具有增強的處理特征的激光跟蹤儀的制作方法
【專利摘要】一種坐標測量設(shè)備，其包括：第一角度測量設(shè)備和第二角度測量設(shè)備；距離儀；位置探測器；照明器的第一組，該第一組可繞第一軸線旋轉(zhuǎn)并且關(guān)于第二軸線固定，第一組構(gòu)造為提供第一光，該第一光從可見光譜中的至少兩種不同的顏色中選擇，第一組構(gòu)造為使得第一光從沿著第二軸線并且在設(shè)備外部的第一點和第二點是可見的，第一點和第二點位于設(shè)備的相反側(cè)上；照明器的第二組，該第二組可繞第一軸線和第二軸線旋轉(zhuǎn)，第二組構(gòu)造為提供從可見光譜中的兩種不同的照明顏色中選擇的至少第二光；以及處理器，該處理器構(gòu)造為對第一組和第二組提供照明圖像。
【專利說明】具有增強的處理特征的激光跟蹤儀
[0001]相關(guān)文件的交叉引用
[0002]本申請要求2012年I月30日提交的美國臨時專利申請N0.61/592，049和2011年4月15日提交的美國臨時專利申請N0.61/475，703的優(yōu)先權(quán)，其整個內(nèi)容通過參引在此合并。本申請還要求2012年2月21日提交的美國外觀設(shè)計專利申請N0.29/413811的優(yōu)先權(quán)，其整個內(nèi)容通過參弓I在此合并。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開涉及坐標測量設(shè)備。一組坐標測量設(shè)備屬于通過將激光束發(fā)射至點來測量該點的三維(3D)坐標的儀器種類。激光束可直接撞擊在點上或與該點接觸的回射器目標上。在任一情況下，儀器通過測量到目標的距離和兩個角度來確定該點的坐標。距離通過諸如絕對距離儀或干涉儀的距離測量設(shè)備測量距離。角度通過諸如角度編碼器的角度測量設(shè)備測量。儀器內(nèi)的裝有萬向接頭的光束轉(zhuǎn)向機構(gòu)將激光束指引至興趣點。
[0004]激光跟蹤儀是使用其發(fā)射的一束或多束激光束跟蹤回射器目標的特定類型的坐標測量設(shè)備。與激光跟蹤儀緊密相關(guān)的坐標測量設(shè)備是激光掃描儀和全站儀。激光掃描儀將一個或多個激光束遞送(st印)至表面上的點。激光掃描儀獲得從表面散射的光并且根據(jù)該光確定到每個點的距離和兩個角度。最常在測量應(yīng)用中使用的全站儀可用于測量漫散射的或漫反射的目標的坐標。在下文中，術(shù)語激光跟蹤儀以廣義使用以包括激光掃描儀和全站儀。
[0005]通常，激光跟蹤儀發(fā)送激光束至回射器目標。普通類型的回射器目標是球形地安裝的回射器(SMR)，該回射器包括嵌入金屬球內(nèi)的立方隅角回射器。立方隅角回射器包括三個相互垂直的反光鏡。頂點——該頂點是三個反光鏡的交叉的共同點——位于球的中心。由于球內(nèi)的立方隅角的該設(shè)置，從頂點至SMR所處的任何表面的垂直距離保持恒定，甚至在SMR旋轉(zhuǎn)時也如此。因此，激光跟蹤儀能夠通過當SMR在表面上移動時跟隨其位置來測量該表面的3D坐標。以另一方式說明，激光跟蹤儀僅需要測量三個自由度(一個徑向距離和兩個角度)來完全地表征表面的3D坐標。
[0006]一種類型的激光跟蹤儀僅包括干涉儀(IFM)而沒有絕對距離儀(ADM)。如果物體阻擋來自這些跟蹤儀中的一個跟蹤儀的激光束的路徑，則IFM失去其距離基準。那么操作者在繼續(xù)測量之前必須跟蹤回射器至已知的位置以重設(shè)基準距離。解決該限制的方法是將ADM放置在跟蹤儀中。如下文更詳細所述，ADM能夠以點攝(point-and-shoot)的方式測量距離。一些激光跟蹤儀僅包括ADM而不具有干涉儀。Bridges等的美國專利N0.7，352，446 ( ‘446)——其內(nèi)容通過參引合并于本文——描述了僅具有ADM (沒有IFM)的能夠精確地掃描移動的目標的激光跟蹤儀。在‘446專利之前，絕對距離儀太緩慢而不能精確地找到移動的目標的位置。
[0007]激光跟蹤儀內(nèi)的萬向節(jié)機構(gòu)可用于將激光束從跟蹤儀指引至SMR。由SMR回射的部分光進入激光跟蹤儀并且傳遞到位置探測儀上。激光跟蹤儀內(nèi)的控制系統(tǒng)能夠使用位置探測儀上的光的位置來調(diào)節(jié)激光跟蹤儀的機械軸線的旋轉(zhuǎn)角度以保持激光束在SMR中心上居中。以此方式，跟蹤儀能夠跟隨(跟蹤)SMR移動通過興趣物體的表面。用于激光跟蹤儀的萬向節(jié)機構(gòu)可用于多種其它應(yīng)用。作為簡單的示例，激光跟蹤儀可用在具有可見的指示器光束但沒有距離儀的萬向節(jié)轉(zhuǎn)向設(shè)備以將光束轉(zhuǎn)向一系列回射器目標并且測量每個目標的角度。
[0008]諸如角度編碼器的角度測量設(shè)備附接至跟蹤儀的機械軸線。由激光跟蹤儀執(zhí)行的一個距離的測量和兩個角度的測量足夠完全地確定SMR的三維位置。
[0009]可利用或已提出了用于測量六個而不是普通的三個自由度的若干激光跟蹤儀。其內(nèi)容通過參引在此合并的Bridges等的美國專利N0.7, 800, 758 ( ‘758)和其內(nèi)容通過參引在此合并的Bridges等的公開的專利申請N0.2010/0128259描述了示例性的六個自由度(六D0F)系統(tǒng)。
[0010]之前，激光跟蹤儀已提供LED作為用于將信息傳送至操作者的照明器，信息包括測量何時處于進行中，測量數(shù)據(jù)何時失效等。然而，在過去，除了從激光跟蹤儀前方進行觀察，所觀察到的LED都是模糊的。存在用于激光跟蹤儀的更好的照明系統(tǒng)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明的實施方式，坐標測量設(shè)備發(fā)送光的第一光束到遠程回射器目標，回射器目標具有空間中的位置，回射器目標使第一光束的一部分返回作為第二光束。測量設(shè)備包括:第一馬達和第二馬達，該第一馬達和第二馬達共同將光的第一光束朝向第一方向指引，第一方向由繞第一軸線的第一旋轉(zhuǎn)角度和繞第二軸線的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，第一旋轉(zhuǎn)角度由第一馬達產(chǎn)生，第二旋轉(zhuǎn)角度由第二馬達產(chǎn)生。設(shè)備還包括:測量第一旋轉(zhuǎn)角度的第一角度測量設(shè)備和測量第二旋轉(zhuǎn)角度的第二角度測量設(shè)備；距離儀，該距離儀至少部分地基于由第一光學(xué)探測器接收的第二光束的第一部分測量從坐標測量設(shè)備到回射器目標的第一距離；以及位置探測器，該位置探測器構(gòu)造為響應(yīng)于位置探測器上的第二光束的第二部分的位置而產(chǎn)生第一信號。設(shè)備還包括:控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)將第二信號發(fā)送至第一馬達，并且將第三信號發(fā)送至第二馬達，第二信號和第三信號至少部分地基于第一信號，控制系統(tǒng)構(gòu)造為將第一光束的第一方向調(diào)節(jié)至回射器目標的所述空間中的位置；照明器的第一組，該第一組可繞第一軸線旋轉(zhuǎn)并且相對于第二軸線固定，第一組構(gòu)造為提供從光的至少兩種不同的顏色中選擇的第一光，該至少兩種顏色在可見光譜中，第一組構(gòu)造為使得第一光從第一點和第二點是可見的，第一點和第二點沿第二軸線并且在測量設(shè)備外部，第一點和第二點在測量設(shè)備的相反側(cè)；照明器的第二組，第二組可繞第一軸線和第二軸線旋轉(zhuǎn)，第二組構(gòu)造為提供從照明的兩種不同顏色中選擇的至少第二光，該至少兩種顏色在可見光譜中；以及處理器，該處理器提供回射器目標的三維坐標，該三維坐標至少部分地基于第一距離、第一旋轉(zhuǎn)角度以及第二旋轉(zhuǎn)角度，處理器還構(gòu)造為對照明器的第一組和照明器的第二組提供照明圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]現(xiàn)在參考附圖，示出了示例性實施方式，該示例性實施方式不應(yīng)理解為限制本公開的整個范圍，并且其中，在若干附圖中元件編號相同:
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的具有回射器目標的激光跟蹤儀系統(tǒng)的立體圖；[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施方式的具有六DOF目標的激光跟蹤儀系統(tǒng)的立體圖；
