JP5558003B2 - 座標測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、座標測定装置の分野、特に、それぞれ対応する独立請求項に記載の光距離測定装置、ズームカメラおよびオーバービューカメラを具備する座標測定装置に関する。

この種の座標測定装置は、例えば特許文献１によって公知である。そこで説明されている装置の場合、可動な支持台が、２つの光距離測定装置の幾つかの構成部材を有し、それらがその他の構成部材に光導波路を介して接続されている。その際、前記その他の構成部材は、該座標測定装置の固定台座内に配置されている。支持台は、２つの軸を中心に回動可能であり、従って、光導波路もこの２つの軸を中心に移動可能でなければならない。さらに、支持台上には、ズームカメラとオーバービューカメラとが配置されている。これらのカメラの光路は、光距離測定装置の光路に結合されており、従って、全ての光路または光軸は、支持台の外部においてほぼ同軸上に延びている。

特許文献２に示された絶対光距離測定装置の場合、出射光学系と光電子素子とが、一方の側が、移動されるプラットフォーム上に、もう一方の側が座標測定装置の台座に固定されており、光ファイバによって互いに接続されている。

特許文献３で説明されているレーザーシステムでは、レーザー源が、熱絶縁のために光ファイバによってその他の素子から離置されている。

特許文献４では、画像記録装置を具備する、自動視準を行う測量装置が説明されている。画像記録装置によって記録された画像は、表示装置に表示され、その際、指示機構によって測定点を画像上にマーキングすることができる。この測量装置は、拡大度の大きい視準カメラシステムを有する。画像記録装置は、広角カメラとして構成されている。広角カメラの光路は、視準カメラシステムの光路に対してほぼ平行に延びている。視準カメラシステムは、２つの視準装置、すなわち一方は視準カメラ、もう一方はクロスラインセンサを有する。この両者は、視準カメラシステムを正確にターゲットマーキングに位置決めする働きする。その際、通例、一方は屋外で、もう一方は閉じられた空間で用いられる。視準カメラシステムが位置決めされると、ターゲットマーキングまでの距離が光学距離計で決定される。光学距離計の光軸は、視準カメラシステムの光軸と同軸上に延びている。広角カメラは、（第３の）代替視準装置であるとも考えられ、ターゲットマーキングの粗位置測定を行うために用いられる。従って、広角カメラは、オーバービューカメラとしても働く。その結果、オーバービューカメラの光軸と光距離測定装置の光軸とは、平行かつ互いに分離して、すなわち非同軸上に延びている。高精度を要する前記の両システム部材（距離測定および視準）は、従って同軸上に配置されている。より低い精度で機能するシステム部材（粗位置測定を行うためのオーバービューカメラ）は、個別に前記両部材に対して平行に配置されている。なぜなら、粗位置測定からターゲットマーキングに対する精密な視準へ移行する際に、視差の補正が、あまり高い要求を満たす必要がないからである。これは、精密な視準から距離測定への移行とは対照的である。

特許文献５に示された測量装置では、光距離測定装置が、照準望遠鏡に対して同一線上に配置されている。照準望遠鏡は、ズーム機能を有していない。画像は、照準望遠鏡の光路から第１の画像センサへ取り出すことができる。自身の光学系を具備する第２の画像センサには、画像を取り込むために、３０倍大きな開口角が設けられている。電子的なスイッチングによって、選択的に第１または第２の画像センサの画像を表示できる。測定補助手段を追跡するための手段は公開されておらず、またズームカメラも公開されていない。１つの実施形態では、第１および第２の画像センサの光路は、該測量装置の外部において同一直線上に延びている。しかし、このためには、共通の出射光学系が、２つの個別の同心上のレンズ系を有する必要がある。すなわち、出射レンズの内部領域が、一方の画像センサの結像用に形成されており、この内部領域の周りに環状に配置された外部領域が、もう一方の画像センサの結像用に形成されている必要がある。
国際公開第０３／０６２７４４号パンフレット 米国特許出願公開第２００３／００２０８９５号明細書 欧州特許出願公開第０７５９５３８号明細書 独国特許出願公開第１０２３５８８８号明細書 欧州特許出願公開第１６１００９２号明細書

従って、本発明の課題は、従来技術に比して測定精度を向上させる、冒頭に挙げた種類の座標測定装置を提供することである。

この課題は、前記それぞれ対応する独立請求項に記載の特徴を有する座標測定装置によって解決される。

本座標測定装置は、好ましくは、
・ 空間内を移動可能な測定補助手段までの距離を測定することを目的とし、かつ、測定補助手段を追跡するための第１の測定／制御回路を具備する少なくとも１つの光距離測定装置と、
・ ズーム対物レンズと光電画像変換器への測定補助手段の結像のサイズを一定に維持するための第２の測定／制御回路とを具備する、少なくとも２つの軸に対して回動可能なズームカメラと、
・ 測定補助手段の粗位置測定を行うためのオーバービューカメラとを有し、
・ 光距離測定装置の光出射／受光光学系、ズームカメラおよびオーバービューカメラが、少なくとも２つの軸に対して回動可能な共通の支持台上に配置されており、
その際、光距離測定装置の光軸と、オーバービューカメラの光軸とが、座標測定装置の外部において同軸上に延びている。

これにより、光学構成部材を総じて特に省スペースに配置することが可能である。

前記少なくとも１つの光距離測定装置は、好ましくは、干渉計測装置、またはレーザービームに基づく絶対値光距離測定装置、またはその両者の組み合わせである。光距離測定装置の光出射／受光光学系および光距離測定装置のその他の部材は、従って、支持台の中に、または支持台と共に移動するように配置されている。少なくとも１つの視準された光ビームが、測定補助手段までの距離を測定するために生成される。測定補助手段の移動時、反射された光ビームの変位が、カメラまたは位置感応型検出器によって検知され、第１の測定／制御回路を介して、支持台が測定補助手段を追跡するために移動される。

