JP2015513093A - 取り外し可能なアクセサリを有する座標測定機 - Google Patents

Abstract

空間中の物体の座標を測定する可搬型関節アーム座標測定機が提供される。ＡＡＣＭＭは、基部と、反対側にある第１の端部と第２の端部とを有するアームとを備える。アームは、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも１つの位置トランスデューサを含む。電子回路が、少なくとも１つの位置トランスデューサからの位置信号を受信して、測定装置の位置に対応するデータを提供する。非接触測定装置が、第１の端部に連結され、この装置は、電磁放射トランスミッタを有し、空気中の光の速度に少なくとも部分的に基づいて物体までの距離を決定するように構成されている。プロセッサが、位置信号および物体までの距離の受信に応答して物体上の点の３次元座標を決定するように構成されている。

Description

本開示は、座標測定機に関し、より具体的には、非接触３次元測定のための光の飛行経過時間（transit time of flight）を利用するアクセサリ装置を座標測定機に接続することを可能にするコネクタを座標測定器のプローブ端に有する可搬型関節アーム座標測定機に関する。

可搬型関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）は、部品の製造または生産（例えば、機械加工）の様々な段階の間に部品の寸法を迅速かつ正確に検査する必要がある部品の製造や生産において、広く使用されている。可搬型関節アーム座標測定機は、既知の静止型または固定型でコストのかかる使用が比較的難しい測定設備に対して、特に、比較的複雑な部品の寸法測定を行うのにかかる時間に関して大きな改善を示している。通常、可搬型関節アーム座標測定機のユーザは、部品または測定対象物の表面に沿ってプローブをただ導くだけである。測定データは、記録され、ユーザに提供される。場合によっては、データは、コンピュータ画面上に３次元（３Ｄ）形式などの視覚的な形態でユーザに提供される。その他の場合には、データは数値形態でユーザに提供され、例えば、穴の直径を測定するときには、「直径=１．００３４」がコンピュータ画面上に表示される。

先行技術の可搬型関節アーム座標測定機の一例が、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，４０２，５８２号（‘５８２号）に開示されている。‘５８２号特許には、一端に支持ベース、他端に測定プローブを有する手動操作式関節アーム座標測定機からなる３Ｄ測定システムが開示されている。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，６１１,１４７号（‘１４７号）に同様の関節アーム座標測定機が開示されている。‘１４７号特許では、プローブ端における追加回転軸を含む複数の特徴を備え、それによって、２−２−２または２−２−３の軸構成のいずれかをもつアームを提供している（後者の場合は７軸アームとなる）。

３次元表面は、非接触技術を用いても測定することができる。レーザラインプローブと呼ばれることもある、非接触装置の一種は、点の上または線に沿ってレーザ光を出射する。例えば、電荷連結素子（ＣＣＤ）等の撮像素子が、表面からの反射光を撮像するためにレーザに隣接して配置される。測定中の物体の表面が乱反射を生じさせる。センサ上の画像は、センサと表面との間の距離が変化するにしたがって変化する。撮像センサとレーザとの関係およびセンサ上のレーザ画像の位置を知ることによって、三角測量法を使用して表面上の点を測定することができる。

既存の座標測定機はそれらの本来の目的には適しているものの、本発明の実施形態の特定の特徴を有する可搬型関節アーム座標測定機が必要とされている。

本発明の一実施形態によれば、空間内の物体の座標を測定するための可搬型関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）が提供される。ＡＡＣＭＭは、基部と、反対側にある第１の端部と第２の端部とを有する手動で位置付け可能なアーム部とを備える。アーム部は、基部に回転可能に連結され、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも１つの位置トランスデューサを含む。電子回路が、少なくとも１つの位置トランスデューサからの位置信号を受信するように構成されている。プローブ端が第１の端部に連結されている。非接触３次元測定装置がプローブ端に連結されている。非接触３次元測定装置は、電磁放射トランスミッタを有し、空気中の光の速度に少なくとも部分的に基づいて物体までの距離を決定するように構成される。プロセッサが、電子回路に電気的に連結され、電子回路からの位置信号の受信に応答して、また非接触３次元測定装置から物体までの距離の受信に応答して物体上の点の３次元座標を決定するように構成される。

本発明の一実施形態によれば、空間内の物体の３次元座標を測定するための可搬型関節アーム座標測定機を動作させる方法が提供される。上記方法は、反対側にある第１の端部および第２の端部を有する手動で位置付けることが可能なアーム部を設けるステップあって、アーム部が、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも１つの位置トランスデューサを含む、ステップを含む。電子回路が、トランスデューサから位置信号を受信する。電子回路に電気的に連結されたコントローラを有する非接触３次元測定装置が提供され、この３次元非接触測定装置は、電磁放射トランスミッタとセンサとを有する。上記３次元測定装置から電磁放射が物体へ送出される。反射された電磁放射はセンサで受け取られる。物体までの距離は、センサによって受け取られた反射された電磁放射から決定され、その場合、距離は、空気中の光の速度と、電磁放射が電磁放射トランスミッタから物体へ進行してセンサに戻って来るまでの時間とに少なくとも部分的に基づいている。

本発明の別の実施形態によれば、空間内の物体の３次元座標を測定するための別の可搬型関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）が提供される。ＡＡＣＭＭは、基部と、反対側にある第１の端部と第２の端部とを有する手動で位置付け可能なアーム部とを備える。アーム部は、基部に回転可能に連結され、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも１つの位置トランスデューサを含む。電子回路が提供され、この電子回路は、少なくとも１つの位置トランスデューサからの位置信号を受信する。プローブ端が測定装置と第１の端部との間に配置され、一方の面にインターフェースを有する。光源と、光受信器とを有する非接触３次元測定装置が、インターフェースに取り外し可能に連結される。非接触３次元測定装置は、空気中の光の速度と、光源からの光が光源から物体へ進行して光受信器へ戻る時間とに少なくとも部分的に基づいて物体上の点までの距離を決定するように構成されている。プロセッサが、電子回路に電気的に連結され、トランスデューサから受信された位置信号と、決定された距離とに少なくとも部分的に基づいて物体上の点の３次元座標を決定するように構成される。

図面を参照すると、代表的な実施形態が図示されているが、これらの図面は、本開示の全範囲について限定的なものではなく、また構成要素は、いくつかの図面において、同じ番号が付されている。

本発明の様々な態様の実施形態を中に有する可搬型関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）の斜視図である。 本発明の様々な態様の実施形態を中に有する可搬型関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）の斜視図である。 一実施形態による図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器のブロック図である。 一実施形態による図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器のブロック図である。 一実施形態による図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器のブロック図である。 一実施形態による図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器のブロック図である。 一実施形態による図１のＡＡＣＭＭの一部として使用される電子機器のブロック図である。 一実施形態による図２の電子データ処理システムの詳細な特徴を説明するブロック図である。 一実施形態による図２の電子データ処理システムの詳細な特徴を説明するブロック図である。 一実施形態による図２の電子データ処理システムの詳細な特徴を説明するブロック図である。 図１のＡＡＣＭＭのプローブ端の等角図である。 ハンドルが連結される途中の図４のプローブ端の側面図である。 ハンドルが装着された状態の図４のプローブ端の側面図である。 図６のプローブ端のインターフェース部分の拡大部分側面図である。 図５のプローブ端のインターフェース部分の別の拡大部分側面図である。 図４のハンドルの部分的に断面図である等角図である。 非接触距離測定装置が装着された図１のＡＡＣＭＭのプローブ端の等角図である。 図１０の装置が干渉計システムである実施形態の概略図である。 図１０の装置が絶対距離計システムである実施形態の概略図である。 図１０の装置がフォーカス型距離計である実施形態の概略図である。 図１０の装置がコントラストフォーカス型距離計である実施形態の概略図である。

