CN103380350A - 用于测量六个自由度的角锥后向反射器 - Google Patents

Abstract

一种对象包括角锥后向反射器，该角锥后向反射器包括三个平面反射器，每个平面反射器均能够反射光，每个平面反射器均垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器均与其他两个平面反射器相交于公共顶点，并且每个平面反射器均具有两个交叉点，对于在角锥后向反射器内的总共三个交叉点，每个交叉点是与相邻的平面反射器共有的。该对象还包括每个交叉点的非反射部，其中，对于至少一个交叉点，非反射部在第一区域中比在第二区域中更宽。

Description

用于测量六个自由度的角锥后向反射器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年2月14日提交的美国临时申请第61/442,452号的优先权，该申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明一般涉及后向反射器对象，更具体地，涉及测量六个自由度的角锥后向反射器。

背景技术

存在一类通过将激光束发送至与点接触的后向反射器对象来测量该点的坐标的仪器。该仪器通过测量与对象的距离和两个角度来确定该点的坐标。使用诸如绝对测距仪或干涉仪的距离测量装置来测量距离。使用诸如角度编码器的角度测量装置来测量角度。在仪器内的换向光束转向机构将激光束引导至关注点。

激光跟踪器是利用其发射的一个或多个激光束来跟踪后向反射器对象的特殊类型的坐标测量装置。存在另一类可测量漫散射表面上的点或后向反射器的被称为全站仪或准距仪的仪器。通常具有千分之一英寸且在某些情形下实际上相当于一微米或二微米的量级的精确度的激光跟踪器通常比全站仪或扫描器更加精确。贯穿本申请，使用了包括激光扫描器和全站仪的激光跟踪器的广义定义。

通常，激光跟踪器将激光束发送至后向反射器对象。普通型后向反射器对象是球面安装后向反射器（SMR），其包括嵌入金属球体内的角锥后向反射器。角锥后向反射器包括三个相互垂直的反射镜。为三个反射镜的共同交叉点的顶点位于球体的中心。由于角锥在球体内的这种放置，即使当SMR旋转时，从顶点到其上放置有SMR的任意表面的垂直距离也保持恒定。因此，激光跟踪器能够通过当SMR在表面上移动时跟踪该SMR的位置来测量该表面的3D坐标。也就是说，激光跟踪器仅需测量三个自由度（一个径向距离和两个角度）来充分表征表面的3D坐标。

一些激光跟踪器具有测量六个自由度（6 DOF）的能力，该六个自由度可包括诸如x、y和z的三个坐标以及诸如俯仰、滚转和偏航的三种旋转。在Bridges等人的美国专利第7,800,758号中描述的示例性系统，该专利通过引用合并于此。该专利公开了保持其上已放置了标记的角锥后向反射器的探针。利用来自激光跟踪器的激光束照射角锥后向反射器，并且由激光跟踪器内的摄像装置捕获角锥后向反射器上的标记。基于摄像装置所获得的图像来计算三个取向自由度，例如俯仰、滚转和偏转角度。激光跟踪器测量与角锥后向反射器的顶点的距离和两个角度。当将该距离和两个角度与从摄像装置图像中获得的三个取向自由度组合时，能够发现布置在相对于角锥后向反射器的顶点的规定位置处的探针尖端的位置。这样的探针尖端可用于例如测量在来自激光跟踪器的激光束的视线外的“隐藏”结构元件的坐标。

使用带有标记的后向反射器的潜在问题在于，标记减少了返回到激光跟踪器的能量。这可能导致精确度降低。所需的对象是使得能够在保持相对良好的跟踪性能以及距离和角度测量的相对高的精确度的同时测量六个自由度。

发明内容

一种对象包括角锥后向反射器，该角锥后向反射器包含三个平面反射器，每个平面反射器均能够反射光，每个平面反射器均垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器均与其他两个平面反射器相交于公共顶点，并且每个平面反射器均具有两个交叉点，其中对于角锥反向反射器内的总共三个交叉点，每个交叉点是与相邻的平面反射器共有的。该对象还包括每个交叉点的非反射部，其中，对于至少一个交叉点，非反射部在第一区域中比在第二区域中更宽。

