JP2015514982A - 座標測定システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

位置検出システムは、少なくとも１つのターゲット（１０）の三次元位置を検出することができる。各ターゲット（１０）は、任意の方向から入射する光のためのレトロリフレクタとして作用するように構成される。少なくとも１つの発光体が少なくとも１つのターゲット（１０）を照射し、また、ターゲット（１０）からリトロリフレクトされる光を検出してその光の測定値を取得するために少なくとも１つの検出器（２４）が設けられる。また、少なくとも１つのターゲット（１０）の三次元位置を決定するために各検出器（２４）により取得された測定値を処理するためのプロセッサも設けられる。

Description

本発明は、例えば、一般に、大ボリュームメトロロジ（ｌａｒｇｅ ｖｏｌｕｍｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）、および、メトロロジ支援組立（ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ）、および、座標メトロロジにおいて用いる座標測定システムなどの、座標測定システムおよび方法に関する。

以下の明細書本文および特許請求の範囲の全体にわたって、座標測定システムは位置検出システムと称される。

ボリューム（ｖｏｌｕｍｅ，立体領域）内の物体の三次元位置を検出するために様々な方法が存在する。既知の方法としては、例えば、写真測量法（または、ビデオ測量法）、レーザトラッカ、および、マルチラテレーションが挙げられる。

レーザトラッカは、角度に基づくセンサと範囲に基づくセンサとの組み合わせを使用する。レーザトラッカは、細コリメートレーザビームを球状に装着されたレトロリフレクタ（ＳＭＲ）などの特定のレトロリフレクタ・ターゲットに対して照射する。ＳＭＲは、ビームを発光ビームと同じ経路に沿って元の計器に反射する。レーザトラッカの検出器は、ＳＭＲの動きを検出して、常にＳＭＲをフォローするようにレーザビームを向ける。ビームステアリング機構の角度エンコーダは、レーザトラッカからＳＭＲまでの垂直角度および水平角度を測定し、また、レーザに基づく距離測定機構は、ＳＭＲまでの距離を測定する。角度および範囲のこの２つの組み合わせは、ＳＭＲの三次元座標を球面極形態で与える。

この技術の欠点は、多くの従来技術と同様に、視線が単一の計器とターゲットとの間で必要とされるという点である。その技術が例えば航空機などの大きな構造体の組立で使用されるようになっているときには、レーザトラッカとターゲットとの間で視線を維持することが、特に構成要素が移動する際に難しい。

視線問題を克服する１つの方法は、測定システムを１つの場所から他の場所へ移動させることである。このとき、レーザトラッカの場合には、一貫した座標系を確立することが必要である。他の方法は、写真測量法などの分散型測定システムを使用することである。

写真測量法は、異なる位置から取得された２つ以上の写真画像から物体の三次元位置を検出することを伴う。画像は、同じカメラを使用して互いに前後して取得されてもよく、あるいは、複数のカメラを使用して同時に取得されてもよい。画像および座標がビデオフレームレートでリアルタイムに処理される場合には、該技術がしばしばビデオ測量法と呼ばれる。様々な共通基準点を各画像で同定することができ、また、視線（光線）をカメラ画像から物理的な基準点まで数学的に構築することができる。カメラに対する各光線の方向は、２つの角度に関して表すことができる。カメラの場所（位置および方向）が既知の場合、これらの光線の交点は、基準点の三次元座標を決定する。十分な量の写真が取得されて十分な基準点が同定される場合、システムは、過剰に決定されると言われ、カメラの場所および方向並びに基準点座標を決定するために解決され得る。したがって、システムは自己較正する。

実際には、測定されるべき物体上の対象のポイントに位置される反射性が高いターゲットと組み合わせてフラッシュ照射を使用するのが通常である。これらのターゲットは、通常は平坦な二次元の規則正しい形状である。高反射率、フラッシュ照明、および、規則正しい形状の組み合わせは、高コントラストの画像をもたらして、同定および画像処理を更に容易にする。

これらのターゲットの欠点は、それらが限られた角度範囲にわたって照明を反射して一方側からしか効果的に見えないという点である。

また、能動的なターゲットが使用される写真測量法のためのシステムも知られている。１つのそのようなシステムは、手持ち式プローブに取り付けられる発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、プローブは、測定されるべきポイントを探知するために使用される。このとき、ＬＥＤにより照射される光と、光が受けられる角度とを検出するために複数のカメラが使用され、それにより、ＬＥＤの位置を計算することができ、そこから、プローブおよびプローブチップの位置および方向を計算することができる。前述した反射性ターゲットと同様に、ＬＥＤターゲットは、限られた動作角度範囲を有する。これは、カメラの最大距離間隔を制限し、そのため、プローブがカメラから離れるように移動されると、精度が低下する。したがって、そのようなシステムは、比較的小さいボリュームに制限される。この結果として、システムは、しばしば、異なる特徴を測定するために再配置および／または再位置決めされなければならない。

幾つかのシステムは、冗長性をシステムへ導入することによって、角度範囲および距離が制限されるというこの問題を扱うことを試みる。例えば、単一の計器を、測定ボリュームを取り囲む分散型計器と置き換えると、視線問題に対する何らかの柔軟性が得られるとともに、単一計器とターゲットとの間の距離に伴って低下する精度の問題が克服される。

１つのそのようなシステムは、測定体を取り囲んで複数の回転レーザ源を固定されたポイントに備える。円筒状の光検出器を備える複数のターゲットが、測定されるべき物体に取り付けられる。各ターゲットは、通過するレーザビームをそれが検出するときにパルスを生成する。レーザ源の回転に対するこのパルスのタイミングは、その特定のレーザ源からの光の入射角度を計算できるようにする。

このシステムは、少なくとも２つのレーザ源が各光検出器から見えれば、何らかのビーム遮断を許容できるという利点を有する。しかしながら、レーザ源の回転中に異なるレーザ源からのビームが異なるポイントで光検出器により検出されるため、異なるレーザ源からの検出光間での光検出器の動きが、計算される位置に影響を及ぼす。このことは、計算された位置が回転レーザ源のサイクルにわたる平均位置にしかすぎないことを意味する。

また、レーザ源およびターゲットを形成する光検出器はいずれも、電力成分と複合成分とを必要とする能動デバイスであり、そのため、光源またはターゲットに関して更なる冗長性をシステムに導入するには費用がかかる。

更に、写真測量法および他の本質的に角度に基づく測定システムと同様に、スケールをシステムに導入するためには補助的な方法が必要とされる。これは、一般に、較正された基準長さまたはスケールバーを使用して達成される。

光学的な角度測定に基づくシステムの更なる欠点は、光線のその長さにわたる方向に対する大気擾乱の不釣り合いな影響に起因して、そのようなデバイスが本質的に光学的な範囲測定システムよりも精度が低いという点である。

マルチラテレーションの技術は、本質的に、角度に基づく技術よりも精度が高い。マルチラテレーションは、複数の固定された位置から移動するターゲットまでの範囲測定値の組み合わせを使用して、ターゲットの座標を決定する。ターゲットを追跡するために少なくとも４つの範囲測定デバイスが使用される場合には、システムが過剰に決定され、範囲測定デバイスの位置および方向並びにターゲット座標を決定できる。マルチラテレーションは、光源からターゲットまでの絶対距離を測定するレーザトラッカによって行うことができる。

