具有目標感測單元用于目標跟蹤和取向檢測的激光跟蹤儀的制作方法
【專利摘要】具有目標感測單元用于目標跟蹤和取向檢測的激光跟蹤儀。一種用于確定輔助測量儀器的位置并用于連續(xù)跟蹤輔助測量儀器的激光跟蹤儀，輔助測量儀器具有回射器和多個目標標記，其中目標標記按已知固定空間分布布置在輔助測量儀器上并實現為發(fā)射或反射光束，并且其中激光跟蹤儀具有產生測量輻射的第一輻射源、具有距離測量功能的距離測量模塊及用于確定被回射器反射的輻射在目標感測單元的傳感器上的碰撞點并產生輸出信號以控制精細瞄準功能和目標跟蹤功能的目標感測單元，其特征在于，目標感測單元實現為確定被輔助測量儀器的多個目標標記反射或發(fā)射的光束在傳感器上的碰撞點，并基于光束的碰撞點的分布確定輔助測量儀器的空間取向。
【專利說明】具有目標感測單元用于目標跟蹤和取向檢測的激光跟蹤儀

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光跟蹤儀和一種用于確定輔助測量儀器的位置并連續(xù)跟蹤輔 助測量儀器的方法。

【背景技術】
[0002] 被設計為連續(xù)跟蹤目標點并以坐標的方式確定該點的位置的測量設備通?？梢?集總地稱為激光跟蹤儀，特別是關于工業(yè)勘測。在這種情況下，目標點可由利用來自測量設 備的光學測量光束（特別是激光束）瞄準的回射單元（例如立方棱鏡）表示。激光束以平 行方式被反射回到測量設備，利用該設備的感測單元感測反射的光束。在本文的上下文中， 例如通過與系統(tǒng)的偏轉鏡或瞄準單元關聯的用于角度測量的傳感器確定光束的發(fā)射方向 和接收方向。另外，通過光束的感測，例如通過傳播時間測量或相位差測量，確定了從測量 設備至目標點的距離。
[0003] 另外，根據現有技術的激光跟蹤儀可使用具有二維、光敏陣列的光學圖像捕捉單 元實現，所述光學圖像捕捉單元例如CCD或CID相機或基于CMOS陣列的相機，或具有像素 陣列傳感器和具有圖像處理單元。在這種情況下，激光跟蹤儀和相機中的一個可特別地安 裝在另一個的頂部，使得它們相對于彼此的位置不能變化。例如，相機被布置為能夠與激光 跟蹤儀一起繞激光跟蹤儀的基本垂直的軸旋轉，但能夠獨立于激光跟蹤儀而向上和向下樞 轉，并且因此與激光束的光學系統(tǒng)分離。另外，相機可例如基于相應的應用而實現為能夠僅 繞一個軸樞轉。在另選的的實施方式中，相機可以按照集成設計與激光光學系統(tǒng)一起安裝 在公共的外殼中。
[0004] 通過利用圖像捕捉和圖像處理單元（已知作為帶有相對于彼此的相對位置已知 的標記的輔助測量儀器）的圖像捕捉和評估，可推斷出布置在輔助測量儀器上的物體（例 如探針）在空間中的取向。與目標點的確定的空間位置一起，還可精確地確定物體在空間 中的絕對和/或相對于激光跟蹤儀的位置和取向。
[0005] 可通過被稱作接觸感測工具（利用它們的接觸點而設置在目標物體的點上），可 以實現這種輔助測量儀器。接觸感測工具具有例如光點的標記和表示接觸感測工具上的目 標點的反射器，并且可利用來自跟蹤儀激光束而被瞄準，標記和反射器相對于接觸感測工 具的接觸點的位置是非常精確地知道的。按照本領域技術人員熟知的方式，輔助測量儀器 還可是用于非接觸式表面勘測操作的針對距離測量而配備的例如手持式掃描儀，用于相對 于布置在掃描儀上的光點和反射器的距離測量的掃描儀測量光束的方向和位置是精確地 知道的。這種掃描儀在例如EP0553266中有所描述。
[0006] 對于距離測量，現有技術中的激光跟蹤儀具有至少一個距離測量裝置，所述距離 測量裝置可例如采取干涉儀的形式。由于這種距離測量單元僅可以測量相對距離變化，因 此除干涉儀以外，將已知的絕對距離測量裝置安裝在現在的激光跟蹤儀中。例如，通過得自 徠卡測量系統(tǒng)（Leica Geosystems AG)的產品AT901，已知這種用于確定距離的測量裝置的 組合。在這方面，由于長相干長度和由此允許的測量范圍，用于距離測量的干涉儀主要使用 氦氖氣激光器（HeNe激光器）作為光源。例如，從W02007/079600A1已知利用HeNe激光器 來確定距離的絕對距離測量裝置和干涉儀的組合。
[0007] 此外，在越來越標準的現代跟蹤儀系統(tǒng)中，傳感器被用于確定接收到的測量光束 從零位置的偏離。這種可測量的偏離可用于確定回射器的中心與激光束在反射器上的碰撞 點之間的位置差異，并且基于這種差異糾正或再調整激光束的取向，使得傳感器上的偏離 減小，尤其是為"零"，因此光束沿著反射器中心的方向定向。激光束取向的再調整使得可以 進行目標點的連續(xù)目標跟蹤并連續(xù)地確定目標點相對于測量器械的距離和位置。在這種情 況下，可通過偏轉鏡的取向改變和/或通過樞轉具有光束導向激光光學系統(tǒng)的瞄準單元來 實現再調整，所述偏轉鏡可以機動化方式運動并且為了偏轉激光束的目的而提供。
[0008] 針對連續(xù)目標跟蹤，根據現有技術的激光跟蹤儀通常具有位置靈敏檢測器（PSD) 形式的跟蹤區(qū)域傳感器，其中能夠在該位置靈敏檢測器上檢測到在目標處反射的測量激光 輻射。在這方面，PSD應被理解為表示在模擬域中局部地操作并且可用于確定傳感器區(qū)域 上的光分布的焦點的區(qū)域傳感器。在這種情況下，來自該傳感器的輸出信號利用一個或更 多個光敏區(qū)域產生，并且取決于光焦點的對應位置。下游的或集成的電子元件可用于評估 輸出信號并確定焦點。在這種情況下，可非?？焖俸头浅８叻直媛实卮_定碰撞光點的焦點 的位置。然而，PSD可僅用于確定光分布的焦點，而非多個光點的分布。
[0009] 該PSD可用于確定感測到的光束的碰撞點從伺服控制零點的偏離，并且所述偏離 可用作朝著目標再調整激光束的基礎。為了該目的和為了實現高精度，該PSD的視場被選 擇為相對較小，即，對應于測量激光束的光束直徑。