附图说明

现在将参照示例性的而非限制性的附图，将实施例仅作为示例来描述，并且其中，在一些附图中相同的元件用相同的附图标记来表示，在附图中：

图1是通过激光跟踪器内的摄像装置获得的、来自角锥后向反射器上的标记的三条线的图像的现有技术图示；

图2是通过激光跟踪器内的摄像装置获得的、来自角锥后向反射器上的标记的三条暗线和三条亮线的图像的图示；

图3A-B示出了通过在交叉点使用具有可变半径的主元件来制造角锥后向反射器；

图4A-B示出了在交叉点具有斜角（bevel）的玻璃角锥；

图5A-C分别是包括嵌入在球体内的开放式角锥嵌条（slug）的对象的透视图、横截面视图和前视图。

图5D是具有附加结构元件的图5A-C的对象的透视图；

图6A-C分别是包括嵌入在球体内的玻璃角锥的对象的透视图、横截面视图和前视图；

图6D是具有附加结构元件的图6A-C的对象的透视图；

图7A-B分别是在玻璃棱镜的顶面上已添加了标记的图6A-C的对象的透视图和前视图；以及

图8A-C是分别已添加了反射区域、条形码图案（pattern）和射频（RF）标识标签的图5A-C的对象的透视图。

具体实施方式

角锥后向反射器包括相互垂直的三个平面反射器。这三个平面反射器相交于公共顶点，该公共顶点在理想的情况下是点。每个平面反射器具有两个交叉点，两个交叉点中的每个交叉点均是与相邻的平面反射器共有的。角锥后向反射器具有作为在三个侧面由平面反射器包围的空间区域的内部部分。

角锥后向反射器可以是开放式角锥或玻璃角锥。开放式角锥后向反射器具有为空气的内部部分，而玻璃角锥后向反射器具有含有为玻璃的内部部分。玻璃角锥后向反射器是一种类型的玻璃棱镜。玻璃棱镜的一个表面远离顶点。

每个交叉点可具有非反射部。在该交叉点上形成非反射部以最小化反射回激光跟踪器的光量。非反射部不一定抑制所有反射或散射的光。更适当地，非反射部被配置成极大地减少到跟踪器的光返回。减少光返回可通过将非反射部由以下制成而实现：（a）诸如吸收着色或吸收带的吸收材料；（b）散射表面纹理或材料；（c）产生光的发散图案的反射弯曲表面；或者（d）使光反射远离激光跟踪器的平坦表面。如本领域的普通技术人员应该显而易见的是，可鉴于本文中的教导来利用用于使得非反射部实现减少光返回的其他方法。

图1示出了在激光跟踪器内的取向摄像装置上出现的现有技术中的图像图案100。该图案先前在通过引用合并于此的美国专利第7,800,758号的图12中示出。该图中所示的三条线110、120、130是通过照射角锥后向反射器来获得的，其中非反射部放置在角锥后向反射器的三个平坦表面的三个交叉点中的每一个上。角锥后向反射器的顶点对应于图1中的点140。由于每个非反射部阻挡激光进入该角锥以及离开该角锥，因此线110、120、130中的每条线在点140的两侧延伸。

关于放置在角锥后向反射器上的非反射部产生图1的图案的潜在问题是在光功率最高的后向反射器的中心附近阻挡了大量光。在一些情况下，返回到激光跟踪器的光功率减小的结果是激光跟踪器的跟踪性能降低以及距离测量和角度测量的准确度降低。为了避免这个问题，可将非反射部修改为产生与图2所示的图案相类似的图案200。利用以这种方式放置在交叉点上的非反射部，相对大量的光功率返回到激光跟踪器，并且通过取向摄像装置也可清楚观察线210、220、230。在图2中，相比于距离顶点240较远的线，邻近于该顶点240的线相对窄。

存在至少两种用于制造开放式角锥后向反射器的常用方法：玻璃面板的复制和组装。图3A示出了复制处理300的一般特征和本发明的一些特殊特征。将主元件310精心加工以产生在最终复制的后向反射器中期望的特性。例如，可将主元件310加工成使得三个面312中的每一面均几乎正好垂直于两个相邻面312。例如，主元件310的面312可垂直于在一个或两个弧秒内的其每个最近相邻面。主元件310涂覆有诸如金的反射材料。角锥嵌条320包括涂覆有具有诸如环氧树脂的材料的薄粘附层的加工空白部（machined blank）322。使角锥嵌条320接触主元件310。在这样做时，使得环氧树脂层与主元件310的形状一致。在环氧树脂固化并且将嵌条320从主元件310剥离之后，金层粘住环氧树脂，从而为角锥嵌条320提供反射涂层。

