(57)【要約】  ３Ｄ座標測定システムは、６自由度（６−ＤＯＦ）ユニットを含み、これはユニット基準フレームを有し、構造体と、レトロリフレクタと、三角計測スキャナと、仮想現実（ＡＲ）カラーカメラと、を含む。レトロリフレクタ、スキャナ、およびＡＲカメラは構造体に取り付けられる。スキャナは、プロジェクタにより物体に投影されたパターン光の第一の画像を形成するように構成された第一のカメラを含む。第一のカメラとプロジェクタは、ユニット基準フレーム内の物体上のある点の第一の３Ｄ座標を協働して判定するように構成され、この判定は、少なくとも一部に、投影されたパターン光と第一の画像に基づく。システムはまた、装置基準フレームを有し、装置基準フレーム内のレトロリフレクタの姿勢を測定するように構成された座標測定装置を含み、測定された姿勢は、レトロリフレクタの６自由度の測定値を含む。
2017524944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元（３Ｄ）座標測定システムにおいて、
ユニット基準フレームを有する６自由度（６−ＤＯＦ）ユニットであって、構造体と、レトロリフレクタと、三角計測スキャナと、仮想現実（ＡＲ）カメラと、を含み、レトロリフレクタ、三角計測スキャナ、およびＡＲカメラは構造体に取り付けられ、三角計測スキャナは、第一のカメラと、プロジェクタと、を含み、プロジェクタは、パターン光を物体に投影するように構成され、第一のカメラは、パターン光の第一の画像を物体上に形成するように構成され、プロジェクタと第一のカメラは、ユニット基準フレーム内の物体上のある点の第一の３Ｄ座標を協働して判定するように構成され、判定は、少なくとも一部に、投影されたパターン光と第一の画像に基づいて行われ、ＡＲカメラは、ユニット基準フレーム内のカラー画像を取得するように構成されたカラーカメラであるようなユニットと、
装置基準フレームを有する座標測定装置であって、装置基準フレーム内のレトロリフレクタの姿勢を測定するように構成され、測定された姿勢は、レトロリフレクタの６自由度の測定値を含むような装置と、
を含むことを特徴とする３次元（３Ｄ）座標測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
座標測定装置は、光源と、距離計と、を含み、光源は、光ビームをレトロリフレクタに送り、それに応答して反射された光ビームを受け取るように構成され、距離計は、レトロリフレクタまでの距離を、少なくとも一部に、反射された光ビームに基づいて測定するように構成されることを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項３】
請求項２に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
ＡＲカメラは第一のカメラより広い視野を有することを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項４】
請求項１に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
１つまたは複数のプロセッサをさらに含むことを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項５】
請求項４に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
１つまたは複数のプロセッサは、第一の場合に、ＡＲカメラから第一のＡＲ画像を受け取り、装置から第一の測定された姿勢を受け取るように構成され、１つまたは複数のプロセッサはさらに、第二の場合に、ＡＲカメラから第二のＡＲ画像を受け取り、装置から第二の測定された姿勢を受け取るように構成され、１つまたは複数のプロセッサはさらに、第一のＡＲ画像と第二のＡＲ画像に共通の第一の主要点を判定するように構成され、１つまたは複数のプロセッサはさらに、装置基準フレーム内の第一の主要点の第二の３Ｄ座標を判定するように構成されることを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項６】
請求項５に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
１つまたは複数のプロセッサはさらに、第一のＡＲ画像と第二のＡＲ画像を結合して複合３Ｄ画像にするように構成されることを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項７】
請求項５に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
１つまたは複数のプロセッサはさらに、複合３Ｄ画像を、三角計測スキャナにより測定された点の第一の３Ｄ座標と組み合わせるように構成されることを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項８】
３次元（３Ｄ）測定方法において、
座標測定装置からの第一の光の第一のビームを６自由度（６−ＤＯＦ）ユニットの中のレトロリフレクタに送り、それに応答して反射された第一の光の反射された第一のビームを受け取るステップであって、座標測定装置は装置基準フレームを有し、６−ＤＯＦユニットはユニット基準フレームを有し、６−ＤＯＦユニットは、構造体と、レトロリフレクタと、三角計測スキャナと、ＡＲカメラと、を含み、レトロリフレクタ、三角計測スキャナ、およびＡＲカメラは構造体に取り付けられ、三角計測スキャナは、第一のカメラと、プロジェクタと、を含み、ＡＲカメラは、ユニット基準フレーム内のカラー画像を取得するように構成されたカラーカメラであるようなステップと、
座標測定装置によって、レトロリフレクタの第一の姿勢を、少なくとも一部に反射された第一のビームに基づいて判定するステップであって、判定された第一の姿勢は、装置基準フレーム内のレトロリフレクタの６自由度の測定値であるようなステップと、
プロジェクタから物体に第一のパターン光を投影するステップと、
第一のカメラで、物体からの第一のパターン光の反射の第一の画像を形成するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、装置基準フレーム内の物体上の第一の点の第一の３Ｄ座標を、少なくとも一部に、第一のパターン光、第一の画像、および判定されたレトロリフレクタの第一の姿勢に基づいて判定するステップと、
ＡＲカメラで、ユニット基準フレーム内の第一のカラー画像を撮影するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、共通の基準フレーム内の第一の３Ｄ座標と第一のカラー画像を、少なくとも一部に、判定されたレトロリフレクタの第一の姿勢に基づいて組み合わせるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の３Ｄ測定方法において、
座標測定装置からの第一の光の第二のビームをレトロリフレクタに送り、それに応答して第二の反射されたビームを受け取るステップと、
座標測定装置によって、レトロリフレクタの第二の姿勢を、少なくとも一部に、反射された第二のビームに基づいて判定するステップと、
プロジェクタから物体に第二のパターン光を投影するステップと、
第一のカメラで、物体からの第二のパターン光の反射の第二の画像を形成するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、装置基準フレーム内の物体上の第二の点の第二の３Ｄ座標を、少なくとも一部に、第二のパターン光、第二の画像、および判定されたレトロリフレクタの第二の姿勢に基づいて判定するステップと、
ＡＲカメラで、ユニット基準フレーム内の第二のカラー画像を撮影するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、共通の基準フレーム内の第一の３Ｄ座標、第二の３Ｄ座標、第一のカラー画像、および第二のカラー画像を、少なくとも一部に、判定されたレトロリフレクタの第一の姿勢と判定されたレトロリフレクタの第二の姿勢に基づいて組み合わせるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本願は、２０１４年８月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／０３５，５８７号の利益を主張するものであり、同仮出願の全体を参照によって本願に援用する。本願はまた、２０１４年６月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／０１１，１５１号の利益を主張する、２０１５年６月８日に出願された米国特許出願１４／７３３，１３０号の優先権も主張しており、両出願の全体を参照によって本願に援用する。
【０００２】
本開示は、拡張現実（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  ｒｅａｌｉｔｙ）（ＡＲ）を実現するように構成された６自由度（ｓｉｘ−ｄｅｇｒｅｅ−ｏｆ−ｆｒｅｅｄｏｍ）（６−ＤＯＦ）三角計測スキャナおよび一体カメラに関する。
【背景技術】
【０００３】
１つのグループの座標測定装置は、ある点の三次元（３Ｄ）座標を、その点にレーザビームを送ることによって測定する計器の分類に属する。レーザビームはその点に直接当たっても、またはその点と接触するレトロリフレクタ（retroreflector：再帰反射器）ターゲットに当たってもよい。何れの場合も、計器は点の座標を、ターゲットまでの距離と２つの角度を測定することによって判定する。距離は、絶対距離計測器または干渉計等の距離測定装置で測定される。角度は、角度エンコーダ等の角度測定装置で測定される。計器内のジンバル式ビームステアリング機構が、レーザビームを関心点へと案内する。
【０００４】
レーザトラッカは、それが発する１つまたは複数のレーザビームでレトロリフレクタターゲットを追跡するという特定の種類の座標測定装置である。それゆえ、レーザトラッカは「飛行時間（タイム  オブ  フライト）」型の測定装置である。レーザトラッカと密接に関係する座標測定装置は、レーザスキャナとトータルステーションである。レーザスキャナは、１つまたは複数のレーザビームを物体表面上の点にステップ式に向ける。それはこの表面から散乱した光をピックアップし、この光から、各点までの距離と２つの角度を判定する。トータルステーションは、測量用として使用されることが最も多いが、発散的に散乱する、または鏡面反射するターゲットの座標を測定するために使われてもよい。以下、レーザトラッカという用語は、レーザスキャナとトータルステーションを含む広い意味で使用される。
【０００５】
通常、レーザトラッカはレーザビームをレトロリフレクタターゲットに送る。一般的な種類のレトロリフレクタターゲットは球状マウントレトロリフレクタ（ｓｐｈｅｒｉｃａｌｌｙ  ｍｏｕｎｔｅｄ  ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）（ＳＭＲ）であり、金属球の中に埋め込まれたコーナキューブレトロリフレクタを含む。コーナキューブレトロリフレクタは、相互に垂直な３つのミラーを含む。３つのミラーの共通の交点である頂点は、球の中心に位置する。このようにコーナキューブが球の中に配置されているため、頂点からＳＭＲの載っている表面までの垂直距離は、ＳＭＲが回転しても一定のままである。その結果、レーザトラッカは、ＳＭＲの位置をそれが表面上で移動する間に追跡することによって物体面の３Ｄ座標を測定できる。別の言い方をすれば、レーザトラッカは３自由度（１つの半径方向の距離と２つの角度）を測定すれば、表面の３Ｄ座標を十分に特徴付けることができる。
【０００６】
１つの種類のレーザトラッカは、干渉計（ＩＦＭ）のみを含み、絶対距離計測器（ａｂｓｏｌｕｔｅ  ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｍｅｔｅｒ）（ＡＤＭ）を持たない。物体によりこれらのトラッカのうちの１つからのレーザビームの経路がブロックされると、ＩＦＭはその距離基準を失う。すると、オペレータは、レトロリフレクタを既知の位置まで追跡して、基準距離をリセットしてから測定を続けなければならない。この欠点を回避する方法は、ＡＤＭをトラッカの中に含めることである。ＡＤＭは、後でより詳しく説明するように、ｐｏｉｎｔ−ａｎｄ−ｓｈｏｏｔ（オートフォーカス）方式で距離を測定できる。レーザトラッカの中には、干渉計を持たず、ＡＤＭしか含まないものがある。Ｂｒｉｄｇｅｓ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第７，３５２，４４６号（‘４４６号特許）には、移動するターゲットを正確にスキャンできるＡＤＭだけを有する（ＩＦＭを持たない）レーザトラッカが記載されており、同特許の内容を参照によって本願に援用する。‘４４６号特許より前は、絶対距離計測器は低速すぎて、移動するターゲットの位置を正確に特定することができなかった。
【０００７】
レーザトラッカ内のジンバル機構は、レーザビームをトラッカからＳＭＲに誘導するために使用されてもよい。ＳＭＲにより鏡面反射された光の一部はレーザトラッカに入射し、位置検出器へと透過する。レーザトラッカ内の制御システムは、位置検出器上の光の位置を利用して、レーザトラッカの機械軸の回転角度を調整することにより、レーザビームがＳＭＲ上の中心に保たれるようにする。このようにして、トラッカは関心物体の表面上で移動するＳＭＲを追う（追跡する）ことができる。
【０００８】
角度エンコーダ等の角度測定装置が、トラッカの機械軸に取り付けられる。レーザトラッカにより実行される１つの距離測定と２つの角度測定で、十分に、測定対象物体の表面上の何れの点におけるＳＭＲの３次元位置も完全に特定できる。
【０００９】
通常の３自由度ではなく６自由度を測定するためのいくつかのレーザトラッカが開示されている。このような６自由度には、後でより詳しく説明するように、３つの並進自由度と３つの方位自由度が含まれる。例示的な６自由度(degree-of-freedom)（６−ＤＯＦまたは６ＤＯＦ）レーザトラッカシステムは、Ｂｒｉｄｇｅｓ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第７，８００，７５８号（‘７５８号特許）、Ｂｒｉｄｇｅｓ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，５２５，９８３号（‘９８３号特許）、Ｃｒａｍｅｒ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，４６７，０７２号（‘０７２号特許）に記載されており、その各々の内容を参照によって本願に援用する。
【００１０】
レーザトラッカ等の飛行時間測定装置の代替案は、物体表面の３Ｄ座標を三角測量の原理に基づいて測定するスキャニングシステムである。飛行時間距離計を利用するレーザトラッカ等のシステムは、場合によっては三角計測スキャナより比較的正確であるが、非接触の三角計測スキャナのほうが、これらが典型的に、一度に複数の光スポットを物体表面上に投影することから、比較的高速でありうる。
【００１１】
典型的な三角計測スキャナは、線状の光（例えば、レーザラインプローブからの光）か、ある面積にわたる２次元（２Ｄ）パターンの光（例えば、構造化光）の何れかを物体表面に投影する。三角計測スキャナにおいて、カメラ（例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ感光体アレイ）がプロジェクタ（例えば、レーザ光源）に固定の機械的関係で連結される。プロジェクタから発せられ、投影された光の線またはパターンは、物体表面で反射され、カメラによって画像化される。カメラとプロジェクタが相互に固定の関係で配置されているため、物体表面までの距離と角度は、投影された線またはパターン、撮影されたカメラ画像、およびプロジェクタとカメラを分離するベースライン距離から、三角測量の原理にしたがって判定されてもよい。三角計測システムは、大きな面積にわたって３Ｄ座標データを素早く取得するという利点を提供する。
【００１２】
いくつかのシステムでは、スキャニングプロセス中、三角計測スキャナが一連の３Ｄ画像を取得し、これらが相互に関して位置合わせされてもよく、それによって各３Ｄ画像の、他の３Ｄ画像に関する位置と方位がわかる。スキャナが静止していれば、このような画像位置合わせは不要である。同様に、三角計測スキャナが三角計測スキャナの位置と方位を測定できる機械的装置に取り付けられているか、またはそれと共に動作する場合も、このような画像位置合わせを提供する必要はない。このような機械的装置の例には、レーザトラッカ、関節アーム座標測定機（ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｍａｃｈｉｎｅ）（ＣＭＭ）およびデカルトＣＭＭが含まれる。
【００１３】
