JP6621580B2 - レーザー計測システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、計測システムに関し、より具体的には、対象構造の表面の測定エリアのコヒーレントビデオ測定のためのレーザー計測システムおよび方法に関する。

製造および組立て中の部品の位置および配向には、厳しい公差が要求される。製造、試験および評価の際の、部品の表面についての情報などの、部品についての情報は、航空宇宙産業のような高性能製品に対する高まる需要を満たすために、非常に正確でなければならない。必要とされる公差は、利用可能な測定コンポーネントおよびシステムの能力を疑問視する場合もある。

現在のコヒーレントレーザー計測システムは、様々な位置決めおよび測定機能を実行するために光波（例えば、レーザービーム）を利用する。レーザー計測は、高分解能で測定を実行し、一部分についての正確な幾何学的寸法データを提供することができる。残念ながら、システムが一度に部品の表面の一点だけしか測定しないので、高い生産速度は、既存のレーザー計測システムを満足させることが難しいこともある。したがって、これらのシステムは、高精度を達成するためにかなりの時間を必要とする。

既存の解決方法は、一点測定により限定されるため高い生産速度をサポートするよう設計されていないので、生産速度は制限される。この制限に対する１つの解決方法は、追加の作業セルを構築することである。しかしながら、このようにより高い生産流動率を達成するには、莫大な費用がかかる。

したがって、当業者は、レーザー計測の分野における研究開発を続けている。

１つの実施形態では、開示されたレーザー計測システムは、変調測定ビーム、前記測定ビームを局部発振器ビームおよび透過ビームに分割するためのビーム分割器、前記透過ビームを対象構造の表面の測定エリアに投射するための、および前記測定エリアから反射ビームを受け取るための光アセンブリ、前記反射ビームおよび前記局部発振器ビームを検出ビームに結合するためのビーム結合器、前記検出ビームを処理するための検出器であって、前記検出ビームを投射するためのマイクロレンズ、前記検出ビームのコヒーレント検出を実行するための光検出器、および前記検出ビームから情報データを生成するための、前記光検出器と通信する検出器エレクトロニクスを備える検出器、ならびに前記情報データから前記測定エリアについての寸法データを計算するためのレンジプロセッサを備えることができる。

好ましくは、前記検出器エレクトロニクス８４は、前記複数の光検出器７６からの電気信号をデジタル信号に変換するためのアナログ−デジタル変換器８２、前記デジタル信号を一時的に記憶するための複数のバッファー８６、８８、および前記デジタル信号から前記情報データを計算するための複数の高速フーリエ変換プロセッサ９０を備える。さらに好ましくは、少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器８２、少なくとも１つのバッファー８６、８８、および少なくとも１つの高速フーリエ変換プロセッサ９０は、前記光検出器アレイ７８の各光検出器７６と関連付けられる。前記検出器エレクトロニクス８４は、前記光検出器アレイ７８全体からのデジタル信号を同時に処理することができ、または前記検出器エレクトロニクス８４は、前記光検出器アレイ７８の各光検出器７６からのデジタル信号を別個に処理することができ、前記検出器エレクトロニクス８４は、前記光検出器アレイ７８の各光検出器７６からのデジタル信号を連続して処理する。前記システムは、好ましくは、レーザー追跡装置１０４、レーザーレーダー１０６、ビデオグラメトリシステム１０８、およびフォトグラメトリシステム１１０のうちの少なくとも１つを備える。

別の態様によれば、開示されるレーザー計測システム１０は、変調信号ビーム１８を透過するためのレーザー１６、２０を備える信号ビーム投射器１２、ガイドビーム２２を透過するためのレーザー１６、２０を備えるガイドビーム投射器１４、前記信号ビーム１８および前記ガイドビーム２２を変調測定ビーム２６に結合するためのビーム結合器４２、ならびに前記測定ビームを局部発振器ビーム４４および透過ビーム４６に分割するためのビーム分割器４２を備える。前記レーザー計測システムは、前記透過ビーム４６を対象構造３８の表面３６の測定エリア３４に整形するための透過ビーム光学系５８、前記測定エリア３４内で前記表面３６の複数の測定点９２から戻る反射ビーム５２を収集するための反射ビーム光学系６０、前記局部発振器ビーム４４の光の量を制御するための局部発振器ビーム４４光学系、前記反射ビーム５２および前記局部発振器ビーム４４を検出ビーム６８に結合するためのビーム結合器４２をさらに備える。前記検出ビーム６８を処理するための検出器４８であって、前記検出ビーム６８の少なくとも一部分８０を投射するためのマイクロレンズアレイ７４を形成する複数のマイクロレンズ７２、前記検出ビーム６８の前記一部分８０のコヒーレント検出を実行するための光検出アレイ７８を形成する複数の光検出器７６、および前記検出ビーム６８の前記一部分８０から情報データを生成するための、前記光検出器７６と通信する検出器エレクトロニクス８４を備える検出器４８が含まれる。前記システムは、前記情報データから前記複数の測定点９２についての寸法データを計算するためのレンジプロセッサ８６、ならびに前記対象構造３８の前記表面３６の画像６６を提供するための撮像システム３６をさらに備える。好ましくは、前記検出器エレクトロニクス８４は、前記複数の光検出器７６からの電気信号をデジタル信号に変換するための複数のアナログ−デジタル変換器８２、前記デジタル信号を一時的に記憶するための複数のバッファー８６、８８、および前記デジタル信号から前記情報データを計算するための複数の高速フーリエ変換プロセッサ９０を備え、少なくとも１つのアナログ−デジタル変換器８２、少なくとも１つのバッファー８６、８８、および少なくとも１つの高速フーリエ変換プロセッサ９０は、前記光検出器アレイ７８の各光検出器７６と関連付けられる。

