(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の地点と第二の地点の三次元座標を測定する方法（４９００）において、
鋼球一体加工レトロリフレクタ（４２３４、４４３４）を提供するステップであって、鋼球一体加工レトロリフレクタが、レトロリフレクタ本体に取り付けられたレトロリフレクタを含み、レトロリフレクタ本体が、その外面の第一の部分に第一の球状体を有し、第一の部分がターゲット中心を有し、レトロリフレクタが、第一の光ビーム（４６、９８４）を受け取って第二の光ビーム（４７、９８６）を返すように構成され、第二の光ビームが第一の光ビームの一部であり、第二の光ビームが第一の光ビームの方向と実質的に反対の方向に進むようなステップ（４９０５）と、
プローブアセンブリ（４２００、４４００、４４５０、４４８０）を提供するステップであって、プローブアセンブリがプローブスタイラス（４２１０、４４１０）と、プローブヘッド（４２４０、４４３０、４４４０、４４７５）と、を含み、プローブスタイラスがプローブ先端（４２１４、４４１４）を含み、プローブ先端がその表面の第二の部分に第二の球状体を有し、第二の部分がプローブ中心を有し、プローブヘッドが、鋼球一体加工レトロリフレクタを受け、鋼球一体加工レトロリフレクタがターゲット中心の周囲で回転できるようにし、その間、ターゲット中心をプローブアセンブリに関して実質的に一定の位置に保つように構成されるようなステップ（４９１０）と、
座標測定装置（１０）を提供するステップであって、座標測定装置が第一のモータ（２１２５）と、第二のモータ（２１５５）と、第一の角度測定装置（２１２０）と、第二の角度測定装置（２１５０）と、距離計（１２０、１６０）と、位置検出器（１５１）と、制御システム（１５２０、１５３０、１５４０、１５５０）と、方位センサ（９１０）と、プロセッサ（１５２０、１５３０、１５３１、１５３２、１５３３、１５３４、１５３５、１５４０、１５５０、１５６０、１５６５、１５７０、１５９０）と、含み、
第一のモータと第二のモータが、協働で第一の光ビームを第一の方向に案内するように構成され、第一の方向が第一の軸（２０）の周囲での第一の回転角度と第二の軸（１８）の周囲での第二の回転角度により決定され、第一の回転角度が第一のモータによって生成され、第二の回転角度が第二のモータによって生成され、
第一の角度測定装置が第一の回転角度を測定するように構成され、第二の角度測定装置が第二の回転角度を測定するように構成され、
距離計が、座標測定装置から鋼球一体加工レトロリフレクタまでの第一の距離を、少なくとも一部に、第一の光検出器が受け取った第二の光ビームの第三の部分に基づいて測定するように構成され、
位置検出器が、位置検出器上の第二の光ビームの第四の部分の位置に応答して第一の信号を生成するように構成され、
制御システムが、第一のモータに第二の信号を、および第二のモータに第三の信号を送信するように構成され、第二の信号と第三の信号は、少なくとも一部に、第一の信号に基づいており、制御システムは、第一の光ビームの第一の方向を、鋼球一体加工レトロリフレクタの空間内の位置に合わせて調節するように構成され、
方位センサがプローブアセンブリの３方位自由度（４２６３、４２６５、４２７０）測定を行うように構成され（４９１５）、
プロセッサが、プローブ中心の三次元座標を判定するように構成され、三次元座標が、少なくとも一部に、第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度に基づくようなステップ（４９２０）と、
鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに設置するステップ（４９２５）と、
プローブ中心を第一の地点まで移動させるステップと、
第一の光ビームを座標測定装置から鋼球一体加工レトロリフレクタへと案内するステップ（４９３０）と、
第一の距離を測定するステップ（４９３５）と、
第一の回転角度を測定するステップ（４９４０）と、
第二の回転角度を測定するステップ（４９４５）と、
３方位自由度測定を、少なくとも一部に、方位センサにより供給される情報に基づいて行うステップ（４９５０）と、
プローブ中心の第１セットの三次元座標を、少なくとも一部に、第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度に基づいて計算するステップ（４９５５）と、
プローブ中心の第１セットの三次元座標を保存するステップ（４９６０）と、
鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドから取り外すステップ（５２０５）と、
鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドから取り外した後にターゲット中心を第二の地点まで移動させるステップと、
第一の光ビームを座標測定装置から前記第二の地点の鋼球一体加工レトロリフレクタへと案内するステップ（５２１０）と、
第二の地点のターゲット中心の第二の距離を測定するステップ（５２１５）と、
第二の地点のターゲット中心の第三の回転角度を測定するステップ（５２２０）と、
第二の地点のターゲット中心の第四の回転角度を測定するステップ（５２２５）と、
少なくとも一部に、第二の距離、第三の回転角度、第四の回転角度に基づいて、ターゲット中心の第２セットの三次元座標を判定するステップ（５２３０）と、
ターゲット中心の第２セットの三次元座標を保存するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに設置するステップがさらに、鋼球一体加工レトロリフレクタを割出位置に設置するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
鋼球一体加工レトロリフレクタを提供するステップがさらに、鋼球一体加工レトロリフレクタにカラーを設けるステップを含み、カラーが断続回転位置割出機能（４４７１）を含み、
プローブアセンブリを提供するステップがさらに、プローブヘッドに嵌合構造（４４７２）を設けるステップを含み、嵌合構造は嵌合機能（４４７３）を有し、
鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに設置するステップがさらに、鋼球一体加工レトロリフレクタを、断続回転位置割出機能を嵌合機能と位置合わせすることによって、割出位置に移動させるステップを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに設置するステップがさらに、ターゲット中心を移すことなく鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに対して所望の方位に回転させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
プローブアセンブリを提供するステップがさらに、プローブヘッドに締付固定装置（４４６１）を設けるステップを含み、締付固定装置が、鋼球一体加工レトロリフレクタを固定された方位に保持するように構成され、
鋼球一体加工レトロリフレクタを設置するステップがさらに、鋼球一体加工レトロリフレクタを所望の方位に締付固定するステップを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４の方法（５０００）において、
プローブ補正パラメータを決定するステップ（５００５）をさらに含み、プローブ補正パラメータが少なくとも、プローブアセンブリに関する鋼球一体加工レトロリフレクタの方位を示す情報を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法（５１００）において、
プローブ補正パラメータを決定するステップがさらに、
プローブ先端を受け入れるように構成されたネスト（４２５０、４２８０）を提供するステップであって、ネストがさらに、プローブ先端をプローブ中心の周囲で回転させるように構成され、プローブ中心が、実質的に固定された空間地点に保持されるようなステップ（５１０５）と、
プローブ先端をネストに設置するステップ（５１１０）と、
プローブ先端を回転させるステップ（５１１５）と、
数量群を測定するステップであって、数量群が第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度を含み、測定値の各々が、プローブ先端の複数の異なる回転に関して得られるようなステップ（５１２０）と、
少なくとも一部に、数量群に基づいてプローブ補正パラメータを計算するステップ（５１２５）と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法（５４００）において、さらに、
レトロリフレクタにパターンを組み込むステップ（５４０５）と、
レンズと感光素子アレイを含む光学システムを提供するステップであって、レンズが少なくともパターニングされたレトロリフレクタの少なくとも一部の像を感光アレイ上に形成するように構成されるようなステップ（５４１０）と、
画像をデジタルデータセットに変換するステップ（５４１５）と、
少なくとも一部に、デジタルデータセットに基づいて３方位自由度計算を行うステップ（５４２０）と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
鋼球一体加工レトロリフレクタを提供するステップにおいて、レトロリフレクタがガラス製コーナキューブレトロリフレクタであることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、
プローブアセンブリを提供するステップにおいて、プローブアセンブリが電力を使用せずに動作することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、
プローブアセンブリがアクチュエータボタン（４２２６、４２２７）を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、
プローブアセンブリを提供するステップにおいて、プローブスタイラスが取り除かれ、第二のプローブスタイラスに交換されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、
硬球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに設置するステップは、硬球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに磁気結合させることを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１２年１月３０日出願の米国仮特許出願第６１／５９２，０４９号の利益を主張するものであり、その内容を参照によって本願に援用する。本願はまた、２０１１年３月３日出願の米国仮特許出願第６１／４４８，８２３号の利益を主張する２０１２年２月２９日出願の米国特許出願第１３／４０７，９８３号の利益も主張するものであり、それらの内容を参照によって本願に援用する。米国特許出願第１３／４０７，９８３号はまた、２０１１年２月１４日出願の米国仮特許出願第６１／４４２，４５２号の利益を主張する、２０１２年２月１０日出願の米国特許出願第１３／３７０，３３９号の利益も主張するものであり、それらの内容を参照によって本願に援用する。米国特許出願第１３／４０７，９８３号はまた、２０１１年４月１５日出願の米国仮特許出願第６１／４７５，７０３号および２０１２年１月３０日出願の米国仮特許出願第６１／５９２，０４９号の利益も主張するものであり、それらの内容を参照によって本願に援用する。
