DE112012001724T5

DE112012001724T5 - Absolutdistanzmesser auf Basis eines Unterabtastungsverfahrens

Info

Publication number: DE112012001724T5
Application number: DE112012001724.2T
Authority: DE
Inventors: Jacob J. Mertz; Robert E. Bridges
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2014-01-30
Also published as: GB201320075D0; GB2504891A; DE112012001705T5; CN103492870B; US9151830B2; WO2012142063A4; US8908154B2; WO2012154356A1; DE112012001721T5; GB2504432A; WO2012142064A3; GB201320086D0; US20120265479A1; CN103765238A; JP2014514563A; GB201320077D0; JP2014517262A; GB2515211B; GB2505354A; WO2012142384A1

Abstract

Dimensionsmesssystem einschließlich eines Dimensionsmessgeräts und eines Ziels, umfassend: einen Signalgenerator, der derart konfiguriert ist, dass er eine RF-Modulationsfrequenz und eine Abtastfrequenz erzeugt, wobei die Frequenzdifferenz zwischen der RF-Modulationsfrequenz und der Abtastfrequenz kleiner als die RF-Frequenz dividiert durch zwei ist; wobei der Signalgenerator ferner derart konfiguriert ist, dass er die Abtastfrequenz zu einem ersten und zweiten Kanal eines Analog-Digital-Wandlers (ADW) sendet und die RF-Frequenz zum Modulieren einer ersten Lichtquelle sendet, die ein erstes Licht erzeugt; ein optisches System, das derart konfiguriert ist, dass es einen Teil des ersten Lichts zu einem optischen Referenzdetektor sendet und einen anderen Teil des ersten Lichts aus dem Dimensionsmessgerät hinaus zu einem entfernten Retroreflektorziel sendet, das ein zweites Licht zu dem optischen System zurückwirft, wobei das optische System das zweite Licht zu einem optischen Messdetektor sendet, wobei der optische Referenz- und der optische Messdetektor derart konfiguriert sind, dass sie die optischen Referenz- und Messsignale in elektrische Referenz- bzw. Messsignale umwandeln; einen ersten ADW-Kanal, der derart konfiguriert ist, dass er das elektrische Messsignal von einem Messdetektor empfängt und digitale Messwerte erzeugt; einen zweiten ADW-Kanal, der derart konfiguriert ist, dass er das elektrische Referenzsignal von einem Referenzdetektor empfängt und digitale Referenzwerte erzeugt; und einen Prozessor, der derart konfiguriert ist, dass er die digitalen Messwerte und die digitalen Referenzwerte empfängt und einen Abstand von dem Messgerät zu dem Ziel berechnet.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 30. Januar 2012 angemeldeten vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/592,049, und der am 15. April 2011 angemeldeten vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/475,703, deren beider gesamter Inhalt hiermit durch Verweis einbezogen wird.
Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät. Ein Satz von Koordinatenmessgeräten gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punkts durch Senden eines Laserstrahls zu dem Punkt messen. Der Laserstrahl kann direkt auf den Punkt oder auf ein Retroreflektorziel, das sich in Kontakt mit dem Punkt befindet, auftreffen. In jedem der beiden Fälle ermittelt das Instrument die Koordinaten des Punkts, indem es den Abstand und die zwei Winkel zu dem Ziel misst. Der Abstand wird mit einem Distanzmessgerät wie beispielsweise einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus in dem Instrument lenkt den Laserstrahl zu dem betreffenden Punkt.
Der Lasertracker ist ein besonderer Typ eines Koordinatenmessgeräts, das das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlen verfolgt, den bzw. die es emittiert. Koordinatenmessgeräte, die nahe mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Laserscanner und die Totalstation. Der Laserscanner sendet schrittweise einen oder mehrere Laserstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt das von der Oberfläche gestreute Licht auf und ermittelt aus diesem Licht den Abstand und zwei Winkel zu jedem Punkt. Die Totalstation, die am häufigsten bei Vermessungsanwendungen eingesetzt wird, kann zum Messen der Koordinaten von diffus streuenden bzw. retroreflektierenden Zielen verwendet werden. Der Begriff „Lasertracker” wird nachstehend in weitem Sinn so benutzt, dass er Laserscanner und Totalstationen umfasst.
Normalerweise sendet der Lasertracker einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel. Ein üblicher Typ eines Retroreflektorziels ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR; spherically mounted retroreflector), der einen in eine Metallkugel eingebetteten Würfelecken-Retroreflektor umfasst. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrecht stehende Spiegel. Der Scheitelpunkt, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Wegen dieser Anordnung der Würfelecke in der Kugel bleibt der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt zu einer beliebigen Oberfläche, auf welcher der SMR aufliegt, sogar konstant, während der SMR gedreht wird. Demzufolge kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche messen, indem er der Position eines SMR folgt, während dieser über die Oberfläche bewegt wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Lasertracker lediglich drei Freiheitsgrade (einen Radialabstand und zwei Winkel) messen muss, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.
Ein Lasertrackertyp enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne einen Absolutdistanzmesser (ADM). Falls ein Objekt den Strahlengang des von einem dieser Tracker ausgehenden Laserstrahls blockiert, verliert das IFM seinen Abstandsbezug. Der Bediener muss dann den Retroreflektor zu einer bekannten Stelle nachführen, um die Rückstellung auf einen Bezugsabstand durchzuführen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Eine Methode zur Umgehung dieser Einschränkung besteht darin, einen ADM in den Tracker einzubringen. Der ADM kann den Abstand in einer Anvisieren-und-Auslösen-Weise messen, die unten ausführlicher beschrieben wird. Einige Lasertracker enthalten nur einen ADM ohne ein Interferometer. Das US-Patent Nr. 7,352,446 ('446) an Bridges et al., dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, beschreibt einen Lasertracker, der nur einen ADM (und kein IFM) aufweist, der zur genauen Abtastung eines sich bewegenden Ziels in der Lage ist. Vor dem Patent '446 waren Absolutdistanzmesser für das genaue Auffinden der Position eines sich bewegenden Ziels zu langsam.
Ein Kardanmechanismus in dem Lasertracker kann verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Tracker auf den SMR zu richten. Ein Teil des von dem SMR retroreflektierten Lichts tritt in den Lasertracker ein und geht anschließend auf einen Positionsdetektor durch. Ein Steuersystem im Lasertracker kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor nutzen, um die Drehwinkel der mechanischen Achsen des Lasertrackers derart einzustellen, dass der Laserstrahl auf den SMR zentriert bleibt. Auf diese Weise ist der Tracker in der Lage, einem SMR zu folgen (nachgeführt zu werden), der über die Oberfläche eines betreffenden Objekts bewegt wird.
Winkelmessgeräte wie beispielsweise Winkelkodierer werden an den mechanischen Achsen des Trackers befestigt. Die eine Abstandsmessung und die zwei Winkelmessungen, die der Lasertracker durchführt, reichen aus, um die dreidimensionale Position des SMR anzugeben.
Mehrere Lasertracker sind verfügbar oder wurden für die Messung von sechs Freiheitsgraden statt der üblichen drei Freiheitsgrade vorgeschlagen. Beispielhafte Systeme mit sechs Freiheitsgraden (6-DOF-Systeme; im Engl. „six degrees of freedom”) werden in dem US-Patent Nr. 7,800,758 ('758) an Bridges et al., dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, und der veröffentlichten US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 2010/0128259, an Bridges et al., deren Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, beschrieben.
Ein heute benutzter ADM-Typ ermittelt den Abstand zu einem Ziel, indem er die Phasenverschiebung eines sinusförmig modulierten Lichtstrahls misst, während sich der Strahl von dem Messgerät zu einem Ziel und zurück bewegt. Zur Messung der Phasenverschiebung des Lichts wird das erfasste Licht mit einem oder mehreren Mischern abwärtsgewandelt und anschließend zu einem Analog-Digital-Wandler (ADW) gesendet, um Messabtastungen zu erhalten, die zur Ermittlung der Phase verarbeitet werden. Der Mischer führt bei diesem Schema zu mehr Komplexität und Kosten bei der Konstruktion des ADM, so dass man besser auf den Mischer verzichten sollte. Ein anderes Problem bei der Verwendung von Mischern in einer Abwärtswandlungsstufe besteht darin, dass ein Mischer einer Phasenverschiebung mit Leistungspegelschwankungen eines in den Mischer eingehenden RF-Signals ausgesetzt sein kann, wodurch ein Fehler bei dem berechneten Abstand zu dem gemessenen Ziel entsteht.
Das Dokument „Digital laser range finder: phase-shift estimation by undersampling technique” von Poujouly et al., das hierin durch Verweis einbezogen wird, beschreibt zwei Verfahren zum Extrahieren einer Phase bei einem phasenbasierten Distanzmesser. Bei dem ersten Verfahren wird ein Quadraturdemodulationsschema (IQ-Demodulationsschema) in Verbindung mit digitalen Filtern und einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC; automatic gain control) verwendet. Die Genauigkeit, die mit dem offenbarten Verfahren erzielt wird, beträgt ungefähr 6 mm, was etwa einem Faktor entspricht, der tausendmal schlechter als derjenige ist, der für die hierin in Betracht gezogene Anwendung gewünscht wird. Bei dem zweiten Verfahren wird eine erste Frequenz zum Modulieren eines Lasers verwendet. Das modulierte Lasersignal wird zu einem Ziel gesendet und das erfasste Signal wird bei einer anderen Frequenz in einem ADW abgetastet, um Abtastwerte zu erhalten, die zur Berechnung der Phasenverschiebung des modulierten Lichts benutzt werden können. Eine einzige Frequenz reicht jedoch für den Betrieb über eine relativ große Entfernung nicht aus, da mehrere Modulationsfrequenzen erforderlich sind, um den „Eindeutigkeitsbereich” zu ermitteln, in welchem sich ein gemessenes Ziel befindet. Die offenbarte Architektur bietet nicht die Möglichkeit, dass diese Mehrdeutigkeit entfernt wird.
