(57)【要約】  本発明は、反射性の目標を連続的に追跡し、目標の位置を特定するレーザートラッカに関する。レーザートラッカは、ベースと光偏向ユニットと精密距離測定ユニットと角度測定機能部と目標探索ユニットとを備え、目標探索ユニットは照明手段と第１のカメラと制御評価ユニットとを含む。本発明では、目標探索ユニットがさらに、第２の視野を定義し第２の位置感応性検出器を含む第２のカメラを含み、当該第２のカメラは、第１のカメラに対して相対的に既知かつ固定に位置決めされて、第１のカメラ及び第２のカメラの各視野が少なくとも部分的に重なるように、かつ、第２のカメラの光軸が測定軸に対して偏差するように配置されており、探索機能の実行時に、第１の目標位置及び第２の目標位置の双方を考慮して目標が探索される。
2015503099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射性の目標（２９ｃ，６５，８１）を連続的に追跡し、前記目標（２９ｃ，６５，８１）の位置を特定するレーザートラッカ（１０，１１，１２）であって、
鉛直軸（４１）を定義するベース（４０）と、
測定放射（２１，１７）を放出して、前記目標（２９ｃ，６５，８１）で反射された前記測定放射（２１，１７）の少なくとも一部を受信する光偏向ユニットであって、前記鉛直軸（４１）及び傾動軸（３１）を中心として前記ベース（４０）に対して相対的にモータ駆動により旋回可能であり、かつ、前記測定放射（２１，１７）の放出方向によって測定軸（５７）を定義する光偏向ユニットと、
前記測定放射（２１，１７）を用いて前記目標（２９ｃ，６５，８１）までの精密距離を測定する精密距離測定ユニットと、
前記ベース（４０）に対して相対的な前記光偏向ユニットの配向状態を測定する角度測定機能部と、
目標探索ユニットと、
を備え、
前記目標探索ユニットは、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）を電磁的な照明放射で照明する照明手段（２５）と、
・第１の視野（２７ａ）を定義し、第１の位置感応性検出器（２８ａ）を含む第１のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ）であって、第１の画像を検出可能であり、該第１の画像において前記目標（２９ｃ，６５，８１）で反射された前記照明放射の少なくとも一部を第１の目標位置（２９ａ）として検出可能であり、その光軸（２６ａ）が前記測定軸（５７）に対して偏差して配置されている第１のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ）と、
・探索機能の実行時に前記第１の目標位置（２９ａ）に依存して前記目標（２９ｃ，６５，８１）を探索するように構成された制御評価ユニットと
を含む、
レーザートラッカ（１０，１１，１２）において、
前記目標探索ユニットは、さらに、
第２の視野（２７ｂ）を定義し、第２の位置感応性検出器（２８ｂ）を含む第２のカメラ（２４，２４ｂ，６０ｂ）であって、第２の画像を検出可能であり、該第２の画像において前記目標（２９ｃ，６５，８１）で反射された前記照明放射の少なくとも一部を第２の目標位置（２９ｂ）として検出可能である第２のカメラ（２４，２４ｂ，６０ｂ）を含み、
前記第２のカメラ（２４，２４ｂ，６０ｂ）は、前記第１のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ）に対して相対的に既知かつ固定に位置決めされて、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の各視野（２７ａ，２７ｂ）が少なくとも部分的に重なるように、かつ、前記第２のカメラ（２４，２４ｂ，６０ｂ）の光軸（２６ｂ）が前記測定軸（５７）に対して偏差するように、配置されており、
前記探索機能の実行時に、前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）の双方を考慮して前記目標（２９ｃ，６５，８１）が探索される
ことを特徴とするレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項２】
前記制御評価ユニットは、前記探索機能の実行時に、前記第１の目標位置（２９ａ）のみを前記目標（２９ｃ，６５，８１）の探索に用いる場合に前記測定軸（５７）と前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の各光軸（２６ａ，２６ｂ）とで生じる視差に起因する多義性を、前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）の双方を前記目標（２９ｃ，６５，８１）の探索に共用することにより解消するように構成されている、
請求項１記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項３】
前記制御評価ユニットは、探索機能の実行時に、前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）に依存して、前記目標（２９ｃ，６５，８１）までの粗距離を求めるように構成されている、
請求項１又は２記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項４】
前記制御評価ユニットは、探索機能の実行時に、前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）に依存して、前記目標（２９ｃ，６５，８１）までのそれぞれの目標方向（６３ａ，６３ｂ）を導出し、該目標方向（６３ａ，６３ｂ）に依存して、例えば写真測量法によって、粗位置を求めるように構成されている、
請求項３記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項５】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）は、相互に相対的な、かつ、前記測定軸（５７）に対して相対的な、既知の位置及び既知の配向状態で配置されており、これにより、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の位置によって、既知のベース長を有する写真測量法のベースが定義される、
請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項６】
前記レーザートラッカ（１０，１１，１２）は、
動作時に、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の相互に相対的な、かつ、前記測定軸（５７）に対して相対的な、既知の位置及び既知の配向状態を定める較正機能部
を含み、
例えば、前記較正機能部において、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）が種々の位置に準備され、前記測定放射（２１，１７）によって照準されて測定され、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）の全ての位置に対して前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）が求められ、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）の測定及び対応して求められた各目標位置（２９ａ，２９ｂ）から前記相対的な既知の位置及び既知の配向状態が導出される、
請求項５記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項７】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）は、前記測定軸（５７）が少なくとも部分的に前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の重なった視野（２７ａ，２７ｂ）によって定義される重畳領域（２８）内に位置するように配置されている、
請求項５又は６記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項８】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）は、それぞれの光軸（２６ａ，２６ｂ）が前記測定軸（５７）に対して平行に偏差するように、又は、前記測定軸（５７）に対して相対的に所定の角度をなすように配置されている、
及び／又は、
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）は、前記測定軸（５７）に対して相対的に軸対称となるように配置されている、
請求項５から７までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項９】