【背景技術】
【０００２】
本願は座標測定装置に関する。１種の座標測定装置は、ある地点の三次元（３Ｄ）座標を、その地点にレーザビームを送ることによって測定する機器の分類に属する。レーザビームは、その地点に直接衝突しても、またはその地点と接触するレトロリフレクタターゲットに衝突してもよい。いずれの場合も、この機器はターゲットまでの距離と２つの角度を測定することによって、その地点の座標を判定する。距離は、絶対距離計または干渉計等の距離測定装置で測定される。角度は、角度エンコーダ等の角度測定装置で測定される。機器内のジンバル式ビームステアリング機構が、レーザビームを関心対象地点へと案内する。
【０００３】
レーザトラッカは、それが発生する１つまたは複数のレーザビームでレトロリフレクタを追跡する、ある特定の種類の座標測定装置である。レーザトラッカと密接に関係する座標測定装置は、レーザスキャナとトータルステーションである。レーザスキャナは、１つまたは複数のレーザビームをある表面上の地点に段階式に照射する。そして、その表面からの散乱光をピックアップし、この光から各地点までの距離と２つの角度を判定する。トータルステーションは、測量用に使用されることが最も多いが、拡散的に散乱する、または回帰反射性のターゲットの座標の測定にも使用できる。以下、レーザトラッカという用語は、レーザスキャナとトータルステーションを含む広い意味で使用される。
【０００４】
通常、レーザトラッカはレーザビームをレトロリフレクタターゲットに送る。一般的な種類のレトロリフレクタターゲットは、鋼球一体加工レトロリフレクタ（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｃｔｏｒ（ＳＭＲ））であり、これは金属球の中に埋め込まれたコーナキューブレトロリフレクタを含む。コーナキューブレトロリフレクタは、相互に垂直な３つの鏡を含む。３つの鏡の共通の交差点である頂点が、球の中心に位置する。球内にコーナキューブをこのように位置付けることによって、ＳＭＲが回転しても、頂点からＳＭＲが載っている面までの垂直方向の距離は一定のままである。その結果、レーザトラッカはある表面の３Ｄ座標を、ＳＭＲがその表面上で移動する間にその位置に追従することによって測定できる。これを言い換えれば、レーザトラッカは３自由度（１つの半径方向の距離と２つの角度）の測定だけを行えば、ある表面の３Ｄ座標を十分に特徴付けることができる。
【０００５】
１種のレーザトラッカは、干渉計（ＩＦＭ）だけを搭載し、絶対距離計（ＡＤＭ）を持たない。ある物体がこれらのトラッカのうちの１つからのレーザビームの経路をブロックすると、ＩＦＭはその距離基準を失う。すると、オペレータはレトロリフレクタを既知の位置まで追跡することによって基準距離にリセットしてから測定を継続しなければならない。この制約を回避する方法は、ＡＤＭをトラッカの中に入れることである。ＡＤＭはポイントアンドシュート式に距離を測定でき、これについては後でより詳しく説明する。レーザトラッカの中には、干渉計がなく、ＡＤＭしか含まないものがある。その内容を参照によって本願に援用するＢｒｉｄｇｅｓらの米国特許第７，３５２，４４６号（以下、「‘４４６号特許」という）は、移動するターゲットの正確な走査が可能な、ＡＤＭのみを有する（ＩＦＭを持たない）レーザトラッカを開示している。’４４６号特許以前は、絶対距離計では応答速度が遅く、移動するターゲットの位置を正確に見つけることができなかった。
【０００６】
レーザトラッカ内のジンバル機構を使って、レーザビームをトラッカからＳＭＲに案内することができる。ＳＭＲにより回帰反射された光の一部がレーザトラッカに入り、位置検出器へと通貨する。レーザトラッカ内の制御システムは、位置検出器上の光の位置を利用してレーザトラッカの機械軸の回転角度を調節することにより、レーザビームをＳＭＲの中心に保持できる。このようにして、トラッカは関心対象の物体の表面上を移動するＳＭＲに追従（これを追跡）することができる。レーザトラッカに使用されるジンバル機構は、他の様々な用途に使用してもよい。単純な例として、レーザトラッカは、可視ポインタビームを有するが距離計を持たないジンバルステアリング装置の中で使用して、光ビームを一連のレトロリフレクタターゲットへと誘導し、ターゲットの各々の角度を測定してもよい。
【０００７】
角度エンコーダ等の角度測定装置がトラッカの機械軸に取り付けられる。レーザトラッカによって行われる１つの距離測定と２つの角度測定は、ＳＭＲの三次元位置を完全に特定するのに十分である。
【０００８】
通常の３自由度ではなく、６自由度測定のためのいくつかのレーザトラッカが入手可能であるか、これまでに提案されている。例示的な６自由度（６−ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ（６−ＤＯＦ））システムは、その内容を参照によって本願に援用するＢｒｉｄｇｅｓらの米国特許第７，８００，７５８号（以下、「‘７５８号特許」という）と、その内容を参照によって本願に援用するＢｒｉｄｇｅｓらの米国特許出願公開第２０１０／０１２８２５９号に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，３５２，４４６号
【特許文献２】米国特許第７，８００，７５８号
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１２８２５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
過去において、６−ＤＯＦプローブとＳＭＲは比較的高価な別々のアクセサリであった。必要とされるのは、比較的安価で、ＳＭＲと６−ＤＯＦプローブの機能性を複合させたアクセサリである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
プローブ中心の三次元座標を測定する方法は、鋼球一体加工レトロリフレクタを提供するステップを含み、鋼球一体加工レトロリフレクタは、レトロリフレクタ本体に取り付けられたレトロリフレクタを含み、レトロリフレクタ本体が、その外面の第一の部分に第一の球状体を有し、第一の部分はターゲット中心を有し、レトロリフレクタは、第一の光ビームを受け取って第二の光ビームを返すように構成され、第二の光ビームは第一の光ビームの一部であり、第二の光ビームは第一の光ビームの方向と実質的に反対の方向に進む。この方法はまた、プローブアセンブリを提供するステップを含み、プローブアセンブリはプローブスタイラスと、プローブヘッドと、を含み、プローブスタイラスはプローブ先端を含み、プローブ先端はその表面の第二の部分に第二の球状体を有し、第二の部分はプローブ中心を有し、プローブヘッドは、鋼球一体加工レトロリフレクタを受け、鋼球一体加工レトロリフレクタがターゲット中心の周囲で回転できるようにし、その間、ターゲット中心をプローブアセンブリに関して実質的に一定の位置に保つように構成される。方法は、方位センサを提供するステップであって、方位センサがプローブアセンブリの３方位自由度測定を行うように構成されているようなステップと、座標測定装置を提供するステップと、をさらに含み、座標測定装置は第一のモータと、第二のモータと、第一の角度測定装置と、第二の角度測定装置と、距離計と、位置検出器と、制御システムと、プロセッサと、含み、第一のモータと第二のモータは協働で第一の光ビームを第一の方向に案内するように構成され、第一の方向は第一の軸の周囲での第一の回転角度と第二の軸の周囲での第二の回転角度により決定され、第一の回転角度は第一のモータによって生成され、第二の回転角度は第二のモータによって生成され、第一の角度測定装置は第一の回転角度を測定するように構成され、第二の角度測定装置は第二の回転角度を測定するように構成され、距離計は、座標測定装置から鋼球一体加工レトロリフレクタまでの第一の距離を、少なくとも一部に、第一の光検出器が受け取った第二の光ビームの第三の部分に基づいて測定するように構成され、位置検出器は、位置検出器上の第二の光ビームの第四の部分の位置に応答して第一の信号を生成するように構成され、制御システムは、第一のモータに第二の信号を、および第二のモータに第三の信号を送信するように構成され、第二の信号と第三の信号は、少なくとも一部に、第一の信号に基づいており、制御システムは、第一の光ビームの第一の方向を、鋼球一体加工レトロリフレクタの空間内の位置に合わせて調節するように構成され、プロセッサは、プローブ中心の三次元座標を判定するように構成され、三次元座標は、少なくとも一部に、第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度に基づく。方法はまた、鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに設置するステップと、第一の光ビームを座標測定装置から鋼球一体加工レトロリフレクタへと案内するステップと、第一の距離を測定するステップと、第一の回転角度を測定するステップと、第二の回転角度を測定するステップと、３方位自由度測定を、少なくとも一部に、方位センサにより供給される情報に基づいて行うステップと、プローブ中心の三次元座標を、少なくとも一部に、第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度に基づいて計算するステップと、プローブ中心の三次元座標を保存するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
ここで、図を参照すると、例示的実施形態が示されているが、これらは開示の全体的範囲に関して限定的であると解釈するべきではなく、また、複数の図面を通じて、図中の要素の番号は同様とした。
【００１３】
【図１】本発明のある実施形態によるレトロリフレクタターゲットを備えるレーザトラッカシステムの斜視図である。
【図２】本発明のある実施形態による６−ＤＯＦターゲットを備えるレーザトラッカシステムの斜視図である。
【図３】本発明のある実施形態によるレーザトラッカの光学系と電子部品の要素を説明するブロック図である。
【図４Ａ】先行技術によるアフォーカルビームエクスパンダを示す図である。
【図４Ｂ】先行技術によるアフォーカルビームエクスパンダを示す図である。
【図５】先行技術による光ファイバビーム入射射出部を示す図である。
【図６Ａ】先行技術による検出器アセンブリの概略図である。
【図６Ｂ】先行技術による検出器アセンブリの概略図である。
【図６Ｃ】先行技術による検出器アセンブリの概略図である。
【図６Ｄ】先行技術による検出器アセンブリの概略図である。
【図６Ｅ】本発明の実施形態による位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図６Ｆ】本発明の実施形態による位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図７】先行技術のＡＤＭの中の電気および電気光学的要素のブロック図である。
【図８Ａ】先行技術の光ファイバ網内の光ファイバ要素を示す概略図である。
