具有掃描功能的距離測量儀器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及電子距離測量領(lǐng)域。更具體地，本公開涉及具有光學(xué)輻射偏轉(zhuǎn)的距離測量。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1示意性地示出測量員105使用合作目標(biāo)110以及安裝在三腳架120上的智能全站儀(robotic total stat1n) 115的典型的現(xiàn)有技術(shù)情形100。智能全站儀115還可以與非合作目標(biāo)一起被用于測試它們的位置。智能全站儀115具有望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡具有用于測量至目標(biāo)HO的距離125的共軸電子距離測量(EDM)系統(tǒng)?？山?jīng)由通信信道130遠(yuǎn)程控制智能全站儀。通過圍著第一軸線(在圖1中未示出)在豎直方向135上的旋轉(zhuǎn)和圍著第二軸線140方位地旋轉(zhuǎn)來對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡。
[0003]當(dāng)望遠(yuǎn)鏡軸線對準(zhǔn)目標(biāo)位置時(shí)，與距離測量值一起記錄望遠(yuǎn)鏡的高度和方位。望遠(yuǎn)鏡和EDM的光軸圍著旋轉(zhuǎn)軸線中的一個(gè)或兩個(gè)旋轉(zhuǎn)，以從一個(gè)目標(biāo)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)目標(biāo)位置。
[0004]圖2示意性地示出用于測量諸如建筑物215和環(huán)境220的場景的安裝在三腳架210上的3D激光掃描儀205的典型的現(xiàn)有技術(shù)情形200，以便獲取在由虛線225、230、235、240指示的豎直和方位角的范圍內(nèi)的所測點(diǎn)的3D云。掃描儀205通常具有旋轉(zhuǎn)鏡，以便在豎直方向245上快速掃描儀器的光軸(S卩，EDM軸線)。將旋轉(zhuǎn)鏡安裝在掃描頭上，該掃描頭圍繞軸線250方位地低速旋轉(zhuǎn)。
[0005]掃描儀205的EDM以高重復(fù)速率自由運(yùn)行，并不對準(zhǔn)特定目標(biāo)位置。與每一個(gè)距離測量值一起記錄望遠(yuǎn)鏡的高度和方位。
[0006]掃描儀205的方位角、仰角和距離測量值不像諸如圖1的全站儀115的全站儀的這些測量值一樣精確，且EDM光束不對準(zhǔn)特定目標(biāo)位置。全站儀115與掃描儀205相比具有更高測量精度的優(yōu)勢，而掃描儀205與全站儀115相比具有以高很多的重復(fù)速率獲取點(diǎn)測量值的優(yōu)勢。
[0007]圖3示意性地示出測量員305使用目標(biāo)310以及安裝在三腳架320上的智能全站儀315的現(xiàn)有技術(shù)情形300。在第一模式中，測量員305可使用全站儀315來進(jìn)行至安裝在測量員305持有的桿上的特定目標(biāo)310的距離測量，如已經(jīng)在圖1中示出的。在第二模式中(或掃描模式中)，全站儀315可被用于獲取對諸如建筑物325和環(huán)境330的場景的點(diǎn)測量值的3D云。虛線335、340、345、350指示當(dāng)全站儀315被用于該第二、掃描模式中時(shí)的測量值的豎直和方位角范圍。使用如圖3中的全站儀獲取點(diǎn)測量值的密集云通常緩慢并麻煩，因?yàn)楸仨殲槊恳粋€(gè)測量點(diǎn)重新定位望遠(yuǎn)鏡。
[0008]另一種類型的現(xiàn)有技術(shù)掃描全站儀可當(dāng)以相當(dāng)高的速率(大約1000Hz)獲取距離測量值的時(shí)候使望遠(yuǎn)鏡連續(xù)旋轉(zhuǎn)。該設(shè)計(jì)仍然被望遠(yuǎn)鏡的大慣性限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本公開設(shè)法提供測量儀器的至少一些實(shí)施方式，其克服上述缺點(diǎn)的至少一些。更具體地，本公開旨在提供至少一些實(shí)施方式，這些實(shí)施方式提供全站儀的測量精度和以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全站儀的重復(fù)速率獲取點(diǎn)測量值的密集云的能力。
[0010]為了達(dá)到這個(gè)目的，提供了具有如獨(dú)立權(quán)利要求中定義的特征的測量儀器。在從屬權(quán)利要求中定義的是本公開的進(jìn)一步有利的實(shí)施方式。
