CN103403575A - 靶标设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种靶标，包括：具有球形弯曲区域的接触元件；刚性地连接至接触元件的后向反射器；被配置成发射电磁信号的发射器；布置在靶标上、被配置成测量空气温度并将所测量的空气温度发送到发射器的温度传感器。

Description

靶标设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年3月3日提交的临时申请No.61/448,823的优先权，其全部内容通过参引合并到本文中。本申请还要求于2012年2月10日提交的美国专利申请No.13/370,339（其要求于2011年2月14日提交的临时申请No.61/442,452的优先权）的优先权，其全部内容通过参引合并到本文中。本申请还要求于2011年4月15日提交的临时申请No.61/475,703和于2012年1月30日提交的临时申请No.61/592,049的优先权，两个临时申请的全部内容均通过参引合并到本文中。

技术领域

本发明总体上涉及用于测量靶标的方法，并且特别地涉及用于测量含有后向反射器的球形靶标的中心的方法。

背景技术

存在通过将激光束发送到与点接触的后向反射器靶标来测量该点的坐标的一类仪器。该仪器通过测量到所述靶标的距离和两个角来确定该点的坐标。利用距离测量装置例如绝对测距仪或干涉仪来测量距离。利用角度测量装置例如角编码器来测量角。在仪器内的万向架固定式光束转向机构将激光束导向至兴趣点。

激光跟踪器是一种特定类型的坐标测量装置，该坐标测量装置利用激光跟踪器发射的一个或更多个激光束来跟踪后向反射器靶标。存在另一类被称为全站仪或视距仪的仪器，该仪器可以测量后向反射器或漫散射表面上的点。激光跟踪器通常比全站仪更精确，激光跟踪器通常具有千分之一英寸数量级的精确度并且在特定情况下具有相当于一个或两个微米的精度。贯穿本申请，使用激光跟踪器（包括全站仪）的广义定义。

通常，激光跟踪器将激光束发送到后向反射器靶标。通用类型的后向反射器靶标为球形安装后向反射器（SMR），球形安装后向反射器包括嵌在金属球体中的立体角后向反射器。立体角后向反射器包括三个相互垂直的镜。作为三个镜的相交公共点的顶点位于球体的中心附近。因为立体角在球体内的这种布局，从顶点到SMR搁置在其上的任何表面的垂直距离几乎保持恒定，即使当SMR旋转时也如此。因此，激光跟踪器可以通过在当SMR在表面上移动时跟踪SMR的位置来测量表面的3D坐标。换句话说，激光跟踪器需要仅测量三个自由度（一个径向距离和两个角）来全面表征表面的3D坐标。

一些激光跟踪器具有测量六个自由度（DOF）的能力，六个自由度可以包括三个平动（例如x、y和z）和三个旋转（例如俯仰、滚转和偏航）。在由Bridges等人申请的美国专利No.7,800,758（‘758）中描述了示例性六自由度激光跟踪器系统，该专利通过参引并入本文。‘758专利公开了一种探针，该探针容置有其上布置有标记的立体角后向反射器。通过来自激光跟踪器的激光束来照射立体角，并且通过激光跟踪器内的方位相机来捕获立体角后向反射器上的标记。基于由方位相机获得的图像来计算三个方位自由度，例如俯仰角、滚转角和偏航角。激光跟踪器测量到立体角后向反射器的顶点的距离和两个角。当距离和两个角（其给出了顶点的三个平动自由度）与从方位相机图像获得的三个方位自由度结合时，可以求出被布置在相对于立体角后向反射器的顶点的指定位置的探针尖端的位置。例如，可以使用这样的探针尖端来测量在来自激光跟踪器的激光束的视线之外的“隐藏”特征（feature）的坐标。

如上所述，理想地，SMR内的立体角后向反射器的顶点布置在嵌有立体角的球体的精确中心处。实际上，顶点的位置偏离球体中心最高达千分之几英寸。在许多情况下，顶点与球心的位置差异被高精度地获知，但是不使用该数据来校正跟踪器读数，因为未获知SMR的方位。在使用激光跟踪器进行的精确测量中，在球体中的立体角后向反射器的定中误差有时大于来自激光跟踪器内的测距仪和测角仪的误差。因此，需要一种校正该定中误差的方法。

现今使用的大多数SMR包含空气式立体角后向反射器（open-aircube corner retroreflector）。存在一些使用玻璃立体角后向反射器的SMR，但是这些SMR具有有限的精度。因为光进入这样的玻璃立体角时发生弯折，所以光看起来沿着不是立体角内的实际方向的方向行进。可以通过将立体角的顶点移动到球体中心之后来使所产生的误差最小化。在由Raab等人的美国专利No.7,388,654中给出了使该误差最小化中涉及的计算的示例，该专利的内容通过参引并入本文。然而，没有一个移动距离能够在使用这样的后向反射器中在光能够进入立体角的全部入射角范围上消除跟踪器误差。作为结果，由玻璃立体角制成的SMR趋向于制造得非常小，因为这样会减小误差，并且它们趋向于被用在不需要最高精度的应用中。然而，与由空气式立体角制成的SMR相比，由玻璃立体角制成的SMR具有显著性的优点：它们具有较宽的接受角。换句话说，与空气式立体角相比，光可以以较大的入射角进入玻璃立体角而不会被裁切。因此，需要一种用于高精度测量包含玻璃立体角的相对大型的SMR的方法。该需要本质上是求出SMR球形表面的中心，而与玻璃立体角的位置无关，并且在这方面其类似于以上描述的针对包含空气式立体角的SMR的需要。

更一般地，需要一种求出具有球形表面并包含后向反射器的靶标的中心而与后向反射器类型无关的方法。例如，放入球形表面中的不同类型的后向反射器为猫眼后向反射器。另外的示例是照相测量点—小圆圈式的反射材料—其有时居中于球体中。存在猫眼后向反射器和球体中的照相测量点的定中误差，正如将立体角后向反射器定中在球体中一样。因此，一般需要一种求出具有球形表面并包含后向反射器的靶标的中心的方法。

发明内容

根据本发明的实施方式，一种通过装置来测量靶标的方法包括如下步骤：设置靶标，其中，靶标具有靶标参考系并且包括第一后向反射器和本体，本体具有球形外部部分，球形外部部分包括球心和球半径，本体包含腔，腔的尺寸被确定成容纳第一后向反射器，腔朝向本体的外部敞开，第一后向反射器至少部分地布置在腔中，第一后向反射器具有在靶标参考系中的第一后向反射器参考点。该方法还包括如下步骤：设置装置，其中，装置具有装置参考系和第一光源，该装置被配置成测量从装置到第一后向反射器参考点的距离和两个角；以及确定从第一后向反射器参考点到球心的矢量在靶标参考系中的至少一个矢量长度分量，该矢量具有大于0的长度。该方法还包括如下步骤：利用来自第一光源的光来照射第一后向反射器，以提供被返回装置的第一反射光；以及至少部分地基于第一反射光来测量从装置到第一后向反射器参考点的第一距离和第一组两个角，第一距离至少部分地基于光在从装置行进到第一后向反射器参考点的路径上的光速。该方法还包括如下步骤：确定靶标参考系在装置参考系中的三个方位自由度，其中，所述三个方位自由度足以全面地限定靶标参考系在装置参考系中的方位；至少部分地基于第一距离、第一组两个角、三个方位自由度和至少一个矢量长度分量来计算球心在装置参考系内的三维坐标；以及存储球心的三维坐标。

附图说明

现在将参照旨在示例性而非限制的附图，通过示例对实施方式进行描述，并且其中，在若干附图中，相同的元件以相同的附图标记来标记，在附图中：

图1是根据实施方式的激光跟踪器和SMR的立体图；

图2是根据实施方式的激光跟踪器、辅助单元和外部计算机的例示；

图3是根据实施方式的激光跟踪器和六自由度探针的立体图；

图4是示出了根据实施方式的激光跟踪器的有效负载中的元件的框图；

图5是根据实施方式的在后向反射器复制中使用的立体角芯子（slug）和母版元件的立体图；

图6是根据实施方式的在相交接合部具有非反射部分的玻璃立体角的立体图；

图7是根据实施方式的、由后向反射器的非反射部分产生并照射在激光跟踪器内的方位相机上的照射图案的示例；

图8A至图8C分别是根据实施方式的、包括嵌在球体内的空气式立体角芯子的靶标的立体图、横截面图和正视图；

图8D是根据实施方式的、具有附加特征的图8A至图8C的靶标的立体图；

图9A至图9C分别是根据实施方式的、包括嵌在球体内的玻璃立体角的靶标的立体图、横截面图和正视图；

图9D是根据实施方式的、具有附加特征的图9A至图9C的靶标的立体图；

图10A至图10B分别是根据实施方式的、在玻璃棱镜的顶部表面上添加了标记的图9A至图9C的靶标的立体图和正视图；

图11A至图11C分别是根据实施方式的、分别添加了反射区域、条形码图案和RF识别标签的图8A至图8C的靶标的立体图；

图12A至图12B分别是立体角后向反射器在球体内非完美居中的SMR的正视图和侧面剖视图；

图13A至图13C分别示出了根据实施方式的玻璃立体角的立体图、球形六自由度靶标的截面图和球形六自由度靶标的立体图；

图14示出了根据实施方式的球形六自由度靶标的横截面图和在玻璃棱镜外部和内部的光束的路径；

图15示出了球形六自由度靶标的横截面图和用于示出在数学上对光的弯折进行校正的校正的投影线；

图16A示出了根据实施方式的用于测量嵌有后向反射器的球体的中心的方法的步骤；

图16B示出了根据实施方式的用于测量工件表面上的点的三维坐标的方法的步骤；

图17A示出了根据实施方式的位于跟踪器上并被近光源和远光源所围绕的定位器相机；

图17B示出了根据实施方式的具有定位器相机的跟踪器孔和位于右侧和左侧的光源；

图18A示出了照射后向反射器但未照射跟踪器定位相机的光源；

图18B示出了照射反射材料区域从而产生照射跟踪器定位相机的散射光的光源；

图19示出了根据实施方式的在激光跟踪器内的电子设备和处理器；

图20A至图20C示出了根据实施方式的具有探针尖端和探针延伸部的示例性六自由度靶标；

图21A至图21C示出了除了探针延伸部以任意角倾斜并利用旋钮锁定在适当地方之外与图20A至图20C中的情况类似的六自由度探针；

图22示出了根据实施方式的用于使用具有识别器元件的靶标来测量工件上的点的方法的步骤。

具体实施方式

图1中示出了示例性激光跟踪器10。激光跟踪器10的示例性的万向架固定式光束转向机构12包括天顶支架14，天顶支架14安装在方位基座16上并绕方位轴线20旋转。在天顶支架14上安装有有效负载15，并且有效负载15绕天顶轴线18旋转。天顶机械转轴（未示出）和方位机械转轴（未示出）在跟踪器10内部于万向点22处正交地相交，万向点22通常是用于距离测量的原点。实际上，激光束46通过万向点22并正交于天顶轴线18指向。换句话说，激光束46处于与天顶轴线18垂直的平面中。通过跟踪器内的使有效负载15绕天顶轴线18和方位轴线20旋转的电机（未示出），使激光束46沿期望方向指向。在跟踪器内部的天顶角编码器和方位角编码器（未示出）被附接至天顶机械轴（未示出）和方位机械轴（未示出）并以相对较高的精度表示旋转角度。激光束46行进到外部的后向反射器26，例如上述球形安装后向反射器（SMR）。通过测量万向点22与后向反射器26之间的径向距离以及绕天顶轴线18和方位轴线20的旋转角，在跟踪器的球坐标系内求出后向反射器26的位置。

