JP5931225B2 - 干渉計を用いて距離変化を算定するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されている、可動性且つ反射性のターゲットまでの距離変化を算定するための方法、並びに、請求項１２に記載されている、本発明による方法を実施するための測定装置に関する。

ターゲット点の継続的な追跡及びその点の座標位置を決定するために構成されている測定装置を、特に工業用の測定との関連において、一般的にレーザトラッカという概念の下に統合することができる。このレーザトラッカにおいては、測定装置の光学的な測定ビーム、特にレーザビームの照準が合わせされる逆反射ユニット（例えば立方体プリズム）によってターゲット点を表すことができる。レーザビームは平行に再び測定装置に向かって反射され、反射されたビームは測定装置の検出ユニットによって検出される。その際に、ビームの放射方向又は受信方向が、例えば、システムの偏向ミラー又は照準合わせユニットに対応付けられている角度測定用センサによって求められる。更にはビームの検出と共に、測定装置からターゲット点までの距離が、例えば伝播時間測定又は位相差測定によって求められる。

従来技術によるレーザトラッカに更に、二次元の感光アレイ、例えばＣＣＤカメラ又はＣＩＤカメラを備えているか、又はＣＭＯＳアレイを基礎とするカメラを備えている光学的な画像検出ユニット、若しくは、ピクセルアレイセンサ及び画像処理ユニットを設けることができる。その場合、レーザトラッカ及びカメラの位置が相互に相対的に変化しないように、それらを上下に重ねて取り付けることができる。カメラは例えばレーザトラッカと共に、その実質的に垂直方向の軸を中心にして回動可能であるが、しかしながら、レーザトラッカに依存せずに上方及び下方に旋回可能であり、従って特にレーザビームの光学系から離されて配置されている。更には、例えば各用途に応じて、カメラを一つの軸についてのみ旋回可能であるように実施することもできる。択一的な実施の形態においては、カメラをレーザ光学系と統合された構造様式で、共通の一つのケーシング内に組み込むことができる。

画像検出ユニット及び画像処理ユニットを用いて、相互の相対的な姿勢が既知である複数のマーキングを備えている、いわゆる測定補助器具の画像を検出及び評価することによって、空間内での測定補助器具の配向並びに測定補助器具に配置されている対象物（例えばプローブ）の配向を推定することができる。更には、ターゲット点の所定の空間的な位置と共に、レーザトラッカに絶対的及び／又は相対的である、空間内の対象物の位置及び配向を正確に決定することができる。

その種の測定補助器具をいわゆる接触式ツールによって実現することができ、この接触式ツールはその接触点を用いて、ターゲット対象物の一点に位置決めされる。接触式ツールはマーキング、例えば光点並びに反射器を有している。反射器は接触式ツール上のターゲット点を表し、またそのターゲット点にトラッカのレーザビームの照準を合わせることができる。その際、接触式ツールの接触点に相対的なマーキング及び反射器の位置は正確に既知である。測定補助器具は当業者には公知のように、非接触式の表面測定用の、例えば距離測定のために実施されている手持式のスキャナであっても良い。その場合、スキャナに配置されている反射器及び光点に相対的な、距離測定のために使用されるスキャナ測定ビームの方向及び位置は正確に既知である。その種のスキャナは例えばＥＰ ０ ５５３ ２６６に記載されている。

更に、現在のトラッカシステムにおいては、受信した測定ビームの、ゼロポジションからのずれが求められており、これは益々標準的に行われるようになっている。この測定可能なずれでもって、リトロリフレクタの中心と、そのリトロリフレクタにおけるレーザビームの入射点との位置の差を決定することができ、またその偏差に応じて、センサにおけるずれが低減されるように、特に「ゼロ」となるように、従ってビームが反射器の中心の方向に配向されるようにレーザビームの配向を修正又は更新することができる。レーザビームの配向の更新によって、ターゲット点の継続的な目標追跡（トラッキング）を行うことができ、また測定装置に相対的なターゲット点の距離及び位置を継続的に決定することができる。その際に、レーザビームを偏向させるために設けられている、モータ駆動式に移動可能な偏向ミラーの配向を変化させることにより、及び／又は、ビームを案内するレーザ光学系を有している照準合わせユニットを旋回させることにより、追跡を実現することができる。

上述のターゲットの追跡に先立って、レーザビームを反射器にロックオンすることが必要になる。このためにトラッカには、位置有感式センサを備えており、且つ比較的大きい視野を有する検出ユニットを付加的に配置することができる。更に、冒頭で述べたような装置には、ターゲット若しくは反射器を、特に距離測定手段の波長とは異なる所定の波長で照明する、付加的な照明手段が組み込まれている。この関係において、例えば外部光の影響を低減するか、又は完全に阻止するために、センサをその所定の波長付近の範囲に対してのみ感応性であるように構成することができる。照明手段を用いることによりターゲットを照明することができ、またカメラを用いることにより、反射器が照明されているターゲットの画像を検出することができる。特定の反射（特定の周波数の反射）をセンサに結像させることによって、画像内の反射位置を分解し、それと共に、カメラの検出方向に相対的な角度と、ターゲット若しくは反射器の方向とを特定することができる。その種のターゲットサーチユニットを備えているレーザトラッカの一つの実施の形態は例えばＷＯ ２０１０／１４８５２５ Ａ１から公知である。そのようにして導出される方向情報に依存して、レーザビームと、そのレーザビームによってロックオンされるべき反射器との間の距離が短縮されるように測定レーザビームの配向を変化させることができる。

距離測定のために従来技術によるレーザトラッカは、例えば干渉計として構成することができる、少なくとも一つの距離測定器を有している。その種の距離測定ユニットは相対的な距離変化しか測定することができないので、今日のレーザトラッカには干渉計の他にいわゆる絶対距離測定器も組み込まれる。例えば、距離を決定するためのその種の複数の測定手段の組み合わせは、Ｌｅｉｃａ Ｇｅｏｓｙｓｔｅｍｓ ＡＧの製品ＡＴ９０１から既知である。この関係において距離測定のために使用される干渉計は、コヒーレンス長が長いことに基づき、またそれによって実現される測定距離に基づき、主として光源としてガスレーザ、特にＨｅＮｅガスレーザを使用している。ＨｅＮｅレーザのコヒーレンス長は数百メートルであるので、比較的簡単な干渉計構造でもって、工業的な測定技術において要求される測定距離を達成することができる。距離を決定するための干渉計及び絶対距離測定器をＨｅＮｅレーザと組み合わせることは、例えばＷＯ ２００７／０７９６００ Ａ１から公知である。

距離を算定するため、又は距離変化を算定するためにレーザトラッカにおいてその種の干渉計を使用することによって、それにより実施できる干渉式の測定法に基づき、非常に高い測定精度を実現することができる。

しかしながら、この有利な測定精度は、干渉計によって実施すべき測定のロバスト性及び信頼性に相反する。干渉計を用いて距離変化の正確な測定を実施するために、特にターゲットを追跡する際に継続的で正確な測定を実施するために、干渉作用（強度最大値及び強度最小値）によって形成される干渉計パルスが継続的に検出されて正確に読み出されることが、その測定中に保証されなければならない。この場合、距離変化の算定は検出された干渉計パルスの個数に依存する。特に干渉計とターゲットとの間の距離が長い場合には、ターゲットによって反射された測定ビームが比較的弱い強度で検出され、また干渉計検出器が備える感度がパルスを明確に検出するには十分でないことから、干渉計パルスの連続的な受信及び識別に障害が発生する可能性がある。それに起因して検出中に一つ又は複数の干渉計パルスが喪失することによって、その干渉計パルスに依存する距離変化の算定にエラーが付随する可能性がある。更に、反射性のターゲットが高速に移動することによって、またそれと共に生じる干渉計検出器での強度変動又は強度低下によって、パルスの検出において（一つ又は複数のパルスがカウントされないという）エラーが惹起される。特に、サーボモータ制御により実施できるレーザビームのターゲット追跡よりも高速に反射器が移動する場合には、ターゲットを追跡している間にそのようなエラーが発生する可能性がある。算定できる距離変化は識別されたパルスの個数に依存するので、そのことから、エラーのある距離測定値が形成される可能性がある。

この関係における更なる欠点は、上述したように測定にエラーがある場合に、確かに測定値を形成することができるが、しかしながらシステムのユーザはこの測定エラーを認識しないか、又は、達成可能な測定分解能に基づき、この測定エラーを認識できず、従って形成された測定値を正確であるとみなしてしまうことである。そのようにしてエラーを考慮しないことが繰り返されることによって、個々のエラー測定が累積され、結果として生じる（総）測定エラーが大きくなる可能性がある。

従って、本発明の課題は、干渉式の測定がその正確性について検査され、特に継続的に検査される、測定装置のための機能、特にレーザトラッカのための機能を提供することである。

特に本発明の課題は、特に測定装置のための、とりわけレーザトラッカのための距離変化の算定に関する検査機能を、場合によっては起こり得る測定エラーが識別され、測定エラーが存在する場合には相応の情報が出力されるように提供することである。

