测量六个自由度的装置和方法

专利名称：测量六个自由度的装置和方法
测量六个自由度的装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求2008年11月11日提交的美国临时申请第61/115，136号的优先权， 其全部内容通过引用包含于此。
背景技术：
本公开涉及一种坐标测量装置。一组坐标测量装置属于通过向一点发送激光束来测量该点的三维(3D)坐标的一类仪器。激光束可以直接撞击该点，或者可以撞击与该点接触的后向反射器目标。在每一种情况下，仪器通过测量到目标的距离和两个角度来确定该点的坐标。使用诸如绝对测距仪或者干涉仪的距离测量装置测量距离。使用诸如角编码器的角度测量装置测量角度。仪器内的万向光束控制机构将激光束导向关注的点。Brown等人的美国专利第4，790，651号和Lau等人的美国专利第4，714，339号描述了用于确定点的坐标的示例性系统。激光跟踪器是特定类型的坐标测量装置，其使用其发射的一个或更多个激光束跟踪后向反射器目标。与激光跟踪器紧密相关的坐标测量装置是激光扫描器。激光扫描器使一个或更多个激光束步进到漫射表面上的点。通常，激光跟踪器向后向反射器目标发送激光束。常见类型的后向反射器目标是球形安装的后向反射器(SMR)，其包括嵌入金属球体内的立方隅角后向反射器。立方隅角后向反射器包括三个彼此垂直的镜。作为三个镜的共同交点的顶点位于球体的中心。由于将立方隅角放置在球体内，因此即使SMR旋转，从顶点到SMR所在的任意表面的垂直距离也保持恒定。因此，激光跟踪器可以在其在表面上移动时，通过跟随SMR的位置，来测量表面的 3D坐标。换句话说，激光跟踪器仅需要测量三个自由度(一个径向距离和两个角度)，来完全描绘表面的3D坐标。然而，存在需要六个、而不是仅仅三个自由度的测量。这里，四个这种测量的示例是(1)六自由度(6D0F)跟踪器测量从跟踪器的角度被中间物体遮挡的探针尖端的位置； (2)6D0F跟踪器跟随使用光的图案测量3D坐标的扫描装置的运动；C3)6DOF跟踪器寻找机器人末端执行器或者类似刚性体的朝向以及位置；以及(4)6D0F跟踪器使用精细探针尖端、而不是SMR的大的球形表面来测量精细物体特征。可以获得或者已经提出了基于激光跟踪器的几个系统，用于测量六个自由度。在一个系统中，在目标包含后向反射器和多个点的光的情况下，使用照相机和激光跟踪器。 Pettersen等的美国专利第5973788号和Pettersen等的美国专利第6166809号描述了示例性系统。在第二种系统中，通过电机或者手动调节保持目标与跟踪器激光束几乎垂直。目标中的分光器将入射激光中的一些发送到位置检测器，位置检测器确定目标的俯仰角和偏航角。其余光进入后向反射器。在反射的光中，一些光行进到达偏振分光器、检测器和电子设备，确定目标横摇角。其余光返回跟踪器。Lau的美国专利7230689描述了示例性系统。除了用测量目标相对于重力方向的倾斜的水平传感器代替横摇传感器以外，第三
7种系统与第二种系统相同。Lau的美国专利7230689描述了示例性系统。在第四种系统中，跟踪装置测量立方隅角后向反射器的位置，同时还将返回的光中的一部分分离并将其发送到光敏阵列进行分析。光敏阵列读取有意设置在后向反射器上的标记。例如，这些标记可以是三个立方隅角反射面的相交线。通过分析在阵列上显示的图案来找到后向反射器的俯仰角、偏航角和横摇角。在I^rerminger的美国专利5267014中描述了示例性系统。在第五系统中，在立方隅角后向反射器的顶点中切入空隙。通过空隙的光命中位置检测器，由此提供目标的俯仰角和偏航角。通过三种手段中的一种来找到横摇。在第一种手段中，安装在跟踪器上的照相机测量后向反射器附近的光的照射点。在第二种装置中， 安装在跟踪器上的光源在相对宽的角度上发射光，由位置检测器拾取该光。在第三种装置中，安装在跟踪器上的光源将激光条纹投射到目标上。由一个或更多个线性阵列拾取条纹。 在Zumbrurm等的美国专利7312862中描述了示例性系统。使用激光跟踪器获得6个自由度(DOF)的这些系统中的每个都有缺点。第一种系统使用照相机来观察后向反射器目标附近的多个LED。现在可以获得的这种类型的商用系统使照相机安装在跟踪器的顶部。装有电机的天顶轴使照相机倾斜，并且装有电机的变焦镜头聚焦光斑。这些装有电机的特征部复杂并且昂贵。在第二种系统的一些实施方式中，双轴机械伺服机构在跟踪器处保持目标指向背面。在其它实施方式中，用户手动地使目标指向跟踪器。在第一实例中，这种实施方式复杂并且昂贵，在第二种实例中，这种实施方式对于用户来说不方便。另外，第二种系统使用偏振分光器，偏振分光器必须与激光束垂直，以获得高的偏振对比度。由于该原因，在手持系统中性能趋于劣化。在第三种系统中，水平传感器以相同的方式对倾斜(重力效应)和加速进行响应。 因此，当将倾斜传感器放置在手持探针中时，可能将由于手的移动而导致的加速误解释为传感器倾斜。为了避免该问题，水平传感器的制造商有时增加减振机制(例如减振液)来使响应减慢。这种带有减振的倾斜传感器对横摇角的改变的响应迟缓，这是不希望的。直接将光从分光器反射到光敏阵列以观察立方隅角上的线的第四种系统，在阵列上的线图像变得模糊和畸变之前，在其景深方面受到限制。第五系统需要在后向反射器中切入孔径，由此某种程度上使后向反射器性能劣化。其在孔径后面放置了位置检测器，位置检测器可以是光敏阵列或者位置敏感检测器 (PSD)。该孔径在PSD的情况下仅仅是适度精确的，而在光敏阵列的情况下相对慢。另外，该系统在跟踪器上安装了三个附加装置中的一个。如上所述的所有三个装置复杂并且昂贵。鉴于这些限制，现在存在对简单、便宜并且精确的基于激光跟踪器的6D0F测量系统的需要。

发明内容
