(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定場所内でのｘ−ｙ−ｚデータを生成するための位置測定装置であって、
前記測定場所において相互に離れた状態にある複数の、回転可能に支持されたトランスミッタと、
前記測定場所内に検出手段が位置する際に、ビームの１つまたは光学ストロボが検出手段を照明するたびに電気信号を発する、少なくとも１人のユーザが動かすことのできる検出手段と、
を含み、
各トランスミッタは、
前記測定場所内における基準枠を介して連動するように関連づけられており、
回転し実質的に扇形をなす少なくとも２つのビームを生成するためのレーザ手段と、
各トランスミッタの回転の所定の位置で各トランスミッタ用にストロボパルスを発生させるためのストロボ手段と、
前記ファンビームの所定の角度パラメータを一意に特定するキャリブレーションデータを保存する記憶手段と、
前記ファンビームの１つが前記検出手段の１つを照明するたびに、前記ファンビームのスキャン角度を算出する算出手段と、
前記トランスミッタのスキャニングオペレーションを直接利用する非セオドライト処理を利用して測定場所内での前記検出手段の位置に対応したｘ−ｙ−ｚデータの算出を行う手段と、を備えた位置測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置測定装置において、
前記保存されたキャリブレーションデータは、前記レーザ手段と、前記トランスミッタの垂直線から測定された前記ファンビームの各々の傾斜角との間の分離角を一意に特定することを特徴とする位置測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の位置測定装置において、
前記ストロボ手段は、前記トランスミッタの回転用のゼロ基準を定めることを特徴とする位置測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の位置測定装置において、
更に、各トランスミッタの回転速度を独自に定義するキャリブレーションデータを保存するための記憶手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の位置測定装置において、
前記キャリブレーションデータは、システム内の各トランスミッタごとに特有であり、前記トランスミッタごとの速度キャリブレーションデータを用い、前記測定場所内で動作するトランスミッタを前記位置測定装置によって区別することが可能になることを特徴とする位置測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の位置測定装置において、更に、前記検出手段の１つによって発せられた電気信号の間の差動タイミングを測定する高速タイマ手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の位置測定装置において、更に、前記差動タイミング測定に対応して、前記トランスミッタの１つの１回転につき、前記光学ストロボパルスと前記レーザファンビームとの間の角度データを算出する手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
【請求項８】
請求項７に記載の位置測定装置において、
前記複数の光学トランスミッタは、２個またはそれ以上のトランスミッタを含み、 前記角度算出手段は、前記測定場所で動作可能な各検出手段ごとに、６つまたはそれ以上の関連するベクトルを算出する手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
【請求項９】
請求項１に記載の位置測定装置において、
前記ｘ−ｙ−ｚデータの算出を行う手段は、マトリックス計算手段を有し、前記計算用の前記マトリックス表記は、下記のように表すことができ、
0004812170.tif 000020
ここで、下付き文字は前記マトリックスの大きさを示し、前記ｘ−ｙ−ｚデータは、上記の方程式を解いてPを求めることにより算出することができることを特徴とする位置測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の位置測定装置において、
前記マトリックスは、最小二乗約分の数学的手法を利用して択一的に解を求めることができることを特徴とする位置測定装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の位置測定装置において、
前記マトリックスは、一価分解の数学的手法を利用して解を求めることができることを特徴とする位置測定装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の位置測定装置において、
該装置は、更に、
前記検出手段のうちの幾つかから順次入来する電気信号を蓄積するための複数の追跡装置と、
前記入来する電気信号に、前記追跡装置のうちの個々の幾つかを個々に対応させるための同期手段と、
含むことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の位置測定装置において、
更に、１つの送信期間に由来した３つの関連する電気信号の１組と、ある特定の送信手段とを対応させるためのパルス追跡調整手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の位置測定装置において、更に、前記検出手段を照明する前記電気信号のうちの幾つかが反射であって視準線ビーム衝突ではないかどうかを決定するためのマルチパスパルス追跡手段を含むことを特徴とする位置測定装置。
【請求項１５】
測定場所内でのｘ−ｙ−ｚ位置データの生成を容易にするための光学的送信方法であって、
前記測定場所において、少なくとも２つの回転式支持光学送信装置が、相互に間隔を空けた状態で所定の場所に位置し、前記測定場所、及び前記送信手段からの照明を検出する少なくとも１つの照明検出手段を照明し、
該方法は、
前記測定場所を全面的に照らすように、実質的に平面をなす第１及び第二の光学ビームを各送信手段から放射する工程と、
前記ビーム用の方位角基準信号を伝送する工程と、
前記測定場所内に前記検出手段の１つを選択的に位置させる工程と、
各送信手段に対して前記ビームの所定の角度パラメータを定義するためのキャリブレーションデータを、前記検出手段に対応して動作可能な記憶手段に保存する工程と、
前記ビームの１つが前記検出手段の１つを照明するたびに前記ビームのスキャン角度を算出し、前記ビームに照明される前記検出手段の１つの位置に対応したｘ−ｙ−ｚデータ、及び前記測定場所内の前記方位角基準を、前記トランスミッタのスキャニングオペレーションを直接利用する非セオドライト処理を利用して算出する工程と、
から構成されることを特徴とする光学的送信方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学的送信方法において、各送信手段を独自に特性化する回転速度キャリブレーションデータを、前記検出手段に対応して動作可能なデジタルメモリに保存する付加的な工程を含むことを特徴とする光学的送信方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光学的送信方法において、前記送信手段ごとの前記保存された回転速度キャリブレーションデータの関数として、測定場所内で動作する前記送信手段のうちの幾つかを区別する付加的な工程を含むことを特徴とする光学的送信方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の光学的送信方法において、前記送信手段の幾つかの各回転について、前記方位角基準信号と前記ファンビームの間の角度データの差動タイミング測定値を算出する付加的な工程を含むことを特徴とする光学的送信方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の光学的送信方法において、 ｘ−ｙ−ｚ位置データを算出する前記工程は、以下に表すマトリックス方程式においてＰの値を解く工程を含み、
0004812170.tif 000021
ここで下付き文字は前記マトリックスの大きさを示すことを特徴とする光学的送信方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の光学的送信方法において、
前記マトリックス式によって表される方程式を解く工程は、最小二乗約分の数学的処理を伴うことを特徴とする光学的送信方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の光学的送信方法において、
前記マトリックスによって表される方程式を解く工程は、一価分解の数学的処理を伴うことを特徴とする光学的送信方法。
【請求項２２】
定められた測定場所内でのｘ−ｙ−ｚデータを生成するための位置測定システム用の光学トランスミッタにおいて、
前記測定場所の全体を照らすように、実質的に扇形をなす２つで１組のビームを所定の位置から放射するレーザ手段と、