激光跟踪器10是具有装置参考系30的装置。装置参考系可以将万向点22作为其原点。装置参考系可以相对于方位基座16是固定的，方位基座16相对于周围环境通常是静止的。装置参考系可以由各种坐标系来表示。一类坐标系为具有三个正交轴x、y和z的笛卡尔（Cartesian）坐标系。另一类坐标系为球坐标系。在球坐标30内的点74可以在球坐标系中由一个径向距离73（r）、第一（天顶）角72（θ）和第二（方位）角71

来表示。通过使用点74在z轴上的投影来获得角θ。通过使用点74在x-y平面上的投影来获得角激光跟踪器10固有地在球坐标系中进行测量，但是在球坐标中测量的点可以容易地转换到笛卡尔坐标。

靶标26具有靶标参考系40。靶标参考系可以例如使用笛卡尔坐标x、y和z来表示。靶标参考系40的x、y和z轴随着靶标26移动并且不一定平行于装置参考系30的相应装置轴x、y和z。靶标26可以被放置成在点63处与工件表面61接触。为了求出点63的三维（3D）坐标，首先跟踪器使用其所测量的距离和两个角来确定靶标26的中心。还可以使用以下所描述的方法来考虑后向反射器参考点（例如，立体角顶点）相对于靶标26的球形接触表面的中心的矢量偏移。为了从靶标的中心移至工件的表面，将中心点的位置偏移与球形靶标表面的半径相等的量。在实施方式中，通过测量在接触点63附近的若干点以确定在点63处的表面法线来求出偏移方向。

激光束46可以包括一个或更多个激光波长。为了清楚和简单起见，在以下讨论中，假定了图1所示的这类转向机构。然而，也可以是其他类型的转向机构。例如，可以由绕方位轴线和天顶轴线旋转的镜来反射激光束。此处所描述的技术是适用性的，与转向机构的类型无关。

在示例性激光跟踪器10中，在有效负载15上设置有定位器相机52和光源54。光源54照射一个或更多个后向反射器靶标26。在实施方式中，光源54是用电来驱动以重复发射脉冲光的LED。每个定位器相机52包括光敏阵列和置于光敏阵列前方的镜头。光敏阵列可以是例如CMOS或CCD阵列。在实施方式中，镜头具有相对宽的视场，例如30°或40°。镜头的目的是要在光敏阵列上形成在镜头的视场范围内的对象的图像。通常，靠近定位器相机52放置至少一个光源54，使得来自光源54的光被每个后向反射器靶标26反射到定位器相机52上。以此方式，后向反射器图像很容易从光敏阵列上的背景中区分出来，因为后向反射器图像的图像斑点比背景对象更明亮并且受脉冲作用。在实施方式中，围绕激光束46的线路放置有两个定位器相机52和两个光源54。通过以此方式使用两个定位器相机，可以使用三角测量的原理来求出在定位器相机的视场范围内的任何SMR的三维坐标。另外，可以随着SMR从一点移动到另一点来监测SMR的三维坐标。在由Bridges等人的美国公布专利申请No.2010/0128259中描述了为此目所使用的两个定位器相机，该专利申请的内容通过参引合并到本文中。

如图2所示，辅助单元70可以是激光跟踪器10的一部分。辅助单元70的目的是将电力提供给激光跟踪器本体，并且在一些情况下还要将计算和计时能力提供给系统。可以通过将辅助单元70的功能移到跟踪器本体中来完全消除辅助单元70。在大多数情况下，辅助单元70附接至通用计算机80。加载在通用计算机80上的应用软件可以提供应用能力，例如逆向工程。也可以通过将通用计算机80的计算能力直接构造到激光跟踪器10中来消除通用计算机80。在该情况下，可以将可能提供键盘和鼠标功能的用户接口构造到激光跟踪器10中。辅助单元70与计算机80之间的连接可以是无线的或通过电线的线缆。计算机80可以连接至网络，辅助单元70也可以连接至网络。可以通过计算机80或辅助单元70将多个仪器例如多个测量仪器或执行器连接在一起。在实施方式中，省去辅助单元，将激光跟踪器10与计算机80直接连接。

在图3中，激光跟踪器10将激光束发送到六自由度探针60。六自由度探针包括将光46返回到跟踪器10的后向反射器（未示出）、固定器66、探针轴64以及探针尖端62。握持六自由度探针的操作员将探针尖端62与兴趣点处的工件接触地放置。激光跟踪器10与六自由度探针60相结合来确定探针尖端62的三维坐标。有时使用这样的六自由度探针来测量不在来自激光跟踪器10的激光束46的视线中的点。例如，探针尖端可以放置在对象的后面，同时通过激光束46来跟踪在六自由度探针60内的后向反射器。

为了确定探针尖端62的三维坐标，跟踪器测量探针尖端的六个自由度。其测量后向反射器参考点的三个平动自由度。对于在上文所描述的立体角后向反射器而言，后向反射器参考点是立体角的顶点。对于由单个球体制成的猫眼后向反射器（例如，使用具有折射率等于2的玻璃）而言，参考点是猫眼球体的中心。对于由两个半球元件制成的猫眼后向反射器而言，参考点居中在分离两个半球元件的平面上。对于处于扁圆形状的反射照相测量靶标而言，参考点是该圆的中心。

可以在具有x、y和z坐标的笛卡尔参考系中描述三个平动自由度。可替代地，可以在具有径向距离r、方位角和天顶角θ的球参考系中描述三个平动自由度。激光跟踪器10使用干涉仪或绝对测距仪（ADM）来测量距离。激光跟踪器10使用角编码器来测量方位角

和天顶角θ。因此，激光跟踪器在球坐标系中进行测量，但是任何所测量的点的坐标值可以转换成在任何其他期望的坐标系中的坐标。

如上所述，一些靶标例如六自由度探针60需要针对六自由度测量而配置的跟踪器。除了测量三个平动自由度之外，跟踪器还必须能够测量三个方位自由度。三个平动自由度和三个方位自由度总共产生六个独立自由度，它们完全地指定（完全地约束）了在刚体（例如，刚性六自由度探针60）内的每个点的位置。

可以以各种方式来描述三个方位自由度。用于描述三个方位自由度的方法包括欧拉（Euler）角和泰特-布莱恩（Tait-Bryan）角，其中后者包括公知的俯仰-偏航-滚动（pitch-yaw-roll）和航向-高度-倾斜（heading-elevation-bank）描述。在本申请中，术语“三个方位自由度”应当被理解成表示三个独立的自由度。例如，绕x轴、y轴和x-y平面中的第三轴的旋转将仅表示两个自由度，因为所述三个轴不是独立的。换句话说，所述三个轴未提供指定绕z轴旋转的方法，因此不表示三个独立的自由度。

可以具有若干互连的、独立地移动的对象。在这样的情况下，可能需要多于三个自由度来全面地指定对象的集合的运动。一般地，六自由度探针例如探针60作为单元进行移动，使得三个方位自由度足以全面地描述在探针结构上的每个点的方位。

类似地，应当理解到，三个平动自由度表示三个独立的平动自由度。也就是说，对应于三个平动自由度的三个方向形成在三维空间中的基集。换句话说，对应于平动自由度的三个方向中的每一个方向均具有与其他两个方向中的每一个方向正交的分量。

图4示出了激光跟踪器10的电光组件400的实施方式。源元件405和410表示光源和另外可能的电学和光学部件。例如，源元件410可以表示与干涉仪相结合的红色氦氖激光器。源元件405可以表示与绝对测距仪（ADM）相结合的红外线激光器。可替代地，该系统可以仅具有干涉仪或仅具有ADM。源元件405或410之一可以仅具有光源而不具有测距仪。除了包含在源元件405和410内的这些光源之外，可以存在另外的光源（未示出）。源元件405和410可以位于有效负载15中，或者它们可以位于跟踪器的其他部件（例如天顶支架14或方位基座16）之一中。光源可以位于一个区域例如方位基座中，而测距仪可以位于另外的区域例如有效负载15中。可以通过光纤将光从一个位置发送到另一个位置，如‘758专利中所解释的。可替代地，绕天顶轴线转向的镜可以反射来自光源的光，测距仪可以放置在方位基座16中。光源可以包括激光器、超发光二极管、发光二极管、或其他。

来自源元件410的光通过分束器420。来自源元件405的光被镜415和分束器420反射。如果源元件405、410包含不同波长的光，则分束器420可以有利地是二向色分束器，该二向色分束器透射由源元件410发射的光的波长并反射由源元件405发射的光的波长。

来自分束器420的大部分光通过分束器425和430。少量光被这些镜中的每个镜反射并损耗。光通过扩束器435。扩束器435将从跟踪器出去的路径上的光束的尺寸扩大。离开跟踪器10的激光440行进到后向反射器靶标26或后向反射器探针60。该激光的一部分返回到跟踪器。扩束器将在回到跟踪器的路径上的光束的尺寸减小。在实施方式中，一部分光被分束器430反射并行进到方位相机445。使用方位相机来获得六自由度探针60或任何其他六自由度装置的三个方位自由度。方位相机包含镜头系统446和光敏阵列447。方位相机可以使用电机来调节图像的尺寸。在‘758专利中解释了方位相机的操作原理。

部分光行进到分束器425。大部分光行进到元件405、410，而少量光被分离并到达位置检测器450。在一些情况下，光可以通过在被分束器425反射之后但在到达位置检测器450之前的镜头。位置检测器450可以为若干类型，例如位置灵敏检测器或光敏检测器。位置灵敏检测器可以例如是横向效应检测器或四象限检测器。光敏阵列可以例如是CMOS或CCD阵列。位置检测器对返回光束的位置进行响应。通过具有跟踪器10的控制系统来调节附接至方位机械轴和天顶机械轴的电机，以保持返回光束在位置检测器450上尽可能地居中。

如‘758专利所述，方位相机445向跟踪器10提供一种测量靶标的六个自由度的方法。其他方法也是可以的，并且本文中所描述的用于测量球形靶标的中心的方法也适用于这些其他方法。

