CN104136880A - 与有可分离球形回射器的六自由度探头一起使用的激光跟踪器 - Google Patents

与有可分离球形回射器的六自由度探头一起使用的激光跟踪器 Download PDF

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Abstract

一种用于测量探头中心的三维坐标的方法包括：设置球形安装的回射器；设置探头组件；设置取向传感器；设置坐标测量装置；将球形安装的回射器放置在探头头部上；将第一光束从坐标测量装置导向球形安装的回射器；测量第一距离；测量第一旋转角；测量第二旋转角；至少部分地基于由取向传感器提供的信息来测量三个取向自由度；至少部分地基于第一距离、第一旋转角、第二旋转角以及三个取向自由度来计算探头中心的三维坐标；以及存储探头中心的三维坐标。

Description

与有可分离球形回射器的六自由度探头一起使用的激光跟踪器
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的权益，其内容通过引用合并于本申请中。本申请还要求于2012年2月29日提交的美国专利申请No.13/407,983的权益，该美国专利申请No.13/407,983要求于2011年3月3日提交的美国临时专利申请No.61/448,823的权益，其内容通过引用合并于本申请中。美国专利申请No.13/407,983还要求于2012年2月10日提交的美国专利申请No.13/370,339的权益，该美国专利申请No.13/370,339要求于2011年2月14日提交的美国临时专利申请No.61/442,452的权益，其内容通过引用合并于本申请中。美国专利申请No.13/407,983还要求于2011年4月15日提交的美国临时专利申请No.61/475,703的权益和于2012年1月30日提交的美国临时专利申请No.61/592,049的权益，其内容通过引用合并于本申请中。
背景技术
本公开涉及坐标测量装置。一组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。激光束可以直接照射在点上或照射在与该点接触的回射器目标上。在任一情况下，仪器通过测量到目标的距离和两个角度来确定点的坐标。利用距离测量装置(如绝对测距仪或干涉仪)来测量距离。利用角度测量装置(如角编码器)来测量角度。仪器内的万向节式光束调向机构将激光束导向感兴趣的点。
激光跟踪器是利用其发出的一个或更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。与激光跟踪器密切相关的坐标测量装置是激光扫描仪和全站仪。激光扫描仪使一个或更多个激光束步进到表面上的点。激光扫描仪拾取从表面散射的光并且根据该光确定到每个点的距离和角度。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，广义地使用术语激光跟踪器以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在金属球体内的立方角(cube-corner)回射器。立方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天顶位于球体的中心。由于立方角在球体内的这种布局，从天顶到放置有SMR的任何表面的垂直距离都保持恒定，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。
一种类型的激光跟踪器仅包含干涉仪(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，则IFM失去了其距离参考。然后操作者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。如下面更详细所描述的那样，ADM可以以自动对焦(point-and-shoot)方式测量距离。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No.7,352,446(‘446)描述了仅具有ADM(而没有IFM)的激光跟踪器，该ADM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‘446专利之前，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激光束从跟踪器导向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保持激光束居中位于SMR上。以此方式，跟踪器能够跟随(跟踪)在感兴趣的对象的表面上移动的SMR。可以将用于激光跟踪器的万向节机构用于各种其他应用。作为简单的示例，可以在具有可见指示光束而没有测距仪的万向节调向装置中使用激光跟踪器来将光束导向一系列回射器目标并且测量每个目标的角度。
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自由度，而不是通常的三自由度。Bridges等人的美国专利第No.7,800,758('758)(其内容通过引用合并在本文中)和Bridges等人的美国已公布专利申请No.2010/0128259(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。
过去，6-DOF探头和SMR是相对昂贵的单独附件。所需的是相对廉价的并且结合SMR与6-DOF探头的功能的附件。
发明内容
一种用于测量探头中心的三维坐标的方法包括下述步骤：设置球形安装的回射器，该球形安装的回射器包括安装在回射器本体中的回射器，回射器本体在其外表面的第一部分上具有第一球形形状，第一部分具有目标中心，回射器被配置成接收第一光束并且返回第二光束，第二光束为第一光束的一部分，第二光束在与第一光束的方向基本上相反的方向上行进。方法还包括：设置探头组件，该探头组件包括探头触针和探头头部，探头触针包括探头末端，探头末端在其表面的第二部分上具有第二球形形状，第二部分具有探头中心，探头头部被配置成容置球形安装的回射器并且能够在将目标中心相对于探头组件保持在基本上恒定的位置处的同时使得球形安装的回射器绕目标中心旋转。方法还包括：设置取向传感器，该取向传感器被配置成测量探头组件的三个取向自由度；设置坐标测量装置，该坐标测量装置包括第一电机、第二电机、第一角度测量装置、第二角度测量装置、测距仪、位置检测器、控制系统以及处理器，第一电机和第二电机一起被配置成将第一光束导向第一方向，第一方向由绕第一轴线的第一旋转角和绕第二轴线的第二旋转角确定，第一旋转角由第一电机产生并且第二旋转角由第二电机产生，第一角度测量装置被配置成测量第一旋转角并且第二角度测量装置被配置成测量第二旋转角，测距仪被配置成至少部分地基于由第一光学检测器接收的第二光束的第三部分来测量从坐标测量装置到球形安装的回射器的第一距离，位置检测器被配置成响应于第二光束的第四部分在位置检测器上的位置产生第一信号，控制系统被配置成将第二信号发送给第一电机并且将第三信号发送给第二电机，第二信号和第三信号至少部分地基于第一信号，控制系统还被配置成将第一光束的第一方向调整到球形安装的回射器的空间中的位置，处理器被配置成确定探头中心的三维坐标，该三维坐标至少部分地基于第一距离、第一旋转角、第二旋转角以及三个取向自由度。方法还包括：将球形安装的回射器放置在探头头部上；将第一光束从坐标测量装置导向球形安装的回射器；测量第一距离；测量第一旋转角；测量第二旋转角；至少部分地基于由取向传感器提供的信息来测量三个取向自由度；至少部分地基于第一距离、第一旋转角、第二旋转角以及三个取向自由度来计算探头中心的三维坐标；以及存储探头中心的三维坐标。
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子元件的框图；
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；
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内的电气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；
