[发明专利]通过光纤光学耦合器组合两种不同波长的激光跟踪仪

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年1月30日提交的美国临时专利申请No.61/592,049以及2011年4月15日提交的美国临时申请No.61/475,703的优先权，因此通过参考将这两个申请的全部内容合并。

背景技术

本公开涉及坐标测量装置。一套坐标测量装置属于通过向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点，也可以撞击与点接触的回射器目标。在任何情况下，仪器通过测量到目标的距离和两个角度来确定点的坐标。距离通过诸如绝对距离计量仪或干涉仪这样的测距装置来测量。角度通过诸如角度编码器这样的测角装置来测量。仪器中的万向束控机构将激光束引导到感兴趣的点。

激光跟踪仪是通过它发射的一个或多个激光束来跟踪回射器目标的特定类型的坐标测量装置。与激光跟踪仪密切相关的坐标测量装置是激光扫描仪和全站仪。激光扫描仪向表面上的点逐步发射一个或多个激光束。它拾取从表面散射的光线并根据该光线确定到目标的距离和两个角度。全站仪在测量应用中最常使用，可用于测量扩散散射或回射目标的坐标。下面在广义地使用包括激光扫描仪和全站仪的术语激光跟踪仪。

通常激光跟踪仪向回射器目标发射激光束。普通类型的回射器目标是球面安装的回射器（SMR），它包括嵌入金属球中的立方隅角回射器。立方隅角回射器包括三面相互垂直的镜子。顶点是三面镜子的公共交点，设置在球心。因为球中立方隅角的这种布置，所以从顶点到SMR所在任何表面的垂直距离都保持恒定，即使在SMR旋转时。因此，当SMR在表面上移动时，激光跟踪仪可以通过跟随SMR的位置，测量表面的3D坐标。换言之，激光跟踪仪只需要测量三个自由度（一个径向距离和两个角度），就能完全表现表面的3D坐标的特征。

一种类型的激光跟踪仪只包含干涉仪（IFM），没有绝对距离计量仪（ADM）。如果物体阻挡了来自这些跟踪仪其中之一的激光束的路径，IFM就会失去它的距离参考。然后操作者必须跟踪回射器到已知位置，以在继续测量之前复位到参考距离。解决这种限制的方法是将ADM置于跟踪仪中。ADM可以以点和射击方式来测量距离，如下更详细所述。某些激光跟踪仪只包含ADM，没有干涉仪。授予Bridges等人的美国专利No.7,352,446（‘446）（其内容通过参考合并于此）描述了只有ADM（并且没有IFM）的激光跟踪仪，其能够准确地扫描移动目标。在‘446专利之前，绝对距离计量仪太慢，不能准确地找到移动目标的位置。

激光跟踪仪中的万向机构可用于将来自跟踪仪的激光束引导到SMR。被SMR回射的一部分光线进入激光跟踪仪并传递到位置检测器上。激光跟踪仪中的控制系统可以利用位置检测器上光线的位置来调节激光跟踪仪的机械轴的旋转角度，以保持激光束以SMR为中心。通过这种方式，跟踪仪能够跟随（跟踪）在感兴趣的物体的表面上移动的SMR。

诸如角度编码器的角度测量装置被附接于跟踪仪的机械轴。通过激光跟踪仪进行的一个距离测量和两个角度测量足以完全指定SMR的三维位置。

若干激光跟踪仪可应用于或者被提议用于测量6个自由度而不是通常的3个自由度。授予Bridges等人的美国专利No.7,800,758（‘758）（其内容通过参考合并于此的）以及授予Bridges等人的美国公开专利申请No.2010/0128259（其内容通过参考合并于此的）描述了示例性的6自由度（6DOF）系统。

过去，具有绝对距离计量仪的激光跟踪仪使用超过一种波长。可见光束被用于至少两个目的——（1）提供落在位置检测器上的光束，以实现回射器目标的跟踪，以及（2）提供指示器光束，用户通过指示器光束可以确定跟踪仪激光束的瞄准方向。已经将红外光束用于绝对距离计量仪。这种激光束的波长变化从780nm到1550nm。由于使用两种不同波长所致的困难包括：（1）从跟踪仪行进到回射器时获得两个不同激光束的精确对准中的困难，（2）由于需要有两个激光源、额外的光束分离器和其他构件所致的附加费用，以及（3）因为与可见光束相比，红外波长光束的散布更快，所以需要更大的激光束尺寸。因为需要将两个不同光束对准，所以需要附加的生产步骤，从而增加生产成本。此外，跟踪仪的性能从来不会与对准完美时的性能完全一样。需要更大的光束尺寸也意味着光束被回射器目标修整，从而导致在某些情况下降低精度，在其他情况下损失光束。所需要的是，激光跟踪仪具有能够保证完美对准的单一波长以及更小的光束尺寸，不需要额外的构件和劳动成本。

发明内容