EP2936203A1 - Selbstkalibrierender lasertracker und selbstkalibrierungsverfahren - Google Patents

Selbstkalibrierender lasertracker und selbstkalibrierungsverfahren

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Publication number
EP2936203A1
EP2936203A1 EP13811224.8A EP13811224A EP2936203A1 EP 2936203 A1 EP2936203 A1 EP 2936203A1 EP 13811224 A EP13811224 A EP 13811224A EP 2936203 A1 EP2936203 A1 EP 2936203A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
retroreflector
laser tracker
measuring radiation
reflected
calibration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13811224.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albert Markendorf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leica Geosystems AG
Original Assignee
Leica Geosystems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leica Geosystems AG filed Critical Leica Geosystems AG
Priority to EP13811224.8A priority Critical patent/EP2936203A1/de
Publication of EP2936203A1 publication Critical patent/EP2936203A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
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    • G—PHYSICS
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/66—Tracking systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4972—Alignment of sensor

Definitions

  • the present invention relates to askali ⁇ brier laser tracker for determining coordinates of points in space according to the preamble of claim 1.
  • the laser tracker comprises a stationary part having a base, a relative to the base about a vertical axis rotatable portion and a rotatable together with the rotatable part beam steering unit and a laser light source for provision of a beam to be emitted by the steering unit laser beam having a collimation axis and a irradiance ⁇ toward a target point to be targeted or reflector.
  • the invention also relates to an associated self-calibration method for a laser tracker according to the preamble of claim 12.
  • a laser tracker of the type mentioned above has a base which defines a standing axis, a support and a beam steering unit for emitting a measuring radiation and for receiving at least part of the measuring radiation reflected at a target.
  • the beam steering unit is aligned in two axes (vertical axis or vertical axis and inclination axis or tilt axis) by means of motors.
  • the support is pivotable about the vertical axis relative to the motorized base, and the beam steering unit about a tilt axis relative to the support.
  • An measuring axis is defined by an emission direction of the measuring radiation.
  • the beam steering unit is equipped with opto-electro-mechanical components and rotatable by means of a shaft about the tilt axis at one or two bearings on the Stored support, which is optionally also equipped with opto-electro-mechanical components.
  • laser trackers belong to a type of measuring device which measures the coordinates of a (space) point by emitting a laser beam onto the point.
  • the laser beam may impinge directly on the spot or on a retroreflector (often cube-corner prism or "corner cube” or array of three mirrors oriented perpendicular to each other) which is in contact with the spot
  • a retroreflector often cube-corner prism or "corner cube” or array of three mirrors oriented perpendicular to each other
  • the laser beam impinging thereon is "in itself”. , ie coaxially reflected to the emitted laser beam when it hits exactly on the center of the retroreflector. Otherwise, if the out ⁇ sent laser beam impinges on the retro reflector outside its center, the reflected laser beam to a parallel offset to the emitted laser beam.
  • the device determines the coordinates of the point by measuring the distance of the point from the gauge and two angles by means of angle encoders associated with axes of rotation of the laser tracker between a standard orientation of the laser beam with respect to its targeting direction to the point to be measured.
  • the distance is measured with a distance measuring device, such as an absolute distance meter and / or an interferometer.
  • a distance measuring device such as an absolute distance meter and / or an interferometer.
  • Laser trackers are a special type of coordinate measuring apparatus with which a, in particular moving, target point, in particular designed as a retroreflector, by means of one or more, in particular focussed, Laser beams is tracked.
  • Calibration parameters are typically stored as numeric values in the form of software or firmware in accessible for the laser tracker controller manner and are applied to the raw measurement data of the laser tracker, the Ver ⁇ improvement of measurement accuracy.
  • the manufacturer of the laser tracker performs so-called calibration measurement procedures to determine the calibration parameters, and the corresponding calibration parameters are stored with the control software.
  • Device side certain tolerances are usually also with the control set may vary as widely current calibration ⁇ parameters of previously stored calibration parameters.
  • control calibration measurements are typically taken at certain intervals and / or when the laser tracker is turned on.
  • Changes to the required instrument calibration are based in particular on thermal drift effects, but also, for example, on mechanical shocks.
  • EP 1 420 264 discloses a laser tracker and a measuring method with calibration devices and instructions that can be executed therewith.
  • a measuring system is described which includes a measuring device with a laser tracker and an optoelectronic sensor in relatively unchangeable positions, a system computer and a separate measuring aid , ie to be arranged remotely from the laser tracker, with a reflector and at least three light sources. has points.
  • the laser tracker is calibrated by means of the method steps described below:
  • the auxiliary measuring tool is rigidly connected with an arrangement of auxiliary reflectors ⁇ and moved by at least two relative to the auxiliary measuring tool different from each other axes of rotation.
  • At least two rotational positions about each of the at least two axes of rotation are targeted by the laser tracker reflector and auxiliary reflectors and registered by the optoelectronic sensor, the light spots incident laser light.
  • Positions and orientations of the reflector arrangement relative to the laser tracker and from the measurement data of the optoelectronic sensor are determined from the measured data of the laser tracker, positions and orientations of the light point arrangement relative to the optoelectronic sensor, and the at least two axes of rotation are calculated therefrom relative to the reflector arrangement or to the light point arrangement. Then the calibration data are calculated from the determined measurement data.
  • This system arrangement and the associated calibration method do not correspond to the arrangement and not to the typically set specifications of a laser tracker according to the present invention, and in particular also not current requirements for such a measuring system.
  • the auxiliary measuring tool for calibration outside of the measurement device or laser trackers is arranged, which does not satisfy requirements of today's laser ⁇ tracker for as complete as possible, compact angeord ⁇ designated integration or connection with the meter, and from EP 1 420 264 is not a Doublekalibrie ⁇ tion method with automatically running, device-controlled process steps without involvement of a to take out.
  • a self-calibrating laser tracker with a laser for emitting a laser beam, a plane mirror and at least two integrated immovable, reflective devices and a rotatable mirror and a position-sensitive detector is disclosed.
  • One of the at least two immovable reflecting devices is formed as a corner cube retroreflector and a second as a plane mirror.
  • the corner cube retroreflector and the plane mirror may be fixed in position on a stationary part of the measuring system and are configured to scan the laser beam according to a two-layer measuring method, i. H. in a "front-side" and a "back-side” mode, where the "front-side mode" corresponds to the orientation of the laser tracker according to a regular target tracking and the "back-side mode" corresponds to an opposite orientation of the laser tracker.
  • measured values of temperature sensors arranged on the device are used to determine a temperature dependence of the values to be determined for the calibration parameters.
  • the laser tracker should be designed to enable such a self-calibration of its adjustment automatically, in particular after a startup of the device, without requiring activities or intervention by a user.
  • all components required for such a self-calibration should be integrated in the coordinate measuring device or the laser tracker or fixedly arranged thereon.
  • the laser tracker has a stationary part with a base, a part rotatable relative to the base about a vertical axis, and a beam steering unit rotatable together with the rotatable part and a laser light source for providing a laser beam to be targeted by the beam steering unit having a target axis and an irradiation direction Reflector on.
  • a laser beam Preferably is on an inclination sensor for determining an inclination in a horizontal direction and a vertical direction perpendicular to the horizontal direction is arranged on the base.
  • the laser tracker has a tilt axis and a standing axis.
  • the (PSD) may be configured in particular as a ⁇ position sensitive detector
  • the laser tracker comprises a position sensitive area detector, but also as an image sensor such as CCD or CMOS.
  • a beam splitter for deflecting a laser beam returning from the target point or the reflector to the PSD integrated in the beam steering unit is preferably integrated with a detector center in the beam steering unit.
  • the laser tracker as a beam steering unit on a movable mirror, and the other optical components in the support or in the base are integrated, and the beam splitter and PSD are preferential ⁇ , in the support or in the base integrated.
  • the laser tracker according to the invention is characterized by a calibration device designed as a retroreflector.
  • the retroreflector is designed in a two-dimensional region for producing a substantially offset-free, coaxial retroreflection of a measuring radiation impinging on it, ie without producing a substantial offset of the reflected measuring radiation to the direction of the incident measuring radiation.
  • the two-dimensional region of the retroreflector is greater than the beam diameter of the incident reflector. take measuring radiation.
  • the two-dimensional region is advantageously at least large enough to be hit by the measuring radiation even if the measuring radiation is aberrated (in particular a parallel beam offset and / or a directional deviation), if the center of the two-dimensional region occurs is targeted.
  • the minimum size also depends on the position of the retroreflector.
  • the retroreflector is used to determine a point of impact as a servo-control point of the reflected laser ⁇ beam on the PSD and an offset between the servo-control point on the PSD to the detector center and a distance between the target axis and vertical axis and a distance between the target axis and tilt axis.
  • the retroreflector has a plurality of individual reflectors.
  • the retroreflector is formed as a retroreflective sheeting or a rigid retroreflector made of plastic and in particular composed of individual prisms or individual reflecting spheres.
  • the production of such retroreflectors especially when it comes to large-scale distributed products, associated with relatively low cost and therefore correspondingly low product costs.
  • the invention thus provides a laser tracker, in comparison to the prior art, much less elaborate components ready, with which an automatically running self-calibration of the adjustment of the laser tracker without required activities or intervention by a user is possible. It will be advantageous In particular, a beam offset between the irradiated and reflected laser beam by non-central impingement of the incident laser beam on a retroreflector substantially avoided.
  • the retroreflector can be integrated in the stationary part or the rotatable part or fixedly connected to the stationary part or the rotatable part, or arranged within the beam steering unit, advantageously arranged movably in the beam path of the measuring radiation.
  • the retroreflector is inclined relative to a plane orthogonal to the irradiation direction.
  • the retroreflector is reduced or even avoided.
  • the retroreflector is arranged with a device for light shading, combined in a beam path to the PSD.
  • the arrangement for Lichtabschattung in the beam path is designed to be pivotable or rotatable, so that sequentially, without a change in the beam path, intensities of reflections on the PSD and intensities in shading of the beam path can be measured and recorded.
  • the retroreflector is arranged and configured to be pivotable or rotatable relative to a laser beam incident on it, in particular as a component of a disk which is pivotable or rotatable about a rotation axis. It can with the Retroreflector be both outside and inside ⁇ be assigned, which is unnecessary in a preferred arrangement within the beam steering unit necessary adjustments of the disc with the retroreflector in the beam path.
  • the retroreflector is not mounted perpendicular to the axis of rotation of the disc, so that during a rotation of the retroreflector about this axis of rotation a wobble error can be effected.
  • a wobble error can be effected.
  • the rotatable disk is formed with a first surface portion formed by the retroreflector, a second surface portion which is substantially opaque to light and a third surface portion that is optically transparent to the laser beam.
  • the disc having a segmented for different under ⁇ union light transmission configuration or surface according to the invention is formed.
  • the disc is arranged pivotable about an axis and / or rotatable.
  • An example semicircular region of the disc is equipped with a retroreflector consisting of many individual reflectors, in particular a retroreflective sheeting.
  • Another portion of the disk is provided for dark-balance, ie, measurements for determining a baseline of detector signals, without light reflected back to the PSD.
  • this area may, for example, a light absorbing and in particular ⁇ sondere in reflection diffusing dark ⁇ upper surface, in particular made of felt or velvet have.
  • Another area of the pane is transparent to incident light, ie for regular measurements with the laser tracker.
  • the emitted laser beam must be calibrated for self-calibration of the adjustment and aimed at
  • object can not be aligned differently.
  • the pane oscillates in the region of the retroreflector perpendicular to the direction of emission of the laser beam between two positions, whereby sequential measurements are carried out, so that adverse effects of some not perfectly sold ⁇ formed surfaces of the retroreflector are eliminated by averaging the sequential measurement results.
  • the disk continuously rotates in one direction with its areas designed differently for light transmission, wherein the intensity continuously measured on the light reflected back to the PSD and as a function of the rotational position the disc measured as a measurement protocol is recorded and evaluated ⁇ .
  • the retroreflector in the beam steering unit is arranged such that the orientation of the beam steering unit relative to the direction of gravity of the retroreflector is moved by gravity, so unmotorized, in the beam path of the measuring radiation and in a change of orientation by gravity again back to the starting position is movable.
  • the Strahllenk- unit in particular motor driven, with a BEWE ⁇ supply center in a telescopic pivot point about a tilt axis and a standing axis pivotally or rotatably arranged, so that by a corresponding movement of the beam steering unit temporally sequentially a two-dimensional course of the point of incidence of the laser beam on a surface of the retroreflector, in particular with a two-dimensional circular or loop-like geometric contour, can be generated.
  • Such a guidance of the irradiated laser beam onto a reflector comprising many individual reflectors can advantageously also be used to reduce or even eliminate disadvantageous effects due to erroneous reflections or even failure of reflections on surfaces of the retroreflector which are not perfectly formed. This is made possible by an averaging of the measurement data of sequentially occurring reflections on individual reflectors of the retroreflector moved in the beam path.
  • a retroreflector consisting of many individual reflectors is therefore arranged in a plane which is not orthogonal to the direction of the measuring radiation, so that the measuring radiation obliquely, ie not at right angles, impinges on the retroreflector.
  • the path length change preferably being a plurality of wavelengths of the incident light. It can be effected corresponding sequential shifts of a mög ⁇ SHORT- generated interference pattern of the guided light to the PSD and recorded.
  • the retroreflector in particular consisting of many individual reflectors, is likewise arranged outside the beam steering unit and in this case is connected directly or indirectly to the part of the laser tracker rotatable about a vertical axis.
