(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に定置されたレーザービーム源からの、方向を調節可能なレーザービーム（５）と、入射角に関係なく入射レーザービーム（５）を平行に反射する、物体（２）に配置された反射鏡（３）とによって、物体（２）、特に動かされる物体（２）の位置と空間的な方向づけを決定するための方法であって、レーザービーム（５）が反射鏡（３）に向けられ、物体（２）が動く間、レーザービーム方向を自動的に調節することによってレーザービームが反射鏡（３）を追跡し、この場合反射したレーザービーム（５）の経路の長さとレーザービーム（５）の方向に関する測定データが得られ、この場合反射鏡（３）と物体（２）の位置が前記測定データから計算される、方法において、反射鏡（３）へのレーザービーム（５）の入射角（α）に関する付加的な測定データが得られることと、物体（２）の位置と空間的な方向づけが、レーザービーム（５）の方向と経路の長さに関する測定データに基づいておよび前記の付加的な測定データに基づいて計算されることを特徴とする方法。
【請求項２】
反射鏡（３）へのレーザービーム（５）の入射角（α）に関する付加的な測定データが位置センサ（１２）によって得られ、反射しないで反射鏡（３）の出射面（１１）または出射口を通って出射するレーザービーム（５）の中央の部分が位置センサに当たり、位置センサ上に像を生じ、この像の位置が入射角（α）と相関するように、位置センサ（１２）が反射鏡（３）に対して定置されて配置されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
反射鏡が物体に対して定置されて配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
反射鏡（３）が物体（２）に対して調節可能に方向づけられることと、反射鏡方向づけに関する付加的な測定データが得られることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項５】
反射鏡（３）が物体（２）に対して、反射鏡の光軸（ｚ）に対して垂直な少なくとも１本の軸線（ｘ，ｙ）の回りに回転可能に物体（２）上に配置されていることと、この少なくとも１本の軸線（ｘ，ｙ）の回りの反射鏡の少なくとも１つの回転角度（β）を測定することにより、物体（２）と相対的な反射鏡方向づけに関する付加的な測定データが得られることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
反射鏡が物体（２）に対するその方向づけを調節することによりレーザービーム（５）の方に大まかに向けられることと、物体（２）の空間的な方向づけが、入射角（α）に関する付加的なデータと、物体（２）に対する反射鏡の方向づけに関する付加的な測定データに基づいて計算されることを特徴とする請求項４または５記載の方法。
【請求項７】
レーザービーム（５）の経路の長さに関する測定データが干渉測定によって得られることと、レーザービーム（５）の方向に関する測定データが角度測定によって得られることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
レーザービーム（５）の経路の長さおよびまたは方向が入射角（α）に左右されることによって生じる測定エラーが、入射角（α）に関する付加的な測定データに基づいて修正されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
レーザーを備えた実質的に定置されたレーザー追跡装置（１）と、レーザーによって発生したレーザービーム（５）を制御して配向するための手段と、反射したレーザービーム（５）の経路の長さに関する測定データを得るための手段と、レーザービーム（５）の方向に関する測定データを得るための手段と、物体（２）上に配置され、レーザー追跡装置（１）のレーザービーム（５）を平行に反射する反射鏡（３）とを具備する、請求項３記載の方法を実施するための装置において、反射鏡（３）が、物体に対する方向づけを変更できないようにに物体に配置されていることと、装置が反射鏡（３）へのレーザービーム（５）の入射角（α）に関する付加的な測定データを得るための付加的な手段と、レーザービーム（５）の方向と経路の長さに関する測定データに基づいておよび入射角（α）に関する付加的な測定データに基づいて物体（２）の位置と空間的な方向づけを計算するための手段とを備えていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