Das US-Patent Nr. 7,177,014 ('014) an Mori et al. offenbart ein Verfahren zum Messen eines Abstands zu einem Objekt unter Verwendung eines Absolutdistanzmessers auf Basis eines Unterabtastungsverfahrens. Bei dem Verfahren dieses Patents wird ein erstes oder ein zweites Modulationssignal zum Modulieren der optischen Leistung eines Lasers angelegt. Das erfasste Licht wird an einen ersten ADW angelegt, während ein elektrisches Signal derselben Frequenz an einen zweiten ADW angelegt wird. Die Phasendifferenz zwischen den zwei ADW-Signalen wird zur Berechnung des Abstands zu dem Objekt verwendet. Das offenbarte Verfahren stellt aber keine gute Unterdrückung des von der Laserdiode und den optischen Detektoren stammenden Rauschens bereit, da das zweite ADW-Signal nur elektrisch ist. Da das Mori-Patent keinen Distanzmesser offenbart, der – statt mit einem Retroreflektor – mit Objekten wie beispielsweise [aus dem Patent '014] „einer Aluminiumplatte, einem Karton, einer Polycarbonatplatte, einem Samttuch, einem schwarzen Papier, Holz und einem lackierten Blech” verwendet wird, sind die Abstandsgenauigkeiten viel geringer als diejenigen, die mit einem Retroreflektor möglich wären. Für Dimensionsmesssysteme, bei denen ein Retroreflektor zum Einsatz kommt, sind generell weitaus höhere Genauigkeiten erforderlich, und in diesen Fallen ist es von Bedeutung, dass ein optisches Referenzsignal bereitgestellt wird, um die Gleichtaktstörung zu entfernen, die mit dem Laser und den optischen Detektoren zusammenhängt. Außerdem sind die Verfahren, die das Patent '014 für die Auflösung von Entfernungsmehrdeutigkeiten vorsieht, beschränkt. Bei den praktischsten Systemen, die eine relativ hohe Genauigkeit benötigen, muss eine Methode zur Anwendung von drei oder mehr Modulationsfrequenzen bereitgestellt werden, um eine Mehrdeutigkeit zu entfernen.
Es besteht Bedarf an einem relativ kostengünstigen Verfahren zur Erzielung von Absolutdistanzmessungen mit relativ hoher Genauigkeit.
Zusammenfassung
Ein Dimensionsmesssystem einschließlich eines Dimensionsmessgeräts und eines Ziels umfasst Folgendes: einen Frequenznormalgenerator, der ein elektrisches Normalsignal mit einer Normalfrequenz erzeugt; und einen Signalgenerator, der derart konfiguriert ist, dass er in einem ersten Modus ein erstes elektrisches Signal mit einer ersten Frequenz und ein zweites elektrisches Signal mit einer zweiten Frequenz erzeugt, wobei die erste und zweite Frequenz von dem elektrischen Normalsignal abgeleitet sind, wobei die erste Frequenz dividiert durch die zweite Frequenz kleiner als zwei ist und die erste Frequenz von der zweiten Frequenz verschieden ist. Das System umfasst auch: eine erste Lichtquelle, die ein erstes Licht erzeugt; ein optisches System, das derart konfiguriert ist, dass es einen ersten Teil des ersten Lichts als ersten Lichtstrahl aus dem Messgerät hinaus sendet und einen zweiten Teil des ersten Lichts zu einem optischen Referenzdetektor sendet, wobei der erste Strahl und der zweite Teil eine bei der ersten Frequenz modulierte erste optische Eigenschaft aufweisen; wobei das Ziel als Retroreflektor konfiguriert ist, um den ersten Strahl aufzufangen und um einen zweiten Lichtstrahl zu dem optischen System zurückzuwerfen; wobei das optische System ferner derart konfiguriert ist, dass es einen dritten Teil des zweiten Lichtstrahls zu einem optischen Messdetektor sendet, wobei der optische Messdetektor derart konfiguriert ist, dass er den dritten Teil in ein erstes elektrisches Messsignal umwandelt, wobei der optische Referenzdetektor derart konfiguriert ist, dass er den zweiten Teil in ein erstes elektrisches Referenzsignal umwandelt. Das System umfasst ferner: einen ersten Analog-Digital-Wandlerkanal mit einem ersten Abtastanschluss, einem ersten Signalanschluss und einem ersten Datenanschluss, wobei der erste Analog-Digital-Wandlerkanal in dem ersten Modus derart konfiguriert ist, dass er das zweite elektrische Signal am ersten Abtastanschluss empfängt, das erste elektrische Messsignal am ersten Signalanschluss empfängt und am ersten Datenanschluss mehrere erste digitale Messwerte bereitstellt, die für das erste elektrische Messsignal repräsentativ sind; und einen zweiten Analog-Digital-Wandlerkanal mit einem zweiten Abtastanschluss, einem zweiten Signalanschluss und einem zweiten Datenanschluss, wobei der zweite Analog-Digital-Wandlerkanal in dem ersten Modus derart konfiguriert ist, dass er das zweite elektrische Signal am zweiten Abtastanschluss empfängt, das erste elektrische Referenzsignal am zweiten Signalanschluss empfängt und am zweiten Datenanschluss mehrere erste digitale Referenzwerte bereitstellt, die für das erste elektrische Referenzsignal zu verschiedenen Zeiten repräsentativ sind; und einen Prozessor, der in dem ersten Modus derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Abstand von dem Dimensionsmessgerät zu dem Ziel berechnet, wobei der berechnete erste Abstand zumindest teilweise auf der ersten Frequenz, der zweiten Frequenz, den mehreren ersten digitalen Messwerten, den mehreren ersten digitalen Referenzwerten und der Lichtgeschwindigkeit in Luft basiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, sind dort beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt, die in Bezug auf den gesamten Schutzbereich der Offenbarung nicht als einschränkend zu verstehen sind, und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
1: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einem Retroreflektorziel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einem 6-DOF-Ziel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
3: ein Blockdiagramm, das die Elemente der Optik und Elektronik des Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschreibt;
4: die 4A und 4B umfasst, zwei Typen von afokalen Strahlaufweitern des Stands der Technik;
5: eine faseroptische Strahleinkopplung des Stands der Technik;
6A–D: schematische Figuren, die vier Typen von Positionsdetektorbaugruppen des Stands der Technik darstellen;
6E und 6F: schematische Figuren, die Positionsdetektorbaugruppen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung darstellen;
7A: ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen in einem ADM des Stands der Technik;
7B: ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen in einem ADM gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
7C: eine Darstellung einer ersten Wellenform und einer zweiten Wellenform, die zeigt, wie die erste Wellenform bei einem Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung einer unterabgetasteten Kopie der zweiten Wellenform verwendet werden könnte, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
7D: ein Diagramm, das veranschaulicht, wie ein direkter digitaler Synthesizer (DDS) in einem Super-Nyquist-Modus verwendet werden kann, um die DDS-Frequenz zu erhöhen;
8A und 8B: schematische Figuren, die faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz des Stands der Technik darstellen;
8C: eine schematische Figur, die faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
9: eine Explosionsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
10: eine Querschnittsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik; und
11: ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Kommunikationselemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Ein in 1 dargestelltes beispielhaftes Lasertrackersystem 5 umfasst einen Lasertracker 10, ein Retroreflektorziel 26, einen optionalen Zusatzgerätprozessor 50 und einen optionalen Zusatzcomputer 60. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitschlitten 14, der auf einem Azimutsockel 16 angebracht ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzmasse 15 ist auf dem Zenitschlitten 14 angebracht und wird um eine Zenitachse 18 gedreht. Die Zenitachse 18 und die Azimutachse 20 schneiden sich orthogonal innerhalb des Trackers 10 an einem Kardanpunkt 22, der normalerweise der Ursprung für Abstandsmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 geht fast durch den Kardanpunkt 22 und wird orthogonal zu der Zenitachse 18 gerichtet. Dies bedeutet, dass der Laserstrahl 46 ungefähr senkrecht zu einer beliebigen Ebene ist, die parallel zu der Zenitachse 18 und der Azimutachse 20 ist. Der ausgehende Laserstrahl 46 wird durch die Drehung der Nutzmasse 15 um die Zenitache 18 und durch die Drehung des Zenitschlittens 14 um die Azimutachse 20 in die gewünschte Richtung gerichtet. Ein Zenitwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Zenitachse befestigt, die auf die Zenitachse 18 ausgerichtet ist. Ein Azimutwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Azimutachse befestigt, die auf die Azimutachse 20 ausgerichtet ist. Der Zenit- und der Winkelkodierer messen die Zenit- und Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit. Der ausgehende Laserstrahl 46 bewegt sich zu dem Retroreflektorziel 26, das beispielsweise ein wie oben beschriebener sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein könnte. Durch Messen des Radialabstands zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26, des Drehwinkels um die Zenitachse 18 und des Drehwinkels um die Azimutachse 20 wird die Position des Retroreflektors 26 im Kugelkoordinatensystem des Trackers gefunden.
Der ausgehende Laserstrahl 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen, wie nachstehend beschrieben wird. Der Klarheit und Einfachheit halber wird in der folgenden Besprechung ein wie in 1 dargestellter Typ eines Lenkungsmechanismus angenommen. Es sind jedoch andere Arten von Lenkungsmechanismen möglich. Es ist beispielsweise möglich, dass man einen Laserstrahl von einem Spiegel reflektieren lässt, der um die Azimut- und Zenitachse gedreht wird. Die hierin beschriebenen Methoden sind ungeachtet des Typs des Lenkungsmechanismus anwendbar.
Auf dem Lasertracker können magnetische Aufnahmen 17 vorgesehen werden, um den Lasertracker in eine „Ausgangsposition” für unterschiedlich große SMRs – beispielsweise 38,1, 22,2 und 12,7 mm große SMRs (1,5, 7/8 und ½ Zoll) – zurückzustellen. Man kann einen auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor 19 benutzen, um den Tracker auf einen Referenzabstand zurückzustellen. Außerdem kann ein auf dem Tracker angeordneter Spiegel, der in der Ansicht von 1 nicht sichtbar ist, in Kombination mit dem auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor benutzt werden, um die Durchführung einer Selbstkompensation zu gestatten, die in dem US-Patent Nr. 7,327,446 beschrieben wird, dessen Inhalt durch Verweis einbezogen wird.
