DE112012001714B4 - Dimensionsmessvorrichtung und Verfahren zur Inbetriebnahme einer Dimensionsmessvorrichtung - Google Patents

Dimensionsmessvorrichtung und Verfahren zur Inbetriebnahme einer Dimensionsmessvorrichtung Download PDF

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Abstract

Dimensionsmessvorrichtung (10), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Lichtstrahl (46) zu einem entfernten Retroreflektorziel (26) zu senden, wobei das Retroreflektorziel (26) eine Position im Raum hat, wobei die Dimensionsmessvorrichtung (10) aufweist: einen ersten Motor (2125) und einen zweiten Motor (2155), die zusammen den ersten Lichtstrahl (46) in eine erste Richtung richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse (20) und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse (18) bestimmt wird, wobei die zweite Achse (18) senkrecht zu der ersten Achse (20) ist, wobei sich die erste Achse (20) und die zweite Achse (18) in einem Kardanpunkt (22) schneiden, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor (2125) erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor (2155) erzeugt wird; eine Optikbaugruppe (3650), umfassend ein Gehäuse (3622), ein Lichtelement (3814), eine Linse (3822, 3824), einen ersten Strahlenteiler (3832) und einen Positionsdetektor (3846), wobei das Lichtelement (3814), die Linse (3822, 3824), der erste Strahlenteiler (3832) und der Positionsdetektor (3846) fest an dem Gehäuse (3622) angebracht sind, wobei das Gehäuse (3622) über zumindest einen ersten Bereich einer Außenfläche des Gehäuses (3622) eine zylindrische Form aufweist, wobei die zylindrische Form eine dritte Achse (57) aufweist, die durch eine Mittellinie der zylindrischen Form hindurchgeht, wobei Abstände von der dritten Achse zu Punkten in dem ersten Bereich ein konstanter Wert sind, wobei die Optikbaugruppe (3650) ausbaubar in eine Kardanbaugruppe der Dimensionsmessvorrichtung (10) eingesetzt ist, wobei das Lichtelement (3814) entweder eine Lichtquelle oder eine Lichtleiterkomponente ist, die an einer Lichtquelle angebracht ist, wobei das Lichtelement (3814) dafür konfiguriert ist, ein erstes ...

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Dimensionsmessvorrichtung, insbesondere eine Koordinatenmessvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer Dimensionsmessvorrichtung. Eine Reihe von Koordinatenmessvorrichtungen gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punktes durch Senden eines Laserstrahls auf den Punkt messen. Der Laserstrahl kann direkt auf den Punkt oder auf ein Retroreflektorziel treffen, das mit dem Punkt in Kontakt ist. In beiden Fällen bestimmt das Instrument die Koordinaten des Punktes durch Messen des Abstands und der zwei Winkel zu dem Ziel. Der Abstand wird mit einer Distanzmessvorrichtung, wie einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einer Winkelmessvorrichtung, wie einem Winkelkodierer, gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus innerhalb des Instruments lenkt den Laserstrahl auf den entsprechenden Punkt.
  • Der Lasertracker ist eine besondere Art von Koordinatenmessvorrichtung, die das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlen, die sie ausstrahlt, nachführt. Koordinatenmessvorrichtungen, die eng mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Laserscanner und die Totalstation. Der Laserscanner sendet schrittweise einen oder mehrere Laserstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt von der Oberfläche gestreutes Licht auf und bestimmt anhand dieses Lichts den Abstand und zwei Winkel zu jedem Punkt. Die Totalstation, die am häufigsten in Überwachungsanwendungen eingesetzt wird, kann verwendet werden, um die Koordinaten von diffus streuenden oder retroreflektierenden Zielen zu messen. Nachstehend wird der Begriff Lasertracker in einem weiten Sinne verwendet, der Laserscanner und Totalstationen einschließt.
  • Normalerweise sendet der Lasertracker einen Laserstrahl an ein Retroreflektorziel. Eine übliche Art von Retroreflektorziel ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR), der einen würfeleckigen Retroreflektor aufweist, der in einer Metallkugel eingebettet ist. Der würfeleckige Retroreflektor weist drei zueinander senkrechte Spiegel auf. Der Scheitel, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Auf Grund dieser Anordnung des Würfelecks innerhalb der Kugel bleibt der senkrechte Abstand von dem Scheitel zu irgendeiner Oberfläche, auf der der SMR aufliegt, konstant, und dies selbst dann, wenn der SMR gedreht wird. Folglich kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche messen, indem er der Position eines SMR folgt, wenn dieser über die Oberfläche bewegt wird. Mit anderen Worten muss der Lasertracker nur drei Freiheitsgrade (einen radialen Abstand und zwei Winkel) messen, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.
  • Eine Art von Lasertracker enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne Absolutdistanzmesser (ADM). Wenn ein Objekt den Weg des Laserstrahls von einem dieser Tracker blockiert, verliert das IFM seinen Abstandsbezug. Der Bediener muss dann den Retroreflektor an eine bekannte Stelle führen, um ihn auf einen Bezugsabstand zurückzusetzen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Diese Beschränkung kann umgangen werden, indem ein ADM in den Tracker eingesetzt wird. Der ADM kann den Abstand durch Anvisieren und Aufnehmen (”point-and-shoot”) messen, wie es unten genauer beschrieben wird. Einige Lasertracker enthalten nur einen ADM ohne Interferometer. Das Patent US 7,352,446 B2 ('446) von Bridges et al., dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist, beschreibt einen Lasertracker nur mit einem ADM (und keinem IFM), der in der Lage ist, ein sich bewegendes Ziel genau abzutasten. Vor dem Patent '446 waren Absolutdistanzmesser zu langsam, um die Position eines sich bewegenden Ziels genau zu ermitteln.
  • Es kann ein Kardanmechanismus innerhalb des Lasertrackers verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Tracker auf den SMR zu richten. Ein Teil des von dem SMR zurückgestrahlten Lichts tritt in den Lasertracker ein und führt weiter auf einen Positionsdetektor. Ein Steuerungssystem innerhalb des Lasertrackers kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor verwenden, um die Drehwinkel der mechanischen Achsen des Lasertrackers einzustellen, um den Laserstrahl auf dem SMR zentriert zu halten. Auf diese Weise ist der Tracker in der Lage, einen SMR zu verfolgen (nachzuführen), der über die Oberfläche eines Objekts von Interesse bewegt wird. Der für einen Lasertracker verwendete Kardanmechanismus kann für eine Vielfalt anderer Anwendungen eingesetzt werden. Als einfaches Beispiel kann der Lasertracker in einer Kardanlenkvorrichtung mit einem sichtbaren Zeigerstrahl, aber ohne Distanzmesser verwendet werden, um einen Lichtstrahl auf eine Reihe von Retroreflektorzielen zu lenken und die Winkel jedes der Ziele zu messen.
  • Winkelmessvorrichtungen, wie Winkelkodierer, sind an den mechanischen Achsen des Trackers angebracht. Die eine Distanzmessung und die zwei Winkelmessungen, die der Lasertracker vornimmt, reichen aus, um die dreidimensionale Position des SMR vollständig zu spezifizieren.
  • Es sind mehrere Lasertracker erhältlich oder wurden vorgeschlagen, um sechs, und nicht nur die üblichen drei, Freiheitsgrade zu messen. Beispielhafte Systeme mit sechs Freiheitsgraden (sechs-DOF-Systeme) sind in dem Patent US 7,800,758 B1 ('758) von Bridges et al., dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist, und in der veröffentlichten Patentanmeldung US 2010/0128259 A1 von Bridges et al. beschrieben, dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist.
  • Bisher wurden optische Komponenten direkt in ein Lasertrackergestell eingebaut. Neuausrichtungen und Instandsetzungen konnten recht schwierig und kostspielig sein. Es besteht Bedarf an einem Lasertracker mit einer optischen Bank, die dafür konfiguriert ist, vorausgerichtet und ersetzbar zu sein, wodurch sich die Herstellung und Instandsetzung vereinfachen.
  • Die EP 2 259 010 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren einer Referenzkugel. Die Vorrichtung weist eine optische Einheit mit einer Lichtquelle und einer Sammellinse auf. Ein halbdurchlässiger Spiegel und ein dichroitischer Spiegel sind zwischen der Lichtquelle und der Linse angeordnet. Das Licht wird zu einer Referenzkugel gesandt, welche das Licht reflektiert. Wenn die Kugel nahe der optischen Achse positioniert ist, wird das reflektierte Licht über den halbdurchlässigen Spiegel zu einer ersten Bilderfassungsvorrichtung gelenkt. In Abhängigkeit von der Position des einfallenden Lichtes auf dieser Vorrichtung werden der Azimut- und Höhenwinkel der optischen Einheit so eingestellt, dass der Lichtstrahl auf das Zentrum der Kugel gelenkt wird. Eine grobe Anpassung der Winkel kann durch eine zweite Bilderfassungsvorrichtung erfolgen, die das Bild der Referenzkugel erkennt. Optional kann die optische Einheit einen Entfernungsmesssystem umfassen, das durch Lichtinterferenz funktioniert.
  • Die WO 2010/148525 A1 offenbart ein Koordinatenmessgerät mit einem Träger, der bezüglich einer Basis um zwei Achsen drehbar ist, sowie einer Regelungseinrichtung, die den Träger automatisch auf einen Retroreflektorziel oder dergleichen ausrichtet. Eine Aus- und/oder Eintrittsoptik eines Distanzmessers, einer feinen Zieldetektionseinheit und einer groben Zieldetektionseinheit sind gemeinsam auf dem Träger angeordnet.
  • Die US 6,351,483 B1 offenbart ein Verfahren zum Ausrichten der optischen Achse einer Laserprojektionsvorrichtung mit der geometrischen Achse eines rohrförmigen Elements, in welchem eine Lasererzeugungseinheit angeordnet ist. Das rohrförmige Element wird um seine geometrische Achse gedreht, während der Laserstrahl projiziert wird. Falls notwendig, wird das Element verformt, bis keine Abweichung des projizierten Strahls während der Rotation mehr feststellbar ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dimensionsmessvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Lichtstrahl an ein entferntes Retroreflektorziel zu senden. Die Messvorrichtung umfasst: einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die zusammen den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung lenken, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, wobei die zweite Achse senkrecht zu der ersten Achse ist, wobei sich die erste Achse und die zweite Achse an einem Kardanpunkt schneiden, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird. Die Vorrichtung umfasst weiterhin: eine Optikbaugruppe, umfassend ein Gehäuse, ein Lichtelement, eine Linse, einen ersten Strahlenteiler und einen Positionsdetektor, wobei das Lichtelement, die Linse, der erste Strahlenteiler und der Positionsdetektor fest an dem Gehäuse angebracht sind, wobei das Gehäuse über zumindest einen ersten Bereich einer Außenfläche des Gehäuses eine zylindrische Form aufweist, wobei die zylindrische Form eine dritte Achse aufweist, die durch eine Mittellinie der zylindrischen Form hindurchgeht, wobei Abstände von der dritten Achse zu Punkten in dem ersten Bereich ein konstanter Wert sind, wobei die Optikbaugruppe ausbaubar in eine Kardanbaugruppe der Dimensionsmessvorrichtung eingesetzt ist, wobei das Lichtelement entweder eine Lichtquelle oder eine an der Lichtquelle angebrachte Lichtleiterkomponente ist, wobei das Lichtelement dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht auszustrahlen, wobei der erste Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichts ist, wobei die Optikbaugruppe dafür konfiguriert ist, den ersten Lichtstrahl entlang einer vierten Achse zu senden, wobei die dritte Achse und die vierte Achse zusammenfallen und mit dem Kardanpunkt in einer Linie und in einer Ebene liegen, die die erste Achse enthält und senkrecht zur zweiten Achse ist, wobei der erste Strahlenteiler dafür konfiguriert ist, einen zweiten Teil, welcher ein Teil des zweiten Lichtstrahls ist, zu dem Positionsdetektor zu senden welcher zweite Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, der vom Retroreflektorziel zurückgeworfen wird, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal in Abhängigkeit einer Position des zweiten Teils auf dem Positionsdetektor zu erzeugen; und ein Steuerungssystem, das ein zweites Signal an den ersten Motor und ein drittes Signal an den zweiten Motor sendet, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuerungssystem dafür konfiguriert ist, die erste Richtung auf eine Position des Retroreflektorziels im Raum einzustellen.
  • Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer Dimensionsmessvorrichtung durch Vorausrichten einer Optikbaugruppe, Installieren der Optikbaugruppe in einer Dimensionsmessvorrichtung und Verwenden der Dimensionsmessvorrichtung zum Messen eines entfernten Retroreflektorziels vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten Motors und eines zweiten Motors, die zusammen eine fünfte Achse mit einer ersten Richtung ausrichten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, wobei die zweite Achse senkrecht zu der ersten Achse ist, wobei sich die erste Achse, die zweite Achse und die fünfte Achse an einem Kardanpunkt schneiden, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird. Das Verfahren umfasst weiterhin: Bereitstellen einer Optikbaugruppe, umfassend ein Gehäuse, ein Lichtelement, eine Linse, einen ersten Strahlenteiler und einen Positionsdetektor, wobei das Lichtelement, die Linse, der erste Strahlenteiler und der Positionsdetektor fest an dem Gehäuse angebracht sind, wobei das Gehäuse eine zylindrische Form zumindest über einen ersten Bereich einer Außenfläche des Gehäuses aufweist, wobei die zylindrische Form eine dritte Achse aufweist, die durch eine Mittellinie der zylindrischen Form hindurchgeht, wobei Abstände von der dritten Achse zu Punkten in dem ersten Bereich einen konstanten Wert aufweisen, wobei das Lichtelement entweder eine Lichtquelle oder eine an der Lichtquelle angebrachte Lichtleiterkomponente ist, wobei das Lichtelement dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht auszustrahlen, wobei ein dritter Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichts ist, wobei der dritte Lichtstrahl einen ersten Weg relativ zu der Optikbaugruppe aufweist, wobei die Optikbaugruppe dafür konfiguriert ist, die Einstellung des ersten Wegs zu ermöglichen. Das Verfahren umfasst weiterhin: Bereitstellen einer Ausrichtungsbefestigung, wobei die Ausrichtungsbefestigung dafür konfiguriert ist, die Optikbaugruppe in dem ersten Bereich zu halten und die Drehung der Optikbaugruppe um die dritte Achse einzuschränken; Platzieren der Optikbaugruppe auf der Ausrichtungsbefestigung auf eine solche Weise, dass die Ausrichtungsbefestigung in dem ersten Bereich mit der Optikbaugruppe an Kontaktpunkten in Kontakt kommt; Projizieren des dritten Lichtstrahls auf eine erste Oberfläche, wobei die erste Oberfläche einen ersten Abstand von der Optikbaugruppe hat; Drehen der Optikbaugruppe um die dritte Achse auf der Ausrichtungsbefestigung; Abtasten einer Änderung der Position des dritten Lichtstrahls auf der ersten Oberfläche in Abhängigkeit der Drehung der Optikbaugruppe um die dritte Achse; Einstellen des ersten Weges, um den dritten Lichtstrahl auf die dritte Achse auszurichten, wobei die Einstellung zumindest teilweise auf der beobachteten Positionsänderung des dritten Lichtstrahls auf der ersten Oberfläche basiert; Anbringen der Optikbaugruppe an der Dimensionsmessvorrichtung, wobei das Anbringen den dritten Lichtstrahl mit der fünften Achse ausrichtet; Richten des dritten Lichtstrahls auf ein entferntes Retroreflektorziel; Reflektieren eines Teils des dritten Lichtstrahls von dem Retroreflektorziel als einen vierten Lichtstrahl; und Senden eines dritten Teils des vierten Lichtstrahls von dem Strahlenteiler zu dem Positionsdetektor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen sind beispielhafte Ausführungsformen gezeigt, wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:
  • 1 ist eine Perspektivansicht eines Lasertrackersystems mit einem Retroreflektorziel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Perspektivansicht eines Lasertrackersystems mit einem sechs-DOF-Ziel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das Elemente einer Lasertrackeroptik und -Elektronik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt;
  • 4, die die 4A und 4B umfasst, zeigt zwei Arten von afokalen Strahlaufweitern des Stands der Technik;
  • 5 zeigt eine faseroptische Strahleinkopplung des Stands der Technik;
  • 6A–D sind schematische Figuren, die vier Arten von Positionsdetektorbaugruppen des Stands der Technik zeigen;
  • 6E und 6F sind schematische Figuren, die Positionsdetektorbaugruppen nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 7 ist ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen innerhalb eines ADMs des Stands der Technik;
  • 8A und 8B sind schematische Figuren, die faseroptische Elemente innerhalb eines faseroptischen Netzes des Stands der Technik zeigen;
  • 8C ist eine schematische Figur, die faseroptische Elemente innerhalb eines faseroptischen Netzes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 9 ist eine Explosionsansicht eines Lasertrackers des Stands der Technik;
  • 10 ist eine Querschnittsansicht eines Lasertrackers des Stands der Technik;
  • 11 ist ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Kommunikationselemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12A ist ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine einzige Wellenlänge verwendet;
  • 12B ist ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine einzige Wellenlänge verwendet;
  • 13 ist ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker mit einer sechs-DOF-Fähigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 14A–D sind eine Draufsicht, eine Seitenansicht, eine Schnittansicht von oben und eine Schnittansicht von der Seite einer Orientierungskamera gemäß zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
  • 15 ist eine Perspektivansicht eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die Abdeckungen abgenommen wurden und der Optikblock entfernt ist;
  • 16 ist eine Explosionsansicht, die eine optische Bank in Bezug auf andere Elemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 17 ist eine Explosionsansicht einer Zenitwelle, einer optischen Bank und einer ersten Optikbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 18 ist eine Explosionsansicht einer Zenitwelle, einer optischen Bank und einer zweiten Optikbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 19 ist eine Perspektivansicht einer Zenitwelle, einer optischen Bank und einer zweiten Optikbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zusammengebaut sind;
  • 20 ist eine Draufsicht einer Orientierungskamera-Optikbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 21 ist eine Querschnittsansicht einer optischen Bank, einer Optikbaugruppe und einer Positionsdetektorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 22 ist eine Perspektivansicht einer optischen Bank gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf einer Ausrichtungsbefestigung befestigt ist;
  • 23 ist eine Querschnittsansicht von zwei Strahlenteilern innerhalb des optischen Wegs der optischen Bank gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 24 ist ein Flussdiagramm, das Schritte in einem Verfahren zur Ausrichtung der optischen Bank gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 25 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Vorausrichtung einer Optikbaugruppe, zum Installieren der Optikbaugruppe in einer Dimensionsmessvorrichtung und zur Verwendung der Vorrichtung zum Messen eines entfernten Retroreflektorziels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 26 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das bei einer Markierung A in 25 beginnt;
  • 27 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das bei einer Markierung A in 25 beginnt;
  • 28 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das bei einer Markierung A in 25 beginnt; und
  • 29 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das bei einer Markierung A in 25 beginnt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ein beispielhaftes, in 1 veranschaulichtes Lasertrackersystem 5 umfasst einen Lasertracker 10, ein Retroreflektorziel 26, einen optionalen Hilfseinheitsprozessor 50 und einen optionalen Hilfscomputer 60. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitwagen 14, der auf einer Azimutbasis 16 montiert ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzmasse 15 ist auf dem Zenitwagen 14 angebracht und wird um eine Zenitachse 18 gedreht. Die Zenitachse 18 und die Azimutachse 20 schneiden sich orthogonal innerhalb des Trackers 10 an einem Kardanpunkt 22, der typischerweise der Ausgangspunkt für Distanzmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 geht fast durch den Kardanpunkt 22 hindurch und wird orthogonal zur Zenitachse 18 gerichtet. Mit anderen Worten liegt der Laserstrahl 46 in einer Ebene in etwa senkrecht zu der Zenitachse 18, die durch die Azimutachse 20 hindurch geht. Der ausgehende Laserstrahl 46 wird durch Drehung der Nutzmasse 15 um die Zenitachse 18 und durch Drehung des Zenitwagens 14 um die Azimutachse 20 in die gewünschte Richtung gerichtet. Ein Zenitwinkelkodierer, der sich innerhalb des Trackers befindet, ist an einer mit der Zenitachse 18 ausgerichteten mechanischen Zenitachse angebracht. Ein Azimutwinkelkodierer, der sich innerhalb des Trackers befindet, ist an einer mit der Azimutachse 20 ausgerichteten mechanischen Azimutachse angebracht. Der Zenit- und der Azimutwinkelkodierer messen den Zenit- und den Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit. Der ausgehende Laserstrahl 46 wandert zu dem Retroreflektorziel 26, welches zum Beispiel ein sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein kann, wie vorstehend beschrieben. Durch Messen des Radialabstands zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26, des Drehwinkels um die Zenitachse 18 und des Drehwinkels um die Azimutachse 20 wird die Position des Retroreflektors 26 innerhalb des Kugelkoordinatensystems des Trackers ermittelt.
  • Der ausgehende Laserstrahl 46 kann wie nachstehend beschrieben eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen. Zur Verdeutlichung und Vereinfachung wird in der folgenden Besprechung von einem Lenkungsmechanismus der in 1 gezeigten Art ausgegangen. Andere Arten von Lenkungsmechanismen sind jedoch auch möglich. Zum Beispiel kann ein Laserstrahl von einem Spiegel reflektiert werden, der um die Azimut- und die Zenitachse gedreht wird. Die hier beschriebenen Techniken sind unabhängig von der Art von Lenkungsmechanismus anwendbar.
  • Es können Magnetnester 17 auf dem Lasertracker enthalten sein, um den Lasertracker für verschieden große SMRs – zum Beispiel SMRs mit Größen von 1,5, 7/8 und ½ Zoll – auf eine Ausgangsposition zurückzustellen. Es kann ein Retroreflektor 19 auf dem Tracker verwendet werden, um den Tracker auf einen Bezugsabstand zurückzusetzen. Außerdem kann ein Spiegel auf dem Tracker, der in der Ansicht von 1 nicht ersichtlich ist, in Kombination mit dem Retroreflektor auf dem Tracker verwendet werden, um die Durchführung einer Selbstkompensation zu ermöglichen, wie sie in dem Patent US 7,327,446 B2 beschrieben ist, dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist.
  • 2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, welches wie das Lasertrackersystem 5 aus 1 ist, außer dass das Retroreflektorziel 26 durch eine sechs-DOF-Sonde 1000 ersetzt ist. In 1 können andere Arten von Retroreflektorzielen verwendet werden. Zum Beispiel wird manchmal ein Katzenauge-Retroreflektor verwendet, welches ein Glas-Retroreflektor ist, in dem Licht auf einen kleinen Lichtpunkt auf einer reflektierenden Rückfläche der Glasstruktur fokussiert wird.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das optische und elektrische Elemente in einer Ausführungsform des Lasertrackers zeigt. Es zeigt Elemente eines Lasertrackers, die zwei Wellenlängen von Licht emittieren – eine erste Wellenlänge für einen ADM und eine zweite Wellenlänge für einen sichtbaren Zeiger und zum Nachführen. Der sichtbare Zeiger ermöglicht es dem Benutzer, die Position des Laserstrahlpunktes, der von dem Tracker ausgestrahlt wird, zu sehen. Die beiden verschiedenen Wellenlängen werden unter Verwendung eines Freiraum-Strahlenteilers kombiniert. Ein elektrooptisches (EO) System 100 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, gegebenenfalls eine erste Fasereinkopplung 170, gegebenenfalls ein Interferometer (IFM) 120, einen Strahlaufweiter 140, einen ersten Strahlenteiler 145, eine Positionsdetektorbaugruppe 150, einen zweiten Strahlenteiler 155, einen ADM 160 und eine zweite Fasereinkopplung 170.
  • Die sichtbare Lichtquelle 110 kann ein Laser, eine superstrahlende Diode oder eine andere Licht emittierende Vorrichtung sein. Der Isolator 115 kann ein Faraday-Isolator, ein Abschwächer oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, das Licht abzuschwächen, das zurück in die Lichtquelle reflektiert wird. Das optionale IFM kann auf vielfältige Weise konfiguriert sein. Als spezifisches Beispiel für eine mögliche Implementierung kann das IFM einen Strahlenteiler 122, einen Retroreflektor 126, Lambda-Viertel-Plättchen 124, 130 und einen Phasenanalysator 128 umfassen. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann das Licht in freien Raum einkoppeln, wobei das Licht dann durch den Isolator 115 und das optionale IFM 120 in den freien Raum wandert. In einer anderen Ausführungsform kann der Isolator 115 durch ein Lichtleiterkabel an die sichtbare Lichtquelle 110 gekoppelt sein. In diesem Fall kann das Licht von dem Isolator durch den ersten faseroptischen Einkoppler 170 in den freien Raum eingekoppelt werden, wie es hier nachstehend anhand von 5 besprochen wird.
  • Der Strahlaufweiter 140 kann unter Verwendung einer Vielfalt von Linsenkonfigurationen eingerichtet werden; in den 4A, 4B sind jedoch zwei üblicherweise verwendete Konfigurationen des Stands der Technik gezeigt. 4A zeigt eine Konfiguration 140A, die auf der Verwendung einer negativen Linse 141A und einer positiven Linse 142A basiert. Ein Strahl von kollimiertem Licht 220A, das auf die negative Linse 141A fällt, tritt als ein größerer Strahl von kollimiertem Licht 230A aus der positiven Linse 142A aus. 4B zeigt eine Konfiguration 140B, die auf der Verwendung von zwei positiven Linsen 141B, 142B basiert. Ein Strahl von kollimiertem Licht 220B, das in eine erste positive Linse 141B fällt, tritt als ein größerer Strahl von kollimiertem Licht 230B aus einer zweiten positiven Linse 142B aus. Von dem aus dem Strahlaufweiter 140 austretenden Licht wird ein kleiner Betrag auf dem Weg aus dem Tracker an den Strahlenteilern 145, 155 reflektiert und geht verloren. Der Teil des Lichts, der durch den Strahlenteiler 155 hindurchgeht, wird mit dem Licht aus dem ADM 160 kombiniert und bildet so einen zusammengesetzten Lichtstrahl 188, der aus diesem Lasertracker austritt und zu dem Retroreflektor 90 wandert.
  • In einer Ausführungsform umfasst der ADM 160 eine Lichtquelle 162, eine ADM-Elektronik 164, ein Fasernetz 166, ein elektrisches Verbindungskabel 165 und verbindende Lichtleiter 168, 169, 184, 186. Die ADM-Elektronik sendet eine elektrische Modulationsspannung und Vorspannung an die Lichtquelle 162, die zum Beispiel ein Laser mit verteilter Rückkopplung sein kann, der auf einer Wellenlänge von etwa 1550 nm arbeitet. In einer Ausführungsform kann das Fasernetz 166 das in 8A gezeigte faseroptische Netz 420A des Stands der Technik sein. Bei dieser Ausführungsform wandert Licht von der Lichtquelle 162 in 3 über den Lichtleiter 184, der zu dem Lichtleiter 432 in 8A äquivalent ist.
  • Das Fasernetz aus 8A umfasst einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und Reflektoren 435, 440 mit geringer Durchlässigkeit. Das Licht wandert durch den ersten Faserkoppler 430 und teilt sich in zwei Wege auf, wobei der erste Weg durch den Lichtleiter 433 zu dem zweiten Faserkoppler 436 geht und der zweite Weg durch den Lichtleiter 422 und einen Faserlängenausgleicher 423 geht. Der Faserlängenausgleicher 423 ist in 3 an die Faserlänge 168 angeschlossen, die zum Referenzkanal der ADM-Elektronik 164 wandert. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge von Lichtleitern, durch die im Referenzkanal Licht hindurchgeht, an die Länge von Lichtleitern anzupassen, durch die im Messkanal Licht hindurchgeht. Das Anpassen der Faserlängen auf diese Weise verringert durch Änderungen der Umgebungstemperatur verursachte ADM-Fehler. Solche Fehler können auftreten, da der effektive Lichtweg eines Lichtleiters gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtleiters mal die Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der Lichtleiter von der Temperatur der Faser abhängt, verursacht eine Änderung der Temperatur der Lichtleiter Änderungen des effektiven Lichtwegs des Mess- und Referenzkanals. Wenn sich der effektive Lichtweg des Lichtleiters in dem Messkanal relativ zu dem effektiven Lichtweg des Lichtleiters in dem Referenzkanal ändert, ergibt sich eine offensichtliche Verschiebung der Position des Retroreflektorziels 90, und dies selbst dann, wenn das Retroreflektorziel 90 ortsfest gehalten wird. Um dieses Problem zu umgehen, werden zwei Schritte vorgenommen. Zunächst wird die Länge der Faser in dem Referenzkanal so weit wie möglich an die Länge der Faser in dem Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und die Bezugsfaser so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die Lichtleiter in den beiden Kanälen nahezu die gleichen Temperaturänderungen erfahren.
  • Das Licht wandert durch den zweiten faseroptischen Koppler 436 und teilt sich in zwei Wege auf, wobei der erste Weg zu dem schwach reflektierenden Faseranschluss 440 und der zweite Weg zu dem Lichtleiter 438 geht, von dem es zum Lichtleiter 186 in 3 wandert. Das Licht in dem Lichtleiter 186 wandert durch die zweite Fasereinkopplung 170.
  • In einer Ausführungsform ist der Fasereinkopplung 170 im Stand der Technik in 5 gezeigt. Das Licht von dem Lichtleiter 186 aus 3 geht zur Faser 172 in 5. Die Fasereinkopplung 170 umfasst den Lichtleiter 172, einen Metallring 174 und eine Linse 176. Der Lichtleiter 172 ist an dem Metallring 174 befestigt, der stabil an einer Struktur innerhalb des Lasertrackers 10 befestigt ist. Falls dies gewünscht ist, kann das Ende des Lichtleiters in einem Winkel poliert sein, um Rückstrahlungen zu verringern. Das Licht 250 tritt aus dem Kern der Faser aus, die ein Einmoden-Lichtleiter mit einem Durchmesser zwischen 4 und 12 Mikrometern sein kann, je nach der Wellenlänge des verwendeten Lichts und der besonderen Art von Lichtleiter. Das Licht 250 divergiert in einem Winkel und wird von der Linse 176 aufgefangen, die es kollimiert. Das Verfahren des Einkoppelns und Empfangens eines optischen Signals durch einen einzelnen Lichtleiter in einem ADM-System wurde in dem Patent '758 mit Bezug auf 3 beschrieben.
  • Bezugnehmend auf 3 kann der Strahlenteiler 155 ein dichroitischer Strahlenteiler sein, der andere Wellenlängen überträgt als er reflektiert. In einer Ausführungsform wird das Licht von dem ADM 160 von dem dichroitischen Strahlenteiler 155 reflektiert und mit dem Licht von dem sichtbaren Laser 110 kombiniert, das durch den dichroitischen Strahlenteiler 155 übertragen wird. Der zusammengesetzte Lichtstrahl 188 wandert als ein erster Strahl aus dem Lasertracker zu dem Retroreflektor 90, der einen Teil des Lichts als einen zweiten Strahl zurückwirft. Derjenige Teil des zweiten Strahls, der auf der ADM-Wellenlänge liegt, wird von dem dichroitischen Strahlenteiler 155 reflektiert und kehrt zu der zweiten Fasereinkopplung 170 zurück, die das Licht wieder in den Lichtleiter 186 einkoppelt.