[0015]圖3是描述了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的激光跟蹤儀光學(xué)裝置和電子裝置的元件的方框圖；
[0016]包括圖4A和4B的圖4示出了現(xiàn)有技術(shù)的遠焦光束擴張器的兩種類型；
[0017]圖5不出了現(xiàn)有技術(shù)光導(dǎo)纖維光束發(fā)射部；
[0018]圖6A-D是示出了現(xiàn)有技術(shù)的位置探測器組件的四種類型的示意圖；
[0019]圖6E和6F是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的位置探測器組件的示意圖；
[0020]圖7是在現(xiàn)有技術(shù)ADM內(nèi)的電元件和電光元件的方框圖；
[0021]圖8A和SB是示出了在現(xiàn)有技術(shù)光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的光導(dǎo)纖維元件的示意圖；
[0022]圖SC是示出了在根據(jù)本發(fā)明實施方式的光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的光導(dǎo)纖維元件的示意圖；
[0023]圖9是現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀的分解圖；
[0024]圖10是現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀的橫截面圖；
[0025]圖11是根據(jù)本發(fā)明實施方式的激光跟蹤儀的計算元件和通信元件的方框圖；
[0026]圖12A是根據(jù)本發(fā)明實施方式的使用單一波長的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0027]圖12B是根據(jù)本發(fā)明實施方式的使用單一波長的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0028]圖13是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的具有六DOF能力的激光跟蹤儀中的元件方框圖；
[0029]圖14A、14B以及14C分別示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的具有有用特征的激光跟蹤儀的正視圖、立體圖以及立體圖。
【具體實施方式】
[0030]圖1中示出的示例性激光跟蹤儀系統(tǒng)5包括激光跟蹤儀10、回射器目標26、光學(xué)輔助單元處理器50、和光學(xué)輔助計算機60。激光跟蹤儀10的示例性的裝有萬向節(jié)的光束轉(zhuǎn)向機構(gòu)12包括安裝在方位底座16上并且繞方位軸線20旋轉(zhuǎn)的頂點托架(zenithcarriage) 14。負載15安裝在頂點托架14上并且繞頂點軸線(zenith axis) 18旋轉(zhuǎn)。頂點軸線18和方位軸線20在跟蹤儀10的內(nèi)部正交于萬向節(jié)點22處，該萬向節(jié)點22通常是距離測量的原點。激光束46實際通過萬向節(jié)點22并且與頂點軸線18正交。換言之，激光束46位于近似垂直于頂點軸線18并且通過方位軸線20的平面中。通過繞頂點軸線18旋轉(zhuǎn)負載15并且通過繞方位軸線20旋轉(zhuǎn)頂點托架14，使得發(fā)出的激光束46指向期望的方向。在跟蹤儀內(nèi)部的頂點角度編碼器附接至與頂點軸線18對齊的頂點機械軸線。在跟蹤儀內(nèi)部的方位角度編碼器附接至與方位軸線20對齊的方位機械軸線。頂點角度編碼器和方位角度編碼器以相當高的精度測量頂點旋轉(zhuǎn)角度和方位旋轉(zhuǎn)角度。發(fā)出的激光束46行進至回射器目標26，回射器目標26例如可以是如上所述的球面安裝的回射器(SMR)。通過測量萬向節(jié)點22與回射器26之間的徑向距離、繞頂點軸線18的旋轉(zhuǎn)角度、以及繞方位軸線20的旋轉(zhuǎn)角度，在跟蹤儀的球形坐標系統(tǒng)內(nèi)部得出回射器26的位置。
[0031]如下文所述，發(fā)出的激光束46可包括一個或多個激光波長。為了清楚和簡單，在下文討論中假定圖1示出的這類轉(zhuǎn)向機構(gòu)。然而，其它類型的機構(gòu)是可能的。例如，可能使激光束反射離開繞方位軸線和頂點軸線旋轉(zhuǎn)的反射鏡。無論轉(zhuǎn)向機構(gòu)的類型，在此描述的技術(shù)是可適用的。
[0032]在激光跟蹤儀上可包含磁性槽17，用于將激光跟蹤儀針對不同大小的SMR——例如1.5,7/8以及1/2英寸的SMR的——重置至“原始”位置。跟蹤儀上的(on-tracker)回射器19可用于將跟蹤儀重置至參考距離。另外，如在其內(nèi)容通過參引合并于本文的美國專利N0.7，327，446中所述，從圖1的視圖中不可見的跟蹤儀上的反光鏡可與跟蹤儀上的回射器組合使用以使得能夠執(zhí)行自身補償。
[0033]圖2示出了示例性激光跟蹤儀系統(tǒng)7，該系統(tǒng)7與圖1的激光跟蹤儀系統(tǒng)5相似，除了用六DOF探針1000代替回射器目標26。在圖1中，可使用其它類型的回射器目標。例如，某些時候使用貓眼回射器，該回射器是光聚焦至玻璃結(jié)構(gòu)的反射后表面上的小光斑上的玻璃回射器。
[0034]圖3是示出了在激光跟蹤儀實施方式中的光學(xué)元件和電元件的方塊圖。它示出了發(fā)射兩種光波長的激光跟蹤儀的元件——用于ADM的第一波長和用于可見指示器并用于跟蹤的第二波長?？梢姷闹甘酒髂軌蚴沟糜脩艨匆娪筛檭x發(fā)射的激光束光斑的位置。使用自由空間光束分離器結(jié)合兩不同波長。電光(EO)系統(tǒng)100包括可見的光源110、隔離器115、光學(xué)第一光纖發(fā)射部170、光學(xué)干涉儀(IFM) 120、光束擴張器140、第一光束分離器145、位置探測器組件150、第二光束分離器155、ADM160以及第二光纖發(fā)射部170。
[0035]可見的光源110可以是激光、超發(fā)光二極管或其它發(fā)光設(shè)備。隔離器115可以是法拉第隔離器、衰減器或其它能夠減小反射回到光源的光的設(shè)備。光學(xué)IFM可以多種方式構(gòu)造。作為可能實施方式的特定的不例，IFM可包括光束分離器122、回射器126、四分之一玻片124、130以及相位分析器128?？梢姷墓庠?10可發(fā)射光進入自由空間，光之后通過隔離器115和可選擇的IFM120在自由空間中行進?？商娲?，隔離器115可通過光纜耦接至可見的光源110。在這種情況中，如參考圖5下文所述來自隔離器的光可通過第一光纖發(fā)射部170發(fā)射進入自由空間。
[0036]光束擴張器140可使用多種透鏡構(gòu)造設(shè)立，但在圖4A，4B中示出了兩種通常使用的現(xiàn)有技術(shù)的構(gòu)造。圖4A示出了基于使用負透鏡141A和正透鏡142A的構(gòu)造140A。入射在負透鏡141A上的平行光束220A以更大的平行光束230A產(chǎn)生于正透鏡142A。圖4B示出了基于使用兩個正透鏡141BU42B的構(gòu)造140B。入射在第一正透鏡141B上的平行光束220B以更大的平行光束230B產(chǎn)生于第二正透鏡142B。離開光束擴張器140的光中，少量的光在離開跟蹤儀的路徑中反射離開光束分離器145、155并且損失掉。穿過光束分離器155的部分光與來自ADM160的光結(jié)合以形成離開激光跟蹤儀并行進至回射器90的復(fù)合光束 188。
[0037]在實施方式中，ADM160包括光源162、ADM電子裝置164、光纖網(wǎng)絡(luò)166、互聯(lián)的電纜165、互聯(lián)的光學(xué)纖維168、169、184、186。ADM電子裝置將電調(diào)制和偏壓發(fā)送至光源162，該光源162可例如為在大約1550nm波長下運行的分布反饋激光器。在實施方式中，光纖網(wǎng)絡(luò)166可以是在圖8A中示出的現(xiàn)有技術(shù)光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)420A。在該實施方式中，圖3中來自光源162的光通過光學(xué)纖維184運行，該光學(xué)纖維184等同于圖8A中的光學(xué)纖維432。
