(57)【要約】  寸法計測装置及びターゲットを備える寸法計測システムであって、その周波数差がＲＦ信号周波数の１／２未満である変調用のＲＦ信号及びサンプリング用の信号を発生させ、サンプリング用の信号を第１及び第２アナログディジタル変換器（ＡＤＣチャネル）、変調用のＲＦ信号を発光用の光源に送る信号発生器と、光源出射光の一部分を基準用光検波器、他部分を寸法計測装置外に送り、離れた場所にある再帰反射ターゲットから返戻されてきた光を計測用光検波器に送る光学系と、送られてきた光をそれぞれ電気的な基準信号，計測信号に変換する基準用，計測用光検波器と、計測用光検波器から来る計測信号をディジタル計測値群に変換する第１ＡＤＣチャネルと、基準用光検波器から来る基準信号をディジタル基準値群に変換する第２ＡＤＣチャネルと、ディジタル計測値群及びディジタル基準値群を受け取り寸法計測装置からターゲットまでの距離を算出するプロセッサと、を備える。
2014516410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
寸法計測装置（１０）及びターゲット（２６）を備える寸法計測システム（５）であって、
第１モードで稼働する際、第１周波数を有する第１電気信号（２９９１）、並びに第１周波数による商が２未満且つ第１周波数とは異なる第２周波数を有する第２電気信号（２９９２）を発生させる信号発生器（２９２０）と、
光を発する光源（２９３０）と、
光源出射光を組成しておりその光学特性が第１周波数で変調されている第１及び第２部分のうち、第１部分を第１光ビーム（４６）として上記寸法計測装置外、第２部分を基準用光検波器（２９４０）に送る光学系と、
第１光ビームを受け光学系に第２光ビーム（４７）を返戻することで上記ターゲットとして働く再帰反射器と、
光源出射光の第２部分を上記光学系を介し受光し電気的な第１基準信号に変換する基準用光検波器（２９４０）並びに第２光ビームの一部分たる第３部分を上記光学系を介し受光し電気的な第１計測信号に変換する計測用光検波器（２９５０）と、
第１モードで稼働する際、第２電気信号及び第１計測信号を受け取り、第１周波数を有する第１計測信号を第２周波数と等レートの第１ディジタル計測値群へと変換する第１アナログディジタル変換器チャネル（２９６０）と、
第１モードで稼働する際、第２電気信号及び第１基準信号を受け取り、第１周波数を有する第１基準信号を第２周波数と等レートの第１ディジタル基準値群へと変換する第２アナログディジタル変換器チャネル（２９６１）と、
第１モードで稼働する際、上記寸法計測装置から上記ターゲットまでの距離（２９９５）を、第１及び第２周波数、第１ディジタル計測値群、第１ディジタル基準値群及び気中光速に照らし又は基づき算出するプロセッサ（２９７０）と、
を備える寸法計測システム。
【請求項２】
請求項１記載の寸法計測システムであって、
上記信号発生器が、第２モードで稼働する際、第４周波数を有する第４電気信号、並びに第４周波数による商が２未満且つ第４周波数とは異なる第５周波数を有する第５電気信号を発生させ、
上記光学系が、更に、光源出射光を組成しておりその光学特性が第４周波数で変調されている第４及び第５部分のうち、第４部分を第３光ビームとして上記寸法計測装置外、第５部分を基準用光検波器に送り、
上記再帰反射器が、第３光ビームを受け上記光学系に第４光ビームを返戻し、
上記計測用光検波器が第４光ビームの一部分たる第６部分を上記光学系を介し受光して電気的な第２計測信号に変換する一方、上記基準用光検波器が光源出射光の第５部分を電気的な第２基準信号に変換し、
上記第１アナログディジタル変換器チャネルが、第２モードで稼働する際、第５電気信号及び第２計測信号を受け取り、第４周波数を有する第２計測信号を第５周波数と等レートの第２ディジタル計測値群へと変換し、
上記第２アナログディジタル変換器チャネルが、第２モードで稼働する際、第５電気信号及び第２基準信号を受け取り、第４周波数を有する第２基準信号を第５周波数と等レートの第２ディジタル基準値群へと変換し、
上記プロセッサが、第２モードで稼働する際、第２ディジタル計測値群及び第２ディジタル基準値群に照らし又は基づき上記距離を算出する寸法計測システム。
【請求項３】
請求項２記載の寸法計測システムであって、上記信号発生器がデュアルチャネル直接ディジタルシンセサイザである寸法計測システム。
【請求項４】
請求項３記載の寸法計測システムであって、第１周波数が上記プロセッサによって選定される寸法計測システム。
【請求項５】
請求項３記載の寸法計測システムであって、上記デュアルチャネル直接ディジタルシンセサイザに備わるチャネルが同じ電気部品内にある寸法計測システム。
【請求項６】
請求項３記載の寸法計測システムであって、上記デュアルチャネル直接ディジタルシンセサイザが超ナイキストモードで作動する寸法計測システム。
【請求項７】
請求項１記載の寸法計測システムであって、上記光源が第１周波数で直接変調される寸法計測システム。
【請求項８】
請求項１記載の寸法計測システムであって、上記光源がレーザである寸法計測システム。
【請求項９】
請求項１記載の寸法計測システムであって、上記光学特性が光学パワーである寸法計測システム。
【請求項１０】
請求項１記載の寸法計測システムであって、第１光ビームが光ファイバ（２９８２）から発射される寸法計測システム。
【請求項１１】
請求項２記載の寸法計測システムであって、第１周波数から第２周波数を減じた値が第４周波数から第５周波数を減じた値に等しい寸法計測システム。
【請求項１２】
請求項２記載の寸法計測システムであって、第１周波数から第２周波数を減じた値である第１差分で第１周波数を除した値が整数、第４周波数から第５周波数を減じた値である第２差分で第４周波数を除した値が整数である寸法計測システム。
【請求項１３】
請求項１記載の寸法計測システムであって、上記ターゲットが球体実装再帰反射器（２６）である寸法計測システム。
【請求項１４】
請求項１記載の寸法計測システムであって、上記計測用光検波器及び基準用光検波器が同種のｐｉｎフォトダイオードである寸法計測システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の寸法計測システムであって、上記計測用光検波器及び基準用光検波器が光ファイバ（２９８６，２９８４）と結合している寸法計測システム。
【請求項１６】
請求項１記載の寸法計測システムであって、更に、
第１光ビームの方向を決定づける回動角のうち第１軸（２０）周り回動角たる第１回動角を第１モータ（２１２５）、第２軸（１８）周り回動角たる第２回動角を第２モータ（２１５５）で操ることで、第１光ビームの方向を協働して操る第１及び第２モータと、
第１回動角を検出する第１角度計（２１２０）及び第２回動角を検出する第２角度計（２１５０）と、