2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, das wie das Lasertrackersystem 5 von 1 ist, außer dass das Retroreflektorziel 26 durch eine 6-DOF-Sonde 1000 ersetzt ist. In 1 können andere Typen von Retroreflektorzielen verwendet werden. Es wird zum Beispiel manchmal ein Katzenaugen-Retroreflektor verwendet, der ein Retroreflektor aus Glas ist, bei dem Licht auf einen kleinen Lichtpunkt auf einer reflektierenden Rückfläche der Glasstruktur gebündelt wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das optische und elektrische Elemente einer Lasertracker-Ausgestaltung darstellt. Es zeigt die Elemente eines Lasertrackers, die zwei Lichtwellenlängen emittieren: eine erste Wellenlänge für einen ADM und eine zweite Wellenlänge für einen sichtbaren Zeiger und für die Verfolgung. Der sichtbare Zeiger verschafft dem Benutzer die Möglichkeit, die Position des von dem Tracker emittierten Laserstrahlpunkts zu sehen. Die zwei verschiedenen Wellenlängen werden mit einem im freien Raum angeordneten Strahlteiler kombiniert. Ein elektrooptisches System (EO-System) 100 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, eine optionale erste Fasereinkopplung 170, ein optionales Interferometer (IFM) 120, einen Strahlaufweiter 140, einen ersten Strahlteiler 145, eine Positionsdetektorbaugruppe 150, einen zweiten Strahlteiler 155, einen ADM 160 und eine zweite Fasereinkopplung 170.
Die sichtbare Lichtquelle 110 kann ein Laser, eine Superlumineszenzdiode oder eine andere Licht emittierende Vorrichtung sein. Der Isolator 115 kann ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, das Licht zu reduzieren, das in die Lichtquelle rückreflektiert wird. Das optionale IFM kann auf unterschiedliche Weise konfiguriert werden. Als spezifisches Beispiel für eine mögliche Implementierung kann das IFM einen Strahlteiler 122, einen Retroreflektor 126, Viertelwellen-Verzögerungsplatten 124, 130 und einen Phasenanalysator 128 umfassen. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann das Licht in den freien Raum einkoppeln, wobei sich das Licht dann im freien Raum durch den Isolator 115 und das optionale IFM 120 bewegt. Alternativ dazu kann der Isolator 115 durch ein faseroptisches Kabel an die sichtbare Lichtquelle 110 gekoppelt werden. In diesem Fall kann das Licht von dem Isolator aus durch die erste faseroptische Einkopplung 170 in den freien Raum eingekoppelt werden, wie hierin unten unter Bezugnahme auf 5 besprochen wird.
Der Strahlaufweiter 140 kann mit einer Vielzahl von Linsenkonfigurationen eingerichtet werden, wobei jedoch zwei normalerweise benutzte Konfigurationen des Stands der Technik in 4A, 4B dargestellt sind. 4A zeigt eine Konfiguration 140A, die auf der Verwendung einer Zerstreuungslinse 141A und einer Sammellinse 142A beruht. Ein auf die Zerstreuungslinse 141A einfallender gebündelter Lichtstrahl 220A tritt aus der Sammellinse 142A als größerer gebündelter Lichtstrahl 230A aus. 4B zeigt eine Konfiguration 140B, die auf der Verwendung von zwei Sammellinsen 141B, 142B beruht. Ein auf die erste Sammellinse 141B einfallender gebündelter Lichtstrahl 220B tritt aus einer zweiten Sammellinse 142B als größerer gebündelter Lichtstrahl 230B aus. Von dem Licht, das den Strahlaufweiter 140 verlässt, wird ein kleiner Anteil auf dem Weg aus dem Tracker von den Strahlteilern 145, 155 reflektiert und geht verloren. Derjenige Teil des Lichts, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, wird mit dem Licht von dem ADM 160 kombiniert und bildet daher einen zusammengesetzten Lichtstrahl 188, der diesen Lasertracker verlässt und sich zu dem Retroreflektor 90 bewegt.
Der ADM 160 umfasst bei einer Ausgestaltung eine Lichtquelle 162, eine ADM-Elektronik 164, ein Fasernetz 166, ein elektrisches Verbingungskabel 165 und verbindende Lichtwellenleiter 168, 169, 184, 186. Die ADM-Elektronik sendet elektrische Modulations- und Vorspannungen zu der Lichtquelle 162, die beispielsweise ein Laser mit verteilter Rückkopplung sein kann, der bei einer Wellenlänge von ungefähr 1550 nm arbeitet. Das Fasernetz 166 kann bei einer Ausgestaltung das dem Stand der Technik entsprechende Glasfasernetz 420A sein, das in 8A dargestellt ist. Bei dieser Ausgestaltung bewegt sich das Licht von der Lichtquelle 162 in 3 über den Lichtwellenleiter 184, der dem Lichtwellenleiter 432 in 8A entspricht.
Das Fasernetz von 8A umfasst einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und Reflektoren 435, 440 mit geringer Transmission. Das Licht verläuft durch den ersten Faserkoppler 430 und wird in zwei Lichtwege geteilt, wobei der erste Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 433 zu dem zweiten Faserkoppler 436 geht und der zweite Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 422 und einen Faserlängenausgleicher 423 geht. Der Faserlängenausgleicher 423 verbindet die Faserlänge 168 in 3, die zu dem Referenzkanal der ADM-Elektronik 164 verläuft. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Referenzkanal durchquert werden, an die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Messkanal durchquert werden, anzupassen. Die derartige Anpassung der Faserlängen verringert ADM-Fehler, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Solche Fehler können entstehen, weil die effektive Lichtweglänge eines Lichtwellenleiters gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtwellenleiters multipliziert mit der Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der Lichtwellenleiter von der Temperatur der Faser abhängt, führt eine Schwankung der Temperatur der Lichtwellenleiter zu Veränderungen bei den effektiven Lichtweglängen des Mess- und Referenzkanals. Falls sich die effektive Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Messkanal relativ zu der effektiven Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Referenzkanal ändert, ergibt sich daraus sogar dann eine scheinbare Verschiebung der Position des Retroreflektorziels 90, wenn das Retroreflektorziel 90 ortsfest gehalten wird. Zur Umgehung dieses Problems werden zwei Schritte durchgeführt. Erstens wird die Länge der Faser im Referenzkanal so nahe wie möglich an die Länge der Faser im Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und Referenzfasern so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die Lichtwellenleiter in den zwei Kanälen fast den gleichen Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Das Licht bewegt sich durch den zweiten faseroptischen Koppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt, nämlich den ersten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Faserendverschluss 440 und den zweiten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 438, von wo aus das Licht zu dem Lichtwellenleiter 186 in 3 verläuft. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 186 bewegt sich zu der zweiten Fasereinkopplung 170.
Bei einer Ausgestaltung ist die Fasereinkopplung 170 in der dem Stand der Technik entsprechenden 5 dargestellt. Das Licht von dem Lichtwellenleiter 186 von 3 verläuft zu der Faser 172 in 5. Die Fasereinkopplung 170 umfasst einen Lichtwellenleiter 172, eine Ferrule 174 und eine Linse 176. Der Lichtwellenleiter 172 ist an die Ferrule 174 angeschlossen, die fest an einer Struktur innerhalb des Lasertrackers 10 angebracht ist. Gegebenenfalls kann man das Ende des Lichtwellenleiters in einem Winkel glanzschleifen, um Rückreflexionen zu verringern. Das Licht 250 tritt aus dem Kern der Faser aus, die eine Monomodefaser mit einem Durchmesser zwischen 4 und 12 Mikrometern sein kann, was von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und dem jeweiligen Typ des Lichtwellenleiters abhängt. Das Licht 250 divergiert in einem Winkel und wird von der Linse 176 aufgefangen, die es bündelt. Das Verfahren zum Einkoppeln und Auffangen eines optischen Signals durch einen einzigen Lichtwellenleiter in einem ADM-System wurde in dem Patent '758 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Bezug nehmend auf 3, kann der Strahlteiler 155 ein dichroitischer Strahlteiler sein, der andere Wellenlängen durchlässt, als er reflektiert. Bei einer Ausgestaltung wird das Licht des ADM 160 von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und mit dem Licht des sichtbaren Lasers 110 kombiniert, welches durch den dichroitischen Strahlteiler 155 durchgelassen wird. Der zusammengesetzte Lichtstrahl 188 bewegt sich als erster Strahl aus dem Lasertracker hinaus zu dem Retroreflektor 90, der einen Teil des Lichts als zweiten Strahl reflektiert. Derjenige Teil des zweiten Strahls, der die Wellenlänge des ADM hat, wird von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und zu der zweiten Fasereinkopplung 170 zurückgeworfen, die das Licht in den Lichtwellenleiter 186 zurückkoppelt.
Der Lichtwellenleiter 186 entspricht bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 438 in 8A. Das zurückkehrende Licht bewegt sich von dem Lichtwellenleiter 438 durch den zweiten Faserkoppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt. Ein erster Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 424, der bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 169 entspricht, der zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 164 in 3 führt. Ein zweiter Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 433 und dann zu dem ersten Faserkoppler 430. Das Licht, das den ersten Faserkoppler 430 verlässt, wird in zwei Lichtwege geteilt, und zwar einen ersten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 432 und einen zweiten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Endverschluss 435. Bei einer Ausgestaltung entspricht der Lichtwellenleiter 432 dem Lichtwellenleiter 184, der zu der Lichtquelle 162 in 3 führt. In den meisten Fällen enthält die Lichtquelle 162 einen eingebauten Faraday-Isolator, der die Lichtmenge, die von dem Lichtwellenleiter 432 aus in die Lichtquelle eintritt, minimiert. Zu viel Licht, das in umgekehrter Richtung in einen Laser geleitet wird, kann den Laser destabilisieren.
