利用用于擴(kuò)展測量范圍的混合成像方法的激光跟蹤器的制造方法
【專利說明】利用用于擴(kuò)展測量范圍的混合成像方法的激光跟蹤器
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的序言的用于確定對(duì)象的位置和/或?qū)?zhǔn)的激光跟蹤器、一種用于針對(duì)且利用激光跟蹤器的對(duì)象的限定聚焦圖像獲取的如權(quán)利要求11所述的對(duì)象獲取方法以及一種根據(jù)權(quán)利要求15的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
[0002]被具體實(shí)現(xiàn)用于目標(biāo)點(diǎn)的連續(xù)跟蹤和用于按坐標(biāo)確定該點(diǎn)的位置的測量儀器一般而言能夠尤其在工業(yè)測量背景下由術(shù)語激光跟蹤器包含。這里，目標(biāo)點(diǎn)能夠由回復(fù)反射單元(例如立方棱鏡)表示，該回復(fù)反射單元通過測量設(shè)備的光學(xué)測量光束具體地通過激光光束來瞄準(zhǔn)。激光光束被平行反射回到測量儀器，其中，反射光束由設(shè)備的獲取單元獲取。在該過程中，例如借助于用于測量角度的傳感器建立了光束的發(fā)射方向和接收方向，所述角度被指派給系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)鏡或瞄準(zhǔn)單元。而且，從測量儀器到目標(biāo)點(diǎn)的距離利用光束的獲取例如借助于飛行時(shí)間或相位差測量或借助于斐索(Fizeau)原理來建立。
[0003]而且，在相對(duì)現(xiàn)代的跟蹤器系統(tǒng)中，所接收到的測量激光光束與傳感器上所謂的伺服控制點(diǎn)的偏移逐漸地以標(biāo)準(zhǔn)化方式建立。借助于這個(gè)可測量的偏移，能夠確定回復(fù)反射器的中心與激光光束在反射器上的入射點(diǎn)之間的位置差，并且能夠以傳感器上的偏移減小具體地成為“零”并且因此光束在反射器中心的方向上對(duì)準(zhǔn)的這樣一種方式根據(jù)這個(gè)偏差來校正或更新激光光束的對(duì)準(zhǔn)。通過更新激光發(fā)射方向，可以存在目標(biāo)點(diǎn)的連續(xù)目標(biāo)跟蹤，并且能夠相對(duì)于測量儀器連續(xù)地確定目標(biāo)點(diǎn)的位置。這里，能夠借助于可以電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式移動(dòng)并且被提供用于使激光光束偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)鏡的對(duì)準(zhǔn)的改變、和/或通過使包括光束引導(dǎo)激光光學(xué)器件的瞄準(zhǔn)單元回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)更新。
[0004]激光光束到反射器的耦合必須先于以上所述的目標(biāo)跟蹤。為此，具有位置感應(yīng)傳感器和相對(duì)較大視場的獲取單元另外能夠被布置在跟蹤器上。而且，照明裝置被另外集成到通用儀器中，借助于該照明裝置目標(biāo)或反射器具體地借助于與距離測量設(shè)備的波長不同的限定波長被照射。在這個(gè)上下文中，傳感器能夠被具體實(shí)現(xiàn)為對(duì)在該特定波長附近的范圍感應(yīng)，以便例如減小或完全避免雜散光影響。照明裝置能夠用來照射目標(biāo)并且相機(jī)能夠用來利用被照射反射器來獲取目標(biāo)的圖像。通過在傳感器處對(duì)特定(波長特定)反射進(jìn)行成像，能夠以解析的方式確定圖像中的反射位置，并且因此能夠確定相對(duì)于相機(jī)的獲取方向的角度和到目標(biāo)或反射器的方向。具有這樣的目標(biāo)探尋單元的激光跟蹤器的實(shí)施方式是從例如WO 2010/148525 Al獲知的。根據(jù)如此可得到的方向信息，能夠以激光光束與該激光光束旨在耦合至的反射器之間的距離減小的這樣一種方式修改測量激光光束的對(duì)準(zhǔn)。
[0005]出于測量距離的目的，來自現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤器包括至少一個(gè)距離測量設(shè)備，其中，距離測量設(shè)備例如能夠被具體實(shí)現(xiàn)為干涉儀。因?yàn)檫@樣的距離測量單元僅能夠測量距離的相對(duì)改變，所以除干涉儀之外，所謂的絕對(duì)距離測量設(shè)備也被安裝在當(dāng)前的激光跟蹤器中。通過示例，用于確定距離的測量裝置的這種組合是從來自Leica Geosystems AG的產(chǎn)品AT901獲知的。此外，用于借助于HeNe (氦氖)-激光器來確定距離的絕對(duì)距離測量設(shè)備和干涉儀的組合是例如從WO 2007/079600 Al獲知的。