前記照明手段（２５）は、赤外領域の所定波長を有する拡散性の前記電磁的な照明放射を放出できるように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項１０】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）は主として赤外の照明放射のみを検出可能とするように構成されており、
例えば、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）は、各位置感応性検出器（２８ａ，２８ｂ）上に、主として赤外の放射のみを透過するフィルタユニットをそれぞれ１つずつ含む、
請求項１から９までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項１１】
前記制御評価ユニットは、
動作時に、前記第１の画像及び前記第２の画像における前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）を、画像処理によって、各目標位置（２９ａ，２９ｂ）が各画像で検出された照明放射の断面形状の画像内位置を表すように求める目標位置計算機能部
を含み、例えば、
・各画像で検出された照明放射の断面形状に基づく重心計算、例えば、輝度分析及び／又はコントラスト分析による重心計算が行われ、及び／又は、
・マッチング、例えば、ベストフィット法に基づいて前記各画像で検出された照明放射の断面形状と記憶パターンとを比較する全一致検索、例えば、画像内のパターン位置を一致させることに基づいて前記各画像で検出された照明放射の各目標位置（２９ａ，２９ｂ）を求めるサブピクセルプレシジョンによる全一致検索、例えば、パターン内で定義された、各目標位置（２９ａ，２９ｂ）の最終計算に利用されるべきパターン内部のパターン位置を導出するための情報が記憶パターンとして記憶されているサブピクセルプレシジョンによる全一致検索が行われ、特に、前記情報は、パターン内で定義されたパターン位置そのものであるか、又は、パターン重心計算アルゴリズムなどの定義されたパターン位置計算アルゴリズムである、
請求項１から１０までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項１２】
前記レーザートラッカ（１０，１１，１２）はさらに、第３もしくはそれ以上の数の目標位置を検出する第３もしくはそれ以上の数の位置感応性検出器を含む第３もしくはそれ以上の数のカメラ（２４）を備え、
前記第３もしくはそれ以上の数のカメラ（２４）は、それぞれの光軸が前記測定軸（５７）に対して偏差するように配置されており、
前記制御評価ユニットは、探索機能の実行時に、前記第３もしくはそれ以上の数の目標位置に依存して前記目標（２９ｃ，６５，８１）の探索を行うように構成されており、例えば、前記第３もしくはそれ以上の数のカメラ（２４）の少なくとも１つが前記照明放射の照明波長を中心とした所定の領域の電磁放射を検出するように構成されている、
請求項１から１１までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項１３】
前記測定放射（２１，１７）が前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）に依存して例えば自動的に例えば前記目標（２９ｃ，６５，８１）の粗位置に依存して配向されることにより前記目標（２９ｃ，６５，８１）へ入射し、前記精密距離測定ユニットによって前記目標（２９ｃ，６５，８１）までの距離が精密に測定可能となるように、前記光偏向ユニットが前記制御評価ユニットによって制御される、
請求項１から１２までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項１４】
前記レーザートラッカ（１０，１１，１２）は、
前記鉛直軸（４１）を中心として前記ベース（４０）に対して相対的にモータ駆動により旋回可能であり、かつ、前記傾動軸（３１）を定義する、支持部（３０）と、
前記光偏向ユニットとして構成されており、前記傾動軸（３１）を中心として前記支持部（３０）に対して相対的にモータ駆動により傾動可能である照準ユニット（２０）と
を備え、
前記照準ユニット（２０）は、前記測定放射（２１，１７）を放出し、前記目標（２９ｃ，６５，８１）で反射された前記測定放射（２１，１７）の少なくとも一部を受信するテレスコープユニットを含む、
請求項１から１３までのいずれか１項記載のレーザートラッカ（１０，１１，１２）。
【請求項１５】
レーザートラッカ（１０，１１，１２）により目標（２９ｃ，６５，８１）を探索する方法であって、
前記レーザートラッカ（１０，１１，１２）は、
鉛直軸（４１）を定義するベース（４０）と、
測定放射（２１，１７）を放出して、前記目標（２９ｃ，６５，８１）で反射された測定放射（２１，１７）の少なくとも一部を受信する光偏向ユニットであって、前記鉛直軸（４１）及び傾動軸（３１）を中心として前記ベース（４０）に対して相対的にモータ駆動により旋回可能であり、かつ、前記測定放射（２１，１７）の放出方向によって測定軸（５７）を定義している光偏向ユニットと
を備え、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）を電磁的な照明放射で照明し、
・前記レーザートラッカ（１０，１１，１２）においてその光軸（２６ａ）が前記測定軸（５７）に対して偏差して配置された、第１の視野（２７ａ）を定義する第１のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ）により、第１の画像の位置感応性検出を行い、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）で反射された前記照明放射の少なくとも一部を前記第１の画像内の第１の目標位置（２９ａ）として第１次的に検出する、
方法において、
・前記レーザートラッカ（１０，１１，１２）に配置された、第２の視野（２７ｂ）を定義する第２のカメラ（２４，２４ｂ，６０ｂ）により、第２の画像の位置感応性検出を行い、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）で反射された前記照明放射の少なくとも一部を前記第２の画像内の第２の目標位置（２９ｂ）として第２次的に検出し、
・前記第２のカメラ（２４，２４ｂ，６０ｂ）は、前記第１のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ）に対して相対的に既知かつ固定に位置決めされて、前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の各視野（２７ａ，２７ｂ）が少なくとも部分的に重なるように、かつ、前記第２のカメラ（２４，２４ｂ，６０ｂ）の光軸（２６ｂ）が前記測定軸（５７）に対して偏差するように、配置されており、
・前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）の双方を考慮して前記目標（２９ｃ，６５，８１）を探索する
ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記第１の目標位置（２９ａ）のみを前記目標（２９ｃ，６５，８１）の探索に用いる場合に前記測定軸（５７）と前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の各光軸（２６ａ，２６ｂ）とで生じる視差に起因する多義性を、前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）の双方を共用することにより解消する、
請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）に依存して、前記目標（２９ｃ，６５，８１）までの粗距離を求める、
請求項１５又は１６記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）に依存して、前記目標（２９ｃ，６５，８１）までのそれぞれの目標方向（６３ａ，６３ｂ）を導出し、該目標方向（６３ａ，６３ｂ）に依存して、例えば写真測量法によって、前記目標（２９ｃ，６５，８１）の粗位置を求める、
請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記光偏向ユニットを、前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）に依存して例えば自動的に例えば前記目標（２９ｃ，６５，８１）の粗位置に依存して配向することにより、前記測定放射（２１，１７）が前記目標（２９ｃ，６５，８１）へ入射して、前記精密距離測定ユニットによって前記目標（２９ｃ，６５，８１）までの距離が精密に測定可能となるようにする、及び／又は、
前記照明放射の照明波長を中心とした所定の領域の電磁放射が検出されるよう、少なくとも１回の位置感応性検出を行う、
