CN104995482A - 多模式光学测量设备和操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学测量设备，该光学测量设备包括跟踪设备，该跟踪设备被配置成发射第一光束并且对从目标反射的第一光束中的一部分进行接收。第一光束被从万向节位置发射，跟踪设备还包括绝对测距仪，该绝对测距仪被配置成确定到目标的距离。提供了一种扫描设备，该扫描设备被配置成沿着不使方向反转的轨迹发射第二光束并且对从对象反射的第二束光中的一部分进行接收。第二束光被从万向节位置发射，扫描仪还被配置成至少部分地基于光速来确定到对象的距离。

Description

多模式光学测量设备和操作方法
技术领域
本文所公开的主题涉及测量空间坐标的光学测量设备，并且更特别地涉及用于测量对象的具有多个光学设备的非接触式光学测量设备。
背景技术
非接触式光学测量设备可以用于确定对象上的点的坐标。一种类型的光学测量设备通过将激光光束发送至点来测量该点的三维(3D)坐标。激光光束可以直接射到所述点上或者直接射到与所述点接触的回射器目标上。在上述任何一种情况下，仪器通过测量到目标的距离和与目标的两个角度来确定所述点的坐标。距离是用测距设备例如绝对测距仪或干涉仪来测量的。角度是用角度测量设备例如角度编码器来测量的。在仪器内的万向节式光束操纵机制将激光光束引导至所关注的点。
激光跟踪仪是用其发射的一束或更多束激光光束跟踪回射器目标的特定类型的坐标测量设备。与激光跟踪仪密切相关的光学测量设备是激光扫描仪和全站仪。激光扫描仪逐步将一束或更多束激光光束发射到表面上的点。激光扫描仪拾取从所述表面散射的光并且根据所述光来确定到每个点的距离和与每个点的两个角度。在测量应用中最经常使用的全站仪可以用于测量漫散射(非协作的)目标或回反射(协作的)目标的坐标。
激光跟踪仪通过将激光光束发送至用于测量特定点的坐标的回射器目标来进行操作。通用类型的回射器目标为球状安装的回射器(SMR)，其包括嵌入金属球中的角锥回射器。角锥回射器包括三个相互垂直的反射镜。作为三个反射镜的公共交点的顶点位于球的中心。由于球内的角锥的放置与所测量的点具有已知机械关系(即，即使当SMR被旋转时，从顶点到SMR所搁置的任意表面的垂直距离也保持恒定)，所以可以确定所测量的点的位置。因此，激光跟踪仪可以通过当SMR在表面上移动时跟随SMR的位置来测量表面的3D坐标。换句话说，激光跟踪仪仅需要测量三个自由度(一个径向距离和两个角度)来完全表征表面的3D坐标。
一种类型的激光跟踪仪仅包括干涉仪(IFM)而不包括绝对测距仪(ADM)。如果对象阻挡来自这些跟踪仪中的一个跟踪仪的激光光束的路径，则IFM丢失其距离基准。然后，操作员必须在继续测量之前跟踪已知位置的回射器以重新设置基准距离。回避该限制的一种方式是在跟踪仪中包括ADM。ADM可以以指向并发射(point-and-shoot)的方式来测量距离。
因为跟踪仪停留在一点上，所以理想的是对激光功率进行约束以维持IEC 60825-1标准内的期望分类。因此，期望的是跟踪仪在低激光功率下工作。除了清楚地限定测量点以外，SMR返回激光功率的一大部分。相反，激光扫描仪可以被布置成连续地移动，由于在位于操作区中的人体部分上沉积的总能量很小，所以这允许了理想的IEC 60825-1分类。因此，虽然激光扫描仪一般以比激光跟踪仪更低的精度和更短的距离进行操作，但是激光扫描仪可以以较高激光功率水平进行操作并且通过非协作目标进行操作。
激光扫描仪还朝向对象发出激光光束。因为激光跟踪仪与操作员交互(经由回射器目标)，所以理想的是激光是可见的。然而，由于操作员不需要肉眼看见光束，所以激光扫描仪可以以其他波长(例如红外波长或可见光波长)进行操作。激光扫描仪接收从对象反射回来的光束并且部分地基于光束照射到对象并且返回扫描仪的飞行时间来确定到对象上的点的距离。一些激光扫描仪绕天顶轴连续地旋转并且同时绕方位轴旋转激光光束，可以确定在该区域中点相对于激光扫描仪的坐标。其他激光扫描仪将光束引导至单个点或以预定图案(例如光栅图案)引导光束。
应当理解，激光扫描仪与激光跟踪仪相比可以更快获得多个点的坐标。然而，激光跟踪仪测量距离的精度较高。此外，由于激光跟踪仪驻留在特定点上，所以测量通常在零点几秒内求积分以降低电子装置和大气扰动中的噪声。由于激光扫描仪通常以每秒百万个点的量级来进行测量，所以通常以微秒或零点几微秒的量级来进行测量。因此，在扫描仪中，由电子装置和大气扰动引起的噪声会大得多。
因此，虽然现有的非接触式光学测量设备适用于其预定的目的，但是仍然需要改进，特别地提供了使操作员能够在多个操作模式之间进行选择的光学测量设备。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种坐标测量设备。该坐标测量设备包括光学传递***。提供了第一绝对测距仪，第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，第一光源被配置成通过光学传递***将第一光发送至回射器目标，第一光学检测器还被配置成响应于所回射的第一光而生成第一电信号并且将第一电信号传输到第一电路，第一电路被配置成至少部分地基于第一电信号来确定从坐标测量设备到回射器目标的第一距离。提供了第二绝对测距仪，第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，第二光源被配置成通过光学传递***将第二光发送至对象表面，第二光学检测器被配置成对被对象表面反射的并且通过光学传递***的第二光进行接收，第二光学检测器还被配置成响应于所反射的第二光而生成第二电信号并且将第二电信号发送至第二电路，第二电路被配置成至少部分地基于第二电信号来确定从坐标测量设备到对象表面的第二距离。结构能够操作地耦接至光学传递***、第一绝对测距仪和第二绝对测距仪。第一电机被配置成绕第一轴旋转结构。第一角度传感器能够操作地耦接至结构，第一角度传感器被配置成对绕第一轴的第一旋转角度进行测量。第二电机被配置成绕第二轴旋转结构，第二轴与第一轴基本上垂直。第二角度传感器能够操作地耦接至结构，第二角度传感器被配置成对绕第二轴的第二旋转角度进行测量。提供了位置检测器，位置检测器被配置成对由坐标测量设备发射的并且由回射器反射的辐射的一部分进行接收，位置检测器被配置成至少部分地基于辐射的一部分照射位置检测器处的位置来生成第三电信号。提供了处理器，处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，第一模式包括：至少部分地基于第三电信号来跟踪回射器目标，至少部分地基于回射器目标在第一位置处的第一角度、回射器目标在第一位置处的第二角度以及回射器目标在第一位置处的第一距离来确定回射器目标的第一三维坐标，第二模式包括在连续地并且单调地改变第一角度和第二角度的同时将光束引导至对象表面，第二模式还包括至少部分地基于对象表面上的点的第一角度、对象表面上的点的第二角度以及对象表面上的点的第二距离来确定对象表面上的点的第二三维坐标。
根据本发明的另一方面，提供了另一坐标测量设备。该坐标测量设备包括结构和第一电机，第一电机被配置成绕第一轴旋转结构。第一角度传感器能够操作地耦接至结构，第一角度传感器被配置成对绕第一轴的第一旋转角度进行测量。第二电机被配置成绕第二轴旋转结构，第二轴与第一轴基本上垂直，第二轴的投射与第一轴的投射相交于万向节点。第二角度传感器能够操作地耦接至结构，第二角度传感器被配置成对绕第二轴的第二旋转角度进行测量。光学传递***能够操作地耦接至结构。第一绝对测距仪能够操作地耦接至结构，第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，第一光源被配置成通过光学传递***将第一光沿着从万向节点延伸的第一线的一部分发送至回射器目标，第一线与第一轴垂直，第一光学检测器被配置成对被回射器目标反射的并且通过光学传递***的第一光进行接收，第一光学检测器还被配置成响应于所回射的第一光而生成第一电信号并且将第一电信号传输到第一电路，第一电路被配置成至少部分地基于第一电信号来确定从坐标测量设备到回射器目标的第一距离。第二绝对测距仪能够操作地耦接至结构，第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，第二光源被配置成通过光学传递***将第二光沿着从万向节点延伸的第二线的一部分发送至对象表面，第二线与第一轴垂直，第二线与第一线不同，第二光学检测器被配置成对被对象表面反射的并且通过光学传递***的第二光进行接收，第二光学检测器还被配置成响应于所反射的第二光而生成第二电信号并且将第二电信号发送至第二电路，第二电路被配置成至少部分地基于第二电信号来确定从坐标测量设备到对象表面的第二距离。提供了位置检测器，位置检测器被配置成对由坐标测量设备发射的并且由回射器反射的辐射的一部分进行接收，位置检测器被配置成至少部分地基于辐射的一部分照射位置检测器处的位置来生成第三电信号。提供了处理器，处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，第一模式包括：至少部分地基于第三电信号来跟踪回射器目标，至少部分地基于回射器目标在第一位置处的第一角度、回射器目标在第一位置处的第二角度以及回射器目标在第一位置处的第一距离来确定回射器目标的第一三维坐标，第二模式包括绕第一轴旋转结构并且至少部分地基于对象表面上的点的第一角度、对象表面上的点的第二角度以及对象表面上的点的第二距离来确定对象表面上的点的第二三维坐标。
