１及び第２モータ、を備える。本装置は、また、ハウジング、照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器が備わる光学アセンブリを有し、照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器の固定装着先たるハウジングが、その外面上の少なくとも第１領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第３軸から第１領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第１光を発することで光学アセンブリ外に第１光ビームを送給し、光学アセンブリ外に送給される第１光ビームの辿る第４軸が、第３軸と略重複且つジンバル点付近で略一致すると共に、第１軸を含み且つ第２軸に対し垂直な平面付近に存する軸であり、第１ビームスプリッタが、第２光ビームのうち第２部分を位置検出器に送給し、位置検出器が、自位置検出器への第２部分入射位置に応じ第１信号を発生させるジンバルアセンブリ、を備える。本装置は、更に、第１信号に依り又は基づき第２及び第３信号を発生させ、その第２信号を第１モータ、第３信号を第２モータに送ることで、再帰反射ターゲットの空間位置に向かうように第２方向を調整する制御システム、を備える。

本発明の他の実施形態は、光学アセンブリを予配置し、その光学アセンブリを寸法計測装置内に実装し、離れた場所にある再帰反射ターゲットに関しその寸法計測装置で計測する方法である。本方法は、まず、互いにジンバル点付近で交差していて互いに略垂直な第１軸及び第２軸に関し、また第１軸及び第２軸とジンバル点付近で交差する第５軸に関し、第１軸周り回動角たる第１回動角を第１モータで発生させ第２軸周り回動角たる第２回動角を第２モータで発生させることで協働しそれら第１及び第２回動角によって定まる第１方向に第５軸を揃える第１及び第２モータ、を準備するステップを有する。本方法は、あた、ハウジング、照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器を有する光学アセンブリとして、その照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器がハウジングに固定されており、そのハウジングの形状が、その外面上の少なくとも第１領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第６軸から第１領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第１光を発することで光学アセンブリ外に第３光ビームを送給し、同光学アセンブリとの関連で第３光ビームがとる光路即ち第１光路を可調な光学アセンブリ、を準備するステップを有する。本方法は、更に、第１領域上で光学アセンブリを支持し且つ同光学アセンブリの第５軸周り回動を規制する整列具を準備するステップと、第１領域上の諸点で整列具が光学アセンブリに接触するよう光学アセンブリを整列具上に配置するステップと、光学アセンブリからの距離が第１距離である第１面上に第３光ビームを照射するステップと、整列具上で光学アセンブリを第６軸周り回動させるステップと、光学アセンブリの第６軸周り回動に応じ第１面上で生じる第３光ビームの位置変化を検出するステップと、第１面上で検出される第３光ビームの位置変化に依り又は基づき、第３光ビームが第６軸に揃うよう第１光路を調整するステップと、第３光ビームが第５軸に揃うよう光学アセンブリを寸法計測装置に装着するステップと、第３光ビームを離れた場所の再帰反射ターゲットに差し向けるステップと、第３光ビームのち再帰反射ターゲットで反射される部分を第４光ビームとして受給するステップと、第４光ビームのうち第３部分を第１ビームスプリッタから位置検出器に送給するステップと、を有する。

本発明の一実施形態に係るレーザトラッカシステム及び再帰反射ターゲットの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るレーザトラッカシステム及び六自由度ターゲットの斜視図である。 本発明の一実施形態に関しレーザトラッカ内光学系及び電子回路の構成要素を示すブロック図である。 従来型無限焦点ビームエクスパンダの一例を示す図である。 その別例を示す図である。 従来型光ファイバ式ビームランチャを示す図である。 従来型位置検出アセンブリの一例を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 本発明の一実施形態における位置検出アセンブリの模式図である。 その別例を示す模式図である。 従来型ＡＤＭ内電気的及び光電的構成要素を示すブロック図である。 従来型光ファイバ網内にあるファイバ型諸要素を示す模式図である。 その別例を示す模式図である。 本発明の一実施形態にて光ファイバ網内にあるファイバ型諸要素の模式図である。 従来型レーザトラッカの分解図である。 従来型レーザトラッカの断面図である。 本発明の一実施形態でのレーザトラッカ内情報処理用及び通信用構成要素を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る単一波長使用型レーザトラッカの構成要素を示すブロック図である。 その別例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る六自由度レーザトラッカの構成要素を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における姿勢検出用カメラの頂面図である。 同じく側面図である。 同じく横断面図である。 同じく縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るレーザトラッカからカバーを外し光学ブロックを取り除いたものの斜視図である。 本発明の一実施形態に係るレーザトラッカの光学ベンチ及びその他構成部材を示す分解図である。 本発明の第１実施形態におけるゼニスシャフト、光学ベンチ及び光学アセンブリの分解図である。 本発明の第２実施形態におけるゼニスシャフト、光学ベンチ及び光学アセンブリの分解図である。 本発明の第２実施形態におけるゼニスシャフト、光学ベンチ及び光学アセンブリの組み上がり図である。 本発明の一実施形態における姿勢検出用カメラ入りアセンブリの頂面図である。 本発明の一実施形態における光学ベンチ、光学アセンブリ及び位置検出アセンブリの断面図である。 本発明の一実施形態における光学ベンチ及びそれに実装されている整列具の斜視図である。 本発明の一実施形態における光学ベンチの光路及びその上にある２個のビームスプリッタの断面図である。 本発明の一実施形態に従い光学ベンチを配置する手順の構成諸ステップを示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に従い光学アセンブリを予配置し、その光学センブリをに寸法計測装置内に実装し、離れた場所にある再帰反射ターゲットに関しその寸法計測装置で計測する手順のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係り図２５中のコネクタＡに始まる手順のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係り図２５中のコネクタＡに始まる手順のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係り図２５中のコネクタＡに始まる手順のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係り図２５中のコネクタＡに始まる手順のフローチャートである。

以下、別紙図面を参照しつつ諸実施形態について説明する。当該実施形態によって本発明の技術的範囲が制約を受ける旨の解釈は避けられたい。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として、レーザトラッカ１０、再帰反射ターゲット２６、補助プロセッサユニット５０（省略可）及び補助コンピュータ６０（省略可）を備えるシステム５を示す。そのトラッカ１０のジンバル式ビームステアリング機構１２は、アジマス軸２０周りで回動させうるようにキャリッジ１４をアジマスベース１６上に搭載し、ゼニス軸１８周りで回動させうるようそのゼニスキャリッジ１４上にペイロード１５を搭載した構成である。軸１８，２０はトラッカ１０内で相直交しており、その交点即ちジンバル点２２が通例に倣い距離計測原点とされている。レーザビーム４６が辿る光路の延長線はその点２２を通りゼニス軸１８に直交している。即ち、ビーム４６は軸１８に対しほぼ平行な面内にあり軸２０が過ぎる面に対し、ほぼ直交している。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することができる。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．前掲のＳＭＲ）へと伝搬していく。ジンバル点２２・ターゲット２６間輻射方向距離（動径）、ゼニス軸１８周り回動角、並びにアジマス軸２０周り回動角の検出結果からは、ターゲット２６の位置をトラッカ側球座標系に従い求めることができる。

