CN103765238A - 通过光纤光学耦合器组合两种不同波长的激光跟踪仪 - Google Patents

Abstract

一种被配置为将第一光束的光线发送到远程回射器目标的坐标测量装置包括：第一光源和第二光源，第一光源和第二光源被配置为分别发射具有第一波长和第二波长的第一光线和第二光线，所述波长不同；光纤光学耦合器，包括至少第一端口、第二端口和第三端口，第一端口被配置为接受第一光线的第一部分，第二端口被配置为接受第二光线的第二部分，第三端口被配置为传输第三光线，第三光线包括第一部分和第二部分各自的一部分。该装置还包括：光学系统；第一电机和第二电机；第一角度测量装置和第二角度测量装置，被配置为分别测量第一旋转角度和第二旋转角度；距离计量仪，被配置为至少部分地基于通过第一光学检测器接收的第二光束的第三部分，测量从该装置到目标的第一距离；以及处理器，被配置为提供该目标的3D坐标。

Description

通过光纤光学耦合器组合两种不同波长的激光跟踪仪

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年1月30日提交的美国临时专利申请No.61/592,049以及2011年4月15日提交的美国临时申请No.61/475,703的优先权，因此通过参考将这两个申请的全部内容合并。

背景技术

本公开涉及坐标测量装置。一套坐标测量装置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。激光束可以直接撞击点，也可以撞击与点接触的回射器目标。在任何情况下，仪器通过测量到目标的距离和两个角度来确定点的坐标。距离通过诸如绝对距离计量仪或干涉仪这样的测距装置来测量。角度通过诸如角度编码器这样的测角装置来测量。仪器中的万向束控机构将激光束引导到感兴趣的点。

激光跟踪仪是通过它发射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装置。与激光跟踪仪密切相关的坐标测量装置是激光扫描仪和全站仪。激光扫描仪向表面上的点逐步发射一个或多个激光束。它拾取从表面散射的光线并根据该光线确定到目标的距离和两个角度。全站仪在测量应用中最常使用，可用于测量扩散散射或回射目标的坐标。下面在广义地使用包括激光扫描仪和全站仪的术语激光跟踪仪。

通常激光跟踪仪向回射器目标发射激光束。普通类型的回射器目标是球面安装的回射器（SMR），它包括嵌入金属球中的立方隅角回射器。立方隅角回射器包括三面相互垂直的镜子。顶点是三面镜子的公共交点，设置在球心。因为球中立方隅角的这种布置，所以从顶点到SMR所在任何表面的垂直距离都保持恒定，即使在SMR旋转时。因此，当SMR在表面上移动时，激光跟踪仪可以通过跟随SMR的位置，测量表面的3D坐标。换言之，激光跟踪仪只需要测量三个自由度（一个径向距离和两个角度），就能完全表现表面的3D坐标的特征。

一种类型的激光跟踪仪只包含干涉仪（IFM），没有绝对距离计量仪（ADM）。如果物体阻挡了来自这些跟踪仪其中之一的激光束的路径，IFM就会失去它的距离参考。然后操作者必须跟踪回射器到已知位置，以在继续测量之前复位到参考距离。解决这种限制的方法是将ADM置于跟踪仪中。ADM可以以点和射击方式来测量距离，如下更详细所述。某些激光跟踪仪只包含ADM，没有干涉仪。授予Bridges等人的美国专利No.7,352,446（‘446）（其内容通过参考合并于此）描述了只有ADM（并且没有IFM）的激光跟踪仪，其能够准确地扫描移动目标。在‘446专利之前，绝对距离计量仪太慢，不能准确地找到移动目标的位置。

激光跟踪仪中的万向机构可用于将来自跟踪仪的激光束引导到SMR。被SMR回射的一部分光线进入激光跟踪仪并传递到位置检测器上。激光跟踪仪中的控制系统可以利用位置检测器上光线的位置来调节激光跟踪仪的机械轴的旋转角度，以保持激光束以SMR为中心。通过这种方式，跟踪仪能够跟随（跟踪）在感兴趣的物体的表面上移动的SMR。

诸如角度编码器的角度测量装置被附接于跟踪仪的机械轴。通过激光跟踪仪进行的一个距离测量和两个角度测量足以完全指定SMR的三维位置。

若干激光跟踪仪可应用于或者被提议用于测量6个自由度而不是通常的3个自由度。授予Bridges等人的美国专利No.7,800,758（‘758）（其内容通过参考合并于此的）以及授予Bridges等人的美国公开专利申请No.2010/0128259（其内容通过参考合并于此的）描述了示例性的6自由度（6DOF）系统。

过去，具有绝对距离计量仪的激光跟踪仪使用超过一种波长。可见光束被用于至少两个目的——（1）提供落在位置检测器上的光束，以实现回射器目标的跟踪，以及（2）提供指示器光束，用户通过指示器光束可以确定跟踪仪激光束的瞄准方向。已经将红外光束用于绝对距离计量仪。这种激光束的波长变化从780nm到1550nm。由于使用两种不同波长所致的困难包括：（1）从跟踪仪行进到回射器时获得两个不同激光束的精确对准中的困难，（2）由于需要有两个激光源、额外的光束分离器和其他构件所致的附加费用，以及（3）因为与可见光束相比，红外波长光束的散布更快，所以需要更大的激光束尺寸。因为需要将两个不同光束对准，所以需要附加的生产步骤，从而增加生产成本。此外，跟踪仪的性能从来不会与对准完美时的性能完全一样。需要更大的光束尺寸也意味着光束被回射器目标修整，从而导致在某些情况下降低精度，在其他情况下损失光束。所需要的是，激光跟踪仪具有能够保证完美对准的单一波长以及更小的光束尺寸，不需要额外的构件和劳动成本。

发明内容

根据本发明的实施例，坐标测量装置被配置为将第一光束的光线发送到远程回射器目标，回射器目标具有空间中的位置，回射器目标返回一部分第一光束作为第二光束。测量装置包括：第一光源，被配置为发射具有第一波长的第一光线；以及第二光源，被配置为发射具有第二波长的第二光线，第二波长与所述第一波长不同。装置还包括：光纤光学耦合器，包括至少第一端口、第二端口和第三端口，第一端口被配置为接受第一光线的第一部分，第二端口被配置为接受第二光线的第二部分，第三端口被配置为传输第三光线，第三光线包括第一部分的一部分以及第二部分的一部分；以及光学系统，被配置为将一部分所述第三光线传输离开坐标测量装置，作为第一光束。该装置还包括：第一电机和第二电机，第一电机和第二电机一起被配置为将第一光束的光线引导到第一方向，第一方向由关于第一轴的第一旋转角度以及关于第二轴的第二旋转角度确定，第一旋转角度由第一电机产生，第二旋转角度由第二电机产生。该装置还包括：第一角度测量装置，被配置为测量第一旋转角度，以及第二角度测量装置，被配置为测量第二旋转角度；距离计量仪，被配置为至少部分地基于通过第一光学检测器接收的第二光束的第三部分，测量从坐标测量装置到回射器目标的第一距离；以及处理器，被配置为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、第一旋转角度和第二旋转角度。