他方で、スキャナが手持ち式であり、したがって移動可能である場合には、様々な技術を使用して画像の位置合わせを行うことができる。１つの一般的な技術は、画像内にある特徴（例えば、主要点）を使って、隣接する画像フレームの重複エリアをマッチさせる。この技術は、測定対象物体にスキャナの視野に関する多くの特徴があるときには有効である。しかしながら、物体に比較的大きい平面または湾曲面が含まれていると、画像同士の位置合わせを適正に行えないかもしれない。
【００１４】
したがって、既存の座標測定装置は、前述のような三角計測スキャナとの動作において、その所期の目的に適しているものの、特に三角計測スキャナ装置により取得された画像の位置合わせの改良において、依然として改良の必要がある。
【００１５】
拡張現実（Augmented reality:ＡＲ）は、仮想現実から発展した比較的新しい種類の技術である。拡張現実は、実際の実世界の情報またはデータを、仮想情報またはデータと、その上に、その中に、またはそこに向かって融合させ、重ね、またはトランスプロジェクト（transprojects）する。すなわち、仮想情報またはデータが、ある物体またはシーンに関する実際の、感知され、測定され、捕捉され、または画像化された実世界の情報またはデータを、「拡張」し、補完し、または補足する。拡張現実の応用には、部品、構成要素または装置の製造と組立および／または修理とメンテナンス等の技術的または産業的分野や、施設、ビル、または構造物のレイアウトおよび建設が含まれる。多数の現代のＡＲ応用が、ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ＿ｒｅａｌｉｔｙにおいて開示されている。
【００１６】
部品、構成要素、もしくは装置または領域に関する実際の情報またはデータは、各種の装置を使って様々な方法で取得できる。１つの種類の機器は、例えばＣＭＭまたはレーザトラッカ等の座標測定装置を含む。カメラも、実際の部品、構成要素、または装置および／または所望の領域自体の、または部品、構成要素、もしくは装置を取り囲む、もしくはそれに関連する静止画像またはビデオ画像を撮影するために使用されてよい。
【００１７】
仮想情報またはデータは、部品、構成要素、または装置に関する保存された人工的な情報であってもよい。保存された仮想情報またはデータは、部品、構成要素、または装置の設計に関するものであってもよく、例えば単純なテキストまたは記号から、比較的より複雑なグラフィクスによる３Ｄ  ＣＡＤ設計データにわたる。視覚的情報のほかに、保存された仮想情報またはデータはまた、可聴、すなわち音声情報またはデータも含んでいてよい。保存された仮想情報またはデータはまた、テキストによる、または部品、構成要素、もしくは装置の修理またはメンテナンスの説明、または、例えばオフィスもしくは製造および／または修理施設の設計（例えば、建物または施設レイアウト）において使用されてもよい部品、構成要素、または装置を表す視覚的情報に関していてもよい。
【００１８】
ＡＲシステムの複合的な実際および仮想情報またはデータは通常、デジタルの性質を持ち、ユーザに対し、多様な種類または形態をとることのできる、例えばデスクトップもしくはラップトップコンピュータモニタ、タブレット、スマートフォン、または例えば眼鏡、帽子、もしくはヘルメットに関連する頭部装着用ディスプレイに関連付けられるような表示スクリーンの上に実時間で（すなわち、実際の情報が測定され、または感知されている時に）提供されてもよい。音声情報は、スピーカを通じて伝達されてもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
各種の装置で使用される拡張現実の領域ですでにある程度の革新（イノベーション）がなされているが、拡張現実の新規な応用が、レーザトラッカに使用される手持ち式の６−ＤＯＦ三角計測スキャナ（例えば、構造化（structured）光スキャナ、レーザラインプローブ）と共に求められている。  
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明のある実施形態によれば、３次元（３Ｄ）座標測定システムは、ユニット基準フレームを有する６自由度（６−ＤＯＦ）ユニットを含み、このユニットは、構造体と、レトロリフレクタと、三角計測スキャナと、仮想現実（ＡＲ）カメラと、を含み、レトロリフレクタ、三角計測スキャナ、およびＡＲカメラは構造体に取り付けられ、三角計測スキャナは、第一のカメラと、プロジェクタと、を含み、プロジェクタは、パターン光を物体に投影するように構成され、第一のカメラは、パターン光の第一の画像を物体上に形成するように構成され、プロジェクタと第一のカメラは、ユニット基準フレーム内の物体上のある点の第一の３Ｄ座標を協働して判定するように構成され、この判定は、少なくとも一部に、投影されたパターン光と第一の画像に基づいて行われ、ＡＲカメラは、ユニット基準フレーム内のカラー画像を取得するように構成されたカラーカメラである。３Ｄ座標測定システムはまた、装置基準フレームを有する座標測定装置を含み、装置は、装置基準フレーム内のレトロリフレクタの姿勢を測定するように構成され、測定された姿勢は、レトロリフレクタの６自由度の測定値を含む。
【００２１】
本発明の他の実施形態によれば、３次元（３Ｄ）測定方法は、座標測定装置からの第一の光の第一のビームを６自由度（６−ＤＯＦ）ユニットの中のレトロリフレクタに送り、それに応答して反射された第一の光の反射された第一のビームを受け取るステップを含み、座標測定装置は装置基準フレームを有し、６−ＤＯＦユニットはユニット基準フレームを有し、６−ＤＯＦユニットは、構造体と、レトロリフレクタと、三角計測スキャナと、ＡＲカメラと、を含み、レトロリフレクタ、三角計測スキャナ、およびＡＲカメラは構造体に取り付けられ、三角計測スキャナは、第一のカメラと、プロジェクタと、を含み、ＡＲカメラは、ユニット基準フレーム内のカラー画像を取得するように構成されたカラーカメラである。方法はまた、座標測定装置によって、少なくとも一部に、反射された第一のビームに基づいてレトロリフレクタの第一の姿勢を判定するステップをさらに含み、判定された第一の姿勢は、装置基準フレーム内のレトロリフレクタの６自由度の測定値である。方法は、プロジェクタから物体に第一のパターン光を投影するステップと、第一のカメラで、物体からの第一のパターン光の反射の第一の画像を形成するステップと、１つまたは複数のプロセッサで、装置基準フレーム内の物体上の第二の点の第二の３Ｄ座標を、少なくとも一部に、第二のパターン光、第二の画像、判定されたレトロリフレクタの第二の姿勢に基づいて判断するステップと、をさらに含む。方法はまた、ＡＲカメラで、ユニット基準フレーム内の第一のカラー画像を補足するステップと、１つまたは複数のプロセッサで、共通の基準フレーム内の第一の３Ｄ座標と第一のカラー画像を、少なくとも一部に、レトロリフレクタの判定された第一の姿勢に基づいて組み合わせるステップと、を含む。
【００２２】
ここで、図面を参照すると、例示的な実施形態が示されているが、これらは本開示の全体的な範囲に関して限定的であると解釈すべきではなく、また、複数の図面を通じて、要素には同様の参照番号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のある実施形態による、レトロリフレクタターゲットを有するレーザトラッカシステムの斜視図である。
【図２】本発明のある実施形態による、６−ＤＯＦターゲットを有するレーザトラッカシステムの斜視図である。
【図３】本発明のある実施形態による、レーザトラッカ光学系と電子装置の要素を説明するブロック図である。
【図４】図４Ａおよび４Ｂを含み、２種類の先行技術の無限焦点ビームエキスパンダを示す図である。
【図５】先行技術の光ファイバビーム入射システムを示す図である。
【図６Ａ】４種類の先行技術の位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図６Ｂ】４種類の先行技術の位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図６Ｃ】４種類の先行技術の位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図６Ｄ】４種類の先行技術の位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図６Ｅ】本発明のある実施形態による位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図６Ｆ】本発明のある実施形態による位置検出器アセンブリを示す概略図である。
【図７】先行技術のＡＤＭ内の電気および電気光学要素のブロック図である。
【図８Ａ】先行技術の光ファイバネットワーク内の光ファイバ要素を示す概略図である。
【図８Ｂ】先行技術の光ファイバネットワーク内の光ファイバ要素を示す概略図である。
【図８Ｃ】本発明のある実施形態による光ファイバネットワーク内の光ファイバ要素を示す概略図である。
【図９】先行技術のレーザトラッカの分解図である。
【図１０】先行技術のレーザトラッカの断面図である。
【図１１】本発明のある実施形態によるレーザトラッカの演算および通信要素のブロック図である。
【図１２Ａ】本発明のある実施形態による、１つの波長を使用するレーザトラッカの要素のブロック図である。
【図１２Ｂ】本発明のある実施形態による、１つの波長を使用するレーザトラッカの要素のブロック図である。
【図１３】本発明のある実施形態による、６−ＤＯＦ能力を持つレーザトラッカの要素のブロック図である。
【図１４】本発明のある実施形態による、６−ＤＯＦ能力を有するレーザトラッカの要素のブロック図である。
【図１５】本発明のある実施形態による、６−ＤＯＦ能力を有するレーザトラッカの要素のブロック図である。
【図１５Ａ】三角測量に基づくスキャニング測定システムの動作の原理を説明する概略図である。
【図１５Ｂ】三角測量に基づくスキャニング測定システムの動作の原理を説明する概略図である。
【図１６】本発明のある実施形態による、６−ＤＯＦ三角計測スキャナに取り付けられた拡張現実カメラを使用して表面の３次元表現を取得する方法の中のステップを含むフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示されている、ある例示的なレーザトラッカシステム５は、レーザトラッカ１０と、レトロリフレクタターゲット２６と、任意選択による補助ユニットプロセッサ５０と、任意選択による補助コンピュータ６０と、を含む。レーザトラッカ１０のある例示的なジンバル式ビームステアリング機構１２は、アジマスベース１６に取り付けられ、アジマス軸２０の周囲で回転するゼニスキャリッジ１４を含む。ペイロード１５は、ゼニスキャリッジ１４に取り付けられて、ゼニス軸１８の周囲で回転する。ゼニス軸１８とアジマス軸２０はトラッカ１０の内部の、典型的には距離測定の原点となるジンバル点２２において直交する。レーザビーム４６は、事実上、ジンバル点２２を通過し、ゼニス軸１８に垂直に向けられる。換言すれば、レーザビーム４６は、ゼニス軸１８に略垂直であり、アジマス軸２０を通過する平面内にある。射出するレーザビーム４６は、ゼニス軸１８の周囲でのペイロード１５の回転と、アジマス軸２０の周囲でのゼニスキャリッジ１４の回転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は、トラッカの内部で、ゼニス軸１８と一致するゼニス機械軸に取り付けられる。アジマス角度エンコーダは、トラッカの内部で、アジマス軸２０と一致するアジマス機械軸に取り付けられる。ゼニスおよびアジマス角度エンコーダは、回転のゼニスおよびアジマス角度を比較的高精度で測定する。射出するレーザビーム４６はレトロリフレクタ２６へと進み、これは例えば、前述の球状マウントレトロリフレクタ（ＳＭＲ）であってもよい。ジンバル点２２とレトロリフレクタ２６との間の半径方向の距離、ゼニス軸１８の周囲の回転角度、およびアジマス軸２０の周囲の回転角度を測定することによって、レトロリフレクタ２６の位置がトラッカの極座標系の中で特定される。
【００２５】
射出するレーザビーム４６は、後述のように、１つまたは複数のレーザ波長を含んでいてもよい。明瞭と簡潔を期し、以下の説明においては、図１に示されている種類のステアリング機構を想定している。しかしながら、他の種類のステアリング機構も使用可能である。例えば、レーザビームをアジマスおよびゼニス軸の周囲で回転するミラーで反射させることができる。本明細書に記載されている技術は、ステアリング機構の種類に関係なく適用可能である。
【００２６】
磁気ネスト１７が、レーザトラッカを大きさの異なるＳＭＲ、例えば１．５、７／８、および１／２インチＳＭＲ等の「ホーム」位置にリセットするためにレーザトラッカに含められてもよい。トラッカ搭載レトロリフレクタ１９が、トラッカを参照距離にリセットするために使用されてもよい。それに加えて、図１の図では見えないが、トラッカ搭載ミラーをトラッカ搭載レトロリフレクタと共に使用して、自己補償を実行できるようにしてもよく、これについては米国特許第７，３２７，４４６号（‘４４６号特許）に記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。
【００２７】
図２は、ある例示的なレーザトラッカシステム７を示しており、これは図１のレーザトラッカシステム５と同様であるが、レトロリフレクタターゲット２６が６−ＤＯＦプローブ１０００に置き換えられている。図１では、他の種類のレトロリフレクタターゲットが使用されてもよい。例えば、キャットアイレトロリフレクタが時々使用され、これは光がガラス構造の反射後面上の小さい光のスポットに合焦されるガラスレトロリフレクタである。
【００２８】
図３は、レーザトラッカの実施形態における光学および電気要素を示すブロック図である。これは、レーザトラッカの中の、２つの光の波長、すなわちＡＤＭのための第一の波長と可視ポインタおよびトラッキングのための第二の波長を発する要素を示している。可視ポインタにより、使用者はトラッカにより発せられるレーザビームスポットの位置が見える。２種類の波長は、フリースペースビームスプリッタを使って結合される。電気光学（ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ）（ＥＯ）システム１００は、可視光源１１０と、アイソレータ１１５と、任意選択による第一のファイバ入射システム１７０と、任意選択による干渉計（ＩＦＭ）１２０と、ビームエキスパンダ１４０と、第一のビームスプリッタ１４５と、位置検出器アセンブリ１５０と、第二のビームスプリッタ１５５と、ＡＤＭ  １６０と、第二のファイバ入射システム１７０と、を含む。
【００２９】
可視光源１１０は、レーザ、スーパールミネッセントダイオード、または他の発光装置であってもよい。アイソレータ１１５は、ファラデアイソレータ、減衰器、または反射により光源に戻る光を減少させることのできるその他の装置であってもよい。任意選択によるＩＦＭは、様々な方法で構成されてよい。実現可能な実施例のある具体的な例として、ＩＦＭはビームスプリッタ１２２と、レトロリフレクタ１２６と、４分の１波長板１２４、１３０と、位相アナライザ１２８と、を含む。可視光源１１０は光を自由空間へと射出してもよく、その後、この光は自由空間内でアイソレータ１１５および任意選択によるＩＦＭ  １２０を通って進む。あるいは、アイソレータ１１５は光ファイバケーブルによって可視光源１１０に連結されてもよい。この場合、アイソレータからの光は、第一の光ファイバ入射システム１７０を通じて自由空間へと射出されてもよく、このことについては図５を参照しながら以下に説明する。
【００３０】
ビームエキスパンダ１４０は、様々なレンズ構成を使って組み立てられてもよいが、一般的に使用される２種類の先行技術の構成が図４Ａおよび４Ｂに示されている。図４Ａは、負のレンズ１４１Ａと正のレンズ１４２Ａの使用に基づく構成１４０Ａを示す。負のレンズ１４１Ａに入射するコリメート光ビーム２２０Ａは正のレンズ１４２Ａから、より大きいコリメート光ビーム２３０Ａとして射出される。図４Ｂは、２つの正のレンズ１４１Ｂ、１４２Ｂの使用に基づく構成１４０Ｂを示す。第一の正のレンズ１４１Ｂに入射するコリメート光ビーム２２０Ｂは、第二の正のレンズ１４２Ｂから、より大きいコリメート光ビーム２３０Ｂとして射出する。ビームエキスパンダ１４０から出た光のうち少量が、トラッカから出る間にビームスプリッタ１４５、１５５で反射され、失われる。光のうち、ビームスプリッタ１５５を透過した部分は、ＡＤＭ  １６０からの光と結合されて、複合光ビーム１８８を形成し、これはそのレーザトラッカから出てレトロリフレクタ９０へと進む。
【００３１】
ある実施形態において、ＡＤＭ  １６０は、光源１６２と、ＡＤＭ電子装置１６４と、ファイバネットワーク１６６と、相互接続用電気ケーブル１６５と、相互接続用光ファイバ１６８、１６９、１８４、１８６と、を含む。ＡＤＭ電子装置は、電気変調およびバイアス電圧を光源１６２に送り、これは、例えば約１５５０ｎｍの波長で動作する分布帰還形レーザであってもよい。ある実施形態において、ファイバネットワーク１６６は、図８Ａに示される先行技術の光ファイバネットワーク４２０Ａであってもよい。この実施形態において、図３の光源１６２からの光は、図８Ａの光ファイバ４３２と同等の光ファイバ１８４に乗って進む。