所定の切換え可能な速度で前記ファンビームを回転させるモータ手段と、
前記ファンビームの回転の所定の間隔で方位角基準信号を伝送する基準信号手段と、
前記ファンビームの所定の角度パラメータを一意に特定するキャリブレーションデータを保存するための記憶手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
【請求項２３】
請求項２２に記載の光学トランスミッタにおいて、更に、前記システム内で動作可能な光学レシーバに前記キャリブレーションデータを通信する出力データポート手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
【請求項２４】
請求項２２に記載の光学トランスミッタにおいて、更に、前記ファンビームの回転速度を切り換える前記モータ手段を選択的に制御するための回転制御手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
【請求項２５】
請求項２４に記載の光学トランスミッタにおいて、
前記回転制御手段は、位相同期ループフィードバック手段によって制御可能な回転式変圧器を有することを特徴とする光学トランスミッタ。
【請求項２６】
請求項２２に記載の光学トランスミッタにおいて、
前記キャリブレーション手段は、前記ファンビームと各ファンビームの垂直傾斜角の間の分離角を一意に特定するキャリブレーションデータを保存するデジタルメモリ保存手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
【請求項２７】
請求項２２に記載の光学トランスミッタにおいて、更に、前記ファンビーム用に特定の回転速度を定義するキャリブレーションデータを保存するデータ保存手段を含むことを特徴とする光学トランスミッタ。
【請求項２８】
請求項２２に記載の光学トランスミッタにおいて、
前記基準信号は、前記ファンビーム回転の開始基準を定義することを特徴とする光学トランスミッタ。
【請求項２９】
請求項２５に記載の光学トランスミッタにおいて、 前記回転制御手段は書替え可能ゲートアレイを有することを特徴とする光学トランスミッタ。
【発明の詳細な説明】
【同時係属出願について】
【０００１】
本出願は、本出願に先行して１９９９年３月２２日に出願され、本出願の譲受人に譲受された米国特許仮出願番号６０／１２５，５４５、及び１９９９年１０月１３日に米国から出願されたＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９９／２３６１５の「位置測定システム回転ヘッド光学トランスミッタ」に基づく優先権を主張する。両先出願をここに引用し、本出願に盛り込むものとする。
【発明の背景】
【０００２】
（１．発明の技術分野）
本発明は、概して、位置測定に関し、更に詳しくは、位置関連情報を供給するために改良された装置または方法に関する。
【０００３】
（２．発明の背景技術）
位置測定の技術分野においては、測量手法や世界測位衛星システム（ＧＰＳ）など様々な技法が知られている。
【０００４】
これらの技術の多くは、高精度で複雑な装置を製造する複雑性に伴い、装置が高価になるという制約がある。しかも、それらの技術の多くは大がかりな訓練を要するため、本技術分野で訓練を受けていない者は利用することができない。
【０００５】
本発明の目的は、改良された低コストな光学トランスミッタを提供し、従来の位置測定システムにまつわる問題点の多くを克服することである。
【０００６】
また、本発明のさらなる目的は、位置測定用の低コストで安定した光学トランスミッタを製造するための、より簡便に改良された方法を提供することにある。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書で開示されるシステムは、高レベルにおいては、複数のトランスミッタ及び受信機器を含む。トランスミッタはその静止位置から信号を送信し、レシーバはそれらの信号を受信する。本システムでは、レーザビーム及びＬＥＤを信号として用いる。次に、受信機器は座標システムを特定し、その位置を計算して受信信号から目的とする他の情報を類別する。そして、レシーバはその情報をユーザインターフェースを介して表示する。この場合の情報とは、たとえば受信機器の位置または受信機器から他の場所までの距離などである。
【０００８】
本明細書から明らかなように、本発明は種々の異なる分野、用途、産業、及びテクノロジーに応用することが可能である。本発明は、位置関連情報の特定を必要とするシステムであれば、限りなくあらゆるシステムに用いることができる。たとえば、運動、寸法測定、位置及び方向の追跡などが挙げられるが、その限りではない。また、ありとあらゆる産業において、限りなく多くの様々な製法や用途に対して用いることができる。これらの産業及びそれらに関わる製法または用途として挙げられるのは、映画製作（デジタル化モデル、撮影セット、カメラ追跡、自動焦点）、建設業（電動工具、測量、ＣＡＤ、設備制御、建築寸法の計測及びレイアウト）ロボット工学（ロボットキャリブレーション、ワークセル配置、モバイルロボット操縦、危険廃棄物の掘削）、法令施行（事故現場のマッピング、犯行現場のマッピング、事件の再現）、コンピュータ（３Ｄ入力装置、ビデオゲーム）、バーチャルリアリティ（オーグメンテッドリアリティ／増補現実？、仮想商店街、３Ｄインターネット体験）、製造業（工場自動化、設備廃棄、部品検査、設備の保守点検、製造のツーリング及び検査、製造計測）、医療（手術のナビゲーション、コンピュータ制御手術室、医療機器）、防衛（兵器モデリング、模擬訓練、航空機の整備点検、船舶の改造や修理、用地改善）などである。
【０００９】
本発明を開示するにあたり、多種多様な概念、複数のサブシステムの構成要素、製法、及び複数のサブシステムのアセンブリを、様々な図面を用いて説明する。
【００１０】
（１.トランスミッタ）
本発明は、本出願の譲受人に譲受され、１９９８年１０月１３日に出願され、本出願にて参照、統合される同時系属中のＰｒａｔｔの米国特許仮出願番号６０／１０４，１１５で説明された手法及び装置と併せて用いることができる。以下、本章では、この統合される仮出願のある特定の特徴を強調して説明する。さらなる詳細は、「ローター／ベアリングハウジングアセンブリ」の図、「レーザアセンブリ」の図、「非対称パルス効果」の図を含めた添付図面に示されている。また、追加の図面は、（１）トランスミッタの構成要素  （２）トランスミッタの部品の製法  （３）トランスミッタに関わるビーム拡散、追跡、数学を含めた動作概念  を説明したものである。
【００１１】
＜Ａ．光路の単純化＞
本出願に統合される先願の内容からも明らかなように、アークセカンド社のトランスミッタの重要な利点の一つは、ヘッドで回転するレーザに例示されるように、光路を単純化できることである。さらに、実施形態のトランスミッタには窓がまったくない。したがって、窓を横切るレーザの動きによって歪みが生じることもない。上述のように、本実施形態では、レンズまたはレーザと共に回転する他の装置を利用する。たとえば、可変窓の特性、入射角、または回転レンズと固定レーザとの間の角度によって歪みが生じることはない。また、固定窓をなくすことにより製造や保守、操作が簡略化される。固定窓をなくすためには、トランスミッタに回転シールを付加することが必要となる。
【００１２】
＜Ｂ．回転速度とパラメータ保存＞
本出願に統合される先願でも説明されるように、回転ヘッドとそれに付随するレーザは、一定の速度で３６０度フル回転する。ただし、その速度は自由に設定することが可能である。回転の中心を簡単に定量化できることで、位置特定のアルゴリズムが単純化され、システムのセットアップが簡略化される。また、この位置特定は、本実施形態では、回転ヘッドの１回転につき１回発する同期信号を利用することで簡易化される。位置測定システムで精度を確保するには、回転ヘッドの角速度がヘッドの回転ごとに変化しないようにすることが必要である。
【００１３】
回転ヘッドの速度は、本実施形態では、書替え可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）の利用によって設定可能である。このように速度制御の設定を変更できるので、トランスミッタの各々の回転速度に基づき、複数のトランスミッタを１台のレシーバで区別することが可能となる。当業者には理解されているように、トランスミッタの複数使用により位置検出を向上させることができる。また、書替え可能電子回路（ＦＰＧＡ、フラッシュメモリなど）を用いても有利である。モータ速度を制御する位相同期ループにクロックを切り換えることによって所望の速度を設定できるだけでなく、対象となる速度におけるパフォーマンスが最大となるように制御ループの全体的な利得をプログラムすることができる。
【００１４】
＜Ｃ．ビームのタイプと数＞
また、本出願に組み入れられた仮出願にも記載され、当業者にも知られているように、複数のビームを用いてそれらの形状を制御することにより、位置検出が向上する。これらのビームは、同一の回転ヘッドアセンブリにあっても、それぞれ別々の回転ヘッドアセンブリにあってもよい。
