(57)【要約】  シングルモードの測定ビームを形成し、調整パラメータの変化によって測定ビームの放射波長を所定の波長範囲内で変化させることができるように、レーザビーム源として構成されている調整可能なレーザダイオードと、前述の波長範囲内で吸収線を規定する吸収媒質と、吸収媒質に関する線アトラスを有するメモリと、吸収強度を求める検出器と、求められた吸収強度に依存して、放射波長が安定状態に維持されるように、少なくとも一つの調整パラメータを用いて放射波長を閉ループ制御する制御及び評価ユニットとを備えている測定器。制御及び評価ユニットは、較正モードの実施時に、少なくとも一つの測定パラメータを変化させながら所定の試料測定（７１）が実施され、試料測定（７１）から試料測定結果（７２）が導出され、試料測定結果（７２）が、記憶されている線アトラス（８１）を基礎とする少なくとも一つのリファレンス（７３，７４）と比較され（７５）、比較の枠内で、試料測定結果（７２）と少なくともリファレンス（７３，７４）とのマッチングが行われ、マッチングに依存して、またアルゴリズムを用いた評価に基づき、線アトラスにおける配向が求められ（７６）、線アトラスにおいて求められた配向に応じて、測定ビームの放射波長が求められる及び／又は設定される（７７）によって、線アトラスにおける配向を求めるように、構成されている。
2015516083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物までの各距離に関する干渉計出力量を形成する干渉計（３０）を用いて、前記対象物までの距離変化を求める距離測定器（１，９０）であって、
・測定ビーム（１１，９６）を形成するレーザダイオード（１０，６１）であって、前記測定ビーム（１１，９６）が縦方向のシングルモードとして存在し、且つ、少なくとも一つの調整パラメータの変化によって前記測定ビーム（１１，９６）の放射波長を所定の波長範囲（８２，８５）内で変化させることができるように、干渉計レーザビーム源として構成されている調整可能なレーザダイオード（１０，６１）と、
・前記波長範囲（８２，８５）内で複数の既知の吸収線を規定する吸収媒質と、
・前記波長範囲（８２，８５）内で各吸収波長に対してそれぞれ一つの吸収強度を表している、前記吸収媒質に関する線アトラス（８１）が記憶されているメモリと、
・前記吸収強度を求める検出器（６５）と、
・距離測定モードの実施中に、前記求められた吸収強度に依存して前記少なくとも一つの調整パラメータを用いて前記放射波長を閉ループ制御し、前記放射波長を安定状態に維持し、それによって、前記干渉計出力量を用いて前記対象物までの前記距離変化を求めるように構成されている、制御及び評価ユニット（２）と、
を備えている、距離測定器（１，９０）において、
・前記制御及び評価ユニット（２）は更に、較正モードの実施時に、
○前記制御及び評価ユニット（２）による制御下で、少なくとも一つの測定パラメータを変化させながら所定の試料測定（７１，８４）が実施され、
○前記試料測定（７１，８４）から試料測定結果（７２）が導出され、
○前記試料測定結果（７２）が、前記記憶されている線アトラス（８１）を基礎とし、且つ前記所定の試料測定（７１）に関して既知である、少なくとも一つのリファレンス（７３，７４，８３）と比較され（７５）、該比較の枠内で、前記試料測定結果（７２）と少なくとも前記リファレンス（７３，７４，８３）とのマッチングが行われ、
○前記マッチングに依存して、またアルゴリズムを用いた評価に基づき、前記線アトラス（８１）における配向が求められる（７６）ことによって、
前記線アトラス（８１）における配向が求められるように構成されており、
・前記線アトラス（８１）において求められた前記配向に依存して、前記測定ビーム（１１，９６）の前記放射波長が求められ、及び／又は、前記測定ビーム（１１，９６）の前記放射波長が設定され（７７）、
特に、前記距離測定器（１，９０）の動作開始時に、前記制御及び評価ユニット（２）による制御下で、前記較正モードが自動的に実施され、その際に求められた前記線アトラス（８１）における配向が前記測定モードの実施のために記憶される、
ことを特徴とする、距離測定器（１，９０）。
【請求項２】
前記較正モードの実施時に、前記制御及び評価ユニット（２）による制御下で、前記試料測定（７１，８４）に際し、前記少なくとも一つの調整パラメータの変化によって測定パラメータとしての前記放射波長が変化され、前記吸収強度が前記検出器（６５）を用いて継続的に検出される、請求項１に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項３】
前記制御及び評価ユニット（２）による前記較正モードの実施時に、前記吸収強度の継続的な検出によって、測定パラメータに依存する複数の試料吸収線が試料測定結果（７２）として求められる、請求項２に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項４】
前記制御及び評価ユニット（２）による前記較正モードの実施時に、前記線アトラスにおける配向が、前記測定パラメータに依存する複数の試料吸収線と前記複数の既知の吸収線との一致に依存して求められ（７６）、特に前記測定パラメータに依存する複数の試料吸収線と前記複数の既知の吸収線の相互相関を用いて、及び／又は、曲線あてはめを用いて求められる、請求項３に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項５】
前記制御及び評価ユニット（２）による前記較正モードの実施時に、
・前記複数の試料吸収線の距離（８７）と、前記複数の吸収線の既知の距離とを比較し、該距離の比較を考慮して、前記線アトラスにおける配向が求められる（７６）、及び／又は、
・各試料吸収線について、前記測定パラメータに依存する複数の試料吸収線から前記吸収強度が求められ、該求められた吸収強度を考慮して前記線アトラスにおける配向が求められる（７６）、請求項３又は４に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項６】
前記較正モードの実施時に、
・前記試料測定（７１）の枠内で、測定パラメータとしての、前記対象物までの距離が変化され、
・前記試料測定（７１）が、前記対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離において行われ、
・前記対象物までの少なくとも二つの異なる距離の各々について、前記干渉計（３０）を用いて、試料測定結果（７２）としての干渉計出力量が求められ、
・前記既知の距離、前記干渉計出力量及び前記複数の既知の吸収線に基づき、前記線アトラスにおける配向が求められ（７６）、特に前記放射波長が求められる、請求項１に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項７】
前記距離測定器（１，９０）は更に絶対距離測定ユニット（４０）を有しており、該絶対距離測定ユニット（４０）を用いて距離が求められることによって、前記対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離が求められる、請求項６に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項８】
前記距離測定器（１，９０）は、ターゲット（９７）として形成されている前記対象物を継続的に追跡し、且つ、前記ターゲット（９７）の位置を求めるレーザトラッカ（９０）として構成されており、
前記レーザトラッカ（９０）は、
・少なくとも１０ｍのコヒーレンス長を有する前記測定ビーム（１１，９６）を形成するレーザダイオード（１０，６１）と、
・垂直軸（９４）を規定するベース部（９２）と、
・前記測定ビーム（１１，９６）を放射し、前記ターゲット（９７）において反射された前記測定ビームを受信するビーム偏向ユニットであって、前記垂直軸（９４）と、該垂直軸（９４）に実質的に直交する傾斜軸とを中心にして、前記ベース部（９２）に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であるビーム偏向ユニットと、
・前記ベース部（９２）に対して相対的な前記ビーム偏向ユニットの配向を決定する角度測定機能とを備えており、
特に前記レーザトラッカ（９０）は、
・前記垂直軸（９４）を中心にして前記ベース部（９２）に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であり、且つ、前記傾斜軸を規定する支持部（９３）と、
・ビーム偏向ユニットとして構成されており、且つ、前記傾斜軸を中心にして前記支持部（９３）に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能な照準合わせユニット（９５）と、を備えており、前記照準合わせユニット（９５）は、前記測定ビーム（１１，９６）を放射し、且つ、前記ターゲット（９７）において反射された前記測定ビームの少なくとも一部を受信するテレスコープユニットを有している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項９】
前記距離測定器（１，９０）は、前記吸収媒質を有している吸収セル（２０，６２）を備えており、特にヨウ素ガスが前記吸収媒質を形成し、前記放射波長は５００ｎｍから６５０ｎｍの間、特に６３０ｎｍから６３５ｎｍの間にあり、
