(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
座標測定機器において、
光伝送システムと、
第一の光源と第一の光検出器と第一の電気回路を含む第一の絶対距離計であって、第一の光源は光伝送システムを通じて第一の光をレトロリフレクタターゲットに送るように構成され、第一の光検出器はさらに、第一の光がレトロリフレクタターゲットによって反射されたことに応答して第一の電気信号を生成して、第一の電気信号を第一の電気回路に送信するように構成され、第一の電気回路は、座標測定機器からレトロリフレクタターゲットまでの第一の距離を、少なくとも一部に第一の電気信号に基づいて判断するように構成されるような第一の絶対距離計と、
第二の光源と調節可能焦点調整機構と第二の光検出器と第二の電気回路を含む第二の絶対距離計であって、第二の光源は調節可能焦点調整機構と光伝送システムを通じて第二の光を物体表面へと送るように構成され、第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムを通過した第二の光の一部を受け取るように構成され、第二の光検出器はさらに、物体表面により反射された第二の光の一部を受け取ったことに応答して第二の電気信号を生成し、第二の電気信号を第二の電気回路に送信するように構成され、第二の電気回路は、座標測定機器から物体表面までの第二の距離を、少なくとも一部に第二の電気信号に基づいて判断するように構成されるような第二の絶対距離計と、
光伝送システムと第一の絶対距離計と第二の絶対距離計に動作的に連結された構造と、
構造を第一の軸の周囲で回転させるように構成された第一のモータと、
構造に動作的に連結された第一の角度変換器であって、第一の軸の周囲の第一の回転角度を測定するように構成された第一の角度変換器と、
構造を第二の軸の周囲で回転させるように構成された第二のモータであって、第二の軸が第一の軸に対して実質的に垂直であるような第二のモータと、
構造に動作的に連結された第二の角度変換器であって、第二の軸の周囲の第二の回転角度を測定するように構成された第二の角度変換器と、
位置検出器であって、座標測定機器により発せられ、レトロリフレクタターゲットによって反射された放射の一部を受け取るように構成され、少なくとも一部に放射の一部が位置検出器に当たる位置に基づいて第三の電気信号を生成するように構成された位置検出器と、
プロセッサであって、第一のモードと第二のモードで動作するように構成されたコンピュータ読取可能媒体を有するプロセッサと、
を含み、
第一のモードは、レトロリフレクタターゲットを少なくとも一部に第三の電気信号に基づいて追跡するステップと、レトロリフレクタターゲットの第一の三次元座標を、少なくとも一部に第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第一の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第二の角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第一の距離に基づいて判断するステップを含み、
第二のモードは、第二の光を物体表面に向けるステップと、物体表面上のある点の第二の三次元座標を、少なくとも一部に物体表面上のその点までの第一の回転角度と物体表面上のその点の第二の回転角度と物体表面上のその点の第二の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、調節可能焦点調整機構を調節するステップをさらに含む
ことを特徴とする座標測定機器。
【請求項２】
請求項１に記載の座標測定機器において、
光伝送システムは、内側光路と外側光路を有し、外側光路は内側光路と同軸で、内側光路の外側にあり、
第一の光検出器は、レトロリフレクタターゲットにより反射され、光伝送システムの内側光路を通過した第一の光を受け取るように構成され、
第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムの外側光路を通過した第二の光を受け取るように構成される
ことを特徴とする座標測定機器。
【請求項３】
請求項１に記載の座標測定機器において、
構造を一方向に回転させることによって、螺旋状の経路に沿って第二の光を発することを特徴とする座標測定機器。
【請求項４】
請求項１に記載の座標測定機器において、
光伝送システムは、物体表面により反射された第二の光の一部を受け取るように位置付けられた環状開口をさらに含むことを特徴とする座標測定機器。
【請求項５】
請求項４に記載の座標測定機器において、
プロセッサは、第二の絶対距離計が第二の光を発しているときに第一の光を発するように構成されることを特徴とする座標測定機器。
【請求項６】
請求項１に記載の座標測定機器において、
第一の光の波長は約７００ナノメートルであることを特徴とする座標測定機器。
【請求項７】
請求項６に記載の座標測定機器において、
第二の光の波長は約１５５０ナノメートルであることを特徴とする座標測定機器。
【請求項８】
座標測定機器において、
構造と、
構造を第一の軸の周囲で回転させるように構成された第一のモータと、
構造に動作的に連結された第一の角度変換器であって、第一の軸の周囲の第一の回転角度を測定するように構成された第一の角度変換器と、
構造を第二の軸の周囲で回転させるように構成された第二のモータであって、第二の軸が第一の軸に対して実質的に垂直であり、第二の軸の投影が第一の軸の投影とジンバル点で交差するような第二のモータと、
構造に動作的に連結された第二の角度変換器であって、第二の軸の周囲の第二の回転角度を測定するように構成された第二の角度変換器と、
構造に動作的に連結された光伝送システムと、
構造に動作的に連結された第一の絶対距離計であって、第一の光源と第一の光検出器と第一の電気回路を含み、第一の光源は第一の光伝送システムを通じて第一の光を、ジンバル点からレトロリフレクタターゲットまで延びる第一の線の一部に沿って送るように構成され、第一の線は第一の軸に垂直であり、第一の光検出器はレトロリフレクタターゲットにより反射され、光伝送システムを通過した第一の光を受け取るように構成され、第一の光検出器はさらに、第一の光がレトロリフレクタターゲットにより反射されたことに応答して第一の電気信号を生成し、第一の電気信号を第一の電気回路に伝送するように構成され、第一の電気回路は座標測定機器からレトロリフレクタターゲットまでの第一の距離を、少なくとも一部に第一の電気信号に基づいて判断するように構成されるような第一の絶対距離計と、
構造に動作的に連結された第二の絶対距離計であって、第二の光源と調節可能焦点調整機構と第二の光検出器と第二の電気回路を含み、第二の光源は、調節可能焦点調整機構と光伝送システムを通じて第二の光を、ジンバル点から物体表面まで延びる第二の線の一部に沿って送るように構成され、第二の線は第一の軸に垂直であり、第二の線は第一の線とは異なり、第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムを通過した第二の光の一部を受け取るように構成され、第二の光検出器はさらに、物体表面によって反射された第二の光の一部を受け取ったことに応答して第二の電気信号を生成し、第二の電気信号を第二の電気回路に送信するように構成され、第二の電気回路は、座標測定機器から物体表面までの第二の距離を、少なくとも一部に第二の電気信号に基づいて判断するように構成されているような第二の絶対距離計と、
位置検出器であって、座標測定機器によって発せられ、レトロリフレクタターゲットによって反射された放射の一部を受け取るように構成され、第三の電気信号を、少なくとも一部に光放射の一部が位置検出器に当たる位置に基づいて生成するように構成されるような位置検出器と、
プロセッサであって、第一のモードと第二のモードで動作するように構成されたコンピュータ読取可能媒体を有するプロセッサと、
を含み、
第一のモードは、レトロリフレクタターゲットを、少なくとも一部に第三の電気信号に基づいて追跡するステップと、レトロリフレクタターゲットの第一の三次元座標を、少なくとも一部に第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第一の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第二の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第一の距離に基づいて判断するステップを含み、
第二のモードは、構造を第一の軸の周囲で回転させるステップと、物体表面上の点の第二の三次元座標を、少なくとも一部に物体表面上のその点までの第一の回転角度と物体表面上のその点までの第二の回転角度と物体表面上のその点の第二の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、調節可能焦点調整機構を調節するステップをさらに含む
ことを特徴とする座標測定機器。
【請求項９】
請求項８に記載の座標測定機器において、
第一の線は第一の半径方向に延び、第二の線は第二の半径方向に延びて、それらの間に角度をなし、角度が５度〜１８０度であることを特徴とする座標測定機器。
【請求項１０】
請求項９に記載の座標測定機器において、
角度が９０度であることを特徴とする座標測定機器。
【請求項１１】
請求項８に記載の座標測定機器において、
第一の光の波長は約７００ナノメートルであることを特徴とする座標測定機器。
【請求項１２】
請求項９に記載の座標測定機器において、
第二の光の波長は約１５５０ナノメートルであることを特徴とする座標測定機器。
【請求項１３】
請求項８に記載の座標測定機器において、
光伝送システムは、物体表面により反射された第二の光の一部を受け取るように位置付けられた環状開口をさらに含むことを特徴とする座標測定機器。
【請求項１４】
請求項８に記載の座標測定機器において、
プロセッサは、第二の絶対距離計が第二の光を発しているときに第一の光を発するように構成されることを特徴とする座標測定機器。
【請求項１５】
座標測定機器において、
光伝送システムと、
第一の光源と第一の光検出器と第一の電気回路を含む第一の絶対距離計であって、第一の光源は、光伝送システムを通じて第一の光をレトロリフレクタターゲットへと送るように構成され、第一の光検出器はレトロリフレクタターゲットによって反射され、光伝送システムを通過した第一の光を受け取るように構成され、第一の光検出器はさらに、第一の光がレトロリフレクタターゲットにより反射されたことに応答して第一の電気信号を生成し、第一の電気信号を第一の電気回路に送信するように構成され、第一の電気回路は、座標測定機器からレトロリフレクタターゲットまでの第一の距離を、少なくとも一部に第一の電気信号に基づいて判断するように構成されているような第一の絶対距離計と、
第二の光源と調節可能焦点調整機構と第二の光検出器と第二の電気回路を含む第二の絶対距離計であって、第二の光源は、調節可能焦点調整機構と光伝送システムを通じて第二の光を物体表面へと送るように構成され、第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムを通過した第二の光の一部を受け取るように構成され、第二の光検出器はさらに、物体表面により反射された第二の光の一部を受け取ったことに応答して第二の電気信号を生成し、第二の電気信号を第二の電気回路に送信するように構成され、第二の電気回路は、座標測定機器から物体表面までの第二の距離を、少なくとも一部に第二の電気信号に基づいて判断するように構成されているような第二の絶対距離計と、
光伝送システムと第一の絶対距離計と第二の絶対距離計に動作的に連結された構造であって、回転するように取り付けられたミラーを含み、ミラーは第一の光と第二の光の光路内に配置されているような構造と、