を備え、上記プロセッサが、上記ターゲットの三次元座標を第１及び第２回動角並びに上記距離に照らし又は基づき求める寸法計測システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の寸法計測システムであって、更に、
第２光ビームの一部分たる第７部分を受光しその入射位置を示す位置検出器電気信号を出力する位置検出器（１５１）を有する位置検出アセンブリ（１５０Ａ，１５０Ｂ，１５０Ｃ，１５０Ｄ，１５０Ｅ，１５０Ｆ）と、
位置検出器電気信号に照らし又は基づき第１モータに第１モータ信号、第２モータに第２モータ信号を送ることで、上記ターゲットの空間位置を向くよう第１光ビームの方向を調整する制御システム（１５２０，１５３０，１５４０，１５５０）と、
を備える寸法計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【背景技術】
【０００３】
レーザトラッカは、１本又は複数本のレーザビームを輻射しそのビームで再帰反射ターゲットを追尾するタイプの座標計測装置である。これに類する座標計測装置にはレーザスキャナやトータルステーションがある。レーザスキャナは１本又は複数本のレーザビームを物体の表面に向けて出射しそこでの散乱光を捉える装置であり、その光に基づきその面上の各点までの距離及びその点に対する二種類の角度が計測される。トータルステーションは測量等で広く使用されている装置であり、拡散反射ターゲットや再帰反射ターゲットの座標計測に使用される。以下、レーザスキャナやトータルステーションを包含する広い意味で「レーザトラッカ」の語を使用することにする。
【０００４】
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のみの計測で、面上にある各点の三次元座標を全て特定することができる。
【０００５】
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、使用者が再帰反射ターゲットを既知位置に移動させ距離を基準距離にリセットしてからでないと計測を続けることができない。この問題を回避するにはレーザトラッカ内にＡＤＭを設ければよい。後に詳示するように、ＡＤＭなら距離をポイント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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。レーザトラッカでは、距離計測値を一通り、角度計測値を二通り得てＳＭＲの三次元位置を完全に特定することが可能である。
【０００８】
そうした通常の三自由度計測用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。
【０００９】
また、今日使用されているＡＤＭのなかには、正弦波で変調されている光ビームを座標計測装置からターゲットへと送り、そのターゲットから戻って来る光ビームの位相シフトを検出することで、そのターゲットまでの距離を検出する方式のものがある。光ビームの位相シフトは、光検波器の出力を１個又は複数個のミキサでダウンコンバートし、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）に送って計測サンプルを取得し、それら計測サンプルを処理して位相を求めることで検出される。この方式では、ミキサが原因でＡＤＭの構成が複雑且つ高コストになるため、ミキサを不要化することが望まれる。ダウンコンバート段でのミキサ使用には、更に、ミキサに供給される無線周波数（ＲＦ）信号の電力レベルが変動するとそのミキサで位相シフトが発生し、計測対象ターゲットまでの距離に関する算出結果に誤差が生じる、という問題もある。
【００１０】
非特許文献１（この参照を以て繰り入れる）には、位相依拠型の距離計における位相検出の手法が二通り記載されている。第１の手法は、直交（Ｉ／Ｑ）復調方式をディジタルフィルタ及び自動利得制御（ＡＧＣ）と併用する手法である。この手法では、本願記載の用途で望まれる精度に比べ１０００倍劣る６ｍｍ程度の精度しか得られない。第２の手法は、ある単一の周波数で変調されているレーザ光をターゲットに送り、光検波器の出力をＡＤＣにて別の周波数でサンプリングすることでサンプル値を取得し、それに基づきそのレーザ光の位相シフトを算出する、という手法である。残念ながら、計測対象ターゲットが所在する“曖昧性対象外領域”(unambiguity region)を判別するには変調周波数が複数通り必要であるため、単一の変調周波数では広範囲に亘る計測を行うのに十分でない。この構成ではそうした曖昧性を排除することができない。
【００１１】
特許文献４（発明者：Ｍｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．）には、アンダーサンプリング法に従いＡＤＭを使用し物体までの距離を計測する手法が記載されている。同手法では、レーザ光のパワーを変調するのに使用されたものと同じ周波数を有する別の電気信号が、光検波器の出力が供給されるＡＤＣ（第１ＡＤＣ）とは別のＡＤＣ（第２ＡＤＣ）に供給され、それらＡＤＣの出力信号間に現れる位相差に基づき当該物体までの距離が算出される。残念ながら、第２ＡＤＣ出力信号が専ら電気系由来であるため、この手法ではレーザダイオードや光検波器に由来するノイズを好適に除去することができない。これは、同文献記載の距離計が再帰反射器ではなく「アルミ板、カードボード、ＰＣ板、ベルベット、黒紙、木材、塗装板」（同文献から引用）等の物体を使用するタイプであり、再帰反射器を使用するタイプに比べ距離精度がかなり低いことに関係している。再帰反射器を使用するタイプの寸法計測装置では、総じて、より高い距離精度が求められるため、光学的な基準信号を生成、利用し、レーザ及び光検波器に関わるコモンモードノイズを除去することが重要となる。加えて、同文献記載の距離範囲曖昧性排除手法には制約が多い。より高い精度が必要とされる実用的なシステムでは、大抵、三通り以上の変調周波数を使用し曖昧性を排除する手法が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第７３５２４４６号明細書
【特許文献２】米国特許第７８００７５８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１２８２５９号明細書
【特許文献４】米国特許第７１７７０１４号明細書
【特許文献５】米国特許第７３２７４４６号明細書
【特許文献６】米国特許第７７０１５５９号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１０／０１２８２５９号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】"Digital laser range finder: phase-shift estimation by undersampling technique" by Poujouly et al.