及び／又は、
前記制御及び評価ユニット（２）による制御下で、調整パラメータとしての、前記レーザダイオード（１０，６１）の温度を変化させることによって、及び／又は、調整パラメータとしての、前記レーザダイオード（１０，６１）に印加される電流を変化させることによって、前記放射波長が変化される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項１０】
前記距離測定器（１，９０）の動作開始時に、前記放射波長を調整するために設けられている、前記レーザダイオード（１０，６１）に関する調整パラメータが設定され、該設定された調整パラメータによって以前の動作状態が実質的に再現され、特に最後の動作状態が実質的に再現されるように、前記制御及び評価ユニット（２）は構成されている、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項１１】
前記距離測定器（１，９０）は、前記測定ビーム（１１，９６）を検出し、該検出に基づき、前記対象物までの各距離に関する前記干渉計出力量を形成する干渉計検出器を備えている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項１２】
前記少なくとも一つの調整パラメータの変化によって、前記波長範囲（８２，８５）内の前記放射波長がモードホップフリーで変化されるように、前記レーザダイオードは構成されている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の距離測定器（１，９０）。
【請求項１３】
・測定ビーム（１１，９６）を形成するレーザダイオード（１０，６１）であって、前記測定ビーム（１１，９６）が縦方向のシングルモードとして存在し、且つ、少なくとも一つの調整パラメータの変化によって前記測定ビーム（１１，９６）の放射波長を所定の波長範囲（８２，８５）内で変化させることができるように、干渉計レーザビーム源として構成されている調整可能なレーザダイオード（１０，６１）と、
・前記波長範囲（８２，８５）内で複数の既知の吸収線を規定する吸収媒質と、
・前記波長範囲（８２，８５）内で各吸収波長に対してそれぞれ一つの吸収強度を表している、前記吸収媒質に関する線アトラス（８１）が記憶されているメモリと、
・前記吸収強度を求める検出器（６５）とを備えている、対象物までの距離変化を求める距離測定器の干渉計（３０）のための、また干渉計（３０）を用いる較正方法において、
・少なくとも一つの測定パラメータを変化させながら所定の試料測定（７１）を実施し、
・前記試料測定（７１）から試料測定結果（７２）を導出し、
・前記試料測定結果（７２）を、前記記憶されている線アトラス（８１）を基礎とし、且つ前記所定の試料測定（７１）に関して既知である、少なくとも一つのリファレンス（７３，７４，８３）と比較し（７５）、該比較（７５）の枠内で、前記試料測定結果（７２）と少なくとも前記リファレンス（７３，７４，８３）とのマッチングを行い、
・前記マッチングに依存して、またアルゴリズムを用いた評価に基づき、前記線アトラス（８１）における配向を求める（７６）、
ことを特徴とする、較正方法。
【請求項１４】
・測定ビーム（１１，９６）を形成するレーザダイオード（１０，６１）であって、前記測定ビーム（１１，９６）が縦方向のシングルモードとして存在し、且つ、少なくとも一つの調整パラメータの変化によって前記測定ビーム（１１，９６）の放射波長を所定の波長範囲（８２，８５）内で変化させることができるように、干渉計レーザビーム源として構成されている調整可能なレーザダイオード（１０，６１）と、
・前記波長範囲（８２，８５）内で複数の既知の吸収線を規定する吸収媒質と、
・前記波長範囲（８２，８５）内で各吸収波長に対してそれぞれ一つの吸収強度を表している、前記吸収媒質に関する線アトラス（８１）が記憶されているメモリと、
・前記吸収強度を求める検出器（６５）とを備えている、対象物までの各距離に関する干渉計出力量を形成する距離測定器の干渉計（３０）を用いて、前記対象物までの距離変化を求める方法において、
・請求項１３に記載の較正方法を実施し、
・距離測定モードにおいて、
○前記吸収強度に依存して前記少なくとも一つの調整パラメータを用いた前記放射波長の閉ループ制御を行い、それにより所定の測定インターバルの間に前記放射波長を安定状態に維持し、前記線アトラス（８１）において求められた配向に応じて、前記測定ビーム（１１，９６）の放射波長を求め、及び／又は、前記測定ビーム（１１，９６）の放射波長を設定し（７７）、
○前記干渉計出力量を用いて前記対象物までの距離変化を求める、
ことを特徴とする、方法。
【請求項１５】
測定パラメータとしての、前記測定ビーム（１１，９６）の放射波長を変化させ、前記吸収強度を継続的に検出し、
特に、
・前記吸収強度の継続的な検出によって、測定パラメータに依存する複数の試料吸収線を試料測定結果（７２）として求める、及び／又は、
・前記線アトラスにおける配向を、前記測定パラメータに依存する複数の試料吸収線と前記複数の既知の吸収線との一致に依存して求め（７６）、特に前記測定パラメータに依存する複数の試料吸収線と前記複数の既知の吸収線の相互相関を用いて、及び／又は、曲線あてはめを用いて求める、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
・前記試料測定（７１）の枠内で、測定パラメータとしての、前記対象物までの距離を変化させ、
・前記試料測定（７１）を、前記対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離において行い、
・前記対象物までの少なくとも二つの異なる距離の各々について、前記干渉計（３０）を用いて、試料測定結果（７２）としての干渉計出力量を求め、
・前記既知の距離、前記干渉計出力量及び前記複数の既知の吸収線に基づき、前記線アトラスにおける配向を求め、特に前記放射波長を求め、及び／又は、前記放射波長を設定し（７７）、
特に、絶対距離測定ユニット（４０）を用いて距離を求めることによって、前記対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離を求める、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１７】
特に、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の距離測定器（１，９０）の制御及び評価ユニット（２）においてコンピュータプログラム製品が実行される場合に、請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の方法の、
・試料測定（７１）の実施を制御し、
○前記試料測定（７１）から試料測定結果（７２）を導出するステップと、
○前記試料測定結果と複数の既知の吸収線の内の少なくとも一つとを比較するステップ（７５）と、
○前記線アトラス（８１）における配向を求めるステップ（７６）と、
○前記放射波長を求める、及び／又は、前記放射波長を設定するステップ（７７）とを実施する、
機械読み出し可能な担体に記憶されていることを特徴とする、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、請求項１の上位概念に記載されている干渉計を備えている測定器、並びに、請求項１３の上位概念に記載されている干渉計のための、また干渉計を用いる較正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的な測定技術の分野における測定のために、波長安定化ガスレーザ（ＨｅＮｅ）が光源として使用されることが多い。この波長安定化ガスレーザは実質的に、（安定化方式応じて）高い波長安定性と、数百メートルにも及ぶ長いコヒーレンス長を有している。これによって、このビーム源は特に、周波数標準及び波長標準としての使用に適しており、また干渉方式の測定システムに関して長い測定距離を実現する。ビーム源は一般的に、例えば線形干渉計、波長標準及び振動計に適用され、また、レーザトラッカにおいて干渉計光源としても使用される。
【０００３】
ガスレーザ源（ＨｅＮｅレーザ光源）を使用する際の欠点は、一般的に小型化を達成すること、特にレーザトラッカの小型化を達成することが望まれるにもかかわらず、光出力はその寸法によって決定されることである。光源の出力はレーザ管の長さに極めて強く依存する。即ち、レーザ管が長くなるほど、達成できる放射出力は大きくなる。更にその種のレーザ源は一般的に比較的大きい電力損失を示す。動作に必要とされる高電圧供給も更なる欠点である。例えば、レーザを点弧するために約７，０００Ｖの電圧を供給し、更に動作中には約１，５００Ｖの電圧を供給しなければならないことから、その種の光源を使用する際には特別なコンポーネント（例えば高圧電源及び遮蔽部）を用いて安全対策を講じなければならない。また、例えばシステムにおける光源の交換は必然的に費用が掛かることが多いので、管の制限的な寿命（一般的に約１５，０００時間）並びに（例えば内部のモータ又は外部の溶接変圧器によって形成される）磁場に対する感度も、ＨｅＮｅレーザを使用する際には欠点となる。
【０００４】