別の実施形態では、開示されるレーザー計測システムは、変調信号ビームを透過するためのレーザーを含む信号ビーム投射器、ガイドビームを透過するためのレーザーを含むガイドビーム投射器、前記信号ビームおよび前記ガイドビームを変調測定ビームに結合するためのビーム結合器、前記測定ビームを局部発振器ビームおよび透過ビームに分割するためのビーム分割器、前記透過ビームを対象構造の表面の測定エリアに整形するための透過ビーム光学系、前記測定エリア内で前記表面の複数の測定点から戻る反射ビームを収集するための反射ビーム光学系、前記局部発振器ビームの光の量を制御するための局部発振器ビーム光学系、前記反射ビームおよび前記局部発振器ビームを検出ビームに結合するためのビーム結合器、前記検出ビームを処理するための検出器であって、前記検出ビームの少なくとも一部分を投射するためのマイクロレンズアレイを形成する複数のマイクロレンズ、前記検出ビームの前記一部分のコヒーレント検出を実行するための光検出アレイを形成する複数の光検出器、および前記検出ビームの前記一部分から情報データを生成するための、前記光検出器と通信する検出器エレクトロニクスを備える検出器、前記情報データから前記複数の測定点についての寸法データを計算するためのレンジプロセッサ、ならびに前記対象構造の前記表面の画像を提供するための撮像システムを備えることができる。

さらに別の実施形態では、レーザー計測のための方法がまた開示され、前記方法は、（１）変調信号ビームを透過するステップ、（２）ガイドビームを透過するステップ、（３）前記信号ビームおよび前記ガイドビームを測定ビームに結合するステップ、（４）前記測定ビームを局部発振器ビームおよび透過ビームに分割するステップ、（５）前記対象構造の前記表面の測定エリアの最適な測定に対して前記透過ビームを調整するステップ、（６）前記透過ビームを前記表面の前記測定エリア上に投射するステップ、（７）前記測定エリア内で前記表面の少なくとも１つの測定点からの反射ビームを収集するステップ、（８）前記反射ビームおよび前記局部発振器ビームを検出ビームに結合するステップ、（９）前記検出ビームを前記検出器に投射するステップであって、前記検出器は、複数のマイクロレンズ、複数の光検出器および検出器エレクトロニクスを含む、投射するステップ、（１０）前記検出ビームを処理するステップであって、前記処理するステップは、前記検出ビームのコヒーレント検出を実行するステップ、および前記検出ビームから情報データを生成するステップを含む、処理するステップ、ならびに（１１）前記測定点に対する前記情報データから範囲値を計算するステップを含むことができる。

開示されるレーザー計測システムおよび方法の他の実施形態は、以下の詳細な説明、添付の図面および添付の特許請求の範囲から明らかになるだろう。

開示されるレーザー計測システムの１つの実施形態を示すブロック図である。 開示されるレーザー計測システムの分割器／結合器および光アセンブリの構成のブロック図である。 開示されるレーザー計測システムの検出器の構成のブロック図である。 開示されるレーザー計測システムの別の実施形態のブロック図である。 開示されるレーザー計測のための方法の１つの実施形態のフロー図である。 航空機の製造および保守方法のフロー図である。 航空機のブロック図である。

以下の詳細な説明は、本開示の特定の実施形態を示す添付の図面を参照する。異なる構造および動作を有する他の実施形態は、本開示の範囲を逸脱しない。類似の参照番号は、異なる図面の同一の要素またはコンポーネントを指すことがある。

図１を参照すると、概して１０で示される、コヒーレントビデオ測定のための開示されるレーザー計測システムの１つの実施形態は、信号ビーム投射器１２およびガイドビーム投射器１４を含むことができる。信号ビーム投射器１２は、少なくとも１つのレーザー１６を含むことができる。レーザー１６は、単一周波数連続レーザービームを透過する連続波（「ＣＷ」）レーザー、または単一周波数パルスレーザービームを透過するパルスレーザーとすることができる。例えば、レーザー１６は、ダイオード励起固体レーザーを含むことができる。レーザー１６は、出力として、信号ビーム１８（例えば、レーザービーム）を投射することができる。信号ビーム１８は、様々な特徴を含むことができる。例えば、信号ビーム１８は、非可視スペクトルの波長を含むことができる。

電源３２は、電流を信号ビーム投射器１２（例えば、１または複数のレーザー１６）に供給するように構成することができる。レーザー変調器３０は、レーザー１６と電源３２との間に配置され、それらに接続される。例示的実施形態では、レーザー変調器３０は、電源３２を制御することによって、レーザー１６の信号ビーム１８（例えば、レーザー出力）を変調することができる。別の例示的実施形態では、多数のレーザー１６から透過される多数の信号ビーム１８の周波数は、信号ビーム１８毎にわずかな周波数の差を伴って、変調することができる。

レーザー変調器３０は、例えば、振幅、周波数、位相および／または極性を含む任意の所望の電力出力またはパラメーターにしたがって、信号ビーム１８を変調するように構成することができる。例えば、信号ビーム１８は、特定の計測適用に対する最善の範囲の精度に到達するよう変調することができる。必要とされる変調度は、例えば、対象構造３８の表面３６で走査される測定エリア３４（図２）など、任意の適する変数に基づくことができる。例えば、参照表は、所与のレーザー出力において、対象構造３８の表面３６の所与の組の座標でのレーザービームの測定エリア３４および対応する電力密度を含むことができる。

ガイドビーム投射器１４は、少なくとも１つのレーザー２０を含むことができる。レーザー２０は、単一周波数連続レーザービームを透過する連続波（「ＣＷ」）レーザー、または単一周波数パルスレーザービームを透過するパルスレーザーとすることができる。例えば、レーザー２０は、ダイオード励起固体レーザーを含むことができる。レーザー２０は、出力として、ガイドビーム２２（例えば、レーザービーム）を投射することができる。ガイドビーム１８は、様々な特徴を含むことができる。例えば、ガイドビーム２２は、可視スペクトルの波長を有するレーザービームとすることができる。また、ガイドビーム２２は、連続的にではなく、パルス状に放射させることができるパルス周波数を含むことができる。電源９４は、電流をガイドビーム投射器１４（例えば、１または複数のレーザー２０）に供給するように構成することができる。