【００３２】
図８Ａのファイバネットワークは、第一のファイバカプラ４３０と、第二のファイバカプラ４３６と、低透過率リフレクタ４３５、４４０と、を含む。光は第一のファイバカプラ４３０を通って進み、２つの経路、すなわち光ファイバ４３３を通って第二のファイバカプラ４３６に至る第一の経路と光ファイバ４２２とファイバ長イコライザ４２３を通る第二の経路に分かれる。ファイバ長イコライザ４２３は、ＡＤＭ電子装置１６４の基準チャネルへと進む図３のファイバ１６８に接続される。ファイバ長イコライザ４２３の目的は、基準チャネル内の光が通る光ファイバの長さを測定チャネル内で光が通る光ファイバの長さとマッチさせることである。このようにファイバ長をマッチさせることによって、周囲温度の変化により生じるＡＤＭエラーが減少する。このようなエラーは、光ファイバの有効光路長が、光ファイバの平均屈折率にファイバの長さを乗じたものに等しいために起こりうる。光ファイバの屈折率はファイバの温度に依存するため、光ファイバの温度の変化によって測定および基準チャネルの有効光路長が変化する。測定チャネル内の光ファイバの有効光路長が基準チャネル内の光ファイバの有効光路長に関して変化すると、レトロリフレクタターゲット９０が静止状態に保たれたとしても、レトロリフレクタターゲット９０の位置の見掛けのシフトが起こる。この問題を回避するために、２つのステップが取られる。第一に、基準チャネル内のファイバ長を測定チャネル内のファイバ長とできるだけマッチさせる。第二に、測定用および基準用ファイバを可能なかぎり隣り合わせで配線することにより、２つのチャネル内の光ファイバの温度変化が略同じになるようにする。
【００３３】
光は、第二の光ファイバカプラ４３６を通って進み、２つの経路、すなわち、低反射率ファイバターミネータ４４０に至る第一の経路と、光ファイバ４３８への第二の経路に分かれ、そこから図３の光ファイバ１８６へと進む。光ファイバ１８６上の光は第二のファイバ入射システム１７０へと進む。
【００３４】
ある実施形態において、ファイバ入射システム１７０が先行技術である図５に示されている。図３の光ファイバ１８６からの光は、図５のファイバ１７２へと進む。ファイバ入射システム１７０は、光ファイバ１７２と、フェルール(ferrule:継ぎ手)１７４と、レンズ１７６と、を含む。光ファイバ１７２はフェルール１７４に取り付けられ、これはレーザトラッカ１０内の構造体に固定して取り付けられる。希望に応じて、光ファイバの端を斜めに研磨して、反射減衰を低減させてもよい。光２５０は、ファイバのコアから射出し、これは使用する光の波長と光ファイバの具体的な種類に応じて、直径４〜１２マイクロメートルのシングルモード光ファイバであってもよい。光２５０は斜めに発散し、レンズ１７６を通り、これが光をコリメートする。ＡＤＭシステム内の１本の光ファイバを通る光信号を送信および受信する方法は、‘７５８号特許の図３に関して説明した。
【００３５】
図３を参照すると、ビームスプリッタ１５５はダイクロイックビームスプリッタであってもよく、これはそれが反射するものと異なる波長を透過させる。ある実施形態において、ＡＤＭ  １６０からの光はダイクロイックビームスプリッタ１５５で反射され、ダイクロイックビームスプリッタ１５５を透過した可視レーザ１１０からの光と結合する。複合光ビーム１８８は、レーザトラッカからレトロリフレクタ９０へと第一のビームとして進み、それがその光の一部を第二のビームとして戻す。第二のビームのうち、ＡＤＭ波長の部分はダイクロイックビームスプリッタ１５５で反射され、第二のファイバ入射システム１７０に戻り、これは光を光ファイバ１８６へと再び結合させる。
【００３６】
ある実施形態において、光ファイバ１８６は、図８Ａの光ファイバ４３８に対応する。戻り光は、光ファイバ４３８から第二のファイバカプラ４３６を通って進み、２つの経路に分かれる。第一の経路は光ファイバ４２４につながり、これは、ある実施形態において、光ファイバ１６９に対応し、これは図３のＡＤＭ電子装置の測定チャネルへとつながる。第二の経路は光ファイバ４３３につながり、次に第一のファイバカプラ４３０につながる。第一のファイバカプラ４３０を出た光は２つの経路、すなわち光ファイバ４３２への第一の経路と低反射率ターミネータ４３５への第二の経路に分かれる。ある実施形態において、光ファイバ４３２は光ファイバ１８４に対応し、これは図３の光源１６２につながる。ほとんどの場合、光源１６２は一体ファラデアイソレータを含み、これは光ファイバ４３２から光源に入る光の量を最小化する。過剰な光が反対方向にレーザに供給されると、レーザが不安定となる可能性がある。
【００３７】
ファイバネットワーク１６６からの光は、光ファイバ１６８、１６９を通じてＡＤＭ電子装置１６４に入る。先行技術のＡＤＭ電子装置のある実施形態が図７に示されている。図３の光ファイバ１６８は図７の光ファイバ３２３２に対応し、図３の光ファイバ１６９は図７の光ファイバ３２３０に対応する。ここで図７を参照すると、ＡＤＭ電子装置３３００は、周波数基準３３０２と、合成器３３０４と、測定検出器３３０６と、基準検出器３３０８と、測定ミキサ３３１０と、基準ミキサ３３１２と、コンディショニング電子装置３３１４、３３１６、３３１８、３３２０と、Ｎ分周プリスケーラ３３２４と、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３３２２と、を含む。周波数基準は、例えば恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）であってもよく、例えば１０ＭＨｚであってもよい基準周波数ｆＲＥＦを合成器に送り、これが２種類の電気信号、すなわち周波数ｆＲＦの１つの信号と周波数ｆＬＯの２つの信号を生成する。信号ｆＲＦは光源３１０２に進み、これは図３の光源１６２に対応する。周波数ｆＬＯの２つの信号は測定ミキサ３３１０と基準ミキサ３３１２に進む。図３の光ファイバ１６８、１６９からの光は、それぞれ図７のファイバ３２３２、３２３０に現れ、それぞれ基準および測定チャネルに入る。基準検出器３３０８と測定検出器３３０６は、光信号を電気信号に変換する。これらの信号は、それぞれ電気構成要素３３１６、３３１４により調整され、それぞれミキサ３３１２、３３１０に送られる。ミキサは周波数ｆＩＦを生成し、これはｆＬＯ−ｆＲＦの絶対値と等しい。信号ｆＲＦは比較的高い周波数で、例えば２ＧＨｚであってもよく、その一方で、信号ｆＩＦは比較的低い周波数、例えば１０ｋＨｚであってもよい。
【００３８】
基準周波数ｆＲＥＦは、プリスケーラ３３２４に送られ、それが周波数を整数で分周する。例えば、１０ＭＨｚの周波数は４０で分割されて出力周波数２５０ｋＨｚを得る。この例において、ＡＤＣ  ３３２２に入る１０ｋＨｚの信号は２５０ｋＨｚでサンプリングされ、その結果、１サイクルあたり２５のサンプルが生成される。ＡＤＣ  ３３２２からの信号はデータプロセッサ３４００に送られ、これは例えば、図３のＡＤＭ電子装置１６４の中にある１つまたは複数のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）であってもよい。
【００３９】
距離の抽出方法は、基準および測定チャネルのためのＡＤＣ信号の位相の計算に基づく。この方法は、Ｂｒｉｄｇｅｓ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第７，７０１，５５９号（‘５５９号特許）に詳細に説明されており、その内容を参照によって本願に援用する。計算には、‘５５９号特許の等式（１）−（８）の使用が含まれる。これに加えて、ＡＤＭが最初にレトロリフレクタの測定を開始すると、合成器により生成される周波数は何回か（例えば３回）変更され、毎回、ありうるＡＤＭ距離が計算される。選択された周波数の各々についてありうるＡＤＭ距離を比較することにより、ＡＤＭ測定の不明確さが排除される。‘５５９号特許の等式（１）−（８）を‘５５９号特許の図５に関して説明されている合成方法および‘５５９号特許に記載されているカルマンフィルタと組み合わせることによって、ＡＤＭは移動するターゲットを測定できることになる。他の実施形態において、例えば位相差ではなくパルス式飛行時間を利用する等、絶対距離測定値を取得する他の方法が使用されてもよい。
【００４０】
ビームスプリッタ１５５を通過する戻り光ビーム１９０の一部はビームスプリッタ１４５に到達し、これはその光の一部をビームエキスパンダ１４０に、その光の別の部分を位置検出器アセンブリ１５０に送る。レーザトラッカ１０またはＥＯシステム１００から射出した光は第一のビームとして考えてもよく、その光のうち、レトロリフレクタ９０または２６で反射する部分は第二のビームと考えてもよい。反射ビームの一部は、ＥＯシステム１００の異なる機能的要素に送られる。例えば、第一の部分は、図３のＡＤＭ  １６０等の距離計に送られてもよい。第二の部分は位置検出器アセンブリ１５０に送られてもよい。場合により、第三の部分が任意選択による干渉計１２０等の他の機能的ユニットに送られてもよい。図３の例においては、第二のビームの第一の部分と第二の部分がそれぞれビームスプリッタ１５５および１４５で反射された後に距離計と位置検出器に送られているが、光を反射させるのではなく、距離計または位置検出器へと透過させることが可能であったであろう点を理解することが重要である。
【００４１】
先行技術の位置検出器アセンブリの４つの例である１５０Ａ〜１５０Ｄが図６Ａ〜Ｄに示されている。図６Ａは最も単純な実施例を示しており、位置検出器アセンブリは位置センサ１５１を含み、これは電子装置ボックス３５０から電源を取り、そこに信号を戻す回路板１５２の上に取り付けられ、電子装置ボックス３５０は、レーザトラッカ１０、補助ユニット５０、または外部コンピュータ６０の中の何れの位置における電子処理能力を表していてもよい。図６Ｂは光学フィルタ１５４を含み、これは不要な光波長が位置センサ１５１に到達しないように遮断する。不要な光波長はまた、例えばビームスプリッタ１５４または位置センサ１５１の表面を適当な膜で被覆することによって遮断してもよい。図６Ｃはレンズ１５３を含み、これは光ビームのサイズを縮小する。図６Ｄは、光学フィルタ１５４とレンズ１５３の両方を含む。
【００４２】
図６Ｅは、光学調整器１４９Ｅを含む新規な位置検出器アセンブリを示す。光学調整器はレンズ１５３を含み、また、任意選択による波長フィルタ１５４も含んでいてよい。それに加えて、これは拡散板１５６および空間フィルタ１５７の少なくとも一方を含む。前述のように、人気の高い種類のレトロリフレクタはコーナキューブレトロリフレクタである。１つの種類のコーナキューブレトロリフレクタは３つのミラーからなり、各々が他の２つのミラーと直角に接合される。これら３つのミラーが接合する交線は有限厚（finite thickness）を有していてもよく、そこでは光が完全に反射してトラッカに戻るとはかぎらない。有限厚の線は、それらが伝播する際に回折するため、位置検出器に到達した時に位置検出器におけるそれとまったく同じには見えないかもしれない。しかしながら、回折光パターンは一般に、完全な対称からずれる。その結果、位置検出器１５１に当たる光には、例えば回折線の付近で光学パワー（ホットスポット）の増減がありうる。レトロリフレクタからの光の均一性はレトロリフレクタによって異なるため、また、位置検出器上での光の分布が、リフレクタの回転または傾斜に伴って変化しうるため、拡散板１５６を含めることによって位置検出器１５１に当たる光の平滑さを改善することが有利であるかもしれない。理想的な位置検出器は質量中心に応答するはずであり、理想的な拡散板はスポットを対称に広げるはずであるため、位置検出器により得られた、結果としての位置には影響がないはずであるとの議論があるかもしれない。しかしながら、実際には、拡散板は位置検出器アセンブリの性能を改善することが観察されており、これはおそらく、位置検出器１５１とレンズ１５３の非線形性（不完全性）の効果であろう。ガラス製のコーナキューブレトロリフレクタもまた、位置検出器１５１において光の不均一なスポットを生成するかもしれない。位置検出器における光のスポットのばらつきは、６−ＤＯＦターゲットの中のコーナキューブからの反射光により特に顕著であるかもしれず、これは本願と共通の出願人によるＢｒｏｗｎ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，７４０，３９６号（‘３９６号特許）および上述の、本願と共通の出願人によるＣｒａｍｅｒ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第４，４６７，０７２号（‘０７２号特許）からより明瞭に理解されると思われ、両特許の内容を参照によって本願に援用する。ある実施形態において、拡散板１５６はホログラフィックディフューザである。ホログラフィックディフューザは、特定の拡散角度にわたり制御された均一な光を提供する。他の実施形態においては、すりガラスまたは「オパール」拡散板等、他の種類の拡散板が使用される。
【００４３】
位置検出器アセンブリ１５０Ｅの空間フィルタ１５７の目的は、例えば光学面での不要な反射の結果でありうるゴーストビームが位置検出器１５１に当たらないように遮断することである。空間フィルタは、アパーチャを有する板１５７を含む。空間フィルタ１５７をレンズから、レンズの焦点距離と略等しい距離を空けて設置することにより、戻り光２４３Ｅはそれがその最も狭い部分の付近にある時、すなわちビームのウェストにおいて空間フィルタを通過する。例えば、光学素子の反射の結果として異なる角度で進むビームは、アパーチャから離れた位置で空間フィルタに当たり、位置検出器１５１に到達しないように遮断される。一例が図６Ｅに示されており、そこでは不要なゴーストビーム２４４Ｅがビームスプリッタ１４５の表面で反射されて空間フィルタ１５７へと進み、そこで遮断される。空間フィルタがなければ、ゴーストビーム２４４Ｅは位置検出器１５１を通り、それによって位置検出器１５１上のビーム２４３Ｅの位置の判定が不正確となる。弱いゴーストビームでも、そのゴーストビームが光の主要スポットから比較的長い距離だけ離れていれば、位置検出器１５１上の質量中心の位置を大きく変化させるかもしれない。
【００４４】
ここに記載されているような種類のレトロリフレクタ、例えばコーナキューブまたはキャットアイレトロリフレクタは、レトロリフレクタに入射する光線を入射光線と平行な方向に反射させる特性を有する。それに加えて、入射および反射光線はレトロリフレクタの対称点の周囲に対称に配置される。例えば、オープンエアコーナキューブレトロリフレクタにおいて、レトロリフレクタの対称点はコーナキューブの頂点である。ガラスコーナキューブレトロリフレクタでは、対称点は同様に頂点であるが、この場合、ガラス−空気界面において光が曲がることを考慮しなければならない。屈折率２．０のキャットアイレトロリフレクタでは、対称点は球の中心である。共通平面上に対称に置かれた２つのガラスの半球からなるキャットアイレトロリフレクタの場合、対称点はその平面上の、各半球の球の中心にある点である。要点は、レーザトラッカに通常使用されるレトロリフレクタの種類については、レトロリフレクタによりトラッカへと戻される光が、入射レーザビームに関して頂点の反対側にシフトすることである。
【００４５】
図３におけるレトロリフレクタ９０のこのような挙動が、レーザトラッカによるレトロリフレクタの追跡の基礎となる。位置センサは、その表面上に理想回帰点を持つ。理想回帰点とは、レトロリフレクタの対称点（例えば、ＳＭＲにおけるコーナキューブレトロリフレクタの頂点）に送られたレーザビームが戻る点である。通常、回帰点は位置センサの中心付近にある。レーザビームがレトロリフレクタの片側に送られると、それは反射して反対側に戻り、位置センサ上の回帰点から外れて現れる。位置センサ上の戻り光ビームの位置を認識することによって、レーザトラッカ１０の制御システムはモータに対し、光ビームがレトロリフレクタの対称点に向けて移動するようにさせることができる。
【００４６】
レトロリフレクタが一定の速度でトラッカへと横方向に移動すると、レトロリフレクタにおける光ビームはレトロリフレクタに（過渡信号が落ち着いた後に）レトロリフレクタの対称点から一定のオフセット距離で当たる。レーザトラッカは、レトロリフレクタにおけるこのオフセット距離について、制御された測定から得られたスケール係数および位置センサ上の光ビームから理想回帰点までの距離に基づいて補正を行う。
【００４７】
前述のように、位置検出器は２つの重要な機能、すなわちトラッキングを可能にする機能と、レトロリフレクタの移動について測定値の補正を行う機能を果たす。位置検出器内の位置センサは、位置測定が可能な何れの種類の装置であってもよい。例えば、位置センサは、位置検出素子または感光体アレイであってもよい。位置検出素子は、例えばラテラル効果検出器または４分割検出器であってもよい。感光体アレイは、例えばＣＭＯＳまたはＣＣＤアレイであってもよい。