【００１５】
回転ヘッドアセンブリ１台ごとのビームの数は２つが好ましいが、それより多くのビームを用いてもよい。特に、４つのビームを用い、そのうち２つは短距離用、残り２つは長距離用とした実施形態もある。２つの短距離ビームは、可能な限り広い拡散角度を有するようにする。それにより、ユーザがトランスミッタの近く、たとえば室内で操作することが可能となる。長距離の場合は、ユーザは通常、トランスミッタから離れて操作する。したがって、そうした環境ではビームの垂直度は低下し、システムの距離は最大化する。ビームは、好ましくはタイプ３のレーザがよい。しかし、ビームは回転することで固定観測者に対する光度を下げるため、タイプ１のレーザに分類される。装置に搭載された安全性機能によって、回転ヘッドが動いていないときはレーザが作動しないようになっている。本実施形態では、少なくとも２つの連動式安全装置を利用する。１つは、位相同期ループによるもので、システムが少なくとも１０２４位相クロック周期（およそ３２回転）の位相同期の状態になるまでレーザは作動しない。もう１つは、１回転１回のインデックスを用い、エンコーダにおいて絶対速度を監視するものである。公差はシステム内にプログラムされており、現在では１０００分の１である。速度がその枠外にあるとき、レーザは作動不可となる。
【００１６】
＜Ｄ．ビームの形状＞
トランスミッタは、用途に応じてビームの設定を自由に変えることができる。１つの利点は、ビームの形状を用途に応じて修正できることである。重要なのは、所望する作業量を正確に満たすようにビームの形状を合わせることである。建設業の場合、これは２０ｍ×２０ｍ×５ｍの大きさの部屋に相当する。建設機械の制御の場合は、１００ｍ×１００ｍ×１０ｍの大きさの空間に相当する。ビームの形を修正することで、エネルギーを適切な方向に導くことができる。
【００１７】
また、ビームの形状を制御してビームを区別することもできる。これは、１台の任意のトランスミッタまたは複数のトランスミッタにおいて、複数のビームに対して可能である。１台の任意のトランスミッタの場合、第１ビーム及び第２ビームを区別しなければならない。これには、時間内のストロボに対する両ビームの相対位置を用いる手法がある。または、ビームの幅（「ビーム幅」または「広がり角」）を互いに異なるようにする手法もある。その場合、たとえば２本のビームのうちの広いほうを第１ビームとする。
【００１８】
ビームの拡散は、本技術分野の様々な公知の方式によって行うことができる。たとえば、ロッドレンズ、パルレンズ、円柱レンズなどがあるが、その限りではない。ロッドレンズの使用は比較的簡単な方法ではあるが、パルレンズの使用はエネルギー分布に対する制御がより大きい。ビームは通常、光源から円錐ビームとして出射され、コリメータレンズがビームを円柱に整形し、拡散レンズがその円柱形となったビームを拡散して扇形にする。
【００１９】
ロッドレンズを用いると、拡散に対する制御を大きくすることができる。ライン生成用ロッドレンズの大きな利点の１つは、測定方向（ビーム方向）におけるビームの質に直接的な影響を及ぼさないことである。したがって、ロッドレンズはコリメート光学で設定されたレーザビームの扇形拡散に影響を及ぼしてはならない。
【００２０】
パルレンズを用いると、扇形拡散方向へのエネルギー分布に対する制御を大きくすることができる。「パル」タイプのレンズは、「均一な」分布を作り出すことができ、エネルギーは扇形拡散面の方向に均一となる。多くの場合、均一な分布は非効率的であるが、それは電位レシーバが拡散面全体に沿って均一に分布していない場合のことである。いくつかの実施例においては、レンズの前方に焦点を合わせなくてはならない。そのような実施例でパルレンズ方式を用いると、測定方向に影響が出る恐れがある。
【００２１】
また、ガウスビームを用いると、レシーバのパフォーマンスを最大限にすることができる。ガウスビームは、拡散角度またはビーム幅にわたるエネルギー分布が対称形をなすという点で、対称的なビームである。レシーバにおいて単純な閾値手法を用いる場合、パルスが対称で、しかも張り出しまたは側面の突出部がないことが重要である。また、距離によって分布形が変わらないとよい。これらの条件の多くを満たすパルス波形はいくつかあるが、ガウシアン分布はこれら全ての条件に合致する。張り出しや側面の突出部がない対称形のパルスを用いることで、レシーバによってビームの中心を検出することが可能になる。反対に、非対称パルスでは、レシーバはビーム中心がレシーバの光検出器を交差する時間を誤認してしまう。
【００２２】
＜Ｅ．ストロボ＞
本明細書で開示される一実施形態では、ストロボのパルスは対称で、フラッシュ／ストロボパルス生成器におけるパルス整形が必要である。単純な閾値手法を用いる場合には、ストロボパルスは対称形であることが重要である。上昇と下降の回数が等しい方形パルスは、望ましいパルス波形の一つである。ＬＥＤの光出力は、ＬＥＤを流れる電流に直接向けられる。ストロボパルスの生成に伴って電流が高くなるため、パルス形成ネットワークを用い、電流がダイオードを通過する際に方形波となるようにしなくてはならない。レシーバの光検出器の中に、レーザパルスと一致するパルス波形を生み出すストロボパルスが理想的である。
【００２３】
＜Ｆ．通信と制御＞
本発明で開示するシステムは、シリアルポートを使用して通信及び制御を行う。これにより、キャリブレーションデータ及び制御パラメータを容易に転送することができる。前述したように、トランスミッタはその速度によって区別されるので、速度調整を簡便にするための手法が必要となる。また、トランスミッタのパラメータは、レシーバからでも利用できるようにしなくてはならない。簡便で信頼性があり一元化された手法を実現するために、本実施形態においてはトランスミッタとレシーバまたは試験機との間でシリアル通信を用いる。試験用には、シリアル接続はよく知られたＲＳ−２３２接続とする。実地での使用には、赤外線シリアルポートを介した接続とする。これにより、トランスミッタがシールされても外部との通信が可能となる。測定手法との干渉を防ぐため、このポートはレーザがオフの間のみアクティブになる。
【００２４】
＜Ｇ．ＶＨＤＬ＞
本実施形態のデジタル設計の多くは、書替え可能ゲートウェイ（ＦＰＧＡ）で実行される。これらの装置により、多数のベンダから入手可能な汎用ハードウェアに複雑な設計をプログラムすることができる。これらの装置のプログラムは、特殊なコンピュータ認識言語ＶＨＤＬ（ＶＨＳＩＣ［ｖｅｒｙ  ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ]  Ｈａｒｄｗａｒｅ  Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  Ｌａｎｇｕａｇｅ−超高速集積回路ハードウェア記述言語）で記述される。これは、マイクロプロセッサや他の半導体装置の設計に用いる言語と同じであり、現在では「ＩＥＥＥ  １０７６」として標準化されている。
【００２５】
＜Ｈ．レーザヘッドへの電源供給＞
本出願に統合された先出願において説明されるように、本実施形態によれば、モータ、及び回転ヘッドアセンブリへの電源供給はトランスミッタにとって重要な構成要素である。
【００２６】
回転式変圧器を用いる。回転ヘッド内の装置に電源を供給するためには、いくつかの手法が利用できる。最も一般的なのは、スリップリングの使用である。あいにく、スリップリングを用いる場合には「ブラシ」と「スリップリング」との間に物理的な接触が要求される。それにより、システム内にほこりが生じ、摩擦トルクによって変化するモータ速度にバラツキが生じる。したがって、回転式変圧器を用いる手法が好ましい。変圧器を用いる手法では、モータの抵抗を最小限に抑えることができる。また、フラット信号変換器を電源変圧器として用いれば、非常に簡単な処理で済む。
【００２７】
変圧器の固定子側でフライバック制御を用いる。回転ヘッドの構成要素の数を最小限にするため、変圧器の固定子側で電圧制御を実行する。効率を最適化するために、フライバック駆動の手法を用いる。
【００２８】
＜Ｉ．回転の安定性と精度＞
速度制御システム及び駆動モータの安定性については、本出願に組み込まれた先出願でも論じている。当業者が認識するように、正弦波駆動モータは低コストで、本来的に安定性の高い内部回転を行うため、一定速度の回転を得るのに有用である。
【００２９】
最適な結果を得るには、軸受を互いに可能な限り離れた状態にしなくてはならない。 摂動や揺動（ターンテーブル内の回転速度ムラ）が少しでもあると、それがシステム内のエラーの原因となり、そのままｚ方向の誤差を招く。２つの精密軸受を用いてそれらの間の距離を最大限にすると、こうした誤差を最小限にするることができる。
【００３０】
ストロボパルスは、モータシャフトに固定された１回転１回のインジケータによって開始される。このシャフト位置インデックスを作成するには色々な方法がある。最も単純で好まれる手法は、光学エンコーダが通常備えるインデックスを用いることである。エンコーダのこうした分離出力は、そのままシャフト位置インデックスに相当する。
【００３１】