請求項１５から１８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のカメラ及び前記第２のカメラ（２４，２４ａ，６０ａ，２４ｂ，６０ｂ）の相互に相対的かつ前記測定軸（５７）に対して相対的な既知の位置及び既知の配向状態を定め、例えば、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）を種々の位置に準備し、前記測定放射（２１，１７）によって照準して測定し、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）の全ての位置に対して前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）を求め、
・前記目標（２９ｃ，６５，８１）の測定及び対応して求められた各目標位置（２９ａ，２９ｂ）から前記相対的な既知の位置及び既知の配向状態を導出する、
請求項１５から１９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の画像及び前記第２の画像における前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）を、画像処理によって、当該各目標位置（２９ａ，２９ｂ）が各画像で検出された照明放射の断面形状の画像内位置を表すように求め、
例えば、前記第１の目標位置及び前記第２の目標位置（２９ａ，２９ｂ）の計算を、
・各画像で検出された照明放射の断面形状に基づく重心計算、例えば、輝度分析及び／又はコントラスト分析による重心計算によって行い、及び／又は、
・マッチング、例えば、ベストフィット法に基づいて各画像で検出された照明放射の断面形状と記憶パターンとを比較する全一致検索、例えば、画像内のパターン位置を一致させることに基づいて各画像で検出された照明放射の各目標位置（２９ａ，２９ｂ）を求めるサブピクセルプレシジョンによる全一致検索、例えば、パターン内で定義された、各目標位置（２９ａ，２９ｂ）の最終計算に利用されるべきパターン内部のパターン位置を導出するための情報が記憶パターンとして記憶されているサブピクセルプレシジョンによる全一致検索によって行い、特に、前記情報は、パターン内で定義されたパターン位置そのものであるか、又は、パターン重心計算アルゴリズムなどの定義されたパターン位置計算アルゴリズムである、
請求項１５から２０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
機械読み出し可能な担体に記憶されている、請求項１５から２１までのいずれか１項記載の方法を制御もしくは実行するためのプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射性の目標を連続的に追跡し、この目標までの距離を測定する座標測定装置、特に、請求項１の上位概念記載のレーザートラッカ、及び、請求項１５の上位概念記載の目標を探索する方法に関する。
【０００２】
目標点を連続的に追跡し、当該目標点の座標位置を測定するように構成されている測定装置は、特には工業測定に関連して、一般に「レーザートラッカ」なる概念のもとに捉えることができる。ここで、目標点は、測定装置の光学的測定放射、特にレーザー光の照準対象である再帰反射性単位（たとえば立方体プリズム）により表現することができる。レーザー光は平行反射されて測定装置へ戻り、この反射光が測定装置の検出ユニットにより検出される。この場合、光の放出方向もしくは受信方向が、例えば測定装置の偏向鏡もしくは照準ユニットに配属された角度測定センサを用いて求められる。さらに、光検出、例えば伝搬時間測定もしくは位相差測定を行うことにより、測定装置から目標点までの距離も求められる。
【０００３】
従来技術のレーザートラッカは、付加的に、２次元の光感応性アレイを含むか又はピクセルアレイセンサ及び画像処理ユニットを含む光学画像検出ユニットを用いて構成することができる。光学画像検出ユニットは、例えばＣＣＤカメラ、ＣＩＤカメラ、ＣＭＯＳアレイ型カメラなどである。ここで、レーザートラッカとカメラとは、特に、相互間の相対位置が変化しないように取り付けられる。カメラは、例えばレーザートラッカの実質的に垂直な軸を中心としてレーザートラッカとともに回転可能であるが、レーザートラッカから独立して上下方向にも旋回可能となるよう、特にレーザー光の光学系とは別個に配置されている。また、例えば適用分野に応じて、１軸のみを中心として旋回するカメラを構成することもできる。これに代わる実施形態として、カメラをレーザー光学系とともに共通のケーシング内に組み込むこともできる。
【０００４】
画像検出ユニットおよび画像処理ユニットを用いて、相互の相対位置が既知である複数のマークを有するいわゆる測定補助ツールの画像を検出及び評価することにより、測定補助ツールに配置された対象物（例えばセンサ）の空間内の配向状態を推定することができる。求められた目標点の空間位置とともに、さらに、対象物の空間内の位置及び方向を、絶対量として及び／又はレーザートラッカに対する相対量として、正確に求めることもできる。
【０００５】
このような測定補助ツールは、接点が目標対象物の１点に位置決めされたいわゆる接触式ツールにより実現することができる。この接触式ツールは、例えば光点である複数のマークと、接触式ツール上の目標点としてレーザートラッカのレーザー光が照準されるリフレクタとを含む。ここで、接触式ツールの接点に対するマーク及びリフレクタの相対位置は正確に既知である。当該測定補助ツールは、当業者に公知のように、例えば、非接触の表面測定のための距離測定を行うハンドヘルドスキャナとすることができ、距離測定に用いられるスキャナの測定放射とスキャナ上に配置されている光点及びリフレクタとの相対的な位置及び方向が正確に既知となる。こうしたスキャナの例はＥＰ０５５３２６６に記載されている。
【０００６】
距離測定を行うために、従来技術のレーザートラッカは、少なくとも１つの距離測定装置を有し、この距離測定装置は例えば干渉計として構成することができる。こうした距離測定装置は相対的な距離変化しか測定することができないので、今日のレーザートラッカには干渉計に加えていわゆる絶対距離測定装置も組み付けられる。例えば、上述した距離測定手段を組み合わせた構成は、ライカジオシステムアーゲー社の製品AT901によって知られている。ここで距離測定に用いられる干渉計は、コヒーレント長が長く、それにより測定可能距離を大きくできるため、光源として主にＨｅＮｅガスレーザーを用いている。この場合、ＨｅＮｅレーザーのコヒーレント長は数百ｍになるので、比較的簡単な干渉計構成で工業用測定技術に必要とされる到達範囲を達成できる。ＨｅＮｅレーザーを用いた距離測定のために絶対距離測定装置と干渉計とを組み合わせることは、例えばＷＯ２００７／０７９６００Ａ１から公知である。
【０００７】
また、今日のトラッカシステムでは、センサにおいて、受信された測定放射のゼロ位置からのずれも求められ、このことがますます標準的になってきている。こうした測定可能なずれを用いて、レトロリフレクタの中心とこのリフレクタへのレーザー光の入射点との間の位置差が求められ、この位置差に依存してセンサでのずれが低減されて特に“ゼロ”となり、ひいてはリフレクタの中心の方向へビームが配向されるように、レーザー光の方向を補正乃至追従制御できる。レーザー光の方向の上述のような追従制御により、目標点の連続的な追跡（トラッキング）を行うことができ、測定装置に対する目標点の距離及び位置を連続的に求めることができる。この場合、追従制御は、モータ駆動によって運動可能な偏向鏡の配向状態を変化させてレーザー光を偏向させることにより、及び／又は、レーザー導光光学系を含む照準ユニットを旋回させることにより、実現することができる。
【０００８】
上述した目標追跡では、レーザー光をリフレクタへ予め入力することが必須である。このために、トラッカには、位置感応性センサと比較的大きな視野とを有する検出ユニットとが配置される。また、こうした機器には、特に距離測定手段の波長とは異なる定義された波長で目標乃至リフレクタを照明する付加的な照明手段が組み込まれる。ここで、センサは、例えば外部影響を低減もしくは完全に回避するために、所定の波長を中心とした定められた領域に感応するように構成される。照明手段により目標が照明され、照明されたリフレクタを含む目標の画像がカメラによって検出される。固有反射（波長特有の反射）をセンサに結像することによって、画像での反射位置が分解され、カメラの検出方向に対する角度と目標乃至リフレクタへ向かう方向とが求められる。この種の目標探索ユニットを含むレーザートラッカの例は例えばＷＯ２０１０／１４８５２５Ａ１から公知である。
【０００９】