これに関して、代替的な光源として例えばレーザダイオードが挙げられる。レーザダイオードはそれ自体が小型で廉価であり、また電力消費量が低い。しかしながら従来のファブリ・ペロー型のレーザダイオードはコヒーレンス長が比較的短く、また（縦方向の）シングルモードで放射を行うので（即ち、複数の波長での放射を行うので）、干渉計の光源には適していない。
【０００５】
しかしながらビーム源として、例えば、
・分布帰還レーザ（ＤＦＢ：distributed feedback laser）（周期的に構造化された活性媒質、例えば格子を備えている）、
・分布ブラッグ反射レーザ（ＤＢＲ：distributed bragg reflector laser）（活性媒質外ではあるが共通のチップに配置されている光学格子を備えている）、
・ファイバブラッググレーティングレーザ（ＦＢＧ：fiber bragg grating laser）（実質的にＤＦＢレーザに準拠するが、しかしながら外部ファイバ内に格子を備えている）、
・外部キャビティダイオードレーザ（ＥＣＤＬ：external cavity diode laser）（外部の高安定キャビティ、例えばホログラフィ格子を用いてレーザダイオードの安定化を行う）、
・半導体レーザ励起固体レーザ（ＤＰＳＳ：diode pumped solid state laser）、
・離散モードレーザ（ＤＭＤ：discrete mode laser）、及び／又は、
・マイクロチップレーザ
を使用することができる。これらのビーム源は、放射されるレーザビームが波長に関してシングルモードであって、数十メートルのオーダにあるコヒーレンス長を有する（又は１ＭＨｚを下回る線幅を有する）ように構成されている。
【０００６】
その種のレーザダイオードを干渉計の光源として、又は波長標準として使用するためには更に、既知の波長に合わせた安定化が必要になる。これは例えば、分光法的に吸収媒質の吸収線に合わせて行うことができる（例えばガスセルが使用される）。その際に、使用される吸収媒質に応じて、所望の波長範囲内に非常の多くの吸収線が生じると考えられる。その場合、一方では、レーザダイオードの放射波長に製造に起因するばらつきがあったとしても安定化のために常に一つの吸収線を達成することができる程の多くの吸収線が存在するが、しかしながら他方では、放射波長を確認するためには、光源の始動の度にその線を一義的に識別する必要がある。
【０００７】
このために原理的には、単純に何らかの線に合わせて安定化を行い、その線を生産時に外部の波長測定器を用いて識別することが考えられる。この識別のために調節されたダイオードのパラメータ、例えば温度及び電流が記憶され、後の起動時に再現されるならば、完璧な制御電子装置で再び本来の線に達し、その線を短い波長スキャンで再び発見することができるようになる。経年劣化によって場合によっては発生する、ダイオードの調整パラメータの変化を、その都度最後の値を記憶することによって捕捉することができる。しかしながらこの方式は、制御電子装置の品質に高い要求を課すものであり、また吸収線の波長間隔が短い場合には非常に影響を受けやすい。
【０００８】
測定器に対する要求は、距離変化を求めるための干渉計ユニットを有している測定装置にも同様に当てはまる。ターゲット点を継続的に追跡し、その点の座標位置を求めるために構成されている測定装置を、一般的にレーザトラッカという概念の下に統合することができる。このレーザトラッカにおいては、測定装置の光学的な測定ビーム、特にレーザビームの照準が合わせられる逆反射ユニット（例えば立方体プリズム）によってターゲット点を表すことができる。レーザビームは平行に再び測定装置に向かって反射され、反射されたビームは測定装置の検出ユニットによって検出される。その際に、ビームの放射方向又は受信方向が、例えば、システムの偏向ミラー又は照準合わせユニットに対応付けられている角度測定用センサによって求められる。更にはビームの検出と共に、測定器からターゲット点までの距離が、例えば伝播時間測定又は位相差測定によって求められる。
【０００９】
従来技術によるレーザトラッカには更に、二次元の感光アレイ、例えばＣＣＤ（＝charge coupled device）カメラ又はＣＩＤ（＝charge injection device）カメラを備えているか、又はＣＭＯＳアレイを基礎とするカメラを備えている光学的な画像検出ユニット、若しくは、ピクセルアレイセンサ及び画像処理ユニットを設けることができる。その場合、レーザトラッカ及びカメラの位置は相互に相対的に変化しないように、それらを上下に重ねて取り付けられている。カメラは例えばレーザトラッカと共に、その実質的に垂直方向の軸を中心にして回動可能であるが、しかしながら、レーザトラッカに依存せずに上方及び下方に旋回可能であり、従って特にレーザビームの光学系からは分離されて配置されている。特に、カメラは魚眼レンズを有することができ、従って、カメラの非常に大きい画像検出領域に基づきカメラの旋回を回避することができるか、又は、カメラの旋回は少なくとも限定的にしか必要とされない。更には、例えば各用途に応じて、カメラを一つの軸についてのみ旋回可能であるように実施することもできる。択一的な実施の形態においては、カメラをレーザ光学系と統合された構造様式で、共通の一つのケーシング内に組み込むことができる。
【００１０】
画像検出ユニット及び画像処理ユニットを用いて、相互の相対的な姿勢が既知である複数のマーキングを備えている、いわゆる測定補助器具の画像を検出及び評価することによって、空間内での測定補助器具の配向並びに測定補助器具に配置されている対象物（例えばプローブ）の配向を推定することができる。更には、ターゲット点の所定の空間的な位置と共に、レーザトラッカに絶対的及び／又は相対的である、空間内の対象物の位置及び配向を正確に求めることができる。
【００１１】
その種の測定補助器具をいわゆる接触式ツールによって実現することができ、この接触式ツールはその接触点を用いて、ターゲット対象物の一点に位置決めされる。接触式ツールはマーキング、例えば光点並びに反射器を有している。反射器は接触式ツール上のターゲット点を表し、またそのターゲット点にトラッカのレーザビームの照準を合わせることができる。その際、接触式ツールの接触点に相対的なマーキング及び反射器の位置は正確に既知である。測定補助器具は当業者には公知のように、非接触式の表面測定用の、例えば距離測定のために実施されている手持式のスキャナであっても良い。その場合、スキャナに配置されている反射器及び光点に相対的な、距離測定のために使用されるスキャナ測定ビームの方向及び位置は正確に既知である。その種のスキャナは例えばEP 0 553 266に記載されている。
【００１２】
更に、現在のトラッカシステムではセンサ（ＰＳＤ）において、受信した測定ビームの、ゼロポジションからのずれが求められており、これは益々標準的に行われるようになっている。この関係において、ＰＳＤは、局所的にアナログ動作するエリアセンサであると解され、このエリアセンサを用いてセンサ面上の光分布の重心を決定することができる。センサの出力信号は、一つ又は複数の感光面によって形成され、また光の重心の各位置に依存する。後段に接続されている電子機器又は集積されている電子機器によって出力信号を評価することができ、また重心を求めることができる。入射した光点の重心の位置を非常に高速に（マイクロ秒の範囲）、且つナノメートルの解像度で求めることができる。
【００１３】
このＰＳＤによって、検出されたビームの入射点の、サーボ制御ゼロ点からのずれを特定し、そのずれに基づきレーザビームをターゲットに追従させることができる。このために、また高い精度を達成するために、ＰＳＤの視野は比較的小さく選定されており、従って測定レーザビームのビーム直径に対応するように選定されている。ＰＳＤによる検出は測定軸と同軸に行われるので、従ってＰＳＤの検出方向は測定方向と一致している。
【００１４】
距離測定のために従来技術によるレーザトラッカは、例えば干渉計として構成することができる、少なくとも一つの距離測定器を有している。その種の距離測定ユニットは相対的な距離変化しか測定することができないので、今日のレーザトラッカには干渉計の他にいわゆる絶対距離計も組み込まれる。例えば、距離を求めるためのその種の複数の測定手段の組み合わせは、Leica Geosystems AGの製品AT901から既知である。
【００１５】
この関係において距離測定のために使用される干渉計は、コヒーレンス長が長いことに基づき、またそれによって実現される測定距離に基づき、光源としてＨｅＮｅガスレーザを有することができるが、しかしながら電力消費量及び所要スペースに関する既述の利点を提供する、上述のレーザダイオードを有することもできる。距離を求めるための干渉計及び絶対距離計をＨｅＮｅレーザと組み合わせることは、例えばWO 2007/079600 A1から公知である。干渉計レーザ光源としてのレーザダイオードの使用は欧州特許第11187614.0号に開示されている。
【００１６】
