包括干涉仪和绝对距离测量单元的激光跟踪器和用于激光跟踪器的校准方法
【专利摘要】用于连续地跟踪反射目标(97)并且用于确定相对于该目标(97)的距离的激光器跟踪器(90)包括用于发射测量辐射(96)并且用于接收在目标(97)处反射的测量辐射(96)的至少一部分的束方位单元(95)。激光跟踪器(90)另外包括用于确定相对于目标(97)的距离的改变的干涉仪，包括用于生成测量辐射(96)使得测量辐射(96)以相干单模方式存在的激光二极管；以及绝对距离测量单元，其用于为相对于目标(97)的距离确定测量距离值。控制和评估单元被设计成以通过在相对于目标(97)的距离的变化情况下执行的限定的样本测量的方式来确定测量辐射(96)的干涉仪波长，其中，针对对目标(97)的至少两个不同的距离实现样本测量，测量辐射(96)朝目标(97)恒定地方位，并且在干涉仪波长保持稳定的情况下，针对相对于目标(97)的至少两个不同的距离中的每个确定干涉仪输出变量。而且，由绝对距离测量单元提供针对相对于目标(97)的至少两个不同的距离的至少两个测量距离值，并且至少基于至少两个测量距离值和分别确定的干涉仪输出变量来确定测量辐射(96)的干涉仪波长。
【专利说明】包括干涉仪和绝对距离测量单元的激光跟踪器和用于激光跟踪器的校准方法
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序部分的包括干涉仪的激光跟踪器和根据权利要求12的前序部分的用于和利用激光跟踪器的校准方法。
[0002]对于在光学计量的领域内的测量，波长稳定的气体激光器(HeNe激光器)常常用作光源。所述气体激光器基本上具有高的波长稳定性(依赖于稳定方法)和几百米的大的相干长度。结果，所述束源特别适合于用作频率和波长基准并且使得能实现对于干涉测量系统来说大的测量范围。典型用途例如包括线性干涉仪、波长基准、振动计，和在激光跟踪器中作为干涉仪光源的使用。
[0003]然而，对于特别是激光跟踪器的通常期望的小型化，气体激光源(HeNe激光光源)的使用的一个缺点是其标注尺寸定义光输出。光源的输出这里明显地依赖于激光管的长度，即管越长，可获得的发射性能越好。另外，这样的激光源通常展示相对大的功率耗散。另一缺点是操作所需要的高压电源。例如，为让激光器点火，必须提供大约7000V的电压，而在操作期间，必须提供大约1500V的电压，作为其结果，在这样的光源的使用期间，必须使用特殊部件(例如高压电源和护罩)并且必须采取安全措施。甚至对磁场(例如由内部马达或外部电焊变压器产生)的敏感性和管的有限寿命(典型地约15，000工作小时)使HeNe激光器的使用成为缺点-例如因为必须常常以巨大代价替换系统中的光源。
[0004]另选的光源在这个上下文中例如是激光二极管。它们通常是紧凑的、成本效益合算的并且具有低的功率消耗。然而，常规的法布里-珀罗激光二极管不适合作为干涉仪光源，因为它们具有相对小的相干长度并且不以单模方式(纵向)发射(即，以多个波长发射)。
[0005]然而，能够使用的束源例如是
[0006]-分布式反馈激光器(DFB)(具有周期性结构化的有源介质，例如光栅)，
[0007]-分布式布拉格反射激光器(DBR)(具有在有源介质外部但布置于公共芯片上的光学光栅)，
[0008]-光纤布拉格光栅激光器(FBG)(大体上根据DFB激光器，但是具有在外部光纤中的光栅)，
[0009]-外腔二极管激光器(ECDL)(使用外部高度稳定腔例如利用全息光栅使激光二极管稳定)，
[0010]-二极管泵浦固态激光器(DPSS)，
[0011 ]-分立模式激光器(DMD)，和/或
[0012]-微芯片激光器。
[0013]束源这里被构造成使得所发射的激光束相对于具有数个10m的大小的相干长度(或〈1MHz的谱线宽度)的波长是单模。
[0014]对于这样的激光二极管作为干涉仪光源或作为波长基准的使用，附加的特定波长的相当稳定保持是需要的。如所知的，这能够例如利用光谱方法使用吸收介质(例如使用气室)的吸收谱线实现。为了稳定而使用吸收池的缺点进而是与此相关联的所需空间。
[0015]另选地，任何波长原则上能够被简单地设定，并且在产生期间，借助于外部波长测量器具识别。如果为此设定的二极管参数(诸如例如温度和电流)被存储并且在它下次开启时恢复，则应该再次获得原始波长。然而，例如由于二极管的老化效应和由此引起的波长变化，这个稳定能力的实现是困难的，并且对所发射的波长继续具有不确定性。
[0016]对于这样的测量器具的要求类似地可转移到具有用于确定距离变化的干涉仪单元的测量设备。这里，被构造用于对目标点的连续跟踪和这个点的位置的坐标确定的测量设备能够通常组合在术语激光跟踪器下。目标点能够在这种情况下由测量设备的光学测量束特别是激光束瞄准的后向反射单元(例如立方棱镜)表示。激光束被以平行方式反射回到测量设备，其中反射束被设备的捕获单元捕获。这里，例如使用用于角度测量的传感器探知该束的发射方向或接收方向，该传感器被指派给系统的偏转镜或目标锁定单元。另外，通过捕获束，例如使用飞行时间(time-of-flight)或相位差测量来探知测量器具到目标点的距离。
