DE112012001706T5

DE112012001706T5 - Lasertracker mit verbesserten Handhabungsmerkmalen

Info

Publication number: DE112012001706T5
Application number: DE112012001706.4T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Robert Day; Kenneth Steffey; James K. West; Jeremy M. Garey
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2014-01-09
Also published as: GB201320075D0; GB2504891A; DE112012001705T5; CN103492870B; US9151830B2; WO2012142063A4; US8908154B2; WO2012154356A1; DE112012001721T5; GB2504432A; WO2012142064A3; GB201320086D0; US20120265479A1; CN103765238A; JP2014514563A; GB201320077D0; JP2014517262A; GB2515211B; GB2505354A; WO2012142384A1

Abstract

Eine Koordinatenmessvorrichtung sendet einen ersten Lichtstrahl an ein Ziel, das einen Abschnitt als einen zweiten Strahl zurücksendet. Die Koordinatenmessvorrichtung umfasst einen ersten und einen zweiten Motor, die den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, die durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, wobei der erste Drehwinkel und der zweite Drehwinkel von dem ersten bzw. dem zweiten Motor erzeugt werden; eine erste und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die den ersten bzw. den zweiten Drehwinkel messen, einen Distanzmesser, der einen ersten Abstand von der Vorrichtung zu dem Ziel basierend zumindest teilweise auf einem ersten Abschnitt des zweiten Strahls misst; einen Prozessor, der eine dreidimensionale Koordinate des Ziels teilweise basierend auf dem ersten Abstand und dem ersten und zweiten Drehwinkel bereit stellt; und einen einziehbaren Halter, der sich an der Oberseite der Vorrichtung befindet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 30. Januar 2012 angemeldeten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/592,049 und der am 15. April 2011 angemeldeten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/475,703, deren gesamter Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist. Die vorliegende Erfindung beansprucht auch den Vorteil der am 21. Februar 2012 eingereichten Geschmacksmusteranmeldung Nr. 29/413811.
HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Koordinatenmessvorrichtung. Eine Reihe von Koordinatenmessvorrichtungen gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punktes durch Senden eines Laserstrahls auf den Punkt messen. Der Laserstrahl kann direkt auf den Punkt oder auf ein Retroreflektorziel treffen, das mit dem Punkt in Kontakt ist. In beiden Fällen bestimmt das Instrument die Koordinaten des Punktes durch Messen des Abstands und der zwei Winkel zu dem Ziel. Der Abstand wird mit einer Distanzmessvorrichtung, wie einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einer Winkelmessvorrichtung, wie einem Winkelkodierer, gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus innerhalb des Instruments lenkt den Laserstrahl auf den entsprechenden Punkt.
Der Lasertracker ist eine besondere Art von Koordinatenmessvorrichtung, die das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlen, die sie emittiert, nachführt. Koordinatenmessvorrichtungen, die eng mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Laserscanner und die Totalstation. Der Laserscanner sendet schrittweise einen oder mehrere Laserstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt von der Oberfläche gestreutes Licht auf und bestimmt anhand dieses Lichts den Abstand und zwei Winkel zu jedem Punkt. Die Totalstation, die am häufigsten in Überwachungsanwendungen eingesetzt wird, kann verwendet werden, um die Koordinaten von diffus streuenden oder retroreflektierenden Zielen zu messen. Nachstehend wird der Begriff Lasertracker in einem weiten Sinne verwendet, der Laserscanner und Totalstationen einschließt.
Normalerweise sendet der Lasertracker einen Laserstrahl an ein Retroreflektorziel. Eine übliche Art von Retroreflektorziel ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR), der einen würfeleckigen Retroreflektor aufweist, der in einer Metallkugel eingebettet ist. Der würfeleckige Retroreflektor weist drei zueinander senkrechte Spiegel auf. Der Scheitel, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Auf Grund dieser Anordnung des Würfelecks innerhalb der Kugel bleibt der senkrechte Abstand von dem Scheitel zu irgendeiner Oberfläche, auf der der SMR aufliegt, konstant, und dies selbst dann, wenn der SMR gedreht wird. Folglich kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche messen, indem er der Position eines SMR folgt, wenn dieser über die Oberfläche bewegt wird. Mit anderen Worten muss der Lasertracker nur drei Freiheitsgrade (einen radialen Abstand und zwei Winkel) messen, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.
Eine Art von Lasertracker enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne Absolutdistanzmesser (ADM). Wenn ein Objekt den Weg des Laserstrahls von einem dieser Tracker blockiert, verliert das IFM seinen Abstandsbezug. Der Bediener muss dann den Retroreflektor an eine bekannte Stelle führen, um ihn auf einen Bezugsabstand zurückzusetzen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Diese Beschränkung kann umgangen werden, indem ein ADM in den Tracker eingesetzt wird. Der ADM kann den Abstand durch Anvisieren und Aufnehmen (”point-and-shoot”) messen, wie es unten genauer beschrieben wird. Einige Lasertracker enthalten nur einen ADM ohne Interferometer. Das US-Patent Nr. 7,352,446 ('446) von Bridges et al., dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist, beschreibt einen Lasertracker nur mit einem ADM (und keinem IFM), der in der Lage ist, ein sich bewegendes Ziel genau abzutasten. Vor dem Patent '446 waren Absolutdistanzmesser zu langsam, um die Position eines sich bewegenden Ziels genau zu ermitteln.
Es kann ein Kardanmechanismus innerhalb des Lasertrackers verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Tracker auf den SMR zu richten. Ein Teil des von dem SMR zurückgestrahlten Lichts tritt in den Lasertracker ein und führt weiter auf einen Positionsdetektor. Ein Steuerungssystem innerhalb des Lasertrackers kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor verwenden, um die Drehwinkel der mechanischen Achsen des Lasertrackers einzustellen, um den Laserstrahl auf dem SMR zentriert zu halten. Auf diese Weise ist der Tracker in der Lage, einen SMR zu verfolgen (nachzuführen), der über die Oberfläche eines Objekts von Interesse bewegt wird. Der für einen Lasertracker verwendete Kardanmechanismus kann für eine Vielfalt anderer Anwendungen eingesetzt werden. Als einfaches Beispiel kann der Lasertracker in einer Kardanlenkvorrichtung mit einem sichtbaren Zeigerstrahl, aber ohne Distanzmesser verwendet werden, um einen Lichtstrahl auf eine Reihe von Retroreflektorzielen zu lenken und die Winkel jedes der Ziele zu messen.
Winkelmessvorrichtungen, wie Winkelkodierer, sind an den mechanischen Achsen des Trackers angebracht. Die eine Distanzmessung und die zwei Winkelmessungen, die der Lasertracker vornimmt, reichen aus, um die dreidimensionale Position des SMR vollständig zu spezifizieren.
Es sind mehrere Lasertracker erhältlich oder wurden vorgeschlagen, um sechs, und nicht nur die üblichen drei, Freiheitsgrade zu messen. Beispielhafte Systeme mit sechs Freiheitsgraden (sechs-DOF-Systeme) sind in dem US-Patent Nr. 7,800,758 ('758) von Bridges et al., dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist, und in der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2010/0128259 von Bridges et al. beschrieben, dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist.
Bisher waren Lasertracker nicht mit optimalen Mitteln zum Anheben und Transportieren ausgestattet. Es werden bessere Merkmale benötigt, um Lasertracker anzuheben und zu transportieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sendet eine Koordinatenmessvorrichtung einen ersten Lichtstrahl an einen entfernten Zielpunkt, wobei der Zielpunkt einen Teil des ersten Strahls als einen zweiten Strahl zurückwirft, wobei die Koordinatenmessvorrichtung eine Oberseite, eine Unterseite und ein Gewicht aufweist. Die Messvorrichtung umfasst einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die zusammen den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird. Die Messvorrichtung umfasst weiterhin eine erste Winkelmessvorrichtung, die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser, der einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung zu dem Zielpunkt zumindest teilweise basierend auf einem ersten Teil des von einem ersten optischen Detektor empfangenen zweiten Strahls; und einen Prozessor, der eine dreidimensionale Koordinate des Zielpunktes bereit stellt, wobei die dreidimensionale Koordinate zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basiert; und einen sich an der Oberseite befindenden einziehbaren Halter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sendet eine Koordinatenmessvorrichtung einen ersten Lichtstrahl an einen entfernten Zielpunkt, wobei der Zielpunkt einen Teil des ersten Strahls als einen zweiten Strahl zurückwirft, wobei die Koordinatenmessvorrichtung eine Oberseite und eine untere Seite aufweist. Die Messvorrichtung umfasst einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die zusammen den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird. Die Messvorrichtung umfasst weiterhin eine erste Winkelmessvorrichtung, die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser, der einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung zu dem Zielpunkt zumindest teilweise basierend auf einem ersten Teil des von einem ersten optischen Detektor empfangenen zweiten Strahls; und einen Prozessor, der eine dreidimensionale Koordinate des Zielpunktes bereit stellt, wobei die dreidimensionale Koordinate zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basiert; und einen ausgenommenen Griff auf der Unterseite, wobei der ausgenommene Griff eine Vertiefung ist, die groß genug ist, dass Finger in die Vertiefung eingeführt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sendet eine Koordinatenmessvorrichtung einen ersten Lichtstrahl an einen entfernten Zielpunkt, wobei der Zielpunkt einen Teil des ersten Strahls als einen zweiten Strahl zurückwirft, wobei die Koordinatenmessvorrichtung eine Oberseite und eine Unterseite aufweist. Die Messvorrichtung umfasst einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die zusammen den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird. Die Messvorrichtung umfasst weiterhin eine erste Winkelmessvorrichtung, die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser, der einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung zu dem Zielpunkt zumindest teilweise basierend auf einem ersten Teil des von einem ersten optischen Detektor empfangenen zweiten Strahls; einen Prozessor, der eine dreidimensionale Koordinate des Zielpunktes bereit stellt, wobei die dreidimensionale Koordinate zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basiert; und ein Seitengriffpaar, wobei das Seitengriffpaar einen ersten Seitengriff und einen zweiten Seitengriff aufweist, wobei sich der erste Seitengriff entgegengesetzt zum zweiten Seitengriff auf einer Seite der Koordinatenmessvorrichtung befindet, wobei sich der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff an Positionen zwischen der Oberseite und der Unterseite befinden, wobei das Seitengriffpaar dafür konfiguriert ist, von einem Paar von Händen ergriffen zu werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen sind beispielhafte Ausführungsformen gezeigt, welche nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:
1 ist eine Perspektivansicht eines Lasertrackersystems mit einem Retroreflektorziel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Perspektivansicht eines Lasertrackersystems mit einem sechs-DOF-Ziel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm, das Elemente einer Lasertrackeroptik und -Elektronik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt;
4, die die 4A und 4B umfasst, zeigt zwei Arten von afokalen Strahlaufweitern des Stands der Technik;
5 zeigt eine faseroptische Strahleinkopplung des Stands der Technik;
6A–D sind schematische Figuren, die vier Arten von Positionsdetektorbaugruppen des Stands der Technik zeigen;
6E und 6F sind schematische Figuren, die Positionsdetektorbaugruppen nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
7 ist ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen innerhalb eines ADMs des Stands der Technik;
8A und 8B sind schematische Figuren, die faseroptische Elemente innerhalb eines faseroptischen Netzes des Stands der Technik zeigen;
8C ist eine schematische Figur, die faseroptische Elemente innerhalb eines faseroptischen Netzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Explosionsansicht eines Lasertrackers des Stands der Technik;
10 ist eine Querschnittsansicht eines Lasertrackers des Stands der Technik;
11 ist ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Kommunikationselemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12A ist ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine einzige Wellenlänge verwendet;
12B ist ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine einzige Wellenlänge verwendet;
13 ist ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker mit einer sechs-DOF-Fähigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
14A, 14B und 14C zeigen eine Vorderansicht, eine Perspektivansicht bzw. Perspektivansichten eines Lasertrackers mit nützlichen Merkmalen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein beispielhaftes, in 1 veranschaulichtes Lasertrackersystem 5 umfasst einen Lasertracker 10, ein Retroreflektorziel 26, einen optionalen Hilfseinheitsprozessor 50 und einen optionalen Hilfscomputer 60. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitwagen 14, der auf einer Azimutbasis 16 montiert ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzmasse 15 ist auf dem Zenitwagen 14 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 typischerweise der Ausgangspunkt für Distanzmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 geht fast durch den Kardanpunkt 22 hindurch und wird orthogonal zur Zenitachse 18 gerichtet. Mit anderen Worten liegt der Laserstrahl 46 in einer Ebene in etwa senkrecht zu der Zenitachse 18, die durch die Azimutachse 20 hindurch geht. Der ausgehende Laserstrahl 46 wird durch Drehung der Nutzmasse 15 um die Zenitachse 18 und durch Drehung des Zenitwagens 14 um die Azimutachse 20 in die gewünschte Richtung gerichtet. Ein Zenitwinkelkodierer, der sich innerhalb des Trackers befindet, ist an einer mit der Zenitachse 18 ausgerichteten mechanischen Zenitachse angebracht. Ein Azimutwinkelkodierer, der sich innerhalb des Trackers befindet, ist an einer mit der Azimutachse 20 ausgerichteten mechanischen Azimutachse angebracht. Der Zenit- und der Azimutwinkelkodierer messen den Zenit- und den Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit. Der ausgehende Laserstrahl 46 wandert zu dem Retroreflektorziel 26, welches zum Beispiel ein sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein kann, wie vorstehend beschrieben. Durch Messen des Radialabstands 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 innerhalb des Kugelkoordinatensystems des Trackers ermittelt.