【非特許文献２】Analog Devices Application Note AN-939, "Super-Nyquist operation of the AD9912 yields a high RF output signal"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
求められているのは、比較的安価且つ高精度で絶対距離計測を行える手法である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
ここに、本発明は、寸法計測装置及びターゲットを備える寸法計測システムであって、標準周波数を有する標準電気信号を発生させる周波数標準発生器と、第１モードで稼働する際、第１周波数を有する第１電気信号、並びに第２周波数による第１周波数の商が２未満且つ第１周波数とは異なる第２周波数を有する第２電気信号を、標準電気信号に基づき発生させる信号発生器と、光を発する光源と、光源出射光を組成しておりその光学特性が第１周波数で変調されている第１及び第２部分のうち、第１部分を第１光ビームとして寸法計測装置外、第２部分を基準用光検波器に送る光学系と、第１光ビームを受け光学系に第２光ビームを返戻することでターゲットとして働く再帰反射器と、光源出射光の第２部分を光学系を介し受光し電気的な第１基準信号に変換する基準用光検波器並びに第２光ビームの一部分たる第３部分を光学系を介し受光し電気的な第１計測信号に変換する計測用光検波器と、第１サンプルポート、第１信号ポート及び第１データポートを有し、第１モードで稼働する際、第２電気信号を第１サンプルポートでまた第１計測信号を第１信号ポートで受け取り、第１周波数を有する第１計測信号を第２周波数と等レートの第１ディジタル計測値群へと変換して第１データポートから出力する第１ＡＤＣチャネルと、第２サンプルポート、第２信号ポート及び第２データポートを有し、第１モードで稼働する際、第２電気信号を第２サンプルポートでまた第１基準信号を第２信号ポートで受け取り、第１周波数を有する諸時点の第１基準信号を第２周波数と等レートで第１ディジタル基準値群へと変換して第２データポートから出力する第２ＡＤＣチャネルと、第１モードで稼働する際、寸法計測装置からターゲットまでの距離を、第１及び第２周波数、第１ディジタル計測値群、第１ディジタル基準値群及び気中光速に照らし又は基づき算出するプロセッサと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】本発明の一実施形態における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。
【図４Ａ】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。
【図４Ｂ】その別例を示す図である。
【図５】従来型光ファイバ式ビームランチャを示す図である。
【図６Ａ】従来型位置検出アセンブリの一例を示す模式図である。
【図６Ｂ】その別例を示す模式図である。
【図６Ｃ】その別例を示す模式図である。
【図６Ｄ】その別例を示す模式図である。
【図６Ｅ】本発明の一実施形態における位置検出アセンブリを示す模式図である。
【図６Ｆ】その別例を示す模式図である。
【図７Ａ】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。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態における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。
【図７Ｃ】第１波形、第２波形、並びに本発明の一実施形態に従いＡＤＣ内で第１波形を利用し第２波形のアンダーサンプル版を生成する手法を示す図である。
【図７Ｄ】直接ディジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）を超ナイキストモードで使用しＤＤＳ周波数を高める手法を示す図である。
【図８Ａ】従来型光ファイバ網内ファイバを示す模式図である。
【図８Ｂ】その別例を示す模式図である。
【図８Ｃ】本発明の一実施形態における光ファイバ網内ファイバを示す模式図である。
【図９】従来型レーザトラッカの分解図である。
【図１０】従来型レーザトラッカの断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るレーザトラッカの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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１にレーザトラッカシステムの一例５を示す。このシステム５はレーザトラッカ１０、再帰反射ターゲット２６、補助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）を備えている。本トラッカ１０では、ジンバル式ビームステアリング機構１２を構成するゼニスキャリッジ１４が、アジマス軸２０周りで回動させうるようアジマスベース１６上に搭載されている。ペイロード１５は、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に搭載されている。これらの軸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１８，２０双方に対し平行なあらゆる面にほぼ直交している。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される。トラッカ１０内ではゼニス軸１８沿いに延びるゼニス機械軸に軸１８用の角度エンコーダ、アジマス軸２０沿いに延びるアジマス機械軸に軸２０用の角度エンコーダが装着されているので、それらの角度エンコーダで軸１８，２０周り回動角を高精度検出することができる。出射されたビーム４６は再帰反射ターゲット２６、例えば前掲のＳＭＲへと伝搬していく。点２２・ターゲット２６間輻射方向距離（動径）、ゼニス軸１８周り回動角及びアジマス軸２０周り回動角の検出結果は、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際に使用される。