コントローラー４０は、信号ビーム投射器１２およびガイドビーム投射器１４に接続することができる。コントローラー４０は、所望の電流信号を、電源３２から信号ビーム投射器１２（例えば、１または複数のレーザー１６）まで、および電源９４からガイドビーム投射器１４（例えば、１または複数のレーザー２０）まで方向付けるように構成することができる。たとえば、コントローラー４０は、電源３２および／または電源９４が供給できる電流の量を指示するように構成することができ、電流出力を中断するようにさらに構成することができる。コントローラー４０は、変調シーケンスを開始するように構成することができ、レーザー変調器３０が電源３２からの電流をどのように変調するかを決定することができる。例えば、コントローラー４０は、信号ビーム１８の所望の電力に対して記憶された値に基づき適切な変調を決定するように構成することができる。

コントローラー４０は、中央処理装置（「ＣＰＵ」）９６（例えば、マイクロプロセッサ、コンピュータ、コンピュータネットワーク、または中央サーバー）を含むことができる。コントローラー４０は、ユーザが、例えば、電源３２および電源９４による電流出力の値および持続時間、ならびに信号ビーム１８に対する変調の持続時間および種類を含む、開示されるシステム１０の様々な態様を指示できるようにするユーザインターフェース９８を含むことができる。コントローラー４０は、電気的に接続された電源（図示されず）を含むことができる。

信号ビーム１８およびガイドビーム２２は、ビーム結合器２４を通して投射する（例えば、方向付ける）ことができる。ビーム結合器２４は、信号ビーム１８およびガイドビーム２２を測定ビーム２６に位置合わせして結合するのに適した任意の光ビーム結合器とすることができる。図１および図２を参照すると、測定ビーム２６は、ビーム分割器／結合器４２を通して投射することができる。ビーム分割器／結合器４２は、測定ビーム２６を局部発振器ビーム４４および透過ビーム４６（図２）に分離してそれらの方向を変えるのに適した任意の光ビーム分割器５４を含むことができる。

当業者は、局部発振器ビーム４４がコヒーレント検出に必要であることを認識するだろう。局部発振器ビーム４４は、器具を放置せず（例えば、対象構造３８に方向付けられない）、対象構造３８の測定エリア３４から受信機検出器（例えば、検出器４８）に反射レーザーエネルギー（例えば、反射ビーム５２）を最適に重ねるように方向付けられるレーザー出力の部分（例えば、測定ビーム２６）を含むことができる。例えば、ビーム分割器５４は、レーザー出力（例えば、測定ビーム２６）を分割し、レーザーエネルギーの大部分（例えば、透過ビーム４６）を対象とする測定エリア（例えば、対象構造３８の測定エリア３４）に送り、レーザーエネルギーのわずかな部分（例えば、局部発振器ビーム４４）を検出器（例えば、検出器４８）に送ることができる。

透過ビーム４６は、光アセンブリ５０を通してビーム分割器５４から投射することができる。透過ビーム４６は、測定エリア３４を画定するために、対象構造３８の表面３６の光アセンブリ５０から投射することができる。対象構造３８は、開示されるシステム１０によって測定されるランダムに粗い表面３６を有する製品など、任意の物体とすることができる。光は、少なくとも１つの反射ビーム５２の形態で対象構造３８の表面３６から反射して戻されることができる。反射ビーム５２は、光アセンブリ５０を通して戻る（例えば、方向付けられる）ことができる。

反射ビーム５２は、ビーム分割器／結合器４２を通して投射することができ、局部発振器ビーム４４とともに検出ビーム６８に結合することができる。局部発振器ビーム４４は、検出ビーム６８の測定に高感度を提供することができる。ビーム分割器／結合器４２は、局部発振器ビーム４４および反射ビーム５２を検出ビーム６８（図２）に結合するのに適した任意の光ビーム結合器５６を含むことができる。検出ビーム６８は、ビーム結合器５６から処理用の検出器４８まで投射することができる。

当業者は、ビーム分割器５４およびビーム結合器５６が一体型アセンブリ（例えば、ビーム分割器／結合器４２）であってもよく、別個のコンポーネントであってもよいことを認識するだろう。ビーム分割器５４は、レーザービーム（例えば、入力光）を２つの別個の部分に分割するために使用される光コンポーネントを含むことができる。例えば、ビーム分割器５４は、プレート状の、立方体型の、薄膜状の、水玉模様の、または特殊プリズムのビーム分割器を含むことができる。任意で、ビーム分割器５４は、多様な反射防止コーティングまたは基板を含むことができる。具体的、非限定的な例として、標準ビーム分割器は、波長または偏光状態と無関係である特定の割合によって、入射光を分割することができる。別の具体的、非限定的な例として、二色性ビーム分割器は、波長によって光を分割することができる。別の具体的、非限定的な例として、非偏光ビーム分割器は、全体の強度によって光を分割することができる。さらに別の具体的、非限定的な例として、偏光ビーム分割器は、偏光状態によって光を分割することができる。

ビーム結合器２４、５６は、例えば、ある入射角（例えば、４５度）で、多数のレーザービームを結合するために使用される光コンポーネントを含むことができる。例えば、ビーム結合器２４、５６は、プレート状の、立方体型の、薄膜状の、水玉模様の、または特殊プリズムのビーム分割器を含むことができる。

光アセンブリ５０は、１または複数の従来の光レンズおよびビーム整形レンズなど、１または複数のビーム整形要素を含むことができる。光アセンブリ５０は、光レンズ間およびビーム整形レンズとレーザー出力（例えば、透過ビーム４６）との間に、調節可能な間隔を提供することができる。光アセンブリ５０は、結合すると、間隔の変更が、出力ビーム（例えば、透過ビーム）を、特定の適用により必要に応じて、収束または発散させることができるように選択される光機能パラメーター（例えば、焦点距離）を含むことができる。

