JP5554459B2 - 予配置型且つ可換型の光学ベンチを有するジンバル式装置 - Google Patents
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Description
本願は2012年1月30日付米国暫定特許出願第61/592049号及び2011年4月15日付米国暫定特許出願第61/475703号に基づく利益を享受する出願であるので、この参照を以て両出願の全内容を本願に繰り入れることにする。
本発明は、注目点に向けてレーザビームを輻射しその点の三次元座標を計測する座標計測装置及びそれに類する機器に関する。例えば、ジンバル式ビームステアリング機構を用いビーム方向を制御しつつ、注目点又はそこに接触させてある再帰反射ターゲットにレーザビームを入射させ、絶対距離計(ADM)、干渉計(IFM)等の距離計でその点までの距離を、また角度エンコーダ等の角度計でその点に対する二種類の角度を計測し、それら距離計測及び角度計測の結果に基づき注目点の座標を求める機器である。
レーザトラッカ(laser tracker)は、1本又は複数本のレーザビームを輻射しそのビームで再帰反射ターゲット(retroreflector target)を追尾するタイプの座標計測装置である。これに類する座標計測装置にはレーザスキャナやトータルステーションがある。レーザスキャナは1本又は複数本のレーザビームを物体表面に向けて出射しそこでの散乱光を捉え、その面上の各点までの距離及びその点に対する二種類の角度をその光に基づき計測する装置である。トータルステーションは測量等で広く使用されており、拡散反射ターゲットや再帰反射ターゲットの座標計測に使用することができる。以下、レーザスキャナやトータルステーションを包含する広い意味で“レーザトラッカ”の語を用いることにする。
通常、レーザトラッカに発するレーザビームの輻射先は再帰反射ターゲット、例えば金属球にキューブコーナリフレクタを組み込んだ構成の球体実装再帰反射器(SMR)である。これは、相直交する3枚のミラーで構成されるキューブコーナリフレクタを、その頂点即ちミラー同士の交点が中心に来るよう金属球内に配置したものである。球内ミラー配置がそうした配置であるので、キューブコーナ頂点からSMRの当接先面へと下ろした垂線の長さはSMRが転がっても変わらない。従って、その面に倣いSMRを移動させつつレーザトラッカでそのSMRの位置を追跡することで、面上にある各点の三次元座標を計測することができる。言い換えれば、レーザトラッカでは、輻射方向沿い距離(動径)に関する一自由度及び角度に関する二自由度を併せ三自由度に留まる計測で、面上にある諸点の三次元座標を全て特定することができる。
レーザトラッカのなかには、IFMを使用するがADMを使用しないタイプのものがある。この種のトラッカでは、自トラッカ発レーザビームの光路が何らかの物体で遮蔽されるとIFMが距離基準を逸する。この場合、使用者は、計測を継続するのに先立ち、再帰反射ターゲットを既知位置に移動させ距離を基準距離にリセットする必要がある。この問題を回避するにはレーザトラッカ内にADMを設ければよい。後に詳示するように、ADMなら距離をポイントアンドシュート形式で計測することができる。ADMを使用するがIFMを使用しないタイプのレーザトラッカもある。特許文献1(発明者:Bridges et al.;この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)に記載のレーザトラッカではIFMが使用されておらず、移動ターゲットの詳細スキャンが可能なADMが使用されている。特許文献1に先立つ技術では、ADMが低速すぎて移動ターゲットの詳細位置計測を実行することができない。
レーザトラッカにジンバル機構を設けるのは、自トラッカ発のレーザビームをSMR等に指向させるためである。即ち、SMRからレーザトラッカへと再帰反射された光の一部を位置検出器で捉え、位置検出器に対するその光の入射位置に基づきレーザトラッカ内制御システムを作動させ、自トラッカ内機械軸の回動角を然るべく調整することで、レーザビームをそのSMRに指向させ続けることができる。ひいては、注目物体の表面沿いに移動するSMRを追尾乃至追跡することができる。また、レーザトラッカ用ジンバル機構は他にも様々な用途に適用することができる。わかりやすい例は、一連の再帰反射ターゲットに可視光ポインタビームを差し向けその方向を計測するだけで、距離計が備わっていないジンバル式ステアリング装置であろう。
レーザトラッカの機械軸には角度エンコーダ等の角度計が装着される。レーザトラッカで距離計測を一通り、角度計測を二通り行うことで、そのSMRの三次元位置を十分な程度で特定することができる。
そうした通常の三自由度計測型レーザトラッカと違い、六自由度計測向けに開発、提案されたレーザトラッカもある。例えば、特許文献2(発明者:Bridges et al;この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)や特許文献3(発明者:Bridges et al;この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)に記載の六自由度システムである。
従来は、光学部品がレーザトラッカフレーム内に直に実装されていたため、その配置換えや修理がかなり面倒且つ高コストであった。従って、予配置型で可換な光学ベンチを備え、その製造及び修理が容易なレーザトラッカを提供することが必要である。
本発明の一実施形態は、別の空間位置を占める再帰反射ターゲットに第1光ビームを送り、当該第1光ビームのうち同再帰反射ターゲットから戻ってきた部分を第2光ビームとして受け取る寸法計測装置である。本装置は、まず、互いにジンバル点付近で交差していて互いに略垂直な第1軸及び第2軸に関し、第1軸周り回動角たる第1回動角を第1モータで発生させ第2軸周り回動角たる第2回動角を第2モータで発生させることで協働し、それら第1及び第2回動角によって定まる第1方向に第1光ビームを指向させる第1及び第2モータ、を備える。本装置は、また、ハウジング、照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器が備わる光学アセンブリを有し、照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器の固定装着先たるハウジングが、その外面上の少なくとも第1領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第3軸から第1領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第1光を発することで光学アセンブリ外に第1光ビームを送給し、光学アセンブリ外に送給される第1光ビームの辿る第4軸が、第3軸と略重複且つジンバル点付近で略一致すると共に、第1軸を含み且つ第2軸に対し垂直な平面付近に存する軸であり、第1ビームスプリッタが、第2光ビームのうち第2部分を位置検出器に送給し、位置検出器が、自位置検出器への第2部分入射位置に応じ第1信号を発生させるジンバルアセンブリ、を備える。本装置は、更に、第1信号に依り又は基づき第2及び第3信号を発生させ、その第2信号を第1モータ、第3信号を第2モータに送ることで、再帰反射ターゲットの空間位置に向かうように第2方向を調整する制御システム、を備える。
本発明の他の実施形態は、光学アセンブリを予配置し、その光学アセンブリを寸法計測装置内に実装し、離れた場所にある再帰反射ターゲットに関しその寸法計測装置で計測する方法である。本方法は、まず、互いにジンバル点付近で交差していて互いに略垂直な第1軸及び第2軸に関し、また第1軸及び第2軸とジンバル点付近で交差する第5軸に関し、第1軸周り回動角たる第1回動角を第1モータで発生させ第2軸周り回動角たる第2回動角を第2モータで発生させることで協働しそれら第1及び第2回動角によって定まる第1方向に第5軸を揃える第1及び第2モータ、を準備するステップを有する。本方法は、あた、ハウジング、照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器を有する光学アセンブリとして、その照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器がハウジングに固定されており、そのハウジングの形状が、その外面上の少なくとも第1領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第6軸から第1領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第1光を発することで光学アセンブリ外に第3光ビームを送給し、同光学アセンブリとの関連で第3光ビームがとる光路即ち第1光路を可調な光学アセンブリ、を準備するステップを有する。本方法は、更に、第1領域上で光学アセンブリを支持し且つ同光学アセンブリの第5軸周り回動を規制する整列具を準備するステップと、第1領域上の諸点で整列具が光学アセンブリに接触するよう光学アセンブリを整列具上に配置するステップと、光学アセンブリからの距離が第1距離である第1面上に第3光ビームを照射するステップと、整列具上で光学アセンブリを第6軸周り回動させるステップと、光学アセンブリの第6軸周り回動に応じ第1面上で生じる第3光ビームの位置変化を検出するステップと、第1面上で検出される第3光ビームの位置変化に依り又は基づき、第3光ビームが第6軸に揃うよう第1光路を調整するステップと、第3光ビームが第5軸に揃うよう光学アセンブリを寸法計測装置に装着するステップと、第3光ビームを離れた場所の再帰反射ターゲットに差し向けるステップと、第3光ビームのち再帰反射ターゲットで反射される部分を第4光ビームとして受給するステップと、第4光ビームのうち第3部分を第1ビームスプリッタから位置検出器に送給するステップと、を有する。
以下、別紙図面を参照しつつ諸実施形態について説明する。当該実施形態によって本発明の技術的範囲が制約を受ける旨の解釈は避けられたい。図中、同様の部材には同様の参照符号を付してある。
図1に、レーザトラッカシステムの一例として、レーザトラッカ10、再帰反射ターゲット26、補助プロセッサユニット50(省略可)及び補助コンピュータ60(省略可)を備えるシステム5を示す。そのトラッカ10のジンバル式ビームステアリング機構12は、アジマス軸20周りで回動させうるようにキャリッジ14をアジマスベース16上に搭載し、ゼニス軸18周りで回動させうるようそのゼニスキャリッジ14上にペイロード15を搭載した構成である。軸18,20はトラッカ10内で相直交しており、その交点即ちジンバル点22が通例に倣い距離計測原点とされている。レーザビーム46が辿る光路の延長線はその点22を通りゼニス軸18に直交している。即ち、ビーム46は軸18に対しほぼ平行な面内にあり軸20が過ぎる面に対し、ほぼ直交している。ビーム46の出射方向は、ペイロード15のゼニス軸18周り回動及びゼニスキャリッジ14のアジマス軸20周り回動によって制御することができる。トラッカ10内では、ゼニス軸18沿いに延びるゼニス機械軸に軸18用の角度エンコーダ、アジマス軸20沿いに延びるアジマス機械軸に軸20用の角度エンコーダが装着されているので、それらの角度エンコーダで軸18,20周り回動角を高精度検出することができる。出射されたビーム46は再帰反射ターゲット26(例.前掲のSMR)へと伝搬していく。ジンバル点22・ターゲット26間輻射方向距離(動径)、ゼニス軸18周り回動角、並びにアジマス軸20周り回動角の検出結果からは、ターゲット26の位置をトラッカ側球座標系に従い求めることができる。