Das Licht von dem Fasernetz 166 tritt durch die Lichtwellenleiter 168, 169 in die ADM-Elektronik 164 ein. In 7A ist eine Ausgestaltung der ADM-Elektronik des Stands der Technik dargestellt. Der Lichtwellenleiter 168 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3232 in 7A und der Lichtwellenleiter 169 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3230 in 7A. Nun Bezug nehmend auf 7A, umfasst die ADM-Elektronik 3300 eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Referenzdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Referenzmischer 3312, Aufbereitungselektroniken 3314, 3316, 3318, 3320, einen Vorteiler 3324 mit dem Teilungsfaktor N und einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 3322. Die Frequenzreferenz, die beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator (OCXO; oven-controlled crystal oscillator) sein könnte, sendet eine Referenzfrequenz f_REF, die z. B. 10 MHz betragen könnte, zu dem Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt: ein Signal mit einer Frequenz f_RF und zwei Signale mit der Frequenz f_LO. Das Signal f_RF geht zu der Lichtquelle 3102, die der Lichtquelle 162 in 3 entspricht. Die zwei Signale mit der Frequenz f_LO gehen zu dem Messmischer 3310 und dem Referenzmischer 3312. Das von den Lichtwellenleitern 168, 169 in 3 kommende Licht verläuft in den Fasern 3232 bzw. 3230 in 7A und tritt in den Referenz- bzw. Messkanal ein. Der Referenzdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden durch die elektrischen Komponenten 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zu den Mischern 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz f_IF, die gleich dem Absolutwert f_LO – f_RF ist. Das Signal f_RF kann eine relativ hohe Frequenz wie beispielsweise 2 GHz haben, während das Signal f_IF eine relativ niedrige Frequenz wie beispielsweise 10 kHz aufweisen kann.
Die Referenzfrequenz f_REF wird zu dem Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch eine ganze Zahl dividiert. Eine Frequenz von 10 MHz würde beispielsweise durch 40 dividiert, so dass man eine Ausgangsfrequenz von 250 kHz erhält. In diesem Beispiel würden die 10-kHz-Signale, die in den ADW 3322 eintreten, bei einer Frequenz von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt werden. Die Signale des ADW 3322 werden zu einem Datenprozessor 3400 gesendet, der beispielsweise aus einer oder mehreren digitalen Signalprozessor-Einheiten (DSP-Einheiten) bestehen könnte, die in der ADM-Elektronik 164 von 3 angeordnet sind.
Das Verfahren zum Extrahieren eines Abstands beruht auf der Berechnung der Phase der ADW-Signale für den Referenz- und Messkanal. Dieses Verfahren wird ausführlich in dem US-Patent Nr. 7,701,559 ('559) an Bridges et al. beschrieben, dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird. Die Berechnung umfasst die Gleichungen (1)–(8) des Patents '559. Wenn der ADM zuerst mit dem Messen eines Retroreflektors beginnt, werden ferner die von dem Synthesizer erzeugten Frequenzen einige Male (beispielsweise dreimal) verändert und die möglchen ADM-Abstände in jedem Fall berechnet. Durch den Vergleich der möglichen ADM-Abstände bei jeder der ausgewählten Frequenzen wird eine Mehrdeutigkeit bei der ADM-Messung beseitigt. Die Gleichungen (1)–(8) des Patents '559 in Kombination mit den in Bezug auf 5 des Patents '559 beschriebenen Synchronisationsverfahren und den in dem Patent '559 beschriebenen Kalman-Filter-Verfahren geben dem ADM die Möglichkeit, ein sich bewegendes Ziel zu messen. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen eingesetzt werden, beispielsweise indem man die Impulslaufzeit statt Phasendifferenzen benutzt.
Derjenige Teil des zurückkehrenden Lichtstrahls 190, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, kommt an dem Strahlteiler 145 an, der einen Teil des Lichts zu dem Strahlaufweiter 140 und einen anderen Teil des Lichts zu der Positionsdetektorbaugruppe 150 sendet. Man kann das aus dem Lasertracker 10 oder EO-System 100 austretende Licht als ersten Strahl und denjenigen Teil des Lichts, der von dem Retroreflektor 90 oder 26 reflektiert wird, als zweiten Strahl auffassen. Teile des reflektierten Strahls werden zu unterschiedlichen Funktionselementen des EO-Systems 100 gesendet. Beispielsweise kann ein erster Teil zu einem Distanzmesser wie dem ADM 160 in 3 gesendet werden. Ein zweiter Teil kann zu einer Positionsdetektorbaugruppe 150 gesendet werden. In einigen Fällen kann ein dritter Teil zu anderen Funktionseinheiten wie beispielsweise einem optionalen Interferometer (120) gesendet werden. Es ist von Bedeutung, dass verstanden wird, dass – obwohl in dem Beispiel von 3 der erste Teil und der zweite Teil des zweiten Strahls zu dem Distanzmesser und dem Positionsdetektor gesendet werden, nachdem sie von den Strahlteilern 155 bzw. 145 reflektiert wurden – es möglich gewesen wäre, das Licht zu einem Distanzmesser oder Positionsdetektor durchzulassen statt reflektieren zu lassen.
In 6A–D sind vier Beispiele von dem Stand der Technik entsprechenden Positionsdetektorbaugruppen 150A bis 150D dargestellt. 6A zeigt die einfachste Implementierung, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionsensor 151 umfasst, der auf einer Leiterplatte 152 angebracht ist, welche Energie von einer Elektronikbox 350 erhält und der Elektronikbox Signale zurücksendet, die die Kapazität für die elektronische Verarbeitung an einer beliebigen Stelle innerhalb des Lasertrackers 10, Zusatzgeräts 50 oder externen Computers 60 repräsentieren können. 6B umfasst einen Lichtfilter 154, der unerwünschte optische Wellenlängen blockiert, damit sie den Positionsdetektor 151 nicht erreichen. Die unerwünschten optischen Wellenlängen können beispielsweise auch blockiert werden, indem man den Strahlteiler 145 oder die Oberfläche des Positionsdetektors 151 mit einem entsprechenden Film beschichtet. 6C enthält eine Linse 153, die die Größe des Lichtstrahls reduziert. 6D enthält einen Lichtfilter 154 und eine Linse 153.
6E zeigt eine neue Positionsdetektorbaugruppe, die eine Lichtaufbereitungsvorrichtung 149E umfasst. Die Lichtaufbereitungsvorrichtung enthält eine Linse 153 und kann auch einen optionalen Wellenlängenfilter 154 umfassen. Sie umfasst ferner mindestens einen von einem Diffusor 156 und einem Raumfilter 157. Wie vorstehend erläutert wurde, ist der Würfelecken-Retroreflektor ein beliebter Retroreflektortyp. Ein Typ des Würfelecken-Retroreflektors besteht aus drei Spiegeln, die jeweils im rechten Winkel mit den anderen zwei Spiegeln verbunden sind. Die Schnittlinien, an welchen diese drei Spiegel verbunden sind, können eine endliche Dicke aufweisen, bei welcher Licht nicht vollkommen zu dem Tracker zurückreflektiert wird. Die Linien endlicher Dicke werden gebeugt, während sie sich derart ausbreiten, dass sie nach Erreichen des Positionsdetektors möglicherweise nicht mehr genau die gleichen wie an dem Positionsdetektor zu sein scheinen. Das Muster des gebeugten Lichts weicht jedoch generell von der vollkommenen Symmetrie ab. Demzufolge kann das Licht, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft, beispielsweise Senkungen und Anstiege bei der optischen Energie (Lichtschwerpunkte) in der Nähe der gebeugten Linien haben. Da die Gleichmäßigkeit des vom Retroreflektor kommenden Lichts von Retroreflektor zu Retroreflektor variieren kann und da ferner die Lichtverteilung auf dem Positionsdetektor während des Drehens oder Neigens des Retroreflektors schwanken kann, ist es unter Umständen von Vorteil, wenn man einen Diffusor 156 einbezieht, um die Gleichmäßigkeit des Lichts zu verbessern, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft. Da ein idealer Positionsdetektor auf einen Flächenschwerpunkt ansprechen sollte und ein idealer Diffusor einen Lichtpunkt symmetrisch spreizen sollte, könnte man die Auffassung vertreten, dass keine Wirkung auf die durch den Positionsdetektor angegebene resultierende Position vorliegen sollte. Bei der praktischen Anwendung des Diffusors stellt sich jedoch heraus, dass die Leistung der Positionsdetektorbaugruppe verbessert wird, und zwar wahrscheinlich wegen der Auswirkungen von Nichtlinearitäten (Unvollkommenheiten) bei dem Positionsdetektor 151 und der Linse 153. Würfelecken-Retroreflektoren, die aus Glas bestehen, können ebenfalls ungleichmäßige Lichtpunkte an dem Positionsdetektor 151 erzeugen. Änderungen des Lichtpunkts an einem Positionsdetektor können sich insbesondere von dem Licht abheben, das von den Würfelecken in 6-DOF-Zielen reflektiert wird, wie es klarer aus den US-amerikanischen Patentanmeldungen, Aktenzeichen 13/370,339 (angemeldet am 10. Februar 2012) und 13/407,983 (angemeldet am 29. Februar 2012), des gleichen Inhabers hervorgeht, deren Inhalt durch Verweis einbezogen wird. Der Diffusor 156 ist bei einer Ausgestaltung ein holographischer Diffusor. Ein holographischer Diffusor stellt ein geregeltes, homogenes Licht über einen vorgegebenen Streuwinkel bereit. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Diffusortypen wie beispielsweise Diffusoren aus geschliffenem Glas oder „matte” Diffusoren verwendet werden.
Der Zweck des Raumfilters 157 der Positionsdetektorbaugruppe 150E besteht darin, Geisterbilder, die beispielsweise aus unerwünschten Reflexionen von optischen Oberflächen resultieren, daran zu hindern, dass sie auf den Positionsdetektor 151 auftreffen. Ein Raumfilter umfasst eine Platte 157, die eine Apertur aufweist. Dadurch, dass man den Raumfilter 157 in einem Abstand entfernt von der Linse positioniert, der ungefähr gleich der Brennweite der Linse ist, geht das zurückkehrende Licht 243E durch den Raumflter, wenn es sich nahe bei seiner schmalsten Stelle – der Strahltaille – befindet. Strahlen, die sich in einem unterschiedlichen Winkel bewegen, beispielsweise infolge einer Reflexion eines optischen Elements, treffen auf den Raumfilter entfernt von der Apertur auf und werden am Erreichen des Positionsdetektors 151 gehindert. In 6E ist ein Beispiel dargestellt, bei dem ein unerwünschtes Geisterbild 244E von einer Oberfläche des Strahlteilers 145 reflektiert wird und zu dem Raumfilter 157 verläuft, wo es blockiert wird. Ohne den Raumfilter wäre das Geisterbild 244E vom Positionsdetektor 151 aufgefangen worden, was dazu geführt hätte, dass die Position des Strahls 243E auf dem Positionsdetektor 151 falsch ermittelt worden wäre. Sogar ein schwaches Geisterbild kann die Position des Flächenschwerpunkts auf dem Positionsdetektor 151 signifikant verändern, wenn das Geisterbild in einem relativ großen Abstand von dem Hauptlichtpunkt entfernt ist.