[0017]根据现有技术的激光跟踪器能够另外构造有光学图像捕获单元，所述光学图像捕获单元具有二维光敏阵列，例如(XD或CID相机(CXD =电荷耦合器件；CID =电荷注入器件)或基于CMOS阵列的相机，或具有像素阵列传感器和图像处理单元。激光跟踪器和相机这里具体地安装在彼此之上，使得它们相对于彼此的位置不能改变。例如，相机被布置以可连同激光跟踪器一起绕后者的大体上垂直的轴线旋转，但是以能够独立于激光跟踪器而上下枢转，并且具体地因此以与激光束的光学器件分开。具体地，相机能够具有鱼眼光学器件，进而由于相机的非常大的图像捕获区域，能够避免相机的枢转或至少是以有限方式而需要。另外，相机能够被构造(例如依赖于相应用途)成可绕仅一个轴线枢转。在另选实施方式中，相机可以以集成设计连同激光光学器件一起安装于公共壳体中。
[0018]通过使用图像捕获单元和图像处理单元捕获和评估辅助测量仪器(具有多个标记，标记相对于彼此的距离已知)的图像，能够推导出仪器的和在空间中布置于辅助测量仪器上的对象(例如探测器)的对准。连同目标点的所确定的空间位置一起，进一步能够精确地确定对象在空间中绝对地和/或相对于激光跟踪器的位置和对准。
[0019]这样的辅助测量仪器能够由称为接触感测工具的物体具体实现，该接触感测工具以它们的接触点定位于目标对象的点上。接触感测工具具有标记(例如光点)和反射器，其表示接触感测工具上的目标点并且能够使用来自跟踪器的激光束命中，其中标记和反射器相对于接触感测工具的接触点的位置是精确地已知的。以本领域的技术人员所知的方式，辅助测量仪器还可以是用于针对无接点表面勘测操作的距离测量而配备的扫描器，例如手持式的，其中相对于布置于扫描器上的光点和反射器，用于距离测量的扫描器测量束的方向和位置是确切地已知的。例如，在EP 0553266中描述了这样的扫描器。
[0020]此外，在逐渐作为标准的现代跟踪器系统中，使用传感器(PSD)来探知所接收到的测量束与零位置的偏差。在这一点上，PSD旨在被理解成意指在模拟域中局部操作并且能够用来确定传感器区域上的光分布的焦点的区域传感器。在这种情况下，来自传感器的输出信号借助于一个或更多个光敏区域而产生并且依赖于光焦点的相应位置。可以使用下游或集成电子装置来评估该输出信号并且用来探知焦点。在这种情况下，能够非常迅速地(微秒范围)并且以纳米分辨率探知碰撞光点的焦点的位置。
[0021]这个PSD能够用来确定所捕获到的束的碰撞点与伺服控制零点的偏差，并且该偏差能够被视为用于将激光束重调整到目标的基础。出于这个目的并且为了实现高水平的精度，这个PSD的视场被选择为比较小的，即，对应于测量激光束的束直径。使用PSD的捕获相对于测量轴线同轴地发生，作为其结果，PSD的捕获方向对应于测量方向。
[0022]对于距离测量，现有技术中的激光跟踪器具有至少一个距离测量装置，所述距离测量装置例如可能形式为干涉仪。因为这样的距离测量单元仅能够测量相对距离改变，所以除干涉仪之外，在现今的激光跟踪器中安装了称为绝对距离计的物体。例如，用于距离确定的测量装置的这样的组合借助于来自Leica Geosystems AG的产品AT901而获知。
[0023]在这个方面用于距离测量的干涉仪由于大的相干长度和由此许可的测量范围，能够将HeNe气体激光器或上述激光二极管作为光源，该激光二极管在功率消耗和空间要求方面具有上述优点。例如，具有HeNe激光器的用于确定距离的绝对距离计和干涉仪的组合从WO 2007/079600A1已知。例如，在欧洲专利申请n0.11187614.0中描述了激光二极管作为干涉仪激光光源的使用。
[0024]对于可靠距离测量或距离改变的测量，在相对于上面提到的优点而期望的激光二极管的使用期间，这里所使用的测量辐射的波长必须保持稳定并且被精确地知道(具体地到几个皮米内)。使用对二极管的限定的驱动来再现这样的确定进而已知的波长在这个上下文中不能够绝对可靠地发生。
[0025]因此本发明的目的是提供具有干涉仪的改进的激光跟踪器和对应的方法，其中，用于为干涉仪生成激光辐射的装置在它们的整体上被构造成紧凑的，并且能够使用设备以可靠的且清楚的方式确定所发射的激光辐射的发射波长。
[0026]本发明的特定目的是提供具有用于使发射波长稳定的装置的改进的激光跟踪器和可调谐的激光二极管，其中，该激光二极管的当前发射波长可被清楚地确定。
[0027]本发明的另一特定目的是提供改进的激光跟踪器，其中，由激光二极管发射的用于跟踪器的干涉仪的辐射对于波长而言是可调谐的并且该波长是可精确地确定的。
[0028]这些目的由独立权利要求的表征特征的实现方式来实现。能够在从属专利权利要求中找到以另选的或有利的方式进一步扩展本发明的特征。
[0029]此外，在欧洲专利申请编号EP 12166955.0中描述了与针对测量器具(例如激光跟踪器)中的干涉测量而提供的二极管的波长的确定有关的另选方面。
[0030]本发明涉及一种用于连续地跟踪反射目标并且用于确定到该目标的距离的激光跟踪器。这里，该激光跟踪器具有:基部，其限定竖直轴线；以及束导向单元，其用于发射测量辐射并且用于接收在目标处反射的测量辐射的至少一部分的束导向单元，其中，束导向单元能够以马达驱动方式相对于基部绕竖直轴线和与该竖直轴线大体上正交的倾斜轴线枢转。另外，提供了:干涉仪，所述干涉仪用于使用干涉法来确定到所述目标的所述距离的变化，其具有可调谐激光二极管，该可调谐激光二极管被构造成以所述测量辐射是为相干且纵向单模的方式产生用于所述干涉仪的所述测量辐射的干涉仪激光束源；绝对距离测量单元，其用于确定针对到所述目标的距离的测量距离值、以及角度测量功能体，其用于确定所述束导向单元相对于所述基部的方位。
