DE112012001712T5

DE112012001712T5 - Lasertracker, der zwei verschiedene Wellenlängen mit einem faseroptischen Koppler kombiniert

Info

Publication number: DE112012001712T5
Application number: DE112012001712.9T
Authority: DE
Inventors: Robert E. Bridges; Jacob J. Mertz
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2014-01-16
Also published as: CN103703389B; GB201320085D0; CN103649676A; DE112012001714T5; GB2515211B; JP2014515826A; GB201320077D0; US20120262699A1; GB201320079D0; JP2014514563A; GB2505353A; WO2012142064A3; JP2014515107A; JP2014514564A; CN103492870B; CN103703389A; DE112012001721B4; WO2012142074A3; GB2504433A8; GB2504639B

Abstract

Ein für das Senden eines ersten Lichtstrahls zu einem entfernten Retroreflektorziel konfiguriertes Koordinatenmessgerät umfasst eine erste und zweite Lichtquelle, die derart konfiguriert sind, dass sie ein erstes und zweites Licht mit einer ersten bzw. zweiten Wellenlänge emittieren, wobei die Wellenlängen verschieden sind; einen faseroptischen Koppler, der mindestens einen ersten, zweiten und dritten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Teil des ersten Lichts aufnimmt, wobei der zweite Anschluss derart konfiguriert ist, dass er einen zweiten Teil des zweiten Lichts aufnimmt, wobei der dritte Anschluss derart konfiguriert ist, dass er ein drittes Licht überträgt, wobei das dritte Licht einen Teil von jedem von dem ersten und zweiten Teil umfasst. Das Gerät umfasst auch ein optisches System; einen ersten und zweiten Motor; ein erstes und zweites Winkelmessgerät, die derart konfiguriert sind, dass sie einen ersten bzw. zweiten Drehwinkel messen; einen Distanzmesser, der derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Abstand von dem Gerät zu dem Ziel basierend zumindest teilweise auf einem dritten Teil des zweiten Strahls misst, der von einem ersten optischen Detektor aufgefangen wurde; und einen Prozessor, der derart konfiguriert ist, dass er 3D-Koordinaten des Ziels bereitstellt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 30. Januar 2012 angemeldeten vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/592,049, und der am 15. April 2011 angemeldeten vorläufigen US-amerikanischen Anmeldung, Aktenzeichen 61/475,703, deren beider gesamter Inhalt hiermit durch Verweis einbezogen wird.
Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät. Ein Satz von Koordinatenmessgeräten gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punkts durch Senden eines Laserstrahls zu dem Punkt messen. Der Laserstrahl kann direkt auf den Punkt oder auf ein Retroreflektorziel, das sich in Kontakt mit dem Punkt befindet, auftreffen. In jedem der beiden Fälle ermittelt das Instrument die Koordinaten des Punkts, indem es den Abstand und die zwei Winkel zu dem Ziel misst. Der Abstand wird mit einem Distanzmessgerät wie beispielsweise einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus in dem Instrument lenkt den Laserstrahl zu dem betreffenden Punkt.
Der Lasertracker ist ein besonderer Typ eines Koordinatenmessgeräts, das das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlen verfolgt, den bzw. die es emittiert. Koordinatenmessgeräte, die nahe mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Laserscanner und die Totalstation. Der Laserscanner sendet schrittweise einen oder mehrere Laserstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt das von der Oberfläche gestreute Licht auf und ermittelt aus diesem Licht den Abstand und zwei Winkel zu jedem Punkt. Die Totalstation, die am häufigsten bei Vermessungsanwendungen eingesetzt wird, kann zum Messen der Koordinaten von diffus streuenden bzw. retroreflektierenden Zielen verwendet werden. Der Begriff „Lasertracker” wird nachstehend in weitem Sinn so benutzt, dass er Laserscanner und Totalstationen umfasst.
Normalerweise sendet der Lasertracker einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel. Ein üblicher Typ eines Retroreflektorziels ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR; spherically mounted retroreflector), der einen in eine Metallkugel eingebetteten Würfelecken-Retroreflektor umfasst. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrecht stehende Spiegel. Der Scheitelpunkt, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Wegen dieser Anordnung der Würfelecke in der Kugel bleibt der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt zu einer beliebigen Oberfläche, auf welcher der SMR aufliegt, sogar konstant, während der SMR gedreht wird. Demzufolge kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche messen, indem er der Position eines SMR folgt, während dieser über die Oberfläche bewegt wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Lasertracker lediglich drei Freiheitsgrade (einen Radialabstand und zwei Winkel) messen muss, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.
Ein Lasertrackertyp enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne einen Absolutdistanzmesser (ADM). Falls ein Objekt den Strahlengang des von einem dieser Tracker ausgehenden Laserstrahls blockiert, verliert das IFM seinen Abstandsbezug. Der Bediener muss dann den Retroreflektor zu einer bekannten Stelle nachführen, um die Rückstellung auf einen Bezugsabstand durchzuführen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Eine Methode zur Umgehung dieser Einschränkung besteht darin, einen ADM in den Tracker einzubringen. Der ADM kann den Abstand in einer Anvisieren-und-Auslösen-Weise messen, die unten ausführlicher beschrieben wird. Einige Lasertracker enthalten nur einen ADM ohne ein Interferometer. Das US-Patent Nr. 7,352,446 ('446) an Bridges et al., dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, beschreibt einen Lasertracker, der nur einen ADM (und kein IFM) aufweist, der zur genauen Abtastung eines sich bewegenden Ziels in der Lage ist. Vor dem Patent '446 waren Absolutdistanzmesser für das genaue Auffinden der Position eines sich bewegenden Ziels zu langsam.
Ein Kardanmechanismus in dem Lasertracker kann verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Tracker auf den SMR zu richten. Ein Teil des von dem SMR retroreflektierten Lichts tritt in den Lasertracker ein und geht anschließend auf einen Positionsdetektor durch. Ein Steuersystem im Lasertracker kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor nutzen, um die Drehwinkel der mechanischen Achsen des Lasertrackers derart einzustellen, dass der Laserstrahl auf den SMR zentriert bleibt. Auf diese Weise ist der Tracker in der Lage, einem SMR zu folgen (nachgeführt zu werden), der über die Oberfläche eines betreffenden Objekts bewegt wird.
Winkelmessgeräte wie beispielsweise Winkelkodierer werden an den mechanischen Achsen des Trackers befestigt. Die eine Abstandsmessung und die zwei Winkelmessungen, die der Lasertracker durchführt, reichen aus, um die dreidimensionale Position des SMR anzugeben.
Mehrere Lasertracker sind verfügbar oder wurden für die Messung von sechs Freiheitsgraden statt der üblichen drei Freiheitsgrade vorgeschlagen. Beispielhafte Systeme mit sechs Freiheitsgraden (6-DOF-Systeme; im Engl. „six degrees of freedom”) werden in dem US-Patent Nr. 7,800,758 ('758) an Bridges et al., dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, und der veröffentlichten US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 2010/0128259, an Bridges et al., deren Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, beschrieben.
In der Vergangenheit wurde bei Lasertrackern, die Absolutdistanzmesser hatten, mehr als eine Wellenlänge verwendet. Ein sichtbarer Lichtstrahl hatte mindestens zwei Verwendungszwecke: (1) Bereitstellen eines Strahls, der auf einen Positionsdetektor auftrifft, um die Verfolgung eines Retroreflektorziels zu ermöglichen; und (2) Bereitstellen eines Zeigerstrahls, mittels dessen ein Benutzer die Zeigerichtung des Laserstrahls des Trackers ermitteln kann. Für einen Absolutdistanzmesser wurde ein infraroter Lichtstrahl verwendet. Derartige Laserstrahlen variieren bei der Wellenlänge zwischen 780 nm und 1550 nm. Zu den Schwierigkeiten, die sich aus der Verwendung zweier unterschiedlicher Wellenlängen ergeben, zählen folgende: (1) die Schwierigkeit, eine präzise Ausrichtung der zwei unterschiedlichen Laserstrahlen bei ihrer Bewegung vom Tracker zum Retroreflektor zu erzielen; (2) zusätzliche Ausgaben, die sich aus dem Bedarf an zwei Laserquellen, zusätzlichen Strahlteilern und anderen Komponenten ergeben; und (3) eine erforderliche größere Laserstrahlgröße wegen der schnelleren Ausbreitung des Lichtstrahls mit infraroter Wellenlänge im Vergleich zu der eines sichtbaren Lichtstrahls. Bedingt durch die Anforderung, die zwei unterschiedlichen Lichtstrahlen ausrichten zu müssen, waren weitere Fertigungsschritte notwendig, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhten. Darüber hinaus war die Leistung des Trackers niemals so gut wie sie hätte sein können, wenn die Ausrichtung perfekt gewesen wäre. Die erforderliche größere Strahlgröße bedeutete ferner, dass Strahlen durch Retroreflektorziele beschnitten wurden, was in einigen Fällen zu abnehmender Genauigkeit und in anderen Fällen zum Verlust von Strahlen führte. Es besteht Bedarf an einem Lasertracker mit einer einzigen Wellenlänge, der eine perfekte Ausrichtung und eine kleinere Strahlgröße ohne eine zusätzliche Komponente und zusätzliche Arbeitskosten gewährleisten kann.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Koordinatenmessgerät derart konfiguriert, dass es einen ersten Lichtstrahl zu einem entfernten Retroreflektorziel sendet, wobei das Retroreflektorziel eine räumliche Position aufweist, wobei das Retroreflektorziel einen Teil des ersten Lichtstrahls als zweiten Strahl zurückwirft. Das Messgerät umfasst eine erste Lichtquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie ein erstes Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert; und eine zweite Lichtquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie ein zweites Licht mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge verschieden ist. Der Gerät umfasst auch einen faseroptischen Koppler, der mindestens einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Teil des ersten Lichts aufnimmt, wobei der zweite Anschluss derart konfiguriert ist, dass er einen zweiten Teil des zweiten Lichts aufnimmt, wobei der dritte Anschluss derart konfiguriert ist, dass er ein drittes Licht überträgt, wobei das dritte Licht einen Teil des ersten Teils und einen Teil des zweiten Teils umfasst; und ein optisches System, das derart konfiguriert ist, dass es einen Teil des dritten Lichts als ersten Strahl aus dem Koordinatenmessgerät hinaus überträgt. Das Gerät umfasst ferner einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die zusammen derart konfiguriert sind, dass sie den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird. Das Gerät umfasst außerdem noch Folgendes: ein erstes Winkelmessgerät, das derart konfiguriert ist, dass es den ersten Drehwinkel misst, und ein zweites Winkelmessgerät, das derart konfiguriert ist, dass es den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser, der derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf einem dritten Teil des zweiten Strahls misst, der von einem ersten optischen Detektor aufgefangen wurde; und einen Prozessor, der derart konfiguriert ist, dass er dreidimensionale Koordinaten des Retroreflektorziels bereitstellt, wobei die dreidimensionalen Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basieren.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines an einer räumlichen Position angeordneten Retroreflektorziels vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte zum Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts, das Folgendes umfasst: eine erste Lichtquelle, die ein erstes Licht bei einer ersten Wellenlänge erzeugt, eine zweite Lichtquelle, die ein zweites Licht bei einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge erzeugt, einen faseroptischen Koppler, der einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss umfasst, ein optisches System, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät, einen Distanzmesser und einen Prozessor. Das Verfahren umfasst auch folgende Schritte: Einkoppeln eines ersten Teils des ersten Lichts in den ersten Anschluss; Einkoppeln eines zweiten Teils des zweiten Lichts in den zweiten Anschluss; Übertragen eines dritten Lichts von dem dritten Anschluss, wobei das dritte Licht einen Teil des ersten Teils und einen Teil des zweiten Teils enthält; Übertragen eines Teils des dritten Lichts als ersten Lichtstrahl durch das optische System aus dem Koordinatenmessgerät hinaus; Richten des ersten Lichtstrahls in eine erste Richtung, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird. Das Verfahren umfasst ferner folgende Schritte: Messen des ersten Drehwinkels mit dem ersten Winkelmessgerät; Messen des zweiten Drehwinkels mit dem zweiten Winkelmessgerät; Reflektierenlassen eines Teils des ersten Strahls von dem Retroreflektorziel als zweiten Strahl; Messen eines ersten Abstands von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel mit dem Distanzmesser, wobei der gemessene Abstand zumindest teilweise auf einem dritten Teil des zweiten Lichtstrahls basiert, der von einem ersten optischen Detektor aufgefangen wurde; Ermitteln von dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel; und Speichern der ermittelten dreidimensionalen Koordinaten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, sind dort beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt, die in Bezug auf den gesamten Schutzbereich der Offenbarung nicht als einschränkend zu verstehen sind, und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