至少一种用于测量六个自由度的激光跟踪器系统的实施例，该系统可以包括跟踪单元，跟踪单元包括和目标。跟踪目标可以包括可围绕至少一个轴旋转的有效载荷组件。有效载荷组件可以包括主光学组件，被构造为发射第一激光束；以及图案投射器组件，被构造为发射形成二维图案的第二激光束。目标可以包括后向反射器和被设置为接近后向反射器的位置传感器组件。后向反射器的对称中心设置在与位置传感器组件的平面不同的平面上。至少一种在用于测量六个自由度的激光跟踪器系统中使用的图案投射器组件的实施例，可以包括激光器，被构造为发射激光束；光束扩展器，被构造为扩展第二激光束； 以及成形元件，被构造为将所扩展的第二激光束成形为二维图案。至少一种在用于测量六个自由度的激光跟踪器系统中使用的目标的实施例，可以包括后向反射器和被设置为接近后向反射器的位置传感器组件。后向反射器的对称中心设置在与位置传感器组件的平面不同的平面上。至少一种测量目标的朝向的方法的实施例可以包括提供具有后向反射器和被设置为接近后向反射器的位置传感器组件的目标，其中，后向反射器的对称中心设置在与位置传感器组件的平面不同的平面上；用被成形为二维图案的激光束照射目标；记录二维图案在位置传感器组件上的位置，以创建图案朝向的测量标志值；将测量标志值与理论标志值进行迭代比较；以及当测量标志值和理论标志值之间的差满足收敛判别准则时，根据测量标志值计算目标的朝向。


现在参考附图示出示例性实施例，示例性实施例不应当被解释为对于本公开的整体范围进行限制，其中，在一些图中相似地标注元件图1是示例性六自由度跟踪系统的立体图；以及图2是示例性跟踪单元的分解视图；以及图3是示例性跟踪单元的截面图；以及图4是示例性有效载荷组件的框图；以及图5是示例性有效载荷组件和示例性目标的立体图；以及图6是示例性图案投射器的顶视图；以及图7是示例性图案投射器的侧视；以及图8是示例性变迹器的示例性透射图案；以及图9是示出跟随变迹器的传播激光束的示例性发光图案的三维图表；以及图10是示出行进30米之后的传播激光束的示例性发光图案的三维图表；以及图IlA和IlB分别是0度和45度的入射角的示例性目标的部件的顶部示意图和侧面示意图；以及图12A和12B分别是0度和45度的入射角的示例性目标的部件的顶部示意图和侧面示意图；以及图13A至13K是45度入射角的示例性目标的部件的顶部示意图，其中倾斜方向以 10度增量从整个偏航角到整个俯仰角改变。图14是示出一个可能实施例的误差特性的曲线图。图15示出了计算激光图案在位置检测器上的标志的示例性方法。图16示出了计算探针尖端的位置的示例性迭代处理。图17示出了具有至少两个照相机组件的激光跟踪器系统的立体图。
具体实施例方式如图1所示，示例性六自由度(6D0F)跟踪系统1000可以包括跟踪单元100、目标 400、电源/控制单元10和计算机20。六个自由度例如可以是目标400的x、y、z坐标以及俯仰角、横摇角和偏航角。跟踪单元100可以包括方位组件110、天顶组件140和有效载荷组件170。方位组件Iio相对于安装其的机座是固定的。天顶组件140围绕方位轴510旋转，有效载荷组件 170围绕天顶轴520旋转。另外，因为将有效载荷组件170安装到天顶组件140，因此其围绕方位轴510以及天顶轴520旋转。电源/控制单元10向跟踪单元100提供电力，其还可以提供控制和计算功能。计算机20可以使用多种软件包来分析和显示数据。目标400包括后向反射器410、位置传感器组件430、探针体450、探针笔460、探针尖端470、定位器斑480、电子设备(未示出)和电池(未示出)。在图5中示出了定位器斑 480。位置传感器组件430包括位置检测器432和光学滤波器434。目标400的元件彼此刚性地附着。由跟踪单元100发射的激光束550横穿后向反射器410和位置检测器432。方位组件和天顶组件在图2中以分解视图，在图3中以截面图，示出了跟踪单元100的细节。方位组件 110包括支柱壳体112、方位编码器组件120、上、下方位轴承114A、114B、方位电机组件125、 方位滑动环组件130和方位电路板135。方位编码器组件120的用途是用于精确地测量轭状壳体142相对于支柱壳体112 的旋转角度。方位编码器组件120包括编码器盘121和读取头组件122。编码器盘121附着到轭状壳体142的轴，读取头组件122附着到固定支柱组件110。读取头组件122包括电路板，一个或更多个读取头被紧固到该电路板上。从读取头发送的激光反射离开编码器盘121上的细光栅刻线。对由编码器读取头上的检测器拾取的反射光进行处理，以得到编码器盘关于固定的读取头的旋转角度。方位电机组件125包括方位电机转子1 和方位电机定子127。方位电机转子包括直接附着到轭状壳体142的轴的永磁体。方位电机定子127包括生成规定磁场的激励绕组。该磁场与方位电机转子126的磁体相互感应，以产生希望的旋转运动。方位电机定子 127附着到支柱框112。方位电路板135表示提供方位部件(诸如编码器和电机)所需的电功能的一个或更多个电路板。方位滑动环组件130包括外部件131和内部件132。配线束138从电源 /控制单元10露出，其可以向跟踪器运载电力，或者运载到跟踪器和运载来自跟踪器的信号。可以将配线束138中的一些配线导向电路板上的连接器。在图3所示的示例中，配线连到方位电路板135、编码器读取头组件122和方位电机组件125。其它配线连到滑动环组件130的内部件132。内部件132附着到支柱组件110，因此保持固定。外部件131附着到轭状组件140，因此相对于内部件132旋转。滑动环组件130被设计为在外部件131相对于内部件132旋转时，允许进行低阻抗电接触。天顶组件140包括轭状壳体142、天顶编码器组件150、左、右天顶轴承144A、144B、 天顶电机组件155、天顶滑动环组件160和天顶电路板165。天顶编码器组件150的用途是用于精确地测量有效载荷框172相对于轭状壳体142的旋转角度。天顶编码器组件150包括天顶编码器盘151和天顶读取头组件152。编码器盘152附着到有效载荷壳体142，读取头组件152附着到轭状壳体142。天顶读取头组件 152包括电路板，一个或更多个读取头被紧固到该电路板上。从读取头发送的激光反射离开编码器盘151上的细光栅刻线。对由编码器读取头上的检测器拾取的反射光进行处理，以得到编码器盘关于固定的读取头的旋转角度。天顶电机组件155包括天顶电机转子156和天顶电机定子157。天顶电机转子156 包括直接附着到有效载荷框172的轴的永磁体。天顶电机定子157包括生成规定磁场的激励绕组。该磁场与转子磁体相互感应，以产生希望的旋转运动。天顶电机定子157附着到轭状框142。天顶电路板165表示提供天顶部件(诸如编码器和电机)所需的电功能的一个或更多个电路板。天顶滑动环组件160包括外部件161和内部件162。配线束168从方位外滑动环131露出，其可以运载电力或者信号。