(57)【要約】  測定デバイス（１２０）は、光ディレクタと、空間光変調器（１３０）とを含む。光ディレクタは、光を空間光変調器（１３０）に向けるように配置されており、空間光変調器（１３０）は、光ディレクタから光を受け取り、その光を変調して強度パターンを形成するように配置されている。光学エレメントが、強度パターンを形成した光を受け取るように配置され、強度パターンを測定空間に拡大するように構成されている。検出器（１４２）が、測定空間から反射される光を検出するように配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定デバイスは：
光ディレクタおよび空間光変調器であって、前記光ディレクタは、光を前記空間光変調器に向けるように配置されており、前記空間光変調器は、前記光ディレクタから光を受け取り、その光を変調して強度パターンを形成するように配置されている、光ディレクタおよび空間光変調器と；
前記強度パターンを形成した光を受け取るように配置され、前記強度パターンを測定空間に拡大するように構成されている光学エレメントと；
及び
前記測定空間から反射される光を検出するように配置されている検出器と
を含む、測定デバイス。
【請求項２】
前記光学エレメントは、前記強度パターンを、前記光学エレメントからほぼ無限遠の距離において結像するように構成されている、請求項１に記載の測定デバイス。
【請求項３】
前記光学エレメントは、前記強度パターンを発散させるように前記測定空間に拡大するように構成されている、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項４】
前記光学エレメントは、０．２よりも高い、好ましくは０．４よりも高い、最も好ましくは０．６よりも高い開口数を有する、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項５】
前記空間光変調器から受け取られる光から前記強度パターンを形成するように構成されている第２の光学エレメントをさらに含む、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項６】
前記空間光変調器はプログラム可能であり、それによって、前記強度パターンが制御可能である、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項７】
前記空間光変調器を制御するための制御ユニットをさらに含み、前記制御ユニットは、前記光ディレクタからの光によって照明されると、前記測定空間内に少なくとも１つの光ビームを生成するために、前記空間光変調器を制御して前記強度パターンを形成するように構成されている、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項８】
前記制御ユニットは、前記光ディレクタからの光によって照明されると、前記測定空間内に複数の光ビームを生成するために、前記空間光変調器を制御して前記強度パターンを形成するように構成されている、請求項７に記載の測定デバイス。
【請求項９】
前記制御ユニットは、各ビームを前記測定空間内の反射性ターゲットに向けるように動作可能である、請求項７または８いずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項１０】
前記制御ユニットは、前記測定空間内の１つまたは複数の反射性ターゲットの動きを補償するように、前記空間光変調器を制御するように動作可能である、請求項９に記載の測定デバイス。
【請求項１１】
前記光ディレクタは、前記測定空間からのリトロリフレクト光を、前記検出器に向けるように構成されている、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項１２】
前記光ディレクタは、入力光の第１の部分を前記空間光変調器に向けて、入力光の第２の部分を、前記測定空間から反射される光を用いたインターフェロメトリを実行するための基準光として、前記検出器に向けるように配置されている光分割器を含む、請求項１１に記載の測定デバイス
【請求項１３】
前記光ディレクタは光ファイバを含み、前記光分割器は、前記光ファイバの端部によって提供され、前記光ディレクタは、前記光ファイバの前記端部から、または前記測定空間から反射される光を前記検出器に向けるように構成されている導光素子をさらに含む、請求項１２に記載の測定デバイス。
【請求項１４】
前記光ディレクタに入力光を提供するための光源をさらに含む、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項１５】
前記光源はレーザである、請求項１４に記載の測定デバイス。
【請求項１６】
前記測定デバイスは、周波数走査インターフェロメトリを使用して距離を測定するように構成されている、前項までのいずれか一項に記載の測定デバイス。
【請求項１７】
測定システムであって：
前項までのいずれか一項に記載の少なくとも１つの測定デバイスと；
前記測定空間内に位置付けられ、前記検出器へと光を反射するための少なくとも１つの反射性ターゲットと
を含む、測定システム。
【請求項１８】
各反射性ターゲットはリトロリフレクト・ターゲットである、請求項１７に記載の測定システム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの測定デバイスは複数の測定デバイスである、請求項１７または１８いずれか一項に記載の測定システム。