通常，主元件310的交叉点不是非常尖锐。这种缺乏尖锐性的一个原因是难以加工这样尖锐的交叉点。另一个原因是如果交叉点过于尖锐，则在重复复制期间交叉点易于碎裂（chip）。替代地，交叉点通常以圆角（fillet）变圆或者以斜角成一角度。通常，对于放置在用于测量三个自由度的球面安装后向反射器中的角锥，使得这些结构元件小且可实现。例如，应用于主元件310的交叉点的圆角可具有0.003英寸的曲率半径。该曲率半径被传递到嵌条320的交叉点。应用于角锥后向反射器的圆角或斜角是根据上文给出的说明的非反射部。换句话说，非常少的光在撞击应用于角锥后向反射器的交叉点的圆角或斜角之后将返回到激光跟踪器。

如果要将角锥后向反射器与在美国专利第7,800,758号中所描述的系统类似的用以测量六个自由度的系统结合使用，则期望加宽通过激光跟踪器内的取向摄像装置观察到的非反射部。如果六自由度（DOF）对象仅距离跟踪器几米，则通常存在于高质量SMR中的窄的非反射部可宽到足以容易地通过取向摄像装置看到。然而，如果六DOF对象被设置得更远（例如，距激光跟踪器达30米），则将需要加宽非反射部以使得它们在取向摄像装置上可见。例如，非反射部需要约0.5mm宽以通过取向摄像装置清楚地看到。

在图3A中，在顶点314附近的非反射部317比距该顶点较远的非反射部316更窄。通过在三个交叉点中的每一个上再现这种非反射部315的组合，在激光跟踪器内的取向摄像装置上观察到与图2的图案类似的图案。

在图3B中示出了实现非反射部315的组合的方式，图3B是通过垂直于一个交叉点的图3A中的平面切片A-A所得到的截面图330。非反射部317对应于具有相对小的曲率半径的圆角332。非反射部316对应于具有相对大的曲率半径的圆角334。如果需要，圆角332、334可被诸如斜角的其他形状替代。通常，通过向交叉点添加另外的材料（例如，环氧树脂）来获得后向反射器嵌条320中的非反射部。这种另外的材料可采用诸如圆角或斜角的形式。

制造开放式角锥后向反射器的第二种常用方法是将镜面板（mirrorpanel）接合到角锥组件中。将三个玻璃面板接合在一起以互相垂直。在玻璃面板之间的相交区域存在微小的间隙。撞击间隙的光未反射回激光跟踪器，并因此表示非反射部。如果需要更粗的线，则这些可例如通过（a）增加间隙的宽度、（b）使在所期望的部分之上的反射镜着色（加深）或者（c）在交叉点处粘附低反射材料（例如，黑色胶带）来获得。

现在参照图4A，玻璃角锥后向反射器400具有相互垂直的平面反射器412。图4A所示的玻璃角锥后向反射器400的非反射部是通过沿着交叉点移除部分玻璃来获得的。接近顶点414的非反射部417比距顶点414较远的非反射部416更薄。这在图4B的横截面视图B-B中更详细地示出。相对薄的非反射部417对应于相对小的斜角422，并且相对厚的非反射部416对应于相对大的斜角424。如果需要，斜角422、424可被诸如圆角的其他形状替代。通常，玻璃角锥棱镜400中的非反射部是通过在交叉点处移除玻璃来获得的。所移除的该材料可采用诸如斜角或圆角这样的形式。

