JP2012509464A - 六自由度計測装置及び方法 - Google Patents

Abstract

六自由度計測用のレーザ追尾システムとして、第１レーザビームを輻射する主光学アセンブリ、第２レーザビームを二次元パターンへと整形して輻射するパターン投射アセンブリ、並びに標的を備え、その標的が再帰反射器及び位置検出アセンブリを有し、その再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にあるものを提案する。標的の向きを計測する方法として、二次元パターンを呈するようレーザビームをその標的に入射させるステップと、位置検出アセンブリ上における二次元パターンの位置を調べそのパターンの実測シグネチャ値を求めるステップと、得られた実測シグネチャ値に基づき標的の向きを算出するステップと、を有する方法を提案する。

Description

本願は、米国暫定特許出願第６１／１１５１３６号（出願日：２００８年１１月１１日）に基づく優先権主張を伴う出願である。この参照を以て、当該暫定出願の全内容を本願に繰り入れることとする。

本発明は座標計測装置、例えば注目点にレーザビームを送りその点の三次元座標を計測するタイプの座標計測装置に関する。この種の装置では、レーザビームを注目点自体又はそれに接する再帰反射標的に入射させ、装置内のジンバル式ビーム駆動機構でレーザビームの向きを注目点方向に保ちつつ、その注目点までの距離を絶対距離計（ＡＤＭ）、干渉計等の距離計測装置で、またその注目点に至る角度二通りを角度エンコーダ等の角度計測装置でそれぞれ計測することで、その注目点の座標を導出する。こうした注目点座標計測装置の例は特許文献１（発明者：Brown et al.）、特許文献２（発明者：Lau et al.）等に記載されている。

レーザ追尾器は、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標的を追尾するタイプの座標計測装置である。レーザ走査器は、散光面上の注目点を１本又は複数本のレーザビームで走査するタイプの座標計測装置であり、レーザ追尾器と密接な関係を有している。

通常、レーザ追尾器からレーザビームが送られる先は再帰反射標的である。その再帰反射標的としては、一般に、金属球及びそれに埋め込まれたキューブコーナ型再帰反射器からなる球面実装型再帰反射器（ＳＭＲ）が用いられている。これは、互いに直交するよう３枚のミラーを配した構成のキューブコーナ型再帰反射器を、それらミラー３枚の共有接点即ち反射器頂部が金属球の中心に位置することとなるよう、その金属球内に埋め込んだものである。こうした金属球内キューブコーナ配置であるため、反射器頂部からＳＭＲ着座面に下ろした垂線の長さがそのＳＭＲの向きによらず一定に保たれる。従って、任意の面に沿いＳＭＲを転がしつつレーザ追尾器でそのＳＭＲを追尾することにより、その面に沿い一群の三次元座標を計測することができる。言い換えれば、レーザ追尾器では、僅か三自由度（一通りの径方向距離と二通りの角度）の計測によって面全体の三次元座標を調べることができる。

とはいえ、三自由度ではなく六自由度に亘る計測も必要とされている。六自由度追尾器があれば、例えば（１）追尾器からの視線が遮られているプローブ端の位置をその追尾器で計測することができ、（２）光パターンを用い三次元座標を計測する走査器の動きを追尾することができ、（３）ロボットのエンドエフェクタ（手先）又はそれに類する剛体の位置及び方向を探索することができ、（４）ＳＭＲに備わる大きな球面ではなく微細なプローブ端を用い物体の特徴を計測することができる。

レーザ追尾器を基に提案又は実用化された六自由度計測システムの第１例は、カメラ及びレーザ追尾器と併せ再帰反射器及び複数の光点を有する標的を使用するものであり、特許文献３（発明者：Pettersen et al.）、特許文献４（発明者：Pettersen et al.）等にはこれに該当するものが記載されている。

第２例は、レーザ追尾器からのレーザビームに対する標的の向きを動力又は手動による調整でほぼ直角に保ちつつ、標的内のビームスプリッタに入射するレーザビームの一部を位置検出器に送り標的のピッチ角及びヨー角を検出させる一方、残りの入射レーザビームを再帰反射器に送り、そこでの反射光の一部を偏向ビームスプリッタ及び検出器に送り電子回路で標的のロール角を検出させるシステムである。残りの反射光はレーザ追尾器に返戻する。特許文献５（発明者：Lau）に記載のシステムがこれに該当している。

第３例は、第２例におけるロール角検出手段に代え、重力方向に対する標的の傾斜を計測する傾斜センサが使用されるシステムであり、特許文献５に記載のものがこれに該当している。

第４例は、追尾器でキューブコーナ型再帰反射器の位置を計測しつつ、その追尾器に戻ってきた光の一部を分岐して解析用の感光アレイに送り、再帰反射器上に意図的に形成されているマーク（例えばキューブコーナを構成している３枚のミラーの交線）をその感光アレイで検出し、そしてその感光アレイ上に発現したパターンを解析して再帰反射器のピッチ角、ヨー角及びロール角を求めるシステムであり、特許文献６（発明者：Prenninger）に記載のものがこれに該当している。

第５例は、キューブコーナ型再帰反射器の頂部に開口を形成し、その開口を介して位置検出器に光を送り、その位置検出器で標的のピッチ角及びヨー角を検出する一方、三通りある手段のいずれかでロール角を検出するシステムである。第１の手段では、追尾器上のカメラで再帰反射器付近の光入射点を検出する。第２の手段では、追尾器上の光源から比較的広い角度範囲に亘り光を輻射しそれを位置検出器でピックアップする。第３の手段では、追尾器上の光源から標的上にレーザ光を投射しその光で形成される縞を１個又は複数個のリニアアレイでピックアップする。特許文献７（発明者：Zumbrunn et al.）に記載のものが第５例に該当している。

米国特許第４７９０６５１号明細書 米国特許第４７１４３３９号明細書 米国特許第５９７３７８８号明細書 米国特許第６１６６８０９号明細書 米国特許第７２３０６８９号明細書 米国特許第５２６７０１４号明細書 米国特許第７３１２８６２号明細書 米国特許第７３５２４４６号明細書 米国特許第６６６７７９８号明細書 国際公開第ＷＯ２００６／０５５７７０号パンフレット

これら、レーザ追尾器を用い六自由度計測を行うシステムはいずれも問題を抱えている。まず、第１例では、再帰反射標的付近に存する複数個のＬＥＤ（発光ダイオード）等をカメラで捉えるようにしており、今日では標的を追尾器上部のカメラで捉えるものが市販されている。しかし、天頂軸を駆動しカメラを傾けるための駆動部や、ズームレンズを駆動し光スポットに合焦させるための駆動部といった駆動部が、複雑且つ高価なものとなっている。

第２例では、標的からの反射光を二軸機械式サーボ機構を用い追尾器に向け続ける構成か、或いはユーザがマニュアルで追尾器に向ける構成が採られる。前者の構成だと複雑且つ高価であるし、後者の構成だとユーザの手を煩わせてしまう。更に、第２例では、使用している偏向ビームスプリッタがレーザビームに対し直交していないと、高い偏向コントラストが得られない。従って、ハンドヘルドシステムで第２例を使用するとその性能が見劣りするものになりやすい。

第３例では、傾斜センサが傾斜（重力の作用）にも加速にも同様に応答するので、ハンドヘルドプローブ内にその傾斜センサを配置すると、手の動きによる加速がセンサの傾斜と誤認されてしまうことがある。この問題を緩和するため、応答を遅くするダンピング機構（例えばダンピング流体）がその製造元で傾斜センサに付加されることが多いけれども、そうしたダンピング機構付の傾斜センサでは、ロール角の変化に対する応答も遅くなってしまう。

第４例では、ビームスプリッタからの光を感光アレイに向け直に反射させ、キューブコーナ上の輝線をそのアレイで捉えるようにしている。そのため、ある限られた視野深さ内でしか、鮮明で歪みのない線像を感光アレイ上に形成することができない。

第５例では、その再帰反射器に開口を設ける必要がある。開口があると再帰反射器の性能が幾ばくか低くなる。その開口の背後に配する位置検出器は、感光アレイとすることも位置検出素子（ＰＳＤ）とすることも可能であるが、感光アレイだと開口からの光に対する応答がやや遅く、ＰＳＤだとやや不正確になる。更に、追尾器上には前述した三種類のロール角検出手段のうちいずれかが搭載される。それらはどれも複雑で高価である。

