DE112012005779B4

DE112012005779B4 - Lasertracker in Verwendung mit einer Sonde mit sechs Freiheitsgraden mit abnehmbarem sphärischem Retroreflektor

Info

Publication number: DE112012005779B4
Application number: DE112012005779.1T
Authority: DE
Inventors: Robert E. Bridges
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: DE112012005779T5; GB2513806A; WO2013115836A1; CN104136880A; JP5797346B2; JP2015510115A; GB201415395D0; GB2513806B

Abstract

Verfahren (4900) zur Messung dreidimensionaler Koordinaten eines ersten Punkts und eines zweiten Punkts, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines sphärisch montierten Retroreflektors (4234, 4434), wobei der sphärisch montierte Retroreflektor einen in einem Retroreflektorkörper montierten Retroreflektor umfasst, wobei der Retroreflektorkörper eine erste Kugelform über einen ersten Abschnitt seiner Außenfläche aufweist, wobei der erste Abschnitt einen Zielmittelpunkt aufweist, wobei der Retroreflektor dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl (46, 984) zu empfangen und einen zweiten Lichtstrahl (47, 986) zurückzuwerfen, wobei der zweite Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, wobei sich der zweite Lichtstrahl in einer Richtung bewegt, die der Richtung des ersten Lichtstrahls entgegengesetzt ist (4905); Bereitstellen einer Sondenbaugruppe (4200, 4400, 4450, 4480), wobei die Sondenbaugruppe einen Sondenstift (4210, 4410) und einen Sondenkopf (4240, 4430, 4440, 4475) umfasst, wobei der Sondenstift die Sondenspitze (4214, 4414) umfasst, wobei die Sondenspitze eine zweite Kugelform über einen zweiten Abschnitt ihrer Oberfläche aufweist, wobei der zweite Abschnitt einen Sondenmittelpunkt aufweist, wobei der Sondenkopf dafür konfiguriert ist, den sphärisch montierten Retroreflektor aufzunehmen und eine Drehung des sphärisch montierten Retroreflektors um den Zielmittelpunkt zu gestatten, während der Zielmittelpunkt an einer gleich bleibenden Position relativ zu der Sondenbaugruppe gehalten wird (4910); Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts (10), wobei das Koordinatenmessgerät einen ersten Motor (2125), einen zweiten Motor (2155), ein erstes Winkelmessgerät (2120), ein zweites Winkelmessgerät (2150), einen Distanzmesser (120, 160), einen Positionsdetektor (151), ein Steuersystem (1520, 1530, 1540, 1550), einen Orientierungssensor (910) und einen Prozessor (1520, 1530, 1531, 1532, 1533, 1534, 1535, 1540, 1550, 1560, 1565, 1570, 1590) umfasst, ...

Description

Hintergrund der Erfindung
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 senkrechte 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 Weg 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 Referenzabstand 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 an Bridges et al. erteilte US-Patent US 7,352,446 B2 ('446), 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. Der für einen Lasertracker verwendete Kardanmechanismus kann für verschiedene andere Anwendungen eingesetzt werden. Als einfaches Beispiel kann der Lasertracker in einem kardanisch aufgehängten Lenkungsmechanismus benutzt werden, der einen sichtbaren Zeigerstrahl, aber keinen Distanzmesser für die Lenkung eines Lichtstrahls zu einer Reihe von Retroreflektorzielen und für die Messung der Winkel von jedem der Ziele aufweist.
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 vollständig 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 an Bridges et al. erteilten US-Patent US 7,800,758 B1 ('758), dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, und der veröffentlichten US-amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0128259 A1 von Bridges et al., deren Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, beschrieben.
In der Vergangenheit waren 6-DOF-Sonden und SMRs separate Zusatzteile, die relativ teuer waren. Es besteht Bedarf an einem Zusatzteil, das relativ preiswert ist und in dem die Funktionalität eines SMR und einer 6-DOF-Sonde kombiniert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Verfahren zur Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Sondenmittelpunkts umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines sphärisch montierten Retroreflektors, wobei der sphärisch montierte Retroreflektor einen in einem Retroreflektorkörper montierten Retroreflektor umfasst, wobei der Retroreflektorkörper eine erste Kugelform über einen ersten Abschnitt seiner Außenfläche aufweist, wobei der erste Abschnitt einen Zielmittelpunkt aufweist, wobei der Retroreflektor dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zu empfangen und einen zweiten Lichtstrahl zurückzuwerfen, wobei der zweite Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, wobei sich der zweite Lichtstrahl in einer Richtung bewegt, die der Richtung des ersten Lichtstrahls im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Das Verfahren umfasst auch: Bereitstellen einer Sondenbaugruppe, wobei die Sondenbaugruppe einen Sondenstift und einen Sondenkopf umfasst, wobei der Sondenstift die Sondenspitze umfasst, wobei die Sondenspitze eine zweite Kugelform über einen zweiten Abschnitt ihrer Oberfläche aufweist, wobei der zweite Abschnitt einen Sondenmittelpunkt aufweist, wobei der Sondenkopf dafür konfiguriert ist, den sphärisch montierten Retroreflektor aufzunehmen und eine Drehung des sphärisch montierten Retroreflektors um den Zielmittelpunkt zu gestatten, während der Zielmittelpunkt an einer im Wesentlichen gleich bleibenden Position relativ zu der Sondenbaugruppe gehalten wird. Das Verfahren umfasst ferner: Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts, wobei das Koordinatenmessgerät einen ersten Motor, einen zweiten Motor, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät, einen Distanzmesser, einen Positionsdetektor, ein Steuersystem, einen Orientierungssensor und einen Prozessor umfasst, wobei der erste Motor und der zweite Motor zusammen dafür konfiguriert sind, den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung zu richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird, wobei das erste Winkelmessgerät für das Messen des ersten Drehwinkels konfiguriert ist und das zweite Winkelmessgerät für das Messen des zweiten Drehwinkels konfiguriert ist, wobei der Distanzmesser dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem sphärisch montierten Retroreflektor basierend zumindest teilweise auf einem dritten Teil des von einem ersten optischen Detektor empfangenen zweiten Lichtstrahls zu messen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal als Reaktion auf eine Position eines vierten Teils des zweiten Lichtstrahls auf dem Positionsdetektor zu erzeugen, wobei das Steuersystem dafür konfiguriert ist, dem ersten Motor ein zweites Signal zu senden und dem zweiten Motor ein drittes Signal zu senden, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuersystem dafür konfiguriert ist, die erste Richtung des ersten Lichtstrahls auf die räumliche Position des sphärisch montierten Retroreflektors einzustellen, wobei der Orientierungssensor dafür konfiguriert ist, drei Orientierungsfreiheitsgrade der Sondenbaugruppe zu messen, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, dreidimensionale Koordinaten des Sondenmittelpunkts zu ermitteln, wobei die dreidimensionalen Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel, dem zweiten Drehwinkel und den drei Orientierungsfreiheitsgraden basieren. Das Verfahren umfasst des Weiteren: Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors auf dem Sondenkopf; Bewegen des Sondenmittelpunkts zu dem ersten Punkt; Richten des ersten Lichtstrahls von dem Koordinatenmessgerät auf den sphärisch montierten Retroreflektor; Messen des ersten Abstands; Messen des ersten Drehwinkels; Messen des zweiten Drehwinkels; Messen der drei Orientierungsfreiheitsgrade basierend zumindest teilweise auf einer durch den Orientierungssensor bereitgestellten Information; Ermitteln eines ersten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Sondenmittelpunkts basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel, dem zweiten Drehwinkel und den drei Orientierungsfreiheitsgraden; Speichern des ersten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Sondenmittelpunkts; Entfernen des sphärisch montierten Retroreflektors aus dem Sondenkopf; Bewegen des Zielmittelpunkts zu dem zweiten Punkt nach Entfernen des sphärisch montierten Retroreflektors aus dem Sondenkopf; Richten des ersten Lichtstrahls von dem Koordinatenmessgerät auf den sphärisch montierten Retroreflektor mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt; Messen eines zweiten Abstands mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt; Messen eines dritten Drehwinkels mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt; Messen eines vierten Drehwinkels mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt; Ermitteln eines zweiten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Zielmittelpunkts basierend zumindest teilweise auf dem zweiten Abstand, dem dritten Drehwinkel und dem vierten Drehwinkel; und Speichern des zweiten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Zielmittelpunkts.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt sind, die nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen 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;
