(57)【要約】  レーザトラッカ（１０）を用いて、選択された再帰反射器ターゲットにロックオンして追跡する方法であって、オペレータが手持器具（４１０）を作動させるステップと、無線信号（４２０）を送信するステップと、以下のループのステップを繰り返し実行し、終了条件が満たされた場合にステップを終了することによって、無線メッセージに応答するステップと、を含み、このループは、少なくとも１つの再帰反射器ターゲット（２６）によって光錐の一部を反射させるステップと、感光性アレイ上のアレイ画像を取得するステップと、どの再帰反射器ターゲット（２６）が再帰反射器ターゲット判定基準を満たすかを決定するステップであって、再帰反射器ターゲット判定基準を満たす再帰反射器ターゲットは選択された再帰反射器ターゲットと呼ばれる、ステップと、レーザトラッカ（１０）の位置検出器が、レーザトラッカ（１０）によって送信された光ビームの反射分を受信中であるかを決定するステップと、位置検出器が反射ビームを受信しかつ反射ビームが選択された再帰反射器ターゲットから出射するときに、終了条件が満たされたことを確立するステップと、光ビームを選択された再帰反射器ターゲットに向けて導光するステップと、を含む。
2015534055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザトラッカを用いて、選択された再帰反射器ターゲットにロックオンして追跡する方法であって、ロックオンおよび追跡は、オペレータの指示の下で実行され、前記方法は、
少なくとも１つの再帰反射器ターゲットを提供するステップと、
レーザトラッカを提供するステップであって、前記レーザトラッカは、構造体と、第１の光源と、距離計と、第１の角度変換器と、第２の角度変換器と、位置検出器と、カメラと、第２の光源と、プロセッサとを有し、前記構造体は、第１の軸と第２の軸の回りに回動可能であり、前記第１の光源は、前記距離計と協働する第１の光ビームを生成するように構成され、前記第１の角度変換器は、前記第１の軸回りの第１の回動角度を測定するように構成され、前記第２の角度変換器は、前記第２の軸回りの第２の回動角度を測定するように構成され、前記位置検出器は、反射ビームを受信するように構成され、前記反射ビームは、再帰反射器ターゲットによって反射された前記第１の光ビームであり、前記カメラは、レンズ系および感光性アレイを含み、前記第２の光源は、光錐を提供するように構成され、前記第１の光ビームおよび前記光錐は、前記構造体に関して固定されており、前記第２の光源は、前記カメラと協働するように構成され、前記カメラは、視野を有し、前記プロセッサは、前記レーザトラッカを操作するように構成される、ステップと、
前記レーザトラッカに連結されるかまたは前記レーザトラッカと通信するコンピュータに連結されるトラッカ側無線通信機を提供するステップであって、前記トラッカ側無線通信機は、受信機および任意で送信機を含む、ステップと、
器具側無線通信機が取り付けられた手持器具を提供するステップであって、前記器具側無線通信機は、前記トラッカ側無線通信機と無線で通信するように構成され、前記器具側無線通信機は、高周波信号と、マイクロ波信号と、赤外線信号とからなるグループから選択された無線信号を放射する、ステップと、
前記少なくとも１つの再帰反射器ターゲットを前記カメラの前記視野内に配置するステップと、
前記オペレータが前記手持器具を作動させるステップと、作動に応答して前記器具側無線通信機から前記トラッカ側無線通信機まで第１の無線信号を送信するステップと、
前記トラッカ側無線通信機による前記第１の無線信号の受信に応答して、再帰反射器ターゲット判定基準を決定するステップと、
以下のステップ（ａ）〜（ｅ）を含むループのステップを繰り返し実行し、終了条件が満たされた場合に前記ループを終了することによって、前記第１の無線信号に応答するステップであって、前記ループは、
（ａ）前記少なくとも１つの再帰反射器ターゲットによって前記光錐の一部を反射させるステップと、前記感光性アレイ上のアレイ画像を取得するステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの再帰反射器ターゲットのどれが前記再帰反射器ターゲット判定基準を満たすかを決定するステップであって、前記決定ステップは、前記アレイ画像に少なくとも部分的に基づいており、前記再帰反射器ターゲット判定基準を満たす前記再帰反射器ターゲットが、前記選択された再帰反射器ターゲットと呼ばれる、ステップと、
（ｃ）前記位置検出器を用いて信号レベルを測定するステップと、その信号レベルに基づいて、前記位置検出器が前記反射ビームを受信中であるかを決定するステップと、
（ｄ）前記終了条件が満たされたかどうかを確立するステップであって、前記終了条件は、前記位置検出器が前記反射ビームを受信し、かつ、前記反射ビームが前記選択された再帰反射器ターゲットから出射されているときに限り満たされる、ステップと、
（ｅ）第１のモータと第２のモータを起動して前記第１の光ビームを前記選択された再帰反射器ターゲットに向けて導光するステップ、とを含むループであって、
前記第１のモータと前記第２のモータとを起動して前記反射されたビームを前記位置検出器上に維持するように前記反射ビームを導光するステップと、
