與遠程結(jié)構(gòu)光掃描儀協(xié)作的六自由度激光追蹤器的制造方法
【專利摘要】一種利用坐標測量裝置和目標掃描儀來測量對象的表面上的三個或更多個表面集的方法，每個表面集是裝置參考坐標系中的對象的表面上的點的三維坐標，每個表面集包括三個值。該方法包括：提供具有主體、第一回射器、投射器、攝像裝置和掃描儀處理器的目標掃描儀；提供坐標測量裝置，該坐標測量裝置被配置為向第一回射器發(fā)送第一光束并且從第一回射器接收第二光束，第二光束是第一光束的一部分，掃描儀處理器和裝置處理器聯(lián)合地被配置為確定表面集；選擇光的源圖案；將光的源圖案投射到對象上以產(chǎn)生光的對象圖案；將光的對象圖案成像到光敏陣列上以獲得光的圖像圖案；獲得光的圖像圖案的像素數(shù)字值；利用坐標測量裝置來測量平移集和方位集；確定至少三個非共線圖案元素中的每個相對應(yīng)的表面集；以及保存表面集。
【專利說明】與遠程結(jié)構(gòu)光掃描儀協(xié)作的六自由度激光追蹤器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年I月30日提交的美國臨時專利申請N0.61/592，049和2011年4月15日提交的美國臨時專利申請N0.61/475，703的優(yōu)先權(quán)，在此通過引用并入這兩個申請的全部內(nèi)容。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開涉及坐標測量裝置。一組坐標測量裝置屬于通過向點發(fā)送激光束來測量該點的三維(3D)坐標的一類儀器。該激光束可能直接照射在該點上或照射在與該點相接觸的回射器目標上。在任一情況下，該儀器通過測量到該目標的距離和兩個角來確定該點的坐標。該距離是利用諸如絕對距離儀或干涉儀的測距裝置來測量的。這些角是利用諸如角編碼器的角測裝置來測量的。該儀器內(nèi)的萬向光束轉(zhuǎn)向機構(gòu)使激光束指向關(guān)注點。
[0004]激光追蹤器是利用其發(fā)射的一個或多個激光束追蹤回射器目標的特定類型的坐標測量裝置。與激光追蹤器緊密相關(guān)的坐標測量裝置是激光掃描儀和全能測量儀。激光掃描儀使一個或多個激光束移動(step)至表面上的點。激光掃描儀拾取從表面散射的光并且根據(jù)該光確定到各點的距離和兩個角?？睖y應(yīng)用中最常使用的全能測量儀可以用來測量漫反射或回射目標的坐標。在下文，在廣義上使用術(shù)語激光追蹤器以包括激光掃描儀和全能測量儀。
[0005]通常，激光追蹤器向回射器目標發(fā)送激光束?；厣淦髂繕说某Ｓ妙愋褪前ㄇ度虢饘偾蝮w內(nèi)的立方隅角回射器的球形安裝的回射器(SMR)。立方隅角回射器包括三個相互垂直的鏡。作為這三個鏡的共同交叉點的頂點位于球體的中心。由于球體內(nèi)立方隅角的該配置，即使在SMR轉(zhuǎn)動時，從頂點到保持SMR的任何表面的垂直距離保持恒定。結(jié)果，激光追蹤器可以通過隨著SMR在表面上移動而跟蹤SMR的位置來測量表面的3D坐標。換言之，激光追蹤器僅需要測量三個自由度(一個徑向距離和兩個角)以完全表征表面的3D坐標。
[0006]一種類型的激光追蹤器僅包括干涉儀(IFM)而不包括絕對距離儀(ADM)。在對象阻斷了來自這些追蹤器之一的激光束的路徑的情況下，IFM丟失其距離參考。于是，操作員必須將回射器追蹤至已知位置以在繼續(xù)測量之前重置至參考距離。繞過這種限制的方式是將ADM置于追蹤器中。如以下更詳細地所述，ADM可以以對準即拍(point-and-shoot)的方式測量距離。一些激光追蹤器僅包含ADM而不具有干涉儀。Bridges等人的美國專利N0.7，352，446 (‘446)(其內(nèi)容通過引用并入于此)描述了僅具有能夠精確地掃描移動目標的ADM(且無IFM)的追蹤器。在‘446專利之前，絕對距離儀過慢而無法準確地找出移動目標的位置。
[0007]激光追蹤器內(nèi)的萬向機構(gòu)可以用來將來自追蹤器的激光束指向SMR。由SMR回射的光的一部分入射到激光追蹤器中并且傳遞至位置檢測器上。激光追蹤器內(nèi)的控制系統(tǒng)可以使用光在位置檢測器上的位置來調(diào)整激光追蹤器的機械軸的轉(zhuǎn)動角，以保持激光束在SMR上居中。這樣，追蹤器能夠跟隨(追蹤)在關(guān)注對象的表面上移動的SMR。
[0008]將諸如角編碼器的角度測量裝置附接至追蹤器的機械軸。由激光追蹤器所進行的一個距離測量和兩個角度測量足以完全指定SMR的三維位置。
[0009]可利用或提出了用以測量六自由度而非普通的三自由度的幾種激光追蹤器。Bridges等人的美國專利N0.7，800,758( ‘758)(其全部內(nèi)容通過引用并入于此)和Bridges等人的美國公開專利申請N0.2010/0128259 (其全部內(nèi)容通過引用并入于此)描述了示例性的六自由度(六D0F)系統(tǒng)。
[0010]需要新型的六DOF組件，其在用于六DOF激光追蹤器時提供各種性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種利用坐標測量裝置和目標掃描儀來測量對象表面上的三個或更多個表面集的方法，三個或更多個表面集中的每一個是裝置參考坐標系內(nèi)的對象表面上的點的三維坐標，各表面集包括三個值，裝置參考坐標系與所述坐標測量裝置相關(guān)聯(lián)。該方法包括以下步驟:提供目標傳感器，該目標傳感器具有主體、第一回射器、投射器、攝像裝置和掃描儀處理器，其中第一回射器、投射器和攝像裝置剛性地附接至主體，并且目標傳感器從坐標測量裝置機械地拆卸，投射器包括光源圖案和投射器透鏡，該光源圖案位于源面上并且包括至少三個非共線的圖案元素，投射器透鏡被配置為將光源圖案投射到對象上以在對象上形成光的對象圖案，至少三個非共線圖案元素各自與至少一個表面集相對應(yīng)，其中攝像裝置包括攝像裝置透鏡和光敏陣列，該攝像裝置透鏡被配置為使對象光圖案在光敏陣列上成像作為光的圖像圖案，光敏陣列包括攝像裝置像素，光敏陣列被配置為針對各攝像裝置像素產(chǎn)生與攝像裝置像素從光的圖像圖案接收到的光量相對應(yīng)的相應(yīng)像素數(shù)字值。該方法還包括:提供所述坐標測量裝置，所述坐標測量裝置被配置為測量平移集和方位集，所述平移集是所述目標傳感器在所述裝置參考坐標系中的三個平移自由度的值并且所述方位集是所述目標傳感器在所述裝置參考坐標系中的三個方位自由度的值，所述平移集和所述方位集足以限定所述目標傳感器在空間內(nèi)的位置和方位，所述坐標測量裝置被配置為將第一光束發(fā)送至所述第一回射器并且從所述第一回射器接收第二光束，所述第二光束是所述第一光束的一部分，所述坐標測量裝置包括裝置處理器，所述裝置處理器被配置為確定所述方位集和所述平移集，所述平移集至少部分基于所述第二光束，所述傳感器處理器和所述裝置處理器共同被配置為確定所述感測特性和所述表面集，所述表面集至少部分基于所述平移集、所述方位集和所述像素數(shù)字值。所述方法還包括:選擇所述光源圖案；將所述光源圖案投射到對象上以產(chǎn)生對象光圖案；使所述對象光圖案在所述光敏陣列上成像以獲得光的圖像圖案；獲得光的圖像圖案的像素數(shù)字值；將所述第一光束從所述坐標測量裝置發(fā)送至所述第一回射器；從所述所述第一回射器接收所述第二光束；至少部分基于所述第二光束來利用所述坐標測量裝置測量所述方位集和所述平移集；確定與至少三個非共線圖案元素各自相對應(yīng)的表面集；以及保存所述表面集。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]現(xiàn)在參考附圖，示出了不應(yīng)當被解釋為限制本公開的整個范圍的示例性實施例，其中在幾個附圖中元件被類似地編號:
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有回射器目標的激光追蹤器系統(tǒng)的立體圖；
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有六DOF目標的激光追蹤器系統(tǒng)的立體圖；[0015]圖3是說明根據(jù)本發(fā)明實施例的激光追蹤器的光學和電子學元件的框圖；
[0016]包括圖4A和4B的圖4示出兩種類型的現(xiàn)有技術(shù)的無焦光束擴展器；
[0017]圖5示出現(xiàn)有技術(shù)的光纖光束發(fā)射；
[0018]圖6A?6D是示出四種類型的現(xiàn)有技術(shù)的位置檢測器組件的示意圖；
[0019]圖6E和6F是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的位置檢測器組件的示意圖；
[0020]圖7是現(xiàn)有技術(shù)的ADM內(nèi)的電氣和光電元件的框圖；
[0021]圖8A和8B是示出現(xiàn)有技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的光纖元件的示意圖；
[0022]圖SC是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的光纖網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的光纖元件的示意圖；
[0023]圖9是現(xiàn)有技術(shù)的激光追蹤器的分解圖；
[0024]圖10是現(xiàn)有技術(shù)的激光追蹤器的截面圖；
[0025]圖11是根據(jù)本發(fā)明實施例的激光追蹤器的計算和通信元件的框圖；
[0026]圖12A是根據(jù)本發(fā)明實施例的使用單個波長的激光追蹤器中的元件的框圖；
[0027]圖12B是根據(jù)本發(fā)明實施例的使用單個波長的激光追蹤器中的元件的框圖；
[0028]圖13是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有六DOF能力的激光追蹤器中的元件的框圖；
[0029]圖14是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有六DOF能力的激光追蹤器中的元件的框圖；
[0030]圖15和15C是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有六DOF能力的激光追蹤器中的元件的框圖；
[0031]圖15Α、15Β、1?和15E是示出基于三角測量的掃描測量系統(tǒng)的操作原理的示意圖；
[0032]圖15F示出根據(jù)本發(fā)明實施例可以采取的用以確保高質(zhì)量測量結(jié)果的步驟；
[0033]圖16、16A和16B是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的六DOF指示器的元件的示意圖；
[0034]圖17是根據(jù)本發(fā)明實施例的六DOF投射器的框圖；
[0035]圖18是根據(jù)本發(fā)明實施例的六DOF投射器的框圖；
[0036]圖19是根據(jù)本發(fā)明實施例的六DOF傳感器的框圖；
[0037]圖19A是根據(jù)本發(fā)明實施例的六DOF傳感器的框圖；
[0038]圖20是根據(jù)本發(fā)明實施例的利用坐標測量裝置和目標掃描儀來測量對象表面上的三個或更多個表面集的方法中的步驟的流程圖；
[0039]圖21是圖20中的標記A之后的方法中的步驟的流程圖；
[0040]圖22是圖20中的標記A之后的方法中的步驟的流程圖；
[0041]圖23是圖20中的標記A之后的方法中的步驟的流程圖；
[0042]圖24是根據(jù)本發(fā)明實施例的利用坐標測量裝置和目標傳感器測量感測特性和與該感測特性相關(guān)聯(lián)的表面集的方法中的步驟的流程圖；
[0043]圖25是圖24中的標記B之后的方法中的步驟的流程圖；
[0044]圖26是根據(jù)本發(fā)明實施例的通過利用第一目標投射器投射第一圖案來將第一信息傳送至坐標測量裝置的用戶的方法中的步驟的流程圖；
[0045]圖27是圖26中的標記C之后的方法中的步驟的流程圖；
[0046]圖28是圖26中的標記C之后的方法中的步驟的流程圖；
[0047]圖29是圖26中的標記C之后的方法中的步驟的流程圖；
[0048]圖30是圖26中的標記C之后的方法中的步驟的流程圖；[0049]圖31是根據(jù)本發(fā)明實施例的利用坐標測量裝置和目標掃描儀來測量對象表面上的多個表面集的方法中的步驟的流程圖；以及
[0050]圖32是根據(jù)本發(fā)明實施例的利用坐標測量裝置和目標掃描儀來測量對象對象表面上的多個表面集的方法中的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0051]圖1示出的示例性激光追蹤器系統(tǒng)5包括激光追蹤器10、回射器目標26、可選輔助單元處理器50和可選輔助計算機60。激光追蹤器10的示例性萬向光束轉(zhuǎn)向機構(gòu)12包括安裝在方位基座16上并且繞方位軸20轉(zhuǎn)動的天頂滑架14。有效載荷15安裝在天頂滑架14上并且繞天頂軸18轉(zhuǎn)動。在追蹤器10內(nèi)部，天頂軸18和方位軸20在通常作為距離測量的原點的萬向點22處垂直相交。激光束46實際上穿過萬向點22并且指向成與天頂軸18垂直。換句話說，激光束46存在于與天頂軸18大致垂直并且穿過方位軸20的平面內(nèi)。輸出激光束46由于有效載荷15繞天頂軸18的轉(zhuǎn)動以及天頂滑架14繞方位軸20的轉(zhuǎn)動而指向期望方向。將追蹤器內(nèi)部的天頂角編碼器附接至與天頂軸18對準的天頂機械軸。將追蹤器內(nèi)部的方位角編碼器附接至與方位軸20對準的方位機械軸。天頂角編碼器和方位角編碼器以相對較高的精度測量轉(zhuǎn)動的天頂角和方位角。輸出激光束46傳播至例如可能是如上所述的球形安裝的回射器(SMR)的回射器目標26。通過測量萬向點22和回射器26之間的徑向距離、繞天頂軸18的轉(zhuǎn)動角和繞方位軸20的轉(zhuǎn)動角，在追蹤器的球面坐標系中找到回射器26的位置。
[0052]如以下所述，輸出激光束46可以包括一個或多個激光波長。為了清楚和簡便，在以下論述中假定圖1所示的這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)。然而，其它類型的轉(zhuǎn)向機構(gòu)是可以的。例如，能夠使激光束從繞方位軸和天頂軸轉(zhuǎn)動的鏡反射。無論轉(zhuǎn)向機構(gòu)的類型如何，均可應(yīng)用本文描述的技術(shù)。
[0053]在激光追蹤器上可以包括磁槽17以針對例如1.5,7/8和1/2英寸的SMR的不同大小的SMR將激光追蹤器重置為“初始”位置。可以使用追蹤器上回射器19將追蹤器重置為參考距離。另外，如美國專利N0.7，327，446 (其內(nèi)容通過引用并入于此)所述，可以將從圖1不可見的追蹤器上鏡與追蹤器上回射器相結(jié)合使用以使得能夠進行自補償。
[0054]圖2示出示例性激光追蹤器系統(tǒng)7，其中，除了以六DOF探測器1000替換回射器目標26以外，激光追蹤器系統(tǒng)7與圖1的激光追蹤器系統(tǒng)5相同。在圖1中，可以使用其它類型的回射器目標。例如，有時使用作為光會聚至玻璃結(jié)構(gòu)的反射后表面上的小光斑的玻璃回射器的貓眼回射器。
[0055]圖3是示出激光追蹤器實施例中的光學和電氣元件的框圖。圖3示出如下激光追蹤器的元件:該激光追蹤器發(fā)出兩個波長的光并且用于追蹤，其中，第一波長用于ADM，第二波長用于可見指示器?？梢娭甘酒魇沟糜脩裟軌蚩匆娮粉櫰魉l(fā)出的激光束光斑的位置。使用自由空間分束器來組合這兩個不同波長。電光(EO)系統(tǒng)100包括可見光源110、隔離器115、可選第一光纖發(fā)射器170、可選干涉儀(IFM) 120、擴束器140、第一分束器145、位置檢測器組件150、第二分束器155、ADM160和第二光纖發(fā)射器170。
[0056]可見光源110可以是激光器、超發(fā)光二極管或其它發(fā)光裝置。隔離器115可以是Faraday隔離器、衰減器或能夠減少反射回至光源的光的其它裝置。可選IFM可以被配置為多種方式。作為可能實現(xiàn)的具體示例，IFM可以包括分束器122、回射器126、四分之一波板124,130和相位分析器128。可見光源110可以將光發(fā)射到自由空間，然后該光經(jīng)過隔離器115和可選IFM120在自由空間內(nèi)傳播?？蛇x地，隔離器115可以經(jīng)由光纖線纜耦接至可見光源110。在這種情況下，如以下參考圖5所論述的，來自隔離器的光可以經(jīng)過第一光發(fā)射器170發(fā)射到自由空間內(nèi)。
[0057]可以使用各種透鏡結(jié)構(gòu)來設(shè)置擴束器140，但在圖4A、4B中示出兩種常用的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)。圖4A示出基于使用負透鏡141A和正透鏡142A的結(jié)構(gòu)140A。入射到負透鏡141A上的準直光束220A從正透鏡142A出射為較大的準直光束230A。圖4B示出基于使用兩個正透鏡141BU42B的結(jié)構(gòu)140B。入射到第一正透鏡141B上的準直光束220B從第二正透鏡142B出射為較大的準直光束230B。在從擴束器140離開的光中，少量光在從追蹤器出來的路上從分束器145、155反射并且丟失。穿過分束器155的那部分光與來自ADM160的光相組合以形成離開激光追蹤器并且傳播至回射器90的復(fù)合光束188。
