光スイッチを備える絶対距離計
【課題】ドリフトをほとんど発生させることなく、動いているターゲットを正確に測定するＡＤＭを提供する。
【解決手段】絶対距離計（ＡＤＭ）は、放出光を放出する光源を含み、スイッチ制御信号に応答して少なくとも２つの位置間で切り換わる少なくとも１つの光スイッチを有するファイバ交換網２００を含み、これらの位置の第１の位置は放出光がファイバ交換網からターゲットの方へ放出され、測定光としてファイバ交換網内へ後方反射される測定モードにし、これらの位置の第２の位置は光ビームがファイバ交換網内の基準光を含む基準モードにする。ＡＤＭは、時間的に間隔を空けて多重化した形で測定および基準光を検出し、測定ビームおよび反射された光ビームの電気信号を提供する単一チャネル検出器、それに応答した電気信号を提供する単一チャネル信号処理装置、その電気信号を処理してターゲットまでの距離を決定するデータ処理装置４００とを含む。
【解決手段】絶対距離計（ＡＤＭ）は、放出光を放出する光源を含み、スイッチ制御信号に応答して少なくとも２つの位置間で切り換わる少なくとも１つの光スイッチを有するファイバ交換網２００を含み、これらの位置の第１の位置は放出光がファイバ交換網からターゲットの方へ放出され、測定光としてファイバ交換網内へ後方反射される測定モードにし、これらの位置の第２の位置は光ビームがファイバ交換網内の基準光を含む基準モードにする。ＡＤＭは、時間的に間隔を空けて多重化した形で測定および基準光を検出し、測定ビームおよび反射された光ビームの電気信号を提供する単一チャネル検出器、それに応答した電気信号を提供する単一チャネル信号処理装置、その電気信号を処理してターゲットまでの距離を決定するデータ処理装置４００とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶対距離計に関し、より詳細には、絶対距離計内の望ましくないドリフトを低減させ、それによってより正確な距離測定を実現する、光ファイバ交換網を有する絶対距離計に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本願は、２００９年８月７日出願の「ＡＢＳＯＬＵＴＥ ＤＩＳＴＡＮＣＥ ＭＥＴＥＲ ＷＩＴＨ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＷＩＴＣＨ」という名称の米国仮特許出願第６１／２３２，２２２号の利益を主張する。同願の全体を、本願に引用して援用する。
【０００３】
一般に、絶対距離計（ＡＤＭ）は、遠隔ターゲットまでの距離を決定するデバイスである。これは、ターゲットにレーザ光を送り、次いでターゲットが反射または散乱させる光を収集することによって行われる。たとえば金物店で入手可能な消費者製品内で見られるように、ＡＤＭを使用して、１次元で距離を測定することができる。ＡＤＭは、追加の次元（自由度）に対応する数量を測定する能力を有するより複雑なデバイス内に取り付けることもできる。
【０００４】
後者のタイプのデバイスの一例は、３次元の空間座標を測定するレーザ追跡装置である。例示的なシステムは、ブラウンらの米国特許第４，７９０，６５１号およびラウらの米国特許第４，７１４，３３９号に記載されている。レーザ追跡装置は、当該表面に対して保持され、または固定の入れ子内に配置された再帰反射器ターゲットにレーザビームを送る。最も一般的なタイプの再帰反射器ターゲットは、球面マウント再帰反射器（ＳＭＲ）である。このＳＭＲは、球内に取り付けられたキューブコーナー再帰反射器を含むことができ、このキューブコーナーの頂点は球の中心に位置する。
【０００５】
レーザ追跡装置に密接に関係するデバイスは、レーザスキャナである。レーザスキャナは、１つ以上のレーザビームを拡散表面上の点へ移動させる。レーザ追跡装置とレーザスキャナはどちらも、座標測定デバイスである。現在の一般的な慣行では、レーザ追跡装置という用語を使用して、距離および角度を測定する能力を有するレーザスキャナデバイスも指す。レーザ追跡装置に密接に関係する別のデバイスは、通常測量士によって使用されるトータルステーションである。レーザスキャナおよびトータルステーションを含むレーザ追跡装置の大まかな定義を、本書全体にわたって使用する。
【０００６】
レーダデバイスは、電磁波を放出して受け取り、受け取った波を分析してターゲットまでの距離を学習するという点で、レーザ追跡装置に類似している。レーダは通常、電磁スペクトルのＲＦ、マイクロ波、またはミリメートル領域内の波を放出し、一方レーザ追跡装置は通常、可視または近赤外領域内の波を放出する。レーダは、バイスタティックとモノスタティックのいずれであってもよい。モノスタティックレーダは、共通の経路に沿って電磁エネルギーを放出して受け取り、一方バイスタティックレーダは、異なる経路上で放出して受け取る。トータルステーションもまた、バイスタティックとモノスタティックのいずれであってもよい。しかし、高精度の工業計測で使用されるレーザ追跡装置は、モノスタティックである。
【０００７】
レーザ追跡装置がなぜモノスタティックであるかを理解するために、レーザ追跡装置によって放出され、再帰反射器ターゲットへ進んで再びレーザ追跡装置自体へ再帰反射されるビームについて考慮されたい。追跡装置内でバイスタティックモードが使用された場合、入射レーザビームは再帰反射器の中心から外れるはずであり、反射されたレーザビームは入射ビームに対してシフトするはずである。レーザ追跡装置とともに使用されることが多いこの種の小型の再帰反射器ターゲットは、そのようなバイスタティックデバイスに適合しないはずである。たとえば、一般的なタイプの再帰反射器ターゲットは、直径０．５インチのＳＭＲである。そのようなＳＭＲ内のキューブコーナー再帰反射器の開放口直径は通常、約０．３インチであり、これは約７．５ｍｍに等しい。追跡装置からのレーザビームの１／ｅ2照射直径は、ほぼこの大きさ、またはそれより大きいであろう。したがって、レーザビーム内の何らかのシフトにより、ビームはＳＭＲによってクリッピングされるはずである。この結果、追跡装置へ戻る光パワーは、許容できないほど大きく低下するはずである。
【０００８】
バイスタティックの幾何形状はまた、光ファイバベースのＡＤＭシステムにとっても問題となるはずである。光ファイバからレーザ光を放つモノスタティックのレーザ追跡装置では、レーザコリメータは、光ファイバの端面を視準レンズの焦点に配置することによって作製することができる。離れた再帰反射器からの復路では、戻ってくるレーザビームは一般に、出ていくレーザ光に対して中心から外れているが、視準したレーザ光は再び視準レンズに当たる。このファイバ端面は、視準レンズの焦点に配置される。これには、ビームがどこでレンズに当たるかにかかわらず、再帰反射器ターゲットからの光を再びファイバ内に効率的に結合させる効果がある。バイスタティックデバイスでは、光ファイバを受け入れる光学系の整合ははるかに困難であり、結合効率ははるかに低い。
【０００９】
１つのタイプレーザ追跡装置は干渉計（ＩＦＭ）だけを含み、絶対距離計をもたない。これらの追跡装置のうちの１つからのレーザビームの経路をある物体が阻止した場合、ＩＦＭはその距離基準を失う。このとき操作者は、既知の位置まで再帰反射器を追跡して基準距離にリセットしてからでなければ、測定を継続することができない。この制限を回避する方法は、追跡装置内にＡＤＭを置くことである。ＡＤＭは、以下により詳細に説明するポイントアンドシュート（ｐｏｉｎｔ−ａｎｄ−ｓｈｏｏｔ）の形で、距離を測定することができる。レーザ追跡装置の中には、ＡＤＭだけを含み、干渉計をもたないものがある。このタイプの例示的なレーザ追跡装置は、ペインらの米国特許第５，４５５，６７０号に記載されている。他のレーザ追跡装置は通常、ＡＤＭと干渉計の両方を含む。このタイプの例示的なレーザ追跡装置は、マイヤーらの米国特許第５，７６４，３６０号に記載されている。
【００１０】
レーザ追跡装置内のジンバル機構を使用して、追跡装置からのレーザビームをＳＭＲへ誘導することができる。ＳＭＲによって再帰反射された光の一部は、レーザ追跡装置に入って位置検出器上へ進む。レーザ追跡装置内の制御システムは、位置検出器上の光の位置を使用して、レーザビームをＳＭＲ上の中心に位置決めした状態に保つように、レーザ追跡装置の機械的方位軸および天頂軸の回転角度を調整することができる。このようにして、追跡装置は、当該物体の表面上で動くＳＭＲを追従（追跡）することが可能である。
【００１１】
追跡装置の機械的方位軸および天頂軸に取り付けられた角度エンコーダは、（追跡装置の基準枠に対する）レーザビームの方位角度および天頂角度を測定することができる。レーザ追跡装置によって実行される１つの距離測定および２つの角度測定は、ＳＭＲの３次元の位置を完全に指定するのに十分である。
【００１２】
レーザ追跡装置に対する主要な適用分野の１つは、物体の表面フィーチャを走査して、それらの幾何特性を決定することである。たとえば、操作者は、それぞれの表面を走査し、次いでそれぞれに幾何平面を適合させることによって、２つの表面間の角度を決定することができる。別の例として、操作者は、球の表面を走査することによって、球の中心および半径を決定することができる。
【００１３】
ブリッジスらの米国特許第７，３５２，４４６号以前は、レーザ追跡装置で動いているターゲットを走査するには、ＡＤＭではなく干渉計が必要とされた。それまで、絶対距離計は、動いているターゲットの位置を正確に見出すには遅すぎた。走査とポイントアンドシュートの両方の能力で完全な機能性を得るには、初期のレーザ追跡装置は、干渉計とＡＤＭの両方を必要とした。
【００１４】
干渉計による距離測定と絶対距離測定の概略的な比較は以下のとおりである。レーザ追跡装置では、干渉計（存在する場合）は、再帰反射器ターゲットが２つの点間を動くときに通過する既知の長さ（通常、レーザ光の２分の１の波長）のインクリメントの数を計数することによって、開始点から終了点までの距離を決定することができる。測定中にビームが切断された場合、カウント数を正確に知ることができなくなり、距離情報は失われる。比較すると、レーザ追跡装置内のＡＤＭは、ビームの切断に関係なく再帰反射器ターゲットまでの絶対距離を決定し、また、複数のターゲット間の切換えも可能にする。このため、ＡＤＭには「ポイントアンドシュート」測定の能力があると言われている。
【００１５】
干渉計測定にはいくつかの誤差要因が存在するが、大部分の場合、主な誤差は、空気中のその経路上のレーザ光の平均波長の値にある。空間内のある点の波長は、レーザ光の真空波長をその点の空気の屈折率で割った値に等しい。レーザの真空波長は通常、高い精度（１０，０００，０００分の１より良好）で知られているが、空気の平均屈折率は、それほど正確には知られていない。空気の屈折率は、まずセンサを使用して空気の温度、圧力、および湿度を測定すること、次いでこれらの測定値を、シダー（Ｃｉｄｄｏｒ）の等式またはエドリン（Ｅｄｌｉｎ）の等式などの適切な等式に挿入することによって見出される。
【００１６】
しかし、温度、圧力、および湿度は空間全体にわたって均一ではなく、センサも完全に正確ではない。たとえば、摂氏１度の平均温度の誤差は、約百万分の１（ｐｐｍ）の屈折率の誤差をもたらす。上記のように、空気中の光の波長は、空気の屈折率に反比例する。
【００１７】
同様に、ＡＤＭでは、振幅変調包絡線（曖昧性範囲とも呼ばれる）のいわゆるＡＤＭ波長は、空気の群屈折率に反比例する。この類似性のため、温度、圧力、および湿度の測定の誤差は、ＡＤＭシステムと干渉計システムに対してほぼ等しい計算距離の誤差をもたらす。
【００１８】
しかし、ＡＤＭは、干渉計では見られない誤差を受けやすい。距離を測定するために、干渉計は電気カウンタを使用して、２つの光ビームの位相が合いまた位相がずれた回数を追跡する。このカウンタは、わずかなアナログの差に応答する必要のないデジタルデバイスである。比較すると、ＡＤＭは通常、位相シフトまたは時間遅延などのアナログ値を高い精度で測定する必要がある。
【００１９】
大部分の高性能のＡＤＭでは、レーザ光は、レーザ光源に電気信号を印加することによって、またはこのレーザ光を、音響光学変調器もしくは電気光学変調器などの外部変調器を通って送ることによって変調される。この変調されたレーザ光は、ＡＤＭから遠隔ターゲットへ送られる。遠隔ターゲットは、再帰反射器または拡散表面とすることができる。光は、遠隔ターゲットから反射または散乱して、少なくとも部分的に再びＡＤＭ内へ入る。
【００２０】
ＡＤＭが直面する難点を理解するために、時間的に非干渉性のアーキテクチャおよび時間的に干渉性のアーキテクチャという２つの一般的なＡＤＭアーキテクチャについて考慮する。いくつかの時間的に干渉性のシステムでは、戻ってくるレーザ光は、別の位置からのレーザ光と混合されてから光検出器へ送られ、光検出器は、その光を電気信号に変換する。この信号を復号して、ＡＤＭから遠隔ターゲットまでの距離を見出す。そのようなシステムでは、レーザ光の振幅、位相、または波長に変調を加えることができる。他の時間的に干渉性のシステムでは、異なる波長を有するいくつかの純粋なレーザ線が組み合わされてから、再帰反射器へ送られる。これらの異なる光の波長は検出器で組み合わされ、それによって「合成」変調を提供する。
【００２１】
時間的に非干渉性の光システムでは、光は通常、光検出器内で別の波長の光と混合されない。最も簡単なタイプの時間的に非干渉性のシステムは単一の測定チャネルを使用し、基準チャネルを使用しない。通常、そのようなシステム内のレーザ光の光パワーは変調される。再帰反射器から戻る光は光検出器に当たり、光検出器はその光を、同じ変調周波数を有する電気信号に変換する。この信号を電気的に処理して、追跡装置からターゲットまでの距離を見出す。このタイプのシステムの主な欠点は、電気および光学構成要素の応答が時間とともに変動することで、演算された距離にジッタおよびドリフトをもたらす恐れがあることである。
【００２２】
時間的に非干渉性のシステム内のこれらの誤差を低減させるために、１つの手法は、測定チャネルに加えて基準チャネルを作製することである。これは、２組の電子機器を作製することによって行われる。１組の電子機器は、測定チャネル内に位置する。離れた再帰反射器から戻された変調させたレーザ光は、光検出器によって電気信号に変換され、この組の電子機器を通過する。他方の組の電子機器は、基準チャネル内に位置する。電気変調信号は、この第２の組の電子機器に直接印加される。測定チャネル内で見出された距離から基準チャネル内で測定された距離を引くことによって、ＡＤＭの読取り値のジッタおよびドリフトが低減される。このタイプの手法は、特に温度に応じて、電気構成要素によってもたらされる変動性の大部分を取り除く。しかし、レーザおよび検出器などの電気光学構成要素の違いから生じる変動性を取り除くことはできない。
【００２３】
これらの誤差をさらに低減させるために、変調させたレーザ光の一部を分割して基準チャネル内の光検出器へ送ることができる。測定および基準チャネルの変調させたレーザ光の変動の大部分はコモンモードであり、測定距離から基準距離が引かれるときに取り消される。
【００２４】
これらの改善にかかわらず、そのようなＡＤＭシステム内のドリフトは、特に長時間にわたって、または大きな温度変化にわたって、やはり比較的大きいことがある。上記で論じたアーキテクチャはすべて、測定および基準チャネル内で同一ではない光学および電気要素の変動によってもたらされるドリフトおよび繰返し性誤差を受けやすい。ＡＤＭシステム内で使用される光ファイバは、温度とともに光路長さを変化させる。ＡＤＭシステム内で使用される、増幅器およびフィルタなどの電気アセンブリは、温度とともに電気位相を変化させる。
【００２５】
レーザ追跡装置内のＡＤＭのドリフトの影響を大幅に低減させる方法および装置は、ブリッジスの米国特許第６，８４７，４３６号に教示されている。同特許の内容を、本願に引用して援用する。この方法は、チョッパアセンブリを使用して、戻ってくるレーザ光を測定または基準経路へ交互に再誘導することに関する。この方法はよく機能するが、チョッパホイールの最大回転率、したがってＡＤＭのデータ収集率には制限がある。
【００２６】
動いている再帰反射器までの距離を測定する方法は、ブリッジスらの米国特許第７，３５２，４４６号に教示されている。同特許の内容を、本願に引用して援用する。米国特許第７，３５２，４４６号の方法を使用して可能な限り最高の性能を得るために、これらの距離は、高い率、好ましくは少なくとも１０ｋＨｚの率で再び演算される。このように高いデータ率で、米国特許第６，８４７，４３６号のような機械チョッパを作製するのは困難である。したがって、ＡＤＭドリフトの問題を解決するには、別の方法を見出す必要がある。
【００２７】
２つの自由空間光路間で光学系ビームを機械的に切り換えることによって、距離計のドリフトを補正することが可能である。一方の光路は計器の内部にあり、これを基準経路と呼ぶ。第２の光路は計器から測定されている物体へ進み、次いで計器へ戻る。これを測定経路と呼ぶ。測定および基準経路からの光は、単一の光検出器に当たる。機械スイッチの動作のため、２つの基準経路からの光は、単一の光検出器に同時に当たらない。機械スイッチは、ミラー、プリズム、ビームスプリッタ、またはチョッパホイールなどの機械的に作動される光学構成要素とすることができる。アクチュエータは、ソレノイド、モータ、ボイスコイル、手動調整器、または類似のデバイスとすることができる。光検出器と電気回路は、測定および基準経路に対して同じであるため、ほぼすべてのドリフト誤差はコモンモードであり、取り消される。この方法に基づいた発明の例には、ヒューレットらの米国特許第３，６１９，０５８号、マディガンらの米国特許第３，７２８，０２５号、デウィットの米国特許第３，７４０，１４１号、ナカザワらの米国特許第３，７７９，６４５号、ハインズらの米国特許第３，８１３，１６５号、シップらの米国特許第３，８３２，０５６号、ウェントの米国特許第３，９００，２６０号、ヴィックランドの米国特許第３，９１４，０５２号、エプステインの米国特許第４，１１３，３８１号、カボルスキーの米国特許第４，２９７，０３０号、バックらの米国特許第４，４５３，８２５号、オオイシらの米国特許第５，００２，３８８号、ペインらの米国特許第５，４５５，６７０号、カネコらの米国特許第５，７３７，０６８号、クボの米国特許第５，８８０，８２２号、ヒルヌマの米国特許第５，８８６，７７７号、ダムの米国特許第５，９９１，０１１号、シライらの米国特許第６，７６５，６５３号、ブリッジスの米国特許第６，８４７，４３６号、オオトモらの米国特許第７，０９５，４９０号、オオトモらの米国特許第７，１９６，７７６号、シュティルレらの米国特許第７，２２４，４４４号、シュミットらの米国特許第７，２６２，８６３号、アオキらの米国特許第７，３３６，３４６号、ナカムラらの米国特許第７，３３９，６５５号、リューらの米国特許第７，４７１，３７７号、オオトモらの米国特許第７，４７４，３８８号、オサダの米国特許第７，４９２，４４４号、オイシらの米国特許第７，５１８，７０９号、ルオらの米国特許第７，７３８，０８３号、およびウォルフらの米国特許出願公開第ＵＳ２００９／０００９７４７号が含まれる。これらの特許はすべて、遅い機械スイッチを使用するので、動いている再帰反射器を正確に測定するＡＤＭ内で使用するのに十分なほど迅速に切り換えることができない。
【００２８】
別の可能性は、距離計の光学部分ではなく電気部分だけでドリフトを補正することである。この場合、基準光路からの光は基準光検出器へ送られ、測定光路からの光は測定光検出器へ送られる。基準および光検出器からの電気信号は電気スイッチへ進み、電気スイッチは、２つの検出器からの電気信号を単一の電気ユニットへ交互に経路指定する。電気ユニットは、この信号を処理してターゲットまでの距離を見出す。この方法に基づいた発明の例には、ヘルシャーの米国特許第３，３６５，７１７号、レイファーの米国特許第５，７４２，３７９号、シュタインレヒナーの米国特許第６，３６９，８８０号、ギーガーの米国特許第６，４６３，３９３号、ギーガーの米国特許第６，７２７，９８５号、ギーガーの米国特許第６，８５９，７４４号、およびギーガーの米国特許第６，８６４，９６６号が含まれる。電気スイッチを使用すると、ＡＤＭシステムの電気部分のドリフトを低減させることができるが、光学部分からのドリフトを取り除くことはできない。光学部分からのドリフトは通常、電気部分のドリフトと同じ大きさであり、またはそれより大きい。さらに、数ＧＨｚで変調される電気信号内の位相シフトを回避するのに十分なほど迅速に切り換えることができる電気交換システムを実施するのは困難である。有用性が制限され、また実装が困難であるため、電気スイッチは、ＡＤＭ内のドリフトを補正するのに良好な解決策ではない。
【００２９】