7: ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen in einem ADM des Stands der Technik;
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;
11: ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Kommunikationselemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
12A: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker, bei dem eine einzige Wellenlänge verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
12B: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker, bei dem eine einzige Wellenlänge verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
13: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Kapazität gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
14A und 14B: Vorderansichten eines magnetisch an einem 6-DOF-Sondensockel befestigten 6-DOF-SMR bzw. eines auf einen 6-DOF-Sondensockel geklemmten 6-DOF-SMR gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
15A: eine Vorderansicht einer Sondenbaugruppe und eines auf einer Kompensationshalterung angeordneten 6-DOF-SMR und 15B eine Querschnittsdarstellung der Kompensationshalterung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
16A–C: Vorderansichten, die die Gier-, Nick- und Rollbewegungen der 6-DOF-Sonde zum Erhalten von Kompensationsparametern gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung angeben;
17: eine Vorderansicht einer Sondenbaugruppe und eines 6-DOF-SMR, wobei die Sondenbaugruppe und der SMR Rast- und Passmerkmale gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung aufweisen;
18: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Messung dreidimensionaler Koordinaten gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
19: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das bei der Referenzmarkierung A von 18 beginnt, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
20: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das bei der Referenzmarkierung B von 19 beginnt, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
21: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das bei der Referenzmarkierung A von 18 beginnt, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
22: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das bei der Referenzmarkierung C von 21 beginnt, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
23: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das bei der Referenzmarkierung A von 18 beginnt, 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 Nutzlast 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. Mit anderen Worten: der Laserstrahl 46 liegt in einer Ebene, die ungefähr senkrecht zu der Zenitachse 18 ist und durch die Azimutachse 20 durchgeht. Der ausgehende Laserstrahl 46 wird durch die Drehung der Nutzlast 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. Die Zenit- und Azimutwinkelkodierer 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 grolle SMRs – beispielsweise 38,1, 22,2 und 12,7 mm grolle 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 der US-Patentschrift US 7,327,446 B2 beschrieben wird, deren Inhalt durch Verweis einbezogen wird.
2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, das wie das Lasertrackersystem 5 von 1 beschaffen 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 eine 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 7 ist eine Ausgestaltung der ADM-Elektronik des Stands der Technik dargestellt. Der Lichtwellenleiter 168 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3232 in 7 und der Lichtwellenleiter 169 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3230 in 7. Nun Bezug nehmend auf 7, umfasst die ADM-Elektronik 3300 eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Referenzdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Referenzmischer 3312, Aufbereitungselektroniken 3314, 3316, 3318, 3320, einen Vorteiler 3324 mit dem Teilungsfaktor N und einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 3322. Die Frequenzreferenz, die beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator (OCXO; oven-controlled crystal oscillator) sein könnte, sendet eine Referenzfrequenz 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 7 und tritt in den Referenz- bzw. Messkanal ein. Der Referenzdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden durch die elektrischen Komponenten 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zu den Mischern 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz 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 an Bridges et al. erteilten US-Patent US 7,701,559 B2 ('559) 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 möglichen 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 Pulslaufzeit 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–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 Positionssensor 151 nicht erreichen. Die unerwünschten optischen Wellenlängen können beispielsweise auch blockiert werden, indem man den Strahlteiler 145 oder die Oberfläche des Positionssensors 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 Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gemäße 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 US 2012/0206808 A1 und US 2012/0206716 A1 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 behandelten 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 ein zu dem Symmetriepunkt eines Retroreflektors (bei einem SMR z. B. dem Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors) gesendeter 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 positionsempfindlicher Detektor oder eine photosensitive Anordnung sein. Der positionsempfindliche 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 Lichtwellenleiter 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 Anschlüsse benötigt werden, dann wird der Zirkulator 451 möglicherweise weniger durch Verluste bei der optischen Energie als der 2 × 2-Koppler beeinträchtigt. Andererseits kann ein Zirkulator 451 teurer sein als ein 2 × 2-Koppler und einer Polarisationsmodendispersion ausgesetzt sein, die in einigen Situationen problematisch sein kann.
9 und 10 zeigen eine Explosions- bzw. Querschnittsdarstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Lasertrackers 2100, der in 2 und 3 der US-amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0128259 A1 von Bridges et al. abgebildet ist, die durch Verweis einbezogen wird. Eine Azimutbaugruppe 2110 umfasst ein Stangengehäuse 2112, eine Azimutkodiererbaugruppe 2120, ein unteres und oberes Azimutlager 2114A, 2114B, eine Azimutmotorbaugruppe 2125, eine Azimutschleifringbaugruppe 2130 und Azimutleiterplatten 2135.
Der Zweck der Azimutkodiererbaugruppe 2120 besteht darin, den Drehwinkel eines Jochs 2142 in Bezug auf das Stangengehäuse 2112 genau zu messen. Die Azimutkodiererbaugruppe 2120 umfasst eine Kodiererplatte 2121 und eine Lesekopfbaugruppe 2122. Die Kodiererplatte 2121 ist an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2122 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt. Die Lesekopfbaugruppe 2122 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererplatte 2121 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererplatte in Bezug auf die festen Leseköpfe zu finden.
Die Azimutmotorbaugruppe 2125 umfasst einen Azimutmotorrotor 2126 und einen Azimutmotorstator 2127. Der Azimutmotorrotor umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt sind. Der Azimutmotorstator 2127 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Magneten des Azimutmotorrotors 2126 zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotorstator 2127 ist an dem Stangenrahmen 2112 befestigt.
Die Azimutleiterplatten 2135 repräsentieren eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Azimutkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Azimutschleifringbaugruppe 2130 umfasst einen Außenteil 2131 und einen Innenteil 2132. Bei einer Ausgestaltung tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Zusatzgerätprozessor 50 aus. Das Drahtbündel 2138 kann Energie zu dem Tracker führen oder Signale zu dem Tracker hin und von ihm weg leiten. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Verbindern auf Leiterplatten geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Azimutleiterplatte 2135, der Kodiererlesekopfbaugruppe 2122 und der Azimutmotorbaugruppe 2125. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2132 der Scheifringbaugruppe 2130. Der Innenteil 2132 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt und bleibt demzufolge unbeweglich. Der Außenteil 2131 ist an der Jochbaugruppe 2140 befestigt und dreht sich demzufolge in Bezug auf den Innenteil 2132. Die Schleifringbaugruppe 2130 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2131 sich in Bezug auf den Innenteil 2132 dreht.