图11是根据本发明的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是根据本发明的实施方式的在使用单个波长的激光跟踪器中的元件的框图；
图12B是根据本发明的实施方式的在使用单个波长的激光跟踪器中的元件的框图；
图13是根据本发明的实施方式的在具有六自由度能力的激光跟踪器中的元件的框图；
图14A和图14B是根据本发明的实施方式的分别磁性地附接到六自由度探头基座的六自由度SMR和夹固到六自由度探头基座上的六自由度SMR的正视图；
图15A是放置在补偿夹具上的六自由度SMR和探头组件的正视图，并且图15B是根据本发明的实施方式的补偿夹具的横截面图；
图16A至图16C是根据本发明的实施方式的指示六自由度探头的偏转移动、俯仰移动以及滚动移动以获得补偿参数的正视图；
图17是根据本发明的实施方式的探头组件和六自由度SMR的正视图，探头组件和SMR具有索引特征和匹配特征；
图18是根据本发明的实施方式的用于测量三维坐标的方法的流程图；
图19是根据本发明的实施方式的在图18的参考标记A处开始的方法的流程图；
图20是根据本发明的实施方式的在图19的参考标记B处开始的方法的流程图；
图21是根据本发明的实施方式的在图18的参考标记A处开始的方法的流程图；
图22是根据本发明的实施方式的在图21的参考标记C处开始的方法的流程图；以及
图23是根据本发明的实施方式的在图18的参考标记A处开始的方法的流程图。
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调向机构12包括安装在方位(azimuth)基座16上并且绕方位轴线20旋转的天顶(zenith)支架14。有效载荷15安装在天顶支架14上并且绕天顶轴线18旋转。天顶轴线18和方位轴线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并且其指向正交于天顶轴线18。换言之，激光束46处在大致垂直于天顶轴线18并且通过方位轴线20的平面中。通过使有效载荷15绕天顶轴线18旋转并且通过使天顶支架14绕方位轴线20旋转，射出的激光束46指向所期望的方向。在跟踪器内部，天顶角编码器附接到与天顶轴线18对准的天顶机械轴。在跟踪器内部，方位角编码器附接到与方位轴线20对准的方位机械轴。天顶角编码器和方位角编码器以相对较高的精度测量天顶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，该回射器目标26可以是例如上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、绕天顶轴线18的旋转角和绕方位轴线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所示的类型的调向机构。然而，其他类型的调向机构也是可以的。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。不论调向机构的类型，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”位置的磁巢(magneticnest)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，可以将跟踪器上的反射镜(在图1的视图中不可见)与跟踪器上的回射器组合使用以便能够执行自补偿，如美国专利No.7,327,446所述的，其内容通过引用合并在本文中。
图2示出了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。该框图示出了发出两种波长的光——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。可见指示器使得用户能够看见由跟踪器所发出的激光束斑的位置。使用自由空间分束器来结合两种不同波长。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、ADM 160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装置。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装置。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IFM 120在自由空间中行进。可替代地，可以通过光缆将隔离器115耦接到可见光源110。在此情况下，如在下文中参照图5所讨论的那样，可以通过第一光纤发射器170将来自隔离器的光发射到自由空间中。
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离开的路径上被分束器145、155反射并丢失。通过分束器155的那部分光与来自ADM 160的光结合以形成复合光束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，ADM 160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电子器件将电调制且偏置的电压发送到光源162，光源162可以例如是在约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，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并分裂成两条路径，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。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的光经过的光纤长度与在测量通道中的光经过的光纤长度相匹配。以该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，因此光纤的温度的变化引起测量通道和参考通道的有效光路长度的变化。如果测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，则结果将是回射器目标90的位置产生明显的移动，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测量通道中的光纤的长度匹配。其次，尽可能并排地路由测量光纤和参考光纤以确保两个通道中的光纤经历几乎相同的温度变化。
光行进通过第二光纤耦合器436并分裂成两条路径，即到低反射率光纤终止器440的第一路径和到光纤438的第二路径，来自光纤438的光行进到图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从光纤的芯部射出，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。参照专利'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与该二向色分束器反射的波长不同的波长。在实施方式中，来自ADM 160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的光结合。复合光束188从激光跟踪器出来行进到回射器90作为第一光束，回射器90返回该光的一部分作为第二光束。ADM波长处的那部分第二光束被二向色分束器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并且分裂成两条路径。第一路径通向光纤424，在实施方式中该光纤424对应于通向图3中的ADM电子器件164的测量通道的光纤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的光分裂成两条路径，即通向光纤432的第一路径和通向低反射率终止器435的第二路径。