しかしながら、写真測量法とは異なり、レーザトラッカを用いたマルチラテレーションは、所定の時間に単一のターゲットを扱うためだけに使用できる。

本発明は、改良された位置検出システムおよび方法を提供しようとする。

本発明の一態様によれば、少なくとも１つのターゲットの三次元位置を検出するための位置検出システムが提供され：
少なくとも１つのターゲットであって、そのターゲットまたは各ターゲットがほぼ任意の方向から入射する光のためのレトロリフレクタの役割をする構成である、少なくとも１つのターゲットと；
少なくとも１つのターゲットを照射する少なくとも１つの発光体と；
あるターゲットからのリトロリフレクト光を検出してその光の測定値を取得する少なくとも１つの検出器と；及び
前記又は各検出器により取得された測定値を処理し、少なくとも１つのターゲットの三次元位置を決定するプロセッサを含む位置検出システムである。

好ましくは、少なくとも１つの検出器が複数の検出器である。

好ましくは、少なくとも１つの発光体が複数の発光体である。

実施形態において、検出器または各検出器は、ターゲットの近傍で、そのターゲットから検出器までの光路が、発光体から光がそれに沿ってそのターゲットに入射する光路と一致するように、配置される。

実施形態において、検出器または各検出器は、発光体からターゲットまでの光路がそのターゲットから対応する検出器までの光路と少なくとも部分的に一致するように配置される対応する発光体を有し、それにより、発光体からターゲットに入射する光は、対応する検出器に光路に沿ってリトレフレクトされる。

前述したように、従来技術に伴う問題点は、角度に基づく測定値において、ターゲットが検出器から離れるように移動すると、角度測定値のエラーが次第に大きくなって、それにより、測定値の精度が低下する点である。任意の方向から入射する光のためのレトロリフレクタとして作用するように構成されるターゲットを設けることにより、ターゲットを検出器によって取り囲むことができるのが好ましい。それに応じて、ターゲットが１つの検出器から離れように移動すると、そのターゲットは、他の検出器へ近づくように移動する可能性が高く、したがって、１つの検出器に関してエラーが大きくなると、他の検出器に関してエラーが小さくなり、そのため、全体の精度は、ボリュームの全体にわたって同様のままである。

一方側でのみ検出器を有するのではなく、ターゲットを検出器で取り囲むと、ターゲットが幾つかの検出器の視線内にある可能性を高めることもでき、冗長な検出器またはターゲットの必要性を減らすことができる。

好ましくは、ターゲットまたは各ターゲットが発光体によって取り囲まれる。一方側でのみ発光体を有するのではなく、ターゲットを発光体で取り囲むと、ターゲットが幾つかの発光体の視線内にある可能性を高めることもでき、冗長な発光体またはターゲットの必要性を減らすことができる。

ターゲットが発光体または検出器により取り囲まれるときには、少なくとも２つの発光体または少なくとも２つの検出器をターゲットの周囲に配置して、少なくとも２つの検出器または少なくとも２つの発光体を分離するターゲットから測定される角度が約９０°となるようにすることが好ましい。

好ましくは、ターゲットまたは各ターゲットは受動的である。したがって、能動的なターゲットを有するシステムに対して比較的僅かなコストで複数の冗長なターゲットをシステムに導入できる。冗長なターゲットを用いると、測定されるべき所定の物体のためのターゲットのうちの少なくとも１つが複数の発光体および／または複数の検出器の視線の範囲内に入る可能性が更に高くなる。

好ましくは、検出器または各検出器は、その視野内の複数のターゲットの像を捕捉できる。

１つの実施において、検出器または各検出器は、システムにより必要とされるデータ転送速度に適するのに十分なピクセル分解能および速度のデジタルカメラである。十分なピクセル分解能とは、検出器上に投影されるターゲットが良好な重心位置にとって十分な量のピクセルから構成されるもの規定される。すなわち、重心を計算するために使用されるピクセルが多ければ多いほど、その位置が更に正確になる。幾つかの実施形態では、ターゲット像の直径が少なくとも５ピクセルである。転送速度（フレームレート）は、カメラおよび計算アルゴリズムによって制限されるとともに、測定されるべきプロセスの速度要件にも基づく。

システムの好ましい実施形態は、柔軟性、精度、および、拡張可能性を与える。システムは、更に多いあるいは更に少ない検出器および発光体を使用することにより、異なるサイズのボリュームに関してスケーリングされ得る。

好ましくは、ターゲットまたは各ターゲットが略球状であり、より好ましくは、ターゲットまたは各ターゲットが球である。球状ターゲットの表面は、外面の領域に入射する光を径方向に対向する内面のポイント上へ合焦させるためのレンズとして作用することできる。このポイントから、所定の割合の光は、光が最初に入射した領域へ向けて反射される。この領域のレンズ効果は、その後、光をその元の入射経路に向ける。球状のレトロリフレクタは、元の入射経路に沿ってその中心に入射する名目上平行のビームを反射することができる。同様に、レトロリフレクタに入射する更に広いビームの部分も元の入射経路に沿って反射される。

球状のレトロリフレクタの利点としては、それが点光源のように見え、大部分の従来の写真測量ターゲットの場合のように投影によってそれが歪められないという点が挙げられる。それにより、球状のレトロリフレクタは、測定値エラーのかなりの原因を除去する。球状のレトロリフレクタは、この球状のレトロリフレクタの中心に入射する光をリトロリフレクトでき、それにより、写真測量システムの精度における他の大きな因子である重心同定を向上させる。また、受動的な球状レトロリフレクタは、それらが電子機器を含まないため、能動的なターゲットよりもかなり安価で且つ軽量である。

好ましくは、ターゲットまたは各ターゲットは、任意の方向から同じに見える。したがって、ターゲットの同定は、検出器とターゲットとの間の視野角に依存しない。これは、検出器で受けられるリトロリフレクト光の量およびターゲットの見掛けの形状が角度に伴って変化することを回避できる。

ターゲットまたは各ターゲットは、好ましくはガラスを備え、より好ましくはガラスから形成される。

球状ターゲットまたは各球状ターゲットは、それが√２〜２の屈折率を有する中実材料から構成されるときにレトロリフレクタとして作用し、１．９５〜２の屈折率を伴って最も効率的に機能することが分かってきた。

好ましくは、各発光体は、光源から光を照射し、より好ましくはレーザ源からで、その場合、各発光体により照射される光はレーザ光である。幾つかの実施形態では、各発光体がそのような光源を含む。他の実施形態において、各発光体は、そのような光源から光を導く光ファイバを含む。更なる実施形態では、少なくとも１つの発光体がそのような光源を含むとともに、少なくとも１つの発光体がそのような光源から光を導く光ファイバを含む。レーザ光機構を供えると、ターゲットが好ましい屈折率を有する所定範囲内の波長の光の供給が容易になる。幾つかの実施形態では、発行体は光源を含む必要はない。例えば、オプションとして複数の照射体のための光を生成するために単一の光源が使用されてもよい。これは、例えば、ファイバ結合レーザ源であり、ここではファイバスプリッタが使用されてレーザ光が複数の部分に分けられ、光ファイバが使用されて各部分を発光体へ伝送する。

本発明の実施形態では、各発光体が赤色レーザ光を照射するように構成され、また、ターゲットまたは各ターゲットは、赤色光にとって好ましい範囲の屈折率を有するガラスを備える。１つの実施形態では、ターゲットまたは各ターゲットは、６３２．８ｎｍの波長に関して１．９９６の屈折率を有するＳ−ＬＡＨ７９ガラスから形成される。

好ましくは、システムが複数の検出ユニットを備え、各検出ユニットが発光体と検出器とを備え、各検出ユニットの検出器は、最初に同じ検出ユニットの発光体により照射されたリトロリフレクト光を検出してそのリトロリフレクト光の測定値を取得するようになっている。好ましくは、各検出ユニットの発光体は、同じ検出ユニットの検出器に固定される。

好ましくは、各検出ユニットの発光体および検出器は、発光体からターゲットまでの光路がターゲットから検出器までの光路とほぼ一致するように配置される。また、各検出ユニットの発光体および検出器は、発光体からターゲットまでの光路長がターゲットから検出器までの光路長にほぼ等しくなるように配置されるのが好ましい。