【請求項２０】
前記複数の測定デバイスは、測定されるべき対象物の周囲に配置されている、請求項１９に記載の測定システム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの反射性ターゲットは複数の反射性ターゲットである、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の測定システム。
【請求項２２】
前記反射性ターゲットは、測定されるべき１つまたは複数の対象物上に配置されている、請求項２１に記載の測定システム。
【請求項２３】
ターゲットを測定する方法であって：
複数の反射性ターゲットを測定空間内に配置することと；
光を空間光変調器に向けることと；
前記測定空間内に複数の光ビームを生成するために前記光を変調するように、前記空間光変調器を操作するステップであって、少なくとも１つのビームが前記反射性ターゲットの各々に向けられる、操作と；及び
検出器において前記反射性ターゲットの各々から反射される光を検出し、それによって、各反射性ターゲットに関連付けられる測定値を求める検出と
を含む、ターゲットを測定する方法。
【請求項２４】
前記測定空間内で前記反射性ターゲットを動かすことと、前記反射性ターゲットの各々を前記ビームの少なくとも１つを用いて照明し続けるために、強度パターンを調整する前記空間光変調器の操作とを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記反射性ターゲットの各々を前記ビームの少なくとも１つを用いて照明し続けるために、前記反射性ターゲットの動きに応じて、制御ユニットが前記動きを補償するように前記空間光変調器を操作する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記測定空間内に複数のビームを生成するために前記光を変調する、前記空間光変調器の操作は、強度パターンを生成する前記空間光変調器の操作と、前記測定空間内に前記複数のビームを生成するために前記強度パターンを前記測定空間に拡大することを含む、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記強度パターンを拡大することは、前記ビームの各々が前記測定空間内の発散ビームであるように、前記強度パターンを発散させるように拡大することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記強度パターンは前記空間光変調器からほぼ無限遠の距離において結像される、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記空間光変調器はプログラム可能であり、それによって、前記強度パターンが制御可能である、請求項２３から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記反射性ターゲットの各々はリトロリフレクト・ターゲットである、請求項２３から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
検出器での前記反射性ターゲットの各々から反射される光の検出は、前記測定空間からリトロリフレクトされる光を前記検出器に向けることを含む、請求項２３から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
検出器において前記反射性ターゲットの各々から反射される光を検出し、それによって、各反射性ターゲットに関連付けられる測定値を求めることは、基準光を前記検出器に向けることと、各反射素子に関連付けられる距離の測定値を求めるために、前記基準光、および、前記測定空間から反射される光を用いてインターフェロメトリを実行することとを含む、請求項２３から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
光を空間光変調器に向けることは、入力光の第１の部分を前記空間光変調器に向けることと、入力光の第２の部分を、前記基準光を提供するために前記検出器に向けることとを含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
複数の前記空間光変調器を前記測定空間内に配置することと、光を前記空間光変調器の各々に向けることと、前記測定空間内に複数のビームを生成するために、前記光を変調する前記空間光変調器の各々の操作を含み、各空間光変調器に関連付けられる少なくとも１つのビームが前記反射性ターゲットの各々に方向付けられ、
検出器での検出は、検出器で、前記反射性ターゲットの各々から反射される光を検出し、それによって、前記反射性ターゲットの各々の多次元座標を求めることを含む、請求項２３から３３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に距離を測定するための測定デバイス、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物を測定するための様々な方法が存在する。既知の方法は、たとえば、レーザ・トラッキングを含む。
【０００３】