[0058]在實施例中，ADM160包括光源162、ADM電子器件164、光纖網(wǎng)絡(luò)166、互連電纜165和互連光纖168、169、184、186。ADM電子器件將電氣調(diào)制和偏置電壓發(fā)送至光源162，其中該光源162例如可以是以約1550nm的波長工作的分布式反饋激光器。在實施例中，光纖網(wǎng)絡(luò)166可以是圖8A所示的現(xiàn)有技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)420A。在本實施例中，來自圖3中的光源162的光經(jīng)由與圖8A中的光纖432等同的光纖184傳播。
[0059]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和低傳輸反射器435、440。光經(jīng)由第一光纖耦合器430傳播并且分裂成以下兩個路徑，其中第一路徑經(jīng)由光纖433至第二光纖耦合器436，第二路徑經(jīng)過光纖422和光纖長度均衡器423。光纖長度均衡器423連接至圖3的光纖長度168，其中該光纖長度168傳播至ADM電子器件164的參考通道。光纖長度均衡器423的目標是使光在參考通道內(nèi)所經(jīng)過的光纖的長度與光在測量通道內(nèi)所經(jīng)過的光纖的長度一致。這種方式的光纖長度一致減少了因環(huán)境溫度的變化所引起的ADM誤差。由于光纖的有效光路長度與光纖的平均折射率乘以光纖長度相等，因此可能產(chǎn)生這樣的誤差。由于光纖的折射率依賴于光纖的溫度，因此光纖的溫度變化導(dǎo)致測量通道和參考通道的有效光路長度出現(xiàn)變化。在測量通道內(nèi)的光纖的有效光路長度相對于參考通道內(nèi)的光纖的有效光路長度改變的情況下，即使回射器目標90保持靜止，該結(jié)果也將在回射器目標90的位置發(fā)生明顯偏移。為了避免該問題，采取兩個步驟。首先，使參考通道內(nèi)的光纖的長度與測量通道內(nèi)的光纖的長度盡可能匹配。其次，并排鋪設(shè)測量光纖和參考光纖以達到能夠確保兩個通道內(nèi)的光纖經(jīng)歷近乎相同的溫度變化的程度。
[0060]光經(jīng)由第二光纖光耦合器436傳播并且分裂成以下兩個路徑，其中，第一路徑至低反射光纖終端440，第二路徑至光纖438，其中光從光纖438傳播至圖3的光纖186。光穿過光纖186而傳播至第二光纖發(fā)射器170。
[0061]在實施例中，在現(xiàn)有技術(shù)的圖5中示出光纖發(fā)射器170。來自圖3中的光纖186的光入射到圖5中的光纖172。光纖發(fā)射器170包括光纖172、箍174和透鏡176。光纖172附接至箍174，其中箍174穩(wěn)定地附接至激光追蹤器10內(nèi)的結(jié)構(gòu)。如果需要，可以將光纖的端部打磨成角以減少背向反射。根據(jù)所使用的光的波長和光纖的特定類型，光250從可以是直徑為4?12微米的單模光纖的光纖的纖芯出射。光250分叉成一定角并且與透鏡176相交，其中透鏡176使光250平行。參考專利‘758中的圖3說明了經(jīng)由ADM系統(tǒng)中的單模光纖來發(fā)射和接收光信號的方法。
[0062]參考圖3，分束器155可以是發(fā)射不同于所反射的波長的兩色分束器。在實施例中，來自ADM160的光從兩色分束器155反射并且與透過兩色分束器155的來自可見激光110的光合并。復(fù)合光束188從激光追蹤器傳播出來至回射器90作為第一光束，其中回射器90返回光的一部分作為第二光束。第二光束部分以ADM波長從兩色分束器155反射并且返回至第二光纖發(fā)射器170，其中第二光纖發(fā)射器170將光返回耦接至光纖186。
[0063]在實施例中，光纖186與圖8A中的光纖438相對應(yīng)。返回光自光纖438穿過第二光纖耦合器436傳播并且分裂成兩個路徑。在本實施例中，第一路徑通往光纖424，光纖424與通往圖3中的ADM電子器件164的測量通道的光纖169相對應(yīng)。第二路徑通往光纖433，然后通往第一光纖耦合器430。離開第一光纖耦合器430的光分裂成兩個路徑，第一路徑至光纖432，第二路徑至低反射終端435。在實施例中，光纖432與通往圖3中的光源162的光纖184相對應(yīng)。在大多情況中，光源162包含使從光纖432進入光源的光量最小化的內(nèi)置Faraday隔離器。在相反方向上反饋到激光內(nèi)的過多的光可能會使激光不穩(wěn)定。
[0064]來自光纖網(wǎng)絡(luò)166的光經(jīng)由光纖168、169入射到ADM電子器件164。在圖7中示出現(xiàn)有技術(shù)的ADM電子器件的實施例。圖3中的光纖168與圖7中的光纖3232相對應(yīng)，并且圖3中的光纖169與圖7中的光纖3230相對應(yīng)?，F(xiàn)在參考圖7，ADM電子器件3300包括頻率參考3302、合成器3304、測量檢測器3306、參考檢測器3308、測量混合器3310、參考混合器3312、調(diào)節(jié)電子器件3314、3316、3318、3320、N分預(yù)分頻器3324和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 3322。例如可以是恒溫控制的晶體振蕩器(OCXO)的頻率參考將例如可以為IOMHz的參考頻率fKEF發(fā)送至合成器，其中合成器產(chǎn)生兩種電信號:頻率為fKF的一個信號和頻率為的兩個信號。信號fKF進入與圖3中的光源162相對應(yīng)的光源3102。頻率為的兩個信號進入測量混合器3310和參考混合器3312。來自圖3中的光纖168，169的光分別出現(xiàn)在圖7中的光纖3232，3230上，并且分別入射到參考通道和測量通道。參考檢測器3308和測量檢測器3306將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這些信號分別由電氣組件3316、3314進行調(diào)節(jié)，并且分別被發(fā)送至混合器3312、3310。這些混合器產(chǎn)生與- fEF的絕對值相等的頻率fIF。信號fKF可以是例如2GHz的相對高的頻率，而信號fIF可以是例如IOkHz的相對較低的頻率。
[0065]將參考頻率fKEF發(fā)送至預(yù)分頻器3324，其中預(yù)分頻器3324將頻率除以整數(shù)值。例如，可以將IOMHz的頻率除以40以獲得250kHz的輸出頻率。在該示例中，以250kHz的速率對進入ADC3322的IOkHz信號進行采樣，由此產(chǎn)生25個樣本/每周期。將來自ADC3322的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器3400，其中數(shù)據(jù)處理器3400例如可以是位于圖3的ADM電子器件164中的一個或多個數(shù)字信號處理器(DSP)單兀。
[0066]用于提取距離的方法基于針對參考通道和測量通道的ADC信號的相位的計算。在Bridges等人的美國專利N0.7，701，559 (‘559)中詳細描述了該方法，其內(nèi)容通過引用并入于此。計算包括使用專利‘559的等式(I)?(8)。另外，在ADM首次開始測量回射器時，將合成器所生成的頻率改變?nèi)舾纱?例如，3次)，并且在各情況下計算可能的ADM距離。通過針對所選擇的各頻率比較可能的ADM距離，消除了 ADM測量時的不確定。專利‘559的等式(I)?⑶連同關(guān)于專利‘559的圖5所述的同步方法和專利‘559所述的Kalman濾波器方法使得ADM能夠測量移動目標。在其它實施例中，可以使用用于獲得絕對距離測量的其它方法，例如通過使用脈沖飛行時間(time-of-flight)而不是相位差來獲得絕對距離測量的方法。
[0067]返回光束190的穿過分束器155的部分到達分束器145，其中分束器145將該光的一部分發(fā)送至擴束器140并且將該光的另一部分發(fā)送至位置檢測器組件150。從激光追蹤器10或EO系統(tǒng)100出射的光可被看作第一光束，并且從回射器90或26反射的光的一部分可被看作第二光束。反射光束的部分被發(fā)送至EO系統(tǒng)100的不同功能元件。例如，可以將第一部分發(fā)送至諸如圖3中的ADM160的測距儀。可以將第二部分發(fā)送至位置檢測器組件150。在一些情況下，可以將第三部分發(fā)送至諸如可選干涉儀120的其它功能單元。理解以下很重要:在圖3的示例中，盡管第二光束的第一部分和第二部分在從分束器155和145反射之后分別被發(fā)送至測距儀和位置檢測器，但可以使光透過而不是反射到測距儀或位置檢測器上。
[0068]在圖6A?6D中示出現(xiàn)有技術(shù)的位置檢測器組件150A?150D的四個示例。圖6A示出最簡單的實現(xiàn)方式，其中位置檢測器組件包括安裝在用于從電子箱350獲得電力并且將信號返回至電子箱350的電路板152上的位置傳感器151，其可以表示在激光追蹤器10、輔助單元50或外部計算機60內(nèi)的任意位置處的電子處理能力。圖6B包括用于阻斷不期望的光波長到達位置傳感器151的光學濾波器154。例如，還可以通過利用適當膜涂覆分束器145或位置傳感器151的表面來阻斷不期望的光波長。圖6C包括用于減小光束的大小的透鏡153。圖6D包括光學濾波器154和透鏡153這兩者。
[0069]圖6E示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括光學調(diào)節(jié)器149E的位置檢測器組件。光學調(diào)節(jié)器包括透鏡153并且還可以包含可選的波長濾波器154。另外，光學調(diào)節(jié)器包括擴散器156和空間濾波器157中的至少一個。如以上所述，普遍類型的回射器為立方隅角回射器。一種類型的立方隅角回射器由三個鏡構(gòu)成，其中，每個鏡與其它兩個鏡以直角結(jié)合。這三個鏡相結(jié)合的截交線可以具有光不會被完全反射回至追蹤器的有限厚度。有限厚度的線隨著它們傳播而衍射，使得這些線在到達位置檢測器時可以不出現(xiàn)在位置檢測器上的完全相同位置處。然而，衍射光圖案通常將不滿足完全對稱。結(jié)果，照射位置檢測器151的光例如在衍射線附近可能光學功率(熱點)下降或上升。由于來自回射器的光的均一性在各回射器之間可能改變，并且還由于位置檢測器上的光的分布也可能隨著回射器轉(zhuǎn)動或傾斜而改變，因此包括擴散器156以提高照射位置檢測器151的光的平滑度可能是有利的。可能會爭辯，由于理想位置檢測器應(yīng)當對應(yīng)于質(zhì)心并且理想擴散器應(yīng)當對稱地擴散光斑，因此不會對位置檢測器所給出的結(jié)果位置產(chǎn)生影響。然而，實際上，觀察到擴散器改進了位置檢測器組件的性能，這可能是因為位置檢測器151和透鏡153的非線性(不完善)的影響。由玻璃制成的立方隅角回射器還可能在位置檢測器151處產(chǎn)生非均勻的光斑。如根據(jù)共同受讓人的于2012年2月10日提交的美國專利申請N0.13/370，339和于2012年2月29日提交的美國專利申請N0.13/407, 983 (這兩個申請通過引用并入于此)可以更加清楚地理解，位置檢測器處的光斑的變化相對于從六DOF目標中的立方隅角反射的光特別明顯。在實施例中，擴散器156是全息擴散器。全息擴散器在指定擴散角上提供受控的同質(zhì)光。在其它實施例中，使用諸如毛玻璃或“乳色玻璃”擴散器的其它類型的擴散器。
[0070]位置檢測器組件150E的空間濾波器157的目標是阻斷例如可能作為光學表面的不期望的反射結(jié)果的重影光束照射位置檢測器151?？臻g濾波器包括具有孔徑的板157。通過將空間濾波器157布置為距透鏡的距離近似等于透鏡的焦距，返回光243E在接近其最窄時(即光束的腰部處)穿過空間濾波器。例如，作為光學元件的反射結(jié)果而以不同角傳播的光束偏離孔徑照射空間濾波器并且被阻止達到位置檢測器151。在圖6E中示出如下示例:不期望的重影光束244E從分束器145的表面反射并且傳播至空間濾波器157，在空間濾波器157處，該重影光束被阻斷。在不存在空間濾波器的情況下，重影光束244E將與位置檢測器151相交，由此導(dǎo)致不正確地確定光束243E在位置檢測器151上的位置。在重影光束位于距光的主要斑點相對大的距離處的情況下，即使微弱的重影光束也可能極大地改變位置檢測器151上質(zhì)心的位置。
[0071]這里論述的這種回射器、立方隅角或貓眼反射器具有例如反射沿與入射光線平行的方向入射到回射器的光射線的性質(zhì)。另外，入射光線和反射光線關(guān)于回射器的對稱點對稱配置。例如，在露天的立方隅角回射器中，回射器的對稱點是立方隅角的頂點。在玻璃立方隅角回射器中，對稱點也是頂點，但這種情況下必須考慮玻璃空氣界面處的光的彎曲。在衍射率為2.0的貓眼回射器中，對稱點也是球體中心。在由對稱地位于共同面上的兩個玻璃半球體制成的貓眼回射器中，對稱點是存在于該平面上并且處于各半球體的球形中心的點。對于激光追蹤器通常使用的回射器類型，主點是將回射器返回至追蹤器的光偏向相對于入射激光束的頂點的另一側(cè)。
[0072]圖3中的回射器90的該行為是利用激光追蹤器來追蹤回射器的基礎(chǔ)。位置傳感器在其表面上具有理想折回點。該理想折回點是發(fā)送至回射器的對稱點(例如，SMR中的立方隅角回射器的頂點)的激光束將返回的點。通常，折回點接近位置傳感器的中心。在將激光束發(fā)送至回射器的一側(cè)的情況下，該激光束在另一側(cè)上反射回來并且呈現(xiàn)為離開位置傳感器上的折回點。通過注意位置傳感器上的返回光束的位置，激光追蹤器10的控制系統(tǒng)可以使電機將光束朝向回射器的對稱點移動。
[0073]在回射器以恒定速度相對于追蹤器橫向移動的情況下，回射器處的光束(在解決了瞬態(tài)之后)在距回射器的對稱點固定偏移距離處照射回射器。激光追蹤器基于從控制測量所獲得的縮放因數(shù)和從位置傳感器上的光束到理想折回點的距離進行校正，以補償回射器處的該偏移距離。
[0074]如以上所述，位置檢測器進行兩個主要功能，這兩個功能使得能夠追蹤并校正測量以補償回射器的移動。位置檢測器內(nèi)的位置傳感器可以是能夠測量位置的任意類型的裝置。例如，位置傳感器可以是位置感測檢測器或光敏陣列。位置感測檢測器例如可以是橫向效應(yīng)檢測器或象限檢測器。光敏陣列例如可以是CMOS或CCD陣列。
[0075]在實施例中，沒有從分束器145反射的返回光穿過擴束器140，從而變得較小。在另一實施例中，顛倒位置檢測器的位置和測距儀的位置，以使得分束器145所反射的光傳播至測距儀并且透過分束器的光傳播至位置檢測器。
[0076]光繼續(xù)穿過可選IFM，穿過隔離器并且入射到可見光源110。在該階段，光學功率應(yīng)足夠小以使得其不會使可見光源110不穩(wěn)定。
[0077]在實施例中，經(jīng)由圖5中的光束發(fā)射器170發(fā)射來自可見光源110的光。光纖發(fā)射器可以附接至光源110的輸出或隔離器115的光纖輸出。
[0078]在實施例中，圖3的光纖網(wǎng)絡(luò)166可以是圖8的現(xiàn)有技術(shù)的光纖網(wǎng)絡(luò)420B。這里，圖3的光纖184、186、168、169與圖8B的光纖443、444、424、422相對應(yīng)。除了圖8B的光纖網(wǎng)絡(luò)具有單個光纖耦合器而非兩個光纖耦合器之外，圖SB的光纖網(wǎng)絡(luò)與圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)相同。圖SB相對于圖8A的優(yōu)點是簡潔；然而，圖SB更可能使不期望的光學背向反射進入光纖422和424。
[0079]在實施例中，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與圖8C的光纖447、455、423、424相對應(yīng)。光纖網(wǎng)絡(luò)420C包括第一光纖率禹合器445和第二光纖稱合器451。第一光纖稱合器445是具有兩個輸入端口和兩個輸出端口的2X2耦合器。這種耦合器通常通過鄰近地配置兩個光纖纖芯然后在被加熱時拉制這些光纖制成。這樣,光纖之間的倏逝波稱合(evanescent coupling)可以將光的期望部分分離到相鄰光纖。第二光纖耦合器451是所謂的環(huán)行器類型。第二光纖耦合器451包括三個端口，每個端口具有僅在指定方向上發(fā)送或接收光的能力。例如，光纖448上的光入射到端口 453并且如由箭頭所示朝向端口 454傳播。在端口 454處，光可以被傳輸至光纖455。同樣，在端口 455上傳播的光可以入射到端口 454并且沿箭頭方向傳播至端口 456，其中在端口 456處,一些光可以被傳輸至光纖424。在僅需要三個端口的情況下,環(huán)行器451可能經(jīng)受比2X2耦合器小的光學功率損耗。另一方面，環(huán)行器451可能比2X2耦合器更貴，并且可能經(jīng)歷在一些情形下可能成為問題的偏振模式分散。