構造を第一の軸の周囲で回転させるように構成された第一のモータと、
構造に動作的に連結された第一の角度変換器であって、第一の軸の周囲の第一の回転角度を測定するように構成された第一の角度変換器と、
ミラーを第二の軸の周囲で回転させるように構成された第二のモータであって、第二の軸は第一の軸に実質的に垂直であるような第二のモータと、
ミラーに動作的に接続された第二の角度変換器であって、第二の軸の周囲の第二の回転角度を測定するように構成された第二の角度変換器と、
位置検出器であって、座標測定機器により発せられ、レトロリフレクタターゲットにより反射された放射の一部を受け取るように構成され、第三の電気信号を、少なくとも一部に放射の一部が位置検出器に当たる位置に基づいて生成するように構成された位置検出器と、
プロセッサであって、第一のモードと第二のモードで動作するように構成されたコンピュータ読取可能媒体を有するプロセッサと、
を含み、
第一のモードは、レトロリフレクタターゲットを、少なくとも一部に第三の電気信号に基づいて追跡するステップと、レトロリフレクタターゲットの第一の三次元座標を、少なくとも一部に第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第一の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第二の回転角度と、第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第一の距離に基づいて判断するステップを含み、
第二のモードは、構造を第一の軸の周囲で回転させるステップと、物体表面上のある点の第二の三次元座標を、少なくとも一部に物体表面上のその位置までの第一の回転角度と物体表面上のその位置までの第二の回転角度と物体表面上のその点の第二の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、調節可能焦点調整機構を調節するステップをさらに含む
ことを特徴とする座標測定機器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の座標測定機器において、
第二のモードにおいて、第一のモータは構造を第一の速度で回転させ第二のモータはミラーを第二の速度で回転させ、第二の速度は第一の速度より速いことを特徴とする座標測定機器。
【請求項１７】
請求項１６に記載の座標測定機器において、
第二のモードは、構造を第一の軸の周囲で一方向に回転させるステップを含むことを特徴とする座標測定機器。
【請求項１８】
請求項１７に記載の座標測定機器において、
第一の軸の一方向の回転は、螺旋状の経路に沿って第二の光を発することを特徴とする座標測定機器。
【請求項１９】
請求項１５に記載の座標測定機器において、
第一の光の波長は約７００ナノメートルであることを特徴とする座標測定機器。
【請求項２０】
請求項１９に記載の座標測定機器において、
第二の光の波長は約１５５０ナノメートルであることを特徴とする座標測定機器。
【請求項２１】
請求項１５に記載の座標測定機器において、
光伝送システムは、物体表面により反射された第二の光の一部を受け取るように位置付けられた環状開口をさらに含むことを特徴とする座標測定機器。
【請求項２２】
請求項１５に記載の座標測定機器において、
プロセッサは、第二の絶対距離計が第二の光を発しているときに第一の光を発するように構成されることを特徴とする座標測定機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、次元座標を測定する光学測定機器に関し、特に、物体を測定するための複数の光学装置を備える非接触光学測定機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願との相互参照
本願は、２０１３年２月１２日に出願された「マルチモード光学測定機器および動作方法（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）」と題する米国特許出願第１３／７６５，０１４号の一部継続出願であり、同出願の内容の全体を参照によって本願に援用する。
【０００３】
非接触光学測定機器は、物体上の点の座標を測定するために使用されてもよい。１つの種類の光学測定機器は、ある点の三次元（３Ｄ）座標を、レーザビームをその点に送ることによって測定する。レーザビームは、その点に直接衝突しても、またはその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。何れの場合も、機器はその点の座標を、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特定する。距離は、絶対距離計または干渉計等の距離測定器で測定される。角度は、角度エンコーダ等の角度測定器で測定される。機器の中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点へと方向付ける。
【０００４】
レーザトラッカは特定の種類の座標測定器であり、それが発する１つまたは複数のレーザビームによりレトロリフレクタターゲットを追跡する。レーザトラッカと密接に関係する光学測定機器は、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で表面上の点をステップ走査する。これは表面から散乱した光をピックアップし、この光から各点までの距離と２つの角度を特定する。トータルステーションは、測量分野で使用されることが最も多く、拡散的に散乱する（非協力的）ターゲットまたはレトロリフレクタ型（協力的）ターゲットの座標を測定するために使用されてもよい。
【０００５】
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ことによって動作し、これが特定の点の座標の測定に使用される。一般的な種類のレトロリフレクタターゲットは、測定球（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＳＭＲ）であり、これは金属球内に埋め込まれたキューブコーナレトロリフレクタを含む。キューブコーナレトロリフレクタは、相互に垂直な３つのミラーを含む。３つのミラーの共通の交差点である頂点が球の中心に位置付けられる。球内のキューブコーナの配置の測定点に対する機械的関係はわかっている（即ち、頂点からＳＭＲが載置されているどの表面までの垂直距離も、ＳＭＲが回転しても一定に保たれる）ため、測定点の位置を特定できる。その結果、レーザトラッカはある表面の３Ｄ座標を、ＳＭＲが表面上で移動する間にその位置を追うことによって測定できる。言い換えれば、レーザトラッカは、３自由度だけ（半径方向の距離１つと２つの角度）を測定すれば、表面の３Ｄ座標を十分に特徴付けることができる。
【０００６】
１つの種類のレーザトラッカは、干渉計（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）（ＩＦＭ）のみを含み、絶対距離計（ａｂｓｏｌｕｔｅ  ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｍｅｔｅｒ）（ＡＤＭ）を持たない。物体によって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が遮断されると、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して、基準距離をリセットしてからでなければ測定を継続できない。この制限の回避策は、ＡＤＭをトラッカ内に含めることである。ＡＤＭは、狙い撃ち方式で距離を測定できる。
【０００７】
トラッカはある地点に留まるため、レーザ出力に制約を設けて、所望の分類をＩＥＣ  ６０８２５−１の標準内に保つことが望ましい。それゆえ、トラッカが低いレーザ出力で動作することが望まれる。測定点を明確に定義することに加えて、ＳＭＲはレーザ出力の大部分を戻す。これに対して、レーザスキャナは連続的に移動するように構成されてもよく、これによって、動作領域内にいる人物の一部分に堆積する全エネルギーが小さいため、所望のＩＥＣ  ６０８２５−１分類を実現できる。それゆえ、レーザスキャナは、より高いレーザ出力レベルで動作し、また非協力的ターゲットでも動作できるが、一般的にはレーザトラッカより精度が低く、距離が短い。
【０００８】
レーザスキャナはまた、レーザビームを物体に向けて送る。レーザトラッカはオペレータと（レトロリフレクタターゲットを介して）相互作用するため、レーザが目に見えることが望ましい。しかしながら、レーザスキャナはその他の波長、例えば赤外または可視波長で動作してもよく、これは、オペレータにとって光ビームが目に見えなくてもよいからである。レーザスキャナは、物体から反射された光を受け取り、一部に、光が物体に当たってスキャナに戻るまでの飛行時間に基づいて物体上の点までの距離を判断する。一部のレーザスキャナは、ゼニス軸の周囲で連続的に回転し、同時にレーザビームをアジマス軸の周囲で回転させ、レーザスキャナ周辺の領域内の点の座標を特定できる。また別のレーザスキャナは、光ビームを単独の点に、または所定のパターン、例えばラスタパターンで方向付ける。
【０００９】
理解すべき点として、レーザスキャナは複数の点の座標をレーザトラッカよりはるかに高速で取得できる。しかしながら、レーザトラッカは、より高い精度で距離を測定する。さらに、レーザトラッカは特定の点に留まるため、測定は一般に１秒の何分の１かに統合されて、電子部品および大気乱流のノイズが低減される。レーザスキャナは一般に、１秒に数百万というオーダの点を測定するため、測定値は一般にマイクロ秒または１マイクロ秒の何分の１かのオーダで行われる。それゆえ、スキャナでは電子部品と大気乱流からのノイズははるかに大きい可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，３２７，４４６号明細書