Die Zenitbaugruppe 2140 umfasst das Jochgehäuse 2142, eine Zenitkodiererbaugruppe 2150, ein linkes und rechtes Zenitlager 2144A, 2144B, eine Zenitmotorbaugruppe 2155, eine Zenitschleifringbaugruppe 2160 und eine Zenitleiterplatte 2165.
Der Zweck der Zenitkodiererbaugruppe 2150 besteht darin, den Drehwinkel eines Nutzlastrahmens 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 Nutzlastgehäuse 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 Leseköpfe zu finden.
Die Zenitmotorbaugruppe 2155 umfasst einen Zenitmotorrotor 2156 und einen Zenitmotorstator 2157. Der Zenitmotorrotor 2156 umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Nutzlastrahmens 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 der 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 Nutzlastrahmen 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 Nutzlastbaugruppe 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, Verarbeitungssysteme peripherer 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 Nutzlastfunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzerschnittstellenelektronik (Anzeige- und BS-Elektronik) 1560, eine entfernbare Speicherhardware 1565, eine Funkidentifikationselektronik (Funk-ID-Elektronik) und eine Antenne 1572. Die Nutzlastfunktionselektronik 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 Nutzlastfunktionen 1530 befinden sich bei einer Ausgestaltung in der Nutzlast 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 Typen peripherer 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. Periphere Geräte können Prozessoren enthalten. Die 6-DOF-Zusatzteile können 6-DOF-Sondensysteme, 6-DOF-Scanner, 6-DOF-Projektoren, 6-DOF-Sensoren und 6-DOF-Anzeigevorrichtungen umfassen. Die Prozessoren in diesen 6-DOF-Geräten können in Verbindung mit Verarbeitungsgeräten in dem Lasertracker sowie einem externen Computer und Verarbeitungsressourcen der Wolke benutzt werden. Wenn der Begriff „Lasertrackerprozessor” oder „Messgerätprozessor” gebraucht wird, soll er allgemein eine mögliche Unterstützung durch den externen Computer und die Wolke umfassen.
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 Elektronikeinheit 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 Nutzlastfunktionselektronik 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 entfernbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zu der Funk-ID- 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 Nutzlastfunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzlast enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Die 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 Nutzlastelektronik 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 und eine 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 drahtlose Leitung, die wiederum über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung an den Hauptprozessor 1520 angeschlossen ist, eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Wolke 1600 repräsentiert ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
Bei Lasertrackern werden heute lediglich eine sichtbare Wellenlänge (normalerweise rot) und eine infrarote Wellenlänge für den ADM benutzt. Die rote Wellenlänge kann durch einen frequenzstabilisierten Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) zur Verfügung gestellt werden, der für die Verwendung in einem Interferometer und außerdem für die Bereitstellung eines roten Zeigerstrahls geeignet ist. Alternativ dazu könnte die rote Wellenlänge durch einen Diodenlaser zur Verfügung gestellt werden, der lediglich als Zeigerstrahl dient. Ein Nachteil beim Einsatz von zwei Lichtquellen sind der hinzukommende Raum und die zusätzlichen Kosten, die für die hinzukommenden Lichtquellen, Strahlteiler, Isolatoren und anderen Komponenten erforderlich sind. Ein anderer Nachteil bei der Verwendung von zwei Lichtquellen besteht darin, dass es schwierig ist, die beiden Lichtstrahlen entlang den gesamten Lichtwegen perfekt auszurichten, die die Strahlen zurücklegen. Dies kann zu verschiedenen Problemen führen, da es unter anderem nicht möglich ist, gleichzeitig eine gute Leistung aus verschiedenen Untersystemen zu erzielen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Ein System, bei dem eine einzige Lichtquelle benutzt wird, durch welche diese Nachteile beseitigt werden, ist in dem optoelektronischen System 500 von 12A dargestellt.
12A umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, ein Fasernetz 420, eine ADM-Elektronik 530, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 könnte beispielsweise ein roter oder grüner Diodenlaser oder ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL; vertical cavity surface emitting laser) sein. Der Isolator könnte ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder eine beliebige andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die Lichtmenge ausreichend zu reduzieren, die in die Lichtquelle zurückgeführt wird. Das von dem Isolator 115 kommende Licht bewegt sich in das Fasernetz 420, das bei einer Ausgestaltung das Fasernetz 420A von 8A ist.
12B zeigt eine Ausgestaltung eines optoelektronischen Systems 400, bei welchem eine einzige Lichtwellenlänge verwendet wird, wobei aber eine Modulation mittels einer elektrooptischen Modulaton des Lichts statt durch eine direkte Modulation einer Lichtquelle erzielt wird. Das optoelektronische System 400 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 110, einen Isolator 115, einen elektrooptischen Modulator 410, eine ADM-Elektronik 475, ein Fasernetz 420, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die sichtbare Lichtquelle 110 kann beispielsweise eine rote oder grüne Laserdiode sein. Das Laserlicht wird durch einen Isolator 115 gesendet, der beispielsweise ein Faraday-Isolator oder ein Dämpfungsglied sein kann. Der Isolator 115 kann an seinen Ein- und Ausgangsanschlüssen fasergekoppelt sein. Der Isolator 115 sendet das Licht zu dem elektrooptischen Modulator 410, der das Licht zu einer ausgewählten Frequenz moduliert, die gegebenenfalls bis 10 GHz oder höher sein kann. Ein elektrisches Signal 476 von der ADM-Elektronik 475 steuert die Modulation in dem elektrooptischen Modulator 410. Das modulierte Licht von dem elektrooptischen Modulator 410 verläuft zu dem Fasernetz 420, welches das vorstehend besprochene Fasernetz 420A, 420B, 420C oder 420D sein könnte. Ein Teil des Lichts bewegt sich über den Lichtwellenleiter 422 zu dem Referenzkanal der ADM-Elektronik 475. Ein anderer Teil des Lichts bewegt sich aus dem Tracker hinaus, wird von dem Retroreflektor 90 reflektiert, kehrt zum Tracker zurück und kommt am Strahlteiler 145 an. Ein kleiner Anteil des Lichts wird von dem Strahlteiler reflektiert und bewegt sich zum Positionsdetektor 150, der vorstehend unter Bezugnahme auf 6A–F besprochen wurde. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlteiler 145 in die Fasereinkopplung 170, durch das Fasernetz 420 in den Lichtwellenleiter 424 und in den Messkanal der ADM-Elektronik 475 durch. Im Allgemeinen kann das System 500 von 12A unter geringeren Kosten hergestellt werden als das System 400 von 12B; der elektrooptische Modulator 410 ist jedoch möglicherweise in der Lage, eine höhere Modulationsfrequenz zu erzielen, was in einigen Situationen von Vorteil sein kann.
