CN103649673A - 激光跟踪器中的增强的位置检测器 - Google Patents

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Abstract

一种坐标测量设备，该设备将第一光束发送到回射器目标，该目标返回第一光束的一部分作为第二光束。该设备包括：将第一光束导向第一方向的第一电动机和第二电动机，第一方向由绕第一轴的第一旋转角和绕第二轴和第二旋转角来确定；分别测量第一旋转角和第二旋转角的第一角度测量设备和第二角度测量设备。测距仪测量从该设备到该目标的第一距离。该设备还包括位置检测器和漫射器，第二光束的第二部分通过漫射器并到位置检测器上，位置检测器被配置成响应于第二部分在位置检测器上的位置而产生第一信号。控制系统向第一电动机发送第二信号并且向第二电动机发送第三信号，第二信号和第三信号至少部分地基于第一信号，控制系统被配置成将第一光束的第一方向调整到该目标的位置。处理器提供目标的3D坐标。

Description

激光跟踪器中的增强的位置检测器
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第61/592,049号和于2011年4月15日提交的美国临时专利申请第61/475,703号的优先权，两者的全部内容通过引用合并在本文中。
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将激光束发送到点来测量该点的三维（3D）坐标的一类仪器。激光束可以直接照射在该点上，或者可以照射在与该点接触的回射器目标上。在任一情况下，该仪器通过测量到目标的距离和两个角度来确定该点的坐标。利用距离测量设备如绝对测距仪或干涉仪来测量距离。利用角度测量设备如角编码器来测量角度。仪器内的万向节式光束转向机构将激光束导向兴趣点。
激光跟踪器是一种特定类型的坐标测量设备，该坐标测量设备利用激光跟踪器发射的一个或多个激光束来跟踪回射器目标。与激光跟踪器密切相关的坐标测量设备是激光扫描仪和全站仪。激光扫描仪将一个或多个激光束步进到表面上的点。激光扫描仪获得从表面散射的光并且由该光确定到每个点的距离和两个角度。在测量应用中最常用的全站仪可以用于测量漫散射目标或回射目标的坐标。在下文中，在广义上使用的术语激光跟踪器包括激光扫描仪和全站仪。
通常，激光跟踪器将激光束发送到回射器目标。常见类型的回射器目标是球形安装的回射器（SMR），该球形安装的回射器包括嵌入金属球体内的立体角回射器。立体角回射器包括三个相互垂直的镜。作为三个镜的公共交点的顶点位于球体的中心。由于立体角在球体内的这种布局，所以从顶点到其上搁置有SMR的任何表面的垂直距离保持恒定，即使当SMR旋转时也是如此。因此，激光跟踪器可以通过在当SMR在表面上移动时跟随SMR的位置来测量表面的3D坐标。换句话说，激光跟踪器仅需要测量三个自由度（一个径向距离和两个角度）来充分表征表面的3D坐标。
激光跟踪器的一种类型仅包含干涉仪（IFM）而没有绝对测距仪（ADM）。如果对象阻挡了来自这些跟踪器之一的激光束的路径，那么IFM失去了其距离参考。然后操作员必须在继续测量之前跟踪回射器到已知位置以复位至参考距离。解决此限制的方式是在跟踪器中放置ADM。ADM可以以指点并发射（point-and-shoot）方式测量距离，如下面更详细所描述的。一些激光跟踪器仅包含ADM而没有干涉仪。Bridges等人的美国专利第7,352,446号描述了仅具有ADM（而没有IFM）的激光跟踪器能够精确地扫描移动目标，该专利的内容通过引用合并在本文中。在本发明之前，绝对测距仪太慢而不能精确地求出移动目标的位置。
可以使用激光跟踪器内的万向节机构将来自跟踪器的激光束导向SMR。由SMR回射的光的一部分进入激光跟踪器并传递到位置检测器上。激光跟踪器内的控制系统可以使用光在位置检测器上的位置来调整激光跟踪器的机械轴的旋转角以使激光束保持在SMR上的中心。以此方式，跟踪器能够跟随（跟踪）在感兴趣对象的表面上移动的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全地确定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自由度，而不是通常的三自由度。Bridges等人的美国专利第7,800,758（'758）号（其内容通过引用合并在本文中）和Bridges等人的美国专利申请第2010/0128259号（其内容通过引用合并在本文中）描述了示例性的六自由度（6-DOF）系统。
如上所述，通过将进入跟踪器的回射光的一部分发送到位置检测器上来实现由来自激光跟踪器的光束跟踪回射器目标。反射到位置检测器上的光束可能无法平稳变化，相反可能具有可能使回射器目标的位置被错误确定的“热斑”。另外，被光学元件反射的不想要的鬼光束可能照射位置检测器，也会使回射器目标的位置被错误地确定。所需要的是消除位置检测器的照明方面的问题的方法，从而提高激光跟踪器的跟踪和角度测量精度。
发明内容