例えば、光アセンブリ５０は、対象構造３８の表面３６の測定エリア３４の最適な測定に対する透過ビーム４６の整形を調整することができる。透過ビーム４６は、対象構造３８の表面３６の単一の測定点９２から、または対象構造３８の表面３６の測定エリア３４の複数の測定点９２からの反射ビーム５２（例えば、反射光）の戻りを最適化するために整形され電力供給される。

例示的実施形態では、光アセンブリ５０は、透過ビーム４６を対象構造３８に透過するための、１または複数の透過ビーム光学系５８を含むことができる。例えば、透過ビーム光学系５８は、透過ビーム４６を配置し（例えば、拡大し）、対象構造３８の表面３６に投射される光の量を制御するように（例えば、対象構造３８の表面３６の測定エリア３４を覆うのに十分な分布を有するように）構成することができる。透過ビーム光学系５８は、任意の適する方法で透過ビーム４６をフォーカスする、拡大する、視準する、方向付ける、方向を変える、反射する、フィルタリングする、またはそうでなければ透過ビーム４６を変形することができる、１または複数のレンズ、鏡、プリズムおよび／または任意の適する組み合わせの光ファイバーを含むことができる。

光アセンブリ５０は、対象構造３８の表面３６から反射される光を受け取ることができる。対象構造３８から戻る反射ビーム５２（例えば、散乱反射光）は、透過ビーム４６の光路に類似する光路に沿っておよび光アセンブリ５０を通って、反対方向に進むことができる。例示的実施形態では、光アセンブリ５０は、対象構造３８の表面３６の（例えば、測定エリア３４内に）１または複数の測定点９２から反射ビーム５２を受け取るための１または複数の反射ビーム光学系６０を含むことができる。例えば、反射ビーム光学系６０は、反射ビーム５２をフォーカスし、反射ビーム５２（例えば、反射光）を最適に集めて（ｇａｔｈｅｒ）収集する（ｃｏｌｌｅｃｔ）ように構成することができる。反射ビーム光学系６０は、任意の適する方法で反射ビーム５２をフォーカスする、拡大する、視準する、方向付ける、方向を変える、反射する、フィルタリングする、またはそうでなければ反射ビーム５２を変形することができる、１または複数のレンズ、鏡、プリズムおよび／または任意の適する組み合わせの光ファイバーを含むことができる。

光アセンブリ５０は、対象構造３８の画像６６を、例えば、ディスプレイ６４（図１）に提供するための撮像システム６２を含むことができる。画像６６は、測定される対象構造３８、ならびに測定される点９２および／またはエリア３４の状態を視覚的に表示することができる。例えば、撮像システム６２は、例えば、ビデオカメラ（例えば、電荷結合素子（「ＣＣＤ」）カメラなどの電気光学系システムとすることができる。撮像システム６２は、オートフォーカス１１４を含むことができ、様々な距離で（例えば、対象構造に対して）動作することができる。撮像システム６２は、中心に置かれ、透過ビーム４６の可視部分（例えば、ガイドビーム２２）をフォーカスすることができる。ディスプレイ６４はまた、計測動作、測定要求、ならびに／もしくはユーザ（例えば、オペレーター）への通知または警告と関連付けられる他の情報を含むことができる。撮像システム６２を含む光アセンブリ５０は、電気的に接続された電源（図示されず）を含むことができる。

例示的な実施形態では、ビーム結合器５６を通過する前に、局部発振器ビーム４４は、局部発振器ビーム４４は、局部発振器ビーム４４を検出器４８に投射するための１または複数の局部発振器ビーム光学系７０を通って投射することができる。例えば、局部発振器ビーム光学系７０は、局部発振器ビーム４４を調整し、検出器４８に投射される光の量を制御するように構成することができる。局部発振器ビーム光学系７０は、任意の適する方法で局部発振器ビーム４４をフォーカスする、拡大する、視準する、方向付ける、方向を変える、反射する、フィルタリングする、またはそうでなければ局部発振器ビーム４４を変形することができる、１または複数のレンズ、鏡、プリズムおよび／または任意の適する組み合わせの光ファイバーを含むことができる。

この時点で、局部発振器ビーム光学系７０、透過ビーム光学系５８および／または反射ビーム光学系６０は、ビーム分割器／結合器４２内で完全に統合することができ、光アセンブリ５０内で完全に統合することができ、ビーム分割器／結合器４２内で部分的におよび光アセンブリ５０内で部分的に統合することができ、もしくは開示されるシステム１０の別個のコンポーネントとすることができることを、当業者は認識するだろう。

信号ビーム１８、ガイドビーム２２、測定ビーム２６、反射ビーム５２および／または検出ビーム６８は、任意の適する光チャネル２８（図１）を通して方向付けることができる。光チャネル２８は、空きスペース、光ファイバーならびに／もしくは任意の適する組み合わせおよび構成のファイバーアレイを含むことができる。

図１を参照すると、検出器４８は、検出ビーム６８を受け取り、光子を処理用の電子に変換することができる。検出器４８は、少なくとも１つのマイクロレンズ７２を含むことができる。マイクロレンズ７２は、対象構造３８の表面３６の特定の領域（例えば、測定エリア３４）に対する検出ビーム６８（例えば、光）を集める（例えば、収集する）ように構成することができる。マイクロレンズ７２は、検出ビーム６８を光検出器７６に投射することができ、したがって、光検出器７６によって光エネルギー収集を増加させることができる。

光検出器７６は、マイクロレンズ７２から投射される検出ビーム６８（例えば、光出力）を検出し、電気信号を生成することができる。したがって、光検出器７６は、検出ビーム６８のコヒーレント検出（例えば、光ヘテロダイン検出）を実行することができる。光検出器アレイ７８は、入射光エネルギー（例えば、検出ビーム６８の光出力から）を検出器エレクトロニクス８４で収集され処理される電子に変換することができる。
図３を参照すると、検出器エレクトロニクス８４は、光検出器７６からの電気信号をサンプリングすることができ、データをレンジプロセッサ８６に提供することができる。検出器エレクトロニクス８４は、少なくとも１つのアナログ−デジタル（「Ａ／Ｄ」）変換器８２、少なくとも１つのバッファー８６、および少なくとも１つの高速フーリエ変換プロセッサ（「ＦＦＴＰ」）９０を含むことができる。検出器エレクトロニクス８４は、電気的に接続された電源（図示されず）を含むことができる。