また、光学エンコーダディスクを用いて回転情報を得る。その他の装置、たとえばタコメータやシンクロスコープなどを用いてもよいが、その限りではない。光学エンコーダディスクは通常ガラス製で、ディスクが回転する際に検知される一連のラジアルマークが付いている。また、一般的に、そうしたディスクには、半径の異なる「インデックス」マークが１つあり、それを用いてディスクが完全に回転したことを検知する。ディスクシステムから出る方形パルス波の周波数は、ラジアルマークの通過速度によって決まる。たとえば、ディスクが毎秒１回転で回転する場合、１０００個のマークが付いたディスクのシステムは、１０００Ｈｚ（１回転につき１０００ラジアルマーク×毎秒１回転＝１０００Ｈｚ）の方形パルス波を出す。
【００３２】
モータ速度の制御は、フィードバック位相同期ループ（ＰＬＬ）システムを介して行う。ディスクシステムの方形パルス波が１つの入力データ、トランスミッタシステムのクロックがもう１つの入力データである。トランスミッタクロックの周波数は選択可能である。ＰＬＬの出力データを利用してモータの回転速度を制御し、ＰＬＬが選択された周波数とのロックを保つようにする。
【００３３】
また、ディスクのインデックスマークを、１回転につき１回の頻度でストロボパルスを開始するために用いることも可能である。
【００３４】
＜Ｊ．製造コストの低さ＞
キャリブレーション機能の考察後に更に詳述するように、トランスミッタには安定性が必要である。また、受信機器によってトランスミッタの動作パラメータを正確に把握することが重要である。本発明のトランスミッタの製法では、こうした動作パラメータを特定する際の精度が、受信機器に必要とされる程には高くない。そのため、この製法は比較的安上がりである。後述のキャリブレーション機能を利用した特性化プロセスを経ることにより、必要な精度が確保される。
【００３５】
（２．キャリブレーション）
後述するように、キャリブレーション機能はトランスミッタの幾つかの重要なパラメータを特定するプロセスを説明するものである。、受信機器によって位置算出が行われるためには、それらのパラメータを受信機器に供給することが必要である。これらのパラメータは、位置算出エンジン（ＰＣＥ）内のメモリに保存され、必要に応じて更新できるようにするのが好ましい。たとえば、新しいトランスミッタがシステムに追加された場合、新しい一連のパラメータをＰＣＥにロードすることが必要である。また、別の例としては、トランスミッタの回転スピードが変更された場合、それに関する情報をＰＣＥ内で更新することが必要である。
【００３６】
（３．受信機器）
本システムにおいて好ましい受信機器は、ワンド（ペン型のリーダー）であり、図１８Ａに示すような「携帯型レシーバ」である。ワンドの一方の先端には、図１９に示すように、「バルカンレシーバ（Ｖｕｌｃａｎ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ）」と呼ばれる手持ち用で銃の形をした装置が付いている。これらの計器はともに、旧式のものが市販されていたが、その発売元はバージニア州ダレスに本社を置くアークセカンド株式会社である。このワンドは、２つの検出器／レシーバを備えている。
【００３７】
図１８の「バルカンレシーバ」は、受信機器の演算の大部分を実行する位置算出エンジン（ＰＣＥ）を示す。以下に説明するＰＣＥは、セットアップ手順、追跡、位置算出、及び情報表示に不可欠なものである。
【００３８】
また、各スマートチップ（Ｓｍａｒｔ  Ｔｉｐ−コンピュータ内蔵先端部）の中にＦＰＧＡ（書替え可能ゲートアレイ）や「ｉボタン」があることからも分かるように、スマートチップも演算を実行する。このスマートチップは、本システムの両端のいずれの側に置いてもよく、「Ｔｉｐ  Ｐｒｅｓｅｎｔ」信号は、スマートチップがどちら側にあるのかを知らせるものである。
【００３９】
ワンドは、軽量で携帯可能な受信機器である。以下、ワンドの操作に加え、ワンドの構成やワンド先端部の位置特定について、更に詳しく説明する。
【００４０】
（４．位置測定システム）
以下に説明するように、トランスミッタ及び位置特定におけるトランスミッタの使用について数学的な詳細を述べるが、これは主にＰＣＥによって実行される関数である。
【００４１】
本発明の特徴の１つは、本明細書で開示される機能性が、ハードウェア、ソフトウェア、及び／またはそれらの組み合わせによって実行されることである。ソフトウェアを実現するには、Ｃ＋＋などの高レベルなプログラム言語や中間レベル及び低レベル言語、アセンブリ言語、特定のアプリケーションまたは装置に対応する言語など、あらゆる言語の中から適切な言語を用いて記述するとよい。そうしたソフトウェアは、４８６またはペンティアムなどの汎用コンピュータや、特定用途向けハードウェア、またはその他の適切な装置で実行可能である。論理回路においてそれぞれ独立したハードウェアコンポーネントを用いることに加え、特定用途向け集積回路（ＡＳＣＩ）やプログラム済み書替え可能ロジカルデバイス（ＰＬＤ）、または他の装置によって、必要な論理を実行してもよい。また、本システムでは、当業者によく知られた種々のハードウェアコンポーネント、たとえばコネクタやケーブルなどを含んでもよい。さらに、こうした機能性の少なくとも一部は、コンピュータ読み取り可能媒体（以下、コンピュータプログラム製品とも呼ぶ）において実現してもよい。そうした媒体は、本発明による情報処理装置で実行するためのプログラミングで使用され、たとえば磁気媒体、磁気光学媒体、及び光学媒体などを用いることができる。また、こうした機能性は、情報や機能を伝送する際に用いる伝送波形などのコンピュータ読み取り可能媒体、つまりコンピュータプログラム製品において実現してもよい。
【００４２】
以上、本発明の原理、好適な実施形態、及び動作方式について説明した。開示された特定の形態は限定的なものではなく、むしろ例示するためのものであり、本発明はそれらの形態に限らない。また、本発明の精神や範囲を逸脱しなければ、当業者によって様々な変型例を実施することも可能である。
【００４３】
【発明の実施の形態】
（１．トランスミッタ）
＜Ａ．物理的な説明＞
アークセカンド社トランスミッタ１０は、回転するレーザ１１と物理的に類似する装置であるが、レーザ１１が回転する一本のスポットビーム１２を発射する代わりに、図の１で示すとおり、２本の回転するファンビーム１４及び１６をトランスミッタ１０は発射する。
【００４４】
図２は、トランスミッタヘッド１０の好ましいアセンブリを示す。図にはθoff、φ、φ２という重要な角度が示されている。回転するヘッドを上部から見下ろした時、二つのレーザモジュールの間の分離角をθoffは示す。レーザは通常９０度の間隔を置き、φとφ２はそれぞれレーザ１及びレーザ２の拡散面の傾きを表す。図で示すとおり、これらの２つの角度は垂直方向に測定され、通常はビーム１には−３０°が、ビーム２には＋３０°が設定される。それらの角度の記号の記述方法については、次のセクションで説明する。θoff、φ、φ２の実際の値は、後述されるファクトリーキャリブレーションプロセスで求められる。
【００４５】
トランスミッタヘッド１０が回転し、１４と１６の二つの光の面で測定領域をスキャンするが、その方法については、さらに詳しく後述される。ヘッドが１回転する間に、各レーザの拡散型の面で図示のない測定ツールは、１回のみ照らされる。このスキャニングオペレーションに加え、またヘッドの回転において一定の位置で、トランスミッタは光学ストロボを発光させる。測定ツールはストロボにより照らされ、ヘッドの回転にゼロの基準値を与えるために使用される。このスキャニング処理によって、レシーバシステムによる計測の基礎が成されることになり、これについては、さらに詳しく後述する。
【００４６】
最後に、位置測定システムの各トランスミッタは、既知であるが独自の速度で回転する。この独特な回転速度によりレシーバシステムのソフトウェアが、測定容量を取り巻くトランスミッタ間を区別することができる。
【００４７】
＜Ｂ．低価格トランスミッタの詳しい説明＞
図３の論理的なブロック図において、本願発明のいくつかの新しい特徴に従った、３次元測定システムで実用性のある、改良された低価格の光学トランスミッタが示されている。明細書及び図において一貫して同一の番号が同一の要素を指すようになっている。
【００４８】