レーザ・トラッカは、角度ベースのセンサと距離ベースのセンサとの組合せを使用する。レーザ・トラッカは細いコリメートされたレーザ・ビームを、球状に取り付けられたレトロリフレクタ（ＳＭＲ）のような、特殊なリトロリフレクト・ターゲットに放射する。ＳＭＲは、放射されたビームと同じ経路に沿ってビームを機器に反射し戻す。レーザ・トラッカ内のセンサが、ＳＭＲの動きを検出し、あるメカニズムが、常にＳＭＲに追随するためにレーザ・ビームを誘導する。ビーム誘導メカニズム上の角度エンコーダが、レーザ・トラッカからＳＭＲへの垂直角度および水平角度を測定し、レーザ・ベースの距離測定システムが、ＳＭＲまでの距離を測定する。２つの角度と距離とをこのように組み合わせることによって、ＳＭＲの三次元座標が球面極形式で与えられる。
【０００４】
この技法の欠点は、各レーザ・トラッカが常に一度に単一の反射体しかモニタリングすることができないことである。このことは、特に多くの基準点が必要とされる大きい構造物の場合には、１つのプロセスにおいてトラッカが順に各反射体へと誘導されなければならず、これには時間がかかり大きな労働力を要する可能性があり、さらに、これが行われている間、すべてのターゲットが静止していなければならないということを意味する。
【０００５】
上記の技法の別の欠点は、異なる箇所にあるＳＭＲを検出するためにトラッカの一部分を動かす必要があることに起因する。この動きを制御する機械構造が不完全であると、測定される座標に誤りが生じる。
【０００６】
別の欠点は、角度ベースの測定値を使用することに起因する。トラッカとターゲットとの間の線に垂直な方向におけるＳＭＲ位置の不確実性は、トラッカとターゲットとの間の距離と、ターゲットに対する角度の測定値の不確実性との積に比例する。角度測定値の不確実性は、角度センサの不確実性、空気の温度勾配によって引き起こされるレーザ・ビームの湾曲、および、空気の乱流によって引き起こされるレーザ・ビーム方向に対するランダム外乱が組み合わさった結果である。これによって、ＳＭＲがトラッカから長い距離をおいて位置するときに、ＳＭＲ位置に大きい不確実性が生じる可能性がある。角度ベースの座標測定システムは、一般的な産業環境に配備されると、距離ベースのシステムよりも本質的に正確でない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ，  Ｒ．，  ＆  Ｓａｘｔｏｎ，  Ｗ．  （１９７１）．Ｐｈａｓｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｉｍａｇｅ  ａｎｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｐｌａｎｅ  ｐｉｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．Ｏｐｔｉｋ．Ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ  ｆｒｏｍ  ｈｔｔｐ：／／ｓｃｈｏｌａｒ．ｇｏｏｇｌｅ．ｃｏ．ｕｋ／ｓｃｈｏｌａｒ？ｈｌ＝ｅｎ＆ｑ＝ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ＋ｓａｘｔｏｎ＆ｂｔｎＧ＝＆ａｓ＿ｓｄｔ＝１％２Ｃ５＆ａｓ＿ｓｄｔｐ＝＃７
【非特許文献２】Ｔａｋａｔｓｕｊｉ，  Ｔ．，  Ｇｏｔｏ，  Ｍ．，  Ｏｓａｗａ，  Ｓ．，  Ｙｉｎ，  Ｒ．，  ＆  Ｋｕｒｏｓａｗａ，  Ｔ．  （１９９９）．Ｗｈｏｌｅ−ｖｉｅｗｉｎｇ−ａｎｇｌｅ  ｃａｔ’ｓ−ｅｙｅ  ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ａｓ  ａ  ｔａｒｇｅｔ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｔｒａｃｋｅｒｓ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  １０（７），  Ｎ８７−Ｎ９０．  ｄｏｉ：１０．１０８８／０９５７−０２３３／１０／７／４０３
【非特許文献３】Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，  Ｒ．，  Ｔｈｕｒｍｅｌ，  Ｐ．，  ＆  Ｓｔｏｃｋｍａｎｎ，  Ｍ．  （２００１）．Ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｍｏｖｉｎｇ  ｏｂｊｅｃｔｓ  ｂｙ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｒａｄａｒ．Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  ４０（１），  ３３．  ｄｏｉ：１０．１１１７／１  ．１３３２７７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、改善された測定デバイス、システムおよび方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、測定デバイスは：
光ディレクタおよび空間光変調器であって、光ディレクタは、光を空間光変調器に向けるように配置されており、空間光変調器は、光ディレクタから光を受け取り、その光を変調して強度パターンを形成するように配置されている、光ディレクタおよび空間光変調器と；