具有非反射部的角锥后向反射器可如图5A-D和图6A-D所示那样嵌入球体中，或者如美国专利第7,800,758号的图1所示那样嵌入探针中。图5A示出了球面安装对象500，该球面安装对象500包括球体502、具有非反射部的开放式角锥后向反射器504、套环（collar）506和参考标记501。使球体502中的空腔的大小适合于容纳角锥后向反射器504。将角锥后向反射器504附接于球体502，可以利用粘合剂。套环506为角锥后向反射器504提供保护，并提供方便的把手（grip）。参考标记用于为对象500建立粗略的参考方向。图5B示出了通过球面安装对象500的中心所得到的横截面视图。该横截面展现了为可复制类型的开放式角锥504，但同样可以使用由三个镜面板构成的角锥后向反射器。图5C示出了球面安装对象500的前视图。三个交叉点509关于顶点508是可见的。

图6A示出了球面安装对象600，其包括球体602、具有非反射部的玻璃角锥后向反射器棱镜604、套环606以及参考标记601。使球体602中的空腔的大小适合于容纳角锥后向反射器604。将角锥后向反射器604附接于球体602。套环606为角锥后向反射器604提供保护，并且提供方便的把手。参考标记用于为球面安装对象600建立粗略的参考取向。图6B示出了通过球面安装对象600的中心所得到的横截面图。图6C示出了球面安装对象600的前视图。三个交叉点609在玻璃棱镜的顶表面下面，并因此关于顶点608示为虚线。

图5D示出了为了制造增强的球面安装对象510而附接于球面安装对象500的接口部件520。接口部件520可包含多个可选元件。一个这样的可选元件是参考结构元件522，其可以是后向反射器（例如，小的玻璃角锥后向反射器）、反射材料区域或目标灯（例如，LED）。来自激光跟踪器的光可以照射后向反射器或反射材料区域并且用激光跟踪器中的摄像装置所捕获的图像来确定对象510的粗略取向。替选地，可照射目标灯并且用激光跟踪器上的摄像装置所捕获的图像来确定对象510的粗略取向。参考结构元件522可完全脱离，在这种情况下，接口部件520自身可充当参考标记。在这种情况下，操作者以指定取向使对象510对准，该指定取向被理解为粗略取向。

接口部件520的另一种可选元件是标识元件524。该标识元件524可采用例如条形码图案或RF标签的形式。跟踪器可使用放置在跟踪器的前面的定位摄像装置来读取条形码的内容。该跟踪器可通过用射频（RF）能量照射RF标签来读取RF标签的标识。标识元件524可包含标识特定对象510的序列号。替选地，该标识元件524可包含一个或多个表征对象510的参数。

接口部件520的另一种可选元件是天线530。天线530可用于发送和/或接收射频信号形式的无线数据。这样的天线可附接于由装配在接口部件520内部的小电池528供电的小电路板。小电路板可由软硬结合材料制成，该软件结合材料允许在接口部件内封装非常紧凑的电路。

接口部件520还可设置有一个或多个可选的致动按钮526。致动按钮526可用于启动和停止测量或者开始各种其他动作。这些按钮可与激光跟踪器上的指示灯结合使用以确保跟踪器已接收预期的命令。

接口部件520还可包含安装在对象内（例如，在球体502或角锥后向反射器504上）的温度传感器。由于通常球体502和角锥后向反射器504可由具有不同热膨胀系数（CTE）的不同材料制成，因此当加热或冷却球体502和角锥后向反射器504时，顶点508的位置可偏移。通过跟踪角锥后向反射器的温度，可执行补偿以使顶点508的位置偏移适当的量。

图6D示出了为了制造增强的球面安装对象610而附接于球面安装对象600的接口部件620。接口部件620可包含多个可选元件，这些可选元件类似于接口部件520中的可选元件。可选元件622、624、630、628和626具有与可选元件522、524、530、528和526一样的描述。鉴于此，这里将不重复描述。

图7A是球面安装对象700的透视图，该球面安装对象700包括玻璃角锥704、球形元件702和套环706。一个或多个非反射标记708置于顶表面上，该顶表面是玻璃角锥704的远离顶点的表面。使用这样的标记的可能原因是提供一种即使当对象倾斜达到极限角度时也能确定三个取向自由度的方式。在图7A中，设置三个这样的标记708以使得球面安装对象700能够在任何方向上都倾斜达到极限角度。可选标记710提供了一种更准确地确定对象700的横滚角的方式。图7B是球面安装对象700的前视图。