[0031]根据本发明，另外提供的控制和评估单元被构造成使得，在校准模式的执行期间，通过通过以下步骤来确定所述测量辐射的干涉仪波长:在改变到目标的距离的同时执行限定的样本测量，其中，样本测量针对到目标的至少两个不同的距离而发生，测量辐射对目标连续地对准并且在使干涉仪波长保持稳定的同时利用干涉仪针对到目标的至少两个不同的距离中的每个来确定干涉仪输出变量。这里，通过使用所述绝对距离测量单元确定距离来提供在每种情况下针对到所述目标的所述至少两个不同的距离的至少两个测量距离值。至少基于至少两个测量距离值和分别确定的干涉仪输出变量确定测量辐射的干涉仪波长。
[0032]根据本发明，作为激光二极管而提供的束源还能够用来实现用于激光跟踪器的紧凑干涉仪，其中，光源(具有大的相干长度的激光二极管)相对于气室未被另外稳定，而是由二极管的稳定(低噪声)且精确的驱动而保持稳定。为了确定光源的波长，除干涉仪还使用存在于激光跟踪器中的绝对距离计，具体地利用用户的主动贡献。
[0033]对于干涉仪和绝对距离计的同时测量，后向反射器以被跟踪方式移动(也就是说干涉仪束相对于目标连续地对准)，其中，基于这里的两个距离计的测量距离差，并且具体地基于两个近似波长以及利用大气数据压力、湿度和温度的知识，仅仅经由激光二极管的工作参数而稳定的干涉仪辐射的波长能够在几个皮米(pm)内确定。
[0034]如此确定的波长进一步用于激光跟踪器的干涉测量。另外，利用绝对距离计(ADM)和干涉仪(IFM)在激光跟踪器的正常测量操作中的另外的连续模拟测量，能够继续确定并且可能连续地更新干涉仪波长。结果，能够执行跟踪器的连续校准(自校准)。
[0035]另外，具有关于吸收谱线未被另外稳定的具有大的相干长度的激光二极管作为光源的干涉仪(根据本发明)的使用同样允许对移动目标的AIFM测量(=利用ADM和IFM的组合测量)。AIFM( = ADM+IFM)利用在ADM测量期间的相对距离改变的知识并且将在ADM测量期间的相对距离改变考虑在内而许可对移动目标的测量(“及时锁定”)，该改变已经由干涉仪在没有已知绝对距离的情况下测量。为此，在单独的ADM测量期间由根据本发明的激光二极管的高度稳定驱动所提供的波长稳定性、以及IFM波长的非常近似的知识是充分的。然而，为了以与激光跟踪器的典型使用对应的高测量速率执行测量，必须精确地知道波长。为此，执行根据本发明的校准。
[0036]激光二极管在本发明背景下被理解成至少为
[0037]-分布式反馈激光器(DFB)(具有周期性结构化的有源介质，例如光栅)，
[0038]-分布式布拉格反射激光器(DBR)(具有在有源介质外部但布置于公共芯片上的光学光栅)，
[0039]-光纤布拉格光栅激光器(FBG)(大体上根据DFB激光器，但是具有在外部光纤中的光栅)，
[0040]-外腔二极管激光器(ECDL)(使用外部高度稳定腔例如利用全息光栅使激光二极管稳定)，
[0041]-二极管泵浦固态激光器(DPSS)，
[0042]-分立模式激光器(DMD)，
[0043]-微芯片激光器,和/或
[0044]-二极管激光器。
[0045]然而，不明确排除另选的激光二极管实施方式。这里，二极管能够被构造成使得所发射的激光束生成有数10m的大小的相干长度(或谱线宽度〈1MHz)。在这一点上，能够提供波长选择性组件，具体地光学光栅，以用于生成测量辐射。
[0046]具体地，测量辐射的干涉仪波长可根据本发明通过改变至少一个工作参数而改变，并且控制和评估单元能够被构造成使得用于激光二极管的至少一个工作参数是精确地可调整的，使得由于至少一个工作参数的精确调整，干涉仪波长是可设定的使得它被近似地知道。
[0047]利用二极管的这样确切的且可靠的驱动，干涉仪波长不仅能够如此精确地调整(例如通过设定二极管电流和二极管温度)以致于波长被近似地知道，但是所述波长也能够保持稳定。波长的近似知识能够另外用于干涉仪波长的(精确的)计算或确定。
[0048]因此，根据本发明，当执行校准模式时，能够依赖于近似地已知的干涉仪波长来进一步确定测量辐射的干涉仪波长。
[0049]在一个特定实施方式中，控制和评估单元根据本发明被构造成使得当启动激光跟踪器的操作时，针对激光二极管的该至少一个工作参数被设定成使得激光二极管的先前操作状态大体上再现，具体地最后的先前操作状态大体上再现。
[0050]因此在一个对应的实施方式中设计了用于根据本发明的激光跟踪器的启动方法，使得最初在系统最后关闭时存储的工作参数(用于二极管)被恢复，并且结果大体上在先操作周期的波长被生成。最后，能够以被跟踪方式移位后向反射器，并且能够根据两个距离计的所测量到的距离差(和两个大致的波长并且利用大气数据压力、湿度和温度的知识)确定用于干涉仪的波长。
[0051]在这个上下文中，同样能够拦截由通过在每种情况下存储最后值而老化所引起的二极管的调整参数中的改变。
[0052]对于工作参数的类型，激光二极管的可变参数能够构成根据本发明的至少一个工作参数和/或穿过激光二极管的可变电流能够构成至少一个工作参数。因此，能够通过改变二极管的电流和/或温度来改变二极管的干涉仪波长。
[0053]本发明的另一个方面涉及控制和评估单元的实施方式。能够根据本发明构造后者使得，当正在执行测量模式时，使用至少一个工作参数来调节干涉仪波长使得干涉仪波长保持稳定。
[0054]在这种情况下，在控制和评估单元的控制下，能够在正在执行测量模式的同时连续地执行校准模式，具体地其中，在校准模式期间确定的测量辐射的干涉仪波长被存储用于执行测量模式。
[0055]因此，例如使用另外的ADM测量，能够连续地监测、确定和更新干涉仪波长。
[0056]对于根据本发明的激光二极管的实施方式，激光二极管能够被构造成使得干涉仪波长能够生成有至少10m的相干长度。