可搬型関節アーム座標測定機（「ＡＡＣＭＭ」）は、物体の測定値を取得するために様々な用途で使用されている。本発明の実施形態は、オペレータに対して、ＡＡＣＭＭのプローブ端に、パターン投影（structured light）を使用して３次元物体の非接触測定を行うアクセサリ装置を容易かつ迅速に連結することを可能にするという利点を提供する。本発明の実施形態は、アクセサリによって測定された物体までの距離を表すデータの通信を行うというさらなる利点を提供する。本発明の実施形態は、また、外部接続や配線を有することなく、取り外し可能なアクセサリに対して電力およびデータ通信を提供するというさらなる利点を提供する。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の様々な実施形態によるＡＡＣＭＭ１００の斜視図であって、関節アームは、座標測定機の１種である。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、代表的なＡＡＣＭＭ１００は、プローブ端４０１（図４）を有する６軸または７軸の関節測定装置であって、プローブ端４０１は、一端でＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４に連結された測定プローブ筐体１０２を含む。アーム部１０４は、軸受カートリッジ（例えば、２つの軸受カートリッジ）からなる第１の群１１０によって第２のアームセグメント１０８に連結された第１のアームセグメント１０６を備える。軸受カートリッジ（例えば、２つの軸受カートリッジ）からなる第２の群１１２は、第２のアームセグメント１０８を測定プローブ筐体１０２に連結する。軸受カートリッジ（例えば、３つの軸受カートリッジ）からなる第３の群１１４は、第１のアームセグメント１０６を、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４の他端に配置された基部１１６に連結する。軸受カートリッジの各群１１０、１１２、１１４は、関節動作の複数の軸を提供する。また、プローブ端４０１は、ＡＡＣＭＭ１００の回転軸のシャフトを備えた測定プローブ筐体１０２（例えば、ＡＡＣＭＭ１００の回転軸内のプローブ１１８などの測定装置の移動を決定するエンコーダシステムを含むカートリッジ）を含んでもよい。この実施形態において、プローブ端４０１は、測定プローブ筐体１０２の中心を貫通する軸を中心として回転する。ＡＡＣＭＭ１００を使用する際、基部１１６は、通常、作業台に固定される。

各軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４の中の各軸受カートリッジは、通常、エンコーダシステム（例えば、光学式角度エンコーダシステム）を収容している。エンコーダシステム（すなわち、トランスデューサ）は、基部１１６に対するプローブ１１８の位置（ひいては、例えば、ＡＡＣＭＭ１００によって測定されている物体の局所または大域基準系などの特定の基準系における位置）を一緒になって示すそれぞれのアームセグメント１０６、１０８および対応する軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４の位置を示す。アームセグメント１０６、１０８は、例えば、炭素複合材料などの好適な剛性のある材料で作製されてもよいが、それに限定されない。関節動作の６軸または７軸（すなわち、自由度）を有する可搬型ＡＡＣＭＭ１００は、オペレータによって簡単に扱われうるアーム部１０４を提供しつつ、オペレータが基部１１６の周りの３６０度の領域内の所望の位置にプローブ１１８を位置付けることを可能にするという利点をもたらす。しかし、２つのアームセグメント１０６、１０８を有するアーム部１０４の説明は例示を目的とするものであり、請求される発明はそのように限定されるべきでないことを理解されたい。ＡＡＣＭＭ１００が有する軸受カートリッジによって連結されたアームセグメントの数は任意でよい（したがって、関節動作または自由度の６軸または７軸より多くても少なくてもよい）。

プローブ１１８は、測定プローブ筐体１０２に取り外し可能なように取り付けられ、測定プローブ筐体１０２は、軸受カートリッジの群１１２に接続される。ハンドル１２６は、例えば、クイック接続インターフェース（quick-connect interface）を用いて測定プローブ筐体１０２に対して取り外し可能である。以下により詳細に説明するように、ハンドル１２６は、物体の非接触距離測定を提供するように構成された別の装置に置き換えることが可能であり、それによってオペレータが同じＡＡＣＭＭ１００を用いて接触および非接触測定を行うことを可能にするという利点をもたらす。代表的な実施形態において、プローブ１０８は、接触式の測定装置であり、取り外し可能である。プローブ１１８は、測定対象物に物理的に接触する種々のチップ１１８を有してもよく、ボール形で接触感知式の湾曲した伸長式のプローブを含むが、それらに限定されない。その他の実施形態では、測定は、例えば、干渉計または絶対距離測定（ＡＤＭ）装置などの非接触装置によって実行される。一実施形態において、ハンドル１２６は、クイック接続インターフェースを用いてコード化パターン投影スキャナ装置と置き換えられる。追加的な機能を提供するために、取り外し可能なハンドル１２６を別の種類の測定装置と取り換えてもよい。このような測定装置の例としては、１つまたは複数の照明、温度センサ、熱スキャナ、バーコードスキャナ、プロジェクタ、ペイントスプレーヤ、カメラなどが含まれるが、それらに限定されない。

図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、ＡＡＣＭＭ１００は、軸受カートリッジの群１１２から測定プローブ筐体１０２を取り外すことなくアクセサリまたは機能を変更することを可能にする利点をもたらす取り外し可能なハンドル１２６を含む。図２に関して以下により詳細に記載されるように、取り外し可能なハンドル１２６は、電力およびデータを、ハンドル１２６およびプローブ端４０１に配置された対応する電子機器とやりとりすることを可能にする電気コネクタを含んでもよい。

様々な実施形態において、軸受カートリッジの各群１１０、１１２、１１４は、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４が複数の回転軸を中心として動くことを可能にする。既述のように、各軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４は、例えば、アームセグメント１０６、１０８の対応する回転軸と同軸上にそれぞれ配置される、光学式角度エンコーダなどの対応するエンコーダシステムを含む。光学式エンコーダシステムは、本明細書において以下により詳細に説明されるように、例えば、アームセグメント１０６、１０８の各々の対応する軸を中心とする回転（スイベル）動作または側方（蝶番）動作を検出し、ＡＡＣＭＭ１００内の電子データ処理システムに信号を送信する。個々の未処理のエンコーダカウントが信号として電子データ処理システムに別々に送信され、そのカウントは電子データ処理システムにおいて測定データへとさらに処理される。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，４０２，５８２号（‘５８２号）に開示されているような、ＡＡＣＭＭ１００自体から分離した位置計算機（例えば、シリアルボックス）は必要とされない。

基部１１６は、装着装置または取り付け装置１２０を含んでもよい。取り付け装置１２０は、ＡＡＣＭＭ１００が、例えば、検査台、マシニングセンター、壁、または床などの所望の位置に取り外し可能に取り付けられることを可能にする。一実施形態において、基部１１６は、ＡＡＣＭＭ１００を動かしているときに、オペレータが基部１１６を持つのに好都合な位置を提供するハンドル部１２２を含む。一実施形態において、基部１１６は、折りたたむとディスプレイスクリーンなどのユーザインターフェースが見えるようになる可動式のカバー部１２４をさらに含む。

一実施形態によれば、可搬型ＡＡＣＭＭ１００の基部１１６は、２つの主要な構成要素、すなわち、ＡＡＣＭＭ１００内の種々のエンコーダシステムからのデータ、および３次元（３Ｄ）位置計算をサポートするためのその他のアームパラメータを表すデータを処理する基部処理システムと、比較的完全な計測機能が外部コンピュータへの接続を必要とせずにＡＡＣＭＭ１００内で実施されることを可能にする、搭載オペレーティングシステム、タッチスクリーンディスプレイ、および常駐アプリケーションソフトウェアを含むユーザインターフェース処理システムと、を含む電子データ処理システムを含むかまたは収容する。

基部１１６内の電子データ処理システムは、基部１１６から離れて配置されたエンコーダシステム、センサ、およびその他の周辺ハードウェア（例えば、ＡＡＣＭＭ１００上の取り外し可能なハンドル１２６に取り付け可能な非接触距離測定装置）と通信することができる。これらの周辺ハードウェア装置または機能をサポートする電子機器は、可搬型ＡＡＣＭＭ１００内にある軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４のそれぞれに配置されてもよい。

図２は、一実施形態による、ＡＡＣＭＭ１００で利用される電子機器のブロック図である。図２Ａに示される実施形態は、基部処理システムを実装するための基部プロセッサ基板２０４と、ユーザインターフェース基板２０２と、電力を供給するための基部電源基板２０６と、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール２３２と、基部傾斜基板２０８と、を含む電子データ処理システム２１０を含む。ユーザインターフェース基板２０２は、ユーザインターフェース、表示、および本明細書において説明されるその他の機能を実行するアプリケーションソフトウェアを実行するためのコンピュータプロセッサを含む。