[0010] 利用PSD進行的感測與測量軸同軸地進行，結果，PSD的感測方向對應于測量方 向。可僅在測量激光已定向到回射目標之后才應用基于PSD的跟蹤和精細瞄準。


【發(fā)明內容】

[0011] 通過將激光束結合至反射器，所描述的目標跟蹤需要被提前。為此，具有位置靈敏 傳感器和具有相對大的視場的感測單元可附加地布置在跟蹤儀上。此外，所關注的這種類 型的器械包含附加的照明裝置，這些照明裝置特別用于按照限定的與距離測量裝置的波長 不同的波長照射目標或反射器。在這方面，傳感器可采取對該特定波長周圍的范圍敏感的 形式，例如為了減小或完全防止外部的光影響。照明裝置可用于照射目標，并且相機可用于 使用被照射的反射器來捕捉目標的圖像。傳感器上的特定（特定波長）反射的映射允許分 辨圖像中的反射位置，并因此可確定相對于相機的捕捉方向的角度和到目標或反射器的方 向。從例如W02010/148525A1中已知具有這種目標搜索單元的激光跟蹤儀的實施方式。然 而，該實施方式沒有確定輔助測量儀器的空間取向的功能。
[0012] 現有技術中的激光跟蹤儀的缺點是需要使用至少兩個單獨的光學部件來用于感 測輔助測量儀器的取向和用于目標跟蹤。這樣不僅增加了材料和設計以及生產成本的投 入，還使得跟蹤儀更大和更重，因此對于用戶而言，削弱了運輸和處理的方便性。
[0013] 因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種與現有技術相比改進的激光跟蹤儀。
[0014] 具體地說，本發(fā)明的一個目的是提供這樣一種就設計和材料而言投入較少的激光 跟蹤儀。
[0015] 本發(fā)明的另一目的是提供一種與現有技術中的器械相比更小、更輕和節(jié)省更多能 量的激光跟蹤儀。
[0016] 具體地，本發(fā)明的另一目的是提供這樣一種激光跟蹤儀，其具有用于感測輔助測 量儀器的取向的功能。
[0017] 本發(fā)明的另一目的是提供一種包括激光跟蹤儀和輔助測量儀器的改進的激光跟 蹤僅系統(tǒng)。
[0018] 此外，本發(fā)明的一個目的是提供一種與現有技術中的方法相比改進的用于確定目 標的位置的方法。
[0019] 這些目的的至少一個是通過獨立權利要求的特征部分的特征的實施來實現的?？?在從屬權利要求中找到以另選或有益的方式發(fā)展本發(fā)明的特征。
[0020] 根據本發(fā)明，一種激光跟蹤儀，該激光跟蹤儀確定具有回射器和多個目標標記的 輔助測量儀器的位置并用于連續(xù)跟蹤所述輔助測量儀器，其中，所述目標標記按照已知的 固定空間分布布置在所述輔助測量儀器上，并且被實現為發(fā)射或反射光束，并且其中，該激 光跟蹤儀具有：
[0021] 第一輻射源，其用于產生測量輻射；
[0022] 距離測量模塊，其具有距離測量功能；以及
[0023] 目標感測單元，其用于確定被所述回射器反射的輻射在該目標感測單元的傳感器 上的碰撞點，并且用于產生輸出信號以控制精細瞄準功能和目標跟蹤功能，
[0024] 其中，根據本發(fā)明，所述目標感測單元實現為：
[0025] 確定被所述輔助測量儀器的所述多個目標標記反射或發(fā)射的光束在所述傳感器 上的碰撞點，以及
[0026] 基于所述光束的碰撞點的分布來確定所述輔助測量儀器的空間取向。
[0027] 在一個實施方式中，激光跟蹤儀還具有：
[0028] 基座，其限定了堅直軸；
[0029] 支承件，其限定了與所述堅直軸基本成直角的傾斜軸，其中，所述支承件可以機動 化方式繞所述堅直軸相對于所述基座樞轉，并且所述支承件相對于所述基座的取向限定水 平樞轉角；
[0030] 光束偏轉單元，其可以機動化方式繞傾斜軸相對于所述支承件樞轉，其中，通過所 述光束偏轉單元相對于所述支承件的取向來限定堅直樞轉角，以沿著發(fā)射軸發(fā)射并定向測 量輻射并接收在所述回射器反射的測量輻射的至少一部分；以及
[0031] 角度測量功能,其用于確定所述水平樞轉角和所述堅直樞轉角。
[0032] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的一個實施方式中，所述目標感測單元的所述傳感器 實現為二維圖像傳感器（像素陣列傳感器），特別是實現為CMOS或CCD傳感器。
[0033] 根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的另一實施方式的特征在于，所述目標感測單元的光學 系統(tǒng)具有不可變焦距和不可變縮放率尤其是具有固定焦距透鏡。
[0034] 在一個實施方式中，所述激光跟蹤儀具有用于與輔助測量儀器進行無線通信的裝 置，所述裝置被用于實現所述激光跟蹤儀以控制所述輔助測量儀器的所述目標標記的輻 射，特別是按照同步方式打開和關閉目標標記的使用狀態(tài)，特別是為了利用目標感測單元 進行時間上連續(xù)的目標跟蹤和取向確定的目的，和/或基于所述激光跟蹤儀與所述輔助測 量儀器之間的距離。
[0035] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的一個實施方式中，所述目標感測單元具有目標跟蹤 模式和取向感測模式，其中，所述目標感測單元在所述目標跟蹤模式中被實現為確定反射 的輻射在所述目標感測單元的所述傳感器上的碰撞點，并且產生輸出信號以控制所述精細 瞄準功能和所述目標跟蹤功能，并且所述目標感測單元在所述取向感測模式中被實現為確 定所述光束的所述碰撞點在所述目標感測單元的所述傳感器上的分布，并且基于此來確定 所述輔助測量儀器的空間取向，其中，所述取向感測模式包括具有由所述傳感器的電子快 門觸發(fā)的記錄事件的測量序列，
[0036] 特別是其中，所述目標感測單元標準處于所述目標跟蹤模式，并且所述取向感測 模式可在用戶的控制下進入并持續(xù)規(guī)定的時間段。