光検出器７６によって検出され生成される電気信号は、Ａ／Ｄ変換器８２に送信することができる。Ａ／Ｄ変換器８２は、電気信号をデジタル信号に変換することができる。バッファー８８は、デジタル信号がＡ／Ｄ変換器８２からＦＦＴＰ９０まで送信されている間に、デジタル信号を一時的に記憶するために使用される一時的な記憶場所（例えば、物理的メモリ記憶装置）とすることができる。ＦＦＴＰ９０は、バッファー８８から抽出されるデジタル信号からの情報データのスペクトルを計算することができる。ＦＦＴＰ９０によって生成されるデータは、レンジプロセッサ８６に送信することができる。

図３に示されるように、例示的な実施形態では、複数のマイクロレンズ７２は、マイクロレンズアレイ７４を形成することができ、複数の光検出器７６は、光検出器アレイ７８を形成することができる。マイクロレンズアレイ７８は、光検出器アレイ７８によって光エネルギー収集を増加させることができる。各マイクロレンズ７２は、対象構造３８の表面３６の一部分（例えば、少なくとも１つの測定点９２）を表す光を投射することができる。各光検出器７６は、対象構造３８の表面３６の一部分を表すピクセルのアレイを画定することができる。例えば、各マイクロレンズ７２は、検出ビーム６８の一部分８０を関連する（例えば、光結合された）光検出器７６に投射することができる。マイクロレンズアレイ７４を形成する複数のマイクロレンズ７２は、検出ビーム６８（例えば、検出ビーム６８の一部分８０）の光検出器アレイ７８への分布の仕方を制御することができ、したがって、対象構造３８（図２）の表面３６のマッピングを制御することができる。

各光検出器７６は、関連するマイクロレンズ７２から受け取られる検出ビーム６８の一部分８０に応じて、電気信号を生成することができる。検出器エレクトロニクス８４は、光検出器７６からの電気信号をサンプリングすることができ、サンプリングされたデータをレンジプロセッサ８６に提供することができる。検出器エレクトロニクス８４は、複数のアナログ−デジタル（「Ａ／Ｄ」）変換器８２、複数のバッファー８６、および複数の高速フーリエ変換プロセッサ（「ＦＦＴＰ」）９０を含むことができる。

図２に示されるように、透過ビーム４６は、対象構造３８の表面３６の（例えば、測定エリア３４内に）１または複数の測定点９２が反射ビーム５２に表されるように、測定エリア３４を照射するよう構成することができる。図３に示されるように、検出ビーム６８（例えば、結合された反射ビーム５２および局部発振器ビーム４４）は、１または複数の異なる測定点９２が異なる光検出器７６に映し出されるように、光検出器アレイ７８を照射するために、マイクロレンズアレイ７４によって構成することができる。

例示的な実施において、検出器エレクトロニクス８４は、光検出器アレイ７８の別個の光検出器７６の各々を（例えば、別個に）処理することができる。別の例示的な実施において、検出器エレクトロニクス８４は、光検出器アレイ７８のすべての光検出器７６を連続的に（例えば、順に）処理することができる。別の例示的な実施において、検出器エレクトロニクス８４は、光検出器アレイ７８のすべての光検出器７６を同時に（例えば、並行して）処理することができる。

例えば、Ａ／Ｄ変換器８２は、光検出器アレイ７８によって（例えば、複数の光検出器７６の各々から）生成されるすべてのピクセルを測定するように制御することができる。別の例として、Ａ／Ｄ変換器８２は、光検出器アレイ７８によって（例えば、光検出器７６のサブセットから）生成されるピクセルのサブセットを測定するように制御することができる。さらに別の例として、関連するＡ／Ｄ変換器８２は、光検出器アレイ７８の各光検出器７６によって生成されるピクセルのサブセットを測定するように制御することができる。

例示的実施形態では、単一のＡ／Ｄ変換器８２は、光検出器アレイ７８の複数の光検出器７６全体に電気的に接続することができる。別の例示的実施形態では、光検出器アレイ７８の光検出器７６の各サブセット（例えば、２つ以上の光検出器７６）は、関連するＡ／Ｄ変換器８２に電気的に接続することができる。さらに別の例示的実施形態では、光検出器アレイ７８の各光検出器７６は、関連するＡ／Ｄ変換器８２に電気的に接続することができる。同様に、別の例示的実施形態では、単一のバッファー８８は、複数のＡ／Ｄ変換器８２全体に電気的に接続することができる。さらに別の例示的実施形態では、複数のＡ／Ｄ変換器８２の各サブセット（例えば、２つ以上のＡ／Ｄ変換器８２）は、単一のバッファー８８に電気的に接続することができる。さらに別の例示的実施形態では、各Ａ／Ｄ変換器８２は、関連するバッファー８８に電気的に接続することができる。

同様に、別の例示的実施形態では、単一のＦＦＴＰ９０は、複数のバッファー８８全体に電気的に接続することができる。別の例示的実施形態では、複数のバッファー８８の各サブセット（例えば、２つ以上のバッファー８８）は、単一のＦＦＴＰ９０に電気的に接続することができる。さらに別の例示的実施形態では、各バッファー８８は、関連するＦＦＴＰ９０に電気的に接続することができる。

マイクロレンズアレイ７４は、多数の（例えば、数百の）マイクロレンズ７２を含むことができる。光検出器アレイ７８は、多数の（例えば、数百の）光検出器７６を含むことができる。検出器エレクトロニクス８４は、先述の例示的実施形態による多数のＡ／Ｄ変換器８２、バッファー８８およびＦＦＴＰ９０を含むことができる。