バイスタティック距離計の場合、光ファイバスイッチの使用について論じる２つの参考文献が存在する。コンスタンティクスの米国特許出願公開第ＵＳ２００９／００４６２７１号は、出ていくビーム経路内に１つのファイバスイッチが配置され、戻ってくるビーム経路内に第２のファイバスイッチが配置される方法について教示している。これらの２つの光ファイバスイッチを同時に切り換えて、測定または基準経路からの光が光検出器に到達するのを可能にする。コールの米国特許第４，６８９，４８９号は、バイスタティック距離計の戻りポートからの光がスイッチの１つのポート内に入り、出ていくビームからの光がスイッチの第２のポート内に供給される、ファイバスイッチの使用について教示している。これらの参考文献に記載のファイバスイッチのアーキテクチャは、上記に論じた理由で、バイスタティックデバイスのみに当てはまり、レーザ追跡装置とともに使用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】米国特許第４，７９０，６５１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７１４，３３９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７６４，３６０号明細書
【特許文献４】米国特許第７，３５２，４４６号明細書
【特許文献５】米国特許第６，８４７，４３６号明細書
【特許文献６】米国特許第３，６１９，０５８号明細書
【特許文献７】米国特許第３，７２８，０２５号明細書
【特許文献８】米国特許第３，７４０，１４１号明細書
【特許文献９】米国特許第３，７７９，６４５号明細書
【特許文献１０】米国特許第３，８１３，１６５号明細書
【特許文献１１】米国特許第３，８３２，０５６号明細書
【特許文献１２】米国特許第３，９００，２６０号明細書
【特許文献１３】米国特許第３，９１４，０５２号明細書
【特許文献１４】米国特許第４，１１３，３８１号明細書
【特許文献１５】米国特許第４，２９７，０３０号明細書
【特許文献１６】米国特許第４，４５３，８２５号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，００２，３８８号明細書
【特許文献１８】米国特許第５，４５５，６７０号明細書
【特許文献１９】米国特許第５，７３７，０６８号明細書
【特許文献２０】米国特許第５，８８０，８２２号明細書
【特許文献２１】米国特許第５，８８６，７７７号明細書
【特許文献２２】米国特許第５，９９１，０１１号明細書
【特許文献２３】米国特許第６，７６５，６５３号明細書
【特許文献２４】米国特許第６，８４７，４３６号明細書
【特許文献２５】米国特許第７，０９５，４９０号明細書
【特許文献２６】米国特許第７，１９６，７７６号明細書
【特許文献２７】米国特許第７，２２４，４４４号明細書
【特許文献２８】米国特許第７，２６２，８６３号明細書
【特許文献２９】米国特許第７，３３６，３４６号明細書
【特許文献３０】米国特許第７，３３９，６５５号明細書
【特許文献３１】米国特許第７，４７１，３７７号明細書
【特許文献３２】米国特許第７，４７４，３８８号明細書
【特許文献３３】米国特許第７，４９２，４４４号明細書
【特許文献３４】米国特許第７，５１８，７０９号明細書
【特許文献３５】米国特許第７，７３８，０８３号明細書
【特許文献３６】米国特許出願公開第２００９／０００９７４７号明細書
【特許文献３７】米国特許第３，３６５，７１７号明細書
【特許文献３８】米国特許第５，７４２，３７９号明細書
【特許文献３９】米国特許第６，３６９，８８０号明細書
【特許文献４０】米国特許第６，４６３，３９３号明細書
【特許文献４１】米国特許第６，７２７，９８５号明細書
【特許文献４２】米国特許第６，８５９，７４４号明細書
【特許文献４３】米国特許第６，８６４，９６６号明細書
【特許文献４４】米国特許出願公開第２００９／００４６２７１号明細書
【特許文献４５】米国特許第４，６８９，４８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
ドリフトをほとんど発生させることなく、動いているターゲットを正確に測定するＡＤＭが必要とされている。このＡＤＭはモノスタティックとし、光学構成要素と電気構成要素の両方でドリフトを最小限にしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の一態様によれば、ターゲットまでの距離を決定する絶対距離計（ＡＤＭ）は、放出光ビームを放出する光源を含む。ＡＤＭはまた、スイッチ制御信号に応答して少なくとも２つの位置間で切り換わる少なくとも１つの光スイッチを有するファイバ交換網を含み、これらの位置のうちの第１の位置は、放出光ビームがファイバ交換網からターゲットの方へ放出され、測定光ビームとしてファイバ交換網内へ後方反射される測定モードを可能にし、これらの位置のうちの第２の位置は、光ビームがファイバ交換網内の基準光ビームを含む基準モードを可能にする。ＡＤＭは、時間的に間隔を空けて多重化した形で測定および基準光ビームを検出し、検出した測定および基準光ビームに対応する電気信号を提供する単一チャネル検出器をさらに含む。また、ＡＤＭは、電気信号を処理し、それに応答して調整された電気信号を提供する単一チャネル信号処理装置と、調整された電気信号を処理してターゲットまでの距離を決定するデータ処理装置とを含む。
【００３３】
実施形態について、限定的ではなく例示的なものである添付の図面を参照して、例示のみを目的として次に説明する。添付の図面では、同じ要素にはいくつかの図で同じ番号を付ける。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】レーザビームを外部再帰反射器へ送る例示的なレーザ追跡装置の斜視図である。
【図２Ａ】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと、可視レーザと、追跡装置の光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図２Ｂ】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと、増分距離計アセンブリと、追跡装置の光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図３】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと追跡装置の光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図４】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと簡略化した光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による、光ファイバスイッチと、光結合器と、部分的ファイバ再帰反射器とを含む光ファイバ交換網を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態による、光ファイバスイッチと、光サーキュレータと、部分的ファイバ再帰反射器とを含む光ファイバ交換網を示す図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態による、２つの光ファイバ結合器と光ファイバスイッチとを含む光ファイバ交換網を示す図である。
【図８】本発明のさらに別の実施形態による、複数の光ファイバスイッチを組み合わせて光分離を増大させる光ファイバ交換網を示す図である
【図９】本発明の別の実施形態による、光変調器または光減衰器によって切換え動作が実行される光ファイバ交換網を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態で使用される例示的なＡＤＭ電子機器のブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態で使用されるデータ処理装置のブロック図である。
【図１２】ＡＤＭシステムからの例示的な信号のグラフである。
【図１３】例示的なスイッチング信号のグラフである。
【図１４】例示的なゲート信号のグラフである。
【図１５】本発明の実施形態で使用される処理システムのブロック図である。
【図１６】本発明の実施形態で使用されるＡＤＭ電子機器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１に例示的なレーザ追跡装置１０を示す。レーザ追跡装置１０の例示的なジンバル式ビームステアリング機構１２は天頂キャリッジ１４を含み、天頂キャリッジ１４は、方位基部１６に取り付けられ、方位軸２０の周りを回転する。天頂キャリッジ１４上にペイロード１５が取り付けられ、天頂軸１８の周りを回転する。追跡装置１０の内部で、天頂機械回転軸１８と方位機械回転軸２０は、ジンバル点２２で直交して交差する。ジンバル点２２は通常、距離測定に対する原点である。レーザビーム４６は、実質上ジンバル点２２を通過し、天頂軸１８に対して直交に向けられる。言い換えれば、レーザビーム４６は、天頂軸１８に対して垂直な平面内にある。レーザビーム４６は、天頂軸１８の周りのペイロード１５の回転によって、また方位軸２０の周りの天頂キャリッジ１４の回転によって、所望の方向に向けられる。追跡装置（図示せず）内部で、天頂機械軸１８および方位機械軸２０に天頂および方位角度エンコーダが取り付けられ、回転の角度を高い精度で示す。レーザビーム４６は、上記の球面マウント再帰反射器（ＳＭＲ）などの外部再帰反射器２６へ進む。ジンバル点２２と再帰反射器２６の間の径方向の距離、ならびに天頂軸１８および方位軸２０の周りの回転角度を測定することによって、追跡装置の球面座標系内で、再帰反射器２６の位置が見出される。
【００３６】
以下に続く議論で説明するように、レーザビーム４６は１つ以上のレーザ波長を含むことができる。見やすくかつ簡単にするために、以下の議論では、ステアリング機構は図１に示す種類のものとする。しかし、他のタイプのステアリング機構も可能である。たとえば、方位および天頂軸の周りを回転するミラーからレーザビームを反射させることが可能であろう。本明細書に記載の技法は、ステアリング機構のタイプにかかわらず適用できる。
【００３７】
レーザ追跡装置の要素
図２Ａに、追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ａを示す。追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ａは、ＡＤＭアセンブリ２０００、可視レーザ１１０、および光学アセンブリ１９０を含む。ＡＤＭアセンブリ２０００は、ＡＤＭ電子機器３００、ＡＤＭレーザ１０２、光ファイバ交換網２００、およびデータ処理装置４００を含む。光学アセンブリ１９０は、ＡＤＭビームコリメータ１４０、可視ビーム投光器１５０、追跡アセンブリ１７０、およびビームエキスパンダ１６０を含む。
【００３８】
光を変調させるには多くの方法が存在する。１つのタイプの変調は光パワーのものであり、変調信号は通常、正弦波またはパルスである。別のタイプの変調は光波長のものである。このタイプの変調は、干渉性のレーザ距離計で使用されることがある。光源、または電気光学変調器などの外部変調器に直接変調を加えて、レーザ光のパワー、偏光、または位相を変動させることができる。本開示に記載の方法は、これらのタイプの変調のいずれにも適用できる。光は、レーザ、高輝度ダイオード、または任意の他のタイプの光エミッタから生じることができる。以下の文章では、光源をレーザと呼ぶことが多いが、これは、使用できる光源のタイプを限定すると解釈するべきではない。
【００３９】
ＡＤＭレーザ１０２からの光は、光ファイバ１０４内に注入され、ファイバ交換網２００へ進む。ファイバ交換網２００からの一部の光は、光ファイバケーブル５０１を通ってＡＤＭビームコリメータ１４０へ進む。ＡＤＭビームコリメータ１４０は、安定フェルール１４２および正レンズ１４４を含む。光ファイバは、単一モードタイプのものであることが好ましい。
【００４０】
ＡＤＭレーザ１０２が赤外波長で動作する場合、可視レーザビームを提供してビームを見つけやすくすると好都合である。可視レーザ１１０は、光ファイバケーブル２１５を通って可視ビーム投光器１５０へ可視光を送る。可視ビーム投光器１５０は、安定フェルール１５２、正レンズ１５４、およびダイクロイックビームスプリッタ１１４を含む。ダイクロイックビームスプリッタ１１４はＡＤＭビーム１０８を透過するが、可視ビーム１１２を反射する。ビームスプリッタ１１４の右側では、複合レーザビーム１１６は、可視レーザビーム１１２およびＡＤＭレーザビーム１０８を含む。可視レーザビーム１１２とＡＤＭレーザビーム１０８は、実質上同一直線上にある。レーザビーム１１６は、ビームスプリッタ１１８およびビームエキスパンダ１６０を通過し、より大きな平行レーザビーム４６として現れる。ビームエキスパンダ１６０は、負レンズ１６２および正レンズ１６４を含む。
【００４１】
いくつかの適用分野では、ＡＤＭに加えて干渉計（ＩＦＭ）を含むことが望ましい。図２Ｂに、追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ｂを示す。追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ｂは、可視レーザ１１０が増分距離計アセンブリ１８０に置き換えられたことを除いて、電気光学系アセンブリ２５０Ａと同じ要素を含む。増分距離計アセンブリ１８０は、安定レーザ１８２および干渉計（ＩＦＭ）アセンブリ１８４を含む。安定レーザ１８２は、赤色ビームを生成する周波数安定化ヘリウム−ネオンレーザであることが好ましい。ＩＦＭアセンブリ１８４は、再帰反射器２６までの距離の増分変化を測定する光学系および電子機器（図示せず）を含む。
【００４２】
レーザビーム４６は、図１に示すように、外部再帰反射器２６へ進む。ビーム４６は、再帰反射器２６から反射し、ビーム４８としてレーザ追跡装置１０に戻る。レーザビーム４６が再帰反射器２６の中心に当たった場合、反射されたレーザビーム４８は、入射レーザビーム４６の経路を戻る。レーザビーム４６が再帰反射器２６に中心を外れて当たった場合、反射されたレーザビーム４８は、入射ビーム４６と平行であるが入射ビーム４６からずれて戻る。反射されたレーザビーム４８は、ビームエキスパンダ１６０を通って再び追跡装置１０に入り、光システムを通って経路を戻る。
【００４３】
追跡アセンブリ１７０は、ビームスプリッタ１１８、任意選択の光フィルタ１２８、および位置検出器１３０を含む。反射されたレーザビーム４８の一部は、ビームスプリッタ１１８に当たって跳ね返り、任意選択の光フィルタ１２８を通過して位置検出器１３０に当たる。光フィルタ１２８は、再帰反射器２６近傍の周囲光など、望ましくない光の波長を阻止する。
【００４４】
位置検出器１３０は、位置検出器１３０上の光点の位置を示す電気信号を生成する。位置検出器１３０は、戻ってくる光ビームの位置を示す任意のタイプの検出器とすることができる。たとえば、位置検出器１３０は、側面効果検出器もしくは象限検出器などの位置敏感型検出器とすることができ、またはＣＣＤもしくはＣＭＯＳアレイなどの感光アレイとすることができる。位置検出器の帰線点は、レーザビーム４６が再帰反射器２６の中心に当たった場合にレーザビーム１２６が当たる点と定義される。レーザビーム４６が再帰反射器２６の中心から外れたとき、レーザビーム１２６は帰線点から外れ、位置検出器１３０は電気誤差信号を生成する。サーボシステム（図示せず）は、この誤差信号を処理して、レーザビーム４６の向きをレーザ追跡装置１０から外部再帰反射器２６の中心の方へ変えるモータ（図示せず）を活動化させる。こうして、追跡装置１０からのレーザビームに、再帰反射器２６の動きを追跡させる。
【００４５】
ダイクロイックビームスプリッタ１１４は、戻ってくるＡＤＭレーザ光を、ＡＤＭビームコリメータ１４０を通って伝送し、そこでＡＤＭレーザ光は、光ファイバ５０１に結合される。レーザ光は再びファイバ交換網２００内へ進み、その一部は、光ファイバ２３０を通ってＡＤＭ電子機器３００へ進む。ＡＤＭ電子機器３００は、この光信号を電気信号に変換し、レーザ光に加えられる特定のタイプの変調に適した形でこの電気信号を調整する。ＡＤＭ電子機器３００からの信号はデータ処理装置４００へ送られ、データ処理装置４００は、この信号を処理して結果４２０を見出す。結果４２０は、追跡装置のジンバル点２２から再帰反射器ターゲット２６までの距離である。
【００４６】
追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ａ、２５０Ｂの構成要素は、完全に追跡装置のペイロード１５内に配置しても、部分的に追跡装置のペイロード１５内に配置し、また部分的に方位基部１６内に配置しても、または完全に方位基部１６内に配置してもよい。ＡＤＭまたは干渉計の構成要素が方位基部１６内に配置される場合、これらは、機械的方位および天頂軸を通ってペイロード１５内へ光ファイバケーブルを経路指定することによって、光学構成要素へ接続することができる。この方法は、国際出願第ＷＯ２００３／０６２７４４号に記載されている。同願を、本願に引用して援用する。別法として、ＡＤＭまたは干渉計の構成要素が方位基部１６内に配置される場合、ＡＤＭレーザ１０２または安定レーザ１８２によって放出される光は、自由空間を通って、ペイロード内に配置されたビームステアリングミラーへ送ることができる。この方法は、ラウらの米国特許第４，７１４，３３９号に記載されている。
【００４７】
光ファイバ交換網２００は、光信号を光学アセンブリ１９０へ、および光学アセンブリ１９０の外へ経路指定して切り換える手段を提供する。ファイバ交換網２００について、以下により詳細に説明する。
【００４８】
図２Ａの可視光レーザ１１０または図２Ｂの増分距離計アセンブリ１８０をなくすことが可能である。この場合、可視ビーム投光器１５０は不要になる。図３に、その結果得られる電気光学系アセンブリ３５０を示す。このアーキテクチャは、ＩＦＭが必要とされなかった場合、またＡＤＭレーザ１０２が可視レーザ光を放出した場合に適切であろう。このアーキテクチャはまた、ＩＦＭが必要とされなかった場合、また可視ポインタビームが必要とされなかった場合に適切であろう。
【００４９】
手持ち式距離計または追跡しない他の計器の場合、追跡アセンブリ１７０、および場合によってはビームエキスパンダ１６０をなくすことによって、アーキテクチャをさらに簡略化することができる。図４に、その結果得られるＡＤＭ距離計４５０を示す。
【００５０】
図２Ａ、２Ｂ、３、および４はすべてＡＤＭアセンブリ２０００を含み、ＡＤＭアセンブリ２０００は光ファイバ交換網２００を含む。ファイバ交換網２００の利益は、ＡＤＭ距離の読取り値のドリフトの低減を可能にすることである。この低減に対する理由は、ＡＤＭ電子機器３００についてより詳細に考慮することによって理解することができる。ＡＤＭ電子機器に対する特有の実施形態について、図１０および１１に付随する、すなわちレーザ追跡装置に関連する議論で考慮する。しかし、ＡＤＭシステムのドリフトの低減に対するファイバ交換網の利点は、より全体的にＡＤＭシステムに当てはまり、たとえばパルス飛行時間ＡＤＭ、チャープＡＤＭ、ならびに干渉性および非干渉性のＡＤＭを含むことができる。ファイバ交換網２００がどのようにしてドリフトの低減を可能にするかについて説明するために、次に図１６を参照されたい。図１６は、ＡＤＭ電子機器３００の要素についてより概略的に説明する。
【００５１】
図１６では、ＡＤＭ電子機器３００は、レーザ送信器３１０、単一チャネルレーザ受信器３２０、単一チャネル信号線３３２、ならびに相互接続線３３０、３３４、および３３６を含む。レーザ送信器３１０は、様々な信号を生成することができる。相互接続線３３０からの信号を使用して、ＡＤＭレーザ１０２を変調する。さらに、大部分のタイプのＡＤＭシステムは、単一チャネル受信器３２０内で信号を処理する際に使用される１つ以上の追加の信号を生成する。以下に続く議論で明らかになる理由のため、本明細書ではそのような信号の組合せを単一チャネル信号３３２と呼ぶ。
【００５２】
単一チャネル受信器３２０は、単一検出器３２２および単一チャネル電子機器３２４を含む。光は、相互接続線３３６を介して単一検出器３２２に到達する。相互接続線３３６は、ファイバ交換網２００に取り付けられた光ファイバケーブルである。単一検出器３２２は、３３６からの光信号を電気信号に変換する。この電気信号は、単一チャネル電子機器によって処理され、その結果得られる処理された信号は、相互接続線３３４を介してデータ処理装置４００へ送られる。
【００５３】