  • the beam steering unit is arranged pivotable about a telescopic pivot point about a tilt axis and a standing axis and by pivoting the beam steering unit temporally sequentially a one-dimensional course of the point of incidence of the laser beam on a surface of the retroreflector can be generated.
  • the trajectory of the incident laser beam generated on this retroreflector may have the geometric shape of a straight line or a narrow strip.
  • the laser tracker comprises a stationary part having a base, a relative to the base about a vertical ⁇ axis rotatable part and a rotatable together with the rotatable part beam steering unit, and a laser ⁇ light source for providing a be emitted by the beam steering unit laser beam having a collimation axis and a radiation direction of a target to be targeted or reflector on.
  • a laser ⁇ light source for providing a be emitted by the beam steering unit laser beam having a collimation axis and a radiation direction of a target to be targeted or reflector on.
  • an inclination sensor for determining an inclination in a horizontal direction and a vertical direction perpendicular to the horizontal direction is arranged on the base.
  • the laser tracker has a tilting axis and a standing axis.
  • a beam splitter for deflecting a laser beam returning from the target point or the reflector to a PSD integrated in the beam steering unit is integrated with a detector center.
  • an inclination of the base in a horizontal direction and a vertical direction perpendicular to the horizontal direction is optionally determined with the inclination sensor.
  • the method comprises as further steps: emitting a laser beam from the beam steering unit to the retroreflector, which is in a two-dimensional Formed for generating a substantially offset-free, coaxial retroreflection of a measuring radiation impinging thereon, without causing a significant offset of the reflected measuring radiation to the direction of the incident measuring radiation, in particular wherein the retroreflector in the two-dimensional region having a plurality of individual reflectors;
  • an impact point of the reflected laser beam on the PSD as a servo control point and an offset between the servo control point on the PSD to its detector center, and distances between the target axis and vertical axis and between the target ⁇ axis and tilt axis;
  • the retroreflector may be fixedly connected both the stationary member or the rotatable part or integrated with the stationary part or the rotatable part, as well as within the beam steering unit embossembly.
  • the retroreflector is moved, in particular pivoted or rotated, in order to carry out sequential measurements with respect to the irradiation direction of the laser beam impinging on it.
  • the measurement data of sequentially occurring reflections on individual reflectors of the retroreflector moved in the beam path are averaged.
  • the retroreflector is arranged with a light shading device combined in a beam path to the PSD.
  • the arrangement for Lichtabschattung is pivoted in the beam path or rotated or rotated.
  • the retro-reflector is pivotable or rotatable as a component of a disk pivotable or rotatable about a rotation axis and arranged, wherein the disk with the retroreflector outside or inside, preferably ⁇ but is arranged within the beam steering unit.
  • the disk with the retro-reflector is then pivoted or rotated in the beam path of the emitted laser beam in order to carry out sequential measurements. In an advantageous arrangement within the beam steering unit, otherwise necessary additional adjustments of the disk with the retroreflector in the beam path are unnecessary.
  • the retroreflector is not arranged perpendicular to the axis of rotation of the disc, so that upon rotation of this retroreflector about the axis of rotation a wobbling motion of the retroreflector is effected.
  • a wobbling motion of the retroreflector is effected.
  • Sequentially measurements are beneficial in the tumbling movements of the retroreflector during rotation performed and causes ent ⁇ speaking sequential shifts of a possibly generated interference pattern of the guided light to the PSD and recorded. By averaging the measurement results, effects of possible interferences of the laser light striking the PSD are eliminated.
  • the rotatable disk is formed with a first surface portion formed by the retroreflector, a second surface portion which is substantially opaque in light, and a third surface portion, which is optically transparent to the laser beam, wherein the disc is formed with a segmented for different ⁇ light passage configuration or surface.
  • the disc is pivoted about an axis and / or rotated.
  • An example of a semi-circular region of the disc is equipped with a retroreflector consisting of many individual reflectors, in particular a retroreflective sheeting, and in US Pat Movement of the light emitted by the beam steering unit is reflected back to the PSD by the retroreflector laser light and recorded.
  • Another portion of the disk is provided for dark balance, that is, measurements for determining a baseline of detector signals, without light reflected back to the PSD.
  • this region may, for example, have a dark-absorbing surface, in particular made of felt or velvet, which absorbs light, and in particular also diffuses diffusely in reflection.
  • a background signal from the PSD is measured and recorded
  • Another portion of the disc is transparent to incident light, ie, for regular measurements with the laser tracker
  • the emitted laser beam does not have to be different for measurements to determine the servo control point and its distance to the center of the PSD for self-calibration of the adjustment and targeting of an object to be tracked, especially located outside the laser tracker be aligned.
  • the pane oscillates in the region of the retroreflector perpendicular to the direction of emission of the laser beam between two positions, whereby sequential measurements are carried out, so that adverse effects of not perfectly trained Surfaces of the retroreflector are eliminated by averaging the sequential measurement results.
  • the disc connected with the same In order to take advantage of measurements at various points of incidence of the retroreflector, the disc continuously rotates in one direction with its areas differently configured for light transmission, continuously measuring the intensity of light reflected back to the PSD as a function of the rotational position of the disc, recording and evaluating it as a measurement protocol ,
  • the beam steering unit in particular motor-driven, with a movement center in a telescopic pivot about a tilting axis and a standing axis pivotally or rotatably ⁇ assigns.
  • a two-dimensional profile of the point of impact of the laser beam on a surface of the retroreflector is generated in a temporally sequential manner by a corresponding movement of the beam steering unit, in particular with a two-dimensional circular or loop-like geometric contour. Measurement data of sequentially occurring reflections on individual reflectors of the retroreflector moved in the beam path are averaged.
  • the retroreflector in particular consisting of many individual reflectors, is likewise arranged outside the beam steering unit and in this case is connected directly or indirectly to the part of the laser tracker rotatable about a vertical axis.
  • the beam steering unit prefferably be pivotable and / or rotatable about a telescopic pivot about a tilting axis and a standing axis and for pivoting or rotating the beam steering unit to sequentially generate a one-dimensional course of the point of incidence of the laser beam on a surface of the retroreflector ,
  • the trajectory of the incident laser beam generated on this retroreflector may have the geometric shape of a straight line or a narrow strip.
  • Fig. 1 shows an inventive laser tracker with a
  • Fig. 2 shows an inventive laser tracker in a
  • Front view; 3a-b show a use of a large single retro-reflector as a calibration device for determining a beam offset of the incident on the PSD, the returning laser beam.
  • FIG. 4 shows a use of a retro-reflector according to the invention as a calibration device for
  • FIGS. 3a-b and 4 show calibration devices
  • Fig. 7a a first development of the invention with one consisting of many individual reflectors
  • Reverse reflector which is mounted on a disc and thus together on a rotationally driven by a motor rotation axis;
  • FIG. 7b an additional development to the embodiment of the invention according to FIG. 7a;
  • FIG. 7b an additional development to the embodiment of the invention according to FIG. 7a;
  • FIG. 8 shows an exemplary course of a measurement carried out with the embodiment of the invention according to FIG. 7b and with a PSD Intensities of light incident on this detector as a function of the rotational position of the disc;
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a laser tracker 1 according to the invention, comprising a base 140, a support 120 mounted thereon with a handle 121 and a beam steering unit 110 mounted on two beams (not shown) of the support 120.
  • the laser tracker 1 shown is mounted on a stand 150 arranged and measures by means of a laser beam 30 the distance to a located on a measuring aid 80 Retroreflek- tor 81.
  • the measuring aid 80 - here exemplified as a probe - also includes a number of target marks 82, for example in the form of reflective or self-luminous points of light, as well a measuring head 83 for placing on a target point of a target 85 to be measured.
  • the illustrated laser tracker 1 includes a measuring camera, in particular as a focusable Vario camera system with variable magnification is designed to detect the arranged on the measuring aid 80 target marks 82. On the basis of the recorded by the measuring camera positions of the target marks 82, the spatial orientation of the measuring aid 80 can be determined.
  • the laser tracker 1 has a position-sensitive detector (PSD), in particular a tracking area sensor, as described, for example, in WO 2007 / 079600 AI.
  • PSD position-sensitive detector
  • the PSD is preferably arranged in the beam steering unit 10 and allows, by detecting the off ⁇ direction of from a target, in particular the retro reflector 81, reflected laser beam 30, the tracking of the orientation of the laser beam 30.
  • tracking of the laser beam alignment can be a continuous target tracking (Tracking) of the target point and the distance and position of the target point are determined continuously relative to the meter.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a laser tracker 1 according to the invention in a front view.
  • the laser tracker 1 comprises a base 140, which can be fastened on a holding device, shown here in the form of a stand 150.
  • a support 120 is mounted rotatably on the base 140 about the vertical axis 9.
  • the support 120 comprises a first spar 126 and a second spar 127 which project upwards from the support 120 and on which a beam steering unit 110 is tiltably mounted about the horizontal axis 8 by means of a shaft 160.
  • a handle 121 for transport and the handling of the laser tracker 1 attached.
  • the handle 121 may be fixedly connected to the spars 126, 127, for example, made of a cast with them or welded so that it serves as an additional stabilizing element for the spars 126, 127, in particular with regard to bending.
  • the beam steering unit 110 preferably has an optical system of a localization camera 114 for coarse localization of the measuring aid 80 and an optical system of an overview camera 116 for providing images to a user.
  • FIGS. 3a and 3b illustrate the use of a calibration device in the form of a large single reflector 88, such as a prism or a corner cubes, for determining a beam offset 61 of the returning laser beam 31 impinging on the position sensitive detector (PSD) 10 with respect to the detector center 15; and the disadvantages associated with this use.
  • a calibration device in the form of a large single reflector 88, such as a prism or a corner cubes, for determining a beam offset 61 of the returning laser beam 31 impinging on the position sensitive detector (PSD) 10 with respect to the detector center 15; and the disadvantages associated with this use.
  • the emitted laser beam 30 According to the orientation of the emitted laser beam 30 according to FIG. 3a, it passes exactly through the center of the beam splitter 33 and also exactly coincides in the center of the single retroreflector 88 so that it is reflected in itself as a returning laser beam 31 and through the beam splitter 33 is deflected to the PSD 10 with a detector center 15.
  • the laser beam 31 On the PSD 10, the laser beam 31 impinges on a point 13, which is generally different from the detector center 15. If the direction and positioning of the emitted laser beam 30 are adjusted to the retroreflector, this impact point is identical to a so-called servo ⁇ control point, the exact determination of which is essential for further measures and measurements for self-calibration of the laser tracker.
  • the thus determined servo control point generally has an offset 71 to the detector center 15.
  • a telescopic rotation axis 8 about which the beam steering unit 110 is rotatable a beam offset 61 between a central axis through the axis of rotation 8 and the returning laser beam 31 and the axes 6 and 7.
  • the offset 71 and the beam offset 61 are determined separately from each other.
  • FIG. 3b illustrates a situation according to which the emitted laser beam 30 does not impinge centrally on the single reflector 88, but the distance 71 on the PSD 10 and the beam offset 61 of the target axis are known to be correlated together.
  • the out ⁇ sent laser beam 30 does not hit centered on the center of the single retroreflector 88, but on a first lateral reflection face, and is at its center around directed to an opposite second reflection ⁇ surface when returning laser beam from where he 31 parallel offset to the emitted laser beam 30 is reflected.
  • it hits the PSD 10 with a value zero of the offset 71 to the detector center 15.
  • the offset 71 (“PSDOffset”) and the beam offset 61 (“ZAAbst”) can be determined by a total offset (“offset f ”) containing both individual parameters on the PSD 10 and then separated from each other by a simple equation system:
  • This consists of a plurality of individual reflectors and is thus formed in contrast to the single retroreflector 88 in a two-dimensional region for generating a substantially offset-free, coaxial retroreflection of a measuring radiation impinging thereon 30 without a substantial offset of the reflected measuring radiation 31 to the direction of generate incident measuring radiation 30.
  • existing retro-reflectors are available in various shapes and made of different materials available, for example, as reflectors made of hard plastic, as they for example, used for road traffic, or as embossed plastic films.
  • such retroreflectors typically made in mass production and consisting of a plurality of individual reflectors, have defects or imperfections in their reflective surfaces.
  • FIGS. 5a-d illustrate the fundamental advantage of a retroreflector 2 embodied in a two-dimensional region for generating a substantially offset-free, coaxial retro-reflection of a measuring radiation 30 impinging on it in comparison to a conventional single corner reflector 88 designed as a corner cube.
  • measurement radiation 30 is incident centrally on the single retroreflector 88 and is reflected by it substantially without offset as reflected measurement radiation 31.
  • measuring radiation 30 hits centrally on a reflector 2 consisting of a multiplicity of individual reflectors and is reflected by it substantially without offset as reflected measuring radiation 31.
  • measurement radiation 30 does not impinge centrally on the single retroreflector 88 and is reflected by it as reflected measurement radiation 31 with an offset to the incident measurement radiation 30.
  • measuring radiation 30 does not impinge centrally on a reflector 2 consisting of a multiplicity of individual reflectors - as shown in FIG. 5c for the single retro-reflector 88.
  • the measurement radiation 30 is reflected substantially offset-free as reflected measurement radiation 31.
  • 6a shows a micrograph of a return ⁇ radiator as he finds, for example, for a bicycle use. It consists of many small prisms in good quality, but relatively large. Not shown here, but common in known reflectors of this type, are also joints of tilted zones. The tilted zones are designed to provide a larger detectable angle of incidence for reflection.
  • FIG. 6b shows a microscope image of a film with embossed prisms.
  • FIG. 6c shows a microscope photograph of a film with glass beads.
