DE112014003088T5

DE112014003088T5 - Lasertracker, der mit einem entfernten Kamerastab und Koordinatenmessgerät zusammenwirkt

Info

Publication number: DE112014003088T5
Application number: DE112014003088.0T
Authority: DE
Inventors: Bernd-Dietmar Becker; Robert E. Bridges
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-03-31
Also published as: US9476695B2; WO2015003108A1; US20150015700A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System, das einen Lasertracker, einen Kamerastab, ein Zusatzteil und ein elektrisches System umfasst, wobei der Kamerastab eine Montagestruktur, zwei Kameras und drei nicht-kollineare Reflektorpunkte umfasst, wobei das Zusatzteil eine Vielzahl von Lichtmarkierungen umfasst, wobei das elektrische System einen Prozessor umfasst, der bewirkt, dass der Tracker 3D-Koordinaten der drei Reflektorpunkte misst, die Lichtmarkierungen mit der Kamera misst und eine Position und Orientierung der Baugruppe in einem Trackerkoordinatensystem ermittelt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 3. Juli 2013 angemeldeten US-amerikanischen vorläufigen Patentanmeldung, Aktenzeichen 61/842,572, deren gesamter Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird.
Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät. Ein Satz von Koordinatenmessgeräten gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punkts durch Senden eines Laserstrahls zu dem Punkt messen. Der Laserstrahl kann direkt auf den Punkt oder auf ein Retroreflektorziel, das sich in Kontakt mit dem Punkt befindet, auftreffen. In jedem der beiden Fälle ermittelt das Instrument die Koordinaten des Punkts, indem es den Abstand und die zwei Winkel zu dem Ziel misst. Der Abstand wird mit einem Distanzmessgerät wie beispielsweise einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus in dem Instrument lenkt den Laserstrahl zu dem betreffenden Punkt.
Ein anderer Satz von Koordinatenmessgeräten gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die 3D-Koordinaten eines Punkts messen, indem sie beleuchtete Lichtpunkte mit zwei oder mehr Kameras messen und die Triangulation der von den Kameras aufgefangenen Bilder anwenden, um die 3D-Koordinaten der beleuchteten Punkte zu ermitteln.
Ein dritter Satz von Koordinatenmessgeräten misst Koordinaten durch Projizieren eines Lichtmusters auf ein Objekt, Aufnehmen des vom Objekt reflektierten Lichts mit einer Kamera und Anwenden der Triangulation zur Ermittlung der 3D-Koordinaten von Punkten auf dem Objekt.
Der Lasertracker ist ein besonderer Typ eines Koordinatenmessgeräts, das das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlen verfolgt, den bzw. die es emittiert. Koordinatenmessgeräte, die nahe mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Laserscanner und die Totalstation. Der Laserscanner sendet schrittweise einen oder mehrere Laserstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt das von der Oberfläche gestreute Licht auf und ermittelt aus diesem Licht den Abstand und zwei Winkel zu jedem Punkt. Die Totalstation, die am häufigsten bei Vermessungsanwendungen eingesetzt wird, kann zum Messen der Koordinaten von diffus streuenden bzw. retroreflektierenden Zielen verwendet werden. Der Begriff „Lasertracker“ wird nachfolgend in weitem Sinn so benutzt, dass er Laserscanner und Totalstationen umfasst.
Normalerweise sendet der Lasertracker einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel. Ein üblicher Typ eines Retroreflektorziels ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR; spherically mounted retroreflector), der einen in eine Metallkugel eingebetteten Würfelecken-Retroreflektor umfasst. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrechte Spiegel. Der Scheitelpunkt, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Wegen dieser Anordnung der Würfelecke in der Kugel bleibt der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt zu einer beliebigen Oberfläche, auf welcher der SMR aufliegt, sogar konstant, während der SMR gedreht wird. Demzufolge kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche messen, indem er der Position eines SMR folgt, während dieser über die Oberfläche bewegt wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Lasertracker lediglich drei Freiheitsgrade (einen Radialabstand und zwei Winkel) messen muss, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.
Ein Lasertrackertyp enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne einen Absolutdistanzmesser (ADM). Falls ein Objekt den Weg des von einem dieser Tracker austretenden Laserstrahls blockiert, verliert das IFM seinen Abstandsbezug. Der Bediener muss dann den Retroreflektor zu einer bekannten Stelle nachführen, um die Rückstellung auf einen Referenzabstand durchzuführen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Eine Methode zur Umgehung dieser Einschränkung besteht darin, einen ADM in den Tracker einzubringen. Der ADM kann den Abstand in einer Anvisieren-und-Auslösen-Weise messen, die nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
Es kann ein Kardanmechanismus in dem Lasertracker verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Tracker auf den SMR zu richten. Ein Teil des von dem SMR retroreflektierten Lichts tritt in den Lasertracker ein und geht anschließend auf einen Positionsdetektor durch. Ein Steuersystem im Lasertracker kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor nutzen, um die Drehwinkel der mechanischen Achslinien des Lasertrackers derart einzustellen, dass der Laserstrahl auf den SMR zentriert bleibt. Auf diese Weise ist der Tracker in der Lage, einem SMR zu folgen (nachgeführt zu werden), der über die Oberfläche eines betreffenden Objekts bewegt wird.
Winkelmessgeräte wie beispielsweise Winkelkodierer werden an den mechanischen Achslinien des Trackers befestigt. Die eine Abstandsmessung und die zwei Winkelmessungen, die der Lasertracker durchführt, reichen aus, um die 3D-Position des SMR vollständig anzugeben.
Mehrere Lasertracker sind verfügbar oder wurden für die Messung von sechs Freiheitsgraden statt der üblichen drei Freiheitsgrade vorgeschlagen. Beispielhafte Systeme mit sechs Freiheitsgraden (6-DOF-Systeme; im Engl. „six degrees of freedom“) werden in dem an Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 7,800,758 (’758), dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, und in dem an Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 8,525,983 (’983), dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird, beschrieben.
3D-Messinstrumente werden heute benötigt, um neue Messkapazitäten zur Verfügung zu stellen. Eine solche Kapazität ist die der Messung von detaillierten Merkmalen entfernter Objekte mit relativ hoher Genauigkeit. Solche Messungen können entweder mit einer Tastsonde oder einem Scanner durchgeführt werden. Andere solche Kapazitäten umfassen das Projizieren feiner Muster auf ein Objekt oder das Erfassen physikalischer Attribute auf einem Objekt, wo die Position des Objekts im dreidimensionalen Raum genau bekannt ist.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein System einen Lasertracker mit einem Trackerkoordinatensystem; einen Kamerastab mit einem Kamerastab-Koordinatensystem, wobei der Kamerastab eine Montagestruktur, eine erste Kamera, eine zweite Kamera, einen ersten Reflektorpunkt, einen zweiten Reflektorpunkt und einen dritten Reflektorpunkt umfasst, wobei die erste Kamera und die zweite Kamera an die Montagestruktur gekoppelt sind, wobei der erste Retroreflektor einen ersten Reflektorpunkt mit einer ersten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der zweite Retroreflektor einen zweiten Reflektorpunkt mit einer zweiten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der dritte Retroreflektor einen dritten Reflektorpunkt mit einer dritten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der erste Reflektorpunkt, der zweite Reflektorpunkt und der dritte Reflektorpunkt nicht-kollinear sind, wobei die erste Kamera eine erste Position und eine erste Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei die zweite Kamera eine zweite Position und eine zweite Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist; ein Zusatzteil, das einen Montagerahmen mit einem Montagerahmen-Koordinatensystem und eine Vielzahl von Lichtmarkierungen, die an den Montagerahmen gekoppelt sind und 3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweisen, umfasst; und ein elektrisches System, das einen Prozessor umfasst, der einen computerausführbaren Programmcode ausführt, der, wenn er vom Prozessor ausgeführt wird, Rechenvorgänge durchführt, die Folgendes umfassen: Bewirken, dass der Tracker 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, des zweiten Reflektorpunkts und des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem misst, Bewirken, dass die erste Kamera ein erstes Bild eines Subsatzes der Vielzahl von Lichtmarkierungen aufnimmt und ein erstes digitales Signal als Reaktion erzeugt, Bewirken, dass die zweite Kamera ein zweites Bild des Subsatzes aufnimmt und ein zweites digitales Signal als Reaktion erzeugt, und Ermitteln einer Rahmenposition und einer Rahmenorientierung des Montagerahmens im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf den 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, den 3D-Koordinaten des zweiten Reflektorpunkts und den 3D-Koordinaten des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem, der ersten Reflektor-3D-Koordinate, der zweiten Reflektor-3D-Koordinate, der dritten Reflektor-3D-Koordinate, der ersten Position, der ersten Orientierung, der zweiten Position und der zweiten Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem, den 3D-Koordinaten des Subsatzes von Lichtmarkierungen im Montagerahmen-Koordinatensystem, dem ersten digitalen Signal und dem zweiten digitalen Signal.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Lasertrackers mit einem Trackerkoordinatensystem; Bereitstellen eines Kamerastabs mit einem Kamerastab-Koordinatensystem, wobei der Kamerastab eine Montagestruktur, eine erste Kamera, eine zweite Kamera, einen ersten Retroreflektor, einen zweiten Retroreflektor und einen dritten Retroreflektor umfasst, wobei die erste Kamera, die zweite Kamera, der erste Retroreflektor, der zweite Retroreflektor und der dritte Retroreflektor an die Montagestruktur gekoppelt sind, wobei der erste Retroreflektor einen ersten Reflektorpunkt mit einer ersten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der zweite Retroreflektor einen zweiten Reflektorpunkt mit einer zweiten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der dritte Retroreflektor einen dritten Reflektorpunkt mit einer dritten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der erste Reflektorpunkt, der zweite Reflektorpunkt und der dritte Reflektorpunkt nicht-kollinear sind; wobei die erste Kamera eine erste Position und eine erste Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei die zweite Kamera eine zweite Position und eine zweite Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist; Bereitstellen eines Zusatzteils, das einen Montagerahmen mit einem Montagerahmen-Koordinatensystem und eine Vielzahl von Lichtmarkierungen, die an den Montagerahmen gekoppelt sind und 3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweisen, umfasst; und Bereitstellen eines elektrischen Systems, das einen Prozessor umfasst; Messen von 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, des zweiten Reflektorpunkts und des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem mit dem Lasertracker; Aufnehmen, mit der ersten Kamera, eines ersten Bilds eines Subsatzes der Vielzahl von Lichtmarkierungen und Erzeugen eines ersten digitalen Signals als Reaktion; Aufnehmen, mit der zweiten Kamera, eines zweiten Bilds des Subsatzes und Erzeugen eines zweiten digitalen Signals als Reaktion; Ermitteln einer Rahmenposition und einer Rahmenorientierung des Montagerahmens im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf den 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, des zweiten Reflektorpunkts und des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem, der ersten Reflektor-3D-Koordinate, der zweiten Reflektor-3D-Koordinate, der dritten Reflektor-3D-Koordinate, der ersten Position, der ersten Orientierung, der zweiten Position, der zweiten Orientierung, dem ersten digitalen Signal, dem zweiten digitalen Signal und den 3D-Koordinaten des Subsatzes von Lichtmarkierungen; und Speichern der Rahmenposition und der Rahmenorientierung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt sind, die nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
1: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einem Retroreflektorziel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einer 6-DOF-Sonde gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
3: ein Blockdiagramm, das die Elemente der Optik und Elektronik des Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschreibt;
4: die 4A und 4B umfasst, zwei Typen von afokalen Strahlaufweitern des Stands der Technik;
5: eine faseroptische Strahleinkopplung des Stands der Technik;
6A–D: schematische Figuren, die vier Typen von Positionsdetektorbaugruppen des Stands der Technik darstellen;
6E und 6F: schematische Figuren, die Positionsdetektorbaugruppen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung darstellen;
7: ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen in einem ADM des Stands der Technik;
8A und 8B: schematische Figuren, die faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz des Stands der Technik darstellen;
8C: eine schematische Figur, die faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
9: eine Explosionsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
10: eine Querschnittsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
11: ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Kommunikationselemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
12: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker, bei dem eine einzige Wellenlänge verwendet wird, gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
13: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Kapazität gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
14: ein Blockdiagramm von Elementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Kapazität gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
15 und 15C: Blockdiagramme von Elementen in einem Lasertracker mit 6-DOF-Kapazität gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
15A, 15B, 15D und 15E: schematische Darstellungen, die die Prinzipien des Betriebs von auf der Triangulation basierenden Abtastmesssystemen veranschaulichen;
15F: Schritte, die gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zur Gewährleistung hochwertiger Messergebnisse durchgeführt werden können;
16, 16A und 16B: schematische Diagramme, die Elemente einer 6-DOF-Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigen;
17: ein Blockdiagramm eines 6-DOF-Projektors gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
18: ein Blockdiagramm eines 6-DOF-Projektors gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
19: ein Blockdiagramm eines 6-DOF-Sensors gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
19A: ein Blockdiagramm eines 6-DOF-Sensors gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
20: eine perspektivische Darstellung eines Systems, das Oberflächenpunkte mit einer Tastsonde misst;
21: eine perspektivische Darstellung eines Systems, das Oberflächenpunkte mit einem Scanner mit strukturiertem Licht misst;
22: eine perspektivische Darstellung eines Systems, das Oberflächenpunkte mit einem Linienscanner misst;
23: eine perspektivische Darstellung eines Systems, das Oberflächenkennwerte erfasst;
24: eine perspektivische Darstellung eines Systems, das Oberflächenpunkte mit einer Tastsonde misst; und
25: eine perspektivische Darstellung eines Systems, das Oberflächenpunkte mit einer Tastsonde misst.
Detaillierte Beschreibung
Ein in 1 dargestelltes beispielhaftes Lasertrackersystem 5 umfasst einen Lasertracker 10, ein Retroreflektorziel 26, einen optionalen Zusatzgerätprozessor 50 und einen optionalen Zusatzcomputer 60. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitschlitten 14, der auf einem Azimutsockel 16 angebracht ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzlast 15 ist auf dem Zenitschlitten 14 angebracht und wird um eine Zenitachse 18 gedreht. Die Zenitachse 18 und die Azimutachse 20 schneiden sich orthogonal innerhalb des Trackers 10 an einem Kardanpunkt 22, der normalerweise der Ursprung für Abstandsmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 geht fast durch den Kardanpunkt 22 und wird orthogonal zu der Zenitachse 18 gerichtet. Mit anderen Worten: der Laserstrahl 46 liegt in einer Ebene, die ungefähr senkrecht zu der Zenitachse 18 ist und durch die Azimutachse 20 durchgeht. Der austretende Laserstrahl 46 wird durch die Drehung der Nutzlast 15 um die Zenitachse 18 und durch die Drehung des Zenitschlittens 14 um die Azimutachse 20 in die gewünschte Richtung gerichtet. Ein Zenitwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Zenitachse befestigt, die auf die Zenitachse 18 ausgerichtet ist. Ein Azimutwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Azimutachse befestigt, die auf die Azimutachse 20 ausgerichtet ist. Die Zenit- und Azimutwinkelkodierer messen die Zenit- und Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit. Der austretende Laserstrahl 46 bewegt sich zu dem Retroreflektorziel 26, das beispielsweise ein wie oben beschriebener sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein könnte. Durch Messen des Radialabstands zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26, des Drehwinkels um die Zenitachse 18 und des Drehwinkels um die Azimutachse 20 wird die Position des Retroreflektors 26 im Kugelkoordinatensystem des Trackers gefunden.
Der austretende Laserstrahl 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen, wie nachfolgend beschrieben wird. Der Klarheit und Einfachheit halber wird in der folgenden Besprechung ein wie in 1 dargestellter Typ eines Lenkungsmechanismus angenommen. Es sind jedoch andere Arten von Lenkungsmechanismen möglich. Es ist beispielsweise möglich, dass man einen Laserstrahl von einem Spiegel reflektieren lässt, der um die Azimut- und Zenitachse gedreht wird. Die hierin beschriebenen Methoden sind ungeachtet des Typs des Lenkungsmechanismus anwendbar.
Auf dem Lasertracker können magnetische Aufnahmen 17 vorgesehen werden, um den Lasertracker in eine „Ausgangsposition“ für unterschiedlich große SMRs – beispielsweise 38,1, 22,2 und 12,7 mm große SMRs (1,5, 7/8 und 1/2 Zoll) – zurückzustellen. Man kann einen auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor 19 benutzen, um den Tracker auf einen Referenzabstand zurückzustellen. Außerdem kann ein auf dem Tracker angeordneter Spiegel, der in der Ansicht von 1 nicht sichtbar ist, in Kombination mit dem auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor benutzt werden, um die Durchführung einer Selbstkompensation zu gestatten.