Ein Retroreflektor des hier besprochenen Typs wie beispielsweise ein Würfelecken- oder Katzenaugen-Retroreflektor hat die Eigenschaft, einen in ihn eintretenden Lichtstrahl in eine Richtung zu reflektieren, die parallel zu dem einfallenden Strahl ist. Ferner sind der einfallende und der reflektierte Strahl symmetrisch um den Symmetriepunkt des Retroreflektors herum angeordnet. Bei einem luftoffenen Würfelecken-Retroreflektor ist dessen Symmetriepunkt beispielsweise der Scheitelpunkt der Würfelecke. Bei einem Würfelecken-Retroreflektor aus Glas ist der Symmetriepunkt ebenfalls der Scheitelpunkt, wobei in diesem Fall allerdings die Lichtbeugung an der Glas-Luft-Grenzfläche zu berücksichtigen ist. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor mit dem Brechungsindex 2,0 ist der Symmetriepunkt der Mittelpunkt der Kugel. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor aus zwei Halbkugeln aus Glas, die symmetrisch auf einer gemeinsamen Ebene sitzen, ist der Symmetriepunkt ein Punkt, der auf der Ebene und an dem Kugelmittelpunkt jeder Halbkugel liegt. Die Hauptsache ist die, dass bei dem Typ von Retroreflektoren, der gewöhnlich mit Lasertrackern verwendet wird, das von einem Retroreflektor zu dem Tracker zurückgeworfene Licht zu der – bezogen auf den einfallenden Laserstrahl – anderen Seite des Scheitelpunkts verschoben wird.
Dieses Verhalten eines Retroreflektors 90 in 3 ist die Grundlage für die Verfolgung des Retroreflektors durch den Lasertracker. Der Positionssensor hat auf seiner Oberfläche einen idealen Rückverfolgungspunkt. Der ideale Rückverfolgungspunkt ist derjenige Punkt, an welchem der zu dem Symmetriepunkt eines Retroreflektors (bei einem SMR z. B. dem Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors) gesendete Laserstrahl zurückkehren wird. Normalerweise befindet sich der Rückverfolgungspunkt nahe dem Mittelpunkt des Positionssensors. Wenn der Laserstrahl zu einer Seite des Retroreflektors gesendet wird, wird er auf der anderen Seite reflektiert und erscheint er versetzt gegenüber dem Rückverfolgungspunkt auf dem Positionssensor. Durch das Registrieren der Position des zurückkehrenden Lichtstrahls auf dem Positionssensor kann das Steuersystem des Lasertrackers 10 veranlassen, dass die Motoren den Lichtstrahl zum Symmetriepunkt des Retroreflektors hin bewegen.
Falls der Retroreflektor mit konstanter Geschwindigkeit quer zu dem Tracker bewegt wird, trifft der Lichtstrahl auf den Retroreflektor in einem festen Versetzungsabstand von dessen Symmetriepunkt auf (nachdem die Einschwingvorgänge beendet sind). Der Lasertracker führt eine Korrektur durch, um diesen Versetzungsabstand an dem Retroreflektor basierend auf einem aus den gesteuerten Messungen erhaltenen Skalenfaktor und basierend auf dem Abstand zwischen dem Lichtstrahl auf dem Positionssensor und dem idealen Rückverfolgungspunkt zu berücksichtigen.
Wie vorstehend erläutert wurde, führt der Positionsdetektor zwei wichtige Funktionen durch, nämlich die Ermöglichung von Verfolgungs- und Korrekturmessungen zur Berücksichtigung der Bewegung des Retroreflektors. Der Positionssensor in dem Positionsdetektor kann ein beliebiger Typ einer Vorrichtung sein, die zur Messung einer Position in der Lage ist. Der
Positionssensor könnte beispielsweise ein positionssensitiver Detektor oder eine photosensitive Anordnung sein. Der positionssensitive Detektor könnte zum Beispiel ein Lateraleffektdetektor oder ein Quadrantendetektor sein. Die photosensitive Anordnung könnte beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Anordnung sein.
Bei einer Ausgestaltung geht das zurückkehrende Licht, das nicht vom Strahlteiler 145 reflektiert wird, durch den Strahlaufweiter 140, wodurch es kleiner wird. Bei einer anderen Ausgestaltung sind die Positionen des Positionsdetektors und des Distanzmessers derart umgekehrt, dass das von dem Strahlteiler 145 reflektierte Licht sich zu dem Distanzmesser bewegt und das durch den Strahlteiler durchgelassene Licht zu dem Positionsdetektor verläuft.
Das Licht bewegt sich weiter durch das optionale IFM, durch den Isolator und in die sichtbare Lichtquelle 110. In dieser Phase sollte die optische Energie klein genug sein, damit sie nicht die sichtbare Lichtquelle 110 destabilisiert.
Das von der sichtbaren Lichtquelle 110 stammende Licht wird bei einer Ausgestaltung durch eine Strahleinkopplung 170 von 5 eingekoppelt. Die Fasereinkopplung kann an den Ausgang der Lichtquelle 110 oder einen faseroptischen Ausgang des Isolators 115 angeschlossen sein.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das dem Stand der Technik entsprechende Fasernetz 420B von 8B. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 443, 444, 424, 422 von 8B. Das Fasernetz von 8B gleicht dem Fasernetz von 8A, außer dass das Fasernetz von 8B einen einzigen Faserkoppler statt zwei Faserkopplern aufweist. Der Vorteil von 8B gegenüber 8A ist die Einfachheit; allerdings ist bei 8B die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich unerwünschte Rückreflexionen von Licht ereignen, die in die Lichtwellenleiter 422 und 424 eintreten.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das Fasernetz 420C von 8C. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 447, 455, 423, 424 von 8C. Das Fasernetz 420C umfasst einen ersten Faserkoppler 445 und einen zweiten Faserkoppler 451. Der erste Faserkoppler 445 ist ein 2 × 2-Koppler mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen. Koppler dieses Typs werden normalerweise hergestellt, indem man zwei Faserkerne in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert und die Fasern anschließend zieht, während sie erwärmt werden. Auf diese Weise kann eine evaneszente Kopplung zwischen den Fasern einen gewünschten Anteil des Lichts zu der benachbarten Faser hin abteilen. Der zweite Faserkoppler 451 ist der Typ, der als „Zirkulator” bezeichnet wird. Er hat drei Anschlüsse, die jeweils in der Lage sind, Licht durchzulassen oder aufzufangen, aber nur in der vorgesehenen Richtung. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 448 tritt beispielsweise in den Anschluss 453 ein und wird zum Anschluss 454 transportiert, wie es durch den Pfeil dargestellt ist. Am Anschluss 454 kann das Licht zu dem Lichtwellenleiter 455 durchgelassen werden. In ähnlicher Weise kann das Licht, das sich in dem Anschluss 455 bewegt, in den Anschluss 454 eintreten und sich in der Pfeilrichtung zu dem Anschluss 456 bewegen, wo ein Teil des Lichts zu dem Lichtwellenleiter 424 durchgelassen werden kann. Wenn lediglich drei Ausgänge benötigt werden, dann wird der Zirkulator 451 möglicherweise weniger durch Verluste bei der optischen Energie als der 2 × 2-Koppler beeinträchtigt. Andererseits kann ein Zirkulator 451 teurer sein als ein 2 × 2-Koppler und einer Polarisationsmodendispersion ausgesetzt sein, die in einigen Situationen problematisch sein kann.
Der ADM 160 von 3 umfasst bei einer Ausgestaltung die ADM-Elemente 2900 von 7B. Die ADM-Elemente 2900 umfassen einen Frequenznormalgenerator 2910, einen Signalgenerator 2920, eine Lichtquelle 2930, einen Referenzdetektor 2940, einen Messdetektor 2950, einen ersten Kanal eines Analog-Digital-Wandlers (ADW) 2960, einen zweiten Kanal eines ADW 2961, einen Prozessor 2970, elektrische Leiter zu Anschlusselementen sowie Lichtwellenleiter 2982, 2984, 2986. Der Frequenznormalgenerator 2910 sendet ein Normalfrequenzsignal zu dem Signalgenerator 2920. Der Frequenznormalgenerator 2910 könnte beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator (OCXO; oven controlled crystal oscillator) sein, der ein sinusförmiges 10-MHz-Signal emittiert. Der Signalgenerator 2920 erzeugt ein Radiofrequenzsignal (RF-Signal) bei der Frequenz f_RF und ein Abtastsignal bei der Frequenz f_S. Der Signalgenerator legt das RF-Signal an, um die Lichtquelle 2930 zu modulieren. Die Lichtquelle könnte unterschiedlichen Typs sein. Sie könnte beispielsweise ein bei 1550 nm arbeitender Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser; distributed feedback laser), eine bei 635 nm (rotem Licht) arbeitende Laserdiode, eine bei 830 nm arbeitende Superlumineszenzdiode oder eine andere Lichtquelle sein. Alternativ dazu könnte man das unmodulierte Licht zu einem separaten Modulator senden und das Signal bei der Frequenz f_RF zu dem separaten Modulator senden. Die Lichtwellenleiter 2982, 2984 und 2986 in 7B entsprechen bei einer Ausgestaltung den Lichtwellenleitern 186, 168, 169 in 3. Die Lichtquelle 2930 in 7B entspricht der Lichtquelle 162 in 3. Der Referenzdetektor 2940 und der Messdetektor 2950 wandeln Licht in elektrische Signale mit der Frequenz f_RF um. Die RF-Signale des Referenz- und Messdetektors verlaufen in elektrischen Leitern zu den Signalanschlüssen des ersten und zweiten Kanals des ADW 2960 bzw. 2961. Der Signalgenerator 2920 legt Abtastsignale bei der Abtastfrequenz f_S an den ersten und zweiten Kanal des ADW an, und zwar an die Abtastanschlüsse. Die Ausgangssignale des ersten und zweiten Kanals des ADW verlassen die Datenanschlüsse. Gemäß der Darstellung in 7C ist die Frequenz f_D des unterabgetasteten Signals genau gleich dem Absolutwert der Differenz zwischen f_RF und f_LO. Dieses Ergebnis ist dem Ergebnis ähnlich, das durch das Senden von zwei Frequenzen in einen Mischer und dann durch einen Bandpassfilter erhalten wird. Wenn beispielsweise Signale bei den Frequenzen f_RF bzw. f_LO in die RF- und LO-Anschlüsse eines Mischers übertragen werden, haben die Signale, die den IF-Anschluss des Mischers verlassen, die Frequenzen f_RF + f_LO sowie |f f_RF – f_LO|. Bei der üblichen Implementierung bleibt nach dem Durchgang durch den Bandpassfilter lediglich die Frequenz f_IF = |f f_RF – f_LO| übrig. Durch den Einsatz eines ADW in einem Unterabtastungsmodus ist es daher möglich, dass der Bedarf an Mischern und der zugehörigen Elektronik hinter dem Mess- und Referenzdetektor entfällt. Dies vereinfacht in hohem Maße die Elektronik und kann die Leistung verbessern, indem Phasenverschiebungen reduziert werden, die sich infolge von Schwankungen der elektrischen Energie ereignen, die in die RF-Anschlüsse des Mischers eintritt, wobei diese Schwankungen aus den
Schwankungen der den Messdetektor erreichenden optischen Energie resultieren. Bei der ADM-Elektronik 3300 von 7A werden die zwei Frequenzen f_RF und f_LO verwendet, um eine Zwischenfrequenz zu erhalten, die anschließend am Abtastanschluss des ADW 3322 mit einem Signal abgetastet wird, das eine andere Frequenz f_REF/N aufweist. Durch den Einsatz eines ADW in dem Unterabtastungsmodus von 7B und 7C sind daher nur zwei statt drei Frequenzen erforderlich.