【図８Ｂ】先行技術の光ファイバ網内の光ファイバ要素を示す概略図である。
【図８Ｃ】本発明のある実施形態による光ファイバ網内の光ファイバ要素を示す概略図である。
【図９】先行技術のレーザトラッカの分解図である。
【図１０】先行技術のレーザトラッカの断面図である。
【図１１】本発明のある実施形態によるレーザトラッカの演算および通信要素のブロック図である。
【図１２Ａ】本発明のある実施形態による、単一波長を利用するレーザトラッカの要素のブロック図である。
【図１２Ｂ】本発明のある実施形態による、単一波長を利用するレーザトラッカの要素のブロック図である。
【図１３】本発明のある実施形態による６−ＤＯＦ機能を有するレーザトラックの要素のブロック図である。
【図１４Ａ】本発明のある実施形態による、６−ＤＯＦプローブ土台部に磁気的に取り付けられた６−ＤＯＦ  ＳＭＲの正面図である。
【図１４Ｂ】本発明のある実施形態による、６−ＤＯＦプローブ土台部に締付固定された６−ＤＯＦ  ＳＭＲの正面図である。
【図１５Ａ】補正固定具上に設置されたプローブアセンブリと６−ＤＯＦ  ＳＭＲの正面図である。
【図１５Ｂ】本発明のある実施形態による補正固定具の断面図である。
【図１６Ａ】本発明のある実施形態による、補正パラメータを得るための６−ＤＯＦプローブのヨー運動を示す正面図である。
【図１６Ｂ】本発明のある実施形態による、補正パラメータを得るための６−ＤＯＦプローブのピッチ運動を示す正面図である。
【図１６Ｃ】本発明のある実施形態による、補正パラメータを得るための６−ＤＯＦプローブのロール運動を示す正面図である。
【図１７】本発明のある実施形態による、断続回転位置割出機能および嵌合機能を有するプローブアセンブリと６−ＤＯＦ  ＳＭＲの正面図である。
【図１８】本発明のある実施形態による三次元座標の測定方法のフロー図である。
【図１９】本発明のある実施形態による、図１８の参照記号Ａから始まる方法のフロー図である。
【図２０】本発明のある実施形態による、図１９の参照記号Ｂから始まる方法のフロー図である。
【図２１】本発明のある実施形態による、図１８の参照記号Ａから始まる方法のフロー図である。
【図２２】本発明のある実施形態による、図２１の参照記号Ｃから始まる方法のフロー図である。
【図２３】本発明のある実施形態による、図１８の参照記号Ａから始まる方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に示される例示的レーザトラッカシステム５は、レーザトラッカ１０と、レトロリフレクタターゲット２６と、任意選択による補助ユニットプロセッサ５０と、任意選択による補助コンピュータ６０と、を含む。レーザトラッカ１０の例示的なジンバルビームステアリング機構１２はゼニスキャリッジ１４を含み、これはアジマスベース１６に取り付けられ、アジマス軸２０の周囲で回転する。ペイロード１５がゼニスキャリッジ１４に装着され、ゼニス軸１８の周囲で回転する。ゼニス軸１８とアジマス軸２０はトラッカ１０の中でジンバル点２２において直交し、これは一般に距離測定の原点となる。レーザビーム４６は事実上、ジンバル点２２を通り、ゼニス軸１８に直角の向きとなる。換言すれば、レーザビーム４６はゼニス軸１８に対して略垂直で、アジマス軸２０を通る平面内にある。射出レーザビーム４６は、ゼニス軸１８の周囲でのペイロード１５の回転とアジマス軸２０の周囲でのゼニスキャリッジ１４の回転によって所望の方向に向けられる。ゼニス角度エンコーダはトラッカの内部にあり、ゼニス軸１８と整列するゼニス機械軸に取り付けられる。アジマス角度エンコーダはトラッカの内部にあり、アジマス軸２０と整列するアジマス機械軸に取り付けられる。ゼニスおよびアジマス角度エンコーダは、比較的高い精度でセニス回転角度とアジマス回転角度を測定する。射出レーザビーム４６は鋼球一体加工レトロリフレクタターゲット２６へと進み、これは例えば、前述のような鋼球一体加工レトロリフレクタ（ＳＭＲ）であってもよい。ジンバル点２２とレトロリフレクタ２６の間の半径方向の距離、ゼニス軸１８の周囲での回転角度とアジマス軸２０の周囲での回転角度を測定することにより、レトロリフレクタ２６の位置がトラッカの球面座標系の中で特定される。
【００１５】
射出レーザビーム４６は１つまたは複数のレーザ波長を含んでいてもよく、これについては後述する。明瞭化と単純化のために、以下の説明では図１に示されている種類のステアリング機構を前提とする。しかしながら、それ以外の種類のステアリング機構も使用可能である。例えば、レーザビームを、アジマスおよびセニス軸の周囲で回転するミラーで反射させることができる。本明細書に記載の技術は、ステアリング機構の種類に関係なく適用可能である。
【００１６】
磁気ネスト１７をレーザトラッカに含めてもよく、これは大きさの異なるＳＭＲ、例えば１、５、７／８、１／２インチＳＭＲの「ホーム」ポジションにレーザトラッカをリセットするためのものである。トラッカ上のレトロリフレクタ１９を使用して、トラッカを基準距離にリセットしてもよい。これに加えて、図１の図では見えていないトラッカ上のミラーをトラッカ上のレトロリフレクタと共用し、自己補正機能を可能にしてもよく、これは米国特許第７，３２７，４４６号に記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。
【００１７】
図２は例示的なレーザトラッカシステム７を示しており、これは図１のレーザトラッカシステム５と同様であるが、レトロリフレクタターゲット２６の代わりに６−ＤＯＦプローブ１０００が使用されている点が異なる。図１では、他の種類のレトロリフレクタターゲットを使用してもよい。例えば、光がガラス構造の反射性の裏面にある小さな光のスポットに合焦するガラス製レトロリフレクタであるキャットアイレトロリフレクタが使用されることもある。
【００１８】
図３は、レーザトラッカの実施形態における光学および電気要素を示すブロック図である。これは、２つの波長、すなわちＡＤＭ用の第一の波長および可視ポインタとトラッキング用の第二の波長の光を発するレーザトラッカの要素を示している。可視ポインタによって、使用者にはトラッカにより発せられるレーザビームスポットの位置が見える。２種類の波長は、自由空間ビームスプリッタを使って合成される。電気光学（ＥＯ）システム１００は可視光源１１０と、アイソレータ１１５と、任意選択による第一のファイバ射出部１７０と、任意選択による干渉計（ＩＦＭ）１２０と、ビームエクスパンダ１４０と、第一のビームスプリッタ１４５と、位置検出アセンブリ１５０と、第二のビームスプリッタ１５５と、ＡＤＭ  １６０と、第二のファイバ入射射出部１７０と、を含む。
【００１９】
可視光源１１０はレーザ、スーパールミネセントダイオード、その他の発光装置であってよい。アイソレータ１１５は、ファラデーアイソレータ、減衰器、または光源へと後方反射する光を減少させることのできるその他の装置であってもよい。任意選択によるＩＦＭは様々な方法で構成できる。可能な実施の具体例として、ＩＦＭはビームスプリッタ１２２と、レトロリフレクタ１２６と、四分の一波長板１２４、１３０と、位相アナライザ１２８と、を含んでいてもよい。可視光源１１０は光を自由空間へと射出してもよく、その後、この光は自由空間内を、アイソレータ１１５と任意選択によるＩＦＭ  １２０を通って進む。あるいは、アイソレータ１１５は光ファイバケーブルによって可視光源１１０に連結されていてもよい。この場合、アイソレータからの光は第一の光ファイバ入射射出部１７０を通って自由空間内へと射出されてもよく、これについては図５に関して後述する。
【００２０】
ビームエクスパンダ１４０は様々なレンズ構成を使って構築できるが、一般的に使用される２つの先行技術の構成が図４Ａ、４Ｂに示されている。図４Ａは、マイナスレンズ１４１Ａとプラスレンズ１４２Ａの使用に基づく構成１４０Ａを示している。マイナスレンズ１４１Ａに入射したコリメート光ビーム２２０Ａは、プラスレンズ１４２Ａから、より大きなコリメート光ビーム２３０Ａとして出る。図４Ｂは、２枚のプラスレンズ１４１Ｂ、１４２Ｂの使用に基づく構成１４０Ｂを示している。第一のプラスレンズ１４１Ｂに入射したコリメート光ビーム２２０Ｂは第二のプラスレンズ１４２Ｂから、より大きなコリメート光ビーム２３０Ｂとして出る。ビームエクスパンダ１４０から出た光のうち、少量がトラッカから出るまでの途中にビームスプリッタ１４５、１５５で反射されて失われる。光のうちビームスプリッタ１５５を通過した部分は、ＡＤＭ  １６０からの光と合成されて複合光ビーム１８８を形成し、それがレーザトラッカから出て、レトロリフレクタ９０へと進む。
【００２１】
ＡＤＭ  １６０は、光源１６２と、ＡＤＭ電子部品１６４と、ファイバ網１６６と、相互接続電気ケーブル１６５と、相互接続光ファイバ１６８、１６９、１８４、１８６と、を含む。ＡＤＭ電子部品は電気的変調およびバイアス電圧を光源１６２に送信し、これは、例えば約１５５０ｎｍの波長で動作する分散型フィードバックレーザであってもよい。ある実施形態において、ファイバ網１６６は、図８Ａに示される先行技術の光ファイバ網４２０Ａであってもよい。この実施形態では、図３の光源１６２からの光は、図８Ａの光ファイバ４３２と同等の光ファイバ１８４上を進む。
【００２２】
図８Ａのファイバ網は、第一のファイバカプラ４３０と、第二のファイバカプラ４３６と、低伝送リフレクタ４３５、４４０と、を含む。光は第一のファイバカプラ４３０を通り、２つの経路、すなわち光ファイバ４３３を通じて第二のファイバカプラ４３６に至る第一の経路と、光ファイバ４３３とファイバ長イコライザ４２３を通る第二の経路に分かれる。ファイバ長イコライザ４２３は図３のファイバ長１６８につながり、これはＡＤＭ電子部品１６４の参照チャネルへと進む。ファイバ長イコライザ４２３の目的は、参照チャネル内で光が移動する光ファイバの長さを、測定チャネル内で光が移動する光ファイバの長さと一致させることである。このようにしてファイバ長を一致させることにより、周囲温度の変化によって生じるＡＤＭのエラーが減少する。このようなエラーは、光ファイバの有効光路長が光のファイバの平均屈折率にファイバ長を乗じたものと等しいために発生する可能性がある。光ファイバの屈折率はファイバの温度に依存するため、光ファイバの温度の変化は、測定および参照チャネルの有効光路長を変化させる。測定チャネルの光ファイバの有効光路長が参照チャネルの光ファイバの有効光路長に関して変化すると、その結果、レトロリフレクタターゲット９０が静止したままに保たれたとしても、レトロリフレクタの位置が明白に変化する。この問題を回避するために、２つのステップがとられる。第一に、参照チャネルのファイバ長を測定チャネルのファイバ長にできるだけ一致させる。第二に、測定および参照ファイバを可能なかぎり並べて引き回すことにより、これら２つのチャネル内の光ファイバの温度変化が確実にほとんど同じになるようにする。
【００２３】
光は第二の光ファイバカプラ４３６を通り、２つの経路、すなわち低反射ファイバ終端器４４０への第一の光路と、光ファイバ４３８への第二の経路に分かれ、そこから光は図３の光ファイバ１８６へと進む。光ファイバ１８６上の光は第二のファイバ入射射出部１７０を通って進む。
【００２４】