ＡＤＭシステムで見られるドリフトは通常、電気および光システムが、時間とともに、特に温度の変化に対して変化した結果である。本書の背景技術の項では、ＡＤＭシステムは、測定チャネルの読取り値から基準チャネルの読取り値を引くことによって、そのような変化の影響を取り除こうとすることが多いと説明した。説明のとおり、基準チャネル内の信号は光または電気とすることができ、光基準信号は通常、最高の性能をもたらす。このようにして２つのチャネルを使用すると、受信器ユニット内で２つの別々の電気チャネル（測定チャネル用のものおよび基準チャネル用のもの）が必要とされるので、限られた程度でしかドリフトを補正することができない。基準信号が光である場合もまた、受信器ユニットは、２つの別々の光検出器（測定チャネル用のものおよび基準チャネル用のもの）を提供しなければならない。しかし、２つのチャネル内の電気および光学構成要素は同一ではなく、それぞれのチャネル内の構成要素の温度も同一ではない。したがって、測定および基準チャネル内で見られるドリフトは、完全にコモンモードではなく、完全には取り消されない。
【００５４】
ファイバ交換網を使用して光信号を多重化することによって、単一検出器を使用して測定チャネルと基準チャネルの両方に対応することが可能である。受信器内で、２つの電気チャネルではなく単一の電気チャネルを使用することも可能である。単一の電気受信器チャネルしか存在しないので、送信器３１０によって供給されるあらゆる電気信号を単一チャネル内だけで提供する必要がある。単一の光検出器、単一の電気受信器チャネル、および送信器からの単一チャネル信号の結果、ドリフト効果はほぼ完全に取り消される。その結果得られるＡＤＭシステムには、ドリフトがほとんどない。
【００５５】
ファイバ交換網
本発明による光ファイバ交換網２００のいくつかの可能な実施形態について、以下に論じる。これらには、図５〜９でそれぞれ２００Ａ〜２００Ｅと標識を付けた。図５は、ＡＤＭシステム５５０を示す。ＡＤＭシステム５５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ａ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ａは、光ファイバ結合器２０６、光ファイバスイッチ５００、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５０２、５０３、５１０、および電気的接続４７０を含む。光は、ＡＤＭレーザ１０２から光ファイバ１０４を通って光結合器２０６内へ進む。ファイバ結合器２０６からの光の一部は、低反射終端（ＬＲＴ）２０８へ進み、ＬＲＴ２０８は、この光のほとんどすべてを吸収する。ＬＲＴ２０８の反射度は、１／５００００より小さいことが好ましい。ファイバ結合器２０６からの光の残りは、光ファイバ５０３を通って光スイッチ５００へ進む。この場合、光ファイバスイッチ５００は単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチであるが、他のタイプのスイッチを使用することもできる。
【００５６】
電気的接続４７０は、光ファイバスイッチ５００に、光信号が光ファイバ５０１または光ファイバ５０２のどちらに経路指定されているかを制御する電気信号を送る。スイッチ５００が光ファイバ５０１へ光を経路指定する場合、光は安定フェルール１４２から追跡装置を通って再帰反射器２６へ出ていく。戻ってくるレーザ光は、光ファイバスイッチ５００へ進み、結合器２０６を通って、ファイバ２３０を通り、ＡＤＭ電子機器３００内へ入る。再帰反射器へ、および再帰反射器の外へこの経路に沿って進む光は測定経路内にあると言い、この時間中、追跡装置は測定モードにあると言う。
【００５７】
スイッチ５００が光ファイバ５０２へ光を経路指定する場合、光は部分的ファイバ再帰反射器５０５へ進み、部分的ファイバ再帰反射器５０５はレーザ光の一部分を、結合器２０６を通って、ファイバ２３０を通り、ＡＤＭ電子機器３００内へ後方反射する。部分的ファイバ再帰反射器５０５から反射することによって追跡装置内部へ進む光は基準経路にあると言い、この時間中、追跡装置は基準モードにあると言う。
【００５８】
ファイバ結合器２０６は、５０／５０結合器であることが好ましい。５０／５０結合器は、３ｄＢ結合器とも呼ばれる。ＡＤＭレーザ１０２によって５０／５０結合器２０６内へ注入される光の場合、レーザ光の５０％が光ファイバ５１０に入り、５０％が光ファイバ５０３に入る。逆方向から結合器２０６内へ注入される光の場合、戻ってくる光の５０％がＡＤＭレーザ１０２に入り、戻ってくる光の５０％がＡＤＭ電子機器３００に入る。ファイバ結合器２０６を通ってＡＤＭレーザ１０２へ進む光がレーザを不安定にするのを防止するために、ＡＤＭレーザ１０２内にファラデー分離が提供される。
【００５９】
光が再帰反射器２６へ進んだ後に光ファイバ５０１へ戻される光の量は、再帰反射器までの距離、再帰反射器の直径および傾斜、ならびにＡＤＭビームコリメータ１４０の結合効率を含む複数の要因に依存する。部分的ファイバ再帰反射器５０５の反射度は、異なる測定条件下で再帰反射器２６によって戻されるパワーの平均にほぼ等しいレーザパワーを反射するように選択されることが好ましい。
【００６０】
光ファイバスイッチ５００は、２つの切換え位置間に少なくとも２０ｄＢの光分離を有するべきであることが好ましい。つまり、スイッチが上の位置にあるとき、下の位置内に漏れる光パワーの量は、上の位置に印加される光パワーの量より少なくとも１００分の１である。反射して経路を戻った後、分離はさらに１００分の１低減され、その結果、全体的な有効な分離は、１０4倍、すなわち４０ｄＢになる。以下に説明するように、これらを組み合わせて全体的な分離を増大させることによって、分離のレベルがより低いスイッチを使用することができる。
【００６１】
光分離に加えて、光ファイバスイッチ５００は、少なくとも４０ｄＢの光反射減衰量を有するべきであることが好ましい。つまり、スイッチによって後方反射された光は、入射光と比較すると、少なくとも１０，０００分の１低減されるべきである。これにより、過度の望ましくない光が、所望の経路上を進む光に反射し、それによって測定の精度を低減させないようにする。
【００６２】
図６のＡＤＭシステム６５０に、第２のファイバ交換網２００Ｂを示す。ＡＤＭシステム６５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｂ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｂは、光サーキュレータ６１０、光ファイバスイッチ５００、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５０２、５０３、および電気的接続４７０を含む。光は、ＡＤＭレーザ１０２から光ファイバ１０４を通ってポート６０１内へ入り、ポート６０２から出てファイバ５０３へ進む。ファイバ５０３から、光は、ＡＤＭシステム５５０に対して上記で記載のとおりに進む。戻り光は、再びポート６０２を通過し、ポート６０３から出て光ファイバ２３０へ進む。
【００６３】
図５の２０６などの４つのポートの光ファイバ結合器と比較すると、図６の６１０などの３つのポートのサーキュレータの利点は、第４のポートにパワーが失われないことである。図５の２０６では、低反射終端２０８でパワーが放散される。サーキュレータの欠点は、通常、あるレベルの偏光モード分散（ＰＭＤ）を有することである。その結果、光ファイバ５０１または５０２上に戻った光の偏光状態の何らかの変化の結果、変調した光の位相に遅延が生じ、それによって、報告されるＡＤＭ距離に誤差をもたらす可能性がある。
【００６４】
図７のＡＤＭシステム７５０に、第３のファイバ交換網２００Ｃを示す。ＡＤＭシステム７５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｃ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｃは、光ファイバ結合器２０４、光ファイバ結合器２０６、低反射終端２０８、７１５、ファイバスイッチ７００、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５１０、７０１、および７１６、ならびに電気的接続４７０を含む。光は、ＡＤＭレーザ１０２から光ファイバ１０４を通って第１の光結合器２０４へ進む。第１の光結合器２０４からの光の一部は、基準光ファイバ７０２を通ってスイッチ７００へ進み、他の部分は、光ファイバ７１６を通って第２の光結合器２０６へ進む。第２の光結合器２０６からの光の一部は、光ファイバ５１０を通って低反射終端２０８へ進み、他の部分は、光ファイバ５０１を通って安定フェルール１４２へ進む。
【００６５】
安定フェルール１４２へ戻った光は、再び光ファイバ５０１を通って第２の光結合器２０６へ進む。第２の光結合器２０６からの戻り光の一部は、光スイッチ７００へ進む。第２の光結合器２０６からの戻り光の別の部分は、再び光ファイバ７１６を通って第１の光結合器２０４へ進む。この戻り光の一部は、光ファイバ１０４を通ってＡＤＭレーザ１０２へ進み、そこで、レーザ内に構築されたファラデーアイソレータによって阻止される。戻り光の別の部分は、光ファイバ７１５を通って低反射終端２１０へ進む。
【００６６】
測定モードでは、電気的接続４７０により、スイッチ７００は光ファイバ７０１をＡＤＭ電子機器３００へ接続する。基準モードでは、電気的接続４７０により、スイッチ７００は光ファイバ７０２をＡＤＭ電子機器３００へ接続する。ＡＤＭシステム５５０と比較すると、ＡＤＭシステム７５０には、部分的ファイバ再帰反射器５０５を必要としないという利点がある。ＡＤＭシステム７５０には、余分の光ファイバ結合器、余分の低反射終端、および追加の光ファイバ７０２を必要とするという欠点がある。
【００６７】
図８のＡＤＭシステム８５０に、第４のファイバ交換網２００Ｄを示す。ＡＤＭシステム８５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｄ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｄは、光ファイバ結合器２０６、ファイバスイッチ５００、８１０、８２０、低反射終端２０８、８１６、８２６、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５０２、５０３、５１０、８１２、８１４、８２２、８２４、および電気的接続４７０を含む。第４のファイバ交換網構成８５０は、カスケード接続されたスイッチ８１０および８２０を追加することによって測定および基準チャネル間の分離を増大させるための、図５に示すＡＤＭシステム５５０の変形である。
【００６８】
測定モードでは、スイッチ５００は光ファイバ５０３を光ファイバ８１２へ接続し、スイッチ８１０は光ファイバ８１２を光ファイバ５０１へ接続する。また、測定モードでは、スイッチ８２０は光ファイバ５０２を光ファイバ８２２へ接続する。光ファイバ８２２は、低反射終端８２６へつながる。各スイッチ５００、８１０、８２０の分離は２０ｄＢであるものとする。つまり、たとえば０．０１より小さな光パワーが、特定のスイッチ内の望ましくない経路を通過する。この場合、光ファイバ５０３上に存在する０．０１より小さな光パワーが光ファイバ５０２へ進み、０．０００１より小さな光パワーがファイバ８２４へ進む。部分的ファイバ再帰反射器５０５によって反射されるこの光は、再び光ファイバ５０３へ進む際、０．０００１倍さらに低減される。言い換えれば、反射される光パワーは、光ファイバ５０３上の出ていく光パワーと比較すると、少なくとも１０-8＝−８０ｄＢ低減される。
【００６９】
基準モードでは、スイッチ５００は光ファイバ５０３を光ファイバ５０２へ接続し、スイッチ８２０は光ファイバ５０２を光ファイバ８２４へ接続する。光ファイバ８２４は、部分的ファイバ再帰反射器５０５へつながる。また、基準モードでは、スイッチ８１０は光ファイバ８１２を光ファイバ８１４へ接続する。光ファイバ８１４は、低反射終端８１６へつながる。先の場合のように、それぞれ２０ｄＢの分離を有するスイッチの場合、その結果生じる光ファイバ５０３へ戻ったパワーは、元の量の１０-8＝８０ｄＢ倍に低減される。
【００７０】
図９のＡＤＭシステム９５０に、第５のファイバ交換網２００Ｅを示す。ＡＤＭシステム９５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｅ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｅは、光ファイバ結合器２０６、光変調器または減衰器９１０、９２０、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、５０１、５０３、５１０、９２２、２３０、および電気的接続４７０を含む。ＡＤＭシステム９５０は、９１０、９２０が、単極単投（ＳＰＳＴ）スイッチとして働くように最小および最大レベル間で駆動される光変調器または減衰器であることを除いて、図５のＡＤＭシステム５５０と同様である。９１０、９２０が光変調器である場合、これらは偏光に依存しておらず、動作は双方向であることが好ましい。ＡＤＭシステム９５０の動作は、前述のＡＤＭ８５０のものと同様である。
【００７１】
ＡＤＭ電子機器３００の特有の実施形態について次に考慮する。図１０に示すように、この特定の実施形態をＡＤＭ電子機器３０００と呼ぶ。ＡＤＭ電子機器３０００は、ファイバ交換網２００の光出力を測定モードまたは基準モードで、データ処理装置４００によって処理するためのデジタル電気信号に変換し、またＡＤＭレーザ１０２に対する変調信号を生成する。ＡＤＭ電子機器３０００への入力は光ファイバ２３０であり、出力は電気変調信号３６０および調整された電気信号４６０である。ブリッジスらの米国特許第７，３５２，４４６号は、類似のＡＤＭ電子機器３０００に対する詳細を開示している。同特許を引用して援用する。
【００７２】
図１０のＡＤＭ電子機器３０００は、周波数基準３００２、合成器３００４、検出器３００６、ミキサ３０１０、増幅器３０１４、３０１８、周波数分割器３０２４、およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３０２２を含む。周波数基準３００２は、ＡＤＭに対する時間基準を提供しており、低い位相ノイズおよび低い周波数ドリフトを有するべきである。周波数基準は、温度制御型水晶発振器（ＯＣＸＯ）、ルビジウム発振器、または任意の他の高度に安定した周波数基準とすることができる。発振器周波数は、百万分の１より小さな範囲内で正確かつ安定であることが好ましい。周波数基準からの信号は合成器内に入り、合成器は３つの信号を生成する。第１の信号は、周波数ｆRFであり、ＡＤＭレーザ１０２の光パワーを変調する。このタイプの変調は、強度変調（ＩＭ）と呼ばれる。別法として、周波数ｆRFの第１の信号は、ＡＤＭレーザ１０２からのレーザ光の光パワーではなく電界振幅を変調することが可能である。このタイプの変調は、振幅変調（ＡＭ）と呼ばれる。どちらも周波数ｆLOの第２および第３の信号は、ミキサ３０１０の局部発振器ポートへ進む。
【００７３】
光ファイバケーブル２３０は、レーザ光を運ぶ。この光ファイバケーブル２３０内の光は、検出器３００６によって電気信号に変換される。この光検出器３００６は、変調周波数ｆRFを増幅器３０１４へ送り、次いでミキサ３０１０へ送る。ミキサ３０１０は、２つの周波数を生成する。１つは｜ｆLO−ｆRF｜であり、１つは｜ｆLO＋ｆRF｜である。これらの信号は、低周波増幅器３０１８へ進む。増幅器３０１８は高周波信号を阻止し、その結果、中間周波数（ＩＦ）ｆIF＝｜ｆLO−ｆRF｜の信号だけがアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３０２２へ進む。周波数基準３００２は周波数分割器３０２４内へ信号を送り、周波数分割器３０２４は、基準３００２の周波数を整数Ｎで分割してサンプリングクロックを生成する。一般に、ＡＤＣは、サンプリングされた信号を整数因子Ｍで低減させることができ、その結果、有効サンプリング速度はｆREF／ＮＭになる。この有効サンプリング速度は、中間周波数ｆIFの整数倍となるはずである。
【００７４】
タイミング電子機器４７２は、周波数分割器チップおよびマイクロプロセッサまたはフィールドプログラム可能ゲートアレイを含むことができる。周波数分割器チップは、周波数基準３００２からの信号の周波数をより低い周波数に分割する。この周波数はマイクロプロセッサまたはフィールドプログラム可能ゲートアレイに印加され、マイクロプロセッサまたはフィールドプログラム可能ゲートアレイは、その内部の処理能力を使用して図１３および１４に示す必要なタイミング信号を提供する。
【００７５】
次に、例示的なＡＤＭに対する周波数を示す。周波数基準はｆREF＝２０ＭＨｚである。レーザを駆動する合成器ＲＦ周波数は、ｆRF＝２８００ＭＨｚである。ミキサに印加される合成器ＬＯ周波数は、ｆLO＝２８００．０１ＭＨｚである。ＬＯおよびＲＦ周波数の差は、ｆIF＝１０ｋＨｚの中間周波数である。周波数基準は、Ｎ＝１０で分割されて２ＭＨｚの周波数を生成し、この周波数は、サンプリングクロックとしてＡＤＣに印加される。ＡＤＣは、Ｍ＝８のデシメーション因子を有し、これは２５０ｋＨｚの有効サンプリング速度をもたらす。ＩＦは１０ｋＨｚであるため、ＡＤＣは、１サイクル当たり２５のサンプルを取得する。
【００７６】
ＡＤＣは、サンプリングされたデータを、分析のためにデータ処理装置４００へ送る。データ処理装置は、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）チップおよび汎用マイクロプロセッサチップを含む。これらの処理装置によって実行される処理について、以下に説明する。
【００７７】
図２〜４に示すように、ＡＤＭ電子機器３０００は、電気的接続４７０を介して進んでファイバ交換網２００を測定および基準モード間で切り換える信号を生成する。さらに、データ処理装置４００は、ＡＤＭ電子機器３０００のデジタル出力を結果４２０に変換する。結果４２０は、数値的な距離値である。データ処理装置４００の１つの例示的な実施形態は、図１１に示すデータ処理装置４００Ａである。データ処理装置４００Ａへの入力はＡＤＭ電子機器３０００への電気的インターフェース４６０であり、出力は結果４２０である。上記で引用して援用した米国特許第７，３５２，４４６号はまた、類似のデータ処理装置４００に対する詳細を開示している。
【００７８】
図１１のデータ処理装置４００は、ＡＤＣ３０２２からのデジタル化されたデータを取得し、このデータから、追跡装置から外部再帰反射器２６までの距離を導出する。図１１では、この距離を結果４２０と呼ぶ。データ処理装置４００は、デジタル信号処理装置４１０、マイクロプロセッサ４５０、および水晶発振器４０２、４０４を含む。
【００７９】
アナログ−デジタル変換器３０２２は、サンプリングされたデータをＤＳＰ４１０へ送る。このデータは、ＤＳＰ内で動作するプログラムへ経路指定される。このプログラムは、位相抽出器機能４２０、補償器機能４２２、およびカルマンフィルタ機能４２４という３つの主要な機能を含む。位相抽出器機能の目的は、信号の位相、すなわち検出器３００６を通過する信号の位相を決定することである。これらの位相を決定するには、まず変調範囲を計算しなければならない。変調範囲は、レーザ変調の位相が２πラジアン変化するようにＡＤＭレーザ光が空気中を進む往復距離として定義される。
【００８０】
ＡＤＭ測定と角度エンコーダおよび位置検出器の測定を同期させるために、カウンタ４１４は、同期パルスと最後の状態距離との間の時間の差を決定する。これは、以下のように行われる。水晶発振器４０４は、マイクロプロセッサ４５０内に配置された周波数分割器４５２へ低周波正弦波を送る。このクロック周波数は、同期パルスの周波数であるｆSYNCに分割される。同期パルスは、デバイスバスを介してＤＳＰ、角度エンコーダ電子機器、および位置検出器電子機器へ送られる。例示的なシステムでは、発振器は、周波数分割器４５２を通って３２．７６８ｋＨｚの信号を送り、周波数分割器４５２は、３２で分割して同期パルス周波数ｆSYNC＝１．０２４ｋＨｚを生成する。同期パルスは、ＤＳＰ４１０内に位置するカウンタ４１４へ送られる。このカウンタは、水晶４０２によってクロック制御され、水晶４０２は、ＤＳＰ内の位相ロックループ（ＰＬＬ）デバイス４１２を駆動する。例示的なシステムでは、発振器４０２は３０ＭＨｚの周波数を有し、ＰＬＬ４１２はこれを２倍にして、カウンタ４１４への６０ＭＨｚのクロック信号を生成する。カウンタ４１４は、同期パルスが１／６０ＭＨｚ＝１６．７ナノ秒の分解能に到達したことを決定する。位相抽出器機能４２０は、ＡＤＣ３０２２が１つのサイクルに対するすべてのサンプルを送ったとき、カウンタへ信号を送る。これにより、カウンタ４１４をリセットして、新しいカウントを開始する。同期パルスは、カウンタ４１４の計数を停止する。カウント総数を周波数で分割して、経過時間を決定する。上記の等式内の時間間隔は１に設定されていたので、正規化された時間間隔ｔNORMは、経過時間を時間間隔で分割した値である。同期パルス事象に外挿される状態距離ｘEXTは、