可以将配线束168中的一些配线导向电路板上的连接器。在图3所示的示例中，配线连到天顶电路板165、天顶电机组件150和编码器读取头组件152。其它配线连到滑动环组件160的内部件162。内部件162附着到轭状框 142，因此仅以方位角、而不以天顶角旋转。外部件161附着到有效载荷框172，因此以天顶角和方位角两者旋转。滑动环组件160被设计为在外部件161相对于内部件162旋转时， 允许进行低阻抗电接触。主光学组件如图4所示，有效载荷组件170包括主光学组件200和图案投射器组件300。主光学组件200包括电调制器210、激光器215、距离处理电子设备220、位置检测器230、分光器 M0J42、分色分光器244和输出窗口 M6。由激光器215发射的激光通过分光器M0。该分光器可以由玻璃制成，如图4所示，或者其可以是光纤分光器。分光器240透射激光250 的一部分，而反射其余部分。需要分光器240将返回(后向反射)的激光的一部分传递到距离处理电子设备220。图4所示的距离测量系统的类型是基于强度调制和相位测量方法的绝对测距仪(ADM)。在Bridges和Hoffer的美国专利7352446中描述了这种类型的示例性ADM。可选地，可以使用不同类型的ADM，或者主光学组件200中的测距仪可以是干涉仪 (IFM)，而不是ADM。在后者的情况下，将不需要电调制器210，并且处理电子设备将是不同类型的。此外，激光器将不同。对于IFM，需要激光器具有稳定在已知波长的频率，并且具有长的相干长度。对于ADM，优选激光器能够以至少几个GHz的频率进行调制。还可以在主光学组件200中将IFM和ADM组合。在这种情况下，将使用合适的分光器将IFM和ADM激光束在离开时组合，而将激光束在返回时分离。在通过分光器240之后，激光束250进行到分光器M2。该分光器透射大多数激光(比如说85%)，而反射其余部分(比如说15%)。分光器M2的用途是由于下面说明的原因，而将返回(后向反射)的激光的一部分发送位置检测器230。激光束250行进到分色分光器对4，通过分色分光器244到达输出窗口 M6，通过输出窗口 246其离开跟踪单元 100。分色分光器244的用途是用于允许将激光束250与在条纹投射组件300中生成的激光束370在离开跟踪单元100时组合。分色分光器M4由玻璃制成，并且优选涂覆有多层薄膜介质材料，使得能够透射一些波长并且反射其它波长。例如，激光器215是波长为1550nm 的分布反馈(DFB)激光器，激光器315是波长为635nm的二极管激光器，则涂覆分色分光器
11244以透射1550nm的激光，而反射635nm的激光。传递出跟踪单元100的激光束550是激光束250和370的组合。激光束250命中后向反射器410。希望激光束250的大小在跟踪器的测量范围上最小，以减小后向反射器 410对激光束250的削波，后向反射器410可以是立方隅角后向反射器。为了使激光束250 的大小在测量范围上最小，尽可能地将激光束的轮廓成形为高斯函数。对于传播的激光束， 这产生最小的可能发散角。如果激光束250命中后向反射器410的中心，则激光束沿其原始路径原路返回到跟踪单元100。如果激光束250没有命中后向反射器410的中心，则激光束反射到后向反射器410的另一侧并且与出去的激光束250平行而不一致地返回。当激光250通过输出窗口 246再次进入跟踪单元100时，其通过分色分光器244 并且行进到分光器对2，分光器242将返回的光的一部分反射到位置检测器230。如果激光束250命中后向反射器410的中心，则返回的激光束命中位置检测器230的中心。如果返回的激光束命中偏离位置检测器230的中心，返回的激光束命中偏离位置检测器230的中心，并且生成误差信号。该误差信号激活方位电机组件125和天顶电机组件155，以使激光束250转向到后向反射器410的中心。通过这种方式，来自跟踪单元100的激光束550能够跟随后向反射器410的移动。换句话说，激光束550跟踪后向反射器410。位置检测器230可以是位置敏感检测器(PSD)。位置敏感检测器可以是横向效应类型或者象限类型的。可以使用任意一种，但是横向效应类型产生相对于命中其的激光束的位置更线性的电压输出。由于该原因，优选横向效应类型的PSD。可选地，可以使用光敏阵列，而不是PSD。光敏阵列例如可以是CCD或者CMOS阵列。这些阵列是高度线性的，其提供非常精确的返回光束位置的指示。条纹生成器组件跟踪单元100和电源/控制单元10在没有条纹投射组件300的情况下能够测量后向反射器410的三个自由度(D0F)。三个自由度是到目标的距离、方位角和天顶角，其可以被转换为诸如x、y和ζ的其它坐标。三个自由度足以允许测量具有诸如SMR的对称跟踪器目标的对象，但是不足以找到探针尖端470的坐标。为了实现这一点，系统需要测量6D0F。通过条纹生成器组件300、主光学组件200和目标400的组合动作，使得能够进行 6D0F的测量。如图4至7所示，条纹生成器组件300的一个可能实施例包括激光器315、光束扩展器组件320、变迹器330、特殊镜340和照相机组件350。光束扩展器组件320包括负透镜322和正透镜324。照相机组件350包括照相机352和至少一个发光二极管(LED) 354。 在特殊镜；340中切割孔，以允许目标400对照相机352和至少一个LED3M可见。激光器 315优选可以是可视激光器，其具有在眼睛安全范围内的功率，但是在照在对象上时可以被看到。例如，在一个实施例中，该激光器是具有39mW的输出功率的红色二极管激光器。该激光器被选择为具有具备高斯分布和良好的光束品质因数(比如说M2 < 1. 1)的单一模式横向模式输出。通过光束扩展器320的负透镜322和正透镜3 发送激光束370。调节负透镜322和正透镜3 之间的距离以校准从正透镜3 透出的激光370。可选地，激光束可以被折叠镜360、362弯曲，以使激光图案投射器300更紧凑。可选地，可以在与图4所示的布置不同的布置中使用一个或更多个照相机。例如， 如图17所示，可以在有效载荷组件170前面关于或者接近输出窗口 246对称或者非对称地