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过多的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；测量检测器3306；参考检测器3308；测量混频器(mixer)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。频率参考器可以是例如恒温晶体振荡器(OCXO，oven-controlled crystal oscillator)并且将参考频率fREF(可以是例如10MHz)发送到合成器，该合成器生成两种电信号，即一个频率为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的信号去往测量混频器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测量通道。参考检测器3308和测量检测器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被发送到以整数值分频的预分频器3324。例如，10MHz的频率可以被40分频以获得250kHz的输出频率。在该示例中，将以250kHz的速率对进入ADC 3322的10kHz信号进行采样，从而每个周期产生25个样品。来自ADC 3322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对参考通道和测量通道的ADC信号的相位的计算。在Bridges等人的美国专利No.7,701,559('559)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。通过对所选择频率中的每个频率的可能ADM距离进行比较，去除ADM测量中的不确定性。将专利'559的公式(1)-(8)与针对'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，将使得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出来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ADM 160)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涂覆位置传感器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调节器149E的位置检测器组件。光学调节器包含透镜153并且还可以包含可选波长滤波器154。另外，光学调节器包括漫射器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方角回射器。一种类型的立方角回射器由三个反射镜(mirror)制成，每个反射镜以直角接合至其他两个反射镜。在这三个镜接合处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发生衍射，从而当到达位置检测器时，所述线可能不完全相同地出现在位置检测器处。然而，衍射的光图案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，所以包括下述漫射器156是有利的：该漫射器改善照射到位置检测器151上的光的平稳度。可以认为，由于理想的位置检测器应当对质心作出回应并且理想的漫射器应当使光斑对称地扩散，所以对于所得到的、由位置检测器给出的位置应当不会有影响。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，所以对漫射器进行观察以改善位置检测器组件的性能。由玻璃制成的立方角回射器还可以在位置检测器151处产生非均匀光斑。位置检测器处的光斑的变化可能在从6自由度目标中的立方角反射的光中特别突出，这可以从以下专利更清楚地理解：于2012年2月10日提交的共同转让的美国专利申请No.13/370,339(‘339)和于2012年2月29日提交的美国专利申请No.13/407,983(‘983)，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上的可控制的单色光。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(ghostbeam)照射到位置检测器151上，鬼光束可能是例如由于不期望的光表面反射造成的。空间滤波器包括具有孔的板157。通过将空间滤波器157放置在距透镜约等于透镜的焦距的距离处，返回光243E在接近其最窄处(即光束的腰部处)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被位置检测器151截取，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，则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。
本文所讨论的这类回射器(例如立方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，在露天式立方角回射器中，回射器的对称点是立方角的天顶。在玻璃立方角回射器中，对称点也是天顶，但在该情况下，必须考虑到光在玻璃-空气界面处的弯折。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天顶的另一侧。
图3中的回射器90的该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折回点。理想折回点是使发送到回射器的对称点(例如，在SMR中的立方角回射器的天顶)的激光束在该处被返回的点。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，那么它被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。通过记录在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机将光束朝向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，即实现跟踪测量和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何类型的装置。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。光敏阵列可以是例如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。在该阶段，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相对于图8A的优点是简单性；然而，图8B更可能具有不期望的进入光纤422和424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。通常通过将两个芯部靠近地放置，然后在加热时拉拔光纤来制成该类型的耦合器。以此方式，光纤之间的倏逝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，但只是在指定方向进行发送或接收。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耦合器更少的光功率损耗。另一方面，环行器451可能比2×2耦合器昂贵，并且环行器451可能会经历偏振模式色散，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No.2010/0128259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：柱状壳体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相对于柱状壳体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附接到轭壳体2142的轴，并且读头组件2122附接到柱状组件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到轭外壳2142的轴的永磁体。方位电机定子2127包括生成规定磁场的磁场绕组。该磁场与方位电机转子2126的磁体相互作用以产生所期望的旋转运动。方位电机定子2127附接到柱状框架2112。