このようにして導出可能な方向情報に依存して、レーザー源からレーザー光が入力されるリフレクタまでの距離がなるべく小さくなるように測定レーザー光の方向を変化させることができる。しかし、センサによって定義されるセンサ光軸と測定レーザー光の拡散軸とが偏差しているため、センサをベースとした方向測定によって光を目標へ配向することと、この光を入力することとは、１回のステップで直接には行えない。このため、固定の目標に対しては、レーザー光を接近させるためにそのつど１回ずつの測定過程（目標へ向かう方向をセンサによって新たに検出する過程）をともなう複数回の反復ステップが必要となる。こうした接近法には、（反復のために）目標の探索乃至照準に時間がかかり、特に目標がセンサに対して相対運動している場合、ローバスト性が低く一義的な結果が得られないという欠点がある。さらに、目標がレーザートラッカに対して相対運動している場合には、センサによって検出される目標とレーザー光との間の差が絶えず変化するため、レーザー光を目標に接近させることはできない。よって、目標の運動中に差の変化量を保持して光を目標へ反復接近させることができなくなる。この場合、そのつどの新たな反射検出をともなう各反復ステップは、そのつどの（新たな）目標の初回の測定に相当する。一般に、こうした照準装置には、固定の目標の照準に長い時間がかかり、また、運動する目標に対する直接の照準が不可能であるという重大な欠点がある。
【００１０】
本発明の課題は、目標の正確かつ迅速な探索機能、特に目標の照準機能を有する改善されたレーザートラッカを提供することである。
【００１１】
この課題は、独立請求項の特徴部分に記載された構成により解決される。本発明の有利な実施形態および変形形態を表す特徴は従属請求項から得られる。
【００１２】
本発明は、反射性の目標を連続的に追跡し、目標の位置を特定するレーザートラッカに関する。ここで、レーザートラッカは、鉛直軸を定義するベースと、測定放射を放出して、目標で反射された測定放射の少なくとも一部を受信する光偏向ユニットとを備えている。光偏向ユニットは、鉛直軸及び傾動軸を中心としてベースに対して相対的にモータ駆動により旋回可能であり、測定放射の放出方向によって測定軸を定義している。また、レーザートラッカは、測定放射を用いて目標までの精密距離を測定する精密距離測定ユニットと、ベースに対して相対的な光偏向ユニットの配向状態を測定する角度測定機能部と、目標探索ユニットとを備えている。目標探索ユニットは、目標を電磁的な照明放射で照明する照明手段と、第１の視野を定義し、第１の位置感応性検出器を含む第１のカメラと、探索機能の実行時に第１の目標位置に依存して目標を探索するように構成された制御評価ユニットとを含む。ここで、第１のカメラは、第１の画像を検出可能であって、この第１の画像において目標で反射した照明放射の少なくとも一部を第１の目標位置として検出可能であり、その光軸が測定軸に対して偏差して配置されている。
【００１３】
さらに、目標探索ユニットは、第２の視野を定義し、第２の位置感応性検出器を含む第２のカメラを含む。ここで、第２のカメラは、第２の画像を検出可能であって、この第２の画像において目標で反射された照明放射の少なくとも一部を第２の目標位置として検出可能である。さらに、第２のカメラは、第１のカメラに対して相対的に既知かつ固定に位置決めされて、第１のカメラ及び第２のカメラの各視野が少なくとも部分的に重なるように、かつ、第２のカメラの光軸が測定軸に対して偏差するように配置されている。本発明では、探索機能の実行時に、第１の目標位置及び第２の目標位置の双方を考慮して目標が探索される。２つの画像で求められた２つの目標位置の双方が共通に目標探索に利用される。つまり、目標は第１の画像情報と第２の画像情報との組み合わせから求められる。この場合、画像の情報（目標位置）は“結合”され、これに基づいて目標が探索される。
【００１４】
本発明のレーザートラッカでは、２つのカメラによって１つの目標が検出され、検出された目標が、形成された複数の画像と各画像内で求められた目標位置とに基づいて探索される。２つのカメラがレーザートラッカに配置されることにより、目標を検出するために重なり合う共通の視野が得られる。つまり、画像の組み合わせに基づいて目標が探索され、位置特定される。画像検出は（特に光偏向ユニットの旋回運動中）連続的に行われ、検出された目標に関する画像評価、すなわち、反射性目標が画像内で検出されるか否かの評価が、例えば画像処理によって行われる。こうした目標が識別されると、２つのカメラの視野の重畳領域で当該目標が検出され、目標探索過程における探索が可能となるように、光偏向ユニットが配向される。
【００１５】
従来技術の目標探索法とは異なり、本発明では、制御評価ユニットが、探索機能の実行時に、第１の目標位置及び第２の目標位置の双方を目標の探索に共用することにより、第１のカメラで検出された第１の目標位置のみを目標の探索に用いる場合に測定方向（測定軸）と第１のカメラ及び第２のカメラの各光軸とで生じた視差に起因する多義性を解消するように構成される。
【００１６】
目標探索に１つのカメラしか用いられず、カメラの光軸と測定放射の測定軸との間に相対偏差がある場合、目標の位置をカメラによって一義的に特定することができない。これは、１つの画像からは方向情報しか導出されず、目標までの距離ひいては目標の位置を求めることができないからである。したがって、目標に対して測定放射を直接に１ステップで配向することはできない。本発明のごとく、既知の比で位置決めされた２つのカメラの画像位置情報及び目標位置情報を利用することの利点は、目標を直接に探索でき、目標への反復接近を行う必要がなく、照準が直接に可能となることである。
【００１７】
目標を探索するために、本発明によれば、制御評価ユニットは、探索機能の実行時に、第１の目標位置及び第２の目標位置に依存して、目標までの粗距離を求めるように構成される。
【００１８】
カメラどうし（写真測量法の既知のベースどうし）の既知の相対位置と、測定軸に対するカメラの既知の相対偏差とにより、周知の立体写真測量法の原理に基づいて、照明放射を反射する目標までの距離が、画像内で検出された目標の反射によって決定もしくは計算される。
【００１９】
これに関連して、特に、本発明の別の実施形態によれば、制御評価ユニットは、探索機能の実行時に、第１の目標位置及び第２の目標位置に依存して目標までのそれぞれの目標方向を導出し、この目標方向に依存して特に写真測量法によって粗位置を求めるように構成される。
【００２０】
求められた目標までの距離に加えて、目標へ向かう方向の情報が考慮される場合、カメラの検出画像によって、目標の粗位置を計算することができる。このために、画像内で検出された目標位置からそのつどの方向が導出され、距離情報と結合される。
【００２１】
本発明の別の有利な実施形態によれば、第１のカメラ及び第２のカメラは、相互に相対的なかつ測定軸に対して相対的な既知の位置及び既知の配向状態で配置されるので、第１のカメラ及び第２のカメラの位置によって、既知のベース長を有する写真測量法のベースが定義される。
【００２２】
本発明の第２の特徴は、レーザートラッカでの複数のカメラの位置決めに関連している。本発明によれば、各カメラは、それぞれの測定軸が少なくとも部分的に第１のカメラ及び第２のカメラの重なった視野によって定義される重畳領域内に位置するように配置される。これにより、２つのカメラでの目標の検出と目標への測定レーザー光の導光とが実現される。特に、運動する目標に対して照準を合わせる場合、照準プロセスにおいて測定軸と重畳領域とを交差させると有利である。
【００２３】
本発明によれば、第１のカメラ及び第２のカメラは、それぞれの光軸が測定軸に対して平行に偏差するか又は測定軸に対して相対的に所定の角度をなすように配置することができる。
【００２４】
特に有利な実施形態では、測定軸に対して相対的な光軸の（所定の角度の）偏差は、各光軸が測定軸に対してそれぞれ「斜視化」され、これにより測定軸に対して非平行に延在するように配置することによって形成される。このような配置は、例えば、比較的大きな視野の重畳領域を形成するために、又は、できるだけ大きな全視野を形成するために、行われる。
【００２５】
一般に、本発明における位置感応性検出器を含むカメラは、その視野が測定放射乃至その開放角に対して大きくなり、つまり、視野がビームの開放角よりも大きくなって、潜在目標を含む比較的大きな測定環境領域を検出可能となるように、構成される。
【００２６】
こうしたカメラではなく、他のタイプの位置感応性検出器ＰＳＤとして、例えばレーザートラッカのテレスコープユニットに組み込まれた検出器や、目標の精密照準及び追跡が可能な検出器など、狭い視野を有するものを用いてもよい。こうした位置感応性検出器ＰＳＤは、目標で反射された測定放射を検出し、こうした検出に基づいて目標値からの検出光のずれを求めることができるように配置される（よって、位置感応性検出器ＰＳＤは測定放射経路に結合される）。このずれに依存して測定レーザービームがレトロリフレクタの中心からどれだけずれているかが求められ、再びリフレクタ中心に入射するよう、このビームをリフレクタ中心へ向けてあらためて配向することができる。なお、ここでの検出器は、再帰反射されたレーザービームの検出及び位置評価しか行えないため、本発明の意味での画像の検出には適さない。