上述の利点を達成するためにレーザダイオードを使用して信頼性の高い距離測定又は距離変化の測定を行うために、その際に使用される測定ビームの波長を安定化させること、またその波長が正確に既知であることが必要になる。上述のように、制御電子装置の品質には高い要求が課されているので、吸収線の波長間隔が短い場合には非常に影響を受けやすい。従って、既知の制御パラメータが再現され、また安定化された波長が生じるにもかかわらず、改めて生じる波長を絶対的な信頼性で生じさせることはできない。特に、例えば二つ又はそれ以上の吸収線が短い線間隔で密集しており、レーザダイオードの始動時に確かにそれらの線の内の一つによって安定化が行われるが、その安定化に目下使用されている線を確実に特定できない場合には、放射波長を正確に求めることはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
従って本発明の課題は、距離測定のためのレーザビームを形成する手段が全体として小型に構成されており、且つ、放射されるレーザビームの放射波長の機器側の決定乃至調節を確実且つ一義的に実施することができる、干渉計を備えた改良された測定器、特にレーザトラッカ並びに方法を提供することである。
【００１８】
本発明の特別な課題は、放射波長を安定化させるための手段と、調整可能なレーザダイオードとを備えており、そのレーザダイオードの目下の放射波長を一義的に求めることができる測定器、特にレーザトラッカを提供することである。
【００１９】
本発明の別の特別な課題は、特にシステムの始動の度に、安定化のために使用される吸収線の一義的な識別を実施することができる、測定器、特にレーザトラッカを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
これらの課題は、独立請求項の特徴部分に記載されている構成を実現することによって解決される。本発明を択一的なやり方又は有利なやり方で更に発展させる特徴は従属請求項に記載されている。
【００２１】
レーザトラッカにおいて干渉法のために設けられているダイオードの波長を求めることに関する別の代替的な態様は、本願と同日に出願された、出願人ファイル番号KAP-52634-EPの欧州特許明細書に記載されている。
【００２２】
本発明は、測定ビームが縦方向のシングルモードとして存在し、且つ、少なくとも一つの調整パラメータの変化によって測定ビームの放射波長を所定の波長範囲内で変化させることができるように、干渉計レーザビーム源として構成されており、且つ、測定ビームを形成するための調整可能なレーザダイオードを備えている、干渉計を用いる測定器、厳密には、対象物までの各距離に関する干渉計出力量を形成するための干渉計を用いて対象物までの距離変化を求めるための距離測定器に関する。レーザダイオードは、波長が前記の所定の波長範囲においてモードホップフリーで調整可能であるように形成されている。更に、前記の所定の波長範囲において、既知の複数の吸収線を規定する吸収媒質と、その吸収媒質に関する、前記の所定の波長範囲内で各吸収波長に対してそれぞれ一つの吸収強度を表している線アトラス（スペクトルアトラス）が記憶されているメモリと、吸収強度を求めるための検出器とが設けられている。また距離測定器は、距離測定モードの実施中に、求められた吸収強度に依存して少なくとも一つの調整パラメータを用いて放射波長を閉ループ制御し、それにより放射波長を安定状態に維持するように構成されている、制御及び評価ユニットが設けられている。
【００２３】
更に、較正モードの実施時に、制御及び評価ユニットによる制御下で、所定の試料測定が少なくとも一つの測定パラメータを変化させながら実施され、その試料測定から試料測定結果が導出されることによって、線アトラスにおける配向が求められるように（即ち、線アトラスの領域が識別されるように）、制御及び評価ユニットは構成されている。また、試料測定結果が、記憶されている線アトラスを基礎とし、且つ所定の試料測定に関して既知である少なくとも一つのリファレンスと比較され、この比較の枠内で、試料測定結果と少なくとも一つのリファレンスとのマッチングが行われる。更に、このマッチングに依存して、またアルゴリズムを用いた評価に基づき、線アトラスにおける配向が求められる。線アトラスにおいて求められた配向に依存して測定ビームの放射波長を求めることができる、及び／又は、設定することができる。特に、距離測定器の始動時に、制御及び評価ユニットによる制御下で、較正モードが自動的に実施され、その際に求められた線アトラスにおける配向が測定モードの実施のために記憶される。
【００２４】
従ってこの較正モードによって、測定ビームの差し当たり未知の波長の、線アトラスにおける一義的な対応付けを、少なくとも一つのリファレンス（例えば線アトラス）とのマッチングによって行い、その結果、波長を求めることができ、またそれによって波長が既知となる。
【００２５】
本発明においては、レーザダイオードとは、少なくとも、
・分布帰還レーザ（ＤＦＢ）（周期的に構造化された活性媒質、例えば格子を備えている）、
・分布ブラッグ反射レーザ（ＤＢＲ）（活性媒質外ではあるが共通のチップに配置されている光学格子を備えている）、
・ファイバブラッググレーティングレーザ（ＦＢＧ）（実質的にＤＦＢレーザに準拠するが、しかしながら外部ファイバ内に格子を備えている）、
・外部キャビティダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）（外部の高安定キャビティ、例えばホログラフィ格子を用いてレーザダイオードの安定化を行う）、
・半導体レーザ励起固体レーザ（ＤＰＳＳ）、
・離散モードレーザ（ＤＭＤ）、
・マイクロチップレーザ、及び／又は、
・ダイオードレーザ
であると解される。しかしながら、上記以外のレーザダイオードでの代替的な実施の形態が除外されるものではないことは明らかである。放射されるレーザビームが少なくとも１０メートルのオーダにあるコヒーレンス長（又は１ＭＨｚを下回る線幅）で形成されるように、ダイオードを構成することができる。この関係において、測定ビームを形成するために、波長選択性のコンポーネント、特に光学格子を設けることができる。
【００２６】
特に本発明によれば、距離測定器の特別な実施の形態でもって、試料測定の枠内で測定パラメータとしての放射波長を変化させ、その際に、吸収強度を検出器によって継続的に検出することができる。特にこのことは、較正モードの実施時に制御及び評価ユニットによる制御下で、少なくとも一つの調整パラメータを変化させることによって行われる。
【００２７】
この関係において更に本発明によれば、特にここでもまた制御及び評価ユニットによる較正モードの実施時に、吸収強度を継続的に検出することによって、測定パラメータに依存する試料吸収線を試料測定結果として求めることができる。
【００２８】
更に本発明においては、線アトラスにおける配向を、測定パラメータに依存する試料吸収線と既知の吸収線との一致に依存して求めることができ、特に測定パラメータに依存する試料吸収線と既知の吸収線の相互相関を用いて、及び／又は、曲線あてはめを用いて求めることができる。特に制御及び評価ユニットによる較正モードの実施時に、配向がそのようにして求められる。
【００２９】
従って使用される吸収線の識別を、（電流及び／又は温度の変化によって調節乃至調整可能な）レーザダイオードを用いる短い波長スキャンによって行うことができ、またそれと同時に、その波長スキャンの結果として生じた吸収スペクトルを記録することができる。吸収スペクトルの観察する部分（この際、波長は未知である）を、吸収セルにおいて使用されるガスに関して既知の吸収スペクトル（波長に依存する吸収が表された線アトラス）と比較し、線アトラスにおける配向を求めることによって、観察する線を識別することができ、またそれによって波長に対応付けることができる。この比較を例えば相互相関によって行うことができる。
【００３０】
本方法に関する条件は、ダイオードの波長が十分に大きい調整範囲（例えば０．１ｎｍ）にわたりモードホップフリーで調整可能であることであるが、実際に必要な波長範囲は、開始波長がどの程度正しく分かっているか、即ち、レーザダイオードの最後に調整された動作パラメータをどの程度良好に再現できるかにも依存すると考えられる。
【００３１】
ダイオードの始動特性を、差し当たり最後のスイッチオフ時に存在した動作パラメータが再現され、それによって波長がある程度不正確ではあるが既知であるように、構成することができる。続いて、短い波長スキャンが実施され、その際に検出された線が、おおよそ既知である開始波長を使用して、例えば相互相関による既知のリファレンススペクトルとのマッチングによって識別される。これに基づき、選択された吸収線に合わせた安定化を行うことができる。
【００３２】
特に本発明によれば、試料吸収線の距離と、吸収線の既知の距離とを比較し、それらの距離の比較を考慮して、線アトラスにおける配向を求めることができる、及び／又は、各試料吸収線について、測定パラメータに依存する試料吸収線から吸収強度を求め、その求められた吸収強度を考慮して線アトラスにおける配向を求めることができる。それらのステップも、特に制御及び評価ユニットによる較正モードの実施時に行われる。
【００３３】
それと共に、線アトラスにおける配向を求めるための、試料測定結果とリファレンス又は線アトラスとのマッチングを、各線距離の比較又は線に関する各吸収レベルの比較によって行うことができる。
【００３４】
