DE102017131102A1 - System zum messen von sechs freiheitsgraden - Google Patents

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Abstract

Ein System, das sechs Freiheitsgrade eines entfernten Ziels misst, wobei das System eine Dimensionsmessvorrichtung mit einer Kamera umfasst, das entfernte Ziel einen Retroreflektor, mindestens drei Lichtmarkierungen, und einen Nick-Gier-Sensor umfasst, die sechs Freiheitsgrade zumindest teilweise aufgrund gemessener 3D-Koordinaten des Retroreflektors anhand der Dimensionsmessvorrichtung auf einem erfassten Bild der mindestens drei Lichtmarkierungen durch die Kamera und Anzeigen des Nick-Gier-Sensors ermittelt werden.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Koordinatenmessvorrichtung, die dazu in der Lage ist, drei Orientierungsfreiheitsgrade zu ermitteln, und insbesondere eine Koordinatenmessvorrichtung, die mit einer Vorrichtung zusammenarbeitet, die zum Messen von drei Translationsfreiheitsgraden konfiguriert ist, wodurch das Ermitteln der Position und Orientierung eines starren Körpers im Raum möglich ist.
  • Manche Koordinatenmessvorrichtungen können die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punkts (die drei Translationsfreiheitsgrade des Punkts) messen, indem ein Lichtstrahl zu dem Punkt gesendet wird. Manche derartigen Vorrichtungen senden den Lichtstrahl auf ein Retroreflektorziel, das mit dem Punkt in Kontakt ist. Die Vorrichtung ermittelt die Koordinaten des Punkts, indem sie die Entfernung und die beiden Winkel zum Ziel misst. Die Entfernung wird mit einer Entfernungsmessvorrichtung wie einem Absolutdistanzmesser (ADM) oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einer Winkelmessvorrichtung wie einem Winkelcodierer gemessen. Die Vorrichtung kann einen kardanisch aufgehängten Strahlensteuermechanismus umfassen, um den Lichtstrahl auf den Punkt von Interesse zu lenken.
  • Der Lasertracker ist ein bestimmter Typ von Koordinatenmessvorrichtung, der das Retroreflektorziel verfolgt, indem ein oder mehrere Lichtstrahlen abgegeben werden. Eine Koordinatenmessvorrichtung, die eng mit dem Lasertracker verwandt ist, ist die Totalstation. In vielen Fällen kann die Totalstation, die am häufigsten in Vermessungsanwendungen verwendet wird, zum Messen der Koordinaten eines Retroreflektors verwendet werden. Nachstehend wird der Begriff „Lasertracker“ im weiten Sinn verwendet und umfasst dabei Totalstationen. Es versteht sich auch, dass der Lasertracker einen beliebigen Lichtquellentyp verwenden kann und nicht auf eine Laserlichtquelle beschränkt ist.
  • Gewöhnlich sendet der Lasertracker einen Lichtstrahl an ein Retroreflektorziel. Ein häufiger Typ von Retroreflektorziel ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR), der einen Würfelecken-Retroreflektor umfasst, der in eine Metallkugel eingebettet ist. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrechte Spiegel, die sich an einem gemeinsamen Scheitelpunkt schneiden. Im Fall eines „hohlen“ SMRs, das eine reflektierende Oberfläche in Kontakt mit Luft aufweist, ist der Scheitelpunkt im Zentrum der Kugel angeordnet. Wegen dieser Anordnung der Würfelecke in der Kugel bleibt der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt zu einer Oberfläche, auf der der SMR gelagert ist, konstant, selbst wenn der SMR gedreht wird. Infolgedessen 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 muss der Lasertracker nur drei Freiheitsgrade (eine radiale Entfernung und zwei Winkel) messen, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu kennzeichnen.
  • Ein Typ von Lasertracker umfasst nur ein Interferometer (IFM) ohne ADM. Wenn ein Objekt den Pfad des Lichtstrahls von einem dieser Tracker blockiert, verliert das IFM seinen Entfernungsbezug. Dann verfolgt der Bediener den Retroreflektor zu einer bekannten Stelle, um auf eine Bezugsentfernung zurückzusetzen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Diese Einschränkung kann u.a. dadurch umgangen werden, dass auch ein ADM im Tracker bereitgestellt wird. Der ADM kann die Entfernung auf Point-and-Shoot-Weise messen, wie unten ausführlicher beschrieben wird. Manche Lasertracker umfassen nur einen ADM ohne Interferometer. Das Bridges et al. erteilte US-Patent Nr. 7,352,446 ('446), dessen Inhalt durch Bezugnahme hierin einbezogen ist, beschreibt einen Lasertracker, der nur einen ADM (und kein IFM) aufweist, der ein bewegliches Ziel genau scannen kann. Vor dem '446-Patent waren Absolutdistanzmesser zu langsam, um die Position eines beweglichen Ziels genau zu finden.
  • Ein kardanisch aufgehängter Mechanismus im Lasertracker kann dazu verwendet werden, den Lichtstrahl vom Tracker zum SMR zu lenken. Ein Teil des Lichts, das vom SMR retroreflektiert wird, tritt in den Lasertracker ein und bewegt sich zu einem Positionsdetektor. Ein Steuerungssystem innerhalb des Lasertrackers kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor dazu verwenden, die Drehwinkel der mechanischen Achsen des Lasertrackers so einzustellen, dass der Laserstrahl auf den SMR zentriert bleibt. Auf diese Weise kann der Tracker einem SMR folgen, der über die Oberfläche eines Objekts von Interesse bewegt wird. Der kardanisch aufgehängte Mechanismus, der für den Lasertracker verwendet wird, kann für verschiedene andere Anwendungen verwendet werden. Als einfaches Beispiel kann der Lasertracker in einer kardanisch aufgehängten Steuervorrichtung verwendet werden, die einen sichtbaren Zeigerstrahl, jedoch keinen Entfernungsmesser aufweist, um einen Lichtstrahl auf eine Reihe von Retroreflektorzielen zu lenken und die Winkel von jedem der Ziele zu messen.
  • Winkelmessvorrichtungen, wie Winkelcodierer, sind an den mechanischen Achsen des Trackers angebracht. Die eine Entfernungsmessung und zwei Winkelmessungen, die vom Lasertracker vorgenommen werden, reichen zum Ermitteln der dreidimensionalen Stelle des SMR aus.
  • Mehrere Lasertracker stehen zur Verfügung oder wurden zum Messen von sechs anstelle der gewöhnlichen drei Freiheitsgraden vorgeschlagen. Solche Lasertracker kombinieren die Messung der drei Orientierungsfreiheitsgrade mit der Messung von drei Translationsfreiheitsgraden, um die Messung der sechs Freiheitsgrade zu erhalten.
  • Verschiedene Verfahren wurden zum Messen von sechs Freiheitsgraden mit einem Lasertracker verwendet oder vorgeschlagen. Diese Verfahren umfassen gewöhnlich das Messen von drei Graden eines Retroreflektorziels, indem eine Entfernung und zwei Winkel zum Retroreflektor ermittelt werden. In einem Ansatz werden die drei Orientierungsfreiheitsgrade durch Messen der Positionen von Lichtpunkten mithilfe einer Kamera ermittelt, die am Lasertracker befestigt ist. In einem anderen Ansatz wird ein Neigungsmesserpendel in Kombination mit einem „undichten“ Retroreflektor verwendet, um die drei Orientierungsfreiheitsgrade zu ermitteln. In einem weiteren Ansatz werden Markierungen an einem Würfelecken-Retroreflektor von einer am Lasertracker befestigten Kamera bildlich dargestellt, um die drei Orientierungsfreiheitsgrade zu ermitteln.
  • Obwohl jedes dieser Verfahren zum Messen von sechs Freiheitsgraden mit Lasertrackern für den beabsichtigten Zweck geeignet sind, weist jedes davon bezüglich der Produktkosten und Betriebsflexibilität gewisse Nachteile auf. Es wird ein Verfahren zum Messen von sechs Freiheitsgraden mit einem Lasertracker benötigt, der diese Einschränkungen überwindet.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst ein System eine 6-DOF-Anordnung, die einen ersten Retroreflektor und mindestens drei Lichtmarkierungen; eine Koordinatenmessvorrichtung, die eine Lichtquelle, einen Entfernungsmesser, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung, eine erste Kamera und eine zweite Kamera umfasst, wobei die Koordinatenmessvorrichtung zum Lenken eines ersten Lichts von der Lichtquelle an den ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, der Entfernungsmesser zum Messen einer ersten Entfernung zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Winkelmessvorrichtung zum Messen eines ersten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die zweite Winkelmessvorrichtung zum Messen eines zweiten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Kamera eine erste Linse und eine erste lichtempfindliche Anordnung aufweist, die zweite Kamera eine zweite Linse und eine zweite lichtempfindliche Anordnung aufweist, wobei die Brennweite der zweiten Linse mindestens das Doppelte der Brennweite der ersten Linse beträgt, die erste Kamera zum Ausbilden eines ersten Bilds der mindestens drei Lichtmarkierungen funktionsfähig ist, die zweite Kamera zum Ausbilden eines zweiten Bilds der mindestens drei Lichtmarkierungen funktionsfähig ist; und einen Prozessor, der zum Ermitteln von sechs Freiheitsgraden der 6-DOF-Anordnung zumindest teilweise aufgrund der gemessenen ersten Entfernung, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels und mindestens einem aus dem erfassten ersten Bild und dem erfassten zweiten Bild funktionsfähig ist.
  • Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst ein System eine 6-DOF-Anordnung, die einen ersten Retroreflektor, mindestens drei Lichtmarkierungen und einen Nick-Gier-Sensor umfasst, wobei der Nick-Gier-Sensor zum Messen eines ersten Nickwinkels und eines ersten Gierwinkels der 6-DOF-Anordnung funktionsfähig ist; eine Koordinatenmessvorrichtung, die eine Lichtquelle, einen Entfernungsmesser, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung und eine erste Kamera umfasst, wobei die Koordinatenmessvorrichtung zum Lenken eines ersten Lichts von der Lichtquelle zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, der Entfernungsmesser zum Messen einer ersten Entfernung zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Winkelmessvorrichtung zum Messen eines ersten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die zweite Winkelmessvorrichtung zum Messen eines zweiten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Kamera eine erste Linse und eine erste lichtempfindliche Anordnung aufweist, die erste Kamera zum Ausbilden eines ersten Bilds der mindestens drei Lichtmarkierungen funktionsfähig ist; und einen Prozessor, der zum Ermitteln von sechs Freiheitsgraden der 6-DOF-Anordnung zumindest teilweise aufgrund der gemessenen ersten Entfernung, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels, dem erfassten ersten Bild, dem gemessenen Nickwinkel und dem gemessenen Gierwinkel funktionsfähig ist.
  • Diese und andere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlicher.
  • Figurenliste
  • Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele gezeigt, die nicht als einschränkend bezüglich des gesamten Umfangs der Offenbarung angesehen werden dürfen, und wobei die Bauelemente in verschiedenen Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Ansicht eines Lasertrackersystems mit einem Retroreflektorziel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine perspektivische Ansicht eines Lasertrackersystems mit einem 6-DOF-Ziel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 3 ein Blockdiagramm, das Bauelemente von Lasertrackeroptik und -elektronik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt;
    • 4A und 4B zwei Typen afokaler Strahlaufweiter nach dem Stand der Technik;
    • 5 eine faseroptische Strahleinkopplung nach dem Stand der Technik;
    • 6 ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen innerhalb eines ADM nach dem Stand der Technik;
    • 7 eine schematische Figur, die faseroptische Bauelemente innerhalb eines Faseroptiknetzwerks nach dem Stand der Technik zeigt;
    • 8 eine auseinandergezogene Ansicht eines Lasertrackers nach dem Stand der Technik;
    • 9 einen Querschnitt durch einen Lasertracker nach dem Stand der Technik;
    • 10 ein Blockdiagramm der Rechner- und Kommunikationsbauelemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 11 ein Blockdiagramm von Bauelementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Fähigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
    • 12 eine schematische Darstellung einer 6-DOF-Tastsonde gemäß einer Ausführungsform;
    • 13 eine schematische Darstellung eines 6-DOF-Triangulationsscanners gemäß einer Ausführungsform;
    • 14 eine schematische Darstellung eines 6-DOF-Triangulationsscanners gemäß einer Ausführungsform, der ferner eine Tastsonde umfasst;
    • 15 eine schematische Darstellung einer 6-DOF-Anzeigeeinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
    • 16 eine schematische Darstellung eines 6-DOF-Projektors gemäß einer Ausführungsform;
    • 17 eine schematische Darstellung eines ersten Typs von 6-DOF-Sensor gemäß einer Ausführungsform;
    • 18 eine schematische Darstellung eines zweiten Typs von 6-DOF-Sensor gemäß einer Ausführungsform;
    • 19A und 19B die Geometrie eines Glaswürfelecken-Retroreflektors;
    • 20A und 20B einen Querschnitt durch die Glaswürfelecke bzw. eine perspektivische Ansicht der Glaswürfelecke;
    • 21 eine Zeichnung, die ein Verfahren der Auswertung optischer Reflexionen zeigt;
    • 22 einen Querschnitt von Licht, das durch die Querschnitte der Glaswürfelecken in zwei entgegengesetzten Oktanten tritt;
    • 23 ein Diagramm, das zeigt, wie eine Draufsicht auf Vorderflächen in zwei entgegengesetzten Oktanten ein reflektiertes Muster anzeigt;
    • 24 die Auswirkung des Neigens eines Würfelecken-Retroreflektors;
    • 25A und 25B einen Ring, der um die Peripherie eines Würfeleckenprismas angeordnet wird, bzw. das Erscheinungsbild des Rings, wenn der Retroreflektor geneigt wird;
    • 26 die Bedeutung des Begriffs „Rollwinkel“ und zwei alternative Ausführungsformen zum Beschreiben der anderen beiden Orientierungsfreiheitsgrade: Nick-/Gierwinkel und Falt-/Neigungswinkel;
    • 27 einen Lasertracker und ein Ziel, die zusammenwirken, um sechs Freiheitsgrade des Ziels zu ermitteln, indem getrennte Messungen des Rollwinkels und der Nick-/Gierwinkel durchgeführt werden, nach einer Ausführungsform;
    • 28A, 28B schematische Zeichnungen eines Ziels, das Licht an einen Positionsdetektor leitet, um die Nick-/Gierwinkel zu ermitteln;
    • 29A, 29B Vorder- bzw. Seitenansichten, die schematisch das Ermitteln der Nick-/Gierwinkel anhand dreier Positionsdetektoren am Rand des Retroreflektors ermitteln, gemäß einer Ausführungsform;
    • 30A, 30B und 30C drei Typen von Positionsdetektoren, die gemäß einer Ausführungsform verwendet werden können;
    • 31A und 31B eine Vorder- bzw. eine Seitenansicht, die schematisch das Verwenden einer Linse darstellen, um Licht von einer Apertur auf einen Positionsdetektor zu fokussieren, um Rauschen zu reduzieren, gemäß einer Ausführungsform;
    • 32 das Verwenden einer Linse zum Messen von Licht durch eine Apertur gemäß einer Ausführungsform;
    • 33A und 33B eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Entfernen des Einflusses unerwünschten Hintergrundlichts, indem vom Lasertracker projiziertes Licht moduliert und demoduliert wird, gemäß einer Ausführungsform;
    • 34A eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zum Erzeugen von rotierendem linear polarisiertem Licht zeigt, indem polarisiertes Licht durch eine sich rotierende Halbwellenplatte gesendet wird, gemäß einer Ausführungsform;
    • 34B eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zum Erzeugen von rotierendem linear polarisiertem Licht zeigt, indem nicht polarisiertes (willkürlich polarisiertes) Licht durch einen rotierenden Polarisator gesendet wird, gemäß einer Ausführungsform;
    • 35 eine schematische Darstellung eines Systems, das eine Bezugsphase einer rotierenden Polarisation im Lasertracker und eine Messphase einer Rotationspolarisation in einer Sonde ermittelt, gemäß einer Ausführungsform;
    • 36 eine schematische Darstellung, die ein Verfahren der Ermittlungsphase mittels Codierer-Synchronisation und Rauschentfernung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
    • 37 eine schematische Darstellung eines Lichts, das direkt auf einen Polarisator oder eine Viertelwellenplatte projiziert wird, die von einem Motor gedreht werden, gemäß einer Ausführungsform;
    • 38 eine schematische Darstellung, die das Koppeln eines optischen Modulationssignals mit einer rotierenden Scheibe zeigt, um die Genauigkeit zu verbessern und Rauschen zu entfernen, gemäß einer Ausführungsform;
    • 39A und 39B schematische Darstellungen eines elektrooptischen Modulators, der zum Erzeugen rotierenden linear polarisierten Lichts konfiguriert ist, gemäß einer Ausführungsform;
    • 40 eine schematische Darstellung eines Systems, das synchrone Modulation und Demodulation auf rotierendes polarisiertes Licht anwendet, gemäß einer Ausführungsform,
    • 41A und 41B schematische Darstellungen rotierenden linear polarisierten Lichts, das durch ein Würfeleckenprisma und einen Polarisator auf einen Detektor tritt, um den Rollwinkel des Prismas zu ermitteln, gemäß einer Ausführungsform;
    • 42A und 42B einen Würfelecken-Retroreflektor, der von drei Polarisations-Rolldetektoren umgeben ist, die zum Messen des Rollwinkels verwendet werden, gemäß einer Ausführungsform;
    • 43A eine schematische Darstellung eines Retroreflektors, der von drei Rollsensoren, drei Polarisationssensoren und einem Modulationsdetektor umgeben ist, gemäß einer Ausführungsform;
    • 43B und 43C schematische Querschnittsdarstellungen des Geräts von 43A, die geneigte Nick-/Gier- bzw. Polarisationsrollsensoren aufweisen, gemäß einer Ausführungsform,
    • 43D Überlappen der Winkelabdeckung der drei geneigten Sensoren gemäß einer Ausführungsform;
    • 44 drei Sensoren, entweder Polarisationsrollsensoren oder Nick-/Giersensoren, die einen Retroreflektor umgeben, kombiniert mit dem zusätzlichen Nick-/Giersensor oder Polarisationsrollsensor, die zum Erfassen von Licht angeordnet sind, das durch den Retroreflektor tritt, gemäß einer Ausführungsform;
    • 45A und 45B eine Retroreflektoranordnung, die zum Weiterleiten von Licht an einen einzelnen Positionssensor konfiguriert ist, um das Rollen mittels Polarisationsrolldetektion und das Nicken/Gieren mittels der Position auf dem Positionssensor zu ermitteln, gemäß einer Ausführungsform;
    • 46 eine auseinandergezogene orthographische Darstellung einer 6-DOF-Tastsonde gemäß einer Ausführungsform;
    • 47 eine auseinandergezogene orthographische Darstellung von Komponenten im Inneren eines 6-DOF-Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform;
    • 48A und 48B eine Draufsicht auf bzw. ein Querschnitt durch Komponenten im Inneren eines 6-DOF-Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform;
    • 49A und 49B eine Draufsicht bzw. Seitenansicht von schematischen Darstellungen von anamorphen Prismen, die in Komponenten im Inneren eines 6-DOF-Lasertrackers enthalten sind, gemäß einer Ausführungsform;
    • 50A, 50B und 50C schematische Darstellungen einer 6-DOF-Retroreflektoranordnung, die einen würfelförmigen Strahlteiler mit einem Würfelecken-Retroreflektor kombiniert, der aus hochbrechendem Glas hergestellt wurde, um Roll- und Nick-/Gierwinkel zu messen, gemäß einer Ausführungsform;
    • 51 einen Querschnitt durch eine schematische Darstellung einer Anordnung, die einen Retroreflektor umfasst, der von einer Linse umgeben wird, die Licht auf einen Positionssensor projiziert, gemäß einer Ausführungsform,
    • 52 das Muster, das auf dem auf verschiedene Winkel geneigten Sensor für die Anordnung von 51 ausgebildet wird, gemäß einer Ausführungsform;
    • 53A die Trennung, die im reflektierten Licht für zwei verschiedene Wellenlängen von Licht erzeugt wird, das auf einen Retroreflektor auffällt, gemäß einer Ausführungsform;
    • 53B einen mathematisch entsprechenden Pfad, der von zwei verschiedenen Wellenlängen von Licht verfolgt wird;
    • 54A ein Schaubild des Brechungsindex von Zinksulfid als eine Funktion der Wellenlänge;
    • 54B ein Schaubild lateraler Trennung der zurückkehrenden Strahlen von zwei verschiedenen Wellenlängen von Licht für Zinksulfidmaterial gemäß einer Ausführungsform,
    • 55 eine Anordnung im Inneren eines 6-DOF-Lasertrackers zum Messen lateraler Trennung der zurückkehrenden Strahlen gemäß einer Ausführungsform;
    • 56 ein Verfahren zum Abbilden einer Lichtquelle, um einen Rollwinkel zu ermitteln, wenn mit von einem Nick-/Giersensor bereitgestellten Informationen kombiniert, gemäß einer Ausführungsform;
    • 57 ein Verfahren zum Verwenden einer einzigen 6-DOF-Sensoranordnung in Kombination mit einer Tastsonde, die an der Anordnung mit zwei Drehmechanismen und Winkelcodierern angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform,
    • 58 ein Verfahren zum Verwenden einer 6-DOF-Sensoranordnung in Kombination mit einem Triangulationsscanner, der an der Anordnung mit zwei Drehmechanismen und Winkelcodierern angebracht sind, gemäß einer Ausführungsform;
    • 59A eine schematische Darstellung eines Retroreflektors 5910 in Kombination mit einem Rollsensor 5920A gemäß einer Ausführungsform,
    • 59B-59F schematische Darstellungen von Rollsensoren, die jeweils Linearpolarisatoren in einer vorgeschriebenen Anordnung enthalten, gemäß Ausführungsformen;
    • 60 eine Querschnittsdarstellung von optischen Elementen, die zum Einkoppeln von Lichtstrahlen von einem Lasertracker verwendet werden, gemäß einer Ausführungsform;
    • 61A und 61B eine Draufsicht bzw. Seitenansicht von Bauelementen in einem sekundären Strahlengang eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform;
    • 62A und 62B Vorderansichten von 6-DOF-Sensoren, die einen Retroreflektor und Rollsensoren umfassen, gemäß einer Ausführungsform;
    • 62C einen Querschnitt durch eine Rollsensorkomponente gemäß einer Ausführungsform;
    • 63A eine schematische Darstellung von elektrooptischen Komponenten in einem sekundären Strahlengang eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform;
    • 63B eine weitere Ausführungsform optischer und elektrischer Komponenten im Rollsensor einer 6-DOF-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
    • 63C ein Blockschaltbild, das Komponenten eines synchronen Demodulators gemäß einer Ausführungsform zeigt;
    • 64A, 64B elektrische Signale, die von einem ersten Rollsensor und einem zweiten Rollensensor erzeugt werden, gemäß einer Ausführungsform;
    • 65A s- und p-Polarisationen von einfallendem und ausgesendetem Licht an einer Luft-Glas-Grenzfläche;
    • 65B zwei Polarisationsrichtungen eines Polarisators auf einer Einfallsebene an einer Luft-Polarisator-Grenzfläche;
    • 66A, 66B, 66C, 66D, 66E, 66 F, 66G eine Draufsicht, eine Vorderansicht, eine erste Detailansicht, eine erste isometrische Ansicht, eine zweite isometrische Ansicht, einen Querschnitt bzw. eine zweite Detailansicht einer 6-DOF-Sonde gemäß einer Ausführungsform,
    • 67A, 67B eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer 6-DOF-Sonde gemäß einer Ausführungsform;
    • 67C eine Vorderansicht einer 6-DOF-Sonde gemäß einer Ausführungsform;
    • 68A, 68B eine Draufsicht und eine Vorderansicht einer 6-DOF-Sonde gemäß einer Ausführungsform;
    • 69A ein Verlagern der Lichtmarkierungen auf einem Bild einer 6-DOF-Sonde als Reaktion auf eine Drehung um eine Nickachse gemäß einer Ausführungsform;
    • 69B ein Verlagern der Lichtmarkierungen auf einem Bild einer 6-DOF-Sonde als Reaktion auf eine Drehung um eine Gierachse gemäß einer Ausführungsform,
    • 69C ein Verlagern der Lichtmarkierungen auf einem Bild einer 6-DOF-Sonde als Reaktion auf eine Drehung um eine Rollachse gemäß einer Ausführungsform;
    • 70 eine erste Kamera und eine zweite Kamera im Inneren einer Tracker-Nutzlast zum Messen von Orientierungswinkeln einer 6-DOF-Anordnung gemäß einer Ausführungsform;
    • 71 einen Tracker, der zwei 6-DOF-Kameras verwendet, um Lichtmarkierungen auf einem 6-DOF-Zusatzteil zu messen, gemäß einer Ausführungsform,
    • 72 einen Tracker, der zwei Kameras aufweist, die an einer Nutzlastabdeckung zum Messen von Orientierungswinkeln eines 6-DOF-Zusatzteils angebracht sind, gemäß einer Ausführungsform;
    • 73A, 73B, 73C eine Vorderansicht, eine Unteransicht bzw. eine Seitenansicht eines 6-DOF-Zeilenscanners gemäß einer Ausführungsform;
    • 74A, 74B, 74C eine Vorderansicht, eine Unteransicht bzw. eine Seitenansicht eines 6-DOF-Bereichsscanners gemäß einer Ausführungsform;
    • 75A, 75B eine Vorderansicht bzw. eine Unteransicht eines 6-DOF-Projektors gemäß einer Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ein in 1 dargestelltes beispielhaftes Lasertrackersystem 5 umfasst einen Lasertracker 10, ein Retroreflektorziel 26, einen optionalen Hilfsgerätprozessor 50 und einen optionalen Hilfscomputer 60. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahlsteuermechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitschlitten 14, der auf einem Azimutsockel 16 befestigt ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Auf dem Zenitschlitten 14 ist eine Nutzlast 15 angebracht und wird um eine Zenitachse 18 gedreht. Die Zenitachse 18 und die Azimutachse 20 schneiden sich orthogonal innerhalb des Trackers 10 an einem Kardanpunkt 22, der gewöhnlich der Ursprung für Entfernungsmessungen ist. Ein Lichtstrahl 46 tritt nahezu durch den Kardanpunkt 22 und wird orthogonal zur Zenitachse 18 gerichtet. Mit anderen Worten liegt der Lichtstrahl 46 auf einer Ebene, die ungefähr senkrecht zur Zenitachse 18 verläuft und die durch die Azimutachse 20 führt. Der ausgehende Lichtstrahl 46 wird durch Drehen der Nutzlast 15 um die Zenitachse 18 und durch Drehen des Zenitschlittens 14 um die Azimutachse 20 in die gewünschte Richtung gerichtet. Motoren, die mit Bezug auf 8 und 9 ausführlicher beschrieben werden, steuern den ausgehenden Lichtstrahl durch Drehen von Trackerkomponenten um die Azimut- und die Zenitachse. Ein Zenit-Winkelcodierer im Inneren des Trackers ist an einer mechanischen Zenitachse befestigt, die auf die Zenitachse 18 ausgerichtet ist. Ein Azimut-Winkelcodierer im Inneren des Trackers ist an einer mechanischen Azimutachse befestigt, die auf die Azimutachse 20 ausgerichtet ist. Der Zenit- und der Azimut-Winkelcodierer messen den Zenit- und den Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit. Der ausgehende Lichtstrahl 46 bewegt sich zum Retroreflektorziel 26, das wie oben beschrieben beispielsweise ein SMR sein kann. Durch Messen der radialen Entfernung zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26, des Drehwinkels um die Zenitachse 18 und des Drehwinkels um die Azimutachse 20 wird die Position des Retroreflektors 26 im Kugelkoordinatensystem des Trackers gefunden.
  • Der ausgehende Lichtstrahl 46 kann ein oder mehrere Wellenlängen umfassen, wie es nachstehend beschrieben wir. Der Verständlichkeit und Einfachheit halber wird in der folgenden Erörterung ein Steuermechanismus der in 1 gezeigten Art angenommen. Es sind jedoch auch andere Arten von Steuermechanismen möglich. Beispielsweise kann ein Laserstrahl von einem Spiegel reflektiert werden, der um die Azimut- und Zenitachse gedreht wird. Die hierin beschriebenen Verfahren treffen unabhängig der Art des Steuermechanismus zu.
  • Am Lasertracker können magnetische Aufnahmevorrichtungen 17 vorgesehen sein, die zum Zurücksetzen des Lasertrackers in eine „Home“-Position für SMRs unterschiedlicher Größe, beispielsweise SMRs von 1,5, 7/8 und ½ Zoll, dienen. Ein am Tracker angebrachter Retroreflektor 19 kann zum Zurücksetzen des Trackers auf eine Bezugsentfernung verwendet werden. Zusätzlich kann ein auf dem Tracker angebrachter Spiegel, der aus der Sicht von 1 nicht sichtbar ist, in Kombination mit dem auf dem Tracker angebrachten Retroreflektor benutzt werden, um das Durchführen einer Selbstkompensierung zu ermöglichen, wie es im US-Patent Nr. 7,327,446 beschrieben ist, dessen Inhalt durch Bezugnahme einbezogen ist.
  • 2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, das dem Lasertrackersystem 5 von 1 ähnlich ist, wobei das Retroreflektorziel 26 jedoch durch eine 6-DOF-Sonde 1000 ersetzt wird. In Fig. 1 können andere Typen von Retroreflektorzielen verwendet werden. Beispielsweise wird manchmal ein Katzenaugen-Retroreflektor benutzt, der ein Glasretroreflektor ist, bei dem Licht auf einen kleinen Lichtfleck auf einer reflektierenden hinteren Fläche der Glasstruktur fokussiert wird.
  • In einer in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst ein Lasertracker ein optoelektronisches System 500, das eine einzelne Wellenlänge sichtbaren Lichts vom Tracker ausgibt. Andere Ausführungsformen, einschließlich einige hierin nachstehend gezeigte Ausführungsformen, geben mehrere Wellenlängen von Licht ab, manche außerhalb des sichtbaren Spektrums. In einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische System 500 eine Quelle 110 sichtbaren Lichts, einen Isolator 115, ein Fasernetzwerk 420, ADM-Elektronik 530, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145 und eine Positionsdetektoranordnung 150. Die Quelle 110 sichtbaren Lichts kann beispielsweise ein roter oder grüner Diodenlaser, ein Oberflächenemitter (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL) oder eine Superlumineszenzdiode sein. Der Isolator kann ein Faraday-Isolator, ein Abschwächer oder eine andere Vorrichtung sein, die die Lichtmenge, die zurück in die Lichtquelle reflektiert wird, ausreichend verringern kann, um Instabilität in der Lichtquelle 110 zu verhindern. Das Licht vom Isolator 115 tritt in das Fasernetzwerk 420, das in einer Ausführungsform das Fasernetzwerk 420A von 7 ist.
  • In der in 3 dargestellten Konfiguration wird eine Linse 176 in der Fasereinkopplung 170 von 5 dazu verwendet, Licht 250 zu kollimieren, das von der Faseroptik-Ferrule 174 abgegeben wird, um kollimiertes Licht 252 zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen kann das Licht, das von einer Fasereinkopplung abgegeben wird oder direkt von einer Lichtquelle abgegeben wird, von einer Linse kollimiert und dann später durch einen Strahlaufweiter in den Pfad gesendet werden. Beispiele für zwei Typen von Strahlaufweitern 140A und 140B sind in 4A bzw. 4B gezeigt. 4A stellt einen Strahlaufweiter 140A dar, in dem einer Zerstreuungslinse 141A eine Sammellinse 142A folgt, die so angeordnet ist, dass sie einen relativ kleinen kollimierten Lichtstrahl 220A zu einem relativ größeren Lichtstrahl 230A aufweitet. 4B stellt einen Strahlaufweiter 140B dar, der zwei Sammellinsen 141B, 142B umfasst. Die beiden Sammellinsen sind so angeordnet, dass sie einen relativ kleinen kollimierten Lichtstrahl 220B zu einem relativ größeren Lichtstrahl 230B aufweiten.
  • In einer Ausführungsform umfasst der ADM 160 eine Lichtquelle 110, ADM-Elektronik 530, ein Fasernetzwerk 420, ein verbindendes elektrisches Kabel 532, und verbindende optische Fasern 422, 423 und 424. ADM-Elektronik sendet elektrische Modulation und Vorspannung zur Lichtquelle 110, die beispielsweise ein Halbleiterlaser sein kann, der bei 635 nm arbeitet. In einer Ausführungsform kann das Fasernetzwerk 420 das in 7 gezeigte Faseroptiknetzwerk 420A nach dem Stand der Technik sein. In dieser Ausführungsform bewegt sich Licht von der Lichtquelle 110 in 3 über die optische Faser 580, die der optischen Faser 432 in 7 entspricht.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Fasernetzwerk 420A von 7 einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und reflexionsarme Endverschlüsse 435,440. Es versteht sich, dass viele Typen von Fasernetzwerken konstruiert werden können, und das Fasernetzwerk 420 nicht auf das Fasernetzwerk 420A in 7 beschränkt ist. Das Licht im Fasernetzwerk 420A bewegt sich durch den ersten Faserkoppler 430 und trennt sich in zwei Pfade, nämlich den ersten Pfad durch die optische Faser 433 zum zweiten Faserkoppler 436 und den zweiten Pfad durch die optische Faser 422 und den Faserlängenausgleicher 423. Faserlängenausgleicher 423 verbindet mit der Faserlänge 422 in 3, die sich zum Bezugskanal der ADM-Elektronik 530 bewegt. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge von optischen Fasern, die von Licht im Bezugskanal durchquert werden, an die Länge von optischen Fasern anzupassen, die von Licht im Messkanal durchquert werden. Das Angleichen der Faserlängen auf diese Weise reduziert ADM-Fehler, die durch Änderung der Umgebungstemperatur verursacht werden. Solche Fehler können auftreten, da die effektive Strahlenganglänge einer optischen Faser gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex der optischen Faser multipliziert mit der Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der optischen Fasern von der Temperatur der Faser abhängt, verursacht eine Temperaturänderung der optischen Fasern Veränderungen der effektiven Strahlenganglänge des Mess- und Bezugskanals. Ändert sich die effektive Strahlenganglänge der optischen Faser im Messkanal relativ zur effektiven Strahlenganglänge der optischen Faser im Bezugskanal, so ist das Ergebnis eine scheinbare Verschiebung der Position des Retroreflektorziels 90, selbst wenn das Retroreflektorziel 90 ortsfest gehalten wird. Um dieses Problem zu lösen, werden zwei Schritte durchgeführt. Erstens wird die Länge der Faser im Bezugskanal so nahe wie möglich an die Länge der Faser im Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und Bezugsfasern so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die optischen Fasern in den beiden Kanälen fast den gleichen Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
  • In 7 bewegt sich ein Teil des Lichts durch den zweiten faseroptischen Koppler 436 und wird in zwei Pfade geteilt, nämlich den ersten Pfad zu dem reflexionsarmen Faserendverschluss 440 und dem zweiten Pfad zu der optische Faser 438, von wo es sich zur optischen Faser 186 in 3 bewegt. Das Licht auf der optischen Faser 186 bewegt sich durch die zweite Fasereinkopplung 170.
  • In einer Ausführungsform ist die Fasereinkopplung 170 die in 5 gezeigte nach dem Stand der Technik. Das Licht von der optischen Faser 438 von 7 bewegt sich zur Faser 172 in 5. Die Fasereinkopplung 170 umfasst die optische Faser 172, Ferrule 174 und Linse 176. Die optische Faser 172 ist an der Ferrule 174 befestigt, die fest an einer Struktur innerhalb des Lasertrackers 10 angebracht ist. Nach Wunsch kann das Ende der optischen Faser in einem Winkel poliert werden, um Rückreflexionen zu reduzieren. Das Licht 250 tritt aus dem Kern der Faser aus, die, abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und dem jeweiligen Typ der optischen Faser, eine optische Einzelmodusfaser mit einem Durchmesser zwischen 4 und 12 Mikrometern sein kann. Das Licht 250 divergiert mit einem Winkel und wird von der Linse 176 aufgefangen, die es kollimiert.
  • Der Lichtstrahl 584 bewegt sich aus dem Lasertracker als ein erster Strahl zum Retroreflektor 90, der einen zweiten Teil des Lichts als einen zweiten Strahl 586 zurückgibt. Der zweite Teil des Lichts kehrt zur Fasereinkopplung 170 zurück, die das Licht zurück in die optische Faser 172 koppelt.