【００２７】
光軸どうしを平行にずらすこと又は測定軸に対して定義された角度で配置する（斜視化する）ことに加え、第１のカメラ及び第２のカメラを、本発明により、測定軸に対して相対的に軸対称に配置することができる。これに関連して、例えば、２つのカメラは、これら２つのカメラを結ぶ接続線が測定軸に交差して、測定軸から第１のカメラまでの区間が測定軸から第２のカメラまでの区間にほぼ一致するように、レーザートラッカの共通の側面に配置される。
【００２８】
本発明の特に有利な実施形態では、レーザートラッカは、さらに、第３もしくはそれ以上の数の目標位置を検出する第３もしくはそれ以上の数の検出器を含む第３もしくはそれ以上の次のカメラを備える。第３もしくはそれ以上の数のカメラは、それぞれの光軸が測定軸に対して偏差するように配置される。この場合、制御評価ユニットは、探索機能の実行時に、３個もしくはそれ以上の個数の目標位置に依存して目標の探索を行うように構成されており、特に、少なくとも１つのカメラが照明放射の照明波長を中心とした所定の電磁放射を検出するように構成される。
【００２９】
こうした実施形態は、例えば探索機能の冗長性、特に１つもしくは複数のカメラが故障した場合の冗長性のために、又は、目標位置特定の精度向上のために、行われる。
【００３０】
例えば目標探索に続く測定放射による目標への照準に関して、本発明によれば、測定放射が第１の目標位置及び第２の目標位置（特に目標の粗位置）に依存して特に自動的に配向されることにより目標へ入射し、精密距離測定ユニットによって目標までの精密距離が測定可能となるように、光偏向ユニットを制御評価ユニットによって制御可能である。
【００３１】
上述した目標探索機能による目標探索によって、測定放射が直接に目標へ配向され、目標で反射されて戻るので、目標までの距離を正確に求めることができる。距離測定のために、絶対距離測定ユニット及び干渉計の双方がトラッカに配置され、これらのユニットの双方に対してそれぞれ１つずつ光源が設けられ、各放出光が、まず共通の測定路に沿って、さらに共通の測定軸の周囲に拡散するように出力される。
【００３２】
測定放射の配向は、２つの軸（縦軸もしくは鉛直軸、及び、傾動軸もしくは旋回軸）に関して、光偏向ユニットの旋回のためにレーザートラッカに設けられた複数のモータ、特にサーボモータによって行われる。ここで、各モータは制御評価ユニットによって駆動可能である。
【００３３】
本発明の第３の特徴は、レーザートラッカの構造的構成に関する。本発明によれば、レーザートラッカは、鉛直軸を中心としてベースに対して相対的にモータ駆動により旋回可能でありかつ傾動軸（水平軸）を定義する支持部と、光偏向ユニットとして構成された、傾動軸を中心として支持部に対して相対的にモータ駆動により傾動可能な照準ユニットとを備える。当該照準ユニットは、測定放射を放出し、目標で反射された測定放射の少なくとも一部を受信するテレスコープユニットを含む。
【００３４】
本発明の有利な実施形態によれば、レーザートラッカの照明手段は、赤外領域の所定波長を有する拡散性の照明放射を放出できるように構成される。
【００３５】
さらに、本発明の別の有利な実施形態によれば、第１のカメラ及び第２のカメラは主として赤外の照明放射のみを検出可能とするように構成され、特に、第１のカメラ及び第２のカメラは、各位置感応性検出器上に、主として赤外の放射のみを透過するフィルタユニットをそれぞれ１つずつ含む。
【００３６】
また、本発明は、レーザートラッカにより目標を探索する方法に関する。当該レーザートラッカは、鉛直軸を定義するベースと、測定放射を放出して、目標で反射された測定放射の少なくとも一部を受信する光偏向ユニットとを備えている。光偏向ユニットは、鉛直軸及び傾動軸を中心としてベースに対して相対的にモータ駆動により旋回可能であり、測定放射の放出方向によって測定軸を定義している。ここでは、まず、目標が照明放射で照明され、次に、光軸が測定軸に対して偏差して配置された、第１の視野を定義する第１のカメラによって、第１の画像の位置感応性検出が行われる。さらに、目標で反射された照明放射の少なくとも一部が、第１の画像内の第１の目標位置として第１次的に検出される。
【００３７】
この方法では、ついで、レーザートラッカに配置された、第２の視野を定義する第２のカメラによって、第２の画像の位置感応性検出が行われ、その後、目標で反射された照明放射の少なくとも一部が第２の画像内の第２の目標位置として第２次的に検出される。ここで、第２のカメラは、第１のカメラに対して相対的に既知かつ固定に位置決めされて、第１のカメラ及び第２のカメラの各視野が少なくとも部分的に重なるように、かつ、第２のカメラの光軸が測定軸に対して偏差するように配置されている。こうして、目標の探索は、第１の目標位置及び第２の目標位置の双方を考慮して行われる。
【００３８】
本発明の方法の有利な実施形態は従属請求項１６−２１に記載されており、本発明のレーザートラッカの有利な実施形態に対応する。
【００３９】
特に、第１の目標位置及び第２の目標位置の双方を共用することにより、第１の目標位置のみを目標の探索に用いる場合に測定軸と第１のカメラ及び第２のカメラの各光軸とで生じた視差に起因する多義性が解消される。
【００４０】
さらに、第１の目標位置及び第２の目標位置に依存して、目標までの粗距離を求めることができる。また、第１の目標位置及び第２の目標位置に依存して、そのつど目標までの目標方向を導出し、この目標方向に依存して目標の粗位置を特に写真測量法によって求めることができる。
【００４１】
測定放射の配向に関しては、光偏向ユニットが第１の目標位置及び第２の目標位置に依存して例えば自動的に特に目標の粗位置に依存して配向されることにより、測定放射が目標へ入射し、精密距離測定ユニットによって目標までの精密距離を測定できるようになる。ここで特に、照明放射の照明波長を中心とした所定の領域の電磁放射のみが検出されるよう、少なくとも１回の位置検出が行われる。
【００４２】
本発明の有利な実施形態では、第１のカメラ及び第２のカメラの相互に相対的な、かつ、測定軸に対して相対的な、既知の位置及び既知の配向状態が定められる。ここでは、目標が種々の位置で準備され、測定放射によって照準されて測定され、次に、目標の全ての位置に対して第１の目標位置及び第２の目標位置が求められ、さらに、目標の測定及び対応して求められた各目標位置から相対的な既知の位置及び既知の配向状態が導出される。
【００４３】
さらに、別の有利な実施形態によれば、第１の画像及び第２の画像における第１の目標位置及び第２の目標位置が、これらの目標位置によって各画像で検出された照明放射の断面形状の画像内位置が表されるように、画像処理によって求められる。例えば、第１の目標位置及び第２の目標位置の計算は、各画像で検出された照明放射の断面形状に基づく重心計算、例えば、輝度分析及び／又はコントラスト分析による重心計算によって、及び／又は、マッチング、例えば、ベストフィット法に基づいて各画像で検出された照明放射の断面形状と記憶パターンとを比較する全一致検索、例えば、画像内のパターン位置を一致させることに基づいて各画像で検出された照明放射の各目標位置を求めるサブピクセルプレシジョンによる全一致検索によって行われる。特に、ここでのサブピクセルプレシジョンは、パターン内で定義された、各目標位置の最終計算に利用されるべきパターン内部のパターン位置を導出するための情報が、記憶パターンとして記憶されたものである。特に、パターン位置を導出するための情報は、パターン内で定義されたパターン位置そのものであるか、又は、パターン重心計算アルゴリズムなどの定義されたパターン位置計算アルゴリズムである。
【００４４】
本発明は、さらに、機械読み出し可能な担体に記憶されている、上述した方法を制御もしくは実行するためのプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品にも関する。
【００４５】
本発明の方法及び装置並びにその利点を、以下に、図示の実施例に則して詳細に説明する。実施例は説明のためのものであり、本発明を限定しない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のレーザートラッカ及び測定補助ツールの２つの実施例を示す図である。
【図２】本発明のレーザートラッカの第３の実施例を示す図である。
【図３】ａ−ｄはそれぞれ、本発明のレーザートラッカの照準ユニットの４つの異なる実施例を示す図である。
【図４】本発明のレーザートラッカの光学構造の第１の実施例を示す図である。
【図５】ａは検出された目標位置を有する２つの位置感応性検出器を示す図であり、ｂは本発明での目標探索方法を示す図である。
【図６】目標探索方法に対する幾何学的アプローチを示す図である。
【図７】ａ，ｂは本発明の位置感応性検出器を備えたレーザートラッカのカメラで検出された画像を示す図であり、ｃは目標位置を求める方法を示す図である。
【図８】本発明のレーザートラッカの少なくとも２つのカメラの位置及び配向状態を較正する方法を示す図である。
