激光跟蹤器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及具有集成到目標單元中的至少兩個距離測量設備的激光跟蹤器，其 中，第一距離測量設備被設計用于連續地跟蹤目標點，并且第二距離測量設備被設計用于 通過脈沖或者頻率調制光或者激光束進行距離測量，特別是被設計用于通過波形數字化 (WFD)或者作為頻率調制（特別是相干）的連續波激光（FMCW激光雷達）進行距離測量。
【背景技術】
[0002] 被設計用于連續地跟蹤目標點并且協調確定所述點的位置的測量裝置通常可以 在特別是與工業測量相關的術語激光跟蹤器下被結合。在該情況下，目標點可以由后向反 射單元（例如，立方棱鏡）表示，目標點由測量裝置的光學測量光束（特別是激光束）瞄準。 激光束以平行方式被反射回測量裝置，所反射的光束由裝置的檢測單元檢測。在該情況下， 例如通過用于被分配給系統的偏轉鏡或者瞄準單元的用于角測量的傳感器，分別確定光束 的發射方向和接收方向。另外，通過光束的檢測，例如通過飛行時間或者相位差測量或者通 過Fizeau原理，確定從測量裝置到目標點的距離。
[0003] 根據現有技術的激光跟蹤器可以另外通過具有二維光敏陣列的光學圖像檢測單 元（例如，(XD或CID相機或者基于CMOS陣列的相機）或者通過像素陣列傳感器或者通過 圖像處理單元被具體實現。在該情況下，激光跟蹤器和相機可以以它們的位置不能相對另 一個改變的方式將一個被安裝在另一個頂部上。相機例如以能夠繞其基本上垂直的軸與激 光跟蹤器一起旋轉的方式但是以獨立于激光跟蹤器可樞軸向上和向下從而特別是獨立于 激光束的光學單元的方式來布置。而且，例如，根據各個應用，相機可以被具體實現為僅繞 一個軸可樞軸旋轉。在另選實施方式中，相機可以與激光光學單元一起以集成設計被安裝 在公共殼體中。
[0004] 通過具有其相對位置已知的標記的所謂的輔助測量儀器的圖像的檢測和評估 (利用圖像檢測和圖像處理單元），從而可以推導在空間中布置在輔助測量儀器上的對象 (例如，探針）的方位。與所確定的目標點的空間位置一起，還可以精確地確定對象在空間 中絕對地和/或相對于激光跟蹤器的位置和方位。
[0005] 從而，通過所述測量儀器測量其位置和方位的對象不需要例如是測量探針本身， 而是測量輔助設備。作為測量系統的一部分，用于測量的測量輔助設備到達相對于目標對 象機械定義或者在測量期間可以確定的位置，其中，通過所測量的其位置和方位，可以推導 該位置，并且在適當時，例如推導測量探針的方位。
[0006] 這樣的輔助測量儀器可以由所謂的接觸感測工具具體實現，接觸感測工具在目標 對象的點上定位它們的接觸點。接觸感測工具具有例如光點的標記和反射器，反射器表示 接觸感測工具上的目標點并且可以由跟蹤器激光束瞄準，標記和反射器相對于接觸感測工 具的接觸點的位置被精確知曉。輔助測量儀器還可以以本領域技術人員已知的方式為例如 被裝配用于距離測量、用于無接觸表面測量的手持掃描儀，用于距離測量的掃描儀測量光 束相對于布置在掃描儀上的光點和反射器的方向和位置被精確知曉。該類型的掃描儀例如 在ΕΡ Ο 553 266中描述。
[0007] 為了距離測量，現有技術的激光跟蹤器具有至少一個距離測量設備，其中，至少一 個距離測量設備可以被具體化為例如干涉儀。由于這樣的距離測量單元可以僅測量距離 的相對改變，除了干涉儀之外，所謂的絕對距離測量設備被安裝在現代激光跟蹤器中。在 該上下文中用于距離測量的干涉儀主要使用-由于長干涉長度和由此可以作出的測量范 圍-HeNe氣激光器作為光源。在該情況下，HeNe激光器的干涉長度可以是幾百米，使得在 工業度量中要求的范圍可以通過相對簡單的干涉儀構造獲得。絕對距離測量設備和用于利 用HeNe激光器確定距離的干涉儀的組合例如從WO 2007/079600A1知曉。