出射されるレーザビーム46は、後述の通り、一通り又は複数通りの波長成分を含んでいる。以下の説明ではそのステアリング機構として図1に示したものを想定するが、これは簡明化のためであり、他種ステアリング機構を使用することもできる。例えば、アジマス軸及びゼニス軸周りで可回動なミラーを用いレーザビームを反射させるタイプの機構を使用してもよい。本願記載の技術は、ステアリング機構のタイプ如何によらず適用することができる。
レーザトラッカ上に設けられている磁気ネスト17は、そのトラッカをホームポジションに従いリセットすることができるよう、SMRのサイズ、例えば1.5インチ、7/8インチ、1/2インチ等のサイズ毎に設けられている(1インチ=約0.025m)。オントラッカ再帰反射器19は、その搭載先のトラッカに関し距離を基準距離にリセットするためのものである。そして、図1では隠れているが、オントラッカミラーをオントラッカ再帰反射器と併用することで、特許文献1(この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)記載の自己補償を実行することができる。
図2に、別例に係るレーザトラッカシステム7として、図1に示したレーザトラッカシステム5に似てはいるが再帰反射ターゲット26に代え六自由度プローブ1000が使用されているものを示す。このように図1の構成は各種再帰反射ターゲットに適用可能である。そのガラス構造の後部反射面上に光が合焦して小さな光スポットが生じるようガラスで形成されたキャッツアイ型の再帰反射器も、その例である。
図3に、レーザトラッカを構成する光学的・電子的諸部材のブロック配置を示す。これは、ADM用の第1波長に加え、可視ポインタ用及び追尾用の第2波長でも輻射する二波長輻射型レーザトラッカでの例である。可視ポインタは、その位置が使用者にわかるようトラッカ発レーザビームでスポットを形成するものであり、ADM用波長の光と自由空間型のビームスプリッタにて結合される。光電システム100を形成しているのは可視光源110、アイソレータ115、第1ファイバ式ランチャ170(省略可)、IFM120(省略可)、ビームエクスパンダ140、第1光ビームスプリッタ145、位置検出アセンブリ150、第2光ビームスプリッタ155、ADM160及び第2ファイバ式ランチャ170の諸部材である。
可視光源110は、例えばレーザや高輝度発光ダイオード等の発光デバイスである。アイソレータ115は光源110への遡行光量を抑えることが可能なデバイス、例えばファラデーアイソレータやアッテネータである。IFM120は様々な形態で実現可能だが、この例ではビームスプリッタ122、再帰反射器126、1/4波長板124,130及び位相分析器128でIFM120が構成されている。光源110からの輻射光は自由空間等を伝搬し、アイソレータ115内自由空間を通り、そしてこのIFM120を通過する。図5を参照して後述するように、光源110・アイソレータ115間を光ファイバケーブルで結合し、アイソレータ115からの出射光を第1光ファイバ式ランチャ170から自由空間へと出射させてもよい。
ビームエクスパンダ140は様々なレンズ配置に従い実現可能であるが、図4A及び図4Bに示す二通りの構成が従来から常用されている。図4Aに示す構成140Aは負レンズ141A及び正レンズ142Aを有しており、負レンズ141Aに入射した平行光ビーム220Aをより太い平行光ビーム230Aにして正レンズ142Aから出射させている。図4Bに示す構成140Bは2個の正レンズ141B,142Bを有しており、第1正レンズ141Bに入射した平行光ビーム220Bをより太い平行光ビーム230Bにして第2正レンズ142Bから出射させている。ビームエクスパンダ140から出射された光は、レーザトラッカ外に向かう途上で、ビームスプリッタ145,155により反射されて損失になる少量の部分を除き、ビームスプリッタ155を透過してADM160からの出射光と合流し、合成光ビーム188となってトラッカを離れ再帰反射ターゲット90に入射する。
この例では、ADM160が、光源162、ADM用電子回路164、光ファイバ網166、相互接続用電気ケーブル165及び相互接続用光ファイバ168,169,184,186を備えている。電子回路164は、光源162例えば波長=約1550nmで発振する分布帰還型レーザに対し、電気的変調電圧及びバイアス電圧を供給する。網166は例えば図8Aに示す従来型の光ファイバ網420Aである。図3で光源162発の光が入射しているファイバ184は、図8Aでは光ファイバ432として表されている。
図8Aに示した光ファイバ網は、第1光ファイバ式カプラ430、第2光ファイバ式カプラ436及び低反射率ファイバ終端器435,440を備えている。第1カプラ430通過後の光路は二分岐しており、一方は光ファイバ433を通り第2カプラ436、他方は光ファイバ422を通りファイバ長等化器423に至っている。等化器423は、図3中の光ファイバ168を介しADM用電子回路164の基準チャネルにつながっている。等化器423の役目は、基準チャネル内光ファイバ長を計測チャネル内光ファイバ長に整合させ、ADM誤差のうち周囲温度変化によるものを減らすことである。そうした誤差を減らせるのは、光ファイバの有効光路長がその光ファイバの平均屈折率と長さの積に等しいことでその誤差が生じているからである。光ファイバの屈折率はそのファイバの温度に依存するので、ファイバ温度が変化すると計測、基準各チャネル内光ファイバの有効光路長が変化する。計測チャネル内光ファイバ・基準チャネル内光ファイバ間で有効光路長の変化に違いがあると、再帰反射ターゲット90が一定位置を保っていたとしても、そのターゲット90の位置が見かけ上シフトしてしまうことになりかねない。ファイバ長整合はこの問題を回避するための策であり、基準チャネル内光ファイバ長を計測チャネル内光ファイバ長にできるだけ整合させる段階と、計測チャネル内光ファイバと基準チャネル内光ファイバがほぼ同じ温度変化に遭遇するよう両者をできるだけ横並びに配置させる段階とを含んでいる。
第2光ファイバカプラ436通過後の光路は二分岐しており、一方は低反射率ファイバ終端器440に、他方は光ファイバ438に至っている。この図では図3中の光ファイバ186がファイバ438として表されており、そこに入射した光は第2ファイバ式ランチャ170へと伝搬される。
ファイバ式ランチャ170は例えば図5に示す従来型の構成である。図5の構成では、図3中の光ファイバ186から光ファイバ172に光が入射する。ファイバ172はフェラル174及びレンズ176と共にランチャ170を構成しており、その取付先であるフェラル174はレーザトラッカ10内構造に安定に取り付けられている。ファイバ172の端部には、後方反射が少なくなるよう研磨で傾斜を付けるのが望ましい。ファイバ172は、その種類及び使用する光の波長に応じた直径、例えば4〜12μmの範囲内の直径を有する単一モード光ファイバであり、そのコアからは光250が出射される。その光250は相応の角度に亘り拡散した後レンズ176に入射し平行光化される。特許文献2の図3に記載の通り、このような手法でADM側光ファイバ1本に光信号を入出射させることができる。
図3中の第1光ビームスプリッタ155はダイクロイックビームスプリッタであり、その反射波長と透過波長が異なっている。そのため、ADM160からの光はビームスプリッタ155で反射され、可視光源110からスプリッタ155へと伝搬してきたレーザ光と結合される。生じた合成光ビーム188はレーザトラッカ外の再帰反射ターゲット90まで伝搬される(第1光ビーム)。ターゲット90ではそのビーム188の一部が反射される(第2光ビーム)。第2光ビームたる返戻光はADM出射光と同波長であるので、スプリッタ155で反射され、第2ファイバ式ランチャ170経由で光ファイバ186に入射していく。
この例では、その光ファイバ186が図8A中の光ファイバ438に対応している。返戻光がファイバ438及び第2光ファイバカプラ436を通過した後に辿る光路は二分岐しており、一方は光ファイバ424即ち光ファイバ169を経て図3中のADM用電子回路164の計測チャネル、他方は光ファイバ433経由で第1光ファイバカプラ430に至っている。第1カプラ430通過後の光路は二分岐しており、一方は光ファイバ432、他方は低反射率ファイバ終端器435に至っている。この例ではファイバ432が光ファイバ184に対応しており、図3中の光源162に至っている。その光源162には、原則として、ファイバ432から光源162への入射光量を抑えるビルトイン式のファラデーアイソレータを組み込んでおく。光路を遡行した不要光が入射するとレーザ等では不安定化が生じるからである。
光ファイバ網166からの出射光は光ファイバ168,169経由でADM用電子回路164に入射する。図7に従来型ADM用電子回路の一例を示す。この図では、図3中のファイバ169が光ファイバ3230、図3中のファイバ168が光ファイバ3232として表されている。図中のADM用電子回路3300は基準周波数発振器3302、シンセサイザ3304、計測用検波器3306、基準用検波器3308、計測用ミキサ3310、基準用ミキサ3312、調整用電子回路3314,3316,3318,3320、N分周器3324及びアナログディジタル変換器(ADC)3322を備えている。発振器3302例えば恒温槽付水晶発振器(OCXO)は、基準周波数fREF例えば10MHzの信号をシンセサイザ3304に供給する。シンセサイザ3304は、周波数fRFの電気信号及び周波数fLOの電気信号を併せ二種類の電気信号を発生させ、周波数fRFの電気信号を図3中の光源162に相当する光源3102に、また周波数fLOの電気信号をミキサ3310,3312に供給する。検波器3306,3308は、ファイバ3230,3232即ち図3中のファイバ169,168経由で計測,基準チャネルに入射した光信号を電気信号に変換する(符号同順)。電子回路3314,3316は、その信号に調整を施し対応するミキサ3310,3312に供給する。ミキサ3310,3312は、fLO−fRFの絶対値に等しい周波数fIFを有する信号を発生させる。fRFは比較的高い周波数例えば2GHzであり、fIFは比較的低い周波数例えば10kHzである。
N分周器3324は、供給される基準周波数fREFの信号を整数値で分周する。例えば、周波数10MHzの信号を40分周して周波数250kHzの信号を出力する。こうした例では、ADC3322に供給される10kHz信号がレート250kHzでサンプリングされる結果、1サイクル当たり25個の標本値がもたらされる。それらの標本値はADC3322からデータプロセッサ3400に供給される。プロセッサ3400としては、例えば、図3中のADM用電子回路164内にディジタル信号プロセッサ(DSP)ユニット(群)を設ける。
距離情報の抽出は、基準,計測各チャネルのADC出力位相を算出する手法で実行する。使用する手法は特許文献4(発明者:Bridges et al.;この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)に詳示されている手法、使用する式は同文献中の式(1)〜(8)である。加えて、シンセサイザで発生させる周波数の値を何回か(例.3回)に亘り変化させ、その周波数値毎にADMによる再帰反射ターゲット計測及び距離計算を実行し、別々の周波数下で求まった距離計算値同士を比較する。これは、ADMにおける距離計算の結果から曖昧性を排除するためである。特許文献4中の式(1)〜(8)を同文献の図5に記載の同期方法及び同文献に記載のカルマンフィルタ法と併用することは、ADMでの移動ターゲット計測に有効である。なお、他の絶対距離計算手法、例えば位相差ではなくパルス飛行時間を用いる手法に従い絶対距離を求めることもできる。
