DE102016107312A1

DE102016107312A1 - Kombiniertes Scanner- und Trackergerät mit einem Fokussiermechanismus

Info

Publication number: DE102016107312A1
Application number: DE102016107312.1A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Steffey; David H. Parker; Robert E. Bridges
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2016-11-03
Also published as: JP6637827B2; GB2538385B; JP2016212098A; GB2538385A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales (3D) Koordinatenmessgerät, bei dem die Tracker- und Scannerfunktionalität kombiniert sind. Die Trackerfunktion ist dafür konfiguriert, Licht zu einem Retroreflektor zu senden und den Abstand zum Retroreflektor auf Basis des reflektierten Lichts zu ermitteln. Der Tracker ist auch dafür konfiguriert, den Retroreflektor während dessen Bewegung zu verfolgen und 3D-Koordinaten des Retroreflektors zu ermitteln. Der Scanner ist dafür konfiguriert, einen Lichtstrahl zu einem Punkt auf einer Objektoberfläche zu senden und eine 3D-Koordinate des Punkts zu ermitteln. Der Scanner ist außerdem dafür konfiguriert, den Lichtstrahl einstellbar zu fokussieren.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung der am 12. Februar 2013 eingereichten US-amerikanischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 13/765,014 mit dem Titel „Multi-Mode Optical Measurement Device and Method of Operation“, deren Inhalte in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin einbezogen werden
Hintergrund der Erfindung
Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft ein optisches Messgerät, das Dimensionskoordinaten misst, und insbesondere ein kontaktloses optisches Messgerät mit mehreren optischen Geräten zum Messen eines Objekts.
Kontaktlose optische Messgeräte können zur Ermittlung der Koordinaten von Punkten auf einem Objekt verwendet werden. Ein Typ eines optischen Messgeräts misst die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punkts durch Senden eines Laserstrahls zu dem Punkt. Der Laserstrahl kann direkt auf den Punkt oder auf ein Retroreflektorziel, das sich in Kontakt mit dem Punkt befindet, auftreffen. In jedem der beiden Fälle ermittelt das Instrument die Koordinaten des Punkts, indem es den Abstand und die zwei Winkel zum Ziel misst. Der Abstand wird mit einem Distanzmessgerät wie beispielsweise einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus in dem Instrument richtet den Laserstrahl auf den interessierenden Punkt.
Der Lasertracker ist ein besonderer Typ eines Koordinatenmessgeräts, das das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlen verfolgt, den bzw. die es emittiert. Optische Messgeräte, die nahe mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Laserscanner und die Totalstation. Der Laserscanner sendet schrittweise einen oder mehrere Laserstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt das von der Oberfläche gestreute Licht auf und ermittelt aus diesem Licht den Abstand und zwei Winkel zu jedem Punkt. Die Totalstation, die am häufigsten bei Vermessungsanwendungen eingesetzt wird, kann zum Messen der Koordinaten von diffus streuenden (nicht zusammenwirkenden) Zielen oder retroreflektierenden (zusammenwirkenden) Zielen verwendet werden.
Der Lasertracker arbeitet, indem er einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel sendet, das zum Messen der Koordinaten spezifischer Punkte benutzt wird. Ein üblicher Typ eines Retroreflektorziels ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR; spherically mounted retroreflector), der einen in eine Metallkugel eingebetteten Würfelecken-Retroreflektor umfasst. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrechte Spiegel. Der Scheitelpunkt, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Da diese Anordnung der Würfelecke in der Kugel eine bekannte mechanische Beziehung zu dem gemessenen Punkt hat (d. h., dass der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt zu einer beliebigen Oberfläche, auf welcher der SMR aufliegt, sogar konstant bleibt, während der SMR gedreht wird), kann die Position des gemessenen Punkts ermittelt werden. Demzufolge kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche messen, indem er der Position eines SMR folgt, während dieser über die Oberfläche bewegt wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Lasertracker lediglich drei Freiheitsgrade (einen Radialabstand und zwei Winkel) messen muss, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.
Ein Lasertrackertyp enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne einen Absolutdistanzmesser (ADM). Falls ein Objekt den Weg des von einem dieser Tracker kommenden Laserstrahls blockiert, verliert das IFM seine Abstandsreferenz. Der Bediener muss dann den Retroreflektor zu einer bekannten Stelle nachführen, um die Rückstellung auf einen Referenzabstand durchzuführen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Eine Methode zur Umgehung dieser Einschränkung besteht darin, einen ADM in den Tracker einzubringen. Der ADM kann den Abstand in einer Anvisieren-und-Auslösen-Weise messen.
Da Tracker auf einem Punkt bleiben, sollte die Laserenergie begrenzt werden, um eine gewünschte Kategorisierung in der Norm IEC 60825-1 beizubehalten. Es ist demnach beabsichtigt, dass der Tracker bei niedriger Laserenergie arbeitet. Zusätzlich dazu, dass er den Messpunkt klar definiert, wirft der SMR einen großen Anteil der Laserenergie zurück. Im Gegensatz dazu kann ein Laserscanner derart angeordnet werden, dass er sich kontinuierlich bewegt, wobei dies eine erstrebenswerte Kategorisierung nach IEC 60825-1 ermöglicht, weil die gesamte Energie, die auf einen Körperteil einer sich im Betriebsbereich aufhaltenden Person einwirkt, gering ist. Laserscanner können somit bei höheren Laserenergiepegeln betrieben werden und arbeiten mit nicht zusammenwirkenden Zielen, wenn auch normalerweise mit geringerer Genauigkeit und kürzeren Abständen als ein Lasertracker.
Der Laserscanner sendet auch einen Laserstrahl zu einem Objekt. Da Lasertracker mit dem Bediener interagieren (über das Retroreflektorziel), sollte der Laser sichtbar sein. Laserscanner hingegen können bei anderen Wellenlängen – beispielsweise Infrarot- und sichtbaren Wellenlängen – betrieben werden, weil der Bediener den Lichtstrahl nicht sehen muss. Der Laserscanner fängt Licht auf, das vom Objekt zurückreflektiert wird, und ermittelt den Abstand zu dem Punkt auf dem Objekt teilweise basierend auf der Laufzeit, die das Licht für das Anstrahlen des Objekts und die Rückkehr zum Scanner benötigt. Einige Laserscanner drehen sich sequentiell um eine Zenitachse und drehen den Laserstrahl gleichzeitig um die Azimutachse, wobei die Koordinaten für Punkte in dem Bereich um den Laserscanner herum ermittelt werden können. Andere Laserscanner richten einen Lichtstrahl auf einen einzigen Punkt oder in einem vorgegebenen Muster wie beispielsweise einem Rastermuster.
Es versteht sich, dass der Laserscanner die Koordinaten einer Vielzahl von Punkten weitaus schneller erhalten kann als ein Lasertracker. Der Lasertracker misst den Abstand aber mit höherer Genauigkeit. Ferner beziehen, da Lasertracker auf spezifischen Punkten bleiben, Messungen normalerweise nur Bruchteile einer Sekunde ein, um das Rauschen in der Elektronik und Luftturbulenzen zu reduzieren. Da Laserscanner normalerweise in der Größenordnung von Millionen Punkten pro Sekunde messen, erfolgen die Messungen gewöhnlich in der Größenordnung von Mikrosekunden oder Bruchteilen einer Mikrosekunde. Daher kann das Rauschen, das sich aus der Elektronik und Luftturbulenzen ergibt, bei Scannern viel stärker sein.
Demgemäß besteht, obwohl bereits vorhandene kontaktlose optische Messgeräte für ihre beabsichtigten Zwecke geeignet sind, weiterhin Verbesserungsbedarf, und zwar insbesondere bei der Bereitstellung eines optischen Messgeräts, das einem Bediener die Möglichkeit bietet, zwischen mehreren Betriebsmodi auszuwählen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Koordinatenmessgerät Folgendes: ein Lichtabgabesystem; einen ersten Absolutdistanzmesser, der eine erste Lichtquelle, einen ersten optischen Detektor und eine erste elektrische Schaltung umfasst, wobei die erste Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht durch das Lichtabgabesystem zu einem Retroreflektorziel zu senden, wobei der erste optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Signal als Reaktion auf das vom Retroreflektorziel reflektierte erste Licht zu erzeugen und das erste elektrische Signal zur ersten elektrischen Schaltung zu übertragen, wobei die erste elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand vom Koordinatenmessgerät zum Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal zu ermitteln; einen zweiten Absolutdistanzmesser, der eine zweite Lichtquelle, einen einstellbaren Fokussiermechanismus, einen zweiten optischen Detektor und eine zweite elektrische Schaltung umfasst, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein zweites Licht durch den einstellbaren Fokussiermechanismus und das Lichtabgabesystem zu einer Objektoberfläche zu senden, wobei der zweite optische Detektor dafür konfiguriert ist, das von der Objektoberfläche reflektierte und durch das Lichtabgabesystem durchgehende zweite Licht aufzufangen, wobei der zweite optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein zweites elektrisches Signal als Reaktion auf das von der Objektoberfläche reflektierte zweite Licht zu erzeugen und das zweite elektrische Signal zur zweiten elektrischen Schaltung zu senden, wobei die zweite elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen zweiten Abstand vom Koordinatenmessgerät zur Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten elektrischen Signal zu ermitteln; eine Struktur, die mit dem Lichtabgabesystem, dem ersten Absolutdistanzmesser und dem zweiten Absolutdistanzmesser wirkgekoppelt ist; einen ersten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine erste Achse zu drehen; ein erstes Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Drehwinkel um die erste Achse zu messen; einen zweiten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine zweite Achse zu drehen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse ist; ein zweites Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen zweiten Drehwinkel um die zweite Achse zu messen; einen Positionsdetektor, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, einen Teil der vom Koordinatenmessgerät emittierten und vom Retroreflektorziel reflektierten Strahlung aufzufangen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein drittes elektrisches Signal basierend zumindest teilweise auf einer Stelle, an welcher der Teil der Strahlung den Positionsdetektor anstrahlt, zu erzeugen; und einen Prozessor, wobei der Prozessor computerlesbare Medien aufweist, die dafür konfiguriert sind, in einem ersten Modus und einem zweiten Modus zu arbeiten, wobei der erste Modus das Verfolgen des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem dritten elektrischen Signal und das Ermitteln einer ersten dreidimensionalen Koordinate des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an einer ersten Position, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an der ersten Position und dem ersten Abstand des Retroreflektorziels an der ersten Position umfasst und wobei der zweite Modus das Richten des zweiten Lichts auf die Objektoberfläche und das Ermitteln einer zweiten dreidimensionalen Koordinate eines Punkts auf der Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche und dem zweiten Abstand des Punkts auf der Objektoberfläche umfasst, wobei der zweite Modus ferner das Einstellen des einstellbaren Fokussiermechanismus umfasst.