従って、今求められているのは、これらの問題を踏まえ、簡略、安価且つ正確なレーザ追尾器利用型六自由度計測システムを実現することである。

本発明の一実施形態は、追尾ユニット及び標的を備える六自由度計測用のレーザ追尾システムである。本システムの追尾ユニットは、少なくとも一軸周りで回動可能な被支持アセンブリを有し、その被支持アセンブリは、第１レーザビームを輻射する主光学アセンブリと、二次元パターンを呈するよう第２レーザビームを輻射するパターン投射アセンブリと、を有する。本システムの標的は、再帰反射器及びその近傍に位置する位置検出アセンブリを有し、その再帰反射器の対称中心は、位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にある。

本発明の他の実施形態は、六自由度計測用のレーザ追尾システム内で使用されるパターン投射アセンブリである。本アセンブリは、レーザビームを輻射するレーザ光源と、そのレーザビームを拡張するビームエクスパンダと、拡張されたレーザビームを二次元パターンへと整形する整形部材と、を備える。

本発明の他の実施形態は、六自由度計測用のレーザ追尾システムと併用される標的である。本標的は、再帰反射器と、その近傍に位置する位置検出アセンブリと、を備える。その再帰反射器の対称中心は、位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にある。

本発明の他の実施形態は、標的の向きを計測する方法である。本方法は、再帰反射器及びその近傍に位置する位置検出アセンブリを有し且つその再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にある標的を準備するステップと、二次元パターンを呈するようレーザビームをその標的に入射させるステップと、位置検出アセンブリ上における二次元パターンの位置を調べそのパターンの向きを示すシグネチャ値を計測するステップと、得られた実測シグネチャ値を理論シグネチャ値と繰返し比較するステップと、実測シグネチャ値と理論シグネチャ値との差が収束条件を満たしたときにその実測シグネチャ値に基づき標的の向きを算出するステップと、を有する。

六自由度追尾システムの一例構成を示す斜視図である。 追尾ユニットの一例構成を示す分解図である。 追尾ユニットの一例構成を示す断面図である。 被支持アセンブリの一例構成を示すブロック図である。 被支持アセンブリ及び標的の一例構成を示す斜視図である。 パターン投射の一例構成を示す頂面図である。 パターン投射の一例構成を示す側面図である。 アポダイザ透過パターンの一例を示す図である。 伝搬中のレーザビームにおけるアポダイザ出射時照度パターンの一例を示す三次元プロット図である。 伝搬中のレーザビームにおける３０ｍ伝搬後照度パターンの一例を示す三次元プロット図である。 標的の一例構成を示す模式的頂面図及び側面図である（入射角＝０°）。 標的の一例構成を示す模式的頂面図及び側面図である（入射角＝４５°）。 標的の別例構成を示す模式的頂面図及び側面図である（入射角＝０°） 。 標的の別例構成を示す模式的頂面図及び側面図である（入射角＝４５°）。 ヨー角のみの状態（Ａ）からピッチ角のみの状態（Ｋ）まで１０°刻みで傾斜方向を変化させつつ、標的の一例動作を示す模式的頂面図である（入射角＝４５°）。 誤差特性の一例を示すグラフである。 位置検出器上のレーザ入射パターンに係る実測シグネチャ値を求める手順の一例を示す図である。 プローブ端位置算出用繰返し手順の一例を示す図である。 カメラアセンブリを複数個有するレーザ追尾システムを示す斜視図である。

以下、図面を参照し幾つかの実施形態を示すこととする。本発明の技術的範囲に対する限定事項として解釈しないよう注意されたい。諸部材には複数の図を通じ同様の参照符号を付してある。

図１に六自由度追尾システムの一例１０００を示す。本システム１０００は、追尾ユニット１００、標的(target)４００、電源／制御ユニット１０及びコンピュータ２０を備え、六自由度例えばｘ座標、ｙ座標、ｚ座標、ピッチ角、ロール角及びヨー角に亘り標的４００を追尾可能なシステムである。。

追尾ユニット１００は方位軸(azimuth)アセンブリ１１０、天頂軸(zenith)アセンブリ１４０及び被支持(payload)アセンブリ１７０を備えている。方位軸アセンブリ（ポストアセンブリ）１１０はその搭載先スタンドに対し固定されており、天頂軸アセンブリ（ヨークアセンブリ）１４０は方位軸５１０周りで可回動、被支持アセンブリ１７０は天頂軸５２０周りで可回動とされている。更に、被支持アセンブリ１７０は、天頂軸アセンブリ１４０上に搭載されているため、方位軸５１０に加え天頂軸５２０周りでも回動させることができる。

電源／制御ユニット１０は、追尾ユニット１００への電力供給に加え制御機能及び情報処理機能を担っている。コンピュータ２０は、種々のデータ解析及び表示用パッケージソフトウェアを実行する。

そして、標的４００は、再帰反射器４１０、位置検出アセンブリ４３０、プローブ本体４５０、プローブ軸４６０、プローブ端４７０、位置決めスポット４８０（図５参照）、電子回路（図示せず）、バッテリ（図示せず）等の構成部材を備えており、それらは堅固に相互装着されている。位置検出アセンブリ４３０は位置検出器４３２及び光学フィルタ４３４を幾つか備えている。追尾ユニット１００から輻射されるレーザビーム５５０は、それら反射器４１０及び検出器４３２に入射される。

［方位軸アセンブリ及び天頂軸アセンブリ］
図２及び図３に追尾ユニット１００の詳細を示す。図２は分解図、図３は断面図である。まず、方位軸アセンブリ１１０は、ポストハウジング（ポストフレーム）１１２、方位軸エンコーダアセンブリ１２０、下側方位軸ベアリング１１４Ａ、上側方位軸ベアリング１１４Ｂ、方位軸モータアセンブリ１２５、方位軸スリップリングアセンブリ１３０及び方位軸回路基板１３５を備えている。

方位軸エンコーダアセンブリ１２０は、ポストハウジング１１２に対するヨークハウジング（ヨークフレーム／被支持ハウジング）１４２の回動角を正確に計測するためのものであり、エンコーダディスク１２１及び読取ヘッドアセンブリ１２２を備えている。そのディスク１２１はヨークハウジング１４２のシャフトに装着されており、読取ヘッドアセンブリ１２２は固定の方位軸アセンブリ１１０に装着されている。読取ヘッドアセンブリ１２２は回路基板上に読取ヘッドを１個又は複数個固定した構成であり、その読取ヘッドはディスク１２１上の精細な格子線にレーザビームを送りそこで反射された光を検出する。１個又は複数個の読取ヘッド上にある検出器で検出された反射光を処理することで、固定の読取ヘッドを基準にディスク１２１の回転角を求めることができる。

方位軸モータアセンブリ１２５はロータ１２６及びステータ１２７を備えている。方位軸モータロータ１２６はヨークハウジング１４２のシャフトに直付けされた永久磁石を、また方位軸モータステータ１２７は所定の磁界を発生させる界磁巻線を備えており、その磁界とロータ１２６の永久磁石による磁界との作用で所望の回転運動がもたらされるよう構成されている。ステータ１２７はポストハウジング１１２に装着されている。

方位軸回路基板１３５はエンコーダ、モータ等の方位軸関連部材の動作に必要な電気的諸機能を担う回路基板（群）である。電源／制御ユニット１０からは、対追尾器電力供給及び対追尾器信号授受のためのワイヤ束１３８が延ばされており、それらのうち一部のワイヤが基板１３５上のコネクタに接続されている。図３に示す例では、基板１３５、読取ヘッドアセンブリ１２２及び方位軸モータアセンブリ１２５にワイヤが巡らされているほか、方位軸スリップリングアセンブリ１３０の内側部品１３２にも一部のワイヤが巡らされている。このアセンブリ１３０は外側部品１３１及び内側部品１３２で構成されており、内側部品１３２は方位軸アセンブリ１１０に装着されているので固定、外側部品１３１は天頂軸アセンブリ１４０に装着されているので内側部品１３２に対し可回動である。このアセンブリ１３０が備わっているので、低インピーダンスでの電気的接触を保ちながら内側部品１３２に対し外側部品１３１を回動させることができる。

次に、天頂軸アセンブリ１４０は、ヨークハウジング１４２、天頂軸エンコーダアセンブリ１５０、左側天頂軸ベアリング１４４Ａ、右側天頂軸ベアリング１４４Ｂ、天頂軸モータアセンブリ１５５、天頂軸スリップリングアセンブリ１６０及び天頂軸回路基板１６５を備えている。