根据本发明的实施方式，坐标测量设备将第一光束发送到远程回射器目标，回射器目标具有空间中的位置，空间中的位置是时间的函数，回射器目标返回第一光束的一部分作为第二光束。测量设备包括一起将第一光束导向第一方向的第一电动机和第二电动机，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，第一旋转角由第一电动机产生并且第二旋转角由第二电动机产生。该测量设备还包括：测量第一旋转角的第一角度测量设备和测量第二旋转角的第二角度测量设备；测距仪，其至少部分地基于由第一光学检测器所接收到的第二光束的第一部分来测量从坐标测量设备到回射器目标的第一距离；以及位置检测器组件，其包括位置检测器和漫射器，第二光束的第二部分通过漫射器并到位置检测器上，位置检测器被配置成响应于所述第二部分在位置检测器上的位置而产生第一信号。该测量设备还包括：控制系统，其向第一电动机发送第二信号并且向第二电动机发送第三信号，第二信号和第三信号至少部分地基于第一信号，控制系统被配置成将第一光束的第一方向调整到回射器目标的空间中的位置；以及处理器，其提供回射器目标的三维坐标，三维坐标至少部分地基于第一距离、第一旋转角和第二旋转角。
根据本发明的另一实施方式，坐标测量设备将第一光束发送到远程回射器目标，回射器目标具有空间中的位置，空间中的位置是时间的函数，回射器目标返回第一光束的一部分作为第二光束。该测量设备包括一起将第一光束导向第一方向的第一电动机和第二电动机，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，第一旋转角由第一电动机产生并且第二旋转角由第二电动机产生。该测量设备还包括：测量第一旋转角的第一角度测量设备和测量第二旋转角的第二角度测量设备；测距仪，其至少部分地基于由第一光学检测器所接收到的第二光束的第一部分来测量从坐标测量设备到回射器目标的第一距离；以及位置检测器组件，其包括位置检测器、透镜和空间滤波器，透镜具有正焦距，空间滤波器被放置在近似等于透镜焦距的距透镜的第二距离处，空间滤波器被放置在透镜与位置检测器之间，第二光束的第二部分通过透镜和空间滤波器并到位置检测器上，位置检测器被配置成响应于所述第二部分在位置检测器上的位置而产生第一信号。该测量设备还包括：控制系统，其向第一电动机发送第二信号并且向第二电动机发送第三信号，第二信号和第三信号至少部分地基于第一信号，控制系统被配置成将第一光束的第一方向调整到回射器目标的空间中的位置；以及处理器，其提供回射器目标的三维坐标，三维坐标至少部分地基于第一距离、第一旋转角和第二旋转角。
附图说明
现在参照附图，所示出的示例性的实施方式不应当被解释为对本公开的整个范围进行限制，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：
图1是根据本发明的实施方式的具有回射器目标的激光跟踪系统的立体图；
图2是根据本发明的实施方式的具有六自由度目标的激光跟踪系统的立体图；
图3是描述了根据本发明的实施方式的激光跟踪器的光学元件和电学元件的框图；
包括图4A和图4B的图4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器；
图6A至图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，并且图6E至图6F是示出了根据本发明的实施方式的位置检测器组件的示意图；
图7是现有技术ADM内的电子元件和电-光元件的框图；
图8A和图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的实施方式的、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；以及
图11是根据本发明的实施方式的激光跟踪器的计算和通信元件的框图。
具体实施方式
图1所示的示例性激光跟踪系统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；以及可选的辅助计算机60。激光跟踪器10的示例性万向节式光束转向机构12包括安装在方位基座16上并且绕方位轴20旋转的顶点支架14。有效载荷15安装在顶点支架14上并且绕顶点轴18旋转。顶点轴18和方位轴20在跟踪器10内部于万向节点22处正交地相交，万向节点22通常是用于距离测量的原点。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大致垂直于与顶点轴18和方位轴20两者平行的任何平面。通过有效载荷15绕顶点轴18旋转并且通过顶点支架14绕方位轴20旋转，射出的激光束46指向所期望的方向。在跟踪器内部，顶点角编码器附接到与顶点轴18对准的顶点机械轴。在跟踪器内部，方位角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角编码器以相对较高的精度测量顶点旋转角和方位旋转角。射出的激光束46行进到可以是例如上述的球形安装的回射器（SMR）的回射器目标26。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，在跟踪器的球坐标系内求出回射器26的位置。
如下文所述，射出的激光束46可以包括一个或多个激光波长。为了清楚和简明起见，在以下讨论中，假定了图1所示的类型的转向机构。然而，是其他类型的转向机构也是可以的。例如，可以由绕方位轴和顶点轴旋转的镜来反射激光束。不论转向机构的类型，本文中所描述的技术都是适用的。