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Koordinatenmessgerät Folgendes: eine Struktur; einen ersten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine erste Achse zu drehen; ein erstes Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Drehwinkel um die erste Achse zu messen; einen zweiten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine zweite Achse zu drehen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse ist, wobei eine Projektion der zweiten Achse die Projektion der ersten Achse in einem Kardanpunkt schneidet; ein zweites Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen zweiten Drehwinkel um die zweite Achse zu messen; ein Lichtabgabesystem, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist; einen ersten Absolutdistanzmesser, der mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei der erste Absolutdistanzmesser eine erste Lichtquelle, einen ersten optischen Detektor und eine erste elektrische Schaltung umfasst, wobei die erste Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht durch das Lichtabgabesystem entlang einem Abschnitt einer ersten Linie zu senden, die sich vom Kardanpunkt zu einem Retroreflektorziel erstreckt, wobei die erste Linie senkrecht zur ersten Achse ist, wobei der erste optische Detektor dafür konfiguriert ist, das vom Retroreflektorziel reflektierte und durch das Lichtabgabesystem durchgehende erste Licht aufzufangen, wobei der erste optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Signal als Reaktion auf das vom Retroreflektorziel reflektierte erste Licht zu erzeugen und das erste elektrische Signal zur ersten elektrischen Schaltung zu übertragen, wobei die erste elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand vom Koordinatenmessgerät zum Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal zu ermitteln; einen zweiten Absolutdistanzmesser, der mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei der zweite Absolutdistanzmesser eine zweite Lichtquelle, einen einstellbaren Fokussiermechanismus, einen zweiten optischen Detektor und eine zweite elektrische Schaltung umfasst, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein zweites Licht durch den einstellbaren Fokussiermechanismus und das Lichtabgabesystem entlang einem Abschnitt einer zweiten Linie zu senden, die sich vom Kardanpunkt zu einer Objektoberfläche erstreckt, wobei die zweite Linie senkrecht zur ersten Achse ist, wobei die zweite Linie anders als die erste Linie ist, wobei der zweite optische Detektor dafür konfiguriert ist, das von der Objektoberfläche reflektierte und durch das Lichtabgabesystem durchgehende zweite Licht aufzufangen, wobei der zweite optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein zweites elektrisches Signal als Reaktion auf das von der Objektoberfläche reflektierte zweite Licht zu erzeugen und das zweite elektrische Signal zur zweiten elektrischen Schaltung zu senden, wobei die zweite elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen zweiten Abstand vom Koordinatenmessgerät zur Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten elektrischen Signal zu ermitteln; einen Positionsdetektor, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, einen Teil der vom Koordinatenmessgerät emittierten und vom Retroreflektorziel reflektierten Strahlung aufzufangen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein drittes elektrisches Signal basierend zumindest teilweise auf einer Stelle, an welcher der Teil der Strahlung den Positionsdetektor anstrahlt, zu erzeugen; und einen Prozessor, wobei der Prozessor computerlesbare Medien aufweist, die dafür konfiguriert sind, in einem ersten Modus und einem zweiten Modus zu arbeiten, wobei der erste Modus das Verfolgen des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem dritten elektrischen Signal und das Ermitteln einer ersten dreidimensionalen Koordinate des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an einer ersten Position, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an der ersten Position und dem ersten Abstand des Retroreflektorziels an der ersten Position umfasst und wobei der zweite Modus das Drehen der Struktur um die erste Achse und das Ermitteln einer zweiten dreidimensionalen Koordinate eines Punkts auf der Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche und dem zweiten Abstand des Punkts auf der Objektoberfläche umfasst, wobei der zweite Modus ferner das Einstellen des einstellbaren Fokussiermechanismus umfasst.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Koordinatenmessgerät Folgendes: ein Lichtabgabesystem; einen ersten Absolutdistanzmesser, der eine erste Lichtquelle, einen ersten optischen Detektor und eine erste elektrische Schaltung umfasst, wobei die erste Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht durch das Lichtabgabesystem zu einem Retroreflektorziel zu senden, wobei der erste optische Detektor dafür konfiguriert ist, das vom Retroreflektorziel reflektierte und durch das Lichtabgabesystem durchgehende erste Licht aufzufangen, wobei der erste optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Signal als Reaktion auf das vom Retroreflektorziel reflektierte erste Licht zu erzeugen und das erste elektrische Signal zur ersten elektrischen Schaltung zu übertragen, wobei die erste elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand vom Koordinatenmessgerät zum Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal zu ermitteln; einen zweiten Absolutdistanzmesser, der eine zweite Lichtquelle, einen einstellbaren Fokussiermechanismus, einen zweiten optischen Detektor und eine zweite elektrische Schaltung umfasst, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein zweites Licht durch den einstellbaren Fokussiermechanismus und das Lichtabgabesystem zu einer Objektoberfläche zu senden, wobei der zweite optische Detektor dafür konfiguriert ist, das von der Objektoberfläche reflektierte und durch das Lichtabgabesystem durchgehende zweite Licht aufzufangen, wobei der zweite optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein zweites elektrisches Signal als Reaktion auf das von der Objektoberfläche reflektierte zweite Licht zu erzeugen und das zweite elektrische Signal zur zweiten elektrischen Schaltung zu senden, wobei die zweite elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen zweiten Abstand vom Koordinatenmessgerät zur Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten elektrischen Signal zu ermitteln; eine Struktur, die mit dem Lichtabgabesystem, dem ersten Absolutdistanzmesser und dem zweiten Absolutdistanzmesser wirkgekoppelt ist, wobei die Struktur einen für eine Drehung angebrachten Spiegel umfasst, wobei der Spiegel in einem Lichtweg des ersten Lichts und zweiten Lichts angeordnet ist; einen ersten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine erste Achse zu drehen; ein erstes Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Drehwinkel um die erste Achse zu messen; einen zweiten Motor, der dafür konfiguriert ist, den Spiegel um eine zweite Achse zu drehen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse ist; ein zweites Winkelmessgerät, das mit dem Spiegel wirkgekoppelt ist, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen zweiten Drehwinkel um die zweite Achse zu messen; einen Positionsdetektor, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, einen Teil der vom Koordinatenmessgerät emittierten und vom Retroreflektorziel reflektierten Strahlung aufzufangen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein drittes elektrisches Signal basierend zumindest teilweise auf einer Stelle, an welcher der Teil der Strahlung den Positionsdetektor anstrahlt, zu erzeugen; und einen Prozessor, wobei der Prozessor computerlesbare Medien aufweist, die dafür konfiguriert sind, in einem ersten Modus und einem zweiten Modus zu arbeiten, wobei der erste Modus das Verfolgen des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem dritten elektrischen Signal und das Ermitteln einer ersten dreidimensionalen Koordinate des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an einer ersten Position, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an der ersten Position und dem ersten Abstand des Retroreflektorziels an der ersten Position umfasst und wobei der zweite Modus das Drehen der Struktur um die erste Achse und das Ermitteln einer zweiten dreidimensionalen Koordinate eines Punkts auf der Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche und dem zweiten Abstand des Punkts auf der Objektoberfläche umfasst, wobei der zweite Modus ferner das Einstellen des einstellbaren Fokussiermechanismus umfasst.
Diese und andere Vorteile und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Patentbeschreibung besonders hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die vorangehenden und anderen Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: eine perspektivische Darstellung eines optischen Messgeräts gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
2: eine teilweise perspektivische Darstellung des optischen Messgeräts von 1, die die Position von Tracker- und Scannerabschnitten einschließlich Sensoren in dem Gerät veranschaulicht;
3: ein Blockdiagramm des elektrischen Systems und Rechensystems für das Gerät von 1;
4: eine schematische Darstellung des Geräts und des Nutzlastabschnitts von 1 einschließlich eines Blockdiagramms des optischen Messgeräts gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
5–10: Blockdiagramme von elektrischen und elektrooptischen Elementen in einem Absolutdistanzmesser (ADM) für einen Lasertrackerabschnitt und einen Scannerdistanzmesser des optischen Messgeräts von 1;
11: eine schematische Darstellung des Geräts von 1, die eine optische Achse zeigt, entlang welcher Licht des Trackers und Scanners projiziert wird;
12–14: perspektivische Ansichten des Geräts von 1, die eine andere Ausgestaltung des Scannerabschnitts und des Trackerabschnitts veranschaulichen;
15: eine schematische Darstellung eines optischen Messgeräts in einem ersten Betriebsmodus gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
16: eine schematische Darstellung des optischen Messgeräts von 1 in einem zweiten Betriebsmodus; und
17–18: Ablaufdiagramme, die die Schritte zum Betrieb des optischen Messgeräts zeigen;
19: eine Vorrichtung, die Trackerlicht und Scannerlicht in zwei verschiedenen Richtungen aus dem Scanner-Tracker gemäß einer Ausgestaltung emittiert;
20: eine schematische Darstellung eines Scanner-Tracker-Geräts, bei dem ein Drehspiegel zum Richten eines Lichtstrahls aus dem Tracker auf einen Retroreflektor gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung verwendet wird;
21: eine schematische Darstellung des Nutzlastabschnitts des Geräts von 1 einschließlich eines Blockdiagramms des optischen Messgeräts gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
22: eine schematische Darstellung des Geräts von 1, die eine optische Achse zeigt, entlang welcher Licht des Trackers und Scanners projiziert wird;
23: eine schematische Darstellung eines optischen Messgeräts in einem ersten Betriebsmodus gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
24: eine schematische Darstellung des optischen Messgeräts von 1 in einem zweiten Betriebsmodus;
25: eine Vorrichtung, die Trackerlicht und Scannerlicht in zwei verschiedenen Richtungen aus dem Scanner-Tracker gemäß einer Ausgestaltung emittiert; und
26: eine schematische Darstellung eines einstellbaren Fokussiermechanismus gemäß einer Ausgestaltung.
Die ausführliche Beschreibung erläutert Ausgestaltungen der Erfindung zusammen mit den Vorteilen und Merkmalen beispielhaft anhand der Zeichnungen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sehen ein optisches Messgerät vor, das entweder als Lasertracker oder als Laserscanner arbeiten kann. Dies stellt dahingehend Vorteile zur Verfügung, dass entweder eine genauere Messung unter Einsatz eines zusammenwirkenden, gewöhnlich von einem Bediener in der Hand gehaltenen Ziels oder eine schnellere, (normalerweise) ungenauere Messung meist ohne aktives Mitwirken eines Bedieners ermöglicht wird. Diese zwei Betriebsmodi sind in einem einzigen integrierten Gerät vorgesehen.
Nun Bezug nehmend auf die 1–2, ist dort ein optisches Messgerät 30 dargestellt, das mehrere Betriebsmodi bereitstellt. Das Gerät 30 hat ein Gehäuse 32, das einen Trackerabschnitt 34 zur Unterstützung der Funktionalität der Laserverfolgung sowie einen Scannerabschnitt 36 zur Unterstützung der Scannerfunktionalität enthält. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 38 umfasst einen Zenitschlitten 42, der auf einem Azimutsockel 40 angebracht ist und um eine Azimutachse 44 gedreht wird. Eine Nutzlaststruktur 46 ist auf dem Zenitschlitten 42 angebracht, der sich um eine Zenitachse 48 dreht. Die Zenitachse 48 und die Azimutachse 44 schneiden sich orthogonal in dem Gerät 30 am Kardanpunkt 50. Der Kardanpunkt 50 ist normalerweise der Ursprung für Abstands- und Winkelmessungen. Einer oder mehrere Lichtstrahlen 52 gehen so gut wie durch den Kardanpunkt 50 durch. Die austretenden Lichtstrahlen werden in eine Richtung gerichtet, die orthogonal zur Zenitachse 48 ist. Mit anderen Worten: der Lichtstrahl 52 liegt in einer Ebene, die ungefähr senkrecht zur Zenitachse 48 ist und die die Azimutachse 44 enthält. Der austretende Lichtstrahl 52 wird durch die Drehung der Nutzlaststruktur 46 um eine Zenitachse 48 und durch die Drehung des Zenitschlittens 40 um die Azimutachse 44 in die gewünschte Richtung gerichtet.
Ein Zenitmotor 51 und ein Zenitwinkelkodierer 54 sind innen im Gehäuse 32 angeordnet und an der mechanischen Zenitachse befestigt, die auf die Zenitachse 48 ausgerichtet ist. Ein Azimutmotor 55 und ein Winkelkodierer 56 sind ebenfalls innen im Gerät 30 angeordnet und an einer mechanischen Azimutachse befestigt, die auf die Azimutachse 44 ausgerichtet ist. Die Zenit- und Azimutmotoren 51, 55 arbeiten derart, dass sie die Nutzlaststruktur 46 gleichzeitig um die Achsen 44, 48 drehen. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, werden die Motoren 51, 55 im Scannermodus jeweils in einer einzigen Richtung betrieben, was dazu führt, dass das Scannerlicht einem kontinuierlichen Weg folgt, der die Richtung nicht umkehrt. Die Zenit- und Azimutwinkelkodierer messen die Zenit- und Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit.
Der Lichtstrahl 52 bewegt sich zum Ziel 58, das den Lichtstrahl 53 zum Gerät 30 zurückreflektiert. Das Ziel 58 kann ein nicht zusammenwirkendes Ziel wie beispielsweise die Oberfläche eines Objekts 59 sein. Alternativ dazu kann das Ziel 58 ein Retroreflektor wie beispielsweise ein sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein. Durch Messen des Radialabstands zwischen dem Kardanpunkt 50 und dem Ziel 58 lassen sich der Drehwinkel um die Zenitachse 48, der Drehwinkel um die Azimutachse 44 und die Position des Ziels 58 in einem Kugelkoordinatensystem des Geräts 30 ermitteln. Wie hierin ausführlicher besprochen wird, umfasst das Gerät 30 eine(n) oder mehrere Spiegel, Linsen oder Aperturen, die ein Lichtabgabesystem definieren, das Licht richtet und auffängt.