ビームスプリッタ155は返戻光ビーム190の一部を透過させてビームスプリッタ145に供給する。スプリッタ145はそのビーム190の一部をビームエクスパンダ140、他の一部を位置検出アセンブリ150に供給する。レーザトラッカ10又は光電システム100からの出射光を第1光ビーム、再帰反射ターゲット90又は26における反射光を第2光ビームと呼ぶなら、システム100を構成する諸機能部材に送られるのは第2光ビームの諸部分となる。例えば、距離計たる図3中のADM160に第1部分、アセンブリ150に第2部分が送られる。場合によっては、第3部分が他の機能ユニット例えばIFM120(省略可)に送られる。なお、図3に示す例では第2光ビームの第1及び第2部分をスプリッタ155,145で反射させてADM160,アセンブリ150に供給しているけれども、反射ではなく透過させて供給する構成にすることも可能であるので、その点を理解されたい(符号同順)。
図6A〜図6Dに従来型位置検出アセンブリを都合四例150A〜150Dに亘り示す。図6Aに示したのは最も単純な構成であり、位置検出器151及びそれが載る回路基板152によって位置検出アセンブリが構成されている。基板152は電子回路ボックス350から電力供給を受けそのボックス350に信号を返戻する。ボックス350は、レーザトラッカ10、補助プロセッサユニット50又は補助コンピュータ60の随所に備わる電子的処理機能を一括して表したものである。図6Bでは、検出器151に到達しないよう光フィルタ154で不要波長光を阻止している。ビームスプリッタ145や検出器151の表面を相応の膜で被覆することでも、不要波長光を阻止することができる。図6Cでは光ビーム径を抑えるレンズ153が使用されている。図6Dではフィルタ153及びレンズ153が併用されている。
図6Eに、調光器149Eを有する新規な位置検出アセンブリを示す。この調光器149Eはレンズ153及び波長フィルタ154(省略可)を備えている。更に、散光器156、空間フィルタ157又はその双方が設けられ、前掲の如く常用されているキューブコーナ型再帰反射ターゲットへの対処が図られている。例えば、他の2枚に対し直交するよう3枚のミラーを相互に接合した構成を採るキューブコーナ型の再帰反射ターゲットでは、ミラー同士の接合線に若干であれ太さがあり、そこではレーザトラッカへの光反射が不完全なものとなる。伝搬につれ回折が進むため、位置検出器上でそれらの線がもとのままの外観で現れるとは限らない。しかし、回折光パターンが完全に対称なパターンになることもほとんどない。そのため、位置検出器151に入射する光によって、回折線の周辺に光パワー的な凹凸(ホットスポット)等が形成されることになる。ターゲット反射光の均質性が再帰反射ターゲット毎に異なりうることや、検出器151上での光分布が再帰反射ターゲットの回動又は傾斜につれ変わりうることからすれば、検出器151への入射光が円滑化されるよう散光器156を設けるのが有益である。理想的な位置検出器なら重心に対して応答するし、理想的な散光器ならスポットを対称的に拡散させるのであるから、位置検出器でもたらされる位置に影響は及ばない、と考える向きもあるかもしれない。しかしながら、実際には、散光器156を設けることで位置検出性能が向上する。これは、恐らく、検出器151及びレンズ153に非線形性(欠陥)があるためである。ガラスで形成されたキューブコーナ型の再帰反射ターゲットでも、不均一な光スポットが検出器151上に生じることがある。検出器151上での光スポットばらつきは、2012年2月10日付米国特許出願第13/370339号及び2012年2月29日付米国特許出願第13/407983号(いずれも譲受人は本願出願人;この参照を以てその内容を本願に繰り入れる)から明瞭に読み取れるように、とりわけ六自由度ターゲットに組み込まれたキューブコーナからの返戻光で甚だしくなる。この例では、乱れがなく均質な光を特定の角度範囲に亘りもたらすホログラフィック散光器を散光器156として使用しているが、他種散光器、例えば研磨ガラス散光器乃至オパール散光器を用いることもできる。
位置検出アセンブリ150Eに空間フィルタ157を設けたのは、光学面での不要反射等で生じるゴーストビームを阻止し、位置検出器151への入射を妨げるためである。このフィルタ157は開口を有するプレート状の構成であり、レンズの焦点距離とほぼ等しい距離だけレンズから離れた場所に配置されている。返戻光ビーム243Eは、自身が最も細くなっている部分即ちくびれ部分でフィルタ157を通過する。これとは別の角度で伝搬してきたビーム、例えば光学部品による反射で生じたビームは、開口から離れた位置にてフィルタ157にぶつかり検出器151には届かない。図6Eに例示するように、ビームスプリッタ145での表面反射を経た不要なゴーストビーム244Eは行き着く先のフィルタ157で阻止される。フィルタ157がなければ、こうしたビーム244Eが検出器151に入射し、検出器151に対する返戻光ビーム243Eの入射位置が不正確に判別されるであろう。ビーム244Eが弱いものであったとしても、主たる光スポットから比較的大きく離れた位置にそのビーム244Eが入射しているなら、検出器151上での重心の位置に顕著な変化を及ぼす可能性がある。
上掲の再帰反射ターゲット、例えばキューブコーナ型やキャッツアイ型のターゲットには、自身に入射してきた光をその入射の方向に対し平行な方向に沿い反射する性質や、自身の対称中心を挟み光の入出射位置が対称になる性質がある。対称中心になるのは、例えば外気に対し開放しているキューブコーナ型再帰反射ターゲットではキューブコーナ頂点である。ガラス製のキューブコーナ型再帰反射ターゲットでもキューブコーナ頂点が対称中心になるが、ガラス・空気界面での光路屈曲の影響を受けることに注意が必要である。屈折率=2.0のキャッツアイ型再帰反射ターゲットではその球の中心が対称中心となる。2個のガラス半球を同じ平面を挟み着座させたキャッツアイ型再帰反射ターゲットでは、その平面上にあり各半球の球面中心に位置する点が対称中心となる。要は、レーザトラッカでよく使用されるタイプの再帰反射ターゲットでは、入射してきたレーザビームがそのターゲットの頂点を挟み入射位置とは逆側の位置にて反射されトラッカへと遡行していく、ということである。
図3に示した再帰反射ターゲット90におけるこうした挙動は、レーザトラッカ10によるターゲット追尾の基本である。位置検出器の表面上(通常は位置検出器の中心付近)には理想追尾点、即ちターゲット90の対称中心(SMRならキューブコーナ頂点)で反射されたレーザビームが入射する点がある。ターゲット90に対するレーザビームの入射位置が対称中心からずれている場合、そのビームは対称中心を挟み逆側の面で反射され、理想追尾点とは異なる位置で位置検出器に入射する。位置検出器上での返戻光ビーム入射位置を調べ、トラッカ10内制御システムでモータを駆動することで、レーザビームの入射先をターゲット90の対称中心に近づけることができる。
再帰反射ターゲットをトラッカに対し一定の速度で横断方向に動かした場合、そのターゲットへの光ビーム入射位置(過渡期後の収束位置)は、同ターゲットの対称中心から相応のオフセット距離だけずれた位置になる。レーザトラッカでは、精密な計測で求められているスケールファクタ、並びに位置検出器における光ビーム入射位置から理想追尾点までの距離に基づき、再帰反射ターゲットでのオフセット距離を反映させるための補正を実行する。
上述のように、位置検出器には2個の重要な機能、即ち追尾を実現する機能並びに再帰反射ターゲットの移動が反映されるよう計測値を補正する機能がある。位置検出アセンブリ内位置検出器としては、位置感応型検出器(PSD)、感光アレイ等、位置計測が可能な諸種デバイスを使用できる。PSDなら横効果(lateral effect)検出器や象限(quadrant)検出器、感光アレイならCMOSアレイやCCDアレイが望ましい。
この例では返戻光のうちビームスプリッタ145で反射されなかった部分がビームエクスパンダ140を通り小径化されているが、位置検出器と距離計の位置関係を逆にし、スプリッタ145で反射された光が距離計、スプリッタ145を透過した光が位置検出器へと伝搬するようにしてもよい。
光は、続いて、IFMを通り、アイソレータを通り、可視光源110に達する。この段階では、その光学パワーが、光源110が不安定化されない程に弱まっている。
この例では可視光源110からの輻射光が図5中の光ファイバ式ランチャ170を介し発射されている。ランチャ170は、光源110の出射端に装着してもよいし、アイソレータ115の光ファイバ出射端に装着してもよい。
図3中の光ファイバ網166として図8Bに示す従来型の光ファイバ網420Bを使用してもよい。この図では、図3中の光ファイバ184,186,168,169が光ファイバ443,444,424,422として表されている。図示の網420Bは図8A中のそれに似てはいるが、光ファイバカプラが2個でなく1個である点で相違している。図示の構成は図8Aに示した光ファイバ網に比し単純な点で勝っているが、不要な後方反射光がファイバ422,424に入射しやすくなっている。
図3中の光ファイバ網166として図8Cに示す光ファイバ網420Cを使用してもよい。この図では、図3中の光ファイバ184,186,168,169が光ファイバ447,455,422,424として表されている。また、網420Cに備わる光ファイバカプラ445,451のうち第1光ファイバカプラ445は入射ポートを2個、出射ポートを2個有する2×2カプラである。この種のカプラは、通常、2個のファイバコアを密接配置して熱しながら引き延ばすこと(線引き)で形成されるものであり、ファイバ間結合がエバネッセントであるので、隣り合うファイバ間で光を部分分岐させることができる。また、第2光ファイバカプラ451はサーキュレータと呼ばれるタイプであり、所定方向に限り光を入出射可能なポートを3個有している。例えば、光ファイバ448からポート453への入射光は矢印に沿いポート454に到達して光ファイバ455上に出射される。同様に、ファイバ455からポート454への入射光は矢印に沿いポート456に到達して幾ばくかがファイバ424上に出射される。ポートが3個しか必要でない場合、2×2カプラに比べサーキュレータの方が光パワー損失の少なさで有利だが、サーキュレータは2×2カプラに比べ高価であるし、サーキュレータで偏光モード分散が生じる点が問題になる場合もある。
図9(分解図)及び図10(断面図)に、特許文献3の図2及び図3に示した従来型レーザトラッカ2100を示す。そのアジマスアセンブリ2110にはポストハウジング2112、アジマス角エンコーダアセンブリ2120、下部アジマスベアリング2114A、上部アジマスベアリング2114B、アジマスモータアセンブリ2125、アジマススリップリングアセンブリ2130及びアジマス回路基板2135が備わっている。