ｘEXT＝ｘk＋ｖkｔNORM
である。カルマンフィルタ機能４２４は、追跡装置から外部再帰反射器２６までの距離である結果を提供する。
【００８１】
本明細書に記載の光ファイバスイッチを使用する方法は、位相ベースの距離測定方法に限定されるものではなく、図１０のその例示的な実施形態は一例であると認識することが重要である。たとえば、光ファイバスイッチは、パルス飛行時間距離計とともに等しく良好に使用することができる。
【００８２】
図１２は、図１０の信号調整器３０１８から現れて同じ図のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３０２２に入る多重化信号１３００の一例を示す。このタイプの多重化信号は、位相ベースのＡＤＭによって生成することができる。図１２では、より大きな振幅は測定チャネルからの信号を表し、より小さな振幅は基準チャネルからの信号を表す。基準および測定信号は、ファイバ交換網２００によって一緒に多重化される。図１２に示す例では、正弦波の周波数は１００ｋＨｚであり、対応する期間は０．０１ミリ秒＝１０マイクロ秒である。この例では、数値的な結果４２０の出力周波数は１０ｋＨｚであり、対応する期間は０．１ミリ秒＝１００マイクロ秒である。
【００８３】
一般に、測定および基準信号間の切換え動作により、ＡＤＭ電子機器３０００の電気および光学電気構成要素の出力信号にいくつかの過渡事象が現れる。ＡＤＣ３０２２によって読み取られるこれらの過渡信号が、データ処理装置４００の計算に含まれた場合、誤った結果４２０が生じるはずである。この問題を回避するために、データ処理装置４００によって結果４２０を得るために処理される生データ内で過渡事象が消滅していることが重要である。
【００８４】
ここで考慮する例では、それぞれ１００マイクロ秒の期間のうちの８０マイクロ秒だけが処理され、他の２０マイクロ秒は破棄される。保持される８０マイクロ秒のうち、２０マイクロ秒（２つの正弦波期間）は基準チャネルから保持され、６０マイクロ秒（６つの正弦波期間）は測定チャネルから保持される。
【００８５】
図１３は、電気的接続４７０からのタイミング信号１２００を示す。タイミング信号１２００が高い値１２１０になると測定モードが開始し、タイミング信号１２００が低い値１２３０になると基準モードが開始する。図１４は、データ４６０がいつ有効と見なされるかを示すゲート信号１２５０を示す。高いゲート信号１２６０は、基準信号が有効であることを示す。高いゲート信号１２６５は、測定信号が有効であることを示す。低いゲート信号１２５５は、信号が有効ではないことを示す。
【００８６】
上記で論じたアルゴリズムの方法は、図１５に示す処理システム１５００を用いて実施される。処理システム１５００は、追跡装置処理ユニット１５１０および任意選択のコンピュータ８０を含む。処理ユニット１５１０は少なくとも１つの処理装置を含み、この処理装置は、マイクロプロセッサ、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または類似のデバイスとすることができる。情報を処理して内部追跡装置処理装置へのコマンドを発行する処理能力が提供される。そのような処理装置は、位置検出器処理装置１５１２、方位エンコーダ処理装置１５１４、天頂エンコーダ処理装置１５１６、表示灯処理装置１５１８、ＡＤＭ処理装置４００、干渉計（ＩＦＭ）処理装置１５２２、およびカメラ処理装置１５２４を含むことができる。補助ユニット処理装置１５７０は、任意選択で、追跡装置処理装置ユニット１５１０内の他の処理装置に対してタイミングおよびマイクロプロセッサの支持を提供する。補助ユニット処理装置１５７０は、デバイスバス１５３０を用いて他の処理装置と通信することが好ましく、デバイスバス１５３０は、当技術分野では周知のように、データパケットを用いて追跡装置全体にわたって情報を伝達することが好ましい。追跡装置処理ユニット１５１０全体にわたって演算能力が分配され、ＤＳＰおよびＦＰＧＡが、追跡装置センサによって収集されたデータの中間計算を実行することが好ましい。これらの中間計算の結果は、補助ユニット処理装置１５７０へ戻される。補助ユニット１５７０は、長いケーブルによってレーザ追跡装置１０の本体に取り付けることができ、または追跡装置がコンピュータ８０に直接（および任意選択で）取り付けられるように、レーザ追跡装置の本体内に引き込むことができる。補助ユニット１５７０は接続１５４０によってコンピュータ８０へ接続されることが好ましく、接続１５４０はイーサネット（登録商標）ケーブルまたは無線接続であることが好ましい。補助ユニット１５７０およびコンピュータ８０は、接続１５４２、１５４４を通ってネットワークへ接続することができる。接続１５４２、１５４４は、イーサネット（登録商標）ケーブルまたは無線接続であることが好ましい。
【００８７】
上記の説明は、本発明の特定の実施形態を参照したが、本発明の精神から逸脱することなく、多くの変形を加えうることが理解されるであろう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および精神に入るはずのそのような変形を包含するものとする。
【００８８】
したがって、本明細書に開示の実施形態は、すべての点で、限定的ではなく例示的なものとして見なされるべきであり、本発明の範囲は、上記の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の範囲の等価の意味および範囲内に入るすべての変更は、本発明に包含されるものとする。
【符号の説明】
【００８９】
１０ レーザ追跡装置、 １２ 例示的なジンバル式ビームステアリング機構、 １４ 天頂キャリッジ、 １５ ペイロード、 １６ 方位基部、 １８ 天頂機械回転軸、 ２０ 方位機械回転軸、 ２２ ジンバル点、 ２６ 外部再帰反射器、 ４６ レーザビーム、 ４８ レーザビーム、 ８０ コンピュータ、 １０２ ＡＤＭレーザ、 １０４ 光ファイバ、 １０８ ＡＤＭレーザビーム、 １１０ 可視レーザ、 １１２ 可視レーザビーム、 １１４ ダイクロイックビームスプリッタ、 １１６ 複合レーザビーム、 １１８ ビームスプリッタ、 １２６ レーザビーム、 １２８ 光フィルタ、 １３０ 位置検出器、 １４０ ＡＤＭビームコリメータ、 １４２ 安定フェルール、 １４４ 正レンズ、 １５０ 可視ビーム投光器、 １５２ 安定フェルール、 １５４ 正レンズ、 １６０ ビームエキスパンダ、 １６２ 負レンズ、 １６４ 正レンズ、 １７０ 追跡アセンブリ、 １８０ 増分距離計アセンブリ、 １８２ 安定レーザ、 １８４ 干渉計（ＩＦＭ）アセンブリ、 １９０ 光学アセンブリ、 ２００ 光ファイバ交換網、 ２００Ａ ファイバ交換網、 ２００Ｂ 第２のファイバ交換網、 ２００Ｃ 第３のファイバ交換網、 ２００Ｄ 第４のファイバ交換網、 ２００Ｅ 第５のファイバ交換網、 ２０４ 第１の光ファイバ結合器、 ２０６ 第２の光ファイバ結合器、 ２０８ 低反射終端（ＬＲＴ）、 ２１５ 光ファイバケーブル、 ２３０ 光ファイバ、 ２５０Ａ 追跡装置の電気光学系アセンブリ、 ２５０Ｂ 追跡装置の電気光学系アセンブリ、 ３００ ＡＤＭ電子機器、 ３１０ レーザ送信器、 ３２０ 単一チャネルレーザ受信器、 ３２２ 単一検出器、 ３２４ 単一チャネル電子機器、 ３３２ 単一チャネル信号線、 ３３０ 相互接続線、 ３３４ 相互接続線、 ３３６ 相互接続線、 ３５０ 電気光学系アセンブリ、 ３６０ 電気変調信号、 ４００ データ処理装置、ＡＤＭ処理装置、 ４００Ａ データ処理装置、 ４０２ 水晶発振器、 ４０４ 水晶発振器、 ４１０ デジタル信号処理装置、 ４１２ 位相ロックループ（ＰＬＬ）デバイス、 ４１４ カウンタ、 ４２０ 結果、位相抽出器機能、 ４２２ 補償器機能、 ４２４ カルマンフィルタ機能、 ４５０ ＡＤＭ距離計、マイクロプロセッサ、 ４５２ 周波数分割器、 ４６０ 電気信号、電気的インターフェース、データ、 ４７０ 電気的接続、 ４７２ タイミング電子機器、 ５００ 光ファイバスイッチ、 ５０１ 光ファイバケーブル、 ５０２ 光ファイバ、 ５０３ 光ファイバ、 ５０５ 部分的ファイバ再帰反射器、 ５１０ 光ファイバ、 ５５０ ＡＤＭシステム、 ６０１ ポート、 ６０２ ポート、 ６０３ ポート、 ６１０ 光サーキュレータ、 ６５０ ＡＤＭシステム、 ７００ ファイバスイッチ、 ７０１ 光ファイバ、 ７０２ 基準光ファイバ、 ７１５ 低反射終端、 ７１６ 光ファイバ、 ７５０ ＡＤＭシステム、 ８１０ ファイバスイッチ、 ８１２ 光ファイバ、 ８１４ 光ファイバ、 ８１６ 低反射終端、 ８２０ ファイバスイッチ、 ８２２ 光ファイバ、 ８２４ 光ファイバ、 ８２６ 低反射終端、 ８５０ ＡＤＭシステム、第４のファイバ交換網構成、 ９１０ 光変調器または減衰器、 ９２０ 光変調器または減衰器、 ９２２ 光ファイバ、 ９５０ ＡＤＭシステム、 １２００ タイミング信号、 １２１０ 高い値、 １２３０ 低い値、 １２５０ ゲート信号、 １２５５ 低いゲート信号、 １２６０ 高いゲート信号、 １２６５ 高いゲート信号、 １３００ 多重化信号、 １５００ 処理システム、 １５１０ 追跡装置処理ユニット、 １５１２ 位置検出器処理装置、 １５１４ 方位エンコーダ処理装置、 １５１６ 天頂エンコーダ処理装置、 １５１８ 表示灯処理装置、 １５２２ 干渉計（ＩＦＭ）処理装置、 １５２４ カメラ処理装置、 １５３０ デバイスバス、 １５４０ 接続、 １５４２ 接続、 １５４４ 接続、 １５７０ 補助ユニット処理装置、 ２０００ ＡＤＭアセンブリ、 ３０００ ＡＤＭ電子機器、 ３００２ 周波数基準、 ３００４ 合成器、 ３００６ 検出器、 ３０１０ ミキサ、 ３０１４ 増幅器、 ３０１８ 低周波増幅器、 ３０２２ アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、 ３０２４ 周波数分割器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶対距離計に関し、より詳細には、絶対距離計内の望ましくないドリフトを低減させ、それによってより正確な距離測定を実現する、光ファイバ交換網を有する絶対距離計に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本願は、２００９年８月７日出願の「ＡＢＳＯＬＵＴＥ ＤＩＳＴＡＮＣＥ ＭＥＴＥＲ ＷＩＴＨ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＷＩＴＣＨ」という名称の米国仮特許出願第６１／２３２，２２２号の利益を主張する。同願の全体を、本願に引用して援用する。
【０００３】
一般に、絶対距離計（ＡＤＭ）は、遠隔ターゲットまでの距離を決定するデバイスである。これは、ターゲットにレーザ光を送り、次いでターゲットが反射または散乱させる光を収集することによって行われる。たとえば金物店で入手可能な消費者製品内で見られるように、ＡＤＭを使用して、１次元で距離を測定することができる。ＡＤＭは、追加の次元（自由度）に対応する数量を測定する能力を有するより複雑なデバイス内に取り付けることもできる。
【０００４】
後者のタイプのデバイスの一例は、３次元の空間座標を測定するレーザ追跡装置である。例示的なシステムは、ブラウンらの米国特許第４，７９０，６５１号およびラウらの米国特許第４，７１４，３３９号に記載されている。レーザ追跡装置は、当該表面に対して保持され、または固定の入れ子内に配置された再帰反射器ターゲットにレーザビームを送る。最も一般的なタイプの再帰反射器ターゲットは、球面マウント再帰反射器（ＳＭＲ）である。このＳＭＲは、球内に取り付けられたキューブコーナー再帰反射器を含むことができ、このキューブコーナーの頂点は球の中心に位置する。
【０００５】
レーザ追跡装置に密接に関係するデバイスは、レーザスキャナである。レーザスキャナは、１つ以上のレーザビームを拡散表面上の点へ移動させる。レーザ追跡装置とレーザスキャナはどちらも、座標測定デバイスである。現在の一般的な慣行では、レーザ追跡装置という用語を使用して、距離および角度を測定する能力を有するレーザスキャナデバイスも指す。レーザ追跡装置に密接に関係する別のデバイスは、通常測量士によって使用されるトータルステーションである。レーザスキャナおよびトータルステーションを含むレーザ追跡装置の大まかな定義を、本書全体にわたって使用する。
【０００６】
レーダデバイスは、電磁波を放出して受け取り、受け取った波を分析してターゲットまでの距離を学習するという点で、レーザ追跡装置に類似している。レーダは通常、電磁スペクトルのＲＦ、マイクロ波、またはミリメートル領域内の波を放出し、一方レーザ追跡装置は通常、可視または近赤外領域内の波を放出する。レーダは、バイスタティックとモノスタティックのいずれであってもよい。モノスタティックレーダは、共通の経路に沿って電磁エネルギーを放出して受け取り、一方バイスタティックレーダは、異なる経路上で放出して受け取る。トータルステーションもまた、バイスタティックとモノスタティックのいずれであってもよい。しかし、高精度の工業計測で使用されるレーザ追跡装置は、モノスタティックである。
【０００７】
レーザ追跡装置がなぜモノスタティックであるかを理解するために、レーザ追跡装置によって放出され、再帰反射器ターゲットへ進んで再びレーザ追跡装置自体へ再帰反射されるビームについて考慮されたい。追跡装置内でバイスタティックモードが使用された場合、入射レーザビームは再帰反射器の中心から外れるはずであり、反射されたレーザビームは入射ビームに対してシフトするはずである。レーザ追跡装置とともに使用されることが多いこの種の小型の再帰反射器ターゲットは、そのようなバイスタティックデバイスに適合しないはずである。たとえば、一般的なタイプの再帰反射器ターゲットは、直径０．５インチのＳＭＲである。そのようなＳＭＲ内のキューブコーナー再帰反射器の開放口直径は通常、約０．３インチであり、これは約７．５ｍｍに等しい。追跡装置からのレーザビームの１／ｅ2照射直径は、ほぼこの大きさ、またはそれより大きいであろう。したがって、レーザビーム内の何らかのシフトにより、ビームはＳＭＲによってクリッピングされるはずである。この結果、追跡装置へ戻る光パワーは、許容できないほど大きく低下するはずである。
【０００８】
バイスタティックの幾何形状はまた、光ファイバベースのＡＤＭシステムにとっても問題となるはずである。光ファイバからレーザ光を放つモノスタティックのレーザ追跡装置では、レーザコリメータは、光ファイバの端面を視準レンズの焦点に配置することによって作製することができる。離れた再帰反射器からの復路では、戻ってくるレーザビームは一般に、出ていくレーザ光に対して中心から外れているが、視準したレーザ光は再び視準レンズに当たる。このファイバ端面は、視準レンズの焦点に配置される。これには、ビームがどこでレンズに当たるかにかかわらず、再帰反射器ターゲットからの光を再びファイバ内に効率的に結合させる効果がある。バイスタティックデバイスでは、光ファイバを受け入れる光学系の整合ははるかに困難であり、結合効率ははるかに低い。
【０００９】
１つのタイプレーザ追跡装置は干渉計（ＩＦＭ）だけを含み、絶対距離計をもたない。これらの追跡装置のうちの１つからのレーザビームの経路をある物体が阻止した場合、ＩＦＭはその距離基準を失う。このとき操作者は、既知の位置まで再帰反射器を追跡して基準距離にリセットしてからでなければ、測定を継続することができない。この制限を回避する方法は、追跡装置内にＡＤＭを置くことである。ＡＤＭは、以下により詳細に説明するポイントアンドシュート（ｐｏｉｎｔ−ａｎｄ−ｓｈｏｏｔ）の形で、距離を測定することができる。レーザ追跡装置の中には、ＡＤＭだけを含み、干渉計をもたないものがある。このタイプの例示的なレーザ追跡装置は、ペインらの米国特許第５，４５５，６７０号に記載されている。他のレーザ追跡装置は通常、ＡＤＭと干渉計の両方を含む。このタイプの例示的なレーザ追跡装置は、マイヤーらの米国特許第５，７６４，３６０号に記載されている。
【００１０】
レーザ追跡装置内のジンバル機構を使用して、追跡装置からのレーザビームをＳＭＲへ誘導することができる。ＳＭＲによって再帰反射された光の一部は、レーザ追跡装置に入って位置検出器上へ進む。レーザ追跡装置内の制御システムは、位置検出器上の光の位置を使用して、レーザビームをＳＭＲ上の中心に位置決めした状態に保つように、レーザ追跡装置の機械的方位軸および天頂軸の回転角度を調整することができる。このようにして、追跡装置は、当該物体の表面上で動くＳＭＲを追従（追跡）することが可能である。
【００１１】
追跡装置の機械的方位軸および天頂軸に取り付けられた角度エンコーダは、（追跡装置の基準枠に対する）レーザビームの方位角度および天頂角度を測定することができる。レーザ追跡装置によって実行される１つの距離測定および２つの角度測定は、ＳＭＲの３次元の位置を完全に指定するのに十分である。
【００１２】
レーザ追跡装置に対する主要な適用分野の１つは、物体の表面フィーチャを走査して、それらの幾何特性を決定することである。たとえば、操作者は、それぞれの表面を走査し、次いでそれぞれに幾何平面を適合させることによって、２つの表面間の角度を決定することができる。別の例として、操作者は、球の表面を走査することによって、球の中心および半径を決定することができる。
【００１３】
ブリッジスらの米国特許第７，３５２，４４６号以前は、レーザ追跡装置で動いているターゲットを走査するには、ＡＤＭではなく干渉計が必要とされた。それまで、絶対距離計は、動いているターゲットの位置を正確に見出すには遅すぎた。走査とポイントアンドシュートの両方の能力で完全な機能性を得るには、初期のレーザ追跡装置は、干渉計とＡＤＭの両方を必要とした。
【００１４】
干渉計による距離測定と絶対距離測定の概略的な比較は以下のとおりである。レーザ追跡装置では、干渉計（存在する場合）は、再帰反射器ターゲットが２つの点間を動くときに通過する既知の長さ（通常、レーザ光の２分の１の波長）のインクリメントの数を計数することによって、開始点から終了点までの距離を決定することができる。測定中にビームが切断された場合、カウント数を正確に知ることができなくなり、距離情報は失われる。比較すると、レーザ追跡装置内のＡＤＭは、ビームの切断に関係なく再帰反射器ターゲットまでの絶対距離を決定し、また、複数のターゲット間の切換えも可能にする。このため、ＡＤＭには「ポイントアンドシュート」測定の能力があると言われている。
【００１５】
干渉計測定にはいくつかの誤差要因が存在するが、大部分の場合、主な誤差は、空気中のその経路上のレーザ光の平均波長の値にある。空間内のある点の波長は、レーザ光の真空波長をその点の空気の屈折率で割った値に等しい。レーザの真空波長は通常、高い精度（１０，０００，０００分の１より良好）で知られているが、空気の平均屈折率は、それほど正確には知られていない。空気の屈折率は、まずセンサを使用して空気の温度、圧力、および湿度を測定すること、次いでこれらの測定値を、シダー（Ｃｉｄｄｏｒ）の等式またはエドリン（Ｅｄｌｉｎ）の等式などの適切な等式に挿入することによって見出される。
【００１６】
しかし、温度、圧力、および湿度は空間全体にわたって均一ではなく、センサも完全に正確ではない。たとえば、摂氏１度の平均温度の誤差は、約百万分の１（ｐｐｍ）の屈折率の誤差をもたらす。上記のように、空気中の光の波長は、空気の屈折率に反比例する。
【００１７】
同様に、ＡＤＭでは、振幅変調包絡線（曖昧性範囲とも呼ばれる）のいわゆるＡＤＭ波長は、空気の群屈折率に反比例する。この類似性のため、温度、圧力、および湿度の測定の誤差は、ＡＤＭシステムと干渉計システムに対してほぼ等しい計算距離の誤差をもたらす。
【００１８】
しかし、ＡＤＭは、干渉計では見られない誤差を受けやすい。距離を測定するために、干渉計は電気カウンタを使用して、２つの光ビームの位相が合いまた位相がずれた回数を追跡する。このカウンタは、わずかなアナログの差に応答する必要のないデジタルデバイスである。比較すると、ＡＤＭは通常、位相シフトまたは時間遅延などのアナログ値を高い精度で測定する必要がある。
【００１９】
大部分の高性能のＡＤＭでは、レーザ光は、レーザ光源に電気信号を印加することによって、またはこのレーザ光を、音響光学変調器もしくは電気光学変調器などの外部変調器を通って送ることによって変調される。この変調されたレーザ光は、ＡＤＭから遠隔ターゲットへ送られる。遠隔ターゲットは、再帰反射器または拡散表面とすることができる。光は、遠隔ターゲットから反射または散乱して、少なくとも部分的に再びＡＤＭ内へ入る。
【００２０】