【００４８】
ある実施形態において、ビームスプリッタ１４５で反射しない戻り光はビームエキスパンダ１４０を透過し、それによってより小さくなる。他の実施形態において、位置検出器と距離計の位置は逆転されて、ビームスプリッタ１４５で反射した光は距離計へと進み、ビームスプリッタを透過した光は位置検出器へと進む。
【００４９】
光は任意選択によるＩＦＭを通り、アイソレータを通り、可視光源１１０に入る。この段階で、光学パワーは、それが可視光源１１０を不安定にしないように十分に小さくあるべきである。
【００５０】
ある実施形態において、可視光源１１０からの光は、図５のビーム入射システム１７０を通じて入射する。ファイバ入射システムは、光源１１０の出力またはアイソレータ１１５の光ファイバ出力に取り付けられてもよい。
【００５１】
ある実施形態において、図３のファイバネットワーク１６６は図８Ｂの先行技術のファイバネットワーク４２０Ｂである。ここで、図３の光ファイバ１８４、１８６、１６８、１６９は、図８の光ファイバ４４３、４４４、４２４、４２２に対応する。図８Ｂのファイバネットワークは図８Ａのファイバネットワークと同様であるが、図８Ｂのファイバネットワークは２つのファイバカプラの代わりに１つのファイバカプラを有する。図８Ｂの図８Ａに対する利点は単純さであるが、図８Ｂは不要な光学的後方反射が光ファイバ４２２および４２４に入る可能性がより高い。
【００５２】
ある実施形態において、図３のファイバネットワーク１６６は図８Ｃのファイバネットワーク４２０Ｃである。ここで、図３の光ファイバ１８４、１８６、１６８、１６９は図８Ｃの光ファイバ４４７、４５５、４２３、４２４に対応する。ファイバネットワーク４２０Ｃは、第一のファイバカプラ４４５と第二のファイバカプラ４５１を含む。第一のファイバカプラ４４５は、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する２×２カプラである。この種のカプラは通常、２つのファイバコアを近接させ、その後、ファイバを加熱しながら引き伸ばすことによって作られる。このようにして、ファイバ間のエバネッセントカプリングにより、光のうちの所望の部分を隣接するファイバへと分割することができる。第二のファイバカプラ４５１は、サーキュレータと呼ばれる種類のものである。これは３つのポートを有し、各々が光を透過させ、または受け取る能力を有するが、指定された方向に限定される。例えば、光ファイバ４４８上の光はポート４５３に入り、矢印に示されるように、ポート４５４に向かって運ばれる。ポート４５４では、光が光ファイバ４５５へと透過させられてもよい。同様に、ポート４５５上で進む光はポート４５４に入り、矢印の方向にポート４５６へと進んでもよく、ここで一部の光が光ファイバ４２４へと透過させられてもよい。３つのポートだけでよい場合、サーキュレータ４５１の光学パワーの損失は２×２カプラの場合より少なくなるかもしれない。他方で、サーキュレータ４５１は２×２カプラより高価であるかもしれず、また、偏波モード分散が発生するかもしれず、これは状況によって問題となりうる。
【００５３】
図９および１０は、前述の‘９８３号特許の図２および３に描かれている、先行技術のレーザトラッカ２１００の、それぞれ分解図と断面図を示す。アジマスアセンブリ２１１０は支柱筐体２１１２と、アジマスエンコーダアセンブリ２１２０と、下側および上側アジマス軸受２１１４Ａ、２１１４Ｂと、アジマスモータアセンブリ２１２５と、アジマススリップリングアセンブリ２１３０と、アジマス回路板２１３５と、を含む。
【００５４】
アジマスエンコーダアセンブリ２１２０の目的は、支柱筐体２１１２に関するヨーク２１４２の回転角度を正確に測定することである。アジマスエンコーダアセンブリ２１２０は、エンコーダディスク２１２１と、読取りヘッドアセンブリ２１２２と、を含む。エンコーダディスク２１２１はヨーク筐体２１４２のシャフトに取り付けられ、読取りヘッドアセンブリ２１２２は支柱アセンブリ２１１０に取り付けられる。読取りヘッドアセンブリ２１２２は回路板を含み、その上に１つまたは複数の読取りヘッドが固定される。読取りヘッドから送られたレーザ光は、エンコーダディスク２１２１上の細かい格子の線で反射される。反射光はエンコーダ読取りヘッド上の検出器によりピックアップされ、処理されて、固定された読取りヘッドに関するエンコーダディスクの回転角度が特定される。
【００５５】
アジマスモータアセンブリ２１２５は、アジマスモータロータ２１２６とアジマスモータステータ２１２７を含む。アジマスモータロータは、ヨーク筐体２１４２のシャフトに直接取り付けられた永久磁石を含む。アジマスモータステータ２１２７は、所定の磁界を生成する界磁巻線を含む。この磁界はアジマスモータロータ２１２６の磁石と相互作用して、所望の回転運動を発生させる。アジマスモータステータ２１２７は、支柱フレーム２１１２に取り付けられる。
【００５６】
アジマス回路板２１３５は、エンコーダやモータ等のアジマス構成要素により必要な電気機能を提供する１つまたは複数の回路板を表す。アジマススリップリングアセンブリ２１３０は、外側部分２１３１と内側部分２１３２を含む。ある実施形態において、結束ワイヤ２１３８が補助ユニットプロセッサ５０から出る。結束ワイヤ２１３８は、トラッカに電源を供給し、またはトラッカとの信号の送受信を行ってもよい。結束ワイヤ２１３８の一部は、回路板上のコネクタへと向けられてもよい。図１０に示されている例において、ワイヤはアジマス回路板２１３５、エンコーダ読取りヘッドアセンブリ２１２２、およびアジマスモータアセンブリ２１２５へと配線される。他のワイヤは、スリップリングアセンブリ２１３０の内側部分２１３２へと配線される。内側部分２１３２は支柱アセンブリ２１１０に取り付けられ、その結果、静止したままである。外側部分２１３１はヨークアセンブリ２１４０に取り付けられ、その結果、内側部分２１３２に関して回転する。スリップリングアセンブリ２１３０は外側部分２１３１が内側部分２１３２に関して回転するときに低インピーダンスの電気接触が可能となるように設計される。
【００５７】
セニスアセンブリ２１４０は、ヨーク筐体２１４２と、ゼニスエンコーダアセンブリ２１５０と、左右のゼニス軸受２１４４Ａ、２１４４Ｂと、ゼニスモータアセンブリ２１５５と、ゼニススリップリングアセンブリ２１６０と、ゼニス回路板２１６５と、を含む。
【００５８】
ゼニスエンコーダアセンブリ２１５０の目的は、ヨーク筐体２１４２に関するペイロードフレーム２１７２の回転角度を正確に測定することである。ゼニスエンコーダアセンブリ２１５０は、ゼニスエンコーダディスク２１５１と、ゼニス読取りヘッドアセンブリ２１５２と、を含む。エンコーダディスク２１５１は、ペイロード筐体２１４２に取り付けられ、読取りヘッドアセンブリ２１５２はヨーク筐体２１４２に取り付けられる。ゼニス読取りヘッドアセンブリ２１５２は回路板を含み、その上に１つまたは複数の読取りヘッドが固定される。読取りヘッドから送られるレーザ光はエンコーダディスク２１５１上の細かい格子の線で反射される。反射光はエンコーダ読取りヘッド上の検出器によってピックアップされ、処理されて、固定された読取りヘッドに関するエンコーダディスクの回転角度が特定される。
【００５９】
ゼニスモータアセンブリ２１５５は、ゼニスモータロータ２１５６とゼニスモータステータ２１５７を含む。ゼニスモータロータ２１５６は、ペイロードフレーム２１７２のシャフトに直接取り付けられた永久磁石を含む。ゼニスモータステータ２１５７は、所定の磁界を生成する界磁巻線を含む。この磁界はロータ磁石と相互作用して、所望の回転運動を発生させる。ゼニスモータステータ２１５７は、ヨークフレーム２１４２に取り付けられる。
【００６０】
ゼニス回路板２１６５は、エンコーダやモータ等のゼニス構成要素により必要とされる電気機能を提供する１つまたは複数の回路板を表す。ゼニススリップリングアセンブリ２１６０は、外側部分２１６１と内側部分２１６２を含む。結束ワイヤ２１６８は、アジマス外側スリップリング２１３１から出て、電源または信号を運んでもよい。結束ワイヤ２１６８のワイヤのうちの一部は、回路板上のコネクタにつながってもよい。図１０に示される例において、ワイヤはゼニス回路板２１６５、ゼニスモータアセンブリ２１５０、およびエンコーダ読取りヘッドアセンブリ２１５２へと配線される。他のワイヤは、スリップリングアセンブリ２１６０の内側部分２１６２へと配線される。内側部分２１６２はヨークフレーム２１４２に取り付けられ、その結果、アジマス角度にのみ回転するが、ゼニス角度には回転しない。外側部分２１６１はペイロードフレーム２１６２に取り付けられ、その結果、ゼニスおよびアジマス角度の両方に回転する。スリップリングアセンブリ２１６０は、外側部分２１６１が内側部分２１６２に関して回転する時に低インピーダンスの電気接触が可能となるように設計される。ペイロードアセンブリ２１７０は主要光学アセンブリ２１８０と第二の光学アセンブリ２１９０を含む。
【００６１】
図１１は、寸法測定電子装置処理システム１５００を示すブロック図であり、これはレーザトラッカ電子装置処理システム１５１０と、周辺素子１５８２、１５８４、１５８６の処理システムと、コンピュータ１５９０と、ここでは雲（クラウド）として示されているネットワーク接続された他の構成要素１６００と、を含む。例示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、ディスプレイと、ユーザインタフェース（ＵＩ）電子装置１５６０と、リムーバブルストレージハードウェア１５６５と、ＲＦＩＤ（無線識別）電子装置と、アンテナ１５７２と、を含む。ペイロード機能電子装置１５３０は、６−ＤＯＦ電子装置１５３１、カメラ電子装置１５３２、ＡＤＭ電子装置１５３３、位置検出器（ＰＳＤ）電子装置１５３４、およびレベル電子装置１５３５を含む多数の副機能を含む。副機能のほとんどは少なくとも１つのプロセッサユニットを有し、これ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）であってもよい。電子装置ユニット１５３０、１５４０、および１５５０は図のように分離されており、これは、レーザトラッカ内のそれらの位置による。ある実施形態において、ペイロード機能１５３０は図９および１０のペイロード２１７０の中にあり、その一方で、アジマスエンコーダ電子装置１５４０はアジマスアセンブリ２１１０の中にあり、ゼニスエンコーダ電子装置１５５０はゼニスアセンブリ２１４０の中にある。
【００６２】
多くの種類の周辺装置が使用可能であるが、ここでは３つのそのような装置、すなわち、温度センサ１５８２、６−ＤＯＦプローブ１５８４および、例えばスマートフォン等の携帯情報端末１５８６が示されている。本発明の実施形態により後でより詳しく説明するように、図１１に示されていない他の種類の周辺装置は、三角計測スキャナ、特に６−ＤＯＦ三角計測スキャナ、例えばレーザラインプローブ（ＬＬＰ）またはエリアストラクチャードライトスキャナである。レーザトラッカは周辺装置と様々な方法で通信してもよく、これにはアンテナ１５７２での無線通信による方法、カメラ等のビジョンシステムによる方法、および６−ＤＯＦプローブ１５８４または三角計測スキャナ等の協調ターゲットまでのレーザトラッカの距離および角度読取値によって行われる。周辺装置は、プロセッサを含んでいてもよい。一般に、６−ＤＯＦアクセサリは６−ＤＯＦプロービングシステム、６−ＤＯＦスキャナ、６−ＤＯＦプロジェクタ、６−ＤＯＦセンサ、および６−ＤＯＦインディケータを含んでいてもよい。これらの６−ＤＯＦ装置のプロセッサは、レーザトラッカ内の処理装置のほか、外部コンピュータとクラウド処理資源と共に使用されてもよい。一般に、レーザトラッカプロセッサまたは測定装置プロセッサという用語が使用されるとき、これは使用可能な外部コンピュータとクラウドサポートを含むものとする。
【００６３】
ある実施形態において、別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の各々につながる。各通信ラインは、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していてもよい。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目すべきが否かを示す。それが、注目するべきであることを示すと、電子装置ユニットは各クロック信号でデータラインの現在の数値を読み取る。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。ある実施形態において、情報はデータライン上でパケットの形態で伝送される。ある実施形態において、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、電子機器ユニット内のどこにテータメッセージを向けるかを示す。その場所は、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してもよい。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または命令を含む。チェックサムは、通信ライン上でエラーが送信される機会を最小限にするために使用される数値である。
【００６４】
ある実施形態において、マスタプロセッサ１５２０は情報パケットを、バス１６１０上でペイロード機能電子装置１５３０に、バス１６１１上でアジマスエンコーダ電子装置１５４０に、バス１６１２上でゼニスエンコーダ電子装置１５５０に、バス１６１３上でディスプレイおよびＵＩ電子装置１５６０に、バス１６１４上でリムーバブルストレージハードウェア１５６５に、バス１６１６上でＲＦＩＤおよび無線電子装置１５７０に送信する。
【００６５】
ある実施形態において、マスタプロセッサ１５２０はまた、ｓｙｎｃｈ（同期）パルスをｓｙｎｃｈバス１６３０上で電子装置ユニットの各々に同時に送信する。ｓｙｎｃｈパルスは、レーザトラッカの測定機能により収集される数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とゼニス電子装置１５５０は、ｓｙｎｃｈパルスを受信するとすぐにそれらのエンコーダの数値をラッチする。同様に、ペイロード機能電子装置１５３０は、ペイロードの中に含まれる電子装置が収集するデータをラッチする。６−ＤＯＦ、ＡＤＭ、および位置検出器はすべて、ｓｙｎｃｈパルスが供給されると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、ｓｙｎｃｈパルスより低速でデータを収集するが、ｓｙｎｃｈパルス周期の倍数でデータをラッチしてもよい。
【００６６】
アジマスエンコーダ電子機器１５４０およびゼニスエンコーダ電子装置１５５０は典型的に、例えばスリップリングによって相互に、およびペイロード電子装置１５３０から分離されている。そのために、図１１では、バスライン１６１０、１６１１、および１６１２は別々のバスラインとして示されている。
【００６７】
レーザトラッカ電子部品処理システム１５１０は、外部コンピュータ１５９０と通信してもよく、またはレーザトラッカ内の計算、表示、および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ラインまたは無線接続であってもよい通信リンク１６０６上でコンピュータ１５９０と通信する。レーザトラッカはまた、雲で表されているその他の要素１６００と、イーサネットケーブル等の１本または複数の電気ケーブルおよび１つまたは複数の無線接続を含んでいてもよい通信リンク１６０２上で通信してもよい。要素１６００の一例は、他の３次元試験機器、例えば関節アームＣＭＭであり、これはレーザトラッカによって移動されてもよい。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）でも無線でもよい。リモートコンピュータ１５９０に向かって座っているオペレータは、雲１６００で表されているインターネットに、それ自体はイーサネットまたは無線ラインでマスタプロセッサ１５２０に接続されているイーサネットまたは無線ラインで接続してもよい。このようにして、使用者はリモートレーザトラッカの動作を制御してもよい。
【００６８】
今日のレーザトラッカは、ＡＤＭのために１つの可視波長（通常、赤）と１つの赤外波長を使用する。赤波長は、干渉計での使用および、赤色ポインタビームの提供に使用するのに適した周波数安定ヘリウムネオン（ＨｅＮｅ）レーザにより提供されてもよい。あるいは、赤波長は、ポインタビームのような機能を果たすダイオードレーザにより提供されてもよい。２つの光源を使用した場合の欠点は、追加の光源、ビームスプリッタ、アイソレータ、およびその他の構成要素に必要な追加のスペースとコストの増大である。２つの光源を使用した場合の他の欠点は、ビームが進む経路全体に沿って、２つの光ビームを完全に整合させることが困難であることである。これは様々な問題を引き起こすかもしれず、例えば、異なる波長で動作する異なるサブシステムから良好な性能を同時に得ることができない。１つの光源を使用することによってこれらの問題を排除するシステムが、図１２Ａの光電気システム５００の中に示されている。