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

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

図２に、別例に係るレーザトラッカシステム７として、図１に示したレーザトラッカシステム５に似てはいるが再帰反射ターゲット２６に代え六自由度プローブ１０００が使用されているものを示す。このように図１の構成は各種再帰反射ターゲットに適用可能である。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型の再帰反射器も、その例である。

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用の第１波長に加え、可視ポインタ用及び追尾用の第２波長でも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、その位置が使用者にわかるようトラッカ発レーザビームでスポットを形成するものであり、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ファイバ式ランチャ１７０（省略可）、ＩＦＭ１２０（省略可）、ビームエクスパンダ１４０、第１光ビームスプリッタ１４５、位置検出アセンブリ１５０、第２光ビームスプリッタ１５５、ＡＤＭ１６０及び第２ファイバ式ランチャ１７０の諸部材である。

可視光源１１０は、例えばレーザや高輝度発光ダイオード等の発光デバイスである。アイソレータ１１５は光源１１０への遡行光量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アッテネータである。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等を伝搬し、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し、アイソレータ１１５からの出射光を第１光ファイバ式ランチャ１７０から自由空間へと出射させてもよい。

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が、図４Ａ及び図４Ｂに示す二通りの構成が従来から常用されている。図４Ａに示す構成１４０Ａは負レンズ１４１Ａ及び正レンズ１４２Ａを有しており、負レンズ１４１Ａに入射した平行光ビーム２２０Ａをより太い平行光ビーム２３０Ａにして正レンズ１４２Ａから出射させている。図４Ｂに示す構成１４０Ｂは２個の正レンズ１４１Ｂ，１４２Ｂを有しており、第１正レンズ１４１Ｂに入射した平行光ビーム２２０Ｂをより太い平行光ビーム２３０Ｂにして第２正レンズ１４２Ｂから出射させている。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で、ビームスプリッタ１４５，１５５により反射されて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からの出射光と合流し、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、光ファイバ網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型レーザに対し、電気的変調電圧及びバイアス電圧を供給する。網１６６は例えば図８Ａに示す従来型の光ファイバ網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に示した光ファイバ網は、第１光ファイバ式カプラ４３０、第２光ファイバ式カプラ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になりかねない。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光ファイバカプラ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ファイバ式ランチャ１７０へと伝搬される。

ファイバ式ランチャ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１光ビームスプリッタ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からスプリッタ１５５へと伝搬してきたレーザ光と結合される。生じた合成光ビーム１８８はレーザトラッカ外の再帰反射ターゲット９０まで伝搬される（第１光ビーム）。ターゲット９０ではそのビーム１８８の一部が反射される（第２光ビーム）。第２光ビームたる返戻光はＡＤＭ出射光と同波長であるので、スプリッタ１５５で反射され、第２ファイバ式ランチャ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。返戻光がファイバ４３８及び第２光ファイバカプラ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光ファイバカプラ４３０に至っている。第１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、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。

光ファイバ網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に従来型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の電気信号を併せ二種類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。こうした例では、ＡＤＣ３３２２に供給される１０ｋＨｚ信号がレート２５０ｋＨｚで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１６４内にディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ユニット（群）を設ける。

距離情報の抽出は、基準，計測各チャネルのＡＤＣ出力位相を算出する手法で実行する。使用する手法は特許文献４（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ ｅｔ ａｌ．；この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）に詳示されている手法、使用する式は同文献中の式（１）〜（８）である。加えて、シンセサイザで発生させる周波数の値を何回か（例．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性を排除するためである。特許文献４中の式（１）〜（８）を同文献の図５に記載の同期方法及び同文献に記載のカルマンフィルタ法と併用することは、ＡＤＭでの移動ターゲット計測に有効である。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は返戻光ビーム１９０の一部を透過させてビームスプリッタ１４５に供給する。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、他の一部を位置検出アセンブリ１５０に供給する。レーザトラッカ１０又は光電システム１００からの出射光を第１光ビーム、再帰反射ターゲット９０又は２６における反射光を第２光ビームと呼ぶなら、システム１００を構成する諸機能部材に送られるのは第２光ビームの諸部分となる。例えば、距離計たる図３中のＡＤＭ１６０に第１部分、アセンブリ１５０に第２部分が送られる。場合によっては、第３部分が他の機能ユニット例えばＩＦＭ１２０（省略可）に送られる。なお、図３に示す例では第２光ビームの第１及び第２部分をスプリッタ１５５，１４５で反射させてＡＤＭ１６０，アセンブリ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に従来型位置検出アセンブリを都合四例１５０Ａ〜１５０Ｄに亘り示す。図６Ａに示したのは最も単純な構成であり、位置検出器１５１及びそれが載る回路基板１５２によって位置検出アセンブリが構成されている。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、補助プロセッサユニット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、検出器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や検出器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アセンブリを示す。この調光器１４９Ｅはレンズ１５３及び波長フィルタ１５４（省略可）を備えている。更に、散光器１５６、空間フィルタ１５７又はその双方が設けられ、前掲の如く常用されているキューブコーナ型再帰反射ターゲットへの対処が図られている。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、そこではレーザトラッカへの光反射が不完全なものとなる。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、位置検出器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、検出器１５１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、検出器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。理想的な位置検出器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、位置検出器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１５６を設けることで位置検出性能が向上する。これは、恐らく、検出器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検出器１５１上に生じることがある。検出器１５１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、とりわけ六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返戻光で甚だしくなる。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。

位置検出アセンブリ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、位置検出器１５１への入射を妨げるためである。このフィルタ１５７は開口を有するプレート状の構成であり、レンズの焦点距離とほぼ等しい距離だけレンズから離れた場所に配置されている。返戻光ビーム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、例えば光学部品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にぶつかり検出器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が検出器１５１に入射し、検出器１５１に対する返戻光ビーム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、検出器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、自身に入射してきた光をその入射の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、入射してき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。位置検出器の表面上（通常は位置検出器の中心付近）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検出器に入射する。位置検出器上での返戻光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をトラッカに対し一定の速度で横断方向に動かした場合、そのターゲットへの光ビーム入射位置（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、並びに位置検出器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。位置検出アセンブリ内位置検出器としては、位置感応型検出器（ＰＳＤ）、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。ＰＳＤなら横効果(lateral effect)検出器や象限(quadrant)検出器、感光アレイならＣＭＯＳアレイやＣＣＤアレイが望ましい。

この例では返戻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、位置検出器と距離計の位置関係を逆にし、スプリッタ１４５で反射された光が距離計、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、その光学パワーが、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中の光ファイバ式ランチャ１７０を介し発射されている。ランチャ１７０は、光源１１０の出射端に装着してもよいし、アイソレータ１１５の光ファイバ出射端に装着してもよい。