本発明の別の課題は、距離変化を算定するために実施できる、干渉計を用いた測定の検査をその正確性について実施することができるレーザトラッカを提供することである。

本発明の別の課題は、エラーがあると識別された測定値を修正するための自動化された機能を提供することである。

これらの課題は、独立請求項の特徴部分に記載されている構成を実現することによって解決される。本発明を択一的なやり方又は有利なやり方で更に発展させる特徴は従属請求項に記載されている。

本発明は、可動性且つ反射性のターゲットまでの距離変化を干渉計によって算定するための方法に関し、この方法においては、ターゲットに測定ビームが送信され、ターゲットにおいて反射された測定ビームの少なくとも一部が受信され、また反射された測定ビームと基準ビームとが重畳され、その重畳が検出される。更に、少なくとも、検出された重畳に基づいて、ターゲットまでの距離に依存する干渉計出力量が導出され、その導出された干渉計出力量から、時間分解された出力量経過が形成され、また、その出力量経過に基づいて距離変化が求められる。

更に、出力量経過に基づいて、測定ビームの方向に関連付けられた、ターゲットの相対運動の少なくとも一つの運動パラメータが継続的に導出され、現実的に実行可能であり、実際に妥当性があり、且つ、経験上想定される、測定ビームの方向におけるターゲットの相対運動を表す、ターゲットの所定の運動判定基準が運動パラメータと継続的に比較され、且つ、運動判定基準が満たされない場合には情報が提供されることによって、出力量経過の継続的な検査が実施される。

従って、本発明による方法では、実施された干渉式の測定の、その正確さに関する自動化された判定を実施することができる。干渉計データから導出できるターゲット又は干渉式の測定装置の運動が、支配的な物理条件下で、また場合によっては、（例えば所定の運動を不可能にする測定空間内の障害物を伴う）既存の測定装置の配置構成において実際に実行することができる運動に対応するか否かを検査した後に、測定にエラーがあるか否か、又はどの程度の確率で測定にエラーがあるかを知らせる情報、即ち特にユーザに提供される情報を、例えばディスプレイ上にグラフィック表示することができるか、音響的な信号を用いて出力することができる。

特に、実際に有効な物理原理の枠内で実行可能な運動に関する判定基準による記述によって、その判定基準とは逆の条件、例えば有効な物理原理（例えば慣性）に反する不可能な相対運動に関する条件も規定することができる。一般的に、運動判定基準は、干渉式の測定によって決定される相対運動を実際に実行することができるか、又は実行することができない枠組みを定める。従って、この判定基準に基づき、測定された運動は拒絶すべきものであるか、又は受容できるものであるかを判定することができる。

一般的に、本発明では、干渉計出力量は、干渉計によって供給されるか、又は干渉計から出力され、且つ、継続的な検出によって出力量経過としてターゲットまでの距離変化を導出することができる特性量と解される。

ホモダイン干渉計に関して、干渉計出力量は、ターゲットまでの距離に依存する干渉状態（建設的な干渉又は破壊的な干渉）であると解され、また出力量経過は、干渉状態の継続的な検出によって形成される干渉経過であると解される。

ヘテロダイン干渉計に関して、干渉計出力量とは、測定検出器における測定重畳（異なる波長を有する測定ビームと基準ビームとを統合することによって生じるうねり）の位相位置と、基準検出器における基準量又はうねりの位相位置との比較であると解される。基準量は例えば、複数のビーム（測定ビーム及び／又は基準ビーム）の内の少なくとも一方を変調するための音響光学的な変調器の変調周波数によって電子的に形成することができる。ヘテロダイン干渉計に関して、出力量経過とは、測定重畳と基準量又は基準重畳との、時間分解され、継続的に検出された比較（位相差）であると解される。

特に、当業者には、干渉計に関する別の複数の実施の形態が公知であると考えられる。それらの実施の形態に関して、干渉計出力量は、特性量（出力量経過）の継続的な検出によって距離変化を検出することができるあらゆる特性量である。

出力量経過の本発明による継続的な検査によって、干渉計のそれらの種々の実施の形態について、ターゲットの相対運動を現実的に実行可能な運動に関して評価することができる。

本発明では、出力量経過を例えば、サンプリングレートに依存して結像又は分解することができる。即ち所定の期間内で、所定の回数の、特に調整可能な回数の測定を実施することができる。

更には出力量経過を、それぞれが時間情報を有している、（一連の建設的な干渉及び破壊的な干渉によって規定される）所定の期間内に測定されたパルスの個数だけで実現することができ、その場合、その個数は閾値を超過した回数に対応していると考えられる。即ち、このために、例えば検出された干渉計出力量を表す信号を継続的に検出することができ、その場合には、付加的にその信号に関する閾値も規定されており、その閾値を超過する度に（またその後に信号レベルが再び閾値以下になると）パルスがカウントされる。付加的な時間情報によって、そこから、所定の期間内の一連のパルスを決定し、運動パラメータとして使用することができる。

測定ビームの方向における相対運動、即ち、特にターゲットと干渉計との間、とりわけターゲットとレーザトラッカとの間の相対運動は、本発明との関係において、一般的に、放射される測定ビームによって規定される光学軸に沿った少なくとも一つの半径方向の運動であると解される。これは特に、干渉式に測定可能な相対運動に関して、二つの対象物（ターゲット及び測定装置）との間の距離が変化しなければならないことによる。

ターゲットまでの距離変化の算定に関して、一連の建設的な干渉及び破壊的な干渉から、特に強度最大値及び強度最小値から距離変化を求める際に、干渉計パルスを継続的に識別してカウントすることができ、特に、所定の期間内に検出された、干渉計パルスの個数から、ターゲットまでの距離変化を算定することができる。

パルスの個数から、また、測定ビームの既知であり且つ考慮すべき波長から、距離変化を非常に正確に算定することができる。測定された距離変化は検出されたパルスの個数に依存するので、本発明による方法（検査方法）では、例えばパルスがカウントされなかった、もしくは「パルスが失われた」測定がエラーのあるものとして識別される。これは、上述の運動パラメータと運動判定基準との比較によって行われ、パルスが欠落している場合には、出力量経過（この出力量経過においてはパルスが同様に欠落しており、従って実現不可能な運動が検出される）から導出された相対運動は拒絶される。

本発明によれば、情報の供給に依存して、求められた距離変化の補正を実施することができる、及び／又は、情報のグラフィックによる出力若しくは音響的な出力を行うことができる。本発明による方法では、実施された測定を適合させることができる。その適合において、補正後に導出される運動パラメータが運動判定基準を満たすように補正を実施することができ、特に、出力量経過の適合は、適合された出力量経過から導出された運動パラメータが運動判定基準を満たすように行われる。

それと共に本発明では、距離変化の測定の他に、生じた測定結果を検査することもでき、また測定にエラーのあることが確認されると能動的な介入を行い、測定パラメータ又は出力量経過を変化させることができる。その種の変化によって、運動判定基準と比較した際に判定基準が満たされているか否かが運動パラメータによって確認されるように、運動パラメータを適合させることができる。例えば、その際に、欠落があるものとして識別された干渉状態をモデリングして挿入することができ、その結果、そこから導出可能な出力量経過は、ターゲットの実行可能な運動を表す。特に、この関係において、例えばカルマンフィルタを用いて、パルス列（関連性のある複数のパルス）をシミュレートし、出力量経過に挿入することができる。特に、その種のパルス列の計算に際し、複数の予測器を用いるフィルタ法を使用することができる。

特に、（誤って）過度に多く検出された少なくとも一つのパルス（複数のパルス）によって、エラーのある測定が惹起される可能性がある。この場合、付加的なパルスを挿入する代わりに、誤って検出されたパルスを除去することができ、その結果、その後に導出可能な補正された出力量経過はターゲットの実行可能な相対運動を表す。

例えば、測定ビームの方向における相対運動に関する特性量を表す運動パラメータに関して、本発明による方法では、（時間分解されて読み出された）出力量経過から測定ビームの方向におけるターゲットの瞬時相対速度及び／又は瞬時相対加速度が運動パラメータとして導出されるように、運動パラメータを導出することができる。

これによって、測定装置又はターゲットのその時点の速度又は加速度（各速度又は加速度はターゲットと測定装置とが同時に移動することによっても生じると考えられる）を干渉計の検出器において検出された干渉現象に基づき表すパラメータを継続的に形成することができる。運動パラメータは特に、ターゲットに関する運動を表す別の特性量、例えば距離変化の（正又は負の）方向を表すことができる。

更に本発明によれば、干渉式に導出可能なターゲットの運動を表すために、出力量経過に依存して、特に時間分解された強度曲線を導出することができ、とりわけ、強度曲線の振幅及び／又は周波数から運動パラメータが導出される。

例えば、継続的に検出された強度変化の振幅又は周波数に関する値をパラメータとして使用することができ、また、振幅値又は周波数値が振幅閾値又は周波数閾値と比較され、その閾値の超過に依存して通知が生成されるように運動判定基準を規定することができる。その種の閾値を特に、干渉計検出器の感度に依存して規定することができる。更に、到来する信号、特に干渉計出力量又は出力量経過の信号レベルを継続的に検出し、そのレベルを運動パラメータとして使用することができる。その際、振幅の上述の評価と同様に、所定の信号レベル運動判定基準との比較を実施することができる。