  • the individual glass spheres are very different in size and have relatively large distances between each other. As a result, reflections from such a film are usually relatively low in intensity.
  • Retroreflektoren Due to the aforementioned imperfections of existing from many individual reflectors Retroreflektoren, in particular also deviations of the design of the individual reflectors of an intended ideal shape, relatively little of the incident light is reflected or the incident light compared to large-scale single-back reflectors with nearly perfect optical surfaces divergently reflected. Such an effect may well be desirable for typical mass applications, for example, to safety vests or street fixing posts, but is typically disadvantageous for use with a laser tracker.
  • the Intensi can ⁇ activities of the reflected beam components vary widely. In extreme cases, some single reflectors even no light is thrown back. Also, scratches or stains on the individual reflectors can have similar adverse effects.
  • the retroreflector 2 is not arranged vertically, but at an angle of its reflecting surface to the axis 51 which deviates from 90.degree.
  • tumbling motion of the retroreflector 2 then change sequentially the target angle and thus the distances to the retroreflector 2 and path lengths to the back reflector second irradiated light 30 permanently.
  • the changes in distance ideally be a plurality of wavelengths of the incident light 30.
  • corresponding sequential shifts of an interference pattern of the steered to the PSD 10 back ⁇ light coming 31 are generated in sequential measurements, so that effects of interference can be eliminated by averaging the measurement results.
  • the tumbling movement is illustrated in FIG. 7a by superposition of different positions of retroreflector 2 and disc 50 indicated by solid and broken lines.
  • FIG. 7b illustrates an additional development to the embodiment of the invention according to FIG. 7a.
  • This further development is in particular also suitable for arranging the pane 50 with a geometrically suitably designed retroreflector or retroreflective sheeting in a beam deflecting unit.
  • FIG. 7b Shown in FIG. 7b is a disk 50 with a configuration or surface segmented for different light transmission.
  • the disk 50 is arranged pivotable about an axis 51 and / or rotatable.
  • A, in this case, semi-circular region of the pane is provided with a retro-reflector 2, in particular a retroreflective sheeting.
  • Another area 53 is for a dark balance, ie for measurements to determine a Baseline of detector signals, without reflected light back to the PSD 31 provided. In this case, this area may, for example, a surface light absorbing and in particular ⁇ sondere diffusive in reflection dark upper, in particular made of felt or velvet having.
  • a further region 42 is formed for a transparency for light, ie regular measurements with the laser tracker, for example as a simple opening.
  • the emitted laser beam 30 does not need to be differently ⁇ directed for the purpose of measurements to determine the servo control point and its distance to the center of the PSD for the self-calibration of the adjustment and the sighting of a, in particular arranged to be tracked, outside the laser trackers object.
  • the disk 50 oscillates between two positions in the area of the retroreflector 2 in the direction of emission of the laser beam 30, whereby sequential measurements are carried out so that adverse effects of imperfections of the retro Reflectors 2 can be eliminated by averaging the sequential measurement results.
  • ⁇ possibility rotates the disk 50 with its formed regions 2, 53 and 52 continuously in one direction, whereby continuously the intensity on the PSD back ⁇ reflected light is measured and measured as a function of the rotationally toric position of the disc 50, as a measurement log is recorded and evaluated.
  • the exemplary measured values of the PSD show for a slice position between 0 ° and 90 °, ie a display region 91, a light intensity value, in arbitrary units, of near or just above zero. Values just above zero are generated by residual reflections from the area 53 of the disk 50, which is essentially, but in practice, not completely absorbed.
  • the Darge ⁇ set angle area 92 between just over 90 ° and close to 180 ° corresponds to the position of the disc 50, in which they in their 7b illustrated in FIG portion 52 for so-called regular measurements of the laser tracker with sighting of an optionally object to be tracked, for emitted light is transparent. Consequently, no reflected light is incident on the PSD and its intensity signal is zero.
  • the exemplary measured values of the PSD are of particular relevance to self-calibration purposes for the angular ranges 93, 94 and 93 '.
  • a threshold value of a determined lower intensity value for a determination of an average of the determined for determining the area 94 intensity values for determining the intensity centroid of out of the range 2 of intensities of light rays reflected by the retroreflector 2.
  • a threshold may be advantageously also ver ⁇ turns, values of measurements of faulty or dirty parts of a retroreflector filter out tern. In principle, the use of such a threshold value to eliminate the values of such incorrect measurements can also be used for the previously described method of a swinging disk.
  • a comparatively low intensity measurement value 95 is given in Figure 8 in the area 94, the location on ⁇ such defects is due to the retroreflector.
  • the beam steering unit in particular motor driven, moved about the tilting and / or rotation axis to run with the emitted laser beam 30 on the retroreflector a path of predetermined geometry.
  • FIG. 9a and 9b illustrate by way of example a configuration in which the retroreflector consisting of many individual reflectors is arranged on the stationary part, two-dimensional tracks in the form of a meandering path 97 and a circular path 98.
  • FIG. 9c illustrates by way of example a configuration in which FIG many retroreflectors existing retroreflector is arranged on the rotatable part, a one-dimensional path, which is advantageously traversed multiple times, in the form of a straight strip 99th

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lasertracker (1) zur Positionsbestimmung eines Ziels (80) sowie insbesondere zur fortlaufenden Verfolgung des Ziels (80), aufweisend eine Strahlquelle zur Erzeugung von Messstrahlung (30), Winkelmessfunktionalität zur Bestimmung eines Horizontalschwenkwinkels und eines Vertikalschwenkwinkels, Entfernungsmessfunktionalität und einen positionssensitiven Flächendetektor (10) zur Bestimmung eines Auftreffpunkts (13) der reflektierten Messstrahlung (31) auf dem Flächendetektor (10) und zur Erzeugung eines Ausgangssignals zur Steuerung einer Zielverfolgungsfunktionalität, wobei der Lasertracker (1) ausserdem eine Selbstkalibrierungsfunktionalität zur Kalibrierung eines Strahlversatzes (61) aufweist mit einer reflektierenden Kalibrierungsvorrichtung und einer Bestimmung eines Auftreffpunkts (13) der von der Kalibrierungsvorrichtung reflektierten Messstrahlung (31) auf dem positionssensitiven Flächendetektor (10) und eines Versatzes (71) zwischen dem Auftreffpunkt (13) auf dem positionssensitiven Flächendetektor (10) zu dessen Detektorzentrum (15), dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsvorrichtung ein in den Lasertracker (1) integrierter oder am Lasertracker (1) befestigter Retroreflektor (2) ist, der in einem zweidimensionalen Bereich zur Erzeugung einer versatzfreien, koaxialen Retroreflexion einer auf ihm auftreffenden Messstrahlung (30) ausgebildet ist, ohne dabei einen Versatz der reflektierten Messstrahlung (31) zur Richtung der auftreffenden Messstrahlung (30) zu erzeugen. Die Erfindung betrifft ausserdem ein Selbstkalibrierungsverfahren für einen Lasertracker (1).

Description

Selbstkalibrierender Lasertracker und
Selbstkalibrierungsverfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft einen selbstkali¬ brierenden Lasertracker zur Bestimmung von Koordinaten von Raumpunkten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Lasertracker weist einen stationären Teil mit einer Basis, einen gegenüber der Basis um eine Vertikalachse rotierbaren Teil und einer zusammen mit dem rotierbaren Teil drehbaren Strahllenkeinheit sowie eine Laserlichtquelle zur Bereit- Stellung eines durch die Strahllenkeinheit auszusendenden Laserstrahls mit einer Zielachse und einer Einstrahlungs¬ richtung auf einen anzuzielenden Zielpunkt oder Reflektor auf .
Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Selbstkali- brierungsverfahren für einen Lasertracker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Ein Lasertracker eingangs genannter Art weist dabei eine Basis, die eine Stehachse definiert, eine Stütze und eine Strahllenkeinheit zur Emission einer Messstrahlung und zum Empfang von zumindest einem Teil der an einem Ziel reflektierten Messstrahlung auf. Das Ausrichten der Strahllenkeinheit erfolgt in zwei Achsen (Stehachse bzw. vertikale Achse und Neigungsachse bzw. Kippachse) mittels Motoren. Dabei ist die Stütze um die Stehachse relativ zur Basis motorisiert schwenkbar, und die Strahllenkeinheit um eine Kippachse relativ zur Stütze. Durch eine Emissionsrichtung der Messstrahlung ist eine Messachse definiert.
Die Strahllenkeinheit ist mit opto-elektro-mechanischen Komponenten ausgestattet und vermittels einer Welle um die Kippachse drehbar an einer oder zwei Lagerstellen an der Stütze gelagert, die gegebenenfalls ebenfalls mit opto- elektro-mechanischen Komponenten ausgestattet ist.
Lasertracker gehören als Koordinatenmessgeräte zu einer Art von Messgeräten, die die Koordinaten eines (Raum- ) Punkts durch Aussendung eines Laserstrahls auf den Punkt messen. Der Laserstrahl mag direkt auf dem Punkt auftreffen oder auf einen Retroreflektor (häufig Würfeleckenprisma oder „Corner Cube" oder Anordnung mit drei senkrecht zueinander orientierten Spiegeln) der zu dem Punkt in Kontakt steht. Im Falle eines Retroreflektors wird der darauf auftreffende Laserstrahl „in sich", d. h. koaxial zum emittierten Laserstrahl reflektiert, wenn dieser genau auf dem Zentrum des Retroreflektors auftrifft. Andernfalls, wenn der ausge¬ sandte Laserstrahl auf dem Retroreflektor ausserhalb dessen Zentrums auftrifft, weist der reflektierte Laserstrahl einen parallelen Versatz zum ausgesandten Laserstrahl auf.
Typischerweise bestimmt das Gerät die Koordinaten des Punkts durch Messung der Distanz des Punktes vom Messgerät und zweier Winkel mittels zu Drehachsen des Lasertrackers zugeordneten Winkelencodern bzw. Winkelgebern zwischen einer Standardausrichtung des Laserstrahls bezüglich seiner Anzielrichtung zu dem auszumessenden Punkt. Die Distanz wird mit einer Distanz-Messvorrichtung, wie beispielsweise einem absoluten Distanzmesser und/oder einem Interfero- meter, gemessen. Beispielhafte Systeme zur Bestimmung von Koordinaten eines Punkts sind offenbart in der US 4,790,651 und der US 4, 714, 339.
Lasertracker sind eine spezielle Art von Koordinatenmess- geräten, mit denen ein, insbesondere sich bewegender, Ziel- punkt, insbesondere ausgebildet als ein Retroreflektor, mittels eines oder mehrerer, insbesondere fokussierter, Laserstrahlen verfolgt wird.
Für einen zuverlässigen, im Messergebnis reproduzierbaren, Einsatz von Lasertrackern ist die Einstellung und Anwendung von Kalibrierungsparametern erforderlich. Kalibrierungs- parameter werden typischerweise als numerische Werte in Form von Software oder Firmware in für die Lasertracker- Steuerung zugänglicher Weise gespeichert und dienen, angewendet auf die Rohmessdaten des Lasertrackers , der Ver¬ besserung der Messgenauigkeit. Typischerweise werden beim Hersteller des Lasertrackers sogenannte Kalibrierungs-Mess- verfahren zur Bestimmung der Kalibrierungsparameter durchgeführt, und die entsprechenden Kalibrierungsparameter werden mit der Steuerungssoftware gespeichert. Geräteseitig werden üblicherweise ausserdem mit der Steuerung gewisse Toleranzen festgelegt, wie weit aktuelle Kalibrierungs¬ parameter von vorher gespeicherten Kalibrierungsparametern abweichen dürfen. Zur Bestimmung von Änderungen der Gerätekalibrierung werden typischerweise in bestimmten Intervallen und/oder beim Einschalten des Lasertrackers Kontroll-Kalibrierungsmessungen durchgeführt.
Änderungen der erforderlichen Gerätekalibrierung beruhen insbesondere auf thermischen Drift-Effekten, aber auch beispielsweise auf mechanischen Erschütterungen.
In der EP 1 420 264 werden ein Lasertracker und ein damit ausführbares Messverfahren mit Kalibrierungsvorrichtungen und -Vorschriften offenbart. Beschrieben wird ein Messsystem, das ein Messgerät mit einem Lasertracker und einen optoelektronischen Sensor in relativ zueinander unveränderbaren Positionen, einen Systemrechner und ein separates, d. h. entfernt vom Lasertracker anzuordnendes, Messhilfs¬ instrument mit einem Reflektor und mindestens drei Licht- punkten aufweist. Der Lasertracker wird mittels der nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte kalibriert: Das Messhilfsinstrument wird mit einer Anordnung von Hilfs¬ reflektoren starr verbunden und um mindestens zwei relativ zum Messhilfsinstrument voneinander verschiedene Drehachsen bewegt. In mindestens je zwei Drehpositionen um jede der mindestens zwei Drehachsen werden durch den Lasertracker Reflektor und Hilfsreflektoren angezielt und durch den optoelektronischen Sensor die Lichtpunkte auftreffenden Laserlichts registriert. Aus den Messdaten des Laser- trackers werden Positionen und Orientierungen der Reflektoranordnung relativ zum Lasertracker und aus den Messdaten des optoelektronischen Sensors Positionen und Orientierungen der Lichtpunktanordnung relativ zum optoelektro- nischen Sensor bestimmt und daraus die mindestens zwei Drehachsen relativ zur Reflektoranordnung bzw. zur Lichtpunktanordnung berechnet. Dann werden aus den ermittelten Messdaten die Kalibrierungsdaten errechnet.