Das Verfahren der Abwärtswandlung ist in 7C dargestellt. Das RF-Signal bei der Frequenz f_RF ist durch die durchgezogene sinusförmige Linie 3510 dargestellt. Das Abtastsignal bei der Frequenz f_S ist durch die gestrichelte sinusförmige Linie 3520 dargestellt. Immer wenn das Abtastsignal bei Ansteigen seines Werts den Schwellwert 3540 schneidet, wird die Amplitude des RF-Signals an einem Punkt 3530 abgetastet. Die Frequenz der einzelnen Abtastungen 3530 ist die Datenfrequenz f_D, die genau f_D = |f_RF – f_S| ist. Die Datensignale des Referenz- und Messkanals werden zu einem Prozessor gesendet. Das auf diesen Signalen basierende Verfahren zur Berechnung des Abstands zum Ziel wurde vorstehend unter Bezugnahme auf die dem Stand der Technik entsprechende 7A erläutert. Ein Vorteil der ADM-Elemente 2900 von 7B gegenüber dem ADM 3300 von 7A besteht darin, dass die Mischer wegfielen, wodurch die Konstruktion vereinfacht wird und die ADM-Einheit kompakter und kostengünstiger wird. Obwohl die Darstellung von 7C Abtastungen zeigt, die erfolgen, wenn das Abtastsignal den Schwellwert 3540 schneidet, hätten andere Kriterien für die Durchführung von Abtastungen bei dem ADW angewendet werden können.
Ein Typ des Signalgenerators 2920 in 7B umfasst zwei direkte digitale Synthesizer (DDS). Ein direkter digitaler Synthesizer ist ein programmierbares Gerät, das ein Signal bei einer gewünschten Frequenz und in vielen Fällen in einer breiten Vielfalt von Wellenformen erzeugen kann. Es wurde durch Versuche herausgefunden, dass ein besonders vorteilhafter Signalgenerator 2920 zur Verwendung in 7B einen zweikanaligen DDS umfasst, bei dem beide Kanäle in eine einzige integrierte Schaltung eingebunden sind. Das Rauschen in jedem Kanal ist wegen der unmittelbaren Nähe der elektrischen Komponenten in jedem Gerät und wegen der Ähnlichkeiten bei den entsprechenden Halbleiterelementen in den zwei DDS-Kanälen stark gegenseitig bedingt und hebt sich gegenseitig in hohem Maße auf. Wenn zwei Signale (bei den Frequenzen f_RF und f_S), die von einem solchen DDS erzeugt wurden, in einen ADW übertragen werden, hebt sich die Gleichtaktstörung (gegenseitig bedingtes Rauschen) auf, so dass relativ rauscharme Datenabtastungen einer Sinuskurve übrig bleiben, wobei die Sinuskurve eine Frequenz f_D hat. Daher kann man einen einfachen und kostengünstigen ADM konstruieren, der ein geringes Rauschen und demzufolge eine hohe Genauigkeit aufweist.
In einigen Fällen sind zweikanalige DDS-Geräte eventuell nicht mit einer Frequenz verfügbar, die so hoch wie gewünscht ist. Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Problems besteht darin, ein durch den DDS erzeugtes Bildsignal zu verwenden. Normalerweise hat ein DDS eine Abtastfrequenz F_SAMP, die von einem an den DDS angelegten Referenzsignal abgeleitet ist. Der Frequenznormalgenerator 2910 kann beispielsweise ein Signal sein, das an einen Eingangsanschluss eines zweikanaligen DDS angelegt wird. In einigen Fällen kann ein DDS eine bestimmte anlegbare Mindestfrequenz (z. B. 25 MHz) haben. Ein DDS kann das eingehende Referenzsignal bis zu einer gewünschten Abtastfrequenz gemäß einem programmierbaren Multiplikatorwert multiplizieren, der durch den Benutzer eingegeben wird. Die DDS-Abtastfrequenz F_SAMP bestimmt den Frequenzbereich, über welchen der DDS ein Signal innerhalb eines Grundfrequenzbands erzeugen kann. Nach dem Nyquist-Kriterium erstreckt sich das Grundfrequenzband von 0 Hz bis zur Hälfte der Abtastfrequenz. Der DDS erzeugt jedoch andere Frequenzen zusätzlich zu denen des Grundfrequenzbands. Durch das in 7C dargestellte Prinzip des Alias-Effekts können Bildsignale in den Nyquist-Zonen 2, 3, 4 ... erzeugt werden (in 7D dargestellt). Durch die Anwendung eines Bandpassfilters hinter dem DDS – wobei der Filter geeignete Bandpassfiltergrenzen aufweist – kann ein DDS zur Erzeugung höherer Frequenzen verwendet werden. Durch den Einsatz eines DDS-Chips in dem so genannten Super-Nyquist-Modus können somit höhere Frequenzen von einem DDS erhalten werden, als es sonst möglich wäre. Die Benutzung eines DDS in einem Super-Nyquist-Modus wird in dem Dokument Analog Devices Application Note AN-939, „Super-Nyquist Operation of the AD9912 yields a high RF Output signal” besprochen, dessen Inhalt durch Verweis einbezogen wird. Man kann mit einem zweikanaligen DDS-Chip in einem Super-Nyquist-Modus zwei nahe beabstandete Frequenzen bei relativ hohen Frequenzen und mit relativ niedrigen Rauschpegeln erzielen. Ein DDS-Chip, der in einem Super-Nyquist-Modus verwendet wird, kann deshalb eine gute Wahl für den Signalgenerator 2920 von 7B sein.
Wenn ein ADM mit einem Retroreflektor wie beispielsweise dem SMR 26 von 1 zum Messen über eine relativ große Entfernung benutzt wird, ist es normalerweise erforderlich, dass man mit dem Messen der relativen Phase des bei drei oder vier Frequenzen modulierten Lichts beginnt, wobei die Anzahl der Modulationsfrequenzen von dem erforderlichen Messbereich und der Genauigkeit des Systems abhängt. Sobald die Anfangsmessung beendet ist, kann eine einzige Modulationsfrequenz mit dem Retroreflektor verwendet werden, solange der Strahl zwischen dem Messgerät und dem Retroreflektor nicht unterbrochen wird. Die Ursache dafür, warum am Anfang mehrere Modulationsfrequenzen erforderlich sind, besteht darin, dass sonst nur ein kleiner Bereich abgedeckt würde, ohne auf eine Mehrdeutigkeit bei der gemessenen Entfernung zu stoßen. Die mehreren Frequenzen sind notwendig, damit man zwischen jedem der Eindeutigkeitsbereiche, die den Phasen von 0 bis 360 Grad entsprechen, unterscheiden kann. Die Größe eines Eindeutigkeitsbereichs beträgt c/(2 fn), wobei f die Modulationsfrequenz ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist und n der Brechungsindex ist. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 3 GHz beträgt der Eindeutigkeitsbereich ungefähr 50 Millimeter, also in den meisten Fällen einem kleinen Teil des gewünschten Messbereichs. Um mehrere Modulationsfrequenzen zum Ausschließen einer Entfernungsmehrdeutigkeit bei einer Anfangsmessung bereitzustellen, kann ein programmierbarer Signalgenerator 2920 die gewünschten mehreren Modulationsfrequenzen erzeugen. Solche Frequenzen können ohne Weiteres z. B. von DDS-Chips oder von programmierbaren Synthesizer-Chips erhalten werden. Durch die Nutzung programmierbarer Frequenzen kann man mehrere Frequenzen bei den gewünschten RF- und Abtastfrequenzen erhalten. Eine mögliche Kombination der Frequenzen f_RF und f_S erfüllt die Bedingung, dass f_RF dividiert durch den Absolutwert der Differenz von f_RF und f_S eine ganze Zahl ist. In 7C gibt es beispielsweise 25 Zyklen des RF-Signals bei 24 Zyklen des Abtastsignals. Somit hat das Abtastsignal eine Frequenz von 24 MHz, wenn das RF-Signal eine Frequenz von 25 MHz hat. Die Differenz der Frequenzen beträgt 1 MHz, und die RF-Frequenz dividiert durch die Frequenzdifferenz beträgt 25. Eine Überprüfung von 7C zeigt, dass die Anzahl der erfassten Punkte pro Zyklus 24 ist, also eins weniger als die RF-Frequenz dividiert durch die Frequenzdifferenz. Demnach bedeutet die hier beschriebene Bedingung das gleiche wie die Feststellung, dass sich das zyklische Muster in regelmäßgen Abständen wiederholt – in 7C wiederholt sich der Zyklus nach allen 25 RF-Zyklen oder nach allen 24 Abtastzyklen. Es ist nicht erforderlich, dass eine derartige Bedingung für die Verwendung des hierin beschriebenen ADM-Verfahrens erzielt wird. Die Besprechung hierin veranschaulicht lediglich eine Möglichkeit.