天頂軸エンコーダアセンブリ１５０は、ヨークハウジング１４２に対する被支持フレーム１７２の回動角を正確に計測するためのものであり、天頂軸エンコーダディスク１５１及び天頂軸読取ヘッドアセンブリ１５２を備えている。そのディスク１５１はヨークハウジング１４２のシャフトに装着されており、読取ヘッドアセンブリ１５２はそのハウジング１４２に装着されている。天頂軸読取ヘッドアセンブリ１５２は回路基板上に読取ヘッドを１個又は複数個固定した構成であり、その読取ヘッドはディスク１５１上の精細な格子線にレーザビームを送りそこで反射された光を検出する。１個又は複数個の読取ヘッド上にある検出器で検出された反射光を処理することで、固定の読取ヘッドを基準にディスク１５１の回転角を求めることができる。

天頂軸モータアセンブリ１５５はロータ１５６及びステータ１５７を備えている。天頂軸モータロータ１５６は被支持フレーム１７２のシャフトに直付けされた永久磁石を、また天頂軸モータステータ１５７は所定の磁界を発生させる界磁巻線を備えており、その磁界とロータ１５６の永久磁石による磁界との作用で所望の回転運動がもたらされるよう構成されている。ステータ１５７はヨークハウジング１４２に装着されている。

天頂軸回路基板１６５はエンコーダ、モータ等の天頂軸関連部材の動作に必要な電気的諸機能を担う回路基板（群）である。方位軸スリップリング外側部品１３１からは電力乃至信号搬送用のワイヤ束１６８が延ばされており、それらのうち一部のワイヤが基板１６５上のコネクタに接続されている。図３に示す例では、基板１６５、天頂軸モータアセンブリ１５０及び読取ヘッドアセンブリ１５２にワイヤが巡らされているほか、天頂軸スリップリングアセンブリ１６０の内側部品１６２にも一部のワイヤが巡らされている。そのアセンブリ１６０は外側部品１６１及び内側部品１６２で構成されており、内側部品１６２はヨークハウジング１４２に装着されているので方位軸周りで可回動だが天頂軸周りで非可回動、外側部品１６１は被支持フレーム１７２に装着されているので方位軸周り及び天頂軸周りで可回動である。このアセンブリ１６０が備わっているので、低インピーダンスでの電気的接触を保ちながら、内側部品１６２に対し外側部品１６１を回動させることができる。

［主光学アセンブリ］
図４に、被支持アセンブリ１７０に備わる主光学アセンブリ２００をパターン投射アセンブリ（縞発生／投射アセンブリ）３００と共に示す。本アセンブリ２００は、電気変調器２１０、レーザ光源２１５、距離計測用電子回路２２０、位置検出器２３０、ビームスプリッタ２４０及び２４２、ダイクロイックビームスプリッタ２４４並びに出射窓２４６を備えている。そのスプリッタ２４０には光源２１５からのレーザビーム２５０が入射する。この例ではスプリッタ２４０がガラス製だが、光ファイバ製のビームスプリッタ等も使用することができる。スプリッタ２４０はレーザビームの一部を透過、一部を反射させる部材であり、再帰反射により返ってきたレーザビームの一部を回路２２０へと送るのに必要である。図示例でその距離計測方式として採用されているのは、強度変調及び位相計測を利用したＡＤＭ、例えば特許文献８（発明者：Bridges and Hoffer）に記載のそれである。本アセンブリ２００における距離計測を他のタイプのＡＤＭで行うことや、ＡＤＭではなく干渉計で行うこともできる。干渉計の場合は変調器２１０が不要、処理用の電子回路が別種のもの、レーザ光源が別種のものになり、またレーザ光源が既知波長にて周波数安定なこと及びそのコヒーレント長が長いことが求められる。ＡＤＭの場合、レーザ光源を数ＧＨｚ以上の周波数にて変調することができる。本アセンブリ２００で干渉計とＡＤＭを併用することも可能である。その場合、干渉計用レーザビームとＡＤＭ用レーザビームを出射途上で結合させ入射途上で分離させることができるよう、相応のビームスプリッタを用いるのが望ましい。

ビームスプリッタ２４２には、ビームスプリッタ２４０を透過してきたレーザビーム２５０が入射する。このスプリッタ２４２はレーザビームの大半（例えば８５％）を透過させその残り（例えば１５％）を反射させるよう構成されており、再帰反射により返ってきたレーザビームの一部はこのスプリッタ２４２によって位置検出器２３０へと送られる。こうする理由については後述する。ダイクロイックビームスプリッタ２４４は、スプリッタ２４２を透過してきたビーム２５０を、出射窓２４６を介し追尾ユニット１００から出射させる。このスプリッタ２４４は、パターン投射アセンブリ３００内で発生させたレーザビーム３７０を追尾ユニット１００からの出射途上でビーム２５０に結合させるのに使用されており、ある波長を透過させ他の波長を反射させるよう例えばガラスに薄膜誘電体多層被覆を設けることで形成されている。例えば、レーザ光源２１５が波長１５５０ｎｍの分布帰還（ＤＦＢ）レーザ、レーザ光源３１５が波長６３５ｎｍのダイオードレーザである場合、このスプリッタ２４４の被覆は、１５５０ｎｍレーザビームを透過させ６３５ｎｍレーザビームを反射させるものとすればよい。

追尾ユニット１００は、レーザビーム３７０と結合しレーザビーム５５０となったレーザビーム２５０を出射する。そのビーム２５０は再帰反射器４１０に入射する。その反射器４１０、例えばキューブコーナ型再帰反射器によるビームのクリッピングを抑えるには、追尾計測可能域全体に亘りビーム２５０のサイズを抑えるのが望ましい。追尾計測可能域全体に亘りビーム２５０のサイズを抑えるには、できる限りガウス関数に近づくようビーム２５０のプロファイルを整形すればよい。そうすることで、伝搬に伴うビーム２５０の角度的発散を極力抑えることができる。

再帰反射器４１０に達したレーザビーム２５０は、その反射器４１０の中央に入射した場合、入射時と同じ経路を遡行し追尾ユニット１００へと戻っていく。反射器４１０の中央からずれたところに入射した場合、その反射器４１０の他面へと反射され、入射時の経路と平行だが異なる経路を辿りユニット１００へと戻っていく。

追尾ユニット１００は、戻ってきたレーザビーム２５０を出射窓２４６越しに受け入れる。ビームスプリッタ２４２は、窓２４６及びダイクロイックビームスプリッタ２４４を通って戻ってきたビーム２５０を、部分的に反射させて位置検出器２３０へと送る。そのビーム２５０は、再帰反射器４１０の中央で反射してきた場合は検出器２３０の中央に入射し、反射器４１０の中央からずれたところで反射してきた場合は検出器２３０の中央からずれたところに入射する。後者の場合誤差信号が発生する。方位軸モータアセンブリ１２５及び天頂軸モータアセンブリ１５５はこの誤差信号に応じ作動し、反射器４１０の中央を向くようビーム２５０を駆動する。これにより、ユニット１００からのレーザビーム５５０に反射器４１０の動きが追従することとなる。言い換えれば、ビーム５５０で反射器４１０が追尾されることとなる。

なお、位置検出器２３０としては例えばＰＳＤを使用することができる。ラテラル効果型ＰＳＤもクォードラント型ＰＳＤも使用可能だが、レーザビーム入射位置に対する出力電圧の線形性が良好であるのでラテラル効果型ＰＳＤの方が望ましい。ＰＳＤに代え感光アレイ、例えばＣＣＤアレイやＣＭＯＳアレイを使用することもできる。これらのアレイは線形性が良好であるので、返ってくるビームの位置を非常に正確に検出することができる。

［パターン投射アセンブリ］
追尾ユニット１００及び電源／制御ユニット１０があれば、パターン投射アセンブリ３００無しでも再帰反射器４１０を三自由度に亘り計測することができる。ここでいう三自由度は標的に対する距離、方位角及び天頂角のことであり、これらは他の座標、例えばｘ座標、ｙ座標及びｚ座標へと換算することができる。しかしながら、ＳＭＲ等の追尾器用対称形状標的が付された物体ならばともかく、プローブ端４７０の座標は、三自由度計測では計測できないことがある。そのため、本システムでは六自由度に亘る計測を行う必要がある。