距離測定器の較正モードの実施に関する本発明による別の態様は、試料測定の枠内で測定パラメータとしての対象物までの距離を変化させることに関する。この態様では、試料測定が対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離において行われ、その対象物までの少なくとも二つの異なる距離の各々について、干渉計を用いて、試料測定結果としての干渉計出力量が求められ、また、既知の距離、干渉計出力量及び複数の既知の吸収線に基づき、線アトラスにおける配向が求められ、特に放射波長が求められる。
【００３５】
特に本発明によれば、距離測定器は絶対距離測定ユニットを有することができ、また、その絶対距離測定ユニットを用いて距離を求めることによって、対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離を求めることができる。
【００３６】
干渉計による測定と絶対距離計による測定とが同時に行われる際に、例えばレトロリフレクタの位置が追跡されるように変位される場合（干渉計が常にターゲットに向けられている）、二つの距離測定器の測定された距離差並びに二つの（既知の）大まかな波長から、また周囲雰囲気に関するデータから、例えば圧力、湿度及び温度の知識から、未知の線に合わせて安定化された、干渉計に関する測定ビームの波長を数ピコメートル（ｐｍ）の精度で評価することができ、これによって、各吸収媒質に関するスペクトルアトラス（線アトラス）を用いて、使用される安定化線を識別することができる。
【００３７】
距離測定器の一つの特定の実施の形態においては、本発明によれば、距離測定器を、ターゲットとして形成されている対象物を継続的に追跡するため、またターゲットの位置を求めるためのレーザトラッカとして構成することができる。距離測定器は、少なくとも１０ｍ、特に少なくとも５０ｍのコヒーレンス長を有する測定ビームを形成するためのレーザダイオードと、垂直軸を規定するベース部と、測定ビームを放射し、ターゲットにおいて反射された測定ビームを受信し、且つ、垂直軸と、その垂直軸に実質的に直交する傾斜軸とを中心にして、ベース部に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であるビーム偏向ユニットと、ベース部に対して相対的なビーム偏向ユニットの配向を決定する角度測定機能とを有することができる。
【００３８】
更に本発明によれば、レーザトラッカは、垂直軸を中心にしてベース部に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であり、且つ、傾斜軸を規定する支持部と、ビーム偏向ユニットとして構成されており、且つ、傾斜軸を中心にして支持部に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能な照準合わせユニットとを有している。照準合わせユニットは、測定ビームを放射し、ターゲットにおいて反射された測定ビームの少なくとも一部を受信するテレスコープユニットを有している。
【００３９】
誤差が見込まれる波長に起因する測定エラーを回避するために、システム又はレーザトラッカの始動の度に（例えば安定化に使用される）吸収線の一義的な識別を行うことができる。これは、レーザトラッカを用いる本発明による較正に従い、ユーザが能動的に協力しながら、干渉計に付加的に設けられている絶対距離計を利用することによって達成することができる。その際ユーザは、測定対象のターゲットを継続的に移動させ、それによってその都度ターゲットまでの異なる距離を提供する。
【００４０】
本発明の別の態様は吸収媒質の選択に関する。要求又は所望される放射波長に応じて吸収媒質を選択することができる。この関係において本発明によれば、距離測定器には、吸収媒質を有している吸収セルを設けることができ、特にヨウ素ガスが吸収媒質を形成し、また放射波長は５００ｎｍから６５０ｎｍの間、特に６３０ｎｍから６３５ｎｍの間にある。
【００４１】
吸収媒質としてのヨウ素は、特にレーザトラッカにとって好適な、６３３ｎｍ付近の複数の吸収線を含む波長範囲を有している。これによって多くの吸収線が規定され、それによりレーザダイオードの放射波長に製造に起因するばらつきがあったとしても安定化のために常に一つの吸収線が近くに存在するが、しかしながら、光源の始動の度にその線を一義的に識別する必要がある。
【００４２】
更に本発明によれば、放射波長の調整に関して、制御及び評価ユニットによる制御下で、調整パラメータとしての、レーザダイオードの温度を変化させることによって、及び／又は、調整パラメータとしての、レーザダイオードに印加される電流を変化させることによって、放射波長を変化させることができる。
【００４３】
測定器の始動時の放射波長を制御するために、本発明によれば制御及び評価ユニットを、距離測定器の動作開始時に、放射波長を調整するために設けられている、レーザダイオードに関する調整パラメータが設定され、その設定された調整パラメータによって以前の動作状態が実質的に再現され、特に最後の動作状態が実質的に再現されるように構成することができる。
【００４４】
更に距離測定器は、特に、測定ビームを検出し、その検出に基づき対象物までの各距離に関する干渉計出力量を形成する干渉計検出器を有している。
【００４５】
本発明の一つの特別な実施の形態によれば、少なくとも一つの調整パラメータを変化させることによって、前述の所定の波長範囲内で放射波長をモードホップフリーで変化させることができるように、レーザダイオードは構成されている。
【００４６】
更に本発明は、測定ビームが縦方向のシングルモードとして存在し、且つ、少なくとも一つの調整パラメータの変化によって測定ビームの放射波長を所定の波長範囲内で変化させることができるように、干渉計レーザビーム源として構成されており、且つ、測定ビームを形成するための調整可能なレーザダイオードと、前述の所定の波長範囲内で複数の既知の吸収線を規定する吸収媒質とを備えている、対象物までの距離変化を求めるための距離測定器の干渉計のための、また干渉計を用いる較正方法に関する。また、前述の所定の波長範囲において、吸収媒質に関する各吸収波長についてのそれぞれ一つの吸収強度を表す線アトラス（スペクトルアトラス）が記憶されているメモリと、吸収強度を求めるための検出器とが設けられている。
【００４７】
較正方法の枠内で、少なくとも一つの測定パラメータを変化させながら所定の試料測定が実施され、その試料測定から試料測定結果が導出され、試料測定結果が、記憶されている線アトラスを基礎とし、且つ所定の試料測定に関して既知である、少なくとも一つのリファレンスと比較され、その比較の枠内で、試料測定結果と少なくとも一つのリファレンスとのマッチングが行われ、そのマッチングに依存して、またアルゴリズムを用いた評価に基づき、線アトラスにおける配向が求められる。
【００４８】
本発明の一つの別の態様は、測定ビームが縦方向のシングルモードとして存在し、且つ、少なくとも一つの調整パラメータの変化によって測定ビームの放射波長を所定の波長範囲内で変化させることができるように、干渉計レーザビーム源として構成されており、且つ、測定ビームを形成するための調整可能なレーザダイオードと、前記の所定の波長範囲内で複数の既知の吸収線を規定する吸収媒質と、その吸収媒質に関する、前記の所定の波長範囲内の各吸収波長についてそれぞれ一つの吸収強度を表す線アトラスが記憶されているメモリと、吸収強度を求めるための検出器とを備えている、対象物までの各距離に関する干渉計出力量を形成するための距離測定器の干渉計を用いて、対象物までの距離変化を求めるための方法に関する。
【００４９】
この方法においては、本発明による較正方法が実施され、距離測定モードにおいて、吸収強度に依存して少なくとも一つの調整パラメータを用いた放射波長の閉ループ制御が行われ、それにより所定の測定インターバルの間に放射波長が安定状態に維持され、また、線アトラスにおいて求められた配向に応じて、測定ビームの放射波長が求められる、及び／又は、設定される。更に、距離測定モードにおいて、干渉計出力量を用いて対象物までの距離変化が求められる。
【００５０】
本発明によれば、較正方法の枠内で、又は、距離変化を求めるための方法の枠内で、測定パラメータとしての測定ビームの放射波長を変化させ、その際に、吸収強度を継続的に検出することができる。
【００５１】
特に、本発明によれば、吸収強度を継続的に検出することによって、測定パラメータに依存する試料吸収線を試料測定結果として求めることができる、及び／又は、線アトラスにおける配向を、測定パラメータに依存する試料吸収線と既知の吸収線との一致に依存して求めることができ、特に測定パラメータに依存する試料吸収線と既知の吸収線の相互相関を用いて、及び／又は、曲線あてはめを用いて求めることができる。
【００５２】
本発明によれば、較正方法の枠内で、又は、距離変化を求めるための方法の枠内で、代替的に、試料測定の枠内で、測定パラメータとしての対象物までの距離が変化され、試料測定が対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離において行われ、その対象物までの少なくとも二つの異なる距離の各々について、干渉計を用いて、試料測定結果としての干渉計出力量が求められ、また、既知の距離、干渉計出力量及び複数の既知の吸収線に基づき、線アトラスにおける配向が求められ、特に放射波長が求められる、及び／又は、設定される。
【００５３】
特に本発明によれば、絶対距離測定ユニットを用いて距離を求めることによって、対象物までの少なくとも二つの異なる既知の距離を求めることができる。
