CN103502842A - 使用光纤开关来减小漂移的绝对测距仪 - Google Patents

Abstract

一种尺度测量设备，被配置成将第一光束发送到远程目标，该目标返回第一光束的反射部分作为第二光束。该设备包括：第一光源；光纤耦合组件；光纤开关，该光纤开关被配置成接收处于第一状态或第二状态的电信号、而如果第一电信号处于第一状态则将第二部分发送出开关计量端口、或者如果第一电信号处于第二状态则将第二部分发送出开关参考端口。该设备还包括：光学系统；参考回射器；第一电路，该第一电路被配置成提供处于第一状态或第二状态的第一电信号、将第三部分转换成第一参考值、如果第一电信号处于第一状态则将第五部分转换成第一计量值、而如果第一电信号处于第二状态则将第七部分转换成第二参考值；以及处理器，该处理器被配置成确定从该尺度测量设备到目标的第一距离，第一距离至少部分地基于第一计量值、第一参考值和第二参考值。

Description

使用光纤开关来减小漂移的绝对测距仪

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年1月30日提交的美国临时专利申请No.61/592,049和于2011年4月15日提交的美国临时申请61/475,703的优先权，这两者的全部内容通过引用合并到本申请中。本申请还要求于2010年8月3日提交的美国专利申请No.12/849,065的优先权，该专利申请要求于2009年8月7日提交的美国临时专利申请No.61/232,222的优先权，这两者的全部内容通过引用合并到本申请中。

背景技术

本公开涉及一种坐标测量设备。一组坐标测量设备属于通过向点发送激光束来测量该点的三维（3D）坐标的一类仪器。该激光束可以直接照射该点，或者照射与该点接触的回射器目标。在任一情况下，该仪器通过测量到该目标的距离和两个角度来确定该点的坐标。该距离使用距离测量设备如绝对测距仪或干涉仪来测量。该角度使用角度测量设备如角编码器来测量。仪器内的万向节式光束转向机构将激光束导向感兴趣的点。

激光跟踪器是一种使用其发出的一个或多个激光束来跟踪回射器目标的特定类型的坐标测量设备。与激光跟踪器密切相关的坐标测量设备是激光扫描器和全站仪。激光扫描器将一个或多个激光束步进到表面上的点。激光扫描器接收从该表面散射的光并且根据该光确定到每个点的距离和两个角度。最常用于勘测应用中的全站仪可以用于测量漫散射或回射的目标的坐标。在下文中，术语激光跟踪器在广义上使用以包括激光扫描器和全站仪。

通常，激光跟踪器向回射器目标发送激光束。一种常见类型的回射器目标为球形安装的回射器（SMR），该球形安装的回射器包括嵌入金属球内的立体角回射器。该立体角回射器包括三个互相垂直的反射镜。顶点，即三个反射镜交叉的公共点，位于球的中心。由于球内立体角的这种放置，即使当SMR旋转时，从顶点到SMR静止在其上的任一表面的垂直距离保持恒定。因此，当SMR在表面移动时，通过跟随SMR的位置，激光跟踪器可以测量表面的3D坐标。换句话说，激光跟踪器仅需要测量3个自由度（一个径向距离和两个角度）就可以完全描述表面的3D坐标。

一种激光跟踪器仅包括干涉仪（IFM）而不包括绝对测距仪（ADM）。如果有物体阻挡了来自这些跟踪器之一的激光束的路径，IFM就失去了其距离参考。在继续该测量之前，操作人员必须将回射器跟踪到已知位置来重置参考距离。绕过这种限制的方法是在跟踪器内放置ADM。如下面更详细描述的，ADM可以以指点并射击方式（point-and-shoot manner）测量距离。一些激光跟踪器仅包括ADM而不包括干涉仪。Bridges等人的美国专利No.7,352,466（‘466）描述了一种能够精确地扫描移动目标的、仅具有ADM（而不具有IFM）的激光跟踪器，其内容通过引用合并到本申请中。在‘466专利以前，绝对测距仪太慢而不能精确地得到移动目标的位置。

激光跟踪器内的万向节机构可以用于将来自跟踪器的激光束导向SMR。由SMR回射的部分光进入激光跟踪器并且传递到位置检测器。激光跟踪器内的控制系统可以利用位置检测器上光的位置来调整激光跟踪器的机械轴的旋转角以使得激光束保持在SMR的中心。这样，跟踪器能够跟随（跟踪）在感兴趣物体的表面上移动的SMR。

角度测量设备如角编码器附接到跟踪器的机械轴。由激光跟踪器执行的一个距离测量和两个角度测量足以完整地指定SMR的三维位置。

若干激光跟踪器可用于或已经被提出用于测量六个自由度而不是普通的三个自由度。示例性六自由度（6-DOF）系统由Bridges等人的美国专利No.7,800,758（‘758）以及Bridges等人的美国已公布专利申请No.2010/0128259描述，上述两个专利的内容通过引用合并到本申请中。

在时间非相干光学系统中，在光学检测器中，光通常不与另一波长的光混合。最简单类型的时间非相干系统使用单个计量通道而没有参考通道。通常，对这样的系统中激光的光功率进行调制。从回射器返回的光击打光学检测器，光学检测器将光转换成具有同一调制频率的电信号。对信号进行电处理以得到从跟踪器到目标的距离。这种类型的系统的主要缺点是电学部件和光学部件的响应随时间的变化可能引起所计算出的距离的抖动和漂移。

为了减小时间非相干系统中的这些误差，一种方法是除了计量通道以外还创建参考通道。这通过创建两组电子器件来完成。一组电子器件在计量通道中。从远程回射器返回的已调制的激光由光学检测器转换成电信号并且通过这一组电子器件。另一组电子器件在参考通道中。电调制信号被直接施加于第二组电子器件。通过从在计量通道中得到的距离中减去在参考通道中测得的距离，ADM的读数中的抖动和漂移被减小。这种类型的方法去除了由电学部件造成的大部分易变性，特别是作为温度的函数的易变性。然而，这种类型的方法不能去除由于电光部件如激光器和检测器的差异而产生的易变性。

为了进一步减小这些误差，可以分离部分已调制的激光并且将其发送到参考通道中的光学检测器。当从计量距离中减去参考距离时，计量通道和参考通道的已调制的激光的大部分变化是共模的并且抵消。

尽管有这些改进，这样的ADM系统中的漂移仍然可能相对较大，尤其在很长的时间跨度或很大的温度变化时。上面所讨论的所有结构均服从由在计量通道和参考通道中不一致的电学元件和光学元件的变化所造成的漂移和重复性误差。在ADM系统中使用的光纤随温度改变光路径长度。在ADM系统中使用的电学组件如放大器和滤波器随温度改变电相。

Bridges的美国专利No.6,847,436中教示了一种用于大大减小激光跟踪器内的ADM中的漂移的影响的方法和设备，其内容通过引用合并到本申请中。该方法包括斩波器组件的使用以交替地将返回的激光重导向计量通道或参考通道。尽管该方法效果很好，但是斩波器的斩波轮的旋转速率的最大值存在限制，并且因此ADM的数据采集率存在限制。

Bridges等人的美国专利No.7,352,446中教示了一种测量到移动的回射器的距离的方法，其内容通过引用合并到本申请中。为了使用美国专利No.7,352,446的方法获得可能的最高性能，对距离以高速率——优选地以至少10kHz的频率——进行再计算。制作具有如此高的数据速率的如在美国专利第6,847,436号中的机械斩波器是困难的。因此需要寻找另一种方法来解决ADM漂移的问题。

可以通过在两个自由空间光路径之间机械地切换光束来矫正测距仪中的漂移。被称为参考路径的一个光路径在仪器内部。被称为计量路径的第二光路径从仪器行进出到正被计量的对象然后回到仪器。来自计量路径和参考路径的光击打单个光学检测器。由于机械开关的动作，来自两个参考路径的光不同时击打单个光学检测器。机械开关可以是机械地驱动的光学部件如镜子、棱镜、分束器、或斩波轮。驱动件可以是螺线管、电动机、音圈、手动调节器或类似的设备。因为光学检测器和电路对于计量路径和参考路径是相同的，所以几乎所有漂移误差都是共模的并且抵消。基于这种方法的发明的示例包括Hewlett等人的美国专利No.3,619,058、Madigan等人的美国专利No.3,728,025、DeWitt的美国专利No.3,740,141、Nakazawa等人的美国专利No.3,779,645、Hines等人的美国专利No.3,813,165、Shipp等人的美国专利No.3,832,056、Wendt的美国专利No.3,900,260、Wiklund的美国专利No.3,914,052、Epstein的美国专利No.4,113,381、Chaborski的美国专利No.4,297,030、Buck等人的美国专利No.4,453,825、Ohishi等人的美国专利No.5,002,388、Payne等人的美国专利No.5,455,670、Kaneko等人的美国专利No.5,737,068、Kubo的美国专利No.5,880,822、Hirunuma的美国专利No.5,886,777、Damm的美国专利No.5,991,011、Shirai等人的美国专利No.6,765,653、Bridges的美国专利No.6,847,436、Ohtomo等人的美国专利No.7,095,490、Ohtomo等人的美国专利No.7,196,776、Stierle等人的美国专利No.7,224,444、Schmidt等人的美国专利No.7,262,863、Aoki等人的美国专利No.7,336,346、Nakamura等人的美国专利No.7,339,655、Liu等人的美国专利No.7,471,377、Ohtomo等人的美国专利No.7,474,388、Osada的美国专利No.7,492,444、Oishi等人的美国专利No.7,518,709、Luo等人的美国专利No.7,738,083以及Wolf等人的已公布的美国专利No.US2009/0009747。因为所有这些专利都使用缓慢的机械开关，所以全部都不能足够快地切换以用在精确地测量移动的回射器的ADM中。