レンジプロセッサ８６は、検出器エレクトロニクス８４から提供されるデジタル信号から、対象構造３８の表面３６の寸法情報を計算することができる。例えば、レンジプロセッサ８６は、別個の光検出器７６の各々によって映し出される対象構造３８の表面３６に対する範囲を計算することができる。レンジプロセッサ８６は、１または複数の測定点９２および／または測定エリア３４に対する範囲値１０２を、表示のためにコントローラー４０（図１）に報告することができる。範囲値１０２は、例えば、ディスプレイ６４に、対象構造３８の２次元または３次元表示として示すことができる。

コントローラー４０は、例えば、任意の適する有線、無線および／または配線接続による通信を含む任意の適する電気接続を使用して、信号ビーム投射器１２、ガイドビーム投射器１４、検出器４８、光アセンブリ５０、レンジプロセッサ８６および／またはディスプレイ６４に接続することができる。例えば、コントローラー４０は、開示されるシステム１０の様々なコンポーネント間で、電力信号、制御信号、データ信号およびステータ信号を伝達することができる。

コントローラー４０は、例えば、ユーザインターフェース９８を介して、様々なコマンドを実行することができ、システム１０のすべてのコンポーネントの動作を制御することができる。例えば、コントローラー４０は、特定の時間にレンジプロセッサ８６によって検出器エレクトロニクス８４から提供されるデジタル信号の処理を実行する（例えば、始動させる）ことができ、計算された範囲値１０２を同一時点で取得される対象構造３８の画像６６に関連付けることができる。図４を参照すると、開示されるシステム１０は、他の独立した外部の計測システム１１２と統合することができる。例えば、システム１０は、レーザー追跡装置１０４、レーザーレーダー１０６、ビデオグラメトリシステム１０８、および／またはフォトグラメトリシステム１１０のうちの１または複数と相互接続することができる、ならびに／もしくはそれらの１または複数とともに使用することができる。コントローラー４０（図１）は、外部の計測システム１１２と通信することができ、外部の計測システム１１２間で寸法データ（例えば、範囲値１０２）を統合することができる。

図５を参照すると、概して２００で示される、レーザー計測のための開示される方法の１つの実施形態は、対象構造を提供することによってブロック２０２で開始することができる。対象構造は、少なくとも表面を含むことができる。

ブロック２０４で示されるように、変調信号ビームを透過することができる。例えば、信号ビームは、レーザーから透過することができ、レーザー変調器によって変調される。信号ビームの変調は、振幅、周波数、位相および／または極性の変調を含むことができる。ブロック２０６で示されるように、ガイドビームを透過することができる。例えば、ガイドビームは、レーザーによって透過することができる。

ブロック２０８で示されるように、変調信号ビームおよびガイドビームは、変調測定ビームに結合することができる。ブロック２１０で示されるように、測定ビームは、局部発振器ビームおよび透過ビームを含む２つの部分に分割することができる。局部発振器ビームおよび透過ビームの両方が、変調信号ビームおよびガイドビームを含む。

ブロック２１２で示されるように、透過ビームは、光アセンブリを通して投射することができる。ブロック２１４で示されるように、透過ビームは、対象構造の表面の測定エリアの最適な測定に対する透過ビーム光学系によって調整することができる。

ブロック２１６で示されるように、透過ビームは、表面の測定エリアを画定する対象構造の表面に投射することができる。

ブロック２１８で示されるように、局部発振器ビームは、局部発振器ビームの光の量を制御するために、局部発振器光学系によって調整することができる。

ブロック２２０で示されるように、反射ビームは、対象構造の表面の少なくとも１つの測定点から戻り、透過ビームの光アセンブリと類似の光アセンブリによって収集することができる。ブロック２２２で示されるように、反射ビームは、反射ビームをフォーカスするための反射ビーム光学系によって調整することができる。

ブロック２２４で示されるように、反射ビームおよび局部発振器ビームは、検出ビームに結合することができる。

ブロック２２６で示されるように、検出ビームは、検出器に投射することができる。検出器は、光子を電子に変換することができ、電子から生成されるデジタル信号を処理することができる。検出器は、マイクロレンズアレイを形成する複数のマイクロレンズ、光検出器アレイを形成する複数の光検出器および検出器エレクトロニクスを含むことができる。例えば、検出ビームは、マイクロレンズアレイに投射することができる。マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、検出ビームの一部分を光検出アレイの関連する光検出器に投射することができる。各光検出器は、対象構造の表面の測定エリア内に少なくとも１つの測定点を画定することができる。

ブロック２２８で示されるように、検出ビーム（例えば、検出ビームの各部分）は、検出ビームのコヒーレント検出を実行し、検出ビームから情報データを生成することによって、処理することができる。

ブロック２３０で示されるように、測定点に対する範囲値は、情報データから計算することができる。ブロック２３２で示されるように、範囲値は、報告することができる。例えば、範囲値は、オペレーターおよび／またはユーザに表示することができる。

ブロック２３４で示されるように、撮像システムは、対象物体の表面の画像を取得することができる。例えば、画像は、検出ビームのコヒーレント検出と同一の時点で撮ることができる。

ブロック２３６で示されるように、範囲値および画像は、構造の表面の２次元または３次元表示として統合することができる。

ブロック２３８で示されるように、範囲値を、例えば、レーザー追跡装置、レーザーレーダー、ビデオグラメトリシステムおよびフォトグラメトリシステムなど、外部の計測システムと交換することができる。

ブロック２４０で示されるように、範囲値、画像ならびに／もしくは範囲値および画像の統合は、対象構造の製造中におよび／または対象構造の検査中に品質管理のために使用することができる。