図３中の光ファイバ網１６６として図８Ｂに示す従来型の光ファイバ網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４４３，４４４，４２４，４２２として表されている。図示の網４２０Ｂは図８Ａ中のそれに似てはいるが、光ファイバカプラが２個でなく１個である点で相違している。図示の構成は図８Ａに示した光ファイバ網に比し単純な点で勝っているが、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中の光ファイバ網１６６として図８Ｃに示す光ファイバ網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、網４２０Ｃに備わる光ファイバカプラ４４５，４５１のうち第１光ファイバカプラ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（線引き）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光ファイバカプラ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４５５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の少なさで有利だが、サーキュレータは２×２カプラに比べ高価であるし、サーキュレータで偏光モード分散が生じる点が問題になる場合もある。

図９（分解図）及び図１０（断面図）に、特許文献３の図２及び図３に示した従来型レーザトラッカ２１００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、アジマス角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。

アジマス角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の回動角を正確に検出することである。このアセンブリ２１２０はエンコーダディスク２１２１及びアジマス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、後者はポストハウジング２１１２に取り付けられている。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の回動角を検出することができる。

アジマスモータアセンブリ２１２５はロータ２１２６及びステータ２１２７を備えている。アジマスモータロータ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。アジマスモータステータ２１２７はポストハウジング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は外パーツ２１３１及び内パーツ２１３２で構成されている。この例ではワイヤ束２１３８が補助プロセッサユニット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の内パーツ２１３２にも配線されている。内パーツ２１３２がポストハウジング２１１２に装着されていて静止状態に保たれるのに対し、外パーツ２１３１はヨークハウジング２１４２に装着されているので内パーツ２１３２に対し可回動である。スリップリングアセンブリ２１３０は、外パーツ２１３１が内パーツ２１３２に対し回動しているときでも両パーツ２１３１・２１３２間電気接触が低インピーダンスになるよう工夫されている。

ゼニスアセンブリ２１４０はヨークハウジング２１４２、ゼニス角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。

ゼニス角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ハウジング２１７２の回動角を正確に検出することである。このアセンブリ２１５０はゼニス角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、前者はペイロードハウジング２１７２、後者はヨークハウジング２１４２に取り付けられている。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はロータ２１５６及びステータ２１５７を備えている。ゼニスモータロータ２１５６は永久磁石を備えており、その磁石はペイロードハウジング２１７２のシャフトに直に装着されている。ゼニスモータステータ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は外パーツ２１６１及び内パーツ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。束２１６８を構成するワイヤのなかには回路基板上のコネクタ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に配線されるほか、スリップリングアセンブリ２１６０の内パーツ２１６２にも配線されている。内パーツ２１６２がヨークハウジング２１４２に装着されていてアジマス軸周りのみで可回動（ゼニス軸周りでは非回動）であるのに対し、外パーツ２１６１はペイロードハウジング２１７２に装着されていてアジマス，ゼニス各軸周りで可回動である。スリップリングアセンブリ２１６０は、外パーツ２１６１が内パーツ２１６２に対し回動しているときに両パーツ２１６１・２１６２間電気接触が低インピーダンスになるよう工夫されている。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に寸法計測用電子処理システム１５００のブロック構成を示す。このシステム１５００はレーザトラッカ用電子処理システム１５１０、周辺部材１５８２，１５８４，１５８６用の処理システム並びにコンピュータ１５９０を備えるほか、クラウドとして図示したネットワーク構成部材１６００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、アジマス角エンコーダ用電子回路１５４０、ゼニス角エンコーダ用電子回路１５５０、表示・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）・無線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には複数個の下位機能が備わっており、そのなかには六自由度用電子回路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。これら下位機能の大半はプロセッサユニット（群）、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角エンコーダ用電子回路１５４０はアジマスアセンブリ２１１０内、ゼニス角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、六自由度プローブ１５８４、携帯情報端末（ＰＤＡ）１５８６の例たるスマートフォン、という三通りのデバイスが例示されている。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、並びに六自由度プローブ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。プロセッサを有する周辺部材を使用してもよい。六自由度プローブ１５８６に限らず、六自由度スキャナ、六自由度プロジェクタ、六自由度センサ、六自由度インジケータ等といった六自由度アクセサリも使用することができる。六自由度アクセサリに備わるプロセッサを、レーザトラッカ内処理装置、外部コンピュータ、オンクラウド処理リソース等と連携させてもよい。レーザトラッカ又は計測装置に関しプロセッサなる語を使用する場合、大概、相応する外部コンピュータやオンクラウド処理リソースを包含する意味である。

この例ではマスタプロセッサ１５２０から個々の電子回路１５３０，１５４０，１５５０，１５６０，１５６５，１５７０へと別々の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三通り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を介しアジマス角エンコーダ用電子回路１５４０に、バス１６１２を介しゼニス角エンコーダ用電子回路１５５０に、バス１６１３を介し表示・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・無線用電子回路１５７０に供給する。

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、アジマス角エンコーダ用電子回路１５４０やゼニス角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。ペイロード機能用電子回路１５３０でも、同じく、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。六自由度用、ＡＤＭ用及びＰＳＤ用の各電子回路によるデータラッチも同期パルス受領に応じ行われる。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整数倍の速度）でデータをラッチする。

アジマス角エンコーダ用電子回路１５４０、ゼニス角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；以下注記省略）配線、無線通信チャネル等が使用される。レーザトラッカとネットワーク接続部材１６００即ち図中のクラウドとの間の通信には、通信リンク１６０２として、電気ケーブル（群）例えばイーサネットケーブル、無線通信チャネル（群）等が使用される。部材１６００になりうるものの一例は他の三次元試験装置、例えば関節腕型座標計測機（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、イーサネット等の有線リンクのほか無線リンクも使用可能である。使用者は、別の場所にあるコンピュータ１５９０からイーサネット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。使用者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、赤色光をダイオードレーザで発生させポインタビームのみとして使用することもある。ただ、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揃えるのが難しいという短所がある。後者は、互いに別の波長で作動する複数個のサブシステムから、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のそれは、可視光源１１０、アイソレータ１１５、光ファイバ網４２０、ＡＤＭ用電子回路５３０、ファイバ式ランチャ１７０、ビームスプリッタ１４５及び位置検出アセンブリ１５０を備えている。光源１１０としては、例えば、赤色又は緑色のダイオードレーザや垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用できる。アイソレータ１１５としては、光源１１０への遡行光量を十分に抑えうる各種デバイス、例えばファラデーアイソレータやアッテネータを使用できる。アイソレータ１１５からの出射光は網４２０、この例では図８Ａに示した光ファイバ網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として、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例を示す。このシステム４００は可視光源１１０、アイソレータ１１５、光電変調器４１０、ＡＤＭ用電子回路４７５、光ファイバ網４２０、ファイバ式ランチャ１７０、ビームスプリッタ１４５及び位置検出アセンブリ１５０を備えている。光源１１０、例えば赤色乃至緑色のダイオードレーザに発するレーザ光は、ファラデーアイソレータ、アッテネータ等のアイソレータ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、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、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で変調された光は網４２０、例えば上述の光ファイバ網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、トラッカに戻り、スプリッタ１４５に到来する。その光は、少量がそのスプリッタ１４５で反射され、図６Ａ〜図６Ｆを参照して説明したアセンブリ１５０に入射する一方、他の一部がスプリッタ１４５を透過してランチャ１７０に入射し、網４２０及び光ファイバ４２４を通り回路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、位置検出用カメラ(locator camera)システム９５０を伴う光電システムの一例９００を示す。本システム９００は、姿勢検出用カメラ(orientation camera)と三次元レーザトラッカ内光電機能との併用で六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、光ファイバ網４２０、ファイバ式ランチャ１７０、ビームスプリッタ１４５、位置検出アセンブリ１５０、ビームスプリッタ９２２及び姿勢検出用カメラ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ではその光が回路７１５からの電気信号７１６に従い変調される。或いは、回路７１５からケーブル７１７経由で光源９０５に電気信号を送り変調させてもよい。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を通り回路７１５の基準チャネルに入射する。電気信号４６９を網４２０に供給し、網４２０内光ファイバスイッチをスイッチングさせる構成にしてもよい。網４２０から出る光の一部はランチャ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スプリッタ１４５にて反射され損失となる一方、他の一部はスプリッタ１４５，９２２を透過しトラッカ外に出て六自由度デバイス４０００に入射する。デバイス４０００の例としてはプローブ、スキャナ、プロジェクタ、センサ等のデバイスを挙げることができる。