Der ausgehende Laserstrahl 46 kann wie nachstehend beschrieben eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen. Zur Verdeutlichung und Vereinfachung wird in der folgenden Besprechung von einem Lenkungsmechanismus der in 1 gezeigten Art ausgegangen. Andere Arten von Lenkungsmechanismen sind jedoch auch möglich. Zum Beispiel kann ein Laserstrahl von einem Spiegel reflektiert werden, der um die Azimut- und die Zenitachse gedreht wird. Die hier beschriebenen Techniken sind unabhängig von der Art von Lenkungsmechanismus anwendbar.
Es können Magnetnester 17 auf dem Lasertracker enthalten sein, um den Lasertracker für verschieden große SMRs – zum Beispiel SMRs mit Größen von 1,5, 7/8 und ½ Zoll – auf eine Ausgangsposition zurückzustellen. Es kann ein Retroreflektor 19 auf dem Tracker verwendet werden, um den Tracker auf einen Bezugsabstand zurückzusetzen. Außerdem kann ein Spiegel auf dem Tracker, der in der Ansicht von 1 nicht ersichtlich ist, in Kombination mit dem Retroreflektor auf dem Tracker verwendet werden, um die Durchführung einer Selbstkompensation zu ermöglichen, wie sie in dem US-Patent Nr. 7,327,446 beschrieben ist, dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist.
2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, welches wie das Lasertrackersystem 5 aus 1 ist, außer dass das Retroreflektorziel 26 durch eine sechs-DOF-Sonde 1000 ersetzt ist. In 1 können andere Arten von Retroreflektorzielen verwendet werden. Zum Beispiel wird manchmal ein Katzenauge-Retroreflektor verwendet, welches ein Glas-Retroreflektor ist, in dem Licht auf einen kleinen Lichtpunkt auf einer reflektierenden Rückfläche der Glasstruktur fokussiert wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das optische und elektrische Elemente in einer Ausführungsform des Lasertrackers zeigt. Es zeigt Elemente eines Lasertrackers, die zwei Wellenlängen von Licht emittieren – eine erste Wellenlänge für einen ADM und eine zweite Wellenlänge für einen sichtbaren Zeiger und zum Nachführen. Der sichtbare Zeiger ermöglicht es dem Benutzer, die Position des Laserstrahlpunktes, der von dem Tracker ausgestrahlt wird, zu sehen. Die beiden verschiedenen Wellenlängen werden unter Verwendung eines Freiraum-Strahlenteilers kombiniert. Ein elektrooptisches (EO) System 100 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, gegebenenfalls eine erste Fasereinkopplung 170, gegebenenfalls ein Interferometer (IFM) 120, einen Strahlaufweiter 140, einen ersten Strahlenteiler 145, eine Positionsdetektorbaugruppe 150, einen zweiten Strahlenteiler 155, einen ADM 160 und eine zweite Fasereinkopplung 170.
Die sichtbare Lichtquelle 110 kann ein Laser, eine superstrahlende Diode oder eine andere Licht emittierende Vorrichtung sein. Der Isolator 115 kann ein Faraday-Isolator, ein Abschwächer oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, das Licht abzuschwächen, das zurück in die Lichtquelle reflektiert wird. Das optionale IFM kann auf vielfältige Weise konfiguriert sein. Als spezifisches Beispiel für eine mögliche Implementierung kann das IFM einen Strahlenteiler 122, einen Retroreflektor 126, Lambda-Viertel-Plättchen 124, 130 und einen Phasenanalysator 128 umfassen. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann das Licht in freien Raum einkoppeln, wobei das Licht dann durch den Isolator 115 und das optionale IFM 120 in den freien Raum wandert. In einer anderen Ausführungsform kann der Isolator 115 durch ein Lichtleiterkabel an die sichtbare Lichtquelle 110 gekoppelt sein. In diesem Fall kann das Licht von dem Isolator durch den ersten faseroptischen Einkoppler 170 in den freien Raum eingekoppelt werden, wie es hier nachstehend anhand von 5 besprochen wird.
Der Strahlaufweiter 140 kann unter Verwendung einer Vielfalt von Linsenkonfigurationen eingerichtet werden; in den 4A, 4B sind jedoch zwei üblicherweise verwendete Konfigurationen des Stands der Technik gezeigt. 4A zeigt eine Konfiguration 140A, die auf der Verwendung einer negativen Linse 141A und einer positiven Linse 142A basiert. Ein Strahl von kollimiertem Licht 220A, das auf die negative Linse 141A fällt, tritt als ein größerer Strahl von kollimiertem Licht 230A aus der positiven Linse 142A aus.
4B zeigt eine Konfiguration 140B, die auf der Verwendung von zwei positiven Linsen 141B, 142B basiert. Ein Strahl von kollimiertem Licht 220B, das in eine erste positive Linse 141B fällt, tritt als ein größerer Strahl von kollimiertem Licht 230B aus einer zweiten positiven Linse 142B aus. Von dem aus dem Strahlaufweiter 140 austretenden Licht wird ein kleiner Betrag auf dem Weg aus dem Tracker an den Strahlenteilern 145, 155 reflektiert und geht verloren. Der Teil des Lichts, der durch den Strahlenteiler 155 hindurchgeht, wird mit dem Licht aus dem ADM 160 kombiniert und bildet so einen zusammengesetzten Lichtstrahl 188, der aus diesem Lasertracker austritt und zu dem Retroreflektor 90 wandert.
In einer Ausführungsform umfasst der ADM 160 eine Lichtquelle 162, eine ADM-Elektronik 164, ein Fasernetz 166, ein elektrisches Verbindungskabel 165 und verbindende Lichtleiter 168, 169, 184, 186. Die ADM-Elektronik sendet eine elektrische Modulationsspannung und Vorspannung an die Lichtquelle 162, die zum Beispiel ein Laser mit verteilter Rückkopplung sein kann, der auf einer Wellenlänge von etwa 1550 nm arbeitet. In einer Ausführungsform kann das Fasernetz 166 das in 8A gezeigte faseroptische Netz 420A des Stands der Technik sein. Bei dieser Ausführungsform wandert Licht von der Lichtquelle 162 in 3 über den Lichtleiter 184, der zu dem Lichtleiter 432 in 8A äquivalent ist.
Das Fasernetz aus 8A umfasst einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und Reflektoren 435, 440 mit geringer Durchlässigkeit. Das Licht wandert durch den ersten Faserkoppler 430 und teilt sich in zwei Wege auf, wobei der erste Weg durch den Lichtleiter 433 zu dem zweiten Faserkoppler 436 geht und der zweite Weg durch den Lichtleiter 422 und einen Faserlängenausgleicher 423 geht. Der Faserlängenausgleicher 423 ist in 3 an die Faserlänge 168 angeschlossen, die zum Bezugskanal der ADM-Elektronik 164 wandert. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge von Lichtleitern, durch die im Bezugskanal Licht hindurchgeht, an die Länge von Lichtleitern anzupassen, durch die im Messkanal Licht hindurchgeht. Das Anpassen der Faserlängen auf diese Weise verringert durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursachte ADM-Fehler. Solche Fehler können auftreten, da der effektive Lichtweg eines Lichtleiters gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtleiters mal die Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der Lichtleiter von der Temperatur der Faser abhängt, verursacht eine Änderung der Temperatur der Lichtleiter Änderungen des effektiven Lichtwegs des Mess- und Bezugskanals. Wenn sich der effektive Lichtweg des Lichtleiters in dem Messkanal relativ zu dem effektiven Lichtweg des Lichtleiters in dem Bezugskanal ändert, ergibt sich eine offensichtliche Verschiebung der Position des Retroreflektorziels 90, und dies selbst dann, wenn das Retroreflektorziel 90 ortsfest gehalten wird. Um dieses Problem zu umgehen, werden zwei Schritte vorgenommen. Zunächst wird die Länge der Faser in dem Bezugskanal so weit wie möglich an die Länge der Faser in dem Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und die Bezugsfaser so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die Lichtleiter in den beiden Kanälen nahezu die gleichen Temperaturänderungen erfahren.