9 und 10 zeigen eine Explosions- bzw. Querschnittsdarstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Lasertrackers 2100, der in 2 und 3 der veröffentlichten US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 2010/0128259, an Bridges et al., abgebildet ist, die durch Verweis einbezogen wird. Eine Azimutbaugruppe 2110 umfasst ein Stangengehäuse 2112, eine Azimutkodiererbaugruppe 2120, ein unteres und oberes Azimutlager 2114A, 2114B, eine Azimutmotorbaugruppe 2125, eine Azimutschleifringbaugruppe 2130 und Azimutleiterplatten 2135.
Der Zweck der Azimutkodiererbaugruppe 2120 besteht darin, den Drehwinkel eines Jochs 2142 in Bezug auf das Stangengehäuse 2112 genau zu messen. Die Azimutkodiererbaugruppe 2120 umfasst eine Kodiererplatte 2121 und eine Lesekopfbaugruppe 2122. Die Kodiererplatte 2121 ist an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2122 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt. Die Lesekopfbaugruppe 2122 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererplatte 2121 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererplatte in Bezug auf die festen Leseköpfe zu finden.
Die Azimutmotorbaugruppe 2125 umfasst einen Azimutmotorrotor 2126 und einen Azimutmotorstator 2127. Der Azimutmotorrotor umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt sind. Der Azimutmotorstator 2127 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Magneten des Azimutmotorrotors 2126 zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotorstator 2127 ist an dem Stangenrahmen 2112 befestigt.
Die Azimutleiterplatten 2135 repräsentieren eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Azimutkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Azimutschleifringbaugruppe 2130 umfasst einen Außenteil 2131 und einen Innenteil 2132. Bei einer Ausgestaltung tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Zusatzgerätprozessor 50 aus. Das Drahtbündel 2138 kann Energie zu dem Tracker führen oder Signale zu dem Tracker hin und von ihm weg leiten. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Verbindern auf Leiterplatten geführt werden. Bei dem in 30 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Azimutleiterplatte 2135, der Kodiererlesekopfbaugruppe 2122 und der Azimutmotorbaugruppe 2125. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2132 der Scheifringbaugruppe 2130. Der Innenteil 2132 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt und bleibt demzufolge unbeweglich. Der Außenteil 2131 ist an der Jochbaugruppe 2140 befestigt und dreht sich demzufolge in Bezug auf den Innenteil 2132. Die Schleifringbaugruppe 2130 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2131 sich in Bezug auf den Innenteil 2132 dreht.
Die Zenitbaugruppe 2140 umfasst das Jochgehäuse 2142, eine Zenitkodiererbaugruppe 2150, ein linkes und rechtes Zenitlager 2144A, 2144B, eine Zenitmotorbaugruppe 2155, eine Zenitschleifringbaugruppe 2160 und eine Zenitleiterplatte 2165.
Der Zweck der Zenitkodiererbaugruppe 2150 besteht darin, den Drehwinkel eines Nutzmassenrahmens 2172 in Bezug auf das Jochgehäuse 2142 genau zu messen. Die Zenitkodiererbaugruppe 2150 umfasst eine Zenitkodiererplatte 2151 und eine Zenitlesekopfbaugruppe 2152. Die Kodiererplatte 2151 ist an dem Nutzmassengehäuse 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2152 ist an dem Jochgehäuse 2142 befestigt. Die Zenitlesekopfbaugruppe 2152 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererplatte 2151 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererplatte in Bezug auf die festen Leseköpe zu finden.
Die Zenitmotorbaugruppe 2155 umfasst einen Azimutmotorrotor 2156 und einen Azimutmotorstator 2157. Der Zenitmotorrotor 2156 umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Nutzmassenrahmens 2172 befestigt sind. Der Zenitmotorstator 2157 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Rotormagneten zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Zenitmotorstator 2157 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt.
Die Zenitleiterplatte 2165 repräsentiert eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Zenitkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Zenitschleifringbaugruppe 2160 umfasst einen Außenteil 2161 und einen Innenteil 2162. Ein Drahtbündel 2168 tritt aus dem Azimutaußenschleifring 2131 aus und kann Energie oder Signale führen. Einige Drähte des Drahtbündels 2168 können zu Verbindern auf einer Leiterplatte geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Zenitleiterplatte 2165, der Zenitmotorbaugruppe 2150 und der Kodiererlesekopfbaugruppe 2152. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2162 des Scheifringbaugruppe 2160. Der Innenteil 2162 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt und dreht sich demzufolge nur in einem Azimutwinkel, jedoch nicht in einem Zenitwinkel. Der Außenteil 2161 ist an dem Nutzmassenrahmen 2172 befestigt und dreht sich demzufolge sowohl in einem Zenitwinkel als auch in einem Azimutwinkel. Die Schleifringbaugruppe 2160 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2161 sich in Bezug auf den Innenteil 2162 dreht. Die Nutzmassenbaugruppe 2170 umfasst eine optische Hauptbaugruppe 2180 und eine optische Zusatzbaugruppe 2190.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein Dimensionsmesselektronik-Verarbeitungssystem 1500 zeigt, das ein Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510, periphere Elemente 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere vernetzte Komponenten 1600 zeigt, die hier als Wolke dargestellt sind. Das beispielhafte Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 umfasst einen Hauptprozessor 1520, eine Nutzmassenfunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzerschnittstellenelektronik (Anzeige- und BS-Elektronik) 1560, eine herausnehmbare Speicherhardware 1565, eine Radiofrequenzidentifikationselektronik (RFID-Elektronik) und eine Antenne 1572. Die Nutzmassenfunktionselektronik 1530 umfasst eine Anzahl von Unterfunktionen, zu denen die 6-DOF-Elektronik 1531, die Kameraelektronik 1532, die ADM-Elektronik 1533, die Positionsdetektorelektronik (PSD-Elektronik) 1534 und die Nivellierelektronik 1535 gehören. Die meisten Unterfunktionen verfügen über mindestens eine Prozessoreinheit, die beispielsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern (FPGA; field programmable gate array) sein könnte. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wegen ihrer Lage innerhalb des Lasertrackers wie in der Darstellung voneinander getrennt. Die Nutzmassenfunktionen 1530 befinden sich bei einer Ausgestaltung in der Nutzmasse 2170 von 9 und 10, wohingegen die Azimutkodiererelektronik 1540 in der Azimutbaugruppe 2110 und die Zenitkodiererelektronik 1550 in der Zenitbaugruppe 2140 angeordnet sind.
Es sind zahlreiche periphere Geräte möglich, wobei hier jedoch drei derartige Geräte dargestellt sind: ein Temperatursensor 1582, eine 6-DOF-Sonde 1584 und ein Personal Digital Assistant (PDA) 1586, der beispielsweise ein Smartphone sein könnte. Der Lasertracker kann mit peripheren Geräten über verschiedene Mittel kommunizieren, die Folgendes umfassen: eine drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572, ein Sichtsystem wie z. B. eine Kamera sowie die Abstands- und Winkelmesswerte des Lasertrackers, die zu einem zusammenwirkenden Ziel wie z. B. der 6-DOF-Sonde 1584 gesendet werden.
Ein separater Kommunikationsbus verläuft bei einer Ausgestaltung von dem Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann beispielsweise drei serielle Leitungen aufweisen, welche die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung gibt an, ob die Elekronikeinheit auf die Taktleitung achten sollte oder nicht. Falls sie angibt, dass eine Beachtung erfolgen sollte, liest die Elektronikeinheit den aktuellen Wert der Datenleitung bei jedem Taktsignal ab. Das Taktsignal kann beispielsweise einer steigenden Flanke eines Taktimpulses entsprechen. Bei einer Ausgestaltung wird die Information in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. Bei einer Ausgestaltung umfasst jedes Paket eine Adresse, einen Zahlenwert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse gibt an, wohin die Datennachricht innerhalb der Elektronikeinheit zu leiten ist. Die Stelle kann beispielsweise einer Subroutine des Prozessors in der Elektronikeinheit entsprechen. Der Zahlenwert gibt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten oder Anweisungen, welche die Elektronikeinheit durchführen muss. Die Prüfsumme ist ein Zahlenwert, der dazu dient, die Möglichkeit zu minimieren, dass Fehler über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
Der Hauptprozessor 1520 sendet bei einer Ausgestaltung Informationspakete über den Bus 1610 zu der Nutzmassenfunktionselektronik 1530, über den Bus 1611 zu der Azimutkodiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zu der Zenitkodiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zu der Anzeige- und BS-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zu der herausnehmbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zu der RFID- und Drahtlos-Elektronik 1570.
Bei einer Ausgestaltung sendet der Hauptprozessor 1520 auch gleichzeitig einen Synchronisationsimpuls (Synch-Impuls) über den Synchronisationsbus 1630 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Synchronisationsimpuls stellt eine Möglichkeit zur Synchronisation von Werten bereit, die von den Messfunktionen des Lasertrackers erfasst wurden.
Beispielsweise zwischenspeichern die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Kodiererwerte, sobald der Synchronisationsimpuls empfangen wird. In ähnlicher Weise zwischenspeichert die Nutzmassenfunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzmasse enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Der 6-DOF-, die ADM- und die Positionsdetektor-Elektronik zwischenspeichern alle beim Senden des Synchronisationsimpulses die Daten. In den meisten Fällen erfassen die Kamera und der Neigungsmesser Daten bei einer langsameren Rate als der Synchronisationsimpulsrate, doch sie können Daten bei Vielfachen der Periodendauer des Synchronisationsimpulses zwischenspeichern.