【特許文献２】米国特許第７，７０１，５５９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１１／００３２５０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、既存の非接触光学測定機器はその所期の目的には適しているが、依然として改善の必要があり、特にオペレータが複数の動作モードの中から動作モードを選択できるような光学測定機器を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１つの態様によれば、座標測定機器は、光伝送システムと、第一の光源と第一の光検出器と第一の電気回路を含む第一の絶対距離計であって、第一の光源は光伝送システムを通じて第一の光をレトロリフレクタターゲットに送るように構成され、第一の光検出器はさらに、第一の光がレトロリフレクタターゲットによって反射されたことに応答して第一の電気信号を生成して、第一の電気信号を第一の電気回路に送信するように構成され、第一の電気回路は、座標測定機器からレトロリフレクタターゲットまでの第一の距離を、少なくとも一部に第一の電気信号に基づいて判断するように構成されるような第一の絶対距離計と、第二の光源と調節可能焦点調整機構と第二の光検出器と第二の電気回路を含む第二の絶対距離計であって、第二の光源は調節可能焦点調整機構光伝送システムを通じて第二の光を物体表面へと送るように構成され、第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムを通過した第二の光を受け取るように構成され、第二の光検出器はさらに、第二の光が物体表面により反射されたことに応答して第二の電気信号を生成し、第二の電気信号を第二の電気回路に送信するように構成され、第二の電気回路は、座標測定機器から物体表面までの第二の距離を、少なくとも一部に第二の電気信号に基づいて判断するように構成されるような第二の絶対距離計と、光伝送システムと第一の絶対距離計と第二の絶対距離計に動作的に連結された構造と、構造を第一の軸の周囲で回転させるように構成された第一のモータと、構造に動作的に連結された第一の角度変換器であって、第一の軸の周囲の第一の回転角度を測定するように構成された第一の角度変換器と、構造を第二の軸の周囲で回転させるように構成された第二のモータであって、第二の軸が第一の軸に対して実質的に垂直であるような第二のモータと、構造に動作的に連結された第二の角度変換器であって、第二の軸の周囲の第二の回転角度を測定するように構成された第二の角度変換器と、位置検出器であって、座標測定機器により発せられ、レトロリフレクタターゲットによって反射された放射の一部を受け取るように構成され、少なくとも一部に放射の一部が位置検出器に当たる位置に基づいて第三の電気信号を生成するように構成された位置検出器と、プロセッサであって、第一のモードと第二のモードで動作するように構成されたコンピュータ読取可能媒体を有するプロセッサと、を含み、第一のモードは、レトロリフレクタターゲットを少なくとも一部に第三の電気信号に基づいて追跡するステップと、レトロリフレクタターゲットの第一の三次元座標を、少なくとも一部に第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第一の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第二の角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第一の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、第二の光を物体表面に向けるステップと、物体表面上のある点の第二の三次元座標を、少なくとも一部に物体表面上のその点までの第一の回転角度と物体表面上のその点の第二の回転角度と物体表面上のその点の第二の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、調節可能焦点調整機構を調節するステップをさらに含む。
【００１３】
本発明の座標測定機器において、光伝送システムは、内側光路と外側光路を有し、外側光路は内側光路と同軸で、内側光路の外側にあり、第一の光検出器は、レトロリフレクタターゲットにより反射され、光伝送システムの内側光路を通過した第一の光を受け取るように構成され、第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムの外側光路を通過した第二の光を受け取るように構成されることとしても好適である。
【００１４】
また、本発明の座標測定機器において、構造を一方向に回転させることによって、螺旋状の経路に沿って第二の光を発することとしても好適であるし、光伝送システムは、物体表面により反射された第二の光の一部を受け取るように位置付けられた環状開口をさらに含むこととしても好適である。
【００１５】
また、本発明の座標測定機器において、プロセッサは、第二の絶対距離計が第二の光を発しているときに第一の光を発するように構成されることとしても好適である。
【００１６】
また、本発明の座標測定機器において、第一の光の波長は約７００ナノメートルであることとしても好適であるし、第二の光の波長は約１５５０ナノメートルであることとしても好適である。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、座標測定機器は、構造と、構造を第一の軸の周囲で回転させるように構成された第一のモータと、構造に動作的に連結された第一の角度変換器であって、第一の軸の周囲の第一の回転角度を測定するように構成された第一の角度変換器と、構造を第二の軸の周囲で回転させるように構成された第二のモータであって、第二の軸が第一の軸に対して実質的に垂直であり、第二の軸の投影が第一の軸の投影とジンバル点で交差するような第二のモータと、構造に動作的に連結された第二の角度変換器であって、第二の軸の周囲の第二の回転角度を測定するように構成された第二の角度変換器と、構造に動作的に連結された光伝送システムと、構造に動作的に連結された第一の絶対距離計であって、第一の光源と第一の光検出器と第一の電気回路を含み、第一の光源は第一の光伝送システムを通じて第一の光を、ジンバル点からレトロリフレクタターゲットまで延びる第一の線の一部に沿って送るように構成され、第一の線は第一の軸に垂直であり、第一の光検出器はレトロリフレクタターゲットにより反射され、光伝送システムを通過した第一の光を受け取るように構成され、第一の光検出器はさらに、第一の光がレトロリフレクタターゲットにより反射されたことに応答して第一の電気信号を生成し、第一の電気信号を第一の電気回路に伝送するように構成され、第一の電気回路は座標測定機器からレトロリフレクタターゲットまでの第一の距離を、少なくとも一部に第一の電気信号に基づいて判断するように構成されるような第一の絶対距離計と、構造に動作的に連結された第二の絶対距離計であって、第二の光源と調節可能焦点調整機構と第二の光検出器と第二の電気回路を含み、第二の光源は、調節可能焦点調整機構と光伝送システムを通じて第二の光を、ジンバル点から物体表面まで延びる第二の線の一部に沿って送るように構成され、第二の線は第一の軸に垂直であり、第二の線は第一の線とは異なり、第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムを通過した第二の光を受け取るように構成され、第二の光検出器はさらに、第二の光が物体表面によって反射されたことに応答して第二の電気信号を生成し、第二の電気信号を第二の電気回路に送信するように構成され、第二の電気回路は、座標測定機器から物体表面までの第二の距離を、少なくとも一部に第二の電気信号に基づいて判断するように構成されているような第二の絶対距離計と、位置検出器であって、座標測定機器によって発せられ、レトロリフレクタターゲットによって反射された放射の一部を受け取るように構成され、第三の電気信号を、少なくとも一部に光放射の一部が位置検出器に当たる位置に基づいて生成するように構成されるような位置検出器と、プロセッサであって、第一のモードと第二のモードで動作するように構成されたコンピュータ読取可能媒体を有するプロセッサと、を含み、第一のモードは、レトロリフレクタターゲットを、少なくとも一部に第三の電気信号に基づいて追跡するステップと、レトロリフレクタターゲットの第一の三次元座標を、少なくとも一部に第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第一の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第二の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットの第一の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、構造を第一の軸の周囲で回転させるステップと、物体表面上の点の第二の三次元座標を、少なくとも一部に物体表面上のその点までの第一の回転角度と物体表面上のその点までの第二の回転角度と物体表面上のその点の第二の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、調節可能焦点調整機構を調節するステップをさらに含む。
【００１８】
また、本発明の座標測定機器において、第一の線は第一の半径方向に延び、第二の線は第二の半径方向に延びて、それらの間に角度をなし、角度が５度〜１８０度であることとしても好適であるし、角度が９０度であること、としても好適である。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、座標測定機器は、光伝送システムと、第一の光源と第一の光検出器と第一の電気回路を含む第一の絶対距離計であって、第一の光源は、光伝送システムを通じて第一の光をレトロリフレクタターゲットへと送るように構成され、第一の光検出器はレトロリフレクタターゲットによって反射され、光伝送システムを通過した第一の光を受け取るように構成され、第一の光検出器はさらに、第一の光がレトロリフレクタターゲットにより反射されたことに応答して第一の電気信号を生成し、第一の電気信号を第一の電気回路に送信するように構成され、第一の電気回路は、座標測定機器からレトロリフレクタターゲットまでの第一の距離を、少なくとも一部に第一の電気信号に基づいて判断するように構成されているような第一の絶対距離計と、第二の光源と調節可能焦点調整機構と第二の光検出器と第二の電気回路を含む第二の絶対距離計であって、第二の光源は、調節可能焦点調整機構と光伝送システムを通じて第二の光を物体表面へと送るように構成され、第二の光検出器は、物体表面により反射され、光伝送システムを通過した第二の光を受け取るように構成され、第二の光検出器はさらに、第二の光が物体表面により反射されたことに応答して第二の電気信号を生成し、第二の電気信号を第二の電気回路に送信するように構成され、第二の電気回路は、座標測定機器から物体表面までの第二の距離を、少なくとも一部に第二の電気信号に基づいて判断するように構成されているような第二の絶対距離計と、光伝送システムと第一の絶対距離計と第二の絶対距離計に動作的に連結された構造であって、回転するように取り付けられたミラーを含み、ミラーは第一の光と第二の光の光路内に配置されているような構造と、構造を第一の軸の周囲で回転させるように構成された第一のモータと、構造に動作的に連結された第一の角度変換器であって、第一の軸の周囲の第一の回転角度を測定するように構成された第一の角度変換器と、ミラーを第二の軸の周囲で回転させるように構成された第二のモータであって、第二の軸は第一の軸に実質的に垂直であるような第二のモータと、ミラーに動作的に接続された第二の角度変換器であって、第二の軸の周囲の第二の回転角度を測定するように構成された第二の角度変換器と、位置検出器であって、座標測定機器により発せられ、レトロリフレクタターゲットにより反射された放射の一部を受け取るように構成され、第三の電気信号を、少なくとも一部に放射の一部が位置検出器に当たる位置に基づいて生成するように構成された位置検出器と、プロセッサであって、第一のモードと第二のモードで動作するように構成されたコンピュータ読取可能媒体を有するプロセッサと、を含み、第一のモードは、レトロリフレクタターゲットを、少なくとも一部に第三の電気信号に基づいて追跡するステップと、レトロリフレクタターゲットの第一の三次元座標を、少なくとも一部に第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第一の回転角度と第一の位置におけるレトロリフレクタターゲットまでの第二の回転角度と、第一の位置におけるレトロリフレクタの第一の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、構造を第一の軸の周囲で回転させるステップと、物体表面上のある点の第二の三次元座標を、少なくとも一部に物体表面上のその位置までの第一の回転角度と物体表面上のその位置までの第二の回転角度と物体表面上のその点の第二の距離に基づいて判断するステップを含み、第二のモードは、調節可能焦点調整機構を調節するステップをさらに含む。
【００２０】
また、本発明の座標測定機器において、第二のモードにおいて、第一のモータは構造を第一の速度で回転させ第二のモータはミラーを第二の速度で回転させ、第二の速度は第一の速度より速いこととしても好適であるし、第二のモードは、構造を第一の軸の周囲で一方向に回転させるステップを含むこととしても好適である。