Das Licht wandert durch den zweiten faseroptischen Koppler 436 und teilt sich in zwei Wege auf, wobei der erste Weg zu dem schwach reflektierenden Faseranschluss 440 und der zweite Weg zu dem Lichtleiter 438 geht, von dem es zum Lichtleiter 186 in 3 wandert. Das Licht in dem Lichtleiter 186 wandert durch die zweite Fasereinkopplung 170.
In einer Ausführungsform ist der Fasereinkopplung 170 im Stand der Technik in 5 gezeigt. Das Licht von dem Lichtleiter 186 aus 3 geht zur Faser 172 in 5. Die Fasereinkopplung 170 umfasst den Lichtleiter 172, einen Metallring 174 und eine Linse 176. Der Lichtleiter 172 ist an dem Metallring 174 befestigt, der stabil an einer Struktur innerhalb des Lasertrackers 10 befestigt ist. Falls dies gewünscht ist, kann das Ende des Lichtleiters in einem Winkel poliert sein, um Rückstrahlungen zu verringern. Das Licht 250 tritt aus dem Kern der Faser aus, die ein Einmoden-Lichtleiter mit einem Durchmesser zwischen 4 und 12 Mikrometern sein kann, je nach der Wellenlänge des verwendeten Lichts und der besonderen Art von Lichtleiter.
Das Licht 250 divergiert in einem Winkel und wird von der Linse 176 aufgefangen, die es kollimiert. Das Verfahren des Einkoppelns und Empfangens eines optischen Signals durch einen einzelnen Lichtleiter in einem ADM-System wurde in dem Patent '758 mit Bezug auf 3 beschrieben.
Bezugnehmend auf 3 kann der Strahlenteiler 155 ein dichroitischer Strahlenteiler sein, der andere Wellenlängen überträgt als er reflektiert. In einer Ausführungsform wird das Licht von dem ADM 160 von dem dichroitischen Strahlenteiler 155 reflektiert und mit dem Licht von dem sichtbaren Laser 110 kombiniert, das durch den dichroitischen Strahlenteiler 155 übertragen wird. Der zusammengesetzte Lichtstrahl 188 wandert als ein erster Strahl aus dem Lasertracker zu dem Retroreflektor 90, der einen Teil des Lichts als einen zweiten Strahl zurückwirft. Derjenige Teil des zweiten Strahls, der auf der ADM-Wellenlänge liegt, wird von dem dichroitischen Strahlenteiler 155 reflektiert und kehrt zu der zweiten Fasereinkopplung 170 zurück, die das Licht wieder in den Lichtleiter 186 einkoppelt.
In einer Ausführungsform entspricht der Lichtleiter 186 dem Lichtleiter 438 in 8A. Das zurückkehrende Licht wandert von dem Lichtleiter 438 durch den zweiten Faserkoppler 436 und teilt sich in zwei Wege auf. Ein erster Weg führt zu dem Lichtleiter 424, der in einer Ausführungsform dem Lichtleiter 169 entspricht, der zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 164 in 3 führt. Ein zweiter Weg führt zu dem Lichtleiter 433 und dann zu dem ersten Faserkoppler 430. Das aus dem ersten Faserkoppler 430 austretende Licht teilt sich in zwei Wege auf, wobei ein erster Weg zu dem Lichtleiter 432 und ein zweiter Weg zu dem schwach reflektierenden Anschluss 435 geht. In einer Ausführungsform entspricht der Lichtleiter 432 dem Lichtleiter 184, der zu der Lichtquelle 162 in 3 führt. In den meisten Fällen enthält die Lichtquelle 162 einen eingebauten Faraday-Isolator, der den Betrag an Licht minimiert, der von dem Lichtleiter 432 in die Lichtquelle eintritt. Überschüssiges Licht, das in den Laser in umgekehrter Richtung eingespeist wird, kann den Laser destabilisieren.
Das Licht von dem Fasernetz 166 tritt durch die Lichtleiter 168, 169 in die ADM-Elektronik 164 ein. Eine Ausführungsform einer ADM-Elektronik des Stands der Technik ist in 7 gezeigt. Der Lichtleiter 168 in 3 entspricht dem Lichtleiter 3232 in 7, und der Lichtleiter 169 in 3 entspricht dem Lichtleiter 3230 in 7. Nun mit Bezug auf 7 umfasst die ADM-Elektronik 3300 eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Bezugsdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Bezugsmischer 3312, eine Aufbereitungselektronik 3314, 3316, 3318, 3320, einen Divide-by-N-Vorteiler 3324 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 3322. Die Frequenzreferenz, die zum Beispiel ein beheizter Quarzoszillator (Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO) sein kann, sendet eine Referenzfrequenz f_REF, die zum Beispiel 10 MHz betragen kann, an den Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt, und zwar ein Signal bei einer Frequenz f_RF und zwei Signale bei einer Frequenz f_LO. Das Signal f_RF geht zur Lichtquelle 3102, die der Lichtquelle 162 in 3 entspricht. Die beiden Signale bei der Frequenz f_LO gehen zum Messmischer 3310 und zum Bezugsmischer 3312. Das Licht von den Lichtleitern 168, 169 in 3 erscheint an den Fasern 3232 bzw. 3230 in 7 und tritt jeweils in den Bezugs- und den Messkanal ein. Der Bezugsdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden von elektrischen Bauteilen 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zu den Mischern 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz f_IF gleich dem Absolutwert von f_LO – f_RF. Das Signal f_RF kann eine relativ hohe Frequenz sein, zum Beispiel 2 GHz, während das Signal f_IF eine relativ niedrige Frequenz haben kann, zum Beispiel 10 kHz.
Die Referenzfrequenz f_REF wird an den Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch einen ganzzahligen Wert teilt. Zum Beispiel kann eine Frequenz von 10 MHz durch 40 geteilt werden, um eine Ausgangsfrequenz von 250 kHz zu erhalten. In diesem Beispiel würden die 10 kHz-Signale, die in den ADC 3322 eintreten, bei einer Rate von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt würden. Die Signale von dem ADC 3322 werden an einen Datenprozessor 3400 gesendet, der zum Beispiel aus einer oder mehreren digitalen Signalprozessoreinheiten (DSP) bestehen kann, die sich in der ADM-Elektronik 164 von 3 befinden.
Das Verfahren zur Extraktion eines Abstands basiert auf der Berechnung der Phase der ADC-Signale für den Bezugs- und den Messkanal. Dieses Verfahren ist genau in dem US-Patent Nr. 7,701,559 ('559) von Bridges et al. beschrieben, dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist. Die Berechnung umfasst die Verwendung der Gleichungen (1)–(8) des Patents '559. Außerdem werden, wenn der ADM zunächst beginnt, einen Retroreflektor zu messen, die von dem Synthesizer erzeugten Frequenzen mehrmals (zum Beispiel drei Mal) geändert, und es werden jeweils die möglichen ADM-Abstände berechnet. Durch Vergleich der möglichen ADM-Abstände für jede der ausgewählten Frequenzen wird eine Uneindeutigkeit in der ADM-Messung herausgenommen. Die Gleichungen (1)–(8) des Patentes '559 in Kombination mit den in Bezug auf 5 des Patentes '559 beschriebenen Synchronisationsverfahren und den in dem Patent '559 beschriebenen Kalman-Filter-Verfahren ermöglichen es dem ADM, ein sich bewegendes Ziel zu messen. In anderen Ausführungsformen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen zum Beispiel unter Verwendung von gepulster Laufzeit an Stelle von Phasendifferenzen verwendet werden.
Der Teil des rückkehrenden Lichtstrahls 190, der durch den Strahlenteiler 155 geht, erreicht den Strahlenteiler 145, der einen Teil des Lichts zu dem Strahlaufweiter 140 und einen weiteren Teil des Lichts zu der Positionsdetektorbaugruppe 150 sendet. Das aus dem Lasertracker 10 oder dem EO-System 100 austretende Licht kann als ein erster Strahl angesehen werden, und der Abschnitt dieses Lichts, der von dem Retroreflektor 90 oder 26 reflektiert wird, als ein zweiter Strahl. Abschnitte des reflektierten Strahls werden zu verschiedenen Funktionselementen des EO-Systems 100 gesendet. Zum Beispiel kann ein erster Abschnitt an einen Distanzmesser, wie einen ADM 160 in 3 gesendet werden. Ein zweiter Abschnitt kann an eine Positionsdetektorbaugruppe 150 gesendet werden. In manchen Fällen kann ein dritter Abschnitt an andere Funktionseinheiten, wie ein optionales Interferometer 120, gesendet werden. Es ist wichtig zu verstehen, dass, obwohl in dem Beispiel aus 3 der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des zweiten Strahls an den Distanzmesser und den Positionsdetektor gesendet werden, nachdem sie an den Strahlenteilern 155 bzw. 145 reflektiert wurden, es möglich gewesen wäre, das Licht an einen Distanzmesser oder einen Positionsdetektor eher zu übertragen als zu reflektieren.
Vier Beispiele von Positionsdetektorbaugruppen 150A–150D des Stands der Technik sind in den 6A–D gezeigt. 6A zeigt die einfachste Implementierung, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionssensor 151 umfasst, der auf einer Leiterplatte 152 montiert ist, die Strom von dem Elektronikkasten 350 erhält und Signale an diesen zurücksendet, wobei der Elektronikkasten eine elektronische Verarbeitungskapazität an jeder Stelle innerhalb des Lasertrackers 10, der Hilfseinheit 50 oder des externen Computers 60 aufweisen kann. 6B umfasst ein optisches Filter 154, das unerwünschte optische Wellenlängen daran hindert, den Positionssensor 151 zu erreichen. Die unerwünschten optischen Wellenlängen können zum Beispiel auch durch Beschichten des Strahlenteilers 145 oder der Oberfläche des Positionssensors 151 mit einem geeigneten Film blockiert werden. 6C umfasst eine Linse 153, die die Größe des Lichtstrahls verkleinert. 6D umfasst sowohl ein optisches Filter 154 als auch eine Linse 153.