根据本发明的另一实施例，提供一种用于测量位于空间中的位置的回射器目标的三维坐标的方法。该方法包括步骤：提供坐标测量装置，坐标测量装置包括产生第一波长的第一光线的第一光源、产生与所述第一波长不同的第二波长的第二光线的第二光源、包括至少第一端口、第二端口和第三端口的光纤光学耦合器、光学系统、第一电机、第二电机、第一角度测量装置、第二角度测量装置、距离计量仪以及处理器。该方法还包括步骤：将第一光线的第一部分耦合到第一端口；将第二光线的第二部分耦合到第二端口；从第三端口传输第三光线，第三光线包含该第一部分的一部分以及该第二部分的一部分；通过光学系统将一部分第三光线传输离开坐标测量装置，作为第一光束的光线；沿第一方向引导所述第一光束，第一方向由关于第一轴的第一旋转角度以及关于第二轴的第二旋转角度确定，第一旋转角度由第一电机产生，第二旋转角度由第二电机产生。该方法还包括步骤：通过第一角度测量装置测量第一旋转角度；通过第二角度测量装置测量第二旋转角度；从回射器目标反射一部分第一光束，作为第二光束；通过距离计量仪测量从坐标测量装置到回射器目标的第一距离，所测量的距离至少部分地基于通过第一光学检测器接收的第二光束的光线的第三部分；至少部分地基于第一距离、第一旋转角度以及第二旋转角度，确定回射器目标的三维坐标；以及存储所确定的三维坐标。

附图说明

下面参照附图，所示的示例性实施例不应解释为对本公开的全部范围的限制，并且其中，在若干附图中对元件类似地编号：

图1是根据本发明实施例的具有回射器目标的激光跟踪仪系统的立体图；

图2是根据本发明实施例的具有6DOF目标的激光跟踪仪系统的立体图；

图3是描述根据本发明实施例的激光跟踪仪光学器件和电子器件的元件的方框图；

图4包括图4A和图4B，示出两种类型的现有技术无焦点扩束器；

图5示出现有技术光纤光学光束发射器；

图6A-D是示出4种类型的现有技术位置检测器组件的示意图，而图6E、图6F是示出根据本发明实施例的位置检测器组件的示意图；

图7是现有技术ADM中的电和电光元件的方框图；

图8A和图8B是示出现有技术光纤光学网络中的光纤光学元件的示意图；

图8C是示出根据本发明实施例的光纤光学网络中的光纤光学元件的示意图；

图9是现有技术激光跟踪仪的分解图；

图10是现有技术激光跟踪仪的剖视图；

图11是根据本发明实施例的激光跟踪仪的计算和通信元件的方框图；

图12A是根据本发明实施例的使用单一波长的激光跟踪仪中的元件的方框图；

图12B是根据本发明实施例的使用单一波长的激光跟踪仪中的元件的方框图；

图13是根据本发明实施例的具有6DOF能力的激光跟踪仪中的元件的方框图；

图14A-D是根据本发明实施例的具有6DOF能力的激光跟踪仪中的元件的方框图；

图15是根据本发明实施例的激光跟踪仪中的元件的方框图；

图16是根据本发明实施例的光纤光学组件中的元件的示意图；

图17是根据本发明实施例的具有6DOF能力的激光跟踪仪中的元件的方框图；

图18是根据本发明实施例用于测量回射器目标的三维坐标的方法的流程图；以及

图19是根据本发明实施例用于测量回射器目标的三维坐标的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出的示例性激光跟踪仪系统5包括激光跟踪仪10、回射器目标26、可选辅助单元处理器50和可选辅助计算机60。激光跟踪仪10的示例性万向束控机构12包括天顶架14，天顶架14安装在方位底座16上并绕方位轴20旋转。载荷15安装在天顶架14上并绕天顶轴18旋转。在跟踪仪10内部，天顶轴18与方位轴20在万向点22垂直相交，万向点22通常是距离测量的原点。激光束46虚拟通过万向点22并被指向为垂直于天顶轴18。换言之，激光束46近似垂直于与天顶轴18以及方位轴20两者平行的任何平面。出射激光束46通过载荷15绕天顶轴18的旋转以及天顶架14绕方位轴20的旋转，指向期望的方向。在跟踪仪10内部，天顶角度编码器附接于与天顶轴20对准的天顶机械轴。在跟踪仪10内部，方位角度编码器附接于与方位轴20对准的方位机械轴。天顶和方位角度编码器以较高的精度测量旋转的天顶和方位角度。出射激光束46传播到回射器目标26，回射器目标26例如可以是上述球面安装的回射器（SMR）。通过测量万向点22与回射器26之间的径向距离、关于天顶轴18的旋转角度以及关于方位轴20的旋转角度，在跟踪仪的球面坐标系中找到回射器26的位置。

出射激光束46可包括一个或多个激光波长，如下所述。为了清楚和简明起见，在下面的讨论中假定图1所示类型的控制机构。但是，其他类型的控制机构也可以。例如，可以将激光束反射离开绕着方位轴和天顶轴旋转的镜子。这里所述的技术不管控制机构的类型如何都是可行的。

可将磁巢17包括在激光跟踪仪中，用于针对不同尺寸的SMR，例如1.5、7/8和1/2英寸的SMR，将激光跟踪仪复位到“原本”位置。跟踪仪上的回射器19可用于将跟踪仪复位到参考距离。此外，从图1的视图看不见的跟踪仪上的镜子可用于与跟踪仪上的回射器组合，实现自补偿性能，如美国专利No.7,327,446所述，该专利的内容通过参考被合并。

图2示出示例性激光跟踪仪系统7，除了用6DOF探针1000代替回射器目标26之外，激光跟踪仪系统7与图1的激光跟踪仪系统5相似。在图1中，可使用其他类型的回射器目标。例如，有时候使用猫眼回射器，猫眼回射器是玻璃回射器，其中光线聚焦在玻璃结构的反射性后表面上的小光点。

图3是示出激光跟踪仪实施例中的光学和电学元件的方框图。它示出发射两种波长的光线的激光跟踪仪的元件——第一波长用于ADM，第二波长用于可见指示器并用于跟踪。可见指示器使得用户能够看见跟踪仪发射的激光光点的位置。利用自由空间光束分离器，将两种不同的波长组合。电光（EO）系统100包括可见光源110、隔离器115、可选第一光纤发射器170、可选干涉仪（IFM）120、扩束器140、第一光束分离器145、位置检测器组件150、第二光束分离器155、ADM160以及第二光纤发射器170。

可见光源110可以是激光器、超级发光二极管或者其他光发射装置。隔离器115可以是法拉第隔离器、衰减器或者能够减少反射回到光源的光线的其他装置。可选IFM可以以多种方式配置。作为可能实施方式的特定示例，IFM可包括光束分离器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可以向自由空间发射光线，然后光线通过隔离器115以及可选IFM120在自由空间中传播。或者，通过光纤线缆可将隔离器115连接到可见光源110。在这种情况下，可将来自隔离器的光线通过第一光纤光学发射器170发射到自由空间，如下参照图5所述。

扩束器140可以利用多种透镜配置来设置，两种常用的现有技术配置在图4A和图4B中示出。图4A示出基于使用负透镜141A和正透镜142A的配置140A。入射到负透镜141A的准直光束220A从正透镜142A显现为更大的准直光束230A。图4B示出基于使用两个正透镜141B、142B的配置140B。入射到第一正透镜141B的准直光束220B从第二正透镜142B显现为更大的准直光束230B。在离开扩束器140的光线中，少量在脱离跟踪仪的路径上反射离开光束分离器145、155并损失。传递通过光束分离器155的那部分光线与来自ADM160的光线组合，形成复合光束188，复合光束188离开激光跟踪仪并传播到回射器90。