【００２１】
上記およびその他の利点と特徴は、以下の説明を図面と共に読むことによってより明らかとなるであろう。
【００２２】
本発明とみなされる主旨は明細書の末尾の特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に請求されている。本発明の上記およびその他の特徴と利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に読むことから明らかとなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、オペレータが複数の動作モードの中から動作モードを選択できるような光学測定機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のある実施形態による光学測定機器の斜視図である。
【図２】機器内にセンサを含む、トラッカ部分およびスキャナ部分の位置を示す、図１の光学測定機器の部分斜視図である。
【図３】図１の機器のための電気およびコンピューティングシステムのブロック図である。
【図４】本発明のある実施形態による光学測定機器のブロック図を含む、図１のペイロード部分の装置の概略図である。
【図５】図１の光学測定機器のレーザトラック部分のための絶対距離計（ＡＤＭ）。
【図６】図４に示すファイバネットワークのブロック図である。
【図７】図４に示すファイバネットワークのブロック図である。
【図８】図７に示すレトロリフレクタのブロック図である。
【図９】図７に示すレトロリフレクタの他のブロック図である。
【図１０】図４に示すファイバネットワークの他のブロック図である。
【図１１】トラッカとスキャナからの光が投射される際の光軸を示す、図１の機器の概略図である。
【図１２】スキャナ部分とトラッカ部分の他の実施形態を示す、図１の機器の斜視図である。
【図１３】スキャナ部分とトラッカ部分の他の実施形態を示す、図１の機器の斜視図である。
【図１４】スキャナ部分とトラッカ部分の他の実施形態を示す、図１の機器の斜視図である。
【図１５】本発明のある実施形態による第一の動作モードの光学測定機器の概略図である。
【図１６】第二の動作モードの第一の光学測定機器の概略図である。
【図１７】光学測定機器を動作させるステップを示すフロー図である。
【図１８】光学測定機器を動作させるステップを示すフロー図である。
【図１９】ある実施形態によるスキャナ−トラッカから２つの異なる方向にトラッカ光とスキャナ光を発する装置を示す図である。
【図２０】本発明のある実施形態による、回転ミラーを使ってトラッカからレトロリフレクタへと光ビームを方向付けるスキャナ−トラッカ装置の概略図である。
【図２１】本発明のある実施形態による光学測定機器のブロック図を含む、図１の装置ペイロード部分の概略図である。
【図２２】トラッカ部分およびスキャナ部分からの光が投射される際の光軸を示す、図１の機器の概略図である。
【図２３】本発明のある実施形態による第一の動作モードの光学測定機器の概略図である。
【図２４】第二の動作モードの図１の光学測定機器の概略図である。
【図２５】ある実施形態によるスキャナ−トラッカから２つの異なる方向にトラッカ光とスキャナ光を発する装置を示す図である。
【図２６】ある実施形態による調節可能焦点調整機構の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
詳細な説明では、本発明の実施形態を例として、図を参照しながら利点と特徴と共に説明する。
【００２６】
本発明の実施形態は、レーザトラッカとしても、レーザスキャナとしても動作できる光学測定機器を提供する。これは、通常はオペレータが手に持つ協力的ターゲットを用いるより高精度の測定と、通常はオペレータが積極的に支援しない高速で（通常は）より低精度の測定の何れも可能であるという利点を提供する。これら２つの動作モードは、単独の一体型機器で提供される。
【００２７】
ここで、図１−２を参照すると、複数の動作モードを提供する座標測定機器３０が示されている。機器３０は筐体３２を有し、その中にレーザトラッキング機能をサポートするトラッカ部分３４とスキャナ機能をサポートするスキャナ部分３６が含まれる。例示的なジンバル式ビームステアリング機構３８はゼニスキャリッジ４２を含み、これはアジマスベース４０の上に取り付けられ、アジマス軸４４の周囲で回転する。ペイロード構造４６は、ゼニス軸４８の周囲で回転するゼニスキャリッジ４２の上に取り付けられる。ゼニス軸４８とアジマス軸４４は、機器３０の内部で、ジンバル点５０において垂直に交差する。ジンバル点５０は一般に、距離および角度測定の原点である。１つまたは複数の光ビーム５２は事実上、ジンバル点５０を通過する。発せられた光ビームはゼニス軸４８に垂直な方向に向けられる。換言すれば、光ビーム５２は、ゼニス軸４８に略垂直でアジマス軸４４を含む平面内にある。光ビーム５２は、ペイロード構造４６をゼニス軸４８の周囲で回転させ、およびゼニスキャリッジ４２をアジマス軸４４の周囲で回転させることによって、所望の方向に向けられる。
【００２８】
ゼニスモータ５１とゼニス角度エンコーダ５４が筐体３２の内部に配置され、ゼニス軸４８と一直線にされたゼニス機械軸に取り付けられる。アジマスモータ５５とアジマス角度エンコーダ５６もまた機器３０の内部に配置され、アジマス軸４４と一直線にされたアジマス機械軸に取り付けられる。ゼニスモータ５１およびアジマスモータ５５は、ペイロード構造４６を軸４４、４８の周囲で同時に回転させるように動作する。より詳しくは後述するように、スキャナモードでは、ゼニスモータ５１およびアジマスモータ５５は各々、単独の方向に動作させられ、その結果、スキャナ光は方向を逆転させない連続的経路をたどる。ゼニスおよびアジマス角度エンコーダ５４，５６は、ゼニスおよびアジマス回転角度を比較的高い精度で測定する。
【００２９】
光ビーム５２はターゲット５８まで進み、これが光ビーム５２を反射して機器３０へと戻す。ターゲット５８は非協力的ターゲットであってもよく、これは例えば物体表面５８´である。あるいは、ターゲット５８はレトロリフレクタであってもよく、これは例えば測定球（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＳＭＲ）である。ジンバル点５０とターゲット５８との間の半径方向の距離とゼニス軸４８の周囲の回転角度とアジマス軸４４の周囲の回転角度を測定することによって、ターゲット５８の位置が機器３０の球座標系内で見つけられてもよい。本明細書中でより詳しく述べるように、機器３０は１つまたは複数のミラー、レンズ、または開口を含み、これらが光を方向付け、受け取る光伝送システムを画定する。
【００３０】
光ビーム５２は、１つまたは複数の光波長を含んでいてもよく、これは例えば可視および赤外波長である。理解すべき点として、本明細書中の実施形態は、ジンバル式ビームステアリング機構３８に関して説明されているが、他の種類のステアリング機構も使用できる。他の実施形態においては、例えばミラーがアジマスおよびゼニス軸４４，４８の周囲で回転させられてもよい。他の実施形態において、ガルボミラーを使って光を誘導してもよい。例示的実施形態と同様に、これらの他の実施形態（例えばガルボミラー）は、以下により詳しく述べるように方向を逆転させないある経路に沿った単独の方向に光を誘導するために使用されてよい。
【００３１】
１つの実施形態において、磁気ネスト６０がアジマスベース４０の上に配置されてもよい。磁気ネスト６０は、トラッカを大きさの異なるＳＭＲ、例えば１．５、７／８、および０．５インチ（３８．１ｍｍ，２２．２２５ｍｍ，１２．７ｍｍ）ＳＭＲ等の「ホームポジション」にリセットするためにトラッカ部分３４と共に使用される。そして、機器上のレトロリフレクタが、トラッカ部分３４を基準距離へとリセットするために使用されてもよい。さらに、ミラー（図示せず）をレトロリフレクタと共に使用して、自己補正の実行を可能にしてもよく、これは特許文献１に記載されており、特許文献１の全体を参照によって援用する。
【００３２】
ここで、図３を参照すると、機器３０の動作を制御するための例示的コントローラ６４が示されている。コントローラ６４は分散型処理システム６６、温度センサ６８、携帯情報端末７２のための処理システム、外部コンピュータ７４、およびここでは雲として示されているその他のネットワークコンポーネント７６を含む。分散型処理システム６６の例示的実施形態は、マスタプロセッサ７８と、ペイロード機能電子部品ユニット８０と、アジマスエンコーダ電子部品８２と、ゼニスエンコーダ電子部品８６と、ディスプレイおよびユーザインタフェース（ＵＩ）８８と、リムーバブルストレージハードウェア９０と、無線識別（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）（ＲＦＩＤ）無線電子部品９２と、アンテナ９４と、を含む。ペイロード機能電子部品ユニット８０は、例えばスキャナ電子部品９６、カメラ電子部品９８（図１１のカラーカメラ１６８用）、ＡＤＭ電子部品１００、位置検出器（ＰＳＤ）電子部品１０２、およびレベル電子部品１０４等の多数の機能を含む。ペイロード機能電子部品ユニット８０の中の従属機能の一部または全部は少なくとも１つの処理ユニットを有し、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。
【００３３】
多くの種類の周辺機器を使用でき、例えば温度センサ６８と携帯情報端末７２がある。携帯情報端末７２は、セルラー電気通信機器、例えばスマートフォンであってもよい。機器３０は、周辺機器と様々な方法で通信してよく、例えばアンテナ９４を通じた無線通信、カメラ等の映像システムによるもの、およびレーザトラッカから協力的ターゲットまでの距離と角度の読取りによる。周辺機器はプロセッサを含んでいてもよい。一般に、スキャナ電子部品、レーザトラッカ電子部品、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、これは使用可能な外部コンピュータとクラウドサポートを含むものとする。
【００３４】
ある実施形態において、別の通信媒体またはバスがマスタプロセッサ７８からペイロード機能電子部品ユニット８０、８２、８６、８８、９０、９２の各々へと延びる。各通信媒体は、例えば、データライン、クロックライン、フレームラインを含む３本のシリアルラインを有していてもよい。フレームラインは、電子部品ユニットはクロックラインに注意を払うべきであるか否かを示す。それが注意を払うべきであると示していれば、電子部品ユニットは、各クロック信号でデータラインの電流値を読み出す。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。１つの実施形態において、情報はデータライン上でパケットの形態で伝送される。他の実施形態において、各パケットはアドレス、数値、データメッセージ、およびチェックサムを含む。アドレスは、電子部品ユニット内のどこにデータメッセージが向けられるべきかを示す。場所は、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。データメッセージは、電子部品ユニットが実行するデータまたは命令を含む。チェックサムは、通信ライン上で伝送されるデータ内のエラーの発生確率を最小化するために使用される数値である。
【００３５】
ある実施形態において、マスタプロセッサ７８は情報パケットをバスライン１０６上でペイロード機能電子部品ユニット８０に、バスライン１０８でアジマスエンコーダ電子部品８２に、バスライン１１０上でゼニスエンコーダ電子部品８６に、バス１１２上でディスプレイおよびＵＩ電子部品８８に、バス１１４上でリムーバブルストレージハードウェア９０に、およびバス１１６上でＲＦＩＤおよび無線電子部品９２へと伝送する。