13 zeigt eine Ausgestaltung eines Lokalisierungskamerasystems 950 und eines optoelektronischen Systems 900, wobei eine Orientierungskamera 910 mit der optoelektronischen Funktionalität eines 3D-Lasertrackers kombiniert ist, um sechs Freiheitsgrade zu messen. Das optoelektronische System 900 umfasst eine sichtbare Lichtquelle 905, einen Isolator 910, einen optionalen elektrooptischen Modulator 410, eine ADM-Elektronik 715, ein Fasernetz 420, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145, einen Positionsdetektor 150, einen Strahlteiler 922 und eine Orientierungskamera 910. Das Licht der sichtbaren Lichtquelle wird in einen Lichtwellenleiter 980 emittiert und bewegt sich durch den Isolator 910, der Lichtwellenleiter aufweisen kann, die an die Ein- und Ausgangsanschlüsse gekoppelt sind. Das Licht kann sich durch den elektrooptischen Modulator 410 bewegen, der durch ein elektrisches Signal 716 der ADM-Elektronik 715 moduliert wird. Alternativ dazu kann die ADM-Elektronik 715 über ein Kabel 717 ein elektrisches Signal senden, um die sichtbare Lichtquelle 905 zu modulieren. Ein Teil des Lichts, das in das Fasernetz eintritt, bewegt sich durch den Faserlängenausgleicher 423 und den Lichtwellenleiter 422 und tritt dann in den Referenzkanal der ADM-Elektronik 715 ein. Gegebenenfalls kann ein elektrisches Signal 469 an das Fasernetz 420 angelegt werden, um einem faseroptischen Schalter im Fasernetz 420 ein Schaltsignal bereitzustellen. Ein Teil des Lichts bewegt sich von dem Fasernetz zu der Fasereinkopplung 170, die das Licht im Lichtwellenleiter als Lichtstrahl 982 in den freien Raum sendet. Ein kleiner Anteil des Lichts wird von dem Strahlteiler 145 reflektiert und geht verloren. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlteiler 145, durch den Strahlteiler 922 und aus dem Tracker hinaus zu einem sechs Freiheitsgrade (DOF; degrees of freedom) aufweisenden Gerät 4000. Das 6-DOF-Gerät 4000 kann eine Sonde, ein Scanner, ein Projektor, ein Sensor oder ein anderes Gerät sein.
Das Licht von dem 6-DOF-Gerät 4000 tritt auf seinem Rückweg in das optoelektronische System 900 ein und kommt an dem Strahlteiler 922 an. Ein Teil des Lichts wird von dem Strahlteiler 922 reflektiert und tritt in die Orientierungskamera 910 ein. Die Orientierungskamera 910 zeichnet die Positionen einiger Markierungen auf, die auf dem Retroreflektorziel angeordnet sind. Aus diesen Markierungen wird der Orientierungswinkel (d. h. drei Freiheitsgrade) der 6-DOF-Sonde ermittelt. Die Prinzipien der Orientierungskamera werden nachstehend in der vorliegenden Anmeldung und auch in dem Patent '758 beschrieben. Ein Teil des Lichts am Strahlteiler 145 bewegt sich durch den Strahlteiler und wird mittels der Fasereinkopplung 170 in einen Lichtwellenleiter geleitet. Das Licht bewegt sich zum Fasernetz 420. Ein Teil dieses Lichts verläuft zu dem Lichtwellenleiter 424, von welchem aus es in den Messkanal der ADM-Elektronik 715 eintritt.
Das Lokalisierungskamerasystem 950 umfasst eine Kamera 960 und eine oder mehrere Lichtquellen 970. Das Lokalisierungskamerasystem ist auch in 1 dargestellt, wo die Kameras die Elemente 52 und die Lichtquellen die Elemente 54 sind. Die Kamera umfasst ein Linsensystem 962, eine photosensitive Anordnung 964 und einen Körper 966. Eine Verwendung des Lokalisierungskamerasystems 950 besteht darin, Retroreflektorziele innerhalb des Arbeitsvolumens zu lokalisieren. Das System bewirkt dies durch Blinkenlassen der Lichtquelle 970, das die Kamera als hellen Lichtpunkt auf der photosensitiven Anordnung 964 aufnimmt. Eine zweite Verwendung des Lokalisierungskamerasystems 950 besteht darin, eine grobe Orientierung des 6-DOF-Geräts 4000 basierend auf der beobachteten Position eines Reflektorlichtpunkts oder einer LED auf dem 6-DOF-Gerät 4000 zu ermitteln. Wenn zwei oder mehr Lokalisierungskamerasysteme auf dem Lasertracker zur Verfügung stehen, kann die Richtung jedes Retroreflektorziels innerhalb des Arbeitsvolumens mit den Prinzipien der Triangulation berechnet werden. Wenn eine einzige Lokalisierungskamera für die Aufnahme des entlang der optischen Achse des Lasertrackers reflektierten Lichts angeordnet ist, kann die Richtung jedes Retroreflektorziels gefunden werden. Wenn eine einzige Kamera versetzt gegenüber der optischen Achse des Lasertrackers angeordnet ist, dann kann man unmittelbar aus dem Bild auf der photosensitiven Anordnung die ungefähren Richtungen zu den Retroreflektorzielen erhalten. in diesem Fall kann eine genauere Richtung zu einem Ziel ermittelt werden, indem die mechanischen Achsen des Lasers in mehr als eine Richtung gedreht werden und die Veränderung der Lichtpunktposition auf der photosensitiven Anordnung beobachtet wird.
14A zeigt eine Ausgestaltung einer 6-DOF-Sonde 4400. Die Sonde 4400 umfasst einen 6-DOF-SMR 4434, der auf einer magnetischen Aufnahme 4432 angeordnet ist, die einen starken Magneten 4433 umfasst. Die 6-DOF-Sonde 4400 umfasst einen Stift 4410, einen Körper 4420 und einen Kopf 4430. Der Stift 4410 umfasst eine Sondenspitze 4414 und einen Sondenschaft 4412. Der Kopf 4430 umfasst die magnetische Aufnahme 4432, die dafür konfiguriert ist, den 6-DOF-SMR 4434 um den SMR-Mittelpunkt zu drehen, aber ohne dabei den SMR-Mittelpunkt zu verschieben. Der 6-DOF-SMR 4434 kann vorteilhafterweise als eigenständiges Ziel verwendet werden. Auf diese Weise erhält man einen 6-DOF-SMR 4434 und eine 6-DOF-Sonde 4400 beide für fast den gleichen Preis wie den 6-DOF-SMR allein. Der 6-DOF-SMR umfasst bei einer Ausgestaltung Schnittlinien zwischen den reflektierenden Oberflächen, wobei die Schnittlinien für eine Orientierungskamera wie beispielsweise die Kamera 910 sichtbar sind. Die Aspekte eines 6-DOF-SMR werden ausführlicher in den Patentanmeldungen '339 und '983 behandelt. Im Allgemeinen ist der 6-DOF-Lasertracker in der Lage, sechs Freiheitsgrade einer Sonde zu messen, die ein Retroreflektorziel aufweist. Ein Weg zur Erzielung einer solchen wie vorstehend beschriebenen 6-DOF-Messung besteht darin, Markierungen in einen Würfelecken-Retroreflektor einzubringen und diese Markierungen mit einer Orientierungskamera zu beobachten, um die drei Orientierungsfreiheitsgrade des 6-DOF-SMR bzw. der 6-DOF-Sonde zu ermitteln.