強度パターンを形成した光を受け取るように配置され、強度パターンを測定空間に拡大するように構成されている光学エレメントと；
及び
測定空間から反射される光を検出するように配置されている検出器と
を含む、測定デバイスが提供される。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態は、空間光変調器を使用して測定ビームを複数の成分に分割し、それらは複数のターゲットに向けられるのである。これによって、単一のビームを広い面積にわたって発散させる（光の使用としては大いに非効率的である）場合と比較すると、反射信号強度が大幅に増大する。それゆえ、はるかに大きいターゲット距離において使用可能な信号強度が受信される。これは、システムを危険に晒すことがある、単一のビームの出力の増大よりも良好である。
【００１１】
好ましくは、光学エレメントは、強度パターンを発散させるように測定空間に拡大するように構成されている。多くの従来技術のデバイスでは、光を浪費することを避けるために、コリメートされたビームを単一のターゲットに向けて方向付け目標と定める。しかしながら、本発明の好ましい実施形態において、空間光変調器は、測定ビームを複数の成分に分割することが可能であり、したがって複数のターゲットを同時に照明するため、測定ビームの成分の発散を小さく保ち、対象のターゲットに向けて特定的に向けられ、強度パターンを発散させるように拡大することで、相当量の光が損なわれることはない。
【００１２】
好ましくは、空間光変調器はプログラム可能であり、それによって、強度パターンが制御可能である。これは、デバイスを、異なるシナリオに使用するために再構成すること、たとえば、測定すべき対象物が異なるというのも可能であることを意味し得る。また、これは、たとえば、１つまたは複数の反射性ターゲットが測定空間内で動くときに、光のビームがターゲットに追随するようにするために、測定空間内の動きを補償するようにデバイスが動作可能であり得ることも意味し得る。これは、小さな測定空間のみを照明するにもかかわらず、測定デバイスが、測定空間内で動く１つまたは複数のターゲットを絶えず照明し、その測定値をとることができることを意味し得る。
【００１３】
好ましくは、デバイスは、空間光変調器を制御するための制御ユニットを含み、制御ユニットは、空間光変調器を制御して強度パターンを形成し、光ディレクタからの光によって照明されると、測定空間内に少なくとも１つの光ビーム、好ましくは複数のビームを生成するように構成されている。上記のように、各ビームは好ましくは発散する。
【００１４】
制御ユニットは、各ビームを測定空間内の反射性ターゲットに向けるように動作可能であることが好ましく、光ディレクタは、測定空間からのリトロリフレクト光を検出器に向けるように構成されることが好ましい。これにより、たとえば、デバイスがデバイスから１つまたは複数の反射性ターゲットまでの距離を求めることできるように、周波数走査インターフェロメトリを実行することが可能になる。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、測定システムは：
上記で説明したような少なくとも１つの測定デバイスと；
測定空間内に位置付けられ、検出器へと光を反射するための少なくとも１つの反射性ターゲットと
を含む、測定システムが提供される。
【００１６】
好ましくは、各反射性ターゲットはリトロリフレクト・ターゲットであり、これは、ターゲットが複数の測定デバイスによって囲まれ得ることを意味する。ターゲットを複数の測定デバイスによって囲むことは、純粋にデバイスからターゲットまでの距離ではなく、ターゲットの三次元座標が得られ得ることを意味する。
【００１７】
好ましくは、複数の反射性ターゲットは、測定されるべき１つまたは複数の対象物上に配置される。これによって、１つまたは複数の対象物の様々な点の正確な三次元測定値をとることを可能にすることができ、このことは、特に、正確さおよび精密さが必須である複雑な製品の組み立てにおいて大きな助けとなり得る。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、ターゲットを測定する方法が提供され、これらには：
複数の反射性ターゲットを測定空間内に配置することと；
光を空間光変調器に向けることと；
空間光変調器を操作し、光を変調し、測定空間内に複数の光ビームを生成し、少なくとも１つのビームが反射性ターゲットの各々に向けられることと；及び
反射性ターゲットの各々から反射される検出光を検出し、それによって、各反射性ターゲットに関連付けられる測定値を求めるステップが含まれる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態は、複数のターゲットの距離および座標を同時に測定するための測定デバイス、システムおよび方法を提供する。好ましい実施形態は、他の機器にまさる以下の利点を提供する。
【００２０】
複数のターゲット位置を同時に測定し、結果として全体的な測定時間を低減し、カバレッジを増大させる（見通し線が少なくなる問題）。
【００２１】
本質的にそれほど正確でない角度データではなく、距離データのみに基づいて座標が高精度で測定される。
【００２２】