[0037] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的一個實施方式中，所述激光跟蹤儀具有聯合輸入和 輸出光學系統(tǒng)，所述聯合輸入和輸出光學系統(tǒng)用于發(fā)射測量輻射、用于允許反射的輻射進 入和用于允許來自所述目標標記的光束進入。
[0038] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的另一實施方式中，所述激光跟蹤儀具有：用于產生 目標跟蹤輻射的第二輻射源；以及用于所述聯合輸入和輸出光學系統(tǒng)對所述測量輻射和所 述目標跟蹤輻射的同軸傳輸的光束偏轉裝置。
[0039] 在一個實施方式中，所述測量輻射、所述目標跟蹤輻射和所述光束偏轉裝置具有 如下特性，即，反射的輻射的第一部分可被引導到所述距離測量模塊上，并且反射的輻射的 第二部分可被引導到所述目標感測單元的所述傳感器上。
[0040] 在一個【具體實施方式】中，所述測量輻射與所述目標跟蹤輻射彼此不同，特別是在 它們的極性和/或波長方面彼此不同。在這種情況下，具體地，所述光束偏轉裝置具有以下 特性，即，反射的輻射的第一部分可被引導到所述距離測量模塊上，并且反射的輻射的第二 部分可被引導到所述目標感測單元的所述傳感器上，和/或所述目標感測單元的光束路徑 設有濾波器，該濾波器主要使所述目標跟蹤輻射能夠透過，并且主要使所述測量輻射不能 透過。
[0041] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的一個實施方式中，所述激光跟蹤儀具有至少一個粗 略瞄準單元，特別是具有照明裝置的粗略瞄準單元，用于粗略地確定所述輔助測量儀器的 位置并產生輸出信號以控制瞄準功能。
[0042] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的另一實施方式中，所述激光跟蹤儀具有用于記錄測 量環(huán)境的圖像的概觀相機，特別是具有照明裝置的概觀相機。
[0043] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的一個【具體實施方式】中，所述激光跟蹤儀具有顯示單 元，特別用于顯示來自所述概觀相機的圖像和/或關于所執(zhí)行的測量和器械狀態(tài)的信息。
[0044] 在根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的另一實施方式中，所述第一輻射源具有氦氖激光模 塊，并且所述距離測量模塊具有干涉儀。
[0045] 一種激光跟蹤儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有根據本發(fā)明的激光跟蹤儀以及具有回射器和多 個目標標記的輔助測量儀器，其中，所述目標標記按照已知的固定空間分布布置在所述輔 助測量儀器上，并且所述目標標記被實現為發(fā)射或反射光束，并且根據本發(fā)明，所述激光跟 蹤儀系統(tǒng)具有用于在所述激光跟蹤儀與所述輔助測量儀器之間進行無線通信的裝置以控 制所述目標標記的發(fā)光，特別是為了按照同步方式打開和關閉所述目標標記的發(fā)光。
[0046] 在所述激光跟蹤儀系統(tǒng)的一個實施方式中，為了利用所述目標感測單元進行時間 上連續(xù)的目標跟蹤和取向確定的目的，所述目標標記的發(fā)光被控制。
[0047] 在所述激光跟蹤儀系統(tǒng)的另一實施方式中，基于所述激光跟蹤儀與所述輔助測量 儀器之間的距離來控制所述目標標記的發(fā)光。
[0048] 一種用于確定輔助測量儀器的位置的方法，所述輔助測量儀器具有回射器和多個 目標標記，該方法還特別用于利用激光跟蹤儀連續(xù)跟蹤所述輔助測量儀器，其中，所述目標 標記按照已知的固定空間分布布置在所述輔助測量儀器上，并且被實現為發(fā)射或反射光 束，該方法包括以下步驟：
[0049] 將所述激光跟蹤儀的發(fā)射輻射的光束偏轉單元定向到所述輔助測量儀器；
[0050] 發(fā)射輻射至所述回射器以產生反射的輻射；
[0051] 利用目標感測單元的傳感器接收反射的輻射；
[0052] 確定反射的測量輻射在所述傳感器上的碰撞點；
[0053] 基于所述碰撞點產生輸出信號以控制目標跟蹤功能；
[0054] 利用距離測量單元接收反射的輻射；
[0055] 確定與所述回射器相距的距離；
[0056] 確定到所述回射器的方向；以及
[0057] 利用來自所述目標標記的光束確定所述輔助測量儀器的空間位置，
[0058] 根據本發(fā)明，包括以下步驟：
[0059] 利用所述傳感器從所述目標標記接收光束，其中，通過確定所述目標標記在所述 傳感器上的碰撞點的位置來確定所述輔助測量儀器的所述空間位置。
[0060] 在根據本發(fā)明的方法的一個實施方式中，利用受到來自粗略瞄準單元的輸出信號 控制的粗略瞄準功能將所述光束偏轉定向到所述輔助測量儀器，其中，該方法包括以下步 驟：
[0061] 通過所述粗略瞄準單元的照明裝置照射所述輔助測量儀器，以通過所述回射器產 生反射；
[0062] 通過所述粗略瞄準單元接收反射；
[0063] 基于所述反射來粗略地確定所述輔助測量儀器的位置；以及
[0064] 基于所述輔助測量儀器的粗略位置產生輸出信號以控制瞄準功能。
[0065] 根據本發(fā)明的方法的另一實施方式中，利用所述傳感器接收反射的輻射的步驟和 接收光束的步驟依次地發(fā)生，特別是其中，輻射的發(fā)射和來自所述目標標記的光束的發(fā)射 按照彼此協(xié)調的方式交替地發(fā)生。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0066] 以下，參照在附圖中示意性地示出的特定示例性實施方式，純粹通過舉例的方式 更加詳細地描述根據本發(fā)明的激光跟蹤儀、根據本發(fā)明的激光跟蹤儀系統(tǒng)和根據本發(fā)明的 測量方法，其中還討論了本發(fā)明的其它優(yōu)點。具體地：