六自由度デバイス４０００による反射光は往路を遡行して本システム９００内のビームスプリッタ９２２に入射し、その一部がそのスプリッタ９２２で反射されて姿勢検出用カメラ９１０に入射する。このカメラ９１０では、再帰反射ターゲット上にあるべきマークの所在位置を捉える。それらのマークからは、デバイス４０００の指向角（三自由度に相当）が求まる。姿勢検出用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、光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。

位置検出用カメラシステム９５０はカメラ９６０及び光源（群）９７０を備えている。図１に照らすと、このシステム９５０のカメラ９６０は部材５１、光源９７０は部材５４に相当しており、前者はレンズ系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、六自由度デバイス４０００の姿勢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位置検出用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測量の原理で計測することができる。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るカメラ９６０が１個でも、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方向を容易に概定することができる。この場合、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、そのターゲットのより正確な方向を計測することができる。

図１４Ａに、図１３中の光電システムで使用されうる姿勢検出用カメラの一例９１０を示す。姿勢検出用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、無限焦点ビームリデューサ１２２０、拡大器１２４０、光路長調整器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。リデューサ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。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、六自由度ターゲット上のマークを示すものとなる。光路長調整器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の移動に応じリデューサ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及びスライド１２３４が互いに不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。

図示例の姿勢検出用カメラ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０．５〜３０ｍ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リデューサ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。リデューサ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。姿勢検出用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に姿勢検出用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上の光模様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。

横倍率が一定の姿勢検出用カメラは、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。

また、今日入手可能なレーザトラッカには、光ビームをミラーでステアリング（操作）するタイプや、ペイロードアセンブリ（例．図９及び図１０中のペイロードアセンブリ２１７０や図１中のペイロード１５）から光ビームを直接発射するタイプがある。ペイロードアセンブリから光ビームを直接発射するタイプの従来型レーザトラッカでは、トラッカ内に光学部品や光源を組み込んだ後に調整工程を実施する必要がある。この構成には、更に、ひとたび問題が起こってしまうとそれを宥めにくい、という難点もある。レーザトラッカの製造工程中で生ずるのであれ、使用者による使用中に生じるのであれ、そうした問題を解決するには結構な手間と費用がかかる。これから説明する実施形態は、これらの欠点に対する回避手法をもたらすものである。

図１５にレーザトラッカの一例３６００を示す。明瞭化のため、前面カバーを外し、光学部品や電気部品を幾つか省略してある。図１６に示すように、この例では番いチューブ３６２２付の光学ベンチアセンブリ３６２０が使用されており、またそのベンチアセンブリ３６２０がゼニスシャフト３６３０付のジンバルアセンブリ３６１０で使用されている。ゼニスシャフト３６３０はシャフト３６３４及び番いスリーブ３６３２で構成されている。ゼニスシャフト３６３０は、剛性及び温度安定性が高まるよう単体金属片で形成するのが望ましい。図１７に、そうしたゼニスシャフト３６３０の例をベンチアセンブリ３７２０と共に示す。図示例のベンチアセンブリ３７２０は、主光学アセンブリ３６５０及び副光学アセンブリ３７４０を有している。そのうち主光学アセンブリ３６５０用のハウジングは、その剛性及び温度安定性が高まるよう単体金属片として形成されチューブ３６２２を伴っている。このチューブ３６２２の中心軸５７はスリーブ３６３２の中心軸５３に重ならせる。図１７及び図１８に示すように、主光学アセンブリ３６５０に対する副光学アセンブリ３７４０の取付には４本のネジ３６６４を使用する。チューブ３６２２は、スリーブ３６３２内に差し込んだ上で、３本のネジ３６６２でそこに固定する。スリーブ３６３２に対しチューブ３６２２を揃えるため、この例では、チューブ３６２２側にピンを２本設けると共に、そのピンがはまる孔３６６６を図１７の如く設けている。

ジンバルアセンブリ３６１０は光学ベンチアセンブリ３６２０の組込を想定した構成であるが。カメラ、レーザ彫刻機、ビデオトラッカ、レーザポインタ兼角度計、ＬＩＤＡＲシステム等、他の装置をゼニスシャフト３６３０に装着することも可能である。スリーブ３６３２の嵌め込みによって位置を揃えることができるため、容易且つ正確に、そうした装置をジンバルアセンブリ３６１０に装着することができる。

図１７に示した例は、図３中の諸部材のうち可視光源１１０、アイソレータ１１５、ＩＦＭ１２０（省略可）、１／４波長板１３０、ビームエクスパンダ１４０、ビームスプリッタ１４５、位置検出アセンブリ１５０、ビームスプリッタ１５５等といった部材で主光学アセンブリ３６５０が、またファイバ式ランチャ１７０、ＡＤＭ１６０等といった部材で副光学アセンブリ３７４０が構成される例である。これとは別の光電システムを使用してもよい。

図１８に示した例は、レーザトラッカのペイロード内に収める光学ベンチアセンブリ３６２０上に、副光学アセンブリとして図１３中の姿勢検出用カメラ９１０を配した例である。主光学アセンブリ３６５０には、図１３に示した光電システム９００を構成する他の諸要素が組み込まれている。