アジマス角エンコーダアセンブリ2120の役目は、ポストハウジング2112に対するヨークハウジング2142の回動角を正確に検出することである。このアセンブリ2120はエンコーダディスク2121及びアジマス読取ヘッドアセンブリ2122を備えており、前者はヨークハウジング2142のシャフト、後者はポストハウジング2112に取り付けられている。ヘッドアセンブリ2122の回路基板上には読取ヘッド(群)が固定されている。ディスク2121上には微細な格子線があり、読取ヘッドに発するレーザ光がその線によって反射されるので、読取ヘッド側の検波器でその反射光を捉え処理することで、読取ヘッド(固定)に対するディスク2121の回動角を検出することができる。
アジマスモータアセンブリ2125はロータ2126及びステータ2127を備えている。アジマスモータロータ2126は永久磁石を備えており、その磁石はヨークハウジング2142のシャフトに直に装着されている。アジマスモータステータ2127はポストハウジング2112に装着されており、所要磁界を発生させる界磁巻線を備えている。この磁界がロータ2126上の磁石に鎖交すると相応の回転運動が発生する。
アジマス回路基板2135は、アジマス関連部材例えばエンコーダやモータで必要とされる電気的諸機能を提供する基板(群)である。アジマススリップリングアセンブリ2130は外パーツ2131及び内パーツ2132で構成されている。この例ではワイヤ束2138が補助プロセッサユニット50から延びており、トラッカへの電力供給、トラッカへの信号供給、トラッカからの信号返送等に使用されている。その束2138を構成するワイヤの一部は回路基板上のコネクタに達している。図10に示す例では、ワイヤが基板2135、アジマス読取ヘッドアセンブリ2122及びアジマスモータアセンブリ2125へと配線されるほか、スリップリングアセンブリ2130の内パーツ2132にも配線されている。内パーツ2132がポストハウジング2112に装着されていて静止状態に保たれるのに対し、外パーツ2131はヨークハウジング2142に装着されているので内パーツ2132に対し可回動である。スリップリングアセンブリ2130は、外パーツ2131が内パーツ2132に対し回動しているときでも両パーツ2131・2132間電気接触が低インピーダンスになるよう工夫されている。
ゼニスアセンブリ2140はヨークハウジング2142、ゼニス角エンコーダアセンブリ2150、左部ゼニスベアリング2144A、右部ゼニスベアリング2144B、ゼニスモータアセンブリ2155、ゼニススリップリングアセンブリ2160及びゼニス回路基板2165を備えている。
ゼニス角エンコーダアセンブリ2150の役目は、ヨークハウジング2142に対するペイロードハウジング2172の回動角を正確に検出することである。このアセンブリ2150はゼニス角エンコーダディスク2151及びゼニス読取ヘッドアセンブリ2152を備えており、前者はペイロードハウジング2172、後者はヨークハウジング2142に取り付けられている。ヘッドアセンブリ2152の回路基板上には読取ヘッド(群)が固定されている。ディスク2151上には微細な格子線があり、読取ヘッドに発するレーザ光がその線によって反射されるので、読取ヘッド側の検波器でその反射光を捉え処理することで、読取ヘッド(固定)に対するディスク2151の回動角を計測することができる。
ゼニスモータアセンブリ2155はロータ2156及びステータ2157を備えている。ゼニスモータロータ2156は永久磁石を備えており、その磁石はペイロードハウジング2172のシャフトに直に装着されている。ゼニスモータステータ2157はヨークハウジング2142に装着されており、所要磁界を発生させる界磁巻線を備えている。この磁界がロータ2156上の磁石に鎖交すると相応の回転運動が発生する。
ゼニス回路基板2165は、ゼニス関連部材例えばエンコーダやモータで必要とされる電気的諸機能を提供する基板(群)である。ゼニススリップリングアセンブリ2160は外パーツ2161及び内パーツ2162で構成されている。ワイヤ束2168はアジマススリップリングアセンブリの外パーツ2131から延び、電力搬送や信号伝搬に使用されている。束2168を構成するワイヤのなかには回路基板上のコネクタへと配線されるものがある。図10に示す例ではワイヤがゼニス回路基板2165、ゼニスモータアセンブリ2150及びゼニス読取ヘッドアセンブリ2152に配線されるほか、スリップリングアセンブリ2160の内パーツ2162にも配線されている。内パーツ2162がヨークハウジング2142に装着されていてアジマス軸周りのみで可回動(ゼニス軸周りでは非回動)であるのに対し、外パーツ2161はペイロードハウジング2172に装着されていてアジマス,ゼニス各軸周りで可回動である。スリップリングアセンブリ2160は、外パーツ2161が内パーツ2162に対し回動しているときに両パーツ2161・2162間電気接触が低インピーダンスになるよう工夫されている。ペイロードアセンブリ2170は主光学アセンブリ2180及び副光学アセンブリ2190を備えている。
図11に寸法計測用電子処理システム1500のブロック構成を示す。このシステム1500はレーザトラッカ用電子処理システム1510、周辺部材1582,1584,1586用の処理システム並びにコンピュータ1590を備えるほか、クラウドとして図示したネットワーク構成部材1600に接続されている。この例ではレーザトラッカ用電子処理システム1510にマスタプロセッサ1520、ペイロード機能用電子回路1530、アジマス角エンコーダ用電子回路1540、ゼニス角エンコーダ用電子回路1550、表示・ユーザインタフェース(UI)用電子回路1560、リムーバブルストレージ装置1565、無線周波数識別(RFID)・無線用電子回路及びアンテナ1572等が設けられている。ペイロード機能用電子回路1530には複数個の下位機能が備わっており、そのなかには六自由度用電子回路1531、カメラ用電子回路1532、ADM用電子回路1533、位置検出器(PSD)用電子回路1534及び傾斜計用電子回路1535が含まれている。これら下位機能の大半はプロセッサユニット(群)、例えばDSPやフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)で構成できる。図中で回路1530,1540,1550が別体に描かれているのはそのレーザトラッカ内位置が異なるためである。即ち、ペイロード機能用電子回路1530が図9及び図10中のペイロードアセンブリ2170内にあるのに対しアジマス角エンコーダ用電子回路1540はアジマスアセンブリ2110内、ゼニス角エンコーダ用電子回路1550はゼニスアセンブリ2140内にある。
周辺部材としては様々なデバイスを使用可能であるが、ここでは温度センサ1582、六自由度プローブ1584、携帯情報端末(PDA)1586の例たるスマートフォン、という三通りのデバイスが例示されている。レーザトラッカ・周辺部材間の連携は様々な手段、例えばアンテナ1572経由無線通信、カメラ等の視覚システムの働き、並びに六自由度プローブ1586その他の協調性ターゲットに関するレーザトラッカでの距離,角度計測を通じて行われる。プロセッサを有する周辺部材を使用してもよい。六自由度プローブ1586に限らず、六自由度スキャナ、六自由度プロジェクタ、六自由度センサ、六自由度インジケータ等といった六自由度アクセサリも使用することができる。六自由度アクセサリに備わるプロセッサを、レーザトラッカ内処理装置、外部コンピュータ、オンクラウド処理リソース等と連携させてもよい。レーザトラッカ又は計測装置に関しプロセッサなる語を使用する場合、大概、相応する外部コンピュータやオンクラウド処理リソースを包含する意味である。
この例ではマスタプロセッサ1520から個々の電子回路1530,1540,1550,1560,1565,1570へと別々の通信バスが延びている。各バスは、例えば、データライン、クロックライン及びフレームラインなる三通りのシリアルラインを有している。フレームラインは電子回路にクロックラインの参照を促すラインであり、このライン経由でクロックライン参照が指示されている間、電子回路は、対応するデータライン上の最新情報をクロック信号毎に読み取る。そのクロック信号としてはクロックパルスの立ち上がりエッジ等が使用される。データライン上の情報は、この例では、それぞれ“アドレス”、“数値”、“データメッセージ”及び“チェックサム”を含むパケットの形態を採っている。“アドレス”は対応する電子回路内のどこにデータメッセージを送るべきかを表している。送られる場所の例としては、その電子回路内のプロセッサ上で稼働するサブルーチン等がある。“数値”は対応するデータメッセージの長さ、“データメッセージ”はその電子回路で実行すべき指令又はデータを表すものである。“チェックサム”は対応する通信ラインでのエラー伝送確率を抑えるのに使用される。
図示例のマスタプロセッサ1520は諸情報パケットをバス1610を介しペイロード機能用電子回路1530に、バス1611を介しアジマス角エンコーダ用電子回路1540に、バス1612を介しゼニス角エンコーダ用電子回路1550に、バス1613を介し表示・UI用電子回路1560に、バス1614を介しリムーバブルストレージ装置1565に、またバス1616を介しRFID・無線用電子回路1570に供給する。
この例では、マスタプロセッサ1520が、更に、各電子回路に同期バス1630経由で同期パルスを同時供給し、その同期パルスに従いレーザトラッカ内計測機能間で計測動作を同期させる。例えば、アジマス角エンコーダ用電子回路1540やゼニス角エンコーダ用電子回路1550は、同期パルスを受信するとすぐさま対応するエンコーダの出力をラッチする。ペイロード機能用電子回路1530でも、同じく、そのペイロードに備わる機能によって収集されたデータをラッチする。六自由度用、ADM用及びPSD用の各電子回路によるデータラッチも同期パルス受領に応じ行われる。多くの場合、カメラ用や傾斜計用の電子回路は同期パルスより低い速度(但し同期パルスに比し周期が整数倍の速度)でデータをラッチする。
アジマス角エンコーダ用電子回路1540、ゼニス角エンコーダ用電子回路1550及びペイロード用電子回路1530は、図9及び図10中のスリップリングアセンブリ2130,2160で相互分離されている。そのため、図11ではバス1610,1611,1612が互いに別のバスとして描かれている。
レーザトラッカ用電子処理回路1510は、外部のコンピュータ1590と通信しながら、或いはそれ自身で、レーザトラッカ内情報処理、表示及びUI機能を提供する。レーザトラッカ・コンピュータ1590間通信用の通信リンク1606としては、イーサネット(登録商標;以下注記省略)配線、無線通信チャネル等が使用される。レーザトラッカとネットワーク接続部材1600即ち図中のクラウドとの間の通信には、通信リンク1602として、電気ケーブル(群)例えばイーサネットケーブル、無線通信チャネル(群)等が使用される。部材1600になりうるものの一例は他の三次元試験装置、例えば関節腕型座標計測機(CMM)であり、その位置を本レーザトラッカで再判別することが可能である。コンピュータ1590・部材1600間通信用の通信リンク1604としては、イーサネット等の有線リンクのほか無線リンクも使用可能である。使用者は、別の場所にあるコンピュータ1590からイーサネットや無線でインターネットその他のクラウドに接続し、そこからイーサネットや無線でマスタプロセッサ1520にアクセスすることができる。使用者はこうしてレーザトラッカの動作をリモート制御することができる。