Der Lichtstrahl 52 kann eine oder mehrere Wellenlängen des Lichts wie beispielsweise sichtbare und Infrarotwellenlängen umfassen. Es versteht sich, dass, obwohl Ausgestaltungen hierin unter Bezugnahme auf den kardanisch aufgehängten Strahllenkungsmechanismus 38 besprochen werden, andere Arten von Lenkungsmechanismen verwendet werden können. Bei anderen Ausgestaltungen kann ein Spiegel beispielsweise um die Azimut- und Zenitachse gedreht werden. Bei anderen Ausgestaltungen können Galvospiegel verwendet werden, um die Richtung des Lichts zu lenken. Ähnlich wie die beispielhafte Ausgestaltung kann man diese anderen Ausgestaltungen (z. B. Galvospiegel) zum Lenken des Lichts in einer einzigen Richtung entlang einem Weg ohne Richtungsumkehr benutzen, wie es nachfolgend ausführlicher besprochen wird.
Bei einer Ausgestaltung können magnetische Aufnahmen 60 auf dem Azimutsockel 40 angeordnet werden. Die magnetischen Aufnahmen 60 werden mit dem Trackerabschnitt 34 verwendet, um den Tracker auf eine „Ausgangsposition“ für unterschiedlich große SMRs – beispielsweise 38,1, 22,2 und 12,7 mm große SMRs (1,5, 7/8 und 0,5 Zoll) – zurückzustellen. Man kann einen auf dem Gerät befindlichen Retroreflektor 62 benutzen, um den Tracker auf einen Referenzabstand zurückzustellen. Ferner kann ein Spiegel (nicht dargestellt) in Kombination mit dem Retroreflektor 62 verwendet werden, um die Durchführung einer Selbstkompensation zu ermöglichen, die in dem US-Patent Nr. 7,327,446 beschrieben wird, dessen Inhalte durch Verweis einbezogen werden.
Nun Bezug nehmend auf 3, ist dort eine beispielhafte Steuervorrichtung 64 für die Steuerung des Betriebs des Geräts 30 dargestellt. Die Steuervorrichtung 64 umfasst ein verteiltes Verarbeitungssystem 66, Verarbeitungssysteme für Peripherieelemente 68, 72, einen Computer 74 und andere Netzwerkkomponenten 76, die hier als Wolke dargestellt sind. Beispielhafte Ausgestaltungen des verteilten Verarbeitungssystems 66 umfassen einen Hauptprozessor 78, eine Nutzlastfunktionselektronik 80, eine Azimutkodiererelektronik 82, eine Zenitkodiererelektronik 86, eine Anzeige- und Benutzerschnittstelle (Anzeige- und BS) 88, eine entfernbare Speicherhardware 90, eine Radiofrequenzidentifikationselektronik (RFID-Elektronik) 92 und eine Antenne 94. Die Nutzlastfunktionselektronik 80 umfasst eine Anzahl von Funktionen wie beispielsweise die Scannerelektronik 96, die Kameraelektronik 98 (für die Kamera 168, 11), die ADM-Elektronik 100, die Positionsdetektorelektronik (PSD-Elektronik) 102 und die Nivellierelektronik 104. Einige oder alle der Unterfunktionen in der Nutzlastfunktionselektronik 80 haben mindestens eine Verarbeitungseinheit, die ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern (FPGA; field programmable gate array) sein kann.
Es sind zahlreiche Arten von Peripheriegeräten möglich, also beispielsweise ein Temperatursensor 68 und ein Personal Digital Assistant 72. Der Personal Digital Assistant 72 kann ein Mobilfunktelekommunikationsgerät wie z. B. ein Smartphone sein. Das Gerät 30 kann mit Peripheriegeräten auf verschiedene Arten kommunizieren, zu denen folgende zählen: drahtlose Kommunikation über die Antenne 94, mittels eines Sichtsystems wie beispielsweise einer Kamera und mittels der Werte für den Abstand und Winkel des Lasertrackers zu einem zusammenwirkenden Ziel. Die Peripheriegeräte können Prozessoren enthalten. Wenn der Begriff „Scannerprozessor“, „Lasertrackerprozessor“ oder „Messgerätprozessor“ gebraucht wird, soll er allgemein eine mögliche externe Computer- und Wolkenunterstützung umfassen.
Ein separates Kommunikationsmedium oder ein separater Kommunikationsbus verläuft bei einer Ausgestaltung vom Prozessor 78 zu jeder der Nutzlastfunktionselektronikeinheiten 80, 82, 86, 88, 90, 92. Jedes Kommunikationsmedium kann beispielsweise drei serielle Leitungen aufweisen, welche die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung gibt an, ob die Elektronikeinheit auf die Taktleitung achten sollte oder nicht. Falls sie angibt, dass eine Beachtung erfolgen sollte, liest die Elektronikeinheit den aktuellen Wert der Datenleitung bei jedem Taktsignal ab. Das Taktsignal kann beispielsweise einer steigenden Flanke eines Taktimpulses entsprechen. Bei einer Ausgestaltung wird die Information in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. Bei anderen Ausgestaltungen umfasst jedes Paket eine Adresse, einen Zahlenwert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse gibt an, wohin die Datennachrichten in der Elektronikeinheit zu leiten sind. Die Stelle kann beispielsweise einer Subroutine des Prozessors in der Elektronikeinheit entsprechen. Der Zahlenwert gibt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten oder Anweisungen, welche die Elektronikeinheit durchführen muss. Die Prüfsumme ist ein Zahlenwert, der dazu dient, die Möglichkeit von Fehlern bei Daten zu minimieren, die über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
Der Prozessor 78 überträgt bei einer Ausgestaltung Informationspakete über den Bus 106 zur Nutzlastfunktionselektronik 80, über den Bus 108 zur Azimutkodiererelektronik 82, über den Bus 110 zur Zenitkodiererelektronik 86, über den Bus 112 zur Anzeige- und BS-Elektronik 88, über den Bus 114 zur entfernbaren Speicherhardware 90 und über den Bus 116 zur RFID- und Drahtlos-Elektronik 92.
Bei einer Ausgestaltung sendet der Prozessor 78 auch gleichzeitig einen Synchronisationsimpuls über den Synchronisationsbus 118 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Synchronisationsimpuls stellt eine Möglichkeit zur Synchronisation von Werten bereit, die von den Messfunktionen des Geräts 30 erfasst wurden. Beispielsweise zwischenspeichern die Azimutkodiererelektronik 82 und die Zenitelektronik 86 ihre Kodiererwerte, sobald der Synchronisationsimpuls empfangen wird. In ähnlicher Weise zwischenspeichert die Nutzlastfunktionselektronik 80 die Daten, die von der in der Nutzlaststruktur enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Der ADM und der Positionsdetektor zwischenspeichern alle beim Senden des Synchronisationsimpulses die Daten. Bei den meisten Ausgestaltungen erfassen die Kamera und der Neigungsmesser Daten bei einer langsameren Rate als der Synchronisationsimpulsrate, doch sie können Daten bei Vielfachen der Synchronisationsperiode zwischenspeichern.
Bei einer Ausgestaltung sind die Azimutkodiererelektronik 82 und die Zenitkodiererelekronik 86 durch Schleifringe (nicht dargestellt) voneinander und von der Nutzlastfunktionselektronik 80 getrennt. Wenn Schleifringe benutzt werden, können die Busleitungen 106, 108, 110 separate Busse sein. Das optische Elektronikverarbeitungssystem 66 kann mit einem externen Computer 74 kommunizieren oder die Kommunikations-, Anzeige- und Benutzerschnittstellenfunktionen im Gerät 30 bereitstellen. Das Gerät 30 kommuniziert über eine Kommunikationsverbindung 120, die beispielsweise eine Ethernetleitung oder eine drahtlose Verbindung ist, mit dem Computer 74. Das Gerät 30 kann auch über eine Kommunikationsverbindung 122, die ein oder mehrere elektrische Kabel wie beispielsweise Ethernetkabel oder eine oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen könnte, mit anderen Elementen, die durch die Wolke 76 repräsentiert sind, kommunizieren. Das Element 76 kann ein anderes dreidimensionales Prüfgerät wie z. B. ein Gelenkarm-KMG sein, das durch das Gerät 30 umgesetzt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 124 zwischen dem Computer 74 und dem Element 76 kann drahtgebunden oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem Ferncomputer 74 sitzt, kann sich mit dem Internet, das durch die Wolke 76 repräsentiert ist, über eine Ethernet- oder drahtlose Verbindung verbinden, die wiederum über eine Ethernet- oder drahtlose Verbindung mit dem Prozessor 78 verbindet. Auf diese Weise kann der Benutzer die Tätigkeit eines Ferngeräts wie beispielsweise eines Lasertrackers steuern.
Nun Bezug nehmend auf 4, ist dort eine Ausgestaltung der Nutzlaststruktur 46 in einem Gerät 30 dargestellt, die einen Trackerabschnitt 34 und einen Scannerabschnitt 36 aufweist. Die Abschnitte 34 und 36 sind derart integriert, dass sie Licht von den Tracker- und Scannerabschnitten über einen im Wesentlichen gemeinsamen optischen inneren Strahlenweg emittieren, der in 1 und 12–14 durch den Lichtstrahl 52 repräsentiert ist. Obwohl sich das von den Tracker- und Scannerabschnitten emittierte Licht über einen im Wesentlichen gemeinsamen Lichtweg bewegt, werden die Lichtstrahlen der Tracker- und Scannerabschnitte bei einer Ausgestaltung dennoch zu unterschiedlichen Zeitpunkten emittiert. Bei einer anderen Ausgestaltung werden die Strahlen gleichzeitig emittiert.
Der Trackerabschnitt 34 umfasst eine Lichtquelle 126, einen Isolator 128, ein Fasernetz 136, eine ADM-Elektronik 140, eine Fasereinkopplung 130, einen Strahlteiler 132 und einen Positionsdetektor 134. Die Lichtquelle 126 emittiert bei einer Ausgestaltung sichtbares Licht. Die Lichtquelle kann beispielsweise ein roter oder grüner Diodenlaser oder ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL; vertical cavity surface emitting laser) sein. Der Isolator kann ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder ein beliebiges anderes geeignetes Gerät sein, das in der Lage ist, die Lichtmenge ausreichend zu reduzieren, die zurück in die Lichtquelle 126 durchgelassen wird. Das vom Isolator 128 kommende Licht bewegt sich in das Fasernetz 136. Das Fasernetz 136 ist bei einer Ausgestaltung das in 6 dargestellte Fasernetz, das nachfolgend ausführlicher besprochen wird. Der Positionsdetektor 134 ist derart angeordnet, dass er einen Teil der von der Lichtquelle 126 emittierten und vom Ziel 58 reflektierten Strahlung auffängt. Der Positionsdetektor 134 ist derart konfiguriert, dass er der Steuervorrichtung 64 ein Signal bereitstellt. Das Signal wird von der Steuervorrichtung 64 dazu benutzt, die Motoren 51, 55 für die Lenkung des Lichtstrahls 52 zur Verfolgung des Ziels 58 einzuschalten.
Ein Teil des Lichts, das ins Fasernetz 136 eintritt, wird über einen Lichtwellenleiter 138 zum Referenzkanal der ADM-Elektronik 140 übertragen. Ein anderer Teil des ins Fasernetz 136 eintretenden Lichts geht durch das Fasernetz 136 und den Strahlteiler 132 hindurch. Das Licht kommt an einem dichroitischen Strahlteiler 142 an, der dafür konfiguriert ist, Licht bei der Wellenlänge der ADM-Lichtquelle durchzulassen. Das Licht des Trackerabschnitts 34 tritt über eine Apertur 146 entlang einem Lichtweg 144 aus der Nutzlaststruktur 46 aus. Das Licht des Trackerabschnitts 34 bewegt sich entlang einem Lichtweg 144, wird vom Ziel 58 reflektiert, kehrt entlang dem Lichtweg 144 zurück und tritt durch die Apertur 146 wieder in die Nutzlaststruktur 46 ein. Dieses zurückkehrende Licht geht durch den dichroitischen Strahlteiler 142 durch und bewegt sich in den Trackerabschnitt 34 zurück. Ein erster Teil des zurückkehrenden Lichts geht durch den Strahlteiler 132 und in die Fasereinkopplung 130 sowie ins Fasernetz 136 durch. Ein Teil der Lichts geht in einen Lichtwellenleiter 148 und in den Messkanal der ADM-Elektronik 140 durch. Ein zweiter Teil des zurückkehrenden Lichts wird vom Strahlteiler 132 in den Positionsdetektor 134 reflektiert.