Es können andere Verfahren zur Ermittlung der drei Orientierungsfreiheitsgrade eingesetzt werden. Der Begriff „Orientierungssensor” soll in der vorliegenden Anmeldung für alle derartigen Geräte gelten, die mit einem Lasertracker zur Ermittlung der drei Orientierungsfreiheitsgrade verwendet werden können. Ein erstes Beispiel für ein alternatives Verfahren zur Ermittlung der drei Orientierungsfreiheitsgrade besteht darin, mindestens drei Lichtpunkte auf einer Sonde zu positionieren, die einen Retroreflektor enthält. Durch Beobachten der Lichtpunkte ist es bei einigen Konfigurationen möglich, die drei Orientierungsfreiheitsgrade zu ermitteln. Ein zweites Beispiel eines alternativen Verfahrens zur Ermittlung von drei Orientierungsfreiheitsgraden besteht darin, eine Kombination aus zwei Sensorverfahren zu verwenden. Ein erstes Sensorverfahren besteht darin, eine geringe Lichtmenge, die auf einen Würfelecken-Retroreflektor auftrifft, durch den Retroreflektor durchgehen und auf einen Positionsdetektor auftreffen zu lassen, der beispielsweise eine CMOS-Anordnung oder ein positionsempfindlicher Detektor sein kann. Ein solches Verfahren gestattet die Ermittlung der Nick- und Gierwinkel des Retroreflektors, der bei einer Ausgestaltung an einer Sondenbaugruppe befestigt ist. Ein zweites Sensorverfahren besteht darin, ein an einen Winkelkodierer gekoppeltes mechanisches Pendel für die Messung der Orientierung der Sonde in Bezug auf den Schwerkraftvektor zu benutzen. Diese Messung ergibt einen Winkel, der nahe mit dem Rollwinkel der Sonde verwandt ist. Durch Kombinieren der Ergebnisse des ersten Sensors und des zweiten Sensors kann man die drei Orientierungsfreiheitsgrade erhalten. Unabhängig vom eingesetzten Verfahren kann das Konzept der Einbeziehung eines von dem Messgerät abnehmbaren SMR angewendet werden. In allen Fällen steht der Begriff „Orientierungssensor” für die Vorrichtung, die für die Messung der drei Orientierungsfreiheitsgrade notwendig ist.
14B zeigt eine Ausgestaltung einer 6-DOF-Sonde 4450. Sie ist wie die 6-DOF-Sonde 4400 beschaffen, außer dass sie eine Begrenzung 4460 umfasst. Die Begrenzung umfasst ein Element, das mit dem 6-DOF-SMR 4434 in Kontakt gelangt – also beispielsweise ein mechanisch bearbeitetes Metallstück, eine Kunststoffabdeckung oder ein Riemen. Die Begrenzung 4460 wird mittels eines Befestigungsmechanismus 4464 in festen physischen Kontakt mit dem 6-DOF-SMR 4434 gebracht. Zu den Beispielen für geeignete Befestigungsmechanismen zählen Hakenklemmen und Schraubklemmen. Zwei mögliche Vorteile bei der Einbeziehung eines Klemmmechanismus sind die geringere Wahrscheinlichkeit einer Bewegung des 6-DOF-SMR, die eventuell die Wiederholung eines nachstehend beschriebenen Kompensationsverfahrens erforderlich machen würde, und die geringere Wahrscheinlichkeit, dass der SMR aus der Sonde gestoßen wird und auf den Boden fällt. Der in 14B dargestellte Magnet 4433 ist optional.
Ein Vorteil der in 14A–B dargestellten Sondenausgestaltungen besteht darin, dass man der 6-DOF-SMR-Fähigkeit bei sehr geringen Konsten eine 6-DOF-Sondenfähigkeit hinzufügen kann. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass diese Ausgestaltungen keine elektrische Energiequelle benötigen, weil der 6-DOF-SMR gegebenenfalls ganz in passiver Weise benutzt werden kann.
In 15A ist eine Ausgestaltung einer 6-DOF-Sonde 4200 dargestellt. Die Sonde umfasst einen Sondenkopf 4240, einen Sondenkörper 4220 und einen Sondenstift 4210. Der 6-DOF-SMR 4234 wird durch eine Begrenzung 4260 an seinem Platz gehalten. Die Begrenzung 4260 umfasst ein Element 4262, das mit dem 6-DOF-SMR 4234 in Kontakt gelangt. Das Element 4262 kann beispielsweise ein mechanisch bearbeitetes Metallstück, eine Kunststoffabdeckung oder ein Riemen sein. Die Begrenzung 4260 wird mittels eines Befestigungsmechanismus 4264 in festen physischen Kontakt mit dem 6-DOF-SMR 4234 gebracht. Zu den Beispielen für geeignete Befestigungsmechanismen zählen Hakenklemmen und Schraubklemmen. Der 6-DOF-SMR 4234 sitzt auf einem Aufnahmesockel 4332, der bei einer Ausgestaltung magnetisch ist. Der Sondenkörper 4220 umfasst ein Gehäuse 4224, optionale Betätigungsknöpfe 4226, 4227 und eine optionale Aufnahme-Lagerungsvorrichtung 4228. Das Sondengehäuse 4224 ist derart konturiert, dass es mit einer Hand gehalten werden kann. Der Sondenstift 4210 umfasst eine Sondenspitze 4214, einen Sondenschaft 4212, einen Sondenverbinder 4216 und eine Sondenklemme 4218. Die Sondenklemme ermöglicht eine Vielfalt an Stiften mit verschiedenen Längen, Winkeln und Formen, die an der 6-DOF-Sonde zu befestigen sind.
Bei einer Ausgestaltung umfasst der 6-DOF-SMR 4480 von 17 Rastmerkmale 4471 und umfasst der Sondenkopf 4475 eine Passstruktur 4472, die Passmerkmale 4473 umfasst. Die Rastmerkmale und die Passmerkmale sind dafür konfiguriert, die Orientierung des 6-DOF-SMR in der Aufnahme 4432 zu arretieren, ohne dabei den Kugelmittelpunkt des SMR relativ zu der 6-DOF-Sondenbaugruppe zu verschieben. Die Verwendung der Rast- und Passmerkmale von 17 besteht darin, dass sie dem Tracker die Möglichkeit verschaffen, sofort auf Basis von Sondenkompensationsparametern benutzt zu werden, die vom Werk oder aus einem vorher durchgeführten Kompensationsverfahren erhalten werden.
Bei einer anderen Ausgestaltung wird der Winkel des Lichtstrahls vom Tracker zum Sondenkörper 4420 verändert, indem der 6-DOF-SMR 4434, 4234 relativ zum Körper gedreht wird. Man kann dies dadurch bewerkstelligen, dass man den 6-DOF-SMR 4434, 4234 auf der Aufnahme 4432, 4232 dreht. Zur Ermittlung der Drehwinkels des 6-DOF-SMR kann schnell ein Kompensationsverfahren durchgeführt werden, bei dem die Sonde in einer wie in 15A dargestellten festen Aufnahme 4250 angeordnet wird. Die Sonden in 14A und 14B können gleichfalls mit dem hierin beschriebenen Kompensationsverfahren verwendet werden. In 15A ist die Sondenspitze 421 in der festen Aufnahme 4250 angeordnet. Der Bediener kann die feste Aufnahme auf einer beliebigen zweckmäßigen Oberfläche anordnen und sie mit einer Hand an ihrem Platz halten, während er die 6-DOF-Sonde 4200 mit der anderen Hand bewegt, wobei die Bewegung gemäß dem nachstehend beschriebenen Verfahren erfolgt.
Die feste Aufnahme kann einem beliebigen Typ entsprechen. Ein Typ der festen Aufnahme 4250, der in der Querschnittsdarstellung 4280 von 15B abgebildet ist, umfasst einen Körper 4255, in den drei kleine Kugeln (zwei davon sind 4251A, 4251B) eingebettet sind, die um 120 Grad beabstandet sind und derart angeordnet sind, dass sie die Sondenspitze 4214 bzw. 4414 tragen. Ein kleiner Magnet 4249 kann in der festen Aufnahme 4250 angeordnet sein, um eine Abwärtskraft auf die Sondenspitze 4214, 4414 auszuüben. Die drei kleinen Kugeln halten den Mittelpunkt der kugelförmigen Sondenspitze räumlich fest, ermöglichen jedoch, dass sich die 6-DOF-Sonde 4200, 4400 bzw. 4450 in einem gewünschten Winkel dreht. Da der Mittelpunkt der Sondenspitze fest bleibt, sollte der berechnete Wert der Sondenspitze unabhängig von den Drehwinkeln der 6-DOF-Sonden gleich bleiben. Dies ermöglicht das Auflösen nach der Orientierung des 6-DOF-SMR bezogen auf den Rest der Sonde. Eine andere Bezeichnung für eine Aufnahme, die drei um 120 Grad beabstandete kleine Kugeln enthält, lautet „dreiflächiger Hohlraum”.