在实施例中，ADM160包括光源162、ADM电子器件164、光纤网络166、互连电缆165以及互连光纤168、169、184、186。ADM电子器件向光源162发送电调制和偏置电压，光源162例如可以是以大约1550nm的波长操作的分布式反馈激光器。在实施例中，光纤网络166可以是图8A所示的光纤光学网络420A。在该实施例中，来自图3中的光源162的光线在光纤184上传播，光纤184等价于图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以及低传输反射器435、440。光线传播通过第一光纤耦合器430并在两条路径之间分离，第一路径通过光纤433到第二光纤耦合器436，而第二路径通过光纤422和光纤长度均衡器423。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传播到ADM电子器件164的参考信道。光纤长度均衡器423的目的是将参考信道中光线穿过的光纤的长度与测量信道中光线穿过的光纤的长度匹配。通过这种方式匹配光纤长度减少了由于环境温度变化所致的ADM误差。这些误差会因为光纤的有效光路长度等于光纤的平均折射系数乘以光纤长度而出现。因为光纤的折射系数取决于光纤的温度，所以光纤温度的变化引起测量信道和参考信道的有效光路长度的变化。如果测量信道中光纤的有效光路长度相对于参考信道中光纤的有效光路长度而变化，那么即使将回射器目标90保持静止，结果也将是回射器目标90位置的明显移动。为了避免这个问题，采取两个步骤。首先，尽可能将参考信道的光纤长度与测量信道的光纤长度匹配。其次，将测量光纤和参考光纤布置为并排到可以保证两个信道中的光纤经历几乎相同的温度变化的程度。

光线传播通过第二光纤光学耦合器436并分离为两条路径，第一路径到低反射光纤终止器440，第二路径到光纤438，光线从其传播到图3中的光纤186。光纤186上的光线传播到第二光纤发射器170。

在实施例中，在现有技术图5中示出光纤发射器170。来自图3的光纤186的光线进入图5中的光纤172。光纤发射器170包括光纤172、套环174以及透镜176。光纤172附接于套环174，套环174稳定地附接于激光跟踪仪10中的结构。如果需要的话，光纤终端可以以一个角度抛光，以减少背射。光线在光纤中心显现，光纤可以是直径在4微米与12微米之间的单模式光纤，取决于所使用光线的波长以及光纤的特定类型。光线250以一个角度发散并与透镜176相交（intercept），透镜176校准光线250。在专利‘758中参照图3描述通过ADM系统中的单个光纤发射和接收光信号的方法。

参照图3，光束分离器155可以是二色性光束分离器，其透射的波长与其反射的波长不同。在实施例中，来自ADM160的光线反射离开二色性光束分离器155，并与来自可见激光器110的光线组合，来自可见激光器110的光线传输通过二色性光束分离器155。合成光束的光线188传播离开激光跟踪仪到回射器90作为第一光束，第一光束返回一部分光线作为第二光束。第二光束处于ADM波长的那一部分反射离开二色性光束分离器155，并返回第二光纤发射器170，第二光纤发射170将光线耦合回到光纤186。

在实施例中，光纤186对应于图8A中的光纤438。返回光线从光纤438传播通过第二光纤耦合器436并分离为两条路径。第一路径导向光纤424，在实施例中，光纤424对应于光纤169，光纤169导向图3中ADM电子器件164的测量信道。第二路径导向光纤433，然后导向第一光纤耦合器430。离开第一光纤耦合器430的光线在两条路径之间分离，第一路径到光纤432，而第二路径到低反射率终端435。在实施例中，光纤432对应于光纤184，光纤184导向图3中的光源162。在多数情况下，光源162包括内建的法拉第隔离器，法拉第隔离器将从光纤432进入光源的光量最小化。在相反方向上馈入激光器的额外光线可以使激光器不稳定。

来自光纤网络166的光线通过光纤168、169进入ADM电子器件164。现有技术ADM电子器件的实施例在图7中示出。图3中的光纤168对应于图7中的光纤3232，而图3中的光纤169对应于图7中的光纤3230。下面参照图7，ADM电子器件3300包括频率基准3302、合成器3304、测量检测器3306、参考检测器3308、测量混合器3310、参考混合器3312、调节电子器件3314、3316、3318、3320、N倍预分频器3324以及模数转换器（ADC）3322。频率基准向合成器发送基准频率fREF（例如可以是10MHz），频率基准例如可以是恒温控制晶体振荡器（OCXO），合成器生成两个电信号，一个信号处于频率fRF，两个信号处于频率fLO。信号fRF进入光源3102，光源3102对应于图3中的光源162。处于频率fLO的两个信号进入测量混合器3310和参考混合器3312。来自图3中光纤168、169的光线分别出现在图7中的光纤3232、3230上，并分别进入参考信道和测量信道。参考检测器3308和测量检测器3306将光信号转换为电信号。这些信号分别通过电学构件3316、3314调节，并分别被发送至混合器3312、3310。混合器产生频率fIF，其等于fLO–fRF的绝对值。信号fRF可以是较高的频率，例如2GHz，而信号fIF可以是较低的频率，例如10kHz。

基准频率fREF被发送至预分频器3324，预分频器3324将频率除以整数值。例如，可将10MHz的频率除以40，获得250kHz的输出频率。在本示例中，可以以250kHz的速率对进入ADC3322的10kHz信号采样，从而每周期产生25个样本。来自ADC3322的信号被发送到数据处理器3400，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。

提取距离的方法是基于用于参考信道和测量信道的ADC信号的相位的计算。授予Bridges等人的美国专利No.7,701,559（‘559）中详细描述了该方法，该专利的内容通过参考合并于此。计算包括专利‘559的等式（1）-（8）的使用。此外，当ADM首先开始测量回射器时，通过合成器生成的频率被改变若干倍数（例如3倍），并且在每种情况下计算可能的ADM距离。通过对于每个选择的频率比较可能的ADM距离，消除了ADM测量中的不明确。结合参照专利‘559的图5所述的同步方法以及专利‘559中所述的Kalman滤光器方法，专利‘559的方程式（1）-（8）使得ADM能够测量移动目标。在其他实施例中，可以使用获得绝对距离测量结果的其他方法，例如通过使用脉冲飞行时间而不是相位差。

返回光束190通过光束分离器155的部分到达光束分离器145，光束分离器145将一部分光线发送到扩束器140，将另一部分光线发送到位置检测器组件150。从激光跟踪仪10或EO系统100显现的光线可以被认为是第一光束，而反射离开回射器90或26的一部分光线可以被认为是第二光束。一部分反射光束被发送到EO系统100的不同功能元件。例如，可将第一部分发送到距离计量仪，例如图3中的ADM160。可将第二部分发送到位置检测器组件150。在某些情况下，可将第三部分发送到其他功能元件，例如可选干涉计（120）。重要的是理解，虽然在图3的示例中，第二光束的第一部分和第二部分在反射离开光束分离器之后分别被发送到距离计量仪和位置检测器，但是有可能将光线传输而不是反射到距离计量仪或位置检测器。

图6A-D中示出现有技术检测器组件150A-150D的四个示例。图6A描述最简单的实施方式，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获得电力并向其返回信号，电子器件盒350可以代表激光跟踪仪10、辅助单元50或者外部计算机60中任何位置的电子处理能力。图6B包括滤光器154，滤光器154阻挡不需要的光学波长到达位置传感器151。例如也可以通过用适当的薄膜覆盖光束分离器145或者位置传感器151的表面来阻挡不需要的光学波长。图6C包括缩小光束尺寸的透镜153。图6D包括滤光器154和透镜153。