好ましくは、その際、光束の光路内に、まず、オーバービューカメラへの光の第１の分離部が配置されている。これにより、オーバービューカメラは、光学系の出射開口部に可能な限り接近しており、非常に大きな開口角を有することができる。オーバービューカメラは、その目的に応じて、ズームカメラよりも大きな開口角を有する。通例、オーバービューカメラの開口角は１０°以上であり、ズームカメラの開口角は、測定補助手段までの距離に従って例えば１°から１０°の間で可変である（例えば距離１５ｍの場合は１°、距離１．５ｍの場合は１０°）。

それに続いて、好ましくは、センサへの光の第２の分離部が配置されており、このセンサは、測定補助手段を追跡するための測定値を出力する。この第２の分離部は、第１の分離部によって分離されていない光成分、すなわち通過する光成分のビーム内に配置されている。このセンサは位置変換器であり、該変換器の面上で光スポットの位置を検知する。本発明の別の実施形態では、位置変換器の代わりに、オーバービューカメラが、測定補助手段を追跡するためのこの測定値を出力する。

好ましくは、第１および第２の分離部は、受光軸を中心に互いに対して少なくとも約９０°回転されている。これによって、第１の分離部のミラーによって通過光に生じた非対称が、第２の分離部の、前記ミラーに対して回転されたミラーによって再び補償される。

本発明の好ましい１つの実施形態では、ズームカメラと光距離測定装置との光路が、それぞれ個別の出射光学系を介して導かれており、すなわち、ニ軸である。言い換えれば、ズームカメラの光軸と光距離測定装置の光路とは、座標測定装置と測定補助手段との間の領域では同軸上には延びていない。従って、これらのビーム経路間の距離は、ズームカメラのデータとその他のセンサのデータとを評価および調整する際に考慮しなければならないが、一方、光学的構造は簡素化されている。

本発明の好ましい別の実施形態では、ズームカメラの光軸も、座標測定装置の外部において光距離測定装置とオーバービューカメラとの光軸に対して同軸上に延びている。従って、この場合、光学的構造のコストは増すが、一方、評価はより容易である。さらに、好ましくは、第３の分離部が、第１の分離部によって分離される光の光路内に配置されている。従ってこの第３の分離部は、ズームカメラへの光を分離するために配置されている。

この場合、前記複数のカメラあるいは光距離測定装置は同時に動作可能である。これは、光が、傾倒可能なミラーを介して偏向され、従って、個々の測定機構を交替に互いに排他的にしか動作させることができない配置とは対照的である。

好ましくは、分離部の少なくとも１つが、波長依存ビームスプリッタである。すなわち、前記複数のカメラおよび光距離測定装置ならびに位置検出器は、少なくとも部分的に異なった波長範囲で機能する。従って、これらの測定手段の相互的な影響を最小限にすることが可能である。また、ある一定の波長範囲において、受光エネルギーの最大量が、付設された検出器に達することが可能となる。

本発明のまた別の好ましい実施形態では、ズームカメラの光電画像変換器が、ズームカメラの光軸に対して非対称に配置されており、この画像変換器の中心点が、光距離測定装置の光軸からずれている。

この座標測定装置は、好ましくは、
・ 少なくとも１つの光距離測定装置と、
・ 光の放射および受光を行うための手段と、
・ 中間ユニットまたは支持台に対して軸、例えば方位軸を中心に回動可能に配置されている送受ユニットと、
・ 中間ユニットであって、前記第１の軸に対して非平行に延びる別の軸、例えば天頂軸を中心にベースユニットに対して回動可能に配置されており、これにより、送受ユニットがベースユニットに対して２つの軸を中心に回動可能に配置されている中間ユニットとを有し、
・ 光学距離測定装置が第１のサブユニットを有し、このサブユニットが送受ユニット上に、該送受ユニットと共に移動するように配置されており、
・ 光距離測定装置が第２のサブユニットを有し、光を伝送するための少なくとも１つの光導波路が、光距離測定装置の第１のサブユニットと第２のサブユニットとの間に配置されており、
その際、第２のサブユニットが、前記中間ユニット上に該中間ユニットと共に移動するように配置されている。

従って、前記単数または複数の光導波路は、唯一の移動される軸を通じてのみ前記サブユニット間を案内されねばならない。

本発明の別の実施形態では、第１の光距離測定装置の第２のサブユニットが中間ユニット上に配置され、第２の光距離測定装置の第２のサブユニットがベースユニット内に配置されている。この第２のサブユニットは、光距離測定装置の種類に応じて、以下の部材のうちの１つまたは複数、すなわち、レーザー光源、変調器、ビームスプリッタ、アイソレータ、検出器、光導波路などのうちの１つまたは複数を含む。

本発明の１つの好ましい実施形態では、前記少なくとも１つの光距離測定装置の少なくとも１つの光電子検出器が、送受ユニット内に配置されている。これにより、（例えば測定ビームを伴う）第１の光導波路における温度による長さ変化を、（例えば参照ビームを伴う）第２の光導波路における同様の長さ変化によって補償することが可能である。

本発明のさらに別の好ましい実施形態では、前記少なくとも１つの光距離測定装置の放射光ビームと戻り光ビームとが、同じ光導波路によって第１のサブユニットと第２のサブユニットの間を案内されている。これにより、特にファイバの簡単な延設が可能である。

本発明の別の好ましい実施形態では、前記少なくとも１つの光距離測定装置の放射光ビームと戻り光ビームとが、個別の光導波路を通じて第１のサブユニットと第２のサブユニットの間を案内されている。このような配置でも、光導波路の長さ変化を補償することができる。

本発明のさらに別の好ましい実施形態は、第１および第２の光距離測定装置を有する。この場合、両光距離測定装置の光ビームは、それぞれ個別の光導波路を通じて第１のサブユニットと第２のサブユニットの間を案内されている。これにより、光ビームを個別に処理することができ、光距離測定装置は、中間ユニット内に空間的に互いに独立して配置することができる。この実施形態には、各光距離測定装置がそれぞれ１つまたはそれぞれ２つの光導波路を有する変形形態も含まれる。