[0080]圖9和10分別示出Bridges等人的美國公開專利申請N0.2010/0128259的圖2和3中所述的現(xiàn)有技術(shù)的激光追蹤器2100的分解圖和截面圖，其中通過引用并入該申請。方位組件2110包括柱狀殼體2112、方位編碼器組件2120、下方位軸承2114A和上方位軸承2114B、方位電機組件2125、方位滑環(huán)組件2130和方位電路板2135。
[0081]方位編碼器組件2120的目標是準確地測量軛2142相對于柱狀殼體2112的轉(zhuǎn)動角。方位編碼器組件2120包括編碼器盤2121和讀取頭組件2122。編碼器盤2121附接至軛殼體2142的軸，并且讀取頭組件2122附接至支柱組件2110。讀取頭組件2122包括其上緊固有一個或多個讀取頭的電路板。發(fā)送自讀取頭的激光從編碼器盤2121上的細光柵線反射出來。對編碼器讀取頭上的檢測器拾取到的反射光進行處理以求出編碼器盤相對于固定讀取頭轉(zhuǎn)動的角。
[0082]方位電機組件2125包括方位電機轉(zhuǎn)子2126和方位電機定子2127。方位電機轉(zhuǎn)子包括直接附接至軛殼體2142的軸的永磁體。方位電機定子2127包括產(chǎn)生規(guī)定的磁場的場繞組。該磁場與方位電機定子2126的磁體相互作用以產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)動動作。方位電機定子2127附接至柱狀架2112。
[0083]方位電路板2135表示用于提供諸如編碼器和電機的方位組件所需的電氣功能的一個或多個電路板。方位滑環(huán)組件2130包括外部部件2131和內(nèi)部部件2132。在實施例中，線束2138從輔助單元處理器50露出。線束2138可以將電力傳遞至追蹤器或者將信號傳輸至追蹤器或從追蹤器傳輸信號。線束2138中的一些布線可以指向電路板上的連接器。在圖10所示的示例中，將線布到方位電路板2135、編碼器讀取頭組件2122和方位電機組件2125。其它線布到達滑環(huán)組件2130的內(nèi)部部件2132。內(nèi)部部件2132附接至柱狀組件2110并且因而保持靜止。外部部件2131附接至軛組件2140并且因而相對于內(nèi)部部件2132轉(zhuǎn)動?；h(huán)組件2130被設(shè)計成隨著外部部件2131相對于內(nèi)部部件2132轉(zhuǎn)動而允許低阻抗電氣接觸。
[0084]天頂部件2140包括軛殼體2142、天頂編碼器組件2150、左天頂軸承2144A和右天頂軸承2144B、天頂電機組件2155、天頂滑環(huán)組件2160和天頂電路板2165。[0085]天頂編碼器組件2150的目標是準確地測量有效載荷框架2172相對于軛殼體2142的轉(zhuǎn)動角。天頂編碼器組件2150包括天頂編碼器盤2151和天頂讀取頭組件2152。編碼器盤2151附接至有效載荷殼體2142并且讀取頭組件2152附接至軛殼體2142。天頂讀取頭組件2152包括其上緊固有一個或多個讀取頭的電路板。發(fā)送自讀取頭的激光從編碼器盤2151上的細光柵線反射出來。對編碼器讀取頭上的檢測器所拾取的反射光進行處理，以求出編碼器盤相對于固定讀取頭轉(zhuǎn)動的角。
[0086]天頂電機組件2155包括方位電機轉(zhuǎn)子2156和方位電機定子2157。天頂電機轉(zhuǎn)子2156包括直接附接至有效載荷框架2172的軸的永磁體。天頂電機定子2157包括用于生成規(guī)定的磁場的場繞組。該磁場與轉(zhuǎn)子磁體相互作用以產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)動動作。天頂電機定子2157附接至軛框架2142。
[0087]天頂電路板2165表示用于提供諸如編碼器和電機的天頂部件所需的電氣功能的一個或多個電路板。天頂滑環(huán)組件2160包括外部部件2161和內(nèi)部部件2162。線束2168從方位外部滑環(huán)2131露出并且可以輸送電力或信號。線束2168中的一些布線可以指向電路板上的連接器。在圖10所示的例子中，將線布到天頂電路板2165、天頂電機組件2150和編碼器讀取頭組件2152。將其它線布到滑環(huán)組件2160的內(nèi)部部件2162。內(nèi)部部件2162附接至軛框架2142并且因而僅以方位角而不以天頂角轉(zhuǎn)動。外部部件2161附接至有效載荷框架2172并且因而以天頂角和方位角這兩者轉(zhuǎn)動?；h(huán)組件2160被設(shè)計成隨著外部部件2161相對于內(nèi)部部件2162轉(zhuǎn)動而允許低阻抗電氣接觸。有效載荷組件2170包括主光學組件2180和副光學組件2190。
[0088]圖11是示出維度測量電子處理系統(tǒng)1500的框圖，其中，維度測量電子處理系統(tǒng)1500包括激光追蹤器電子處理系統(tǒng)1510、外圍元件1582、1584、1586的處理系統(tǒng)、計算機1590和這里表示為云的其它網(wǎng)絡(luò)部件1600。示例性的激光追蹤器電子處理系統(tǒng)1510包括主處理器1520、有效載荷功能電子器件1530、方位編碼器電子器件1540、天頂編碼器電子器件1550、顯示器和用戶界面(UI)電子器件1560、可移除存儲硬件1565、射頻識別(RFID)電子器件和天線1572。有效載荷功能電子器件1530包括多個子功能，包含六DOF電子器件1531、攝像裝置電子器件1532、ADM電子器件1533、位置檢測器(PSD)電子器件1534和水平電子器件1535。大多數(shù)子功能具有例如可以是數(shù)字信號處理器(DSP)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的至少一個處理器單元。電子單元1530、1540和1550由于它們在激光追蹤器內(nèi)的位置而單獨示出。在實施例中，有效載荷功能1530位于圖9、10的有效載荷2170內(nèi)，而方位編碼器電子器件1540位于方位組件2110內(nèi)并且天頂編碼器電子器件1550位于天頂組件2140內(nèi)。
[0089]可以具有多種外圍裝置，但這里示出三個這種裝置:溫度傳感器1582、六DOF探測器1584和例如可以是智能電話的個人數(shù)字助理1586。激光追蹤器可以通過各種方式與外圍裝置通信，包括:通過諸如攝像裝置的視覺系統(tǒng)和通過激光追蹤器向諸如六DOF探測器1584的協(xié)作目標的距離讀取和角讀取來經(jīng)由天線1572進行無線通信。外圍裝置可以包含處理器。六DOF輔助設(shè)備可以包括六DOF探測系統(tǒng)、六DOF掃描儀、六DOF投射器、六DOF傳感器和六DOF指示器。這些六DOF裝置內(nèi)的處理器可以結(jié)合激光追蹤器內(nèi)的處理裝置以及外部計算機和云處理資源來使用。通常，在使用術(shù)語激光追蹤器處理器或測量裝置處理器時，這意味著包括可能的外部計算機和云支持。[0090]在實施例中，單獨的通信總線從主處理器1520到達各電子單元1530、1540、1550、1560、1565和1570。每個通信線例如可以具有三個串行線，這三個串行線包括數(shù)據(jù)線、時鐘線和幀線。幀線表示電子單元是否應(yīng)關(guān)注時鐘線。在幀線表示應(yīng)注意的情況下，電子單元在各時鐘信號讀取數(shù)據(jù)線的當前值。時鐘信號例如可能對應(yīng)于時鐘脈沖的上升沿。在實施例中，以包的形式經(jīng)由數(shù)據(jù)線來傳輸信息。在實施例中，每個包包括地址、數(shù)字值、數(shù)據(jù)消息和校驗和。該地址表示數(shù)字消息要指向電子單元內(nèi)的何處。該位置例如可以與電子單元內(nèi)的處理器子例程相對應(yīng)。數(shù)字值表示數(shù)據(jù)消息的長度。數(shù)據(jù)消息包含電子單元要執(zhí)行的數(shù)據(jù)或指令。校驗和是用于使經(jīng)由通信線傳輸誤差的機會最小的數(shù)字值。
[0091]在實施例中，主處理器1520將信息包經(jīng)由總線1610發(fā)送至有效載荷功能電子器件1530，經(jīng)由總線1611發(fā)送至方位編碼器電子器件1540，經(jīng)由總線1612發(fā)送至天頂編碼器電子器件1550，經(jīng)由總線1613發(fā)送至顯示器和UI電子器件1560，經(jīng)由總線1614發(fā)送至可移除存儲硬件1565，并且經(jīng)由總線1616發(fā)送至RFID和無線電子器件1570。
[0092]在實施例中，主處理器1520還將同步脈沖經(jīng)由同步總線1630同時發(fā)送至各電子單元。同步脈沖提供使激光追蹤器的測量功能所收集到的值同步的方式。例如，方位編碼器電子器件1540和天頂電子器件1550 —旦接收到同步脈沖，就鎖存它們的編碼器值。類似地，有效載荷功能電子器件1530鎖存由有效載荷內(nèi)包含的電子器件所收集的數(shù)據(jù)。在給出同步脈沖時，六D0F、ADM和位置檢測器全部鎖存數(shù)據(jù)。在多數(shù)情況下，攝像裝置和傾斜儀以比同步脈沖速率慢的速率收集數(shù)據(jù)但可以以同步脈沖周期的多倍鎖存數(shù)據(jù)。
[0093]方位編碼器電子器件1540和天頂編碼器電子器件1550彼此分開并且經(jīng)由圖9、10所示的滑環(huán)2130、2160與有效載荷電子器件1530分開。這就是將總線1610、1611和1612描述為圖11中的單獨總線的原因。
[0094]激光追蹤器電子處理系統(tǒng)1510可以與外部計算機1590進行通信，或者可以提供激光追蹤器內(nèi)的計算、顯示和Π功能。激光追蹤器經(jīng)由例如可以是以太網(wǎng)線或無線連接的通信鏈路1606與計算機1590進行通信。激光追蹤器還可以經(jīng)由可以包括諸如以太網(wǎng)線纜的一個或多個電纜以及一個或多個無線連接的通信鏈路1602來與以云為代表的其它元件1600進行通信。元件1600的示例是可以利用激光追蹤器來重新定位的例如關(guān)節(jié)臂CMM的其它三維測試儀器。計算機1590和元件1600之間的通信鏈路1604可以是有線(例如，以太網(wǎng))或無線的。坐在遠程計算機1590處的操作員可以經(jīng)由以太網(wǎng)或無線線路連接至以云1600為代表的因特網(wǎng)，而云1600經(jīng)由以太網(wǎng)或無線線路連接至主處理器1520。這樣，用戶可以對遠程激光追蹤器的動作進行控制。
[0095]如今激光追蹤器針對ADM使用一個可見波長(通常為紅色)和一個紅外波長。紅色波長可以由適合用在干涉儀中并且還用來提供紅色指示光束的頻率穩(wěn)定的氦氖(HeNe)激光是來提供?？蛇x地，紅色波長可以由僅用作指示光束的二極管激光來提供。使用兩個光源的缺點在于額外光源、分束器、隔離器和其它部件所需的額外空間和附加成本。使用兩個光源的另一缺點是難以使這兩個光束沿著光束傳播的整個路徑完全對準。這可能會導(dǎo)致各種問題，包括無法從以不同波長工作的不同子系統(tǒng)同時獲得良好性能。在圖12A的光電系統(tǒng)500中示出使用單個光源并由此消除這些缺點的系統(tǒng)。
[0096]圖12A包括可見光源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、分束器145和位置檢測器150?？梢姽庠?10例如可以是紅色或綠色二極管激光或垂直腔面發(fā)射激光(VCSEL)。隔離器可以是Faraday隔離器、衰減器或能夠充分減少反饋至光源的光量的任何其它裝置。來自隔離器115的光傳播至光纖網(wǎng)絡(luò)420，在實施例中，光纖網(wǎng)絡(luò)420為圖8A的光纖網(wǎng)絡(luò)420A。
[0097]圖12B示出光電系統(tǒng)400的實施例，其中，在光電系統(tǒng)400中，使用單波長的光但通過光的電光調(diào)制而不是光源的直接調(diào)制來實現(xiàn)調(diào)制。光電系統(tǒng)400包括可見光源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、分束器145和位置檢測器150?？梢姽庠?10例如可以是紅色或綠色激光二極管。經(jīng)由例如可以是Faraday隔離器或衰減器的隔離器115來發(fā)送激光?？梢栽诟綦x器115的輸入端口和輸出端口進行光纖耦合。隔離器115將光發(fā)送至電光調(diào)制器410，其中，電光調(diào)制器410將光調(diào)制為選擇頻率，選擇頻率可以根據(jù)需要高達IOGHz或更高。來自ADM電子器件475的電信號476驅(qū)動電光調(diào)制器410內(nèi)的調(diào)制。來自電光調(diào)制器410的調(diào)制光傳播至光纖網(wǎng)絡(luò)420，其可以是以上所述的光纖網(wǎng)絡(luò)420A、420B、420C或420D。光的一些部分經(jīng)由光纖422傳播至ADM電子器件475內(nèi)的參考通道。光的另一部分傳播到追蹤器外、從回射器90反射、返回至追蹤器并且到達分束器145。少量的光從分束器反射并且傳播至以上參考圖6A?6F所述的位置檢測器150。光的一部分穿過分束器145入射到光纖發(fā)射器170、經(jīng)由光纖網(wǎng)絡(luò)420入射到光纖424，并且入射到ADM電子器件475的測量通道。通常，為了比圖12B的系統(tǒng)400省錢，可以制造圖12A的系統(tǒng)500 ;然而，電光調(diào)制器410能夠?qū)崿F(xiàn)更高的調(diào)制頻率，這在一些情形下是有利的。
[0098]圖13示出定位攝像裝置系統(tǒng)950和光電系統(tǒng)900的實施例，其中，方位攝像裝置910與3D激光追蹤器的光電功能相結(jié)合來測量六自由度。光電系統(tǒng)900包括可見光源905、隔離器910、可選光電調(diào)制器410、ADM電子器件715、光纖網(wǎng)絡(luò)420、光纖發(fā)射器170、分束器145、位置檢測器150、分束器922和方位攝像裝置910。來自可見光源的光在光纖980中發(fā)出并且經(jīng)由輸入端口和輸出端口可以耦合有光纖的隔離器910傳播。光可以經(jīng)由利用來自ADM電子器件715的電信號716調(diào)制的電光調(diào)制器410傳播。可選地，ADM電子器件715可以經(jīng)由線纜717發(fā)送電信號以對可見光源905進行調(diào)制。入射到光纖網(wǎng)絡(luò)的光的一部分經(jīng)由光纖長度均衡器423和光纖422傳播以入射到ADM電子器件715的參考通道?？梢钥蛇x地將電信號469應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)420以將開關(guān)信號提供至光纖網(wǎng)絡(luò)420內(nèi)的光纖開關(guān)。光的一部分從光纖網(wǎng)絡(luò)傳播至光纖發(fā)射器170，其中該光纖發(fā)射器170將光纖上的光作為光束982發(fā)送到自由空間內(nèi)。少量的光從分束器145反射并且丟失。光的一部分穿過分束器145、穿過分束器922，并且傳播到追蹤器外而到達六自由度(DOF)裝置4000。六DOF裝置4000可以是探測器、掃描儀、投射器、傳感器或其它裝置。
[0099]在其返回路徑上，來自六DOF裝置4000的光入射到光電系統(tǒng)900并且到達分束器922。光的一部分從分束器922反射并且入射到方位攝像裝置910。方位攝像裝置910記錄放置在回射器目標上的一些標記的位置。根據(jù)這些標記，求出六DOF探測器的方位角(即，三自由度)。以下說明本申請及專利‘758中的方位攝像裝置的原理。分束器145處的光的一部分經(jīng)由分束器傳播并且通過光纖發(fā)射器170發(fā)射到光纖上。光傳播至光纖網(wǎng)絡(luò)420。該光的一部分傳播至光纖424，其中該光從光纖424入射到ADM電子器件715的測量通道。
[0100]定位攝像裝置系統(tǒng)950包括攝像裝置960和一個或多個光源970。在圖1中也示出該定位攝像裝置系統(tǒng)，其中攝像裝置為元件52并且光源是元件54。攝像裝置包括透鏡系統(tǒng)962、光敏陣列964和主體966。定位攝像裝置系統(tǒng)950的一個用途是在工作體積中定位回射器目標。這通過使光源970閃光來進行，其中攝像裝置將光源970拍攝作為光敏陣列964上的亮點。定位攝像裝置系統(tǒng)950的第二個用途是基于反射器光點或LED在六DOF裝置4000上的觀察位置來建立六DOF裝置4000的粗略方位。在激光追蹤器上可存在兩個或更多個定位攝像裝置的情況下，可以使用三角測量原理來計算至工作體積中的每個回射器目標的方向。在單個定位攝像裝置被定位成拍攝沿著激光追蹤器的光軸反射的光的情況下，可以找到至每個回射器目標的方向。在單個攝像裝置被定位為偏離激光追蹤器的光軸的情況下，可以根據(jù)光敏陣列上的圖像立即獲得至回射器目標的近似方向。在這種情況下，可以通過使激光的機械軸朝向不止一個方向轉(zhuǎn)動并且觀察光敏陣列上的光點位置的變化來求出至目標的更精確方向。