针对不同尺寸的SMR——例如1.5、7/8和1/2英寸的SMR，在激光跟踪器上可以包括用于将激光跟踪器复位至“初始”位置的磁靶座17。可以使用跟踪器上的回射器19将跟踪器复位至参考距离。另外，可以将跟踪器上的镜（从图1的视图中不可见）与跟踪器上的回射器组合使用以使得能够实现自补偿，如美国专利第7,327,446号所述的，其内容通过引用合并在本文中。
图2示出示例性激光跟踪系统7，其类似于图1的激光跟踪系统5，不同的是回射器目标26被替换为6-DOF探头1000。在图1中，可以使用其他类型的回射器目标。例如，有时也使用作为玻璃回射器的猫眼回射器，其中光在玻璃结构的反射背面上聚焦为小光斑。
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。该框图示出了发射两种波长的光——用于ADM的第一波长和用于可见指示器并用于跟踪的第二波长——的激光跟踪器的元件。可见指示器使用户能够看见由跟踪器所发射的激光束光斑的位置。使用自由空间分束器来组合两种不同波长。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可以是激光器、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、衰减器或能够使反射回光源中的光减小的其他器件。可以以各种方式配置可选的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；以及相位分析器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。可替代地，可以通过光缆将隔离器115耦合至可见光源110。在此情况下，来自隔离器的光可以通过第一光纤发射器170发射到自由空间中，如本文下面参照图5所讨论的。
可以使用各种透镜配置来设置扩束器140，但图4A、图4B示出了两种常用的现有技术配置。图4A示出了基于使用负透镜141A和正透镜142A的配置140A。入射在负透镜141A上的准直光束220A从正透镜142A出来形成更宽的准直光束230A。图4B示出了基于使用两个正透镜141B、142B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出来形成更宽的准直光束230B。离开扩束器140的光中的少量光在从跟踪器出去的路径上被分束器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电子器件将电调制和偏置电压发送到光源162，光源162可以例如是在近似1550nm波长处工作的分布式反馈激光器。在实施方式中，光纤网络166可以是图8A所示的现有技术光纤网络420A。在本实施方式中，来自图3中的光源162的光行进通过光纤184，该光纤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以及低透射的反射器435、440。光行进通过第一光纤耦合器430并在两条路径即通过光纤433到第二光纤耦合器436的第一路径和通过光纤422和光纤长度均衡器423的第二路径之间分裂。光纤长度均衡器423连接到图3中的光纤长度168，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的目的是将在参考通道中光经过的光纤的长度与在计量通道中光经过的光纤的长度相匹配。以此方式对光纤长度进行匹配减小了由环境温度的变化引起的ADM误差。这样的误差可能是因为光纤的有效光路长度等于光纤的平均折射率乘以光纤长度而产生的。由于光纤的折射率依赖于光纤的温度，所以光纤温度的变化引起计量通道和参考通道的有效光路长度的变化。如果计量通道中光纤的有效光路长度相对于参考通道中光纤的有效光路长度发生变化，那么结果将是回射器目标90的位置产生明显的偏移，即使回射器目标90保持静止也是如此。为了解决该问题，采用两个步骤。首先，使参考通道中的光纤的长度尽可能与计量通道中的光纤的长度接近匹配。其次，并排地路由计量光纤和参考光纤以确保两个通道中的光纤看到几乎相同的温度变化。
光通过第二光纤耦合器436行进并分裂成两条路径——到低反射的光纤终止器440的第一路径和到光纤438的第二路径，光从光纤438行进到图3中的光纤186。在光纤186上的光行进到第二光纤发射器170。
在实施方式中，在现有技术图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，可以将光纤的端部以一定角度抛光以减小回射。光250从光纤的纤芯出射，该光纤可以是直径在4微米至12微米之间的单模光纤，这取决于所使用的光的波长和光纤的特定类型。光250以一定角度发散并与透镜176相交，透镜176使光准直。参考专利'758中的图3描述了通过ADM系统中的单个光纤来发射和接收光信号的方法。
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不同于其反射波长的波长。在实施方式中，来自ADM160的光被二向色分束器155反射并且与来自可见光激光器110并透射通过二向色分束器155的光组合。复合光束188作为第一光束从激光跟踪器出来行进到回射器90，回射器90返回该光的一部分作为第二光束。ADM波长处的第二光束的那部分被二向色分束器155反射，并返回到第二光纤发射器170，第二光纤发射器170将光耦合回到光纤186中。