自己キャリブレーション；  座標フレームが機器の機械構造によって物理的に規定されるのではなく、データから直接導出される。
【００２３】
添付の図面を参照して本発明の実施形態が、実施例としてのみ、下記に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態による測定システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１を参照すると、測定システムは、波長可変レーザ１００の形態の光源を含む。波長可変レーザ１００は、１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍのモードホップ・フリー同調範囲を有する連続波外部共振器型ダイオード・レーザである。しかしながら、必要に応じて他の周波数範囲を利用することができる。
【００２６】
システムは、この例においては、コンピュータ１８２の形態の制御ユニットをも含む。レーザ１００は、コンピュータ１８２からの、波長同調特性を制御する入力を受け入れるように構成されている。
【００２７】
レーザ１００の出力光は、単一モード偏光保持ファイバに結合され、ファイバ・スプリッタ１０２に導かれる。
【００２８】
ファイバ・スプリッタ１０２は、受け取る光を２つの部分に分割する。第１の部分は、光ファイバ１２２に沿って測定デバイス１２０に対して方向付けられ、第２の部分は光ファイバに沿ってクロック・ボックス１５０に向けられる。
【００２９】
測定デバイス１２０は、ファイバ１２２を通じて受け取られる入力光を光ディレクタへと向けるように構成されている。光ディレクタは、ファイバ・サーキュレータ１２４の形態の導光素子と、光ファイバ１２６の形態の光分割器とを含む。
【００３０】
測定デバイス１２０は、ファイバ１２２を通じて受け取られる入力光をファイバ・サーキュレータ１２４の第１のポートへと向けるように構成されている。ファイバ・サーキュレータ１２４は、第１のポートに入る光を、第２のポートを通じてファイバ１２６へと向けるように構成されている。
【００３１】
ファイバ１２６は、下記に説明される、空間光変調器１３０に向けて方向付けられている平面研磨ファイバ端部を含む。平面研磨ファイバ端部は、到達する光の約４％をファイバ１２６に反射し戻す。この反射光が、下記に説明するような干渉計の基準経路を形成する。反射光はファイバ・サーキュレータ１２４の第２のポートに再び入る。ファイバ・サーキュレータは、第２のポートに入る光を、検出器フォトダイオード１４２の形態の検出器に結合されている第３のポートに向けるように構成されている。
【００３２】
その後光ファイバ１２６の平面研磨端部から反射されない、ファイバ・サーキュレータの第２のポートを出る光は、ファイバ１２６を出て、第１のレンズおよび第２のレンズ１２８の形態の光学エレメントに向けて進行する。レンズ１２８は、光をコリメートおよび拡張して所定幅のビームにするように構成されている。このビームは、空間光変調器（ＳＬＭ）１３０を通じて方向付けられる。
【００３３】
この実施形態において、ＳＬＭ１３０は、８００×６００ピクセル液晶マイクロディスプレイである。しかしながら、ＳＬＭは、各ピクセルを通じて伝送される光の一部および／または各ピクセルを通じて伝送される光の位相遅延を独立して変調することが可能な任意のコンポーネントであってもよい。ＳＬＭ１３０は、ＳＬＭ上に表示されるべき伝送レベルのパターンをプログラムするコンピュータ１８２からの入力を受け入れるように構成されている。
【００３４】
ＳＬＭ１３０を通過した後、光は第３のレンズ１３２の形態の光学エレメントを通じて進み、平面１３４に到達する。明瞭にするために、必ずしも何らかの物理的な物体が平面１３４に配置されているとは限らず、これは特に対象となる平面であるに過ぎないことに留意されたい。
【００３５】
ＳＬＭ１３０と第３のレンズ１３２との間の距離は、第３のレンズ１３２の焦点距離に等しいことが好ましい。第３のレンズ１３２と平面１３４との間の距離も、レンズ１３２の焦点距離に等しい。フーリエ光学の分野において既知であるように、ＳＬＭ１３０および第３のレンズ１３２のそのような構成の結果として、平面１３４における光場は、ＳＬＭ１３０を出る変調光場のフーリエ変換に等しくなる。これによって、ＳＬＭ１３０上に表示されるパターンによって制御される任意の強度パターンを平面１３４に作成することが可能になる。
【００３６】
平面１３４上の強度パターンは、第４のレンズ１３６の形態の光学エレメントによって、遠隔平面１４０上に結像される。図１は原寸に比例して描かれてはいないこと、および、遠隔平面１４０は一般的に、図示されているよりも大幅に大きく、さらに離れていることに留意されたい。好ましくは、遠隔平面１４０は、平面１３４から実質的に無限遠の距離にある。第４のレンズ１３６は、平面１３４上の強度パターンを拡大して広い角度範囲にわたって投影するように、好ましくは０．２よりも高い、より好ましくは０．４よりも高い、最も好ましくは０．６よりも高い、高い開口数を有することが好ましい。必要とされる角度範囲に応じて、他の開口数値が使用されてもよい。
【００３７】
１つまたは複数のリトロリフレクト・ターゲット１３８が、第４のレンズ１３６を越えた測定空間内の測定すべき１つまたは複数の対象物（図示せず）に取り付けられている。
【００３８】