[0101]圖14示出與光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950相結(jié)合使用的六DOF探測器200的實施例。參考圖13說明了光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950。在另一實施例中，以具有兩個或更多個波長的光電系統(tǒng)替換光電系統(tǒng)900。六DOF探測器2000包括主體2014、回射器2010、探測器延伸組件2050、可選電纜2046、可選電池2044、接口部件2012、識別元件2049、致動器按鈕2016、天線2048和電子電路板2042?；厣淦骺梢允蔷哂兄锌绽w芯或玻璃纖芯的立方隅角回射器?？梢詫厣淦鬟M行標記，以使得能夠利用光電系統(tǒng)900內(nèi)的方位攝像裝置確定六DOF探測器2000的三個方位自由度。如專利‘758所述，這種標記的示例是回射器2010的三個平坦反射面之間的截交線的暗色化。探測器延伸組件2050包括探測器延伸2052和探測器前端2054。使探測器前端接觸被測對象。盡管探測器前端2054獨立于回射器2010，但六DOF激光追蹤器能夠在隱藏于來自激光追蹤器的光束784的視線的點處確定探測器前端2054的三維坐標。這就是六DOF探測器有時被稱為隱藏點探測器的原因。
[0102]可以經(jīng)由可選電纜2046或通過可選電池2044來提供電力。電子電源力向電子電路板2042提供電力。電子電路板2042向可以與激光追蹤器或外部計算機進行通信的天線2048、以及向用戶提供與激光追蹤器或外部計算機進行通信的簡便方式的致動器按鈕2016提供電力。電子電路板2042還可以向LED、材料溫度傳感器(未示出)、空氣溫度傳感器(未示出)、慣性傳感器(未示出)或傾斜儀(未示出)提供電力。接口部件2012例如可以是光源(諸如LED)、小型回射器、反射材料的區(qū)域或參考標記。接口組件2012用于建立六DOF角的計算時所需的回射器2010的粗略方位。識別元件2049用于向激光追蹤器提供六DOF探測器的參數(shù)或序列號。識別元件例如可以是條形碼或RF識別標簽。
[0103]可選地，激光追蹤器可以將光束784提供至回射器2011。通過將光束784提供至多個回射器中的任一個，六DOF探測器2000可以在利用探測延伸組組件2050進行探測的同時朝向各種方向。
[0104]激光追蹤器所測量的六自由度可被視為包括三個平移自由度和三個方位自由度。三個平移自由度可以包括徑向距離測量、第一角測量和第二角測量。徑向距離測量可以利用IFM或ADM來進行。第一角測量可以利用諸如方位角編碼器的方位角測量裝置來進行，并且第二角測量可以利用天頂角測量裝置來進行?？蛇x地，第一角測量裝置可以是天頂角測量裝置并且第二角測量裝置可以是方位角測量裝置。徑向距離、第一角測量和第二角測量構(gòu)成球體坐標系中的三個坐標，這三個坐標可以變換成Cartesian坐標系或其它坐標系中的三個坐標。
[0105]如以上和專利‘758所述，可以使用圖案化立方隅角來確定三個方位自由度?？蛇x地，可以使用確定三個方位自由度的其它方法。三個平移自由度和三個方位自由度完全確定了六DOF探測器2000在空間內(nèi)的位置和方位。注意，由于可能具有六自由度不獨立由此六自由度不足以完全限定空間內(nèi)的位置和方位的系統(tǒng)，因此這是針對這里所述的系統(tǒng)的情況。術(shù)語“平移集”是追蹤器參考坐標系(或裝置參考坐標系)中的六DOF附件(諸如六DOF探測器)的三個平移自由度的簡化符號。術(shù)語“方位集”是追蹤器參考坐標系中的六DOF附件的三個方位自由度的簡化符號。術(shù)語“表面集”是裝置參考坐標系中的對象面上的點的三維坐標的簡化符號。
[0106]圖15示出與光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950結(jié)合使用的六DOF掃描儀2500的實施例。六DOF掃描儀2500還可被稱為“目標掃描儀”。參考圖13討論了光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950。在另一實施例中，以使用兩個或更多個波長的光的光電系統(tǒng)代替光電系統(tǒng)900。六DOF掃描儀2500包括主體2514、一個或多個回射器2510、2511、掃描儀攝像裝置2530、掃描儀光投射器2520、可選電纜2546、可選電池2444、接口部件2512、識別元件2549、致動器按鈕2516、天線2548和電子電路板2542。圖15中的回射器2510、可選電纜2546、可選電池2544、接口部件2512、識別元件2549、致動器按鈕2516、天線2548和電子電路板2542分別對應(yīng)于圖14中的回射器2010、可選電纜2046、可選電池2044、接口部件2012、識別元件2049、致動器按鈕2016、天線2048和電子電路板2042。對于這些對應(yīng)元件的說明與參考圖14所述的原件的說明相同。并且，掃描投射器2520和掃描攝像裝置2530用于測量工件2528的三維坐標。攝像裝置2530包括攝像裝置透鏡系統(tǒng)2532和光敏陣列2534。光敏陣列2534例如可以是CXD或CMOS陣列。掃描投射器2520包括投射器透鏡系統(tǒng)2523和光的源圖案2524。該光的源圖案可以發(fā)出光點、光線或光的結(jié)構(gòu)(二維)圖案。在掃描儀光源發(fā)出光點的情況下，例如可以通過移動鏡來掃描該點，以產(chǎn)生線或線陣列。在掃描儀光源發(fā)射光線的情況下，可以利用例如移動鏡掃描該線以產(chǎn)生一組線。在實施例中，光的源圖案可以是LED、激光、或者從諸如來自Texas Instrument的數(shù)字光投射器(DLP)、液晶裝置(LCD)或硅上液晶(LCOS)裝置的數(shù)字微鏡裝置的反射出來的其它光源，或者可以是以透過模式而非反射模式使用的類似裝置。光的源圖案還可以是滑動圖案，例如鉻上玻璃滑動(chrome-on-glass slide),其可以具有單個圖案或多個圖案,這些滑動件根據(jù)需要移動至位置內(nèi)和移動到位置外?？梢韵虻谝换厣淦?510添加諸如回射器2511的附加回射器，以使得激光追蹤器能夠從各種方向追蹤六DOF掃描儀，由此給出在六DOF投射器2500可以投射光的方向上的更大靈活性。
[0107]6D0F掃描儀2500可以由手保持或者安裝在例如三腳架、儀器架、電動滑架或機器人末端執(zhí)行器上。掃描儀攝像裝置2530可以通過使用三角測量原理來測量工件2528的三維坐標。依據(jù)掃描儀光源2520所發(fā)出的光的圖案和光敏陣列2534的類型,存在可以實現(xiàn)三角測量的幾種方式。例如，在掃描儀光源2520所發(fā)出的光的圖案是光線或被掃描成線的形狀的光點并且在光敏陣列2534是二維陣列的情況下，二維陣列2534的一個維度與工件2528的表面上的點2526的方向相對應(yīng)。二維陣列2534的其它維度與來自掃描儀光源2520的點2526的距離相對應(yīng)。因而，沿著掃描儀光源2520所發(fā)出的光線的各點2526的三維坐標相對于6-D0F掃描儀2500的本地參考坐標系是已知的。使用專利‘758所述的方法的六DOF激光追蹤器已知6-D0F掃描儀的六自由度。根據(jù)該六自由度，可以在追蹤器參考坐標系中找到光的掃描線的三維坐標，而該三維坐標可以通過例如利用激光追蹤器對工件上的三個點的測量而被轉(zhuǎn)換成工件2528的參考坐標系。
[0108]在6-D0F掃描儀2500由手保持的情況下，可以移動掃描儀光源2520所發(fā)出的激光光線以使得“繪制”工件2528的表面，由此獲得整個表面的三維坐標。還可以使用發(fā)出結(jié)構(gòu)光圖案的掃描儀光源2520來“繪制”工件的表面?？蛇x地，在使用發(fā)出結(jié)構(gòu)光圖案的掃描儀2500時，可以通過將6-D0F掃描儀安裝在三腳架或儀器架上來進行更加準確的測量。掃描儀光源2520所發(fā)出的結(jié)構(gòu)光圖案例如可以包括條紋圖案，其中各條紋具有在工件2528的表面上正弦變化的輻照度。在實施例中，正弦曲線偏移了三個或更多個相位值。使用攝像裝置2530的各像素針對三個或更多個相位值各自所記錄的振幅水平來提供正弦曲線上的各像素的位置。該信息有助于確定各點2526的三維坐標。在另一實施例中，結(jié)構(gòu)光可以采用編碼圖案的形式，其中，編碼圖案可被評估為基于攝像裝置2530所收集的單個而非多個圖像幀來確定三維坐標。編碼圖案的使用使得能夠在利用手以相對合理的速度移動6-D0F掃描儀2500的情況下進行相對準確的測量。
[0109]與線光相反，投射結(jié)構(gòu)光圖案具有一些優(yōu)點。在從手持型六DOF掃描儀2500投射的線光的情況下，點的密度沿著該線高但在線之間少得多。利用結(jié)構(gòu)光圖案，點的間距通常在兩個正交方向的每一個上大致相同。另外，在一些工作模式中，利用結(jié)構(gòu)光圖案所計算出的三維點可能比其它方法更準確。例如，通過將六DOF掃描儀2500固定在適當位置處，例如通過將六DOF掃描儀2500附接至靜止支架或底座，與獲取到單個圖案的其它可能方法(即，單次激發(fā)方法)相比，可以發(fā)出使得能夠進行更加準確的計算的一系列結(jié)構(gòu)光圖案。一系列結(jié)構(gòu)光圖案的示例是將具有第一空間頻率的圖案投射到對象上的結(jié)構(gòu)光圖案。在實施例中，投射圖案是光學功率正弦變化的條紋圖案。在實施例中，正弦變化的圖案的相位偏移，由此導(dǎo)致條紋偏向側(cè)方。例如，可以利用各自相對于前一圖案偏移了 120度的三個相位角來投射圖案。與背景光無關(guān)地，該一系列投射提供了使得能夠相對準確地確定圖案的各點的相位的足夠信息。這可以在無需考慮對象面上的相鄰點的情況下以點為單位來進行。
[0110]盡管以上過程利用兩個相鄰線之間O?360度變化的相位確定每個點的相位，但可能仍存在哪個線是線的問題。如上所述，用以識別線的方式是重復(fù)相位的序列，但使用不同空間頻率的正弦圖案(即，不同的波紋間距)。在一些情況下，針對三個或四個不同的波紋間距，需要重復(fù)相同的方法。用于使用該方法來去除模糊性的方法在本領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的，并且這里將不進傳播一步論述。
[0111]為了使用諸如上述的正弦相位偏移方法的順次投射方法來獲得最可能的精度，使六DOF掃描儀的移動最小化可能是有利的。盡管通過激光追蹤器所進行的六DOF測量得知六DOF掃描儀的位置和方位并且盡管可以對手持型六DOF掃描儀的移動進行校正，但所產(chǎn)生的噪聲將略微高于掃描儀保持靜止的情況下具有的噪聲，其中，通過將掃描儀置于靜止底座、支架或固定裝置上來保持掃描儀靜止。
[0112]圖15所表不的掃描方法基于三角測量原理。參考圖15A的系統(tǒng)2560和圖15B的系統(tǒng)4760給出三角測量原理的更加完整的解釋。首先參考圖15A，系統(tǒng)2560包括投射器2562和攝像裝置2564。投射器2562包括位于源平面上的光2570的源圖案和投射器透鏡2572。投射器透鏡可以包括若干透鏡元件。投射器透鏡具有透鏡透視中心2575和投射光軸2576。光線2573從光的源圖案上的點2571傳播、穿過透鏡透視中心而達到對象2590上，其中該光線在點2574處截止。
[0113]攝像裝置2564包括攝像裝置透鏡2582和光敏陣列2580。攝像裝置透鏡2582具有透鏡透視中心2585和光軸2586。光線2583從對象點2574傳播、穿過攝像裝置透視中心2585并且在點2581處與光敏陣列2580相交。
[0114]連接各透視中心的線段是圖15A中的基線2588和圖15B中的基線4788?；€的長度被稱作基線長度(2592,4792)。投射器光軸與基線之間的角是基線投射器角(2594,4794)。攝像裝置光軸(2583,4786)與基線之間的角是基線攝像裝置角(2596，4796)。在已知光的源圖案上的點(2570，4771)與光敏陣列上的點(2581，4781)相對應(yīng)的情況下，可以使用基線長度、基線投射器角和基線攝像裝置角來確定連接點2585、2574和2575的三角形的邊，因而確定對象2590的表面上的點相對于測量系統(tǒng)2560的參考坐標系的表面坐標。為此，使用透鏡2572與平面2570之間的已知距離以及點2571與光軸2576和平面2570的交點之間的距離來求出投射器透鏡2572與光的源圖案2570之間的小三角形的邊的角。將這些小角與較大角2596和2594適當相加或相減以獲得期望的三角形角。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，可以使用等效的算術(shù)方法來求出三角形2574-2585-2575的各邊的長度，或者可以使用其它相關(guān)三角形來獲得對象2590的表面上的期望坐標。
[0115]首先參考圖15B，除了系統(tǒng)4760不包括透鏡以外，系統(tǒng)4760與圖15A的系統(tǒng)2560類似。該系統(tǒng)可以包括投射器4762和攝像裝置4764。在圖15B所示的實施例中，投射器包括光源4778和光調(diào)制器4770。光源4778可以是激光光源，因為這種光源可以使用圖15B的幾何形狀來在長距離內(nèi)保持聚焦。來自光源4778的光線4773在點4771處照射光學調(diào)制器4770。來自光源4778的其它光線在調(diào)制器表面上的其它位置處照射光學調(diào)制器。在實施例中，光學調(diào)制器4770在多數(shù)情況下通過在一定程度上減少光學功率來改變發(fā)出光的功率。這樣，光學調(diào)制器4770向處于光學調(diào)制器的表面的光施加這里被稱為光的源圖案的光學圖案。光學調(diào)制器4770例如可以是DLP或LCOS裝置。在一些實施例中，調(diào)制器4770是透射式的而非反射式的。從光學調(diào)制器4770出射的光呈現(xiàn)為從虛擬光透視中心4775出射的。光線呈現(xiàn)為從虛擬光透視中心4775出射、穿過點4771，并且傳播至對象4790表面處的點4774。
[0116]基線是從攝像裝置透鏡透視中心4785延伸至虛擬光透視中心4775的線段。通常，三角測量法涉及求出例如具有頂點4774、4785和4775的三角形的三角形的各邊的長度。用于實現(xiàn)此的方式是求出基線的長度、基線與和攝像裝置光軸4786之間的角以及基線與投射器參考軸4776之間的角。為了求出期望的角，求出另外較小的角。例如，可以通過基于從透鏡到光敏陣列的距離及像素相對于攝像裝置光軸的距離求解攝像裝置透鏡4782與光敏陣列4780之間的小三角形的角，來求出攝像裝置光軸4786和光線4783之間的小角。然后，將小三角形的角與基線和攝像裝置光軸之間的角相加以求出期望的角。與投射器類似，可以通過基于光源4777與光學調(diào)制的表面之間的已知距離及4771處的投射器像素相對于參考軸4776與光學調(diào)制器4770的表面的交點的距離求解這兩個線之間的小三角形的角，來求出投射器參考軸4776與光線4773之間的角。從基線與投射器參考軸之間的角中減去該角以獲得期望的角。
[0117]攝像裝置4764包括攝像裝置透鏡4782和光敏陣列4780。攝像裝置透鏡4782具有攝像裝置透鏡透視中心4785和攝像裝置光軸4786。攝像裝置光軸是攝像裝置參考軸的示例。從數(shù)學觀點看，在三角測量計算中可以同樣容易地使用穿過攝像裝置透鏡透視中心的任何軸，但通常選擇作為透鏡的對稱軸的攝像裝置光軸。光線4783自對象點4774傳播、穿過攝像裝置透視中心4785并且與光敏陣列4780相交于點4781。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員顯然可知，可以使用其它等同數(shù)學方法來求解三角形4774-4785-4775的各邊的長度。
[0118]盡管這里所述的三角測量法是眾所周知的，但為了完整性，以下給出一些附加技術(shù)信息。各透鏡系統(tǒng)具有入射光瞳和出射光瞳。入射光瞳是在從一階光學的角考慮時光出射的點。出射光瞳是在從透鏡系統(tǒng)傳播至光敏陣列時光出射的點。對于多元件透鏡系統(tǒng)，入射光瞳和出射光瞳不必一致，并且相對于入射光瞳和出射光瞳的光線的角不必相同。然而，可以通過將透視中心視為透鏡的入射光瞳、然后調(diào)整從透鏡到源或圖像面的距離以使得光線繼續(xù)沿著直線傳播以與源或圖像面相交來簡化模型。這樣，獲得了圖15A所示的簡單且廣泛使用的模型。應(yīng)當理解，該說明提供光的行為的良好一階近似，但可以進行額外的精細校正，以補償可能會導(dǎo)致光線相對于使用圖15A的模型所計算出的位置略微偏移的透鏡像差。盡管通常使用基線長度、基線投射器角和基線攝像裝置角，但應(yīng)當理解，在不丟失這里給出的說明的一般性的情況下，需要這些量并不排除可以應(yīng)用其它相似但略有不同的公式的可能性。
[0119]在使用六DOF掃描儀的情況下，可以使用幾種類型的掃描圖案，并且組合不同類型以在最短時間內(nèi)獲得最佳性能可能是有利的。例如，在實施例中，快速測量方法使用可以在單次觸發(fā)中獲得三維坐標數(shù)據(jù)的二維編碼圖案。在使用編碼圖案的方法中，例如可以使用不同字符、不同形狀、不同厚度或大小或者不同顏色來提供還已知為編碼要素或編碼特征的區(qū)別要素。這些特征可用來使得點2571與點2581 —致?？梢栽诠饷絷嚵?580上識別光的源圖案2570上的編碼特征。