本発明のさらに別の好ましい実施形態は、それぞれ放射光ビームと戻り光ビームとを具備する第１および第２の光距離測定装置を有する。この場合、第１の光距離測定装置の光ビームの少なくとも１つと、第２の光距離測定装置の光ビームの少なくとも１つとが、同じ光導波路によって第１のサブユニットと第２のサブユニットとの間を案内されている。これにより、一方では、光距離測定装置の少なくとも１つのための平行に延びる二重の光導波路によって補償を行うことが可能であり、もう一方では、両光距離測定装置のために二重利用することによって光導波路の数を少なくすることが可能である。

本発明のさらに別の好ましい実施形態は、それぞれ放射光ビームと戻り光ビームとを具備する第１および第２の光距離測定装置を有する。この場合、第１および第２の光距離測定装置の全ての光ビームが、同じ光導波路によって第１のサブユニットと第２のサブユニットの間を案内されている。これにより、光導波路の数が最小となっている。温度変動を補償するために、光導波路は、好ましくは、組み込み型の温度測定部、例えば光導波路に対して平行にかつその近傍を走る抵抗線を用いた温度測定部を有する。

本発明のさらに別の好ましい実施形態では、光源が中間ユニット内に配置されており、第２のサブユニットを形成する。従って、前記少なくとも１つの光距離測定装置のその他の部材は、第１のサブユニットを形成し、送受ユニット内に配置されている。

本発明のさらに別の好ましい実施形態では、前記少なくとも１つの光距離測定装置の幾つかのサブユニットが、ベースユニット上にも配置されている。例えば、出射光学系が送受ユニット上に配置され、検出ユニットが中間ユニット上に配置され、光源がベースユニット上に配置されるように、光距離測定装置の３つのサブユニットが分散されている。あるいは、第１の光距離測定装置の光源と検出ユニットと、ならびに第２の光距離測定装置測定装置の光源と検出ユニットとが、ベースユニット上に配置されている。従って、原則として、異なった機能を有するサブユニットは、送受ユニット、中間ユニットおよびベースユニットを通じて分散することができ、これにより、光学特性、熱工学特性および機械特性の最適な組み合わせを得ることができる。

本発明の１つの好ましい実施形態では、送受ユニット内において、λ／４板または１／４波長板が、少なくとも２つの光距離測定装置のうちの少なくとも１つの光距離測定装置の放射光と戻り光との光路内に配置されている。これにより、単数または複数の光導波路において、放射光が受光に対して回転される。これによって、光導波路とその他の光学部材との偏光依存遅延および他の非対称性が相殺される。従って、１／４波長板は、光出射光学系のできる限り近傍に設置されている。

他の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

以下において、本発明の対象について、好ましい実施例を参照しながら詳述する。好ましい実施例は、添付された図面に示されている。

図で用いられている符合およびその意味は、符号リストにまとめて記載されている。原則として、各図において、同じ部材には同じ符号が付されている。

図１は、座標測定装置の構造を模式的に示し、この座標測定装置は、２つの軸を中心に移動可能な送受ユニット１と、１つの軸を中心に移動可能な中間ユニット２と、ベースユニット３とを有する。中間ユニット２は、垂直軸または方位軸Ａを中心にベースユニット３に対して回動可能であり、送受ユニット１は、水平の天頂軸または仰角軸Ｚを中心に中間ユニット２に対して回動可能である。その際、中間ユニット２は、第１の支柱２１と第２の支柱とを有し、これらの支柱に送受ユニット１が左右に軸支されている。しかしまた、本発明は、１つの支柱のみを介して送受ユニット１の一方の側を軸支した配置において実施することも可能である。

送受信ユニット１上に、座標測定装置の複数の測定カメラと光距離測定装置との光出射および受光用の光学部材が配置されている。これらの光学部材は、送受ユニット１と共に移動され、受け取った光に応じて制御機構によって、ターゲットまたは測定補助手段５の方へ向けられて、該ターゲットまたは測定補助手段を自動的に追跡するようにされる。方位軸Ａと天頂軸Ｚとを中心にした送受信ユニット１の回転の測定値と、ターゲット５までの距離とから、公知の方法でターゲット５の位置が決定される。ズームカメラ１０６によって、ターゲット５面のマーキングが検知され、そこから公知の方法でターゲット５の空間的方向、すなわち３つの座標軸を中心とする方向が決定される。

以下において、一方では送受信ユニット１上の測定カメラの機構の点で、もう一方では送受信ユニット１と中間ユニット２とへの光学距離計の分割の点で異なっている様々な機構について説明する。同様に本発明に含まれる、カメラ機構と距離計機構とのさらに別の組み合わせは、下記説明から容易に推定される。

図２は、レーザー光源３０１が分離されている機構を示す。この機構は、異なるカメラ１０４、１０６、位置変換器１０８、絶対距離計（ＡＤＭ）機構２００および干渉計機構３００が配置されている支持台機構１００を有し、これらの構成要素がこの支持台機構１００と共に移動される配置である。干渉計機構３００用のＨｅＮｅレーザー３０１は、支持台機構１００と共に移動することはなく、光導波路５０３を介して離置されている。ＨｅＮｅレーザー３０１は、中間ユニット２上に配置されている。

支持台機構１００は、距離計の光軸１１２に沿って外部から支持台機構１００へ入射する光を分離する分離部１０１を有する。この光の一部分は、オーバービューカメラ１０４の方へ分離される。オーバービューカメラ１０４は、独自の光学系と画像変換器１０５とを有する。オーバービューカメラ１０４は、通例、約１０度の開口角と例えば３０ないし５０ｍｍの焦点距離とを有し、測定ターゲット５の粗位置測定のために用いられる。反射するターゲット５を検知するために、支持台機構１００は、好ましくは反射照明部１１０を有し、この反射照明部は、好ましくは、少なくともオーバービューカメラ１０４の開口角と同じ大きさの角度範囲を照明する。分離部１０１、１０２、１０３の直径は、例えば約２０ないし２５ｍｍである。

オーバービューカメラ１０４の評価電子装置および／または評価ソフトウエアが、例えば、オーバービューカメラ１０４の視野領域内に１つまたは複数の特に明るい光点を検知する。つまり、この光点はそれぞれ、反射するターゲット５に一致する。これから、オーバービューカメラ１０４の画像内において光点の位置が求められ、そこからまた、支持台機構１００と単数または複数の距離計の光ビームとをターゲット５の方へ向けるための軸位置の変更量が求められる。従って、これにより、自動的なターゲット検知とターゲット５への「ロックオン」とが可能となっている。