[0067] 圖1示出了根據本發(fā)明的具有輔助測量儀器的激光跟蹤儀的示例性實施方式；
[0068] 圖2示出了根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的示例性實施方式；
[0069] 圖3示出了根據本發(fā)明的對輔助測量儀器的位置和取向的確定；
[0070] 圖4a至圖4b使用根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的第一示例性實施方式中的瞄準單元 的示意性設計來顯示輔助測量儀器的粗略取向和對輔助測量儀器的位置的確定；
[0071] 圖5使用了根據本發(fā)明的激光跟蹤儀的第二示例性實施方式中的瞄準單元的示 意性設計來顯示對輔助測量儀器的位置和取向的確定；
[0072] 圖6使用了圖5所示的瞄準單元的示意性設計來示出對輔助測量儀器的取向的單 獨確定；
[0073] 圖7a至圖7b示出了通過輔助測量儀器上的被開啟和關閉的多組光點在與輔助測 量儀器相距不同長度的距離處對圖5所示的輔助測量儀器的取向的確定；
[0074] 圖8a至圖8b示出了具有圖像傳感器的根據本發(fā)明的目標感測單元的示例性實施 方式，其具有目標跟蹤功能和取向確定功能二者；以及
[0075] 圖9a至圖9f示出了確定根據本發(fā)明的激光跟蹤儀系統(tǒng)中的輔助測量儀器的取向 的示例性循環(huán)。

【具體實施方式】
[0076] 圖1示出了根據本發(fā)明的激光跟蹤儀1的示例性實施方式，該激光跟蹤儀包括基 座140、支承件120、安裝至支承件120的手柄121和光束偏轉單元110,所述光束偏轉單元 安裝在支承件120的兩個橫檔（這里未示出）上。所示的激光跟蹤儀1布置在三腳架150 上，并使用激光束30來測量與位于輔助測量儀器80上的回射器81相距的距離。另外，輔 助測量儀器80 (通過舉例的方式，在這種情況下以測量探針實現）包括例如反射或自發(fā)光 光點形式的多個目標標記82,還包括用于布置在目標對象85上要測量的目標點上的測量 頭83。
[0077] 為了能夠通過輔助測量儀器80檢測和重構運動以使得激光束30保持朝向回射器 81，激光跟蹤儀1具有目標感測單元。
[0078] 目標感測單元優(yōu)選地布置在光束偏轉單元110中，并且通過感測被目標（特別是 回射器81)反射的激光束31的取向而允許再調整發(fā)射的激光束30的取向。激光束取向的 再調整允許進行輔助測量儀器80的連續(xù)目標跟蹤，并且相對于激光跟蹤儀1連續(xù)確定目標 點的距離和位置。
[0079] 圖2示意性地示出了具有元件入射和出射（elements entry and exit)光學系統(tǒng) 50、粗略瞄準單元51 (在此情況下，具有位于粗略瞄準單元51的入射光學系統(tǒng)的兩側的兩 個光源52)以及具有其照明59的概觀相機（overview camera) 58 (在此情況下，同樣具有概 觀相機58的入射光學系統(tǒng)的兩側的兩個獨立的光源）。另外，示出了以下內容：測量或發(fā) 射軸7、樞轉軸8 (支承件120可繞其相對于基座140旋轉）和傾斜軸9 (光束偏轉單元110 可繞其相對于支承件120傾斜）。
[0080] 調整和控制單元（這里未示出）從多個傳感器捕捉并處理測量到的值并控制軸向 位置電機以定向光束偏轉單元110。顯示設備（未示出）示出了關于測量和器械狀態(tài)的信 息，并且還可顯示來自存在的圖像傳感器之一（特別是概觀相機58)的圖像。另選地，粗略 瞄準單元51還可具有超過一個光學系統(tǒng)。
[0081] 圖3使用圖1中示出的實施方式來例示對輔助測量儀器80的位置和取向的確定。 激光跟蹤儀1的輻射源使用光束偏轉單元110的輸出光學系統(tǒng)向輔助測量儀器80的回射 器81發(fā)射測量輻射30。測量輻射30被回射器81反射至光束偏轉單元110作為反射的測 量輻射31。在光束偏轉單元，反射的測量輻射31被引導到用于確定與輔助測量儀器80相 距的距離的距離測量設備38。與此同時，激光跟蹤儀1的圖像傳感器接收由輔助測量儀器 80的光點82以觀察角范圍41發(fā)射的光束42。光點82 (特別是LED)按照已知的、特別是 三維的圖案布置在輔助測量儀器80上。來自光點82的光束42在圖像傳感器上的碰撞點 的布置可用于確定輔助測量儀器80的取向。具體地，激光跟蹤儀1可具有自動地識別所使 用的輔助測量儀器80的識別功能。可從激光跟蹤儀1的數據庫中獲取關于可用的多個輔 助測量儀器80的數據。這些數據可特別地包括各個輔助測量儀器80上的目標標記82的 布置。
[0082] 圖4a和圖4b使用圖2所示的根據本發(fā)明的激光跟蹤儀1的光束偏轉單元110的 第一示例性實施方式的示意性設計來例示光束偏轉單元110到輔助測量儀器80 (圖4a)的 粗略取向和對輔助測量儀器80的位置的確定（圖4b)。
[0083] 輔助測量儀器80具有回射器81和按照固定已知的空間分布的間斷的光源82 (特 別是LED)形式的多個目標標記。
[0084] 在與輔助測量儀器80相對的正面，光束偏轉單元110具有入射和出射光學系統(tǒng) 50,光學系統(tǒng)50用于沿著測量軸發(fā)射輻射和用于允許反射的輻射入射，并且光束偏轉單元 110還具有粗略瞄準單元51，粗略瞄準單元51具有兩個光源52。特別地，入射和出射光學 系統(tǒng)50可以實現為具有不可變焦距和不可變縮放率的固定焦距透鏡。