図１９に、一例に係る光学ベンチアセンブリ３６２０及びゼニスシャフト３６３０の等角側視外観を示す。このベンチアセンブリ３６２０には主光学アセンブリ３６５０及び副光学アセンブリ９１０が備わっている。図２０に、そのアセンブリ９１０に備わる姿勢検出用カメラの頂面を示す。図中の諸部材については図１４Ａを参照して先に説明した通りである。図２１に、図２０中の線Ａ−Ａに沿った断面３８００を示す。この例では、可視レーザ光が光ファイバ３８１２経由で送られてくる。そのレーザ光の発生元光源（及びそのレーザ光が辿ったファイバ網）やファイバ３８１２は、いずれもこのベンチアセンブリ３６２０と共に回動する。発生元光源から来る光ファイバが、クイックディスコネクトタイプのコネクタを介してファイバ３８１２につながる構成でもよい。光源からの輻射光が可視光であるので、その光を使用者向け可視ポインタビーム兼（距離、角度等の）計測用計測ビームとして使用することができる。そのレーザ光の入口となるのはフェラル３８１４であり、光ビームが所望方向に向くようその向きが機械的に調節されている。フェラル３８１４及びその内側に位置するファイバ３８１２の端面は、光がファイバ３８１２内で後方反射されにくくなるよう、研磨で約８°、傾斜付けが施されている。フェラル３８１４は、光ビームがファイバ３８１２からの入射光ビームが、番いチューブ３６２２の中心軸５７に対し平行に進むように調節されている。この断面３８００ではフェラル３８１４からの光がレンズ３８２２，３８２４を通っているが、採りうるレンズ配置はこれ以外にも数多くある。こうした光のうち、ビームスプリッタ３８３２，３８３４を通りトラッカ外に出た光のなかには、図示しないの再帰反射ターゲットに達するものがある。その再帰反射ターゲットから遡行する途上で、一部の光は、ビームスプリッタ３８３４で反射され、レンズ１２２２を透過し、ミラー１２２３で反射された後に、図１４Ａを参照して前述した光学部品群に達する。他の一部は、ビームスプリッタ３８３４を透過してビームスプリッタ３８３２に達し、そこで反射された部分が散光器／フィルタ３８４７及びレンズ３８４４を介して位置検出器３４４６に入射する。レンズ３８４４・検出器３８４６間に開口（絞り）を配置しておき、その開口に光を通すようにしてもよい。この開口の役目はゴーストビームをブロックすることである。図示の通り、検出器３８４６がレンズ３８４４から離隔している構成なら、図６Ｅに示した如く、光ビームが合焦する位置にそうした開口を設けるとよい。図示例のように検出器３８４６を傾斜させれば、後方反射光の進行方向に角度がつくので、検出器３８４６の表面で反射された光が他の面（例．開口／空間フィルタ１５７の表面）で反跳し検出器３８４６に戻る、といったことが生じにくくなる。また、この検出器３８４６のリード３８４６は、図示しないが、光学ベンチアセンブリ３６２０と共に回動するパススルーソケットによって図示しない回路基板に取り付けられている。パススルーソケットは、部材の半田付け無しで電気的接続を行えるバネ装荷型のソケットである。クイックリペアサービス時に光学ベンチの取り外しや交換を容易に行える点で、こうしたソケットは有益なものである。そして、更に他の一部の光は、検出器３８４６へとは向かわず、ビームスプリッタ３８３２を介し光学部品（３８２４，３８２２）に入射し、その部品の働きによりフェラル３８１４内ファイバ３８１２の内部に合焦する。

なお、ここで説明した構成ではフェラル３８１４及び光ファイバ３８１２で光ファイバ式ランチャが形成されているが、本件技術分野で習熟を積んだもの（いわゆる当業者）には自明な通り、光ファイバ式ランチャに代えディスクリートな光源を使用すること、例えばレーザダイオードを主光学アセンブリ３６５０に固定装着して使用することも可能である。当該ディスクリート光源への給電に使用する導電配線上に可脱型のソケットを設け、アセンブリ交換を更に容易にすることもできる。

このように、上述した構成の光学ベンチアセンブリ３６２０には、レーザトラッカ３６００外でたやすく揃え任意のジンバルアセンブリに挿入できる、という長所がある。可回動な光学ベンチアセンブリを受け容れうる構成である限り、挿入先はジンバルアセンブリ３６１０以外のジンバルアセンブリでもよい。ベンチアセンブリ３６２０が可着脱なことは、製造が短時間で済み修理が容易な点で有益である。

ジンバルマウントを有するレーザトラッカ等の装置内に簡便に配置しうる予配置型アセンブリを得るに当たり、その予配置型アセンブリの予配置精度を計測装置側所期精度にする必要はない。例えば、レーザトラッカには時として約２５μｍといった精度が求められるが、そこに組み込まれる予配置型アセンブリでの予配置精度がその水準でなければならないわけではない。なぜなら、予配置型アセンブリをレーザトラッカ内に配置した後に、一連の補償手順を実行して光学部品及び機械部品の微かなずれを補正することができるためである。レーザトラッカ等の装置向けには、指向補償、Ｒ０補償及び位置検出器補償という三種類の補正が可能な補償手順を実行するとよい。

指向補償では、レーザトラッカまでの距離及びそのレーザトラッカに対する角度を様々に違えつつ、一群の再帰反射器及びミラーを対象にして計測を実行する。個々の計測位置における再帰反射器乃至ミラーの計測には前視モード及び後視モードを使用する。前視モードは、いわばその装置の通常動作モードである。後視モードは、前視モードでの状態からアジマス軸周りに１８０°回動させ、更にゼニス軸周りに相応角度回動させることで、レーザトラッカ上のペイロードを計測対象たる再帰反射器又はミラーに向けるモードである。前視モードにおける三次元座標計測結果と後視モードにおけるそれは、理想的なトラッカなら互いに全く同一になるが、現実のトラッカでは僅かな違いが発生する。それら計測結果差を解析することで、補償パラメタのうちＴＸ，ＴＹと呼ばれるものが求まる。これらはトラッカから発せられた光ビームの行程長誤差（オフセット距離）を表す補償パラメタであり、ジンバル点を基準としている。また、計測結果差を解析することで、補償パラメタのうちＲＸ，ＲＹと呼ばれるものも求まる。これらはレーザビームの角度偏差を表す補償パラメタであり、アジマス軸を含み且つゼニス軸に対し垂直な平面を基準としている。

Ｒ０値はレーザトラッカのジンバル点から基準位置までの距離、例えば図１でトラッカ前面にある磁気ネスト１７のうちいずれかにあるＳＭＲまでの距離である。レーザトラッカ内のＩＦＭやＡＤＭに係るＲ０値は、トラッカ内にあるジンバル点に対し揃った位置にあるＳＭＲ２個間の距離をその距離計で計測する、という手順を、まずはネスト群の外側から、次いでネスト同士の狭間から、そのトラッカで計測すればよい。それら計測値同士の比較によってＲ０値の誤差が求まるので、その結果たる幾通りかのパラメタを補償パラメタとして保存する。

位置検出器補償の狙いは、位置検出器の中心から追尾位置までの二次元距離を求める点にある。追尾位置乃至追尾点の意味合いについては、図３を参照して前述した通りである。これにより、追尾オフセット距離に係る補償値が求まる。