第１の分離部１０１によって分離されなかった光は、第２の分離部１０２に達し、この第２の分離部が、その光の一部分を位置変換器１０８へ分離する。この光成分は、光距離測定装置２００、３００の１つ、好ましくは干渉計機構３００の、戻り光のビーム束である。位置変換器１０８は、独自の光学系と例えば位置感応型ダイオード１０９とを有する。この位置感応型ダイオードは、該ダイオード１０９の表面上の２次元におけるビーム束の位置を表すアナログ信号を出力する。これの代わりにまた、位置決定のためのデジタル信号処理部が付設されたセンサアレイまたは画像変換器（ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）を用いることもできる。トラッキング制御部が、このようにして求められた位置に応じて、送受信ユニット１の位置の変位を制御し、従って光ビームは反射するターゲット５の移動を追跡する。

第１の分離部１０１と第２の分離部１０２との空間的配置は、図では模式的にのみ示されている。第１の分離部１０１によって分離された光の入射面の方向は、図平面に対して実際に平行（「ｐ」）に延びている。しかし、第２の分離部１０２によって分離された光の入射面の方向は、図平面に対して垂直（「ｓ」）に延びており、図示のためにのみ、図平面の方へ折り倒して示されている。測定ビームにおける非対称性を引き起こす、測定ビームに対する第１の分離部１０１の作用は、第２の分離部１０２の作用によって補償される。この非対称性は、光の垂直偏光された成分と水平偏光された成分との間の位相差である。

ズームカメラ１０６も、支持台機構１００の一部として送受信ユニット１上に配置されている。ズームカメラ１０６は、独自の光入射光学系と、従ってまた独自の光軸１１１とを有し、この光軸は、送受ユニット１の外部にあって、前述の諸部材の光軸１１２とは一致せず、好ましくはその光軸に対してほぼ平行に延びている。この配置を、以降、二軸配置と呼ぶ。ズームカメラ１０６は、画像変換器１０７上においてターゲット５のマーキングを検知する。マーキングを結像することによって、公知の方法でターゲット５の方向が求められ、さらにズームカメラ１０６のズーム倍率が制御されて、画像変換器１０７へのターゲット５の結像が、実質的に常に同じサイズを有する。例えば、ズームカメラ１０６は、焦点距離が５０から５００ｍｍの１０倍ズーム機能を有する。

本発明の１つの好ましい実施形態では、ズームカメラ１０６の光路は、送受ユニット１の外部にあって、光距離測定装置２００、３００の光路に対して平行である。ターゲット５が検知され、追跡される場合、光距離測定装置２００、３００の光ビームは、持続的にターゲット５のリフレクタの方へ向けられている。その際、ターゲットから、通例、反射するまたは自己発光する特別なマーキング点が見え、このマーキング点の結像によって、ターゲット５の方向を決定することができる。従って、ズームカメラ１０６側から見ると、ターゲット５は、平行な光路１１１、１１２の間隔分だけ常にずれている。さらに、ズーム自動装置が、ターゲット５の結像のサイズを一定に維持する。従って、ズームカメラ１０６の画像変換器１０７へのターゲット５の結像は、常に、光軸１１１に対して同じ距離だけずらされている。従って、好ましくは、画像変換器１０７も、ズームカメラ１０６の光軸１１１に対してずらして配置されている。つまり、光軸１１１は、画像変換器１０７の中心を通っていない。これにより、画像変換器１０７は、最適利用され、画像データの評価を能率的に行うことができる。あるいは、画像変換器１０７をずらすことなく配置し、光距離測定装置ビームの側に位置する帯状の画像点を読み出さないこと、または画像処理において考慮しないことも可能である。

測定手段、例えば、オーバービューカメラ１０４、ズームカメラ１０６、位置変換器１０８および両光距離測定装置２００、３００は、好ましくは、異なった波長範囲で機能する。図３は、図１に記載の配置で用いられる分離部の、このような場合の反射特性Ｃ（ｓ、ｐ）を模式的に示している。横軸は波長を示し、反射光の割合Ｒ［％］が、縦軸にプロットされている。第１の分離部１０１は、好ましくは、５００ｎｍ以下の波長範囲における入射光の全成分を反射、すなわち取り出す。オーバービューカメラ１０４は、５５０ｎｍを中心とした領域で動作するのに最適化されている。従って、反射照明部１１０も、好ましくは主としてこの範囲の光を放射する。第２の分離部１０２は、６３３ｎｍ付近の光の一部分、例えば約２０％を取り出す。これは、好ましくは干渉計機構３００が機能する範囲である。これにより、一方では、干渉計機構３００が、戻り光の主要部分を獲得し、もう一方では、位置変換器１０８が、限られた、良好に画定された光ビームを、送受ユニット１の追跡のためのベースとして獲得する。図３は、理想的な曲線を表しており、実際に得られる曲線は、これらの波長が用いられる場合、ほぼ設定どおりになり、他の波長の場合は設定から外れる。既に上で述べたように、第１の分離部１０１と第２の分離部１０２とは、ビーム方向に見たとき、互いに対して回転されており、従って、分離された光成分の各軸は、互いに対して垂直方向に、あるいは図平面に対して垂直（ｓ）および平行（ｐ）に位置する。従って、両分離部の、選択的に透過性を有するミラーも、互いに対して９０°回転して配置されている。これにより、透過された、あるいは分離されなかった光の、偏光度が異なる成分に対して両ミラーが及ぼす作用が相殺される。