[0006]根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的激光跟蹤器另外能夠配置有具有二維光敏陣列(例如CXD或CID相機(jī)或基于CMOS陣列的相機(jī))或具有像素陣列傳感器并且具有圖像處理單元的光學(xué)圖像獲取單元。這里，具體地，激光跟蹤器和相機(jī)能夠以它們相對(duì)于彼此的位置不能改變的這樣一種方式被組裝在彼此上。通過示例，相機(jī)可連同激光跟蹤器一起繞激光跟蹤器的基本上垂直的軸旋轉(zhuǎn)，但是能夠獨(dú)立于激光跟蹤器上下回轉(zhuǎn)并且因此與特別地激光光束的光學(xué)器件分開地布置。此外，相機(jī)能夠被具體實(shí)現(xiàn)為可僅繞一個(gè)軸回轉(zhuǎn)-例如根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用。在另選的實(shí)施方式中，相機(jī)能夠連同激光光學(xué)器件一起被集成地安裝在公共外殼中。
[0007]通過獲取和評(píng)估帶標(biāo)記的所謂的輔助測量儀器或輔助測量對(duì)象的圖像-借助于圖像獲取和圖像處理單元，其相對(duì)于彼此的相對(duì)位置是已知的，能夠推導(dǎo)出儀器的和布置在輔助測量儀器上的對(duì)象(例如探針)的空間中的定向。此外，連同所確定的目標(biāo)點(diǎn)的空間位置一起，能夠精確地確定對(duì)象在空間中絕對(duì)地和/或相對(duì)于激光跟蹤器的位置和定向(6DoF確定:確定六個(gè)自由度)。
[0008]這樣的輔助測量儀器能夠被具體實(shí)現(xiàn)為所謂的接觸感測工具，其利用其接觸點(diǎn)而被定位于目標(biāo)對(duì)象的一點(diǎn)上。接觸感測工具包括標(biāo)記(例如光點(diǎn))和反射器，標(biāo)記表示接觸感測工具上的目標(biāo)點(diǎn)并且其能夠被跟蹤器的激光束瞄準(zhǔn)，其中，標(biāo)記和反射器相對(duì)于接觸感測工具的接觸點(diǎn)的位置被精確地獲知。通過示例，以本身為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的方式，輔助測量儀器還可以是針對(duì)距離測量裝配以用于無接觸表面勘測的手持掃描器，其中，用于測量相對(duì)于布置在掃描器上的光點(diǎn)和反射器的距離的掃描器測量光束的方向和位置被精確地獲知。通過示例，在EP O 553 266中描述了這樣的掃描器。
[0009]對(duì)于對(duì)象的定向借助于激光跟蹤器的可靠確定，在焦點(diǎn)上的(聚焦的)圖像以及優(yōu)選地用于對(duì)象例如在相機(jī)上的圖像的已知標(biāo)度(scale)是有利的。作為其結(jié)果，能夠在針對(duì)評(píng)估而優(yōu)化的已知比例的情況下借助于圖像處理迅速地評(píng)估可由此獲取的圖像。
[0010]通常具有固定焦距物鏡的圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成與其相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。在坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)的領(lǐng)域中，用途有時(shí)由用于受限制對(duì)象距離的變焦物鏡組成。出于工業(yè)測量(使用激光跟蹤器)的目的，Leica Geosystems AG提供“Τ-Cam”產(chǎn)品，其能夠借助于基于漸變透鏡/變焦物鏡的解決方案在從1.5m到15m的測量范圍內(nèi)使用。通過組合可調(diào)節(jié)放大率和同樣地可調(diào)節(jié)聚焦，這總是能夠用來以固定圖像標(biāo)度對(duì)該測量范圍內(nèi)的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行成像(以比較大的方式)，其中，同時(shí)，生成了標(biāo)記的聚焦圖像。相對(duì)于其它解決方案由此提供的優(yōu)點(diǎn)是，基于能夠由此生成的圖像，能夠可靠地確定(作為經(jīng)成像的對(duì)象或標(biāo)記的已知且理想大小的結(jié)果)要配準(zhǔn)的對(duì)象(例如具有標(biāo)記的已知定位的輔助測量對(duì)象)的非常精確地三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。結(jié)果，與這種類型的另選的測量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)提供增加的測量準(zhǔn)確性。
[0011]然而，這個(gè)漸變透鏡光學(xué)器件的缺點(diǎn)包括有限的測量范圍，其至少部分地包括聚焦單元的和放大單元的可調(diào)節(jié)性的基于結(jié)構(gòu)上的限制。特別鑒于一般而言測量儀器的以及具體地跟蹤系統(tǒng)的日益需要的微型化，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的安裝的漸變透鏡光學(xué)器件的與此關(guān)聯(lián)的測量范圍的限制繼續(xù)存在或者能夠隨著愈來愈小的測量系統(tǒng)而進(jìn)一步增加，這同時(shí)可能導(dǎo)致日益不利的測量狀況。
[0012]因此本發(fā)明的目的是提供一種包括光學(xué)成像系統(tǒng)的改進(jìn)的激光跟蹤器，其中，能夠在增加的測量范圍上更可靠地且更精確地確定測量對(duì)象的定向。