图6E示出根据本发明实施例的位置检测器组件，包括光学调节器149E。光学调节器包含透镜153，也可以包含波长滤波器（wavelengthfilter）154。此外，它至少包括扩散器156和空间滤波器157的其中之一。如上所述，普通类型的回射器是立方隅角回射器。立方隅角回射器的一种类型由三面镜子制成，每面镜子与其余两面镜子成直角相交。这三面镜子相交的交叉线可以有有限的厚度，其中光线并未完全反射回到跟踪仪。有限厚度的线当它们传播时被衍射，因此在到达位置检测器时，它们不一定出现为正好与位置检测器相同。但是，衍射光图案通常背离完全对称。结果，撞击位置检测器151的光线在衍射线附近例如可以有光学功率（热光点）的下降或上升。因为来自回射器的光线的一致性可能随回射器而变化，此外因为位置检测器上光线的分布可能在回射器旋转或倾斜时变化，所以有利的是包括扩散器156，以改善撞击位置检测器151的光线的平滑度。可以表明，因为理想的位置检测器应当对应于形心并且理想的扩散器应当对称地散布光点，所以对于位置检测器给出的结果位置应当无效果。但是，实际上观察到扩散器改善了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中的非线性效果（缺点）。玻璃制成的立方隅角回射器也可以在位置检测器151产生不一致的光点。由于从6-DOF目标中的立方隅角反射的光线，位置检测器处光点的变化可以特别显著，如同可以从普通转让的美国专利申请No.13/370,339（2012年2月10日提交）以及No.13/407,983（2012年2月29日提交）更清楚地理解，这两个专利的内容通过参考被合并。在实施例中，扩散器156是全息扩散器。全息扩散器在指定的扩散角度上提供受控的、均匀的光线。在其他实施例中，使用其他类型的扩散器，例如毛玻璃或“乳玻璃”扩散器。

位置检测器组件150E的空间滤光器157的目的是阻挡鬼光束（ghostbeam），鬼光束例如可以是由于撞击位置检测器151，离开光学表面的不需要的反射的结果。空间滤光器包括有孔隙的板157。通过将空间滤光器157放置为一个离开透镜大约等于透镜焦距的距离，当返回光线243E在近它最窄的-光束腰部接时候，通过空间滤光器。例如作为光学元件的反射的结果的以不同角度传播的光束撞击空间滤光器，离开孔隙，并且被阻止到达位置检测器151。图6E示出一个示例，其中不需要的鬼光束反射离开光束分离器145并传播到空间滤光器157，在空间滤光器157被阻挡。如果没有空间滤光器，鬼光束244E将与位置检测器151相交，从而导致位置检测器151上的光束243E的位置被错误地确定。如果鬼光束被置于与主要光点相距较大的距离，那么即使鬼的幽灵光束也可以显著改变位置检测器151上形心的位置。

这里所讨论类型的回射器、立方隅角或猫眼回射器例如具有将以平行于入射射线的方向进入回射器的光射线反射的性质。此外，入射和反射的射线关于回射器的对称点对称地设置。例如，在露天立方隅角回射器中，回射器的对称点是立方隅角的顶点。在玻璃立方隅角回射器中，对称点也是顶点，但是在这种情况下必须考虑光线在玻璃-空气界面的弯曲。在折射系数为2.0的猫眼回射器中，对称点是球的中心。在由对称地放置在公共平面上的两个玻璃半球制成的猫眼回射器中，对称点是位于平面上并且在每个半球的球心的点。要点是，对于一般由激光跟踪仪使用的回射器类型，被回射器返回到跟踪仪的光线相对于入射的激光束移动到顶点的另一侧。

图3中回射器90的这种行为是通过激光跟踪仪跟踪回射器的基础。位置传感器在其表面上具有理想的折返点（retrace point）。理想的折返点是发送到回射器的对称点（例如，SMR中立方隅角回射器的顶点）的激光束返回的点。通常，折返点靠近位置传感器的中心。如果将激光束发送到回射器的一侧，则它反射回到另一侧并出现在位置传感器上的折返点。通过指出位置传感器上返回光束的位置，激光跟踪仪10的控制系统可以使得电机将光束向回射器的对称点移动。

如果回射器以恒定速度向跟踪仪横向移动，回射器上的光束将在离回射器的对称点固定的偏移距离处撞击回射器（在解决了瞬变现象之后）。激光跟踪仪进行校正，以基于从受控测量获得的缩放系数并基于从位置传感器上的光束到理想的折返点的距离，解释回射器的这种偏移距离。

如上所述，位置检测器执行两种重要的功能——实现跟踪并校正测量结果，以解释回射器的移动。位置检测器中的位置传感器可以是能够测量位置的任何类型的装置。例如，位置传感器可以是位敏检测器或感光阵列。位敏检测器例如可以是横向效应检测器或四分仪检测器。感光阵列例如可以是CMOS或CCD阵列。

在实施例中，未反射离开光束分离器145的返回光线通过扩束器140，因此变得更小。在另一个实施例中，位置检测器与距离计量仪的位置反转，因此通过光束分离器145反射的光线传播到距离计量仪，而通过光束分离器传输的光线传播到位置检测器。

光线继续通过可选IFM，通过隔离器并进入可见光源110。在此阶段，光功率应当足够小，因此它不会使得可见光源110不稳定。

在实施例中，通过图5的光束发射器170发射来自可见光源110的光线。光纤发射器可以附接于光源110的输出端或者隔离器115的光纤光学输出端。

在实施例中，图3的光纤网络是图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，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之外。图8B相对于图8A的优点是简单；但是，图8B更可能有不需要的光学回射进入光纤422和424。

在实施例中，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2X2耦合器，有两个输入端口和两个输出端口。这种类型的耦合器一般通过将两个光纤芯放置为非常接近，然后在加热时拖动光纤而制成。通过这种方式，光纤之间的消逝耦合（evanescent coupling）可将光线的期望部分分离到相邻的光纤。第二光纤耦合器451是称为循环器的类型。它有三个端口，每个端口具有传输或接收光线的能力，但是仅在指定的方向。例如，光纤448上的光线进入端口453并向端口454传输，如箭头所示。在端口454，光线可以传输到光纤455。类似地，在端口455上传播的光线可以进入端口454，并沿着箭头方向传播到端口456，在端口456，一部分光线可以传输到光纤424。如果仅需要三个端口，那么循环器451可能比2X2耦合器承受更少的光功率损失。另一方面，循环器451可能比2X2耦合器更贵，并且它可能经历极化模式的散布，这在某些情况下会有问题。

图9和图10分别示出现有技术激光跟踪仪2100的分解图和剖视图，激光跟踪仪2100在Bridges等人的美国公开专利申请No.2010/0128259的图2和图3中示出，该专利通过参考而合并。方位组件2110包括立柱外壳2112、方位编码器组件2120、上下方位支承2114A、2114B、方位电机组件2125、方位滑环组件2130以及方位电路板2135。

方位编码器组件2120的目的是准确地测量架座（yoke）2142关于立柱外壳2112的旋转角度。方位编码器组件2120包括编码器盘2121和阅读头组件2122。编码器盘2121附接于架座外壳2142的轴，而阅读头组件2122附接于立柱组件2110。阅读头组件2122包括上面紧固了一个或多个阅读头的电路板。从阅读头发出的激光反射离开编码器盘2121上的精细栅格线。被编码器阅读头上的检测器拾取的反射光线被处理，以找到旋转的编码器盘相对于固定的阅读头的旋转角度。

方位电机组件2125包括方位电机转子2126和方位电机定子2127。方位电机转子包括直接附接于架座外壳2142的轴的永磁体。方位电机定子2127包括产生预定磁场的场绕组。该磁场与方位电机转子2126的磁体相互作用，产生期望的旋转运动。方位电机定子2127附接于立柱框架2112。