根据本发明的又一方面，提供了另一坐标测量设备。该坐标测量设备包括光学传递***。第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，第一光源被配置成通过光学传递***将第一光发送至回射器目标，第一光学检测器被配置成对由回射器目标反射的并且通过光学传递***的第一光进行接收，第一光学检测器还被配置成响应于所回射的第一光而生成第一电信号并且将第一电信号传输到第一电路，第一电路被配置成至少部分地基于第一电信号来确定从坐标测量设备到回射器目标的第一距离。第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，第二光源被配置成通过光学传递***将第二光发送至对象表面，第二光学检测器被配置成对被对象表面反射的并且通过光学传递***的第二光进行接收，第二光学检测器还被配置成响应于所反射的第二光而生成第二电信号并且将第二电信号发送至第二电路，第二电路被配置成至少部分地基于第二电信号来确定从坐标测量设备到对象表面的第二距离。结构能够操作地耦接至光学传递***、第一绝对测距仪和第二绝对测距仪，结构包括被安装成便于旋转的反射镜，反射镜被布置在第一光和第二光的光学路径内。第一电机被配置成绕第一轴旋转结构。第一角度传感器能够操作地耦接至结构，第一角度传感器被配置成对绕第一轴的第一旋转角度进行测量。第二电机被配置成绕第二轴旋转反射镜，第二轴与第一轴基本上垂直。第二角度传感器能够操作地耦接至反射镜，第二角度传感器被配置成对绕第二轴的第二旋转角度进行测量。位置检测器被配置成对由坐标测量设备发射的并且由回射器反射的辐射的一部分进行接收，位置检测器被配置成至少部分地基于辐射的一部分照射位置检测器处的位置来生成第三电信号。提供了处理器，处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，第一模式包括：至少部分地基于第三电信号来跟踪回射器目标，至少部分地基于回射器目标在第一位置处的第一角度、回射器目标在第一位置处的第二角度以及回射器目标在第一位置处的第一距离来确定回射器目标的第一三维坐标，第二模式包括绕第一轴旋转结构并且至少部分地基于对象表面上的点的第一角度、对象表面上的点的第二角度以及对象表面上的点的第二距离来确定对象表面上的点的第二三维坐标。
根据结合附图的以下描述，这些和其他优点和特征将变得更加清楚。
附图说明
被看作本发明的主题在说明书后所附的权利要求中特别地指出并且清楚地要求保护。根据结合附图的以下详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点是清楚的，在附图中：
图1是根据本发明的实施方式的光学测量设备的立体图；
图2是图1的光学测量设备的局部立体图，其示出光学测量设备内的跟踪仪部分和扫描仪部分包括传感器的位置；
图3是针对图1的设备的电气***和计算***的框图；
图4是图1的具有有效负载部分的设备的示意性图，其包括根据本发明的实施方式的光学测量设备的框图；
图5至图10是针对图1的光学测量设备的激光跟踪仪部分的绝对测距仪(ADM)和扫描仪测距仪内的电气元件和电光元件的框图；
图11是图1的设备的示意图，其示出了沿着其投射来自跟踪仪和扫描仪的光的光轴。
图12至图14是图1的设备的立体图，其示出了扫描仪部分和跟踪仪部分的另一实施方式；
图15是根据本发明的实施方式的光学测量设备处于第一操作模式下的示意图；
图16是图1的光学测量设备处于第二操作模式下的示意图；
图17和图18是示出用于操作光学测量设备的步骤的流程图；
图19是根据本发明的另一实施方式的光学测量设备的示意图；
图20是根据本发明的另一实施方式的光学测量设备的示意图；
具体实施方式部分参照附图以示例的方式说明了本发明的实施方式以及优点和特征。
具体实施方式
本发明的实施方式提供可以作为激光跟踪仪或激光扫描仪进行操作的光学测量设备。这提供了以下优点：能够使用通常由操作员手持的协作目标进行较高精度的测量、或者能够通常在没有操作员的主动辅助的情况下进行较快(通常)且较低精度的测量。在单个集成设备中提供所述两个操作模式。
现在参照图1至图2，其示出了提供多个操作模式的光学测量设备30。设备30具有壳体32，该壳体32包括支持激光跟踪功能的跟踪仪部分34和支持扫描仪功能的扫描仪部分36。示例性万向节式光束操纵机制38包括安装在方位底座40上并且绕方位轴44旋转的天顶箱42。有效负载结构46安装在天顶箱42上，有效负载结构46绕天顶轴48旋转。天顶轴48和方位轴44在设备30内部的万向节点50处垂直地相交。万向节点50通常是用于距离测量和角度测量的原点。一束或更多束光束52实际上通过万向节点50。形成的光束指向与天顶轴48正交的方向。换言之，光束52位于与天顶轴48近似垂直并且包含方位轴44的平面中。通过将有效负载结构46绕天顶轴48旋转、将天顶箱40绕方位轴44旋转来将射出的光束52指向期望的方向。
天顶电机51和天顶角编码器54被布置在壳体32的内部，并且天顶电机51和天顶角编码器54被附接至与天顶轴48对准的天顶机械轴。方位电机55和方位角编码器56也被布置在设备30的内部，并且方位电机55和方位角编码器56被附接至与方位轴44对准的方位机械轴。天顶电机51和方位电机55操作成使得有效负载结构46同时绕轴44和轴48旋转。如以下更加详细地讨论的那样，在扫描仪模式下，电机51和电机55分别沿单个方向操作，这导致扫描仪光束遵循不使方向反转的连续轨迹。天顶角编码器和方位角编码器以相对较高的精度测量旋转的天顶角和方位角。
光束52行进至目标58，该目标58将光束53朝设备30反射回去。目标58可以是非协作目标，例如对象59的表面。可替代地，目标58可以是回射器，例如球形安装的回射器(SMR)。通过测量万向节点50与目标58之间的径向距离、绕天顶轴48的旋转角度以及绕方位轴44的旋转角度，可以在设备30的球坐标系内找到目标58的位置。如本文将更加详细讨论的那样，设备30包括限定用于引导和接收光的光学传递***的一个或更多个反射镜、透镜或孔。
光束52可以包括一种或更多种波长，例如可见光波长和红外波长的光。应当理解，虽然本文的实施方式参照万向节操纵机制38进行讨论，但是可以使用其他类型的操纵机制。在其他实施方式中，例如，可以绕方位轴和天顶轴旋转反射镜。在其他实施方式中，可以使用电流计镜(galvomirror)来操纵光的方向。与示例性实施方式类似，如下文中更详细地讨论的那样，这些其他的实施方式(例如，电流计镜)可以用于沿着不使方向反转的轨迹在单一方向上操纵光。
在一个实施方式中，磁巢(magnetic nests)60可以被布置在方位底座40上。对于不同大小的SMR，例如1.5英寸、7/8英寸以及0.5英寸的SMR，磁巢60与跟踪仪部分34一起用于将跟踪仪复位至“原始位置”。并且设备上回射器62可以用于将跟踪仪复位至基准距离。此外，如在美国专利7,327,446中所描述的那样，反射镜(未示出)可以与回射器62组合使用以实现自补偿的性能。
现在参照图3，其示出了用于控制设备30的操作的示例性控制器64。控制器64包括分布式处理***66、用于***元件68、72的处理***、计算机74以及在此处被表示为云的其他网络部件76。分布式处理***66的示例性实施方式包括主处理器78、有效负载功能电子装置80、方位编码器电子装置82、天顶编码器电子装置86、显示器和用户界面(UI)88、可移除存储硬件90、射频识别(RFID)电子装置92以及天线94。有效负载功能电子装置80包括许多功能，例如扫描仪电子装置96、照相机电子装置98(用于图11的照相机168)、ADM电子装置100、位置检测器(PSD)电子装置102以及水平电子装置104。有效负载功能电子装置80中的子功能中的一些或全部功能具有至少一个处理单元，所述至少一个处理单元可以是例如数字信号处理器(DSP)或者现场可编程门阵列(FPGA)。
可以有许多类型的***设备，例如温度传感器68和个人数字助理72。个人数字助理72可以是蜂窝通信设备，例如智能电话。设备30可以借助于视觉***例如照相机、以及借助于激光跟踪仪到协作目标的距离读数和角读数，按照包括经由天线94的无线通信的多种方式来与***设备通信。***设备可以包括处理器。通常，当使用术语扫描仪处理器、激光跟踪仪处理器或测量设备处理器时，表示包括可能的外部计算机和云支持。
在实施方式中，分离的通信介质或总线从处理器78延伸到有效负载功能电子装置单元80、82、86、88、90、92中的每个单元。每个通信介质都可以具有例如包括数据线、时钟线和帧线(frame line)的三个串行线。帧线指示电子装置单元是否应当注意时钟线。如果帧线指示应当注意时钟线，则电子装置单元在每个时钟信号处读取数据线的当前值。时钟信号可以与例如时钟脉冲的上升沿对应。在一个实施方式中，通过数据线以分组的形式传输信息。在其他实施方式中，每个分组包括地址、数值、数据消息和校验和。地址指示在电子装置单元内数据消息要被引向哪里。位置可以例如与电子装置单元内的处理器子例程对应。数值指示数据消息的长度。数据消息包括电子装置单元执行的数据或指令。校验和是用于使在通信线上传输的数据中的错误的机会最小化的数值。