另一可能性是只在测距仪的电学部分并且不是光学部分矫正漂移。在这种情况下，来自参考光路径的光被发送到参考光学检测器，并且来自计量光路径的光被发送到计量光学检测器。来自参考检测器和光学检测器的电信号行进到电开关，该电开关轮流将来自两个检测器的电信号发送到唯一的电单元。该电单元处理该信号以得到距该目标的距离。基于这种方法的发明的示例包括：的美国专利No.3,365,717、Reifer的美国专利No.5,742,379、Steinlechner的美国专利No.6,369,880、Giger的美国专利No.6,463,393、Giger的美国专利No.6,727,985、Giger的美国专利No.6,859,744以及Giger的美国专利No.6,864,966。尽管电学开关的使用能够减小ADM系统的电学部分的漂移，但其不能够去除光学部分的漂移，光学部分的漂移通常和电学部分的漂移相同大或者大于电学部分的漂移。另外，实现能够足够快地切换以避免在以数GHz调制的电信号中的相位移动的电切换系统是困难的。因为其受限的应用以及实现的困难，电学开关不是用于矫正ADM中的漂移的好的解决办法。

对于双稳态测距仪，存在两个讨论光纤开关的使用的参考文档。Constantikes的已公布的美国专利No.US2009/0046271教示了一种方法，在这种方法中，一个光纤开关放置在向外的光束路径中并且第二光纤开关放置在返回的光束路径中。这两个光纤开关同时切换以允许来自计量路径或参考路径的光到达光学检测器。Cole的美国专利No.4,689,489教示了光纤开关的使用，在该光纤开关中，来自双稳态测距仪的返回端口的光进入开关的一个端口，并且来自向外光束的光进入开关的第二端口。在这些参考文档中所描述的光纤开关结构仅应用于双稳态设备并且由于较早所讨论的原因而不能够用于激光跟踪器。

在Bridges的已公布的美国专利No.2011/0032509中公开了对通过使用光纤开关来降低漂移的ADM的描述，其因此通过引用合并到本申请中。该专利中所公开的方法是，当将从计量光学系统或者参考光学系统所接收的光学信号发送到唯一的光学检测器和唯一的一组电子器件时，使用光纤开关以在计量通道和参考通道之间以高的速度交替。该方法非常有效地去除了漂移。但是，非常快速的光纤开关可能相对地昂贵。需要一种不使用这种相对快速且昂贵的光纤开关去除漂移的方法。

需要一种以很小的漂移精确地测量移动目标的ADM。该AMD在实现相对便宜的同时必须是单稳态的并且使漂移最小化。

发明内容

根据本发明的一种实施方式，尺度测量设备被配置成将第一光束发送到远程目标，该目标具有空间中的位置，该目标返回第一光束的反射部分作为第二光束。测量设备包括：第一光源，第一光源被配置成发出第一光；光纤耦合器组件，包括耦合器输入端口、耦合器输出端口、耦合器计量端口和耦合器参考端口，该光纤耦合器组件被配置成通过耦合器输入端口接收第一光束的第一部分、将第一部分的第二部分发送出耦合器输出端口、并且将第一部分的第三部分发送出耦合器参考端口。测量设备还包括：光纤开关，该光纤开关包括开关输入端口、开关计量端口和开关参考端口，光纤开关被配置成通过开关输入端口接收第二部分、接收处于第一状态或第二状态的第一电信号、而如果第一电信号处于第一状态则将第二部分发送出开关计量端口，或如果第一电信号处于第二状态则将第二部分发送出开关参考端口。测量设备还包括：光学系统，该光学系统被配置成接收来自开关计量端口的第二部分并且将第二部分发送出尺度测量设备作为第一光束，该光学系统还被配置成接收第二光束作为第四部分、将第四部分发送到开关计量端口中，光纤开关被配置成接收第四部分并且将第四部分发送到耦合器输出端口中，光纤耦合器组件被配置成将第四部分的第五部分发送出耦合器计量端口；参考回射器，该参考回射器被配置成接收来自开关参考端口的第二部分并且将返回到耦合器输出端口其作为第六部分，光纤耦合器组件被配置成将第六部分的第七部分发送到耦合器计量端口。测量设备更进一步还包括：第一电路，该第一电路被配置成提供处于第一状态或第二状态的第一电信号、将第三部分转换成第一参考值、如果第一电信号处于第一状态则将第五部分转换成第一计量值、而如果第一电信号处于第二状态则将第七部分转换成第二参考值；以及处理器，该处理器被配置成确定从尺度测量设备到目标的第一距离，第一距离至少一部分基于第一计量值、第一参考值和第二参考值。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种用于尺度测量设备的方法，该尺度测量设备将第一光束发送到目标，该目标返回第一光束的一部分作为第二光束。该方法包括以下步骤：提供第一光源、光纤耦合器组件、光纤开关、光学系统、参考回射器、第一电路和处理器，第一光源被配置成发出第一光，光纤耦合器组件包括耦合器输入端口、耦合器输出端口、耦合器计量端口和耦合器参考端口，光纤开关包括开关输入端口、开关计量端口和开关参考端口。该方法还包括：通过耦合器输入端口接收第一光束的第一部分；将第一部分的第二部分发送出耦合器输出端口；将第一部分的第三部分发送出耦合器参考端口；通过开关输入端口接收第二部分；由光纤开关接收处于第一状态或第二状态的第一电信号；如果第一电信号处于第一状态则将第二部分发送出开关计量端口，或如果第一电信号处于第二状态则将第二部分发送出开关参考端口；由光学系统接收来自开关计量端口的第二部分并且将第二部分发送出尺度测量设备作为第一光束；由光学系统接收第二光束作为第四部分并且将第四部分发送到开关计量端口中；由光纤开关接收第四部分并且将第四部分发送到耦合器输出端口中；将第四部分的第五部分发送到耦合器计量端口；由参考回射器接收来自开关参考端口的第二部分并且将第六部分返回到耦合器输出端口；将第六部分的第七部分发送到耦合器计量端口；将第三部分转换成第一参考值、如果第一电信号处于第一状态则将第五部分转换成第一计量值、而如果第一电信号处于第二状态则将第七部分转换成第二参考值；确定从尺度测量设备到目标的第一距离，该第一距离至少部分地基于第一计量值、第一参考值和第二参考值；以及存储所确定的第一距离。

附图说明

现在，参照附图示出示例性实施方式，实施方式不应被理解为关于本公开的整个范围的限制，且其中，在若干图中以类似的附图标记表示元件：

图1是根据本发明实施方式的具有回射器目标的激光跟踪器系统的透视图；

图2是根据本发明实施方式的具有6-DOF目标的激光跟踪器系统的透视图；

图3是根据本发明实施方式的描述激光跟踪器的光学器件和电子器件的框图；

图4包括图4A和图4B，示出了两种类型的现有技术无焦扩束器；

图5示出了现有技术光纤光束发射；

图6A至6D是示出了四种类型的现有技术位置检测器组件的示意图，且图6E和6F是示出了根据本发明实施方式的位置检测器组件的示意图；

图7是现有技术ADM内的电学元件和电光元件的框图；

图8A和8B是示出了现有技术光纤网络内的光纤元件的示意图；

图8C是示出了根据本发明实施方式的光纤网络内的光纤元件的示意图；

图9是现有技术激光跟踪器的分解图；

图10是现有技术激光跟踪器的横截面图；

图11是根据本发明实施方式的激光跟踪器的计算元件和通信元件的框图；

图12A是根据本发明实施方式的使用单波长的激光跟踪器中的元件的框图；

图12B是根据本发明实施方式的使用单波长的激光跟踪器中的元件的框图；

图13是根据本发明实施方式的具有6-DOF能力的激光跟踪器中的元件的框图；

图14A-D是根据本发明实施方式的具有6-DOF能力的激光跟踪器中的元件的框图；

图15是根据本发明实施方式的激光跟踪器中的元件的框图；

图16是示出了根据本发明实施方式的光纤组件内的元件的示意图；

图17是根据本发明实施方式的具有6-DOF能力的激光跟踪器中的元件的框图；

图18A是根据本发明实施方式的包括光纤开关的光纤组件的框图；

图18B-C是根据本发明实施方式的光纤回射器的框图；

图19是根据本发明实施方式的用于执行测量的方法的流程图；

图20是根据本发明实施方式的用于执行测量的方法的流程图；以及

图21是根据本发明实施方式的用于执行测量的方法的流程图。

具体实施方式

图1中示出的示例性激光跟踪器系统5包括激光跟踪器10、回射器目标26、可选的辅助单元处理器50和可选的辅助计算机60。激光跟踪器10的示例性万向节式光束转向机构12包括安装在方位底座16上并且绕方位轴20旋转的顶点支架14。有效荷载15安装在顶点支架14上并且绕顶点轴18旋转。顶点轴18与方位轴20在跟踪器10内部正交地相交于万向节点22，通常该万向节点22是距离测量的原点。激光束46基本上通过万向节点22并且正交地指向顶点轴18。换言之，激光束46近似地垂直于与顶点轴18和方位轴20二者平行的任何平面。射出的激光束46通过有效荷载15绕顶点轴18的旋转以及顶点支架14绕方位轴22的旋转而指向期望的方向。跟踪器内部的顶点角编码器附接到与顶点轴18对准的顶点机械轴。跟踪器内部的方位编码器附接到与方位轴20对准的方位机械轴。顶点角编码器和方位编码器以相对高的精度测量顶点旋转角和方位旋转角。射出的激光束46行进到回射器目标26，回射器目标26可以是例如如上面所描述的球形安装的回射器（SMR）。通过测量万向节点22与回射器26之间的径向距离、绕顶点轴18的旋转角和绕方位轴20的旋转角，可以在跟踪器的球形坐标系统内得到回射器26的位置。

如下文所描述的，射出的激光束46可以包括一个或多个激光波长。出于清晰和简单的目的，在下面的讨论中假定图1中示出的类型的转向机构。然而，其他类型的转向机构也是可以的。例如，可以经绕方位轴和顶点轴旋转的反射镜反射激光束。不论转向机构的类型，本文中所描述的技术都是适用的。

激光跟踪器上可以包括磁靶座17，用于针对不同尺寸的SMR例如1.5、7/8英寸和1/2英寸的SMR将激光跟踪器重置到“初始”位置。跟踪器上的回射器19可以用于将跟踪器重置到参考距离。另外，如美国专利No.7,327,446所描述的，跟踪器上的反射镜——从图1的视图中不可见——可以结合跟踪器上的回射器用于以使得能够执行自补偿，其内容通过引用合并到本申请中。

