通過(guò)光纖光學(xué)耦合器組合兩種不同波長(zhǎng)的激光跟蹤儀的制作方法
【專利摘要】一種被配置為將第一光束的光線發(fā)送到遠(yuǎn)程回射器目標(biāo)的坐標(biāo)測(cè)量裝置包括：第一光源和第二光源，第一光源和第二光源被配置為分別發(fā)射具有第一波長(zhǎng)和第二波長(zhǎng)的第一光線和第二光線，所述波長(zhǎng)不同；光纖光學(xué)耦合器，包括至少第一端口、第二端口和第三端口，第一端口被配置為接受第一光線的第一部分，第二端口被配置為接受第二光線的第二部分，第三端口被配置為傳輸?shù)谌饩€，第三光線包括第一部分和第二部分各自的一部分。該裝置還包括：光學(xué)系統(tǒng)；第一電機(jī)和第二電機(jī)；第一角度測(cè)量裝置和第二角度測(cè)量裝置，被配置為分別測(cè)量第一旋轉(zhuǎn)角度和第二旋轉(zhuǎn)角度；距離計(jì)量?jī)x，被配置為至少部分地基于通過(guò)第一光學(xué)檢測(cè)器接收的第二光束的第三部分，測(cè)量從該裝置到目標(biāo)的第一距離；以及處理器，被配置為提供該目標(biāo)的3D坐標(biāo)。
【專利說(shuō)明】通過(guò)光纖光學(xué)耦合器組合兩種不同波長(zhǎng)的激光跟蹤儀
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)要求2012年I月30日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/592,049以及2011年4月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/475，703的優(yōu)先權(quán)，因此通過(guò)參考將這兩個(gè)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容合并。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開(kāi)涉及坐標(biāo)測(cè)量裝置。一套坐標(biāo)測(cè)量裝置屬于通過(guò)向點(diǎn)發(fā)送激光束來(lái)測(cè)量該點(diǎn)的三維(3D)坐標(biāo)的一類儀器。激光束可以直接撞擊點(diǎn)，也可以撞擊與點(diǎn)接觸的回射器目標(biāo)。在任何情況下，儀器通過(guò)測(cè)量到目標(biāo)的距離和兩個(gè)角度來(lái)確定點(diǎn)的坐標(biāo)。距離通過(guò)諸如絕對(duì)距離計(jì)量?jī)x或干涉儀這樣的測(cè)距裝置來(lái)測(cè)量。角度通過(guò)諸如角度編碼器這樣的測(cè)角裝置來(lái)測(cè)量。儀器中的萬(wàn)向束控機(jī)構(gòu)將激光束引導(dǎo)到感興趣的點(diǎn)。
[0004]激光跟蹤儀是通過(guò)它發(fā)射的一個(gè)或多個(gè)激光束來(lái)跟蹤回射器目標(biāo)的特定類型的坐標(biāo)測(cè)量裝置。與激光跟蹤儀密切相關(guān)的坐標(biāo)測(cè)量裝置是激光掃描儀和全站儀。激光掃描儀向表面上的點(diǎn)逐步發(fā)射一個(gè)或多個(gè)激光束。它拾取從表面散射的光線并根據(jù)該光線確定到目標(biāo)的距離和兩個(gè)角度。全站儀在測(cè)量應(yīng)用中最常使用，可用于測(cè)量擴(kuò)散散射或回射目標(biāo)的坐標(biāo)。下面在廣義地使用包括激光掃描儀和全站儀的術(shù)語(yǔ)激光跟蹤儀。
[0005]通常激光跟蹤儀向回射器目標(biāo)發(fā)射激光束。普通類型的回射器目標(biāo)是球面安裝的回射器(SMR),它包括嵌入金屬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鏡子。頂點(diǎn)是三面鏡子的公共交點(diǎn)，設(shè)置在球心。因?yàn)榍蛑辛⒎接缃堑倪@種布置，所以從頂點(diǎn)到SMR所在任何表面的垂直距離都保持恒定，即使在SMR旋轉(zhuǎn)時(shí)。因此，當(dāng)SMR在表面上移動(dòng)時(shí)，激光跟蹤儀可以通過(guò)跟隨SMR的位置，測(cè)量表面的3D坐標(biāo)。換言之，激光跟蹤儀只需要測(cè)量三個(gè)自由度(一個(gè)徑向距離和兩個(gè)角度)，就能完全表現(xiàn)表面的3D坐標(biāo)的特征。
[0006]一種類型的激光跟蹤儀只包含干涉儀(IFM)，沒(méi)有絕對(duì)距離計(jì)量?jī)x(ADM)。如果物體阻擋了來(lái)自這些跟蹤儀其中之一的激光束的路徑，IFM就會(huì)失去它的距離參考。然后操作者必須跟蹤回射器到已知位置，以在繼續(xù)測(cè)量之前復(fù)位到參考距離。解決這種限制的方法是將ADM置于跟蹤儀中。ADM可以以點(diǎn)和射擊方式來(lái)測(cè)量距離，如下更詳細(xì)所述。某些激光跟蹤儀只包含ADM，沒(méi)有干涉儀。授予Bridges等人的美國(guó)專利N0.7，352，446 (‘446)(其內(nèi)容通過(guò)參考合并于此)描述了只有ADM (并且沒(méi)有IFM)的激光跟蹤儀，其能夠準(zhǔn)確地掃描移動(dòng)目標(biāo)。在‘446專利之前，絕對(duì)距離計(jì)量?jī)x太慢，不能準(zhǔn)確地找到移動(dòng)目標(biāo)的位置。
[0007]激光跟蹤儀中的萬(wàn)向機(jī)構(gòu)可用于將來(lái)自跟蹤儀的激光束引導(dǎo)到SMR。被SMR回射的一部分光線進(jìn)入激光跟蹤儀并傳遞到位置檢測(cè)器上。激光跟蹤儀中的控制系統(tǒng)可以利用位置檢測(cè)器上光線的位置來(lái)調(diào)節(jié)激光跟蹤儀的機(jī)械軸的旋轉(zhuǎn)角度，以保持激光束以SMR為中心。通過(guò)這種方式，跟蹤儀能夠跟隨(跟蹤)在感興趣的物體的表面上移動(dòng)的SMR。
[0008]諸如角度編碼器的角度測(cè)量裝置被附接于跟蹤儀的機(jī)械軸。通過(guò)激光跟蹤儀進(jìn)行的一個(gè)距離測(cè)量和兩個(gè)角度測(cè)量足以完全指定SMR的三維位置。
[0009]若干激光跟蹤儀可應(yīng)用于或者被提議用于測(cè)量6個(gè)自由度而不是通常的3個(gè)自由度。授予Bridges等人的美國(guó)專利N0.7，800, 758 (‘758)(其內(nèi)容通過(guò)參考合并于此的)以及授予Bridges等人的美國(guó)公開(kāi)專利申請(qǐng)N0.2010/0128259 (其內(nèi)容通過(guò)參考合并于此的)描述了示例性的6自由度(6DOF)系統(tǒng)。
[0010]過(guò)去，具有絕對(duì)距離計(jì)量?jī)x的激光跟蹤儀使用超過(guò)一種波長(zhǎng)?？梢?jiàn)光束被用于至少兩個(gè)目的一(I)提供落在位置檢測(cè)器上的光束，以實(shí)現(xiàn)回射器目標(biāo)的跟蹤，以及(2)提供指示器光束，用戶通過(guò)指示器光束可以確定跟蹤儀激光束的瞄準(zhǔn)方向。已經(jīng)將紅外光束用于絕對(duì)距離計(jì)量?jī)x。這種激光束的波長(zhǎng)變化從780nm到1550nm。由于使用兩種不同波長(zhǎng)所致的困難包括:(1)從跟蹤儀行進(jìn)到回射器時(shí)獲得兩個(gè)不同激光束的精確對(duì)準(zhǔn)中的困難，(2)由于需要有兩個(gè)激光源、額外的光束分離器和其他構(gòu)件所致的附加費(fèi)用，以及(3)因?yàn)榕c可見(jiàn)光束相比，紅外波長(zhǎng)光束的散布更快，所以需要更大的激光束尺寸。因?yàn)樾枰獙蓚€(gè)不同光束對(duì)準(zhǔn)，所以需要附加的生產(chǎn)步驟，從而增加生產(chǎn)成本。此外，跟蹤儀的性能從來(lái)不會(huì)與對(duì)準(zhǔn)完美時(shí)的性能完全一樣。需要更大的光束尺寸也意味著光束被回射器目標(biāo)修整，從而導(dǎo)致在某些情況下降低精度，在其他情況下?lián)p失光束。所需要的是，激光跟蹤儀具有能夠保證完美對(duì)準(zhǔn)的單一波長(zhǎng)以及更小的光束尺寸，不需要額外的構(gòu)件和勞動(dòng)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，坐標(biāo)測(cè)量裝置被配置為將第一光束的光線發(fā)送到遠(yuǎn)程回射器目標(biāo)，回射器目標(biāo)具有空間中的位置，回射器目標(biāo)返回一部分第一光束作為第二光束。測(cè)量裝置包括:第一光源，被配置為發(fā)射具有第一波長(zhǎng)的第一光線；以及第二光源，被配置為發(fā)射具有第二波長(zhǎng)的第二光線，第二波長(zhǎng)與所述第一波長(zhǎng)不同。裝置還包括:光纖光學(xué)耦合器，包括至少第一端口、第二端口和第三端口，第一端口被配置為接受第一光線的第一部分，第二端口被配置為接受第二光線的第二部分，第三端口被配置為傳輸?shù)谌饩€，第三光線包括第一部分的一部分以及第二部分的一部分；以及光學(xué)系統(tǒng)，被配置為將一部分所述第三光線傳輸離開(kāi)坐標(biāo)測(cè)量裝置，作為第一光束。該裝置還包括:第一電機(jī)和第二電機(jī)，第一電機(jī)和第二電機(jī)一起被配置為將第一光束的光線引導(dǎo)到第一方向，第一方向由關(guān)于第一軸的第一旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于第二軸的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，第一旋轉(zhuǎn)角度由第一電機(jī)產(chǎn)生，第二旋轉(zhuǎn)角度由第二電機(jī)產(chǎn)生。該裝置還包括:第一角度測(cè)量裝置，被配置為測(cè)量第一旋轉(zhuǎn)角度，以及第二角度測(cè)量裝置，被配置為測(cè)量第二旋轉(zhuǎn)角度；距離計(jì)量?jī)x，被配置為至少部分地基于通過(guò)第一光學(xué)檢測(cè)器接收的第二光束的第三部分，測(cè)量從坐標(biāo)測(cè)量裝置到回射器目標(biāo)的第一距離；以及處理器，被配置為提供回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)，三維坐標(biāo)至少部分地基于第一距離、第一旋轉(zhuǎn)角度和第二旋轉(zhuǎn)角度。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供一種用于測(cè)量位于空間中的位置的回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)的方法。該方法包括步驟:提供坐標(biāo)測(cè)量裝置，坐標(biāo)測(cè)量裝置包括產(chǎn)生第一波長(zhǎng)的第一光線的第一光源、產(chǎn)生與所述第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)的第二光線的第二光源、包括至少第一端口、第二端口和第三端口的光纖光學(xué)稱合器、光學(xué)系統(tǒng)、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一角度測(cè)量裝置、第二角度測(cè)量裝置、距離計(jì)量?jī)x以及處理器。該方法還包括步驟:將第一光線的第一部分耦合到第一端口 ；將第二光線的第二部分耦合到第二端口 ；從第三端口傳輸?shù)谌饩€，第三光線包含該第一部分的一部分以及該第二部分的一部分；通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將一部分第三光線傳輸離開(kāi)坐標(biāo)測(cè)量裝置，作為第一光束的光線；沿第一方向引導(dǎo)所述第一光束，第一方向由關(guān)于第一軸的第一旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于第二軸的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，第一旋轉(zhuǎn)角度由第一電機(jī)產(chǎn)生，第二旋轉(zhuǎn)角度由第二電機(jī)產(chǎn)生。該方法還包括步驟:通過(guò)第一角度測(cè)量裝置測(cè)量第一旋轉(zhuǎn)角度；通過(guò)第二角度測(cè)量裝置測(cè)量第二旋轉(zhuǎn)角度；從回射器目標(biāo)反射一部分第一光束，作為第二光束；通過(guò)距離計(jì)量?jī)x測(cè)量從坐標(biāo)測(cè)量裝置到回射器目標(biāo)的第一距離，所測(cè)量的距離至少部分地基于通過(guò)第一光學(xué)檢測(cè)器接收的第二光束的光線的第三部分；至少部分地基于第一距離、第一旋轉(zhuǎn)角度以及第二旋轉(zhuǎn)角度，確定回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)；以及存儲(chǔ)所確定的三維坐標(biāo)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]下面參照附圖，所示的示例性實(shí)施例不應(yīng)解釋為對(duì)本公開(kāi)的全部范圍的限制，并且其中，在若干附圖中對(duì)元件類似地編號(hào):