Diese Systemanordnung und die damit verbundene Kali- brierungsmethode entsprechen nicht der Anordnung und nicht den typischerweise gesetzten Spezifikationen eines Laser- trackers gemäss der vorliegenden Erfindung und insbesondere auch nicht heutigen Anforderungen an ein derartiges Messsystem. Insbesondere nachteilig ist das Messhilfsinstrument für die Kalibrierung ausserhalb des Vermessungsgeräts bzw. Laser- trackers angeordnet, was Anforderungen an heutige Laser¬ tracker für eine möglichst vollständige, kompakt angeord¬ nete Integration bzw. Verbindung mit dem Messgerät nicht erfüllt, und aus der EP 1 420 264 ist kein Selbstkalibrie¬ rungsverfahren mit automatisch ablaufenden, gerätegesteuerten Verfahrensschritten ohne Involvierung eines Be- dieners zu entnehmen.
In der US 2009/0109426 und der WO 2005/026772 wird ein selbstkalibrierender Lasertracker mit einem Laser zur Aussendung eines Laserstrahls, einem Planspiegel und min- destens zwei integrierten unbeweglichen, reflektierenden Vorrichtungen sowie einem rotierbaren Spiegel und einem positionssensitiven Detektor offenbart. Eine der mindestens zwei unbeweglichen, reflektierenden Vorrichtungen ist als ein Corner-Cube-Retroreflektor und eine zweite als ein Planspiegel ausgebildet. Der Corner-Cube-Retroreflektor und der Planspiegel können an einem stationären Teil des Messsystems in Position fixiert sein und sind ausgebildet, um den Laserstrahl nach einem Zweilagen-Messverfahren, d. h. in einem „Vorderseiten-,, und einem „Rückseiten- Modus", zu reflektieren. Dabei entsprechen der „Vorderseiten-Modus" der Ausrichtung des Lasertrackers gemäss einer regulären Zielverfolgung und der „Rückseiten-Modus" einer entgegengesetzten Ausrichtung des Lasertrackers.
Gemäss der in der US 2009/0109426 und der WO 2005/026772 offenbarten Anordnungen werden Messwerte von am Gerät angeordneten Temperatursensoren verwendet, um eine Temperaturabhängigkeit der zu bestimmenden Werte für die Kalibrierungsparameter zu ermitteln.
Die in der US 2009/0109426 und der WO 2005/026772 offen- barten Anordnungen sind jedoch nachteilig wegen der Notwendigkeit einer Verwendung eines aufwendig herstellbaren Einzel-Retroreflektors wie eines Cube-Corner-Retroreflek- tors mit genau definierten bzw. hergestellten reflektierenden Oberflächen und sehr hohen Anforderungen an dessen exakte Positionierung für Zwecke einer verlässlichen Selbstkalibrierung der Justierung eines Lasertrackers. Eine Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Koordi- natenmessgerätes , insbesondere eines Lasertrackers , mit weniger aufwendigen optischen Komponenten zur Ausführung einer Selbstkalibrierung der Justierung des Lasertrackers, verbunden mit einer vereinfachten Durchführung der Selbstkalibrierung. Dabei soll der Lasertracker dazu ausgebildet sein, eine solche Selbstkalibrierung seiner Justierung automatisch, insbesondere nach einem Aufstarten des Geräts, ohne erforderliche Tätigkeiten oder Eingriffe eines Benutzers, zu ermöglichen. Ausserdem sollen alle für eine solche Selbstkalibrierung erforderlichen Komponenten in der Koordinaten-Messvorrichtung bzw. dem Lasertracker integriert bzw. daran fest angeordnet sein. Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen . Die Aufgabe wird erfüllt durch eine selbstkalibrierende Koordinaten-Messvorrichtung, insbesondere einen selbstkalibrierenden Lasertracker, zur Bestimmung von Koordinaten von Raumpunkten. Nachfolgend beziehen sich alle Angaben bezüglich eines Lasertrackers auch auf eine entsprechende Koordinaten-Messvorrichtung. Der Lasertracker weist einen stationären Teil mit einer Basis, einen gegenüber der Basis um eine Vertikalachse rotierbaren Teil und eine zusammen mit dem rotierbaren Teil drehbare Strahllenkeinheit sowie eine Laserlichtquelle zur Bereitstellung eines durch die Strahllenkeinheit auszusendenden Laserstrahls mit einer Zielachse und einer Einstrahlungsrichtung auf einen anzuzielenden Zielpunkt oder Reflektor auf. Vorzugsweise ist an der Basis ein Neigungssensor zur Bestimmung einer Neigung in einer Horizontalrichtung und einer zur Horizontalrichtung senkrechten Vertikalrichtung angeordnet. Des Weiteren weist der Lasertracker eine Kippachse und eine Stehachse auf.
Der Lasertracker weist ausserdem einen positionssensitiven Flächendetektor auf, der insbesondere als ein positions¬ sensitiver Detektor (PSD) ausgestaltet sein kann, ebenso aber auch als ein Bildsensor wie CCD oder CMOS. Weist der Lasertracker eine Strahllenkeinheit mit optischen Komponenten auf, ist in der Strahllenkeinheit vorzugsweise ein Strahlteiler zur Umlenkung eines von dem Zielpunkt oder dem Reflektor zurückkehrenden Laserstrahls auf den in der Strahllenkeinheit integrierten PSD mit einem Detektor- Zentrum integriert. Weist der Lasertracker als Strahllenkeinheit hingegen einen beweglichen Spiegel auf, und sind die übrigen optischen Komponenten in der Stütze oder in der Basis integriert, sind auch Strahlteiler und PSD vorzugs¬ weise in der Stütze oder in der Basis integriert. Der erfindungsgemässe Lasertracker ist gekennzeichnet durch eine als ein Retroreflektor ausgebildete Kalibrierungsvorrichtung. Der Retroreflektor ist erfindungsgemäss in einem zweidimensionalen Bereich zur Erzeugung einer im Wesentlichen versatzfreien, koaxialen Retroreflexion einer auf ihm auftreffenden Messstrahlung ausgebildet ist, d. h. ohne dabei einen wesentlichen Versatz der reflektierten Messstrahlung zur Richtung der auftreffenden Messstrahlung zu erzeugen .
Der zweidimensionale Bereich des Retroreflektors ist erfin- dungsgemäss grösser als der Strahldurchmesser der auftref- fenden Messstrahlung. Vorteilhaft ist der zweidimensionale Bereich dabei mindestens so gross, dass er bei einer wenigstens in einem erwartbaren Rahmen auftretenden Abirrung der Messstrahlung (insbesondere ein paralleler Strahlversatz und/oder eine Richtungsabweichung) auch dann noch von der Messstrahlung zu treffen ist, wenn der Mittelpunkt des zweidimensionalen Bereiches angezielt wird. Die Mindestgrösse hängt demzufolge auch von der Position des Retroreflektors ab. Der Retroreflektor dient zur Bestimmung eines Auftreffpunkts als Servo-Kontrollpunkt des reflektierten Laser¬ strahls auf dem PSD und eines Versatzes zwischen dem Servo- Kontrollpunkt auf dem PSD zu dessen Detektorzentrum sowie eines Abstands zwischen Zielachse und Stehachse und eines Abstands zwischen Zielachse und Kippachse.
Insbesondere weist der Retroreflektor eine Vielzahl von Einzelreflektoren auf. Allgemein bevorzugt ist der Retrore- flektor als eine retroreflektierende Folie oder ein starrer Rückstrahler aus Kunststoff und insbesondere zusammenge- setzt aus Einzelprismen oder einzelnen reflektierenden Kugeln ausgebildet. Vorteilhaft ist die Herstellung solcher Retroreflektoren, insbesondere wenn es sich dabei um in grossen Massen vertriebene Erzeugnisse handelt, mit relativ niedrigem Aufwand und daher auch entsprechend niedrigen Produktkosten verbunden.
Die Erfindung stellt damit einen Lasertracker mit, im Vergleich zum Stand der Technik, weit weniger aufwendig ausgebildeten Komponenten bereit, mit denen eine automatisch ablaufende Selbstkalibrierung der Justierung des Laser- trackers ohne erforderliche Tätigkeiten oder Eingriffe eines Benutzers ermöglicht wird. Vorteilhaft wird dabei insbesondere ein Strahlversatz zwischen eingestrahltem und reflektiertem Laserstrahl durch nicht mittiges Auftreffen des eingestrahlten Laserstrahls auf einem Retroreflektor im Wesentlichen vermieden. Der Retroreflektor kann sowohl in den stationären Teil oder den rotierbaren Teil integriert oder mit dem stationären Teil oder dem rotierbaren Teil fest verbunden sein, als auch innerhalb der Strahllenkeinheit angeordnet sein, vorteilhaft in den Strahlengang der Messstrahlung bewegbar angeordnet.
Vorzugsweise ist der Retroreflektor gegen eine zur Einstrahlungsrichtung orthogonale Ebene geneigt angeordnet. Dadurch werden nachteilige Effekte durch Reflexion des eingestrahlten Lichts an einer Frontfläche, statt an den zur Reflexionen vorgesehenen optischen Flächen, des Retroreflektors vermindert oder sogar vermieden.
Ausserdem wird bevorzugt, dass der Retroreflektor mit einer Vorrichtung zu einer Lichtabschattung, in einem Strahlengang zu dem PSD kombiniert angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei die Anordnung zur Lichtabschattung im Strahlengang schwenk- oder drehbar ausgebildet, so dass sequentiell, ohne eine Veränderung des Strahlengangs, Intensitäten von Reflexionen auf den PSD und Intensitäten bei Abschattung des Strahlengangs gemessen und aufgezeichnet werden können. Des Weiteren wird für eine spezielle Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, dass der Retroreflektor gegenüber einem auf ihn eintreffenden Laserstrahl schwenkbar oder rotierbar, insbesondere als ein Bestandteil einer um eine Rotationsachse schwenk- oder rotierbaren Scheibe, ange- ordnet und ausgebildet ist. Dabei kann die Scheibe mit dem Retroreflektor sowohl ausserhalb als auch innerhalb ange¬ ordnet sein, wobei sich bei einer bevorzugten Anordnung innerhalb der Strahllenkeinheit erforderliche Justierungen der Scheibe mit dem Retroreflektor im Strahlengang erübrigen.
Bei einer Rotation eines viele Einzelreflektoren aufweisenden Retroreflektors mit der Scheibe während der Reflexion des eingestrahlten Lichts zu dem PSD können vorteilhaft nachteilige Effekte durch Fehlreflexionen oder sogar Ausfall von Reflexionen an nicht perfekt ausge¬ bildeten Oberflächen des Retroreflektors vermindert oder sogar eliminiert werden. Dieses wird durch eine Mittelung der Messdaten von sequentiell erfolgenden Reflexionen an im Strahlengang bewegten Einzelreflektoren des Retroreflektors ermöglicht.
Dabei ist vorzugsweise der Retroreflektor nicht senkrecht zur Rotationsachse der Scheibe angebracht, so dass bei einer Rotation des Retroreflektors um diese Rotationsachse ein Taumelfehler bewirkbar ist. Durch eine bei Rotation der Achse mit Retroreflektor und Scheibe erfolgende Taumel¬ bewegung des Retroreflektors ändern sich dann sequentiell die Anzielwinkel und damit die Abstände zu den Einzel¬ reflektoren des Retroreflektors und auch zum Retroreflektor gesamthaft beziehungsweise die zugehörigen Weglängen des auf den Retroreflektor eingestrahlten Lichts permanent. Dabei betragen die Weglängenänderungen vorzugsweise mehrere Wellenlängen des eingestrahlten Lichts. Dadurch werden bei sequentiellen Messungen entsprechende sequentielle Verschiebungen eines möglicherweise erzeugten Interferenz- musters des auf den PSD gelenkten Lichts bewirkt, so dass durch Mittelung der Messergebnisse Effekte der Interferenzen eliminiert werden können. Bezüglich der vorgenannten speziellen Ausführungsform der Erfindung mit dem Retroreflektor als ein Bestandteil einer um eine Rotationsachse schwenk- oder rotierbaren Scheibe ausgebildeten Retroreflektor wird des Weiteren bevorzugt, dass die rotierbare Scheibe ausgebildet ist mit einem ersten Oberflächenanteil, der von dem Retroreflektor gebildet ist, einem zweiten Oberflächenanteil, der im Wesentlichen lichtundurchlässig ist, und einem dritten Oberflächenanteil, der für den Laserstrahl optisch trans- parent ist.
Dabei ist erfindungsgemäss die Scheibe mit einer für unter¬ schiedlichen Lichtdurchlass segmentierten Ausgestaltung bzw. Oberfläche ausgebildet. Die Scheibe ist um eine Achse schwenk- und/oder rotierbar angeordnet. Ein beispielsweise halbkreisartiger Bereich der Scheibe ist mit einem aus vielen Einzelreflektoren bestehenden Retroreflektor, insbesondere einer retroreflektierenden Folie, ausgestattet. Ein weiterer Bereich der Scheibe ist für einen Dunkel- abgleich, d. h. für Messungen zu einer Bestimmung einer Basislinie von Detektorsignalen, ohne auf den PSD zurückreflektiertes Licht, bereit gestellt. Dabei kann dieser Bereich beispielsweise eine lichtabsorbierende und insbe¬ sondere auch in Reflexion diffus streuende dunkle Ober¬ fläche, insbesondere aus Filz oder Samt, aufweisen. Ein weiterer Bereich der Scheibe ist für auftreffendes Licht transparent, d. h. für reguläre Messungen mit dem Laser- tracker, ausgebildet.