ある実施形態において、ファイバ入射射出部１７０は先行技術の図５に示されている。図３の光ファイバ１８６からの光は、図５のファイバ１７２へと進む。ファイバ入射射出部１７０は、光ファイバ１７２と、フェルール１７４と、レンズ１７６と、を含む。光ファイバ１７２はフェルール１７４に取り付けられ、これはレーザトラッカ１０の中の構造体に安定に取り付けられる。所望に応じて、光ファイバの端をある角度で研磨して、後方反射を低減させてもよい。光２５０はファイバのコアから発せられ、ファイバは、直径が使用される光の波長と光ファイバの特定の種類に応じて４〜１２マイクロメートルであるシングルモード光ファイバであってもよい。光２５０はある角度で発散し、レンズ１７６に入り、それによって平行にされる。ＡＤＭシステム内の単独の光ファイバを通じて光信号を送信し、受信する方法は‘７５８号特許の中で図３に関して説明されている。
【００２５】
図３を参照すると、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ってもよく、これはそれが反射するものと異なる波長を透過させる。ある実施形態において、ＡＤＭ  １６０からの光はダイクロイックビームスプリッタ１５５で反射され、可視レーザ１１０からの、ダイクロイックビームスプリッタ１５５を透過した光と合成される。合成光ビーム１８８は、第一のビームとしてレーザトラッカから出て、レトロリフレクタ９０へと進み、これが光の一部を第二のビームとして戻す。第二のビームのうち、ＡＤＭ波長の部分はダイクロイックビームスプリッタ１５５で反射され、第二のファイバ入射射出部１７０に戻り、これは光を光ファイバ１８６に再び結合する。
【００２６】
ある実施形態において、光ファイバ１８６は図８Ａの光ファイバ４３８に対応する。戻る光は光ファイバ４３８から第二のファイバカプラ４３６を通過し、２つの経路に分かれる。第一の経路は光ファイバ４２４に至り、これはある実施形態において、図３のＡＤＭ電子部品１６４の測定チャネルに至る光ファイバ１６９に対応する。第二の経路は光ファイバ４３３に、その後、第一のファイバカプラ４３０に至る。第一のファイバカプラ４３０から出た光は２つの経路、すなわち光ファイバ４３２への第一の経路と低反射終端部４３５への第二の経路に分かれる。ある実施形態において、光ファイバ４３２は光ファイバ１８４に対応し、これは図３の光源１６２に至る。ほとんどの場合、光源１６２は内蔵ファラデーアイソレータを含み、これは光ファイバ４３２から光源に入る光の量を最小限にする。反対方向にレーザに供給される光が多すぎると、レーザが不安定となる可能性がある。
【００２７】
ファイバ網１６６からの光は光ファイバ１６８、１６９を通じてＡＤＭ電子部品１６４に入る。先行技術のＡＤＭ電子部品のある実施形態が図７に示されている。図３の光ファイバ１６８は、図７の光ファイバ３２３２に対応し、図３の光ファイバ１６９は図７の光ファイバ３２３０に対応する。ここで図７を参照すると、ＡＤＭ電子部品３３００は、周波数基準３３０２と、合成装置３３０４と、測定検出器３３０６と、参照検出器３３０８と、測定ミキサ３３１０と、参照ミキサ３３１２と、コンディショニング電子部品３３１４、３３１６、３３１８、３３２０と、Ｎ分周プリスケーラ３３２４と、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）３３２２と、を含む。周波数基準は、例えば恒温槽水晶振動子（ＯＣＸＯ）であってもよく、１０ＭＨｚとしうる基準周波数ｆＲＥＦを例えば合成装置に送信し、これが２種類の電気信号、すなわち周波数ｆＲＦの１つの信号と周波数ｆＬＯの２つの信号を生成する。信号ｆＲＦは光源３１０２に供給され、これは図３光源１６２に対応する。周波数ｆＬＯの２つの信号は測定ミキサ１１１０と参照ミキサ３３１２に供給される。図３の光ファイバ１６８、１６９からの光は、それぞれ図７のファイバ３２３２、３２３０上に現れ、それぞれ参照および測定チャネルに入る。参照検出器３３０８と測定検出器３３０６は、光信号を電気信号に変換する。これらの信号は、それぞれ電気構成部品３３１６、３３１４によってコンディショニングされ、それぞれミキサ３３１２、３３１０に送信される。ミキサは、ｆＬＯ−ｆＲＦの絶対値と等しい周波数ｆＩＦを生成する。信号ｆＲＦは比較的高い周波数、例えば２ＧＨであってもよく、その一方で信号ｆＩＦは比較的低い周波数、例えば１０ｋＨｚであってもよい。
【００２８】
参照周波数ｆＲＥＦはプリスケーラ３３２４に送信され、これがその周波数を整数値で分周する。例えば、１０ＭＨｚの周波数は４０で分周されて、２５０ｋＨｚの出力周波数が得られる。この例では、ＡＤＣ  ３３２２に入る１０ｋＨｚの信号は２５０ｋＨｚの速度でサンプリングされ、それによって１サイクルあたり２５のサンプルが生成される。ＡＤＣ  ３３２２からの信号はデータプロセッサ３４００に送信され、これは、例えば図３のＡＤＭ電子部品１６４の中に設置される１つまたは複数のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ユニットであってもよい。
【００２９】
ある距離を抽出する方法は、参照および測定チャネル用のＡＤＣ信号の位相の計算に基づく。この方法は、Ｂｒｉｄｇｅｓらの米国特許第７，７０１，５５９号（以下、「‘  ５５９号特許」という）に詳しく記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。計算は、‘５５９号特許の式（１）〜（８）の使用を含む。これに加えて、ＡＤＭが最初にレトロリフレクタの測定を開始すると、合成装置によって生成される周波数は、何度か（例えば、３回）変更され、毎回、ありうるＡＤＭ距離が計算される。選択された周波数の各々についてのありうるＡＤＭ距離を比較することによって、ＡＤＭ測定値の不明確さが排除される。‘５９９号特許の式（１）〜（８）に‘５５９号特許の図５に関して説明された同期方法および‘５５９号特許に記載されているカルマンフィルタ方式を組み合わせることにより、ＡＤＭは移動するターゲットを測定できる。他の実施形態においては、他の方法、例えば位相差ではなくパルス式飛行時間を使用することにより、絶対距離測定値を得てもよい。
【００３０】
ビームスプリッタ１５５を通る回帰光ビーム１９０の一部はビームスプリッタ１４５に到達し、これが光の一部をビームスプリッタ１４０に、また光の別の部分を位置検出器アセンブリ１５０に送信する。レーザトラッカ１０またはＥＯシステム１００から発せられる光は第一のビームと考えてもよく、その光の、レトロリフレクタ９０または２６で反射された部分は第二のビームと考えてもよい。反射ビームの一部はＥＯシステム１００の異なる機能要素に送られる。例えば、第一の部分は図３のＡＤＭ  １６０等の距離計に送られてもよい。第二の部分は、位置検出器アセンブリ１５０に送られてもよい。場合により、第三の部分は、任意選択による干渉計１２０等の他の機能ユニットに送信されてもよい。重要な点として、図３の例では、第二のビームの第一の部分と第二の部分がそれぞれビームスプリッタ１５５と１４５で反射された後に距離計と位置検出器に送信されるが、反射ではなく、光を距離計または位置検出器へと光を透過させることも可能であると理解すべきである。
【００３１】
先行技術の位置検出器アセンブリ１５０Ａ〜１５０Ｄの４つの例が図６Ａ〜Ｄに示されている。図６Ａは最も単純な例を示しており、位置検出器アセンブリは位置センサ１５１を含み、これは回路板１５２上に取り付けられ、それが電子ボックス３５０から電源を得て、また信号をそこに戻し、これが表すのはレーザトラッカ１０、補助ユニット５０、または外部コンピュータ６０の中の何れかの位置における電子処理機能であってよい。図６Ｂは光フィルタ１５４を含み、これは不要な光波長が位置センサ１５１に到達しないようにブロックする。不要な光波長はまた、たとえばビームスプリッタ１４５または位置センサ１５１の表面を適当なフィルムで被覆することによってブロックしてもよい。図６Ｃはレンズ１５３を含み、これは光ビームの大きさを縮小する。図６Ｄは、光フィルタ１５４とレンズ１５３の両方を含む。
【００３２】
図６Ｅは、本発明のある実施形態による位置検出アセンブリを示し、これは光学コンディショナ１４９Ｅを含む。光学コンディショナはレンズ１５３を含み、また、任意選択による波長フィルタ１５４も含んでいてよい。そのほかに、拡散板１５６と空間フィルタ１５７の少なくとも一方を含む。前述のように、一般的な種類のレトロリフレクタはコーナキューブレトロリフレクタである。１種のコーナキューブレトロリフレクタは３つのミラーで構成され、各々、残りの２つのミラーと直角に連結される。これら３つのミラーが連結される交線は有限厚を有していてもよく、光は完全にはトラッカに反射されない。有限厚を有する線は、これらが伝播する間に回折し、位置検出器に到達した時に、これらが位置検出器にある時とまったく同じには見えないかもしれない。しかしながら、回折光パターンは一般に、完璧な対称からずれている。その結果、位置検出器１５１に当たる光には、例えば回折した線の付近で光パワー（ホットスポット）の増減があるかもしれない。レトロリフレクタからの光の均一性はレトロリフレクタごとに異なる可能性があるため、また位置検出器上の光の分散が、レトロリフレクタの回転または傾きに伴って変化する可能性があるため、拡散板１５６を含めることにより、位置検出器１５１に当たる光の平滑さを改善することが有利でありうる。理想的な位置検出器は重心に応答するはずであり、理想的な拡散板はスポットを対称に広げるはずであるため、位置検出器は結果として得られた位置に影響を与えないはずであると主張することができる。しかしながら、実際には、拡散板は位置検出器アセンブリの性能を改善することが観察され、これはおそらく、位置検出器１５１とレンズ１５３の非線形性（不完全性）の効果による。ガラス製のコーナキューブレトロリフレクタはまた、位置検出器１５１において不均一な光スポットを生成してもよい。位置検出器における光のスポットのばらつきは、６−ＤＯＦターゲットの中のコーナキューブから反射される光から特に顕著であるかもしれず、これは本願と共通の譲受人に譲渡された、２０１２年２月１０日出願の米国特許出願第１３／３７０，３３９号（以下、「‘３３９号出願」という）と２０１２年２月２９日出願の同第１３／４０７，９８３号（以下、「‘９８３号出願」という）からより明らかに理解されるかもしれず、これらの内容を参照によって本願に援用する。ある実施形態において、拡散板１５６はホログラフィックディフューザである。ホログラフィックディフューザは、制御された均質な光を指定された拡散角度で供給する。他の実施形態では、他の種類の拡散板、例えばすりガラス、または「オパール」拡散板が使用される。
【００３３】
位置検出器アセンブリ１５０Ｅの空間フィルタ１５７の目的は、例えば光学的平面での不要な反射により生じうるゴーストビームが位置検出器１５１に当たらないようにブロックすることである。空間フィルタは、アパーチャを有するプレート１５７を含む。空間フィルタ１５７をレンズから、レンズの焦点距離と略等しい距離だけ離れた位置に設置することにより、回帰光２４３Ｅは、それがその最も狭い、ビームのウエストの付近にある時に空間フィルタを通過する。例えば光学要素の反射の結果として異なる角度で進んでいるビームは、アパーチャから離れた位置で空間フィルタに当たり、位置検出器１５１に到達しないようにブロックされる。一例が図６Ｅに示されており、その中では不要なゴーストビーム２４４Ｅがビームスプリッタ１４５の表面で反射され、空間フィルタ１５７へと進み、そこでブロックされる。空間フィルタがないと、ゴーストビーム２４４Ｅは位置検出器１５１に到達しており、それによって位置検出器１５１上のビーム２４３Ｅの位置が不正確に判定されることになるであろう。たとえ弱いゴーストビームであっても、そのゴーストビームが主要な光スポットから比較的大きな距離だけ離れている場合、位置検出器１５１上の重心の位置を大きく変化させる可能性がある。