1: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einem Retroreflektorziel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einem 6-DOF-Ziel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
3: ein Blockdiagramm, das die Elemente der Optik und Elektronik des Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschreibt;
4: die 4A und 4B umfasst, zwei Typen von afokalen Strahlaufweitern des Stands der Technik;
5: eine faseroptische Strahleinkopplung des Stands der Technik;
6A–D: schematische Figuren, die vier Typen von Positionsdetektorbaugruppen des Stands der Technik darstellen, sowie 6E und 6F schematische Figuren, die Positionsdetektorbaugruppen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung darstellen;
7: ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen in einem ADM des Stands der Technik;
8A und 8B: schematische Figuren, welche faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz des Stands der Technik darstellen;
8C: eine schematische Figur, welche faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
9: eine Explosionsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
10: eine Querschnittsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
11: ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Kommunikationselemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
12A: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker, bei dem eine einzige Wellenlänge verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
12B: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker, bei dem eine einzige Wellenlänge verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
13: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Kapazität gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
14A–D: Blockdiagramme von Elementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Kapazität gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
15: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
16: ein schematisches Diagramm, das Elemente in einer faseroptischen Baugruppe gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
17: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Kapazität gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
18: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines Retroreflektorziels gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung; und
19: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines Retroreflektorziels gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Ein in 1 dargestelltes beispielhaftes Lasertrackersystem 5 umfasst einen Lasertracker 10, ein Retroreflektorziel 26, einen optionalen Zusatzgerätprozessor 50 und einen optionalen Zusatzcomputer 60. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitschlitten 14, der auf einem Azimutsockel 16 angebracht ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzmasse 15 ist auf dem Zenitschlitten 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 normalerweise der Ursprung für Abstandsmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 geht fast durch den Kardanpunkt 22 und wird orthogonal zu der Zenitachse 18 gerichtet. Dies bedeutet, dass der Laserstrahl 46 ungefähr senkrecht zu einer beliebigen Ebene ist, die parallel zu der Zenitachse 18 und der Azimutachse 20 ist. Der ausgehende Laserstrahl 46 wird durch die Drehung der Nutzmasse 15 um die Zenitache 18 und durch die Drehung des Zenitschlittens 14 um die Azimutachse 20 in die gewünschte Richtung gerichtet. Ein Zenitwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Zenitachse befestigt, die auf die Zenitachse 18 ausgerichtet ist. Ein Azimutwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Azimutachse befestigt, die auf die Azimutachse 20 ausgerichtet ist. Der Zenit- und der Winkelkodierer messen die Zenit- und Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit. Der ausgehende Laserstrahl 46 bewegt sich zu dem Retroreflektorziel 26, das beispielsweise ein wie oben beschriebener sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein könnte. 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 im Kugelkoordinatensystem des Trackers gefunden.
Der ausgehende Laserstrahl 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen, wie nachstehend beschrieben wird. Der Klarheit und Einfachheit halber wird in der folgenden Besprechung ein wie in 1 dargestellter Typ eines Lenkungsmechanismus angenommen. Es sind jedoch andere Arten von Lenkungsmechanismen möglich. Es ist beispielsweise möglich, dass man einen Laserstrahl von einem Spiegel reflektieren lässt, der um die Azimut- und Zenitachse gedreht wird. Die hierin beschriebenen Methoden sind ungeachtet des Typs des Lenkungsmechanismus anwendbar.
Auf dem Lasertracker können magnetische Aufnahmen 17 vorgesehen werden, um den Lasertracker in eine „Ausgangsposition” für unterschiedlich große SMRs – beispielsweise 38,1, 22,2 und 12,7 mm große SMRs (1,5, 7/8 und ½ Zoll) – zurückzustellen. Man kann einen auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor 19 benutzen, um den Tracker auf einen Referenzabstand zurückzustellen. Außerdem kann ein auf dem Tracker angeordneter Spiegel, der in der Ansicht von 1 nicht sichtbar ist, in Kombination mit dem auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor benutzt werden, um die Durchführung einer Selbstkompensation zu gestatten, die in dem US-Patent Nr. 7,327,446 beschrieben wird, dessen Inhalt durch Verweis einbezogen wird.
2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, das wie das Lasertrackersystem 5 von 1 ist, außer dass das Retroreflektorziel 26 durch eine 6-DOF-Sonde 1000 ersetzt ist. In 1 können andere Typen von Retroreflektorzielen verwendet werden. Es wird zum Beispiel manchmal ein Katzenaugen-Retroreflektor verwendet, der ein Retroreflektor aus Glas ist, bei dem Licht auf einen kleinen Lichtpunkt auf einer reflektierenden Rückfläche der Glasstruktur gebündelt wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das optische und elektrische Elemente einer Lasertracker-Ausgestaltung darstellt. Es zeigt die Elemente eines Lasertrackers, die zwei Lichtwellenlängen emittieren: eine erste Wellenlänge für einen ADM und eine zweite Wellenlänge für einen sichtbaren Zeiger und für die Verfolgung. Der sichtbare Zeiger verschafft dem Benutzer die Möglichkeit, die Position des von dem Tracker emitterten Laserstrahlpunkts zu sehen. Die zwei verschiedenen Wellenlängen werden mit einem im freien Raum angeordneten Strahlteiler kombiniert. Ein elektrooptisches System (EO-System) 100 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, eine optionale erste Fasereinkopplung 170, ein optionales Interferometer (IFM) 120, einen Strahlaufweiter 140, einen ersten Strahlteiler 145, eine Positionsdetektorbaugruppe 150, einen zweiten Strahlteiler 155, einen ADM 160 und eine zweite Fasereinkopplung 170.
Die sichtbare Lichtquelle 110 kann ein Laser, eine Superlumineszenzdiode oder eine andere Licht emittierende Vorrichtung sein. Der Isolator 115 kann ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, das Licht zu reduzieren, das in die Lichtquelle rückreflektiert wird. Das optionale IFM kann auf unterschiedliche Weise konfiguriert werden. Als spezifisches Beispiel für eine mögliche Implementierung kann das IFM einen Strahlteiler 122, einen Retroreflektor 126, Viertelwellen-Verzögerungsplatten 124, 130 und einen Phasenanalysator 128 umfassen. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann das Licht in den freien Raum einkoppeln, wobei sich das Licht dann im freien Raum durch den Isolator 115 und das optionale IFM bewegt. Alternativ dazu kann der Isolator 115 durch ein faseroptisches Kabel an die sichtbare Lichtquelle 110 gekoppelt werden. In diesem Fall kann das Licht von dem Isolator aus durch die erste faseroptische Einkopplung 170 in den freien Raum eingekoppelt werden, wie hierin unten unter Bezugnahme auf 5 besprochen wird.
Der Strahlaufweiter 140 kann mit einer Vielzahl von Linsenkonfigurationen eingerichtet werden, wobei jedoch zwei normalerweise benutzte Konfigurationen des Stands der Technik in 4A, 4B dargestellt sind. 4A zeigt eine Konfiguration 140A, die auf der Verwendung einer Zerstreuungslinse 141A und einer Sammellinse 142A beruht. Ein auf die Zerstreuungslinse 141A einfallender gebündelter Lichtstrahl 220A tritt aus der Sammellinse 142A als größerer gebündelter Lichtstrahl 230A aus. 4B zeigt eine Konfiguration 140B, die auf der Verwendung von zwei Sammellinsen 141B, 142B beruht. Ein auf die erste Sammellinse 141B einfallender gebündelter Lichtstrahl 220B tritt aus einer zweiten Sammellinse 142B als größerer gebündelter Lichtstrahl 230B aus. Von dem Licht, das den Strahlaufweiter 140 verlässt, wird ein kleiner Anteil auf dem Weg aus dem Tracker von den Strahlteilern 145, 155 reflektiert und geht verloren. Derjenige Teil des Lichts, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, wird mit dem Licht von dem ADM 160 kombiniert und bildet daher einen zusammengesetzten Lichtstrahl 188, der diesen Lasertracker verlässt und sich zu dem Retroreflektor 90 bewegt.
Der ADM 160 umfasst bei einer Ausgestaltung eine Lichtquelle 162, eine ADM-Elektronik 164, ein Fasernetz 166, ein elektrisches Verbingungskabel 165 und verbindende Lichtwellenleiter 168, 169, 184, 186. Die ADM-Elektronik sendet elektrische Modulations- und Vorspannungen zu der Lichtquelle 162, die beispielsweise ein Laser mit verteilter Rückkopplung sein kann, der bei einer Wellenlänge von ungefähr 1550 nm arbeitet. Das Fasernetz 166 kann bei einer Ausgestaltung das dem Stand der Technik entsprechende Glasfasernetz 420A sein, das in 8A dargestellt ist. Bei dieser Ausgestaltung bewegt sich das Licht von der Lichtquelle 162 in 3 über den Lichtwellenleiter 184, der dem Lichtwellenleiter 432 in 8A entspricht.
Das Fasernetz von 8A umfasst einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und Reflektoren 435, 440 mit geringer Transmission. Das Licht verläuft durch den ersten Faserkoppler 430 und wird in zwei Lichtwege geteilt, wobei der erste Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 433 zu dem zweiten Faserkoppler 436 geht und der zweite Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 422 und einen Faserlängenausgleicher 423 geht. Der Faserlängenausgleicher 423 verbindet die Faserlänge 168 in 3, die zu dem Referenzkanal der ADM-Elektronik 164 verläuft. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Referenzkanal durchquert werden, an die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Messkanal durchquert werden, anzupassen. Die derartige Anpassung der Faserlängen verringert ADM-Fehler, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Solche Fehler können entstehen, weil die effektive Lichtweglänge eines Lichtwellenleiters gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtwellenleiters multipliziert mit der Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der Lichtwellenleiter von der Temperatur der Faser abhängt, führt eine Schwankung der Temperatur der Lichtwellenleiter zu Veränderungen bei den effektiven Lichtweglängen des Mess- und Referenzkanals. Falls sich die effektive Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Messkanal relativ zu der effektiven Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Referenzkanal ändert, ergibt sich daraus sogar dann eine scheinbare Verschiebung der Position des Retroreflektorziels 90, wenn das Retroreflektorziel 90 ortsfest gehalten wird. Zur Umgehung dieses Problems werden zwei Schritte durchgeführt. Erstens wird die Länge der Faser im Referenzkanal so nahe wie möglich an die Länge der Faser im Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und Referenzfasern so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die Lichtwellenleiter in den zwei Kanälen fast den gleichen Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Das Licht bewegt sich durch den zweiten faseroptischen Koppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt, nämlich den ersten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Faserendverschluss 440 und den zweiten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 438, von wo aus das Licht zu dem Lichtwellenleiter 186 in 3 verläuft. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 186 bewegt sich zu der zweiten Fasereinkopplung 170.