【００５４】
更に本発明は、本発明による方法の試料測定の実施を制御するための、機械読み出し可能な担体に記憶されているコンピュータプログラム製品に関する。更にコンピュータプログラムは、特に、本発明による距離測定器の制御及び評価ユニットにおいてコンピュータプログラム製品が実行される場合には、本発明による方法の、試料測定から試料測定結果を導出するステップと、試料測定結果と複数の吸収線の内の少なくとも一つとを比較するステップと、線アトラスにおける配向を求めるステップと、放射波長を求める及び／又は設定するステップとを実施するように構成されている。
【００５５】
以下では、添付の図面に具体的に図示した複数の実施例に基づき、本発明による方法及び本発明による装置を例示的に詳細に説明し、また本発明の更なる利点についても検討する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】光学構造を備えている本発明による距離測定器の一つの実施の形態を示す。
【図２】同期式検出を用いる放射波長の安定化の原理を示す。
【図３】放射波長を安定化させるための「サイド・オブ・ライン」方式の原理を示す。
【図４】レーザビーム源、吸収セル並びに制御及び評価ユニットを備えている本発明による距離測定器のための制御可能なレーザモジュールの一つの実施の形態を示す。
【図５】本発明による較正の経過に関するブロックチャートを示す。
【図６ａ】距離測定器を用いる本発明による較正の第１の実施の形態を示す。
【図６ｂ】距離測定器を用いる本発明による較正の第１の実施の形態を示す。
【図６ｃ】距離測定器を用いる本発明による較正の第１の実施の形態を示す。
【図６ｄ】距離測定器を用いる本発明による較正の第１の実施の形態を示す。
【図７】本発明による較正の別の実施の形態を用いる本発明によるレーザトラッカに関する一つの実施の形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
図１には、光学構造１を備えている本発明による距離測定器の一つの実施の形態が示されている。光学構造１には、干渉計ビーム源として実施されているレーザダイオード１０と、吸収セル２０と、干渉計ユニット３０と、絶対距離測定ユニット４０とが含まれており、また絶対距離測定ユニット４０は別のビーム源４１、特にレーザダイオード又はＳＬＥＤとして実施されているビーム源４１を有している。レーザダイオードを用いて、対象物までの距離変化を求めるために干渉計３０に測定ビーム１１が供給され、また絶対距離測定ユニット４０を用いて、対象物までの絶対距離を求めることができる。更に、少なくとも温度及び電流の調整によるレーザダイオード１０の制御及び吸収セル２０の信号の評価を行う、制御及び評価ユニット２が示されている。またこの制御及び評価ユニット２を用いて、干渉計ユニット３０及び絶対距離測定ユニット４０によって形成された測定データ（例えば求められた距離又は干渉計出力量）を処理することができる。
【００５８】
吸収セル２０を用いることによって、安定化モードの枠内で、波長標準に合わせた、つまりここでは吸収セル２０の吸収媒質（例えばヨウ素、Ｉ2）によって規定される吸収線（例えば約６３３ｎｍ）に合わせた測定ビームの安定化が実現される。特に安定化のために種々の安定化アプローチを使用することができ、例えば同期式検出（「synchronous detection」：中心吸収線についての光周波数の変調）、（磁気変調を用いる）一定の光周波数でのゼーマン効果による安定化又は「サイド・オブ・ライン（side of line）」方式を使用することができる。
【００５９】
同期式検出（図２を参照されたい）では波長が継続的に変化され（従って、それに基づき測定された距離にも変化が生じ）、この変化は差し当たり高い距離ノイズとして現れるが、しかしながらこの距離ノイズは高められた測定レート、また後続の積分又は同期された距離測定によって十分に除去することができる。
【００６０】
「サイド・オブ・ライン」方式（図３を参照されたい）は、一般的にガスセルとして構成されている吸収セル２０の対応する吸収線の最大勾配に実質的に対応する吸収値での吸収を用いる安定化を基礎としている（例えば約４０％の吸収での安定化）。線の吸収は吸収媒質（例えばヨウ素ガス）のガス圧力に依存し、従って吸収セルの温度に依存するので、吸収セル２０の温度を厳密に一定に維持する必要がある。
【００６１】
一般的に、安定化のために、レーザダイオード１０からはモードホップフリーの調整（調節）可能な波長範囲のレーザ光が供給されるので、波長に応じて所望の吸収線に調整することができる。更には、形成されるレーザ光は長いコヒーレンス長、特に少なくとも１０ｍ、有利には少なくとも５０ｍのコヒーレンス長を有している。
【００６２】
レーザダイオード１０の放射波長の調整は、制御及び評価ユニット２による、ダイオード１０に印加される電流及び／又はダイオード１０の温度の閉ループ制御によって行われる（図４を参照されたい）。
【００６３】
本発明によれば、放射波長を調節乃至識別するために、距離測定器の較正が実施される。このために先ず、所定の試料測定が実施される。この試料測定は吸収セル２０による吸収測定からなり、この吸収測定に際し、測定ビーム１１の放射波長が制御及び評価ユニット２による制御下で変化される。放射波長の変化は、ダイオード１０に印加される電流及び／又はダイオード１０の温度を変化させることによって行われる。このダイオードの変化する電流及び／又は温度に応じた吸収特性（例えば吸収強度）を測定結果（吸収線）として継続的に検出することができる。試料測定を他方では、対象物までの距離を変化させながら行うこともでき、その場合には干渉計ユニット３０を用いて、測定結果としてその都度一つの干渉計出力量が求められ、更には、対象物までの距離が例えば絶対距離測定ユニット４０によって測定される。
【００６４】
各測定結果（吸収特性又は干渉計出力量）を、記憶されている線アトラスを基礎とし、また所定の試料測定に関して既知である、少なくとも一つのリファレンスと比較することによって、較正の枠内で線アトラスにおける配向が求められる。線アトラスは調整波長範囲内で各吸収波長に対してそれぞれ一つの吸収強度を表している。配向は比較の枠内で、試料測定結果と少なくともリファレンスとのマッチングによって求められる。リファレンスは例えば、線アトラスによって規定されている、吸収波長に関する既知の各吸収強度で良い。
【００６５】
放射波長を変化させながら、波長に依存する吸収強度が求められる場合には、マッチングによって、検出された吸収スペクトルと少なくとも大部分が一致している線アトラスの所定の領域を識別することができる。このマッチングを「最良適合（best-fit）」を用いて、相互相関を用いて、又は他の種類の曲線あてはめによって行うことができる。そのようにして行われた識別によって、検出された吸収スペクトルに波長を対応付けることができる。線アトラス内のその種の領域が識別されると（即ち配向が求められると）、レーザダイオードの開ループ制御又は閉ループ制御によって、放射波長を（線アトラスから）既知の吸収強度に依存して調整することができる。更に、線アトラスから付加的に得られる吸収強度と波長との関係から、放射波長の正確な波長を導出することができる。
【００６６】
対象物までの種々異なる距離について、それぞれ一つの干渉計出力量が求められる場合には、線アトラスにおける配向を、試料測定の際の対象物までの各距離、求められた干渉計出力量及びリファレンス（例えば使用される吸収媒質に関する既知の吸収線スペクトル）を考慮して求め、またそこから放射波長を求めることができる。
【００６７】
図２には、同期式検出を用いる放射波長の安定化の原理が示されている。透過曲線５１は、相対的な周波数Δｆにわたる、吸収媒質の透過特性又は吸収特性（透過率＝１−吸収度）を示す。同様に、透過曲線５１の微分５２が示されており、この微分５２は安定化を制御するために使用される。透過極小値と一致する吸収極大値５３における勾配は「０」であるが、この勾配は吸収極大値５３からの差が大きくなるにつれ絶対値に関して急速に上昇する。その結果、微分５２の領域５４に生じる急峻な側縁に基づき、継続的に測定された吸収から微分が継続的に形成されることによって、吸収極大値５３に相対的な吸収の変化を迅速且つ正確に検出及び識別することができる。この情報を用いて制御回路はレーザダイオードを制御し、測定ビームの放射波長を、吸収極大値を中心とした所定の範囲内に継続的に留めることができる。微分５２を用いることによって、吸収極大値５３からの放射波長の各偏差を迅速且つ正確に求め、波長を必要に応じて修正することができる。このために例えばロックインアンプを使用することができる。
【００６８】
同期式検出の枠内で、放射波長がレーザダイオードに印加される電流に関する変調周波数（ディザ周波数）で継続的に変化され、その結果、放射波長は吸収極大値５３（＝線の中心）を中心にして「ゆらぎ」、即ちジッタが生じ、それによって実質的な安定化が達成される。それによって生じる距離ノイズを測定信号のフィルタリングによって低減することができ、特に除去することができる。
【００６９】