Diese Weiterentwicklung der Erfindung ist mit verschiedenen Vorteilen verbunden. Insbesondere muss der ausgesandte Laserstrahl zwecks Messungen zur Bestimmung des Servo-Kon- trollpunkts und dessen Abstands zum Zentrum des PSD für die Selbstkalibrierung der Justierung und eine Anzielung eines, insbesondere zu verfolgenden, ausserhalb des Lasertrackers angeordneten, Objekts nicht unterschiedlich ausgerichtet werden .
Für die Bestimmung des Servo-Kontrollpunkts gibt es dabei verschiedene Ausführungsmöglichkeiten: Gemäss einer ersten Ausführungsmöglichkeit pendelt die Scheibe im Bereich des Retroreflektors senkrecht zur Aussendungsrichtung des Laserstrahls zwischen zwei Positionen hin und her, wobei fortlaufend sequentielle Messungen durchgeführt werden, so dass nachteilige Effekte von teilweise nicht perfekt ausge¬ bildeten Oberflächen des Retroreflektors durch Mittelung der sequentiellen Messergebnisse eliminierbar sind. Gemäss einer anderen Ausführungsmöglichkeit, verbunden mit gleichartigen Vorteilen von Messungen auf verschiedenen Auftreff- punkten des Retroreflektors , rotiert die Scheibe mit ihren für Lichtdurchlass unterschiedlich ausgebildeten Bereichen kontinuierlich in einer Richtung, wobei fortlaufend die Intensität auf den PSD zurückgeworfenen Lichts gemessen und als Funktion der rotatorischen Stellung der Scheibe gemessen, als ein Messprotokoll aufgezeichnet und ausge¬ wertet wird.
In einer Ausführungsform ist der Retroreflektor in der Strahllenkeinheit derart beweglich angeordnet, dass durch die Ausrichtung der Strahllenkeinheit relativ zur Richtung der Schwerkraft der Retroreflektor durch die Schwerkraft, also unmotorisiert, in den Strahlengang der Messstrahlung hineinbewegbar ist und bei einer Änderung der Ausrichtung durch die Schwerkraft wieder zurück in die Ausgangsposition bewegbar ist. Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der, insbesondere aus vielen Einzelreflektoren bestehende, Retroreflektor ausserhalb der Strahllenkeinheit angeordnet und mit dem stationären Teil des Lasertrackers verbunden, und vorzugsweise nicht als ein Bestandteil einer rotierbaren Scheibe ausgebildet, sondern die Strahllenk- einheit, insbesondere motorangetrieben, mit einem Bewe¬ gungszentrum in einen Teleskop-Drehpunkt um eine Kippachse und eine Stehachse schwenkbar oder drehbar angeordnet, so dass durch eine entsprechende Bewegung der Strahllenkeinheit zeitlich sequentiell ein zweidimensionaler Verlauf des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf einer Oberfläche des Retroreflektors , insbesondere mit einer zweidimensional kreisartigen oder schlaufenartigen geometrischen Kontur, erzeugbar ist.
Vorteilhaft können auch durch eine solche Führung des ein- gestrahlten Laserstrahls auf einen aus vielen Einzelreflek- toren bestehenden Reflektor nachteilige Effekte durch Fehlreflexionen oder sogar Ausfall von Reflexionen an nicht perfekt ausgebildeten Oberflächen des Retroreflektors vermindert oder sogar eliminiert werden. Dieses wird durch eine Mittelung der Messdaten von sequentiell erfolgenden Reflexionen an im Strahlengang bewegten Einzelreflektoren des Retroreflektors ermöglicht.
Die begrenzte Präzision der Einzelreflektoren kann zur Folge haben, dass das reflektierte Licht mit einer ausge- prägten Lichtgranulation, in der Art eines Interferenzmusters, zurückgestrahlt wird, was zu einer signifikanten Verschiebung des Intensitätsschwerpunkts des zurückge¬ strahlten Lichts im Vergleich zu einem perfekt reflektierten Lichtstrahl führen kann. Vorteilhaft ist ein aus vielen Einzelreflektoren bestehender Retroreflektor daher in einer nicht orthogonal zur Richtung der Messstrahlung liegenden Ebene angeordnet, sodass die Messstrahlung schräg, d. h. nicht im rechten Winkel, auf den Retroreflektor auftrifft. Bei einem Abfahren eines Pfades auf dem schrägstehenden Retroreflektor mit der Messstrahlung kommt es so automatisch zu einer Distanz- Variation, wobei die Weglängenänderung vorzugsweise mehrere Wellenlängen des eingestrahlten Lichts beträgt. Es werden entsprechende sequentielle Verschiebungen eines mög¬ licherweise erzeugten Interferenzmusters des auf den PSD gelenkten Lichts bewirkt und aufgezeichnet. Durch eine Mittelung der Messergebnisse werden dann Effekte von möglichen Interferenzen des auf den PSD auftreffenden Laserlichts eliminiert.
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der, insbesondere aus vielen Einzelreflek- toren bestehende, Retroreflektor ebenfalls ausserhalb der Strahllenkeinheit angeordnet und dabei mit dem um eine Vertikalachse rotierbaren Teil des Lasertrackers direkt oder indirekt verbunden. Dabei wird des Weiteren bevorzugt, dass die Strahllenkeinheit um einen Teleskop-Drehpunkt um eine Kippachse und eine Stehachse schwenkbar angeordnet ist und durch Schwenken der Strahllenkeinheit zeitlich sequentiell ein eindimensionaler Verlauf des Auftreffpunktes des Laserstrahls auf einer Oberfläche des Retroreflektors erzeugbar ist. Die auf diesem Retroreflektor erzeugte Bahn des auftreffenden Laserstrahls kann die geometrische Form einer Geraden oder eines schmalen Streifens haben. Dieses ist mit gleichartigen Vorteilen wie die vorangehend beschriebene Variante mit Erzeugung einer zweidimensionalen Bahn auf der Oberfläche des Retroreflektors verbunden: Durch eine solche Führung des eingestrahlten Laserstrahls auf den aus vielen Einzelreflektoren bestehenden Reflektor können vorteilhaft nachteilige Effekte durch Fehl- reflexionen oder sogar Ausfall von Reflexionen an nicht perfekt ausgebildeten Oberflächen des Retroreflektors vermindert oder sogar eliminiert werden. Dieses wird durch eine Mittelung der Messdaten von sequentiell erfolgenden Reflexionen an im Strahlengang bewegten Einzelreflektoren des Retroreflektors ermöglicht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Selbstkalibrierungsverfahren für einen erfindungsgemässen Laser- tracker. Der Lasertracker weist einen stationären Teil mit einer Basis, einen gegenüber der Basis um eine Vertikal¬ achse rotierbaren Teil und eine zusammen mit dem rotierbaren Teil drehbare Strahllenkeinheit sowie eine Laser¬ lichtquelle zur Bereitstellung eines durch die Strahllenkeinheit auszusendenden Laserstrahls mit einer Zielachse und einer Einstrahlungsrichtung auf einen anzuzielenden Zielpunkt oder Reflektor auf. Vorzugsweise ist an der Basis ein Neigungssensor zur Bestimmung einer Neigung in einer Horizontalrichtung und einer zur Horizontalrichtung senkrechten Vertikalrichtung angeordnet. Des weiteren weist der Laser- tracker eine Kippachse und eine Stehachse auf. In der Strahllenkeinheit ist ein Strahlteiler zur Umlenkung eines von dem Zielpunkt oder dem Reflektor zurückkehrenden Laserstrahls auf einen in der Strahllenkeinheit integrierten PSD mit einem Detektorzentrum integriert. Als Teilschritt des Verfahrens wird optional mit dem Neigungssensor eine Neigung der Basis in einer Horizontalrichtung und einer zur Horizontalrichtung senkrechten Vertikalrichtung bestimmt. Erfindungsgemäss weist das Verfahren als weitere Schritte auf: · Aussenden eines Laserstrahls von der Strahllenkeinheit auf den Retroreflektor, der in einem zweidimensionalen Bereich zur Erzeugung einer im Wesentlichen versatzfreien, koaxialen Retroreflexion einer auf ihm auftreffenden Messstrahlung ausgebildet ist, ohne dabei einen wesentlichen Versatz der reflektierten Messstrahlung zur Richtung der auftreffenden Messstrahlung zu erzeugen, insbesondere wobei der Retroreflektor im zweidimensionalen Bereich eine Vielzahl von Einzelreflektoren aufweist ;
• Bestimmen eines Auftreffpunkts des reflektierten Laserstrahls auf dem PSD als einem Servo-Kontrollpunkt und eines Versatzes zwischen dem Servo-Kontrollpunkt auf dem PSD zu dessen Detektorzentrum, sowie von Abständen zwischen Zielachse und Stehachse sowie zwischen Ziel¬ achse und Kippachse; und
• Bestimmen eines Zielachsen-Richtungsfehlers mittels einer mit dem stationären Teil, insbesondere der Basis, fest verbundenen Messvorrichtung.
Dabei kann der Retroreflektor sowohl in den stationären Teil oder den rotierbaren Teil integriert oder mit dem stationären Teil oder dem rotierbaren Teil fest verbunden sein, als auch innerhalb der Strahllenkeinheit bereitge¬ stellt sein.
Vorzugsweise, bei einer entsprechenden Ausbildung des erfindungsgemässen Lasertrackers , wird der Retroreflektor zwecks Durchführung sequentieller Messungen, gegenüber der Einstrahlungsrichtung des auf ihn auftreffenden Laserstrahls bewegt, insbesondere geschwenkt oder rotiert. Die Messdaten von sequentiell erfolgenden Reflexionen an im Strahlengang bewegten Einzelreflektoren des Retroreflektors werden gemittelt. Dadurch können vorteilhaft nachteilige Effekte durch Fehlreflexionen oder sogar Ausfall von Reflexionen an nicht perfekt ausgebildeten Oberflächen des Retroreflektors vermindert oder sogar eliminiert werden.
Es wird bevorzugt, dass der der Retroreflektor mit einer Vorrichtung zu einer Lichtabschattung, in einem Strahlengang zu dem PSD kombiniert angeordnet ist. Vorzugsweise wird dabei die Anordnung zur Lichtabschattung im Strahlengang geschwenkt oder gedreht bzw. rotiert. Dadurch können vorteilhaft sequentiell, ohne eine Veränderung des Strahlengangs, Intensitäten von Reflexionen auf den PSD und Intensitäten bei Abschattung des Strahlengangs gemessen und aufgezeichnet werden.
Des Weiteren wird für eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens bevorzugt, dass der Retro- reflektor schwenkbar oder rotierbar als ein Bestandteil einer um eine Rotationsachse schwenk- oder rotierbaren Scheibe, angeordnet und ausgebildet ist, wobei die Scheibe mit dem Retroreflektor ausserhalb oder innerhalb, vorzugs¬ weise aber innerhalb der Strahllenkeinheit angeordnet ist. Erfindungsgemäss wird dann die Scheibe mit dem Retro- reflektor im Strahlengang des ausgesandten Laserstrahls geschwenkt oder gedreht zwecks Durchführung sequentieller Messungen. Bei einer vorteilhaften Anordnung innerhalb der Strahllenkeinheit erübrigen sich andernfalls möglicherweise zusätzlich erforderliche Justierungen der Scheibe mit dem Retroreflektor im Strahlengang.
Dabei wird des Weiteren bevorzugt, dass der Retroreflektor nicht senkrecht zur Rotationsachse der Scheibe angeordnet ist, sodass bei einer Rotation dieses Retroreflektors um die Rotationsachse eine Taumelbewegung des Retroreflektors bewirkt wird. Durch eine bei Rotation der Achse mit Retroreflektor und Scheibe erfolgende Taumelbewegung des Retroreflektors ändern sich dann sequentiell die Anziel¬ winkel und damit die Abstände zu den Einzelreflektoren des Retroreflektors und auch zum Retroreflektor gesamthaft, beziehungsweise die zugehörigen Weglängen des auf den Retroreflektor eingestrahlten Lichts permanent. Dabei betragen die Weglängenänderungen vorzugsweise mehrere Wellenlängen des eingestrahlten Lichts. Vorteilhaft werden bei den Taumelbewegungen des Retroreflektors während der Rotation sequentiell Messungen durchgeführt und ent¬ sprechende sequentielle Verschiebungen eines möglicherweise erzeugten Interferenzmusters des auf den PSD gelenkten Lichts bewirkt und aufgezeichnet. Durch eine Mittelung der Messergebnisse werden dann Effekte von möglichen Inter- ferenzen des auf den PSD auftreffenden Laserlichts eliminiert .