在实施方式中，光纤186对应于图8A中的光纤438。返回光从光纤438行进通过第二光纤耦合器436并且在两条路径之间分裂。第一路径通向光纤424，在实施方式中的该光纤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，然后通向第一光纤耦合器430。离开第一光纤耦合器430的光在两条路径即通向光纤432的第一路径和通向低反射的终止器435的第二路径之间分裂。在实施方式中，光纤432对应于图3中的通向光源162的光纤184。在大多数情况下，光源162包含内置法拉第隔离器，该法拉第隔离器使从光纤432进入光源的光量最小化。沿相反方向馈入激光器的强光可以使激光器不稳定。
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中示出了现有技术ADM电子器件的实施方式。图3中的光纤168对应于图7中的光纤3232，并且图3中的光纤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：频率参考器3302；合成器3304；计量检测器3306；参考检测器3308；计量混频器3310；参考混频器3312；调节电子器件3314、3316、3318、3320；N分频的预分频器3324；以及模-数转换器（ADC）3322。可以是例如恒温晶体振荡器（OCXO）的频率参考器将可以是例如10MHz的参考频率fREF发送到合成器，该合成器生成两个电信号——一个频率为fRF的信号和两个频率为fLO的信号。信号fRF去往光源3102，该光源3102对应于图3中的光源162。两个频率为fLO的信号去往计量混频器3310和参考混频器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，并且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将光信号转换成电信号。这些信号分别由电气部件3316、3314调节，并且被分别发送到混频器3312、3310。混频器产生等于fLO-fRF的绝对值的频率fIF。信号fRF可以是相对较高的频率，例如2GHz，而信号fIF可以具有相对较低的频率，例如10kHz。
参考频率fREF被发送到整数值分频的预分频器3324。例如，10MHz的频率可以被分成40份以获得250kHz的输出频率。在此示例中，进入ADC3322的10kHz信号将以250kHz的速率进行采样，从而每个周期产生25个样品。来自ADC3322的信号被发送到数据处理器3400，数据处理器3400可以例如是位于图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用于参考通道和计量通道的ADC信号的相位的计算。在Bridges等人的美国专利第7,701,559（'559）号中详细地描述了该方法，该专利的内容通过引用合并在本文中。计算包括专利'559的等式（1）-（8）的使用。另外，当ADM首先开始测量回射器时，由合成器产生的频率变化了多次（例如三次），并且在每种情况下计算可能的ADM距离。通过比较关于所选择频率中的每个频率的可能的ADM距离，去除ADM测量中的不确定性。与关于专利'559的图5所描述的同步方法和专利'559中所描述的卡尔曼滤波方法相结合的专利'559的等式（1）-（8）使ADM能够测量移动的目标。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将光的一部分发送到扩束器140并且将光的另一部分发送到位置检测器组件150。从激光跟踪器10或EO系统100出现的光可以被认为是第一光束，而所述光的被回射器90或26反射的部分可以被认为是第二光束。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，可以向测距仪如图3中的ADM160发送第一部分。可以向位置检测器组件150发送第二部分。在一些情况下，可以向其它功能单元例如可选的干涉仪120发送第三部分。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被分束器155和145反射之后被分别发送到测距仪和位置检测器，但也可以将光透射而不是反射到测距仪或位置检测器上。
图6A至图6D示出了现有技术位置检测器组件150A至150D的四个示例。图6A示出了最简单的实现，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获得电力并且将信号返回到电子器件盒350，电子器件盒350可以表示在激光跟踪器10、辅助单元50或外部计算机60内的任何位置处的电子处理能力。图6B包括阻挡不想要的光波长到达位置传感器151的光学滤波器154。也可以例如通过用适当的膜覆盖位置传感器151的表面或分束器145来阻挡不想要的光波长。图6C包括减小光束尺寸的透镜153。图6D包括光学滤波器154和透镜153两者。