【００３６】
ある実施形態において、マスタプロセッサ７８はまた、ｓｙｎｃｈバス１１８上で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パルスは機器３０の測定機能により収集された数値を同期させる方法を提供する。例えば、ゼニスエンコーダ電子部品８６内のアジマスエンコーダ電子部品８２は、ｓｙｎｃｈパルスが受信され次第、そのエンコーダ値をラッチする。同様に、ペイロード機能電子部品ユニット８０は、ペイロード構造内に収容された電子部品により収集されたデータをラッチする。ＡＤＭおよび位置検出器はすべて、ｓｙｎｃｈパルスが付与された時にデータをラッチする。ほとんどの実施形態において、カメラと傾斜計はｓｙｎｃｈパルスレートより低速でデータを収集するが、ｓｙｎｃｈ期間の倍数ごとにデータをラッチしてもよい。
【００３７】
１つの実施形態において、アジマスエンコーダ電子部品８２とゼニスエンコーダ電子部品８６は、相互から、およびペイロード機能電子部品ユニット８０からスリップリング（図示せず）によって分離される。スリップリングが使用される場合、バスライン１０６、１０８、１１０は別々のバスであってもよい。分散型処理システム６６は、外部コンピュータ７４と通信してもよく、あるいは機器３０内の通信、ディスプレイ、ＵＩ機能を提供してもよい。機器３０は、通信リンク１２０、例えばイーサネットラインまたは無線接続上で外部コンピュータ７４と通信する。機器３０はまた、雲７６により表されるその他の要素とも通信リンク１２２上で通信してもよく、これは１本または複数の電気ケーブル、例えばイーサネットケーブル、または１つまたは複数の無線接続を含んでいてもよい。要素７６は、例えば関節アームＣＭＭ等、他の三次元試験機器であってもよく、これは、機器３０によって移動されてもよい。外部コンピュータ７４と要素７６との間の通信リンク１２４は、有線でも無線でもよい。外部コンピュータ７４の前に座っているオペレータは、雲７６で表されているインターネットにイーサネット（登録商標）または無線リンクで接続し、それがこれらをマスタプロセッサ７８にイーサネット（登録商標）または無線リンク上で接続する。このようにして、利用者はリモート機器、例えばレーザトラッカの動作を制御できる。
【００３８】
ここで図４を参照すると、トラッカ部分３４とスキャナ部分３６を有する機器３０内のペイロード構造４６のある実施形態が示されている。トラッカ部分３４およびスキャナ部分３６は統合されて、トラッカ部分３４およびスキャナ部分３６からの光を実質的に共通の内側光路上で発し、これは図１および１〜１３の中で、光ビーム５２により示されている。しかしながらトラッカ部分３４およびスキャナ部分３６により発せられた光は実質的に共通の光路上で移動するが、ある実施形態において、トラッカ部分３４およびスキャナ部分３６からの光ビームは異なるタイミングで発せられる。他の実施形態において、ビームは同時に発せられる。
【００３９】
トラッカ部分３４は、光源１２６と、アイソレータ１２８と、ファイバネットワーク１３６と、ＡＤＭ電子部品１４０と、ファイバ入射システム１３０と、ビームスプリッタ１３２と、位置検出器１３４と、を含む。ある実施形態において、光源１２６は可視光を発する。光源は例えば、赤色または緑色ダイオードレーザか、垂直キャビティ面発光レーザであってもよい。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１２６に戻される光の量を十分に減らすことのできるその他のあらゆる適当な機器であってもよい。アイソレータ１２８からの光はファイバネットワーク１３６へと進む。１つの実施形態において、ファイバネットワーク１３６は、図６に示されるファイバネットワークであり、これについては以下により詳しく説明する。位置検出器１３４は、光源１２６によって発せられ、ターゲット５８によって反射された放射の一部を受け取るように配置される。位置検出器１３４は、信号をコントローラ６４に供給するように構成される。信号は、コントローラ６４によって、モータ５１、５５を作動させて、ターゲット５８を追跡するように光ビーム５２を誘導するために使用される。
【００４０】
ファイバネットワーク１３６に入射する光のうちの一部は、光ファイバ１３８上でＡＤＭ電子部品１４０の基準チャネルへと伝送される。ファイバネットワーク１３６に入射する光のうちの他の部分は、ファイバネットワーク１３６とビームスプリッタ１３２を通過する。光はダイクロイックビームスプリッタ１４２に到達し、これはＡＤＭ光源の波長の光を伝送するように構成される。トラッカ部分３４からの光はペイロード構造４６から開口１４６を通じて光路１４４に沿って射出する。トラッカ部分３４からの光は、光路１４４に沿って進み、ターゲット５８により反射され、光路１４４に沿って戻り、ペイロード構造４６に開口１４６を通って再び入る。この戻り光は、ダイクロイックビームスプリッタ１４２を通過して、トラッカ部分３４に戻る。戻り光の第一の部分はビームスプリッタ１３２を通過して、ファイバ入射システム１３０に入り、ファイバネットワーク１３６に入る。光の一部は光ファイバ１４８へと通過し、ＡＤＭ電子部品１４０の測定チャネルの中に入る。戻り光の第二の部分は、ビームスプリッタ１３２により反射されて位置検出器１３４に入る。
【００４１】
１つの実施形態において、ＡＤＭ電子部品１４０は図５に示されているものである。ＡＤＭ電子部品１４０は、周波数基準３３０２と、シンセサイザ３３０４と、測定検出器３３０６と、基準検出器３３０８と、測定ミキサ３３１０と、基準ミキサ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−デジタル変換器（ＡＤＣ）３３２２と、を含む。周波数基準は、例えば恒温槽付水晶発振器であってもよく、例えば１０ＭＨｚの基準周波数ｆREFをシンセサイザに送り、これが２つの電気信号、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。周波数ｆRFの信号は光源１２６に入る。周波数ｆLOの２つの信号は測定ミキサ３３１０と基準ミキサ３３１２に入る。光ファイバ１３８、１４８からの光はそれぞれ基準および測定チャネルに入射する。基準検出器３３０８と測定検出器３３０６は、光信号を電気信号に変換する。これらの信号をそれぞれコンディショニング電子部品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、絶対値ｆLO−ｆRFに等しい周波数ｆIFの信号を生成する。周波数ｆRFの信号は比較的高い周波数、例えば２ＧＨｚであり、その一方で周波数ｆIFの信号は比較的低い周波数、例えば１０ｋＨｚを有していてもよい。
【００４２】
基準周波数ｆREFはプリスケーラ３３２４に送信され、これが周波数を整数で割る。例えば、１０ＭＨｚの周波数を４０で割り、２５０ｋＨｚの出力周波数を得てもよい。この例において、ＡＤＣ  ３３２２に入る１０ｋＨｚの信号は、２０ｋＨｚのレートでサンプリングされ、これによって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、例えば１つまたは複数のデジタル信号プロセッサに送信される。
【００４３】
距離を抽出するための方法は、基準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らの特許文献２に詳しく説明されており、特許文献２の内容を参照によって本願に援用する。計算は、特許文献２の等式（１）〜（８）の使用を含む。これに加えて、ＡＤＭが最初にターゲットの測定を開始するとき、シンセサイザにより生成された周波数が何回か（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ありうるＡＤＭ距離を比較することによって、ＡＤＭ測定の曖昧さが排除される。特許文献２の等式（１）〜（８）を特許文献２に記載されている同期方法およびカルマンフィルタ方法と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。他の実施形態では、絶対距離測定値を得るのに他の方法を使用してもよく、これは例えばパルス式飛行時間法である。
【００４４】
図４のファイバネットワーク１３６のある実施形態が、図６の中にファイバネットワーク４２０Ａとして示されている。この実施形態は、第一の光ファイバカプラ４３０と、第二の光ファイバカプラ４３６と、低透過率リフレクタ４３５、４４０と、を含む。第一と第二の光ファイバカプラは、２×２カプラであり、各々が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近接させて設置し、その後、ファイバを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セント結合が、隣接するファイバへの光の所望の部分を分離することができる。光は第一の光ファイバカプラ４３０を通って進み、２つの経路、すなわち光ファイバ４３３を通って第二の光ファイバカプラ４３６に至る第一の経路と光ファイバ４２２とファイバ長等化手段４２３を通る第二の経路に分かれる。ファイバ長等化手段４２３は図４の光ファイバ１３８につながり、これはＡＤＭ電子部品１４０の基準チャネルへと至る。ファイバ長等化手段４２３の目的は、基準チャネル内で光が通る光ファイバの長さを測定チャネル内で光が横断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と、周辺温度の変化に起因するＡＤＭ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ファイバの平均屈折率にファイバの長さを乗じたものと等しいために生じるかもしれない。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によって、測定および基準チャネルの有効光路長を変化させる。測定チャネル内の光ファイバの有効光路長が基準チャネル内の光ファイバの有効光路長に関して変化すると、ターゲット５８が静止したままにされたとしても、ターゲット５８の位置が変化したように見える。この問題を回避するために、２つのステップが取られる。第一に、基準チャネル内のファイバ長を測定チャネル内のファイバ長にできるだけ一致させる。第二に、測定および基準ファイバをできるだけ横並びの状態で設置して、２つのチャネル内の光ファイバがほぼ同じ温度変化に曝されるようにする。
【００４５】
光は光ファイバ４３３を通って第二の光ファイバカプラ４３６に進み、２つの経路、すなわち低反射ファイバターミネータ４４０までの第一の経路と、それがファイバネットワークから出る光ファイバ４３８までの第二の経路に分かれる。
【００４６】
ファイバネットワーク１３６の他の実施形態が図７に示されている。この実施形態において、ファイバネットワーク１３６は第一の光ファイバカプラ４５７と、第二の光ファイバカプラ４６３と、２つの低反射ターミネータ４６２、４６７と、光スイッチ４６８と、レトロリフレクタ４７２と、光スイッチ４６８の電気入力４６９と、を含む。光スイッチ４６８にはいくつかの種類がある。市販され、比較的安価な種類はＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）型である。この種類は、例えば半導体構造の一部として構成される小型ミラーを使用してもよい。あるいは、スイッチはモジュレータとすることもでき、これは特定の波長での非常に高速な切り換えに利用でき、ＭＥＭＳ型スイッチより若干コストが高い。スイッチはまた、光減衰器から構成されてもよく、これは電気信号に応答してもよく、減衰器に送信される電気信号によりオン、オフされてもよい。光ファイバスイッチの選択において考慮してもよい仕様の説明は、Ｂｒｉｄｇｅｓの特許文献３に記載されており、その内容を参照によって援用する。一般に、所望の性能と単純さを実現するために、スイッチは光ファイバスイッチであってもよい。理解するべき点として、上述の光スイッチの概念は、２色に基づくファイバネットワークにおいても同等に良好な性能を示すべきである。