在实施方式中，处理器78通过总线106将信息的分组传递至有效负载功能电子装置80、通过总线108将信息的分组传递至方位编码器电子装置82、通过总线110将数据的分组传递至天顶编码器电子装置86、通过总线112将信息的分组传递至显示器和UI电子装置88、通过总线114将信息的分组传递至可移除存储硬件90、以及通过总线116将数据的分组传递至RFID和无线电子装置92。
在实施方式中，处理器78还通过同步总线118将同步脉冲同时发送至电子装置单元中的每个电子装置单元。同步脉冲提供对由设备30的测量功能采集的值进行同步的方法。例如，方位编码器电子装置82和天顶电子装置86在接收到同步脉冲时将其编码器值锁存。类似地，有效负载功能电子装置80锁存由包括在有效负载结构内的电子装置采集的数据。ADM和位置检测器都在被给定同步脉冲时锁存数据。在多数实施方式中，照相机和倾斜仪以低于同步脉冲速率的速率采集数据，但是可以以同步周期数倍的周期锁存数据。
在一个实施方式中，方位编码器电子装置82和天顶编码器电子装置86彼此分离并且通过滑环(未示出)与有效负载功能电子装置80分离。在使用滑环的地方，总线线路106、108、110可以是分离的总线。光电子处理***66可以与外部计算机74通信，或者可以提供设备30内的通信功能、显示功能和UI功能。设备30通过通信链路120(例如以太网线路或无线连接)与计算机74通信。设备30还可以通过通信链路122或一个或更多个无线连接与由云76表示的其他元件通信，通信链路122可以包括一个或更多个电缆例如以太网电缆。元件76可以是可以由设备30重新定位的另一三维测试仪器，例如关节臂CMM。计算机74与元件76之间的通信链路124可以是有线的或者无线的。坐在远程计算机74旁的操作员可以通过以太网链路或者无线链路进行与由云76表示的因特网的连接，由云76表示的因特网又通过以太网链路或者无线链路将远程计算机74连接到处理器78。以这种方式，用户可以控制远程设备例如激光跟踪仪的行为。
现在参照图4，其示出了设备30内的具有跟踪仪部分34和扫描仪部分36的有效负载结构46的实施方式。部分34和部分36被集成以从跟踪仪部分和扫描仪部分通过基本上共用的内部光束路径发射光，该共用的内部光束路径由图1以及图12至图14中的光束52表示。然而，虽然由跟踪仪部分和扫描仪部分发射的光通过基本上共用的光学路径行进，但是在实施方式中，来自跟踪仪部分和扫描仪部分的光束是在不同的时刻发出的。在另一实施方式中，各光束被同时发出。
跟踪仪部分34包括光源126、隔离器128、光纤网络136、ADM电子装置140、光纤发射装置130、光束分离器132以及位置检测器134。在实施方式中，光源126发射可见光。光源可以是例如红光二极管激光器或绿光二极管激光器或者垂直腔面发射激光器。隔离器可以是法拉第隔离器和衰减器，或者能够使发射回光源126中的光量成分减少的任何其他合适的设备。来自隔离器128的光行进至光纤网络136。在一个实施方式中，光纤网络136是在图6中示出的将在下文更加详细地讨论的光纤网络。位置检测器134被布置成对由光源126发射并且由目标58反射的辐射中的一部分进行接收。位置检测器134被配置成向控制器64提供信号。控制器64使用信号来激活电机51、55以操纵光束52来跟踪目标58。
进入光纤网络136的光中的一些光通过光纤138发射到ADM电子装置140的基准通道。进入光纤网络136的光中的另一部分通过光纤网络136和光束分离器132。光到达分色光束分离器(dichroic beamsplitter)142，该分色光束分离器142被配置成传输在ADM光源的波长处的光。来自跟踪仪部分34的光沿着光路144经由孔146从有效负载结构46出去。来自跟踪仪部分34的光沿着光路144行进、被目标58反射、并且沿着光路144返回从而通过孔146重新进入有效负载结构46。该返回的光通过分色光束分离器142并且向后行进到跟踪仪部分34中。返回光的第一部分通过光束分离器132并且进入光纤发射装置130从而进入光纤网络136。所述光中的一部分进入光纤148并且进入ADM电子装置140的测量通道。返回的光的第二部分从光束分离器132反射并且进入位置检测器134。
在一个实施方式中，ADM电子装置140是图5中示出的ADM电子装置。ADM电子装置140包括频率基准3302、合成器3304、测量检测器3306、基准检测器3308、测量混频器3310、基准混频器3312、调节电子装置3314、3316、3318、3320、除以N的预分频器3324以及模数转换器(ADC)3322。可以是例如恒温晶体振荡器的频率基准将例如10MHz的基准频率fREF发送至合成器，该合成器生成两种电信号——频率为fRF的一个信号和频率为fLO的两个信号。信号fRF去向光源126。频率为fLO的两个信号去向测量混频器3310和基准混频器3312。来自光纤138、148的光分别进入基准通道和测量通道。基准检测器3308和测量检测器3306将光信号转换成电信号。这些信号分别被电子部件3316、3314调节并且被分别发送至混频器3312、3310。混频器生成频率fIF，该频率fIF等于fLO-fRF的绝对值。信号fRF可以是相对较高的频率例如2GHz，而信号fIF可以具有相对较低的频率例如10kHz。
基准频率fREF被发送至预分频器3324，该预分频器3324将该频率除以整数值。例如，10MHz的频率可以除以40以获得250kHz的输出频率。在该示例中，以250kHz的速率对进入ADC 3322的10kHz信号进行采样，从而每周期产生25个样本。来自ADC 3322的信号被发送至数据处理器3400例如一个或更多个数字信号处理器。
用于提取距离的方法是基于对基准通道和测量通道的ADC信号的相位的计算。该方法在Bridges等人的美国专利第7,701,559号(‘559专利)中被详细地描述。计算包括使用’599专利的方程式(1)至方程式(8)。此外，当ADM首先开始测量目标时，将由合成器产生的频率改变数倍(例如三倍)，并计算每种情况下的可能的ADM距离。通过比较针对所选择的频率中的每个频率的可能的ADM距离来去除ADM测量的不确定性。’599专利的方程式(1)至方程式(8)与’599专利中描述的同步方法和Kalman滤波器方法结合使得ADM能够测量移动目标。在其他实施方式中，可以使用获得绝对距离测量结果的其他方法，例如脉冲飞行时间方法。
图4中的光纤网络136的实施方式被示出为图6中的光纤网络420A。该实施方式包括第一光纤耦合器430、第二光纤耦合器436以及低传输反射器435、440。第一光纤耦合器和第二光纤耦合器是分别具有两个输入端和两个输出端的2x2耦合器。这种类型的耦合器通常通过将两个光纤纤芯靠近放置然后将所述光纤拉伸来制成。以这种方式，所述光纤之间的倏逝波耦合可以将所述光中的期望的一部分分离到邻近的光纤中。光行进通过第一光纤耦合器430并且在两个路径之间分离，第一路径通过光纤433到达第二光纤耦合器436，并且第二路径通过光纤422和光纤长度均衡器423。光纤长度均衡器423连接至图4中的光纤138，光纤138行进至ADM电子装置140的基准通道。光纤长度均衡器423的目的是将在基准通道中光行进过的光纤的长度与在测量通道中光行进过的光纤的长度相匹配。以这种方式匹配光纤长度降低了由周围温度的改变引起的ADM误差。因为光纤的有效光路长度等于光纤的平均折射率乘以光纤的长度，因此会出现ADM误差。由于光纤的折射率取决于光纤的温度，所以光纤的温度的变化引起测量通道和基准通道的有效光路长度的变化。如果测量通道中的光纤的有效光路长度相对于基准通道中的光纤的有效光路长度发生变化，则结果是目标58的位置明显移动，即使目标58保持不动也如此。为了避免这个问题，采取了两个步骤。首先，尽可能地将基准通道中的光纤的长度与测量通道中的光纤的长度相匹配。其次，将测量光纤和基准光纤尽可能并排地布线到可以确保两个通道中的光纤经受几乎相同的温度变化。
光通过光纤433行进至第二光纤耦合器436并且分离到两个路径中，第一路径到达低反射光纤端子440并且第二路径到达光纤438，光从光纤438离开光纤网络。
图7中示出了光纤网络136的另一实施方式。在该实施方式中，光纤网络136包括第一光纤耦合器457、第二光纤耦合器463、两个低反射端子462、467、光开关468、回射器472以及到光开关的电输入469。光开关可以是几种类型。市售的并且相对便宜的类型是微机电***(MEMS)类型。该类型可以使用构造成例如半导体结构的一部分的小反射镜。可替代地，该开关可以是调制器，该调制器可用于在某波长处非常快地切换并且成本比MEMS型的开关高一些。开关还可以由光衰减器构成，光衰减器可以响应于电信号并且可以由被发送至衰减器的电信号来打开和关闭。在Bridges的美国公开专利申请公布第2011/0032509号中给出了对在选择光纤光开关中会考虑的规范的描述，该申请的内容通过引用合并至本文。通常，为了获得期望的性能以及简单性，该开关可以是光纤光开关。应当理解，以上所描述的光开关的概念应当基于两种颜色在光纤网络中具有同样好的效果。