  • In einer Ausführungsform entspricht die optische Faser 172 der optischen Faser 438 in 7. Das zurückkehrende Licht bewegt sich von der optischen Faser 438 durch den zweiten Faserkoppler 436 und teilt sich in zwei Pfade. Ein erster Pfad führt zur optischen Faser 424, die in einer Ausführungsform zum Messkanal der ADM-Elektronik 530 in FIG. 3 führt. Ein zweiter Pfad führt zur optischen Faser 433 und dann zum ersten Faserkoppler 430. Das Licht, das den ersten Faserkoppler 430 verlässt, teilt sich in zwei Pfade, nämlich einen ersten Pfad zur optischen Faser 432 und einen zweiten Pfad zum reflexionsarmen Faserendverschluss 435. In einer Ausführungsform führt die optische Faser 432 in 7 durch einen Isolator 115 zur Lichtquelle 110 in 3.
  • Das Licht vom Fasernetzwerk 420 tritt durch die optischen Fasern 168, 169 in die ADM-Elektronik 530 ein. Eine Ausführungsform der ADM-Elektronik nach dem Stand der Technik ist in 6 gezeigt. Die optische Faser 168 in 3 entspricht der optischen Faser 3232 in 6, und die optische Faser 169 in 3 entspricht der optischen Faser 3230 in 6. Nun bezugnehmend auf 6, umfasst die ADM-Elektronik 3300 einen Frequenzbezug 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Bezugsdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Bezugsmischer 3312, Aufbereitungselektroniken 3314, 3316, 3318, 3320, einen Divide-by-N-Vorteiler 3324 und einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 3322. Der Frequenzbezug, der beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator (Oven-Controlled Crystal Oscillator - OCXO) sein könnte, sendet eine Bezugsfrequenz fREF, die z. B. 10 MHz betragen könnte, an den Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt, nämlich ein Signal mit einer Frequenz fRF und zwei Signale mit der Frequenz fLO. Das Signal fRF geht zu der Lichtquelle 3102, die der Lichtquelle 162 in 3 entspricht. Die beiden Signale mit der Frequenz fLO gehen zum Messmischer 3310 und zum Bezugsmischer 3312. Das Licht von den optischen Fasern 168, 169 in 3 erscheint auf den Fasern 3232 bzw. 3230 in 6 und tritt in den Bezugs- bzw. Messkanal ein. Der Bezugsdetektor 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 an die Mischer 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz fIF, die gleich dem Absolutwert fLO - fRF ist. Das Signal fRF kann eine relativ hohe Frequenz wie beispielsweise 2 GHz sein, während das Signal fIF eine relativ niedrige Frequenz wie beispielsweise 10 kHz aufweisen kann.
  • Die Bezugsfrequenz fREF wird zum Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch eine ganze Zahl teilt. Beispielsweise kann eine Frequenz von 10 MHz durch 40 geteilt werden, um eine Ausgabefrequenz von 250 kHz zu erhalten. In diesem Beispiel würden die in den ADW 3322 eintretenden Signale von 10 kHz mit einer Rate von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt werden. Die Signale vom ADW 3322 werden zu einem Datenprozessor 3400 gesendet, der beispielsweise eine oder mehrere digitale Signalprozessoreinheiten (DSP-Einheiten) sein kann, die in der ADM-Elektronik 530 von 3 angeordnet sind.
  • Das Verfahren zum Extrahieren einer Entfernung beruht auf der Berechnung der Phase der ADW-Signale für den Bezugs- und den Messkanal. Dieses Verfahren wird ausführlich in dem Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 7,701,559 ('559) beschrieben, dessen Inhalt durch Bezugnahme hierin einbezogen ist. Die Berechnung umfasst die Gleichungen (1)-(8) des Patents '559. Wenn der ADM zuerst mit dem Messen eines Retroreflektors beginnt, werden außerdem die vom Synthesizer erzeugten Frequenzen einige Male (beispielsweise dreimal) geändert, und die möglichen ADM-Entfernungen werden für jeden Fall berechnet. Durch Vergleichen der möglichen ADM-Entfernungen bei jeder der ausgewählten Frequenzen wird eine Mehrdeutigkeit bei der ADM-Messung beseitigt. Die Gleichungen (1)-(8) des Patents '559 in Kombination mit den Synchronisationsverfahren, die in Bezug auf 5 des Patents '559 beschrieben werden, und den Kalman-Filter-Verfahren, die im Patent '559 beschrieben werden, ermöglichen dem ADM ein bewegliches Ziel zu messen. In anderen Ausführungsformen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen eingesetzt werden, beispielsweise indem gepulste Laufzeit anstatt der Phasendifferenzen verwendet wird.
  • Bezugnehmend auf 3 erreicht in einer Ausführungsform der zurückkehrende Lichtstrahl 586 den Strahlteiler 145, der einen Teil des zurückkehrenden Lichts 582 zur Fasereinkopplung 170 und einen anderen Teil des Lichts 588 zur Positionsdetektoranordnung 150 sendet. Das aus dem Lasertracker 10 austretende Licht 584 kann als der erste Strahl bezeichnet werden, und der Teil dieses Lichts 586, der am Retroreflektor 90 reflektiert wird, als der zweite Strahl. Teile des zweiten Strahls werden zu unterschiedlichen Funktionselementen des optoelektronischen Systems 500 gesendet. Beispielsweise kann ein erster Teil zu einem Entfernungsmesser wie dem ADM in 3 gesendet werden. Ein zweiter Teil 588 kann zu einer Positionsdetektoranordnung 150 gesendet werden. Im Beispiel von 3 reflektiert der Strahlteiler 145 das Licht 588 auf die Positionsdetektoranordnung und sendet das Licht 581 in die Fasereinkopplung 170 und den ADM. Die Funktion des Strahlteilers könnte jedoch umgekehrt sein, sodass er Licht an die Positionsdetektoranordnung aussendet und es zur Fasereinkopplung und den ADM reflektiert.
  • Die Positionsdetektoranordnung 150 umfasst einen Positionsdetektor 151 und wahlweise Aufbereitungselemente 158. In einer Ausführungsform ist der Positionsdetektor ein Analogdetektor, der so ausgelegt ist, dass er die Position gemäß der Stelle anzeigt, an der der zurückkehrende Lichtstrahl auf die Detektoroberfläche trifft. Beispiele für einen solchen Analogdetektor umfassen Lateraleffektdetektoren und Quadrantendetektoren. In einer anderen Ausführungsform ist der Positionsdetektor eine lichtempfindliche Anordnung, die zum Anzeigen einer Position durch Berechnen der Mittelposition des zurückkehrenden Lichts ausgelegt ist. Eine solche Berechnung kann beispielsweise auf dem Berechnen eines Schwerpunktwerts des zurückkehrenden Lichts beruhen. Eine solche lichtempfindliche Anordnung kann beispielsweise eine Hochgeschwindigkeits-CMOS-Anordnung sein. In einer Ausführungsform umfasst der Positionsdetektor ferner ein oder mehrere Aufbereitungselemente etwa eine Apertur oder einen Diffusor. Eine Apertur 158 kann verwendet werden, um zum Blockieren unerwünschter Geisterstrahlen beizutragen. Ein Diffusor kann dazu beitragen, die Einheitlichkeit des Strahls zu verbessern, beispielsweise um Flecken- und Beugungseffekte zu reduzieren.
  • Ein Retroreflektor der hier erörterten Art, beispielswiese ein Würfelecken- oder ein Katzenaugen-Retroreflektor, weist die Eigenschaften auf, dass er einen Lichtstrahl, der in den Retroreflektor tritt, in einer Richtung reflektiert, die parallel zum einfallenden Strahl verläuft. Zusätzlich werden die einfallenden und reflektierten Strahlen symmetrisch um den Symmetriepunkt des Retroreflektors angeordnet. Bei einem luftoffenen Würfelecken-Retroreflektor ist der Symmetriepunkt des Retroreflektors beispielsweise der Scheitelpunkt der Würfelecke. Bei einem Glaswürfelecken-Retroreflektor ist der Symmetriepunkt ebenfalls der Scheitelpunkt, wobei in diesem Fall jedoch die Lichtbeugung an der Glas-Luft-Grenzfläche zu berücksichtigen ist. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor mit einem Brechungsindex von 2,0 ist der Symmetriepunkt der Mittelpunkt der Kugel. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor aus zwei Glashalbkugeln, die symmetrisch auf einer gemeinsamen Ebene gelagert sind, ist der Symmetriepunkt ein Punkt, der auf der Ebene und am Kugelmittelpunkt jeder Halbkugel liegt. Bei dem Typ von Retroreflektor, der gewöhnlich mit Lasertrackern verwendet wird, wird das von einem Retroreflektor zum Tracker zurückgeworfene Licht zur anderen Seite des Scheitelpunkts bezüglich des einfallenden Laserstrahls verlagert.
  • Dieses Verhalten eines Retroreflektors 90 in 3 ist die Grundlage für das Verfolgen des Retroreflektors anhand des Lasertrackers. Der Positionssensor weist auf seiner Oberfläche einen idealen Rückverfolgungspunkt auf. Der ideale Rückverfolgungspunkt ist der Punkt, an dem ein zum Symmetriepunkt eines Retroreflektors (z. B. dem Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors eines SMR) gesendeter Laserstrahl zurückkehrt. Normalerweise befindet sich der Rückverfolgungspunkt nahe am Mittelpunkt des Positionssensors. Wenn der Laserstrahl auf eine Seite des Retroreflektors gesendet wird, wird er an der anderen Seite reflektiert und erscheint abseits des Rückverfolgungspunkts auf dem Positionssensor. Durch das Registrieren der Position des zurückkehrenden Lichtstrahls auf dem Positionssensor kann das Steuerungssystem des Lasertrackers 10 veranlassen, dass die Motoren den Lichtstrahl in Richtung des Symmetriepunkts des Retroreflektors bewegen.
  • Wird der Retroreflektor mit konstanter Geschwindigkeit quer zum Trackerlicht bewegt, trifft der Lichtstrahl am Retroreflektor auf den Retroreflektor (nachdem die Einschwingvorgänge beendet sind) mit einem festen versetzten Abstand vom Symmetriepunkt des Retroreflektors auf. Der Lasertracker nimmt eine Korrektur vor, um diesen versetzen Abstand am Retroreflektor aufgrund eines Maßstabfaktors zu berücksichtigen, der aus gesteuerten Messungen erhalten wird. Der Positionsdetektor führt zwei Funktionen durch - Ermöglichen von Verfolgungs- und Korrekturmessungen, um die Bewegung des Retroreflektors zu berücksichtigen.
  • 8 und 9 zeigen eine auseinandergezogene Darstellung bzw. einen Querschnitt eines Lasertrackers 2100 nach dem Stand der Technik, der in 2 und 3 des Bridges et al. erteilten US-Patents Nr. 8,525,983 abgebildet ist, das durch Bezugnahme hierin einbezogen ist. Die Azimutanordnung 2110 umfasst das Ständergehäuse 2112, die Azimut-Codieranordnung 2120, das untere und das obere Azimutlager 2114A, 2114B, die Azimut-Motoranordnung 2125, die Azimut-Gleitringanordnung 2130 und die Azimut-Leiterplatten 2135.
  • Die Azimut-Codieranordnung 2120 hat den Zweck, den Drehwinkel der Gabel 2142 bezüglich des Ständergehäuses 2112 genau zu messen. Die Azimut-Codieranordnung 2120 enthält die Codierscheibe 2121 und die Lesekopfanordnung 2122. Die Codierscheibe 2121 ist an der Welle des Gabelgehäuses 2142 angebracht, und die Lesekopfanordnung 2122 ist an der Ständeranordnung 2110 angebracht. Die Lesekopfanordnung 2122 umfasst eine Leiterplatte, auf der einer oder mehrere Leseköpfe befestigt sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht reflektiert an den feinen Gitterlinien auf der Codierscheibe 2121. Das von den Detektoren auf dem Codierer-Lesekopf bzw. den Codierer-Leseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der rotierenden Codierscheibe in Bezug auf die feststehenden Leseköpfe zu finden.
  • Die Azimut-Motoranordnung 2125 umfasst den Azimut-Motorläufer 2126 und Azimut-Motorstator 2127. Der Azimut-Motorläufer umfasst Dauermagnete, die direkt an der Welle des Gabelgehäuses 2142 angebracht sind. Der Azimut-Motorstator 2127 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Magneten des Azimut-Motorläufers 2126 zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimut-Motorstator 2127 ist am Ständerrahmen 2112 befestigt.
  • Die Azimut-Leiterplatten 2135 stellen eine oder mehrere Leiterplatten dar, die elektrische Funktionen bereitstellen, die von den Azimutkomponenten wie dem Kodierer und dem Motor verwendet werden. Die Azimut-Gleitringanordnung 2130 umfasst einen äußeren Teil 2131 und einen inneren Teil 2132. In einer Ausführungsform tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Hilfseinheitprozessor 50 heraus. Das Drahtbündel 2138 kann Strom an den Tracker oder Signale zum und vom Tracker übertragen. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Verbindern auf Leiterplatten geführt werden. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel führen Drähte zur Azimut-Leiterplatte 2135, der Codierer-Lesekopfanordnung 2122 und der Azimut-Motoranordnung 2125. Weitere Drähte werden zum inneren Teil 2132 der Gleitringanordnung 2130 geführt. Der innere Teil 2132 ist an der Ständeranordnung 2110 angebracht und bleibt folglich stationär. Der äußere Teil 2131 ist an der Gabelanordnung 2140 angebracht und dreht sich folglich bezüglich des inneren Teils 2132. Die Gleitringanordnung 2130 ist so ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit geringer Impedanz ermöglicht, wenn sich der äußere Teil 2131 bezüglich des inneren Teils 2132 dreht.
  • Die Zenitanordnung 2140 umfasst das Gabelgehäuse 2142, die Zenit-Codieranordnung 2150, das linke und das rechte Zenitlager 2144A, 2144B, die Zenit-Motoranordnung 2155, die Zenit-Gleitringanordnung 2160 und die Zenit-Leiterplatte 2165.
  • Die Zenit-Codieranordnung 2150 misst den Drehwinkel des Nutzlastrahmens 2172 bezüglich des Gabelgehäuses 2142 genau. Die Zenit-Codieranordnung 2150 umfasst die Zenit-Codierscheibe 2151 und die Zenit-Lesekopfanordnung 2152. Die Codierscheibe 2151 ist am Nutzlastgehäuse 2142 angebracht, und die Lesekopfanordnung 2152 ist am Gabelgehäuse 2142 angebracht. Die Zenit-Lesekopfanordnung 2152 umfasst eine Leiterplatte, auf der einer oder mehrere Leseköpfe befestigt sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht reflektiert an den feinen Gitterlinien auf der Codierscheibe 2151. Das von den Detektoren auf dem Codierer-Lesekopf bzw. den Codierer-Leseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der rotierenden Codierscheibe in Bezug auf die feststehenden Leseköpfe zu finden.
  • Die Zenit-Motoranordnung 2155 umfasst den Azimut-Motorläufer 2156 und Azimut-Motorstator 2157. Der Zenit-Motorläufer 2156 umfasst Dauermagnete, die direkt an der Welle des Nutzlastrahmens 2172 angebracht sind. Der Zenit-Motorstator 2157 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Magneten des Azimut-Motorläufers zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Zenit-Motorstator 2157 ist am Gabelrahmen 2142 befestigt.
  • Die Zenit-Leiterplatte 2165 stellt eine oder mehrere Leiterplatten dar, die elektrische Funktionen bereitstellen, die von den Zenitkomponenten wie dem Codierer und dem Motor verwendet werden. Die Zenit-Gleitringanordnung 2160 umfasst einen äußeren Teil 2161 und einen inneren Teil 2162. Ein Drahtbündel 2168 tritt aus dem äußeren Gleitring 2131 des Azimuts aus und kann Strom oder Signale übertragen. Einige Drähte des Drahtbündels 2168 können zu Verbindern auf der Leiterplatte geführt werden. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel führen Drähte zur Zenit-Leiterplatte 2165, der Zenit-Motoranordnung 2150 und der Codierer-Lesekopfanordnung 2152. Weitere Drähte werden zum innerer Teil 2162 der Gleitringanordnung 2160 geführt. Der innere Teil 2162 ist am Gabelrahmen 2142 angebracht und dreht sich folglich im Azimutwinkel, jedoch nicht im Zenitwinkel. Der äußere Teil 2161 ist am Nutzlastrahmen 2172 angebracht und dreht sich folglich sowohl im Zenit- als auch im Azimutwinkel. Die Gleitringanordnung 2160 ist so ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit geringer Impedanz ermöglicht, wenn sich der äußere Teil 2161 bezüglich des inneren Teils 2162 dreht. Die Nutzlastanordnung 2170 umfasst eine optische Hauptanordnung 2180 und eine optische Zusatzanordnung 2190.
  • 10 ist ein Blockdiagramm, das ein Dimensionsmesselektronik-Verarbeitungssystem 1500 zeigt, das ein Verarbeitungssystem 1510 der Lasertracker-Elektronik, Verarbeitungssysteme peripherer Bauelemente 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere vernetzte Komponenten 1600 umfasst, die hier als Wolke dargestellt sind. Das beispielhafte Verarbeitungssystem 1510 der Lasertracker-Elektronik umfasst einen Hauptprozessor 1520, die Elektronik 1530 für die Nutzlastfunktionen, die Azimut-Codiererelektronik 1540, die Zenit-Codiererelektronik 1550, die Elektronik 1560 für die Anzeige und die Benutzerschnittstelle (BS), die Hardware 1565 für den herausnehmbaren Speicher, die Elektronik für die Hochfrequenz-Identifizierung (RFID) und eine Antenne 1572. Die Elektronik 1530 für die Nutzlastfunktionen umfasst eine Anzahl von Unterfunktionen, die die 6-DOF-Elektronik 1531, die Kamera-Elektronik 1532, die ADM-Elektronik 1533, die Positionsdetektor-Elektronik (PSD) 1534 und die Nivellierelektronik 1535 umfassen. Die meisten der Unterfunktionen weisen mindestens eine Prozessoreinheit auf, die beispielsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine feldprogrammierbare Gatter-Anordnung (FPGA) sein kann. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wegen ihrer Unterbringung im Lasertracker wie dargestellt getrennt. In einer Ausführungsform sind die Nutzlastfunktionen 1530 in der Nutzlast 2170 von 8, 9 angeordnet, während die Azimut-Codiererelektronik 1540 in der Azimut-Anordnung 2110 angeordnet ist und die Zenit-Codiererelektronik 1550 in der Zenit-Anordnung 2140 angeordnet ist.
  • Viele Typen von peripheren Geräten sind möglich, hier werden jedoch nur drei solcher Geräte gezeigt: ein Temperatursensor 1582, eine 6-DOF-Sonde 1584 und ein digitaler Personalassistent 1586, der beispielsweise ein Smart Phone sein kann. Der Lasertracker kann mit peripheren Geräten auf verschiedene Weisen kommunizieren, die drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572 umfassen, durch ein visuelles System, wie eine Kamera, und durch Entfernungs- und Winkelablesungen des Lasertrackers zu einem mitwirkenden Ziel, wie die 6-DOF-Sonde 1584. Die peripheren Geräte können Prozessoren umfassen. Die 6-DOF-Zusatzteile können 6-DOF-Sondensysteme, 6-DOF-Scanner, 6-DOF-Projektoren, 6-DOF-Sensoren und 6-DOF-Anzeigeeinrichtungen umfassen. Die Prozessoren in diesen 6-DOF-Geräten können in Verbindung mit Verarbeitungsgeräten im Lasertracker sowie in einem externen Computer und in Cloud-Verarbeitungsanlagen eingesetzt werden. Im Allgemeinen soll, wenn der Begriff „Lasertracker-Prozessor“ oder „Messvorrichtungsprozessor“ verwendet wird, dieser einen möglichen externen Computer- und Cloud-Support umfassen.
  • In einer Ausführungsform führt ein getrennter Kommunikationsbus vom Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann beispielsweise drei serielle Leitungen aufweisen, die die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung gibt an, ob die Elektronikeinheit auf die Taktleitung achten sollte oder nicht. Gibt sie an, dass diese beachtet werden soll, liest die Elektronikeinheit den aktuellen Wert der Datenzeile bei jedem Taktsignal ab. Das Taktsignal kann beispielsweise einer steigenden Flanke eines Taktimpulses entsprechen. In einer Ausführungsform werden Informationen in Form eines Pakets über die Datenleitung gesendet. In einer Ausführungsform umfasst jedes Packet eine Adresse, einen numerischen Wert, eine Datenmeldung und eine Prüfsumme. Die Adresse zeigt an, wohin die Datenmeldung innerhalb der Elektronikeinheit geleitet werden soll. Die Stelle kann beispielsweise einer Prozessors-Subroutine in der Elektronikeinheit entsprechen. Der numerische Wert gibt die Länge der Datenmeldung an. Die Datenmeldung enthält Daten oder Anweisungen, die von der Elektronikeinheit auszuführen sind. Die Prüfsumme ist ein numerischer Wert, anhand dessen die Möglichkeit minimiert wird, dass über die Kommunikationsleitung Fehler übertragen werden.
  • In einer Ausführungsform sendet der Hauptprozessor 1520 Informationspakete über den Bus 1610 zur Elektronik 1530 für die Nutzlastfunktionen, über den Bus 1611 zur Azimut-Codiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zur Zenit-Codiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zur Anzeige- und BS-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zur Hardware 1565 des herausnehmbaren Speichers und über den Bus 1616 zur RFID und drahtlosen Elektronik 1570.
  • In einer Ausführungsform sendet der Hauptprozessor 1520 zur selben Zeit auch über den Synch-Bus einen Synch(Synchronisations)-Impuls 1630 an jede der Elektronikeinheiten. Der Synch-Impuls stellt eine Möglichkeit zum Synchronisieren der Werte bereit, die anhand der Messfunktionen des Lasertrackers gesammelt werden. Beispielsweise speichern die Azimut-Codiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Codiererwerte zwischen, sobald der Synch-Impuls empfangen wird. Auf ähnliche Weise speichert die Elektronik 1530 für die Nutzlastfunktionen die Daten zwischen, die von der Elektronik gesammelt wird, die in der Nutzlast enthalten ist. Sowohl der 6-DOF-, der ADM- als auch der Positionsdetektor speichern Daten zwischen, wenn der Synch-Impuls gegeben wird. In den meisten Fällen sammeln die Kamera und der Neigungsmesser Daten mit einer geringeren Rate als die des Synch-Impulses, können jedoch Daten bei einem Vielfachen der Synch-Impulsdauer zwischenspeichern.
  • Die Azimut-Codiererelektronik 1540 und Zenit-Codiererelektronik 1550 sind voneinander und von der Nutzlastelektronik 1530 durch die in 8 und 9 gezeigten Gleitringe 2130, 2160 getrennt. Als solche sind die Busleitungen 1610, 1611 und 1612 in 10 als getrennte Busleitungen dargestellt.
  • Das Verarbeitungssystem 1510 der Lasertracker-Elektronik kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren, oder es kann Rechner-, Anzeige und BS-Funktionen innerhalb des Lasertrackers bereitstellen. Der Lasertracker kommuniziert mit dem Computer 1590 über die Kommunikationsverbindung 1606, die beispielsweise eine Ethernetleitung oder eine drahtlose Verbindung sein kann. Der Lasertracker kann auch mit anderen Bauelementen 1600, die durch die Wolke dargestellt sind, über die Kommunikationsverbindung 1602 kommunizieren, die eine oder mehrere elektrische Kabel wie Ethernetkabel und eine oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen kann. Ein Beispiel für ein Bauelement 1600 ist ein anderes dreidimensionales Prüfgerät, beispielsweise ein Gelenkarm-KMG, das vom Lasertracker verstellt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Bauelementen 1600 kann verdrahtet (beispielsweise Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem fernbedienten Computer 1590 sitzt, kann über eine Ethernetleitung oder drahtlose Leitung, die wiederum über eine Ethernetleitung oder drahtlose Leitung an den Hauptprozessor 1520 angeschlossen ist, eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Wolke 1600 dargestellt ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines fernbedienten Lasertrackers steuern.
  • 11 ist ein Blockschaltbild eines 6-DOF-Lasertrackers 1100, der in Kombination mit einem 6-DOF-Ziel 2000 verwendet wird. In einer Ausführungsform umfasst der 6-DOF-Lasertracker 1100 die Bauelemente von 3 und umfasst zusätzlich optionale 6-DOF-Bauelemente 1101 für den Tracker, die das Messen der drei Orientierungsfreiheitsgrade des 6-DOF-Ziels 2000 ermöglichen. In einer Ausführungsform umfasst das 6-DOF-Ziel 2000 optionale 6-DOF-Bauelemente 91 zusätzlich zu einem Retroreflektor 90. Die Bauelemente 91 können zum Ermitteln von drei Orientierungsfreiheitsgraden des 6-DOF-Ziels 2000 beitragen und örtliche Prüffähigkeiten bereitstellen, beispielsweise taktile Messfähigkeit, Triangulationsscannerfähigkeit (Zeilenscanner oder Bereichsscanner), Anzeigeeinrichtungsfähigkeit, Projektorfähigkeit oder Sensorfähigkeit.
  • 12 zeigt eine Ausführungsform einer 6-DOF-Tastsonde 2000, die zusammen mit dem Lasertracker 1100 verwendet wird. Die 6-DOF-Sonde 2000A umfasst einen Körper 2014, eine oder mehrere 6-DOF-Anordnungen 2002, eine Sondenverlängerungsanordnung 2050, ein optionales elektrisches Kabel 2046, eine optionale Batterie 2044, eine Schnittstellenkomponente 2012, ein Identifikatorelement 2049, Betätigungsknöpfe 2016, eine Antenne 2048 und eine elektronische Leiterplatte 2042. Jede 6-DOF-Anordnung 2002 umfasst einen Retroreflektor, der ein Würfelecken-Retroreflektor mit einem hohlen (Luft-)Kern oder einem Glaskern sein kann. Nachstehend werden hierin mehrere Ausführungsformen von 6-DOF-Anordnungen 2002 beschrieben. Der Retroreflektor kann ein Würfelecken-Retroreflektor, ein Katzenaugen-Retroreflektor oder ein beliebiger anderer Retroreflektortyp sein. Die Sondenverlängerungsanordnung 2050 umfasst eine Sondenverlängerung 2052 und eine Sondenspitze 2054. Die Sondenspitze 2054 wird mit dem geprüften Objekt in Kontakt gebracht. Obwohl die Sondenspitze 2054 vom Retroreflektor getrennt ist, kann ein 6-DOF-Lasertracker die dreidimensionalen Koordinaten der Sondenspitze 2054 an einem Punkt ermitteln, der vor der Sichtlinie des Lichtstrahl 784 vom Lasertracker verborgen ist. Daher wird eine 6-DOF-Tastsonde manchmal als Sonde für verdeckte Punkte („hidden-point probe“) bezeichnet.
  • In einer Ausführungsform kann elektrischer Strom kann über ein optionales elektrisches Kabel 2046 oder durch eine optionale Batterie 2044 zugeführt werden. Der elektrische Strom wird an eine elektronische Leiterplatte 2042 und die Antenne 2048, die mit dem Lasertracker oder einem externen Computer kommunizieren kann, sowie an Betätigungsknöpfe 2016 geliefert. Die Betätigungsknöpfe 2016 bieten dem Benutzer eine zweckdienliche Art der Kommunikation mit dem Lasertracker oder dem externen Computer. Es können auch eine LED, ein Materialtemperatursensor (nicht gezeigt), ein Lufttemperatursensor (nicht gezeigt), ein Trägheitssensor (nicht gezeigt) oder ein Neigungsmesser (nicht gezeigt) mit Strom versorgt werden. Die Schnittstellenkomponente 2012 kann beispielsweise eine Lichtquelle (wie eine LED), ein kleiner Retroreflektor, ein Bereich von reflektierendem Material oder eine Bezugsmarkierung sein. Die optionale Schnittstellenkomponente 2012 wird verwendet, um eine grobe Orientierung der 6-DOF-Anordnungen einzurichten. Anhand des Identifikatorelements 2049 wird der Lasertracker mit Parametern oder mit einer Seriennummer für die 6-DOF-Sonde versorgt. Das Identifikatorelement kann beispielsweise ein Strichcode, Radiofrequenz-Identifikationsmarkierung (RFID) oder ein Nahfeld-Kommunikationsmarkierung (NFC) sein.
  • In einer Ausführungsform kann der 6-DOF-Lasertracker 1100 den Lichtstrahl 784 an einen beliebigen aus mehreren Retroreflektoren innerhalb einer entsprechenden Mehrzahl von 6-DOF-Anordnungen 2002 bereitstellen. Durch Bereitstellen des Lichtstrahls 784 an beliebige aus mehreren Retroreflektoren kann die 6-DOF-Sonde 2000A in viele verschiedene Richtungen orientiert werden, während mit der Sondenverlängerungsanordnung 2050 sondiert wird.
  • Die sechs Freiheitsgrade, die vom Lasertracker 1100 gemessen werden, können als drei Orientierungsfreiheitsgrade und drei Translationsfreiheitsgrade umfassend erachtet werden. Die drei Translationsfreiheitsgrade können eine radiale Entfernungsmessung, eine erste Winkelmessung und eine zweite Winkelmessung umfassen. Die radiale Entfernungsmessung kann mit einem IFM oder einem ADM vorgenommen werden. Die erste Winkelmessung kann mit einer Azimut-Winkelmessvorrichtung wie einem Azimut-Winkelcodierer erfolgen, und die zweite Winkelmessung kann mit einer Zenit-Winkelmessvorrichtung erfolgen. In einer anderen Ausführungsform kann die erste Winkelmessvorrichtung die Zenit-Winkelmessvorrichtung sein, und die zweite Winkelmessvorrichtung kann die Azimut-Winkelmessvorrichtung sein. Die radiale Entfernung, die erste Winkelmessung und die zweite Winkelmessung bilden drei Koordinaten in einem Kugelkoordinatensystem, die in drei Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem oder einem anderen Koordinatensystem übertragen werden können.
  • Die drei Orientierungsfreiheitsgrade können anhand mehrerer verschiedener Verfahren ermittelt werden, wie sie hierin nachstehend beschrieben werden. Die drei Translationsfreiheitsgrade und die drei Orientierungsfreiheitsgrade bestimmen die Position and Orientierung der 6-DOF-Anordnung 2002 im Raum vollständig. Es können Systeme vorliegen, in denen die sechs Freiheitsgrade nicht unabhängig sind, der Begriff „sechs Freiheitsgrade“ wie er hierin verwendetet wird bedeutet jedoch, dass die sechs Freiheitsgrade ausreichen, um die Position und Orientierung der 6-DOF-Anordnungen im Raum 2002 vollständig zu definieren. Ähnlich reichen diese Informationen aus, um die Position und Orientierung der 6-DOF-Sonden 2000A, 2000B, 2000C, 2000D, 2000E, 2000 F und 2000G in 12, 13, 14, 15, 16, 17 bzw. 18 zu ermitteln. Der Begriff „Translationssatz“ bezeichnet drei Translationsfreiheitsgrade eines 6-DOF-Zusatzteils (wie einer 6-DOF-Sonde) im Bezugssystem des Trackers (oder Vorrichtungsbezugssystem). Der Begriff „Orientierungssatz“ bezeichnet drei Orientierungsfreiheitsgrade eines 6-DOF-Zusatzteils im Tracker-Bezugssystem. Der Begriff „Oberflächensatz“ bezeichnet dreidimensionale Koordinaten eines Punkts auf der Objektoberfläche in einem Vorrichtungsbezugssystem.
  • 13 zeigt eine Ausführungsform eines 6-DOF Triangulationsscanner 2000B, der im Zusammenhang mit dem 6-DOF-Lasertracker 1100 verwendet wird. Der 6-DOF-Scanner 2000B kann auch als „Zielscanner“ bezeichnet werden. Der 6-DOF-Scanner 2000B umfasst einen Körper 2514, ein oder mehrere 6-DOF-Anordnungen 2002, eine Scanner-Kamera 2530, einen Scanner-Lichtprojektor 2520, ein optionales elektrisches Kabel 2546, eine optionale Batterie 2444, eine Schnittstellenkomponente 2512, ein Identifikatorelement 2549, Betätigungsknöpfe 2516, eine Antenne 2548 und eine elektronische Leiterplatte 2542. Jede 6-DOF-Anordnung 2002 umfasst einen Retroreflektor. Die 6-DOF-Anordnung 2002, das optionale elektrische Kabel 2546, die optionale Batterie 2544, die Schnittstellenkomponente 2512, das Identifikatorelement 2549, die Betätigungsknöpfe 2516, die Antenne 2548 und die elektronische Leiterplatte 2542 in 13 entsprechen den 6-DOF-Anordnungen 2002, dem optionalen elektrischen Kabel 2046, der optionalen Batterie 2044, der Schnittstellenkomponente 2012, dem Identifikatorelement 2049, den Betätigungsknöpfen 2016, der Antenne 2048 bzw. der elektronischen Leiterplatte 2042, in 12. Die Beschreibungen für diese entsprechenden Bauelemente sind die gleichen, wie sie mit Bezug auf 12 erörtert wurden. Zusammen werden der Scanner-Projektor 2520 und die Scanner-Kamera 2530 dazu verwendet, die dreidimensionalen Koordinaten eines Werkstücks 2528 zu beschreiben. Die Kamera 2530 umfasst ein Kameralinsensystem 2532 und eine lichtempfindliche Anordnung 2534. Die lichtempfindliche Anordnung 2534 kann beispielsweise eine CCD- oder CMOS-Anordnung sein. Der Scanner-Projektor 2520 umfasst ein Projektorlinsensystem 2523 und ein Quellen-Lichtmuster 2524. Das Quellen-Lichtmuster kann einen Lichtpunkt, eine Lichtlinie, oder ein strukturiertes (zweidimensionales) Lichtmuster ausgeben. Wenn die Scanner-Lichtquelle einen Lichtpunkt ausgibt, kann der Punkt beispielsweise mit einem beweglichen Spiegel gescannt werden, um eine Linie oder eine Linienanordnung zu erzeugen. Wenn die Scanner-Lichtquelle eine Lichtlinie ausgibt, kann die Linie beispielsweise mit einem beweglichen Spiegel gescannt werden, um eine Linienanordnung zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann das Quellen-Lichtmuster eine LED, ein Laser oder eine andere Lichtquelle, die an einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD) wie einem digitalen Lichtprojektor (DLP) von Texas Instruments reflektiert wird, eine Flüssigkristallvorrichtung (LCD) oder eine LCOS-Vorrichtung (Liquid Crystal an Silicon) sein, oder es kann eine ähnliche Vorrichtung sein, die nicht im Reflexionsmodus, sondern vielmehr im Übertragungsmodus verwendet wird. Das Quellen-Lichtmuster kann auch ein Lichtbildmuster sein, zum Beispiel ein Chrom-auf-Glas-Lichtbild, das ein einzelnes Muster oder mehrere Muster aufweisen kann, wobei die Lichtbilder nach Bedarf in die und aus der Position heraus bewegt werden.
  • Der 6-DOF-Scanner 2000B kann mit der Hand gehalten werden oder beispielsweise an einem Dreifuß, einem Gerätestativ, einem motorgetriebenen Schlitten oder einem Roboter-Endwirkglied befestigt sein. Die dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks 2528 werden mit der Scanner-Kamera 2530 unter Anwendung der Triangulierungsgrundsätze gemessen. Die Messungen der Triangulierung können abhängig vom Lichtmuster, das von der Scanner-Lichtquelle 2520 ausgegeben wird, und vom Typ der lichtempfindlichen Anordnung 2534 auf mehrere Weisen ausgeführt werden. Wenn beispielsweise das Lichtmuster, das von der Scanner-Lichtquelle 2520 ausgegeben wird, eine Lichtlinie oder ein Lichtpunkt ist, der in Form einer Linie gescannt wurde, und wenn die lichtempfindliche Anordnung 2534 eine zweidimensionale Anordnung ist, dann entspricht eine Dimension der zweidimensionalen Anordnung 2534 einer Richtung eines Punktes 2526 auf der Oberfläche des Werkstücks 2528. Die andere Dimension der zweidimensionalen Anordnung 2534 entspricht der Entfernung des Punkts 2526 von der Scanner-Lichtquelle 2520. Somit sind die dreidimensionalen Koordinaten von jedem Punkt 2526 entlang der von der Scanner-Lichtquelle 2520 ausgegebenen Lichtlinie relativ zum örtlichen Bezugssystem des 6-DOF-Scanners 2000B bekannt. Von den sechs Freiheitsgraden, die vom Tracker 2000 in Zusammenarbeit mit dem 6-DOF-Ziel 2000B ermittelt werden, können die dreidimensionalen Koordinaten der gescannten Lichtlinie im Tracker-Bezugssystem gefunden werden, das wiederum in das Bezugssystem des Werkstücks 2528 umgewandelt werden kann, beispielsweise durch das Messen von drei Punkten auf dem Werkstück durch den Lasertracker.