Bei einer Ausgestaltung ist die ADM-Elektronik 140 die in 5 dargestellte. Die ADM-Elektronik 140 umfasst eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Referenzdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Referenzmischer 3312, Aufbereitungselektroniken 3314, 3316, 3318, 3320, einen Vorteiler 3324 mit dem Teilungsfaktor N und einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 3322. Die Frequenzreferenz, die beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator sein könnte, sendet eine Referenzfrequenz f_REF wie beispielsweise 10 MHz zum Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt: ein Signal mit der Frequenz f_RF und zwei Signale mit der Frequenz f_LO. Das Signal f_RF geht zur Lichtquelle 126. Die zwei Signale mit der Frequenz f_LO gehen zum Messmischer 3310 und Referenzmischer 3312. Das von den Lichtwellenleitern 138, 148 kommende Licht tritt in den Referenz- bzw. Messkanal ein. Der Referenzdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden durch die elektrischen Komponenten 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zum Mischer 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz f_IF, die gleich dem Absolutwert f_LO–f_RF ist. Das Signal f_RF kann eine relativ hohe Frequenz wie beispielsweise 2 GHz haben, während das Signal f_IF eine relativ niedrige Frequenz wie beispielsweise 10 kHz aufweisen kann.
Die Referenzfrequenz f_REF wird zum Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch eine ganze Zahl dividiert. Eine Frequenz von 10 MHz würde beispielsweise durch 40 dividiert, so dass man eine Ausgangsfrequenz von 250 kHz erhält. In diesem Beispiel würden die 10-kHz-Signale, die in den ADW 3322 eintreten, bei einer Frequenz von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt werden. Die Signale des ADW 3322 werden zu einem Datenprozessor 3400 gesendet, also beispielsweise zu einem oder mehreren digitalen Signalprozessoren.
Das Verfahren zum Extrahieren eines Abstands beruht auf der Berechnung der Phase der ADW-Signale für den Referenz- und Messkanal. Dieses Verfahren wird ausführlich in dem an Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 7,701,559 (Patent ’559) beschrieben, dessen Inhalte durch Verweis hierin einbezogen werden. Die Berechnung umfasst die Anwendung der Gleichungen (1)–(8) des Patents ’559. Wenn der ADM zuerst mit dem Messen eines Ziels beginnt, werden ferner die vom Synthesizer erzeugten Frequenzen einige Male (beispielsweise dreimal) verändert und die möglichen ADM-Abstände in jedem Fall berechnet. Durch den Vergleich der möglichen ADM-Abstände bei jeder der ausgewählten Frequenzen wird eine Mehrdeutigkeit bei der ADM-Messung beseitigt. Die Gleichungen (1)–(8) des Patents ’559 in Kombination mit den im Patent ’559 beschriebenen Synchronisationsverfahren und Kalman-Filter-Verfahren geben dem ADM die Möglichkeit, ein sich bewegendes Ziel zu messen. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen eingesetzt werden, beispielsweise indem man Impulslaufzeit-Verfahren anwendet.
Eine Ausgestaltung des Fasernetzes 136 in 4 ist als das Fasernetz 420A in 6 dargestellt. Diese Ausgestaltung umfasst einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und Reflektoren 435, 440 mit geringer Transmission. Der erste und der zweite Faserkoppler sind 2 × 2-Koppler, die jeweils zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse aufweisen. Koppler dieses Typs werden normalerweise hergestellt, indem man zwei Faserkerne in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert und die Fasern anschließend zieht. Auf diese Weise kann eine evaneszente Kopplung zwischen den Fasern einen gewünschten Anteil des Lichts zu der benachbarten Faser hin abteilen. Das Licht bewegt sich durch den ersten Faserkoppler 430 und wird zwischen zwei Lichtwegen geteilt, wobei der erste Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 433 zum zweiten Faserkoppler 436 und der zweite Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 422 und einen Faserlängenausgleicher 423 führt. Der Faserlängenausgleicher 423 ist an den Leiter 138 in 4 angeschlossen, der zum Referenzkanal der ADM-Elektronik 140 verläuft. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge von Lichtwellenleitern, die von dem Licht im Referenzkanal durchquert werden, an die Länge von Lichtwellenleitern, die von dem Licht im Messkanal durchquert werden, anzupassen. Die derartige Anpassung der Faserlängen verringert ADM-Fehler, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Solche Fehler können entstehen, weil die effektive Lichtweglänge eines Lichtwellenleiters gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtwellenleiters multipliziert mit der Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der Lichtwellenleiter von der Temperatur der Faser abhängt, führt eine Schwankung der Temperatur der Lichtwellenleiter zu Veränderungen bei den effektiven Lichtweglängen des Mess- und Referenzkanals. Falls sich die effektive Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Messkanal relativ zu der effektiven Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Referenzkanal ändert, ergibt sich daraus sogar dann eine scheinbare Verschiebung der Position des Ziels 58, wenn das Ziel 58 ortsfest gehalten wird. Zur Vermeidung dieses Problems werden zwei Schritte durchgeführt. Erstens wird die Länge der Faser im Referenzkanal so nahe wie möglich an die Länge der Faser im Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und Referenzfasern so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die Lichtwellenleiter in den zwei Kanälen fast den gleichen Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Das Licht bewegt sich durch den Lichtwellenleiter 433 zum zweiten faseroptischen Koppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt, nämlich den ersten Lichtweg zum reflexionsarmen Faserendverschluss 440 und den zweiten Lichtweg zum Lichtwellenleiter 438, von wo aus es das Fasernetz verlässt.
In 7 ist eine andere Ausgestaltung des Fasernetzes 136 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung umfasst das Fasernetz 136 einen ersten Faserkoppler 457, einen zweiten Faserkoppler 463, zwei reflexionsarme Endverschlüsse 462, 467, einen optischen Schalter 468, einen Retroreflektor 472 und einen elektrischen Eingang 469 zum optischen Schalter. Der optische Schalter kann verschiedenen Typs sein. Ein im Handel erhältlicher und relativ preiswerter Typ ist der Typ des mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Dieser Typ kann kleine Spiegel nutzen, die beispielsweise als ein Teil einer Halbleiterstruktur konstruiert sind. Alternativ dazu könnte der Schalter ein Modulator sein, der für sehr schnelles Schalten bei bestimmten Wellenlängen sowie bei Kosten erhältlich ist, die etwas höher als beim Schalter des MEMS-Typs sind. Schalter können auch als optische Dämpfungsglieder konstruiert sein, die auf elektrische Signale ansprechen und durch elektrische Signale, die zu den Dämpfungsgliedern gesendet werden, ein- und ausgeschaltet werden können. Eine Beschreibung der Spezifikationen, die bei der Auswahl von faseroptischen Schaltern in Betracht gezogen werden können, findet sich in der veröffentlichten US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2011/0032509 (an Bridges), deren Inhalte durch Verweis einbezogen werden. Zur Erzielung der gewünschten Leistung und Einfachheit kann der Schalter im Allgemeinen ein faseroptischer Schalter sein. Es versteht sich, dass das oben beschriebene optische Schaltkonzept eine gleich gute Leistung in einem Fasernetz haben sollte, das auf zwei Farben basiert.
Das Fasernetz 136 enthält einen optischen Schalter 468 und einen Retroreflektor 472. Normalerweise bewegt sich das Licht von einem Leiter 465 durch den oberen Anschluss des optischen Schalters 468 und aus einem Lichtwellenleiter 470 hinaus. In einem Fall, bei dem der Lasertracker kein Ziel misst, leitet der optische Schalter jedoch das optische Signal vom Lichtwellenleiter 465 zum Lichtwellenleiter 471 und in den Retroreflektor 472 um. Der Zweck des Umschaltens des Lichts zum Retroreflektor 472 besteht darin, eine etwaige Wärmedrift zu entfernen, die eventuell in den Komponenten des ADM-Systems aufgetreten ist. Zu solchen Komponenten könnten beispielsweise optoelektronische Komponenten wie z. B. optische Detektoren, Lichtwellenleiter des ADM-Systems, elektrische Komponenten wie z. B. Mischer, Verstärker, Synthesizer und Analog-Digital-Wandler sowie optische Komponenten wie z. B. Linsen und Linsenfassungen zählen. Nimmt man beispielsweise an, dass die Lichtweglänge des Messkanals an einem ersten Zeitpunkt 20 mm länger war als die des Referenzkanals, wobei der optische Schalter 468 das Licht zum Retroreflektor 472 umleitete, und nimmt man an, dass die Lichtweglänge des Messkanals an einem späteren Zeitpunkt 20,003 mm länger war als die Lichtweglänge des Referenzkanals, wobei der optische Schalter 468 das Licht zum Retroreflektor 472 umleitete, dann würde der ADM-Datenprozessor 0,003 mm von den nachfolgenden ADM-Messwerten subtrahieren. Es versteht sich, dass diese Methode von Neuem beginnen würde, sooft der Tracker den ADM-Wert bei einer Ausgangsposition des Lasertrackers einstellt.
Bei einer Ausgestaltung ist der Retroreflektor 472 ein faseroptischer Retroreflektor 472A von 8. Dieser Retroreflektortyp 472 ist normalerweise eine Ferrule, bei der der Lichtwellenleiter am Ende der Ferrule poliert und mit einer Beschichtung 473 abgedeckt ist, die beispielsweise aus Gold oder mehreren Schichten dünner dielektrischer Folien bestehen könnte. Bei einer anderen Ausgestaltung ist der Retroreflektor 472 ein im freien Raum angeordneter Retroreflektor 472B von 9, der einen Kollimator 474 und einen Retroreflektor 476, der beispielsweise ein Würfelecken-Retroreflektor-Rohling sein könnte, umfasst.
In 10 ist noch eine andere Ausgestaltung des Fasernetzes 136 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung umfasst das Fasernetz 136 einen ersten Faserkoppler 1730, einen zweiten Faserkoppler 1740, einen dritten Faserkoppler 1750 und drei reflexionsarme Endverschlüsse 1738, 1748, 1758. Das von einem Lichtwellenleiter 1781 kommende Licht tritt am Eingangsanschluss ins Fasernetz 136 ein. Das Licht bewegt sich durch einen ersten Faserkoppler 1730. Ein Teil des Lichts bewegt sich durch den Lichtwellenleiter 138 und den Faserlängenausgleicher für 423, bevor es in den Referenzkanal der ADM-Elektronik 140 eintritt. Ein Teil des Lichts bewegt sich durch einen zweiten Faserkoppler 1740 und einen dritten Faserkoppler 1750, bevor es aus dem Fasernetz hinaus in einen Lichtwellenleiter 1753 durchgeht. Das von einem Lichtwellenleiter 1743 kommende Licht tritt in den dritten Faserkoppler 1750 ein, wo es über einen Lichtwellenleiter 1790 mit dem Licht einer zweiten Lichtquelle (nicht dargestellt) kombiniert wird, und bildet einen zusammengesetzten Lichtstrahl, der sich in einem Lichtwellenleiter 1753 bewegt. Der Optokoppler 1750 ist ein dichroitischer Koppler, weil er für den Einsatz von zwei Wellenlängen ausgelegt ist. Nachdem der zusammengesetzte Lichtstrahl, der im Lichtwellenleiter 1753 getragen wird, aus dem Lasertracker austritt und vom Ziel 58 reflektiert wird, kehrt er zum Fasernetz 136 zurück. Das von der ersten Lichtquelle kommende Licht geht durch den dritten Faserkoppler 1750 und den zweiten Faserkoppler 1740 hindurch und tritt in den Lichtwellenleiter 148 ein, der zum Messkanal der ADM-Elektronik 140 führt. Das von der zweiten Lichtquelle (nicht dargestellt) kommende Licht kehrt zum Lichtwellenleiter 1790 zurück und bewegt sich zurück in der Richtung der zweiten Lichtquelle (nicht dargestellt).