12放置两个小组件352，每个具有至少一个LED。这种布置将提供立体观察，以提供对到目标 400的距离和角度的估计。在可选实施例中，可以将照相机安装在轭状壳体142上。校准的激光370通过变迹器330或者将光成形为二维图案的其它合适的成形元件。例如，在至少一个实施例中，二维图案可以是条纹图案或者其它合适的图案。变迹器可以是在两个玻璃板之间附着有光学接合剂的连续色调膜透明片。到达变迹器330的激光具有高斯形状，在一个实施例中，其具有44mm的直径。选择变迹器的透射特性，使得在具有现在将针对一个实施例描述的特定特性的变迹器的输出处产生光辐照度(每单位面积的光功率)。在图8中示出了变迹器的一个实施例的输出透射。在图8所示的实施例中，变迹器在一侧是38mm，存在8个条纹，每个长度为15mm。在变迹器的中心，存在直径为8mm的暗区。变迹器上的8个条纹中的每个的形状大于或小于二维高斯图案的形状，二维高斯图案在一个维度中具有比另一个大的条纹宽度。沿着条纹的长度方向，形状不是精确的高斯形状，因为应用了平滑滤波器，以保持在边缘处平滑过渡到几乎零，而不将高斯形状的宽度减小太多。也可以使用其它变迹器图案并且获得良好的结果。在图9中示出了从变迹器透出的激光束的辐照度。随着激光束的传播，其由于衍射的影响而改变形状。在图10中示出了激光束在30米处的形状。还可以使用其它方法生成条纹图案。生成这种图案的一种方式是使用衍射元件。 通常使用这些元件来产生包括线、框、圆等的多种图案。图案可以沿着短轴是高斯形的，而沿着较长轴是接近高斯形的。这使得投射的条纹的发散最小化，并且使得可以使计算的质心或者峰值偏移的菲涅尔衍射波纹的出现最小化。产生图案的另一种方式是使用合适的透镜的集合。例如，可以使用四个柱状透镜创建具有高斯截面轮廓的条纹图案，使用一系列分光器和直角棱镜来创建并组合该柱状透镜的光束。获得的图案与图9和10所示的图案的不同之处在于，光束不在图案的中心处平滑地减小到零。原则上，可以使得该图案的质量与使用变迹器330所获得的几乎一样好。目标在目标400内，后向反射器410可以是由玻璃制成的立方隅角棱镜。这种立方隅角棱镜具有共有称为顶点的公共交点的三个垂直面。立方隅角棱镜的顶表面涂覆有防反射涂层，三个垂直玻璃面涂覆有反射涂层、优选为多层薄膜介质涂层。可以使用不是由硅玻璃、 而是由彼此成直角的三个镜构成的立方隅角棱镜。经常将这种类型的后向反射器称为露天立方隅角。玻璃棱镜相对于露天立方隅角的优点是，根据斯涅耳定律玻璃使激光向内弯曲。 其结果是，隅角棱镜具有比露天立方隅角更大的接收角。玻璃立方隅角的另一优点是，不需要用于镜厚度的额外空间，这允许位置检测器432更靠近后向反射器410。立方隅角棱镜可以由高折射率玻璃制成；例如，在1550nm的波长处为1. 80的折射率。这种玻璃的一个可能示例是Ohara S-TIH53。高折射率玻璃具有使通过的光从空气更靠近表面法线地向玻璃中弯曲的优点。因此，激光250更靠近中心地横穿后向反射器410 的前表面。这减小了立方隅角的边缘对激光束的削波。还可以使用诸如猫眼后向反射器的其它类型的后向反射器。猫眼后向反射器由球形或者半球形形状的玻璃部件构成。其被设计为进入其前(曲面)表面的激光按照使光到达后表面附近的小斑的方式通过玻璃层。可以涂覆后表面使其具有高反射率，以将光在其自身上发送回。在通过玻璃按原路返回之后，光在被近似校准并且与进入的光束平行的情况下从猫眼透出。位置检测器组件430包括位置检测器432和光学滤波器434。位置检测器432可以是线性光敏阵列。该光敏阵列可以是CCD或者CMOS阵列，但是CCD阵列更容易获得。在一个实施例中，位置检测器432是e2v型号TH7815A。在一个可能的实施例中，这些阵列包含4096个像素，每个在一侧是10微米。活动的检测器区域的长度是40. 96mm。包括直通引线的芯片封装的高度和宽度分别是50mm和10. 47mm。可以使用其它类型的位置检测器来代替线性光敏阵列。例如，可以形成圆形形状的线性阵列。还可以使用区域阵列。光学滤波器434由光学带通滤波器和光学中性密度滤波器构成。光学带通滤波器仅通过以激光370的波长为中心的窄带波长(比如说10-20nm)。其它波长被反射或者吸收。带通滤波器的目的是防止不希望的背景光照射位置检测器432，由此对测量值增加偏移和噪声。可以通过对玻璃涂覆多层堆叠的薄膜介质材料来制作带通滤波器。这些滤波器的反射性质随着入射光的入射角而改变。滤波器可以被设计为在全范围的入射角上通过适当的波长。例如，在一个实施例中，目标能够在+/-45度上工作。光学滤波器434还可以包含中性密度滤波器。如上所述，在至少一个实施例中， 在命中背景对象时，条纹图案足够亮而眼睛能够看到。如果跟踪单元100没有跟踪到目标 400，则亮条纹图案可以帮助用户快速找到激光束。另一方面，位置检测器30需要相对小量的激光功能；当激光功率太高时，这些装置饱和。围绕这些冲突的要求存在两者方式。第一种方式是当激光束250没有落在后向反射器410上跟踪时增大激光束370的功率，然后当跟踪开始时减小激光束370的功率。第二种方式是在位置检测器432上放置中性密度滤波器，以将激光束370的辐照度降低到适当的水平。该第二种方法具有相对于位置检测器30 的饱和功率降低背景辐照度的附加优点。在单个滤波器中组合带通和中性密度功能的一种可能方式，是对中性密度玻璃涂覆介质膜层以获得希望的带通特性。另一种降低系统对背景光的灵敏度的可能方式，是对激光束进行斩波(通过以希望的速率调制激光功率的开和关)并且以相同的速率检测激光。这种方法可以提供非常高的对背景光的排斥。存在几种可能的方式来安装光学滤波器434。例如，可以将其直接粘接到每个位置检测器432的顶部，或者可以通过机械装置将其从每个光敏阵列分离。在后一种情况下，在光学滤波器434和位置检测器432之间存在气隙。还可以直接对位置检测器432进行涂覆以提供光学滤波。后向反射器410、位置检测器组件430和笔460全部刚性地附着到探针体450。可以由具有合适的热膨胀系数(CTE)的公共构造部件刚性地支持后向反射器410和位置检测器432。也可以将探针体450附着到该公共构造部件。具有公共构造安装帮助减少由于印刷电路板材料的挠曲或者热膨胀而导致的机械移动。在图5中示出的定位器斑480可以是由至少一个LED 354照射的照相测量目标， 或者其可以是诸如LED的点光源。定位器斑480的用途是用于提供激光束370的每个条纹和位置传感器432A、432B上的条纹的横断区域之间的对应关系。当跟踪单元100在跟踪模式下工作时，激光束550保持集中在照相机352上。定位器斑480位于照相机上与目标朝向相对应的位置；例如，如果目标400在直立位置，则其位于照相机352下方。