【００６９】
図１２Ａは、可視光源１１０と、アイソレータ１１５と、ファイバネットワーク４２０と、ＡＤＭ電子装置５３０と、ファイバ入射システム１７０と、ビームスプリッタ１４５と、位置検出器１５０と、を含む。可視光源１１０は、例えば赤色または緑色ダイオードレーザまたは垂直共振器面発光レーザ（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ）（ＶＣＳＥＬ）であってもよい。アイソレータは、ファラデアイソレータ、減衰器、または光源にフィードバックされる光の量を十分に減少させることのできる他のあらゆる装置を含んでいてもよい。アイソレータ１１５からの光はファイバネットワーク４２０の中へと進み、これは、ある実施形態において、図８Ａのファイバネットワーク４２０Ａである。
【００７０】
図１２Ｂはある実施形態の光電気システム４００を示しており、その中では、光の１つの波長だけが使用されるが、変調は、光源の直接変調ではなく、光の電気光学変調によって実行される。光電気システム４００は、可視光源１１０と、アイソレータ１１５と、電気光学モジュレータ４１０と、ＡＤＭ電子装置４７５と、ファイバネットワーク４２０と、ファイバ入射システム１７０と、ビームスプリッタ１４５と、位置検出器１５０と、を含む。可視光源１１０は、例えば赤色または緑色レーザダイオードであってもよい。レーザ光はアイソレータ１１５を通じて送られ、これは例えばファラデアイソレータまたは減衰器であってもよい。アイソレータ１１５は、その入力および出力ポートにおいてファイバで連結されていてもよい。アイソレータ１１５は光を電気光学モジュレータ４１０に送り、これは光を、最高１０ＧＨｚか希望に応じてそれより高くてもよい選択された周波数に変調する。ＡＤＭ電子装置４７５からの電気信号４７６は、電気光学モジュレータ４１０の中の変調を駆動する。電気光学モジュレータ４１０からの変調された光はファイバネットワーク４２０へと進み、これは前述のファイバネットワーク４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃ、または４２０Ｄであってもよい。光の一部は光ファイバ４２２上でＡＤＭ電子装置４７５の基準チャネルへと進む。光の別の部分は、トラッカから射出し、レトロリフレクタ９０で反射され、トラッカに戻り、ビームスプリッタ１４５に到達する。光のうちの少量がビームスプリッタで反射され、位置検出器１５０に進み、これについては図６Ａ〜Ｆに関して上で説明した。光の一部はビームスプリッタ１４５を通じてファイバ入射システム１７０に入り、ファイバネットワーク４２０を通じて光ファイバ４２４に、またＡＤＭ電子装置４７５の測定チャネルへと入る。一般に、図１２Ａのシステム５００は図１２Ｂのシステム４００より安価に製造できるが、電気光学モジュレータ４１０はより高い変調周波数を達成できるかもしれず、これは状況によって有利となりうる。
【００７１】
図１３は、ある実施形態のロケータカメラシステム９５０と光電気システム９００を示しており、その中では方位カメラ９１０が３Ｄレーザトラッカの光電気機能と組み合わされて、装置の６自由度を測定する。光電気システム９００は、可視光源９０５と、アイソレータ９１０と、任意選択による電気光学モジュレータ４１０と、ＡＤＭ電子装置７１５と、ファイバネットワーク４２０と、ファイバ入射システム１７０と、ビームスプリッタ１４５と、位置検出器１５０と、ビームスプリッタ９２２と、方位カメラ９１０と、を含む。可視光源からの光は光ファイバ９８０内に発せられ、アイソレータ９１０を通って進み、その入力および出力ポートには光ファイバが連結されていてもよい。光は、ＡＤＭ電子装置７１５からの電気信号７１６により変調される電気光学モジュレータ４１０を通って進んでもよい。あるいは、ＡＤＭ電子装置７１５は、ケーブル７１７で電気信号を送信し、可視光源９０５を変調させてもよい。ファイバネットワークに入射する光の一部は、ファイバ長イコライザ４２３と光ファイバ４２２を通って進み、ＡＤＭ電子装置７１５の基準チャネルに入る。電気信号４６９は任意選択により、ファイバネットワーク４２０に印加されて、ファイバネットワーク４２０内の光ファイバスイッチに切換え信号を供給してもよい。光の一部はファイバネットワークからファイバ入射システム１７０へと進み、これがその光を光ファイバ上で光ビーム９８２として自由空間に送る。光のうちの少量がビームスプリッタ１４５で反射され、失われる。光の一部はビームスプリッタ１４５を通り、ビームスプリッタ９２２を通り、レーザトラッカから出て６自由度（ＤＯＦ）装置４０００に至る。６−ＤＯＦ装置４０００は、プローブ、プロジェクタ、センサ、または他の何れの種類の６−ＤＯＦ装置であってもよい。後でより詳しく説明する本発明の実施形態において、６−ＤＯＦ装置４０００は、例えばレーザラインプローブ（ＬＬＰ）または構造化光エリアスキャナ等の６−ＤＯＦ三角計測スキャナを含む。６−ＤＯＦ三角計測スキャナは、そこに取り付けられたレトロリフレクタを有し、スキャナの６自由度の測定または判定が容易である。
【００７２】
レーザトラッカへのその戻り経路で、６−ＤＯＦ装置４０００からの光は光電気システム９００に入射し、ビームスプリッタ９２２に到達する。光の一部はビームスプリッタ９２２で反射され、方位カメラ９１０に入射する。方位カメラ９１０はレトロリフレクタターゲット上に設けられたいくつかのマークの位置を記録する。これらのマークから、６−ＤＯＦプローブ装置の方位角（すなわち、３自由度）が特定される。方位カメラの原理は、本願の中で後述され、また前述の‘７５８号特許にも記載されている。ビームスプリッタ１４５では、光の一部がビームスプリッタを通過し、ファイバ入射システム１７０によって光ファイバへと送られる。光はファイバネットワーク４２０へと進む。この光の一部は光ファイバ４２４へと進み、そこからＡＤＭ電子装置７１５の測定チャネルに入射する。
【００７３】
ロケータカメラシステム９５０は、カメラ９６０と、１つまたは複数の光源９７０と、を含む。ロケータカメラシステムはまた、図１のレーザトラッカ１０に関して示されており、カメラが要素５２であり、光源が要素５４である。カメラ９６０はレンズシステム９６２と、感光体アレイ９６４と、本体９６６と、を含む。ロケータカメラシステム９５０の１つの用途は、作業空間内のレトロリフレクタターゲットの位置を特定することである。これは、光源９７０を点滅させることによって行われ、これがカメラによって感光体アレイ９６４上の明るいスポットとしてピックアップされる。ロケータカメラシステム９５０の第二の用途は、６−ＤＯＦ装置４０００の大まかな方位を、６−ＤＯＦ装置４０００上のリフレクタスポットまたはＬＥＤの観察された位置に基づいて判断することである。２つまたはそれ以上のロケータカメラシステム９５０をレーザトラッカ１０上で使用できる場合、三角測量の原理に基づいて作業空間内の各レトロリフレクタターゲットへの方向を計算できる。１つのロケータカメラがレーザトラッカの光軸に沿って反射される光をピックアップするように位置付けられていれば、各レトロリフレクタターゲットへの方向を特定できる。１つのカメラがレーザトラッカの光軸からずらして配置されていれば、感光体アレイ上の画像からレトロリフレクタターゲットの大まかな方向を即座に得ることができる。この場合、ターゲットへのより正確な方向は、レーザの機械軸を複数の方向に回転させ、感光体アレイ上のスポット位置の変化を観察することによって特定できる。
【００７４】
図１４は、レーザトラッカの光電気システム９００およびロケータカメラシステム９５０と共に使用される、ある実施形態の６−ＤＯＦプローブ２０００を示す。本発明の実施形態において、レーザトラッカは、例えば図１のレーザトラッカ１０等、本願で開示され、例示されているレーザトラッカのいずれであっても、または本願で開示されていない他の同様の装置であってもよい。光電気システム９００とロケータカメラシステム９５０は、図１３を参照しながら説明した。他の実施形態において、光電気システム９００の代わりに、２つまたはそれ以上の波長の光を有する光電気システムが使用される。
【００７５】
６−ＤＯＦプローブ（または「ワンド(wand)」）２０００は、本発明の実施形態では手持ち式であってもよく、本体２０１４と、レトロリフレクタ２０１０と、プローブ伸縮アセンブリ２０５０と、任意選択による電気ケーブル２０４６と、任意選択によるバッテリ２０４４と、インタフェース構成要素２０１２と、識別要素２０４９と、アクチュエータボタン２０１６と、アンテナ２０４８と、電子装置回路板２０４２と、を含む。レトロリフレクタ２０１０は、中空のコアまたはガラスコアを有するコーナキューブレトロリフレクタであってもよい。レトロリフレクタ２０１０には、光電気システム９００内の方位カメラがレーザトラッカから物理的に分離された６−ＤＯＦプローブ２０００の３方位自由度を判定できるようにマークが付けられていてもよい。このようなマーキングの一例は、前述の‘７５８号特許に記載されているように、レトロリフレクタ２０１０の３つの平坦なリフレクタ表面間の交線を暗色化することである。
【００７６】
プローブ伸縮アセンブリ２０５０は、プローブ伸縮部２０５２と、プローブチップ２０５４と、を含む。プローブチップ２０５４は「ハード」コンタクト型プローブチップであってもよく、これは被験物体と物理的に接触して、プローブチップ２０５４の３Ｄ座標を判定することによって、物体表面の３座標測定を行う。図１４の実施形態では、プローブチップ２０５４がレトロリフレクタ２０１０の本体２０１４に接続されてはいるものの、そこからある距離だけ分離され、離して位置付けられているが、６−ＤＯＦレーザトラッカはレーザトラッカから６−ＤＯＦプローブ２０００に送られる光ビーム７８４の視線から隠れた点におけるプローブチップ２０５４の３Ｄ座標を容易に判定できることが知られている。そのため、６−ＤＯＦプローブは、隠蔽点探索プローブ（ｈｉｄｄｅｎ−ｐｏｉｎｔ  ｐｒｏｂｅ）と呼ばれることがある。
【００７７】
電源は任意選択による電気ケーブル２０４６上で、または任意選択によるバッテリ２０４４によって供給されてもよい。電源は、電子装置用回路板２０４２に電力を供給する。電子装置用回路板２０４２は、レーザトラッカまたは外部コンピュータと通信していてもよいアンテナ２０４８と、使用者がレーザトラッカまたは外部コンピュータと従来の方法で通信できるようにするアクチュエータボタン２０１６に電力を供給する。電子装置用回路板２０４２はまた、ＬＥＤ、材料温度センサ（図示せず）、気温センサ（図示せず）、慣性センサ（図示せず）、または傾斜計（図示せず）にも電力を供給してよい。インタフェース構成要素２０１２は、例えば光源（ＬＥＤ等）、小型レトロリフレクタ、反射材料領域、または基準マークであってもよい。インタフェース構成要素２０１２は、レトロリフレクタ２０１０の大まかな方位を判断するために使用され、これは６−ＤＯＦプローブ２０００の基準フレームを決定するための６−ＤＯＦ角度の計算に必要である。識別要素２０４９は、レーザトラッカに６−ＤＯＦプローブ２０００に関するパラメータまたは通し番号を提供するために使用される。識別要素は例えば、バーコードまたはＲＦ識別タグであってもよい。
【００７８】
レーザトラッカは、あるいは、光ビーム７８４をレトロリフレクタ２０１１に供給してもよい。光ビーム７８４を複数のレトロリフレクタのうちの何れかに供給することによって、手持ち式の６−ＤＯＦプローブ、すなわちワンド２０００は、物体の探査中、プローブ伸縮アセンブリ２０５０を用いて様々な方向に物理的に向き付けることができる。
【００７９】
レーザトラッカにより測定されるプローブ２０００の６自由度は、３つの並進自由度と３つの方位自由度を含むと考えてもよい。３つの並進自由度は、レーザトラッカとレトロリフレクタとの間の半径方向距離測定、第一の角度測定、および第二の角度測定が含まれていてもよい。半径方向の距離測定は、レーザトラッカ内のＩＦＭまたはＡＤＭで行われてもよい。第一の角度測定は、アジマス角度エンコーダ等のアジマス角度測定装置で行われてもよく、第二の角度測定は、ゼニス角度エンコーダ等のゼニス角度測定装置で行われてもよい。あるいは、第一の角度測定装置がゼニス角度測定装置であってもよく、第二の角度測定装置がアジマス角度測定装置であってもよい。半径方向距離、第一の角度測定、および第二の角度測定は、空間座標系の中の３つの座標を構成し、これをデカルト座標系または他の座標系内の３つの座標に変換できる。
【００８０】
プローブ２０００の３つの方位自由度は、前述し、上で引用した‘７５８号特許に記載されているように、パターン付コーナキューブを使って判定されてもよい。あるいは、プローブ２０００の３つの方位自由度を判定するその他の方法が使用されてもよい。例えば、使用可能な方法は、６−ＤＯＦ触覚プローブ上の光の点の集合を画像化し、それと同時に光ビームを６−ＤＯＦプローブ上のレトロリフレクタに送り、レトロリフレクタまでの距離と２つの角度を判定するカメラを有する６−ＤＯＦレーザトラッカを提供することである。レーザトラッカ内のカメラ上に画像化される光の点は、３つの方位自由度を提供する。他の例において、使用可能な方法は、その頂点が部分的に移動されて、光がその頂点を通って位置検出器へと透過できるようにされたレトロリフレクタを有する６−ＤＯＦレーザトラッカを提供することである。位置検出器上の透過光の位置は、レトロリフレクタのピッチおよびヨーを判定するために使用できる。それに加えて、レトロリフレクタは、６−ＤＯＦセンサのロール角を測定するように構成された多軸傾斜計を含む構造体の中に取り付けられてもよい。測定されたロール角と測定されたピッチおよびヨー角の組合せにより、３つの方位自由度が提供される。それに加えて、レトロリフレクタに送られたレーザビームは、レトロリフレクタまでの距離と２つの角度を判定するために使用されてもよく、それによって３つの並進自由度が提供される。
【００８１】
何れの方法が使用されても、３つの並進自由度と３つの方位自由度により、空間内での６−ＤＯＦプローブ２０００等の６−ＤＯＦプローブ（およびそれゆえ、プローブチップ２０５４）の位置と方位が十分に定義される。これは、ここで検討されているシステムの場合である点に留意することが重要であるが、それは、６−自由度が独立しておらず、６自由度では空間内の装置の位置と方位を十分に定義できないようなシステムもありうるからである。「並進セット」という用語は、レーザトラッカの基準フレーム内の６−ＤＯＦアクセサリ（６−ＤＯＦプローブ２０００等）の並進３自由度の短縮形である。「方位セット」という用語は、レーザトラッカの基準フレーム内の６−ＤＯＦアクセサリ（例えば、プローブ２０００）の３つの方位自由度の短縮形である。「表面セット」とは、プローブチップ２０５４により測定されたレーザトラッカの基準フレーム内の物体表面上のある点の三次元座標の短縮形である。
【００８２】
図１５は、光電気システム９００とロケータカメラシステム９５０と共に使用される６−ＤＯＦスキャナ２５００のある実施形態を示す。６−ＤＯＦスキャナ２５００はまた、「ターゲットスキャナ」と呼ばれてもよい。光電気システム９００とロケータカメラシステム９５０は、図１３に関して説明した。他の実施形態において、光電気システム９００の代わりに、２つまたはそれ以上の波長の光を使用する光電気システムが使用される。６−ＤＯＦスキャナ２５００は、本体２５１４と、１つまたは複数のレトロリフレクタ２５１０、２５１１と、スキャナカメラ２５３０と、スキャナ光プロジェクタ２５２０と、任意選択による電気ケーブル２５４６と、任意選択によるバッテリ２５４４と、インタフェース構成要素２５１２と、識別要素２５４９と、アクチュエータボタン２５１６と、アンテナ２５４８と、電子装置用回路板２５４２と、を含む。ある実施形態において、１つまたは複数のレトロリフレクタ２５１０、２５１１、スキャナカメラ２５３０、およびスキャナ光プロジェクタ２５２０は、本体２５１４に関して固定される。図１５のレトロリフレクタ２５１０、任意選択による電気ケーブル２５４６、任意選択によるバッテリ２５４４、インタフェース構成要素２５１２、識別要素２５４９、アクチュエータボタン２５１６、アンテナ２５４８、および電子装置用回路板２５４２は、図１４のそれぞれレトロリフレクタ２０１０、任意選択の電気ケーブル２０４６、任意選択によるバッテリ２０４４、インタフェース構成要素２０１２、識別要素２０４９、アクチュエータボタン２０１６、アンテナ２０４８、および電子装置用回路板２０４２に対応する。これらの対応する要素に関する説明は、図１４に関して説明したものと同じである。スキャナプロジェクタ２５２０とスキャナカメラ２５３０は、協働して被加工物２５２８の三次元座標を測定するために使用される。
【００８３】