方位电路板2135表示提供方位构件（例如编码器和电机）所需电功能的一个或多个电路板。方位滑环组件2130包括外部部件2131和内部部件2132。在实施例中，导线束2138从辅助单元处理器50显现。导线束2138可以向跟踪仪传输功率，或者与跟踪仪往来信号。可将导线束2138的一部分导线引导到电路板上的连接器。在图10所示的示例中，导线被引导到方位电路板2135、编码器阅读头组件2122以及方位电机组件2125。其他导线被引导到滑环组件2130的内部部件2132。内部部件2132附接于立柱组件2110并因此保持固定。外部部件2131附接于架座组件2140并因此关于内部部件2132旋转。滑环组件2140被设计为允许在外部部件2131关于内部部件2132旋转时的低阻抗电接触。

天顶组件2140包括架座外壳2142、天顶编码器组件2150、左右天顶支承2144A、2144B、天顶电机组件2155、天顶滑环组件2160以及天顶电路板2165。

天顶编码器组件2150的目的是准确地测量载荷框架2172关于架座外壳2142的旋转角度。天顶编码器组件2150包括天顶编码器盘2151和天顶阅读头组件2152。编码器盘2151附接于载荷外壳2142，而阅读头组件2152附接于架座外壳2142。天顶阅读头组件2152包括上面紧固了一个或多个阅读头的电路板。从阅读头发出的激光反射离开编码器盘2151上的精细栅格线。被编码器阅读头上的检测器拾取的反射光线被处理，以找到旋转的编码器盘相对于固定的阅读头的旋转角度。

天顶电机组件2155包括天顶电机转子2156和天顶电机定子2157。天顶电机转子2156包括直接附接于载荷框架2172的轴的永磁体。天顶电机定子2157包括产生预定磁场的场绕组。该磁场与转子磁体相互作用，产生期望的旋转运动。天顶电机定子2157附接于架座框架2142。

天顶电路板2165表示提供天顶构件（例如编码器和电机）所需电功能的一个或多个电路板。天顶滑环组件2160包括外部部件2161和内部部件2162。导线束2168从方位外部滑环2131显现，并且可传输功率和信号。可将导线束2168的一部分导线引导到电路板上的连接器。在图10所示的示例中，导线被引导到天顶电路板2165、天顶电机组件2150以及编码器阅读头组件2152。其他导线被引导到滑环组件2160的内部部件2162。内部部件2162附接于架座框架2142并因此只在方位角度中旋转，而不是在天顶角度。外部部件2161附接于载荷框架2172并因此在天顶角度和方位角度两者中旋转。滑环组件2160被设计为允许在外部部件2161关于内部部件2162旋转时的低阻抗电接触。载荷组件2170包括主要光学组件2180和次要光学组件2190。

图11是示出维度测量电子器件处理系统1500的方框图，维度测量电子器件处理系统1500包括激光跟踪仪电子器件处理系统1510、外部元件1582、1584、1586、计算机1590以及其他网络构件1600，这里用云表示。示例性激光跟踪仪电子器件处理系统1510包括主处理器1520、载荷功能电子器件1530、方位编码器电子器件1540、天顶编码器电子器件1550、显示器和用户接口（UI）电子器件1560、可移动存储器硬件1565、射频识别（RFID）电子器件以及天线1572。载荷功能电子器件1530包括多个子功能器件，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以及等级电子器件1535。大多数子功能器件有至少一个处理器单元，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）。电子器件单元1530、1540和1550因为它们在激光跟踪仪中的位置而分离，如图所示。在实施例中，载荷功能器件1530被设置在图9和图10的载荷2170中，而方位编码器电子器件1540被设置在方位组件2110中，天顶编码器电子器件1550被设置在天顶组件2140中。

多种类型的外部装置都可以，但是这里示出三个这样的装置：温度传感器1582、6-DOF探针1584以及个人数字助理1586，个人数字助理1586例如可以是智能电话。通过诸如相机的视觉系统，以及通过激光跟踪仪到合作目标（例如6-DOF探针1584）的距离和角度读数，激光跟踪仪可以以各种手段与外部装置通信，包括通过天线1572的无线通信。

在实施例中，独立的通信总线从主处理器1520延伸到每个电子器件单元1530、1540、1550、1560、1565和1570。每个通信线例如可以有三个串行线，包括数据线、时钟线和帧线。帧线指示电子器件单元是否应当注意时钟线。如果它指示应当给予注意，则电子器件单元读取数据线在每个时钟信号的当前值。时钟信号例如可以对应于时钟脉冲的上升沿。在实施例中，信息以数据分组的形式在数据线上传输。在实施例中，每个数据分组包括地址、数值、数据消息以及校验和。地址指示在电子器件单元中将数据消息引导到哪里。位置例如可以对应于电子器件单元中的处理器子程序。数值指示数据消息的长度。数据消息包含用于电子器件单元执行的指令或数据。校验和是用于将通信线上传输的错误的可能性最小化的数值。

在实施例中，主处理器1520将信息的分组通过总线1610发送到载荷功能电子器件1530、通过总线1611发送到方位编码器电子器件1540、通过总线1612发送到天顶编码器电子器件1550、通过总线1613发送到显示器和UI电子器件1560、通过总线1614发送到可移动存储器硬件1565、以及通过总线1616发送到RFID和无线电子器件1570。

在实施例中，主处理器1520也通过同步总线1630同时向每个电子器件单元发送synch（同步）脉冲。synch脉冲提供通过激光跟踪仪的测量功能收集同步值的方式。例如，方位编码器电子器件1540和天顶电子器件1550一接收synch脉冲就锁存它们的编码器值。类似地，载荷功能电子器件1530锁存通过载荷中包含的电子器件收集的数据。当给出synch脉冲时，6-DOF、ADM以及位置检测器都锁存数据。大多数情况下，相机和倾角计以相比于synch脉冲速率更低的速率收集数据，但是可以以synch脉冲周期的若干倍锁存数据。

方位编码器电子器件1540和天顶电子器件1550通过图9、图10所示的滑环2130、2160与载荷电子器件1530分离，并相互分离。这就是为什么在图11中将总线1610、1611和1612示出为分离的总线。

激光跟踪仪电子器件处理系统1510可以与外部计算机1590通信，或者，它可以提供激光跟踪仪中的计算、显示和UI功能。激光跟踪仪通过通信链路1606与计算机1590通信，通信链路1606例如可以是以太网或无线连接。激光跟踪仪也可以通过通信链路1602与通过云表示的其他元件1600通信，通信链路1606可包括一个或多个电缆（例如以太网线缆）以及一个或多个无线连接。元件1600的示例是其他的三维测试仪器——例如可通过激光跟踪仪重置的铰接臂CMM。计算机1590与元件1600之间的通信链路1604可以是有线（例如以太网）或无线。位于远程计算机1590的操作者可通过以太网或无线线路与通过云1600表示的互联网进行连接，进而通过以太网或无线线路连接到主处理器1520。通过这种方式，用户可以控制远程激光跟踪仪的动作。

激光跟踪仪如今使用一个可见光波长（通常是红光）和一个红外光波长用于ADM。红光波长可以由稳频氦氖（HeNe）激光器提供，该激光器适用于干涉计，也适用于提供红色指示器光束。或者，红光波长可以由二极管激光器提供，该激光器仅用作指示器光束。使用两种光源的缺点是额外的光源、光束分离器、隔离器和其他构件所需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准确地沿着光束传播的整个路径对准两个光束。这样会导致多种问题，包括不能从不同波长下操作的不同子系统同时获得良好的性能。图12A的光电系统500中示出使用单个光源、从而消除这些缺点的系统。

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、光束分离器145以及位置检测器150。可见光源110例如可以是红光或绿光二极管激光器、或者垂直腔面发射激光器（VCSEL）。隔离器可以是法拉第隔离器、衰减器或者能够充分减少反馈回到光源的光量的任何其他装置。来自隔离器115的光线传播到光纤网络420中，在实施例中光纤网络420是图8A的光纤网络420A。