Die Koppler 1730, 1740 und 1750 können vom verschmolzenen Typ sein. Bei diesem Optokopplertyp sind zwei Faserkern-/Fasermantelbereiche nahe zusammengebracht und verschmolzen. Demzufolge wird das Licht zwischen den Kernen durch evaneszente Kopplung ausgetauscht. Im Falle von zwei unterschiedlichen Wellenlängen ist es möglich, dass man eine evaneszente Kopplungsanordnung konstruiert, die die vollständige Transmission einer ersten Wellenlänge entlang der ursprünglichen Faser sowie die vollständige Kopplung einer zweiten Wellenlänge über dieselbe Faser gestattet. Normalerweise gibt es keine vollständige (hundertprozentige) Kopplung des Lichts in den Koppler 1750. Faseroptische Koppler, die eine gute Kopplung für zwei oder mehr verschiedene Wellenlängen zur Verfügung stellen, sind jedoch im Handel mit den üblichen Wellenlängen wie beispielsweise 980 nm, 1300 nm und 1550 nm erhältlich. Ferner können faseroptische Koppler für andere Wellenlängen, zu denen sichtbare Wellenlängen zählen, im Handel erworben werden und für andere Wellenlängen maßgefertigt und hergestellt werden. Beispielsweise ist es in 10 möglich, dass man einen faseroptischen Koppler 1750 derart konfiguriert, dass sich das erste Licht bei seiner ersten Wellenlänge bei geringem optischem Verlust vom Lichtwellenleiter 1743 zum Lichtwellenleiter 1753 bewegt. Gleichzeitig kann die Anordnung derart konfiguriert werden, dass eine nahezu vollständige Kopplung des zweiten Lichts im Lichtwellenleiter 1790 über den Lichtwellenleiter 1753 bereitgestellt wird. Es ist daher möglich, das erste Licht und das zweite Licht bei geringem Verlust durch den faseroptischen Koppler und in demselben Leiter 1753 zu übertragen. Im Handel sind Optokoppler erhältlich, die Wellenlängen kombinieren, die sich stark voneinander unterscheiden. Man kann beispielsweise Koppler im Handel erwerben, die Licht bei einer Wellenlänge von 1310 nm mit Licht bei einer Wellenlänge von 660 nm kombinieren. Für die Ausbreitung über lange Entfernungen mit Ausbreitung beider Wellenlängen in einer einzigen transversalen Mode sollten, wenn zugleich ein relativ geringer Verlust der optischen Energie während der Ausbreitung durch den Lichtwellenleiter vorliegt, die zwei Wellenlängen im Allgemeinen relativ nahe beieinander sein. Die zwei ausgewählten Wellenlängen könnten zum Beispiel 633 nm und 780 nm sein, die bezogen auf ihre Wellenlängenwerte relativ nahe beieinander sind und ohne großen Verlust durch eine Monomodefaser über eine lange Entfernung übertragen werden könnten. Ein Vorteil des dichroitischen Faserkopplers 1750 im Fasernetz 136 besteht darin, dass er kompakter als ein im freien Raum angeordneter Strahlteiler ist. Ferner gewährleistet der dichroitische Faserkoppler, dass das erste Licht und das zweite Licht sehr gut ausgerichtet sind, ohne dass etwaige spezielle optische Ausrichtungsverfahren während der Herstellung erforderlich sind.
Wieder Bezug nehmend auf 4, kann der Scannerabschnitt 36 in einen Scanner wie beispielsweise den in 11 dargestellten eingebettet sein, der zum Beispiel nachfolgend besprochen wird. Das vom Scannerabschnitt 36 kommende Licht, beispielsweise Infrarotlicht bei ungefähr 1550 nm, bewegt sich entlang einem Lichtweg 150 zum dichroitischen Spiegel 142. Der dichroitische Spiegel 142 ist dafür konfiguriert, das vom Scanner kommende Licht zu reflektieren, während er Licht des Lasertrackers durchlässt. Das Licht des Scannerabschnitts 36 bewegt sich zum Ziel 58 und kehrt entlang dem Lichtweg 152 zu der ringförmigen Apertur 154 zurück. Das zurückkehrende Licht geht durch die ringförmige Apertur 154 und entlang einem äußeren Strahlenweg durch und wird vom dichroitischen Spiegel 142 entlang einem Lichtweg 156 zum Scannerabschnitt 36 zurückreflektiert. Der (durch die ringförmige Apertur 154 definierte) äußere Strahlenweg ist bei einer Ausgestaltung koaxial zu dem (durch die Apertur 146 definierten) inneren Strahlenweg. Man kann Vorteile erzielen, indem man das Scannerlicht durch die ringförmige Apertur 154 zurückkehren lässt, um ein von der Apertur 146 kommendes unerwünschtes Licht zu vermeiden, das das vom Ziel 58 reflektierte Licht stören könnte.
Die Apertur 146 und die ringförmige Apertur 154 sind bei der beispielhaften Ausgestaltung konzentrisch angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung hat die Apertur 146 einen Durchmesser von ungefähr 15 mm und hat die ringförmige Apertur 154 einen Innendurchmesser von 15 mm und einen Außendurchmesser von 35 mm.
Es versteht sich, dass der dichroitische Spiegel 142 bei der beispielhaften Ausgestaltung am Kardanpunkt 50 positioniert ist. Auf diese Weise kann das von dem Scannerabschnitt 36 und Trackerabschnitt 34 kommende Licht scheinbar am selben Punkt im Gerät 30 seinen Ursprung haben. Bei der beispielhaften Ausgestaltung emittiert der Trackerabschnitt 34 ein sichtbares Laserlicht, während der Scannerabschnitt 36 ein Licht im nahen Infrarotspektrum emittiert. Das Licht des Trackerabschnitts 34 kann eine Wellenlänge von ungefähr 700 nm haben und das Licht des Scannerabschnitts 36 kann eine Wellenlänge von ungefähr 1550 nm aufweisen.
In 11 ist eine Ausgestaltung des Scannerabschnitts 36 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung umfasst der Scannerabschnitt 36 einen Lichtemitter 160, der einen Lichtstrahl 162 durch einen Kollimator 165 emittiert. Der Lichtemitter 160 kann eine Laserdiode sein, die Licht bei einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 1550 nm emittiert. Es versteht sich, dass man andere elektromagnetische Wellen mit einer beispielsweise kleineren oder größeren Wellenlänge benutzen kann. Der Lichtstrahl 162 kann intensitätsmoduliert oder amplitudenmoduliert sein, also beispielsweise mit einem Modulationssignal mit sinusförmiger oder rechteckiger Wellenform. Der Lichtstrahl 162 wird zum dichroitischen Strahlteiler 142 gesendet, der ihn durch die Apertur 146 und auf das Ziel 58 reflektiert. Der Lichtstrahl 162 wird bei der beispielhaften Ausgestaltung von einem Spiegel 170 und einem dichroitischen Strahlteiler 172 reflektiert, damit er sich entlang dem gewünschten Lichtweg der Lichtstrahlen 52, 150 bewegen kann. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, bietet die Verwendung eines dichroitischen Strahlteilers 172 dahingehend Vorteile, dass sie den Einbau einer Farbkamera 168 gestattet, die beim Betrieb Bilder aufnimmt. Bei anderen Ausgestaltungen kann der Lichtemitter 160 derart angeordnet werden, dass er das Licht direkt auf den dichroitischen Spiegel 142 durchlässt, ohne dass es zuerst von einem Spiegel 170 und einem dichroitischen Strahlteiler 172 reflektiert wird.
4 und 11 zeigen, dass die aus den Tracker- und Scannerabschnitten 34, 36 austretenden Lichter beide durch dieselbe Apertur 146 durchgehen. Die Lichter dieser Tracker- und Scannerabschnitte 34, 36 sind im Wesentlichen kollinear und bewegen sich entlang dem Lichtweg des Lichtstrahls 52 von 1. Auf dem Rückweg wurde das vom Trackerabschnitt 34 kommende Licht von einem Retroreflektorziel reflektiert, so dass es ungefähr gebündelt ist, wenn es zum Gerät 30 zurückkehrt. Der zurückkehrende Strahl des Trackerlichts geht durch die Apertur 146 zurück, die dieselbe Apertur ist, durch welche er aus dem Gerät 30 austrat. Das vom Scannerabschnitt 36 kommende Licht strahlt andererseits gewöhnlich ein diffus streuendes Objekt 59 an und wird über einen breiten Winkel gespreizt, während es zurückkehrt. Ein kleiner Teil des reflektierten Lichts geht durch eine ringförmige Apertur 154, die derart positioniert ist, dass ihr Innendurchmesser der gleiche ist wie der Außendurchmesser der Apertur 146 (oder damit konzentrisch ist). Das zurückkehrende Licht 163 wird vom dichroitischen Strahlteiler reflektiert, geht als Lichtstrahl 163 durch die Linse 160, wird von reflektierenden Oberflächen 180, 178, 176 reflektiert und geht durch eine Sammlung von Linsen in dem Lichtempfänger 182 durch, bevor es an einem optischen Detektor ankommt. Das zurückkehrende Scannerlicht wird durch die ringförmige Apertur 154 hindurch gerichtet, ohne dass daran irgendein Licht beteiligt ist, das durch die innere Apertur 146 durchgehen kann. Dies bietet Vorteile, weil die optische Energie des austretenden Strahls so viel größer als die des vom Objekt zurückgeworfenen Lichts ist und Rückreflexionen von optischen Elementen entlang dem Weg der inneren Apertur 146 vermieden werden sollten.
Bei einer Ausgestaltung ist eine optionale Farbkamera 168 derart angeordnet, dass ein Teil des vom Objekt reflektierten Lichts durch den dichroitischen Spiegel 172 in eine Farbkamera 168 durchgeht. Die Beschichtungen auf dem dichroitischen Spiegel werden derart ausgewählt, dass sie die von einer Farbkamera aufgenommenen sichtbaren Wellenlängen durchlassen, während sie das Licht bei der vom Lichtemitter 160 emittierten Wellenlänge reflektieren. Die Kamera 168 kann beispielsweise mit einem Klebstoff oder in einer Aussparung an die Empfängerlinse 160 gekoppelt werden. Die Farbkamera 168 ermöglicht das Aufnehmen von Farbbildern, wobei normalerweise einige einzelne Schritte zu einem Zeitpunkt, der der Erfassung von Datenpunkten durch den Distanzmesser im Scanner folgt, durchgeführt werden.
Bei einer Ausgestaltung ist eine Maske 174 koaxial auf der optischen Achse hinter der Empfängerlinse 160 angeordnet. Die Maske 174 hat einen großen Bereich, in welchen der zurückkehrende Lichtstrahl 163 ungehindert durchgelassen wird. Die Maske 174 verfügt über dunkel getönte Bereiche, die radial auswärts der optischen Achse angeordnet sind, um die Intensität des zurückkehrenden Lichtstrahls 163 derart zu verringern, dass die Intensitäten des zurückkehrenden Lichts für unterschiedliche Objektabstände vom Gerät 30 nahe vergleichbar gemacht werden.
Bei einer Ausgestaltung ist ein hinterer Spiegel 176 auf der optischen Achse hinter der Maske 174 angeordnet. Der hintere Spiegel 176 reflektiert den zurückkehrenden Lichtstrahl 163, der von der Empfängerlinse 166 zu einem mittleren Spiegel 178 hin gebrochen wird. Der mittlere Spiegel 178 ist in der Mitte der Maske 174 auf der optischen Achse angeordnet. Bei Ausgestaltungen mit einer Farbkamera 168 kann dieser Bereich durch die Farbkamera 168 abgeschattet werden. Der mittlere Spiegel 178 kann ein asphärischer Spiegel sein, der sowohl als Zerstreuungslinse (d. h., dass er die Brennweite vergrößert) als auch als Nahfeldkorrekturlinse (d. h., dass er den Fokus des zurückkehrenden Lichtstrahls 163, der vom Ziel reflektiert wird, verschiebt) wirkt. Ferner wird eine Reflexion nur in dem Maße bereitgestellt, dass der zurückkehrende Lichtstrahl 163 durch die Maske 174 durchgeht, die auf dem mittleren Spiegel 178 angeordnet ist. Der mittlere Spiegel 178 reflektiert den zurückkehrenden Lichtstrahl durch eine mittlere Öffnung 180 im hinteren Spiegel 176.
Ein Lichtempfänger 182, der eine Eintrittsblende, einen Kollimator mit Filter, eine Sammellinse und einen optischen Detektor aufweist, ist angrenzend an den hinteren Spiegel 176 gegenüber der Maske 174 angeordnet. Bei einer Ausgestaltung lenkt ein Spiegel 184 den zurückkehrenden Lichtstrahl 163 um 90° ab.
Der Scannerabschnitt 36 kann bei einer Ausgestaltung einen oder mehrere Prozessoren 186 aufweisen, die die gleichen wie bei der Scannerprozessorelektronik 96 von 3 sein oder als Ergänzung dazu dienen können. Der Prozessor 186 führt Steuer- und Auswertungsfunktionen für den Scannerabschnitt 36 durch. Der Prozessor 186 ist derart gekoppelt, dass er mit dem Lichtemitter 160 und dem Lichtempfänger 182 kommuniziert. Der Prozessor 186 ermittelt bei jedem gemessenen Punkt den Abstand zwischen dem Gerät 30 und dem Ziel 58 auf Basis der Laufzeit des emittierten Lichtstrahls 162 und des zurückkehrenden Lichtstrahls 163. Bei anderen Ausgestaltungen können der Prozessor 186 und seine Funktionalität in die Steuervorrichtung 64 integriert sein, die dem Scannerprozessor 96, dem Hauptprozessor 78, dem Computer 74 oder den vernetzten Elementen 76 von 3 entsprechen kann.