【００４７】
図１には、本発明のレーザートラッカ１０，１１と測定補助ツール８０、例えば接触式測定装置の２つの実施例が示されている。第１のレーザートラッカ１０はベース４０及び支持部３０を備え、当該支持部３０は、ベース４０によって定義される旋回軸４１を中心として、ベース４０に対して相対的に旋回乃至回転可能に配置されている。さらに、照準ユニット２０が、傾動軸（トランジット軸）を中心として支持部３０に対して相対的に傾動可能に、支持部３０に取り付けられている。このように２つの軸に関して用意された照準ユニット２０の配向手段により、当該照準ユニット２０から放出されるレーザービーム２１がフレキシブルに配向され、目標が照準される。ここでは旋回軸４１及び傾動軸は、相互にほぼ直交するように、つまり、厳密な軸直交性から僅かな偏差が許容される状態で予め定められており、例えば発生しうる測定誤差を補償するためにシステム内に格納することができる。
【００４８】
図示の装置では、レーザービーム２１は測定補助ツール８０のリフレクタ８１へ向かって配向され、そこで再帰反射されてレーザートラッカ１０へ戻る。当該測定用レーザービーム２１により、リフレクタ８１までの距離が、特に走行時間測定もしくは位相測定もしくはフィゾー方式測定により測定される。レーザートラッカ１０には、レーザートラッカ１０からリフレクタ８１までの精密距離を測定する精密距離測定ユニットと、レーザービーム２１を定義された状態で配向及び案内する照準ユニット２０の位置、ひいてはレーザービーム２１の拡散方向を測定する角度センサとが設けられている。
【００４９】
さらに、レーザートラッカ１０、特にその照準ユニット２０は、センサ上乃至検出画像におけるセンサ照明の位置を特定するための第１の画像検出ユニットとしてＣＭＯＳを含むか、又は、特にＣＣＤカメラもしくはピクセルセンサアレイカメラとして構成されている。こうしたセンサは検出器上の照明の位置を検出できる。また、測定補助ツール８０は、接点８３を測定すべき目標対象物と接触させて検出を行う接触式センサを含む。接触式の測定補助ツール８０と目標対象物とが接触している間、接点８３の空間内の位置、ひいては、目標対象物における接点８３の座標を正確に求めることができる。この検出は、接点８３とリフレクタ８１との定義された相対位置、及び、接点８３と測定補助ツール８０に配置されたマーク８２との定義された相対位置を用いて行われる。マーク８２は例えば発光ダイオードとして構成される。これに代えて、マーク８２を、例えばレトロリフレクタの補助点マーク８２として、定義された波長を有する光で照明が行われる際に入射してくる光を反射して所定の光特性を示すように構成するか、又は、定義されたパターンもしくは色符号化部を含むように構成してもよい。したがって、画像検出ユニットのセンサによって検出された画像におけるマーク８２の位置乃至分布から、接触式の測定補助ツール８０の配向状態を求めることができる。
【００５０】
第２のレーザートラッカ１１は、第２の画像検出ユニット１５と、これとは別個にリフレクタ８１へ配向された第２のレーザービーム１７を放出する光案内ユニット１６とを備えている。第２のレーザービーム１７及び第２の画像検出ユニット１５はそれぞれ２つの軸を中心としてモータ駆動により旋回可能であるので、第２の画像検出ユニット１５によって第２のレーザービーム１７で照準された目標８１と測定補助ツール８０のマーク８２とを検出することができる。したがって、この場合にも、リフレクタ８１までの正確な距離と測定補助ツール８０の配向状態とがマーク８２の空間位置に基づいて求められる。
【００５１】
レーザービーム２１，１７をそのつどリフレクタ８１へ配向するために、レーザートラッカ１０，１１には、それぞれ所定波長の光で、特に赤外波長領域の光でリフレクタ８１を照明する照明手段と、付加的に、位置感応性検出器を含む少なくとも２つのカメラとが設けられている。リフレクタ８１で反射されてレーザートラッカ１０，１１へ戻る照明放射がカメラによって検出され、各位置感応性検出器によってリフレクタ８１の位置を各位置感応性検出器へ結像することができる。こうして、第１のレーザートラッカ１０と第２のレーザートラッカ１１との双方により２つのリフレクタ結像位置が求められ、これらの結像位置に依存して目標（リフレクタ８１）が例えば一般に知られる写真測量法の原理にしたがって探索される。さらに、照準ユニット２０又は光案内ユニット１６は、目標が測定放射２１，１７によって照準されるように配向される。
【００５２】
さらに、レーザートラッカ１０，１１の２つずつの画像に基づいて、そのつどリフレクタの粗位置が求められる。当該位置は、一般の幾何学の原理もしくは三角測量法の基本法則にしたがって、例えば幾何学構造の定理すなわち三角公式もしくは正弦及び／又は余弦の法則にしたがって求められる。さらに、粗位置特定に対しては、一般に知られた立体写真測量法（ステレオフォトグラメトリ）も利用可能である。ただし、このためには、各レーザートラッカ１０，１１のカメラ相互の相対位置及び相対配向状態が既知となっている必要がある。
【００５３】
これに関連して、照明手段及びカメラは、例えば照準ユニット２０又は支持部３０又はベース４０又は第２の画像検出ユニット１５又は光案内ユニット１６の定義された位置に配置される。
【００５４】
それぞれのレーザービーム２１，１７の放出方向に対するカメラの相対位置が既知であれば、レーザービーム２１，１７を求められたリフレクタ８１の粗位置へ配向し、そこへ結合する（ロックオンする）ことができる。これにより、構造に起因してレーザーの放出方向とカメラの検出方向との間にずれがあったとしても、各ビーム２１，１７を迅速に配向して、各カメラの各光軸及び各ビーム２１，１７によって生じる視差を解消することができる。特には、レーザービーム２１，１７は直接に、つまり中間ステップの反復なしに、目標８１へ配向される。
【００５５】
特に、リフレクタ８１の粗位置の計算に加えてもしくはこれに代えて、レーザートラッカ１０，１１の各検出器で検出及び結像された各目標位置から、リフレクタ８１までの粗距離を求めることができる。この計算も、一般に妥当な幾何学法則を用いて、例えば三角公式もしくは正弦および／または余弦の定理によって行うことができる。
【００５６】
さらに、本発明のレーザービーム２１，１７の配向は、測定補助ツール８０の配向状態（６−ＤｏＦカメラ）を検出する画像検出ユニットを有さないレーザートラッカにおいても行うことができる（３Ｄレーザートラッカ）。
【００５７】
図２には、本発明の第２の実施例のレーザートラッカ１２が示されている。このレーザートラッカ１２は、三脚架４５に配置されて旋回軸４１を定義するベース４０を備えている。ベース４０上にはさらに、旋回軸４１を中心としてベース４０に対して相対的に旋回可能でありかつ傾動軸３１を定義する支持部３０が配置されており、この支持部３０はグリップ３２を含む。なお、当該支持部３０には、照準ユニット２０が、傾動軸３１を中心として当該支持部３０に対して相対的に傾動可能に組み込まれている。
【００５８】
照準ユニット２０はさらに、バリオ対物レンズ２２及び光学素子２３を含むバリオカメラを含む。当該バリオカメラには照準ユニット２０内に配置された距離測定及び追跡ユニットが配属されており、光学素子２３を介して、測定レーザー光が、目標までの距離の正確な測定及び目標追跡のための距離測定及び追跡ユニットから放出される。さらに、照準ユニット２０にはそれぞれ１つずつカメラ光学系及び位置感応性検出器を含む２つのカメラ２４と、動作中に特に赤外領域の光を放出する例えばＬＥＤとして構成された照明手段２５とが設けられている。当該照明手段２５により、目標、例えばリフレクタが照明乃至照射され、放射の少なくとも一部がリフレクタによって反射されて、レーザートラッカ１２の方向又はカメラ２４の方向へ戻る。ついで、反射光はカメラ２４で検出され、カメラ光学系によってそれぞれの位置感応性検出器上で第１の目標位置及び第２の目標位置として結像される。ここから、各目標位置につき、各検出器の配向状態を考慮して、目標位置へ向かうそのつどの方向、ひいては、各検出器上のゼロ位置に対するずれ、及び／又は、特に２つの検出器軸の方向角度（検出器の寸法によって予め定められたＸ軸及びＹ軸の方向角度）が求められる。このようにして検出された目標位置により、目標が自動的に探索される。目標の探索は特には立体写真測量法にしたがって行われる。
【００５９】
２つの検出器で求められた方向角度に依存して、２つのカメラ２４の既知の相対位置に基づき、目標の粗位置及び／又は目標までの粗距離が、例えば数学上の幾何学的三角公式によって粗く求められる。
【００６０】
測定レーザー光の測定方向に対するカメラ２４の相対方向が、光案内ユニット１６に配置された角度センサによって、又は、ベース４０及び／又は支持部３０及び／又は照準ユニット２０に配置された角度センサによって測定されて既知となっていることにより、求められた粗位置乃至粗距離をレーザートラッカ１２の特に制御評価ユニットにおいて処理し、測定レーザー光を求められた粗位置ひいては目標へ向かって配向することができる。