[0013]本發(fā)明的特定目的是以對(duì)象(其定向及具體地位置旨在被精確地確定)或用于確定在該對(duì)象處的定向的標(biāo)記能夠以分別優(yōu)化的圖像標(biāo)度在增加的測量范圍上被成像和獲取、具體地在圖像獲取傳感器上在最大可能的空間范圍情況下整體上成像的這樣一種方式提供一種包括光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)的激光跟蹤器。
[0014]這些目的由獨(dú)立權(quán)利要求的表征特征的實(shí)施方式來實(shí)現(xiàn)。能夠從從屬專利權(quán)利要求收集以另選的或有利的方式發(fā)展本發(fā)明的特征。
[0015]本發(fā)明涉及一種用于確定包括以限定空間關(guān)系附著的基準(zhǔn)特征的輔助測量對(duì)象的位置和/或定向、并且具體地用于連續(xù)地跟蹤輔助測量對(duì)象的激光跟蹤器，包括:基部，該基部定義垂直軸；支架，該支架可以電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式繞垂直軸相對(duì)于基部回轉(zhuǎn)；以及回轉(zhuǎn)單元，該回轉(zhuǎn)單元可以電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式繞傾斜軸相對(duì)于支架旋轉(zhuǎn)，包括至少兩個(gè)光學(xué)組件和圖像獲取單元，其中，光學(xué)組件可沿著回轉(zhuǎn)單元的光軸移動(dòng)并且用于借助于圖像獲取單元獲取圖像的放大因子由光學(xué)組件的相應(yīng)的當(dāng)前定位來限定。而且，激光跟蹤器包括:光束源，該光束源用于發(fā)射激光光束；距離測量單元，該距離測量單元用于借助于激光光束來測量到輔助測量對(duì)象的距離；角度測量功能性，該角度測量功能性用于確定激光光束相對(duì)于基部的發(fā)射方向；以及包括對(duì)象成像功能性的控制和處理單元，其中，當(dāng)執(zhí)行了所述對(duì)象成像功能性時(shí)，存在光學(xué)組件以對(duì)于由經(jīng)觸發(fā)的測量所確定的到輔助測量對(duì)象的距離在圖像獲取單元上提供具有特定圖像標(biāo)度的輔助測量對(duì)象的圖像的這樣一種方式根據(jù)對(duì)輔助測量對(duì)象的當(dāng)前觸發(fā)的測量的具體地連續(xù)受控定位。此外，提供了用于評(píng)估經(jīng)成像的基準(zhǔn)特征的圖像使得輔助測量對(duì)象的空間定向是可確定的圖像處理單元。
[0016]對(duì)象成像功能性為到輔助測量對(duì)象的距離至少定義正常距離范圍和遠(yuǎn)距離范圍，并且，當(dāng)執(zhí)行對(duì)象成像功能性時(shí)，以由控制和處理單元控制的方式，以對(duì)于在正常距離范圍內(nèi)的距離為圖像提供基本上恒定的正常圖像標(biāo)度并且對(duì)于在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的各個(gè)距離為圖像提供依賴于相應(yīng)距離的可變遠(yuǎn)圖像標(biāo)度的這樣一種方式根據(jù)由經(jīng)觸發(fā)的測量所確定的到輔助測量對(duì)象的距離來設(shè)定放大因子，其中，遠(yuǎn)圖像標(biāo)度隨著與輔助測量對(duì)象相距的距離增大而減小。而且，如果遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的特定距離存在，則在執(zhí)行圖像評(píng)估時(shí)考慮針對(duì)特定距離分別提供的遠(yuǎn)圖像標(biāo)度。
[0017]應(yīng)當(dāng)理解，圖像處理單元可以與控制和處理單元形成公共邏輯單元，并且圖像處理單元的功能性(具體地圖像在基準(zhǔn)特征方面的評(píng)估)能夠由控制和處理單元執(zhí)行。
[0018]本發(fā)明在激光跟蹤器中為漸變透鏡/變焦物鏡(其根據(jù)本發(fā)明被具體實(shí)現(xiàn)為回轉(zhuǎn)單元)提供對(duì)測量范圍的擴(kuò)展。基于不同的功能(曲線)相應(yīng)地定位單獨(dú)地可定位且可控制的這樣的漸變透鏡/變焦物鏡中的可移動(dòng)光學(xué)元件(光學(xué)組件)。這里，以即對(duì)于正常距離范圍且對(duì)于遠(yuǎn)距離范圍以限定方式提供定位并且由此生成特定放大因子的這樣一種方式指定功能。從而，例如對(duì)于短至中等距離(正常距離范圍)、具有大視場的觀察相機(jī)或用于長距離(遠(yuǎn)距離范圍)的再聚焦測量相機(jī)可以恒定圖像標(biāo)度生成的非常不同的光學(xué)系統(tǒng)的生成是可能的，其中，具體地，混合類型是可能的。通過示例，這名義上允許漸變透鏡/變焦物鏡(T-Cam)的測量范圍翻倍。
[0019]附著至輔助測量對(duì)象的基準(zhǔn)特征像在開始所描述的那樣例如可以是LED和/或能夠通過例如特定尺寸化和/或形式或通過輔助測量對(duì)象的邊緣來具體實(shí)現(xiàn)。
[0020]在本發(fā)明的范圍內(nèi)，基本上恒定的