Bei einer Ausgestaltung ist die Fasereinkopplung 170 in der dem Stand der Technik entsprechenden 5 dargestellt. Das Licht von dem Lichtwellenleiter 186 von 3 verläuft zu der Faser 172 in 5. Die Fasereinkopplung 170 umfasst einen Lichtwellenleiter 172, eine Ferrule 174 und eine Linse 176. Der Lichtwellenleiter 172 ist an die Ferrule 174 angeschlossen, die fest an einer Struktur innerhalb des Lasertrackers 10 angebracht ist. Gegebenenfalls kann man das Ende des Lichtwellenleiters in einem Winkel glanzschleifen, um Rückreflektionen zu verringern. Das Licht 250 tritt aus dem Kern der Faser aus, die eine Monomodefaser mit einem Durchmesser zwischen 4 und 12 Mikrometern sein kann, was von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und dem jeweiligen Typ des Lichtwellenleiters abhängt. Das Licht 250 divergiert in einem Winkel und wird von der Linse 176 aufgefangen, die es bündelt. Das Verfahren zum Einkoppeln und Auffangen eines optischen Signals durch einen einzigen Lichtwellenleiter in einem ADM-System wurde in dem Patent '758 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Bezug nehmend auf 3, kann der Strahlteiler 155 ein dichroitischer Strahlteiler sein, der andere Wellenlängen durchlässt, als er reflektiert. Bei einer Ausgestaltung wird das Licht des ADM 160 von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und mit dem Licht des sichtbaren Lasers 110 kombiniert, welches durch den dichroitischen Strahlteiler 155 durchgelassen wird. Der zusammengesetzte Lichtstrahl 188 bewegt sich als erster Strahl aus dem Lasertracker hinaus zu dem Retroreflektor 90, der einen Teil des Lichts als zweiten Strahl reflektiert. Derjenige Teil des zweiten Strahls, der die Wellenlänge des ADM hat, wird von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und zu der zweiten Fasereinkopplung 170 zurückgeworfen, die das Licht in den Lichtwellenleiter 186 zurückkoppelt.
Der Lichtwellenleiter 186 entspricht bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 438 in 8A. Das zurückkehrende Licht bewegt sich von dem Lichtwellenleiter 438 durch den zweiten Faserkoppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt. Ein erster Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 424, der bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 169 entspricht, der zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 164 in 3 führt. Ein zweiter Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 433 und dann zu dem ersten Faserkoppler 430. Das Licht, das den ersten Faserkoppler 430 verlässt, wird in zwei Lichtwege geteilt, und zwar einen ersten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 432 und einen zweiten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Endverschluss 435. Bei einer Ausgestaltung entspricht der Lichtwellenleiter 432 dem Lichtwellenleiter 184, der zu der Lichtquelle 162 in 3 führt. In den meisten Fällen enthält die Lichtquelle 162 einen eingebauten Faraday-Isolator, der die Lichtmenge, die von dem Lichtwellenleiter 432 aus in die Lichtquelle eintritt, minimiert. Zu viel Licht, das in umgekehrter Richtung in einen Laser geleitet wird, kann den Laser destabilisieren.
Das Licht von dem Fasernetz 166 tritt durch die Lichtwellenleiter 168, 169 in die ADM-Elektronik 164 ein. In 7 ist eine Ausgestaltung der ADM-Elektronik des Stands der Technik dargestellt. Der Lichtwellenleiter 168 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3232 in 7 und der Lichtwellenleiter 169 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3230 in 7. Nun Bezug nehmend auf 7, umfasst die ADM-Elektronik 3300 eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Referenzdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Referenzmischer 3312, Aufbereitungselektroniken 3314, 3316, 3318, 3320, einen Vorteiler 3324 mit dem Teilungsfaktor N und einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 3322. Die Frequenzreferenz, die beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator (OCXO; oven-controlled crystal oscillator) sein könnte, sendet eine Referenzfrequenz fREF, die z. B. 10 MHz betragen könnte, zu dem Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt: 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 zwei Signale mit der Frequenz fLO gehen zu dem Messmischer 3310 und dem Referenzmischer 3312. Das von den Lichtwellenleitern 168, 169 in 3 kommende Licht verläuft in den Fasern 3232 bzw. 3230 in 7 und tritt in den Referenz- bzw. Messkanal ein. Der Referenzdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden durch die elektrischen Komponenten 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zu den Mischern 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 haben, während das Signal fIF eine relativ niedrige Frequenz wie beispielsweise 10 kHz aufweisen kann.
Die Referenzfrequenz fREF wird zu dem Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch eine ganze Zahl dividiert. Eine Frequenz von 10 MHz würde beispielsweise durch 40 dividiert, so dass man eine Ausgangsfrequenz von 250 kHz erhält. In diesem Beispiel würden die 10-kHz-Signale, die in den ADW 3322 eintreten, bei einer Frequenz von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt werden. Die Signale des ADW 3322 werden zu einem Datenprozessor 3400 gesendet, der beispielsweise aus einer oder mehreren digitalen Signalprozessor-Einheiten (DSP-Einheiten) bestehen könnte, die in der ADM-Elektronik 164 von 3 angeordnet sind.
Das Verfahren zum Extrahieren eines Abstands beruht auf der Berechnung der Phase der ADW-Signale für den Referenz- und Messkanal. Dieses Verfahren wird ausführlich in dem US-Patent Nr. 7,701,559 ('559) an Bridges et al. beschrieben, dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird. Die Berechnung umfasst die Gleichungen (1)–(8) des Patents '559. Wenn der ADM zuerst mit dem Messen eines Retroreflektors beginnt, werden ferner die von dem Synthesizer erzeugten Frequenzen einige Male (beispielsweise dreimal) verändert und die möglchen ADM-Abstände in jedem Fall berechnet. Durch den Vergleich der möglichen ADM-Abstände bei jeder der ausgewählten Frequenzen wird eine Mehrdeutigkeit bei der ADM-Messung beseitigt. Die Gleichungen (1)–(8) des Patents '559 in Kombination mit den in Bezug auf 5 des Patents '559 beschriebenen Synchronisationsverfahren und den in dem Patent '559 beschriebenen Kalman-Filter-Verfahren geben dem ADM die Möglichkeit, ein sich bewegendes Ziel zu messen. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen eingesetzt werden, beispielsweise indem man die Impulslaufzeit statt Phasendifferenzen benutzt.
Derjenige Teil des zurückkehrenden Lichtstrahls 190, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, kommt an dem Strahlteiler 145 an, der einen Teil des Lichts zu dem Strahlaufweiter 140 und einen anderen Teil des Lichts zu der Positionsdetektorbaugruppe 150 sendet. Man kann das aus dem Lasertracker 10 oder EO-System 100 austretende Licht als ersten Strahl und denjenigen Teil des Lichts, der von dem Retroreflektor 90 oder 26 reflektiert wird, als zweiten Strahl auffassen. Teile des reflektierten Strahls werden zu unterschiedlichen Funktionselementen des EO-Systems 100 gesendet. Beispielsweise kann ein erster Teil zu einem Distanzmesser wie dem ADM 160 in 3 gesendet werden. Ein zweiter Teil kann zu einer Positionsdetektorbaugruppe 150 gesendet werden. In einigen Fällen kann ein dritter Teil zu anderen Funktionseinheiten wie beispielsweise einem optionalen Interferometer (120) gesendet werden. Es ist von Bedeutung, dass verstanden wird, dass – obwohl in dem Beispiel von 3 der erste Teil und der zweite Teil des zweiten Strahls zu dem Distanzmesser und dem Positionsdetektor gesendet werden, nachdem sie von den Strahlteilern 155 bzw. 145 reflektiert wurden – es möglich gewesen wäre, das Licht auf einen Distanzmesser oder Positionsdetektor durchzulassen statt reflektieren zu lassen.
In 6A–D sind vier Beispiele von dem Stand der Technik entsprechenden Positionsdetektorbaugruppen 150A bis 150D dargestellt. 6A zeigt die einfachste Implementierung, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionsensor 151 umfasst, der auf einer Leiterplatte 152 angebracht ist, welche Energie von einer Elektronikbox 350 erhält und der Elektronikbox Signale zurücksendet, die die Kapazität für die elektronische Verarbeitung an einer beliebigen Stelle innerhalb des Lasertrackers 10, Zusatzgeräts 50 oder externen Computers 60 repräsentieren können. 6B umfasst einen Lichtfilter 154, der unerwünschte optische Wellenlängen blockiert, damit sie den Positionsdetektor 151 nicht erreichen. Die unerwünschten optischen Wellenlängen können beispielsweise auch blockiert werden, indem man den Strahlteiler 145 oder die Oberfläche des Positionsdetektors 151 mit einem entsprechenden Film beschichtet. 6C enthält eine Linse 153, die die Größe des Lichtstrahls reduziert. 6D enthält einen Lichtfilter 154 und eine Linse 153.
6E zeigt eine Positionsdetektorbaugruppe, die eine Lichtaufbereitungsvorrichtung 149E umfasst, gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. Die Lichtaufbereitungsvorrichtung enthält eine Linse 153 und kann auch einen optionalen Wellenlängenfilter 154 umfassen. Sie umfasst ferner mindestens einen von einem Diffusor 156 und einem Raumfilter 157. Wie vorstehend erläutert wurde, ist der Würfelecken-Retroreflektor ein beliebter Retroreflektortyp. Ein Typ des Würfelecken-Retroreflektors besteht aus drei Spiegeln, die jeweils im rechten Winkel mit den anderen zwei Spiegeln verbunden sind. Die Schnittlinien, an welchen diese drei Spiegel verbunden sind, können eine endliche Dicke aufweisen, bei welcher Licht nicht vollkommen zu dem Tracker zurückreflektiert wird. Die Linien endlicher Dicke werden gebeugt, während sie sich derart ausbreiten, dass sie nach Erreichen des Positionsdetektors möglicherweise nicht mehr genau die gleichen wie an dem Positionsdetektor zu sein scheinen. Das Muster des gebeugten Lichts weicht jedoch generell von der vollkommenen Symmetrie ab. Demzufolge kann das Licht, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft, beispielsweise Senkungen und Anstiege bei der optischen Energie (Lichtschwerpunkte) in der Nähe der gebeugten Linien haben. Da die Gleichmäßigkeit des vom Retroreflektor kommenden Lichts von Retroreflektor zu Retroreflektor variieren kann und da ferner die Lichtverteilung auf dem Positionsdetektor während des Drehens oder Neigens des Retroreflektors schwanken kann, ist es unter Umständen von Vorteil, wenn man einen Diffusor 156 einbezieht, um die Gleichmäßigkeit des Lichts zu verbessern, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft. Da ein idealer Positionsdetektor auf einen Flächenschwerpunkt ansprechen sollte und ein idealer Diffusor einen Lichtpunkt symmetrisch spreizen sollte, könnte man die Auffassung vertreten, dass keine Wirkung auf die durch den Positionsdetektor angegebene resultierende Position vorliegen sollte. Bei der praktischen Anwendung des Diffusors stellt sich jedoch heraus, dass die Leistung der Positionsdetektorbaugruppe verbessert wird, und zwar wahrscheinlich wegen der Auswirkungen von Nichtlinearitäten (Unvollkommenheiten) bei dem Positionsdetektor 151 und der Linse 153. Würfelecken-Retroreflektoren, die aus Glas bestehen, können ebenfalls ungleichmäßige Lichtpunkte an dem Positionsdetektor 151 erzeugen. Änderungen des Lichtpunkts an einem Positionsdetektor können sich insbesondere von dem Licht abheben, das von den Würfelecken in 6-DOF-Zielen reflektiert wird, wie es klarer aus den US-amerikanischen Patentanmeldungen, Aktenzeichen 13/370,339 (angemeldet am 10. Februar 2012) und 13/407,983 (angemeldet am 29. Februar 2012), des gleichen Inhabers hervorgeht, deren Inhalt durch Verweis einbezogen wird. Der Diffusor 156 ist bei einer Ausgestaltung ein holographischer Diffusor. Ein holographischer Diffusor stellt ein geregeltes, homogenes Licht über einen vorgegebenen Streuwinkel bereit. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Diffusortypen wie beispielsweise Diffusoren aus geschliffenem Glas oder „matte” Diffusoren verwendet werden.