【００６１】
レーザー光がリフレクタ８１へ配向され、そこで戻り方向へ反射された後、レーザートラッカ１２内もしくは照準ユニット２０内の精密距離測定ユニットにより、リフレクタ８１までの精密距離が求められる。さらに、レーザー光がリフレクタ（レトロリフレクタ）８１へ結合され、このレーザー光によってリフレクタ８１が追跡される。このために、測定光の光路に対応する別の位置センサにおいて、反射された測定光のセンサ上の位置とゼロ位置に対する入射光のずれとが求められる。センサ上の２つの方向で検出可能なずれにより、リフレクタ８１の位置変化量が識別され、この変化量に相応にレーザー光が追従制御されて連続的にリフレクタ８１が照準可能となる。
【００６２】
それぞれカメラ光学系及び検出器を含む２つのカメラ２４は、各視野が少なくとも部分的に重なり（交差し）、各視野において特に同時に目標が検出可能となるように、配置されている。この場合、第１のカメラは大きな視野を有し、第２のカメラは比較的小さな視野を有する。したがって、一方では（第１のカメラによって）大きな領域を検出でき、他方で同時に（第２のカメラによって）高い位置測定精度を実現できる。これに代えて、２つのカメラ２４とも大きな視野を有し、（測定精度は低下するものの）できるだけ大きな重畳領域を形成するようにしてもよいし、また、２つのカメラ２４とも小さな視野を有し、（小さな重畳領域及び小さな測定領域で）粗位置測定での精度をいっそう向上させてもよい。
【００６３】
図示の実施例では、照準装置２０の検出方向が旋回軸４１と光学素子２３の中心点とによって定義される平面にも、傾動軸３１と光学素子２３の中心点とによって定義される平面にも位置しないように、カメラ２４が照準ユニット２０に配置されている。ただし、これに代わる実施例として、カメラの少なくとも一方が相応の平面の一方に位置するように配置されてもよい。
【００６４】
本発明のレーザートラッカ１２の特に有利な実施例では、反射された照明光が少なくとも３つのカメラで検出され、これにより３つの目標位置が３つの位置感応性検出器上の相応の方向角度で求められる。この場合、粗位置の検出は各検出器に結像された３つの目標位置に依存して行われる。
【００６５】
レーザートラッカ１２の特に有利な実施例では、反射された照明光によって各検出器に結像された複数の目標位置に依存して、数学上の幾何学的計算プロセスにより、目標までの粗距離が導出される。
【００６６】
図３のａからｄには、本発明のレーザートラッカの照準ユニット２０の種々の実施例が示されている。照準ユニット２０は傾動軸を中心として支持部３０に対して相対的に傾動可能に配置されており、測定光を放出してこの測定光により目標までの精密距離を測定するテレスコープユニットとしての光学素子２３を含む。ａ−ｄの実施例は、カメラ２４及び照明手段２５（例えばＬＥＤ）の配置形態及び／又は個数の点で相互に異なっている。
【００６７】
図３のａでは、２つのカメラ２４がテレスコープユニット２３の中心点を通る共通の軸２３ａ上に配置されている。カメラ２４は上述した手段にしたがって各検出器上の目標を検出し、さらなる処理ステップで探索を行い、照準ユニット２０を配向することで測定光による照準を行う。各カメラ２４がリフレクタを観察する方向は、測定光をリフレクタへ入射させるための設定方向から偏差している。この偏差を求めるために、リフレクタへ向かうカメラ２４の視野方向から導出される視差角を用いて、粗距離が求められる。
【００６８】
図３のｂにも同様に、光学素子２３の下方にそれぞれ偏差して配置された２つのカメラ２４と目標の照明に用いられる４つの照明手段２５とが示されている。各照明手段２５はここではそれぞれ各カメラ２４に関して対称に配置されている。本発明の実施例においても、反射性目標の探索は各カメラ２４で検出された２つの画像に基づいて行われる。各カメラ２４の各光軸が照準ユニット２０の測定光を実質的に放出するテレスコープユニット２３の中心点に対して相対的に偏差していることにより、この場合の探索は特に、検出された２つの画像から（写真測量法によって）画像目標までの粗距離を求めることによって行われる。このために、例えば幾何学計算法則にしたがい、カメラ位置と目標とによって定義される三角形の高さが求められる。また、付加的に目標へ向かう方向を考慮することにより、目標の粗位置を求めることもできる。ここで、目標へ向かう方向は、検出された画像から導出することができる。
【００６９】
図３のｃには、本発明の照準ユニット２０の別の実施例が示されている。ここでの照準ユニット２０は目標を照明する２つずつの照明手段２５が配属された４つのカメラ２４を含む。この場合、カメラ２４は、光学素子２３によって定義された位置を有する測定軸に対して相対的に、定義された位置特性で配置されている。カメラ２４の数が増え、ひいては、共通の反射性目標を検出できる画像の数が増えたことで、これらの画像によって目標の探索がいっそう正確に可能となり、目標を測定光によって迅速に照準できるようになる。さらに、この実施例では、１つもしくは２つのカメラ２４が故障しても正常に動作している残りのカメラ２４で目標を探索できるという冗長性の利点も得られる。各カメラ２４がこのように配置されることにより、各カメラの視野が部分的に交差して得られる全視野が大きくなるという利点も得られる。これにより、特に測定軸を中心とした所定の領域において、目標探索乃至目標位置検出の精度向上が達成される。このために、４つのカメラ視野を当該領域において共通に重ねることができる。カメラ２４及びこれによって検出される共通の反射性目標の画像の数が増えることにより、これらの画像を用いた目標の正確な探索に加え、測定光での目標の迅速な照準も達成される。
【００７０】
図３のｄには、目標を照明するための２つずつの照明手段２５が２つのカメラ２４に配属された、本発明の照準ユニット２０のさらに別の実施例が示されている。ここでは、カメラと照明手段との組は、それぞれ、テレスコープユニット２３に関して非対称に配置されている。つまり、第１の組がテレスコープユニット２３の側方に、第２の組がテレスコープユニットの下方に配置されている。
【００７１】
各カメラ２４は、光学素子２３の中心点によって定義された測定方向へ向かってほぼ軸対称に対で配置されている。カメラ２４の数ひいては共通の反射性目標の検出画像の数が増えることにより、画像を用いた目標探索の精度向上に加え、測定光での目標の迅速な照準も達成される。また、照明手段２５が照準ユニット２０に取り付けられるので、この構成によっても本発明の目標探索を実行可能である。
【００７２】
図４には本発明のレーザートラッカの光学構造体の実施例が示されている。レーザートラッカの光学ユニット５０は、ここでは、レーザー光源５１、例えばＨｅＮｅレーザー源もしくはレーザーダイオードと、レーザー源５１で形成されたレーザー光を測定光路へ入力するコリメータ５３とを含む。レーザー光は図示の光学ユニットでは光ファイバ５２を介してレーザー源５１からコリメータ５３へ案内されるが、これに代えて、直接に又は光偏向手段を介して測定光路へ入力されてもよい。
【００７３】
また、光学ユニット５０には、目標までの距離変化量を検出乃至測定可能な干渉計ユニット５４を設けることができる。レーザー源５１で形成された光は測定光として干渉計ユニット５４で利用され、干渉計ユニット５４において基準光路と測定光路とに分割されて、目標での反射後に基準光とともに検出器で検出される。さらに、ここには、別の光源及び別の検出器を含む絶対距離測定ユニット５５を設けることもできる。絶対距離測定ユニット５５は目標までの距離測定に用いられる。ここでは、形成された光がビームスプリッタ５６により干渉光とともに共通の測定光路へ案内される。各光学素子が配置されて測定光が光学ユニット５０へ案内されることにより、測定方向及び測定軸５７が定義される。目標までの距離を正確に測定するには、絶対距離測定ユニット５５及び干渉計ユニット５４の双方の測定値を考慮し、特にこれらを結合するとよい。レーザートラッカの有利な実施例では、絶対距離測定ユニット５５と干渉計ユニット５４とが、それぞれ異なる測定光路を定義する、及び／又は、構造的に分離され、特には異なる測定グループとして配置される。
【００７４】
光学ユニット５０はさらに、それぞれの光軸もしくは検出方向２６ａ，２６ｂを有する２つのカメラ２４ａ，２４ｂと照明手段２５とを含む。２つのカメラ２４ａ，２４ｂはそれぞれ視野２７ａ，２７ｂを定義しており、ここで、各カメラ２４ａ，２４ｂは、視野２７ａ，２７ｂが重なって１つの重畳領域２８が定められるように配置されている。
【００７５】
照明手段２５により、目標を照明する電磁放射が放出される。当該電磁放射が目標で反射され、少なくとも部分的に２つのカメラ２４ａ，２４ｂの方向へ戻る場合、反射された照明光は、２つのカメラ２４ａ，２４ｂにより、そのつど１つの画像内で目標位置として検出される。視野の重畳領域２８が得られるように各カメラ２４ａ，２４ｂを配置することにより、目標はこの重畳領域２８内で２つのカメラ２４ａ，２４ｂによって検出される。検出された画像による目標の検出及び探索の実施例は、図５のａ，ｂに示されている。