その六自由度計測を可能としているのは、主光学アセンブリ２００及び標的４００と連携して作動するパターン投射アセンブリ３００である。図４〜図７にその一例３００を示す。本アセンブリ３００はレーザ光源３１５、ビームエクスパンダアセンブリ３２０、アポダイザ３３０、特殊ミラー３４０及びカメラアセンブリ３５０を備えており、そのビームエクスパンダアセンブリ３２０は負レンズ３２２及び正レンズ３２４を備えている。カメラアセンブリ３５０はカメラ３５２及び１個又は複数個のＬＥＤ３５４を備えており、その位置から、特殊ミラー３４０に形成されている孔を介し標的４００を光学的に捉えることができる。光源３１５は例えば可視光レーザ、好ましくはアイセーフレンジに属するけれども物体を照らすと見える程度には強いパワーを有するものである。例えば、出力パワー３９ｍＷの赤色ダイオードレーザ、特にその出力モードが単一モード横方向モード出力、出射プロファイルがガウス関数的なプロファイル、ビームのＱ値が良好な値（例えばＭ²＜１．１）のものを使用するのが望ましい。そこで発生したレーザビーム３７０は、ビームエクスパンダアセンブリ３２０内のレンズ３２２及び３２４を透過する。レンズ３２２・３２４間隔が適宜調整されているので、正レンズ３２４を通ったビーム３７０は平行光になっている。本アセンブリ３００がよりコンパクトになるよう、ビーム３７０の光路をフォールド（方向転換）ミラー３６０，３６２で屈曲させることもできる。

また、図４に示した配置とは異なる配置でカメラ（群）を使用することもできる。例えば、図１７に示すように、被支持アセンブリ１７０の前面にある出射窓２４６を挟み又は取り巻くように、２個の小型カメラ３５２及びそれに付随する１個又は複数個のＬＥＤを対称又は非対称配置してもよい。こうした配置にすると、標的４００までの距離及び方向を立体視原理で推定することができる。カメラをヨークハウジング１４２上に実装することもできる。

アポダイザ３３０（又は他の適切な整形部材）は、平行光化されたレーザビーム３７０を整形して二次元パターンを発生させる。アポダイザ３３０は、例えば、光学セメントを使用しガラス板間に連続トーン膜透光器(continuous tone film transparency)を装着した構成である。アポダイザ３３０に達するビーム３７０は例えばガウス関数的なプロファイル及び４４ｍｍの直径を有しており、アポダイザ３３０で発生する二次元パターンは例えば複数本の縞を含んでいる。アポダイザ３３０の透過特性は、その出射部における照度（入射光の単位面積当たりパワー）が特定の特性、例えば次に述べる特性を呈するように設計されている。図８にアポダイザ３３０の透過出射特性例を示す。図示例はアポダイザ３３０の一辺が３８ｍｍ、縞の本数が８本、各縞の長さが１５ｍｍの例であり、アポダイザ中央部が直径８ｍｍの暗域となっている。アポダイザ３３０上に都合８本ある縞は、いずれも二次元ガウスパターンのそれと似通った形状で、その幅には方向毎の違いが生じている。縞の長手方向沿い形状は厳密にガウス関数的なものではない。ガウス関数的プロファイルの幅を大きく損ねずその縁でほぼ０へと円滑に遷移させる平滑フィルタが、先立って適用されているからである。これ以外のアポダイザパターンを使用し好適な結果を得ることも可能である。

図９に、アポダイザから出射される際のレーザビーム照度を示す。このレーザビームは、伝搬するにつれ回折しその形状が変化していく。図１０に、３０ｍ伝搬した後のレーザビーム形状を示す。

縞からなるパターンを他の手法で発生させることもできる。例えば回折素子を用いそうしたパターンを発生させる手法である。その種の素子の適用を繰り返すことで、線、方形、円等を含む様々なパターンを発生させることができる。発生するパターンを、その短手方向に沿いガウス関数的、長手方向に沿い略ガウス関数的なものとすることで、投射される縞の発散を抑え、また図心乃至極大値算出に際しバイアスとなりうるフレネル回折リプルの発生を抑えることができる。

何枚かの適切なレンズを用いパターンを発生させる手法もある。例えば、ガウス関数的な断面プロファイルを有する縞のパターンを４個の円柱レンズで発生させることができる。使用するビームは、一組のビームスプリッタ及び直角プリズムを用い生成、結合したものである。生成されるパターンは、そのパターンの中央でビーム強度が円滑に最小値へと低下していかない点で、図９及び図１０に示したパターンとは異なるものとなる。このパターンの質は、原理的に、アポダイザ３３０で得られるものと同等以上に良質とすることができる。

［標的］
標的４００は再帰反射器４１０を備えている。この反射器４１０はガラス製のキューブコーナプリズムであり、ある交点（いわゆる頂部）を共有する互いに垂直な三面を有している。その頂部付近の面は抗反射被覆で、また互いに直交する３個のガラス面は反射被覆（好ましくは薄膜誘電体多層被覆）で覆われている。こうした固形ガラス製のキューブコーナプリズムに代え、互いに直交するよう３枚のミラーを配した構成の再帰反射器、即ちオープンエアキューブコーナを使用することもできる。ただ、ガラス製キューブコーナプリズムの方がオープンエアキューブコーナよりも優れている。優れている点の一つは、スネルの法則に従いガラス内でレーザビームが屈折するため、オープンエアキューブコーナよりも許容角度範囲が大きくなる点である。他の一つは、ミラー配置スペースが不要であるため、その厚みの分だけ、位置検出器４３２の位置が反射器４１０に近くなる点である。

キューブコーナプリズムを形成しているガラスは、波長１５５０ｎｍでの屈折率が１．８０といった高屈折ガラス、例えば株式会社オハラ製Ｓ−ＴＩＨ５３（商品名）である。高屈折率ガラスには、空気中からそのガラスに入射した光が面法線近くまで屈折する、という長所がある。従って、再帰反射器４１０の前面中央に対し、その面におけるレーザビーム２５０の入射位置がより近い位置となる。これによって、キューブコーナプリズムの縁によるレーザビームのクリッピングが抑制される。

他の種類の再帰反射器、例えばキャッツアイ型再帰反射器を使用することもできる。キャッツアイ型再帰反射器は球状又は半球状のガラス製部材であり、その前面（湾曲面）に入射したレーザビームが、複数のガラス層を通り背面付近で小さな光スポットを形成するよう構成されている。その背面に施されている抗反射被覆で光が反射され、ガラス内を遡行して出射されるため、キャッツアイ型再帰反射器からは、入射レーザビームに対し略平行になるよう平行化された光が出射されることとなる。

次に、位置検出アセンブリ４３０は位置検出器４３２及び光学フィルタ４３４を、またその検出器４３２としてリニア感光アレイを備えている。このアレイはＣＭＯＳアレイとしてもよいが、ＣＣＤアレイの方がより速やかに入手することができる。例えば、ｅ２ｖテクノロジーズ社モデルＴＨ７８１５Ａ（商品名）を検出器４３２として使用するとよい。より具体的には、一辺１０μｍの画素４０９６個を有し、能動領域長が４０．９６ｍｍ、スルーリードを含めたチップパッケージの高さが５０ｍｍ、幅が１０．４７ｍｍのアレイを使用するとよい。

リニア感光アレイに代え、他の種類の位置検出器を使用することもできる。例えば、リニアアレイを変形して円環状にしてもよいし、二次元アレイを用いるようにしてもよい。

光学フィルタ４３４は光学帯域通過フィルタ（及び中性濃度フィルタ）で構成されており、その光学帯域通過フィルタはレーザビーム３７０の波長を含む狭波長域、例えば１０〜２０ｎｍの光しか通さず他の波長を反射乃至吸収するよう構成されている。その役目は、不要な背景光で位置検出器４３２が照らされ計測結果にバイアスやノイズが加わることを、防ぐことである。帯域通過フィルタは、ガラスを薄膜誘電体で多層被覆することで作成することができる。その反射特性は光の入射角に依存する。こうしたフィルタは、入射角全域に亘り任意波長を透過させるように設計することができる。例えば、±４５°の範囲で本標的を作動させうるよう設計するとよい。