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有回射器目標(biāo)的激光跟蹤儀系統(tǒng)的立體圖；
[0015]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有6D0F目標(biāo)的激光跟蹤儀系統(tǒng)的立體圖；
[0016]圖3是描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光跟蹤儀光學(xué)器件和電子器件的元件的方框圖；
[0017]圖4包括圖4A和圖4B，示出兩種類型的現(xiàn)有技術(shù)無(wú)焦點(diǎn)擴(kuò)束器；
[0018]圖5不出現(xiàn)有技術(shù)光纖光學(xué)光束發(fā)射器；
[0019]圖6A-D是示出4種類型的現(xiàn)有技術(shù)位置檢測(cè)器組件的示意圖，而圖6E、圖6F是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的位置檢測(cè)器組件的示意圖；
[0020]圖7是現(xiàn)有技術(shù)ADM中的電和電光元件的方框圖；
[0021]圖8A和圖SB是示出現(xiàn)有技術(shù)光纖光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的光纖光學(xué)元件的示意圖；
[0022]圖SC是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的光纖光學(xué)元件的示意圖；
[0023]圖9是現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀的分解圖；
[0024]圖10是現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀的剖視圖；
[0025]圖11是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光跟蹤儀的計(jì)算和通信元件的方框圖；
[0026]圖12A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用單一波長(zhǎng)的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0027]圖12B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用單一波長(zhǎng)的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0028]圖13是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有6D0F能力的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0029]圖14A-D是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有6D0F能力的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0030]圖15是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0031]圖16是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光纖光學(xué)組件中的元件的示意圖；
[0032]圖17是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有6D0F能力的激光跟蹤儀中的元件的方框圖；
[0033]圖18是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于測(cè)量回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)的方法的流程圖；以及
[0034]圖19是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于測(cè)量回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)的方法的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0035]圖1示出的示例性激光跟蹤儀系統(tǒng)5包括激光跟蹤儀10、回射器目標(biāo)26、可選輔助單元處理器50和可選輔助計(jì)算機(jī)60。激光跟蹤儀10的示例性萬(wàn)向束控機(jī)構(gòu)12包括天頂架14，天頂架14安裝在方位底座16上并繞方位軸20旋轉(zhuǎn)。載荷15安裝在天頂架14上并繞天頂軸18旋轉(zhuǎn)。在跟蹤儀10內(nèi)部，天頂軸18與方位軸20在萬(wàn)向點(diǎn)22垂直相交，萬(wàn)向點(diǎn)22通常是距離測(cè)量的原點(diǎn)。激光束46虛擬通過(guò)萬(wàn)向點(diǎn)22并被指向?yàn)榇怪庇谔祉斴S
18。換言之，激光束46近似垂直于與天頂軸18以及方位軸20兩者平行的任何平面。出射激光束46通過(guò)載荷15繞天頂軸18的旋轉(zhuǎn)以及天頂架14繞方位軸20的旋轉(zhuǎn),指向期望的方向。在跟蹤儀10內(nèi)部，天頂角度編碼器附接于與天頂軸20對(duì)準(zhǔn)的天頂機(jī)械軸。在跟蹤儀10內(nèi)部，方位角度編碼器附接于與方位軸20對(duì)準(zhǔn)的方位機(jī)械軸。天頂和方位角度編碼器以較高的精度測(cè)量旋轉(zhuǎn)的天頂和方位角度。出射激光束46傳播到回射器目標(biāo)26，回射器目標(biāo)26例如可以是上述球面安裝的回射器(SMR)。通過(guò)測(cè)量萬(wàn)向點(diǎn)22與回射器26之間的徑向距離、關(guān)于天頂軸18的旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于方位軸20的旋轉(zhuǎn)角度，在跟蹤儀的球面坐標(biāo)系中找到回射器26的位置。
[0036]出射激光束46可包括一個(gè)或多個(gè)激光波長(zhǎng)，如下所述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在下面的討論中假定圖1所示類型的控制機(jī)構(gòu)。但是，其他類型的控制機(jī)構(gòu)也可以。例如，可以將激光束反射離開(kāi)繞著方位軸和天頂軸旋轉(zhuǎn)的鏡子。這里所述的技術(shù)不管控制機(jī)構(gòu)的類型如何都是可行的。
[0037]可將磁巢17包括在激光跟蹤儀中，用于針對(duì)不同尺寸的SMR，例如1.5,7/8和1/2英寸的SMR，將激光跟蹤儀復(fù)位到“原本”位置。跟蹤儀上的回射器19可用于將跟蹤儀復(fù)位到參考距離。此外，從圖1的視圖看不見(jiàn)的跟蹤儀上的鏡子可用于與跟蹤儀上的回射器組合，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償性能，如美國(guó)專利N0.7，327，446所述，該專利的內(nèi)容通過(guò)參考被合并。
[0038]圖2示出示例性激光跟蹤儀系統(tǒng)7，除了用6D0F探針1000代替回射器目標(biāo)26之夕卜，激光跟蹤儀系統(tǒng)7與圖1的激光跟蹤儀系統(tǒng)5相似。在圖1中，可使用其他類型的回射器目標(biāo)。例如，有時(shí)候使用貓眼回射器，貓眼回射器是玻璃回射器，其中光線聚焦在玻璃結(jié)構(gòu)的反射性后表面上的小光點(diǎn)。
[0039]圖3是示出激光跟蹤儀實(shí)施例中的光學(xué)和電學(xué)元件的方框圖。它示出發(fā)射兩種波長(zhǎng)的光線的激光跟蹤儀的元件——第一波長(zhǎng)用于ADM，第二波長(zhǎng)用于可見(jiàn)指示器并用于跟蹤?？梢?jiàn)指示器使得用戶能夠看見(jiàn)跟蹤儀發(fā)射的激光光點(diǎn)的位置。利用自由空間光束分離器，將兩種不同的波長(zhǎng)組合。電光(EO)系統(tǒng)100包括可見(jiàn)光源110、隔離器115、可選第一光纖發(fā)射器170、可選干涉儀(IFM) 120、擴(kuò)束器140、第一光束分離器145、位置檢測(cè)器組件150、第二光束分離器155、ADM160以及第二光纖發(fā)射器170。
[0040]可見(jiàn)光源110可以是激光器、超級(jí)發(fā)光二極管或者其他光發(fā)射裝置。隔離器115可以是法拉第隔離器、衰減器或者能夠減少反射回到光源的光線的其他裝置?？蛇xIFM可以以多種方式配置。作為可能實(shí)施方式的特定不例，IFM可包括光束分離器122、回射器126、四分之一波片124、130以及相位分析器128。可見(jiàn)光源110可以向自由空間發(fā)射光線，然后光線通過(guò)隔離器115以及可選IFM120在自由空間中傳播?；蛘?，通過(guò)光纖線纜可將隔離器115連接到可見(jiàn)光源110。在這種情況下，可將來(lái)自隔離器的光線通過(guò)第一光纖光學(xué)發(fā)射器170發(fā)射到自由空間，如下參照?qǐng)D5所述。
[0041 ] 擴(kuò)束器140可以利用多種透鏡配置來(lái)設(shè)置，兩種常用的現(xiàn)有技術(shù)配置在圖4A和圖4B中示出。圖4A示出基于使用負(fù)透鏡141A和正透鏡142A的配置140A。入射到負(fù)透鏡141A的準(zhǔn)直光束220A從正透鏡142A顯現(xiàn)為更大的準(zhǔn)直光束230A。圖4B示出基于使用兩個(gè)正透鏡141BU42B的配置140B。入射到第一正透鏡141B的準(zhǔn)直光束220B從第二正透鏡142B顯現(xiàn)為更大的準(zhǔn)直光束230B。在離開(kāi)擴(kuò)束器140的光線中，少量在脫離跟蹤儀的路徑上反射離開(kāi)光束分離器145、155并損失。傳遞通過(guò)光束分離器155的那部分光線與來(lái)自ADM160的光線組合，形成復(fù)合光束188，復(fù)合光束188離開(kāi)激光跟蹤儀并傳播到回射器90。