低価格の光学トランスミッタ及び方法を得るために、本出願の生産プロセスにおいては、かなり高価で正確なアセンブリのプロセスを実行するのではなく、生産／アセンブリプロセスでキャリブレーション手続きを実行し、各光学トランスミッタ１０を特徴づける独自のデータを生成する。これについては、さらに詳しく後述する。本願発明の一つの特徴によると、図１及び２でさらに詳しく説明されているように、角度のキャリブレーションデータは生産／アセンブリプロセスにおいて生成され、トランスミッタが操作のために水平にされた時、各トランスミッタの第１第２の放射ファンビームそれぞれの角度及びそれらのビーム間の角度を定める。この角度キャリブレーションデータはキャリブレーションデータメモリ２で記憶されることが望ましい。また、所望の回転速度を定めるデータを生産プロセス中に予めロードしておくことが可能であり、また同様に、キャリブレーションデータメモリ２もしくは可変モータ制御メモリ４へロードすることもできる。さらに詳しく後述するが、レシーバ／検出器２４（図１２を参照）は、放射ビームと複数の独立したトランスミッタ１０とを区別することができ、各トランスミッタ１０の変更可能な回転速度の機能として、一つの測定領域内でトランスミッタ１０の操作が可能である。ブロック図から解るように、キャリブレーションデータをキーボードもしくはメモリユニット２及び４に接続するデータプロセッサ３の光ポートによりメモリ２またはメモリ４に入力することができる。同様に、メモリ２及び４のケーブルポートもしくは光出力ポートを介して測定システムの光学レシーバ／検出器２４へメモリ２及び４からのキャリブレーションデータを出力することもできる。図示のように、光学トランスミッタ１０はトランスミッタモータドライブ５並びにストロボリファレンス及びレーザアセンブリ６と７を含む。さらに詳しく後述するが、トランスミッタ１０が測定システムに導入されると、図１２で示すように、各トランスミッタ１０のカリブレーションデータはレシーバ２４に伝達またはロードされる。また、可変モータ制御メモリ４のフィールドセットアップデータを使用して、トランスミッタアセンブリの回転速度キャリブレーションデータを選択的に変更することができ、そしてシステムレシーバ検出器２４はその速度キャリブレーションデータと交信する。この伝達は、メモリ２及び４のケーブルポートもしくは光ポート、またはデータプロセッサ３のキーボード入力によって行われる。
【００４９】
＜Ｃ．数値演算の説明＞
トランスミッタの物理的なスキャニングオペレーションについて、数値演算モデルを用いて説明する。次のセクションでは、位置算出アルゴリズムを得るためにこのモデルを使用する。
【００５０】
物理的に、トランスミッタ１０のスキャニングオペレーションは２つのレーザファンビームのよって行われる。図１及び２のファンビーム１４並びに１６を数値演算モデルにおいて個別に考察する。このモデルを作り上げるために、図４に示すとおり、まず最初に、トランスミッタの基準枠を定義する。それぞれのトランスミッタは各々の基準枠をもち、それらの基準枠は後述するユーザの基準枠とは異なる。説明は後述するが、それらの基準枠はユーザの基準枠に関連する。
図４から解るように、右手の法則に従ってＺ軸周りを正の方向にヘッドは回転する。
【００５１】
ファンビームのスキャンを説明するにあたり、垂直面をｙ＝０、すなわちＸ−Ｚ軸面からはじめる。数学的に、平面はその表面に対し標準的なベクトルによって表される。垂直方向に向いたファンレーザにより発せられる光の面とこの平面は一致する。図５では、平面が無限であるように描かれているが、実際には点線で示されるように特定の角度を持つ広がりのみを示す。この角度を持つ広がりは数値演算モデルに影響を及ぼすものではなく、トランスミッタの角度のある領域に影響を及ぼす。
【００５２】
0004812170.tif 000002
【００５３】
次に、この垂直面がＸ軸の周りを角度φで回る。この新しい平面はトランスミッタのヘッドに組み込まれたファンレーザを表し、前セクションで説明したように、φは物理的な傾斜角度である。図６で示すように、正のφはＸ軸の周りで右手の法則方向の回転を示す。
【００５４】
0004812170.tif 000003
【００５５】
最後に、この新しい平面がＺ軸周りを角度θで回る。実質的にこの角度は時間の関数であり、トランスミッタヘッド１０がＺ軸周りを回転すると、この角度がファンビームの位置を示すからである。すなわち図７及び１３が示すように時間ｔにおけるスキャンの角度はθ（ｔ）で表される。
【００５６】
0004812170.tif 000004
【００５７】
後述される位置算出アルゴリズムでは、図８に示すように、レーザ拡散面が検出器と交わる時の位置をこのベクトル表記は示す。
【００５８】
0004812170.tif 000005
【００５９】
トランスミッタヘッドの各回転について、後述されるレシーバシステムは２通りの＾ベクトル、＾１及び＾２を算出する。それらは、検出器２４との交点における２つのファンビームの位置を示す。φはファクトリーキャリブレーションにより定められた定数であるため、各＾ベクトルはそのスキャン角度θに唯一依存することになり、そしてθはレシーバシステムにより成されたタイミング計測に依存することとなる。
【００６０】
（１．位置算出）
測定ツールに取り付けられた検出器２４の位置を計算するには、２通りの方法を用いることができる。１つはセオドライトネットワークメソッドで、もう１つはアークセカンド社の非セオドライトトランスミッタメソッドである。図９で示される２４のレシーバシステムにおいては、より迅速であり、トランスミッタ独自の構成により適しているアークセカンドメソッドを用いる。アークセカンドメソッドを説明する前に、セオドライトネットワークメソッドについて簡単に説明する。
【００６１】
セオドライトネットワークメソッドを利用するにあたり、図１０に示すように、各トランスミッタから所望する検出器への、測定された方位角及び仰角のベクトル間の交点をレシーバシステムは算出する。
【００６２】
図９は、検出器２４との交差点における２６及び２８の両拡散面を示している。拡散面２６及び２８は直線上で次々と交差し、この線は検出器２４を通過するベクトルｒ（倍角ｒはアッパーライン付きのｒと同意である）で表される。
【００６３】
0004812170.tif 000006
【００６４】
さらに、ｒが検出器２４を通過する一方、ベクトル＾１及び＾２からのｒの長さに関する情報が全く得られない。したがって、図１０に示すようにトランスミッタの基準枠に関するこのベクトルの方位角及び仰角を下記の式を用いて算出する。
【００６５】
0004812170.tif 000007
【００６６】
図９及び１０はセオドライトメソッドの限界を示す。すなわち、１つのトランスミッタから２次元を求めることのみ可能となる。検出器２４に対して、２つの角度をもとめることはできるが、距離を求めることはできない。
【００６７】
セオドライトネットワークメソッドの次の工程は、ワークスペース内のすべてのトランスミッタのベクトルｒを計算し、そしてそれらのベクトルの交点を求める。このメソッドの数値演算はアークセカンド社の位置算出アルゴリズムよりもさらに多くの計算を要し、アークセカンド社独自のトランスミッタの構造に適していないので、ここでは説明を省略するが、要するに、２つのセオドライトとレシーバに対する角度の間のベースラインが解っていれば、センサの位置を算出することができる。
【００６８】
アークセカンド社の非セオドライトメソッドにおいては、セオドライトのようにトランスミッタを扱うのではなく、トランスミッタのスキャニングオペレーションを直接利用することができる。図１１では、検出器と交差する１つの拡散面が示されている。ベクトルａ（倍角ａはアッパーバー付のａと同意である）はトランスミッタの原点に関する検出器の位置を示す。図１１からは、重要な数学的考察をすることができる。
【００６９】
0004812170.tif 000008
【００７０】
ビーム面が検出器と交差すると、それらのベクトルがその場所で互いに直交するので、交差する小点の積はゼロになる。定義上、面に対してベクトル＾は直角に交わり、面が検出器と交差するとき、面内でａが含まれる。図９で示されるように、＾１と＾２で表される２つの拡散面があり、各トランスミッタ毎に２つの数式を得ることができる。
【００７１】
0004812170.tif 000009
【００７２】
ベクトルａは３つの未知数（ｘ，ｙ，ｚ）を含み、これでは十分な情報がないため、第３の次元を算出することはまだできない。トランスミッタに第３のファンビームを取り付けることにより、数式に第３の行を加えることができる。しかし、この数式は最初の２つから線形的には独立していない。したがって、少なくとももう１つトランスミッタを追加しなくてはならない。
【００７３】
図１２では、原点にトランスミッタ１０−１を、Ｘ軸に沿って第２の１０−２を、Ｙ軸に沿って第３の１０−３をそれぞれ設置する。この軸上での設定は幾分任意のものであるが、トランスミッタはある共有の基準枠において互いに関連を持つようにする。前述のように、この共有の枠はユーザの基準枠と呼び、前述のトランスミッタの基準枠とは異なる。
【００７４】
ユーザの基準枠での検出器の位置を算出するため、ユーザの基準枠について各トランスミッタの基準枠を決めなければならない。これは各トランスミッタの位置ベクトルＰｔｘ（倍角Ｐはアッパーライン付のＰと同意である）と回転マトリックスＲｔｘとで決められる。下記のように数式を書き換えることができる。
【００７５】
0004812170.tif 000010
【００７６】
この新しい数式において、Ｐはユーザの基準枠における検出器の位置を示し、この値を求めることになる。Ｒｔｘ＾Ｖ（＾Ｖは＾がＶの上に付いたものと同意である）はユーザの基準枠におけるレーザ拡散面を示すベクトルである一方、＾はこれのみでトランスミッタ基準枠でのレーザ拡散面を示す。Ｐ−Ｐｔｘは、ユーザの基準枠においてトランスミッタの原点から検出器の位置までを表すベクトルである。ｎ≧２トランスミッタの場合は、次の数式群を使用する。