  • Wenn der 6-DOF-Scanner 2000B mit der Hand gehalten wird, kann eine Linie des von der Scanner-Lichtquelle 2520 abgegebenen Laserlichts dergestalt bewegt werden, dass die Oberfläche des Werkstückes 2528 „bemalt“ wird, wodurch die dreidimensionalen Koordinaten für die gesamte Oberfläche erhalten werden. Es ist auch möglich, die Oberfläche eines Werkstückes unter Verwendung einer Scanner-Lichtquelle 2520 zu „bemalen“, die ein strukturiertes Lichtmuster aussendet. In einer anderen Ausführungsform können genauere Messungen vorgenommen werden, indem der 6-DOF-Scanner an einem Dreifuß oder dem Gerätestativ befestigt wird, wenn ein Scanner 2500 verwendet wird, der ein strukturiertes Lichtmuster abgibt. Das von der Scanner-Lichtquelle 2520 abgegebene strukturierte Lichtmuster könnte beispielsweise ein Muster von Streifen aufweisen, wobei jeder Streifen eine Bestrahlungsstärke aufweist, die sich über die Oberfläche des Werkstücks 2528 sinusförmig ändert. In einer Ausführungsform sind die Sinuskurven um drei oder mehr Phasenwerte verschoben. Der von jedem Pixel der Kamera 2530 aufgezeichnete Amplitudenwert für jeden der drei oder mehr Phasenwerte wird dazu benutzt, die Position von jedem Pixel auf der Sinuskurve bereitzustellen. Diese Informationen werden als Hilfe beim Ermitteln der dreidimensionalen Koordinaten von jedem Punkt 2526 verwendet. In einer anderen Ausführungsform kann das strukturierte Licht in Form eines codierten Musters vorliegen, das ausgewertet werden kann, um die dreidimensionalen Koordinaten aufgrund eines einzelnen anstatt mehrerer Einzelbilder zu ermitteln, die von der Kamera 2530 aufgenommen werden. Das Verwenden eines codierten Musters kann relativ genaue Messungen ermöglichen, während der 6-DOF-Scanner 2000B von Hand mit einer angemessenen Geschwindigkeit bewegt wird.
  • Das Projizieren eines strukturierten Lichtmusters weist gegenüber einer Lichtlinie einige Vorteile auf. In einer Lichtlinie, die von einem in der Hand gehaltenen 6-DOF-Scanner 2000B projiziert wird, kann die Dichte der Punkte entlang der Linie hoch, zwischen den Linien jedoch viel geringer sein. Bei einem strukturierten Lichtmuster ist der Abstand der Punkte gewöhnlich in jeder der beiden orthogonalen Richtungen ungefähr gleich. Außerdem können in einigen Betriebsmodi die dreidimensionalen Punkte, die mit einem strukturierten Lichtmuster berechnet wurden, genauer sein als mit anderen Verfahren. Beispielsweise kann durch das ortsfeste Befestigen des 6-DOF-Scanners 2000B, beispielsweise durch das Anbringen an einem stationären Stativ oder einer Halterung, eine Folge von strukturierten Lichtmustern abgegeben werden, wodurch eine genauere Berechnung möglich ist, als dies mit anderen Verfahren möglich wäre, bei denen ein einzelnes Muster erfasst wurde (d. h. ein Einzelbildverfahren). Ein Beispiel für eine Folge von strukturierten Lichtmustern ist eines, bei dem ein Muster mit einer ersten Raumfrequenz auf das Objekt projiziert wird. In einer Ausführungsform ist das projizierte Muster ein Muster von Streifen, die sich in ihrer optischen Leistung sinusförmig ändern. In einer Ausführungsform ist die Phase des sich sinusförmig verändernden Musters verschoben, wodurch bewirkt wird, dass sich die Streifen zur Seite verschieben. Beispielsweise kann das Muster so ausgeführt werden, dass es mit drei Phasenwinkeln projiziert wird, von denen jeder bezüglich des vorausgehenden Musters um 120 Grad verschoben ist. Diese Folge von Projektionen liefert genügend Informationen, um eine relativ genaue Ermittlung der Phase von jedem Punkt des Musters unabhängig vom Hintergrundlicht zu ermöglichen. Dies kann auf einer Punkt-für-Punkt-Basis ohne Berücksichtigung benachbarter Punkte auf der Objektoberfläche erfolgen.
  • Obwohl das Verfahren oben eine Phase für jeden Punkt ermittelt, wobei Phasen, die von 0 bis 360 Grad zwischen zwei benachbarten Linien verlaufen, kann dennoch eine Frage bezüglich der Identifizierung der Linien bestehen. Eine Möglichkeit zur Identifizierung der Linien ist das Wiederholen der Phasenfolge, wie es oben beschrieben wurde, jedoch unter Verwendung eines sinusförmigen Musters mit einer anderen Raumfrequenz (d. h. eines anderen Streifenabstands). In manchen Fällen muss dieselbe Vorgehensweise für drei oder vier verschiedene Streifenabstände wiederholt werden. Das Verfahren zum Beseitigen von Mehrdeutigkeiten anhand dieses Verfahrens ist im Fach bekannt und wird hier nicht weiter erörtert.
  • Um anhand eines Verfahrens der sequentiellen Projektion, wie beispielsweise des oben beschriebenen Verfahrens der sinusförmigen Phasenverschiebung, einen höheren Genauigkeitsgrad zu erzielen, kann es von Vorteil sein, die Bewegung des 6-DOF-Scanners auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Obwohl die Position und die Orientierung des 6-DOF-Scanners aus den mit dem Lasertracker vorgenommenen 6-DOF-Messungen bekannt sind, und obwohl Korrekturen für Bewegungen eines in der Hand gehaltenen 6-DOF-Scanners vorgenommen werden können, wird das resultierende Rauschen etwas höher liegen, als in dem Fall, in dem der Scanner durch Anbringen an einer stationären Halterung, einem Stativ oder einer Befestigung stationär gehalten wird.
  • Im Allgemeinen verwenden 3D-Koordinaten, die durch die Verwendung von Triangulation erhalten werden, Wissen über die Entfernung zwischen Perspektivitätszentren einer Projektorlinse und einer Kameralinse oder einer Entfernung zwischen zwei Kameralinsen. Die Entfernung zwischen diesen Perspektivitätszentren wird als Grundentfernung bezeichnet. Außerdem wird das Wissen über die relative Orientierung des Projektors und der Kamera oder der ersten Kamera und der zweiten Kamera dazu verwendet, die eine Triangulationsberechnung abzuschließen. Gewöhnlich werden etwa vom Hersteller oder etwa von einem Benutzer einige Messungen durchgeführt, um die Grundentfernung und relativen Orientierungen zu ermitteln.
  • Für gewisse Objekttypen kann eine Beschränkung der Genauigkeit von Scannern vorliegen. Beispielsweise kann es schwierig sein, einige Merkmale, wie Löcher oder Aussparungen effektiv abzutasten. Es kann schwierig sein, die Kanten von Objekten oder Löcher so glatt zu erhalten, wie es wünschenswert wäre. Einige Arten von Materialien werfen eventuell nicht so viel Licht zurück wie gewünscht, oder weisen eine große Eindringtiefe für das Licht auf. In anderen Fällen kann Licht an mehr als einer Oberfläche reflektiert werden (Mehrwegestörung), bevor es zu dem Scanner zurückkehrt, so dass das beobachtete Licht „unbrauchbar“ wird, was zu Messfehlern führt. In allen diesen Fällen kann es vorteilhaft sein, die schwierigen Bereiche anhand eines in 14 gezeigten 6-DOF-Scanners 2000C zu messen, der eine Tastsonde umfasst, die die Sondenspitze 2554 umfasst, die Teil der Sondenverlängerungsanordnung 2550 ist. Nachdem ermittelt wurde, dass das Messen mit einer Tastsonde vorteilhaft wäre, kann der Projektor 2520 einen Laserstrahl aussenden, um den zu messenden Bereich zu beleuchten. In 14 beleuchtet ein projizierter Lichtstrahl 2522 einen Punkt 2527 auf einem Objekt 2528, wodurch angezeigt wird, dass dieser Punkt von der Sondenverlängerungsanordnung 2550 gemessen werden soll. In manchen Fällen kann die Tastsonde außerhalb des Projektionsfelds des Projektors 2550 bewegt werden, um eine Reduzierung des Messbereichs des Scanners zu verhindern. In diesem Fall kann der Strahl 2522 vom Projektor einen Bereich beleuchten, den der Bediener einsehen kann. Der Bediener kann dann die Tastsonde 2550 in Position bringen, um den vorgeschriebenen Bereich zu messen. In anderen Fällen kann der zu messende Bereich außerhalb des Projektionsbereichs des Scanners liegen. In diesem Fall kann der Scanner den Strahl 2522 innerhalb seiner Reichweite in die zu messende Richtung richten, oder er kann den Strahl 2522 in einem Muster bewegen, das die Richtung anzeigt, in die der Strahl positioniert werden soll. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein CAD-Modell oder erfasste Daten auf einem Anzeigemonitor darzustellen und dann auf der Anzeige die Bereiche des CAD-Modells oder der erfassten Daten hervorzuheben, die erneut zu messen sind. Es können auch hervorgehobene Bereiche unter Verwendung anderer Werkzeuge gemessen werden, beispielsweise unter Verwendung eines sphärisch montierten Retroreflektors oder einer 6-DOF-Sonde unter Steuerung eines Lasertrackers.
  • 15 zeigt eine Ausführungsform einer 6-DOF-Anzeigeeinrichtung 2000D, die im Zusammenhang mit dem 6-DOF-Lasertracker 1100 verwendet wird. Die 6-DOF-Anzeigeeinrichtung 2000D umfasst einen Körper 2814, ein oder mehrere 6-DOF-Anordnungen 2002, eine Halterung 2890, ein optionales elektrisches Kabel 2836, eine optionale Batterie 2834, eine Schnittstellenkomponente 2812, ein Identifikatorelement 2839, Betätigungsknöpfe 2816, eine Antenne 2838 und eine elektronische Leiterplatte 2832. Jede der einen oder mehreren 6-DOF-Anordnungen 2002 umfasst einen Retroreflektor. Die Befestigung 2890 kann an einem beweglichen Element angebracht sein, wodurch der Lasertracker in die Lage versetzt wird, die sechs Grade des beweglichen Bauelements zu messen. Das bewegliche Bauelement kann ein robotisches Endwirkglied, eine Werkzeugmaschine oder ein Werkzeug oder eine Baugruppe sein (beispielsweise ein Montagebandschlitten).
  • 16 zeigt eine Ausführungsform eines 6-DOF-Projektors 2000E, der im Zusammenhang mit einem 6-DOF-Lasertracker 1100 verwendet wird. Der 6-DOF-Projektor 2000E umfasst einen Körper 2614, ein oder mehrere 6-DOF-Anordnungen 2002, einen Projektor 2620, ein optionales elektrisches Kabel 2636, eine optionale Batterie 2634, eine Schnittstellenkomponente 2612, ein Identifikatorelement 2639, Betätigungsknöpfe 2616, eine Antenne 2638 und eine elektronische Leiterplatte 2632. Jede der 6-DOF-Anordnungen 2002 umfasst einen Retroreflektor. Die Beschreibungen für diese Elemente sind die gleichen, wie sie für entsprechende Bauelemente hierin vorstehend beschrieben wurden, und werden nicht wiederholt. Der 6-DOF-Projektor 2000E kann eine Lichtquelle, eine Lichtquelle und einen Lenkspiegel, einen MEMS-Mikrospiegel, einen Flüssigkristallprojektor oder eine beliebige andere Vorrichtung umfassen, die ein Lichtmuster auf ein Werkstück 2600 projizieren kann. Von den sechs Freiheitsgraden können die dreidimensionalen Koordinaten des projizierten Lichtmusters im Tracker-Bezugssystem gefunden werden, das wiederum in das Bezugssystem des Werkstücks umgewandelt werden kann, beispielsweise durch das Messen von drei Punkten auf dem Werkstück durch den Lasertracker.
  • Da das projizierte Lichtmuster 2640 auf der Oberfläche des Werkstücks 2660 im Bezugssystem des Werkstücks bekannt ist, können verschiedene nützliche Fähigkeiten eingeholt werden. Als ein erstes Beispiel kann das projizierte Muster anzeigen, wo ein Bediener Löcher bohren oder andere Arbeiten ausführen soll, um das Anbringen von Komponenten an dem Werkstück 2660 zu ermöglichen. Beispielsweise können Messgeräte am Cockpit eines Luftfahrzeugs angebracht werden. Ein solches Verfahren der Montage vor Ort kann in vielen Fällen kostenwirksam sein. Als ein zweites Beispiel kann das projizierte Muster anzeigen, wo Material zu einem Werkzeug hinzugefügt oder von diesem entfernt werden soll, indem Konturenmuster, farbcodierte Toleranzmuster oder andere grafische Mittel verwendet werden. Ein Bediener kann ein Werkzeug verwenden, um unerwünschtes Material abzutragen oder Füllmaterial benutzen, um einen Bereich auszufüllen. Da es möglich ist, dass der Lasertracker oder ein am Lasertracker angebrachter externer Computer die Details des CAD-Modells kennt, kann der 6-DOF-Projektor ein relativ schnelles und einfaches Verfahren zum Abändern eines Werkzeugs bereitstellen, um die CAD-Toleranzen einzuhalten. Zu weiteren Montagearbeiten können das Anreißen, das Anbringen von Klebstoff, das Aufbringen einer Beschichtung, das Anbringen einer Markierung und das Reinigen gehören. Als ein drittes Beispiel kann das projizierte Muster verborgene Komponenten anzeigen. Beispielsweise können Rohrleitungen oder elektrische Kabel hinter einer Oberfläche verlaufen und dem Blick verborgen sein. Die Position dieser Komponenten kann auf das Werkstück projiziert werden, wodurch dem Bediener ermöglicht wird, diese bei der Montage oder bei Reparaturarbeiten auszulassen.
  • Um Licht vom Projektor-Scanner in das Bezugssystem des Werkstücks zu projizieren, kann das Bezugssystem des Werkstücks im Bezugssystem des Lasertrackers ermittelt werden. Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem drei Punkte auf der Oberfläche des Werkstücks mit dem Lasertracker gemessen werden. Dann kann anhand eines CAD-Modells oder früher gemessener Daten eine Beziehung zwischen einem Werkstück und einem Lasertracker aufgestellt werden.
  • Wenn ein Bediener Montagearbeiten mit Unterstützung eines 6-DOF-Projektors ausführt, zeichnet sich ein nützliches Verfahren dadurch aus, dass der 6-DOF-Projektor auf ein stationäres Stativ oder eine Halterung montiert wird, wodurch es dem Bediener ermöglicht wird, die Montagearbeiten mit zwei freien Händen auszuführen. Ein nützlicher Modus des Lasertrackers und des 6-DOF-Projektors besteht darin, dass der 6-DOF-Projektor weiterhin ein Lichtmuster projiziert, selbst nachdem der Lasertracker das Verfolgen des Retroreflektors auf dem 6-DOF-Scanner abgeschlossen hat. Auf diese Weise kann der Bediener den Lasertracker benutzen, um beispielsweise mit einem SMR, einer 6-DOF-Sonde oder einem 6-DOF-Scanner Messungen durchzuführen, während der Projektor weiterhin das Lichtmuster anzeigt, das die auszuführenden Montagearbeiten kennzeichnet. Auf ähnliche Weise kann der Tracker dazu benutzt werden, zwei oder mehr Scanner-Projektoren einzurichten, die weiterhin Muster projizieren, nachdem der Tracker das Verfolgen des Retroreflektors auf jedem Scanner-Projektor abgeschlossen hat. Daher kann eine hohe Detailtreue auf relativ große Bereiche projiziert werden, was ermöglicht, dass mehrere Bediener gleichzeitig unterstützt werden. In einem Modus kann dem 6-DOF-Scanner auch in die Lage versetzt werden, ein beliebiges aus mehreren alternativen Mustern zu projizieren, wodurch dem Bediener ermöglicht wird, Montagearbeiten in einer vorgeschriebenen Reihenfolge auszuführen.
  • Neben der Unterstützung bei Montagearbeiten kann der Projektor-Scanner auch beim Ausführen von Inspektionsverfahren behilflich sein. In manchen Fällen kann ein Inspektionsverfahren fordern, dass ein Bediener eine Folge von Messungen in einer bestimmten Reihenfolge durchführt. Der 6-DOF-Scanner kann auf die Positionen zeigen, an denen der Bediener in jedem Schritt eine Messung ausführen soll. Der 6-DOF-Scanner kann einen Bereich abgrenzen, über dem eine Messung durchgeführt werden soll. Beispielsweise kann der 6-DOF-Scanner durch Zeichnen eines Kastens kennzeichnen, dass der Bediener eine Abtastmessung über dem Bereich innerhalb des Kastens ausführen soll, etwa um die Ebenheit des Bereichs zu ermitteln oder etwa als Teil einer längeren Messfolge. Da der Projektor die Schrittfolge mit dem 6-DOF-Retroreflektor, der vom Lasertracker verfolgt wird, weiterführen kann, kann der Bediener eine Inspektionsfolge anhand des Trackers oder anderer Werkzeuge fortsetzen. Führt der Tracker die Messungen aus, ist ihm bekannt, wann Messungen erfolgreich abgeschlossen wurden, und er kann dann zum nächsten Schritt übergehen. Der Projektor-Scanner kann dem Bediener auch Informationen in Form geschriebener Meldungen oder akustischer Meldungen bereitstellen. Der Bediener kann dem Lasertracker Kommandos mittels Gesten signalisieren, die von den Tracker-Kameras oder anderen Mitteln aufgenommen werden können.
  • Der 6-DOF-Projektor kann Lichtmuster verwenden, die etwa dynamisch angewendet werden, um Informationen zu übermitteln. Beispielsweise kann der 6-DOF-Projektor eine Vorwärts-/Rückwärtsbewegung verwenden, um eine Richtung anzuzeigen, in die ein SMR bewegt werden soll. Der 6-DOF-Projektor kann andere Muster zeichnen, um Meldungen auszugeben, die von einem Bediener gemäß einem Satz von Regeln ausgelegt werden, wobei die Regeln dem Bediener in schriftlicher oder angezeigter Form bereitgestellt werden können.
  • Der 6-DOF-Projektor kann auch zum Übermitteln von Informationen über die Beschaffenheit eines geprüften Objekts an den Bediener benutzt werden. Wenn dimensionale Messungen durchgeführt wurden, kann der 6-DOF-Projektor beispielsweise ein farbcodiertes Muster projizieren, das Fehlerbereiche anzeigt, die mit den Oberflächenkoordinaten des geprüften Objekts in Verbindung stehen. In einer Ausführungsform kann der Projektor Bereiche oder Werte anzeigen, die außerhalb der Toleranzgrenzen liegen. Beispielsweise kann er einen Bereich hervorheben, für den das Oberflächenprofil außerhalb der Toleranzgrenzen liegt. In einer anderen Ausführungsform kann der Projektor eine Linie ziehen, um eine Strecke zu kennzeichnen, die zwischen zwei Punkten gemessen wurde, und dann eine Meldung auf den Teil schreiben, die den Fehlerbetrag in Verbindung mit dieser Entfernung kennzeichnet.
  • Der 6-DOF-Projektor kann auch Informationen über gemessene Merkmale außer Dimensionsmerkmalen anzeigen, wobei die Merkmale an Koordinatenposition auf dem Objekt gebunden sind. Solche Merkmale eines geprüften Objekts können Temperaturwerte, Ultraschallwerte, Mikrowellenwerte, Millimeterwellenwerte, Röntgenstrahlenwerte, radiologische Werte, chemische Erfassungswerte und viele andere Wertetypen umfassen. Solche Objektmerkmale können, wie hierin nachstehend erörtert, anhand eines 6-DOF-Scanners gemessen und mit dreidimensionalen Koordinaten auf einem Objekt abgeglichen werden. In einer Ausführungsform können Merkmale eines Objekts auf dem Objekt gemessen werden, indem eine getrennte Messvorrichtung verwendet wird, wobei die Daten auf eine Weise mit dimensionalen Koordinaten der Objektoberfläche mit einem Objekt-Bezugssystem korrelieren. Dann können durch Abgleichen des Bezugssystems des Objekts an das Bezugssystem des Lasertrackers oder des 6-DOF-Projektors Information über die Objektmerkmale beispielsweise in grafischer Form auf dem Objekt angezeigt werden. Zum Beispiel können Temperaturwerte einer Objektoberfläche anhand einer thermischen Anordnung gemessen werden. Jede der Temperaturen kann mittels eines Farbcodes dargestellt werden, der auf die Oberfläche des Objekts projiziert wird.
  • Ein 6-DOF-Projektor kann auch modellierte Daten auf eine Objektoberfläche projizieren. Beispielsweise könnte er die Ergebnisse einer thermischen Finite-Element-Analyse (FEA) auf die Objektoberfläche projizieren und dann den Bediener wählen lassen, welche der beiden Anzeigen - FEA oder gemessene thermische Daten - zu einer beliebigen Zeit angezeigt werden. Da beide Datensätze an den tatsächlichen Positionen, an denen das Merkmal gefunden wird, auf das Objekt projiziert werden, zum Beispiel an den Positionen, an denen bestimmte Temperaturen gemessen wurden oder an denen deren Vorliegen vorausgesagt wurde, wird dem Benutzer ein klares und unmittelbares Verständnis der physikalischen Auswirkungen geliefert, die das Objekt beeinflussen. Der 6-DOF-Projektor kann auch an einem beweglichen Träger wie einem Roboter oder einer Werkzeugmaschine angebracht werden.
  • 17 zeigt eine Ausführungsform eines 6-DOF-Sensors 2000F, der im Zusammenhang mit einem 6-DOF-Lasertracker 1100 verwendet wird. In einer Ausführungsform umfasst der 6-DOF-Sensor 2000F einen Körper 4914, ein oder mehrere 6-DOF-Anordnungen 2002, einen Sensor 4920, eine optionale Quelle 4950, ein optionales elektrisches Kabel 4936, eine optionale Batterie 4934, eine Schnittstellenkomponente 4912, ein Identifikatorelement 4939, Betätigungsknöpfe 4916, eine Antenne 4938 und eine elektronische Leiterplatte 4932. Die Beschreibungen für diese Elemente sind die gleichen, wie sie für entsprechende Bauelemente hierin vorstehend beschrieben wurden, und werden nicht wiederholt. Mehrere 6-DOF-Anordnungen 2002, die jeweils einen Retroreflektor umfassen, können verwendet werden, um zu ermöglichen, dass der Lasertracker 1100 den 6-DOF-Sensor von verschiedenen Richtungen verfolgt, wodurch eine größere Flexibilität für die Richtungen gegeben wird, in denen ein Objekt von 6-DOF-Sensor 2000F wahrgenommen werden kann.
  • Der Sensor 2000F kann einer von mehreren Typen sein. Beispielsweise kann er auf die optische Energie im infraroten Bereich des Spektrums reagieren, also auf Licht mit Wellenlängen von 0,7 bis 20 Mikrometer, wodurch es möglich wird, die Temperatur einer Objektoberfläche an einem Punkt 4924 zu ermitteln. Der Sensor 2000F ist so konfiguriert, dass er Infrarotenergie aufnimmt, die vom Objekt 4960 über ein Sichtfeld 4940 abgegeben wird, das im Allgemeinen um eine Achse 4922 zentriert ist. Die dreidimensionalen Koordinaten des Punktes auf der Objektoberfläche, die der gemessenen Oberflächentemperatur entspricht, können durch Projizieren der Achse 4922 auf das Objekt 4960 und Ermitteln des Schnittpunkts 4924 ermittelt werden. Um den Schnittpunkt zu ermitteln, kann die Beziehung zwischen dem Objekt-Bezugssystem und dem Geräte-(Tracker-)Bezugssystem bekannt sein. In einer Ausführungsform kann auch die Beziehung zwischen dem Objekt-Bezugssystem und dem Bezugssystem des 6-DOF-Sensors bekannt sein, da die Beziehung zwischen dem Tracker-Bezugssystem und dem Sensor-Bezugssystem bereits bekannt ist. In einer anderen Ausführungsform kann die Beziehung zwischen dem Objekt-Bezugssystem und dem Bezugssystem des 6-DOF-Sensors bekannt sein, da die Beziehung zwischen dem Tracker-Bezugssystem und dem 6-DOF-Sensor bereits aus Messungen bekannt ist, die vom Tracker am 6-DOF-Sensor durchgeführt wurden. Eine Möglichkeit zum Ermitteln der Beziehung zwischen dem Objekt-Bezugssystem und dem Tracker-Bezugssystem ist das Messen der dreidimensionalen Koordinaten von drei Punkten auf der Objektoberfläche. Indem Informationen über das Objekt bezüglich der drei gemessenen Punkte vorhanden sind, werden die Punkte auf der Objektoberfläche bekannt. Informationen über das Objekt in Bezug auf die drei gemessenen Punkte können beispielsweise aus CAD-Zeichnungen oder aus früheren Messungen erhalten werden, die mit einer beliebigen Art von Koordinatenmessvorrichtung vorgenommen wurden.
  • Neben dem Messen abgegebener Infrarotenergie kann das elektromagnetische Spektrum über einen weiten Bereich von Wellenlängen, oder gleichbedeutend Frequenzen, gemessen (wahrgenommen) werden. Beispielsweise kann elektromagnetische Energie im optischen Bereich liegen und kann den sichtbaren Bereich, Ultraviolett-, Infrarot- und Terahertzbereich umfassen. Manche Merkmale, wie thermische Energie, die vom Objekt gemäß der Temperatur des Objekts abgegeben wird, sind den Objekteigenschaften eigen, und erfordern daher keine Beleuchtung von außen. Andere Merkmale, wie die Farbe eines Objekts, hängen von der Hintergrundbeleuchtung ab, und die wahrgenommenen Ergebnisse können sich beispielsweise je nach den Beleuchtungsmerkmalen mit dem Betrag optischer Leistung ändern, der in jeder der Wellenlängen der Beleuchtung verfügbar ist. Gemessene optische Merkmale können die von einem optischen Detektor empfangene optische Leistung umfassen, und können die Energie verschiedener Wellenlängen einbeziehen, um bei jeder Wellenlänge eine elektrische Reaktion gemäß der Ansprechempfindlichkeit des optischen Detektors zu erzeugen.
  • In manchen Ausführungsformen kann die Beleuchtung absichtlich von einer Quelle 4950 auf das Objekt angewendet werden. Wird ein Experiment durchgeführt, bei dem eine Unterscheidung der angewendeten Beleuchtung von der Hintergrundbeleuchtung wünschenswert ist, kann das angewendete Licht beispielsweise durch eine Sinuswelle oder eine Rechteckwelle moduliert werden. Dann kann ein Lock-in-Verstärker oder ein ähnliches Verfahren in Verbindung mit dem optischen Detektor im Sensor 4920 verwendet werden, um genau nur das angewendete Licht zu extrahieren.
  • Weitere Beispiele für das Wahrnehmen elektromagnetischer Strahlung durch den Sensor 4940 umfassen das Wahrnehmen von Röntgenstrahlen bei Wellenlängen, die kürzer als die sind, die in ultraviolettem Licht vorliegen, und das Wahrnehmen von Millimeterwellen, Mikrometerwellen, Hochfrequenzwellen usw. sind Beispiele für Wellenlängen, die länger als die sind, die in Terahertzwellen und anderen optischen Wellen vorliegen. Es können Röntgenstrahlen verwendet werden, um in Materialien einzudringen, um Informationen über interne Merkmale des Objekts zu erhalten, zum Beispiel das Vorliegen von Defekten oder das Vorliegen von mehr als einem Materialtyp. Die Quelle 4950 kann zum Abgeben von Röntgenstrahlen verwendet werden, um das Objekt 4960 zu beleuchten. Durch Bewegen des 6-DOF-Sensors 2000F und Beobachten des Vorliegens eines Defekts oder einer Materialgrenzfläche aus einer Vielzahl von Ansichten können die dreidimensionalen Koordinaten des Defekts oder der Materialgrenzfläche innerhalb des Materials ermittelt werden. Des Weiteren kann, wenn ein Sensor 2000F mit einem Projektor, wie dem Projektor 2720 in 16 kombiniert wird, ein Muster auf eine Objektoberfläche projiziert werden, das anzeigt, wo Reparaturarbeiten durchgeführt werden müssen, um den Defekt zu beheben.
  • In einer Ausführungsform liefert die Quelle 4950 elektromagnetische Energie im elektrischen Bereich des Spektrums - Millimeterwellen, Mikrowellen oder Hochfrequenzwellen. Die Wellen von der Quelle beleuchten das Objekt 4960, und die reflektierten oder gestreuten Wellen werden vom Sensor 4920 aufgenommen. In einer Ausführungsform werden die elektrischen Wellen dazu verwendet, hinter Wände oder andere Objekte zu dringen. Beispielsweise kann eine solche Vorrichtung dazu verwendet werden, das Vorliegen von RFID-Markierungen festzustellen. Auf diese Weise kann der 6-DOF-Sensor 2000F dazu verwendet werden, die Position von RFID-Markierungen zu ermitteln, die sich innerhalb einer Fabrik befinden. Neben den RFID-Markierungen können auch andere Objekte geortet werden. Beispielsweise kann eine Quelle von Hochfrequenzwellen oder Mikrowellen wie ein Schweißgerät, das hohe Pegel elektromagnetischer Breitbandenergie abgibt, die Computer oder andere elektrische Vorrichtungen stören, unter Verwendung eines 6-DOF-Scanners geortet werden.
  • In einer Ausführungsform liefert die Quelle 4950 Ultraschallwellen und der Sensor 4920 ist ein Ultraschallsensor. Ultraschallsensoren können gegenüber optischen Sensoren einen Vorteil haben, wenn durchsichtige Objekte, Flüssigkeitsniveaus oder stark reflektierende oder metallische Oberflächen wahrgenommen werden. Im medizinischen Zusammenhang können Ultraschallsensoren zum Orten der Position von gesehenen Merkmalen in Bezug auf den Körper eines Patienten verwendet werden. Der Sensor 4920 kann ein chemischer Sensor sein, der zum Feststellen von Spuren chemischer Bestandteile und Bereitstellen einer chemischen Signatur für die festgestellten chemischen Bestandteile konfiguriert ist. Der Sensor 4920 kann so konfiguriert sein, dass er das Vorliegen von radioaktivem Zerfall wahrnimmt, wodurch angezeigt wird, ob ein Objekt ein Risiko durch Exposition von Menschen darstellt. Der Sensor 4920 kann so konfiguriert sein, dass er eine Oberflächenstruktur misst, etwa die Rauigkeit, Welligkeit und Lage. Der Sensor kann ein Profilmesser, ein Interferometer, ein konfokales Mikroskop, ein Kapazitätsmesser oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Ein 6-DOF-Scanner kann auch zum Messen der Oberflächenstruktur verwendet werden. Andere Objektmerkmale können unter Verwendung anderer Arten von Sensoren gemessen werden, die hierin vorstehend nicht erwähnt wurden.
  • 18 zeigt eine Ausführungsform eines 6-DOF-Sensors 2000G, der dem 6-DOF-Sensor 2000F aus 17 gleicht, mit der Ausnahme, dass der Sensor 4922 des 6-DOF-Sensors 2000G eine Linse 4923 und eine lichtempfindliche Anordnung 4924 umfasst. Ein abgegebener oder reflektierter Energiestrahl 4925 von innerhalb eines Sichtfelds 4940 des 6-DOF-Sensors entsteht an einem Punkt 4926 auf der Objektoberfläche 4960, tritt durch ein Perspektivitätszentrum 4927 der Sensorlinse 4923 hindurch und erreicht einen Punkt 4928 auf der lichtempfindlichen Anordnung 4924. Eine Quelle 4950 kann einen Bereich der Objektoberfläche 4960 beleuchten, wodurch auf der lichtempfindlichen Anordnung eine Reaktion erzeugt wird. Jeder Punkt ist dreidimensionalen Koordinaten des wahrgenommenen Merkmals auf der Objektoberfläche zugeordnet, wobei jeder dreidimensionale Punkt von den drei Orientierungsfreiheitsgraden, den drei Translationsfreiheitsgraden, der Geometrie der Kamera und des Projektors innerhalb der Sensoranordnung und der Position auf der lichtempfindlichen Anordnung entsprechend dem Punkt auf der Objektoberfläche ermittelt wird. Ein Beispiel für den Sensor 4922 ist ein Wärmefeldsensor, der durch Vorsehen einer Temperatur an verschiedenen Pixeln reagiert, wobei jeder charakteristische Sensorwert einer dreidimensionalen Oberflächenkoordinate zugeordnet ist.
  • 19A zeigt einen Würfelecken-Retroreflektor in einem kartesischen 3D-Bezugssystem. Ein erster Oktant 1905 eines kartesischen 3D-Bezugssystems erstreckt sich vom Ursprung 1910 in die positiven Richtungen x, y, z. Die drei Ebenen x-y, y-z und z-x liegen senkrecht zueinander und dienen als Seiten des Würfelecken-Retroreflektors. Die Seiten, die sich vom Scheitelpunkt (Ursprung) 1910 erstrecken, weisen gleiche Längen auf und bilden ein Glaswürfeleckenprisma. Die vierte Oberfläche der Würfelecke, die nicht in Kontakt mit dem Scheitelpunkt 1910 ist, ist die Vorderfläche 1920. Ein Vektor r 1925, der sich in senkrechter Richtung vom Scheitelpunkt zur vorderen Oberfläche des Prismas erstreckt, ist bezüglich der Achsen x, y, z symmetrisch. In den meisten Fällen werden solche Prismen in eine Zylinderform 1915 geformt, indem ein Teil des Glases abgeschliffen wird, um ein zylinderförmiges Glaswürfeleckenprisma 1930 zu erzeugen.
  • 19B zeigt einen Oktant 1955, der dem Oktant 1905 von 19A direkt gegenüber liegt. Der Oktant 1955 nimmt ein Volumen in Anspruch, das sich vom Ursprung 1910 in die Richtungen -x, -y, -z erstreckt. Ein zylinderförmiges Würfeleckenprisma 1980 ist auf die gleiche Weise wie das Prisma 1930 in 19A ausgebildet und ist direkt gegenüber des Würfeleckenprismas 1930 angeordnet. Ein Vektor -r 1975, der sich in einer senkrechten Richtung vom Scheitelpunkt zur vorderen Oberfläche des Prismas 1980 erstreckt, ist bezüglich der Achsen -x, -y, -z symmetrisch.
  • 20A zeigt eine Scheibe, die durch die Ebene x-r von 19A genommen wurde. Der Durchmesser des Zylinders 1915 wurde für Maßstabzwecke als 1 angenommen. Eine Senkrechte, die vom Scheitelpunkt 1910 zur Vorderfläche 1920 gezogen wird, weist eine Höhe h gleich 0,707 auf. Die Höhe fällt direkt in das Zentrum des Zylinders. Das Abschleifen des Glases im Prisma erstreckt sich halb am Zylinder an der x-Achse herunter auf eine Höhe von 0,707/2. Der abgeschliffene Abschnitt ist durch 2320 gekennzeichnet. Der Abschnitt der x-Achse am Prisma ist das Schnittliniensegment 2310. Wie aus 19A ersichtlich ist, zieht sich die Linie 2330 durch die Ebene x-r und ist der x-Achse entgegengesetzt. Die Linie 2330 halbiert die y- und die z-Achse auf der y-z-Ebene und wenn das Prisma nicht in die zylinderförmige Form geschliffen wurde, erstreckt sich die Linie 2330 zur Vorderfläche 1920. Das Schleifen einer Würfelecke in eine zylinderförmige Form erzeugt die ausgebogte Wirkung des Prismas in 20B.
  • In einem Würfelecken-Retroreflektor reflektiert Licht, das in die Vorderfläche des Prismas tritt, an drei verschiedenen Reflektoroberflächen, bevor es die Vorderfläche des Prismas verlässt, wonach es sich in eine Richtung bewegt, die der des einfallenden Lichts entgegengesetzt ist. Ein Verfahren aus der geometrischen Optik, das zum Analysieren der Reflexion von Licht an einer einzelnen Oberfläche benutzt werden kann, ist in 21 gezeigt. Ein einfallender Lichtstrahl 2420 trifft auf eine reflektierende Oberfläche 2410 und wird mit einem Winkel in einen Strahl 2430 reflektiert. Es kann gezeigt werden, dass diese Reflexion äquivalent zu dem Licht ist, das sich gerade weiter durch die reflektierende Oberfläche 2410 bewegt, solange danach eine Reflexion des Lichts 2440 durchgeführt wird, um das tatsächlich reflektierte Licht 2430 zu erhalten.