[0008] 另外，在現代跟蹤器系統中-越來越多地以標準化方式-在精細瞄準傳感 器上確定所接收測量光束從零位置的偏移。通過該可測量偏移，可以確定回射器 (retroreflector)的中心與反射器上的激光束的碰撞點之間的位置差，并且以精細瞄準傳 感器上的偏移被減小（特別是為"零"）的方式根據該偏離校正或者重新調整激光束的對 準，并且從而光束在反射器中心的方向上對準。作為重新調整激光束對準的結果，可以實現 目標點的連續目標跟蹤，并且可以相對于測量儀器連續地確定目標點的距離和位置。可以 通過被設置為偏轉激光束的偏轉鏡的對準的改變和/或通過具有光束引導激光光學單元 的瞄準單元的樞軸旋轉，在該情況下實現重新調整，所述偏轉鏡以機動方式可移動。
[0009] 為了確定測量輔助設備的方位，相機的檢測方向被連續地對準，使得圖像能夠在 激光跟蹤器的跟蹤光束的方向上被檢測。相機還可以具有變焦功能，其中，放大倍數可以根 據激光跟蹤器與目標點或者測量輔助設備之間的所確定的距離來設置。通過這兩個自適應 功能（對準和放大），相機從而可以連續地檢測圖像，其中，對測量輔助設備并且特別是測 量輔助設備的光點成像。結果，產生光點的空間布置的電子可評估的二維圖像。
[0010] 圖像處理單元被提供用于評估圖像。這可以用于識別成像的光點，以確定成像光 點的質心，并且確定所述質心的圖像坐標，從該圖像坐標可以計算例如傳感器的光軸（特 別是檢測方向）與從傳感器到各個光點的方向之間的立體角。
[0011] 具有激光跟蹤器和圖像檢測單元的用于確定在空間上在其上布置光點和反射器 的對象的位置和方位的坐標測量機器例如在US 5, 973, 788中描述。
[0012] 通過使用這樣的坐標測量機器，可以通過由圖像檢測單元記錄的至少三個光點和 反射激光跟蹤器的測量光束的至少一個反射器可以布置在對象處，該對象的位置和方位將 在相對于該對象已知的位置處被確定。將由圖像檢測單元記錄的光點可以是有源光源（例 如，發光二極管）或者將被照射的反射器，其中，光點以它們相互清晰可區分的方式被裝配 或者布置。
[0013] WO 2007/079600A1公開了一種基于普通激光器的坐標測量機器，其中，距離測量 裝置的光出口和光接收光學單元、測量相機和概覽相機（overview camera)被布置在公共 元件上，公共元件相對于至少兩個軸可旋轉，并且激光束通過來自安裝在光束引導單元的 外部的激光模塊的光波導被耦合到距離測量裝置中。
[0014] 相反，不使用具有回射器的測量輔助設備的距離的測量（即，直接對待測量對象 的表面進行的測量）可以不具有這樣的坐標測量機器。
[0015] 從而，對于以下情況掃描對象表面是不可以的：為了檢測對象或者表面，通常使用 逐漸掃描的方法，并且在處理中，記錄諸如例如施工現場的結構的拓撲。在該情況下，這樣 的拓撲構成描述對象的表面的點的連續序列、或者表面的相應模型或者描述。一種傳統方 法是通過激光掃描器掃描，在每種情況下，激光掃描器都通過到由激光所測量的被瞄準表 面點的距離并且將該測量與激光發射的角信息組合，來檢測表面點的空間位置。根據該距 離和角信息，可以確定所檢測點的空間位置，并且可以連續地測量該表面。在很多情況下， 與該表面的純幾何檢測同時，還執行通過相機的圖像記錄，除了總體視覺視圖之外，其還提 供例如關于表面紋理的進一步信息。W0 97/40342描述一種通過以固定方式安裝的掃描器 系統記錄拓撲的方法。另外，掃描功能可以被集成到多種其它儀器中作為附加功能。例如， WO 2004/036145公開一種大地測量儀器，該大地測量儀器在所檢測范圍內從其位置發射用 于距離測量的激光束。這樣的測量儀器可以同樣被修改用于以掃描方式檢測表面，或者在 不修改的情況下被操作。其一個示例是機動化經煒儀或者總站點。