第２の分離部１０２によって分離されなかった光は、光距離測定装置２００、３００へ導通される。この光は、好ましくは、まずビーム拡大光学系あるいは集光光学系７を介して、次にλ／４板または１／４波長板４を通じて案内される。１／４波長板４の光軸は、電気光学変調器２０５の結晶のＣ軸と干渉計機構３００の出力偏光とに対して４５度回転されている。この光軸は、ＡＤＭ機構２００の波長にのみ厳密に作用し、干渉計構成部３００の波長の場合、わずかな信号損失しか伴わない。あるいはまた、両波長に対してできる限り理想的な方法で作用し、広帯域に作用する１／４波長板４を用いることもできる。本発明のまた別の好ましい実施形態では、１／４波長板４が、さらにビーム経路に沿って分離部に達した位置に、または分離部の外部に配置されている。これにより、分離部におけるある種の非対称性も補償されるが、そのためには１／４波長板４がより大きいものでなければならない。

１／４波長板４に続いて、この光は、波長依存ビームスプリッタ３２０によってＡＤＭ機構２００の成分と干渉計機構３００の成分とに分割される。例えば、ＡＤＭ機構２００は７８０ｎｍの波長で機能し、干渉計機構３００は６３３ｎｍの波長で機能する。

ＡＤＭ機構２００は、測定光ビームを生成するためのレーザーダイオード２０１を有する。レーザーダイオードから出る光ビームは、戻り光を遮蔽するためのアイソレータ２０２を通じて偏光ビームスプリッタ２０３へ、さらにそこから電気光学変調器２０５を通じて波長依存ビームスプリッタ３２０へ案内される。波長依存ビームスプリッタ３２０を介して、この出射光ビームは、上述の部材を逆順に通ってターゲット５に達し、そこで反射される。戻り光は、ＡＤＭ機構２００において偏光ビームスプリッタ２０３を通じてＡＤＭ検出器２０４へ案内される。このようなＡＤＭ機構２００の作動形態は、基本的に公知である。測定光ビームを、例えば波長依存ビームスプリッタ３２０によって送り込むことおよび取り出すことが可能な他のＡＤＭ機構および方法を用いることもできる。このようなＡＤＭの例は、国際公開第０３／０６２７４４号パンフレットに詳述されている。本発明の他の実施形態と同様にこの実施形態でも、原則的に、位相計のような他の種類のＡＤＭを用いることも可能である。

干渉計機構３００は、ＨｅＮｅレーザー３０１の光を用い、このＨｅＮｅレーザーは、本発明のこの実施形態では、送受ユニット１上ではなく、中間ユニット２内に配置されている。ＨｅＮｅレーザー３０１の光は、光導波路５０１を介して干渉計機構３００へ案内される。その際、光導波路５０１の両終端に、それぞれコリメータ６００が、公知の方法で配置されている。コリメータ６００は、光導波路の接続部の一部分として構成されており、例えばＧｒｉｎ（グレーデッドインデックス）コリメータとして構成されており、例えば直径約０．５ｍｍの出力ビームを有する。あるいは、視準するためのレンズまたはビームシェーパーとしてのレンズを、例えば直径約５ｍｍの出力ビーム用に、光導波路の終端の前に配置することも可能である。

光導波路５０１から出る光は、ビームスプリッタ３０２によって参照光路３０５と測定光路とに分割される。測定光路は、音響光学変調器３０３を通り、参照光路と共に偏光ビームスプリッタ３０４へ達する。偏光ビームスプリッタ３０４は、測定光をさらに波長依存ビームスプリッタ３２０へ導き、戻り測定光を参照光と共に、相互に干渉し合う４５°偏光成分を生成するための偏光フィルタ３０６を介して、干渉計検出器３０７へと導く。このような干渉計機構３００の作動形態は、基本的に公知である。測定光ビームを、例えば波長依存ビームスプリッタ３２０によって送り込むことおよび取り出すことが可能な他の干渉計機構および方法を用いることもできる。このような干渉計の例は、国際公開第０３／０６２７４４号パンフレットに詳述されている。上述の原理は、ヘテロダイン干渉計の原理である。原則的に、本発明の他の実施形態において、他の種類の干渉計（直交検波を用いたマイケルソン干渉計、ゼーマン分裂）を用いることもできる。

本実施形態の、および他の実施形態の、詳述されていないその他の変形形態では、両距離測定装置２００、３００のうちの１つのみが具備されている。

図４は、光距離測定装置２００、３００がただ１つの光導波路を介して分離された機構を示す。さらに、この配置では、ズームカメラ１０６の光路１１１が、支持台機構１００とターゲット５との間の領域において、光距離測定装置２００、３００の光路１１２と同軸上にある。以下において、図２に記載の前述の実施形態との相違点についてのみ説明する。その他の部材は、前述の実施形態と同じ基本構造および機能を有する。

第１の分離部１０１によって分離される入射光は、この第１の分離部１０１の後で、第３の分離部１０３によってもう一度分離され、オーバービューカメラ１０４とズームカメラ１０６との方向へ分割される。好ましくは、これらの両カメラは、それぞれ異なった波長範囲で機能するように最適化されている。

図４に示された実施形態の１つの変形形態では、ＡＤＭ機構２００、ＨｅＮｅレーザー３０１および干渉計機構３００が、中間ユニット２の代わりにベースユニット３の上に配置されており、共通に利用される光導波路５０２を介して光学的に互いに接続されている。

図５は、この配置で用いられる分離部の反射特性を示す。前述の実施形態と異なり、第１の分離部１０１は、５５０ｎｍ付近の波長範囲以外に、８８０ｎｍ付近以上の波長範囲を取り出す。第３の分離部１０３は、これらの波長範囲を互いに分離し、８８０ｎｍ付近の波長範囲をズームカメラ１０６に、５５０ｎｍ付近の波長範囲をオーバービューカメラ１０４に導く。

光距離測定装置２００、３００の測定光成分は、第２の分離部１０２の後、１／４波長板４とビームシェーパー６とを通じて光導波路５０２内へ導かれる。また、逆に、光距離測定装置２００、３００から放射される測定光も、これらの１／４波長板とビームシェーパーとを通じて導き出される。ビームシェーパー６は、測定光ビームを４ないし５ｍｍにまで拡大し、例えばＧｒｉｎコリメータの代わりに用いられている。