图6E示出了根据本发明的实施方式的包括光学检测器149E的位置检测器组件。光学检测器包含透镜153并且还可以包含可选波长滤波器154。另外，光学检测器包括漫射器156和空间滤波器157中的至少一个。如上所述，回射器的常见类型是立体角回射器。立体角回射器的一种类型由三个镜制成，每个镜以直角接合至其他两个镜。这三个镜接合所在的交线可以具有有限的厚度，在所述交线中光不完全地反射回到跟踪器。有限厚度的线在传播时被衍射，使得一旦到达位置检测器时，所述线可能不完全相同地出现在位置检测器处。然而，衍射的光模式一般将偏离完全对称。因此，照射到位置检测器151上的光可以具有例如在衍射线的附近的光功率（热斑）的减小或增加。由于来自回射器的光的均匀性可能随回射器的不同而变化，并且还由于在位置检测器上的光的分布可能随着回射器旋转或倾斜而变化，所以包括漫射器156以改善照射到位置检测器151上的光的平稳度会是有利的。可以认为，由于理想的位置检测器应当响应质心并且理想的漫射器应当对斑对称地扩散，所以应当不会对由位置检测器给出的所得到的位置产生影响。然而，在实践中，可能由于在位置检测器151和透镜153中的非线性（不完美）的影响，所以漫射器被观察到改善位置检测器组件的性能。由玻璃制成的立体角回射器还可能在位置检测器151处产生非均匀光斑。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，这可以从以下专利更清楚地理解：共同转让的于2012年2月10日提交的美国专利申请第13/370,339号和于2012年2月29日提交的美国专利申请第13/407,983号，其内容通过引用合并在本文中。在实施方式中，漫射器156是全息漫射器。全息漫射器提供在指定漫射角内的可控制的、均匀的光。在其它实施方式中，使用其他类型的漫射器如磨砂玻璃或“乳白玻璃”漫射器。
位置检测器组件150E的空间滤波器157的目的是阻挡鬼光束照射到位置检测器151上，鬼光束可能是例如被光表面反射的不想要的结果。空间滤波器包括具有孔的板157。通过将空间滤波器157放置在近似等于透镜的焦距的距透镜的一距离处，当光接近其最窄处——在光束的腰部处时，返回光243E通过空间滤波器。例如由于光学元件的反射而以不同角度行进的光束照射到远离孔的空间滤波器上并且被阻挡到达位置检测器151。图6E示出了示例，其中不想要的鬼光束244E被分束器145的表面反射并行进到空间滤波器157，并且在空间滤波器157处被阻挡。在没有空间滤波器的情况下，鬼光束244E将与位置检测器151相交，从而使光束243E在位置检测器151上的位置被错误地确定。如果鬼光束位于距主光斑相对较远的距离处，那么即使弱的鬼光束也可以显著改变在位置检测器151上的质心的位置。
这里所讨论的这类回射器例如立体角回射器或猫眼回射器具有对进入回射器的光线沿平行于入射光线的方向进行反射的特性。另外，入射光线和反射光线关于回射器的对称点对称地布置。例如，在空气式立体角回射器中，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，但必须考虑到，在此情况下的在玻璃-空气界面处的光的弯折。在具有2.0的折射率的猫眼回射器中，对称点是球体的中心。在由对称地装在共同平面上的两个玻璃半球制成的猫眼回射器中，对称点是位于平面上并且在每个半球的球心处的点。重点是，对于通常与激光跟踪器一起使用的这类型回射器，由回射器返回到跟踪器的光相对于入射激光束被偏移至顶点的另一侧。
图3中的回射器90的该行为是用于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折回点。理想折回点是发送到回射器的对称点（例如在SMR中的立体角回射器的顶点）的激光束将返回所在的点。通常折回点在位置传感器的中心附近。如果激光束被发送到回射器的一侧，那么它反射回到另一侧上并且出现在偏离位置传感器上的折回点的地方。通过记录返回光束在位置传感器上的位置，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。
如果回射器相对于跟踪器以恒定速度横向移动，那么（在瞬变现象稳定之后）在回射器处的光束将在距回射器的对称点的固定偏移距离处照射到回射器上。基于从受控测量得到的比例因子和基于从位置传感器上的光束到理想折回点的距离，激光跟踪器进行校正以考虑在回射器处的该偏移距离。
如上所述，位置检测器执行两个重要功能——使得能够跟踪测量并校正测量以考虑回射器的移动。位置检测器内的位置传感器可以是能够测量位置的任意类型的设备。例如，位置传感器可以是位置敏感检测器或光敏阵列。位置敏感检测器可以是例如横向效应检测器或象限检测器。感光阵列可以是例如CMOS或CCD阵列。
在实施方式中，未被分束器145反射的返回光通过扩束器140，从而变得更窄。在另一实施方式中，位置检测器和测距仪的位置是相反的，使得由分束器145反射的光行进到测距仪而由分束器透射的光行进到位置检测器。
光继续通过可选的IFM，通过隔离器并且进入可见光源110。在此阶段，光功率应当足够小，使得光功率不会使可见光源110不稳定。
在实施方式中，来自可见光源110的光通过图5的光束发射器170发射。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。
在实施方式中，图3的光纤网络166是图8B的现有技术光纤网络420B。这里，图3的光纤184、186、168、169对应于图8B的光纤443、444、424、422。图8B的光纤网络类似于图8A的光纤网络，不同的是图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。图8B优于图8A的优点是简单；然而，图8B更可能具有进入光纤422和424的不想要的光回射。