カメラ２５３０は、カメラレンズシステム２５３２と感光体アレイ２５３４と、を含む。感光体アレイ２５３４は、例えばＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイであってもよい。スキャナプロジェクタ２５２０は、プロジェクタレンズシステム２５２３と、光源パターン２５２４と、を含む。光源パターンは、点状光、線状光、または符号化された、または符号化されていない二次元（２Ｄ）構造化光パターンを発してもよく、これについては後でより詳しく説明する。スキャナが線状光を発する場合、スキャナは「レーザラインプローブ」（ＬＬＰ）と呼ばれてもよい。これに対して、スキャナが２Ｄ構造化光パターンを発する場合、スキャナは「構造化光スキャナ」と呼ばれてもよい。構造化光パターンは、例えばＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ、第７９３２巻で発表されたＪａｓｏｎ  Ｇｅｎｇによる雑誌記事、“ＤＬＰ−Ｂａｓｅｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｌｉｇｈｔ  ３Ｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”に記載されているものをはじめとする各種のパターンのうちの１つであってもよく、同文献を参照によって本願に援用する。
【００８４】
一般に、構造化光には２つの種類、すなわち符号化された構造化光と符号化されていない構造化光がある。符号化されていない構造化光の一般的な形態は、１つの次元に沿って周期的に変化する縞状パターンに依存する。これらの種類のパターンは通常、連続的に適用されて、物体までの大まかな距離を提供する。いくつかの符号化されていないパターンの実施形態、例えば正弦波パターンは、比較的高い精度の測定を提供できる。しかしながら、これらの種類の符号化されていないパターンを有効にするためには、通常、スキャナ装置と物体を相互に関して静止した状態に保つ必要がある。スキャナ装置または物体が（他方に関して）移動している場合は、符号化されたパターンを使用してもよい。符号化されたパターンにより、１つの取得された画像を使って画像を分析できる。いくつかの符号化されたパターンを、プロジェクタのパターンの上に特定の方位に（例えば、プロジェクタ平面上のエピポーラ線に垂直に）設置してもよく、それによって１つの画像に基づく三次元表面座標の分析が簡単になる。
【００８５】
プロジェクタ２５２０からの光は被加工物２５２８の表面で反射され、反射光はカメラ２５３０によって受け取られる。理解すべき点として、被加工物表面内の変化または特徴、例えば１つまたは複数の突起は、パターンの画像がカメラ２５３０によって撮影された時に構造化パターンにおける歪みを生じさせる。パターンが構造化光により形成されるため、いくつかの例において、コントローラは発せられたパターン内の画素と画像化されたパターン内の画素との間の１対１の対応を判断できる。その結果、三角測量の原理を利用して、画像化されたパターン内の各画素の座標を判定できる。被加工物表面の３Ｄ座標の集合は、点群と呼ばれることがある。例えばスピンドル等により表面上で６−ＤＯＦスキャナ２５００を移動させることによって、被加工物２５２８全体から点群を作ることができる。
【００８６】
スキャナ光源が点状光を発する場合、この点は、例えば移動するミラーによってスキャンされてもよく、それによって線または線の配列が生成される。スキャナ光源が線状光を発する場合、この線は、例えば移動するミラーでスキャンされてもよく、それによって線の配列が生成される。ある実施形態において、光源パターンはＬＥＤ、レーザ、またはＴｅｘａｓ  ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＤＬＰ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｌｉｇｈｔ  ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）等のＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＤＣ（液晶装置）、またはＬＣＯＳ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ）装置で反射される他の光源であってもよく、あるいは反射モードではなく透過モードで使用される同様の装置であってもよい。光源パターンはまた、スライドパターン、例えばｃｈｒｏｍｅ−ｏｎ−ｇｌａｓｓスライドであってもよく、これは単独のパターンまたは複数のパターンを有していてもよく、スライドは必要に応じて所定の位置へと移動され、またそこから外される。レトロリフレクタ２５１１等の追加のレトロリフレクタを第一のレトロリフレクタ２５１０に追加して、レーザトラッカが様々な方向から６−ＤＯＦスキャナを追跡できるようにしてもよく、それによって光を６−ＤＯＦプロジェクタ２５００により投影できる方向という点での柔軟性が増大する。
【００８７】
６−ＤＯＦスキャナ２５００は、手で持っても、または例えば三脚、計器スタンド、電動キャリッジ、またはロボットエンドエフェクタに取り付けてもよい。被加工物２５２８の三次元座標は、スキャナカメラ２５３０により、三角測量の原理を利用して測定される。三角測量による測定方法には、スキャナ光源２５２０により発せられる光のパターンおよび感光体アレイ２５３４の種類に応じていくつかある。例えば、スキャナ光源２５２０により発せられるパターン光が線状光か、線の形状にスキャンされる点状光であり、感光体アレイ２５３４が２次元アレイである場合、２次元アレイ２５３４の一方の次元は被加工物２５２８の表面上の点２５２６の方向に対応する。２次元アレイ２５３４の他方の次元はスキャナ光源２５２０からの点２５２６の距離に対応する。したがって、スキャナ光源２５２０より発せられた線状光に沿った各点２５２６の、６−ＤＯＦスキャナ２５００の三次元座標が、局所基準フレームに関してわかる。６−ＤＯＦスキャナの６自由度は、‘７５８号特許に記載されている方法を使って、６ＤＯＦレーザトラッカにより把握される。６自由度から、スキャンされた線状光の３次元座標をトラッカの基準フレーム内で特定でき、それは、レーザトラッカが例えば被加工物上の３つの点を測定することにより、被加工物２５２８の基準フレームに変換されてもよい。
【００８８】
６−ＤＯＦスキャナ２５００を手で持った場合、スキャナ光源２５２０により発せられるレーザ光の線を、被加工物２５２８の表面を「塗る（ペイント）」ように移動させてもよく、それによって表面全体の３次元座標が得られる。また、構造化光パターンを発するスキャナ光源２５２０を使って、被加工物表面を「塗る」ことも可能である。あるいは、構造化光パターンを発するスキャナ２５００を使用する場合、６−ＤＯＦスキャナを三脚または計器スタンドに取り付けることによって、より正確な測定を行うことができる。スキャナ光源２５２０により発せられる構造化光パターンは、例えば、フリンジパターンを含んでいてもよく、各フリンジの照度は被加工物２５２８の表面上で正弦波状に変化する。ある実施形態において、正弦波は３つまたはそれ以上の位相値だけシフトされる。３つまたはそれ以上の位相値の各々についてカメラ２５３０の各画素が記録する振幅レベルは、正弦波状の各画素の位置を提供するために使用される。この情報の使用は、各点２５２６の３次元座標を判定するのに役立つ。他の実施形態において、構造化光は、符号化されたパターンの形態であってもよく、これを評価して、カメラ２５３０により収集される、複数ではなく１つの画像フレームに基づいて３次元座標を判定できる。符号化されたパターンを使用することにより、６−ＤＯＦスキャナ２５００を手で妥当な速度で移動させながら、比較的正確な測定を行うことが可能となりうる。
【００８９】
線状光に対して、構造化光パターンを投影することにはいくつかの利点がある。ＬＬＰ等の手持ち式の６−ＤＯＦスキャナ２５００から投影された線状光において、点の密度は線に沿って高く、線間ではずっと低くてもよい。構造化光パターンでは、点間の空間は通常、２つの直交する方向の各々において略同じである。それに加えて、いくつかの動作モードにおいて、構造化光パターンで計算された３次元の点は、他の手法より正確であるかもしれない。例えば、６−ＤＯＦスキャナ２５００を、例えばそれを静止スタンドまたはマウントに取り付けることによって所定の位置に固定することにより、一連の構造化光パターンを発してもよく、それによって１つのパターンが捕捉される他の手法（すなわち、シングルショット方式）で可能なものより正確に計算できる。一連の構造化光パターンの一例は、第一の空間周波数を有するパターンが物体に投影されるものである。ある実施形態において、投影されたパターンは、光学パワーが正弦波状に変化する縞状パターンである。ある実施形態において、正弦波状に変化すパターンの位相がシフトされ、それによって縞が側方にシフトする。例えば、パターンは、前のパターンに関して毎回１２０度ずつシフトされる３つの位相角度で投影されてもよい。この投影シーケンスにより、背景光に関係なく、パターンの各点の位相を比較的正確に判定するのに十分な情報が提供される。これは、物体表面上の隣接点を考慮せずに、点ごとに行うことができる。
【００９０】
上述の手順は、２つの隣接する線間の位相範囲が０〜３６０度にわたる場合の各点の位相を判定するが、どの線がどれか、という点については依然として疑問があるかもしれない。線を特定する方法は、上述のように位相シーケンスを繰り返すが、異なる空間周波数（すなわち、異なるフランジピッチ）を持つ正弦波パターンを使用することである。場合により、３つまたは４つの異なるフリンジピッチについて同じ方法を繰り返す必要がある。この方法を使って不明瞭さを排除する方法は、当業界でよく知られており、ここではこれ以上説明しない。
【００９１】
上述の正弦波位相シフト方式等の連続的投影方法を使ってできるだけ高い精度を得るために、６−ＤＯＦスキャナの動きを最小限にすることが有利であるかもしれない。６−ＤＯＦスキャナの位置と方位は、レーザトラッカにより行われる６−ＤＯＦ測定からわかり、また手持ち式の６−ＤＯＦスキャナの動きに関する補正を行うことは可能であるが、結果として生じるノイズは、スキャナがそれを静止したマウント、スタンド、または固定具に設置することによって静止した状態に保たれる場合より幾分大きくなるであろう。
【００９２】
図１５により表されるスキャニング方法は、三角測量の原理に基づいている。三角測量の原理を、図１５Ａのシステム２５６０および図１５Ｂのシステム４７６０を参照しながらより詳しく説明する。まず図１５Ａを参照すると、システム２５６０は、プロジェクタ２５６２と、カメラ２５６４と、を含む。プロジェクタ２５６２は、光源平面内にある光源パターン２５７０と、プロジェクタレンズ２５７２と、を含む。プロジェクタレンズはいくつかのレンズエレメントを含んでいてもよい。プロジェクタレンズは、レンズ透視投影中心２５７５とプロジェクタ光軸２５７６を有する。光線２５７３は、光源パターン上の点２５７１からレンズ透視投影中心を通って物体２５９０へと進み、点２５７４においてそこに当たる。
【００９３】
カメラ２５６４は、カメラレンズ２５８２と、感光体アレイ２５８０と、を含む。カメラレンズ２５８２は、レンズ透視投影中心２５８５と光軸２５８６を有する。光線２５８３は、物体上の点２５７４からカメラ透視投影中心２５８５を通って感光体アレイ２５８０に点２５８１において当たる。
【００９４】
透視投影中心をつなぐ線分は、図１５Ａにおいてベースライン２５８８と図１５Ｂのベースライン４７８８である。ベースラインの長さはベースライン長（２５９２、４７９２）と呼ばれる。プロジェクタ光軸とベースラインとの間の角度は、ベースラインプロジェクタ角度（２５９４、４７９４）である。カメラ光軸（２５８６、４７８６）とベースラインとの間の角度は、ベースラインカメラ角度（２５９６、４７９６）である。光源パターン上のある点（２５７１、４７７１）が感光体アレイ上のある点（２５８１、４７８１）に対応することがわかっている場合、ベースライン長、ベースラインプロジェクタ角度、およびベースラインカメラ角度を使って、点２５８５、２５７４、および２５７５をつなぐ三角形の辺を判定し、したがって、物体２５９０の表面上の点の、測定システム２５６０の基準フレームに関する表面座標を判定することが可能となる。これを行うために、図１５に関して説明したような三角測量方式が使用される。プロジェクタレンズ２５７２と光源パターン２５７０との間の小さい三角形の辺の角度は、レンズ２５７２と平面２５７０との間の既知の距離と、点２５７１と光軸２５７６が平面２５７０と交差する点との間の距離を使って特定される。これらの小さい角度は、必要に応じてより大きい角度２５９６と２５９４に加算し、またはそこから差し引くことにより、三角形の所望の角度が得られる。当業者にとっては、同等の数学的手法を使って三角形２５７４−２５８５−２５７５の辺の長さを特定できること、または他の関連する三角形を使って、物体２５９０の表面の所望の座標を得てもよいことは明らかであろう。
【００９５】
まず図１５Ｂを参照すると、システム４７６０は図１５Ａのシステム２５６０と、システム４７６０がレンズを含まない点以外は同様である。システムは、プロジェクタ４７６２とカメラ４７６４を含んでいてもよい。図１５Ｂに示される実施形態において、プロジェクタは光源４７７８と光モジュレータ４７７０を含む。光源４７７８は、レーザ光源であってもよく、これは、そのような光源が図１５Ｂの形状を使用すれば長距離にわたって焦点の合った状態に保たれるからである。光源４７７８からの光線４７７３は、光モジュレータ４７７０に点４７７１において当たる。光源４７７８からの他の光線は、光モジュレータに、モジュレータ表面上の他の位置において当たる。ある実施形態において、光モジュレータ４７７０は発せられる光のパワーを変化させ、これはほとんどの場合、光パワーをある程度減衰させることによって行われる。この場合、光モジュレータは、光学パターンを光に付与し、これはここでは光源パターンと呼ばれ、それは光学モジュレータ４７７０の表面上にある。光モジュレータ４７７０は例えばＤＬＰまたはＬＣＯＳ装置であってもよい。いくつかの実施形態において、モジュレータ４７７０は反射型ではなく透過型である。光モジュレータ４７７０から発せられた光は、仮想光透視投影中心４７７５から発せられるように見える。光線は、仮想光透視投影中心４７７５から発せられ、点４７７１を通り、物体４７９０の表面の点４７７４へと進む。
【００９６】
ベースラインは、カメラレンズ透視投影中心４７８５から仮想光透視投影中心４７７５まで延びる線分である。一般に、三角測量の方法には、三角形、例えば頂点４７７４、４７８５、および４７７５を有する三角形の辺の長さを特定することが含まれる。これを行うための１つの方法は、ベースライン長と、ベースラインとカメラ光軸４７８６との間の角度、およびベースラインとプロジェクタ基準軸４７７６との間の角度を特定することである。所望の角度を特定するために、追加の、より小さい角度が特定される。例えば、カメラ光軸４７８６と光線４７８３との間の小さい角度は、カメラレンズ４７８２と感光体アレイ４７８０との間の小さい三角形の角度を、レンズから感光体アレイまでの距離とカメラ光軸から画素までの距離に基づいて解くことにより特定できる。すると、小さい三角形の角度がベースラインとカメラ光軸との間の角度に加算されて、所望の角度が特定される。プロジェクタについても同様に、プロジェクタ基準軸４７７６と光線４７７３との間の角度は、これら２つの線間の小さい三角形の角度を、光源４７７７と光モジュレータの表面との既知の距離と、基準軸４７７６が光モジュレータ４７７０の表面と交差する点から４７７１におけるプロジェクタ画素の距離に基づいて解くことによって特定される。この角度をベースラインとプロジェクタ基準軸との間の角度から差し引くことにより、所望の角度が得られる。
【００９７】
カメラ４７６４は、カメラレンズ４７８２と感光体アレイ４７８０を含む。カメラレンズ４７８２は、カメラレンズ透視投影中心４７８５とカメラ光軸４７８６を有する。カメラ光軸は、カメラ基準軸の例である。数学的観点から、カメラレンズ透視投影中心を通過する軸はすべて、三角測量の計算においては同等に容易に使用できるが、レンズの対称軸であるカメラ光軸が慣例的に選択される。光線４７８３は、物体上の点４７７４からカメラ透視投影中心４７８５を通り、感光体アレイ４７８０に点４７８１で当たる。他の同等の数学的手法を使って、三角形４７７４−４７８５−４７７５の辺の長さを解いてもよく、これは当業者にとって明白であろう。
【００９８】
ここで説明する三角測量法はよく知られているが、完全を期すために、以下に追加の技術的情報を提供する。各レンズシステムは入射瞳と射出瞳を有する。入射瞳は、一次光学系の観点から考えたときに、そこから光が現れるように見える点である。射出瞳は、光がレンズシステムから感光体アレイへと進む際に現れるように見える点である。マルチエレメントレンズシステムに関して、入射瞳と射出瞳は必ずしも一致するとはかぎらず、入射瞳と射出瞳に関する光線の角度は必ずしも同じとはかぎらない。しかしながら、モデルは、透視投影中心をレンズの入射瞳と考え、その後、レンズから光源または結像面までの距離を調整して、光線が引き続き直線に沿って進み、光源または結像面に入射するようにすることにより、単純化できる。このようにして、図１５Ａに示されるような、単純で広く使用されるモデルが得られる。理解すべき点として、この説明は光の挙動の良好な一次近似を提供するが、図１５Ａのモデルを使って計算された位置に関して光線を若干変位させる可能性のあるレンズ収差について、さらに細かい補正を行うことができる。ベースライン長、ベースラインプロジェクタ角度、およびベースラインカメラ角度が一般的に使用されているが、理解すべき点として、これらの数量が必要であると述べても、他の同様であるが若干異なる公式を適用できる可能性が排除されるわけではなく、その場合も、本明細書に記載されている説明における一般性は損なわれない。