これらの補償は比較的迅速且つ容易に実行可能であるので、レーザトラッカ等のジンバル式装置内に光学ベンチを配置する際、完全な位置揃えを図る必要はない。

主光学アセンブリ３６５０は、整列具３８１０を用い向きを整えた状態でゼニスシャフト３６３０に挿入される。その整列具３８１０としては、例えばブロック３８１５内に４個のローラベアリング３８１３を組み込んだものが使用される。図２２ではそのうちの２個しか見えていないが、番いチューブ３６２２の支持には全４個のベアリング３８１３が役立つ。この整列具３８１０には、チューブ３６２２を円滑に回動可能にしつつ、同チューブ３６２２の中心軸（対称軸）５７を一定位置に保つ働きがある。更に、ベアリング３８１３が回動自在であるため、チューブ３６２２がその回動中に傷つくこともない。整列具３８１０は、４個のベアリング３８１３に代え４個の鋼球を使用する構成でもよい。或いは、Ｖ字をなす２個の平坦面を伴うＶブロックを使用する構成でもよい。その場合、チューブ３６２２がそのＶブロック上で転がることとなる。このＶブロックに代え、平坦面２個ではなく部分円筒状凹面２個を伴うブロックを使用してもよい。

番いチューブ３６２２には、主光学アセンブリ３６５０の脱落を防ぐべくカウンタウェイト３８１７が装着されている。図示例では、図２１に示したフェラル３８１４が光の入口として使用されており、光ファイバ３８１２によってそのフェラル３８１４に光が運ばれている。そのファイバ３８１２は整列手順に当たりウェイト３８１７内に通される。番いチューブの内部に配した光源で光を発生させてもよい。

図２１に示した通り、この主光学アセンブリ３６５０には光源（フェラル３８１４を使用）、一群のレンズ３８２２，３８２４及びビームスプリッタ３８３２，３８３４が備わっており、図示しないが窓も設けられている。重要なのは、フェラル３８１４越しに入ってくる光をレンズ３８２２，３８２４の中心に通し、それらレンズ３８２２，３８２４の光軸に対し平行にすることである。さもなければ、そうでない構成に比べ収差が大きくなってシステム性能が低下する。その最も効果的な実現手法は、スプリッタ３８３２，３８３４を取り外した状態で光源（フェラル３８１４）をレンズ３８２２，３８２４に揃える、という手法である。スプリッタ３８３２，３８３４を取り外し、後述する手順でランアウトに関し調べることは、光ビームをレンズ３８２２，３８２４に対し正確に揃える上で有益である。この手法を現実のものとするには、一対のスプリッタ３８３２，３８３４への入射光路とそこからの出射光路が同一の直線に沿うこととなるようスプリッタ３８３２，３８３４を揃える必要がある。言い換えれば、番いチューブ３６２２の中央に光源端から入射したビームが、同チューブ３６２２の他端にてアセンブリ３６５０から出射する際、図２３に示す如く中心軸５７に沿った入出射光路（５５）を辿るようにしなければならない。次に、この条件を成り立たせる手法について説明する。まず、２個あるスプリッタ３８３２，３８３４のいずれにも、不要反射ビーム即ちゴーストビームを抑えるために小幅なウェッジ角が付与される。図２３に示す例の場合、スプリッタ３８３２の一隅が直角ｃ２、その隣の隅が角度ｃ１＝９０．１６°であるので、同スプリッタ３８３２におけるウェッジ角は９０．１６°−９０°＝０．１６°である。スプリッタ３８３４ではウェッジ角ｃ３−ｃ４＝９０°−８９．８７°＝０．１３°である。他方、空気中を伝搬している光が屈折率ｎのガラスに角ａ１で入射する場合、同ガラスから出射される光の屈折角ａ２はスネルの法則：ａ２＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（ａ１）／ｎ）で与えられる。例えば、ａ１＝４５°且つｎ＝１．５なら、屈折角ａ２＝ａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ（４５°）／１．５）＝２８．１３°となる。従って、スネルの法則に従い、図２３中の厚みｈ１，ｈ２及び角ｂ１，ｂ２を選定して所要条件を満足させることができる。使用するガラスがＮ−ＢＫ７、ウェッジ角が上掲値の場合、厚み及び角をｈ１＝１４．３ｍｍ，ｈ２＝１０．３１ｍｍ，ｂ１＝５５°，ｂ２＝４５°にすれば、上掲の条件を満たすことができよう。重要なことは、図２３に示す通り、光ビームの入射点からアセンブリ出射点までが、光ビーム入射光路と一致するよう、諸光学部品を構成することである。厳密な揃え方は、無論、アセンブリ３６５０内で使用される光学部品の個数及び種類によって左右されうる。

図２４に、光源を整列させる手順の一例４０００を示す。まず、ステップ４０１０では光学ベンチアセンブリを整列具上に配置する。ステップ４０２０では光源の焦点を調整する。例えば、発した光ビームのサイズが幾通りかの距離である特定のサイズになるよう調整する。図２２に示した焦点調整ｄＺならば、例えば、その光源（例．光ファイバ３８１２及びフェラル３８１４）を番いチューブ３６２２の螺入先ブロック内に装着する際に行うことができる。例えば、螺入でフェラル３８１４をレンズ３８２２に近づけることで、光ビームの合焦位置をレーザトラッカから遠ざける。ステップ４０３０では光学ベンチアセンブリを整列具上で回動させる。ステップ４０４０では、ランアウトが少なくなるよう光源を調整する。ここでいうランアウトとは、光学ベンチアセンブリを回動させたときにある距離に生じる光模様の直径のことである。多くの場合、複数通りの位置にてランアウトを抑えること、例えば近距離一通（例．トラッカから１ｍ）及び遠距離一通り（例．トラッカから３２ｍ）の回動位置にて抑えることが望まれる。そうした調整は、スロット及びネジからなる機構等による並進調整ｔＸ，ｔＹと、傾斜機構等による回動調整ｒＸ，ｒＹとで実行することができる。ビームサイズは、総じて、トラッカに近いほど並進調整ｔＸ，ｔＹの影響を受けやすく、トラッカから遠いほど回動調整ｒＸ，ｒＹの影響を受けやすい。並進調整ｔＸ，ｔＹを近距離及び遠距離にて反復することで、ランアウトを好適に抑えることができる。ステップ４０５０では光学ベンチアセンブリをビームステアリングシステム（例．３６００，３６１０）に挿入する。ステップ４０６０では、そのビームステアリングシステムを使用し光ビームを所要方向に指向させる。