2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, das wie das Lasertrackersystem 5 von 1 beschaffen ist, außer dass das Retroreflektorziel 26 durch eine 6-DOF-Sonde 1000 ersetzt ist. In 1 können andere Typen von Retroreflektorzielen verwendet werden. Es wird zum Beispiel manchmal ein Katzenaugen-Retroreflektor verwendet, der ein Retroreflektor aus Glas ist, bei dem Licht auf einen kleinen Lichtpunkt auf einer reflektierenden Rückfläche der Glasstruktur gebündelt wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das optische und elektrische Elemente in einer Lasertracker-Ausgestaltung darstellt. Es zeigt die Elemente eines Lasertrackers, die zwei Lichtwellenlängen emittieren: eine erste Wellenlänge für einen ADM und eine zweite Wellenlänge für einen sichtbaren Zeiger und für die Verfolgung. Der sichtbare Zeiger verschafft dem Benutzer die Möglichkeit, die Position des von dem Tracker emittierten Laserstrahlpunkts zu sehen. Die zwei verschiedenen Wellenlängen werden mit einem im freien Raum angeordneten Strahlteiler kombiniert. Ein elektrooptisches System (EO-System) 100 umfasst eine Quelle 110 sichtbaren Lichts, einen Isolator 115, eine optionale erste Fasereinkopplung 170, ein optionales Interferometer (IFM) 120, einen Strahlaufweiter 140, einen ersten Strahlteiler 145, eine Positionsdetektorbaugruppe 150, einen zweiten Strahlteiler 155, einen ADM 160 und eine zweite Fasereinkopplung 170.
Die Quelle 110 sichtbaren Lichts kann ein Laser, eine Superlumineszenzdiode oder eine andere Licht emittierende Vorrichtung sein. Der Isolator 115 kann ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, das Licht zu reduzieren, das in die Lichtquelle rückreflektiert wird. Das optionale IFM kann auf unterschiedliche Weise konfiguriert werden. Als spezifisches Beispiel für eine mögliche Implementierung kann das IFM einen Strahlteiler 122, einen Retroreflektor 126, Viertelwellen-Verzögerungsplatten 124, 130 und einen Phasenanalysator 128 umfassen. Die Quelle 110 sichtbaren Lichts kann das Licht in den freien Raum einkoppeln, wobei sich das Licht dann im freien Raum durch den Isolator 115 und das optionale IFM 120 bewegt. Alternativ dazu kann der Isolator 115 durch ein faseroptisches Kabel an die Quelle 110 sichtbaren Lichts gekoppelt werden. In diesem Fall kann das Licht von dem Isolator aus durch die erste faseroptische Einkopplung 170 in den freien Raum eingekoppelt werden, wie hierin nachfolgend unter Bezugnahme auf 5 besprochen wird.
Der Strahlaufweiter 140 kann mit einer Vielzahl von Linsenkonfigurationen eingerichtet werden, wobei jedoch zwei normalerweise benutzte Konfigurationen des Stands der Technik in 4A, 4B dargestellt sind. 4A zeigt eine Konfiguration 140A, die auf der Verwendung einer Zerstreuungslinse 141A und einer Sammellinse 142A beruht. Ein auf die Zerstreuungslinse 141A einfallender gebündelter Lichtstrahl 220A tritt aus der Sammellinse 142A als größerer gebündelter Lichtstrahl 230A aus. 4B zeigt eine Konfiguration 140B, die auf der Verwendung von zwei Sammellinsen 141B, 142B beruht. Ein auf eine erste Sammellinse 141B einfallender gebündelter Lichtstrahl 220B tritt aus einer zweiten Sammellinse 142B als größerer gebündelter Lichtstrahl 230B aus. Von dem Licht, das den Strahlaufweiter 140 verlässt, wird ein kleiner Anteil auf dem Weg aus dem Tracker von den Strahlteilern 145, 155 reflektiert und geht verloren. Derjenige Teil des Lichts, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, wird mit dem Licht von dem ADM 160 kombiniert und bildet daher einen zusammengesetzten Lichtstrahl 188, der diesen Lasertracker verlässt und sich zu dem Retroreflektor 90 bewegt.
Der ADM 160 umfasst bei einer Ausgestaltung eine Lichtquelle 162, eine ADM-Elektronik 164, ein Fasernetz 166, ein elektrisches Verbindungskabel 165 und verbindende Lichtwellenleiter 168, 169, 184, 186. Die ADM-Elektronik sendet elektrische Modulations- und Vorspannungen zu der Lichtquelle 162, die beispielsweise ein Laser mit verteilter Rückkopplung sein kann, der bei einer Wellenlänge von ungefähr 1550 nm arbeitet. Das Fasernetz 166 kann bei einer Ausgestaltung das dem Stand der Technik entsprechende Glasfasernetz 420A sein, das in 8A dargestellt ist. Bei dieser Ausgestaltung bewegt sich das Licht von der Lichtquelle 162 in 3 über den Lichtwellenleiter 184, der dem Lichtwellenleiter 432 in 8A entspricht.
Das Fasernetz von 8A umfasst einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und Reflektoren 435, 440 mit geringer Transmission. Das Licht verläuft durch den ersten Faserkoppler 430 und wird in zwei Lichtwege geteilt, wobei der erste Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 433 zu dem zweiten Faserkoppler 436 geht und der zweite Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 422 und einen Faserlängenausgleicher 423 geht. Der Faserlängenausgleicher 423 verbindet mit der Faserlänge 168 in 3, die zu dem Referenzkanal der ADM-Elektronik 164 verläuft. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Referenzkanal durchquert werden, an die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Messkanal durchquert werden, anzupassen. Die derartige Anpassung der Faserlängen verringert ADM-Fehler, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Solche Fehler können entstehen, weil die effektive Lichtweglänge eines Lichtwellenleiters gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtwellenleiters multipliziert mit der Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der Lichtwellenleiter von der Temperatur der Faser abhängt, führt eine Schwankung der Temperatur der Lichtwellenleiter zu Veränderungen bei den effektiven Lichtweglängen des Mess- und Referenzkanals. Falls sich die effektive Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Messkanal relativ zu der effektiven Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Referenzkanal ändert, ergibt sich daraus sogar dann eine scheinbare Verschiebung der Position des Retroreflektorziels 90, wenn das Retroreflektorziel 90 feststehend gehalten wird. Zur Umgehung dieses Problems werden zwei Schritte durchgeführt. Erstens wird die Länge der Faser im Referenzkanal so nahe wie möglich an die Länge der Faser im Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und Referenzfasern so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die Lichtwellenleiter in den zwei Kanälen fast den gleichen Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Das Licht bewegt sich durch den zweiten faseroptischen Koppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt, nämlich den ersten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Faserendverschluss 440 und den zweiten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 438, von wo aus das Licht zu dem Lichtwellenleiter 186 in 3 verläuft. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 186 bewegt sich zu der zweiten Fasereinkopplung 170.
Bei einer Ausgestaltung ist die Fasereinkopplung 170 in der dem Stand der Technik entsprechenden 5 dargestellt. Das Licht von dem Lichtwellenleiter 186 von 3 verläuft zu der Faser 172 in 5. Die Fasereinkopplung 170 umfasst einen Lichtwellenleiter 172, eine Ferrule 174 und eine Linse 176. Der Lichtwellenleiter 172 ist an die Ferrule 174 angeschlossen, die fest an einer Struktur innerhalb des Lasertrackers 10 angebracht ist. Gegebenenfalls kann man das Ende des Lichtwellenleiters in einem Winkel glanzschleifen, um Rückreflexionen zu verringern. Das Licht 250 tritt aus dem Kern der Faser aus, die eine Monomodefaser mit einem Durchmesser zwischen 4 und 12 Mikrometern sein kann, was von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und dem jeweiligen Typ des Lichtwellenleiters abhängt. Das Licht 250 divergiert in einem Winkel und wird von der Linse 176 aufgefangen, die es bündelt. Das Verfahren zum Einkoppeln und Auffangen eines optischen Signals durch einen einzigen Lichtwellenleiter in einem ADM-System wurde in dem Patent ’758 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Bezug nehmend auf 3, kann der Strahlteiler 155 ein dichroitischer Strahlteiler sein, der andere Wellenlängen durchlässt, als er reflektiert. Bei einer Ausgestaltung wird das Licht des ADM 160 von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und mit dem Licht des sichtbaren Lasers 110 kombiniert, welches durch den dichroitischen Strahlteiler 155 durchgelassen wird. Der zusammengesetzte Lichtstrahl 188 bewegt sich als erster Strahl aus dem Lasertracker hinaus zu dem Retroreflektor 90, der einen Teil des Lichts als zweiten Strahl reflektiert. Derjenige Teil des zweiten Strahls, der die Wellenlänge des ADM hat, wird von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und zu der zweiten Fasereinkopplung 170 zurückgeworfen, die das Licht in den Lichtwellenleiter 186 zurückkoppelt.
Der Lichtwellenleiter 186 entspricht bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 438 in 8A. Das zurückkehrende Licht bewegt sich von dem Lichtwellenleiter 438 durch den zweiten Faserkoppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt. Ein erster Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 424, der bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 169 entspricht, der zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 164 in 3 führt. Ein zweiter Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 433 und dann zu dem ersten Faserkoppler 430. Das Licht, das den ersten Faserkoppler 430 verlässt, wird in zwei Lichtwege geteilt, und zwar einen ersten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 432 und einen zweiten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Endverschluss 435. Bei einer Ausgestaltung entspricht der Lichtwellenleiter 432 dem Lichtwellenleiter 184, der zu der Lichtquelle 162 in 3 führt. In den meisten Fällen enthält die Lichtquelle 162 einen eingebauten Faraday-Isolator, der die Lichtmenge, die von dem Lichtwellenleiter 432 aus in die Lichtquelle eintritt, minimiert. Zu viel Licht, das in umgekehrter Richtung in einen Laser geleitet wird, kann den Laser destabilisieren.
Das Licht von dem Fasernetz 166 tritt durch die Lichtwellenleiter 168, 169 in die ADM-Elektronik 164 ein. In 7 ist eine Ausgestaltung der ADM-Elektronik des Stands der Technik dargestellt. Der Lichtwellenleiter 168 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3232 in 7 und der Lichtwellenleiter 169 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3230 in 7. Nun Bezug nehmend auf 7, umfasst die ADM-Elektronik 3300 eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Referenzdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Referenzmischer 3312, Aufbereitungselektroniken 3314, 3316, 3318, 3320, einen Vorteiler 3324 mit dem Teilungsfaktor N und einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 3322. Die Frequenzreferenz, die beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator (OCXO; oven-controlled crystal oscillator) sein könnte, sendet eine Referenzfrequenz f_REF, die z. B. 10 MHz betragen könnte, zu dem Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt: ein Signal mit einer Frequenz f_RF und zwei Signale mit der Frequenz f_LO. Das Signal f_RF geht zu der Lichtquelle 3102, die der Lichtquelle 162 in 3 entspricht. Die zwei Signale mit der Frequenz f_LO gehen zu dem Messmischer 3310 und dem Referenzmischer 3312. Das von den Lichtwellenleitern 168, 169 in 3 kommende Licht verläuft in den Fasern 3232 bzw. 3230 in 7 und tritt in den Referenz- bzw. Messkanal ein. Der Referenzdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden durch die elektrischen Komponenten 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zu den Mischern 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz f_IF, die gleich dem Absolutwert f_LO–f_RF ist. Das Signal f_RF kann eine relativ hohe Frequenz wie beispielsweise 2 GHz haben, während das Signal f_IF eine relativ niedrige Frequenz wie beispielsweise 10 kHz aufweisen kann.
Die Referenzfrequenz f_REF wird zu dem Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch eine ganze Zahl dividiert. Eine Frequenz von 10 MHz würde beispielsweise durch 40 dividiert, so dass man eine Ausgangsfrequenz von 250 kHz erhält. In diesem Beispiel würden die 10-kHz-Signale, die in den ADW 3322 eintreten, bei einer Frequenz von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt werden. Die Signale des ADW 3322 werden zu einem Datenprozessor 3400 gesendet, der beispielsweise aus einer oder mehreren digitalen Signalprozessor-Einheiten (DSP-Einheiten) bestehen könnte, die in der ADM-Elektronik 164 von 3 angeordnet sind.
Das Verfahren zum Extrahieren eines Abstands beruht auf der Berechnung der Phase der ADW-Signale für den Referenz- und Messkanal. Dieses Verfahren wird ausführlich in dem an Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 7,701,559 (’559) beschrieben, dessen Inhalt hierin durch Verweis einbezogen wird. Die Berechnung umfasst die Gleichungen (1)–(8) des Patents ’559. Wenn der ADM zuerst mit dem Messen eines Retroreflektors beginnt, werden ferner die von dem Synthesizer erzeugten Frequenzen einige Male (beispielsweise dreimal) verändert und die möglichen ADM-Abstände in jedem Fall berechnet. Durch den Vergleich der möglichen ADM-Abstände bei jeder der ausgewählten Frequenzen wird eine Mehrdeutigkeit bei der ADM-Messung beseitigt. Die Gleichungen (1)–(8) des Patents ’559 in Kombination mit den in Bezug auf 5 des Patents ’559 beschriebenen Synchronisationsverfahren und den in dem Patent ’559 beschriebenen Kalman-Filter-Verfahren geben dem ADM die Möglichkeit, ein sich bewegendes Ziel zu messen. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen eingesetzt werden, beispielsweise indem man die Pulslaufzeit statt Phasendifferenzen benutzt.
Derjenige Teil des zurückkehrenden Lichtstrahls 190, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, kommt an dem Strahlteiler 145 an, der einen Teil des Lichts zu dem Strahlaufweiter 140 und einen anderen Teil des Lichts zu der Positionsdetektorbaugruppe 150 sendet. Man kann das aus dem Lasertracker 10 oder EO-System 100 austretende Licht als ersten Strahl und denjenigen Teil des Lichts, der von dem Retroreflektor 90 oder 26 reflektiert wird, als zweiten Strahl auffassen. Teile des reflektierten Strahls werden zu unterschiedlichen Funktionselementen des EO-Systems 100 gesendet. Beispielsweise kann ein erster Teil zu einem Distanzmesser wie dem ADM 160 in 3 gesendet werden. Ein zweiter Teil kann zu einer Positionsdetektorbaugruppe 150 gesendet werden. In einigen Fällen kann ein dritter Teil zu anderen Funktionseinheiten wie beispielsweise einem optionalen Interferometer 120 gesendet werden. Es ist von Bedeutung, dass verstanden wird, dass – obwohl in dem Beispiel von 3 der erste Teil und der zweite Teil des zweiten Strahls zu dem Distanzmesser und dem Positionsdetektor gesendet werden, nachdem sie von den Strahlteilern 155 bzw. 145 reflektiert wurden – es möglich gewesen wäre, das Licht zu einem Distanzmesser oder Positionsdetektor durchzulassen statt reflektieren zu lassen.
In 6A–D sind vier Beispiele von dem Stand der Technik entsprechenden Positionsdetektorbaugruppen 150A–150D dargestellt. 6A zeigt die einfachste Implementierung, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionssensor 151 umfasst, der auf einer Leiterplatte 152 angebracht ist, die Energie von einer Elektronikbox 350 erhält und der Elektronikbox Signale zurücksendet, die die Kapazität für die elektronische Verarbeitung an einer beliebigen Stelle innerhalb des Lasertrackers 10, Zusatzgeräts 50 oder externen Computers 60 repräsentieren können. 6B umfasst einen Lichtfilter 154, der unerwünschte optische Wellenlängen blockiert, damit sie den Positionssensor 151 nicht erreichen. Die unerwünschten optischen Wellenlängen können beispielsweise auch blockiert werden, indem man den Strahlteiler 145 oder die Oberfläche des Positionssensors 151 mit einem entsprechenden Film beschichtet. 6C enthält eine Linse 153, die die Größe des Lichtstrahls reduziert. 6D enthält einen Lichtfilter 154 und eine Linse 153.