图8A-C示出了球面安装对象的三个实施例。在图8A中，球面安装对象800包括球形元件802、角锥后向反射器804以及套环806。反射材料区域810置于套环806的前表面上。该反射材料区域810被来自激光跟踪器的光照射并且其位置由跟踪器内的摄像装置确定。区域810的位置用于发现球面安装对象800的粗略取向。在图8B中，除了以条形码图案830替代反射材料区域810之外，球面安装对象820包括与球面安装对象800相同的元件。条形码图案830可用来提供对象820的标识，并且其还可用作反射材料区域以提供对象820的粗略取向。在图8C中，除了以RF标识芯片替代反射材料区域810之外，球面安装对象840包括与球面安装对象800相同的元件。RF发射器/接收器可询问该芯片以获得关于球面安装对象840的信息。该信息可以是对象840的序列号或一个或多个参数。

虽然以上描述涉及本发明的特定实施例，但应理解，在背离本发明的精神的情况下可作出多种修改。所附权利要求旨在覆盖将落入本发明的真正范围和精神内的修改。

因此，认为目前公开的实施例在所有方面是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求表示而不是以上描述表示，因此，将落入权利要求的等同方案的意义和范围内的所有改变包含在内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种对象，包括：

角锥后向反射器（320,400,504,604,704,804），包括三个平面反射器（312,412），每个平面反射器均能够反射光，每个平面反射器均垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器均与其他两个平面反射镜相交于公共顶点（140,240,314,414,508,608），并且每个平面反射器均具有两个交叉点（509,609），对于所述角锥后向反射器内的总共三个交叉点，每个交叉点是与相邻的平面反射器共有的，并且其特征在于，所述对象还包括：每个交叉点（509,609）的非反射部（110,120,130,316,317,416,417），其中，对于至少一个交叉点，所述非反射部在第一区域（316,334,416,424）中比在第二区域（317,332,417,422）中更宽；

其中，对于所述三个交叉点中的至少一个，所述第一区域（316,334,416,424）比所述第二区域（317,332,417,422）距所述顶点（314,414）更远。

2.（删除）

3.（删除）

4.根据权利要求1所述的对象，其中，由所述平面反射器（312）在三个侧面围绕的所述角锥后向反射器（320,504）的内部部分为空气。

5.根据权利要求4所述的对象，其中所述角锥后向反射器是复制（300）的，并且所述非反射部（316,317,332,334）至少部分基于向每个交叉点添加表面材料。

6.根据权利要求5所述的对象，其中，附加的所述表面材料采用圆角或斜角（332,334）的形式。

7.根据权利要求1所述的对象，其中，每个平面反射器（312,412）是反射镜段，并且所述非反射部（110,120,130,316,317,416,417）至少部分基于在邻接的反射镜段之间的间隙、邻接的反射镜段的相邻区域的着色以及布置在邻接的反射镜段上的低反射材料中的一个。

8.一种对象，包括：

角锥后向反射器（320,400,504,604,704,804），包括三个平面反射器（312,412），每个平面反射器均能够反射光，每个平面反射器均垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器均与其他两个平面反射镜相交于公共顶点（140,240,314,414,508,608），并且每个平面反射器均具有两个交叉点（509,609），对于所述角锥后向反射器内的总共三个交叉点，每个交叉点均是相邻的平面反射器共有的，并且其特征在于，所述对象还包括：每个交叉点（509,609）的非反射部（110,120,130,316,317,416,417），其中，对于至少一个交叉点，所述非反射部在第一区域（316,334,416,424）中比在第二区域（317,332,417,422）中更宽；