图2示出了示例性激光跟踪器系统7，除了回射器目标26被替换为6-DOF探头1000以外，激光跟踪器系统7与图1的激光跟踪器系统5相似。在图1中，可以使用其他类型的回射器目标。例如，有时使用猫眼回射器，该猫眼回射器是将光聚集到玻璃结构的反射性后表面上的小光斑的玻璃回射器。

图3是示出了激光跟踪器实施方式中的光学元件和电学元件的框图。图3示出了激光跟踪器的元件，这些元件发出两种波长的光的——第一波长用于ADM，且第二波长用于可见指示器和用于跟踪。可见指示器使得用户能够看见由跟踪器发出的激光束点的位置。使用自由空间分束器组合这两种不同波长的光。电光（EO）系统100包括可见光源110、隔离器115、可选的第一光纤发射器170、可选的干涉仪（IFM）120、扩束器140、第一分束器145、位置检测器组件150、第二分束器155、ADM160和第二光纤发射器170。

可见光源110可以是激光、超发光二极管或其他发光器件。隔离器115可以是法拉第隔离器、衰减器或能够减小反射回光源的光的其他器件。可以以多种方式配置可选的IFM。作为可能实现的具体示例，IFM可以包括分束器122、回射器126、四分之一波片124、130和相位分析器128。可见光源110可以将光发射到自由空间中，然后光通过隔离器115和可选的IFM120在自由空间中行进。或者，隔离器115可以通过光缆耦合到可见光源110。在这种情况下，如下文中参考图5所讨论的，来自隔离器的光可以经由第一光纤发射器170发射到自由空间中。

可以使用多种透镜配置设置扩束器140，但在图4A和图4B中示出了两种常用的现有技术的配置。图4A示出了基于负透镜141A和正透镜142A的使用的配置140A。入射在负透镜141A上的准直光束220A从正透镜142A出射为更宽的准直光束230A。图4B示出了基于两个正透镜141B、142B的使用的配置140B。入射在第一正透镜141B上的准直光束220B从第二正透镜142B出射为更宽的准直光束230B。离开扩束器140的光中，少量在离开跟踪器的路上由分束器145、155反射并丢失。通过分束器155的那部分光与来自ADM160的光组合以形成复合光束188，复合光束188离开激光跟踪器并行进到回射器90。

在一种实施方式中，ADM160包括光源162，ADM电子器件164、光纤网络166、互连电缆165和互连光纤168、169、184、186。ADM电子器件将电调制电压和偏置电压发送到光源162，光源162可以是例如工作在约1550nm的波长处的分布式反馈激光。在一种实施方式中，光纤网络166可以是图8A示出的现有技术的光纤网络420。在该实施方式中，来自图3中的光源162的光行进通过光纤184，光纤184等同于图8A中的光纤432。

图8A的光纤网络包括第一光纤耦合器430、第二光纤耦合器436和低透射反射器435、440。光行进通过第一光纤耦合器430并分裂成两个路径，通过光纤433到第二光纤耦合器436的第一路径、以及通过光纤422和光纤长度均衡器423的第二路径。光纤长度均衡器423连接到图3中的光纤长度168，该光纤长度168行进到ADM电子器件164的参考通道。光纤长度均衡器423的目的是使得光在参考通道中通过的光纤的长度与光在计量通道中通过的光纤的长度相匹配。以这种方式匹配光纤长度可以减小由环境温度的变化引起的ADM误差。这样的误差可能是由于光纤的有效光路径长度等于光纤的平均折射率乘以光纤的长度而产生的。因为光纤的折射率依赖于光纤的温度，因此光纤的温度的变化会引起计量通道和参考通道的有效光路径长度的变化。如果计量通道中光纤的有效光路径长度相对于参考通道中光纤的有效光路径的长度变化，那么即使回射器90保持不动，结果也将会是回射器目标90的位置的明显的偏移。为了克服该问题，采取两个步骤。第一，使参考通道中光纤的长度尽可能接近地匹配计量通道中光纤的长度。第二，计量光纤和参考光纤尽可能并排地选择路径以保证在两个通道中的光纤经历几乎相同的温度变化。

光通过第二光纤耦合器436并分裂成两个路径，到低反射光纤终止器440的第一路径以及到光纤438的第二路径，光经由光纤438行进到图3中的光纤186，光纤186上的光行进到第二光纤发射器170。

在一种实施方式中，在现有技术的图5中示出了光纤发射器170。来自图3的光纤186的光去往图5中的光纤172。光纤发射器170包括光纤172、套管174和透镜176。光纤172附接到套管174，套管174稳固地附接到激光跟踪器10内的结构。如果需要，可以以一定角度抛光光纤的末端以减小背反射。光250从光纤芯出射，取决于使用的光的波长和光纤的具体类型，该光纤芯可以是直径在4微米至12微米之间的单模光纤。光250以一定的角度发散并且与透镜176相交，透镜176使光准直。专利‘758中参照图3描述了通过ADM系统中的单光纤发射和接收光学信号的方法。

参照图3，分束器155可以是二向色分束器，该二向色分束器透射与其反射的波长不同的波长。在一种实施方式中，来自ADM160的光由二向色分束器155反射并与来自可见激光器110的透过二向色分束器155的光组合。复合光束188行进出激光跟踪器到回射器90作为第一光束，其返回该光的一部分作为第二光束。ADM波长处的第二光束的该部分由二向色分束器155反射并返回到第二光纤发射器170，第二光纤发射器170将该光耦合回到光纤186中。

在一种实施方式中，光纤186对应于图8A中的光纤438。返回的光从光纤438行进通过第二光纤耦合器436并分裂成两个路径。第一路径通向光纤424，在一种实施方式中，光纤424对应于通向图3中的ADM电子器件164的计量通道的光纤169。第二路径通向光纤433并然后通向第一光纤耦合器430。离开第一光纤耦合器430的光分裂成两个路径，到光纤432的第一路径以及到低反射终端435的第二路径。在一种实施方式中，光纤432对应于通向图3中的光源162的光纤184。在多数情况下，光源162包括内置的法拉第隔离器，该隔离器使得从光纤432进入光源的光量最小化。在相反的方向馈送入激光器的光会破坏激光器的稳定性。

来自光纤网络166的光通过光纤168、169进入ADM电子器件164。图7示出了现有技术的ADM电子器件的一种实施方式。图3中的光纤168对应于图7中的光纤3232，且图3中光纤169对应于图7中的光纤3230。现在参照图7，ADM电子器件3300包括频率参考3302、合成器3304、计量检测器3306、参考检测器3308、计量混合器3310、参考混合器3312、调节电子器件3314、3316、3318、3320、除以N预分频器3324和模数转换器（ADC）3322。频率参考——例如可以是恒温晶体振荡器（OCXO）向合成器发送频率参考fREF例如可以是10MHz，该合成器生成两种电信号——一个频率为fRF的信号以及两个频率为fLO的信号。信号fRF去往对应于图3中的光源162的光源3102。频率为fLO的两个信号去往计量混合器3310和参考混合器3312。来自图3中的光纤168、169的光分别出现在图7中的光纤3232、3230上，并分别进入参考通道和计量通道。参考检测器3308和计量检测器3306将光学信号转换成电信号。这些信号分别由电学部件3316、3314调节并分别被发送到混合器3312、3310。混合器产生等于fLO-fRF的绝对值的频率fIF。信号fRF可以是相对高的频率例如2GHz，而信号fIF可以具有相对低的频率例如10kHz。

频率参考fREF被发送到预分频器3324，该预分频器3324将频率参考除以整数值。例如，10MHz的频率可以除以40以获得输出频率250kHz。在该示例中，将以250kHz的频率对进入ADC3322的10kHz信号进行采样，从而产生每周期25个样本。来自ADC3322的信号被发送到数据处理器3400，该数据处理器3400例如可以是位于图3的ADM电子器件164中的一个或多个数字信号处理器（DSP）单元。

用于提取距离的方法基于对参考信号和计量通道的ADC信号的相位的计算。Bridges的美国专利No.7,701,559（‘559）详细描述了该方法，其内容通过引用合并到本文中。计算包括使用专利‘559的公式（1）至（8）。另外，当ADM首先开始测量回射器时，改变由合成器生成的频率若干次（例如三次），并且计算每种情况下可能的ADM距离。通过比较每个所选择的频率的可能的ADM距离，去除ADM测量中的模糊度。专利‘559的公式（1）至（8）连同参照专利‘559的图5所描述的同步方法以及专利‘559中描述的卡尔曼滤波器方法使得ADM能够测量移动目标。在其他实施方式中，可以使用其他方法获得绝对距离测量，例如通过使用脉冲的飞行时间而非相位差。

返回光束190的通过分束器155的部分到达分束器145，分束器145将该光的一部分发送到扩束器140并且将该光的另一部分发送到位置检测器组件150。可以将从激光跟踪器10或EO系统100出射的光视为第一光束，并且将该光的由回射器90或26反射的部分视为第二光束。反射光束的多个部分被发送到EO系统100的不同功能元件。例如，第一部分可以被发送到测距仪如图3中的ADM160。第二部分可以被发送到位置检测器组件150。在一些情况下，第三部分可以被发送到其他功能单元如可选的干涉仪120。重要的是要理解，虽然在图3的示例中第二光束的第一部分和第二部分在由分束器155和145反射之后分别被发送到测距仪和位置检测器，但也可以将光透射而非反射到测距仪或位置检测器上。

图6A至6D示出了现有技术的位置检测器组件150A至150D的四个示例。图6A描述了最简单的实现，其中位置检测器组件包括安装在电路板152上的位置传感器151，电路板152从电子器件盒350获取电力并且将信号返回到电子器件盒350，电子器件盒350可以表示激光跟踪器10、辅助单元50或外部计算机60内任何位置处的电子处理能力。图6B包括阻止不想要的光波长到达位置传感器151的滤光器154的表面。也可以例如通过使用合适的膜覆盖位置传感器151的表面或分束器145来阻止不想要的光波长。图6C包括减小光束尺寸的透镜153。图6D包括滤光器154和透镜153两者。