【００４７】
ファイバネットワーク１３６は、光スイッチ４６８とレトロリフレクタ４７２を含む。通常、光はファイバ４６５から光スイッチ４６８の上側ポートを通り、光ファイバ４７０へと出る。しかしながら、時々、レーザトラッカがターゲットを測定していない時には、光スイッチ４６８は光信号を光ファイバ４６５から光ファイバ４７１へ、さらにレトロリフレクタ４７２へと分岐させる。光をレトロリフレクタ４７２に切り換える目的は、ＡＤＭシステムのコンポーネント内で熱ドリフトが発生しているかもしれない場合、これを取り除くことである。このようなコンポーネントは、例えば、光検出器等の光電子コンポーネント、ＡＤＭシステムの光ファイバ、ミキサ、アンプ、シンセサイザ、アナログ−デジタル変換器等のコンディショニング電子部品、およびレンズとレンズマウント等の光学コンポーネントを含んでいてもよい。例えば、初めに、測定チャネルの経路長が光をレトロリフレクタ４７２に分岐させる光スイッチ４６８を有する基準チャネルより２０ｍｍ長いことがわかったと仮定する。その後、測定チャネルの経路長が光をレトロリフレクタ４７２へと分岐させる光スイッチ４６８を有する基準チャネル経路長より２０．００３ｍｍ長いことがわかったとする。ＡＤＭデータプロセッサは、その後のＡＤＭ読取値から０．００３ｍｍ差し引く。理解するべき点として、この手順は、トラッカがＡＤＭ値をレーザトラッカのホームポジションに設定するたびに更新されるであろう。
【００４８】
ある実施形態において、レトロリフレクタ４７２は図８の光ファイバレトロリフレクタ４７２Ａである。この種のレトロリフレクタ４７２は一般にフェルールであり、光ファイバがフェルールの端において研磨され、コーティング４７３で被覆され、これは例えば金または複数の層の誘電性薄膜であってもよい。他の実施形態において、レトロリフレクタ４７２は図９のフリースペース型レトロリフレクタ４７２Ｂであり、これはコリメータ４７４とレトロリフレクタ４７６を含み、これらは例えばキューブコーナレトロリフレクタスラグであってもよい。
【００４９】
ファイバネットワーク１３６のまた別の実施形態が図１０に示されている。この実施形態において、ファイバネットワーク１３６は第一の光ファイバカプラ１７３０と、第二の光ファイバカプラ１７４０と、第三のファイバカプラ１７５０と、３つの低反射ターミネータ１７３８、１７４８、１７５８と、を含む。光ファイバ１７８１からの光は、入力ポートでファイバネットワーク１３６に入射する。光は第一の光ファイバカプラ１７３０を通って進む。光の一部は光ファイバ１３８とファイバ長補正手段４２３を通ってからＡＤＭ電子部品１４０の基準チャネルに入る。光の一部は第二の光ファイバカプラ１７４０と第三のファイバカプラ１７５０を通ってから、光ファイバ１７５３上に乗ってファイバネットワークから出る。光ファイバ１７４３からの光は第三のファイバカプラ１７５０に入射し、ここで第二の光源（図示せず）から光ファイバ１７９０を介した光と結合されて、複合光ビームを形成し、それが光ファイバ１７５３上で進む。光カプラ１７５０はダイクロイックカプラであり、それは、これが２つの波長を使用するように設計されているからである。光ファイバ１７５３内で運ばれた複合光ビームがレーザトラッカから出て、ターゲット５８で反射された後、これはファイバネットワーク１３６に戻る。第一の光源からの光は第三のファイバカプラ１７５０、第二の光ファイバカプラ１７４０を通過して光ファイバ１４８に入り、これはＡＤＭ電子部品１４０の測定チャネルへと至る。第二の光源（図示せず）からの光は光ファイバ１７９０に戻り、第二の光源（図示せず）へと戻る。
【００５０】
カプラ１７３０、１７４０、および１７５０は溶融型であってもよい。この種の光カプラにより、２つのファイバコア／クラッド領域が相互に近付けられ、溶融される。その結果、コア間の光は、エバネセント結合により交換される。２つの異なる波長の場合、第一の波長を当初のファイバに沿って完全に伝送し、第二の波長を同じファイバ上で完全に結合することのできるエバネセント結合装置を設計することが可能である。通常、光がカプラ１７５０に完全に（１００％）結合されることはない。しかしながら、２つまたはそれ以上の異なる波長のための良好な結合を提供する光ファイバカプラは、９８０ｎｍ、１３００ｎｍ、および１５５０ｎｍ等の一般的な波長で市販されている。これに加えて、光ファイバカプラは、他の波長、例えば可視波長についても市販品を購入でき、それ以外の波長用に設計、製造されてもよい。例えば、図１０おいて、光ファイバカプラ１７５０を、第一の波長の第一の光が光ファイバ１７４３から光ファイバ１７５３へと進み、光損失が低くなるように構成することが可能である。それと同時に、この装置を、光ファイバ１７９０上の第二の光を光ファイバ１７５３上で略完全に結合するように構成してもよい。したがって、第一の光と第二の光を、光ファイバカプラを通じて同じファイバ１７５３へと、わずかな損失で伝送することが可能である。波長が大きく異なる波長を結合する光カプラも市販されている。例えば、１３１０ｎｍの波長の光を５５０ｎｍの波長の光に結合するカプラが市販されている。単一横モードで両方の波長を伝播し、その一方で光ファイバ内での伝播中の光パワーの損失が比較的少なくなる長距離伝播のために、２つの波長が比較的相互に近いことが一般に望ましい。例えば、２つの選択された波長は６３３ｎｍと７８０ｎｍであり、これらは波長の数値において比較的相互に近く、長距離にわたり、高い損失を伴わずに、シングルモード光ファイバを通じて伝送できる。ファイバネットワーク１３６内のダイクロイックファイバカプラ１７５０の利点は、それがフリースペース型ビームスプリッタよりコンパクトである点である。これに加えて、ダイクロイックファイバカプラによれば、第一の光と第二の光が非常に良好に整列して、生産中に特別な光学的整合手順が不要となる。
【００５１】
図４に戻ると、スキャナ部分３６は、例えば後述の図１１に示されるようなスキャナの中に埋め込まれてもよい。スキャナ部分３６からの、例えば約１５５０ｎｍの赤外光等の光は、光路１５０に沿ってダイクロイックビームスプリッタ１４２へと進む。ダイクロイックビームスプリッタ１４２は、スキャナからの光を反射し、その一方で、レーザトラッカからの光は通過させように構成される。スキャナ部分３６からの光はターゲット５８へと進み、光路１５２に沿って環状開口１５４へと戻る。戻り光は環状開口１５４を通過して、外側光路に沿ってダイクロイックビームスプリッタ１４２で反射され、光路１５６に沿ってスキャナ部分３６に戻る。１つの実施形態において、外側光路（環状開口１５４により画定される）は、内側光路（開口１４６により画定される）と同軸である。スキャナ光を、環状開口１５４を通して戻すことにより、ターゲット５８から反射された光を損傷する可能性のある開口１４６からの不要な光が回避されるという利点を取得しうる。
【００５２】
この例示的実施形態において、開口１４６と環状開口１５４は、同心円状に配置されている。この実施形態において、開口１４６の口径は約１５ｍｍであり、環状開口１５４の内径は１５ｍｍ、外径は３ｍｍである。
【００５３】
理解するべき点として、この例示的実施形態において、ダイクロイックビームスプリッタ１４２はジンバル点５０に位置付けられる。このようにして、スキャナ部分３６とトラッカ部分３４のどちらからの光も、機器３０内の同じ点から発せられているように見えるかもしれない。この例示的実施形態において、トラッカ部分３４は可視レーザ光を発し、スキャナ部分３６は近赤外スペクトル内の光を発する。トラッカ部分３４からの光の波長は約７０ｎｍであってもよく、スキャナ部分３６からの光の波長は約１５５０ｎｍであってもよい。
【００５４】
スキャナ部分３６の１つの実施形態が図１１に示されている。この実施形態において、スキャナ部分３６は、光ビーム１６２を、コリメータ１６５を通じて発する光エミッタ１６０を含む。光エミッタ１６０は、約１５５０ｎｍの範囲の波長の光を発するレーザダイオードであってもよい。理解するべき点として、例えば、それより小さい、または大きい波長を有するその他の電磁波を使用してもよい。光ビーム１６２は、例えば正弦または方形波形変調信号により強度変調または振幅変調されてもよい。光ビーム１６２は、ダイクロイックビームスプリッタ１７２に送られ、これは光ビーム１６２を反射して、開口１４６を通ってターゲット５８に向かわせる。この例示的実施形態において、光ビーム１６２は、ミラー１７０とダイクロイックビームスプリッタ１７２で反射され、光ビーム１６２は光ビーム５２、１５０の所望の光路に沿って進むことができる。以下により詳しく説明するように、ダイクロイックビームスプリッタ１７２を使用することは、動作中に画像を取得するカラーカメラ１６８の組込みを可能にするという利点を提供する。他の実施形態において、光エミッタ１６０は、光をダイクロイックビームスプリッタ１４２に直接伝送するように配置され、まずミラー１７０とダイクロイックビームスプリッタ１７２で反射させなくてよい。
【００５５】
図４および１１に示されるように、トラッカ部分３４およびスキャナ部分３６からの射出光はどちらも同じ開口１４６を通過する。これらのトラッカ部分３４およびスキャナ部分３６からの光は実質的に直線的であり、図１の光ビーム５２の光路に沿って進む。戻り経路上で、トラッカ部分３４からの光はレトロリフレクタターゲットにより反射されるため、それが機器３０に戻る時に略直線となる。トラッカ光の戻りビームは、開口１４６を通過して戻り、これはそれが機器３０から出る時と同じ開口である。これに対して、スキャナ部分３６から光は通常、拡散的に散乱させる物体表面５８´に当たり、そが戻る際には広い角度に広がる。反射光のわずかな部分が、内径が開口１４６の外径と同じ（またはそれと同心）となるように位置付けられた環状開口１５４を通過する。戻り光１６３は、ダイクロイックビームスプリッタ１７２で反射され、レンズ１６０を光ビーム１６３として通過し、反射面１８０、１７８、１７６で反射され、受光器１８２内のレンズ群を通過してから、光検出器に到達する。戻りスキャナ光は環状開口１５４を通るように方向付けられ、内側開口１４６を通って戻る光を一切含まない。これは、射出光の光パワーが物体表面５８´により戻される光のそれよりはるかに大きく、光素子での反射が内側開口１４６の経路に沿って戻されるのを回避することが望ましいため、有利である。
【００５６】
ある実施形態において、任意選択によるカラーカメラ１６８は、物体表面５８´により反射された光の一部がダイクロイックビームスプリッタ１７２を通過してカラーカメラ１６８に入る。ダイクロイックビームスプリッタ１７２上のコーティングは、カラーカメラによってピックアップされる可視波長を通過させ、その一方で、光エミッタ１６０により発せられる波長の光を反射させるように選択される。カラーカメラ１６８は受光レンズ１６０に、例えば接着剤で、または窪みの中に入れて連結されてもよい。カラーカメラ１６８によってカラー画像を取得することができ、これは通常、スキャナ内の距離計によってデータポイントを取得した後のある時点でいくつかの個別のステップを踏むことによって行われる。
【００５７】
ある実施形態において、マスク１７４は受光レンズ１６０の背後の光軸上に同軸的に配置される。マスク１７４は、戻り光ビーム１６３が妨害されずに通過できる大きな面積を有する。マスク１７４は、光軸から半径方向に外側に位置付けられる遮蔽領域を有し、それによって戻り光ビーム１６３の強度を、戻り光の強度が機器３０から物体表面５８´の距離が異なってもより等しくなるように低減させる。