  • 22 zeigt einen Querschnitt 2560 des Glasprismas 1930, 1980 in den Quadranten 1905, 1955 in 19A, 19B. Der Querschnitt wurde durch die Achsen x, -x, r, -r vorgenommen. Licht 2562 tritt in die Vorderfläche des Würfeleckenprismas 2300. Zum Zweck des mathematischen Modellierens tritt das Licht 2566 weiter durch ein zweites Würfeleckenprisma 2564 und tritt als Licht 2568 aus der Vorderfläche aus. Das Licht 2562, das in die Vorderfläche des Prismas 2300 am Oberflächenpunkt 2570 eintritt, tritt durch den Scheitelpunkt 1910 und aus der Vorderfläche des Prisma 2564 am Punkt 2572 aus. Die Punkte 2570 und 2572 weisen den gleichen Abstand vom Zentrum der Vorderflächen auf, durch die sie treten. Nur die Lichtstrahlen, die durch die Vorderfläche der Prismen 2300 und 2564 treten, können von der Kamera gesehen werden.
  • In 23 stellt der Kreis 2582 eine Draufsicht auf das Würfeleckenprisma 2300 dar. Die gebogene linke Kante der vorderen Oberfläche dieses Prismas wird vom Licht 2562 beleuchtet. Das Licht, das den am weitesten rechts liegenden Teil des Prismas 2300 beleuchtet, geht verloren, da es nicht durch die Vorderfläche des Prismas 2564 tritt. Beispielsweise tritt der Lichtstrahl 2574 an der Kante der Vorderfläche des Prismas 2300 durch den Zentrumsbereich der Vorderfläche des Prismas 2564 und stellt somit einen Strahl dar, der reflektiert wird. Der reflektierte Strahl, der durch den Punkt 2576 auf der Vorderfläche des Prismas 2300 dargestellt wird, liegt auf der entgegengesetzten Seite von Punkt 2610. Der Abstand von Punkt 2574 zu Punkt 2625 ist gleich dem Abstand von Punkt 2610 zu Punkt 2615. Die Situation für den Strahl, der durch den Punkt 2576 tritt, der am Punkt 2635 durch die Kante der Vorderfläche des Prismas 2564 tritt, ist ähnlich.
  • Der resultierende Bereich der Würfeleckenbeleuchtung, der von einem Beobachter oder einer Kamera als heller Bereich gesehen wird, ist der augenförmige Bereich 2578. Die Vorderfläche des Prisma 2300 ist ein beleuchteter Kreis, der von einem Beobachter aus einem Winkel gesehen wird. Es kann gezeigt werden, dass ein geneigter Kreis eine Ellipse ist. Daher sieht ein Beobachter oder eine Kamera, der/die an die Richtung des Lichts 2562 ausgerichtet ist, die Vorderfläche des Prismas 2300 als Ellipse. Die Vorderfläche des Prisma 2564 wird durch den Kreis 2580 dargestellt, der als Ellipse erscheint, wenn er von einem Beobachter aus einem Winkel gesehen wird. Der Punkt 2610 liegt im Mittelpunkt der „augenförmigen“ Bereichs, der den Überlappungsbereich der Kreise 2580 und 2582 umgibt. Aus einem Winkel gesehen sind die beiden Segmente an der Peripherie des augenförmigen Bereichs ellipsenförmige Segmente und nicht kreisförmige Segmente.
  • Der obere Abschnitt von 24 zeigt eine Ellipse 2760, die der Sicht auf die vordere Oberfläche des Prismas 2300 entspricht, das von einem Beobachter als das Prisma 2300 gesehen wird, das in einem Winkel geneigt ist. Eine geschnittene Seitenansicht des geneigten Prismas im unteren Abschnitt von 24 gezeigt. Der Lichtstrahl 2762 tritt in das Prisma an einem Punkt 2735 auf der Vorderfläche ein. Der Lichtstrahl 2762 weist einen Einfallswinkel 2725 auf, der bezüglich einer Normalen 2710 zur vorderen Oberfläche genommen wird. Beim Eintreten in das Glas bricht der Lichtstrahl 2715 in Richtung der Normalen zu einem Winkel 2730. Der Beugungswinkel des Lichts kann anhand des Snellius-Gesetzes ermittelt werden, das in einer Form aussagt, dass für ein Glas mit einem Brechungsindex n und einem Einfallswinkel a der Brechungswinkel b gleich b = arcsin(sin(a)/n) ist. In diesem Fall ist der Einfallswinkel a = 15 Grad. Wenn der Brechungsindex des Glases n = 1,78 ist, ist der Brechungswinkel b = 8,4 Grad. Aufgrund der Brechung kreuzt der Lichtstrahl, der den Scheitelpunkt 1910 schneidet, die Vorderfläche des Prismas 2300 am Punkt 2735, der als mittlerer Schnittpunkt bezeichnet wird. Die gestrichelten Linien in der Ellipse 2760 stellen die Schnittlinien der Reflektorebenen dar, wie sie senkrecht zu Vorderfläche projiziert werden. Diese Linien konvergieren am Mittelpunkt der 2764 der Vorderfläche.
  • Die Änderung von einem Kreis in eine Ellipse in der Draufsicht von 24 ist klein und vielleicht mit bloßem Auge schwer festzustellen. Die Änderung der Position des Mittelpunkts 2764 von der Vorderfläche bezüglich des mittleren Schnittpunkts 2735 ist jedoch viel größer und kann mit dem bloßen Auge leicht gesehen werden. Diese Größe der Ellipse entlang der Richtung ihrer kleinen Achse ändert sich vom Durchmesserwert um nur 1 - cos(15°) = 0,034 oder ungefähr 3 % des Durchmessers. Im Gegensatz dazu bewegt sich der mittlere Schnittpunkt bei einer Höhe h und einem Durchmesser D um einen Betrag, der gleich h sin(15°) = 0,707 Dsin(15°) = 0,18 D oder ungefähr 18% des Durchmessers ist. Der Trennungsparameter 2745 ist als der Abstand vom Mittelpunkt 2764 der Vorderfläche zum mittleren Schnittpunkt 2735 definiert.
  • 25A und 25B zeigen einen Lichtstrahl 3820, beispielsweise von einem Lasertracker, der die Vorderfläche eines Würfelecken-Retroreflektor an einer Schnittstelle 3830 schneidet. 25A zeigt das Aussehen 3800 der Vorderfläche aus einer Sicht direkt von vorne. 25B zeigt die Form 3850 der Vorderfläche aus der Sicht der Lichtquelle 3820. Aus dieser Sicht weist die Vorderfläche eine Ellipsenform 3805 auf. Der Teil der Ellipse, der einem Beobachter beleuchtet erscheint, ist der Augenbereich 3860, der von zwei ellipsenförmigen Segmenten umgrenzt ist, von denen ein Segment 3870 und das andere Segment ein Teil der Ellipse 3805 ist. Die beiden ellipsenförmigen Segmente eine Symmetrieachse 3840, die als die Faltachse bezeichnet wird. Die Faltachse 3840 verläuft senkrecht zur Richtung des Lichts 3820 und umfasst den Schnittpunkt 3830.
  • Die ellipsenförmigen Kanten eines beleuchteten Würfelecken-Retroreflektors liegen in jedem Kamerabild vor, solange die Vorderfläche vollständig beleuchtet ist und das Sichtfeld der Kamera groß genug ist. Eine Möglichkeit zum Beschreiben des Betrags und der Richtung der Neigung ist das Verwenden eines Faltwinkels und eines Neigungswinkels. Hier wird der Faltwinkel als ein Winkel der Faltachse definiert, und der Neigungswinkel ist der Betrag der Drehung des Retroreflektors um die Faltachse. Im Beispiel von 25B beträgt der Faltwinkel 45 Grad und der Neigungswinkel 40 Grad.
  • Eine andere Möglichkeit zum Beschreiben des Betrags und der Richtung der Neigung der Vorderfläche ist bezüglich eines Nick- und Gierwinkels. Wie in 26 gezeigt, sind der Nick- und Gierwinkel in Bezug auf die x- und die y-Achse eines bestimmten Koordinatensystems (d. h. Bezugssystem) definiert. Der Nickwinkel ist ein Drehwinkel 3950 um eine x-Achse und der Gierwinkel ist ein Drehwinkel 3960 um eine y-Achse. Da starre Körperdrehung nicht kommutativ ist, wird angegeben, ob die Nickdrehung vor oder nach der Gierdrehung auftritt. Die Faltachse 3940 ist eine Achse um die die Vorderfläche 3910 geneigt ist. Der Faltwinkel β wird bezüglich einer Bezugsachse 3930 gegeben. Der Nickwinkel y ist ein Betrag der Drehung der Vorderfläche 3910 um die Faltachse 3940. Der aus 19A und 20A genommene Vektor r verläuft senkrecht zur Vorderfläche und unterscheidet sich vom Schnittpunkt 3830 in 25A und 25B, da die in 26 beschriebenen Definitionen unabhängig davon sind, ob der Retroreflektor 3900 beleuchtet ist oder nicht.
  • Der Nick- und Gierwinkel oder der Falt- und Neigungswinkel reichen aus, um den Betrag und die Richtung der Neigung der Vorderfläche vollständig zu beschrieben, sie beschreiben jedoch den Anbringungspunkt eines Sondentaster 3920 und Sondenbauelements 3922 am Retroreflektor 3900 nicht. Ein solcher Anbringungspunkt kann anhand eines Rollwinkels α beschrieben werden. Dieser Rollwinkel wird bezüglich einer Bezugsachse angegeben, die in 26 die Achse 3930 ist, kann jedoch eine beliebige Achse sein, einschließlich einer Achse, die sich von der Achse unterscheidet, die zum Definieren des Faltwinkels verwendet wird. Es ist anzumerken, dass das Augenmuster 3860 in 25B vollständig durch den Falt- und den Neigungswinkel oder entsprechend durch den Nick- und den Gierwinkel bestimmt wird. Das Augenmuster 3860 ist vom Rollwinkel unabhängig.
  • Andere Winkelbeschreibungen können den Nick-/Gierwinkel oder den Falt-/Neigungswinkel ersetzen. Ein Beispiel ist das Verwenden von Richtungskosinus. Ein Lichtstrahl von einem Lasertracker sei entlang einer z-Achse und die Zenitachse entlang einer x-Achse. Die y-Achse sei senkrecht zur x- und zur z-Achse. In einer Ausführungsform sind die Richtungskosinus drei Werte, die durch Verwenden der Kosinus des Winkels von der x-, y- und z-Achse des Lasertrackers in Bezug auf den r-Vektor des Würfeleckenprismas erhalten werden. Wenn die drei Richtungskosinus jedoch a, b, c sind, kann gezeigt werden, dass a2 + b2 + c2 = 1, so dass nur zwei der drei Richtungskosinus unabhängig sind.
  • Andere mathematische Deskriptoren, die als Alternativen zu Nick-/Gier-/Rollwinkeln oder Falt-/Neigungs-/Rollwinkeln verwendet werden können, umfassen Quaternionen und Eulerwinkel. Es können viele andere mathematische Deskriptoren verwendet werden, um die drei Orientierungsfreiheitsgrade darzustellen.
  • Im Rest der vorliegenden Patentanmeldung wird der Begriff Nicken/Gieren verwendet, um beliebige Deskriptoren darzustellen, die die Richtung und den Betrag einer Neigung eines Retroreflektors beschreiben, einschließlich Falt-/Neigungs- oder andere ähnliche Deskriptoren.
  • Um die drei Orientierungsfreiheitsgrade zu bestimmen, ist es häufig zweckdienlich, einen der Orientierungsfreiheitsgrade, nämlich den Rollwinkel, getrennt von den zwei zusätzlichen Orientierungsfreiheitsgraden, nämlich den Nick-/Gierwinkeln (oder Entsprechungen), zu ermitteln. Das Gerät und Verfahren zum Messen des Rollwinkels getrennt von den Nick-/Gierwinkeln werden hierin beschrieben.
  • 27 veranschaulicht ein Verfahren, mit dem der Rollwinkel und die Nick-/Gierwinkel (oder Äquivalente) getrennt gemessen werden. Eine Vorrichtung 12700 ist so konfiguriert, dass die einen oder mehrere Lichtstrahlen 12702 an eine Sonde 12750 sendet. In einer Ausführungsform umfasst die Sonde 12750 einen Retroreflektor 12755, der den Lichtstrahl an die Sonde 12750 zurücksendet. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung 12700 ein Lasertracker der eine Entfernung und zwei Winkel zum Retroreflektor 12755 misst, sodass ein Prozessor 12740 die drei Translationsfreiheitsgrade ermitteln kann, die beispielsweise Koordinaten in einem kartesischen (rechtwinkligen) Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem sein können. In einer Ausführungsform sieht die Vorrichtung 12700 Komponenten 12710 vor, die einen Rollaufbereiter 12712 und Rollanalysator 12714 umfassen. Der Rollaufbereiter erzeugt Licht oder bereitet es auf, das als Teil des Lichts 12702 abgegeben und von Sondenkomponenten 12760 empfangen wird. In einer Ausführungsform wird ein Teil des von den Komponenten 12760 empfangenen Lichts in den Lichtstrahl 12702 zurückgeführt und wird vom Rollanalysator 12714 empfangen, um den Rollwinkel der Sonde 12750 zu ermitteln. In anderen Ausführungsformen wird der Rollwinkel ermittelt, ohne einen Rollanalysator 12714 zu verwenden.
  • In einer Ausführungsform sieht die Vorrichtung 12700 ferner Nick-/Gier-Aufbereitungskomponenten 12720 vor, die einen Nick-/Gieraufbereiter 12722 und Nick-/Gieranalysator 12724 umfassen. Der Nick-/Gieraufbereiter erzeugt Licht oder bereitet es auf, das als Teil des Lichts 12702 abgegeben und von Sondenkomponenten 12770 empfangen wird. In einer Ausführungsform wird ein Teil des von den Komponenten 12770 empfangenen Lichts in den Lichtstrahl 12702 zurückgeführt, und wird vom Nick-/Gieranalysator 12724 empfangen, um die Nick-/Gierwinkel (oder Entsprechungen) der Sonde 12750 zu ermitteln. In anderen Ausführungsformen werden der Nick-/Gierwinkel ermittelt, ohne einen Nick-/Gieranalysator 12724 zu verwenden. In einer Ausführungsform wird die Nick-/Gier- und Rollaufbereitung auf einen einzelnen Lichtstrahl angewendet, der zum Lichtstrahl 12702 kombiniert wird. In einer Ausführungsform findet die Kommunikation zwischen der Vorrichtung 12700 und der Sonde 12750 über verkabelte Kanäle 12742 oder drahtlose Kanäle 12744 statt.
  • In einer in 28A und 28B dargestellten Ausführungsform ist ein Nick-/Gieranalysator eine Durchgangs-Retroreflektoranordnung 12800, die einen Retroreflektor 12810 und einen Positionsdetektor 12820 umfasst. In einer Ausführungsform ist der Retroreflektor 12810 ein Würfelecken-Retroreflektor 12810, der eine Vorderfläche 12812, drei zueinander senkrechte reflektierende Oberflächen 12814 und einen angeschnittenen Bereich 12816 nahe einem virtuellen Scheitelpunkt 12818 des Retroreflektors aufweist. Ein Lichtstrahl 12830 von einem Lasertracker oder einer ähnlichen Vorrichtung schneidet die Vorderfläche des Retroreflektors in einem Lichtpunkt 12840. Er bricht an der Oberfläche des Retroreflektors und bewegt sich als Lichtstrahl 12832 in Richtung des virtuellen Scheitelpunkts 12818. In einer Ausführungsform verfolgt der Lichtstrahl 12830 den virtuellen Scheitelpunkt 12818 weiter, wenn die Retroreflektoranordnung 12800 bewegt wird. Der Lichtstrahl 12832 bricht am angeschnitten Bereich als Lichtstrahl 12834 und schneidet den Positionsdetektor 12820 im Lichtpunkt 12842. Der Positionsdetektor 12820 ist so konfiguriert, dass er die Position des Lichts 12834 auf der Oberfläche des Positionsdetektors 12820 ermittelt. Das vom Positionsdetektoren 12820 empfangene Licht kann gemäß hierin nachstehend beschriebenen Verfahren und dem Nick-/Gierwinkel des Retroreflektors 12810, der zumindest teilweise aufgrund des vom Positionsdetektor 12820 gelieferten Signals von einem Prozessor ermittelt wird, elektrisch verarbeitet werden.
  • In einer in 29A und 29B dargestellten Ausführungsform ist ein Nick-/Gieranalysator eine Retroreflektoranordnung 12900, die einen Retroreflektor 12910 und einen oder mehrere Nick-/Giersensoren umfasst. In einer Ausführungsform ist der Retroreflektor 12910 ein Glaswürfeleckenprisma, das eine Vorderfläche 12912, drei zueinander senkrecht stehende reflektierende Oberflächen 12914 und einen Scheitelpunkt 12918 aufweist, an dem sich die reflektierenden Oberflächen schneiden. In einer Ausführungsform liegen drei Nick-/Giersensoren 12920A, 12920B und 12920C vor. Jeder Nick-/Giersensor umfasst einen Positionsdetektor and eine Apertur. Die Nick-/Giersensoren 12920A, 12920B, 12920C umfassen die Aperturen 12950A, 12950B bzw. 12950C und die Positionsdetektoren 12922A, 12922B bzw. 12922C. Ein Lichtstrahl von einem Lasertracker oder einer ähnlichen Vorrichtung projiziert einen oder mehrere Lichtstrahlen auf den Retroreflektor 12910. In einer Ausführungsform umfassen der eine oder die mehreren Lichtstrahlen einen relativ kleinen Lichtstrahl 12930, der auf der vorderen Oberfläche des Retroreflektors 12910 zentriert ist und einen relativ größeren Lichtstrahl 12960, der ebenfalls auf dem Retroreflektor zentriert ist. In einer Ausführungsform der Lichtstrahl 12930, der sich zum Scheitelpunkt 12918 fortbewegt und mit der Vorderfläche 12912 am Punkt 12934 schneidet. Für jeden der drei Nick-/Giersensoren tritt ein Teil des Lichts 12960 durch eine Apertur, bevor es durch den Positionsdetektor tritt. Im Nick-/Giersensor 12920A tritt ein Teil des Lichts 12962A durch die Apertur 12950A und trifft an der Position 12940A auf den Positionsdetektor 12922A. Im Nick-/Giersensor 12920B tritt ein Teil des Lichts 12962B durch die Apertur 12950B und trifft an der Position 12940B auf den Positionsdetektor 12922B. Im Nick-/Giersensor 12920C tritt ein Teil des Lichts 12962C durch die Apertur 12950C und trifft an der Position 12940C auf den Positionsdetektor 12922C. Das von den Positionsdetektoren 12922A, 12922B und 12922C empfangene Licht kann gemäß hierin nachstehend beschriebenen Verfahren und der Nick-/Gierwinkel der Anordnung 12900, die zumindest teilweise aufgrund der von den Positionsdetektoren 12922A, 12922B und 12922C gelieferten Signalen von einem Prozessor ermittelt werden, elektrisch verarbeitet werden.
  • 30A, 30B und 30C zeigen drei häufige Typen von Positionsdetektoren. Es können auch andere Positionsdetektoren verwendet werden. 30A ist eine Zeichnung eines tetralateralen positionsempfindlichen Detektors (PSD) 3000, der einen aktiven pin-Dioden-Detektorbereich 3002 und vier Elektroden 3004, 3005, 3006 und 3007 umfasst, die in einem Quadrat außerhalb des aktiven Bereichs angeordnet sind. Der tetra-laterale PSD 3000 liefert die Fähigkeit zum Ermitteln einer Position in zwei Dimensionen eines Lichtstrahls, der auf eine beliebige Position des aktiven Bereichs 3002 trifft. Die allgemeine Leistung, die auf den aktiven Bereich 3002 trifft, ist gewöhnlich proportional zur Summe der elektrischen Ströme, die von den vier Elektroden 3004, 3005, 3006 und 3007 empfangen werden. Die Position in x und y wird in Bezug auf Summen und Differenzen der Ströme, die von den Elektroden empfangen werden, gemäß Formeln gefunden, die vom Hersteller des Detektors 3000 bereitgestellt werden. 30B ist eine Zeichnung eines Quadrantendetektors 3010, der ein Detektor ist, der vier getrennte Detektorbereiche 3012, 3013, 3014 und 3015 umfasst. Solche Detektoren liefern eine Position eines Strahls, der von allen vier getrennten Detektorbereichen geschnitten wird. Solche Detektoren sind gewöhnlich weniger linear als tetra-laterale PSDs und weniger dazu imstande, kleine Lichtpunkte zu messen. 30C ist eine zweidimensionale lichtempfindliche Anordnung 3020, die eine Anordnung einzelner Detektorelemente (Pixel) 3022 umfasst. Beispiele für lichtempfindliche Anordnungen sind ladungsgekoppelte Bauteile (CCDs) und komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Vorrichtungen (CMOS-Vorrichtungen).
  • Eine Art von Rauschen, das in jedem Typ von Positionssensoren von 30A, 30B und 30C vorhanden ist, ist thermisches Rauschen. Für einen Lichtpunkt, der auf einen Positionssensor trifft, hängt das thermische Rauschen vom Widerstand des Positionssensors und der Bandbreite des Messsystems ab. Wird nur das thermische Rauschen in Betracht gezogen, nimmt das Verhältnis von Signal zu Rauschen eines einheitlichen Lichtstrahls zu, der durch eine Apertur tritt, wenn die Größe der Apertur zunimmt, da eine größere Apertur das vom Positionssensor empfangene Signal verstärkt. Ein anderer Typ von Rauschen, das in Fabrikumgebungen zu finden ist, ist Szintillationsrauschen, das durch atmosphärische Turbulenz entsteht. Szintillationsrauschen wird durch atmosphärische Turbulenz in dem Fall verursacht, in dem die Zellengröße kleiner als die Apertur ist. Eine turbulente Atmosphäre kann als eine Sammlung von Zellen verschiedener Größen modelliert werden, wobei jede Zelle einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. Ein Lichtstrahl, der sich durch eine Sammlung von Zellen ausbreitet, wird auf seinem Weg in unterschiedliche Richtungen gebeugt. Infolgedessen wird der Lichtstrahl inhomogen, wenn er die Apertur erreicht. Sind Zellen in einer Umgebung im Vergleich zu einer Apertur relativ klein, kann beobachtet werden, dass sich die durch die Apertur tretende optische Leistung im Zeitablauf bedeutend ändert. Sind die Zellen im Vergleich zu einer Apertur relativ groß, werden die Fluktuationen stark reduziert. In einer typischen Situation kann gesehen werden, dass die Fluktuationen für eine Apertur mit einem Durchmesser von 0,5 mm relativ klein sind, und für eine Apertur mit einem Durchmesser von 2,0 mm relativ groß sind. Das Verhältnis von Signal zu Rauschen ist für die kleinere Apertur jedoch reduziert. Beispielsweise wird das Verhältnis von Signal zu Rauschen um einen Faktor von 16 reduziert, indem eine Apertur von 0,5 mm anstelle von 2,0 mm verwendet wird.
  • Eine Möglichkeit, ein relativ großes Verhältnis von Signal zu Rauschen aufrechtzuerhalten, während die aus atmosphärischer Turbulenz resultierenden Fluktuationen möglichst klein gehalten werden, ist das Verwenden einer relativ großen Apertur in Kombination mit einer Linse. In einer in 31A und 31B gezeigten Ausführungsform umfasst ein Glaswürfeleckenprisma 3100 eine Vorderfläche 3112, drei reflektierende Oberflächen 3114 und eine angeschnittene Apertur 3116, wie es in 31A und 31B gezeigt ist. Ein Lichtstrahl 3140, der sich in einem Strahlenbündel 3142 kollimiert fortbewegt, trifft an der Vorderfläche 3112 als ein Punkt 3152 ein, und bricht zum Strahlenbündel 3144. Ein Teil des Strahlenbündels 3144 tritt durch die angeschnittene Apertur 3116, bricht wieder als das kollimierte Bündel 3146 und wird von der Linse 3130 auf die konvergierenden Strahlen 3147 fokussiert, bevor der Punkt 3154 auf einem Positionssensor 3148 erzeugt wird. Indem der Punkt 3154 kleiner als die angeschnitten Apertur 3116 gemacht wird, werden die Fluktuationen der optischen Leistung über der Apertur auf der Oberfläche des Positionsdetektors reduziert, wodurch die Fluktuationen der berechneten Position des Strahls auf dem Positionssensor 3100 reduziert werden.
  • 32 zeigt ein Beispiel für eine Linse 3230, die mit einer Aperturplatte 3120 und einem Positionsdetektor 3220 verwendet werden kann. 32 stellt den Pfad dar, der von drei unterschiedlichen Strahlen 3240A, 3240B und 3240C genommen wird, die die Apertur mit drei unterschiedlichen Winkeln erreichen können: +45, 0 und -45 Grad. Wie in der Figur dargestellt, tritt jeder der drei Strahlen durch die Linse 3230, um unterschiedliche fokussierte Punkte 3242A, 3242B bzw. 3242C zu bilden.
  • Wenn der Nick-/Gierwinkel anhand eines Geräts ermittelt wird, die eine Apertur und einen Positionsdetektor aufweist, können Ergebnisse durch Hintergrundlicht kontaminiert werden, beispielsweise Licht von oben oder Licht, das durch Fenster fällt. Solches Hintergrundlicht kann durch eine Apertur treten und auf den Positionsdetektor treffen, was zu einer falschen Bestimmung des Nick-/Gierwinkels führt. Ein Mittel zum Beheben dieses Problems ist das Modulieren des abgegebenen Lichts am Lasertracker oder einer ähnlichen Vorrichtung und das Demodulieren des Lichts an der Sonde. Beim Demodulierungsvorgang kann das Hintergrundlicht anhand von Verfahren entfernt werden, die nun beschrieben werden.
  • In einer in 33A gezeigten Ausführungsform umfasst ein Lasertracker oder eine ähnliche Vorrichtung 13300 eine Lichtquelle 13302, die einen Lichtstrahl 13308 abgibt. Die Lichtquelle wird von einem Signal 13305 elektrisch moduliert, das in einer Ausführungsform eine Sinuswelle ist, jedoch eine Rechteckwelle oder andere Wellenform sein könnte. Das von der Lichtquelle 13302 abgegebene Licht wird mit der gleichen Rate moduliert. In einer Ausführungsform verursacht eine Modulation eine Modulation der optischen Leistung, die von der Lichtquelle 13302 abgegeben wird. Der abgegebene Lichtstrahl kann mit anderem Licht von der Vorrichtung 13300 in einem Strahl 13310 kombiniert werden, der sich zur Sonde 13320 bewegt. Die Probe umfasst einen Positionsdetektor (d. h. Positionssensor), der ein analoger Detektor 13322 wie der tetra-laterale PSD 3000 oder der Quadrantendetektor 3010 ist. Der optische Detektor 13322 ist so konfiguriert, dass er das Licht 13328 empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt, das er an einen elektrischen Schaltkreis 13324 sendet. Der elektrische Schaltkreis 13324 extrahiert das modulierte Signal und verwirft Hintergrundrauschen, etwa nicht moduliertes Hintergrundlicht. Der Detektor 13322 ist ein zweidimensionaler Positionsdetektor, der das gewünschte Signal 13332 und zusätzlich unerwünschtes Hintergrundlicht 13334 empfängt. Der elektrische Schaltkreis verwirft das Hintergrundlicht 13334 und verwendet die Position des gesendeten Lichts 13332, um den Nick-/Gierwinkel der Sonde zu ermitteln. In einer Ausführungsform ist der elektrische Schaltkreis so konfiguriert, dass er ein Signal 13325 empfängt, das die gleiche Frequenz wie das elektrische Signal 13305 aufweist. In einer Ausführungsform wird ein Lock-in-Verstärker oder ein anderes Filterverfahren verwendet, um bei Vorhandensein von Hintergrundlicht das gewünschte Signal 13332 zu extrahieren. Die Frequenz der Modulation der Signale 13305 und 13325 kann eine beliebige aus einem weiten Frequenzbereich sein, ist in einer Ausführungsform jedoch 10 kHz.
  • In einer in 33B gezeigten Ausführungsform umfasst ein Lasertracker oder eine ähnliche Vorrichtung 13340 eine Lichtquelle 13342, die einen Lichtstrahl 13348 abgibt. Die Lichtquelle wird von einem Signal 13345 von einem elektrischen Schaltkreis 13344 elektrisch moduliert. In einer Ausführungsform ist das Signal 13345 eine gepulste Rechteckwelle, es kann jedoch eine andere Wellenform aufweisen. Der abgegebene Lichtstrahl kann mit anderem Licht von der Vorrichtung 13340 zu einem Strahl 13310 kombiniert werden, der sich zur Sonde 13350 bewegt. Die Sonde umfasst einen Positionsdetektor 13352, der ein digitaler Detektor wie ein CCD oder eine CMOS-Anordnung ist. Der optische Detektor 13352 ist so konfiguriert, dass er das Licht 13358 empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt, das er an einen elektrischen Schaltkreis 13354 sendet. Bauelement 13352 ist ein zweidimensionaler Positionsdetektor, der das Vorhandensein des gewünschten Signals, das von der Vorrichtung 13300 ausgegeben wird, und zusätzlich unerwünschtes Hintergrundlicht 13334 zeigt. Der elektrische Schaltkreis verwirft das Hintergrundlicht 13334 und verwendet die Position des gesendeten Lichts 13332, um den Nick-/Gierwinkel der Sonde zu ermitteln. In einer Ausführungsform ist der elektrische Schaltkreis 13354 so konfiguriert, dass er das elektrische Signal, das vom Positionssensor 13352 empfangen wird, mit dem modulierten Signal 13345 durch das bereitgestellte Signal 13355 synchronisiert. Auf diese Weise wird der Einfluss des Hintergrundlichts 13334 im Vergleich zum ausgesendeten Licht 13332 verringert.
  • Die Ausführungsformen nach 28 bis 33B betrafen hauptsächlich die Messung von ersten zwei Orientierungsfreiheitsgraden, die die Richtung und die Neigung des Retroreflektors einbeziehen, die durch Nick- und Gierwinkel, durch Falt- und Neigungswinkel oder durch verschiedene andere Winkelmessungen beschrieben werden können. Nun wird die Aufmerksamkeit auf das Messen des dritten Orientierungsfreiheitsgrades gerichtet, der gewöhnlich durch einen Rollwinkel quantifiziert wird.
  • 34A und 34B beschreiben ein Gerät zum Erzeugen von rotierendem linear polarisiertem Licht. Ein solches Gerät kann in einem Lasertracker oder einer ähnlichen Vorrichtung wie der Vorrichtung 12700 von 27 enthalten sein. In 34A umfasst ein Gerät 3401 eine Lichtquelle 3402, eine Linse 3406, einen Polarisator 3408 und eine rotierende Halbwellenverzögerungsanordnung - (d. h. Halbwellenplattenanordnung) 3410. In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 3402 eine LED, ein Laser oder eine Superlumineszenzdiode sein. Wenn die Lichtquelle eine LED ist, kann das Licht in einen mehrmodiger Faserstumpf abgegeben werden, der mit dem LED-Chip verbunden ist. Die Lichtquelle gibt einen Lichtstrahl 3404 ab, der von einer Linse 3406 kollimiert werden kann. Das Licht tritt durch einen Polarisator 3408, der linear polarisiertes Licht erzeugt. Das linear polarisierte Licht tritt durch einen hohlen Schaft 3412, an dem eine Halbwellenplatte 3414 angebracht ist. Der hohle Schaft und die Halbwellenplatte werden von einem Motor 3416 gedreht. Der hohle Schaft kann an einem mechanischen Lager befestigt sein. Das linear polarisierte Licht wird durch die rotierende Halbwellenplatte 3414 geführt, um rotierendes linear polarisiertes Licht zu erzeugen.
  • In einen anderen in 34B gezeigten Ausführungsform umfasst ein Gerät 3420 eine Lichtquelle 3422, eine Linse 3426 und eine rotierende Polarisatoranordnung 3430. In einer Ausführungsform erzeugt die Lichtquelle 3422 willkürlich polarisiertes Licht durch Koppeln von Licht von einer LED in eine mehrmodige Faserpolarisation. In einer Ausführungsform sendet die Lichtquelle 2422 den Lichtstrahl 3424 durch eine Kollimationslinse 3426. Das Licht tritt durch einen hohlen Schaft 3433, an dem ein Linearpolarisator 3434 angebracht ist. Der hohle Schaft und der Linearpolarisator werden von einem Motor 3436 gedreht. Der hohle Schaft kann an einem mechanischen Lager befestigt sein. Die Auswirkung des Sendens von willkürlich polarisiertem Licht durch einen rotierenden Polarisator ist das Erzeugen von linear polarisiertem Licht.
  • 35 ist eine schematische Darstellung, die ein System zum Messen eines Rollwinkels einer Sonde anhand eines Polarisationsrollgenerators 3500 mit einem Polarisationsrollsensor 3550 zeigt. Der Polarisationsrollgenerator 3500 kann in einem Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung wie der Vorrichtung 12700 untergebracht sein. Der Polarisationsrollsensor 3550 kann in einer 6-DOF-Sonde wie der Sonde 12750 untergebracht sein. In einer Ausführungsform kombiniert der Polarisationsrollgenerator 3500 das Gerät von 34A mit einem Strahlteiler 3510, einem Polarisator 3520, einem optischen Detektor 3522, einem elektrischen Schaltkreis 3524 und einem Strahlprojektor 3540. Der Polarisationsrollsensor 3550 umfasst einen Polarisator 3555, einen optischen Detektor 3560 und einen elektrischen Schaltkreis 3562. In einer Ausführungsform ist der Polarisator 3555 ein Nanopartikel-Dünnschichtpolarisator, der ein Kontrastverhältnis aufweist, das bei Akzeptanzwinkeln von bis zu +/-20 Grad für Wellenlängen von 850 bis 1600 nm besser als 100.000 ist. Der Polarisationsrollgenerator 3500 und der Polarisationsrollsensor 3550 wirken zusammen, um den Rollwinkel der Sonde zu ermitteln. In anderen Ausführungsformen verwendet der Polarisationsrollsensor das Gerät von 34B anstelle des Geräts von 34A.
  • In einer Ausführungsform sendet der Strahlteiler 3510 einen Teil 3512 des Lichts, das rotierende lineare Polarisation aufweist, durch den Polarisator 3520 und in den optischen Detektor 3522, wodurch ein elektrisches Signal 3530 erzeugt wird, dessen Sinusform sich mit der Zeit ändert. Ein elektrischer Schaltkreis 3524 misst eine Phase des sinusförmigen Signals zu einem Zeitpunkt 3532. Die Phase des Signals 3530 zum Zeitpunkt 3532 wird als die Bezugsphase bezeichnet. Zum Messen der Bezugsphase können verschiedene Verfahren verwendet werden. Beispielsweise kann das sinusförmige Signal mit einem Analog-Digital-Wandler (ADW) abgetastet werden, und die Abtastungen können numerisch analysiert werden, um die Phase anhand von Algorithmen zu ermitteln, die im Fach gut bekannt sind. Beispielsweise werden in einem Verfahren zwei Additionen gebildet. Eine erste Addition S ist gleich der Summe des Produkts gemessener Abtastungen und der Werte einer sinusförmigen Funktion bei der zu extrahierenden Frequenz (der Modulationsfrequenz), wobei die Addition über eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen der Modulationsfrequenz vorgenommen wird. Eine zweite Addition C ist gleich der Summe des Produkts gemessener Abtastungen und der Werte einer cosinusförmigen Funktion bei der zu extrahierenden Frequenz (der Modulationsfrequenz), wo die Addition über eine ganzzahlige Anzahl von Zyklen der Modulationsfrequenz vorgenommen wird. Die Phase wird als Arcustangens C/S festgestellt.