Die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitkodiererelektronik 1550 sind durch die in 9, 10 dargestellten Schleifringe 2130, 2160 voneinander und von der Nutzmassenelektronik 1530 getrennt. Aus diesem Grund sind die Busleitungen 1610, 1611 und 1612 in 11 als separate Busleitungen dargestellt.
Das Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren oder es kann die Berechnungs-, Anzeige- und Benutzerschnittstellen-Funktionen im Lasertracker bereitstellen. Der Lasertracker kommuniziert über eine Kommunikationsverbindung 1606, die beispielsweise eine Ethernet-Leitung oder eine drahtlose Verbindung sein könnte, mit dem Computer 1590. Der Lasertracker kann auch über eine Kommunikationsverbindung 1602, die ein oder mehrere elektrische Kabel wie beispielsweise Ethernet-Kabel oder ein oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen könnte, mit anderen Elementen 1600, die durch die Wolke repräsentiert sind, kommunizieren. Ein Beispiel für ein Element 1600 ist ein anderes dreidimensionales Prüfgerät – z. B. ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät –, das durch den Lasertracker umgesetzt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Elementen 1600 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem Ferncomputer 1590 sitzt, kann über eine Ethernet-Leitung oder drahtgebundene Leitung, die wiederum über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung an den Hauptprozessor 1520 angeschlossen ist, eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Wolke 1600 repräsentiert ist.
Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
Obwohl die vorstehend dargelegte Beschreibung größtenteils die Verwendung eines Absolutdistanzmessers in einem Lasertracker hervorhob, ist klar, dass der Abstand allein nur zur Messung des Abstands verwendet werden könnte oder dass der Abstand bei einem anderen Dimensionsmessgerättyp verwendet werden könnte.
Obwohl die Erfindung anhand von Beispielausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Merkmalen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster”, „zweiter” usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster”, „zweiter” usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Merkmals von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein”, „eine” usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.

Claims

Dimensionsmesssystem (5) einschließlich eines Dimensionsmessgeräts (10) und eines Ziels (26), umfassend: einen Signalgenerator (2920), der derart konfiguriert ist, dass er in einem ersten Modus ein erstes elektrisches Signal (2991) mit einer ersten Frequenz und ein zweites elektrisches Signal (2992) mit einer zweiten Frequenz erzeugt, wobei die erste Frequenz dividiert durch die zweite Frequenz kleiner als zwei ist und die erste Frequenz von der zweiten Frequenz verschieden ist; eine erste Lichtquelle (2930), die ein erstes Licht erzeugt; ein optisches System, das derart konfiguriert ist, dass es einen ersten Teil des ersten Lichts als ersten Lichtstrahl (46) aus dem Messgerät hinaus sendet und einen zweiten Teil des ersten Lichts zu einem optischen Referenzdetektor (2940) sendet, wobei der erste Strahl und der zweite Teil eine bei der ersten Frequenz modulierte erste optische Eigenschaft aufweisen; wobei das Ziel als Retroreflektor konfiguriert ist, um den ersten Strahl aufzufangen und um einen zweiten Lichtstrahl (47) zu dem optischen System zurückzuwerfen; wobei das optische System ferner derart konfiguriert ist, dass es einen dritten Teil des zweiten Lichtstrahls zu einem optischen Messdetektor (2950) sendet, wobei der optische Messdetektor derart konfiguriert ist, dass er den dritten Teil in ein erstes elektrisches Messsignal umwandelt, wobei der optische Referenzdetektor derart konfiguriert ist, dass er den zweiten Teil in ein erstes elektrisches Referenzsignal umwandelt; einen ersten Analog-Digital-Wandlerkanal (2960), der in dem ersten Modus derart konfiguriert ist, dass er das zweite elektrische Signal empfängt, das erste elektrische Messsignal empfängt und mehrere erste digitale Messwerte bereitstellt, die für das erste elektrische Messsignal repräsentativ sind; einen zweiten Analog-Digital-Wandlerkanal (2961), der in dem ersten Modus derart konfiguriert ist, dass er das zweite elektrische Signal empfängt, das erste elektrische Referenzsignal empfängt und mehrere erste digitale Referenzwerte bereitstellt, die für das erste elektrische Referenzsignal zu verschiedenen Zeiten repräsentativ sind; und einen Prozessor (2970), der in dem ersten Modus derart konfiguriert ist, dass er einen ersten Abstand (2995) von dem Dimensionsmessgerät zu dem Ziel berechnet, wobei der berechnete erste Abstand zumindest teilweise auf der ersten Frequenz, der zweiten Frequenz, den mehreren ersten digitalen Messwerten, den mehreren ersten digitalen Referenzwerten und der Lichtgeschwindigkeit in Luft basiert.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei: der Signalgenerator ferner derart konfiguriert ist, dass er in einem zweiten Modus ein viertes elektrisches Signal mit einer vierten Frequenz und ein fünftes elektrisches Signal mit einer fünften Frequenz erzeugt, wobei die vierte Frequenz dividiert durch die fünfte Frequenz kleiner als zwei ist und die vierte Frequenz von der fünften Frequenz verschieden ist; das optische System ferner derart konfiguriert ist, dass es einen vierten Teil des ersten Lichts als dritten Lichtstrahl aus dem Messgerät hinaus sendet und einen fünften Teil des ersten Lichts zu dem optischen Referenzdetektor sendet, wobei der dritte Strahl und der fünfte Teil die bei der vierten Frequenz modulierte erste optische Eigenschaft aufweisen; der Retroreflektor derart konfiguriert ist, dass er den dritten Strahl auffängt und einen vierten Lichtstrahl zu dem optischen System zurückwirft; das optische System ferner derart konfiguriert ist, dass es einen sechsten Teil des vierten Lichtstrahls zu dem optischen Messdetektor sendet, wobei der optische Messdetektor derart konfiguriert ist, dass er den sechsten Teil in ein zweites elektrisches Messsignal umwandelt, wobei der optische Referenzdetektor derart konfiguriert ist, dass er den fünften Teil in ein zweites elektrisches Referenzsignal umwandelt; der erste Analog-Digital-Wandlerkanal in einem zweiten Modus derart konfiguriert ist, dass er das fünfte elektrische Signal empfängt, das zweite elektrische Messsignal empfängt und mehrere zweite digitale Messwerte bereitstellt, die für das zweite elektrische Messsignal repräsentativ sind; der zweite Analog-Digital-Wandlerkanal in einem zweiten Modus derart konfiguriert ist, dass er das fünfte elektrische Signal empfängt, das zweite elektrische Referenzsignal empfängt und mehrere zweite digitale Referenzwerte bereitstellt, die für das zweite elektrische Referenzsignal zu verschiedenen Zeiten repräsentativ sind; und der Prozessor ferner in einem zweiten Modus derart konfiguriert ist, dass er den ersten Abstand basierend zumindest teilweise auf den mehreren zweiten digitalen Messwerten und den mehreren zweiten digitalen Referenzwerten berechnet.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 2, wobei der Signalgenerator ein zweikanaliger direkter digitaler Synthesizer mit einer Synthesizer-Abtastfrequenz ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 3, wobei die erste Frequenz durch den Prozessor ausgewählt ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 3, wobei beide Kanäle des zweikanaligen direkten digitalen Synthesizers in einem einzigen elektrischen Bauteil umfasst sind.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 3, wobei die erste Frequenz und die zweite Frequenz größer als die Abtastfrequenz des direkten digitalen Synthesizers dividiert durch zwei sind.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Lichtquelle direkt bei der ersten Frequenz moduliert ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Lichtquelle ein Laser ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei die erste optische Eigenschaft eine optische Leistung ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei das erste Licht von einer ersten Lichtleitfaser (2982) aus eingekoppelt ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 2, wobei die erste Frequenz minus der zweiten Frequenz gleich der vierten Frequenz minus der fünften Frequenz ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 2, wobei eine erste Frequenz dividiert durch die erste Differenz eine ganze Zahl ist und die vierte Frequenz dividiert durch eine zweite Differenz eine ganze Zahl ist, wobei die erste Differenz gleich der ersten Frequenz minus der zweiten Frequenz ist und die zweite Differenz gleich der vierten Frequenz minus der fünften Frequenz ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei das Ziel ein sphärisch montierter Retroreflektor (26) ist.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 1, wobei der optische Messdetektor und der optische Referenzdetektor pin-Photodioden desselben Typs sind.
Dimensionsmesssystem nach Anspruch 14, wobei der optische Messdetektor und der optische Referenzdetektor an Lichtleitfasern (2986, 2984) gekoppelt sind.
Dimensionsmessgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen ersten Motor (2125) und einen zweiten Motor (2155), die zusammen derart konfiguriert sind, dass sie den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse (20) und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse (18) bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird; und ein erstes Winkelmessgerät (2120), das derart konfiguriert ist, dass es den ersten Drehwinkel misst, und ein zweites Winkelmessgerät (2150), das derart konfiguriert ist, dass es den zweiten Drehwinkel misst, wobei der Prozessor ferner derart konfiguriert ist, dass er dreidimensionale Koordinaten des Ziels bereitstellt, wobei die dreidimensionalen Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel und dem zweiten Drehwinkel basieren.
Dimensionsmessgerät nach Anspruch 16, ferner umfassend: eine Positionsdetektorbaugruppe (150A, 150B, 150C, 150D, 150E, 150F), die einen Positionsdetektor (151) umfasst, wobei die Positionsdetektorbaugruppe derart konfiguriert ist, dass sie einen siebten Teil des zweiten Strahls auffängt und ein elektrisches Positionsdetektorsignal als Reaktion auf eine Position des siebten Teils auf dem Positionsdetektor erzeugt; und ein Steuersystem (1520, 1530, 1540, 1550), das ein Signal für den ersten Motor zu dem ersten Motor und ein Signal für den zweiten Motor zu dem zweiten Motor sendet, wobei das Signal für den ersten Motor und das Signal für den zweiten Motor zumindest teilweise auf dem elektrischen Positionsdetektorsignal basieren, wobei das Steuersystem derart konfiguriert ist, dass es die erste Richtung des ersten Strahls auf eine räumliche Position des Ziels einstellt.