今日のレーザトラッカでは可視光(通常は赤色光)及び赤外光(ADM用)が一波長ずつ使用されている。赤色光を周波数安定化ヘリウムネオン(He−Ne)レーザで発生させIFM用光及び赤色ポインタビームとして使用することもあれば、赤色光をダイオードレーザで発生させポインタビームのみとして使用することもある。ただ、二種類の波長を使用する構成には、光源、ビームスプリッタ、アイソレータその他の部材が二組必要であるためスペース及びコストが嵩むという短所や、全ビーム光路に亘り2本のビームを完全に揃えるのが難しいという短所がある。後者は、互いに別の波長で作動する複数個のサブシステムから、良好な性能を同時に引き出すことができない等、様々な問題の原因となる。図12Aに、使用する光源が1個でありこれらの短所がない光電システム500を示す。
図12Aのそれは、可視光源110、アイソレータ115、光ファイバ網420、ADM用電子回路530、ファイバ式ランチャ170、ビームスプリッタ145及び位置検出アセンブリ150を備えている。光源110としては、例えば、赤色又は緑色のダイオードレーザや垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)を使用できる。アイソレータ115としては、光源110への遡行光量を十分に抑えうる各種デバイス、例えばファラデーアイソレータやアッテネータを使用できる。アイソレータ115からの出射光は網420、この例では図8Aに示した光ファイバ網420A内に伝搬していく。
図12Bに、単一波長を使用する光電システムの別例400として、光源での直接変調ではなく光電変調によって光を変調する例を示す。このシステム400は可視光源110、アイソレータ115、光電変調器410、ADM用電子回路475、光ファイバ網420、ファイバ式ランチャ170、ビームスプリッタ145及び位置検出アセンブリ150を備えている。光源110、例えば赤色乃至緑色のダイオードレーザに発するレーザ光は、ファラデーアイソレータ、アッテネータ等のアイソレータ115や、その入射,出射ポートに結合している光ファイバを通り、変調器410に入射する。変調器410では、その光が所定周波数、例えば10GHz以上の周波数で変調される。変調器410によるこの変調は、回路475に発する電気信号476によって制御される。変調器410で変調された光は網420、例えば上述の光ファイバ網420A〜420Dに入射する。その光は、光ファイバ422経由で回路475の基準チャネルに入射する部分を除き、トラッカ外に出射され、再帰反射ターゲット90で反射され、トラッカに戻り、スプリッタ145に到来する。その光は、少量がそのスプリッタ145で反射され、図6A〜図6Fを参照して説明したアセンブリ150に入射する一方、他の一部がスプリッタ145を透過してランチャ170に入射し、網420及び光ファイバ424を通り回路475の計測チャネルに入射する。総じて、図12Aに示したシステム500の方が図12Bに示したシステム400よりも低コストで製造可能だが、高い変調周波数で作動するよう変調器410を構成することも可能であることから、後者の方が有利になる場合もある。
図13に、位置検出用カメラ(locator camera)システム950を伴う光電システムの一例900を示す。本システム900は、姿勢検出用カメラ(orientation camera)と三次元レーザトラッカ内光電機能との併用で六自由度計測を実行するシステムであり、可視光源905、アイソレータ910、光電変調器410(省略可)、ADM用電子回路715、光ファイバ網420、ファイバ式ランチャ170、ビームスプリッタ145、位置検出アセンブリ150、ビームスプリッタ922及び姿勢検出用カメラ910を備えている。光源910からの輻射光は光ファイバ980に入射し、アイソレータ910やその入射,出射ポートに結合している光ファイバを介し変調器410に入射する。変調器410ではその光が回路715からの電気信号716に従い変調される。或いは、回路715からケーブル717経由で光源905に電気信号を送り変調させてもよい。網420に入射した光のうち幾ばくかはファイバ長等化器423及び光ファイバ422を通り回路715の基準チャネルに入射する。電気信号469を網420に供給し、網420内光ファイバスイッチをスイッチングさせる構成にしてもよい。網420から出る光の一部はランチャ170へと伝搬し、そこで光ファイバから自由空間へと光ビーム982として発射される。その光のうち少量がスプリッタ145にて反射され損失となる一方、他の一部はスプリッタ145,922を透過しトラッカ外に出て六自由度デバイス4000に入射する。デバイス4000の例としてはプローブ、スキャナ、プロジェクタ、センサ等のデバイスを挙げることができる。
六自由度デバイス4000による反射光は往路を遡行して本システム900内のビームスプリッタ922に入射し、その一部がそのスプリッタ922で反射されて姿勢検出用カメラ910に入射する。このカメラ910では、再帰反射ターゲット上にあるべきマークの所在位置を捉える。それらのマークからは、デバイス4000の指向角(三自由度に相当)が求まる。姿勢検出用カメラの仕組みは後述の通りであり、特許文献2にも記載されている。光の他の一部はビームスプリッタ145を透過し、ファイバランチャ170によって光ファイバ上に送出され、光ファイバ網に入射する。その光の一部は光ファイバ42経由でADM用電子回路715の計測チャネルに入射する。
位置検出用カメラシステム950はカメラ960及び光源(群)970を備えている。図1に照らすと、このシステム950のカメラ960は部材51、光源970は部材54に相当しており、前者はレンズ系962、感光アレイ964及びボディ966を備えている。このシステム950の第1の役目は作業空間における再帰反射ターゲットの位置を特定することであり、これは光源970を発光させアレイ964上の輝点スポットをカメラ960で検知することで実行される。同システム950の第2の役目は、六自由度デバイス4000の姿勢を粗画定することであり、これはデバイス4000上の反射スポット又はLEDの位置を観測することで実行される。レーザトラッカ上で複数個の位置検出用カメラシステムを稼働させうる場合は、作業空間における各再帰反射ターゲットの方向を三角測量の原理で計測することができる。レーザトラッカの光軸に沿い反射された光を検知可能な位置にあるカメラ960が1個でも、各再帰反射ターゲットの方向を検知することができる。カメラ960が1個でレーザトラッカの光軸からずれた位置にある場合も、感光アレイで捉えた像から、再帰反射ターゲットの方向を容易に概定することができる。この場合、トラッカ内機械軸を幾通りかの方向に沿い回動させつつ感光アレイ上でのスポット位置変化を観察することで、そのターゲットのより正確な方向を計測することができる。
図14Aに、図13中の光電システムで使用されうる姿勢検出用カメラの一例910を示す。姿勢検出用カメラの一般原理は特許文献2に記載の通りであり、それはこのカメラ910にも概ね当てはまる。この例のカメラ910はボディ1210、無限焦点ビームリデューサ1220、拡大器1240、光路長調整器1230、アクチュエータアセンブリ1260及び感光アレイ1250を備えている。リデューサ1220は正レンズ1222、ミラー1223及び負レンズ1224,1226を備えており、光軸(レンズの中心を通る軸)に対し平行な光線がレンズ1222に入射した場合に光軸に対し平行な光線をレンズ1226から出射する特性や、レンズから被写体までの距離によらず一定サイズの像をもたらす特性を有している。拡大器1240は正レンズ1242、負レンズ1244,1248及びミラー1246を備えており、より大きな像が生じるスケールである点以外は顕微鏡の対物系と同様の機能を有している。アレイ1250、例えばCMOS乃至CCDのアレイは、自アレイを構成する個々の画素での輝点を表すディジタルデータのアレイへと入射光を変換する。その輝点のパターンは、例えば、六自由度ターゲット上のマークを示すものとなる。光路長調整器1230はプラットフォーム1231、2個のミラー1232,1233及びボールスライド1234を備えている。ミラー1232,1233は、プラットフォーム1231の移動に応じリデューサ1220・拡大器1240間の距離が変化するようプラットフォーム1231上に実装されている。この距離変化は、レーザトラッカ・ターゲット間の距離変化によらずアレイ1250上の像を鮮明に保つ上で必要である。プラットフォーム1231は、低摩擦で直線運動するようボールスライド1234上に実装されている。アクチュエータアセンブリ1260は、この例の場合、モータ1261、モータシャフト1262、フレキシブルカプラ1263、アダプタ1264及びモータナット1265を備えている。ナット1265がアダプタ1264に固定されているので、ネジ付のシャフト1262をモータ1261で回動させると、ナット1265がモータ1261に対し離隔又は接近する。どちらになるかは回動方向による。カプラ1263はアダプタ1264に取り付けられており、シャフト1262及びスライド1234が互いに不平行であってもプラットフォーム1231が自在に動けるようにしている。
図示例の姿勢検出用カメラ910は、様々な対ターゲット距離で横倍率が一定になるよう構成されている。横倍率とは、像のサイズを被写体のサイズで除したもののことである。図示例では被写体サイズが13mmのときに感光アレイ1250上での像サイズが3mm一定になるようレンズが選定されているので、その横倍率は3mm/13mm=0.23となる。この横倍率はトラッカに対するターゲットの距離が0.5〜30mの範囲内で一定に保持される。3mmというこの像サイズは1/4インチサイズのCCD乃至CMOSアレイ向けであるので、1インチサイズのCCD乃至CMOSアレイを使用する際には横倍率を上掲の値の4倍にすればよい。カメラ910の横倍率は、ボディ1210のサイズはそのままで、拡大器1240内にある3個のレンズの焦点長及び間隔を変化させることで、高めることができる。
図中の構成で無限焦点ビームリデューサ1220を構成している3個のレンズ1222,1224,1226は、順に85.9mm、−29.6mm、−7.2mmの有効焦点長を有している。被写体からの光がこれら3個のレンズを通過するとその被写体の虚像が生じる。レーザトラッカからの距離が0.5mの被写体なら0.44mmサイズの虚像1229がレンズ1226から7mmの場所に生じ、30mの被写体なら0.44mmサイズの虚像1228がレンズ1224から1.8mmの場所に生じる。虚像1228・1229間の距離が39.8mmであるので、プラットフォームの最大輸送範囲をその半値である19.9mmにする必要がある。リデューサ1220の横倍率は0.44mm/13mm=0.034となる。また、拡大器を構成している3個のレンズ1242,1244,1248は、順に28.3mm、−8.8mm、−8.8mmの有効焦点長を有している。レーザトラッカからの距離が0.5mのターゲットでも、30mの場所にあるターゲットでも、その他どのような場所にあるターゲットでも、感光アレイ1250上での像のサイズは3mmとなるので、拡大器の横倍率は3mm/0.44mm=6.8となる。姿勢検出用カメラ全体での横倍率は3mm/13mm=0.23である。拡大器の横倍率を4倍化して4×6.8=27に高め、全体での横倍率を0.5〜30mの諸距離について12mm/13mm=0.92にすることも可能である。