方位电路板2135表示提供方位部件(如编码器和电机)所需的电气功能的一个或多个电路板。方位滑环组件2130包括外部部件2131和内部部件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中的一些线导向电路板上的连接器。在图10所示的示例中，线被路由至方位电路板2135、编码器读头组件2122以及方位电机组件2125。其他导线被路由至滑环组件2130的内部部件2132。内部部分2132附接到柱状组件2110并且因而保持静止。外部部件2131附接到轭组件2140并且因而相对于内部部件2132旋转。滑环组件2130被设计成：当外部部件2131相对于内部部件2132旋转时，允许低阻抗电接触。
天顶组件2140包括：轭壳体2142；天顶编码器组件2150；左天顶轴承2144A和右天顶轴承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的目的是精确地测量有效载荷框架2172相对于轭壳体2142的旋转角。天顶编码器组件2150包括天顶编码盘2151和天顶读头组件2152。编码盘2151附接到有效载荷壳体2142，并且读头组件2152附接到轭壳体2142。天顶读头组件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。
天顶电机组件2155包括天顶电机转子2156和方位电机定子2157。天顶电机转子2156包括直接附接到有效载荷框架2172的轴的永磁体。天顶电机定子2157包括生成规定磁场的磁场绕组。该磁场与转子磁体相互作用以产生所期望的旋转运动。天顶电机定子2157附接到轭框架2142。
天顶电路板2165表示提供天顶部件(如编码器和电机)所需的电气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从方位外滑环2131出来并且可以传送电力或信号。可以将导线束2168中的一些导线导向电路板上的连接器。在图10所示的示例中，导线被路由至天顶电路板2165、天顶电机组件2150以及编码器读头组件2152。其他导线被路由至滑环组件2160的内部部件2162。内部部件2162附接到轭框架2142并且因而仅以方位角而不是以天顶角旋转。外部部件2161附接到有效载荷框架2172并且因而以天顶角和方位角两者旋转。滑环组件2160被设计成：当外部部件2161相对于内部部件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是描绘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的处理系统。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、天顶编码器电子器件1550、显示和用户接口(UI)电子器件1560、可移除的存储硬件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以及水平仪电子器件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1530、1540和1550在激光跟踪器内的位置，如所示该电子器件单元是分离的。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中并且天顶编码器电子器件1550位于天顶组件2140中。
可以具有许多类型的外围装置，但这里示出了三个这样的装置：温度传感器1582、6-DOF探头1584、以及个人数字助理1586，例如可以是智能手机。激光跟踪器可以借助于视觉系统(如相机)以及借助于激光跟踪器到协作目标(如6-DOF探头1584)的距离和角度读数来以各种方式与外围设备通信，所述方式包括通过天线1572的无线通信。外围装置可以包含处理器。6-DOF附件可以包括6-DOF探头系统；6-DOF扫描仪；6-DOF投影仪；6-DOF传感器；以及6-DOF指示器。可以将这些6-DOF装置中的处理器与激光跟踪器中的处理装置以及外部计算机和云处理资源结合使用。通常，当使用术语激光跟踪器处理器或测量装置处理器时，意在包括可能的外部计算机和云支持。
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中的每个电子器件单元。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。帧线指示电子器件单元是否应当注意时钟线。如果帧线指示应当给予注意，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。地址指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。数值指示数据报文的长度。数据报文包含待由电子器件单元执行的数据或指令。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发送到天顶编码器电子器件1550，通过总线1613发送到显示和UI电子器件1560，通过总线1614发送到可移除的存储硬件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和天顶电子器件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。当给出同步脉冲时，6-DOF、ADM和位置检测器均对数据进行锁存。在大多数情况下，相机和测斜仪以比同步脉冲速率慢的速率来收集数据，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和天顶编码器电子器件1550彼此分隔开并且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运算、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无线连接和一个或多个电缆如以太网电缆。元件1600的示例是另外的三维测试仪器，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(例如以太网)或无线。坐在远程计算机1590旁的操作人员可以通过以太网或无线线路与由云1600所表示的因特网进行连接，因特网又通过以太网或无线线路连接到主处理器1520。以此方式，用户可以控制远程激光跟踪器的动作。
现在的激光跟踪器使用一种可见波长(通常是红色)和一种用于ADM的红外波长。红色波长可以由适于在干涉仪中使用并且还适用于提供红色指示波束的稳频氦氖激光器提供。可替代地，红色波长可以由仅用作为指示波束的二极管激光器提供。使用两个光源的缺点是额外的光源、分束器、隔离器及其他部件所需的额外空间和附加成本。使用两个光源的另一缺点在于难以沿波束行进的整个路径完全对准两个光束。这可能导致各种问题，包括不能够从以不同波长工作的不同子系统中同时获得好的性能。使用单个光源从而消除了这些缺点的系统示出在图12A的光电子系统500中。
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以及位置检测器150。可见光源110可以是例如红色二极管激光器或绿色二极管激光器或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。隔离器可以是法拉第隔离器、衰减器或能够充分减少被馈送回到光源中的光的量的任何其他装置。来自隔离器115的光行进到光纤网络420中，光纤网络420在实施方式中是图8A的光纤网络420A。