ＡＤＭが直面する難点を理解するために、時間的に非干渉性のアーキテクチャおよび時間的に干渉性のアーキテクチャという２つの一般的なＡＤＭアーキテクチャについて考慮する。いくつかの時間的に干渉性のシステムでは、戻ってくるレーザ光は、別の位置からのレーザ光と混合されてから光検出器へ送られ、光検出器は、その光を電気信号に変換する。この信号を復号して、ＡＤＭから遠隔ターゲットまでの距離を見出す。そのようなシステムでは、レーザ光の振幅、位相、または波長に変調を加えることができる。他の時間的に干渉性のシステムでは、異なる波長を有するいくつかの純粋なレーザ線が組み合わされてから、再帰反射器へ送られる。これらの異なる光の波長は検出器で組み合わされ、それによって「合成」変調を提供する。
【００２１】
時間的に非干渉性の光システムでは、光は通常、光検出器内で別の波長の光と混合されない。最も簡単なタイプの時間的に非干渉性のシステムは単一の測定チャネルを使用し、基準チャネルを使用しない。通常、そのようなシステム内のレーザ光の光パワーは変調される。再帰反射器から戻る光は光検出器に当たり、光検出器はその光を、同じ変調周波数を有する電気信号に変換する。この信号を電気的に処理して、追跡装置からターゲットまでの距離を見出す。このタイプのシステムの主な欠点は、電気および光学構成要素の応答が時間とともに変動することで、演算された距離にジッタおよびドリフトをもたらす恐れがあることである。
【００２２】
時間的に非干渉性のシステム内のこれらの誤差を低減させるために、１つの手法は、測定チャネルに加えて基準チャネルを作製することである。これは、２組の電子機器を作製することによって行われる。１組の電子機器は、測定チャネル内に位置する。離れた再帰反射器から戻された変調させたレーザ光は、光検出器によって電気信号に変換され、この組の電子機器を通過する。他方の組の電子機器は、基準チャネル内に位置する。電気変調信号は、この第２の組の電子機器に直接印加される。測定チャネル内で見出された距離から基準チャネル内で測定された距離を引くことによって、ＡＤＭの読取り値のジッタおよびドリフトが低減される。このタイプの手法は、特に温度に応じて、電気構成要素によってもたらされる変動性の大部分を取り除く。しかし、レーザおよび検出器などの電気光学構成要素の違いから生じる変動性を取り除くことはできない。
【００２３】
これらの誤差をさらに低減させるために、変調させたレーザ光の一部を分割して基準チャネル内の光検出器へ送ることができる。測定および基準チャネルの変調させたレーザ光の変動の大部分はコモンモードであり、測定距離から基準距離が引かれるときに取り消される。
【００２４】
これらの改善にかかわらず、そのようなＡＤＭシステム内のドリフトは、特に長時間にわたって、または大きな温度変化にわたって、やはり比較的大きいことがある。上記で論じたアーキテクチャはすべて、測定および基準チャネル内で同一ではない光学および電気要素の変動によってもたらされるドリフトおよび繰返し性誤差を受けやすい。ＡＤＭシステム内で使用される光ファイバは、温度とともに光路長さを変化させる。ＡＤＭシステム内で使用される、増幅器およびフィルタなどの電気アセンブリは、温度とともに電気位相を変化させる。
【００２５】
レーザ追跡装置内のＡＤＭのドリフトの影響を大幅に低減させる方法および装置は、ブリッジスの米国特許第６，８４７，４３６号に教示されている。同特許の内容を、本願に引用して援用する。この方法は、チョッパアセンブリを使用して、戻ってくるレーザ光を測定または基準経路へ交互に再誘導することに関する。この方法はよく機能するが、チョッパホイールの最大回転率、したがってＡＤＭのデータ収集率には制限がある。
【００２６】
動いている再帰反射器までの距離を測定する方法は、ブリッジスらの米国特許第７，３５２，４４６号に教示されている。同特許の内容を、本願に引用して援用する。米国特許第７，３５２，４４６号の方法を使用して可能な限り最高の性能を得るために、これらの距離は、高い率、好ましくは少なくとも１０ｋＨｚの率で再び演算される。このように高いデータ率で、米国特許第６，８４７，４３６号のような機械チョッパを作製するのは困難である。したがって、ＡＤＭドリフトの問題を解決するには、別の方法を見出す必要がある。
【００２７】
２つの自由空間光路間で光学系ビームを機械的に切り換えることによって、距離計のドリフトを補正することが可能である。一方の光路は計器の内部にあり、これを基準経路と呼ぶ。第２の光路は計器から測定されている物体へ進み、次いで計器へ戻る。これを測定経路と呼ぶ。測定および基準経路からの光は、単一の光検出器に当たる。機械スイッチの動作のため、２つの基準経路からの光は、単一の光検出器に同時に当たらない。機械スイッチは、ミラー、プリズム、ビームスプリッタ、またはチョッパホイールなどの機械的に作動される光学構成要素とすることができる。アクチュエータは、ソレノイド、モータ、ボイスコイル、手動調整器、または類似のデバイスとすることができる。光検出器と電気回路は、測定および基準経路に対して同じであるため、ほぼすべてのドリフト誤差はコモンモードであり、取り消される。この方法に基づいた発明の例には、ヒューレットらの米国特許第３，６１９，０５８号、マディガンらの米国特許第３，７２８，０２５号、デウィットの米国特許第３，７４０，１４１号、ナカザワらの米国特許第３，７７９，６４５号、ハインズらの米国特許第３，８１３，１６５号、シップらの米国特許第３，８３２，０５６号、ウェントの米国特許第３，９００，２６０号、ヴィックランドの米国特許第３，９１４，０５２号、エプステインの米国特許第４，１１３，３８１号、カボルスキーの米国特許第４，２９７，０３０号、バックらの米国特許第４，４５３，８２５号、オオイシらの米国特許第５，００２，３８８号、ペインらの米国特許第５，４５５，６７０号、カネコらの米国特許第５，７３７，０６８号、クボの米国特許第５，８８０，８２２号、ヒルヌマの米国特許第５，８８６，７７７号、ダムの米国特許第５，９９１，０１１号、シライらの米国特許第６，７６５，６５３号、ブリッジスの米国特許第６，８４７，４３６号、オオトモらの米国特許第７，０９５，４９０号、オオトモらの米国特許第７，１９６，７７６号、シュティルレらの米国特許第７，２２４，４４４号、シュミットらの米国特許第７，２６２，８６３号、アオキらの米国特許第７，３３６，３４６号、ナカムラらの米国特許第７，３３９，６５５号、リューらの米国特許第７，４７１，３７７号、オオトモらの米国特許第７，４７４，３８８号、オサダの米国特許第７，４９２，４４４号、オイシらの米国特許第７，５１８，７０９号、ルオらの米国特許第７，７３８，０８３号、およびウォルフらの米国特許出願公開第ＵＳ２００９／０００９７４７号が含まれる。これらの特許はすべて、遅い機械スイッチを使用するので、動いている再帰反射器を正確に測定するＡＤＭ内で使用するのに十分なほど迅速に切り換えることができない。
【００２８】
別の可能性は、距離計の光学部分ではなく電気部分だけでドリフトを補正することである。この場合、基準光路からの光は基準光検出器へ送られ、測定光路からの光は測定光検出器へ送られる。基準および光検出器からの電気信号は電気スイッチへ進み、電気スイッチは、２つの検出器からの電気信号を単一の電気ユニットへ交互に経路指定する。電気ユニットは、この信号を処理してターゲットまでの距離を見出す。この方法に基づいた発明の例には、ヘルシャーの米国特許第３，３６５，７１７号、レイファーの米国特許第５，７４２，３７９号、シュタインレヒナーの米国特許第６，３６９，８８０号、ギーガーの米国特許第６，４６３，３９３号、ギーガーの米国特許第６，７２７，９８５号、ギーガーの米国特許第６，８５９，７４４号、およびギーガーの米国特許第６，８６４，９６６号が含まれる。電気スイッチを使用すると、ＡＤＭシステムの電気部分のドリフトを低減させることができるが、光学部分からのドリフトを取り除くことはできない。光学部分からのドリフトは通常、電気部分のドリフトと同じ大きさであり、またはそれより大きい。さらに、数ＧＨｚで変調される電気信号内の位相シフトを回避するのに十分なほど迅速に切り換えることができる電気交換システムを実施するのは困難である。有用性が制限され、また実装が困難であるため、電気スイッチは、ＡＤＭ内のドリフトを補正するのに良好な解決策ではない。
【００２９】
バイスタティック距離計の場合、光ファイバスイッチの使用について論じる２つの参考文献が存在する。コンスタンティクスの米国特許出願公開第ＵＳ２００９／００４６２７１号は、出ていくビーム経路内に１つのファイバスイッチが配置され、戻ってくるビーム経路内に第２のファイバスイッチが配置される方法について教示している。これらの２つの光ファイバスイッチを同時に切り換えて、測定または基準経路からの光が光検出器に到達するのを可能にする。コールの米国特許第４，６８９，４８９号は、バイスタティック距離計の戻りポートからの光がスイッチの１つのポート内に入り、出ていくビームからの光がスイッチの第２のポート内に供給される、ファイバスイッチの使用について教示している。これらの参考文献に記載のファイバスイッチのアーキテクチャは、上記に論じた理由で、バイスタティックデバイスのみに当てはまり、レーザ追跡装置とともに使用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】米国特許第４，７９０，６５１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７１４，３３９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７６４，３６０号明細書
【特許文献４】米国特許第７，３５２，４４６号明細書
【特許文献５】米国特許第６，８４７，４３６号明細書
【特許文献６】米国特許第３，６１９，０５８号明細書
【特許文献７】米国特許第３，７２８，０２５号明細書
【特許文献８】米国特許第３，７４０，１４１号明細書
【特許文献９】米国特許第３，７７９，６４５号明細書
【特許文献１０】米国特許第３，８１３，１６５号明細書
【特許文献１１】米国特許第３，８３２，０５６号明細書
【特許文献１２】米国特許第３，９００，２６０号明細書
【特許文献１３】米国特許第３，９１４，０５２号明細書
【特許文献１４】米国特許第４，１１３，３８１号明細書
【特許文献１５】米国特許第４，２９７，０３０号明細書
【特許文献１６】米国特許第４，４５３，８２５号明細書
【特許文献１７】米国特許第５，００２，３８８号明細書
【特許文献１８】米国特許第５，４５５，６７０号明細書
【特許文献１９】米国特許第５，７３７，０６８号明細書
【特許文献２０】米国特許第５，８８０，８２２号明細書
【特許文献２１】米国特許第５，８８６，７７７号明細書
【特許文献２２】米国特許第５，９９１，０１１号明細書
【特許文献２３】米国特許第６，７６５，６５３号明細書
【特許文献２４】米国特許第６，８４７，４３６号明細書
【特許文献２５】米国特許第７，０９５，４９０号明細書
【特許文献２６】米国特許第７，１９６，７７６号明細書
【特許文献２７】米国特許第７，２２４，４４４号明細書
【特許文献２８】米国特許第７，２６２，８６３号明細書
【特許文献２９】米国特許第７，３３６，３４６号明細書
【特許文献３０】米国特許第７，３３９，６５５号明細書
【特許文献３１】米国特許第７，４７１，３７７号明細書
【特許文献３２】米国特許第７，４７４，３８８号明細書
【特許文献３３】米国特許第７，４９２，４４４号明細書
【特許文献３４】米国特許第７，５１８，７０９号明細書
【特許文献３５】米国特許第７，７３８，０８３号明細書
【特許文献３６】米国特許出願公開第２００９／０００９７４７号明細書
【特許文献３７】米国特許第３，３６５，７１７号明細書
【特許文献３８】米国特許第５，７４２，３７９号明細書
【特許文献３９】米国特許第６，３６９，８８０号明細書
【特許文献４０】米国特許第６，４６３，３９３号明細書
【特許文献４１】米国特許第６，７２７，９８５号明細書
【特許文献４２】米国特許第６，８５９，７４４号明細書
【特許文献４３】米国特許第６，８６４，９６６号明細書
【特許文献４４】米国特許出願公開第２００９／００４６２７１号明細書
【特許文献４５】米国特許第４，６８９，４８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
ドリフトをほとんど発生させることなく、動いているターゲットを正確に測定するＡＤＭが必要とされている。このＡＤＭはモノスタティックとし、光学構成要素と電気構成要素の両方でドリフトを最小限にしなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の一態様によれば、ターゲットまでの距離を決定する絶対距離計（ＡＤＭ）は、放出光ビームを放出する光源を含む。ＡＤＭはまた、スイッチ制御信号に応答して少なくとも２つの位置間で切り換わる少なくとも１つの光スイッチを有するファイバ交換網を含み、これらの位置のうちの第１の位置は、放出光ビームがファイバ交換網からターゲットの方へ放出され、測定光ビームとしてファイバ交換網内へ後方反射される測定モードを可能にし、これらの位置のうちの第２の位置は、光ビームがファイバ交換網内の基準光ビームを含む基準モードを可能にする。ＡＤＭは、時間的に間隔を空けて多重化した形で測定および基準光ビームを検出し、検出した測定および基準光ビームに対応する電気信号を提供する単一チャネル検出器をさらに含む。また、ＡＤＭは、電気信号を処理し、それに応答して調整された電気信号を提供する単一チャネル信号処理装置と、調整された電気信号を処理してターゲットまでの距離を決定するデータ処理装置とを含む。
【００３３】
実施形態について、限定的ではなく例示的なものである添付の図面を参照して、例示のみを目的として次に説明する。添付の図面では、同じ要素にはいくつかの図で同じ番号を付ける。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】レーザビームを外部再帰反射器へ送る例示的なレーザ追跡装置の斜視図である。
【図２Ａ】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと、可視レーザと、追跡装置の光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図２Ｂ】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと、増分距離計アセンブリと、追跡装置の光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図３】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと追跡装置の光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図４】光ファイバ交換網をもつＡＤＭと簡略化した光学系とを含む追跡装置の電気光学系アセンブリのブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態による、光ファイバスイッチと、光結合器と、部分的ファイバ再帰反射器とを含む光ファイバ交換網を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態による、光ファイバスイッチと、光サーキュレータと、部分的ファイバ再帰反射器とを含む光ファイバ交換網を示す図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態による、２つの光ファイバ結合器と光ファイバスイッチとを含む光ファイバ交換網を示す図である。
【図８】本発明のさらに別の実施形態による、複数の光ファイバスイッチを組み合わせて光分離を増大させる光ファイバ交換網を示す図である
【図９】本発明の別の実施形態による、光変調器または光減衰器によって切換え動作が実行される光ファイバ交換網を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態で使用される例示的なＡＤＭ電子機器のブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態で使用されるデータ処理装置のブロック図である。
【図１２】ＡＤＭシステムからの例示的な信号のグラフである。
【図１３】例示的なスイッチング信号のグラフである。
【図１４】例示的なゲート信号のグラフである。
【図１５】本発明の実施形態で使用される処理システムのブロック図である。
【図１６】本発明の実施形態で使用されるＡＤＭ電子機器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１に例示的なレーザ追跡装置１０を示す。レーザ追跡装置１０の例示的なジンバル式ビームステアリング機構１２は天頂キャリッジ１４を含み、天頂キャリッジ１４は、方位基部１６に取り付けられ、方位軸２０の周りを回転する。天頂キャリッジ１４上にペイロード１５が取り付けられ、天頂軸１８の周りを回転する。追跡装置１０の内部で、天頂機械回転軸１８と方位機械回転軸２０は、ジンバル点２２で直交して交差する。ジンバル点２２は通常、距離測定に対する原点である。レーザビーム４６は、実質上ジンバル点２２を通過し、天頂軸１８に対して直交に向けられる。言い換えれば、レーザビーム４６は、天頂軸１８に対して垂直な平面内にある。レーザビーム４６は、天頂軸１８の周りのペイロード１５の回転によって、また方位軸２０の周りの天頂キャリッジ１４の回転によって、所望の方向に向けられる。追跡装置（図示せず）内部で、天頂機械軸１８および方位機械軸２０に天頂および方位角度エンコーダが取り付けられ、回転の角度を高い精度で示す。レーザビーム４６は、上記の球面マウント再帰反射器（ＳＭＲ）などの外部再帰反射器２６へ進む。ジンバル点２２と再帰反射器２６の間の径方向の距離、ならびに天頂軸１８および方位軸２０の周りの回転角度を測定することによって、追跡装置の球面座標系内で、再帰反射器２６の位置が見出される。
【００３６】
以下に続く議論で説明するように、レーザビーム４６は１つ以上のレーザ波長を含むことができる。見やすくかつ簡単にするために、以下の議論では、ステアリング機構は図１に示す種類のものとする。しかし、他のタイプのステアリング機構も可能である。たとえば、方位および天頂軸の周りを回転するミラーからレーザビームを反射させることが可能であろう。本明細書に記載の技法は、ステアリング機構のタイプにかかわらず適用できる。
【００３７】
レーザ追跡装置の要素
図２Ａに、追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ａを示す。追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ａは、ＡＤＭアセンブリ２０００、可視レーザ１１０、および光学アセンブリ１９０を含む。ＡＤＭアセンブリ２０００は、ＡＤＭ電子機器３００、ＡＤＭレーザ１０２、光ファイバ交換網２００、およびデータ処理装置４００を含む。光学アセンブリ１９０は、ＡＤＭビームコリメータ１４０、可視ビーム投光器１５０、追跡アセンブリ１７０、およびビームエキスパンダ１６０を含む。
【００３８】
光を変調させるには多くの方法が存在する。１つのタイプの変調は光パワーのものであり、変調信号は通常、正弦波またはパルスである。別のタイプの変調は光波長のものである。このタイプの変調は、干渉性のレーザ距離計で使用されることがある。光源、または電気光学変調器などの外部変調器に直接変調を加えて、レーザ光のパワー、偏光、または位相を変動させることができる。本開示に記載の方法は、これらのタイプの変調のいずれにも適用できる。光は、レーザ、高輝度ダイオード、または任意の他のタイプの光エミッタから生じることができる。以下の文章では、光源をレーザと呼ぶことが多いが、これは、使用できる光源のタイプを限定すると解釈するべきではない。
【００３９】
ＡＤＭレーザ１０２からの光は、光ファイバ１０４内に注入され、ファイバ交換網２００へ進む。ファイバ交換網２００からの一部の光は、光ファイバケーブル５０１を通ってＡＤＭビームコリメータ１４０へ進む。ＡＤＭビームコリメータ１４０は、安定フェルール１４２および正レンズ１４４を含む。光ファイバは、単一モードタイプのものであることが好ましい。
【００４０】
ＡＤＭレーザ１０２が赤外波長で動作する場合、可視レーザビームを提供してビームを見つけやすくすると好都合である。可視レーザ１１０は、光ファイバケーブル２１５を通って可視ビーム投光器１５０へ可視光を送る。可視ビーム投光器１５０は、安定フェルール１５２、正レンズ１５４、およびダイクロイックビームスプリッタ１１４を含む。ダイクロイックビームスプリッタ１１４はＡＤＭビーム１０８を透過するが、可視ビーム１１２を反射する。ビームスプリッタ１１４の右側では、複合レーザビーム１１６は、可視レーザビーム１１２およびＡＤＭレーザビーム１０８を含む。可視レーザビーム１１２とＡＤＭレーザビーム１０８は、実質上同一直線上にある。レーザビーム１１６は、ビームスプリッタ１１８およびビームエキスパンダ１６０を通過し、より大きな平行レーザビーム４６として現れる。ビームエキスパンダ１６０は、負レンズ１６２および正レンズ１６４を含む。