[0011]根據(jù)一些實(shí)施方式，測量儀器包括距離測量模塊、分離器(splitter)和偏轉(zhuǎn)模塊。距離測量模塊被配置成沿著發(fā)射路徑發(fā)射光輻射并沿著接收路徑接收光輻射。發(fā)射路徑和接收路徑在分離器處被并入測量光束中?？蛇x擇地在距離測量模塊和分離器之間放置偏轉(zhuǎn)模塊。偏轉(zhuǎn)模塊被配置成在分離器處對準(zhǔn)發(fā)射路徑和接收路徑，并被配置成橫過(across)儀器光軸偏轉(zhuǎn)發(fā)射路徑和接收路徑中的至少一個(gè)。
[0012]在這些實(shí)施方式中，可選擇地將偏轉(zhuǎn)模塊安排在距離測量模塊(或EDM)和分離器之間。儀器既可以提供如全站儀的測量值，即當(dāng)進(jìn)行到特定目標(biāo)的距離測量時(shí)，具有全站儀的精度，也可以提供場景的掃描，其具有以相似于測地掃描儀的重復(fù)速率進(jìn)行的測量。
[0013]在這些實(shí)施方式中，分離器可被視為充當(dāng)混合器，因?yàn)榘l(fā)射路徑和接收路徑被合并到一起以形成從儀器到將對其進(jìn)行距離測量的目標(biāo)或場景的測量光束。分離器可被定義成具有分離點(diǎn)，在分離點(diǎn)處偏轉(zhuǎn)模塊被配置成對準(zhǔn)發(fā)射路徑和接收路徑。然后分離點(diǎn)可被視為相當(dāng)于混合點(diǎn)。因此，盡管在本公開中常常稱作具有分離點(diǎn)的分離器，但是還可通過稱作具有混合點(diǎn)的混合器來描述實(shí)施方式。
[0014]盡管分離器(或混合器)在儀器之中將測量光束分成發(fā)射路徑和接收路徑(即從分離器/混合器至距離測量模塊)，但是分離器(或混合器)將發(fā)射路徑和接收路徑引導(dǎo)到從分離器/混合器延伸到目標(biāo)的共用測量光束中。應(yīng)理解，在儀器之外來自分離器(或者來自分離器的分離點(diǎn)或混合點(diǎn))的所發(fā)射的信號(例如，從儀器的EDM發(fā)出的光脈沖)和所接收的信號(例如，在目標(biāo)處反射的和指向儀器的EDM的光)的重疊形成測量光束。還應(yīng)理解，發(fā)射路徑和接收路徑可總是在儀器之中重疊，例如，在其中分離器(或混合器)被安排在儀器的距離測量模塊和前透鏡(或者其他光元件)之間的光路徑中的配置中。換言之，從分離器(或分離器的分離點(diǎn))沿著光路徑通過前透鏡到目標(biāo)的發(fā)射路徑的一部分可與從目標(biāo)沿著光路徑通過前透鏡到分離器(或分離器的分離點(diǎn))的接收路徑的一部分重疊。發(fā)射路徑和接收路徑的這些重疊部分的結(jié)合形成測量光束的至少一部分。
[0015]通常，距離測量模塊是被配置成進(jìn)行距離測量的模塊，用于確定從儀器到目標(biāo)或到場景的其它元素(或點(diǎn))的距離。例如，距離測量模塊可以是電子距離測量(EDM)系統(tǒng)。距離測量模塊可包含用于沿著發(fā)射路徑朝著目標(biāo)或場景(例如，建筑物)發(fā)射光輻射(或光脈沖)的發(fā)射器和用于接收沿著接收路徑在目標(biāo)或場景的元素(例如，發(fā)射的光脈沖)處反射的光輻射的接收器。例如，可基于飛行時(shí)間的測量計(jì)算距離。
[0016]在這些實(shí)施方式中，在發(fā)射路徑和接收路徑被結(jié)合到測量光束之前(如從發(fā)射器沿著發(fā)射路徑可見的)和之后(如從接收器沿著接收路徑可見的)在發(fā)射路徑和接收路徑上單獨(dú)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。
[0017]根據(jù)一些實(shí)施方式，可將偏轉(zhuǎn)模塊插入在距離測量模塊和測量儀器的分離器之間的光路徑中。測量儀器可以是全站儀，從而在第一模式中，測量可以在偏轉(zhuǎn)模塊為靜止的情況下進(jìn)行，其中，儀器通過主體的至少一些部件諸如其中心單元或照準(zhǔn)儀的旋轉(zhuǎn)/運(yùn)動對準(zhǔn)特定目標(biāo)。在此第一模式中，儀器的主體的部件被移動，從而使得儀器光軸指向目標(biāo)。在第二模式中，測量儀器可被操作以通過經(jīng)由偏轉(zhuǎn)模塊將儀器的發(fā)射路徑和接收路徑中的至少一個(gè)橫過儀器光軸偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行對場景(例如，包含建筑物)的掃描。
[0018]根據(jù)一種實(shí)施方式，偏轉(zhuǎn)模塊可包括至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件，該至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件被安裝為用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而通過偏轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)來偏轉(zhuǎn)測量路徑。可選擇地，偏轉(zhuǎn)模塊可包括至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件，其被安裝為用于平移位移，從而使用偏轉(zhuǎn)元件的平移位移來偏轉(zhuǎn)測量路徑。