6E zeigt eine einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäße Positionsdetektorbaugruppe, die eine Lichtaufbereitungsvorrichtung 149E umfasst. Die Lichtaufbereitungsvorrichtung enthält eine Linse 153 und kann auch einen optionalen Wellenlängenfilter 154 enthalten. Sie umfasst ferner mindestens einen von einem Diffusor 156 und einem Raumfilter 157. Wie vorstehend erläutert wurde, ist der Würfelecken-Retroreflektor ein beliebter Retroreflektortyp. Ein Typ des Würfelecken-Retroreflektors besteht aus drei Spiegeln, die jeweils im rechten Winkel mit den anderen zwei Spiegeln verbunden sind. Die Schnittlinien, an welchen diese drei Spiegel verbunden sind, können eine endliche Dicke aufweisen, bei welcher Licht nicht vollkommen zu dem Tracker zurückreflektiert wird. Die Linien endlicher Dicke werden gebeugt, während sie sich derart ausbreiten, dass sie nach Erreichen des Positionsdetektors möglicherweise nicht mehr genau die gleichen wie an dem Positionsdetektor zu sein scheinen. Das Muster des gebeugten Lichts weicht jedoch generell von der vollkommenen Symmetrie ab. Demzufolge kann das Licht, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft, beispielsweise Senkungen und Anstiege bei der optischen Energie (Lichtschwerpunkte) in der Nähe der gebeugten Linien haben. Da die Gleichmäßigkeit des vom Retroreflektor kommenden Lichts von Retroreflektor zu Retroreflektor variieren kann und da ferner die Lichtverteilung auf dem Positionsdetektor während des Drehens oder Neigens des Retroreflektors schwanken kann, ist es unter Umständen von Vorteil, wenn man einen Diffusor 156 einbezieht, um die Gleichmäßigkeit des Lichts zu verbessern, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft. Da ein idealer Positionsdetektor auf einen Flächenschwerpunkt ansprechen sollte und ein idealer Diffusor einen Lichtpunkt symmetrisch spreizen sollte, könnte man die Auffassung vertreten, dass keine Wirkung auf die durch den Positionsdetektor angegebene resultierende Position vorliegen sollte. Bei der praktischen Anwendung des Diffusors stellt sich jedoch heraus, dass die Leistung der Positionsdetektorbaugruppe verbessert wird, und zwar wahrscheinlich wegen der Auswirkungen von Nichtlinearitäten (Unvollkommenheiten) bei dem Positionsdetektor 151 und der Linse 153. Würfelecken-Retroreflektoren, die aus Glas bestehen, können ebenfalls ungleichmäßige Lichtpunkte an dem Positionsdetektor 151 erzeugen. Änderungen des Lichtpunkts an einem Positionsdetektor können sich insbesondere von dem Licht abheben, das von den Würfelecken in 6-DOF-Zielen reflektiert wird. Der Diffusor 156 ist bei einer Ausgestaltung ein holographischer Diffusor. Ein holographischer Diffusor stellt ein geregeltes, homogenes Licht über einen vorgegebenen Streuwinkel bereit. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Diffusortypen wie beispielsweise Diffusoren aus geschliffenem Glas oder „matte“ Diffusoren verwendet werden.
Der Zweck des Raumfilters 157 der Positionsdetektorbaugruppe 150E besteht darin, Geisterbilder, die beispielsweise aus unerwünschten Reflexionen von optischen Oberflächen resultieren, daran zu hindern, auf den Positionsdetektor 151 aufzutreffen. Ein Raumfilter umfasst eine Platte 157, die eine Apertur aufweist. Dadurch, dass man den Raumfilter 157 in einem Abstand entfernt von der Linse positioniert, der ungefähr gleich der Brennweite der Linse ist, geht das zurückkehrende Licht 243E durch den Raumfilter, wenn es sich nahe bei seiner schmalsten Stelle – der Strahltaille – befindet. Strahlen, die sich in einem unterschiedlichen Winkel bewegen, beispielsweise infolge einer Reflexion eines optischen Elements, treffen auf den Raumfilter entfernt von der Apertur auf und werden am Erreichen des Positionsdetektors 151 gehindert. In 6E ist ein Beispiel dargestellt, bei dem ein unerwünschtes Geisterbild 244E von einer Oberfläche des Strahlteilers 145 reflektiert wird und zu dem Raumfilter 157 verläuft, wo es blockiert wird. Ohne den Raumfilter wäre das Geisterbild 244E vom Positionsdetektor 151 aufgefangen worden, was dazu geführt hätte, dass die Position des Strahls 243E auf dem Positionsdetektor 151 falsch ermittelt worden wäre. Sogar ein schwaches Geisterbild kann die Position des Flächenschwerpunkts auf dem Positionsdetektor 151 signifikant verändern, wenn das Geisterbild in einem relativ großen Abstand von dem Hauptlichtpunkt entfernt ist.
Ein Retroreflektor des hier besprochenen Typs wie beispielsweise ein Würfelecken- oder Katzenaugen-Retroreflektor hat die Eigenschaft, einen in ihn eintretenden Lichtstrahl in eine Richtung zu reflektieren, die parallel zu dem einfallenden Strahl ist. Ferner sind der einfallende und der reflektierte Strahl symmetrisch um den Symmetriepunkt des Retroreflektors herum angeordnet. Bei einem luftoffenen Würfelecken-Retroreflektor ist dessen Symmetriepunkt beispielsweise der Scheitelpunkt der Würfelecke. Bei einem Würfelecken-Retroreflektor aus Glas ist der Symmetriepunkt ebenfalls der Scheitelpunkt, wobei in diesem Fall allerdings die Lichtbeugung an der Glas-Luft-Grenzfläche zu berücksichtigen ist. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor mit dem Brechungsindex 2,0 ist der Symmetriepunkt der Mittelpunkt der Kugel. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor aus zwei Halbkugeln aus Glas, die symmetrisch auf einer gemeinsamen Ebene sitzen, ist der Symmetriepunkt ein Punkt, der auf der Ebene und an dem Kugelmittelpunkt jeder Halbkugel liegt.
Die Hauptsache ist die, dass bei dem Typ von Retroreflektoren, der gewöhnlich mit Lasertrackern verwendet wird, das von einem Retroreflektor zu dem Tracker zurückgeworfene Licht zu der – bezogen auf den einfallenden Laserstrahl – anderen Seite des Scheitelpunkts verschoben wird.
Dieses Verhalten eines Retroreflektors 90 in 3 ist die Grundlage für die Verfolgung des Retroreflektors durch den Lasertracker. Der Positionssensor hat auf seiner Oberfläche einen idealen Rückverfolgungspunkt. Der ideale Rückverfolgungspunkt ist derjenige Punkt, an welchem ein zu dem Symmetriepunkt eines Retroreflektors (bei einem SMR z. B. dem Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors) gesendeter Laserstrahl zurückkehren wird. Normalerweise befindet sich der Rückverfolgungspunkt nahe dem Mittelpunkt des Positionssensors. Wenn der Laserstrahl zu einer Seite des Retroreflektors gesendet wird, wird er auf der anderen Seite reflektiert und erscheint er versetzt gegenüber dem Rückverfolgungspunkt auf dem Positionssensor. Durch das Registrieren der Position des zurückkehrenden Lichtstrahls auf dem Positionssensor kann das Steuersystem des Lasertrackers 10 veranlassen, dass die Motoren den Lichtstrahl zum Symmetriepunkt des Retroreflektors hin bewegen.
Falls der Retroreflektor mit konstanter Geschwindigkeit quer zu dem Tracker bewegt wird, trifft der Lichtstrahl auf den Retroreflektor in einem festen Versetzungsabstand von dessen Symmetriepunkt auf (nachdem die Einschwingvorgänge beendet sind). Der Lasertracker führt eine Korrektur durch, um diesen Versetzungsabstand an dem Retroreflektor basierend auf einem aus den gesteuerten Messungen erhaltenen Skalenfaktor und basierend auf dem Abstand zwischen dem Lichtstrahl auf dem Positionssensor und dem idealen Rückverfolgungspunkt zu berücksichtigen.
Wie vorstehend erläutert wurde, führt der Positionsdetektor zwei wichtige Funktionen durch, nämlich die Ermöglichung von Verfolgungs- und Korrekturmessungen zur Berücksichtigung der Bewegung des Retroreflektors. Der Positionssensor in dem Positionsdetektor kann ein beliebiger Typ einer Vorrichtung sein, die zur Messung einer Position in der Lage ist. Der Positionssensor könnte beispielsweise ein positionsempfindlicher Detektor oder eine photosensitive Anordnung sein. Der positionsempfindliche Detektor könnte zum Beispiel ein Lateraleffektdetektor oder ein Quadrantendetektor sein. Die photosensitive Anordnung könnte beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Anordnung sein.
Bei einer Ausgestaltung geht das zurückkehrende Licht, das nicht vom Strahlteiler 145 reflektiert wird, durch den Strahlaufweiter 140, wodurch es kleiner wird. Bei einer anderen Ausgestaltung sind die Positionen des Positionsdetektors und des Distanzmessers derart umgekehrt, dass das von dem Strahlteiler 145 reflektierte Licht sich zu dem Distanzmesser bewegt und das durch den Strahlteiler durchgelassene Licht zu dem Positionsdetektor verläuft.
Das Licht bewegt sich weiter durch das optionale IFM, durch den Isolator und in die Quelle 110 sichtbaren Lichts. In dieser Phase sollte die optische Energie klein genug sein, damit sie nicht die Quelle 110 sichtbaren Lichts destabilisiert.
Das von der Quelle 110 sichtbaren Lichts stammende Licht wird bei einer Ausgestaltung durch eine Strahleinkopplung 170 von 5 eingekoppelt. Die Fasereinkopplung kann an den Ausgang der Lichtquelle 110 oder einen faseroptischen Ausgang des Isolators 115 angeschlossen sein.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das dem Stand der Technik entsprechende Fasernetz 420B von 8B. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 443, 444, 424, 422 von 8B. Das Fasernetz von 8B gleicht dem Fasernetz von 8A, außer dass das Fasernetz von 8B einen einzigen Faserkoppler statt zwei Faserkopplern aufweist. Der Vorteil von 8B gegenüber 8A ist die Einfachheit; allerdings ist bei 8B die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich unerwünschte Rückreflexionen von Licht ereignen, die in die Lichtwellenleiter 422 und 424 eintreten.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das Fasernetz 420C von 8C. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 447, 455, 423, 424 von 8C. Das Fasernetz 420C umfasst einen ersten Faserkoppler 445 und einen zweiten Faserkoppler 451. Der erste Faserkoppler 445 ist ein 2×2-Koppler mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen. Koppler dieses Typs werden normalerweise hergestellt, indem man zwei Faserkerne in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert und die Fasern anschließend zieht, während sie erwärmt werden. Auf diese Weise kann eine evaneszente Kopplung zwischen den Fasern einen gewünschten Anteil des Lichts zu der benachbarten Faser hin abteilen. Der zweite Faserkoppler 451 ist der Typ, der als „Zirkulator“ bezeichnet wird. Er hat drei Anschlüsse, die jeweils in der Lage sind, Licht durchzulassen oder aufzufangen, aber nur in der vorgesehenen Richtung. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 448 tritt beispielsweise in den Anschluss 453 ein und wird zum Anschluss 454 transportiert, wie es durch den Pfeil dargestellt ist. Am Anschluss 454 kann das Licht zu dem Lichtwellenleiter 455 durchgelassen werden. In ähnlicher Weise kann das Licht, das sich in dem Anschluss 455 bewegt, in den Anschluss 454 eintreten und sich in der Pfeilrichtung zu dem Anschluss 456 bewegen, wo ein Teil des Lichts zu dem Lichtwellenleiter 424 durchgelassen werden kann. Wenn lediglich drei Anschlüsse benötigt werden, dann wird der Zirkulator 451 möglicherweise weniger durch Verluste bei der optischen Energie als der 2×2-Koppler beeinträchtigt. Andererseits kann ein Zirkulator 451 teurer sein als ein 2×2-Koppler und einer Polarisationsmodendispersion ausgesetzt sein, die in einigen Situationen problematisch sein kann.
9 und 10 zeigen eine Explosions- bzw. Querschnittsdarstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Lasertrackers 2100. Eine Azimutbaugruppe 2110 umfasst ein Stangengehäuse 2112, eine Azimutkodiererbaugruppe 2120, ein unteres und oberes Azimutlager 2114A, 2114B, eine Azimutmotorbaugruppe 2125, eine Azimutschleifringbaugruppe 2130 und Azimutleiterplatten 2135.
Der Zweck der Azimutkodiererbaugruppe 2120 besteht darin, den Drehwinkel eines Jochs 2142 in Bezug auf das Stangengehäuse 2112 genau zu messen. Die Azimutkodiererbaugruppe 2120 umfasst eine Kodiererscheibe 2121 und eine Lesekopfbaugruppe 2122. Die Kodiererscheibe 2121 ist an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2122 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt. Die Lesekopfbaugruppe 2122 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererscheibe 2121 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererscheibe in Bezug auf die festen Leseköpfe zu finden.
Die Azimutmotorbaugruppe 2125 umfasst einen Azimutmotorrotor 2126 und einen Azimutmotorstator 2127. Der Azimutmotorrotor umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt sind. Der Azimutmotorstator 2127 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Magneten des Azimutmotorrotors 2126 zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotorstator 2127 ist an dem Stangenrahmen 2112 befestigt.
Die Azimutleiterplatten 2135 repräsentieren eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Azimutkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Azimutschleifringbaugruppe 2130 umfasst einen Außenteil 2131 und einen Innenteil 2132. Bei einer Ausgestaltung tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Zusatzgerätprozessor 50 aus. Das Drahtbündel 2138 kann Energie zu dem Tracker führen oder Signale zu dem Tracker hin und von ihm weg leiten. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Verbindern auf Leiterplatten geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Azimutleiterplatte 2135, der Kodiererlesekopfbaugruppe 2122 und der Azimutmotorbaugruppe 2125. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2132 der Scheifringbaugruppe 2130. Der Innenteil 2132 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt und bleibt demzufolge unbeweglich. Der Außenteil 2131 ist an der Jochbaugruppe 2140 befestigt und dreht sich demzufolge in Bezug auf den Innenteil 2132. Die Schleifringbaugruppe 2130 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2131 sich in Bezug auf den Innenteil 2132 dreht.
Die Zenitbaugruppe 2140 umfasst das Jochgehäuse 2142, eine Zenitkodiererbaugruppe 2150, ein linkes und rechtes Zenitlager 2144A, 2144B, eine Zenitmotorbaugruppe 2155, eine Zenitschleifringbaugruppe 2160 und eine Zenitleiterplatte 2165.
Der Zweck der Zenitkodiererbaugruppe 2150 besteht darin, den Drehwinkel eines Nutzlastrahmens 2172 in Bezug auf das Jochgehäuse 2142 genau zu messen. Die Zenitkodiererbaugruppe 2150 umfasst eine Zenitkodiererscheibe 2151 und eine Zenitlesekopfbaugruppe 2152. Die Kodiererscheibe 2151 ist an dem Nutzlastgehäuse 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2152 ist an dem Jochgehäuse 2142 befestigt. Die Zenitlesekopfbaugruppe 2152 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererscheibe 2151 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererscheibe in Bezug auf die festen Leseköpfe zu finden.
Die Zenitmotorbaugruppe 2155 umfasst einen Azimutmotorrotor 2156 und einen Azimutmotorstator 2157. Der Zenitmotorrotor 2156 umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Nutzlastrahmens 2172 befestigt sind. Der Zenitmotorstator 2157 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Rotormagneten zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Zenitmotorstator 2157 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt.
Die Zenitleiterplatte 2165 repräsentiert eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Zenitkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Zenitschleifringbaugruppe 2160 umfasst einen Außenteil 2161 und einen Innenteil 2162. Ein Drahtbündel 2168 tritt aus dem Azimutaußenschleifring 2131 aus und kann Energie oder Signale führen. Einige Drähte des Drahtbündels 2168 können zu Verbindern auf einer Leiterplatte geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Zenitleiterplatte 2165, der Zenitmotorbaugruppe 2150 und der Kodiererlesekopfbaugruppe 2152. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2162 der Scheifringbaugruppe 2160. Der Innenteil 2162 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt und dreht sich demzufolge nur in einem Azimutwinkel, jedoch nicht in einem Zenitwinkel. Der Außenteil 2161 ist an dem Nutzlastrahmen 2172 befestigt und dreht sich demzufolge sowohl in einem Zenitwinkel als auch in einem Azimutwinkel. Die Schleifringbaugruppe 2160 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2161 sich in Bezug auf den Innenteil 2162 dreht. Die Nutzlastbaugruppe 2170 umfasst eine optische Hauptbaugruppe 2180 und eine optische Zusatzbaugruppe 2190.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein Dimensionsmesselektronik-Verarbeitungssystem 1500 zeigt, das ein Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510, Verarbeitungssysteme peripherer Elemente 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere vernetzte Komponenten 1600 umfasst, die hier als Wolke dargestellt sind. Das beispielhafte Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 umfasst einen Hauptprozessor 1520, eine Nutzlastfunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzerschnittstellenelektronik (Anzeige- und BS-Elektronik) 1560, eine entfernbare Speicherhardware 1565, eine Radioidentifikationselektronik (Radio-ID-Elektronik) und eine Antenne 1572. Die Nutzlastfunktionselektronik 1530 umfasst eine Anzahl von Unterfunktionen, zu denen die 6-DOF-Elektronik 1531, die Kameraelektronik 1532, die ADM-Elektronik 1533, die Positionsdetektorelektronik (PSD-Elektronik) 1534 und die Nivellierelektronik 1535 gehören. Die meisten Unterfunktionen verfügen über mindestens eine Prozessoreinheit, die beispielsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern (FPGA; field programmable gate array) sein könnte. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wegen ihrer Lage innerhalb des Lasertrackers wie in der Darstellung voneinander getrennt. Die Nutzlastfunktionen 1530 befinden sich bei einer Ausgestaltung in der Nutzlast 2170 von 9, 10, wohingegen die Azimutkodiererelektronik 1540 in der Azimutbaugruppe 2110 und die Zenitkodiererelektronik 1550 in der Zenitbaugruppe 2140 angeordnet sind.