図２Ａに示されるように、電子データ処理システム２１０は、１つまたは複数のアームバス２１８を介して上述の複数のエンコーダシステムと通信状態にある。図２Ｂ、図２Ｃに示された実施形態において、各エンコーダシステムは、エンコーダデータを生成し、エンコーダアームバスインターフェース２１４と、エンコーダデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２１６と、エンコーダ読み取りヘッドインターフェース２３４と、温度センサ２１２と、を含む。歪みセンサなどのその他の装置をアームバス２１８に装着してもよい。

また図２Ｄに示されているのは、アームバス２１８と通信状態にあるプローブ端電子機器２３０である。プローブ端電子機器２３０は、プローブ端ＤＳＰ２２８と、温度センサ２１２と、一実施形態においてはクイック接続インターフェースを介してハンドル１２６または非接触距離測定装置２４２に接続するハンドル／装置インターフェースバス２４０と、プローブインターフェース２２６とを含む。クイック接続インターフェースは、非接触距離測定装置２４２およびその他のアクセサリによって使用されるデータバス、制御線、および電源バスへのハンドル１２６によるアクセスを可能にする。一実施形態において、プローブ端電子機器２３０は、ＡＡＣＭＭ１００の測定プローブ筐体１０２に配置される。一実施形態において、ハンドル１２６は、クイック接続インターフェースから取り外されることができ、測定は、インターフェースバス２４０を介してＡＡＣＭＭ１００のプローブ端電子機器２３０と通信する非接触距離測定装置２４２によって実行されてよい。一実施形態において、電子データ処理システム２１０は、ＡＡＣＭＭ１００の基部１１６に配置され、プローブ端電子機器２３０は、ＡＡＣＭＭ１００の測定プローブ筐体１０２に配置され、エンコーダシステムは、軸受カートリッジの群１１０、１１２、１１４に配置される。プローブインターフェース２２６は、１−ｗｉｒｅ（登録商標）通信プロトコル２３６を実施する、Ｍａｘｉｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．から販売されている製品を含む任意の好適な通信プロトコルによってプローブ端ＤＳＰ２２８に接続することができる。

図３Ａは、一実施形態による、ＡＡＣＭＭ１００の電子データ処理システム２１０の詳細な特徴を説明するブロック図である。一実施形態において、電子データ処理システム２１０は、ＡＡＣＭＭ１００の基部１１６に配置され、基部プロセッサ基板２０４と、ユーザインターフェース基板２０２と、基部電源基板２０６と、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈモジュール２３２と、基部傾斜モジュール２０８とを含む。

図３Ａに示される実施形態において、基部プロセッサ基板２０４は、図中に示される様々な機能ブロックを含む。例えば、基部プロセッサ機能３０２は、ＡＡＣＭＭ１００からの測定データの収集をサポートするために利用され、アームバス２１８およびバス制御モジュール機能３０８を介して未処理のアームデータ（例えば、エンコーダシステムのデータ）を受信する。メモリ機能３０４は、プログラムおよび静的なアーム構成データを記憶する。また、基部プロセッサ基板２０４は、非接触距離測定装置２４２などの任意の外部ハードウェア装置またはアクセサリと通信するための外部ハードウェアオプションポート機能３１０を含む。リアルタイムクロック（ＲＴＣ）およびログ３０６と、バッテリパックインターフェース（ＩＦ）３１６と、診断ポート３１８もまた、図３に示される基部プロセッサ基板２０４の実施形態の機能に含まれる。

また、基部プロセッサ基板２０４は、外部（ホストコンピュータ）および内部（ディスプレイプロセッサ２０２）装置との全ての有線および無線データ通信を管理する。基部プロセッサ基板２０４は、（例えば、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）１５８８などのクロック同期規格を用いて）イーサネット（登録商標）機能３２０を介してイーサネットネットワークと、ＬＡＮ機能３２２を介して無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）と、およびパラレル・シリアル通信（ＰＳＣ）機能３１４を介してＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）モジュール２３２と通信する能力を有する。基部プロセッサ基板２０４は、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）装置３１２への接続も含む。

基部プロセッサ基板２０４は、上述の‘５８２号特許のシリアルボックスで開示されたようないかなる前処理も必要とせずに測定データへと処理するために、未処理の測定データ（例えば、エンコーダシステムのカウント、温度の読み取り値）を送信および収集する。基部プロセッサ２０４は、ＲＳ４８５インターフェース（ＩＦ）３２６を介して、ユーザインターフェース基板２０２のディスプレイプロセッサ３２８に処理されたデータを送信する。一実施形態において、基部プロセッサ２０４は、また、未処理の測定データを外部コンピュータへ送信する。

次に、図３Ｂのユーザインターフェース基板２０２を見ると、基部プロセッサによって受信された角度および位置データが、ＡＡＣＭＭ１００内の自律的な計測システムを提供するためにディスプレイプロセッサ３２８で実行されるアプリケーションによって利用される。アプリケーションは、これらに限定されないが、特徴の測定、研修および指導の画像、遠隔診断、温度修正、様々な動作機能の制御、様々なネットワークへの接続、ならびに測定済み物体の表示などの機能をサポートするためにディスプレイプロセッサ３２８で実行されてもよい。ディスプレイプロセッサ３２８および（例えば、タッチスクリーンＬＣＤなどの）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）３３８ユーザインターフェースとともに、ユーザインターフェース基板２０２は、セキュアデジタル（ＳＤ）カードインターフェース３３０と、メモリ３３２と、ＵＳＢホストインターフェース３３４と、診断ポート３３６と、カメラポート３４０と、音声／映像インターフェース３４２と、ダイヤルアップ／セルモデム３４４と、全地球測位システム（ＧＰＳ）ポート３４６とを含むいくつかのインターフェースオプションを含む。

図３Ａに示される電子データ処理システム２１０は、環境データを記録するための環境レコーダ３６２を有する基部電源基板２０６も含む。また、基部電源基板２０６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ３５８およびバッテリ充電器制御３６０を用いて、電子データ処理システム２１０に電力を供給する。基部電源基板２０６は、集積回路間（inter-integrated circuit）（Ｉ２Ｃ）シリアルシングルエンドバス３５４を用いて、およびＤＭＡシリアル周辺インターフェース（DMA serial peripheral interface）（ＤＳＰＩ）３５７を介して、基部プロセッサ基板２０４と通信する。基部電源基板２０６は、基部電源基板２０６に実装された入力／出力（Ｉ／Ｏ）拡張機能３６４を介して傾斜センサおよび無線周波数識別（ＲＦＩＤ）モジュール２０８に接続される。

別個の構成要素として示されているが、その他の実施形態において、これらの構成要素の全てまたは一部は、図３に示された位置とは異なる位置に物理的に配置されても、および／または図３に示された方法とは異なる方法で組み合わされた機能であってもよい。例えば、一実施形態において、基部プロセッサ基板２０４およびユーザインターフェース基板２０２は、１つの物理的な基板に組み合わされている。

ここで図４〜図９を参照すると、取り外し可能で交換可能な装置４００をＡＡＣＭＭ１００に連結することを可能にするクイック接続機械電気インターフェース（quick-connect mechanical and electrical interface）をもつ測定プローブ筐体１０２を有するプローブ端４０１の代表的な実施形態が示されている。代表的な実施形態において、装置４００は、例えば、ピストルの持ち手のようにオペレータの手で握られるようなサイズおよび形状に作製されたハンドル部４０４を含む格納カバー４０２を含む。格納カバー４０２は、空洞４０６（図９）を有する薄壁構造体である。空洞４０６は、コントローラ４０８を収容するようなサイズに作製され、構成される。コントローラ４０８は、例えば、マイクロプロセッサを有するデジタル回路かまたはアナログ回路でよい。一実施形態において、コントローラ４０８は、電子データ処理システム２１０（図２および３）と非同期双方向通信の状態にある。コントローラ４０８と電子データ処理システム２１０の間の通信接続は、（例えば、コントローラ４２０を介した）有線であってもよいし、あるいは直接的または間接的な無線接続（例えば、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈまたはＩＥＥＥ８０２．１１）か、または有線接続と無線接続との組み合わせでもよい。代表的な実施形態において、格納カバー４０２は、例えば、射出成形プラスチック材料などから２つの半分４１０、４１２で形成される。半分４１０、４１２は、例えば、ねじ４１４などの締め具によって１つに固定されてもよい。その他の実施形態において、格納カバーの半分４１０、４１２は、例えば、接着剤または超音波溶接によって１つに固定されてもよい。