好ましくは、発光体または各発光体は、照射光を発散させるべく光を発散させるための手段を備える。光を発散させるための手段は、例えばレンズまたは曲面ミラーであってもよい。光を発散させるための手段は、好ましくは、略円錐状の領域を照射するべく光を発散させるように構成される。

照射光が例えば円錐状に発散するように発光体または各発光体を構成することは、発光体が平行ビームを照射した場合よりも大きなボリューム（ｖｏｌｕｍｅ，立体領域）を発光体または各発光体が照射できることを意味する。したがって、より大きなボリュームから光を検出器または各検出器へリトロリフレクトでき、そのため、検出器または各検出器の視野を増大させることができる。これは、ボリュームを監視するために必要な検出器の数が少ないということを含む利点を与える。好ましくは、各検出ユニットの検出器の視野は、同じ検出ユニットの発光体により照射される領域である。

好ましくは、検出器または各検出器は、発光体で直接にリトロリフレクトされる光を検出するように配置され、より好ましくは、検出ユニットの検出器は、同じ検出ユニットの発光体で直接にリトロリフレクトされる光を検出するように配置される。これは、照射体により照射される光の光路と検出器により検出される光の光路とが正確に重なり合わないという従来技術における問題を克服できる。例えば、検出器の周囲に配置されるリングフラッシュ源では、好ましいレトロリフレクタを用いても、十分なリトロリフレクトしか検出されない。これは、リトロリフレクト光の大部分が検出器ではなく元のリングフラッシュに直接に向けられるからである。したがって、本発明の好ましい実施形態に係る検出器は、検出されるリトロリフレクト光を最大にすることができる。

好ましくは、反射光の光路と検出光の光路との重なり合いは、スルー・ザ・レンズ照明によって達成される。好ましくは、発光体または各発光体は、対応する検出器がその周囲で光を受けるように構成される軸線に対応する軸線に沿って且つその軸線上で光を照射するように構成される。発光体または各発光体は、発光体または各発光体により照射される光を所定の方向に向け且つリトロリフレクト光を検出器へ、好ましくは同じ検出ユニットの検出器へ向けるように構成される、光を向けるための手段を備えてもよい。光を向けるための手段または各手段は、好ましくはレンズを備えるが、曲面ミラーなどの任意の光指向装置を備えることができる。光を向けるための手段または各手段は、好ましくは、ビームスプリッタも備える。

ビームスプリッタを備える光を向けるための手段は、検出ユニットからの主照射方向に対して垂直に光を発光体へ導入できるようにする。

好ましくは、ビームスプリッタまたは各ビームスプリッタは、光損失量を最小限に抑えるために１／４波長板によって補完される。

各検出ユニットは、検出器をもたらすためにカメラを備えることができる。

全ての検出ユニットは、それぞれの像取得に関して共通のトリガ機構を使用することにより同期させることができる。

本発明の実施形態は写真測量モードで使用することができ、この写真測量モードにおいて、検出器または各検出器は、標準的な写真三角測量技術を使用してリトロリフレクト光が受けられる角度の測定値を取得するように構成される。複数の検出器からのあるいは複数の位置にある単一の検出器からのそのような角度測定値は、ターゲットまたは各ターゲットのための位置標定を得るためにプロセッサにより処理され得る。

このモードの利点は、検出器または各検出器がそれぞれの測定のために配置される必要がある場所に対する制約が殆どないという点である。

写真測量モードは、好ましくは、例えばスケールバーの使用によって較正される。

このモードの較正を支援するために、各検出器または検出ユニットに少なくとも１つのターゲットを取り付けることができる。前述した技術を使用すると、各検出器の相対位置を決定して、物体の位置を測定するための基準座標系を与えることができる。これは、正確な測定値を与えるべくシステムを較正するために必要な時間およびスキルを減らすことができる。また、それは、ドリフトモニタリングに役立つこともでき、システムの連続的な精度を確保する。

本発明の実施形態をマルチラテレーションモードで使用することができ、このモードでは、検出器または各検出器は、それぞれの検出器からの１つのターゲットまたは各ターゲットの絶対距離を測定するように構成される。周波数走査干渉法は、例えば発光体または各発光体により照射される光の波長を変調あるいは調整することにより絶対距離を測定するために使用され得る幾つかの方法のうちの１つである。

周波数走査干渉法は、「基準」干渉計の既知のＯＰＤ，Ｌとの比較によって干渉計の２つの端部間の光路差（ＯＰＤ），Ｄを明確に測定する方法である。例えば、後に周波数間隔Δｖにわたって調整される同じレーザを用いて両方の干渉計が照射される場合、基準干渉計で誘導される位相変化Δφは以下の通りである。

ここで、ｃは光の速度である。同様に、未知の干渉計で誘導される位相変化Δθは以下の通りである。

このとき、未知の長さＤは、単に以下によって与えられる。

当業者であれば分かるように、この基本的な方式に関しては多くの変形および改良が存在する。例えば、周波数領域における解析を使用して、同時に照射される複数のターゲットから信号を区別することができる。

基準干渉計の長さＬが適切に較正された場合には、検出器または各検出器により取得された測定値とメートルとの間にトレーサビリティが存在する。それは、光路に沿う屈折率の変化に起因するビーム屈曲など、環境的な影響に起因する測定値の厳密さを高める可能性もあり、長さデータから決定される座標は、一般に、角度データから決定される座標よりも正確なある程度の大きさである。

しかしながら、アイソレーションにおいて使用される周波数走査干渉法は、いずれの測定距離がいずれのターゲットと関連付けられるのかを計算的に効率の良い方法で区別することができない。しかしながら、全ての可能な組み合わせを試みる「強力な」手法を使用できる。

本発明の実施形態は複合モードで使用することができ、この複合モードにおいて、検出器または各検出器は、リトロリフレクト光受光時の角度の測定値、および、光をリトロリフレクトするターゲットまたは各ターゲットのそれぞれの検出器からの絶対距離の測定値の両方を取得するように構成される。プロセッサは、角度測定値を使用して、いずれの距離測定値がいずれのターゲットに関連するのかを相関させることができる。この相関が行われた時点で、プロセッサは、絶対距離測定値を使用して、ターゲットまたは各ターゲットの位置を正確に計算することができる。

また、検出器または各検出器とレトロリフレクタまたは各レトロリフレクタとの間の絶対距離を測定してそれを特定のターゲットに指標付けする必要がない。代わりに、可能性としての個別の範囲を決定することも可能で、また、１つ以上の他の検出器からの範囲データおよび／または角度データから得られる検出器−ターゲット距離によって決定される最も起こり得る選択肢に基づいて、「正しい」（または曖昧でない）範囲を選択することができる。

好ましい実施形態は、全方向ターゲットに基づく、改良された位置検出システムおよび方法を提供し、マルチラテレーションの正確性を写真測量法の同時マルチ・ターゲット能力と結合させ、視線及び距離問題に起因する精度低下を克服する。

好ましくは、複数の検出器が存在する。

前述したように、レーザトラッカを用いて従来から実施されるマルチラテレーションは、写真測量法よりもその精度が向上するにもかかわらず、単一のターゲットと共にしか使用することができない。しかしながら、異なる検出器からの距離測定値と相関させるために角度測定値を使用することにより、本発明の好ましい実施形態は、より正確なマルチラテレーション技術を利用して、複数のターゲットの位置を計算することができる。

マルチラテレーションモードと写真測量法モードとの組み合わせは、システムのロバスト性および信頼性を高めることができる。これは、ターゲット座標が本質的に２つの冗長に決定されたシステムの組み合わせから得られるからである。