传统的SMR26包括具有球形外部部分的本体和后向反射器。该本体包含一定大小的腔来容纳被附接至腔的立体角后向反射器。球形外部部分具有球心。

立体角后向反射器包括相互垂直的三个平面反射器。三个平面反射器在公共顶点处相交，该公共顶点在理想情况下是一个点。平面反射器中的每个平面反射器均具有两个相交接合部，平面反射器的每个相交接合部被相邻的平面反射器共享，从而在立体角后向反射器内总共具有三个相交接合部。立体角后向反射器具有内部部分，所述内部部分是三侧被平面反射器环绕的空间区域。

立体角后向反射器可以是空气式立体角或玻璃立体角。空气式立体角后向反射器具有包含空气的内部部分，而玻璃立体角后向反射器具有包含玻璃的内部部分。玻璃立体角后向反射器是一种玻璃棱镜。玻璃棱镜的一个被称为顶部表面的表面在顶点的远端。

SMR被设计成与激光跟踪器一起使用以测量三个自由度。SMR的更强大的版本是球形六自由度靶标。在图8A至图8D和图9A至图9D中示出了六自由度靶标的一些示例。这些将在下文中进行详细描述。

一种六自由度靶标使用含有标记或非反射部分的立体角，如‘758专利中所述的。立体角后向反射器中的每个相交接合部可以具有非反射部分。非反射部分不必抑制其反射或散射的所有光。相反地，非反射部分被配置成显著地减少光返回到跟踪器。可以例如通过由如下内容制造非反射部分来实现减少光的返回：（a）吸收材料，如吸收着色或吸收带；（b）散射表面材质或材料；（c）导致发散型光的曲面反射表面；或（d）反射从激光跟踪器离开的光的平坦表面。对于本领域普通技术人员而言，应当明显的是，可以根据此处的教导来利用用于使非反射部分实现减少光的返回的其他方法。

存在至少两种用于制造空气式立体角后向反射器的常用方法：复制和玻璃板的组装。图5示出了复制过程。仔细地加工母版元件510以产生最终复制的后向反射器的期望特性。例如，可以加工母版元件510以使得三个平面反射器面512中的每个面几乎完全垂直于其两个相邻面512。例如，母版元件510的平面反射器面512可以在一个或两个弧秒范围内垂直于其最靠近的相邻面中的每一个。母版元件510被覆有反射材料例如金。立体角芯子520包括被覆以薄粘合材料（例如环氧树脂）层的机加工毛坯522。将立体角芯子520与母版元件510接触。通过这样做，使环氧树脂层顺应母版元件510的形状。在环氧树脂固化并且将芯子520从母版元件510移走之后，金层粘住环氧树脂，从而向立体角芯子520提供反射覆层。

通常，母版元件510的相交接合部并非完美地尖锐。缺乏锐度的一个原因是难以加工这样的尖锐的相交接合部。另一个原因是，如果接合处太尖锐，则相交接合部在重复复制期间易于碎裂。相反，通常将相交接合部以小的倒角修圆，或者以小斜角来成角度。通常，对于放置在用于测量三个自由度的球形安装后向反射器中的立体角，这些特征根据实际情况制造得非常小。例如，应用于母版元件510的相交接合部的倒角可以具有0.003英寸的曲率半径。该曲率半径被传递到芯子520的相交接合部。应用于立体角后向反射器的倒角或斜角是根据上文所给出的说明的非反射部分。换句话说，在光照射到应用于立体角后向反射器的相交接合部的倒角或斜角之后，非常少量的光将返回到激光跟踪器。

如果立体角后向反射器要与类似于‘758专利中所描述的测量六自由度的系统结合使用，则理想的是：将通过激光跟踪器内的方位相机来观察的非反射部分加宽。如果六自由度靶标远离跟踪器仅几米，则通常存在于高质量SMR中的窄的非反射部分可以足够宽，以容易地被通过方位相机被看到。然而，如果六自由度靶标距激光跟踪器很远（例如最远达30米），则需要将非反射部分加宽以使得可以在方位相机上看得见它们。例如，非反射部分可能需要为约0.5mm宽，以通过方位相机被清楚地看到。

在图5中，靠近顶点514的非反射部分517比远离顶点514的非反射部分516窄。通过复制在三个相交接合部中的每一个上的非反射部分的这种组合515，在激光跟踪器10内的方位相机445上观察到类似图7的图案。可以通过调节母版元件510的相交接合部上的曲率半径来控制在芯子520上的相交接合部上的非反射部分的宽度。

制造空气式立体角后向反射器的第二常用方法是要将镜板接合到立体角组件中。将三个镜板相互垂直地接合在一起。在玻璃板之间的相交区域处存在有微小间隙。到达间隙的光不被反射回激光器，并且因此呈现非反射部分。如果期望较粗的线，则可以例如通过如下来获得这些：（a）增加间隙的宽度，（b）将期望部分上方的镜子着色（遮光），或（c）在相交接合部附接低反射材料（例如，黑胶带）。

现在参照图6，玻璃立体角后向反射器400具有相互垂直的平面反射器612。通过去除沿相交接合部的一些玻璃来获得图6所示的玻璃立体角后向反射器600的非反射部分。靠近顶点614的非反射部分617比远离顶点614的非反射部分616窄。可以通过使用相对小的斜角来获得相对细的非反射部分617，而相对粗的非反射部分616对应于相对大的斜角。如果需要，则可以用其他形状例如倒角来替换斜角。一般而言，通过去除相交结合处的玻璃来获得玻璃立体角棱镜600中的非反射部分。该被去除的材料可以采取斜角或倒角的形式。在大多数情况下，大部分被斜角或倒角散射的光将不会返回激光跟踪器。如果需要，则可以通过对斜角或倒角进行遮光或进行其他处理来进一步增加损耗，或者可以将吸收性粘合材料应用于斜角或倒角。

‘758专利的图12示出了在激光跟踪器内的方位相机上出现的现有技术中的图像图案100。该图中所示的三条线是通过照射立体角后向反射器的非反射部分来获得的，所述非反射部分位于立体角后向反射器的三个平坦表面的三个相交接合部中的每一个上。立体角后向反射器的顶点对应于所述线的相交点。该图中的每条线在相交（顶）点的两侧延伸，因为每个非反射部分阻挡进入立体角的路径上的和离开立体角的路径上的激光。

利用位于立体角后向反射器上的非反射部分来产生‘758专利的图12的图案的潜在问题是：在靠近光功率最高的后向反射器的中心处，大量光可能被损耗。在一些情况下，返回激光跟踪器的光功率的降低导致跟踪性能的降低以及激光跟踪器所进行的距离和角度测量的精度的降低。为了解决该问题，可以对非反射部分进行改进以产生类似于图7所示的照射图案700。使用已结合图5和图6进行了描述的方法，可以进行这样的改进。在图7中，与距离顶点740较远的线相比，与顶点740相邻的线710、720、730相对较窄。

可以将具有非反射部分的立体角后向反射器嵌入球体中，如图8A至8D和图9A至9D所示，或者嵌入探针中，如‘758专利的图1所示。图8A示出了球形六自由度靶标800，球形六自由度靶标800包括球体802、具有非反射部分的空气式立体角后向反射器804、轴环806、以及参考标记或参考特征801。球体802中的腔的尺寸被确定成容纳立体角后向反射器804。立体角后向反射器804至少部分地布置在球体802中，可能使用粘合剂。轴环806为立体角后向反射器804提供保护，并提供方便的抓握部。参考标记或参考特征801用于建立靶标800的大致参考方位。参考特征801还可以是纹理特征例如凹陷或凸起。参考特征可以是使得用户能够区分后向反射器804的具体位置或方位的任何特征。图8B示出了通过球形六自由度靶标800的中心的横截面图。横截面展示了复制型的空气式立体角804，但是同样可以使用由三个镜板形成的立体角后向反射器。后向反射器804至少部分地布置在腔815内部。图8C示出了球形六自由度靶标800的正视图。可以看到在顶点808周围的三个相交接合部809。

在因为后向反射器的对称性而导致后向反射器的方位不明确的情况下，确定后向反射器的大致方位。例如，在立体角后向反射器中，由三个反射表面形成的三条相交线710、720、730如图7所示在中心点740的两侧延伸。对于对称轴与来自激光跟踪器10的激光束46的方向对准的情况，线710、720、730被分开60°。在该情况下，存在六次简并度，也就是说，不能将六条线分配给立体角上的特定物理线。为了消除简并度，使用一种方法来建立大致方位，通过该方法，立体角后向反射器的特定线与出现在激光跟踪器内的方位相机上的图像中的特定线相关联。尽管此处所给出的示例是针对使用包括立体角后向反射器的靶标来测量六自由度的方法的，所述测量使用包括在激光跟踪器中的方位相机来进行，但是该原理可以更普遍地用于其他类型的后向反射器、其他类型的靶标、以及确定靶标的六自由度的其他方法。

图9示出了球形六自由度靶标900，该球形六自由度靶标900包括球体902、具有非反射部分的玻璃立体角后向反射器棱镜904、轴环906、以及参考标记或特征901。球体902中的腔的尺寸被确定成容纳立体角后向反射器904。立体角后向反射器904至少部分地布置在球体902中。轴环906为立体角后向反射器904提供保护并提供方便的抓握部。参考标记或特征901用于建立球形六自由度靶标900的大致参考方位。图9B示出了通过球形六自由度靶标900的中心的横截面图。后向反射器904至少部分地布置在腔915内。图9C示出了球形六自由度靶标900的正视图。三个相交接合部909在玻璃棱镜的顶部表面之下，因此用围绕顶点908的虚线示出。

图8D示出了附接至球形六自由度靶标800以产生增强的球形六自由度靶标810的接口部件820。接口部件820可以包含多个可选元件。一个这样的可选元件是参考特征822，其可以是参考标记、后向反射器（例如，小的玻璃立体角后向反射器）、反射材料区域、或靶标光源（例如，LED）。可以通过来自激光跟踪器的光照射后向反射器或反射材料区域，并且可以通过激光跟踪器中的定位器相机来捕获图像，以确定靶标810的大致方位。可替代地，可以照射靶标光源，并且通过激光跟踪器上的定位器相机来捕获图像，以确定靶标810的大致方位。可以完全不用参考特征822，在该情况下，接口部件820本身可以用作参考标记或特征。在该情况下，操作员将靶标810沿被理解为大致方位的指定方位进行对准。

接口部件820的另一个可选元件是识别器元件824。识别器元件824可以采取例如条形码图案或射频识别（RFID）标签的形式。在实施方式中，条形码具有包括一系列不同宽度和间距的平行线的一维图案。在另一个实施方式中，条形码具有二维图案，该二维图案包括在二维图案中间隔开的一系列点或方块。跟踪器可以使用例如位于跟踪器前面的定位器相机或使用方位相机来读取条形码的内容。跟踪器可以通过以射频（RF）能量照射RFID标签来读取RFID标签的身份。识别器元件824可以包含识别特别靶标810的序列号。可替代地，识别器元件可以包含一个或更多个表征靶标810的参数。序列号可以包括字母或其他符号以及数字，并且意在识别特定靶标。参数可以提供关于装置的任何方面的任何信息，例如几何特性或热特性。序列号可以被处理器使用，以获得对与特定靶标相关联的参数的访问。