Bezüglich der vorgenannten speziellen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens mit dem als ein Bestandteil einer um eine Rotationsachse schwenk- oder rotierbaren Scheibe ausgebildeten Retroreflektor wird des Weiteren bevorzugt, dass die rotierbare Scheibe ausgebildet ist mit einem ersten Oberflächenanteil, der von dem Retroreflektor gebildet ist, einem zweiten Oberflächenanteil, der im Wesentlichen lichtundurchlässig ist, und einem dritten Oberflächenanteil, der für den Laserstrahl optisch transparent ist, wobei die Scheibe mit einer für unterschied¬ lichen Lichtdurchlass segmentierten Ausgestaltung bzw. Oberfläche ausgebildet ist. Die Scheibe wird um eine Achse geschwenkt und/oder rotiert. Ein beispielsweise halb- kreisartiger Bereich der Scheibe ist mit einem aus vielen Einzelreflektoren bestehenden Retroreflektor, insbesondere einer retroreflektierenden Folie, ausgestattet, und bei Bewegung des von der Strahllenkeinheit ausgesandten Lichts wird vom Retroreflektor Laserlicht zum PSD zurückreflektiert und aufgezeichnet. Ein weiterer Bereich der Scheibe ist für einen Dunkelabgleich, d. h. für Messungen zu einer Bestimmung einer Basislinie von Detektorsignalen, ohne auf den PSD zurückreflektiertes Licht, bereitgestellt. Dabei kann dieser Bereich beispielsweise eine Licht absorbierende und insbesondere auch in Reflexion diffus streuende dunkle Oberfläche, insbesondere aus Filz oder Samt, aufweisen. Bei Durchgang dieses Bereichs durch den eingestrahlten Laserstrahl wird ein Hintergrund-Lichtsignal („Background" ) von dem PSD gemessen und aufgezeichnet. Ein weiterer Bereich der Scheibe ist für auftreffendes Licht transparent, d. h. für reguläre Messungen mit dem Lasertracker, ausgebildet. Diese Weiterentwicklung der Erfindung ist mit verschiedenen Vorteilen verbunden. Insbesondere muss der ausgesandte Laserstrahl zwecks Messungen zur Bestimmung des Servo- Kontrollpunkts und dessen Abstands zum Zentrum des PSD für die Selbstkalibrierung der Justierung und eine Anzielung eines, insbesondere zu verfolgenden, ausserhalb des Laser- trackers angeordneten, Objekts nicht unterschiedlich ausgerichtet werden.
Für die Bestimmung des Servo-Kontrollpunkts gibt es dabei verschiedene Ausführungsmöglichkeiten: Gemäss einer ersten Ausführungsmöglichkeit pendelt die Scheibe im Bereich des Retroreflektors senkrecht zur Aussendungsrichtung des Laserstrahls zwischen zwei Positionen hin und her, wobei fortlaufend sequentielle Messungen durchgeführt werden, sodass nachteilige Effekte von nicht perfekt ausgebildeten Oberflächen des Retroreflektors durch Mittelung der sequentiellen Messergebnisse eliminierbar sind. Gemäss einer anderen Ausführungsmöglichkeit, verbunden mit gleich- artigen Vorteilen von Messungen auf verschiedenen Auftreffpunkten des Retroreflektors , rotiert die Scheibe mit ihren für Lichtdurchlass unterschiedlich ausgebildeten Bereichen kontinuierlich in einer Richtung, wobei fortlaufend die Intensität auf den PSD zurückgeworfenen Lichts als Funktion der rotatorischen Stellung der Scheibe gemessen, als ein Messprotokoll aufgezeichnet und ausgewertet wird.
Gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der, insbesondere aus vielen Einzelreflek- toren bestehende, Retroreflektor ausserhalb der Strahllenkeinheit angeordnet und mit dem stationären Teil des Laser- trackers verbunden, und vorzugsweise nicht als ein Bestand¬ teil einer rotierbaren Scheibe ausgebildet, sondern die Strahllenkeinheit, insbesondere motorangetrieben, mit einem Bewegungszentrum in einen Teleskop-Drehpunkt um eine Kippachse und eine Stehachse schwenkbar oder drehbar ange¬ ordnet. Gemäss dieser Ausführungsform des erfindungs- gemässen Verfahrens wird durch eine entsprechende Bewegung der Strahllenkeinheit zeitlich sequentiell ein zweidimen- sionaler Verlauf des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf einer Oberfläche des Retroreflektors erzeugt, insbesondere mit einer zweidimensional kreisartigen oder schlaufenartigen geometrischen Kontur. Messdaten von sequentiell erfolgenden Reflexionen an im Strahlengang bewegten Einzel- reflektoren des Retroreflektors werden gemittelt.
Vorteilhaft können auch durch eine solche Führung des eingestrahlten Laserstrahls auf den aus vielen Einzelreflek- toren bestehenden Reflektor nachteilige Effekte durch Fehlreflexionen oder sogar Ausfall von Reflexionen an nicht perfekt ausgebildeten Oberflächen des Retroreflektors vermindert oder sogar eliminiert werden. Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der, insbesondere aus vielen Einzelreflek- toren bestehende, Retroreflektor ebenfalls ausserhalb der Strahllenkeinheit angeordnet und dabei mit dem um eine Vertikalachse rotierbaren Teil des Lasertrackers direkt oder indirekt verbunden. Dabei wird des Weiteren bevorzugt, dass die Strahllenkeinheit um einen Teleskop-Drehpunkt um eine Kippachse und eine Stehachse schwenkbar und/oder drehbar angeordnet ist und durch Schwenken oder Drehen der Strahllenkeinheit zeitlich sequentiell ein eindimensionaler Verlauf des Auftreffpunktes des Laserstrahls auf einer Oberfläche des Retroreflektors erzeugt wird. Die auf diesem Retroreflektor erzeugte Bahn des auftreffenden Laserstrahls kann die geometrische Form einer Geraden oder eines schmalen Streifens haben. Dieses ist mit gleichartigen Vorteilen wie für die vorangehend beschriebene Variante mit Erzeugung einer zweidimensionalen Bahn auf der Oberfläche des Retroreflektors verbunden: Durch eine solche Führung des eingestrahlten Laserstrahls auf den aus vielen Einzel- reflektoren bestehenden Reflektor werden vorteilhaft nachteilige Effekte durch Fehlreflexionen oder sogar Ausfall von Reflexionen an nicht perfekt ausgebildeten Oberflächen des Retroreflektors vermindert oder sogar eliminiert. Dazu wird eine Mittelung der Messdaten von sequentiell erfol- genden Reflexionen an im Strahlengang bewegten Einzelreflektoren des Retroreflektors durchgeführt.
Der erfindungsgemässe Lasertracker und das erfindungs- gemässe Selbstkalibrierungsverfahren werden nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben, wobei auch auf weitere Vorteile der Erfindung eingegangen wird. Im Einzelnen zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemässen Lasertracker mit einem
Messhilfsmittel ;
Fig. 2 einen erfindungsgemässen Lasertracker in einer
Frontansicht ; Fig. 3a-b eine Verwendung eines grossen Einzel-Retro- reflektors als Kalibrierungsvorrichtung zur Bestimmung eines Strahlversatzes des auf den PSD auftreffenden, zurückkehrenden Laserstrahls;
Fig. 4 eine Verwendung eines erfindungsgemässen Retro- reflektors als Kalibrierungsvorrichtung zur
Bestimmung eines Strahlversatzes des auf den PSD auftreffenden, zurückkehrenden Laserstrahls;
Fig. 5a-d Unterschiede bei der Verwendung der in den
Figuren 3a-b und 4 gezeigten Kalibrierungsvor- richtungen;
Fig. 6a-c Mikroskopaufnahmen unterschiedlicher Strukturen von aus vielen Einzelreflektoren bestehenden Retroreflektoren;
Fig. 7a eine erste Weiterentwicklung der Erfindung mit einem aus vielen Einzelreflektoren bestehenden
Rückreflektor, der auf einer Scheibe und damit zusammen auf einer von einem Motor rotierbar antreibbaren Drehachse montiert ist;
Fig. 7b eine zusätzliche Weiterentwicklung zu der Aus¬ führungsform der Erfindung gemäss Fig. 7a;
Fig. 8 einen beispielhaften Verlauf einer mit der Ausführungsform der Erfindung gemäss Fig. 7b durchgeführter Messungen und mit einem PSD bestimmter Intensitäten auf diesen Detektor auftreffenden Lichts, als Funktion der rotatorischen Position der Scheibe;
Fig. 9a-b beispielhaft für eine andere Ausführungsform der
Erfindung, bei welcher der aus vielen Einzelreflektoren bestehende Retroreflektor an einem stationären Teil des Lasertrackers angeordnet ist, zweidimensionale Bahnen in Form einer mäanderförmigen Bahn und einer Kreisbahn; und Fig. 9c beispielhaft für eine Konfiguration, bei welcher der aus vielen Einzelreflektoren bestehende Retroreflektor an einem rotierbaren Teil des Lasertrackers angeordnet ist, eine ein¬ dimensionale Bahn. Figur 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Lasertrackers 1, umfassend eine Basis 140, eine darauf angebrachte Stütze 120 mit einem Griff 121 und eine an zwei (nicht dargestellten) Holmen der Stütze 120 gelagerte Strahllenkeinheit 110. Der abgebildete Lasertracker 1 ist auf einem Stativ 150 angeordnet und misst mittels eines Laserstrahles 30 die Distanz zu einem auf einem Messhilfsmittel 80 befindlichen Retroreflek- tor 81. Das Messhilfsmittel 80 - hier beispielhaft als Messtaster ausgeführt - umfasst weiterhin eine Anzahl Ziel- markierungen 82, beispielsweise in Form von reflektierenden oder selbstleuchtenden Lichtpunkten, sowie einen Messkopf 83 zum Plazieren auf einem zu vermessenden Zielpunkt eines Zielobjektes 85.
Der dargestellte Lasertracker 1 beinhaltet eine Messkamera, die insbesondere als fokussierbares Vario-Kamerasystem mit variabler Vergrösserung ausgestaltet ist, um die auf dem Messhilfsmittel 80 angeordneten Zielmarkierungen 82 zu erfassen. Anhand der von der Messkamera aufgenommenen Positionen der Zielmarkierungen 82 ist die räumliche Aus- richtung des Messhilfsmittels 80 bestimmbar.
Um Bewegungen des Messhilfsmittels 80 zu erkennen und nachvollziehen zu können, sodass der Laserstrahl 36 auf den Retroreflektor 81 ausgerichtet bleibt, weist der Laser- tracker 1 einen positionssensitiven Detektor (PSD) auf, insbesondere einen Tracking-Flächensensor, wie er beispielsweise in der WO 2007/079600 AI geoffenbart ist.
Der PSD ist vorzugsweise in der Strahllenkeinheit 10 angeordnet und ermöglicht durch ein Erfassen der Aus¬ richtung des von einem Ziel, insbesondere dem Retro- reflektor 81, reflektierten Laserstrahls 30 das Nachführen der Ausrichtung des Laserstrahls 30. Durch das Nachführen der Laserstrahlausrichtung kann eine fortlaufende Zielverfolgung (Tracking) des Zielpunkts erfolgen und die Entfernung und Position des Zielpunkts fortlaufend relativ zum Messgerät bestimmt werden.
Figur 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Lasertrackers 1 in einer Frontalansicht. Der Lasertracker 1 umfasst eine Basis 140, die auf einer Haltevorrichtung befestigbar ist, hier dargestellt in Form eines Stativs 150. Auf der Basis 140 ist eine Stütze 120 um die Vertikalachse 9 drehbar gelagert angebracht. Die Stütze 120 umfasst einen ersten Holm 126 und einen zweiten Holm 127, die von der Stütze 120 aus nach oben ragen und an welchen eine Strahllenkeinheit 110 mittels einer Welle 160 um die Horizontalachse 8 kippbar gelagert ist. An den beiden Holmen 126,127 ist ein Griff 121 für den Transport und die Handhabung des Lasertrackers 1 angebracht. Der Griff 121 kann fest mit den Holmen 126, 127 verbunden sein, beispielsweise aus einem Guss mit diesen hergestellt oder angeschweisst sein, so dass er als zusätzlich stabili- sierendes Element für die Holme 126,127 dient, insbesondere hinsichtlich eines Verbiegens.
An der Strahllenkeinheit 110 sind in dieser beispielhaften Ausführungsform mehrere Optiken vorgesehen, insbesondere eine Optik 112 einer Messkamera, sowie eine Laseraussende- und -empfangsoptik 111 einer optischen Distanzmessvorrichtung. Des weiteren weist die Strahllenkeinheit 110 vorzugsweise eine Optik einer Lokalisierungskamera 114 zur Groblokalisierung des Messhilfsmittels 80 und eine Optik einer Übersichtskamera 116 zur Bereitstellung von Bildern für einen Benutzer auf.
Die Figuren 3a und 3b illustrieren die Verwendung einer Kalibrierungsvorrichtung in Form eines grossen Einzelreflektors 88, wie beispielsweise eines Prismas oder eines Corner Cubes, zur Bestimmung eines Strahlversatzes 61 des auf den positionssensitiven Detektor (PSD) 10 auftreffenden, zurückkehrenden Laserstrahls 31 gegenüber dem Detektorzentrum 15, sowie die Nachteile, die sich bei dieser Verwendung ergeben.
Gemäss der Ausrichtung des ausgesandten Laserstrahls 30 nach Figur 3a tritt dieser exakt durch die Mitte des Strahlteilers 33 hindurch und trifft auch exakt im Zentrum des Einzel-Retroreflektors 88 derart auf, dass er in sich als ein zurückkommender Laserstrahl 31 reflektiert wird und durch den Strahlteiler 33 auf den PSD 10 mit einem Detektorzentrum 15 umgelenkt wird. Auf dem PSD 10 trifft der Laserstrahl 31 an einem in der Regel von dem Detektorzentrum 15 verschiedenen Punkt 13 auf. Wenn die Richtung und Positionierung des ausgesandten Laserstrahls 30 auf den Retroreflektor eingeregelt sind, ist dieser Auftreffpunkt mit einem sogenannten Servo¬ kontrollpunkt identisch, dessen genaue Bestimmung für weitere Massnahmen und Messungen zur Selbstkalibrierung des Lasertrackers wesentlich ist. Der dermassen bestimmte Servokontrollpunkt weist in der Regel einen Versatz 71 zum Detektorzentrum 15 auf.