图12B示出光电系统400的实施例，其中使用光线的单个波长，但是其中通过光线的电光调制而不是通过光源的直接调制来实现调制。光电系统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、光束分离器145以及位置检测器150。可见光源110例如可以是红光或绿光激光二极管。激光通过隔离器115发送，隔离器115可以是法拉第隔离器或衰减器。隔离器115在其输入和输出端口可以光纤耦合。隔离器115向电光调制器410发送光线，电光调制器410将光线调制为选择的频率，选择的频率可以高达10GHz，如果需要的话，可以更高。来自ADM电子器件475的电信号476驱动电光调制器410中的调制。来自电光调制器410的经过调制的光线传播到光纤网络420，光纤网络420可以是上述的光纤网络420A、420B、420C或420D。一部分光线通过光纤422传播到ADM电子器件475的参考信道。另一部分光线传播离开跟踪仪，反射离开回射器90，返回跟踪仪，并到达光束分离器145。少量光线反射离开光束分离器并传播到参照图6A-F所述的位置检测器150。一部分光线通过光束分离器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的测量信道。一般而言，图12A的系统500可以用相比于图12B的系统400更少的费用来制造；但是，电光调制器410能够实现更高的调制频率，在某些情况下这是有利的。

图13示出定位器相机系统950和光电系统900的实施例，其中将方位相机与3D激光跟踪仪的光电功能结合，以测量6个自由度。光电系统900包括可见光源905、隔离器910、可选电光调制器410、ADM电子器件715、光纤网络420、光纤发射器170、光束分离器145、位置检测器150、光束分离器922以及方位相机910。来自可见光源的光线发射到光纤980中并传播通过隔离器910，隔离器910在其输入和输出端口可以光纤耦合。光线可以传播通过电光调制器410，电光调制器410通过来自ADM电子器件715的电信号716调制。或者，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。进入光纤网络的一部分光线传播通过光纤长度均衡器423和光纤422，进入ADM电子器件715的参考信道。电信号469可以选择性地提供给光纤网络420，以向光纤网络420中的光纤开关提供开关信号。一部分光线从光纤网络传播到光纤发射器170，光纤发射器170将光纤上的光线发送到自由空间中作为光束982。少量光线反射离开光束分离器145并损失。一部分光线通过光束分离器145，通过光束分离器922，并传播离开跟踪仪到6自由度（DOF）装置4000。6-DOF装置4000可以是探针、扫描器、投射器、传感器或其他装置。

在其返回路径上，来自6-DOF装置4000的光线进入光电系统900并到达光束分离器922。一部分光线反射离开光束分离器922并进入方位相机910。方位相机910记录放置在回射器目标上的一部分标记的位置。根据这些标记，找到6-DOF探针的方位角（即，3个自由度）。方位相机的原理如本申请下文所述，亦如专利’758所述。光束分离器145的一部分光线传播通过光束分离器并通过光纤发射器170送至光纤。光线传播到光纤网络420。一部分此光线传播到光纤424，由此进入ADM电子器件715的测量信道。

定位器相机系统950包括相机960以及一个或多个光源970。相机包括透镜系统962、感光阵列964以及本体966。定位器相机系统950的一种用途是将回射器目标置于工作体积中。它通过闪动光源970实现这一点，相机拾取光源970其作为感光阵列964上的亮光点。定位器相机系统950的第二用途是基于6-DOF装置4000上反射器光点或LED的观察位置，建立6-DOF装置4000的大概方位。如果在激光跟踪仪上两个或更多个定位器相机系统可用，就可以利用三角测量的原理来计算到工作体积中每个回射器目标的方向。如果设置单个定位器相机来拾取沿着激光跟踪仪的光轴反射的光线，则可以找到到每个回射器目标的方向。如果设置单个相机偏离激光跟踪仪的光轴，则根据感光阵列上的图像可以立即获得到回射器目标的近似方向。在这种情况下，通过将激光器的机械轴旋转到多于一个的方向，并观察感光阵列上光点位置的变化，可以找到到目标的更准确方向。

在实施例中，电光模块176包括光学构件（例如光束分离器和波板）与光电构件（例如光学检测器和放大器）的组合，以将相位差d分离到正交分量中。这些正交分量包括sin（d）188和cos（d）190。电学计数器使用正交分量对相位差d中完整的360度移动的数量计数。计数的数量（有可能是一部分计数）被发送到计数器178，计数器178记录计数的数量。该计数的数量通过线路180发送到处理器，处理器计算与计数的数量相对应的距离。

图14A示出方位相机（orientation camera）910的实施例，方位相机910可用于图18和图19的光电系统。方位相机的一般原理如专利’758所述，通常适用于方位相机910。在实施例中，方位相机910包括本体1210、无焦点光束缩减器1220、放大器1240、路径长度调节器1230、致动器组件1260以及感光阵列1250。无焦点光束缩减器包括正透镜1222、镜子1223以及负透镜1224、1226。无焦点光束缩减器具有这样的性质：进入平行于光轴(通过透镜中心的轴)——的透镜1222的光线从同样平行于光轴的透镜1226显现。此外无焦点光束缩减器具有这样的性质：图像具有恒定的尺寸，不管从透镜到物体的距离是多少。放大器1240包括正透镜1242、负透镜1244、1248以及镜子1246。放大器具有与显微镜物镜相同的功能，但是被放大为提供更大的图像。感光阵列1250例如可以是CMOS或CCD阵列，其将撞击它的光线转换为表示感光阵列的每个像素处光线的照度的数字值阵列。照度的图案例如可以呈现6-DOF目标上的标记。路径长度调节器1230包括平台1231、两面镜子1232、1233以及球滑块1234。镜子1232、1233安装在平台1231上，因此当平台1231移动时，无焦点光束缩减器1220与放大器1240之间的距离改变。对于从激光跟踪仪到目标的变化距离，这种距离的改变是保持感光阵列1250上清晰的图像所需。平台1231安装在球滑块1234上，球滑块1234向平台提供低摩擦的线性运动。在实施例中，致动器组件1260包括电机1261、电机轴1262、柔性耦接1263、适配器1264以及电机螺母1265。电机螺母1265固定地附接于适配器。当通过电机1261旋转有螺纹的电机轴1262时，根据电机轴的旋转方向，电机螺母1265被移动为离电机更远或更近。附接于适配器1264的柔性耦接1263允许平台自由移动，即使电机轴1262与球滑块1234相互不平行。

在实施例中，方位相机910对于到目标的不同距离提供恒定的横向放大率。这里，横向放大率被定义为图像尺寸除以物体尺寸。图14A所示的透镜被选择为对于13mm的物体尺寸，在感光阵列1250上产生3mm的恒定图像尺寸。在这种情况下，横向放大率为3mm/13mm=0.23。对于放置为离跟踪仪的距离为0.5米与30米之间的目标，该横向放大率保持恒定。这种3mm的图像尺寸可以适合于1/4英寸的CCD或CMOS阵列。在实施例中，横向放大率是这个量的4倍，以使其适合于一英寸的CCD或CMOS阵列。通过改变放大器1240中三个透镜的焦距和间隔，可以在相同尺寸的本体1210中获得具有这种增大的横向放大率的方位相机。