[0042]在實(shí)施例中，ADM160包括光源162、ADM電子器件164、光纖網(wǎng)絡(luò)166、互連電纜165以及互連光纖168、169、184、186o ADM電子器件向光源162發(fā)送電調(diào)制和偏置電壓，光源162例如可以是以大約1550nm的波長(zhǎng)操作的分布式反饋激光器。在實(shí)施例中，光纖網(wǎng)絡(luò)166可以是圖8A所示的光纖光學(xué)網(wǎng)絡(luò)420A。在該實(shí)施例中，來(lái)自圖3中的光源162的光線在光纖184上傳播，光纖184等價(jià)于圖8A中的光纖432。
[0043]圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)包括第一光纖耦合器430、第二光纖耦合器436以及低傳輸反射器435、440。光線傳播通過(guò)第一光纖耦合器430并在兩條路徑之間分離，第一路徑通過(guò)光纖433到第二光纖耦合器436，而第二路徑通過(guò)光纖422和光纖長(zhǎng)度均衡器423。光纖長(zhǎng)度均衡器423連接到圖3中的光纖長(zhǎng)度168，光纖長(zhǎng)度168傳播到ADM電子器件164的參考信道。光纖長(zhǎng)度均衡器423的目的是將參考信道中光線穿過(guò)的光纖的長(zhǎng)度與測(cè)量信道中光線穿過(guò)的光纖的長(zhǎng)度匹配。通過(guò)這種方式匹配光纖長(zhǎng)度減少了由于環(huán)境溫度變化所致的ADM誤差。這些誤差會(huì)因?yàn)楣饫w的有效光路長(zhǎng)度等于光纖的平均折射系數(shù)乘以光纖長(zhǎng)度而出現(xiàn)。因?yàn)楣饫w的折射系數(shù)取決于光纖的溫度，所以光纖溫度的變化引起測(cè)量信道和參考信道的有效光路長(zhǎng)度的變化。如果測(cè)量信道中光纖的有效光路長(zhǎng)度相對(duì)于參考信道中光纖的有效光路長(zhǎng)度而變化，那么即使將回射器目標(biāo)90保持靜止，結(jié)果也將是回射器目標(biāo)90位置的明顯移動(dòng)。為了避免這個(gè)問(wèn)題，采取兩個(gè)步驟。首先，盡可能將參考信道的光纖長(zhǎng)度與測(cè)量信道的光纖長(zhǎng)度匹配。其次，將測(cè)量光纖和參考光纖布置為并排到可以保證兩個(gè)信道中的光纖經(jīng)歷幾乎相同的溫度變化的程度。
[0044]光線傳播通過(guò)第二光纖光學(xué)耦合器436并分離為兩條路徑，第一路徑到低反射光纖終止器440，第二路徑到光纖438，光線從其傳播到圖3中的光纖186。光纖186上的光線傳播到第二光纖發(fā)射器170。
[0045]在實(shí)施例中，在現(xiàn)有技術(shù)圖5中示出光纖發(fā)射器170。來(lái)自圖3的光纖186的光線進(jìn)入圖5中的光纖172。光纖發(fā)射器170包括光纖172、套環(huán)174以及透鏡176。光纖172附接于套環(huán)174，套環(huán)174穩(wěn)定地附接于激光跟蹤儀10中的結(jié)構(gòu)。如果需要的話，光纖終端可以以一個(gè)角度拋光，以減少背射。光線在光纖中心顯現(xiàn)，光纖可以是直徑在4微米與12微米之間的單模式光纖，取決于所使用光線的波長(zhǎng)以及光纖的特定類型。光線250以一個(gè)角度發(fā)散并與透鏡176相交(interc印t)，透鏡176校準(zhǔn)光線250。在專利‘758中參照?qǐng)D3描述通過(guò)ADM系統(tǒng)中的單個(gè)光纖發(fā)射和接收光信號(hào)的方法。
[0046]參照?qǐng)D3，光束分離器155可以是二色性光束分離器，其透射的波長(zhǎng)與其反射的波長(zhǎng)不同。在實(shí)施例中，來(lái)自ADM160的光線反射離開(kāi)二色性光束分離器155，并與來(lái)自可見(jiàn)激光器110的光線組合，來(lái)自可見(jiàn)激光器110的光線傳輸通過(guò)二色性光束分離器155。合成光束的光線188傳播離開(kāi)激光跟蹤儀到回射器90作為第一光束，第一光束返回一部分光線作為第二光束。第二光束處于ADM波長(zhǎng)的那一部分反射離開(kāi)二色性光束分離器155,并返回第二光纖發(fā)射器170，第二光纖發(fā)射170將光線耦合回到光纖186。[0047]在實(shí)施例中，光纖186對(duì)應(yīng)于圖8A中的光纖438。返回光線從光纖438傳播通過(guò)第二光纖耦合器436并分離為兩條路徑。第一路徑導(dǎo)向光纖424，在實(shí)施例中，光纖424對(duì)應(yīng)于光纖169，光纖169導(dǎo)向圖3中ADM電子器件164的測(cè)量信道。第二路徑導(dǎo)向光纖433，然后導(dǎo)向第一光纖耦合器430。離開(kāi)第一光纖耦合器430的光線在兩條路徑之間分離，第一路徑到光纖432，而第二路徑到低反射率終端435。在實(shí)施例中，光纖432對(duì)應(yīng)于光纖184，光纖184導(dǎo)向圖3中的光源162。在多數(shù)情況下,光源162包括內(nèi)建的法拉第隔離器,法拉第隔離器將從光纖432進(jìn)入光源的光量最小化。在相反方向上饋入激光器的額外光線可以使激光器不穩(wěn)定。
[0048]來(lái)自光纖網(wǎng)絡(luò)166的光線通過(guò)光纖168、169進(jìn)入ADM電子器件164。現(xiàn)有技術(shù)ADM電子器件的實(shí)施例在圖7中示出。圖3中的光纖168對(duì)應(yīng)于圖7中的光纖3232，而圖3中的光纖169對(duì)應(yīng)于圖7中的光纖3230。下面參照?qǐng)D7，ADM電子器件3300包括頻率基準(zhǔn)3302、合成器3304、測(cè)量檢測(cè)器3306、參考檢測(cè)器3308、測(cè)量混合器3310、參考混合器3312、調(diào)節(jié)電子器件3314、3316、3318、3320、N倍預(yù)分頻器3324以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 3322。頻率基準(zhǔn)向合成器發(fā)送基準(zhǔn)頻率fREF (例如可以是10MHz)，頻率基準(zhǔn)例如可以是恒溫控制晶體振蕩器(0CX0)，合成器生成兩個(gè)電信號(hào)，一個(gè)信號(hào)處于頻率fRF，兩個(gè)信號(hào)處于頻率fLO。信號(hào)fRF進(jìn)入光源3102，光源3102對(duì)應(yīng)于圖3中的光源162。處于頻率fLO的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入測(cè)量混合器3310和參考混合器3312。來(lái)自圖3中光纖168、169的光線分別出現(xiàn)在圖7中的光纖3232、3230上，并分別進(jìn)入?yún)⒖夹诺篮蜏y(cè)量信道。參考檢測(cè)器3308和測(cè)量檢測(cè)器3306將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些信號(hào)分別通過(guò)電學(xué)構(gòu)件3316、3314調(diào)節(jié)，并分別被發(fā)送至混合器3312、3310?；旌掀鳟a(chǎn)生頻率HF，其等于fLO-fRF的絕對(duì)值。信號(hào)fRF可以是較高的頻率，例如2GHz，而信號(hào)f IF可以是較低的頻率，例如IOkHz。
[0049]基準(zhǔn)頻率fREF被發(fā)送至預(yù)分頻器3324，預(yù)分頻器3324將頻率除以整數(shù)值。例如，可將IOMHz的頻率除以40，獲得250kHz的輸出頻率。在本示例中，可以以250kHz的速率對(duì)進(jìn)入ADC3322的IOkHz信號(hào)采樣，從而每周期產(chǎn)生25個(gè)樣本。來(lái)自ADC3322的信號(hào)被發(fā)送到數(shù)據(jù)處理器3400，數(shù)據(jù)處理器3400例如可以是位于圖3的ADM電子器件164中的一個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)單元。
[0050]提取距離的方法是基于用于參考信道和測(cè)量信道的ADC信號(hào)的相位的計(jì)算。授予Bridges等人的美國(guó)專利N0.7，701, 559 (‘559)中詳細(xì)描述了該方法，該專利的內(nèi)容通過(guò)參考合并于此。計(jì)算包括專利‘559的等式(I)- (8)的使用。此外，當(dāng)ADM首先開(kāi)始測(cè)量回射器時(shí)，通過(guò)合成器生成的頻率被改變?nèi)舾杀稊?shù)(例如3倍)，并且在每種情況下計(jì)算可能的ADM距離。通過(guò)對(duì)于每個(gè)選擇的頻率比較可能的ADM距離，消除了 ADM測(cè)量中的不明確。結(jié)合參照專利‘559的圖5所述的同步方法以及專利‘559中所述的Kalman濾光器方法，專利‘559的方程式(I)- (8)使得ADM能夠測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)。在其他實(shí)施例中，可以使用獲得絕對(duì)距離測(cè)量結(jié)果的其他方法，例如通過(guò)使用脈沖飛行時(shí)間而不是相位差。
[0051]返回光束190通過(guò)光束分離器155的部分到達(dá)光束分離器145，光束分離器145將一部分光線發(fā)送到擴(kuò)束器140，將另一部分光線發(fā)送到位置檢測(cè)器組件150。從激光跟蹤儀10或EO系統(tǒng)100顯現(xiàn)的光線可以被認(rèn)為是第一光束,而反射離開(kāi)回射器90或26的一部分光線可以被認(rèn)為是第二光束。一部分反射光束被發(fā)送到EO系統(tǒng)100的不同功能元件。例如，可將第一部分發(fā)送到距離計(jì)量?jī)x，例如圖3中的ADM160。可將第二部分發(fā)送到位置檢測(cè)器組件150。在某些情況下，可將第三部分發(fā)送到其他功能元件，例如可選干涉計(jì)(120)。重要的是理解，雖然在圖3的示例中，第二光束的第一部分和第二部分在反射離開(kāi)光束分離器之后分別被發(fā)送到距離計(jì)量?jī)x和位置檢測(cè)器，但是有可能將光線傳輸而不是反射到距離計(jì)量?jī)x或位置檢測(cè)器。
[0052]圖6A-D中示出現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)器組件150A-150D的四個(gè)示例。圖6A描述最簡(jiǎn)單的實(shí)施方式，其中位置檢測(cè)器組件包括安裝在電路板152上的位置傳感器151，電路板152從電子器件盒350獲得電力并向其返回信號(hào)，電子器件盒350可以代表激光跟蹤儀10、輔助單元50或者外部計(jì)算機(jī)60中任何位置的電子處理能力。圖6B包括濾光器154，濾光器154阻擋不需要的光學(xué)波長(zhǎng)到達(dá)位置傳感器151。例如也可以通過(guò)用適當(dāng)?shù)谋∧じ采w光束分離器145或者位置傳感器151的表面來(lái)阻擋不需要的光學(xué)波長(zhǎng)。圖6C包括縮小光束尺寸的透鏡153。圖6D包括濾光器154和透鏡153。