前記距離計を用いて前記選択された再帰反射器ターゲットまでの距離を測定し、前記第１の角度変換器を用いて第３の角度を測定し、前記第２の角度変換器を用いて第４の角度を測定するステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記手持器具を提供するステップにおいて、前記手持器具は手持型電話である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記手持器具を提供するステップにおいて、前記手持器具はリモコンである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記再帰反射器ターゲット判定基準を決定するステップは、前記オペレータが前記手持器具を用いて再帰反射器ターゲットを選択するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記再帰反射器ターゲット判定基準を決定するステップは、初期設定再帰反射器ターゲット判定基準を提供して使用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法であって、前記判定基準は、前記感光性アレイの中心の最も近くに画像を有する前記再帰反射器ターゲットと、前記感光性アレイの縁部の最も近くに画像を有する前記再帰反射器ターゲットと、時間的に連続する複数のアレイ画像から決定された前記再帰反射器ターゲット画像のうち最大速度を有する画像を有する前記再帰反射器ターゲットと、前記カメラの視野内の他の再帰反射器ターゲットよりも慣性測定ユニットの近くに位置する前記再帰反射器ターゲットに対応する前記再帰反射器ターゲット画像と、他の再帰反射器ターゲットよりも、前記慣性測定ユニットから前記再帰反射器ターゲットに向かって延出する線の近くに位置する前記再帰反射器ターゲットに対応する画像を有する前記再帰反射器ターゲットと、前記無線通信機から前記手持器具に送信された前記アレイ画像内の画像によって表わされる再帰性反射器ターゲットの中から前記オペレータが選択した前記再帰反射器ターゲットと、からなるグループから選択される、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記手持器具を提供するステップが、さらに、
前記手持器具に取り付けられた慣性測定ユニットであって、慣性測定量を測定するように構成され、前記器具側無線通信機と通信する慣性測定ユニットを提供するステップと、
第２の再帰反射器ターゲットに近接して前記慣性測定ユニットを配置するステップと、
前記レーザトラッカを用いて前記第２の再帰反射器の第１の位置を測定するステップと、
前記慣性測定ユニットを用いて初期慣性測定量を測定するステップと、
前記器具側無線通信機から前記トラッカ側無線通信機へ初期慣性測定量を無線送信するステップと、
前記慣性測定ユニットの初期位置を前記第２の再帰反射器の前記第１の位置に設定するステップと、を含む方法。
【請求項８】
前記手持器具を提供するステップにおいて、前記慣性測定ユニットは、３次元加速度計および３次元ジャイロスコープを含み、前記３次元加速度計は、３次元における加速度を測定するように構成され、前記３次元ジャイロスコープは、３つの軸回りの角度方向の変化を測定するように構成される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法であって、前記オペレータが前記手持器具を作動させるステップが、さらに、
第３の再帰反射器ターゲットに近接して前記慣性測定ユニットを配置するステップと、
前記慣性測定ユニットを用いて第２の慣性測定量を測定するステップと、
前記器具側無線通信機から前記トラッカ側無線通信機へ第２の慣性測定量を無線送信するステップと、
前記トラッカ側無線通信機によって受信された前記第２の慣性測定量に少なくとも部分的に基づいて前記第３の再帰反射器ターゲットの近似位置を取得するステップと、
前記第３の再帰反射器ターゲットが前記選択された再帰反射器ターゲットであると決定するステップであって、前記決定ステップは、前記慣性測定ユニットの前記近似位置に少なくとも部分的に基づくステップ、とを含む方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の方法であって、前記オペレータが前記手持器具を作動させるステップが、さらに、
前記オペレータが前記手持器具を第３の再帰反射器ターゲットの方向に向けるステップと、
前記慣性測定ユニットを用いて第２の慣性測定量を測定するステップと、
前記器具側無線通信機から前記トラッカ側無線通信機へ第２の慣性測定量を無線送信するステップと、
前記トラッカ側無線通信機によって受信された前記第２の慣性測定量に少なくとも部分的に基づいて前記第３の再帰反射器ターゲットが存在する近似直線を取得するステップと、
前記第３の再帰反射器ターゲットが前記選択された再帰反射器ターゲットであると決定するステップであって、前記決定ステップは、前記第３の再帰反射器ターゲットが存在する線に少なくとも部分的に基づく、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、座標測定装置に関する。座標測定装置一式は、ある点にレーザビームを送出することによってその点の３次元（３Ｄ）座標を測定する機器の類に属し、レーザビームは、その点において再帰反射器ターゲットによって遮断される。上記機器は、上記ターゲットまでの距離およびそのターゲットに対する２つの角度を測定することによって点の座標を求める。距離は絶対距離計（ＡＤＭ）または干渉計等の距離測定装置を用いて測定される。角度は角度エンコーダ等の角度変換器を用いて測定される。機器内のジンバル式光ビームステアリング機構がレーザビームを対象点へ向ける。こうした装置の一例としてレーザトラッカがある。
【背景技術】
【０００２】
レーザトラッカと密接に関係する座標測定装置は、トータルステーションである。トータルステーションは、測量用途において最もよく使用され、拡散性散乱ターゲットまたは再帰反射性ターゲットの座標を測定するために使用される。以下、レーザトラッカという用語は、トータルステーションを含む広い意味で使用される。
【０００３】
通常、レーザトラッカは、再帰反射器ターゲットにレーザビームを送出する。再帰反射器ターゲットの代表例は、キューブコーナー型再帰反射器を金属球に埋め込んだ球体状に実装された再帰反射器（ＳＭＲ）である。キューブコーナー型再帰反射器は、互いに直交する３個の鏡面で構成される。キューブコーナーの頂点、つまり、３個の鏡面の交差共通点は金属球の中心にある。ＳＭＲの球面を検査中の物体に接触するように配置し、その後、測定中の表面の上でＳＭＲを移動させるというのが一般的な方法である。キューブコーナーは球体内でこのように配置されるため、キューブコーナーの頂点から検査中の物体の表面までの垂直距離はＳＭＲの回転に関わらず一定に保たれる。その結果、上記表面上を移動するＳＭＲをトラッカに追尾させることで、その面の３次元座標を求めることができる。