  • In einer Ausführungsform ist der Lichtstrahl 3542, der aus dem Strahlprojektor 3540 gesendet wird, relativ groß, und in einer anderen Ausführungsform ist der Lichtstrahl relativ klein. Hierin nachstehend werden verschieden Verfahren zum Projizieren und Empfangen des Lichtstrahls erörtert. In einer Ausführungsform tritt das Licht 3542 durch einen Polarisator 3555 und in einen optischen Detektor 3560, der eine elektrische Wellenform 3565 erzeugt. In einer Ausführungsform ermittelt ein elektrischer Schaltkreis 3562 eine Phase eines sinusförmigen Signals 3565 zu einem Zeitpunkt 3566. Diese ermittelte Phase wird als die Messphase bezeichnet. Die Messphase kann anhand des oben beschriebenen ADW-Abtastverfahren oder anhand beliebiger anderer im Fach bekannter Verfahren ermittelt werden. Die Messphase abzüglich einer Bezugsphase, die zu einem Zeitpunkt 3432 genommen wird, ist der Phasenunterschied. Ein Zeitunterschied 3567 besteht zwischen Messungen der Bezugsphase und der Messphase. Ein Prozessor im System wird dazu verwendet, den Rollwinkel des Polarisationsrollsensors 3550 zumindest teilweise aufgrund des ermittelten Phasenunterschieds zu ermitteln. In einer Ausführungsform ist der Prozessor im elektrischen Schaltkreis 3562 enthalten. In einer Ausführungsform ist die Bezugsphase der Sonde zum Zeitpunkt 3432 mit der Bezugsphase synchronisiert, die zum Zeitpunkt 3532 im Polarisationsrollgenerator 3500 auftritt. Diese Synchronisierung kann beispielsweise durch verdrahtete oder drahtlose Kommunikationskanäle anhand koordinierter Zeitsignale erfolgen. Es können auch andere Verfahren verwendet werden, um Synchronisierung zu erzielen.
  • Eine erste mögliche Einschränkung des Verfahrens des Geräts von 35 ist eine nichteinheitliche Winkeldrehzahl des hohlen Schafts 3412. Eine zweite mögliche Einschränkung ist Kontamination des optischen Signals am Detektor 3560 durch (umgebendes) Hintergrundlicht. Das Gerät von 36 überwindet diese möglichen Einschränkungen. 36 zeigt ein Gerät, das den Rollwinkel einer Sonde anhand eines Polarisationsrollgenerators 3600 und eines Polarisationsrollsensors 3620 misst. Der Polarisationsrollgenerator 3600 kann in einem Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung wie der Vorrichtung 12700 untergebracht sein. Der Polarisationsrollsensor 3620 kann in einer 6-DOF-Sonde wie der Sonde 12750 untergebracht sein. In einer Ausführungsform kombiniert der Polarisationsrollgenerator 3600 das Gerät 3401 von 34A mit einem Strahlteiler 3540, einer Winkelcodierscheibe 3602, einem oder mehreren Leseköpfe 3604 und einem elektrischen Schaltkreis 3610. Die Codierscheibe 3602 umfasst mehrere Markierungen 3603, die von dem einen oder den mehreren Leseköpfen 3604 gelesen werden, um den Drehwinkel der Scheibe zu ermitteln. Die Codierscheibe ist am hohlen Schaft 3412 angebracht und dreht sich mit ihm. Eine oder mehrere der Markierungen am Lesekopf können eine Indexmarkierung sein, die die Winkelposition jeder Markierung in einem Bezugssystem der Scheibe bereitstellt. Der Lesekopf kann Licht durch die Markierungen senden oder Licht an den Markierungen reflektieren, um die Markierungen festzustellen. Der elektrische Schaltkreis 3610 ist so konfiguriert, dass er ein elektrisches Signal 3612 erzeugt, das mit den mehreren Markierungen auf der Codierscheibe 3602 synchronisiert ist. In einer Ausführungsform ist das erzeugte Signal ein sinusförmiges Signal 3612. Ein anderer Signaltyp 3612, der erzeugt werden kann, ist eine Rechteckwelle oder eine gepulte Welle, von dem elektrischen Schaltkreis 3610 kann jedoch ein beliebiger Typ von elektrischem Signal geliefert werden. Das Signal 3612 wird zur Lichtquelle 3402 gesendet, um die optische Leistung des Lichtstrahls 3404 zu modulieren. Das Licht kann von einer LED, einer Superlumineszenzdiode, einem Diodenlaser oder einer anderen Lichtquelle erzeugt werden. In einer Ausführungsform umfasst die Codierscheibe 3602 960 feine Markierungen und eine Indexmarkierung. In einer Ausführungsform dreht sich der hohle Schaft 3412 mit 30 Zyklen pro Sekunde. Für die in 36 gezeigte Konfiguration dreht sich das linear polarisierte Licht mit der doppelten Drehzahl oder 60 Hz. Die Frequenz der optischen Leistung, die durch den Polarisator 3622 tritt, wird erneut verdoppelt, um eine effektive Drehzahl von 120 Hz zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist die elektrische Modulation 3612, die vom elektrischen Schaltkreis 3610 an die Lichtquelle 3402 geliefert wird, dergestalt an die Drehung des Codierers gebunden, dass jeder Polarisationszyklus die gleiche Anzahl schneller Modulationszyklen umfasst; in diesem Fall eine Drehung der Halbwellenplatte 3414 für jedes Passieren von 16 feinen Markierungen auf der Codierscheibe 3602.
  • Der Polarisationsrollsensor 3620 umfasst einen ersten Detektorkanal 3641 und einem zweiten Detektorkanal 3643. Der erste Detektorkanal 3641 umfasst einen Polarisator 3622, einen ersten optischen Detektor 3624 und einen ersten elektrischen Schaltkreis 3640. Der zweite Detektorkanal 3643 umfasst einen zweiten optischen Detektor 3634 und einen zweiten elektrischen Schaltkreis 3636. Das erste elektrische Signal 3625 vom ersten elektrischen Schaltkreis 3640 weist eine relativ langsame Modulation auf, die aus dem rotierenden linear polarisierten Licht resultiert, das vom Polarisator 3622 in optische Leistungsänderungen umgewandelt wird. Das erste elektrische Signal 3625 wird vom Signal 3612 mit einer relativ hohen Rate weiter moduliert. Für den Fall, in dem 16 Zyklen optischer Leistung für jede einzige Drehung der Halbwellenplatte 3414 vorliegen, liegt die Hälfte dieser Anzahl von Zyklen, oder 8 Zyklen, in jedem Zyklus der vom optischen Detektor 3522 festgestellten optischen Leistung vor, wie es in der resultierenden Wellenform gezeigt ist, die 8 Zyklen von sinusförmig variierender optischer Leistung für jeden Hauptleistungszyklus umfasst, wie es in der beispielhaften elektrischen Wellenform 3625 gezeigt ist.
  • Der zweite optische Detektor 3634 empfängt ein optisches Signal, das nur die Modulation vom Signal 3612 umfasst. Der zweite elektrische Schaltkreis 3636 empfängt das elektrische Signal 3639 aus dem er das gewünschte Signal 3642 extrahiert. Da das Licht vom Polarisationsrollgenerator 3600 vom elektrischen Schaltkreis 3610 moduliert wird und das Hintergrundlicht (umgebende Licht) nicht, kann die elektrische Wellenform dazu verwendet werden, die Auswirkungen des Hintergrundlichts durch Bereitstellen eines Synchronisierungssignals zu entfernen, um zur Demodulation der empfangenen elektrischen Wellenform 2525 beizutragen, um die Wellenform 3654 zu erhalten. Die unerwünschten Signale vom Hintergrundlicht können anhand eines elektrischen Filterprozesses beseitigt werden, beispielsweise mittels eines Lock-in-Verstärkers. Viele Typen von Lock-in-Verstärkern sind möglich, einschließlich analoge und digitale Lock-in-Verstärker. Es können auch andere Filtermethoden verwendet werden. Eine Möglichkeit zum Entfernen von Modulation mit relativ hoher Geschwindigkeit im Signal 3625 aus der Modulation mit relativ geringer Geschwindigkeit im Signal 3642 ist das direkte Abtasten und Anpassen der Signale mit geringerer Geschwindigkeit, um Uneinheitlichkeiten der Drehzahl des rotierenden Schafts 3412 richtig zu berücksichtigen. Eine Bezugsphase 2652 wird mit einer Messphase 2650 verglichen, um einen Drehwinkel des Polarisationsrollsensors 3620 bezüglich des Polarisationsrollgenerators 3600 zu ermitteln. Wie hierin vorstehend erläutert wurde, können die Bezugsphase und die Messphase anhand beliebiger im Fach bekannter Verfahren berechnet werden, beispielsweise anhand des hierin vorstehen beschriebenen Arcustangens-Verfahrens.
  • Für Ausführungsformen von hierin vorstehend und hierin nachstehend beschriebenen Polarisations-Rollverfahren kann eine zusätzliche Auswirkung in Betracht gezogen werden. Wenn Licht auf eine Glasoberfläche trifft, die beispielsweise eine Glasoberfläche eines Polarisators, eines optischen Detektors, eines Glasretroreflektors oder eines Würfelstrahlteilers sein kann, teilt sich das Licht in s- und p-Polarisationskomponenten gemäß der Neigung der Oberfläche bezüglich des einfallenden Lichtstrahls. Jede der s- und p-Polarisationskomponenten weist einen unterschiedlichen Transmissionsgrad durch die Glasoberfläche auf, der anhand Fresnel-Gleichungen berechnet werden kann, wie es im Fach gut bekannt ist. Gemäß den Fresnel-Gleichungen hängt der Betrag des Transmissionsgrads durch eine Glasoberfläche für s- und p-Polarisation vom Einfallswinkel des Lichts auf die Glasoberfläche und vom Brechungsindex des Glases ab. Wenn die Oberfläche des Glases unbeschichtet ist, besteht die Wirkung des Hindurchführens von linear polarisiertem Licht durch eine Glasoberfläche in einer leichten Änderung der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts. Die Wirkung einer solchen Polarisationsänderung des berechneten Rollwinkels kann berücksichtigt werden, indem zuerst der Nick- und der Gierwinkel (oder Entsprechungen) der Neigungszielanordnung bestimmt werden, und diese Werte dann zum Korrigieren der Änderung des Polarisationszustands verwendet werden. Um eine solche Korrektur zu erleichtern, können Kompensationsverfahren beim Hersteller vorgenommen werden, um zu bestimmen, wie sich der lineare Polarisationszustand mit dem Nick- und dem Gierwinkel (oder Entsprechungen) der Zielanordnung ändert.
  • 37 zeigt ein Gerät 3720, die ein anderes Verfahren zum Erzeugen rotierenden linear polarisierten Lichts bereitstellt. Eine Lichtquelle 3702 sendet Licht 3706 durch eine Linse 3704 an ein optisches Element 3708, das an einem Spiegel 3709 angebracht ist, der von einem Schaft 3712 eines Motors 3710 gedreht wird. Das optische Element 3708 kann ein Linearpolarisator oder eine Viertelwellenplatte sein. Wenn das optische Element ein Linearpolarisator ist, kann das Licht, das von der Lichtquelle 3702 bereitgestellt wird, eine willkürliche (und schnell wechselnde) Polarisation aufweisen. Dieser Lichttyp kann in manchen Fällen von einem mehrmodigen Faserstumpf erhalten werden, der mit einer LED verbunden ist. In diesem Fall passiert das Licht den Linearpolarisator doppelt und tritt als linear polarisiertes Licht heraus, das sich mit dem Drehen des Polarisators dreht. Wenn das optische Element eine Viertelwellenplatte ist, kann das Licht, das von der Lichtquelle 3702 bereitgestellt wird, linear polarisiert werden. Solches Licht kann in manchen Fällen von einer polarisierten Lichtquelle oder von einer an einer Lichtquelle angebrachten Faser erhalten werden, die Polarisation aufrechterhält. In anderen Fällen kann solches linear polarisiertes Licht durch Senden des Lichts durch beispielsweise einen Linearpolarisator erhalten werden, der der Linse 3704 folgt. Das Licht 3706 trifft mit einem Einfallswinkel auf das optische Element 3708, der der Winkel zwischen dem Normalenvektor des optischen Elements 3708 und der Richtung des Lichts ist. Das Licht 3706 reflektiert am Spiegel in einem Strahl 3714 mit einem Winkel der gleich dem Einfallswinkel ist, um den Strahl 3714 zu erzeugen.
  • Die in 38 dargestellte Ausführungsform fügt Bauelemente zu dem in 37 dargestellten Gerät hinzu, um die beiden zuvor beschriebenen möglichen Beschränkungen, nämlich uneinheitliche Drehzahl und Kontamination durch Hintergrundlicht, zu überwinden. Der Polarisationsrollgenerator 3720 fügt zu den Bauelementen 3700 in 37 eine Codierscheibe 3722, einen oder mehrere Leseköpfe 3724 und einen elektrischen Schaltkreis 3728 hinzu. Elektrische Signale von Markierungen auf der Codierscheibe werden über die Leitung 3726 an den elektrischen Schaltkreis gesendet, was zu einem Signal 3729 führt, das zur Lichtquelle 3702 gesendet wird, um dem Signal Modulation bereitzustellen, das von Projektor 3540 an den Polarisationsrollsensor 3620 gesendet wird. Der Betrieb des Polarisationsrollsensors 3620 wurde hierin vorstehenden mit Bezug auf 36 bereits erörtert.
  • 39A und 39B sind schematische Darstellungen eines Polarisationsrollgenerators 4000, der hierin vorstehend beschriebene mechanische rotierende Bauelemente mit einem elektrooptischen (EO-)Modulator ersetzt, der zum Erzeugen rotierenden linear polarisierten Lichts konfiguriert ist. Die Lichtquelle 4002 sendet Licht 4004 durch eine Kollimatorlinse 4006 und einen Linearpolarisator. 39B ist eine schematische Darstellung 2000 der Kristallachsen des Kristalls im EO-Modulator. Licht tritt in den EO-Modulator 4010, der einen elektrooptischen Kristall umfasst, der jede von zwei zueinander senkrechten Kristallachsen 4014A und 4014B aufweist, die jeweils bei 45 Grad bezüglich der Richtung der Polarisation des eintreffenden Lichts 4014C orientiert sind. Ein elektrischer Schaltkreis 4012 wendet ein elektrisches Signal auf die erste Achse 4014B an, um eine Änderung des Brechungsindex entlang dieser Achse zu erzeugen. Aufgrund dieser Maßnahme wird das Licht entlang der ersten Achse 4014B bezüglich der anderen Achse verzögert oder beschleunigt. Auf diese Weise kann die Polarisation des Lichts, das durch den EO-Modulator tritt über alle möglichen Zustände der ellipsenförmigen Polarisation, von linear vertikal zu kreisförmig zu linear horizontal und zu allen ellipsenförmigen Polarisationszuständen dazwischen, variiert werden. Eine Viertelwellenplatte 4018 wird an der Ausgabe des EO-Modulators angeordnet, wobei die Achse der Viertelwellenplatte 4018 entlang der Richtung des eintreffenden Lichts 4014C der ursprünglichen Polarisation des Lichts angeordnet wird. Wenn vom elektrischen Schaltkreis 4012 kein elektrisches Signal auf den EO-Modulator angewendet wird, behält das Licht seinen linear polarisierten Zustand bei. Wenn sinusförmig moduliertes Licht auf den EO-Modulator angewendet wird, ändert sich die Polarisation zu einem ellipsenförmigen Zustand gemäß der Höhe der angewendeten Spitzenspannung. Tritt das ellipsenförmig polarisierten Licht durch die Viertelwellenplatte 4018, so ändert es sich zu einem linearen Zustand. Durch Erhöhen oder Senken der Amplitude des sinusförmig modulierten elektrischen Signals vom elektrischen Schaltkreis 4012 kann das linear polarisierte Licht, das die Viertelwellenplatte 4018 verlässt, dazu veranlasst werden, sich zu drehen.
  • In 40 weist ein Polarisationsrollgenerator 4040 die Bauelemente des Polarisationsrollgenerators 4000 von 39A auf und umfasst zusätzlich einen Strahlteiler 4022, einen Polarisator 4024, einen optischen Detektor 4026, einen elektrischen Schaltkreis 4028 und einen elektrischen Schaltkreis 4030. Der elektrische Schaltkreis 4030 wendet ein erstes elektrisches Signal auf den elektrischen Schaltkreis 4012 an und ein zweites elektrisches schnelleres Signal, um die optische Leistung zu modulieren, die von der Lichtquelle 4002 abgegeben wird. In einer Ausführungsform wendet der elektrische Schaltkreis 4012 ein sinusförmiges Signal von 1 kHz auf den EO-Modulator an, und der elektrische Schaltkreis 4030 erzeugt ein synchronisiertes elektrisches Signal mit 16 kHz. Das vom optischen Detektor 4026 empfangene Signal 4027 umfasst eine relativ schnelle Modulation innerhalb eines langsamer modulierten Signals 4029. Der elektrische Schaltkreis 4028 extrahiert das Signal 4029 mit der langsameren Modulation und misst zu einem Zeitpunkt eine Phase 3652. Er sendet diese Phasenmessung an den Polarisationsrollsensor 3620 in 40. Der Polarisationsrollsensor funktioniert wie hierin vorstehend mit Bezug auf 36 beschrieben.
  • In einer in 41A und 41B dargestellten Ausführungsform ist ein Rollanalysator eine Durchgangs-Retroreflektoranordnung 4100, die einen Retroreflektor 4110, einen Polarisator 4134 und einen Detektor 4120 umfasst. Die allgemeine Erscheinungsform des Rollanalysators 4100 ist ähnlich wie die der Durchgangs-Retroreflektoranordnung oder des Nick-/Giersensors 12800 von 28A, 28B, der Rollanalysators 4100 soll jedoch das Rollen messen, während die Durchgangs-Retroreflektoranordnung oder der Nick-/Gieranalysator 12800 zum Messen von Nicken und Gieren vorgesehen ist. In einer Ausführungsform wirkt der Rollanalysators 4100 mit einem Polarisationsrollgenerator wie einem der in 34A, 34B, 35, 36, 37, 38, 39, 40 dargestellten Polarisationsrollgeneratoren zusammen. Im Allgemeinen muss der Detektor 4120 kein Positionsdetektor sein; ein Detektor, der optische Leistung messen kann, jedoch nicht zum Messen der Position in der Lage ist, ist geeignet. Das Verwenden eines Positionsdetektors kann jedoch beim Ermitteln des Rollwinkels vorteilhaft sein, da die Position des Lichtpunkts auf dem Detektor 4120 dazu verwendet werden kann, die Nick- und Gierwinkel zu ermitteln, was wiederum zum Ermitteln der p- und s-Polarisationskomponenten des Lichts verwendet werden kann, das durch den Rollanalysator 4100 tritt. Dies kann vorteilhaft sein, da der Betrag des Transmissionsgrads von Licht durch Glasoberflächen für s- und p-Polarisationen unterschiedlich sein kann. Mithilfe eines Positionsdetektors als Detektor 4120 kann es auch möglich sein, den Rollanalysator 4100 als eine Kombination aus Nick-/Giersensor und Polarisationsrollsensor zu verwenden.
  • In einer Ausführungsform ist der Retroreflektor 4110 ein Würfelecken-Retroreflektor 4110, der eine Vorderfläche 4112, drei zueinander senkrechte reflektierende Oberflächen 4114 und einen angeschnittenen Bereich 4116 nahe einem virtuellen Scheitelpunkt 4118 des Retroreflektors aufweist. Ein Lichtstrahl 4130 von einem Lasertracker oder einer ähnlichen Vorrichtung schneidet die Vorderfläche 4112 des Retroreflektors in einem Lichtpunkt 4140. Er bricht an der Oberfläche des Retroreflektors und bewegt sich als Lichtstrahl 4132 in Richtung des virtuellen Scheitelpunkts 4118. In einer Ausführungsform verfolgt der Lichtstrahl 4130 den virtuellen Scheitelpunkt 4118 weiter, wenn der Rollanalysator 4100 bewegt wird. Der Lichtstrahl 4132 bricht am angeschnittenen Bereich als Strahl 4132 und schneidet den Detektor 4120 im Lichtpunkt 4142. Das Verfahren zum Bestimmen des Rollwinkels gemäß einer Folge von optischen Leistungen wurde hierin vorstehend bereits beschrieben.
  • In einer in 42A und 42B dargestellten Ausführungsform ist ein Rollanalysator eine Retroreflektoranordnung 4200, die einen Retroreflektor 4210 und einen oder mehrere Polarisationsrollsensoren umfasst. In einer Ausführungsform ist der Retroreflektor 4210 ein Glaswürfeleckenprisma, das eine Vorderfläche 4212, drei zueinander senkrecht stehende reflektierende Oberflächen 4214 und einen Scheitelpunkt 4218 aufweist, an dem sich die reflektierenden Oberflächen schneiden. In einer Ausführungsform liegen drei Polarisationsrollsensoren 4220A, 4220B und 4220C vor. Jeder Polarisationsrollsensor umfasst einen Positionsdetektor, einen Polarisator und eine Apertur. Die Polarisationsroll 4220A, 4220B, 4220C umfassen die Aperturen 4250A, 4250B bzw. 4250C, die Polarisatoren 4221A, 4221B bzw. 4221C und die Positionsdetektoren 4222A, 4222B bzw. 4222C. Ein Lichtstrahl von einem Lasertracker oder einer ähnlichen Vorrichtung wie Vorrichtung 12700 von 27 projiziert einen oder mehrere Lichtstrahlen auf den Rollanalysator 4210. In einer Ausführungsform umfassen der eine oder die mehreren Lichtstrahlen einen relativ kleinen Lichtstrahl 4230, der auf der vorderen Oberfläche des Retroreflektors 4210 zentriert ist, und einen relativ großen Lichtstrahl 4260, der ebenfalls auf dem Schnittpunkt 4234 des Lichts in den Retroreflektor zentriert ist. In einer Ausführungsform der Lichtstrahl 4230, der sich zum Scheitelpunkt 4218 fortbewegt und mit der Vorderfläche 4212 am Punkt 4234 schneidet. Für jeden der drei Polarisationsrollsensoren tritt ein Teil des Lichts 4260 durch eine Apertur, bevor es durch einen Polarisator und in einen Positionsdetektor tritt. Im Polarisationsrollsensor 4220A tritt ein Teil des Lichts 4262A durch die Apertur 4250A und den Polarisator 4221A, bevor es an der Position 4240A auf den Positionsdetektor 4222A trifft. Im Polarisationsrollsensor 4220B tritt ein Teil des Lichts 4262B durch die Apertur 4250B und den Polarisator 4221B, bevor es an der Position 4940B auf den Positionsdetektor 4222B trifft. Im Polarisationsrollsensor 4920C tritt ein Teil des Lichts 4962C durch die Apertur 4950C und den Polarisator 4221C, bevor es an der Position 4240C auf den Positionsdetektor 4922C trifft. Das von den Positionsdetektoren 4222A, 4222B und 4222C empfangene Licht kann gemäß hierin nachstehend beschriebenen Verfahren und dem Rollwinkel der Anordnung 4200, der zumindest teilweise aufgrund der von den Positionsdetektoren 4222A, 4222B und 4222C gelieferten Signalen von einem Prozessor ermittelt werden, elektrisch verarbeitet werden.
  • 43A ist eine schematische Darstellung einer 6-DOF-Anordnung 4300, die einen Retroreflektor 4302, drei Nick-/Giersensoren 4310A, 4310B, 4310C, drei Polarisationsrollsensoren 4320A, 4320B, 4320C und einen optischen Detektor 4330 umfasst. 43B und 43C sind Schnitt A-A bzw. Schnitt B-B. In einer Ausführungsform umfassen die Nick-/Giersensoren 4310A, 4310B, 4310C die Aperturen 4312A, 4312B bzw. 4312C, die Linsen 4314A, 4314B bzw. 4314C und die Positionsdetektoren 4316A, 4316B bzw. 4316C. In einer Ausführungsform umfassen die Polarisationsrollsensoren 4320A, 4320B, 4320C die Aperturen 4322A, 4322B bzw. 4322C, die Polarisatoren 4324A, 4324B bzw. 4324C und die optischen Detektoren 4326A, 4326B bzw. 4326C. Der optische Detektor 4330 misst die optische Leistung des vom Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung empfangenen Lichts.
  • In einer Ausführungsform stellt der optische Detektor 4330 die Funktion des optischen Detektors 3634 in 36 bereit. Auf diese Weise wird der Detektor 3634 in jedem der drei Polarisationsrollsensoren 4320A, 4320B und 4320C eliminiert. Ähnlich kann der optische Detektor 4330 ein elektrisches Signal bereitstellen, das der optischen Gesamtleistung zum elektrischen Schaltkreis 13324 in 33A entspricht. Falls die Positionsdetektoren 4316A, 4316B und 4316C tetra-laterale PSDs sind, kann die optische Gesamtleistung durch Addieren der elektrischen Signale aus jedem der vier Beine des PDS festgestellt werden. Ähnlich können andere Positionssensoren zum Ermitteln der optischen Leistung verwendet werden, etwa die Positionssensoren von 30B und 30C. Es ist jedoch einfacher, das elektronische Signal zu verwenden, das von einem einzelnen optischen Detektor 4330 empfangen wird, um das Modulationssignal zu extrahieren, das den optischen Leistungsänderungen im ausgegeben Licht entspricht.
  • In einer in 43B und 43C dargestellten Ausführungsform ist die Vorderseite von jeder der Sensoranordnungen 4310A-C und 4320A-C vom Retroreflektor 4302 weg geneigt. In einer in 43B und 43C gezeigten Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel vom Retroreflektor weg 25 Grad. Um den Vorteil zu verstehen, der durch das Neigen der Sensorvorrichtungen vom Retroreflektor weg erzielt wird, ist anzumerken, dass in 31A, 31B, 41A und 41B der Strahl vom Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung außerhalb des Zentrums des Retroreflektors auf die vordere Oberfläche des Retroreflektors trifft, wobei die Position des Zentrums auf dem Retroreflektor in Richtung des Lichtstrahls bewegt wird. In diesen Figuren ist auch zu beachten, dass das Licht auf den optischen Detektor 3148 in 31A, 31B und den Detektor 4120 in 41A, 41B außerhalb des Zentrums in der Richtung trifft, die der entgegengesetzt ist, in der das Licht auf die vordere Oberfläche des Retroreflektors trifft. Durch Neigen der Sensoranordnungen 4310A-C und 4320A-C um 25 Grad vom Retroreflektor weg ist, wenn das Licht mit einem Einfallswinkel von 25 Grad auf den Retroreflektor trifft, die Sensoranordnung am nächsten an der Richtung des Lichts beim normalem Einfall zum empfangenen Licht. Dies ist auch der Zustand, in dem diese gleiche Sensoranordnung eine relativ große Lichtmenge empfängt, da des Strahl in Richtung der Sensoranordnung verlagert wird. Durch Neigen jeder der Sensoranordnungen um 25 Grad vom Retroreflektor 4302 weg kann diese Sensoranordnung eine Retroreflektorneigung von 0 bis 50 Grad für eine Sensoranordnung abdecken, die ein Sichtfeld von +/-30 Grad aufweist. Falls eine Nick-/Gieranordnung, die eine Linse verwendet wie in 32, vereinfacht eine Relaxation im Sichtfeld die Ausgestaltung und verbessert die Leistung. Im Fall der Polarisationsrollanordnung verbessert eine Relaxation im Sichtfeld das Kontrastverhältnis, was zu besserer Leistung führt. Dass ein Sichtfeld von +/-30 Grad angemessen ist, um Abdeckung für Neigungswinkel von 0 bis 50 Grad bereitzustellen, wird in 43D dargestellt, einem Schaubild, das die Winkelabdeckung in x-, y- und z-Richtung für Sensoranordnungen zeigt, die um 25 Grad geneigt sind und Sichtfelder von +/-30 Grad aufweisen. Das Überlappen der drei Winkelbereiche zeigt an, dass für jede Orientierung der Anordnung 4300 Winkel bis zu +/-50 Grad abgedeckt sind.
  • 44 veranschaulicht eine Anordnung 4400, die drei Sensoren 4406A, 4406B, 4406C umfasst, die entweder Polarisationsrollsensoren oder Nick-/Giersensoren sein können, wie es hierin vorstehend beschrieben wurde. Die Sensoren 4406A, 4406B, 4406C umgeben einen Retroreflektor 4407, der einen Bereich 4408 aufweist, der einen angeschnitten Abschnitt der Glaswürfelecke und zusätzlich Bauelemente umfasst, um Polarisationsrollsensoren wie 4320A, 4320B, 4320C oder Nick-/Giersensoren wie 4310A, 4310B, 4310C zu erhalten, wie es hierin vorstehend beschrieben wurde. In einer Ausführungsform ist der Bereich 4408 so ausgelegt, dass er die drei Sensoren 4406A, 4406B und 4406C ergänzt und infolgedessen ermöglicht, dass die Anordnung 4400 zum Bestimmen aller sechs Freiheitsgrade verwendet werden kann.
  • 45A und 45B zeigen eine Ansicht von vorne, bzw. einen Schnitt einer Retroreflektoranordnung 4420, die zum Messen von Nicken/Gieren oder Rollen oder beiden konfiguriert ist. Licht von einer externen Vorrichtung wie einem Lasertracker bewegt sich in einem Lichtbündel 3142 und bricht an der Vorderfläche 3112 in ein Lichtbündel 3144, bevor es durch die angeschnittene Apertur 3116 tritt. Das Licht 3146, das durch die angeschnittene Apertur 3116 tritt, tritt durch die Linse 3130 und wahlweise durch den Polarisator 4422, bevor es in konvergierenden Strahlen 3147 auf den optischen Detektor 3148 fokussiert wird, der ein Positionssensor sein kann.
  • 46 eine auseinandergezogene Ansicht einer 6-DOF-Tastsonde 4600 gemäß einer Ausführungsform. Eine Sondenspitze 4606 mit einer kugelförmigen Oberfläche ist an einem Tasterschaft 4604 angebracht, der an einem vorderen Gehäuse 4602 befestigt ist. In der Mitte der Vorderfläche des vorderen Gehäuses 4602 befindet sich eine kreisförmige Öffnung 4608, die zum Aufnehmen eines Retroreflektors 4644 dimensioniert ist. In einer Ausführungsform ist der Retroreflektor ein Würfelecken-Retroreflektor 4644 mit hohlem Kern (Luft). In einer Ausführungsform ist der Retroreflektor 4644 ein Glasprisma, das drei zueinander senkrechte reflektierende Oberflächen aufweist. Das vordere Gehäuse umfasst drei Aperturen 4610A, 4610B, 4610C, die empfangenes Licht an die Nick-/Gieranordnungen 4612A, 4612B bzw. 4612C aussenden, wobei jede Nick-/Gieranordnung eine Linse und einen Positionsdetektor umfasst. Das vordere Gehäuse umfasst auch drei Polarisatoren 4620A, 4620B und 4620C, die optische Detektoren von oben sind (nicht gezeigt), wobei die Polarisatoren neben Bezugsdetektoren 4622A, 4622B bzw. 4622C angeordnet sind. Die Polarisatoren, Detektoren (nicht gezeigt) und Bezugsdetektoren umfassen zusammen mit zugehöriger Elektronik die Polarisationsrollsensoren. Eine Elektronikplatine 4630 ist zum Unterstützen der Nick-/Giersensoren und der Polarisationsrollsensoren vorgesehen. Ein kreisförmiges Loch 4632 in der Mitte der Elektronikplatine 4630 ist so dimensioniert, dass der Retroreflektor 4644 und der Schaft 4642 an der Rückplattenanordnung 4640 hindurchtreten können. Es kann auch eine Batterie 4646 vorgesehen sein.
  • In anderen Ausführungsformen werden die Sondenspitze 4606 und der Tasterschaft 4604 durch andere Messvorrichtungen oder Zusatzteile ersetzt, etwa einen Triangulationsscanner, eine Anzeigeeinrichtung, einen Sensor oder einen Projektor. Diese Vorrichtungen und Zusatzteile wurden hierin vorstehend mit Bezug auf 12-18 erörtert. In manchen Ausführungsformen sind mehrere 6-DOF-Orientierungssensoren, die zum Messen von drei Orientierungsfreiheitsgraden (d. h., Nicken, Gieren und Rollen) in der Lage sind, zusammen auf einer Sonde montiert, um ein schnelles Messen der Sonde aus mehreren verschiedenen Richtungen zu ermöglichen, wobei die Messvorrichtungen oder Zusatzteile ebenfalls in mehrere verschiedene Richtung orientiert sind. In anderen Ausführungsformen ist ein 6-DOF-Orientierungssensor, wie der Sensor, der durch das vordere Gehäuse 4602 dargestellt wird, an den Messvorrichtungen oder Zusatzteilen mit einem oder mehreren Drehgelenken angebracht, die einen Winkelcodierer oder eine andere Winkelmessvorrichtung aufweisen. Mit diesem Ansatz steuert der Bediener den Retroreflektor, um vom Lasertracker oder der Vorrichtung auf den Lichtstrahl zu zeigen, und stellt mit den Drehgelenken die Position und Orientierung der Messvorrichtung oder des Zusatzteils nach Wunsch ein.
  • 47 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Nutzlastanordnung 4700 eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform. Die Nutzlastanordnung 4700 ist der Nutzlastanordnung 15 von 1 ähnlich. Die Nutzlastanordnung 4700 umfasst einen Hauptoptikpfad 4710, der eine Lichtquelle 4712 aufweist, die einen Lichtstrahl erzeugt, der im Einkopplungsstrahl 4714 enthalten ist. Der Einkopplungsstrahl 4714 kann zum Verfolgen eines Retroreflektorziels und Messen der Entfernung und zweier Winkel zum Ziel verwendet werden. Der Einkopplungsstrahl 4714 wird durch Steuern eines motorisierten Schafts 4720 um eine Zenitachse 4722 gerichtet, die der Zenitachse 18 von 1 entspricht. Die Nutzlastanordnung wird auch um einer Azimutachse gesteuert, die in 47 nicht gezeigt ist, jedoch ähnlich wie die in 1 dargestellte Azimutachse 20 angeordnet ist. In einer Ausführungsform umfasst die Nutzlastanordnung 4700 auch einen zweiten Optikpfad 4730, der eine Lichtquelle 4732 umfasst, die Licht durch einen Polarisationsrollgenerator 4734 sendet, der rotierendes polarisiertes Licht beispielsweise anhand eines Rotationsmotors oder eines EO-Modulator erzeugt, wie es hierin vorstehend beschrieben wurde. In einer Ausführungsform wird das Licht mit der rotierenden linearen Polarisation für sowohl den Nick-/Giersensor als auch den Polarisationsrollsensor verwendet. Das Licht tritt durch Linsenelemente eines Strahlaufweiters, um einen kollimierten Lichtstrahl zu erzeugen, der in einer Ausführungsform einen Durchmesser von 31 mm aufweist. Der Strahl wird von einem Spiegel 4736 nach unten gefaltet und an einem Strahlteiler 4738 reflektiert. Dieses Licht wird mit dem Strahl von der Lichtquelle 4712 kombiniert, um einen einzelnen zusammengesetzten Einkopplungsstrahl 4714 aus sich zusammen ausbreitenden Lichtstrahlen zu bilden. Eine Draufsicht auf die Nutzlastanordnung 4700 ist in 48A gezeigt. Ein Schnitt entlang A-A ist in 48B gezeigt. Dieser Schnitt zeigt die Linsenelemente im sekundären Pfad deutlicher, die die Linsen 4740, 4742, 4744 und 4746 umfassen.
  • Ein Problem, das möglicherweise auftreten kann, wenn gebogene Linsenelemente verwendet werden, um einen Strahl aufzuweiten, besteht darin, dass sich der Polarisationszustand des Strahls über den Durchmesser des Strahls leicht ändern kann. Dies liegt daran, dass an jedem gebogenen Punkt auf der Oberfläche ein Lichtstrahl in s- und p-Polarisationszustände bezüglich der gebogenen Oberfläche geteilt werden kann. Diese s- und p-Polarisationszustände können beim Treten durch die Oberfläche jeweils eine leicht unterschiedliche Phasenverschiebung und Abschwächung erfahren. Als Ergebnis dieser Wirkung tendiert die gebogene Oberfläche dazu, linear polarisiertes Licht in ellipsenförmiges polarisiertes Licht zu ändern, wobei sich der Polarisationszustand mit dem Abstand von der Strahlmitte verändert.