【００７７】
0004812170.tif 000011
【００７８】
第１の下付文字はトランスミッタの数であり、＾の第２の下付文字はレーザビームの数である。Ｐを解くためにマトリックスフォームでこれらの数式群を書くためには、次のように数式群を配列し直す必要がある。
【００７９】
0004812170.tif 000012
【００８０】
（Ｒｔｘ＾Ｖ）Ｔは１Ｘ３ベクトルであり、下記の＊とＲｔｘ＾Ｖ・Ｐｔｘは定数である。これでマトリックスフォームにこれらの数式を下記のように置き換えることができる。
【００８１】
0004812170.tif 000013
【００８２】
0004812170.tif 000014
【００８３】
簡易表記は次のようになる。
【００８４】
0004812170.tif 000015
【００８５】
この数式において下付文字はマトリックスの次元を表す。ユーザの基準枠における検出器の位置を算出するために、この数式を解いてＰの値を出す。このようにして、両側をＡＴで乗算することによって、最小二乗法による換算をマトリックスに応用することができる。そして、Ｐの値を求めるため、ＬＵ分解等の標準正方行列解法を使う。または、直接Ｐの値を求めるために、特異値分解（ＳＶＤ）を使うこともできる。マトリックスがうまく設定できない場合は、最小二乗値を求めるにあたって、ＳＶＤは好ましい方法であり、より多くのトランスミッタを備えることによりこの方法の実現性は大きくなる。
【００８６】
（２．タイミング計測を使用したスキャン角度の算出）
前述のように、各トランスミッタ１０からの２つの＾ベクトルは、トランスミッタ１０内の２つのレーザファンビーム１４及び１６に対応するスキャン角度であるθ１(ｔ)及びθ２(ｔ)に基づく。これより、どのようにしてレシーバシステム２４（図１２参照）が２つのスキャン角度を算出するかを説明する。特に、１つの検出器の位置算出にはワークスペース３０内の各トランスミッタのθ１(ｔ)及びθ２(ｔ)が必要になる。
【００８７】
図１８Ａ及び１８Ｂを参照して後述される典型的なレシーバシステムは、計測先端部を備えた実際のツール及びフォトダイオード検出器２４の回路、位置算出エンジン（ＰＣＥ）、並びにユーザインターフェースを含む。ワークスペース３０内でユーザがツールを動かすと、光の平面の１つもしくは光ストロボの１つが検出器２４を照らすたびに、フォトダイオード検出器７８及び８０が電気パルスまたはストライクを受ける。好ましくは、ＰＣＥ９０内に備えられる図示のない高速タイマーを用いて、パルス間で異なるタイミング計測をシステムは行う。そして、これらのタイミング計測は、スキャン角度を算出するのに用いられる。
【００８８】
図１３は、トランスミッタヘッド１０の回転１回の典型的なパルスシーケンスを示す。Ｔで表される基準パルス間の時間はトランスミッタヘッドの１回転の時間である。図１３において、基準パルス３６は光ストロボ６により発生させられることが望ましい。トランスミッタヘッド１０のそれぞれの回転における、ΔｔとΔｔ２で表される２つの異なるタイミング計測をレシーバシステムは行う。
【００８９】
図１４は角度の違いに対するこれらのパルス時間の違いを示す。時間で上記のプロットをすると、トランスミッタヘッドの１回転を示す２πラジアンの円として表される。２つの角度計測をαとα２とし、それぞれは、光基準パルスとレーザビーム１のパルスそしてレーザビーム２のパルスとの間の角度を示す。実際に回っているトランスミッタヘッドとこの円を混同しないようにしなければならない。検出器から見た時間におけるプロットと各角度をこの円は示す。ΔｔとΔｔ２で表される計測された時間間隔と、数秒間でトランスミッタが１回転を終えるということを利用し、図１５で示すように、この円を百分率で換算することにより、α及びα２を求めることができる。
【００９０】
百分率とトランスミッタヘッドの１回転に２πラジアンが含まれていることを利用して、α及びα２を求めるために次の数式を使う。
【００９１】
0004812170.tif 000016
【００９２】
時間間隔が、基準パルスからではなく、ビーム１から計測されているのは、トランスミッタの他のバージョン用のレシーバシステムソフトウェアにおいて下位互換性を提供するためであるが、所望するようにこれを変えることができる。
【００９３】
上述のトランスミッタモデルにおいて説明されたθ１及びθ２の角度と、α及びα２が厳密に一致しないのには、２つの理由がある。まず、そのモデルにおいて、２つのビームは  方位角で分かれていない。むしろ、図９で示すように、それらのビームが重なり合いながら共にスキャンする。実際のトランスミッタでは、ヘッドにおいて２つのビームは方位角で分けられており、それによって、レシーバシステムはそれらのビーム間の違いを区別する。上述のこの分離角をθｏｆｆと定義し、α２をαに合わせるため、α２からθｏｆｆを差し引くこととなる。前述のように、ファクトリーキャリブレーションによってθｏｆｆは求められる。
【００９４】
次に、図１４に示すように、αとα２の角度は基準パルスに関して計測される。トランスミッタモデルにこの計測を関連づけるとすると、トランスミッタの正面、つまりそのＸ軸は、基準パルス３６の発生時のヘッドの回転における地点である。そして、基準パルス３６は方位角ゼロの面を定義するが、これは方位角がトランスミッタのＸ軸から計測されているからである。１つのトランスミッタが方位角と仰角の算出に用いられる場合は、検出器の方位角がゼロになるトランスミッタの位置を設定することが望ましいこともある。θＲＰで示されるファクトリーキャリブレーション定数をこの設定位置として定義する。図１６で示すように、トランスミッタの所望する正面と基準パルスの発生との間の分離角がθＲＰとなる。θＲＰの記号は図で示されるように定義される。ほとんどのトランスミッタについては、１つのトランスミッタに関する方位−仰角計測の必要がいため、θＲＰはゼロに設定される。そして、次の２つの数式を用いて、αとα２をθ１及びθ２で示す所望のスキャン角度に変換する。
【００９５】
0004812170.tif 000017
【００９６】
要約すると、検出器２４を照らす各トランスミッタのθ１及びθ２の値を算出するためにこれらの数式を用いる。したがって、ワークスペースに２つのトランスミッタが設置されている場合は、各検出器につき４つのθ角度を算出することになり、よって４つの＾ベクトルが計算される。３つのトランスミッタであれば、６つの＾ベクトルが計算さることとなる。計算されたすべての＾ベクトルを用いて、ツールの各検出器２４に関して、前述のマトリックス解法をレシーバシステムは行う。
【００９７】
（３．トランスミッタキャリブレーション機能）
改良されたアークセカンド３次元計測システムを使用するには、４つのトランスミッタ１０のパラメータがレシーバ２４にとって必要となる。
１．トランスミッタのスピード
２．第１ファンビームの角度（Φ１）
３．第２ファンビームの角度（Φ２）
４．トランスミッタが水平な時のビーム間の角度（Θｏｆｆ）
図３で概略的に示すように、位相同期ループモーターコントローラを制御することにより、トランスミッタ１０のスピードをユーザは調節することができる。しかし、アセンブリもしくは生産プロセスの一部として、前述の３つの角度パラメータを得ることが好ましい。これには２つのオプションがあり、１つは生産プロセスから角度を推測できるように精密にトランスミッタを作成する方法で、もう１つは、適度な精度を持つトランスミッタを作りキャリブレーションプロセスにより角度を求める方法である。後者は前者に比べ、さらに費用効率よい。
【００９８】
数値を得るには、幾つかの重要な特徴を持つキャリブレーション機能を備えるトランスミッタが必要になる。
１．キャリブレーションの結果得られる数値は、力学的な、実質的に
使用中のパラメータを表す必要がある。これには、センサ４０、
４２、及び４４がトランスミッタより幾らかの距離を置く必要
があり、その距離は通常１メートルである。
２．キャリブレーション機能は簡単に使用できるものでなければならな
い。このためには、繰り返し行われる計測を確実なものにするため
のゲージブロックの使用に加え、技術を備えそれを集中とするトラ
ンスミッタの開発が必要になる。
３．キャリブレーション機能は厳密に数値を出さなくてはならず、具
体的に言うと、１秒角より高い精度でなければならない。その必須
条件を満たすには正確に、また十分に平均値を出すような測定を行
わなければならない。これはまた、残留偏差を取り除くため（セオ
ドライトで用いられる「スコープを突き刺す」という有名なプロセ
スに類似している）、トランスミッタに関して＋／−１８０度で測
定を行う必要がある。
４．キャリブレーション機能は基準化される必要がある。言い換えれ
ば、適応可能な全国基準に機能の基準化は起因しなければならな
い。
本出願のキャリブレーション機能のプロセスは、これらすべての実行困難な条件を満たしているといえる。
【００９９】
＜Ａ．詳細な説明＞