[0057]此外，根据本发明的特定实施方式，干涉仪的用于接收测量辐射的干涉仪接收器单元与绝对距离测量单元的接收单元不同，即绝对距离测量单元具有在结构上分开或被认为应该在结构上与干涉仪的接收器单元分开的接收单元。特别地，干涉仪和绝对距离测量单元这里能够共享束源。
[0058]本发明的另一个方面涉及一种具有吸收介质的根据本发明的激光跟踪器。在这一点上，所述激光跟踪器具有:吸收介质，所述吸收介质在波长范围内限定多个已知吸收谱线；存储器，所述存储器具有针对吸收介质的存储的谱线图谱，该谱线图谱在相应的吸收波长的波长范围内在每种情况下规定一个吸收强度；以及检测器，所述检测器用于确定吸收强度。跟踪器的这样的构造被提供用于依赖于在每种情况下当前确定的吸收强度使干涉仪波长稳定。
[0059]在执行校准模式的同时，能够具体地根据本发明基于所提供的测量距离值、干涉仪输出变量、多个已知吸收谱线和所确定的吸收强度来探知谱线图谱中的方位，具体地其中，依赖于所探知到的方位确定干涉仪波长。
[0060]根据本发明，激光跟踪器能够此外具有吸收池，该吸收池具有吸收介质，具体地其中，碘气体形成该吸收介质并且干涉仪波长在500nm到650nm之间，具体地在630nm到635nm之间。
[0061]本发明还涉及一种用于和利用激光跟踪器的校准方法，所述激光跟踪器包括:干涉仪，所述干涉仪用于使用干涉法来确定到所述目标的所述距离的变化，其具有可调谐激光二极管，该可调谐激光二极管被构造成以所述测量辐射为相干且纵向单模的方式产生用于所述干涉仪的所述测量辐射的干涉仪激光束源。
[0062]在校准方法期间，测量辐射的干涉仪波长通过在改变到目标的距离的同时执行限定的样本测量来确定，其中，样本测量因到目标的至少两个不同的距离而被执行，并且测量辐射相对于目标连续地对准以及在使干涉仪波长保持稳定的同时利用干涉仪针对到目标的至少两个不同的距离中的每个来确定干涉仪输出变量。另外，通过使用所述绝对距离测量单元确定距离来提供在每种情况下针对到所述目标的所述至少两个不同的距离的至少两个测量距离值。至少基于至少两个测量距离值和分别确定的干涉仪输出变量确定测量辐射的干涉仪波长。
[0063]根据较特定实施方式，依赖于所提供的测量距离值、干涉仪输出变量和测量到的吸收强度探知谱线图谱中的方位，该谱线图谱在每种情况下针对相应的吸收波长规定一个吸收强度的，具体地其中，依赖于所探知到的方位确定干涉仪波长。
[0064]在本发明背景下，此外能够通过用户人工移位目标来改变到目标的距离。
[0065]本发明还涉及一种计算机程序产品，其被存储在机器可读载体上，用于则控制样本测量的执行，并且用于执行根据本发明的校准方法的干涉仪波长的确定，具体地如果在根据本发明的激光跟踪器的控制和评估单元上执行计算机程序产品。
[0066]将在下面参照附图中所示意性地例示的具体示例性实施方式以具体示例性形式更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的设备，其中，还将对本发明的另外的优点进行讨论。具体地:
[0067]图1示出了具有被构造成干涉仪束源的激光二极管的根据本发明的激光跟踪器的光学结构的实施方式；
[0068]图2示出了使用激光跟踪器的根据本发明的校准；
[0069]图3示出了针对根据本发明的激光跟踪器和使用该跟踪器的根据本发明的校准处理的实施方式；以及
[0070]图4示出了附加地具有吸收池的根据本发明和根据图1的激光跟踪器的光学结构的另一个实施方式。
[0071]图1示出了根据本发明的激光跟踪器的光学结构1的实施方式，其具有:激光二极管10，其被构造成干涉仪束源；干涉仪单元20 ;以及绝对距离测量单元30，其具有具体地被构造成激光二极管或SLED的另一个束源31。使用激光二极管，提供用于干涉仪20的测量辐射11以确定到对象的距离的变化，其中，绝对距离测量单元30能够用来确定到对象的绝对距离。另外，控制和评估单元2用于通过至少温度和/或电流调节的方式控制激光二极管10。此外，能够借助其来处理由干涉仪单元20和绝对距离测量单元30所产生的测量数据(例如确定的距离或干涉仪输出变量)。
[0072]这里通过使用控制和评估单元2来调谐穿过二极管10的电流和/或二极管10的温度而调谐激光二极管10的干涉仪波长或发射波长。由于提供对用于驱动激光二极管10的工作参数的精确调整，能够设定在二极管10处发射的辐射的波长使得用于干涉仪测量的干涉仪波长是至少近似地已知的。
[0073]一般而言，激光二极管10给激光提供无模式跳转的可调谐波长范围。所生成的激光另外具有大的相干长度，具体地至少10m,优选地至少50m。
[0074]为了识别干涉仪波长，控制和评估单元2根据本发明提供校准功能体。对于在执行这个功能体时发生的校准，首先，执行限定的样本测量。样本测量在到目标或对象的距离变化的情况下执行，其中，在每种情况下确定一个干涉仪输出变量作为使用干涉仪20针对各个样本测量的测量结果，并且此外使用绝对距离测量单元30测量到对象的距离。
[0075]通过全面地考虑相应的干涉仪输出变量和关联的距离，能够从至少两个这样的样本测量得到干涉仪波长。为此目的，使用绝对距离测量单元30所确定的到目标的距离中的差别能够与针对这个距离变化所确定的干涉仪信号相比较。所述干涉仪信号例如由交替地相长干涉和相消干涉的连续检测生成，其中，在相长干涉与相消干涉之间的转变的数量(干涉仪计数)被计数和跟踪，并且能够从其中得到距离变化。
