[发明专利]具有目标感测单元用于目标跟踪和取向检测的激光跟踪仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光跟踪仪和一种用于确定辅助测量仪器的位置并连续跟踪辅助测量仪器的方法。

背景技术

被设计为连续跟踪目标点并以坐标的方式确定该点的位置的测量设备通常可以集总地称为激光跟踪仪，特别是关于工业勘测。在这种情况下，目标点可由利用来自测量设备的光学测量光束(特别是激光束)瞄准的回射单元(例如立方棱镜)表示。激光束以平行方式被反射回到测量设备，利用该设备的感测单元感测反射的光束。在本文的上下文中，例如通过与系统的偏转镜或瞄准单元关联的用于角度测量的传感器确定光束的发射方向和接收方向。另外，通过光束的感测，例如通过传播时间测量或相位差测量，确定了从测量设备至目标点的距离。

另外，根据现有技术的激光跟踪仪可使用具有二维、光敏阵列的光学图像捕捉单元实现，所述光学图像捕捉单元例如CCD或CID相机或基于CMOS阵列的相机，或具有像素阵列传感器和具有图像处理单元。在这种情况下，激光跟踪仪和相机中的一个可特别地安装在另一个的顶部，使得它们相对于彼此的位置不能变化。例如，相机被布置为能够与激光跟踪仪一起绕激光跟踪仪的基本垂直的轴旋转，但能够独立于激光跟踪仪而向上和向下枢转，并且因此与激光束的光学系统分离。另外，相机可例如基于相应的应用而实现为能够仅绕一个轴枢转。在另选的的实施方式中，相机可以按照集成设计与激光光学系统一起安装在公共的外壳中。

通过利用图像捕捉和图像处理单元(已知作为带有相对于彼此的相对位置已知的标记的辅助测量仪器)的图像捕捉和评估，可推断出布置在辅助测量仪器上的物体(例如探针)在空间中的取向。与目标点的确定的空间位置一起，还可精确地确定物体在空间中的绝对和/或相对于激光跟踪仪的位置和取向。

可通过被称作接触感测工具(利用它们的接触点而设置在目标物体的点上)，可以实现这种辅助测量仪器。接触感测工具具有例如光点的标记和表示接触感测工具上的目标点的反射器，并且可利用来自跟踪仪激光束而被瞄准，标记和反射器相对于接触感测工具的接触点的位置是非常精确地知道的。按照本领域技术人员熟知的方式，辅助测量仪器还可是用于非接触式表面勘测操作的针对距离测量而配备的例如手持式扫描仪，用于相对于布置在扫描仪上的光点和反射器的距离测量的扫描仪测量光束的方向和位置是精确地知道的。这种扫描仪在例如EP0553266中有所描述。

对于距离测量，现有技术中的激光跟踪仪具有至少一个距离测量装置，所述距离测量装置可例如采取干涉仪的形式。由于这种距离测量单元仅可以测量相对距离变化，因此除干涉仪以外，将已知的绝对距离测量装置安装在现在的激光跟踪仪中。例如，通过得自徕卡测量系统(Leica Geosystems AG)的产品AT901，已知这种用于确定距离的测量装置的组合。在这方面，由于长相干长度和由此允许的测量范围，用于距离测量的干涉仪主要使用氦氖气激光器(HeNe激光器)作为光源。例如，从WO2007/079600A1已知利用HeNe激光器来确定距离的绝对距离测量装置和干涉仪的组合。

此外，在越来越标准的现代跟踪仪系统中，传感器被用于确定接收到的测量光束从零位置的偏离。这种可测量的偏离可用于确定回射器的中心与激光束在反射器上的碰撞点之间的位置差异，并且基于这种差异纠正或再调整激光束的取向，使得传感器上的偏离减小，尤其是为“零”，因此光束沿着反射器中心的方向定向。激光束取向的再调整使得可以进行目标点的连续目标跟踪并连续地确定目标点相对于测量器械的距离和位置。在这种情况下，可通过偏转镜的取向改变和/或通过枢转具有光束导向激光光学系统的瞄准单元来实现再调整，所述偏转镜可以机动化方式运动并且为了偏转激光束的目的而提供。

针对连续目标跟踪，根据现有技术的激光跟踪仪通常具有位置灵敏检测器(PSD)形式的跟踪区域传感器，其中能够在该位置灵敏检测器上检测到在目标处反射的测量激光辐射。在这方面，PSD应被理解为表示在模拟域中局部地操作并且可用于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，来自该传感器的输出信号利用一个或更多个光敏区域产生，并且取决于光焦点的对应位置。下游的或集成的电子元件可用于评估输出信号并确定焦点。在这种情况下，可非常快速和非常高分辨率地确定碰撞光点的焦点的位置。然而，PSD可仅用于确定光分布的焦点，而非多个光点的分布。

该PSD可用于确定感测到的光束的碰撞点从伺服控制零点的偏离，并且所述偏离可用作朝着目标再调整激光束的基础。为了该目的和为了实现高精度，该PSD的视场被选择为相对较小，即，对应于测量激光束的光束直径。