ハンドル部４０４は、また、オペレータによって手動で作動されることができるボタンまたは操作部４１６、４１８を含む。操作部４１６、４１８は、プローブ筐体１０２内のコントローラ４２０に信号を送信するコントローラ４０８に連結される。代表的な実施形態において、操作部４１６、４１８は、プローブ筐体１０２の装置４００とは反対側に配置された操作部４２２、４２４の機能を実行する。装置４００は、装置４００、ＡＡＣＭＭ１００を制御あるいはその逆を制御するために使用することができる追加的なスイッチ、ボタン、またはその他の操作部を有してもよいことを理解されたい。また、装置４００は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、音源、メータ、ディスプレイ、または計器などのインジケータを含んでよい。一実施形態において、装置４００は、測定点と同時に口頭のコメントを残すことを可能にするデジタルボイスレコーダを含んでもよい。さらに別の実施形態において、装置４００は、オペレータに音声による作動コマンドを電子データ処理システム２１０に送信することを可能にするマイクロホンを含む。

一実施形態において、ハンドル部４０４は、オペレータの手または（左利きまたは右利きなど）特定の手で使用されるように構成されてもよい。ハンドル部４０４は、（指の欠けたオペレータまたは義手を着けたオペレータなど）障害を持ったオペレータを助けるように構成されることもできる。さらに、ハンドル部４０４は、空間的隙間が限られるときには取り外されることができ、プローブ筐体１０２が単体で使用されることができる。上述したように、プローブ端４０１は、ＡＡＣＭＭ１００の回転軸のシャフトを備えてもよい。

プローブ端４０１は、プローブ筐体１０２の第２のコネクタ４２８と協調する、装置４００の第１のコネクタ４２９（図８）を有する機械的および電気的インターフェース４２６を含む。コネクタ４２８、４２９は、装置４００のプローブ筐体１０２への連結を可能にする電気的および機械的特徴を含む。一実施形態において、インターフェース４２６は、機械的連結部４３２および電気コネクタ４３４を上に有する第１の表面４３０を含む。格納カバー４０２は、第１の表面４３０に近接して配置され、第１の表面４３０から段差を付けられた第２の表面４３６も含む。代表的な実施形態において、第２の表面４３６は、第１の表面４３０から約０．５インチ差の段差を付けられた平面である。この段差は、カラー４３８などの締め具を締めるかまたは緩めるときにオペレータの指のための隙間をもたらす。インターフェース４２６は、コネクタのピンを位置合わせすることを必要とせずに、および別個のケーブルまたはコネクタを必要とせずに、装置４００とプローブ筐体１０２の間の比較的迅速で安定した電子的接続を提供する。

電気コネクタ４３４は、第１の表面４３０から延伸し、例えば、１つまたは複数のアームバス２１８などを介して電子データ処理システム２１０（図２および図３）と非同期双方向通信するように電気的に連結される１つまたは複数のコネクタピン４４０を含む。双方向通信接続は、（例えば、アームバス２１８を介した）有線、無線（例えば、ＢｌｕｅｔｏｏｔｈまたはＩＥＥＥ８０２．１１）、あるいは有線接続と無線接続の組み合わせでよい。一実施形態において、電気コネクタ４３４は、コントローラ４２０に電気的に連結される。コントローラ４２０は、例えば、１つまたは複数のアームバス２１８などを介して電子データ処理システム２１０と非同期双方向通信してもよい。電気コネクタ４３４は、プローブ筐体１０２の電気コネクタ４４２と比較的迅速で安定した電子的接続を提供するように配置される。電気コネクタ４３４、４４２は、装置４００がプローブ筐体１０２に装着されるときに互いに接続する。電気コネクタ４３４、４４２は、それぞれ、電磁干渉からの遮蔽と、コネクタピンの保護と、装置４００をプローブ筐体１０２に装着するプロセスの際にピンの位置合わせの補助を提供する金属で覆われたコネクタ筐体を含んでよい。

機械的連結部４３２は、ＡＡＣＭＭ１００のアーム部１０４の端部の装置４００の位置がずれないまたは動かないことが好ましい比較的高精度な適用をサポートするために、装置４００とプローブ筐体１０２との間の比較的強固な機械的連結を提供する。通常、そのようないかなる動きも測定結果の精度の望ましくない低下を招く可能性がある。これらの所望の結果は、本発明の実施形態のクイック接続機械電気インターフェースの機械的装着構成部分の様々な構造的特徴を用いて達成される。

一実施形態において、機械的連結部４３２は、一端４４８（装置４００の前縁または「最前部」）に配置された第１の凸部４４４を含む。第１の凸部４４４は、第１の凸部４４４から延伸する唇縁４４６を形成する突起、切欠き、または勾配を付けられたインターフェースを含み得る。唇縁４４６は、プローブ筐体１０２から延伸する凸部４５２によって画定される溝４５０（図８）に受容されるような大きさに作製される。第１の凸部４４４および溝４５０は、カラー４３８とともに、唇縁４４６が溝４５０内に位置付けられるときに、溝４５０を用いて装置４００がプローブ筐体１０２に装着されるときの長手方向と横方向の両方の動きを制限するように連結部構成を形成することを理解されたい。以下により詳細に説明されるように、カラー４３８の回転を用いて唇縁４４６をスロット４５０内に固定してよい。

第１の凸部４４４の反対側に、機械的連結部４３２は、第２の凸部４５４を含んでよい。第２の凸部４５４は、突起をもつ切欠き唇縁かまたは勾配を付けられたインターフェース面４５６（図５）を有してよい。第２の凸部４５４は、例えば、カラー４３８などの、プローブ筐体１０２に関する締め具を係合するように配置される。以下により詳細に検討されるように、機械的連結部４３２は、インターフェース４２６のための支点を提供する、電気コネクタ４３４に近接するかまたは電気コネクタ４３４周りに配置された、表面４３０から突出する持ち上げられた表面を含む（図７および８）。これは、装置４００がプローブ筐体１０２に装着されるときに、装置４００とプローブ筐体１０２との間の３つの機械的接点のうちの第３の接点として機能する。

プローブ筐体１０２は、同軸上に配置されたカラー４３８を一端に含む。カラー４３８は、第１の位置（図５）と第２の位置（図７）との間を動くことができるねじ部を含む。カラー４３８を回転させることによって、カラー４３８を使用して、外部の道具を必要とせずに装置４００を固定したりまたは取り外したりすることができる。カラー４３８の回転では、比較的粗く四角にねじ山が切られた円筒４７４に沿ってカラー４３８が動く。このような比較的大きなサイズの四角にねじ山が切れられまた外形表面の使用によって、最小限の回転トルクで非常に大きな締め付け力がもたらされる。さらに、円筒４７４のねじの粗いピッチは、カラー４３８が最小限の回転で締められるかまたは緩められることを可能にする。

装置４００をプローブ筐体１０２に連結するために、唇縁４４６が溝４５０に挿入され、装置は、第２の凸部４５４が矢印４６４（図５）に示されるように表面４５８に向かって回転するように枢動される。カラー４３８を回転しながら、カラー４３８を矢印４６２によって示される方向に動かすかまたは平行移動させて表面４５６と係合させる。角度のついた面４５６に対するカラー４３８の動きが、機械的連結部４３２を持ち上げられた表面４６０に向かって押し付ける。これは、装置４００をプローブ筐体１０２に強固に固定することを妨げる可能性があるインターフェースの変形またはインターフェースの表面上の異物という潜在的な問題を克服するのに役立つ。カラー４３８によって第２の凸部４５４に力を加えることは、機械的連結部４３２を前方に動かしながら、唇縁４４６をプローブ筐体１０２上の座部へと押し込む。カラー４３８が締められ続けるにつれて、第２の凸部４５４は、プローブ筐体１０２に向かって上向きに押されながら、支点に圧力をかける。これは、圧力を第２の凸部４５４、唇縁４４６、および中央の支点に加えて、装置４００のずれまたは揺れを軽減するかまたは取り除いて、シーソー型の構成をもたらす。支点は、プローブ筐体１０２の底を直接押し、一方、唇縁４４６は、プローブ筐体１０２の端部に下向きの力をかける。図５は、装置４００およびカラー４３８の動きの方向を示す矢印４６２、４６４を含む。図７は、カラー４３８が締められるときにインターフェース４２６内でかけられる圧力の方向を示す矢印４６６、４６８、４７０を含む。装置４００の表面４３６の段差距離が、カラー４３８と表面４３６の間の間隙４７２（図６）をもたらすことを理解されたい。間隙４７２は、カラー４３８が回転されるときに指を挟む危険性を軽減しながら、オペレータがカラー４３８をよりしっかりと握ることを可能にする。一実施形態において、プローブ筐体１０２は、カラー４３８が締められるときの変形を軽減するかまたは防止するのに十分なだけの剛性がある。