  • In einer Ausführungsform entspricht der Lichtleiter 186 dem Lichtleiter 438 in 8A. Das zurückkehrende Licht wandert von dem Lichtleiter 438 durch den zweiten Faserkoppler 436 und teilt sich in zwei Wege auf. Ein erster Weg führt zu dem Lichtleiter 424, der in einer Ausführungsform dem Lichtleiter 169 entspricht, der zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 164 in 3 führt. Ein zweiter Weg führt zu dem Lichtleiter 433 und dann zu dem ersten Faserkoppler 430. Das aus dem ersten Faserkoppler 430 austretende Licht teilt sich in zwei Wege auf, wobei ein erster Weg zu dem Lichtleiter 432 und ein zweiter Weg zu dem schwach reflektierenden Anschluss 435 geht. In einer Ausführungsform entspricht der Lichtleiter 432 dem Lichtleiter 184, der zu der Lichtquelle 162 in 3 führt. In den meisten Fällen enthält die Lichtquelle 162 ein eingebauten Faraday-Isolator, das den Betrag an Licht minimiert, der von dem Lichtleiter 432 in die Lichtquelle eintritt. Überschüssiges Licht, das in den Laser in umgekehrter Richtung eingespeist wird, kann den Laser destabilisieren.
  • Das Licht von dem Fasernetz 166 tritt durch die Lichtleiter 168, 169 in die ADM-Elektronik 164 ein. Eine Ausführungsform einer ADM-Elektronik des Stands der Technik ist in 7 gezeigt. Der Lichtleiter 168 in 3 entspricht dem Lichtleiter 3232 in 7, und der Lichtleiter 169 in 3 entspricht dem Lichtleiter 3230 in 7. Nun mit Bezug auf 7 umfasst die ADM-Elektronik 3300 eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Bezugsdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Bezugsmischer 3312, eine Aufbereitungselektronik 3314, 3316, 3318, 3320, einen Divide-by-N-Vorteiler 3324 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 3322. Die Frequenzreferenz, die zum Beispiel ein beheizter Quarzoszillator (Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO) sein kann, sendet eine Referenzfrequenz fREF, die zum Beispiel 10 MHz betragen kann, an den Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt, und zwar ein Signal bei einer Frequenz fRF und zwei Signale bei einer Frequenz fLO. Das Signal fRF geht zur Lichtquelle 3102, die der Lichtquelle 162 in 3 entspricht. Die beiden Signale bei der Frequenz fLO gehen zum Messmischer 3310 und zum Bezugsmischer 3312. Das Licht von den Lichtleitern 168, 169 in 3 erscheint an den Fasern 3232 bzw. 3230 in 7 und tritt jeweils in den Bezugs- und den Messkanal ein. Der Bezugsdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden von elektrischen Bauteilen 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zu den Mischern 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz fIF gleich dem Absolutwert von fLO – fRF. Das Signal fRF kann eine relativ hohe Frequenz sein, zum Beispiel 2 GHz, während das Signal fIF eine relativ niedrige Frequenz haben kann, zum Beispiel 10 kHz.
  • Die Referenzfrequenz fREF wird an den Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch einen ganzzahligen Wert teilt. Zum Beispiel kann eine Frequenz von 10 MHz durch 40 geteilt werden, um eine Ausgangsfrequenz von 250 kHz zu erhalten. In diesem Beispiel würden die 10 kHz-Signale, die in den ADC 3322 eintreten, bei einer Rate von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt würden. Die Signale von dem ADC 3322 werden an einen Datenprozessor 3400 gesendet, der zum Beispiel aus einer oder mehreren digitalen Signalprozessoreinheiten (DSP) bestehen kann, die sich in der ADM-Elektronik 164 von 3 befinden.
  • Das Verfahren zur Extraktion eines Abstands basiert auf der Berechnung der Phase der ADC-Signale für den Bezugs- und den Messkanal. Dieses Verfahren ist genau in dem Patent US 7,701,559 B2 ('559) von Bridges et al. beschrieben, dessen Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist. Die Berechnung umfasst die Verwendung der Gleichungen (1)–(8) des Patents '559. Außerdem werden, wenn der ADM zunächst beginnt, einen Retroreflektor zu messen, die von dem Synthesizer erzeugten Frequenzen mehrmals (zum Beispiel drei Mal) geändert, und es werden jeweils die möglichen ADM-Abstände berechnet. Durch Vergleich der möglichen ADM-Abstände für jede der ausgewählten Frequenzen wird eine Uneindeutigkeit in der ADM-Messung herausgenommen. Die Gleichungen (1)–(8) des Patentes '559 in Kombination mit den in Bezug auf 5 des Patentes '559 beschriebenen Synchronisationsverfahren und den in dem Patent '559 beschriebenen Kalman-Filter-Verfahren ermöglichen es dem ADM, ein sich bewegendes Ziel zu messen. In anderen Ausführungsformen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen zum Beispiel unter Verwendung von gepulster Laufzeit an Stelle von Phasendifferenzen verwendet werden.
  • Der Teil des rückkehrenden Lichtstrahls 190, der durch den Strahlenteiler 155 geht, erreicht den Strahlenteiler 145, der einen Teil des Lichts zu dem Strahlaufweiter 140 und einen weiteren Teil des Lichts zu der Positionsdetektorbaugruppe 150 sendet. Das aus dem Lasertracker 10 oder dem EO-System 100 austretende Licht kann als ein erster Strahl angesehen werden, und der Abschnitt dieses Lichts, der von dem Retroreflektor 90 oder 26 reflektiert wird, als ein zweiter Strahl. Abschnitte des reflektierten Strahls werden zu verschiedenen Funktionselementen des EO-Systems 100 gesendet. Zum Beispiel kann ein erster Abschnitt an einen Distanzmesser, wie einen ADM 160 in 3 gesendet werden. Ein zweiter Abschnitt kann an eine Positionsdetektorbaugruppe 150 gesendet werden. In manchen Fällen kann ein dritter Abschnitt an andere Funktionseinheiten, wie ein optionales Interferometer 120, gesendet werden. Es ist wichtig zu verstehen, dass, obwohl in dem Beispiel aus 3 der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des zweiten Strahls an den Distanzmesser und den Positionsdetektor gesendet werden, nachdem sie an den Strahlenteilern 155 bzw. 145 reflektiert wurden, es möglich gewesen wäre, das Licht an einen Distanzmesser oder einen Positionsdetektor eher zu übertragen als zu reflektieren.
  • Vier Beispiele von Positionsdetektorbaugruppen 150A–150D des Stands der Technik sind in den 6A–D gezeigt. 6A zeigt die einfachste Implementierung, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionssensor 151 umfasst, der auf einer Leiterplatte 152 montiert ist, die Strom von dem Elektronikkasten 350 erhält und Signale an diesen zurücksendet, wobei der Elektronikkasten eine elektronische Verarbeitungskapazität an jeder Stelle innerhalb des Lasertrackers 10, der Hilfseinheit 50 oder des externen Computers 60 aufweisen kann. 6B umfasst ein optisches Filter 154, das unerwünschte optische Wellenlängen daran hindert, den Positionssensor 151 zu erreichen. Die unerwünschten optischen Wellenlängen können zum Beispiel auch durch Beschichten des Strahlenteilers 145 oder der Oberfläche des Positionssensors 151 mit einem geeigneten Film blockiert werden. 6C umfasst eine Linse 153, die die Größe des Lichtstrahls verkleinert. 6D umfasst sowohl ein optisches Filter 154 als auch eine Linse 153.
  • 6E zeigt eine Positionsdetektorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine optische Aufbereitungsvorrichtung 149E umfasst. Die optische Aufbereitungsvorrichtung enthält eine Linse 153 und kann auch ein optionales Wellenlängenfilter 154 enthalten. Außerdem umfasst sie mindestens einen Diffusor 156 und ein Raumfilter 157. Wie hier vorstehend erklärt wurde, ist eine beliebte Art von Retroreflektor der würfeleckige Retroreflektor. Eine Art von würfeleckigem Retroreflektor besteht aus drei Spiegeln, wobei jeder in einem rechten Winkel an die zwei anderen Spiegel gefügt ist. Schnittlinien, an denen diese drei Spiegel zusammengefügt sind, können eine endliche Dicke aufweisen, bei der Licht nicht einwandfrei zu dem Tracker zurück reflektiert wird. Die Linien der endlichen Dicke werden bei ihrer Ausbreitung gebeugt, so dass sie bei Erreichen des Positionsdetektors vielleicht nicht genauso erscheinen wie am Positionsdetektor. Das gebeugte Lichtmuster weicht jedoch im Allgemeinen von einer perfekten Symmetrie ab. Daraus ergibt sich, dass das Licht, das auf den Positionsdetektor 151 fällt, zum Beispiel Dellen oder Anstiege in der optischen Wirkung (heiße Stellen) in der Nähe der gebeugten Linien haben kann. Da die Gleichmäßigkeit des Lichts von dem Retroreflektor von Retroreflektor zu Retroreflektor schwanken kann, und auch da die Lichtverteilung auf dem Positionsdetektor schwanken kann, wenn der Retroreflektor gedreht oder gekippt wird, kann es vorteilhaft sein, einen Diffusor 156 einzubringen, um die Glätte des Lichts zu verbessern, das auf den Positionsdetektor 151 fällt. Man könnte argumentieren, dass, da ein idealer Positionsdetektor auf einen Flächenschwerpunkt ansprechen und ein idealer Diffusor einen Punkt symmetrisch ausbreiten sollte, sich keine Wirkung auf die durch den Positionsdetektor gegebene resultierende Position ergeben sollte. In der Praxis beobachtet man jedoch, dass der Diffusor die Leistung der Positionsdetektorbaugruppe verbessert, wahrscheinlich wegen der Wirkungen der Nichtlinearitäten (Unregelmäßigkeiten) in dem Positionsdetektor 151 und der Linse 153. Würfeleckige Retroreflektoren aus Glas können auch ungleichmäßige Lichtpunkte an dem Positionsdetektor 151 erzeugen. Schwankungen in einem Lichtpunkt an einem Positionsdetektor können durch Licht, das von Würfelecken in sechs-DOF-Zielen reflektiert wird, besonders markant sein, wie es aus den Patentanmeldungen US 2012/0206808 A1 und US 2012/0206716 A1 , des gleichen Inhabers, deren Inhalt hier bezugnehmend aufgenommen ist, besser verständlich wird. In einer Ausführungsform ist der Diffusor 156 ein holographischer Diffusor. Ein holographischer Diffusor bietet gesteuertes homogenes Licht über einen spezifizierten Streuwinkel. In anderen Ausführungsformen werden andere Arten von Diffusor verwendet, wie ein Diffusor mit Mattglas oder ein ”Opaldiffusor”.
  • Der Zweck des Raumfilters 157 der Positionsdetektorbaugruppe 150E besteht darin zu verhindern, dass Phantomstrahlen, die sich zum Beispiel aus ungewünschten Reflexionen an optischen Oberflächen ergeben können, auf den Positionsdetektor 151 fallen. Ein Raumfilter umfasst eine Platte 157, die eine Blende aufweist. Durch Anordnen des Raumfilters 157 in einem Abstand zu der Linse, der in etwa der Brennweite der Linse entspricht, geht das zurückgeworfene Licht 243E durch das Raumfilter, wenn es fast am engsten ist, nämlich an der Einschnürung des Strahls. Strahlen, die in einem anderen Winkel wandern, zum Beispiel durch eine Reflexion eines optischen Elements, treffen abseits der Blende auf das Raumfilter und werden nicht zum Positionsdetektor 151 durchgelassen. Ein Beispiel ist in 6E gezeigt, in dem ein ungewünschter Phantomstrahl 244E an einer Oberfläche des Strahlenteilers 145 reflektiert wird und zu dem Raumfilter 157 wandert, wo er blockiert wird. Ohne das Raumfilter wäre der Phantomstrahl 244E von dem Positionsdetektor 151 abgefangen worden und hätte dadurch bewirkt, dass die Position des Strahls 243E auf dem Positionsdetektor 151 nicht richtig bestimmt wird. Selbst ein schwacher Phantomstrahl kann die Position des Flächenschwerpunktes auf dem Positionsdetektor 151 erheblich ändern, wenn sich der Phantomstrahl in relativ großem Abstand zu dem Hauptlichtpunkt befindet.
  • Ein Retroreflektor der hier besprochenen Art, zum Beispiel ein würfeleckiger oder ein Katzenaugen-Retroreflektor, hat die Eigenschaft, dass er einen Lichtstrahl, der in den Retroreflektor eintritt, in eine Richtung parallel zu dem einfallenden Strahl reflektiert. Außerdem werden die einfallenden und reflektierten Strahlen symmetrisch um den Symmetriepunkt des Retroreflektors angeordnet. Zum Beispiel ist bei einem offenen würfeleckigen Retroreflektor der Symmetriepunkt des Retroreflektors der Scheitel des Würfelecks. Bei einem würfeleckigen Glasretroreflektor ist der Symmetriepunkt ebenfalls der Scheitel, aber man muss in diesem Fall die Beugung des Lichts an der Glas-Luft-Schnittstelle berücksichtigen. Bei einem Katzenauge-Retroreflektor mit einem Brechungsindex von 2,0 ist der Symmetriepunkt das Zentrum der Kugel. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor, der aus zwei Glashalbkugeln gefertigt ist, die symmetrisch auf einer gemeinsamen Ebene sitzen, ist der Symmetriepunkt ein Punkt, der auf der Ebene und an dem Kugelzentrum jeder Halbkugel liegt. Entscheidend ist, dass für die Art von Retroreflektoren, die normalerweise bei Lasertrackern verwendet werden, das von einem Retroreflektor zu dem Tracker zurückgeworfene Licht relativ zu dem einfallenden Laserstrahl auf die andere Seite des Scheitels verschoben wird.
  • Dieses Verhalten eines Retroreflektors 90 in 3 ist die Grundlage für das Verfolgen des Retroreflektors durch den Lasertracker. Der Positionssensor weist auf seiner Oberfläche einen idealen Nachführpunkt auf. Der ideale Nachführpunkt ist der Punkt, an dem ein zu dem Symmetriepunkt eines Retroreflektors gesendeter Laserstrahl (z. B. der Scheitel des würfeleckigen Retroreflektors bei einem SMR) zurückkehrt. Normalerweise liegt der Nachführpunkt nahe dem Zentrum des Positionssensors. Wenn der Laserstrahl zu einer Seite des Retroreflektors gesendet wird, wird er auf der anderen Seite reflektiert und erscheint abseits des Nachführpunktes auf dem Positionssensor. Durch Vermerken der Position des zurückkehrenden Lichtstrahls auf dem Positionssensor kann das Steuerungssystem des Lasertrackers 10 veranlassen, dass die Motoren den Lichtstrahl zu dem Symmetriepunkt des Retroreflektors bewegen.
  • Wenn der Retroreflektor mit konstanter Geschwindigkeit quer zu dem Tracker bewegt wird, trifft der Lichtstrahl in einem festen versetzten Abstand von dem Symmetriepunkt des Retroreflektors an dem Retroreflektor auf den Retroreflektor (nachdem sich der Übergangszustand eingependelt hat). Der Lasertracker nimmt eine Korrektur vor, um diesen versetzten Abstand an dem Retroreflektor zu berücksichtigen, und zwar basierend auf einem aus gesteuerten Messungen erhaltenen Maßstabsfaktor und basierend auf dem Abstand von dem Lichtstrahl auf dem Positionssensor zu dem idealen Nachführpunkt.
  • Wie hier vorstehend erklärt wurde, übt der Positionsdetektor zwei wichtige Funktionen aus, nämlich das Ermöglichen des Nachführens und das Korrigieren von Messungen, um die Bewegung des Retroreflektors zu berücksichtigen. Der Positionssensor innerhalb des Positionsdetektors kann jede Art von Vorrichtung sein, die in der Lage ist, eine Position zu messen. Zum Beispiel kann der Positionssensor ein lageabhängiger Detektor oder eine lichtempfindliche Matrix sein. Der lageabhängige Detektor kann zum Beispiel ein Seiteneffekt-Detektor oder ein Quadrantendetektor sein. Die lichtempfindliche Matrix kann zum Beispiel eine CMOS- oder CCD-Matrix sein.
  • In einer Ausführungsform geht das Rücklicht, das nicht am Strahlenteiler 145 reflektiert wird, durch den Strahlaufweiter 140 hindurch und wird dadurch kleiner. In einer anderen Ausführungsform werden die Positionen des Positionsdetektors und des Distanzmessers umgekehrt, so dass das von dem Strahlenteiler 145 reflektierte Licht zum Distanzmesser wandert und das von dem Strahlenteiler übertragene Licht zum Positionsdetektor wandert.