其中，所述平面反射器是玻璃棱镜（400,504,604）的表面；

其中，所述非反射部（416,417,422,424）至少部分基于从每个交叉点（509,506）移除玻璃；

其中，所移除的玻璃采用圆角或斜角（422,424）的形式。

9.（删除）

10.（删除）

11.根据权利要求8所述的对象，还包括放置在远离所述顶点的所述玻璃棱镜（704）的表面上的非反射标记（708）。

12.根据权利要求1所述的对象，还包括布置在所述对象上的标识元件（524），其中所述标识元件是RF标识标签和条形码图案（830）中的一个。

13.根据权利要求12所述的对象，其中，所述标识元件被配置成保存所述对象的序列号和参数中的一个。

14.根据权利要求1所述的对象，还包括：

致动按钮（526）；

电池（528）；以及

电子电路，被配置成响应于压下所述致动按钮来发射射频信号或光信号。

15.根据权利要求1所述的对象，还包括：

电池（528）；以及

电子电路，被配置成通过发射射频信号或光信号来发送所述对象的序列号和参数中的至少一个。

16.根据权利要求1所述的对象，还包括：

温度传感器；

电池（528）；以及

电子电路，被配置成通过发射射频信号或光信号来发送温度值。

17.根据权利要求1所述的对象，还包括主体，该主体包括具有尺寸适合于保持所述角锥后向反射器（504）的空腔的球体（502），其中所述角锥后向反射器布置在所述空腔中。

Claims (17)

1.一种对象，包括：

角锥后向反射器（320,400,504,604,704,804），包括三个平面反射器（312,412），每个平面反射器均能够反射光，每个平面反射器均垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器均与其他两个平面反射镜相交于公共顶点（140,240,314,414,508,608），并且每个平面反射器均具有两个交叉点（509,609），对于所述角锥后向反射器内的总共三个交叉点，每个交叉点是与相邻的平面反射器共有的，并且其特征在于，所述对象还包括：每个交叉点（509,609）的非反射部（110,120,130,316,317,416,417），其中，对于至少一个交叉点，所述非反射部在第一区域（316,334,416,424）中比在第二区域（317,332,417,422）中更宽。

2.根据权利要求1所述的对象，其中，对于所述三个交叉点中的至少一个，所述第一区域（316,334,416,424）比所述第二区域（317,332,417,422）距所述顶点（314,414）更远。

3.根据权利要求1所述的对象，还包括布置在所述对象上的参考结构元件（501,601,522），其中所述参考结构元件是参考标记（501,601）、参考后向反射器、反射材料区域以及目标光源中的一个。

4.根据权利要求1所述的对象，其中，由所述平面反射器（312）在三个侧面围绕的所述角锥后向反射器（320,504）的内部部分为空气。

5.根据权利要求4所述的对象，其中所述角锥后向反射器是复制（300）的，并且所述非反射部（316,317,332,334）至少部分基于向每个交叉点添加表面材料。

6.根据权利要求5所述的对象，其中，附加的所述表面材料采用圆角或斜角（332,334）的形式。

7.根据权利要求1所述的对象，其中，每个平面反射器（312,412）是反射镜段，并且所述非反射部（110,120,130,316,317,416,417）至少部分基于在邻接的反射镜段之间的间隙、邻接的反射镜段的相邻区域的着色以及布置在邻接的反射镜段上的低反射材料中的一个。

8.根据权利要求1所述的对象，其中，所述平面反射器是玻璃棱镜（400,504,604）的表面。

9.根据权利要求8所述的对象，其中，所述非反射部（416,417,422,424）至少部分基于从每个交叉点（509,506）移除玻璃。

10.根据权利要求9所述的对象，其中，所移除的玻璃采用圆角或斜角（422,424）的形式。

11.根据权利要求8所述的对象，还包括放置在远离所述顶点的所述玻璃棱镜（704）的表面上的非反射标记（708）。

12.根据权利要求1所述的对象，还包括布置在所述对象上的标识元件（524），其中所述标识元件是RF标识标签和条形码图案（830）中的一个。

13.根据权利要求12所述的对象，其中，所述标识元件被配置成保存所述对象的序列号和参数中的一个。

14.根据权利要求1所述的对象，还包括：

致动按钮（526）；

电池（528）；以及

电子电路，被配置成响应于压下所述致动按钮来发射射频信号或光信号。

15.根据权利要求1所述的对象，还包括：

电池（528）；以及

电子电路，被配置成通过发射射频信号或光信号来发送所述对象的序列号和参数中的至少一个。

16.根据权利要求1所述的对象，还包括：

温度传感器；

电池（528）；以及

电子电路，被配置成通过发射射频信号或光信号来发送温度值。

17.根据权利要求1所述的对象，还包括主体，该主体包括具有尺寸适合于保持所述角锥后向反射器（504）的空腔的球体（502），其中所述角锥后向反射器布置在所述空腔中。

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