光導波路５０２は、偏光成分を互いに独立して伝送し、従って、偏光を保持している。このような光導波路は、好適な軸または主軸（この軸の方向は、ファイバ方向に対して垂直方向の平面に向かって投射を行うことで定められている）を有し、等しく偏光して伝送を行うために、この軸に沿って光が偏光されていなければならない。この偏光保持が、この主軸に対して垂直な偏光方向に対しても行われることは明らかである。

この実施形態の上述の部材は、送受ユニット１内に該ユニットと共に移動可能に配置されている。光導波路５０２は、中間ユニット２上に該ユニットと共に移動可能に配置されているその他の部材につながっている。これらのその他の部材は、ＡＤＭ機構２００、干渉計機構３００およびそれに付設されたＨｅＮｅレーザー３０１である。図２の実施形態と同様に、これらの両光距離測定装置の測定ビームは、波長依存ビームスプリッタ３２０によって一緒に案内されるか、あるいは分離される。波長依存ビームスプリッタ３２０も中間ユニット２上に配置されている。

図６は、光距離測定装置が２つの光導波路を介して分離されている配置を示す。支持台機構１００は、この場合、図４の実施形態と同様であって、ここで用いられている分離部１０１、１０２、１０３の反射特性も、図４の実施形態の場合と同じである。しかし、両実施形態とも、代わりに前記諸部材を同軸上に配置することも可能である。この場合、波長依存ビームスプリッタ３２０による入射光ビームの分離は、送受ユニット１内において１／４波長板４の背後で行われる。両光距離測定装置２００、３００用の分割されたビームは、それぞれ独自の偏光保持型の光導波路５０３、５０４を介して中間ユニット２へ案内される。ＡＤＭ機構２００、干渉計機構３００およびＨｅＮｅレーザー３０１は、中間ユニット２上に該ユニット共に移動可能に配置されている。この実施形態の１つの変形形態では、ＡＤＭ機構２００またはＨｅＮｅレーザー３０１、および任意に干渉計機構３００もまた、ベースユニット３上に配置されている。コリメータの代わりに、送受ユニット１内に、典型例としてビームシェーパー６がビーム拡大のために用いられている。

両光導波路５０３、５０４は、熱技術上の理由およびスペース上の理由から、好ましくはそれぞれ個別に送受ユニット１の右および左の支柱を介して天頂軸Ｚを通して案内される。

図４および図６の実施形態では、加熱による光導波路５０２、５０３、５０４の長さ変化を考慮しなければならない。これは、好ましくは、温度、例えば座標測定装置内の温度を測定することによって行われる。本発明の１つの好ましい変化形態では、金属線、例えばニッケル製の金属線が、光導波路に対して平行かつできる限り近傍に、例えば光導波路の外装内に通されている。金属線の電気抵抗を用いて、抵抗測定機構によって金属線の平均温度が求められる。そこから、自動的に光導波路の平均の長さ変化が決定され、距離測定の補正のために用いられる。

図７は、干渉距離計が２つの光導波路を介して部分的に分離されている配置を示す。この配置では、ＨｅＮｅレーザー３０１と干渉計機構３００の音響光学変調器（ＡＯＭ）３０３とが、支持台あるいは送受ユニット１から離されて、中間ユニット２上にある。ＨｅＮｅレーザー３０１から出たレーザービームは、ビームスプリッタ３０２によって測定経路と参照経路とに分割される。その際、参照経路は、小さい方のエネルギー成分、例えば約１０％を有する。参照経路は、第１の偏光保持型光導波路５０５を介して延びており、測定経路は、音響光学変調器３０３とその後の第２の偏光保持型光導波路５０６とを介して延びている。測定経路と参照経路とをこうして個別に延通することで、両経路は、少なくとも温度変動をほぼ等しく受けるので、温度の影響が低減される。このために、両光導波路は、共通のガイドまたは外装５１０内に配置されている。光導波路５０５、５０６の開始端および終端にそれぞれ、光ビームを縮小または拡大するためのコリメータ６００が配置されている。コリメータ６０１は、あるいは音響光学変調器３０３におけるファイバ連結部は、一次成分用、すなわち周波数シフトされた成分用のフィルタとして作用し、光導波路５０６に連結される。測定経路と参照経路とは、中間ユニットから両光導波路５０５、５０６を経て送受ユニット１へと延びている。送受ユニットでは、参照光ビームと測定光ビームとの干渉が行われる。そのために、戻り測定光ビームは、偏光ビームスプリッタ３１０によって出射測定光ビームから分離され、ビームスプリッタ３１３へ案内される。このビームスプリッタ３１３は、測定光ビームを参照光ビームと重ね合わせ、両者を干渉計検出器３０７へ案内する。従って、両ビームスプリッタ３１０、３１３と干渉計検出器３０７とは、送受ユニット１上に配置されている。

音響光学変調器３０３は、反射された測定ビーム用のアイソレータとして働き、従って、ＨｅＮｅレーザー３０１を保護するためのアイソレーションを追加する必要がない。あるいはまた、測定光の代わりに参照光を変調することも可能である。しかし、その場合は、測定光経路内にアイソレータを配置しなければならない。

コリメータ６０２は、好ましくは比較的大きな焦点距離、例えば１８ｍｍの焦点距離を有し、これにより、測定光の、例えば４ないし５ｍｍという十分な直径を生成する。あるいは、コリメータ６０２の焦点距離は、例えば２ｍｍという短い焦点距離であり、それに隣接して、ガリレオ望遠鏡が、図４および図６の実施形態の場合と同じように、それぞれの光導波路の終端前に配置されている（個別的には図示されていない）。

本発明のこの実施形態では、発熱する部材は、中間ユニット２内に配置され、送受ユニット１内の感熱性光学部材から遠ざけられている。

図８は、絶対距離計が１つの光導波路を介して分離された配置を示す。送受ユニット１上には、１／４波長板４と光導波路５０４用のコリメータ６００とのみが配置されている。１／４波長板４を送受ユニット１上に配置することは、光導波路５０４における異なった位相遅れを補償するのに役立つ。出射ビームの場合、レーザービームの、互いに直交する成分が、異なった未知の遅延を伴っている。９０°の位相シフトの後、すなわち、１／４波長板４による円偏光への変換、ターゲット５による反射、および１／４波長板４による新たな位相シフトの後、各成分は、９０度回転されており、従って、光導波路５０４の主軸に対して相互に交換されている。これにより、各成分は、帰路において、他方の成分が往路において受けた遅延を受ける。これによって、遅延における差が補償されている。この補償が最適に作用するように、コリメータ６０３では、光導波路５０４の偏光軸が、電気光学変調器２０５の偏光軸の方向へ向けられており、つまり、該偏光軸に対して平行になっている。