[0019]根據(jù)一種實(shí)施方式，儀器還可包括驅(qū)動元件，驅(qū)動元件可運(yùn)行以旋轉(zhuǎn)至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件或以平移至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件。因此，驅(qū)動元件可運(yùn)行以產(chǎn)生至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的搖擺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。對于至少這些目的，驅(qū)動元件可包括三相電動機(jī)或直流電動機(jī)。
[0020]可選擇地，驅(qū)動元件可運(yùn)行以產(chǎn)生至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。對于至少這個(gè)目的，驅(qū)動元件可包括具有恒定旋轉(zhuǎn)速度的至少一個(gè)電動機(jī)。根據(jù)又一個(gè)備選實(shí)施方式，驅(qū)動元件可運(yùn)行以產(chǎn)生至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的至所選方向的定向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0021]通常，儀器(或儀器的驅(qū)動元件)可配備有用于提供至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)或平移位移的壓電元件。
[0022]根據(jù)一種實(shí)施方式，儀器還可包括可運(yùn)行以檢測至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)角度的角度傳感器或線性傳感器。例如，角度傳感器可以是角度編碼器?？蛇x擇地或額外地，儀器還可配備有位移傳感器，位移傳感器可運(yùn)行以檢測至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的平移位移。
[0023]根據(jù)一種實(shí)施方式，儀器還可包括驅(qū)動控制器，其運(yùn)行以通過驅(qū)動元件控制至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和/或平移位移。
[0024]根據(jù)一種實(shí)施方式，驅(qū)動控制器可響應(yīng)于角度傳感器和/或位移傳感器，以分別依據(jù)至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)角度和/或平移位移來控制驅(qū)動元件。
[0025]根據(jù)一種實(shí)施方式，至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件包括棱鏡、多面鏡和具有扇貝形彎曲鏡面的盤中的至少一種。棱鏡可具有任何數(shù)量的面，且多面鏡可具有任何數(shù)量的面。僅僅出于示例性的目的，至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件可以是具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線分布的六到十個(gè)面的棱鏡。
[0026]根據(jù)一種實(shí)施方式，至少一個(gè)偏轉(zhuǎn)元件可以是具有扇貝形彎曲鏡面的盤，扇貝形彎曲鏡面的形狀被設(shè)計(jì)成當(dāng)以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)提供測量路徑的線性偏轉(zhuǎn)。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，扇貝形彎曲鏡面的形狀可以被設(shè)計(jì)成當(dāng)以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)提供測量路徑的非線性偏轉(zhuǎn)。