レーザーを備えた実質的に定置されたレーザー追跡装置（１）と、レーザーによって発生したレーザービーム（５）を制御して配向するための手段と、反射したレーザービーム（５）の経路の長さに関する測定データを得るための手段と、レーザービーム（５）の方向に関する測定データを得るための手段と、物体（２）上に配置され、レーザー追跡装置（１）のレーザービーム（５）を平行に反射する反射鏡（３）とを具備する、請求項６記載の方法を実施するための装置において、反射鏡（３）が、物体に対する方向づけを調節できるように物体に配置されていることと、装置が反射鏡（３）へのレーザービームの入射角（α）に関する付加的な測定データを得るための付加的な手段と、物体（２）に対する反射鏡（３）の調節可能な方向づけに関する付加的な測定データを得るための手段と、レーザービーム（５）の方向に関する測定データに基づいておよび前記の付加的な測定データに基づいて物体（２）の位置と空間的な方向づけを計算するための手段とを備えていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
反射鏡（３）が出射面（１１）を備えた三枚プリズムまたは出射口を備えた三枚鏡であることと、入射角（α）を測定するためにおよび対応する測定データを発生するために、反射鏡に対して定置されて配置された位置検出器（１２）が設けられていることを特徴とする請求項９または１０記載の装置。
【請求項１２】
物体（２）に対する反射鏡の方向づけを測定するためにおよび対応する測定データを得るために、角度センサ（２０）が設けられていることを特徴とする請求項１０または１１記載の装置。
【請求項１３】
装置が、反射鏡（３）へのレーザービーム（５）の入射角（α）に関する測定データに基づいて、レーザービーム（５）の方向およびまたはレーザービーム（５）の経路の長さに関する測定データを補正するための手段を備えていることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、測定技術の分野に存し、独立請求項記載の方法と装置に関する。この方法と装置は物体、特に動かされる物体または移動可能な物体の空間的な位置と方向づけを決定するために役立つ。
【０００２】
動かされる反射鏡の空間的な位置を、実質的に定置されたレーザービーム源からのレーザービームによっておよび反射鏡上で調節可能で測定可能な方向によって追跡し、検出された方向変化と干渉決定された間隔変化に基づいて反射鏡の新しい位置を決定することが知られている。このような測定方法は例えば、反射鏡が移動する表面を測定するために、あるいは反射鏡が配置された動かされる物体を制御するために使用される。更に、対応する絶対的な測定方法が知られている。この方法によって測定可能な運動は、反射鏡が通常は制限された前面を有することによって制約される。反射を保証するためには、レーザービームがこの前面に入射しなければならない。すなわち、レーザーと反射鏡の間に障害物が存在しないだけでなく、反射鏡の前面が常にレーザーの方に向いていなければならない。
【０００３】
反射鏡の位置または反射鏡を配置した物体の位置に加えて、反射鏡または物体の空間的な方向づけを測定すべきときには、技術水準に従って、上記の反射鏡に加えて他の反射鏡または光点が、物体または対応して使用可能な工具上に配置され、例えば光軸をレーザービーム方向に合わせたデジタルカメラによって、照射した付加的な反射鏡または光点の配置の像が作り出される。反射鏡または光点の実際の配置と、この配置の記録された像を比較することにより、物体の空間的な方向づけ（例えば直交軸線に関する回転位置）のパラメータを計算することができる。
【０００４】
上記の方法を実施するために、レーザー追跡装置と呼ばれる機器と反射鏡を備えた測定システムが使用される。この場合、測定システムは場合によっては、撮影機器と他の反射鏡または光点の装置を備えることができる。このような装置は例えば刊行物ＷＯ９７／１４０１５（メトロノア（Metoronor ））に記載されている。
【０００５】
適用されるレーザー追跡装置の重要な較正部品は、レーザービームを発生するためのレーザーと、レーザービームを反射鏡に方向づけし、可動の反射鏡を追跡するための調節可能なミラー装置と、干渉計である。レーザー追跡装置と協働する反射鏡は通常は、レフレックス反射型三枚プリズム（立方体の角の形をした尖端部と、プリズムの対称軸線または光軸に対して垂直な例えば円形の基礎面または前面を有するプリズム）あるいは場合によっては三枚鏡（中空の立方体の角を形成する、直角に組立てられた３枚のミラーからなる）である。このような反射鏡は入射する平行ビーム束を反射し、しかも入射角と関係なく反射する。
【０００６】
三枚鏡と異なり、三枚プリズムでは、反射するビームの経路がプリズムへの入射角に左右されることが知られている。それによって、三枚プリズムについては、干渉上重要な光学的な経路の長さだけでなく、角度測定のために重要な経路の延長形状がこの入射角に左右される。三枚鏡が機械的な理由から比較的に大きくなければならず、汚れやすいので、通常は上記の欠点にもかかわらず三枚プリズムが有利である。この場合、上記の入射角に依存することによって生じる測定エラーは、三枚プリズムの基礎面へのレーザービームの入射角を垂線に対して最大約２０°の範囲に制限することにより回避される。この範囲では、上記の依存性は普通の測定にとって無視することができる。このような入射角の制限は例えば、ビームが大きな入射角で前面にもはや当たらないように、三枚プリズムの前面を下降させて配置することによって実現される。