在实施方式中，图3的光纤网络166是图8C的光纤网络420C。这里，图3的光纤184、186、168、169对应于图8C的光纤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。通常通过将两个纤芯靠近地放置，然后在加热时拉出光纤来制成该类型的耦合器。以此方式，光纤之间的消散波耦合可以将光的所期望的部分分离至相邻的光纤。第二光纤耦合器451属于被称为环行器的类型。第二光纤耦合器451具有3个端口，每个端口均具有发送或接收光的能力，但只是在指定方向。例如，在光纤448上的光进入端口453并且如箭头所示朝向端口454输送。在端口454处，光可以传输至光纤455。类似地，在端口455上行进的光可以进入端口454并且沿箭头的方向行进到端口456，其中一些光可以传输至光纤424。如果仅需要三个端口，那么环行器451可能遭受比2×2耦合器少的光功率损耗。另一方面，环行器451可能比2×2耦合器昂贵，并且环行器451可能会经历偏振模色散，这在某些情况下可能产生问题。
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等人的美国公布专利申请第2010/0128259号的图2和图3中描述了该现有技术激光跟踪器2100，该专利的内容通过引用合并在本文中。方位组件2110包括：柱状外壳2112；方位编码器组件2120；下部方位轴承2114A和上部方位轴承2114B；方位电动机组件2125；方位滑环组件2130；以及方位电路板2135。
方位编码器组件2120的目的是精确地测量轭2142相对于柱状外壳2112的旋转角。方位编码器组件2120包括编码盘2121和读头组件2122。编码盘2121附接到轭外壳2142的轴，并且读头组件2122附接到柱状外壳2110。读头组件2122包括其上紧固有一个或多个读头的电路板。从读头发送的激光被编码盘2121上的细光栅线反射。对由一个或多个编码器读头上的检测器拾取的反射光进行处理以求出编码盘相对于固定读头的旋转角。
方位电动机组件2125包括方位电动机转子2126和方位电动机定子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包括生成规定磁场的磁场绕组。该磁场与方位电动机转子2126相互作用以产生所期望的旋转运动。方位电动机定子2127附接到柱状框架2112。
方位电路板2135表示提供方位部件（如编码器和电动机）所需电气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。在实施方式中，导线束2138从辅助单元处理器50出来。导线束2138可以向跟踪器传送电力，或者向跟踪器传送信号和从跟踪器传送信号。可以将导线束2138的一些导线导向电路板上的连接器。在图30所示的示例中，导线被路由至方位电路板2135、编码器读头组件2122和方位电动机组件2125。其他导线被路由至滑环组件2130的内部部分2132。内部部分2132附接到柱状外壳2110并且因而保持静止。外部部分2131附接到轭组件2140并且因而相对于内部部分2132旋转。滑环组件2130被设计成：当外部部分2131相对于内部部分2132旋转时，允许低阻抗电触头。
顶点组件2140包括：轭外壳2142；顶点编码器组件2150；左顶点轴承2144A和右顶点轴承2144B；顶点电动机组件2155；顶点滑环组件2160；以及顶点电路板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包括顶点编码盘2151和顶点读头组件2152。编码盘2151附接到有效载荷外壳2142，并且读头组件2152附接到轭外壳2142。顶点读头组件2152包括其上紧固有一个或多个读头的电路板。从读头发送的激光被编码盘2151上的细光栅线反射。对由一个或多个编码器读头上的检测器拾取的反射光进行处理以求出编码盘相对于固定读头的旋转角。
顶点电动机组件2155包括方位电动机转子2156和方位电动机定子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所期望的旋转运动。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）所需电气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。导线束2168从方位外滑环2131出来并且可以传送电力或信号。可以将导线束2168的一些导线导向电路板上的连接器。在图10所示的示例中，导线被路由至顶点电路板2165、顶点电动机组件2150和编码器读头组件2152。其他导线被路由至滑环组件2160的内部部分2162。内部部分2162附接到轭框架2142并且因而仅以方位角而不是以顶点角旋转。外部部分2161附接到有效载荷框架2172并且因而以顶点角和方位角两者旋转。滑环组件2160被设计成：当外部部分2161相对于内部部分2162旋转时，允许低阻抗电触头。有效载荷组件2170包括主光学组件2180和二次光学组件2190。