[0027]根據(jù)一種實(shí)施方式，儀器還可包括發(fā)射路徑中的偏轉(zhuǎn)透鏡組件。偏轉(zhuǎn)模塊可運(yùn)行以移動發(fā)射路徑，由此發(fā)射路徑的位移通過偏轉(zhuǎn)透鏡組件轉(zhuǎn)換成橫過光軸的角度偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)透鏡組件可以是偏轉(zhuǎn)模塊的部件或獨(dú)立的實(shí)體。偏轉(zhuǎn)透鏡組件與偏轉(zhuǎn)模塊的偏轉(zhuǎn)元件一起運(yùn)行以將偏轉(zhuǎn)元件的運(yùn)動轉(zhuǎn)換成角度偏轉(zhuǎn)。
[0028]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，儀器還可包括接收路徑中的偏轉(zhuǎn)透鏡組件。偏轉(zhuǎn)模塊可運(yùn)行以移動接收路徑，由此接收路徑的位移通過偏轉(zhuǎn)透鏡組件轉(zhuǎn)換成橫過光軸的角度偏轉(zhuǎn)。
[0029]在一些實(shí)施方式中，儀器還可包括具有光軸的前透鏡組件，從而在離前透鏡的特定距離處創(chuàng)建儀器的焦點(diǎn)。分離器(或者分離器的分離點(diǎn))然后可沿著前透鏡組件的光軸在前透鏡組件(或者前透鏡組件的后透鏡表面)和偏轉(zhuǎn)模塊的偏轉(zhuǎn)元件之間位于距離前透鏡(或者后透鏡表面)的個(gè)距離處，該距離小于離焦點(diǎn)的距離。應(yīng)理解，前透鏡組件可被配置成結(jié)合測量儀器的其他光元件在焦點(diǎn)處聚焦光束(即，沿著發(fā)射路徑和/或接收路徑傳播的光)，焦點(diǎn)被稱之為儀器的焦點(diǎn)。另外，應(yīng)理解，前透鏡組件可通常與用于將偏轉(zhuǎn)元件的運(yùn)動轉(zhuǎn)換為角度偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)模塊的任何偏轉(zhuǎn)透鏡組件不同。
[0030]通常，在發(fā)射路徑中，前透鏡組件是光學(xué)組(或組件)，其包含具有特定折射特性或效應(yīng)的最后的光學(xué)元件(例如，發(fā)散/匯聚透鏡)，在該最后的光學(xué)元件處或在該最后的光學(xué)元件之后，測量光束退出(或離開)測量儀器。類似地，前透鏡組件是光學(xué)組(或組件)，其包含具有特定折射特性或效應(yīng)的第一光學(xué)元件(例如，發(fā)散/匯聚透鏡)，當(dāng)進(jìn)入測量儀器時(shí)或進(jìn)入測量儀器之后，測量光束與第一光學(xué)元件相遇。儀器的前透鏡組件例如可以是透鏡。
[0031]在一些實(shí)施方式中，距離測量模塊可包括位于接收路徑中的光檢測器，該光檢測器沿著接收路徑位于接近儀器的焦點(diǎn)處。另外，距離測量模塊可包括位于發(fā)射路徑中的光發(fā)射器(optical transmitter)，該光發(fā)射器從前透鏡組件沿著發(fā)射路徑位于接近儀器的焦點(diǎn)處。
[0032]應(yīng)理解，儀器還可包括目標(biāo)追蹤器和伺服模塊。目標(biāo)追蹤器可具有檢測模塊，檢測模塊可運(yùn)行以將在測量儀器附近的至少一個(gè)特定目標(biāo)從其他目標(biāo)區(qū)分出。伺服模塊可被配置成響應(yīng)于目標(biāo)追蹤器以對準(zhǔn)儀器光軸，從而使得特定目標(biāo)位于距離測量模塊的視野范圍之內(nèi)。
[0033]另外，儀器可包括相機(jī)。例如，相機(jī)可運(yùn)行以獲取靜止圖像和視頻圖像中的至少一個(gè)。而且，相機(jī)可具有相機(jī)光軸，相機(jī)光軸與儀器光軸同軸。然后，相機(jī)可運(yùn)行以獲取對于控制伺服模塊以對準(zhǔn)儀器光軸有用的圖像。
[0034]另外，儀器可包括光學(xué)目鏡模塊，光學(xué)目鏡模塊具有與儀器光軸同軸的目鏡光軸。
[0035]根據(jù)一種實(shí)施方式，距離測量模塊可包括光發(fā)射點(diǎn)和光接收點(diǎn)。另外，儀器可包括中心單元、照準(zhǔn)儀和基底，其中，光發(fā)射點(diǎn)、光接收點(diǎn)、分離器(或者分離器的分離點(diǎn))以及偏轉(zhuǎn)模塊位于中心單元中。中心單元可被安裝在照準(zhǔn)儀上以用于圍繞第一軸線的旋轉(zhuǎn)，以及照準(zhǔn)儀可被安裝在基底上以用于圍繞與第一軸線交叉(例如，正交于)的第二軸線的旋轉(zhuǎn)，從而使得儀器光軸可圍繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。
[0036]在一些實(shí)施方式中，分離器(或混合器)可包括部分反射表面，從距離測量模塊發(fā)射的光輻射沿著發(fā)射路徑穿過部分反射表面行進(jìn)。部分反射表面可被安排成反射經(jīng)由接收路徑在距離測量模塊處到達(dá)的光輻射，其中接收路徑與反射路徑不同。另外，分離器(或混合器)可包括部分反射表面，經(jīng)由接收路徑到達(dá)的光輻射穿過部分反