Es sind zahlreiche Typen peripherer Geräte möglich, wobei hier jedoch drei derartige Geräte dargestellt sind: ein Temperatursensor 1582, eine 6-DOF-Sonde 1584 und ein Personal Digital Assistant (PDA) 1586, der beispielsweise ein Smartphone sein könnte. Der Lasertracker kann mit peripheren Geräten über verschiedene Mittel kommunizieren, die Folgendes umfassen: eine drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572, ein Sichtsystem wie z. B. eine Kamera sowie die Abstands- und Winkelmesswerte des Lasertrackers, die zu einem zusammenwirkenden Ziel wie z. B. der 6-DOF-Sonde 1584 gesendet werden. Periphere Geräte können Prozessoren enthalten. Die 6-DOF-Zusatzteile können 6-DOF-Sondensysteme, 6-DOF-Scanner, 6-DOF-Projektoren, 6-DOF-Sensoren und 6-DOF-Anzeigevorrichtungen umfassen. Die Prozessoren in diesen 6-DOF-Geräten können in Verbindung mit Verarbeitungsgeräten in dem Lasertracker sowie einem externen Computer und Verarbeitungsressourcen der Wolke benutzt werden. Wenn der Begriff „Lasertrackerprozessor“ oder „Messgerätprozessor“ gebraucht wird, soll er allgemein eine mögliche Unterstützung durch den externen Computer und die Wolke umfassen.
Ein separater Kommunikationsbus verläuft bei einer Ausgestaltung von dem Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann beispielsweise drei serielle Leitungen aufweisen, welche die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung gibt an, ob die Elektronikeinheit auf die Taktleitung achten sollte oder nicht. Falls sie angibt, dass eine Beachtung erfolgen sollte, liest die Elektronikeinheit den aktuellen Wert der Datenleitung bei jedem Taktsignal ab. Das Taktsignal kann beispielsweise einer steigenden Flanke eines Taktimpulses entsprechen. Bei einer Ausgestaltung wird die Information in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. Bei einer Ausgestaltung umfasst jedes Paket eine Adresse, einen Zahlenwert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse gibt an, wohin die Datennachricht innerhalb der Elektronikeinheit zu leiten ist. Die Stelle kann beispielsweise einer Subroutine des Prozessors in der Elektronikeinheit entsprechen. Der Zahlenwert gibt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten oder Anweisungen, welche die Elektronikeinheit durchführen muss. Die Prüfsumme ist ein Zahlenwert, der dazu dient, die Möglichkeit zu minimieren, dass Fehler über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
Der Hauptprozessor 1520 sendet bei einer Ausgestaltung Informationspakete über den Bus 1610 zu der Nutzlastfunktionselektronik 1530, über den Bus 1611 zu der Azimutkodiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zu der Zenitkodiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zu der Anzeige- und BS-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zu der entfernbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zu der Radio-ID- und Drahtlos-Elektronik 1570.
Bei einer Ausgestaltung sendet der Hauptprozessor 1520 auch gleichzeitig einen Synchronisationsimpuls (Synch-Impuls) über den Synchronisationsbus 1630 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Synchronisationsimpuls stellt eine Möglichkeit zur Synchronisation von Werten bereit, die von den Messfunktionen des Lasertrackers erfasst wurden. Beispielsweise zwischenspeichern die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Kodiererwerte, sobald der Synchronisationsimpuls empfangen wird. In ähnlicher Weise zwischenspeichert die Nutzlastfunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzlast enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Die 6-DOF-, die ADM- und die Positionsdetektor-Elektronik zwischenspeichern alle beim Senden des Synchronisationsimpulses die Daten. In den meisten Fällen erfassen die Kamera und der Neigungsmesser Daten bei einer langsameren Rate als der Synchronisationsimpulsrate, doch sie können Daten bei Vielfachen der Periodendauer des Synchronisationsimpulses zwischenspeichern.
Die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitkodiererelektronik 1550 sind durch die in 9, 10 dargestellten Schleifringe 2130, 2160 voneinander und von der Nutzlastelektronik 1530 getrennt. Aus diesem Grund sind die Busleitungen 1610, 1611 und 1612 in 11 als separate Busleitung abgebildet.
Das Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren oder es kann die Berechnungs-, Anzeige- und Benutzerschnittstellen-Funktionen im Lasertracker bereitstellen. Der Lasertracker kommuniziert über eine Kommunikationsverbindung 1606, die beispielsweise eine Ethernet-Leitung oder eine drahtlose Verbindung sein könnte, mit dem Computer 1590. Der Lasertracker kann auch über eine Kommunikationsverbindung 1602, die ein oder mehrere elektrische Kabel wie beispielsweise Ethernet-Kabel und eine oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen könnte, mit anderen Elementen 1600, die durch die Wolke repräsentiert sind, kommunizieren. Ein Beispiel für ein Element 1600 ist ein anderes dreidimensionales Prüfgerät – z. B. ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät –, das durch den Lasertracker umgesetzt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Elementen 1600 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem Ferncomputer 1590 sitzt, kann über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung, die wiederum über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung an den Hauptprozessor 1520 angeschlossen ist, eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Wolke 1600 repräsentiert ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
Bei Lasertrackern werden heute lediglich eine sichtbare Wellenlänge (normalerweise rot) und eine infrarote Wellenlänge für den ADM benutzt. Die rote Wellenlänge kann durch einen frequenzstabilisierten Helium-Neon-Laser (HeNe-Laser) zur Verfügung gestellt werden, der für die Verwendung in einem Interferometer und außerdem für die Verwendung bei der Bereitstellung eines roten Zeigerstrahls geeignet ist. Alternativ dazu könnte die rote Wellenlänge durch einen Diodenlaser zur Verfügung gestellt werden, der lediglich als Zeigerstrahl dient. Ein Nachteil beim Einsatz von zwei Lichtquellen sind der hinzukommende Raum und die zusätzlichen Kosten, die für die hinzukommenden Lichtquellen, Strahlteiler, Isolatoren und anderen Komponenten erforderlich sind. Ein anderer Nachteil bei der Verwendung von zwei Lichtquellen besteht darin, dass es schwierig ist, die beiden Lichtstrahlen entlang den gesamten Lichtwegen perfekt auszurichten, die die Strahlen zurücklegen. Dies kann zu verschiedenen Problemen führen, da es unter anderem nicht möglich ist, gleichzeitig eine gute Leistung aus verschiedenen Untersystemen zu erzielen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Ein System, bei dem eine einzige Lichtquelle benutzt wird, durch welche diese Nachteile beseitigt werden, ist in dem optoelektronischen System 500 von 12 dargestellt.
12 umfasst eine Quelle 110 sichtbaren Lichts, einen Isolator 115, ein Fasernetz 420, eine ADM-Elektronik 530, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145 und einen Positionsdetektor 150. Die Quelle 110 sichtbaren Lichts könnte beispielsweise ein roter oder grüner Diodenlaser oder ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL; vertical cavity surface emitting laser) sein. Der Isolator könnte ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder eine beliebige andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die Lichtmenge ausreichend zu reduzieren, die in die Lichtquelle zurückgeführt wird. Das von dem Isolator 115 kommende Licht bewegt sich in das Fasernetz 420, das bei einer Ausgestaltung das Fasernetz 420A von 8A ist.
13 zeigt eine Ausgestaltung eines Lokalisierungskamerasystems 950 und eines optoelektronischen Systems 900, wobei eine Orientierungskamera 910 mit der optoelektronischen Funktionalität eines 3D-Lasertrackers kombiniert ist, um sechs Freiheitsgrade zu messen. Das optoelektronische System 900 umfasst eine Quelle 905 sichtbaren Lichts, einen Isolator 910, eine ADM-Elektronik 715, ein Fasernetz 420, eine Fasereinkopplung 170, einen Strahlteiler 145, einen Positionsdetektor 150, einen Strahlteiler 922 und eine Orientierungskamera 910. Das Licht der Quelle sichtbaren Lichts wird in einen Lichtwellenleiter 980 emittiert und bewegt sich durch den Isolator 910, der Lichtwellenleiter aufweisen kann, die an die Ein- und Ausgangsanschlüsse gekoppelt sind. Die ADM-Elektronik 715 sendet über ein Kabel 717 ein elektrisches Signal, um die Quelle 905 sichtbaren Lichts zu modulieren. Ein Teil des Lichts, das in das Fasernetz eintritt, bewegt sich durch den Faserlängenausgleicher 423 und den Lichtwellenleiter 422 und tritt dann in den Referenzkanal der ADM-Elektronik 715 ein. Gegebenenfalls kann ein elektrisches Signal 469 an das Fasernetz 420 angelegt werden, um einem faseroptischen Schalter im Fasernetz 420 ein Schaltsignal bereitzustellen. Ein Teil des Lichts bewegt sich von dem Fasernetz zu der Fasereinkopplung 170, die das Licht im Lichtwellenleiter als Lichtstrahl 982 in den freien Raum sendet. Ein kleiner Anteil des Lichts wird von dem Strahlteiler 145 reflektiert und geht verloren. Ein Teil des Lichts geht durch den Strahlteiler 145, durch den Strahlteiler 922 und aus dem Tracker hinaus zu einem sechs Freiheitsgrade (DOF; degrees of freedom) aufweisenden Gerät 4000. Das 6-DOF-Gerät 4000 kann eine Sonde, ein Scanner, ein Projektor, ein Sensor oder ein anderes Gerät sein.
Das Licht von dem 6-DOF-Gerät 4000 tritt auf seinem Rückweg in das optoelektronische System 900 ein und kommt an dem Strahlteiler 922 an. Ein Teil des Lichts wird von dem Strahlteiler 922 reflektiert und tritt in die Orientierungskamera 910 ein. Die Orientierungskamera 910 zeichnet die Positionen einiger Markierungen auf, die auf dem Retroreflektorziel angeordnet sind. Aus diesen Markierungen wird der Orientierungswinkel (d. h. drei Freiheitsgrade) der 6-DOF-Sonde ermittelt. Die Prinzipien der Orientierungskamera werden nachfolgend in der vorliegenden Anmeldung und auch in dem Patent ’758 beschrieben. Ein Teil des Lichts am Strahlteiler 145 bewegt sich durch den Strahlteiler und wird mittels der Fasereinkopplung 170 in einen Lichtwellenleiter geleitet. Das Licht bewegt sich zum Fasernetz 420. Ein Teil dieses Lichts verläuft zu dem Lichtwellenleiter 424, von welchem aus es in den Messkanal der ADM-Elektronik 715 eintritt.
Das Lokalisierungskamerasystem 950 umfasst eine Kamera 960 und eine oder mehrere Lichtquellen 970. Das Lokalisierungskamerasystem ist auch in 1 dargestellt, wo die Kameras die Elemente 52 und die Lichtquellen die Elemente 54 sind. Die Kamera umfasst ein Linsensystem 962, eine photosensitive Anordnung 964 und einen Körper 966. Eine Verwendung des Lokalisierungskamerasystems 950 besteht darin, Retroreflektorziele innerhalb des Arbeitsvolumens zu lokalisieren. Das System bewirkt dies durch Blinkenlassen der Lichtquelle 970, das die Kamera als hellen Lichtpunkt auf der photosensitiven Anordnung 964 aufnimmt. Eine zweite Verwendung des Lokalisierungskamerasystems 950 besteht darin, eine grobe Orientierung des 6-DOF-Geräts 4000 basierend auf der beobachteten Position eines Reflektorpunkts oder einer LED auf dem 6-DOF-Gerät 4000 zu ermitteln. Wenn zwei oder mehr Lokalisierungskamerasysteme auf dem Lasertracker zur Verfügung stehen, kann die Richtung jedes Retroreflektorziels innerhalb des Arbeitsvolumens mit den Prinzipien der Triangulation berechnet werden. Wenn eine einzige Lokalisierungskamera für die Aufnahme des entlang der optischen Achse des Lasertrackers reflektierten Lichts angeordnet ist, kann die Richtung jedes Retroreflektorziels gefunden werden. Wenn eine einzige Kamera versetzt gegenüber der optischen Achse des Lasertrackers angeordnet ist, dann kann man unmittelbar aus dem Bild auf der photosensitiven Anordnung die ungefähren Richtungen zu den Retroreflektorzielen erhalten. In diesem Fall kann eine genauere Richtung zu einem Ziel ermittelt werden, indem die mechanischen Achsen des Lasers in mehr als eine Richtung gedreht werden und die Veränderung der Lichtpunktposition auf der photosensitiven Anordnung beobachtet wird.
14 zeigt eine Ausgestaltung einer 6-DOF-Sonde 2000, die in Verbindung mit einem optoelektronischen System 900 und einem Lokalisierungskamerasystem 950 verwendet wird. Das optoelektronische System 900 und das Lokalisierungskamerasystem 950 wurden anhand von 13 besprochen. Bei einer anderen Ausgestaltung ist das optoelektronische System 900 durch ein optoelektronisches System mit zwei oder mehr Lichtwellenlängen ersetzt. Die 6-DOF-Sonde 2000 umfasst einen Körper 2014, einen Retroreflektor 2010, eine Sondenverlängerungsbaugruppe 2050, ein optionales elektrisches Kabel 2046, eine optionale Batterie 2044, ein Schnittstellenbauteil 2012, ein Identifizierelement 2049, Betätigungsknöpfe 2016, eine Antenne 2048 und eine elektronische Leiterplatte 2042. Der Retroreflektor kann ein Würfelecken-Retroreflektor mit einem hohlen Kern oder einem Glaskern sein. Der Retroreflektor kann in einer Weise markiert werden, die die Ermittlung der drei Orientierungsfreiheitsgrade der 6-DOF-Sonde 2000 durch die Orientierungskamera im optoelektronischen System 900 ermöglicht. Ein Beispiel für solche Markierungen ist eine Verdunklung der Schnittlinien zwischen den drei ebenen Reflektoroberflächen des Retroreflektors 2010, die im Patent ’758 besprochen werden. Die Sondenverlängerungsbaugruppe 2050 umfasst eine Sondenverlängerung 2052 und eine Sondenspitze 2054. Die Sondenspitze wird mit dem Prüfobjekt in Kontakt gebracht. Obwohl die Sondenspitze 2054 vom Retroreflektor 2010 getrennt ist, ist es für einen 6-DOF-Lasertracker möglich, die dreidimensionalen Koordinaten der Sondenspitze 2054 an einem Punkt zu ermitteln, der für die Sichtlinie des Lichtstrahls 784 des Lasertrackers verdeckt ist. Dies ist der Grund, warum eine 6-DOF-Sonde manchmal als „Sonde für verdeckte Punkte“ bezeichnet wird.
Die elektrische Energie kann über ein optionales elektrisches Kabel 2046 oder durch eine optionale Batterie 2044 bereitgestellt werden. Die elektrische Energie stellt einer Elektronikleiterplatte 2042 Energie zur Verfügung. Die Elektronikleiterplatte 2042 stellt der Antenne 2048, die mit dem Lasertracker oder einem externen Computer kommunizieren kann, und den Betätigungsknöpfen 2016, die dem Benutzer eine zweckmäßige Möglichkeit zur Kommunikation mit dem Lasertracker oder dem externen Computer zur Verfügung stellen, Energie bereit. Die Elektronikleiterplatte 2042 kann auch einer LED, einem Materialtemperatursensor (nicht dargestellt), einem Lufttemperatursensor (nicht dargestellt), einem Inertialsensor (nicht dargestellt) oder einem Neigungsmesser (nicht dargestellt) Energie bereitstellen. Das Schnittstellenbauteil 2012 kann beispielsweise eine Lichtquelle (z. B. eine LED), ein kleiner Retroreflektor, ein Bereich reflektierenden Materials oder eine Bezugsmarkierung sein. Das Schnittstellenbauteil 2012 dient dazu, die grobe Orientierung des Retroreflektors 2010 festzulegen, die bei den Berechnungen des 6-DOF-Winkels benötigt wird. Das Identifizierelement 2049 wird dazu benutzt, dem Lasertracker Parameter oder eine Seriennummer für die 6-DOF-Sonde zur Verfügung zu stellen. Das Identifizierelement kann beispielsweise ein Strichcode oder ein Radiofrequenz-Idenfikationsetikett sein.
Der Lasertracker kann alternativ dazu den Lichtstrahl 784 einem Retroreflektor 2011 bereitstellen. Durch die Bereitstellung des Lichtstrahls 784 für einen beliebigen einer Vielzahl von Retroreflektoren kann die 6-DOF-Sonde 2000 in vielen verschiedenen Richtungen orientiert werden, während mit der Sondenverlängerungsbaugruppe 2050 abgetastet wird.