图11是描绘了尺度测量电子处理系统1500的框图，该尺度测量电子处理系统1500包括：激光跟踪器电子处理系统1510；外围元件1582、1584、1586；计算机1590；以及这里表示为云的其它网络化部件1600。示例性激光跟踪器电子处理系统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，所述多个子功能包括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。大多数的子功能具有至少一个处理器单元，该处理器单元例如可以是数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）。由于电子器件单元在激光跟踪器内的位置，所以分开示出了电子器件单元1530、1540和1550。在实施方式中，有效载荷功能1530位于图9、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。
可以具有许多类型的外围设备，但这里示出了三个这样的设备：温度传感器1582、6-DOF探头1584、以及可以是智能手机的个人数字助理1586。激光跟踪器可以以各种方式与外围设备通信，所述各种方式包括通过天线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的距离和角读数的方式。
在实施方式中，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。每个通信线可以具有例如包括数据线、时钟线和帧线的三个串行线。帧线显示电子器件单元是否应当注意时钟线。如果帧线显示应当给予注意，那么电子器件单元读取在每个时钟信号处的数据线的当前值。时钟信号可以对应于例如时钟脉冲的上升沿。在实施方式中，信息以数据包的形式通过数据线传输。在实施方式中，每个数据包包括地址、数值，数据报文以及校验和。地址显示在电子器件单元内数据报文要被导向的地方。该位置可以例如对应于电子器件单元内的处理子程序。数值显示数据报文的长度。数据报文包含待执行的用于电子器件单元的数据或指令。校验和是用于将通过通信线传输的错误的机率减至最低的数值。
在实施方式中，主处理器1520将信息包通过总线1610发送到有效载荷功能电子器件1530，通过总线1611发送到方位编码器电子器件1540，通过总线1612发送到顶点编码器电子器件1550，通过总线1613发送到显示和UI电子设备1560，通过总线1614发送到可拆卸的存储硬件1565，以及通过总线1616发送到RFID和无线电子器件1570。
在实施方式中，主处理器1520还通过同步总线1630向电子器件单元中的每一个同时发送同步脉冲。同步脉冲提供了对由激光跟踪器的测量功能所收集到的值进行同步的方法。例如，一旦接收到同步脉冲，方位编码器电子器件1540和顶点电子器件1550就对他们的编码器值进行锁存。类似地，有效载荷功能电子器件1530对由包含在有效载荷中的电子器件所收集到的数据进行锁存。当给予同步脉冲时，6-DOF、ADM和位置检测器均对数据进行锁存。在大多数情况下，相机和测斜仪收集数据的速率比同步脉冲速率慢，但可以以多个同步脉冲周期对数据进行锁存。
通过图9、图10中所示的滑环2130、2160，方位编码器电子器件1540和顶点编码器电子器件1550彼此分隔开，并且两者与有效载荷电子器件1530分隔开。这就是为何图11中的总线1610、1611和1612被描述为单独总线的原因。
激光跟踪器电子处理系统1510可以与外部计算机1590进行通信，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进行通信，通信链路1606可以是例如以太网线连接或无线连接。激光跟踪器还可以通过通信链路1602与由云所表示的其他元件1600进行通信，通信链路1602可以包括一个或多个电缆（如以太网电缆）和一个或多个无线连接。元件1600的示例是另外的三维测试仪——例如，可以由激光跟踪器重新定位的关节臂式CMM。计算机1590与元件1600之间的通信链路1604可以是有线（如以太网）或无线。坐在远程计算机1590上的操作人员可以通过以太网或无线与由云1600所表示的互联网进行连接，互联网又通过以太网或无线连接到主处理器1520。以此方式，用户可以控制远程激光跟踪器的动作。
虽然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。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
4.（原始）一种坐标测量设备，所述坐标测量设备将第一光束发送到远程回射器目标，所述回射器目标具有空间中的位置，所述空间中的位置是时间的函数，所述回射器目标返回所述第一光束的一部分作为第二光束，所述测量设备包括：
第一电动机和第二电动机，所述第一电动机和所述第二电动机一起将所述第一光束导向第一方向，所述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，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；
测量所述第一旋转角的第一角度测量设备和测量所述第二旋转角的第二角度测量设备；
测距仪，所述测距仪至少部分地基于由第一光学检测器所接收到的所述第二光束的第一部分来测量从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