図９は、図７の配置と図８の配置とを組み合わせた配置を示す。ＡＤＭ機構２００と干渉計機構３００との測定ビームは、送受ユニット１において、波長依存ビームスプリッタ３２０によって重ね合わされるか、あるいは互いに分離される。１／４波長板４は、ＡＤＭの測定に合わせて最適化されており、同時にまた、干渉計の測定に対する影響および損失が最低限になるように構成されている。これにより、両光距離測定装置の測定光ビームは、独自の光導波路５０４、５０５、５０６を介して個別に中間ユニット２へ、あるいは該ユニットから案内される。好ましくは、その際、ＡＤＭ機構２００の光導波路５０４は、第１の支柱２１を介して案内されており、干渉計機構３００の光導波路５０５、５０６は、第２の支柱２２を介して案内されている。こうして個別に案内することで、両光距離測定装置の幾つかの構成要素を個別に両支柱２１、２２内に配置することができる。この実施形態の別の変形形態では、図９では中間ユニット２内に配置されているＡＤＭ機構２００の部材または干渉計機構３００の部材が、中間ユニットではなくベースユニット３内に配置されている。

これにより、送受ユニット１内の光学構成部材の量は、最小限に抑えられており、特に熱源は中間ユニット２内に配置されており、送受ユニット１内には配置されていない。

図１０は、光導波路の１つを多重に利用した、図７の配置と図８の配置とを組み合わせた配置を示す。この配置では、ＡＤＭ機構２００によって生成された測定ビームは、干渉計機構３００の測定ビームに結合されている。好ましくは、この結合部は、音響光学変調器３０３とそれに付設されたコリメータ６００との間に波長依存ビームスプリッタ３２０を有して配置されている。

送受ユニット１内の配置は、図７の場合と構造上同じである。送受ユニット１内の偏光ビームスプリッタ３１０は、干渉計の波長範囲にのみ作用し、従って干渉計の戻り光の少なくとも一部をビームスプリッタ３１３へ、従ってまた干渉計検出器３０７へ反射する。ＡＤＭの光成分は、偏光ビームスプリッタ３１０をほぼ透過し、同じファイバ５０６と中間ユニット２上の波長依存ビームスプリッタ３２０とを通ってＡＤＭ機構２００に達する。この光導波路５０６は、ＡＤＭの波長（例えば７８０ｎｍ）および干渉計の波長（例えば６３３ｎｍ）よりも低い、シングルモード伝搬のカットオフ波長を有する。本発明のこの実施形態によって、ＡＤＭと干渉計と送受ユニット１上の少数の光学部材とを高度に統合することが可能となる。両光距離測定装置のビームは、光導波路５０６の前で互いに合成され、送受ユニット１内で同じ光学系を通過するので、特別なコストを必要とすることなく、両光距離測定装置のビームを良好に重ね合わせることができる。

図１１は、干渉距離計が２つの光導波路を介して部分的に分離された別の機構を示す。この場合、干渉計検出器３０７は、中間ユニット２内に配置されており、またそれに付設されたビームスプリッタ３１３も同様に配置されている。これにより、干渉計の電気部材は、送受ユニット１内には全く配置されていない。しかし、光導波路５０５、５０６の共通の長さ変化が、相殺し合うことはもはやなくなる。従って、好ましくは、温度測定と補償とが組み入れられており、例えば上述したように、光導波路５０５、５０６に対して平行な測定ワイヤが備えられている。

図１２は、絶対距離計が２つの光導波路５０７、５０８を介して部分的に分離された機構を示す。電気光学変調器２０５から出射するビームは、偏光ビームスプリッタ３１１において、両光導波路５０７、５０８のコリメータ６００へ分割される。両光導波路の主軸は、偏光ビームスプリッタ３１１の軸に対して平行に方向付けられている。

送受ユニット１において、ビームの両成分は、もう１つの偏光ビームスプリッタ３１２で合成され、１／４波長板４を通じて放射される。戻り光は、１／４波長板４を再び通過する。各成分は、全部で９０度回転されており、帰路用の前記もう１つの偏光ビームスプリッタ３１２によってそれぞれ、往路の際とは別の光導波路５０７、５０８へ案内される。従って、光導波路５０７、５０８間の成分の位相シフトが異なっていても影響を及ぼさない。同じことが、成分の吸収が異なっている場合にも当てはまる。

図１３と図１４は、光学距離計がサブユニットに分離されている別の機構を示す。この場合、サブユニットの幾つかのものは、ベースユニット３上にも配置されている。このことは、特に重いサブユニットおよび／または比較的熱損失が大きいサブユニットの場合に有利である。図１３の機構では、ＨｅＮｅレーザー３０１はベースユニット３内に配置されており、光導波路を介して支持台機構１００内の干渉計機構３００に接続されている。図１４の機構では、ＨｅＮｅレーザー３０１の他に干渉計機構３００もベースユニット３内に配置されている。ＡＤＭ機構２００は、この２つの変形形態では、それぞれ中間ユニット２内に配置されている。ＡＤＭ機構２００は破線で示されており、これによって、ＡＤＭ機構を支持台機構１００内に配置することもまた可能であることが示唆されている。