  • Das Licht geht weiter durch das optionale IFM, durch den Isolator und in die sichtbare Lichtquelle 110. Zu diesem Zeitpunkt sollte die optische Wirkung klein genug sein, so dass sie die sichtbare Lichtquelle 110 nicht destabilisiert.
  • In einer Ausführungsform wird das Licht von der sichtbaren Lichtquelle 110 durch einen Strahleneinkoppler 170 in 5 eingekoppelt. Die Fasereinkopplung kann an den Ausgang der Lichtquelle 110 oder einem faseroptischen Ausgang des Isolators 115 angebracht sein.
  • In einer Ausführungsform ist das Fasernetz 166 aus 3 das Fasernetz 420B des Stands der Technik aus 8B. Hier entsprechen die Lichtleiter 184, 186, 168, 169 aus 3 den Lichtleitern 443, 444, 424, 422 aus 8B. Das Fasernetz aus 8B ist wie das Fasernetz aus 8A, außer dass das Fasernetz aus 8B einen einzelnen Faserkoppler an Stelle von zwei Faserkopplern aufweist. Der Vorteil von 86 gegenüber 8A ist die Einfachheit; bei 8B ist es jedoch wahrscheinlicher, dass unerwünschte optische Rückstrahlungen in die Lichtleiter 422 und 424 eintreten.
  • In einer Ausführungsform ist das Fasernetz 166 aus 3 das Fasernetz 420C aus 8C. Hier entsprechen die Lichtleiter 184, 186, 168, 169 aus 3 den Lichtleitern 447, 455, 423, 424 aus 8C. Das Fasernetz 420C umfasst einen ersten Faserkoppler 445 und einen zweiten Faserkoppler 451. Der erste Faserkoppler 445 ist ein 2×2 Koppler mit zwei Eingangsöffnungen und zwei Ausgangsöffnungen. Koppler dieser Art werden normalerweise hergestellt, indem zwei Faserkerne nahe beieinander angeordnet und die Fasern dann unter Erwärmen gezogen werden. Auf diese Weise kann eine abklingende Kopplung zwischen den Fasern eine gewünschte Fraktion des Lichts zur angrenzenden Faser abspalten. Der zweite Faserkoppler 451 ist von der als Zirkulator bezeichneten Art. Er hat drei Öffnungen, von denen jede die Fähigkeit besitzt, Licht zu übertragen oder zu empfangen, jedoch nur in der bezeichneten Richtung. Zum Beispiel tritt das Licht an dem Lichtleiter 448 in die Öffnung 453 ein und wird zur Öffnung 454 weitergeleitet, wie durch den Pfeil angezeigt. An der Öffnung 454 kann Licht zum Lichtleiter 455 übertragen werden. Auf ähnliche Weise kann das auf der Öffnung 455 wandernde Licht in die Öffnung 454 eintreten und in Pfeilrichtung zu der Öffnung 456 wandern, wo etwas Licht zum Lichtleiter 426 übertragen werden kann. Wenn nur drei Öffnungen notwendig sind, kann der Zirkulator 451 weniger Verluste an optischer Wirkung erfahren als der 2×2-Koppler. Andererseits kann ein Zirkulator 451 teurer sein als ein 2×2-Koppler, und er kann eine Dispersion im Polarisationsmodus erfahren, was in manchen Situationen problematisch sein kann.
  • Die 9 und 10 zeigen eine Explosionsansicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Lasertrackers 2100 des Stands der Technik, der in den 2 und 3 der veröffentlichten Patentanmeldung US 2010/0128259 A1 von Bridges et al. gezeigt ist, die hier bezugnehmend aufgenommen ist. Eine Azimutbaugruppe 2110 umfasst ein Ständergehäuse 2112, eine Azimutkodiererbaugruppe 2120, ein unteres und ein oberes Azimutlager 2114A, 2114B, eine Azimutmotorbaugruppe 2125, eine Azimutschleifringbaugruppe 2130 und Azimutleiterplatten 2135.
  • Der Zweck der Azimutkodiererbaugruppe 2120 besteht darin, den Drehwinkel des Jochs 2142 in Bezug auf das Ständergehäuse 2112 genau zu messen. Die Azimutkodiererbaugruppe 2120 umfasst eine Kodierscheibe 2121 und eine Lesekopfbaugruppe 2122. Die Kodierscheibe 2121 ist an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 angebracht und die Lesekopfbaugruppe 2122 ist an der Ständerbaugruppe 2110 angebracht. Die Lesekopfbaugruppe 2122 weist eine Leiterplatte auf, auf der ein oder mehrere Leseköpfe befestigt sind. Von den Leseköpfen ausgesendetes Laserlicht reflektiert an feinen Gitterlinien auf der Kodierscheibe 2121. Das reflektierte Licht, das von Detektoren auf dem Kodierer-Lesekopf (den Kodierer-Leseköpfen) aufgenommen wird, wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodierscheibe relativ zu den festen Leseköpfen zu ermitteln.
  • Die Azimutmotorbaugruppe 2125 umfasst einen Azimutmotorrotor 2126 und einen Azimutmotorstator 2127. Der Azimutmotorrotor weist Dauermagneten auf, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 angebracht sind. Der Azimutmotorstator 2127 weist Feldwicklungen auf, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld interagiert mit den Magneten des Azimutmotorrotors 2126, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotorstator 2127 ist an dem Ständerrahmen 2112 angebracht.
  • Azimutleiterplatten 2135 stellen eine oder mehrere Leiterplatten dar, die elektrische Funktionen bieten, die Azimutbauteile, wie der Kodierer und der Motor, benötigen. Die Azimutschleifringbaugruppe 2130 umfasst ein Außenteil 2131 und ein Innenteil 2132. In einer Ausführungsform tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Hilfseinheitsprozessor 50 aus. Das Drahtbündel 2138 kann dem Tracker Strom zuführen oder Signale zu und von dem Tracker leiten. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Anschlussstücken auf Leiterplatten geleitet werden. In dem in 10 gezeigten Beispiel sind Drähte zu der Azimutleiterplatte 2135, der Kodierer-Lesekopfbaugruppe 2122 und der Azimutmotorbaugruppe 2125 geführt. Andere Drähte sind zu dem Innenteil 2132 der Schleifringbaugruppe 2130 geführt. Das Innenteil 2132 ist an der Ständerbaugruppe 2110 angebracht und bleibt folglich ortsfest. Das Außenteil 2131 ist an der Jochbaugruppe 2140 angebracht und dreht sich folglich in Bezug auf das Innenteil 2132. Die Schleifringbaugruppe 2130 ist dafür ausgelegt, einen elektrischen Kontakt mit geringer Impedanz zuzulassen, wenn sich das Außenteil 2131 in Bezug auf das Innenteil 2132 dreht.
  • Die Zenitbaugruppe 2140 weist ein Jochgehäuse 2142, eine Zenitkodiererbaugruppe 2150, ein linkes und ein rechtes Zenitlager 2144A, 2144B, eine Zenitmotorbaugruppe 2155, eine Zenitschleifringbaugruppe 2160 und eine Zenitleiterplatte 2165 auf.
  • Der Zweck der Zenitkodiererbaugruppe 2150 besteht darin, den Drehwinkel des Nutzmasserahmens 2172 in Bezug auf das Jochgehäuse 2142 genau zu messen. Die Zenitkodiererbaugruppe 2150 weist eine Zenitkodierscheibe 2151 und eine Zenitlesekopfbaugruppe 2152 auf. Die Kodierscheibe 2151 ist an dem Nutzmassegehäuse 2142 angebracht und die Lesekopfbaugruppe 2152 ist an dem Jochgehäuse 2142 angebracht. Die Zenitlesekopfbaugruppe 2152 weist eine Leiterplatte auf, auf der ein oder mehrere Leseköpfe befestigt sind. Von den Leseköpfen ausgesendetes Laserlicht reflektiert an feinen Gitterlinien auf der Kodierscheibe 2151. Das reflektierte Licht, das von Detektoren auf dem Kodierer-Lesekopf (den Kodierer-Leseköpfen) aufgenommen wird, wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodierscheibe relativ zu den festen Leseköpfen zu ermitteln.
  • Die Zenitmotorbaugruppe 2155 umfasst einen Azimutmotorrotor 2156 und einen Azimutmotorstator 2157. Der Zenitmotorrotor 2156 weist Dauermagneten auf, die direkt an dem Schaft des Nutzmasserahmens 2172 angebracht sind. Der Zenitmotorstator 2157 weist Feldwicklungen auf, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld interagiert mit den Rotormagneten, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Zenitmotorstator 2157 ist an dem Jochrahmen 2142 angebracht.
  • Die Zenitleiterplatte 2165 stellt eine oder mehrere Leiterplatten dar, die elektrische Funktionen bieten, die Zenitbauteile, wie der Kodierer und der Motor, benötigen. Die Zenitschleifringbaugruppe 2160 umfasst ein Außenteil 2161 und ein Innenteil 2162. Ein Drahtbündel 2168 tritt aus dem äußeren Azimutschleifring 2131 aus und kann Strom oder Signale führen. Einige der Drähte des Drahtbündels 2168 können zu Anschlussstücken auf der Leiterplatte geführt werden. In dem in 10 gezeigten Beispiel werden Drähte zu der Zenitleiterplatte 2165, der Zenitmotorbaugruppe 2150 und der Kodierer-Lesekopfbaugruppe 2152 geführt. Andere Drähte sind zu dem Innenteil 2162 der Schleifringbaugruppe 2160 geführt. Das Innenteil 2162 ist an dem Jochrahmen 2142 angebracht und dreht sich folglich nur in dem Azimutwinkel, jedoch nicht im Zenitwinkel. Das Außenteil 2161 ist an dem Nutzmasserahmen 2172 angebracht und dreht sich folglich im Zenit- und im Azimutwinkel. Die Schleifringbaugruppe 2160 ist dafür ausgelegt, einen elektrischen Kontakt mit geringer Impedanz zuzulassen, wenn sich das Außenteil 2161 in Bezug auf das Innenteil 2162 dreht. Die Nutzmassebaugruppe 2170 umfasst eine Hauptoptikbaugruppe 2180 und eine sekundäre Optikbaugruppe 2190.
  • 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Verarbeitungssystem für die Größenmesselektronik 1500 zeigt, das ein Verarbeitungssystem für die Lasertrackerelektronik 1510, Verarbeitungssysteme von Peripherie-Elementen 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere Netzbauteile 1600 umfasst, die hier als Cloud dargestellt sind. Das beispielhafte Verarbeitungssystem für die Lasertrackerelektronik 1510 umfasst einen Hauptprozessor 1520, eine Nutzmassefunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzerschnittstelle-(BS)-Elektronik 1560, eine herausnehmbare Speicherhardware 1565, eine Radiofrequenz-Kennungs(RFID)-Elektronik sowie eine Antenne 1572. Die Nutzmassefunktionselektronik 1530 umfasst eine Reihe von Unterfunktionen, einschließlich der sechs-DOF-Elektronik 1531, der Kameraelektronik 1532, der ADM-Elektronik 1533, der Positionsdetektor(PSD)-Elektronik 1534 und der Nivellierungselektronik 1535. Die meisten der Unterfunktionen besitzen mindestens eine Prozessoreinheit, die zum Beispiel ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine frei programmierbare logische Anordnung (FPGA) sein kann. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wie gezeigt wegen ihrer Position innerhalb des Lasertrackers getrennt. In einer Ausführungsform befinden sich die Nutzmassefunktionen 1530 in der Nutzmasse 2170 der 9, 10, während sich die Azimutkodiererelektronik 1540 in der Azimutbaugruppe 2110 und die Zenitkodiererelektronik 1550 in der Zenitbaugruppe 2140 befinden.
  • Es sind viele Arten von Peripherie-Vorrichtungen möglich; hier sind jedoch drei derartige Vorrichtungen gezeigt: ein Temperatursensor 1582, eine sechs-DOF-Sonde 1584 und ein Personal Digital Assistant 1586, der zum Beispiel ein Smartphone sein könnte. Der Lasertracker kann auf vielfältige Weise mit Peripherie-Vorrichtungen kommunizieren, einschließlich durch drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572, durch ein Bildsystem, wie eine Kamera, und durch Distanz- und Winkelablesungen des Lasertrackers in Bezug auf ein kooperatives Ziel, wie die sechs-DOF-Sonde 1584. Peripherie-Vorrichtungen können Prozessoren enthalten. Das sechs-DOF-Zubehör kann sechs-DOF-Sondierungssysteme, sechs-DOF-Scanner, sechs-DOF-Projektoren, sechs-DOF-Sensoren und sechs-DOF-Anzeigevorrichtungen umfassen. Die Prozessoren in diesen sechs-DOF-Vorrichtungen können zusammen mit Verarbeitungsvorrichtungen in dem Lasertracker sowie einem externen Computer und Cloud-Verarbeitungsressourcen verwendet werden. Im Allgemeinen soll, wenn der Begriff Lasertrackerprozessor oder Messvorrichtungsprozessor verwendet wird, dieser einen möglichen externen Computer und einen Cloud Support einbeziehen.
  • In einer Ausführungsform führt ein separater Kommunikationsbus von dem Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann zum Beispiel drei serielle Leitungen aufweisen, die die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung zeigt an, ob die Elektronikeinheit die Taktleitung beachten soll oder nicht. Wenn sie anzeigt, dass diese beachtet werden soll, liest die Elektronikeinheit bei jedem Taktsignal den aktuellen Wert der Datenleitung ab. Das Taktsignal kann zum Beispiel einer Anstiegsflanke eines Taktimpulses entsprechen. In einer Ausführungsform werden Informationen in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. In einer Ausführungsform umfasst jedes Paket eine Adresse, einen numerischen Wert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse zeigt an, an welche Stelle in der Elektronikeinheit die Datennachricht zu richten ist. Die Stelle kann zum Beispiel einer Prozessor-Subroutine innerhalb der Elektronikeinheit entsprechen. Der numerische Wert zeigt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten oder Anweisungen, die die Elektronikeinheit ausführen soll. Die Prüfsumme ist ein numerischer Wert, der verwendet wird, um die Möglichkeit zu minimieren, dass Fehler über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
  • In einer Ausführungsform sendet der Hauptprozessor 1520 Informationspakete über den Bus 1610 zur Nutzmassefunktionselektronik 1530, über den Bus 1611 zur Azimutkodiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zur Zenitkodiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zur Anzeigen- und BS-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zur herausnehmbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zur RFID- und drahtlosen Elektronik 1570.
  • In einer Ausführungsform sendet der Hauptprozessor 1520 auch gleichzeitig einen Sync(Synchronisations)-Impuls über den Sync-Bus 1630 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Sync-Impuls bietet eine Möglichkeit, Werte zu synchronisieren, die durch die Messfunktionen des Lasertrackers erfasst wurden. Zum Beispiel verklinken die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Kodiererwerte, sobald der Sync-Impuls empfangen wird. Auf ähnliche Weise verklinkt die Nutzmassefunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzmasse enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Der sechs-DOF, ADM und der Positionsdetektor verklinken jeweils die Daten, wenn der Sync-Impuls gegeben wird. In den meisten Fällen erfassen die Kamera und ein Inklinometer Daten mit einer langsameren Rate als die Sync-Impulsrate, aber sie können Daten in Vielfachen des Sync-Impuls-Zeitraums verklinken.
  • Die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitkodiererelektronik 1550 sind durch die in den 9 und 10 gezeigten Schleifringe 2130, 2160 voneinander und von der Nutzmasseelektronik 1530 getrennt. Deshalb sind die Busleitungen 1610, 1611 und 1612 in 11 als separate Buslinien gezeigt.