【００５８】
ある実施形態において後方ミラー１７６がマスク１７４の背後の光軸上に配置される。後方ミラー１７６は、戻り光ビーム１６３を反射し、これが受光レンズ１６６により屈折させられ、中央ミラー１７８へと向かう。中央ミラー１７８は、マスク１７４の中央の光軸上に配置される。カラーカメラ１６８を有する実施形態において、この領域は、カラーカメラ１６８で陰になるかもしれない。中央ミラー１７８は、非球面ミラーであってもよく、これは負レンズ（すなわち、焦点距離を延ばす）としても、近接場補正レンズ（すなわち、ターゲットにより反射された戻り光ビーム１６３の焦点をシフトさせる）としても機能する。これに加えて、反射は、戻り光ビーム１６３が中央ミラー１７８の上に配置されたマスク１７４を通過する範囲でのみ提供される。中央ミラー１７８は、戻り光ビームを反射して、後方ミラー１７６の中央開口１８０を通過させる。
【００５９】
入射絞りと、フィルタ付コリメータと、集光レンズと、光検出器と、を有する受光器１８２が、後方ミラー１７６の付近の、マスク１７４と反対に配置される。１つの実施形態において、ミラー１８４は戻り光ビーム１６３を９０°偏向させる。
【００６０】
１つの実施形態において、スキャナ部分３６は１つまたは複数のプロセッサ１８６を有していてもよく、これは図３のスキャナ電子部品９６と同じでも、これを補完するものであってもよい。プロセッサ１８６は、スキャナ部分３６のための制御および評価機能を実行する。プロセッサ１８６は、光エミッタ１６０および受光器１８２に連結され、これらと通信する。プロセッサ１８６は、各測定点について、機器３０とターゲット５８との間の距離を、発せられたビーム１６２と戻り光ビーム１６３の飛行時間に基づいて判断する。他の実施形態において、プロセッサ１８６とその機能は、コントローラ６４に組み込まれてもよく、これは図３のスキャナ電子部品９６、マスタプロセッサ７８、外部コンピュータ７４、またはネットワーク要素７６に対応してもよい。
【００６１】
トラッカ部分３４とスキャナ部分３６の光学距離計は、飛行時間の原理を利用して距離を判断してもよい。理解するべき点として、飛行時間という用語はここでは、変調光を評価してターゲットまでの距離を判断するあらゆる方法を示すために使用される。例えば、トラッカ部分３４またはスキャナ部分３６からの光は、正弦波を使って光学パワーが変調されてもよい（強度変調）。検出された光が評価されて、基準ビームと測定ビームとの間の位相シフトが判断され、ターゲットまでの距離が特定される。他の実施形態において、光の光学パワーは、略方形のパルス光によって変調されてもよい。この場合、パルスの前端は、機器３０から出る途中および機器３０に戻る時に測定されてもよい。この場合は、経過時間を使ってターゲットまでの距離が特定される。他の方法では、外部モジュレータの変調によって時間に関して光の偏向状態を変化させ、その後、戻り光が偏光板を通過した後に消える変調周波数を記録することが含まれる。距離測定のためのその他の多くの方法が、一般的な飛行時間型の分類に含まれる。
【００６２】
距離を測定するための他の一般的な方法は、コヒーレントまたは干渉計方式と呼ばれる。光ビームの光パワーが評価される上述の方法と異なり、コヒーレントまたは干渉計方式では、相互にコヒーレントな２つの光ビームを結合して、電界の光学的干渉が発生するようにする。光パワーではなく電場を加えることは、電力ではなく電圧を加えることと同じである。１つの種類のコヒーレント距離計では、光の波長を時間に関して変化させる。例えば、波長は鋸歯パターンで変化されてもよい（周期的に反復しながら直線的に変化させる）。このような方法で作られた機器は、周波数変調コヒーレントレーザ（ＦＭＣＬ）レーダと呼ばれることがある。コヒーレント型か飛行時間型か、何れの方法でもトラッカ部分３４とスキャナ部分３６の距離計に使用できる。
【００６３】
ここで、図１２〜１４を参照すると、機器のある実施形態が示され、前カバーが取り除かれ、明瞭にするためにいくつかの光学およびコンディショニング電子部品が省略されている。この実施形態において、機器３０はジンバルアセンブリ３６１０を含み、これはゼニスシャフト３６３０と、結合チューブ３６２２を有する光学部品ベンチアセンブリ３６２０と、を含む。ゼニスシャフトは、シャフト３６３４と結合スリーブ３６３２を含む。ゼニスシャフト３６３０は、単独の金属片から製造されてもよく、それによって剛性と温度安定性が向上する。図１４は、光学部品ベンチアセンブリ３７２０とゼニスシャフト３６３０のある実施形態を示している。光学部品ベンチアセンブリ３７２０は、主要光学部品アセンブリ３６５０と二次的光学部品アセンブリ３７４０を含む。主要光学部品アセンブリ３６５０の筐体は、単独の金属片から製造されてもよく、それによって剛性と温度安定来が向上し、また結合チューブ３６２２を含む。ある実施形態において、結合チューブ３６２２の中心軸は、結合スリーブ３６３２の中心軸と一致する。１つの実施形態において、４つのファスナ３６６４が二次的光学部品アセンブリ３７４０を主要光学部品アセンブリ３６５０に取り付ける。結合チューブ３６２２は、結合スリーブ３６３２の中に挿入されて、３本のねじ３６６２によりその位置に保持される。ある実施形態において、結合チューブ３６２２はこの結合スリーブ３６３２と、結合チューブ３６２２の一方の端において２本のピンによって整合され、ピンは穴３６６６に嵌め込まれる。
【００６４】
ジンバルアセンブリ３６１０は光学部品ベンチアセンブリ３６２０を保持するように設計されているが、他の種類の機器、例えばカメラ、レーザエングレーバ、ビデオトラッカ、レーザポインタ、および角度測定器等の機器や、Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ（ＬＩＤＡＲ）システムをゼニスシャフト３６３０に設置することもできる。結合スリーブ３６３２によって提供される位置合わせレジストレーションにより、このような機器は容易に、正確にジンバルアセンブリ３６１０に取り付けることができる。この例示的実施形態において、トラッカ部分３４は、主要光学部品アセンブリ３６５０の中に配置され、スキャナ部分３６は二次的光学部品アセンブリ３７４０の中に設置される。ダイクロイックビームスプリッタ１４２は、図１４に示されるように、主要光学部品アセンブリ３６５０の中に配置される。
【００６５】
動作中、機器３０は希望する精度レベルに応じて、図１５と図１６に示されるような２つの動作モードを有する。第一のモード（図１５）は、トラッカ部分３４を、例えば測定球（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＳＭＲ）であってもよいレトロリフレクタターゲット等の協力的ターゲット５８と共に使用する。この第一のモードでは、機器３０は光ビーム５２を発し、これは事実上、ジンバル点５０、ダイクロイックビームスプリッタ１４２、および開口１４６を通過して、ターゲット５８に向かう。光５２はターゲット５８に当たり、光の一部は同じ光軸に沿って開口１４６とダイクロイックビームスプリッタ１４２を通ってトラッカ部分３４へと戻る。機器３０は次に、機器３０からターゲット５８までの距離を図４〜１０に関して前述したように判断する。ある実施形態において、この第一の動作モード中、スキャナ部分３６は動作しない。
【００６６】
図１６に示される第二の動作モードにおいて、スキャナ部分３６は光ビーム１６２を発し、これはダイクロイックビームスプリッタ１４２で反射され、開口１４６を通ってターゲット５８に向けて発せられる。理解するべき点として、スキャナ部分３６は、非協力的ターゲットまでの距離を測定してもよく、測定値を得るのにレトロリフレクタ等のターゲットを必要としない。光はターゲット５８で反射され（散乱し）、光の一部１６３は環状開口１５４を通過して戻る。前述のように、戻り光１６３は環状開口１５４を通過することが望ましく、それは、これによって戻り光信号を破損する可能性のある光学部品からの後方反射を縮小するという利点を提供するからである。戻り光１６３は、ダイクロイックビームスプリッタ１４２で反射されてスキャナ部分３６に戻り、そこで機器３０からターゲット５８までの距離が、図１１に関して前述したように特定される。スキャナ部分３６はペイロード構造４６がアジマス軸４４とゼニス軸４８の周囲で同時に回転されながら連続的に動作する。この例示的実施形態において、光ビーム１６２がたどる経路は、ペイロード構造４６が軸４４、４８の周囲で回転する間に単独の方向に進む（例えば、逆転しない）。この経路は、ゼニスおよびアジマスモータの各々を単独の方向に連続的に回転させることによって実現されてもよい。これを言い換えれば、第二のモードにおいて、ビームは物体表面５８´へと方向付けられ、その一方で、ゼニスおよびアジマス角度は連続的に単調に変化する。ビームは、１つの軸（ゼニスまたはアジマス軸）の周囲で高速で誘導され、それと同時にもう一方の軸の周囲では比較的低速で誘導されてもよい点に注意されたい。１つの実施形態において、ペイロード構造４６の運動によって、光ビームは螺旋状の経路をたどる。
【００６７】
理解するべき点として、スキャナ部分３６を、光ビーム１６２の経路を逆転させなくてもよいように動作させることによって、ラスタ型パターンまたはランダムパターンをたどるスキャナに対するいくつかの利点が得られる。第一に、方向の逆転が不要であるため、大量のデータを効率的に収集できる。その結果、スキャナ部分３６は、大きい領域を有効に走査し、その間に１秒あたり１００万を超える三次元地点等、高いサンプリングレートでデータを取得することができる。第二に、単方向に連続的に進むことによって、光ビームが人物と交差した場合に、その人物のある領域に当たる全エネルギーが小さくてすむ。これによって、より望ましいＩＥＣ  ６０８２５−１準拠のレーザ分類を実現できる。
【００６８】
１つの実施形態において、トラッカ部分３４は、可視光スペクトル内の光ビーム５２を発する。この実施形態において、トラッカ部分３４は、スキャナ部分３６が光１６２を発している間に光ビーム５２を発してもよい。これは、トラッカ部分３４からの可視光５２がオペレータにとって目に見える基準となるため、有利である。
【００６９】
ここで、図１７〜１８を参照すると、機器３０の動作方法が示されている。方法１９０は、ブロック１９２でトラッカ部分３４の動作モードを選択することから始まる。方法は次にブロック１９４に進み、ここでトラッカ部分３４をアクティベートする。ブロック１９６で、次にジンバル機構をゼニスおよびアジマス軸の周囲で移動させ、光ビームをターゲット５８に向けて誘導する。ブロック１９８で、光は協力的ターゲット５８で反射され、開口１４６を通って機器３０に戻る。ブロック２００で、次に機器３０は、機器３０からターゲット５８までの距離を計算する。ブロック２０２で、アジマスおよびゼニス角度を特定し、測定点の三次元座標（距離と２つの角度）を特定する。このプロセスを、すべての所望の測定点が特定されるまで繰り返すことができる。
【００７０】
次に図１８を参照すると、方法２０３が示されており、その中ではブロック２０４でスキャナ部分３６を選択する。次に方法２０３はブロック２０６に進み、ここでスキャナ部分３６をアクティベートする。可視基準光を提供することが望ましい場合、ブロック２０８でトラッカ部分３４からの光をアクティベートする。光はスキャナ部分３６から開口１４６を通ってターゲット５８へと伝送される。この例示的実施形態において、ブロック２０９に示されるように、スキャナ部分３６からの光は経路に沿って１つの方向に（例えば、螺旋状に）発せられ、方向は逆転されない。光はターゲット５８で反射され、機器３０に戻る。ブロック２１０で、戻り光が環状開口１５４を通じて受け取られる。ブロック２１２で、機器３０からターゲット５８までの距離を特定する。ブロック２１４でアジマスおよびゼニス角度を特定し、ターゲット５８上の測定点までの座標（距離と２つの角度）を特定する。