在图14A所示的实施例中，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。在来自物体的光线通过这三个透镜元件之后，形成虚拟图像。对于放置为离激光跟踪仪0.5米的物体，虚拟图像1229具有0.44mm的尺寸，且与透镜1226相距7mm。对于放置为离激光跟踪仪30米的物体，虚拟图像1228具有0.44mm的尺寸，且与透镜1224相距1.8mm。虚拟图像1228与虚拟图像1229之间的距离为39.8mm，这意味着平台需要这个量的一半或者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。对于位置离激光跟踪仪0.5米、离激光跟踪仪30米或者其间任何距离的目标，感光阵列1250上图像的尺寸为3mm。放大器的横向放大率是3mm/0.44mm=6.8。方位相机的总横向放大率是3mm/13mm=0.23。在另一个实施例中，放大器的横向放大率增加一个系数4，为4X6.8=27，因此对于从0.5米到30米的任何距离，都产生12mm/13mm=0.92的总横向放大率。

图14B-D示出方位相机的另一个实施例。图14B为方位相机组件的侧视图2750B。图14C为图14B所示剖面A-A的俯视图2750C。图14D为图14C的剖面B-B的侧面剖视图2750D。这三个图的每个图中示出光束的路径2755。光线通过第一透镜集合2760，反射离开镜子2762，通过透镜2764，反射离开镜子2766、2768，通过透镜的部分集合2770，反射离开镜子2772、2774，并撞击感光阵列2776。第一透镜集合2760与透镜2764形成无焦点透镜系统。如上所述，这意味着进入与光轴平行的第一透镜集合2760的射线将离开与光轴平行的透镜2764。因为回射器（图14B-D中未示出）与激光跟踪仪相距有限距离，所以无焦点透镜系统将在离透镜2764一定的距离处产生虚拟图像。离透镜2764的这个距离将取决于从回射器到激光跟踪仪的距离。例如，在实施例中，当回射器离跟踪仪4米时，虚拟图像离透镜2764大约为d=82mm，当回射器离跟踪仪40米时，虚拟图像离透镜2764大约为d=51mm。第二透镜集合将虚拟图像2778转到感光阵列上。机动致动器2780调节镜子2766、2768的位置，以保持从虚拟图像2778到第二透镜集合2770的正确距离，从而将感光阵列2776上的图像保持在焦距上。在实施例中，第一透镜集合2755具有组合焦距112mm，透镜2764具有焦距-5.18mm，且第二透镜集合2770具有组合焦距大约59.3mm。系统的总放大率大约为1/8，这意味着感光阵列2776上的光线图案的尺寸大约是回射器上光线图案的尺寸的8分之1。这是不管从激光跟踪仪到回射器的距离，保持恒定放大率的透镜系统的示例。

可以组合透镜的其他组合，来构成具有恒定横向放大率的方位相机。此外，虽然具有恒定的横向放大率是有用的，但是也可以使用其他透镜系统。一般而言，图14A-D的相机的区别在于具有缩放能力、窄视场以及与激光跟踪仪的光轴的对准。

图15示出光电系统700的实施例，其中利用光纤光学耦合器将两个不同波长的光线组合。光电系统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、可选电光调制器410、ADM电子器件715、光纤网络720、光纤发射器170、光束分离器145以及位置检测器150。第一光源705例如可以是在780nm工作的二极管激光器。第二光源例如可以是红光或绿光二极管激光器。来自第一光源705的光线经过光纤780发送通过隔离器710，隔离器710例如可以是法拉第隔离器或者衰减器。隔离器710在其输入和输出端口可以光纤耦合。隔离器710可以向电光调制器410发送光线，电光调制器410调制光线。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的调制。或者，如果省略电光调制器410，则ADM电子器件715直接向光源705发送调制信号。来自第一光源的光线通过光纤781传播到光纤网络720。一部分光线被引导通过光纤长度均衡器423和光纤722进入ADM电子器件715的参考信道。另一部分光线传播离开光纤网络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。少量光线反射离开光束分离器145并损失。其余光线通过光束分离器145，传播到回射器90作为光束784，并传播回到光束分离器145作为光束786。一部分光线反射离开光束分离器145并传播到位置检测器150。另一部分光线通过光纤发射器并耦合回到光纤782。光线传递进入光纤网络720并通过光纤724传播到ADM电子器件715的测量信道。

第二光源750将第二光束发送到光纤790，通过隔离器755，通过光纤791并进入光纤网络720。图16示出光纤网络720的实施例。来自光纤1781的光线在输入端口进入光纤网络720。光线传播通过第一光纤耦合器1730。一部分光线在进入ADM电子器件715的参考信道之前传播通过光纤1722和光纤长度补偿器1723。一部分光线在传递离开光纤网络进入光纤1782之前传播通过第二光纤耦合器1740和第三光纤耦合器1750。来自光纤1791的光线进入第三光纤耦合器1750，其中，它与来自光纤1743的光线组合，形成在光纤1782上传播的复合光束。附接于光纤1781和1791的端口是两个输入端口，并且可视作第一端口和第二端口。附接于光纤1782和1755的端口是输出端口，并且可视作第三端口和第四端口。光学耦合器1750是二色性耦合器，因为它被设计为使用两种波长。在光纤1782中承载的复合光束传播离开激光跟踪仪并反射离开回射器90时，它返回光纤网络720。来自第一光源的光线传递通过第三光纤耦合器1750、第二光纤耦合器1740，并进入光纤1724，光纤1724导向ADM电子器件715的测量信道。来自第二光源的光线返回光纤1791并行进到隔离器755，隔离器755防止它进入第二光源750。

耦合器1730、1740和1750可以是熔合类型。通过这种类型的光学耦合器，将两个光纤芯/覆层区域靠近在一起并熔合。因此，芯之间的光线通过消逝耦合而交换。对于两种不同的波长，可以设计消逝耦合配置，允许第一波长沿着初始光纤的完整传输以及第二波长到相同光纤的完整耦合。在实际情况下，通常不可能获得光线的完整耦合（100%），因此光纤光学耦合器提供无损传输。但是，可以购买对于两个或更多个不同波长提供良好耦合的光纤光学耦合器，并且在诸如980nm、1300nm和1550nm的普通波长下容易应用该光纤光学耦合器。此外，对于其他波长，光纤光学耦合器有现货可以购买，包括可见波长，并且对于其他波长可以定制设计和制造。例如，在图16中，可以设计光纤光学耦合器1750，使得第一光线在其第一波长下以低光损耗从光纤1743传播到光纤7153。同时，设计可以提供光纤1791上的第二光线与光纤1782的几乎完整的耦合。因此，可以以低损耗传输第一光线和第二光线通过光纤光学耦合器并传输到相同的光纤1782。可以购买将波长非常不同的波长组合的光学耦合器。例如，可以购买将波长为1310nm的光线与波长为660nm的光线组合的耦合器。对于在单一横向模式中同时在通过光纤传播期间具有较低的光功率损耗以两种波长的传播在长距离上的传播，通常要求两种波长相互比较接近。例如，两种选择的波长可以是633nm和780nm，它们在波长值上相互比较接近，并且可以在没有高损耗的情况下，通过单模式光纤在长距离上传输。电光组件700的结构的优点在于，光纤网络720中二色性光纤耦合器1750比自由空间光束分离器更加紧凑。此外，二色性光纤耦合器保证第一光线和第二光线非常好地对准，在生产期间不需要任何特殊的光学对准程序。

图17示出电光系统1900的实施例，电光系统1900类似于图13的电光系统900，除了图17包含两个光源——第一光源705和第二光源750之外。图17的第一光源705、第二光源750、第一隔离器710以及第二隔离器755是与图15所示并且如上所述的相同的构件。