光纤网络136包括光开关468和回射器472。通常，光从光纤465行进通过光开关468的上端口并且离开光纤470。然而，有时，当激光跟踪仪没有在测量目标时，光开关将来自光纤465的光信号转向至光纤471并且进入回射器472。将光切换至回射器472的目的是为了去除可能已在ADM***的部件中发生的任何热漂移。这样的部件可能包括例如光电子部件(诸如光学检测器)、ADM***的光纤、电子部件(诸如混频器、放大器、合成器以及模数转换器)、以及光学部件(诸如透镜和透镜支架)。例如，假设在第一时间发现测量通道的路径长度比具有将光转向至回射器472的光开关468的基准通道的路径长度长20mm。假设在随后的时间发现测量通道路径长度比具有将光转向至回射器472的光开关468的基准通道路径长度长20.003mm。ADM数据处理器会从随后的ADM读数中减去0.003mm。应当理解，该过程每当跟踪仪将ADM值设置在激光跟踪仪的原位处时重新开始。
在实施方式中，回射器472是图8中的光纤回射器472A。该类型的回射器一般是下述插芯472：具有光纤、在插芯的末端被抛光并且由涂层473覆盖，该涂层473可以是例如金或多层薄介电膜。在另一实施方式中，回射器472是图9的自由空间回射器472B，该自由空间回射器472B包括准直器474和回射器476，该回射器476可以是例如角锥回射器块。
图10中示出了光纤网络136的又一实施方式。在该实施方式中，光纤网络136包括第一光纤耦合器1730、第二光纤耦合器1740、第三光纤耦合器1750和三个低反射端子1738、1748、1758。来自光纤1781的光在输入端口处进入光纤网络136。光行进通过第一光纤耦合器1730。光中的一部分光在进入ADM电子装置140的基准通道之前行进通过光纤138和光纤长度补偿器423。光中的一些光在从光纤网络穿出到达光纤1753之前行进通过第二光纤耦合器1740和第三光纤耦合器1750。来自光纤1743的光进入第三耦合器1750，在第三耦合器1750处，来自光纤1743的光与经由光纤1790来自第二光源(未示出)的光进行组合以形成在光纤1753上行进的合成光束。光学耦合器1750是二色耦合器，这是因为光学耦合器1750被设计成用于两个波长。在光纤1753中传播的合成光束行进到激光跟踪仪的外部并且从目标58反射之后，合成光束又返回光纤网络136。来自第一光源的光通过第三光纤耦合器1750、第二光纤耦合器1740并且进入光纤148，该光纤148通向ADM电子装置140的测量通道。来自第二光源(未示出)的光返回光纤1790并且朝向第二光源(未示出)返回。
耦合器1730、1740和1750可以是熔融类型的。对于该类型的光学耦合器，将两个光纤纤芯/包层区域靠近在一起并且熔融。因此，通过倏逝波耦合在纤芯之间交换光。在两个不同波长的情况下，可以设计使得第一波长沿着原始光纤完全传输以及第二波长完全耦合到同一光纤的倏逝波耦合布置。通常，不可能将光完全(百分之百)耦合进耦合器1750。然而，可以从市面上买到为两个或更多个不同的波长提供良好耦合的、处于通用波长(例如980nm、1300nm以及1550nm)的光纤耦合器。此外，可以购得其他波长(包括可见光波长)的光纤耦合器，并且可以设计并且制造针对其他波长的光纤耦合器。例如，在图10中，可以配置光纤耦合器1750，以使得在第一波长处的第一光以低光学损耗从光纤1743行进至光纤1753。同时，该布置可以被配置成将光纤1790上的第二光几乎完全耦合到光纤1753。因此，可以以低损耗使第一光和第二光传输通过光纤耦合器并且传输到同一光纤1753上。可从市面上获得将波长大不相同的波长进行组合的光学耦合器。例如，可从市面上获得将1310nm波长的光与660nm波长的光进行组合的耦合器。在两个波长以单横模传播且在传播通过光纤期间具有相对较低的光功率损耗的情形下，为了传播通过较长距离，通常理想的是两个波长相对靠近。例如，两个所选择的波长可以是波长值相对靠近的633nm和780nm，并且可以在没有高损耗的情况下通过单模光纤传递较长距离。光纤网络136内的二色光纤耦合器1750的优点在于比自由空间光束分离器更紧凑。此外，二色光纤耦合器确保第一光和第二光非常好地对准，从而在生产期间不需要任何特定的对准过程。
返回参照图4，扫描仪部分36可以嵌入在例如下文讨论的图11中示出的扫描仪中。来自扫描仪部分36的光，例如约1550nm的红外光，沿着光学路径150行进至二色镜142。二色镜142被配置成反射来自扫描仪的光而使来自激光跟踪仪的光能够透过。来自扫描仪部分36的光行进至目标58并且沿着光学路径152返回至环状孔154。返回的光通过环状孔154并且沿着外光束路径行进，以沿着光学路径156从二色镜142反射并且返回至扫描仪部分36。在一个实施方式中，外光束路径(由环状孔154限定)与内光束路径(由孔146限定)同轴。通过环状孔154将光返回扫描仪可以获得以下优点：消除来自孔146的不想要的光，所述不想要的光会损坏从目标58反射的光。
在示例性实施方式中，孔146和环状孔154被同心地布置。在该实施方式中，孔146的直径为约15mm而环状孔154的内径为15mm而外径为35mm。
应当理解，在示例性实施方式中，二色镜142被定位在万向节点50处。以这种方式，来自扫描仪部分36和跟踪仪部分34两者的光可以看起来像起始于设备30中的同一点。在示例性实施方式中，跟踪仪部分34发射可见激光，而扫描仪部分36发射近红外光谱中的光。来自跟踪仪部分34的光的波长可以为约700nm而来自扫描仪部分36的光的波长可以为约1550nm。
图11中示出了扫描仪部分36的一个实施方式。在该实施方式中，扫描仪部分36包括通过准直器165发射光束162的光发射器160。光发射器160可以是发射约1550nm的范围中的波长的光的激光二极管。应当理解，可以使用具有例如较短或较长波长的其他电磁波。可以例如使用正弦波形调制信号或矩形波形调制信号对光束162进行强度调制或振幅调制。光束162被发送至分色光束分离器142，该分色光束分离器142使光束162反射通过孔146并且到达目标58上。在示例性实施方式中，光束162被从反射镜170和分色光束分离器172反射以使得光束162能够沿着期望的光学路径52、150行进。如将在下文中更加详细地讨论的那样，分色光束分离器172的使用提供下述优点：允许在操作期间结合获取图像的彩色照相机168。在其他实施方式中，光发射器160可以被布置成将光直接发射至二色镜142上，而不需要首先从反射镜170和分色光束分离器172反射。
如图4和图11所示，从跟踪仪部分34和扫描仪部分36发出的光都通过同一孔146。来自这些跟踪仪部分34和扫描仪部分36的光基本上共线并且沿着图1的路径52行进。在返回路径上，来自跟踪仪部分34的光被回射器目标反射，并且因此当其返回到设备30时大致准直。返回的跟踪仪光束通过孔146，孔146是光束通过其离开设备30的同一孔。另一方面，来自扫描仪部分36的光通常照射漫散射对象59并且当其返回时以宽阔的角度分散。所反射的光中的一小部分通过环状孔154，环状孔154被定位成使其内径与孔146的外径相同(或同心)。返回的光163从分色光束分离器反射，作为光束163通过透镜160，从反射表面180、178、176反射，并且在到达光学检测器之前通过光接收器182内的透镜组。返回的扫描仪光被引导通过环状孔154而不包括可以返回通过内孔146的任何光。由于射出的光束的光功率远远大于被对象返回的光，因此提供了下述优点：理想地，避免使从光学元件反射回的光沿着内孔146的路径。
在实施方式中，可选的彩色照相机168被布置为使得被对象反射的光的一部分通过二色镜172进入彩色照相机168。二色镜上的涂层被选择成使由彩色照相机采集的可见光波长通过而反射由光发射器160发射的波长的光。照相机168可以用粘合剂耦接至接收器透镜160或者耦接在例如凹部内。彩色照相机168使得能够通常通过在由扫描仪内的测距仪获取数据点之后的时间处进行几个不连续的步骤来获取彩色照片。
在实施方式中，蔽光框174被同轴地布置在接收器透镜160之后的光轴上。蔽光框174具有使返回光束163能够不受阻地通过的较大的区域。蔽光框174具有从光轴径向地向外定位的遮蔽区域以便减小返回光束163的强度，以这样的方式使返回的光的强度几乎能够与距设备30的不同对象距离相对等(comparable)。
在实施方式中，在蔽光框174之后的光轴上布置有后反射镜176。后反射镜176将被接收器透镜166折射的返回光束163朝向中心反射镜178反射。中心反射镜178被布置在光轴上的蔽光框174的中心。在具有彩色照相机168的实施方式中，该区域会被彩色照相机168遮挡。中心反射镜178可以是作用为负透镜(即，增大焦距)以及作用为近场矫正透镜(即移动被目标反射的返回光束163的焦点)两者的非球面反射镜。此外，仅对返回光束163通过布置在中心反射镜178上的蔽光框174的范围提供反射。中心反射镜178使返回光束反射通过后反射镜176中的中心孔180。
具有入口光圈、具有滤光器的准直器、采集透镜和光学检测器的光接收器182布置在与蔽光框174相对的后透镜176附近。在一个实施方式中，反射镜184将返回光束163偏转90°。