【００１９】
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。
【００２０】
レーザトラッカ上に設けられている磁気ネスト１７は、そのトラッカをホームポジションに従いリセットすることができるよう、ＳＭＲのサイズ、例えば１．５インチ、７／８インチ、１／２インチ等のサイズ毎に設けられている（１インチ＝約０．０２５ｍ）。オントラッカ再帰反射器１９はトラッカを基準距離にリセットするためのものである。そして、図１では隠れているが、オントラッカミラーをオントラッカ再帰反射器と併用することで、特許文献５（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。
【００２１】
図２に別例に係るレーザトラッカシステム７を示す。このシステム７は図１に示したレーザトラッカシステム５に似ているが、再帰反射ターゲット２６が六自由度プローブ１０００に置き換わっている。図１の構成ではこれら以外の再帰反射ターゲットを用いることもできる。例えば、そのガラス構造の後部反射面上に光が合焦して小さな光スポットが生じるようガラスで形成されたキャッツアイ型の再帰反射器である。
【００２２】
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波長と可視ポインタ用及び追尾用の第２波長とで輻射する二波長輻射型レーザトラッカでの例である。可視ポインタは、トラッカ発レーザビームで形成されるスポットの位置をユーザに知らせるためのものであり、ＡＤＭ用波長の光と自由空間型のビームスプリッタにて結合される。光電システム１００を形成しているのは可視光源１１０、アイソレータ１１５、第１ファイバ式ランチャ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１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。
【００２３】
可視光源１１０は発光デバイス、例えばレーザや高輝度発光ダイオード等である。アイソレータ１１５は光源１１０に向かう遡行光を抑えることが可能なデバイス、例えばファラデーアイソレータや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を伝搬し、アイソレータ１１５内自由空間を通り、そしてこのＩＦＭ１２０を通過する。図５を参照して後述するように、光源１１０・アイソレータ１１５間を光ファイバケーブルで結合させ、アイソレータ１１５からの出射光が第１光ファイバ式ランチャ１７０から自由空間へと出射されるようにしてもよい。
【００２４】
ビームエクスパンダ１４０は様々なレンズ配置に従い実現可能である。図４Ａ及び図４Ｂに、従来から広く用いられている配置の例を２個示す。図４Ａに示す例１４０Ａでは、負レンズ１４１Ａ及び正レンズ１４２Ａが使用されている。負レンズ１４１Ａに入射した平行光ビーム２２０Ａは、より太い平行光ビーム２３０Ａとなって正レンズ１４２Ａから出射される。図４Ｂに示す例１４０Ｂでは、２個の正レンズ１４１Ｂ，１４２Ｂが使用されている。第１正レンズ１４１Ｂに入射した平行光ビーム２２０Ｂは、より太い平行光ビーム２３０Ｂとなって第２正レンズ１４２Ｂから出射される。ビームエクスパンダ１４０から出射された光は、レーザトラッカ外に向かう途上のビームスプリッタ１４５，１５５で反射され損失になる少量の部分を除き、ビームスプリッタ１５５を透過してＡＤＭ１６０からの出射光と結合し、合成光ビーム１８８となってトラッカを離れ再帰反射ターゲット９０に入射する。
【００２５】
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（ＤＦＢ）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。
【００２６】
図８Ａに示した光ファイバ網は、第１光ファイバカプラ４３０、第２光ファイバカプラ４３６及び低反射率ファイバ終端器４３５，４４０を備えている。第１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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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へと伝搬してきた光と結合される。その合成光ビーム１８８はレーザトラッカ外の再帰反射ターゲット９０まで出射光ビームとして伝搬される。ターゲット９０ではそのビーム１８８の一部が返戻光ビームとして反射される。返戻光ビームとして反射される部分はＡＤＭ出射光と同波長であるので、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。
【００３０】
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、それは図３中の光源１６２に至っている。その光源１６２には、原則として、ファイバ４３２から光源１６２への入射光量を抑えるビルトイン式のファラデーアイソレータを組み込んでおく。光路を遡行した不要光が入射するとレーザ等では不安定化が生じるからである。
【００３１】
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７Ａ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ＡＤＣ３３２２を備えている。発振器３３０２例えば恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）は、基準周波数ｆＲＥＦ例えば１０ＭＨｚの信号をシンセサイザ３３０４に供給する。シンセサイザ３３０４は、周波数ｆＲＦの電気信号及び周波数ｆＬＯの電気信号を発生させ、周波数ｆＲＦの電気信号を図３中の光源１６２に相当する光源３１０２に、また周波数ｆＬＯの電気信号をミキサ３３１０，３３１２に供給する。検波器３３０６，３３０８は、ファイバ３２３０，３２３２即ち図３中のファイバ１６９，１６８経由で計測，基準チャネルに入射した光信号を電気信号に変換する（符号同順）。電子回路３３１４，３３１６は、その信号に調整を施し対応するミキサ３３１０，３３１２に供給する。ミキサ３３１０，３３１２は、ｆＬＯ−ｆＲＦの絶対値に等しい周波数ｆＩＦを有する信号を発生させる。ｆＲＦは比較的高い周波数例えば２ＧＨｚであり、ｆＩＦは比較的低い周波数例えば１０ｋＨｚである。