図14B〜図14Dに姿勢検出用カメラの別例を示す。図14Bはその側面2750B、図14Cは図14B中の線A−Aに沿った縦断面2750Cを上から見たもの、図14Dは図14C中の線B−Bに沿った横断面2750Dを表している。光ビームは、各図に示す光路2755沿いに、第1レンズ群2760を通り、ミラー2762で反射され、レンズ2764を通り、ミラー2766,2768で反射され、第2レンズ群2770を通り、ミラー2772,2774で反射された後に、感光アレイ2776に入射する。第1レンズ群2760及びレンズ2764は無限焦点レンズ系を構成しているので、既述の通り、光軸に対し平行な光線が第1レンズ群2760に入射すると光軸に対し平行な光線がレンズ2764から出射される。図14B〜図14Dでは省略したが、レーザトラッカから再帰反射ターゲットまでの距離が有限であるため、この無限焦点レンズ系はレンズ2764からある距離隔たった位置に虚像2778を発生させる。レンズ2764から虚像2778までの距離dはレーザトラッカから再帰反射ターゲットまでの距離に左右される。例えば、トラッカから再帰反射ターゲットまでの距離が4mのときにレンズ2764から虚像2778までの距離dが約82mmになる系なら、トラッカから再帰反射ターゲットまでの距離が40mのときには距離dが約51mmになる。第2レンズ群2770はその虚像2778をアレイ2776へと中継する。動力用アクチュエータ2780は、その虚像2778から第2レンズ群2770までの距離が正確な値に保たれるようミラー2766,2768の位置を調整することによって、アレイ2776上の像を合焦状態に維持する。第1レンズ群2760の合成焦点長は例えば112mm、レンズ2764の焦点長は例えば−5.18mm、第2レンズ群2770の合成焦点長は例えば約59.3mmである。この場合、系全体の倍率が約1/8になるので、アレイ2776上の光模様は再帰反射ターゲット上のそれに比し約1/8のサイズになる。こうした系は、レーザトラッカから再帰反射ターゲットまでの距離によらず一定倍率が維持されるレンズ系の一例である。
横倍率が一定の姿勢検出用カメラは、これとは異なる組合せのレンズで実現することも可能である。また、横倍率が一定のレンズ系が望ましいけれども、それ以外のレンズ系も使用することができる。総じて、図14A〜図14Dに示したカメラは、ズーム可能で、視野が狭く、レーザトラッカの光軸に対する整列性がよい点で際立っている。
また、今日入手可能なレーザトラッカには、光ビームをミラーでステアリング(操作)するタイプや、ペイロードアセンブリ(例.図9及び図10中のペイロードアセンブリ2170や図1中のペイロード15)から光ビームを直接発射するタイプがある。ペイロードアセンブリから光ビームを直接発射するタイプの従来型レーザトラッカでは、トラッカ内に光学部品や光源を組み込んだ後に調整工程を実施する必要がある。この構成には、更に、ひとたび問題が起こってしまうとそれを宥めにくい、という難点もある。レーザトラッカの製造工程中で生ずるのであれ、使用者による使用中に生じるのであれ、そうした問題を解決するには結構な手間と費用がかかる。これから説明する実施形態は、これらの欠点に対する回避手法をもたらすものである。
図15にレーザトラッカの一例3600を示す。明瞭化のため、前面カバーを外し、光学部品や電気部品を幾つか省略してある。図16に示すように、この例では番いチューブ3622付の光学ベンチアセンブリ3620が使用されており、またそのベンチアセンブリ3620がゼニスシャフト3630付のジンバルアセンブリ3610で使用されている。ゼニスシャフト3630はシャフト3634及び番いスリーブ3632で構成されている。ゼニスシャフト3630は、剛性及び温度安定性が高まるよう単体金属片で形成するのが望ましい。図17に、そうしたゼニスシャフト3630の例をベンチアセンブリ3720と共に示す。図示例のベンチアセンブリ3720は、主光学アセンブリ3650及び副光学アセンブリ3740を有している。そのうち主光学アセンブリ3650用のハウジングは、その剛性及び温度安定性が高まるよう単体金属片として形成されチューブ3622を伴っている。このチューブ3622の中心軸57はスリーブ3632の中心軸53に重ならせる。図17及び図18に示すように、主光学アセンブリ3650に対する副光学アセンブリ3740の取付には4本のネジ3664を使用する。チューブ3622は、スリーブ3632内に差し込んだ上で、3本のネジ3662でそこに固定する。スリーブ3632に対しチューブ3622を揃えるため、この例では、チューブ3622側にピンを2本設けると共に、そのピンがはまる孔3666を図17の如く設けている。
ジンバルアセンブリ3610は光学ベンチアセンブリ3620の組込を想定した構成であるが。カメラ、レーザ彫刻機、ビデオトラッカ、レーザポインタ兼角度計、LIDARシステム等、他の装置をゼニスシャフト3630に装着することも可能である。スリーブ3632の嵌め込みによって位置を揃えることができるため、容易且つ正確に、そうした装置をジンバルアセンブリ3610に装着することができる。
図17に示した例は、図3中の諸部材のうち可視光源110、アイソレータ115、IFM120(省略可)、1/4波長板130、ビームエクスパンダ140、ビームスプリッタ145、位置検出アセンブリ150、ビームスプリッタ155等といった部材で主光学アセンブリ3650が、またファイバ式ランチャ170、ADM160等といった部材で副光学アセンブリ3740が構成される例である。これとは別の光電システムを使用してもよい。
図18に示した例は、レーザトラッカのペイロード内に収める光学ベンチアセンブリ3620上に、副光学アセンブリとして図13中の姿勢検出用カメラ910を配した例である。主光学アセンブリ3650には、図13に示した光電システム900を構成する他の諸要素が組み込まれている。
図19に、一例に係る光学ベンチアセンブリ3620及びゼニスシャフト3630の等角側視外観を示す。このベンチアセンブリ3620には主光学アセンブリ3650及び副光学アセンブリ910が備わっている。図20に、そのアセンブリ910に備わる姿勢検出用カメラの頂面を示す。図中の諸部材については図14Aを参照して先に説明した通りである。図21に、図20中の線A−Aに沿った断面3800を示す。この例では、可視レーザ光が光ファイバ3812経由で送られてくる。そのレーザ光の発生元光源(及びそのレーザ光が辿ったファイバ網)やファイバ3812は、いずれもこのベンチアセンブリ3620と共に回動する。発生元光源から来る光ファイバが、クイックディスコネクトタイプのコネクタを介してファイバ3812につながる構成でもよい。光源からの輻射光が可視光であるので、その光を使用者向け可視ポインタビーム兼(距離、角度等の)計測用計測ビームとして使用することができる。そのレーザ光の入口となるのはフェラル3814であり、光ビームが所望方向に向くようその向きが機械的に調節されている。フェラル3814及びその内側に位置するファイバ3812の端面は、光がファイバ3812内で後方反射されにくくなるよう、研磨で約8°、傾斜付けが施されている。フェラル3814は、光ビームがファイバ3812からの入射光ビームが、番いチューブ3622の中心軸57に対し平行に進むように調節されている。この断面3800ではフェラル3814からの光がレンズ3822,3824を通っているが、採りうるレンズ配置はこれ以外にも数多くある。こうした光のうち、ビームスプリッタ3832,3834を通りトラッカ外に出た光のなかには、図示しないの再帰反射ターゲットに達するものがある。その再帰反射ターゲットから遡行する途上で、一部の光は、ビームスプリッタ3834で反射され、レンズ1222を透過し、ミラー1223で反射された後に、図14Aを参照して前述した光学部品群に達する。他の一部は、ビームスプリッタ3834を透過してビームスプリッタ3832に達し、そこで反射された部分が散光器/フィルタ3847及びレンズ3844を介して位置検出器3446に入射する。レンズ3844・検出器3846間に開口(絞り)を配置しておき、その開口に光を通すようにしてもよい。この開口の役目はゴーストビームをブロックすることである。図示の通り、検出器3846がレンズ3844から離隔している構成なら、図6Eに示した如く、光ビームが合焦する位置にそうした開口を設けるとよい。図示例のように検出器3846を傾斜させれば、後方反射光の進行方向に角度がつくので、検出器3846の表面で反射された光が他の面(例.開口/空間フィルタ157の表面)で反跳し検出器3846に戻る、といったことが生じにくくなる。また、この検出器3846のリード3846は、図示しないが、光学ベンチアセンブリ3620と共に回動するパススルーソケットによって図示しない回路基板に取り付けられている。パススルーソケットは、部材の半田付け無しで電気的接続を行えるバネ装荷型のソケットである。クイックリペアサービス時に光学ベンチの取り外しや交換を容易に行える点で、こうしたソケットは有益なものである。そして、更に他の一部の光は、検出器3846へとは向かわず、ビームスプリッタ3832を介し光学部品(3824,3822)に入射し、その部品の働きによりフェラル3814内ファイバ3812の内部に合焦する。
なお、ここで説明した構成ではフェラル3814及び光ファイバ3812で光ファイバ式ランチャが形成されているが、本件技術分野で習熟を積んだもの(いわゆる当業者)には自明な通り、光ファイバ式ランチャに代えディスクリートな光源を使用すること、例えばレーザダイオードを主光学アセンブリ3650に固定装着して使用することも可能である。当該ディスクリート光源への給電に使用する導電配線上に可脱型のソケットを設け、アセンブリ交換を更に容易にすることもできる。
このように、上述した構成の光学ベンチアセンブリ3620には、レーザトラッカ3600外でたやすく揃え任意のジンバルアセンブリに挿入できる、という長所がある。可回動な光学ベンチアセンブリを受け容れうる構成である限り、挿入先はジンバルアセンブリ3610以外のジンバルアセンブリでもよい。ベンチアセンブリ3620が可着脱なことは、製造が短時間で済み修理が容易な点で有益である。
ジンバルマウントを有するレーザトラッカ等の装置内に簡便に配置しうる予配置型アセンブリを得るに当たり、その予配置型アセンブリの予配置精度を計測装置側所期精度にする必要はない。例えば、レーザトラッカには時として約25μmといった精度が求められるが、そこに組み込まれる予配置型アセンブリでの予配置精度がその水準でなければならないわけではない。なぜなら、予配置型アセンブリをレーザトラッカ内に配置した後に、一連の補償手順を実行して光学部品及び機械部品の微かなずれを補正することができるためである。レーザトラッカ等の装置向けには、指向補償、R0補償及び位置検出器補償という三種類の補正が可能な補償手順を実行するとよい。
指向補償では、レーザトラッカまでの距離及びそのレーザトラッカに対する角度を様々に違えつつ、一群の再帰反射器及びミラーを対象にして計測を実行する。個々の計測位置における再帰反射器乃至ミラーの計測には前視モード及び後視モードを使用する。前視モードは、いわばその装置の通常動作モードである。後視モードは、前視モードでの状態からアジマス軸周りに180°回動させ、更にゼニス軸周りに相応角度回動させることで、レーザトラッカ上のペイロードを計測対象たる再帰反射器又はミラーに向けるモードである。前視モードにおける三次元座標計測結果と後視モードにおけるそれは、理想的なトラッカなら互いに全く同一になるが、現実のトラッカでは僅かな違いが発生する。それら計測結果差を解析することで、補償パラメタのうちTX,TYと呼ばれるものが求まる。これらはトラッカから発せられた光ビームの行程長誤差(オフセット距離)を表す補償パラメタであり、ジンバル点を基準としている。また、計測結果差を解析することで、補償パラメタのうちRX,RYと呼ばれるものも求まる。これらはレーザビームの角度偏差を表す補償パラメタであり、アジマス軸を含み且つゼニス軸に対し垂直な平面を基準としている。