干渉計を用いて検出可能な信号のノイズ及び／又は変動（それによって検出された周波数に変動が生じる可能性がある）に関して、特別なケースにおいては、所定の期間にわたり測定値を累積し、検出された信号の平均値を形成することもできる。例えば、周波数（又は振幅）に関する継続的な平均値を決定することができ、それによって、信号ノイズ及び信号変動に対するシステムのロバスト性を向上させることができる。

特に、本発明によれば、周波数変化及び／又は振幅変化としての運動パラメータを強度曲線から決定することができる。

例えば、周波数変化から相対運動の速度変化を推定することができる。更に、周波数変化は相対加速度に比例し、それによって、周波数変化の決定と共に、ターゲットの相対加速度を決定することができ、またその相対化速度を運動パラメータの導出のために考慮することができる。

運動判定基準の定義に関して、本発明では、運動パラメータに対して許容範囲を決定することができ、またその許容範囲を運動判定基準として規定することができ、特に、その許容範囲は少なくとも一つの閾値によって規定されている。

これによって、検査すべき個々の運動パラメータに対応する許容範囲を規定することができ、その際に、決定されたパラメータと各許容範囲又はその許容範囲に対して規定された閾値との比較に依存して、干渉計測定を妥当性のある（運動パラメータが許容範囲内にある）ものと評価することができるか、又はその干渉計測定を不可能なもの、又は起こりえない（運動パラメータが許容範囲外にある）ものと評価することができる。

本発明の別の態様は運動判定基準の決定に関し、その際に、測定ビームの方向におけるターゲットの、最大と想定した実際の相対速度及び／又は最大と想定した実際の相対加速度が運動判定基準として使用され、特に実際の相対速度及び／又は実際の相対加速度が継続的に測定され、また継続的に運動判定基準としてセットされる。

最大の（調整可能又は許容可能な）速度値及び／又は加速度値をそのように考慮することによって、又はターゲットの実際の運動を考慮することによって、それらの想定された運動又は実際に決定された運動と、出力量経過から干渉式に導出された運動とを継続的に比較することができる。

特別なケースにおいては、本発明によれば、運動判定基準を基準ビームの周波数と反射された測定ビームの周波数との差に依存して決定することができる。これによって、例えば、ドップラー効果に基づき、ターゲットの（実際の）瞬時速度及び／又は瞬時加速度を決定することができ、またそれらを出力量経過から導出された運動と比較することができる。

本発明の別の態様は、干渉計に使用されるレーザビームの特性に関する。本発明によれば、レーザビームは縦方向モノモードで所定の放射波長及び少なくとも１０ｍのコヒーレンス長を有するようにレーザダイオードによって形成される。

原則として、干渉式の用途にとって、比較的コヒーレンス長の長いレーザビームが必要になるか、又は有利である。何故ならば、測定装置の達成可能な精度及び測定到達距離はこのコヒーレンス長に顕著に依存するからである。典型的には、今日公知である測定方法に関して、特にレーザトラッカにおける用途に関して、ガスレーザ、例えばＨｅＮｅレーザがその種の比較的長いコヒーレンス長のレーザビームを生成するためのビーム源として使用される。本発明によれば、所要の仕様を満たすその種のレーザビームを、特別に構成されたレーザダイオードによっても形成することができる。

本方法における構造的な構成に関して、本発明によれば、測定装置を、本方法を実施するために構成することができ、その場合、測定装置をレーザトラッカ又は測地的な測定器によって、例えばトータルステーションによって実現することができる。

従って本発明では、本方法を、干渉計ユニットを備えている測定装置によって実施することができ、特に、測定装置はターゲットを継続的に追跡し、且つターゲットの位置を決定するためのレーザトラッカとして構成されている。レーザトラッカはレーザビームを形成するビーム源と、レーザビームを少なくとも基準ビームと測定ビームに分割するビームスプリッタと、垂直軸を規定する台座とを有している。更に、レーザトラッカは、測定ビームを放射し、ターゲットにおいて反射された測定ビームを受信し、且つ、垂直軸と、その垂直軸に実質的に直交する傾斜軸とを中心にして、台座に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であるビーム偏向ユニットと、ターゲットまでの距離変化を算定する距離測定ユニットと、台座に相対的なビーム偏向ユニットの配向を決定する角度測定機能とを有している。

それと共に本発明は更に、測定ビームを放射する送信ユニットと、ターゲットにおいて反射された測定ビームの少なくとも一部を受信する受信ユニットと、反射された測定ビームと基準ビームとを重畳させる重畳コンポーネントとを備えている干渉計によって、反射性のターゲットまでの距離変化を算定するための測定装置に関する。

更に、重畳を継続的に検出するための感光性検出器と、評価ユニットとが設けられており、この評価ユニットは、少なくとも、検出された重畳に基づいて、ターゲットまでの距離に依存する干渉計出力量を導出し、その導出された干渉計出力量から、時間分解された出力量経過を形成し、また、その出力量経過に基づき距離変化を求める。

更に評価ユニットは、出力量経過に基づき、測定ビームの方向において実行可能な、ターゲットの相対運動の少なくとも一つの運動パラメータを継続的に導出し、現実的に実施可能であり、実際に妥当性があり、且つ、経験上想定される、測定ビームの方向におけるターゲットの相対運動を表す、ターゲットの所定の運動判定基準を、運動パラメータと継続的に比較し、運動判定基準が満たされない場合には情報を提供することによって、出力量経過の継続的な検査を実施するように構成されている。

本発明によれば、評価ユニットを、上述の本発明による方法を実施するために構成することができる。

測定装置は、パルス読み出しの実施及び本発明による方法を実行するために、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を有することができ、このＦＰＧＡは干渉計検出器によって検出された強度の評価を実施することができるようにプログラミングされている。ディジタル信号処理によって、検出された信号を分析し、更に処理することができる。これによって、継続的に検出された信号を個々のカウント可能なパルスに翻訳し、それによってそれらのパルスを検出することができる。

更に、パルスの欠落を識別するためにＦＰＧＡをプログラミングすることができ、その場合、運動パラメータと運動判定基準との比較は上述の方法に応じて実施される。

特に、期待される信号、とりわけ出力量経過を検出された信号から再構成するために信号処理を実施できるように、ＦＰＧＡをプログラミングすることができる。例えば、受信した信号が強いノイズを有している場合には、信号パターンを識別するためにその種の再構成を実施することができる。このために、フーリエ変換又は特別なフィルタリング方式のような信号処理方式をプログラミングすることができる。

更に、ＦＰＧＡによって、検査された測定の適合を実施することができ、それによって例えば、付加的な干渉計パルスが検出された出力量経過にモデリングされるか、又は干渉計パルスが除去され、また補正された測定値がその付加的なパルスを考慮して決定される。

特に、測定装置を、ターゲットを継続的に追跡し、そのターゲットの位置を決定するためのレーザトラッカとして構成することができ、またこのレーザトラッカは、レーザビームを形成するビーム源として構成されている送出ユニットと、レーザビームを少なくとも基準ビームと測定ビームに分割するビームスプリッタと、垂直軸を規定する台座とを有している。更にレーザトラッカは、測定ビームを放射し、ターゲットにおいて反射された測定ビームを受信し、且つ、垂直軸と、その垂直軸に実質的に直交する傾斜軸とを中心にして、台座に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であるビーム偏向ユニットと、ターゲットまでの距離変化を算定する干渉計ユニットと、台座に相対的なビーム偏向ユニットの配向を決定する角度測定機能とを有している。

本発明による測定装置の考えられる構造的な実施の形態に関して、レーザトラッカとして構成されている測定装置は、垂直軸を中心にして台座に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であり、且つ、傾斜軸又は水平軸若しくは横向き軸を規定する支持部と、ビーム偏向ユニットとして構成されており、且つ、傾斜軸を中心にして支持部に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能な照準合わせユニットとを有することができ、この照準合わせユニットは、測定ビームを放射し、ターゲットにおいて反射された測定ビームの少なくとも一部を受信するテレスコープユニットを有している。その種の実施の形態において、測定軸の配向を照準合わせユニットの配向によって行うことができ、またターゲットサーチカメラ及びオーバービューカメラ（ＯＶＣ＝Over View Camera）を照準合わせユニットに配置することができる。

更に本発明は、機械読み出し可能な担体に記憶されており、特に本発明による測定装置の評価ユニットにおいて実行されると、特に本発明による方法に従い、出力量経過を形成し、距離変化を求めるために、運動パラメータの導出と、運動パラメータと運動判定基準との比較と、情報の供給とによって、継続的な検査を実施するコンピュータプログラム製品に関する。

以下では、添付の図面に具体的に図示した複数の実施例に基づき、本発明による方法及び本発明による装置を例示的に詳細に説明し、また本発明の更なる利点についても検討する。