ＳＬＭ１３０は、コンピュータ１８２の制御の下で、ＳＬＭを通過する光を変調するように動作可能であり、一組の輝点を含む平面１３４における強度パターンを生成する。平面１３４上の強度パターン内の各点が、第４のレンズ１３６と平面１４０上の点の像との間に光のビームを生成する。ビームが現れる角度は、平面１３４上の点の位置によって求められる。ＳＬＭ１３０は、各ビームがリトロリフレクト・ターゲット１３８の１つを照明し、各リトロリフレクト・ターゲット１３８が１つのビームによって照明されるようにスポット（それゆえ、ビーム角度）が生成されるように動作可能である。第４のレンズ１３６は平面１３４における強度パターンを平面１４０における大きい面積に拡大するので、第４のレンズ１３６から現れるビームはわずかに発散する。第４のレンズ１３６から見たときに２つ以上の反射性ターゲット１３８が小さい角度範囲内にある場合、ビーム直径はターゲット直径よりも大きくなり得るため、照明ビームのいくらかは重なり得る。
【００３９】
リトロリフレクト・ターゲット１３８は屈折率が２にほぼ等しいガラス球である。既知であるように、そのような球体は、キャッツアイ・レトロリフレクタ（Ｔａｋａｔｓｕｊｉ，  Ｇｏｔｏ，  Ｏｓａｗａ，  Ｙｉｎ，  ＆  Ｋｕｒｏｓａｗａ，  １９９９）として作用し、それゆえ、各ターゲットに入射する光の一部分は第４のレンズ１３６に向けて反射し戻される。反射性ターゲット１３８は、好ましくは光を第４のレンズ１３６に向けて反射し戻すことによって、光を検出器に向ける限り、レトロリフレクタである必要はない。しかしながら、リトロリフレクト・ターゲット１３８が任意の方向から入射する光をリトロリフレクトする場合に利点を得ることができ、これは、各ターゲットが光を一度に複数の測定デバイスにリトロリフレクトすることができることを意味する。
【００４０】
第４のレンズ１３６に到達した反射光は、ファイバ１２６に到達して入るまで、上記で説明したものと逆の順序で、測定デバイス１２０の要素を通じて戻る。
【００４１】
ファイバ１２６を下って逆にファイバ・サーキュレータ１２４に向けて進行する光は、ファイバ端部からの４％の反射に由来する光を含み、本明細書ではこれを基準経路と称する。ファイバ１２６を下って逆に進行する光は、リトロリフレクト・ターゲット１３８から反射された後に戻ってきた光も含む。リトロリフレクト・ターゲット１３８から反射された後に戻ってきた光は、複数の異なる経路を含む。各レトロリフレクタから戻ってきた光について、１つの明瞭に区別できる経路がある。これらは、本明細書において測定経路と称される。基準経路からの光は測定経路の各々からの光と干渉し、干渉信号が生じる。任意の２つの測定経路からの光も干渉するが、測定経路の強度は一般的に基準経路よりもはるかに低く、それゆえ、これらの干渉信号の振幅は無視できるものであることに留意されたい。
【００４２】
ファイバ１２６を下って逆に進行する光は、ファイバ・サーキュレータ１２４の第２のポートに入る。上記で説明したように、ファイバ・サーキュレータ１２４の第２のポートに入った光は、第３のポートを介して検出器フォトダイオード１４２にルーティングされ、検出器フォトダイオードは、これに含まれるすべての干渉信号を含む、受け取られる光強度を電圧信号に変換し、電圧信号は、検出器フォトダイオード１４２およびコンピュータ１８２に結合されているアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１８０によって記録される。
【００４３】
クロック・ボックス１５０は、ファイバ・スプリッタ１０２からの光の第２の部分を、入力光として受け取る。クロック・ボックス１５０は、その入力光を、ファイバ・スプリッタ１５２を含む非平衡ファイバ・マッハ−ツェンダー干渉計を通じて方向付け、その干渉計の出力は、長さの等しくないファイバ１５４および１５６によってさらなるファイバ・スプリッタ１５８の入力部に結合されている。この干渉計の出力は、フォトダイオード１６０および１６２に接続されているさらなるファイバ・スプリッタ１５８の出力である。フォトダイオード１６０および１６２の光電流の差は差動増幅器１６４によって増幅され、サンプル取得のためのトリガ信号としてＡＤＣ１８０に提供される。
【００４４】
上記で説明したように、コンピュータ１８２は、ＡＤＣ１８０からデジタル化信号を受信すること、レーザ１００の同調を制御すること、および、ＳＬＭ１３０上に投影されるパターンを制御することを含む、測定プロセスを制御する。
【００４５】
コンピュータ１８２は、リトロリフレクト・ターゲット１３８のいずれかの動きを補償するように空間光変調器を制御するようにも動作可能である。これを行うことができる様々な方法がある。いくつかの実施形態において、複数の測定デバイス１２０が測定空間の周囲に設けられているシステムが提供され得る。上記で説明したように、これは、各ターゲットの三次元位置を計算するのに使用することができる。コンピュータ１８２が三次元位置から、ターゲットが測定デバイス１２０のビームから外れて動いていると判定すると、コンピュータは、第４のレンズ１３６から現れるビームがリトロリフレクト・ターゲット１３８の各々を照明し続けるように、それぞれのデバイス１２０のＳＬＭ１３０上に投影されるパターンを調整することができる。
【００４６】
図１に示されているシステムを使用した測定は以下のように実行される。
【００４７】