Die optischen Distanzmesser des Trackerabschnitts 34 und Scannerabschnitts 36 können den Abstand mittels des Laufzeitprinzips ermitteln. Es versteht sich, dass der Begriff „Laufzeit“ hier dazu gebraucht wird, ein beliebiges Verfahren anzugeben, bei dem moduliertes Licht ausgewertet wird, um den Abstand zu einem Ziel zu ermitteln. Beispielsweise kann das Licht des Trackerabschnitts 34 oder Scannerabschnitts 36 bei der optischen Energie moduliert werden (Intensitätsmodulation), wobei eine Sinuswelle verwendet wird. Das erfasste Licht kann ausgewertet werden, um die Phasenverschiebung zwischen einer Referenz und einem Messstrahl zur Bestimmung des Abstands zu einem Ziel zu ermitteln. Bei einer anderen Ausgestaltung kann die optische Energie des Lichts durch gepulstes Licht mit ungefähr rechteckiger Form moduliert werden. In diesem Fall kann die Anstiegsflanke des Impulses auf dem Weg aus dem Gerät 30 hinaus und nach der Rückkehr zum Gerät 30 gemessen werden. In diesem Fall dient die verstrichene Zeit zur Ermittlung des Abstands zum Ziel. Ein anderes Verfahren beinhaltet die Änderung des Polarisationszustands des Lichts in Abhängigkeit von der Zeit mittels der Modulation eines externen Modulators und dann die Aufzeichnung der Modulationsfrequenz, bei welcher das zurückkehrende Licht gelöscht wird, nachdem es durch einen Polarisator ging. Zahlreiche andere Verfahren zur Abstandsmessung fallen in die allgemeine Laufzeitkategorie.
Ein anderes allgemeines Verfahren zur Abstandsmessung wird als „kohärentes Verfahren“ oder „interferometrisches Verfahren“ bezeichnet. Anders als bei dem vorangehenden Verfahren, bei welchem die optische Energie eines Lichtstrahls ausgewertet wird, beinhalten kohärente oder interferometrische Verfahren das Kombinieren von zwei Lichtstrahlen, die derart zueinander kohärent sind, dass sich eine optische Interferenz des elektrischen Felds ereignet. Die Hinzufügung von elektrischen Feldern anstelle von optischen Energien ist analog der Hinzufügung von elektrischen Spannungen anstelle von elektrischen Energien. Ein Typ von kohärenten Distanzmessern beinhaltet die Änderung der Wellenlänge des Lichts in Abhängigkeit von der Zeit. Beispielsweise kann man die Wellenlänge in einem Sägezahnmuster umändern (wobei linear mit periodischen Wiederholungen verändert wird). Ein Gerät, das unter Einsatz eines solchen Verfahrens hergestellt wird, wird manchmal als „frequenzmodulierter kohärenter Laserradar“ (FMCLR; frequency modulated coherent laser radar) bezeichnet. Es kann ein beliebiges Verfahren, sei es nun ein kohärentes oder ein Laufzeitverfahren, bei den Distanzmessern des Trackerabschnitts 34 und Scannerabschnitts 36 eingesetzt werden.
Nun Bezug nehmend auf 12–14, ist dort eine Ausgestaltung des Geräts mit entfernten Frontabdeckungen dargestellt, wobei der Klarheit halber einige optische und elektrische Komponenten weggelassen wurden. Bei dieser Ausgestaltung umfasst das Gerät 30 eine Kardanbaugruppe 3610, die eine Zenitwelle 3630 und eine optische Bankbaugruppe 3620 mit einem Gegenrohr 3622 umfasst. Die Zenitwelle umfasst eine Welle 3634 und eine Gegenhülse 3632. Die Zenitwelle 3630 kann zur Verbesserung der Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit aus einem einzigen Metallstück gefertigt sein. 14 zeigt eine Ausgestaltung einer optischen Bankbaugruppe 3720 und einer Zenitwelle 3630. Die optische Bankbaugruppe 3720 umfasst eine optische Hauptgruppe 3650 und eine sekundäre optische Baugruppe 3740. Das Gehäuse für die optische Hauptbaugruppe 3650 kann zur Verbesserung der Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit aus einem einzigen Metallstück gefertigt sein und umfasst ein Gegenrohr 3622. Bei einer Ausgestaltung ist die Mittelachse des Gegenrohrs 3622 auf die Mittelachse der Gegenhülse 3632 ausgerichtet. Bei einer Ausgestaltung befestigen vier Befestigungsvorrichtungen 3634 die sekundäre optische Baugruppe 3740 an der optischen Hauptbaugruppe 3650. Das Gegenrohr 3622 wird in die Gegenhülse 3632 eingeführt und durch drei Schrauben 3662 an seinem Platz gehalten. Bei einer Ausgestaltung ist das Gegenrohr 3622 mittels zweier Stifte an seinem Ende auf diese Gegenhülse 3632 ausgerichtet, wobei die Stifte in Löcher 3666 passen.
Obwohl die Kardanbaugruppe 3610 für das Halten einer optischen Bank 3620 konstruiert ist, könnten andere Gerätetypen wie beispielsweise eine Kamera, ein Lasergravurgerät, ein Videotracker, ein Laserzeiger und eine Winkelmessvorrichtung oder ein System der Abstandsmessung mittels Laserstrahl (LIDAR; Light Detection and Ranging) auf der Zenitwelle 3630 angeordnet werden. Wegen der passgenauen Ausrichtung, die durch die Gegenhülse 3632 bereitgestellt wird, könnten solche Geräte leicht und genau an der Kardanbaugruppe 3610 befestigt werden. Der Trackerabschnitt 34 ist bei der beispielhaften Ausgestaltung in der optischen Hauptbaugruppe 3650 angeordnet, wohingegen der Scannerabschnitt 36 in der sekundären optischen Baugruppe 3740 angeordnet ist. Der dichroitische Spiegel 142 ist in der optischen Hauptbaugruppe 3650 angeordnet, wie es in 14 dargestellt ist.
Im Betrieb hat das Gerät 30 in Abhängigkeit vom gewünschten Genauigkeitsgrad zwei in 15 und 16 dargestellte Betriebsmodi. Im ersten Modus (15) wird der Trackerabschnitt 34 in Kombination mit einem zusammenwirkenden Ziel 58 wie beispielsweise einem Retroreflektorziel verwendet, das z. B. ein sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein könnte. In diesem ersten Modus emittiert das Gerät 30 einen Lichtstrahl 52, der so gut wie durch den Kardanpunkt 50, den dichroitischen Spiegel 142 und die Apertur 146 zum Ziel 58 hin durchgeht. Das Licht 52 strahlt das Ziel 58 an und ein Teil der Lichts bewegt sich entlang demselben Lichtweg durch die Apertur 146 und den dichroitischen Spiegel 142 zum Trackerabschnitt 34 zurück. Das Gerät 30 ermittelt anschließend den Abstand vom Gerät 30 zum Ziel 58, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf 4–10 besprochen wurde. Bei einer Ausgestaltung wird während dieses ersten Betriebsmodus der Scannerabschnitt 36 nicht betrieben. Im zweiten Betriebsmodus, der in 16 dargestellt ist, emittiert der Scannerabschnitt 36 einen Lichtstrahl 162, der vom dichroitischen Spiegel 142 reflektiert und durch die Apertur 146 zum Ziel 58 hin emittiert wird. Es versteht sich, dass der Scannerabschnitt 36 den Abstand zu einem nicht zusammenwirkenden Ziel messen kann und dass er kein Ziel wie beispielsweise einen Retroreflektor zum Erhalten von Messungen benötigt. Das Licht wird vom Ziel 58 reflektiert (gestreut) und ein Teil 163 des Lichts kehrt durch die ringförmige Apertur 154 zurück. Wie oben besprochen, soll das zurückkehrende Licht 163 durch die ringförmige Apertur 154 durchgehen, weil dies Vorteile bei der Reduzierung von Rückreflexionen der optischen Elemente bietet, die das zurückkehrende Lichtsignal stören könnten. Das zurückkehrende Licht 163 wird vom dichroitischen Spiegel 142 zurück zum Scannerabschnitt 36 reflektiert, woraufhin der Abstand vom Gerät 30 zum Ziel 58 wie vorstehend unter Bezugnahme auf 11 besprochen ermittelt wird. Der Scannerabschnitt 36 arbeitet kontinuierlich, während die Nutzlaststruktur 46 gleichzeitig um die Azimutachse 44 und die Zenitachse 48 gedreht wird. Bei der beispielhaften Ausgestaltung verläuft der vom Lichtstrahl 162 befolgte Weg in einer einzigen Richtung (er wird z. B. nicht umgekehrt), während sich die Nutzlast 46 um die Achsen 44, 48 dreht. Dieser Weg lässt sich erzielen, indem kontinuierlich jeder der Zenit- und Azimutmotoren in einer einzigen Richtung gedreht wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Strahl im zweiten Modus auf eine Objektoberfläche gerichtet wird, während sich die Zenit- und Azimutwinkel kontinuierlich und monoton verändern. Es ist anzumerken, dass der Strahl schnell um eine Achse gelenkt werden kann (entweder die Zenit- oder die Azimutachse), während er relativ langsamer um die andere Achse gelenkt wird. Die Bewegung der Nutzlastkästen 46 führt bei einer Ausgestaltung dazu, dass der Lichtstrahl 162 einem spiralförmigen Weg folgt.
Es versteht sich, dass, wenn der Scannerabschnitt 36 derart betrieben wird, dass sich der Weg des Lichtstrahls 162 nicht umkehrt, mehrere Vorteile gegenüber Scannern zur Verfügung stehen, die einem rasterähnlichen Muster oder einem Zufallsmuster folgen. Erstens kann eine große Datenmenge effizient erfasst werden, weil keine Umkehrung der Richtung erforderlich ist. Infolgedessen kann der Scannerabschnitt 36 wirksam einen großen Bereich abtasten, während er Daten mit einer hohen Abtastrate wie beispielsweise über einer Million dreidimensionaler Punkte pro Sekunde erfasst. Zweitens ist bedingt durch die kontinuierliche Fortbewegung in einer einzigen Richtung in dem Fall, in dem der Lichtstrahl auf eine Person auftrifft, die auf einen Körperbereich der Person einwirkende Gesamtenergie klein. Dies ermöglicht eine erstrebenswertere Laserkategorisierung nach IEC 60825-1.
Bei einer Ausgestaltung emittiert der Trackerabschnitt 34 einen Lichtstrahl 52 im sichtbaren Lichtspektrum. Bei dieser Ausgestaltung kann der Trackerabschnitt 34 den Lichtstrahl 52 emittieren, während der Scannerabschnitt 36 das Licht 162 emittiert. Dies bietet Vorteile, weil das sichtbare Licht 52 des Trackerabschnitts 34 dem Bediener eine sichtbare Referenz zur Verfügung stellt.
Nun Bezug nehmend auf 17–18, ist dort ein Verfahren zum Betrieb des Geräts 30 dargestellt. Das Verfahren 190 beginnt mit der Auswahl eines Betriebsmodus für den Trackerabschnitt 34 in Block 192. Das Verfahren geht dann mit Block 194 weiter, wo der Trackerabschnitt 34 eingeschaltet wird. Der Kardanmechanismus wird anschließend in Block 196 um die Zenit- und Azimutachse bewegt, um den Lichtstrahl zum Ziel 58 zu lenken. Das Licht wird von dem zusammenwirkenden Ziel 58 reflektiert und kehrt in Block 198 durch die Apertur 146 zum Gerät 30 zurück. Das Gerät 30 berechnet danach in Block 200 den Abstand vom Gerät 30 zum Ziel 58. In Block 202 werden die Azimut- und Zenitwinkel sowie die dreidimensionalen Koordinaten (Abstand und zwei Winkel) des gemessenen Punkts ermittelt. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, bis alle gewünschten Messpunkte ermittelt sind.