在一个实施方式中，扫描仪部分36可以具有一个或更多个处理器186，所述一个或更多个处理器186可以是与图3的扫描仪处理器电子装置96相同或者是图3的扫描仪处理器电子装置96的补充。处理器186对扫描仪部分36执行控制和评估功能。处理器186被耦接以与光发射器160和光接收器182通信。处理器186针对每个测量点基于发射光束162和返回光束163的飞行时间来确定设备30与目标58之间的距离。在其他实施方式中，处理器186及其功能可以集成在控制器64中，控制器64可以与图3的扫描仪处理器96、主处理器78、计算机74或网络化的元件76对应。
跟踪仪部分34和扫描仪部分36的光学测距仪可以使用飞行时间的原理来确定距离。应当理解，术语“飞行时间”在此处用于指示评估调制光以确定到目标的距离的任何方法。例如，可以使用正弦波调制来自跟踪仪部分34或扫描仪部分36的光的光功率(强度调制)。可以对所检测的光进行评估以确定基准光束与测量光束之间的相移，从而确定到目标的距离。在另一实施方式中，可以由具有近似矩形形状的脉冲光来调制光的光功率。在该情况下，可以在离开设备30的路上以及当返回设备30时测量脉冲的前沿。在该情况下，经过的时间用于确定到目标的距离。另一方法包括借助于外部调制器的调制根据时间来改变光的偏振状态，并且然后记录返回的光在通过偏光器之后消失时的调制频率。测量距离的许多其他方法都落入通用的飞行时间的类别内。
测量距离的另一通用方法被称为相干或干涉测量方法。与评估光束的光功率的前述方法不同，相干或干涉测量方法包括组合互相相干的两束光以使得发生电场的光学干涉。增加电场而非光功率与增加电压而非电功率类似。一种类型的相干测距仪包括根据时间改变光的波长。例如，可以以锯齿模式(周期性重复地线性改变)改变波长。使用这样的方法制造的设备有时被称为调频相干激光(FMCL)雷达。可以在跟踪仪部分34和扫描仪部分36的测距仪中使用相干或飞行时间的任何方法。
现在参照图12至图14，其示出了设备的实施方式，其中，为了清楚起见去除了前盖并且省略了一些光学部件和电子部件。在该实施方式中，设备30包括万向节组件3610，该万向节组件3610包括天顶轴3630以及具有配套管3622的光学工作台组件3620。天顶轴包括轴3634和配套管套3632。天顶轴3630可以用单片金属制造以便提高硬度和温度稳定性。图14示出了光学工作台组件3720和天顶轴3630的实施方式。光学工作台组件3720包括主光学组件3650和次光学组件3740。可以用单片金属制造主光学组件3650的壳体以改善硬度和温度稳定性并且该壳体可以包括配套管3622。在实施方式中，配套管3622的中心轴与配套管套3632的中心轴对准。在一个实施方式中，四个紧固件3664将次光学组件3740附接至主光学组件3650。配套管3622被***配套管套3632并且被三个螺丝3662保持在适当的位置。在实施方式中，配套管3622借助于配套管3622的一端上的两个销与该配套管套3632对准，所述销适配在孔3666中。
虽然万向节组件3610被设计成保持光学工作台3620，但是可以在天顶轴3630上设置其他类型的设备，例如照相机、激光雕刻机、视频跟踪仪、激光指示器以及角度测量设备或LIDAR***。由于由配套管套3632提供精密对准，因此这样的设备会被容易地并且精确地附接至万向节组件3610。在示例性实施方式中，跟踪仪部分34被布置在主光学组件3650内，而扫描仪部分36被设置在次光学组件3740中。在主光学组件3650中布置有二色镜142，如图14所示。
在操作中，如图15和图16所示，设备30具有取决于期望的***平的两个操作模式。第一模式(图15)使用跟踪仪部分34结合协作目标58，例如回射器目标，该回射器目标例如可以是球形安装的回射器(SMR)。在该第一模式下，设备30发射光束52，该光束52实际上朝向目标58通过万向节点50、二色镜142以及孔146。光束52照射目标58，并且所述光束中的一部分光沿着同一光学轨迹向后行进通过孔146和二色镜142到达跟踪仪部分34。然后，如以上参照图4至图10所讨论的那样，设备30确定从设备30到目标58的距离。在实施方式中，在该第一操作模式期间，扫描仪部分36不工作。
在图16示出的第二操作模式下，扫描仪部分36发射光束162，该光束162从二色镜142反射并且通过孔146射向目标58。应当理解，扫描仪部分36可以测量到非协作目标的距离而不需要目标(例如回射器)来获得测量。光反射(散射)离开目标58并且所述光中的一部分光163返回通过环状孔154。如上文所讨论的那样，理想的是返回的光163通过环状孔154，因为这提供了下述优点：降低来自光学元件的会损坏返回的光信号的背向反射。返回的光163从二色镜142反射回扫描仪部分36，于是如上文参照图11所讨论的那样确定了从设备30到目标58的距离。扫描仪部分36随着有效负载结构46绕方位轴44和天顶轴48同时旋转而连续地操作。在示例性实施方式中，光束162射向的路径随着有效负载46绕轴44、轴48的旋转而在单一方向上行进(例如，不反转)。该轨迹可以通过在单一方向上连续地旋转天顶电机和方位电机中的每个电机来实现。换句话说，在第二模式下，在天顶角和方位角连续地并且单调地改变的同时将光束引导至对象表面。注意，光束可以绕一个轴(天顶轴或方位轴)快速地***纵，同时绕另一轴相对较慢地***纵。在一个实施方式中，有效负载46运动的情形导致光束162遵循螺旋状轨迹。
应当理解，使扫描仪部分36操作成使得光束162的路径不需要反转提供了优于遵循光栅类型图案或随机图案的扫描仪的若干优点。首先，由于不需要使方向反转，因此可以有效地采集大量数据。因此，扫描仪部分36在以高采样速率(例如大于每秒一百万个三维点)获取数据的同时可以有效地扫描较大区域。其次，通过在单个方向上连续地行进，在光束与人相交的事件中，附着在人的区域上的总能量较小。这允许了更理想的IEC 60825-1激光分类。
在一个实施方式中，跟踪仪部分34以可见光光谱发射光束52。在该实施方式中，跟踪仪部分34可以在扫描仪部分36发射光束162时发射光束52。这是有益的，因为来自跟踪仪部分34的可见光52为操作员提供了可见基准。
现在参照图17和图18，其示出了操作设备30的方法。在框192中，方法190开始于选择跟踪仪部分34的操作模式。然后，该方法进行到框194，在框194中，激活跟踪仪部分34。然后，在框196中，万向节机制绕天顶轴和方位轴移动以朝向目标58操纵光束。在框198中，光从协作目标58反射并且通过孔146返回设备30。然后，在框200中，设备30计算从设备30到目标58的距离。在框202中，确定方位角和天顶角并且确定所测量的点的三维坐标(距离和两个角度)。可以重复该处理直到确定了所有期望的测量点为止。
现在参照图18，其示出了方法203，在框204中选择扫描仪部分36。然后，该方法203进行到框206，在框206中，激活扫描仪部分36。在框208中，在期望提供可见基准光的情况下，激活来自跟踪仪部分34的光。从扫描仪部分36通过孔146朝向目标58发射光。在示例性实施方式中，如在框209中所指示的那样，沿着在单个方向上且不使方向反转的轨迹(例如螺旋形状)从扫描仪部分36发射光。光从目标58反射并且朝向设备30返回。在框210中，返回的光通过环状孔154接收。在框212中确定从设备30到目标58的距离。在框214中，确定方位角和天顶角并且确定目标58上的所测量的点的坐标(距离和两个角度)。
可以以不同的方式执行将光束从扫描仪部分36引导至对象59的方法。在第一实施方式中，用面向大体相同方向的万向节组件3610来引导来自扫描仪部分36的光。在该操作模式中，光束被引导至任何期望的点。在第二实施方式中，使用以相对快速的恒定速率绕轴旋转的万向节组件3610来引导来自扫描仪部分36的光，所述轴可以是方位轴或天顶轴。另一轴也移动但是以相对较慢的速率。以这种方式，以慢的螺旋状来引导光束。对于第二实施方式，可以快速地执行对大体积的彻底扫描。第二实施方式的另一优点在于不断移动的光束在其连续移动期间照射人眼的瞳孔的时间较短。因此，可以在提供期望的IEC 60825-1分类的情况下使用较高的激光功率。
现在参照图19，其示出了设备30的另一实施方式，该设备30具有在跟踪仪部分34内的第一绝对测距仪以及在扫描仪部分36内的第二绝对测距仪，部分34和部分36耦接至有效负载结构46。在该实施方式中，跟踪仪部分34和扫描仪36不通过共用的光学轨迹发射光。跟踪仪部分34被布置成在第一径向上引导光束52而扫描仪36被布置成在朝向表面58’的第二径向上引导光束162。定义第一径向与第二径向之间的角为θ。在示例性实施方式中，角θ为90度。在其他实施方式中，角θ在5度与180度之间。然而，可以使用使跟踪仪部分34和扫描仪部分36能够定位在有效负载结构46内的任何角度。应当理解，当有效负载结构46绕方位轴44旋转时，跟踪仪部分34和扫描仪46被定向在同一方位角上。
现在参照图20，其示出了设备30的另一实施方式，设备30具有跟踪仪部分34和扫描仪部分36。在该实施方式中，跟踪仪部分被定向为与扫描仪部分36平行，并且使用反射镜216将光束52朝向分色光束分离器142反射。在该实施方式中，分色光束分离器142被配置成反射光束52而使来自扫描仪部分36的光束162能够通过。