[0120]可以用來簡化編碼特征的一致的技術(shù)是使用核線。核線是由核面與源面2570或圖像面2580的交線所形成的數(shù)學線。核平面是穿過投射器透視中心和攝像裝置透視中心的任意平面。源平面和圖像面上的何線在一些特殊情況下可以是平行的，但通常不平行。核線的方面是投射器平面上的給定核線在圖像面上具有相應(yīng)的核線。因而，在圖像面中可以直接觀察并且評估關(guān)于投射器平面中的核線的已知的任何特定圖案。例如，在沿著可以使用利用光敏陣列2580的像素讀出的值來確定圖像面中的編碼元件之間的間距的投射器平面中的核線配置編碼圖案的情況下，該信息用于確定對象點2574的三維坐標。還可以使編碼圖案以相對于核線的已知角傾斜并且高效地提取對象表面坐標。
[0121]使用編碼圖案的優(yōu)點是可以快速獲得對象表面點的三維坐標。然而，在多數(shù)情況下，諸如如上所述的正弦相位偏移方法的順次結(jié)構(gòu)光方法將得出更準確的結(jié)果。因此，用戶可以有利地選擇根據(jù)期望精度使用不同的投射方法來測量特定對象或特定對象區(qū)域或特征。通過使用可編程的光的源圖案，可以容易地進行這種選擇。
[0122]針對特定類型的對象可能存在掃描儀精度方面的重要限制。例如，可能難以有效地掃描諸如孔或凹部的特征?？赡茈y以盡可能平滑地獲得對象的邊或孔。一些類型的材料不能返回所期望那么多的光或者可能具有針對光的大穿透深度。在其它情況下，光在返回至掃描儀之前可能從不止一個表面反射出來(多路徑干涉)以使得觀察光被“污染”，由此導(dǎo)致測量誤差。在這些情況中的任意情況中，使用包括作為探測器延伸組件2550的一部分的觸覺探測器(諸如探測器前端2554)的圖15C所示的六DOF掃描儀2505來測量困難區(qū)域可能是有利的。在確定利用觸覺探測器進行測量將是有利的之后，投射器2520可以發(fā)送激光束以照亮要測量的區(qū)域。在圖15C中，光束的投射光線2522正照射對象2528上的點2527，這表示要利用探測器延伸組件2550測量該點。在一些情況中，可以將觸覺探測器移動到投射器2550的投射場外部，從而避免縮小掃描儀的測量區(qū)域。在這種情況下，來自投射器的光束2522可以照射操作員可觀看的區(qū)域。然后，操作員可以將觸覺探測器2550移動至用以測量規(guī)定區(qū)域的位置。在其它情況下，要測量的區(qū)域可以在掃描儀的投射范圍外部。在這種情況下，掃描儀可以將光束2522在其范圍的程度上指向要測量的方向，或者掃描儀可以以表示光束應(yīng)當放置的方向的圖案移動光束2522。另一可能性是在顯示監(jiān)視器上呈現(xiàn)CAD模型或收集數(shù)據(jù)，然后在顯示器上突出顯示應(yīng)重新測量的CAD模型的區(qū)域或收集數(shù)據(jù)。還可以使用例如球形安裝的回射器或激光追蹤器控制下的六DOF探測器的其它工具來測量突出顯示區(qū)域。
[0123]投射器2520可以投射有時被稱為結(jié)構(gòu)光的二維光圖案。這種光從投射器透鏡透視中心出射并且以擴展圖案向外傳播直到其與對象2528相交為止。這種圖案的示例是以上已論述的編碼圖案和周期圖案這兩者。投射器2520可以交替地投射一維光圖案。這些投射器有時被稱為激光線探測器或激光線掃描儀。盡管利用這種掃描儀投射的線具有寬度和形狀(例如，其截面可以為高斯光束剖面)，但其所包含的用于確定對象的形狀的信息是一維的。因而，激光線掃描儀所發(fā)出的線以線形投射與對象相交。在對象上追蹤的照明形狀是二維的。相反，投射二維光圖案的投射器在三維的對象上創(chuàng)建照明形狀。在激光線掃描儀和結(jié)構(gòu)光掃描儀之間進行區(qū)分的方式是將結(jié)構(gòu)光掃描儀限定為包含至少三個非共線圖案元素的一類掃描儀。對于投射編碼光圖案的二維圖案的情況，由于三個非共線圖案元素的代碼而能夠識別它們，并且由于這些元件是以二維方式投射的，因此至少三個圖案元素必須是非共線的。對于諸如正弦重復(fù)圖案的周期圖案的情況，各正弦周期表示多個圖案元素。由于存在二維的多個周期圖案，因此這些圖案元素必須是非共線的。相反，對于發(fā)出線光的激光線掃描儀的情況，所有的圖案元素存在于直線上。盡管線具有寬度并且線截面的尾部與信號的峰相比可能具有較小的光學功率，但在求出對象的表面坐標時不是單獨評估線的這些方面，因此這些方面并不表示單獨的圖案元素。盡管線可以包含多個圖案元素，但這些圖案元素是共線的。
[0124]現(xiàn)在將參考圖MD來說明用于計算對象表面的三維坐標的方法。線掃描儀系統(tǒng)4500包括投射器4520和攝像裝置4540。投射器4520包括光的源圖案4521和投射器透鏡4522。光的源圖案包括線形式的照明圖案。投射器透鏡包括投射器透視中心和穿過該投射器透視中心的投射器光軸。在圖MD的示例中，光束的中心光線4524與透視光軸對準。攝像裝置4540包括攝像裝置透鏡4542和光敏陣列4541。透鏡具有穿過攝像裝置透鏡透視中心4544的攝像裝置光軸4543。在示例性系統(tǒng)4500中，與光束4524對準的投射器光軸以及攝像裝置透鏡光軸4544垂直于光的源圖案4521所投射的線光4526。換句話說，線4526在垂直于圖15D的紙的方向上。線照射對象表面，其中在距投射器第一距離處照射的是對象表面4510A并且在距投射器第二距離處照射是對象表面4520A。應(yīng)當理解，在圖15D的紙面以上或以下的不同高度處，對象表面可以處于與距對象表面4520A或4520B的距離不同的距投射器的距離處。對于同樣存在于圖15D的紙面上的線光4526上的點，線光與表面4520A相交于點4526，并且線光與表面4520B相交于點4527。對于交點4526的情況，光線自點4526穿過攝像裝置透鏡透視中心4544傳播而與光敏陣列4541交于圖像點4546。對于交點4527的情況，光線自點4527穿過攝像裝置透鏡透視中心傳播而與光敏陣列4541交于圖像點4547。通過注意相對于攝像裝置透鏡光軸4544的位置的交點的位置，可以確定從投射器(和攝像裝置)到對象表面的距離。可以類似地求出從投射器到線光4526上的其它點(即不存在于圖1?的紙面內(nèi)的線光上的點)的距離。在通常情況下，光敏陣列上的圖案將是線光(通常不是直線)，其中該線中的各點與垂直于紙面的不同位置相對應(yīng)，并且垂直于紙面的位置包含與從投射器到攝像裝置的距離有關(guān)的信息。因此，通過評估光敏陣列的圖像中的線的圖案，可以求出沿著投射線的對象表面的三維坐標。注意，針對線掃描儀的情況的光敏陣列上的圖像中所包含的信息包含在(通常并非筆直的)線中。相反，結(jié)構(gòu)光的二維投射圖案中所包含的信息包含光敏陣列中的圖像的兩個維度上的信息。
[0125]應(yīng)當注意，盡管以上給出的說明基于三個或更多個圖案元素是否共線來在線掃描儀和區(qū)域(結(jié)構(gòu)光)掃描儀之間進行區(qū)分，但應(yīng)當注意，該標準的意圖是將所投射的圖案區(qū)分為區(qū)域和線。結(jié)果，僅具有沿著單個路徑的信息的以線狀方式投射的圖案仍是線圖案，盡管一維圖案可能彎曲。
[0126]在一些情況下線掃描儀相對于結(jié)構(gòu)光掃描儀的重要優(yōu)點在于其具有更強的用于檢測多路徑干涉的能力。在普通(期望)情況下，從投射器出射并且照射對象表面的各光線可被視為通常在遠離對象的方向上發(fā)生反射。對于通常情況，對象的表面不是高度反射性的(即，如鏡狀表面)，因而幾乎所有光發(fā)生漫反射(散射)而不是鏡面反射。漫反射光不是如鏡狀表面的情況下的反射光那樣全部在一個方向上傳播而是以圖案散射。然而，可以以與鏡狀表面反射光相同的方式找到散射光的一般方向?？梢酝ㄟ^在來自投射器的光與對象的交點處繪制對象表面的法線來得出該方向。然后，找到散射光的一般方向作為入射光關(guān)于表面法線的反射。換句話說，盡管在這種情況下反射角僅是一般散射方向，但反射角與入射角相等。
[0127]在照射對象表面的光的一部分在返回至攝像裝置之前首先從對象的另一表面的散射情況下，出現(xiàn)多路徑干涉的情況。對于對象上接收該散射光的點，發(fā)送至光敏陣列的光因而不僅對應(yīng)于從投射器直接投射的光而且還對應(yīng)于發(fā)送至投射器上的不同點并且從對象散射的光。特別是針對投射二維(結(jié)構(gòu))光的情況，多路徑干涉的結(jié)果可能導(dǎo)致所計算出的從投射器到對象表面上的該點的距離不準確。
[0128]對于線掃描儀的情況，存在用于確定是否存在多路徑干涉的方式。在實施例中，光敏陣列的行平行于圖15E的紙面并且列垂直于紙面。各行表示垂直于紙面的方向上的投射線4526上的一個點。在實施例中，通過首先計算各行的質(zhì)心來求出針對線上的該點的從投射器到對象的距離。然而，各行上的光應(yīng)集中于連續(xù)像素的區(qū)域。在存在接收大量光的兩個或更多個區(qū)域的情況下，示出多路徑干涉。在圖15E中示出這種多路徑干涉狀況和由此產(chǎn)生的光敏陣列上的額外照明區(qū)域的示例?，F(xiàn)在表面4510A在交點4526附近具有較大的曲率。交點處的表面法線是線4528，并且入射角是4531。根據(jù)與入射角相等的反射角4532求出光的反射線4529的方向。如上所述，光線4529實際上表示在角的范圍內(nèi)散射的光的整體方向。散射光的中心照射在對象4510A上的點4527，其中利用光敏陣列上的點4548處的透鏡4544來對點4527攝像。在點4548附近接收到的意料之外高的光量表示可能存在多路徑干涉。對于線掃描儀，對于多路徑干涉的主要擔心不是針對圖15E所示的兩個光斑4546和4541間隔相當大距離并且可以單獨分析的情況，而是針對兩個光點重疊或涂抹到一起的情況。在這種情況下，無法確定與期望點相對應(yīng)的質(zhì)心(在圖15E中對應(yīng)于點4546)。如通過再次參考圖15E可以理解，該問題針對投射兩個維度的光的掃描儀的情況變得更差。在需要在光敏陣列4541上成像的所有光以確定二維坐標的情況下，很顯然，點4527處的光將與從投射器直接投射的光的期望圖案以及從對象表面的反射而反射至點4527的不期望的光相對應(yīng)。結(jié)果，在這種情況下，將可能針對二維投射光計算點4527錯誤的三維坐標。
[0129]對于投射的線光，在多數(shù)情況下，可以通過改變該線的方向來消除多路徑干涉。一個可能性是使用具有固有的二維性能的投射器來制作線掃描儀，由此使得能夠掃頻該線或者自動轉(zhuǎn)動至不同方向。例如，在利用結(jié)構(gòu)光所獲得的特定掃描中懷疑多路徑干涉的情況下，測量系統(tǒng)可被自動配置為切換至使用掃描線光的測量方法。
[0130]用以消除多路徑干涉的另一更徹底的方式是在示出了多路徑干涉的區(qū)域內(nèi)，掃頻點光而不是線光或區(qū)域光。通過照射單個光點，沒有其它照射點可以將散射光反射到期望測量的點上。例如，在掃描線4526作為各光點的集合的情況下，消除了多路徑干涉的機會。
[0131]在進行掃描儀測量時可能碰到的另一反射問題是反射鏡面光的問題。有時，相對平滑的表面將具有曲率，以使得大量光被鏡面反射到光敏陣列上，由此創(chuàng)建與周圍像素相比獲得更多光的“熱點”。光的這些熱點有時被稱為“閃爍”。這些熱點可能難以利用掃描儀來適當?shù)販y量對象。與多路徑干涉的情況相同，可以通過使用具有可調(diào)整方向的激光線或光點來克服閃爍問題。
[0132]由于可以容易地檢測到光敏陣列上的小飽和區(qū)域，因此容易確定是否存在閃爍。然而，需要系統(tǒng)方法來識別和克服多路徑問題?？梢允褂靡话惴椒▉碓u估多路徑干涉并且還評估通常包括材料類型的分辨率和效果、表面質(zhì)量和幾何形狀的質(zhì)量。還參考圖15F，在一個實施例中，可以在計算機控制下自動執(zhí)行方法4600。步驟4602用來確定與被測對象的三維坐標有關(guān)的信息是否可用。第一種三維信息是CAD數(shù)據(jù)。CAD數(shù)據(jù)通常表示被測對象的標稱尺寸。第二種三維信息是測量的三維數(shù)據(jù)，例如利用掃描儀或其它裝置先前測量的數(shù)據(jù)。在一些情況下，步驟4602可以包括使坐標測量裝置(例如，激光追蹤器或六DOF掃描儀附件)的參考坐標系與對象的參考坐標系對準的另一步驟。在實施例中，這可以通過利用激光追蹤器測量對象表面上的至少三個點來進行。
[0133]在針對步驟4602中提出的問題的回答是三維信息可用的情況下，在步驟4604中，使用計算機或處理器來計算對象測量相對于多路徑干涉的易感性。在實施例中，這通過投射掃描儀投射器所發(fā)出的各光線并且計算各情況的角或反射來進行。參考圖5E說明了針對線掃描儀情況給出的示例。以相同方式執(zhí)行針對結(jié)構(gòu)光源的計算。計算機或軟件識別作為多路徑干涉的結(jié)果容易發(fā)生錯誤的對象表面的各區(qū)域。步驟4604還可以對六DOF探測探測器的各位置相對于被測對象的多路徑誤差的易感性執(zhí)行分析。在一些情況下，可以通過選擇六DOF探測器相對于被測對象的適當位置和方位來避免多路徑干涉或使多路徑干涉最小。在針對步驟4602中提出的問題的回答是三維信息不可用的情況下，步驟4606用于使用任何期望或優(yōu)選的測量方法來測量對象表面的三維坐標。在計算多路徑干涉之后，可以執(zhí)行步驟4608以評估期望的掃描質(zhì)量的其它方面。一個這種質(zhì)量因素是掃描的分辨率對于被測對象的特征而言是否充分。例如，在裝置的分辨率為3_并且存在期望有效掃描數(shù)據(jù)的亞毫米特征的情況下，應(yīng)注意對象的這些問題區(qū)域以用于隨后的校正動作。與分辨率部分相關(guān)的另一質(zhì)量因素是用于測量對象的邊緣和孔的邊緣的能力。掃描儀性能的知識將使得能夠確定掃描儀分辨率對于給定邊緣而言是否足夠好。另一質(zhì)量因素是預(yù)期從給定特征返回的光量。預(yù)期到小的任何光從小孔內(nèi)部、例如從掠射角返回至掃描儀。此外，根據(jù)材料的特定種類和顏色可以預(yù)期小光。特定種類的材料對于來自掃描儀的光可以具有大的穿透深度，并且在這種情況下無法期望良好的測量結(jié)果。在一些情況下，自動程序可能向用戶詢問補充信息。例如，在計算機程序正基于CAD數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟4604和4608的情況下，無法知曉正使用的材料的類型或被測對象的表面特性。在這些情況中，步驟4608可以包括用于獲得被測對象的材料特性的另一步驟。
[0134]在步驟4604和4608的分析之后，步驟4610用來決定是否應(yīng)執(zhí)行更多的診斷過程。可能的診斷過程的第一示例是用于以優(yōu)選角投射條紋以注意是否觀察到多路徑干涉的步驟4612。以上參考圖15E論述了針對投射線條紋的多路徑干涉的一般指示。診斷步驟的另一示例是步驟4614，其中，步驟4614用來將在核線方向上對準的線的集合投射到光的源圖案上，例如圖15A中的光的源圖案2570或圖15B中的光的源圖案4770上。對于光的源圖案中的線光與核線對準的情況，這些線將呈現(xiàn)為光敏陣列上的圖像面(例如圖15A的面2580或圖15B的面4780)上的直線。在光敏陣列上的這些圖案不是直線或者這些線模糊或存在噪聲的情況下，示出可能作為多路徑干涉結(jié)果的問題。
[0135]步驟4616用來基于所進行的分析和診斷過程來選擇優(yōu)選動作的組合。在測量速度特別重要的情況下，可以優(yōu)選使用編碼光的2D(結(jié)構(gòu))圖案來進行測量的步驟4618。在更大的精度更重要的情況下，可以優(yōu)選使用利用順次圖案(例如相位和間距變化的正弦圖案序列)的2D (結(jié)構(gòu))圖案編碼光進行測量的步驟4620。在選擇方法4618或4620的情況下，可以期望還選擇步驟4628，其中步驟4628用于重新確定掃描儀的位置，換句話說，步驟4628用于將掃描儀的位置和方位調(diào)整為使由步驟4604的分析所提供的多路徑干涉和鏡面反射(閃爍)最小的位置?？梢酝ㄟ^利用來自掃描投射器的光照射問題區(qū)域或通過將這些區(qū)域顯示在監(jiān)視顯示器上來向用戶提供這些指示?？蛇x地，可以利用計算機或處理器來自動選擇測量過程中的下一步驟。在優(yōu)選掃描儀位置無法消除多路徑干涉和閃爍的情況下，存在幾個選項。在一些情況下，可以利用重新定位的掃描儀和有效測量結(jié)果組合來重復(fù)測量。在其它情況下，代替使用結(jié)構(gòu)光，可以在過程中增加可選測量步驟或者執(zhí)行可選測量步驟。如前面所述，用于掃描條紋光的步驟4622提供在來自多路徑干涉的問題的可能性降低的區(qū)域內(nèi)獲得信息的簡便方式。在關(guān)注區(qū)域上掃頻小光點的步驟4624還降低了來自多路徑干涉的問題的可能性。利用觸摸探測器或諸如SMR的其它機械傳感器測量對象表面的區(qū)域的步驟消除了多路徑干涉的可能性。觸摸探測器提供基于探測器前端大小的已知分辨率，并且消除在一些被測對象中可能發(fā)現(xiàn)的光反射率低或光穿透深度大的問題。
[0136]在多數(shù)情況下，可以在步驟4630中基于從測量獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合以前執(zhí)行的分析的結(jié)果來評估在步驟4618?4628的組合中收集到的數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在步驟4623中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量可接受的情況下，在步驟4634中完成測量。否則，在步驟4604中重新進行分析。在一些情況下，3D信息可能無法如期望地那樣準確。在這種情況下，重復(fù)早期步驟中的一部分可能有幫助。