【０００４】
レーザトラッカ内のジンバル機構を使用してレーザビームをトラッカからＳＭＲへ向けることができる。ＳＭＲによって再帰反射された光の一部は、レーザトラッカに入射して、位置検出器へ移動する。トラッカ制御システムは、光が位置検出器に当たる位置を使用してレーザトラッカの機械的なアジマス軸およびゼニス軸の回動角度を調整し、ＳＭＲが中心になるようにレーザビームを維持する。このようにして、トラッカはＳＭＲに追従する（追跡する）ことができる。
【０００５】
トラッカの機械的アジマス軸およびゼニス軸に取り付けられた角度エンコーダ等の角度変換器を使用して（トラッカの参照フレームに対する）レーザビームのアジマス角とゼニス角とを決定することができる。レーザトラッカによって取得される１つの距離測定値および２つの角度測定値は、ＳＭＲまたはその他の再帰反射器ターゲットの３次元位置を完全に特定するのに十分である。
【０００６】
上述したように、２つのタイプの距離計、すなわち、干渉計および絶対距離計（ＡＤＭ）はトラッカ内にあってもよい。レーザトラッカ内で、干渉計（あれば）が、再帰反射器ターゲットが２点間を移動する間に通過する既知の長さ（通常、レーザビームの半波長）の増加数をカウントすることにより始点から終点までの距離を決定することができる。ビームが測定中に中断された（broken）場合、カウント数を正確に知ることができず、距離情報は失われる。これに対して、レーザトラッカ内のＡＤＭは、ビーム中断に関係なく再帰反射器ターゲットまでの絶対距離を決定し、それによりターゲットの切り替えを行うことも可能である。このため、ＡＤＭは、「ポイントアンドシュート」測定が可能であると言われる。当初、絶対距離計は静止ターゲットの測定しかできなかったため、常に干渉計と共に使用されていた。しかし、最新の絶対距離計の中には迅速な測定を行うことができるものもあり、それによって干渉計が不要になっている。
【０００７】
レーザトラッカは、その追跡モードにおいて、ＳＭＲがトラッカの捕捉範囲内にあるとき、自動的にＳＭＲの動きに追従する。レーザビームが中断している場合には、追跡は停止する。ビームは、いくつかの状況、つまり、（１）機器とＳＭＲとの間の障害物、（２）機器が追跡できないほどに高速なＳＭＲの動き、または（３）ＳＭＲの受光角を超えてＳＭＲの向きが変わること、のいずれかにより中断する可能性がある。ビーム中断後、操作モードによっては、ビームは、初期設定でビーム中断点に固定されたままか、または最後に命令された位置に固定されたままとなる。機器をＳＭＲに対してロックオンして追跡を継続するためには、オペレータがトラッカビームを視覚的に探索してＳＭＲをビーム内に配置する必要がある。別の操作モードでは、以下に説明するように、ビームはカメラシステムの使用を介してＳＭＲへ自動的に再配向される。
【０００８】
レーザトラッカの中には、１つまたは複数のカメラを含むものもある。カメラ軸は、測定ビームと同軸かまたは測定ビームから一定の距離または角度だけオフセットされてもよい。カメラを使用して複数の再帰反射器を配置するための広い視野を提供してもよい。カメラの光軸の付近に配置された変調光源によって再帰反射器に光を当てることができ、再帰反射器が識別しやすくなる。この場合、再帰反射器は、照明と同調して点滅するが、背景にある物体は点滅しない。このようなカメラの１つの用途としては、視野内の複数の再帰反射器を検出し、各々を自動化された順序で測定することがある。
【０００９】
一部のレーザトラッカは、ｘ、ｙ、ｚなどの３つの座標と、ピッチ、ロール、ヨーなどの３つの回転を含む６つの自由度（ＤＯＦ）を用いて測定する能力を有する。レーザトラッカに基づいたいくつかのシステムが利用可能であるか、または６つの自由度を測定するために提案されている。
【００１０】
上記で説明したように、ビームが中断した場合には、再帰反射器ターゲットの追跡が停止する。場合によっては、このようなビームの中断は、オペレータによって意図的に作られるが、それはつまり、例えば、ビームを利用してターゲットスタンドまたは機器の位置合わせ用の目印を提供するためである。その他の場合、つまり、例えば、オペレータが再帰反射器ターゲットを回転させすぎたり、またはある地点から別の地点に移動している物体の背後に再帰反射器を移動させたりする場合には、ビーム中断は、非意図的または回避不能となる。ビーム中断が不要な場合には、再帰反射器ターゲットにビームを適宜再度導光する方法を提供することが望ましい。
【００１１】
当技術分野において知られている、再帰反射器ターゲットにビームを適宜再度導光する１つの方法では、再帰反射器ターゲットに光錐を照射して、光錐を生成する光源に近接して配置されたロケータカメラを用いて照射された再帰反射器ターゲットを見て、ロケータカメラ内に含まれる感光性アレイ上の再帰反射器画像の位置を評価し、レーザトラッカのモータを起動してトラッカから再帰反射器ターゲットに向けて光のビームを駆動する。この動きを必要に応じて繰り返して、再帰反射器ターゲットにトラッカからの光ビームをロックオンしてもよい。再帰反射器ターゲットに対する光ビームのロックオンは、位置検出器が比較的大きな再帰反射光量を受信することによって認識されうる。
【００１２】
ビームを再帰反射器ターゲットへ導光するこの方法の一実装形態において、トラッカがビームを見失ったときには、必ずロケータカメラシステムが自動的に付近の再帰反射器ターゲットを見付けてロックオンする。ただし、この方法は、いくつかの点で制約がある。場合によっては、測定空間内に多数の再帰反射器ターゲットが配置される可能性があり、オペレータは、ビーム中断後にトラッカによって自動的に選択されたターゲットとは異なるターゲットにトラッカビームを向けたいと希望する可能性がある。別の場合には、オペレータは、スタンドや機器がトラッカビームと一直線上になるように、トラッカビームをある方向に固定したままにしたいと希望する可能性がある。
【００１３】