接口部件820的另一个可选元件是天线830。天线830可以用于发送和/或接收射频信号形式的无线数据。这样的天线可以附接至小型电路板，该小型电路板由安装在接口部件820内部的小的电池组828来供电。小型电路板可以由软硬结合材料制成，该软硬结合材料允许将非常紧凑的电路封装在接口部件内。

可替代地，由识别器元件824执行的识别功能可以通过以下方式来执行：将识别信息（可能是序列号或一个或更多个参数）保存在接口部件820内的电路板的电子部件中，然后利用来自天线830的RF信号或来自822处的靶标光源的光信号将识别信息发送到激光跟踪器。RF信号和光信号是可以用于发送识别信息的电磁信号的两个示例。如此处所使用的，光信号可以包括紫外线、可见光、红外线、以及远红外波长。

接口部件820还可以设置有一个或更多个可选的执行器按钮826。执行器按钮826可以用于启动和停止测量或发起各种其他动作。这些按钮可以与激光跟踪器上的指示灯结合使用，以确保跟踪器已经接收到预期命令。

接口部件820还可以包含安装在靶标内例如安装在球体802或立体角后向反射器804上的温度传感器832。当球体802和立体角后向反射器804受热或冷却时，顶点808的位置可能偏移，因为球体802和立体角后向反射器804通常会由具有不同热膨胀系数（CTE）的不同材料制成。通过跟踪靶标810的温度，可以执行补偿以将顶点808的位置偏移合适的量。

接口部件可以包括空气温度传感器组件834，该空气温度传感器组件834包括温度传感器836、保护器838以及绝缘体（未示出）。温度传感器可以是热敏电阻、RTD、热电偶或能够测量温度的任何其他装置。其可以被放置在可能是例如空心圆筒的保护器结构中。保护器的目的是防止温度传感器受损并保持热源远离温度传感器。保护器在端部敞开，并且可以包含孔眼以增加将温度传感器暴露给空气的暴露。绝缘体被设置在本体802与空气温度传感器836之间。绝缘体防止传感器暴露于靶标的金属，靶标的金属可能处于与周围空气温度不同的温度。

空气温度组件834的可能用途是根据在测量容积内的位置测量空气的温度。这可能是重要的，因为所测量的距离和所测量的角度取决于空气的温度。例如，为了得到从跟踪器到靶标的距离，跟踪器处理器之一通过将未校正的测量距离（由跟踪器干涉仪或ADM测量的）除以在从跟踪器到靶标的路径上的空气的平均折射率来计算所述距离。使用Edlin方程或Ciddor方程得到的折射率基于由附接至跟踪器的传感器测量的空气温度、压力和湿度来求出空气折射率。如果空气被真空代替，则所得到的已校正的距离值为跟踪器干涉仪或ADM已测量的距离。与趋向于随着测量容积而相对恒定的压力和湿度不同，温度通常随着测量容积显著地变化。通常，通过将温度传感器放置在特定位置并假定空气温度在测量容积内的所有位置处具有相同的值来估计测量容积中的空气的温度。对随着测量容积而变化的温度进行校正的更准确的方式会是：将靶标810从跟踪器处的起始位置移动到靠近测量区域的终点位置，跟踪所有位置处的温度并针对这些距离计算平均温度。应当将空气温度传感器836的时间常数设置得足够快以使得当操作员将靶标810带到测量容积内的不同位置时传感器能够响应温度的变化。可替代的是，对由靠近跟踪器的空气温度传感器读取的第一空气温度和由靶标上的空气温度传感器832读取的第二空气温度进行平均。

图9D示出了附接至球形六自由度靶标900以产生增强的球形六自由度靶标910的接口部件920。接口部件920可以包含类似于接口部件820中的可选元件的多个可选元件。可选元件922、924、930、928、926和932具有与可选元件822、824、830、828、826和832相同的描述。为此，在此将不再重复这些描述。

图10A是球形六自由度靶标1000的立体图，球形六自由度靶标1000包括玻璃立体角1004、球体1002以及轴环1006。一个或更多个非反射标记1008放置在玻璃立体角1004的顶部表面（其是顶点远端的表面）上。使用这样的标记的可能原因是为了提供一种即使在靶标倾斜到极限角的情况下也能够确定三个方位自由度的方式。在图10A中，设置三个这样的标记1008以使得球形六自由度靶标1000能够沿任意方向倾斜至极限角。可选标记1010提供一种更精确地确定靶标1000的滚转角的方式。图10B是球形六自由度靶标1000的正视图。

图11A至图11C描绘了球形六自由度靶标的三个实施方式。在图11A中，球形六自由度靶标1100包括球体1102、立体角后向反射器1104、以及轴环1106。在轴环1106的正面安置反射材料区域1110。通过来自激光跟踪器的光来照射该反射材料区域1110，并且通过跟踪器内的定位器相机来确定其位置。区域1110的位置用于求出球形六自由度靶标1100的大致方位。在图11B中，球形六自由度靶标1120包括与球形六自由度靶标1100相同的元件，除了反射材料区域1110被条形码图案1130代替之外。条形码图案1130可以用于提供靶标1120的标识，并且其还可以用作反射材料区域以提供靶标1120的大致方位。如果需要，条形码图案可以环绕轴环唇缘的整个圆周延伸，而不是如图11B所示仅沿唇缘的一部分延伸。如果需要，可以使用被称为径向图案的条形码图案类型。在图11C中，球形六自由度靶标1140包括与球形六自由度靶标1100相同的元件，除了反射材料区域1110被RF识别芯片1150代替之外。可以通过RF发射器/接收器来询问该芯片以获得关于球形六自由度靶标1140的信息。该信息可以是靶标1140的序列号或一个或更多个的参数。

图12A示出了靶标1200的正视图，靶标1200可以是SMR或球形六自由度靶标。本体1220具有由外圆表示的球形外部部分。后向反射器1210由内圆表示，三个相交接合部由三条相交线表示。三条线在顶点1212处相交。球形外部部分具有球心1222，在图12A中，球心1222由被圆圈环绕的+符号表示。如果靶标1200被放置在座中并被旋转，则中心1222将保持固定，而顶点将以绕中心的圆形图案旋转。所得到的圆形图案被称为偏转图案1232，偏转图案1232可以说具有偏转半径或偏转直径。在后向反射器的相交接合部相交的三个平面反射器具有对称轴。如果图12A被定向成使得对称轴垂直于观察方向，则纸平面可以被称为横向平面，而在横向平面内的方向可以被称为横向方向。图12A的正视图示出了后向反射器顶点1212在横向平面中的定位误差。在图12A中这些误差被表示为dy和dz，并且分别称作横向误差1282和1283。可以在y-z平面中从球心1222开始来绘制二维横向误差矢量。误差矢量将绘制出具有与偏转半径相等的半径的圆周。

图12B示出了通过顶点1212的侧面剖视图。在该图中，对称轴位于纸平面内。沿对称轴的方向的误差被称为深度1281并被表示为dx。

可以从球心1222到顶点1212来绘制三维误差矢量。三个误差dx、dy和dz被称为矢量长度分量。还可以将误差矢量分解成其他方向。例如，可以选择dx偏离对称轴，并且可以将分量dy和dz垂直于dx。

在图12A至图12B中，误差矢量具有三个长度分量dx、dy和dz。可以在将靶标与跟踪器10一起使用之前测量靶标1200的这三个长度分量。通过利用六自由度跟踪器来测量三个方位自由度，可以校正所测量的顶点位置以获得已校正的球体中心位置。以此方式，可以提高跟踪器读数的精度。类似地，由六自由度测量带来的能力使得可以使用廉价的球形六自由度靶标（其中心尽管偏离后向反射器参考点（例如，顶点）相当大的距离，但是仍可以以相对较高的精度求出该中心）。

靶标1200被给予靶标参考系。例如，在图12A至图12B中给出了这样的参考系。在这些图中示出了x、y和z方向。用户可以根据需要来选择球心1222或顶点1212作为靶标参考系的原点。可能是激光跟踪器的装置还具有装置参考系。为了将顶点位置1212变换至球心1222，执行旋转变换，以使得靶标参考系的轴平行于装置参考系的相应轴。这可以使用旋转矩阵、四元数或本领域普通技术人员所公知的其他方法来实现。将不再进一步描述这些公知的方法。在将靶标参考系和装置参考系对准后，将所测量的顶点位置在靶标参考系中平移矢量长度分量，以得到校正的三维球心坐标。

对靶标1200执行测量以获得矢量长度分量。对于图12A至图12B所示的对准而言，两个矢量长度分量dy、dz分别被称为横向长度1282、1283，而矢量长度分量dx被称为深度1281。存在求出所述两个横向长度和所述深度的多种方式。一种方法是通过精密笛卡尔坐标测量装置（CMM）来测量靶标1200。使用这样的方法，顶点相对于球心的位置可以被确定到微米分数。一旦对靶标1200精确地执行了测量，则靶标可以被看作母版，使得可以以光学方式进行相对测量。一种方法是使用非常精密的绝对测距仪，将靶标的深度与仅利用笛卡尔CMM校准的母版靶标的深度进行比较。可以将读数的差添加到被报告给母版靶标的误差以得到在测试情况下的靶标的深度。可以使用显微镜来测量横向长度，而不用参考母版靶标。可以使用显微镜来看微米级的偏转半径，还可以确定顶点相对于球心的方向。

图13A是玻璃立体角后向反射器1330的立体图。其是具有相互垂直并在顶点1334处相交的三个平面反射器1332的棱镜。棱镜的反射表面可以覆有反射膜，以使得即使当立体角以较大的入射角倾斜时（不再发生全反射的情况）也能够反射。顶部表面1338与三个垂直表面1332的对称线或对称轴1360垂直。棱镜的边缘1340被成形为圆柱，当圆柱与平面反射器1332相交时圆柱产生扇形效果。为了使光可以被立体角后向反射器1330接收的角最大化，顶部表面1338被制成几乎与扇形部分的最高点相切。

图13C是球形六自由度靶标1300。其包括本体1310，本体1310具有球形外部表面1312，并且本体1310包含：尺寸被确定成容纳立体角后向反射器1330的腔；以及轴环1320。立体角后向反射器1330至少部分地布置在腔内部。图13B是通过图13C中的平面A-A截取图13C的靶标1300的横截面。图13A中的虚线1342示出了截面切片通过立体角后向反射器1330的地方。球形外部表面1312具有球心1314，通常球心1314处于不同于顶点1334的点。在图13A至图13C、图14和图15所示的实施方式中，球形外部表面1312具有1.5英寸（=38.1mm）的直径。立体角后向反射器1330的顶部表面1338具有1英寸（=25.4mm）的直径、以及等于该值的0.707倍或17.96mm的高度。