  • Das Verarbeitungssystem für die Lasertrackerlektronik 1510 kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren, oder es kann Berechnungs-, Anzeige- und BS-Funktionen innerhalb des Lasertrackers zur Verfügung stellen. Der Lasertracker kommuniziert mit dem Computer 1590 über eine Kommunikationsverbindung 1606, die zum Beispiel eine Ethernetleitung oder eine drahtlose Verbindung sein kann. Der Lasertracker kann auch mit anderen Elementen 1600 kommunizieren, die durch die Cloud dargestellt sind, und zwar über die Kommunikationsverbindung 1602, die ein oder mehrere elektrische Kabel, wie Ethernetkabel, und ein oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen kann. Ein Beispiel für ein Element 1600 ist ein weiteres dreidimensionales Prüfinstrument – zum Beispiel ein Gelenkarm-KMG, das von dem Lasertracker verstellt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Elementen 1600 kann verdrahtet (z. B. Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem entfernten Computer 1590 sitzt, kann eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Cloud 1600 dargestellt ist, und zwar über eine Ethernet- oder eine drahtlose Leitung, die wiederum über eine Ethernet- oder eine drahtlose Leitung mit dem Hauptprozessor 1520 verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
  • Lasertracker verwenden heutzutage eine sichtbare Wellenlänge (normalerweise rot) und eine Infrarot-Wellenlänge für den ADM. Die rote Wellenlänge kann durch einen frequenzstabilisierten Helium-Neon(HeNe)-Laser bereit gestellt werden, der zur Verwendung in einem Interferometer und auch zur Verwendung zur Bereitstellung eines roten Zeigerstrahls geeignet ist. Alternativ kann die rote Wellenlänge von einem Diodenlaser bereit gestellt werden, der nur als ein Zeigerstrahl dient. Nachteile der Verwendung von zwei Lichtquellen sind der zusätzliche Raum und die zusätzlichen Kosten, die für die zusätzlichen Lichtquellen, Strahlenteiler, Isolatoren und andere Bauteile erforderlich sind. Ein weiterer Nachteil der Verwendung von zwei Lichtquellen besteht darin, dass es schwierig ist, die beiden Lichtstrahlen über den gesamten Weg, den die Strahlen zurücklegen, einwandfrei auszurichten. Dies kann zu einer Vielfalt von Problemen führen, einschließlich der Unmöglichkeit, gleichzeitig eine gute Leistung aus verschiedenen Untersystemen zu erhalten, die mit verschiedenen Wellenlängen arbeiten. Ein System, das eine einzelne Lichtquelle verwendet und dadurch diese Nachteile behebt, ist in dem optoelektronischen System 500 aus 12A gezeigt.
  • 12A umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, ein Fasernetz 420, eine ADM-Elektronik 530, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlenteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann zum Beispiel ein roter oder ein grüner Diodenlaser oder ein Oberflächenemitter (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) sein. Der Isolator kann ein Faraday-Isolator, ein Abschwächer oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, den Lichtbetrag, der zurück in die Lichtquelle gespeist wird, ausreichend zu verringern. Das Licht von dem Isolator 115 wandert in das Fasernetz 420, welches in einer Ausführungsform das Fasernetz 420A von 8A ist.
  • 12B zeigt eine Ausführungsform eines optoelektronischen Systems 400, bei dem eine einzelne Wellenlänge von Licht verwendet wird, bei dem jedoch eine Modulation durch eine elektrooptische Modulation des Lichts anstatt durch eine direkte Modulation einer Lichtquelle erreicht wird. Das optoelektronische System 400 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, einen elektrooptischen Modulator 410, eine ADM-Elektronik 475, ein Fasernetz 420, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlenteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann zum Beispiel eine rote oder eine grüne Laserdiode sein. Laserlicht wird durch einen Isolator 115 gesendet, das zum Beispiel ein Faraday-Isolator oder ein Abschwächer sein kann. Der Isolator 115 kann an seinen Eingangs- und Ausgangsöffnungen fasergekoppelt sein. Der Isolator 115 sendet das Licht an den elektrooptischen Modulator 410, der das Licht auf eine ausgewählte Frequenz moduliert, die bis zu 10 GHz oder mehr betragen kann, wenn dies gewünscht ist. Ein elektrisches Signal 476 aus der ADM-Elektronik 475 betreibt die Modulation in dem elektrooptischen Modulator 410. Das modulierte Licht von dem elektrooptischen Modulator 410 wandert zu dem Fasernetz 420, welches das hier oben besprochene Fasernetz 420A, 420B, 420C oder 420D sein kann. Ein Teil des Lichts wandert über den Lichtleiter 422 zum Referenzkanal der ADM-Elektronik 475. Ein weiterer Teil des Lichts wandert aus dem Tracker, wird an dem Retroreflektor 90 reflektiert, kehrt zum Tracker zurück und gelangt zum Strahlenteiler 145. Ein kleiner Betrag des Lichts wird an dem Strahlenteiler reflektiert und wandert zu dem Positionsdetektor 150, der hier vorstehend anhand der 6A–F besprochen wurde. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlenteiler 145 hindurch in die Fasereinkopplung 170, durch das Fasernetz 420 in den Lichtleiter 424 und in den Messkanal der ADM-Elektronik 475. Im Allgemeinen kann das System 500 aus 12A kostengünstiger hergestellt werden als das System 400 aus 12B; der elektrooptische Modulator 410 könnte jedoch eine höhere Modulationsfrequenz erreichen, was in manchen Situationen von Vorteil sein kann.
  • 13 zeigt eine Ausführungsform eines Positionsgeber-Kamerasystems 950 und eines optoelektronischen Systems 900, bei dem eine Orientierungskamera 910 mit der optoelektronischen Funktionalität eines 3D-Lasertrackers kombiniert wird, um sechs Freiheitsgrade zu messen. Das optoelektronische System 900 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 905, einen Isolator 910, einen optionalen elektrooptischen Modulator 410, eine ADM-Elektronik 715, ein Fasernetz 420, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlenteiler 145, einen Positionsdetektor 150, einen Strahlenteiler 922 und eine Orientierungskamera 910. Das Licht aus der sichtbaren Lichtquelle wird in den Lichtleiter 980 emittiert und wandert durch den Isolator 910, dessen Lichtleiter an die Eingangs- und Ausgangsöffnungen gekoppelt sein können. Das Licht kann durch den elektrooptischen Modulator 410 wandern und durch ein elektrisches Signal 716 von der ADM-Elektronik 715 moduliert werden. In einer anderen Ausführungsform kann die ADM-Elektronik 715 ein elektrisches Signal über das Kabel 717 senden, um die sichtbare Lichtquelle 905 zu modulieren. Ein Teil des Lichts, das in das Fasernetz eintritt, wandert durch den Faserlängenausgleicher 423 und den Lichtleiter 422, um in den Referenzkanal der ADM-Elektronik 715 zu gelangen. Ein elektrisches Signal 469 kann gegebenenfalls an das Fasernetz 420 angelegt werden, um ein Schaltsignal an einen faseroptischen Schalter innerhalb des Fasernetzes 420 anzulegen. Ein Teil des Lichts wandert von dem Fasernetz zur Fasereinkopplung 170, die das Licht über den Lichtleiter als Lichtstrahl 982 in den freien Raum sendet. Ein kleiner Betrag des Lichts wird an dem Strahlenteiler 145 reflektiert und geht verloren. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlenteiler 145, durch den Strahlenteiler 922 hindurch und wandert aus dem Tracker hinaus zu der sechs-Freiheitsgrade-(DOF)-Vorrichtung 4000. Die sechs-DOF-Vorrichtung 4000 kann eine Sonde, ein Scanner, ein Projektor, ein Sensor oder eine andere Vorrichtung sein.
  • Auf dem Rückweg tritt das Licht von der sechs-DOF-Vorrichtung 4000 in das optoelektronische System 900 ein und gelangt zu dem Strahlenteiler 922. Ein Teil des Lichts wird an dem Strahlenteiler 922 reflektiert und tritt in die Orientierungskamera 910 ein. Die Orientierungskamera 910 zeichnet die Positionen einiger auf dem Retroreflektorziel angeordneter Markierungen auf. Aus diesen Markierungen wird der Orientierungswinkel (d. h. drei Freiheitsgrade) der sechs-DOF-Sonde ermittelt. Die Prinzipien der Orientierungskamera werden nachstehend in der vorliegenden Anmeldung und auch in dem Patent '758 beschrieben. Ein Teil des Lichts an dem Strahlenteiler 145 wandert durch den Strahlenteiler und wird von der Fasereinkopplung 170 auf einen Lichtleiter gegeben. Das Licht wandert zu dem Fasernetz 420. Ein Teil dieses Lichts wandert zu dem Lichtleiter 424, von wo aus es in den Messkanal der ADM-Elektronik 715 eintritt.
  • Das Positionsgeber-Kamerasystem 950 umfasst eine Kamera 960 und eine oder mehrere Lichtquellen 970. Das Positionsgeber-Kamerasystem ist auch in 1 gezeigt, wo die Kameras die Elemente 52 und die Lichtquellen die Elemente 54 sind. Die Kamera umfasst ein Linsensystem 962, eine lichtempfindliche Matrix 964 und einen Körper 966. Eine Verwendung des Positionsgeber-Kamerasystems 950 besteht darin, Retroreflektorziele in dem Arbeitsvolumen zu orten. Dies erfolgt durch Aufblinken der Lichtquelle 970, was die Kamera als einen hellen Punkt auf der lichtempfindlichen Matrix 964 aufnimmt. Eine zweite Verwendung des Positionsgeber-Kamerasystems 950 besteht darin, basierend auf der beobachteten Position eines Reflektorpunktes oder einer LED an der sechs-DOF-Vorrichtung 4000, eine grobe Orientierung der sechs-DOF-Vorrichtung 4000 zu erstellen. Wenn zwei oder mehr Positionsgeber-Kamerasysteme an dem Lasertracker verfügbar sind, kann die Richtung zu jedem Retroreflektorziel in dem Arbeitsvolumen unter Anwendung der Prinzipien der Dreiecksvermessung berechnet werden. Wenn eine einzelne Positionsgeberkamera so angeordnet ist, dass sie Licht aufnimmt, das entlang der optischen Achse des Lasertrackers reflektiert wird, kann die Richtung zu jedem Retroreflektorziel ermittelt werden. Wenn eine einzelne Kamera abseits der optischen Achse des Lasertrackers angeordnet ist, können ungefähre Richtungen zu den Retroreflektorzielen sofort von dem Bild auf der lichtempfindlichen Matrix erhalten werden. In diesem Fall kann eine genauere Richtung zu einem Ziel durch Drehen der mechanischen Achsen des Lasers in mehr als eine Richtung und Beobachten der Änderung der Position des Punktes auf der lichtempfindlichen Matrix ermittelt werden.
  • 14A zeigt eine Ausführungsform einer Orientierungskamera 910, die in dem optoelektronischen System von 13 verwendet werden kann. Die allgemeinen Prinzipien der Orientierungskamera sind in dem Patent '758 beschrieben und werden im Allgemeinen in der Orientierungskamera 910 befolgt. In einer Ausführungsform umfasst die Orientierungskamera 910 einen Körper 1210, eine afokale Strahlverkleinerungsvorrichtung 1220, eine Vergrößerungsvorrichtung 1240, eine Weglängeneinstellvorrichtung 1230, eine Betätigungsbaugruppe 1260 sowie eine lichtempfindliche Matrix 1250. Die afokale Strahlverkleinerungsvorrichtung umfasst eine positive Linse 1222, einen Spiegel 1223 und negative Linsen 1224, 1226. Die afokale Strahlverkleinerungsvorrichtung hat die Eigenschaft, dass ein Lichtstrahl, der parallel zu einer optischen Achse – einer Achse, die durch die Mitte der Linsen hindurchgeht – in die Linse 1222 eintritt, auch parallel zu der optischen Achse aus der Linse 1226 austritt. Die afokale Strahlverkleinerungsvorrichtung hat auch die Eigenschaft, dass ein Bild ungeachtet des Abstands von der Linse zu einem Objekt eine konstante Größe hat. Die Vergrößerungsvorrichtung 1240 umfasst eine positive Linse 1242, negative Linsen 1244, 1248 und einen Spiegel. Die Vergrößerungsvorrichtung hat die gleiche Funktion wie das Objektiv eines Mikroskops, ist jedoch so bemessen, dass sie ein größeres Bild bietet. Die lichtempfindliche Matrix 1250 kann zum Beispiel eine CMOS- oder CCD-Matrix sein, die das Licht, das auf diese trifft, in eine Matrix von digitalen Werten umwandelt, die die Bestrahlungsstärke des Lichts an jedem Pixel der lichtempfindlichen Matrix darstellen. Das Bestrahlungsstärkenmuster kann zum Beispiel die Markierungen auf einem sechs-DOF-Ziel aufzeigen. Die Weglängeneinstellvorrichtung 1230 umfasst eine Plattform 1231, zwei Spiegel 1232, 1233 und einen Kugelschlitten 1234. Die Spiegel 1232, 1233 sind so auf der Plattform 1231 montiert, dass, wenn die Plattform 1231 bewegt wird, sich der Abstand zwischen der afokalen Strahlverkleinerungsvorrichtung 1220 und der Vergrößerungsvorrichtung 1240 ändert. Diese Änderung des Abstands ist erforderlich, um bei einem sich ändernden Abstand des Lasertrackers zu dem Ziel ein klares Bild auf der lichtempfindlichen Matrix 1250 zu erhalten. Die Plattform 1231 ist auf dem Kugelschlitten 1234 montiert, der der Plattform eine reibungsarme lineare Bewegung verleiht. In einer Ausführungsform umfasst die Betätigungsbaugruppe 1260 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. Wenn die mit Gewinde versehene Motorwelle 1262 von dem Motor 1261 gedreht wird, wird die Motormutter 1265 je nach Drehrichtung der Motorwelle entweder von dem Motor weg oder zu diesem hin bewegt. Der flexible Koppler 1263, der an dem Adapter 1264 angebracht ist, ermöglicht es der Plattform, sich frei zu bewegen, auch wenn die Motorwelle 1262 und der Kugelschlitten 1234 nicht parallel zueinander sind.
  • In einer Ausführungsform bietet die Orientierungskamera 910 eine konstante Quervergrößerung für verschiedene Abstände zu dem Ziel. Hier ist unter der Quervergrößerung die Bildgröße geteilt durch die Objektgröße zu verstehen. Die in 27 gezeigten Linsen wurden ausgewählt, um eine konstante Bildgröße von 3 mm für eine Objektgröße von 13 mm auf der lichtempfindlichen Matrix 1250 zu 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 dem Tracker zwischen 0,5 Metern und 30 Metern angeordnet ist. Diese Bildgröße von 3 mm kann für eine CCD- oder CMOS-Matrix von ¼ Zoll geeignet sein. In einer Ausführungsform beträgt die Quervergrößerung viermal diesen Betrag, wodurch sie für eine CCD- oder CMOS-Matrix von einem Zoll geeignet ist. Eine Orientierungskamera mit dieser erhöhten Quervergrößerung kann in dem Körper 1210 gleicher Größe durch Ändern der Brennweiten und Abstände der drei Linsen in der Vergrößerungsvorrichtung 1240 erhalten werden.
  • In einer Ausführungsform, die in 13 gezeigt ist, betragen die effektiven Brennweiten der drei Linsenelemente 1222, 1224 und 1226 der Strahlverkleinerungsvorrichtung 1220 85,9 mm, –29,6 mm bzw. –7,2 mm. Es entsteht ein virtuelles Bild, nachdem das Licht von dem Objekt durch diese drei Linsenelemente gegangen ist. Bei einem Objekt, das in einem Abstand von 0,5 Metern von dem Lasertracker angeordnet ist, hat das virtuelle Bild 1229 eine Größe von 0,44 mm und befindet sich 7 mm von der Linse 1226 entfernt. Bei einem Objekt, das in einem Abstand von 30 Metern von dem Lasertracker angeordnet ist, hat das virtuelle Bild 1228 eine Größe von 0,44 mm und befindet sich 1,8 mm von der Linse 1224 entfernt. Der Abstand zwischen dem virtuellen Bild 1228 und dem virtuellen Bild 1129 beträgt 39,8 mm, was bedeutet, dass die Plattform einen maximalen Wegbereich von der Hälfte dieses Betrags, oder 19,9 mm, benötigt. Die Quervergrößerung der Strahlverkleinerungsvorrichtung 1220 beträgt 0,44 mm/13 mm = 0,034. Die effektiven Brennweiten der drei Linsenelemente 1242, 1244 und 1228 der Vergrößerungsvorrichtung betragen 28,3 mm, –8,8 mm bzw. –8,8 mm. Die Größe des Bildes an der lichtempfindlichen Matrix 1250 beträgt 3 mm bei einem Ziel, das sich 0,5 Meter von dem Lasertracker, 30 Meter von dem Lasertracker oder in irgendeinem Abstand dazwischen von dem Lasertracker entfernt befindet. Die Quervergrößerung der Vergrößerungsvorrichtung beträgt 3 mm/0,44 mm = 6,8. Die gesamte Quervergrößerung der Orientierungskamera beträgt 3 mm/13 mm = 0,23. In einer anderen Ausführungsform wird die Quervergrößerung der Vergrößerungsvorrichtung um einen Faktor von 4 bis 4 × 6,8 = 27 erhöht, wodurch eine insgesamte Quervergrößerung von 12 mm/13 mm = 0,92 für jeden Abstand von 0,5 bis 30 Metern erzeugt wird.