  • Eine Möglichkeit zur Behandlung dieses Problems ist ein Erzielen von Strahlaufweitung anhand anamorpher Prismen anstelle von gebogenen Linsenelementen, wie den Linsenelementen 4740, 4742, 4744 und 4746. 49A und 49B zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf eine Sammlung von anamorphen Prismen, die die gleiche Aufweitung des Strahls wie die gebogenen Linsenelemente von 48B erzeugen, ohne sich auf den linearen Polarisationszustand des Lichtstrahls auszuwirken, der im sekundären Optikpfad erzeugt wird. 49A und 49B zeigen vier anamorphe Prismen 4802, 4804, 4808, 4810 und einen Drehprisma 4806. 49A zeigt, wie die anamorphen Prismen 4808 und 4810 den eintretenden Lichtstrahl 4612 in eine Dimension aufweiten, was in der Seitenansicht ersichtlich ist. Der Lichtstrahl 4612 trifft schräg auf die erste Oberfläche des anamorphen Prismas 4808 auf. Wenn der Einfallswinkel des Strahls 4612θ ist, wird die Größe des Strahls auf der ersten Oberfläche des Prismas (wie in der Seitenansicht ersichtlich) über den Strahldurchmesser um einen Faktor von 1/cos(θ) erhöht. Durch Konfigurieren des Prismas auf eine Weise, dass die zweite Oberfläche senkrecht zum gebrochenen Lichtstrahl im Prisma 4808 ist, wird die gesamte Größe des aufgeweiteten Strahls beibehalten, wenn er aus dem Prisma 4808 austritt. Daher ist der Strahl 4814 größer als der Strahl 4812 (in der Seitenansicht). Der Strahl 4814 wird ähnlich wie der Strahl 4816 vom anamorphen Prisma 4810 aufgeweitet. Auf ähnliche Weise weiten die anamorphen Prismen 4802 und 4802 die Größe des Strahls in der Draufsicht auf. Der Strahl 4810 ist kleiner als der Strahl 4811, der kleiner als der Strahl 4812 ist. Das Prisma 4808 ändert die Größe des Strahls nicht, sondern steuert ihn in eine gewünschte Richtung.
  • Eine andere Möglichkeit zur Behandlung des Problems der Änderung des Polarisationszustands über die Strahlbreite ist das Verwenden von nur dem Mittelteil eines größeren Strahls für den Polarisationsrollsensor. Dieses Verfahren ist mit den in 41A, 41B, 44, 45A und 45B dargestellten Anordnungen möglich. Im Fall von 45A und 45B kann der vom sekundären Pfad erzeugte Strahl relativ klein sein; etwa ungefähr von der gleichen Größe wie der Strahl, der im primären Pfad erzeugt wird. In diesem Fall kann es in einigen Ausführungsformen möglich sein, den sekundären Strahl völlig zu eliminieren und einen Strahl zu verwenden, der rotierende lineare Polarisation aufweist, um sowohl die drei Translationsfreiheitsgrade zu verfolgen und zu messen als auch die drei Orientierungsfreiheitsgrade der 6-DOF-Sonde zu ermitteln.
  • Nun wird eine andere Ausführungsform beschrieben, die das Verwenden eines kleinen Strahls von einem Lasertracker oder einer ähnlichen Vorrichtung zum Ermitteln der sechs Freiheitsgrade eines Retroreflektorziels ermöglicht. Gerätetypen, die einen kleinen Strahl vom Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung unterstützen, sind in 50A, 50B und 50C gezeigt. In jeder Ausführungsform ist ein Strahlteiler über einem Würfeleckenprisma angeordnet. In einer in 50A, 50B und 50C gezeigten Ausführungsform sind das Würfelecken-Retroreflektorprisma und der Strahlteiler aus einem transparenten Material mit hohem Brechungsindex hergestellt, das ein amorphes Glas oder ein kristallines Material sein kann. In einer Ausführungsform ist das Material polykristallines Zinksulfid (ZnS) durchsichtiger Güte, das einen Brechungsindex von 2,35 bei einer Wellenlänge von 633 nm aufweist. In 50A umfasst der Orientierungssensor ein ZnS-Würfelecken-Retroreflektorprisma 5010, der an einem ZnS-Strahlteiler 5020 angebracht ist. Auf der Seite des Strahlteilers, der reflektiertes Licht projiziert, ist ein Abstandhalter 5030 aus ZnS angebracht. Ein Kombinationssensor 5040, der die Funktionstüchtigkeit eines Polarisationsrollsensors und Nick-/Giersensors umfasst, wird durch Anordnen einer Apertur 5042, einer Linse 5044, eines Polarisators 5046 und eines Positionssensors 5048 erzielt, wie es in 50A gezeigt ist. Der Punkt 5032 ist ein virtuelles Bild des Würfelecken-Scheitelpunkts 5012 von 50A. Das Licht von einem Lasertracker folgt dem (verfolgt den) virtuellen Bildpunkt 5032 auf die gleiche Weise auf die es dem Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors folgt (diesen verfolgt). Das Verhalten des Kombinationssensors 5040 ist daher ähnlich dem des Sensors, der mit Bezug auf 45A und 45B beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass die angeschnittene Apertur 3116 im Würfelecken-Retroreflektor durch die Apertur im Bauelement 5042 ersetzt wird.
  • 50B veranschaulicht eine andere Ausführungsform, in der ein Polarisationsrollsensor 5070 in einer Position angeordnet ist, in der er Licht zu erfasst, das direkt durch den angeschnittenen Scheitelpunkt 5014 gesendet wird. Andere Bauelemente im Polarisationsrollsensor 5070 umfassen einen Polarisator 5072 und den optischen Detektor 5074. Der Nick-/Giersensor in 50B empfängt Licht durch den Nick-/Giersensor 504B, der der gleiche wie der Sensor in 5040A ist, mit der Ausnahme, dass der Polarisator entfernt wurde.
  • 50C zeigt eine andere Ausführungsform, in der der Materialblock 5030 durch einen Würfelstrahlteiler 5082 ersetzt wurde, der einen Teil des Lichts an einen Polarisationsrollsensor 5081 und einen anderen Teil des Lichts an einen Nick-/Giersensor 5085 sendet. In dieser Konfiguration umfasst der Polarisationsrollsensor 5081 eine Apertur 5083, einen Polarisator 5084 und einen optischen Detektor 5086. Der Nick-/Giersensor 5085 umfasst eine Apertur 5087, eine Linse 5088 und einen Positionsdetektor 5089.
  • 51 zeigt einen anderen Nick-/Giersensor 5100 zum Ermitteln der Nick- und Gierwinkel (oder Entsprechungen) eines Retroreflektors 5112. In einer Ausführungsform umfasst der Nick-/Giersensor eine Retroreflektoranordnung 5110, einen Positionssensor 5120 und einen elektrischen Schaltkreis 5130. Die Retroreflektoranordnung 5110 umfasst einen Würfelecken-Retroreflektor 5112 und einen Linsenring 5118. In einer Ausführungsform ist der Würfelecken-Retroreflektor ein Glasprisma mit einem Scheitelpunkt 5114 und zylinderförmigen Bodenseiten 5113, wobei die Prismaanordnung in einer zylinderförmigen Dose 5116 befestigt ist. Der Linsenring 5118 ist eine Linse, aus der der Mittenbereich entfernt wurde, um um die hintere Seite der Dose 5116 zu passen. Ein Lichtstrahl 5140 beleuchtet die Retroreflektoranordnung 5110. Ein Strahl 5142 aus den Lichtstrahl 5140 bricht an der vorderen Oberfläche 5115 des Retroreflektors 5112 und bewegt sich in Richtung des Scheitelpunkts 5114. Wenn das Licht 5140 von einem Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung ausgeht, die ein Trackingsystem aufweist, ist der Lichtstrahl 5140 auf dem Strahl 5142 zentriert. Für einen geneigten Retroreflektor bewegt sich der Schnittpunkt 5117 tendenziell von der Mitte der vordere Oberfläche 5115 weg in Richtung der nächstgelegenen Retroreflektorkante, wie es in 51 gezeigt ist. Eine Sammlung von Strahlen 5142 aus dem Lichtstrahlenbündel 5140 beleuchtet die Seite des Linsenrings 5118. Punkte entlang der beleuchteten Abschnitte des Linsenrings brechen das Licht in Strahlen 5144, das sich zum Positionssensor 5120 bewegt. In einer Ausführungsform wird der Linsenring 5118 verdunkelt, ausgenommen eines transparenten Rings nahe der Positionen 5150 um die Peripherie des Linsenrings. Der Positionssensor kann eine lichtempfindliche Anordnung wie eine CMOS- oder CCD-Anordnung sein, oder er kann ein analoger Positionssensor wie ein tetra-lateraler PSD sein.
  • In einer Ausführungsform beträgt der Durchmesser des Retroreflektorprismas 5112 und der umgebenden Dose 5116 8 mm, der Linsenring wird aus einer plankonvexen Linse erhalten, die aus Borsilikatkronglas (wie N-BK7, gefertigt von Schott North America, Inc., Elmsford, NY) gefertigt ist und einen Krümmungsradius von 40 mm aufweist, und der Positionssensor ist eine Anordnung mit 2048 × 2048 Pixeln, wobei jede 5 Pixel 5 Mikrometer auf einer Seite betragen (wie beispielsweise die von CMOSIS America, LLC, Raleigh, NC hergestellten). Das auf der lichtempfindlichen Anordnung 5120 ausgebildete Muster für diese Ausführungsform ist in 52 für verschiedene Drehwinkel um eine gegebene Achse (beispielsweise Nickachse oder Gierachse) gezeigt. Entlang der Oberseite des Schaubilds werden verschiedene Drehwinkel für negative Drehungen gezeigt und entlang der unteren Achse die für positive Drehungen. Für den Strahl 5140, der mit normalem Einfall auf die vordere Oberfläche 5115 des Retroreflektors trifft, ist das Muster ein Kreis, der in 52 durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet ist. In dem Fall, in dem eine Kombination aus Nickdrehung und Gierdrehung vorliegt, wird das Muster von 52 mit einem Winkel gedreht. In einer Ausführungsform wird das beobachtete Bildmuster an die möglichen Kurven wie die in 52 angepasst, um die Nick-/Gierwinkel (oder Entsprechungen) zu ermitteln. In einer Ausführungsform wird das Verfahren des Pulsierens der Lichtquelle verwendet, wie es mit Bezug auf 33B hierin vorstehend beschrieben wurde. In einer anderen Ausführungsform ist der Positionssensor ein tetra-lateraler PSD. Der PSD liefert den Schwerpunkt des Lichts, das zum Ermitteln des Nick-/Gierwinkels verwendet wird. In diesem Fall können die hierin vorstehend mit Bezug auf 33A beschriebenen Verfahren zur Verminderung des Hintergrundlichts verwendet werden.
  • 53A und 53B zeigen ein anderes Verfahren zum Ermitteln der Nick-/Gierwinkel (oder entsprechender Winkel) aufgrund der Streuung von Glas. 53A zeigt einen Querschnitt eines Würfelecken-Retroreflektorprismas 5300, das eine Vorderfläche 5302 und a Scheitelpunkt 5304 aufweist. Ein Lichtstrahl 5310 wird vom Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung eingekoppelt. Der Strahl 5310 umfasst zwei Wellenlängen von Licht: eine blaue Wellenlänge und eine rote Wellenlänge. Entlang des Pfads vom Lasertracker zum Retroreflektor 5300 sind die beiden Wellenlängen von Licht gleichläufig and kollinear. Der Lasertracker folgt dem roten Strahl, indem er den roten Strahl auf dem Scheitelpunkt 5304 zentriert hält. 54A zeigt eine grafische Auftragung des Brechungsindex eines durchsichtigen polykristallinen ZnS-Materials. Der Brechungsindex für blaues Licht bei 405 nm beträgt 2,55. Der Brechungsindex für rotes Licht bei 637 nm beträgt 2,36. Der größere Index von blauem Licht in ZnS bewirkt, dass sich der blaue Strahl nach innen in Richtung der Normalen biegt. 53A zeigt, dass sich der rote Strahl zum Scheitelpunkt bewegt und vom Retroreflektor als Strahl 5310 zurückkehrt. Der blaue Strahl reflektiert zur linken Seite des Scheitelpunkts und kehrt auf die rechte Seite des Scheitelpunkts zurück, wobei er aus der Retroreflektor-Oberfläche 5302 tritt, die näher an der Mitte der Vorderfläche 5302 liegt. Die Gesamtentfernung, die von den Strahlen roten und blauen Lichts zurückgelegt wird, wenn sie in den Retroreflektor treten, an den drei senkrechten Oberflächen reflektieren und aus dem Retroreflektor treten, ist die doppelte Entfernung von der Mitte der Vorderfläche 5302 zum Scheitelpunkt. Der Pfad, der vom blauen und roten Licht zurückgelegt wird, ist mathematisch modelliert und folgt zwei entgegengesetzt gerichteten Retroreflektoren, wie es hierin vorstehend mit Bezug auf 21-23 beschrieben wurde. Die Austrittsposition des blauen Strahls 5312B und des roten Strahls 5310B auf der Unterfläche des umgekehrten Retroreflektors 5320 kann dazu verwendet werden, die Positionen des Strahls 5310, 5312 von der Vorderfläche 5302 des Retroreflektors 5300 zu erhalten.
  • 55 zeigt, wie das rote und blaue Licht in einem Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung erzeugt und bewertet wird. Ein erster Strahl roten Lichts, der eine Wellenlänge von λ2 aufweist, wird von der Lichtquelle 5502 erzeugt. Ein zweiter Strahl blauen Lichts, der eine Wellenlänge von λ1 aufweist, wird von der Lichtquelle 5504 erzeugt. Das rote und das blaue Licht werden vom dichroitischen Strahlteiler 5506 kombiniert und bewegen sich vom Lasertracker oder der ähnlichen Vorrichtung auf dem Strahl 5310 nach außen. Für den Retroreflektorstrahl wird ein rotes Licht auf dem Strahl 5310 zurückgegeben und ein blaues Licht wird auf dem Strahl 5312 zurückgegeben. Das rote Licht wird vom Positionsdetektor verfolgt und ist daher ortsfest. Das zurückkehrende blaue Licht reflektiert am dichroitischen Strahlteiler 5506, reflektiert teilweise am Strahlteiler 5508, bewegt sich durch den Strahlaufweiter 5510, tritt durch den Polarisator 5516 und in den Positionsdetektor 5518. Ein elektrischer Schaltkreis 5520 verarbeitet die empfangen Daten, um die Neigung (Nick-/Gierwinkel oder dergleichen) auf dem Retroreflektorziel zu ermitteln.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Strahlaufweiter eine Zerstreuungslinse und eine Sammellinse, die zusammen eine Vergrößerung von 3 bereitstellen. Der Betrag der Verschiebung auf dem Positionsdetektor 5518 dieses Strahls ist als eine Funktion des Nick-/Gierwinkels in 54B gezeigt. Für diese Situation mit einem ZnS-Retroreflektor von einem Zoll erzeugt der Nick-/Gierwinkel eine Verschiebung auf dem Positionsdetektor von ungefähr 250 Mikrometern, die am Höchsteinfallswinkel von +/-45 Grad auftritt.
  • 56 zeigt einen Lasertracker oder eine ähnliche Vorrichtung 5600, die einen Lichtstrahl 5632 an ein Retroreflektorziel sendet, das in einem Sensor 2002 enthalten ist, der ein Teil einer Zielanordnung 5620 ist. Der Retroreflektor sendet den Lichtstrahl an die Vorrichtung 5610 als einen Strahl 5634 zurück. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung 5610 eine Kamera. In einer Ausführungsform messen der eine oder die mehreren Sensoren 2002 die Nick-/Gierwinkel. Die Zielanordnung umfasst ferner eine oder mehrere Lichtquellen 5622, die an der Zielanordnung 5620 angebracht sind. Ein Beispiel für die Lichtquelle 5622 wird von der Kamera 5610 erhalten, die eine Linse 5612 und eine lichtempfindliche Anordnung 5614 umfasst. Ein Prozessor 5616, der in die Vorrichtung 5600 oder in einen externen Computer einbezogen sein kann, ermittelt den Rollwinkel der Zielanordnung 5620 relativ zum Bezugssystem der Vorrichtung 5600 aufgrund der Nick-/Gierwinkel (oder Entsprechungen), die von den Sensoren 2002 gemessen werden, und des Rollwinkels, der zumindest teilweise aufgrund des auf der lichtempfindlichen Anordnung 5614 enthaltenen Bilds ermittelt wird.
  • 57 ist eine schematische Darstellung einer 6-DOF-Tastsonde 5700. Sie umfasst eine 6-DOF-Anordnung 2002, die einen Retroreflektor aufweist, der Licht von einem Lasertracker oder einer anderen Vorrichtung empfängt und es zu diesem zurücksendet. Sie umfasst auch einen Prozessor 5744 und eine Antenne 5745. Außerdem umfasst sie in einer Ausführungsform eine erste Codieranordnung 5701, eine zweite Codieranordnung 5703 und eine Tastsondenanordnung 5705. In einer Ausführungsform umfasst die erste Codieranordnung 5701 eine Achse 5712, zwei Lager 5714 einen Befestigungsblock 5716, eine Codierscheibe 5718, einen oder mehrere Leseköpfe 5720 und elektrische Drähte 5722, die von den Leseköpfen zum Prozessor 5744 verlaufen. In einer Ausführungsform dreht sich die Achse 5712 auf Lagern 5714 die im Befestigungsblock 5716 verankert sind. Die Codierscheibe 5718 ist fest auf der Achse 5712 befestigt und die Leseköpfe 5720 sind fest am Befestigungsblock 5716 befestigt. Die Codierscheibe 5718 dreht sich um die Achse 5724. Die elektrischen Signale von den Leseköpfen 5720 werden über Drähte 5722 an den Prozessor 5744 gesendet, der die Signale auswertet, um den Drehwinkel der Codierscheibe 5718 und der Achse 5712 um die Achse 5724 zu ermitteln.
  • In einer Ausführungsform umfasst die zweite Codieranordnung eine Achse 5732, zwei Lager 5734 einen inneren Befestigungsblock 5736, einen äußeren Befestigungsblock 5037, eine Codierscheibe 5738, einen oder mehrere Leseköpfe 5740 und elektrische Drähte 5742, die von den Leseköpfen zum Prozessor 5744 verlaufen. Die Achse 5732 dreht sich auf Lagern 5734 die im inneren Befestigungsblock 5736 verankert sind, der am äußeren Befestigungsblock 5737 befestigt ist. Die Codierscheibe 5738 ist fest auf der Achse 5732 befestigt und die Leseköpfe 5740 sind fest am Befestigungsblock 5736 befestigt. In einer Ausführungsform werden die elektrischen Signale von den Leseköpfen 5740 über Drähte 5742 durch die hohle Achse 5712 an den Prozessor 5744 gesendet, der die Signale auswertet, um den Drehwinkel der Codierscheibe 5738 und der Achse 5732 zu ermitteln.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Tastsondenanordnung 5705 einen Sondenschaft 5752 und eine Sondenspitze 5754. Der Sondenschaft 5752 ist an der inneren Befestigungsstruktur/dem inneren Befestigungsblock 5736 befestigt. Der Prozessor 5744 oder einer der Prozessoren im Tracker ist so konfiguriert, dass er 3D-Koordinaten der Mitte der Sondenspitze 5754 aufgrund der drei Translationsfreiheitsgrade, die vom Lasertracker 10 oder einer ähnlichen Vorrichtung gemessen werden, und aufgrund der drei Orientierungsfreiheitsgrade ermittelt, die von der 6-DOF-Sonde 5700 gemessen werden.
  • In einer Ausführungsform kann ein Lasertracker 10 einen Lichtstrahl aus dem Tracker um die Zenitachse 18 mit einem resultierenden Winkel bezüglich einer horizontalen Ebene von ungefähr -52 Grad bis +78 Grad steuern. Der Retroreflektor in der 6-DOF-Anordnung 2002 kann in die Richtung eines Laserstrahls gerichtet werden, der vom Lasertracker abgegeben wird. Außerdem kann die 6-DOF-Tastsonde 5700 auf einen beliebigen Winkel um die Achse 5760 gedreht werden. Mit anderen Worten kann die Sondenspitze 5754 um die Achse 5760 gedreht werden, um unter, über oder seitlich des Körpers 5707 gerichtet zu werden. Der zusätzliche Rotationsfreiheitsgrad 5762, der von der ersten Codieranordnung 5701 bereitgestellt wird, ermöglicht ein Drehen der Sonde zur Vorderseite, Rückseite oder Seite des Körpers 5707 bezüglich des Retroreflektors in der 6-DOF-Anordnung 2002. Der zusätzliche Rotationsfreiheitsgrad 5764, der von der zweiten Codieranordnung 5703 bereitgestellt wird, ermöglicht ein Drehen der Sonde in einem Bogen nach vorne, nach unten und rückwärts.
  • 58 ist eine schematische Darstellung eines 6-DOF-Triangulationsscanners 5770. Er umfasst die Bauelemente der 6-DOF-Tastsonde 5700 von 57, ersetzt jedoch die Tastsondenanordnung 5705 mit einer Triangulationsscanneranordnung 5780. In einer Ausführungsform umfasst der Triangulationsscanner einen Projektor 5782, eine Kamera 5783 und einen Prozessor 5784. Der Triangulationsscanner kann in viele verschiedene Positionen gedreht werden, wie es hierin vorstehend für den Fall der 6-DOF-Tastsonde 5700 von 57 erläutert wurde. Es stehen viele Arten von Triangulationsscanner zur Verfügung. Manche projizieren eine Lichtlinie, während andere Scanner einen Lichtbereich projizieren. Manche Scanner nehmen mehrere aufeinanderfolgende Messungen vor, während andere anhand Einzelaufnahmen messen, wie es hierin vorstehend erläutert wurde.
  • Der 6-DOF-Triangulationsscanner 5770 misst 3D-Koordinaten eines Werkstücks anhand der Grundsätze der Triangulation. Die Messungen der Triangulierung können abhängig vom Lichtmuster, das von der Scanner-Lichtquelle ausgegeben wird, und vom Typ der lichtempfindlichen Anordnung auf mehrere Weisen ausgeführt werden. Wenn beispielsweise das Lichtmuster, das von der Scanner-Lichtquelle ausgegeben wird, eine Lichtlinie oder ein Lichtpunkt ist, der in Form einer Linie gescannt wurde, und wenn die lichtempfindliche Anordnung eine zweidimensionale Anordnung ist, dann entspricht eine Dimension der zweidimensionalen Anordnung einer Richtung eines Punktes auf der Oberfläche des Werkstücks. Die andere Dimension der zweidimensionalen Anordnung entspricht der Entfernung des Punkts von der Scanner-Lichtquelle. Somit sind die dreidimensionalen Koordinaten von jedem Punkt entlang der von der Scanner-Lichtquelle ausgegebenen Lichtlinie relativ zum örtlichen Bezugssystem des 6-DOF-Scanners 5770 bekannt.
  • Für einen 6-DOF-Scanner 5770, der mit der Hand gehalten wird, kann eine Linie des von der Scanner-Lichtquelle ausgegebenen Laserlichts dergestalt bewegt werden, dass die Oberfläche des Werkstückes „bemalt“ wird, wodurch die dreidimensionalen Koordinaten für die gesamte Oberfläche erhalten werden. Es ist auch möglich, die Oberfläche eines Werkstückes unter Verwendung einer Scanner-Lichtquelle zu „bemalen“, die ein strukturiertes Lichtmuster über einen Bereich aussendet. In einer Ausführungsform kann das strukturierte Licht in Form eines codierten Musters vorliegen, das ausgewertet werden kann, um die dreidimensionalen Koordinaten aufgrund von einzelnen Einzelbilder zu ermitteln, die von der Kamera 5783 des Scanners 5780 gesammelt werden.
  • In einer Ausführungsform beruht der Rollwinkel einer 6-DOF-Sonde auf Projektion von nicht rotierendem linear polarisiertem Licht auf eine Sammlung von Polarisatoren vor den optischen Detektoren. In einer in 59A dargestellten Ausführungsform sind die Sammlung von Polarisatoren und optische Detektoren an einem Gehäuse 5902 angebracht, das auch einen Retroreflektor 5910 aufnimmt. In einer Ausführungsform umfasst die Sammlung von Polarisatoren vier Linearpolarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A, wobei jeder der Detektoren in einem unterschiedlichen Winkel orientiert ist. In einer Ausführungsform sind die Polarisatoren über optischen Detektoren 5930 angeordnet, die in 59A als Kreise dargestellt sind. In einer Ausführungsform weisen die Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A Polarisationsrichtungen (bezüglich einer horizontalen Achse) von 90, 135, 0 bzw. 45 Grad auf. Die optische Leistung durch diese vier Richtungen kann analysiert werden, um die Richtung der linearen Polarisation eines von einem Lasertracker eintreffenden Lichtstrahls zu ermitteln. Eine Sammlung von Polarisations- und Detektorelementen, die zum Ermitteln eines Polarisationswinkels des Lichts ausreicht, das auf die Anordnung trifft, kann als Polarisationswinkeldetektor bezeichnet werden. In 59A ist der Polarisationswinkeldetektor das Bauelement 5920A. In 59B-F sind die Polarisationswinkeldetektoren 5920B, 5920C, 5920D, 5920E und 5920 F. In einer Ausführungsform sind mehrere Polarisationswinkeldetektoren um den Retroreflektor 5910 auf einem Gehäuse 5902 angeordnet. In einer Ausführungsform sind drei Polarisationswinkeldetektoren mit Abständen von 120 Grad zusammen mit drei Nick-/Giersensoren auf eine Weise angeordnet, die der in 43A-C gezeigten entsprechen. In anderen Ausführungsformen sind mehr oder weniger Polarisationswinkelsensoren um den Retroreflektor 5910 angeordnet. In einer Ausführungsform ist der Polarisationssensor um einem Winkel geneigt, der einen Sondenneigungswinkel von mehr als 45 Grad ermöglicht, wie es in 43B und 43C dargestellt ist.
  • Für in 59A bis 59F gezeigte Polarisatorwinkel ist jeder der Polarisationswinkeldetektoren 5920A bis 5920F ein Bespiel für ein Stokes-Polarimeter, das eine Vorrichtung ist, die Polarisationswinkel durch Messen der Stokes-Parameter des eintreffenden Lichts messen kann. Die Stokes-Parameter, die auch als Stokes-Vektoren bezeichnet werden, können durch eine Matrix dargestellt werden, die vier Matrixelemente S0, S1, S2 und S3 aufweist. Diese vier Matrixelemente werden alternativ als I, Q, U und V bezeichnet. Px sei die optische Leistung von Licht, das in der x-Richtung polarisiert ist, und Py sei die optische Leistung von Licht, das in der y-Richtung polarisiert ist. Pa sei die optische Leistung von Licht, das bei +45 Grad polarisiert ist, und Pb sei die optische Leistung von Licht, das bei -45 Grad polarisiert ist. Pl sei die optische Leistung von Licht, das linkszirkulare Polarisation aufweist, und Pr sei Licht sein, das rechtszirkulare Polarisation aufweist. Für den hier in Betracht gezogenen Fall, ist der Polarisationszustand des Lichts nicht willkürlich. In diesem Fall ist der Stokes-Parameter S0 die optische Gesamtleistung. Mit anderen Worten ist S0 = Px + Py = Pa + Pb = Pl + Pr. Die anderen Stokes-Parameters sind als S1 = Px - Py, S2 = Pa - Pa und S3 = Pl - Pr definiert. Für den Fall des linear polarisierten Lichts kann gezeigt werden, dass der Winkel der linearen Polarisation AoLP = 0,5 arctan(S2/S1) ist. Daher kann für diesen Fall der Winkel der linearen Polarisation durch Messen der optischen Leistung durch jeden der vier Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A, 5925A auf die optischen Detektoren 5930 gefunden werden, wobei die Differenzen der optischen Leistungen genommen werden, um S2 und S1 zu erhalten, und diese Werte dann in die Formel oben eingesetzt werden.
  • In manchen Ausführungsformen sind die Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A nicht mit Abstufungen von genau 45 Grad voneinander beabstandet. Wenn die Winkel der Polarisatoren bekannt sind, ist es dennoch möglich den Winkel der linearen Polarisation zu berechnen. In diesem Fall wird eine Optimierungsmethode wie Übereinstimmung kleinster Quadrate durchgeführt, um AoLP zu ermitteln.
  • Andere Ausführungsformen eines Polarisationswinkeldetektors sind als Bauelemente 5920B, 5920C, 5920D, 5920E und 5920 F gezeigt, die in 59B, 59C, 59D, 59E bzw. 59F gezeigt sind. 59B veranschaulicht die Linearpolarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A, die über vier verschiedene Bereiche eines Quadrantendetektors 5935 angeordnet sind, wobei die Bereiche durch Zwischenraumlinien 5937 getrennt sind. Elektrische Signale von den vier Quadrantenbereichen werden bewertet, um die optische Leistung zu ermitteln, die in jedem Bereich vorliegt.
  • Wie hierin nachstehend erläutert, ist die optische Quelle von linear polarisiertem Licht im Lasertracker so konfiguriert, dass sie über den Bereich von jedem Polarisationswinkeldetektor einheitliche optische Leistung bereitstellt. Die optische Leistung pro Einheitsbereich ist jedoch nicht unbedingt genau einheitlich, und daher sind mehrere Ausführungsformen vorgesehen, die hierin nachstehend beschrieben werden, um dazu beizutragen, dass Änderungen der optischen Leistung berücksichtigt werden. In einer Ausführungsform umfasst ein Polarisationswinkeldetektor 5920C von 59C eine lichtempfindliche Anordnung 5940, die mehrere Pixel aufweist. Die lichtempfindliche Anordnung 5940 ist unter den vier Linearpolarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A angeordnet. Die Pixel zu den Seiten von jedem Polarisator zeigen die Änderung der optischen Leistung an. In einer Ausführungsform sieht diese Änderung eine Schätzung der optischen Leistung vor, die auf die Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A einfällt. Die optischen Leistungen, die durch die Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A von der lichtempfindlichen Anordnung empfangen werden, werden normalisiert, um die geschätzten Änderungen der einfallenden optischen Leistung zu berücksichtigen.
  • In einer Ausführungsform von 59D wird einfallende optische Leistung von Detektoren 5930 gemessen, die um die Linearpolarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A angeordnet sind (beispielsweise über, unter, links und rechts der Linearpolarisatoren bei Sicht aus einer in 59D gezeigten Position). Wie in der Ausführungsform von 59C wird Interpolation von optischer Leistung, die von den Detektoren 5930 empfangen wird, zum Schätzen der einfallenden optischen Leistung verwendet, die von Linearpolarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A empfangen wird.
  • In einer Ausführungsform von 59E umfasst ein Polarisationswinkeldetektor 5920E vier Linearpolarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A, die über vier Photodetektorelementen einer 5 × 5 Anordnung von Photodetektoren 5962 angeordnet sind. Wie im Fall der Sammlung von Detektoren in 59D bieten die Detektoren 5962, die nicht von den Linearpolarisatoren abgedeckt sind, Informationen über die optische Leistung, die jeden der Linearpolarisatoren umgibt. Zum Schätzen der Höhe der optischen Leistung, die auf jeden der Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A einfällt, wird Interpolation verwendet. Der elektrische Würfel 5960 umfasst ein Substrat 5963, das eine Anordnung von Photodetektoren 5962 aufweist. Das Substrat 5963 ist am Chip-Paket durch Drahtbondungen 5965 befestigt, die elektrische Verbindung zwischen Würfelkontakten 5964 und Paketkontakten 5966 herstellen.
  • In manchen Ausführungsformen sind die Linearpolarisatoren im Polarisationswinkeldetektor aus einem dünnen Glas hergestellt, das Nanopartikel enthält. Ein Beispiel für ein solches Materials ist der Polarcor™-Polarisator, der von Corning Incorporated, Corning, NY hergestellt wird. Dieser Polarisatortyp kann in quadratische Abschnitte geschnitten und über Detektorelementen angeordnet werden. Beispielsweise können die Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A und 5925A in 59A bis 59E Polarcor™-Polarisatoren sein. In einer anderen Ausführungsform, die in 59F dargestellt ist, kann der Polarisator ein Drahtgitter-Polarisator sein. In einer Ausführungsform umfasst ein Polarisationswinkelsensor 5920F ein Glassubstrat 5970, auf dem lithographisch aufgebaute Metallgitter angeordnet sind, die eine Beabstandung im Sub-Wellenlängenbereich aufweisen. In einer Ausführungsform sind die Metallgitter 5972, 5973, 5974 und 5975 so aufgebaut, dass sie die gleichen Richtungen der linearen Polarisation wie die Polarisatoren 5922A, 5923A, 5924A, bzw. 5925A erzeugen. In einer Ausführungsform sind die vier Metallgitter so dimensioniert, dass sie über einen Quadrantendetektor wie den SPOT-4D-Detektor passen, der von OSI Optronics, Hawthorne, CA hergestellt wird. Jedes der vier Metallgitter ist groß genug, um einen entsprechenden lichtempfindlichen Bereich des Quadrantendetektors abzudecken. Bereiche soliden Metalls 5971 werden um die Sammlungen von vier Gittern 5972, 5973, 5974, und 5975 und in den Spalten zwischen den Metallgittern angeordnet. In einer anderen Ausführungsform sind die Drahtgitter-Polarisatoren 5972, 5973, 5974 und 5975 über anderen Typen optischer Detektoren angeordnet.
  • 60 ist eine Querschnittsdarstellung von optischen Elementen, in einem beispielhaften Strahleinkopplungssystem 6000. In einer Ausführungsform ist die Strahleinkopplung, die Licht bereitstellt, das zum Ermitteln der Orientierungsfreiheitsgrade wie den Nick-, Roll- und Gierwinkeln verwendet wird, eine sekundäre Einkopplung, die in Kombination mit einer optischen Hauptanordnung verwendet wird, die zum Einkoppeln eines Lichtstrahls zum Ermitteln von drei Translationsfreiheitsgraden wie x, y und z verwendet wird. In einer früheren Ausführungsform, die in 47 dargestellt ist, wurde ein sekundärer Optikpfad 4730 verwendet, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der einen rotierenden linearen Polarisationszustand aufweist. In der Ausführungsform von 60 weist ein Lichtstrahl 6018, der von einem sekundären Strahlengang 6020 erzeugt wird, eine feststehende lineare Polarisation auf, die mit einem Lichtstrahl 6016 von einer optischen Hauptanordnung 6010 kombiniert wird. In einer Ausführungsform umfasst der zweite Strahlengang 6020 eine optische Faser 6022, eine Ferrule 6024, einen Spiegel 6026, eine Linse 6028, einen Linearpolarisator 6030, einen dichroitischen Strahlteiler 6012 und ein Austrittsfenster 6014. In einer Ausführungsform überträgt die optische Faser Licht, das von einer LED mit einer Wellenlänge von 940 nm erzeugt wird. In einer Ausführungsform ist das Licht eine mehrmodige optische Faser, die Licht von der Ferrule 6024 in einem divergierenden Top-Hat-Muster einkoppelt. Ein solches Muster weist eine fast flache Wellenfront und optische Strahlung über einen zylinderförmigen Querschnitt auf. In einer Ausführungsform überfüllt das eingekoppelte Licht den Spiegel 6026 und die Linse 6028. In einer Ausführungsform ist die Linse 6028 eine asphärische Linse, die zum Minimieren von Aberrationen konfiguriert ist, die sphärische Konfigurationen umfassen. Die asphärische Linse kollimiert das Licht und sendet es durch den Polarisator 6030, der linear polarisiertes Licht erzeugt. In einer Ausführungsform trifft das linear polarisierte Licht auf den dichroitischen Strahlteiler 6012 in einem s-polarisierten Zustand und tritt in einer horizontalen Polarisationsrichtung aus dem Lasertracker aus. In einer Ausführungsform umfasst der dichroitische Strahlteiler 6012 eine Beschichtung, die Licht mit einer Wellenlänge von 940 nm reflektiert, jedoch rotes Licht 6016 von der optischen Hauptanordnung 6010 aussendet. In anderen Ausführungsformen werden im Hauptstrahlengang und sekundären Strahlengang andere Wellenlängen verwendet. In einer Ausführungsform weist der Lichtstrahl 6016 einen Durchmesser von 8 Millimetern auf, und der Lichtstrahl 6018 weist einen Strahldurchmesser von 32 Millimetern auf.
  • Eine mögliche Einschränkung mit den rollenmessenden Systemen, die in 59A, 59B, 59C, 59D, 59E, 59F dargestellt sind, kann sich ergeben, wenn der berechnete Rollwinkel nicht nur vom Polarisationszustand des projizierten Lichts, sondern auch von der Uneinheitlichkeit des projizierten Lichtstrahls abhängt, der von den vier Polarisatoren empfangen wird. Eine Möglichkeit zum Umgehen dieser Einschränkung wird nun mit Bezug auf 61 bis 65 beschrieben. 61A zeigt in einer Draufsicht Komponenten eines sekundären Strahlengangs 6100, der so konfiguriert ist, dass er den in 47 gezeigten sekundären Strahlengang 4730 ersetzt. In einer Ausführungsform wird Licht alternativ durch optische Fasern 6102A, 6102B an entsprechende kollimierende Linsen 6104A, 6104B bereitgestellt. In einer Ausführungsform tritt Licht 6106B von der kollimierenden Linse 6104B durch ein Risley-Prismapaar 6108B und danach durch einen polarisierenden Strahlteiler 6112. Jedes Risley-Prisma in dem Paar ist ein Glasfenster mit einem geringen Keilwinkel. Die beiden Risley-Prismen im Risley-Prismapaar 6108B werden gedreht, um die Zeigerichtung des Lichts 6106B einzustellen. In einer Ausführungsform ist das Licht 6106B, das in den polarisierenden Strahlteiler 6112 tritt, ein nahezu Flat-Top-Strahl, der eine willkürliche Polarisation aufweist. In einer Ausführungsform sendet der polarisierende Strahlteiler nur den p-Polarisationszustand des Lichts 6106B aus, so dass das Licht 6106B aus dem polarisierenden Strahlteiler 6112 austritt, der auf der Papierebene von 61A polarisiert ist.