【００３２】
Ｎ分周器３３２４は、供給される基準周波数ｆＲＥＦの信号を整数値で分周する。例えば、周波数１０ＭＨｚの信号を４０分周して周波数２５０ｋＨｚの信号を出力する。その場合、その１０ｋＨｚ信号がＡＤＣ３３２２に供給され、レート２５０ｋＨｚにてサンプリングされる結果、１サイクル当たり２５個の標本値がもたらされる。それらの標本値はＡＤＣ３３２２からデータプロセッサ３４００に供給される。プロセッサ３４００としては、例えば、図３中のＡＤＭ用電子回路内に１個又は複数個のディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ユニットを設ける。
【００３３】
ＡＤＣ出力に基づく距離計算は、基準，計測各チャネルのＡＤＣ出力位相を求める手法で実行する。使用する手法は特許文献６（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ  ｅｔ  ａｌ．；この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）に詳示されている手法、使用する式は同文献中の式（１）〜（８）である。加えて、シンセサイザで発生させる周波数の値を何回かに亘り（例えば３回に亘り）変化させ、その周波数値毎にＡＤＭによる再帰反射ターゲット計測及び距離計算を実行し、別々の周波数下で求まった距離計算値同士を比較する。これは、ＡＤＭにおける距離計算の結果から曖昧性を排除するためである。特許文献６中の式（１）〜（８）を同文献の図５に記載の同期方法及び同文献に記載のカルマンフィルタリング法と併用することで、ＡＤＭで移動ターゲットを計測することが可能となる。なお、他の絶対距離計算手法、例えば位相差ではなくパルス飛行時間を用いる手法に従い絶対距離を求めることもできる。
【００３４】
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に、他の一部を位置検出アセンブリ１５０にそれぞれ供給する。レーザトラッカ１０又は光電システム１００からの出射光を出射光ビーム、再帰反射ターゲット９０又は２６における反射光を返戻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返戻光ビームの諸部分である。例えば、距離計たる図３中のＡＤＭ１６０及びアセンブリ１５０に対し互いに別の部分が送られる。場合によっては、更に他の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に示す例では返戻光ビームの対応部分をスプリッタ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）。
【００３５】
図６Ａ〜図６Ｄに従来型位置検出アセンブリの例を４個（１５０Ａ〜１５０Ｄ）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。
【００３６】
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、前掲の通り広範に使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。
【００３７】
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、例えば光学的構成部材による反射で生じたビームは、開口から離れた位置にてフィルタ１５７にぶつかり検出器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。
【００３８】
上掲の再帰反射ターゲット、例えばキューブコーナ型やキャッツアイ型のターゲットには、自身への入射光を入射方向に対し平行な方向に沿い反射する性質や、自身の対称中心を挟み光の入出射位置が対称になる性質がある。対称中心になるのは、例えば外気に対し開放しているキューブコーナ型再帰反射ターゲットではキューブコーナ頂点である。ガラス製のキューブコーナ型再帰反射ターゲットでもキューブコーナ頂点が対称中心になるが、ガラス・空気界面での光路屈曲の影響を受けることに注意が必要である。屈折率＝２．０のキャッツアイ型再帰反射ターゲットではその球の中心が対称中心となる。２個のガラス半球を同じ平面を挟み着座させたキャッツアイ型再帰反射ターゲットでは、その平面上にあり各半球の球面中心に位置する点が対称中心となる。要は、レーザトラッカでよく使用されるタイプの再帰反射ターゲットでは、入射したレーザビームがそのターゲットの頂点を挟み入射位置とは逆側の位置にて反射されトラッカへと遡行していく、ということである。
【００３９】
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。
【００４０】
再帰反射ターゲットがトラッカに対し一定の速度で横断方向に移動している場合、そのターゲットに光ビームが入射する位置（過渡期後の収束位置）は、同ターゲットの対称中心から相応のオフセット距離だけずれた位置になる。レーザトラッカでは、精密な計測で求められているスケールファクタ、並びに位置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。
【００４１】
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なら横効果検出器や象限検出器、感光アレイならＣＭＯＳアレイやＣＣＤアレイが望ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。このランチャ１７０は、光源１１０の出射端に装着することも、アイソレータ１１５の光ファイバ出射端に装着することも可能である。
【００４５】