[0076]在干涉仪波长的确定期间，另外还能够考虑由于激光二极管10的确切精细驱动而近似地已知的用于干涉仪的波长和为绝对距离测量而生成的第二激光辐射的第二波长。在这一点上，气候信息(诸如例如气压和/或气温)能够另外集成到干涉仪波长的确定中并且在这里被考虑在内。
[0077]用于确定干涉仪波长的测量辐射11在到目标的距离的变化期间被进一步连续地指向目标。连续干涉仪信号和针对距离变化的干涉测量值与其的偏差的接收由此成为可能的。连同针对到目标的距离的变化的第二(基准)值一起(例如根据绝对距离测量单元30对于相应不同的距离的测量结果)能够使用计算特别是曲线拟合(例如“最佳拟合”)来确定干涉仪波长。
[0078]图2示意性地例示了根据本发明的利用激光跟踪器40的校准。根据图1，激光跟踪器40能够在这种情况下例如具有带控制和评估单元2的根据本发明的光学结构1，其中控制和评估单元2提供校准模式。
[0079]另外例示了目标42，例如后向反射器，其从第一位置移位到第二位置。这个位置改变由箭头43指示。激光跟踪器40的测量激光束41指向目标42并且至少部分地从其向后反射并且在跟踪器40处被接收。所述束41由相应地规定的激光二极管生成作为具有大的相干长度(具体地为至少10m，优选地为至少50m)的无模式跳转激光束。在目标42离激光跟踪器40的第一距离45由目标42的第一定位定义。在激光跟踪器40与目标42之间的第二距离46由所指示的目标42到第二位置的移位43另外定义。这产生在第一目标定位与第二目标定位之间的距离差47。
[0080]为了执行校准，跟踪器40的测量激光束41在移位操作期间保持连续地指向目标42，使得由移位43所产生的距离的改变能够被跟踪器40跟踪。为此目的，在正发生的目标42的位置的改变期间连续地读取由跟踪器40中的干涉仪所生成的信号，并且表示距离差47的值由于这些干涉测量而以高度的精度探知到。为此目的，干涉仪使用测量激光辐射41。例如，能够捕获到交替地相长干涉和相消干涉的数目，其中，该数目能够对应于相长干涉与相消干涉之间的相应转变(其被称为干涉仪计数)。
[0081]另外，为了校准，使用绝对距离测量单元确定到目标42的两个距离45、46。根据本发明，探知到的距离值因此被指派给利用干涉仪针对这些距离45、46所产生的相应值。结果，能够针对至少两个距离45、46形成相应的值对。依赖于这些值对，能够精确地确定测量辐射41的干涉仪波长，具体地在几个皮米内。
[0082]特别地，利用绝对值距离计所确定的距离值能够用于目标42的各个位置并且链接至所关联的干涉仪值。能够另外计算距离45、46之间的差47，并且，与此并行地，能够得到干涉仪值的差，其中，所述干涉仪差值例如进而能够由干涉仪计数的数目实现。然后，能够根据这些差(距离和干涉仪输出变量)推导出波长。
[0083]具体地，对于这个计算，另外能够考虑绝对距离测量单元的和测量辐射的近似地已知的波长，进而能够提高计算精确度或能够降低计算误差。另外，还能够在计算中考虑当前气象数据。
[0084]基于如此校准的干涉仪，结果能够执行高度精确的距离测量和对距离改变的测量。具体地，在每种情况下，为此使用了能够由绝对距离测量单元和干涉仪这两者提供的信肩、Ο
[0085]图3示出了根据本发明的激光跟踪器90的实施方式，其包括具有反射器97的辅助测量仪器91。激光跟踪器90包括基部92和支架93，其中，支架93被布置为使得它可相对于基部92绕由基部92所限定的枢转轴线94(竖直轴线)枢转或旋转。而且，目标锁定单元95以目标锁定单元95能够相对于支架93绕倾斜轴线(平移轴线)枢转的方式布置于支架93上。作为为所提供的目标锁定单元95绕这个性质的两个轴线对准的可能性的结果，由这个单元95所发射的激光束96 (测量束)能够灵活地对准并且因此目标能够被命中。这里，枢转轴线94和倾斜轴线被布置成彼此大体上正交，即与确切的轴线正交性的小偏差能够是预定的并且存储在系统中，例如用于补偿由此产生的测量误差。
[0086]在所示出的布置中，激光束96指向反射器97并且在后者处向后反射回到激光跟踪器90。能够借助于这个测量激光束96具体地借助于飞行时间测量结果、借助于相位测量原理或借助于斐索(Fizeau)原理来确定到反射器97的距离。为此目的，激光跟踪器90包括:距离测量单元(绝对距离测量单元)，其用于确定跟踪器90与反射器97之间的这个距离；以及角度测量单元，其使得能够确定目标锁定单元95的位置，借助于其能够以限定方式对准和引导激光束96，并且因此使得能够确定激光束96的传播方向。另外，跟踪器90包括用于借助于干涉法来确定到目标的距离的变化的干涉仪单元。
[0087]而且，激光跟踪器90具体地目标锁定单元95包括图像捕获单元以用于确定在传感器或CMOS上的传感器曝光在捕获到的图像中的位置的目的，或具体地是被实现成CCD或像素传感器阵列相机。这样的传感器许可在检测器上对捕获到曝光的位置敏感检测。
[0088]此外，辅助测量仪器91包括触觉传感器，可以使其接触点99与待测量的目标对象接触。在这个接触存在于接触感测工具91与目标对象之间的同时，能够确切地确定接触点99在空间中的位置并且因此确定在目标对象上的点的坐标。这个确定使用接触点99相对于反射器97和相对于布置于辅助测量仪器91上的标记98的限定的相对定位而发生，所述标记例如能够实现为发光二极管。另选地，标记98还能够被以以下方式实现，即当例如利用具有限定波长的辐射照射它们时，它们反射(作为后向反射器实现的辅助点标记98)入射的辐射(具体地展示特定光照特性)；或它们具有限定的图案或色彩编码。因此能够根据标记98在利用图像捕获单元的传感器所捕获到的图像中的位置或分布来确定接触感测工具91的方位。