Man kann die vom Lasertracker gemessenen sechs Freiheitsgrade so betrachten, dass sie drei Translationsfreiheitsgrade und drei Orientierungsfreiheitsgrade umfassen. Die drei Translationsfreiheitsgrade können eine Messung des Radialabstands, eine erste Winkelmessung und eine zweite Winkelmessung umfassen. Die Messung des Radialabstands kann mit einem IFM oder einem ADM durchgeführt werden. Die erste Winkelmessung kann mit einem Azimutwinkelmessgerät wie beispielsweise einem Azimutwinkelkodierer erfolgen und die zweite Winkelmessung kann mit einem Zenitwinkelmessgerät durchgeführt werden. Alternativ dazu kann das erste Winkelmessgerät das Zenitwinkelmessgerät sein und das zweite Winkelmessgerät das Azimutwinkelmessgerät sein. Der Radialabstand, die erste Winkelmessung und die zweite Winkelmessung machen drei Koordinaten in einem Kugelkoordinatensystem aus, das in drei Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems oder eines anderen Koordinatensystems transformiert werden kann.
Die drei Orientierungsfreiheitsgrade können mit einer wie vorstehend und im Patent ’758 beschriebenen Musterwürfelecke ermittelt werden. Alternativ dazu können andere Verfahren zur Ermittlung von drei Orientierungsfreiheitsgraden eingesetzt werden. Die drei Translationsfreiheitsgrade und die drei Orientierungsfreiheitsgrade definieren vollständig die Position und die Orientierung der 6-DOF-Sonde 2000 im Raum. Es ist wichtig anzumerken, dass dies der Fall bei hier betrachteten Systemen ist, weil man möglicherweise Systeme haben kann, bei denen die sechs Freiheitsgrade nicht unabhängig voneinander sind, so dass sechs Freiheitsgrade nicht ausreichen, um die Position einer Position und Orientierung im Raum vollständig zu definieren. Der Begriff „Translationssatz“ ist eine Kurzbezeichnung für drei Translationsfreiheitsgrade eines 6-DOF-Zusatzteils (wie z. B. einer 6-DOF-Sonde) im Trackerbezugssystem (bzw. Gerätbezugssystem). Der Begriff „Orientierungssatz“ ist eine Kurzbezeichnung für drei Orientierungsfreiheitsgrade eines 6-DOF-Zusatzteils in einem Trackerbezugssystem. Der Begriff „Oberflächensatz“ ist eine Kurzbezeichnung für dreidimensionale Koordinaten eines Punkts auf der Objektoberfläche in einem Gerätbezugssystem.
15 zeigt eine Ausgestaltung eines 6-DOF-Scanners 2500, der in Verbindung mit einem optoelektronischen System 900 und einem Lokalisierungskamerasystem 950 verwendet wird. Der 6-DOF-Scanner 2500 kann auch als „Zielscanner“ bezeichnet werden. Das optoelektronische System 900 und das Lokalisierungskamerasystem 950 wurden anhand von 13 besprochen. Bei einer anderen Ausgestaltung ist das optoelektronische System 900 durch das optoelektronische System ersetzt, bei dem zwei oder mehr Lichtwellenlängen verwendet werden. Der 6-DOF-Scanner 2500 umfasst einen Körper 2514, einen oder mehrere Retroreflektoren 2510, 2511, eine Scannerkamera 2530, einen Scannerlichtprojektor 2520, ein optionales elektrisches Kabel 2546, eine optionale Batterie 2444, ein Schnittstellenbauteil 2512, ein Identifizierelement 2549, Betätigungsknöpfe 2516, eine Antenne 2548 und eine Elektronikleiterplatte 2542. Der Retroreflektor 2510, das optionale elektrische Kabel 2546, die optionale Batterie 2544, das Schnittstellenbauteil 2512, das Identifizierelement 2549, die Betätigungsknöpfe 2516, die Antenne 2548 und die Elektronikleiterplatte 2542 von 15 entsprechen dem Retroreflektor 2010, dem optionalen elektrischen Kabel 2046, der optionalen Batterie 2044, dem Schnittstellenbauteil 2012, dem Identifizierelement 2049, den Betätigungsknöpfen 2016, der Antenne 2048 bzw. der Elektronikleiterplatte 2042 in 14. Die Beschreibungen dieser entsprechenden Elemente sind die gleichen wie die anhand von 14 besprochenen. Der Scannerprojektor 2520 und die Scannerkamera 2530 zusammen werden zur Messung der dreidimensionalen Koordinaten eines Werkstücks 2528 eingesetzt. Die Kamera 2530 umfasst ein Kameralinsensystem 2532 und eine photosensitive Anordnung 2534. Die photosensitive Anordnung 2534 kann beispielsweise eine CCD- oder CMOS-Anordnung sein. Der Scannerprojektor 2520 umfasst ein Projektorlinsensystem 2523 und ein Quelllichtmuster 2524. Das Quelllichtmuster kann einen Lichtpunkt, eine Lichtlinie oder ein strukturiertes (zweidimensionales) Lichtmuster emittieren. Wenn die Scannerlichtquelle einen Lichtpunkt emittiert, kann der Lichtpunkt beispielsweise mit einem sich bewegenden Spiegel abgetastet werden, um eine Linie oder eine Anordnung von Linien zu erzeugen. Wenn die Scannerlichtquelle eine Lichtlinie emittiert, kann die Linie beispielsweise mit einem sich bewegenden Spiegel abgetastet werden, um eine Anordnung von Linien zu erzeugen. Das Quelllichtmuster könnte bei einer Ausgestaltung eine LED, ein Laser oder eine andere Lichtquelle sein, die von einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD; digital micromirror device) wie beispielsweise einem von der Firma Texas Instruments hergestellten digitalen Lichtprojektor (DLP), einer Flüssigkristallvorrichtung (LCD; liquid crystal device) oder einer Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung (LCOS; liquid crystal on silicon) reflektiert wird, oder es kann eine ähnliche Vorrichtung sein, die im Durchlassmodus statt im Reflexionsmodus verwendet wird. Das Quelllichtmuster könnte auch ein Fotomaskenmuster wie beispielsweise eine Chrommaske sein, die ein einziges Muster oder mehrere Muster aufweisen könnte, wobei die Fotomasken nach Bedarf in die und aus der Position bewegt werden. Dem ersten Retroreflektor 2510 können zusätzliche Retroreflektoren wie z. B. der Retroreflektor 2511 hinzugefügt werden, um dem Lasertracker die Verfolgung des 6-DOF-Scanners von verschiedenen Richtungen aus zu ermöglichen, wodurch sich eine größere Flexibilität bei den Richtungen ergibt, in die der 6-DOF-Projektor 2500 Licht projizieren kann.
Der 6-DOF-Scanner 2500 kann in der Hand gehalten oder beispielsweise auf einem Stativ, einem Geräteständer, einem motorisierten Schlitten oder einem Endeffektor eines Roboters angebracht werden. Die dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks 2528 werden von der Scannerkamera 2530 mittels der Prinzipien der Triangulation gemessen. Es gibt mehrere Wege, mit denen die Triangulationsmessung implementiert werden kann, was von dem von der Scannerlichtquelle 2520 emittierten Lichtmuster und dem Typ der photosensitiven Anordnung 2534 abhängt. Wenn das von der Scannerlichtquelle 2520 emittierte Lichtmuster beispielsweise eine Lichtlinie oder ein linienförmig abtastend bewegter Lichtpunkt ist und wenn die photosensitive Anordnung 2534 eine zweidimensionale Anordnung ist, dann entspricht eine Dimension der zweidimensionalen Anordnung 2534 einer Richtung eines Punkts 2526 auf der Oberfläche des Werkstücks 2528. Die andere Dimension der zweidimensionalen Anordnung 2534 entspricht dem Abstand des Punkts 2526 von der Scannerlichtquelle 2520. Folglich sind die dreidimensionalen Koordinaten jedes Punkts 2526 entlang der von der Scannerlichtquelle 2520 emittierten Lichtlinie relativ zum lokalen Bezugssystem des 6-DOF-Scanners 2500 bekannt. Die sechs Freiheitsgrade des 6-DOF-Scanners sind dem 6-DOF-Lasertracker mittels der im Patent ’758 beschriebenen Verfahren bekannt. Aus den sechs Freiheitsgraden lassen sich die dreidimensionalen Koordinaten der abgetasteten Lichtlinie im Trackerbezugssystem ermitteln, das wiederum durch die mit dem Lasertracker erfolgende Messung von drei Punkten auf dem Werkstück beispielsweise in das Bezugssystem des Werkstücks 2528 umgewandelt werden kann.
Wenn der 6-DOF-Scanner 2500 in der Hand gehalten wird, kann eine von der Scannerlichtlinie 2520 emittierte Laserlichtlinie derart bewegt werden, dass sie die Oberfläche des Werkstücks „anstreicht“, wodurch man die dreidimensionalen Koordinaten für die gesamte Oberfläche erhält. Es ist auch möglich, die Oberfläche eines Werkstücks mit einer Scannerlichtquelle 2520 „anzustreichen“, die ein strukturiertes Lichtmuster emittiert. Wenn ein Scanner 2500 verwendet wird, der ein strukturiertes Lichtmuster emittiert, können alternativ dazu genauere Messungen durchgeführt werden, indem man den 6-DOF-Scanner auf einem Stativ oder Geräteständer anbringt. Das strukturierte Lichtmuster, das von der Scannerlichtquelle 2520 emittiert wird, könnte beispielsweise ein Streifenmuster sein, wobei jeder Streifen eine Bestrahlungsstärke aufweist, die sinusförmig über die Oberfläche des Werkstücks 2528 variiert. Die Sinuskurven werden bei einer Ausgestaltung um drei oder mehr Phasenwerte verschoben. Die Amplitudenhöhe, die von jedem Pixel der Kamera 2530 für jeden der drei oder mehr Phasenwerte aufgezeichnet wird, dient dazu, die Position jedes Pixels auf der Sinuskurve bereitzustellen. Diese Information wird dazu benutzt, die Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten jedes Punkts 2526 zu unterstützen. Bei einer anderen Ausgestaltung kann das strukturierte Licht in Form eines kodierten Musters vorliegen, das man auswerten kann, um dreidimensionale Koordinaten auf der Grundlage einzelner statt mehrfacher Einzelbilder zu ermitteln, die von der Kamera 2530 erfasst werden. Die Verwendung eines kodierten Musters kann relativ genaue Messungen ermöglichen, während der 6-DOF-Scanner 2500 bei angemessener Geschwindigkeit mit der Hand bewegt wird.
Die Projektion eines strukturierten Lichtmusters hat im Gegensatz zu einer Lichtlinie einige Vorteile. Bei einer aus einem in der Hand gehaltenen 6-DOF-Scanner 2500 projizierten Lichtlinie kann die Dichte der Punkte entlang der Linie hoch, aber viel geringer zwischen den Linien sein. Mit einem strukturierten Lichtmuster ist der Abstand zwischen Punkten normalerweise ungefähr der gleiche bei jeder der zwei orthogonalen Richtungen. Zusätzlich dazu können die dreidimensionalen Punkte, die mit einem strukturierten Lichtmuster berechnet werden, bei einigen Betriebsarten genauer als andere Verfahren sein. Befestigt man beispielsweise den 6-DOF-Scanner 2500 am Ort, indem man ihn zum Beispiel an einem feststehenden Ständer oder einer feststehenden Halterung befestigt, kann eine Abfolge strukturierter Lichtmuster emittiert werden, die eine genauere Berechnung gestatten als es mit anderen Verfahren möglich wäre, bei denen ein einziges Muster aufgenommen wurde (d. h. ein Verfahren mit Einzelaufnahmen). Ein Beispiel für eine Abfolge strukturierter Lichtmuster ist eines, bei dem ein Muster mit einer ersten Raumfrequenz auf das Objekt projiziert wird. Bei einer Ausgestaltung ist das projizierte Muster ein Muster von Streifen, die sich bei der optischen Energie sinusförmig verändern. Die Phase des sich sinusförmig verändernden Musters wird bei einer Ausgestaltung verschoben, was dazu führt, dass sich die Streifen zur Seite verschieben. Das Muster kann beispielsweise derart ausgeführt werden, dass es mit drei Phasenwinkeln projiziert wird, die jeweils um 120 Grad relativ zu dem vorangehenden Muster verschoben sind. Diese Abfolge von Projektionen stellt genug Informationen zur Verfügung, um eine relativ genaue Ermittlung der Phase jedes Punkts des Musters unabhängig vom Hintergrundlicht zu ermöglichen. Dies kann auf Punkt-zu-Punkt-Basis erfolgen, ohne benachbarte Punkte auf der Objektoberfläche zu berücksichtigen.
Obwohl die obige Methode eine Phase für jeden Punkt mit Phasen ermittelt, die von 0 bis 360 Grad zwischen zwei benachbarten Linien laufen, bleibt möglicherweise noch die Frage offen, welche Linie welche ist. Ein Weg zur Identifizierung der Linien besteht darin, die Abfolge von Phasen wie oben beschrieben zu wiederholen, dabei aber ein sinusförmiges Muster mit einer unterschiedlichen Raumfrequenz (d. h. einem unterschiedlichen Steifenabstand) zu verwenden. In einigen Fällen muss der gleiche Ansatz für drei oder vier unterschiedliche Streifenabstände wiederholt werden. Das Verfahren zur Eliminierung von Mehrdeutigkeiten mittels dieses Verfahrens ist in der Technik weithin bekannt und wird hier nicht weiter besprochen.
Zur Erzielung der bestmöglichen Genauigkeit mittels eines Folgeprojektionsverfahrens wie beispielsweise dem oben beschriebenen Verfahren mit sinusförmiger Phasenverschiebung kann es von Vorteil sein, die Bewegung des 6-DOF-Scanners zu minimieren. Obwohl die Position und Orientierung des 6-DOF-Scanners aus den 6-DOF-Messungen bekannt sind, die durch den Lasertracker durchgeführt wurden, und obwohl Korrekturen für Bewegungen eines in der Hand gehaltenen 6-DOF-Scanners durchgeführt werden können, ist das daraus resultierende Rauschen etwas höher als in dem Fall, in welchem der Scanner feststehend gehalten würde, indem man ihn auf einer feststehenden Halterung, einem feststehenden Ständer oder einer feststehenden Haltevorrichtung anordnet.
Die durch 15 dargestellten Abtastverfahren basieren auf dem Prinzip der Triangulation. Die Prinzipien der Triangulation werden unter Bezugnahme auf das System 2560 von 15A und das System 4760 von 15B vollständiger erläutert. Zuerst Bezug nehmend auf 15A, umfasst das System 2560 einen Projektor 2562 und eine Kamera 2564. Der Projektor 2562 umfasst ein auf einer Quellebene liegendes Quelllichtmuster 2570 und eine Projektorlinse 2572. Die Projektorlinse kann mehrere Linsenelemente umfassen. Die Projektorlinse hat ein perspektivisches Zentrum 2575 der Linse und eine optische Projektorachse 2576. Der Lichtstrahl 2573 bewegt sich von einem Punkt 2571 auf dem Quelllichtmuster durch das perspektivische Zentrum der Linse auf das Objekt 2590, welches er an einem Punkt 2574 erfasst.
Die Kamera 2564 umfasst eine Kameralinse 2582 und eine photosensitive Anordnung 2580. Die Kameralinse 2582 hat ein perspektivisches Zentrum 2585 der Linse und eine optische Achse 2586. Ein Lichtstrahl 2583 bewegt sich von dem Objektpunkt 2574 durch das perspektivische Zentrum 2585 der Kamera und erfasst die photosensitive Anordnung 2580 an einem Punkt 2581.
Das Liniensegment, das die perspektivischen Zentren verbindet, ist die Basislinie 2588 in 15A und die Basislinie 4788 in 15B. Die Länge der Basislinie wird als „Basislinienlänge“ (2592, 4792) bezeichnet. Der Winkel zwischen der optischen Projektorachse und der Basislinie ist der Basislinie-Projektor-Winkel (2594, 4794). Der Winkel zwischen der optischen Kameraachse (2583, 4786) und der Basislinie ist der Basislinie-Kamera-Winkel (2596, 4796). Wenn bekannt ist, dass ein Punkt auf dem Quelllichtmuster (2570, 4771) einem Punkt auf der photosensitiven Anordnung (2581, 4781) entspricht, dann kann man die Basislinienlänge, den Basislinie-Projektor-Winkel und den Basislinie-Kamera-Winkel zur Ermittlung der Seiten des Dreiecks verwenden, die die Punkte 2585, 2574 und 2575 verbinden, und somit die Oberflächenkoordinaten von Punkten auf der Oberfläche des Objekts 2590 relativ zum Bezugssystem des Messsystems 2560 ermitteln. Dazu werden die Winkel der Seiten des kleinen Dreiecks zwischen der Projektorlinse 2572 und dem Quelllichtmuster 2570 mittels des bekannten Abstands zwischen der Linse 2572 und der Ebene 2570 sowie des Abstands zwischen dem Punkt 2571 und dem Schnittpunkt der optischen Achse 2576 mit der Ebene 2570 ermittelt. Diese kleinen Winkel werden je nach Fall den größeren Winkeln 2596 und 2594 hinzuaddiert oder von diesen subtrahiert, um die gewünschten Winkel des Dreiecks zu erhalten. Es ist für den durchschnittlichen Fachmann klar, dass äquivalente mathematische Verfahren eingesetzt werden können, um die Längen der Seiten des Dreiecks 2574-2585-2575 zu ermitteln, oder dass andere verwandte Dreiecke benutzt werden können, um die gewünschten Koordinaten der Oberfläche des Objekts 2590 zu erhalten.