可以使用几个装置作为定位器斑480的代替，以识别横穿位置检测器432A、432B 的条纹。一个代替装置是选择性地防止光到达图案投射器组件300内的各种条纹的机械光束阻挡器。另一个代替装置是位于目标400和跟踪单元100内的倾斜传感器。目标400对跟踪单元100的相对倾斜标识每个条纹。检测器将与位置检测器432A、432B相交的光转换为电信号，并且必须对其进行电处理，以找到交叉条纹的峰或者质心。必须进一步进行处理以找到目标400的偏航角、俯仰角和横摇角以及探针尖端470的坐标。可以由目标400上的电子设备进行该处理，或者其可以由有线或无线装置中继回到跟踪单元100、电源/控制单元10或者计算机20进行处理。测量概念图IlA示出了以法线入射命中立方隅角后向反射器410的激光束250和以法线入射命中位置传感器432A、432B的激光束370的正视图和侧视图。激光束250命中立方隅角后向反射器410的顶面的顶角414以及中心412。位置检测器230和电机组件125、155的组合动作保持激光束250集中在顶点414。激光束370总是与激光束250 —致。在图IlA所示的特定情况下，激光束370的条纹在三个区域中横穿位置检测器432A的活动区域433A， 并且在三个区域中横穿最右端的检测器432B的活动区域433B。如下面更详细地说明的，交点的数量取决于目标400相对于跟踪单元100的横摇角。图1IB示出了以与法线入射成45度命中立方隅角后向反射器410的激光束250和以与法线入射成45度命中位置传感器432A、432B的激光束370的正视图和侧视图。激光束 250在其从空气进入玻璃时向内向表面法线弯曲。在这种情况下，玻璃的折射率是1.8，因此根据斯涅耳定律，激光束相对于表面法线的角度是arCSin(Sir^45° )/1.8)=23.1°。 因为激光束370以45度的角度命中位置检测器432A、432B，因此从顶部观察时的激光条纹的图案是椭圆形而不是圆形。如果激光束370内的条纹沿着直线延伸，则其在点416横穿后向反射器410的顶表面。因为激光束250和370进一步从表面法线倾斜，因此交点416 进一步移动远离后向反射器410的顶部表面的中心412。交点416远离中心点412的移动使得能够找到目标400的俯仰和偏航。如果后向反射器410的对称中心偏离位置传感器432A、432B的平面，则出现这种移动。在立方隅角后向反射器的情况下，顶点总是位于后向反射器的顶表面下面，因此对于图IlA和IlB所示的配置，满足该条件。图12A和12B示出了目标1400，可选实施例除了后向反射器410被稍微提升到位置检测器432A、432B的平面上方之外，与目标400相同。激光束250以与在目标400中相对于中心412相同的位置416，命中立方隅角后向反射器的顶表面。然而，如可以从图12B 看到的，激光束370的条纹在与目标400中不同的区域横穿活动区域433A、433B。此外，有效交点416移动。图12B的侧视图示出了通过使激光束250沿着其原始空气路径延伸到玻璃中，可以找到有效交点416。激光束250的中心横穿位置检测器432A、432B的平面的点是从顶部观察时的有效交点416。将后向反射器410提升到位置检测器432A、432B的平面上方的效果，是从顶视图看到的交点416移动到更靠近中心412。另一效果是减少横穿位置检测器432A、432B的条纹的部分。可以将后向反射器410提升到与希望的一样高，只要不阻挡激光束370的条纹到达位置检测器432A、432B即可。通过将后向反射器410提升到位置检测器432A、432B的平面上方，可以使用商业上可获得的线性CCD阵列来测量0到45度范围内的俯仰角和偏航角。在图13中演示了这种能力。图13的顶部右侧的小图示出了传统上使用的俯仰角、横摇角和偏航角。χ轴具有与位置检测器432A、432B相同的方向。偏航角对应于关于χ轴的旋转。俯仰角和横摇角分别对应于关于y和ζ轴的旋转。图IlB和12B示出了俯仰角为零的偏航旋转的效果。因为目标400偏航到左侧， 因此条纹分离在位置检测器433A上增加，而在位置检测器43 上减小。如果目标400以俯仰角旋转，则激光束370的条纹在位置检测器432A、432B上向上或者向下移动。如果目标400以横摇角旋转，则激光束370的条纹将关于交点416旋转。使用照相机组件350和定位器斑480来绘制由条纹生成器300生成的每个条纹和位置检测器432A、432B上的每个条纹相交区域之间的对应关系。图13A-K示出了通常的情况。这里，总体倾斜是45度。倾斜方向是从中心412到交点416的方向。条纹延展到具有沿着倾斜方向的主(长)轴的椭圆图案。激光条纹不一定位于长轴上。如果倾斜方向垂直于位置检测器432A、432B，则倾斜在整体上是偏航角。如果倾斜方向平行于位置检测器432A、432B，则倾斜在整体上是俯仰角。对于其它情况，倾斜是偏航和俯仰的组合。由每个条纹相对于某个基准的朝向指示横摇角，横摇角部分基于由定位器斑480提供的信息。图13A示出了目标400具有45度的偏航角和俯仰角为零(相对于进入的激光束) 的情况。在该实例中，激光束370从右侧接近目标400，因为这一点，环绕条纹的椭圆的主轴沿着y (水平)轴。注意，条纹在3个区域中横穿位置检测器432A，并且在3个区域中横穿位置检测器432B。图II示出了目标400具有45度的俯仰角并且偏航角为零的情况。激光束370从顶部接近目标400，使得椭圆的主轴沿着ζ (垂直)轴。条纹仍然各自在3个区域中横穿位置检测器432A、432B，但是现在条纹更短，因此在更接近条纹的端部处出现交叉区域。在从图13A移动到图II时，倾斜的方向每一步改变10度。该一系列图示出了总是存在至少两对明确指向单个斑416的相对的条纹。该条件足以找到目标400的俯仰角和偏航角。测量方法迄今为止描述的测量概念说明了使得能够测量六个自由度的通常方法和设备。将描述可以使用的一些可能的计算方法。定义了三个角度phi、theta和roll，其完全限制目标相对于来自激光跟踪器的激光束的位置。