プロセッサは、データ・フュージョンとフィッテング・アルゴリズムとを使用する数理的なソフトウェアを使用して測定値を処理できる。写真測量法、マルチラテレーション、および、数理的なソフトウェアのコンビネーションは、非常に柔軟で、ロバスト性が高く、自己較正する、ドリフト補償するシステムを提供できる。それは、より高いデータ品質と、より冗長なデータとを提供することができる。

本発明の他の態様によれば、物体の三次元位置を決定する方法が提供され：
ターゲットの物体への取付けであって、そのターゲットは任意の方向から入射する光のレトロリフレクタの役割を担うものであるターゲットの物体への取付けと；
少なくとも１つの発光体からの光で前記ターゲットに光を照射することと；
前記ターゲットからリトロリフレクトされる光を検出して測定値を取得することと、
前記ターゲットそのリトロリフレクト光の測定値を処理し、前記ターゲットの三次元位置を決定し、及びそれから物体の三次元位置を決定すること、
が含まれる物体の三次元位置を決定する方法である。
この方法の特徴は、前述したシステムについて説明された特徴に一致し得る。

本発明の態様によれば、検出ユニットであって、検出器と発光体とを含み、前記発光体は、１つの軸線に沿って、前記検出器から離れるように光を照射するべく構成され、前記軸線は、前記検出ユニットがその上で且つその周囲で前記検出器による検出のために光を受けるよう構成される軸線に対応する、検出ユニットが提供される。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を単なる一例として説明する。

本発明の一実施形態に係るシステムで用いるターゲットの概略図である。 物体を測定するためにセットアップされる図１の実施形態に係る位置検出システムの概略図である。 図１および図２の実施形態の位置検出システムで用いる手持ち式プローブの概略的な描写である。 図１〜図３の位置検出システムで用いる検出ユニットの断面の概略図である。 本発明の一実施形態に係る検出ユニットの断面の概略図である。 本発明の一実施形態に係る位置検出システムの概略図である。 図６の位置検出システムの概略的な全体図である。 図６および図７の位置検出システムのファイバスプリッタの概略図である。 図６〜図８の位置検出システムで用いる波長基準の概略図である。 図６〜図９の位置検出システムで用いるトリガ基準の概略図である。 図６〜図１０の位置検出システムで用いる検出ユニットの概略図である。 図９の波長基準のセルのガスのための吸収曲線を示すグラフである。 図１２（ａ）のグラフの吸収線を詳細に示すグラフである。

本発明の実施形態は、角度に基づく測定値および／または絶対距離測定値を利用することができる。以下、図１〜図５を参照して、角度に基づく測定値を利用する実施形態について説明する。

図１を参照すると、ターゲット１０はガラス球を含む。球は、６３２．８ｎｍの波長を伴う光に関して１．９９６の屈折率を有するＳ−ＬＡＨ７９ガラスから形成される。材料は、この実施形態においては、赤色レーザ光と共に作用するべく選択された。しかしながら、特に光の異なる周波数が使用されるようになっている場合には、異なる材料を使用することができる。材料は、使用されている光に関して、好ましくは１．９〜２．１、より好ましくは１．９５〜２の範囲内の屈折率を有するべきである。

図１から分かるように、ターゲット１０の領域１２に向かう経路１６に沿ってターゲットの中心に入射する光は、領域１２の径方向反対側の点１４上にフォーカスされる。これは、球形のターゲット１０のレンズ効果の結果として起こる。あるパーセンテージの光が点１４から元の領域１２に反射され、該領域１２において、球形ターゲット１０のレンズ効果が反射光を入射経路１６に沿って元の光源へ向ける。これにより、ターゲット１０がレトロリフレクタとして作用する。

ターゲット１０は球形であるため、該ターゲットは、全ての入射方向に関して、ほぼ同じように見えるとともに、ほぼ同じ特性を有する。したがって、リトロリフレクト効果が任意の入射角の光において生じ、それにより、ターゲット１０は、任意の方向からの光入射に関してレトロリフレクタとしての機能を果たす。

図２は、図１に関して説明されるようにターゲット１０を使用する位置検出システム１８の概略図である。

図２に示されるシステム１８は、ボリューム４０内の物体３８の位置を検出するように配置される。ボリューム４０は、例えばアセンブリホールまたは更に小さいボリュームであってもよい。システム１８は、体の周囲の様々な位置に配置される複数の検出ユニット２０を備える。各検出ユニット２０は、安定させるために三脚２２に据付けられる。

以下、図４を参照して検出ユニット２０について説明する。

図４から分かるように、検出ユニット２０は、検出器２４と、光源２６を含む発光体とを備える。

検出器２４は、光の入射角を含む光の測定値を検出して取得するのに適した任意の検出器である。そのような検出器の例としては、高分解能ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサが挙げられる。

光源２６はレーザダイオードである。この実施形態において、光源２６は、６３２．８ｎｍの波長のレーザ光を照射するように構成される。しかしながら、赤外線または他の周波数の可視光を含む他の周波数の光を使用できる。また、ＬＥＤなど、所定の波長範囲内の光を照射するようになっている他の光源を使用できる。光源はレーザであることが好ましく、また、レーザは直線偏光されるのが好ましい。

また、ユニット２０は、レンズ３０の第１の組とレンズ３２の第２の組との間に偏光ビームスプリッタ２８も含む。ビームスプリッタ２８は、レンズ３０の第１の組およびレンズ３２の第２の組の両方と同軸となるように配置される。レンズ３０の第１の組およびビームスプリッタ２８の後に１／４波長板２９が設けられる。１／４波長板は、光の偏光を変えて、光がターゲットによって反射された後に光がビームスプリッタキューブ２８をパススルーして検出器２４に達するようにできる。

偏光ビームスプリッタ２８の代わりに非偏光ビームスプリッタを使用することができ、その場合には、偏光を変えるための１／４波長板２９が必要とされない。

光源２６は、偏光した光のビームをレンズ３０およびレンズ３２の第１および第２の組の軸線に対して垂直な角度でビームスプリッタへ向けて照射するようになっている。光源からの光をビームスプリッタ２８へ向けて案内するために光ファイバケーブル３４が設けられる。この実施形態において、発光体は、光源２６、光ファイバケーブル３４、ビームスプリッタ２８、および、レンズ３０の第１の組を備える。しかしながら、幾つかの実施形態において、光源２６は、光ファイバケーブル３４を必要とすることなくビームスプリッタ２８に対して光を直接に照射するように配置される。

ビームスプリッタ２８は、レーザダイオード２６からの光ビームをレンズ３０の第１の組へ向けて同軸にリダイレクトさせるように配置される。レンズ３０の第１の組は、体４０の円錐領域３６を照射するために光ビームを発散させて検出ユニットから照射するように構成される。しかしながら、領域３６が円錐である必要はない。光の何らかの発散は、検出ユニット２０の視野を増大させ、したがって、必要とされる検出ユニット２０の数を減らす、および／または、動作中にリダイレクトされる必要がある検出ユニット２０の総数を減らす。

また、この配置により、レンズ３０の第１の組は、領域３６からリトロリフレクトされた光がビームスプリッタ２８に向けられるようにするべく構成される。ビームスプリッタ２８は、リトロリフレクトされた光の一部がレンズ３２の第２の組を通過できるようにする。レンズ３２の第２の組は、ビームスプリッタ２８から受けられる光を検出器２４へフォーカスする構成とされ、検出器２４上で光がフォーカスされる位置は、光がレンズ３０の第１の組で入射したレンズ３０，３２の第１および第２の組の軸線に対する入射角度と直接に相互に関係付けられている。