したがって、開示されるシステムおよび方法は、多数の光検出器を使用して投射される変調レーザー光のコヒーレント検出によって、構造の高精度寸法データを生成することができる。測定に高感度を提供するために、透過光（例えば、透過ビーム）は、構造の表面のエリアを照射することができ、反射光（例えば、反射ビーム）は、局部発振器（例えば、局部発振器ビーム）を使用して光検出器のアレイによって受け取られることができる。可視光（例えば、ガイドビーム）は、ユーザが測定される構造エリアにシステムを方向付けることを促進できる。別個の撮像システム（例えば、ビデオカメラ）は、コヒーレント画像の解釈を容易にする特性の参照を提供することができる。したがって、開示されるシステムおよび方法は、広域調査のための測定時間を劇的に短縮することができる。さらに、開示されるシステムおよび方法は、一点測定システムを広域測定で補完することができる。

本発明の実施形態は、図６に示される航空機の製造および保守方法３００、ならびに図７に示される航空機３０２に照らして説明することができる。製造前の段階で、航空機の製造および保守方法３００は、航空機３０２の仕様および設計３０４ならびに材料の調達３０６を含むことができる。製造段階で、航空機３０２のコンポーネントおよびサブアセンブリの製造３０８、ならびにシステム統合３１０が行われる。その後、航空機３０２は、認可および納品３１２を経て、運航３１４に供される。顧客により運航される間に、航空機３０２は、改造、再構成、改修なども含む定期的な整備および保守３１６を受ける。

方法３００の各プロセスは、システムインテグレーター、第三者、および／またはオペレーター（例えば顧客）によって実施または実行することができる。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者、および主要システムの下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、および供給業者を含むことができ、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

図７に示されるように、例示的な方法３００によって製造された航空機３０２は、複数のシステム３２０および内装３２２を有する機体３１８を含むことができる。複数のシステム３２０の例には、推進システム３２４、電気システム３２６、油圧システム３２８、および環境システム３３０のうちの１または複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれることもある。航空宇宙産業の例を示したが、開示されるシステム１０および方法１００の原理は、自動車産業などの他の産業にも適用することができる。

本明細書に具現化された装置および方法は、製造および保守方法３００の任意の１つ以上の段階で採用することができる。例えば、コンポーネント／サブアセンブリの製造３０８、システム統合３１０、および／または整備および保守３１６に対応するコンポーネントもしくはサブアセンブリは、開示されたシステム１０（図１）および方法（図５）を使用して、製作もしくは製造することができる。また、１または複数の装置の実施例、方法の実施例、もしくはこれらの組み合わせは、例えば、機体３１８および／または内装３２２など、航空機３０２の組立てを実質的に効率化する、または航空機３０２のコストを削減することにより、コンポーネントおよびサブアセンブリの製造３０８ならびにシステム統合３１０の段階で利用することができる。同様に、装置の実施例、方法の実施例、またはそれらの組み合わせのうちの１または複数を、航空機３０２の運航中に、例えば限定しないが、整備および保守３１６に利用することができる。開示されたレーザー計測システムおよび方法の様々な実施形態を図示し説明してきたが、本明細書を読めば、当業者には変更が想起されよう。本出願は、そのような変更を含み、特許請求の範囲によってのみ限定される。

１８ 信号ビーム
２２ ガイドビーム
２６ 測定ビーム
２８ 光チャネル
３４ 測定エリア
３６ 表面
３８ 対象構造
４２ ビーム分割器／結合器
４４ 局部発振器ビーム
４６ 透過ビーム
５２ 反射ビーム
６８ 検出ビーム
７４ マイクロレンズアレイ
７８ 光検出器アレイ
８４ 検出器エレクトロニクス８
１１２ 外部の計測システム
２００ レーザー計測のための方法
３００ 航空機の製造および保守方法
３０２ 航空機

Claims (8)