图6E示出了一种新的位置检测器组件，该位置检测器组件包括光学调节器149E。光学调节器包括透镜153并且还可以包括可选波长滤光器154。另外，该光学调节器包括漫射器156和空间滤光器157中的至少一个。如上文所说明的，常用类型的回射器是立体角回射器。一种类型的立体角回射器由三个反射镜构成，每个反射镜成直角地连接到其他两个反射镜。这三个反射镜连接处的交叉线可以具有有限的厚度，在该有限厚度中光没有被完美地反射回跟踪器。当光线传播时，有限厚度的光线被衍射从而使得当该光在到达位置检测器时，其表现不与在位置检测器时完全相同。然而，衍射光图案通常会偏离完美的对称性。因此，照射位置检测器151的光可以具有例如在衍射线附近的光功率（热斑）方面的减弱或加强。因为来自回射器的光的均匀性可能随着回射器的不同而变化，并且还因为当回射器旋转或倾斜时光在位置检测器上的分布会变化，所以包括漫射器156有利于改善照射位置检测器151的光的平滑度。可以说，因为理想的位置检测器应当对矩心做出响应并且理想的漫射器应当对称地扩展点，所以不会影响由位置检测器给出的结果位置。然而，实际上，漫射器被发现能够改善位置检测器组件的性能，可能是因为位置检测器151和透镜153中的非线性（不完美）效应。由玻璃制成的立体角回射器还可以在位置检测器151处产生不均匀光斑。位置检测器处的光斑的变化在从6-DOF目标中的立体角反射的光中可能特别突出，这可以从2012年2月10号提交的共同转让的美国专利申请NO.13/370,339以及2012年2月29号提交的专利NO.13/407,983更清楚地理解，上述两个专利的内容通过引用合并到本申请中。在一种实施方式中，漫射器156是全息漫射器。全息漫射器提供指定的漫射角内的受控均匀光。在其他实施方式中，使用其他类型的漫射器如毛玻璃或者乳色玻璃漫射器。

位置检测器组件150E的空间滤光器157的目的是阻止鬼光束照射位置检测器151，鬼光束可以是例如由光学表面上不想要的反射造成的。空间滤光器包括具有孔径的板157。通过将空间滤波器157放置在远离透镜近似地等于透镜的焦距的位置，当空间滤光器接近光束的最窄处——光束的腰部时，返回光243E通过空间滤光器。以不同角度行进的光束，例如由于光学元件反射的光束撞到空间滤光器远离孔径的地方然后被阻止到达位置检测器151。图6E示出了一个示例，不想要的鬼光束244E由分束器145的表面反射然后行进到在该处被阻挡的空间滤光器157。在没有空间滤光器的情况下，鬼光束244E将会拦截位置检测器151，从而导致错误地确定光束243E在位置检测器151上的位置。如果鬼光束位于距离主光斑相对较大的距离，即使弱的鬼光束也可以显著地改变位置检测器151上的矩心的位置。

在此讨论的一类回射器，例如立体角回射器或猫眼回射器，具有将进入回射器的光线以平行于入射线的方向进行反射的特性。另外，入射线和反射线关于回射器的对称点对称地放置。例如，在开放的立体角回射器中，回射器的对称点是立体角的顶点。在玻璃立体角回射器中，对称点也是顶点，但是在这种情况下必须考虑玻璃空气交界处光的弯曲。在具有折射率2.0的猫眼回射器中，对称点是球心。在由对称地坐落于公共平面上的两个玻璃半球制成的猫眼回射器中，对称点是位于公共平面上并且在每个半球的对称中心的点。要点是，对于通常与激光跟踪器一起使用的类型的回射器，由回射器返回到跟踪器的光相对于入射激光束移动到顶点的另一侧。

图3中的回射器90的这种行为是通过激光跟踪器跟踪回射器的基础。位置传感器在其表面上具有理想的折返点。理想折返点是激光束发送到回射器的对称点（例如，SMR中立体角回射器的顶点）会返回的点。通常，折返点靠近位置传感器的中心。如果激光束被发送到回射器的一侧，则激光束在另一侧反射回来并且偏离折返点出现在位置传感上。通过记录位置传感器上返回光束的位置，激光跟踪器10的控制系统可以使得电动机将光束朝着回射器的对称点移动。

如果回射器以恒定速度横向移动到跟踪器，则回射器处的光束将照射距离反射器的对称点固定偏移的距离处的回射器（在暂态已经稳定之后）。激光跟踪器基于从受控的测量获得的比例因子并且基于从位置传感器上的光束到理想折返点的距离来做出校正以解决回射器处的这种偏移距离。

如上文所说明的，位置检测器执行两个重要的功能——使得能够跟踪和校正测量以计算回射器的移动。位置检测器内的位置传感器可以是能够测量位置的任何类型的设备。例如，位置传感器可以是位置灵敏检测器或光敏阵列。例如，位置灵敏检测器可以是横向效应检测器或象限检测器。例如，光敏阵列可以是COMS阵列或CCD阵列。

在一种实施方式中，未由分束器145反射的返回光通过扩束器140，从而变得更小。在另一实施方式中，对换位置检测器和测距仪的位置，使得由分光器145反射的光行进到测距仪，并且由分束器透射的光行进到位置检测器。

该光继续通过可选的IFM，通过隔离器并且进入可见光源110，在这个阶段，光功率应当足够小使得其不会破坏可见光源110的稳定性。

在一种实施方式中，来自可见光源110的光被发射通过图5的光纤发射器170。光纤发射器可以附接到光源110的输出端或隔离器115的光纤输出端。

在一种实施方式中，图3的光纤网络166是图8B的现有技术的光纤网络420B。在此，图3的光纤184、186、168、169对应于图8B的光纤443、444、424、422。除了图8B的光纤网络具有单个光纤耦合器而不是两个光纤耦合器以外，图8B的光纤网络类似于图8A的光纤网络。图8B相对于图8A的优点是简单；但是图8B更可能使不想要的光学背反射进入光纤422和424。

在一种实施方式中，图3的光纤网络166是图8C的光纤网络420C。在此，图3的光纤184、186、168、169对应于图8C的447、455、423、424。光纤网络420C包括第一光纤耦合器445和第二光纤耦合器451。第一光纤耦合器445是具有两个输入端口和两个输出端口的2×2耦合器。这种类型的耦合器通常是通过将两个光纤芯紧邻放置并且然后在加热的同时拉拔光纤制成的。以这种方式，光纤之间短暂的耦合可以向邻近的光纤分裂出期望的折射光。第二光纤耦合器451是被称为环行器的一种类型的耦合器。第二光纤耦合器451具有三个端口，每个端口都具有发送和接收光的能力，但只能沿着指定的方向。例如，光纤448上的光进入端口453并且如箭头所指示被传送到端口454。在端口454处，光可以被传送到光纤455。类似地，在端口455上行进的光可以进入端口454并且沿着箭头的方向行进到端口456，在端口456处，一些光可以被传送到光纤424。如果只需要3个端口，则环行器451可以比2×2耦合器经受更小的光功率损失。另一方面，环行器451可能比2×2耦合器更昂贵，并且环行器会经历极化模式色散，极化模式色散在一些情形下会成为问题。

图9和图10分别示出了现有技术激光跟踪器2100的分解图和横截面图，在Bridges等人的美国公布的专利申请NO.2010/0128259的图2和图3中描述了现有技术的激光跟踪器2100，其内容通过引用合并到本申请中。方位组件2110包括柱外壳2112、方位编码器组件2120、下方位轴2114A和上方位轴2114B、方位电动机组件2125、方位滑环组件2130和方位电路板2135。

方位编码组件2120的目的是精确地测量轭2142相对于柱外壳2112的旋转角。方位编码组件2120包括编码器盘2121和读取头组件2122。编码器盘2121附接到轭外壳2142的轴，并且读取头组件2122附接到柱组件2110。读取头组件2122包括电路板，一个或多个读取头固定在该电路板上。从读取头发送的激光由编码器盘2121上的细光栅线上反射。对由读取头上的检测器接收的反射光进行处理以得到编码器盘相对于固定的读取头的旋转角。

方位电动机组件2125包括方位电动机转子2126以及方位电动机定子2127。方位电动机转子包括直接附接到轭外壳2142的轴的永磁体。方位电动机定子2127包括生成所指定的磁场的场绕组。该磁场与方位电动机转子2126的磁体相互作用以产生期望的旋转运动。方位电动机定子2127附接到柱框架2112。

方位电路板2135表示提供方位部件如编码器和电动机所需要的电学功能的一个或多个电路板。方位滑环组件2130包括外部部分2131和内部部分2132。在一种实施方式中，线卷2138从辅助单元处理器50露出。线卷2138可以向跟踪器输送电力或者输送来回跟踪器的信号。线卷2138的一些电线连接到电路板上的连接器。在图10示出的示例中，电线被路由到方位电路板2135、编码器读取头组件2122和方位电动机组件2125。其他电线被路由到滑环组件2130的内部部分2132。内部部分2132附接到柱组件2110并且从而保持固定。外部部分2131附接到轭组件2140并且从而相对于内部部分2132旋转。当外部部分2131相对于内部部分2132旋转时，滑环组件2130被设计为允许低阻抗电接触。

顶点组件2140包括轭外壳2142、顶点编码器组件2150、左顶点轴2144A、右顶点轴2144B、顶点电动机组件2155、顶点滑环组件2160和顶点电路板2165。

顶点编码器组件2150的目的是精确地测量有效载荷框架2172相对于轭外壳2142的旋转角。顶点编码器组件2150包括顶点编码器盘2151和顶点读取头组件2152。编码器盘2151附接到有效载荷外壳2142，并且读取头组件2152附接到轭外壳2142。顶点读取头组件2152包括一个或多个读取头固定于其上的电路板。从读取头发送的激光由编码器盘2151上的细光栅线反射。对由读取头上的检测器接收的反射光进行处理以得到编码器盘相对于固定的读取头的旋转角。

顶点电动机组件2155包括顶点电动机转子2156和顶点电动机定子2157。顶点电动机转子2156包括直接附接到有效载荷框架2172的轴的永磁体。顶点电动机定子2157包括生成指定磁场的磁场绕组。该磁场与转子磁体相互作用以产生期望的旋转运动。顶点电动机定子2157附接到轭框架2142。