Der Zweck des Raumfilters 157 der Positionsdetektorbaugruppe 150E besteht darin, Geisterbilder, die beispielsweise aus unerwünschten Reflexionen von optischen Oberflächen resultieren, daran zu hindern, dass sie auf den Positionsdetektor 151 auftreffen. Ein Raumfilter umfasst eine Platte 157, die eine Apertur aufweist. Dadurch, dass man den Raumfilter 157 in einem Abstand entfernt von der Linse positioniert, der ungefähr gleich der Brennweite der Linse ist, geht das zurückkehrende Licht 243E durch den Raumflter, wenn es sich nahe bei seiner schmalsten Stelle – der Strahltaille – befindet. Strahlen, die sich in einem unterschiedlichen Winkel bewegen, beispielsweise infolge einer Reflexion eines optischen Elements, treffen auf den Raumfilter entfernt von der Apertur auf und werden am Erreichen des Positionsdetektors 151 gehindert. In 6E ist ein Beispiel dargestellt, bei dem ein unerwünschtes Geisterbild 244E von einer Oberfläche des Strahlteilers 145 reflektiert wird und zu dem Raumfilter 157 verläuft, wo es blockiert wird. Ohne den Raumfilter wäre das Geisterbild 244E vom Positionsdetektor 151 aufgefangen worden, was dazu geführt hätte, dass die Position des Strahls 243E auf dem Positionsdetektor 151 falsch ermittelt worden wäre. Sogar ein schwaches Geisterbild kann die Position des Flächenschwerpunkts auf dem Positionsdetektor 151 signifikant verändern, wenn das Geisterbild in einem relativ großen Abstand von dem Hauptlichtpunkt entfernt ist.
Ein Retroreflektor des hier besprochenen Typs wie beispielsweise ein Würfelecken- oder Katzenaugen-Retroreflektor hat die Eigenschaft, einen in ihn eintretenden Lichtstrahl in eine Richtung zu reflektieren, die parallel zu dem einfallenden Strahl ist. Ferner sind der einfallende und der reflektierte Strahl symmetrisch um den Symmetriepunkt des Retroreflektors herum angeordnet. Bei einem luftoffenen Würfelecken-Retroreflektor ist dessen Symmetriepunkt beispielsweise der Scheitelpunkt der Würfelecke. Bei einem Würfelecken-Retroreflektor aus Glas ist der Symmetriepunkt ebenfalls der Scheitelpunkt, wobei in diesem Fall allerdings die Lichtbeugung an der Glas-Luft-Grenzfläche zu berücksichtigen ist. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor mit dem Brechungsindex 2,0 ist der Symmetriepunkt der Mittelpunkt der Kugel. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor aus zwei Halbkugeln aus Glas, die symmetrisch auf einer gemeinsamen Ebene sitzen, ist der Symmetriepunkt ein Punkt, der auf der Ebene und an dem Kugelmittelpunkt jeder Halbkugel liegt. Die Hauptsache ist die, dass bei dem Typ von Retroreflektoren, der gewöhnlich mit Lasertrackern verwendet wird, das von einem Retroreflektor zu dem Tracker zurückgeworfene Licht zu der – bezogen auf den einfallenden Laserstrahl – anderen Seite des Scheitelpunkts verschoben wird.
Dieses Verhalten eines Retroreflektors 90 in 3 ist die Grundlage für die Verfolgung des Retroreflektors durch den Lasertracker. Der Positionssensor hat auf seiner Oberfläche einen idealen Rückverfolgungspunkt. Der ideale Rückverfolgungspunkt ist derjenige Punkt, an welchem der zu dem Symmetriepunkt eines Retroreflektors (bei einem SMR z. B. dem Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors) gesendete Laserstrahl zurückkehren wird. Normalerweise befindet sich der Rückverfolgungspunkt nahe dem Mittelpunkt des Positionssensors. Wenn der Laserstrahl zu einer Seite des Retroreflektors gesendet wird, wird er auf der anderen Seite reflektiert und erscheint er versetzt gegenüber dem Rückverfolgungspunkt auf dem Positionssensor. Durch das Registrieren der Position des zurückkehrenden Lichtstrahls auf dem Positionssensor kann das Steuersystem des Lasertrackers 10 veranlassen, dass die Motoren den Lichtstrahl zum Symmetriepunkt des Retroreflektors hin bewegen.
Falls der Retroreflektor mit konstanter Geschwindigkeit quer zu dem Tracker bewegt wird, trifft der Lichtstrahl auf den Retroreflektor in einem festen Versetzungsabstand von dessen Symmetriepunkt auf (nachdem die Einschwingvorgänge beendet sind). Der Lasertracker führt eine Korrektur durch, um diesen Versetzungsabstand an dem Retroreflektor basierend auf einem aus den gesteuerten Messungen erhaltenen Skalenfaktor und basierend auf dem Abstand zwischen dem Lichtstrahl auf dem Positionssensor und dem idealen Rückverfolgungspunkt zu berücksichtigen.
Wie vorstehend erläutert wurde, führt der Positionsdetektor zwei wichtige Funktionen durch, nämlich die Ermöglichung von Verfolgungs- und Korrekturmessungen zur Berücksichtigung der Bewegung des Retroreflektors. Der Positionssensor in dem Positionsdetektor kann ein beliebiger Typ einer Vorrichtung sein, die zur Messung einer Position in der Lage ist. Der Positionssensor könnte beispielsweise ein positionssensitiver Detektor oder eine photosensitive Anordnung sein. Der positionssensitive Detektor könnte zum Beispiel ein Lateraleffektdetektor oder ein Quadrantendetektor sein. Die photosensitive Anordnung könnte beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Anordnung sein.
Bei einer Ausgestaltung geht das zurückkehrende Licht, das nicht vom Strahlteiler 145 reflektiert wird, durch den Strahlaufweiter 140, wodurch es kleiner wird. Bei einer anderen Ausgestaltung sind die Positionen des Positionsdetektors und des Distanzmessers derart umgekehrt, dass das von dem Strahlteiler 145 reflektierte Licht sich zu dem Distanzmesser bewegt und das durch den Strahlteiler durchgelassene Licht zu dem Positionsdetektor verläuft.
Das Licht bewegt sich weiter durch das optionale IFM, durch den Isolator und in die sichtbare Lichtquelle 110. In dieser Phase sollte die optische Energie klein genug sein, damit sie nicht die sichtbare Lichtquelle 110 destabilisiert.
Das von der sichtbaren Lichtquelle 110 stammende Licht wird bei einer Ausgestaltung durch eine Strahleinkopplung 170 von 5 eingekoppelt. Die Fasereinkopplung kann an den Ausgang der Lichtquelle 110 oder einen faseroptischen Ausgang des Isolators 115 angeschlossen sein.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das dem Stand der Technik entsprechende Fasernetz 420B von 8B. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 443, 444, 424, 422 von 8B. Das Fasernetz von 8B gleicht dem Fasernetz von 8A, außer dass das Fasernetz von 8B einen einzigen Faserkoppler statt zwei Faserkopplern aufweist. Der Vorteil von 8B gegenüber 8A ist die Einfachheit; allerdings ist bei 8B die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich unerwünschte Rückreflexionen von Licht ereignen, die in die Lichtwellenleiter 422 und 424 eintreten.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das Fasernetz 420C von 8C. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 447, 455, 423, 424 von 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 Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen. Koppler dieses Typs werden normalerweise hergestellt, indem man zwei Faserkerne in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert und die Fasern anschließend zieht, während sie erwärmt werden. Auf diese Weise kann eine evaneszente Kopplung zwischen den Fasern einen gewünschten Anteil des Lichts zu der benachbarten Faser hin abteilen. Der zweite Faserkoppler 451 ist der Typ, der als „Zirkulator” bezeichnet wird. Er hat drei Anschlüsse, die jeweils in der Lage sind, Licht durchzulassen oder aufzufangen, aber nur in der vorgesehenen Richtung. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 448 tritt beispielsweise in den Anschluss 453 ein und wird zum Anschluss 454 transportiert, wie es durch den Pfeil dargestellt ist. Am Anschluss 454 kann das Licht zu dem Lichtwellenleiter 455 durchgelassen werden. In ähnlicher Weise kann das Licht, das sich in dem Anschluss 455 bewegt, in den Anschluss 454 eintreten und sich in der Pfeilrichtung zu dem Anschluss 456 bewegen, wo ein Teil des Lichts zu dem Lichtwellenleiter 424 durchgelassen wird. Wenn lediglich drei Ausgänge benötigt werden, dann wird der Zirkulator 451 möglicherweise weniger durch Verluste bei der optischen Energie als der 2×2-Koppler beeinträchtigt. Andererseits kann ein Zirkulator 451 teurer sein als ein 2×2-Koppler und einer Polarisationsmodendispersion ausgesetzt sein, die in einigen Situationen problematisch sein kann.
9 und 10 zeigen eine Explosions- bzw. Querschnittsdarstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Lasertrackers 2100, der in 2 und 3 der veröffentlichten US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 2010/0128259, an Bridges et al., abgebildet ist, die durch Verweis einbezogen wird. Eine Azimutbaugruppe 2110 umfasst ein Stangengehäuse 2112, eine Azimutkodiererbaugruppe 2120, ein unteres und oberes Azimutlager 2114A, 2114B, eine Azimutmotorbaugruppe 2125, eine Azimutschleifringbaugruppe 2130 und Azimutleiterplatten 2135.
Der Zweck der Azimutkodiererbaugruppe 2120 besteht darin, den Drehwinkel eines Jochs 2142 in Bezug auf das Stangengehäuse 2112 genau zu messen. Die Azimutkodiererbaugruppe 2120 umfasst eine Kodiererplatte 2121 und eine Lesekopfbaugruppe 2122. Die Kodiererplatte 2121 ist an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2122 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt. Die Lesekopfbaugruppe 2122 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererplatte 2121 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererplatte in Bezug auf die festen Leseköpfe zu finden.
Die Azimutmotorbaugruppe 2125 umfasst einen Azimutmotorrotor 2126 und einen Azimutmotorstator 2127. Der Azimutmotorrotor umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt sind. Der Azimutmotorstator 2127 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Magneten des Azimutmotorrotors 2126 zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotorstator 2127 ist an dem Stangenrahmen 2112 befestigt.
Die Azimutleiterplatten 2135 repräsentieren eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Azimutkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Azimutschleifringbaugruppe 2130 umfasst einen Außenteil 2131 und einen Innenteil 2132. Bei einer Ausgestaltung tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Zusatzgerätprozessor 50 aus. Das Drahtbündel 2138 kann Energie zu dem Tracker führen oder Signale zu dem Tracker hin und von ihm weg leiten. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Verbindern auf Leiterplatten geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Azimutleiterplatte 2135, der Kodiererlesekopfbaugruppe 2122 und der Azimutmotorbaugruppe 2125. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2132 der Scheifringbaugruppe 2130. Der Innenteil 2132 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt und bleibt demzufolge unbeweglich. Der Außenteil 2131 ist an der Jochbaugruppe 2140 befestigt und dreht sich demzufolge in Bezug auf den Innenteil 2132. Die Schleifringbaugruppe 2130 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2131 sich in Bezug auf den Innenteil 2132 dreht.
Die Zenitbaugruppe 2140 umfasst das Jochgehäuse 2142, eine Zenitkodiererbaugruppe 2150, ein linkes und rechtes Zenitlager 2144A, 2144B, eine Zenitmotorbaugruppe 2155, eine Zenitschleifringbaugruppe 2160 und eine Zenitleiterplatte 2165.