Zuerst Bezug nehmend auf 15B, ist das System 4760 dem System 2560 von 15A ähnlich, außer dass das System 4760 keine Linse umfasst Das System kann einen Projektor 4762 und eine Kamera 4764 umfassen. Bei der in 15B dargestellten Ausgestaltung umfasst der Projektor eine Lichtquelle 4778 und einen Lichtmodulator 4770. Die Lichtquelle 4778 kann eine Laserlichtquelle sein, weil eine solche Lichtquelle mittels der Geometrie von 15B über eine große Entfernung fokussiert bleiben kann. Ein Lichtstrahl 4773 der Lichtquelle 4778 trifft an einem Punkt 4771 auf den optischen Modulator 4770 auf. Andere Lichtstrahlen der Lichtquelle 4778 treffen auf den optischen Modulator an anderen Positionen auf der Modulatoroberfläche auf. Der optische Modulator 4770 verändert bei einer Ausgestaltung die Energie des emittierten Lichts, wobei er in den meisten Fällen die optische Energie zu einem Grad senkt. Auf diese Weise verleiht der optische Modulator dem Licht ein optisches Muster, das hier als „Quelllichtmuster“ bezeichnet wird, das sich an der Oberfläche des optischen Modulators 4770 befindet. Der optische Modulator 4770 kann beispielsweise eine DLP- oder LCOS-Vorrichtung sein. Bei einigen Ausgestaltungen ist der Modulator 4770 durchlässig statt reflektierend. Das aus dem optischen Modulator 4770 austretende Licht scheint aus einem perspektivischen Zentrum 4775 virtuellen Lichts auszutreten. Der Lichtstrahl scheint aus dem perspektivischen Zentrum 4775 virtuellen Lichts auszutreten, durch den Punkt 4771 zu gehen und sich zum Punkt 4774 an der Oberfläche des Objekts 4790 zu bewegen.
Die Basislinie ist das Liniensegment, das sich vom perspektivischen Zentrum 4785 der Kameralinse zum perspektivischen Zentrum 4775 virtuellen Lichts erstreckt. Im Allgemeinen beinhaltet das Verfahren der Triangulation die Ermittlung der Längen der Seiten eines Dreiecks, also beispielsweise des Dreiecks mit den Eckpunkten 4774, 4785 und 4775. Ein Weg zur Durchführung dessen besteht darin, die Länge der Basislinie, den Winkel zwischen der Basislinie und der optischen Kameraachse 4786 und den Winkel zwischen der Basislinie und der Projektorbezugsachse 4776 zu ermitteln. Zur Ermittlung des gewünschten Winkels können weitere kleinere Winkel ermittelt werden. Man kann beispielsweise den kleinen Winkel zwischen der optischen Kameraachse 4786 und dem Strahl 4783 ermitteln, indem man nach dem Winkel des kleinen Dreiecks zwischen der Kameralinse 4782 und der photosensitiven Anordnung 4780 auf Basis des Abstands von der Linse zur photosensitiven Anordnung und des Abstands des Pixels von der optischen Kameraachse auflöst. Der Winkel des kleinen Dreiecks wird anschließend dem Winkel zwischen der Basislinie und der optischen Kameraachse hinzuaddiert, um den gewünschten Winkel zu ermitteln. Ähnlich kann bei dem Projektor der Winkel zwischen der Projektorbezugsachse 4776 und dem Strahl 4773 ermittelt werden, indem man nach dem Winkel des kleinen Dreiecks zwischen diesen zwei Linien auf Basis des bekannten Abstands der Lichtquelle 4777 und der Oberfläche der optischen Modulation und des Abstands des Projektorpixels bei 4771 vom Schnittpunkt der Bezugsachse 4776 mit der Oberfläche des optischen Modulators 4770 auflöst. Dieser Winkel wird von dem Winkel zwischen der Basislinie und der Projektorbezugsachse subtrahiert, um den gewünschten Winkel zu erhalten.
Die Kamera 4764 umfasst eine Kameralinse 4782 und eine photosensitive Anordnung 4780. Die Kameralinse 4782 hat ein perspektivisches Zentrum 4785 der Kameralinse und eine optische Kameraachse 4786. Die optische Kameraachse ist ein Beispiel für eine Kamerabezugsachse. Aus mathematischer Sicht kann jedwede Achse, die durch das perspektivische Zentrum der Kameralinse verläuft, gleich leicht bei Triangulationsberechnungen benutzt werden, doch normalerweise wird die optische Kameraachse ausgewählt, die eine Symmetrieachse für die Linse ist. Ein Lichtstrahl 4783 bewegt sich von dem Objektpunkt 4774 durch das perspektivische Zentrum 4785 der Kamera und erfasst die photosensitive Anordnung 4780 am Punkt 4781. Man kann andere äquivalente mathematische Verfahren einsetzen, um nach den Längen der Seiten eines Dreiecks 4774-4785-4775 aufzulösen, wie es dem durchschnittlichen Fachmann bekannt ist.
Obwohl das hier beschriebene Triangulationsverfahren weithin bekannt ist, werden nachfolgend der Vollständigkeit halber einige zusätzliche technische Informationen angeführt. Jedes Linsensystem hat eine Eintrittspupille und eine Austrittspupille. Die Eintrittspupille ist der Punkt, von dem aus das Licht auszutreten scheint, wenn man es aus Sicht der Optik erster Ordnung betrachtet. Die Austrittspupille ist der Punkt, von dem aus das Licht auf seinem Weg vom Linsensystem zur photosensitiven Anordnung auszutreten scheint. Bei einem Linsensystem mit mehreren Elementen treffen die Ein- und Austrittspupille nicht unbedingt zusammen und sind die Winkel der Strahlen in Bezug auf die Ein- und Austrittspupille nicht unbedingt gleich. Man kann das Modell jedoch vereinfachen, indem man das perspektivische Zentrum für die Eintrittspupille der Linse hält und dann den Abstand von der Linse zur Quell-oder Bildebene derart einstellt, dass die Strahlen sich weiter entlang geraden Linien bewegen, um die Quell- oder Bildebene zu erfassen. Auf diese Weise wird das in 15A dargestellte einfache und weithin gebräuchliche Modell angewendet. Es versteht sich, dass diese Beschreibung eine gute Approximation erster Ordnung des Verhaltens des Lichts zur Verfügung stellt, wobei jedoch zusätzliche Feinkorrekturen durchgeführt werden können, um Linsenfehler zu berücksichtigen, die dazu führen können, dass die Strahlen relativ zu den berechneten Positionen etwas verschoben sind, wenn das Modell von 15A verwendet wird. Obwohl im Allgemeinen die Basislinienlänge, der Basislinie-Projektor-Winkel und der Basislinie-Kamera-Winkel benutzt werden, versteht es sich, dass die Aussage, dass diese Größen erforderlich sind, nicht die Möglichkeit ausschließt, dass andere ähnliche, aber etwas verschiedene Formulierungen angewendet werden können, ohne dass die Allgemeingültigkeit in der hierin gegebenen Beschreibung verloren geht.
Beim Einsatz eines 6-DOF-Scanners können mehrere Typen von Abtastmustern verwendet werden und ist es möglicherweise von Vorteil, unterschiedliche Typen zu kombinieren, um die beste Leistung in der kürzesten Zeit zu erzielen. Beispielsweise nutzt bei einer Ausgestaltung ein schnelles Messverfahren ein zweidimensionales kodiertes Muster, bei dem dreidimensionale Koordinatendaten in einer Einzelaufnahme erhalten werden können. Bei einem Verfahren mit kodierten Mustern können beispielsweise verschiedene Zeichen, verschiedene Formen, verschiedene Dicken oder Größen oder verschiedene Farben verwendet werden, um charakteristische Elemente bereitzustellen, die auch als kodierte Elemente oder kodierte Merkmale bekannt sind. Man kann solche Merkmale benutzen, um die Anpassung des Punkts 2571 an den Punkt 2581 zu ermöglichen. Ein kodiertes Merkmal auf dem Quelllichtmuster 2570 kann auf der photosensitiven Anordnung 2580 identifiziert werden.
Eine Methode, die zur Vereinfachung der Anpassung kodierter Merkmale eingesetzt werden kann, ist die Verwendung von Epipolarlinien. Epipolarlinien sind mathematische Linien, die durch die Schnittlinie von Epipolarebenen und der Quellebene 2570 oder der Bildebene 2580 gebildet werden. Eine Epipolarebene ist eine beliebige Ebene, die durch das perspektivische Zentrum des Projektors und das perspektivische Zentrum der Kamera verläuft. Die Epipolarlinien auf der Quellebene und der Bildebene können in einigen speziellen Fällen parallel sein, sind im Allgemeinen aber nicht parallel. Ein Aspekt von Epipolarlinien besteht darin, dass eine bestimmte Epipolarlinie auf der Projektorebene eine entsprechende Epipolarlinie auf der Bildebene hat. Daher kann jedwedes bestimmte Muster, das auf einer Epipolarlinie in der Projektorebene bekannt ist, unmittelbar in der Bildebene festgestellt und ausgewertet werden. Wenn beispielsweise ein kodiertes Muster entlang einer Epipolarlinie in der Projektorebene angeordnet ist, dann lässt sich der Abstand zwischen kodierten Elementen in der Bildebene mittels der Werte ermitteln, die durch Pixel der photosensitiven Anordnung 2580 ausgelesen werden können; und diese Information wird zur Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten eines Objektpunkts 2574 benutzt. Es ist auch möglich, kodierte Muster in einem bezogen auf eine Epipolarlinie bekannten Winkel zu kippen und effizient Objektoberflächenkoordinaten zu extrahieren.
Ein Vorteil der Verwendung kodierter Muster besteht darin, dass man dreidimensionale Koordinaten von Objektoberflächenpunkten schnell erhalten kann. In den meisten Fällen bietet ein Ansatz mit Abfolgen strukturierten Lichts wie beispielsweise der oben besprochene Ansatz mit sinusförmiger Phasenverschiebung genauere Ergebnisse. Deshalb kann der Benutzer vorteilhafterweise auswählen, bestimmte Objekte oder bestimmte Objektbereiche oder -merkmale mittels verschiedener Projektionsverfahren gemäß der gewünschten Genauigkeit zu messen. Durch die Verwendung eines programmierbaren Quelllichtmusters lässt sich eine solche Auswahl leicht durchführen.
Bei bestimmten Objekttypen kann eine bedeutende Einschränkung der Genauigkeit von Scannern vorliegen. Beispielsweise lassen sich einige Merkmale wie Löcher oder Vertiefungen eventuell nur schwierig wirksam abtasten. Die Kanten von Objekten oder Löchern sind möglicherweise schwierig so glatt zu erhalten wie eventuell gewünscht. Manche Materialarten werfen unter Umständen nicht so viel Licht zurück wie gewünscht oder haben eine große Eindringtiefe für das Licht. In anderen Fällen kann Licht von mehr als einer Oberfläche reflektiert werden (Mehrwegestörung), bevor es zum Scanner zurückkehrt, so dass das beobachtete Licht „verfälscht“ wird, was zu Messfehlern führt. In jedwedem dieser Fälle kann es von Vorteil sein, die verschiedenen Bereiche mit einem 6-DOF-Scanner 2505 zu messen, der in 15C dargestellt ist und eine Tastsonde wie beispielsweise die Sondenspitze 2554 umfasst, die ein Teil der Sondenverlängerungsbaugruppe 2550 ist. Nachdem bestimmt wurde, dass es von Vorteil wäre, mit einer Tastsonde zu messen, kann der Projektor 2520 einen Laserstrahl zur Beleuchtung des zu messenden Bereichs senden. In 15C beleuchtet ein projizierter Lichtstrahl 2522 einen Punkt 2527 auf einem Objekt 2528, um anzuzeigen, dass dieser Punkt mit der Sondenverlängerungsbaugruppe 2550 zu messen ist. Die Tastsonde kann in einigen Fällen aus dem Projektionsfeld des Projektors 2550 hinausbewegt werden, um zu vermeiden, dass der Messbereich des Scanners reduziert wird. In diesem Fall kann der Strahl 2522 des Projektors einen Bereich beleuchten, den der Bediener sehen kann. Der Bediener kann anschließend die Tastsonde 2550 in die Position bewegen, um den vorgeschriebenen Bereich zu messen. In anderen Fällen kann der zu messende Bereich außerhalb des Projektionsbereichs des Scanners liegen. Der Scanner kann in diesem Fall den Strahl 2522 bis zu der Erstreckung seines Bereichs in die zu messende Richtung richten oder er kann den Strahl 2522 in einem Muster bewegen, um die Richtung anzuzeigen, in welcher der Strahl angeordnet werden sollte. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein CAD-Modell oder erfasste Daten auf einem Anzeigemonitor darzustellen und dann in der Anzeige diejenigen Bereiche des CAD-Modells oder der erfassten Daten hervorzuheben, die erneut gemessen werden sollten. Es ist auch möglich, hervorgehobene Bereiche mit anderen Werkzeugen zu messen, also beispielsweise mit einem sphärisch montierten Retroreflektor oder einer 6-DOF-Sonde unter der Steuerung eines Lasertrackers.
Der Projektor 2520 kann ein zweidimensionales Lichtmuster projizieren, das manchmal als „strukturiertes Licht“ bezeichnet wird. Ein solches Licht tritt aus dem perspektivischen Zentrum der Projektorlinse aus und bewegt sich in einem sich aufweitenden Muster nach außen, bis es das Objekt 2528 schneidet. Beispiele für diesen Mustertyp sind das kodierte Muster und das periodische Muster, die beide vorstehend besprochen wurden. Der Projektor 2520 kann alternativ dazu ein eindimensionales Lichtmuster projizieren. Solche Projektoren werden manchmal als „Laserliniensonden“ oder „Laserlinienscanner“ bezeichnet. Obwohl die mit diesem Scannertyp projizierte Linie eine Breite und eine Form hat (beispielsweise kann sie ein Gaußsches Strahlprofil im Querschnitt haben), ist die Information, die sie für den Zweck der Ermittlung der Form eines Objekts enthält, eindimensional. Also schneidet eine von einem Laserlinienscanner emittierte Linie ein Objekt in einer linearen Projektion. Die auf dem Objekt verfolgte beleuchtete Form ist zweidimensional. Im Gegensatz dazu erzeugt ein Projektor, der ein zweidimensionales Lichtmuster projiziert, eine beleuchtete Form auf dem Objekt, die dreidimensional ist. Ein Weg zur Unterscheidung zwischen dem Laserlinienscanner und dem Scanner mit strukturiertem Licht besteht darin, den Scanner mit strukturiertem Licht als einen Scannertyp zu definieren, der mindestens drei nicht-kollineare Musterelemente enthält. Im Falle eines zweidimensionalen Musters, das ein kodiertes Lichtmuster projiziert, sind die drei nicht-kollinearen Musterelemente wegen ihrer Codes erkennbar, und da sie in zwei Dimensionen projiziert werden, müssen die mindestens drei Musterelemente nicht-kollinear sein. Im Falle des periodischen Musters wie beispielsweise dem sich sinusförmig wiederholenden Muster repräsentiert jede sinusförmige Periode eine Vielzahl von Musterelementen. Da es eine Multiplizität periodischer Muster in zwei Dimensionen gibt, müssen die Musterelemente nicht-kollinear sein. Im Gegensatz dazu liegen im Falle des Laserlinienscanners, der eine Lichtlinie emittiert, alle Musterelemente auf einer geraden Linie. Obwohl die Linie eine Breite aufweist und das Ende des Linienquerschnitts weniger optische Energie als der Signalpeak haben kann, werden diese Aspekte der Linie bei der Ermittlung von Oberflächenkoordinaten eines Objekts nicht getrennt ausgewertet und repräsentieren sie demzufolge keine getrennten Musterelemente. Obwohl die Linie mehrere Musterelemente enthalten kann, sind diese Musterelemente kollinear.