この問題を回避する当技術分野で公知の方法の１つとして、ジェスチャを使用してレーザトラッカの動作を制御することがある。ジェスチャを使用する一実装形態では、１つまたは複数のロケータカメラおよび付属の近接する光源を用いて再帰反射器ターゲットを追跡する。この実装形態では、カメラは、照明された再帰反射器ターゲットの動きを評価することによって、または再帰反射器ターゲットからの光のパワーのパターンを評価することによって、特定のジェスチャを検出することができる。ジェスチャの使用における潜在的な欠点は、オペレータがトラッカのコマンドとジェスチャとの対応関係を覚えておかなければならないということである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第０３／０６２７４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
再帰反射器ターゲットを取得するための柔軟かつ便利な方法が必要とされている。場合によっては、ビーム中断後に再帰反射器ターゲットを再取得することが望ましい。別の場合には、別の再帰反射器ターゲットに対して中断されたまたは中断されていないトラッカビームを向けることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
レーザトラッカを用いて、選択された再帰反射器ターゲットにロックオンして追跡する方法であって、ロックオンおよび追跡は、オペレータの指示の下で実行され、この方法は、少なくとも１つの再帰反射器ターゲットを提供するステップと、レーザトラッカを提供するステップであって、このレーザトラッカは、構造体と、第１の光源と、距離計と、第１の角度変換器と、第２の角度変換器と、位置検出器と、カメラと、第２の光源と、プロセッサとを有し、この構造体は、第１の軸と第２の軸回りに回動可能であり、第１の光源は、距離計と協働する第１の光ビームを生成するように構成され、第１の角度変換器は、第１の軸回りの第１の回動角度を測定するように構成され、第２の角度変換器は、第２の軸回りの第２の回動角度を測定するように構成され、位置検出器は、反射ビームを受信するように構成され、反射ビームは、再帰反射器ターゲットによって反射された第１の光ビームであって、カメラは、レンズ系および感光性アレイを含み、第２の光源は、光錐を提供するように構成され、第１の光ビームおよび光錐は、構造体に関して固定されており、第２の光源は、カメラと協働するように構成され、カメラは、視野を有し、プロセッサは、レーザトラッカを操作するように構成される。本方法は、また、レーザトラッカに連結されるかまたはレーザトラッカと通信するコンピュータに連結される無線通信機を提供するステップであって、この無線通信機は、受信機および任意で送信機を含む、ステップと、上記無線通信機と無線通信するように構成された手持器具を提供するステップと、少なくとも１つの再帰反射器ターゲットをカメラの視野内に配置するステップと、オペレータが手持器具を作動させるステップと、作動に応答して無線通信機に無線メッセージを送信するステップと、再帰反射器ターゲット判定基準を決定するステップと、以下のステップ（ａ）〜（ｅ）を含むループのステップを繰り返し実行し、終了条件が満たされた場合にループを終了することによって、無線メッセージに応答するステップであって、ループは、（ａ）少なくとも１つの再帰反射器ターゲットによって光錐の一部を反射させるステップと、感光性アレイ上のアレイ画像を取得するステップと、（ｂ）どの再帰反射器ターゲットが再帰反射器ターゲット判定基準を満たすかを決定するステップであって、決定ステップは、アレイ画像に少なくとも部分的に基づいており、再帰反射器ターゲット判定基準を満たす再帰反射器ターゲットが、選択された再帰反射器ターゲットと呼ばれる、ステップと、（ｃ）位置検出器を用いて信号レベルを測定するステップと、その信号レベルに基づいて、位置検出器が反射ビームを受信中であるかを決定するステップと、（ｄ）終了条件が満たされたかどうかを確立するステップであって、終了条件は、位置検出器が反射ビームを受信し、かつ、反射ビームが選択された再帰反射器ターゲットから出射するときに限り満たされる、ステップと、（ｅ）第１のモータと第２のモータとを起動して第１の光ビームを選択された再帰反射器ターゲットに向けて導光するステップ、とを含むループであって、第１のモータと第２のモータとを起動して、位置検出器上に反射ビームを維持するように反射ビームを導光するステップと、距離計を用いて第１の再帰反射器ターゲットまでの距離を測定し、第１の角度変換器を用いて第３の角度を測定し、第２の角度変換器を用いて第４の角度を測定するステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術のレーザトラッカの斜視図である。
【図２】従来技術のレーザトラッカシステムの斜視図である。
【図３】従来技術のレーザトラッカシステムの電子装置のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による無線機器を用いて使用されるレーザトラッカの斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態によるロケータカメラを用いて反射光を取得するレーザトラッカの斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による光ビームを再帰反射器へ送出するレーザトラッカの斜視図である。
【図７】本発明の一実施形態による、再帰反射器ターゲットを選択し、ロックオンし、追跡するための方法におけるステップを示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による、複数の再帰反射器の域内のいずれの再帰反射器にもロックオンされていないレーザトラッカの斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態による手持器具に備えられる代表的ユーザインターフェースである。