この手順４０００は、光ビームを空間中に発射する装置類に適用可能である。そのビームを受け取る装置がレーザトラッカである場合は、例えば位置検出器を主光学アセンブリ３６５０に整列実装する。図２１にその断面３８４０を示したのは位置検出アセンブリであり、散光器／フィルタ３８４７、開口（絞り；図２１では見えず）及び位置検出器３８４６を備えている。次に、この位置検出アセンブリを整列させる手順について説明する。まず、アセンブリ３６５０からの光を再帰反射器上に照射し、再帰反射器外にその光を反射させる。これを簡便に実行するには、そこからの出射光がキューブコーナ頂点に入射するよう、アセンブリ３６５０の出射側にキューブコーナリフレクタを直接実装すればよい。例えば、キネマティック磁気マウントを使用しキューブコーナをアセンブリ３６５０の前面に実装する形態である。再帰反射器による反射光はビームスプリッタ３８３２に入射し、アセンブリ３６５０の底面３８２７にある開口を通過する。この開口は位置検出アセンブリ構成要素が実装されうる場所の一つであり、底面３８２７にはその開口の面前を占めるようまた別の外付け位置検出器を配置する。スプリッタ３８３２にて反射された光がこの外付け位置検出器に入射してくるので、当該位置検出器を用いその光の位置を観察する。散光器／フィルタ３８４７やレンズ３８４４は、光ビームが外付け位置検出器の中央に入射するよう、機械構造３８４２を用い固定・位置調整する。内蔵の位置検出器３８４６についても、光ビームがほぼ中央に入射するよう配置・位置調整する。副光学アセンブリ３７４０，９１０への入射光やそこからの出射光は、主光学アセンブリ３６５０を整列させた後で整列させればよい。

図２５に、光学アセンブリを予配置し、そのアセンブリを寸法計測装置に実装し、そして離れた場所の再帰反射ターゲットに関しその寸法計測装置で計測する手順６３００の流れを示す。

ステップ６３０５では第１及び第２モータを準備する。第１モータは第１軸周りの回動角（第１回動角）を、また第２モータは当該第１軸と略直交する第２軸周りの回動角（第２回動角）を発生させるモータである。両モータの協働により、第１軸及び第２軸とジンバル点付近で交差する軸（第５軸）の方向を、第１及び第２回動角に応じた方向（第１方向）に揃えることができる。

ステップ６３１０では、ハウジング、照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器を有する光学アセンブリを準備する。ハウジングは照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器の固定取付先であり、少なくともその外面の一部分（第１領域）が略円筒状のものを使用する。当該略円筒状部分の中心を通る軸（第６軸）から見ると、当該第１領域上の諸点は略一定距離となる。また、照明素子としては光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品を使用する。同光学アセンブリの構成は、当該照明素子に発する光（第１光）のうち一部分（第３光ビーム）が同光学アセンブリ付近で辿る光路（第１光路）を、調整することができるよう工夫しておく。

ステップ６３１５では整列具を準備する。この整列具は、第１領域上で光学アセンブリを支持すること及び光学アセンブリの第６軸周り回動を規制・拘束することが可能なように構成しておく。

ステップ６３２０では、整列具が光学アセンブリに接触するようまたその接触点群が第１領域上に位置するよう、光学アセンブリを整列具上に配置する。

ステップ６３２５では、光学アセンブリからの距離がある値（第１距離）の第１面上に第３光ビームを照射する。

ステップ６３３０では、光学アセンブリを整列具上で第６軸周りに回動させる。

ステップ６３３５では、光学アセンブリの第６軸周り回動に応じ第１面上で第３光ビームに生じる位置変化を検出する。

ステップ６３４０では、第１面上での第３光ビーム位置変化の検出結果に依り又は基づき第１光路を調整することで、第３光ビームを第１光路に揃える。

ステップ６３４５では、光学アセンブリを寸法計測装置に取り付ける。それによって第３光ビームが第５軸に整列する。

ステップ６３５０では、第３光ビームを離れた場所の再帰反射ターゲットへと指向させる。

ステップ６３５５では、第３光ビームの一部分が再帰反射ターゲットから第４光ビームとして反射される。

ステップ６３６０では、第４光ビームの第３部分をビームスプリッタから位置検出器へと送給する。この手順６３００はコネクタＡで終端する。

図２６に、図２５中のコネクタＡに始まる手順６４００の流れを示す。ステップ６４０５では第３光ビームを第２面、即ち光学アセンブリからある距離（第２距離）にある面に照射する。ステップ６４１０では、第２面上での第３光ビーム位置変化の検出結果に依り又は基づき第１光路を調整することで第３光ビームを第６軸に揃える。

図２７に、図２５中のコネクタＡに始まる手順６５００の流れを示す。ステップ６５０５では、第１光検波器で受光された第２光ビームの第１部分に依り又は基づきジンバル点から再帰反射ターゲットまでの距離（第３距離）を計測することが可能な距離計を準備する。ステップ６５１０では第３距離を計測する。

図２８に、図２５中のコネクタＡに始まる手順６６００の流れを示す。ステップ６６０５では、第１回動角計測用の第１角度計及び第２回動角計測用の第２角度計を準備する。ステップ６６１０では第１及び第２回動角を計測する。

図２９に、図２５中のコネクタＡに始まる手順６７００の流れを示す。ステップ６７０５では、位置検出器上で第３部分が占める位置に応じ第１信号を発生させる位置検出器を準備する。ステップ６７１０では、その第１信号に依り又は基づき第２及び第３信号を発生させる制御システムを準備する。このシステムは再帰反射器の空間位置を基準に第１方向を調整するためのシステムであり、第２信号は第１モータ、第３信号は第２モータに送られる。ステップ６７１５では第１方向を調整する。

以上、例示的な実施形態を参照しつつ本発明につき説明したが、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 (24)