图14是图13C的横截面A-A的正交视图。已经省去阴影标记以提高清晰度。球心1314比顶点1334低1.3mm。立体角后向反射器1330具有与从顶点1334延伸到点1344的线段相对应的高度长1346，在点1344处对称线或轴1360与顶部表面1338相交。顶部表面具有法向矢量1348，在该情况下法向矢量1348平行于对称线或轴1360，但是在一般情况下法向矢量1348可以不平行于对称轴。顶部表面1338被略微安置在用于创建本体1310的球体的外侧（在材料被去除以获得容纳后向反射器1330的腔之前）。这具有如下优点：为球形外部部分1312提供大的接触区域。

来自由激光跟踪器10或其他装置发射的光束的中心射线1372在点1374处与立体角相交、弯折并行进到顶点1334。与激光跟踪器10的电机和伺服系统相结合的图4中的位置检测器450保持光束近似地以顶点1334为中心，即使靶标1300被移动也如此。在相交点1374处，绘制垂直于顶部表面1338的线1376。中心射线1372位于纸平面（横截面A-A的平面）中。入射角a_I是从法线1376到中心射线1372的角。法线1376与折射光线1373之间的角为折射角a_R。可以根据斯涅尔定律（Snell’s law）即n_airsin（a_I）=n_glass sin（a_R）来得到折射角。在该情况下，选择具有1.85的折射率的玻璃。对于46°的入射角，折射角为约23°。入射角越大，底部表面的中心1344与相交点1374相距越远，这增加了将进入后向反射器的光束裁切的可能性。在图14所示的情况中，相交点与顶部表面的边缘相距5mm。被投射到入射激光束的行进方向上的距离为约3.5mm，这表明在图14中所示的几何图形中具有7mm的直径的光束可以进入后向反射器，而没有被裁切。

图14示出了此处教导的用于校正玻璃后向反射器的中心位置的方法的重要优点。在该情况下，接受角（等于最大容许入射角的两倍）大于90°。该情况下的接受角远远大于在空气式立体角情况下的可能的接受角。

因为入射在玻璃立体角上的光在进入玻璃时弯折，所以顶点的位置将会测量有误，除非计算考虑了光的弯折。如果已知玻璃立体角的三个方位自由度，则可以考虑光的弯折。由于靶标和装置二者都具有参考系，可以给出靶标参考系在装置参考系内观察时的三个方位自由度。

在‘758专利中，在14列和15列给出了用于将空气式立体角的俯仰角、偏航角和滚转角与在方位相机的光敏阵列上所观察到的三条线的斜度相关联的等式。等式与在CAD软件中执行的三维旋转进行比较，以证明它们的有效性。在‘758专利中，术语“斜度”通常用于表示纵坐标（y）值的变化除以横坐标（x）值的相应变化。应当理解的是，如果相关等式被相对地修改，则可以使用斜度的其他定义（例如，横坐标的变化除以纵坐标的变化）。

存在可以用于将玻璃立体角的方位角与在方位相机的光敏阵列上出现的线的斜度相关联的许多计算方法。此处对一种方法进行描述。假定三个方位角。可以根据俯仰、偏航和滚转或其他方位参数对这些方位角进行描述。将对应于相交接合部的三条线中的每条线进行投影，直到它们与包括上表面的平面相交为止。可以使用立体角的高度长和几何形状来求出这三个点。基于三个方位自由度，通过三维旋转矩阵来变换所述三个点和顶点的这些三维坐标，以得到各自的新的三维坐标。这些变换后的相交点被称为在顶部表面处的接合点。可以使用在上表面的中心处的第一点和垂直于上表面的单位长度的第二点来绘制相对于上表面的法向矢量。通过三维旋转矩阵来转换这两个点以得到新的法向矢量。从在装置参考系中的装置投射的光形成相对于新的法向矢量的角。使用矢量数学来求出折射光线的方向。由于光必须与玻璃立体角的顶点相交，可以求出光的中心射线与顶部表面的相交点。所述与顶部表面相交的点可以被称作明显顶点。可以通过将明显顶点与在顶部表面处的三个接合点中的每一个相连接来获得将显示在方位相机上的线，并且然后将垂直于光的行进方向的这些线投射回至装置。因为非反射部分阻碍了沿进入后向反射器的路径和离开后向反射器的路径上的光，可以在明显顶点的两侧绘制线。将从计算得到的线的斜度与在方位相机上所观察的线的斜度进行对比。执行重复地选择参数的优化过程来使最小平方误差最小化，直到获得关于滚转、俯仰和偏航的最佳值。执行以下更详细描述的近似测量以得到用于计算的良好起始值。

在三个方位自由度被求出之后，使用该结果来校正由激光跟踪器读取的距离和两个角。在缺乏其他知识的情况下，装置将认为顶点1334位于图15中的位置1380处。顶点1334的方向看来似乎沿着来自装置的中心射线1372的方向。装置将会测量到比实际距离更远的到顶点的距离，这是因为光行进通过比空气的折射率较高的玻璃。较大的折射率导致光行进更慢。由于测距仪例如干涉仪和ADM基于光的飞行时间来判断距离，光花费在行进中的时间越多则导致装置判断的距离更长。令符号T来表示从相交点1374到顶点1334的距离，令符号n来表示折射率。由跟踪器测量的距离由T（n–1）来表示，由于假定折射率为1.85，在该情况下T（n–1）为T（1.85–1）=0.85T。通常，折射率对于干涉仪而言是相折射率而对于绝对测距仪而言是群折射率。

一旦已知三个方位自由度，则可以求出距离T。如果法向矢量1348平行于对称轴，则通过将高度长除以折射角的余弦来求出距离T。如果法向矢量1348与对称轴不平行，则使用矢量数学来求出距离T，矢量数学的使用对于本领域普通技术人员而言是公知的。为了求出顶点1334在装置参考系中的坐标，采取两个步骤。首先，将由装置测量的距离减小T（n–1），这将点1380移至在线1375上的新点1382。接下来，通过沿着线1375向回移动附加距离T来求出相交点1374。将线1375绕所算出的相交点1374旋转角a_I–a_R，这使得点1382移动到顶点1334。

为了求出球心1314，将靶标1300的靶标参考系旋转，使得其轴平行于装置参考系的轴。然后，将顶点位置调节沿着对称轴的方向的深度，以得到球心的三维坐标。

如在图12A至图12B所示的空气式立体角的情况下，玻璃立体角的顶点可以相对于球心不仅在深度上而且还在垂直于对称线或轴1360的两个横向方向上偏移。这以与在空气式立体角的情况下相同的方式通过旋转靶标参考系以使得其轴平行于装置参考系的相应轴来完成。然后，将顶点的坐标平移合适的深度和横向长度值，以获得球心在靶标参考系中的三维坐标。

图16描述了用于测量球形靶标的中心的方法1600。在步骤1610中，选择第一后向反射器。后向反射器可以是立体角后向反射器、猫眼后向反射器、照相测量靶标或任何其他类型的后向反射器。在步骤1620中，提供从球心延伸到后向反射器的参考点的矢量的至少一个分量的长度。所述至少一个长度中的每个长度被称为矢量长度分量。在三维空间中，存在三个独立的矢量长度分量。例如，矢量长度分量可以是深度，其是沿着矢量的对称轴的分量。矢量长度分量也可以是根据定义垂直于对称轴的横向长度。在步骤1630中，来自装置的光束照射第一后向反射器。例如，来自激光跟踪器的激光束可以照射球形六自由度靶标内的立体角后向反射器。

在步骤1640中，求出三个方位自由度。在‘758专利中详细地说明了针对空气式立体角后向反射器执行此操作的方法。在本申请中说明针对玻璃立体角执行此操作的方法。在步骤1650中，该装置测量第一距离和第一组两个角。例如，激光跟踪器可以测量从跟踪器上的点到后向反射器参考点的ADM或干涉仪距离、天顶角和方位角。

在步骤1660中，计算靶标的球心的三维坐标。如上所述的一个执行此操作的方式是旋转靶标参考系，以使得其轴平行于装置参考系的相应轴。然后，将后向反射器的后向反射器参考点沿一个或更多个方向平移指定量。所获得的三维坐标值是期望的结果。在步骤1670中，将该结果存储例如在处理器或处理器存储器中。

尽管以上描述的方法主要讨论了立体角后向反射器的情况，但是它们适用于任何类型的可以获得三个方位自由度的后向反射器。可以将在后向反射器靶标上或附近放置标记的方法与后向反射器例如猫眼后向反射器和照相测量靶标一起使用。猫眼后向反射器包含顶部透射球形表面和底部反射球形表面。顶部和底部球形表面可以具有相同或不同的半径。一种从猫眼制成六自由度靶标的方式是在顶部球形表面和中间层（例如将猫眼的上半球和下半球分离的平面层）上安置标记。将以与立体角后向反射器一起使用的标记相同的方式来对这样的标记进行解码——通过计算出合适的数学公式来将所观察到的图案与三个方位自由度相关联。以类似的方式，可以在球体内容纳的照相测量点上安置标记。可以在两个或更多个水平面上制造这样的标记，以提高系统检测倾斜的灵敏度。

一些类型的后向反射器具有需要在确定三个方位自由度的计算可以被完成之前被求解的对称性。例如，当沿着对称轴进行观察时，具有标以相同非反射部分的相交接合部的立体角后向反射器看来似乎具有六次对称。在图8C和图9C的正视图中可以看到相交接合部的三次对称。注意，所述线被分开120°。该三次对称变成被立体角反射的光的六次对称，因为相交接合部的非反射部分阻挡进入和离开立体角的光。一旦立体角倾斜使得沿对称轴观察不到立体角，破坏了六次对称，但是该要求仍然将立体角后向反射器的图像中的六个标记中的至少一个标记与物理相交接合部之一相关联。例如，在图7的图案——该图案表示可以在方位相机中看到的非反射区域的图案——中，六个非反射标记中的至少一个必须被识别为对应于立体角后向反射器的物理相交接合部之一。

根据靶标的大致方位，求出物理标记与由后向反射器反射的图案之间的关联。可以通过各种方法来确定该关联，此处描述了五种方法。第一种方法使用参考标记或特征，例如图8A和图9A分别示出的标记801或901。在测量的开始，操作员将参考标记或特征保持在指定方位。例如，可以将参考标记或特征保持成与径直指向跟踪器的后向反射器保持水平。装置记录非反射部分的位置并将这些位置与指定方位相关联，以建立在装置参考帧中的大致方位。该大致方位使得装置内的软件能够将在光敏阵列上看到的特定线与立体角的特定相交接合部进行匹配。利用该方法，操作员被告知是否丢失大致方位，使得可以再次将靶标保持在指定方位，以再次建立新的大致方位。可以通过装置上的闪光灯、发射可听见的声音或使用各种其他方法来使操作员知道再次建立大致方位的需要。