R0値はレーザトラッカのジンバル点から基準位置までの距離、例えば図1でトラッカ前面にある磁気ネスト17のうちいずれかにあるSMRまでの距離である。レーザトラッカ内のIFMやADMに係るR0値は、トラッカ内にあるジンバル点に対し揃った位置にあるSMR2個間の距離をその距離計で計測する、という手順を、まずはネスト群の外側から、次いでネスト同士の狭間から、そのトラッカで計測すればよい。それら計測値同士の比較によってR0値の誤差が求まるので、その結果たる幾通りかのパラメタを補償パラメタとして保存する。
位置検出器補償の狙いは、位置検出器の中心から追尾位置までの二次元距離を求める点にある。追尾位置乃至追尾点の意味合いについては、図3を参照して前述した通りである。これにより、追尾オフセット距離に係る補償値が求まる。
これらの補償は比較的迅速且つ容易に実行可能であるので、レーザトラッカ等のジンバル式装置内に光学ベンチを配置する際、完全な位置揃えを図る必要はない。
主光学アセンブリ3650は、整列具3810を用い向きを整えた状態でゼニスシャフト3630に挿入される。その整列具3810としては、例えばブロック3815内に4個のローラベアリング3813を組み込んだものが使用される。図22ではそのうちの2個しか見えていないが、番いチューブ3622の支持には全4個のベアリング3813が役立つ。この整列具3810には、チューブ3622を円滑に回動可能にしつつ、同チューブ3622の中心軸(対称軸)57を一定位置に保つ働きがある。更に、ベアリング3813が回動自在であるため、チューブ3622がその回動中に傷つくこともない。整列具3810は、4個のベアリング3813に代え4個の鋼球を使用する構成でもよい。或いは、V字をなす2個の平坦面を伴うVブロックを使用する構成でもよい。その場合、チューブ3622がそのVブロック上で転がることとなる。このVブロックに代え、平坦面2個ではなく部分円筒状凹面2個を伴うブロックを使用してもよい。
番いチューブ3622には、主光学アセンブリ3650の脱落を防ぐべくカウンタウェイト3817が装着されている。図示例では、図21に示したフェラル3814が光の入口として使用されており、光ファイバ3812によってそのフェラル3814に光が運ばれている。そのファイバ3812は整列手順に当たりウェイト3817内に通される。番いチューブの内部に配した光源で光を発生させてもよい。
図21に示した通り、この主光学アセンブリ3650には光源(フェラル3814を使用)、一群のレンズ3822,3824及びビームスプリッタ3832,3834が備わっており、図示しないが窓も設けられている。重要なのは、フェラル3814越しに入ってくる光をレンズ3822,3824の中心に通し、それらレンズ3822,3824の光軸に対し平行にすることである。さもなければ、そうでない構成に比べ収差が大きくなってシステム性能が低下する。その最も効果的な実現手法は、スプリッタ3832,3834を取り外した状態で光源(フェラル3814)をレンズ3822,3824に揃える、という手法である。スプリッタ3832,3834を取り外し、後述する手順でランアウトに関し調べることは、光ビームをレンズ3822,3824に対し正確に揃える上で有益である。この手法を現実のものとするには、一対のスプリッタ3832,3834への入射光路とそこからの出射光路が同一の直線に沿うこととなるようスプリッタ3832,3834を揃える必要がある。言い換えれば、番いチューブ3622の中央に光源端から入射したビームが、同チューブ3622の他端にてアセンブリ3650から出射する際、図23に示す如く中心軸57に沿った入出射光路(55)を辿るようにしなければならない。次に、この条件を成り立たせる手法について説明する。まず、2個あるスプリッタ3832,3834のいずれにも、不要反射ビーム即ちゴーストビームを抑えるために小幅なウェッジ角が付与される。図23に示す例の場合、スプリッタ3832の一隅が直角c2、その隣の隅が角度c1=90.16°であるので、同スプリッタ3832におけるウェッジ角は90.16°−90°=0.16°である。スプリッタ3834ではウェッジ角c3−c4=90°−89.87°=0.13°である。他方、空気中を伝搬している光が屈折率nのガラスに角a1で入射する場合、同ガラスから出射される光の屈折角a2はスネルの法則:a2=arcsin(sin(a1)/n)で与えられる。例えば、a1=45°且つn=1.5なら、屈折角a2=arcsin(sin(45°)/1.5)=28.13°となる。従って、スネルの法則に従い、図23中の厚みh1,h2及び角b1,b2を選定して所要条件を満足させることができる。使用するガラスがN−BK7、ウェッジ角が上掲値の場合、厚み及び角をh1=14.3mm,h2=10.31mm,b1=55°,b2=45°にすれば、上掲の条件を満たすことができよう。重要なことは、図23に示す通り、光ビームの入射点からアセンブリ出射点までが、光ビーム入射光路と一致するよう、諸光学部品を構成することである。厳密な揃え方は、無論、アセンブリ3650内で使用される光学部品の個数及び種類によって左右されうる。
図24に、光源を整列させる手順の一例4000を示す。まず、ステップ4010では光学ベンチアセンブリを整列具上に配置する。ステップ4020では光源の焦点を調整する。例えば、発した光ビームのサイズが幾通りかの距離である特定のサイズになるよう調整する。図22に示した焦点調整dZならば、例えば、その光源(例.光ファイバ3812及びフェラル3814)を番いチューブ3622の螺入先ブロック内に装着する際に行うことができる。例えば、螺入でフェラル3814をレンズ3822に近づけることで、光ビームの合焦位置をレーザトラッカから遠ざける。ステップ4030では光学ベンチアセンブリを整列具上で回動させる。ステップ4040では、ランアウトが少なくなるよう光源を調整する。ここでいうランアウトとは、光学ベンチアセンブリを回動させたときにある距離に生じる光模様の直径のことである。多くの場合、複数通りの位置にてランアウトを抑えること、例えば近距離一通(例.トラッカから1m)及び遠距離一通り(例.トラッカから32m)の回動位置にて抑えることが望まれる。そうした調整は、スロット及びネジからなる機構等による並進調整tX,tYと、傾斜機構等による回動調整rX,rYとで実行することができる。ビームサイズは、総じて、トラッカに近いほど並進調整tX,tYの影響を受けやすく、トラッカから遠いほど回動調整rX,rYの影響を受けやすい。並進調整tX,tYを近距離及び遠距離にて反復することで、ランアウトを好適に抑えることができる。ステップ4050では光学ベンチアセンブリをビームステアリングシステム(例.3600,3610)に挿入する。ステップ4060では、そのビームステアリングシステムを使用し光ビームを所要方向に指向させる。
この手順4000は、光ビームを空間中に発射する装置類に適用可能である。そのビームを受け取る装置がレーザトラッカである場合は、例えば位置検出器を主光学アセンブリ3650に整列実装する。図21にその断面3840を示したのは位置検出アセンブリであり、散光器/フィルタ3847、開口(絞り;図21では見えず)及び位置検出器3846を備えている。次に、この位置検出アセンブリを整列させる手順について説明する。まず、アセンブリ3650からの光を再帰反射器上に照射し、再帰反射器外にその光を反射させる。これを簡便に実行するには、そこからの出射光がキューブコーナ頂点に入射するよう、アセンブリ3650の出射側にキューブコーナリフレクタを直接実装すればよい。例えば、キネマティック磁気マウントを使用しキューブコーナをアセンブリ3650の前面に実装する形態である。再帰反射器による反射光はビームスプリッタ3832に入射し、アセンブリ3650の底面3827にある開口を通過する。この開口は位置検出アセンブリ構成要素が実装されうる場所の一つであり、底面3827にはその開口の面前を占めるようまた別の外付け位置検出器を配置する。スプリッタ3832にて反射された光がこの外付け位置検出器に入射してくるので、当該位置検出器を用いその光の位置を観察する。散光器/フィルタ3847やレンズ3844は、光ビームが外付け位置検出器の中央に入射するよう、機械構造3842を用い固定・位置調整する。内蔵の位置検出器3846についても、光ビームがほぼ中央に入射するよう配置・位置調整する。副光学アセンブリ3740,910への入射光やそこからの出射光は、主光学アセンブリ3650を整列させた後で整列させればよい。
図25に、光学アセンブリを予配置し、そのアセンブリを寸法計測装置に実装し、そして離れた場所の再帰反射ターゲットに関しその寸法計測装置で計測する手順6300の流れを示す。
ステップ6305では第1及び第2モータを準備する。第1モータは第1軸周りの回動角(第1回動角)を、また第2モータは当該第1軸と略直交する第2軸周りの回動角(第2回動角)を発生させるモータである。両モータの協働により、第1軸及び第2軸とジンバル点付近で交差する軸(第5軸)の方向を、第1及び第2回動角に応じた方向(第1方向)に揃えることができる。
ステップ6310では、ハウジング、照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器を有する光学アセンブリを準備する。ハウジングは照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器の固定取付先であり、少なくともその外面の一部分(第1領域)が略円筒状のものを使用する。当該略円筒状部分の中心を通る軸(第6軸)から見ると、当該第1領域上の諸点は略一定距離となる。また、照明素子としては光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品を使用する。同光学アセンブリの構成は、当該照明素子に発する光(第1光)のうち一部分(第3光ビーム)が同光学アセンブリ付近で辿る光路(第1光路)を、調整することができるよう工夫しておく。
ステップ6315では整列具を準備する。この整列具は、第1領域上で光学アセンブリを支持すること及び光学アセンブリの第6軸周り回動を規制・拘束することが可能なように構成しておく。
ステップ6320では、整列具が光学アセンブリに接触するようまたその接触点群が第1領域上に位置するよう、光学アセンブリを整列具上に配置する。
ステップ6325では、光学アセンブリからの距離がある値(第1距離)の第1面上に第3光ビームを照射する。
ステップ6330では、光学アセンブリを整列具上で第6軸周りに回動させる。
ステップ6335では、光学アセンブリの第6軸周り回動に応じ第1面上で第3光ビームに生じる位置変化を検出する。
ステップ6340では、第1面上での第3光ビーム位置変化の検出結果に依り又は基づき第1光路を調整することで、第3光ビームを第1光路に揃える。
ステップ6345では、光学アセンブリを寸法計測装置に取り付ける。それによって第3光ビームが第5軸に整列する。
ステップ6350では、第3光ビームを離れた場所の再帰反射ターゲットへと指向させる。
ステップ6355では、第3光ビームの一部分が再帰反射ターゲットから第4光ビームとして反射される。
ステップ6360では、第4光ビームの第3部分をビームスプリッタから位置検出器へと送給する。この手順6300はコネクタAで終端する。