[0085] 光束偏轉單元110的內部具有產生測量輻射30的第一輻射源35以及距離測量設 備38,距離測量設備38用于接收反射的測量輻射31并且用于確定與目標（在此情況下，回 射器81)相距的距離。在示出的示例中，距離測量設備38是絕對距離測量器械，但是還可 以是干涉儀或二者的組合。
[0086] 此外，光束偏轉單元110具有用于產生目標跟蹤輻射32的第二輻射源33以及目 標感測單元40,目標感測單元40用于接收反射的目標跟蹤輻射、用于確定反射的輻射在目 標感測單元40的傳感器（特別是實現為二維圖像傳感器（像素陣列傳感器））上的碰撞點 43,并且用于產生輸出信號以控制激光跟蹤儀1的目標跟蹤功能。
[0087] 優(yōu)選地，在公共的發(fā)射軸7上，第一輻射源35的光軸相對于第二輻射源33的光學 軸同軸地延伸到激光跟蹤儀外。這假定兩個輻射源33、35具有公共的出射光學系統(tǒng)50。用 于兩個光束路徑的公共入射和出射光學系統(tǒng)50意味著兩個光束路徑通過諸如透鏡或窗玻 璃的相同的光學元件從器械出射到器械周圍的環(huán)境或從器械周圍入射到器械中。通常，光 束路徑在這種情況下至少大致同軸。
[0088] 此外，光束偏轉單元110具有多個分束器34、36、37，入射和出射光學系統(tǒng)50沿著 發(fā)射軸7經由所述多個分束器34、36、37發(fā)射測量輻射30和目標跟蹤輻射32,并且被回射 器81反射的輻射經由所述多個分束器34、36、37被引導到距離測量設備38和目標感測單 兀40的傳感器表面。
[0089] 輔助測量儀器80的光源82優(yōu)選地發(fā)射具有與目標跟蹤輻射32相同或相似波長 范圍的光束42。
[0090] 測量輻射30和目標跟蹤輻射32彼此不同，特別是在它們的極性和/或波長方面 彼此不同，使得位于目標感測單元40的上游的濾波器39的合適實施方式意味著用于距離 測量的反射的輻射被過濾掉并且達不到目標感測單元40。因此，相似地，任何外部干涉輻射 可被過濾掉，從而僅來自光源82的光束42以及目標跟蹤輻射32到達目標感測單元40的 傳感器。另選地或附加地，分束器37的合適的實施方式意味著所有反射的輻射31能夠被 分離為用于距離測量的分量和用于目標跟蹤的分量。隨后，分束器37主要能夠被所述兩個 輻射之一透過，同時反射另一個。這里提出的分束器37將因此允許用于距離測量的輻射通 過以到達距離測量設備38,并且會僅將用于目標跟蹤的輻射反射至目標感測單元40的傳 感器表面。
[0091] 附圖同樣示出了可選的指針（pointer)單元，該指針單元具有指針輻射源60,用 于產生可見的指針光束62,該指針光束62可由入射和出射光學系統(tǒng)50經由指示分束器61 與測量輻射30和目標跟蹤輻射32基本同軸地發(fā)射。在這種情況下，指針光束62產生可見 (例如，紅色）碰撞點并且用于向用戶提供信息，特別是當測量輻射30和目標跟蹤輻射32 被實現為對于人眼不可見時。
[0092] 圖4a示出了通過粗略瞄準單元51將光束偏轉單元110粗略定向到輔助測量儀器 80的粗略定向功能。
[0093] 粗略瞄準單元51具有位置感測傳感器。來自粗略瞄準單元51 (可具有單個獨立 的光源或多個獨立的光源）的光源52的光按照相對大的輻射角輻射。該輻射角稍大于粗 略瞄準單元51的觀察角范圍54。粗略瞄準單元51的觀察角范圍54特別是大于3°或大 于10°，或大于15°，或最大至30°左右（即±15° )。這表示即使當輔助測量儀器80還 未被具有相對窄的觀察角范圍41的目標感測單元40感測到時，輔助測量儀器80仍然對于 粗略瞄準單元51可見。來自光源52的光的反射作為粗略瞄準單元51的位置感測傳感器 上的粗略位置而變得可見和可測量。
[0094] 在第二輻射源33發(fā)射的目標跟蹤輻射32在回射器81上碰撞之前，所述測量用于 將光束偏轉單元110定向到輔助測量儀器80，并且目標感測單元40檢測反射的目標跟蹤輻 射。接著，按照已知方式使用檢測到的輻射以跟蹤輔助測量儀器80。
[0095] 圖4b示出了用于確定輔助測量儀器80的位置（S卩，距離和方向）的功能。光束 偏轉單元110被定向到輔助測量儀器80,以使得第二輻射源33發(fā)射的目標跟蹤輻射32碰 撞在回射器81上，并且目標感測單元40檢測到反射的目標跟蹤輻射。通過確定反射的輻 射在目標感測單元40的傳感器表面上的碰撞點43,產生用于控制激光跟蹤儀1的精細瞄準 功能和目標跟蹤功能的輸出信號。
[0096] 為了確定與輔助測量儀器80相距的距離，第一輻射源35產生了與目標跟蹤輻射 32同軸地發(fā)送至回射器81的測量輻射30,在回射器81，由于連續(xù)目標跟蹤，其同樣同軸地 回射。反射的測量輻射31經分束器36、37引導至距離測量設備38,距離測量設備38用于 確定與輔助測量儀器80相距的距離。與此同時，激光跟蹤儀1的角度測量功能用于確定光 束偏轉單元110的當前取向以及輔助測量儀器80的方向。所述方向和距離可用于確定輔 助測量儀器80相對于激光跟蹤儀1的相對位置。
[0097] 圖5和圖6示出了根據本發(fā)明的激光跟蹤儀1的光束偏轉單元110的第二示例性 實施方式的示意性設計。在該實施方式中，僅提供了單個輻射源35,輻射源35的測量輻射 30用于確定與輔助測量儀器80相距的距離和目標跟蹤二者。雖然這里未示出，但該實施方 式自然還可選地具有粗略瞄準單元51、概觀相機58、濾波器39和/或指針輻射源60。
[0098] 圖5示出了同時確定輔助測量裝置80的位置和取向。在這種情況下，輻射源35 將測量輻射30發(fā)送至回射器81，并且反射的測量輻射31通過分束器36、37引導，一部分被 引導至目標感測單元40的傳感器，并且一部分被引導至距離測量設備38。與此同時，被實 現為LED82的目標標記沿著激光跟蹤儀的方向發(fā)射光束2,特別是在與測量輻射30相似的 波長范圍內。光束42穿過出射光學系統(tǒng)50而進入到光束偏轉單元110的內部，并且接著 引導至目標感測單元40的傳感器。檢測到了傳感器表面上的光束42的碰撞點44。從目標 感測單元40的傳感器上的多個碰撞點44的布置，可確定輔助測量儀器80的空間取向。提 供的方法可因此用于按照六個自由度（6DOF)確定輔助測量儀器80的空間位置。因此，還 可準確地確定例如輔助測量儀器80 (見圖1)的測量頭所接觸的物體的點的位置。