光学フィルタ４３４に中性濃度フィルタを組み込むこともできる。まず、先に例示した通り、複数本の縞からなるパターンは十分に明るくすべきである。そうすれば、背景にある物体への入射を目で捉えることができるので、追尾ユニット１００が標的４００を追尾していないときでも、ユーザがレーザビームを素早く見つけることができる。他方、位置検出器４３２等のデバイスは、レーザビームの強すぎで飽和してしまわないよう、そのパワーが弱めのレーザビームで作動させるべきである。これら相反する要請を充足させる手法は二通りある。第１の手法は、再帰反射器４１０がレーザビーム２５０で追尾されていないときはレーザビーム３７０のパワーを強めにし、追尾が始まったら弱める、という手法である。第２の手法は、検出器４３２を覆うよう中性濃度フィルタを配置し、ビーム３７０の照度を適切なレベルに抑える、という手法である。後者の手法には、更に、検出器４３２の飽和パワーに対する背景光のパワー比を抑えることができる、という長所もある。所望の帯域通過特性が得られるよう中性濃度ガラスを複数の膜状誘電体層で被覆すれば、帯域通過フィルタの機能と中性濃度フィルタの機能とを、単一のフィルタで実現することもできる。

背景光に対するシステム感度を抑える手法としては、レーザビームのパワーを所定速度でオンオフ変調（チョッピング）し、それと同じ速度でそのレーザビームを検出する、という手法もある。この手法なら、背景光排除率を非常に高くすることができる。

光学フィルタ４３４は幾通りかの形態で実装することができる。例えば、各位置検出器４３２の頂部に直に接着してもよいし、物理的手段で各感光アレイから仕切るようにしてもよい。後者の場合、フィルタ４３４・検出器４３２間に空隙が発生する。更に、検出器４３２自体に被覆を施し光学フィルタ機能を持たせてもよい。

これら、再帰反射器４１０及び位置検出アセンブリ４３０はプローブ本体４５０に対し堅固に装着されており、プローブ軸４６０もプローブ本体４５０に対し堅固に装着されている。反射器４１０や位置検出器４３２は、相応の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する共通の構造材によって堅固に保持させるのが望ましく、プローブ本体４５０もその構造材に装着することができる。こうして構造材を共通にすることで、印刷回路基板形成素材の熱膨張や撓みによる機械的な動きを抑えることができる。

そして、図５に示した位置決めスポット４８０は、１個又は複数個のＬＥＤ３５４で照明される写真測量型標的（或いはＬＥＤ等の点光源）であり、レーザビーム３７０により形成される個々の縞と、位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂ上の対縞交差部位とを、互いに関連付けるのに使用されている。追尾ユニット１００が追尾モードで作動しているときには、レーザビーム５５０が常にカメラ３５２の中央を通り、そのカメラ３５２が標的４００の向きに対応する姿勢となっているので、スポット４８０をそのカメラ３５２で捉えることができる。例えば、標的４００が直立姿勢をとっているときには、スポット４８０がカメラ３５２の中央より下にある姿が、そのカメラ３５２に捉えられることとなる。

位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂと交差する縞の識別には、位置決めスポット４８０のほか幾種類かの装置を使用することができる。例えば、縞選別的にビームを阻止する機械式ビームブロッカをパターン投射アセンブリ３００内に設けてもよいし、標的４００や追尾ユニット１００の内部に傾斜センサを設け追尾ユニット１００に対する標的４００の傾斜に基づき個々の縞を識別してもよい。

位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂと交差した縞はその検出器により電気信号に変換される。その信号を電気的に処理することで、交差している縞の図心乃至極大点を検出することができ、また標的４００のヨー角、ピッチ角及びロール角やプローブ端４７０の座標を検出することができる。この処理は、標的４００上の電子回路で行うことも、追尾ユニット１００、電源／制御ユニット１０又はコンピュータ２０に有線又は無線中継してそこで行わせることもできる。

［計測原理］
図１１Ａに、キューブコーナ型の再帰反射器４１０及び位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの上面及び側面を示す。この図では、レーザビーム２５０が反射器４１０、レーザビーム３７０が検出器４３２Ａ，４３２Ｂに、それぞれ直交方向から入射している。ビーム２５０は、反射器４１０の頂面中央４１２を通り反射器４１０の頂部４１４に達している。ビーム２５０の向きは、検出器２３０及びモータアセンブリ１２５，１５５の連携動作により、頂部４１４に至る向きに保たれている。ビーム３７０は常にビーム２５０に従っている。図示例の場合、そのビーム３７０で形成される縞が三部位で検出器４３２Ａの能動領域４３３Ａと交差、三部位で右側の検出器４３２Ｂの能動領域４３３Ｂと交差している。こうした交差部位の個数は、後に詳述する通り、追尾ユニット１００に対する標的４００のロール角で左右される。

図１１Ｂに、キューブコーナ型の再帰反射器４１０及び位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの上面及び側面を示す。この図では、レーザビーム２５０が反射器４１０、レーザビーム３７０が検出器４３２Ａ，４３２Ｂに、それぞれ直交方向に対し４５°ずれた方向から入射している。ビーム２５０の向きは、空気からガラスへと入射する際に屈折して面法線のそれに近づく。使用しているガラスの屈折率が１．８であれば、スネルの法則に従い、面法線に対するビーム２５０の角度がａｒｃｓｉｎ（ｓｉｎ４５°／１．８）＝２３．１°となる。また、ビーム３７０も４５°の入射角で検出器４３２Ａ，４３２Ｂに入射している。そのため、縞で形成されるパターンの輪郭が、上方から見て円ではなく楕円となっている。そのビーム３７０で形成される複数本の縞を、反射器４１０の頂面に沿い直線的に延長すると、それらはある一点４１６で交わる。その交点４１６は、面法線に対するビーム２５０，３７０の傾斜角を増すにつれ、反射器４１０の頂面中央４１２から離れていく。

標的４００のピッチ角及びヨー角を求めることができるのは、交点４１６が頂面中央４１２から離れる動きを呈するからである。また、この動きが生じるのは、再帰反射器４１０の対称中心が位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの存在平面とは異なる面上にあるときである。この例のように反射器４１０がキューブコーナ型であれば、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す如くその条件が満たされる。反射器４１０の頂部が頂面よりも常に下方に来るからである。

図１２Ａ及び図１２Ｂに標的の別例構成１４００を示す。これは標的４００とほぼ同じ構成であるが、キューブコーナ型再帰反射器４１０の位置が位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの存在平面より幾分上にある点で異なっている。そのため、レーザビーム２５０が反射器４１０の頂面中央４１２に入射する部位は、実質的な入射部位を示す交点４１６からわかる通り標的４００におけるそれと同じであるが、レーザビーム３７０で形成される複数本の縞が能動領域４３３Ａ，４３３Ｂと交差する部位は、図１２Ｂに示す如く標的４００におけるそれと相違している。また、当該交点４１６も移動しており、側面図たる図１２Ｂに示す如く、ビーム２５０が空気中で辿っていた経路をガラス中に延長した先にある。即ち、ビーム２５０の中心が検出器４３２Ａ，４３２Ｂの存在平面と交わった点を上方から見たものが交点４１６となる。

再帰反射器４１０を位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの存在平面より上方に配するメリットは、頂面図に示す如く交点４１６が頂面中央４１２に近くなることや、縞のうち検出器４３２Ａ，４３２Ｂと交差する部分が短くなることである。反射器４１０の位置は、レーザビーム３７０で形成される縞が検出器４３２Ａ，４３２Ｂに届く範囲内で、任意幅に亘り高めることができる。

再帰反射器４１０の位置を位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの存在平面より上にした場合、市販のリニアＣＣＤアレイを用い、０〜４５°の範囲に亘りピッチ角及びヨー角を計測することができる。図１３にこの効果を示す。この図の右上隅にある小さな挿図は、ピッチ角、ロール角及びヨー角の取り決めを示している。ｘ軸は検出器４３２Ａ，４３２Ｂの長手方向と同方向であり、ヨー角はｘ軸周り回動角、ピッチ角はｙ軸周り回動角、ロール角はｚ軸周り回動角に相応している。

図１１Ｂ及び図１２Ｂに示した現象が発生するのは、標的４００がヨーイング中でピッチングしていないときである。レーザビーム３７０で形成される縞は、標的４００が左側にヨーイングすると、能動領域４３３Ａ上での間隔が拡がり能動領域４３３Ｂ上での間隔が狭まる。標的４００がピッチングすると、位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの表面に沿い図上で上下動する。標的４００がローリングすると、交点４１６周りで回動する。カメラアセンブリ３５０及び位置決めスポット４８０は、パターン投射アセンブリ３００で生成される個々の縞を、検出器４３２Ａ，４３２Ｂに対する個々の交差部位に関連付けるのに使用されている。