【００３４】
ここに記載された種類のレトロリフレクタ、例えばコーナキューブまたはキャットアイレトロリフレクタは、レトロリフレクタに、入射光線に平行な方向に入射する光線を反射する特性を有する。これに加えて、入射および反射光線はレトロリフレクタの対称点の周囲に対称に置かれてもよい。例えば、オープンエアコーナキューブレトロリフレクタの場合、レトロリフレクタの対称点はコーナキューブの頂点である。ガラス製コーナキューブレトロリフレクタでは、対称点はまた頂点であるが、この場合、ガラスと空気の界面において光が曲がることを考慮する必要がある。屈折率が２．０のキャットアイレトロリフレクタでは、対称点は球心にある。共通平面上に対称に設置された２つのガラス製半球から作られるキャットアイレトロリフレクタでは、対称点はその平面上の、各半球の球心に位置する点である。重要な点は、レーザトラッカと通常使用されるレトロリフレクタの種類に関して、レトロリフレクタによってトラッカに戻される光は、入射レーザビームに関して頂点の反対側にシフトする。
【００３５】
図３のレトロリフレクタ９０のこの挙動は、レーザトラッカによるレトロリフレクタのトラッキングの根拠である。位置センサは、その表面上に理想的な引き返し点を有する。理想的な引き返し点は、レトロリフレクタの対称点（例えば、ＳＭＲの中のコーナキューブレトロリフレクタの頂点）に送られたレーザビームが戻る点である。通常、引き返し点は位置センサの中心付近にある。レーザビームがレトロリフレクタの片側に送られる場合、これは反対側に後方反射し、位置センサの引き返し点からずれて見える。位置センサ上の光回帰ビームの位置を知ることによって、レーザトラッカ１０の制御システムは、モータに光ビームをレトロリフレクタの対称点に向かって移動させることができる。
【００３６】
レトロリフレクタがトラッカを一定の速度で横切ると、レトロリフレクタでのビームは（過渡応答が落ち着いた後）、レトロリフレクタの対称点から一定の距離だけずれてレトロリフレクタに当たる。レーザトラッカは、制御された測定から得られるスケール係数に基づいて、および位置センサ上の光ビームから理想的な引き返し点までの距離に基づいて、このずれの距離を考慮した補正を行う。
【００３７】
上で説明したように、位置検出器は２つの重要な機能を果たす。すなわち、トラッキングを可能にすることと、レトロリフレクタの移動を考慮して測定値を補正することである。位置検出器内の位置センサは、位置を測定できればどの種類の装置であってもよい。たとえば、位置センサは位置感知検出器でも、感光素子アレイでもよい。位置感知検出器は、例えばラテラルエフェクト検出器であっても、４分割検出器であってもよい。感光素子アレイは、例えばＣＭＯＳまたはＣＣＤアレイであってもよい。
【００３８】
ある実施形態において、ビームスプリッタ１４５で反射されない回帰光はビームエクスパンダ１４０を通過し、それによってより小さくなる。他の実施形態において、位置検出器と距離計の位置が逆転され、それによってビームスプリッタ１４５によって反射された光は距離計へと進み、ビームスプリッタを透過した光は位置検出器へと進む。
【００３９】
光は任意選択によるＩＦＭを通り、アイソレータを通り、可視光源１１０に入る。この段階で、光パワーは十分に小さいため、可視光源１１０を不安定にしない。
【００４０】
ある実施形態において、可視光源１１０からの光は図５のビーム入射射出部１７０を通じて射出される。ファイバ入射射出部は、光源１１０の出力またはアイソレータ１１５の光ファイバ出力に取り付けられてもよい。
【００４１】
ある実施形態において、図３のファイバ網１６６は図８Ｂの先行技術のファイバ網４２０Ｂである。ここで、図３の光ファイバ１８４、１８６、１６８、１６９は、図８Ｂの光ファイバ４４３、４４４、４２４、４２２に対応する。図８Ｂのファイバ網は図８Ａのファイバ網と同様であるが、図８Ｂのファイバ網は２つのファイバカプラの代わりに１つのファイバカプラを有する。図８Ｂの図８Ａと比較した利点は単純さであるが、図８Ｂのほうが、不要な光の後方反射が光ファイバ４２２と４２４に入る可能性がより高い。
【００４２】
ある実施形態において、図３のファイバ網１６６は図８Ｃのファイバ網４２０Ｃである。ここで、図３の光ファイバ１８４、１８６、１６８、１６９は図８Ｃの光ファイバ４４７、４５５、４２３、４２４に対応する。ファイバ網４２０Ｃは、第一のファイバカプラ４４５と第二のファイバカプラ４５１を含む。第一のファイバカプラ４４５は２×２カプラであり、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する。この種のカプラは通常、２つのファイバコアを密接に近付けて設置し、その後加熱しながら線引きすることによって製作される。このようにして、ファイバ間のエバネッセント結合によって、光の所望の部分を隣接するファイバに分けることができる。第二のファイバカプラ４５１はサーキュレータと呼ばれる種類である。これは３つのポートを有し、その各々が光を送信または受信できるが、指定された方向に限られる。例えば、光ファイバ４４８上の光はポート４５３に入り、矢印で示されるようにポート４５４に運ばれる。ポート４５４では、光は光ファイバ４５５に送信されてもよい。同様に、光ファイバ４５５上で送られる光はポート４５４に入り、矢印の方向でポート４５６に向かって伝送されてもよく、ここで一部の光が光ファイバ４２４に伝送されてもよい。必要なポートが３つのみでよい場合、サーキュレータ４５１の光パワーの損失は、２×２カプラの場合より小さくなる可能性がある。他方で、サーキュレータ４５１は２×２カプラより高価でありえ、また、偏波モード分散が生じる可能性があり、これは状況によっては問題となりうる。
【００４３】
図９と１０は、参照によって本願に援用されるＢｒｉｄｇｅらの米国特許出願公開第２０１０／０１２８２５９号の図２と３に示される先行技術のレーザトラッカ２１００の、それぞれ分解図と断面図を示す。アジマスアセンブリ２１１０は、支柱筐体２１１２と、アジマスエンコーダアセンブリ２１２０と、下側および上側アジマスベアリング２１１４Ａ、２１１４Ｂと、アジマスモータアセンブリ２１２５と、アジマススリップリングアセンブリ２１３０と、アジマス回路板２１３５と、を含む。
【００４４】
アジマスエンコーダアセンブリ２１２０の目的は、支柱筐体２１１２に関するヨーク２１４２の回転角度を正確に測定することである。アジマスエンコーダアセンブリ２１２０は、エンコーダディスク２１２１と、読取ヘッドアセンブリ２１２２と、を含む。エンコーダディスク２１２１は、ヨーク筐体２１４２のシャフトに取り付けられ、読取ヘッドアセンブリ２１２２はポストアセンブリ２１１０に取り付けられる。読取ヘッドアセンブリ２１２２は回路板を含み、その上に１つまたは複数の読取ヘッドが固定される。読取ヘッドから送られたレーザ光は、エンコーダディスク２１２１の微細格子線で反射される。エンコーダの読取ヘッド上の検出器によりピックアップされる反射光は処理されて、固定された読取ヘッドに関して回転するエンコーダディスクの角度が特定される。
【００４５】
アジマスモータアセンブリ２１２５は、アジマスモータロータ２１２６と、アジマスモータステータ２１２７と、を含む。アジマスモータロータは、ヨーク筐体２１４２のシャフトに直接取り付けられた永久磁石を含む。アジマスモータステータ２１２７は磁界巻線を含み、これが所定の磁界を生成する。この磁界がアジマスモータロータ２１２６の磁石と相互作用して、所望の回転運動を発生させる。アジマスモータステータ２１２７は、支柱フレーム２１１２に取り付けられる。
【００４６】
アジマス回路板２１３５は、エンコーダやモータ等のアジマス構成部品によって必要とされる電気的機能を提供する１つまたは複数の回路板を表す。アジマススリップリングアセンブリ２１３０は、外側部分２１３１と内側部分２１３２を含む。ある実施形態において、ワイヤ束２１３８は、補助ユニットプロセッサ５０から出る。ワイヤ束２１３８は、トラッカへの電源または、トラッカへの、およびそこからの信号を伝送してもよい。ワイヤ束２１３８のワイヤの一部は回路板上のコネクタに案内されてもよい。図１０に示される例において、ワイヤはアジマス回路板２１３５、エンコーダ読取ヘッドアセンブリ２１２２、アジマスモータアセンブリ２１２５に引き回される。他のワイヤは、スリップリングアセンブリ２１３０の内側部分２１３２に引き回される。内側部分２１３２は、支柱アセンブリ２１１０に取り付けられ、その結果、静止したままとなる。外側部分２１３１はヨーク筐体２１４０に取り付けられ、したがって、内側部分２１３２に関して回転する。スリップリングアセンブリ２１３０は、外側部分２１３１が内側部分２１３２に関して回転する際に、低インピーダンス電気接触を可能にするように設計される。
【００４７】
セニスアセンブリ２１４０は、ヨーク筐体２１４２と、セニスエンコーダアセンブリ２１５０と、左右のゼニスベアリング２１４４Ａ、２１４４Ｂと、ゼニスモータアセンブリ２１５５と、セニススリップリングアセンブリ２１６０と、ゼニス回路板２１６５と、を含む。
【００４８】
ゼニスエンコーダアセンブリ２１５０の目的は、ペイロードフレーム２１７２のヨーク筐体２１４２に関する回転角度を正確に測定することである。ゼニスエンコーダアセンブリ２１５０は、ゼニスエンコーダディスク２１５１と、ゼニス読取ヘッドアセンブリ２１５２と、を含む。エンコーダディスク２１５１はペイロード筐体２１４２に取り付けられ、読取ヘッドアセンブリ２１５２はヨーク筐体２１４２に取り付けられる。ゼニス読取ヘッドアセンブリ２１５２は回路板を含み、その上に１つまたは複数の読取ヘッドが固定される。読取ヘッドから送られたれレーザ光は、エンコーダディスク２１５１上の微細格子線で反射される。エンコーダ読取ヘッド上の検出器によってピックアップされた反射光は処理されて、固定された読取ヘッドに関して回転するエンコーダディスクの角度が特定される。
【００４９】
ゼニスモータアセンブリ２１５５は、ゼニスモータロータ２１５６と、ゼニスモータステータ２１５７と、を含む。ゼニスモータロータ２１５６は、ペイロードフレーム２１７２のシャフトに直接取り付けられた永久磁石を含む。ゼニスモータステータ２１５７は磁界巻線を含み、これが所定の磁界を生成する。この磁界はロータ磁石と相互作用して、所望の回転運動を発生させる。ゼニスモータステータ２１５７はヨークフレーム２１４２に取り付けられる。
【００５０】
ゼニス回路板２１６５は１つまたは複数の回路板を表し、これはエンコーダやモータ等のゼニス構成要素により必要とされる電気的機能を提供する。ゼニススリップリングアセンブリ２１６０は、外側部分２１６１と内側部分２１６２を含む。ワイヤ束２１６８は、アジマス外側スリップリング２１３１から出て、電源または信号を伝えてもよい。ワイヤ束２１６８のワイヤの一部は、回路板上のコネクタに案内されてもよい。図１０に示される例において、ワイヤはゼニス回路板２１６５、ゼニスモータアセンブリ２１５０、エンコーダ読取ヘッドアセンブリ２１５２に引き回される。その他のワイヤは、スリップリングアセンブリ２１６０の内側部分２１６２に引き回される。内側部分２１６２はヨークフレーム２１４２に取り付けられ、その結果、アジマス角度だけで回転し、セニス角度では回転しない。外側部分２１６１はペイロードフレーム２１７２に取り付けられ、その結果、ゼニスおよびアジマス角度の両方に回転する。スリップリングアセンブリ２１６０は、外側部分２１６１が内側部分２１６２に関して回転する時に低インピーダンス電気コンタクトが可能となるように設計される。ペイロードアセンブリ２１７０は、主要光学系アセンブリ２１８０と、二次的光学系アセンブリ２１９０と、を含む。