図26に、図25中のコネクタAに始まる手順6400の流れを示す。ステップ6405では第3光ビームを第2面、即ち光学アセンブリからある距離(第2距離)にある面に照射する。ステップ6410では、第2面上での第3光ビーム位置変化の検出結果に依り又は基づき第1光路を調整することで第3光ビームを第6軸に揃える。
図27に、図25中のコネクタAに始まる手順6500の流れを示す。ステップ6505では、第1光検波器で受光された第2光ビームの第1部分に依り又は基づきジンバル点から再帰反射ターゲットまでの距離(第3距離)を計測することが可能な距離計を準備する。ステップ6510では第3距離を計測する。
図28に、図25中のコネクタAに始まる手順6600の流れを示す。ステップ6605では、第1回動角計測用の第1角度計及び第2回動角計測用の第2角度計を準備する。ステップ6610では第1及び第2回動角を計測する。
図29に、図25中のコネクタAに始まる手順6700の流れを示す。ステップ6705では、位置検出器上で第3部分が占める位置に応じ第1信号を発生させる位置検出器を準備する。ステップ6710では、その第1信号に依り又は基づき第2及び第3信号を発生させる制御システムを準備する。このシステムは再帰反射器の空間位置を基準に第1方向を調整するためのシステムであり、第2信号は第1モータ、第3信号は第2モータに送られる。ステップ6715では第1方向を調整する。
以上、例示的な実施形態を参照しつつ本発明につき説明したが、いわゆる当業者には自明な通り、それら実施形態の構成要素については、本発明の技術分野を逸脱することなく様々な変更、様々な均等物置換を施すことができる。また、本願で教示されている事項については、個別の状況、個別の素材に対処するに当たり、本発明の技術的範囲を逸脱することなく様々な改変を施すことができる。このように、本発明は、そもそも、その実施に最適なベストモードとして記述されている個別の実施形態に限定されるものではなく、寧ろ別紙特許請求の範囲で定義されている技術的範囲に収まる実施形態全てを包含するものである。更に、第1、第2等々の用語は順序や重要性を示すものではなく、構成要素同士を区別する趣旨で使用されている。同様に、単複の明示がなくても単数に限定されるわけではなく、参照される事物が少なくとも1個存在していればよい。
Claims (24)
- 別の空間位置を占める再帰反射ターゲット(26)に第1光ビーム(46)を送り、当該第1光ビームのうち同再帰反射ターゲットから戻ってきた部分を第2光ビーム(47)として受け取る寸法計測装置(10)であって、
互いにジンバル点(22)付近で交差していて互いに略垂直な第1軸(20)及び第2軸(18)に関し、第1軸周り回動角たる第1回動角を第1モータ(2125)で発生させ第2軸周り回動角たる第2回動角を第2モータ(2155)で発生させることで協働し、それら第1及び第2回動角によって定まる第1方向(53)に第1光ビームを指向させる第1及び第2モータと、
光学アセンブリ(3650)であり、ハウジング(3622)、照明素子(3814)、レンズ(3822,3824)、第1ビームスプリッタ(3832)及び位置検出器(3846)を有し、照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器の固定装着先たるハウジングが、その外面上の少なくとも第1領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第3軸(57)から第1領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第1光を発し、第1光ビームは第1光の一部であり、第1光ビームの辿る第4軸が、第3軸と略重複且つジンバル点付近で略一致すると共に、第1軸を含み且つ第2軸に対し垂直な平面付近に存し、第1ビームスプリッタが、第2光ビームのうち第2部分を位置検出器に送給し、位置検出器が、第2部分の入射位置に応じ第1信号を発生させる光学アセンブリ(3610)と、
第1信号に少なくとも部分的に基づき第2及び第3信号を発生させ、その第2信号を第1モータ、第3信号を第2モータに送ることで、再帰反射ターゲットの空間位置に向かうように第1方向を調整する制御システム(1520,1530,1540,1550)と、
を備える寸法計測装置。 - 請求項1記載の寸法計測装置であって、上記光学アセンブリが第1光ビームを第3軸沿いに送給する寸法計測装置。
- 請求項1記載の寸法計測装置であって、第1領域が金属質である寸法計測装置。
- 請求項1記載の寸法計測装置であって、上記光ファイバ部品がフェラルである寸法計測装置。
- 請求項1記載の寸法計測装置であって、上記光源がダイオードレーザである寸法計測装置。
- 請求項1記載の寸法計測装置であって、上記レンズが第1光を平行光化する寸法計測装置。
- 請求項1記載の寸法計測装置であって、上記光学アセンブリが第2ビームスプリッタを有し、第1及び第2ビームスプリッタを含むビームスプリッタセットを有する寸法計測装置。
- 請求項7記載の寸法計測装置であって、上記光学アセンブリが、ビームスプリッタセットに入射してくる第1光を整列させ第4軸沿いにそのビームスプリッタセットから出射させる寸法計測装置。
- 請求項1記載の寸法計測装置であって、更に、第2光ビームのうち第1光検波器(3306)で受光される第1部分に少なくとも部分的に基づきジンバル点から再帰反射ターゲットまでの距離たる第1距離を計測する距離計を備える寸法計測装置。
- 請求項1記載の寸法計測装置であって、更に、第1回動角を計測する第1角度計(2120)及び第2回動角を計測する第2角度計(2150)を備える寸法計測装置。
- 請求項8記載の寸法計測装置であって、更に、第1回動角を計測する第1角度計及び第2回動角を計測する第2角度計を備える寸法計測装置。
- 光学アセンブリ(3650)を予配置し、その光学アセンブリを寸法計測装置(10)内に実装し、離れた場所にある再帰反射ターゲット(26)に関しその寸法計測装置で計測する方法であって、
互いにジンバル点(22)付近で交差していて互いに略垂直な第1軸(20)及び第2軸(18)に関し、また第1軸及び第2軸とジンバル点付近で交差する第5軸(53)に関し、第1軸周り回動角たる第1回動角を第1モータ(2125)で発生させ第2軸周り回動角たる第2回動角を第2モータ(2155)で発生させることで協働しそれら第1及び第2回動角によって定まる第1方向(53)に第5軸(53)を揃える第1及び第2モータ、を準備するステップ(6305)と、
ハウジング(3622)、照明素子(3814)、レンズ(3822,3824)、第1ビームスプリッタ(3832)及び位置検出器(3846)を有する光学アセンブリとして、その照明素子、レンズ、第1ビームスプリッタ及び位置検出器がハウジングに固定されており、そのハウジングの形状が、その外面上の少なくとも第1領域に亘り略円筒状で且つその円筒の中心線上を通る第6軸(57)から第1領域上の諸点までの距離が略一定な形状であり、光源又はそれに取り付けられた光ファイバ部品たる照明素子が第1光を発し、第3光ビームは第1光の一部であり、同光学アセンブリとの関連で第3光ビームがとる第1光路を調整可能な光学アセンブリを準備するステップ(6310)と、
第1領域上で光学アセンブリを支持し且つ同光学アセンブリの第6軸周り回動を規制する整列具(3815)を準備するステップ(6315)と、
第1領域上の諸点で整列具が光学アセンブリに接触するよう光学アセンブリを整列具上に配置するステップ(6320)と、
光学アセンブリからの距離が第1距離である第1面上に第3光ビームを照射するステップ(6325)と、
整列具上で光学アセンブリを第6軸周り回動させるステップ(6330)と、
光学アセンブリの第6軸周り回動に応じ第1面上で生じる第3光ビームの位置変化を検出するステップ(6335)と、
第1面上で検出される第3光ビームの位置変化に少なくとも部分的に基づき、第3光ビームが第6軸に揃うよう第1光路を調整するステップ(6340)と、
第3光ビームが第5軸に揃うよう光学アセンブリを寸法計測装置に装着するステップ(6345)と、
第3光ビームを離れた場所の再帰反射ターゲットに差し向けるステップ(6350)と、
再帰反射ターゲットからの第3光ビームの部分を第4光ビームとして反射するステップ(6355)と、
第4光ビームのうち第3部分を第1ビームスプリッタから位置検出器に送給するステップ(6360)と、
を有する方法。 - 請求項12記載の方法であって、光学アセンブリの第6軸周り回動に応じ第1面上で生じる第3光ビームの位置変化を検出するステップは、第1面上での第1ランアウト直径を計測するステップを含む、方法。
- 請求項13記載の方法であって、更に、
光学アセンブリからの距離が第2距離である第2面上に第3光ビームを照射するステップ(6405)と、
第2面上で検出される第3光ビームの位置変化に少なくとも部分的に基づき、第3光ビームが第6軸に揃うよう第1光路を調整するステップ(6410)と、
を有する方法(6400)。 - 請求項14記載の方法であって、第3光ビームが第6軸に揃うよう第1光路を調整するステップは、第2面上での第2ランアウト直径を計測するステップを含む、方法。
- 請求項12記載の方法であって、第1面上で生じる第3光ビームの位置変化を検出する際、第1面は光検波器の表面である方法。
- 請求項12記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、第1領域が金属質なものを準備する方法。
- 請求項12記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、光ファイバ部品としてフェラルを準備する方法。
- 請求項12記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、光源としてダイオードレーザを準備する方法。
- 請求項12記載の方法であって、光学アセンブリを準備する際、第1光を平行光化可能なレンズを準備する方法。
- 請求項12記載の方法であって、更に、
ジンバル点から再帰反射ターゲットまでの第3距離を、第2光ビームのうち第1光検波器(3306)にて受光された第1部分に少なくとも部分的に基づき計測する距離計を、準備するステップ(6505)と、
第3距離を計測するステップ(6510)と、
を有する方法(6500)。 - 請求項12記載の方法であって、更に、
第1回動角を計測する第1角度計及び第2回動角を計測する第2角度計を準備するステップ(6605)と、
第1及び第2回動角を計測するステップ(6610)と、
を有する方法(6600)。 - 請求項21記載の方法であって、更に、第1回動角を計測する第1角度計及び第2回動角を計測する第2角度計を準備するステップを有する方法。
- 請求項12記載の方法であって、
位置検出器上での第3部分の位置に応じ第1信号を発生させる位置検出器を準備するステップ(6705)と、
第1信号に少なくとも部分的に基づき第2及び第3信号を発生させ、その第2信号を第1モータ、第3信号を第2モータに送ることで、再帰反射ターゲットの空間位置に向かうように第1方向を調整する制御システム(1520,1530,1540,1550)を、準備するステップ(6710)と、
第1方向を調整するステップ(6715)と、
を有する方法(6700)。
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