最初に、ターゲット１３８が位置特定される。これは、様々な方法で行うことができる。たとえば、おおよその位置を得るためにカメラ・システムが使用される場合があり、または、測定空間を走査するように測定デバイスを操作することができ、測定空間からの反射を検出器が検出する点を、ターゲット位置として記録することができる。
【００４８】
ゲルヒベルク−ザクストン・アルゴリズム（Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ  ＆  Ｓａｘｔｏｎ，  １９７１）ＳＬＭ１３０上に表示するパターンを設計するのに使用され、正確な位置に平面１３４上の輝度強度スポットを生成し、リトロリフレクト・ターゲット１３８の各々を照明するビームを生成する。このアルゴリズムはコンピュータ１８２内に実装することができる。コンピュータ１８２は、結果もたらされるパターンをＳＬＭ１３０に送り、ＳＬＭを操作してこのパターンを表示する。
【００４９】
その後、コンピュータ１８２は１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍのレーザのほぼ線形の波長走査を起動するコマンドを波長可変レーザ１００に送り、同時に、ＡＤＣ１８０に、データの記録を開始するように命令する。
【００５０】
波長可変レーザ１００から出力される光の一部分はクロック・ボックス１５０に入り、ファイバ・スプリッタ１５２、長さの等しくないファイバ１５４および１５６、ならびにさらなるファイバ・スプリッタ１５８を備える非平衡ファイバ・マッハ−ツェンダー干渉計を通過する。干渉計の２つの出力は、レーザ光周波数とともに変化する正弦波信号であり、レーザ周波数が所定量だけ増大するたびに１サイクルを経る。２つの干渉計出力は１８０度位相がずれており、それゆえ、差動増幅器１６４を使用してフォトダイオード１６０および１６２の光電流の差を増幅することによって、干渉計からの正弦波信号は保持され、レーザ強度変動のような同相雑音は排除される。したがって、差動増幅器１６４からの出力電圧信号のゼロ交差が、レーザ光周波数の規則的な間隔をおいて発生する。
【００５１】
ＡＤＣ１８０は、差動増幅器１６４の出力が正方向において０ボルトに交差するときはいつでも、検出器フォトダイオード１４２からサンプルを取得する。このように、ＡＤＣは、クロック・ボックス１５０の出力によって制御されるタイミングで、検出器フォトダイオード１４２の電圧信号出力をサンプリングする。
【００５２】
ＡＤＣ１８０は、レーザ波長掃引の継続時間にわたって上記で説明したように検出器フォトダイオード１４２からの電圧を記録し、このデータを分析のためにコンピュータ１８２に提供する。
【００５３】
コンピュータ１８２は、検出器フォトダイオード１４２から取得される電圧値のフーリエ変換を計算する。フーリエ変換の振幅が、ピークを見つけるために分析される。各ピークは、リトロリフレクト・ターゲット１３８の１つに対応し、ピークの周波数は、それぞれのターゲット１３８までの距離に比例する。
【００５４】
検出器内のセンサがリトロリフレクト・ターゲット１３８の動きを検出し、これをコンピュータ１８２に報告すると、コンピュータは、ＳＬＭ１３０上に表示するためのパターンを調整するためにゲルヒベルク−ザクストン・アルゴリズムを再び適用し、結果もたらされるパターンをＳＬＭ１３０に送り、それによって、第４のレンズ１３６から現れるビームが照明し続け、システムは、リトロリフレクト・ターゲット１３８の各々を測定し続けることができる。
【００５５】
上記で説明された実施形態に変更を行うことができる。波長可変レーザは、出力を増大させるために光増幅器、たとえば、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器を含んでもよく、これは、大きい距離にあるターゲットを測定するのに有益である。
【００５６】
第３のレンズ１３２は、レンズ１２８とＳＬＭ１３０との間に位置してもよい。レンズ１２８およびレンズ１３２がこのように隣り合って位置するとき、３つすべてのレンズの機能（ＳＬＭに入射するビームの規定のサイズおよび収束角度をもたらす）は、異なる数のレンズ、たとえば、２つのレンズを使用して達成され得ることを、当業者は認識しよう。
【００５７】
上記で説明した実施形態は、単一の周波数掃引レーザを使用して距離測定を行う。測定は代わりに、（Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，  Ｔｈｕｒｍｅｌ，  ＆  Ｓｔｏｃｋｍａｎｎ，  ２００１）に記載されているもののような２レーザ構成を使用して行われてもよい。これによって、レーザ周波数掃引中のターゲットの動きによって引き起こされる測定誤差に対する耐性が増大する。
【００５８】
光ディレクタがファイバ導光素子および光分割器を含む必要はない。光ディレクタは、光を空間光変調器に向けることが可能である任意の光学エレメントであってもよい。しかしながら、光ディレクタはまた、リトロリフレクト光を検出器に向けることが好ましい。
【００５９】
光分割器は光ファイバである必要はなく、入力光の第１の部分を空間光変調器に導き、入力光の第２の部分を検出器に導くように構成されている任意の光学エレメントであってもよい。
【００６０】