Der Zweck der Zenitkodiererbaugruppe 2150 besteht darin, den Drehwinkel eines Nutzmassenrahmens 2172 in Bezug auf das Jochgehäuse 2142 genau zu messen. Die Zenitkodiererbaugruppe 2150 umfasst eine Zenitkodiererplatte 2151 und eine Zenitlesekopfbaugruppe 2152. Die Kodiererplatte 2151 ist an dem Nutzmassengehäuse 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2152 ist an dem Jochgehäuse 2142 befestigt. Die Zenitlesekopfbaugruppe 2152 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererplatte 2151 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererplatte in Bezug auf die festen Leseköpe zu finden.
Die Zenitmotorbaugruppe 2155 umfasst einen Azimutmotorrotor 2156 und einen Azimutmotorstator 2157. Der Zenitmotorrotor 2156 umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Nutzmassenrahmens 2172 befestigt sind. Der Zenitmotorstator 2157 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Rotormagneten zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Zenitmotorstator 2157 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt.
Die Zenitleiterplatte 2165 repräsentiert eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Zenitkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Zenitschleifringbaugruppe 2160 umfasst einen Außenteil 2161 und einen Innenteil 2162. Ein Drahtbündel 2168 tritt aus dem Azimutaußenschleifring 2131 aus und kann Energie oder Signale führen. Einige Drähte des Drahtbündels 2168 können zu Verbindern auf einer Leiterplatte geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Zenitleiterplatte 2165, der Zenitmotorbaugruppe 2150 und der Kodiererlesekopfbaugruppe 2152. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2162 des Scheifringbaugruppe 2160. Der Innenteil 2162 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt und dreht sich demzufolge nur in einem Azimutwinkel, jedoch nicht in einem Zenitwinkel. Der Außenteil 2161 ist an dem Nutzmassenrahmen 2172 befestigt und dreht sich demzufolge sowohl in einem Zenitwinkel als auch in einem Azimutwinkel. Die Schleifringbaugruppe 2160 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2161 sich in Bezug auf den Innenteil 2162 dreht. Die Nutzmassenbaugruppe 2170 umfasst eine optische Hauptbaugruppe 2180 und eine optische Zusatzbaugruppe 2190.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein Dimensionsmesselektronik-Verarbeitungssystem 1500 zeigt, das ein Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510, periphere Elemente 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere vernetzte Komponenten 1600 zeigt, die hier als Wolke dargestellt sind. Das beispielhafte Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 umfasst einen Hauptprozessor 1520, eine Nutzmassenfunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzerschnittstellenelektronik (Anzeige- und BS-Elektronik) 1560, eine herausnehmbare Speicherhardware 1565, eine Radiofrequenzidentifikationselektronik (RFID-Elektronik) und eine Antenne 1572. Die Nutzmassenfunktionselektronik 1530 umfasst eine Anzahl von Unterfunktionen, zu denen die 6-DOF-Elektronik 1531, die Kameraelektronik 1532, die ADM-Elektronik 1533, die Positionsdetektorelektronik (PSD-Elektronik) 1534 und die Nivellierelektronik 1535 gehören. Die meisten Unterfunktionen verfügen über mindestens eine Prozessoreinheit, die beispielsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern (FPGA; field programmable gate array) sein könnte. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wegen ihrer Lage innerhalb des Lasertrackers wie in der Darstellung voneinander getrennt. Die Nutzmassenfunktionen 1530 befinden sich bei einer Ausgestaltung in der Nutzmasse 2170 von 9 und 10, wohingegen die Azimutkodiererelektronik 1540 in der Azimutbaugruppe 2110 und die Zenitkodiererelektronik 1550 in der Zenitbaugruppe 2140 angeordnet sind.
Es sind zahlreiche periphere Geräte möglich, wobei hier jedoch drei derartige Geräte dargestellt sind: ein Temperatursensor 1582, eine 6-DOF-Sonde 1584 und ein Personal Digital Assistant (PDA) 1586, der beispielsweise ein Smartphone sein könnte. Der Lasertracker kann mit peripheren Geräten über verschiedene Mittel kommunizieren, die Folgendes umfassen: eine drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572, ein Sichtsystem wie z. B. eine Kamera sowie die Abstands- und Winkelmesswerte des Lasertrackers, die zu einem zusammenwirkenden Ziel wie z. B. der 6-DOF-Sonde 1584 gesendet werden.
Ein separater Kommunikationsbus verläuft bei einer Ausgestaltung von dem Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann beispielsweise drei serielle Leitungen aufweisen, welche die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung gibt an, ob die Elekronikeinheit auf die Taktleitung achten sollte oder nicht. Falls sie angibt, dass eine Beachtung erfolgen sollte, liest die Elektronikeinheit den aktuellen Wert der Datenleitung bei jedem Taktsignal ab. Das Taktsignal kann beispielsweise einer steigenden Flanke eines Taktimpulses entsprechen. Bei einer Ausgestaltung wird die Information in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. Bei einer Ausgestaltung umfasst jedes Paket eine Adresse, einen Zahlenwert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse gibt an, wohin die Datennachricht innerhalb der Elektronikeinheit zu leiten ist. Die Stelle kann beispielsweise einer Subroutine des Prozessors in der Elektronikeinheit entsprechen. Der Zahlenwert gibt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten und Anweisungen, welche die Elektronikeinheit durchführen muss. Die Prüfsumme ist ein Zahlenwert, der dazu dient, die Möglichkeit zu minimieren, dass Fehler über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
Der Hauptprozessor 1520 sendet bei einer Ausgestaltung Informationspakete über den Bus 1610 zu der Nutzmassenfunktionselektronik 1530, über den Bus 1611 zu der Azimutkodiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zu der Zenitkodiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zu der Anzeige- und BS-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zu der herausnehmbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zu der RFID- und Drahtlos-Elektronik 1570.
Bei einer Ausgestaltung sendet der Hauptprozessor 1520 auch gleichzeitig einen Synchronisationsimpuls (Synch-Impuls) über den Synchronisationsbus 1630 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Synchronisationsimpuls stellt eine Möglichkeit zur Synchronisation von Werten bereit, die von den Messfunktionen des Lasertrackers erfasst wurden. Beispielsweise zwischenspeichern die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Kodiererwerte, sobald der Synchronisationsimpuls empfangen wird. In ähnlicher Weise zwischenspeichert die Nutzmassenfunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzmasse enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Der 6-DOF-, die ADM- und die Positionsdetektor-Elektronik zwischenspeichern alle beim Senden des Synchronisationsimpulses die Daten. In den meisten Fällen erfassen die Kamera und der Neigungsmesser Daten bei einer langsameren Rate als der Synchronisationsimpulsrate, doch sie können Daten bei Vielfachen der Periodendauer des Synchronisationsimpulses zwischenspeichern.
Die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitkodiererelektronik 1550 sind durch die in 9, 10 dargestellten Schleifringe 2130, 2160 voneinander und von der Nutzmassenelektronik 1530 getrennt. Aus diesem Grund sind die Busleitungen 1610, 1611 und 1612 in 11 als separate Busleitungen dargestellt.
Das Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren oder es kann die Berechnungs-, Anzeige- und Benutzerschnittstellen-Funktionen im Lasertracker bereitstellen. Der Lasertracker kommuniziert über eine Kommunikationsverbindung 1606, die beispielsweise eine Ethernet-Leitung oder eine drahtlose Verbindung sein könnte, mit dem Computer 1590. Der Lasertracker kann auch über eine Kommunikationsverbindung 1602, die ein oder mehrere elektrische Kabel wie beispielsweise Ethernet-Kabel oder ein oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen könnte, mit anderen Elementen 1600, die durch die Wolke repräsentiert sind, kommunizieren. Ein Beispiel für ein Element 1600 ist ein anderes dreidimensionales Prüfgerät – z. B. ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät –, das durch den Lasertracker umgesetzt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Elementen 1600 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem Ferncomputer 1590 sitzt, kann über eine Ethernet-Leitung oder drahtgebundene Leitung, die wiederum über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung an den Hauptprozessor 1520 angeschlossen ist, eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Wolke 1600 repräsentiert ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
Bei Lasertrackern werden heute lediglich eine sichtbare Wellenlänge (normalerweise rot) und eine infrarote Wellenlänge für den ADM benutzt. Die rote Wellenlänge kann durch einen frequenzstabilisierten Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) zur Verfügung gestellt werden, der für die Verwendung in einem Interferometer und außerdem für die Bereitstellung eines roten Zeigerstrahls geeignet ist. Alternativ dazu könnte die rote Wellenlänge durch einen Diodenlaser zur Verfügung gestellt werden, der lediglich als Zeigerstrahl dient. Ein Nachteil beim Einsatz von zwei Lichtquellen sind der hinzukommende Raum und die zusätzlichen Kosten, die für die hinzukommenden Lichtquellen, Strahlteiler, Isolatoren und anderen Komponenten erforderlich sind. Ein anderer Nachteil bei der Verwendung von zwei Lichtquellen besteht darin, dass es schwierig ist, die beiden Lichtstrahlen entlang den gesamten Lichtwegen perfekt auszurichten, die die Strahlen zurücklegen. Dies kann zu verschiedenen Problemen führen, da es unter anderem nicht möglich ist, gleichzeitig eine gute Leistung aus verschiedenen Untersystemen zu erzielen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Ein System, bei dem eine einzige Lichtquelle benutzt wird, durch welche diese Nachteile beseitigt werden, ist in dem optoelektronischen System 500 von 12A dargestellt.
12A umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, ein Fasernetz 420, eine ADM-Elektronik 530, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 könnte beispielsweise ein roter oder grüner Diodenlaser oder ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL; vertical cavity surface emitting laser) sein. Der Isolator könnte ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder eine beliebige andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die Lichtmenge ausreichend zu reduzieren, die in die Lichtquelle zurückgeführt wird. Das von dem Isolator 115 kommende Licht bewegt sich in das Fasernetz 420, das bei einer Ausgestaltung das Fasernetz 420A von 8A ist.
12B zeigt eine Ausgestaltung eines optoelektronischen Systems 400, bei welchem eine einzige Lichtwellenlänge verwendet wird, wobei aber eine Modulation mittels einer elektrooptischen Modulaton des Lichts statt durch eine direkte Modulation einer Lichtquelle erzielt 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 Strahlteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann beispielsweise eine rote oder grüne Laserdiode sein. Das Laserlicht wird durch einen Isolator 115 gesendet, der beispielsweise ein Faraday-Isolator oder ein Dämpfungsglied sein kann. Der Isolator 115 kann an seinen Ein- und Ausgangsanschlüssen fasergekoppelt sein. Der Isolator 115 sendet das Licht zu dem elektrooptischen Modulator 410, der das Licht zu einer ausgewählten Frequenz moduliert, die gegebenenfalls bis 10 GHz oder höher sein kann. Ein elektrisches Signal 476 von der ADM-Elektronik 475 steuert die Modulation in dem elektrooptischen Modulator 410. Das modulierte Licht von dem elektrooptischen Modulator 410 verläuft zu dem Fasernetz 420, welches das vorstehend besprochene Fasernetz 420A, 420B, 420C oder 420D sein könnte. Ein Teil des Lichts bewegt sich über den Lichtwellenleiter 422 zu dem Referenzkanal der ADM-Elektronik 475. Ein anderer Teil des Lichts bewegt sich aus dem Tracker hinaus, wird von dem Retroreflektor 90 reflektiert, kehrt zum Tracker zurück und kommt am Strahlteiler 145 an. Ein kleiner Anteil des Lichts wird von dem Strahlteiler reflektiert und bewegt sich zum Positionsdetektor 150, der vorstehend unter Bezugnahme auf 6A–F besprochen wurde. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlteiler 145 in die Fasereinkopplung 170, durch das Fasernetz 420 in den Lichtwellenleiter 424 und in den Messkanal der ADM-Elektronik 475 durch. Im Allgemeinen kann das System 500 von 12A mit weniger Geld hergestellt werden als das System 400 von 12B; der elektrooptische Modulator 410 ist jedoch möglicherweise in der Lage, eine höhere Modulationsfrequenz zu erzielen, was in einigen Situationen von Vorteil sein kann.