  • Eine weitere Ausführungsform einer Orientierungskamera ist in den 14B–D gezeigt. 14B ist eine Seitenansicht einer Orientierungskamerabaugruppe 2750B. 14C ist eine Draufsicht 2750C eines in 14B gezeigten Schnitts A-A. 14D ist eine Schnittansicht von der Seite 2750D eines Schnitts B-B von 14C. Der Weg des Lichtstrahls 2755 ist in jeder der drei Figuren gezeigt. Licht geht durch eine erste Sammlung von Linsen 2760 hindurch, wird an dem Spiegel 2762 reflektiert, geht durch die Linse 2764 hindurch, wird an den Spiegeln 2766, 2768 reflektiert, geht durch eine Sammlung von Linsen 2770 hindurch, wird an den Spiegeln 2772, 2774 reflektiert und trifft auf die lichtempfindliche Matrix 2776. Die erste Sammlung von Linsen 2760 und die Linse 2764 bilden ein afokales Linsensystem. Wie hier vorstehend erklärt wurde, bedeutet dies, dass ein in die erste Sammlung von Linsen 2760 eintretender Strahl, der parallel zur optischen Achse ist, parallel zu der optischen Achse aus der Linse 2764 austritt. Da der Retroreflektor (in den 14B–D nicht gezeigt), 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 des Retroreflektors von dem Lasertracker ab. Zum Beispiel liegt in einer Ausführungsform das virtuelle Bild etwa d = 82 mm von der Linse 2764 entfernt, wenn sich der Retroreflektor vier Meter von dem Tracker entfernt befindet, und etwa d = 51 mm von der Linse 2764 entfernt, wenn sich der Retroreflektor vierzig Meter von dem Tracker entfernt befindet. Die zweite Sammlung von Linsen überträgt das virtuelle Bild 2778 auf die lichtempfindliche Matrix. Eine motorisierte Betätigungsvorrichtung 2780 stellt die Position der Spiegel 2766, 2768 ein, um den richtigen Abstand des virtuellen Bildes 2778 zur zweiten Sammlung von Linsen 2770 beizubehalten, wodurch das Bild auf der lichtempfindlichen Matrix 2776 im Brennpunkt bleibt. In einer Ausführungsform hat die erste Sammlung von Linsen 2755 eine kombinierte Brennweite von 112 mm, die Linse 2764 hat eine Brennweite von –5,18 mm und die zweite Sammlung von Linsen 2770 hat eine kombinierte Brennweite von etwa 59,3 mm. Die insgesamte Vergrößerung des Systems beträgt etwa 1/8, was bedeutet, dass die Größe des Lichtmusters auf der lichtempfindlichen Matrix 2776 etwa 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 verwendet werden, um eine Orientierungskamera mit einer konstanten Quervergrößerung zu erhalten. Ferner sind auch andere Linsensysteme verwendbar, obwohl eine konstante Quervergrößerung hilfreich ist. Im Allgemeinen unterscheiden sich die Kameras 14A–D dadurch, dass sie eine Zoomfähigkeit, ein enges Gesichtsfeld und eine Ausrichtung mit der optischen Achse des Lasertrackers haben.
  • Eine Art von Lasertracker, die derzeit erhältlich ist, verwendet einen Spiegel, um einen Lichtstrahl zu lenken. Eine andere Art von Lasertracker koppelt einen Lichtstrahl direkt von einer Nutzmassenbaugruppe ein, zum Beispiel wie der der Nutzmassenbaugruppes 2170 der 9, 10, oder der Nutzmasse 15 aus 1. In dem Fall, in dem der Lichtstrahl direkt von einer Nutzmassenbaugruppe eingekoppelt wird, müssen bei Trackern des Stands der Technik Ausrichtungsschritte durchgeführt werden, nachdem optische Komponenten und Lichtquellen in den Lasertracker eingebaut wurden. Eine Schwierigkeit bei diesem Ansatz besteht darin, dass, wenn Probleme auftreten, diese schwierig zu lösen sind. Solche Probleme treten manchmal während des Herstellungsverfahrens auf, und sie treten bei anderen Gelegenheiten auf, während ein Lasertracker von einem Kunden verwendet wird. Dies führt zu einer Zeitverzögerung und zu zusätzlichen Kosten zur Behebung der Probleme. Die nun beschriebenen Ausführungsformen bieten eine Lösung dieser Nachteile, denen man bei Lasertrackern des Stands der Technik begegnet.
  • 15 zeigt eine Ausführungsform eines Lasertrackers 3600, wobei die Vorderabdeckungen entfernt sind und einige optische und elektrische Komponenten zur Verdeutlichung weggelassen wurden. Wie in 16 gezeigt ist, umfasst in einer Ausführungsform die optische Bankbaugruppe 3620 eine Gegenröhre 3622. 16 zeigt einer Kardanbaugruppe 3610, der eine Zenitwelle 3630 und die optische Bankbaugruppe 3620 umfasst. Die Zenitwelle umfasst eine Welle 3634 und eine Gegenhülse 3632. Die Zenitwelle 3630 kann aus einem einzigen Stück Metall gefertigt sein, um die Steifheit und Temperaturstabilität zu verbessern. 17 zeigt eine Ausführungsform einer optischen Bankbaugruppe 3720 und einer Zenitwelle 3630. Die optische Bankbaugruppe 3720 umfasst eine Hauptoptikbaugruppe 3650 und eine sekundäre Optikbaugruppe 3740. Das Gehäuse für die Hauptoptikbaugruppe 3650 kann aus einem einzigen Stück Metall gefertigt sein, um die Steifheit und Temperaturstabilität zu verbessern, und umfasst eine Gegenröhre 3622. In einer Ausführungsform ist die Mittelachse 57 der Gegenröhre 3622 mit der Mittelachse 53 der Gegenhülse 3632 ausgerichtet. In einer Ausführungsform ist die sekundäre Optikbaugruppe 3740 mit vier Schrauben 3664 an der Hauptoptikbaugruppe 3650 befestigt, wie es in den 17 und 18 gezeigt ist. Die Gegenröhre 3622 ist in die Gegenhülse 3632 eingeführt und wird von drei Schrauben 3662 am Platz gehalten. In einer Ausführungsform ist die Gegenröhre 3622 durch zwei Stifte an einem Ende der Gegenröhre 3622 mit der Gegenhülse 3632 ausgerichtet, wobei die Stifte in in der 17 gezeigte Löcher 3666 passen.
  • Zwar ist die Kardanbaugruppe 3610 so ausgeführt, dass sie zur optischen Bank 3620 passt, aber es könnten auch andere Arten von Vorrichtungen, wie eine Kamera, ein Lasergraveur, ein Videotracker, ein Laserzeiger und eine Winkelmessvorrichtung, oder aber ein LIDAR-System auf der Zenitwelle 3630 angeordnet werden. Wegen der an der Gegenhülse 3632 vorgesehenen Ausrichtungsdeckung könnten solche Vorrichtungen leicht und präzise an der Kardanbaugruppe 3610 befestigt werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Hauptoptikbaugruppe 3650 aus 17 Elemente in 3. Diese Elemente umfassen die sichtbare Lichtquelle 110, das Isolator 115, das optionale IFM 120, das Lambda-Viertel-Plättchen 130, den Strahlaufweiter 140, den Strahlenteiler 145, den Positionsdetektor 150 und den Strahlenteiler 155. Die sekundäre Optikbaugruppe 3740 umfasst die Fasereinkopplung 170 und die ADM-Baugruppe 160 aus 3. In anderen Ausführungsformen können andere optoelektronische Systeme verwendet werden.
  • 18 zeigt eine Ausführungsform einer optischen Bankbaugruppe 3620, die von der Nutzmasse des Lasertrackers entfernt wurde. Die sekundäre Optikbaugruppe 910 ist die Orientierungskamera 910 aus 13, und die Hauptoptikbaugruppe 3650 umfasst die restlichen Elemente innerhalb des optoelektronischen Systems 900 aus 13.
  • 19 zeigt eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der optischen Bankbaugruppe 3620 und der Zenitwelle 3630. Die optische Bankbaugruppe 3620 umfasst die Hauptoptikbaugruppe 3650 und die sekundäre Optikbaugruppe 910. 20 zeigt eine Draufsicht der Orientierungskamera der sekundären Optikbaugruppe 910. Diese Elemente wurden zuvor mit Bezug auf 14A beschrieben. 21 zeigt eine Querschnittansicht 3800 entlang der Linie A-A aus 20. In einer Ausführungsform wird sichtbares Laserlicht durch einen Lichtleiter 3812 gesendet. Die Lichtquelle, die Licht in den Lichtleiter gibt, das Fasernetz (wenn vorhanden), über welches das Licht geführt wird, und der Lichtleiter 3812 drehen sich alle zusammen mit der optischen Bankbaugruppe 3620. In einer Ausführungsform umfasst der Lichtleiter 3812 ein Verbindungsstück, welches ein schnelles Lösen von dem Lichtleiter ermöglicht, der seinen Ursprung in der Lichtquelle hat. Wenn die Lichtquelle sichtbares Licht bereitstellt, kann das Licht sowohl als ein für einen Bediener sichtbaren Zeigerstrahl als auch als ein Messstrahl dienen, der für Messungen von Abständen, Winkeln und dergleichen verwendet werden kann. Das Laserlicht wird von einem Metallring 3814 eingekoppelt, der mechanisch so eingestellt sein kann, dass er den Laserstrahl in die gewünschte Richtung richtet. In einer Ausführungsform können der Metallring 3814 und die Seite der Faser, die von dem Metallring gehalten wird, in einem Winkel von etwa 8 Grad poliert sein, um die Rückstrahlung von Licht in den Lichtleiter zu verringern. Der Metallring wird so eingestellt, dass er bewirkt, dass der von dem Lichtleiter ausgegebene Strahl parallel zu der Mittelachse 57 der Gegenröhre 3622 wandert. Die Querschnittsansicht 3800 zeigt, dass in diesem Fall Licht von dem Metallring 3814 durch die Linsen 3822 und 3824 geht, obwohl viele verschiedene Linsenanordnungen verwendet werden könnten. Das Licht geht durch den Strahlenteiler 3832 und den Strahlenteiler 3834 hindurch und aus dem Tracker zu einem Retroreflektorziel (nicht gezeigt). Auf dem Rückweg von dem Retroreflektorziel wird ein Teil des Lichts an dem Strahlenteiler 3834 reflektiert, geht durch die Linse 1222 hindurch, wird an dem Spiegel 1223 reflektiert und setzt seinen Weg durch eine Vielfalt von optischen Elementen fort, wie hier vorstehend anhand von 14A erklärt wurde. Das restliche Licht geht durch den Strahlenteiler 3834 hindurch und wandert zu dem Strahlenteiler 3832, wo ein Teil von diesem reflektiert wird, durch den optischen Diffusor/Filter 3847, durch die Linse 3844 und trifft auf den Positionsdetektor 3846. Das Licht kann auch durch eine Blende gehen, die zwischen der Linse 3844 und dem Positionsdetektor 3846 angeordnet ist. Der Zweck einer solchen Blende besteht darin, Phantomstrahlen zu blockieren. In diesem Fall wird der Positionsdetektor weiter von der Linse 3844 weg bewegt, so dass die Blende in einer fokalen Position des Lichtstrahls angeordnet werden kann (wie in 6E gezeigt ist). In einer Ausführungsform wird der Positionsdetektor 3846 gekippt, um zu bewirken, dass das rückgestrahlte Licht in einem Winkel reflektiert wird, wodurch die Möglichkeit verringert wird, dass von der Oberfläche des Positionsdetektors 3846 reflektiertes Licht an einer anderen Oberfläche (zum Beispiel der Oberfläche einer Blende/eines Raumfilters 157) abprallt und zum Positionsdetektor zurückkehrt. Die Positionsdetektorleitungen 3848 sind durch Durchführbuchsen (nicht gezeigt) an einer Leiterplatte (nicht gezeigt) befestigt, die sich mit der optischen Bankbaugruppe dreht. Die Durchführbuchsen sind federbelastete Buchsen, die eine elektrische Verbindung ohne das Löten von Bauteilen ermöglicht. Diese Buchsen sind vorteilhaft, da sie es ermöglichen, die optische Bank leicht zu entfernen und in einem schnellen Instandsetzungsvorgang zu ersetzen. Das Licht, das nicht zu dem Positionsdetektor 3846 wandert, geht weiter durch den Strahlenteiler 3832, die optischen Elemente 3824, 3822, und wird davon in den Lichtleiter 3812 innerhalb des Metallrings fokussiert.
  • Obwohl die hier beschriebene Anordnung eine Fasereinkopplung mit einem Metallring 3814 und einem Lichtleiter 3812 umfasst, wird dem durchschnittlichen Fachmann klar sein, dass die Fasereinkopplung durch eine diskrete Lichtquelle, wie eine Laserdiode, ersetzt werden könnte, die fest an der Baugruppe 3650 angebracht ist. Es könnte über eine elektrische Verdrahtung elektrischer Strom zu der diskreten Lichtquelle geführt werden, wobei die Verdrahtung an einer Steckdose ausgesteckt werden könnte, wodurch die Baugruppe leicht ersetzt werden kann.
  • Wie hier vorstehend besprochen wurde, besteht ein Vorteil der Ausführung der optischen Bankbaugruppe 3650 darin, dass sie leicht außerhalb des Lasertrackers ausgerichtet und in jeder Kardanbaugruppe 3600, 3610 eingefügt werden kann. Er kann auch in andere Arten von Kardanbaugruppen eingesetzt werden, die dafür konfiguriert sind, eine drehbare optische Bankbaugruppe aufzunehmen. Vorteile einer ausbaubaren Bankbaugruppe sind unter anderem eine schnellere Herstellung und eine einfachere Instandsetzung.
  • Um eine vorausgerichtete Baugruppe zu erhalten, die bequem in einer kardanisch montierten Vorrichtung, wie einem Lasertracker, ersetzt werden kann, ist es nicht notwendig, dass die vorausgerichtete Baugruppe mit der beabsichtigten Genauigkeit des Messinstruments ausgerichtet ist. Zum Beispiel kann ein Lasertracker unter manchen Bedingungen eine Genauigkeit von etwa 25 Mikrometern haben, aber das bedeutet nicht, dass die vorausgerichtete Baugruppe eine ähnliche Genauigkeit beibehalten muss, wenn sie in den Lasertracker eingebaut wird. Nach dem Ersetzen einer vorausgerichteten Baugruppe in dem Lasertracker kann eine Reihe von Kompensationsverfahren durchgeführt werden, um leichtere Verlagerungen der optischen und mechanischen Elemente zu korrigieren. In einer Ausführungsform einer Lasertrackervorrichtung können drei solche Kompensationen durchgeführt werden: eine Einstellkompensation, eine R0-Kompensation und eine Positionsdetektorkompensation.