[0038]圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)包括第一光纖耦合器430、第二光纖耦合器436、以及低透射率反射器435、440。光行進通過第一光纖耦合器430并分開成兩個路徑，第一路徑通過光學(xué)纖維433到達第二光纖耦合器436，第二路徑通過光學(xué)纖維422和光纖長度均衡器423。光纖長度均衡器423在圖3中連接至光纖長度168，該光纖長度168行進至ADM電子裝置164的基準通道。光纖長度均衡器423的目的是使基準通道中的光橫穿的光學(xué)纖維的長度與測量通道中的光橫穿的光學(xué)纖維的長度相匹配。以此方式使光纖長度匹配減小了周圍溫度改變造成的ADM的錯誤。出現(xiàn)這種錯誤是由于光學(xué)纖維的有效光學(xué)路徑長度等于光學(xué)纖維的平均折射率乘以光纖的長度。由于光學(xué)纖維的折射率取決于光纖的溫度，因此，光學(xué)纖維的溫度改變造成測量通道和基準通道的有效光學(xué)路徑長度的改變。如果測量通道中的光學(xué)纖維的有效光學(xué)路徑長度相對于基準通道中的光學(xué)纖維的有效光學(xué)路徑長度發(fā)生改變，那么即使回射器目標90保持靜止，結(jié)果也將是回射器目標90的位置的明顯移位。為了應(yīng)對該問題，采取兩個步驟。首先，將基準通道中的光纖長度盡可能接近地與測量通道中的光纖長度相匹配。第二，將測量光纖和基準光纖并排地設(shè)定線路到如下程度:使得能夠確保兩通道中的光學(xué)纖維經(jīng)歷幾乎相同的溫度改變的程度。
[0039]光通過第二光纖耦合器436行進并且分開成兩個路徑，第一路徑至低反射率光纖終止器440，第二路徑至光學(xué)纖維438，光從該光學(xué)纖維438行進至在圖3中的光學(xué)纖維186。光學(xué)纖維186上的光行進至第二光纖發(fā)射部170。
[0040]在實施方式中，現(xiàn)有技術(shù)圖5不出了光纖發(fā)射部170。光從圖3中的光學(xué)纖維186行進至圖5中的光纖172。光纖發(fā)射部170包括光學(xué)纖維172、套圈174以及透鏡176。光學(xué)纖維172附接至套圈174，該套圈174穩(wěn)固地附接至激光跟蹤儀10內(nèi)的結(jié)構(gòu)。如果希望，可以對光學(xué)纖維的端部以一定角度進行拋光以減小背向反射。光250產(chǎn)生于光纖的芯部，取決于使用的光的波長和光學(xué)纖維的特定類型，該光纖可以是具有4至12微米之間直徑的單一模式的光學(xué)纖維。光250以一定角度發(fā)散并截止于透鏡176，該透鏡176使光平行。參考圖3在專利‘758中描述了通過ADM系統(tǒng)中單一的光學(xué)纖維發(fā)射和接收光學(xué)信號的方法。
[0041]參考圖3,光束分離器155可以是分色光束分離器,該分色光束分離器傳輸與其反射的波長不同的波長。在實施方式中，來自ADM160的光反射離開分色光束分離器155并且與通過分色光束分離器155傳輸?shù)膩碜钥梢娂す馄?10的光結(jié)合。光188的復(fù)合光束行進離開激光跟蹤儀，以第一光束到達回射器90，并且該復(fù)合光束使一部分光以第二光束返回。以ADM波長的該第二光束部分反射離開分色光束分離器155并且返回至第二光纖發(fā)射部170，該第二光纖發(fā)射部170與返回至光學(xué)纖維186的光耦合。
[0042]在實施方式中，光學(xué)纖維186相應(yīng)于圖8A中的光學(xué)纖維438。返回光從光學(xué)纖維438行進通過第二光纖耦合器436并且分成兩個路徑。第一路徑通向光學(xué)纖維424，在實施方式中，該光學(xué)纖維424相應(yīng)于圖3中通向ADM電子裝置164的測量通道的光學(xué)纖維169。第二路徑通向光學(xué)纖維433并且之后通向第一光纖I禹合器430。離開第一光纖I禹合器430的光分成兩個路徑，第一路徑到達光學(xué)纖維432，第二路徑到達低反射率終端435。在實施方式中，光學(xué)纖維432相應(yīng)于圖3中通向的光源162的光學(xué)纖維184。在多數(shù)情況中，光源162包括內(nèi)置的法拉第隔離器，該隔離器使從光學(xué)纖維432進入光源162的光的數(shù)量最小化。沿反方向供給至激光器的過量的光會使激光器不穩(wěn)定。
[0043]光從纖維網(wǎng)絡(luò)166通過光學(xué)纖維168、169進入ADM電子裝置164。圖7中示出了現(xiàn)有技術(shù)ADM電子裝置的實施方式。圖3中的光學(xué)纖維168相應(yīng)于圖7中的光學(xué)纖維3232，圖3中的光學(xué)纖維169相應(yīng)于圖7中的光學(xué)纖維3230?，F(xiàn)在參考圖7，ADM電子裝置3300包括頻率基準器3302、合成器3304、測量探測器3306、基準探測器3308、測量混合器3310、基準混合器3312、調(diào)節(jié)電子裝置3314、3316、3318、3320，除以N的預(yù)定標器3324以及模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 3322?？梢允呛銣乜刂凭w振蕩器(OCXO)的頻率基準器例如將可以是IOMHz的基準頻率fKEF例如發(fā)送到合成器，該合成器產(chǎn)生兩種電信號——一個頻率fKF的信號和兩個頻率在的信號。信號fKF發(fā)至光源3102，該光源3102相應(yīng)于圖3中的光源162。頻率的兩個信號發(fā)至測量混合器3310和基準混合器3312。圖3中來自光學(xué)纖維168、169的光分別出現(xiàn)在圖7中的光纖3232、3230并且分別進入基準通道和測量通道?；鶞侍綔y器3308和測量探測器3306將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化成電信號。這些信號分別通過電部件3316、3314調(diào)節(jié)并且分別發(fā)送到混合器3312、3310?；旌掀鳟a(chǎn)生頻率fIF，該頻率fIF等于的絕對值。信號fKF可以是例如2GHz的相當高的頻率，而信號fIF可具有例如IOkHz的相對低的頻率。
[0044]基準頻率fKEF被發(fā)送至預(yù)定標器3324，該預(yù)定標器3324將頻率除以整數(shù)值。例如，IOMHz的頻率可除以40以獲得250kHz的輸出頻率。在該示例中，進入ADC3322的IOkHz信號將以250kHz的速率取樣，從而每個循環(huán)產(chǎn)生25次取樣。來自ADC3322的信號被發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器3400，該數(shù)據(jù)處理器3400例如可以是位于圖3的ADM電子裝置164中的一個或多個數(shù)字信號處理器(DSP)單元。
[0045]得知距離的方法是以計算基準通道和測量通道的ADC信號相位為基礎(chǔ)。該方法在Bridges等的美國專利N0.7，701，559 (‘559)具體描述，在此通過參引的方式引入本文。計算包括使用專利‘559的等式(I)一 (8)。另外，當ADM首先開始測量回射器時，合成器產(chǎn)生的頻率改變?nèi)舾纱?例如，三次)，計算在每種情況下可能的ADM距離。通過對比每個選定頻率的可能的ADM距離，消除了在ADM測量中的不定性。專利‘559的等式⑴一⑶與關(guān)于專利‘559的圖5描述的同步方法和專利‘559中描述的卡爾曼濾波方法能夠使ADM測量移動的目標。在其它實施方式中，可使用例如通過使用脈沖飛行時間法(pulsed time-of-f light)而不是相位差的獲得絕對距離測量的其它方法。
[0046]返回光束190的通過光束分離器155的部分到達光束分離器145，該光束分離器145將部分光發(fā)送至光束擴張器140，并且將另一部分光發(fā)送至位置探測器組件150。產(chǎn)生于激光跟蹤儀10或EO系統(tǒng)100的光可被認為是第一光束,并且反射離開回射器90或26的光部分可被認為是第二光束。反射光束部分被發(fā)送至EO系統(tǒng)100的不同的功能元件。例如，第一部分可被發(fā)送至諸如圖3中的ADM160的距離儀。第二部分可被發(fā)送至位置探測器組件150。在某些情況下，可將第三部分發(fā)送至諸如光學(xué)干涉儀120的其它的功能單元。理解以下情況是重要的，盡管在圖3的示例中，第二光束的第一部分和第二部分在分別反射離開光束分離器155和145之后被發(fā)送至距離儀和位置探測器，但也有可能將光傳輸一而不是反射一至距離儀或位置探測器。