首先，将ζ轴定义为与支持位置检测器432A、432B的平面垂直的轴，并且将χ 轴定义为沿着位置检测器432Α、432Β的方向。y轴与χ和ζ轴垂直。在球坐标系中相对于激光束以通常的方式定义角度theta和phi。Theta是从ζ轴到激光束的角度，phi是从χ 轴到激光束在xy平面上的投影的角度。按照惯例，假设如果激光束从诸如图11-13的二维图的顶部到达，则激光束具有0度的phi。+90、+180和+270度的phi分别指示激光从右侧、底部和左侧到达。相对于由激光跟踪器发射的特定基准条纹取横摇角。例如，假定探针 400和跟踪单元100如图1所示定向，还假定以图8所示的朝向发射激光条纹。如果选择图8的右上侧的变迹器条纹作为基准条纹，则可以以角度phi = 0度的关系建立条纹的横摇角。在这种情况下，由于基准条纹相对于phi = 0度旋转了 22. 5度，因此可以说从变迹器透射的光的横摇角是22. 5度。如果探针相对于该初始位置倾斜45度，则新的横摇角将是22. 5+45度=67. 5度。以这种方式，可以在从0到360度的任意值上取横摇角。因为如图9和10所示，激光束的形状随着其传播而变化，因此需要考虑条纹与位置检测器432A、432B的相交图案的变化。此外，条纹不完全是均勻的，因此激光束与条纹的准确相交图案取决于条纹的准确形状。因此，实际上，可以以不同的距离和不同的倾斜角度 (phi、theta和roll)对在位置检测器432A、432B上观察到的图案进行采样。为了使测量的精确度最优化，可以将探针尖端470直接放置在后向反射器410下面。基于位置检测器432A、432B的信噪比和投射的激光图案370的可变性，进行数值分析。 图14示出了针对从0到45度的phi和theta角以微米为单位的产生的误差。这种情况下的最大误差是观微米。这种小误差在该范围内可接受。计算方法图15示出了计算激光图案在位置检测器432A、432B上的标志的示例性方法。将标志定义为在两个位置检测器上多达六个峰和谷的位置。这些峰中的每一个与特定条纹相关联，每一个谷落在两个峰之间。标志还提供每个峰或者谷的中心与阵列相交的子像素位置。第一组计算步骤在第一位置检测器432A和第二位置检测器432B上相同。这些步骤是累积、低通、削减、求导、找到过零点、去掉小峰-谷以及适配抛物线。可以使用场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、微处理器或者计算机进行这些计算。由功率和占空比可以调节的激光束在也可以调节的特定积分时间内照射每个位置传感器。在激光跟踪器内进行激光功率或者占空比的调节。在线性阵列内通过调节“电子快门时间”来进行积分时间的调节。在每种情况下，目的是在足够的时间内提供足够的光，来获得良好的信噪比而不使检测器饱和。以高速收集每组像素样本。如图15所示，通过多次收集像素值组并一起对其求平均，来累积样本。作为示例，可以以每秒1600帧收集来自位置检测器432A、432B的4096个像素值，并以8帧的组求平均，以针对200Hz的4096个像素给出有效数据收集速率。接下来对累积的数据进行滤波和削减。可以由数字滤波器一起进行这两个处理。 最简单的类型的滤波对一些数量的相邻通道求平均，但是可以使用许多其它滤波方法。削减去除了一些数量的样本，以简化稍后阶段中的计算。作为示例，可以将数据削减到原始数据点数量的八分之一。为了从数据中提取峰和谷，进行四个步骤。首先，在相邻像素之间求差(导数)。 其次，分析数据以找到过零点。这些过零点表示可能的峰和谷。第三，去掉太小的峰和谷。 这些峰和谷可能正是噪声，或者它们太小而不受关注。第四，对峰或者谷附近的数据适配抛物线。这针对子像素解决方案建立峰和谷的位置。使用定位器斑480的位置来获得近似横摇角，作为稍后的计算的开始位置。在照相机352上不是非常足够地知道定位器斑480的位置来建立准确的横摇角。与来自定位器斑480的近似横摇角一起，提供来自两个位置检测器的抛物线峰和谷，计算装置使用该信息，以将位置检测器432A、432B上的每个峰与特定激光条纹匹配。
17
产生的标志包括针对位置检测器432A、432B的每个条纹和子像素值的匹配。如图 16所示，将测量的标志提供给比较功能部(COMPARE)。比较功能部根据现在说明的方法比较测量标志和理论标志。使用从先前的计算值提供的phi、theta和roll值来进行图16所示的全迭代计算。可以从探针400的最后测量的朝向获得，或者通过初始近似计算提供所述先前的计算值。现在，图16所示的拟合(FIT)例程进行迭代调整(一般为两次或者三次迭代)以得到在测量标志和理论标志之间产生最佳匹配的theta、phi和roll值。将新的phi、theta 和roll与由激光跟踪器测量的到目标的已知距离一起，发送到图16所示的样条表。另外， 将提供目标400上的检测器和后向反射器的几何关系的补偿数据发送到样条表。根据该数据，得出给出峰和谷的位置的新的更精确的推测的内插值。将该更精确的推测称为理论标
ο该过程继续，直到测量标志和理论标志的差足够小以满足拟合例程的收敛判别准则为止。这时，使用phi、theta和roll的最佳猜测值来计算探针尖端的位置。该计算考虑笔和探针关于目标400的其余部分的长度和几何构造。目标照相机照相机组件350包括照相机352和至少一个发光二极管(LED) 354。如上所述，可以与定位器斑480结合使用照相机组件，以识别横穿位置传感器432的每个条纹。另外，不管是测量三个自由度、还是测量六个自由度，都可以使用照相机组件350来增强通用激光跟踪器的操作。对于通用激光跟踪器应用，LED通常反复闪烁。来自LED的光从后向反射器反弹回，返回到附近的照相机。照相机图像示出了正常场景以及与LED —致的每个后向反射器闪光。基于该闪光图案，操作者可以快速得知后向反射器的数量和位置。照相机的一个优点是其可以加速目标的获取。然而，在现在可获得的跟踪器中，照相机(如果有)位于远离跟踪器的光轴。产生的视差使得跟踪器不能立即驱动到选择的后向反射器的正确角度。照相机组件350通过将照相机352安装在跟踪器光轴或者图案投射器组件的光轴上，避免了该问题，这消除了视差。避免该问题的另一种方式是使用在跟踪器光轴或者图案投射器组件的光轴的每一侧或者周围相等或者对称地间隔放置的两个照相机352，如图17 所示。在图17中，照相机352位于在输出窗口 246的每一侧。