【００５１】
図１１は、寸法測定電子部品処理システム１５００を示すブロック図であり、これはレーザトラッカ電子部品処理システム１５１０と、周辺要素１５８２、１５８４、１５８６の処理システムと、コンピュータ１５９０と、ここでは雲で示されているその他のネットワーク接続された構成部品１６００と、を含む。例示的なレーザトラッカ電子部品処理システム１５１０は、マスタプロセッサ１５２０と、ペイロード機能電子部品１５３０と、アジマスエンコーダ電子部品１５４０と、ゼニスエンコーダ電子部品１５５０と、ディスプレイおよびユーザインタフェース（ＵＩ）電子部品１５６０と、取り外し可能な記憶ハードウェア１５６５と、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）電子機器と、アンテナ１５７２と、を含む。ペイロード機能電子部品１５３０は多数の副機能を含み、これには６−ＤＯＦ電子部品１５３１と、カメラ電子部品１５３２と、ＡＤＭ電子部品１５３３と、位置検出器（ＰＳＤ）電子部品１５３４と、レベル電子部品１５３５と、が含まれる。副機能のほとんどは少なくとも１つのプロセッサユニットを有し、これは例えばデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）であってもよい。電子部品ユニット１５３０、１５４０、１５５０は図のように分離しており、それはレーザトラッカ内のその位置による。ある実施形態では、ペイロード機能１５３０は図９、１０のペイロード２１７０の中にあり、アジマスエンコーダ電子部品１５４０はアジマスアセンブリ２１１０の中にあり、ゼニスエンコーダ電子部品１５５０はゼニスアセンブリ２１４０の中にある。
【００５２】
多くの種類の周辺機器が可能であるが、ここではそのような機器が３つ示されている。すなわち、温度センサ１５８２と、６−ＤＯＦプローブ１５８４と、例えばスマートフォンであってもよい携帯情報端末１５８６である。レーザトラッカは周辺機器と様々な方法で通信してもよく、これにはアンテナ１５７２を通じた無線通信、カメラ等の視覚的シスムによる方法、６−ＤＯＦプローブ１５８４等の協働ターゲットまでの距離と角度読取値による方法等が含まれる。周辺機器はプロセッサを含んでいてもよい。６−ＤＯＦ用アクセサリとしては、６−ＤＯＦプローブアセンブリ、６−ＤＯＦスキャナ、６−ＤＯＦプロジェクタ、６−ＤＯＳセンサ、６−ＤＯＦインディケータ等が含まれていてもよい。これらの６−ＤＯＦ機器のプロセッサは、レーザトラッカ内の処理装置および外部コンピュータおよびクラウド処理リソースと共用されてもよい。一般に、レーザトラッカプロセッサまたは測定機器プロセッサという用語が使用される場合、これは可能な外部コンピュータとクラウドサポート機能を含むものとする。
【００５３】
ある実施形態において、別の通信バスはマスタプロセッサ１５２０から電子部品ユニット１５３０、１５４０、１５５０、１５６０、１５６５、１５７０の各々に至る。各通信線は例えば、３つのシリアル回線を有していてもよく、これにはデータ線、クロック線、フレーム線が含まれる。フレーム線は、電子機器ユニットがクロック線に注意を払うべきか否かを示す。それが、注意を払うべきであることを示している場合、電子部品ユニットは、各クロック信号でのデータ線の電流値を読み取る。クロック信号は、例えばクロックパルスの立ち上がりエッジに対応してもよい。ある実施形態において、情報はパケットの形態でデータ線により伝送される。ある実施形態において、各パケットはアドレス、数値、データメッセージ、チェックサムを含む。アドレスは、電子部品ユニットの中で、データメッセージの送信先となる場所を示す。その位置は、例えば電子部品ユニット内のプロセッササブルーチンに対応していてもよい。数値は、データメッセージの長さを示す。データメッセージには、電子部品ユニットが伝送するべきデータまたは命令が含まれる。チェックサムは、エラーが通信線に伝送される機会を最小限にするために使用される数値である。
【００５４】
ある実施形態において、マスタプロセッサ１５２０は、バス１６１０上でペイロード機能電子部品１５３０に、バス１６１１上でアジマスエンコーダ電子部品１５４０に、バス１６１２上でゼニスエンコーダ電子部品１５５０に、バス１６１３上でディスプレイとＵＩ電子部品１５６０に、バス１６１４上で取り外し可能な記憶ハードウェア１５６５に、バス１６１６上でＲＦＩＤおよび無線電子部品１５７０に情報パケットを送信する。
【００５５】
ある実施形態において、マスタプロセッサ１５２０はまた、ｓｙｎｃｈバス１６３０上でｓｙｎｃｈ（同期）パルスを電子部品ユニットの各々に同時に送信する。ｓｙｎｃｈパルスにより、レーザトラッカの測定機能によって収集される数値を同期することができる。例えば、アジマスエンコーダ電子部品１５４０とゼニス電子部品１５５０は、ｓｙｎｃｈパルスを受信するとすぐにそのエンコーダの値をラッチする。同様に、ペイロード機能電子部品１５３０は、ペイロードに含まれる電子部品により収集されるデータをラッチする。６−ＤＯＦ、ＡＤＭ、位置検出器はすべて、ｓｙｎｃｈパルスが供給されるとデータをラッチする。ほとんどの場合、カメラと傾斜計はｓｙｎｃｈパルス繰り返し数より低速でデータを収集するが、ｓｙｎｃｈパルス周期の倍数でデータをラッチしてもよい。
【００５６】
アジマスエンコーダ電子部品１５４０とゼニスエンコーダ電子部品１５５０は、相互に、およびペイロード電子部品１５３０から、図９、１０に示されるスリップリング２１３０、２１６０によって分離される。そのために、図１１ではバス線１６１０、１６１１、１６１２が別々のバス線として描かれている。
【００５７】
レーザトラッカ電子部品処理システム１５１０は、外部コンピュータ１５９０と通信しても、レーザトラッカ内の演算、ディスプレイ、ＵＩ機能を提供してもよい。レーザトラッカは、例えばイーサネット（登録商標）回線または無線通信等とすることのできる通信リンク１６０６上でコンピュータ１５９０と通信してもよい。レーザトラッカはまた、雲により示されるその他の要素１６００と、イーサネットケーブル、１つまたは複数の無線接続等の通信リンク１６０２と通信してもよい。要素１６００の一例は、他の三次元試験機器、例えば関節アーム式ＣＭＭであり、これはレーザトラッカによって移動されてもよい。コンピュータ１５９０と要素１６００の間の通信リンク１６０４は、有線（例えば、イーサネット）でも無線でもよい。遠隔コンピュータ１５９０の前に座っているオペレータは、雲１６００で示されているインターネットにイーサネットまたは無線により接続してもよく、これらはイーサネットまたは無線でマスタプロセッサ１５２０に接続されている。このようにして、使用者は遠隔レーザトラッカの動作を制御できる。
【００５８】
レーザトラッカでは今日、１つの可視波長（通常、赤）と１つの赤外波長がＡＤＭに使用されている。赤波長は干渉計での使用と赤ポインタビームの提供のための使用に適した周波数安定化ヘリウムネオン（ＨｅＮｅ）レーザにより供給されてもよい。あるいは、赤波長は、ポインタビームとしての役割を果たすダイオードレーザにより供給されてもよい。２つの光源を使用する場合の欠点は、追加の光源、ビームスプリッタ、アイソレータ、その他の構成部品によって必要となる余分な空間とコスト増大である。２つの光源を使用する場合の他の欠点は、ビームが進む経路全体にわたって２つの光ビームを完璧に整合させるのは難しいことである。これは様々な問題の原因となりえ、例えば、異なる波長で動作する異なるサブシステムから良好な性能を同時に得ることができない。１つの光源を使用し、それによって上記の欠点を排除したシステムが、図１２Ａの光電子システム５００に示されている。
【００５９】
図１２Ａは、可視光源１１０と、アイソレータ１１５と、ファイバ網４２０と、ＡＤＭ電子部品５３０と、ファイバ入射射出部１７０と、ビームスプリッタ１４５と、位置検出器１５０と、を含む。可視光源１１０は、例えば赤または緑ダイオードレーザまたは垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であってもよい。アイソレータは、ファラデーアイソレータ、減衰器、または、光源に戻される光の量を十分に減少させることのできるその他の機器の何れであってもよい。アイソレータ１１５からの光はファイバ網４２０へと進み、これはある実施形態において、図８Ａのファイバ網４２０Ａである。
【００６０】
図１２Ｂは、光電子システム４００のある実施形態を示しており、その中では単一波長の光が使用されているが、変調は光源の直接変調によらず、光の電気光学的変調によって行われる。光電子システム４００は、可視光源１１０と、アイソレータ１１５と、電気光学的変調器４１０と、ＡＤＭ電子部品４７５と、ファイバ網４２０と、ファイバ入射射出部１７０と、ビームスプリッタ１４５と、位置検出器１５０と、を含む。可視光源１１０は、例えば赤または緑のレーザダイオードであってもよい。レーザ光はアイソレータ１１５を通じて送られ、これは例えばファラデーアイソレータまたは減衰器であってもよい。アイソレータ１１５は、その入力および出力ポートにおいて結合されるファイバであってもよい。アイソレータ１１５は光を電気光学的変調器４１０に送り、これは光を、最大１０ＧＨｚまたは所望に応じてそれ以上の選択された周波数に変調する。ＡＤＭ電子部品４７５からの電気信号４７６は、電気光学的変調器４１０の中の変調を駆動する。電気光学的変調器４１０からの変調光はファイバ網４２０へと進み、これは前述のようなネットワーク４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃまたは４２０Ｄであってもよい。光の一部は光ファイバ４２２を通じてＡＤＭ電子部品４７５の参照チャネルへと進む。光の別の部分はトラッカから出て、レトロリフレクタ９０で反射され、トラッカに戻り、ビームスプリッタ１４５に到達する。光のうちの少量がビームスプリッタで反射され、位置検出器１５０へと進み、これについては図６Ａ〜Ｆに関して上述した。光の一部はビームスプリッタ１４５を通ってファイバ入射射出部１７０に入り、ファイバ網４２０を通じて光ファイバ４２４に入り、また、ＡＤＭ電子部品４７５の測定チャネルに入る。一般に、図１２Ａのシステム５００は、図１２Ｂのシステム４００より安価に製造できるが、電気光学的変調器４１０は、より高い変調周波数を実現できる可能性があり、これは場合によっては有利となりうる。
【００６１】