13 zeigt eine Ausgestaltung eines Lokalisierungskamerasystems 950 und eines optoelektronischen Systems 900, wobei eine Orientierungskamera mit der optoelektronischen Funktionalität eines 3D-Lasertrackers kombiniert ist, 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 Strahlteiler 145, einen Positionsdetektor 150, einen Strahlteiler 922 und eine Orientierungskamera 910. Das Licht der sichtbaren Lichtquelle wird in einen Lichtwellenleiter 980 emittiert und bewegt sich durch den Isolator 910, der Lichtwellenleiter aufweisen kann, die an die Ein- und Ausgangseinschlüsse gekoppelt sind. Das Licht kann sich durch den elektrooptischen Modulator 410 bewegen, der durch ein elektrisches Signal 716 der ADM-Elektronik 715 moduliert wird. Alternativ dazu kann die ADM-Elektronik 715 über ein Kabel 717 ein elektrisches Signal senden, um die sichtbare Lichtquelle 905 zu modulieren. Ein Teil des Lichts, das in das Fasernetz eintritt, bewegt sich durch den Faserlängenausgleicher 423 und den Lichtwellenleiter 422 und tritt dann in den Referenzkanal der ADM-Elektronik 715 ein. Gegebenenfalls kann ein elektrisches Signal 469 an das Fasernetz 420 angelegt werden, um einem faseroptischen Schalter im Fasernetz 420 ein Schaltsignal bereitzustellen. Ein Teil des Lichts bewegt sich von dem Fasernetz zu der Fasereinkopplung 170, die das Licht im Lichtwellenleiter als Lichtstrahl 982 in den freien Raum sendet. Ein kleiner Anteil des Lichts wird von dem Strahlteiler 145 reflektiert und geht verloren. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlteiler 145, durch den Strahlteiler 922 und aus dem Tracker hinaus zu einem sechs Freiheitsgrade (DOF; degree-of-freedom) aufweisenden Gerät 4000. Das 6-DOF-Gerät 4000 kann eine Sonde, ein Scanner, ein Projektor, ein Sensor oder ein anderes Gerät sein.
Das Licht von dem 6-DOF-Gerät 4000 tritt auf seinem Rückweg in das optoelektronische System 900 ein und kommt an dem Strahlteiler 922 an. Ein Teil des Lichts wird von dem Strahlteiler 922 reflektiert und tritt in die Orientierungskamera 910 ein. Die Orientierungskamera 910 zeichnet die Positionen einiger Markierungen auf, die auf dem Retroreflektorziel angeordnet sind. Aus diesen Markierungen wird der Orientierungswinkel (d. h. drei Freiheitsgrade) der 6-DOF-Sonde ermittelt. Die Prinzipien der Orientierungskamera werden nachstehend in der vorliegenden Anmeldung und auch in dem Patent '758 beschrieben. Ein Teil des Lichts am Strahlteiler 145 bewegt sich durch den Strahlteiler und wird mittels der Fasereinkopplung 170 in einen Lichtwellenleiter geleitet. Das Licht bewegt sich zum Fasernetz 420. Ein Teil dieses Lichts verläuft zu dem Lichtwellenleiter 424, von welchem aus es in den Messkanal der ADM-Elektronik 715 eintritt.
Das Lokalisierungskamerasystem 950 umfasst eine Kamera 960 und eine oder mehrere Lichtquellen 970. Die Kamera umfasst ein Linsensystem 962, eine photosensitive Anordnung 964 und einen Körper 966. Eine Verwendung des Lokalisierungskamerasystems 950 besteht darin, Retroreflektorziele innerhalb des Arbeitsvolumens zu lokalisieren. Das System bewirkt dies durch Blinkenlassen der Lichtquelle 970, das die Kamera als hellen Lichtpunkt auf der photosensitiven Anordnung 964 aufnimmt. Eine zweite Verwendung des Lokalisierungskamerasystems 950 besteht darin, eine grobe Orientierung des 6-DOF-Geräts 4000 basierend auf der beobachteten Position eines Reflektorlichtpunkts oder einer LED auf dem 6-DOF-Gerät 4000 zu ermitteln. Wenn zwei oder mehr Lokalisierungskamerasysteme auf dem Lasertracker zur Verfügung stehen, kann die Richtung jedes Retroreflektorziels innerhalb des Arbeitsvolumens mit den Prinzipien der Triangulation berechnet werden. Wenn eine einzige Lokalisierungskamera für die Aufnahme des entlang der optischen Achse des Lasertrackers reflektierten Lichts angeordnet ist, kann die Richtung jedes Retroreflektorziels gefunden werden. Wenn eine einzige Kamera versetzt gegenüber der optischen Achse des Lasertrackers angeordnet ist, dann kann man unmittelbar aus dem Bild auf der photosensitiven Anordnung die ungefähren Richtungen zu den Retroreflektorzielen erhalten. In diesem Fall kann eine genauere Richtung zu einem Ziel ermittelt werden, indem die mechanischen Achsen des Lasers in mehr als eine Richtung gedreht werden und die Veränderung der Lichtpunktposition auf der photosensitiven Anordnung beobachtet wird.
Das elektrooptische Modul 176 umfasst bei einer Ausgestaltung eine Kombination aus optischen Komponenten wie beispielsweise Strahlteilern und Verzögerungsplatten sowie optoelektronischen Komponenten wie beispielsweise optischen Detektoren und Verstärkern zur Aufteilung der Phasendifferenz d in Quadraturkomponenten. Diese Quadraturkomponenten umfassen sin(d) 188 und cos(d) 190. Ein elektrischer Zähler benutzt die Quadraturkomponenten zur Zählung der Anzahl vollständiger 360° Verschiebungen bei der Phasendifferenz d. Diese Anzahl von Zählungen (und möglicherweise eines Anteils einer Zählung) wird zu dem Zähler 178 gesendet, der die Anzahl von Zählungen verfolgt. Diese Anzahl von Zählungen wird über eine Leitung 180 zu einem Prozessor gesendet, der einen Abstand, der der Anzahl von Zählungen entspricht, berechnet.
14A zeigt eine Ausgestaltung einer Orientierungskamera 910, die in den optoelektronischen Systemen von 18 und 19 verwendet werden kann. Die allgemeinen Prinzipien der Orientierungskamera werden in dem Patent '758 beschrieben und bei der Orientierungskamera 910 generell befolgt. Bei einer Ausgestaltung umfasst die Orientierungskamera 910 einen Körper 1210, einen afokalen Strahlreduzierer 1220, einen Vergrößerer 1240, einen Strahlenganglängeneinsteller 1230, eine Aktuatorbaugruppe 1260 und eine photosensitive Anordnung 1250. Der afokale Strahlreduzierer umfasst eine Sammellinse 1222, einen Spiegel 1223 und Zerstreuungslinsen 1224, 1226. Der afokale Strahlreduzierer hat die Eigenschaft, dass ein Lichtstrahl, der parallel zu einer optischen Achse (einer Achse, die durch den Mittelpunkt der Linsen verläuft) in die Linse 1222 eintritt, ebenfalls parallel zu der optischen Achse aus der Linse 1226 austritt. Der afokale Strahlreduzierer hat auch die Eigenschaft, dass ein Bild ungeachtet des Abstands zwischen der Linse und einem Objekt eine konstante Größe aufweist. Der Vergrößerer 1240 umfasst eine Sammellinse 1242, Zerstreuungslinsen 1244, 1248 und einen Spiegel 1246. Der Vergrößerer hat die gleiche Funktion wie ein Mikroskopobjektiv, ist aber skaliert, um ein größeres Bild bereitzustellen. Die photosensitive Anordnung 1250 kann beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Anordnung sein, die das auf sie auftreffende Licht in eine Anordnung von digitalen Werten umwandelt, die die Bestrahlungsstärke des Lichts an jedem Pixel der photosensitiven Anordnung repräsentieren. Das Muster der Bestrahlungsstärke kann beispielsweise die Markierungen auf einem 6-DOF-Ziel zeigen. Der Strahlenganglängeneinsteller 1230 umfasst eine Plattform 1231, zwei Spiegel 1232, 1233 und eine Kugelführung 1234. Die Spiegel 1232, 1233 sind derart auf der Plattform 1231 angebracht, dass während des Bewegens der Plattform 1231 der Abstand zwischen dem afokalen Strahlreduzierer 1220 und dem Vergrößerer 1240 verändert wird. Diese Abstandsänderung ist erforderlich, um bei einem veränderlichen Abstand zwischen dem Lasertracker und dem Ziel ein klares Bild auf der photosensitiven Anordnung 1250 beizubehalten. Die Plattform 1231 ist auf der Kugelführung 1234 angebracht, die der Plattform eine reibungsarme lineare Bewegung zur Verfügung stellt. Die Aktuatorbaugruppe 1260 umfasst bei einer Ausgestaltung einen Motor 1261, eine Motorwelle 1262, eine flexible Kupplung 1263, einen Adapter 1264 und eine Motormutter 1265. Die Motormutter 1265 ist fest an dem Adapter angebracht. Während die mit einem Gewinde versehene Motorwelle 1262 durch den Motor 1261 gedreht wird, wird die Motormutter 1265 je nach der Drehrichtung der Motorwelle entweder weiter von dem Motor weg oder näher zu ihm hin bewegt. Die flexible Kupplung 1263, die an dem Adapter 1264 befestigt ist, gibt der Plattform die Möglichkeit, sich selbst dann frei zu bewegen, wenn die Motorwelle 1262 und die Kugelführung 1234 nicht parallel zueinander sind.
Bei einer Ausgestaltung stellt die Orientierungskamera 910 eine konstante Quervergrößerung für verschiedene Abstände zum Ziel bereit. Die Quervergrößerung ist hier als die Bildgröße dividiert durch die Objektgröße definiert. Die in 14A dargestellten Linsen wurden so ausgewählt, dass sie auf der photosensitiven Anordnung 1250 eine konstante Bildgröße von 3 mm für eine Objektgröße von 13 mm erzeugen. In diesem Fall beträgt die Quervergrößerung 3 mm/13 mm = 0,23. Diese Quervergrößerung wird für ein Ziel konstant gehalten, das in einem Abstand von 0,5 bis 30 Metern zu dem Tracker angeordnet ist. Diese Bildgröße von 3 mm könnte für eine 6,35 mm (¼ Zoll) große CCD- oder CMOS-Anordnung geeignet sein. Die Quervergrößerung ist bei einer Ausgestaltung das Vierfache dieses Betrags, was sie für eine 25,4 mm (1 Zoll) große CCD- oder CMOS-Anordnung geeignet macht. Eine Orientierungskamera mit dieser höheren Quervergrößerung kann bei dem gleich großen Körper 1210 erhalten werden, indem man die Brennweiten und Zwischenräume der drei Linsen in dem Vergrößerer 1240 verändert.