用于建立大致方位的第二种方法是：在较大型的后向反射器附近使用小的参考后向反射器。这样的参考后向反射器被表示为‘758专利的图17中的元件1708。参考后向反射器可以位于靠近较大型的后向反射器的多个位置。在本申请中，例如，参考后向反射器可以位于图8D的位置822或图9D的位置922处。

一种用于使用参考后向反射器来建立大致方位的模式是：同时照射参考后向反射器和较大型的后向反射器。这可以例如通过使靠近方位相机52的光源54进行闪光来实现。如果激光跟踪器10相对地靠近靶标，则定位器相机将能够区分两个光源的相对位置，从而建立大致方位。

用于使用参考后向反射器来建立大致方位的第二模式是：通过将来自跟踪器的激光束移至第一转向角（包括第一方位角和第一天顶角）以将激光束集中在较大型的后向反射器上来开始。然后，跟踪器将光束远离后向反射器的中心移动从较大靶标到较小靶标的距离。激光跟踪器通过将激光束移动如下弧度角实现上述操作：所述弧度角等于预先从靶标尺寸已知的距离除以从跟踪器到后向反射器靶标的距离。在将激光束远离中心移动之后，激光束绕初始中心点以圆形图案进行旋转，直到较小后向反射器被截取为止。然后，将激光束集中到较小靶标上，以获得第二转向角（包括第二方位角和第二天顶角）。根据第一转向角和第二转向角的相对值来确定大致方位。当到靶标的距离太大而利用定位器相机52不能准确地进行测量时，所述使用参考后向反射器的第二模式是有用的。

用于建立大致方位的第三种方法是：使用靶标光源，其可以是LED，位于位置822或922处。照射这样的靶标光源，以使得定位器相机例如定位器相机52能够观察靶标光源相对于后向反射器的位置。以此方式，例如可以通过靶标光源来标记后向反射器的特征（例如相交接合部）的位置。

用于建立大致方位的第四种方法是：使用反射材料区域，其可以例如位于位置822或922处。一般地，大多数反射材料不以与后向反射器（例如立体角或高质量猫眼）一样窄的光束宽度来反射光。因为反射率的这种不均匀性，所以反射材料可能需要比立体角或猫眼更大的曝光。这样的长期曝光可能导致定位器相机的光敏阵列上的图像的渐晕（blooming）。为了解决该问题，可以相对地靠近定位器相机52的镜头系统设置至少一个光源，并且可以相对地远离镜头系统设置至少一个光源。如‘758专利的图17A至图17C所示，必须相对地靠近定位器相机来放置光源，以用于定位器相机捕获光源。另一方面，因为即使意在为高反射或“回射”的反射材料以相对大的角度来反射光，距定位器相机相对较远的光也将被反射材料反射并进入定位器相机。图17A至图17B中示出了这样的布置。图17A示出了定位器相机/照射系统1700，该定位器相机/照射系统1700包括定位器相机/照射系统1710和距离较远的光源1720。定位器相机/照射系统1710包括定位器相机1712和至少一个光源1714。定位器相机可以包括镜头系统（未示出）和光敏阵列（未示出）。图17B示出了两个定位器相机/照射系统1700，它们位于装置的入口/出口孔径1760的两侧。

图18A至图18B描绘了以上描述的方法背后的原理。在图18A中，来自光源1810的光从后向反射器1820反射，后向反射器1820可以是任何类型的后向反射器。对于高质量后向反射器例如立体角后向反射器而言，每束光产生后向反射的平行光束。如果光束入射在后向反射器上，但是相对于后向反射器参考点（例如，顶点）偏移，则反射光束将在后向反射器参考点的另一侧偏移相同的量。因此，如图18A所示，与定位器相机1830相距较远的光源1810不能通过照射后向反射器1820来使得反射光被镜头1832和光敏阵列1836捕获。另一方面，如图18B所示，与定位器相机1830相距较远的光源1810可以通过照射反射材料区域1860来使得反射光被镜头1832和光敏阵列1836捕获。因此通过使靠近跟踪器的光闪光，可以识别后向反射器的位置。通过使与跟踪器相距较远的光闪光，可以识别反射区域的位置。在后一种情况下，只要需要，可以一直保持照射，因为来自立体角后向反射器的光将不会使定位器相机饱和并且不会导致渐晕。

一般地，在激光跟踪器已经停止测量靶标一段时间的情况下，仅需要确定大致方位。在持续测量期间，基于先前的测量以相对较高的精度获知后向反射器的位置，并且因此不需要大致测量。

图19示出了在激光跟踪器10内部和外部的电子部件和计算部件。这些电子部件和计算部件仅是代表性的，并且应当理解的是，其他配置也是可以的。主处理器1970将数据消息发送到激光跟踪器内的处理器以及接收数据消息。可以通过有线、光学或无线装置总线1930来发送这些信息。可以独立地执行用于激光跟踪器内的功能的处理。例如，可以存在位置探测器处理器1912、方位编码器处理器1914、天顶编码器处理器1916、ADM处理器1920、干涉仪处理器1922、定位器和方位相机处理器1924、六自由度处理器1926、指示灯处理器1918、以及RFID和无线处理器1928。RFID和无线处理器1928可以连接至用于发射或接收射频（RF）信号的天线1929。主处理器1970可以封装在盒（例如图2的接口盒70）里。可替代地，主处理器1970可以集成到跟踪器本体内部的电子设备中。来自主处理器的信号可以到达外部计算机25或连接至网络1944、1942。

图8D和图9D中描绘的多个元件可以类似地应用于具有探针延伸部的靶标。图20A至图20C描绘了具有探针尖端2060和探针延伸部2050的示例性六自由度靶标或探针组件2000。壳体2010容纳后向反射器2020。壳体2010可以包含参考特征2030，例如参考标记、参考后向反射器、反射材料区域或靶标光源。壳体2010可以包含电池组（未示出），该电池组连接至容纳电子部件（未示出）的紧凑电路板。天线2090或光源可以连接至电路板，以使得能够使用电磁信号来传送无线消息。执行器按钮2040、2042可以连接至电路板，以使得操作员能够将无线消息发送到激光跟踪器或其他装置。

附接至电路板的材料温度传感器2080可以连接至后向反射器2020或壳体2010以测量温度，并且使用该信息来校正2060的测量位置以考虑热膨胀或折射率的热变化。可以使用空气温度传感器组件2070来根据测量容积内的位置测量空气的温度。空气温度传感器组件2070包括空气温度传感器2072、保护器2074以及绝缘体2076。空气温度传感器可以是热敏电阻、RTD、热电偶或能够测量温度的任何其他装置。空气温度传感器可以放置在可能是例如空心圆筒的保护器结构中。保护器的目的是要防止温度传感器受损并保持热源远离温度传感器。保护器在端处敞开，并且可以包含孔眼以增加将温度传感器暴露给空气的暴露。在壳体2010与空气温度传感器2072之间设置有绝缘体2076。绝缘体防止传感器暴露于靶标的金属，靶标的金属可能处于不同于周围空气温度的温度。空气传感器的使用类似于以上关于图8D和图9D所描述的情况。

电路板上的电存储部件可以被用作识别器来将存储在存储部件上的信息发送到电路板上的发射器，发射器通过天线2090或光源来发送信息。这样的信息可能包括识别靶标的序列号或至少一个参数。参数可能表示例如靶标的几何特性、光学特性或热特性。可替代地，识别信息可以存储在条形码图案或RFID标签上。可以通过被布置在跟踪器上的定位器相机来读取条形码图案，并且可以通过激光跟踪器或其他装置上的RF阅读器来读取RFID标签。

图21A至图21C描绘了六自由度靶标或探针组件2100的另外的实施方式。该探针类似于以上关于图20A至图20C所描述的探针，除了探针延伸部2150以任意角倾斜并利用旋钮2160锁定在适当地方之外。部件2120、2130、2140、2142、2170、2180、2190和2195分别执行与上面描述的部件2020、2030、2040、2042、2070、2080、2090和2095的功能相同的功能。

尽管以上描述涉及本发明的特定实施方式，但是将要理解的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可以作出许多修改。所附权利要求旨在覆盖这样的会落入本发明的真实范围和精神内的修改。

因此，目前所公开的实施方式在所有方面均被视为是说明性和非限制性的，本发明的范围由所附权利要求来表示，而非由以上描述来表示，并且因此在权利要求的含义和等价范围内的所有变化旨在包含在本发明的范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种通过装置（10）来测量靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100）的方法，所述方法包括如下步骤：

设置所述靶标（1610），其中，所述靶标具有靶标参考系（40）并且包括第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330）和本体（802、902、1012、1102、1310），所述本体具有球形外部部分（1312），所述球形外部部分具有球心（1222、1314）和球半径（1242），所述本体包含腔（815、915），所述腔的尺寸被确定成容纳所述第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330），所述腔朝向所述本体的外部敞开，所述第一后向反射器至少部分地布置在所述腔中，所述第一后向反射器具有在所述靶标参考系中的第一后向反射器参考点（514、614、740、808、908、1212、1334）；

设置所述装置（1615、10），其中，所述装置具有装置参考系（30）和第一光源（405、410），所述装置被配置成测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的距离（22、26）和两个角（71、72）；

确定从所述第一后向反射器参考点延伸到所述球心的矢量在所述靶标参考系中的至少一个矢量长度分量（1620、1281、1282、1283），所述矢量具有大于0的长度；

利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器（1630），以提供被返回所述装置的第一反射光；

至少部分地基于所述第一反射光来测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的第一距离和第一组两个角（1640、71、72），所述第一距离至少部分地基于光在从所述装置行进到所述第一后向反射器参考点的路径上的光的速度；

确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度（1650），其中所述三个方位自由度足以全面地限定所述靶标参考系在所述装置参考系中的方位；

至少部分地基于所述第一距离、所述第一组两个角、所述三个方位自由度和所述至少一个矢量长度分量来计算所述球心在所述装置参考系内的三维坐标（1660）；

存储所述球心的所述三维坐标（1670）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器被选择为具有三个平面反射器（512、612、1332）的立体角后向反射器（804、904、1004、1104、1330），每个平面反射器能够反射光，每个平面反射器垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器与其他两个平面反射器在公共顶点（514、614、740、808、908、1212、1334）相交，并且每个平面反射器具有两个相交接合部（809、909），并且每个相交接合部被相邻的平面反射器共享，以在所述立体角后向反射器内总共具有三个相交接合部，所述立体角后向反射器具有相对于所述三个平面反射器的对称轴（1360）；以及

在所述确定至少一个矢量长度分量的步骤（1620）中，所述第一后向反射器参考点是所述顶点。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

