[发明专利]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

说明书

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。

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。

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。

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)。

然而，能够使用的束源例如是

-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)，

-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)，

-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)，

-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)，

-二极管泵浦固态激光器(DPSS)，

-分立模式激光器(DMD)，和/或

-微芯片激光器。

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。

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。

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。

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。

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CCD或CID相机(CCD＝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。