【図１０】本発明の一実施形態による慣性測定ユニットを含む無線機器を用いて使用されるレーザトラッカの斜視図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による慣性測定ユニットを含む無線機器を用いて使用されるレーザトラッカの斜視図である。
【図１２】本発明のさらに別の実施形態による慣性測定ユニットを含む無線機器を用いて使用されるレーザトラッカの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に図面を参照する。複数の図面において同様の要素には同じ番号が付けられている。
【００１９】
従来技術のレーザトラッカ１０が図１に示されている。レーザトラッカ１０の代表的ジンバル式ビームステアリング機構１２が、アジマスベース１６に取り付けられアジマス軸２０回りを回動されるゼニスキャリッジ１４を備える。ペイロード１５がゼニスキャリッジ１４に取り付けられ、ゼニス軸１８回りを回動される。ゼニス機械回転軸１８およびアジマス機械回転軸２０は、トラッカ１０の内部で、通常、距離測定の原点であるジンバル点２２で直交する。レーザビーム４６は、実質的にジンバル点２２を通過し、ゼニス軸１８対して直交するよう向けられている。換言すれば、レーザビーム４６は、ゼニス軸１８に垂直な面内にある。レーザビーム４６は、ペイロード１５をゼニス軸１８およびアジマス軸２０回りで回動させるトラッカ内のモータ（図示せず）によって所望の方向に向けられる。ゼニス角度エンコーダおよびアジマス角度エンコーダ（図示せず）は、トラッカの内部で、ゼニス機械軸１８とアジマス機械軸２０とに取り付けられ、回動角度を高性能に示す。レーザビーム４６は、上述の球体状に実装された再帰反射器（ＳＭＲ）などの外部再帰反射器２６に進行する。ジンバル点２２と再帰反射器２６との間の半径方向距離およびゼニス軸１８およびアジマス軸２０回りの回動角度とを測定することによって、トラッカの球面座標系内の再帰反射器２６の位置が求められる。
【００２０】
レーザビーム４６は、１つまたは複数のレーザ波長を含んでよい。明瞭性と簡潔性を期するために、以下の説明では、図１に示された種類のステアリング機構を想定している。ただし、その他の種類のステアリング機構もまた利用可能である。例えば、アジマス軸およびゼニス軸回りを回動するミラーでレーザビームを反射させることも可能である。本明細書に記載される手法は、ステアリング機構の種類にかかわらず、適用可能である。
【００２１】
代表的なレーザトラッカ１０において、カメラ５２および光源５４が、ペイロード１５に配置されている。光源５４は、１つまたは複数の再帰反射器ターゲット２６を照射する。光源５４は、繰り返しパルス光を発するように電気的に駆動されたＬＥＤでもよい。各カメラ５２は、感光性アレイと、感光性アレイの前に配置されたレンズとを含む。感光性アレイは、ＣＭＯＳアレイまたはＣＣＤアレイであってもよい。レンズは、例えば、３０〜４０度の比較的広い視野を持つことができる。レンズの用途は、レンズの視野内にある物体の感光性アレイ上に画像を形成することである。各光源５４は、光源５４からの光が各再帰反射器ターゲット２６で反射されてカメラ５２へ届くように、カメラ５２の近傍に配置される。このようにして、再帰反射器画像の画像点は背景の物体よりも明るく、またパルス駆動されるので、再帰反射器の画像は感光性アレイ上の背景から容易に区別される。レーザビーム４６からなる線の周りに配置された２つのカメラ５２と、２つの光源５４とが存在する。このように２つのカメラを使用することにより、三角測量の原理を使用してカメラの視野内にあるあらゆるＳＭＲの３次元座標を求めることができる。これに加えて、ＳＭＲが点から点へ移動する際に、ＳＭＲの３次元座標を監視することもできる。
【００２２】
１つまたは複数のカメラおよび光源からなる他の構成も可能である。例えば、光源およびカメラは、トラッカによって出射されたレーザビームと同軸であるか、または略同軸であってよい。この場合、トラッカからのレーザビームでカメラの感光性アレイが飽和することを回避するために、光学フィルタリングまたは類似の方法を使用することが必要となることがある。もう１つの可能な構成としては、トラッカのペイロードまたはベースに配置された１つのカメラを使用することがある。
【００２３】
図２に示すように、補助ユニット７０は、通常、従来技術のレーザトラッカ１０の一部である。補助ユニット７０の用途は、レーザトラッカ本体に電力を供給し、また、場合によっては、システムに演算機能およびクロック機能を供給することである。トラッカ本体内に補助ユニット７０の機能を移動することによって補助ユニット７０を完全になくすことができる。ほとんどの場合、補助ユニット７０は、汎用コンピュータ８０に取り付けられている。汎用コンピュータ８０に搭載されたアプリケーションソフトウェアは、リバースエンジニアリングなどのアプリケーション機能を提供することができる。なお、レーザトラッカ１０内に直接汎用コンピュータ８０の演算機能を構築することにより、汎用コンピュータ８０をなくすことも可能である。この場合、キーボードおよびマウスの機能を提供することもありうるユーザインターフェースが、レーザトラッカ１０に内蔵される。補助ユニット７０とコンピュータ８０との間の接続は、無線でもよいしまたは電気配線のケーブルを介してでもよい。コンピュータ８０は、ネットワークに接続されてもよく、また、補助ユニット７０もネットワークに接続されてもよい。例えば、複数の測定器または複数のアクチュエータなどの複数の機器をコンピュータ８０または補助ユニット７０を介して互いに接続することができる。
【００２４】
レーザトラッカ１０は、その側面上で回動させたり、上下に回動させたり、または任意の向きで配置したりすることができる。このような状況では、アジマス軸およびゼニス軸という用語は、レーザトラッカ１０の向きに関らず、レーザトラッカに関して図１に示す方向と同様の方向を有するものとする。
【００２５】