  • Eine Einstellkompensation kann durchgeführt werden, indem eine Kombination von Retroreflektoren und Spiegeln in einer Vielzahl von Abständen und Winkeln relativ zu dem Lasertracker gemessen wird. An jeder Stelle wird der Retroreflektor oder Spiegel im Vorderseitenmodus und im Rückseitenmodus gemessen. Der Vorderseitenmodus wird als der normale Betriebsmodus des Instruments betrachtet. Der Rückseitenmodus wird erhalten durch Beginnen mit dem Vorderseitenmodus, Drehen der Trackernutzmasse um 180 Grad um die Azimutachse und dann Drehen der Trackernutzmasse um die Zenitachse, um wieder zurück zum Zielretroreflektor oder einem Zielspiegel zu zeigen. In einem idealen Tracker sind die im Vorderseitenmodus und im Rückseitenmodus gemessenen dreidimensionalen Koordinaten identisch, aber in einem realen Tracker variieren die Ablesungen etwas. Diese Unterschiede der Ablesungen können analysiert werden, so dass Parameter erhalten werden, die einen Versatzabstand des aus dem Tracker ausgestrahlten Lichtstrahls relativ zu dem Kardanpunkt anzeigen. Kompensationsparameter, die diesen Versatzabständen zugeordnet sind, werden manchmal als TX- und TV-Parameter bezeichnet. Die Unterschiede der Ablesungen können auch analysiert werden, so dass Parameter erhalten werden, die eine Winkelabweichung des Laserstrahls in Bezug auf die Ebene anzeigen, die die Azimutachse enthält und die zu der Zenitachse senkrecht liegt. Kompensationsparameter, die diesen Winkelabweichungen zugeordnet sind, werden manchmal als RX- und RY-Parameter bezeichnet.
  • Ein R0-Wert ist ein Abstand des Kardanpunktes eines Lasertrackers zu einer Bezugsposition, die zum Beispiel die Position eines SMR an einem der Magnetnester 17 vorne an dem Tracker sein kann, wie in 1 gezeigt ist. Der R0-Abstand bei einem Interferometer oder ADM innerhalb des Lasertrackers kann ermittelt werden, indem ein Verfahren durchgeführt wird, bei dem der Distanzmesser verwendet wird, um einen Abstand zwischen zwei SMRs zu messen, die mit dem Kardanpunkt des Trackers ausgerichtet sind, wobei der Tracker zunächst außerhalb der Nester und dann zwischen den Nestern liegt. Durch Vergleichen der Messwerte kann ein R0-Fehler berechnet werden, und das Ergebnis kann in einem oder in mehreren Kompensationsparametern gespeichert werden.
  • Eine Positionsdetektorkompensation dient dazu, den zweidimensionalen Abstand der Nachführposition des Positionsdetektors im Vergleich zur Mitte des Positionsdetektors zu ermitteln. Die Bedeutung der Nachführposition (oder des Nachführpunktes) wurde hier vorstehend mit Bezug auf 3 besprochen. Es werden für die Nachführ-Versatzabstände Kompensationswerte bereitgestellt.
  • Da die vorstehend beschriebenen Kompensationen relativ schnell und leicht auszuführen sind, ist es denkbar, eine optische Bank innerhalb eines Lasertrackers oder eines anderen Kardaninstrumentes zu ersetzen, ohne dass eine einwandfreie Ausrichtung notwendig ist.
  • Eine Ausrichtungsbefestigung 3810 wird verwendet, um die optische Bankbaugruppe 3650 auszurichten, die später in eine Zenitwelle 3630 eingefügt wird. In einer Ausführungsform umfasst die Ausrichtungsbefestigung 3810 vier Rollenlager 3813, die in einem Block 3815 eingebettet sind. Zwei der Rollenlager 3813 sind in 22 zu sehen, es werden jedoch alle vier Rollenlager verwendet, um die Gegenröhre 3622 zu tragen. Die Ausrichtungsbefestigung ermöglicht es, dass die Gegenröhre glatt gedreht werden kann, während eine konstante Position für die mittlere Symmetrieachse 57 der Gegenröhre beibehalten wird. Außerdem wird, da sich die Rollenlager 3813 frei drehen, die Oberfläche der Gegenröhre 3622 während der Drehung nicht rillig. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Ausrichtungsbefestigung 3810 vier Stahlkugeln an Stelle von vier Rollenlagern. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Ausrichtungsbefestigung 3810 einen V-Block mit zwei planaren Oberflächen in Form eines V. Bei dieser Ausführungsform wird die Gegenröhre 3622 auf dem V-Block gedreht. Eine Variante des V-Blocks ist ein Block mit zwei konvexen zylindrischen Oberflächen an Stelle von zwei planaren Oberflächen.
  • Um die optische Bankbaugruppe 3650 daran zu hindern, umzukippen, ist ein Gegengewicht 3817 an der Gegenröhre 3622 angebracht. In einer Ausführungsform wird das Licht von dem Metallring 3814 wie in 21 gezeigt eingekoppelt. Es wird Licht über einen Lichtleiter 3812 zum Metallring 3814 gebracht. Der Lichtleiter 3812 wird während des Ausrichtungsvorgangs durch das Gegengewicht 3817 geführt. Licht kann auch von Lichtquellen eingekoppelt werden, die sich innerhalb der Gegenröhre befinden.
  • Wie in 21 gezeigt ist, umfasst die optische Bank 3650 eine Lichtquelle, die aus dem Metallring 3814 erhalten wird, eine Sammlung von Linsen 3822, 3824, Strahlenteiler 3832, 3834 und ein Fenster (nicht gezeigt). Es ist wichtig, dass das Licht von dem Metallring 3814 auf die Linsen 3822, 3824 zentriert und auch mit den optischen Achsen der beiden Linsen ausgerichtet wird. Ansonsten sind die optischen Fehler größer als es sonst möglich wäre, wodurch sich die Leistung des Systems verringert. Die wirksamste Art und Weise hierfür besteht darin, zunächst die Lichtquelle (Metallring 3814) mit den Linsen auszurichten, wobei die Strahlenteiler 3832, 3834 entfernt sind. Durch Entfernen der Strahlenteiler und Überprüfen auf eine Rundlaufabweichung unter Verwendung des nachstehend beschriebenen Verfahrens kann eine genaue Ausrichtung des Lichtstrahls auf die Linsen erhalten werden. Damit dieses Verfahren durchführbar ist, müssen die Strahlenteiler so ausgerichtet sein, dass das Licht entlang der gleichen Linie in das Paar von Strahlenteilern eintritt und aus diesen austritt. Mit anderen Worten sollte ein in die Mitte der Gegenröhre 3622 am Ende der Lichtquelle eingekoppelter Strahl an dem anderen Ende der Röhre aus der optischen Bankbaugruppe 3650 austreten, wie es durch den bidirektionalen Lichtstrahl 55 angezeigt ist, der entlang der Mittelachse 57 in 23 ausgerichtet ist. Nun wird das Verfahren zum Erhalten dieses Zustands beschrieben. Jeder der beiden Strahlenteiler 3832, 3834 hat einen leichten Keilwinkel, um Phantomstrahlen zu minimieren, was unerwünschte reflektierte Strahlen sind. Zum Beispiel hat in einer Ausführungsform, die in 23 gezeigt ist, der Strahlenteiler 3832 einen rechten Winkel c2 an einer Ecke und einen Winkel c1 = 90.16 Grad an einer angrenzenden Ecke. Dieser Strahlenteiler hat einen Keilwinkel von 90,16 – 90 Grad = 0,16 Grad. Der Strahlenteiler 3834 hat einen Keilwinkel von c3 – c4 = 90 – 89,87 = 0,13 Grad. Wenn Licht mit einem Einfallwinkel a1 von Luft in Glas mit einem Brechungsindex n durchgeht, tritt es mit einem Brechungswinkel a2 in das Glas ein, der durch das Brechungsgesetz gegeben ist: a2 = arcsin(sin(a1)/n). Wenn zum Beispiel a1 = 45 Grad und n = 1,5, ist der Brechungswinkel a2 = arcsin(sin(45°)/1,5) = 28,13°. Es kann das Brechungsgesetz angewendet werden, um die Dicken h1, h2 und die Winkel b1, b2 in 23 auszuwählen, um den gewünschten Zustand zu erzeugen. Bei N-BK7 Glas und den vorstehend erwähnten Keilwinkeln sind die Dicken und Winkel, die die gewünschten Bedingungen erfüllen, h1 = 14,3 mm, h2 = 10,31 mm, b1 = 55 Grad und b2 = 45 Grad. Ein wichtiges, in 23 veranschaulichtes Merkmal besteht darin, dass die optischen Elemente dafür konfiguriert sind, die ursprüngliche Linie des Lichtstrahls beizubehalten, während dieser von dem ursprünglichen Einkopplungspunkt wandert, um die optische Bankbaugruppe zu verlassen. Natürlich hängt die exakte Ausrichtung von der Zahl und Art von optischen Elementen ab, die in der optischen Bankbaugruppe enthalten sind.
  • Das Verfahren zum Ausrichten der Lichtquelle wird nun anhand der Schritte 4000 aus 24 beschrieben. Schritt 4010 besteht darin, die optischer Bankbaugruppe auf einer Ausrichtungsbefestigung anzuordnen. Schritt 4020 besteht darin, den Brennpunkt der Lichtquelle einzustellen. In einer Ausführungsform kann das Licht so eingestellt werden, dass in einem oder mehreren Abständen eine besondere Strahlgröße erhalten wird. Die Brennpunkteinstellung dz, die in 22 gezeigt ist, kann zum Beispiel durch Anbringen der Lichtquelle (zum Beispiel der Faser 3812 und des Metallrings 3814) in einem Block erhalten werden, der in die Gegenröhre 3622 geschraubt wird. Durch Schrauben des Metallrings 3814 näher an der Linse 3822 wird der Brennpunkt des Lichtstrahls weiter von dem Lasertracker weg bewegt. Schritt 4030 besteht darin, die optische Bankbaugruppe auf der Ausrichtungsbefestigung zu drehen. Schritt 4040 besteht darin, die Lichtquelle so einzustellen, dass die Rundlaufabweichung minimiert wird. Die Rundlaufabweichung wird hier als Durchmesser des Lichtmusters in einem gewissen Abstand definiert, während sich die optische Bankbaugruppe dreht. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Drehung an mehr als einer Position zu minimieren, zum Beispiel an einer nahen Position, die einen Meter von dem Tracker entfernt sein kann, und an einer entfernten Position, die zum Beispiel 32 Meter von dem Tracker entfernt sein kann. Diese Einstellung erfolgt durch die Translationen tx, ty, gegebenenfalls unter Verwendung einer Schlitz- und Schraubenanordnung, und durch die Drehungen rx, ry, gegebenenfalls unter Verwendung von Kippmechanismen. Im Allgemeinen ist die Größe eines Strahls nahe zum Tracker relativ stärker von den Translationseinstellungen, tx, ty, betroffen, während die Größe eines Strahls weit entfernt von dem Tracker relativ stärker von den Dreheinstellungen rx, ry betroffen ist. Die Translationen können zwischen nahen und entfernten Positionen wiederholt werden, um die Rundlaufabweichung zu minimieren. Schritt 4050 besteht darin, die optische Bank in das Strahllenkungssystem einzufügen, welches das Strahllenkungssystem 3600, 3610 sein kann. Schritt 4060 besteht darin, das Strahllenkungssystem zu verwenden, um den Lichtstrahl in die gewünschte Richtung zu richten.
  • Die Schritte 4000 sind auf Vorrichtungen anwendbar, die einen Lichtstrahl in den Raum einkoppeln. Wenn zusätzlich ein Lichtstrahl von einer Vorrichtung empfangen wird, wie im Fall eines Lasertrackers, kann ein Positionsdetektor angebracht und auf die optische Bankbaugruppe 3650 ausgerichtet werden. Eine Querschnittsansicht einer Positionsdetektorbaugruppe 3840 ist in 21 gezeigt. Die Positionsdetektorbaugruppe 3840 kann einen Diffusor/Filter 3847, eine Blende (in 21 nicht gezeigt) und einen Positionsdetektor 3846 umfassen. Nun wird ein Verfahren zum Ausrichten der Positionsdetektorbaugruppe beschrieben. Zunächst wird das Licht von der optischen Bank auf einen Retroreflektor zentriert, der das Licht entlang seiner Auswärtsrichtung zurückwirft. Eine günstige Art und Weise hierfür besteht darin, einen würfeleckigen Retroreflektor direkt an dem Ausgang der optischen Bankbaugruppe 3650 zu montieren, so dass der ausgehende Lichtstrahl auf den Scheitel des Retroreflektors trifft. In einer Ausführungsform ist das Würfeleck unter Verwendung einer kinematischen Magnetaufnahme vorne an der optischen Bankbaugruppe 3650 montiert. Das Licht, das von dem Retroreflektor zurückkehrt, trifft auf den Strahlenteiler 3832 und geht durch die Öffnung in einer Bodenfläche 3827 der optischen Bankbaugruppe hindurch. (Die Elemente der Positionsdetektorbaugruppe werden in dieser Öffnung montiert.) Ein externer, separat montierter Positionsdetektor wird vor der Öffnung in der Oberfläche 3827 angeordnet. Die Position, an der das von dem Strahlenteiler 3832 reflektierte Licht auf den externen Positionsdetektor trifft, wird beobachtet. Der Diffusor/Filter 3847 und die Linse 3842 werden an ihrem Platz angeordnet und unter Verwendung von mechanischen Strukturen 3842 eingestellt, um den Strahl an der ersten beobachteten Position auf dem externen Positionsdetektor zu zentrieren. Der interne Positionsdetektor 3848 wird in seine Position gebracht und so eingestellt, dass der Lichtstrahl in etwa in seiner Mitte angeordnet wird. Das Licht, das in der sekundären Optikbaugruppe 3740, 910 eintritt oder aus diesem austritt, kann ausgerichtet werden, nachdem die Ausrichtung der optischen Bankbaugruppe 3650 abgeschlossen ist.
  • 25 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 6300 zur Vorausrichtung einer Optikbaugruppe, zum Installieren der Optikbaugruppe in einer Dimensionsmessvorrichtung und zur Verwendung der Dimensionsmessvorrichtung zum Messen eines entfernten Retroreflektorziels.
  • Schritt 6305 besteht darin, einen ersten Motor und einen zweiten Motor bereitzustellen, die zusammen eine fünfte Achse in eine erste Richtung ausrichten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse ist, wobei sich die erste Achse, die zweite Achse und die fünfte Achse im Wesentlichen an einem Kardanpunkt schneiden, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor erzeugt wird.
  • Schritt 6310 besteht darin, einer Optikbaugruppe bereitzustellen, die ein Gehäuse, ein Lichtelement, eine Linse, einen ersten Strahlenteiler und einen Positionsdetektor umfasst, wobei das Lichtelement, die Linse, der erste Strahlenteiler und der Positionsdetektor fest an dem Gehäuse angebracht sind, wobei das Gehäuse zumindest über einen ersten Bereich einer Außenfläche des Gehäuses eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, wobei die zylindrische Form eine dritte Achse aufweist, die durch eine Mittellinie der zylindrischen Form hindurchgeht, wobei Abstände von der dritten Achse zu Punkten in dem ersten Bereich einen im Wesentlichen konstanten Wert aufweisen, wobei das Lichtelement entweder eine Lichtquelle oder eine an der Lichtquelle angebrachte Lichtleiterkomponente ist, wobei das Lichtelement dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht auszustrahlen, wobei ein dritter Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichts ist, wobei der dritte Lichtstrahl einen ersten Weg relativ zu der Optikbaugruppe aufweist, wobei die Optikbaugruppe dafür konfiguriert ist, die Einstellung des ersten Wegs zu ermöglichen.
  • Schritt 6315 besteht darin, eine Ausrichtungsbefestigung bereitzustellen, wobei die Ausrichtungsbefestigung dafür konfiguriert ist, die Optikbaugruppe auf dem ersten Bereich zu tragen und die Drehung der Optikbaugruppe um die dritte Achse einzuschränken.
  • Schritt 6320 besteht darin, die Optikbaugruppe auf der Ausrichtungsbefestigung auf eine solche Weise anzuordnen, dass die Ausrichtungsbefestigung mit der Optikbaugruppe an Kontaktpunkten in dem ersten Bereich in Kontakt kommt.