【００９９】
６−ＤＯＦスキャナを使用する際、数種類のスキャンパターンを使用してもよく、異なる種類を組み合わせて、最短時間で最良の性能を得ることができれば有利であるかもしれない。例えば、ある実施形態において、高速測定方法は２次元の符号化されたパターンを使用してもよく、この場合、３次元座標データはシングルショットで得られる。符号化されたパターンの使用方法において、例えば異なる文字、異なる形状、異なる厚さもしくは大きさ、または異なる色を使って、異なる要素を提供してもよく、これは符号化された要素または符号化された特徴とも呼ばれる。このような特徴は、点２５７１を点２５８１にマッチさせることができるようにするために使用されてもよい。光源パターン２５７０上の符号化された特徴は、感光体アレイ２５８０上で識別されてもよい。
【０１００】
符号化された特徴のマッチングを単純化するために使用可能な方式は、エピポーラ線の使用である。エピポーラ線は数学的な線であり、エピポーラ面と光源面２５７０または結像面２５８０との交差により形成される。エピポーラ面は、プロジェクタの透視投影中心とカメラの透視投影中心を通るあらゆる面である。光源面と結像面の上のエピポーラ線はある特殊な場合においては平行であってもよいが、一般には平行でない。エピポーラ線のある態様は、プロジェクタ面上のあるエピポーラ線が結像面上に対応するエピポーラ線を有する、というものである。したがって、プロジェクタ面内のエピポーラ線に関する何れの特定の既知のパターンでも、結像面内で直ちに観察され、評価されてもよい。例えば、符号化されたパターンがプロジェクタ面内のエピポーラ線に沿って配置されている場合、結像面内の符号化された要素間の間隔は、感光体アレイ２５８０の画素により読み取られる数値を使って判定されてもよく、この情報は、物体上の点２５７４の３次元座標を判定するために使用されてもよい。また、符号化されたパターンをエピポーラ線に関して既知の角度で傾けて、物体表面座標を効率的に抽出することもできる。
【０１０１】
符号化されたパターンを使用する利点は、物体表面上の点に関する３次元座標を素早く取得できることである。しかしながら、ほとんどの場合、前述のような正弦波位相シフト方式等の連続構造化光方式のほうが、より正確な結果を生む。したがって、使用者は、有利な点として、所望の精度に応じた異なる投影方法を使って特定の物体または特定の物体領域もしくは特徴を測定するように選択できる。プログラム可能な光源パターンを使用することにより、このような選択を容易に行うことができる。
【０１０２】
本発明のある実施形態によれば、図１５の６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００はまた、拡張現実（ＡＲ）カメラ２５０８を含む。ＡＲカメラ２５０８は、「全視野」画像を撮影できるものと考えてよい。ＡＲカメラ２５０８は、カメラレンズ２５０２と感光体アレイ２５０４を含む。感光体アレイ２５０４は、例えばＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイであってもよい。それゆえ、ＡＲカメラ２５０８は性格上、デジタルであってもよく、静止画像またはビデオ画像を撮影してもよい。
【０１０３】
図１５に示されるように、ＡＲカメラ２５０８は６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００の本体２５１４に破線２５０６で接続されている。しかしながら、これは例示を目的としているにすぎない。ＡＲカメラ２５０８は、スキャナ本体２０１４の一体部分であってもよい。本明細書で使用されるかぎり、「一体」という用語は、ＡＲカメラ２５０８がスキャナ本体２０１４に永久的または一時的に取り付けられて、ＡＲカメラ２５０８がスキャナ本体２０１４に関して固定された空間関係にあることを意味する。いずれの方法でも、スキャナ２５００の６自由度が前述のようにわかっているため、ＡＲカメラ２５０８の６自由度（すなわち、「姿勢」）は、ＡＲカメラ２５０８により撮影された各画像に関してわかる。そのため、レーザトラッカ、６−ＤＯＦスキャナ２５００、およびＡＲカメラ２５０８はすべて、共通の基準フレーム内に設置されてもよい。ある実施形態において、ＡＲカメラは、三角測量においても使用されるカメラでもある。換言すれば、ある実施形態において、ＡＲカメラは図１５のカメラ２５３０である。
【０１０４】
レンズ２５０２（複数のレンズエレメントを含むレンズシステムであってもよい）は、レンズの透視投影中心である。レンズ２５０２を通過する光線は、透視投影中心を通過してから感光体アレイ２５０４に到達すると考えられてもよい。慎重に行われる分析において、レンズ２５０２は、感光体アレイ２５０４上での光線の交差位置が若干ずれる原因となるレンズ収差を生じさせることを特徴とするかもしれない。しかしながら、一般性を損なうことなく、光線は透視投影中心を通過し、画像の収差補正は画像処理の別のステップ内で提供される、ということができる。
【０１０５】
調査対象物体の表面は、レンズ２５０２によって感光体アレイ２５０４上に結像され、感光体アレイ２５０４の一部である画素集合の上に画像が形成される。各画素に当たる光は、カメラのインテグレーション期間中に、電荷からデジタル信号に変換される。感光体アレイ２５０４の中にある（ＣＭＯＳアレイの場合）またはアレイの外にある（ＣＣＤアレイの場合）アナログ−デジタル変換器は、アナログからデジタル信号への変換を実行する。各画素のための信号は典型的に、８〜１２ビットの間のバイナリ表現で提供される。これらのビットの１と０はパラレルチャネルで運ばれ、バスライン上で伝送するために、シリアライザ／デシリアライザの機能を使ってシリアル形態に変換されてもよい。
【０１０６】
前述のように、６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００は、本発明の実施形態においては手持ち式である。しかしながら、他の実施形態では、スキャナ２５００は、それを静止したマウント、スタンド、または固定具、例えば三脚に設置することによって静止状態に保持してもよい。さらに、６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００の位置と方位は前述のようにレーザトラッカによる６−ＤＯＦ測定からわかり、手に持たれた６−ＤＯＦスキャナ２５００の動きについての補正を行うことができるものの、結果として生じるノイズは、スキャナ２５００が静止状態に保たれた場合より幾分大きくなるかもしれない。６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００をロボットまたは機械ツールに取り付けることも可能である。
【０１０７】
本発明の実施形態において、６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００（それ自体はレーザトラッカと共に使用される）の一部である拡張現実カメラ２５０８により撮影された複数の２次元（２Ｄ）カメラ画像は、以下に説明する方法に従って相互に結合または「位置合わせ」されて、例えば、ある物体の表面等の各種の実世界の特徴または何れかの実世界の光景（例えばビルの内部、車両事故の現場、または犯罪現場）の３次元（３Ｄ）画像表現を得る。この方法は、一体のＡＲカメラ２５０８を有するスキャナ２５００の姿勢または６自由度がＡＲカメラ２５０８により撮影された各々の２Ｄ写真または画像についてわかるため、ＡＲカメラ２５０８により撮影された複数の２Ｄ写真画像を相互に結合して、３Ｄ画像を形成してもよいという事実に基づいている。
【０１０８】
３Ｄ画像または複合３Ｄ画像という用語は、本明細書で使用されるかぎり、記録された光景の、様々な観点からの２次元で表示可能な表現を意味するものと解釈され、表示された２Ｄ画像は観点によって変化し、その光景の３Ｄ表現が観察者のために再形成される。それに加えて、３Ｄ画像内で観察される点に関する３Ｄ座標の数値が抽出されてもよい。
【０１０９】
ここで、この実施形態による方法を、図１６の方法１６００を参照しながら説明する。ステップ１６０５で、６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００と座標測定装置が提供される。６−ＤＯＦスキャナ２５００はまた、図１５に関して上で説明したように、レトロリフレクタ２５１０と、一体のＡＲカメラ２５０８と、も含む。座標測定装置は、前述のレーザトラッカ５等のレーザトラッカを含んでいてもよく、装置基準フレームを有し、６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００から分離されている。座標測定装置は、方位センサと、第一および第二のモータと、第一および第二の角度測定装置と、距離計と、位置検出器と、制御システムと、プロセッサと、を含む。レーザトラッカとＡＲカメラ付の６−ＤＯＦスキャナは、上で説明し、例示したものと同じか同様であってもよい。
【０１１０】
ステップ１６１０は、第一の場合において、装置を使ってレトロリフレクタの２つの回転角度とそこまでの距離および６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００の３つの方位自由度を測定するステップである。このステップでは、２Ｄ画像もＡＲカメラ２５０８上に形成される。６−ＤＯＦスキャナ２５００内の電子装置用回路板２５４２は、ＡＲカメラ２５０８からの位置および方位情報を処理および／または送信してもよい。電子装置用回路板２５４２はまた、カメラレンズ２５０２を通じて感光体アレイ２５０４に送られる２Ｄ画像を表現する第一のデジタル信号も受信してよい。
【０１１１】
ステップ１６１５で、６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００は新たな位置に移動され、装置は６−ＤＯＦスキャナ２５００の２つの角度とそこまでの距離および６−ＤＯＦスキャナ２５００の方位を測定する。これはまた、新しい位置において２Ｄ画像を形成する。電子装置用回路板２５４２は、この第二の位置と方位におけるＡＲカメラ２５０８からの位置および方位情報を処理し、および／またはレーザトラッカに送信してもよい。電子装置回路板２５４２はまた、カメラレンズ２５０２を通じて感光体アレイ２５０４へと送られる２Ｄ画像を表現する第二のデジタル信号も受信してよい。
【０１１２】
ステップ１６２０で、第一の画像と第二に画像に共通の主要点が特定される。「主要点」という用語は、典型的には、画像中で特定され、画像を相互に接続し、または位置合わせするために使用できる点を指すために使用される。また、これらの点は、典型的には、誰かがその位置に意図的に設置したものではない。ステップは、第一および第二の場合において、感光体アレイ上の主要点の対応する位置を判定するステップを含む。第一の場合における主要点の位置を第一の位置と呼び、第二の場合における主要点の位置を第二の位置と呼ぶ。このような主要点を判定するために使用可能な多くの技術がさかんに開発されており、一般的には画像処理または特徴検出等と呼ばれる方法が用いられる。主要点を特定するための、通常使用されるが一般的なカテゴリは、関心点検出と呼ばれ、検出される点は関心点と呼ばれる。通常の定義によれば、関心点は、数学的に十分な根拠に基づく定義、十分に定義された空間内の位置、関心点の周囲の局所的情報の内容が豊富な画像構造、および時間がたっても比較的安定な照明レベルの変動を有する。関心点の具体的な例はコーナ点であり、これは例えば３つの平面の交点に対応する点であってもよい。使用可能な信号処理の他の例は、ＳＩＦＴ（Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｖａｒｉａｎｔ  Ｆｅａｔｕｒｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）であり、これは当業界でよく知られた方法で、Ｌｏｗｅｒの米国特許第６，７１１，２９３号に記載されている。ステップ１６２０で、プロセッサは第一および第二の画像に共通のこれらの主要点を特定し、少なくとも１つの主要点（ただし、通常は主要点の大きな集合）を得る。主要点を特定するためのその他の一般的な特徴検出方法には、エッジ検出、ブロブ検出、およびリッジ検出が含まれる。
【０１１３】
ステップ１６２５は、第一の基準フレーム内の第一および第二の２Ｄ画像の中の対応する主要点の３Ｄ座標を判定するステップである。この判定は、まず、三角測量を使って６−ＤＯＦスキャナ２５００の基準フレーム内の第一および第二の画像内の主要点の３Ｄ座標を判定し、次に、座標変換を使って、装置基準フレームであってもよい第一の基準フレーム内の主要点を得ることによって行われてもよい。これらの座標変換は、少なくとも一部に、装置により提供される２つの角度測定、１つの距離測定、および方位角測定に基づく。当然のことながら、この計算において、６−ＤＯＦスキャナ２５００内の２Ｄカメラ２５０８の位置と方位は、例えば工場での測定に基づいてわかっている。測定値に基づき、ベースライン距離を有するベースラインが第一の例（第一の２Ｄ画像に対応する）と第二の例（第二の２Ｄ画像に対応する）のカメラの透視投影中心間に引かれてもよい。ベースライン距離は、トラッカによる６−ＤＯＦ測定からわかっているため、各主要点は第一の基準フレーム内の３Ｄ空間内で判定される。一般に、第一の画像の主要点の３Ｄ座標と第二の画像の中の対応する主要点の３Ｄ座標は正確にはマッチしないであろう。しかしながら、３Ｄ座標の平均化または同様の方法を使って、第一および第二の２Ｄ画像内の対応する主要点に関する第一の基準フレーム内の代表的な３Ｄ画像を判定してもよい。この方法が使用された場合、３Ｄ座標は適正に拡大縮小され、すなわち、３Ｄ座標は第一の基準フレーム内で正しい長さ単位を有する。これは、２つの異なる位置に保持されたカメラで２つの画像を取得し、それに関して各々の場合でカメラ透視投影中心の位置と方位がわからない方法と対照的である。この方法では、３Ｄ画像を（長さ単位において）適正に拡大縮小するのに十分な情報が提供されない。
【０１１４】
ステップ１６３０は、少なくとも一部に第一および第二の２Ｄ画像と第一の基準フレーム内の主要点の３Ｄ座標に基づいて、複合３Ｄ画像を形成するステップである。ほとんどの場合、第一および第二の２Ｄ画像は多くの主要点を共有しており、これらの各々について、３Ｄ座標を得ることができる。これらの主要点は３Ｄ表現のための枠組みを形成し、その上で、他の画像要素で２つの２Ｄ画像間または（より一般的なケースにおける）複数の２Ｄ画像間に補間してもよい。３Ｄ座標情報を提供するほかに、複合３Ｄ画像はまた、主要点からだけでなく、主要点間の可視領域から同じく補間法を使って取得されたテクスチャおよび色情報も提供できる。ステップ１６２５および１６３０で得られた３Ｄ座標は、第一および第二の画像の中の対応する主要点について同じであるが、複合３Ｄ画像は例えば主要点間の補間によって、また色およびテクスチャ情報を追加することによって、また別の３Ｄ情報を含んでいるかもしれない。
【０１１５】
ステップ１６３５は、複合３Ｄ画像を保存するステップである。
【０１１６】
ある実施形態において、トラッカ内部のプロセッサは、複合３Ｄ画像を構築し、保存して、それを測定された３Ｄ座標と組み合わせるために使用される。このようなプロセッサは、マスタプロセッサ１５２０、６−ＤＯＦプロセッサ１５３１、およびカメラプロセッサ１５３２のうちの１つまたは複数を含んでいてもよい。それに加えて、コンピュータ１５９０はまた、複合３Ｄ画像を構築、保存し、それをマスタプロセッサから得られた３Ｄ座標と組み合わせるためにさらに使用されても、またはそのためだけに使用されてもよい。他の実施形態において、クラウドプロセッサは、生データをコンピュータネットワーク、おそらくはリモートコンピュータネットワークに送信して、複合３Ｄ画像を形成するために使用されてもよい。他の実施形態において、プロセッサの異なる組合せが使用されてもよい。このようなプロセッサの組合せをプロセッサシステムと呼んでもよい。
【０１１７】
図１６の手順１６００に含まれていないが、上述の方法は任意選択による多数の感光体アレイ画像にも拡張できることは明らかであり、それによって主要点の集合を複数の画像から得てもよい。この場合、各主要点は、ＡＲカメラ２５０８を異なる姿勢にして感光体アレイ２５０４で得られる画像のいくつかにおける主要点に対応してもよい。ある主要点に関して、感光体アレイ２５０４からカメラレンズ２５０２の透視投影中心を通じて投影される複数の線の交点は、当業界でよく知られている最適化方法による最良適合方式を使って、例えば最小二乗最小化方式を使って判定されてもよい。複数の画像の位置合わせは、希望に応じて、被験物体上に、またはその付近にターゲットを設けることによってさらに最適化されてもよい。追加のターゲットは、例えば反射性ターゲットでも、発光ダイオードでもよい。