別の実施形態では、ペイロード１５は、アジマス軸２０およびゼニス軸１８回りを回動するミラーに置き換えられる。レーザビームは上方に配向されてミラーに当たり、そこから再帰反射器２６に向かって送出される。
【００２６】
図３は、レーザトラッカ電子装置処理システム１５１０と、周辺要素１５８２、１５８４、１５８６と、コンピュータ１５９０と、本明細書においてクラウドと表現されるネットワーク接続されたその他の構成要素１６００とを含む、従来技術の次元測定電子装置処理システム１５００を示すブロック図である。代表的なレーザトラッカ電子装置処理システム１５１０は、マスタプロセッサ１５２０と、ペイロード機能電子装置１５３０と、アジマスエンコーダ電子装置１５４０と、ゼニスエンコーダ電子装置１５５０と、表示およびユーザインターフェース（ＵＩ）電子装置１５６０と、取り外し可能な記憶装置ハードウェア１５６５と、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）電子装置１５７０と、アンテナ１５７２とを含む。ペイロード機能電子装置１５３０は、６自由度電子装置１５３１と、カメラ電子装置１５３２と、ＡＤＭ電子装置１５３３と、位置検出器（ＰＳＤ）電子装置１５３４と、レベル電子装置１５３５とを含む多数のサブ機能を含むことができる。サブ機能のほとんどは、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）などの、少なくとも１つの処理ユニットを有する。電子装置ユニット１５３０、１５４０、および１５５０は、レーザトラッカ内でのそれらの位置に従って、図示されたように分離されている。一実施形態において、ペイロード機能１５３０は、ペイロード内に配置され、一方でアジマスエンコーダ電子装置は、アジマスアセンブリ内に配置され、ゼニスエンコーダ電子装置１５５０は、ゼニスアセンブリ内に配置される。
【００２７】
多くの種類の周辺装置が利用可能であるが、ここでは３つのそうした装置、つまり、温度センサ１５８２と、６自由度プローブ１５８４と、スマートフォンやリモコンなどでもよい個人情報端末（personal digital assistant）１５８６とが示されている。レーザトラッカは、カメラなどの視覚システムを用いて、また６自由度プローブ１５８４のような協調的ターゲットに対するレーザトラッカの距離および角度の数値を用いて、アンテナ１５７２を介した無線通信を含む様々な手段で周辺機器と通信することができる。
【００２８】
一実施形態において、別々の通信バスが、マスタプロセッサ１５２０から電子装置ユニット１５３０、１５４０、１５５０、１５６０、１５６５、および１５７０の各々に進む。各通信回線は、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つのシリアルラインを有する。フレームラインは、電子装置ユニットが、クロックラインに注意を払う必要があるかどうかを示す。注意を払うべきであると示した場合には、電子装置ユニットが、各クロック信号でのデータラインの電流値を読み取る。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。一実施形態では、情報は、パケットの形態でデータラインを介して送信される。一実施形態では、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、電子装置ユニット内で、データメッセージがどの位置に向けられるかを示す。位置は、例えば、電子装置ユニット内のプロセッササブルーチンに対応する。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、電子装置ユニットが実行するデータや指示を含んでいる。チェックサムは、エラーが通信回線を介して送信される可能性を最小化するために使用される数値である。
【００２９】
一実施形態では、マスタプロセッサ１５２０が、情報のパケットを、バス１６１０を介してペイロード機能電子装置１５３０へ、バス１６１１を介してアジマスエンコーダ電子装置１５４０へ、バス１６１２を介してゼニスエンコーダ電子装置１５５０へ、バス１６１３を介して表示およびＵＩ電子装置１５６０へ、バス１６１４を介して取り外し可能な記憶装置ハードウェア１５６５へ、バス１６１６を介してＲＦＩＤおよび無線電子装置１５７０へ送信する。
【００３０】
一実施形態では、マスタプロセッサ１５２０は、また同時に電子装置ユニットのそれぞれに同期バス１６３０を介して同期（synchronization）パルスを送信する。同期パルスは、レーザトラッカの測定機能により収集された値を同期させる方法を提供する。例えば、アジマスエンコーダ電子装置１５４０およびゼニス電子装置１５５０は、同期パルスが受信されるとすぐに、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装置１５３０は、ペイロード内に含まれている電子装置によって収集されたデータをラッチする。同期パルスが与えられると、６自由度、ＡＤＭ、および位置検出器のすべてが、データをラッチする。ほとんどの場合、カメラおよび傾斜計は、同期パルス速度よりも遅い速度でデータを収集するが、同期パルス周期の倍数でデータをラッチしてもよい。
【００３１】
レーザトラッカ電子装置処理システム１５１０は、外部コンピュータ１５９０と通信してもよいし、または、レーザトラッカ内で演算、表示、ＵＩ機能を提供してもよい。レーザトラッカは、例えば、イーサネット回線または無線接続などの通信リンク１６０６を介してコンピュータ１５９０と通信する。レーザトラッカは、また、イーサネットケーブルなどの１つまたは複数の電気ケーブルと、１つまたは複数の無線接続と、を含む通信リンク１６０２を介して、クラウドに代表される他の要素１６００と通信してもよい。要素１６００の例としては、別の３次元検査機器であって、例えば、レーザトラッカによる再配置が可能な関節アームＣＭＭがある。コンピュータ１５９０と要素１６００との間の通信リンク１６０４は、有線（例えば、イーサネット）または無線でよい。リモートコンピュータ１５９０の前に座っているオペレータは、イーサネットまたは無線回線を介して、クラウド１６００に代表されるインターネットに接続を行い、それによって、イーサネットまたは無線回線を介してマスタプロセッサ１５２０に接続する。このようにして、ユーザは、遠方のレーザトラッカの動作を制御することができる。