  • Schritt 6325 besteht darin, den dritten Lichtstrahl auf eine erste Oberfläche zu projizieren, wobei sich die erste Oberfläche in einem ersten Abstand von der Optikbaugruppe befindet.
  • Schritt 6330 besteht darin, die Optikbaugruppe um die dritte Achse auf der Ausrichtungsbefestigung zu drehen.
  • Schritt 6335 besteht darin, eine Änderung einer Position des dritten Lichtstrahls auf der ersten Oberfläche in Abhängigkeit von der Drehung der Optikbaugruppe um die dritte Achse abzutasten.
  • Schritt 6440 besteht darin, den ersten Weg einzustellen, um den dritten Lichtstrahl auf die dritte Achse auszurichten, wobei die Einstellung zumindest teilweise auf der beobachteten Positionsänderung des dritten Lichtstrahls auf der ersten Oberfläche basiert.
  • Schritt 6445 besteht darin, die Optikbaugruppe an der Dimensionsmessvorrichtung anzubringen, wobei durch das Anbringen der dritte Lichtstrahl mit der fünften Achse ausgerichtet wird.
  • Schritt 6450 besteht darin, den dritten Lichtstrahl auf ein entferntes Retroreflektorziel zu richten.
  • Schritt 6455 besteht darin, einen Teil des dritten Lichtstrahls von dem Retroreflektorziel als einen vierten Lichtstrahl zu reflektieren.
  • Schritt 6460 besteht darin, einen dritten Teil des vierten Lichtstrahls von dem Strahlenteiler zu dem Positionsdetektor zu senden. Das Verfahren 6300 schließt mit der Markierung A ab.
  • 26 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 6400, das mit der Markierung A von 25 beginnt. Schritt 6405 besteht darin, den dritten Lichtstrahl auf eine zweite Oberfläche zu projizieren, wobei sich die zweite Oberfläche in einem zweiten Abstand von der Optikbaugruppe befindet. Schritt 6410 besteht darin, den ersten Weg einzustellen, um den dritten Lichtstrahl auf die dritte Achse auszurichten, wobei die Einstellung zumindest teilweise auf der beobachteten Positionsänderung des dritten Lichtstrahls auf der zweiten Oberfläche basiert.
  • 27 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 6500, das mit der Markierung A von 25 beginnt. Schritt 6505 besteht darin, einen Distanzmesser bereitzustellen, der einen dritten Abstand von dem Kardanpunkt zu dem Retroreflektorziel zumindest teilweise auf einem von einem ersten ptischen Detektor empfangenen ersten Teil des zweiten Strahls basierend misst. Schritt 6510 besteht darin, den dritten Abstand zu messen.
  • 28 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 6600, das mit der Markierung A von 25 beginnt. Schritt 6605 besteht darin, eine erste Winkelmessvorrichtung, die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die den zweiten Drehwinkel misst, bereitzustellen. Schritt 6610 besteht darin, den ersten Drehwinkel und den zweiten Drehwinkel zu messen.
  • 29 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 6700, das mit der Markierung A von 25 beginnt. Schritt 6705 besteht darin, den Positionsdetektor bereitzustellen, der dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal in Abhängigkeit von einer Position des dritten Teils auf dem Positionsdetektor zu erzeugen. Schritt 6710 besteht darin, ein Steuerungssystem bereitzustellen, wobei das Steuerungssystem dafür konfiguriert ist, ein zweites Signal an den ersten Motor zu senden und ein drittes Signal an den zweiten Motor zu senden, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuerungssystem dafür konfiguriert ist, die erste Richtung auf die Position des Retroreflektorziels im Raum einzustellen. Schritt 6715 besteht darin, die erste Richtung einzustellen.
  • Die Verwendung der Begriffe erste, zweite usw. sagt nichts über die Reihenfolge oder Bedeutung aus; die Begriffe erste, zweite usw. werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe ein, eine, einer usw. keinerlei Begrenzung der Menge; sie bedeutet vielmehr das Vorliegen von mindestens einem des benannten Gegenstands.

Claims (24)

  1. Dimensionsmessvorrichtung (10), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Lichtstrahl (46) zu einem entfernten Retroreflektorziel (26) zu senden, wobei das Retroreflektorziel (26) eine Position im Raum hat, wobei die Dimensionsmessvorrichtung (10) aufweist: einen ersten Motor (2125) und einen zweiten Motor (2155), die zusammen den ersten Lichtstrahl (46) in eine erste Richtung richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse (20) und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse (18) bestimmt wird, wobei die zweite Achse (18) senkrecht zu der ersten Achse (20) ist, wobei sich die erste Achse (20) und die zweite Achse (18) in einem Kardanpunkt (22) schneiden, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor (2125) erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor (2155) erzeugt wird; eine Optikbaugruppe (3650), umfassend ein Gehäuse (3622), ein Lichtelement (3814), eine Linse (3822, 3824), einen ersten Strahlenteiler (3832) und einen Positionsdetektor (3846), wobei das Lichtelement (3814), die Linse (3822, 3824), der erste Strahlenteiler (3832) und der Positionsdetektor (3846) fest an dem Gehäuse (3622) angebracht sind, wobei das Gehäuse (3622) über zumindest einen ersten Bereich einer Außenfläche des Gehäuses (3622) eine zylindrische Form aufweist, wobei die zylindrische Form eine dritte Achse (57) aufweist, die durch eine Mittellinie der zylindrischen Form hindurchgeht, wobei Abstände von der dritten Achse zu Punkten in dem ersten Bereich ein konstanter Wert sind, wobei die Optikbaugruppe (3650) ausbaubar in eine Kardanbaugruppe der Dimensionsmessvorrichtung (10) eingesetzt ist, wobei das Lichtelement (3814) entweder eine Lichtquelle oder eine Lichtleiterkomponente ist, die an einer Lichtquelle angebracht ist, wobei das Lichtelement (3814) dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht auszustrahlen, wobei der erste Lichtstrahl (46) ein Teil des ersten Lichts ist, wobei die Optikbaugruppe (3650) dafür konfiguriert ist, den ersten Lichtstrahl (46) entlang einer vierten Achse zu senden, wobei die dritte Achse (57) und die vierte Achse zusammenfallen und mit dem Kardanpunkt in einer Reihe liegen und in einer Ebene liegen, die die erste Achse (20) enthält und senkrecht zur zweiten Achse (18) ist, wobei der erste Strahlenteiler (3832) dafür konfiguriert ist, einen zweiten Teil, der ein Teil eines zweiten Lichtstrahls (47) ist, zu dem Positionsdetektor zu senden, welcher zweite Lichtstrahl (47) ein vom Retroreflektorziel (26) zurückgesandter Teil des ersten Lichtstrahls (46) ist, wobei der Positionsdetektor (3846) dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal in Abhängigkeit von einer Position des zweiten Teils auf dem Positionsdetektor zu erzeugen; und ein Steuerungssystem (1520, 1530, 1540, 1550), das ein zweites Signal an den ersten Motor (2125) und ein drittes Signal an den zweiten Motor (2155) sendet, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuerungssystem (1520, 1530, 1540, 1550) dafür konfiguriert ist, die erste Richtung auf die Position des Retroreflektorziels (26) im Raum einzustellen.
  2. Die Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Optikbaugruppe (3650) dafür konfiguriert ist, den ersten Lichtstrahl (46) entlang der dritten Achse (57) zu richten.
  3. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich metallisch ist.
  4. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtleiterkomponente ein Metallring ist.
  5. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle ein Diodenlaser ist.
  6. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Linse dafür konfiguriert ist, das erste Licht zu kollimieren.
  7. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Optikbaugruppe (3650) einen zweiten Strahlenteiler umfasst, wobei der erste Strahlenteiler (3832) und der zweite Strahlenteiler ein Strahlenteilersatz sind.
  8. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Optikbaugruppe (3650) dafür konfiguriert ist, das erste Licht, das in den Strahlenteilersatz eintritt, und das erste Licht, das aus dem Strahlenteilersatz austritt, entlang der vierten Achse auszurichten.
  9. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Distanzmesser, der einen ersten Abstand von dem Kardanpunkt (22) zu dem Retroreflektorziel (26) basierend zumindest teilweise auf einem ersten Teil des zweiten Lichtstrahls (47), der von einem ersten optischen Detektor (3306) empfangen wird, misst.
  10. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine erste Winkelmessvorrichtung (2120), die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung (2150), die den zweiten Drehwinkel misst.
  11. Dimensionsmessvorrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend eine erste Winkelmessvorrichtung (2120), die den ersten Drehwinkel misst, und eine zweite Winkelmessvorrichtung (2150), die den zweiten Drehwinkel misst.
  12. Verfahren zur Inbetriebnahme einer Dimensionsmessvorrichtung (10) durch Vorausrichten einer Optikbaugruppe (3650), Installieren der Optikbaugruppe in einer Dimensionsmessvorrichtung (10) und Verwenden der Dimensionsmessvorrichtung (10) zum Messen eines entfernten Retroreflektorziels (26), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines ersten Motors (2125) und eines zweiten Motors (2155), die zusammen eine fünfte Achse in eine erste Richtung ausrichten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse (20) und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse (18) bestimmt wird, wobei die zweite Achse (18) senkrecht zu der ersten Achse (20) ist, wobei sich die erste Achse (20), die zweite Achse (18) und die fünfte Achse in einem Kardanpunkt (22) schneiden, wobei der erste Drehwinkel von dem ersten Motor (2125) erzeugt wird und der zweite Drehwinkel von dem zweiten Motor (2155) erzeugt wird (6305); Bereitstellen einer Optikbaugruppe (3650), umfassend ein Gehäuse (3622), ein Lichtelement (3814), eine Linse (3822, 3824), einen ersten Strahlenteiler (3832) und einen Positionsdetektor (3846), wobei das Lichtelement (3814), die Linse (3822, 3824), der erste Strahlenteiler (3832) und der Positionsdetektor (3846) fest an dem Gehäuse (3622) angebracht sind, wobei das Gehäuse (3622) eine zylindrische Form über zumindest einen ersten Bereich einer Außenfläche des Gehäuses aufweist, wobei die zylindrische Form eine dritte Achse (57) aufweist, die durch eine Mittellinie der zylindrischen Form hindurchgeht, wobei Abstände von der dritten Achse (57) zu Punkten in dem ersten Bereich einen konstanten Wert aufweisen, wobei das Lichtelement (3814) entweder eine Lichtquelle oder eine Lichtleiterkomponente ist, die an der Lichtquelle angebracht ist, wobei das Lichtelement (3814) dafür konfiguriert ist, ein erstes Licht auszustrahlen, wobei ein dritter Lichtstrahl (55) ein Teil des ersten Lichts ist, wobei der dritte Lichtstrahl (55) einen ersten Weg relativ zu der Optikbaugruppe (3650) aufweist, wobei die Optikbaugruppe (3650) dafür konfiguriert ist, eine Einstellung des ersten Wegs zu ermöglichen; Bereitstellen einer Ausrichtungsbefestigung (3815), wobei die Ausrichtungsbefestigung (3815) dafür konfiguriert ist, die Optikbaugruppe (3650) in dem ersten Bereich zu halten und die Drehung der Optikbaugruppe (3650) um die dritte Achse (57) einzuschränken; Platzieren der Optikbaugruppe (3650) auf der Ausrichtungsbefestigung (3815) auf eine solche Weise, dass die Ausrichtungsbefestigung (3815) mit der Optikbaugruppe (3650) an Kontaktpunkten in dem ersten Bereich in Kontakt kommt; Projizieren des dritten Lichtstrahls (55) auf eine erste Oberfläche, wobei die erste Oberfläche einen ersten Abstand von der Optikbaugruppe (3650) hat; Drehen der Optikbaugruppe (3650) um die dritte Achse auf der Ausrichtungsbefestigung (3815); Abtasten einer Änderung einer Position des dritten Lichtstrahls (55) auf der ersten Oberfläche in Abhängigkeit von der Drehung der Optikbaugruppe (3650) um die dritte Achse (57); Einstellen des ersten Weges, um den dritten Lichtstrahl (55) auf die dritte Achse (57) auszurichten, wobei die Einstellung zumindest teilweise auf der beobachteten Positionsänderung des dritten Lichtstrahls (55) auf der ersten Oberfläche basiert; Anbringen der Optikbaugruppe (3650) an der Dimensionsmessvorrichtung (10), wobei das Anbringen den dritten Lichtstrahl (55) mit der fünften Achse ausrichtet; Richten des dritten Lichtstrahls (55) auf ein entferntes Retroreflektorziel (26); Reflektieren eines Teils des dritten Lichtstrahls (55) von dem Retroreflektorziel (26) als einen vierten Lichtstrahl; und Senden eines dritten Teils des vierten Lichtstrahls von dem Strahlenteiler (3832) zu dem Positionsdetektor (3846).
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Abtastens einer Positionsänderung des dritten Lichtstrahls (55) auf der ersten Oberfläche in Abhängigkeit von der Drehung der Optikbaugruppe (3650) um die dritte Achse (57) ferner das Messen eines ersten Auslaufdurchmessers an der ersten Oberfläche umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend die folgenden Schritte: Projizieren des dritten Lichtstrahls (55) auf eine zweite Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche in einem zweiten Abstand von der Optikbaugruppe (3650) ist; und Einstellen des ersten Weges, um den dritten Lichtstrahl (55) auf die dritte Achse (57) auszurichten, wobei die Einstellung zumindest teilweise auf der beobachteten Positionsänderung des dritten Lichtstrahls (55) auf der zweiten Oberfläche basiert.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Einstellens des ersten Wegs zum Ausrichten des dritten Lichtstrahls (55) auf die dritte Achse (57) ferner das Messen eines zweiten Auslaufdurchmessers an der zweiten Oberfläche umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt des Abtastens einer Positionsänderung des dritten Lichtstrahls (55) auf der ersten Oberfläche die erste Oberfläche eine Oberfläche eines optischen Detektors ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt des Bereitstellens einer Optikbaugruppe (3650) der erste Bereich metallisch ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt des Bereitstellens einer Optikbaugruppe (3650) die Lichtleiterkomponente ein Metallring ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt des Bereitstellens einer Optikbaugruppe (3650) die Lichtquelle ein Diodenlaser ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Optikbaugruppe (3650) des Weiteren das Bereitstellen der Linse (3822, 3824) aufweist, die dafür konfiguriert ist, das erste Licht zu kollimieren.
  21. Verfahren (6500) nach Anspruch 12, ferner aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Distanzmessers, der einen dritten Abstand von dem Kardanpunkt (22) zu dem Retroreflektorziel (26) basierend zumindest teilweise auf einem ersten Teil des vierten Lichtstrahls, der von einem ersten optischen Detektor (3306) empfangen wird, misst; und Messen des dritten Abstands.
  22. Verfahren nach Anspruch 12, ferner aufweisend: Bereitstellen einer ersten Winkelmessvorrichtung (2120), die den ersten Drehwinkel misst, und einer zweiten Winkelmessvorrichtung (2150), die den zweiten Drehwinkel misst; und Messen des ersten Drehwinkels und des zweiten Drehwinkels.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, ferner aufweisend das Bereitstellen einer ersten Winkelmessvorrichtung (2120), die den ersten Drehwinkel misst, und einer zweiten Winkelmessvorrichtung (2150), die den zweiten Drehwinkel misst.
  24. Verfahren nach Anspruch 12, des Weiteren umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen des Positionsdetektors (3846), der dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal in Abhängigkeit von einer Position des dritten Teils auf dem Positionsdetektor (3846) zu erzeugen; Bereitstellen eines Steuerungssystems (1520, 1530, 1540, 1550), wobei das Steuerungssystem (1520, 1530, 1540, 1550) dafür konfiguriert ist, ein zweites Signal an den ersten Motor (2125) zu senden und ein drittes Signal an den zweiten Motor (2155) zu senden, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuerungssystem (1520, 1530, 1540, 1550) dafür konfiguriert ist, die erste Richtung auf die Position des Retroreflektorziels (26) im Raum einzustellen; und Einstellen der ersten Richtung.
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