図３には、放射波長を安定化させるための「サイド・オブ・ライン」方式の原理が示されている。ここでは、安定化基準として、透過曲線５１の側縁の内の一つにおける作業点５４乃至比較的小さい作業領域が選択される。作業点５４における勾配が絶対値に関して比較的大きいことによって、この作業点５４からの吸収の偏差を迅速且つ正確に検出することができ、またこの検出に基づき、電流及び／又は温度を変化させることによってレーザダイオードを閉ループ制御することができる。このような安定化を行っている間は、吸収媒質の一定の吸収特性を維持するために、吸収媒質又は吸収セルの温度を実質的に一定に維持する必要がある。
【００７０】
図４には、レーザビーム源、吸収セル並びに制御及び評価ユニットを備えている本発明による距離測定器のための制御可能なレーザモジュールの一つの実施の形態が示されている。レーザビーム源６１はレーザダイオードとして、例えば分布帰還レーザ（ＤＦＢ）又は分散ブラッグ反射レーザ（ＤＢＲ）として実施されている。放射される測定ビームは縦方向のシングルモードであり、また特に少なくとも１０ｍのコヒーレンス長を有している。第１のビームスプリッタ６４ａを用いて、ビーム源６１によって形成されたレーザビームが安定化のために測定ビーム１１とリファレンスビームに分割される。このレファレンスビームは第２のビームスプリッタ６４ｂを用いて更に分割され、分割されたレファレンスビームの第１の部分はガスセル６２を透過して第１の光検出器６５に入射する。また、リファレンスビームの第２の部分を検出するための第２の光検出器６６も設けられている。二つの光検出器６５，６６によって形成される信号６５ａ，６６ａは、制御及び評価ユニット６３によるレーザダイオードの温度６３ａ（ＴＥＣ）及び電流６３ｂ（Ｉ）の閉ループ制御のために使用される。測定ビーム１１を光伝送のために光ファイバに入力することができるか、又は自由ビームとして案内することができる。更に絶縁体６７が設けられている。
【００７１】
図５には、本発明による較正の包括的な経過に関する概略的なブロックチャートが示されている。試料測定７１の枠内で、距離測定器、例えばレーザトラッカを用いて試料測定結果７２が形成される。試料測定７１を実施する際に、少なくとも一つの測定パラメータ（例えばターゲットまでの距離又は測定器のレーザダイオードの放射波長）が変化され、その変化する測定パラメータに応じて結果７２が形成される。それらの結果７２は例えば、距離測定器の干渉計から供給される少なくとも一つの出力量で良い。更に結果７２は例えば、距離測定器の検出器によって測定された吸収スペクトル、又は、放射波長に応じて検出された吸収強度でも良い。
【００７２】
求められた試料測定結果７２は、少なくとも一つのリファレンス乃至既知の複数の比較値と比較７５される。この比較７５のために、レーザダイオードの放射波長の安定化のために設けられているガスセルの既知の吸収媒質に関する少なくとも一つの線アトラスがリファレンス７３として使用される。線アトラスは、所定の波長範囲内のレーザダイオードの各放射波長に対する、吸収媒質の各吸収強度又は吸収レベルを表す。
【００７３】
実施される試料測定７１及びその際に形成される測定結果７２の種類に応じて、比較７５のために、一つ又は複数の別の比較特性量７４を考慮することができる。試料測定７１の枠内でターゲットまでの種々の距離で測定が実施される場合には、ターゲットまでのそれらの距離が既知の別の比較特性量７４として使用される。それらの距離を例えば、所定のターゲットポジションによって事前に設定することができるか、又は、例えば付加的な距離測定器によってその都度求めることができる。
【００７４】
比較７５の枠内で、試料測定結果７２と、関連する各リファレンス７３，７４とのマッチングが行われ、またそのマッチングから線アトラスにおける配向７６が求められる。即ち、少なくとも線アトラスの既知の吸収スペクトルと測定された吸収強度とのマッチングによって、例えば「最良適合」を用いてマッチングを行うことによって、測定された吸収値と線アトラスの所定の領域とが最も一致している部分を識別することができ、従って、試料測定７１の際に存在する放射波長に関する情報を提供することができる。
【００７５】
線アトラスにおいて求められた配向７６に基づき、後続のステップ７７において、測定ビームの放射波長を新たに設定することができるか、又はビームの正確な波長を求めることができる。その際に、吸収を継続的に測定し、且つ、レーザダイオード（の電流及び／又は温度）を相応に閉ループ制御することによって、放射波長の安定化を実施することができる。
【００７６】
図６ａから図６ｄには、レーザダイオードと、吸収セルと、吸収セルにおける測定ビームの吸収（又は透過）を測定するための検出器とを備えている距離測定器を用いる本発明による構成の第１の実施の形態が示されている。
【００７７】
図６ａには、吸収媒質に対して透過特性Ｔを有している既知の透過スペクトル８１（線アトラス）の、波長λ１とλ２との間の波長範囲８２内にある領域が示されている。透過曲線８３は、吸収媒質（例えばヨウ素ガス）に作用するビームに関する、その吸収媒質の、波長に依存する透過特性又は吸収特性を表している。その種の透過スペクトルを、線アトラスとして本発明による距離測定器のメモリに記憶し、リファレンスとして使用することができる。これに択一的又は付加的に、各媒質に対して一つの吸収スペクトルを記憶することができ、その場合には、吸収曲線（また透過曲線）の各曲線経過を曲線の点分解能に依存させることができる。
【００７８】
図６ｂには試料測定８４が示されており、この試料測定８４においては、ｘ１からｘ２までの領域８５内でダイオードに関する調整パラメータＡ（例えば電流及び／又は温度）を変化させることによって、レーザダイオードの測定ビームの放射波長が変化されており、またその際に吸収が検出器によって継続的に検出されている。測定透過曲線８６は、調整パラメータＡに応じた、試料測定の際に測定された吸収（＝１−透過率）を表している。放射波長が変化される領域８５は、波長に関して、透過スペクトル８１が図６ａに従い既知である波長範囲８２の部分領域を表している。つまり、ｘ１及びｘ２はλ１とλ２との間にある。しかしながら、ここでは測定透過曲線８６に関する波長依存性は差し当たり示されていない。
【００７９】
図６ｃには、既知の透過スペクトル８１又は既知の透過曲線８３と測定された測定透過曲線８６のマッチングによって行われる、本発明による比較が示されている。このために、既知の波長範囲８２にある透過曲線８３を、比較のための基準として使用することができる。測定透過曲線８６と透過曲線８３とのマッチングを行い、測定されたスペクトル８６を可能な限り良好にリファレンス曲線８３と一致させることができる。これは例えば、既知の透過曲線８３と測定透過曲線８６の相互相関を用いることによって、又は、透過曲線８３の所定の二つの吸収線間の距離８７と、測定透過曲線８６の所定の二つの吸収線間の距離８７を比較することによって行うことができる。
【００８０】
図６ｄには、図６ｃを用いて説明したマッチングプロセスの結果が示されている。試料測定の枠内で、ｘ１からｘ２までの領域８５内で検出された吸収曲線８６は既知の透過曲線８３とのマッチングが既に行われているので、それらの曲線のスペクトル（波長にわたる透過率）は領域８５内で十分に一致している。従って、線アトラス（既知の透過スペクトル８１）における配向は既知であるので、領域８５には複数の波長を対応付けることができる（ｘ１＝λ３並びにｘ２＝λ４）。これによって、測定された各吸収強度に領域８５内の各波長を対応付けることができるように、領域８５内の測定された波長の一義的な対応付けを行うことができ、また測定ビームの放射波長を正確に求めることができる。このために、放射波長を変化させている間に吸収が検出された時点も更に検出されるように、放射波長の変化を実施することができ、また、それによって時間にわたり検出された吸収に基づき、所定の時点に測定された各放射波長を推定することができる。これによって例えば、最新の波長を、最も新しく測定された吸収、吸収の時間にわたる監視、また以前に行われたマッチングを用いて求めることができる。特にこの関係において、レーザダイオードの温度並びにダイオードに印加される電流も考慮することができる。
【００８１】
図７には、反射器９７を備えている測定補助器具９１を用いる、本発明によるレーザトラッカ９０の一つの実施の形態が示されている。レーザトラッカ９０はベース部９２及び支持部９３を有しており、この支持部９３は、ベース部９２によって規定される旋回軸９４（垂直軸）を中心に、そのベース部９２に相対的に旋回可能又は回動可能に配置されている。更に照準合わせユニット９５が設けられており、この照準合わせユニット９５は、傾斜軸（セオドライト軸）を中心に支持部９３に相対的に旋回可能であるように支持部９３に配置されている。それらの二つの軸を中心に、照準合わせユニット９５の配向を調整できることによって、この照準合わせユニット９５から放射されるレーザビーム９６の配向もフレキシブルに調整することができ、従ってターゲットに照準を合わせることができる。旋回軸９４及び傾斜軸は相互に実質的に直交して配置されている。つまり、正確な軸直交性からの僅かな偏差を事前に検出し、例えばその僅かな偏差によって生じる測定誤差を補正するために、偏差をシステムに格納することができる。
【００８２】