[0053]圖6E示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的位置檢測(cè)器組件，包括光學(xué)調(diào)節(jié)器149E。光學(xué)調(diào)節(jié)器包含透鏡153,也可以包含波長(zhǎng)濾波器(wavelength filter)154。此外,它至少包括擴(kuò)散器156和空間濾波器157的其中之一。如上所述，普通類型的回射器是立方隅角回射器。立方隅角回射器的一種類型由三面鏡子制成，每面鏡子與其余兩面鏡子成直角相交。這三面鏡子相交的交叉線可以有有限的厚度，其中光線并未完全反射回到跟蹤儀。有限厚度的線當(dāng)它們傳播時(shí)被衍射，因此在到達(dá)位置檢測(cè)器時(shí)，它們不一定出現(xiàn)為正好與位置檢測(cè)器相同。但是，衍射光圖案通常背離完全對(duì)稱。結(jié)果，撞擊位置檢測(cè)器151的光線在衍射線附近例如可以有光學(xué)功率(熱光點(diǎn))的下降或上升。因?yàn)閬?lái)自回射器的光線的一致性可能隨回射器而變化，此外因?yàn)槲恢脵z測(cè)器上光線的分布可能在回射器旋轉(zhuǎn)或傾斜時(shí)變化，所以有利的是包括擴(kuò)散器156，以改善撞擊位置檢測(cè)器151的光線的平滑度。可以表明，因?yàn)槔硐氲奈恢脵z測(cè)器應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)于形心并且理想的擴(kuò)散器應(yīng)當(dāng)對(duì)稱地散布光點(diǎn)，所以對(duì)于位置檢測(cè)器給出的結(jié)果位置應(yīng)當(dāng)無(wú)效果。但是，實(shí)際上觀察到擴(kuò)散器改善了位置檢測(cè)器組件的性能，可能是因?yàn)槲恢脵z測(cè)器151和透鏡153中的非線性效果(缺點(diǎn))。玻璃制成的立方隅角回射器也可以在位置檢測(cè)器151產(chǎn)生不一致的光點(diǎn)。由于從6-D0F目標(biāo)中的立方隅角反射的光線，位置檢測(cè)器處光點(diǎn)的變化可以特別顯著，如同可以從普通轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/370, 339 (2012 年 2 月 10 日提交)以及 N0.13/407，983 (2012 年 2 月 29 日提交)更清楚地理解，這兩個(gè)專利的內(nèi)容通過(guò)參考被合并。在實(shí)施例中，擴(kuò)散器156是全息擴(kuò)散器。全息擴(kuò)散器在指定的擴(kuò)散角度上提供受控的、均勻的光線。在其他實(shí)施例中，使用其他類型的擴(kuò)散器，例如毛玻璃或“乳玻璃”擴(kuò)散器。
[0054]位置檢測(cè)器組件150E的空間濾光器157的目的是阻擋鬼光束(ghost beam)，鬼光束例如可以是由于撞擊位置檢測(cè)器151，離開(kāi)光學(xué)表面的不需要的反射的結(jié)果?？臻g濾光器包括有孔隙的板157。通過(guò)將空間濾光器157放置為一個(gè)離開(kāi)透鏡大約等于透鏡焦距的距離，當(dāng)返回光線243E在近它最窄的-光束腰部接時(shí)候，通過(guò)空間濾光器。例如作為光學(xué)元件的反射的結(jié)果的以不同角度傳播的光束撞擊空間濾光器，離開(kāi)孔隙，并且被阻止到達(dá)位置檢測(cè)器151。圖6E示出一個(gè)示例，其中不需要的鬼光束反射離開(kāi)光束分離器145并傳播到空間濾光器157，在空間濾光器157被阻擋。如果沒(méi)有空間濾光器，鬼光束244E將與位置檢測(cè)器151相交，從而導(dǎo)致位置檢測(cè)器151上的光束243E的位置被錯(cuò)誤地確定。如果鬼光束被置于與主要光點(diǎn)相距較大的距離，那么即使鬼的幽靈光束也可以顯著改變位置檢測(cè)器151上形心的位置。
[0055]這里所討論類型的回射器、立方隅角或貓眼回射器例如具有將以平行于入射射線的方向進(jìn)入回射器的光射線反射的性質(zhì)。此外，入射和反射的射線關(guān)于回射器的對(duì)稱點(diǎn)對(duì)稱地設(shè)置。例如，在露天立方隅角回射器中，回射器的對(duì)稱點(diǎn)是立方隅角的頂點(diǎn)。在玻璃立方隅角回射器中，對(duì)稱點(diǎn)也是頂點(diǎn)，但是在這種情況下必須考慮光線在玻璃-空氣界面的彎曲。在折射系數(shù)為2.0的貓眼回射器中，對(duì)稱點(diǎn)是球的中心。在由對(duì)稱地放置在公共平面上的兩個(gè)玻璃半球制成的貓眼回射器中，對(duì)稱點(diǎn)是位于平面上并且在每個(gè)半球的球心的點(diǎn)。要點(diǎn)是，對(duì)于一般由激光跟蹤儀使用的回射器類型，被回射器返回到跟蹤儀的光線相對(duì)于入射的激光束移動(dòng)到頂點(diǎn)的另一側(cè)。
[0056]圖3中回射器90的這種行為是通過(guò)激光跟蹤儀跟蹤回射器的基礎(chǔ)。位置傳感器在其表面上具有理想的折返點(diǎn)(retrace point)。理想的折返點(diǎn)是發(fā)送到回射器的對(duì)稱點(diǎn)(例如，SMR中立方隅角回射器的頂點(diǎn))的激光束返回的點(diǎn)。通常，折返點(diǎn)靠近位置傳感器的中心。如果將激光束發(fā)送到回射器的一側(cè)，則它反射回到另一側(cè)并出現(xiàn)在位置傳感器上的折返點(diǎn)。通過(guò)指出位置傳感器上返回光束的位置，激光跟蹤儀10的控制系統(tǒng)可以使得電機(jī)將光束向回射器的對(duì)稱點(diǎn)移動(dòng)。
[0057]如果回射器以恒定速度向跟蹤儀橫向移動(dòng)，回射器上的光束將在離回射器的對(duì)稱點(diǎn)固定的偏移距離處撞擊回射器(在解決了瞬變現(xiàn)象之后)。激光跟蹤儀進(jìn)行校正，以基于從受控測(cè)量獲得的縮放系數(shù)并基于從位置傳感器上的光束到理想的折返點(diǎn)的距離，解釋回射器的這種偏移距離。
[0058]如上所述，位置檢測(cè)器執(zhí)行兩種重要的功能一實(shí)現(xiàn)跟蹤并校正測(cè)量結(jié)果，以解釋回射器的移動(dòng)。位置檢測(cè)器中的位置傳感器可以是能夠測(cè)量位置的任何類型的裝置。例如，位置傳感器可以是位敏檢測(cè)器或感光陣列。位敏檢測(cè)器例如可以是橫向效應(yīng)檢測(cè)器或四分儀檢測(cè)器。感光陣列例如可以是CMOS或CCD陣列。
[0059]在實(shí)施例中，未反射離開(kāi)光束分離器145的返回光線通過(guò)擴(kuò)束器140，因此變得更小。在另一個(gè)實(shí)施例中，位置檢測(cè)器與距離計(jì)量?jī)x的位置反轉(zhuǎn)，因此通過(guò)光束分離器145反射的光線傳播到距離計(jì)量?jī)x，而通過(guò)光束分離器傳輸?shù)墓饩€傳播到位置檢測(cè)器。
[0060]光線繼續(xù)通過(guò)可選IFM，通過(guò)隔離器并進(jìn)入可見(jiàn)光源110。在此階段，光功率應(yīng)當(dāng)足夠小，因此它不會(huì)使得可見(jiàn)光源110不穩(wěn)定。
[0061]在實(shí)施例中,通過(guò)圖5的光束發(fā)射器170發(fā)射來(lái)自可見(jiàn)光源110的光線。光纖發(fā)射器可以附接于光源110的輸出端或者隔離器115的光纖光學(xué)輸出端。
[0062]在實(shí)施例中，圖3的光纖網(wǎng)絡(luò)是圖8B的現(xiàn)有技術(shù)光纖網(wǎng)絡(luò)420B。這里，圖3的光纖184、186、168、169對(duì)應(yīng)于圖8B的光纖443、444、424、422。圖8B的光纖網(wǎng)絡(luò)類似于圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)，除了圖8B的光纖網(wǎng)絡(luò)具有單個(gè)光纖耦合器而不是兩個(gè)光纖耦合器之外。圖SB相對(duì)于圖8A的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單；但是，圖SB更可能有不需要的光學(xué)回射進(jìn)入光纖422和424。
[0063]在實(shí)施例中，圖3的光纖網(wǎng)絡(luò)166是圖8C的光纖網(wǎng)絡(luò)420C。這里，圖3的光纖184、
186、168、169對(duì)應(yīng)于圖8C的光纖447、455、423、424。光纖網(wǎng)絡(luò)420C包括第一光纖耦合器445和第二光纖稱合器451。第一光纖稱合器445是2X2稱合器，有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口。這種類型的耦合器一般通過(guò)將兩個(gè)光纖芯放置為非常接近，然后在加熱時(shí)拖動(dòng)光纖而制成。通過(guò)這種方式，光纖之間的消逝稱合(evanescent coupling)可將光線的期望部分分離到相鄰的光纖。第二光纖耦合器451是稱為循環(huán)器的類型。它有三個(gè)端口，每個(gè)端口具有傳輸或接收光線的能力，但是僅在指定的方向。例如，光纖448上的光線進(jìn)入端口453并向端口 454傳輸，如箭頭所示。在端口 454，光線可以傳輸?shù)焦饫w455。類似地，在端口 455上傳播的光線可以進(jìn)入端口 454，并沿著箭頭方向傳播到端口 456，在端口 456，一部分光線可以傳輸?shù)焦饫w424。如果僅需要三個(gè)端口，那么循環(huán)器451可能比2X2耦合器承受更少的光功率損失。另一方面，循環(huán)器451可能比2X2耦合器更貴，并且它可能經(jīng)歷極化模式的散布，這在某些情況下會(huì)有問(wèn)題。
[0064]圖9和圖10分別示出現(xiàn)有技術(shù)激光跟蹤儀2100的分解圖和剖視圖，激光跟蹤儀2100在Bridges等人的美國(guó)公開(kāi)專利申請(qǐng)N0.2010/0128259的圖2和圖3中示出，該專利通過(guò)參考而合并。方位組件2110包括立柱外殼2112、方位編碼器組件2120、上下方位支承2114A、2114B、方位電機(jī)組件2125、方位滑環(huán)組件2130以及方位電路板2135。
[0065]方位編碼器組件2120的目的是準(zhǔn)確地測(cè)量架座(yoke) 2142關(guān)于立柱外殼2112的旋轉(zhuǎn)角度。方位編碼器組件2120包括編碼器盤2121和閱讀頭組件2122。編碼器盤2121附接于架座外殼2142的軸，而閱讀頭組件2122附接于立柱組件2110。閱讀頭組件2122包括上面緊固了一個(gè)或多個(gè)閱讀頭的電路板。從閱讀頭發(fā)出的激光反射離開(kāi)編碼器盤2121上的精細(xì)柵格線。被編碼器閱讀頭上的檢測(cè)器拾取的反射光線被處理，以找到旋轉(zhuǎn)的編碼器盤相對(duì)于固定的閱讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。
[0066]方位電機(jī)組件2125包括方位電機(jī)轉(zhuǎn)子2126和方位電機(jī)定子2127。方位電機(jī)轉(zhuǎn)子包括直接附接于架座外殼2142的軸的永磁體。方位電機(jī)定子2127包括產(chǎn)生預(yù)定磁場(chǎng)的場(chǎng)繞組。該磁場(chǎng)與方位電機(jī)轉(zhuǎn)子2126的磁體相互作用，產(chǎn)生期望的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。方位電機(jī)定子2127附接于立柱框架2112。
[0067]方位電路板2135表提供方位構(gòu)件(例如編碼器和電機(jī))所需電功能的一個(gè)或多個(gè)電路板。方位滑環(huán)組件2130包括外部部件2131和內(nèi)部部件2132。在實(shí)施例中，導(dǎo)線束2138從輔助單元處理器50顯現(xiàn)。導(dǎo)線束2138可以向跟蹤儀傳輸功率，或者與跟蹤儀往來(lái)信號(hào)。可將導(dǎo)線束2138的一部分導(dǎo)線引導(dǎo)到電路板上的連接器。在圖10所示的示例中，導(dǎo)線被引導(dǎo)到方位電路板2135、編碼器閱讀頭組件2122以及方位電機(jī)組件2125。其他導(dǎo)線被引導(dǎo)到滑環(huán)組件2130的內(nèi)部部件2132。內(nèi)部部件2132附接于立柱組件2110并因此保持固定。外部部件2131附接于架座組件2140并因此關(guān)于內(nèi)部部件2132旋轉(zhuǎn)?；h(huán)組件2140被設(shè)計(jì)為允許在外部部件2131關(guān)于內(nèi)部部件2132旋轉(zhuǎn)時(shí)的低阻抗電接觸。