Es können andere Typen von Aufnahmekonfigurationen benutzt werden. Bei einer Ausgestaltung werden kleine Vorsprünge statt kleiner Kugeln verwendet. Solche Vorsprünge werden beispielsweise in den Aufnahmen 17 von 1 verwendet. Bei einer anderen Ausgestaltung umfasst die feste Aufnahme einen kegelförmigen Sitz. Wie die Bezeichnung nahelegt, umfasst ein kegelförmiger Sitz einen Kegel, der üblicherweise Kegelbereiche aufweist, die dafür vorgesehen sind, mit der Sondenspitze in Kontakt gebracht zu werden. Wenn sie korrekt konstruiert sind, können Aufnahmen der in 17 dargestellten Art oder Aufnahmen, die als kegelförmige Sitze ausgebildet sind, eine gute Leistung erbringen. Der dreiflächige Hohlraum liefert normalerweise die bestmögliche Leistung.
Der 6-DOF-SMR hat in seiner Position von 14A, 14B oder 15A keinen Translationsfreiheitsgrad, aber drei Orientierungsfreiheitsgrade. Die Sonde wird bei einer Ausgestaltung um drei verschiedene Achsen gedreht, um die Information zu erhalten, die für die Ermittlung der Werte der drei Orientierungsfreiheitsgrade erforderlich ist. Der Zweckmäßigkeit halber können die drei Winkelfreiheitsgrade als der Gierwinkel, der Nickwinkel und der Rollwinkel angenommen werden. Der Gierwinkel 4263 ist der Drehwinkel um die Achse 4261, die durch eine Referenzrichtung der 6-DOF-Sonde verläuft. Die Referenzachse verläuft bei einer Ausgestaltung durch den Mittelpunkt des Körpers 4220 und den Mittelpunkt des Stifts 4210. Der Stift muss aber nicht auf diese Weise angeordnet werden und kann statt dessen in einem beliebigen gewünschten Winkel positioniert werden. Der Nickwinkel ist der Winkel 4266 um die Achse 4265, wie es in 16B dargestellt ist. Der Rollwinkel ist der Winkel 4270 um den Punkt, der durch 4268 durchgeht und senkrecht zu den Achsen 4261 und 4265 ist. Der Rollwinkel ist in diesem Fall nicht der Rollwinkel des 6-DOF-SMR, sondern vielmehr ein Systemniveau-Rollwinkel. Die aus der Durchführung der Drehungen von 16A, 16B und 16C erhaltene Information reicht aus, um die Orientierung des 6-DOF-SMR relativ zu dem Rest der Sondenbaugruppe zu erhalten. Es ist im Allgemeinen wichtig, dass derart gedreht wird, dass drei Winkel wie beispielsweise die Gier-, Nick- und Rollwinkel umfasst sind, um eine ausreichende Information für die Ermittlung der Orientierung des 6-DOF-SMR auf der Sondenbaugruppe zu erhalten; und dies wiederum wird für die Ermittlung der Koordinaten der Sondenspitze benötigt, während sie zu Punkten auf der Oberfläche eines Werkstücks bewegt wird.
Die Sondenbaugruppe kann zur Lagerung zweckmäßigerweise an dem 6-DOF-Sondenkörper befestigt sein, während die 6-DOF-Sonde zur Durchführung von Messungen benutzt wird. 15A zeigt eine feste Aufnahme 4250B, die magnetisch an einer Stelle 4228 auf dem Sondenkörper 4220 befestigt ist. Es wäre ebenfalls möglich, den Sondenkörper mit einem Seil oder einer mechanischen Schnappvorrichtung an der Sonde zu befestigen. Die feste Aufnahme 4250 kann selbstverständlich einfach in der Nähe gehalten und bereitgestellt werden, wenn sie benötigt wird.
18 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 4900 zur Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Sondenmittelpunkts. Ein Schritt 4905 besteht darin, einen sphärisch montierten Retroreflektor bereitzustellen, wobei der sphärisch montierte Retroreflektor einen in einem Retroreflektorkörper montierten Retroreflektor umfasst, wobei der Retroreflektorkörper eine erste Kugelform über einen ersten Abschnitt seiner Außenfläche aufweist, wobei der erste Abschnitt einen Zielmittelpunkt aufweist, wobei der Retroreflektor dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zu empfangen und einen zweiten Lichtstrahl zurückzuwerfen, wobei der zweite Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, wobei sich der zweite Lichtstrahl in einer Richtung bewegt, die der Richtung des ersten Lichtstrahls im Wesentlichen entgegengesetzt ist.
Ein Schritt 4910 besteht darin, eine Sondenbaugruppe bereitzustellen, wobei die Sondenbaugruppe einen Sondenstift und einen Sondenkopf umfasst, wobei der Sondenstift die Sondenspitze umfasst, wobei die Sondenspitze eine zweite Kugelform über einen zweiten Abschnitt ihrer Oberfläche aufweist, wobei der zweite Abschnitt einen Sondenmittelpunkt aufweist, wobei der Sondenkopf dafür konfiguriert ist, den sphärisch montierten Retroreflektor aufzunehmen und eine Drehung des sphärisch montierten Retroreflektors um den Zielmittelpunkt zu gestatten, während der Zielmittelpunkt an einer im Wesentlichen gleich bleibenden Position relativ zu der Sondenbaugruppe gehalten wird.
Ein Schritt 4915 besteht darin, einen Orientierungssensor bereitzustellen, wobei der Orientierungssensor dafür konfiguriert ist, drei Orientierungsfreiheitsgrade der Sondenbaugruppe zu messen.
Ein Schritt 4920 besteht darin, ein Koordinatenmessgerät bereitzustellen, wobei das Koordinatenmessgerät einen ersten Motor, einen zweiten Motor, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät, einen Distanzmesser, einen Positionsdetektor, ein Steuersystem und einen Prozessor umfasst, wobei der erste Motor und der zweite Motor zusammen dafür konfiguriert sind, den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung zu richten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Drehwinkel um eine erste Achse und einen zweiten Drehwinkel um eine zweite Achse bestimmt wird, wobei der erste Drehwinkel durch den ersten Motor erzeugt wird und der zweite Drehwinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird, wobei das erste Winkelmessgerät für das Messen des ersten Drehwinkels konfiguriert ist und das zweite Winkelmessgerät für das Messen des zweiten Drehwinkels konfiguriert ist, wobei der Distanzmesser dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem sphärisch montierten Retroreflektor basierend zumindest teilweise auf einem dritten Teil des von einem ersten optischen Detektor empfangenen zweiten Lichtstrahls zu messen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal als Reaktion auf eine Position eines vierten Teils des zweiten Lichtstrahls auf dem Positionsdetektor zu erzeugen, wobei das Steuersystem dafür konfiguriert ist, dem ersten Motor ein zweites Signal zu senden und dem zweiten Motor ein drittes Signal zu senden, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuersystem dafür konfiguriert ist, die erste Richtung des ersten Lichtstrahls auf die räumliche Position des sphärisch montierten Retroreflektors einzustellen, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, dreidimensionale Koordinaten des Sondenmittelpunkts zu ermitteln, wobei die dreidimensionalen Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel, dem zweiten Drehwinkel und den drei Orientierungsfreiheitsgraden basieren.