Es wird nun ein Verfahren zur Berechnung dreidimensionaler Koordinaten einer Objektoberfläche unter Bezugnahme auf 15D angeführt. Das Linienscannersystem 4500 umfasst einen Projektor 4520 und eine Kamera 4540. Der Projektor 4520 umfasst ein Quelllichtmuster 4521 und eine Projektorlinse 4522. Das Quelllichtmuster umfasst ein beleuchtetes Muster in Form einer Linie. Die Projektorlinse umfasst ein perspektivisches Zentrum des Projektors und eine optische Projektorachse, die durch das perspektivische Zentrum des Projektors verläuft. In dem Beispiel von 15D ist ein mittiger Lichtstrahl 4524 auf die perspektivische optische Achse ausgerichtet. Die Kamera 4540 umfasst eine Kameralinse 4542 und eine photosensitive Anordnung 4541. Die Linse hat eine optische Kameraachse 4543, die durch ein perspektivisches Zentrum 4544 der Kameralinse verläuft. Bei dem beispielhaften System 4500 sind die optische Projektorachse, die auf den Lichtstrahl 4524 ausgerichtet ist, und die optische Achse 4544 der Kameralinse senkrecht zu der Lichtlinie 4526, die vom Quelllichtmuster 4521 projiziert wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Linie 4526 in der senkrecht zum Papier von 15D verlaufenden Richtung verläuft. Die Linie strahlt eine Objektoberfläche an, die in einem ersten Abstand vom Projektor die Objektoberfläche 4510A ist und in einem zweiten Abstand vom Projektor die Objektoberfläche 4520A ist. Es versteht sich, dass sich die Objektoberfläche in verschiedenen Höhen über oder unter dem Papier von 15D in einem anderen Abstand vom Projektor als dem Abstand zu entweder der Objektoberfläche 4520A oder 4520B befinden kann. Bei einem Punkt auf der Lichtlinie 4526, der auch in dem Papier von 15D liegt, schneidet die Lichtlinie die Oberfläche 4520A in einem Punkt 4526 und die Oberfläche 4520B in einem Punkt 4527. Im Falle des Schnittpunkts 4526 bewegt sich ein Lichtstrahl vom Punkt 4526 durch das perspektivische Zentrum 4544 der Kameralinse und schneidet die photosensitive Anordnung 4541 in einem Bildpunkt 4546. Im Falle des Schnittpunkts 4527 bewegt sich ein Lichtstrahl vom Punkt 4527 durch das perspektivische Zentrum der Kameralinse und schneidet die photosensitive Anordnung 4541 in einem Bildpunkt 4547. Der Abstand von dem Projektor (und der Kamera) zur Objektoberfläche kann ermittelt werden, indem man die Position des Schnittpunkts relativ zu der Position der optischen Achse 4544 der Kameralinse feststellt. Der Abstand vom Projektor zu anderen Punkten auf der Lichtlinie 4526, d. h. Punkten auf der Lichtlinie, die nicht in der Papierebene von 15D liegen, kann in ähnlicher Weise ermittelt werden. Das Muster auf der photosensitiven Anordnung ist im üblichen Fall eine Lichtlinie (im Allgemeinen keine gerade Linie), wo jeder Punkt in der Linie einer unterschiedlichen Position senkrecht zur Papierebene entspricht und die Position senkrecht zur Papierebene die Information über den Abstand zwischen Projektor und Kamera enthält. Demnach lassen sich durch Auswerten des Musters der Linie im Bild der photosensitiven Anordnung die dreidimensionalen Koordinaten der Objektoberfläche entlang der projizierten Linie ermitteln. Es ist anzumerken, dass die in dem Bild auf der photosensitiven Anordnung enthaltene Information im Falle eines Linienscanners in einer (im Allgemeinen nicht geraden) Linie enthalten ist. Im Gegensatz dazu enthält die in dem zweidimensionalen Projektionsmuster strukturierten Lichts enthaltene Information eine Information über beide Dimensionen des Bilds in der photosensitiven Anordnung.
Es ist anzumerken, dass, obwohl die oben angeführten Beschreibungen basierend darauf, ob drei oder mehr Musterelemente kollinear sind, zwischen Linienscannern und Flächenscannern (mit strukturiertem Licht) unterscheiden, die Absicht dieses Kriteriums darin besteht, Muster zu unterscheiden, die als Flächen und als Linien projiziert werden. Demzufolge sind Muster, die linear mit Informationen nur entlang eines einzigen Wegs projiziert werden, immer noch Linienmuster, obwohl das eindimensionale Muster sogar kurvenförmig sein kann.
Ein wichtiger Vorteil, den ein Linienscanner gegenüber einem Scanner mit strukturiertem Licht haben kann, ist in einigen Fällen seine bessere Fähigkeit zur Erfassung der Mehrwegestörung. In einem normalen (gewünschten) Fall kann jeder Lichtstrahl, der aus dem Projektor austritt und auf die Objektoberfläche auftrifft, so betrachtet werden, dass er generell in einer vom Objekt fortgehenden Richtung reflektiert wird. Im üblichen Fall ist die Oberfläche des Objekts nicht stark reflektierend (d. h. keine spiegelartige Oberfläche), so dass fast alles Licht diffus reflektiert (gestreut) wird, statt gerichtet reflektiert zu werden. Das diffus reflektierte Licht bewegt sich nicht ganz so in einer einzigen Richtung wie reflektiertes Licht im Falle einer spiegelartigen Oberfläche, sondern wird eher in einem Muster gestreut. Die generelle Richtung des gestreuten Lichts kann jedoch in der gleichen Weise ermittelt werden wie bei der Lichtreflexion von einer spiegelartigen Oberfläche. Diese Richtung lässt sich ermitteln, indem man am Schnittpunkt des vom Projektor kommenden Lichts mit dem Objekt eine Normale zur Oberfläche des Objekts zieht. Die generelle Richtung des gestreuten Lichts wird anschließend als die Reflexion des einfallenden Lichts um die Flächennormale herum ermittelt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Reflexionswinkel gleich dem Einfallswinkel ist, obwohl der Reflexionswinkel in diesem Fall lediglich eine generelle Streurichtung ist.
Der Fall der Mehrwegestörung tritt ein, wenn ein Teil des Lichts, der auf die Objektoberfläche auftrifft, zuerst von einer anderen Oberfläche des Objekts reflektiert wird, bevor er zur Kamera zurückkehrt. Bei dem Punkt auf dem Objekt, der dieses gestreute Licht auffängt, entspricht das zur photosensitiven Anordnung gesendete Licht dann nicht nur dem Licht, das direkt vom Projektor projiziert wird, sondern auch dem Licht, das zu einem anderen Punkt auf dem Projektor gesendet und vom Objekt gestreut wird. Die Auswirkung der Mehrwegestörung kann insbesondere im Falle von Scannern, die ein zweidimensionales (strukturiertes) Licht projizieren, dazu führen, dass der berechnete Abstand zwischen Projektor und Objektoberfläche an diesem Punkt ungenau ist.
Im Falle eines Linienscanners gibt es einen Weg für die Ermittlung, ob eine Mehrwegestörung vorhanden ist. Bei einer Ausgestaltung sind die Zeilen einer photosensitiven Anordnung parallel zur Papierebene von 15E und die Spalten senkrecht zur Papierebene. Jede Zeile repräsentiert einen Punkt auf der projizierten Linie 4526 in der senkrecht zur Papierebene verlaufenden Richtung. Bei einer Ausgestaltung wird der Abstand zwischen Projektor und Objekt für diesen Punkt auf der Linie ermittelt, indem zuerst der Flächenschwerpunkt für jede Zeile berechnet wird. Allerdings sollte das Licht auf jeder Zeile über einen Bereich benachbarter Pixel konzentriert werden. Falls es zwei oder mehr Bereiche gibt, die eine signifikante Lichtmenge auffangen, wird eine Mehrwegestörung angezeigt. Ein Beispiel für eine solche Bedingung einer Mehrwegestörung und der sich daraus ergebende zusätzliche Beleuchtungsbereich auf der photosensitiven Anordnung sind in 15E dargestellt. Die Oberfläche 4510A hat jetzt eine größere Krümmung nahe dem Schnittpunkt 4526. Die Flächennormale am Schnittpunkt ist die Linie 4526 und der Einfallswinkel ist 4531. Die Richtung der reflektierten Lichtlinie 4529 wird aus dem Reflexionswinkel 4532 ermittelt, der gleich dem Einfallswinkel ist. Wie vorstehend angegeben wurde, repräsentiert die Lichtlinie 4529 eigentlich eine Gesamtrichtung für das Licht, das über einen Winkelbereich gestreut wird. Die Mitte des gestreuten Lichts trifft auf die Oberfläche 4510A am Punkt 4527 auf, der von der Linse 4544 am Punkt 4548 auf der photosensitiven Anordnung abgebildet wird. Die unerwartet hohe Lichtmenge, die in der Nähe des Punkts 4548 aufgefangen wird, zeigt an, dass wahrscheinlich eine Mehrwegestörung vorhanden ist. Bei einem Linienscanner liegt die vorrangige Bedeutung der Mehrwegestörung nicht in dem in 15E dargestellten Fall vor, wo die zwei Punkte 4546 und 4541 um einen beträchtlichen Abstand voneinander entfernt sind und getrennt analysiert werden können, sondern vielmehr in dem Fall, in dem die zwei Punkte einander überlappen oder miteinander verschmolzen sind. In diesem Fall ist es nicht möglich, den Flächenschwerpunkt zu ermitteln, der dem gewünschten Punkt entspricht, welcher in 15E dem Punkt 4546 entspricht. Das Problem wird im Falle eines Scanners, der Licht in zwei Dimensionen projiziert, noch größer, wie aus einer erneuten Betrachtung von 15E hervorgeht. Würde alles Licht, das auf der photosensitiven Anordnung 4541 abgebildet wird, für die Ermittlung zweidimensionaler Koordinaten benötigt, ist dann klar, dass das Licht am Punkt 4527 dem gewünschten Lichtmuster, das direkt vom Projektor projiziert wird, und dem unerwünschten Licht, das von der Objektoberfläche zum Punkt 4527 reflektiert wird, entspräche. Infolgedessen würden in diesem Fall wahrscheinlich die falschen dreidimensionalen Koordinaten für den Punkt 4527 bei dem zweidimensionalen projizierten Licht berechnet.
Bei einer projizierten Lichtlinie ist es in vielen Fällen möglich, eine Mehrwegestörung zu eliminieren, indem man die Richtung der Linie verändert. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Linienscanner derart zu verwenden, dass er einen Projektor mit inhärenter zweidimensionaler Fähigkeit benutzt, wodurch die Linie hin- und herbewegt oder automatisch in verschiedene Richtungen gedreht werden kann. Wenn beispielsweise eine Mehrwegestörung in einer bestimmten, mit strukturiertem Licht erhaltenen Abtastung vermutet wird, könnte ein Messsystem automatisch dafür konfiguriert werden, zu einem Messverfahren umzuschalten, bei dem eine hin- und herbewegte Lichtlinie verwendet wird.
Ein anderer, kompletterer Weg zur Eliminierung einer Mehrwegestörung besteht darin, einen Lichtpunkt statt einer Lichtlinie oder einer Lichtfläche über denjenigen Bereichen hin- und herzubewegen, bei denen eine Mehrwegestörung angezeigt wurde. Durch Beleuchten einen einzigen Lichtpunkts können keine anderen beleuchteten Punkte gestreutes Licht auf den für die Messung vorgesehenen Punkt reflektieren. Wenn beispielsweise die Linie 4526 als Sammlung einzelner Lichtpunkte abtastend bewegt würde, entfiele die Möglichkeit einer Mehrwegestörung.
Ein weiteres Reflexionsproblem, das bei der Durchführung von Scannermessungen eintreten kann, ist das Problem von reflektiertem gerichtetem Licht. Manchmal hat eine relativ glatte Oberfläche eine Krümmung derart, dass eine große Lichtmenge gerichtet auf die photosensitive Anordnung reflektiert wird, wodurch ein „Lichtschwerpunkt“ entsteht, der mehr Licht als die umgebenden Pixel erhält. Solche Lichtschwerpunkte werden manchmal als „Glitzern“ bezeichnet. Diese Lichtschwerpunkte machen es eventuell schwierig, ein Objekt korrekt mit einem Scanner zu messen. Wie im Falle der Mehrwegestörung kann man das Problem mit dem Glitzern bewältigen, indem man eine Laserlinie mit einer einstellbaren Richtung oder einem einstellbaren Lichtpunkt verwendet.
Es lässt sich leicht bestimmen, ob ein Glitzern vorliegt, weil kleine gesättigte Bereiche auf der photosensitiven Anordnung ohne Weiteres erfasst werden können. Es wird aber ein systematischer Ansatz benötigt, um Mehrwegeprobleme zu identifizieren und zu bewältigen. Ein allgemeiner Ansatz kann zur Auswertung nicht nur einer Mehrwegestörung, sondern auch der allgemeinen Qualität, die die Auflösung und die Auswirkung der Materialart, der Oberflächengüte und der Geometrie umfasst, benutzt werden. Auch Bezug nehmend auf 15F, kann ein Verfahren 4600 bei einer Ausgestaltung automatisch unter der Steuerung eines Computers durchgeführt werden. Ein Schritt 4602 besteht darin, zu ermitteln, ob Informationen über dreidimensionale Koordinaten eines Prüfobjekts zur Verfügung stehen. Ein erster Typ einer dreidimensionalen Information sind CAD-Daten. CAD-Daten zeigen normalerweise die Nennmaße eines Prüfobjekts an. Ein zweiter Typ einer dreidimensionalen Information sind gemessene dreidimensionale Daten – zum Beispiel Daten, die vorher mit einem Scanner oder einer anderen Vorrichtung gemessen wurden. Der Schritt 4602 kann in einigen Fällen einen weiteren Schritt der Ausrichtung des Bezugssystems des Koordinatenmessgeräts – beispielsweise eines Lasertrackers oder eines Scanner-Zusatzteils mit 6 Freiheitsgraden – auf das Bezugssystem des Objekts umfassen. Dies erfolgt bei einer Ausgestaltung durch Messen von mindestens drei Punkten auf der Oberfläche des Objekts mit dem Lasertracker.
Wenn die Antwort auf die in Schritt 4602 gestellte Frage lautet, dass die dreidimensionale Information zur Verfügung steht, wird dann in einem Schritt 4604 der Computer oder Prozessor benutzt, um die Anfälligkeit der Objektmessung für eine Mehrwegestörung zu berechnen. Bei einer Ausgestaltung wird dies durchgeführt, indem jeder vom Scannerprojektor emittierte Lichtstrahl projiziert und der Winkel oder die Reflexion für jeden Fall berechnet wird. Ein Beispiel, das für den Fall des Linienscanners aufgeführt wurde, wurde anhand von 5E beschrieben. Die Berechnungen für den Scanner mit strukturiertem Licht werden in der gleichen Weise durchgeführt. Der Computer oder die Software identifiziert jeden Bereich der Objektoberfläche, der infolge einer Mehrwegestörung fehleranfällig ist. In Schritt 4604 kann man auch eine Analyse der Anfälligkeit für einen Mehrwegefehler bei verschiedenen Positionen der 6-DOF-Sonde relativ zum Prüfobjekt durchführen. In einigen Fällen kann eine Mehrwegestörung vermieden oder minimiert werden, indem man eine geeignete Position und Orientierung der 6-DOF-Sonde relativ zum Prüfobjekt auswählt. Wenn die Antwort auf die in Schritt 4602 gestellte Frage lautet, dass die dreidimensionale Information nicht zur Verfügung steht, besteht dann ein Schritt 4606 darin, die dreidimensionalen Koordinaten der Objektoberfläche mit irgendeinem gewünschten oder bevorzugten Messverfahren zu messen. Im Anschluss an die Berechnung der Mehrwegestörung kann ein Schritt 4608 durchgeführt werden, um andere Aspekte der erwarteten Abtastungsqualität auszuwerten. Ein solcher Qualitätsfaktor liegt darin begründet, ob die Auflösung der Abtastung für die Merkmale des Prüfobjekts ausreicht. Wenn die Auflösung einer Vorrichtung beispielsweise 3 mm beträgt und es Merkmale im Submillimeterbereich gibt, für die gültige Abtastungsdaten gewünscht werden, sollten diese Problembereiche des Objekts dann für eine spätere Korrekturmaßnahme aufgezeichnet werden. Ein anderer Qualitätsfaktor, der teilweise mit der Auflösung verwandt ist, ist die Fähigkeit zur Messung von Kanten des Objekts und Kanten von Löchern. Ist die Scannerleistung bekannt, lässt sich ermitteln, ob die Scannerauflösung für bestimmte Kanten gut genug ist. Ein weiterer Qualitätsfaktor ist die erwartete Lichtmenge, die von einem bestimmten Merkmal zurückkehrt. Man kann beispielsweise erwarten, dass wenig Licht (wenn überhaupt) aus dem Innern eines kleinen Lochs oder von einem Glanzwinkel zum Scanner zurückkehrt. Wenig Licht kann man auch von bestimmten Arten und Farben von Materialien erwarten. Bestimmte Materialarten haben eine große Eindringtiefe für das Licht des Scanners, und in diesem Fall würden keine guten Messergebnisse erwartet. In manchen Fällen kann ein automatisches Programm ergänzende Informationen vom Benutzer anfordern. Wenn ein Computerprogramm beispielsweise die Schritte 4604 und 4608 auf Basis von CAD-Daten durchführt, kennt es möglicherweise nicht die benutzte Materialart oder die Oberflächenkennwerte des Prüfobjekts. In diesen Fällen kann der Schritt 4608 einen weiteren Schritt zum Erhalten von Materialkennwerten für das Prüfobjekt umfassen.
