激光跟踪器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有集成到目标单元中的至少两个距离测量设备的激光跟踪器，其 中，第一距离测量设备被设计用于连续地跟踪目标点，并且第二距离测量设备被设计用于 通过脉冲或者频率调制光或者激光束进行距离测量，特别是被设计用于通过波形数字化 (WFD)或者作为频率调制（特别是相干）的连续波激光（FMCW激光雷达）进行距离测量。
【背景技术】
[0002] 被设计用于连续地跟踪目标点并且协调确定所述点的位置的测量装置通常可以 在特别是与工业测量相关的术语激光跟踪器下被结合。在该情况下，目标点可以由后向反 射单元（例如，立方棱镜）表示，目标点由测量装置的光学测量光束（特别是激光束）瞄准。 激光束以平行方式被反射回测量装置，所反射的光束由装置的检测单元检测。在该情况下， 例如通过用于被分配给系统的偏转镜或者瞄准单元的用于角测量的传感器，分别确定光束 的发射方向和接收方向。另外，通过光束的检测，例如通过飞行时间或者相位差测量或者通 过Fizeau原理，确定从测量装置到目标点的距离。
[0003] 根据现有技术的激光跟踪器可以另外通过具有二维光敏阵列的光学图像检测单 元（例如，(XD或CID相机或者基于CMOS阵列的相机）或者通过像素阵列传感器或者通过 图像处理单元被具体实现。在该情况下，激光跟踪器和相机可以以它们的位置不能相对另 一个改变的方式将一个被安装在另一个顶部上。相机例如以能够绕其基本上垂直的轴与激 光跟踪器一起旋转的方式但是以独立于激光跟踪器可枢轴向上和向下从而特别是独立于 激光束的光学单元的方式来布置。而且，例如，根据各个应用，相机可以被具体实现为仅绕 一个轴可枢轴旋转。在另选实施方式中，相机可以与激光光学单元一起以集成设计被安装 在公共壳体中。
[0004] 通过具有其相对位置已知的标记的所谓的辅助测量仪器的图像的检测和评估 (利用图像检测和图像处理单元），从而可以推导在空间中布置在辅助测量仪器上的对象 (例如，探针）的方位。与所确定的目标点的空间位置一起，还可以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方位。
[0005] 从而，通过所述测量仪器测量其位置和方位的对象不需要例如是测量探针本身， 而是测量辅助设备。作为测量系统的一部分，用于测量的测量辅助设备到达相对于目标对 象机械定义或者在测量期间可以确定的位置，其中，通过所测量的其位置和方位，可以推导 该位置，并且在适当时，例如推导测量探针的方位。
[0006] 这样的辅助测量仪器可以由所谓的接触感测工具具体实现，接触感测工具在目标 对象的点上定位它们的接触点。接触感测工具具有例如光点的标记和反射器，反射器表示 接触感测工具上的目标点并且可以由跟踪器激光束瞄准，标记和反射器相对于接触感测工 具的接触点的位置被精确知晓。辅助测量仪器还可以以本领域技术人员已知的方式为例如 被装配用于距离测量、用于无接触表面测量的手持扫描仪，用于距离测量的扫描仪测量光 束相对于布置在扫描仪上的光点和反射器的方向和位置被精确知晓。该类型的扫描仪例如 在ΕΡ Ο 553 266中描述。
[0007] 为了距离测量，现有技术的激光跟踪器具有至少一个距离测量设备，其中，至少一 个距离测量设备可以被具体化为例如干涉仪。由于这样的距离测量单元可以仅测量距离 的相对改变，除了干涉仪之外，所谓的绝对距离测量设备被安装在现代激光跟踪器中。在 该上下文中用于距离测量的干涉仪主要使用-由于长干涉长度和由此可以作出的测量范 围-HeNe气激光器作为光源。在该情况下，HeNe激光器的干涉长度可以是几百米，使得在 工业度量中要求的范围可以通过相对简单的干涉仪构造获得。绝对距离测量设备和用于利 用HeNe激光器确定距离的干涉仪的组合例如从WO 2007/079600A1知晓。