本発明によるレーザトラッカ及び測定補助器具の二つの実施の形態を示す。 本発明による方法に関する機能原理を示す。 本発明による方法に関する機能原理を示す。 干渉計による距離変化の測定を検査するための機能を備えている、本発明による測定装置のための光学的な構造の一つの実施の形態を示す。 本発明による検査機能を備えている測定装置のための、干渉計装置の原理的な構造を示す。 本発明による検査機能を備えているレーザトラッカの別の実施の形態を示す。

図１には、本発明によるレーザトラッカ１０，１１及び測定補助器具８０、例えば接触式測定装置に関する二つの実施の形態が示されている。第１のレーザトラッカ１０は台座４０及び支持部３０を有しており、この支持部３０は、台座４０によって規定される旋回軸４１を中心に、その台座４０に相対的に旋回可能又は回動可能に配置されている。更に照準合わせユニット２０が設けられており、この照準合わせユニット２０は、傾斜軸（トランシット軸）を中心に支持部３０に相対的に旋回可能であるように配置されている。それらの二つの軸を中心に、照準合わせユニット２０の配向を調整できることによって、この照準合わせユニット２０から放射されるレーザビーム２１の配向も正確に調整することができ、従ってターゲットに照準を合わせることができる。この配向をモータ駆動によって自動的に行うことができる。旋回軸４１及び傾斜軸は相互に実質的に直交して配置されている。つまり、正確な軸直交性からの僅かな偏差を事前に検出し、例えばその僅かな偏差によって生じる測定誤差を補正するために、偏差をシステムに格納することができる。

図示されている配置構成において、測定レーザビーム２１は測定補助器具８０における反射器８１（リトロリフレクタ）に配向されており、この反射器８１から再び逆方向に、即ちレーザトラッカ１０へと戻る方向に反射される。この測定レーザビーム２１によって、反射器８１までの距離を、特に伝播時間測定、位相測定原理又はフィゾーの原理を用いて算定することができる。レーザトラッカ１０は、そのレーザトラッカ１０と反射器８１との間の距離を算定するための（干渉計及び絶対距離測定器を備えている）距離測定ユニットと、レーザビーム２１を所期のように配向及び案内することができる照準合わせユニット２０の姿勢、従ってレーザビーム２１の伝播方向を決定することができる角度測定器とを有している。

更に、レーザトラッカ１０、特に照準合わせユニット２０は、センサ上での、又は検出された画像におけるセンサ露光の位置を決定するための画像検出ユニット、例えばＣＭＯＳを有しているか、又は、特にＣＣＤカメラ若しくはピクセルセンサアレイカメラとして構成されている。その種のセンサによって、捕捉された露光の検出器における位置有感式検出が実現される。更に測定補助器具８０は、測定すべきターゲット対象物と接触させることができる接触点８３を備えている接触式センサを有している。接触式ツール８０がターゲット対象物と接触している間に、空間内の接触点８３の位置、従ってターゲット対象物上の一つの点の座標を正確に決定することができる。この決定は、反射器８１に対する接触点８３の所定の相対的な位置決め、及び、例えば発光ダイオードとして構成することができる、測定補助器具８０に配置されているオリエンテーションマーキング８２に対する接触点８３の所定の相対的な位置決めによって行われる。択一的に、オリエンテーションマーキング８２が例えば所定の波長のビームでもって露光された際に、入射したビームを反射させ（例えばリトロリフレクタとして形成されているオリエンテーションマーキング８２）、特に所定の照明特性を示すか、又は、オリエンテーションマーキング８２が所定のパターン若しくは色コーディングを有するように、オリエンテーションマーキング８２を形成することもできる。従って、画像検出ユニットのセンサを用いて検出される画像におけるオリエンテーションマーキング８２の姿勢乃至分布から、接触式ツール８０の配向を決定することができる。

第２のレーザトラッカ１１は、画像検出ユニット１５とは別個の、第２のレーザビーム１７を放射するビームガイドユニット１６を有している。この第２のレーザビーム１７もやはり反射器８１に配向されている。レーザビーム１７も、画像検出ユニット１５も、それぞれ二つの軸を中心にモータ駆動式に旋回可能であり、またそれによって、画像検出ユニット１５を用いて、レーザビーム１７の照準が合わせされている測定補助器具８０のターゲット８１及びオリエンテーションマーキング８２を検出できるように配向させることができる。従って、この第２のレーザトラッカ１１においても反射器８１までの正確な距離及び測定補助器具８０の配向を、オリエンテーションマーキング８２の立体的な姿勢に基づき決定することができる。

各レーザビーム１７，２１を反射器８１に配向するために、各レーザトラッカ１０，１１には、所定の波長のビームでもって、特に赤外線波長領域にあるビームでもって反射器８１を照明するための照明手段がそれぞれ設けられており、また、位置有感式検出器を備えている、付加的な少なくとも一つのターゲットサーチカメラ、いわゆるＡＴＲ（automatic target recognition）カメラも各レーザトラッカ１０，１１に配置されている。反射器８１において反射され、レーザトラッカ１０，１１へと戻る各照明ビームをカメラによって検出し、位置有感式検出器を用いて反射器８１の位置を各検出器に結像することができる。従って、第１のレーザトラッカ１０及び第２のレーザトラッカ１１のいずれによっても、反射器の結像された位置を特定することができ、それらの検出されたサーチ画像位置に依存して、ターゲット（反射器８１）を画像内で発見することができ、また、ターゲットに測定ビーム１７，２１の照準が自動的に合わせられるように、又はレーザビーム１７，２１がターゲット８１に自動的に（反復的に）接近するように、照準合わせユニット２０又はビームガイドユニット１６を配向させることができる。特に、反射のロバストな検出のために、例えば照明手段から放射された光だけを通過させるフィルタ（例えば波長依存型のフィルタ）をターゲットサーチカメラに組み込むことができる、及び／又は、検出された信号を信号目標値と比較するための閾値をレーザトラッカに格納することができる。

択一的に、各レーザトラッカ１０，１１に、それぞれが一つの位置有感式検出器を備えているカメラを少なくとも二つずつ設けることもでき、この場合、各レーザトラッカ１０，１１について、反射器８１に関して検出されたそれぞれ二つのサーチ画像位置から、例えば反射器８１の大凡の位置をそれぞれ特定することができ、例えば写真測量法の一般的に公知の原理に従い特定することができる。ターゲットを発見するためのその種のシステムは欧州特許第１１１９２２１６．７号に開示されている。

更に、本発明によるレーザトラッカ１０，１１はオーバービューカメラをそれぞれ一つずつ有しており、それらのオーバービューカメラの視野は、位置有感式検出器を備えているターゲットサーチカメラの視野と比べて広く、従ってより大きい領域を検出することができる。このオーバービューカメラを用いて、対象物及びターゲットの画像を可視光スペクトル領域において検出することができ、それらの画像をレーザトラッカにおける表示ユニットを用いて出力することができる、及び／又は、各レーザトラッカ１０，１１を制御するための各制御ユニットに配置されているディスプレイに出力することができる。特に、オーバービューカメラによってカラー画像を検出することができる。

照明手段、ターゲットサーチカメラ及び／又はオーバービューカメラをこの関係において、例えば画像検出ユニット１５、ビームガイドユニット１６、照準合わせユニット２０、支持部３０及び／又は台座４０にそれぞれ所定の位置で配置することができる。

各レーザトラッカ１０，１１の距離測定ユニットは、各レーザトラッカ１０，１１とターゲット８１との間の相対的又は絶対的な距離の算定及びその距離変化の算定に基づき、ターゲット８１までの距離情報を供給する。絶対距離が伝播時間測定、位相測定原理又はフィゾーの原理を用いて算定される場合には、距離変化を算定するために、各距離測定ユニットに対応付けられている干渉計を用いて測定が実施される。このために、各レーザトラッカ１０，１１には、レーザビームを形成するためのビーム源が一つずつ設けられており、形成されたレーザビームは少なくとも、基準ビームと測定ビーム１７，２１とに分割される。基準ビームは（パスの長さが既知である）既知の基準パスに沿って干渉計検出器まで案内される。択一的な実施の形態においては、基準パスの長さを少なくとも一定にすることができ、その場合、パスの長さは既知である必要はない。光学コンポーネント（例えば検出器）の配置及び構成に応じて、基準パスの長さは特に「０」であっても良い。これに対して測定ビーム１７，２１は、ターゲット８１に入射し、そのターゲット８１において反射されて再び戻ってくるようにレーザトラッカ１０，１１から送出される。続いて、反射された測定ビーム又はその反射された測定ビームの一部がやはりレーザトラッカ１０，１１において検出され、測定パスに沿って同様に干渉計検出器へと案内される。干渉計検出器においては、受信した測定ビーム１７，２１と基準ビームとが重畳される。この重畳によって二つのビームの干渉が生じ、この干渉を検出器において検出し、分解することができる。

この干渉の枠内で、ビーム強度の最大値（建設的な干渉）及び最小値（破壊的な干渉）が生じる。この強度は、検出器に入射した二つのビームのビーム行程の差に依存する。基準パスを、従って基準ビームが検出器まで進む距離を一定に維持することができるので、ビーム行程の差は実質的に、各レーザトラッカ１０，１１とターゲット８１の距離に依存する。従って、レーザトラッカ１０，１１とターゲット８１の距離が変化すると、ビーム行程の差も変化し、またそれと共に、距離が変化している間に、干渉計出力量（干渉パターン）としての、検出された干渉状態の強度も変化する。