座標測定装置を示す図である。 レーザー光源が分離された機構を示す図である。 前記配置で用いられる分離部の反射特性を示す図である。 光距離測定装置が光導波路を介して分離された機構を示す図である。 前記機構で用いられる分離部の反射特性を示す図である。 光距離測定装置が２つの光導波路を介して分離された機構を示す図である。 干渉距離計が２つの光導波路を介して部分的に分離された機構を示す図である。 絶対光距離測定装置が光導波路を介して分離された機構を示す図である。 図７の配置と図８の配置とを組み合わせた機構を示す図である。 図７の配置と図８の配置とを組み合わせた機構であり、光導波路の１つを多重に利用した組み合わせを示す図である。 干渉光距離測定装置が２つの光導波路を介して部分的に分離された別の機構を示す図である。 絶対光距離測定装置が２つの光導波路を介して部分的に分離された機構を示す図である。 光距離測定装置がサブユニット内に分離されている別の機構を示す図である。 光距離測定装置がサブユニット内に分離されている別の機構を示す図である。

Ａ 方位軸
Ｚ 天頂軸
１ 送受ユニット
２ 中間ユニット
３ ベースユニット
４ １／４波長板
５ ターゲット
６ ビームシェーパー
７ 拡大光学系
２１ 第１の支柱
２２ 第２の支柱
１０ 測定光ビーム
１００ 支持台機構
１０１ 第１の分離部
１０２ 第２の分離部
１０３ 第３の分離部
１０４ オーバービューカメラ
１０５ オーバービューカメラ１０４の画像変換器
１０６ ズームカメラ
１０７ ズームカメラ１０６の画像変換器
１０８ 位置変換器
１０９ 位置感応性ダイオード
１１０ 反射照明部
１１１ ズームカメラの光軸
１１２ 距離計の光軸
２００ ＡＤＭ機構
２０１ レーザーダイオード
２０２ アイソレータ
２０３ 偏光ビームスプリッタ
２０４ ＡＤＭ検出器
２０５ 電気光学変調器
３００ 干渉計機構
３０１ ＨｅＮｅレーザー
３０２ ビームスプリッタ
３０３ 音響光学変調器
３０４ 偏光ビームスプリッタ
３０５ 参照光路
３０６ 偏光フィルタ
３０７ 干渉計検出器
３１０−３１２ 偏光ビームスプリッタ
３１３ ビームスプリッタ
３２０ 波長依存ビームスプリッタ
３２１ アイソレータ
５０１−５０８ 光導波路
５１０ 二重ファイバガイド
６００−６０３ コリメータ

Claims (12)

1. 座標測定装置であって、
   空間内を移動可能な測定補助手段（５）までの距離を測定することを目的とし、かつ前記測定補助手段（５）を追跡するための第１の測定／制御回路を具備する少なくとも１つの光距離測定装置（２００、３００）と、
   少なくとも２つの軸に対して回動可能なズームカメラであって、ズーム対物レンズと該ズームカメラ（１０６）の光電画像変換器（１０７）への前記測定補助手段（５）の結像のサイズを一定に維持するための第２の測定／制御回路とを具備するズームカメラ（１０６）と、
   前記測定補助手段（５）の粗位置測定を行うためのオーバービューカメラ（１０４）とを有し、
   前記光距離測定装置（２００、３００）の光出射／受光光学系（１０１、１０２）、前記ズームカメラ（１０６）および前記オーバービューカメラ（１０４）が、少なくとも２つの軸（Ａ、Ｚ）に対して回動可能な１つの共通の支持台（１）上に配置されている座標測定装置において、
   前記光距離測定装置（２００、３００）の光軸（１１２）と前記オーバービューカメラ（１０４）の光軸（１１２）とが、本座標測定装置の外部において同軸上に延びていること、そして
   前記ズームカメラ（１０６）の光路と前記光距離測定装置（２００、３００）の光路とが、それぞれ個別の出射光学系を介して案内されていることを特徴とする座標測定装置。
2. 受光束の光路内に、まず、オーバービューカメラ（１０４）への光の第１の分離部（１０１）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の座標測定装置。
3. 引続いて、センサ（１０８）へ向かう光の第２の分離部（１０２）が配置されており、前記センサが、前記測定補助手段を追跡するための測定値を出力することを特徴とする請求項２に記載の座標測定装置。
4. 前記第１の分離部（１０１）が、第１の分離方向へ光を分離し、前記第２の分離部（１０２）が、第２の分離方向へ光を分離し、前記第１の分離方向と前記第２の分離方向とが、受光束の方向を見た際に、互いに対して垂直に、もしくはほぼ垂直に延びていることを特徴とする請求項３に記載の座標測定装置。
5. 前記オーバービューカメラ（１０４）が、前記測定補助手段を追跡するための測定値を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の座標測定装置。
6. 前記オーバービューカメラ（１０４）が、１０°以上の開口角を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の座標測定装置。
7. 前記オーバービューカメラ（１０４）と前記ズームカメラ（１０６）とが同一ではないことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の座標測定装置。
8. 前記オーバービューカメラ（１０４）と前記光距離測定装置（２００、３００）とが同一ではないことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の座標測定装置。
9. 前記分離部（１０１、１０２）の少なくとも１つが、波長依存ビームスプリッタであることを特徴とする請求項２〜８のいずれか一つに記載の座標測定装置。
10. 前記ズームカメラ（１０６）の光電画像変換器（１０７）の中心点が、前記ズームカメラの光軸（１１１）に対してずらして配置されており、該画像変換器（１０７）の中心点が、前記光距離測定装置（２００、３００）の光軸（１１２）からずれていることを特徴とする請求項１に記載の座標測定装置。
11. オーバービューカメラ（１０４）とズームカメラ（１０６）以外に、光距離測定装置（２００，３００）も支持台（１）上に設けられており、かつ支持台（１）と一緒に移動すること、そして
    光距離測定装置（２００，３００）の干渉計機構（３００）のためのレーザー（３０１）が、光導波路（５０３）を介して支持台（１）から離れており、かつ支持台（１））とは一緒に移動しないことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の座標測定装置。
12. 支持台（１）が中間ユニット（２）に対して軸線（Ｚ）を中心に回転可能に設けられており、中間ユニット（２）がベースユニット（３）に対して別の軸線（Ａ）を中心にして回転可能に設けられており、これにより支持台（１）がベースユニット（３）に対して二つの軸線（Ａ，Ｚ）を中心にして回転可能に設けられていること、および
    干渉計機構（３００）のためのレーザー（３０１）が、中間ユニット（２）上に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の座標測定装置。

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