[0099] 作為圖5所示的方法的替代形式，圖6示出了單獨確定輔助測量儀器80的取向。 為了在將反射的測量福射的碰撞點與來自目標標記82的光束42的碰撞點44區(qū)分時避免 任何錯誤，簡單地關閉測量輻射以確定目標感測單元40的傳感器表面上的多個碰撞點44 的布置，并因此確定輔助測量儀器80的空間取向。
[0100] 在示出的所有變型中，由輔助測量儀器80的LED82發(fā)射的光束42可連續(xù)地并且 在用戶控制的控制下或在激光跟蹤儀的請求下實現，例如，利用測量輻射30、附加的紅外發(fā) 射器和接收器或利用藍牙?。
[0101] 圖7a和圖7b示出了根據本發(fā)明的用于具有兩組目標標記82、82'的輔助測量儀 器80的方法的示例性實施方式。被實現為自發(fā)光間斷光源（特別是LED)的目標標記82、 82'在此情況下按照已知布置方式一式兩份地布置，并可形成不同尺寸（特別是兩倍）的相 同圖案。在此情況下，所述兩組可彼此分離地開啟和關閉。這在例如EP2008120B1中進行 了描述。
[0102] 圖7a示出了與光束偏轉單元110相距相對短距離（因此與目標感測單元40相距 相對短距離）的輔助測量儀器80。目標感測單元40的觀察角范圍41比粗略瞄準單元51 的觀察角范圍54小得多（見圖4a)。小的觀察角范圍41和與輔助測量儀器80接近意味著 目標感測單元40僅能夠感測兩個LED組中的一組，而第二組位于觀察角范圍41以外。位 子靠內的組的光源82因此開啟并發(fā)射可被目標感測單元40感測和評估的光束42。另一方 面，位置靠外的組的光源82'優(yōu)選地關閉。
[0103] 圖7b示出了與光束偏轉單元110相距一定距離的輔助測量儀器80，與圖7a相比， 該距離明顯增大。由于該距離，盡管其觀察角范圍41小，目標感測單元40能夠在此情況下 感測兩個LED組。由于位置靠內的LED組的圖案由于距離遠而將在目標感測單元40的傳 感器表面上被映射得非常小，這可影響取向確定的精度，位置靠外的LED組在此情況下被 用于確定取向。因此，在此情況下，位置靠內的組的光源82'被關閉，而位置靠外的組的光 源82將光束42發(fā)射至目標感測單元40的傳感器。
[0104] 輔助測量儀器80上的兩（或可能更多）組光源82、82'中的哪一組被開啟是取決 于激光跟蹤儀1與輔助測量儀器80之間的距離的。當前距離可以確定，特別是利用測量輻 射30,并且這或對應命令可被傳遞至輔助測量儀器80。
[0105] 例如，這種傳遞可利用測量輻射30、激光跟蹤儀1上附加的紅外發(fā)射器或利用藍 牙?來實現。相似地，例如當需要輔助測量儀器80沿著激光跟蹤儀1的方向旋轉至更大程 度時，可以與輔助測量儀器80的用戶通信。在此情況下，輔助測量儀器80可將例如視覺或 聽覺信號發(fā)送至用戶或可例如振動。
[0106] 圖8a和圖8b示出了根據本發(fā)明的目標感測單元40的示例性實施方式。在此情 況下，圖8a以截面圖示出了所述單元，而圖8b以平面圖示出了傳感器45。
[0107] 示出的目標感測單元40具有圖像傳感器45 (例如，CMOS或(XD傳感器），圖像傳 感器45的光敏傳感器表面被實現為感測光束31、42在傳感器45上的碰撞點43、44的位置。 根據反射的測量或目標跟蹤輻射31的碰撞點43的位置，特別是相對于所定義的伺服控制 零點（例如，傳感器表面的中心點）的位置，可以控制激光跟蹤儀的目標跟蹤功能。根據輔 助測量儀器的光點發(fā)射的光束42的碰撞點44的位置，可推斷出輔助測量儀器的當前取向。
[0108] 優(yōu)選地，由輔助測量儀器的光點發(fā)射的光束42的碰撞點44可以清楚地與目標感 測單元40的傳感器45與反射的測量或目標跟蹤輻射31的碰撞點43區(qū)分開。另選地，如 圖6所示，可在彼此分開的時間執(zhí)行目標跟蹤和取向的確定，這避免在地反射的測量輻射 31的碰撞點43與輔助測量儀器的LED的光束42的碰撞點44進行區(qū)分時發(fā)生任何錯誤，可 在取向感測模式中簡單地關閉測量輻射以確定傳感器45上的多個碰撞點44的布置，因此 確定輔助測量儀器的空間取向。相似地，在目標跟蹤模式中，輔助測量儀器上的LED可在目 標跟蹤過程中保持關閉，以便于僅為了確定空間取向而簡單地開啟。
[0109] 圖9a至圖9f示出了用于根據本發(fā)明的激光跟蹤儀系統(tǒng)中為了確定輔助測量儀器 的取向而用于取向感測模式的示例性循環(huán)，其中輔助測量儀器具有至少一組發(fā)光單元作為 目標標記。在此情況下，t表示的軸是單獨的時間線。本文提供的循環(huán)是作為用戶輸入的 結果對取向的確定。
[0110] 圖9a示出了開啟輔助測量儀器的狀態(tài)，用戶使用所述開關觸發(fā)取向感測模式。在 期望的時間，用戶通過簡單地按下200開關來觸發(fā)測量功能。
[0111] 圖9b示出了輔助測量儀器的發(fā)光單元（或一組發(fā)光單元）的狀態(tài)。在短時間的 延遲之后（根據技術環(huán)境，特別是在幾毫秒的延遲之后），發(fā)光單元在短時間段210內發(fā)送 帶有編碼命令的紅外光譜中的光，所述光被發(fā)送至激光跟蹤儀的紅外接收單元。然后在短 時間內，即幾毫秒之后，發(fā)光單元的發(fā)光序列開始，從中可推斷輔助測量儀器的取向。具體 地說，這可包括兩個發(fā)光時段220,僅一個預定的發(fā)光單元或發(fā)光單元的一個特定的子集在 第一時段內開啟，并且全部發(fā)光單元（或發(fā)光單元組中的全部發(fā)光單元）在第二時段內開 啟。