图18示出测量回射器目标的三维坐标的方法4010。步骤4015是提供坐标测量装置，坐标测量装置包括：第一光源，产生第一波长的第一光线；第二光源，产生不同于第一波长的第二波长的第二光线；至少包括第一端口、第二端口和第三端口的光纤光学耦合器；光学系统；第一电机；第二电机；第一角度测量装置；第二角度测量装置；距离计量仪以及处理器。步骤4020是将第一光线的第一部分（第一波长的第一光线）耦合到第一端口。步骤4025是将第二光线的第二部分（第二波长的第一光线）耦合到第二端口。第四步骤4030是从第三端口传输第三光线，第三光线包含第一部分的一部分以及第二部分的一部分。第五步骤4035是通过光学系统传输一部分第三光线离开坐标测量装置，作为第一光束的光线。步骤4040是沿第一方向引导第一光束的光线，第一方向由关于第一轴的第一旋转角度以及关于第二轴的第二旋转角度确定，第一旋转角度由第一电机产生，第二旋转角度由第二电机产生。步骤4045是通过第一角度测量装置测量第一旋转角度以及通过第二角度测量装置测量第二旋转角度。步骤4050是从回射器目标反射一部分第一光束，作为第二光束。步骤4055是通过距离计量仪测量从坐标测量装置到回射器目标的第一距离，测量的距离至少部分地基于通过第一光学检测器接收的第二光束的光线的第三部分。步骤4060是至少部分地基于第一距离、第一旋转角度以及第二旋转角度，确定回射器目标的三维坐标。步骤4055是存储确定的三维坐标。

图19示出测量回射器目标的三维坐标的方法4110。步骤4115是提供位置检测器组件，位置检测器组件包括位置检测器。步骤4120是将第二光束的第四部分发送到位置检测器。跟随图18的步骤A的步骤4125是从位置检测器获得第一信号，第一信号响应于位置检测器上第四部分的位置。步骤4130是将第二信号发送到第一电机，将第三信号发送到第二电机，第二信号和第三信号至少部分地基于第一信号。步骤4135是将第一光束的第一方向调节到回射器目标的空间中的位置。处理在步骤B终止。

虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出各种改变，并且等同物可以代替其中的元件。此外，可以做出很多修改，将特殊情况或材料适应本发明的教导，不脱离其本质范围。因此，希望本发明不限于作为构思为实现本发明的最佳实施方式公开的特殊实施例，但是本发明包括落入所附权利要求书范围的所有实施例。此外，术语第一、第二等等的使用不表示任何顺序或重要性，但是术语第一、第二等等用于区别一个元件与另一个元件。此外，术语一、一个等等的使用不表示数量的限制，而是表示至少一个提及项目的出现。

Claims (17)

1.一种坐标测量装置，被配置为将第一光束的光线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，所述回射器目标返回一部分所述第一光束作为第二光束，所述测量装置包括：

第一光源，被配置为发射具有第一波长的第一光线；

第二光源，被配置为发射具有第二波长的第二光线，所述第二波长与所述第一波长不同；

光纤光学耦合器，包括至少第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口被配置为接受所述第一光线的第一部分，所述第二端口被配置为接受所述第二光线的第二部分，所述第三端口被配置为传输第三光线，所述第三光线包括所述第一部分的一部分以及所述第二部分的一部分；

光学系统，被配置为将一部分所述第三光线传输离开所述坐标测量装置，作为所述第一光束；

第一电机和第二电机，所述第一电机和所述第二电机一起被配置为将所述第一光束的光线引导到第一方向，所述第一方向由关于第一轴的第一旋转角度以及关于第二轴的第二旋转角度确定，所述第一旋转角度由所述第一电机产生，所述第二旋转角度由所述第二电机产生；

第一角度测量装置，被配置为测量所述第一旋转角度，以及第二角度测量装置，被配置为测量所述第二旋转角度；

距离计量仪，被配置为至少部分地基于通过第一光学检测器接收的所述第二光束的第三部分，测量从所述坐标测量装置到所述回射器目标的第一距离；以及

处理器，被配置为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、所述第一旋转角度和所述第二旋转角度。

2.根据权利要求1所述的坐标测量装置，还包括：

位置检测器组件，包括位置检测器，所述第二光束的第四部分传递到所述位置检测器上，所述位置检测器被配置为响应于所述位置检测器上所述第四部分的位置，产生第一信号；以及

控制系统，被配置为将第二信号发送到所述第一电机以及将第三信号发送到所述第二电机，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为将所述第一光束的所述第一方向调节到所述回射器目标的所述空间中的位置。

3.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述距离计量仪是绝对距离计量仪。

4.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述光学系统还被配置为将所述第二光束的所述第三部分耦合到所述光纤光学耦合器的所述第三端口。

5.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述光纤光学耦合器还包括第四端口。

6.根据权利要求5所述的坐标测量装置，其中所述第四端口附接于低反射终端。

7.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述第一波长在780nm与850nm之间。

8.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述第二波长是红光波长或绿光波长。

9.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述第一波长是红外光波长并且所述第二波长是可见光波长。

10.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述第一波长是可见光波长并且所述第二波长是红外光波长。

11.根据权利要求1所述的坐标测量装置，其中所述第一波长是可见光波长并且所述第二波长是可见光波长。

12.一种用于测量位于空间中的位置的回射器目标的三维坐标的方法，所述方法包括步骤：

提供坐标测量装置，所述坐标测量装置包括产生第一波长的第一光线的第一光源、产生与所述第一波长不同的第二波长的第二光线的第二光源、包括至少第一端口、第二端口和第三端口的光纤光学耦合器、光学系统、第一电机、第二电机、第一角度测量装置、第二角度测量装置、距离计量仪以及处理器；

将所述第一光线的第一部分耦合到所述第一端口；

将所述第二光线的第二部分耦合到所述第二端口；

从所述第三端口传输第三光线，所述第三光线包含所述第一部分的一部分以及所述第二部分的一部分；

通过所述光学系统将一部分所述第三光线传输离开所述坐标测量装置，作为第一光束的光线；

沿第一方向引导所述第一光束，所述第一方向由关于第一轴的第一旋转角度以及关于第二轴的第二旋转角度确定，所述第一旋转角度由所述第一电机产生，所述第二旋转角度由所述第二电机产生；

通过所述第一角度测量装置测量所述第一旋转角度；

通过所述第二角度测量装置测量所述第二旋转角度；

从所述回射器目标反射一部分所述第一光束，作为所述第二光束；

通过所述距离计量仪测量从所述坐标测量装置到所述回射器目标的第一距离，所测量的距离至少部分地基于通过第一光学检测器接收的所述第二光束的光线的第三部分；

至少部分地基于所述第一距离、所述第一旋转角度以及所述第二旋转角度，确定所述回射器目标的三维坐标；以及

存储所确定的三维坐标。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括步骤：

提供位置检测器组件，所述位置检测器组件包括位置检测器；

将所述第二光束的第四部分发送到所述位置检测器上；

从所述位置检测器获得第一信号，所述第一信号响应于所述位置检测器上所述第四部分的位置；

将第二信号发送到所述第一电机并且将第三信号发送到所述第二电机，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；以及

将所述第一光束的所述第一方向调节到所述回射器目标的所述空间中的位置。

14.根据权利要求12所述的方法，其中提供坐标测量装置的步骤还包括将所述距离计量仪提供为绝对距离计量仪。

15.根据权利要求12所述的方法，其中通过所述距离计量仪测量从所述坐标测量装置到所述回射器目标的第一距离的步骤还包括将所述第二光束的所述第三部分耦合到所述光纤光学耦合器的所述第三端口的步骤。

16.根据权利要求12所述的方法，其中提供坐标测量装置的步骤还包括为所述光纤光学耦合器提供第四端口。

17.根据权利要求16所述的方法，其中提供坐标测量装置的步骤还包括为所述光纤光学耦合器提供附接于低反射终端的第四端口。

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