[0047]圖6A-D中示出了四個示例的現(xiàn)有技術(shù)的位置探測器組件150A-150D。圖6A描述了最簡單的實施方式，其中位置探測器組件包括安裝在電路板152上的位置傳感器151，該電路板152從電子箱350獲得電能并且將信號返回至電子箱350，該電子箱350可代表激光跟蹤儀10、輔助單元50或外部計算機60內(nèi)任何位置處的電子處理能力。圖6B包括濾光器154，該濾光器阻止不需要的光波長到達位置傳感器151。例如通過在光束分離器145或位置傳感器151的表面涂覆適當?shù)谋∧ひ部勺钃醪恍枰墓獠ㄩL。圖6C包括減小光束大小的透鏡153。圖6D包括濾光器154和透鏡153兩者。[0048]圖6E示出了包括光學(xué)調(diào)節(jié)器149E的新型位置探測器組件。光學(xué)調(diào)節(jié)器包括透鏡153并且還可包括可選擇波長的濾波器154。另外，光學(xué)調(diào)節(jié)器包括漫射器156和空間濾波器157中的至少一個。如上文所釋，通用類型的回射器是立方隅角回射器。一種類型的立方隅角回射器由三個反光鏡制成，其中每個反光鏡以直角接合至其它兩個反光鏡。這三個反光鏡接合的相交線可具有有限厚度，在該有限厚度下光不會完全反射回到跟蹤儀。有限厚度的線在其傳送時發(fā)生衍射，使得當?shù)竭_位置探測器時，其可能與在位置探測器處不完全相同地出現(xiàn)。然而，衍射光圖像通常將不會完美的對稱。結(jié)果，撞擊位置探測器151的光可具有例如在衍射線鄰近處的光功率的降低或升高(熱斑)。由于來自回射器光的均勻性可在回射器與回射器之間變化，并且還由于在回射器旋轉(zhuǎn)或傾斜時光位置探測器上光的分布可變化，包括漫射器156來提高撞擊位置探測器151光的平滑性是有利的。應(yīng)當指出，由于理想的位置探測器應(yīng)對矩心做出響應(yīng)并且理想的漫射器應(yīng)以點對稱地散布，因此由位置探測器給出的結(jié)果位置應(yīng)當沒有作用。然而，實際上觀察到漫射器提高了位置探測器組件的性能，可能是由于位置探測器151和透鏡153中的非線性(缺陷)效應(yīng)。玻璃制成的立方隅角回射器還可在位置探測器151處產(chǎn)生非均勻的光斑。位置探測器處光斑的變化從六DOF反射目標中的立方隅角反射的光特別顯著，如根據(jù)共同受讓的2012年2月10日提交的美國專利申請N0.13/370，339和2012年2月29日提交的N0.13/407，983可更清楚理解，其專利內(nèi)容通過參引合并。在實施方式中，漫射器156是全息漫射器。全息漫射器提供遍及特定漫射角的可控的均質(zhì)的光。在其它實施方式中，可使用諸如毛玻璃或“蛋白石”漫射器的其它類型的漫射器。
[0049]位置探測器組件150E的空間濾波器157的目的是阻擋鬼光束，該鬼光束可以是例如來自撞擊位置探測器151的離開光學(xué)表面的不需要的反射的結(jié)果?？臻g濾波器包括具有孔口的板157。通過將空間濾波器157安置在距透鏡的距離大約等于透鏡焦距處，返回光243E在其鄰近其最窄處時——光束的腰部處——通過空間濾波器。例如作為光學(xué)元件的反射的結(jié)果，以不同角度行進的光束在離開孔口處撞擊空間濾波器并且被阻止到達位置探測器151。圖6E中不出了不例，該不例中不需要的鬼光束244E反射離開光束分離器145的表面并且行進至空間濾波器157，鬼光束244E在空間濾波器157處被阻擋。在沒有空間濾波器的情況下，鬼光束244E會被位置探測器151攔截，從而造成位置探測器151上的光束243E的位置被錯誤地確定。如果鬼光束位于距離主光斑相當遠的距離，即使微弱的鬼光束也可顯著改變位置探測器151上的矩心的位置
[0050]例如立方隅角回射器或者貓眼回射器的在此討論類別的回射器具有如下性能，即，使沿著平行于入射光線的方向進入回射器中的光線反射。另外，入射光線和反射光線關(guān)于回射器的對稱點對稱地布置。例如，在敞開的立方隅角回射器中，回射器的對稱點是立方隅角的頂點。在玻璃立方隅角回射器中，對稱點也是頂點，但在該情況中必須考慮光在玻璃-空氣界面處的光的彎曲。在具有2.0折射率的貓眼回射器中，對稱點是球面的中心。在由對稱地處于共同平面上的兩個玻璃半球制成的貓眼回射器中，對稱點是置于平面上并且在每個半球的球面中心處的點。重點是對于通常使用的激光跟蹤儀的回射器類型，由回射器返回至跟蹤儀的光相對于入射激光束移位至頂點的另一側(cè)。
[0051]圖3中回射器90的該行為是激光跟蹤儀跟蹤回射器的基礎(chǔ)。位置傳感器具有在其表面上的理想的回描點。理想的回描點是發(fā)送至回射器對稱點(例如在SMR中的立方隅角回射器的頂點)的激光束將返回的點。通常回描點接近位置傳感器的中心。如果將激光束被發(fā)送至回射器的一側(cè)，那么它將反射回另一側(cè)并且離開位置傳感器上的回描點出現(xiàn)。通過指出在位置傳感器上的光的返回光束的位置，激光跟蹤儀10的控制系統(tǒng)可造成馬達朝向回射器的對稱點移動光束。
[0052]如果回射器在恒定速度下橫向于跟蹤儀移動，則在回射器處的光束將在距離回射器的對稱點固定的偏移距離處撞擊回射器(在瞬態(tài)已穩(wěn)定之后)。激光跟蹤儀基于從可控測量獲得的標度因數(shù)并且基于從位置傳感器上的光束到理想的回描點的距離而對回射器處的該偏移距尚做出校正。
[0053]如上文所釋，位置探測器執(zhí)行兩個重要的功能一能夠針對回射器的移動來跟蹤和校正測量。位置探測器內(nèi)的位置傳感器可以是任何類型的能夠測量位置的設(shè)備。例如，位置傳感器可為位置敏感探測器或光敏陣列。位置敏感探測器例如可以是側(cè)向效應(yīng)探測器或象限探測器。光敏陣列例如可以是CMOS或者CCD陣列。
[0054]在實施方式中，沒有反射離開光束分離器145的返回光通過光束擴張器140,從而變得較小。在另一實施方式中，位置探測器和距離儀的位置是相反的，使得由光束分離器145反射的光行進至距離儀，由光束分離器傳輸?shù)墓庑羞M至位置探測器。
[0055]光繼續(xù)通過光學(xué)IFM，通過隔離器并且進入可見的光源110。在該階段，光功率應(yīng)足夠小使得不會使可見的光源110不穩(wěn)定。
[0056]在實施方式中，來自可見光源110的光通過圖5的光束發(fā)射部170發(fā)射。光纖發(fā)射部可附接至光源110的輸出或隔離器115的光導(dǎo)纖維輸出。
[0057]在實施方式中，圖3的光纖網(wǎng)絡(luò)166是圖8B的現(xiàn)有技術(shù)光纖網(wǎng)絡(luò)420B。在此，圖3的光學(xué)纖維184、186、168、169對應(yīng)圖8B的光學(xué)纖維443、444、424、422。圖8B的光纖網(wǎng)絡(luò)與圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)相似，除了圖SB的光纖網(wǎng)絡(luò)具有單一的光纖耦合器，而不是兩個光纖耦合器。圖8B比圖8A的優(yōu)勢是其簡單性；然而，圖SB更可能具有進入光學(xué)纖維422和424的不需要的光學(xué)背反射。
[0058]在實施方式中，圖3的光纖網(wǎng)絡(luò)166是圖8C的光纖網(wǎng)絡(luò)420C。在此，圖3的光學(xué)纖維184、186、168、169對應(yīng)圖8C的光學(xué)纖維447、455、423、424。光纖網(wǎng)絡(luò)420C包括第一光纖稱合器445和第二光纖稱合器451。第一光纖稱合器445是具有兩個輸入端口和兩個輸出端口的2x2耦合器。該類型的耦合器通常通過將兩個光纖芯部緊鄰地安置并且然后在加熱時拉長光纖進行制造。以此方式，光纖之間短暫的耦接能夠?qū)⒐獾钠谕糠址珠_到相鄰的光纖。第二光纖耦合器451是被稱為循環(huán)器的類型。它具有三個端口，每個端口具有傳輸或接收光的能力，但僅在指定的方向上傳輸或接收。例如，光學(xué)纖維448上的光進入端口453并且如箭頭所不朝向端口 454傳送。在端口 454處,光可被傳輸至光學(xué)纖維455。相似地，在端口 455上行進的光可進入端口 454并且在指向端口 456的的箭頭方向上行進，在該端口處某些光可傳輸至光學(xué)纖維424。如果僅需要三個端口，那么循環(huán)器451可經(jīng)受比2x2耦合器更少的光功率損失。另一方面，循環(huán)器451比2x2耦合器更昂貴，并且循環(huán)器451可能經(jīng)受在某些情況下是有問題的偏振模式色散。