[0068]天頂組件2140包括架座外殼2142、天頂編碼器組件2150、左右天頂支承2144A、2144B、天頂電機(jī)組件2155、天頂滑環(huán)組件2160以及天頂電路板2165。
[0069]天頂編碼器組件2150的目的是準(zhǔn)確地測(cè)量載荷框架2172關(guān)于架座外殼2142的旋轉(zhuǎn)角度。天頂編碼器組件2150包括天頂編碼器盤2151和天頂閱讀頭組件2152。編碼器盤2151附接于載荷外殼2142，而閱讀頭組件2152附接于架座外殼2142。天頂閱讀頭組件2152包括上面緊固了一個(gè)或多個(gè)閱讀頭的電路板。從閱讀頭發(fā)出的激光反射離開(kāi)編碼器盤2151上的精細(xì)柵格線。被編碼器閱讀頭上的檢測(cè)器拾取的反射光線被處理，以找到旋轉(zhuǎn)的編碼器盤相對(duì)于固定的閱讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。
[0070]天頂電機(jī)組件2155包括天頂電機(jī)轉(zhuǎn)子2156和天頂電機(jī)定子2157。天頂電機(jī)轉(zhuǎn)子2156包括直接附接于載荷框架2172的軸的永磁體。天頂電機(jī)定子2157包括產(chǎn)生預(yù)定磁場(chǎng)的場(chǎng)繞組。該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁體相互作用，產(chǎn)生期望的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。天頂電機(jī)定子2157附接于架座框架2142。
[0071]天頂電路板2165表示提供天頂構(gòu)件(例如編碼器和電機(jī))所需電功能的一個(gè)或多個(gè)電路板。天頂滑環(huán)組件2160包括外部部件2161和內(nèi)部部件2162。導(dǎo)線束2168從方位外部滑環(huán)2131顯現(xiàn)，并且可傳輸功率和信號(hào)。可將導(dǎo)線束2168的一部分導(dǎo)線引導(dǎo)到電路板上的連接器。在圖10所示的示例中，導(dǎo)線被引導(dǎo)到天頂電路板2165、天頂電機(jī)組件2150以及編碼器閱讀頭組件2152。其他導(dǎo)線被引導(dǎo)到滑環(huán)組件2160的內(nèi)部部件2162。內(nèi)部部件2162附接于架座框架2142并因此只在方位角度中旋轉(zhuǎn)，而不是在天頂角度。外部部件2161附接于載荷框架2172并因此在天頂角度和方位角度兩者中旋轉(zhuǎn)。滑環(huán)組件2160被設(shè)計(jì)為允許在外部部件2161關(guān)于內(nèi)部部件2162旋轉(zhuǎn)時(shí)的低阻抗電接觸。載荷組件2170包括主要光學(xué)組件2180和次要光學(xué)組件2190。
[0072]圖11是示出維度測(cè)量電子器件處理系統(tǒng)1500的方框圖，維度測(cè)量電子器件處理系統(tǒng)1500包括激光跟蹤儀電子器件處理系統(tǒng)1510、外部元件1582、1584、1586、計(jì)算機(jī)1590以及其他網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件1600，這里用云表示。示例性激光跟蹤儀電子器件處理系統(tǒng)1510包括主處理器1520、載荷功能電子器件1530、方位編碼器電子器件1540、天頂編碼器電子器件1550、顯示器和用戶接口(UI)電子器件1560、可移動(dòng)存儲(chǔ)器硬件1565、射頻識(shí)別(RFID)電子器件以及天線1572。載荷功能電子器件1530包括多個(gè)子功能器件，包括6-D0F電子器件1531、相機(jī)電子器件1532、ADM電子器件1533、位置檢測(cè)器(PSD)電子器件1534以及等級(jí)電子器件1535。大多數(shù)子功能器件有至少一個(gè)處理器單元，處理器單元例如可以是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。電子器件單元1530、1540和1550因?yàn)樗鼈冊(cè)诩す飧檭x中的位置而分離，如圖所示。在實(shí)施例中，載荷功能器件1530被設(shè)置在圖9和圖10的載荷2170中，而方位編碼器電子器件1540被設(shè)置在方位組件2110中，天頂編碼器電子器件1550被設(shè)置在天頂組件2140中。
[0073]多種類型的外部裝置都可以，但是這里示出三個(gè)這樣的裝置:溫度傳感器1582、6-D0F探針1584以及個(gè)人數(shù)字助理1586，個(gè)人數(shù)字助理1586例如可以是智能電話。通過(guò)諸如相機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)，以及通過(guò)激光跟蹤儀到合作目標(biāo)(例如6-D0F探針1584)的距離和角度讀數(shù)，激光跟蹤儀可以以各種手段與外部裝置通信，包括通過(guò)天線1572的無(wú)線通信。
[0074]在實(shí)施例中，獨(dú)立的通信總線從主處理器1520延伸到每個(gè)電子器件單元1530、1540、1550、1560、1565和1570。每個(gè)通信線例如可以有三個(gè)串行線，包括數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線和幀線。幀線指示電子器件單元是否應(yīng)當(dāng)注意時(shí)鐘線。如果它指示應(yīng)當(dāng)給予注意，則電子器件單元讀取數(shù)據(jù)線在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的當(dāng)前值。時(shí)鐘信號(hào)例如可以對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘脈沖的上升沿。在實(shí)施例中，信息以數(shù)據(jù)分組的形式在數(shù)據(jù)線上傳輸。在實(shí)施例中，每個(gè)數(shù)據(jù)分組包括地址、數(shù)值、數(shù)據(jù)消息以及校驗(yàn)和。地址指示在電子器件單元中將數(shù)據(jù)消息引導(dǎo)到哪里。位置例如可以對(duì)應(yīng)于電子器件單元中的處理器子程序。數(shù)值指示數(shù)據(jù)消息的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)消息包含用于電子器件單元執(zhí)行的指令或數(shù)據(jù)。校驗(yàn)和是用于將通信線上傳輸?shù)腻e(cuò)誤的可能性最小化的數(shù)值。
[0075]在實(shí)施例中，主處理器1520將信息的分組通過(guò)總線1610發(fā)送到載荷功能電子器件1530、通過(guò)總線1611發(fā)送到方位編碼器電子器件1540、通過(guò)總線1612發(fā)送到天頂編碼器電子器件1550、通過(guò)總線1613發(fā)送到顯示器和UI電子器件1560、通過(guò)總線1614發(fā)送到可移動(dòng)存儲(chǔ)器硬件1565、以及通過(guò)總線1616發(fā)送到RFID和無(wú)線電子器件1570。
[0076]在實(shí)施例中，主處理器1520也通過(guò)同步總線1630同時(shí)向每個(gè)電子器件單元發(fā)送synch (同步)脈沖。synch脈沖提供通過(guò)激光跟蹤儀的測(cè)量功能收集同步值的方式。例如，方位編碼器電子器件1540和天頂電子器件1550 —接收synch脈沖就鎖存它們的編碼器值。類似地，載荷功能電子器件1530鎖存通過(guò)載荷中包含的電子器件收集的數(shù)據(jù)。當(dāng)給出synch脈沖時(shí)，6-D0F、ADM以及位置檢測(cè)器都鎖存數(shù)據(jù)。大多數(shù)情況下，相機(jī)和傾角計(jì)以相比于synch脈沖速率更低的速率收集數(shù)據(jù)，但是可以以synch脈沖周期的若干倍鎖存數(shù)據(jù)。
[0077]方位編碼器電子器件1540和天頂電子器件1550通過(guò)圖9、圖10所示的滑環(huán)2130、2160與載荷電子器件1530分離，并相互分離。這就是為什么在圖11中將總線1610、1611和1612不出為分尚的總線。
[0078]激光跟蹤儀電子器件處理系統(tǒng)1510可以與外部計(jì)算機(jī)1590通信，或者，它可以提供激光跟蹤儀中的計(jì)算、顯示和UI功能。激光跟蹤儀通過(guò)通信鏈路1606與計(jì)算機(jī)1590通信，通信鏈路1606例如可以是以太網(wǎng)或無(wú)線連接。激光跟蹤儀也可以通過(guò)通信鏈路1602與通過(guò)云表不的其他兀件1600通信,通信鏈路1606可包括一個(gè)或多個(gè)電纜(例如以太網(wǎng)線纜)以及一個(gè)或多個(gè)無(wú)線連接。元件1600的示例是其他的三維測(cè)試儀器一例如可通過(guò)激光跟蹤儀重置的鉸接臂CMM。計(jì)算機(jī)1590與元件1600之間的通信鏈路1604可以是有線(例如以太網(wǎng))或無(wú)線。位于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)1590的操作者可通過(guò)以太網(wǎng)或無(wú)線線路與通過(guò)云1600表示的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，進(jìn)而通過(guò)以太網(wǎng)或無(wú)線線路連接到主處理器1520。通過(guò)這種方式，用戶可以控制遠(yuǎn)程激光跟蹤儀的動(dòng)作。
[0079]激光跟蹤儀如今使用一個(gè)可見(jiàn)光波長(zhǎng)(通常是紅光)和一個(gè)紅外光波長(zhǎng)用于ADM。紅光波長(zhǎng)可以由穩(wěn)頻氦氖(HeNe)激光器提供，該激光器適用于干涉計(jì)，也適用于提供紅色指示器光束。或者，紅光波長(zhǎng)可以由二極管激光器提供，該激光器僅用作指示器光束。使用兩種光源的缺點(diǎn)是額外的光源、光束分離器、隔離器和其他構(gòu)件所需的額外空間和附加成本。使用兩種光源的另一個(gè)缺點(diǎn)是難以準(zhǔn)確地沿著光束傳播的整個(gè)路徑對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)光束。這樣會(huì)導(dǎo)致多種問(wèn)題，包括不能從不同波長(zhǎng)下操作的不同子系統(tǒng)同時(shí)獲得良好的性能。圖12A的光電系統(tǒng)500中示出使用單個(gè)光源、從而消除這些缺點(diǎn)的系統(tǒng)。
[0080]圖12A包括可見(jiàn)光源110、隔離器115、光纖網(wǎng)絡(luò)420、ADM電子器件530、光纖發(fā)射器170、光束分離器145以及位置檢測(cè)器150。可見(jiàn)光源110例如可以是紅光或綠光二極管激光器、或者垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。隔離器可以是法拉第隔離器、衰減器或者能夠充分減少反饋回到光源的光量的任何其他裝置。來(lái)自隔離器115的光線傳播到光纖網(wǎng)絡(luò)420中，在實(shí)施例中光纖網(wǎng)絡(luò)420是圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)420A。