図１３は、ロケータカメラシステム９５０と光電子システム９００のある実施形態を示しており、方位カメラ９１０が３Ｄレーザトラッカの高電子機能と組み合わされて、６自由度測定を行う。光電子システム９００は、可視光源９０５と、アイソレータ９１０と、任意選択による電気光学的変調器４１０と、ＡＤＭ電子部品７１５と、ファイバ網４２０と、ファイバ入射射出部１７０と、ビームスプリッタ１４５と、位置検出器１５０と、ビームスプリッタ９２２と、方位カメラ９１０と、を含む。可視光源からの光は光ファイバ９８０の中に発生され、アイソレータ９１０を通って進み、これは入力および出力ポートに連結された光ファイバであってもよい。光は電気光学的変調器４１０を通って進み、ＡＤＭ電子部品７１５からの電気信号７１６によって変調される。あるいは、ＡＤＭ電子部品７１５は、ケーブル７１７上で電気信号を送信し、可視光源９０５を変調する。ファイバ網に入る光の一部は、ファイバ長イコライザ４２３と光ファイバ４２２を通じて進み、ＡＤＭ電子部品７１５の参照チャネルに入る。電気信号４６９は任意選択によってファイバ網４２０に供給されてもよく、これはファイバ網４２０内の光ファイバスイッチに切り替え信号を供給する。光の一部はファイバネットワークからファイバ入射射出部１７０へと進み、これは光ファイバ上で光を自由空間に光ビーム９８２として送る。光のうちの少量がビームスプリッタ１４５で反射されて失われる。光の一部はビームスプリッタ１４５を通り、ビームスプリッタ９２２を通り、トラッカから出て、６自由度（ＤＯＦ）装置４０００へと進む。６−ＤＯＦ装置４０００は、プローブ、スキャナ、プロジェクタ、センサまたはその他の機器であってもよい。
【００６２】
６−ＤＯＦ装置４０００からの光は、その回帰路上で光電子システム９００に入り、ビームスプリッタ９２２に到達する。光の一部はビームスプリッタ９２２で反射され、方位カメラ９１０に入る。方位カメラ９１０が、レトロリフレクタターゲットに設けられたいくつかのマークの位置を記録する。これらのマークから６−ＤＯＦプローブの方位角（すなわち、３自由度）が特定される。方位カメラの原理は、本願においては以下に、また‘５８号特許においても説明されている。ビームスプリッタ１４５では光の一部がビームスプリッタを通って進み、ファイバ入射射出部１７０によって光ファイバに載せられる。光はファイバ網４２０へと進む。この光の一部は、光ファイバ４２４へと進み、そこからＡＤＭ電子部品７１５の測定チャネルに入る。
【００６３】
ロケータカメラシステム９５０は、カメラ９６０と、１つまたは複数の光源９７０と、を含む。ロケータカメラシステムは図１にも示されており、そこではカメラが要素５２であり、光源が要素５４である。カメラは、レンズシステム９６２と、感光素子アレイ９６４と、本体９６６と、を含む。ロケータカメラシステム９５０の１つの用途は、レトロリフレクタターゲットを作業空間内で位置特定することである。それは、光源９７０を点滅させることによって行われ、カメラが感光素子アレイ９６４上の明るいスポットとしてこれをピックアップする。ロケータカメラシステム９５０の第二の用途は、６−ＤＯＦ装置４０００上のリフレクタスポットまたはＬＥＤの観察位置に基づいて、６−ＤＯＦ装置４０００の大まかな方位を確定することである。２つまたはそれ以上のロケータカメラシステムをレーザトラッカ上で利用できる場合は、作業空間内での各レトロリフレクタターゲットの方向は、角測量の原理を使って計算してもよい。１つのロケータカメラを、レーザトラッカの光軸に沿って反射された光をピックアップするように設置した場合、各レトロリフレクタまでの方向が特定できる。１つのカメラをレーザトラッカの光軸から外して設置した場合、感光素子アレイ上の画像から、レトロリフレクタターゲットまでの大体の方向をすぐに得ることができる。この場合、ターゲットまでのより正確な方向は、レーザの機械軸を複数の方向に回転させて、感光素子アレイ上のスポット位置の変化を観察することによって特定できる。
【００６４】
図１４Ａは、６−ＤＯＦプローブ４４００のある実施形態を示す。プローブ４４００は、強力な磁石４４４３３を有する磁気ネスト４４３２の上に設置された６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４を含む。６−ＤＯＦプローブ４４００は、スタイラス４４１０と、本体４４２０と、ヘッド４４３０と、を含む。スタイラス４４１０は、プローブ先端４４１４と、プローブシャフト４４１２とを含む。ヘッド４４３０は、磁気ネスト４４３２を含み、これは、６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４をＳＭＲ中心の周囲で回転させるが、ＳＭＲ中心を平行移動させないように構成される。６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４は、自立式のターゲットとして有利に使用してもよい。このようにすれば、６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４と６−ＤＯＦプローブ４４００の両方を６−ＤＯＦ  ＳＭＲのみの場合とほとんど同じ価格で得られる。ある実施形態において、６−ＤＯＦ  ＳＭＲは反射面間に交線を含み、この交線はカメラ９１０等の方位カメラによって見える。６−ＤＯＦ  ＳＭＲの態様については、‘３３９号および‘９８３号特許出願においてより詳しく説明されている。一般に、６−ＤＯＦレーザトラッカは、レトロリフレクタターゲットを持つプローブの６自由度測定能力を有する。このような６−ＤＯＦ測定値を得る１つの方法は、前述のように、マークをコーナキューブレトロリフレクタに組み込み、これらのマークを方位カメラで観察して、６−ＤＯＦ  ＳＭＲまたは６−ＤＯＦプローブの３方位自由度判定を行うことである。
【００６５】
３方位自由度判定を行うための他の方法も使用してよい。本願において、方位センサという用語は、レーザトラッカと共用して、３方位自由度判定を行うことが可能な機器のすべてを指すものとする。３方位自由度判定を行うための他の方法の第一の例は、少なくとも３つの光の点を、レトロリフレクタを含むプローブ上に置くことである。光の点を観察することにより、ある構成によって、３方位自由度判定が可能となる。３方位自由度判定のための代替的方法の第二の例は、２つのセンサ方法の組み合わせを使用するものである。第一のセンサ方法は、コーナキューブレトロリフレクタに衝突した光のうちの少量がレトロリフレクタを通過して位置検出器に当たるようにすることであり、位置検出器は例えばＣＭＯＳアレイまたは位置感知検出器であってもよい。このような方法により、ある実施形態においてはプローブアセンブリに取り付けられるレトロリフレクタのピッチおよびヨー角度を判定できる。第二のセンサ方法は、角度エンコーダに連結された機械的振り子を使って、重力ベクトルに関するプローブの方位を測定することである。この測定により、プローブのロール角度に密接に関係する角度が得られる。第一のセンサと第二のセンサの結果を合わせることによって、３方位自由度が得られる。どの方法が使用するかにかかわらず、測定装置から分離可能なＳＭＲを組み込むというアイディアは適用可能である。何れの場合においても、方位センサという用語は、３方位自由度測定に必要な装置を表す。
【００６６】
図１４Ｂは、６−ＤＯＦプローブ４４５０のある実施形態を示す。これは、６−ＤＯＦプローブ４４００と同様であるが、それが拘束手段４４６０を含む点が異なる。拘束手段は、６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４と接触する要素を含み、これは例えば、機械加工された金属片、プラスチックカバー、ストラップである。拘束手段４４６０は固定機構４４６４によって６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４ときつく物理的に接触する。適当な固定機構の例には、フック式クランプやねじクランプがある。締付固定機構を含めることによる、考えられる２つの利点は、後述の補正手順を繰り返す必要を生じさせることになる、６−ＤＯＦ  ＳＭＲが移動する機会が減ることと、ＳＭＲがプローブにぶつかって床に落ちる機会が減ることである。図１４Ｂに示される磁石４４３３は任意選択で設置してもよい。
【００６７】
図１４Ａ〜Ｂに示されるプローブの実施形態の利点は、６−ＤＯＦ探索機能を６−ＤＯＦ  ＳＭＲ機能にごく安価で追加できることである。他の利点は、これらの実施形態には電源が不要であることであり、これは、所望により、６−ＤＯＦ  ＳＭＲを完全に受動式に使用できるからである。
【００６８】
６−ＤＯＦプローブ４２００のある実施形態が図１５Ａに示されている。プローブは、プローブヘッド４２４０と、プローブ本体４２２０と、プローブスタイラス４２１０と、を含む。６−ＤＯＦ  ＳＭＲ４２３４は拘束手段４２６０によって所定の場所に保持される。拘束手段４２６０は、６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４２３４と接触する要素４２６２を含む。要素４２６２は例えば、機械加工された金属片、プラスチックカバー、またはストラップであってもよい。拘束手段４２６０は、固定機構４２６４によって６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４２３４ときつく物理的に接触する。適当な固定機構の例には、フック式クランプやねじ式クランプがある。６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４２３４はネストベース４３３２の上に設置され、これはある実施形態においては磁石式である。プローブ本体４２２０は筐体４２２４と、任意選択によるアクチュエータボタン４２２６、４２２７と、任意選択によるネスト収容部４２２８と、を含む。プローブ筐体４２２４は手で持ちやすい輪郭形状である。プローブスタイラス４２１０は、プローブ先端４２１４と、プローブシャフト４２１２と、プローブコネクタ４２１６と、プローブクランプ４２１８と、を含む。プローブクランプによって、長さ、角度、形状の異なる様々なスタイラスを６−ＤＯＦプローブに取り付けることができる。
【００６９】
ある実施形態において、図１７の６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４８０は断続回転位置割出機能４４７１を含み、プローブヘッド４４７５は嵌合機能４４７３を含む嵌合構造４７７２を含む。断続回転位置割出機能と嵌合機能は、６−ＤＯＦ  ＳＭＲの向きをネスト４４３２の中で固定し、ＳＭＲの球心が６−ＤＯＦプローブアセンブリに関して動かないように構成される。図１７の断続回転位置割出および嵌合機能の用途は、これらにより、トラッカを工場から、または以前実施した補正手順から得られたプローブ補正パラメータに基づいてすぐに使用できるようにすることである。
【００７０】
他の実施形態において、トラッカからプローブ本体４４２０への光ビームの角度は、６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４、４２３４を本体に関して回転させることによって変更される。これは、６−ＤＯＦ  ＳＭＲ  ４４３４、４２３４をネスト４４３２、４２３２上で回転させることによって行うことができる。６−ＤＯＦ  ＳＭＲの回転角度を特定するために、補正手順を素早く実行してもよく、その際、プローブは図１５Ａに示されるように、固定されたネスト４２５０の中に設置される。図１４Ａと１４Ｂのプローブは同等に、本明細書に記載の補正手順にうまく利用できる。図１５Ａにおいて、プローブ先端４２１４は固定されたネスト４２５０の上に設置される。オペレータは、固定されたネストを都合の良い面に載せ、これを片手で所定の位置に保持しながら、反対の手で６−ＤＯＦ  プローブ４２００を移動させてもよく、この移動は後述の方法に従って行われる。
【００７１】