[0112] 圖9c示出了激光跟蹤儀的紅外接收單元的狀態(tài)。所述紅外接收單元在時間段211 內接收用于取向確定的編碼命令。紅外接收單元可特別地包含在激光跟蹤儀的距離測量模 塊中。
[0113] 如果輔助測量儀器（如圖7a至圖7b所示）具有多組發(fā)光單元，此時可選擇地基 于之前測量到的距離來將命令215發(fā)送至輔助測量儀器，以用于將所述多組發(fā)光單元中的 哪組發(fā)光單元開啟。這在圖9d中被示出。所述命令215可特別通過測量輻射發(fā)送。或者， 可以可選地將已接收信號的確認發(fā)送至輔助測量儀器，并且開始測量序列。
[0114] 圖9e示出了目標感測單元的測量序列230。一旦用于確定取向的命令從紅外接收 單元發(fā)送至目標感測單元，該測量序列就開始。再一次，這可以持續(xù)幾毫秒（取決于技術環(huán) 境）。
[0115] 在測量序列230中，目標感測單元控制圖像傳感器的電子快門。這在圖9f中被示 出。該附圖示出了圖像傳感器的兩個記錄時段235。在此情況下，第一時段特別在用戶觸發(fā) 開關大約100毫秒之后開始。記錄時段235與圖9b所示的發(fā)光時期220同步，特別是使得 記錄時段235比發(fā)光時期220短。結果，可在圖像傳感器的各個完整的記錄時段235內記 錄發(fā)光單元的開啟狀態(tài)。
[0116] 應該理解，示出的這些圖僅是可能的示例性實施方式的示意性示出。多種方式可 同樣彼此結合以及與現有技術的方法和器械結合。
【權利要求】
1. 一種激光跟蹤儀（1)，該激光跟蹤儀（1)用于確定輔助測量儀器（80)的位置并用于 連續(xù)跟蹤所述輔助測量儀器（80)，所述輔助測量儀器（80)具有回射器（81)和多個目標標 記（82)，其中，所述目標標記（82)按照已知的固定空間分布布置在所述輔助測量儀器（80) 上并且被實現為發(fā)射或反射光束（42)，并且其中，該激光跟蹤儀（1)具有： 第一輻射源（35)，其用于產生測量輻射（30); 距離測量模塊（38)，其具有距離測量功能；以及 目標感測單元（40)，其用于確定被所述回射器（81)反射的輻射（31)在所述目標感測 單元（40)的傳感器（45)上的碰撞點（43)，并且用于產生輸出信號以控制精細瞄準功能和 目標跟蹤功能， 其特征在于， 所述目標感測單元（40)實現為： 確定由所述輔助測量儀器（80)的多個目標標記（82)反射或發(fā)射的光束（42)在所述 傳感器（45)上的碰撞點（44)，并且 基于所述光束（42)的所述碰撞點（44)的分布，確定所述輔助測量儀器（80)的空間取 向。
2. 根據權利要求1所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 基座（140)，其限定了堅直軸（9)， 支承件（120)，其限定了與所述堅直軸（9)基本成直角的傾斜軸（8)，其中，所述支承件 (120)能夠以機動方式繞所述堅直軸（9)相對于所述基座（140)樞轉，并且由所述支承件 (120)相對于所述基座（140)的取向限定水平樞轉角， 光束偏轉單元（110)，其能夠以機動方式繞所述傾斜軸（8)相對于所述支承件（120)樞 轉，其中，所述光束偏轉單元（110)相對于所述支承件（120)的取向限定堅直樞轉角，以沿 著發(fā)射軸（7)發(fā)射和定向測量輻射（30)并且接收在所述回射器（81)反射的測量輻射（31) 的至少一部分，并且 角度測量功能，其用于確定所述水平樞轉角和所述堅直樞轉角。
3. 根據前述權利要求中任一項所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 所述目標感測單元（40)的所述傳感器（45)被實現為二維圖像傳感器，特別是實現為 CMOS或CCD傳感器。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 所述目標感測單元（40)的光學系統(tǒng)具有不可變焦距和不可變縮放率，特別是具有固 定焦距透鏡。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 用于與所述輔助測量儀器（80)進行無線通信的裝置，所述裝置用于將所述激光跟蹤 儀（1)實現為控制所述輔助測量儀器（80)的所述目標標記（82)的發(fā)光，特別是以同步方 式來開啟和關閉所述目標標記（82)的所述發(fā)光，特別是 為了利用所述目標感測單元（40)在時間上連續(xù)地進行目標跟蹤和取向確定的目的， 和/或 基于所述激光跟蹤儀（1)與所述輔助測量儀器（80)之間的距離。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 所述目標感測單元（40)具有目標跟蹤模式和取向感測模式，其中，所述目標感測單元 (40)在所述目標跟蹤模式中被實現為確定反射的輻射（31)在所述目標感測單元（40)的所 述傳感器（45)上的所述碰撞點（43)，并且產生輸出信號以控制所述精細瞄準功能和所述 目標跟蹤功能，并且所述目標感測單元（40)在所述取向感測模式中被實現為確定所述光 束（42)的所述碰撞點（44)在所述目標感測單元（40)的所述傳感器（45)上的分布，并且 基于此來確定所述輔助測量儀器（80)的空間取向，其中，所述取向感測模式包括測量序列 (230)，所述測量序列（230)具有由所述傳感器（45)的電子快門觸發(fā)的記錄事件（235)， 其中，所述目標感測單元（40)標準上處于所述目標跟蹤模式中，并且所述取向感測模 式能夠在用戶的控制下進入并持續(xù)規(guī)定的時間段。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 所述激光跟蹤儀（1)具有聯合輸入和輸出光學系統(tǒng)（50)，所述聯合輸入和輸出光學系 統(tǒng)（50)用于發(fā)送測量輻射（30)，允許反射的輻射（31)進入并允許來自所述目標標記（82) 的所述光束（42)進入。