【０１１８】
ＡＲカメラ２５０８がカラーカメラである場合、再構成された３Ｄ表面がカラーで表現されてもよく、または他のテクスチャ属性が引き出されてもよい。他の実施形態においては、この方法１６００により、３Ｄ表面プロファイルに加えて、光パターンの各種の特徴が提供されてもよい。例えば、ある物体の表面上にマーキングされた「Ｘ」が、「Ｘ」の位置に対応する一般的座標のほかに引き出されてもよい。
【０１１９】
場合により、写真撮影されている表面の特定部分が比較的平滑であることが事前にわかっているかもしれない。換言すれば、これらの部分は画然とした不連続部または細かい特徴を持たない。このような場合、確立された主要点を使ってその表面の測定されていない部分を３次元で構成することが可能であるかもしれない。例えば、主要点は表面の一部にわたり円筒形に平滑に適合されてもよく、したがって、ソフトウェアで自動的に円筒形の形状を提供してもよい。
【０１２０】
表面の一部の全体的な形状がわかっている場合、撮影された画像をその表面に投影することが可能であるかもしれない。例えば、表面にカラーのパターンがあり、それを、ある特定のケースにおいては平坦な表面であってもよい想定された表面に投影できるとする。この場合、このパターンは、異なる姿勢（「姿勢」は、３自由度の位置と３自由度の向きの組合せである）のＡＲカメラ２５０８に関して取得された画像の各々から、想定された表面上に投影されてもよい。この例において、画像は表面上に重なると予想されるであろう。これに当てはまらなければ、想定された形状が正しくないことを意味しており、形状を変更するべきである。この例において、異なる姿勢のＡＲカメラ２５０８により撮影された画像に基づいて、追加の主要点を得ることが良好な慣行であるかもしれない。すると、これらの追加の主要点を使って、表面プロファイルをより正確に判定できる。
【０１２１】
ＡＲカメラ２５０８は、例えば、比較的遠くの背景物体の背景画像を、比較的大きい視野で撮影するために使用されてもよく、これはまた、前景画像を撮影するために使用されてもよく、これは例えば、６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００によりスキャンされる物体の画像であってもよい。
【０１２２】
図１６に示されている上述の「ダイナミック三角計測」方法１６００からわかるように、様々なカメラ位置と方位のＡＲカメラ２５０８により撮影された画像は、一部に、レーザトラッカにより提供される６自由度の知識に基づいて相互に位置合わせされる。そのため、ＡＲカメラ２５０８からの２Ｄ画像を、適正な寸法拡大縮小と、別の方法で可能な場合よりも少ないカメラ画像で位置合わせすることができる。
【０１２３】
３Ｄ画像が本発明の実施形態により作られると、これらの画像の上に、データが重ねられ、または重畳されてもよい。例えば、３Ｄ画像が構築中または既に構築された物体のそれである場合、３Ｄ画像の上に重畳されたデータはその物体のＣＡＤ設計データを含んでいてもよい。ＣＡＤデータは、レーザトラッカ５（図１）に関連するメモリの中に保存されてもよい。その他の種類のデータがカメラ画像の上に重畳されてもよく、これは例えば、各種の組立動作（穴明け、取付、等）をどこに行う予定であるかを示すためのマークである。
【０１２４】
６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００の中のＡＲカメラ２５０８は、スキャナ２５００で測定される部品の代わりに（または、それに加えて）周囲を測定するために使用されてもよい。例えば、ＡＲカメラ２５０８は比較的長い焦点距離を有していてもよく、それによって、三角計測カメラ２５３０より詳細にその周囲を捕捉する、より高解像度の画像を提供することが可能となる。他の実施形態において、ＡＲカメラ２５０８は比較的短い焦点距離を有し、それによって三角計測カメラ２５３０より広い視野を見ることが可能となる。上述の再構成方法は、周囲の３Ｄ表現をＡＲカメラ画像に基づいて得るために使用されてもよい。例えば、スキャナ２５００により数マイクロメートルから数十マイクロメートルの精度で測定される１つまたは複数の部品を、ＡＲカメラ画像に基づいて数ミリメートルの精度で測定された周囲の中に置かれてもよい。
【０１２５】
物体と周囲を異なる視点と異なる距離から観察するために、ソフトウェアが使用されてもよく、物体と周囲との間の視差が適正に表現される。場合により、背景情報が重要であるかもしれない。例えば、あるプロジェクトは、ＡＲカメラ２５０８で得られる３Ｄ画像を有する３Ｄの周囲の中に適切な空間があることを確認しながら、構造体を測定対象物体に取り付けるステップを含んでいてもよい。このような構造体は、ＣＡＤモデルとして、部品またはアセンブリのスキャン画像として、または複数のカメラ画像を使用することより得られた拡大縮小された３Ｄ表現として入手可能であってもよい。
【０１２６】
場合により、ＡＲカメラ２５０８は通常、見えない領域の表現を得るために使用されてもよい。例えば、ＡＲカメラは、物体のすべての面を見て、スキャナ２５００では容易に測定されない領域の３Ｄ画像を得るために使用されてもよい。このような全方向からの全面カバーは、画像が例えばプレゼンテーション、ウェブサイト、またはパンフレットで表示される時に有益である。ＡＲカメラ２５０８からの色（テクスチャ）の追加もこの例では価値がある。ＡＲカメラ２５０８から得られる３Ｄ表現は、他の３Ｄ表現により補足されてもよい。部品、アセンブリ、家具、その他のモデルは、場合により、ファイルやウェブサイトからダウンロードされて、複合３Ｄ表現に取り込まれてもよい。
【０１２７】
ＡＲカメラ２０３０および６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００の別の重要な用途は、周囲を適正に拡大縮小することである。例えば、壁は左面、右面、上面、および下面を有していてもよい。上述の主要点をマッチングさせる方法は拡大縮小された３Ｄ画像を提供するが、寸法精度は、３Ｄ座標が６−ＤＯＦスキャナ２５００で測定され場合の方が、カメラ画像だけの場合よりはるかによい。２Ｄ  ＡＲカメラ画像から得られた複合３Ｄ画像を６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００によるいくつかの測定と組み合わせることによって、複合３Ｄ画像の拡大縮小精度は、多くの場合において、大幅に改善できる。例えば、スキャナ２５００により左、右、上、および下面の各々の１つまたは複数の位置を測定することによって、ビルの拡大縮小を改善させることができる。
【０１２８】
ＡＲカメラ２５０８は、周囲のみ、物体のみ、または周囲と物体の両方を測定するために使用されてもよい。ここで使用される用語として、「物体」という単語は、正確な寸法情報が望まれる品目を意味する。物体は典型的には、数十マイクロメートルのオーダの精度を有する６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００により測定される。ＡＲカメラ２５０８による測定は、画像を図面（例えば、ＣＡＤ）に重畳することを可能にする。それに加えて、複数の方向から物体の２Ｄ画像を得ることによって、ある物体へのオーバレイをあらゆる方向から提供することが可能となる。
【０１２９】
ある物体はその周囲内に置かれてもよく、その３Ｄ座標はＡＲカメラ２５０８の使用を通じて得られる。ＡＲカメラと６−ＤＯＦ三角計測スキャナ２５００により提供される情報により、物体を周囲に関して様々な視点から見ることと、また、物体またはその周囲をあらゆる方向から見ることが可能となる。
【０１３０】
ある実施形態において、純粋にグラフィックによる要素（これは、例えば写真要素、描画要素、またはレンダリングされた要素とすることができる）が複合画像内に設置される。このようなグラフィック要素の第一の例は、工場フロアでの機械ツールへの追加である。このような追加は、ＣＡＤモデルの上に重畳されてもよく、そこに複合カラー画像が重ねられる。追加は、新しく機械加工された部品であってもよい。このような追加の集合を工場環境に関して設置し、確実にすべての要素が適正にフィットするようにしてもよい。このようなグラフィック要素の第二の例は、同じ工場環境に置かれた機械または備品の新しい品目である。問題は、このような要素が新計画に適合するか否か、であってもよい。場合により、サービスプロバイダを通じてインターネット上で通常見つけられるネットワークのクラウドからこのような３Ｄ画像をダウンロードできるようにするウェブサイトが利用されてもよい。いくつかのユーザインタフェースにより、このような３Ｄ構成要素をコンピュータのマウスで適正な位置に移動させ、その後、異なる位置と方位から見てもよい。
【０１３１】
本発明を例示的な実施形態に関して説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加え、またその要素を均等物に置き換えてもよいことがわかるであろう。それに加えて、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、その基本的な範囲から逸脱することなく、多くの改良を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実行するために企図される最善のモードとして開示されている特定の実施形態には限定されず、本発明は付属の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図される。さらに、第一の、第二の、等の用語の使用は、いかなる順序または重要度も示しておらず、むしろ、第一の、第二の、等の用語は、１つの要素を他の要素から区別するために使用される。さらに、冠詞（ａ、ａｎ等）の使用は数量の限定ではなく、言及された品目が少なくとも１つ存在することを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年2月13日(2017.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元（３Ｄ）座標測定システムにおいて、
ユニット基準フレームを有する６自由度（６−ＤＯＦ）ユニットであって、構造体と、レトロリフレクタと、三角計測スキャナと、仮想現実（ＡＲ）カメラと、を含み、レトロリフレクタ、三角計測スキャナ、およびＡＲカメラは構造体に取り付けられ、三角計測スキャナは、第一のカメラと、プロジェクタと、を含み、プロジェクタは、パターン光を物体に投影するように構成され、第一のカメラは、パターン光の第一の画像を物体上に形成するように構成され、プロジェクタと第一のカメラは、ユニット基準フレーム内の物体上のある点の第一の３Ｄ座標を協働して判定するように構成され、判定は、少なくとも一部に、投影されたパターン光と第一の画像に基づいて行われ、ＡＲカメラは、ユニット基準フレーム内のカラー画像を取得するように構成されたカラーカメラであるようなユニットと、
装置基準フレームを有する座標測定装置であって、装置基準フレーム内のレトロリフレクタの姿勢を測定するように構成され、測定された姿勢は、レトロリフレクタの６自由度の測定値を含むような装置と、
第一の場合に、ＡＲカメラから第一のＡＲ画像を受け取り、装置から第一の測定された姿勢を受け取るように構成された１つまたは複数のプロセッサであって、さらに、第二の場合に、ＡＲカメラから第二のＡＲ画像を受け取り、装置から第二の測定された姿勢を受け取るように構成され、さらに、第一のＡＲ画像と第二のＡＲ画像に共通の第一の主要点を判定するように構成され、さらに、装置基準フレーム内の第一の主要点の第二の３Ｄ座標を判定するように構成された１つまたは複数のプロセッサと、
を含むことを特徴とする３次元（３Ｄ）座標測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
座標測定装置は、光源と、距離計と、を含み、光源は、光ビームをレトロリフレクタに送り、それに応答して反射された光ビームを受け取るように構成され、距離計は、レトロリフレクタまでの距離を、少なくとも一部に、反射された光ビームに基づいて測定するように構成されることを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項３】
請求項２に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
ＡＲカメラは第一のカメラより広い視野を有することを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項４】
請求項１に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
１つまたは複数のプロセッサをさらに含み、
１つまたは複数のプロセッサはさらに、第一のＡＲ画像と第二のＡＲ画像を結合して複合３Ｄ画像にするように構成されることを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項５】
請求項１に記載の３Ｄ座標測定システムにおいて、
１つまたは複数のプロセッサをさらに含み、
１つまたは複数のプロセッサはさらに、複合３Ｄ画像を、三角計測スキャナにより測定された点の第一の３Ｄ座標と組み合わせるように構成されることを特徴とする３Ｄ座標測定システム。
【請求項６】
３次元（３Ｄ）測定方法において、
座標測定装置からの第一の光の第一のビームを６自由度（６−ＤＯＦ）ユニットの中のレトロリフレクタに送り、それに応答して反射された第一の光の反射された第一のビームを受け取るステップであって、座標測定装置は装置基準フレームを有し、６−ＤＯＦユニットはユニット基準フレームを有し、６−ＤＯＦユニットは、構造体と、レトロリフレクタと、三角計測スキャナと、ＡＲカメラと、を含み、レトロリフレクタ、三角計測スキャナ、およびＡＲカメラは構造体に取り付けられ、三角計測スキャナは、第一のカメラと、プロジェクタと、を含み、ＡＲカメラは、ユニット基準フレーム内のカラー画像を取得するように構成されたカラーカメラであり、ＡＲカメラはさらに、第一のカメラより広い視野を有するようなステップと、
座標測定装置によって、レトロリフレクタの第一の姿勢を、少なくとも一部に、反射された第一のビームに基づいて判定するステップであって、判定された第一の姿勢は、装置基準フレーム内のレトロリフレクタの６自由度の測定値であるようなステップと、
プロジェクタから物体に第一のパターン光を投影するステップと、
第一のカメラで、物体からの第一のパターン光の反射の第一の画像を形成するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、装置基準フレーム内の物体上の第一の点の第一の３Ｄ座標を、少なくとも一部に、第一のパターン光、第一の画像、および判定されたレトロリフレクタの第一の姿勢に基づいて判定するステップと、
ＡＲカメラで、ユニット基準フレーム内の第一のカラー画像を撮影するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、共通の基準フレーム内の第一の３Ｄ座標と第一のカラー画像を、少なくとも一部に、判定されたレトロリフレクタの第一の姿勢に基づいて組み合わせるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の３Ｄ測定方法において、
座標測定装置からの第一の光の第二のビームをレトロリフレクタに送り、それに応答して第二の反射されたビームを受け取るステップと、
座標測定装置によって、レトロリフレクタの第二の姿勢を、少なくとも一部に、反射された第二のビームに基づいて判定するステップと、
プロジェクタから物体に第二のパターン光を投影するステップと、
第一のカメラで、物体からの第二のパターン光の反射の第二の画像を形成するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、装置基準フレーム内の物体上の第二の点の第二の３Ｄ座標を、少なくとも一部に、第二のパターン光、第二の画像、および判定されたレトロリフレクタの第二の姿勢に基づいて判定するステップと、
ＡＲカメラで、ユニット基準フレーム内の第二のカラー画像を撮影するステップと、
１つまたは複数のプロセッサで、共通の基準フレーム内の第一の３Ｄ座標、第二の３Ｄ座標、第一のカラー画像、および第二のカラー画像を、少なくとも一部に、判定されたレトロリフレクタの第一の姿勢と判定されたレトロリフレクタの第二の姿勢に基づいて組み合わせるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
2017524944.tif 000030
2017524944.tif 000031