【００７６】
さらに、光学ユニット５０には、目標で反射された測定レーザー光を検出できるように位置感応性検出器ＰＳＤ５８が配置されている。位置感応性検出器５８により、検出器ゼロ点に対する検出光のずれが求められ、このずれに基づいてレーザー光が目標へ向かって追従制御される。これに関連して、高精度を達成するために、位置感応性検出器５８の視野は、測定レーザー光の光径に対してできるかぎり小さくなるように選定される。位置感応性検出器５８による検出は測定軸５７に対して同軸で行われるので、位置感応性検出器５８の検出方向は測定方向に対応する。位置感応性検出器を基礎とした追跡及び精密照準の適用は、２つのカメラ２４ａ，２４ｂでの画像の検出と当該画像の写真測量法による評価とに基づいて、測定レーザーが再帰反射性の目標へ配向された後に行われる。
【００７７】
図５のａには、２つの位置感応性検出器２８ａ，２８ｂが示されており、そこに目標位置２９ａ，２９ｂが結像されている。目標位置２９ａ，２９ｂは目標での照明光の反射によって２つのカメラの検出器２８ａ，２８ｂで検出される。この場合、１つずつの目標位置２９ａ，２９ｂを示す２つの画像が形成され、これにより、目標に対する検出器２８ａ，２８ｂの相対方向、又は、検出器ゼロ点からの目標位置２９ａ，２９ｂのずれが表示される。
【００７８】
図５のｂには、各検出器２８ａ，２８ｂで形成された画像及び目標位置２９ａ，２９ｂの重ね合わせが示されている。検出された目標位置２９ａ，２９ｂは、ここで、レーザートラッカの測定ユニットに対して相対的な共通の基準座標系へ移される。目標２９ｃの探索は、第１の目標位置２９ａ及び第２の目標位置２９ｂの座標の評価によって行われる。例えば２つの目標位置２９ａ，２９ｂを結ぶ接続線が形成され、そこから目標の座標が求められる。こうした検出は、特に各検出器２８ａ，２８ｂがテレスコープユニットもしくは測定軸に関して非対称に配置されている場合に行われる。したがって、カメラ相互もしくは検出器２８ａ，２８ｂ相互の相対位置が既知かつ固定であれば、目標までの粗距離および／または目標の粗位置を計算することができる。
【００７９】
さらに、目標位置特定と、（干渉計ユニット及び絶対距離測定ユニットによって測定された）測定ユニット乃至その放出方向に対するカメラの相対位置が既知であることとに基づいて、レーザートラッカの測定レーザー光が目標位置へ配向され、目標までの精密距離が求められる。
【００８０】
こうした目標探索により、目標２９ｃの照準を直接かつ迅速に、いっそう効率的に行うことができる。従来技術の手法にしたがった反復近似法では複数のステップが必要であり、時間がかかるうえに不正確である。
【００８１】
粗距離もしくは粗位置の検出は、特には幾何学計算法則を利用して行われる。このことの例が図６に示されている。ここでは、２つのカメラ６０ａ，６０ｂがそれぞれ目標６５を検出するが、この２つのカメラ６０ａ，６０ｂはこれらを結ぶ接続線６２の長さと各カメラ６０ａ，６０ｂのそのつどの検出方向６１ａ，６１ｂとが（写真測量法によって）既知となるように相互に配置されている。カメラ６０ａ，６０ｂで検出された画像から、それぞれ目標に対する方向６３ａ，６３ｂが求められ、第１の方向６３ａと接続線６２とのなす角度α、及び、第２の方向６３ｂと接続線６２とのなす角度βが導出される。
【００８２】
求められたこれらのデータに基づいて、例えば、「三角形の高さ」すなわちｈａ＝ｃ＊ｓｉｎβ、及び、「三角形の角度の和」すなわちα＋β＋γ＝１８０°、及び、「正弦法則」すなわちａ／ｓｉｎα＝ｃ／ｓｉｎγを利用して、接続線６２から目標６５までの距離を計算することができる。
【００８３】
図７のａには、本発明の位置感応性検出器を備えたレーザートラッカのカメラによって検出された画像７０における、目標で反射された照明放射が示されている。照明放射の放射断面の形状に応じて、画像７０内に照明放射断面形状７１が検出される。これに関連して、図７のｂには、カメラの位置感応性検出器７０ａでの照明放射の位置が示されている。検出器７０ａに入射する放射７１は複数個のセンサピクセル７０ｂにわたって延在しており、センサピクセル７０ｂの大きさ及び個数に基づいて放射形状を求めることができる。
【００８４】
画像７０乃至センサ７０ａにおける照明放射断面形状７１の位置を特定するために、画像処理プロセスに基づいて、画像７０内の照明放射の位置を表す目標点を求める分析が行われる。このために、レーザートラッカの制御評価ユニットは、本発明によれば、第１の目標位置（及び第２の目標位置）を第１の画像７０（及び第２の画像）において画像処理プロセスにより求める目標位置検出機能部を含む。この検出は、それぞれの目標位置により、各画像７０で検出された照明放射断面形状７１の画像内位置が表されるようにして行われる。これは、各画像７０で検出された照明放射断面形状７１に基づく重心計算により、特には輝度分析及び／又はコントラスト分析を利用して、行われる。
【００８５】
これに代えてもしくはこれに加えて、図７のｃに示されているように、マッチング、特に、各画像で検出された照明放射断面形状７１と記憶パターン７２（ここでは円形のパターン）とをベストフィット法にしたがって比較する全一致検索によって、位置の検出を行うこともできる。これは特に、画像内のパターン７２の位置を一致させることに基づいて画像内で検出された照明放射７１のそのつどの目標位置を求めるサブピクセルプレシジョンにより行われる。
【００８６】
特に、記憶パターンとして、パターン内で定義された、目標位置の最終計算に利用されるべきパターン内部のパターン位置を導出するための情報が記憶される。特には、当該情報は、パターン内で定義されたパターン位置そのものであるか、又は、パターン重心検出アルゴリズムなどの定義されたパターン位置検出アルゴリズムである。
【００８７】
すなわち、パターン７２が検出された照明放射の形状に適合化されている場合、既に記憶されているパターン特性に基づいて、所定の点（この実施例で云えば円形パターンの円中心）が画像７０乃至センサ７０で求めるべき目標位置として導出される。なお、パターン７２は、ここでは楕円もしくは多角形として定義することもできる。
【００８８】
図８には、本発明のレーザートラッカ１２の少なくとも２つのカメラ２４の位置及び配向状態を較正する手法が示されている。ここでのレーザートラッカは特には図１−図４の実施例のレーザートラッカに対応する。
【００８９】
２つのカメラ２４は、それぞれ、カメラ光学系と、位置感応性検出器と、動作中に特に赤外領域の光を放出するように構成された例えばＬＥＤとしての照明手段２５とを含む。照明手段２５により、目標１０１であるリフレクタが照明（照射）され、少なくとも一部の放射がリフレクタで反射されてレーザートラッカ１２の方向乃至カメラ２４の方向へ戻る。反射光はカメラ２４によって検出され、カメラ光学系により、それぞれ第１のピクセル及び第２のピクセル又は各目標位置として、各位置感応性検出器上に結像される。
【００９０】
ここから、レーザートラッカ１２の較正が有効に行われた後、各目標位置に対する各検出器の配向状態を考慮して、目標位置までのそのつどの方向、ひいては、各検出器のゼロ位置に対するそのつどのずれ及び／又は方向角度が求められる。このようにして検出された目標位置により、目標１０１の自動探索が行われる。
【００９１】
較正のために、第１の位置１０２にある目標１０１が測定光２１により測定され、反射された照明放射のそれぞれの目標位置がカメラ２４の各位置感応性検出器で求められる。続いて、目標１０１が第２の位置１０３へ移動され、測定過程が反復される。これに代えて、第２の位置１０３に設置された第２の目標を用いてもよい。このようにして検出された測定データから、カメラ相互の相対位置及び測定軸に対する各カメラの相対位置が導出され、レーザートラッカ１２の較正が行われる。この場合、測定光の照準方向がそのつど既知となり、目標位置が当該方向に対応づけられる。こうした対応関係からそれぞれのカメラの配向状態を推定することができる。
【００９２】
言い換えれば、レーザートラッカ１２は、動作時に第１のカメラ及び第２のカメラ相互の既知の相対位置と測定軸に対する各カメラの既知の配向状態とを定める較正機能部を有する。これに関連して、特には、種々の位置１０２，１０３にある目標１０１が準備され、測定光２１で照準されて測定され、目標１０１の位置１０２，１０３ごとに第１の目標位置及び第２の目標位置が求められ、目標１０１の測定及びこれに対応して求められた画像内の目標位置からカメラの位置及び配向状態が導出される。
【００９３】
なお、図は単に可能な実施例を概略的に示したものである。また、本発明の種々の特徴は、相互に、また、従来技術の距離及び／又は位置を求める写真測量方法乃至従来の測定装置（特にレーザートラッカ）とも、任意に組み合わせ可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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