设置工件（1680、61），所述工件具有工件表面；

将所述球形外部部分（1690、1312）与所述工件表面接触地放置；以及

至少部分地基于所述球半径（1242）和所述球心（1222、1314）的所述三维坐标来计算所述工件表面上的点（1695、63）的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述设置所述装置（1615、10）的步骤包括：设置第一相机（445），其中所述第一相机包括第一光敏阵列（447）和第一镜头系统（446）；以及

所述确定三个方位自由度的步骤（1650）包括：在所述第一光敏阵列上捕获由所述第一反射光所产生的第一照射图案（700）；以及获得由所述第一光敏阵列捕获的所述第一照射图案的数字表示，所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度（1650）至少部分地基于所述第一照射图案的所述数字表示。

5.根据权利要求4所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器被选择为具有三个平面反射器（512、612、1332）的立体角后向反射器（804、904、1004、1104、1330），每个平面反射器能够反射光，每个平面反射器垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器与其他两个平面反射器在公共顶点（514、614、740、808、908、1212、1334）相交，并且每个平面反射器具有两个相交接合部（809、909），每个相交接合部被相邻的平面反射器共享，以在所述立体角后向反射器内总共具有三个相交接合部，所述立体角后向反射器具有相对于所述三个平面反射器的对称轴（1360）；以及

在所述确定至少一个矢量长度分量的步骤（1620）中，所述第一后向反射器参考点是所述顶点。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器设置有至少一个非反射标记（516、517、616、617）。

7.根据权利要求5所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器在所述三个相交接合部（809、909）中的每一个相交接合部处设置有非反射部分（516、517、616、617）；以及

在所述确定三个方位自由度的步骤（1650）中，所述在所述第一光敏阵列（447）上捕获由所述第一反射光所产生的第一照射图案（700）包括：捕获由所述非反射部分所产生的多条线（710、720、730）。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1650）还包括：计算所述多条线中的每条线的斜度，所述确定所述三个方位自由度至少部分地基于所计算的斜度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述靶标设置有三个平面反射器（904、1004、1330），所述三个平面反射器为玻璃棱镜的表面，所述玻璃棱镜具有顶部表面（1338），所述顶部表面在所述顶点（1334）的远端，所述玻璃棱镜具有折射率，所述玻璃棱镜在所述靶标参考系中具有垂直于所述顶部表面（1338）的法向矢量（1348），所述玻璃棱镜具有等于从所述顶点到所述对称轴与所述顶部表面相交的相交点（1344）的距离的高度长（1346），并且所述玻璃棱镜具有深度（1281），所述深度是沿着所述对称轴的矢量长度分量（1281）；以及

在所述计算所述球心的三维坐标的步骤（1660）中，所述计算至少部分地基于所述折射率、所述高度长、所述垂直于所述顶部表面的法向矢量、以及所述深度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：

所述确定至少一个矢量长度分量的步骤（1620）还包括：确定两个横向长度（1282、1283），所述两个横向长度是位于与所述对称轴（1360）垂直的平面中的矢量长度分量（1282、1283）；以及

所述计算所述球心（1660、1222）的三维坐标的步骤至少部分地基于所述两个横向长度。

11.根据权利要求4所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置参考特征（801、901、822、2030）；

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1650）包括：确定所述靶标参考系（40）在所述装置参考系（30）中的大致方位；以及

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位是通过使用所述参考特征来获得的。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述参考特征（801、901、822、2030）是参考标记（801、901），所述参考标记布置在所述靶标参考系中所述靶标上的参考方位中；以及

在所述确定所述三个方位自由度的步骤中，所述大致方位至少部分地基于所述参考方位。

13.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有反射材料的参考特征（822、922）；

所述设置所述装置的步骤（1615）包括：设置第二相机（52、54、1700、1800），所述第二相机具有第二光敏阵列（1836）、第二镜头系统（1832）、第二光源（54、1714、1810）以及第三光源（1720），所述第二光源比所述第三光源靠近所述第二镜头系统，所述第二光源和所述第三光源被配置成使得当所述第二光源照射所述第一后向反射器（2020）和所述反射材料区域（822、922、1860、2030）时，所述第二光敏阵列所接收到的总光功率中由所述第一后向反射器反射的光大于由所述反射材料区域反射的光，所述第二光源和所述第三光源还被配置成使得当所述第三光源照射所述第一后向反射器和所述反射材料区域时，所述第二光敏阵列所接收到的总光功率中由所述反射材料区域反射的光大于由所述第一后向反射器反射的光；

所述利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器的步骤（1630）包括：利用来自所述第二光源的光来照射所述参考特征，以在所述第二光敏阵列上获得第二照射图案；

所述利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器的步骤（1630）包括：利用来自所述第三光源的光来照射所述反射材料区域，以在所述第二光敏阵列上获得第三照射图案；以及

所述确定三个方位自由度的步骤（1650）包括：至少部分地基于所述第二照射图案和所述第三照射图案来确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位。

14.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述装置的步骤（1615）包括：设置第二相机（52、54、1700、1800），所述第二相机具有第二光敏阵列（1836）、第二镜头系统（1832）以及第二光源（54、1714、1810）；

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有参考后向反射器的参考特征（822、922）；

所述照射所述第一后向反射器的步骤（1630）还包括：利用来自所述第二光源的光来同时照射所述参考后向反射器和所述第一后向反射器，以在所述第二光敏阵列上获得第二照射图案；以及

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1640）还包括：至少部分地基于所述第二照射图案来确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位。

15.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有第二后向反射器的参考特征（822、922）；

设置光束转向机构以对来自所述第一光源的光进行转向；

将来自所述第一光源的光转向至所述第二后向反射器，并且测量第二组两个角；以及

至少部分地基于所述第一组两个角和所述第二组两个角来计算所述大致方位。

16.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有靶标光源（822、922、2030）的参考特征（822、922）；

所述设置所述装置的步骤（1615）包括：设置第二相机（52、54、1700、1800），所述第二相机具有第二光敏阵列（1836）、第二镜头系统（1832）以及第二光源（54、1714、1810）；

所述照射所述第一后向反射器的步骤（1630）还包括：利用来自所述第二光源的光来照射所述第一后向反射器以在所述第二光敏阵列上获得第二照射图案，并且照射所述靶标光源以在所述第二光敏阵列上获得第三照射图案；以及

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1650）还包括：至少部分地基于所述第二照射图案和所述第三照射图案来确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算所述球心在所述装置参考系（30）内的三维坐标的步骤（1660）还取决于由与所述靶标热接触的温度传感器（832）所测量的温度。

18.一种通过装置（10）来获得靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100）的特征的方法，所述方法包括如下步骤：

设置所述靶标（2210），其中，所述靶标具有靶标参考系（40）并且包括第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330）和本体（802、902、1012、1102、1310），所述本体包含开口（815、915），所述开口的尺寸被确定成容纳所述第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330），所述开口朝向所述本体的外部敞开，所述第一后向反射器至少部分地布置在所述开口中，所述第一后向反射器具有在所述靶标参考系中的第一后向反射器参考点（514、614、740、808、908、1212、1334）；

设置球形接触元件（2220、62、2000、2100），所述球形接触元件具有相对于所述本体刚性地固定的球形弯曲区域，所述球形接触元件具有球心（1222、1314）和球半径（1242）；

设置装置（2230、10），其中，所述装置具有装置参考系（30）和第一光源（405、410），所述装置被配置成测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的距离（22、26）和两个角（71、72）；

设置位于所述本体上的识别器元件（2240、824），所述识别器元件被配置成存储第一信息，所述识别器元件是条形码图案和射频识别标签之一，所述第一信息包括所述球半径和序列号之一，所述序列号被处理器访问以获得所述球半径；

设置工件（2250、61），所述工件具有工件表面；

将所述球形接触元件（2260、1312）与所述工件表面接触地放置；

利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器（2270、1630），以提供被返回所述装置的第一反射光；

至少部分地基于所述第一反射光来测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的第一距离和第一组两个角（2280、71、72），所述第一距离至少部分地基于光在从所述装置行进到所述第一后向反射器参考点的路径上的光的速度；

利用被附接至所述装置的第一阅读器来读取所述第一信息（2290），所述第一阅读器是条形码扫描器、射频识别阅读器和相机之一；以及

至少部分地基于所述第一距离、所述第一组两个角和所述第一信息来计算所述工件表面上的点（63）的三维坐标（2290）。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述设置所述靶标的步骤中，所述球形接触元件和所述本体具有相同的球心和球半径。

20.一种靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100），包括：

后向反射器（804、904、1004、1104、1330、2020、2120）；

具有球形外部部分（1312）的本体（802、902、1012、1102、1310），所述本体包含腔（815、915），所述腔的尺寸被确定为容纳所述后向反射器，所述腔朝向所述本体的外部敞开，所述后向反射器至少部分地布置在所述腔内；

发射器（830），所述发射器被配置成发射电磁信号；以及

第一执行器（826），所述第一执行器被配置成启动所述电磁信号的发射。

21.根据权利要求23所述的靶标，其中，所述第一执行器是按钮。

22.根据权利要求23所述的靶标，还包括第二执行器（826）。

23.一种靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100），包括：

具有球形弯曲区域的接触元件（62、1312、2060、2160）；

刚性地连接至所述接触元件的后向反射器（804、904、1004、1104、1330）；

发射器（830），所述发射器被配置成发射电磁信号；以及

布置在所述靶标上的温度传感器（832、834、836），所述温度传感器被配置成测量空气温度并且将所测量的空气温度发送到所述发射器。

Claims (23)

1.一种通过装置（10）来测量靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100）的方法，所述方法包括如下步骤：

设置所述靶标（1610），其中，所述靶标具有靶标参考系（40）并且包括第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330）和本体（802、902、1012、1102、1310），所述本体具有球形外部部分（1312），所述球形外部部分具有球心（1222、1314）和球半径（1242），所述本体包含腔（815、915），所述腔的尺寸被确定成容纳所述第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330），所述腔朝向所述本体的外部敞开，所述第一后向反射器至少部分地布置在所述腔中，所述第一后向反射器具有在所述靶标参考系中的第一后向反射器参考点（514、614、740、808、908、1212、1334）；

设置所述装置（1615、10），其中，所述装置具有装置参考系（30）和第一光源（405、410），所述装置被配置成测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的距离（22、26）和两个角（71、72）；

确定从所述第一后向反射器参考点延伸到所述球心的矢量在所述靶标参考系中的至少一个矢量长度分量（1620、1281、1282、1283），所述矢量具有大于0的长度；

利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器（1630），以提供被返回所述装置的第一反射光；

至少部分地基于所述第一反射光来测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的第一距离和第一组两个角（1640、71、72），所述第一距离至少部分地基于光在从所述装置行进到所述第一后向反射器参考点的路径上的光的速度；

确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度（1650），其中所述三个方位自由度足以全面地限定所述靶标参考系在所述装置参考系中的方位；