[0081]圖12B示出光電系統(tǒng)400的實(shí)施例，其中使用光線的單個(gè)波長(zhǎng)，但是其中通過(guò)光線的電光調(diào)制而不是通過(guò)光源的直接調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。光電系統(tǒng)400包括可見(jiàn)光源110、隔離器115、電光調(diào)制器410、ADM電子器件475、光纖網(wǎng)絡(luò)420、光纖發(fā)射器170、光束分離器145以及位置檢測(cè)器150?？梢?jiàn)光源110例如可以是紅光或綠光激光二極管。激光通過(guò)隔離器115發(fā)送，隔離器115可以是法拉第隔離器或衰減器。隔離器115在其輸入和輸出端口可以光纖耦合。隔離器115向電光調(diào)制器410發(fā)送光線，電光調(diào)制器410將光線調(diào)制為選擇的頻率，選擇的頻率可以高達(dá)10GHz，如果需要的話，可以更高。來(lái)自ADM電子器件475的電信號(hào)476驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器410中的調(diào)制。來(lái)自電光調(diào)制器410的經(jīng)過(guò)調(diào)制的光線傳播到光纖網(wǎng)絡(luò)420，光纖網(wǎng)絡(luò)420可以是上述的光纖網(wǎng)絡(luò)420A、420B、420C或420D。一部分光線通過(guò)光纖422傳播到ADM電子器件475的參考信道。另一部分光線傳播離開(kāi)跟蹤儀，反射離開(kāi)回射器90，返回跟蹤儀，并到達(dá)光束分離器145。少量光線反射離開(kāi)光束分離器并傳播到參照?qǐng)D6A-F所述的位置檢測(cè)器150。一部分光線通過(guò)光束分離器145進(jìn)入光纖發(fā)射器170，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)420進(jìn)入光纖424，并進(jìn)入ADM電子器件475的測(cè)量信道。一般而言，圖12A的系統(tǒng)500可以用相比于圖12B的系統(tǒng)400更少的費(fèi)用來(lái)制造；但是，電光調(diào)制器410能夠?qū)崿F(xiàn)更高的調(diào)制頻率，在某些情況下這是有利的。
[0082]圖13示出定位器相機(jī)系統(tǒng)950和光電系統(tǒng)900的實(shí)施例，其中將方位相機(jī)與3D激光跟蹤儀的光電功能結(jié)合，以測(cè)量6個(gè)自由度。光電系統(tǒng)900包括可見(jiàn)光源905、隔離器910、可選電光調(diào)制器410、ADM電子器件715、光纖網(wǎng)絡(luò)420、光纖發(fā)射器170、光束分離器
145、位置檢測(cè)器150、光束分離器922以及方位相機(jī)910。來(lái)自可見(jiàn)光源的光線發(fā)射到光纖980中并傳播通過(guò)隔離器910，隔離器910在其輸入和輸出端口可以光纖耦合。光線可以傳播通過(guò)電光調(diào)制器410，電光調(diào)制器410通過(guò)來(lái)自ADM電子器件715的電信號(hào)716調(diào)制。或者，ADM電子器件715可以通過(guò)線纜717發(fā)送電信號(hào)，以調(diào)制可見(jiàn)光源905。進(jìn)入光纖網(wǎng)絡(luò)的一部分光線傳播通過(guò)光纖長(zhǎng)度均衡器423和光纖422，進(jìn)入ADM電子器件715的參考信道。電信號(hào)469可以選擇性地提供給光纖網(wǎng)絡(luò)420，以向光纖網(wǎng)絡(luò)420中的光纖開(kāi)關(guān)提供開(kāi)關(guān)信號(hào)。一部分光線從光纖網(wǎng)絡(luò)傳播到光纖發(fā)射器170，光纖發(fā)射器170將光纖上的光線發(fā)送到自由空間中作為光束982。少量光線反射離開(kāi)光束分離器145并損失。一部分光線通過(guò)光束分離器145，通過(guò)光束分離器922，并傳播離開(kāi)跟蹤儀到6自由度(DOF)裝置4000。6-D0F裝置4000可以是探針、掃描器、投射器、傳感器或其他裝置。
[0083]在其返回路徑上，來(lái)自6-D0F裝置4000的光線進(jìn)入光電系統(tǒng)900并到達(dá)光束分離器922。一部分光線反射尚開(kāi)光束分尚器922并進(jìn)入方位相機(jī)910。方位相機(jī)910記錄放置在回射器目標(biāo)上的一部分標(biāo)記的位置。根據(jù)這些標(biāo)記，找到6-D0F探針的方位角(S卩，3個(gè)自由度)。方位相機(jī)的原理如本申請(qǐng)下文所述，亦如專利’ 758所述。光束分離器145的一部分光線傳播通過(guò)光束分離器并通過(guò)光纖發(fā)射器170送至光纖。光線傳播到光纖網(wǎng)絡(luò)420。一部分此光線傳播到光纖424，由此進(jìn)入ADM電子器件715的測(cè)量信道。
[0084]定位器相機(jī)系統(tǒng)950包括相機(jī)960以及一個(gè)或多個(gè)光源970。相機(jī)包括透鏡系統(tǒng)962、感光陣列964以及本體966。定位器相機(jī)系統(tǒng)950的一種用途是將回射器目標(biāo)置于工作體積中。它通過(guò)閃動(dòng)光源970實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，相機(jī)拾取光源970其作為感光陣列964上的亮光點(diǎn)。定位器相機(jī)系統(tǒng)950的第二用途是基于6-D0F裝置4000上反射器光點(diǎn)或LED的觀察位置，建立6-D0F裝置4000的大概方位。如果在激光跟蹤儀上兩個(gè)或更多個(gè)定位器相機(jī)系統(tǒng)可用，就可以利用三角測(cè)量的原理來(lái)計(jì)算到工作體積中每個(gè)回射器目標(biāo)的方向。如果設(shè)置單個(gè)定位器相機(jī)來(lái)拾取沿著激光跟蹤儀的光軸反射的光線，則可以找到到每個(gè)回射器目標(biāo)的方向。如果設(shè)置單個(gè)相機(jī)偏離激光跟蹤儀的光軸，則根據(jù)感光陣列上的圖像可以立即獲得到回射器目標(biāo)的近似方向。在這種情況下，通過(guò)將激光器的機(jī)械軸旋轉(zhuǎn)到多于一個(gè)的方向，并觀察感光陣列上光點(diǎn)位置的變化，可以找到到目標(biāo)的更準(zhǔn)確方向。
[0085]在實(shí)施例中，電光模塊176包括光學(xué)構(gòu)件(例如光束分離器和波板)與光電構(gòu)件(例如光學(xué)檢測(cè)器和放大器)的組合，以將相位差d分離到正交分量中。這些正交分量包括sin(d)188和cos (d)190。電學(xué)計(jì)數(shù)器使用正交分量對(duì)相位差d中完整的360度移動(dòng)的數(shù)量計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的數(shù)量(有可能是一部分計(jì)數(shù))被發(fā)送到計(jì)數(shù)器178，計(jì)數(shù)器178記錄計(jì)數(shù)的數(shù)量。該計(jì)數(shù)的數(shù)量通過(guò)線路180發(fā)送到處理器，處理器計(jì)算與計(jì)數(shù)的數(shù)量相對(duì)應(yīng)的距離。
[0086]圖14A示出方位相機(jī)(orientation camera)910的實(shí)施例，方位相機(jī)910可用于圖18和圖19的光電系統(tǒng)。方位相機(jī)的一般原理如專利’ 758所述,通常適用于方位相機(jī)910。在實(shí)施例中，方位相機(jī)910包括本體1210、無(wú)焦點(diǎn)光束縮減器1220、放大器1240、路徑長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器1230、致動(dòng)器組件1260以及感光陣列1250。無(wú)焦點(diǎn)光束縮減器包括正透鏡1222、鏡子1223以及負(fù)透鏡1224、1226。無(wú)焦點(diǎn)光束縮減器具有這樣的性質(zhì):進(jìn)入平行于光軸(通過(guò)透鏡中心的軸)——的透鏡1222的光線從同樣平行于光軸的透鏡1226顯現(xiàn)。此外無(wú)焦點(diǎn)光束縮減器具有這樣的性質(zhì):圖像具有恒定的尺寸，不管從透鏡到物體的距離是多少。放大器1240包括正透鏡1242、負(fù)透鏡1244、1248以及鏡子1246。放大器具有與顯微鏡物鏡相同的功能，但是被放大為提供更大的圖像。感光陣列1250例如可以是CMOS或CCD陣列，其將撞擊它的光線轉(zhuǎn)換為表示感光陣列的每個(gè)像素處光線的照度的數(shù)字值陣列。照度的圖案例如可以呈現(xiàn)6-D0F目標(biāo)上的標(biāo)記。路徑長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器1230包括平臺(tái)1231、兩面鏡子1232、1233以及球滑塊1234。鏡子1232、1233安裝在平臺(tái)1231上，因此當(dāng)平臺(tái)1231移動(dòng)時(shí)，無(wú)焦點(diǎn)光束縮減器1220與放大器1240之間的距離改變。對(duì)于從激光跟蹤儀到目標(biāo)的變化距離，這種距離的改變是保持感光陣列1250上清晰的圖像所需。平臺(tái)1231安裝在球滑塊1234上，球滑塊1234向平臺(tái)提供低摩擦的線性運(yùn)動(dòng)。在實(shí)施例中，致動(dòng)器組件1260包括電機(jī)1261、電機(jī)軸1262、柔性耦接1263、適配器1264以及電機(jī)螺母1265。電機(jī)螺母1265固定地附接于適配器。當(dāng)通過(guò)電機(jī)1261旋轉(zhuǎn)有螺紋的電機(jī)軸1262時(shí)，根據(jù)電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)方向，電機(jī)螺母1265被移動(dòng)為離電機(jī)更遠(yuǎn)或更近。附接于適配器1264的柔性耦接1263允許平臺(tái)自由移動(dòng)，即使電機(jī)軸1262與球滑塊1234相互不平行。
[0087]在實(shí)施例中，方位相機(jī)910對(duì)于到目標(biāo)的不同距離提供恒定的橫向放大率。這里，橫向放大率被定義為圖像尺寸除以物體尺寸。圖14A所示的透鏡被選擇為對(duì)于13mm的物體尺寸，在感光陣列1250上產(chǎn)生3mm的恒定圖像尺寸。在這種情況下，橫向放大率為3mm/13mm=0.23。對(duì)于放置為離跟蹤儀的距離為0.5米與30米之間的目標(biāo)，該橫向放大率保持恒定。這種3mm的圖像尺寸可以適合于1/4英寸的(XD或CMOS陣列。在實(shí)施例中,橫向放大率是這個(gè)量的4倍，以使其適合于一英寸的CXD或CMOS陣列。通過(guò)改變放大器1240中三個(gè)透鏡的焦距和間隔，可以在相同尺寸的本體1210中獲得具有這種增大的橫向放大率的方位相機(jī)。
[0088]在圖14A所示的實(shí)施例中，光束縮減器1220的三個(gè)透鏡元件1222、1224和1226的有效焦距分別是85.9mm、-29.6mm和-7.2mm。在來(lái)自物體的光線通過(guò)這三個(gè)透鏡元件之后，形成虛擬圖像。對(duì)于放置為離激光跟蹤儀0.5米的物體，虛擬圖像1229具有0.44mm的尺寸，且與透鏡1226相距7mm。對(duì)于放置為離激光跟蹤儀30米的物體，虛擬圖像1228具有0.44mm的尺寸，且與透鏡1224相距1.8mm。虛擬圖像1228與虛擬圖像1229之間的距離為39.8_，這意味著平臺(tái)需要這個(gè)量的一半或者19.9_的最大移動(dòng)范圍。光束縮減器1220的橫向放大率是0.44mm/13mm=0.034。放大器的三個(gè)透鏡元件1242、1244和1228的有效焦距分別是28.3mm,-8.8mm和-8.8mm。對(duì)于位置離激光跟蹤儀0.5米、離激光跟蹤儀30米或者其間任何距離的目標(biāo),感光陣列1250上圖像的尺寸為3mm。放大器的橫向放大率是3mm/0.44mm=6.8。方位相機(jī)的總橫向放大率是3mm/13mm=0.23。在另一個(gè)實(shí)施例中，放大器的橫向放大率增加一個(gè)系數(shù)4，為4X6.8=27，因此對(duì)于從0.5米到30米的任何距離，都產(chǎn)生12mm/13mm=0.92的總橫向放大率。