図１３にＡ〜Ｋとして示したのは一般例（但し傾斜角の合計値が４５°となるもの）である。傾斜方向は頂面中央４１２を交点４１６に結ぶ線から知ることができる。レーザビームで形成される複数本の縞は傾斜方向沿いに間延びし、その方向を長軸とする楕円状の輪郭を呈する。縞のなかに長軸と重なるものがないこともある。傾斜方向が位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂに対し垂直ならその傾斜はヨーイングのみ、平行ならピッチングのみの傾斜である。ヨーイングとピッチングが同時に生じることもある。ロール角は、何らかの基準に対し特定の縞がなす角度として、位置決めスポット４８０によりもたらされる情報等から知ることができる。

図１３中のＡは、レーザビーム入射方向に対する標的４００のヨー角が４５°、ピッチ角が０°の状態であり、レーザビーム３７０が標的４００に図の右側から入射しているため、ｙ軸（横軸）を長軸とする楕円が縞の延びで形成されている。その縞が位置検出器４３２Ａと三部位で交差し、位置検出器４３２Ｂと三部位で交差していることに留意されたい。同じく図１３中のＫは、標的４００のピッチ角が４５°、ヨー角が０°の状態であり、ビーム３７０が標的４００に図の上側から入射しているため、ｚ軸（縦軸）を長軸とする楕円が形成されている。ここでも縞は各三部位にて検出器４３２Ａ，４３２Ｂと交差しているが、縞が短いためその交差部位が縞の端部近傍に生じている。

図１３では、ＡからＫにかけて傾斜方向が１０°刻みで変化している。これらの図に示した通り、縞は単一の点４１６を挟み対をなしている。その点４１６を明確に指し示す縞対が常に複数個存在している。この条件が成り立っているので、標的４００のピッチ角及びヨー角を求めることができる。

［計測方法］
上述した計測原理は六自由度計測方法及び装置のあらましを表している。次に、使用可能な情報処理手法について説明する。

まず、位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの長手方向に沿った軸をｘ軸、位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの存在平面に直交する軸をｚ軸、ｘ軸及びｚ軸と直交する軸をｙ軸とする。追尾ユニットから到来するレーザビームに対する標的の姿勢は、これらに従い定義される三通りの角度φ、θ及びロール角で全面的に記述することができる。それらのうち角度θ及びφは、通例通り球面座標系に従いレーザビームを基準に定義される。即ち、θはｚ軸からレーザビームに至る角度、φはｘ軸からレーザビームの対ｘｙ平面投射像に至る角度である。φについては、便宜上、二次元的な図例えば図１１〜図１３で図の上方から到来するレーザビームのφが０°であると定める。従って、レーザビームが到来する方向は、φ＝＋９０°なら図の右方、＋１８０°なら下方、＋２７０°なら左方と表される。ロール角は、追尾ユニットからの輻射で形成された縞のうちある１本を基準として定める。例えば、標的（プローブ）４００及び追尾ユニット１００が図１に示す向き、レーザ輻射により形成される縞が図８に示す向きであるとする。アポダイザ上の縞のうち図８の右側、上寄りにあるものを基準縞とすれば、ロール角はその縞とφ＝０°の方向との関係で記述することができる。例えば、図中の基準縞はφ＝０°に対し２２．５°回動しているので、アポダイザから投射される光のロール角は２２．５°である、と称することができる。この初期位置に対しプローブが４５°傾斜したなら、新たなロール角は２２．５＋４５°＝６７．５°となる。このように、ロール角は０°から３６０°に至る任意の値を採りうる。

また、レーザビームの形状は、その伝搬につれ図９及び図１０に示した如く変化していく。ひいては位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂに対する縞の交差パターンも変化するので、その点を勘案する必要がある。更に、縞の形状が完全に均等な形状ではないので、厳密なレーザビーム対位置検出器交差パターンは、その縞の厳密な形状で左右される。従って、検出器４３２Ａ，４３２Ｂ上に現れるパターンを、様々な距離、様々な傾斜角（φ、θ及びロール角）にて何回かサンプリングするのが現実的である。

計測精度を高めるため、プローブ端４７０を再帰反射器４１０の直下に配することもできる。位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの信号対雑音比及びレーザビーム３７０の投射で形成されたパターンの変動性に基づく数値解析を行い、角度φ及びθを０°から４５°まで変化したときに生じる誤差（μｍ単位）を調べてみたところ、図１４に示す通り、最大誤差が２８μｍとなった。この領域でこの程度の小誤差なら十分に許容することができる。

［情報処理方法］
図１５に、位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂ上のレーザ入射パターンを示す実測シグネチャ値を求める手順の一例を示す。シグネチャとは極大点（山）及び極小点（谷）の位置のことであり、その極大点及び極小点は検出器４３２Ａ，４３２Ｂ上に最大６個まで現れる。個々の極大点の位置はいずれかの縞に対応しており、個々の極小点の位置は極大点同士の狭間に対応している。シグネチャを求めることで、更に、検出器４３２Ａ，４３２Ｂ上で各極大点乃至極小点の中央を占める交差の位置を、サブ画素精度で知ることができる。

その冒頭にある幾つかの処理ステップは、位置検出器４３２Ａ（第１リニアセンサ）についても位置検出器４３２Ｂ（第２リニアセンサ）についても同様に適用される。該当するのは蓄積、ローパス、間引き、導関数値導出、ゼロクロス探索、小極大点／極小点除外及び放物線当て嵌めの諸ステップである。これらのステップは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、コンピュータ等の情報処理装置で実行される。

まず、個々の位置検出器に入射されるレーザビームがパワー及びデューティ比の調整を受けており、またそのビームが入射される時間（積分時間）の調整も受けているものとする。パワー及びデューティ比の調整は追尾ユニット内で、また積分時間の調整は電子シャッタ時間の調整を通じリニアセンサ側で実行することができる。いずれの調整も、位置検出器を飽和させずに良好な信号対雑音比を得るためのものである。

画素値は複数個一組で高速サンプリングされる。この図では、それにより得られた画素値が蓄積されている。即ち、複数個一組の画素値が複数回収集され、画素毎に平均化されている。例えば、４０９６個一組の画素値が位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂから１６００フレーム／秒の速度で収集され、その画素値が１グループ＝８フレーム毎に平均化されるなら、４０９６画素一組の画素サンプル蓄積値が２００Ｈｚの実効的データ収集速度で得られることとなる。

その画素サンプル蓄積値は次いでローパスフィルタリング及び間引きに供される。これらのステップは単一のディジタルフィルタで実行することができる。ローパスフィルタリングは様々な手法で実行することができる。最も単純なのは、隣り合う幾つかの画素同士でその値を平均化する手法である。間引きは幾つかの画素サンプル蓄積値を排除し後段での処理を単純化する処理であり、それにより、データポイント数を当初数の例えば１／８に減らすことができる。

次いで、画素サンプル蓄積値から極大点及び極小点を抽出するため４個のステップが実行される。第１のステップでは隣接画素間の差分（導関数値）が導出される。第２のステップでは画素サンプル群が解析されそのゼロクロス、即ち極大点／極小点候補が識別される。第３のステップでは小さ過ぎる極大点／極小点候補、即ち候補のうち小規模過ぎてノイズの影響を受けやすいものや注目に値しないものが検討対象外とされる。第４のステップでは、残った極大点／極小点候補の付近にあるデータポイント群に放物線を当て嵌め、その極大点及び極小点の位置をサブ画素精度で求める。

更に、位置決めスポット４８０の位置を利用し、後の処理で開始位置とされる概略ロール角が求められる。カメラ３５２ではスポット４８０の位置が十分正確にわからないので厳密なロール角を求めることはできない。

こうして位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂの出力に基づき放物線上の極大点及び極小点が、また位置決めスポット４８０の位置に基づき概略ロール角が求まったら、情報処理装置は、その結果に基づき、検出器４３２Ａ，４３２Ｂ上に生じている極大点それぞれをレーザビームによる縞それぞれと照合する。

こうして計測されたシグネチャ値は、個々の縞との照合結果と、位置検出器４３２Ａ，４３２Ｂ毎のサブ画素精度位置とで構成されている。この実測シグネチャ値は図１６に示す比較処理関数に入力され、次に説明する手法に従い理論シグネチャ値と比較される。