Der Schritt 4925 besteht darin, den sphärisch montierten Retroreflektor auf dem Sondenkopf anzuordnen.
Der Schritt 4930 besteht darin, den ersten Lichtstrahl von dem Koordinatenmessgerät auf den sphärisch montierten Retroreflektor zu richten.
Der Schritt 4935 besteht darin, den ersten Abstand zu messen.
Der Schritt 4940 besteht darin, den ersten Drehwinkel zu messen.
Der Schritt 4945 besteht darin, den zweiten Drehwinkel zu messen.
Der Schritt 4950 besteht darin, die drei Orientierungsfreiheitsgrade basierend zumindest teilweise auf einer durch den Orientierungssensor bereitgestellten Information zu messen.
Der Schritt 4955 besteht darin, die dreidimensionalen Koordinaten des Sondenmittelpunkts basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel, dem zweiten Drehwinkel und den drei Orientierungsfreiheitsgraden zu berechnen.
Der Schritt 4960 besteht darin, die dreidimensionalen Koordinaten des Sondenmittelpunkts zu speichern. Das Verfahren 4900 endet bei einer Referenzmarkierung A.
19 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 5000, das bei der Referenzmarkierung A von 18 beginnt und ferner den Schritt zum Ermitteln von Sondenkompensationsparametern umfasst, wobei die Sondenkompensationsparameter zumindest eine Information enthalten, die eine Orientierung des sphärisch montierten Retroreflektors in Bezug auf die Sondenbaugruppe angibt.
20 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 5100, das bei der Referenzmarkierung B von 19 beginnt. Der Schritt 5105 besteht darin, eine Aufnahme bereitzustellen, die dafür konfiguriert ist, die Sondenspitze aufzunehmen, wobei die Aufnahme ferner dafür konfiguriert ist, eine Drehung der Sondenspitze um den Sondenmittelpunkt zu gestatten, wobei der Sondenmittelpunkt an einem im Wesentlichen festen räumlichen Punkt gehalten wird. Der Schritt 5110 besteht darin, die Sondenspitze in der Aufnahme anzuordnen. Der Schritt 5115 besteht darin, die Sondenspitze zu drehen. Der Schritt 5120 besteht darin, eine Sammlung von Größen zu messen, wobei die Sammlung von Größen den ersten Abstand, den ersten Drehwinkel, den zweiten Drehwinkel und die drei Orientierungsfreiheitsgrade umfasst, wobei jeder der gemessenen Werte für mehrere verschiedene Drehungen der Sondenspitze erhalten wird. Der Schritt 5125 besteht darin, die Sondenkompensationsparameter basierend zumindest teilweise auf der Sammlung von Größen zu berechnen.
21 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 5200, das bei der Referenzmarkierung A von 18 beginnt. Der Schritt 5205 besteht darin, den sphärisch montierten Retroreflektor aus dem Sondenkopf zu entfernen. Der Schritt 5210 besteht darin, den ersten Lichtstrahl von dem Koordinatenmessgerät auf den sphärisch montierten Retroreflektor zu richten. Der Schritt 5215 besteht darin, den ersten Abstand zu messen. Der Schritt 5220 besteht darin, den ersten Drehwinkel zu messen. Der Schritt 5225 besteht darin, den zweiten Drehwinkel zu messen. Der Schritt 5230 besteht darin, die dreidimensionalen Koordinaten des Zielmittelpunkts zu ermitteln.
22 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 5300, das bei der Referenzmarkierung C von 21 beginnt. Der Schritt 5305 besteht darin, den sphärisch montierten Retroreflektor auf dem Sondenkopf anzuordnen. Der Schritt 5310 besteht darin, den ersten Lichtstrahl von dem Koordinatenmessgerät auf den sphärisch montierten Retroreflektor zu richten. Der Schritt 5315 besteht darin, den ersten Abstand zu messen. Der Schritt 5320 besteht darin, den ersten Drehwinkel zu messen. Der Schritt 5325 besteht darin, den zweiten Drehwinkel zu messen. Der Schritt 5330 besteht darin, die drei Orientierungsfreiheitsgrade zu messen. Der Schritt 5335 besteht darin, die dreidimensionalen Koordinaten des Sondenmittelpunkts basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel, dem zweiten Drehwinkel und den drei Orientierungsfreiheitsgraden zu berechnen.
23 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 5400, das bei der Referenzmarkierung A von 18 beginnt. Der Schritt 5405 besteht darin, ein Muster in den Retroreflektor einzubringen. Der Schritt 5410 besteht darin, ein optisches System bereitzustellen, das eine Linse und eine photosensitive Anordnung umfasst, wobei die Linse dafür konfiguriert ist, ein Bild von zumindest einem Teil des gemusterten Retroreflektors auf der photosensitiven Anordnung zu bilden. Der Schritt 5415 besteht darin, das Bild in einen digitalen Datensatz umzuwandeln. Der Schritt 5420 besteht darin, die drei Orientierungsfreiheitsgrade basierend zumindest teilweise auf dem digitalen Datensatz zu berechnen.