インターフェース４２６の実施形態は、機械的連結部４３２および電気コネクタ４３４の適切な位置合わせを可能にし、また加えられた圧力から電子機器のインターフェースを保護するが、この圧力は、カラー４３８、唇縁４４６、および表面４５６の締め付け動作によって生じうる。これは、はんだ付けされた端子を有する回路基板４７６に取り付けられた電気コネクタ４３４、４４２に対する力による損傷を軽減するかまたは取り除く利点をもたらす。また、実施形態は、ユーザが装置４００をプローブ筐体１０２対して接続したりまたは切り離したりするために道具を必要としないという点で、公知の手法に対して有利である。これは、オペレータが手動で比較的簡単に装置４００をプローブ筐体１０２に接続し、プローブ筐体１０２から切り離すことを可能にする。

インターフェース４２６によって可能な比較的多数の遮蔽された電気接続のおかげで、ＡＡＣＭＭ１００と装置４００の間で比較的多数の機能を共有することができる。例えば、ＡＡＣＭＭ１００に配置されたスイッチ、ボタン、またはその他の操作部を使用して装置４００を制御してもよく、またはその逆でもよい。さらに、コマンドおよびデータが、電子データ処理システム２１０から装置４００に送信されてもよい。一実施形態において、装置４００は、基部プロセッサ２０４のメモリに記憶されるべき、またはディスプレイ３２８に表示されるべき記録画像のデータを送信するビデオカメラである。別の実施形態において、装置４００は、電子データ処理システム２１０からデータを受信する画像プロジェクタである。また、ＡＡＣＭＭ１００または装置４００のいずれかに配置される温度センサは、他方によって共有されてもよい。本発明の実施形態は、幅広い種類のアクセサリ装置４００をＡＡＣＭＭ１００に迅速、簡単、かつ確実に連結することを可能にする柔軟なインターフェースを提供する利点をもたらすことを理解されたい。さらに、ＡＡＣＭＭ１００と装置４００との間で機能を共有する能力は、重複をなくすことによってＡＡＣＭＭ１００のサイズ、電力消費、および複雑性を削減することを可能にする。

一実施形態において、コントローラ４０８は、ＡＡＣＭＭ１００のプローブ端４０１の動作または機能を変更してよい。例えば、装置４００が装着されるときと、プローブ筐体１０２が単体で使用されるときでは、コントローラ４００は、異なる色の光を放つ、異なる強さの光を放つ、または異なるタイミングで点灯／消灯することのいずれかを行うようにプローブ筐体１０２のインジケータライトを変更してよい。一実施形態において、装置４００は、物体までの距離を測定する測距センサ（図示せず）を含む。この実施形態において、コントローラ４０８は、物体がプローブチップ１１８からどのぐらい遠いかをオペレータに示すためにプローブ筐体１０２のインジケータライトを変更してもよい。これによって、コントローラ４２０の要件を簡素化する利点がもたらされ、アクセサリ装置の追加による機能のアップグレードまたは向上が可能になる。

次に、図１０〜図１４を参照すると、物体の非接触測定を可能にする装置５００が示されている。一実施形態では、装置５００が、連結部機構およびインターフェース４２６を介してプローブ端４０１に取り外し可能に連結されている。別の実施形態では、装置５００がプローブ端４０１に一体的に接続されている。以下により詳細に説明するように、装置５００は、干渉計（図１１）、絶対距離測定（ＡＤＭ）装置（図１２）、フォーカスメータ（図１３および図１４）、またはその他の種類の非接触距離測定装置であってよい。

装置５００は、さらに、ハンドル部分５１０をもつ格納カバー５０１を含む。一実施形態では、装置５００は、本明細書において上述されたように、プローブ筐体１０２に装置５００を機械的および電気的に連結するインターフェース４２６を一方の端部に含む。インターフェース４２６は、装置５００が、追加のツールを必要とせずに、迅速かつ容易にＡＡＣＭＭ１００に連結されまたそこから取り外されることを可能にするという利点を提供する。別の実施形態では、装置５００は、プローブ筐体１０２内に一体化されてもよい。

装置５００は、例えば、レーザ光または白色光などのコヒーレントまたはインコヒーレント光を発する光源５０２などの電磁放射トランスミッタを含む。光源５０２からの光は測定対象物に向けて装置５００の外に配向されている。装置５００は、光学アセンブリ５０４および光受信器５０６を含んでもよい。光学アセンブリ５０４は、１つまたは複数のレンズ、ビーム分割器、二色ミラー、１／４波長板、偏光光学系などを含んでよい。光学アセンブリ５０４は、光源によって出射された光を分割し、一部を、例えば、再帰反射器などの物体へ、また一部を光受信器５０６へ方向付ける。光受信器５０６は、光学アセンブリ５０４からの反射光と再指向光とを受光して、光を電気信号に変換するように構成される。光源５０２と光受信器５０６は、両方ともコントローラ５０８に連結されている。コントローラ５０８は、1つまたは複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、メモリ、および信号調節回路を含んでよい。

また、ハンドル部分５１０にかかる力が、装置５００のプローブチップ１１８に対する位置合わせに影響を及ぼさないように、装置５００がプローブ先端１１８に対して実質的に固定されていることを理解されたい。一実施形態では、装置５００は、オペレータに、装置５００およびプローブチップ１１８からのデータの取得を切り替えることを可能にする、追加の操作部（図示せず）を有していてもよい。

装置５００は、装置５００による動作およびデータ取得を開始するために、オペレータによって手動で作動されることのできる操作部５１２、５１４をさらに含んでもよい。一実施形態において、物体までの距離を決定するための光学的処理がコントローラ５０８によって実行され、距離データはバス２４０を介して電子データ処理システム２１０に送信される。別の実施形態において、光学データは電子データ処理システム２１０に送信され、物体までの距離は電子データ処理システム２１０によって決定される。装置５００はＡＡＣＭＭ１００に連結されているので、電子処理システム２１０は、（エンコーダからの信号を介して）装置５００の位置および向きを決定することができ、それらを距離測定と組み合わせた場合には、ＡＡＣＭＭ１００に対する物体のＸ、Ｙ、Ｚ座標の決定が可能になることを理解されたい。

一実施形態において、図１１に示された装置５００は、干渉計である。干渉計は、物体上の点に、例えば、レーザ光などのコヒーレント光線を送出する、距離計の一種である。代表的な実施形態において、物体とは、例えば、外部の再帰反射器５１６である。干渉計は、物体の距離の変化を測定するために、戻り光と参照ビーム光とを結合する。距離Ｄが既知である初期位置に再帰反射器５１６を配置することによって、再帰反射器５１６が新しい位置に移動するときにも、距離Ｄ’を決定することができる。通常のまたは増分の干渉計を用いれば、距離計に対する物体点の移動の半波長ごとにコヒーレント光パターンが繰り返されるので、半波長を計数することによって距離が決定される。再帰反射器５１６は、キューブコーナー再帰性反射器が埋め込まれた金属球を備える、球形取り付け型再帰反射器であってもよい。キューブコーナー再帰反射器は、共通の頂点で一緒になる３つの垂直ミラーを備える。一実施形態において、その頂点は金属球の中心に配置されている。球を物体と接触する状態に保持することによって、物体表面の点までの距離を干渉計によって測定することができる。再帰反射器５１６は、出射光と平行に光を送り返す別の種類の装置であってもよい。