[0089]圖14B-D示出方位相機(jī)的另一個(gè)實(shí)施例。圖14B為方位相機(jī)組件的側(cè)視圖2750B。圖14C為圖14B所示剖面A-A的俯視圖2750C。圖14D為圖14C的剖面B-B的側(cè)面剖視圖2750D。這三個(gè)圖的每個(gè)圖中示出光束的路徑2755。光線通過(guò)第一透鏡集合2760，反射離開(kāi)鏡子2762，通過(guò)透鏡2764，反射離開(kāi)鏡子2766、2768，通過(guò)透鏡的部分集合2770，反射離開(kāi)鏡子2772、2774，并撞擊感光陣列2776。第一透鏡集合2760與透鏡2764形成無(wú)焦點(diǎn)透鏡系統(tǒng)。如上所述，這意味著進(jìn)入與光軸平行的第一透鏡集合2760的射線將離開(kāi)與光軸平行的透鏡2764。因?yàn)榛厣淦?圖14B-D中未示出)與激光跟蹤儀相距有限距離，所以無(wú)焦點(diǎn)透鏡系統(tǒng)將在離透鏡2764 —定的距離處產(chǎn)生虛擬圖像。離透鏡2764的這個(gè)距離將取決于從回射器到激光跟蹤儀的距離。例如，在實(shí)施例中，當(dāng)回射器離跟蹤儀4米時(shí)，虛擬圖像離透鏡2764大約為d=82mm，當(dāng)回射器離跟蹤儀40米時(shí)，虛擬圖像離透鏡2764大約為d=51mm。第二透鏡集合將虛擬圖像2778轉(zhuǎn)到感光陣列上。機(jī)動(dòng)致動(dòng)器2780調(diào)節(jié)鏡子2766、2768的位置，以保持從虛擬圖像2778到第二透鏡集合2770的正確距離，從而將感光陣列2776上的圖像保持在焦距上。在實(shí)施例中，第一透鏡集合2755具有組合焦距112mm，透鏡2764具有焦距-5.18mm,且第二透鏡集合2770具有組合焦距大約59.3mm。系統(tǒng)的總放大率大約為1/8，這意味著感光陣列2776上的光線圖案的尺寸大約是回射器上光線圖案的尺寸的8分之I。這是不管從激光跟蹤儀到回射器的距離，保持恒定放大率的透鏡系統(tǒng)的示例。
[0090]可以組合透鏡的其他組合，來(lái)構(gòu)成具有恒定橫向放大率的方位相機(jī)。此外，雖然具有恒定的橫向放大率是有用的，但是也可以使用其他透鏡系統(tǒng)。一般而言，圖14A-D的相機(jī)的區(qū)別在于具有縮放能力、窄視場(chǎng)以及與激光跟蹤儀的光軸的對(duì)準(zhǔn)。
[0091]圖15示出光電系統(tǒng)700的實(shí)施例，其中利用光纖光學(xué)耦合器將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光線組合。光電系統(tǒng)700包括第一光源705、第二光源750、第一隔離器710、第二隔離器755、可選電光調(diào)制器410、ADM電子器件715、光纖網(wǎng)絡(luò)720、光纖發(fā)射器170、光束分離器145以及位置檢測(cè)器150。第一光源705例如可以是在780nm工作的二極管激光器。第二光源例如可以是紅光或綠光二極管激光器。來(lái)自第一光源705的光線經(jīng)過(guò)光纖780發(fā)送通過(guò)隔離器710，隔離器710例如可以是法拉第隔離器或者衰減器。隔離器710在其輸入和輸出端口可以光纖耦合。隔離器710可以向電光調(diào)制器410發(fā)送光線，電光調(diào)制器410調(diào)制光線。如果使用電光調(diào)制器410，則來(lái)自ADM電子器件715的電信號(hào)716驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器410的調(diào)制。或者，如果省略電光調(diào)制器410，則ADM電子器件715直接向光源705發(fā)送調(diào)制信號(hào)。來(lái)自第一光源的光線通過(guò)光纖781傳播到光纖網(wǎng)絡(luò)720。一部分光線被引導(dǎo)通過(guò)光纖長(zhǎng)度均衡器423和光纖722進(jìn)入ADM電子器件715的參考信道。另一部分光線傳播離開(kāi)光纖網(wǎng)絡(luò)720，通過(guò)光纖782到光纖發(fā)射器，光纖發(fā)射器將光束783發(fā)送到自由空間。少量光線反射離開(kāi)光束分離器145并損失。其余光線通過(guò)光束分離器145，傳播到回射器90作為光束784,并傳播回到光束分離器145作為光束786。一部分光線反射離開(kāi)光束分離器145并傳播到位置檢測(cè)器150。另一部分光線通過(guò)光纖發(fā)射器并耦合回到光纖782。光線傳遞進(jìn)入光纖網(wǎng)絡(luò)720并通過(guò)光纖724傳播到ADM電子器件715的測(cè)量信道。
[0092]第二光源750將第二光束發(fā)送到光纖790，通過(guò)隔離器755，通過(guò)光纖791并進(jìn)入光纖網(wǎng)絡(luò)720。圖16示出光纖網(wǎng)絡(luò)720的實(shí)施例。來(lái)自光纖1781的光線在輸入端口進(jìn)入光纖網(wǎng)絡(luò)720。光線傳播通過(guò)第一光纖耦合器1730。一部分光線在進(jìn)入ADM電子器件715的參考信道之前傳播通過(guò)光纖1722和光纖長(zhǎng)度補(bǔ)償器1723。一部分光線在傳遞離開(kāi)光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入光纖1782之前傳播通過(guò)第二光纖稱合器1740和第三光纖稱合器1750。來(lái)自光纖1791的光線進(jìn)入第三光纖耦合器1750，其中，它與來(lái)自光纖1743的光線組合，形成在光纖1782上傳播的復(fù)合光束。附接于光纖1781和1791的端口是兩個(gè)輸入端口，并且可視作第一端口和第二端口。附接于光纖1782和1755的端口是輸出端口，并且可視作第三端口和第四端口。光學(xué)耦合器1750是二色性耦合器，因?yàn)樗辉O(shè)計(jì)為使用兩種波長(zhǎng)。在光纖1782中承載的復(fù)合光束傳播離開(kāi)激光跟蹤儀并反射離開(kāi)回射器90時(shí)，它返回光纖網(wǎng)絡(luò)720。來(lái)自第一光源的光線傳遞通過(guò)第三光纖稱合器1750、第二光纖稱合器1740,并進(jìn)入光纖1724,光纖1724導(dǎo)向ADM電子器件715的測(cè)量信道。來(lái)自第二光源的光線返回光纖1791并行進(jìn)到隔離器755，隔離器755防止它進(jìn)入第二光源750。
[0093]耦合器1730、1740和1750可以是熔合類型。通過(guò)這種類型的光學(xué)耦合器，將兩個(gè)光纖芯/覆層區(qū)域靠近在一起并熔合。因此，芯之間的光線通過(guò)消逝耦合而交換。對(duì)于兩種不同的波長(zhǎng)，可以設(shè)計(jì)消逝耦合配置，允許第一波長(zhǎng)沿著初始光纖的完整傳輸以及第二波長(zhǎng)到相同光纖的完整耦合。在實(shí)際情況下，通常不可能獲得光線的完整耦合(100%)，因此光纖光學(xué)耦合器提供無(wú)損傳輸。但是，可以購(gòu)買對(duì)于兩個(gè)或更多個(gè)不同波長(zhǎng)提供良好耦合的光纖光學(xué)耦合器，并且在諸如980nm、1300nm和1550nm的普通波長(zhǎng)下容易應(yīng)用該光纖光學(xué)耦合器。此外，對(duì)于其他波長(zhǎng)，光纖光學(xué)耦合器有現(xiàn)貨可以購(gòu)買，包括可見(jiàn)波長(zhǎng)，并且對(duì)于其他波長(zhǎng)可以定制設(shè)計(jì)和制造。例如，在圖16中，可以設(shè)計(jì)光纖光學(xué)耦合器1750，使得第一光線在其第一波長(zhǎng)下以低光損耗從光纖1743傳播到光纖7153。同時(shí),設(shè)計(jì)可以提供光纖1791上的第二光線與光纖1782的幾乎完整的I禹合。因此，可以以低損耗傳輸?shù)谝还饩€和第二光線通過(guò)光纖光學(xué)稱合器并傳輸?shù)较嗤墓饫w1782?？梢再?gòu)買將波長(zhǎng)非常不同的波長(zhǎng)組合的光學(xué)耦合器。例如，可以購(gòu)買將波長(zhǎng)為1310nm的光線與波長(zhǎng)為660nm的光線組合的率禹合器。對(duì)于在單一橫向模式中同時(shí)在通過(guò)光纖傳播期間具有較低的光功率損耗以兩種波長(zhǎng)的傳播在長(zhǎng)距離上的傳播，通常要求兩種波長(zhǎng)相互比較接近。例如，兩種選擇的波長(zhǎng)可以是633nm和780nm，它們?cè)诓ㄩL(zhǎng)值上相互比較接近，并且可以在沒(méi)有高損耗的情況下，通過(guò)單模式光纖在長(zhǎng)距離上傳輸。電光組件700的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，光纖網(wǎng)絡(luò)720中二色性光纖耦合器1750比自由空間光束分離器更加緊湊。此外，二色性光纖耦合器保證第一光線和第二光線非常好地對(duì)準(zhǔn)，在生產(chǎn)期間不需要任何特殊的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)程序。
[0094]圖17示出電光系統(tǒng)1900的實(shí)施例，電光系統(tǒng)1900類似于圖13的電光系統(tǒng)900，除了圖17包含兩個(gè)光源——第一光源705和第二光源750之外。圖17的第一光源705、第二光源750、第一隔離器710以及第二隔離器755是與圖15所示并且如上所述的相同的構(gòu)件。
[0095]圖18示出測(cè)量回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)的方法4010。步驟4015是提供坐標(biāo)測(cè)量裝置，坐標(biāo)測(cè)量裝置包括:第一光源，產(chǎn)生第一波長(zhǎng)的第一光線；第二光源，產(chǎn)生不同于第一波長(zhǎng)的第二波長(zhǎng)的第二光線；至少包括第一端口、第二端口和第三端口的光纖光學(xué)耦合器；光學(xué)系統(tǒng)；第一電機(jī)；第二電機(jī)；第一角度測(cè)量裝置；第二角度測(cè)量裝置；距離計(jì)量?jī)x以及處理器。步驟4020是將第一光線的第一部分(第一波長(zhǎng)的第一光線)耦合到第一端口。步驟4025是將第二光線的第二部分(第二波長(zhǎng)的第一光線)耦合到第二端口。第四步驟4030是從第三端口傳輸?shù)谌饩€，第三光線包含第一部分的一部分以及第二部分的一部分。第五步驟4035是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)傳輸一部分第三光線離開(kāi)坐標(biāo)測(cè)量裝置，作為第一光束的光線。步驟4040是沿第一方向引導(dǎo)第一光束的光線，第一方向由關(guān)于第一軸的第一旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于第二軸的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，第一旋轉(zhuǎn)角度由第一電機(jī)產(chǎn)生，第二旋轉(zhuǎn)角度由第二電機(jī)產(chǎn)生。步驟4045是通過(guò)第一角度測(cè)量裝置測(cè)量第一旋轉(zhuǎn)角度以及通過(guò)第二角度測(cè)量裝置測(cè)量第二旋轉(zhuǎn)角度。步驟4050是從回射器目標(biāo)反射一部分第一光束，作為第二光束。步驟4055是通過(guò)距離計(jì)量?jī)x測(cè)量從坐標(biāo)測(cè)量裝置到回射器目標(biāo)的第一距離，測(cè)量的距離至少部分地基于通過(guò)第一光學(xué)檢測(cè)器接收的第二光束的光線的第三部分。步驟4060是至少部分地基于第一距離、第一旋轉(zhuǎn)角度以及第二旋轉(zhuǎn)角度，確定回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)。步驟4055是存儲(chǔ)確定的三維坐標(biāo)。