6E zeigt eine neuartige Positionsdetektorbaugruppe, die eine optische Aufbereitungsvorrichtung 149E umfasst. Die optische Aufbereitungsvorrichtung enthält eine Linse 153 und kann auch ein optionales Wellenlängenfilter 154 enthalten. Außerdem umfasst sie mindestens einen Diffusor 156 und ein Raumfilter 157. Wie hier vorstehend erklärt wurde, ist eine beliebte Art von Retroreflektor der würfeleckige Retroreflektor. Eine Art von würfeleckigem Retroreflektor besteht aus drei Spiegeln, wobei jeder in einem rechten Winkel an die zwei anderen Spiegel gefügt ist. Schnittlinien, an denen diese drei Spiegel zusammengefügt sind, können eine endliche Dicke aufweisen, bei der Licht nicht einwandfrei zu dem Tracker zurück reflektiert wird. Die Linien der endlichen Dicke werden bei ihrer Ausbreitung gebeugt, so dass sie bei Erreichen des Positionsdetektors vielleicht nicht genauso erscheinen wie am Positionsdetektor. Das gebeugte Lichtmuster weicht jedoch im Allgemeinen von einer perfekten Symmetrie ab. Daraus ergibt sich, dass das Licht, das auf den Positionsdetektor 151 fällt, zum Beispiel Dellen oder Anstiege in der optischen Wirkung (heiße Stellen) in der Nähe der gebeugten Linien haben kann. Da die Gleichmäßigkeit des Lichts von dem Retroreflektor von Retroreflektor zu Retroreflektor schwanken kann, und auch da die Lichtverteilung auf dem Positionsdetektor schwanken kann, wenn der Retroreflektor gedreht oder gekippt wird, kann es vorteilhaft sein, einen Diffusor 156 einzubringen, um die Glätte des Lichts zu verbessern, das auf den Positionsdetektor 151 fällt. Man könnte argumentieren, dass, da ein idealer Positionsdetektor auf einen Flächenschwerpunkt ansprechen und ein idealer Diffusor einen Punkt symmetrisch ausbreiten sollte, sich keine Wirkung auf die durch den Positionsdetektor gegebene resultierende Position ergeben sollte. In der Praxis beobachtet man jedoch, dass der Diffusor die Leistung der Positionsdetektorbaugruppe verbessert, wahrscheinlich wegen der Wirkungen der Nichtlinearitäten (Unregelmäßigkeiten) in dem Positionsdetektor 151 und der Linse 153. Würfeleckige Retroreflektoren aus Glas können auch ungleichmäßige Lichtpunkte an dem Positionsdetektor 151 erzeugen. Schwankungen in einem Lichtpunkt an einem Positionsdetektor können durch Licht, das von Würfelecken in sechs-DOF-Zielen reflektiert wird, besonders markant sein, wie es aus den US-Patentanmeldungen Nr. 13/370,339, eingereicht am 10. Februar 2012, und Nr. 13/407,983, eingereicht am 29. Februar 2012 des gleichen Inhabers, deren Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist, besser verständlich wird. In einer Ausführungsform ist der Diffusor 156 ein holographischer Diffusor. Ein holographischer Diffusor bietet gesteuertes homogenes Licht über einen spezifizierten Streuwinkel. In anderen Ausführungsformen werden andere Arten von Diffusor verwendet, wie ein Diffusor mit Mattglas oder ein ”Opaldiffusor”.
Der Zweck des Raumfilters 157 der Positionsdetektorbaugruppe 150E besteht darin zu verhindern, dass Phantomstrahlen, die sich zum Beispiel aus ungewünschten Reflexionen an optischen Oberflächen ergeben können, auf den Positionsdetektor 151 fallen. Ein Raumfilter umfasst eine Platte 157, die eine Blende aufweist. Durch Anordnen des Raumfilters 157 in einem Abstand zu der Linse, der in etwa der Brennweite der Linse entspricht, geht das zurückgeworfene Licht 243E durch das Raumfilter, wenn es fast am engsten ist, nämlich an der Einschnürung des Strahls. Strahlen, die in einem anderen Winkel wandern, zum Beispiel durch eine Reflexion eines optischen Elements, treffen abseits der Blende auf das Raumfilter und werden nicht zum Positionsdetektor 151 durchgelassen. Ein Beispiel ist in 6E gezeigt, in dem ein ungewünschter Phantomstrahl 244E an einer Oberfläche des Strahlenteilers 145 reflektiert wird und zu dem Raumfilter 157 wandert, wo er blockiert wird. Ohne das Raumfilter wäre der Phantomstrahl 244E von dem Positionsdetektor 151 abgefangen worden und hätte dadurch bewirkt, dass die Position des Strahls 243E auf dem Positionsdetektor 151 nicht richtig bestimmt wird. Selbst ein schwacher Phantomstrahl kann die Position des Flächenschwerpunktes auf dem Positionsdetektor 151 erheblich ändern, wenn sich der Phantomstrahl in relativ großem Abstand zu dem Hauptlichtpunkt befindet.
Ein Retroreflektor der hier besprochenen Art, zum Beispiel ein würfeleckiger oder ein Katzenaugen-Retroreflektor, hat die Eigenschaft, dass er einen Lichtstrahl, der in den Retroreflektor eintritt, in eine Richtung parallel zu dem einfallenden Strahl reflektiert. Außerdem werden die einfallenden und reflektierten Strahlen symmetrisch um den Symmetriepunkt des Retroreflektors angeordnet. Zum Beispiel ist bei einem offenen würfeleckigen Retroreflektor der Symmetriepunkt des Retroreflektors der Scheitel des Würfelecks. Bei einem würfeleckigen Glasretroreflektor ist der Symmetriepunkt ebenfalls der Scheitel, aber man muss in diesem Fall die Beugung des Lichts an der Glas-Luft-Schnittstelle berücksichtigen. Bei einem Katzenauge-Retroreflektor mit einem Brechungsindex von 2,0 ist der Symmetriepunkt das Zentrum der Kugel. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor, der aus zwei Glashalbkugeln gefertigt ist, die symmetrisch auf einer gemeinsamen Ebene sitzen, ist der Symmetriepunkt ein Punkt, der auf der Ebene und an dem Kugelzentrum jeder Halbkugel liegt. Entscheidend ist, dass für die Art von Retroreflektoren, die normalerweise bei Lasertrackern verwendet werden, das von einem Retroreflektor zu dem Tracker zurückgeworfene Licht relativ zu dem einfallenden Laserstrahl auf die andere Seite des Scheitels verschoben wird.
Dieses Verhalten eines Retroreflektors 90 in 3 ist die Grundlage für das Verfolgen des Retroreflektors durch den Lasertracker. Der Positionssensor weist auf seiner Oberfläche einen idealen Nachführpunkt auf. Der ideale Nachführpunkt ist der Punkt, an dem ein zu dem Symmetriepunkt eines Retroreflektors gesendeter Laserstrahl (z. B. der Scheitel des würfeleckigen Retroreflektors bei einem SMR) zurückkehrt. Normalerweise liegt der Nachführpunkt nahe dem Zentrum des Positionssensors. Wenn der Laserstrahl zu einer Seite des Retroreflektors gesendet wird, wird er auf der anderen Seite reflektiert und erscheint abseits des Nachführpunktes auf dem Positionssensor. Durch Vermerken der Position des zurückkehrenden Lichtstrahls auf dem Positionssensor kann das Steuerungssystem des Lasertrackers 10 veranlassen, dass die Motoren den Lichtstrahl zu dem Symmetriepunkt des Retroreflektors bewegen.
Wenn der Retroreflektor mit konstanter Geschwindigkeit quer zu dem Tracker bewegt wird, trifft der Lichtstrahl in einem festen versetzten Abstand von dem Symmetriepunkt des Retroreflektors an dem Retroreflektor auf den Retroreflektor (nachdem sich der Übergangszustand eingependelt hat). Der Lasertracker nimmt eine Korrektur vor, um diesen versetzten Abstand an dem Retroreflektor zu berücksichtigen, und zwar basierend auf einem aus gesteuerten Messungen erhaltenen Maßstabsfaktor und basierend auf dem Abstand von dem Lichtstrahl auf dem Positionssensor zu dem idealen Nachführpunkt.
Wie hier vorstehend erklärt wurde, übt der Positionsdetektor zwei wichtige Funktionen aus, nämlich das Ermöglichen des Nachführens und das Korrigieren von Messungen, um die Bewegung des Retroreflektors zu berücksichtigen. Der Positionssensor innerhalb des Positionsdetektors kann jede Art von Vorrichtung sein, die in der Lage ist, eine Position zu messen. Zum Beispiel kann der Positionssensor ein lageabhängiger Detektor oder eine lichtempfindliche Matrix sein. Der lageabhängige Detektor kann zum Beispiel ein Seiteneffekt-Detektor oder ein Quadrantendetektor sein. Die lichtempfindliche Matrix kann zum Beispiel eine CMOS- oder CCD-Matrix sein.
In einer Ausführungsform geht das Rücklicht, das nicht am Strahlenteiler 145 reflektiert wird, durch den Strahlaufweiter 140 hindurch und wird dadurch kleiner. In einer anderen Ausführungsform werden die Positionen des Positionsdetektors und des Distanzmessers umgekehrt, so dass das von dem Strahlenteiler 145 reflektierte Licht zum Distanzmesser wandert und das von dem Strahlenteiler übertragene Licht zum Positionsdetektor wandert.
Das Licht geht weiter durch das optionale IFM, durch den Isolator und in die sichtbare Lichtquelle 110. Zu diesem Zeitpunkt sollte die optische Wirkung klein genug sein, so dass sie die sichtbare Lichtquelle 110 nicht destabilisiert.
In einer Ausführungsform wird das Licht von der sichtbaren Lichtquelle 110 durch einen Strahleneinkoppler 170 in 5 eingekoppelt. Die Fasereinkopplung kann an den Ausgang der Lichtquelle 110 oder einem faseroptischen Ausgang des Isolators 115 angebracht sein.
In einer Ausführungsform ist das Fasernetz 166 aus 3 das Fasernetz 420B des Stands der Technik aus 8B. Hier entsprechen die Lichtleiter 184, 186, 168, 169 aus 3 den Lichtleitern 443, 444, 424, 422 aus 8B. Das Fasernetz aus 8B ist wie das Fasernetz aus 8A, außer dass das Fasernetz aus 8B einen einzelnen Faserkoppler an Stelle von zwei Faserkopplern aufweist. Der Vorteil von 8B gegenüber 8A ist die Einfachheit; bei 8B ist es jedoch wahrscheinlicher, dass unerwünschte optische Rückstrahlungen in die Lichtleiter 422 und 424 eintreten.