8. 根據權利要求7所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 第二輻射源（33)，其用于產生目標跟蹤輻射（32)，以及 光束偏轉裝置（34、36、37)，用于通過所述聯合輸入和輸出光學系統(tǒng)（50)基本同軸傳 輸所述測量輻射（30)和所述目標跟蹤輻射（32)。
9. 根據權利要求8所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 所述測量輻射（30)和所述目標跟蹤輻射（32)彼此不同，特別是所述測量輻射（30)和 所述目標跟蹤輻射（32)的極性和/或波長彼此不同， 其中，所述光束偏轉裝置（34、36、37)具有使得反射的輻射（31)的第一部分能夠被引 導到所述距離測量模塊（38)上并且反射的輻射（31)的第二部分能夠被引導到所述目標感 測單元（40)的所述傳感器（45)上的特性，和/或 在所述目標感測單元（40)的上游設置有濾波器（39)，所述濾波器（39)使所述目標跟 蹤輻射（32)基本能夠透過，并且使所述測量輻射（30)基本不能透過。
10. 根據前述權利要求中任一項所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 粗略瞄準單元（51)，特別是具有照明裝置（52)的粗略瞄準單元（51)，用于粗略地確定 所述輔助測量儀器（80)的位置并產生輸出信號以控制粗略瞄準功能。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的激光跟蹤儀（1)，其特征在于， 概觀相機（58)，特別是具有照明裝置（59)的概觀相機（58)，用于記錄測量環(huán)境的圖 像，并且特別地 顯示單元，用于顯示來自所述概觀相機（59)的圖像和/或關于所執(zhí)行的測量和器械狀 態(tài)的信息。
12. -種激光跟蹤儀系統(tǒng)，該激光跟蹤儀系統(tǒng)具有根據前述權利要求中任一項所述的 激光跟蹤儀（1)和具有回射器（81)和多個目標標記（82)的輔助測量儀器（80)，其中，所述 目標標記（82)按照已知的固定空間分布布置在所述輔助測量儀器（80)上，并且所述目標 標記（82)被實現為發(fā)射或反射光束（42)，并且其中，該激光跟蹤儀系統(tǒng)還具有用于在所述 激光跟蹤儀（1)與所述輔助測量儀器（80)之間進行無線通信的裝置，以控制所述目標標記 (82)的發(fā)光，特別是為了以同步方式開啟和關閉所述目標標記（82)的所述發(fā)光，并且特別 是 為了利用所述目標感測單元（40)在時間上進行連續(xù)的目標跟蹤和取向確定的目的， 和/或 基于所述激光跟蹤儀（1)與所述輔助測量儀器（80)之間的距離。
13. -種方法，該方法用于利用激光跟蹤儀（1)確定具有回射器（81)和多個目標標記 (82)的輔助測量儀器（80)的位置，并且該方法還特別用于利用激光跟蹤儀（1)連續(xù)跟蹤所 述輔助測量儀器（80)，其中，所述目標標記（82)按照已知的固定空間分布布置在所述輔助 測量儀器（80)上并且實現為發(fā)射或反射光束（42)，該方法包括以下步驟： 將所述激光跟蹤儀（1)的光束偏轉單元（110)定向到所述輔助測量儀器（80)，所述光 束偏轉單元發(fā)射輻射（30、32); 將輻射（30、32)發(fā)射至所述回射器（81)以產生反射的輻射（31); 利用目標感測單元（40)的傳感器（45)接收反射的輻射（31); 確定反射的測量輻射（31)在所述傳感器（45)上的碰撞點（43); 基于所述碰撞點（43)產生輸出信號以控制目標跟蹤功能； 利用距離測量單元（38)接收反射的輻射（31); 確定與所述回射器（81)相距的距離； 確定到所述回射器（81)的方向；以及 利用來自所述目標標記（82)的光束（42)確定所述輔助測量儀器（80)的空間位置， 其特征在于，還包括以下步驟： 利用所述傳感器（45)接收來自所述目標標記（82)的光束（42)，其中，通過確定所述 目標標記（82)在所述傳感器（45)上的所述碰撞點（44)的位置來確定所述輔助測量儀器 (80)的所述空間位置。
14. 根據權利要求13所述的方法，其特征在于， 利用由來自粗略瞄準單元（51)的輸出信號控制的瞄準功能將所述光束偏轉單元 (110)定向到所述輔助測量儀器（80)，其中，所述方法包括以下步驟： 利用所述粗略瞄準單元（51)的照明裝置（52)照亮所述輔助測量儀器（80)，以通過所 述回射器（81)產生反射； 通過所述粗略瞄準單元（51)接收所述反射； 基于所述反射粗略確定所述輔助測量儀器（80)的位置；以及 基于所述輔助測量儀器（80)的粗略位置產生輸出信號以控制瞄準功能。
15. 根據權利要求13或14所述的方法，其特征在于， 利用所述傳感器（45)接收反射的輻射（31)和接收光束（42)依次地發(fā)生，特別是其 中，輻射（30、32)的發(fā)射和來自所述目標標記（82)的光束（42)的發(fā)射按照彼此協(xié)調的方 式交替地發(fā)生。
【文檔編號】G01S17/66GK104142505SQ201410192879
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權日:2013年5月10日
【發(fā)明者】B·伯克姆 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司