[0089]在另选实施方式(这里未示出)中，根据本发明的激光跟踪器具有与图像捕获单元分开的用于发射激光束的束导向单元，该激光束能够同样地被方位到反射器97上。这里，激光束和图像捕获单元这两者能够在每种情况下以马达驱动方式绕两个轴线枢转，并且作为其结果，能够以由激光束命中的目标97和辅助测量仪器91的标记98能够借助于图像捕获单元捕获到的方式来对准。
[0090]为了使将激光束96与反射器97对准，在根据本发明的激光跟踪器90上设置有照明装置，其用于利用具有特定波长、具体地在红外波长范围内、的辐射来照明反射器97 ;并且另外，在各个跟踪器90上布置具有位置敏感检测器的至少一个优选两个相机。能够借助于相机检测在反射器97处反射并且辐射回到激光跟踪器90的光照辐射，并且反射器97在相应检测器上的位置能够利用位置敏感检测器中的每个成像。因此能够借助于激光跟踪器90来确定反射器的两个成像位置，并且能够基于这些成像目标位置(例如，根据摄影测量学的已知原理)找到目标(反射器97)，以及能够以目标被测量束96命中的方式将目标锁定单元95对准。
[0091]而且，能够基于在每种情况下使用激光跟踪器90所捕获到的两个图像来确定反射器的近似位置。能够根据一般几何原理或三角测量原理(例如根据三角形的几何结构原理或借助于正弦和/或余弦定律)确定这个位置。而且，为了近似地确定该位置，能够使用摄影测量学(立体摄影测量学)中的已知处理。为此目的，相机在跟踪器90上相对于彼此的相对位置和具体地对准也是已知的。
[0092]在这个上下文中，照明装置和相机能够分别布置于限定的位置，例如在图像捕获单元、束导向单元、目标锁定单元95、支架93或基部92上。
[0093]使用相机相对于激光束96的发射方向的定位的知识，激光束96能够对反射器97的所探知到的近似位置对准并且能够耦合(锁住)到其。结果，能够迅速地使束96对准，而与激光发射方向与相机的捕获方向之间的在结构上引起的偏移无关，并且能够确定由相机和激光束96的光轴所给予的视差。具体地，激光束96能够直接与目标97对准，即，没有迭代式的中间步骤。
[0094]具体地，作为确定反射器97的近似位置的替代方案或附加地，能够根据在检测器(在激光跟踪器90上)上所捕获和成像的目标位置来确定到反射器97的(近似)距离。还能够借助于通常有效的几何原理例如借助于直三角形高度定理和/或借助于正弦和/或余弦定律来产生这个确定。
[0095]而且，激光束96的根据本发明的对准还能够在用于确定辅助测量仪器91 (3D激光跟踪器)的方位的图像捕获单元出-DoF相机)的激光跟踪器不存在的情况下找到应用。
[0096]此外，图3示出了针对根据本发明的校准的过程。为此目的，利用辅助测量仪器91的不同位置100a-C，执行对辅助测量仪器91的测量。通过利用绝对距离测量单元的测量，针对各个位置lOOa-c，知道到跟踪器90的距离，其中，绝对距离测量单元包括另一个激光束源(除用于产生用于干涉仪的测量辐射的二极管之外)。根据本发明通过用于二极管的非常精确的且鲁棒的驱动电子装置，由激光二极管产生的用于激光跟踪器90的干涉仪的测量辐射保持稳定，使得测量辐射的波长是高度恒定的-至少对于校准处理来说。由此确定的波长在这种情况下大体上依赖于激光二极管的工作参数(例如电流和温度)并且依赖于用于二极管的驱动电子装置。
[0097]在一个特定实施方式中，由激光二极管所生成的用于激光跟踪器90的干涉仪的测量辐射还能够使用波长稳定单元(吸收池)稳定至发射波长并且因此是近似地已知的。虽然到固定波长的稳定是可能的，但是为了正确且可靠的距离测量(使用干涉仪的距离的改变的测量)，这个波长必须在大小方面是已知的。执行根据本发明的校准以确定这个波长。
[0098]为此目的，在根据本发明的校准期间，使用激光跟踪器90的干涉仪在位置100a-C中的至少两个处(具体地连续地在位置100a与位置100c之间的多个位置处)确定干涉仪输出变量。这里，发射器97以被跟踪方式跟随，即测量束在这个测量过程期间连续地指向反射器97。例如，干涉仪输出变量可以是干涉仪脉冲的数量(计数)，其通过使相长干涉和相消干涉的捕获交替给出并且能够被计数的(例如零差干涉仪)给出或由基准信号与测量信号之间的相位差给出(例如外差干涉仪)。而且，在每种情况下，(使用ADM)测量或给出到反射器97的绝对距离。如此测量到的针对各个位置的干涉仪输出变量和相应距离由将各个近似地已知的波长(针对绝对距离计和干涉仪)考虑在内的算法评估。作为其结果，能够非常精确地估计激光二极管的测量辐射的当前波长。具体地，大气数据(诸如例如气压、湿度和周围温度)另外被考虑用于这个估计。根据特定实施方式，还能够基于对发射波长的估计并且利用在使用波长稳定单元的吸收介质的谱线图谱来确定谱线图谱中的方位，其指示针对相应波长的吸收强度(针对吸收池)。结果，能够识别用于稳定的吸收介质的吸收谱线并且因此能够确定发射波长。
[0099]辅助测量仪器91通常能够由用户引导并且其位置由用户移位，其中，激光96保持连续地指向发射器97 (目标)。结果，能够提供跟踪器90与反射器97之间的各种距离并且能够产生干涉仪信息。
[0100]图4示出了另外具有一个吸收池50的根据图1的根据本发明的激光跟踪器的光学结构1的另一个实施方式。
[0101]在稳定模式期间，吸收池50用来实现测量辐射11到波长基准的稳定化，即，在这种情况下到由吸收池50的吸收介质(例如碘，12)所限定的吸收谱线(例如，大约633nm)。具体地，不同的稳定方法能够被用于稳定，诸如例如同步式检测(光学频率关于中央吸收谱线的调制)、(通过磁调制)在恒定光学频率下借助于塞曼(Zeeman)效应的“谱线边”处理或稳定。