In einer Ausführungsform ist das Fasernetz 166 aus 3 das Fasernetz 420C aus 8C. Hier entsprechen die Lichtleiter 184, 186, 168, 169 aus 3 den Lichtleitern 447, 455, 423, 424 aus 8C. Das Fasernetz 420C umfasst einen ersten Faserkoppler 445 und einen zweiten Faserkoppler 451. Der erste Faserkoppler 445 ist ein 2 × 2 Koppler mit zwei Eingangsöffnungen und zwei Ausgangsöffnungen. Koppler dieser Art werden normalerweise hergestellt, indem zwei Faserkerne nahe beieinander angeordnet und die Fasern dann unter Erwärmen gezogen werden. Auf diese Weise kann eine abklingende Kopplung zwischen den Fasern eine gewünschte Fraktion des Lichts zur angrenzenden Faser abspalten. Der zweite Faserkoppler 451 ist von der als Zirkulator bezeichneten Art. Er hat drei Öffnungen, von denen jede die Fähigkeit besitzt, Licht zu übertragen oder zu empfangen, jedoch nur in der bezeichneten Richtung. Zum Beispiel tritt das Licht an dem Lichtleiter 448 in die Öffnung 453 ein und wird zur Öffnung 454 weitergeleitet, wie durch den Pfeil angezeigt. An der Öffnung 454 kann Licht zum Lichtleiter 455 übertragen werden. Auf ähnliche Weise kann das auf der Öffnung 455 wandernde Licht in die Öffnung 454 eintreten und in Pfeilrichtung zu der Öffnung 456 wandern, wo etwas Licht zum Lichtleiter 426 übertragen werden kann. Wenn nur drei Öffnungen notwendig sind, kann der Zirkulator 451 weniger Verluste an optischer Wirkung erfahren als der 2 × 2-Koppler. Andererseits kann ein Zirkulator 451 teurer sein als ein 2 × 2-Koppler, und er kann eine Dispersion im Polarisationsmodus erfahren, was in manchen Situationen problematisch sein kann.
Die 9 und 10 zeigen eine Explosionsansicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Lasertrackers 2100 des Stands der Technik, der in den 2 und 3 der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2010/0128259 von Bridges et al. gezeigt ist, die hier bezugnehmend aufgenommen ist. Eine Azimutbaugruppe 2110 umfasst ein Ständergehäuse 2112, eine Azimutkodiererbaugruppe 2120, ein unteres und ein oberes Azimutlager 2114A, 2114B, eine Azimutmotorbaugruppe 2125, eine Azimutschleifringbaugruppe 2130 und Azimutleiterplatten 2135.
Der Zweck der Azimutkodiererbaugruppe 2120 besteht darin, den Drehwinkel des Jochs 2142 in Bezug auf das Ständergehäuse 2112 genau zu messen. Die Azimutkodiererbaugruppoe 2120 umfasst eine Kodierscheibe 2121 und eine Lesekopfbaugruppe 2122. Die Kodierscheibe 2121 ist an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 angebracht und die Lesekopfbaugruppe 2122 ist an der Ständerbaugruppe 2110 angebracht. Die Lesekopfbaugruppe 2122 weist eine Leiterplatte auf, auf der ein oder mehrere Leseköpfe befestigt sind. Von den Leseköpfen ausgesendetes Laserlicht reflektiert an feinen Gitterlinien auf der Kodierscheibe 2121. Das reflektierte Licht, das von Detektoren auf dem Kodierer-Lesekopf (den Kodierer-Leseköpfen) aufgenommen wird, wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodierscheibe relativ zu den festen Leseköpfen zu ermitteln.
Die Azimutmotorbaugruppe 2125 umfasst einen Azimutmotorrotor 2126 und einen Azimutmotorstator 2127. Der Azimutmotorrotor weist Dauermagneten auf, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 angebracht sind. Der Azimutmotorstator 2127 weist Feldwicklungen auf, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld interagiert mit den Magneten des Azimutmotorrotors 2126, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotorstator 2127 ist an dem Ständerrahmen 2112 angebracht.
Azimutleiterplatten 2135 stellen eine oder mehrere Leiterplatten dar, die elektrische Funktionen bieten, die Azimutbauteile, wie der Kodierer und der Motor, benötigen. Die Azimutschleifringbaugruppe 2130 umfasst ein Außenteil 2131 und ein Innenteil 2132. In einer Ausführungsform tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Hilfseinheitsprozessor 50 aus. Das Drahtbündel 2138 kann dem Tracker Strom zuführen oder Signale zu und von dem Tracker leiten. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Anschlussstücken auf Leiterplatten geleitet werden. In dem in 10 gezeigten Beispiel sind Drähte zu der Azimutleiterplatte 2135, der Kodierer-Lesekopfbaugruppe 2122 und der Azimutmotorbaugruppe 2125 geführt. Andere Drähte sind zu dem Innenteil 2132 der Schleifringbaugruppe 2130 geführt. Das Innenteil 2132 ist an der Ständerbaugruppe 2110 angebracht und bleibt folglich ortsfest. Das Außenteil 2131 ist an der Jochbaugruppe 2140 angebracht und dreht sich folglich in Bezug auf das Innenteil 2132. Die Schleifringbaugruppe 2130 ist dafür ausgelegt, einen elektrischen Kontakt mit geringer Impedanz zuzulassen, wenn sich das Außenteil 2131 in Bezug auf das Innenteil 2132 dreht.
Die Zenitbaugruppe 2140 weist ein Jochgehäuse 2142, eine Zenitkodiererbaugruppe 2150, ein linkes und ein rechtes Zenitlager 2144A, 2144B, eine Zenitmotorbaugruppe 2155, eine Zenitschleifringbaugruppe 2160 und eine Zenitleiterplatte 2165 auf.
Der Zweck der Zenitkodiererbaugruppe 2150 besteht darin, den Drehwinkel des Nutzmasserahmens 2172 in Bezug auf das Jochgehäuse 2142 genau zu messen. Die Zenitkodiererbaugruppe 2150 weist eine Zenitkodierscheibe 2151 und eine Zenitlesekopfbaugruppe 2152 auf. Die Kodierscheibe 2151 ist an dem Nutzmassegehäuse 2142 angebracht und die Lesekopfbaugruppe 2152 ist an dem Jochgehäuse 2142 angebracht. Die Zenitlesekopfbaugruppe 2152 weist eine Leiterplatte auf, auf der ein oder mehrere Leseköpfe befestigt sind. Von den Leseköpfen ausgesendetes Laserlicht reflektiert an feinen Gitterlinien auf der Kodierscheibe 2151. Das reflektierte Licht, das von Detektoren auf dem Kodierer-Lesekopf (den Kodierer-Leseköpfen) aufgenommen wird, wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodierscheibe relativ zu den festen Leseköpfen zu ermitteln.
Die Zenitmotorbaugruppe 2155 umfasst einen Azimutmotorrotor 2156 und einen Azimutmotorstator 2157. Der Zenitmotorrotor 2156 weist Dauermagneten auf, die direkt an dem Schaft des Nutzmasserahmens 2172 angebracht sind. Der Zenitmotorstator 2157 weist Feldwicklungen auf, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld interagiert mit den Rotormagneten, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Zenitmotorstator 2157 ist an dem Jochrahmen 2142 angebracht.
Die Zenitleiterplatte 2165 stellt eine oder mehrere Leiterplatten dar, die elektrische Funktionen bieten, die Zenitbauteile, wie der Kodierer und der Motor, benötigen. Die Zenitschleifringbaugruppe 2160 umfasst ein Außenteil 2161 und ein Innenteil 2162. Ein Drahtbündel 2168 tritt aus dem äußeren Azimutschleifring 2131 aus und kann Strom oder Signale führen. Einige der Drähte des Drahtbündels 2168 können zu Anschlussstücken auf der Leiterplatte geführt werden. In dem in 10 gezeigten Beispiel werden Drähte zu der Zenitleiterplatte 2165, der Zenitmotorbaugruppe 2150 und der Kodierer-Lesekopfbaugruppe 2152 geführt. Andere Drähte sind zu dem Innenteil 2162 der Schleifringbaugruppe 2160 geführt. Das Innenteil 2162 ist an dem Jochrahmen 2142 angebracht und dreht sich folglich nur in dem Azimutwinkel, jedoch nicht im Zenitwinkel. Das Außenteil 2161 ist an dem Nutzmasserahmen 2172 angebracht und dreht sich folglich im Zenit- und im Azimutwinkel. Die Schleifringbaugruppe 2160 ist dafür ausgelegt, einen elektrischen Kontakt mit geringer Impedanz zuzulassen, wenn sich das Außenteil 2161 in Bezug auf das Innenteil 2162 dreht. Die Nutzmassebaugruppe 2170 umfasst eine Hauptoptikbaugruppe 2180 und eine sekundäre Optikbaugruppe 2190.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein Verarbeitungssystem für die Größenmesselektronik 1500 zeigt, das ein Verarbeitungssystem für die Lasertrackerelektronik 1510, Verarbeitungssysteme von Peripherie-Elementen 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere Netzbauteile 1600 umfasst, die hier als Cloud dargestellt sind. Das beispielhafte Verarbeitungssystem für die Lasertrackerelektronik 1510 umfasst einen Hauptprozessor 1520, eine Nutzmassefunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzeroberflächen-(UI)-Elektronik 1560, eine abnehmbare Speicherhardware 1565, eine Radiofrequenz-Kennungs(RFID)-Elektronik sowie eine Antenne 1572. Die Nutzmassefunktionselektronik 1530 umfasst eine Reihe von Unterfunktionen, einschließlich der sechs-DOF-Elektronik 1531, der Kameraelektronik 1532, der ADM-Elektronik 1533, der Positionsdetektor(PSD)-Elektronik 1534 und der Nivellierungselektronik 1535. Die meisten der Unterfunktionen besitzen mindestens eine Prozessoreinheit, die zum Beispiel ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA) sein kann. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wie gezeigt wegen ihrer Position innerhalb des Lasertrackers getrennt. In einer Ausführungsform befinden sich die Nutzmassefunktionen 1530 in der Nutzmasse 2170 der 9, 10, während sich die Azimutkodiererelektronik 1540 in der Azimutbaugruppe 2110 und die Zenitkodiererelektronik 1550 in der Zenitbaugruppe 2140 befinden.