LED 3 被设置为接近照相机352，以完成照相机组件。在这种情况下，可以使用三角测量来得到目标的位置。在另一实施例中，不需要关于光轴对称地定位照相机。只要已知基准的跟踪器框中的两个照相机的位置和由两个照相机中的每个测量的两个角度，就可以计算后向反射器的三维位置。照相机组件350可以驱动到任意希望的后向反射器。操作者可以通过在计算机屏幕上选择希望的SMR来进行这一点。可选地，计算机可以被设定为每当其进入视野内时，自动获取SMR。该特征在仅存在一个SMR时最有用。一种目标照相机的通常使用是设定多个后向反射器目标的勘察测量。使用当前的跟踪器，这可以通过在计算机屏幕上选择一个又一个的SMR，然后使用跟踪器进行搜索以找到每个目标来实现。在测量开始时，可以将激光束放置在目标附近。使用同轴照相机组件350，可以自动并且快速地定位环境中的每个后向反射器，并且自动创建勘察图案。这可以节省大量时间，尤其在难以到达目标时。这种时间节省的良好示例是客机的两个机身部分的接合。进行该接合的一种方法是将多个小后向反射器目标附着到两个机身部分上，在许多情况下是在不容易到达的位置。完全自动化的勘察大大简化了该过程。虽然上面的描述参考了本发明的特定实施例，但是应当理解，可以进行许多变形， 而不脱离其精神。所附权利要求旨在覆盖落在本发明的实质范围和精神内的这种变形。因此，目前公开的实施例在所有方面被视为说明性的，而不是限制性的，由所附权利要求、而不是前述描述限定本发明的范围，并且落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变被包括在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于测量六个自由度的激光跟踪器系统，该系统包括 跟踪单元，所述跟踪单元包括可围绕至少一个轴旋转的有效载荷组件，所述有效载荷组件包括 主光学组件，被构造为发射第一激光束；以及图案投射器组件，被构造为发射形成二维图案的第二激光束；以及目标装置，所述目标装置包括 后向反射器；以及被设置为接近所述后向反射器的位置传感器组件；其中，所述后向反射器的对称中心设置在与所述位置传感器组件的平面不同的平面上。
2.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，其中，所述主光学组件还包括 第一激光器，被构造为发射所述第一激光束；距离处理电子设备；第一分光器，被构造为将后向反射的激光束中的至少一部分导向所述距离处理电子设备；位置检测器；以及第二分光器，被构造为将所述后向反射的激光束中的至少一部分导向所述位置检测ο
3.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，其中，所述图案投射器组件还包括 第二激光器，被构造为发射所述第二激光束；光束扩展器，被构造为扩展所述第二激光束；以及成形元件，被构造为将扩展的第二激光束成形为所述二维图案。
4.根据权利要求3所述的激光跟踪器系统，其中，所述成形元件包括变迹器。
5.根据权利要求4所述的激光跟踪器系统，其中，所述变迹器包括在两个玻璃板之间通过光学接合剂粘合的连续色调膜透明片。
6.根据权利要求3所述的激光跟踪器系统，其中，所述成形元件包括衍射元件。
7.根据权利要求3所述的激光跟踪器系统，其中，所述成形元件包括多个透镜、多个分光器和多个棱镜。
8.根据权利要求3所述的激光跟踪器系统，其中，所述二维图案包括条纹图案。
9.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，其中，所述跟踪单元还包括 安装在机座上的方位组件；以及安装在所述方位组件并且可围绕方位轴旋转的天顶组件； 其中，所述有效载荷组件安装在所述天顶组件上，并且可围绕天顶轴旋转； 所述方位组件包括方位电机组件，被构造为使所述天顶组件围绕所述方位轴旋转； 以及方位编码器组件，被构造为测量所述天顶组件的旋转角度；以及所述天顶组件包括天顶电机组件，被构造为使所述有效载荷组件围绕所述天顶轴旋转；以及天顶编码器组件，被构造为测量所述有效载荷组件的旋转角度。
10.根据权利要求9所述的激光跟踪器系统，其中，所述跟踪单元还包括位置检测器， 被构造为当后向反射的激光束在远离预定位置的位置命中所述位置检测器时，生成错误信号，以引导所述方位电机组件和所述天顶电机组件使所述有效载荷组件旋转，使得所述第一激光束命中所述后向反射器的中心。
11.根据权利要求3所述的激光跟踪器系统，其中，所述图案投射器组件还包括照相机组件，所述照相机组件包括照相机和至少一个发光二极管，所述照相机组件设置在所述图案投射器组件的光轴上。
12.根据权利要求3所述的激光跟踪器系统，其中，所述图案投射器组件还包括多个照相机组件，每个照相机组件包括照相机和至少一个发光二极管。
13.根据权利要求11所述的激光跟踪器系统，其中，所述目标装置还包括定位器斑。
14.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，其中，所述后向反射器包括立方隅角后向反射器。
15.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，其中，所述后向反射器和所述位置检测器组件刚性地连接到公共结构部件。
16.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，其中，所述目标装置包括探针。
17.一种图案投射器组件，其在用于测量六个自由度的激光跟踪器系统中使用，所述图案投射器组件包括激光器，被构造为发射激光束；光束扩展器，被构造为扩展第二激光束；以及成形元件，被构造为将扩展的第二激光束成形为二维图案。
18.根据权利要求17所述的图案投射器组件，其中，所述成形元件包括变迹器。
19.根据权利要求18所述的图案投射器组件，其中，所述变迹器包括在两个玻璃板之间通过光学接合剂粘合的连续色调膜透明片。
20.根据权利要求17所述的图案投射器组件，其中，所述成形元件包括衍射元件。
21.根据权利要求17所述的图案投射器组件，其中，所述成形元件包括多个透镜、多个分光器和多个棱镜。
22.根据权利要求17所述的图案投射器组件，其中，所述二维图案包括条纹图案。