一実施形態において、装置５００は増分干渉計である。増分干渉計は、Ｄ＝ａ＋（ｎ＋ｐ）＊（ラムダ／２）＊ｃ／ｎを用いて算出される測定距離Ｄを有し、ここで、「ａ」は定数、「ｎ」はターゲットの動きにおいて明らかとなったカウントの整数、「ｐ」は、周期（０〜３６０度の位相角に対応する０〜１の数）の小数部分、「ラムダ」は、真空中の光の波長、「ｃ」は、真空中の光の速度、「ｎ」は、光５２４が通過する空気の温度、気圧、および湿度での光５２４の波長における空気の屈折率である。屈折率は、局所媒体（この場合は空気）内の光の速度で割った真空中の光の速度として定義され、したがって、算出された距離Ｄは、空気内の光の速度「ｃ／ｎ」に依存するということになる。一実施形態において、光源５０２からの光５１８は、光学干渉計５０４を通過して、離れた再帰反射器５１６に進行し、復路では光学干渉計５０４を通過して光受信器に入射する。光受信器は、位相補間器に取り付けられている。光受信器および位相補間器は、全体で、戻り光の位相を復号し、半波長カウントの数を追跡するための光学系および電子機器を含む。関節アーム１００内の位相補間器などの電子機器、あるいは外部のコンピュータ内の電子機器が、再帰反射器５１６が移動した増分距離を決定する。図１１の再帰反射器５１６が移動した増分移動距離は、Ｄ’−Ｄである。任意のある時点における距離Ｄ’は、例えば、関節アームＣＭＭの基準点からの距離Ｄである基準位置における再帰反射器の位置をまず見つけることによって決定することができる。例えば、再帰反射器が球状取り付け再帰反射器（ＳＭＲ）内に存在する場合には、距離Ｄ’は、まず再帰反射器５１６を基準位置に配置することによって見出すことができ、基準位置は、例えば、ＳＭＲを保持するように構成された磁気ネストでもよい。その後、光源５０２と再帰反射器５１６との間で光線が破壊されない限り、総距離Ｄ’は、本明細書において上述された式における「ａ」の値としての基準距離を用いて決定することができる。基準距離は、例えば、スキャナが様々な向きで保持された状態で基準球を測定することによって決定することができる。自己整合的に基準球の座標を求めることにより、基準距離を決定することができる。

図１１は、戻り光線５２４Ｂと平行に進行するものの、戻り光線５２４Ｂからずれた外部への射出光ビーム５２４を示している。場合によっては、光５２４および５２４Ｂは、反対方向ではあるが同じ経路に沿って進行して、自身に光が戻って来るのが好ましい。この場合、反射光が光源５２０に対して入射したり不安定化させたりすることがないように分離方法を使用することが重要である。戻り光からレーザを分離する１つの方法としては、光源５０２と戻り光５２４Ｂとの間の光経路にファラデーアイソレータを配置することがある。

増分干渉計の一実施形態において、干渉計が単一周波数で動作するレーザとなるように、光源５０２はホモダイン方式の装置である。その他の実施形態では、装置は、ヘテロダイン方式の装置であってもよく、分極され直交する２つの重複するビームを生成するために、レーザは、少なくとも２つの周波数で動作する。光源５０２は、ビーム分割器５２０内へ向けられる光５１８を出射する。ここで、光の第１の部分５２２は反射されて光受信器５０６へ送られる。光の第１の部分を光受信器５０６に配向するように、光の第１の部分５２２は、少なくとも１つのミラー５２３で反射される。代表的な実施形態において、第１の部分５２２は、複数のミラー５２３およびビーム分割器５２０で反射される。この第１の部分５２２は、戻り光または反射光との比較に使用される参照ビーム光である。

光の第２の部分５２４は、ビーム分割器５２０を透過して、再帰反射器５１６に向けられる。光学アセンブリ５０４は、これらに限定されないが、レンズ、１／４波長板、フィルタなどの他の光学部品（図示せず）をさらに含んでいてもよいことを理解されたい。光の第２の部分５２４は、再帰反射器５１６へ進行し、再帰反射器５１６は、第２の部分５２４を反射して、出射光と平行な経路５２７に沿って装置５００に戻す。反射光は、光学アセンブリを通して戻り、光学アセンブリではビーム分割器５２０を透過して、光受信器５０６に送出される。代表的な実施形態において、戻り光はビーム分割器５２０を透過するときに、光の第一の部分５２２との共通である光受信器５０２への光路に合流する。光学アセンブリ５０４が、例えば、ビーム分割器５２０と光受信器５０６との間に、偏光面の回転を生成する光学系などの追加の光学部品（図示せず）をさらに含んでもよいことを理解されたい。これらの実施形態において、光受信器５０６は、パワー正規化機能を可能にする複数の偏光感受型受信器で構成されてもよい。

光受信器５０６は、光の第１の部分５２２と第２の部分５２４の両方を受光する。光の２つの部分５２２、５２４は、各々、異なる光路長を有するので、光受信器５０６における第１の部分５２２と比較した場合、第２の部分５２４は、位相シフトを有することになる。装置５００が、ホモダイン式干渉計である実施形態において、光受信器５０６は、光の２つの部分５２２、５２４の強度の変化に基づいて電気信号を生成する。装置５００が、ヘテロダイン式干渉計である実施形態において、受信機５０６は、例えば、ドップラーシフト信号などの技術を用いて位相または周波数測定を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、光受信器５０６は、例えば、受けた光を位相補間器５０８またはスペクトラムアナライザに伝達する光ファイバピックアップであってよい。さらに別の実施形態では、光受信器５０６は、電気信号を生成し、位相補間器５０８にその信号を送信する。

増分干渉計では、（本明細書の上述の式から）カウント数ｎの変化を追跡する必要がある。光線が再帰反射器５１６に保持された場合、光受信器５０６内の光学素子および電子機器を使用してカウントを追跡してよい。別の実施形態では、別の種類の測定が使用され、その測定では、距離計からの光が測定対象物に直接送出される。物体は、金属でもよく、比較的少量の光のみを光受信器へ戻すように、例えば、光を拡散反射してもよい。この実施形態では、戻り光が出射光と実質的に一致するように、光は、自身へと直接戻る。その結果、例えば、ファラデーアイソレータなどの付いた光源５０２内へ送り戻される光量を減少させる手段を提供する必要があるかもしれない。

拡散ターゲットまでの距離を測定するときの難しさの１つに、干渉縞をカウントすることができないということがある。再帰反射器ターゲット５１６の場合、再帰反射器がトラッカから離れるにつれて、光の位相が連続的に変化することが知られている。光ビームが物体上に移動された場合、戻り光の位相は、例えば、光が縁部付近を通過するときに、不連続に変化してもよい。この場合、絶対干渉計として知られているタイプの干渉計を使用することが望ましい。絶対干渉計は、複数の波長の光を同時に放出し、その複数の波長は、例えば、ミリメートルの単位の「合成波長」を作成するように構成される。絶対干渉計は、移動の半波長ごとに干渉縞をカウントする必要がない点以外は、増分干渉計と同様の精度を有する。測定は、１つの合成波長に対応する領域内のどこでも行うことができる。

一実施形態において、光学アセンブリ５０４は、領域を迅速に測定するために、絶対干渉計からの光がスキャナで照り返され、スキャナで再び受光されることを可能にするマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーなどのステアリングミラー（図示せず）を含んでもよい。

一実施形態では、装置は、絶対干渉計と組み合わせて使用されるカメラ５２９などの画像取得装置を任意で含んでもよい。カメラ５２９は、レンズと感光性アレイとを含む。レンズは、感光性アレイ上に照射された物点を結像するように構成されている。感光性アレイは、絶対干渉計によって出射される光の波長に反応するように構成されている。感光性アレイ上に結像する光の位置に注目することによって、物点の曖昧性範囲を決定することができる。例えば、絶対干渉計の曖昧性範囲が１ｍｍであると仮定する。その場合、１ミリメートル以内のターゲットまでの距離が既知である場合、干渉計を使用してターゲットまでの距離を見つけることには問題はない。一方で、１ミリメートルの曖昧性範囲以内のターゲットまでの距離が未知であると仮定する。一実施形態において、曖昧性範囲以内にあるターゲットまでの距離を見つけるための方法は、カメラ５２９を光線の出射点近傍に配置することである。カメラは、感光性アレイ上に散乱光の像を結像する。結像された光スポットの位置は光学的ターゲットまでの距離に依存し、それによって曖昧性範囲内にある物体までの距離を決定する方法を提供する。