【００３２】
本発明の一実施形態の方法および装置が、図４〜図７に示されている。レーザトラッカ１０は、図１のように、レーザビーム４６を送出するが、一例では、ビームが中断されており、再帰反射器ターゲット２６に位置合わせすることができない。別の例では、ビームは再帰反射器ターゲットにロックオンされたままだが、オペレータは別の再帰反射器ターゲットにロックオンしたいと考えている。いずれの場合においても、オペレータは、例えば、ボタンを押すか、手持器具４１０のＵＩ上に現れるソフトキーを押すことによって、手持器具４１０を作動させる（図７のステップ７０５）。作動によって、無線通信機４１５が、例えば、コンピュータ８０、補助ユニット７０、トラッカ６５内にある１つまたは複数の無線通信機６５Ａ、６５Ｂ、６５Ｃによって受信される高周波信号、マイクロ波信号、または赤外線信号である無線信号４２０を放射する（図７のステップ７０８）。本明細書では、無線通信機という用語は、送信機、受信機、または送信機と受信機の両方を含むあらゆる装置を意味するために用いられる。補助ユニット７０は、電源および任意でマスタプロセッサ１５２０を含んでもよく、したがって、レーザトラッカ６５の一部と考えてもよい。
【００３３】
１つまたは複数の無線通信機６５Ａ、６５Ｂ、６５Ｃによる無線信号の受信によってソフトウェアが再帰反射器ターゲット判定基準を取得する（図７のステップ７１０）。再帰反射器ターゲット判定基準は、トラッカがロックオンするターゲットの特性を記述する基準である。判定基準は、例えば、レーザトラッカからの光ビーム４６に最も近い再帰反射器でよい。再帰反射器ターゲット判定基準のその他の例を以下に記載する。判定基準は、例えば、手持器具のＵＩ上のソフトキーを押すことによってオペレータによって選択されてもよい。また、判定基準は、例えば、レーザトラッカで使用されるソフトウェアの特性または設定メニューにおける初期設定をオペレータが前もって選択することによって提供されてもよい。
【００３４】
無線信号４２０へのさらなる応答が、図４〜図６に示されている。一連の事象の繰り返しを実行させるソフトウェアを実行する（図７のステップ７２０〜７４０）ことによって１つまたは複数の無線通信機６５Ａ、６５Ｂ，６５Ｃが応答する（図７のステップ７１５）。各ロケータカメラ５２に近接する１つまたは複数の照明器５４は、例えば、光をオンとオフに点滅させることで、時間的に変調することができる光錐を放出する（図７のステップ７２０）。光錐は、例えば、６０度の比較的広い角度をカバーすることができる。光錐内にあるいかなる再帰性反射器も、１つまたは複数のカメラ５２に光を反射して戻す（図７のステップ７２５）。各ロケータカメラ内に含まれるレンズが、カメラの一部である感光性アレイ上に、照射された各再帰反射器の画像を形成する（図７のステップ７３０）。図５は、ロケータカメラ５４へ光５１０を送り戻す近くの再帰反射器２６を示している。
【００３５】
ステップ７３２において、ソフトウェアは、再帰反射器判定基準を満たしている再帰反射器を決定する。例えば、再帰反射器判定基準がトラッカビーム４６に最も近い再帰反射器ターゲットになるようにオペレータによって選択された場合、ソフトウェアは、（１つまたは複数の）カメラの（１つまたは複数の）感光性アレイ上の画像の位置を評価して再帰反射器判定基準が満たされているか否かを決定する。ステップ７３２の決定は、２つの条件の評価に基づいて行われる。初めに、ソフトウェアは、位置検出器が再帰反射されたトラッカビーム４６を受信しているかどうかに注目する。ビームが再帰反射器ターゲットの中心の比較的近くに当たる場合、そのビームは位置検出器に受信される。位置検出器が再帰反射器光を受信したか否かの決定は、位置検出器によって提供される信号レベルに基づいて行われる。例えば、位置検出器の種類の１つに４個の電極を有する横型位置検知形検出器がある。４個の電極の各々における電圧レベルを足すことにより、位置検出器に存在する光パワーの合計を決定することができる。光パワーが、予め確立されたレベルを超える場合、ビーム４６の再帰反射された部分の存在が示される。換言すれば、この場合、レーザトラッカがターゲットにロックオンしているということになる。第二に、ソフトウェアは、（１つまたは複数の）カメラ５２の（１つまたは複数の）感光性アレイ上で取得された画像が、再帰反射器ターゲット判定基準を満たす再帰反射器の位置に対応するかどうかに注目する。判定基準を満たし、かつ、トラッカビーム４６の再帰反射された部分が位置検出器によって受信中である場合、ステップ７４５に示されるように、再帰反射器ターゲットを追跡し続けるように手順が継続する。そうでなければ、ステップ７４０において、アジマス（ＡＺ）とゼニス（ＺＥ）モータが起動され、選択された再帰反射器ターゲットに向かってトラッカビームが駆動される。その後、ステップ７２０〜７４０は、ステップ７３５の終了条件が満たされるまで繰り返される。
【００３６】
ステップ７４５では、アジマスモータおよびゼニスモータを起動することによって再帰反射器ターゲットに対するビーム追跡が開始され、ビームは位置検出器にほぼ集中するように維持される。再帰反射器は、オペレータによって目的の位置まで追跡されてよく、その地点において、トラッカを使用して距離および２つの角度を測定して検査中の物体の３次元座標を決定する（図７のステップ７５０）。
【００３７】