この図に示す処理はφ、θ及びロール角の前回算出値に従い繰返し実行される。前回算出値として使用されるのは、標的（プローブ）４００の向きに関する最近の計測結果から得られたもの又は初期的な近似値として供給されたものである。

図中の当て嵌めルーチンでは、調整を何回か（通常は２乃至３回）繰返し実行することで、実測シグネチャ値・理論シグネチャ値間照合結果が最良となるθ、φ及びロール角の値が探索される。それにより得られたφ、θ及びロール角最良推定値は、レーザ追尾器による計測で判明している標的４００までの距離と共に、図中のスプラインテーブルに送られる。そのスプラインテーブルには、標的４００上での位置検出器・再帰反射器間位置関係を示す補償データも送られている。スプラインテーブルでは、そのデータに基づく補間により、極大点及び極小点のより正確な推定位置を示す理論シグネチャ値が導出される。

この処理は、実測シグネチャ値と理論シグネチャ値の差が十分に小さくなり、当て嵌めルーチンにおける収束条件が満たされるまで継続される。収束条件が満たされたら、φ、θ及びロール角最良推定値に基づきプローブ端の位置が算出される。この算出に際しては、プローブ及びその軸の長さや、プローブ及びその軸と標的４００の他部位との幾何学的関係が勘案される。

［標的捕捉用のカメラ］
カメラアセンブリ３５０はカメラ３５２及び１個又は複数個のＬＥＤ３５４を備えている。上述の通り、このアセンブリ３５０を位置決めスポット４８０と併用することで、位置検出器４３２に交差する個々の縞を識別することができる。加えて、このアセンブリ３５０を使用することで、三自由度計測か六自由度かを問わず汎用型レーザ追尾器の動作を拡張することができる。

汎用型レーザ追尾器を使用する場合、ＬＥＤを繰返し点灯させるのが普通である。ＬＥＤから発せられた光は再帰反射器で反射されて至近のカメラに戻る。そのカメラでは、通常の光景と併せ、ＬＥＤの点灯に同期し各再帰反射器が明るくなる光景が撮影される。その点灯のパターンから、オペレータは、再帰反射器の個数及び位置を素早く知ることができる。

カメラには標的を素早く捉えられるという利点がある。しかし、現在入手可能な追尾器では、カメラが（備わっていたとしても）追尾器光軸から外れた場所に配置されている。そうした配置では視差が生じるため、所要の再帰反射器を正確に向くよう追尾器を即座に駆動することができない。

この問題に関しては、視差が生じないよう、カメラアセンブリ３５０内のカメラ３５２を追尾器又はパターン投射アセンブリの光軸上に実装することで、対処することができる。また、図１７に示すように、追尾器又はパターン投射アセンブリの光軸に対し互いに等距離となるよう、２個のカメラ３５２をその光軸を挟み又は囲み対称配置することでも対処することができる。図１７に示すアセンブリ３５０では、出射窓２４６を挟むようカメラ３５２が、またそのカメラ３５２のそばにＬＥＤ３５４がそれぞれ配置されているので、三角測量により標的の位置を計測することができる。更に、複数個のカメラを光軸周りに非対称配置することでも対処することができる。即ち、２個のカメラで計測される二種類の角度と、それらのカメラが追尾器座標系内で占めている位置とがわかる限り、再帰反射器の三次元位置を算出することができる。

カメラアセンブリ３５０は任意の再帰反射器に向けることができる。オペレータは、コンピュータ画面上で所望のＳＭＲを指定することで、その動作を実行させることができる。また、視野内に入ったＳＭＲを自動的に捕捉するようコンピュータをセットアップしておくこともできる。この機能が格別に役立つのはＳＭＲが１個しかないときである。

こうした標的捕捉用カメラの代表的用途の一つに、多数の再帰反射標的を探すタイプの計測がある。本実施形態の追尾器では、コンピュータ画面上で次から次へとＳＭＲを指定し、個々の標的をその追尾器で探索することで、そうした計測を実行することができる。計測開始時にはレーザビームを標的のそばに向けておく。カメラアセンブリ３５０がインライン型であれば、その環境下で個々の再帰反射器が占めている位置を迅速に自動特定して探索パターンを自動作成することができる。特に、標的への到達が困難な場合には、これによって時間をかなり節約することができる。この時間節約効果の好適例は航空機の胴体分離面連結である。航空機の胴体分離面同士を連結する際には、例えば、胴体分離面上に装着されている多数の小型再帰反射標的が使用される。それらの多くは到達困難な位置にある。標的探索の全自動化は胴体分離面間連結作業の簡略化につながる。

以上、その具体的な実施形態を参照して本発明について説明した。ご理解頂けるように、それらに対しては、本発明の技術的範囲から逸脱することなく様々な変形を施すことができる。別紙特許請求の範囲における記載は、本発明の技術的範囲に収まる限りでそうした変形形態を包含するものである。

即ち、上述した諸実施形態はあくまで限定ではなく例示である。本発明の技術的範囲は以上の説明ではなく別紙特許請求の範囲によって示されている。文理上又は均等論上特許請求の範囲の記載に該当するものであれば、どういった変形形態も、本発明の技術的範囲に包含されるものと解されたい。

Claims (49)