光束52、162通过孔146并且沿着光轴A被导向成角度的旋转反射镜218，所述成角度的旋转反射镜218被布置成绕水平轴48旋转。发出的光束52、162从反射镜的中心C10处反射，在中心C10处，光束52、162被反射并且朝目标58(对于跟踪仪部分)或表面58’(对于扫描仪部分)转向。中心C10限定基准***的原点。来自目标58或表面58’的反射光从旋转反射镜218反射回并且朝孔146返回。光束52从旋转反射镜218的中心C10处反射并且通过孔146返回。光束52在返回跟踪仪部分34之前从二色镜142和反射镜216反射。返回光束163在返回扫描仪36之前从旋转反射镜218反射并且通过环状孔154。
发射光束52、162和反射光的方向由旋转反射镜218绕水平轴48和竖直轴44的角度位置导致。角度位置分别由编码器54、56测量。应当理解，在一个操作模式下，借助于快速旋转的反射镜16和慢速旋转的有效负载结构46来执行由跟踪仪部分34和扫描仪部分36进行的测量。因此，随着设备沿着圆周前进可以逐步测量全部空间。
虽然仅结合有限数目个实施方式来详细地描述了本发明，但是应当容易理解，本发明不限于所公开的实施方式。而是可以修改本发明以包括前文未描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数目的变型、改变、替代或等效布置。此外，虽然已描述了本发明的各种实施方式，但是应该理解的是，本发明的各方面可以仅包括所描述的实施方式中的一些实施方式。因此，本发明不被看作受限于前文的描述，而仅受限于所附权利要求的范围。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何顺序或重要性，替代地术语第一、第二等用于将一个元件与另一个元件进行区分。此外，单数量词(a、an)等的使用不表示对数量的限制，而是表示存在被引用的项中的至少之一。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种坐标测量设备，包括：
光学传递***；
第一绝对测距仪，所述第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，所述第一光源被配置成通过所述光学传递***将第一光发送至回射器目标，所述第一光学检测器还被配置成响应于由所述回射器目标反射的第一光而生成第一电信号并且将所述第一电信号传输到所述第一电路，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述第一电信号来确定从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
第二绝对测距仪，所述第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，所述第二光源被配置成通过所述光学传递***将第二光发送至对象表面，所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的第二光进行接收，所述第二光学检测器还被配置成响应于由所述对象表面反射的第二光而生成第二电信号并且将所述第二电信号发送至所述第二电路，所述第二电路被配置成至少部分地基于所述第二电信号来确定从所述坐标测量设备到所述对象表面的第二距离；
结构，所述结构能够操作地耦接至所述光学传递***、所述第一绝对测距仪以及所述第二绝对测距仪；
第一电机，所述第一电机被配置成绕第一轴旋转所述结构；
第一角度传感器，所述第一角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第一角度传感器被配置成对绕所述第一轴的第一旋转角度进行测量；
第二电机，所述第二电机被配置成绕第二轴旋转所述结构，所述第二轴与所述第一轴基本上垂直；
第二角度传感器，所述第二角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第二角度传感器被配置成对绕所述第二轴的第二旋转角度进行测量；
位置检测器，所述位置检测器被配置成对由所述坐标测量设备发射的并且由所述回射器目标反射的辐射的一部分进行接收，所述位置检测器被配置成至少部分地基于辐射的一部分照射所述位置检测器处的位置来生成第三电信号；以及
处理器，所述处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，所述第一模式包括：至少部分地基于所述第三电信号来跟踪所述回射器目标，至少部分地基于所述回射器目标在第一位置处的第一旋转角度、所述回射器目标在所述第一位置处的第二旋转角度以及所述回射器目标在所述第一位置处的第一距离来确定所述回射器目标的第一三维坐标，所述第二模式包括在连续地并且单调地改变所述第一旋转角度和所述第二旋转角度的同时将所述第一光引导至所述对象表面，所述第二模式还包括至少部分地基于所述对象表面上的点的第一旋转角度、所述对象表面上的所述点的第二旋转角度以及所述对象表面上的所述点的第二距离来确定所述对象表面上的所述点的第二三维坐标。
2.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，
所述光学传递***具有内光束路径和外光束路径，所述外光束路径与所述内光束路径同轴并且所述外光束路径在所述内光束路径的外部；
所述第一光学检测器被配置成对被所述回射器目标反射的并且通过所述光学传递***的内光束路径的第一光进行接收；并且
所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的外光束路径的第二光进行接收。
3.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，单向地旋转所述结构以沿着具有螺旋状的轨迹发射所述第二光。
4.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，所述光学传递***还包括被定位成接收所述第二光的一部分的环状孔。
5.根据权利要求4所述的坐标测量设备，其中，所述控制器被配置成当所述第二绝对测距仪发射所述第二光时发射所述第一光束。
6.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，所述第一光具有约700纳米的波长。
7.根据权利要求6所述的坐标测量设备，其中，所述第二光具有约1550纳米的波长。
8.一种坐标测量设备，包括：
结构；
第一电机，所述第一电机被配置成绕第一轴旋转所述结构；
第一角度传感器，所述第一角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第一角度传感器被配置成对绕所述第一轴的第一旋转角度进行测量；
第二电机，所述第二电机被配置成绕第二轴旋转所述结构，所述第二轴与所述第一轴基本上垂直，所述第二轴的投射与所述第一轴的投射相交于万向节点；
第二角度传感器，所述第二角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第二角度传感器被配置成对绕所述第二轴的第二旋转角度进行测量；
光学传递***，所述光学传递***能够操作地耦接至所述结构；
第一绝对测距仪，所述第一绝对测距仪能够操作地耦接至所述结构，所述第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，所述第一光源被配置成通过所述光学传递***将第一光沿着从所述万向节点延伸的第一线的一部分发送至回射器目标，所述第一线与所述第一轴垂直，所述第一光学检测器被配置成对被所述回射器目标反射的并且通过光学传递***的第一光进行接收，所述第一光学检测器还被配置成响应于由所述回射器目标反射的第一光而生成第一电信号并且将所述第一电信号传输到所述第一电路，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述第一电信号来确定从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
第二绝对测距仪，所述第二绝对测距仪能够操作地耦接至所述结构，所述第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，所述第二光源被配置成通过所述光学传递***将第二光沿着从所述万向节点延伸的第二线的一部分发送至对象表面，所述第二线与所述第一轴垂直，所述第二线与所述第一线不同，所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的第二光进行接收，所述第二光学检测器还被配置成响应于由所述对象表面反射的第二光而生成第二电信号并且将所述第二电信号发送至所述第二电路，所述第二电路被配置成至少部分地基于所述第二电信号来确定从所述坐标测量设备到所述对象表面的第二距离；
位置检测器，所述位置检测器被配置成对由所述坐标测量设备发射的并且由所述回射器目标反射的辐射的一部分进行接收，所述位置检测器被配置成至少部分地基于辐射的一部分照射所述位置检测器处的位置来生成第三电信号；以及