一実施形態において、距離測定装置は、物体までの距離の決定においてコヒーレント光（例えば、レーザ）を使用する。一実施形態において、この装置は、時間関数、例えば、線形の時間関数としてレーザの波長を変化させる。出射レーザ光の一部は光検出器に送られ、再帰性反射板に向かう出射レーザ光の別の一部もまた検出器に送られる。光ビームは、検出器において光学的に混合され、電気回路は、距離計から再帰反射器ターゲットまでの距離を決定するために光検出器からの信号を評価する。

一実施形態では、装置５００は、絶対距離計（ＡＤＭ）装置である。ＡＤＭ装置は、通常、インコヒーレント光を使用し、距離計からターゲットまで移動してまた戻るのに必要な時間に基づいて物体までの距離を決定する。ＡＤＭ装置は、通常、干渉計よりも精度が低いが、ＡＤＭは、物体までの距離の変化を測定するのではなく、物体までの距離を直接測定するという利点を提供する。このように、干渉計とは異なり、ＡＤＭは既知の初期位置を必要としない。

ＡＤＭの１種に、パルス飛行時間（ＴＯＦ）ＡＤＭがある。パルス飛行時間ＡＤＭでは、レーザは、光のパルスを出射する。その光の一部は物体へ送出されて、物体で散乱し、光信号を電気信号に変換する光検出器によってピックアップされる。光の別の一部は、上記検出器（または別の検出器）に直接送られ、その検出器において電気信号に変換される。２つの電気パルス信号のリーディングエッジ間の時間ｄｔは、距離計から物点までの距離を決定するために使用される。距離Ｄは、まさにＤ＝ａ＋ｄｔ＊ｃ／（２ｎ）であって、ａは定数、ｃは真空中の光の速度、ｎは空気中での光の屈折率である。

別のタイプのＡＤＭとして、位相ベースＡＤＭがある。位相ベースＡＤＭは、正弦波変調をレーザに直接適用して出射レーザ光の光パワーを変調する。変調は、正弦波または矩形波として適用される。検出された波形の基本周波数に関する位相が抽出される。基本周波数とは、波形の主周波数または最低周波数である。通常、基本周波数に関する位相は、光検出器に光を送って電気信号を取得し、光を調整し（増幅器、ミキサ、およびフィルタを介して光を送ることを含んでもよい）、アナログデジタル変換器を用いて上記電気信号をデジタル化されたサンプルに変換し、次いで計算方法を用いて位相を計算することによって得られる。

位相ベースＡＤＭは、Ｄ＝ａ＋（ｎ＋ｐ）＊ｃ／（２＊ｆ＊ｎ）に等しい測定距離Ｄを有し、ここで、「ａ」は定数、「ｎ」および「ｐ」は物点の「曖昧性範囲」の整数および小数部分、「ｆ」は、変調周波数、「ｃ」は、真空中の光の速度、ｎは屈折率である。数量Ｒ＝ｃ／（２＊ｆ＊ｎ）は曖昧性範囲である。例えば、変調周波数ｆ＝３ギガヘルツである場合、上記式から、曖昧性範囲は約５０ｍｍとなる。「Ｄ」を求める式は、算出された距離が空気中の光の速度「ｃ／ｎ」に依存することを示している。絶対干渉計の場合と同様、決定することが望ましいパラメータの１つに、調査中の物点に対する曖昧性範囲がある。ＡＡＣＭＭ１００を用いて拡散面の座標を測定するためには、装置５００からの光線を数ミリ秒の内に数メートル離間した物体に向けてもよい。曖昧性範囲が決定されなかった場合、このような大きな変化は装置の曖昧性範囲を超えてしまう可能性が高いので、ＡＤＭは、物点までの距離の識別がないままとなる。

一実施形態において、曖昧性範囲をリアルタイムに決定することができるように、放出された光は複数の周波数で変調される。例えば、一実施形態では、４つの異なる変調周波数を同時にレーザ光に適用することができる。サンプリング手順および抽出手順からなる周知の手段によって、これらの４つの周波数の各々についての位相を計算することによってターゲットまでの絶対距離を決定することができる。別の実施形態では、４つより少ない周波数が使用される。位相ベースＡＤＭは、近接範囲または遠隔範囲のいずれかで使用することができる。変調方法および処理方法は、別のタイプの非干渉距離計を用いても可能である。こうした距離計は当技術分野で周知であるため、さらに説明することはしない。

図１２に示された一実施形態において、装置５００は、光源５２８、アイソレータ５３０、ＡＤＭ電子機器５４６、ファイバネットワーク５３６、ファイバ出射器５３８、および必要に応じて、ビーム分割器５４０および位置検出器５４２を含むＡＤＭ装置である。光源５２８は、例えば、赤色または赤外レーザダイオードなどのレーザでよい。レーザ光は、例えば、ファラデーアイソレータまたは減衰器などのアイソレータ５３０を介して送出されてよい。アイソレータ５３０は、入力および出力ポートにおいて連結されたファイバでよい。ＡＤＭ電子機器５３２は、レーザの入力に無線周波数（ＲＦ）電気信号を印加することにより、光源５２８を変調する。一実施形態では、ＲＦ信号は、レーザによって放出された光の光学的パワーを１つまたは複数の変調周波数で正弦波状に変調するケーブル５３２を介して印加される。アイソレータを通過する変調された光は、ファイバネットワーク５３６に進行する。光の一部は、光ファイバ５４８上をＡＤＭ電子機器５４６の基準チャンネルへと移動する。光の別の部分は、装置５００から外へ進行し、ターゲット５１６で反射されて、装置５００へ戻る。一実施形態において、ターゲット５１６は、アルミニウムやスチールのような拡散反射材料などの非協力的なターゲットである。別の実施形態では、ターゲット５１６は、例えば、装置５００へ光の大部分を戻す再帰反射器ターゲットなどの協力的ターゲットである。装置５００に入射した光は、ファイバ出射器５３８とファイバネットワーク５３６を通じて戻り、光ファイバケーブル５５０を通じて、ＡＤＭ電子機器５４６の測定チャンネルに入る。ＡＤＭ電子機器５４６は、光ファイバ５４８および５５０から受信した参照光信号および測定光信号を電気参照信号および電気測定信号に変換する。これらの信号が電子回路で処理されて、ターゲットまでの距離を決定する。

一実施形態において、装置５００からの光は、非協力的（拡散的に散乱する）ターゲットではなく再帰反射器に送られる。この場合には、位置検出器５４２が、ビーム分割器５４０で反射された少量の光を受信するために含まれてよい。位置検出器５４２によって受信された信号は、装置５００からの光線に移動中の再帰反射器５１６を追跡させるように、制御システムによって使用されてもよい。再帰反射ターゲットではなく、散乱ターゲットを使用する場合には、ビーム分割器５４０および位置検出器５４２は省略してもよい。

一実施形態において、ＡＤＭ装置５００は、本発明の出願人に所有された米国特許第７，７０１，５５９号に記載されているような構成を組み込んでいる。なお、干渉計装置およびＡＤＭ装置の両方が、少なくとも部分的に空気中の光の速度に基づいて物体までの距離を決定することを理解されたい。

別のタイプ距離計としては、集束法に基づくタイプがある。フォーカス距離計の例としては、色フォーカス距離計、コントラストフォーカス距離計、アレイセンシングフォーカス距離計がある。例えば、図１３に示すような色集束法を用いた装置では、インコヒーレント白色光が光源５２２によって生成される。光学アセンブリ内のレンズ５５４の色収差によって、光は、光の波長に基づいて、物体５５６の「焦点線」に集束される。その結果、白色光の異なる波長成分は異なる距離で集束される。分光計５５７を用いて物体５５６までの距離が決定されてもよい。

図１４に示された別のタイプのフォーカス距離計は、コントラストフォーカス装置である。この実施形態では、物体までの距離は、最大コントラストや画像の鮮鋭度に着目して決定される。フォーカシングは、物体５６０の方向の軸に沿ってカメラ５５８を移動させることによって達成される。最大コントラストの位置が判明したときには、物体５６０は、既知の距離でセンサ５６２の光軸上にある。この既知の距離は、較正プロセス中に予め定められる。