Bei einer in 14A dargestellten Ausgestaltung betragen die effektiven Brennweiten der drei Linsenelemente 1222, 1224 und 1226 des Strahlreduzierers 1220 85,9 mm, –29,6 mm bzw. –7,2 mm. Es wird ein virtuelles Bild erzeugt, nachdem das von dem Objekt kommende Licht durch diese drei Linsenelemente gegangen ist. Bei einem Objekt, das 0,5 Meter von dem Lasertracker entfernt angeordnet ist, hat das virtuelle Bild 1229 eine Größe von 0,44 mm und ist 7 mm von der Linse 1226 entfernt. Bei einem Objekt, das 30 Meter von dem Lasertracker entfernt angeordnet ist, hat das virtuelle Bild 1228 eine Größe von 0,44 mm und ist 1,8 mm von der Linse 1224 entfernt. Der Abstand zwischen dem virtuellen Bild 1228 und dem virtuellen Bild 1129 beträgt 39,8 mm; dies bedeutet, dass die Plattform einen maximalen Bewegungsbereich benötigt, der die Hälfte dieses Betrags bzw. 19,9 mm ist. Die Quervergrößerung des Strahlreduzierers 1220 beträgt 0,44 mm/13 mm = 0,034. Die effektiven Brennweiten der drei Linsenelemente 1242, 1244 und 1228 des Vergrößerers betragen 28,3 mm, –8,8 mm bzw. –8,8 mm. Die Größe des Bilds auf der photosensitiven Anordnung 1250 beträgt 3 mm bei einem Ziel, das 0,5 Meter vom Lasertracker entfernt, 30 m vom Lasertracker entfernt oder in einer beliebigen Entfernung dazwischen angeordnet ist. Die Quervergrößerung des Vergrößerers beträgt 3 mm/0,44 mm = 6,8. Die gesamte Quervergrößerung der Orientierungskamera beträgt 3 mm/13 mm = 0,23. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Quervergrößerung des Vergrößerers um den Faktor 4 auf 4 × 6,8 = 27 erhöht, wodurch eine gesamte Quervergrößerung von 12 mm/13 mm = 0,92 bei einem beliebigen Abstand von 0,5 bis 30 Metern gebildet wird.
In 14B–D ist eine andere Ausgestaltung einer Orientierungskamera dargestellt. 14B ist eine Seitenansicht einer Orientierungskamerabaugruppe 2750B. 14C ist eine Draufsicht 2750C eines in 14B dargestellten Querschnitts A-A. 14D ist eine seitliche Schnittansicht 2750D eines Querschnitts B-B von 14C. Der Strahlengang des Lichtstrahls 2755 ist in jeder dieser drei Figuren dargestellt. Das Licht geht durch eine erste Sammlung von Linsen 2760, wird von einem Spiegel 2762 reflektiert, geht durch eine Linse 2764, wird von Spiegeln 2766, 2768 reflektiert, geht durch eine zweite Sammlung von Linsen 2770, wird von Spiegeln 2772, 2774 reflektiert und trifft auf eine photosensitive Anordnung 2776 auf. Die erste Sammlung von Linsen 2760 und die Linse 2764 bilden ein afokales Linsensystem. Wie vorstehend erläutert wurde, bedeutet dies, dass ein parallel zu der optischen Achse in die erste Sammlung von Linsen 2760 eintretender Strahl die Linse 2764 parallel zu der optischen Achse verlässt. Da der Retroreflektor (in 14B–D nicht dargestellt) sich in einem endlichen Abstand von dem Lasertracker befindet, erzeugt das afokale Linsensystem ein virtuelles Bild 2778 in einem gewissen Abstand von der Linse 2764. Dieser Abstand d von der Linse 2764 hängt von dem Abstand zwischen Retroreflektor und Lasertracker ab. Bei einer Ausgestaltung ist das virtuelle Bild beispielsweise ungefähr d = 82 mm von der Linse 2764 entfernt, wenn der Retroreflektor in vier Meter Abstand vom Tracker angeordnet ist, und ungefähr d = 51 mm von der Linse 2764 entfernt, wenn der Retroreflektor in vierzig Meter Abstand vom Tracker angeordnet ist. Die zweite Sammlung von Linsen leitet das virtuelle Bild 2778 auf die photosensitive Anordnung weiter. Ein motorbetriebener Aktuator 2780 stellt die Position der Spiegel 2766, 2768 ein, um den korrekten Abstand zwischen dem virtuellen Bild 2778 und der zweiten Sammlung von Linsen 2770 aufrechtzuerhalten, wodurch das Bild auf die photosensitive Anordnung 2776 fokussiert bleibt. Bei einer Ausgestaltung haben die erste Sammlung von Linsen 2755 eine kombinierte Brennweite von 112 mm, die Linse 2764 eine Brennweite von –5,18 mm und die zweite Sammlung von Linsen 2770 eine kombinierte Brennweite von ungefähr 59,3 mm. Die Gesamtvergrößerung des Systems beträgt ungefähr 1/8, was bedeutet, dass die Größe des Lichtmusters auf der photosensitiven Anordnung 2776 ungefähr ein Achtel der Größe des Lichtmusters auf dem Retroreflektor beträgt. Dies ist ein Beispiel für ein Linsensystem, das ungeachtet des Abstands zwischen Lasertracker und Retroreflektor eine konstante Vergrößerung beibehält.
Es können andere Kombinationen von Linsen kombiniert werden, um eine Orientierungskamera mit einer konstanten Quervergrößerung zu erhalten. Obwohl die konstante Quervergrößerung hilfreich ist, sind darüber hinaus auch andere Linsensysteme nutzbar. Im Allgemeinen zeichnen sich die Kameras von 14A–D dadurch aus, dass sie eine Zoomfähigkeit, ein schmales Sichtfeld und eine Ausrichtung auf die optische Achse des Lasertrackers aufweisen.
15 zeigt eine Ausgestaltung eines optoelektronischen Systems 700, bei dem verschiedene Lichtwellenlängen mittels eines faseroptischen Kopplers kombiniert sind. Das optoelektronische System 700 umfasst eine erste Lichtquelle 705, eine zweite Lichtquelle 750, einen ersten Isolator 710, einen zweiten Isolator 755, einen optionalen elektrooptischen Modulator 410, eine ADM-Elektronik 715, ein Fasernetz 720, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die erste Lichtquelle 705 kann beispielsweise ein Diodenlaser sein, der bei 780 nm arbeitet. Die zweite Lichtquelle kann beispielsweise ein roter oder grüner Diodenlaser sein. Das Licht der ersten Lichtquelle 705 wird über einen Lichtwellenleiter 780 durch einen Isolator 710 gesendet, der beispielsweise ein Faraday-Isolator oder ein Dämpfungsglied sein kann. Der Isolator 710 kann an seinen Ein- und Ausgangsanschlüssen fasergekoppelt sein. Der Isolator 710 kann das Licht zu einem elektrooptischen Modulator 410 senden, der das Licht moduliert. Wenn der elektrooptische Modulator 410 benutzt wird, steuert ein elektrisches Signal 716 der ADM-Elektronik 715 die Modulation in dem elektrooptischen Modulator 410. Falls der elektrooptische Modulator 410 weggelassen wird, sendet die ADM-Elektronik 715 alternativ dazu ein Modulationssignal direkt zu der Lichtquelle 705. Das Licht der ersten Lichtquelle bewegt sich durch einen Lichtwellenleiter 781 zu dem Fasernetz 720. Ein Teil des Lichts wird durch den Faserlängenausgleicher 423 und einen Lichtwellenleiter 722 in den Referenzkanal der ADM-Elektronik 715 geführt. Ein anderer Teil des Lichts bewegt sich aus dem Fasernetz 720 hinaus durch einen Lichtwellenleiter 782 zu der Fasereinkopplung, die den Lichtstrahl 783 in den freien Raum sendet. Ein kleiner Anteil des Lichts wird von dem Strahlteiler 145 reflektiert und geht verloren. Der Rest des Lichts geht durch den Strahlteiler 145 und bewegt sich als Lichtstrahl 784 zu dem Retroreflektor 90 und als Lichtstrahl 786 zurück zu dem Strahlteiler 145. Ein Teil des Lichts wird von dem Strahlteiler 145 reflektiert und bewegt sich zu dem Positionsdetektor 150. Ein anderer Teil des Lichts geht durch die Fasereinkopplung und wird in den Lichtwellenleiter 782 zurückgekoppelt. Das Licht geht in das Fasernetz 720 durch und bewegt sich über einen Lichtwellenleiter 724 zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 715.
Die zweite Lichtquelle 750 sendet einen zweiten Lichtstrahl in einen Lichtwellenleiter 790, durch einen Isolator 755, durch einen Lichtwellenleiter 791 und in das Fasernetz 720. In 16 ist eine Ausgestaltung des Fasernetzes 720 dargestellt. Das Licht von einem Lichtwellenleiter 1781 tritt am Eingangsanschluss in das Fasernetz 720 ein. Das Licht bewegt sich durch einen ersten Faserkoppler 1730. Ein Teil des Lichts bewegt sich durch einen Lichtwellenleiter 1722 und einen Faserlängenausgleicher 1723, bevor er in den Referenzkanal der ADM-Elektronik 715 eintritt. Ein Teil des Lichts bewegt sich durch einen zweiten Faserkoppler 1740 und einen dritten Faserkoppler 1750, bevor er aus dem Fasernetz hinaus in einen Lichtwellenleiter 1782 durchgeht. Das Licht von einem Lichtwellenleiter 1791 tritt in den dritten Faserkoppler 1750 ein, wo es mit dem Licht von dem Lichtwellenleiter 1743 kombiniert wird und einen zusammengesetzten Lichtstrahl bildet, der sich in dem Lichtwellenleiter 1782 bewegt. Die an die Lichtwellenleiter 1781 und 1791 angeschlossenen Anschlüsse sind zwei Eingangsanschlüsse und können als erster Anschluss und zweiter Anschluss angesehen werden. Die an die Lichtwellenleiter 1782 und 1755 angeschlossenen Anschlüsse sind Ausgangsanschlüsse und können als dritter Anschluss und vierter Anschluss angesehen werden. Der optische Koppler 1750 ist ein dichroitischer Koppler, da er für die Verwendung von zwei Wellenlängen ausgelegt ist. Nachdem der in dem Lichtwellenleiter 1782 geführte zusammengesetzte Lichtstrahl aus dem Lasertracker hinausgegangen ist und von dem Retroreflektor 90 reflektiert wird, kehrt er zu dem Fasernetz 720 zurück. Das Licht der ersten Lichtquelle geht durch den dritten Faserkoppler 1750, den zweiten Faserkoppler 1740 und tritt in einen Lichtwellenleiter 1724 ein, der zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 715 führt. Das Licht der zweiten Lichtquelle kehrt zu dem Lichtwellenleiter 1791 zurück und bewegt sich zu dem Isolator 755, der es daran hindert, in die zweite Lichtquelle 750 einzutreten.