  • In einer Ausführungsform tritt Licht 6106A von der kollimierenden Linse 6104A durch ein Risley-Prismapaar 6108A um die Zeigerichtung des Lichts 6106A einzustellen. In einer Ausführungsform reflektiert das Licht 6106A an einem rechtwinkligen Prisma 6110 und einer Glasverlängerung 6111, bevor es in den polarisierenden Strahlteiler 6112 tritt, was verursacht, dass das reflektierte Licht senkrecht zur Polarisation des Lichts 6106B linear polarisiert wird. In einer Ausführungsform reflektiert der polarisierende Strahlteiler 6112 nur den s-Polarisationszustand des Lichts 6106A, so dass das Licht 6106A aus dem polarisierenden Strahlteiler 6112 austritt, der senkrecht zu der Papierebene von 61A polarisiert wird. Beim Austreten aus dem polarisierenden Strahlteiler 6112 bilden die Lichtstrahlen 6106A und 6016B zusammen den Lichtstrahl 6114. In einer Ausführungsform wird das Licht 6106A eingeschaltet, wenn das Licht 6106B ausgeschaltet wird und umgekehrt. Infolgedessen ändert der Lichtstrahl 6114 abwechselnd seinen Polarisationszustand von einem ersten linear polarisierten Zustand in einen zweiten linear polarisierten Zustand senkrecht zum ersten linear polarisierten Zustand. In einer Ausführungsform werden zusätzliche polarisierende Bauelemente hinzugefügt, um das Extinktionsverhältnis des unerwünschten linearen Polarisationszustands zum erwünschten linearen Polarisationszustand für jeden der beiden Polarisationszustände im Lichtstrahl 6114 zu verbessern. In einer Ausführungsform ist das Extinktionsverhältnis mindestens 40 dB. In einer weiteren Ausführungsform wird ein optischer Detektor 6113 verwendet, um die optische Leistung des Lichtstrahls 6106A, der vom polarisierenden Strahlteiler 6112 ausgesendet wird, und der optischen Leistung des Lichtstrahls 6106B zu messen, der vom polarisierenden Strahlteiler 6112 reflektiert wird. Diese optischen Leistungen werden zum optischen Detektor 6113 in einem Lichtstrahl 6115 gesendet. Die optischen Leistungen in den beiden Polarisationszuständen im Lichtstrahl 6115 sind proportional zu den optischen Leistungen in den orthogonalen Polarisationszuständen des Lichtstrahls 6114. Daher können die optischen Leistungen, die vom optischen Detektor 6113 empfangen werden, zum Korrigieren relativer Differenzen der gelieferten optischen Leistungen verwendet werden, die durch die beiden optischen Fasern 6102A und 6102B gesendet werden, wie es hierin nachstehend weiter erläutert wird. Die Ausgabe des optischen Detektors 6113 wird an einen Prozessor gesendet, um in Berechnungen des Rollwinkels eines entfernten 6-DOF-Sensors verwendet zu werden, wie es hierin nachstehend mit Bezug auf 62 ausführlicher beschrieben wird.
  • 61B zeigt den sekundären Strahlengang 6100 in einer Seitenansicht. Der Lichtstrahl 6114 bewegt sich durch das Zerstreuungslinsenelement 6116, reflektiert am Spiegel 6118, bewegt sich durch die Sammellinsenanordnung 6120 und reflektiert am dichroitischen Strahlteiler 6122. Der dichroitische Strahlteiler 6122 ist so konfiguriert, dass er Licht reflektiert, das die Wellenlängen des Lichtstrahls 6114 aufweist, während er Licht aussendet, das die Wellenlängen vom Lichtstrahl 6124 aufweist, der vom Hauptoptikpfad eintrifft. Die Lichtstrahlen 6114 und 6124 werden zu einem zusammengesetzten Lichtstrahl 6126 kombiniert. In einer Ausführungsform ist der Lichtstrahl 6124 rotes Licht, das eine Wellenlänge von ungefähr 637 nm aufweist, während der Lichtstrahl 6114 nah-infrarotes Licht ist, das eine Wellenlänge von ungefähr 940 nm aufweist. Der zusammengesetzte Lichtstrahl 6126 bewegt sich zu einem 6-DOF-Ziel. Mögliche Ausführungsformen des 6-DOF-Zielbauelements sind schematisch in 62A, 62B, 62C dargestellt.
  • 62A zeigt Bauelemente auf der Vorderfläche einer 6-DOF-Vorrichtung 6200A wie eine 6-DOF-Tastsonde oder einen 6-DOF-Scanner. Die Bauelemente umfassen einen Körper 6202, einen Retroreflektor 6204 und einen Rollsensor 6205. Der Rollsensor 6205 umfasst einen ersten Sensor 6210 und einen zweiten Sensor 6220. Der erste Sensor 6210 umfasst einen Polarisator/optischen Filter 6212, einen optischen Detektor 6214 und Elektronik, die hierin nachstehend mit Bezug auf 63A-63C erörtert wird. Der optische Filter im Polarisator/optischen Filter 6212 trägt dazu bei, unerwünschtes Hintergrundlicht zu blockieren. In einer Ausführungsform ist der optische Filter als eine mehrschichtige dielektrische Dünnschichtbeschichtung aufgebaut, die auf dem Polarisatorelement angeordnet ist. Der Polarisator sendet linear polarisiertes Licht in eine bevorzugte Richtung aus und blockiert Licht, das senkrecht zur bevorzugten Richtung polarisiert ist. In einer Ausführungsform ist der Polarisator ein relativ dünnes Natrium-Siliciumoxid-Glas in das sphärische ellipsoidische Nanopartikel eingebettet sind. In einer Ausführungsform weist der Polarisator ein Extinktionsverhältnis von -50 dB bei der Wellenlänge des Lichts 6114 vom zweiten Kanal von 61A, 61B auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden Bauelemente des ersten Sensors 6210 und des zweiten Sensors 6220 in 62C im Profil gezeigt. Ein Lichtstrahl 6230 erreicht die vordere Oberfläche des Sensor 6240 ein, der der erste Sensor 6210 oder der zweite Sensor 6220 sein kann. Das Licht 6230 tritt in eine dielektrische Dünnfilmbeschichtung 6241, die Licht mit Ausnahme der erwünschten Wellenlänge blockiert, die in einer Ausführungsform 940 nm ist. Die dielektrische Dünnfilmbeschichtung 6241 wird auf den Polarisator 6242 angewendet, der in einer Ausführungsform ein Natrium-Siliciumoxid-Glas ist, in das sphärische ellipsoidische Nanopartikel eingebettet sind. In einer Ausführungsform ist das relativ dünne Polarisatorelement 6242 mittels einer dünnen, flachen Klebstoffschicht 6243 auf ein Substrat 6244 geklebt. Das Substrat ist 6244 mittels einer dünnen, flachen Klebstoffschicht 6245 auf einen optischen Detektor 6246 geklebt. In einer Ausführungsform sind zum Minimieren von Reflexionen die Brechungsindices der Klebstoffschichten 6243, 6245 so eng wie möglich an die Brechungsindices des Polarisators 6242, des Substrats 6244 und des Detektors 6246 angepasst. Ein Kabel 6248 sendet das elektrische Signal vom optischen Detektor 6246 an einen elektrischen Schaltkreis, der mit einem Prozessor in Verbindung steht.
  • Der zweite Sensor 6220 umfasst einen Polarisator/optischen Filter 6222 und einen optischen Detektor 6224. In einer Ausführungsform sendet der Polarisator Licht aus, das bei 45 Grad relativ zur Polarisationsrichtung des Polarisators/optischen Filters 6212 linear polarisiert ist.
  • 62B zeigt Bauelemente auf der Vorderfläche einer 6-DOF-Vorrichtung 6200B. Die Vorrichtung 6200B umfasst einen Retroreflektor 6204 und drei Rollsensoren 6205A, 6205B und 6205C, die jeweils dem Rollsensor 6205 von 62A ähnlich sind. In einer Ausführungsform sind die Rollsensoren mit einem Winkel geneigt, wie es in 43A, 43B, 43C dargestellt ist. In einer Ausführungsform sind die Spezifikationen für das Extinktionsverhältnis des Polarisators im Polarisator/optischen Filter 6212 bis zu einem Neigungswinkel von 25 Grad gültig. Durch Vorsehen von drei Rollsensoren 6205A, 6205B, 6205C und Neigen der Sensoren, wie es in 43A, 43B, 43C dargestellt ist, kann die 6-DOF-Tastsonde über einen ausgedehnten Bereich von Neigungswinkeln arbeiten. In weiteren Ausführungsformen können Nick-/Giersensoren, wie die hierin vorstehend erörterten, zur Vorderseite der 6-DOF Vorrichtung 6200A oder 6200B hinzugefügt werden.
  • 63A ist ein Blockschaltbild, das die Hauptelemente in einem elektrooptischen System 6300 zeigt. Das elektrooptische System 6300 umfasst einen Bezugstaktgeber 6302, einen Modulator 6304, eine erste Lichtquelle 6306A und eine zweite Lichtquelle 6306B. Die Lichtquellen 6306A, 6306B senden moduliertes Licht an optische Fasern 6102A bzw. 6102B. Der Bezugstaktgeber 6302 liefert ein stabiles Taktgebersignal an den Modulator 6304, der zwei Kanäle A und B aufweist. Der Modulator 6304 liefert ein erstes Modulationssignal vom Kanal A an die erste Lichtquelle 6306A und ein zweites Modulationssignal vom Kanal B an die zweite Lichtquelle 6306B. Ein Aspekt der Modulationssignale A und B ist, dass die Lichtquelle 6306B ausgeschaltet wird, wenn die Lichtquelle 6306A eingeschaltet wird und umgekehrt. Diese abwechselnde EIN-AUS-Modulation liefert einen alternierenden Polarisationszustand im Lichtstrahl 6126. In einer Ausführungsform wird im Modulationszustand EIN eine weitere Modulation vorgesehen. In der Darstellung von 63 A ist die weitere Modulation Rechteckwellenmodulation zwischen einem Höchst- und einem Mindestwert, wobei für jeden Polarisationszustand mehrere Rechteckwellenzyklen vorgesehen sind. In anderen Ausführungsformen wird ein anderer Modulationstyp wie sinusförmige Modulation anstelle der Rechteckwellenmodulation vorgesehen.
  • Die beiden orthogonalen Polarisationen von Licht im Lichtstrahl 6126 treffen auf die Sensoren 6210, 6220, die als Reaktion elektrische Signale 6312 bzw. 6314 an einen elektrischen Schaltkreis 6310 senden. In einer Ausführungsform umfasst der elektrische Schaltkreis 6310 einen Prozessor 6316, der den Rollwinkel des Sensors aufgrund von Verfahren ermittelt, die hierin nachstehend mit Bezug auf 64, 65 erörtert werden. In einer Ausführungsform werden die berechneten Rollwinkel von der 6-DOF-Vorrichtung 6200A über einen verdrahteten oder drahtlosen Kanal 6320 an den Lasertracker oder eine andere Vorrichtung gesendet, der das Licht 6126 auf die 6-DOF-Vorrichtung 6200A projiziert. In einer weiteren Ausführungsform sendet der Lasertracker oder die andere Vorrichtung auch die Synchronisierungssignale der 6-DOF-Vorrichtung 6200A für Modulation der Kanäle A und B über den verdrahteten oder drahtlosen Kanal 6320. In einer anderen Ausführungsform sendet der Elektronikschaltkreis 6316 Signale an einen Prozessor außerhalb der 6-DOF Vorrichtung 6200A, um den Rollwinkel der 6-DOF-Vorrichtung 6200A zu ermitteln.
  • In einen anderen in 63B dargestellten Ausführungsform stützen sich der erste Sensor 6210 und der zweite Sensor 6220 auf die empfangenen optischen Signale (beispielsweise Licht 6126), um Synchronisierungssignale für die Modulationskanäle A und B zu rekonstruieren. Die gestrichelte Linie 6340 zeigt an, dass die empfangenen optischen Signale ihre eigene Synchronisierung bereitstellen. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Taktgeber 6302B verwendet, um zum Einrichten der Synchronisierung beizutragen. In einer Ausführungsform umfasst der Elektronikschaltkreis 6310B einen Prozessor 6316B, der den Rollwinkel des Sensors aufgrund von Verfahren ermittelt, die hierin nachstehend mit Bezug auf 64, 65 erörtert werden. In einer anderen Ausführungsform sendet der Elektronikschaltkreis 6316B Signale an einen Prozessor außerhalb der 6-DOF Vorrichtung 6200A, um den Rollwinkel der 6-DOF-Vorrichtung 6200A zu ermitteln.
  • Der elektrische Schaltkreis 6310 oder 6310B kann die empfangenen Signale 6312, 6314 verarbeiten, um Hintergrundlicht oder elektrisches Rauschen zu reduzieren. Hintergrundlicht (Umgebungslicht) weist gewöhnlich einen festgestellten optischen Zeitstempel auf, der hauptsächlich Gleichspannung ist oder der sich mit der doppelten Frequenz von der des elektrischen Netzes ändert. Andererseits wird das Licht 6326 mit einer Rechteckwelle oder Sinuswelle mit einer viel höheren Frequenz moduliert, beispielsweise 1 kHz oder darüber. Eine Möglichkeit zum Ausschließen unerwünschten Hintergrundlichts sowie unerwünschten elektrischen Rauschens ist das Verwenden eines digitalen Lock-in-Verstärkers oder eines analogen Lock-in-Verstärkers. Die Grundsätze eines digitalen Lock-in-Verstärkers wurden hierin vorstehend erläutert. 63C zeigt ein Beispiel eines analogen Lock-in-Verstärkers 6350, der auch als synchroner Demodulator bekannt ist. In einer Ausführungsform werden elektrische Signale 6312, 6314 an einen Bandbreitenfilter 6352 gesendet, der bei der Modulationsfrequenz fmod der relativ schnellen Rechteckwellenmodulation, die in 63A gezeigt ist, oder einer anderen Modulation wie einer sinusförmigen Modulation zentriert ist. Beispielsweise wird, wenn diese Modulationsfrequenz fmod = 8 kHz ist, die Modulation des Hintergrundlichts (Umgebungslichts) eliminiert, die gewöhnlich bei Gleichstrom oder dem Doppelten der Zeilenfrequenz liegt, so wie auch elektrisches Rauschen außerhalb der Bandbreite eliminiert wird. Das gefilterte elektrische Signal wird auf einen Mischer 6354 angewendet, der die Modulationsfrequenz fmod aufweist, die auf den lokalen Oszillatoranschluss des Mischers 6354 angewendet wird, was bewirkt, dass das modulierte Signal nach unten auf Gleichstrom konvertiert wird. Ein Tiefpassfilter 6356 filtert unerwünscht hohe Frequenzsignale vom Mischer und sieht ein Gleichspannungsniveau vor, das von einem Analog-Digital-Wandler gelesen werden kann, um einen digitalen Wert 6358 zu ermitteln, der dem rauschreicheren Eingangssignal 6312 oder 6314 entspricht.
  • Das Schaubild von 64A zeigt auf der vertikalen Achse die optische Leistung an, die vom optischen Detektor des zweiten Sensors 6220 empfangen wird. Der Polarisationszustand des Lichts 6126 ändert sich zwischen zwei orthogonalen Polarisationszuständen in einem ersten Halbzyklus und einem zweiten Halbzyklus, wie es hierin vorstehend erläutert wurde. Die horizontale Achse von 64A zeigt den Polarisationswinkel des Lichts 6126 während des ersten Halbzyklus bezüglich der x-Achse (gezeigt in 62A) der 6-DOF Vorrichtung 6200A an. Die durchgezogene Linie zeigt die ermittelte optische Leistung während des ersten Halbzyklus, und die gestrichelte Linie zeigt die ermittelte optische Leistung während des zweiten Halbzyklus. Wenn der Sensor 6220 normal zum Licht 6126 orientiert ist und die optische Leistung des Lichtstrahls 6126 im ersten und im zweiten Halbzyklus gleich sind, sind die durchgezogene und die gestrichelte Linie von 64A ebenfalls gleich, sind jedoch um 90 Grad verlagert. Außerdem ist die Summe der Werte der durchgezogenen und der gestrichelten Kurven bei allen Winkeln konstant, hier ist sie auf einen normalisierten Wert 1 eingestellt. Dadurch kann der Rollwinkel der 6-DOF-Vorrichtung aus dem Winkel der horizontalen Achse ermittelt werden, der dem gemessenen Wert der durchgezogenen Linie entspricht. Für den Sensor 6220 kann der Winkel der horizontalen Achse ohne Mehrdeutigkeit in einem Bereich von 90 Grad ermittelt werden, da sich das Muster in umgekehrter Form alle 90 Grad wiederholt.
  • Eine Möglichkeit zum Erweitern der Mehrdeutigkeit im Rollwinkel auf 180 Grad ist das Hinzufügen eines Sensors 6210. Die Reaktion des Sensors 6210 auf den Lichtstrahl 6126 ist in 64B gezeigt. Die durchgezogene und die gestrichelte Kurve werden relativ zu der durchgezogenen und der gestrichelten Kurve in 64A um 45 Grad versetzt. Die Mehrdeutigkeit nahe an 90 Grad in 64A ist in 64A entfernt, da die durchgezogene und die gestrichelte Kurve in diesem Winkelbereich entweder zunehmen oder abnehmen.
  • Ein anderer Vorteil des Verwendens von zwei Sensoren 6310, 6320 besteht darin, dass die Empfindlichkeit der Rollmessung zunimmt. In 64A ist das Messen des Rollwinkels anhand des Sensors 6220 nahe an einem Winkel von 45 Grad am empfindlichsten, da dies der Winkel ist, an dem sich der Pegel der festgestellten optischen Leistung mit dem Winkel am schnellsten ändert. Das Messen des Rollwinkels ist nahe an einem Winkel von 90 Grad am wenigsten empfindlich, da dies der Winkel ist, an dem sich der Pegel der festgestellten optischen Leistung mit dem Winkel am langsamsten ändert. Durch Hinzufügen des Sensors 6210 wird die Empfindlichkeit insgesamt verbessert, da dieser Sensor nahe an 45 Grad am empfindlichsten und nahe an 90 Grad am wenigsten empfindlich ist.
  • Möglicherweise kann ein Problem auftreten, wenn sich die optische Leistung im ersten Halbzyklus von der optischen Leistung im zweiten Halbzyklus unterscheidet. In einer Ausführungsform wird dieses mögliche Problem durch Messen der optischen Leistung im ersten und zweiten Halbzyklus mit dem optischen Detektor 6113 in 61A korrigiert. Die optischen Leistungen, die vom optischen Detektor 6113 im ersten und zweiten Halbzyklus festgestellt werden, sind zu den entsprechenden optischen Leistungen im ersten und zweiten Halbzyklus des ersten und zweiten Halbzyklus des Lichtstrahls 6126 bei der gewünschten Wellenlänge proportional. Durch Messen der optischen Leistungen bei der gewünschten Wellenlänge im ersten und zweiten Halbzyklus des Lichtstrahls 6126, wenn dieser den Tracker (oder eine ähnliche Vorrichtung) verlässt, kann die Proportionalitätskonstante für den ersten und den zweiten Halbzyklus ermittelt werden. In einer Ausführungsform werden die Leistungen, die vom optischen Detektor 6113 im ersten und zweiten Halbzyklus gemessen werden, mit den ermittelten Proportionalitätskonstanten multipliziert, um die optische Leistung des Lichtstrahls 6126 im ersten und zweiten Halbzyklus (bei der gewünschten Wellenlänge) zu erhalten.
  • Im Allgemeinen kann die 6-DOF Vorrichtung 6200A im Roll-, Nick- und Gierwinkel unterschiedlich sein. Nun wird ein Verfahren zum Berücksichtigen der Wirkungen der Nick- und Gierwinkel auf den ermittelten Rollwinkel erörtert. 65A zeigt die Grenzfläche zwischen Luft und Glas, wobei die Grenzfläche zwischen der Luft und dem Glas einen normalen Einheitsvektor n aufweist. Licht trifft in einer Richtung ein, die von einem Ausbreitungsvektor k gegeben ist. Die Vektoren n und k definieren eine Einfallsebene, die die Luft-Glas-Grenzfläche in einem Einheitsvektor u schneidet.
  • Der Betrag des Lichts, das reflektiert und durch eine Grenzfläche ausgesendet wird, hängt davon ab, ob sich das Licht in einem s-Polarisationszustand oder einem p-Polarisationszustand befindet. 65A zeigt, dass das einfallende elektrische Feld EI eine s-polarisierte Komponente (EI)S senkrecht zur Einfallebene aufweist und eine p-polarisierte Komponente (EI)P senkrecht zur s-polarisierten Komponente und zum Ausbreitungseinheitsvektor k aufweist. Die s- und p-polarisierten Komponenten für das ausgesendete Licht ET ist auf analoge Weise definiert. Der Betrag des p-polarisierten Licht, das in das Glas ausgesendet wird, ist durch (ET)P = TP · (EI)P gegeben, und den Betrag von s-polarisiertem Licht, das in das Glas gesendet wird ist (ET)S = TS · (EI)S, wobei TP und TS Transmissionskoeffizienten für s- und p-polarisiertes Licht an dieser Luft-Glas-Grenzfläche sind. In diesen Gleichungen wird angenommen, dass das Glas keine bevorzugte Polarisationsrichtung aufweist. Für den Fall, in dem das Glas ein Polarisator ist, wie es in 65B gezeigt ist, wird der Einheitsvektor für die Richtung der Polarisation f in seine Komponententeile entlang der s- und p-Richtung als fS und fP zerlegt. Die Fraktion des einfallenden s-polarisierten Lichts, das an fS ausgerichtet ist, tritt in den Polarisator, nachdem die Formel (ET)S = TS · (EI)S angewendet wurde. Die Fraktion des einfallenden p-polarisierten Lichts, das auf der Einfallsebene liegt (die auch fp enthält), tritt in den Polarisator, nachdem die Formel (ET)p = TS · (EI)p angewendet wurde.
  • In einer Ausführungsform für die allgemein komplizierte Geometrie des Sensors 6240, wie sie in 62 dargestellt ist, werden die Transmissionskoeffizienten TS, TP experimentell als eine Funktion des Winkels θ des Ausbreitungseinheitsvektors k bezüglich des Einheitsvektor n ermittelt. Diese Transmissionskoeffizienten werden als eine Funktion von θ für sowohl die Polarisationsrichtung des Polarisators (wie dem Polarisator 6212, 6222) als auch die Richtung senkrecht zur Polarisation des Polarisators ermittelt.
  • In einer Ausführungsform werden die Nick- und Gierwinkel von einem Nick-/Giersensor vorgesehen. Diese Winkel werden an den Prozessor 6316 oder einen externen Prozessor geliefert, der so konfiguriert ist, dass er den Rollwinkel der 6-DOF Vorrichtung 6200A ermittelt. Die Nick- und Gierwinkel ermitteln den Winkel θ in 65A. Der Prozessor extrahiert die Transmissionskoeffizienten TS(θ) und TPθ) aus einer Look-up-Tabelle oder Formel aufgrund früherer experimenteller Ergebnisse, wie es hierin vorstehend erörtert wurde. In einer Ausführungsform wird ein angenommener ursprünglicher Rollwinkel verwendet, um die Komponenten der Polarisation des Sensors 6210, 6220 zu erhalten, die in der s- und der p-Richtung liegen. Diese Polarisationskomponenten werden auf die entsprechenden Transmissionsgleichungen angewendet, um die resultierende optische Leistung zu erhalten, die von jedem der Sensoren 6210, 6220 für jeden der Polarisationszustände im ersten und zweiten Halbzyklus empfangen werden. Es wird eine Optimierungsroutine durchgeführt, um den Rollwinkel iterativ einzustellen, um die beobachteten Leistungen an die berechneten Leistungen so gut wie möglich anzugleichen. Der endgültige Rollwinkel, der durch die Iteration erhalten wird, ist in den Nick- und Gierwinkeln, die von einem Nick-/Giersensor gemessen werden, und den drei Translationskoordinaten des Retroreflektors enthalten, die vom Lasertracker (oder einer ähnlichen Vorrichtung) gemessen werden, um die vollständigen sechs Freiheitsgrade einer 6-DOF-Sonde wie 6200A oder 6200B zu erhalten.
  • In einer Ausführungsform misst eine in 66A, 66B, 66C, 66D, 66E, 66 F, 66G gezeigte von Hand gehaltene 6-DOF-Sonde 900 die sechs Freiheitsgrade einer 6-DOF-Anordnung 899. Die 6-DOF-Anordnung 899 umfasst mindestens einen Retroreflektor 940 und einen oder mehrere Orientierungssensoren, die drei Orientierungsfreiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung messen. Wird eine Tastsonde 910 zur 6-DOF-Anordnung hinzugefügt, erhält man eine 6-DOF-Sonde 900. In einer Ausführungsform umfasst die Tastsonde 910 eine Tasterverlängerung 918 und einen Taster 912, der einen Stil 914 und eine Sondenspitze 916 umfasst. Die Tasterverlängerung 918 ist optional und kann von der Tastsonde 910 weggelassen werden. In einer Ausführungsform wirkt die 6-DOF-Sonde 900 mit einer Messvorrichtung zusammen, etwa dem 6-DOF-Lasertracker 10 von 2 oder dem 6-DOF-Lasertracker 1200 von 71. In einer Ausführungsform wirkt er ferner mit einem Prozessor zusammen, der ein Prozessor 1500 (10) innerhalb des Trackers, ein Prozessor innerhalb der 6-DOF-Anordnung 899 oder ein externer Prozessor sein kann. Die 6-DOF-Sonde 900 bietet die Fähigkeit zum Ermitteln von 3D-Koordinaten einer Mitte der Sondenspitze 916, die in Kontakt mit einem Objekt gebracht werden kann, um die 3D-Koordinaten des Objekts zu ermitteln. In anderen Ausführungsformen, die hierin nachstehend erörtert werden, wird die Tastsonde 910 durch einen kontaktlosen Sensor ersetzt, um kontaktlose Messungen an Objektoberflächen vorzunehmen.
  • In einer Ausführungsform, die in 66A bis 66G dargestellt ist, wird die Tastsonde 910 in ein Gewindeloch 921 geschraubt, das mit einem Rahmengriff 920 verbunden ist, der als Griff dient, und der ferner einen Retroreflektor 940 und 6-DOF-Sensorelemente umschließt, umfassend eine Positionsdetektoranordnung 950 und eine Rolldetektoranordnung 960 (67B). Ein oberer Knopf 922 und ein unterer Knopf 924 bieten einem Bediener die Möglichkeit 3D-Messungn zu beginnen und abzubrechen. In einer Ausführungsform liefern drei Kontrollleuchten 926 dem Bediener Statusinformationen.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Positionsdetektoranordnung 950 eine erste Linse 952, eine Distanzplatte 953, eine zweite Linse 954, einen Positionsdetektor 955 und eine erste Leiterplatte 956. In einer Ausführungsform umfasst die Rolldetektoranordnung 960 Polarisationsanordnungen 962 und Bezugsanordnungen 964 (66C). Durch Bestimmen einer Position, an der eintretendes Licht von Lasertracker 10 auf den Positionsdetektor 955 trifft, können die Nick- und Gierwinkel der 6-DOF-Sonde 900 ermittelt werden. In einer Ausführungsform wird diese Ermittlung von einem Prozessor in der 6-DOF-Sonde 900 vorgenommen. Die Polarisationsanordnungen 962 umfassen jeweils eine Diffusor-Polarisatorplatte 966 (66G), gefolgt von einer zweiten Leiterplatte 968, die einem optischen Detektor aufweist. Jede Diffusor-Polarisatorplatte 966 umfasst einen Linearpolarisator, der zusätzlich eintreffendes Licht verbreitet. Die Bezugsanordnungen 964 umfassen die zweite Leiterplatte 968, die einen optischen Detektor aufweist; in einer Ausführungsform umfassen die Bezugsanordnungen 964 keine Polarisatoren. Jeder der vier Linearpolarisatoren in den vier Polarisationsanordnungen 962 wird auf einen unterschiedlichen aus vier relativen Winkeln 0, 45, 90 und 135 Grad gedreht. In einer Ausführungsform ist das Licht in einer vorbestimmten Richtung bezüglich des Lasertrackers linear polarisiert. Durch Messen der optischen Leistung, die durch jede der vier Polarisationsanordnungen 962 geleitet wird, und Korrigieren des beobachteten Werts durch die optische Leistung, die in den Bezugsanordnungen 964 beobachtet wird, kann ein Rollwinkel der 6-DOF-Sonde 900 von einem Prozessor ermittelt werden. In einer Ausführungsform ist der Prozessor in der 6-DOF-Sonde enthalten, beispielsweise in der dritten Leiterplatte 977 oder der vierten Leiterplatte 978. In einer Ausführungsform ist ein Anschluss 928 der 6-DOF-Sonde 900 zum Empfangen von Signalen von einem Kabel funktionsfähig, das vom Lasertracker eintrifft. Das Signal, das durch den Anschluss 928 eintrifft, kann beispielsweise 24 V-Gleichstrom, ein Synchronisierungssignal vom Lasertracker 10 einen 32-Bit-Zeitstempel und einen 100 Mb-Ethernetkanal an die 6-DOF-Sonde 900 liefern. In einer anderen Ausführungsform wird der Gleichstrom von einer Batterie im Inneren der 6-DOF-Anordnung geliefert, wobei die Synchronisierung, der Zeitstempel und die Ethernet-Signale drahtlos übertragen werden können, beispielsweise über Wi-Fi (IEEE 802,11).
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die drei Orientierungsfreiheitsgrade der 6-DOF-Sonde 900 durch Hinzufügen von Lichtmarkierungen 971 verstärkt, wie sie in 67A, 67B gezeigt sind. Gleichermaßen wird die 6-DOF-Anordnung 899 durch das Hinzufügen von Lichtmarkierungen 971 verstärkt, und wird so zur 6-DOF-Anordnung 969. In einer Ausführungsform liegen mindestens drei Lichtmarkierungen 971 vor, wobei mindestens eine der Lichtmarkierungen 971 eine hintere Lichtmarkierung 973 und mindestens eine der Lichtmarkierungen 971 eine vordere Lichtmarkierung 972 ist. Im vorliegenden Dokument beziehen sich die Begriffe „vordere“ und „hintere“ auf eine Richtung der Markierung 971 in Bezug auf den Tracker 10 oder den Tracker 1200. Eine Markierung wird als eine vordere Lichtmarkierung 972 bezeichnet, wenn sie näher am Tracker als einer hinteren Lichtmarkierung 973 liegt. Empfindlichkeit beim Messen von Orientierungswinkeln wie Nicken und Gieren wird verstärkt, wenn einige Markierungen relativ näher am Tracker angeordnet werden und einige Markierungen relativ weiter entfernt vom Tracker angeordnet werden. Mit richtiger Anordnung der Lichtmarkierungen 971 ändert sich die Empfindlichkeit beim Ermitteln der Orientierungswinkel ungefähr mit einem trigonometrischen Sinus einer Änderung des Orientierungswinkels. Im Gegensatz dazu weisen Markierungen, die auf einer zur Strahlrichtung des Lasertrackers senkrechten Ebene abgeordnet sind, Empfindlichkeit gegenüber dem Orientierungswinkel auf, die sich ungefähr wie der trigonometrische Cosinus der Änderung des Orientierungswinkels ändert. In einer in 67A, 67B dargestellten Ausführungsform liegen mehrere vordere Lichtmarkierungen 972 und zwei hintere Lichtmarkierungen vor, nämlich eine hintere Lichtmarkierung 973 mit dem ungefähr gleichen Abstand zu den vorderen Lichtmarkierungen, und eine hintere Lichtmarkierung 974, die als asymmetrische Lichtmarkierung bezeichnet wird. Die asymmetrische Markierung 974 ist asymmetrisch positioniert, um zum Feststellen der groben Orientierung der 6-DOF-Sonde beizutragen, wenn sie von Kameras auf einem Lasertracker gesehen wird. In anderen Ausführungsform liegen zusätzliche hintere Markierungen oder andere Positionsanordnungen der Lichtmarkierungen 971 vor. Die Änderungen des Erscheinungsbilds der Lichtmarkierungen 971, das sich in Orientierungswinkeln ändert, werden hierin nachstehend mit Bezug auf 69A, 69B, 69C beschrieben.
  • Es ist jedoch zu beachten, dass die Orientierungswinkel der 6-DOF-Anordnung 969 aufgrund von Verhältnissen der Positionen der Lichtmarkierungen 971 in einem Bild, das von mindestens einer Kamera auf dem Lasertracker erfasst wird, und nicht der absoluten Position der Lichtmarkierungen 971, die von mindestens einer Kamera gesehen werden, ermittelt wird. Daher wird die Genauigkeit des 6-DOF-Messverfahrens, das durch die Lichtmarkierungen 971 vorgesehen ist, aufrechterhalten, wenn ein Rahmen 976, auf dem die Lichtmarkierungen 971 angebracht sind, einen einheitlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist. Ein einheitlicher CTE bedeutet, dass der Rahmen 976 über den gesamten Rahmen 976 einen einzigen CTE aufweist. In manchen Ausführungsformen ist der Rahmen 976 entweder aus mehreren Komponenten des gleichen Materials oder mehreren Komponenten von verschiedenen Materialien gefertigt. Für den Fall, in dem verschiedene Materialien verwendet werden, kann jedes der Materialien den gleichen CTE oder im Wesentlichen den gleichen CTE aufweisen. In einer Ausführungsform ist der Rahmen 976 eine strukturelle Einheit, die aus einem einzigen Material wie Aluminium, Stahl oder Kohlenstofffaser-Verbundstoff hergestellt ist.
  • In einer Ausführungsform ist die Einzelbildrate, mit der eine Kamera auf dem Lasertracker Bilder der Lichtmarkierungen 971 erfasst, im Vergleich zur Geschwindigkeit, mit der Rate, mit der die Positionsdetektoranordnung 950 die Nick- und Gierwinkel ermittelt und die Rolldetektoranordnung 960 die Rollwinkel ermittelt, relativ gering (z. B. weniger als 100 Einzelbilder pro Sekunde). Daher können die schnelleren Sensoren 950 und 960 zum Ermitteln der Orientierungswinkel verwendet werden, um die relativ langsameren, jedoch möglicherweise genaueren Messungen aufgrund der Lichtmarkierungen 971 zu ergänzen. Beispielsweise können die Ablesungen der von den Sensoren 950, 960 ermittelten Orientierungswinkel in Kombination mit einem Kalman-Filter verwendet werden, um diese Intervalle zwischen den Kameramessungen der Lichtmarkierungen 971 auszufüllen, um die Orientierungswinkel der 6-DOF-Anordnung 969 zu ermitteln.
  • In einer in 67C dargestellten Ausführungsform wurde die Rolldetektoranordnung 960 entfernt, so dass die 6-DOF-Anordnung 969B und die 6-DOF-Sonde 970B erhalten werden. In dieser Ausführungsform stellt die Positionsdetektoranordnung 950 Informationen über Änderungen der Nickwinkel und Gierwinkel zu Zeitpunkten bereit, die zwischen das Erfassen der Kamerabilder der Lichtmarkierungen 971 fallen. In einer Ausführungsform werden die Informationen, die von der Positionsdetektoranordnung 950 bereitgestellt werden, und die Informationen, die von den Kamerabildern bereitgestellt werden, von einem Kalman-Filter dazu verwendet, die sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung 969B und der 6-DOF-Sonde 970B mit einer höheren Rate zu ermitteln, als die Einzelbildrate der Kamera.
  • In einer in 68A, 68B dargestellten Ausführungsform umfassen die 6-DOF-Anordnung 979 und die 6-DOF-Sonde 980 den Retroreflektor 940 und die Lichtmarkierungen 971 ohne die Positionsdetektoranordnung 950 oder die Rolldetektoranordnung 960. Dieser Ansatz eignet sich, wenn Veränderungen des Orientierungswinkels der 6-DOF-Anordnung 979 relativ langsam erfolgen, oder wenn die Einzelbildrate der Kameras, die die Lichtmarkierungen 971 abbilden, relativ hoch ist (z. B. 1000 Einzelbilder pro Sekunde).