レンズ３２の第２の組が必要とされない他の実施形態が存在する。

検出器２４は、検出される光の測定値を取得するようになっている。特に、検出器２４は、前述した相関関係を使用して、リトロリフレクトされた光がレンズ３０の第１の組で入射するレンズ３０，３２の第１および第２の組の軸線に対する入射角度を測定するようになっている。

前述した好ましい実施形態の検出ユニット２０は、レンズ３０，３２の第１および第２の組を備える。レンズ３０，３２の第１および第２の組のそれぞれは複数のレンズ要素を備える。しかしながら、レンズ３０，３２の第１および第２の組を各組単一のレンズと置き換えることができる。あるいは、レンズ３０，３２の第１および第２の組のそれぞれに取って代わるために１つ以上の曲面ミラーを使用することができる。レンズ３０，３２の第１および第２の組を完全に省くことができる。しかしながら、この場合、発光体により照射される領域３６は、サイズが制限され、それにより、検出ユニット２０の視野が減少される。

本発明の実施形態はビームスプリッタ２８および１／４波長板２９を省くが、光ファイバケーブル３４の端部がレンズ３０の第１の組の軸線に沿って光を案内するように向けられている。実施形態が図５に示される。

再び図２を参照すると、前述したように、各検出ユニット２０は、ボリューム４０の１つの領域３６を照射するようになっている。これらの検出ユニット２０は、照射される複数の領域３６がボリューム４０全体の照射をもたらすように配置される。

座標系を規定する固定された基準点を与える固定されたターゲット５０がボリューム４０内に位置されてもよい。

物体３８には複数のターゲット１０が取り付けられており、これらのターゲット１０は図１に関連して説明したものである。１つの動作モードにおいて、物体３８に取り付けられた固定ターゲット１０は、固定ターゲット５０により規定される座標系内の物体３８の位置および方向を決定するために使用され得る。

他の動作モードでは、物体３８上の特徴を測定するためにプローブ４２を使用できる。以下、図３を参照して、プローブ４２について更に詳しく説明する。

図３は、プローブチップ４６から離れるように延びるプローブ本体４４を備えるプローブ４２を示す。プローブチップ４６は、物体３８を探知するために使用できる。

プローブ本体４４は、その長さに沿う様々な位置でプローブ本体から様々な角度で離れるように延びるターゲット支持体４８を有し、該ターゲット支持体のそれぞれには図１に係るターゲット１０が装着される。

このようにすると、プローブ４２は、プローブチップ４６が検出ユニット２０の視野から隠される場合であってもプローブチップ４６の座標を突き止めることができる手段を与える。再び図２を参照すると、前述したように、検出ユニット２０のそれぞれには、図１に係る複数のターゲット１０が取り付けられてもよい。プローブ４２は、手動探知能力を与えるべく手持ち式であってもよい。

固定ターゲット５０は、三脚上または他の形態の支持体上または固定体上にターゲット１０を備える複数の基準ターゲット５０の形態を成すことができ、これらの基準ターゲット５０は、基準点を与えるためにボリューム４０内の様々な位置に設けられ、この基準点に対して、物体３８に取り付けられるターゲット１０の位置を比較することができる。基準ターゲット５０は、システムが写真測量モードのみで動作しているときに、システムにスケールを導入するための寸法基準を与えることができ、この寸法基準から角度データを長さに変換することができる。

検出ユニット２０は、全てが同期されるとともに、中央プロセッサ（図示せず）と通信するように構成される。通信は無線通信による。しかしながら、有線接続などの他の通信手段を使用できる。

各検出器は、取得された任意の測定値を中央プロセッサへ通信するように構成される。

以下、システム１８の好ましい動作について説明する。

最初に、システム１８が較正される。想定し得る較正方法は、例えばレーザトラッカを用いて独立に測定された既知の形態の複数のターゲット５０を備える三次元アーチファクトを使用することである。

複数の検出ユニット２０が体４０の周囲に配置される。各検出ユニットは、光源２６が光を照射するように動作される。

光源２６によって照射される光は、光ファイバケーブル３４によってビームスプリッタ２８に伝えられる。

ビームスプリッタ２８は光をレンズ３０の第１の組に変向させ、それにより、光は、ボリューム４０の領域３６を照射するように発散して照射される。

複数の検出ユニット２０は、各検出ユニット２０に取り付けられるターゲット１０のうちの少なくとも１つが少なくとも２つの他の検出ユニット２０の領域３６内に入るように配置されてもよい。前述したように、複数の固定された基準ターゲット５０がボリューム４０内に配置されてもよい。

ターゲット１０または５０に入射する検出ユニット２０のうちの１つからの光は、図１に関連して説明したように、光を最初に照射した検出ユニットへ向けてリトロリフレクトされる。

光を最初に照射した検出ユニット２４のレンズ３０の第１の組に入射するリトロリフレクトされた光は、レンズ３０の第１の組によって方向付けられて１／４波長板２９およびビームスプリッタ２８を通り、レンズ３２の第２の組によって検出器２４に向けられる。

各検出ユニット２０の検出器２４は、光が検出される検出器２４上の位置の測定値を取得する。このデータから、光がレンズの第１の組に入射するレンズ３０，３２の第１および第２の組の軸線に対する入射角度が計算される。

各検出器２４は、これらの測定値を中央プロセッサへ通信する。

中央プロセッサは、各検出ユニットからの測定値を処理して、バンドル調整アルゴリズムにより検出ユニット２０の相対位置（幾つかの実施形態では、カメラの相対位置）を決定するように動作する。当業者はバンドル調整に精通しており、このバンドル調整は、単一の数学モデルにおいて、検出ユニット２０またはカメラの内部定位および外部定位のパラメータ（焦点距離、位置、方向など）並びに無限の数のターゲットおよび検出ユニット２０またはカメラに関するターゲット座標を同時に計算する。この技術は、像平面上の２Ｄターゲット座標を物体空間内のターゲットの３Ｄ位置と検出ユニット／カメラの３Ｄ方向および位置とに関連付ける共線条件式に基づく。例えば、

および

となり、
ここで、ｘ₀およびｙ₀は主点オフセット（像の中心から光軸と像平面との交点までの距離）であり、ｘおよびｙは像平面内の２Ｄターゲット座標であり、ｆは焦点距離であり、添え字付きの値ｒ_iiは、検出ユニット／カメラ方向の３×３回転行列の要素であり、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は物体空間内の３Ｄターゲット座標であり、（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）は検出ユニット／カメラの３Ｄ座標である。

測定値は、最小二乗法フィッテングなどの一般的な解決アルゴリズムを使用して処理され、この場合、前記共線条件式（ターゲットまたは検出ユニット／カメラの数に制限なく、検出ユニット／カメラにより見られるそれぞれのターゲットごとに２つの式）の多くのインスタンスが同時に解かれる。当業者であれば分かるように、最小二乗法が厳密な不確実性計算である。

基準ターゲット５０の位置が既に知られているため、これが検出ユニット２０の位置を与える。これで、基準座標系を与えることによってシステム３８は較正できるようになり、
この基準について測定される物体３８の位置は、以下に記述するように決定できる。

一旦、システムが較正されたら、物体３８の位置を検出できる。

複数のターゲット１０および／または１つ以上のプローブ４２が使用されて、物体３８が探知される。

検出ユニット２０は、その後、前述したように動作されるが、このとき、物体３８に取り付けられているターゲット１０および基準ターゲット５０が検出器２４によって検出される。検出器２４は、前述したように測定値を取得するように動作され、また、これらの測定値は、前述したようにプロセッサへ通信される。

検出ユニット２０の相対的な測定値から決定される基準座標系を使用して、物体３８に取り付けられてあるいは基準ターゲット５０として与えられて複数の検出ユニット２０の視野内にあるターゲット１０の相対位置が計算される。