顶点电路板2165表示提供顶点部件如编码器和电动机所需要的电学功能的一个或多个电路板。顶点滑环组件2160包括外部部分2161和内部部分2162。线卷2168从方位外部滑环2131露出并且可以输送电力或者信号。线卷2168的一些电线连接到电路板上的连接器。在图10示出的示例中，电线被路由到顶点电路板2165、顶点电动机组件2150以及编码器读取头组件2152。其他的电线被路由到滑环组件2160的内部部分2162。内部部分2162附接到轭框架2142并且因此仅以顶点角旋转，而不能以方位旋转。外部分布2161附接到有效载荷框架2172并且因此以顶点角和方位二者旋转。滑环组件2160被设计为当外部部分2161相对于内部部分2162旋转时允许低阻抗电接触。有效载荷组件2170包括主光学组件2180和次光学组件2190。

图11是描述尺度测量电子器件处理系统1500的框图，该尺度测量电子器件处理系统1500包括激光跟踪器电子器件处理系统1510、外围元件1582、1584、1586、计算机1590以及在此表示为云的其他网络部件1600，。示例性激光跟踪器电子器件处理系统1510包括主处理器1520、有效载荷功能电子器件1530、方位编码器电子器件1540、顶点编码器电子器件1550、显示和用户界面（UI）电子器件1560、可拆卸的存储硬件1565、射频识别（RFID）电子器件和天线1572。有效载荷功能电子器件1530包括多个子功能，该多个子功能包括6-DOF电子器件1531、相机电子器件1532、ADM电子器件1533、位置检测器（PSD）电子器件1534和水平仪电子器件1535。大部分的子功能具有至少一个处理器单元，该处理器单元可以是例如数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）。由于其在激光跟踪器内的位置，电子器件单元1530、1540和1550如所示是分离的。在一种实施方式中，有效载荷功能1530位于图9和图10的有效载荷2170中，而方位编码器电子器件1540位于方位组件2110中，并且顶点编码器电子器件1550位于顶点组件2140中。

可以有很多类型的外围设备，但在此示出了三种这样的设备：温度传感器1582、6-DOF探头1584和个人数字助理1586，个人数字助理1586例如可以是智能手机。激光跟踪器可以以多种方式与外围设备通信，包括经由天线1572的无线通信、借助于视觉系统如相机的方式、以及借助于激光跟踪器到合作目标如6-DOF探头1584的距离和角度读数的方式。

在一种实施方式中，单独的通信总线从主处理器1520去往电子器件单元1530、1540、1550、1560、1565和1570中的每一个。每个通信总线可以具有例如三根串行线，包括数据线、时钟线和帧线。帧线表示电子器件单元是否应当关注时钟线。如果帧线表示应当关注时钟线，则电子器件单元在每个时钟信号处读取数据线的当前值。时钟信号可以对应于例如时钟脉冲的上升沿。在一种实施方式中，信息以包的形式通过数据线传送。在一种实施方式中，每个包包括地址、数值、数据消息以及校验和。地址表示数据消息待被定向到电子器件单元内的何处。位置例如可以对应于电子器件单元内的处理器子例程。数值表示数据消息的长度。数据消息包括数据或电子器件单元要执行的指令。校验和是用于使通过通信线传输误差的几率最小化的数值。

在一种实施方式中，主处理器1520通过总线1610向有效载荷功能电子器件1530发送信息包，通过总线1611向方位编码器电子器件1540发送信息包，通过总线1612向顶点编码器电子器件1550发送信息包，通过总线1613向显示和UI电子器件1560发送信息包，通过总线1614向可拆卸的存储硬件1565发送信息包，并且通过总线1616向RFID和无线电子器件1570发送信息包。

在一种实施方式中，主处理器1520还通过同步总线1630同时向所述电子器件单元中的每一个发送同步脉冲。同步脉冲提供一种对由激光跟踪器的测量功能收集的数值进行同步的方法。例如，一旦接收到同步脉冲，方向角编码器电子器件1540和顶点电子器件1550锁住其编码器数值。类似地，有效载荷功能电子器件1530锁住由包括在有效载荷内的电子器件收集的数据。当给定同步脉冲时，6-DOF、ADM和位置检测器都锁住数据。在大部分情况下，相机和倾斜计以慢于同步脉冲频率的速率收集数据，但是可以在同步脉冲周期的倍数处锁住数据。

方向角编码器电子器件1540和顶点编码器电子器件1550彼此分隔开并且通过图9和图10中示出的滑环2130、2160与有效载荷功能电子器件1530分隔开。这就是为什么在图11中总线1610、1611和1612被描述为单独的总线的原因。

激光跟踪器电子器件处理系统1510可以与外部的计算机1590通信，或者可以在激光跟踪器内提供计算、显示和UI功能。激光跟踪器通过通信链路1606与计算机1590通信，通信链路1606可以是例如以太网线或者无线连接。激光跟踪器还可以通过通信链路1602与由云表示的其他元件1600通信，通信链路1602可以包括一个或多个电缆如以太网电缆、以及一个或多个无线连接。元件1600的一个示例是另一三维测试仪器例如铰接臂CMM，该三维测试仪器可以由激光跟踪器重新定位。计算机1590和元件1600之间的通信链路可以是有线的（例如，以太网）或者无线的。坐在远程计算机1590处的操作员可以通过以太网或无线线路连接到由云1600表示的互联网。互联网又通过以太网或无线线路连接到主处理器1520。以这种方式，用户可以控制远程激光跟踪器的动作。

现今的激光跟踪器使用一个可见波长（通常为红光波长）和一个红外波长用于ADM。可以由适用于干涉仪内并且也适用于提供红色指针光束的稳频氦氖（HeNe）激光器提供红光波长。可替选地，可以由仅作为指示光束的二极管激光器提供红光波长。使用两种光源的缺点是额外的光源、额外的分束器、额外的隔离器和其他额外部件所需要的额外空间和附加成本。使用两种光源的另一个缺点是难以沿着光束行进的整个路径使两个光束完美地对准。这可以导致多种问题，包括不能从工作在不同波长的不同的子系统同时地获得好的性能。在图12A的光电子系统500中示出了使用单一光源的系统，从而消除了这些缺点。

图12A包括可见光源110、隔离器115、光纤网络420、ADM电子器件530、光纤发射器170、分束器145和位置检测器150。可见光源110可以是例如红色或绿色二极管激光器或垂直空腔表面发射激光器（VCSEL）。隔离器可以是法拉第隔离器、衰减器或者能充分减小反馈回光源的光量的任何其他设备。来自隔离器115的光行进到光纤网络420，在一种实施方式中光纤网络420是图8A的光纤网络420A。

图12B示出了光电子系统400的一种实施方式，在光电子系统400中使用单个波长的光，但是其中借助于光的电光调制而不是借助于光源的直接调制来实现调制。光电子系统400包括可见光源110、隔离器115、电光调制器410、ADM电子器件475、光纤网络420、光纤发射器170、分束器145和位置检测器150。可见光源110可以是例如红色或绿色激光二极管。激光通过隔离器115被发送，该隔离器115例如可以是法拉第隔离器或者衰减器。隔离器115可以是在其输入端口处和输出端口处被耦合的光纤。隔离器115将光发送到电光调制器410，电光调制器410将光调制到所选择的频率，如果需要，所选择的频率可以达到10GHz或者更高。来自ADM电子器件475的电信号476在电光调制器410中驱动调制。来自电光调制器410的已调制的光行进到光纤网络420，光纤网络420可以是上文所讨论的光纤网络420A、420B、420C或420D。一些光通过光纤422行进到ADM电子器件475的参考通道。另一部分光行进出跟踪器，由回射器90反射，返回到跟踪器并到达分束器145。少量光由分束器反射并行进到位置检测器150，这已在上文参考图6A-图6F讨论。一部分光通过分束器145进入光纤发射器170、通过光纤网络420进入光纤424，并进入ADM电子器件475的计量通道。通常，可以用比图12B的系统400更少的钱制造图12A的系统500；然而，电光调制器410可以能够实现更高的调制频率，这在一些情况下会是有利的。

图13示出了定位器相机系统950和光电子系统900的一种实施方式，其中，取向相机与3D激光跟踪器的光电子功能相结合以测量六个自由度。光电子系统900包括可见光源905、隔离器910、可选的电光调制器410、ADM电子器件715、光纤网络420、光纤发射器170、分束器145、位置检测器150、分束器922和取向相机910。来自可见光源的光在光纤980中发射并行进通过隔离器910，隔离器910可以使光纤在其输入端口和输出端口上被耦合。光可以行进通过被来自ADM电子器件的电信号716调制的电光调制器410。可替选地，ADM电子器件715可以通过线缆717发送电信号以调制可见光源905。一些进入光纤网络的光行进通过光纤长度均衡器426和光纤422以进入ADM电子器件715的参考通道。可选地，电信号469可以施加于光纤网络420以向光纤网络420内的光纤开关提供切换信号。一部分光从光纤网络行进到光纤发射器170，光纤发射器170将光纤上的光发送到自由空间中作为光束982。少量光由分束器145反射并丢失。一部分光通过分束器、通过分束器922并行进出跟踪器到六自由度（DOF）设备4000。六DOF设备4000可以是探头、扫描仪、投影仪、传感器或其他设备。

在其返回路径上，来自6-DOF设备4000的光进入光电子系统900并到达分束器922。一部分光由分束器922反射并进入取向相机910。取向相机910记录被放置在回射器目标上的一些标记的位置。根据这些标记，得到6-DOF探头的取向角（即，三个自由度）。取向相机的原理在本申请的下文中并且也在专利‘758中进行描述。光的在分束器145处的一部分行进通过分束器并被光纤发射器170放在光纤上。该光行进到光纤网络420。该光的一部分行进到光纤424、从光纤424进入ADM电子器件715的计量通道。