处理器，所述处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，所述第一模式包括：至少部分地基于所述第三电信号来跟踪所述回射器目标，至少部分地基于所述回射器目标在第一位置处的第一旋转角度、所述回射器目标在所述第一位置处的第二旋转角度以及所述回射器目标在所述第一位置处的第一距离来确定所述回射器目标的第一三维坐标，所述第二模式包括绕所述第一轴旋转所述结构并且至少部分地基于所述对象表面上的点的第一旋转角度、所述对象表面上的所述点的第二旋转角度以及所述对象表面上的所述点的第二距离来确定所述对象表面上的所述点的第二三维坐标。
9.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，所述第一线在第一径向上延伸并且所述第二线在第二径向上延伸，从而限定了在所述第一线与所述第二线之间的角度，所述角度在5度至180度之间。
10.根据权利要求9所述的坐标测量设备，其中，所述角度为90度。
11.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，所述第一光具有约700纳米的波长。
12.根据权利要求9所述的坐标测量设备，其中，所述第二光具有约1550纳米的波长。
13.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，所述光学传递***还包括被定位成接收所述第二光的一部分的环状孔。
14.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，所述控制器被配置成当所述第二绝对测距仪发射所述第二光时发射所述第一光。
15.一种坐标测量设备，包括：
光学传递***；
第一绝对测距仪，所述第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，所述第一光源被配置成通过所述光学传递***将第一光发送至回射器目标，所述第一光学检测器被配置成对由所述回射器目标反射的并且通过所述光学传递***的第一光进行接收，所述第一光学检测器还被配置成响应于由所述回射器目标反射的第一光而生成第一电信号并且将所述第一电信号传输到所述第一电路，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述第一电信号来确定从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
第二绝对测距仪，所述第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，所述第二光源被配置成通过所述光学传递***将第二光发送至对象表面，所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的第二光进行接收，所述第二光学检测器还被配置成响应于由所述对象表面反射的第二光而生成第二电信号并且将所述第二电信号发送至所述第二电路，所述第二电路被配置成至少部分地基于所述第二电信号来确定从所述坐标测量设备到所述对象表面的第二距离；
结构，所述结构能够操作地耦接至所述光学传递***、所述第一绝对测距仪以及所述第二绝对测距仪，所述结构包括被安装成便于旋转的反射镜，所述反射镜被布置在所述第一光和所述第二光的光学路径内；
第一电机，所述第一电机被配置成绕第一轴旋转所述结构；
第一角度传感器，所述第一角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第一角度传感器被配置成对绕所述第一轴的第一旋转角度进行测量；
第二电机，所述第二电机被配置成绕第二轴旋转所述反射镜，所述第二轴与所述第一轴基本上垂直；
第二角度传感器，所述第二角度传感器能够操作地耦接至所述反射镜，所述第二角度传感器被配置成对绕所述第二轴的第二旋转角度进行测量；
位置检测器，所述位置检测器被配置成对由所述坐标测量设备发射的并且由所述回射器目标反射的辐射的一部分进行接收，所述位置检测器被配置成至少部分地基于辐射的一部分照射所述位置检测器处的位置来生成第三电信号；以及
处理器，所述处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，所述第一模式包括：至少部分地基于所述第三电信号来跟踪所述回射器目标，至少部分地基于所述回射器目标在第一位置处的第一旋转角度、所述回射器目标在所述第一位置处的第二旋转角度以及所述回射器目标在所述第一位置处的第一距离来确定所述回射器目标的第一三维坐标，所述第二模式包括绕所述第一轴旋转所述结构并且至少部分地基于所述对象表面上的点的第一旋转角度、所述对象表面上的所述点的第二旋转角度以及所述对象表面上的所述点的第二距离来确定所述对象表面上的所述点的第二三维坐标。
16.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，在所述第二模式下，所述第一电机以第一速度旋转所述结构并且所述第二电机以第二速度旋转所述反射镜，所述第二速度大于所述第一速度。
17.根据权利要求16所述的坐标测量设备，其中，所述第二模式包括绕所述第一轴单向地旋转所述结构。
18.根据权利要求17所述的坐标测量设备，其中，所述第一轴的单向旋转沿着具有螺旋状的轨迹发射所述第二光。
19.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，所述第一光具有约700纳米的波长。
20.根据权利要求19所述的坐标测量设备，其中，所述第二光具有约1550纳米的波长。
21.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，所述光学传递***还包括被定位成接收所述第二光的一部分的环状孔。
22.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，所述控制器被配置成当所述第二绝对测距仪发射所述第二光时发射所述第一光。

Claims (22)

1.一种坐标测量设备，包括：
光学传递***；
第一绝对测距仪，所述第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，所述第一光源被配置成通过所述光学传递***将第一光发送至回射器目标，所述第一光学检测器还被配置成响应于所回射的第一光而生成第一电信号并且将所述第一电信号传输到所述第一电路，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述第一电信号来确定从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
第二绝对测距仪，所述第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，所述第二光源被配置成通过所述光学传递***将第二光发送至对象表面，所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的第二光进行接收，所述第二光学检测器还被配置成响应于所反射的第二光而生成第二电信号并且将所述第二电信号发送至所述第二电路，所述第二电路被配置成至少部分地基于所述第二电信号来确定从所述坐标测量设备到所述对象表面的第二距离；
结构，所述结构能够操作地耦接至所述光学传递***、所述第一绝对测距仪以及所述第二绝对测距仪；
第一电机，所述第一电机被配置成绕第一轴旋转所述结构；
第一角度传感器，所述第一角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第一角度传感器被配置成对绕所述第一轴的第一旋转角度进行测量；
第二电机，所述第二电机被配置成绕第二轴旋转所述结构，所述第二轴与所述第一轴基本上垂直；
第二角度传感器，所述第二角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第二角度传感器被配置成对绕所述第二轴的第二旋转角度进行测量；
位置检测器，所述位置检测器被配置成对由所述坐标测量设备发射的并且由所述回射器反射的辐射的一部分进行接收，所述位置检测器被配置成至少部分地基于所述辐射的一部分照射所述位置检测器处的位置来生成第三电信号；以及
处理器，所述处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，所述第一模式包括：至少部分地基于所述第三电信号来跟踪所述回射器目标，至少部分地基于所述回射器目标在第一位置处的第一角度、所述回射器目标在所述第一位置处的第二角度以及所述回射器目标在所述第一位置处的第一距离来确定所述回射器目标的第一三维坐标，所述第二模式包括在连续地并且单调地改变所述第一角度和所述第二角度的同时将光束引导至所述对象表面，所述第二模式还包括至少部分地基于所述对象表面上的点的第一角度、所述对象表面上的所述点的第二角度以及所述对象表面上的所述点的第二距离来确定所述对象表面上的所述点的第二三维坐标。
2.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，
所述光学传递***具有内光束路径和外光束路径，所述外光束路径与所述内光束路径同轴并且所述外光束路径在所述内光束路径的外部；