【０００７】
上記の入射角制限は、上記の測定条件を一層厳しくする。というのは、レーザービームが測定のために反射鏡の前面に入射するだけでなく、この前面の狭い角度範囲に入射しなければならないからである。
【０００８】
特に干渉式距離測定のための上記の制約を除去するために、刊行物米国特許第４７０７１２９号明細書では、反射鏡を動かされる物体に固定しないで、互いに垂直な２本の軸線回りに駆動して揺動可能に配置し、そして測定のためにレーザービームが光軸に対して平行に反射鏡に入射するように、反射鏡を常に、追跡装置によって発生したレーザービームに向けることが提案されている。反射鏡の配向を制御するために、反射鏡として使用される三枚鏡の尖端部を次のように形成することが提案されている。すなわち、この尖端範囲に向けられるレーザービームが反射しないで、反射鏡を通過し、反射鏡の背後に配置された位置検出器（例えばＰＳＤ：位置感知ダイオード）に当たるように形成することが提案されている。
【０００９】
このよな装備のシステムでは、上記の用途の制限が生じない。しかし、物体の空間的な方向づけを決定するためには使用することができず、膨大な装置コストと制御技術的なコストがかかる。
【００１０】
本発明の課題は、実質的に定置されたレーザー追跡装置と物体に設けられた反射鏡とによって、動かされる物体または可動の物体の位置と方向づけを決定するための方法と装置を提供することである。この方法と装置は簡単であるべきであり、いろいろな用途で使用できるようにすべきであり、このような決定方法の上記の制限をできるだけ少なくすべきである。
【００１１】
この課題は、独立請求項に記載した方法と装置によって解決される。
【００１２】
本発明の方法は、反射鏡を配置した物体に対して、知られている変更不能な位置と方向づけまたは変更可能で測定によって検出可能な方向づけと場合によっては位置を有する反射鏡に基づいている。この場合、反射鏡位置と反射鏡方向づけから、物体位置だけでなく、物体方向づけを推測することができる。方法は実質的に、レーザービームの方向の測定とレーザービームの経路の長さの測定に加えて、反射鏡へのレーザービームの入射角（レーザービームに対する反射鏡の方向づけ）およびまたは物体に対する反射鏡の方向づけを測定し、この測定データを、レーザービーム方向の測定データと干渉測定された測定データと共に、物体の空間的な位置と方向づけを計算するために使用することにある。
【００１３】
物体の方向づけの決定のために、実質的に次の３つの方法がある。
・反射鏡が方向づけを変更不能に物体に取付けられ、反射鏡へのレーザービームの入射角が変更され、測定によって検出される。物体の方向づけの計算のために、レーザービームの検出された方向に加えて、検出された入射角が使用される。・反射鏡は変更可能に方向づけされて物体に取付けられている。この方向づけは測定によって検出される。反射鏡へのレーザービームの入射角は変更され、測定によって検出される。物体方向づけの計算のために、レーザービームの検出された方向に加えて、検出された反射鏡方向づけと検出された入射角が使用される。・反射鏡は変更可能に方向づけされて物体に取付けられ、適当な制御ループを介して常に、レーザービームが前面に対して垂直に（入射角が０°に等しい）反射鏡に入射するように調節される。この場合、反射鏡方向づけは測定によって検出される。物体方向づけの計算のために、レーザービームの検出された方向に加えて、検出された反射鏡方向づけが使用される。
【００１４】
入射角の測定から生じる測定データは、反射鏡として三枚プリズムを使用する際に干渉距離測定およびまたはレーザービーム方向の測定のための角度測定を適当に補正するためにも有利に使用される。
【００１５】
本発明による方法を実施するための装置は、レーザービームの経路の長さを測定するための手段（干渉計）を備えたレーザー追跡装置と、物体に対して変更不能な知られている位置を有する、物体に取付けられた反射鏡と、コンピュータユニットと、レーザー追跡装置からコンピュータユニットに測定データを伝送するための手段とを備えている。その際、反射鏡は物体に対するその方向づけが変更不能で知られているかあるいは変更可能で測定によって検出可能であるように、物体に取付けられている。更に、装置は反射鏡に入射するレーザービームに対する反射鏡方向づけ（入射角）を測定するための手段およびまたは物体に対する反射鏡方向づけを測定するための手段並びにコンピュータユニットへの測定データの伝送のための手段を備えている。