[0137]在另一實施例中，攝像裝置2530和投射器2520可被配置為測量過小而人眼無法看見的特征。通常，對于該應(yīng)用，利用被配置為測量該大小的圖案的攝像裝置將縮小結(jié)構(gòu)光圖案的大小。使用這種投射器2500的應(yīng)用的示例包括測量小焊點、測量表面粗糙度和波度、測量諸如紙張的材料的屬性、測量切邊、測量磨損、腐蝕和侵蝕以及測量平整度和臺階高度。圖15的掃描儀系統(tǒng)(包括六DOF掃描儀和激光追蹤器)使得能夠在大區(qū)域內(nèi)測量小特征。
[0138]圖16示出與光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950相結(jié)合使用的六DOF指示器2800的實施例。結(jié)合圖13論述了光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950，并且這里將不重復(fù)該論述。在實施例中，以光電系統(tǒng)1900替換光電系統(tǒng)900。六DOF指示器2800包括主體2814、一個或多個回射器2810、2811、底座2890、可選電纜2836、可選電池2834、接口部件2812、識別元件2839、致動器按鈕2816、天線2838和電子電路板2832。圖16中的回射器2810、可選電纜2836、可選電池2834、接口部件2812、識別元件2839、致動器按鈕2816、天線2838和電子電路板2832分別與圖14中的回射器2010、可選電纜2046、可選電池2044、接口部件2012、識別元件2049、致動器按鈕2016、天線2048和電子電路板2042相對應(yīng)。針對這些對應(yīng)元件的描述與以上所論述的相同并且將不重復(fù)。底座2890可以附接至移動元件，由此使得激光追蹤器能夠測量移動元件的六度。該移動元件可以是機器人末端執(zhí)行器、機器工具或組件上工具(例如，組件線滑架)。由于回射器2810可能小并且圖16中的很多其它元件是可選的且可以省略，因此六DOF指示器可以為緊湊型。該小尺寸在一些情況下可以提供優(yōu)勢。可以將諸如回射器2611的附加回射器添加至第一回射器2610以使得激光追蹤器能夠從各方向追蹤六DOF掃描儀。
[0139]圖16A示出六DOF指示器4730是安裝在磁槽4732上的六DOF球形安裝回射器(SMR) 4734的實施例。六DOF SMR可以包含可以為沿著反射元件的交線具有標記的露天或玻璃回射器的圖案化回射器。在實施例中，操作者通過例如利用指向上方的標記或標志來將六DOF SMR定位成優(yōu)選方位，來確定六DOF指示器的初始方位。利用該方法，六DOF指示器可以是完全無源的，而不需要來自任何其它裝置的任何電力或任何電信號。由于可以將磁槽快速且容易地安裝在任何期望位置(例如，機器人或機器工具上)而不需要安裝任何電纜或復(fù)雜固定件，因此這種六DOF指示器提供了顯著優(yōu)點。在實施例中，通過將螺紋螺桿附接至螺紋開口 4734，將磁槽4732附接至可以是機器人或機器工具的裝置。在其它實施例中，利用熱膠或環(huán)氧樹脂將磁槽附接至裝置。
[0140]圖16B示出實施例4760，其中，六DOF指示器4734是安裝在具有約束4762的槽4732上的六DOF SMR。該約束包括與六DOF SMR4734相接觸的元件，例如金屬的機械件、塑料蓋或帶。通過固定機構(gòu)4764使將該約束與六DOF SMR4734緊密物理接觸。固定機構(gòu)的示例包括掛鉤夾或螺絲鉗。約束4762提供保護以避免碰撞或高加速度。
[0141]圖17示出與光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950相結(jié)合使用的六DOF投射器2600的實施例。結(jié)合圖13討論了光電系統(tǒng)900和定位攝像裝置系統(tǒng)950，并且這里將不重復(fù)該討論。在實施例中，以具有兩個或更多個波長的光的光電系統(tǒng)替換光電系統(tǒng)900。六DOF指示器2600包括主體2614、一個或多個回射器2610、2611、投射器2620、可選電纜2636、可選電池2634、接口部件2612、識別元件2639、致動器按鈕2616、天線2638和電子電路板2632。圖17中的回射器2610、可選電纜2636、可選電池2634、接口部件2612、識別元件2639、致動器按鈕2616、天線2638和電子電路板2632分別與圖14中的回射器2010、可選電纜2046、可選電池2044、接口部件2012、識別元件2049、致動器按鈕2016、天線2048和電子電路板2042相對應(yīng)。對于這些對應(yīng)元件的描述與以上所討論的相同并且將不重復(fù)。六DOF投射器2600可以包括光源、光源和轉(zhuǎn)向鏡、MEMS微鏡、液晶投射器或者能夠?qū)⒐鈭D案投射到工件2600上的任何其它裝置。利用激光追蹤器使用專利‘758所述的方法得知投射器2600的六自由度。根據(jù)該六自由度，可以在追蹤器參考坐標系中求出投射光圖案的三維坐標，而例如可以通過利用激光追蹤器對工件上的三個點進行測量來將這些三維坐標轉(zhuǎn)換到工件的參考坐標系中?？梢詫⒅T如回射器2611的附加回射器添加至第一回射器2610以使得激光追蹤器能夠從各種方向追蹤六DOF掃描儀，由此在六DOF投射器2600可以投射光的方向上給出更大靈活性。
[0142]在工件的參考坐標系中已知工件2660的表面上的投射光圖案2640的情況下，可以獲得各種有用能力。作為第一示例，投射圖案可以表示操作員應(yīng)在何處鉆孔或者進行其它操作以使得能夠?qū)⒉考掣降焦ぜ?600上。例如，可以將計量表附接至飛行器的駕駛艙。這種現(xiàn)場組裝方法在多數(shù)情況中可以是具有成本效益的。作為第二示例，投射圖案可以表示通過輪廓圖案、顏色編碼公差圖案或其它圖形部件的使用需要將哪些材料添加至工具或從工具移除。操作員可以使用工具來擦除不期望的材料或者使用填料來填充區(qū)域。由于激光追蹤器或附接至激光追蹤器的外部計算機可以知曉CAD模型的詳細內(nèi)容，因此六DOF投射器可以提供用于修改工具以滿足CAD公差的相對快速簡單的方法。其它組裝操作可以包括劃線、施加粘接劑、施加涂料、施加標簽和清洗。作為第三示例，投射圖案可以表示隱藏部件。例如，可以將管或電纜布置在表面下方并且從圖中隱藏?？梢詫⑦@些部件的位置投射到工件上，由此使得操作員能夠避免進行組裝或維修操作。
[0143]為了將來自投影掃描儀的光投射到工件的參考坐標系，通常需要在激光追蹤器的參考坐標系中確定工件的參考坐標系。用于進行該操作的一個方式是利用激光追蹤器來測量工件的表面上的三個點。然后，可以使用CAD模型或先前測量的數(shù)據(jù)來建立工件和激光追蹤器之間的關(guān)系。
[0144]在操作員通過六DOF投射器的輔助進行組裝操作的情況下，有用的技術(shù)來將六DOF投射器安裝在靜止支架或底座上，由此使得操作員能夠進行組裝操作而無需利用雙手。激光追蹤器和六DOF投射器的有用模式是即使在激光追蹤器停止追蹤六DOF掃描儀上的回射器之后也使六DOF投射器繼續(xù)投射光圖案。這樣，在投射器繼續(xù)顯示表示要進行的組裝操作的光圖案的情況下，操作員可以使用激光追蹤器來進行測量，例如利用SMR、六DOF探測器或六DOF掃描儀。以類似的方式，在追蹤器停止追蹤各掃描投射器上的回射器的情況下，可以使用追蹤器來設(shè)置繼續(xù)投射圖案的兩個或更多個掃描投射器。因而，可以將高水平的細節(jié)投射到相對大的區(qū)域上，從而使得能夠同時輔助幾個操作員。還可以在模式中使得六DOF掃描儀能夠投射幾個可選圖案中的任意可選圖案，由此使得操作員能夠進行作為規(guī)定序列的組裝操作。
[0145]除了輔助組裝操作之外，投影掃描儀還可以輔助執(zhí)行檢查過程。在一些情況下，檢查過程可以要求操作員按特定順序進行一系列測量。六DOF掃描儀可以指向操作員在各步驟要進行測量的位置。六DOF掃描儀可以對要進行測量的區(qū)域劃分界線。例如，通過繪制框，六DOF掃描儀可以表示操作員要在框內(nèi)的區(qū)域上進行掃描測量，可能要確定區(qū)域的平坦度或可以是較長的測量序列的一部分。由于投射器可以利用激光追蹤器所追蹤的六DOF回射器來繼續(xù)一系列步驟，因此操作員可以使用追蹤器或使用其它工具來繼續(xù)檢查序列。在追蹤器正在進行測量的情況下，將知曉何時測量成功完成并且可以進入下一步驟。投影掃描儀還可以以書面消息或音頻消息的形式來向操作員提供信息。操作員可以使用追蹤器攝像裝置或其它部件可以拍攝到的姿勢來向激光追蹤器發(fā)送命令。
[0146]六DOF投射器可以使用可能動態(tài)應(yīng)用的光圖案，以傳輸信息。例如,六DOF投射器可以使用前后運動來表示SMR要移動的方向。六DOF投射器可以繪制其它圖案，以給出操作員根據(jù)一組規(guī)則可以解釋的消息，其中這些規(guī)則以書面或顯示形式對于用戶而言是可用的。
[0147]還可以使用六DOF投射器來向用戶輸送與檢查中的對象的性質(zhì)有關(guān)的信息。例如，在進行了維度測量的情況下，六DOF投射器可以投射表示被測對象的表面坐標中關(guān)聯(lián)的誤差的區(qū)域的顏色編碼圖案?？蛇x地，可以僅顯示公差之外的區(qū)域或值。例如，可以突出顯示表面輪廓在公差之外的區(qū)域?？蛇x地，可以繪制線以表示在兩個點之間測量的長度然后寫關(guān)于與該距離相關(guān)聯(lián)的誤差量的部分的消息。
[0148]除了維度特性之外，六DOF投射器還可以顯示與所測量的特性有關(guān)的信息，其中這些特性與對象上的坐標位置相關(guān)聯(lián)。被測對象的這些特性可以包括溫度值、超聲值、微波值、毫米波值、X射線值、放射值、化學感測值和許多其它類型的值。如以下所述，可以測量這些對象特性并且使用六DOF掃描儀使這些對象特性與對象上的三維坐標一致?？蛇x地，通過利用對象參考坐標系使數(shù)據(jù)以某種方式與對象表面的維度坐標相關(guān)，可以使用單獨測量裝置在對象上測量對象的特性。然后，通過使對象的參考坐標系與激光追蹤器或六DOF投射器的參考坐標系一致，例如可以以圖形形式將與對象特性有關(guān)的信息顯示在對象上。例如，可以使用熱紅外陣列來測量對象表面的溫度值?？梢酝ㄟ^投射到對象表面上的顏色編碼來表示各溫度。
[0149]六DOF掃描儀還可以將建模數(shù)據(jù)投射到對象表面上。例如，可以將熱有限源分析(FEA)的結(jié)果投射到對象表面上，從而使得操作員能夠選擇在任一時間顯示FEA或測量的熱數(shù)據(jù)這兩個顯示中的哪個。由于這兩組數(shù)據(jù)被投射到對象上的求出特性的實際位置處(例如測量或預(yù)測到特定溫度存在的位置)，因此向用戶提供對于影響對象的物理效果的明確且直接的理解。還可以將六DOF投射器附接至諸如機器人或機器工具的可移動載體上。
[0150]在利用人眼無法看見的過小的已解決特征進行小區(qū)域的測量的情況下，六DOF投射器可以將對象表面的一部分上先前測量的特性的放大圖投射到對象表面上，由此使得用戶能夠觀看不放大則看不見的過小特征。在實施例中，利用諸如圖15的掃描儀2500的六DOF掃描儀來進行高分辨率測量，并且利用投射器(可以是六DOF掃描儀中的投射器或六DOF投射器)來投射結(jié)果。
[0151]圖18示出與光電系統(tǒng)2790相結(jié)合使用的六DOF投射器2700的實施例。光電系統(tǒng)2790可以是能夠測量六DOF投射器2700的六自由度的任何裝置。在實施例中，光電系統(tǒng)2790包含用于觀看六DOF投射器2700上的回射器的照明光源的一個或多個攝像裝置。通過記錄一個或多個攝像裝置上光源圖像的相對位置，求出三個方位自由度。例如，通過使用測距儀和兩個角編碼器求出回射器2710的三維坐標，來求出三個附加自由度。在另一實施例中，如下求出三個方位自由度:通過將光束經(jīng)由立方隅角回射器2710的頂點發(fā)送至位置檢測器來確定兩個自由度，其中，位置檢測器可以是光敏陣列；并且通過經(jīng)由至少一個偏振分束器發(fā)送可以為相同光束的偏振光束來確定第三個自由度。在第三實施例中，光電組件2790將光圖案發(fā)送至到六DOF投射器2700上。在本實施例中，接口部件2712包括多個線性位置檢測器以檢測圖案并且據(jù)此確定六DOF投射器2700的三個方位自由度，其中，多個線性位置檢測器可以為線性光敏陣列。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，許多其它光電系統(tǒng)2790也可以用來確定六DOF投射器2700的六自由度。六DOF投射器2700包括主體2714、一個或多個回射器2710、2711、投射器2720、可選電纜2736、可選電池2734、接口部件2712、識別元件2739、致動器按鈕2716、天線2738和電子電路板2732。圖18的可選電纜2736、可選電池2734、接口部件2712、識別元件2739、致動器按鈕2716、天線2738和電子電路板2732分別對應(yīng)于圖14中的回射器2010、可選電纜2046、可選電池2044、接口部件2012、識別元件2049、致動器按鈕2016、天線2048和電子電路板2042。針對這些對應(yīng)元件的說明與上述相同并且將不進行重復(fù)。可以將諸如回射器2711的附加回射器添加至第一回射器2710以使得激光追蹤器能夠從各種方向追蹤六DOF掃描儀，由此給出在利用六DOF投射器2700可以投射光的方向上的更大靈活性。
[0152]返回參考圖15，注意以下情況:除了提供與掃描儀攝像裝置2530相結(jié)合使用的光源以外，掃描儀光源2520用作用于顯示圖案的投射器(用于確定工件的三維坐標)，可以使用其它用于求出目標2500的六自由度的方法。盡管在圖15中沒有明確示出，但這些方法可以包括參考圖18所述的方法。
[0153]除了圖18的六DOF投射器可以使用比圖17的六DOF投射器更寬范圍的六DOF測量以外，圖17和18相同。對六DOF投射器2600的應(yīng)用所進行的所有評論還適用于六DOF投射器2700。
[0154]圖19示出與光電系統(tǒng)2790相結(jié)合使用的六DOF傳感器4900的實施例。光電系統(tǒng)2790可以是能夠測量六DOF傳感器4900的六自由度的任何裝置。在實施例中，光電系統(tǒng)2790包含用于觀看六DOF傳感器4900上的回射器的照明光源的一個或多個攝像裝置。通過記錄一個或多個攝像裝置上的光源圖像的相對位置，求出三個方位自由度。例如，通過使用測距儀和兩個角編碼器求出回射器4910的三維坐標，來求出三個附加自由度。在另一實施例中，如下求出三個方位自由度:通過將光束經(jīng)由立方隅角回射器4910的頂點發(fā)送至位置檢測器來確定兩個自由度，其中，位置檢測器可以是光敏陣列；并且通過經(jīng)由至少一個偏振分束器發(fā)送可以是相同光束的偏振光束來確定第三個自由度。在第三實施例中，光電組件2790將光圖案發(fā)送至六DOF傳感器4900上。在本實施例中，接口部件4912包括多個線性位置檢測器以檢測圖案并且據(jù)此確定六DOF投射器2700的三個方位自由度，其中，多個線性位置檢測器可以是線性光敏陣列。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，許多其它光電系統(tǒng)2790可以用來確定六DOF投射器2700的六個自由度。六DOF傳感器4900包括主體4914、一個或多個回射器4910、4911、傳感器4920、可選源4950、可選電纜4936、可選電池4934、接口部件4912、識別元件4939、致動器按鈕4916、天線4938和電子電路板4932。圖18的可選電纜4936、可選電池4934、接口部件4912、識別元件4939、致動器按鈕4916、天線4938和電子電路板4932分別對應(yīng)于圖14中的回射器2010、可選電纜2046、可選電池2044、接口部件2012、識別元件2049、致動器按鈕2016、天線2048和電子電路板2042。對于這些對應(yīng)元件的說明與上述相同并且將不進行重復(fù)?？梢詫⒅T如回射器4911的附加回射器添加至第一回射器4910以使得激光追蹤器能夠從各種方向追蹤六DOF掃描儀，由此給出在六DOF傳感器4900可以感測對象的方向上的更大靈活性。
[0155]傳感器4920可以具有各種類型。例如，其可以對光譜的紅外區(qū)域中波長為0.7?20微米的光的光能做出反應(yīng)，由此使得能夠確定對象表面在點4924處的溫度。傳感器4920被配置為在通常以軸4922為中心的視野4940上收集對象4960所發(fā)出的紅外能量?？梢酝ㄟ^將軸4922投射到對象4960上并且求出交點4924，來求出與測量到的表面溫度相對應(yīng)的對象表面上的點的三維坐標。為了確定交點，需要知道對象參考坐標系和裝置(追蹤器)參考坐標系之間的關(guān)系，可選地，由于已知追蹤器參考坐標系和傳感器參考坐標系之間的關(guān)系，因此可以知道對象參考坐標系和六DOF傳感器參考坐標系之間的關(guān)系?？蛇x地，由于根據(jù)六DOF傳感器上的追蹤器進行的測量已知追蹤器參考坐標系與六DOF傳感器之間的關(guān)系，因此可以知道對象參考坐標系與TK DOF傳感器的參考坐標系之間的關(guān)系。用以確定對象參考坐標系和追蹤器參考坐標系之間的關(guān)系的一種方式是測量對象表面上的三個點的三維坐標。通過具有與三個測量點相關(guān)的與對象有關(guān)的信息，將得知對象表面上的所有點。例如，根據(jù)CAD繪圖或根據(jù)任意類型的坐標測量裝置所進行的先前測量可以獲得對象的與三個測量點有關(guān)的信息。