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に示したそれに類似しているが、光ファイバカプラが２個ではなく１個である点で相違している。図示の構成は図８Ａに示した光ファイバ網に比し単純な点で有利であるが、不要な後方反射光がファイバ４２２，４２４に入射しやすくなっている。
【００４６】
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４５４からポート４５４への入射光は矢印に沿いポート４５６に到達して幾ばくかがファイバ４２４上に出射される。ポートが３個しか必要でない場合、２×２カプラに比べサーキュレータの方が光パワー損失が少ない点で有利だが、サーキュレータは２×２カプラに比べ高価である。サーキュレータで偏光モード分散が生じる点が問題になることもありうる。
【００４７】
図７Ｂに、図３に示したＡＤＭ１６０で使用されうる電子回路の別例２９００を示す。この回路２９００は、周波数標準発生器２９１０、信号発生器２９２０、光源２９３０、基準用検波器２９４０、計測用検波器２９５０、第１ＡＤＣチャネル２９６０、第２ＡＤＣチャネル２９６１、プロセッサ２９７０、部材間接続用導体及び光ファイバ２９８２，２９８４，２９８６を備えている。周波数標準発生器２９１０は、信号発生器２９２０に標準周波数信号を供給する部材であり、ここでは１０ＭＨｚの正弦波信号を発振するＯＣＸＯが使用されている。信号発生器２９２０は周波数ｆＲＦのＲＦ信号及び周波数ｆＳのサンプリング信号を発生させる部材であり、その出力であるＲＦ信号は光源２９３０の変調に使用されている。光源２９３０としては諸種光源、例えばその作動波長が１５５０ｎｍのＤＦＢレーザ、６３５ｎｍの赤色レーザダイオード、８３０ｎｍの高輝度発光ダイオード等を使用することができる。光源での変調に代え、光源とは別に設けた変調器に未変調光及び周波数ｆＲＦの信号を送り前者を後者で変調するようにしてもよい。図中の光ファイバ２９８２，２９８４，２９８６は図３中の光ファイバ１８６，１６８，１６９に、また光源２９３０は図３中の光源１６２に対応している。検波器２９４０，２９５０は光を周波数ｆＲＦの電気信号へと変換する。検波器２９４０，２９５０に発するＲＦ信号は、導体上を伝搬した後、対応するＡＤＣチャネル２９６０，２９６１の信号ポートに到達する。信号発生器２９２０は、それらＡＤＣチャネル２９６０，２９６１のサンプルポートに周波数ｆＳのサンプリング信号を供給する。ＡＤＣチャネル２９６０，２９６１は自チャネルのデータポートから信号を出力する。図７Ｃに示す通り、その信号即ちアンダーサンプル信号の周波数ｆＤは、ＲＦ周波数ｆＲＦ・サンプリング周波数ｆＳ間差分の絶対値にぴったりと一致する。この結果は、ミキサに二種類の周波数を入力しそのミキサの出力をバンドパスフィルタに通したときに得られるものと似ている。例えば、ミキサのＲＦポートに周波数ｆＲＦ、ＬＯポートに周波数ｆＬＯの信号を入力した場合、そのミキサのＩＦポートには周波数ｆＲＦ＋ｆＬＯの信号と周波数｜ｆＲＦ−ｆＬＯ｜の信号が現れる。一般的な回路では、バンドパスフィルタを通し周波数ｆＩＦ＝｜ｆＲＦ−ｆＬＯ｜のみを残すのが普通である。これは、ＡＤＣをアンダーサンプリングモードで使用すれば、ミキサを使用する必要や計測用検波器及び基準用検波器の後段に関連する電子回路を設ける必要がない、ということである。これにより、電子回路の構成が大きく単純化されると共に、計測用検波器に達する光学パワーの変動ひいてはミキサのＲＦポートに対する入力電力の変動に起因した位相シフトの削減を通じ、その性能が改善されることとなる。また、図７Ａに示したＡＤＭ用電子回路３３００では、二種類の周波数ｆＲＦ，ｆＬＯを用い中間周波数を発生させてＡＤＣ３３２２のサンプルポートに送り、そこで周波数ｆＲＥＦ／Ｎを有する別の信号でサンプリングしているので、図７Ｂ及び図７Ｃの如くＡＤＣをアンダーサンプリングモードで使用すれば、必要な周波数が三種類ではなく二種類になる。
【００４８】
図７Ｃにそのダウンコンバートプロセスを示す。図中の正弦波状実線３５１０は周波数ｆＲＦのＲＦ信号、正弦波状破線３５２０は周波数ｆＳのサンプリング信号を表している。ＲＦ信号の振幅がサンプリングされるのは、サンプリング信号がしきい値３５４０を上向きによぎる点である。得られる一群の離散サンプル３５３０即ちデータ信号の周波数ｆＤは、｜ｆＲＦ−ｆＳ｜にぴったりと等しくなる。得られたデータ信号は基準チャネル及び計測チャネルからプロセッサへと送られ、それらの信号に基づきターゲットまでの距離が算出される。その手法としては、図７Ａを参照して説明した従来手法が使用される。従って、図７ＢのＡＤＭ用電子回路回路２９００によれば、図７Ａに示したＡＤＭ用電子回路と違いミキサが不要であるため、その構成が単純となり、ＡＤＭユニットがよりコンパクト且つ安価になる。なお、図７Ｃではサンプリング信号がしきい値３５４０をよぎる点で離散サンプル３５３０が取得されているが、ＡＤＣにおけるサンプル取得条件として他の条件を使用することもできる。
【００４９】
図７Ｂ中の信号発生器２９２０は例えば２個のＤＤＳで実現可能である。ＤＤＳはプログラマブルなデバイスであり、発生させる信号の周波数を指定すること及び（多くの場合）その波形を様々に指定することができる。発明者が実験で解明したところによれば、図中の信号発生器２９２０としてひときわ好適に使用可能なＤＤＳは、単一の集積回路内に２個のＤＤＳチャネルが組み込まれているデュアルチャネルＤＤＳである。同一デバイス内では電気素子同士の間隔が小さいこと、並びに２個あるＤＤＳチャネル間では対応する半導体素子同士の類似性が高いことから、各ＤＤＳチャネルで生じるノイズは相互相関が強くキャンセル性が高いノイズとなる。そうしたＤＤＳで二種類の信号（周波数ｆＲＦ，ｆＳ）を発生させてＡＤＣに入力すると、当該相互相関が強いノイズ即ちコモンモードノイズがキャンセルしあい、比較的ノイズが少ない周波数ｆＤの正弦波データ信号が発生する。このようにすることで、その構成が単純且つ安価で低ノイズ即ち高精度なＡＤＭを構築することができる。
【００５０】