[0059]圖9和10分別示出了現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀2100的分解和橫截面視圖，該激光跟蹤儀2100Bridges等的美國公開的專利申請N0.2010/0128259的圖2和圖3中描述，其通過參引合并于本文。方位組件2110包括柱殼體2112、方位編碼器組件2120、下方位軸承2114A、上方位軸承2114B、方位馬達組件2125、方位滑環(huán)組件2130以及方位電路板2135。
[0060]方位編碼器組件2120的目的是精確地測量軛部2142關(guān)于柱殼體2112的旋轉(zhuǎn)角。方位編碼器組件2120包括編碼器盤2121和讀頭組件2122。編碼器盤2121附接至軛部殼體2142的軸，并且讀頭組件2122附接至柱組件2110。讀頭組件2122包括電路板，一個或多個讀頭被緊固至該電路板上。從讀頭發(fā)送的激光反射離開編碼器盤2121上的細光柵線。處理由編碼器讀頭上的探測器獲得的反射光，以得到旋轉(zhuǎn)的編碼器盤關(guān)于固定的讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。
[0061]方位馬達組件2125包括方位馬達轉(zhuǎn)子2126和方位馬達定子2127。方位馬達轉(zhuǎn)子包括直接附接至軛部殼體2142的軸的永磁體。方位馬達定子2127包括產(chǎn)生規(guī)定磁場的勵磁繞組。該磁場與方位馬達轉(zhuǎn)子2126相互作用以產(chǎn)生期望的旋轉(zhuǎn)運動。方位馬達定子2127附接至柱框架2112。
[0062]方位電路板2135代表一個或多個電路板，其提供諸如編碼器和馬達的方位部件所需的電功能。方位滑環(huán)組件2130包括外部分2131和內(nèi)部分2132。在實施方式中，電線束2138出現(xiàn)于輔助單元處理器50。電線束2138可將電能輸送至跟蹤儀或?qū)⑿盘栞斔椭粮檭x并從跟蹤儀輸送信號。電線束2138中的某些電線可引導(dǎo)至電路板上的連接器。在圖10示出的示例中，電線沿方位電路板2135、編碼器讀頭組件2122以及方位馬達組件2125設(shè)置路線。其它電線沿滑環(huán)組件2130的內(nèi)部分2132設(shè)置路線。內(nèi)部分2132附接至柱組件2110，并且因此保持靜止。外部分2131附接至軛部組件2140并且因此關(guān)于內(nèi)部分2132旋轉(zhuǎn)?；h(huán)組件2130設(shè)計為當外部分2131關(guān)于內(nèi)部分2132旋轉(zhuǎn)時允許低阻抗的電接觸。
[0063]頂點組件2140包括軛部殼體2142，頂點編碼器組件2150，左頂點軸承2144A，右頂點軸承2144B，頂點馬達組件2155，頂點滑環(huán)組件2160以及頂點電路板2165。
[0064]頂點編碼器組件2150的目的是精確地測量負載框架2172關(guān)于軛部殼體2142的旋轉(zhuǎn)角。頂點編碼器組件2150包括頂點編碼器盤2151和頂點讀頭組件2152。編碼器盤2151附接至負載2142，讀頭組件2152附接至軛部殼體2142。頂點讀頭組件2152包括電路板，一個或多個讀頭緊固至該電路板上。從讀頭發(fā)送的激光反射離開編碼器盤2151上的細光柵線。處理由編碼器讀頭上的探測器獲得的反射光，以得到旋轉(zhuǎn)的編碼器盤關(guān)于固定的讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。
[0065]頂點馬達組件2155包括方位馬達轉(zhuǎn)子2156和方位馬達定子2157。頂點馬達轉(zhuǎn)子2156包括直接附接至負載框架2172的軸的永磁體。頂點馬達定子2157包括產(chǎn)生規(guī)定磁場的勵磁繞組。該磁場與轉(zhuǎn)子磁體相互作用以產(chǎn)生期望的旋轉(zhuǎn)運動。頂點馬達定子2157附接至軛部框架2142。
[0066]頂點電路板2165代表一個或多個電路板，其提供諸如編碼器和馬達的頂點部件所需的電功能。頂點滑環(huán)組件2160包括外部分2161和內(nèi)部分2162。電線束2168從方位外滑環(huán)2131出現(xiàn)，并且可輸送電能或信號。電線束2168中的某些電線可引導(dǎo)至電路板上的連接器。在圖10示出的示例中，電線沿頂點電路板2165、頂點馬達組件2150以及編碼器讀頭組件2152設(shè)置路線。其它電線沿滑環(huán)組件2160的內(nèi)部分2162設(shè)置路線。內(nèi)部分2162附接至軛部框架2142并且因此僅以方位角度旋轉(zhuǎn)，而不以頂點角度旋轉(zhuǎn)。外部分2161附接至負載框架2172并且因此以頂點角度和方位角度旋轉(zhuǎn)。滑環(huán)組件2160設(shè)計為當外部分2161關(guān)于內(nèi)部分2162旋轉(zhuǎn)時允許低阻抗的電接觸。負載組件2170包括主光學(xué)組件2180和副光學(xué)組件2190。
[0067]圖11是描繪了尺寸測量電子處理系統(tǒng)1500的方塊圖。該電子處理系統(tǒng)1500包括激光跟蹤儀電子處理系統(tǒng)1510、外圍元件1582、1584、1586的處理系統(tǒng)、計算機1590以及在此代表云的其它網(wǎng)絡(luò)化的部件1600。示例性激光跟蹤儀電子處理系統(tǒng)1510包括主處理器1520、負載功能電子裝置1530、方位編碼器電子裝置1540、頂點編碼器電子裝置1550、顯示器和用戶界面(UI)電子裝置1560、可移除的存儲硬件1565、無線射頻識別(RFID)電子裝置、以及天線1572。負載功能電子裝置1530包括多個子功能，這些子功能包括六DOF電子裝置1531、照相機電子裝置1532、ADM電子裝置1533、位置探測器(PSD)電子裝置1534以及對準電子裝置1535。這些子功能中的大多數(shù)具有至少一個處理器單元，該處理器單元例如可以是數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。電子裝置單元1530、1540以及1550由于其在激光跟蹤儀內(nèi)的位置而如所示出地分開。在實施方式中，負載功能1530位于圖9、10的負載2170中，而方位編碼器電子裝置1540位于方位組件2110中，頂點編碼器電子裝置1550位于頂點組件2140中。
[0068]多種類型的外圍設(shè)備都是可能的，但在此示出了三個這種設(shè)備:溫度傳感器1582、六DOF探頭1584以及例如可以是智能電話的個人數(shù)字輔助1586。激光跟蹤儀可以通過多種方式與外圍設(shè)備通信，包括通過天線1572的無線通信、借助于諸如照相機的視覺系統(tǒng)、以及借助于對激光跟蹤儀至諸如六DOF探頭1584的協(xié)助目標的距離和角度的讀取。夕卜圍設(shè)備可包括處理器。六DOF附件可包括六DOF探測系統(tǒng)、六DOF掃描器、六DOF投影儀、六DOF傳感器以及六DOF指示器。這些六DOF設(shè)備中的處理器可結(jié)合激光跟蹤儀中的處理設(shè)備以及外部計算機和云處理資源使用。通常，當使用術(shù)語激光跟蹤儀處理器或測量設(shè)備處理器時，意味著包括可能的外部計算機和云支持。
[0069]在實施方式中，單獨的通信總線從主處理器1520延伸至電子裝置單元1530、1540、1550、1560、1565以及1570中的每一個。每根通信線可具有例如三個串聯(lián)線，包括數(shù)據(jù)線、時鐘線以及框架線?？蚣芫€指示電子裝置單元是否應(yīng)注意時鐘線。如果其指示應(yīng)給予注意，則電子裝置單元讀取在每個時鐘信號處的數(shù)據(jù)線的當前數(shù)值。時鐘信號可相應(yīng)于例如時鐘脈沖的上升邊緣。在實施方式中，信息以信息包的形式通過數(shù)據(jù)線傳輸。在實施方式中，每個信息包包括地址、數(shù)字值、數(shù)據(jù)信息以及校驗和。地址指示在電子裝置單元內(nèi)將數(shù)據(jù)信息引導(dǎo)所至的位置。該位置例如可相應(yīng)于電子裝置單元內(nèi)的處理器子程序。數(shù)字值指示數(shù)據(jù)信息的長度。數(shù)據(jù)信息包括電子裝置單元執(zhí)行的數(shù)據(jù)或指令。校驗和是用于使通過通信線傳輸錯誤幾率最小化的數(shù)字值。
[0070]在實施方式中，主要處理器1520通過總線1610將信息包發(fā)送至負載功能電子裝置1530，通過總線1611發(fā)送至方位編碼器電子裝置1540，通過總線1612發(fā)送至頂點編碼器電子裝置1550，通過總線1613發(fā)送至顯示器和Π電子裝置1560，通過總線1614發(fā)送至可移除的存儲硬件1565，并且通過總線1616發(fā)送至RFID和無線電子裝置1570。