[0008] 另外，在现代跟踪器系统中-越来越多地以标准化方式-在精细瞄准传感 器上确定所接收测量光束从零位置的偏移。通过该可测量偏移，可以确定回射器 (retroreflector)的中心与反射器上的激光束的碰撞点之间的位置差，并且以精细瞄准传 感器上的偏移被减小（特别是为"零"）的方式根据该偏离校正或者重新调整激光束的对 准，并且从而光束在反射器中心的方向上对准。作为重新调整激光束对准的结果，可以实现 目标点的连续目标跟踪，并且可以相对于测量仪器连续地确定目标点的距离和位置。可以 通过被设置为偏转激光束的偏转镜的对准的改变和/或通过具有光束引导激光光学单元 的瞄准单元的枢轴旋转，在该情况下实现重新调整，所述偏转镜以机动方式可移动。
[0009] 为了确定测量辅助设备的方位，相机的检测方向被连续地对准，使得图像能够在 激光跟踪器的跟踪光束的方向上被检测。相机还可以具有变焦功能，其中，放大倍数可以根 据激光跟踪器与目标点或者测量辅助设备之间的所确定的距离来设置。通过这两个自适应 功能（对准和放大），相机从而可以连续地检测图像，其中，对测量辅助设备并且特别是测 量辅助设备的光点成像。结果，产生光点的空间布置的电子可评估的二维图像。
[0010] 图像处理单元被提供用于评估图像。这可以用于识别成像的光点，以确定成像光 点的质心，并且确定所述质心的图像坐标，从该图像坐标可以计算例如传感器的光轴（特 别是检测方向）与从传感器到各个光点的方向之间的立体角。
[0011] 具有激光跟踪器和图像检测单元的用于确定在空间上在其上布置光点和反射器 的对象的位置和方位的坐标测量机器例如在US 5, 973, 788中描述。
[0012] 通过使用这样的坐标测量机器，可以通过由图像检测单元记录的至少三个光点和 反射激光跟踪器的测量光束的至少一个反射器可以布置在对象处，该对象的位置和方位将 在相对于该对象已知的位置处被确定。将由图像检测单元记录的光点可以是有源光源（例 如，发光二极管）或者将被照射的反射器，其中，光点以它们相互清晰可区分的方式被装配 或者布置。
[0013] WO 2007/079600A1公开了一种基于普通激光器的坐标测量机器，其中，距离测量 装置的光出口和光接收光学单元、测量相机和概览相机（overview camera)被布置在公共 元件上，公共元件相对于至少两个轴可旋转，并且激光束通过来自安装在光束引导单元的 外部的激光模块的光波导被耦合到距离测量装置中。
[0014] 相反，不使用具有回射器的测量辅助设备的距离的测量（即，直接对待测量对象 的表面进行的测量）可以不具有这样的坐标测量机器。
[0015] 从而，对于以下情况扫描对象表面是不可以的：为了检测对象或者表面，通常使用 逐渐扫描的方法，并且在处理中，记录诸如例如施工现场的结构的拓扑。在该情况下，这样 的拓扑构成描述对象的表面的点的连续序列、或者表面的相应模型或者描述。一种传统方 法是通过激光扫描器扫描，在每种情况下，激光扫描器都通过到由激光所测量的被瞄准表 面点的距离并且将该测量与激光发射的角信息组合，来检测表面点的空间位置。根据该距 离和角信息，可以确定所检测点的空间位置，并且可以连续地测量该表面。在很多情况下， 与该表面的纯几何检测同时，还执行通过相机的图像记录，除了总体视觉视图之外，其还提 供例如关于表面纹理的进一步信息。W0 97/40342描述一种通过以固定方式安装的扫描器 系统记录拓扑的方法。另外，扫描功能可以被集成到多种其它仪器中作为附加功能。例如， WO 2004/036145公开一种大地测量仪器，该大地测量仪器在所检测范围内从其位置发射用 于距离测量的激光束。这样的测量仪器可以同样被修改用于以扫描方式检测表面，或者在 不修改的情况下被操作。其一个示例是机动化经炜仪或者总站点。