上記のすべての条件を満たすため、過去の経験に基づいて、図１７Ａ及び１７Ｂで示されるキャリブレーション機能が開発された。最良の光学計測は光学テーブルを用いて成されることはよく知られている。安定した計測基盤を得るため、みかげ石でこれらのテーブルは作られる。ニューポート社等の光学製品を取り扱う企業は、適当な代用品である光学棒材を開発している。これらの棒材は開放型構造を設計するためにデザインされたもので、光学テーブルの計測特徴に類似する。本発明の目的について、図示のない棒材は、オープンフレームを形成するという明白な利点も持つ。光学テーブルに基づく設計では、負の仰角の測定が困難であり、テーブルが障害をもたらすこともよくある。光学棒材を用いれば、正と負の両方の仰角を簡単に計測することがでる。また、光学棒材の使用によって、１メートルよりも大きくなければいけないという条件を満たすことができる。
【０１００】
図１７Ｂに示すように、タワー５０の上部にトランスミッタ１０が備えられるのが好ましい。タワーの基盤はターンテーブル５２であり、それによりコンピュータ制御でタワー全体が回転する。ターンテーブル上部にある層状構造５４は、トランスミッタを中央に位置づける高精度のＸＹテーブルである。次の層は、ゲージブロック５６であり、測定領域の中心にトランスミッタを位置づける役割をする。このブロック５６は異なる高さのトランスミッタに対応する。最後の層は、取付装置５８アダプタであり、測量に用いられる。このアダプタにより、３つの隅のそれぞれにおいてスクリュを用いて正確にトランスミッタを傾かせることができる。
【０１０１】
トランスミッタ１０が搭載された後は、図示のない光学レベルを使い、取付具を位置合わせする。このレベルによってレーザのセンターラインが検出器アレイの中央検出器４０と同位になる。この計測を容易にするため、トランスミッタの回転ヘッドとアレイの両方に印をつけておくことが望ましい。調整が必要な場合は、アレイの最下部でＺ調整テーブル６０を用いて、垂直のアレイを動かすこともできる。
【０１０２】
トランスミッタの回転するヘッドを力学的に中央に位置づけることは、図示のない２つの誘導探子が互いに９０度に位置するよう備え付けられる。トランスミッタが回転している間、探子が適所に動くようにシステムが構成されている。トランスミッタが中央からずれている場合は、ＸＹテーブル５４が適切な調節をする。
【０１０３】
これらの調整後は、キャリブレーションのためのトランスミッタの準備が完了する。検出器アレイ３９は、レーザビームがアレイを通り過ぎると、時間−ストライクの測定に用いられるアレイ３９の少なくとも３つの検出器４０，４２、４４を使用し、拡散角度を適切に測定することが好ましい。２つの検出器のみが正確な計測システムでは必要になるが、もう１つの検出器は残りの位置合わせ不良について調整をする。当業者にはよく知られているオシロスコープを使用して計測を行う。検出器は検出器アレイに正確に取り付けられ、そして検出器の正確な位置を求めるため検出器は測定される。検出器による偏差を最小限にするためには、窓をすべて撤去する。スコープのサンプルレートを最適化し、最近のオシロスコープの時間遅延機能を使えば、要求される精度は向上する。計測における精度の条件を満たすために、平均値算出が用いられる。
【０１０４】
＜Ｂ．キャリブレーションソフトウェアアルゴリズム＞
キャリブレーションソフトウェアの目的は、光センサ間ののレーザストライクのデジタル波形を分析することであり、テストにおいて、トランスミッタについての次の項目を求める。
１．トランスミッタの速度（Ｓｐｅｅｄ）
２．第１レーザファンビームの角度（Φ１）
３．第２レーザファンビームの角度（Φ２）
４．トランスミッタが水平時のビーム間の角度（Θｏｆｆ）
すべての必要なパラメータは次の３つの工程により求めることができる。
１．垂直リニアアレイにおける３つの光センサの２つのレーザビーム
からの波形を捕える。
２．２つのレーザの相対関係において、レーザの中心点の時間的相違
を計測する。
３．上述のように、それらの時間的計測と、トランスミッタの中心か
ら中間部光センサへの距離と上部光センサから下部光センサの距
離である一定の測定距離とを用いて、所望する角度を計算する。
【０１０５】
１５ＭＨｚ以上で作動する３つのチャンネルを持つ市販のデジタイザを利用し第１の工程は行われる。レーザ１のパルス、レーザ２のパルス、そして次のレーザ１のパルスをデジタル化し、各チャンネルはトランスミッタの１回転すべてを捕える。次に挙げられる相関する測定値を求めるため、すべてのチャンネルのすべてのパルスは、時間的に一致する点を基準にしなくてはならない。
１．各レーザストライクが波形において起こる概算時間を求める。
２．各パルスのさらに正確な時間計測値を得るため、それらの概算時
間だけオシロスコープを遅らせ、４０ｎｓの解像度で各レーザパ
ルスを捕える。
３．他のパルスに対する各パルスの中心の相対時間を求める。
第２工程では、次の時間を求めることが必要になる。
・  topLaser1 = 上部センサレーザ１の時間
・  topLaser2 = 上部センサレーザ２の時間
・  topPeriod  = 上部レーザ１から上部レーザ１の時間
・  midLaser1 = 中間部センサレーザ１の時間
・  midLaser2 = 中間部センサレーザ２の時間
・  midPeriod  = 中間部レーザ１から中間部レーザ１の時間
・  lowLaser1 = 下部センサレーザ１の時間
・  lowLaser2 = 下部センサレーザ２の時間
・  lowPeriod  = 下部レーザ１から下部レーザ１の時間
・  Period = （topPeriod + midPeriod + lowPeriod) / 3
測定された距離と上述のパラメータから第３工程を実行する。
DISTANCE = レーザ軸でのトランスミッタの中心から中間部センサまでの距
離
HEIGHT = （上部センサから下部センサまでの距離）／２
0004812170.tif 000018
【０１０６】
（４．低コスト生産）
モータ６５には、ブラシレス式のサイン波形ドライブモータを使用するのが望ましい。ビデオカセットデッキなどで使われるサイン波形ドライブモータは、優れた固有の内部回転安定性を持つ低コストモータであり、一定速度の回転を確実にするのに役立つものである。これにより方位角分離が最大限になり良い結果を得ることができる。精度と、ターンテーブルのワウフラッタに似た振動はシステムの誤差の元となり、「Ｚ」方向の誤差に直接影響する。２つの精度ある方位角を用い、方位角間の距離を最大にすることで、これらの誤差を最小限に抑えることができる。また、回転ヘッドの慣性は、各回転において一定角の速度を維持するのに役立つ。
【０１０７】
オプティカルエンコーダディスクは回転の情報を得るのに用いられる。タコメータやシンクロ等の他の装置も制約なしに利用できる。通常、オプティカルエンコーダディスクはガラスでできており、ディスクの回転として検出される一連の１０００ものラジアルクロムマークをディスク上に持つ。また、ディスクの異なる半径に１つの「インデックス」マークを一般的なディスクは持ち、１回転を終えたことを検出する。ディスクシステムは矩形波を発し、その矩形波はラジアルマークが通り過ぎるスピードにより要求される周波数をもつ。たとえば、１秒１回転でディスクが回る場合は、ディスクシステムは１０００Ｈｚの矩形波（１０００ラジアルマーク／回転ｘ１回転／秒＝１０００Ｈｚ）を発する。
【０１０８】
トランスミッタの速度はフィードバック位相同期ループ（ＰＬＬ）システムで制御される。ディスクシステム矩形波は１つのインプットであり、トランスミットシステムからのクロックは別のインプットである。トランスミッタクロックは選択可能な周波数を持つ。ＰＬＬのアウトプットは、回転速度の制御に用いられ、それによりＰＬＬは選択した周波数を維持することができる。このような回路を用いることにより、１：２０００００より高い、１：１００００００までの速度安定性を得ることができる。これは、５０Ｈｚの回転レートについて、１シグマの速度安定性が１：２０００００の速度安定性の１００ｎ秒となることを意味する。
【０１０９】
キャリブレーション機能について詳しく前述したが、トランスミッタ１０が安定することが必要である。また、受信機器がトランスミッタ１０のオペレーションパラメータを正確に捕えることも重要である。トランスミッタ１０のこの生産プロセスはそれらのオペレーションパラメータを特定する。たとえば、受信機器２４により要求される適度な精度を持つレーザポジショニングと傾斜角度を特定する。こうすることにより、生産プロセスが比較的安価になる。要求される精度はキャリブレーションプロセスにおいて得られ、それには前述のキャリブレーション機能が用いられる。
【０１１０】
（５．レシーバ／検出器）
図１８Ａ、１８Ｂ、１９を参照し、一般的なレシーバ／検出器２４を説明する。光学レシーバユニットにはいろいろな種類があり、それらは、図１２で概略的に示されるタイプの位置測定システムを構成する本発明の改良された低価格光学トランスミッタ１０として使用することもできる。その他のタイプの使用可能なレシーバ／検出器ユニットの他の例については、本発明の譲受者により所有される米国特許番号第５，２４７，４８７もしくは５，１１０，２０２を参照されたい。