二つのレーザトラッカ１０，１１の内の少なくとも一方とターゲット８１との間での（距離変化を伴う）その種の相対運動の間に、干渉計検出器では高い強度と低い強度を交互に確認することができる。測定ビーム１７，２１（及び基準ビーム）の波長を考慮して、干渉計出力量としての干渉状態の継続的な検出から、ターゲット８１までの相対的な距離、即ち距離変化を計算することができる。特にその場合には、検出された強度最大値及び／又は強度最小値が（干渉計パルスとして）継続的にカウントされる。

本発明によれば、レーザトラッカ１０もレーザトラッカ１１も検査機能を有しており、その検査機能の実行時に、検出器によって検出された干渉経過が出力量経過又は強度パターンとして継続的に読み出され、それらが更に処理される。その更なる処理において、検出され、出力量経過として読み出された干渉経過から、測定ビームに沿って放射状乃至半径方向に行われた、レーザトラッカとターゲットとの間の相対運動に関する運動パラメータが導出される。つまりこの運動パラメータは、干渉計信号から計算により算定された、ターゲット８１とレーザトラッカ１０，１１との間の相対運動、即ち、ターゲット８１とレーザトラッカ１０，１１との間の距離変化を表すことができる。例えば、運動パラメータは、干渉計信号から決定された、ターゲット８１又は各レーザトラッカ１０，１１の瞬時の加速度又は速度を表すことができる。

検査機能の枠内で、各運動パラメータの算定に続いて、運動パラメータと運動判定基準との比較が行われる。この関係において、運動判定基準は、レーザトラッカとターゲットとの間での現実的に実行可能な相対運動を表す。即ち各運動判定基準によって、実際に発生する可能性のある、レーザトラッカ１０，１１とターゲット８１との間の相対運動が表される。例えば運動判定基準は、例えばユーザ又は特別な機械によって実行可能な（ターゲット又はレーザトラッカの）運動によって現実的に生じる可能性がある、ターゲット８１又はレーザトラッカ１０，１１に関する加速度値を供給することができる。

例えば、運動パラメータとして瞬時加速度、即ち、ターゲット８１又はレーザトラッカ１０，１１の加速度に関してその時点において存在する値（瞬時値）が出力量経過としての干渉経過に依存して決定される場合、その値を、例えば許容加速度に関する上限を示す相応の運動判定基準と比較することができる。

続いて、運動パラメータと運動判定基準との比較に依存して、例えば妥当性に関する情報、又は、干渉計信号を用いて導出された半径方向の相対運動は実行可能か否かの情報についての通知が出力される。例えば、所定の運動パラメータが加速度に関する上限値を上回ると、測定値は許容できないものとみなされる。この通知を例えばレーザトラッカのディスプレイ、コンピュータのモニタ又はモバイルデータロガーによってグラフィックによって、又は音響的に供給することができる。

運動パラメータが、相応の運動判定基準との比較によって妥当性がないものとして分類されると、これは干渉計を用いた測定中にエラーが発生していることを明示的に示唆している。これは例えば、一つ又は複数の干渉最大値が検出されないか、エラーのあるものとして検出される場合、若しくは、検出された最大値の読み出しに欠陥がある場合である。従ってこの通知は、実施された測定の正確さに関する情報を表すか、又は、運動パラメータと運動判定基準との比較に依存して、算出された測定値の、生じ得る運動値、又は出力量経過に基づき推定若しくは予測される運動値からの考えられる偏差を表すことができる。

特に、検査機能は、干渉計を用いて実施される測定プロセスの間に自動的に実施される。

更に、検査の範囲内で、測定値を能動的に補正することができる。つまり例えば、距離変化が干渉パルスの欠落した状態で検出された測定は、その欠落したパルスがモデリングされて、再度の算定時に考慮されるように補正することができる。他方では、この関係において、エラーのある付加的に検出されたパルスを除去することもできる。

図２ａ及び図２ｂには、干渉計の検出器によって検出されて読み出された各強度曲線５３，５３ａ、またそれらの各強度曲線５３，５３ａから継続的に導出される妥当性検査５２，５２ａに基づいた、本発明による方法（検査方法）の機能原理が示されている。

図２ａには、検出器を用いて継続的に検出された、検出器に入射したビームの強度が示されている。ここで、強度は時間分解されて検出されており、出力量経過を表す強度曲線５３として示されている。即ち、測定された各強度は各測定時点に対応付けられており、また強度は時間軸５４にわたりプロットされている。図示されている期間５５内に検出された強度最大値の個数から、測定ビームの波長の知識に基づき、その期間５５の間に発生した距離変化を導出することができ、特に測定ビームに対して半径方向における距離変化を導出することができる。ここで、出力量経過として表されている干渉経過は、ターゲットと干渉計の検出器との間の、実質的に単調で線形の半径方向における相対運動を表し、特に、干渉計を備えているレーザトラッカに相対的なターゲットの単調な運動を表す。図示されている一連の高い強度及び低い強度、またそれらの強度の時間的に一様な順序（曲線５３の周波数は一定）から、レーザトラッカと、測定ビームの照準が合わせられているターゲットとの間の距離の単調な増減を推定することができる。

距離変化の測定の正確さ又は起こり得るエラーを検査するために、強度曲線５３から期間５５にわたり時間分解された検査曲線５６が導出される。ここで、検査曲線５６は干渉経過（出力量経過）から導出された、相対運動に関する運動パラメータの時間的な経過である。即ち、検査曲線５６は所定の時間にわたりプロットされた運動パラメータに対応する。これに関して、強度曲線５３に時間的に対応付けられた運動パラメータの導出が継続的に行われる。図示されている実施例において、検査曲線５６は「０」の勾配を有する曲線である。即ち、曲線５６は例えば、期間５５の間に検出された相対運動は一定の速度で行われたこと、又は加速が行われなかったことを示している。更に、強度曲線５３の周波数から、上述の運動に関する相対速度を算定することができる。

検査曲線５６の導出に用いることができる所定の各運動パラメータが、実際に生じる可能性があり且つ妥当性のある許容値を有しているか否かを検査するために、即ち、現実の相対運動に該当する値であるか否かを検査するために、プロットされた運動パラメータに関して使用可能な運動判定基準、ここでは上限値５７ａ及び下限値５７ｂが更に規定されている。曲線５６の経過又は運動パラメータと、規定された各限界値５７ａ，５７ｂとの比較から、検出された運動をその信頼性について検査することができる。ここでは曲線５６が常に限界値５７ａと５７ｂ内との間に延びているので、強度経過５３によって表されている、距離変化の測定に問題はないと評価される。従って、そこから算定可能な相対運動は、現実的に起こり得る相対運動に相当する。

図２ｂにも、干渉計検出器を用いて継続的に検出された、検出器に入射したビームの強度が示されている。ここで、強度は時間分解されて検出されており、また強度曲線５３として示されている。

図２ａとは異なり、強度曲線５３ａは、一連の強度最大値及び強度最小値に関して一定の周波数を示していない。相互に比較的均一な最初の二つの強度ピークの検出時にのみ、一定の半径方向の相対運動を導出することができる。しかしながら、それら最初の二つのピークには、本来であれば別のピークが推定されるか、若しくは、更なる一定の相対運動が検出されなければならないが、実際はそうではない領域５９が続いている。距離変化の測定がカウント可能な干渉計パルス（強度最大値）のみに基づいて行われるならば、そこから算定された距離変化には欠陥があるとみなされることになる。

しかしながら、検査機能を実施することによって、妥当性検査５２ａの枠内で、強度曲線５３ａについても検査曲線５６ａが導出される。この関係において、出力量経過としての干渉曲線が相対的な運動パターンに関して分析され、その結果、検査曲線５６ａの経過における二つのピーク５８ａ及び５８ｂが明らかになる。検査曲線５６ａはここでもまた、輝度曲線５３ａから継続的に導出された運動パラメータを表しているので、それらのピーク５８ａ，５８ｂはそれぞれパラメータ値の急激な大きい変化を表している。

図示されている実施例においては、相対加速度が運動パラメータとして使用されるので、ピーク５８ａは比較的大きい正の加速を表しており、またピーク５８ｂは同様に比較的大きいが、しかしながら負である加速（制動）を表している。ここでは、ピーク５８ａ，５８ｂの先端が加速度パラメータに関して規定されている限界値５７ａ，５７ｂを大幅に超えている。従って、継続的に導出される運動パラメータ（加速度値）と、限界値５７ａ，５７ｂによって表される運動判定基準との比較において、強度曲線５３ａから導出することができる、ターゲット及び／又はレーザトラッカの考えられる運動の妥当性が否定される。ターゲット及び／又はレーザトラッカのそのような強い加速とそれに続く強い制動は、特に上述の期間５５内では、例えばターゲットによって実際に実行できる運動に関して起こりえない。そのような運動は、慣性の物理的な原理に矛盾する。