1. 少なくとも一軸周りで回動可能な被支持アセンブリ、その被支持アセンブリ上にあり第１レーザビームを輻射する主光学アセンブリ及び同じく被支持アセンブリ上にあり二次元パターンを呈するよう第２レーザビームを輻射するパターン投射アセンブリを有する追尾ユニットと、
   再帰反射器及びその近傍に位置する位置検出アセンブリを有し、その再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にある標的と、
   を備える六自由度計測用のレーザ追尾システム。
2. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、上記主光学アセンブリが、
   上記第１レーザビームを輻射する第１レーザ光源と、
   距離計測用電子回路と、
   再帰反射されたレーザビーム又はその一部を距離計測用電子回路に送る第１ビームスプリッタと、
   位置検出器と、
   再帰反射されたレーザビーム又はその一部を位置検出器に送る第２ビームスプリッタと、
   を有するレーザ追尾システム。
3. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、上記パターン投射アセンブリが、
   第２レーザビームを輻射する第２レーザ光源と、
   その第２レーザビームを拡張するビームエクスパンダと、
   拡張された第２レーザビームを上記二次元パターンへと整形する整形部材と、
   を有するレーザ追尾システム。
4. 請求項３記載のレーザ追尾システムであって、上記整形部材がアポダイザを有するレーザ追尾システム。
5. 請求項４記載のレーザ追尾システムであって、上記アポダイザが、ガラス板とガラス板の間に光学セメントで装着された連続トーン膜透光器を有するレーザ追尾システム。
6. 請求項３記載のレーザ追尾システムであって、上記整形部材が回折素子を有するレーザ追尾システム。
7. 請求項３記載のレーザ追尾システムであって、上記整形部材が、複数個のレンズ、複数個のビームスプリッタ及び複数個のプリズムを有するレーザ追尾システム。
8. 請求項３記載のレーザ追尾システムであって、上記二次元パターンが、複数本の縞を有するパターンを含むレーザ追尾システム。
9. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、
   上記追尾ユニットが、スタンドに実装された方位軸アセンブリと、方位軸周りで回動させうるよう方位軸アセンブリに実装された天頂軸アセンブリと、天頂軸周りで回動させうるよう天頂軸アセンブリに実装された上記被支持アセンブリと、を有し、
   上記方位軸アセンブリが、天頂軸アセンブリを方位軸周りで回動させる方位軸モータアセンブリと、天頂軸アセンブリの回動角を計測する方位軸エンコーダアセンブリと、を有し、
   上記天頂軸アセンブリが、上記被支持アセンブリを天頂軸周りで回動させる天頂軸モータアセンブリと、当該被支持アセンブリの回動角を計測する天頂軸エンコーダアセンブリと、を有するレーザ追尾システム。
10. 請求項９記載のレーザ追尾システムであって、上記追尾ユニットが、再帰反射されたレーザビームが所定位置から外れた位置でその位置検出器に入射したとき誤差信号を発生させる位置検出器を有し、上記第１レーザビームが上記再帰反射器の中央に入射するようその誤差信号に従い上記方位軸モータアセンブリ及び天頂軸モータアセンブリが上記被支持アセンブリを回動させるレーザ追尾システム。
11. 請求項３記載のレーザ追尾システムであって、上記パターン投射アセンブリが、カメラ及び１個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを備え、そのカメラアセンブリが、当該パターン投射アセンブリの光軸上に存するレーザ追尾システム。
12. 請求項３記載のレーザ追尾システムであって、上記パターン投射アセンブリが、めいめいにカメラ及び１個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを複数個備えるレーザ追尾システム。
13. 請求項１１記載のレーザ追尾システムであって、上記標的が位置決めスポットを有するレーザ追尾システム。
14. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、上記再帰反射器がキューブコーナ型再帰反射器であるレーザ追尾システム。
15. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、上記再帰反射器及び位置検出アセンブリが共通の構造材に堅固連結されたレーザ追尾システム。
16. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、上記標的がプローブを有するレーザ追尾システム。
17. レーザビームを輻射するレーザ光源と、
    そのレーザビームを拡張するビームエクスパンダと、
    拡張されたレーザビームを二次元パターンへと整形する整形部材と、
    を備え、六自由度計測用のレーザ追尾システムで使用されるパターン投射アセンブリ。
18. 請求項１７記載のパターン投射アセンブリであって、上記整形部材がアポダイザを有するパターン投射アセンブリ。
19. 請求項１８記載のパターン投射アセンブリであって、上記アポダイザが、ガラス板とガラス板の間に光学セメントで装着された連続トーン膜透光器を有するパターン投射アセンブリ。
20. 請求項１７記載のパターン投射アセンブリであって、上記整形部材が回折素子を有するパターン投射アセンブリ。
21. 請求項１７記載のパターン投射アセンブリであって、上記整形部材が、複数個のレンズ、複数個のビームスプリッタ及び複数個のプリズムを有するパターン投射アセンブリ。
22. 請求項１７記載のパターン投射アセンブリであって、上記二次元パターンが、複数本の縞を有するパターンを含むパターン投射アセンブリ。
23. 請求項１７記載のパターン投射アセンブリであって、カメラ及び１個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを備え、そのカメラアセンブリが、本パターン投射アセンブリの光軸上に存するパターン投射アセンブリ。
24. 請求項１７記載のパターン投射アセンブリであって、めいめいにカメラ及び１個又は複数個の発光ダイオードを有するカメラアセンブリを複数個備えるパターン投射アセンブリ。
25. 再帰反射器と、
    その近傍に位置する位置検出アセンブリと、
    を備え、その再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にあり、六自由度計測用のレーザ追尾システムと併用される標的。
26. 請求項２５記載の標的であって、位置決めスポットを備える標的。
27. 請求項２５記載の標的であって、上記再帰反射器がキューブコーナ型再帰反射器である標的。
28. 請求項２５記載の標的であって、上記再帰反射器及び位置検出アセンブリが共通の構造材に堅固連結された標的。
29. 請求項２５記載の標的であって、プローブを備える標的。
30. 再帰反射器及びその近傍に位置する位置検出アセンブリを有し且つその再帰反射器の対称中心が位置検出アセンブリの存在平面とは異なる平面上にある標的を準備するステップと、
    二次元パターンを呈するようレーザビームをその標的に入射させるステップと、
    位置検出アセンブリ上における二次元パターンの位置を調べそのパターンの向きを示すシグネチャ値を計測するステップと、
    得られた実測シグネチャ値を理論シグネチャ値と繰返し比較するステップと、
    実測シグネチャ値と理論シグネチャ値との差が収束条件を満たしたときにその実測シグネチャ値に基づき標的の向きを算出するステップと、
    を実行して標的の向きを計測する方法。
31. 請求項３０記載の方法であって、
    上記二次元パターンとして、中央の点から放射状に延びる複数本の縞を有するパターンを発生させ、
    上記位置検出アセンブリとして、リニアな位置検出素子又は感光アレイを複数個有するものを使用する方法。
32. 請求項３１記載の方法であって、
    上記複数個の位置検出素子又は感光アレイが複数個の画素を有し、
    二次元パターンの位置を調べるステップが、
    複数個一組の画素それぞれにつきその画素値を繰返し収集して平均化することで複数個一組の画素サンプル蓄積値を生成するステップと、
    その画素サンプル蓄積値をフィルタリングするステップと、
    当該画素サンプル蓄積値を間引くステップと、
    隣接画素間の導関数値を算出するステップと、
    その導関数値におけるゼロクロスを検出することで極大点及び極小点の候補を識別するステップと、
    所定のしきい値より小規模な候補を検討対象外とするステップと、
    残った候補の付近にあるデータポイント群に放物線を当て嵌めるステップと、
    を含む方法。
33. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、上記位置検出アセンブリが、
    位置検出素子又は感光アレイと、
    その上に存する光学フィルタと、
    を有するレーザ追尾システム。
34. 請求項３３記載のレーザ追尾システムであって、上記位置検出アセンブリが、位置検出素子又は感光アレイを複数個有するレーザ追尾システム。
35. 請求項３３記載のレーザ追尾システムであって、上記感光アレイたるＣＣＤ又はＣＭＯＳアレイを備えるレーザ追尾システム。
36. 請求項３４記載のレーザ追尾システムであって、上記位置検出素子又は感光アレイたるリニアアレイを複数個備えるレーザ追尾システム。
37. 請求項３３記載のレーザ追尾システムであって、上記光学フィルタが光学帯域通過フィルタ及び中性濃度フィルタを有するレーザ追尾システム。
38. 請求項２５記載の標的であって、上記位置検出アセンブリが、
    位置検出素子又は感光アレイと、
    その上に存する光学フィルタと、
    を有する標的。
39. 請求項３８記載の標的であって、上記位置検出アセンブリが、位置検出素子又は感光アレイを複数個有する標的。
40. 請求項３８記載の標的であって、上記感光アレイたるＣＣＤ又はＣＭＯＳアレイを備える標的。
41. 請求項３９記載の標的であって、上記位置検出素子又は感光アレイたるリニアアレイを複数個備える標的。
42. 請求項３８記載の標的であって、上記光学フィルタが光学帯域通過フィルタ及び中性濃度フィルタを有する標的。
43. 請求項１記載のレーザ追尾システムであって、
    上記位置検出アセンブリ上における上記二次元パターンの位置を調べそのパターンの向きを示すシグネチャ値を計測するステップと、
    得られた実測シグネチャ値を理論シグネチャ値と繰返し比較するステップと、
    実測シグネチャ値と理論シグネチャ値との差が収束条件を満たしたときにその実測シグネチャ値に基づき上記標的の向きを算出するステップと、
    を実行する電子回路を備えるレーザ追尾システム。
44. 請求項４３記載のレーザ追尾システムであって、
    上記二次元パターンが、中央の点から放射状に延びる複数本の縞を有するパターンであり、
    上記位置検出アセンブリが、リニアな位置検出素子又は感光アレイを複数個有するレーザ追尾システム。
45. 請求項４４記載のレーザ追尾システムであって、
    上記複数個の位置検出素子又は感光アレイが複数個の画素を有し、
    上記電子回路が、
    複数個一組の画素それぞれにつきその画素値を繰返し収集して平均化することで複数個一組の画素サンプル蓄積値を生成するステップと、
    その画素サンプル蓄積値をフィルタリングするステップと、
    当該画素サンプル蓄積値を間引くステップと、
    隣接画素間の導関数値を算出するステップと、
    その導関数値におけるゼロクロスを検出することで極大点及び極小点の候補を識別するステップと、
    所定のしきい値より小規模な候補を検討対象外とするステップと、
    残った候補の付近にあるデータポイント群に放物線を当て嵌めるステップと、
    を実行するレーザ追尾システム。
46. 少なくとも一軸周りで回動可能な被支持アセンブリを有する追尾ユニットを備え、
    その被支持アセンブリが、
    第１レーザビームを輻射する主光学アセンブリと、
    それぞれカメラ及び１個又は複数個の発光ダイオードを有する複数個のカメラアセンブリと、
    を有するレーザ追尾システム。
47. 請求項４６記載のレーザ追尾システムであって、都合複数個備わるカメラの配置が、上記被支持アセンブリの光軸周りで対称であるレーザ追尾システム。
48. 請求項４６記載のレーザ追尾システムであって、都合複数個備わるカメラの位置が、上記被支持アセンブリの出射窓付近であるレーザ追尾システム。
49. 請求項４６記載のレーザ追尾システムであって、
    再帰反射器を有する標的を備え、
    都合複数個備わるカメラを用いその標的を立体視して標的に対する距離及び角度を推定するレーザ追尾システム。

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