それにより、物体３８の相対位置が決定される。

しかしながら、物体３８の位置が検出される前にシステム１８の較正が別個のステップとして行なわれる必要はない。システム１８の較正は、物体３８の位置の計算と同時に行なうことができる。常に、システム１８の動作時に較正を行なうことは、ドリフトモニタリングを与えて、システムの連続的な精度を確保する。

以下、図６〜図１２を参照して、絶対距離を利用する実施形態について説明する。

図６は、ターゲット１１０を使用する位置検出システムまたは測定システム１１８を示す。ターゲット１１０は、図１に関して説明したターゲット１０に対応する。

図６に示されるシステムは、ボリューム１４０内の物体（図示せず）の位置を検出するように設計される。システム１１８は、ボリューム１４０の周囲の様々な位置に配置される複数の検出ユニット１２０を備える。

図７は、測定システム１１８の概略的な全体図である。好ましくは１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍの波長で動作する波長可変レーザ１２６の形態を成す光源からの光は、光ファイバを通じて、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１５２へ送られる。ＥＤＦＡ１５２は、光を増幅して、光のパワーを増大させる。ＥＤＦＡ１５２の出力は、光ファイバを通じて、ファイバスプリッタツリー１５４へ送られる。ファイバスプリッタツリー１５４は、その入力に到達する光を複数の出力間で分配する。これらの出力は、周波数基準１５６、トリガ基準１５８、および、測定ヘッド１２０の形態を成す１つ以上の検出単位を備える。周波数基準１５６、トリガ基準１５８、および、測定ヘッド１２０はそれぞれ、ＡＤＣ１６０によってデジタル化される１つの電子信号を生成する。ＡＤＣ１６０により記録されるデータは、解析および記憶のためにコンピュータ１６２へ送られる。

図８は、ファイバスプリッタツリー１５４の一例の概略図である。ファイバスプリッタツリーは、入力ファイバへ送られる光を複数の出力ファイバ間で分配するように配置される一連の２×２ファイバスプリッタを備える。図８に示される例は、光を８本の出力ファイバ間で均一に分配するが、光を異なる数の出力ファイバに均一にあるいは不均一に分配するためにファイバスプリッタの異なる配置が使用されてもよい。

図９は周波数基準１５６を示す。ファイバスプリッタツリー１５４の出力のうちの１つからの光は、周波数基準１５６に送られる。この光は、ファイバ端部から出て、コリメート・レンズ１６４により自由空間ビームにコリメートされる。このビームは、プレートビームスプリッタ１６６を用いて２つの部分に分けられる。この分けられたビームの第１の部分は、モニタフォトダイオード１６８に向けられる。分けられたビームの第２の部分は、ガス、例えばアセチレンを収容する透明なセル１７０を通過して導かれ、このセル１７０を通じて伝送される一部のビームは、セルフォトダイオード１７２に向けられる。平行ビームが通過するガラスビームスプリッタ１６６は、傾けられおよび／またはＶ字形にされ、望ましくない反射により形成されるビームをフォトダイオード１６８，１７２から離れるように導き、測定値の乱れを回避する。

図１０はトリガ基準１５８を示す。ファイバスプリッタツリー１５４の出力のうちの１つからの光は、トリガ基準の入力ファイバに送られ、そこで、光が５０：５０ファイバスプリッタ１７４を通過する。ファイバスプリッタ１７４の２つの出力から出る光は、第２の５０：５０ファイバスプリッタ１７６で再結合される前に、光ファイバの長さを通じて送られる。２つの５０：５０ファイバスプリッタ１７４，１７６およびそれらを接続するファイバは、ファイバマッハツェンダー干渉計を形成する。５０：５０ファイバスプリッタ１７４，１７６間のファイバの２つの長さは異なる長さを有し、それにより、それぞれのアームを下って移動する光同士の間に光路差が生じる。第２の５０：５０ファイバスプリッタ１７６のそれぞれの出力から出る光は、一対のフォトダイオード１７８，１８０のうちの一方に導かれる。これらのフォトダイオードは、好ましくは、平衡型フォトダイオード、すなわち、同様のゲイン特性を有するように製造される一対の増幅フォトダイオードである。２つのフォトダイオード１７８，１８０の電気的な出力は差動増幅器１８２へ送られる。２つのフォトダイオード信号の差に比例する信号である差動増幅器１８２の出力は、ゼロコンパレータ１８４へ送られる。ゼロコンパレータ１８４は、その入力信号の符号（プラスまたはマイナス）を示すブール論理値を出力する。ゼロコンパレータの出力の立ち上がりエッジは、周波数基準１５６および測定ヘッド１２０からのデータのＡＤＣ１６０におけるサンプル取得をトリガするために使用される。

図１１は測定ヘッド１２０の例図である。各測定ヘッド１２０には、それ自体の専用のファイバスプリッタツリー出力から光が与えられる。この光は、測定ヘッド１２０の入力ファイバへ供給される。その後、この光は、光ファイバ１８６の長さに沿って、ファイバサーキュレータ１８８のポート１に導かれる。ファイバサーキュレータ１８８のポート１に入る光は、ファイバサーキュレータ１８８のポート２から出力され、この場合、その光は、ファイバ１９０の長さ沿って移動して、ファイバ端に達する。このファイバ端は平坦に研磨される（すなわち、ファイバ端の面は、ファイバの本体に沿って向く線に対して垂直である）。ファイバ端に達する光の約４％は、ファイバサーキュレータ１８８の元のポート２へ向けてファイバ１９０中に反射される。サーキュレータ１８８のポート２に入る光は、サーキュレータのポート３から、フォトダイオード２００の形態を成す検出器に出力される。

サーキュレータ１８８とファイバ端との間のファイバ１９０の長さは、可能な限り短く維持され（例えば１０ｃｍ）、理想的には、このファイバ１９０に沿う光路長が最小測定距離よりも小さいようにすべきである。この配慮は、光ファイバのこの区間でファイバ端へ向かって移動する光のレイリー後方散乱に起因する。レイリー後方散乱光は、このファイバの光路長よりも短い測定長のみに影響を与えるノイズ成分をもたらす。したがって、ファイバのこの長さの光路長を最小測定距離よりも短く保つことにより、このノイズ成分により影響されない測定を行なうことができる。

ファイバ端から出る光は、円錐状の光を成して照射される。測定ヘッドは、光のこの円錐内のターゲット１１０に対して感度がある。一般に、測定ヘッド１２０が感受する角度範囲を変えるためには、ファイバ端から照射される光により照射される角度範囲を変えることが有利である。図は、照射される角度範囲を増大させるために使用される簡単な両凹面レンズを示す。しかしながら、例えば、曲面ミラー、回折格子、または、空間光変調器など、照射角度範囲を変える異なる方法が可能であり、また、例えば円柱レンズを使用することにより、異なる形態の照明角度も可能である。

図６は、測定体１４０の周囲の幾つかの測定ヘッド１２０の配置例を示す。この例において、測定体は、ターゲット１１０が全ての測定ヘッド１２０の検出体１３６内にある体から成る。１つのターゲット１１０と１つの測定ヘッド１２０との間の視線が妨げられる場合、この配置は、依然として、測定を行なうことができる。これは、一般に、そのターゲットの位置を決定するためにそのターゲット１１０から十分な他の測定ヘッド１２０への視線が存在するからである。測定ヘッド１２０の他の配置が可能である。

測定は、波長可変レーザ１２６の波長を名目上直線的態様で変えると同時に、ＡＤＣ１６０を用いて周波数基準１５６および測定ヘッド１２０からの電圧を記録することを含む。これらの測定値は、後述するように、トリガ基準１５８により決定される間隔で記録される。その後、このデータが解析のためにコンピュータ１６２へ送られ、この場合、解析出力は、測定ヘッド１２０およびターゲット１１０の相対位置に関する情報を与える。