【００４１】
いくつかの適用分野では、ＡＤＭに加えて干渉計（ＩＦＭ）を含むことが望ましい。図２Ｂに、追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ｂを示す。追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ｂは、可視レーザ１１０が増分距離計アセンブリ１８０に置き換えられたことを除いて、電気光学系アセンブリ２５０Ａと同じ要素を含む。増分距離計アセンブリ１８０は、安定レーザ１８２および干渉計（ＩＦＭ）アセンブリ１８４を含む。安定レーザ１８２は、赤色ビームを生成する周波数安定化ヘリウム−ネオンレーザであることが好ましい。ＩＦＭアセンブリ１８４は、再帰反射器２６までの距離の増分変化を測定する光学系および電子機器（図示せず）を含む。
【００４２】
レーザビーム４６は、図１に示すように、外部再帰反射器２６へ進む。ビーム４６は、再帰反射器２６から反射し、ビーム４８としてレーザ追跡装置１０に戻る。レーザビーム４６が再帰反射器２６の中心に当たった場合、反射されたレーザビーム４８は、入射レーザビーム４６の経路を戻る。レーザビーム４６が再帰反射器２６に中心を外れて当たった場合、反射されたレーザビーム４８は、入射ビーム４６と平行であるが入射ビーム４６からずれて戻る。反射されたレーザビーム４８は、ビームエキスパンダ１６０を通って再び追跡装置１０に入り、光システムを通って経路を戻る。
【００４３】
追跡アセンブリ１７０は、ビームスプリッタ１１８、任意選択の光フィルタ１２８、および位置検出器１３０を含む。反射されたレーザビーム４８の一部は、ビームスプリッタ１１８に当たって跳ね返り、任意選択の光フィルタ１２８を通過して位置検出器１３０に当たる。光フィルタ１２８は、再帰反射器２６近傍の周囲光など、望ましくない光の波長を阻止する。
【００４４】
位置検出器１３０は、位置検出器１３０上の光点の位置を示す電気信号を生成する。位置検出器１３０は、戻ってくる光ビームの位置を示す任意のタイプの検出器とすることができる。たとえば、位置検出器１３０は、側面効果検出器もしくは象限検出器などの位置敏感型検出器とすることができ、またはＣＣＤもしくはＣＭＯＳアレイなどの感光アレイとすることができる。位置検出器の帰線点は、レーザビーム４６が再帰反射器２６の中心に当たった場合にレーザビーム１２６が当たる点と定義される。レーザビーム４６が再帰反射器２６の中心から外れたとき、レーザビーム１２６は帰線点から外れ、位置検出器１３０は電気誤差信号を生成する。サーボシステム（図示せず）は、この誤差信号を処理して、レーザビーム４６の向きをレーザ追跡装置１０から外部再帰反射器２６の中心の方へ変えるモータ（図示せず）を活動化させる。こうして、追跡装置１０からのレーザビームに、再帰反射器２６の動きを追跡させる。
【００４５】
ダイクロイックビームスプリッタ１１４は、戻ってくるＡＤＭレーザ光を、ＡＤＭビームコリメータ１４０を通って伝送し、そこでＡＤＭレーザ光は、光ファイバ５０１に結合される。レーザ光は再びファイバ交換網２００内へ進み、その一部は、光ファイバ２３０を通ってＡＤＭ電子機器３００へ進む。ＡＤＭ電子機器３００は、この光信号を電気信号に変換し、レーザ光に加えられる特定のタイプの変調に適した形でこの電気信号を調整する。ＡＤＭ電子機器３００からの信号はデータ処理装置４００へ送られ、データ処理装置４００は、この信号を処理して結果４２０を見出す。結果４２０は、追跡装置のジンバル点２２から再帰反射器ターゲット２６までの距離である。
【００４６】
追跡装置の電気光学系アセンブリ２５０Ａ、２５０Ｂの構成要素は、完全に追跡装置のペイロード１５内に配置しても、部分的に追跡装置のペイロード１５内に配置し、また部分的に方位基部１６内に配置しても、または完全に方位基部１６内に配置してもよい。ＡＤＭまたは干渉計の構成要素が方位基部１６内に配置される場合、これらは、機械的方位および天頂軸を通ってペイロード１５内へ光ファイバケーブルを経路指定することによって、光学構成要素へ接続することができる。この方法は、国際出願第ＷＯ２００３／０６２７４４号に記載されている。同願を、本願に引用して援用する。別法として、ＡＤＭまたは干渉計の構成要素が方位基部１６内に配置される場合、ＡＤＭレーザ１０２または安定レーザ１８２によって放出される光は、自由空間を通って、ペイロード内に配置されたビームステアリングミラーへ送ることができる。この方法は、ラウらの米国特許第４，７１４，３３９号に記載されている。
【００４７】
光ファイバ交換網２００は、光信号を光学アセンブリ１９０へ、および光学アセンブリ１９０の外へ経路指定して切り換える手段を提供する。ファイバ交換網２００について、以下により詳細に説明する。
【００４８】
図２Ａの可視光レーザ１１０または図２Ｂの増分距離計アセンブリ１８０をなくすことが可能である。この場合、可視ビーム投光器１５０は不要になる。図３に、その結果得られる電気光学系アセンブリ３５０を示す。このアーキテクチャは、ＩＦＭが必要とされなかった場合、またＡＤＭレーザ１０２が可視レーザ光を放出した場合に適切であろう。このアーキテクチャはまた、ＩＦＭが必要とされなかった場合、また可視ポインタビームが必要とされなかった場合に適切であろう。
【００４９】
手持ち式距離計または追跡しない他の計器の場合、追跡アセンブリ１７０、および場合によってはビームエキスパンダ１６０をなくすことによって、アーキテクチャをさらに簡略化することができる。図４に、その結果得られるＡＤＭ距離計４５０を示す。
【００５０】
図２Ａ、２Ｂ、３、および４はすべてＡＤＭアセンブリ２０００を含み、ＡＤＭアセンブリ２０００は光ファイバ交換網２００を含む。ファイバ交換網２００の利益は、ＡＤＭ距離の読取り値のドリフトの低減を可能にすることである。この低減に対する理由は、ＡＤＭ電子機器３００についてより詳細に考慮することによって理解することができる。ＡＤＭ電子機器に対する特有の実施形態について、図１０および１１に付随する、すなわちレーザ追跡装置に関連する議論で考慮する。しかし、ＡＤＭシステムのドリフトの低減に対するファイバ交換網の利点は、より全体的にＡＤＭシステムに当てはまり、たとえばパルス飛行時間ＡＤＭ、チャープＡＤＭ、ならびに干渉性および非干渉性のＡＤＭを含むことができる。ファイバ交換網２００がどのようにしてドリフトの低減を可能にするかについて説明するために、次に図１６を参照されたい。図１６は、ＡＤＭ電子機器３００の要素についてより概略的に説明する。
【００５１】
図１６では、ＡＤＭ電子機器３００は、レーザ送信器３１０、単一チャネルレーザ受信器３２０、単一チャネル信号線３３２、ならびに相互接続線３３０、３３４、および３３６を含む。レーザ送信器３１０は、様々な信号を生成することができる。相互接続線３３０からの信号を使用して、ＡＤＭレーザ１０２を変調する。さらに、大部分のタイプのＡＤＭシステムは、単一チャネル受信器３２０内で信号を処理する際に使用される１つ以上の追加の信号を生成する。以下に続く議論で明らかになる理由のため、本明細書ではそのような信号の組合せを単一チャネル信号３３２と呼ぶ。
【００５２】
単一チャネル受信器３２０は、単一検出器３２２および単一チャネル電子機器３２４を含む。光は、相互接続線３３６を介して単一検出器３２２に到達する。相互接続線３３６は、ファイバ交換網２００に取り付けられた光ファイバケーブルである。単一検出器３２２は、３３６からの光信号を電気信号に変換する。この電気信号は、単一チャネル電子機器によって処理され、その結果得られる処理された信号は、相互接続線３３４を介してデータ処理装置４００へ送られる。
【００５３】
ＡＤＭシステムで見られるドリフトは通常、電気および光システムが、時間とともに、特に温度の変化に対して変化した結果である。本書の背景技術の項では、ＡＤＭシステムは、測定チャネルの読取り値から基準チャネルの読取り値を引くことによって、そのような変化の影響を取り除こうとすることが多いと説明した。説明のとおり、基準チャネル内の信号は光または電気とすることができ、光基準信号は通常、最高の性能をもたらす。このようにして２つのチャネルを使用すると、受信器ユニット内で２つの別々の電気チャネル（測定チャネル用のものおよび基準チャネル用のもの）が必要とされるので、限られた程度でしかドリフトを補正することができない。基準信号が光である場合もまた、受信器ユニットは、２つの別々の光検出器（測定チャネル用のものおよび基準チャネル用のもの）を提供しなければならない。しかし、２つのチャネル内の電気および光学構成要素は同一ではなく、それぞれのチャネル内の構成要素の温度も同一ではない。したがって、測定および基準チャネル内で見られるドリフトは、完全にコモンモードではなく、完全には取り消されない。
【００５４】
ファイバ交換網を使用して光信号を多重化することによって、単一検出器を使用して測定チャネルと基準チャネルの両方に対応することが可能である。受信器内で、２つの電気チャネルではなく単一の電気チャネルを使用することも可能である。単一の電気受信器チャネルしか存在しないので、送信器３１０によって供給されるあらゆる電気信号を単一チャネル内だけで提供する必要がある。単一の光検出器、単一の電気受信器チャネル、および送信器からの単一チャネル信号の結果、ドリフト効果はほぼ完全に取り消される。その結果得られるＡＤＭシステムには、ドリフトがほとんどない。
【００５５】
ファイバ交換網
本発明による光ファイバ交換網２００のいくつかの可能な実施形態について、以下に論じる。これらには、図５〜９でそれぞれ２００Ａ〜２００Ｅと標識を付けた。図５は、ＡＤＭシステム５５０を示す。ＡＤＭシステム５５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ａ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ａは、光ファイバ結合器２０６、光ファイバスイッチ５００、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５０２、５０３、５１０、および電気的接続４７０を含む。光は、ＡＤＭレーザ１０２から光ファイバ１０４を通って光結合器２０６内へ進む。ファイバ結合器２０６からの光の一部は、低反射終端（ＬＲＴ）２０８へ進み、ＬＲＴ２０８は、この光のほとんどすべてを吸収する。ＬＲＴ２０８の反射度は、１／５００００より小さいことが好ましい。ファイバ結合器２０６からの光の残りは、光ファイバ５０３を通って光スイッチ５００へ進む。この場合、光ファイバスイッチ５００は単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチであるが、他のタイプのスイッチを使用することもできる。
【００５６】
電気的接続４７０は、光ファイバスイッチ５００に、光信号が光ファイバ５０１または光ファイバ５０２のどちらに経路指定されているかを制御する電気信号を送る。スイッチ５００が光ファイバ５０１へ光を経路指定する場合、光は安定フェルール１４２から追跡装置を通って再帰反射器２６へ出ていく。戻ってくるレーザ光は、光ファイバスイッチ５００へ進み、結合器２０６を通って、ファイバ２３０を通り、ＡＤＭ電子機器３００内へ入る。再帰反射器へ、および再帰反射器の外へこの経路に沿って進む光は測定経路内にあると言い、この時間中、追跡装置は測定モードにあると言う。
【００５７】
スイッチ５００が光ファイバ５０２へ光を経路指定する場合、光は部分的ファイバ再帰反射器５０５へ進み、部分的ファイバ再帰反射器５０５はレーザ光の一部分を、結合器２０６を通って、ファイバ２３０を通り、ＡＤＭ電子機器３００内へ後方反射する。部分的ファイバ再帰反射器５０５から反射することによって追跡装置内部へ進む光は基準経路にあると言い、この時間中、追跡装置は基準モードにあると言う。
【００５８】
ファイバ結合器２０６は、５０／５０結合器であることが好ましい。５０／５０結合器は、３ｄＢ結合器とも呼ばれる。ＡＤＭレーザ１０２によって５０／５０結合器２０６内へ注入される光の場合、レーザ光の５０％が光ファイバ５１０に入り、５０％が光ファイバ５０３に入る。逆方向から結合器２０６内へ注入される光の場合、戻ってくる光の５０％がＡＤＭレーザ１０２に入り、戻ってくる光の５０％がＡＤＭ電子機器３００に入る。ファイバ結合器２０６を通ってＡＤＭレーザ１０２へ進む光がレーザを不安定にするのを防止するために、ＡＤＭレーザ１０２内にファラデー分離が提供される。
【００５９】
光が再帰反射器２６へ進んだ後に光ファイバ５０１へ戻される光の量は、再帰反射器までの距離、再帰反射器の直径および傾斜、ならびにＡＤＭビームコリメータ１４０の結合効率を含む複数の要因に依存する。部分的ファイバ再帰反射器５０５の反射度は、異なる測定条件下で再帰反射器２６によって戻されるパワーの平均にほぼ等しいレーザパワーを反射するように選択されることが好ましい。
【００６０】
光ファイバスイッチ５００は、２つの切換え位置間に少なくとも２０ｄＢの光分離を有するべきであることが好ましい。つまり、スイッチが上の位置にあるとき、下の位置内に漏れる光パワーの量は、上の位置に印加される光パワーの量より少なくとも１００分の１である。反射して経路を戻った後、分離はさらに１００分の１低減され、その結果、全体的な有効な分離は、１０4倍、すなわち４０ｄＢになる。以下に説明するように、これらを組み合わせて全体的な分離を増大させることによって、分離のレベルがより低いスイッチを使用することができる。
【００６１】
光分離に加えて、光ファイバスイッチ５００は、少なくとも４０ｄＢの光反射減衰量を有するべきであることが好ましい。つまり、スイッチによって後方反射された光は、入射光と比較すると、少なくとも１０，０００分の１低減されるべきである。これにより、過度の望ましくない光が、所望の経路上を進む光に反射し、それによって測定の精度を低減させないようにする。
【００６２】
図６のＡＤＭシステム６５０に、第２のファイバ交換網２００Ｂを示す。ＡＤＭシステム６５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｂ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｂは、光サーキュレータ６１０、光ファイバスイッチ５００、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５０２、５０３、および電気的接続４７０を含む。光は、ＡＤＭレーザ１０２から光ファイバ１０４を通ってポート６０１内へ入り、ポート６０２から出てファイバ５０３へ進む。ファイバ５０３から、光は、ＡＤＭシステム５５０に対して上記で記載のとおりに進む。戻り光は、再びポート６０２を通過し、ポート６０３から出て光ファイバ２３０へ進む。
【００６３】
図５の２０６などの４つのポートの光ファイバ結合器と比較すると、図６の６１０などの３つのポートのサーキュレータの利点は、第４のポートにパワーが失われないことである。図５の２０６では、低反射終端２０８でパワーが放散される。サーキュレータの欠点は、通常、あるレベルの偏光モード分散（ＰＭＤ）を有することである。その結果、光ファイバ５０１または５０２上に戻った光の偏光状態の何らかの変化の結果、変調した光の位相に遅延が生じ、それによって、報告されるＡＤＭ距離に誤差をもたらす可能性がある。
【００６４】
図７のＡＤＭシステム７５０に、第３のファイバ交換網２００Ｃを示す。ＡＤＭシステム７５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｃ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｃは、光ファイバ結合器２０４、光ファイバ結合器２０６、低反射終端２０８、７１５、ファイバスイッチ７００、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５１０、７０１、および７１６、ならびに電気的接続４７０を含む。光は、ＡＤＭレーザ１０２から光ファイバ１０４を通って第１の光結合器２０４へ進む。第１の光結合器２０４からの光の一部は、基準光ファイバ７０２を通ってスイッチ７００へ進み、他の部分は、光ファイバ７１６を通って第２の光結合器２０６へ進む。第２の光結合器２０６からの光の一部は、光ファイバ５１０を通って低反射終端２０８へ進み、他の部分は、光ファイバ５０１を通って安定フェルール１４２へ進む。
【００６５】
安定フェルール１４２へ戻った光は、再び光ファイバ５０１を通って第２の光結合器２０６へ進む。第２の光結合器２０６からの戻り光の一部は、光スイッチ７００へ進む。第２の光結合器２０６からの戻り光の別の部分は、再び光ファイバ７１６を通って第１の光結合器２０４へ進む。この戻り光の一部は、光ファイバ１０４を通ってＡＤＭレーザ１０２へ進み、そこで、レーザ内に構築されたファラデーアイソレータによって阻止される。戻り光の別の部分は、光ファイバ７１５を通って低反射終端２１０へ進む。
【００６６】
測定モードでは、電気的接続４７０により、スイッチ７００は光ファイバ７０１をＡＤＭ電子機器３００へ接続する。基準モードでは、電気的接続４７０により、スイッチ７００は光ファイバ７０２をＡＤＭ電子機器３００へ接続する。ＡＤＭシステム５５０と比較すると、ＡＤＭシステム７５０には、部分的ファイバ再帰反射器５０５を必要としないという利点がある。ＡＤＭシステム７５０には、余分の光ファイバ結合器、余分の低反射終端、および追加の光ファイバ７０２を必要とするという欠点がある。
【００６７】
図８のＡＤＭシステム８５０に、第４のファイバ交換網２００Ｄを示す。ＡＤＭシステム８５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｄ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｄは、光ファイバ結合器２０６、ファイバスイッチ５００、８１０、８２０、低反射終端２０８、８１６、８２６、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、２３０、５０１、５０２、５０３、５１０、８１２、８１４、８２２、８２４、および電気的接続４７０を含む。第４のファイバ交換網構成８５０は、カスケード接続されたスイッチ８１０および８２０を追加することによって測定および基準チャネル間の分離を増大させるための、図５に示すＡＤＭシステム５５０の変形である。
【００６８】
測定モードでは、スイッチ５００は光ファイバ５０３を光ファイバ８１２へ接続し、スイッチ８１０は光ファイバ８１２を光ファイバ５０１へ接続する。また、測定モードでは、スイッチ８２０は光ファイバ５０２を光ファイバ８２２へ接続する。光ファイバ８２２は、低反射終端８２６へつながる。各スイッチ５００、８１０、８２０の分離は２０ｄＢであるものとする。つまり、たとえば０．０１より小さな光パワーが、特定のスイッチ内の望ましくない経路を通過する。この場合、光ファイバ５０３上に存在する０．０１より小さな光パワーが光ファイバ５０２へ進み、０．０００１より小さな光パワーがファイバ８２４へ進む。部分的ファイバ再帰反射器５０５によって反射されるこの光は、再び光ファイバ５０３へ進む際、０．０００１倍さらに低減される。言い換えれば、反射される光パワーは、光ファイバ５０３上の出ていく光パワーと比較すると、少なくとも１０-8＝−８０ｄＢ低減される。
【００６９】
基準モードでは、スイッチ５００は光ファイバ５０３を光ファイバ５０２へ接続し、スイッチ８２０は光ファイバ５０２を光ファイバ８２４へ接続する。光ファイバ８２４は、部分的ファイバ再帰反射器５０５へつながる。また、基準モードでは、スイッチ８１０は光ファイバ８１２を光ファイバ８１４へ接続する。光ファイバ８１４は、低反射終端８１６へつながる。先の場合のように、それぞれ２０ｄＢの分離を有するスイッチの場合、その結果生じる光ファイバ５０３へ戻ったパワーは、元の量の１０-8＝８０ｄＢ倍に低減される。
【００７０】
図９のＡＤＭシステム９５０に、第５のファイバ交換網２００Ｅを示す。ＡＤＭシステム９５０は、ＡＤＭレーザ１０２、ファイバ交換網２００Ｅ、ＡＤＭ電子機器３００、および安定フェルール１４２を含む。ファイバ交換網２００Ｅは、光ファイバ結合器２０６、光変調器または減衰器９１０、９２０、部分的ファイバ再帰反射器５０５、相互に接続する光ファイバ１０４、５０１、５０３、５１０、９２２、２３０、および電気的接続４７０を含む。ＡＤＭシステム９５０は、９１０、９２０が、単極単投（ＳＰＳＴ）スイッチとして働くように最小および最大レベル間で駆動される光変調器または減衰器であることを除いて、図５のＡＤＭシステム５５０と同様である。９１０、９２０が光変調器である場合、これらは偏光に依存しておらず、動作は双方向であることが好ましい。ＡＤＭシステム９５０の動作は、前述のＡＤＭ８５０のものと同様である。
【００７１】