【００１６】
入射角を測定するために、反射鏡として使用される三枚プリズムは、尖端部の代わりに通過面を備えている。この通過面はその基礎面に対してほぼ平行に、すなわち光軸に対して垂直に配向され、反射鏡に入射するレーザービームの中央の部分がこの通過面を通って反射されずにプリズムから出る。反射鏡として使用される三枚鏡の尖端部には開口が設けられている。反射鏡の背後には位置センサが配置され、反射鏡を通過するビーム部分がこの位置センサに当たり、ビーム部分によってセンサに投影された光点の位置は、反射鏡へのレーザービームの入射方向に直接依存する。位置センサは例えば反射鏡の光軸に対して垂直な平面内に配置され、例えば位置感知ダイオード（ＰＳＤ）またはデジタルカメラで使用されるようなＣＣＤセンサ（電荷結合素子）である。
【００１７】
反射鏡を通過するビーム部分を位置センサによって検出することにより、光軸に対して垂直な２本の軸線回りの反射鏡の回転を測定することができる。回転と光軸は検出不能である。
【００１８】
物体に対する反射鏡の変更可能な方向づけのために、反射鏡は、例えば冒頭において既に述べた刊行物米国特許第４７０７１２９号公報に記載されているように、２本の軸線（反射鏡の前面に対して平行である）の回りに回転可能に取付けられる。それ自体知られているように例えば角度センサを付加的に設けることができる。この角度センサによって、両軸線に対する反射鏡の回転を測定することができる。
【００１９】
図に基づいて、本発明による方法と、この方法を実施するための装置の例示的な実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明による方法を実施するための装置をきわめて概略的に示している。この装置は、レーザー追跡装置（レーザートラッカー）１と、物体２上に配置された反射鏡３と、コンピュータユニット（計算ユニット）４を備えている。レーザー追跡装置はレーザービーム５を調節可能な方向（両方向矢印ＡおよびＢ）に送信し、レーザービーム５の方向を測定するためおよび追跡装置１から反射鏡３までおよび反射鏡から追跡装置までのレーザービーム５の経路の長さを干渉測定するための角度測定部を備えている。これは実質的に、追跡装置１と反射鏡３の間の距離または距離の変化の測定に相当する。
【００２１】
反射鏡３は三枚プリズムまたは三枚鏡（コーナーキューブミラー）である。物体２と相対的なこの三枚プリズムまたは三枚鏡の位置と方向づけ（配向）は、変更不能でありかつ知られているかまたは変更可能でありかつ測定によって検出可能である。
【００２２】
図１から明らかなように、レーザー追跡装置の方向測定と距離測定によって、反射鏡の位置、すなわち、物体の唯一の点の位置が測定可能であるがしかし、物体の空間的な向き（例えば軸線ｘ，ｙ，ｚと相対的な回転位置）を求めるためには他の測定が必要である。本発明に従い、レーザービーム５の方向と追跡装置１と反射鏡３の間の距離に加えて更に、レーザービーム５に対する反射鏡の方向づけ（入射角）およびまたは物体２に対する反射鏡３の方向づけが測定される。
【００２３】
レーザー追跡装置（干渉測定器を含む）によって測定された測定データと、反射鏡方向づけの測定によって測定された測定データは、コンピュータユニット４に供給され、物体２の位置と方向づけを計算するために使用され、場合によってはレーザー追跡装置１によって得られた測定データの補正のためにも使用される。
【００２４】
図２，３は、レーザービーム５と相対的な反射鏡方向づけと、反射鏡へのレーザービームの入射角度αの測定原理を示している。これらの図は反射鏡３と、図示していない手段によって反射鏡３に固定連結された位置検出器１２と、レーザービーム５を示している。このレーザービームの一部は反射鏡３を通って位置検出器１２に達する。図２は、反射鏡３の光軸ｚに対して横方向から見た図であり、図３は光軸に対して平行に見た図である。
【００２５】
反射鏡３は例えば三枚プリズムである。この三枚プリズムは丸い基礎面または前面１０と、プリズムの上下線である光軸ｚを有する。三枚プリズムは尖端部の代わりに通過面１１を備えている。この通過面は前面１０に対して平行に配置され、レーザービーム５の一部が反射鏡３を通過することができるように採寸されている。
【００２６】
レーザービーム５の周囲部分は図示していない方法で平行に反射される。ビームの反射されない中央部分は通過面１１を通って反射鏡３から出て、位置検出器１２に当たる。この位置検出器は例えば光軸ｚに対して垂直に配置された光に反応する面を備え、この面上の光点１３の位置に対応する測定信号を発生する。その際、ビーム部分によって生じた光点１３の位置は、反射鏡３の前面１０上のビーム部分の入射角αに対応する。
【００２７】
このような用途にとって一般的である、６〜８ｍｍの範囲の直径を有するレーザービームを使用する際、0.3 ｍｍの範囲の直径を有する（三枚プリズムの）通過面１１または（三枚鏡の）通過口によって良好な結果が得られる。