図示されている配置構成において、レーザビーム９６は反射器９７に配向されており、この反射器９７から再び逆方向に、即ちレーザトラッカ９０に向かって反射される。この測定レーザビーム９６によって、反射器９７までの距離を、特に伝播時間測定、位相測定原理又はフィゾーの原理を用いて求めることができる。レーザトラッカ９０は、そのレーザトラッカ９０と反射器９７との間の距離を求めるための距離測定ユニット（絶対距離測定ユニット）と、レーザビーム９６を所期のように配向及び案内することができる照準合わせユニット９５の姿勢、従ってレーザビーム９６の伝播方向を求めることができる角度測定器とを有している。更にレーザトラッカ９０は、干渉法を用いてターゲットまでの距離変化を求めるための干渉計ユニットを有している。
【００８３】
更に、レーザトラッカ９０、特に照準合わせユニット９５は、センサ上での、又は検出された画像におけるセンサ露光の位置を決定するための画像検出ユニット、例えばＣＭＯＳを有しているか、又は、特にＣＣＤカメラ若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。その種のセンサによって、捕捉された露光の検出器における位置有感式検出が実現される。
【００８４】
更に測定補助器具９１は、測定すべきターゲット対象物と接触させることができる接触点９９を備えている接触式センサを有している。接触式ツール９１がターゲット対象物と接触している間に、空間内の接触点９９の位置、従ってターゲット対象物上の一つの点の座標を正確に求めることができる。その場合、反射器９７に対する接触点９９の所定の相対的な位置決め、また、例えば発光ダイオードとして構成することができる、測定補助器具９１に配置されているマーキング９８に対する接触点９９の所定の相対的な位置決めによって座標が求められる。択一的に、マーキング９８が例えば所定の波長のビームでもって照明された際に、入射したビームを反射させ（レトロリフレクタとして構成されている補助点マーキング９８）、特に所定の光特性を示すか、又は、マーキング９８が所定のパターン若しくは色コーディングを有するように、マーキング９８を形成することもできる。従って、画像検出ユニットのセンサを用いて検出される画像におけるマーキング９８の姿勢乃至分布から、接触式ツール９１の配向を求めることができる。
【００８５】
代替的な実施の形態（ここでは図示せず）においては、本発明によるレーザトラッカが、画像検出ユニットとは別個の、レーザビームを放射するビームガイドユニットを有している。このレーザビームもやはり反射器９７に配向されている。レーザビームも、画像検出ユニットも、それぞれ二つの軸を中心にモータ駆動式に旋回可能であり、またそれによって、画像検出ユニットを用いて、レーザビームの照準が合わせられている測定補助器具９１のターゲット９７及びマーキング９８を検出できるように配向させることができる。
【００８６】
レーザビーム９６を反射器９７に配向させるために、本発明によるレーザトラッカ９０には、所定の波長のビームでもって、特に赤外線波長領域にあるビームでもって反射器９７を照明するための照明手段がそれぞれ設けられており、また、位置有感式検出器を備えている、付加的な少なくとも二つのカメラも各レーザトラッカ９０に配置されている。反射器９７において反射され、レーザトラッカ９０へと戻る照明ビームをカメラによって検出し、また各位置有感式検出器を用いて反射器９７の位置を各検出器に結像することができる。従って、レーザトラッカ９０を用いることによって、反射器の結像された二つの位置を求めることができ、またその結像されたターゲットポジションに依存して、ターゲット（反射器９７）を（例えば一般的に公知の写真測量法の原理に従い）発見することができ、更には測定ビーム９６の照準がターゲットに合わせられるように、照準合わせユニット９５を配向させることができる。
【００８７】
また、レーザトラッカ９０によって検出された二つの画像各々に基づき、反射器の大まかな位置を求めることができる。その位置を一般的な幾何学的な原理又は三角法の原理に従い、例えば三角形の幾何学的構造原理に従い、又は正弦定理及び／又は余弦定理を用いて求めることができる。更に、位置を大まかに求めるために、写真測量法（立体写真測量法）の周知の方式を使用することができる。このために、レーザトラッカ９０におけるカメラ相互の相対的な位置、特に配向が更に既知である。
【００８８】
照明手段及びカメラをこの関係において、例えば画像検出ユニット、ビームガイドユニット、照準合わせユニット９５、支持部９３又はベース部９２にそれぞれ所定の位置で配置することができる。
【００８９】
レーザビーム９６の放射方向に相対的なカメラの位置決めの知識に基づき、レーザビーム９６を反射器９７の求められた大まかな位置へと配向させ、反射器９７をロックオン（lock-on）することができる。これによって、カメラの検出方向に対するレーザ放射方向の構造に起因するオフセットが存在するにも係わらず、ビーム９６の高速な配向を行うことができ、またカメラの光学軸及びレーザビーム９６によって生じる視差を解消することができる。特に、レーザビーム９６を直接的に、即ち反復的な中間ステップを要することなく、ターゲット９７に配向させることができる。
【００９０】
特に、反射器９７の大まかな位置を求める代わりに、又は、反射器９７の大まかな位置を求める他に、（レーザトラッカ９０における）検出器において検出及び結像されたターゲットポジションから、反射器９７までの大まかな距離を求めることができる。一般的な適切な幾何学的原理を用いることによって、例えば三角形に関する高さ定理（altitude theorem）乃至ユークリッドの命題ＩＩ−４及び／又は、正弦定理及び／又は余弦定理を用いることによって、大まかな距離を求めることもできる。
【００９１】
更に、測定補助器具９１の配向を求めるための画像検出ユニット（６ＤｏＦカメラ）を備えていないレーザトラッカにおいても、レーザビーム９６の本発明による配向を適用することができる（３Ｄレーザトラッカ）。
【００９２】
更に図７には、本発明による較正の別の措置が示されている。これに関して、測定補助器具９１についての測定が、その測定補助器具９１の種々の位置１００ａ−ｃにおいて実施される。各位置１００ａ−ｃに関して、レーザトラッカ９０までの距離は既知である。この距離を例えば、絶対距離測定ユニットを用いた測定によってその都度求めることができる。絶対距離測定ユニットは（干渉計に対する測定ビームを形成するためのダイオードとは異なる）別のレーザビーム源を有している。レーザダイオードによって形成される、レーザトラッカ９０の干渉計に対する測定ビームは、波長安定化ユニット（吸収セル）を用いて一つの放射波長に合わせて安定化され、また大まかに既知となっている。これによって設定される波長を、レーザダイオードの動作パラメータ（電流及び温度）並びダイオードのための制御電子装置に実質的に依存させることができる。確かにこれによって、固定の一つの波長に合わせた安定化を行うことができるが、しかしながら正確で信頼性の高い距離測定（干渉計を用いる距離変化の測定）のためには更にその波長の値が既知でなければならない。その波長を求めるために、又はその波長を新たに設定するために較正が実施される。
【００９３】
このために、少なくとも二つの位置１００ａ−ｃにおいて、特に位置１００ａから位置１００ｃまでの間の複数の位置において継続的に、レーザトラッカ９０の干渉計を用いて、干渉計出力量が求められる。その際に、反射器９７が追跡される。つまり測定プロセス中は、測定ビームが常に反射器９７に配向されている。干渉計出力量として例えば複数の干渉計パルス（カウント値）が考えられる。それらの干渉計パルスは、破壊的干渉と建設的干渉が交互に検出されることによって（例えばホモダイン干渉計）、又は、リファレンス信号と測定信号の位相差によって（例えばヘテロダイン干渉計）得られ、またその得られた干渉計パルスをカウントすることができる。更に、反射器９７までの絶対距離がその都度測定されるか、又はその都度与えられている。従って、各位置について測定された干渉計出力量及び各距離が、（絶対距離計及び干渉計に関する）大まかに既知である各波長を考慮して、アルゴリズムを用いて評価される。これによって、レーザダイオードの測定ビームに関して存在する波長を非常に正確に評価することができる。特に、この評価のために大気データ、例えば気圧、湿度及び周囲温度を付加的に考慮することができる。放射波長の評価に基づき、また波長安定化ユニットの吸収媒質に関する線アトラスを使用することによって、線アトラスにおける配向が求められる。これによって、安定化に使用される、吸収媒質の吸収線を識別することができ、それと共に放射波長を求めることができる。
【００９４】
図示した図面は考えられる複数の実施例を概略的に示したものに過ぎないと解するべきである。また本発明によれば、種々のアプローチを相互に組み合わせることができ、また、安定化方法及び／又は干渉式の方法、距離を求めるための方法、冒頭で述べたような従来技術から公知の測定器、特にレーザトラッカと組み合わせることができる。本発明による種々の態様を、例えばトータルステーション及び視距機のような測地用測定機器に適用することもできる。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７】
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【国際調査報告】
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