[0102]在同步式检测期间，生成了波长的连续改变(并且因此基于其所测量到的距离的改变)，其主要将它本身显现为增加的距离噪声，其中，距离噪声然而能够通过增加的测量速率和后续集成或同步距离测量基本上消除。
[0103]“谱线边”处理基于借助于在吸收值处的吸收的稳定，所述吸收值大体上对应于通常实现成气室的吸收池50的对应吸收谱线的最大梯度(例如在大约40%吸收处的稳定)。因为谱线的吸收依赖于吸收介质(例如碘气)的气压并且因此依赖于吸收池的温度，所以吸收池50的温度在这种情况下必须保持非常恒定。
[0104]为了稳定，使用控制和评估单元2来调节用于激光二极管10的工作参数(例如电流和/或温度)，使得测量辐射11以大体上恒定的波长发射。为此目的，吸收池50中的吸收水平被连续地测量，其中，使用控制和评估单元2来处理在该处理中所生成的测量信息并且生成用于二极管10的对应控制信号(由箭头21、22指示)。
[0105]对于附加的吸收池50的吸收介质，还存储了谱线图谱(线谱)，该谱线图谱限定了针对相应波长介质的相应吸收强度。在一个特定实施方式中，还能够使用吸收检测器来测量特别是连续测量当前吸收强度，其能够指派给池50。
[0106]另外能够根据本发明在测量辐射11 (根据图1)的干涉仪波长的确定中考虑当前测量到的吸收强度以及线谱的知识。通过吸收池50，首先能够发生辐射11的另选的或附加的稳定，并且其次，当考虑基准(谱线图谱)时，能够实现波长确定的增加的准确度。
[0107]如果在每种情况下针对到对象的多个不同的距离确定了一个干涉仪输出变量，则在将在样本测量期间存在的对象的相应距离、所确定的干涉仪输出变量和基准(例如所使用的吸收介质的已知吸收线谱)考虑在内的同时，另外能够确定谱线图谱中的方位，并且能够从其中确定干涉仪波长。
[0108]应理解，这些描绘的图仅示意性地描绘了可能的示例性实施方式。根据本发明，各种方法能够同样地与彼此并且与现有技术的校准和/或干涉测量方法、与现有技术的用于确定距离的方法以及与现有技术的通用测量设备(特别是激光跟踪器)组合。根据本发明的方面还能够在诸如例如全站仪和视距仪这样的大地测量勘测装置的【技术领域】中找到应用。
【权利要求】
1.一种用于连续地跟踪反射目标(42、97)并且用于确定到该目标(42、97)的距离的激光跟踪器(40、90)，该激光跟踪器(40、90)包括: ?基部(92)，所述基部定义竖直轴线(94)， ?束导向单元(95)，所述束导向单元(95)用于发射测量辐射(11、41、96)并且用于接收在所述目标(42、97)处反射的所述测量辐射(11、41、96)的至少一部分，其中，所述束导向单元(95)能够以马达驱动方式相对于所述基部(92)绕所述竖直轴线(94)和与所述竖直轴线(94)大体上正交的倾斜轴线枢转， ?干涉仪(20)，所述干涉仪(20)用于使用干涉法来确定到所述目标(42、97)的所述距离的变化，其具有可调谐激光二极管(10)，该可调谐激光二极管(10)被构造成以所述测量辐射(11、41、96)是为相干且纵向单模的方式产生用于所述干涉仪(20)的所述测量辐射(11、41、96)的干涉仪激光束源， ?绝对距离测量单元(30)，所述绝对距离测量单元(30)用于确定针对到所述目标(42、97)的距离(45、46)的测量距离值，以及 ?角度测量功能体，所述角度测量功能体用于确定所述束导向单元(95)相对于所述基部(92)的方位， 其特征在于 控制和评估单元(2)，该控制和评估单元(2)被构造成使得在校准模式的执行期间通过以下步骤来确定所述测量辐射(11、41、96)的干涉仪波长?在改变到所述目标(42、97)的所述距离(45、46)的同时执行限定的样本测量，其中ο所述样本测量针对到所述目标(42、97)的至少两个不同的距离(45、46)而发生，ο所述测量辐射(11、41、96)对所述目标(42、97)连续地对准，并且在使所述干涉仪波长保持稳定的同时利用所述干涉仪(20)针对到所述目标(42、97)的所述至少两个不同的距离(45、46)中的每个来确定干涉仪输出变量，并且 ο通过使用所述绝对距离测量单元(30)确定距离来提供在每种情况下针对到所述目标(42、97)的所述至少两个不同的距离(45、46)的至少两个测量距离值，以及 ?至少基于所述至少两个测量距离值和分别确定的干涉仪输出变量来确定所述测量辐射(11、41、96)的干涉仪波长。
2.如权利要求1所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 所述测量辐射(11、41、96)的所述干涉仪波长可通过改变至少一个工作参数改变，并且所述控制和评估单元(2)被构造成使得针对所述激光二极管(10)的所述至少一个工作参数可被精确调整使得，由于所述至少一个工作参数的所述精确调整，所述干涉仪波长是可设定成使得它是近似地已知的。
3.如权利要求2所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 当执行所述校准模式时，依赖于所述近似地已知的干涉仪波长附加地确定所述测量辐射(11、41、96)的所述干涉仪波长。