Es sind viele Arten von Peripherie-Vorrichtungen möglich; hier sind jedoch drei derartige Vorrichtungen gezeigt: ein Temperatursensor 1582, eine sechs-DOF-Sonde 1584 und ein Personal Digital Assistant 1586, der zum Beispiel ein Smartphone sein könnte. Der Lasertracker kann auf vielfältige Weise mit Peripherie-Vorrichtungen kommunizieren, einschließlich durch drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572, durch ein Bildsystem, wie eine Kamera, und durch Distanz- und Winkelablesungen des Lasertrackers in Bezug auf ein kooperatives Ziel, wie die sechs-DOF-Sonde 1584. Peripherie-Vorrichtungen können Prozessoren enthalten. Das sechs-DOF-Zubehör kann sechs-DOF-Sondierungssysteme, sechs-DOF-Scanner, sechs-DOF-Projektoren, sechs-DOF-Sensoren und sechs-DOF-Anzeigevorrichtungen umfassen. Die Prozessoren in diesen sechs-DOF-Vorrichtungen können zusammen mit Verarbeitungsvorrichtungen in dem Lasertracker sowie einem externen Computer und Cloud-Verarbeitungsressourcen verwendet werden. Im Allgemeinen soll, wenn der Begriff Lasertrackerprozessor oder Messvorrichtungsprozessor verwendet wird, dieser einen möglichen externen Computer und einen Cloud Support einbeziehen.
In einer Ausführungsform führt ein separater Kommunikationsbus von dem Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann zum Beispiel drei serielle Leitungen aufweisen, die die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung zeigt an, ob die Elektronikeinheit die Taktleitung beachten soll oder nicht. Wenn sie anzeigt, dass diese beachtet werden soll, liest die Elektronikeinheit bei jedem Taktsignal den aktuellen Wert der Datenleitung ab. Das Taktsignal kann zum Beispiel einer Anstiegsflanke eines Taktimpulses entsprechen. In einer Ausführungsform werden Informationen in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. In einer Ausführungsform umfasst jedes Paket eine Adresse, einen numerischen Wert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse zeigt an, an welche Stelle in der Elektronikeinheit die Datennachricht zu richten ist. Die Stelle kann zum Beispiel einer Prozessor-Subroutine innerhalb der Elektronikeinheit entsprechen. Der numerische Wert zeigt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten oder Anweisungen, die die Elektronikeinheit ausführen soll. Die Prüfsumme ist ein numerischer Wert, der verwendet wird, um die Möglichkeit zu minimieren, dass Fehler über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
In einer Ausführungsform sendet der Hauptprozessor 1520 Informationspakete über den Bus 1610 zur Nutzmassefunktionselektronik 1530, über den Bus 1611 zur Azimutkodiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zur Zenitkodiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zur Anzeigen- und UI-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zur abnehmbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zur RFID- und drahtlosen Elektronik 1570.
In einer Ausführungsform sendet der Hauptprozessor 1520 auch gleichzeitig einen Sync(Synchronisations)-Impuls über den Sync-Bus 1630 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Sync-Impuls bietet eine Möglichkeit, Werte zu synchronisieren, die durch die Messfunktionen des Lasertrackers erfasst wurden. Zum Beispiel verklinken die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Kodiererwerte, sobald der Sync-Impuls empfangen wird. Auf ähnliche Weise verklinkt die Nutzmassefunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzmasse enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Der sechs-DOF, ADM und der Positionsdetektor verklinken jeweils die Daten, wenn der Sync-Impuls gegeben wird. In den meisten Fällen erfassen die Kamera und ein Inklinometer Daten mit einer langsameren Rate als die Sync-Impulsrate, aber sie können Daten in Vielfachen des Sync-Impuls-Zeitraums verklinken.
Die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitkodiererelektronik 1550 sind durch die in den 9 und 10 gezeigten Schleifringe 2130, 2160 voneinander und von der Nutzmasseelektronik 1530 getrennt. Deshalb sind die Busleitungen 1610, 1611 und 1612 in 11 als separate Buslinien gezeigt.
Das Verarbeitungssystem für die Lasertrackerlektronik 1510 kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren, oder es kann Berechnungs-, Anzeige- und UI-Funktionen innerhalb des Lasertrackers zur Verfügung stellen. Der Lasertracker kommuniziert mit dem Computer 1590 über eine Kommunikationsverbindung 1606, die zum Beispiel eine Ethernetleitung oder eine drahtlose Verbindung sein kann. Der Lasertracker kann auch mit anderen Elementen 1600 kommunizieren, die durch die Cloud dargestellt sind, und zwar über die Kommunikationsverbindung 1602, die ein oder mehrere elektrische Kabel, wie Ethernetkabel, und ein oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen kann. Ein Beispiel für ein Element 1600 ist ein weiteres dreidimensionales Prüfinstrument – zum Beispiel ein Gelenkarm-KMG, das von dem Lasertracker verstellt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Elementen 1600 kann verdrahtet (z. B. Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem entfernten Computer 1590 sitzt, kann eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Cloud 1600 dargestellt ist, und zwar über eine Ethernet- oder eine drahtlose Leitung, die wiederum über eine Ethernet- oder eine drahtlose Leitung mit dem Hauptprozessor 1520 verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
Lasertracker verwenden heutzutage eine sichtbare Wellenlänge (normalerweise rot) und eine Infrarot-Wellenlänge für den ADM. Die rote Wellenlänge kann durch einen frequenzstabilisierten Helium-Neon(HeNe)-Laser bereit gestellt werden, der zur Verwendung in einem Interferometer und auch zur Verwendung zur Bereitstellung eines roten Zeigerstrahls geeignet ist. Alternativ kann die rote Wellenlänge von einem Diodenlaser bereit gestellt werden, der nur als ein Zeigerstrahl dient. Nachteile der Verwendung von zwei Lichtquellen sind der zusätzliche Raum und die zusätzlichen Kosten, die für die zusätzlichen Lichtquellen, Strahlenteiler, Isolatoren und andere Bauteile erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil der Verwendung von zwei Lichtquellen besteht darin, dass es schwierig ist, die beiden Lichtstrahlen über den gesamten Weg, den die Strahlen zurücklegen, einwandfrei auszurichten. Dies kann zu einer Vielfalt von Problemen führen, einschließlich der Unmöglichkeit, gleichzeitig eine gute Leistung aus verschiedenen Untersystemen zu erhalten, die mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Ein System, das eine einzelne Lichtquelle verwendet und dadurch diese Nachteile behebt, ist in dem optoelektronischen System 500 aus 12A gezeigt.
12A umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, ein Fasernetz 420, eine ADM-Elektronik 530, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlenteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann zum Beispiel ein roter oder ein grüner Diodenlaser oder ein Oberflächenemitter (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) sein. Der Isolator kann ein Faraday-Isolator, ein Abschwächer oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, den Lichtbetrag, der zurück in die Lichtquelle gespeist wird, ausreichend zu verringern. Das Licht von dem Isolator 115 wandert in das Fasernetz 420, welches in einer Ausführungsform das Fasernetz 420A von 8A ist.
12B zeigt eine Ausführungsform eines optoelektronischen Systems 400, bei dem eine einzelne Wellenlänge von Licht verwendet wird, bei dem jedoch eine Modulation durch eine elektrooptische Modulation des Lichts anstatt durch eine direkte Modulation einer Lichtquelle erreicht wird. Das optoelektronische System 400 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, einen elektrooptischen Modulator 410, eine ADM-Elektronik 475, ein Fasernetz 420, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlenteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann zum Beispiel eine rote oder eine grüne Laserdiode sein. Laserlicht wird durch einen Isolator 115 gesendet, das zum Beispiel ein Faraday-Isolator oder ein Abschwächer sein kann. Der Isolator 115 kann an seinen Eingangs- und Ausgangsöffnungen fasergekoppelt sein. Der Isolator 115 sendet das Licht an den elektrooptischen Modulator 410, der das Licht auf eine ausgewählte Frequenz moduliert, die bis zu 10 GHz oder mehr betragen kann, wenn dies gewünscht ist. Ein elektrisches Signal 476 aus der ADM-Elektronik 475 betreibt die Modulation in dem elektrooptischen Modulator 410. Das modulierte Licht von dem elektrooptischen Modulator 410 wandert zu dem Fasernetz 420, welches das hier oben besprochene Fasernetz 420A, 420B, 420C oder 420D sein kann. Ein Teil des Lichts wandert über den Lichtleiter 422 zum Bezugskanal der ADM-Elektronik 475. Ein weiterer Teil des Lichts wandert aus dem Tracker, wird an dem Retroreflektor 90 reflektiert, kehrt zum Tracker zurück und gelangt zum Strahlenteiler 145. Ein kleiner Betrag des Lichts wird an dem Strahlenteiler reflektiert und wandert zu dem Positionsdetektor 150, der hier vorstehend anhand der 6A–F besprochen wurde. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlenteiler 145 hindurch in die Fasereinkopplung 170, durch das Fasernetz 420 in den Lichtleiter 424 und in den Messkanal der ADM-Elektronik 475. Im Allgemeinen kann das System 500 aus 12A kostengünstiger hergestellt werden als das System 400 aus 12B; der elektrooptische Modulator 410 könnte jedoch eine höhere Modulationsfrequenz erreichen, was in manchen Situationen von Vorteil sein kann.
13 zeigt eine Ausführungsform eines Positionsgeber-Kamerasystems 950 und eines optoelektronischen Systems 900, bei dem eine Orientierungskamera 910 mit der optoelektronischen Funktionalität eines 3D-Lasertrackers kombiniert wird, um sechs Freiheitsgrade zu messen. Das optoelektronische System 900 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 905, einen Isolator 910, einen optionalen elektrooptischen Modulator 410, eine ADM-Elektronik 715, ein Fasernetz 420, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlenteiler 145, einen Positionsdetektor 150, einen Strahlenteiler 922 und eine Orientierungskamera 910. Das Licht aus der sichtbaren Lichtquelle wird in den Lichtleiter 980 emittiert und wandert durch den Isolator 910, dessen Lichtleiter an die Eingangs- und Ausgangsöffnungen gekoppelt sein können. Das Licht kann durch den elektrooptischen Modulator 410 wandern und durch ein elektrisches Signal 716 von der ADM-Elektronik 715 moduliert werden. In einer anderen Ausführungsform kann die ADM-Elektronik 715 ein elektrisches Signal über das Kabel 717 senden, um die sichtbare Lichtquelle 905 zu modulieren. Ein Teil des Lichts, das in das Fasernetz eintritt, wandert durch den Faserlängenausgleicher 423 und den Lichtleiter 422, um in den Bezugskanal der ADM-Elektronik 715 zu gelangen. Ein elektrisches Signal 469 kann gegebenenfalls an das Fasernetz 420 angelegt werden, um ein Schaltsignal an einen faseroptischen Schalter innerhalb des Fasernetzs 420 anzulegen. Ein Teil des Lichts wandert von dem Fasernetz zur Fasereinkopplung 170, die das Licht über den Lichtleiter als Lichtstrahl 982 in den freien Raum sendet. Ein kleiner Betrag des Lichts wird an dem Strahlenteiler 145 reflektiert und geht verloren. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlenteiler 145, durch den Strahlenteiler 922 hindurch und wandert aus dem Tracker hinaus zu der sechs-Freiheitsgrade-(DOF)-Vorrichtung 4000. Die sechs-DOF-Vorrichtung 4000 kann eine Sonde, ein Scanner, ein Projektor, ein Sensor oder eine andere Vorrichtung sein.