定位器相机系统950包括相机960以及一个或多个光源970。该相机包括透镜系统962、光敏阵列964和本体966。定位器相机系统950的一个用途是在工作体积内定位回射器目标。通过光源970闪光，定位器相机系统950通过拾取光敏阵列964上的亮点来实现定位。定位器相机系统950的第二个用途是基于6-DOF设备4000上的反射点或LED的观测位置建立6-DOF设备4000的粗方位。如果激光跟踪器上有两个或更多个定位器相机系统可用，那么可以使用三角测量的原理计算到工作体积中的每个回射器目标的方向。如果放置单个定位器用于接收沿着激光跟踪器的光轴反射的光，可以得到至每个回射器目标的方向。如果偏离激光跟踪器的光轴放置单个相机，那么可以根据光敏阵列上的图像立即获得到回射器目标的近似方向。在这种情况下，可以通过旋转激光器的机械轴至多于一个方向并且观察在光敏阵列上的点的位置来得到到目标的更精确的方向。

在一种实施方式中，电光模块176包括光学部件如分束器和波片、以及光学部件如光检测器和放大器的组合，以将相位差d分成正交分量。这些正交分量包括sin(d)188和cos(d)190。电计数器使用正交分量来计算相位差d中的完整的360度变化的数量。计数的数量（以及可能的计数的分数）被发送到记录计数的数量的计数器178。该计数的数量通过线路180被发送到处理器，处理器计算对应于计数的数量的距离。

图14A示出了取向相机910的一种实施方式，取向相机910可以用于图18和图19的光电子系统中。取向相机的基本原理在专利‘758中进行描述，并且取向相机910通常遵循这些原理。在一种实施方式中，取向相机910包括本体1210、无焦光束缩减器1220、放大器1240、路径长度调整器1230、致动器组件1260和光敏阵列1250。无焦光束缩减器包括正透镜1222、反射镜1223和负透镜1224、1226。无焦光束缩减器具有如下特性：平行于光轴——通过透镜中心的轴——进入透镜122的光线仍然平行于光轴从透镜1226出射。无焦光束缩减器还具有如下特性：不管透镜到物体的距离，图像具有恒定的尺寸。放大器1240包括正透镜1242、负透镜1244、1248和反射镜1246。放大器具有与显微镜物镜相同的功能，但是按比例缩放以提供更大的图像。光敏阵列1250可以是例如CMOS阵列或CCD阵列，CMOS阵列或CCD阵列将照射其的光转换成表示光敏阵列每个像素处光的辐照度的一组数字值。辐照度的图案可以显示例如6-DOF目标上的标记。路径长度调整器1230包括平台1231、两个反射镜1232、1233和球形滑块1234。反射镜1232、1233安装在平台1231上，使得当平台1231被移动时，无焦光束缩减器1220与放大器1240之间的距离变化。需要这种距离的变化以对于激光跟踪器到目标的变化的距离在光敏阵列1250上保持清晰的图像。平台1231安装在球形滑块1234上，球形滑块1234为平台提供低摩擦的线性运动。在一种实施方式中，致动器组件1260包括电动机1261、电动机轴1262、弹性联轴器1263、转接器1264和电动机螺母1265。电动机螺母1265固定地附接到转接器。当带螺纹的电动机轴1262由电动机1261旋转时，电动机螺母1265取决于电动机轴的旋转方向远离电动机或者靠近电动机移动。即使电动机轴1262和球形滑块1234彼此不平行，附接到转接器1264的弹性联轴器1263也使得平台能够自由地移动。

在一种实施方式中，取向相机910为到目标的不同的距离提供恒定的横向放大率。此处横向放大率被定义为图像尺寸除以目标尺寸。图27中示出的透镜被选择以在3mm的光敏阵列1250上产生关于13mm的对象的恒定的图像尺寸。在该实例中，横向放大率为3mm/13mm=0.23。该横向放大率对于放置在距离跟踪器0.5米到30米之间的目标保持恒定。3mm的图像尺寸可以适用于1/4英寸的CCD阵列或CMOS阵列。在一种实施方式中，横向放大率是0.23的4倍。使得适用于1英寸的CCD阵列或者COMS阵列。通过改变放大器1240中的三个透镜的焦距和间距，在相同尺寸的本体1210中可以获得具有该增大的横向放大倍数的取向相机。

在图14A所示的一种实施方式中，光束缩减器1220的三个透镜元件1222、1224和1226的有效焦距分别是85.9mm、-29.6mm和-7.2mm。来自对象的光通过这三个透镜元件后形成虚像。对于放置到距离激光跟踪器0.5米远的物体，虚像1229具有0.44mm的尺寸并且位于距离透镜12267mm处。对于放置在距离激光跟踪器30米远的对象，虚像1228具有0.44mm的尺寸并且位于距离透镜12241.8mm处。虚像1228和虚像1129之间的距离是39.8mm，这表示平台需要该数值的二分之一或19.9mm的最大移动范围。光束缩减器1220的横向放大率是0.44mm/13mm=0.034。放大器的三个透镜元件1242、1244和1228的有效焦距分别是28.3mm、-8.8mm和-8.8mm。对于距离激光跟踪器0.5米的目标、距离激光跟踪器30米的目标或距离激光跟踪器0.5米至30米之间的任意距离的目标，光敏阵列1250上的图像的尺寸都是3mm。放大器的横向放大率为3mm/0.44mm=6.8。取向相机的整体横向放大率是3mm/13mm=0.23。在另一种实施方式中，放大器的横向放大率增加4倍至4×6.8=27，从而对从0.5米到30米之间的任何距离产生12mm/13mm=0.92的整体横向放大率。

图14B至图14D中示出了取向相机的另一种实施方式，图14B是取向相机组件的侧视图2750B。图14C是图14B中所示的界面A-A的顶视图7250C。图14D是图14C的截面B-B的侧剖面图2750D。三个附图中的每个示出了光束路径2755。光通过第一透镜集合2760，由反射镜2762反射，通过透镜2764，由反射镜2766、2768反射，通过第二透镜集合2770，由反射镜2772、2774反射，并且照射光敏阵列2776。第一透镜集合2760和透镜2764构成无焦透镜系统。如上文所说明的，这表示平行于光轴进入第一透镜集合2760的光线将平行于光轴从透镜2764射出。因为回射器（在图14B至图14D中未示出）距离激光跟踪器有限的距离，所以无焦透镜系统会在距透镜2764某个距离处产生虚像2778。距透镜2764的距离d将取决于回射器到激光跟踪器的距离。例如，在一种实施方式中，当回射器距跟踪器4米时虚像在距透镜2764大约d=82mm处，而当回射器距透镜40米时虚像在距透镜2764约d=51mm处。第二透镜集合将虚像2778传递到光敏阵列上。机动致动器2780调整反光镜2766、2768的位置以便维持从虚像2778到第二透镜集合2770的正确的距离，从而保持图像在光敏阵列2778上聚焦。在一种实施方式中，第一透镜集合2755具有112mm的组合焦距，透镜2764具有-5.18mm的焦距，而第二透镜集合2770具有约59.3mm的组合焦距。该系统的整体放大率为近似1/8，这表示光敏阵列2776上的光图像尺寸约为回射器上的光图像的尺寸的八分之一。这是不管从激光跟踪器到回射器的距离而维持恒定放大率的透镜系统的一个示例。

可以组合其他的透镜组合以使得取向相机具有恒定的横向放大率，另外，尽管具有恒定的横向放大率是有帮助的，但是也可使用其他透镜系统。总之，图14A至图14D的相机通过具有变焦能力、窄的视域以及与激光跟踪器的光轴对准来区分。

图15示出了光电子系统700的一种实施方式，其中，使用光纤耦合组合两种不同波长的光。光电子系统700包括第一光源705、第二光源750、第一隔离器710、第二隔离器755、可选的电光调制器410、ADM电子器件715、光纤网络720、光纤发射器170、分束器145和位置检测器150。第一光源705可以是例如工作在780nm的二极管激光器。第二光源可以是例如红色或绿色二极管激光器。来自第一光源705的光通过光纤780被发送通过隔离器710，隔离器710可以是例如法拉第隔离器或衰减器。隔离器710可以在其输入和输出端口处被光纤耦合。隔离器710可以发送光到调制光的电光调制器410。如果使用电光调制器410，则来自ADM电子器件715的电信号716驱动电光调制器410中的调制。可替选地，如果省略电光调制器410，则ADM电子器件715直接发送调制信号到光源705。来自第一光源的光通过光纤781行进到光纤网络720。一些光被路由通过光纤长度均衡器423和光纤722进入ADM电子器件715的参考通道。另一部分光行进出光纤网络720通过光纤782到光纤发射器，光纤发射器将光束783发送到自由空间中。少量光由分束器145反射并丢失。其余的光通过分束器145，行进到回射器90作为光束784，并且行进返回到分束器145作为光束786。一部分的光由分束器145反射并且行进到位置检测器150。另一部分光通过光纤发射器并且被耦合回到光纤782。该光进入光纤网络720并且通过光纤724行进到ADM电子器件715的计量通道。

第二光源750发送第二光束到光纤790上，通过隔离器755，通过光纤791并进入光纤网络720。图16示出了光纤网络720的一种实施方式。来自光纤1781的光在输入端口处进入光纤网络720。该光行进通过第一光纤耦合器1730。该光的一部分在进入ADM电子器件715的参考通道之前，行进通过光纤1722和光纤长度补偿器1723。一些光在穿出光纤网络到光纤1782上之前，行进通过第二光纤耦合器1740和第三光纤耦合器1750。来自光纤1791的光进入第三光纤耦合器1750，在第三光纤耦合器1750处该光与来自光纤1743的光组合构成在光纤1782上行进的复合光束。附接到光纤1781和1791的端口是两个输入端口，并且可以被认为是第一端口和第二端口。附接到光纤1782和1755的端口是输出端口并且可以被认为是第三端口和第四端口。光纤耦合器1750是二向色性耦合器，因为其被设计成使用两个波长。在输入光纤1782的复合光束行进出激光跟踪器并且由回射器90反射后，该复合光束返回光纤网络720。来自第一光源的光通过第三光纤耦合器1750、第二光纤耦合器1740，并且进入光纤1724，光纤1724通向ADM电子器件715的计量通道。来自第二光源的光返回光纤1791并且行进到隔离器755，隔离器755防止该光进入第二光源750。