位置检测器组件，所述位置检测器组件包括位置检测器、透镜和空间滤波器，所述透镜具有正焦距，所述空间滤波器被放置在近似等于所述透镜焦距的距所述透镜的第二距离处，所述空间滤波器被放置在所述透镜与所述位置检测器之间，所述第二光束的第二部分通过所述透镜和所述空间滤波器并到所述位置检测器上，所述位置检测器被配置成响应于所述第二部分在所述位置检测器上的位置而产生第一信号；
控制系统，所述控制系统向所述第一电动机发送第二信号并且向所述第二电动机发送第三信号，所述第二信号和所述第三信号至少部分地基于所述第一信号，所述控制系统被配置成将所述第一光束的所述第一方向调整到所述回射器目标的所述空间中的位置；以及
处理器，所述处理器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。
5.（原始）根据权利要求4所述的坐标测量设备，其中，所述位置检测器组件还包括漫射器，所述第二光束的所述第二部分通过所述漫射器。
6.（原始）根据权利要求5所述的坐标测量设备，其中，所述漫射器是全息漫射器。

Claims (6)

1.一种坐标测量设备，所述坐标测量设备将第一光束发送到远程回射器目标，所述回射器目标具有空间中的位置，所述空间中的位置是时间的函数，所述回射器目标返回所述第一光束的一部分作为第二光束，所述测量设备包括：
第一电动机和第二电动机，所述第一电动机和所述第二电动机一起将所述第一光束导向第一方向，所述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，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；
测量所述第一旋转角的第一角度测量设备和测量所述第二旋转角的第二角度测量设备；
测距仪，所述测距仪至少部分地基于由第一光学检测器所接收到的所述第二光束的第一部分来测量从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
位置检测器组件，所述位置检测器组件包括位置检测器和漫射器，所述第二光束的第二部分通过所述漫射器并到所述位置检测器上，所述位置检测器被配置成响应于所述第二部分在所述位置检测器上的位置而产生第一信号；
控制系统，所述控制系统向所述第一电动机发送第二信号并且向所述第二电动机发送第三信号，所述第二信号和所述第三信号至少部分地基于所述第一信号，所述控制系统被配置成将所述第一光束的所述第一方向调整到所述回射器目标的所述空间中的位置；以及
处理器，所述处理器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。
2.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，所述漫射器是全息漫射器。
3.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，所述位置检测器组件还包括透镜和空间滤波器，所述透镜具有正焦距，所述空间滤波器被放置在近似等于所述透镜焦距的距所述透镜的第二距离处，所述空间滤波器被放置在所述透镜与所述位置检测器之间。
4.一种坐标测量设备，所述坐标测量设备将第一光束发送到远程回射器目标，所述回射器目标具有空间中的位置，所述空间中的位置是时间的函数，所述回射器目标返回所述第一光束的一部分作为第二光束，所述测量设备包括：
第一电动机和第二电动机，所述第一电动机和所述第二电动机一起将所述第一光束导向第一方向，所述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，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；
测量所述第一旋转角的第一角度测量设备和测量所述第二旋转角的第二角度测量设备；
测距仪，所述测距仪至少部分地基于由第一光学检测器所接收到的所述第二光束的第一部分来测量从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
位置检测器组件，所述位置检测器组件包括位置检测器、透镜和空间滤波器，所述透镜具有正焦距，所述空间滤波器被放置在近似等于所述透镜焦距的距所述透镜的第二距离处，所述空间滤波器被放置在所述透镜与所述位置检测器之间，所述第二光束的第二部分通过所述透镜和所述空间滤波器并到所述位置检测器上，所述位置检测器被配置成响应于所述第二部分在所述位置检测器上的位置而产生第一信号；
控制系统，所述控制系统向所述第一电动机发送第二信号并且向所述第二电动机发送第三信号，所述第二信号和所述第三信号至少部分地基于所述第一信号，所述控制系统被配置成将所述第一光束的所述第一方向调整到所述回射器目标的所述空间中的位置；以及
处理器，所述处理器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。
5.根据权利要求4所述的坐标测量设备，其中，所述位置检测器组件还包括漫射器，所述第二光束的所述第二部分通过所述漫射器。
6.根据权利要求5所述的坐标测量设备，其中，所述漫射器是全息漫射器。
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