【００２８】
図４は、本発明による方法の他の実施の形態をきわめて概略的に示している。この実施の形態では、反射鏡３と位置検出器１２が物体２に固定されて取付けられている。すなわち、物体２に対して変化しないように方向づけられて物体に取付けられている。物体２の位置と空間的な配向は、レーザービーム５の方向を測定するための追跡装置内部の角度測定部の測定データと、干渉計の測定データと、反射鏡３の背後に配置された位置検出器１２によって得られる測定データとに基づいて計算される。これはコンピュータユニット４に通じる破線によって示してある。レーザービーム方向と入射角αから、反射鏡３と物体２の空間的な配向を直接推測することができる。
【００２９】
図５は本発明による方法の他の実施の形態を示している。この実施の形態では、反射鏡３が位置検出器１２と共に、物体２に対して調節可能に方向づけられている。すなわち、例えば反射鏡の光軸に対して垂直に向いた少なくとも１つの軸線ｘの回りに回転可能である。その際、この軸線ｘ回りの回転角度βが角度センサ２０によって検出される。角度センサ２０と位置センサ１２によって得られる測定データは、物体２の位置と方向づけを計算するためにコンピュータユニット４に伝送される。これは図において破線で示したデータラインによって示唆してある。
【００３０】
ｘ軸線回りの回転は例えば、反射鏡３をほぼレーザービーム５の方に向ける反射鏡３の手動調節であってもよい。物体２の空間的な方向づけの計算に関連する角度は、入射角αと方向づけ角度βの合計である。
【００３１】
方向づけ変更のために軸線ｘ回りの回転によって示す方法と同じ方法で、ｘ軸線に対して直角に向けられたｙ軸線回りの回転によって位置センサ１２と共に反射鏡３を更に調節することができる。その際、両軸線ｘ，ｙがｚ軸線と交叉することが有利であるが必須ではない。
【００３２】
図６に示した他の実施の形態では、反射鏡３と位置センサ１２が物体２に対する方向づけを変更可能、例えば軸線ｘとｙ回りに回転可能である。方向づけ角度βを検出するために、然るべき角度センサ２０（１個だけ図示してある）が設けられている。調節は制御回路を介して行われ、この制御回路は例えばコンピュータユニット４内に実装され、そのために、測定要素としての位置センサ１２の測定信号と、アクチュエータとしての、反射鏡を回転させるための図示していない駆動装置が役立つ。制御回路は、レーザービームが反射鏡３の光軸ｚに沿って延びるよう反射鏡３を常に方向づけるように形成されている。物体２の位置と方向づけを計算するために、レーザービーム５の方向と経路の長さに関する測定データに加えて、角度センサ２０によって得られる、反射鏡の方向づけに関する測定データが使用される。これはコンピュータユニット４に至るデータラインによって示してある。
【００３３】
更に、図４〜６に示した、本発明の方法の実施の形態の混合形態を使用することができる。
【００３４】
本発明による方法によって測定された、反射鏡へのレーザービームの入射角αによって、干渉測定と、レーザービーム方向を決定するための角度測定を補正できるようにするために、較正測定の結果または理論的に求められた補正係数がコンピュータユニット４に供される。入射角αの測定結果は、三枚プリズムの高い光学密度と、それに関連する、プリズムに出入りする際のレーザービームの屈折に依存する。干渉測定のために、実質的に付加的な補正係数が生じ、角度測定のために、レーザービームに対して横方向の、離隔距離に依存しない補正が生じる。
【００３５】
本発明による方法は特に物体の位置と方向づけを測定するために有利であるが勿論、点の位置の測定のためにも使用可能である。この場合、位置検出器の測定データは干渉測定の補正と、レーザービーム方向の測定のための角度測定の補正のためにのみ用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による方法を図示するための本発明による装置の概略図である。
【図２】  反射鏡へのレーザービーム入射角の測定原理を示す図であり、反射鏡の光軸に対して横方向に見た図である。
【図３】  反射鏡へのレーザービーム入射角の測定原理を示す図であり、反射鏡の光軸に対して平行に見た図である。
【図４】  本発明の方法の上記の３つの実施の形態を実施するための本発明の装置の実施の形態を概略的に示す図である。
【図５】  本発明の方法の上記の３つの実施の形態を実施するための本発明の装置の他の実施の形態を概略的に示す図である。
【図６】  本発明の方法の上記の３つの実施の形態を実施するための本発明の装置の他の実施の形態を概略的に示す図である。
【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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