運動パラメータと運動判定基準との比較によって、更に、干渉計出力量を継続的に検出している間に識別又はカウントされなかったパルス（ピーク）の個数を確定することができる。この確定を特に、導出された検査曲線５６ａの分析によって行うことができる。これに基づき、相応の個数の欠落したパルスを強度曲線５３ａに挿入することができ、またそのようにして修正された曲線に依存して、距離変化の算定を再度実施することができる。その結果、距離変化に関する補正値が算定及び供給される。特に、その適合された値を、その適合を明示する通知と共に供給することができる。特に、関連性のあるパルスシーケンスを強度曲線５３ａに挿入することができる。挿入すべきシーケンスは、カルマンフィルタを用いた評価によって決定することができる。

特に、強度曲線５３ａの適合は、その強度曲線５３ａの経過から導出可能な運動パラメータ、又はそこから導出可能な検査曲線５６ａが運動判定基準を満たすか、若しくは、新たな検査曲線が既存の限界値５７ａ，５７ｂ内で延在するようにして行われる。

図２ｂに示されている実施例においては、適合の枠内で、付加的なピークを一つだけ領域５９に挿入し（図２ａによる強度曲線５３を参照されたい）、続けて、その付加的なピークを考慮して距離変化を算定することによって、求められた距離変化を具体的な測定値に対応させることができる。

図３には、干渉計６１が設けられている、距離変化の測定を検査するための本発明による機能を備えている、本発明による測定装置、特にレーザトラッカのための光学的な構造６０の実施の形態が示されている。更に、この構造６０はビーム源６２、例えばＨｅＮｅレーザビーム源又はレーザダイオードと、別のビーム源６４、例えばレーザダイオード又はＳＬＥＤ（スーパールミネッセンスＬＥＤ）を備えている絶対距離測定器６３（ＡＤＭ）とを有している。

絶対距離測定器６３のビーム源６４から送出される光ビームは、偏光型のビームスプリッタ６６に入射し、そこから、光電変調器６７を介して、波長依存型のビームスプリッタ６８へと案内される。波長に依存してビームを分割するその種のビームスプリッタ６８は、特に、二つの光源６２，６４の放射波長が異なる場合に使用される。戻ってきた光は絶対距離測定器６３において、偏光型ビームスプリッタ６６を介してＡＤＭ検出器６９へと案内される。特にこの関係において、測定光ビームを例えば波長依存型のビームスプリッタ６８を介して入出力することができる、他のＡＤＭ装置及び方法も使用することができる。その種の絶対距離測定器の一例がＷＯ ０３／０６２７４４ Ａ１に開示されている。本発明の他の実施の形態においても、基本的には、他のタイプのＡＤＭ、例えば位相測定器を使用することができる。

本発明によれば、干渉計６１はビーム源６２によって形成される光を使用する。図示されている実施の形態において、このビーム源６２は直接的に上記の構造６０に対応付けられており、また比較的長いコヒーレンス長の縦方向モノモードレーザビーム（単一周波数）を形成する。代替的な実施の形態においては、ビーム源６２を測定装置の別のコンポーネントに対応付けることもでき、その場合、ビームはビームスプリッタを用いて干渉計６１に入力される。形成されたレーザビームはビームスプリッタ７１によって、基準光パスを案内される基準ビーム７２と、測定光パスを案内される測定ビーム７３とに分割される。測定光パスは音響光学的な変調器７４を通過して、偏光型のビームスプリッタ７５へと延びており、また基準光パスもその偏光型のビームスプリッタ７５へと延びている。偏光型のビームスプリッタ７５を介して測定ビームは更に波長依存型のビームスプリッタ６８へと誘導され、また戻ってきた測定光は基準光と共に偏光フィルタ７６を介して干渉計検出器７７へと案内される。その種の干渉計６１の作用効果は基本的には公知であり、波干渉原理を基礎としている。特に、測定ビームを例えば波長依存型のビームスプリッタ６８を介して入出力することができる、別の干渉計装置及び方法も使用することができる。その種の干渉計の一例がＷＯ ０３／０６２７４４ Ａ１に開示されている。本発明の他の実施の形態においても、基本的には、他のタイプの干渉計（例えばクワドラチャ検波を用いるマイケルソン干渉計）を使用することができる。

干渉計検出器７７では、基準ビーム７２と、可動性のターゲット９０において反射され、且つ、干渉計検出器７７へと案内された測定ビーム７３との重畳が検出される。二つのビーム７２，７３の重畳時に生じる干渉の強度が継続的に（干渉計出力量として）検出される。干渉計出力量の導出は、少なくとも、検出された重畳を基礎としている。ここでは干渉計出力量がターゲットまでの距離に依存している。

ターゲット９０が光学的な構造６０又は干渉計検出器７７まで一定の距離にある場合には、ターゲット９０までの距離が固定されている間に測定された強度値は一定である。測定ビーム７３によって規定される光学軸に関する、ターゲット９０の光学的な構造６０に対する相対運動（又は光学的な構造６０の運動）によって、二つのコンポーネント９０，６０間の距離が変化し、従って、基準ビーム７２の行程と測定ビーム７３の行程との間に差が生じ、それによって干渉計検出器７７において測定可能な強度も距離変化に依存して変化する。干渉計検出器７７によって、その強度の変化を特に時間分解して（出力量経過として）測定及び検出することができ、またその種の距離変化測定の正確さを検査するために読み出して更に処理することができる。時間分解された出力量経過は導出された干渉計出力量から形成され、その場合、距離変化は出力量経過に基づき求められる。

その種の測定の正確さを検査するために、図１から図２ｂに関連させて説明した構成に応じて、干渉計検出器７７を用いて検出された強度から運動パラメータが継続的に導出され、このパラメータが運動判定基準と継続的に比較される。続いて、この比較に依存して、実施された測定の信頼性に関する通知が行われる。

光学的な構造６０は更にλ／４プレート７８と、絶対距離測定器６３及び干渉計６１が共有する光学軸に沿って、外部からその光学的な構造６０に入射する光を分割するコンポーネント７９とを有しており、このコンポーネント７９によって光の第１の部分がオーバービューカメラ（図示せず）へと出力され、また第２の部分が位置変換器（図示せず）へと出力される。オーバービューカメラは固有の光学系を有しており、また付加的に画像変換器も有している。オーバービューカメラは一般的に約１０°の開口角と、例えば３０ｍｍ〜５０ｍｍの焦点距離とを有しており、また測定ターゲットの粗い位置特定のために使用される。

反射性のターゲットを検出するために、光学的な構造６０は更に有利には、所定の照明波長を有する反射器照明を備えており、この反射器照明は、有利にはオーバービューカメラの開口角と少なくとも同じ大きさである角度領域を照明する。

続いて、オーバービューカメラの評価電子回路及び／又は評価ソフトウェアは、例えば、反射性のターゲットにそれぞれ対応する一つ又は複数の明るい光点をオーバービューカメラの視野において検出する。それらの光点から、オーバービューカメラの画像における光点の位置を求めることができ、またその位置から更に、例えば測定補助器具（例えばプローブ又はスキャナ）の配向の変化を求めることができ、それらを用いて、測定装置又は光学的な構造６０及び一つ又は複数の距離測定器６１，６３の光ビームをターゲットに配向することができる。従って、自動的なターゲット検出、また距離測定器６１，６３のターゲットの「ロックオン」、即ちターゲットの継続的な追跡を実現することができる。

位置変換器に対する光の成分は、典型的には、距離測定器６１，６３の内の一方から、有利には干渉計装置６１から送出されて戻ってきた光の光束線である。位置変換器は固有の光学系、また例えば位置有感式検出器（トラッキングエリアセンサ、特にＰＳＤ又はＣＣＤ）を有することができ、ターゲットにおいて反射された測定レーザビームを位置有感式検出器において検出することができる。

この関係において、ＰＳＤは、局所的にアナログ動作するエリアセンサであると解され、これによってセンサ面上の光分配器の重心を決定することができる。センサの出力信号は、一つ又は複数の感光面によって形成され、また光の重心の各位置に依存する。後段に接続されている電子機器又は集積されている電子機器によって出力信号を評価することができ、また重心を求めることができる。生じた光点の重心の位置を非常に高速に（ナノ秒の範囲で）求めることができ、またサブナノメートルの解像度で行うことができる。

このＰＳＤによって、検出されたビームの入射点の、サーボ制御ゼロ点からのずれを特定し、そのずれに基づきレーザビームをターゲットに追従させることができる。このために、また高い精度を達成するために、ＰＳＤの視野は比較的小さく、つまり測定レーザビームのビーム直径に対応するように選定されている。ＰＳＤによる検出は測定軸と同軸に行われるので、従ってＰＳＤの検出方向は測定方向と一致している。ＰＳＤを基礎とするトラッキングの適用及び精密な照準合わせは、測定レーザビームが逆反射性のターゲットに（少なくとも大まかに）配向された後に（即ちターゲットが測定レーザの円錐内に位置するようになった後に）初めて行うことができる。