固定されたネストは、いくつかの種類の何れであってもよい。１種の固定ネスト４２５０は、図１５Ｂの断面図４２８０で示されており、本体４２５５を含み、その上に３つの小さな球（そのうちの２つは４２５１Ａ、４２５１Ｂである）が埋め込まれ、これらは１２０度離して設けられて、プローブ先端４２１４または４４１４を支持する。小型磁石４２４９が固定ネスト４２５０の中に設置されてもよく、これがプローブ先端４２１４、４４１４に下方向の力を供給する。３つの小さな球は、球形プローブ先端の中心を空間内に固定された状態で保持するが、それによって６−ＤＯＦプローブ４２００、４４００または４４５０は何れの所望の角度にも回転できる。プローブ先端の中心が固定されたままであるため、プローブ先端の計算値は６−ＤＯＦプローブの回転角度に関係なく一定のままであるはずである。これによって、プローブの残りの部分に関する６−ＤＯＦ  ＳＭＲの方位を求めることが可能となる。１２０度離れた３つの小さな球を含むネストの別名は「三面凹部（ｔｒｉｈｅｄｒａｌ  ｈｏｌｌｏｗ）」である。
【００７２】
また別の種類のネスト構成を使用してもよい。ある実施形態において、小さな突起が小さな球の代わりに使用される。このような突起は、例えば図１のネスト１７に使用される。他の実施形態では、固定されたネストは円錐形の座を含む。名前が示しているように、円錐形の座は円錐を含み、一般に円錐の領域はプローブ先端と接触するようになされる。正しく設計すれば、図１７に示される種類のネストまたは円錐形の座として形成されるネストは、高い性能を提供できる。通常、三面凹部により最善の性能が得られる。
【００７３】
６−ＤＯＦ  ＳＭＲは、図１４Ａ、１４Ｂ、または１５Ａの中のその位置において、並進移動の自由度は持たないが、３方位自由度を有する。ある実施形態において、プローブは、３つの異なる軸の周囲で回転されて、３方位自由度の数値を判定するために必要な情報を得る。便宜上、３つの角度自由度をヨー角、ピッチ角、ロール角とすることができる。ヨー角４２６３は、６−ＤＯＦプローブの参照方向を通過する軸４２６１の周囲での回転角度である。ある実施形態において、参照軸は本体４２２０の中心とスタイラス４２１０の中心を通る。しかしながら、スタイラスはこのように配置する必要はなく、その代わりに何れの所望の角度に設置してもよい。ピッチ角は図１６Ｂに示されるように、軸４２６５の周囲の角度４２６６である。ロール角は、４２６８を通る点の周囲の角度４２７０であり、軸４２６１と４２６５に対して垂直である。この場合のロール角は、６−ＤＯＦ  ＳＭＲのロール角ではなく、システムレベルのロール角である。しかしながら、図１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃのように回転させることから得られる情報は、６−ＤＯＦ  ＳＭＲの、プローブアセンブリの残りの部分に関する方位を判定するのに十分である。一般に、ヨー、ピッチ、ロール角等の３つの角度をカバーするように回転させて、プローブアセンブリ上の６−ＤＯＦ  ＳＭＲの方位の判定に十分な情報を得ることが重要であり、それが今度は、プローブが加工物の表面上の地点まで移動した時にプローブの座標を判定するために必要となる。
【００７４】
プローブアセンブリは便利な点として、６−ＤＯＦプローブが測定を実行するために使用される間に、６−ＤＯＳ本体に取り付けて、収容してもよい。図１５Ａは、プローブ本他４２２０上の位置４２２８に磁気で付着された固定ネスト４２５０Ｂを示している。プローブ本体をテザーまたは機械的スナップでプローブに取り付けることもまた可能である。もちろん、固定ネスト４２５０は、単純にその付近に保持され、必要に応じて利用できるようにしてもよい。
【００７５】
図１８は、プローブ中心の三次元座標を測定するための方法４９００のフロー図である。ステップ４９０５は、鋼球一体加工レトロリフレクタを提供し、鋼球一体加工レトロリフレクタはレトロリフレクタ本体に装着されたレトロリフレクタを含み、レトロリフレクタ本体は、その外面の第一の部分に第一の球状体を有し、第一の部分はターゲット中心を有し、レトロリフレクタは第一の光ヒームを受けて、第二の光ビームを戻すように構成され、第二の光ビームは第一の光ビームの一部であり、第二の光ビームは第一の光ビームの方向と実質的に反対に進む。
【００７６】
ステップ４９１０は、プローブアセンブリを提供し、プローブアセンブリはプローブスタイラスと、プローブヘッドと、を含み、プローブスタイラスはプローブ先端を含み、プローブ先端はその表面の第二の部分に第二の球状体を有し、第二の部分はプローブ中心を有し、プローブヘッドは、鋼球一体加工レトロリフレクタを受けて鋼球一体加工レトロリフレクタをターゲット中心の周囲で回転させ、その一方でターゲット中心をプローブアセンブリに関して実質的に一定の位置に保持するように構成される。
【００７７】
ステップ４９１５は、方位センサを提供し、方位センサはプローブアセンブリの３方位自由度測定を行うように構成される。
【００７８】
ステップ４９２０は、座標測定装置を提供し、座標測定装置は、第一のモータと、第二もモータと、第一の角度測定装置と、第二の角度測定装置と、距離計と、位置検出器と、制御システムと、プロセッサと、を含み、第一のモータと第二のモータは、協働で第一の光ビームを第一の方向に案内するように構成され、第一の方向は第一の軸の周囲の第一の回転角度と第二の軸の周囲の第二の回転角度によって決定され、第一の回転角度は第一のモータによって生成され、第二の回転角度は第二のモータによって生成され、第一の角度測定装置は第一の回転角度を測定するように構成され、第二の角度測定装置は第二の回転角度を測定するように構成され、距離計は座標測定装置から鋼球一体加工レトロリフレクタまでの第一の距離を、少なくとも一部に、第一の光検出器が受けた第二の光ビームの第三の部分に基づいて測定するように構成され、位置検出器は、位置検出器への第二の光ビームの第四の部分の位置に応答して第一の信号を生成するように構成され、制御システムは、第一のモータに第二の信号を、第二のモータに第三の信号を送信するように構成され、第二の信号と第三の信号は、少なくとも一部に、第一の信号に基づき、制御システムは、第一の光ビームの鋼球一体加工レトロリフレクタの空間位置への第一の方向を調節するように構成され、プロセッサは、プローブ中心の三次元座標を判定するように構成され、三次元座標は、少なくとも一部に、第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度に基づく。
【００７９】
ステップ４９２５は、鋼球一体加工レトロリフレクタをプローブヘッドに設置する。
【００８０】
ステップ４９３０は、座標測定装置の第一の光ビームを鋼球一体加工レトロリフレクタに案内する。
【００８１】
ステップ４９３５は、第一の距離を測定する。
【００８２】
ステップ４９４０は、第一の回転角度を測定する。
【００８３】
ステップ４９４５は、第二の回転角度を測定する。
【００８４】
ステップ４９５０は、少なくとも一部に、方位センサによって提供される情報に基づいて３方位自由度測定を行う。
【００８５】
ステップ４９５５は、プローブ中心の三次元座標を、少なくとも一部に、第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度に基づいて計算する。
【００８６】
ステップ４９６０は、プローブ中心の三次元座標を保存する。方法４９００は参照記号Ａで終了する。
【００８７】
図１９は、図１８の参照記号Ａから始まる方法５０００のフローチャートであり、さらにプローブ補正パラメータを測定するステップを含み、プローブ補正パラメータは、少なくともプローブアセンブリに関する鋼球一体加工レトロリフレクタの方位を示す情報を含む。
【００８８】
図２０は、図１９の参照記号Ｂから始まる方法５１００のフロー図であり、ステップ５１０５は、プローブ先端を受け入れるように構成されたネストを提供し、ネストはさらに、プローブ先端をプローブ中心の周囲で回転させるように構成され、プローブ中心は、実質的に固定された空間地点に保持される。ステップ５１１０は、プローブ先端をネストに設置する。ステップ５１１５は、プローブ先端を回転させる。ステップ５１２０は、数量群を測定し、数量群は第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度を含み、測定値の各々は、プローブ先端の複数の異なる回転に関して得られる。ステップ５１２５は、少なくとも一部に、数量群に基づいてプローブ補正パラメータを計算する。
【００８９】
図２１は、図１８の参照記号Ａから始まる方法５２００のフロー図である。ステップ５２０５は、プローブヘッドから鋼球一体加工レトロリフレクタを取り外す。ステップ５２１０は、第一の光ビームを座標測定装置から鋼球一体加工レトロリフレクタに案内する。ステップ５２１５は第一の距離を測定する。ステップ５２２０は第一の回転角度を測定する。ステップ５２２５は第二の回転角度を測定する。ステップ５２３０は、ターゲット中心の三次元座標を測定する。
【００９０】
図２２は、図２１の参照記号Ｃから始まる方法５３００のフロー図である。ステップ５３０５は、プローブヘッドに鋼球一体加工レトロリフレクタを設置する。ステップ５３１０は、第一の光ビームを座標測定装置から鋼球一体加工レトロリフレクタに案内する。ステップ５３１５は第一の距離を測定する。ステップ５３２０は第一の回転角度を測定する。ステップ５３２５は第二の回転角度を測定する。ステップ５３３０は３方位自由度測定を行う。ステップ５３３５は、少なくとも一部に、第一の距離、第一の回転角度、第二の回転角度、３方位自由度に基づいてプローブ中心の三次元座標を計算する。
【００９１】
図２３は、図１８の参照記号Ａから始まる方法５４００のフロー図である。ステップ５４０５はレトロリフレクタにパターンを組み込む。ステップ５４１０は、レンズと感光素子アレイを含む光学システムを提供し、レンズは少なくともパターニングされたレトロリフレクタの少なくとも一部の像を感光アレイ上に形成するように構成される。ステップ５４１５は画像をデジタルデータセットに変換する。ステップ５４２０は、少なくとも一部に、デジタルデータセットに基づいて３方位自由度計算を行う。
【００９２】
本発明は例示的実施形態に関して説明したが、当業者にとっては当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、各種の変更を加え、均等物をその要素と置換してもよい。これに加えて、本発明の基本的範囲から逸脱することなく、多くの改変を行い、具体的な状況や材料を本発明の教示に合わせて採用してもよい。したがって、本発明は本発明を実施するための最良の態様として開示され特定の実施形態に限定されることは意図されず、本発明は付属の特許請求の範囲内に入るすべての実施形態を含む。さらに、第一の、第二の、等の用語の使用は、いかなる順序または重要性も意味せず、第一の、第二の、等の用語は、１つの要素を他の要素から区別するために使用される。さらに、ある（ａ、ａｎ）等の用語の使用は、数量を限定するのではなく、示された項目が少なくとも１つ存在することを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0005797346.tif 000009
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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