[0071]在實施方式中，主處理器1520還同時將同步(同步的)脈沖通過同步總線1630發(fā)送至電子裝置單元中的每一個。同步脈沖提供了通過激光跟蹤儀的測量功能收集同步數(shù)值的方法。例如，一接收到同步脈沖，方位編碼器電子裝置1540和頂點電子裝置1550就鎖存住其編碼器數(shù)值。相似地，負載功能電子裝置1530鎖存通過包含在負載內(nèi)的電子裝置收集的數(shù)據(jù)。當給出同步脈沖時，六D0F、ADM以及位置探測器全部鎖存數(shù)據(jù)。在多數(shù)情況下，照相機和傾斜計以小于同步脈沖速度的速度收集數(shù)據(jù)，但可以同步脈沖周期的倍數(shù)鎖存數(shù)據(jù)。
[0072]方位編碼器電子裝置1540和頂點編碼器電子裝置1550彼此分開并且通過圖9、10中示出的滑環(huán)2130、2160與負載電子裝置1530分開。這是總線線路1610、1611以及1612在圖11中被描繪為分開的總線線路的原因。
[0073]激光跟蹤儀電子處理系統(tǒng)1510可與外部計算機1590通信，或者其可提供在激光跟蹤儀內(nèi)的計算、顯示以及Π功能。激光跟蹤儀通過例如可以是以太網(wǎng)線路或無線連接的通信鏈路1606與計算機1590通信。激光跟蹤儀也可通過通信鏈路1602與由云代表的其它元件1600通信，該通信鏈路1602可包括諸如以太網(wǎng)電纜的一個或多個電纜以及一個或多個無線連接。元件1600的示例是另一三維測試儀器——例如可由激光跟蹤儀重新定位的關(guān)節(jié)臂CMM。計算機1590與元件1600之間的通信鏈路1604可以是有線的(例如以太網(wǎng))或無線的。坐于遠程計算機1590的操作者可通過以太網(wǎng)或無線線路連接至由云1600代表的因特網(wǎng)，因特網(wǎng)相應(yīng)地通過以太網(wǎng)或無線線路連接至主處理器1520。以此方式，用戶可控制遠程激光跟蹤儀的活動。
[0074]現(xiàn)今的激光跟蹤儀針對ADM使用一種可見波長(通常紅色)和一種紅外波長。紅色的波長可由穩(wěn)頻氦氖(HeNe)激光器提供，該穩(wěn)頻氦氖激光器適合于在干涉儀中使用并且還適用于提供紅色指示光束?？商娲?，紅色的波長可由二極管激光提供，其僅用作為指示光束。使用兩個光源的缺點是額外的光源、光束分離器、隔離器以及其它部件需要額外的空間和附加成本。使用兩個光源的另一缺點是難以沿光束行進的整個路徑使兩束光束完全地對準。這可造成多種問題，包括不能從以不同波長操作的不同子系統(tǒng)同時獲得優(yōu)異性能。圖12A的光電系統(tǒng)500示出了使用單一的光源從而消除這些缺點的系統(tǒng)。
[0075]圖12A包括可見的光源110、隔離器115、光纖網(wǎng)絡(luò)420、ADM電子裝置530、光纖發(fā)射部170、光束分離器145以及位置探測器150?？梢姷墓庠?10例如可以是紅色或綠色二極管激光器或垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。隔離器可以是法拉第隔離器、天線或能夠充分減小反饋至光源的光的量的任何其它設(shè)備。光從隔離器115行進至光纖網(wǎng)絡(luò)420，在實施方式中該光纖網(wǎng)絡(luò)420是圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)420A。
[0076]圖12B示出了光電系統(tǒng)400的實施方式，在該實施方式使用單一光波長，但其中借助于光的電光調(diào)制而不是光源的直接調(diào)制來實現(xiàn)調(diào)制。光電系統(tǒng)400包括可見光源110、隔離器115、電光調(diào)制器410、ADM電子裝置475、光纖網(wǎng)絡(luò)420、光纖發(fā)射部170、光束分離器145以及位置探測器150?？梢姽庠?10例如可以是紅色或綠色的激光二極管。激光被發(fā)送穿過隔離器115，該隔離器115例如可以是法拉第隔離器或衰減器。隔離器115在其輸入端口和輸出端口可以光纖耦合。隔離器115將光發(fā)送至電光調(diào)制器410，該電光調(diào)制器410將光調(diào)制到可高達IOGHz或者如果期望可更高的選定頻率。來自ADM電子裝置475的電信號476驅(qū)使電光調(diào)制器410中的調(diào)制。從電光調(diào)制器410調(diào)制的光行進至光纖網(wǎng)絡(luò)420，光纖網(wǎng)絡(luò)420可以是在上文討論的光纖網(wǎng)絡(luò)420A、420B、420C或420D。一些光通過光學(xué)纖維422行進至ADM電子裝置475的基準通道。另一部分光行進離開跟蹤儀，反射離開回射器90，返回至跟蹤儀，并且到達光束分離器145。已參考圖6A-F在上文中進行了討論，少量的光反射離開光束分離器并且行進至位置探測器150。一部分光穿過光束分離器145進入光纖發(fā)射部170，穿過光纖網(wǎng)絡(luò)420進入光學(xué)纖維424，并且進入ADM電子裝置475的測量通道。通常，圖12A的系統(tǒng)500能夠以比圖12B的系統(tǒng)400更少的錢制造；然而，電光調(diào)制器410能夠?qū)崿F(xiàn)更高的調(diào)制頻率，這在某些情況下是有利的。
[0077]圖13示出了定位照相機系統(tǒng)950和光電系統(tǒng)900的實施方式，在該實施方式中定向照相機910與3D激光跟蹤儀的光電功能結(jié)合以測量六個自由度。光電系統(tǒng)900包括可見光源905、隔離器910、光學(xué)電光調(diào)制器410、ADM電子裝置715、光纖網(wǎng)絡(luò)420、光纖發(fā)射部170、光束分離器145、位置探測器150、光束分離器922以及定向照相機910。光從可見光源發(fā)射至光學(xué)纖維980中并且行進穿過隔離器910，該隔離器910可在輸入端口和輸出端口具有耦合的光學(xué)纖維。光可行進穿過電光調(diào)制器410，該電光調(diào)制器410由來自ADM電子裝置715的電信號716調(diào)制。可替代地，ADM電子裝置715可發(fā)送電信號通過電纜717以調(diào)制可見光源905。進入光纖網(wǎng)絡(luò)的一些光行進穿過光纖長度均衡器423和光學(xué)纖維422以進入ADM電子裝置715的基準通道?？蛇x擇地將電信號469施加至光纖網(wǎng)絡(luò)420，以對光纖網(wǎng)絡(luò)420內(nèi)的光纖開關(guān)提供開關(guān)信號。一部分光從光纖網(wǎng)絡(luò)行進至光纖發(fā)射部170，該光纖發(fā)射部170將光學(xué)纖維上的光發(fā)送至自由空間中作為光束982。少量的光反射離開光束分離器145并且損失掉。一部分光穿過光束分離器145，穿過光束分離器922，并且行進離開跟蹤儀到達六個自由度(DOF)的設(shè)備4000。六DOF設(shè)備4000可以是探頭、掃描儀、投影儀、傳感器或其它設(shè)備。
[0078]在其返回路徑，光從六DOF設(shè)備4000進入光電系統(tǒng)900并且到達光束分離器922。部分的光反射離開光束分離器922并且進入定向照相機910。定向照相機910記錄設(shè)置在回射器目標上的一些標記的位置。根據(jù)這些標記，得到六DOF探頭的定向角度(B卩，三個自由度)。在本申請的下文中和在專利‘758中描述了定向照相機的原理。在光束分離器145處一部分光行進穿過光束分離器并且由光纖發(fā)射部170送至光學(xué)纖維上。光行進至光纖網(wǎng)絡(luò)420。部分的光行進至光學(xué)纖維424，這部分光從該光學(xué)纖維424進入ADM電子裝置715的測量通道。