所要水準の周波数仕様を有するデュアルチャネルＤＤＳが入手できない場合もあろう。この問題を回避するには、ＤＤＳにて生じるイメージ信号を利用する策を採ればよい。ＤＤＳでは所与の周波数標準に基づきサンプリング周波数ＦＳＡＭＰを発生させるのが普通であり、例えば周波数標準発生器２９１０で周波数標準を発生させデュアルチャネルＤＤＳの入力ポートに供給する構成にすることができる。周波数標準としてＤＤＳに供給可能な周波数に下限値（例えば２５ＭＨｚ）が存する場合もある。ＤＤＳでは、そうして与えられた周波数標準を、ユーザが指定する（プログラマブルな）逓倍率に従い、所要のサンプリング周波数ＦＳＡＭＰまで逓倍させる。サンプリング周波数ＦＳＡＭＰは、そのＤＤＳで生じる信号の基本周波数帯を決定づける周波数である。基本周波数帯は、ナイキスト限界に従い０Ｈｚからサンプリング周波数×１／２の範囲内となる。ＤＤＳでは、これに加え、基本周波数帯に属さない周波数も発生する。図７Ｃに示すエイリアシング原理によって、図７Ｄ中のナイキストゾーン２，３，４，…内にイメージ信号が発生するからである。従って、相応の通過域を有するバンドパスフィルタをＤＤＳの後段に設けることによって、そのＤＤＳから基本周波数域より高い周波数の信号を得ることができる。こうしてナイキスト限界より高い周波数をＤＤＳのチップで発生させるモードのことを、超ナイキストモードと呼ぶ。超ナイキストモード下でのＤＤＳの動作については、非特許文献２（この参照を以てその内容を本願に繰り入れる）の記載を参照されたい。デュアルチャネルＤＤＳのチップを超ナイキストモードで稼働させることで、周波数差があまりなく割合に高い値を有する二通りの周波数を発生させること及びその際のノイズレベルを抑えることができる。従って、ＤＤＳのチップを超ナイキストモードで稼働させ図７Ｂ中の信号発生器２９２０として使用するのはよい選択肢であろう。
【００５１】
ＡＤＭを図１の再起反射ターゲット２６例えばＳＭＲと併用する場合、比較的広域に亘り計測を行うには、一般に、狙いとする計測範囲及びシステム精度に応じ幾通りか（例えば三通りか四通り）の変調周波数を定め、その変調周波数における光ビームの相対位相を検出する、という初期計測を実行する必要がある。この初期計測が済んだ後は、座標計測装置・ターゲット２６間ビーム捕捉関係が破れない限り、単一の変調周波数を使用してそのターゲット２６に関する計測を行う。初期計測にて複数通りの変調周波数が必要になるのは、単一の変調周波数で距離検出結果の曖昧性に見舞われずにカバーできる距離範囲が狭く、複数通りの変調周波数を使用しないと０〜３６０°の位相範囲に対応する曖昧性対象外領域同士を弁別できないからである。即ち、曖昧性対象外領域の広さは変調周波数ｆ、光速ｃ及び屈折率ｎに基づきｃ／（２ｆｎ）で与えられるので、変調周波数が例えば３ＧＨｚなら５０ｍｍ程度に留まり（大抵の計測対象距離範囲に比べ小さい範囲となり）、距離範囲の曖昧性が甚だしくなるからである。この曖昧性を排除するため、初期計測段階では、必要となる複数通りの変調周波数をプログラマブルな信号発生器２９２０によって発生させる。プログラマブルなＤＤＳチップ、プログラマブルなシンセサイザチップ等を使用すれば、複数通りの変調周波数を容易に発生させることができる。プログラマブルな周波数源であれば、複数通りの所望周波数でＲＦ信号及びサンプリング信号を発生させることができる。ＲＦ信号の周波数ｆＲＦ及びサンプリング信号の周波数ｆＳが採りうる組合せの一つは、両者間の差分の絶対値で周波数ｆＲＦを除した値が整数値になる、という条件を満たすものである。例えば、図７Ｃに示すように、ＲＦ信号の２５サイクルがサンプリング周波数の２４サイクルに対応する組合せである。こうした組合せにするには、ＲＦ信号の周波数が２５ＭＨｚならサンプリング信号の周波数を２４ＭＨｚにすればよい。この場合、周波数差が１ＭＨｚ、それによるＲＦ信号周波数の商が２５となる。同図から読み取れるように、この例では２４個（周波数差によるＲＦ信号周波数の商より１小さい個数）のサンプルを収集する期間で１個のサイクルが形成されている。言い換えれば、図示のサイクル（ＲＦ信号２５サイクル乃至サンプリング信号２４サイクルに相当）が周期的に反復されるようになっている。なお、この条件は上掲の要領でＡＤＭを使用するに当たり必須のものではない。ここでの説明は一形態を示しているに過ぎない。
【００５２】
図９及び図１０に、特許文献７（発明者：Ｂｒｉｄｇｅｓ  ｅｔ  ａｌ．；この参照を以て繰り入れる）の図２及び図３に示した従来型レーザトラッカ２１００の展開形状（図９）及び断面（図１０）を示す。そのアジマスアセンブリ２１１０にはポストハウジング２１１２、アジマス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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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に装着され固定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に装着されていて内パーツ２１３２に対し回動する。スリップリングアセンブリ２１３０は、外パーツ２１３１とそれに対し回動する内パーツ２１３２との間に低インピーダンスな電気的接触が生じるように構成されている。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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に装着されアジマス軸周りでのみ回動する（ゼニス軸周りでは回動しない）のに対し、外パーツ２１６１はペイロードハウジング２１７２に装着されアジマス，ゼニス各軸周りで回動する。スリップリングアセンブリ２１６０は、外パーツ２１６１とそれに対し回動する内パーツ２１６２との間に低インピーダンスな電気的接触が生じるように構成されている。ペイロードアセンブリ２１７０は主光学アセンブリ２１８０及び副光学アセンブリ２１９０を備えている。
【００６０】