ＡＤＭ電子機器３００の特有の実施形態について次に考慮する。図１０に示すように、この特定の実施形態をＡＤＭ電子機器３０００と呼ぶ。ＡＤＭ電子機器３０００は、ファイバ交換網２００の光出力を測定モードまたは基準モードで、データ処理装置４００によって処理するためのデジタル電気信号に変換し、またＡＤＭレーザ１０２に対する変調信号を生成する。ＡＤＭ電子機器３０００への入力は光ファイバ２３０であり、出力は電気変調信号３６０および調整された電気信号４６０である。ブリッジスらの米国特許第７，３５２，４４６号は、類似のＡＤＭ電子機器３０００に対する詳細を開示している。同特許を引用して援用する。
【００７２】
図１０のＡＤＭ電子機器３０００は、周波数基準３００２、合成器３００４、検出器３００６、ミキサ３０１０、増幅器３０１４、３０１８、周波数分割器３０２４、およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３０２２を含む。周波数基準３００２は、ＡＤＭに対する時間基準を提供しており、低い位相ノイズおよび低い周波数ドリフトを有するべきである。周波数基準は、温度制御型水晶発振器（ＯＣＸＯ）、ルビジウム発振器、または任意の他の高度に安定した周波数基準とすることができる。発振器周波数は、百万分の１より小さな範囲内で正確かつ安定であることが好ましい。周波数基準からの信号は合成器内に入り、合成器は３つの信号を生成する。第１の信号は、周波数ｆRFであり、ＡＤＭレーザ１０２の光パワーを変調する。このタイプの変調は、強度変調（ＩＭ）と呼ばれる。別法として、周波数ｆRFの第１の信号は、ＡＤＭレーザ１０２からのレーザ光の光パワーではなく電界振幅を変調することが可能である。このタイプの変調は、振幅変調（ＡＭ）と呼ばれる。どちらも周波数ｆLOの第２および第３の信号は、ミキサ３０１０の局部発振器ポートへ進む。
【００７３】
光ファイバケーブル２３０は、レーザ光を運ぶ。この光ファイバケーブル２３０内の光は、検出器３００６によって電気信号に変換される。この光検出器３００６は、変調周波数ｆRFを増幅器３０１４へ送り、次いでミキサ３０１０へ送る。ミキサ３０１０は、２つの周波数を生成する。１つは｜ｆLO−ｆRF｜であり、１つは｜ｆLO＋ｆRF｜である。これらの信号は、低周波増幅器３０１８へ進む。増幅器３０１８は高周波信号を阻止し、その結果、中間周波数（ＩＦ）ｆIF＝｜ｆLO−ｆRF｜の信号だけがアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３０２２へ進む。周波数基準３００２は周波数分割器３０２４内へ信号を送り、周波数分割器３０２４は、基準３００２の周波数を整数Ｎで分割してサンプリングクロックを生成する。一般に、ＡＤＣは、サンプリングされた信号を整数因子Ｍで低減させることができ、その結果、有効サンプリング速度はｆREF／ＮＭになる。この有効サンプリング速度は、中間周波数ｆIFの整数倍となるはずである。
【００７４】
タイミング電子機器４７２は、周波数分割器チップおよびマイクロプロセッサまたはフィールドプログラム可能ゲートアレイを含むことができる。周波数分割器チップは、周波数基準３００２からの信号の周波数をより低い周波数に分割する。この周波数はマイクロプロセッサまたはフィールドプログラム可能ゲートアレイに印加され、マイクロプロセッサまたはフィールドプログラム可能ゲートアレイは、その内部の処理能力を使用して図１３および１４に示す必要なタイミング信号を提供する。
【００７５】
次に、例示的なＡＤＭに対する周波数を示す。周波数基準はｆREF＝２０ＭＨｚである。レーザを駆動する合成器ＲＦ周波数は、ｆRF＝２８００ＭＨｚである。ミキサに印加される合成器ＬＯ周波数は、ｆLO＝２８００．０１ＭＨｚである。ＬＯおよびＲＦ周波数の差は、ｆIF＝１０ｋＨｚの中間周波数である。周波数基準は、Ｎ＝１０で分割されて２ＭＨｚの周波数を生成し、この周波数は、サンプリングクロックとしてＡＤＣに印加される。ＡＤＣは、Ｍ＝８のデシメーション因子を有し、これは２５０ｋＨｚの有効サンプリング速度をもたらす。ＩＦは１０ｋＨｚであるため、ＡＤＣは、１サイクル当たり２５のサンプルを取得する。
【００７６】
ＡＤＣは、サンプリングされたデータを、分析のためにデータ処理装置４００へ送る。データ処理装置は、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）チップおよび汎用マイクロプロセッサチップを含む。これらの処理装置によって実行される処理について、以下に説明する。
【００７７】
図２〜４に示すように、ＡＤＭ電子機器３０００は、電気的接続４７０を介して進んでファイバ交換網２００を測定および基準モード間で切り換える信号を生成する。さらに、データ処理装置４００は、ＡＤＭ電子機器３０００のデジタル出力を結果４２０に変換する。結果４２０は、数値的な距離値である。データ処理装置４００の１つの例示的な実施形態は、図１１に示すデータ処理装置４００Ａである。データ処理装置４００Ａへの入力はＡＤＭ電子機器３０００への電気的インターフェース４６０であり、出力は結果４２０である。上記で引用して援用した米国特許第７，３５２，４４６号はまた、類似のデータ処理装置４００に対する詳細を開示している。
【００７８】
図１１のデータ処理装置４００は、ＡＤＣ３０２２からのデジタル化されたデータを取得し、このデータから、追跡装置から外部再帰反射器２６までの距離を導出する。図１１では、この距離を結果４２０と呼ぶ。データ処理装置４００は、デジタル信号処理装置４１０、マイクロプロセッサ４５０、および水晶発振器４０２、４０４を含む。
【００７９】
アナログ−デジタル変換器３０２２は、サンプリングされたデータをＤＳＰ４１０へ送る。このデータは、ＤＳＰ内で動作するプログラムへ経路指定される。このプログラムは、位相抽出器機能４２０、補償器機能４２２、およびカルマンフィルタ機能４２４という３つの主要な機能を含む。位相抽出器機能の目的は、信号の位相、すなわち検出器３００６を通過する信号の位相を決定することである。これらの位相を決定するには、まず変調範囲を計算しなければならない。変調範囲は、レーザ変調の位相が２πラジアン変化するようにＡＤＭレーザ光が空気中を進む往復距離として定義される。
【００８０】
ＡＤＭ測定と角度エンコーダおよび位置検出器の測定を同期させるために、カウンタ４１４は、同期パルスと最後の状態距離との間の時間の差を決定する。これは、以下のように行われる。水晶発振器４０４は、マイクロプロセッサ４５０内に配置された周波数分割器４５２へ低周波正弦波を送る。このクロック周波数は、同期パルスの周波数であるｆSYNCに分割される。同期パルスは、デバイスバスを介してＤＳＰ、角度エンコーダ電子機器、および位置検出器電子機器へ送られる。例示的なシステムでは、発振器は、周波数分割器４５２を通って３２．７６８ｋＨｚの信号を送り、周波数分割器４５２は、３２で分割して同期パルス周波数ｆSYNC＝１．０２４ｋＨｚを生成する。同期パルスは、ＤＳＰ４１０内に位置するカウンタ４１４へ送られる。このカウンタは、水晶４０２によってクロック制御され、水晶４０２は、ＤＳＰ内の位相ロックループ（ＰＬＬ）デバイス４１２を駆動する。例示的なシステムでは、発振器４０２は３０ＭＨｚの周波数を有し、ＰＬＬ４１２はこれを２倍にして、カウンタ４１４への６０ＭＨｚのクロック信号を生成する。カウンタ４１４は、同期パルスが１／６０ＭＨｚ＝１６．７ナノ秒の分解能に到達したことを決定する。位相抽出器機能４２０は、ＡＤＣ３０２２が１つのサイクルに対するすべてのサンプルを送ったとき、カウンタへ信号を送る。これにより、カウンタ４１４をリセットして、新しいカウントを開始する。同期パルスは、カウンタ４１４の計数を停止する。カウント総数を周波数で分割して、経過時間を決定する。上記の等式内の時間間隔は１に設定されていたので、正規化された時間間隔ｔNORMは、経過時間を時間間隔で分割した値である。同期パルス事象に外挿される状態距離ｘEXTは、
ｘEXT＝ｘk＋ｖkｔNORM
である。カルマンフィルタ機能４２４は、追跡装置から外部再帰反射器２６までの距離である結果を提供する。
【００８１】
本明細書に記載の光ファイバスイッチを使用する方法は、位相ベースの距離測定方法に限定されるものではなく、図１０のその例示的な実施形態は一例であると認識することが重要である。たとえば、光ファイバスイッチは、パルス飛行時間距離計とともに等しく良好に使用することができる。
【００８２】
図１２は、図１０の信号調整器３０１８から現れて同じ図のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３０２２に入る多重化信号１３００の一例を示す。このタイプの多重化信号は、位相ベースのＡＤＭによって生成することができる。図１２では、より大きな振幅は測定チャネルからの信号を表し、より小さな振幅は基準チャネルからの信号を表す。基準および測定信号は、ファイバ交換網２００によって一緒に多重化される。図１２に示す例では、正弦波の周波数は１００ｋＨｚであり、対応する期間は０．０１ミリ秒＝１０マイクロ秒である。この例では、数値的な結果４２０の出力周波数は１０ｋＨｚであり、対応する期間は０．１ミリ秒＝１００マイクロ秒である。
【００８３】
一般に、測定および基準信号間の切換え動作により、ＡＤＭ電子機器３０００の電気および光学電気構成要素の出力信号にいくつかの過渡事象が現れる。ＡＤＣ３０２２によって読み取られるこれらの過渡信号が、データ処理装置４００の計算に含まれた場合、誤った結果４２０が生じるはずである。この問題を回避するために、データ処理装置４００によって結果４２０を得るために処理される生データ内で過渡事象が消滅していることが重要である。
【００８４】
ここで考慮する例では、それぞれ１００マイクロ秒の期間のうちの８０マイクロ秒だけが処理され、他の２０マイクロ秒は破棄される。保持される８０マイクロ秒のうち、２０マイクロ秒（２つの正弦波期間）は基準チャネルから保持され、６０マイクロ秒（６つの正弦波期間）は測定チャネルから保持される。
【００８５】
図１３は、電気的接続４７０からのタイミング信号１２００を示す。タイミング信号１２００が高い値１２１０になると測定モードが開始し、タイミング信号１２００が低い値１２３０になると基準モードが開始する。図１４は、データ４６０がいつ有効と見なされるかを示すゲート信号１２５０を示す。高いゲート信号１２６０は、基準信号が有効であることを示す。高いゲート信号１２６５は、測定信号が有効であることを示す。低いゲート信号１２５５は、信号が有効ではないことを示す。
【００８６】
上記で論じたアルゴリズムの方法は、図１５に示す処理システム１５００を用いて実施される。処理システム１５００は、追跡装置処理ユニット１５１０および任意選択のコンピュータ８０を含む。処理ユニット１５１０は少なくとも１つの処理装置を含み、この処理装置は、マイクロプロセッサ、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または類似のデバイスとすることができる。情報を処理して内部追跡装置処理装置へのコマンドを発行する処理能力が提供される。そのような処理装置は、位置検出器処理装置１５１２、方位エンコーダ処理装置１５１４、天頂エンコーダ処理装置１５１６、表示灯処理装置１５１８、ＡＤＭ処理装置４００、干渉計（ＩＦＭ）処理装置１５２２、およびカメラ処理装置１５２４を含むことができる。補助ユニット処理装置１５７０は、任意選択で、追跡装置処理装置ユニット１５１０内の他の処理装置に対してタイミングおよびマイクロプロセッサの支持を提供する。補助ユニット処理装置１５７０は、デバイスバス１５３０を用いて他の処理装置と通信することが好ましく、デバイスバス１５３０は、当技術分野では周知のように、データパケットを用いて追跡装置全体にわたって情報を伝達することが好ましい。追跡装置処理ユニット１５１０全体にわたって演算能力が分配され、ＤＳＰおよびＦＰＧＡが、追跡装置センサによって収集されたデータの中間計算を実行することが好ましい。これらの中間計算の結果は、補助ユニット処理装置１５７０へ戻される。補助ユニット１５７０は、長いケーブルによってレーザ追跡装置１０の本体に取り付けることができ、または追跡装置がコンピュータ８０に直接（および任意選択で）取り付けられるように、レーザ追跡装置の本体内に引き込むことができる。補助ユニット１５７０は接続１５４０によってコンピュータ８０へ接続されることが好ましく、接続１５４０はイーサネット（登録商標）ケーブルまたは無線接続であることが好ましい。補助ユニット１５７０およびコンピュータ８０は、接続１５４２、１５４４を通ってネットワークへ接続することができる。接続１５４２、１５４４は、イーサネット（登録商標）ケーブルまたは無線接続であることが好ましい。
【００８７】
上記の説明は、本発明の特定の実施形態を参照したが、本発明の精神から逸脱することなく、多くの変形を加えうることが理解されるであろう。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲および精神に入るはずのそのような変形を包含するものとする。
【００８８】
したがって、本明細書に開示の実施形態は、すべての点で、限定的ではなく例示的なものとして見なされるべきであり、本発明の範囲は、上記の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、特許請求の範囲の等価の意味および範囲内に入るすべての変更は、本発明に包含されるものとする。
【符号の説明】
【００８９】
１０ レーザ追跡装置、 １２ 例示的なジンバル式ビームステアリング機構、 １４ 天頂キャリッジ、 １５ ペイロード、 １６ 方位基部、 １８ 天頂機械回転軸、 ２０ 方位機械回転軸、 ２２ ジンバル点、 ２６ 外部再帰反射器、 ４６ レーザビーム、 ４８ レーザビーム、 ８０ コンピュータ、 １０２ ＡＤＭレーザ、 １０４ 光ファイバ、 １０８ ＡＤＭレーザビーム、 １１０ 可視レーザ、 １１２ 可視レーザビーム、 １１４ ダイクロイックビームスプリッタ、 １１６ 複合レーザビーム、 １１８ ビームスプリッタ、 １２６ レーザビーム、 １２８ 光フィルタ、 １３０ 位置検出器、 １４０ ＡＤＭビームコリメータ、 １４２ 安定フェルール、 １４４ 正レンズ、 １５０ 可視ビーム投光器、 １５２ 安定フェルール、 １５４ 正レンズ、 １６０ ビームエキスパンダ、 １６２ 負レンズ、 １６４ 正レンズ、 １７０ 追跡アセンブリ、 １８０ 増分距離計アセンブリ、 １８２ 安定レーザ、 １８４ 干渉計（ＩＦＭ）アセンブリ、 １９０ 光学アセンブリ、 ２００ 光ファイバ交換網、 ２００Ａ ファイバ交換網、 ２００Ｂ 第２のファイバ交換網、 ２００Ｃ 第３のファイバ交換網、 ２００Ｄ 第４のファイバ交換網、 ２００Ｅ 第５のファイバ交換網、 ２０４ 第１の光ファイバ結合器、 ２０６ 第２の光ファイバ結合器、 ２０８ 低反射終端（ＬＲＴ）、 ２１５ 光ファイバケーブル、 ２３０ 光ファイバ、 ２５０Ａ 追跡装置の電気光学系アセンブリ、 ２５０Ｂ 追跡装置の電気光学系アセンブリ、 ３００ ＡＤＭ電子機器、 ３１０ レーザ送信器、 ３２０ 単一チャネルレーザ受信器、 ３２２ 単一検出器、 ３２４ 単一チャネル電子機器、 ３３２ 単一チャネル信号線、 ３３０ 相互接続線、 ３３４ 相互接続線、 ３３６ 相互接続線、 ３５０ 電気光学系アセンブリ、 ３６０ 電気変調信号、 ４００ データ処理装置、ＡＤＭ処理装置、 ４００Ａ データ処理装置、 ４０２ 水晶発振器、 ４０４ 水晶発振器、 ４１０ デジタル信号処理装置、 ４１２ 位相ロックループ（ＰＬＬ）デバイス、 ４１４ カウンタ、 ４２０ 結果、位相抽出器機能、 ４２２ 補償器機能、 ４２４ カルマンフィルタ機能、 ４５０ ＡＤＭ距離計、マイクロプロセッサ、 ４５２ 周波数分割器、 ４６０ 電気信号、電気的インターフェース、データ、 ４７０ 電気的接続、 ４７２ タイミング電子機器、 ５００ 光ファイバスイッチ、 ５０１ 光ファイバケーブル、 ５０２ 光ファイバ、 ５０３ 光ファイバ、 ５０５ 部分的ファイバ再帰反射器、 ５１０ 光ファイバ、 ５５０ ＡＤＭシステム、 ６０１ ポート、 ６０２ ポート、 ６０３ ポート、 ６１０ 光サーキュレータ、 ６５０ ＡＤＭシステム、 ７００ ファイバスイッチ、 ７０１ 光ファイバ、 ７０２ 基準光ファイバ、 ７１５ 低反射終端、 ７１６ 光ファイバ、 ７５０ ＡＤＭシステム、 ８１０ ファイバスイッチ、 ８１２ 光ファイバ、 ８１４ 光ファイバ、 ８１６ 低反射終端、 ８２０ ファイバスイッチ、 ８２２ 光ファイバ、 ８２４ 光ファイバ、 ８２６ 低反射終端、 ８５０ ＡＤＭシステム、第４のファイバ交換網構成、 ９１０ 光変調器または減衰器、 ９２０ 光変調器または減衰器、 ９２２ 光ファイバ、 ９５０ ＡＤＭシステム、 １２００ タイミング信号、 １２１０ 高い値、 １２３０ 低い値、 １２５０ ゲート信号、 １２５５ 低いゲート信号、 １２６０ 高いゲート信号、 １２６５ 高いゲート信号、 １３００ 多重化信号、 １５００ 処理システム、 １５１０ 追跡装置処理ユニット、 １５１２ 位置検出器処理装置、 １５１４ 方位エンコーダ処理装置、 １５１６ 天頂エンコーダ処理装置、 １５１８ 表示灯処理装置、 １５２２ 干渉計（ＩＦＭ）処理装置、 １５２４ カメラ処理装置、 １５３０ デバイスバス、 １５４０ 接続、 １５４２ 接続、 １５４４ 接続、 １５７０ 補助ユニット処理装置、 ２０００ ＡＤＭアセンブリ、 ３０００ ＡＤＭ電子機器、 ３００２ 周波数基準、 ３００４ 合成器、 ３００６ 検出器、 ３０１０ ミキサ、 ３０１４ 増幅器、 ３０１８ 低周波増幅器、 ３０２２ アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、 ３０２４ 周波数分割器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットまでの距離を決定する絶対距離計であって、
放出光ビームを放出する光源と、
スイッチ制御信号に応答して少なくとも２つの位置間で切り換わる少なくとも１つの光スイッチを有するファイバ交換網であって、前記位置のうちの第１の位置が、前記放出光ビームが前記ファイバ交換網から前記ターゲットの方へ放出され、測定光ビームとして前記ファイバ交換網内へ後方反射される測定モードを可能にし、前記位置のうちの第２の位置が、前記光ビームが前記ファイバ交換網内の基準光ビームを含む基準モードを可能にする、ファイバ交換網と、
時間的に間隔を空けて多重化した形で前記測定および基準光ビームを検出し、前記検出した測定および基準光ビームに対応する電気信号を提供する単一チャネル検出器と、
前記電気信号を処理し、それに応答して調整された電気信号を提供する単一チャネル信号処理装置と、
前記調整された電気信号を処理して前記ターゲットまでの前記距離を決定するデータ処理装置と、
を含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項２】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記光源がレーザを含み、前記光ビームがレーザ光ビームであることを特徴とする絶対距離計。
【請求項３】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記単一チャネル信号処理装置が、前記光源を変調するために、前記光源に変調信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項４】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記単一チャネル信号処理装置が、前記測定モード位置と前記基準モード位置の間で前記少なくとも１つの光スイッチの前記切換えを制御するために、前記スイッチ制御信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項５】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記絶対距離計が、レーザ追跡装置内で使用するためのものであることを特徴とする絶対距離計。
【請求項６】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する少なくとも１つの光ファイバ結合器と、
部分的ファイバ再帰反射器と、をさらに含み、
前記少なくとも１つの光ファイバ結合器が、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、そして前記少なくとも１つの光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項７】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する光サーキュレータと、