[0096]圖19示出測(cè)量回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)的方法4110。步驟4115是提供位置檢測(cè)器組件，位置檢測(cè)器組件包括位置檢測(cè)器。步驟4120是將第二光束的第四部分發(fā)送到位置檢測(cè)器。跟隨圖18的步驟A的步驟4125是從位置檢測(cè)器獲得第一信號(hào)，第一信號(hào)響應(yīng)于位置檢測(cè)器上第四部分的位置。步驟4130是將第二信號(hào)發(fā)送到第一電機(jī)，將第三信號(hào)發(fā)送到第二電機(jī)，第二信號(hào)和第三信號(hào)至少部分地基于第一信號(hào)。步驟4135是將第一光束的第一方向調(diào)節(jié)到回射器目標(biāo)的空間中的位置。處理在步驟B終止。
[0097]雖然參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以做出各種改變，并且等同物可以代替其中的元件。此外，可以做出很多修改，將特殊情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)，不脫離其本質(zhì)范圍。因此，希望本發(fā)明不限于作為構(gòu)思為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式公開(kāi)的特殊實(shí)施例，但是本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求書(shū)范圍的所有實(shí)施例。此外，術(shù)語(yǔ)第一、第二等等的使用不表示任何順序或重要性，但是術(shù)語(yǔ)第一、第二等等用于區(qū)別一個(gè)元件與另一個(gè)元件。此外，術(shù)語(yǔ)一、一個(gè)等等的使用不表示數(shù)量的限制，而是表示至少一個(gè)提及項(xiàng)目的出現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種坐標(biāo)測(cè)量裝置，被配置為將第一光束的光線發(fā)送到遠(yuǎn)程回射器目標(biāo)，所述回射器目標(biāo)具有空間中的位置，所述回射器目標(biāo)返回一部分所述第一光束作為第二光束，所述測(cè)量裝置包括: 第一光源，被配置為發(fā)射具有第一波長(zhǎng)的第一光線； 第二光源，被配置為發(fā)射具有第二波長(zhǎng)的第二光線，所述第二波長(zhǎng)與所述第一波長(zhǎng)不同；光纖光學(xué)耦合器，包括至少第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口被配置為接受所述第一光線的第一部分，所述第二端口被配置為接受所述第二光線的第二部分，所述第三端口被配置為傳輸?shù)谌饩€，所述第三光線包括所述第一部分的一部分以及所述第二部分的一部分； 光學(xué)系統(tǒng)，被配置為將一部分所述第三光線傳輸離開(kāi)所述坐標(biāo)測(cè)量裝置，作為所述第一光束; 第一電機(jī)和第二電機(jī)，所述第一電機(jī)和所述第二電機(jī)一起被配置為將所述第一光束的光線引導(dǎo)到第一方向，所述第一方向由關(guān)于第一軸的第一旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于第二軸的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，所述第一旋轉(zhuǎn)角度由所述第一電機(jī)產(chǎn)生，所述第二旋轉(zhuǎn)角度由所述第二電機(jī)產(chǎn)生； 第一角度測(cè)量裝置，被配置為測(cè)量所述第一旋轉(zhuǎn)角度，以及第二角度測(cè)量裝置，被配置為測(cè)量所述第二旋轉(zhuǎn)角度； 距離計(jì)量?jī)x，被配置為至少部分地基于通過(guò)第一光學(xué)檢測(cè)器接收的所述第二光束的第三部分，測(cè)量從所述坐標(biāo)測(cè)量裝置到所述回射器目標(biāo)的第一距離；以及 處理器，被配置為提供所述回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)，所述三維坐標(biāo)至少部分地基于所述第一距離、所述第一旋轉(zhuǎn)角度和所述第二旋轉(zhuǎn)角度。`
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，還包括: 位置檢測(cè)器組件，包括位置檢測(cè)器，所述第二光束的第四部分傳遞到所述位置檢測(cè)器上，所述位置檢測(cè)器被配置為響應(yīng)于所述位置檢測(cè)器上所述第四部分的位置，產(chǎn)生第一信號(hào)；以及 控制系統(tǒng)，被配置為將第二信號(hào)發(fā)送到所述第一電機(jī)以及將第三信號(hào)發(fā)送到所述第二電機(jī)，所述第二信號(hào)和所述第三信號(hào)至少部分地基于所述第一信號(hào)，所述控制系統(tǒng)被配置為將所述第一光束的所述第一方向調(diào)節(jié)到所述回射器目標(biāo)的所述空間中的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述距離計(jì)量?jī)x是絕對(duì)距離計(jì)量?jī)x。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述光學(xué)系統(tǒng)還被配置為將所述第二光束的所述第三部分耦合到所述光纖光學(xué)耦合器的所述第三端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述光纖光學(xué)耦合器還包括第四端口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述第四端口附接于低反射終端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述第一波長(zhǎng)在780nm與850nm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述第二波長(zhǎng)是紅光波長(zhǎng)或綠光波長(zhǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述第一波長(zhǎng)是紅外光波長(zhǎng)并且所述第二波長(zhǎng)是可見(jiàn)光波長(zhǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述第一波長(zhǎng)是可見(jiàn)光波長(zhǎng)并且所述第二波長(zhǎng)是紅外光波長(zhǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坐標(biāo)測(cè)量裝置，其中所述第一波長(zhǎng)是可見(jiàn)光波長(zhǎng)并且所述第二波長(zhǎng)是可見(jiàn)光波長(zhǎng)。
12.一種用于測(cè)量位于空間中的位置的回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)的方法，所述方法包括步驟: 提供坐標(biāo)測(cè)量裝置，所述坐標(biāo)測(cè)量裝置包括產(chǎn)生第一波長(zhǎng)的第一光線的第一光源、產(chǎn)生與所述第一波長(zhǎng)不同的第二波長(zhǎng)的第二光線的第二光源、包括至少第一端口、第二端口和第三端口的光纖光學(xué)耦合器、光學(xué)系統(tǒng)、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第一角度測(cè)量裝置、第二角度測(cè)量裝置、距離計(jì)量?jī)x以及處理器； 將所述第一光線的第一部分耦合到所述第一端口； 將所述第二光線的第二部分耦合到所述第二端口； 從所述第三端口傳輸?shù)谌饩€，所述第三光線包含所述第一部分的一部分以及所述第二部分的一部分； 通過(guò)所述光學(xué)系統(tǒng)將一部分所述第三光線傳輸離開(kāi)所述坐標(biāo)測(cè)量裝置，作為第一光束的光線； 沿第一方向引導(dǎo)所述第一 光束，所述第一方向由關(guān)于第一軸的第一旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)于第二軸的第二旋轉(zhuǎn)角度確定，所述第一旋轉(zhuǎn)角度由所述第一電機(jī)產(chǎn)生，所述第二旋轉(zhuǎn)角度由所述第二電機(jī)產(chǎn)生； 通過(guò)所述第一角度測(cè)量裝置測(cè)量所述第一旋轉(zhuǎn)角度； 通過(guò)所述第二角度測(cè)量裝置測(cè)量所述第二旋轉(zhuǎn)角度； 從所述回射器目標(biāo)反射一部分所述第一光束，作為所述第二光束； 通過(guò)所述距離計(jì)量?jī)x測(cè)量從所述坐標(biāo)測(cè)量裝置到所述回射器目標(biāo)的第一距離，所測(cè)量的距離至少部分地基于通過(guò)第一光學(xué)檢測(cè)器接收的所述第二光束的光線的第三部分； 至少部分地基于所述第一距離、所述第一旋轉(zhuǎn)角度以及所述第二旋轉(zhuǎn)角度，確定所述回射器目標(biāo)的三維坐標(biāo)；以及存儲(chǔ)所確定的三維坐標(biāo)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括步驟: 提供位置檢測(cè)器組件，所述位置檢測(cè)器組件包括位置檢測(cè)器； 將所述第二光束的第四部分發(fā)送到所述位置檢測(cè)器上； 從所述位置檢測(cè)器獲得第一信號(hào)，所述第一信號(hào)響應(yīng)于所述位置檢測(cè)器上所述第四部分的位置； 將第二信號(hào)發(fā)送到所述第一電機(jī)并且將第三信號(hào)發(fā)送到所述第二電機(jī)，所述第二信號(hào)和所述第三信號(hào)至少部分地基于所述第一信號(hào)；以及 將所述第一光束的所述第一方向調(diào)節(jié)到所述回射器目標(biāo)的所述空間中的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中提供坐標(biāo)測(cè)量裝置的步驟還包括將所述距離計(jì)量?jī)x提供為絕對(duì)距離計(jì)量?jī)x。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中通過(guò)所述距離計(jì)量?jī)x測(cè)量從所述坐標(biāo)測(cè)量裝置到所述回射器目標(biāo)的第一距離的步驟還包括將所述第二光束的所述第三部分耦合到所述光纖光學(xué)耦合器的所述第三端口的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中提供坐標(biāo)測(cè)量裝置的步驟還包括為所述光纖光學(xué)耦合器提供第四端口。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中提供坐標(biāo)測(cè)量裝置的步驟還包括為所述光纖光學(xué)耦合器提供附接于低反射終端的第四端口。
【文檔編號(hào)】G01S7/481GK103765238SQ201280018614
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月15日
【發(fā)明者】羅伯特·E·布里奇斯, 雅各布·J·梅茨 申請(qǐng)人:法羅技術(shù)股份有限公司