一実施形態において、装置５００は、アレイセンシングフォーカス距離計であってよい。このタイプの装置では、光源は、レンズおよびビーム分割器を介して光を送出する。光の一部は、物体に衝突して、ビーム分割器で反射され、感光性アレイへ進行する。検査中の物体が光スポットの焦点位置にある場合には、感光性アレイ上の光は非常に小さくなる。したがって、アレイ上のスポットが十分小さかったときには３Ｄ座標を捕捉するためにＡＡＣＭＭ１００を必ず使用することができたということになる。

さらに別の実施形態では、装置５００は、コノスコープホログラフィ装置であってよい。このタイプの装置では、物体の表面をレーザポイントで検査する。レーザ光は、表面で乱反射されて点光源を形成する。この点から発出する光円錐は、光学系によって拡大される。複屈折結晶が、光を常光線と異常光線とに分割する２つの円偏光子の間に配置されている。第２の偏光レンズを透過した後、２つの光線は重なって、ＣＣＤカメラなどの感光センサによって取得することができるホログラフィック干渉縞パターンを生成する。物体までの距離は画像処理により干渉縞から決定される。

フォーカス装置およびコノスコープホログラフィ装置は空気中での光の屈折率に依存する一方で、これらの装置の距離の決定には、空気中の光の速度は無関係であることを理解されたい。

代表的な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができ、同等物が本明細書の構成要素を代替しうることが理解されるであろう。また、多くの修正が、本明細書の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるためになされてもよい。したがって、本発明は、この発明を実行するに当たって最良の態様として考察されて開示されている特定の実施例に限られるものではないということが意図されており、つまり、本発明は、添付された請求項の範囲内にある全ての実施例を含むということが意図される。さらに、第１、第２などの用語の使用は重要度を意味するものではなく、第１、第２などの用語は１つの要素を他の要素と区別するために使用されている。またさらに、「１つの」などの用語は、数量の限定を示すものではなく、記載された要素が少なくとも１つ存在することを示している。

Claims (26)

1. 空間内の物体の座標を測定するための可搬型関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）であって、
   基部と、
   第１の端部およびその反対側にある第２の端部を有し、手動で位置付けることが可能で、前記基部に回転可能に連結されたアーム部であって、接続された複数のアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも１つの位置トランスデューサを含む、アーム部と、
   前記少なくとも１つの位置トランスデューサからの前記位置信号を受信するように構成された電子回路と、
   前記第１の端部に連結されたプローブ端と、
   前記プローブ端に連結された非接触測定装置であって、電磁放射トランスミッタを有し、空気中の光の速度に少なくとも部分的に基づいて物体までの距離を決定するように構成された非接触測定装置と、
   前記電子回路に電気的に連結されたプロセッサであって、前記電子回路からの前記位置信号の受信に応答して、また前記非接触測定装置から前記物体までの距離の受信に応答して前記物体上の点の３次元座標を決定するように構成されたプロセッサと、を備えるＡＡＣＭＭ。
2. 前記非接触３次元測定装置が、絶対干渉計である、請求項１に記載のＡＡＣＭＭ。
3. 前記絶対干渉計が、前記トランスミッタに隣接するカメラを備える、請求項２に記載のＡＡＣＭＭ。
4. 前記非接触測定装置が、位相ベースＡＤＭ装置である、請求項１に記載のＡＡＣＭＭ。
5. 前記非接触測定装置が、パルス飛行時間ＡＤＭ装置である、請求項１に記載のＡＡＣＭＭ。
6. 前記非接触測定装置は、取り外し可能に前記プローブ端に連結されている、請求項１に記載のＡＡＣＭＭ。
7. 前記電磁放射トランスミッタがレーザである、請求項１に記載のＡＡＣＭＭ。
8. 前記プローブ端に連結された接触測定装置をさらに備える、請求項１に記載のＡＡＣＭＭ。
9. 前記非接触測定装置が、前記プローブ端に取り外し可能に連結されている、請求項１に記載のＡＡＣＭＭ。
10. 空間内の物体の３次元座標を測定するための可搬型関節アーム座標測定機を動作させる方法であって、
    反対側にある第１の端部および第２の端部を有する手動で位置付けることが可能なアーム部を設けるステップあって、前記アーム部が、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも１つの位置トランスデューサを含む、ステップと、
    前記トランスデューサから前記位置信号を電子回路で受信するステップと、
    前記電子回路に電気的に連結されたコントローラを有する非接触測定装置を設けるステップであって、前記非接触測定装置は、電磁放射トランスミッタとセンサとを有する、ステップと、
    前記非接触測定装置から電磁放射を前記物体へ送出するステップと、
    反射された電磁放射を前記センサで受け取るステップと、
    前記センサによって受け取られた前記反射された電磁放射から前記物体までの距離を決定するステップであって、前記距離は、空気中の光の速度と、前記電磁放射が前記電磁放射トランスミッタから前記物体へ進行し、前記センサに戻って来るまでの時間とに少なくとも部分的に基づく、ステップと、
    トランスデューサから受信された前記位置信号と、前記決定された距離とに少なくとも部分的に基づいて、前記物体上の点の３次元座標を決定するステップと、を含む方法。
11. 前記非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記非接触測定装置が、絶対干渉計である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記絶対干渉計は、前記トランスミッタに隣接するカメラを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記非接触測定装置が、位相ベースＡＤＭ装置である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記非接触測定装置が、パルス飛行時間ＡＤＭ装置である、請求項１０に記載の方法。
15. 前記非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記非接触測定装置が、前記第１端に取り外し可能に連結されている、請求項１０に記載の方法。
16. 前記第１の端部に連結されたプローブ端を設けるステップと、
    前記非接触測定装置を前記プローブに取り外し可能に連結するステップと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
17. 前記プローブ端を設けるステップにおいて、前記プローブ端は、締め具と、前記電子回路に電気的に連結された第１の電気コネクタと、をさらに含み、
    前記非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記非接触測定装置は、連結部と、前記コントローラに電気的に連結された第２の電気コネクタと、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記連結部と前記締め具とを用いて前記非接触測定装置を前記プローブ端に機械的に連結するステップと、
    前記第１の電気コネクタを前記第２の電気コネクタに電気的に連結するステップと、をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 非接触測定装置を設けるステップにおいて、前記電磁放射トランスミッタが、レーザである、請求項１０に記載の方法。
20. 前記第１の端部に連結された接触測定装置を設けるステップをさらに含む請求項１０に記載の方法。
21. 空間内の物体の３次元座標を測定するための可搬型関節アーム座標測定機（ＡＡＣＭＭ）であって、
    基部と、
    反対側にある第１の端部および第２の端部を有する、手動で位置付けることが可能なアーム部であって、前記基部に回転可能に連結され、複数の接続されたアームセグメントを含み、各アームセグメントが、位置信号を生成するための少なくとも１つの位置トランスデューサを含む、アーム部と、
    前記少なくとも１つの位置トランスデューサからの前記位置信号を受信する電子回路と、
    前記測定装置と前記第１の端部との間に配置されたプローブ端であって、一方の面にインターフェースを有する、プローブ端と、
    前記インターフェースに取り外し可能に連結された非接触測定装置であって、光源と、光受信器とを有し、空気中の光の速度と、前記光源からの光が前記光源から前記物体へ進行して前記光受信器へ戻る時間とに少なくとも部分的に基づいて前記物体上の点までの距離を決定するように構成された非接触測定装置と、
    前記電子回路に電気的に連結されたプロセッサであって、前記トランスデューサから受信された前記位置信号と、前記決定された距離とに少なくとも部分的に基づいて前記物体上の点の前記３次元座標を決定するように構成されたプロセッサと、を備えるＡＡＣＭＭ。
22. 前記非接触測定装置が、絶対干渉計である、請求項２１に記載のＡＡＣＭＭ。
23. 前記絶対干渉計は、前記トランスミッタに隣接するカメラを備える、請求項２２に記載のＡＡＣＭＭ。
24. 前記非接触測定装置が、位相ベースＡＤＭ装置である、請求項２１に記載のＡＡＣＭＭ。
25. 前記非接触測定装置が、パルス飛行時間ＡＤＭ装置である、請求項２１に記載のＡＡＣＭＭ。
26. プローブ端に連結された接触プローブをさらに備える、請求項２１に記載のＡＡＣＭＭ。

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