図４には、測定結果を検査するための本発明による検査機能を備えている、測定装置のための、特にレーザトラッカのための、ターゲット９１を含む干渉計装置６１ａの原理的な構造が示されている。例えば、それぞれが大きいコヒーレンス長を有しているレーザダイオード又ガスレーザ源として構成されているビーム源６２を用いて、少なくとも１０ｍのコヒーレンス長、有利には少なくとも５０ｍのコヒーレンス長を有している（縦方向）モノモードの測定ビームが形成され、この測定ビームがビームスプリッタによって一方では基準ビーム７２として基準パスへと案内され、他方では測定ビーム７３として測定パスへと案内される。測定ビーム７３は逆反射性のターゲット９１へと配向され、そのターゲット９１において反射され、干渉計構造６１ａへと戻される。ここでターゲット９１は可動のターゲット９１を表し、干渉計までの距離変化を干渉計検出器７７によって確定及び測定することができる。このために、干渉計検出器７７においては、基準ビーム７２と反射された測定ビーム７３ａとが重畳され、それによって、それらのビームが干渉し、また時間分解されて、出力量経過としての干渉経過を形成し、その干渉経過を干渉計検出器７７によって読み出すことができる。その種の実施の形態を（古典的な）ホモダイン干渉計とみなすことができる。一つの特別な実施の形態においては、距離変化の算定をクワドラチャ検波によって行うことができ、その場合、距離変化の他に、距離変化の方向を一義的に特定することができる。

ターゲット９１と干渉計装置６１ａとの間の距離が少なくとも変化するように、干渉計装置６１ａに相対的なターゲット９１の移動が行われる場合、検出器７７を用いて干渉経過（出力量経過）の変化を検出することができる。その場合、干渉によって生じる、交互に現れる一連の強度最大値及び強度最小値を検出することができる。この関係において、いわゆる干渉計パルス、即ち検出された最大値及び／又は最小値を読み出し、継続的にカウントすることができ、その結果、検出されたパルスの個数に基づきターゲット９１と干渉系装置６１ａとの間の距離変化を算定することができる。

本発明によれば、干渉計装置６１ａを用いたその種の測定の間に、発生する可能性がある測定エラーに関して測定を検査するための検査方法が適用される。このために、先ず、強度状態の継続的な検出によって取得され、且つ時間分解された干渉経過が分析され、この分析は、ターゲット９１と干渉計６１ａとの間の識別された相対運動に関する運動パラメータが継続的に導出されるように行われる。このパラメータはターゲット９１又は干渉計６１ａの相対的な運動量、例えば相対速度又は相対加速度を表す。

継続的に導出される運動パラメータは続いて、その都度検出される運動量に関する各判定基準と継続的に比較される。その判定基準によって、ターゲット９１及び／又は干渉計装置６１ａの実行可能な運動と実行不可能な運動とを運動量に基づき区別できるように、運動量が規定されている。例えば、判定基準の枠内で、実際に発生する相対加速度に関する範囲（運動量としての加速度）と、例えばターゲット９１の加速度が有効な物理条件下では考えられないか、実施不可能である程の大きさの加速度に関する範囲を規定することができる。

比較に依存して、実施された測定の正確さ又は妥当性に関する通知が生成及び供給され、そのような通知は例えば音響的に、又はグラフィックによって視覚的に特にユーザに対して出力される。

特別なケースにおいては、比較に依存して、実施された測定の信頼性に関する評価値を供給することができ、その評価値は例えば干渉経過によって表される相対運動に関する適合値の算出に基づき導出される。

択一的な実施の形態（ここでは図示せず）においては、干渉計をヘテロダイン干渉計（例えばヘテロダインマイケルソン型干渉計）として実施することができ、その種の干渉計を用いることによって、距離変化を算定することができ、更には、出力量経過の検査を実施することができる。この場合、干渉計の二つのアーム（測定パス及び基準パス）においては、波長に関して僅かに異なるビームが使用される。第１の波長λ₀を有する測定ビームがターゲットにおいて反射されて干渉計に戻ってきた後に、且つ、第２の波長λ₁を有する基準ビームが基準パスを通過した後に、ビームが統合された際に測定重畳（うなり状態）が生じ、この測定重畳を測定検出器によって検出することができる。更に、測定重畳（うなり状態）を継続的に検出することによって、時間分解されたうなり経過を検出することができる。上述のビームの内の少なくとも一方（測定ビーム又は基準ビーム）を、例えば音響光学的な変調器を用いて形成することができ、特に所定の変調周波数（例えば８０ＭＨｚ）によって形成することができ、その場合、電子的に形成された基準量を、変調器の動作パラメータ（例えば変調周波数）に依存して生成することができる。択一的又は付加的に、（二つの波長の）ビームの一部を出力させ、またターゲットにおける反射を必要とせずに、基準検出器において基準重畳として検出することができる。

測定検出器を用いて検出された測定重畳と、電子的な基準量とに基づき、その測定重畳及び基準量に依存した位相比較を行うことができる。更に、二つの検出器（測定検出器及び基準検出器）を用いて検出されたビームに基づき、測定重畳（測定検出器におけるうなり）の位相位置と基準重畳（基準検出器におけるうなり）の位相位置とを比較することができる。本発明では、電子的な基準量又は基準重畳に基づくその種の比較は干渉計出力量と解される。この比較結果を継続的に補足することによって、時間分解された出力量経過としての位相経過を形成することができ、またターゲットまでの距離変化を算定することができる。

異なる波長を有するビームを形成するために、例えばゼーマン効果を利用するレーザ（例えばマルチ周波数レーザ）又は音響光学的な変調器を使用することができる。

ヘテロダイン干渉計を用いて距離変化を算定するための本発明による方法では、干渉計出力量は、測定検出器におけるうなり（測定重畳）と基準検出器におけるうなり（基準重畳）との位相の比較から取得されたものと解され、また出力量経過は継続的に検出されたその種の比較から取得されたものと解される。

別の代替的な実施の形態との関係において、干渉計出力量は、異なる波長を有する測定ビームと基準ビームの重畳によって規定されるうなり状態と解することができ、また出力量経過は継続的に検出されるうなり状態（うなり経過）と解することができる。

図５には、本発明による検査機能並びに台座４０を備えているレーザトラッカ１２の別の実施の形態が示されており、この台座４０は、三脚４５上に配置されており、且つ、旋回軸４１を規定している。更に台座の上には、傾斜軸３１を規定し、且つ、旋回軸４１を中心にして台座４０に相対的に旋回可能な支持部３０が配置されており、この支持部３０にはグリップ３２が取り付けられている。更に照準合わせユニット２０が設けられており、この照準合わせユニット２０は傾斜軸３１を中心に、支持部３０に相対的に旋回可能に取り付けられている。

更に、照準合わせユニット２０は、バリオカメラ対物レンズ２２と光学系２３とを備えているバリオ（Vario）カメラを有しており、この光学系２３は照準合わせユニット２０に配置されている距離測定及びトラッキングユニットに対応付けられている。ターゲットまでの距離を正確に算定するため、またターゲットを追跡するために、光学系２３を用いて、距離測定及びトラッキングユニットから測定レーザビームが放射される。更に、照準合わせユニット２０には、カメラ光学系及び位置有感式検出器を一つずつ備えているターゲットサーチカメラ２４と、例えばＬＥＤとして構成されており、且つ、動作時には特に赤外線領域の光を放射する照明手段２５とが設けられている。それらの照明手段２５を用いることにより、ターゲット、例えば反射器を照明することができるか、又はターゲットにビームを照射することができ、またビームの少なくとも一部は反射器によって反射されて、レーザトラッカ１２の方向又はターゲットサーチカメラ２４の方向に戻される。反射された光は続いてカメラ２４によって検出され、カメラ光学系を用いて位置有感式検出器に結像され、また、サーチ画像における結像の位置がサーチ画像位置として識別される。これにより、それらの各サーチ画像位置に関して、検出器の配向を考慮して、ターゲットまでの各方向を特定することができ、それと共に各検出器におけるゼロポジションに相対的なずれ、及び／又は、二つの検出器軸に対する方向角度、例えば検出器の寸法によって事前に定められているＸ軸及びＹ軸に対する方向角度を特定することができる。そのようにして検出されたターゲットの位置を用いて、ターゲットを自動的に発見することができる。

更に、レーザトラッカ１２はオーバービュー２６を有しており、このオーバービューカメラ２６はターゲットサーチカメラ２４に対して既知の位置関係で位置決めされている。オーバービューカメラ２６の視野（オーバービュー視野）はこの実施の形態において、ターゲットサーチカメラ２４の視野が一つの共通の領域においてオーバービュー視野と重畳し、それによって、ターゲットサーチカメラ２４を用いて検出可能なターゲットをオーバービューカメラ２６によっても検出することができるように、特に同時に検出することができるように形成されている。

照準合わせユニット２０に対応付けられている距離測定ユニットは、距離変化を算定するための干渉計を少なくとも一つ有している。図４に関連させて説明した、干渉計を用いて実施される測定に関する検査プロシージャと同様に、トラッカ１２において検査機能が実施され、検出された出力量経過が分析され、正確性について検査され、特にエラーがあると評価された測定については通知が行われる。