ファイバ１２６の端部は部分反射コーティング、たとえば、３３％反射コーティングを与えられてもよい。これによって、フォトダイオード１４２上で観測される干渉信号の振幅が増大し得る。
【００６１】
光学エレメントの多くがレンズであるものとして上記で説明されているが、適切なレベルの拡大および／または結像をもたらす限り、他の光学エレメントが使用されてもよい。たとえば、曲面鏡をレンズに置き換えてもよい。さらに、任意の単一のレンズの代わりに、いくつかのレンズの組合せが使用されてもよい。
【００６２】
上記で説明した実施形態は、透過型ＳＬＭを使用する。既知であるように、同じ効果を達成するのに反射型ＳＬＭが使用されてもよい。そのような構成要素が使用され得る様々な既知の光学構成がある。ある構成では、光が反射型ＳＬＭに小さい角度で導かれる。別の構成では、光は、偏光ビームスプリッタ・キューブを通して反射型ＳＬＭ面上に向けられ、ＳＬＭとビームスプリッタ・キューブとの間に半波長板のような複屈折エレメントが備えられる。
【００６３】
ゲルヒベルク−ザクストン・アルゴリズム以外のアルゴリズムが、ＳＬＭ上に表示するためのパターンを設計するのに使用されてもよい。
【００６４】
本発明によるシステムのさらなる実施形態において、リトロリフレクト・ターゲット１３８は、複数の測定デバイス１２０によって囲まれ、各測定デバイス１２０は上記で説明したように構成されている。
【００６５】
各測定デバイスにそれ自体の光源１００を設けられてもよく、または、単一の光源からの光が複数の測定デバイス１２０の間で分割されてもよい。
【００６６】
各測定デバイス１２０にそれ自体のクロック・ボックス１５０およびＡＤＣ１８０が設けられてもよく、または、複数の入力チャネルを有する単一のクロック・ボックス１５０およびＡＤＣが、複数の測定デバイス１２０に対して使用されてもよい。しかしながら、すべての測定デバイス１２０についてＡＤＣ１８０によって取得されたデータが、コンピュータ１８２に提供される。
【００６７】
この実施形態において、コンピュータ１８２は、測定デバイスの各々からのリトロリフレクト・ターゲット１３８の各々の距離の詳細を取得する。測定デバイス１２０の相対的な配置が分かっている場合、このデータはコンピュータによって、リトロリフレクト・ターゲット１３８の各々の三次元座標を生成するのに使用され得る。これは、ともに組み立てられる必要がある大きいコンポーネント、たとえば、航空機胴体のコンポーネントの三次元空間における位置をトラッキングするのに特に有利であり得る。
【００６８】
測定デバイス１２０およびリトロリフレクト・ターゲット１３８の相対的な配置を得ることができる１つの方法は、測定距離に一致する推定値を見つけるために未知のパラメータ（測定デバイスおよびリトロリフレクト・ターゲットの位置）の推定値を調整する最小二乗法フィッティング・プロセスを実行することである。これは、写真測量法における既知の「バンドル調整」プロセスに類似している。このプロセスは、未知のパラメータよりも多くの測定距離があり、すべての測定デバイス１２０およびリトロリフレクト・ターゲット１３８に対してその３つ（デカルト座標フレームにおけるｘ、ｙ、およびｚ位置に対応する）があることを必要とする。たとえば、これは、各々が同じ６つ以上のリトロリフレクト・ターゲットを観測する４つの測定デバイスを用いて達成され得る。
【００６９】
ターゲット１３８は、測定デバイス自体の上に設けられてもよい。これによって、さらなる情報が上述した最小二乗法フィッティングプロセスにもたらされ、これによって、測定座標の正確さが増大し得る。
【００７０】
ターゲット１３８は、壁または床のような安定した位置に取り付けられて設けられてもよい。これらは、対象物の位置または動きと比較するための固定基準フレームを規定するのに使用され得る。
【００７１】
本発明の実施形態の応用形態は、レーザ・トラッカおよび写真測量法、誤差マッピングＣＭＭ、機械ツールおよび移動ステージ、ならびに構造変形のモニタリングによって供給される応用形態と同様の、一般的な座標計測を含む。これらの応用形態は、たとえば、航空産業において、ジグ、変形のモニタリングに、または翼もしくは胴体の組み立て時に特に有用であり得る。これらの応用形態は、宇宙開発技術において、たとえば、例として熱真空下試験時の衛星部品の変形のモニタリングにも有用であり得る。これらの応用形態は、自動車産業、または再生可能エネルギーにおいて、たとえば、風力タービン翼の変形の測定に、または、科学研究において、たとえば、粒子加速器および大型望遠鏡、ならびに、正確さおよび精密さが必須である他の機器内の重要な構成要素の位置合わせに使用することができる。別の可能性のある応用分野は、真空下で組み立てられるときに部品の精密な位置合わせを必要とするフラット・スクリーンＴＶパネルの組み立てである。
【００７２】
説明されている実施形態および従属請求項のすべての任意の好ましい特徴および変更形態は、本明細書において教示されている本発明のすべての態様において使用可能である。さらに、従属請求項の個々の特徴、ならびに、説明されている実施形態のすべての任意の好ましい特徴および変更形態は互いに組合せ可能であり、交換可能である。
【図１】
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【国際調査報告】
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