Auf dem Rückweg tritt das Licht von der sechs-DOF-Vorrichtung 4000 in das optoelektronische System 900 ein und gelangt zu dem Strahlenteiler 922. Ein Teil des Lichts wird an dem Strahlenteiler 922 reflektiert und tritt in die Orientierungskamera 910 ein. Die Orientierungskamera 910 zeichnet die Positionen einiger auf dem Retroreflektorziel angeordneter Markierungen auf. Aus diesen Markierungen wird der Orientierungswinkel (d. h. drei Freiheitsgrade) der sechs-DOF-Sonde ermittelt. Die Prinzipien der Orientierungskamera werden nachstehend in der vorliegenden Anmeldung und auch in dem Patent '758 beschrieben. Ein Teil des Lichts an dem Strahlenteiler 145 wandert durch den Strahlenteiler und wird von der Fasereinkopplung 170 auf einen Lichtleiter gegeben. Das Licht wandert zu dem Fasernetz 420. Ein Teil dieses Lichts wandert zu dem Lichtleiter 424, von wo aus es in den Messkanal der ADM-Elektronik 715 eintritt.
Das Positionsgeber-Kamerasystem 950 umfasst eine Kamera 960 und eine oder mehrere Lichtquellen 970. Das Positionsgeber-Kamerasystem ist auch in 1 gezeigt, wo die Kameras die Elemente 52 und die Lichtquellen die Elemente 54 sind. Die Kamera umfasst ein Linsensystem 962, eine lichtempfindliche Matrix 964 und einen Körper 966. Eine Verwendung des Positionsgeber-Kamerasystems 950 besteht darin, Retroreflektorziele in dem Arbeitsvolumen zu orten. Dies erfolgt durch Aufblinken der Lichtquelle 970, was die Kamera als einen hellen Punkt auf der lichtempfindlichen Matrix 964 aufnimmt. Eine zweite Verwendung des Positionsgeber-Kamerasystems 950 besteht darin, basierend auf der beobachteten Position eines Reflektorpunktes oder einer LED an der sechs-DOF-Vorrichtung 4000, eine grobe Orientierung der sechs-DOF-Vorrichtung 4000 zu erstellen. Wenn zwei oder mehr Positionsgeber-Kamerasysteme an dem Lasertracker verfügbar sind, kann die Richtung zu jedem Retroreflektorziel in dem Arbeitsvolumen unter Anwendung der Prinzipien der Dreiecksvermessung berechnet werden. Wenn eine einzelne Positionsgeberkamera so angeordnet ist, dass sie Licht aufnimmt, das entlang der optischen Achse des Lasertrackers reflektiert wird, kann die Richtung zu jedem Retroreflektorziel ermittelt werden. Wenn eine einzelne Kamera abseits der optischen Achse des Lasertrackers angeordnet ist, können ungefähre Richtungen zu den Retroreflektorzielen sofort von dem Bild auf der lichtempfindlichen Matrix erhalten werden. In diesem Fall kann eine genauere Richtung zu einem Ziel durch Drehen der mechanischen Achsen des Lasers in mehr als eine Richtung und Beobachten der Änderung der Position des Punktes auf der lichtempfindlichen Matrix ermittelt werden.
Die 14A, 14B zeigen eine Vorder- und eine Perspektivansicht eines beispielhaften Lasertrackers mit verbesserten Ausführungsmerkmalen, einschließlich Anzeigelichtern mit engem Sichtfeld 4116, einer beleuchteten Seitenplatte mit weitem Sichtfeld 4140, asymmetrischen Merkmalen 4112, 4114, berührungsempfindlichen Knöpfen 4130 und einem einziehbaren Halter 4150. 14C zeigt eine Perspektivansicht eines beispielhaften Lasertrackers, wobei sich der einziehbare Halter 4150 in seiner ausgefahrenen Position befindet. Ebenfalls in den 14A–14C gezeigt sind Fingerschlitze 4168, Stützen 4152, Seitengriffe 4164A, 4164B, wobei die Seitengriffe Seitengriffvertiefungen 4166 aufweisen, und ein ausgesparter Griff 4160. Ein Vorteil des in den 14A–14C gezeigten einziehbaren Halters besteht darin, dass der Tracker 4100, 4190 mit einem sehr steifen (dicken) Zenitwagen 14 ausgeführt werden kann, wobei er immer noch die Verwendung eines Halters ermöglicht und die Größe des Trackers zum Versand in einem Frachtbehälter minimiert werden kann. In einer Ausführungsform bieten die Stützen 4152 eine Reibhemmung, die bewirkt, dass der einziehbare Halter 4150 in seiner aktuellen Position verbleibt, welche entweder eine geöffnete Position oder eine eingezogene Position ist. Die Fingerschlitze 4168 sind dafür konfiguriert, es einem Benutzer zu ermöglichen, auf einer Seite des einziehbaren Halters seine Finger einzuführen, wodurch es leichter wird, Kraft auszuüben, um den einziehbaren Halter nach oben oder nach unten zu bewegen. Der einziehbare Halter kann zweckmäßig in Kombination mit dem ausgesparten Griff 4160 verwendet werden, um es dem Benutzer zu ermöglichen, beide Hände zu nutzen, um den Tracker zu bewegen oder zu positionieren. In einer Ausführungsform ist der einziehbare Halter ausreichend steif, damit der Tracker auf die Seite gedreht werden kann, zum Beispiel zur Lagerung in oder Entnahme aus einem Instrumentengehäuse. Die Seitengriffe erlauben es einem Benutzer, seine Hände an entgegengesetzten Seiten des Trackers zu positionieren. Die Seitengriffe sind besonders zweckmäßig beim Übertragen der Position des Trackers von einem Benutzer zu einem anderen Benutzer. Die Seitengriffe können aus einem elastomeren Material gefertigt sein, um ein verbessertes Greifen zu bieten. Die Seitengriffe können Seitengriffvertiefungen enthalten, um das Greifen noch weiter zu verbessern. Zum Beispiel kann ein erster Benutzer den Tracker mit dem einziehbaren Halter halten, während ein zweiter Benutzer den Tracker an den Seitengriffen ergreift. Zum Zweck der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Begriff ”oben” auf die Seite des Trackers mit dem einziehbaren Halter 4150, und der Begriff ”unten” bezieht sich auf die Seite des Trackers mit dem ausgesparten Griff 4160. Diese Begriffe oben und unten beziehen sich auf die am häufigsten genutzten Ausrichtungen für den Lasertracker, wobei der Tracker aber auch auf seiner Seite oder sogar kopfüber verwendet werden kann.
Die Anzeigelichter mit engem Sichtfeld 4116 sind, wie in der Vorderansicht zu sehen, von links nach rechts als Lichter eins bis sechs zu erkennen. In einer Ausführungsform sind die beiden innersten Lichter – Nummer drei und vier – rot und grün. Das rote Licht wird beleuchtet, wenn eine Messung läuft. Das grüne Licht wird mit einem stetigen Glimmen beleuchtet, wenn der Lichtstrahl von dem Lasertracker mit dem Ziel verbunden ist. Das grüne Licht wird beleuchtet und blinkt, wenn der Lasertracker nicht mit dem Ziel verbunden ist, aber der Positionsdetektor den Lichtstrahl erkennt. In einer Ausführungsform sind die nächsten beiden innersten Lichter – Nummer zwei und fünf – gelb, und die äußersten Lichter – Nummer eins und sechs – sind blau. Das gelbe und das blaue Licht können für eine Vielfalt von Zwecken verwendet werden – zum Beispiel, um dem Bediener Signale zu liefern. Die Funktionalität dieser Lichter kann dem Benutzer durch ein Softwareentwicklungskit (SDK) zugänglich gemacht werden.
Durch die Lichter mit engem Sichtfeld kann der Bediener die LEDs in großen Abständen sehen, zum Beispiel 80 Meter von dem Tracker entfernt. Auf Grund dieses großen Bereichs und des engen Sichtfelds kann ein Beobachter, der an der Seite des Lasertrackers steht, vielleicht nicht in der Lage sein, die Anzeigelichter zu sehen. Um dieses Problem zu umgehen, befinden sich zusätzliche rote und grüne Anzeigelichter unter einer diffus streuenden Seitenplatte in der beleuchteten Seitenplatte 4140. Zum Beispiel können rote und grüne Lichter angeordnet werden, um das Betrachten von jeder Seite, und sogar, wenn auch etwas schwächer, von der Vorder- oder der Rückseite des Lasertrackers, zu ermöglichen.
Zwei Betriebsmodi eines Lasertrackers sind der Vorderseiten- und der Rückseitenmodus. Der Vorderseitenmodus ist der normale Betriebsmodus. Der Rückseitenmodus ist der Modus, der durch Beginnen im Vorderseitenmodus und dann Ausführen der folgenden Schritte erhalten wird: (1) Drehen des Azimutwinkels um 180 Grad und (2) Drehen des Zenitwinkels, um sein Vorzeichen zu ändern (eine vertikale Richtung nach oben entspricht Null Grad), wodurch der Laserstrahl fast in die Ausgangsrichtung nach hinten gerichtet wird. Bei der Durchführung von Messungen mit Lasertrackern ist es oft wünschenswert, in der Lage zu sein, aus einer Entfernung schnell zu erkennen, ob sich der Lasertracker im Vorderseitenmodus oder im Rückseitenmodus befindet. Die asymmetrischen Merkmale 4112 und 3914 sind im Rückseitenmodus kopfüber gekippt und helfen dem Bediener zu erkennen, in welchem Modus sich der Lasertracker befindet. Außerdem kippen im Rückseitenmodus die Anzeigelichter unter die Ausgangsblende des Lasertrackers, wodurch dem Bediener eine klare Anzeige geliefert wird, ob sich der Lasertracker im Vorderseiten- oder im Rückseitenmodus befindet.