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

Verfahren (4900) zur Messung dreidimensionaler Koordinaten eines ersten Punkts und eines zweiten Punkts, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines sphärisch montierten Retroreflektors (4234, 4434), wobei der sphärisch montierte Retroreflektor einen in einem Retroreflektorkörper montierten Retroreflektor umfasst, wobei der Retroreflektorkörper eine erste Kugelform über einen ersten Abschnitt seiner Außenfläche aufweist, wobei der erste Abschnitt einen Zielmittelpunkt aufweist, wobei der Retroreflektor dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl (46, 984) zu empfangen und einen zweiten Lichtstrahl (47, 986) zurückzuwerfen, wobei der zweite Lichtstrahl ein Teil des ersten Lichtstrahls ist, wobei sich der zweite Lichtstrahl in einer Richtung bewegt, die der Richtung des ersten Lichtstrahls entgegengesetzt ist (4905); Bereitstellen einer Sondenbaugruppe (4200, 4400, 4450, 4480), wobei die Sondenbaugruppe einen Sondenstift (4210, 4410) und einen Sondenkopf (4240, 4430, 4440, 4475) umfasst, wobei der Sondenstift die Sondenspitze (4214, 4414) umfasst, wobei die Sondenspitze eine zweite Kugelform über einen zweiten Abschnitt ihrer Oberfläche aufweist, wobei der zweite Abschnitt einen Sondenmittelpunkt aufweist, wobei der Sondenkopf dafür konfiguriert ist, den sphärisch montierten Retroreflektor aufzunehmen und eine Drehung des sphärisch montierten Retroreflektors um den Zielmittelpunkt zu gestatten, während der Zielmittelpunkt an einer gleich bleibenden Position relativ zu der Sondenbaugruppe gehalten wird (4910); Bereitstellen eines Koordinatenmessgeräts (10), wobei das Koordinatenmessgerät einen ersten Motor (2125), einen zweiten Motor (2155), ein erstes Winkelmessgerät (2120), ein zweites Winkelmessgerät (2150), einen Distanzmesser (120, 160), einen Positionsdetektor (151), ein Steuersystem (1520, 1530, 1540, 1550), einen Orientierungssensor (910) und einen Prozessor (1520, 1530, 1531, 1532, 1533, 1534, 1535, 1540, 1550, 1560, 1565, 1570, 1590) umfasst, wobei der erste Motor und der zweite Motor zusammen dafür konfiguriert sind, den ersten Lichtstrahl in eine erste Richtung zu 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, wobei das erste Winkelmessgerät für das Messen des ersten Drehwinkels konfiguriert ist und das zweite Winkelmessgerät für das Messen des zweiten Drehwinkels konfiguriert ist, wobei der Distanzmesser dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem sphärisch montierten Retroreflektor basierend zumindest teilweise auf einem dritten Teil des von einem ersten optischen Detektor empfangenen zweiten Lichtstrahls zu messen, wobei der Positionsdetektor dafür konfiguriert ist, ein erstes Signal als Reaktion auf eine Position eines vierten Teils des zweiten Lichtstrahls auf dem Positionsdetektor zu erzeugen, wobei das Steuersystem dafür konfiguriert ist, dem ersten Motor ein zweites Signal zu senden und dem zweiten Motor ein drittes Signal zu senden, wobei das zweite Signal und das dritte Signal zumindest teilweise auf dem ersten Signal basieren, wobei das Steuersystem dafür konfiguriert ist, die erste Richtung des ersten Lichtstrahls auf die räumliche Position des sphärisch montierten Retroreflektors einzustellen, wobei der Orientierungssensor dafür konfiguriert ist, drei Orientierungsfreiheitsgrade (4263, 4265, 4270) der Sondenbaugruppe zu messen (4915), wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, dreidimensionale Koordinaten des Sondenmittelpunkts zu ermitteln, wobei die dreidimensionalen Koordinaten zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel, dem zweiten Drehwinkel und den drei Orientierungsfreiheitsgraden basieren (4920); Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors auf dem Sondenkopf (4925); Bewegen des Sondenmittelpunkts zu dem ersten Punkt; Richten des ersten Lichtstrahls von dem Koordinatenmessgerät auf den sphärisch montierten Retroreflektor (4930); Messen des ersten Abstands (4935); Messen des ersten Drehwinkels (4940); Messen des zweiten Drehwinkels (4945); Messen der drei Orientierungsfreiheitsgrade basierend zumindest teilweise auf einer durch den Orientierungssensor bereitgestellten Information (4950); Ermitteln eines ersten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Sondenmittelpunkts basierend zumindest teilweise auf dem ersten Abstand, dem ersten Drehwinkel, dem zweiten Drehwinkel und den drei Orientierungsfreiheitsgraden (4955); Speichern des ersten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Sondenmittelpunkts (4960); Entfernen des sphärisch montierten Retroreflektors aus dem Sondenkopf (5205); Bewegen des Zielmittelpunkts zu dem zweiten Punkt nach Entfernen des sphärisch montierten Retroreflektors aus dem Sondenkopf; Richten des ersten Lichtstrahls von dem Koordinatenmessgerät auf den sphärisch montierten Retroreflektor mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt (5210); Messen eines zweiten Abstands mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt (5215); Messen eines dritten Drehwinkels mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt (5220); Messen eines vierten Drehwinkels mit dem Zielmittelpunkt im zweiten Punkt (5225); Ermitteln eines zweiten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Zielmittelpunkts (5230) basierend zumindest teilweise auf dem zweiten Abstand, dem dritten Drehwinkel und dem vierten Drehwinkel; und Speichern des zweiten Satzes dreidimensionaler Koordinaten des Zielmittelpunkts.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors auf dem Sondenkopf ferner das Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors in einer Raststellung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: der Schritt zum Bereitstellen eines sphärisch montierten Retroreflektors ferner das Bereitstellen des sphärisch montierten Retroreflektors mit einem Bund umfasst, wobei der Bund Rastmerkmale (4471) umfasst; der Schritt zum Bereitstellen einer Sondenbaugruppe ferner das Bereitstellen des Sondenkopfs mit einer Passstruktur (4472) umfasst, wobei die Passstruktur Passmerkmale (4473) aufweist; und der Schritt zum Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors auf dem Sondenkopf ferner das Bewegen des sphärisch montierten Retroreflektors in die Raststellung durch passgenaues Ausrichten der Rastmerkmale auf die Passmerkmale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors auf dem Sondenkopf ferner das Drehen des sphärisch montierten Retroreflektors relativ zu dem Sondenkopf in eine gewünschte Orientierung umfasst, ohne den Zielmittelpunkt zu verschieben.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: der Schritt zum Bereitstellen einer Sondenbaugruppe ferner das Bereitstellen des Sondenkopfs mit einer Klemmvorrichtung (4461) umfasst, wobei die Klemmvorrichtung dafür konfiguriert ist, den sphärisch montierten Retroreflektor in einer festen Orientierung zu halten; und der Schritt zum Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors ferner das Einklemmen des sphärisch montierten Retroreflektors in die gewünschte Orientierung umfasst.
Verfahren (5000) nach Anspruch 4, ferner umfassend den Schritt zum Ermitteln von Sondenkompensationsparametern, wobei die Sondenkompensationsparameter zumindest eine Information enthalten, die eine Orientierung des sphärisch montierten Retroreflektors in Bezug auf die Sondenbaugruppe angibt (5005).
Verfahren (5100) nach Anspruch 6, wobei der Schritt zum Ermitteln von Sondenkompensationsparametern ferner folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Aufnahme (4250, 4280), die dafür konfiguriert ist, die Sondenspitze aufzunehmen, wobei die Aufnahme ferner dafür konfiguriert ist, eine Drehung der Sondenspitze um den Sondenmittelpunkt zu gestatten, wobei der Sondenmittelpunkt an einem festen räumlichen Punkt gehalten wird (5105); Anordnen der Sondenspitze in der Aufnahme (5110); Drehen der Sondenspitze (5115); Messen einer Sammlung von Größen, wobei die Sammlung von Größen den ersten Abstand, den ersten Drehwinkel, den zweiten Drehwinkel und die drei Orientierungsfreiheitsgrade umfasst, wobei jeder der gemessenen Werte für mehrere verschiedene Drehungen der Sondenspitze erhalten wird (5120); und Berechnen der Sondenkompensationsparameter basierend zumindest teilweise auf der Sammlung von Größen (5125).
Verfahren (5400) nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: Einbringen eines Musters in den Retroreflektor (5405); Bereitstellen eines optischen Systems, das eine Linse und eine photosensitive Anordnung umfasst, wobei die Linse dafür konfiguriert ist, ein Bild von zumindest einem Teil des gemusterten Retroreflektors auf der photosensitiven Anordnung zu bilden (5410); Umwandeln des Bilds in einen digitalen Datensatz (5415); und Berechnen der drei Orientierungsfreiheitsgrade basierend zumindest teilweise auf dem digitalen Datensatz (5420).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen eines sphärisch montierten Retroreflektors der Retroreflektor ein Würfelecken-Retroreflektor aus Glas ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen der Sondenbaugruppe die Sondenbaugruppe ohne die Verwendung elektrischer Energie arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sondenbaugruppe einen Betätigungsknopf (4226, 4227) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen der Sondenbaugruppe der Sondenstift entfernt und durch einen zweiten Sondenstift ersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Anordnen des sphärisch montierten Retroreflektors auf dem Sondenkopf das magnetische Koppeln des sphärisch montierten Retroreflektors an den Sondenkopf umfasst.