【００７１】
スキャナ部分３６からの光ビームを物体表面５８´に方向付ける方法は、上記以外で実行されてもよい。第一の実施形態において、スキャナ部分３６からの光は同じ方向に面するジンバルアセンブリ３６１０で方向付けられる。この動作モードでは、ビームは何れの所望の点にも方向付けられる。第二の実施形態において、スキャナ部分３６からの光は、アジマス軸またはゼニス軸の何れでもよい軸の周囲で比較的速い一定の速度で旋回するジンバルアセンブリ３６１０で方向付けられる。もう一方の軸もまた移動されるが、速度は比較的低速である。このようにして、ビームは低速の螺旋状に方向付けられる。第二の実施形態では、大きい体積の完全な走査を素早く実行できる。第二の実施形態の他の利点は、常に移動するビームがその連続移動中に人物の目の瞳と交差する時間がより短い点である。そのため、より強力なレーザパワーを使用しながら、所望のＩＥＣ  ６０８２５−１の分類を提供できる。
【００７２】
ここで、図１９を参照すると、機器３０の他の実施形態が示されており、これはトラッカ部分３４の中の第一の絶対距離計とスキャナ部分３６の中の第二の絶対距離計を有し、トラッカ部分３４およびスキャナ部分３６はペイロード構造４６に連結される。この実施形態において、トラッカ部分３４とスキャナ部分３６は、共通の光路上で光を発しない。トラッカ部分３４は光ビーム５２を第一の半径方向に方向付けるように配置され、その一方で、スキャナ部分３６は光ビーム１６２を物体表面５８´に向かう第二の半径方向に方向付けるように配置される。第一の半径方向と第二の半径方向は、それらの間に角度θをなす。この例示的実施形態において、角度θは９０°である。他の実施形態おいて、角度θは５度〜１８０度である。しかしながら、トラッカ部分３４とスキャナ部分３６をペイロード構造４６の中に位置付けることができれば、何れの適当な角度でも使用できる。理解するべき点として、ペイロード構造４６がアジマス軸４４の周囲で回転されると、トラッカ部分３４とスキャナ部分３６は同じアジマス角度に向き付けられる。
【００７３】
ここで、図２０を参照すると、機器３０の他の実施形態が示されており、これはトラッカ部分３４とスキャナ部分３６を有する。この実施形態において、トラッカ部分３４はスキャナ部分３６と平行に向き付けられ、ミラー２１６を使って光５２をダイクロイックビームスプリッタ１４２に向けて反射する。この実施形態において、ダイクロイックビームスプリッタ１４２は、光５２を反射しながら、スキャナ部分３６からの光１６２を透過させるように構成される。
【００７４】
光ビーム５２、１６２は、開口１４６を通過し、光軸Ａに沿って、水平軸４８の周囲で回転するように配置された斜めの回転ミラー２１８に向かって方向付けられる。外向きの光５２、１６２は、ミラーの中心Ｃ10によって反射され、ここでは、それが反射されてターゲット５８（トラッカ部分３４の場合）または物体表面５８´（スキャナ部分３６の場合）に向かうように偏向される。中心Ｃ10は、基準系の原点を画定する。ターゲット５８または物体表面５８´により反射された光は、回転ミラー２１８から反射されて、開口１４６に向かって戻される。光５２は、回転ミラー２１８の中心Ｃ10で反射されて、開口１４６を通って戻される。光５２はダイクロイックビームスプリッタ１４２とミラー２１６により反射されてから、トラッカ部分３４へと戻る。戻り光１６３は、回転ミラー２１８で反射され、環状開口１５４を通過してから、スキャナ部分３６に戻る。
【００７５】
発せられた光５２、１６２と反射光の方向は、水平軸４８と垂直軸４４の周囲の回転ミラー２１８の角度位置から決まる。角度位置は、それぞれエンコーダ５４、５６によって測定される。理解するべき点として、１つの動作モードで、トラッカ部分３４とスキャナ部分３６による測定は、回転ミラー２１８の高速回転とペイロード構造４６の低速回転によって実行される。それゆえ、機器が円状に前進する間に、空間全体がステップごとに測定される。
【００７６】
ある実施形態において、スキャナからの光ビームは、コリメートされずに調節可能に合焦される。幾何光学では、合焦された光ビームはある点となるが、現実には、光ビームは計算された焦位置付近のビームウェストとなる。ビームウェスト位置において、ビームの幅はビームが伝播する際に最小となる。
【００７７】
スキャナから合焦された光ビームを送ることの１つの利点は、より小さいビームにより、縁辺でより正確に３Ｄ座標を判断できる点である。例えば、より小さい合焦ビームによって、穴の直径または特徴の大きさをより正確に特定できる。スキャナから合焦された光ビームを送ることの他の利点は、合焦されたビームにより、単純に、輝く／高反射金属球であるツーリングボールレトロリフレクタからの光の最大反射位置を見つけるように誘導できる点である。光ビームをスキャナからツーリングボールに方向付けるこのような方法によって、ツーリングボールまでの距離と角度を正確に測定できる。このため、ツーリングボールをターゲットとして使用できる。スキャナとトラッカの機能を統合した機器により、本明細書で説明するように、２種類のターゲット、すなわちＳＭＲとツーリングボールを利用できることになる。２種類のターゲットの使用により、トラッカ部分３４およびスキャナ部分３６を同じ基準フレームの中に容易に入れることができ、それは、ＳＭＲとツーリングボールの両方を環境中に分散された同じ磁気ネスト内に保持できるからである。
【００７８】
ある実施形態において、調節可能焦点調整機構３９がスキャナ部分３６の他の要素に追加される。このような追加の調節可能焦点調整機構が図２１〜２６に示されている。図２１は図４と同様であるが、スキャナ部分３６が２つの内部要素、すなわちスキャナ要素３７と調節可能焦点調整機構３９を有するように示されている点が異なる。図２２は図１１と同様であるが、調節可能焦点調整機構３９がスキャナ部分３６の中に含まれる点が異なる。図２３、２４は図１５、１６と同様であるが、スキャナ部分３６がスキャナ要素３７と調節可能焦点調整機構３９を有するように示されている点が異なる。図２５は図１９と同様であるが、スキャナ部分３６がスキャナ要素３７と調節可能焦点調整機構３９を含むように示されている点が異なる。
【００７９】
ある実施形態において、調節可能焦点調整機構３９は、図２６に示すように、いくつかの基本的レンズ要素を含み、これには任意選択の要素２６０４、２６０６が含まれていてもよい。これに加えて、調節可能焦点調整機構３９はレンズ要素２６０２を含み、これはレンズ２６０２を前後に移動させて、所望のように調節できるように構成されたモータ式調節可能ステージ２６１０に取り付けられる。ある実施形態において、図３のスキャナ電子部品９６は、モータ式調節可能ステージ２６１０を電気的に制御する。
【００８０】
レンズアセンブリの中に調節可能な焦点を提供するために、様々なレンズアセンブリと調節方法が当業界で知られている。当業者であれば、こその中の何れの方法を使用して本発明の中の調節可能焦点を提供してもよいことが分かる。
【００８１】
本発明を、限定的な数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明は開示されたこのような実施形態に限定されないことが容易に理解できるはすである。むしろ、本発明は、上述されていないが、本発明の主旨と範囲と等しい変化形、代替案、置換、または等価配置をいくつでも組み込むように改造できる。これに加えて、本発明の各種の実施形態を説明したが、本発明の態様は説明された実施形態の中のいくつかだけしか含んでいなくてもよいと理解する。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。さらに、第一の、第二の、等々の用語の使用はいかなる順番または重要性も意味せず、第一の、第二の、等々の用語は、１つの要素を他の要素から区別するために使用されている。さらに、冠詞（ａ、ａｎ）等の用語の使用は、数量の限定を意味するのではなく、言及されている品目が少なくとも１つ存在することを意味する。
【符号の説明】
【００８２】
３０  座標測定機器、３２  筐体、３４  トラッカ部分、３６  スキャナ部分、３７  スキャナ要素、３８  ジンバル式ビームステアリング機構、３９  調節可能焦点調整機構、４０  アジマスベース、４２  ゼニスキャリッジ、４４  アジマス軸、４６  ペイロード構造、４８  ゼニス軸、５０  ジンバル点、５１  ゼニスモータ、５２，１６２，１６３  光ビーム、５４  ゼニス角度エンコーダ、５５  アジマスモータ、５６  アジマス角度エンコーダ、５８  ターゲット（レトロリフレクタターゲット）、５８´  物体表面、６０  磁気ネスト、６４  コントローラ、６６  分散型処理システム、６８  温度センサ、７２  携帯情報端末、７４  外部コンピュータ、７６  ネットワークコンポーネント、７８  マスタプロセッサ、８０  ペイロード機能電子部品ユニット、８２  アジマスエンコーダ電子部品、８６  ゼニスエンコーダ電子部品、８８  ディスプレイおよびＵＩ電子部品、９０  リムーバブルストレージハードウェア、９２  無線電子部品、９４  アンテナ、９６  スキャナ電子部品、９８  カメラ電子部品、１００，１０２，１０４  電子部品、１０６，１０８，１１０  バスライン、１１２，１１４，１１６，１１８  バス、１２０，１２２，１２４  通信リンク、１２６  光源、１２８  アイソレータ、１３０  ファイバ入射システム、１３２  ビームスプリッタ、１３４  位置検出器、１３６  ファイバネットワーク、１３８，１４８，４２２，４３３，４３８，４６５，４７０，４７１，１７４３，１７５３，１７８１，１７９０  光ファイバ、１４０  電子部品、１４２，１７２  ダイクロイックビームスプリッタ、１４４，１５０，１５２，１５６  光路、１４６  内側開口、１５４  環状開口、１６０  光エミッタ、１６５  コリメータ、１６６  受光レンズ、１６８  カラーカメラ、１７０，１８４，２１６  ミラー、１７４  マスク、１７６  後方ミラー、１７８  中央ミラー、１８０  反射面、１８０  中央開口、１８２  受光器、１８６  プロセッサ、２１８  回転ミラー、４２０Ａ  ファイバネットワーク、４２３  ファイバ長等化手段（ファイバ長補正手段）、４３０，１７４０，１７５０  光ファイバカプラ、４３５  低透過率リフレクタ、４３６，４５７，４６３，１７３０  光ファイバカプラ、４４０  低反射ファイバターミネータ、４６２，１７３８  低反射ターミネータ、４６８  光スイッチ、４６９  電気入力、４７２，４７６  レトロリフレクタ、４７２Ａ  光ファイバレトロリフレクタ、４７２Ｂ  フリースペース型レトロリフレクタ、４７３  コーティング、４７４  コリメータ、２６０２，２６０４，２６０６  レンズ要素、２６１０  モータ式調節可能ステージ、３３０２  周波数基準、３３０４  シンセサイザ、３３０６  測定検出器、３３０８  基準検出器、３３１０  測定ミキサ、３３１２  基準ミキサ、３３１４，３３１６  コンディショニング電子部品、３３２４  分周プリスケーラ、３４００  データプロセッサ、３６１０  ジンバルアセンブリ、３６２０，３７２０  光学部品ベンチアセンブリ、３６２２  結合チューブ、３６３０  ゼニスシャフト、３６３２  結合スリーブ、３６３４  シャフト、３６５０  主要光学部品アセンブリ、３６６４  ファスナ、３６６６  穴、３７４０  二次的光学部品アセンブリ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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