[0156]除了測量所發(fā)出的紅外能量之外，可以在寬范圍波長或等同頻率內(nèi)測量(感測)電磁頻譜。例如，電磁能可以在光學區(qū)域內(nèi)并且可以包括可見光、紫外線、紅外線和兆頻區(qū)域。諸如對象根據(jù)對象的溫度所發(fā)出的熱能的一些特性是對象的固有屬性并且不需要外部照明?？梢愿鶕?jù)照明的特性(例如各照明波長中可用的光學功率量)改變依賴于背景照明和感測結(jié)果的其它特性(諸如對象的顏色)。所測量的光學特性可以包括光學檢測器所接收的光學功率，并且可以集成各種波長的能量以根據(jù)各波長處的光學檢測器的響應(yīng)性來產(chǎn)生電氣響應(yīng)。
[0157]在一些情況下，可以利用源4950將照明有意地施加至對象。在正在執(zhí)行期望將所施加的照明與背景照明區(qū)分的實驗的情況下，例如，可以利用正弦波或方形波來調(diào)制所施加的光。然后，可以與傳感器4920中的光學檢測器結(jié)合使用鎖定放大器或相似方法以僅提取所施加的光。
[0158]利用傳感器4940感測電磁輻射的其它示例包括以比紫外光中存在的波長短的波長的X射線的感測和毫米波、微波和RF波等的感測及比在兆頻波和其它光學波中存在的波長長的波長的示例。X射線可以用于穿透材料以獲得與對象的內(nèi)部特性有關(guān)的信息，例如存在缺陷或存在不止一種材料。源4950可以用來發(fā)出X射線以照亮對象4960。通過移動六DOF傳感器4900并且從多個視圖觀察缺陷或材料界面的有無，可以確定材料內(nèi)的缺陷或材料界面的三維坐標。此外，在將傳感器4940與諸如圖17和18的投射器2720的投射器相結(jié)合的情況下，可以將圖案投射到表示需要執(zhí)行維修工作以修補缺陷的對象表面上。
[0159]在實施例中，源4950在頻譜(毫米波、微波或RF波)的電區(qū)域中提供電磁能。來自源的光照射對象4960，并且利用傳感器4920拾取反射波或散射波。在實施例中，使用電波來穿透后方的墻壁或其它對象。例如，這種裝置可以用來檢測RFID標簽的有無。這樣，六DOF傳感器4900可用來確定遍布于工廠內(nèi)的RFID標簽的位置。還可以定位除RFID標簽以外的其它對象。例如，可以使用六DOF掃描儀來定位RF波或微波的源，諸如發(fā)出與計算機或其它電氣裝置發(fā)生干涉的高水平的寬帶電磁能的焊接設(shè)備。
[0160]在實施例中，源4950提供超聲波并且傳感器4920是超聲波傳感器。超聲波傳感器相對于光學傳感器在感測清晰對象、液位或高反射性或金屬性表面的情況下具有優(yōu)點。在醫(yī)療方面，可以使用超聲波傳感器來定位觀看到的特征相對于患者身體的位置。傳感器4920可以是被配置為檢測微量化學成分并對檢測到的化學成分提供化學識別標志的化學傳感器。傳感器4920可被配置為感測放射性衰變的有無，由此表示對象是否對人體照射造成風險。傳感器4920可被配置為測量諸如表面粗糙度、波紋度和層疊的表面紋理。傳感器可以是輪廓曲線儀、干涉儀、共焦顯微鏡、電容表或類似裝置。六DOF掃描儀還可用于測量表面紋理?？梢允褂靡陨蠜]有提到的其它類型的傳感器來測量其它對象特性。
[0161]圖19A示出六DOF傳感器4990的實施例，其中，除了六DOF傳感器4990的傳感器4922包括透鏡4923和光敏陣列4924之外，圖19A的六DOF傳感器4990與圖19的六DOF傳感器4900相同。來自六DOF傳感器的視野4940內(nèi)的發(fā)射或反射能量線4925在對象表面4960上的點4926處出現(xiàn)、穿過傳感器透鏡4923的透視中心4927而到達光敏陣列4924上的點4928。源4950可以照亮對象表面4960的區(qū)域，由此在光敏陣列上產(chǎn)生響應(yīng)。各點與對象表面上的感測特性的三維坐標、由三方位自由度所確定的各三維點、三個平移自由度、傳感器組件內(nèi)的攝像裝置和投射器的幾何形狀、以及與對象表面上的點相對應(yīng)的光敏陣列上的位置相關(guān)聯(lián)。傳感器4922的示例是熱陣列傳感器，其通過提供各像素處的溫度來響應(yīng)與三維表面坐標相關(guān)聯(lián)的各特性傳感器值。
[0162]圖20是示出利用坐標測量裝置和目標掃描儀來測量對象表面上的三個或更多個表面集的方法中的步驟5000的流程圖，其中三個或更多個表面集中的每一個是裝置參考坐標系中的對象表面上的點的三維坐標，每個表面集包括三個值，并且裝置參考坐標系與坐標測量裝置相關(guān)聯(lián)。
[0163]步驟5005用于提供具有主體、第一回射器、投射器、攝像裝置和掃描處理器的目標掃描儀，其中第一回射器、投射器和攝像裝置剛性地固定至主體，并且目標掃描儀從坐標測量裝置機械地拆卸。在該步驟中，投射器包括光的源圖案(其中該光的源圖案位于源平面上并且包括至少三個非共線圖案元素)，投射器被配置為將光的源圖案投射到對象上以在對象上形成對象光圖案，并且至少三個非共線圖案元素各自與至少一個表面集相對應(yīng)。此外，在該步驟中，攝像裝置包括攝像裝置透鏡和光敏陣列，其中攝像裝置透鏡被配置為將光的對象圖案成像在光敏陣列上作為光的圖像圖案，該光敏陣列包括攝像裝置像素，該光敏陣列被配置為針對每個攝像裝置像素產(chǎn)生與攝像裝置像素從光的圖案圖案接收到的光量相對應(yīng)的相應(yīng)像素數(shù)字信號值。
[0164]步驟5010用于提供坐標測量裝置，該坐標測量裝置用于測量平移集和方位集，該平移集是裝置參考坐標系中的目標掃描儀的三個平移自由度的值并且方位集是裝置參考坐標系中的目標掃描儀的三個方位自由度的值，平移集和方位集足以限定目標掃描儀在空間內(nèi)的位置和方位，坐標測量裝置被配置為將第一光束發(fā)送至第一回射器并且從第一回射器接收第二光束，第二光束是第一光束的一部分，坐標測量裝置包括裝置處理器，裝置處理器被配置為確定方位集和平移集，平移集基于第二光束中的至少一部分。此外，在該步驟中，掃描處理器和裝置處理器聯(lián)合地被配置為確定三個或更多個表面集，其中，每個表面集至少部分基于平移集、方位集和像素數(shù)字值。
[0165]步驟5015用于選擇光的源圖案。
[0166]步驟5020用于將光的源圖案投射到對象上以產(chǎn)生光的對象圖案。[0167]步驟5025用于將光的對象圖案在光敏陣列上成像以獲得光的圖像圖案。
[0168]步驟5030用于獲得光的圖像圖案的像素數(shù)字值。
[0169]步驟5035用于將第一光束從坐標測量裝置發(fā)送至第一回射器。
[0170]步驟5040用于從第一回射器接收第二光束。
[0171]步驟5045用于測量方位集和平移集，其中該平移集至少部分基于第二光束。
[0172]步驟5050用于確定與至少三個非共線圖案元素中的每一個相對應(yīng)的表面集。
[0173]步驟5055用于保存表面集。該方法5000以標記A結(jié)束。
[0174]圖21是示出圖20的標記A之后的方法中的步驟5100的流程圖。
[0175]步驟5105用于使觸覺探測器觸摸對象表面。
[0176]步驟5110用于測量平移集和方位集。
[0177]步驟5115用于至少部分基于平移集和方位集來確定第二表面集。
[0178]圖22是示出圖20的標記A之后的方法中的步驟5200的流程圖。步驟5205用于評估表面集。步驟5210用于至少部分基于所評估的表面集來向用戶指示要利用觸覺探測器測量的對象表面的區(qū)域。
[0179]圖23是示出圖20的標記A之后的方法中的步驟5300的流程圖。步驟5305用于將圖案并入到第一回射器中。步驟5310用于提供包括第二透鏡和第二光敏陣列的第二光學系統(tǒng)，其中該第二透鏡被配置為使第一回射器的至少一部分的第二圖像形成在第二光敏陣列上。步驟5315用于將第二圖像轉(zhuǎn)換成第二數(shù)字數(shù)據(jù)集。步驟5320用于至少部分基于第二數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)集來計算方位集。
[0180]圖24是示出利用坐標測量裝置和目標傳感器來測量感測特性和與該感測特性相關(guān)聯(lián)的表面集的方法中的步驟5400的流程圖，其中表面集是裝置參考坐標系中的對象表面上的點的三維坐標，每個表面集包括三個值，裝置參考坐標系與坐標測量裝置相關(guān)聯(lián)。
[0181]步驟5405用于提供具有主體、第一回射器、傳感器和傳感器處理器的目標傳感器，其中第一回射器和傳感器剛性地固定至主體，并且目標傳感器從坐標測量裝置機械地拆卸，目標傳感器被配置為測量感測特性，感測特性是與傳感器所測量的量相關(guān)聯(lián)的值。
[0182]步驟5410用于提供坐標測量裝置，其中該坐標測量裝置用于測量平移集和方位集，平移集是裝置參考坐標系中的目標傳感器的三個平移自由度的值并且方位集是裝置參考坐標中的目標傳感器的三個方位自由度的值，平移集和方位集足以限定目標傳感器在空間內(nèi)的位置和方位，坐標測量裝置用于將第一光束發(fā)送至第一回射器并且從第一回射器接收第二光束，第二光束是第一光束的一部分，坐標測量裝置包括裝置處理器，裝置處理器被配置為確定方位集和平移集，平移集至少部分基于第二光束，其中傳感器處理器和裝置處理器共同地被配置為確定感測特性和表面集，表面集至少部分基于平移集和方位集。
[0183]步驟5415用于將來自坐標測量裝置的第一光束發(fā)送至第一回射器。
[0184]步驟5420用于從第一回射器接收第二光束。
[0185]步驟5425用于測量方位集和平移集，該平移集至少部分基于第二光束。
[0186]步驟5430用于確定表面集。
[0187]步驟5435用于感測該感測特性。
[0188]步驟5440用于保存表面集和感測特性。方法5400以標記B結(jié)束。
[0189]圖25是示出以圖24的標記B開始的方法中的步驟5500的流程圖。步驟5505用于將圖案并入到第一回射器內(nèi)。
[0190]步驟5510用于提供包括第二透鏡和第二光敏陣列的光學系統(tǒng)，該第二透鏡用于將圖案化后的回射器的至少一部分的第二圖像形成在第二光敏陣列上。
[0191]步驟5515用于將第二圖像轉(zhuǎn)換成第二數(shù)字數(shù)據(jù)集。
[0192]步驟5520用于至少部分基于第二數(shù)字數(shù)據(jù)集來計算方位集。
[0193]圖26是示出用于通過利用第一目標投射器投射第一圖案來將第一信息傳輸至坐標測量裝置的用戶的方法中的步驟5600的流程圖。
[0194]步驟5605用于提供具有目標投射器參考坐標系并且包括主體、第一回射器和投射器的第一目標投射器，其中該第一回射器和投射器剛性地固定至主體，第一目標投射器從坐標測量裝置機械地拆卸，投射器被配置為以兩個維度投射光圖案，其中該光圖案在與三維對象相交時形成三維光圖案。
[0195]步驟5610用于提供具有裝置參考坐標系的坐標測量裝置，其中該坐標測量裝置用于測量平移集和方位集，平移集是裝置參考坐標系中的第一目標投射器的三個平移自由度的值并且方位集是裝置參考坐標系中的第一目標投射器的三個方位自由度的值，平移集和方位集足以限定第一目標投射器在空間內(nèi)的位置和方位，坐標測量裝置用于將第一光束發(fā)送至第一回射器并且從第一回射器接收第二光束，第二光束是第一光束的一部分，坐標測量裝置包括裝置處理器，裝置處理器被配置為確定方位集和平移集，平移集至少部分基于第二光束。
[0196]步驟5615用于將來自坐標測量裝置的第一光束發(fā)送至第一回射器。
[0197]步驟5620用于從第一回射器接收第二光束。
[0198]步驟5625用于測量方位集和平移集，其中該平移集至少部分基于第二光束。
[0199]步驟5630用于選擇要輸送的第一信息，該第一信息選自對象上的位置、對象上的多個位置、由移動圖案指示的方向、包括一個或多個符號或字母數(shù)字字符的消息、隱藏特征、測量對象特性、建模特性、表面特性的放大表示、具有根據(jù)規(guī)則的含義的圖案以及以上的組合。
[0200]步驟5635用于確定與第一信息相對應(yīng)的光的第一圖案。
[0201]步驟5640用于存儲第一圖案。
[0202]步驟5645用于至少部分基于平移集和方位集來將光的第一圖案從投射器投射到對象上。方法5600以標記C結(jié)束。
[0203]圖27是示出以圖26的標記C開始的方法中的步驟5700的流程圖。步驟5705用于在第一目標投射器繼續(xù)將光的第一圖案投射到對象上的情況下，利用坐標測量裝置進行測量。
[0204]圖28是示出以圖26的標記C開始的方法中的步驟5800的流程圖。步驟5805用于提供具有第三回射器的第二目標投射器。步驟5810用于將第一光束發(fā)送至第三回射器。步驟5815用于使第二光束從第三回射器返回至坐標測量裝置。
[0205]圖29是示出以圖26的標記C開始的方法中的步驟5900的流程圖。步驟5905用于將圖案并入到第一回射器中。步驟5910用于提供第二光學系統(tǒng)。步驟5915用于將第二圖像轉(zhuǎn)換成第二數(shù)字數(shù)據(jù)集。步驟5920用于至少部分基于第二數(shù)字數(shù)據(jù)集來計算方位集。
[0206]圖30是示出以圖26的標記C開始的方法中的步驟6000的流程圖。步驟6005用于向第一目標投射器提供揚聲器。步驟6010用于選擇要輸送的第二信息。步驟6015用于確定與第二信息相對應(yīng)的第一音頻消息。步驟6020用于從揚聲器發(fā)出第一音頻消息。
[0207]圖31是示出用于利用坐標測量裝置和目標掃描儀測量對象表面上的多個表面集的流程圖，其中每個表面集是裝置參考坐標系中的對象表面上的點的三維坐標，每個表面集包括三個值，裝置參考坐標系與坐標測量裝置相關(guān)聯(lián)。
[0208]步驟6015用于提供目標掃描儀，其具有主體、并入圖案的第一回射器、投射器、攝像裝置和掃描處理器，其中第一回射器、投射器和攝像裝置剛性地附接至主體，并且目標掃描儀從坐標測量裝置機械地拆卸，其中投射器包括光的源圖案，該光的源圖案位于源平面上并且包括多個共線圖案元素，投射器被配置為將光的源圖案投射到對象上以在對象上形成光的對象圖案，每個圖案元素與至少一個表面集相對應(yīng)，其中攝像裝置包括第一透鏡和第一光敏陣列，該第一透鏡被配置為將光的對象圖案成像在第一光敏陣列上作為光的圖像圖案，第一光敏陣列包括攝像裝置像素，第一光敏陣列被配置為針對每個攝像裝置像素產(chǎn)生與攝像裝置像素從光的圖像圖案接收到的光量相對應(yīng)的相應(yīng)像素數(shù)字值。
[0209]步驟6110用于提供坐標測量裝置，其中該坐標測量裝置被配置為測量平移集和方位集，平移集是裝置參考坐標系中的目標掃描儀的三個平移自由度的值并且方位集是裝置參考坐標系中的目標掃描儀的三個方位自由度的值，平移集和方位集足以限定目標掃描儀在空間內(nèi)的位置和方位，坐標測量裝置用于將第一光束發(fā)送至第一回射器并且從第一回射器接收第二光束，第二光束是第一光束的一部分，坐標測量裝置包括裝置處理器，裝置處理器被配置為確定方位集和平移集，方位集和平移集至少部分基于第二光束，坐標測量裝置包括第二光學系統(tǒng)，該第二光學系統(tǒng)包括第二透鏡和第二光敏陣列，第二透鏡用于使第一回射器的至少一部分的第二圖像形成在第二光敏陣列上，坐標測量裝置用于將第二圖像轉(zhuǎn)換成第二數(shù)字數(shù)據(jù)集并且至少部分基于第二數(shù)字數(shù)據(jù)集來計算方位集，其中掃描處理器和裝置處理器共同被配置為確定多個表面集，其中，每個表面集至少部分基于平移集、方位集和像素數(shù)字值。
[0210]步驟6115用于選擇光的源圖案。
[0211]步驟6120用于將光的源圖案投射到對象上以產(chǎn)生光的對象圖案。
[0212]步驟6125用于使光的對象圖案在光敏陣列上成像以獲得光的圖像圖案。
[0213]步驟6130用于針對光的圖像圖案獲得像素數(shù)字值。
[0214]步驟6135用于將第一光束從坐標測量裝置發(fā)送至第一回射器。
[0215]步驟6140用于從第一回射器接收第二光束。
[0216]步驟6145用于至少部分基于第二光束來測量方位集和平移集。
[0217]步驟6150用于確定與多個共線圖案元素相對應(yīng)的表面集。
[0218]步驟6155用于保存表面集。
[0219]圖32是示出用于利用坐標測量裝置和目標掃描儀來測量對象表面上的多個表面集的步驟6200的流程圖，其中每個表面集是裝置參考坐標系中的對象表面上的點的三維坐標，每個表面集包括三個值，裝置參考坐標系與坐標測量裝置相關(guān)聯(lián)。
[0220]步驟6205用于提供目標掃描儀，其具有主體、第一回射器、投射器、攝像裝置和掃描處理器，其中第一回射器、投射器和攝像裝置剛性地固定至主體，并且目標掃描儀從坐標測量裝置機械地拆卸，其中投射器包括光的源圖案，該光的源圖案位于源平面上并且包括多個共線圖案元素，投射器用于將光的源圖案投射到對象上以在對象上形成光的對象圖案，其中各圖案元素與至少一個表面集相對應(yīng)，其中攝像裝置包括第一透鏡和第一光敏陣列，第一透鏡被配置為使光的對象圖案形成在第一光敏陣列上作為光的圖像圖案，第一光敏陣列包括攝像裝置像素，第一光敏陣列被配置為針對各攝像裝置像素產(chǎn)生與攝像裝置像素從光的圖像圖案接收到的光量相對應(yīng)的相應(yīng)像素數(shù)字值。