Angegeben sind in Figur 3a des Weiteren eine Teleskop- Drehachse 8, um welche die Strahllenkeinheit 110 drehbar ist, ein Strahlversatz 61 zwischen einer Zentralachse durch die Drehachse 8 und dem zurückkehrenden Laserstrahl 31 und die Achsen 6 und 7. Gemäss der Situation nach Figur 3a können der Versatz 71 und der Strahlversatz 61 separat voneinander bestimmt werden.
Figur 3b illustriert eine Situation, gemäss derer der ausgesandte Laserstrahl 30 nicht mittig auf dem Einzel- reflektor 88 auftrifft, aber der Abstand 71 auf dem PSD 10 und der Strahlversatz 61 der Zielachse zusammen korreliert bekannt sind. Gemäss dieser Situation trifft der ausge¬ sandte Laserstrahl 30 nicht mittig auf dem Zentrum des Einzel-Retroreflektors 88 auf, sondern auf einer ersten seitlichen Reflexionsfläche, und wird um dessen Zentrum herumgelenkt auf eine gegenüberliegende zweite Reflexions¬ fläche, von wo er als zurückkehrender Laserstrahl 31 parallel versetzt zum ausgesandten Laserstrahl 30 reflektiert wird. In dem dargestellten Spezialfall trifft er dann mit einem Wert Null des Versatzes 71 zum Detektorzentrum 15 dem PSD 10 auf. Der Versatz 71 („PSDOffset") und der Strahlversatz 61 („ZAAbst ") können durch einen beide Einzelparameter enthaltenden Gesamtversatz („Offsetf") auf dem PSD 10 bestimmt und dann durch ein einfaches Gleichungssystem voneinander separiert werden:
PSDOffset - ZAAbst
Richtungl korrigiert arctan( ■) - Richtungsfehler (1)
2 x Dist
PSDOffset - ZAAbst = Offset' (2)
Solange PSD-Offset (Versatz 71) und Zielachsenabstand (Strahlversatz 61) klein genug sind, bleibt dabei die Strahlüberdeckung zwischen ausgehenden und zurückkommenden Strahl bei einem Einsatz von Laserinterferometern (IFM) und absoluten Distanzmessern (ADM) für zuverlässige Messungen ausreichend gut. Für eine genaue Kalibrierung wird aber ein solcher Fall bevorzugt, bei dem kein Versatz auftritt. In Figur 4 ist der in den Figuren 3a-b gezeigte grosse Einzel-Retroreflektor 88 durch einen erfindungsgemässen Retroreflektor 2 ersetzt. Dieser besteht aus einer Vielzahl von Einzelreflektoren und ist damit im Gegensatz zum Einzel-Retroreflektor 88 in einem zweidimensionalen Bereich zur Erzeugung einer im Wesentlichen versatzfreien, koaxialen Retroreflexion einer auf ihm auftreffenden Messstrahlung 30 ausgebildet, ohne dabei einen wesentlichen Versatz der reflektierten Messstrahlung 31 zur Richtung der auftreffenden Messstrahlung 30 zu erzeugen. Aus einer Vielzahl von Einzelreflektoren bestehende Retro- reflektoren sind in verschiedenen Formen und aus verschiedenen Materialien hergestellt erhältlich, beispielsweise als Rückstrahler aus hartem Kunststoff, wie sie beispielsweise für im Strassenverkehr verwendet werden, oder als geprägte Kunststofffolien . Häufig weisen derartige, typischerweise in Massenfabrikation hergestellte und aus einer Vielzahl von Einzelreflektoren bestehende Retroreflektoren Fehler oder Unperfektheiten an ihren reflektierenden Oberflächen.
Die Figuren 5a-d illustrieren den grundsätzlichen Vorteil eines in einem zweidimensionalen Bereich zur Erzeugung einer im Wesentlichen versatzfreien, koaxialen Retro- reflexion einer auf ihm auftreffenden Messstrahlung 30 ausgebildeten Retroreflektors 2 gegenüber einem herkömmlichen, als „Corner Cube" ausgebildeten Einzel-Retroreflektor 88.
In Figur 5a trifft Messstrahlung 30 mittig auf den Einzel- Retroreflektor 88 und wird von diesem im Wesentlichen versatzfrei als reflektierte Messstrahlung 31 reflektiert.
In Figur 5b trifft Messstrahlung 30 mittig auf einen aus einer Vielzahl von Einzelreflektoren bestehenden Reflektor 2 und wird von diesem im Wesentlichen versatzfrei als reflektierte Messstrahlung 31 reflektiert. In Figur 5c trifft Messstrahlung 30 nicht mittig auf den Einzel-Retroreflektor 88 und wird von diesem als reflektierte Messstrahlung 31 mit einem Versatz zur eintreffenden Messstrahlung 30 reflektiert.
In Figur 5d trifft Messstrahlung 30 nicht mittig auf einen aus einer Vielzahl von Einzelreflektoren bestehenden Reflektor 2 - wie in Figur 5c für den Einzel-Retro- reflektor 88 dargestellt. Dabei wird die Messstrahlung 30 im Gegensatz zu Figur 5c im Wesentlichen versatzfrei als reflektierte Messstrahlung 31 reflektiert. Figur 6a zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Rück¬ strahlers, wie er beispielsweise für ein Fahrrad Verwendung findet. Er besteht aus vielen kleinen Prismen in guter Qualität, die aber relativ gross sind. Hier nicht darge- stellt, aber in bekannten Rückstrahlern dieses Typs häufig vorkommend, sind ausserdem Stossstellen von zueinander verkippten Zonen. Die verkippten Zonen sind dafür vorgesehen, einen grösseren erfassbaren Einfallswinkel für die Reflexion zu bewirken. Figur 6b zeigt eine Mikroskop- aufnähme einer Folie mit geprägten Prismen. Im Vergleich zu den Prismen gemäss Figur 6a sind die einzelnen Prismen sehr viel kleiner. In ihrer Form sind sie aber selten perfekt, sondern weisen deutlich erkennbare Defekte auf. Figur 6c zeigt eine Mikroskopaufnahme einer Folie mit Glaskugeln. Die einzelnen Glaskugeln sind in ihrer Grösse sehr unterschiedlich und weisen zwischen einander teilweise relativ grosse Abstände auf. Als Folge sind Reflexionen von einer solchen Folie in der Regel relativ intensitätsschwach.
Minderungen der Reflexionseigenschaften derartiger aus einer Vielzahl von Einzelreflektoren bestehender und typischerweise in Massenfabrikation hergestellter Retrore- flektoren gegenüber den Reflexionseigenschaften wesentlich aufwendig herstellbarer Einzel-Rückreflektoren wie Einzelprismen oder „Corner Cubes" lassen sich wie folgt zusammen- fassen:
Aufgrund der vorgenannten Unperfektionen der aus vielen Einzelreflektoren bestehenden Retroreflektoren, insbesondere auch Abweichungen der Ausgestaltung der Einzelreflektoren von einer vorgesehenen idealen Form, wird im Vergleich zu grossflächigen Einzel-Rückreflektoren mit nahezu perfekten optischen Oberflächen relativ wenig des einfallenden Lichts reflektiert oder das einfallende Licht divergierend reflektiert. Ein solcher Effekt kann für typische Massenanwendungen, beispielsweise an Warnwesten oder Strassenbefestigungspfosten, durchaus erwünscht sein, ist aber für eine Verwendung mit einem Lasertracker typi- scherweise eher nachteilig. Ausserdem können die Intensi¬ täten der reflektierten Teilstrahlen stark unterschiedlich sein. In Extremfällen wird von einigen Einzelreflektoren sogar kein Licht mehr zurückgeworfen. Auch Kratzer oder Verschmutzungen auf den Einzelreflektoren können ähnliche nachteilige Effekte haben.
Anhand von Figur 7a ist eine erste Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung illustriert. Ein aus vielen Einzelreflektoren bestehender Retroreflektor 2, insbesondere eine kreisförmig ausgebildete retroreflektierende Folie, ist auf einer Scheibe 50 und damit zusammen auf einer von einem Motor 55 rotierbar antreibbaren Drehachse 51 montiert. Durch sequentielle Messung und Mittelung der Daten aus den sequentiellen Messungen kann ein Effekt eines Granulationbzw. Interferenzmusters des auf den PSD zurückgeworfenen Lichts 31 auf die Bestimmung des Intensitätsschwerpunkts des zurückgeworfenen Lichts 31 schon nach wenigen Messungen eliminiert werden. Auch nachteilige Effekte schwach oder gar nicht reflektierender Einzelreflektoren können dadurch beseitigt werden. Gemäss der Darstellung in Figur 7a ist der Retroreflektor 2 erfindungsgemäss ausserdem nicht senkrecht, sondern unter einem von 90° abweichenden Winkel seiner reflektierenden Fläche zur Achse 51 angeordnet. Durch eine bei Rotation der Achse 51 mit Retroreflektor 2 und Scheibe 50 daraus folgende Taumelbewegung des Retroreflektors 2 ändern sich dann sequentiell die Anzielwinkel und damit die Abstände zum Retroreflektor 2 bzw. Weglängen auf den Rückreflektor 2 eingestrahlten Lichts 30 permanent. Dabei betragen die Abstandsänderungen idealerweise mehrere Wellenlängen des eingestrahlten Lichts 30. Dadurch werden bei sequentiellen Messungen entsprechende sequentielle Verschiebungen eines Interferenzmusters des auf den PSD 10 gelenkten zurück¬ kommenden Lichts 31 erzeugt, so dass sich durch Mittelung der Messergebnisse Effekte der Interferenzen eliminiert werden können. Die Taumelbewegung ist in Figur 7a durch Überlagerung von mit durchgezogenen sowie mit durch- brochenen Linien angedeuteten unterschiedlichen Positionen von Retroreflektor 2 und Scheibe 50 illustriert.
Ausserdem können, wie in Figur 7a ebenfalls dargestellt, durch Erzeugung einer schrägen, d. h. von 90° verschiedenen, Richtung des auf den Retroreflektor 2 einge- strahlten Lichts 30 nachteilige Effekte durch an dessen Frontfläche und nicht an den zur Reflexion vorgesehenen optischen Flächen ebenfalls beseitigt werden.
Figur 7b illustriert eine zusätzliche Weiterentwicklung zu der Ausführungsform der Erfindung gemäss Figur 7a. Diese Weiterentwicklung ist insbesondere auch geeignet für eine Anordnung der Scheibe 50 mit darauf befindlichem, geometrisch geeignet ausgebildetem Rückstrahler bzw. retroreflektierender Folie in einer Strahllenkeinheit.
Dargestellt in Figur 7b ist eine Scheibe 50 mit einer für unterschiedlichen Lichtdurchlass segmentierten Ausgestaltung bzw. Oberfläche. Die Scheibe 50 ist um eine Achse 51 schwenk und/oder rotierbar angeordnet. Ein, in diesem Fall, halbkreisartiger Bereich der Scheibe ist mit einem Retro- reflektor 2, insbesondere einer retroreflektierenden Folie, ausgestattet. Ein weiterer Bereich 53 ist für einen Dunkel- abgleich, d. h. für Messungen zu einer Bestimmung einer Basislinie von Detektorsignalen, ohne auf den PSD zurückreflektiertes Licht 31, bereitgestellt. Dabei kann dieser Bereich beispielsweise eine Licht absorbierende und insbe¬ sondere auch in Reflexion diffus streuende dunkle Ober- fläche, insbesondere aus Filz oder Samt, aufweisen. Ein weiterer Bereich 42 ist zu einer Transparenz für Licht, d. h. reguläre Messungen mit dem Lasertracker, ausgebildet, beispielsweise als einfache Öffnung.
Diese Weiterentwicklung der Erfindung ist mit verschiedenen Vorteilen verbunden. Insbesondere muss der ausgesandte Laserstrahl 30 zwecks Messungen zur Bestimmung des Servo- Kontrollpunkts und dessen Abstands zum Zentrum des PSD für die Selbstkalibrierung der Justierung und der Anzielung eines, insbesondere zu verfolgenden, ausserhalb des Laser- trackers angeordneten Objekts nicht unterschiedlich ausge¬ richtet werden.
Für die Bestimmung des Servokontrollpunktes gibt es dabei verschiedene Ausführungsmöglichkeiten: Gemäss einer ersten Ausführungsmöglichkeit pendelt die Scheibe 50 im Bereich des Retroreflektors 2 in Aussendungsrichtung des Laserstrahls 30 zwischen zwei Positionen hin und her, wobei fortlaufend sequentielle Messungen durchgeführt werden, sodass nachteilige Effekte von Unperfektionen des Retro- reflektors 2 durch Mittelung der sequentiellen Messergeb- nisse eliminierbar sind. Gemäss einer anderen Ausführungs¬ möglichkeit rotiert die Scheibe 50 mit ihren ausgebildeten Bereichen 2, 53 und 52 kontinuierlich in einer Richtung, wobei fortlaufend die Intensität auf den PSD zurück¬ geworfenen Lichts gemessen und als Funktion der rota- torischen Stellung der Scheibe 50 gemessen, als ein Messprotokoll aufgezeichnet und ausgewertet werden. Ein beispielhafter Verlauf mit der Ausführungsform der Erfindung gemäss Figur 7b durchgeführter und mit dem PSD bestimmter Intensitäten auf diesen Detektor auftreffenden Lichts, als Funktion der rotatorischen Position der Scheibe 50, bei einer Rotation der Scheibe 50 gegenüber dem Uhrzeigersinn, ist in Figur 8 dargestellt, die in Verbindung mit der Ausbildung der Scheibe 50 gemäss Figur 7b zu verstehen ist.