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及びコンピュータ１５９０を備える一方、ネットワーク構成部材１６００のクラウドに接続されている。この例ではレーザトラッカ用電子処理システム１５１０にマスタプロセッサ１５２０、ペイロード機能用電子回路１５３０、アジマス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１個又は複数個のプロセッサユニット、例えばＤＳＰやフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）で構成できる。図中で回路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。
【００６１】
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及びスマートフォン等の携帯情報端末（ＰＤＡ）１５８６の三部材が例示されている。レーザトラッカ・周辺部材間の連携は様々な手段、例えばアンテナ１５７２経由無線通信、カメラ等の視覚システムの働き、並びに六自由度プローブ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。
【００６２】
この例ではマスタプロセッサ１５２０から個別の電子回路１５３０，１５４０，１５５０，１５６０，１５６５，１５７０へと個別に通信バスが延びている。各バスは、例えば、データライン、クロックライン及びフレームラインなる３組のシリアルラインを有している。フレームラインは電子回路にクロックラインの参照を促すラインであり、このライン経由でクロックライン参照が指示されている間、電子回路は、対応するデータライン上の最新情報をクロック信号毎に読み取る。そのクロック信号としてはクロックパルスの立ち上がりエッジ等が使用される。データライン上の情報は、この例では、それぞれ「アドレス」、「数値」、「データメッセージ」及び「チェックサム」を含むパケットの形態を採っている。「アドレス」は対応する電子回路内のどこにデータメッセージを送るべきかを表している。送られる場所の例としては、その電子回路内のプロセッサ上で稼働するサブルーチン等がある。「数値」は対応するデータメッセージの長さ、「データメッセージ」はその電子回路で実行すべき指令又はデータを表すものである。「チェックサム」は対応する通信ラインでのエラー伝送確率を抑えるのに使用される。
【００６３】
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に送信する。
【００６４】
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。同様に、ペイロード機能用電子回路１５３０は、そのペイロードに備わる機能によって収集されたデータをラッチする。六自由度用、ＡＤＭ用及びＰＳＤ用の各電子回路は同期パルス受領に応じデータをラッチする。多くの場合、カメラ用や傾斜計用の電子回路は同期パルスより低い速度（但し同期パルスに比し周期が数倍程度の速度）でデータをラッチする。
【００６５】
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。
【００６６】
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）ライン、無線通信チャネル等が使用される。レーザトラッカ・ネットワーク接続部材１６００（クラウド）間通信用の通信リンク１６０２としては、１本又は複数本の電気ケーブル例えばイーサネットケーブル、１本又は複数本の無線通信チャネル等が使用される。部材１６００の一例は他の三次元試験装置、例えば関節腕型座標計測機であり、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。
【００６７】
以上の説明ではレーザトラッカにてＡＤＭを使用する例が多々強調されているが、自明な通り、そうした距離計を距離計測のみのスタンドアロン用途で使用することや他種寸法計測装置で使用することも可能である。
【００６８】
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、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）には自明な通り、それら実施形態の構成要素については、本発明の技術分野を逸脱することなく様々な変更、様々な均等物置換を施すことができる。また、本願で教示されている事項については、個別の状況、個別の素材に対処するに当たり、本発明の技術的範囲を逸脱することなく様々な改変を施すことができる。このように、本発明は、そもそも、その実施に最適なベストモードとして記述されている個別の実施形態に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。
【図１】
2014516410.tif 000003
【図２】
2014516410.tif 000004
【図３】
2014516410.tif 000005
【図４Ａ】
2014516410.tif 000006
【図４Ｂ】
2014516410.tif 000007
【図５】
2014516410.tif 000008
【図６Ａ】
2014516410.tif 000009
【図６Ｂ】
2014516410.tif 000010
【図６Ｃ】
2014516410.tif 000011
【図６Ｄ】
2014516410.tif 000012
【図６Ｅ】
2014516410.tif 000013
【図６Ｆ】
2014516410.tif 000014
【図７Ａ】
2014516410.tif 000015
【図７Ｂ】
2014516410.tif 000016
【図７Ｃ】
2014516410.tif 000017
【図７Ｄ】
2014516410.tif 000018
【図８Ａ】
2014516410.tif 000019
【図８Ｂ】
2014516410.tif 000020
【図８Ｃ】
2014516410.tif 000021
【図９】
2014516410.tif 000022
【図１０】
2014516410.tif 000023
【図１１】
2014516410.tif 000024
【国際調査報告】
2014516410.tif 000025
2014516410.tif 000026
2014516410.tif 000027