Nun Bezug nehmend auf 18, ist dort das Verfahren 203 dargestellt, bei dem der Scannerabschnitt 36 in Block 204 ausgewählt wird. Das Verfahren 203 geht dann zu Block 206 weiter, wo der Scannerabschnitt 36 eingeschaltet wird. In den Fällen, in denen ein sichtbares Referenzlicht bereitgestellt werden soll, wird das Licht des Trackerabschnitts 34 in Block 208 eingeschaltet. Das Licht wird vom Scannerabschnitt 36 durch die Apertur 146 zum Ziel 58 hin durchgelassen. Bei der beispielhaften Ausgestaltung wird das Licht des Scannerabschnitts 36 entlang einem Weg in einer einzigen (z. B. spiralförmigen) Richtung ohne Richtungsumkehr emittiert (in Block 209 angezeigt). Das Licht wird vom Ziel 58 zurück zum Gerät 30 reflektiert. Das zurückkehrende Licht wird in Block 210 durch die ringförmige Apertur 154 hindurch aufgefangen. Der Abstand vom Gerät 30 zum Ziel 58 wird in Block 212 ermittelt. Die Azimut- und Zenitwinkel werden in Block 214 ermittelt und es werden die Koordinaten (Abstand und zwei Winkel) zum gemessenen Punkt auf dem Ziel 58 ermittelt.
Das Verfahren zum Richten des vom Scannerabschnitt 36 kommenden Lichtstrahls auf das Objekt 59 kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Bei einer ersten Ausgestaltung wird das Licht des Scannerabschnitts 36 mit der in dieselbe allgemeine Richtung gewandten Kardanbaugruppe 3610 gerichtet. Bei diesem Betriebsmodus wird der Strahl auf einen beliebigen gewünschten Punkt gerichtet. Bei einer zweiten Ausgestaltung wird das Licht des Scannerabschnitts 36 mit der bei relativ schneller gleichmäßiger Geschwindigkeit um eine Achse drehenden Kardanbaugruppe 3610 gerichtet, wobei die Achse entweder die Azimutachse oder die Zenitachse sein könnte. Die andere Achse wird ebenfalls, aber bei einer relativ langsameren Geschwindigkeit bewegt. Auf diese Weise wird der Strahl in einer langsamen Spirale gerichtet. Mit der zweiten Ausgestaltung kann man schnell eine gründliche Abtastung eines großen Volumens durchführen. Eine weiterer Vorteil der zweiten Ausgestaltung besteht darin, dass der sich gleichmäßig bewegende Strahl die Pupille des menschlichen Auges während seiner fortgesetzten Bewegung für einen kürzeren Zeitraum kreuzt. Deshalb können höhere Laserenergien eingesetzt werden, während eine gewünschte Kategorisierung nach IEC 60825-1 bereitgestellt wird.
Nun Bezug nehmend auf 19, ist dort eine andere Ausgestaltung des Geräts 30 dargestellt, die einen ersten Absolutdistanzmesser im Trackerabschnitt 34 und einen zweiten Absolutdistanzmesser im Scannerabschnitt 36 aufweist, wobei die Abschnitte 34 und 36 an eine Nutzlaststruktur 46 gekoppelt sind. Bei dieser Ausgestaltung emittieren der Trackerabschnitt 34 und der Scanner 36 Licht nicht über einen gemeinsamen Lichtweg. Der Trackerabschnitt 34 ist derart angeordnet, dass er den Lichtstrahl 52 in einer ersten Radialrichtung richtet, während der Scanner 36 derart angeordnet ist, dass er den Lichtstrahl 162 in einer zweiten Radialrichtung auf eine Oberfläche 58’ richtet. Die erste Radialrichtung und die zweite Radialrichtung definieren einen Winkel θ dazwischen. Der Winkel θ beträgt bei der beispielhaften Ausgestaltung 90 Grad. Bei anderen Ausgestaltungen beträgt der Winkel θ zwischen 5 Grad und 180 Grad. Man kann jedoch einen beliebigen geeigneten Winkel verwenden, der dem Trackerabschnitt 34 und dem Scannerabschnitt 36 die Positionierung in der Nutzlaststruktur 46 ermöglicht. Es versteht sich, dass der Trackerabschnitt 34 und der Scanner 36 während der Drehung der Nutzlaststruktur 46 um die Azimutachse 44 auf denselben Azimutwinkel orientiert sind.
Nun Bezug nehmend auf 20, ist dort eine andere Ausgestaltung des Geräts 30 dargestellt, die einen Trackerabschnitt 34 und einen Scannerabschnitt 36 aufweist. Der Trackerabschnitt ist bei dieser Ausgestaltung parallel zum Scannerabschnitt 36 orientiert und nutzt einen Spiegel 216 zum Reflektieren des Licht 52 zum dichroitischen Strahlteiler 142. Der dichroitische Strahlteiler 142 ist bei dieser Ausgestaltung dafür konfiguriert, das Licht 52 zu reflektieren, aber das vom Scannerabschnitt 36 kommende Licht 162 durchzulassen.
Die Lichtstrahlen 52, 162 gehen durch eine Apertur 146 und werden entlang der optischen Achse A auf einen gewinkelten Drehspiegel 218 gerichtet, der für die Drehung um eine horizontale Achse 48 angeordnet ist. Das austretende Licht 52, 162 wird von dem Spiegel an der Mitte C₁₀ reflektiert, wo es reflektiert und zum Ziel 58 (für den Trackerabschnitt) oder die Oberfläche 58’ (für den Scannerabschnitt) abgelenkt wird. Die Mitte C₁₀ definiert den Ursprung des Referenzsystems. Das reflektierte Licht des Ziels 58 bzw. der Oberfläche 58’ wird vom Drehspiegel 218 zurück zur Apertur 146 reflektiert. Das Licht 52 wird vom Drehspiegel 218 an der Mitte C₁₀ zurück zur Apertur 146 reflektiert. Das Licht 52 wird von dem dichroitischen Spiegel 142 und dem Spiegel 216 reflektiert, bevor es zum Trackerabschnitt 34 zurückkehrt. Das zurückkehrende Licht 163 wird vom Drehspiegel 218 reflektiert und geht durch die ringförmige Apertur 154 durch, bevor es zum Scanner 36 zurückkehrt.
Die Richtung des emittierten Lichts 52, 162 und des reflektierten Lichts ergibt sich aus den Winkelstellungen des Drehspiegels 218 um die horizontale Achse 48 und die vertikale Achse 44. Die Winkelstellungen werden von dem Kodierer 54 bzw. 56 gemessen. Es versteht sich, dass bei einem Betriebsmodus die Messungen durch den Trackerabschnitt 34 und den Scannerabschnitt 36 mittels einer schnellen Drehung des Spiegels 16 und der langsamen Drehung der Nutzlaststruktur 46 erfolgen. Demnach kann der gesamte Raum schrittweise gemessen werden, während sich das Gerät in einem Kreis fortbewegt.
Bei einer Ausgestaltung wird der Lichtstrahl des Scanners einstellbar fokussiert statt gebündelt. Bei der geometrischen Optik wird ein fokussierter Lichtstrahl zu einem Punkt gebracht, doch in der Realität wird der Lichtstrahl zu einer Strahltaille nahe der berechneten Fokuslage gebracht. An der Position der Strahltaille ist die Breite des Strahls am kleinsten, während sich der Strahl ausbreitet.
Ein Vorteil des Sendens eines fokussierten Lichtstrahls aus dem Scanner besteht darin, dass ein kleinerer Strahl die 3D-Koordinaten an Kanten genauer bestimmen kann. Beispielsweise gestattet ein kleinerer fokussierter Strahl eine genauere Ermittlung eines Lochdurchmessers oder einer Merkmalsgröße. Ein weiterer Vorteil des Sendens eines fokussierten Lichtstrahls aus dem Scanner besteht darin, dass ein fokussierter Strahl derart gelenkt werden kann, dass er die Position des maximalen Lichtreflexionsgrads bei einem Messkugel-Retroreflektor findet, der einfach eine glänzende/hochreflektierende Metallkugel ist. Ein solches Verfahren zum Richten eines Lichtstrahls des Scanners auf die Messkugel gestattet die genaue Ermittlung des Abstands und der Winkel zur Messkugel. Die Messkugel kann deshalb als Ziel verwendet werden. Mit einem Gerät, bei dem wie hierin dargestellt die Scanner- und Trackerfunktionalität kombiniert ist, werden dann zwei Zieltypen zur Verfügung gestellt: SMRs und Messkugeln. Die Verwendung zweier verschiedener Zieltypen stellt ein problemloses Verfahren zum Einbringen der Systeme des Trackers und des Scanners in dasselbe Bezugssystem zur Verfügung, weil die SMRs und Messkugeln beide in denselben magnetischen Aufnahmen gehalten werden können, die überall in einer Umgebung verteilt sind.
Bei einer Ausgestaltung ist den anderen Elementen des Scanners 36 ein einstellbares Fokussierelement 39 hinzugefügt. Dieses zusätzliche einstellbare Fokussierelement ist in 21–26 dargestellt. 21 ist 4 ähnlich, außer dass der Scanner 36 derart dargestellt ist, dass er zwei innere Elemente aufweist, nämlich die Scannerelemente 37 und den einstellbaren Fokussiermechanismus 39. 22 ist 11 ähnlich, außer dass ein einstellbarer Fokussiermechanismus 39 im Scanner 36 umfasst ist. 23, 24 sind 15, 16 ähnlich, außer dass der Scanner 36 derart dargestellt ist, dass er die Scannerelemente 37 und den einstellbaren Fokussiermechanismus 39 umfasst. 25 ist 19 ähnlich, außer dass der Scanner 36 derart dargestellt ist, dass er die Scannerelemente 37 und den einstellbaren Fokussiermechanismus 39 umfasst.
Der einstellbare Fokussiermechanismus 39 umfasst bei einer Ausgestaltung einige Grundlinsenelemente, die optionale Elemente 2604, 2606 umfassen können. Zusätzlich dazu umfasst der einstellbare Fokussiermechanismus 39 ein Linsenelement 2602, das an einem motorbetätigten Einstelltisch 2610 befestigt ist, der dafür konfiguriert ist, die Linse 2602 vor- und zurückzubewegen, um die gewünschte Einstellung zu erzielen. Bei einer Ausgestaltung stellt die Scannerelektronik 96 von 3 die elektrische Steuerung des motorbetätigten Einstelltischs 2610 bereit.