  • In einer Ausführungsform umfasst die 6-DOF-Anordnung 979 ferner eine inertiale Messeinheit (IMU) 978, die mindestens einen/s aus einem Beschleunigungsmesser und einem Gyroskop umfasst. Jeder/s aus dem Beschleunigungsmesser und dem Gyroskop kann von einer bis zu drei Achsen eines rechteckigen (kartesischen) Koordinatensystems messen. Beispielsweise kann der Beschleunigungsmesser ein Beschleunigungsmesser mit drei Achsen sein und das Gyroskop kann ein Gyroskop mit drei Achsen sein. Ein Beschleunigungsmesser misst nicht nur die Beschleunigung, sondern auch die Neigung. Wenn aufgrund der Messdaten ermittelt werden kann, dass die Beschleunigung der 6-DOF-Anordnung 979 relativ klein ist, kann der IMU-Beschleunigungsmesser in Kombination mit dem IMU-Gyroskop verwendet werden, um die Neigung der 6-DOF-Anordnung 979 zu ermitteln. Einzelheiten zur Verwendung des Beschleunigungsmessers, um Nickwinkel and Rollwinkel einer 6-DOF-Anordnung zu ermitteln, sind im Becker et al. erteilten U.S. Patentanmeldung Nr. 20160187470 beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin einbezogen ist. Ein Beschleunigungsmesser kann auch dazu beitragen, Mehrdeutigkeiten in der groben Orientierung der Lichtmarkierungen 971 zu beheben.
  • 69A veranschaulicht die Wirkung des Drehens der 6-DOF-Anordnung 979 um eine Nickachse 981 mit einem Nickwinkel 982, der im Beispiel von 69A ein Winkel von 30 Grad ist. Eine erste Wirkung ist, dass das Profil der Merkmale entlang der Achse senkrecht zu Nickachse zusammengedrückt (d. h. „gequetscht“) wird. Daher werden die gesamte 6-DOF-Sonde 980 und die individuellen Bauelemente der 6-DOF-Sonde 980 in 69A in vertikaler Richtung zusammengedrückt. In diesem Beispiel ist jedes Bauelement entlang der vertikalen Achse um einen Faktor von cos (30°) zusammengedrückt. Außerdem werden die Lichtmarkierungen 971 in der vertikalen Richtung eines Nickversatzes 983 verlagert, der ein Betrag ist, der proportional zur Trennung der Markierungen in senkrechter Richtung zur Sichtebne (der Ebene des „Papiers“ in 69A) ist. Wenn beispielsweise der Abstand der Trennung zwischen den vorderen Lichtmarkierungen 972 und der hinteren Lichtmarkierung 973 entlang einer Richtung senkrecht zum „Papier“ von 69A gleich d ist, ist der Nickversatz 983 gleich d sin (30°).
  • 69B stellt die Wirkung des Drehens der 6-DOF-Anordnung 979 um eine Gierachse 984 mit einem Gierwinkel 985 dar, der im Beispiel von 69B ein Winkel von 30 Grad ist. Eine erste Wirkung ist, dass das Profil der Merkmale entlang der Achse senkrecht zu Gierachse zusammengedrückt (d. h. „gequetscht“) wird. Daher werden die gesamte 6-DOF-Sonde 980 und die individuellen Bauelemente der 6-DOF-Sonde 980 in 69B in horizontaler Richtung zusammengedrückt. In diesem Beispiel wird jedes Bauelement entlang der horizontalen Achse um einen Faktor von cos (30°) zusammengedrückt. Außerdem werden die Lichtmarkierungen 971 in der horizontalen Richtung eines Gierversatzes 986 verlagert, der ein Betrag ist, der proportional zur Trennung der Markierungen in senkrechter Richtung zur Sichtebne (der Ebene des „Papiers“ in 69B) ist. Wenn beispielsweise der Abstand der Trennung zwischen den vorderen Lichtmarkierungen 972 und der hinteren Lichtmarkierung 973 entlang einer Richtung senkrecht zum „Papier“ von 69B gleich d ist, ist der Gierversatz 986 gleich d sin (30°).
  • 69C stellt die Wirkung des Drehens der 6-DOF-Anordnung 979 um eine Rollachse 987 mit einem Rollwinkel 988 dar, der im Beispiel von 69C ein Winkel von 30 Grad bezüglich einer Roll-Nulllinie 989 ist.
  • 47, 48A, 48B sind eine auseinandergezogene Ansicht, Ansicht von oben bzw. Schnitte von Bauelementen einer Nutzlastanordnung 4700 eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform, wie sie hierin vorstehend beschrieben wurde. In der Nutzlast 4700 wirken der Strahlteiler 4738 und Spiegel 4736 zusammen, um Licht zu und von einem Abschnitt der Nutzlast 4700 zu senden. In einer Ausführungsform ist der Optikpfad 4730 ferner so konfiguriert, dass er eine oder mehrere Kameras zusätzlich zu oder als Ersatz für optische Elemente umfasst, die mit Bezug auf 47, 48A, 48B beschrieben wurden.
  • 70 ist eine schematische Seitenansicht von Nutzlastelementen 700 innerhalb einer Nutzlastanordnung 4700. In einer Ausführungsform können optionale Lichtquellen 702 vorgesehen sein, um Messungen der Orientierungswinkel einer 6-DOF-Anordnung zu unterstützen. In einer Ausführungsform divergiert Licht von den optionalen Lichtquellen 702, tritt durch einen zweiten Strahlteiler 704, reflektiert am Spiegel 4736, tritt durch die Linsen 4744 und 4746, reflektiert am Strahlteiler4738 und bewegt sich zur 6-DOF-Anordnung, die beispielsweise eine aus den 6-DOF-Anordnungen 899, 969, 969B, oder 979 von 66B, 67B, 67C bzw. 68B sein kann. Auf dem zurückkehrenden Pfad tritt ein Teil des zurückkehrenden Lichts 706 durch den Strahlteiler 4738 und bewegt sich zum ADM 707 und anderen Bauelementen im Inneren des Trackers. In einer Ausführungsform ist der Strahlteiler 4738 ein dichroitischer Strahlteiler, der bestimmte Wellenlängen von Licht aussendet und andere Wellenlängen reflektiert. In einer Ausführungsform wird Licht von den Lichtmarkierungen 971 vom Strahlteiler 4738 reflektiert, tritt durch die Linsen 4746, 4744, reflektiert am Spiegel 4736 und reflektiert am zweiten Strahlteiler 704.
  • Ein erster Teil des Lichts 713 reflektiert am dritten Strahlteiler 708 und erreicht eine erste Kamera 711, die einer erste Kameralinse 712 und eine erste lichtempfindliche Anordnung 714 der Kamera umfasst. Die erste lichtempfindliche Anordnung 714 der Kamera bildet ein erstes Bild der Lichtmarkierungen 971 aus. Ein zweiter Teil des Lichts 717 tritt durch den dritten Strahlteiler und reflektiert an einem zweiten Spiegel 710, um die zweiten Kamera zu erreichen, die eine zweite Kameralinse 716 und eine zweite lichtempfindliche Anordnung 720 der Kamera umfasst. In einer Ausführungsform umfasst die zweite Kamera ferner einen zweiten Retroreflektor 718, der den Lichtstrahlpfad, der von der zweiten Kamera Linse 716 eintrifft, umkehrt und versetzt. Auf diese Weise ermöglicht der zweite Retroreflektor 718, dass eine zweite Kamera 716 einen relativ langen Abstand von der zweiten Kameralinse 716 zur lichtempfindlichen Anordnung 720 der zweiten Kamera aufweist, während die Gesamtanordnung der zweiten Kamera relativ kompakt gehalten wird. In einer Ausführungsform ist der zweite Retroreflektor 718 ein Würfelecken-Retroreflektor, der drei senkrecht reflektierende Oberflächen aufweist. In einer Ausführungsform umfasst der Würfelecken-Retroreflektor ein Prisma aus Glas. Es ist zu beachten, dass die Geometrie der Anordnung je nach verfügbarem Platz in der Nutzlastanordnung 4700 verändert werden kann, obwohl die Bauelemente der ersten Kamera 711 und der zweiten Kamera 715 in der schematischen Seitenansicht von 70 als auf einer gemeinsamen Ebene liegend gezeigt sind. Beispielsweise kann der Scheitelpunkt des zweiten Retroreflektors 718 aus der Ebene der Seite von 70 gedreht werden, wodurch die Strahlen umgeleitet werden. Die lichtempfindliche Anordnung 720 der zweiten Kamera kann entsprechend bewegt werden, um die umgeleiteten Strahlen zu erfassen. Gleichermaßen können entweder der zweite Strahlteiler 704, der dritte Strahlteiler 708 oder der zweite Spiegel 710 gedreht werden, um das reflektierte Licht umzuleiten. In einer Ausführungsform können mindestens eine aus der ersten Kamera oder der zweiten Kamera einen rollenden Verschluss umfassen, wobei das Auslesen von einem oder mehreren Pixeln der ersten lichtempfindlichen Anordnung während des Betriebs des rollenden Verschlusses auftritt.
  • Das Verwenden von sowohl einer ersten Kamera 711 als auch einer zweiten Kamera 715 anstelle einer einzigen Kamera hat u. a. den Vorteil, dass anhand von zwei Kameras eine relativ hohe Genauigkeit ohne die Komplexität und die Kosten erzielt werden kann, die beim Herstellen einer Kamera entstehen, in der die Kameraelemente von einem Aktor wie einem Motor bewegt werden. Ein Beispiel für eine solche mechanisch einstellbare Kamera wird im Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 7,800,758 gegeben, dessen Inhalt durch Bezugnahme hierin einbezogen ist.
  • Als ein Beispiel für die Verwendungsweise der ersten Kamera 711 und der zweiten Kamera 715 ist die Situation zu betrachten, in der der Lasertracker 10 zum Ermitteln der sechs Freiheitsgrade einer 6-DOF-Anordnung verwendet wird, wenn die Entfernung von Tracker 10 zur 6-DOF-Anordnung zwischen 2 und 18 Meter beträgt. In einer Ausführungsform wird die ersten Kamera 711 dazu verwendet, die drei Orientierungswinkel der 6-DOF-Anordnung zu ermitteln, wenn die Entfernung vom Tracker zur 6-DOF-Anordnung zwischen 2 und 6 Meter beträgt. In einer Ausführungsform ist der Durchmesser der Sammlung von vorderen Lichtmarkierungen 972 in 68A, 68B 150 mm und der senkrechte Abstand von einer Ebene der vorderen Ziele 972 zur hinteren Lichtmarkierung 973 ist 52,4 mm. Es wird angenommen, dass die erste lichtempfindliche Anordnung 714 1000 × 1000 Pixel umfasst und 4 mm an der Seite beträgt. Wenn die erste Kameralinse 712 eine Brennweite von 50 mm aufweist, wird die scharfgestellte Bildebene für eine Entfernung der Trackeranordnung von 2 Metern auf 51,282 mm berechnet, und es wird festgestellt, dass Mitten der abgebildeten vorderen Markierungen 972 ungefähr 96 Prozent der Breite der lichtempfindlichen Anordnung umschließen. Für den in 69A dargestellten Fall ist die hintere Lichtmarkierung 973 in horizontaler Richtung zwischen den vorderen Lichtmarkierungen 972A, 972B zentriert, jedoch in vertikaler Richtung um einen Nickversatzabstand 983 versetzt. Es kann festgestellt werden, dass ein Bild, das diese Merkmale aufweist, nur um die Nickachse 982 und nicht um eine in 69B gezeigte Gierachse 984 gedreht wurde. Für den Fall der Drehung um einen Nickwinkel, wie es in 69A dargestellt wird, kann der Nickwinkel durch Messen der Anzahl der Pixel N1 im Nickversatz 983 im Bild und der Anzahl von Pixeln zwischen den vorderen Markierungen 972A, 972B im Bild gefunden werden. Für diesen Fall wird der Nickwinkel als tan-1 ((N1/N2) (150/52,4)) berechnet. Für eine Unterpixelgenauigkeit von 0,05 Pixel und für kleine Nickwinkel wird festgestellt, dass die Genauigkeit des gemessenen Nickwinkels besser als 0,0001 Radiant für die kleine Entfernung von 2 Metern und besser als 0,0003 Radiant für die große Entfernung von 6 Metern ist. Für Nickwinkel, die nicht als klein angesehen werden können (d. h. ein kleiner Anteil eines Radianten), nimmt die Genauigkeit im Vergleich zu den hierin vorstehenden angegebene Werten etwas ab. Die gleiche Berechnung kann für den Fall der Drehung um einen Gierwinkel durchgeführt werden, wie es in 69B dargestellt ist, wobei die gleichen relativen Genauigkeiten erzielt werden. Wenn die Nick-, Gier- und Rollwinkel ermittelt werden sollen, kann ein Optimierungsansatz verwendet werden, um die Nick-, Gier- und Rollwinkel zu finden. Beispielsweise kann die Optimierung kleinster Quadrate verwendet werden. Es ist anzumerken, dass in den Schritten zum Ermitteln der Nick-, Gier- und Rollwinkel die Entfernung vom Tracker zur 6-DOF-Anordnung unbekannt sein kann, da beim Ermitteln Verhältnisse der Entfernungen verwendet werden. Der Verhältnisansatz hat außerdem den Vorteil, dass Auswirkungen von Wärmeausdehnung des Rahmens 976 reduziert oder minimiert werden können, indem ein Rahmen mit konstantem CTE gewählt wird, wie es hierin vorstehend erörtert wurde. Man muss verstehen, dass der hierin verwendete Begriff Tracker oder Lasertracker im weiten Sinn verwendet wird, und beliebige Typen von 3D-Messvorrichtungen bezeichnet, die Entfernungen und Winkel zu einem Retroreflektorziel messen.
  • In einer Ausführungsform wird die zweite Kamera 715 dazu verwendet, die drei Orientierungswinkel der 6-DOF-Anordnung zu ermitteln, wenn die Entfernung vom Tracker zur 6-DOF-Anordnung zwischen 6 und 18 Meter beträgt. In einer Ausführungsform wird eine Brennweite der zweiten Kameralinse 716 von 150 mm gewählt, also dreimal länger als die Brennweite der ersten Kameralinse 712. Der Abstand zwischen der zweiten Kameralinse 716 und der lichtempfindlichen Anordnung 720 der Kamera wird auf 153,8 mm eingestellt, ungefähr dreimal länger als für die erste Kameralinse 711. Mit dem Hinzufügen des zweiten Retroreflektors 718 ist die Länge der zweiten Kamera 715 nur ungefähr 1,5 mal länger als die der ersten Kamera 711. Die Genauigkeit der von der zweiten Kamera 715 bei einer Entfernung von 6 Metern ermittelten 6-DOF Orientierungswinkel ist ungefähr die gleiche, wie die Genauigkeit der ersten Kamera 711 bei einer Entfernung von 2 Metern. Gleichermaßen ist die Genauigkeit der zweiten Kamera 715 bei einer Entfernung von 18 Metern ungefähr die gleiche, wie die Genauigkeit der ersten Kamera 711 bei einer Entfernung von 6 Metern.
  • 71 stellt einen 6-DOF-Tracker 1200 dar, der eine erste 6-DOF-KAmera 1202A und eine zweite 6-DOF-Kamera 1202B zusätzlich zu einer optionalen ersten Zielkamera 1204A und einer optionalen zweiten Zielkamera 1204B aufweist. Die erste Zielkamera 1204A und die zweite Zielkamera 1204B sind jeweils von einer oder mehreren Lichtquellen 1206 umgeben, die den Retroreflektor in der Umgebung beleuchten. Das Licht von den beleuchteten Lichtquellen 1206 wird von den Retroreflektoren reflektiert und von der ersten Zielkamera 1204A und der zweiten Zielkamera 1204B abgebildet. Die Positionen von abgebildeten Punkten des reflektierten Lichts kann dazu verwendet werden, das Ziel auf einen oder mehrere Retroreflektoren in der Umgebung zu richten. In manchen Ausführungsformen umfasst der 6-DOF-Tracker 1200 nur eine erste Zielkamera 1204A und keine zweite Zielkamera 1204B.
  • Die erste 6-DOF-Kamera 1202A und die zweite 6-DOF-Kamera 1202B haben ähnliche Funktionen wie die erste Kamera 711 und die zweite Kamera 715 (70), die Kameras 1202A, 1202B sind jedoch fest an der Nutzlastabdeckung 785 der Nutzlast 15 befestigt, und nicht im Inneren des Trackers angeordnet. Anders als die erste Kamera 711 und die zweite Kamera 715, die auf der optischen Achse des Lasertrackers angeordnet sind, sind die erste optische Kameraachse 782 (72) der ersten 6-DOF-Kamera 1202A und die zweite optische Kameraachse 783 der zweiten 6-DOF-Kamera 1202B bezüglich der optischen Achse 781 des Trackers versetzt. Die optische Achse 781 des Trackers tritt durch die durchsichtige Apertur 780 des Trackers. Licht vom Tracker 1200 wird eingekoppelt und durch die durchsichtige Apertur zurückgeführt, um eine Entfernung und Winkel zu einem Retroreflektorziel zu ermitteln. Beim Austreten aus der durchsichtigen Apertur des Trackers 1200 fällt die optische Achse 781 des Trackers zumindest ungefähr mit der Richtung des austretenden Lichtstrahls wie Lichtstrahl 47 oder Lichtstrahl 706 in 1 bzw. 70 zusammen. Die optische Achse 782 der ersten Kamera und die optische Achse 783 der zweiten Kamera sind jeweils ungefähr parallel zur optischen Achse 781 des Trackers, jedoch von dieser versetzt.
  • Die erste 6-DOF-Kamera 1202A umfasst eine erste Kameralinse 762 und eine lichtempfindliche Anordnung 764 der ersten Kamera. Die zweite 6-DOF-Kamera 1202B umfasst eine zweite Kameralinse 766 und eine lichtempfindliche Anordnung 770 der zweiten Kamera. In einer Ausführungsform kann die zweite 6-DOF-Kamera 1202B einen Würfelecken-Retroreflektor 768 umfassen. Das Verwenden eines solchen Retroreflektors ermöglicht, dass die Länge der zweiten 6-DOF-Kamera 1202B um ungefähr den Faktor zwei reduziert wird.
  • Die erste Kameralinse 762 und die zweite Kameralinse 766 sind von der Nutzlastabdeckung 785 des Trackers nach außen direkt auf das 6-DOF-Zusatzteil 1210 gerichtet. Licht von den Lichtmarkierungen 971 bewegt sich auf gerader Linie durch die erste Kameralinse 762 und erreicht die lichtempfindliche Anordnung 764 der ersten Kamera. Im Gegensatz dazu umfassen die erste Kamera 711 und die zweite Kamera 715 Linsen, die im Inneren der Trackernutzlast 15 umschlossen sind. Die Genauigkeit der 6-DOF-Kameras 1202A, 1202B ist ähnlich der der ersten Kamera 711 und der zweiten Kamera 715.
  • Das 6-DOF-Zusatzteil 1210 von 71 kann mehrere Formen annehmen. In einer Ausführungsform ist das 6-DOF-Zusatzteil 1210 eine 6-DOF-Anordnung wie die 6-DOF-Anordnung 899, 969, 969B und 979 (66B, 67B, 67C, 68B). Eine solche Anordnung kann ohne zusätzliche Bauelemente wie eine Tastsonde 910 (66B) oder einen Triangulationsscanner verwendet werden, wie es hierin nachstehend erörtert wird. In einer Ausführungsform ist das 6-DOF-Zusatzteil an einem beweglichen Objekt wie einem Roboterarm oder einer beweglichen mechanischen Struktur angebracht. Wenn sich das 6-DOF-Zusatzteil bewegt, kann der Tracker die drei Translationsfreiheitsgrade eines Retroreflektors 940 messen, während er gleichzeitig drei Orientierungsfreiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung misst. Eine solche Messung kann beispielsweise beim Einstellen der Position und Orientierung eines Roboterendwirkglieds nützlich sein.
  • In einer Ausführungsform ist das 6-DOF-Zusatzteil 1210 von 71 eine 6-DOF-Anordnung wie die 6-DOF-Sonde 970, 970B, 980 (67B, 67C, 68B). Ein 6-DOF-Tracker kann die 3D-Koordinaten der Sondenspitze 916 (67C) messen. In einer anderen Ausführungsform ist das 6-DOF-Zusatzteil 1210 ein 6-DOF-Triangulationsscanner wie der 6-DOF-Zeilenscanner 1220 von 73A, 73B, 73C oder der 6-DOF-Bereichsscanner 1240 von 74A, 74B, 74C.
  • In einer in 73A-73C gezeigten Ausführungsform umfasst der 6-DOF-Zeilenscanner 1220 Bauelemente der 6-DOF-Anordnung 979 sowie einen Zeilenscanner 1230. Der Zeilenscanner 1230 umfasst einen Projektor 1232 und eine Kamera 1236, wobei der Projektor 1232 und die Kamera 1236 um eine Grundentfernung voneinander getrennt sind. Der Projektor 1232, der einen Liniengenerator 1234 und eine Projektorlinse 1233 umfasst, projiziert eine Lichtlinie 1235 auf ein Objekt. Die Kamera 1236 umfasst eine Linse 1237 und eine Anordnung 1238. In einer Ausführungsform sind die Linse 1237 und die Anordnung 1238 in einer Scheimpflug-Geometrie angeordnet, wie es in 73A gezeigt ist. In einer Ausführungsform wird von einem Prozessor eine Triangulationsrechnung durchgeführt, um eine Entfernung und zwei Winkel vom Zeilenscanner 1230 zum Objekt zu ermitteln. Die berechneten 3D-Koordinaten eines Objektpunkts aufgrund der gemessenen Entfernung und gemessenen zwei Winkeln wird mittels einer Triangulationsberechnung aufgrund eines beobachteten Bilds auf der zweidimensionalen (2D) Anordnung 1238 und der Haltung (einschließlich der Grundentfernung) der Anordnung 1238 bezüglich des Projektors 1232 bestimmt.
  • In einer in 7A-74C gezeigten Ausführungsform umfasst der 6-DOF-Bereichsscanner 1240 Bauelemente der 6-DOF-Anordnung 979 sowie einen Bereichsscanner 1250. Der Bereichsscanner 1250 umfasst einen Projektor 1252 und eine Kamera 1256, wobei der Projektor 1252 und die Kamera 1256 um eine Grundentfernung voneinander getrennt sind. Der Projektor 1252, der einen Mustergenerator 1254 und eine Projektorlinse 1253 umfasst, projiziert ein Lichtmuster 1255 auf einen Bereich eines Objekts. Die Kamera 1256 umfasst eine 2D lichtempfindliche Anordnung 1258 und eine Linse 1257. Die berechneten 3D-Koordinaten eines Objektpunkts aufgrund der gemessenen Entfernung und zweier Winkel wird mittels einer Triangulationsberechnung aufgrund eines Bilds eines Objekts auf der 2D-Anordnung 1258 und der Haltung (einschließlich der Grundentfernung) der Anordnung 1258 bezüglich des Projektors 1252 bestimmt.
  • In einer Ausführungsform ist das 6-DOF-Zusatzteil 1210 ein 6-DOF-Projektor 1260, wie er in 75A, 75B dargestellt ist. In einer Ausführungsform umfasst der 6-DOF-Projektor 1260 Bauelemente der 6-DOF-Anordnung 979 sowie einen Informationsprojektor 1270. Der Informationsprojektor 1272 umfasst einen Projektor 1270, der einen Mustergenerator 1274 und eine Projektorlinse 1273 aufweist. In einer Ausführungsform ist der Informationsprojektor zum Senden projizierter Informationen 1276 auf ein Objekt funktionsfähig. Solche Informationen können Meldungen, Zeichnungen oder andere Markierungen sein. Beispielsweise kann eine Meldung ausgegeben werden, die anzeigt, ob Messmerkmale im Toleranzbereich liegen, und die Bereiche anzeigt, die außerhalb der Toleranz liegen. Als weiteres Beispiel können Markierungen ausgegeben werden, die anzeigen, wo Löcher gebohrt oder Etiketten angebracht werden sollen. Ein solcher Projektor kann auch in einem erweiterten Realitätsmodus verwendet werden, in dem vorgeschlagene Änderungen oder Hinzufügungen auf ein Objekt projiziert werden.
  • Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Bauelemente davon durch Entsprechungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Abwandlungen an der erfindungsgemäßen Lehre vorgenommen werden, ohne von deren wesentlichen Umfang abzuweichen, um Anpassungen auf eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material zu ermöglichen. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, die als beste Weise zum Ausführen dieser Erfindung erwogen wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der begleitenden Ansprüche fallen. Darüber hinaus kennzeichnen die Begriffe erste, zweite usw. keine Reihenfolge oder Bedeutung, die Begriff erste, zweite, usw. werden vielmehr verwendet, um ein Bauelement von einem anderen zu unterscheiden. Außerdem bezeichnen die Begriffe ein, eine usw. keine Begrenzung der Menge, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem Objekt, auf das Bezug genommen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (36)

  1. System, umfassend: eine 6-DOF-Anordnung, die einen ersten Retroreflektor und mindestens drei Lichtmarkierungen; eine Koordinatenmessvorrichtung, die eine Lichtquelle, einen Entfernungsmesser, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung, eine erste Kamera und eine zweite Kamera umfasst, wobei die Koordinatenmessvorrichtung zum Lenken eines ersten Lichts von der Lichtquelle zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, der Entfernungsmesser zum Messen einer ersten Entfernung zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Winkelmessvorrichtung zum Messen eines ersten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die zweite Winkelmessvorrichtung zum Messen eines zweiten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Kamera eine erste Linse und eine erste lichtempfindliche Anordnung aufweist, die zweite Kamera eine zweite Linse und eine zweite lichtempfindliche Anordnung aufweist, wobei die Brennweite der zweiten Linse mindestens das Doppelte der Brennweite der ersten Linse beträgt, die erste Kamera zum Ausbilden eines ersten Bilds der mindestens drei Lichtmarkierungen funktionsfähig ist, die zweite Kamera zum Ausbilden eines zweiten Bilds der mindestens drei Lichtmarkierungen funktionsfähig ist; und einen Prozessor, der zum Ermitteln von sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung zumindest teilweise aufgrund der gemessenen ersten Entfernung, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels und mindestens einem aus dem erfassten ersten Bild und dem erfassten zweiten Bild funktionsfähig ist.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die zweite Kamera ferner einen zweiten Retroreflektor umfasst, der zwischen der zweiten Linse und der zweiten lichtempfindlichen Anordnung untergebracht ist.
  3. System nach Anspruch 1, wobei die 6-DOF-Anordnung ferner einen Rahmen umfasst, auf dem drei Lichtmarkierungen angebracht sind, wobei der Rahmen einen einheitlichen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner einen oder mehrere Orientierungssensoren umfasst; und der Prozessor ferner zum Ermitteln der sechs Freiheitsgrade ferner basierend auf Anzeigen des einen oder der mehreren Orientierungssensoren funktionsfähig ist.
  5. System nach Anspruch 4, wobei der eine oder die mehreren 6-DOF-Sensoren einen Nick-Gier-Sensor umfassen, der zum Messen eines Nickwinkels und eines Gierwinkels der 6-DOF-Anordnung funktionsfähig ist.
  6. System nach Anspruch 5, wobei der eine oder die mehreren 6-DOF-Sensoren den Nickwinkel und den Gierwinkel schneller messen, als die erste Kamera das erste Bild bereitstellt.
  7. System nach Anspruch 1, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner eine Tastsonde umfasst, die eine Sondenspitze aufweist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln dreidimensionaler (3D) Koordinaten der Sondenspitze zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung und einer Länge der Tastsonde funktionsfähig ist.
  8. System nach Anspruch 1, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner einen Zeilenscanner umfasst, wobei der Zeilenscanner einen Zeilenprojektor und eine zweidimensionale (2D) Scanner-Kamera aufweist, der Zeilenprojektor zum Projizieren einer Lichtlinie auf ein Objekt funktionsfähig ist, die 2D-Scanner-Kamera zum Erfassen eines Scanner-Bilds funktionsfähig ist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln dreidimensionaler (3D) Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung und des erfassten Scanner-Bilds funktionsfähig ist.
  9. System nach Anspruch 1, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner einen Bereichsscanner umfasst, wobei der Bereichsscanner einen Bereichsprojektor und eine zweidimensionale (2D) Scanner-Kamera aufweist, der Bereichsprojektor zum Projizieren eines Lichtmusters über einen Bereich auf einem Objekt funktionsfähig ist, die 2D-Scanner-Kamera zum Erfassen eines Scanner-Bilds funktionsfähig ist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln dreidimensionaler (3D) Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung und des erfassten Scanner-Bilds funktionsfähig ist.
  10. System nach Anspruch 1, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner einen Projektor umfasst, der zum Projizieren eines Informationsmusters auf ein Objekt funktionsfähig ist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln der projizierten Informationsmuster zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung funktionsfähig ist.
  11. System nach Anspruch 1, wobei die mindestens drei Lichtmarkierungen aus der Gruppe bestehend aus Montagelichtquellen und reflektierenden Markierungen ausgewählt sind.
  12. System nach Anspruch 11, wobei die Montagelichtquellen lichtemittierende Dioden sind.
  13. System nach Anspruch 1, wobei die erste Kamera und die zweite Kamera im Inneren der Koordinatenmessvorrichtung liegen.
  14. System nach Anspruch 13, wobei die erste Kamera und die zweite Kamera auf einer optischen Achse der Koordinatenmessvorrichtung liegen, wobei Licht, das von den mindestens drei Lichtmarkierung eintrifft, von einem Strahlteiler in einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad geteilt wird, wobei der erste Pfad zur ersten Kamera führt und der zweite Pfad zur zweiten Kamera führt.
  15. System nach Anspruch 1, wobei die erste Kamera und die zweite Kamera bezüglich einer optischen Achse der Koordinatenmessvorrichtung versetzt sind.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die erste Kamera und die zweite Kamera mit einem äußeren Nutzlastkörper der Koordinatenmessvorrichtung gekoppelt sind, wobei die erste Linse und die zweite Linse von der Koordinatenmessvorrichtung nach außen gerichtet sind.
  17. System nach Anspruch 11, wobei: die drei Lichtmarkierungen Montagelichtquellen sind; und die erste Kamera nach einem Blinken der Montagelichtquellen zum Auslesen von Pixeln der ersten lichtempfindlichen Anordnung funktionsfähig ist.
  18. System nach Anspruch 17, wobei die erste Kamera ferner einen optischen Filter zum Blockieren von Hintergrundlicht umfasst.
  19. System nach Anspruch 17, wobei die erste Kamera einen rollenden Verschluss umfasst und das Auslesen von einem oder mehreren Pixeln der ersten lichtempfindlichen Anordnung während des Betriebs des rollenden Verschlusses auftritt.
  20. System, umfassend: eine 6-DOF-Anordnung, die einen ersten Retroreflektor, mindestens drei Lichtmarkierungen und einen Nick-Gier-Sensor umfasst, der zum Messen eines ersten Nickwinkels und eines ersten Gierwinkels der 6-DOF-Anordnung funktionsfähig ist; eine Koordinatenmessvorrichtung, die eine Lichtquelle, einen Entfernungsmesser, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, eine erste Winkelmessvorrichtung, eine zweite Winkelmessvorrichtung und eine erste Kamera umfasst, wobei die Koordinatenmessvorrichtung zum Lenken eines ersten Lichts von der Lichtquelle zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, der Entfernungsmesser zum Messen einer ersten Entfernung zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Winkelmessvorrichtung zum Messen eines ersten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die zweite Winkelmessvorrichtung zum Messen eines zweiten Winkels zum ersten Retroreflektor funktionsfähig ist, die erste Kamera eine erste Linse und eine erste lichtempfindliche Anordnung aufweist, die erste Kamera zum Ausbilden eines ersten Bilds der mindestens drei Lichtmarkierungen funktionsfähig ist; und einen Prozessor, der zum Ermitteln von sechs Freiheitsgraden der 6-DOF-Anordnung zumindest teilweise aufgrund der gemessenen ersten Entfernung, des gemessenen ersten Winkels, des gemessenen zweiten Winkels, dem erfassten ersten Bild, dem gemessenen Nickwinkel und dem gemessenen Gierwinkel funktionsfähig ist.
  21. System nach Anspruch 20, wobei der Nick-Gier-Sensor eine Sammlung der ersten Nickwinkel und der ersten Gierwinkel schneller misst, als die erste Kamera das erste Bild bereitstellt.
  22. System nach Anspruch 21, wobei der Nick-Gier-Sensor eine Apertur, eine Linse und einen Positionssensor umfasst, wobei der gemessene erste Nickwinkel und der gemessene erste Gierwinkel zumindest teilweise auf einer Position auf dem Positionssensor oder Licht beruhen, das durch die Apertur der Linse tritt.
  23. System nach Anspruch 22, wobei der Positionssensor aus der Gruppe bestehend aus einem Quadrantendetektor, einem Lateraleffektdetektor und einer lichtempfindlichen Anordnung ausgewählt ist.
  24. System nach Anspruch 20, wobei die erste Kamera ferner einen zweiten Retroreflektor umfasst, der zwischen der ersten Linse und der ersten lichtempfindlichen Anordnung untergebracht ist.
  25. System nach Anspruch 20, wobei die 6-DOF-Anordnung ferner einen Rahmen umfasst, auf dem drei Lichtmarkierungen angebracht sind, wobei der Rahmen einen einheitlichen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist.
  26. System nach Anspruch 20, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner eine Tastsonde umfasst, die eine Sondenspitze aufweist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln dreidimensionaler (3D) Koordinaten der Sondenspitze zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung und einer Länge der Tastsonde funktionsfähig ist.
  27. System nach Anspruch 20, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner einen Zeilenscanner umfasst, wobei der Zeilenscanner einen Zeilenprojektor und eine zweidimensionale (2D) Scanner-Kamera aufweist, der Zeilenprojektor zum Projizieren einer Lichtlinie auf ein Objekt funktionsfähig ist, die 2D-Scanner-Kamera zum Erfassen eines Scanner-Bilds funktionsfähig ist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln dreidimensionaler (3D) Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung und des erfassten Scanner-Bilds funktionsfähig ist.
  28. System nach Anspruch 20, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner einen Bereichsscanner umfasst, wobei der Bereichsscanner einen Bereichsprojektor und eine zweidimensionale (2D) Scanner-Kamera aufweist, der Bereichsprojektor zum Projizieren eines Lichtmusters über einen Bereich auf einem Objekt funktionsfähig ist, die 2D-Scanner-Kamera zum Erfassen eines Scanner-Bilds funktionsfähig ist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln dreidimensionaler (3D) Koordinaten eines Punkts auf dem Objekt zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung und des erfassten Scanner-Bilds funktionsfähig ist.
  29. System nach Anspruch 20, wobei: die 6-DOF-Anordnung ferner einen Projektor umfasst, der zum Projizieren eines Informationsmusters auf ein Objekt funktionsfähig ist; und der Prozessor ferner zum Ermitteln der projizierten Informationsmuster zumindest teilweise aufgrund der ermittelten sechs Freiheitsgrade der 6-DOF-Anordnung funktionsfähig ist.
  30. System nach Anspruch 20, wobei die mindestens drei Lichtmarkierungen aus der Gruppe bestehend aus Montagelichtquellen und reflektierenden Markierungen ausgewählt sind.
  31. System nach Anspruch 30, wobei die Montagelichtquellen lichtemittierende Dioden sind.
  32. System nach Anspruch 20, wobei die erste Kamera im Inneren der Koordinatenmessvorrichtung liegt.
  33. System nach Anspruch 20, wobei die erste Kamera bezüglich einer optischen Achse der Koordinatenmessvorrichtung versetzt ist, wobei die erste Kamera mit einem äußeren Nutzlastkörper der Koordinatenmessvorrichtung gekoppelt ist, wobei die erste Linse von der Koordinatenmessvorrichtung nach außen gerichtet ist.
  34. System nach Anspruch 30, wobei: die drei Lichtmarkierungen Montagelichtquellen sind; und die erste Kamera nach einem Blinken der Montagelichtquellen zum Auslesen von Pixeln der ersten lichtempfindlichen Anordnung funktionsfähig ist.
  35. System nach Anspruch 34, wobei die erste Kamera ferner einen optischen Filter zum Blockieren von Hintergrundlicht umfasst.
  36. System nach Anspruch 34, wobei die erste Kamera einen rollenden Verschluss umfasst und das Auslesen von einem oder mehreren Pixeln der ersten lichtempfindlichen Anordnung während des Betriebs des rollenden Verschlusses auftritt.
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