1. 別の空間位置を占める再帰反射ターゲット（２６）に第１光ビーム（４６）を送り、当該第１光ビームのうち同再帰反射ターゲットから戻ってきた部分を第２光ビーム（４７）として受け取る寸法計測装置（１０）であって、
   互いにジンバル点（２２）付近で交差していて互いに略垂直な第１軸（２０）及び第２軸（１８）に関し、第１軸周り回動角たる第１回動角を第１モータ（２１２５）で発生させ第２軸周り回動角たる第２回動角を第２モータ（２１５５）で発生させることで協働し、それら第１及び第２回動角によって定まる第１方向（５３）に第１光ビームを指向させる第１及び第２モータと、
   光学アセンブリ（３６５０）であり、ハウジング（３６２２）、照明素子（３８１４）、レンズ（３８２２，３８２４）、第１ビームスプリッタ（３８３２）及び位置検出器（３８４６）を有し、照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器の固定装着先たるハウジングが、その外面上の少なくとも第１領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第３軸（５７）から第１領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第１光を発し、第１光ビームは第１光の一部であり、第１光ビームの辿る第４軸が、第３軸と略重複且つジンバル点付近で略一致すると共に、第１軸を含み且つ第２軸に対し垂直な平面付近に存し、第１ビームスプリッタが、第２光ビームのうち第２部分を位置検出器に送給し、位置検出器が、第２部分の入射位置に応じ第１信号を発生させる光学アセンブリ（３６１０）と、
   第１信号に少なくとも部分的に基づき第２及び第３信号を発生させ、その第２信号を第１モータ、第３信号を第２モータに送ることで、再帰反射ターゲットの空間位置に向かうように第１方向を調整する制御システム（１５２０，１５３０，１５４０，１５５０）と、
   を備える寸法計測装置。
2. 請求項１記載の寸法計測装置であって、上記光学アセンブリが第１光ビームを第３軸沿いに送給する寸法計測装置。
3. 請求項１記載の寸法計測装置であって、第１領域が金属質である寸法計測装置。
4. 請求項１記載の寸法計測装置であって、上記光ファイバ部品がフェラルである寸法計測装置。
5. 請求項１記載の寸法計測装置であって、上記光源がダイオードレーザである寸法計測装置。
6. 請求項１記載の寸法計測装置であって、上記レンズが第１光を平行光化する寸法計測装置。
7. 請求項１記載の寸法計測装置であって、上記光学アセンブリが第２ビームスプリッタを有し、第１及び第２ビームスプリッタを含むビームスプリッタセットを有する寸法計測装置。
8. 請求項７記載の寸法計測装置であって、上記光学アセンブリが、ビームスプリッタセットに入射してくる第１光を整列させ第４軸沿いにそのビームスプリッタセットから出射させる寸法計測装置。
9. 請求項１記載の寸法計測装置であって、更に、第２光ビームのうち第１光検波器（３３０６）で受光される第１部分に少なくとも部分的に基づきジンバル点から再帰反射ターゲットまでの距離たる第１距離を計測する距離計を備える寸法計測装置。
10. 請求項１記載の寸法計測装置であって、更に、第１回動角を計測する第１角度計（２１２０）及び第２回動角を計測する第２角度計（２１５０）を備える寸法計測装置。
11. 請求項８記載の寸法計測装置であって、更に、第１回動角を計測する第１角度計及び第２回動角を計測する第２角度計を備える寸法計測装置。
12. 光学アセンブリ（３６５０）を予配置し、その光学アセンブリを寸法計測装置（１０）内に実装し、離れた場所にある再帰反射ターゲット（２６）に関しその寸法計測装置で計測する方法であって、
    互いにジンバル点（２２）付近で交差していて互いに略垂直な第１軸（２０）及び第２軸（１８）に関し、また第１軸及び第２軸とジンバル点付近で交差する第５軸（５３）に関し、第１軸周り回動角たる第１回動角を第１モータ（２１２５）で発生させ第２軸周り回動角たる第２回動角を第２モータ（２１５５）で発生させることで協働しそれら第１及び第２回動角によって定まる第１方向（５３）に第５軸（５３）を揃える第１及び第２モータ、を準備するステップ（６３０５）と、
    ハウジング（３６２２）、照明素子（３８１４）、レンズ（３８２２，３８２４）、第１ビームスプリッタ（３８３２）及び位置検出器（３８４６）を有する光学アセンブリとして、その照明素子、レンズ、第１ビームスプリッタ及び位置検出器がハウジングに固定されており、そのハウジングの形状が、その外面上の少なくとも第１領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第６軸（５７）から第１領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第１光を発し、第３光ビームは第１光の一部であり、同光学アセンブリとの関連で第３光ビームがとる第１光路を調整可能な光学アセンブリを準備するステップ（６３１０）と、
    第１領域上で光学アセンブリを支持し且つ同光学アセンブリの第６軸周り回動を規制する整列具（３８１５）を準備するステップ（６３１５）と、
    第１領域上の諸点で整列具が光学アセンブリに接触するよう光学アセンブリを整列具上に配置するステップ（６３２０）と、
    光学アセンブリからの距離が第１距離である第１面上に第３光ビームを照射するステップ（６３２５）と、
    整列具上で光学アセンブリを第６軸周り回動させるステップ（６３３０）と、
    光学アセンブリの第６軸周り回動に応じ第１面上で生じる第３光ビームの位置変化を検出するステップ（６３３５）と、
    第１面上で検出される第３光ビームの位置変化に少なくとも部分的に基づき、第３光ビームが第６軸に揃うよう第１光路を調整するステップ（６３４０）と、
    第３光ビームが第５軸に揃うよう光学アセンブリを寸法計測装置に装着するステップ（６３４５）と、
    第３光ビームを離れた場所の再帰反射ターゲットに差し向けるステップ（６３５０）と、
    再帰反射ターゲットからの第３光ビームの部分を第４光ビームとして反射するステップ（６３５５）と、
    第４光ビームのうち第３部分を第１ビームスプリッタから位置検出器に送給するステップ（６３６０）と、
    を有する方法。
13. 請求項１２記載の方法であって、光学アセンブリの第６軸周り回動に応じ第１面上で生じる第３光ビームの位置変化を検出するステップは、第１面上での第１ランアウト直径を計測するステップを含む、方法。
14. 請求項１３記載の方法であって、更に、
    光学アセンブリからの距離が第２距離である第２面上に第３光ビームを照射するステップ（６４０５）と、
    第２面上で検出される第３光ビームの位置変化に少なくとも部分的に基づき、第３光ビームが第６軸に揃うよう第１光路を調整するステップ（６４１０）と、
    を有する方法（６４００）。
15. 請求項１４記載の方法であって、第３光ビームが第６軸に揃うよう第１光路を調整するステップは、第２面上での第２ランアウト直径を計測するステップを含む、方法。
16. 請求項１２記載の方法であって、第１面上で生じる第３光ビームの位置変化を検出する際、第１面は光検波器の表面である方法。
17. 請求項１２記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、第１領域が金属質なものを準備する方法。
18. 請求項１２記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、光ファイバ部品としてフェラルを準備する方法。
19. 請求項１２記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、光源としてダイオードレーザを準備する方法。
20. 請求項１２記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、第１光を平行光化可能なレンズを準備する方法。
21. 請求項１２記載の方法であって、更に、
    ジンバル点から再帰反射ターゲットまでの第３距離を、第２光ビームのうち第１光検波器（３３０６）にて受光された第１部分に少なくとも部分的に基づき計測する距離計を、準備するステップ（６５０５）と、
    第３距離を計測するステップ（６５１０）と、
    を有する方法（６５００）。
22. 請求項１２記載の方法であって、更に、
    第１回動角を計測する第１角度計及び第２回動角を計測する第２角度計を準備するステップ（６６０５）と、
    第１及び第２回動角を計測するステップ（６６１０）と、
    を有する方法（６６００）。
23. 請求項２１記載の方法であって、更に、第１回動角を計測する第１角度計及び第２回動角を計測する第２角度計を準備するステップを有する方法。
24. 請求項１２記載の方法であって、
    位置検出器上での第３部分の位置に応じ第１信号を発生させる位置検出器を準備するステップ（６７０５）と、
    第１信号に少なくとも部分的に基づき第２及び第３信号を発生させ、その第２信号を第１モータ、第３信号を第２モータに送ることで、再帰反射ターゲットの空間位置に向かうように第１方向を調整する制御システム（１５２０，１５３０，１５４０，１５５０）を、準備するステップ（６７１０）と、
    第１方向を調整するステップ（６７１５）と、
    を有する方法（６７００）。

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