Manche Vorgänge werden häufig an einem Lasertracker ausgeführt. Zum Beispiel bringt ein häufig ausgeführter Vorgang den Lasertracker in seine Ausgangsposition. Dies erfolgt durch Senden des Laserstrahls zu einem SMR – typischerweise einem SMR, der an einem der drei Magnetnester 4120 angeordnet ist. Da der Abstand dieser ”Ausgangspositionen” zu dem Kardanpunkt 22 des Lasertrackers bekannt ist, bietet das Durchführen eines Rückstellvorgangs eine einfache Möglichkeit, den Abstandsbezug zu dem ADM oder IFM in einem Lasertracker zurückzusetzen. In manchen Fällen möchte der Bediener vielleicht schnell einen Rückstellvorgang ausführen, ohne zu einem Computer zurückzukehren, um den Rückstellbefehl auszuführen. Die berührungsempfindlichen Knöpfe 4130 bieten eine einfache Möglichkeit hierfür. In einer Ausführungsform sendet, wenn der Bediener einen der Knöpfe 4130 berührt, der Lasertracker den Laserstrahl zum SMR unmittelbar über dem Knopf. Die drei Magnetnester 4120 können verschieden großen SMRs entsprechen – zum Beispiel SMRs mit einem Durchmesser von 1,5 Zoll, 7/8 Zoll und ½ Zoll. Somit bieten die Knöpfe unterhalb der Magnetnester auch die Möglichkeit, zwischen SMRs zu wechseln. Zum Beispiel könnte ein Bediener leicht von einem SMR von 1,5 Zoll zu einem SMR von ½ Zoll wechseln, indem er einen SMR von ½ Zoll in dem passenden Magnetnest anordnet und den berührungsempfindlichen Sensor unter diesem drückt. Die Berührungssensoren können auf der Verwendung von kapazitiven Sensoren basieren, die heutzutage zu geringen Kosten erhältlich sind. Es ist möglich, die berührungsempfindlichen Knöpfe so auszulegen, dass sie auf eine Bewegung nahe den Knöpfen reagieren, bevor die eigentliche physikalische Berührung erfolgt. Mit anderen Worten ist es möglich, Näherungssensoren zu verwenden. Neben den hier angegebenen Beispielen für die Verwendung von Berührungssensoren ist es möglich, Berührungssensoren zu verwenden, um eine weite Vielfalt von Befehlen für den Lasertracker zur Verfügung zu stellen.
Während die Erfindung anhand beispielhafter Ausgestaltungen beschrieben wurde, wird es den Fachleuten auf dem Gebiet klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente durch äquivalente Elemente ersetzt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne den wesentlichen Rahmen derselben zu verlassen. Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die besondere Ausgestaltung beschränkt ist, die als der beste zur Ausführung dieser Erfindung in Betracht gezogene Modus offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallenden Ausführungsformen einschließt. Außerdem sagt die Verwendung der Begriffe erste, zweite usw. nichts über die Reihenfolge oder Bedeutung aus; die Begriffe erste, zweite usw. werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe ein, eine, einer usw. keinerlei Begrenzung der Menge; sie bedeutet vielmehr das Vorliegen von mindestens einem des benannten Gegenstands.

Claims

Koordinatenmessvorrichtung (10), die einen ersten Lichtstrahl (46) an einen entfernten Zielpunkt (26) sendet, wobei der Zielpunkt einen Abschnitt des ersten Strahls als einen zweiten Strahl (47) zurücksendet, wobei die Koordinatenmessvorrichtung eine Oberseite, eine Unterseite und ein Gewicht aufweist, wobei die Messvorrichtung aufweist: einen ersten Motor (2125) und einen zweiten Motor (2155), die zusammen den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse (20) und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse (18) bestimmt ist, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird; eine erste Winkelmessvorrichtung (2120), die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung (2150), die den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser (160, 120), der einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung zu dem Zielpunkt basierend zumindest teilweise auf einem ersten Abschnitt des zweiten Strahls, der von einem ersten optischen Detektor (3306) empfangen wird, misst; einen Prozessor (1520, 1530, 1531, 1532, 1533, 1534, 1535, 1540, 1550, 1560, 1565, 1570, 1590), der eine dreidimensionale Koordinate des Zielpunkts bereitstellt, wobei die dreidimensionale Koordinate zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basiert; und einen einziehbaren Halter (4150), der sich an der Oberseite befindet.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der einziehbare Halter dafür konfiguriert ist, in einer aktuellen Position zu verbleiben, wenn keine Kraft von einem Benutzer ausgeübt wird, wobei die aktuelle Position entweder eine geöffnete Position oder eine eingezogene Position ist.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen ersten Fingerschlitz (4168) und einen zweiten Fingerschlitz (4168), wobei der erste Fingerschlitz und der zweite Fingerschlitz proximal zu dem einziehbaren Halter sind, wobei sich der erste Fingerschlitz auf einer ersten Seite des einziehbaren Halters befindet und sich der zweite Fingerschlitz auf einer Seite des einziehbaren Halters gegenüber der ersten Seite befindet, wobei der erste Fingerschlitz und der zweite Fingerschlitz dafür konfiguriert sind, dass der einziehbare Halter von Fingern eines Benutzers ergriffen werden kann.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen ausgesparten Griff (4160) auf der Unterseite, wobei der ausgesparte Griff eine Vertiefung ist, die groß genug ist, dass Finger in die Vertiefung eingeführt werden können.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der einziehbare Halter dafür konfiguriert ist, das Gewicht der Koordinatenmessvorrichtung zu tragen, wenn der einziehbare Halter in etwa auf die gleiche Höhe wie der ausgesparte Griff abgesenkt wird.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Seitengriffpaar, wobei das Seitengriffpaar einen ersten Seitengriff (4164A) und einen zweiten Seitengriff (4164B) aufweist, wobei sich der erste Seitengriff gegenüber dem zweiten Seitengriff auf einer Seite der Koordinatenmessvorrichtung befindet, wobei sich der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff an Positionen zwischen der Oberseite und der Unterseite befinden, wobei das Seitengriffpaar dafür konfiguriert ist, von einem Paar von Händen ergriffen zu werden.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend ein Seitengriffpaar, wobei das Seitengriffpaar einen ersten Seitengriff und einen zweiten Seitengriff aufweist, wobei sich der erste Seitengriff gegenüber dem zweiten Seitengriff auf einer Seite der Koordinatenmessvorrichtung befindet, wobei sich der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff an Positionen zwischen der Oberseite und der Unterseite befinden, wobei das Seitengriffpaar dafür konfiguriert ist, von einem Paar von Händen ergriffen zu werden.
Koordinatenmessvorrichtung (10), die einen ersten Lichtstrahl (46) an einen entfernten Zielpunkt (26) sendet, wobei der Zielpunkt einen Abschnitt des ersten Strahls als einen zweiten Strahl (47) zurücksendet, wobei die Koordinatenmessvorrichtung eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Messvorrichtung aufweist: einen ersten Motor (2125) und einen zweiten Motor (2155), die zusammen den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse (20) und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse (18) bestimmt ist, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird; eine erste Winkelmessvorrichtung (2125), die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung (2155), die den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser (160, 120), der einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung zu dem Zielpunkt basierend zumindest teilweise auf einem ersten Abschnitt des zweiten Strahls, der von einem ersten optischen Detektor (3306) empfangen wird, misst; einen Prozessor (1520, 1530, 1531, 1532, 1533, 1534, 1535, 1540, 1550, 1560, 1565, 1570, 1590), der eine dreidimensionale Koordinate des Zielpunkts bereitstellt, wobei die dreidimensionale Koordinate zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basiert; und einen ausgesparten Griff (4160) auf der Unterseite, wobei der ausgesparte Griff eine Vertiefung ist, die groß genug ist, dass Finger in die Vertiefung eingeführt werden können.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend einen einziehbaren Halter (4150), der sich oben befindet.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend ein Seitengriffpaar, wobei das Seitengriffpaar einen ersten Seitengriff (4164A) und einen zweiten Seitengriff (4164B) aufweist, wobei sich der erste Seitengriff gegenüber dem zweiten Seitengriff auf einer Seite der Koordinatenmessvorrichtung befindet, wobei sich der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff an Positionen zwischen der Oberseite und der Unterseite befinden, wobei das Seitengriffpaar dafür konfiguriert ist, von einem Paar von Händen ergriffen zu werden.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend ein Seitengriffpaar, wobei das Seitengriffpaar einen ersten Seitengriff und einen zweiten Seitengriff aufweist, wobei sich der erste Seitengriff gegenüber dem zweiten Seitengriff auf einer Seite der Koordinatenmessvorrichtung befindet, wobei sich der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff an Positionen zwischen der Oberseite und der Unterseite befinden, wobei das Seitengriffpaar dafür konfiguriert ist, von einem Paar von Händen ergriffen zu werden.
Koordinatenmessvorrichtung (10), die einen ersten Lichtstrahl (46) an einen entfernten Zielpunkt (26) sendet, wobei der Zielpunkt einen Abschnitt des ersten Strahls als einen zweiten Strahl (47) zurücksendet, wobei die Koordinatenmessvorrichtung eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, wobei die Messvorrichtung aufweist: einen ersten Motor (2125) und einen zweiten Motor (2155), die zusammen den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse (20) und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse (18) bestimmt ist, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird; eine erste Winkelmessvorrichtung (2120), die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung (2150), die den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser (160, 120), der einen ersten Abstand von der Koordinatenmessvorrichtung zu dem Zielpunkt basierend zumindest teilweise auf einem ersten Abschnitt des zweiten Strahls, der von einem ersten optischen Detektor (3306) empfangen wird, misst; einen Prozessor (1520, 1530, 1531, 1532, 1533, 1534, 1535, 1540, 1550, 1560, 1565, 1570, 1590), der eine dreidimensionale Koordinate des Zielpunkts bereitstellt, wobei die dreidimensionale Koordinate zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basiert; und ein Seitengriffpaar, wobei das Seitengriffpaar einen ersten Seitengriff (4164A) und einen zweiten Seitengriff (4164B) aufweist, wobei sich der erste Seitengriff gegenüber dem zweiten Seitengriff auf einer Seite der Koordinatenmessvorrichtung befindet, wobei sich der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff an Positionen zwischen der Oberseite und der Unterseite befinden, wobei das Seitengriffpaar dafür konfiguriert ist, von einem Paar von Händen ergriffen zu werden.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff Seitengriffvertiefungen (4166) umfassen.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der erste Seitengriff und der zweite Seitengriff aus einem elastomeren Material gefertigt sind.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend einen einziehbaren Halter, der sich oben befindet.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend einen ausgesparten Griff (4160) an der Unterseite, wobei der ausgesparte Griff eine Vertiefung ist, die groß genug ist, dass Finger in die Vertiefung eingeführt werden können.
Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 15, des Weiteren umfassend einen ausgesparten Griff an der Unterseite, wobei der ausgesparte Griff eine Vertiefung ist, die groß genug ist, dass Finger in die Vertiefung eingeführt werden können.