【０１１１】
図１２で示される空間位置測定システムにおいて、データ収集器を含むレシーバ２４は、図１８Ａに示される杖状のポータブルレシーバ７０を備えており、上述のレシーバ７０はバルカン持ち歩き用レシーバである。レシーバ７０はロッドもしくは杖状部７２とハンドル部７４を含む。ロッド部７２の先にはセンサポイント７６があり、測定領域ないのある位置に接触し、ＸＹＺデータを得る。
【０１１２】
図１８Ｂで示すように、ロッド部７２には間隔を置いた２つの球形状の光学検出器７８及び８０、そして電子回路部８２を含む。センサポイント７６の検出器７８及び８０との適切なアライメント及びポジショニングは次のように数式で表される。
【０１１３】
0004812170.tif 000019
【０１１４】
この数式では、
ＰＴＩＰ  ＝  先端部７６の位置であり、
ＰＤＥＴ１  ＝  杖状ハンドル８２に最も近い検出器８０の位置であり、
ＰＤＥＴ２  ＝  先端部７６に最も近い検出器７８の位置であり、
ｄＴＩＰ    ＝  検出器７８から先端部７６までの距離７２である。
【０１１５】
図１８Ｂで示すように、センサ先端部７６に関して、検出器７８及び８０を投射線８４に沿って適切にアライメントし間隔を空けることは、本発明の改良された位置測定システムの重要な特徴である。これにより、トランスミッタの基準面（図１２を参照）もしくは特定のユーザ基準面に対してレシーバ２４を正確に垂直に指示しなくても、測定範囲または空間内で正確な測定を、図示にないユーザは行うことができる。実際には、上述のように構成されている杖状の先端部７６を用いると、特別なアライメントなしにレシーバ／検出器の杖状の先端部７６とレシーバ／検出器２４を指示することができる。
【０１１６】
図１９を参照し、図１８Ａに示されるポータブルレシーバ７０のハンドグリップ部７４について説明する。レシーバハンドル部７４は、トリガスイッチ８８を含み、これはレシーバ７０を起動させ、２つ以上のトランスミッタ１０により照明された検出器７８及び８０に反応し、ＸＹＺデータ生成を始める。検出器７８及び８０から発せられる電気信号が内部プログラムコンピュータ９０を起動させたり、またはコンピュータ９０に電気信号が入力されたりすると、このＸＹＺデータが生成される。トリガ８８が起動すると、センサポイント７６の位置にＸＹＺデータは対応する。データプロセスの分野に関わる当業者は理解できると思われるが、この位置データは表示パネル９２に表示されたり、出力データポート９４を介して、図示のない別のデータプロセッサへと転送される。
【０１１７】
【産業分野における利用】
本開示により明白なように、様々な分野、用途、産業、及び技術に本発明を応用することができる。本発明は位置に関する情報を得るためのどんなシステムにおいても制限無く利用が可能であり、それは動きの制約なしに行う次元的測定や位置づけ及び方位づけのトラッキングを含む。これは多くの異なるプロセス及び無数の産業分野に関する応用を無制限に含む。これらの産業及び関係するプロセスをいくつか挙げると、映画製作（デジタル化されたモデル、仮想のセット、カメラのトラッキング、自動フォーカス）、建築（取引、電動工具、測量、ＣＡＤ、器機制御、建築の測定及びレイアウト）、ロボット工学（ロボットキャリブレーション、ワークセルの配置、モバイルロボットナビゲーション、有害廃棄物の掘削）、法律の執行（事故現場のマッピング、犯罪現場のマッピング、事件の再現）、コンピュータ（３Ｄ入力器、ゲーム）、バーチャルリアリティー（写実性の向上、バーチャルアーケード、インターンネットでの３Ｄ体験）、製造（ファクトリーオートメーション、設備撤去、部品検査、設備維持、製造器具の整備及び検査、製造における計測）、医学（外科医のナビゲーション、スマートオペレーティングルーム、医療機器工学）、また防衛（軍事品の模型作成、シュミレーショントレーニング、航空機適合検査、船舶の改装及び修理、用地の改善）などである。
【０１１８】
本発明の特徴及び実用的な応用について最大限に説明するためにこの発明の実施の形態を選択した。考え得る様々な形態を用い様々な変更を加えて本発明を個々の利用に適した状態にし、最良な形で本発明を他の当業者に利用してもらうことを目的として、前述の本発明を説明してきた。本発明の範囲は請求項により定義されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  先行技術のレーザスポットビームと比較して出願人によって改良された光学トランスミッタを説明する図である。
【図２】  出願人による新型の光学トランスミッタ装置の好適な実施形態の概略上面図及び断面図である。
【図２Ａ】  出願人による新型の光学トランスミッタ装置の好適な実施形態の概略上面図及び断面図である。
【図２Ｂ】  出願人による新型の光学トランスミッタ装置の好適な実施形態の概略上面図及び断面図である。
【図３】  出願人によって位置特定装置及び方法用に改良された光学トランスミッタの様々な新しいキャリブレーションデータ手段のブロック図である。
【図４】  出願人による光学ヘッドアセンブリ基準枠を説明する図である。
【図５】  出願人の改良によるファンビームを図形化して表したものである。
【図６】  ｘ軸を中心に回転するファンビームを図形化して表したものである。
【図７】  さらにｚ軸を中心に回転するファンビームを図形化して表したものである。
【図８】  検出器に交差するファンビーム面を図形化して表したものである。
【図９】  検出器に交差する２つのファンビーム面を図形化して表したものである。
【図１０】  互いに交差するファンビーム面を表すベクトルの直交座標である。
【図１１】  検出器を照明する単一のファンビーム面を図形化して表したものである。
【図１２】  出願人による新しい装置及び方法の特徴を具体化した３個組トランスミッタ位置測定システムを説明する図である。
【図１３】  出願人によって改良された光学トランスミッタ及び方法用の代表的なパルスシーケンスの直線時間図である。
【図１４】  出願人によって改良された装置及び方法による光学トランスミッタが１回転する間のパルスシーケンスの時間図である。
【図１５】  出願人によって改良された装置及び方法で１回転する間に発せられるパルスを図示したものである。
【図１６】  出願人によって改良されたトランスミッタにおけるトランスミッタ正面とゼロ方位角面との好ましいポジショニングを図示した改良型トランスミッタの上面図である。
【図１７Ａ】  出願人の発明の特徴に従って用いることのできるキャリブレーション機能の概略図である。
【図１７Ｂ】  出願人の発明の特徴に従って用いることのできるキャリブレーション機能の概略図である。
【図１８Ａ】  出願人の発明に従って利用されるレシーバ／検出器の組み合わせの斜視図である。
【図１８Ｂ】  出願人の発明に従って利用されるレシーバ／検出器の組み合わせの斜視図である。
【図１９】  出願人の発明によって利用可能な位置算出システムのブロック図である。
【符号の説明】
８    フィールドセットアップデータポート
１０  アークセカンド社のトランスミッタ（トランスミッタヘッド）
１２  単一回転スポットビーム
１４  ファンビーム１
１６  ファンビーム２
２４  レシーバ／検出器（測定先端部及び光ダイオード検出器）
２６、２８  拡散面
３０  ワークスペース
３９  検出器アレイ
４０、４２、４４  検出器
７０  携帯ワンド型レシーバ
７２  ロッド部（ワンド形状部）
７４  ハンドル部（手持ち部）
７６  センサー部（ワンド先端部）
７８、８０  球形光検出器
８２  電子回路部
８８  トリガスイッチ
９０  位置算出エンジン（ＰＣＥ）
【図１】
0004812170.tif 000022
【図２】
0004812170.tif 000023
【図２Ａ】
0004812170.tif 000024
【図２Ｂ】
0004812170.tif 000025
【図３】
0004812170.tif 000026
【図４】
0004812170.tif 000027
【図５】
0004812170.tif 000028
【図６】
0004812170.tif 000029
【図７】
0004812170.tif 000030
【図８】
0004812170.tif 000031
【図９】
0004812170.tif 000032
【図１０】
0004812170.tif 000033
【図１１】
0004812170.tif 000034
【図１２】
0004812170.tif 000035
【図１３】
0004812170.tif 000036
【図１４】
0004812170.tif 000037
【図１５】
0004812170.tif 000038
【図１６】
0004812170.tif 000039
【図１７Ａ】
0004812170.tif 000040
【図１７Ｂ】
0004812170.tif 000041
【図１８Ａ】
0004812170.tif 000042
【図１８Ｂ】
0004812170.tif 000043
【図１９】
0004812170.tif 000044