耦合器1730、1740和1750可以是融合的类型。通过这种类型的光纤耦合器，两个光纤芯/覆层区域紧密连接并融合。因此，在芯之间的光通过渐逝波耦合交换。在两种不同波长的情况下，可以设计能够使得第一波长能够沿原有光纤完全传播并且第二波长能够越过到同一光纤完全耦合的渐逝波耦合装置。在实际情况下，通常不可能获得光的完全（100%）耦合使得光纤耦合提供无损传输。然而，为两个或多个不同的波长提供好的耦合的光纤耦合器可以购买到并且很容易地可用于常见的波长如980nm、1300nm和1550nm。另外，光纤耦合器可以现成地购买用于其它波长，包括可见波长，并且可以由客户定制和制造用于其它波长。例如在图16中，可以将光纤耦合器1750设计成使得在其第一波长的第一光束在低光损耗的情况下从光纤1743行进到光纤7153。同时，该设计可以提供在光纤1791上的第二光束越过到光纤1782的几乎完全的耦合。因此，可以在低损耗的情况下通过光纤耦合器传送第一光束和第二光束并且传送到同一光纤1782上。可以购买组合波长差别很大的波长的光纤耦合器。例如，可以购买组合波长为1310nm的光和波长为660nm的光的耦合器。为了在这两个波长在单一横向模式下的远距离传输同时具有相对低的损耗，通常要求这两个波长相对靠近。例如，所选择的两个波长可以是633nm和780nm，两个波长的波长值靠近并且可以通过单模光纤长距离传输而没有高损耗。电光组件700的结构的优势是在光纤网络720内的二向色性光纤耦合器1750比自由空间分光器更紧凑。另外，二向色性光纤耦合器保证第一光束和第二光束很好地对准而不要求在生产过程中任何具体的光学对准程序。

图17示出了电光系统1900的一种实施方式，电光系统1900类似于图13中的电光系统900，除了图17包括两个光源——第一光源705和第二光源750以外。图17的第一光源705、第二光源750、第一隔离器710和第二隔离器755是与图15中所示出的并且如上文所描述的相同的部件。

在另一种实施方式中，图12A、图12B、图13的光纤网络420是图18A的光纤网络420D。光纤网络420D包括第一光纤耦合器457、第二光纤耦合器463、两个低反射终端462、467、光学开关468、回射器472以及到该光学开关的电输入469。该光学开关可以是多种类型。现今可买到的一种常用并且相对便宜的类型是微电子机械系统（MEMS）类型。这种类型可以使用被构造作为例如半导体结构的一部分的小的反射镜。可替选地，开关可以是调制器，该调制器可用于在某些波长并且在稍微高于MEMS类型的开关的成本下的快速切换。开关也可以由光学衰减器构造，光学衰减器可以对电信号响应并且可以通过发送到衰减器的电信号打开和关闭。Bridges的已公告的美国专利申请公开No.2011/0032509给出了对在选择光纤开关时应当考虑的规范的描述，其内容通过引用合入到本申请中。通常，为获得所要求的性能和简单，该开关应该是光纤开光。尽管上文的讨论已经关于光纤网络420给出，然而，需要理解的是，上文所讨论的光学开关概念在基于两种颜色的光纤网络如图3的光纤网络166或图15的光纤网络720中相同地起作用。

光纤网络420D与光学网络420A相似之处在于二者都包含两个光纤耦合器以及两个低反射终端。然而，该光纤网络包含光纤网络420A所没有的光学开关468和回射器472。通常，来自光纤465的光行进通过光学开关468的上端口并且在光纤470上行进出。在这种模式下，光纤网络420D与光纤网络420A以相同的方式工作。然而，有时，当激光跟踪器不在测量目标时，光学开关将来自光纤465的光学信号转向到光纤471并进入回射器472。将光切换到回射器472的目的是去除可能已经发生在ADM系统的部件中的任何热漂移。例如，这样的部件可能包括如光学检测器、ADM系统的光纤等光电子部件、如混频器、放大器、合成器以及模拟到数字转换器等电部件、以及如透镜和透镜支架等光学部件。例如，假设在第一时间，在光学开关468使光转向到回射器472的情况下，发现计量通道的路径长度比参考通道长度长20mm。假设在较后的时间，在光学开关468使光转向到回射器472的情况下，发现计量通道的路径长度比参考通道长度长20.003mm。ADM数据处理器例如图7中的处理器3400将从后来的ADM读数中减去0.003mm。应当理解，每当跟踪器将ADM值设置于激光跟踪器的初始位置时，该过程就将重新开始。

激光跟踪器的初始位置是空间中的位置，对于该位置而言，到跟踪器万向节点22的距离是已知的。通常，初始位置被固定到激光跟踪器的底座。例如，在图1中，三个初始位置磁靶座17被固定到激光跟踪器10的方位底座16。这三个磁靶座被定尺寸成接受通常可用的SMR——例如，1.5英寸、7/8英寸和1/2英寸。在测量过程的开始，图1中的光束46被发送到放置在初始靶座位置中的一个中的SMR。激光跟踪器知道从万向节点22到放置在初始位置中的任何一个中的SMR的距离，因此当该测量完成时，激光跟踪器能够精确地设置到SMR的ADM距离。从万向节点22到放置在初始位置中的一个中的SMR的距离通常被称为R0距离并且通常通过在工厂执行的补偿程序得到，R0补偿值存储在存储器中供以后使用。其后，作为ADM光学系统或电系统中的热漂移的结果，ADM测量可能随时间轻微地劣化。通过切换图18A中的光纤465中的光以使得光行进到回射器472，可去除该漂移。

图18A中的回射器472可以是反射光的任何器件。在一种实施方式中，回射器472是图18B的光纤回射器472A。这种类型的回射器通常是具有在套管的末端处抛光并且覆盖有涂层473的光纤的套管472，该涂层可以是例如黄金或者多层薄的介电膜。在另一种实施方式中，图18A的回射器472是图18C的自由空间回射器472B，其包括准直仪474和回射器476，回射器476可以是例如立体角回射器块。实施激光准直仪474的一种方式是通过透镜发射来自光纤471的光，大致如图5所示。

现在参考图12A，可选的电信号469用于向光纤网络420提供开关电压，光纤网络420在一种实施方式中是光纤网络420D。电信号469可以由处理器如图11的处理器1536控制，该处理器可以是例如由另一处理器如微处理器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）所提供的功能。在一种实施方式中，由主处理器1520提供开关电压。该开关电压可以包括代表两个不同的开关状态的两个不同的电压值，一个状态将来自图18A中的输入端口465的光发送到计量端口470，而另一个状态将该光发送到参考端口471。光纤422、424将来自光纤网络420的光分别递送到ADM电子器件530的参考通道和计量通道。ADM电子器件530通过线缆532向可见光源110提供调制信号。

可以认为图18A的两个光纤耦合器457、463一起包括具有耦合器输入端口465、耦合器输出端口470、耦合器计量端口470和耦合器参考端口471的光纤耦合器组件。图18的光学开关468可以认为具有输入端口465、计量端口470和参考端口471。

上文所描述的光纤网络合并了光纤耦合器组件和光纤开关，例如18A的光纤网络420A中所示。尽管该示例性光纤网络已经主要地被描述为三维坐标测量设备如激光跟踪器或全站仪的一部分，显然，这种光纤网络可以同样地用于仅测量绝对距离而不测量角度的一维测量设备。此外，上面的描述已涉及与回射器目标如图1的目标26相交并且由该目标26反射的光。然而，由光纤网络420D例示的类型的光纤网络也可用于在不使用单独的目标的情况下测量到漫散射平面的绝对距离。这样的设备可以是手持的或者安装在支架或机械上并且可以用于在一个单独的点或在扫描模式下采集数据。

图19示出了方法4100。该方法的重要元素在图中、特别是在图18A中示出。步骤4110是提供第一光源、光纤耦合器组件、光纤开关、光学系统、参考回射器、第一电路和处理器，第一光源被配置成发出第一光，光纤耦合器组件包括耦合器输入端口、耦合器输出端口、耦合器计量端口和耦合器参考端口，光纤开关包括开关输入端口、开关计量端口和开关参考端口。步骤4115是通过耦合器输入端口接收第一光的第一部分、将第一部分的第二部分发送出耦合器输出端口、并且将第一部分的第三部分发送出耦合器参考端口。步骤4120是通过开关输入端口接收第二部分，由光纤开关接收处于第一状态或第二状态的第一电信号，如果第一电信号处于第一状态则将第二部分发送出开关计量端口，或者如果第一电信号处于第二状态则将第二部分发送出开关参考端口。步骤4125是由光学系统接收来自开关计量端口的第二部分并且将第二部分发送出尺度测量设备作为第一光束。步骤4130是由光学系统接收第二光束作为第四部分并且将第四部分发送到开关计量端口中。步骤4135是由光纤开关接收第四部分并且将第四部分发送到耦合器输出端口中。步骤4140是将第四部分的第五部分发送到耦合器计量端口。步骤4145是由参考回射器接收来自开关参考端口的第二部分并且向耦合器输出端口返回第六部分。步骤4150是将第六部分的第七部分发送到耦合器计量端口。步骤4155是将第三部分转换成第一参考值，如果第一电信号处于第一状态则将第五部分转换成第一参考值，而如果第一电信号处于第二状态则将第七部分转换成第二参考值。步骤4160是确定从尺度测量设备到目标的第一距离并且存储所确定的第一距离，第一距离至少部分地基于第一计量值、第一参考值和第二参考值。

图20是示出了测量方法中的步骤4200的框图。该方法开始于图19的方法4100的结论A。步骤4215是提供参考光学检测器和计量光学检测器。步骤4220是用参考光学检测器将第三部分转换成第一参考电信号。步骤4225是用计量光学检测器将第五部分转换成第一计量电信号。步骤4230是用计量光学检测器将第七部分转换成第二参考电信号。