Die beispielhaften Messwerte des PSD zeigen für eine Scheibenposition zwischen 0° und 90°, d. h. einem Darstellungsbereich 91, einen Lichtintensitätswert, in willkürlichen Einheiten, von nahe oder knapp über Null. Werte knapp über Null werden durch Restreflexionen von dem im Wesentlichen, aber in der Praxis nicht vollständig absor- bierenden Bereich 53 der Scheibe 50 erzeugt. Der darge¬ stellte Winkelbereich 92 zwischen knapp über 90° und nahe 180° entspricht der Position der Scheibe 50, in der sie in ihrem in Figur 7b dargestellten Bereich 52 für sogenannte reguläre Messungen des Lasertrackers , mit Anzielung eines, gegebenenfalls zu verfolgenden Objekts, für ausgesandtes Licht transparent ist. Folglich tritt kein reflektiertes Licht auf den PSD, und sein Intensitätssignal hat den Wert Null .
Die beispielhaften Messwerte des PSD sind für Zwecke der Selbstkalibrierung für die Winkelbereiche 93, 94 und 93' von besonderer Relevanz. Für die Winkelbereiche 93 zwischen knapp unter 180° und knapp über 180° sowie 93' zwischen knapp unter und knapp über 360° liegt jeweils eine Situation vor, bei welcher der eingestrahlte Laserstrahl 30 nur teilweise auf den Bereich des Retroreflektors 2 auftrifft und von dort reflektiert wird. Bevorzugt wird mittels einer geeigneten Analyse-Software oder eines geeigneten Analyse-Algorithmus für die, in dieser Darstellung an einen, im Wesentlichen um 360° zentrierten, Zwischenbereich 94 angrenzende Bereiche 93, 93' ein Schwellenwert eines ermittelten unteren Intensitätswertes für eine Bestimmung eines Mittelwerts der für eine Bestimmung der für den Bereich 94 ermittelten Intensitätswerte zur Bestimmung des Intensitätsschwerpunkts von aus dem Bereich 2 von Intensitäten von Lichtstrahlen, die vom Retroreflektor 2 zurückgeworfen werden, festgelegt. Ein solcher Schwellenwert kann vorteilhaft auch dazu ver¬ wendet werden, Werte von Messungen an fehlerhaften oder verschmutzten Stellen eines Retroreflektors herauszufil- tern. Grundsätzlich ist die Verwendung eines solchen Schwellenwerts zur Eliminierung von Werten derartiger Fehl- messungen auch für die vorangehend beschriebene Methode einer pendelnden Scheibe einsetzbar. Beispielhaft ist in Figur 8 im Bereich 94 ein vergleichsweise niedriger Intensitätsmesswert 95 angegeben, der auf eine derartige Fehl¬ stelle auf dem Retroreflektor zurückzuführen ist. Als ein Äquivalent für sequentielle Messungen auf ver¬ schiedenen Punkten einer mit einem Retroreflektor pendelnden oder drehenden Scheibe zwecks Mittelung sequentiell bestimmter Messwerte und/oder Eliminierung der Werte auf Fehlstellen des Retroreflektors durchgeführter Messungen mittels eines Schwellenwerts, insbesondere für Konfigura¬ tionen, bei denen der Retroreflektor ausserhalb der Strahllenkeinheit angeordnet ist, wird, gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Strahllenkeinheit, insbesondere motorangetrieben, um die Kipp- und/oder Drehachse bewegt, um mit dem ausgesandten Laserstrahl 30 auf dem Retroreflektor eine Bahn vorgegebener Geometrie abzufahren. Die Figuren 9a und 9b illustrieren beispielhaft für eine Konfiguration, bei welcher der aus vielen Einzelreflektoren bestehende Retroreflektor am stationären Teil angeordnet ist, zweidimensionale Bahnen in Form einer mäanderförmigen Bahn 97 und einer Kreisbahn 98. Figur 9c illustriert beispielhaft für eine Konfiguration, bei welcher der aus vielen Einzelreflektoren bestehende Retroreflektor am rotierbaren Teil angeordnet ist, eine eindimensionale Bahn, die vorteilhaft mehrfach abgefahren wird, in Form eines geraden Streifens 99.
Es versteht sich, dass diese dargestellten Figuren nur mögliche Ausführungsbeispiele schematisch darstellen. Die verschiedenen Ansätze können ebenso miteinander sowie mit Verfahren und Geräten des Standes der Technik kombiniert werden .

Claims

Patentansprüche
1. Lasertracker (1) zur Positionsbestimmung eines
Ziels (80) sowie insbesondere zur fortlaufenden
Verfolgung des Ziels (80), aufweisend
• eine Strahlquelle zur Erzeugung von
Messstrahlung (30),
• eine eine Stehachse (9) definierende Basis (140),
• eine Stütze (120), die eine im Wesentlichen
orthogonal zur Stehachse (9) stehende Kippachse (8) definiert, wobei die Stütze (120) relativ zur Basis (140) um die Stehachse (9) motorisiert schwenkbar ist und ein Horizontalschwenkwinkel durch eine Ausrichtung der Stütze (120) relativ zur Basis (140) definiert wird,
• eine um die Kippachse (8) relativ zur Stütze (120) motorisiert schwenkbare Strahllenkeinheit (110), wobei ein Vertikalschwenkwinkel durch eine
Ausrichtung der Strahllenkeinheit (110) relativ zur Stütze (120) definiert wird, zur Emission und Ausrichtung der Messstrahlung (30) und zum Empfang von zumindest einem Teil der am Ziel (80)
reflektierten Messstrahlung (31),
• Winkelmessfunktionalität zur Bestimmung des
Horizontalschwenkwinkels und des
Vertikalschwenkwinkels ,
• Entfernungsmessfunktionalität und
• einen positionssensitiven Flächendetektor (10) zur Bestimmung eines Auftreffpunkts (13) der
reflektierten Messstrahlung (31) auf dem
Flächendetektor (10) und zur Erzeugung eines Ausgangssignals zur Steuerung einer
Zielverfolgungsfunktionalitat ,
wobei der Lasertracker (1) zur Bestimmung von
Kalibrierungsparametern bezüglich einer Position und/oder Richtung der Messstrahlung (30) ausserdem eine retroreflektierende Kalibrierungsvorrichtung aufweist zur Verwendung mit einer Selbstkalibrierungs¬ funktionalität, im Rahmen derer ein Auftreffpunkt (13) der von der Kalibrierungsvorrichtung reflektierten Messstrahlung (31) auf dem positionssensitiven
Flächendetektor (10) bestimmbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kalibrierungsvorrichtung einen Retroreflektor (2) aufweist, der in einem zweidimensionalen Bereich, unabhängig vom Auftreffpunkt der Messstrahlung (30) innerhalb des zweidimensionalen Bereiches, zur
Erzeugung einer versatzfreien, koaxialen Retroreflexion einer auf ihm auftreffenden Messstrahlung (30)
ausgebildet ist.
Lasertracker (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die bestimmbaren Kalibrierungsparameter einen
Servokontrollpunkt umfassen.
Lasertracker (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
• im Rahmen der Selbstkalibrierungsfunktionalität mit der Messstrahlung (30) ein Pfad auf dem
Retroreflektor (2) abfahrbar ist, sodass jeweils an einer Vielzahl von unterschiedlichen Punkten des zweidimensionalen Bereiches reflektierte
Messstrahlung (31) erzeugbar ist, und • der Lasertracker (1) dazu ausgestaltet ist, im Rahmen der Selbstkalibrierungsfunktionalität für eine Vielzahl von Messdaten, die durch die an der Vielzahl von unterschiedlichen Punkten reflektierte Messstrahlung (31) erzeugt wurden, einen Mittelwert zu ermitteln.
Lasertracker (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Retroreflektor (2) eine Vielzahl von
Einzelreflektoren aufweist, insbesondere wobei
• der Retroreflektor (2) als eine retroreflektierende Folie oder ein starres Mikroprismen-Array,
insbesondere aus Kunststoff oder Glas, ausgebildet ist, und/oder
• die Einzelreflektoren reflektierende Kugeln oder Prismen umfassen.
Lasertracker (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
• der Retroreflektor (2) an der Basis (140) oder an der Stütze (120) angeordnet ist, insbesondere in die Basis (140) oder in die Stütze (120) integriert oder mit der Basis (140) oder der Stütze (120) fest verbunden, und
• die Strahllenkeinheit (110) dazu ausgestaltet ist, mit der Messstrahlung (30) einen, insbesondere kreisförmigen, mäanderförmigen oder linienförmigen, Pfad (97, 98, 99) auf dem Retroreflektor (2) abzufahren .
Lasertracker (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Retroreflektor (2) in der Strahllenkeinheit (110) oder zwischen der Strahlquelle und der
Strahllenkeinheit (110) angeordnet ist, insbesondere
• in einen Strahlgang der Messstrahlung (30)
hineinbewegbar, und/oder
• kombiniert mit einer Vorrichtung zur
Lichtabschattung in einem Strahlengang zu dem positionssensitiven Flächendetektor (10).
7. Lasertracker (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Retroreflektor (2)
• in einer nicht orthogonal zur Richtung der
Messstrahlung (30) liegenden Ebene angeordnet ist, oder
• im Rahmen der Selbstkalibrierungsfunktionalität in eine nicht orthogonal zur Richtung der
Messstrahlung (30) liegende Ebene bewegbar ist.
8. Lasertracker (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Retroreflektor (2) als ein Bestandteil einer um eine Rotationsachse (51) schwenkbaren oder rotierbaren Scheibe (50) ausgebildet ist, sodass jeweils an einer Vielzahl von Einzelreflektoren des Retroreflektors (2) reflektierte Messstrahlung (31) erzeugbar ist,
insbesondere wobei die Scheibe (50) zwischen zwei vorgegebenen Rotationswinkeln drehbar oder in
mindestens einer Rotationsrichtung kontinuierlich rotierbar angeordnet ist.
9. Lasertracker (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Scheibe (50) ausgestaltet ist mit • einem ersten Oberflächenanteil, der von dem
Retroreflektor (2) gebildet ist,
• einem zweiten Oberflächenanteil (53) , der für die Messstrahlung (30) im Wesentlichen undurchlässig ist und insbesondere eine Licht absorbierende und/oder in Reflexion diffus streuende dunkle Oberfläche aufweist, und
• einem dritten Oberflächenanteil (52), der für die Messstrahlung (30) im Wesentlichen durchlässig ist.
Lasertracker (1) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der Retroreflektor (2) nicht senkrecht zur
Rotationsachse (51) angeordnet ist, so dass bei einer Rotation des Retroreflektors (2) um die
Rotationsachse (51) eine Taumelbewegung des
Retroreflektors (2) bewirkbar ist.
Lasertracker (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
gekennzeichnet durch
• eine erste Kamera (112) zur Erfassung der räumlichen Ausrichtung des Ziels (80), und
• eine zweite Kamera (114) zur Groblokalisierung des Ziels (80),
und/oder dadurch, dass
• die Messstrahlung (30) ein Laserstrahl ist, und
• der Lasertracker (1) einen Absolutdistanzmesser
und/oder ein Interferometer aufweist.
Selbstkalibrierungsverfahren für einen
Lasertracker (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem • Aussenden von Messstrahlung (30) auf eine
Kai ibrierungsVorrichtung,
• Erzeugen einer Retroreflexion einer auf die
Kai ibrierungsVorrichtung auftreffenden
Messstrahlung (30) als einer reflektierten
Messstrahlung (31),
• Bestimmen eines Auftreffpunktes (13) der von der Kai ibrierungsVorrichtung reflektierten
Messstrahlung (31) auf einem positionssensitiven Flächendetektor (10) und
• Bestimmen von Kalibrierungsparametern bezüglich
einer Position und/oder Richtung der
Messstrahlung (30),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kalibrierungsvorrichtung einen in den
Lasertracker (1) integrierten oder am Lasertracker (1) befestigten Retroreflektor (2) aufweist, wobei
• die Messstrahlung (30) auf einen zweidimensionalen Bereich des Retroreflektors ausgesendet wird, und · unabhängig vom Auftreffpunkt der Messstrahlung (30) innerhalb des zweidimensionalen Bereiches eine versatzfreie, koaxiale Retroreflexion der
Messstrahlung (30) als reflektierter
Messstrahlung (31) erzeugt wird. 13. Selbstkalibrierungsverfahren nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch
• ein Erzeugen reflektierter Messstrahlung (31) an einer Vielzahl von unterschiedlichen Punkten des zweidimensionalen Bereiches, und
• ein Ermitteln eines Mittelwertes für eine Vielzahl von Messdaten, die durch die an der Vielzahl von unterschiedlichen Punkten reflektierte
Messstrahlung (31) erzeugt wurde.
14. Selbstkalibrierungsverfahren nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch
ein Abfahren eines, insbesondere kreisförmigen, mäanderförmigen oder linienförmigen,
Pfades (97, 98, 99) auf dem Retroreflektor (2) mit der Messstrahlung (30), insbesondere durch ein Bewegen des Retroreflektors (2) und eines die Messstrahlung (30) emittierenden oder weiterleitenden Teiles des
Lasertrackers (1) relativ zueinander.
15. Selbstkalibrierungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
gekennzeichnet durch
ein Schwenken oder Rotieren des Retroreflektors (2) in einen Strahlgang der Messstrahlung (30) hinein, insbesondere wobei der Retroreflektor (2) nicht senkrecht zu einer Schwenk- oder Rotationsachse (51) angeordnet ist, sodass das Schwenken oder Rotieren eine Taumelbewegung des Retroreflektors (2) bewirkt.
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