[0079]定位照相機系統(tǒng)950包括照相機960和一個或多個光源970。圖1中也示出了定位照相機系統(tǒng)，其中照相機是元件52，光源是元件54。照相機包括透鏡系統(tǒng)962、光敏陣列964以及本體966。定位照相機系統(tǒng)950的一個應(yīng)用是將回射器目標定位在工作體積(workvolume)中。通過使光源970閃爍完成該操作，其中，照相機獲得光敏陣列964上的亮斑。定位照相機系統(tǒng)950第二個應(yīng)用是基于六DOF設(shè)備4000上的觀測到的反射器光斑或LED來建立六DOF設(shè)備4000的粗略的定向。如果激光跟蹤儀上可用兩個或多個定位照相機系統(tǒng)，則工作體積中的朝向每個回射器目標的方向可使用三角原理計算。如果將單一的定位照相機定位成以獲得沿激光跟蹤儀的光學(xué)軸線反射的光，那么可得到到每個回射器目標的方向。如果將單一的照相機定位成離開激光跟蹤儀的光學(xué)軸線，那么可立即從光敏陣列上的圖像獲得朝向回射器目標的大致方向。在該情況下，通過將激光器的機械軸線旋轉(zhuǎn)至多于一個方向并且觀察光敏陣列上的光斑位置的改變，可得到朝向目標的更精確的方向。
[0080]圖14A、14B示出了具有增強的設(shè)計特征的示例性激光跟蹤儀的正視立體圖，增強的設(shè)計特征包括窄視場(FOV)指示光4116、寬FOV照明的側(cè)面板4140，不對稱的特征部4112,4114、觸摸靈敏型按鈕4130以及收縮手柄4150。圖14C示出了收縮手柄4150處于延伸位置的示例性激光跟蹤儀的立體圖。圖14A-14C中還示出了手指槽4168、柱4152、側(cè)握柄4164A，4164B、以及凹入握柄4160，側(cè)握柄具有側(cè)握柄的壓痕4166。圖14A-14C中示出的可收縮的手柄的優(yōu)勢是跟蹤儀4100、4190設(shè)計有非常硬的(厚的)頂點托架14，同時仍然能夠使用手柄并且同時允許使跟蹤儀的大小最小化以用于在運送容器中的運輸。在實施方式中，柱4152提供摩擦限制，造成可收縮的手柄保留在或者開放的位置或者收回的位置的當前位置。手指槽4168構(gòu)造為允許用戶在可收縮的手柄的任一側(cè)插入手指，從而使得更易于施加力用以向上或向下移動可收縮的手柄。可收縮的手柄可便利地結(jié)合凹入的握柄4160使用以能夠使用戶利用兩個手來移動或安置跟蹤儀。在實施方式中，可收縮的手柄足夠硬以能夠使跟蹤儀轉(zhuǎn)向其側(cè)面用于例如存儲在儀器箱中或從儀器箱中取出。側(cè)握柄允許用戶將手放置在跟蹤儀的相反側(cè)，當將跟蹤儀的位置從一個用戶傳遞給另一用戶時側(cè)握柄特別地方便。側(cè)握柄可由彈性體材料制成以提供增強的握緊效果。側(cè)握柄可包括側(cè)握的壓痕以進一步提高握緊效果。例如，第一用戶可使用可收縮的手柄支撐跟蹤儀，而第二用戶可通過側(cè)握柄抓住跟蹤儀。為了本申請的目的，術(shù)語“頂部”指代具有可收縮的手柄4150的跟蹤儀的側(cè)面，術(shù)語“底部”指代具有凹入的握柄4160的跟蹤儀的側(cè)面。這些術(shù)語頂部和底部指代激光跟蹤儀最常使用的定向，盡管跟蹤儀也能夠在其側(cè)面或甚至倒置地使用。
[0081]如正視圖中所示，窄FOV指示光4116可從左至右作為光一至六進行識別。在實施方式中，最內(nèi)側(cè)兩束光——編號三和四——是紅色和綠色。當進行測量時，點亮紅色光。當來自激光跟蹤儀光束被鎖定在目標上時，綠色光以穩(wěn)定的光照點亮。當激光跟蹤儀沒有鎖定在目標上但是位置探測器探測到光束時，綠色光被點亮并且閃爍。在實施方式中，緊
鄰最內(nèi)側(cè)的兩束光-編號二和五-是黃色光，最外側(cè)的光-編號一和六-是藍色
光。黃色光和藍色光可用于多種目的——例如用于為操作者提供信號。通過軟件開發(fā)工具包(SDK)使用戶可訪問這些光的功能。
[0082]窄FOV光能夠使操作者在更遠的距離處看見LED——例如在離跟蹤儀80處。由于該大的范圍和窄F0V，站在激光跟蹤儀側(cè)面的觀察者可能無法看到指示光。為解決該問題，附加的紅色和綠色指示器光定位在照明側(cè)面板4140中的漫散射的側(cè)面板下方。例如，可安置紅色和綠色光以允許從任一側(cè)——甚至在下降的高度——從激光跟蹤儀的前方和后方觀看。
[0083]包括側(cè)面板的重要的原因是確保用戶意識到激光跟蹤儀正在運行中，從而提供警告，該警告能夠幫助避免擾亂過程中的靈敏測量。例如，在某些情況下，用戶可能走在正在指向目標的激光束的前方，從而擾亂測量并且可能需要再次啟動測量(例如，當在沒有ADM輔助的情況下使用干涉儀時)。使用照明的側(cè)面板還可以阻止人們走近跟蹤儀或走近正在測量的物體。當跟蹤儀或物體定位在例如相當薄的混凝土地板的可彎曲的地板時，這是有益的。
[0084]在實施方式中，照明的側(cè)面板構(gòu)造為沿第二軸線18(頂點軸線)上的點可看見，該點定位在跟蹤儀的任一側(cè)。在實施方式中，照明的側(cè)面板還構(gòu)造為可以沿垂直于第一軸線20和第二軸線18并且位于跟蹤儀的后側(cè)的點看到。在實施方式中，照明的側(cè)面板還構(gòu)造為從相對于跟蹤儀的所有方向都可見。
[0085]在實施方式中，照明的側(cè)面板附接至頂點托架14的第一支撐4172A和第二支撐4172B。在實施方式中，每個照明的側(cè)面板包括兩個部分，一個部分附接至頂點-托架支撐的前側(cè)，另一部分(未圖示)附接至相同的頂點-托架支撐的后側(cè)。在實施方式中，照明的側(cè)面板使用漫散射材料覆蓋。[0086]在側(cè)面板或跟蹤儀前方上的照明器可包括多顏色LED。該類型LED具有產(chǎn)生多于一種顏色的光的能力。特定類型的多種顏色LED是RGBLED，該LED具有如下能力，即，產(chǎn)生紅色、綠色以及藍色光并且在大多數(shù)情況下結(jié)合這些光以產(chǎn)生在可見光譜中寬范圍的顏色，甚至白色。
[0087]側(cè)面板上的照明器還可包括附接至光源的光導(dǎo)管。這種光導(dǎo)管可沿其長度散射光從而提供廣泛漫射的光，該光能夠在遍及寬范圍角度下看到。光導(dǎo)管中的光源可以是一個或多個LED或不同類型的光源。
[0088]未來，預(yù)期將降低多種類型的顯示器元件的成本。在實施方式中，可以是LED、LCD、LC0S、或微型投影儀的顯示器元件可安裝在激光跟蹤儀的前方、側(cè)面或者后方用以為用戶提供多種顏色和消息。
[0089]激光跟蹤儀操作的兩種模式是前視模式和后視模式。前視模式是正常操作模式。后視模式是通過以前視模式啟動然后執(zhí)行下列步驟獲得的:(I)將方位角度旋轉(zhuǎn)180度以及(2)旋轉(zhuǎn)頂點角度至使其標記逆向(向上垂直的方向?qū)?yīng)零度)，從而使激光束向回指向幾乎原始的方向。在使用激光跟蹤儀做出測量的過程中，通常期望能夠從一定距離處快速地辨別激光跟蹤儀是在前視模式或者后視模式。在后視模式中，對稱的特征部4112和3914倒置的翻轉(zhuǎn)，并且?guī)椭僮髡弑鎰e激光跟蹤儀正處于的模式。另外，在后視模式中，指示光在激光跟蹤儀輸出開孔下方翻轉(zhuǎn)，從而為操作者提供激光跟蹤儀是否處于前視膜式或后視模式中的清晰的指示。
[0090]在激光跟蹤儀中經(jīng)常執(zhí)行一些操作。例如，一個經(jīng)常執(zhí)行的操作是將激光跟蹤儀發(fā)送到原始位置。該操作通過造成激光束到達SMR完成，該SMR通常是設(shè)置在三個磁性槽4120中的一個上的SMR。由于從這些“原始位置”到激光跟蹤儀的萬向節(jié)點22的距離是已知的，因此執(zhí)行原始操作提供了在激光跟蹤儀中的ADM或IFM中重新設(shè)置距離基準的便捷的方式。在某些情況下，操作者可能想要在不返回至計算機以執(zhí)行原始命令的情況下快速地完成原始操作。觸摸靈敏按鈕4130提供了進行該操作的簡易方式。在實施方式中，當操作者觸摸按鈕4130中的其中一個時，激光跟蹤儀直接發(fā)送激光束到按鈕上方的SMR。三個磁性槽4120可相當于不同大小的SMR——例如，具有1.5英寸、7/8英寸以及1/2英寸直徑的SMR。因此，在磁性槽下方的按鈕也提供在SMR中切換的能力。例如,操作者可通過將1/2英寸SMR安置在適當?shù)拇判圆壑胁⑶野聪略谄湎路降挠|摸敏感傳感器從而容易地從1.5英寸SMR切換至1/2英寸SMR。觸摸傳感器可基于使用電容性的傳感器，該傳感器現(xiàn)今可低成本地獲得。使觸摸靈敏按鈕對在進行實際物理接觸之前靠近按鈕的移動做出響應(yīng)是可能的。換言之，使用鄰近的傳感器是可能的。除了使用這里給出的觸摸傳感器的示例之外，也可使用觸摸傳感器用以向激光跟蹤儀發(fā)出廣泛種類的命令。
[0091]盡管已參考示例實施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可做出多種改變并且可使用等同物代替其元件。另外，在不背離本發(fā)明的本質(zhì)范圍的情況下，可做出多種修改從而使得特定的情況或材料適合本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，旨在使本發(fā)明不限于如設(shè)想用于執(zhí)行本發(fā)明最佳模式所公開的特定實施方式，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施方式。此外，使用第一、第二等并不表示任何順序或重要性，而是使用第一、第二等以區(qū)分一個元件與另一元件。另外，使用術(shù)語一、一個等并不表示限制數(shù)量，而是表示存在至少一個參考項目。