Es sind in der Technik zahlreiche Arten von Linsenbaugruppen und Einstellverfahren für die Bereitstellung des einstellbaren Fokus in einer Linsenbaugruppe bekannt. Es versteht sich für den durchschnittlichen Fachmann, dass beliebige solche Verfahren dazu eingesetzt werden können, den einstellbaren Fokus bei der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Obwohl die Erfindung ausführlich in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausgestaltungen beschrieben wurde, versteht es sich ohne Weiteres, dass die Erfindung nicht auf solche offenbarte Ausgestaltungen beschränkt ist. Statt dessen kann die Erfindung derart modifiziert werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Abweichungen, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen einbezieht, die bisher nicht beschrieben wurden, aber dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Obwohl verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich ferner, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausgestaltungen einschließen können. Die Erfindung ist demgemäß nicht als durch die vorangehende Beschreibung eingeschränkt zu verstehen und ist lediglich durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Merkmals von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein“, „eine“ usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 13/765014 [0001]
US 7327446 [0040]
US 7701559 [0052]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm IEC 60825-1 [0007]
IEC 60825-1 [0007]
IEC 60825-1 [0075]
IEC 60825-1 [0079]

Claims

Koordinatenmessgerät umfassend: ein Lichtabgabesystem; einen ersten Absolutdistanzmesser, der eine erste Lichtquelle, einen ersten optischen Detektor und eine erste elektrische Schaltung umfasst, wobei die erste Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht durch das Lichtabgabesystem zu einem Retroreflektorziel zu senden, wobei der erste optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Signal als Reaktion auf das vom Retroreflektorziel reflektierte erste Licht zu erzeugen und das erste elektrische Signal zur ersten elektrischen Schaltung zu übertragen, wobei die erste elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand vom Koordinatenmessgerät zum Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal zu ermitteln; einen zweiten Absolutdistanzmesser, der eine zweite Lichtquelle, einen einstellbaren Fokussiermechanismus, einen zweiten optischen Detektor und eine zweite elektrische Schaltung umfasst, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein zweites Licht durch den einstellbaren Fokussiermechanismus und das Lichtabgabesystem zu einer Objektoberfläche zu senden, wobei der zweite optische Detektor dafür konfiguriert ist, einen Teil des von der Objektoberfläche reflektierten und durch das Lichtabgabesystem durchgehenden zweiten Lichts aufzufangen, wobei der zweite optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein zweites elektrisches Signal als Reaktion auf das Auffangen eines Teils des von der Objektoberfläche reflektierten zweiten Lichts zu erzeugen und das zweite elektrische Signal zur zweiten elektrischen Schaltung zu senden, wobei die zweite elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen zweiten Abstand vom Koordinatenmessgerät zur Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten elektrischen Signal zu ermitteln; eine Struktur, die mit dem Lichtabgabesystem, dem ersten Absolutdistanzmesser und dem zweiten Absolutdistanzmesser wirkgekoppelt ist; einen ersten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine erste Achse zu drehen; ein erstes Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Drehwinkel um die erste Achse zu messen; einen zweiten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine zweite Achse zu drehen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse ist; ein zweites Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen zweiten Drehwinkel um die zweite Achse zu messen; einen Positionsdetektor, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, einen Teil der vom Koordinatenmessgerät emittierten und vom Retroreflektorziel reflektierten Strahlung aufzufangen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein drittes elektrisches Signal basierend zumindest teilweise auf einer Stelle, an welcher der Teil der Strahlung den Positionsdetektor anstrahlt, zu erzeugen; und einen Prozessor, wobei der Prozessor computerlesbare Medien aufweist, die dafür konfiguriert sind, in einem ersten Modus und einem zweiten Modus zu arbeiten, wobei der erste Modus das Verfolgen des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem dritten elektrischen Signal und das Ermitteln einer ersten dreidimensionalen Koordinate des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an einer ersten Position, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an der ersten Position und dem ersten Abstand des Retroreflektorziels an der ersten Position umfasst und wobei der zweite Modus das Richten des zweiten Lichts auf die Objektoberfläche und das Ermitteln einer zweiten dreidimensionalen Koordinate eines Punkts auf der Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche und dem zweiten Abstand des Punkts auf der Objektoberfläche umfasst, wobei der zweite Modus ferner das Einstellen des einstellbaren Fokussiermechanismus umfasst.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei: das Lichtabgabesystem einen inneren Strahlenweg und einen äußeren Strahlenweg aufweist, wobei der äußere Strahlenweg koaxial zum inneren Strahlenweg ist und außerhalb des inneren Strahlenwegs liegt; der erste optische Detektor dafür konfiguriert ist, das erste Licht aufzufangen, das vom Retroreflektorziel reflektiert wird und durch den inneren Strahlenweg des Lichtabgabesystems durchgeht; und der zweite optische Detektor dafür konfiguriert ist, das zweite Licht aufzufangen, das von der Objektoberfläche reflektiert wird und durch den äußeren Strahlenweg des Lichtabgabesystems durchgeht.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei das in einer Richtung verlaufende Drehen der Struktur das zweite Licht entlang einem spiralförmigen Weg emittiert.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei das Lichtabgabesystem ferner eine ringförmige Apertur umfasst, die derart positioniert ist, dass sie den Teil des von der Objektoberfläche reflektierten zweiten Lichts auffängt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 4, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, das erste Licht zu emittieren, wenn der zweite Absolutdistanzmesser das zweite Licht emittiert.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei das erste Licht eine Wellenlänge von ungefähr 700 Nanometern aufweist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 6, wobei das zweite Licht eine Wellenlänge von ungefähr 1550 Nanometern aufweist.
Koordinatenmessgerät umfassend: eine Struktur; einen ersten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine erste Achse zu drehen; ein erstes Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Drehwinkel um die erste Achse zu messen; einen zweiten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine zweite Achse zu drehen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse ist, wobei eine Projektion der zweiten Achse die Projektion der ersten Achse in einem Kardanpunkt schneidet; ein zweites Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen zweiten Drehwinkel um die zweite Achse zu messen; ein Lichtabgabesystem, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist; einen ersten Absolutdistanzmesser, der mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei der erste Absolutdistanzmesser eine erste Lichtquelle, einen ersten optischen Detektor und eine erste elektrische Schaltung umfasst, wobei die erste Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht durch das Lichtabgabesystem entlang einem Abschnitt einer ersten Linie zu senden, die sich vom Kardanpunkt zu einem Retroreflektorziel erstreckt, wobei die erste Linie senkrecht zur ersten Achse ist, wobei der erste optische Detektor dafür konfiguriert ist, das vom Retroreflektorziel reflektierte und durch das Lichtabgabesystem durchgehende erste Licht aufzufangen, wobei der erste optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Signal als Reaktion auf das vom Retroreflektorziel reflektierte erste Licht zu erzeugen und das erste elektrische Signal zur ersten elektrischen Schaltung zu übertragen, wobei die erste elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand vom Koordinatenmessgerät zum Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal zu ermitteln; einen zweiten Absolutdistanzmesser, der mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei der zweite Absolutdistanzmesser eine zweite Lichtquelle, einen einstellbaren Fokussiermechanismus, einen zweiten optischen Detektor und eine zweite elektrische Schaltung umfasst, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein zweites Licht durch den einstellbaren Fokussiermechanismus und das Lichtabgabesystem entlang einem Abschnitt einer zweiten Linie zu senden, die sich vom Kardanpunkt zu einer Objektoberfläche erstreckt, wobei die zweite Linie senkrecht zur ersten Achse ist, wobei die zweite Linie anders als die erste Linie ist, wobei der zweite optische Detektor dafür konfiguriert ist, einen Teil des von der Objektoberfläche reflektierten und durch das Lichtabgabesystem durchgehenden zweiten Lichts aufzufangen, wobei der zweite optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein zweites elektrisches Signal als Reaktion auf das Auffangen eines Teils des von der Objektoberfläche reflektierten zweiten Lichts zu erzeugen und das zweite elektrische Signal zur zweiten elektrischen Schaltung zu senden, wobei die zweite elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen zweiten Abstand vom Koordinatenmessgerät zur Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten elektrischen Signal zu ermitteln; einen Positionsdetektor, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, einen Teil der vom Koordinatenmessgerät emittierten und vom Retroreflektorziel reflektierten Strahlung aufzufangen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein drittes elektrisches Signal basierend zumindest teilweise auf einer Stelle, an welcher der Teil der Strahlung den Positionsdetektor anstrahlt, zu erzeugen; und einen Prozessor, wobei der Prozessor computerlesbare Medien aufweist, die dafür konfiguriert sind, in einem ersten Modus und einem zweiten Modus zu arbeiten, wobei der erste Modus das Verfolgen des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem dritten elektrischen Signal und das Ermitteln einer ersten dreidimensionalen Koordinate des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an einer ersten Position, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an der ersten Position und dem ersten Abstand des Retroreflektorziels an der ersten Position umfasst und wobei der zweite Modus das Drehen der Struktur um die erste Achse und das Ermitteln einer zweiten dreidimensionalen Koordinate eines Punkts auf der Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche und dem zweiten Abstand des Punkts auf der Objektoberfläche umfasst, wobei der zweite Modus ferner das Einstellen des einstellbaren Fokussiermechanismus umfasst.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 8, wobei sich die erste Linie in einer ersten Radialrichtung erstreckt und sich die zweite Linie in einer zweiten Radialrichtung erstreckt, um einen Winkel dazwischen zu definieren, wobei der Winkel zwischen 5 Grad und 180 Grad beträgt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 9, wobei der Winkel 90 Grad beträgt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 8, wobei das erste Licht eine Wellenlänge von ungefähr 700 Nanometern aufweist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 9, wobei das zweite Licht eine Wellenlänge von ungefähr 1550 Nanometern aufweist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 8, wobei das Lichtabgabesystem ferner eine ringförmige Apertur umfasst, die derart positioniert ist, dass sie einen Teil des von der Objektoberfläche reflektierten zweiten Lichts auffängt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 8, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, das erste Licht zu emittieren, wenn der zweite Absolutdistanzmesser das zweite Licht emittiert.
Koordinatenmessgerät umfassend: ein Lichtabgabesystem; einen ersten Absolutdistanzmesser, der eine erste Lichtquelle, einen ersten optischen Detektor und eine erste elektrische Schaltung umfasst, wobei die erste Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht durch das Lichtabgabesystem zu einem Retroreflektorziel zu senden, wobei der erste optische Detektor dafür konfiguriert ist, das vom Retroreflektorziel reflektierte und durch das Lichtabgabesystem durchgehende erste Licht aufzufangen, wobei der erste optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein erstes elektrisches Signal als Reaktion auf das vom Retroreflektorziel reflektierte erste Licht zu erzeugen und das erste elektrische Signal zur ersten elektrischen Schaltung zu übertragen, wobei die erste elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand vom Koordinatenmessgerät zum Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf dem ersten elektrischen Signal zu ermitteln; einen zweiten Absolutdistanzmesser, der eine zweite Lichtquelle, einen einstellbaren Fokussiermechanismus, einen zweiten optischen Detektor und eine zweite elektrische Schaltung umfasst, wobei die zweite Lichtquelle dafür konfiguriert ist, ein zweites Licht durch den einstellbaren Fokussiermechanismus und das Lichtabgabesystem zu einer Objektoberfläche zu senden, wobei der zweite optische Detektor dafür konfiguriert ist, einen Teil des von der Objektoberfläche reflektierten und durch das Lichtabgabesystem durchgehenden zweiten Lichts aufzufangen, wobei der zweite optische Detektor ferner dafür konfiguriert ist, ein zweites elektrisches Signal als Reaktion auf das Auffangen des Teils des von der Objektoberfläche reflektierten zweiten Lichts zu erzeugen und das zweite elektrische Signal zur zweiten elektrischen Schaltung zu senden, wobei die zweite elektrische Schaltung dafür konfiguriert ist, einen zweiten Abstand vom Koordinatenmessgerät zur Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem zweiten elektrischen Signal zu ermitteln; eine Struktur, die mit dem Lichtabgabesystem, dem ersten Absolutdistanzmesser und dem zweiten Absolutdistanzmesser wirkgekoppelt ist, wobei die Struktur einen für eine Drehung angebrachten Spiegel umfasst, wobei der Spiegel in einem Lichtweg des ersten Lichts und zweiten Lichts angeordnet ist; einen ersten Motor, der dafür konfiguriert ist, die Struktur um eine erste Achse zu drehen; ein erstes Winkelmessgerät, das mit der Struktur wirkgekoppelt ist, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Drehwinkel um die erste Achse zu messen; einen zweiten Motor, der dafür konfiguriert ist, den Spiegel um eine zweite Achse zu drehen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse ist; ein zweites Winkelmessgerät, das mit dem Spiegel wirkgekoppelt ist, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, einen zweiten Drehwinkel um die zweite Achse zu messen; einen Positionsdetektor, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, einen Teil der vom Koordinatenmessgerät emittierten und vom Retroreflektorziel reflektierten Strahlung aufzufangen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein drittes elektrisches Signal basierend zumindest teilweise auf einer Stelle, an welcher der Teil der Strahlung den Positionsdetektor anstrahlt, zu erzeugen; und einen Prozessor, wobei der Prozessor computerlesbare Medien aufweist, die dafür konfiguriert sind, in einem ersten Modus und einem zweiten Modus zu arbeiten, wobei der erste Modus das Verfolgen des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem dritten elektrischen Signal und das Ermitteln einer ersten dreidimensionalen Koordinate des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an einer ersten Position, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Retroreflektorziel an der ersten Position und dem ersten Abstand des Retroreflektorziels an der ersten Position umfasst und wobei der zweite Modus das Drehen der Struktur um die erste Achse und das Ermitteln einer zweiten dreidimensionalen Koordinate eines Punkts auf der Objektoberfläche basierend zumindest teilweise auf dem ersten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche, dem zweiten Drehwinkel gegenüber dem Punkt auf der Objektoberfläche und dem zweiten Abstand des Punkts auf der Objektoberfläche umfasst, wobei der zweite Modus ferner das Einstellen des einstellbaren Fokussiermechanismus umfasst.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 15, wobei im zweiten Modus der erste Motor die Struktur bei einer ersten Geschwindigkeit dreht und der zweite Motor den Spiegel bei einer zweiten Geschwindigkeit dreht, wobei die zweite Geschwindigkeit größer als die erste Geschwindigkeit ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 16, wobei der zweite Modus das Drehen der Struktur in einer Richtung um die erste Achse umfasst.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 17, wobei die in einer Richtung verlaufende Drehung der ersten Achse das zweite Licht entlang einem spiralförmigen Weg emittiert.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 15, wobei das erste Licht eine Wellenlänge von ungefähr 700 Nanometern aufweist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 19, wobei das zweite Licht eine Wellenlänge von ungefähr 1550 Nanometern aufweist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 15, wobei das Lichtabgabesystem ferner eine ringförmige Apertur umfasst, die derart positioniert ist, dass sie einen Teil des von der Objektoberfläche reflektierten zweiten Lichts auffängt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 15, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, das erste Licht zu emittieren, wenn der zweite Absolutdistanzmesser das zweite Licht emittiert.