ステップ７１０の選択判定基準の使用は、図８に示す状況のために説明されたものであり、図８では、２つの再帰反射器２６、２８が、照明器５４によって放射される光錐内にある。一実施形態では、ターゲット判定基準は、図９に示されたように、例えば、スマートフォンのＩＭＵソフトキー上に設けられてもよく、オペレータによって選択される。図９の選択例において、オペレータは、現在のビーム方向において最も近いターゲット、（光錐の外縁の周りでＳＭＲを「ドラッグする」ことによりトラッカの方向を変更するために使用することができる）最寄りのビーム方向から最も遠いターゲット、（移動するターゲットを静止しているターゲットの集合から選択するために使用することができる）最も速いターゲット、慣性測定装置（ＩＭＵであって、以下で説明するように、スマートフォン内のＩＭＵであってもよい）に最も近いターゲット、あるいは画像から選択されたＩＭＵが向いている方向（以下に説明する）にあるターゲットを選択することができる。提供される選択肢には他にも多くの可能性がある。
【００３８】
別の実施形態では、選択モードは、予め設定値またはデフォルト値として選択される。例えば、オペレータは、ＩＭＵに最も近い再帰反射器ターゲットに常時トラッカビームをロックオンすることを希望してもよいし、または再帰反射器を画像から常時選択することを希望してもよい。このような設定は、例えば、レーザトラッカで使用されるコンピュータプログラムにおいてオペレータが選択することができる。
【００３９】
ユーザが取ることのできる１つの選択として、本明細書で説明する方法をビームが中断される（再帰反射器を追跡していない）場合にのみ適用させるか、またはビームがターゲットを追跡中であり、オペレータが再帰反射器を別のターゲットに向けたいと考えている場合にも適用させるべきか、ということがある。
【００４０】
一例として、図１０のような状況を検討するが、まず、手持器具５１０の一部である慣性計測ユニット（ＩＭＵ）５２５について背景をいくつか説明する。ＩＭＵは、慣性センサの実行結果として直線または回転の運動または位置に関する情報を提供する装置である。慣性センサの例としては、加速度計（傾斜計と同じものである）、ジャイロスコープ、磁力計（コンパス）、および全地球測位システム（ＧＰＳ）装置がある。今日、スマートフォンが、３次元加速度計、３次元ジャイロスコープ、コンパス、およびＧＰＳを含んでいることは珍しくない。レーザトラッカに対するＩＭＵの初期位置を確立することによって、経時的なＩＭＵの位置の比較的良好な推定値を得ることができる。例えば、トラッカによって再帰反射器ターゲットが測定されている間に、オペレータがシャツのポケットにスマートフォンを入れていれば、携帯電話におけるＩＭＵの初期位置を簡単に得ることができる。スマートフォンは、その後、測定された再帰反射器ターゲットの近似３次元座標を取得する。オペレータが動き回る際に、携帯電話内のＩＭＵは、再帰反射器の位置の最新の推定値を提供することができる。
【００４１】
図１０において、ビーム４６は、再帰反射器２６にロックオンされているが、オペレータは、オペレータが保持している別の再帰反射器２８を追跡したいと考えている。オペレータは、慣性測定ユニット５２５と無線通信機５１５とを含む手持器具５１０を使用中である。オペレータは、図９のＵＩまたは何らかの別の手段（初期設定で「ＩＭＵに最も近い」を選択するなど）で「ＩＭＵに最も近い」を選択する。オペレータが手持器具を作動させて無線通信機５１５から無線信号を発すると、無線通信機６５Ａ、６５Ｂ、または６５Ｃで受信された無線信号が、図９のステップを実行するソフトウェアを開始して、図１１に示すように、ビーム４６を再帰反射器ターゲット２８へと駆動する。上述したように、図１０、１１に示されているケースでは、ビームは、最初、あるターゲットにロックオンされていたが、オペレータによって別のターゲットに向けられた。
【００４２】
スマートフォンやその他の手持器具に見られるＩＭＵは、スマートフォンの位置に関する情報だけではなく、スマートフォンが向いている方向の情報もまた提供する。その機能を使用して、図１２に説明された便利な測定技術を提供することができる。図１２に示すケースでは、装置内にＩＭＵ６２５があるために、手持器具６１０のおおよその位置と方向が既知である。手持器具を所望のターゲット２８に向けることによって、後ろ向きのカメラ６４５を使用して、表示画面６３５の中央付近の画像６３８を得ることができる。このように配向された手持器具を用いて、手持器具６１０から各カメラ５２まで空間に線を引くことができる。この線は、投影された線に最も近い再帰反射器ターゲットを決定するために使用されるカメラ５２の各感光性アレイおよびソフトウェア上に数学的に投影されてもよい。
【００４３】
別の可能性としては、カメラ５２にレーザトラッカの視点からの各再帰反射器ターゲットの相対的位置を示す画像を送信させることがある。オペレータは、その後、関心対象の再帰反射器ターゲットを選択することができる。
【００４４】
本明細書に上述された手持器具は、いくつかの異なるタイプの手持器具のいずれであってもよい。それらは、リモコン、携帯電話（スマートフォンを含む）、電子パッド、またはキーパッドである。無線通信は、ほとんどの場合で有利ではあるが、本明細書に記載された有線方式の方法、換言すると、有線接続を介してレーザトラッカまたは付属のコンピュータと通信する手持器具を用いて使用することも可能である。
【００４５】
以上、好適な実施形態を図示して説明してきたが、種々の変形および代替が本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされてもよい。したがって、本発明は、限定ではなく例示として説明されてきたことを理解されたい。
【００４６】
したがって、本開示の実施例はあらゆる点で例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、前述の明細書ではなく添付の特許請求の範囲によって示すものであり、さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変更は、すべて本発明の範囲内のものである。
【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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【国際調査報告】
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