[0016] 为了提供在不使用具有诸如激光跟踪器的一般坐标测量机器的回射器的情况下 能够使用的这样的测量和扫描功能，从现有技术知晓具有附件模块的解决方案。举例来说， 文献EP 2 620 745A1公开了一种由例如激光跟踪器的坐标测量机器和固定到其上的扫描 模块构成的测量系统。
[0017] 在没有回射器的帮助下测量距离例如还可以利用在WO 2006/040263A1或者EP 1 869 397B1中描述的距离测量仪器，其中，通过频率调制连续波雷达（FMCW)或者干涉激光 雷达确定距离。然而，这些解决方案缺乏目标跟踪功能。
[0018] 然而，该多组件解决方案首先在生产工程方面很复杂，其次对于用户来说不灵便 并且不实际。从而，提供具有用于回射器的目标跟踪功能和以没有测量辅助设备（即，特别 是没有回射器）确定距离的可能性二者的坐标测量机器。
【发明内容】
[0019] 因此，本发明的目的在于提供一种将这些功能组合在一个机器中的改进坐标测量 机器。
[0020] 而且，一个目的在于提供这样的坐标测量机器，其中，结构构造被设计成具有更低 复杂性和更好可操作性，特别是坐标测量机器的模块结构不是必须的。
[0021] 本发明的又一目的在于以针对测量仪器另外提供扫描功能的方式扩展根据现有 技术的测量仪器。
[0022] 这些目的通过实现独立权利要求的特征部分来实现。以另选或者有利方式开发本 发明的特征可以从专利从属权利要求获得。
[0023] 本发明首先涉及坐标测量机器，坐标测量机器包括具有第一距离测量设备和第二 距离测量设备的光束引导单元，其中，第一距离测量设备的测量辐射使得能够对回射器目 标跟踪，同时第二距离测量设备的测量辐射允许测量到以散射方式反光的表面的距离。
[0024] 在该情况下，本发明的第一方面涉及激光跟踪器，其中，第二距离测量设备被设计 为用于执行波形数字化处理的WFD模块。
[0025] 根据本发明的用于位置确定并且特别是连续地跟踪被具体实现为回射器或者具 有至少一个回射器的目标的这样的激光跟踪器至少包括：底座；支撑件，支撑件绕第一旋 转轴可旋转地固定在底座上；光束引导单元，光束引导单元绕第二旋转轴可旋转地固定到 支撑件，第二旋转轴与第一旋转轴大致正交；用于检测支撑件相对于底座的旋转角的装置； 以及用于检测光束引导单元相对于支撑件的旋转角的装置。在该情况下，光束引导单元包 括：激光发射和接收光学单元，激光发射和接收光学单元用于发射测量辐射并且用于接收 测量辐射反射；第一光学距离测量单元，第一光学距离测量单元具有用于通过第一测量辐 射测量到测量辅助设备的回射器的距离的至少一个第一距离测量设备；以及第二光学距离 测量单元，第二光学距离测量单元包括用于发射第二测量辐射的第二束源、检测器和用于 通过第二测量辐射测量到目标对象的漫散射表面的距离的控制和处理单元。
[0026] 根据本发明的第一方面，
[0027] -第二束源被设计成发射脉冲光辐射（特别是激光束）作为第二测量辐射，
[0028] -第二测量辐射的从目标对象的表面反射的部分能传送到检测器，
[0029] -检测器被设计成检测第二测量辐射的反射部分的至少一个脉冲，以及
[0030] -第二光学距离测量单元被设计成在波形数字化处理的情况下数字化所检测的脉 冲，并且基于经数字化的脉冲确定到目标对象的表面的距离。
[0031] 在根据本发明的第一方面的激光跟踪器的一个实施方式中，特别是通过在光束引 导单元中设置在第二测量辐射的光束路径中提供的第一分束器，第二测量辐射的一部分能 传送到检测器作为基准光束。
[0032] 在根据本发明的第一方面的激光跟踪器的又一实施方式中，所述激光跟踪器包括 光束接收单元，所述光束接收单元被设计成将通过所述激光发射和