23.根据权利要求17所述的图案投射器组件，其中，所述图案投射器组件还包括照相机组件，所述照相机组件包括照相机和至少一个发光二极管，所述照相机组件设置在所述图案投射器组件的光轴上。
24.根据权利要求17所述的图案投射器组件，其中，所述图案投射器组件还包括多个照相机组件，每个照相机组件包括照相机和至少一个发光二极管。
25.一种目标装置，其在用于测量六个自由度的激光跟踪器系统中使用，所述目标装置包括后向反射器；以及被设置为接近所述后向反射器的位置传感器组件；其中，所述后向反射器的对称中心设置在与所述位置传感器组件的平面不同的平面上。
26.根据权利要求25所述的目标装置，还包括定位器斑。
27.根据权利要求25所述的目标装置，其中，所述后向反射器包括立方隅角后向反射器ο
28.根据权利要求25所述的目标装置，其中，所述后向反射器和所述位置检测器组件刚性地连接到公共结构部件。
29.根据权利要求25所述的目标装置，其中，所述目标装置包括探针。
30.一种测量目标装置的朝向的方法，所述方法包括 提供所述目标装置，所述目标装置包括后向反射器；以及被设置为接近所述后向反射器的位置传感器组件；其中，所述后向反射器的对称中心设置在与所述位置传感器组件的平面不同的平面上；利用被成形为二维图案的激光束照射所述目标装置；记录所述二维图案在所述位置传感器组件上的位置，以创建图案朝向的测量标志值； 将所述测量标志值与理论标志值进行迭代比较；以及当所述测量标志值和所述理论标志值之间的差满足收敛判别准则时，根据所述测量标志值计算所述目标装置的朝向。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述二维图案是从中心点放射的条形图案；以及所述位置传感器组件包括至少两个线性位置敏感检测器或者光敏阵列。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述至少两个光敏阵列包括多个像素； 并且记录所述二维图案的位置包括通过针对所述多个像素中的每个，反复收集一组像素值并且一起对所述像素值求平均，累积一组像素样本；对累积的一组像素样本进行滤波；削减累积的一组像素样本；计算相邻像素之间的导数；识别所述导数中的过零点，以识别可能的峰和谷；从考虑的峰和谷中去除小于预定阈值的峰和谷；以及对剩余峰和谷附近的数据点拟合抛物线。
33.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，其中，所述位置传感器组件包括 位置敏感检测器或者光敏阵列；以及被设置在所述光敏阵列上的光学滤波器。
34.根据权利要求33所述的激光跟踪器系统，其中，所述位置传感器组件包括 至少两个位置敏感检测器或者光敏阵列。
35.根据权利要求33所述的激光跟踪器系统，其中，所述光敏阵列是CCD或者CMOS阵列。
36.根据权利要求34所述的激光跟踪器系统，其中，所述至少两个位置敏感检测器或者光敏阵列是线性阵列。
37.根据权利要求33所述的激光跟踪器系统，其中，所述光学滤波器包括光学带通滤波器和中性密度滤波器。
38.根据权利要求25所述的目标装置，其中，所述位置传感器组件包括位置敏感检测器或者光敏阵列；以及被设置在所述光敏阵列上的光学滤波器。
39.根据权利要求38所述的目标装置，其中，所述位置传感器组件包括 至少两个位置敏感检测器或者光敏阵列。
40.根据权利要求38所述的目标装置，其中，所述光敏阵列是CCD或者CMOS阵列。
41.根据权利要求39所述的目标装置，其中，所述至少两个位置敏感检测器或者光敏阵列是线性阵列。
42.根据权利要求38所述的目标装置，其中，所述光学滤波器包括光学带通滤波器和中性密度滤波器。
43.根据权利要求1所述的激光跟踪器系统，还包括电子设备，被构造为记录所述二维图案在所述位置传感器组件上的位置，以创建图案朝向的测量标志值； 将所述测量标志值与理论标志值进行迭代比较；当所述测量标志值和所述理论标志值之间的差满足收敛判别准则时，根据所述测量标志值计算所述目标装置的朝向。
44.根据权利要求43所述的激光跟踪器系统，其中，所述二维图案是从中心点放射的条形图案；以及所述位置传感器组件包括至少两个线性位置敏感检测器或者光敏阵列。
45.根据权利要求44所述的激光跟踪器系统，其中，所述至少两个光敏阵列包括多个像素；以及所述电子设备还被构造为通过针对所述多个像素中的每个，反复收集一组像素值并且一起对所述像素值求平均，累积一组像素样本；对累积的一组像素样本进行滤波；削减累积的一组像素样本；计算相邻像素之间的导数；识别所述导数中的过零点，以识别可能的峰和谷；从考虑的峰和谷中去除小于预定阈值的峰和谷；以及对剩余峰和谷附近的数据点拟合抛物线。
46.一种激光跟踪器系统，包括 跟踪单元，所述跟踪单元包括可围绕至少一个轴旋转的有效载荷组件，所述有效载荷组件包括 主光学组件，被构造为发射第一激光束；以及至少两个照相机组件，每个照相机组件包括照相机和至少一个发光二极管。
47.根据权利要求46所述的激光跟踪器系统，其中，关于所述有效载荷组件的光轴对称地放置所述至少两个照相机。
48.根据权利要求46所述的激光跟踪器系统，其中，所述至少两个照相机被放置为接近所述有效载荷组件的输出窗口。
49.根据权利要求46所述的激光跟踪器系统，还包括 包括后向反射器的目标装置；其中，所述至少两个照相机被构造为提供对所述目标装置的立体观察，以提供对到所述目标装置的距离和角度的估计。
全文摘要
用于测量六个自由度的激光跟踪器系统可以包括主光学组件，被构造为发射第一激光束；图案投射器组件，被构造为发射形成二维图案的第二激光束；以及目标装置。目标装置可以包括后向反射器和位置传感器组件。后向反射器的对称中心可以设置在与位置传感器组件的平面不同的平面上。测量目标装置的朝向的方法可以包括用包括二维图案的激光束照射目标装置；记录二维图案在位置传感器组件上的位置，以创建二维图案的测量标志值；基于测量标志值计算目标装置的朝向。
文档编号G01B11/00GK102216803SQ200980145893
公开日2011年10月12日 申请日期2009年11月17日 优先权日2008年11月17日
发明者凯文·R·阿克利, 劳伦斯·B·布朗, 约翰·M·霍费尔, 罗伯特·E·布里奇斯 申请人:法罗技术股份有限公司