图12B示出了光电子系统400的实施方式，其中使用单个波长的光，而且借助于对光的电光调制而不是通过对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以及位置检测器150。可见光源110可以是例如红色激光二极管或绿色激光二极管。通过例如可以是法拉第隔离器或衰减器的隔离器115发送激光。隔离器115可以是耦接在其输入端口和输出端口处的光纤。隔离器115将光发送到电光调制器410，电光调制器410将光调制成选定频率，该选定频率根据需要可以高达10GHz或更高。来自ADM电子器件475的电信号驱动在电光调制器410中的调制。经调制的光从电光调制器410行进到光纤网络420，光纤网络420可以是在上文中所讨论的光纤网络420A、420B、420C或420D。光的一部分通过光纤422行进到ADM电子器件475的参考通道。光的另一部分行进离开跟踪器，被回射器90反射，返回到跟踪器，并且到达分束器145。少量光被分束器反射并且行进到位置检测器150，这已在上文中参照图6A至图6F讨论过。光的一部分通过分束器145进入光纤发射器170；通过光纤网络420进入光纤424并且进入ADM电子器件475的测量通道。总的来说，与图12B的系统400相比，可以用更少的钱来制造图12A的系统500；然而，电光调制器410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示出了定位相机系统950和光电子系统900的实施方式，其中取向相机910与3D激光跟踪器的光电子功能相结合以测量六自由度。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以及取向相机910。来自可见光源的光在光纤980中发出并且行进通过隔离器910，隔离器910可以具有耦接在输入端口和输出端口上的光纤。光可以行进通过由来自ADM电子器件715的电信号716调制的电光调制器410。可替代地，ADM电子器件715可以通过电缆717发送电信号以对可见光源905进行调制。进入光纤网络的光的一部分行进通过光纤长度均衡器423和光纤422以进入ADM电子器件715的参考通道。可选地，可以将电信号469施加到光纤网络420以向光纤网络420内的光纤光学开关提供切换信号。光的一部分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，作为光束982。少量的光被分束器145反射并且丢失。光的一部分通过分束器145，通过分束器922，并且行进离开跟踪器到达六自由度(DOF)装置4000。6-DOF装置4000可以是探头、扫描仪、投影仪、传感器或其他装置。
在光的返回路径上，来自6-DOF装置4000的光进入光电子系统900并且到达分束器922。光的一部分被分束器922反射并且进入取向相机910。取向相机910记录放置在回射器目标上的一些标记的位置。根据这些标记，求出6-DOF探头的取向角(即，三个自由度)。在本申请的下文中和专利‘758中描述了取向相机的原理。在分束器145处的光的一部分行进通过该分束器并且通过光纤发射器170投射到光纤上。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的测量通道。
定位相机系统950包括相机960和一个或更多个光源970。在图1中还示出了定位相机系统，其中，相机是元件52并且光源是元件54。相机包括透镜系统962、光敏阵列964以及本体966。定位相机系统950的一种用途是在工作体积中定位回射器目标。该用途通过使光源970闪烁来实现，相机将该闪烁作为光敏阵列964上的明亮光斑来拾取。定位相机系统950的第二用途是基于所观测的反射器光斑的位置或6-DOF装置4000上的LED的位置来建立6-DOF装置4000的粗调取向。如果在激光跟踪器上可使用两个或更多个定位相机系统，则可以使用三角测量原理来计算每个回射器目标在工作空间中的方向。如果单个定位相机被定位成拾取沿激光跟踪器的光轴所反射的光，则可以求出每个回射器目标的方向。如果单个相机定位成偏离激光跟踪器的光轴，则可以根据光敏阵列上的图像立刻获得到回射器目标的近似方向。在该情况下，可以通过使激光器的机械轴在多于一个方向上旋转并且观测光斑在光敏阵列上的位置变化来求出到目标的更精确的方向。
图14A示出了6-DOF探头4400的实施方式。探头4400包括放置在磁巢4432上的6-DOF SMR 4434，磁巢4432包括强磁体4433。6-DOF探头4400包括触针4410、本体4420以及头部4430。触针4410包括探头末端4414和探头轴4412。头部4430包括磁巢4432，磁巢4432被配置用于在不平移SMR的中心的情况下使6-DOF SMR 4434绕SMR的中心旋转。有利地，可以将6-DOF SMR 4434作为独立的目标使用。以该方式，以几乎与单独的6-DOF SMR相同的价格获得6-DOF SMR 4434和6-DOF探头4400二者。在实施方式中，6-DOF SMR包括反射表面间的交线，该交线对取向相机(如相机910)可见。在专利申请‘339和‘983中更详细地讨论了6-DOF SMR的各个方面。总的来说，6-DOF激光跟踪器具有测量具有回射器目标的六自由度探头的能力。如上所述，获得这种6-DOF测量的一种方法是将标记结合到立方角回射器中并且利用取向相机对这些标记进行观察以确定6-DOF SMR或6-DOF探头的三个取向自由度。
可以使用其他方法确定三个取向自由度。在本申请中，术语取向传感器应用于能够与激光跟踪器一起使用以确定三个取向自由度的所有装置。用于确定三个取向自由度的可替代方法的第一示例是将至少三个光点放置在包含回射器的探头上。通过观察光点，在一些配置下可以确定三个取向自由度。用于确定三个取向自由度的可替代方法的第二示例是使用两种传感器方法的结合。第一传感器方法使得照射立方角回射器的少量光能够通过回射器以照射位置传感器，例如可以是CMOS阵列或位置敏感检测器。这种方法使得能够确定在实施方式中附接到探头组件的回射器的俯仰角和偏转角。第二传感器方法是使用耦接到角编码器的机械摆来测量探头相对于重力矢量的取向。该测量给出了与探头的滚动角密切相关的角度。通过将第一传感器的结果与第二传感器的结果进行结合，可以获得三个取向自由度。不管使用什么方法，均可以应用集成有可以与测量装置分开的SMR的构思。在所有情况下，术语取向传感器表示测量三个取向自由度所需的设备。
图14B示出了6-DOF探头4450的实施方式。6-DOF探头4450类似于6-DOF探头4400，不同的是6-DOF探头4450包括约束4460。约束包括与6-DOF SMR 4434相接触的元件，例如机械加工的金属件、塑料盖或带。借助于固定机构4464使约束4460与6-DOF SMR 4434形成紧密的物理接触。适当的固定机构的示例包括钩状夹具和螺旋夹具。包含夹固机构的两个可能的优点是：降低了移动6-DOF SMR的机率，移动6-DOF SMR可能需要重复下文中描述的补偿过程；并且降低了SMR碰撞离开探头并且落到地板上的机率。图14B中所示的磁体4433是可选的。
图14A和图14B所示的探头实施方式的优点在于能够以很低的成本将6-DOF探测能力添加到6-DOF SMR能力。另一优点在于这些实施方式不需要电力源，这是因为如果需要可以以完全无源的方式来使用6-DOFSMR。
图15A示出了6-DOF探头4200的实施方式。探头包括探头头部4240、探头本体4220以及探头触针4210。通过约束4260将6-DOF SMR 4234保持在适当位置。约束4260包括与6-DOF SMR 4234相接触的元件4262。元件4262可以是例如机械加工的金属件、塑料盖或带。借助于固定机构4264使约束4260与6-DOF SMR 4234形成紧密物理接触。适当的固定机构的示例包括钩状夹具和螺旋夹具。6-DOF SMR 4234位于磁巢基座4332上，在实施方式中磁巢基座4332是磁的。探头本体4220包括壳体4224、可选的致动器按钮4226、4227，以及可选的磁巢存储器4228。探头壳体4224被设计成由手保持的轮廓。探头触针4210包括探头末端4214、探头轴4212、探头连接器4216以及探头夹具4218。探头夹具使得具有不同的长度、角度及形状的各种触针能够被附接到6-DOF探头。