至少部分地基于所述第一距离、所述第一组两个角、所述三个方位自由度和所述至少一个矢量长度分量来计算所述球心在所述装置参考系内的三维坐标（1660）；

存储所述球心的所述三维坐标（1670）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器被选择为具有三个平面反射器（512、612、1332）的立体角后向反射器（804、904、1004、1104、1330），每个平面反射器能够反射光，每个平面反射器垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器与其他两个平面反射器在公共顶点（514、614、740、808、908、1212、1334）相交，并且每个平面反射器具有两个相交接合部（809、909），并且每个相交接合部被相邻的平面反射器共享，以在所述立体角后向反射器内总共具有三个相交接合部，所述立体角后向反射器具有相对于所述三个平面反射器的对称轴（1360）；以及

在所述确定至少一个矢量长度分量的步骤（1620）中，所述第一后向反射器参考点是所述顶点。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

设置工件（1680、61），所述工件具有工件表面；

将所述球形外部部分（1690、1312）与所述工件表面接触地放置；以及

至少部分地基于所述球半径（1242）和所述球心（1222、1314）的所述三维坐标来计算所述工件表面上的点（1695、63）的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述设置所述装置（1615、10）的步骤包括：设置第一相机（445），其中所述第一相机包括第一光敏阵列（447）和第一镜头系统（446）；以及

所述确定三个方位自由度的步骤（1650）包括：在所述第一光敏阵列上捕获由所述第一反射光所产生的第一照射图案（700）；以及获得由所述第一光敏阵列捕获的所述第一照射图案的数字表示，所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度（1650）至少部分地基于所述第一照射图案的所述数字表示。

5.根据权利要求4所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器被选择为具有三个平面反射器（512、612、1332）的立体角后向反射器（804、904、1004、1104、1330），每个平面反射器能够反射光，每个平面反射器垂直于其他两个平面反射器，每个平面反射器与其他两个平面反射器在公共顶点（514、614、740、808、908、1212、1334）相交，并且每个平面反射器具有两个相交接合部（809、909），每个相交接合部被相邻的平面反射器共享，以在所述立体角后向反射器内总共具有三个相交接合部，所述立体角后向反射器具有相对于所述三个平面反射器的对称轴（1360）；以及

在所述确定至少一个矢量长度分量的步骤（1620）中，所述第一后向反射器参考点是所述顶点。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器设置有至少一个非反射标记（516、517、616、617）。

7.根据权利要求5所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述第一后向反射器在所述三个相交接合部（809、909）中的每一个相交接合部处设置有非反射部分（516、517、616、617）；以及

在所述确定三个方位自由度的步骤（1650）中，所述在所述第一光敏阵列（447）上捕获由所述第一反射光所产生的第一照射图案（700）包括：捕获由所述非反射部分所产生的多条线（710、720、730）。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1650）还包括：计算所述多条线中的每条线的斜度，所述确定所述三个方位自由度至少部分地基于所计算的斜度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述靶标设置有三个平面反射器（904、1004、1330），所述三个平面反射器为玻璃棱镜的表面，所述玻璃棱镜具有顶部表面（1338），所述顶部表面在所述顶点（1334）的远端，所述玻璃棱镜具有折射率，所述玻璃棱镜在所述靶标参考系中具有垂直于所述顶部表面（1338）的法向矢量（1348），所述玻璃棱镜具有等于从所述顶点到所述对称轴与所述顶部表面相交的相交点（1344）的距离的高度长（1346），并且所述玻璃棱镜具有深度（1281），所述深度是沿着所述对称轴的矢量长度分量（1281）；以及

在所述计算所述球心的三维坐标的步骤（1660）中，所述计算至少部分地基于所述折射率、所述高度长、所述垂直于所述顶部表面的法向矢量、以及所述深度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：

所述确定至少一个矢量长度分量的步骤（1620）还包括：确定两个横向长度（1282、1283），所述两个横向长度是位于与所述对称轴（1360）垂直的平面中的矢量长度分量（1282、1283）；以及

所述计算所述球心（1660、1222）的三维坐标的步骤至少部分地基于所述两个横向长度。

11.根据权利要求4所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置参考特征（801、901、822、2030）；

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1650）包括：确定所述靶标参考系（40）在所述装置参考系（30）中的大致方位；以及

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位是通过使用所述参考特征来获得的。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

在所述设置所述靶标的步骤（1610）中，所述参考特征（801、901、822、2030）是参考标记（801、901），所述参考标记布置在所述靶标参考系中所述靶标上的参考方位中；以及

在所述确定所述三个方位自由度的步骤中，所述大致方位至少部分地基于所述参考方位。

13.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有反射材料的参考特征（822、922）；

所述设置所述装置的步骤（1615）包括：设置第二相机（52、54、1700、1800），所述第二相机具有第二光敏阵列（1836）、第二镜头系统（1832）、第二光源（54、1714、1810）以及第三光源（1720），所述第二光源比所述第三光源靠近所述第二镜头系统，所述第二光源和所述第三光源被配置成使得当所述第二光源照射所述第一后向反射器（2020）和所述反射材料区域（822、922、1860、2030）时，所述第二光敏阵列所接收到的总光功率中由所述第一后向反射器反射的光大于由所述反射材料区域反射的光，所述第二光源和所述第三光源还被配置成使得当所述第三光源照射所述第一后向反射器和所述反射材料区域时，所述第二光敏阵列所接收到的总光功率中由所述反射材料区域反射的光大于由所述第一后向反射器反射的光；

所述利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器的步骤（1630）包括：利用来自所述第二光源的光来照射所述参考特征，以在所述第二光敏阵列上获得第二照射图案；

所述利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器的步骤（1630）包括：利用来自所述第三光源的光来照射所述反射材料区域，以在所述第二光敏阵列上获得第三照射图案；以及

所述确定三个方位自由度的步骤（1650）包括：至少部分地基于所述第二照射图案和所述第三照射图案来确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位。

14.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述装置的步骤（1615）包括：设置第二相机（52、54、1700、1800），所述第二相机具有第二光敏阵列（1836）、第二镜头系统（1832）以及第二光源（54、1714、1810）；

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有参考后向反射器的参考特征（822、922）；

所述照射所述第一后向反射器的步骤（1630）还包括：利用来自所述第二光源的光来同时照射所述参考后向反射器和所述第一后向反射器，以在所述第二光敏阵列上获得第二照射图案；以及

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1640）还包括：至少部分地基于所述第二照射图案来确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位。

15.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有第二后向反射器的参考特征（822、922）；

设置光束转向机构以对来自所述第一光源的光进行转向；

将来自所述第一光源的光转向至所述第二后向反射器，并且测量第二组两个角；以及

至少部分地基于所述第一组两个角和所述第二组两个角来计算所述大致方位。

16.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述设置所述靶标的步骤（1610）包括：设置含有靶标光源（822、922、2030）的参考特征（822、922）；

所述设置所述装置的步骤（1615）包括：设置第二相机（52、54、1700、1800），所述第二相机具有第二光敏阵列（1836）、第二镜头系统（1832）以及第二光源（54、1714、1810）；

所述照射所述第一后向反射器的步骤（1630）还包括：利用来自所述第二光源的光来照射所述第一后向反射器以在所述第二光敏阵列上获得第二照射图案，并且照射所述靶标光源以在所述第二光敏阵列上获得第三照射图案；以及

所述确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的三个方位自由度的步骤（1650）还包括：至少部分地基于所述第二照射图案和所述第三照射图案来确定所述靶标参考系在所述装置参考系中的大致方位。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算所述球心在所述装置参考系（30）内的三维坐标的步骤（1660）还取决于由与所述靶标热接触的温度传感器（832）所测量的温度。

18.一种通过装置（10）来获得靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100）的特征的方法，所述方法包括如下步骤：

设置所述靶标（2210），其中，所述靶标具有靶标参考系（40）并且包括第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330）和本体（802、902、1012、1102、1310），所述本体包含开口（815、915），所述开口的尺寸被确定成容纳所述第一后向反射器（804、904、1004、1104、1330），所述开口朝向所述本体的外部敞开，所述第一后向反射器至少部分地布置在所述开口中，所述第一后向反射器具有在所述靶标参考系中的第一后向反射器参考点（514、614、740、808、908、1212、1334）；

设置球形接触元件（2220、62、2000、2100），所述球形接触元件具有相对于所述本体刚性地固定的球形弯曲区域，所述球形接触元件具有球心（1222、1314）和球半径（1242）；

设置装置（2230、10），其中，所述装置具有装置参考系（30）和第一光源（405、410），所述装置被配置成测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的距离（22、26）和两个角（71、72）；

设置位于所述本体上的识别器元件（2240、824），所述识别器元件被配置成存储第一信息，所述识别器元件是条形码图案和射频识别标签之一，所述第一信息包括所述球半径和序列号之一，所述序列号被处理器访问以获得所述球半径；

设置工件（2250、61），所述工件具有工件表面；

将所述球形接触元件（2260、1312）与所述工件表面接触地放置；

利用来自所述第一光源的光来照射所述第一后向反射器（2270、1630），以提供被返回所述装置的第一反射光；

至少部分地基于所述第一反射光来测量从所述装置到所述第一后向反射器参考点的第一距离和第一组两个角（2280、71、72），所述第一距离至少部分地基于光在从所述装置行进到所述第一后向反射器参考点的路径上的光的速度；

利用被附接至所述装置的第一阅读器来读取所述第一信息（2290），所述第一阅读器是条形码扫描器、射频识别阅读器和相机之一；以及

至少部分地基于所述第一距离、所述第一组两个角和所述第一信息来计算所述工件表面上的点（63）的三维坐标（2290）。

19.根据权利要求18所述的探针组件，其中，在所述设置所述靶标的步骤中，所述球形接触元件和所述本体具有相同的球心和球半径。

20.一种靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100），包括：

后向反射器（804、904、1004、1104、1330、2020、2120）；

具有球形外部部分（1312）的本体（802、902、1012、1102、1310），所述本体包含腔（815、915），所述腔的尺寸被确定为容纳所述后向反射器，所述腔朝向所述本体的外部敞开，所述后向反射器至少部分地布置在所述腔内；

发射器（830），所述发射器被配置成发射电磁信号；以及

第一执行器（826），所述第一执行器被配置成启动所述电磁信号的发射。

21.根据权利要求23所述的靶标，其中，所述第一执行器是按钮。

22.根据权利要求23所述的靶标，还包括第二执行器（826）。

23.一种靶标（26、60、800、810、900、910、1000、1100、1120、1140、1200、1300、2000、2100），包括：

具有球形弯曲区域的接触元件（62、1312、2060、2160）；

刚性地连接至所述接触元件的后向反射器（804、904、1004、1104、1330）；

发射器（830），所述发射器被配置成发射电磁信号；以及

布置在所述靶标上的温度传感器（832、834、836），所述温度传感器被配置成测量空气温度并且将所测量的空气温度发送到所述发射器。

Images