部分的ファイバ再帰反射器とをさらに含み、
前記光サーキュレータが、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、そして前記少なくとも１つの光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記光サーキュレータを通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記光サーキュレータを通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記光サーキュレータを通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記光サーキュレータを通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項８】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する第１および第２の光ファイバ結合器をさらに含み、
前記第１の光ファイバ結合器が、前記光源へ、前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記第２の光ファイバ結合器へ光学的に接続され、
前記第２の光ファイバ結合器が、前記第１の光ファイバ結合器へ、前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記光源へ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記第１の光ファイバ結合器を通り、前記第２の光ファイバ結合器を通って前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記第２の光ファイバ結合器を通過して、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記第１の光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記単一チャネル検出器へ前記基準光ビームとして送られることを特徴とする絶対距離計。
【請求項９】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する少なくとも１つの光ファイバ結合器と、
第２および第３の光スイッチと、
部分的ファイバ再帰反射器とをさらに含み、
前記少なくとも１つの光ファイバ結合器が、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、そして前記少なくとも１つの光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、前記測定モード位置にある前記第２の光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モードにある前記第２の光スイッチを通過し、前記測定モード位置にある少なくとも１つの光スイッチを通って、そして前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、前記基準モード位置にある前記第３の光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記第３の光スイッチを通過し、前記基準モード位置にある少なくとも１つの光スイッチを通って、そして前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１０】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する少なくとも１つの光ファイバ結合器と、
第２の光スイッチと、
部分的ファイバ再帰反射器とをさらに含み、
前記少なくとも１つの光ファイバ結合器が、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記第２の光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記第２の光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１１】
請求項１０に記載の絶対距離計であって、前記少なくとも１つの光スイッチおよび前記第２の光スイッチがそれぞれ、第１の最小レベルと第２の最大レベルの間で駆動される光変調器または減衰器を含み、前記光変調器または前記減衰器では、前記少なくとも１つの光スイッチおよび前記第２の光スイッチがスイッチとして働くことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１２】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網から前記放出光ビームを受け取って前記放出光ビームを前記ターゲットの方へ伝送し、また前記ターゲットから前記測定光ビームを受け取って前記測定光ビームを前記ファイバ交換網の方へ伝送する光学アセンブリをさらに含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１３】
請求項１２に記載の絶対距離計であって、可視レーザを放出する可視レーザ光源をさらに含み、前記光学アセンブリが、前記放出可視レーザを前記ファイバ交換網からの前記放出光ビームと組み合わせて複合放出光ビームを形成し、前記複合放出光ビームを前記ターゲットの方へ伝送する光学系を含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１４】
ターゲットまでの距離を決定する絶対距離計であって、
レーザビームを放出するレーザと、
スイッチ制御信号に応答して２つの位置間で切り換わる光スイッチを有するファイバ交換網であって、第１の位置が、前記レーザビームが前記ファイバ交換網から前記ターゲットの方へ放出され、測定光ビームとして前記ファイバ交換網内へ後方反射される測定モード位置であり、第２の位置が、前記光ビームが前記ファイバ交換網内の基準光ビームを含む基準モード位置である、ファイバ交換網と、
多重化した形で前記測定および基準光ビームを検出し、前記検出した測定および基準光ビームに対応する電気信号を提供する単一チャネル検出器と、
前記電気信号を処理して前記ターゲットまでの前記距離を決定する処理装置とを含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１５】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記処理装置が、前記レーザを変調するために、前記レーザに変調信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項１６】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記処理装置が、前記測定モード位置と前記基準モード位置の間で前記光スイッチの前記切換えを制御するために、前記スイッチ制御信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項１７】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記絶対距離計が、レーザ追跡装置内で使用するためのものであり、前記ターゲットが再帰反射器を含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１８】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網から前記放出光ビームを受け取って前記放出光ビームを前記ターゲットの方へ伝送し、また前記ターゲットから前記測定光ビームを受け取って前記基準光ビームを前記ファイバ交換網の方へ伝送する光学アセンブリをさらに含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１】
ターゲットまでの距離を決定する絶対距離計であって、
放出光ビームを放出する光源と、
スイッチ制御信号に応答して少なくとも２つの位置間で切り換わる少なくとも１つの光スイッチを有するファイバ交換網であって、前記位置のうちの第１の位置が、前記放出光ビームが前記ファイバ交換網から前記ターゲットの方へ放出され、測定光ビームとして前記ファイバ交換網内へ後方反射される測定モードを可能にし、前記位置のうちの第２の位置が、前記光ビームが前記ファイバ交換網内の基準光ビームを含む基準モードを可能にする、ファイバ交換網と、
時間的に間隔を空けて多重化した形で前記測定および基準光ビームを検出し、前記検出した測定および基準光ビームに対応する電気信号を提供する単一チャネル検出器と、
前記電気信号を処理し、それに応答して調整された電気信号を提供する単一チャネル信号処理装置と、
前記調整された電気信号を処理して前記ターゲットまでの前記距離を決定するデータ処理装置と、
を含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項２】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記光源がレーザを含み、前記光ビームがレーザ光ビームであることを特徴とする絶対距離計。
【請求項３】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記単一チャネル信号処理装置が、前記光源を変調するために、前記光源に変調信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項４】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記単一チャネル信号処理装置が、前記測定モード位置と前記基準モード位置の間で前記少なくとも１つの光スイッチの前記切換えを制御するために、前記スイッチ制御信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項５】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記絶対距離計が、レーザ追跡装置内で使用するためのものであることを特徴とする絶対距離計。
【請求項６】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する少なくとも１つの光ファイバ結合器と、
部分的ファイバ再帰反射器と、をさらに含み、
前記少なくとも１つの光ファイバ結合器が、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、そして前記少なくとも１つの光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項７】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する光サーキュレータと、
部分的ファイバ再帰反射器とをさらに含み、
前記光サーキュレータが、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、そして前記少なくとも１つの光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記光サーキュレータを通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記光サーキュレータを通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記光サーキュレータを通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記光サーキュレータを通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項８】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する第１および第２の光ファイバ結合器をさらに含み、
前記第１の光ファイバ結合器が、前記光源へ、前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記第２の光ファイバ結合器へ光学的に接続され、
前記第２の光ファイバ結合器が、前記第１の光ファイバ結合器へ、前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記光源へ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記第１の光ファイバ結合器を通り、前記第２の光ファイバ結合器を通って前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記第２の光ファイバ結合器を通過して、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記第１の光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記単一チャネル検出器へ前記基準光ビームとして送られることを特徴とする絶対距離計。
【請求項９】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する少なくとも１つの光ファイバ結合器と、
第２および第３の光スイッチと、
部分的ファイバ再帰反射器とをさらに含み、
前記少なくとも１つの光ファイバ結合器が、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、そして前記少なくとも１つの光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、前記測定モード位置にある前記第２の光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モードにある前記第２の光スイッチを通過し、前記測定モード位置にある少なくとも１つの光スイッチを通って、そして前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、前記基準モード位置にある前記第３の光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記第３の光スイッチを通過し、前記基準モード位置にある少なくとも１つの光スイッチを通って、そして前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１０】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網が、
前記放出光ビームならびに前記測定および基準光ビームが通過する少なくとも１つの光ファイバ結合器と、
第２の光スイッチと、
部分的ファイバ再帰反射器とをさらに含み、
前記少なくとも１つの光ファイバ結合器が、前記単一チャネル検出器へ、前記光源へ、前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記第２の光スイッチへ光学的に接続され、
前記測定モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチへ、そして前記ターゲットへ送られ、また前記ターゲットからの前記測定光ビームが、前記測定モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進み、
前記基準モードでは、前記放出光ビームが、前記光源から前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って、前記基準モード位置にある前記第２の光スイッチへ、そして前記部分的ファイバ再帰反射器へ送られ、また前記部分的ファイバ再帰反射器から反射された前記基準光ビームが、前記基準モード位置にある前記少なくとも１つの光スイッチを通過し、前記少なくとも１つの光ファイバ結合器を通って前記単一チャネル検出器へ進むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１１】
請求項１０に記載の絶対距離計であって、前記少なくとも１つの光スイッチおよび前記第２の光スイッチがそれぞれ、第１の最小レベルと第２の最大レベルの間で駆動される光変調器または減衰器を含み、前記光変調器または前記減衰器では、前記少なくとも１つの光スイッチおよび前記第２の光スイッチがスイッチとして働くことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１２】
請求項１に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網から前記放出光ビームを受け取って前記放出光ビームを前記ターゲットの方へ伝送し、また前記ターゲットから前記測定光ビームを受け取って前記測定光ビームを前記ファイバ交換網の方へ伝送する光学アセンブリをさらに含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１３】
請求項１２に記載の絶対距離計であって、可視レーザを放出する可視レーザ光源をさらに含み、前記光学アセンブリが、前記放出可視レーザを前記ファイバ交換網からの前記放出光ビームと組み合わせて複合放出光ビームを形成し、前記複合放出光ビームを前記ターゲットの方へ伝送する光学系を含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１４】
ターゲットまでの距離を決定する絶対距離計であって、
レーザビームを放出するレーザと、
スイッチ制御信号に応答して２つの位置間で切り換わる光スイッチを有するファイバ交換網であって、第１の位置が、前記レーザビームが前記ファイバ交換網から前記ターゲットの方へ放出され、測定光ビームとして前記ファイバ交換網内へ後方反射される測定モード位置であり、第２の位置が、前記光ビームが前記ファイバ交換網内の基準光ビームを含む基準モード位置である、ファイバ交換網と、
多重化した形で前記測定および基準光ビームを検出し、前記検出した測定および基準光ビームに対応する電気信号を提供する単一チャネル検出器と、
前記電気信号を処理して前記ターゲットまでの前記距離を決定する処理装置とを含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１５】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記処理装置が、前記レーザを変調するために、前記レーザに変調信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項１６】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記処理装置が、前記測定モード位置と前記基準モード位置の間で前記光スイッチの前記切換えを制御するために、前記スイッチ制御信号を提供することを特徴とする絶対距離計。
【請求項１７】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記絶対距離計が、レーザ追跡装置内で使用するためのものであり、前記ターゲットが再帰反射器を含むことを特徴とする絶対距離計。
【請求項１８】
請求項１４に記載の絶対距離計であって、前記ファイバ交換網から前記放出光ビームを受け取って前記放出光ビームを前記ターゲットの方へ伝送し、また前記ターゲットから前記測定光ビームを受け取って前記基準光ビームを前記ファイバ交換網の方へ伝送する光学アセンブリをさらに含むことを特徴とする絶対距離計。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−３９０５２（Ｐ２０１１−３９０５２Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−１７６９０９（Ｐ２０１０−１７６９０９）
【出願日】平成２２年８月６日（２０１０．８．６）
【出願人】（５９８０６４５１０）ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド (60)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６９０９（Ｐ２０１０−１７６９０９）
【出願日】平成２２年８月６日（２０１０．８．６）
【出願人】（５９８０６４５１０）ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド (60)
【Ｆターム（参考）】
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