在实施方式中，图17的6-DOF SMR 4480包括索引(indexing)特征4471，并且探头头部4475包括匹配结构4472，匹配结构4472包括匹配特征4473。索引特征和匹配特征被配置成在不移动SMR相对于6-DOF探头组件的球形中心的情况下固定6-DOF SMR在磁巢4432内的取向。使用图17的索引特征和匹配特征的原因在于它们能够基于从工厂获得的或从先前执行的补偿过程中获得的探头补偿参数来立刻使用跟踪器。
在另一实施方式中，通过使6-DOF SMR 4434、4234相对于本体旋转来改变从跟踪器到探头本体4420的光束的角度。这可以通过旋转磁巢4432、4232上的6-DOF SMR 4434、4234来完成。为了求出6-DOF SMR的旋转角，可以快速地执行补偿过程，其中如图15A所示，探头被放置在固定的磁巢4250中。图14A和图14B的探头可以同样良好地用于下文中描述的补偿过程。在图15A中，探头末端4214被放置在固定磁巢4250中。操作者可以将固定的磁巢放置在任何合适的表面上，并且用一只手将固定的磁巢保持在适当的位置而用另一只手移动6-DOF探头4200，该移动根据下文中描述的方法进行。
固定磁巢可以是若干类型中的任一种。在图15B的横截面图4280中描绘的一种固定磁巢4250包括嵌入有三个小球体(其中的两个是4251A、4251B)的本体4255，这三个小球体以120度的间距放置并且被定位成支撑探头末端4214或4414。可以将小磁体4249放置在固定磁巢4250中以对探头末端4214、4414提供向下的力。三个小球体保持球形探头末端的中心在空间中固定，但允许6-DOF探头4200、4400或4450能够旋转任何期望的角度。由于探头末端的中心保持固定，所以探头末端的计算值会保持稳定而与6-DOF探头的旋转角无关。这可以解决6-DOF SMR相对于探头的其余部分的取向。包含以120度间隔开的三个小球体的磁巢的另一名称是“三面形空心”。
可以使用其他类型的磁巢配置。在实施方式中，使用小凸起部而不是小球体。例如在图1的磁巢17中使用这样的凸起部。在另一实施方式中，固定磁巢包括锥形座。如名字所暗示的那样，锥形座包括圆锥体，通常设置有用于与探头末端进行接触的锥形区域。如果被正确地设计，则图17所示种类的磁巢或形成为锥形座的磁巢能够提供好的性能。通常，三面形空心提供最佳的潜在性能。
在图14A、图14B或图15A中的6-DOF SMR的位置中，6-DOF SMR不具有自由的平移自由度，但是具有三个取向自由度。在实施方式中，探头绕三个不同的轴线旋转以获得确定三个取向自由度的值所需的信息。为了方便起见，可以让三个角自由度为偏转角、俯仰角以及滚动角。偏转角4263是绕通过6-DOF探头的参考方向的轴线4261的旋转角。在实施方式中，参考轴线通过本体4220的中心和触针4210的中心。然而，不需要以该方式布置触针，并且作为替代可以以任何预期的角度来放置触针。如图16B所示，俯仰角是绕轴线4265的角4266。滚动角是绕通过4268并且与轴线4261和4265垂直的轴线的角4270。滚动角在该情况下不是6-DOF SMR的滚动角而是系统级的滚动角。然而，根据执行图16A、图16B及图16C的旋转所获得的信息足以确定6-DOF SMR相对于探头组件的其余部分的取向。总的来说，重要的是进行涵盖三个角(如偏转角、俯仰角及滚动角)的旋转，以获得用于确定6-DOF SMR在探头组件上的取向的足够信息，而该信息又是在探头末端在移动到工件的表面上的点时确定该探头末端的坐标所必需的。
可以在使用6-DOF探头进行测量的情况下，将探头组件方便地附接到6-DOF探头本体以进行存储。图15A示出了磁性地附接到探头本体4220上的位置4228的固定磁巢4250B。还可以利用系绳或机械卡扣将探头本体附接到探头。当然，可以将固定磁巢4250仅保持在附近，并且使其在需要时可用。
图18是用于测量探头中心的三维坐标的方法4900的流程图。步骤4905设置球形安装的回射器，该球形安装的回射器包括安装在回射器本体上的回射器，回射器本体在其外表面的第一部分上具有第一球形形状，第一部分具有目标中心，回射器被配置成接收第一光束并且返回第二光束，第二光束为第一光束的一部分，第二光束在基本上与第一光束的方向相反的方向上行进。
步骤4910设置探头组件，该探头组件包括探头触针和探头头部，探头触针包括探头末端，探头末端在其表面的第二部分上具有第二球形形状，第二部分具有探头中心，探头头部被配置成容置球形安装的回射器并且使得在球形安装的回射器绕目标中心旋转的同时，能够保持目标中心相对于探头组件处在基本上恒定的位置处。
步骤4915设置取向传感器，该取向传感器被配置成测量探头组件的三个取向自由度。
步骤4920设置坐标测量装置，该坐标测量装置包括第一电机、第二电机、第一角度测量装置、第二角度测量装置、测距仪、位置检测器、控制系统以及处理器，第一电机和第二电机一起被配置成将第一光束导向第一方向，第一方向由绕第一轴线的第一旋转角和绕第二轴线的第二旋转角确定，第一旋转角由第一电机产生并且第二旋转角由第二电机产生，第一角度测量装置被配置成测量第一旋转角并且第二角度测量装置被配置成测量第二旋转角，测距仪被配置成至少部分地基于由第一光学检测器接收的第二光束的第三部分来测量从坐标测量装置到球形安装的回射器的第一距离，位置检测器被配置成响应于第二光束的第四部分在位置检测器上的位置生成第一信号，控制系统被配置成将第二信号发送给第一电机并且将第三信号发送给第二电机，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球形安装的回射器的空间中的位置，处理器被配置成确定探头中心的三维坐标，该三维坐标至少部分地基于第一距离、第一旋转角、第二旋转角以及三个取向自由度。
步骤4925将球形安装的回射器放置在探头头部上。
步骤4930将第一光束从坐标测量装置导向球形安装的回射器。
步骤4935测量第一距离。
步骤4940测量第一旋转角。
步骤4945测量第二旋转角。
步骤4950至少部分地基于由取向传感器提供的信息来测量三个取向自由度。
步骤4955至少部分地基于第一距离、第一旋转角、第二旋转角以及三个取向自由度来计算探头中心的三维坐标。
步骤4960存储探头中心的三维坐标。方法4900在参考标记A处结束。
图19是方法5000的流程图，方法5000在图18的参考标记A处开始并且还包括确定探头补偿参数的步骤，探头补偿参数至少包括指示球形安装的回射器相对于探头组件的取向的信息。
图20是在图19的参考标记B处开始的方法5100的流程图。步骤5105设置被配置成接受探头末端的磁巢，该磁巢还被配置成使得探头末端能够绕探头中心旋转，将探头中心保持在空间中基本上固定的点处。步骤5110将探头末端放置到磁巢中。步骤5115旋转探头末端。步骤5120测量各个量的集合，该各个量的集合包括第一距离、第一旋转角、第二旋转角以及三个取向自由度，针对探头末端的多个不同旋转来获得测量值中的每个测量值。步骤5125至少部分地基于各个量的集合来计算探头补偿参数。
图21是在图18的参考标记A处开始的方法5200的流程图。步骤5205从探头头部移除球形安装的回射器。步骤5210将第一光束从坐标测量装置导向球形安装的回射器。步骤5215测量第一距离。步骤5220测量第一旋转角。步骤5225测量第二旋转角。步骤5230确定目标中心的三维坐标。
图22是在图21的参考标记C处开始的方法5300的流程图。步骤5305将球形安装的回射器放置在探头头部上。步骤5310将第一光束从坐标测量装置导向球形安装的回射器。步骤5315测量第一距离。步骤5320测量第一旋转角。步骤5325测量第二旋转角。步骤5330测量三个取向自由度。步骤5335至少部分地基于第一距离、第一旋转角、第二旋转角以及三个取向自由度来计算探头中心的三维坐标。
图23是在图18的参考标记A处开始的方法5400的流程图。步骤5405将图案结合到回射器中。步骤5410设置包括透镜和光敏阵列的光学系统，透镜被配置成在光敏阵列上形成经图案化的回射器的至少一部分的图像。步骤5415将图像变换为数字数据集。步骤5420至少部分地基于数字数据集来计算三个取向自由度。