レーザ出力の一部は、ＥＤＦＡ１５２およびスプリッタ１５４を介して、トリガ基準１５８に向かう。トリガ基準において、マッハツェンダー干渉計は、レーザ周波数で名目上正弦波的に変化する１８０°位相がずれた２つの信号を生成する。これらの信号はフォトダイオードを用いて検出され、また、差動増幅器１８２が２つの信号間の差を出力する。この差分信号は、それ自体、正弦波信号であるが、ゼロオフセット電圧を有する。比較器１８４は、差動増幅器１８２の出力から矩形波信号を生成する。この信号は、ＡＤＣのサンプルトリガ入力へ送られる。ＡＤＣは、このトリガ信号の立ち上がり時に前述したように周波数基準および測定ヘッドからデータをサンプリングする。

レーザ出力の一部は、ＥＤＦＡ１５２およびスプリッタ１５４を介して、周波数基準１５６に向かう。周波数基準１５６の目的は、レーザ周波数掃引中に様々なポイントにおけるレーザ周波数に関する情報を与えることである。周波数基準のセル１７０内に収容されるガスは、それを通過する光の一部を吸収する。吸収される光の割合はレーザ周波数に依存する。吸収割合 対 周波数（または波長）の曲線は吸収曲線と呼ばれる。典型的な吸収曲線が図１２（ａ）に示される。この吸収曲線は、多くの吸収線の存在を伴うほぼ透過的なベースラインと、強力吸収の狭い波長領域とから成る。これらの吸収線のうちの１つの詳細が図１２（ｂ）に示される。これらの吸収線のうちの幾つかの中心波長は、既知の非常に安定した値を有する。

セルを通過しない光を記録する周波数基準におけるモニタフォトダイオード１６８の目的は、測定中のレーザ出力の変動を補償することである。セルフォトダイオード１７２によって記録される電圧信号は、モニタフォトダイオード１６８により記録される電圧信号で除される。これは、現在のレーザ波長でのセルの吸光度に比例し且つレーザ出力の変化によって影響されない信号をもたらす。

フォトダイオード電圧は、レーザ周波数掃引の全体にわたって記録される。レーザ波長が吸収線の中心にあった測定中の時間は、例えば、記録データに対して最小二乗法フィットを行なうことによって見出される。これらの時間のレーザ波長の値は、その後、吸収ピークの中心波長に対応する波長であることが知られる。

各測定ヘッド１２０では、光ファイバ１９０の端部から反射される光が干渉計の基準アームを形成する。ファイバ端から照射される光は、ターゲットから反射される光、および、ファイバ１９０中に戻って結合される光は、干渉計の他のアームを形成する。これらの干渉計アームの両方からの光は、サーキュレータ１８８のポート３から出て、検出器フォトダイオード２００によって検出される。これらの２つの干渉計アームにおける光同士の間の干渉は、フォトダイオード２００で強度信号Ｉ_dstを生成する。

ここで、Ｉ_refおよびＩ_measは、基準アームおよび測定アームのそれぞれの個々の強度であり、Ｄは、基準アームと測定アームとの間の光路差であり。ｖはレーザ周波数である。

複数のターゲット１１０が測定ヘッド１２０の視野内にある場合には、例えば基準アームと測定アームとの間または測定アーム間で複数の基準信号が生成される。一般に、基準アームと比べてかなり小さい測定アームの出力に起因して、基準アームと個々の測定アームとの間の干渉のみを観察できる。

各測定ヘッド１２０からの記録信号のフーリエ変換が計算される。これは、ターゲットまでの距離に比例する周波数でのピークと、較正されなければならない１よりも大きい屈折率を有する材料（発散レンズを形成するガラス、および、ターゲットを形成するガラスなど）を通過するビームにより引き起こされる更なる光路長に起因するオフセット周波数とを含む。このオフセット周波数は、関与する材料の幾何学的形態および屈折率の知識を使用して較正されてもよく、または、測定ヘッドおよびターゲットの位置を決定する同じ最小二乗適合プロセスにパラメータとしてオフセットを含めることによって較正されてもよく、これについては後述する。これらのフーリエ変換ピークが突き止められて、それらの周波数が（例えば最小二乗フィッティング方法を使用することにより）決定され、それにより、それぞれの測定ヘッド１２０における一組の測定周波数がもたらされ。

較正されたオフセットが差し引かれた時点で、これらの周波数は、ターゲットまでの距離に比例する。周波数基準１５６を使用して比例定数が計算される。トリガ基準１５８の使用に起因して、レーザ周波数δｖの一定の間隔でデータがサンプリングされる。したがって、測定周波数は方程式（１）から以下となる。
ｆ＝２πＤδｖ／ｃ （２）
Ｄを計算するために方程式（２）が以下のように整理し直されてもよい。
Ｄ＝ｆｃ／２πδｖ （３）
未知のδｖは、周波数基準１５６を使用して計算される。既知の周波数差Δｖ_diffの２つの吸収ピークの中心は、例えば各ピーク付近のデータを最小二乗法フィッティングすることによって突き止められる。２つのピーク間のサンプル数ｍが計算される。なお、これは、１サンプルよりも良好な精度をもって行うことができる。なぜなら、１サンプルよりも良好な精度をもってピークそれら自体を突き止めることができるからである。その後、δｖをδｖ＝Δｖ_diff／ｍとして計算することができる。

δｖが既知の場合には、方程式（３）を使用して、各測定周波数に対応するＤが計算される。当業者であれば分かるように、Ｄは光路差に対応し、また、これから正確な物理的距離を計算するには、大気の屈折率を計算する必要がある。これは、一般的な手続きであり、例えば、空気の温度および湿度を測定するとともに、これらの量を屈折率に関連付ける任意の様々な方程式を使用して外気の屈折率を決定することによって行われてもよい。

最初は、いずれのターゲット１１０がいずれの測定距離に対応するかが分からない。したがって、これを決定するためにターゲット同定アルゴリズムが行われなければならない。このアルゴリズムは、距離測定値の組を各センサから入力として取得するとともに、随意的に、幾つかの測定ヘッド１２０またはターゲット１１０の相対位置に関するアプリオリな情報も入力として取得する。この入力から、アルゴリズムは、各測定ヘッド１２０からのいずれの測定距離がいずれのターゲット１１０に対応するのかを同定する。これは、例えば、次のステップにおいてターゲットの全ての想定し得る配置に関して解析を実行することにより、および、データと最も良く一致するもの選択することによって行われてもよい。

測定距離とターゲットとの間に割り当てられる対応が存在するときには、測定ヘッドとターゲットとの間の測定距離に対する最小二乗法フィッティングを使用して、全ての測定ヘッドとターゲットとの相対位置が決定される。

前記実施形態に対して変更を行うことができる。例えば、図２〜図５に関連して説明された位置検出システム１８を図６〜図１２に関連して説明された測定システム１１８と組み合わせて、角度に基づく測定値と絶対距離測定値とを同時に与えるシステムをもたらすことができる。そのような変更のうちの１つにおいては、システム１８の検出ユニット２０に、図６〜図１２に関連して説明された測定ヘッド１２０の特徴を組み入れたままにすることができる。

前述したシステムは、多くの異なる産業で、特に、高価の構成要素およびアセンブリの組立および製造、メトロロジ案内の機械加工、メトロロジ支援の組立、冶具を伴わない製造、ハイブリッドメトロロジ解決法、および、一般的な座標測定において用途を有する。

システムは、構成要素およびアセンブリの一般的な測定において、例えばこれらの構成要素およびアセンブリの正確な寸法および／または相対的な位置および方向を決定するために使用できる。