[0016] 為了提供在不使用具有諸如激光跟蹤器的一般坐標測量機器的回射器的情況下 能夠使用的這樣的測量和掃描功能，從現有技術知曉具有附件模塊的解決方案。舉例來說， 文獻EP 2 620 745A1公開了一種由例如激光跟蹤器的坐標測量機器和固定到其上的掃描 模塊構成的測量系統。
[0017] 在沒有回射器的幫助下測量距離例如還可以利用在WO 2006/040263A1或者EP 1 869 397B1中描述的距離測量儀器，其中，通過頻率調制連續波雷達（FMCW)或者干涉激光 雷達確定距離。然而，這些解決方案缺乏目標跟蹤功能。
[0018] 然而，該多組件解決方案首先在生產工程方面很復雜，其次對于用戶來說不靈便 并且不實際。從而，提供具有用于回射器的目標跟蹤功能和以沒有測量輔助設備（即，特別 是沒有回射器）確定距離的可能性二者的坐標測量機器。
【發明內容】
[0019] 因此，本發明的目的在于提供一種將這些功能組合在一個機器中的改進坐標測量 機器。
[0020] 而且，一個目的在于提供這樣的坐標測量機器，其中，結構構造被設計成具有更低 復雜性和更好可操作性，特別是坐標測量機器的模塊結構不是必須的。
[0021] 本發明的又一目的在于以針對測量儀器另外提供掃描功能的方式擴展根據現有 技術的測量儀器。
[0022] 這些目的通過實現獨立權利要求的特征部分來實現。以另選或者有利方式開發本 發明的特征可以從專利從屬權利要求獲得。
[0023] 本發明首先涉及坐標測量機器，坐標測量機器包括具有第一距離測量設備和第二 距離測量設備的光束引導單元，其中，第一距離測量設備的測量輻射使得能夠對回射器目 標跟蹤，同時第二距離測量設備的測量輻射允許測量到以散射方式反光的表面的距離。
[0024] 在該情況下，本發明的第一方面涉及激光跟蹤器，其中，第二距離測量設備被設計 為用于執行波形數字化處理的WFD模塊。
[0025] 根據本發明的用于位置確定并且特別是連續地跟蹤被具體實現為回射器或者具 有至少一個回射器的目標的這樣的激光跟蹤器至少包括：底座；支撐件，支撐件繞第一旋 轉軸可旋轉地固定在底座上；光束引導單元，光束引導單元繞第二旋轉軸可旋轉地固定到 支撐件，第二旋轉軸與第一旋轉軸大致正交；用于檢測支撐件相對于底座的旋轉角的裝置； 以及用于檢測光束引導單元相對于支撐件的旋轉角的裝置。在該情況下，光束引導單元包 括：激光發射和接收光學單元，激光發射和接收光學單元用于發射測量輻射并且用于接收 測量輻射反射；第一光學距離測量單元，第一光學距離測量單元具有用于通過第一測量輻 射測量到測量輔助設備的回射器的距離的至少一個第一距離測量設備；以及第二光學距離 測量單元，第二光學距離測量單元包括用于發射第二測量輻射的第二束源、檢測器和用于 通過第二測量輻射測量到目標對象的漫散射表面的距離的控制和處理單元。
[0026] 根據本發明的第一方面，
[0027] -第二束源被設計成發射脈沖光輻射（特別是激光束）作為第二測量輻射，
[0028] -第二測量輻射的從目標對象的表面反射的部分能傳送到檢測器，
[0029] -檢測器被設計成檢測第二測量輻射的反射部分的至少一個脈沖，以及
[0030] -第二光學距離測量單元被設計成在波形數字化處理的情況下數字化所檢測的脈 沖，并且基于經數字化的脈沖確定到目標對象的表面的距離。
[0031] 在根據本發明的第一方面的激光跟蹤器的一個實施方式中，特別是通過在光束引 導單元中設置在第二測量輻射的光束路徑中提供的第一分束器，第二測量輻射的一部分能 傳送到檢測器作為基準光束。
[0032] 在根據本發明的第一方面的激光跟蹤器的又一實施方式中，所述激光跟蹤器包括 光束接收單元，所述光束接收單元被設計成將通過所述激光發射和