虽然已参照示例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可以由等同物代替其元件。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用于本发明的教导。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最佳方式而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(a)”、“一个(an)”等的使用不表示数量的限制，而表示存在所引用项目中的至少一个。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于测量第一点和第二点的三维坐标的方法(4900)，所述方法包括：
设置球形安装的回射器(4234，4434)，所述球形安装的回射器包括安装在回射器本体中的回射器，所述回射器本体在其外表面的第一部分上具有第一球形形状，所述第一部分具有目标中心，所述回射器被配置成接收第一光束(46，984)并且返回第二光束(47，986)，所述第二光束为所述第一光束的一部分，所述第二光束在与所述第一光束的方向基本上相反的方向上行进(4905)；
设置探头组件(4200，4400，4450，4480)，所述探头组件包括探头触针(4210，4410)和探头头部(4240，4430，4440，4475)，所述探头触针包括探头末端(4214，4414)，所述探头末端在其表面的第二部分上具有第二球形形状，所述第二部分具有探头中心，所述探头头部被配置成容置所述球形安装的回射器并且能够在将所述目标中心相对于所述探头组件保持在基本上恒定的位置处的同时使得所述球形安装的回射器绕所述目标中心旋转(4910)；
设置坐标测量装置(10)，所述坐标测量装置包括第一电机(2125)、第二电机(2155)、第一角度测量装置(2120)、第二角度测量装置(2150)、测距仪(120，160)、位置检测器(151)、控制系统(1520，1530，1540、1550)、取向传感器(910)以及处理器(1520，1530，1531，1532，1533，1534，1535，1540，1550，1560，1565，1570，1590)，
所述第一电机和所述第二电机被配置成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线(20)的第一旋转角和绕第二轴线(18)的第二旋转角确定，所述第一旋转角由所述第一电机产生并且所述第二旋转角由所述第二电机产生，
所述第一角度测量装置被配置成测量所述第一旋转角并且所述第二角度测量装置被配置成测量所述第二旋转角，
所述测距仪被配置成至少部分地基于由第一光学检测器接收的第二光束的第三部分来测量从所述坐标测量装置到所述球形安装的回射器的第一距离，
所述位置检测器被配置成响应于所述第二光束的第四部分在所述位置检测器上的位置来产生第一信号，
所述控制系统被配置成将第二信号发送给所述第一电机并且将第三信号发送给所述第二电机，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，所述控制系统还被配置成将所述第一光束的第一方向调整到所述球形安装的回射器的空间中的位置，
所述取向传感器被配置成测量所述探头组件的三个取向自由度(4263，4265，4270)(4915)，
所述处理器被配置成确定所述探头中心的三维坐标，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、所述第二旋转角以及所述三个取向自由度(4920)；
将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上(4925)；
将所述探头中心移动到所述第一点；
将所述第一光束从所述坐标测量装置导向所述球形安装的回射器(4930)；
测量所述第一距离(4935)；
测量所述第一旋转角(4940)；
测量所述第二旋转角(4945)；
至少部分地基于由所述取向传感器提供的信息来测量所述三个取向自由度(4950)；
至少部分地基于所述第一距离、所述第一旋转角、所述第二旋转角以及所述三个取向自由度来计算所述探头中心的三维坐标(4955)；
存储所述探头中心的三维坐标(4960)；
从所述探头头部移除所述球形安装的回射器(5205)；
将所述目标中心移动到所述第二点；
将所述第一光束从所述坐标测量装置导向所述球形安装的回射器(5210)；
测量第二距离(5215)；
测量第三旋转角(5220)；
测量第四旋转角(5225)；
至少部分地基于所述第二距离、所述第三旋转角以及所述第四旋转角来确定所述目标中心的三维坐标(5230)；以及
存储所述目标中心的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上的步骤还包括将所述球形安装的回射器放置到索引位置中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
设置球形安装的回射器的步骤还包括为所述球形安装的回射器设置轴环，所述轴环包括索引特征(4471)；
设置探头组件的步骤还包括为所述探头头部设置匹配结构(4472)，所述匹配结构具有匹配特征(4473)；以及
将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上的步骤还包括通过将所述索引特征与所述匹配特征进行配准来将所述球形安装的回射器移动到所述索引位置中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上的步骤还包括将所述球形安装的回射器旋转到预期的取向中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
设置探头组件的步骤还包括为所述探头头部设置夹固装置(4461)，所述夹固装置被配置成将所述球形安装的回射器保持在固定的取向中；以及
放置所述球形安装的回射器的步骤还包括将所述球形安装的回射器夹固到预期的取向中。
6.根据权利要求4所述的方法(5000)，还包括确定探头补偿参数的步骤，所述探头补偿参数至少包括指示所述球形安装的回射器相对于所述探头组件的取向的信息(5005)。
7.根据权利要求6所述的方法(5100)，其中，确定探头补偿参数的步骤还包括以下步骤：
设置被配置成接受所述探头末端的磁巢(4250，4280)，所述磁巢还被配置成使得所述探头末端能够绕所述探头中心旋转，所述探头中心保持在空间中基本上固定的点处(5105)；
将所述探头末端放置到所述磁巢中(5110)；
旋转所述探头末端(5115)；
测量各个量的集合，所述各个量的集合包括所述第一距离、所述第一旋转角、所述第二旋转角以及所述三个取向自由度，针对所述探头末端的多个不同旋转来获得测量值中的每个测量值(5120)；以及
至少部分地基于所述各个量的集合来计算所述探头补偿参数(5125)。
8.(删除)。
9.(删除)。
10.根据权利要求1所述的方法(5400)，还包括以下步骤：
将图案结合到所述回射器中(5405)；
设置包括透镜和光敏阵列的光学系统，所述透镜被配置成在所述光敏阵列上形成经图案化的回射器的至少一部分的图像(5410)；
将所述图像变换为数字数据集(5415)；以及
至少部分地基于所述数字数据集来计算所述三个取向自由度(5420)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在设置球形安装的回射器的步骤中，所述回射器是玻璃立方角回射器。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在设置所述探头组件的步骤中，所述探头组件在不使用电力的情况下工作。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探头组件包括致动器按钮(4226，4227)。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，在设置所述探头组件的步骤中，所述探头触针被移除并且被替换为第二探头触针。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