異なる検出ユニット２０および／または測定ヘッド１２０による測定値が同時に取得されるため、システムは、所定期間にわたる平均値を計算するのではなく、任意の所定のターゲット１０、１１０の位置を正確な時間的瞬間に検出することができる。したがって、システムは、正確に６自由度での物体の追跡動作に対して特定の用途を有する。これは、構成要素が接続または正確なアライメントで移動される必要がある複雑な装置の組立中に役立つ。異なる検出ユニット２０および／または測定ヘッド１２０からの同時測定は、位置計算におけるエラーを減らすことができ、したがって、組立構造におけるエラーを減らす。したがって、測定支援のおよびメトロロジ支援の組立並びに冶具を伴わない組立において用途が存在する。

本発明の実施形態を実用的に使用できる複雑な装置の組立の例は、機体などの航空機の構成要素を組み立てるための航空宇宙産業において含む。しかしながら、他の測定支援組立システムも前述したシステムを実用的に使用できる。

組立と同様に、前述したシステムは、ロボット制御および案内において、また、既存のアセンブリを監視してそれのアセンブリの連続的な安定性を確保するために、実用的に使用できる。本発明の実施形態に係るシステムを用いて有益に監視され得るアセンブリの例は、組立冶具、風力タービン、および、工作機械を含む。前したシステムを用いて可能な精密で正確な測定により、ドリフトおよびミスアライメントを正確に早い段階で検出して、性能および安全性を高めることができるとともに、アセンブリの較正を維持することができる。

例えば円錐領域を照射するための照射光の発散は、大きなボリュームを連続的に監視できるようにする。これは、本発明の実施形態に係るシステムを、例えば自由に動く物体を追跡するための宇宙船における重量測定用途のためなど、移動物体のリアルタイムな追跡に適するようにする。

本発明の実施形態の他の用途としては、例えば、映画産業およびＴＶ産業、自動車、発電、防衛、および、宇宙技術、例えば構造体の熱真空試験が挙げられる。

また、本発明の実施形態は、風力タービンなどの大型構造体の動的変形を測定するなど、一般的な位置合わせ測定および変形解析のために使用することもできる。

前述した実施形態および従属請求項の全ての随意的な好ましい特徴および改変は、本明細書中に教示される発明の全ての態様において使用できる。また、従属請求項の個々の特徴、および、前述した実施形態の全ての随意的な好ましい特徴および改変は、組み合わせられるとともに、互いに置き換え可能である。

この出願が優先権を主張する英国特許出願番号１２０５５６３．８の開示、および、この出願に添付の要約書は、参照することにより本願に組み入れられる。

Claims (26)

1. 少なくとも１つのターゲットの三次元位置を検出するための位置検出システムであって：
   少なくとも１つのターゲットであって、その又は各ターゲットは任意の方向から入射する光のレトロリフレクタの役割をする構成である少なくとも１つのターゲットと；
   少なくとも１つのターゲットを照射する少なくとも１つの発光体と；
   あるターゲットからリトロリフレクトされる光を検出し測定値を取得する少なくとも１つの検出器と；及び
   前記各検出器により取得された測定値を処理し、前記少なくとも１つのターゲットの三次元位置を決定するプロセッサと、
   を含む位置検出システム。
2. 前記ターゲット又は各ターゲットが略球形である請求項１に記載の位置検出システム。
3. 前記ターゲット又は各ターゲットが球である請求項２に記載の位置検出システム。
4. 前記少なくとも１つのターゲットが複数のターゲットである前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
5. 前記少なくとも１つの検出器が複数の検出器である前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
6. 前記少なくとも１つの発光体が複数の発光体である前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
7. 前記又は各発光体は、光を発散する発散エレメントを含む前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
8. 前記又は各発散エレメントは、照射光を発散する構成とされ略円錐形領域を照射する請求項７に記載の位置検出システム。
9. 前記又は各発散エレメントにはレンズを含む請求項７または８のいずれか一つに記載の位置検出システム。
10. 前記又は各発光体は、照射光を所定の方向に向け及びリトロリフレクト光を検出器に向けて構成される光誘導エレメントを含む前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
11. 前記光誘導エレメントは、レンズを含み、選択的にビームスプリッタを含む請求項１０に記載の位置検出システム。
12. 前記又は各発光体には、レーザ光源を含み、及び各発光体により照射される光がレーザ光である前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
13. 各発光体が照射するように構成される光は、所定の波長範囲内の波長である前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
14. 前記又は各ターゲットは、球形及び前記又は各ターゲットの中心に入射されて所定の波長範囲内の波長を有する光のレトロリフレクタの役割を担うよう選択される材料を備える請求項１３に記載の位置検出システム。
15. 前記又は各ターゲットが球形及びソリッドであり；及び
    所定の波長範囲内の波長で、前記又は各ターゲットは、１．９〜２．１の範囲内、好ましくは１．９５〜２の範囲内、最も好ましくは１．９９５〜２の範囲内の屈折率を有する請求項１３または１４に記載の位置検出システム。
16. 前記又は各検出器は、発光体で直接にリトロリフレクトされる光を検出するように配置される前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
17. 前記又は各検出器は、リトロリフレクト光が受光されるその角度を含む測定値を取得する前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
18. 前記又は各検出器は、リトロリフレクト光がＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサを使用して受光される角度の測定値を取得する前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
19. 前記又は各検出器は、リトロリフレクト光の測定値を取得しその検出器からリトロリフレクト光がリトロリフレクトされた１または複数のターゲットまでの絶対距離を決定する前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
20. 前記又は各検出器は、リトロリフレクト光の測定値を取得しその検出器からリトロリフレクト光がリトロリフレクトされた１または複数のターゲットまでの絶対距離及び角度を決定する前項までの請求項のいずれか一つに記載の位置検出システム。
21. 前記又は各検出器は、周波数走査干渉法を使用して絶対距離を決定する請求項１９または２０のいずれか一方に記載の位置検出システム。
22. 物体の三次元位置を決定する方法であって：
    ターゲットの物体への取付けであって、そのターゲットは任意の方向から入射する光のレトロリフレクタの役割を担うものであるターゲットの物体への取付けと；
    少なくとも１つの発光体からの光で前記ターゲットに光を照射することと；
    前記ターゲットからリトロリフレクトされる光を検出して測定値を取得することと；
    前記ターゲットそのリトロリフレクト光の測定値を処理し、前記ターゲットの三次元位置を決定し、及びそれから物体の三次元位置を決定すること；
    を含む物体の三次元位置を決定する方法。
23. 検出器と発光体とを含む検出ユニットであって、
    前記発光体は、１つの軸線に沿って、好ましくはこの軸線の周囲で、前記検出器から離れるように光を照射するべく構成され、前記軸線は、前記検出ユニットがその上で且つその周囲で前記検出器による検出のために光を受けるよう構成される軸線に対応する、検出ユニット。
24. ビームスプリッタまたは光ファイバは、照射される光を導く構成とされて、前記検出ユニットがその周囲で光を受けるように構成される前記軸線に対応する１つの軸線を有する請求項２３に記載の検出ユニット。
25. 請求項２３または請求項２４のいずれか一項に記載の検出ユニットであって、
    さらに、光誘導エレメント、選択的にレンズを含み、前記発光体により照射される光を所定の方向に向け及びリトロリフレクト光を前記検出器に向ける請求項２３または請求項２４のいずれか一項に記載の検出ユニット。
26. 請求項２３から２５のうちいずれか一項に記載の検出ユニットであって、
    さらに、光誘導エレメント、選択的にレンズを含み、前記発光体により照射される光を所定の方向に向け及びリトロリフレクト光を複数の検出器に向ける請求項２３から２５のうちいずれか一項に記載の検出ユニット。

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