图21是示出了测量方法中的步骤4300的框图。该方法开始于图20的方法4200的结论B。步骤4315是提供第一电动机、第二电动机、第一角度测量设备和第二角度测量设备，第一电动机和第二电动机一起被配置成将第一光束导向第一方向，该第一方向由绕第一轴的第一旋转角和绕第二轴的第二旋转角来确定。步骤4320是用第一电动机产生第一旋转角并且用第二电动机产生第二旋转角。步骤4325是测量第一旋转角并且测量第二旋转角。步骤4330是至少部分地基于第一距离、第一旋转角和第二旋转角来确定回射器目标的三维坐标。

尽管已参考示例的实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种变化并且等同物可以代替其元件。另外，在不脱离其基本范围的情况下，可以做出许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，其目的在于：本发明并不限于作为用于执行本发明的预期的最佳方式的所公开的具体实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方式。此外，术语“第一”、“第二”等的使用不表示任何顺序或重要性，而是术语“第一”、“第二”等用于将一个元件与其他元件区分。此外，术语“一个”、“一种”等的使用不表示数量的限制，而表示所引用项目中的至少一个的存在。

Claims (20)

1.一种尺度测量设备（10），所述尺度测量设备（10）被配置成将第一光束（46）发送到远程目标（26），所述目标具有空间中的位置，所述目标返回所述第一光束的反射部分作为第二光束（47），所述测量设备包括：

第一光源（705，3102），所述第一光源（705，3102）被配置成发出第一光（790）；

光纤耦合器组件（457，463），所述光纤耦合器组件（457，463）包括耦合器输入端口（459）、耦合器输出端口（465）、耦合器计量端口（424）和耦合器参考端口（422），所述光纤耦合器组件被配置成通过所述耦合器输入端口接收所述第一光的第一部分、将所述第一部分的第二部分发送出所述耦合器输出端口、并且将所述第一部分的第三部分发送出所述耦合器参考端口；

光纤开关（468），所述光纤开关（468）包括开关输入端口（465）、开关计量端口（470）和开关参考端口（471），所述光纤开关被配置成通过所述开关输入端口接收所述第二部分、接收处于第一状态或第二状态的第一电信号（469）、而如果所述第一电信号处于所述第一状态则将所述第二部分发送出所述开关计量端口或者如果所述第一电信号处于所述第二状态则将所述第二部分发送出所述开关参考端口；

光学系统（170），所述光学系统（170）被配置成接收来自所述开关计量端口的所述第二部分并且将所述第二部分发送出所述尺度测量设备作为所述第一光束，所述光学系统还被配置成接收所述第二光束作为第四部分、将所述第四部分发送到所述开关计量端口中，所述光纤开关被配置成接收所述第四部分并且将所述第四部分发送到所述耦合器输出端口中，所述光纤耦合器组件被配置成将所述第四部分的第五部分发送出所述耦合器计量端口；

参考回射器（472，472A，472B），所述参考回射器（472，472A，472B）被配置成接收来自所述开关参考端口的所述第二部分并且将所述第二部分返回到所述耦合器输出端口作为第六部分，所述光纤耦合器组件被配置成将所述第六部分的第七部分发送到所述耦合器计量端口；

第一电路（1536），所述第一电路（1536）被配置成提供处于所述第一状态或所述第二状态的所述第一电信号、将所述第三部分转换成第一参考值、如果所述第一电信号处于所述第一状态则将所述第五部分转换成第一计量值、而如果所述第一电信号处于所述第二状态则将所述第七部分转换成第二参考值；以及

处理器（1533，1520），所述处理器（1533，1520）被配置成确定从所述尺度测量设备到所述目标的第一距离，所述第一距离至少部分地基于所述第一计量值、所述第一参考值和所述第二参考值。

2.根据权利要求1所述的尺度测量设备，其中，所述第三部分（3232）由参考光学检测器（3308）转换成第一参考电信号，所述第五部分由计量光学检测器（3306）转换成第一计量电信号，并且所述第七部分由所述计量光学检测器转换成第二参考电信号。

3.根据权利要求1所述的尺度测量设备，还包括：

第一电动机（2125）和第二电动机（2155），所述第一电动机（2125）和所述第二电动机（2155）一起被配置成将所述第一光束导向第一方向，所述第一方向由绕第一轴（20）的第一旋转角和绕第二轴（18）的第二旋转角来确定，所述第一旋转角由所述第一电动机产生并且所述第二旋转角由所述第二电动机产生，以及

第一角度测量设备（2120）和第二角度测量设备（2150），所述第一角度测量设备（2120）被配置成测量所述第一旋转角，所述第二角度测量设备（2150）被配置成测量所述第二旋转角，其中，所述处理器还被配置成提供所述回射器目标的三维坐标，所述三维坐标至少部分地基于所述第一距离、所述第一旋转角和所述第二旋转角。

4.根据权利要求2所述的尺度测量设备，其中，所述目标是回射器目标。

5.根据权利要求4所述的尺度测量设备，其中，所述目标是球形安装的回射器。

6.根据权利要求1所述的尺度测量设备，其中，所述尺度测量设备还包括用于调制所述第一光的调制器（3304）。

7.根据权利要求6所述的尺度测量设备，其中，所述调制器被配置成将所述第一光的光功率近似地调制为恒定频率的正弦曲线。

8.根据权利要求7所述的尺度测量设备，其中，所述第一电路被配置成提取所述第三部分的第一参考相位、所述第五部分的第一计量相位和所述第七部分的第二参考相位。

9.根据权利要求6所述的尺度测量设备，其中，所述调制器被配置成以脉冲的方式调制所述第一光的光功率。

10.根据权利要求6所述的尺度测量设备，其中，所述调制器被配置成将所述第一光的光功率调制为具有时变频率的波形。

11.根据权利要求4所述的尺度测量设备，其中，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述第一计量值选择所述第一状态和所述第二状态中的一个。

12.根据权利要求4所述的尺度测量设备，其中，所述第一电路被配置成至少部分地基于自上次获得所述第二参考值以来的时间来选择所述第一状态和第二状态。

13.根据权利要求4所述的尺度测量设备，其中，所述第一电路被配置成至少部分地基于自上次获得所述第二参考值以来所测得的温度的变化来选择所述第一状态和所述第二状态中的一个。

14.根据权利要求4所述的尺度测量设备，其中，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述处理器是否处于确定第一距离值的模式来选择所述第一状态和所述第二状态中的一个。

15.一种用于尺度测量设备（10）的方法，所述尺度测量设备（10）将第一光束（46）发送到目标（26），所述目标返回所述第一光束的一部分作为第二光束（47），所述方法包括以下步骤：

提供第一光源（705，3102）、光纤耦合器组件（457，463）、光纤开关（468）、光学系统（170）、参考回射器（472，472A，472B）、第一电路（1536）和处理器（1533，1520），所述第一光源被配置成发出第一光，所述光纤耦合器组件包括耦合器输入端口（459）、耦合器输出端口（465）、耦合器计量端口（424）和耦合器参考端口（422），所述光纤开关包括开关输入端口（465）、开关计量端口（470）和开关参考端口（471）（4110）；

通过所述耦合器输入端口接收所述第一光的第一部分（4115）；

将所述第一部分的第二部分发送出所述耦合器输出端口（4115）；

将所述第一部分的第三部分发送出所述耦合器参考端口（4115）；

通过所述开关输入端口接收所述第二部分（4120）；

由所述光纤开关接收处于第一状态或第二状态的第一电信号（469）（4120）；

如果所述第一电信号处于所述第一状态则将所述第二部分发送出所述开关计量端口，或者如果所述第一电信号处于所述第二状态则将所述第二部分发送出所述开关参考端口（4120）；

由所述光学系统接收来自所述开关计量端口的所述第二部分并且将所述第二部分发送出所述尺度测量设备作为第一光束（4125）；

由所述光学系统接收所述第二光束作为第四部分并且将所述第四部分发送到所述开关计量端口中（4130）；

由所述光纤开关接收所述第四部分并且将所述第四部分发送到所述耦合器输出端口中（4135）；

将所述第四部分的第五部分发送到所述耦合器计量端口（4140）；

由所述参考回射器接收来自所述开关参考端口的所述第二部分并且将第六部分返回到所述耦合器输出端口（4145）；

将所述第六部分的第七部分发送到所述耦合器计量端口（4150）；

将所述第三部分转换成第一参考值、如果所述第一电信号处于所述第一状态则将所述第五部分转换成第一计量值、而如果所述第一电信号处于所述第二状态则将所述第七部分转换成第二参考值（4155）；

确定从所述尺度测量设备到所述目标的第一距离，所述第一距离至少部分地基于所述第一计量值、所述第一参考值和所述第二参考值（4160）；以及

存储所确定的所述第一距离（4160）。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

提供参考光学检测器（3308）和计量光学检测器（3306）（4215）；

用所述参考光学检测器将所述第三部分转换成第一参考电信号（4220）；

用所述计量光学检测器将所述第五部分转换成第一计量电信号（4225）；以及

用所述计量光学检测器将所述第七部分转换成第二参考电信号（4230）。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：

提供第一电动机（2125）、第二电动机（2155）、第一角度测量设备（2120）和第二角度测量设备（2150），所述第一电动机和所述第二电动机一起被配置成将所述第一光束导向第一方向，所述第一方向由绕第一轴（20）的第一旋转角以及绕第二轴（18）的第二旋转角来确定；

用所述第一电动机产生所述第一旋转角（4315）；

用所述第二电动机产生所述第二旋转角（4320）；

测量所述第一旋转角（4325）；

测量所述第二旋转角（4325）；以及

至少部分地基于所述第一距离、所述第一旋转角和所述第二旋转角来确定所述回射器目标的三维坐标（4330）。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述由所述光纤开关接收所述第四部分并且将所述第四部分发送到所述耦合器输出端口中的步骤还包括至少部分地基于所述第一计量值选择所述第一状态和所述第二状态中的一个的步骤。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述由所述光纤开关接收所述第四部分并且将所述第四部分发送到所述耦合器输出端口中的步骤还包括至少部分地基于自上次获得所述第二参考值以来所测得的温度的变化来选择所述第一状态和所述第二状态中的一个的步骤。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述由所述光纤开关接收所述第四部分并且将所述第四部分发送到所述耦合器输出端口中的步骤还包括至少部分地基于所述处理器是否处于确定第一距离值的模式来选择所述第一状态和所述第二状态中的一个的步骤。

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