[0221]步驟6210用于提供坐標測量裝置，其中該坐標測量裝置被配置為測量平移集和方位集，平移集是裝置參考坐標系中的目標掃描儀的三個平移自由度的值并且方位集是裝置參考坐標系中的目標掃描儀的三個方位自由度的值，平移集和方位集足以限定目標掃描儀在空間內(nèi)的位置和方位，坐標測量裝置用于將第一光束發(fā)送至第一回射器并且從第一回射器接收第二光束，第二光束是第一光束的一部分，坐標測量裝置包括裝置處理器，裝置處理器被配置為確定方位集和平移集，方位集和平移集至少部分基于第二光束，其中掃描儀處理器和裝置處理器共同被配置為確定多個表面集，其中每個表面集至少部分基于平移集、方位集和像素數(shù)字值。
[0222]步驟6215用于選擇光的源圖案。
[0223]步驟6220用于將光的源圖案投射到對象上以產(chǎn)生光的對象圖案。
[0224]步驟6225用于使光的對象圖案在光敏陣列上成像以獲得光的圖像圖案。
[0225]步驟6230用于針對光的圖像圖案獲得像素數(shù)字值。
[0226]步驟6235用于將第一光束從坐標測量裝置發(fā)送至第一回射器。
[0227]步驟6240用于從第一回射器接收第二光束。
[0228]步驟6245用于測量方位集和平移集，其中平移集至少部分基于第二光束。
[0229]步驟6250用于確定與多個共線圖案元素相對應(yīng)的表面集。
[0230]步驟6255用于保存表面集。
[0231]盡管已經(jīng)參考示例實施例說明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以在沒有背離本發(fā)明的范圍的情況下進行各種變化并且可以利用等同物來替換元件。另外，可以在沒有背離本發(fā)明的實質(zhì)范圍的情況下進行多種變形以使特定情形或材料適合本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，期望本發(fā)明不限于作為用于執(zhí)行本發(fā)明考慮的最佳模式所公開的特定實施例，但本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實施例。此外，術(shù)語第一、第二等的使用并不表示任何順序或重要度，而是使用術(shù)語第一、第二等來將各元件區(qū)分開。此外，術(shù)語“一”、“一個”等的使用并不表示量的限制，而是表示存在至少一個所引用的項。
【權(quán)利要求】
1.一種方法(5000)，所述方法利用坐標測量裝置(10)和目標掃描儀(2500, 2505)來測量對象的表面(2528，2590，4790)上的三個或更多個表面集，所述三個或更多個表面集中的每個是裝置參考坐標系中的所述對象的表面上的點(2526，2527，2574，4774)的三維坐標，每個表面集包括三個值，所述裝置參考坐標系與所述坐標測量裝置相關(guān)聯(lián)，所述方法包括以下步驟: 提供具有主體(2514)、第一回射器(2510)、投射器(2520，2562,4762)、攝像裝置(2530,2564,4764)和掃描處理器(1584)的目標掃描儀,其中所述第一回射器、所述投射器和所述攝像裝置剛性地固定至所述主體，并且所述目標掃描儀從所述坐標測量裝置機械地拆卸， 其中所述投射器包括光的源圖案(2524，2570，4770)，光的所述源圖案位于源平面上并且包括至少三個非共線圖案元素，所述投射器被配置為將光的所述源圖案投射到所述對象上以在所述對象上形成光的對象圖案，并且所述至少三個非共線圖案元素中的每個與至少一個表面集相對應(yīng)， 其中所述攝像裝置包括攝像裝置透鏡(2532，2582，4782)和光敏陣列(2534，2580，4780)，所述攝像裝置透鏡被配置為將光的所述對象圖案成像到所述光敏陣列上作為光的圖像圖案，所述光敏陣列包括攝像裝置像素，所述光敏陣列被配置為針對每個攝像裝置像素產(chǎn)生響應(yīng)于所述攝像裝置像素從光的所述圖像圖案接收到的光量的相應(yīng)的像素數(shù)字值(5005)； 提供所述坐標測量裝置，所述坐標測量裝置被配置為測量平移集和方位集，所述平移集是所述裝置參考坐標系中的所述目標掃描儀的三個平移自由度的值并且所述方位集是所述裝置參考坐標系中的所述目標掃描儀的三個方位自由度的值，所述平移集和所述方位集足以限定所述目標掃描儀在空間內(nèi)的位置和方位，所述坐標測量裝置被配置為將第一光束(784)發(fā)送至所述第一回 射器并且從所述第一回射器接收第二光束(786)，所述第二光束是所述第一光束的一部分，所述坐標測量裝置包括裝置處理器(1520,1530-1536,1540，1550，1560,1565，1570,1590)，所述裝置處理器被配置為確定所述方位集和所述平移集，所述平移集至少部分基于所述第二光束， 其中所述掃描儀處理器和所述裝置處理器聯(lián)合地被配置為確定所述三個或更多個表面集，每個表面集至少部分基于所述平移集、所述方位集和所述像素數(shù)字值(5010); 選擇光的所述源圖案(5015); 將光的所述源圖案投射到所述對象上以產(chǎn)生光的所述對象圖案(5020)； 將光的所述對象圖案成像到光敏陣列上以獲得光的所述圖像圖案(5025)； 獲得光的所述圖像圖案的所述像素數(shù)字值(5030)； 將所述第一光束從所述坐標測量裝置發(fā)送至所述第一回射器(5035)； 從所述第一回射器接收所述第二光束(5040)； 測量所述方位集和所述平移集，所述平移集至少部分基于所述第二光束(5045)； 確定與所述至少三個非共線圖案元素中的每個相對應(yīng)的所述表面集(5050);以及 保存所述表面集(5055)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述投射器具有虛擬光透視中心(2572，4775)和投射器參考軸(2576，4776)，所述投射器參考軸穿過所述投射器的虛擬光透視中心，所投射的光的源圖案呈現(xiàn)為從所述虛擬光透視中心發(fā)出； 攝像裝置透鏡具有攝像裝置透鏡透視中心(2585，4785)和攝像裝置參考軸(2586，4786)，所述攝像裝置參考軸穿過所述攝像裝置透鏡透視中心； 所述目標掃描儀具有基線(2588,4788)、基線長度(2592,4792)、基線投射器角度(2594,4794 )和基線攝像裝置角度(2596，4796 )，所述基線是連接所述虛擬光透視中心和所述攝像裝置透鏡透視中心的線段，所述基線長度是所述基線的長度，所述基線投射器角度是所述投射器參考軸和所述基線之間的角度，所述基線攝像裝置角度是所述基線和所述攝像裝置參考軸之間的角度；以及 所述的提供所述坐標測量裝置的步驟進一步包括提供具有如下裝置處理器的所述坐標測量裝置，該裝置處理器與所述掃描儀處理器聯(lián)合地被配置為確定所述三個或更多個表面集，每個所述表面集進一步至少部分基于所述基線長度、所述攝像裝置基線角度和所述投射器基線角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的提供所述目標掃描儀的步驟進一步包括提供投射器透鏡，所述投射器透鏡被配置為投射光的所述源圖案，所述虛擬光透視中心是所述投射器透鏡的透視中心，所述投射器參考軸是投射器透鏡光軸，并且所述攝像裝置參考軸是攝像裝置透鏡光軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的提供所述坐標測量裝置的步驟進一步包括提供如下坐標測量裝置，該坐標測量裝置包括第一電機(2125)、第二電機(2155)、第一角測量裝置(2120)、第二角測量裝置(2150)、測距儀(160，120)、位置檢測器(151)、控制系統(tǒng)(1520, 1530, 1540, 1550)和裝置處理器,所述第一電機和所述第二電機一起被配置為使所述第一光束指向第一方向，所述第一方向由關(guān)于第一軸(20)的第一轉(zhuǎn)動角和關(guān)于第二軸(18)的第二轉(zhuǎn)動角確定,所述第一轉(zhuǎn)動角由所述第一電機產(chǎn)生并且所述第二轉(zhuǎn)動角由所述第二電機產(chǎn)生，所述第一角測量裝置被配置為測量所述第一轉(zhuǎn)動角并且所述第二角測量裝置被配置為測量所述第二轉(zhuǎn)動角，所述測距儀被配置為測量從所述坐標測量裝置到所述第一回射器的第一距離，所述位置檢測器被配置為接收所述第二光束的第二部分并且將第一信號發(fā)送至所述控制系統(tǒng)，所述第一信號是響應(yīng)于所述第二部分在所述位置檢測器上的位置而產(chǎn)生的，所述控制系統(tǒng)被配置為將第二信號發(fā)送至所述第一電機，將第三信號發(fā)送至所述第二電機，并且將所述第一光束的第一方向調(diào)整至所述第一回射器在空間內(nèi)的位置，所述第二信號和所述第三信號至少部分基于所述第一信號，所述裝置處理器被配置為確定所述平移集和所述方位集，所述平移集至少部分基于所述第一距離、所述第一轉(zhuǎn)動角和所述第二轉(zhuǎn)動角。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的選擇光的所述源圖案的步驟進一步包括選擇光的所述源圖案以包括被表示為光的所述源圖案中的圖案元素的至少三個編碼特征，其中在光的所述圖像圖案中能夠識別所述三個編碼特征。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述的選擇光的所述源圖案的步驟進一步包括在相對于所述源平面上的核線的規(guī)定方向上使所述編碼特征的組對準，所述源平面上的所述核線是所述源平面與所述核平面相交的線，所述核平面是包含所述虛擬光透視中心和所述攝像裝置透鏡透視中心的平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中: 選擇光的所述源圖案進一步包括使編碼特征的每個組沿唯一核線對準；以及確定所述表面集進一步包括針對編碼特征的每個組注意所述編碼特征沿每個所述唯一核線的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述的選擇光的所述源圖案的步驟進一步包括選擇所述源圖案的至少三個實例，即至少第一實例、第二實例和第三實例，每個實例中的所述源圖案具有以第一空間頻率周期性變化的光學功率，其中對于每個實例，所述源圖案在相位上相對于其他實例偏移； 所述的投射光的所述源圖案的步驟進一步包括在第一時間以第一相位投射所述源圖案的第一實例以獲得光的所述對象圖案的第一實例，在第二時間以第二相位投射所述源圖案的第二實例以獲得光的所述對象圖案的第二實例，以及在第三時間以第三相位投射所述源圖案的第三實例以獲得光的所述對象圖案的第三實例； 所述的使光的所述對象圖案成像的步驟進一步包括將光的所述對象圖案的第一實例成像到所述光敏陣列以獲得光的所述圖像圖案的第一實例，將光的所述對象圖案的第二實例成像到所述光敏陣列以獲得光的所述圖像圖案的第二實例，將光的所述對象圖案的第三實例成像到所述光敏陣列以獲得光的所述圖像圖案的第三實例； 所述的獲得所述像素數(shù)字值的步驟進一步包括獲得光的所述圖像圖案的第一實例的所述像素數(shù)字值的第一實例，獲得光的所述圖像圖案的第二實例的所述像素數(shù)字值的第二實例，獲得光的所述圖像圖案的第三實例的所述像素數(shù)字值的第三實例；以及 所述的確定所述至少三個非共線圖案元素中的每個的表面集的步驟進一步包括至少部分基于所述第一空間頻率、所述第一相位、所述第二相位、所述第三相位、所述像素數(shù)字值的第一實例、所述像素數(shù)字值的第二實例和所述像素數(shù)字值的第三實例來確定三個非共線圖案元素中的每個的表面集。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中: 所述的選擇光的所述源圖案的步驟進一步包括選擇第二源圖案的至少三個實例，即至少第四實例、第五實例和第六實例，每個實例中的所述第二源圖案具有以第二空間頻率周期性變化的光學功率，其中對于每個實例，所述第二源圖案在相位上相對于其他實例偏移； 所述的投射光的所述第二源圖案的步驟進一步包括在第四時間以第四相位投射所述第二源圖案的第四實例以獲得光的所述對象圖案的第四實例，在第五時間以第五相位投射所述第二源圖案的第五實例以獲得光的所述對象圖案的第五實例，以及在第六時間以第六相位投射所述源圖案的第六實例以獲得光的所述對象圖案的第六實例； 所述的使光的所述對象圖案成像的步驟進一步包括將光的所述對象圖案的第四實例成像到所述光敏陣列以獲得光的所述圖像圖案的第四實例，將光的所述對象圖案的第五實例成像到所述光敏陣列以獲得光的所述圖像圖案的第五實例，以及將光的所述對象圖案的第六實例成像到所述光敏陣列以獲得光的所述圖像圖案的第六實例； 所述的獲得所述像素數(shù)字值的步驟進一步包括獲得光的所述圖像圖案的第四實例的所述像素數(shù)字值的第四實例，獲得光的所述圖像圖案的第五實例的所述像素數(shù)字值的第五實例，以及獲得光的所述圖像圖案的第六實例的所述像素數(shù)字值的第六實例；以及所述的確定所述至少三個非共線圖案元素中的每個的表面集的步驟進一步包括還基于所述第二空間頻率、所述第四相位、所述第五相位、所述第六相位、所述像素數(shù)字值的第四實例、所述像素數(shù)字值的第五實例和所述像素數(shù)字值的第六實例來確定三個非共線圖案元素中的每個的表面集。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的提供所述目標掃描儀的步驟進一步包括提供剛性地附接至所述主體的固定裝置，所述固定裝置相對于所述裝置參考坐標系固定。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的提供所述目標掃描儀的步驟進一步包括被改變比例以測量過小而人眼無法在沒有放大的情況下看見的特征的所述投射器和所述攝像裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述的提供所述目標掃描儀的步驟進一步包括提供剛性地附接到所述主體的第二回射器(4911);以及 所述的利用坐標測量裝置測量所述平移集和所述方位集的步驟進一步包括使所述目標掃描儀轉(zhuǎn)動以通過來自所述坐標測量裝置的所述第一光束來探測所述第二回射器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述的提供所述目標掃描儀的步驟進一步包括提供所述目標掃描儀上的手柄。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述的提供所述目標掃描儀的步驟中，所述目標掃描儀進一步包括剛性地固定到所述主體的觸覺探測器(2552)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法(5100)，進一步包括以下步驟: 使所述觸覺探測器觸摸所述對象的表面(5105)； 測量所述平移集和所述方位集(5110);以及 至少部分基于所述平移集和所述方位集來確定第二表面集(5115)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法(5200)，進一步包括以下步驟: 評估所述表面集(5205);以及 至少部分基于所評估的表面集來向用戶指示要利用所述觸覺探測器測量的所述對象的表面的區(qū)域(5210)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的評估所述表面集的步驟進一步包括以下步驟，基于評估標準來評估所述表面集，所述評估標準選自對于具有邊緣上的所述表面集中的至少一個的所述表面集中的至少一個，接收低光學功率的光；確定在所述表面集中的至少一個中可能存在多路徑干擾；以及以上的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的向用戶指示要利用所述觸覺探測器來測量所述對象的表面的區(qū)域的步驟進一步包括如下指示，所述指示選自利用所述投射器投射的光照亮所述區(qū)域；在顯示器上顯示要照亮的所述區(qū)域；以及以上的組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(5300)，進一步包括以下步驟: 將圖案并入到所述第一回射器中(5305)； 提供包括第二透鏡和第二光敏陣列的第二光學系統(tǒng)(910)，所述第二透鏡被配置為在所述第二光敏陣列上形成所述第一回射器的至少一部分的第二圖像(5310)； 將所述第二圖像轉(zhuǎn)換成 第二數(shù)字數(shù)據(jù)集(5315);以及 至少部分基于所述第二數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)集來計算所述方位集(5320)。
【文檔編號】G01B11/25GK103649676SQ201280018679
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年4月11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 申請人:法羅技術(shù)股份有限公司