4.如权利要求2或3所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 所述控制和评估单元(2)被构造成使得当启动所述激光跟踪器(40、90)的操作时，针对所述激光二极管(10)的所述至少一个工作参数被设定成使得所述激光二极管(10)的先前操作状态大体上再现，具体地最后的先前操作状态大体上再现。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 所述激光二极管(10)的可变温度构成所述至少一个工作参数和/或穿过所述激光二极管(10)的可变电流构成所述至少一个工作参数。
6.如权利要求2至5中任一项所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 所述控制和评估单元(2)被构造成使得当正在执行测量模式时，使用所述至少一个工作参数调节所述干涉仪波长使得所述干涉仪波长保持稳定。
7.如权利要求6所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 在所述控制和评估单元(2)的控制下，在正在执行所述测量模式的同时连续地执行所述校准模式，具体地其中，在所述校准模式期间确定的所述测量辐射(11、41、96)的所述干涉仪波长被存储用于执行所述测量模式。
8.如权利要求1至7中任一项所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 所述激光二极管(10)被构造成使得所述干涉仪波长能够以至少1m优选50m的相干长度生成，和/或 所述干涉仪(20)的干涉仪接收单元和所述绝对距离测量单元(30)的接收器单元不同。
9.如权利要求1至8中任一项所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 所述激光跟踪器(40、90)具有 ?吸收介质，所述吸收介质在波长范围内定义多个已知吸收谱线， ?存储器，所述存储器具有针对所述吸收介质的存储的谱线图谱，该谱线图谱在针对相应的吸收波长的所述波长范围内在每种情况下规定一个吸收强度，以及 ?检测器，所述检测器用于确定所述吸收强度，以依赖于在每种情况下当前确定的吸收强度使所述干涉仪波长稳定。
10.如权利要求9所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 在执行所述校准模式的同时，基于所提供的测量距离值、所述干涉仪输出变量、所述多个已知吸收谱线和所确定的吸收强度来探知所述谱线图谱中的方位，具体地其中，依赖于所探知到的方位确定所述干涉仪波长。
11.如权利要求9或10所述的激光跟踪器(40、90)，其特征在于 所述激光跟踪器(40、90)具有吸收池(50)，该吸收池(50)具有吸收介质，具体地其中，碘气体形成所述吸收介质并且所述干涉仪波长在500nm到650nm之间，具体地在630nm到635nm之间。
12.一种用于和利用激光跟踪器(40、90)的校准方法，所述激光跟踪器(40、90)包括， ?干涉仪(20)，所述干涉仪(20)用于使用干涉法来确定到所述目标(42、97)的所述距离的变化，其具有可调谐激光二极管(10)，该可调谐激光二极管(10)被构造成以所述测量辐射(11、41、96)为相干且纵向单模的方式产生用于所述干涉仪(20)的所述测量辐射(11、41、96)的干涉仪激光束源，以及 ?绝对距离测量单元(30)，所述绝对距离测量单元(30)用于确定针对到所述目标(42、97)的距离(45,46)的测量距离值， 其特征在于 通过以下步骤来确定所述测量辐射(11、41、96)的干涉仪波长?在改变到所述目标(42、97)的所述距离(45、46)的同时执行限定的样本测量，其中ο针对到所述目标(42、97)的至少两个不同的距离(45、46)执行所述样本测量，ο所述测量辐射(11、41、96)对所述目标(42、97)连续地对准，并且在使所述干涉仪波长保持稳定的同时利用所述干涉仪(20)针对到所述目标(42、97)的所述至少两个不同的距离(45、46)中的每个来确定干涉仪输出变量，并且 ο通过使用所述绝对距离测量单元(30)确定距离来提供在每种情况下针对到所述目标(42、97)的所述至少两个不同的距离(45、46)的至少两个测量距离值，以及 ?至少基于所述至少两个测量距离值和分别确定的干涉仪输出变量来确定所述测量辐射(11、41、96)的干涉仪波长。
13.如权利要求12所述的校准方法，其特征在于 依赖于所提供的测量距离值、所述干涉仪输出变量和测量到的吸收强度来探知谱线图谱中的方位，该谱线图谱在每种情况下针对相应的吸收波长规定一个吸收强度，具体地其中，依赖于所探知到的方位确定所述干涉仪波长。
14.如权利要求12或13所述的校准方法，其特征在于 到所述目标(42、97)的所述距离(45、46)由用户人工移动所述目标(42、97)而变化。
15.一种计算机程序产品，其被存储在计算机可读载体上， ?用于控制样本测量的执行，并且 ?用于执行如权利要求12至14中任一项所述的校准方法的干涉仪波长的确定，具体地如果所述计算机程序产品在如权利要求1至11中任一项所述的激光跟踪器(40、90)的控制和评估单元(2)上执行。
【文档编号】G01S17/36GK104285160SQ201380024376
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年5月6日 优先权日:2012年5月7日
【发明者】T·鲁斯, B·伯克姆 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司