図示した図面は考えられる複数の実施例を概略的に示したものに過ぎないと解するべきである。また本発明によれば、種々のアプローチを相互に組み合わせることができ、また、距離変化を測定するための干渉式の方法、距離を決定するための方法と組み合わせることができ、更には、冒頭で述べたような従来技術から公知の測定装置と、特にレーザトラッカと組み合わせることができる。

Claims (16)

1. 可動性且つ反射性のターゲット（８１，９０，９１）までの距離変化を干渉計によって算定するための方法であって、
   ・前記ターゲット（８１，９０，９１）に測定ビーム（１７，２１，７３）を送信し、
   ・前記ターゲット（８１，９０，９１）において反射された前記測定ビームの少なくとも一部（７３ａ）を受信し、
   ・前記反射された測定ビーム（７３ａ）と基準ビーム（７２）とを重畳させ、且つ該重畳を検出し、
   ・少なくとも、検出された前記重畳に基づいて、前記ターゲット（８１，９０，９１）までの距離に依存する干渉計出力量を導出し、
   ・導出された前記干渉計出力量から、出力量経過を形成し、
   ・前記出力量経過に基づいて前記距離変化を求める、
   方法において、
   ・前記出力量経過に基づいて、前記測定ビーム（１７，２１，７３）の方向に関連付けられた、前記ターゲット（８１，９０，９１）の相対運動の少なくとも一つの運動パラメータを継続的に導出し、
   ・前記測定ビーム（１７，２１，７３）の方向における前記ターゲット（８１，９０，９１）の所定の相対運動を表す、前記ターゲット（８１，９０，９１）の所定の運動判定基準を、前記運動パラメータと継続的に比較し、且つ、
   ・前記運動判定基準が満たされない場合には、発生した測定エラーに関する情報を供給することによって、
   前記出力量経過の継続的な検査を実施することを特徴とする、
   方法。
2. 前記情報の供給に依存して、求められた前記距離変化を補正する、及び／又は、グラフィックによる出力若しくは音響的な出力を行う、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記補正後に導出可能な運動パラメータが前記運動判定基準を満たすように前記補正を実施する、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記出力量経過を適合させることにより導出される運動パラメータが前記運動判定基準を満たすように前記出力量経過を適合させる、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記距離変化を求める際に、一連の建設的な干渉及び破壊的な干渉から、干渉計パルスを識別し、該干渉計パルスを継続的にカウントし、所定の期間内に検出された干渉計パルスの個数から、前記ターゲット（８１，９０，９１）までの距離変化を算定する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記出力量経過から、前記測定ビーム（１７，２１，７３）の方向における前記ターゲット（８１，９０，９１）の瞬時相対速度及び／又は瞬時相対加速度（５６，５６ａ）を運動パラメータとして導出する、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記出力量経過に依存して、強度曲線（５３，５３ａ）を導出し、該強度曲線（５３，５３ａ）の振幅及び／又は周波数から前記運動パラメータを導出する、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記運動パラメータを周波数変化及び／又は振幅変化として前記強度曲線（５３，５３ａ）から決定する、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記運動パラメータに関する許容範囲を決定し、前記許容範囲を運動判定基準として規定し、前記許容範囲を少なくとも一つの閾値（５７ａ，５７ｂ）によって規定する、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記測定ビーム（１７，２１，７３）の方向における前記ターゲット（８１，９０，９１）の、最大と想定した実際の相対速度及び／又は最大と想定した実際の相対加速度を運動判定基準として使用し、前記実際の相対速度及び／又は前記実際の相対加速度を継続的に測定し、継続的に運動判定基準としてセットする、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記測定ビーム（１７，２１，７３）を、縦方向モノモードで所定の放射波長及び少なくとも１０ｍのコヒーレンス長を有するようにレーザダイオードによって形成する、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記方法を、干渉計ユニットを備えている測定装置（１０，１１，１２）によって実施し、前記測定装置（１０，１１，１２）は前記ターゲット（８１，９０，９１）を継続的に追跡し、且つ前記ターゲット（８１，９０，９１）の位置を決定するためのレーザトラッカ（１０，１１，１２）として構成されており、
    前記レーザトラッカは、
    ・レーザビーム（１７，２１，７２，７３，７３ａ）を形成するビーム源（６２）と、前記レーザビーム（１７，２１，７２，７３，７３ａ）を少なくとも前記基準ビーム（７２）と前記測定ビーム（１７，２１，７３）に分割するビームスプリッタ（７１）と、
    ・垂直軸（４１）を規定する台座（４０）と、
    ・前記測定ビーム（１７，２１，７３）を放射し、前記ターゲット（８１，９０，９１）において反射された前記測定ビーム（７３ａ）を受信し、且つ、前記垂直軸（４１）と、該垂直軸（４１）に実質的に直交する傾斜軸（３１）とを中心にして、前記台座（４０）に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であるビーム偏向ユニットと、
    ・前記ターゲット（８１，９０，９１）までの距離変化を算定する距離測定ユニットと、
    ・前記台座（４０）に相対的な前記ビーム偏向ユニットの配向を決定する角度測定機能と、
    を有している、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 反射性のターゲット（８１，９０，９１）までの距離変化を干渉計によって算定するための測定装置（１０，１１，１２）であって、
    前記干渉計は、
    ・測定ビーム（１７，２１，７３）を放射する送信ユニット（６２）と、
    ・前記ターゲット（８１，９０，９１）において反射された前記測定ビームの少なくとも一部（７３ａ）を受信する受信ユニットと、
    ・前記反射された測定ビーム（７３ａ）と基準ビーム（７２）とを重畳させる重畳コンポーネントと、
    ・前記重畳を継続的に検出する感光性検出器（７７）と、
    ・評価ユニットと、
    を備えており、
    該評価ユニットは、
    ○少なくとも、検出された前記重畳に基づいて、前記ターゲット（８１，９０，９１）までの距離に依存する干渉計出力量を導出し、
    ○導出された前記干渉計出力量から、出力量経過を形成し、
    ○前記出力量経過に基づいて前記距離変化を求めるものである、
    測定装置（１０，１１，１２）において、
    前記評価ユニットは、
    ・前記出力量経過に基づいて、前記測定ビーム（１７，２１，７３）の方向において実行可能な、前記ターゲット（８１，９０，９１）の相対運動に関する少なくとも一つの運動パラメータを継続的に導出し、
    ・前記測定ビーム（１７，２１，７３）の方向における前記ターゲット（８１，９０，９１）の所定の相対運動を表す、前記ターゲット（８１，９０，９１）の所定の運動判定基準を、前記運動パラメータと継続的に比較し、且つ、
    ・前記運動判定基準が満たされない場合には、発生した測定エラーに関する情報を提供することによって、
    前記出力量経過の継続的な検査を実施するように構成されていることを特徴とする、
    測定装置（１０，１１，１２）。
14. 前記評価ユニットは、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている、
    請求項１３に記載の測定装置（１０，１１，１２）。
15. 前記測定装置（１０，１１，１２）は、前記ターゲット（８１，９０，９１）を継続的に追跡し、前記ターゲット（８１，９０，９１）の位置を決定するためのレーザトラッカ（１０，１１，１２）として構成されており、
    ・レーザビーム（１７，２１，７２，７３，７３ａ）を形成するビーム源として構成されている送信ユニット（６２）と、
    ・前記レーザビーム（１７，２１，７２，７３，７３ａ）を少なくとも前記基準ビーム（７２）と前記測定ビーム（１７，２１，７３）に分割するビームスプリッタ（７１）と、
    ・垂直軸（４１）を規定する台座（４０）と、
    ・前記測定ビーム（１７，２１，７３）を放射し、前記ターゲット（８１，９０，９１）において反射された前記測定ビーム（７３ａ）を受信し、且つ、前記垂直軸（４１）と、該垂直軸（４１）に実質的に直交する傾斜軸（３１）とを中心にして、前記台座（４０）に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であるビーム偏向ユニットと、
    ・前記ターゲット（８１，９０，９１）までの距離変化を算定する干渉計ユニット（６１，６１ａ）と、
    ・前記台座（４０）に相対的な前記ビーム偏向ユニットの配向を決定する角度測定機能と、
    を有しており、
    前記レーザトラッカ（１０，１１，１２）は、
    ・前記垂直軸（４１）を中心にして前記台座（４０）に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能であり、且つ、前記傾斜軸（３１）を規定する支持部（３０）と、
    ・ビーム偏向ユニットとして構成されており、且つ、前記傾斜軸（３１）を中心にして前記支持部（３０）に対して相対的にモータ駆動式に旋回可能な照準合わせユニット（２０）とを有しており、
    前記照準合わせユニット（２０）は、前記測定ビーム（１７，２１，７３）を放射し、前記ターゲット（８１，９０，９１）において反射された前記測定ビームの少なくとも一部（７３ａ）を受信するテレスコープユニットを有している、
    請求項１３又は１４に記載の測定装置（１０，１１，１２）。
16. 機械読み出し可能な担体に記憶されたプログラムであって、
    コンピュータに、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法を実行させるためのプログラム。

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