所述第一光学检测器被配置成对被所述回射器目标反射的并且通过所述光学传递***的内光束路径的第一光进行接收；并且
所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的外光束路径的第二光进行接收。
3.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，单向地旋转所述结构以沿着具有螺旋状的轨迹发射所述第二光。
4.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，所述光学传递***还包括被定位成接收所述第二光束的一部分的环状孔。
5.根据权利要求4所述的坐标测量设备，其中，所述控制器被配置成当所述第二绝对测距仪发射所述第二光束时发射所述第一光束。
6.根据权利要求1所述的坐标测量设备，其中，所述第一光束具有约700纳米的波长。
7.根据权利要求6所述的坐标测量设备，其中，所述第二光束具有约1550纳米的波长。
8.一种坐标测量设备，包括：
结构；
第一电机，所述第一电机被配置成绕第一轴旋转所述结构；
第一角度传感器，所述第一角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第一角度传感器被配置成对绕所述第一轴的第一旋转角度进行测量；
第二电机，所述第二电机被配置成绕第二轴旋转所述结构，所述第二轴与所述第一轴基本上垂直，所述第二轴的投射与所述第一轴的投射相交于万向节点；
第二角度传感器，所述第二角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第二角度传感器被配置成对绕所述第二轴的第二旋转角度进行测量；
光学传递***，所述光学传递***能够操作地耦接至所述结构；
第一绝对测距仪，所述第一绝对测距仪能够操作地耦接至所述结构，所述第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，所述第一光源被配置成通过所述光学传递***将第一光沿着从所述万向节点延伸的第一线的一部分发送至回射器目标，所述第一线与所述第一轴垂直，所述第一光学检测器被配置成对被所述回射器目标反射的并且通过光学传递***的第一光进行接收，所述第一光学检测器还被配置成响应于所回射的第一光而生成第一电信号并且将所述第一电信号传输到所述第一电路，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述第一电信号来确定从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
第二绝对测距仪，所述第二绝对测距仪能够操作地耦接至所述结构，所述第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，所述第二光源被配置成通过所述光学传递***将第二光沿着从所述万向节点延伸的第二线的一部分发送至对象表面，所述第二线与所述第一轴垂直，所述第二线与所述第一线不同，所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的第二光进行接收，所述第二光学检测器还被配置成响应于所反射的第二光而生成第二电信号并且将所述第二电信号发送至所述第二电路，所述第二电路被配置成至少部分地基于所述第二电信号来确定从所述坐标测量设备到所述对象表面的第二距离；
位置检测器，所述位置检测器被配置成对由所述坐标测量设备发射的并且由所述回射器反射的辐射的一部分进行接收，所述位置检测器被配置成至少部分地基于所述辐射的一部分照射所述位置检测器处的位置来生成第三电信号；以及
处理器，所述处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，所述第一模式包括：至少部分地基于所述第三电信号来跟踪所述回射器目标，至少部分地基于所述回射器目标在第一位置处的第一角度、所述回射器目标在所述第一位置处的第二角度以及所述回射器目标在所述第一位置处的第一距离来确定所述回射器目标的第一三维坐标，所述第二模式包括绕所述第一轴旋转所述结构并且至少部分地基于所述对象表面上的点的第一角度、所述对象表面上的所述点的第二角度以及所述对象表面上的所述点的第二距离来确定所述对象表面上的所述点的第二三维坐标。
9.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，第一径向与第二径向限定了在所述第一径向与所述第二径向之间的角度，所述角度在5度至180度之间。
10.根据权利要求9所述的坐标测量设备，其中，所述角度为90度。
11.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，所述第一光束具有约700纳米的波长。
12.根据权利要求9所述的坐标测量设备，其中，所述第二光束具有约1550纳米的波长。
13.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，所述光学传递***还包括被定位成接收所述第二光束的一部分的环状孔。
14.根据权利要求8所述的坐标测量设备，其中，所述控制器被配置成当所述第二绝对测距仪发射所述第二光束时发射所述第一光束。
15.一种坐标测量设备，包括：
光学传递***；
第一绝对测距仪，所述第一绝对测距仪包括第一光源、第一光学检测器以及第一电路，所述第一光源被配置成通过所述光学传递***将第一光发送至回射器目标，所述第一光学检测器被配置成对由所述回射器目标反射的并且通过所述光学传递***的第一光进行接收，所述第一光学检测器还被配置成响应于所回射的第一光而生成第一电信号并且将所述第一电信号传输到所述第一电路，所述第一电路被配置成至少部分地基于所述第一电信号来确定从所述坐标测量设备到所述回射器目标的第一距离；
第二绝对测距仪，所述第二绝对测距仪包括第二光源、第二光学检测器以及第二电路，所述第二光源被配置成通过所述光学传递***将第二光发送至对象表面，所述第二光学检测器被配置成对被所述对象表面反射的并且通过所述光学传递***的第二光进行接收，所述第二光学检测器还被配置成响应于所反射的第二光而生成第二电信号并且将所述第二电信号发送至所述第二电路，所述第二电路被配置成至少部分地基于所述第二电信号来确定从所述坐标测量设备到所述对象表面的第二距离；
结构，所述结构能够操作地耦接至所述光学传递***、所述第一绝对测距仪以及所述第二绝对测距仪，所述结构包括被安装成便于旋转的反射镜，所述反射镜被布置在所述第一光和第二光的光学路径内；
第一电机，所述第一电机被配置成绕第一轴旋转所述结构；
第一角度传感器，所述第一角度传感器能够操作地耦接至所述结构，所述第一角度传感器被配置成对绕所述第一轴的第一旋转角度进行测量；
第二电机，所述第二电机配置成绕第二轴旋转所述反射镜，所述第二轴与所述第一轴基本上垂直；
第二角度传感器，所述第二角度传感器能够操作地耦接至所述反射镜，所述第二角度传感器被配置成对绕所述第二轴的第二旋转角度进行测量；
位置检测器，所述位置检测器被配置成对由所述坐标测量设备发射的并且由所述回射器反射的辐射的一部分进行接收，所述位置检测器被配置成至少部分地基于所述辐射的一部分照射所述位置检测器处的位置来生成第三电信号；以及
处理器，所述处理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下进行操作的计算机可读介质，所述第一模式包括：至少部分地基于所述第三电信号来跟踪所述回射器目标，至少部分地基于所述回射器目标在第一位置处的第一角度、所述回射器目标在所述第一位置处的第二角度以及所述回射器目标在所述第一位置处的第一距离来确定所述回射器目标的第一三维坐标，所述第二模式包括绕所述第一轴旋转所述结构并且至少部分地基于所述对象表面上的点的第一角度、所述对象表面上的所述点的第二角度以及所述对象表面上的所述点的第二距离来确定所述对象表面上的所述点的第二三维坐标。
16.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，在所述第二模式下，所述第一电机以第一速度旋转所述结构并且所述第二电机以第二速度旋转所述反射镜，所述第二速度大于所述第一速度。
17.根据权利要求16所述的坐标测量设备，其中，所述第二模式包括绕所述第一轴单向地旋转所述结构。
18.根据权利要求17所述的坐标测量设备，其中，所述第一轴的单向旋转沿着具有螺旋状的轨迹发射所述第二光。
19.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，所述第一光束具有约700纳米的波长。
20.根据权利要求19所述的坐标测量设备，其中，所述第二光束具有约1550纳米的波长。
21.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，所述光学传递***还包括被定位成接收所述第二光束的一部分的环状孔。
22.根据权利要求15所述的坐标测量设备，其中，所述控制器被配置成当所述第二绝对测距仪发射所述第二光束时发射所述第一光束。
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