1. 変調された測定ビーム（２６）と、
   前記測定ビームを局部発振器ビーム（４４）および透過ビーム（４６）に分割するためのビーム分割器（４２）と、
   前記透過ビーム（４６）を対象構造（３８）の表面（３６）の測定エリア（３４）を覆うように拡大し、かつ投射するための透過ビーム光学系（５８）、および、前記測定エリア（３４）からの複数の反射ビーム（５２）を受け取り、かつフォーカスするための、前記透過ビーム光学系（５８）とは異なる反射ビーム光学系（６０）を有する光アセンブリ（５０）であって、前記複数の反射ビーム（５２）は、前記測定エリア（３４）内の前記対象構造（３８）の前記表面（３６）の複数の測定点（９２）からの前記透過ビームの単一の投射の戻りである光アセンブリ（５０）と、
   前記複数の反射ビーム（５２）および前記局部発振器ビーム（４４）を検出ビーム（６８）に結合するためのビーム結合器（２４）と、
   前記検出ビーム（６８）を処理するための検出器（４８）と、を備えるレーザー計測システムであって、前記検出器（４８）は、
   マイクロレンズアレイ（７４）を形成する複数のマイクロレンズ（７２）と、光検出器アレイ（７８）を形成する複数の光検出器（７６）と、前記光検出器アレイ（７８）の前記複数の光検出器（７６）と通信する検出器エレクトロニクス（８４）と、を備え、
   前記マイクロレンズアレイ（７４）の前記複数のマイクロレンズの各々は、前記測定エリア（３４）内の前記複数の測定点（９２）のそれぞれを表す検出ビーム（６８）の一部分（８０）を、前記光検出器アレイ（７８）の前記複数の光検出器（７６）のうち関連付けられた１つの光検出器に同時に投射し、前記光検出器アレイ（７８）の前記複数の光検出器（７６）の各々は、前記検出ビーム（６８）の前記一部分（８０）の各々のコヒーレント検出を実行し、
   前記検出器エレクトロニクス（８４）は、前記複数の測定点（９２）について前記検出ビーム（６８）の一部分（８０）から情報データを生成し、
   前記レーザー計測システム（１０）はさらに、前記検出器エレクトロニクス（８４）と通信するレンジプロセッサ（８６）を備え、前記レンジプロセッサ（８６）は、
   前記透過ビーム（４６）の前記単一の投射と、前記対象構造（３８）の前記表面における前記測定エリア（３４）からの前記複数の反射ビーム（５２）の反射とに基づいて、前記測定エリア（３４）内の前記複数の測定点（９２）についての寸法データを前記情報データから計算し、前記複数の測定点（９２）の各々について範囲値（１０２）を計算し、かつ表示用のコントローラー（４０）へ前記複数の測定点（９２）の各々に対する範囲値（１０２）を報告し、
   前記複数の測定点（９２）に対する複数の範囲値（１０２）は前記対象構造（３８）の２次元表示として示される、レーザー計測システム（１０）。
2. 信号ビーム（１８）を透過するためのレーザー（１６、２０）を備える信号ビーム投射器（１２）、
   ガイドビーム（２２）を透過するためのレーザー（１６、２０）を備えるガイドビーム投射器（１４）、ならびに
   前記信号ビーム（１８）および前記ガイドビーム（２２）を前記測定ビーム（２６）に結合するためのビーム結合器（２４）
   をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記信号ビーム投射器（１２）は、前記信号ビーム（１８）を変調するためのレーザー変調器（３０）を備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記検出器エレクトロニクス（８４）は、
   前記複数の光検出器（７６）からの電気信号をデジタル信号に変換するための複数のアナログ−デジタル変換器（８２）、
   前記デジタル信号を一時的に記憶するための複数のバッファー（８６、８８）、および
   前記デジタル信号から前記情報データのスペクトルを計算するための複数の高速フーリエ変換プロセッサ（９０）
   を備える、請求項１に記載のシステム。
5. 少なくとも１つの前記アナログーデジタル変換器（８２）、少なくとも１つの前記バッファ―（８６、８８）及び少なくとも１つの前記高速フーリエ変換プロセッサ（９０）は、前記光検出器アレイ（７８）の前記複数の光検出器（７６）の各々と関連付けられる、
   請求項４に記載のシステム。
6. 前記対象構造（３８）の画像（６６）を提供するための撮像システム（６２）をさらに備え、前記コントローラー（４０）は、特定の時間に前記レンジプロセッサ（８６）によって前記検出器エレクトロニクス（８４）から供給されるデジタル信号を処理し、前記範囲値（１０２）を同一時点で前記対象構造（３８）の前記画像（６６）と関連付ける、請求項１に記載のシステム。
7. ディスプレイ（６４）をさらに備え、前記対象構造（３８）の２次元表示として示される前記範囲値（１０２）および前記画像（６６）は、前記コントローラー（４０）によって統合され、前記ディスプレイ（６４）に表示される、請求項６に記載のシステム。
8. 変調された信号ビーム（１８）を透過するためのレーザー（１６、２０）を備える信号ビーム投射器（１２）と、
   ガイドビーム（２２）を透過するためのレーザー（１６、２０）を備えるガイドビーム投射器（１４）と、
   前記信号ビーム（１８）および前記ガイドビーム（２２）を変調された測定ビーム（２６）に結合するためのビーム結合器（４２）と、
   前記測定ビーム（２６）を局部発振器ビーム（４４）および透過ビーム（４６）に分割するためのビーム分割器（４２）と、
   前記透過ビーム（４６）を対象構造（３８）の表面（３６）の測定エリア（３４）を覆うように拡大するための透過ビーム光学系（５８）と、
   複数の反射ビーム（５２）を収集するための、前記透過ビーム光学系（５８）とは異なる反射ビーム光学系（６０）であって、前記複数の反射ビーム（５２）は、前記測定エリア（３４）内の前記対象構造（３８）の前記表面（３６）の複数の測定点（９２）からの前記透過ビームの単一の投射の戻りである、反射ビーム光学系（６０）と、
   前記局部発振器ビーム（４４）の光の量を制御するための局部発振器ビーム（４４）光学系と、
   前記複数の反射ビーム（５２）および前記局部発振器ビーム（４４）を検出ビーム（６８）に結合するためのビーム結合器（４２）と、
   前記検出ビーム（６８）を処理するための検出器（４８）と、を備えるレーザー計測システム（１０）であって、前記検出器（４８）は、
   マイクロレンズアレイ（７４）を形成する複数のマイクロレンズ（７２）と、光検出器アレイ（７８）を形成する複数の光検出器（７６）と、前記光検出器アレイ（７８）の前記複数の光検出器（７６）と通信する検出器エレクトロニクス（８４）と、を備え、
   前記マイクロレンズアレイ（７４）の前記複数のマイクロレンズの各々は、前記測定エリア（３４）内の前記複数の測定点（９２）のそれぞれを表す検出ビーム（６８）の一部分（８０）を、前記光検出器アレイ（７８）の前記複数の光検出器（７６）のうち関連付けられた光検出器に同時に投射し、前記光検出器アレイ（７８）の前記複数の光検出器（７６）の各々は、前記検出ビーム（６８）の前記一部分（８０）の各々のコヒーレント検出を実行し、
   前記検出器エレクトロニクス（８４）は、前記検出ビーム（６８）の一部分から情報データを生成し、
   前記レーザー計測システム（１０）はさらに、前記検出器エレクトロニクス（８４）と通信するレンジプロセッサ（８６）を備え、前記レンジプロセッサ（８６）は、
   前記透過ビーム（４６）の前記単一の投射と、前記対象構造（３８）の前記表面における前記測定エリア（３４）からの前記複数の反射ビーム（５２）の反射とに基づいて、前記測定エリア内の前記複数の測定点についての寸法データを前記情報データから計算し、前記複数の測定点（９２）の各々の範囲値（１０２）を計算し、かつ表示用のコントローラー（４０）へ前記複数の測定点（９２）の各々に対する範囲値（１０２）を報告し、
   前記複数の測定点（９２）に対する複数の範囲値（１０２）は前記対象構造（３８）の２次元表示として示され、
   前記レーザー計測システム（１０）はさらに、前記対象構造（３８）の前記表面（３６）の画像（６６）を提供するための撮像システム（６２）
   を備える、レーザー計測システム（１０）。

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