【權(quán)利要求】
1.一種坐標測量設(shè)備(10)，所述坐標測量設(shè)備(10)將光的第一光束(46)發(fā)送至遠程回射器目標(26)，所述回射器目標具有空間中的位置，所述回射器目標使所述第一光束的一部分返回作為第二光束(47)，所述測量設(shè)備包括: 第一馬達(2125)和第二馬達(2155)，所述第一馬達(2125)和所述第二馬達(2155)共同構(gòu)造為將光的所述第一光束朝向第一方向指引，所述第一方向由繞第一軸線(20)的第一旋轉(zhuǎn)角度和繞第二軸線(18)的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，由所述第一馬達產(chǎn)生所述第一旋轉(zhuǎn)角度，由所述第二馬達產(chǎn)生所述第二旋轉(zhuǎn)角度； 第一角度測量設(shè)備(2120)，所述第一角度測量設(shè)備(2120)構(gòu)造為測量所述第一旋轉(zhuǎn)角度，第二角度測量設(shè)備(2150)構(gòu)造為測量所述第二旋轉(zhuǎn)角度； 距離儀(160、120)，所述距離儀(160、120)構(gòu)造為至少部分地基于由第一光學(xué)探測器(3306)接收的所述第二光束的第一部分測量從所述坐標測量設(shè)備到所述回射器目標的第一距離； 位置探測器(151)，所述位置探測器(151)構(gòu)造為產(chǎn)生第一信號，所述第一信號響應(yīng)于所述位置探測器上的所述第二光束的第二部分的位置； 控制系統(tǒng)(1520、1530、1540、1550)，所述控制系統(tǒng)(1520、1530、1540、1550)構(gòu)造為發(fā)送第二信號到所述第一馬達，并且發(fā)送第三信號到所述第二馬達，所述第二信號和所述第三信號至少部分地基于所述第一信號，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造為將所述第一光束的所述第一方向調(diào)整至所述回射器目 標的所述空間中的位置； 照明器的第一組(4116)，所述第一組能夠繞所述第一軸線旋轉(zhuǎn)并且相對于所述第二軸線固定，所述第一組構(gòu)造為提供從光的至少兩種不同顏色中選擇的第一光，所述至少兩種顏色在可見光譜中，所述第一組構(gòu)造為使得所述第一光從第一點和第二點是可見的，所述第一點和所述第二點沿著所述第二軸線并且位于所述測量設(shè)備的外部，所述第一點和所述第二點位于所述測量設(shè)備的相反側(cè)上； 照明器的第二組(4140)，所述第二組能夠繞所述第一軸線和所述第二軸線旋轉(zhuǎn)，所述第二組構(gòu)造為提供從照明的兩種不同顏色中選定的至少第二光，所述至少兩種顏色在所述可見光譜中；以及
處理器(1520、1530、1531、1532、1533、1534、1535、1540、1550、1560、1565、1570、1590)，所述處理器(1520、1530、1531、1532、1533、1534、1535、1540、1550、1560、1565、1570、1590)構(gòu)造為提供所述回射器目標的三維坐標，所述三維坐標至少部分地基于所述第一距離、所述第一旋轉(zhuǎn)角度以及所述第二旋轉(zhuǎn)角度，所述處理器還構(gòu)造為對所述照明器的第一組和所述照明器的第二組提供照明圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述第一組還構(gòu)造為使得所述第一光在第三點處是可見的，所述第三點在垂直于所述第一軸線和所述第二軸線的線上，所述第三點在所述測量設(shè)備外部并且在所述測量設(shè)備的與所述第一光束相反的一側(cè)上，所述第一光束與所述第一軸線不重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述第一組還構(gòu)造為使得所述第一光從所述測量設(shè)備外部的任何方向均可見。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述照明器的第一組中的一些是光發(fā)射二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述照明器的第一組中的第一照明器與所述照明器的第二組中的第二照明器發(fā)射相同顏色的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的坐標測量設(shè)備，其中，由所述第一照明器發(fā)射的光與由所述第二照明器發(fā)射的光同步。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述照明器的第一組中的所述照明器由漫射材料覆蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述第一軸線是方位軸線，所述第二軸線是頂點軸線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述照明器的第一組固定地附接至頂點托架(14)，并且所述照明器的第二組固定地附接至負載(15)，所述頂點托架構(gòu)造為繞所述第一軸線旋轉(zhuǎn)，并且所述負載構(gòu)造為繞所述第一軸線和所述第二軸線旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述頂點托架包括第一支撐部(4172A)和第二支撐部(4172B)，所述負載由所述第一支撐部和所述第二支撐部附接至所述頂點托架，所述頂點托架具有前側(cè)和后側(cè)，所述前側(cè)沿著垂直于所述第一軸線和所述第二軸線的方向，所述后側(cè)沿著與所述前側(cè)相反的方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述照明器的第一組包括第一部分和第二部分，所述第一部分附接至所述第一支撐部，并且所述第二部分附接至所述第二支撐部。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述照明器的第一組包括第一段、第二段、第三段以及第四段，所述第一段定位在所述第一支撐部的前側(cè)上，所述第二段設(shè)置在所述第一支撐部的后側(cè)上，所述第三段定位在所述第二支撐部的前側(cè)上，所述第四段定位在所述第二支撐部的后側(cè)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐`標測量設(shè)備，其中，至少一個照明器是多顏色LED部件，所述至少一個照明器從由所述照明器的第一組和所述照明器的第二組組成的集合中選擇。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述至少一個照明器構(gòu)造為產(chǎn)生包括紅色、綠色以及藍色的顏色。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述至少一個照明器構(gòu)造為產(chǎn)生紅色、綠色以及藍色的顏色的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述至少一個照明器構(gòu)造為產(chǎn)生紅色、綠色以及藍色的顏色的組合，所述顏色的組合包括白色。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標測量設(shè)備，其中，照明器包括來自一個或多個光源的光導(dǎo)管，所述照明器從由所述照明器的第一組和所述照明器的第二組組成的集合中選擇，所述光導(dǎo)管還構(gòu)造為沿著所述光導(dǎo)管的長度發(fā)射第三光，所述第三光源于所述一個或多個光源。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的坐標測量設(shè)備，其中，所述一個或多個光源包括LED。
【文檔編號】G01S17/06GK103703389SQ201280018667
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】肯尼斯·斯特菲 申請人:法羅技術(shù)股份有限公司