在该修改中，申请人修改了权利要求1并且删除了权利要求8和9。其他权利要求未作修改。

Claims (14)

1.一种用于测量探头中心的三维坐标的方法(4900)，所述方法包括：
设置球形安装的回射器(4234，4434)，所述球形安装的回射器包括安装在回射器本体中的回射器，所述回射器本体在其外表面的第一部分上具有第一球形形状，所述第一部分具有目标中心，所述回射器被配置成接收第一光束(46，984)并且返回第二光束(47，986)，所述第二光束为所述第一光束的一部分，所述第二光束在与所述第一光束的方向基本上相反的方向上行进(4905)；
设置探头组件(4200，4400，4450，4480)，所述探头组件包括探头触针(4210，4410)和探头头部(4240，4430，4440，4475)，所述探头触针包括探头末端(4214，4414)，所述探头末端在其表面的第二部分上具有第二球形形状，所述第二部分具有探头中心，所述探头头部被配置成容置所述球形安装的回射器并且能够在将所述目标中心相对于所述探头组件保持在基本上恒定的位置处的同时使得所述球形安装的回射器绕所述目标中心旋转(4910)；
设置取向传感器(910)，所述取向传感器被配置成测量所述探头组件的三个取向自由度(4263，4265，4270)(4915)；
设置坐标测量装置(10)，所述坐标测量装置包括第一电机(2125)、第二电机(2155)、第一角度测量装置(2120)、第二角度测量装置(2150)、测距仪(120，160)、位置检测器(151)、控制系统(1520，1530，1540、1550)以及处理器(1520，1530，1531，1532，1533，1534，1535，1540，1550，1560，1565，1570，1590)，
所述第一电机和所述第二电机被配置成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线(20)的第一旋转角和绕第二轴线(18)的第二旋转角确定，所述第一旋转角由所述第一电机产生并且所述第二旋转角由所述第二电机产生，
所述第一角度测量装置被配置成测量所述第一旋转角并且所述第二角度测量装置被配置成测量所述第二旋转角，
所述测距仪被配置成至少部分地基于由第一光学检测器接收的第二光束的第三部分来测量从所述坐标测量装置到所述球形安装的回射器的第一距离，
所述位置检测器被配置成响应于所述第二光束的第四部分在所述位置检测器上的位置来产生第一信号，
所述控制系统被配置成将第二信号发送给所述第一电机并且将第三信号发送给所述第二电机，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，所述控制系统还被配置成将所述第一光束的第一方向调整到所述球形安装的回射器的空间中的位置，
所述处理器被配置成确定所述探头中心的三维坐标，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、所述第二旋转角以及所述三个取向自由度(4920)；
将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上(4925)；
将所述第一光束从所述坐标测量装置导向所述球形安装的回射器(4930)；
测量所述第一距离(4935)；
测量所述第一旋转角(4940)；
测量所述第二旋转角(4945)；
至少部分地基于由所述取向传感器提供的信息来测量所述三个取向自由度(4950)；
至少部分地基于所述第一距离、所述第一旋转角、所述第二旋转角以及所述三个取向自由度来计算所述探头中心的三维坐标(4955)；以及
存储所述探头中心的三维坐标(4960)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上的步骤还包括将所述球形安装的回射器放置到索引位置中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
设置球形安装的回射器的步骤还包括为所述球形安装的回射器设置轴环，所述轴环包括索引特征(4471)；
设置探头组件的步骤还包括为所述探头头部设置匹配结构(4472)，所述匹配结构具有匹配特征(4473)；以及
将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上的步骤还包括通过将所述索引特征与所述匹配特征进行配准来将所述球形安装的回射器移动到所述索引位置中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上的步骤还包括将所述球形安装的回射器旋转到预期的取向中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
设置探头组件的步骤还包括为所述探头头部设置夹固装置(4461)，所述夹固装置被配置成将所述球形安装的回射器保持在固定的取向中；以及
放置所述球形安装的回射器的步骤还包括将所述球形安装的回射器夹固到预期的取向中。
6.根据权利要求4所述的方法(5000)，还包括确定探头补偿参数的步骤，所述探头补偿参数至少包括指示所述球形安装的回射器相对于所述探头组件的取向的信息(5005)。
7.根据权利要求6所述的方法(5100)，其中，确定探头补偿参数的步骤还包括以下步骤：
设置被配置成接受所述探头末端的磁巢(4250，4280)，所述磁巢还被配置成使得所述探头末端能够绕所述探头中心旋转，所述探头中心保持在空间中基本上固定的点处(5105)；
将所述探头末端放置到所述磁巢中(5110)；
旋转所述探头末端(5115)；
测量各个量的集合，所述各个量的集合包括所述第一距离、所述第一旋转角、所述第二旋转角以及所述三个取向自由度，针对所述探头末端的多个不同旋转来获得测量值中的每个测量值(5120)；以及
至少部分地基于所述各个量的集合来计算所述探头补偿参数(5125)。
8.根据权利要求1所述的方法(5200)，还包括以下步骤：
从所述探头头部移除所述球形安装的回射器(5205)；
将所述第一光束从所述坐标测量装置导向所述球形安装的回射器(5210)；
测量所述第一距离(5215)；
测量所述第一旋转角(5220)；
测量所述第二旋转角(5225)；以及
确定所述目标中心的三维坐标(5230)。
9.根据权利要求8所述的方法(5300)，还包括以下步骤：
将所述球形安装的回射器放置在所述探头头部上(5305)；
将所述第一光束从所述坐标测量装置导向所述球形安装的回射器(5310)；
测量所述第一距离(5315)；
测量所述第一旋转角(5320)；
测量所述第二旋转角(5325)；
测量所述三个取向自由度(5330)；以及
至少部分地基于所述第一距离、所述第一旋转角、所述第二旋转角以及所述三个取向自由度来计算所述探头中心的三维坐标(5335)。
10.根据权利要求1所述的方法(5400)，还包括以下步骤：
将图案结合到所述回射器中(5405)；
设置包括透镜和光敏阵列的光学系统，所述透镜被配置成在所述光敏阵列上形成经图案化的回射器的至少一部分的图像(5410)；
将所述图像变换为数字数据集(5415)；以及
至少部分地基于所述数字数据集来计算所述三个取向自由度(5420)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在设置球形安装的回射器的步骤中，所述回射器是玻璃立方角回射器。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，在设置所述探头组件的步骤中，所述探头组件在不使用电力的情况下工作。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探头组件包括致动器按钮(4226，4227)。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，在设置所述探头组件的步骤中，所述探头触针被移除并且被替换为第二探头触针。
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