Die Koppler 1730, 1740 und 1750 können vom verschmolzenen Typ sein. Bei diesem Typ des optischen Kopplers sind zwei Faserkern-/Fasermantelbereiche nahe zusammengebracht und verschmolzen. Demzufolge wird das Licht zwischen den Kernen durch evaneszente Kopplung ausgetauscht. Im Falle von zwei unterschiedlichen Wellenlängen ist es möglich, dass man eine evaneszente Kopplungsanordnung konstruiert, die die vollständige Übertragung einer ersten Wellenlänge entlang der ursprünglichen Faser sowie die vollständige Kopplung einer zweiten Wellenlänge über dieselbe Faser ermöglicht. In praktischen Fällen ist es normalerweise nicht möglich, eine vollständige (100 Prozent) Kopplung des Lichts derart zu erzielen, dass der faseroptische Koppler eine verlustfreie Übertragung bereitstellt. Faseroptische Koppler, die eine gute Kopplung für zwei oder mehr verschiedene Wellenlängen zur Verfügung stellen, können jedoch erworben werden und sind ohne Weiteres mit den üblichen Wellenlängen wie beispielsweise 980 nm, 1300 nm und 1550 nm erhältlich. Ferner können faseroptische Koppler für andere Wellenlängen, zu denen sichtbare Wellenlängen zählen, erworben und für andere Wellenlängen maßgefertigt und hergestellt werden. Beispielsweise ist es in 16 möglich, dass man einen faseroptischen Koppler 1750 derart konstruiert, dass sich das erste Licht mit seiner ersten Wellenlänge bei geringem optischem Verlust von dem Lichtwellenleiter 1743 zu dem Lichtwellenleiter 7153 bewegt. Gleichzeitig kann die Konstruktion eine nahezu vollständige Kopplung des zweiten Lichts in dem Lichtwellenleiter 1791 über den Lichtwellenleiter 1782 bereitstellen. Es ist daher möglich, dass das erste Licht und das zweite Licht bei geringem Verlust durch den faseroptischen Koppler und in derselben Faser 1782 übertragen werden. Man kann optische Koppler kaufen, die Wellenlängen kombinieren, die sich in Bezug auf die Wellenlänge stark unterscheiden. Man kann beispielsweise einen Koppler erwerben, der Licht bei einer Wellenlänge von 1310 nm mit Licht bei einer Wellenlänge von 660 nm kombiniert. Für die Ausbreitung über lange Entfernungen bei einer Ausbreitung beider Wellenlängen in einer einzigen transversalen Mode müssen, wenn zugleich ein relativ geringer Verlust der optischen Energie während der Ausbreitung durch den Lichtwellenleiter vorliegt, die zwei Wellenlängen im Allgemeinen relativ nahe beieinander sein. Die zwei ausgewählten Wellenlängen könnten zum Beispiel 633 nm und 780 nm sein, die bezogen auf ihre Wellenlängenwerte relativ nahe beieinander sind und ohne großen Verlust durch eine Monomodefaser über eine lange Entfernung übertragen werden konnten. Ein Vorteil der Architektur der elektrooptischen Baugruppe 700 besteht darin, dass der dichroitische Faserkoppler 1750 in dem Fasernetz 720 kompakter als ein im freien Raum angeordneter Strahlteiler ist. Ferner gewährleistet der dichroitische Faserkoppler, dass das erste Licht und das zweite Licht sehr gut ausgerichtet sind, ohne auf spezielle optische Ausrichtungsverfahren während der Herstellung angewiesen zu sein.
17 zeigt eine Ausgestaltung eines elektrooptischen Systems 1900, das dem elektrooptischen System 900 von 13 ähnlich ist, außer dass 17 zwei Lichtquellen zeigt: eine erste Lichtquelle 705 und eine zweite Lichtquelle 750. Die erste Lichtquelle 705, die zweite Lichtquelle 750, der erste Isolator 710 und der zweite Isolator 755 von 17 sind die gleichen Komponenten wie diejenigen, die in 15 dargestellt sind und vorstehend beschrieben wurden.
18 zeigt ein Verfahren 4010 zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines Retroreflektorziels. Ein Schritt 4015 besteht darin, ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, das Folgendes umfasst: eine erste Lichtquelle, die ein erstes Licht bei einer ersten Wellenlänge erzeugt; eine zweite Lichtquelle, die ein zweites Licht bei einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge erzeugt; einen faseroptischen Koppler, der einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss umfasst; ein optisches System; einen ersten Motor; einen zweiten Motor; ein erstes Winkelmessgerät; ein zweites Winkelmessgerät; einen Distanzmesser; und einen Prozessor. Ein Schritt 4020 besteht darin, einen ersten Teil (bei einer ersten Wellenlänge) des ersten Lichts in den ersten Anschluss einzukoppeln. Ein Schritt 4025 besteht darin, einen zweiten Teil (bei einer zweiten Wellenlänge) des zweiten Lichts in den zweiten Anschluss einzukoppeln. Ein vierter Schritt 4030 besteht darin, ein drittes Licht von dem dritten Anschluss zu übertragen, wobei das dritte Licht einen Teil des ersten Teils und einen Teil des zweiten Teils enthält. Ein fünfter Schritt 4035 besteht darin, einen Teil des dritten Lichts als ersten Lichtstrahl durch das optische System und aus dem Koordinatenmessgerät hinaus zu übertragen. Ein Schritt 4040 besteht darin, den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung zu richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird. Ein Schritt 4045 besteht darin, den ersten Drehwinkel mit dem ersten Winkelmessgerät zu messen und einen zweiten Drehwinkel mit dem zweiten Winkelmessgerät zu messen. Ein Schritt 4050 besteht darin, einen Teil des ersten Strahls von dem Retroreflektorziel als zweiten Strahl reflektieren zu lassen. Ein Schritt 4055 besteht darin, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel mit dem Distanzmesser zu messen, wobei der gemessene Abstand zumindest teilweise auf einem dritten Teil des zweiten Lichtstrahls basiert, der von einem ersten optischen Detektor aufgefangen wurde. Ein Schritt 4060 besteht darin, dreidimensionale Koordinaten des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel zu ermitteln. Ein Schritt 4065 besteht darin, die ermittelten dreidimensionalen Koordinaten zu speichern.
19 zeigt ein Verfahren 4110 zum Messen von dreidimensionalen Koordinaten eines Retroreflektorziels. Ein Schritt 4115 besteht darin, eine Positionsdetektorbaugruppe bereitzustellen, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionsdetektor umfasst. Ein Schritt 4120 besteht darin, einen vierten Teils des zweiten Strahls auf den Positionsdetektor zu senden. Ein Schritt 4125, der Schritt A von 18 folgt, besteht darin, ein erstes Signal von dem Positionsdetektor zu erhalten, wobei das erste Signal auf die Position des vierten Teils auf dem Positionsdetektor anspricht. Ein Schritt 4130 besteht darin, ein zweites Signal zu dem ersten Motor zu senden und ein drittes Signal zu dem zweiten Motor zu senden, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren. Ein Schritt 4135 besteht darin, die erste Richtung des ersten Strahls auf die räumliche Position des Retroreflektorziels einzustellen. Das Verfahren endet bei Schritt B.
Obwohl die Erfindung anhand von Beispielausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Elementen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster”, „zweiter” usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster”, „zweiter” usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein”, „eine” usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.

Claims

Koordinatenmessgerät, derart konfiguriert, dass es einen ersten Lichtstrahl zu einem entfernten Retroreflektorziel sendet, wobei das Retroreflektorziel eine räumliche Position aufweist, wobei das Retroreflektorziel einen Teil des ersten Strahls als zweiten Strahl zurückwirft, wobei das Messgerät Folgendes umfasst: eine erste Lichtquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie ein erstes Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert; eine zweite Lichtquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie ein zweites Licht mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge verschieden ist; einen faseroptischen Koppler, der mindestens einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss umfasst, wobei der erste Anschluss derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Teil des ersten Lichts aufnimmt, wobei der zweite Anschluss derart konfiguriert ist, dass er einen zweiten Teil des zweiten Lichts aufnimmt, wobei der dritte Anschluss derart konfiguriert ist, dass er ein drittes Licht überträgt, wobei das dritte Licht einen Teil des ersten Teils und einen Teil des zweiten Teils umfasst; ein optisches System, das derart konfiguriert ist, dass es einen Teil des dritten Lichts als ersten Strahl aus dem Koordinatenmessgerät hinaus überträgt; einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die zusammen derart konfiguriert sind, dass sie den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird; ein erstes Winkelmessgerät, das derart konfiguriert ist, dass es den ersten Drehwinkel misst, und ein zweites Winkelmessgerät, das derart konfiguriert ist, dass es den zweiten Drehwinkel misst; einen Distanzmesser, der derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf einem dritten Teil des zweiten Strahls misst, der von einem ersten optischen Detektor aufgefangen wurde; und einen Prozessor, der derart konfiguriert ist, dass er dreidimensionale Koordinaten des Retroreflektorziels bereitstellt, wobei die dreidimensionalen Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basieren.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Positionsdetektorbaugruppe, die einen Positionsdetektor umfasst, wobei ein vierter Teil des zweiten Strahls auf den Positionsdetektor durchgeht, wobei der Positionsdetektor derart konfiguriert ist, dass er ein erstes Signal als Reaktion auf eine Position des vierten Teils auf dem Positionsdetektor erzeugt; und ein Steuersystem, das derart konfiguriert ist, dass es ein zweites Signal zu dem ersten Motor und ein drittes Signal zu dem zweiten Motor sendet, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuersystem derart konfiguriert ist, dass es die erste Richtung des ersten Strahls auf die räumliche Position des Retroreflektorziels einstellt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Distanzmesser ein Absolutdistanzmesser ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei das optische System ferner derart konfiguriert ist, dass es den dritten Teil des zweiten Strahls in den dritten Anschluss des faseroptischen Kopplers einkoppelt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei der faseroptische Koppler ferner einen vierten Anschluss umfasst.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5, wobei der vierte Anschluss an einen reflexionsarmen Endverschluss angeschlossen ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Wellenlänge zwischen 780 nm und 850 nm beträgt.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei die zweite Wellenlänge eine rote Wellenlänge oder eine grüne Wellenlänge ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Wellenlänge eine infrarote Wellenlänge ist und die zweite Wellenlänge eine sichtbare Wellenlänge ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Wellenlänge eine sichtbare Wellenlänge ist und die zweite Wellenlänge eine infrarote Wellenlänge ist.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Wellenlänge eine sichtbare Wellenlänge ist und die zweite Wellenlänge eine sichtbare Wellenlänge ist.
Verfahren zum Messen von dreidimensionalen Daten eines an einer räumlichen Position angeordneten Retroreflektorziels, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts, das Folgendes umfasst: eine erste Lichtquelle, die ein erstes Licht bei einer ersten Wellenlänge erzeugt, eine zweite Lichtquelle, die ein zweites Licht bei einer von der ersten Wellenlänge verschiedenen zweiten Wellenlänge erzeugt, einen faseroptischen Koppler, der einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss umfasst, ein optisches System, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät, einen Distanzmesser und einen Prozessor; Einkoppeln eines ersten Teils des ersten Lichts in den ersten Anschluss; Einkoppeln eines zweiten Teils des zweiten Lichts in den zweiten Anschluss; Übertragen eines dritten Lichts von dem dritten Anschluss, wobei das dritte Licht einen Teil des ersten Teils und einen Teil des zweiten Teils enthält; Übertragen eines Teils des dritten Lichts als ersten Lichtstrahl durch das optische System aus dem Koordinatenmessgerät hinaus; Richten des ersten Lichtstrahls in eine erste Richtung, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird; Messen des ersten Drehwinkels mit dem ersten Winkelmessgerät; Messen des zweiten Drehwinkels mit dem zweiten Winkelmessgerät; Reflektierenlassen eines Teils des ersten Strahls von dem Retroreflektorziel als zweiten Strahl; Messen eines ersten Abstands von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel mit dem Distanzmesser, wobei der gemessene Abstand zumindest teilweise auf einem dritten Teil des zweiten Lichtstrahls basiert, der von einem ersten optischen Detektor aufgefangen wurde; Ermitteln von dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel; und Speichern der ermittelten dreidimensionalen Koordinaten.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Positionsdetektorbaugruppe, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionsdetektor umfasst; Senden eines vierten Teils des zweiten Strahls auf den Positionsdetektor; Erhalten eines ersten Signals von dem Positionsdetektor, wobei das erste Signal auf die Position des vierten Teils auf dem Positionsdetektor anspricht; Senden eines zweiten Signals zu dem ersten Motor und Senden eines dritten Signals zu dem zweiten Motor, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren; und Einstellen der ersten Richtung des ersten Strahls auf die räumliche Position des Retroreflektorziels.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts ferner das Bereitstellen des Distanzmessers als Absolutdistanzmesser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Messen eines ersten Abstands von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel mit dem Distanzmesser ferner einen Schritt zum Einkoppeln des dritten Teils des zweiten Strahls in den dritten Anschluss des faseroptischen Kopplers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts ferner das Bereitstellen des faseroptischen Kopplers mit einem vierten Anschluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zum Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts ferner das Bereitstellen des faseroptischen Kopplers mit dem an einen reflexionsarmen Endverschluss angeschlossenen vierten Anschluss umfasst.