Im Anschluss an die Analyse der Schritte 4604 und 4608 besteht der Schritt 4610 darin, zu entscheiden, ob weitere Diagnosemethoden durchgeführt werden sollten. Ein erstes Beispiel für eine mögliche Diagnosemethode ist der Schritt 4612 zum Projizieren eines Streifens in einem bevorzugten Winkel, um festzustellen, ob eine Mehrwegestörung beobachtet wird. Die allgemeinen Anzeigen einer Mehrwegestörung für einen projizierten Linienstreifen wurden vorstehend anhand von 15E besprochen. Ein anderes Beispiel für einen Diagnoseschritt ist der Schritt 4614, der darin besteht, eine Sammlung von in Richtung von Epipolarlinien ausgerichteten Linien auf das Quelllichtmuster zu projizieren, also beispielsweise das Quelllichtmuster 2570 in 15A oder das Quelllichtmuster bei 4770 in 15B. Für den Fall, in dem Lichtlinien im Quelllichtmuster auf die Epilolarlinien ausgerichtet sind, erscheinen diese Linien dann auch als gerade Linien in der Bildebene auf der photosensitiven Anordnung, also beispielsweise an der Ebene 2580 von 15A oder der Ebene 4780 von 15B. Wenn diese Muster auf der photosensitiven Anordnung keine geraden Linien sind oder wenn die Linien unscharf oder verrauscht sind, wird dann ein Problem angezeigt, und zwar eventuell als Ergebnis einer Mehrwegestörung.
Der Schritt 4616 besteht darin, eine Kombination aus bevorzugten Maßnahmen auf Basis der durchgeführten Analysen und der durchgeführten Diagnosemethode auszuwählen. Wenn die Geschwindigkeit bei einer Messung besonders wichtig ist, kann man einen Schritt 4618 zum Messen mit einem (strukturierten) 2D-Muster kodierten Lichts bevorzugen. Wenn eine größere Genauigkeit wichtiger ist, kann man dann einen Schritt 4620 zum Messen mit einem (strukturierten) 2D-Muster kodierten Lichts mittels aufeinanderfolgender Muster, also beispielsweise einer Abfolge sinusförmiger Muster mit variierender Phase und variierendem Abstand, bevorzugen. Wenn das Verfahren 4618 oder 4620 ausgewählt wird, sollte dann möglicherweise auch ein Schritt 4628 ausgewählt werden, der darin besteht, den Scanner neu zu positionieren, d. h. die Position und Orientierung des Scanners auf die Position einzustellen, die Mehrwegestörungen und gerichtete Reflexionen (Glitzern) minimiert, die durch die Analyse von Schritt 4604 bereitgestellt wurden. Solche Anzeigen können einem Benutzer zur Verfügung gestellt werden, indem Problembereiche mit Licht des Scannerprojektors beleuchtet werden oder solche Bereiche auf einer Monitoranzeige angezeigt werden. Alternativ dazu können die nächsten Schritte im Messverfahren automatisch von einem Computer oder Prozessor ausgewählt werden. Es stehen mehrere Optionen zur Verfügung, wenn die bevorzugte Scannerposition eine Mehrwegestörung und Glitzern nicht eliminiert. Die Messung kann in einigen Fällen wiederholt werden, wobei der Scanner neu positioniert wird und die gültigen Messergebnisse kombiniert werden. In anderen Fällen können alternative Messschritte dem Verfahren hinzugefügt oder statt der Verwendung strukturierten Lichts durchgeführt werden. Wie vorher erörtert wurde, stellt ein Schritt 4622 zur abtastenden Bewegung eines Lichtstreifens einen zweckmäßigen Weg zum Erhalten von Informationen über einen Bereich zur Verfügung, wobei die Möglichkeit geringer ist, dass ein Problem wegen einer Mehrwegestörung auftritt. Ein Schritt 4624 zum Hin- und Herbewegen eines kleinen Lichtpunkts über einen interessierenden Bereich reduziert außerdem die Möglichkeit von durch eine Mehrwegestörung bedingten Problemen. Ein Schritt zum Messen eines Bereichs einer Objektoberfläche mit einer Tastsonde oder einem anderen mechanischen Sensor wie z. B. einem SMR eliminiert die Möglichkeit einer Mehrwegestörung. Eine Tastsonde stellt eine bekannte Auflösung auf Basis der Größe der Sondenspitze bereit und eliminiert Probleme mit niedrigem Lichtreflexionsgrad oder großer optischer Eindringtiefe, die bei einigen Prüfobjekten vorkommen könnten.
In den meisten Fällen kann die Qualität der in einer Kombination der Schritte 4618–4628 erfassten Daten in einem Schritt 4630 auf Basis der aus den Messungen erhaltenen Daten in Kombination mit den Ergebnissen der vorher durchgeführten Analysen ausgewertet werden. Wenn sich in einem Schritt 4632 die Qualität als akzeptabel erweist, wird die Messung in einem Schritt 4634 beendet. Andernfalls wird die Analyse im Schritt 4604 fortgesetzt. Eventuell waren die 3D-Informationen in einigen Fällen nicht so genau wie gewünscht. In diesem Fall könnte eine Wiederholung einiger der früheren Schritte hilfreich sein.
Bei einer anderen Ausgestaltung können die Kamera 2530 und der Projektor 2520 derart konfiguriert werden, dass sie Merkmale messen, die zu klein für das menschliche Auge sind. Bei dieser Anwendung sind die Muster strukturierten Lichts im Allgemeinen in ihrer Größe reduziert, wobei die Kamera dafür konfiguriert ist, ein Muster dieser Größe zu messen. Beispiele für die Anwendungen, bei denen dieser Typ des Projektors 2500 benutzt wird, umfassen das Messen kleiner Schweißpunkte, das Messen der Rauheit und Welligkeit von Oberflächen, das Messen der Eigenschaften von Materialien wie beispielsweise Papier, das Messen von Schneidkanten, das Messen von Verschleiß, Abrieb und Erosion sowie das Messen von Ebenheit und Stufenhöhe. Das Scannersystem von 15, das einen 6-DOF-Scanner und einen Lasertracker umfasst, ermöglicht die Messung kleiner Merkmale über große Bereiche.
16 zeigt eine Ausgestaltung einer 6-DOF-Anzeigevorrichtung 2800, die in Verbindung mit einem optoelektronischen System 900 und einem Lokalisierungskamerasystem 950 verwendet wird. Das optoelektronische System 900 und das Lokalisierungskamerasystem 950 wurden im Zusammenhang mit 13 besprochen und diese Erörterung wird hier nicht wiederholt. Das optoelektronische System 900 ist bei einer Ausgestaltung durch das optoelektronische System 1900 ersetzt. Die 6-DOF-Anzeigevorrichtung 2800 umfasst einen Körper 2814, einen oder mehrere Retroreflektoren 2810, 2811, eine Halterung 2890, ein optionales elektrisches Kabel 2836, eine optionale Batterie 2834, ein Schnittstellenbauteil 2812, ein Identifizierelement 2839, Betätigungsknöpfe 2816, eine Antenne 2838 und eine Elektronikleiterplatte 2832. Der Retroreflektor 2810, das optionale elektrische Kabel 2836, die optionale Batterie 2834, das Schnittstellenbauteil 2812, das Identifizierelement 2839, die Betätigungsknöpfe 2816, die Antenne 2838 und die Elektronikleiterplatte 2832 in 16 entsprechen dem Retroreflektor 2010, dem optionalen elektrischen Kabel 2046, der optionalen Batterie 2044, dem Schnittstellenbauteil 2012, dem Identifizierelement 2049, den Betätigungsknöpfen 2016, der Antenne 2048 bzw. der Elektronikleiterplatte 2042 in 14. Die Beschreibungen dieser entsprechenden Elemente sind die gleichen wie vorstehend besprochen und werden nicht wiederholt. Die Halterung 2890 kann an einem beweglichen Element befestigt werden, wodurch dem Lasertracker die Möglichkeit gegeben wird, die sechs Grade des beweglichen Elements zu messen. Das bewegliche Element kann ein Endeffektor eines Roboters, eine Werkzeugmaschine oder ein Werkzeug auf einer Baugruppe (z. B. ein Schlitten einer Fertigungsstraße) sein. Die 6-DOF-Anzeigevorrichtung kann kompakt sein, weil der Retroreflektor 2810 klein sein kann und die meisten anderen Elemente von 16 optional sind oder entfallen können. Diese kleine Größe kann in manchen Fällen einen Vorteil bieten. Dem ersten Retroreflektor 2610 können zusätzliche Retroreflektoren wie beispielsweise der Retroreflektor 2611 hinzugefügt werden, um dem Lasertracker die Verfolgung des 6-DOF-Scanners aus verschiedenen Richtungen zu ermöglichen.
16A zeigt eine Ausgestaltung, bei der die 6-DOF-Anzeigevorrichtung 4730 ein sphärisch montierter 6-DOF-Retroreflektor (SMR) 4734 ist, der auf einer magnetischen Aufnahme 4732 angebracht ist. Der 6-DOF-SMR kann einen Muster-Retroreflektor enthalten, der ein luftoffener Retroreflektor oder ein Retroreflektor aus Glas mit Markierungen entlang der Schnittlinien reflektierender Elemente sein könnte. Die Anfangsorientierung der 6-DOF-Anzeigevorrichtung wird bei einer Ausgestaltung durch den Bediener bestimmt, indem er den 6-DOF-SMR in einer bevorzugten Orientierung zum Beispiel mit einer nach oben zeigenden Markierung oder einem nach oben zeigenden Etikett positioniert. Die 6-DOF-Anzeigevorrichtung kann bei diesem Verfahren ganz passiv sein, so dass keine elektrische Energie oder etwaige elektrische Signale von einer beliebigen anderen Vorrichtung erforderlich sind. Eine solche 6-DOF-Anzeigevorrichtung stellt beträchtliche Vorteile bereit, weil magnetische Aufnahmen schnell und leicht an einer beliebigen gewünschten Stelle – beispielsweise auf einem Roboter oder einer Werkzeugmaschine – angebracht werden können, ohne dass elektrische Kabel oder eine komplexe Haltevorrichtung einzubauen sind. Die magnetische Aufnahme 4732 wird bei einer Ausgestaltung mit einer Gewindeschraube, die an der Gewindeöffnung 4734 befestigt wird, an der Vorrichtung befestigt, die ein Roboter oder eine Werkzeugmaschine sein könnte. Bei anderen Ausgestaltungen wird die magnetische Aufnahme mit Heißklebstoff oder Epoxid an der Vorrichtung befestigt.
16B zeigt eine Ausgestaltung 4760, bei der die 6-DOF-Anzeigevorrichtung ein 6-DOF-SMR ist, der auf einer Aufnahme 4732 angebracht ist, die eine Begrenzung 4762 umfasst. Die Begrenzung umfasst ein Element, das mit dem 6-DOF-SMR 4734 in Kontakt gelangt, und ist beispielsweise ein gespantes Metallstück, eine Kunststoffabdeckung oder ein Riemen. Die Begrenzung wird mittels eines Befestigungsmechanismus 4764 in festen physischen Kontakt mit dem 6-DOF-Sensor 4734 gebracht. Zu den Beispielen für Befestigungsmechanismen zählen Haken- und Schraubklemmen. Die Begrenzung 4762 stellt einen Schutz gegen Stöße oder hohe Beschleunigungen zur Verfügung.
17 zeigt eine Ausgestaltung eines 6-DOF-Projektors 2600, der in Verbindung mit einem optoelektronischen System 900 und einem Lokalisierungskamerasystem 950 verwendet wird. Das optoelektronische System 900 und das Lokalisierungskamerasystem 950 wurden im Zusammenhang mit 13 besprochen und diese Erörterung wird hier nicht wiederholt. Das optoelektronische System 900 ist bei einer Ausgestaltung durch das optoelektronische System ersetzt, das zwei oder mehr Lichtwellenlängen aufweist. Der 6-DOF-Projektor 2600 umfasst einen Körper 2614, einen oder mehrere Retroreflektoren 2610, 2611, einen Projektor 2620, ein optionales elektrisches Kabel 2636, eine optionale Batterie 2634, ein Schnittstellenbauteil 2612, ein Identifizierelement 2639, Betätigungsknöpfe 2616, eine Antenne 2638 und eine Elektronikleiterplatte 2632. Der Retroreflektor 2610, das optionale elektrische Kabel 2636, die optionale Batterie 2634, das Schnittstellenbauteil 2612, das Identifizierelement 2639, die Betätigungsknöpfe 2616, die Antenne 2638 und die Elektronikleiterplatte 2632 von 17 entsprechen dem Retroreflektor 2010, dem optionalen elektrischen Kabel 2046, der optionalen Batterie 2044, dem Schnittstellenbauteil 2012, dem Identifizierelement 2049, den Betätigungsknöpfen 2016, der Antenne 2048 bzw. der Elektronikleiterplatte 2042 in 14. Die Beschreibungen dieser entsprechenden Elemente sind die gleichen wie vorstehend besprochen und werden nicht wiederholt. Der 6-DOF-Projektor 2600 kann eine Lichtquelle, eine Lichtquelle und einen Lenkspiegel, einen MEMS-Mikrospiegel, einen Flüssigkristallprojektor oder eine beliebige andere Vorrichtung umfassen, die in der Lage ist, ein Lichtmuster auf ein Werkstück 2600 zu projizieren. Die sechs Freiheitsgrade des Projektors 2600 sind dem Lasertracker mittels der in dem Patent ’758 beschriebenen Verfahren bekannt. Aus den sechs Freiheitsgraden lassen sich die dreidimensionalen Koordinaten des projizierten Lichtmusters im Trackerbezugssystem ermitteln, das wiederum durch die mit dem Lasertracker erfolgende Messung von drei Punkten auf dem Werkstück beispielsweise in das Bezugssystem des Werkstücks umgewandelt werden kann. Dem ersten Retroreflektor 2610 können zusätzliche Retroreflektoren wie z. B. der Retroreflektor 2611 hinzugefügt werden, um dem Lasertracker die Verfolgung des 6-DOF-Scanners von verschiedenen Richtungen aus zu ermöglichen, wodurch sich eine größere Flexibilität bei den Richtungen ergibt, in die der 6-DOF-Projektor 2600 Licht projizieren kann.
Wenn das projizierte Lichtmuster 2640 auf der Oberfläche des Werkstücks 2660 im Bezugssystem des Werkstücks bekannt ist, lassen sich verschiedene nützliche Fähigkeiten erzielen. Als erstes Beispiel kann das projizierte Muster anzeigen, ob ein Bediener Löcher bohren oder andere Vorgänge durchführen sollte, um das Befestigen von Komponenten auf dem Werkstück 2660 zu ermöglichen. Beispielsweise können am Cockpit eines Flugzeugs Instrumente befestigt werden. Ein solches Verfahren der Montage vor Ort kann in vielen Fällen kostengünstig sein. Als zweites Beispiel kann das projizierte Muster anzeigen, wo durch die Verwendung von Konturmustern, farbkodierten Toleranzmustern oder grafischen Mitteln Material einem Werkzeug hinzugefügt oder daraus entfernt werden muss. Ein Bediener kann ein Werkzeug benutzen, um unerwünschtes Material abzuschleifen oder ein Füllmaterial zum Ausfüllen eines Bereichs zu verwenden. Da der Lasertracker oder ein an den Lasertracker angeschlossener externer Computer möglicherweise die Details des CAD-Modells kennt, kann der 6-DOF-Projektor ein relativ schnelles und einfaches Verfahren zur Modifizierung eines Werkzeugs bereitstellen, um die CAD-Toleranzen zu erfüllen. Andere Montagevorgänge könnten das Anritzen, Aufbringen von Klebstoff, Aufbringen einer Beschichtung, Aufbringen eines Etiketts und Reinigen umfassen. Als drittes Beispiel kann das projizierte Muster verdeckte Komponenten anzeigen. Beispielsweise können Rohre oder elektrische Kabel hinter einer Oberfläche verlegt und unsichtbar sein. Die Lage dieser Komponenten kann auf das Werkstück projiziert werden, wodurch der Bediener sie bei der Durchführung von Montage- oder Reparaturvorgängen vermeiden kann.
Um Licht des Projektorscanners in das Bezugssystem des Werkstücks zu projizieren, muss generell das Bezugssystem des Werkstücks im Bezugssystem des Lasertrackers ermittelt werden. Ein Weg dazu besteht darin, mit dem Lasertracker drei Punkte auf der Oberfläche des Werkstücks zu messen. Anschließend kann man ein CAD-Modell oder vorher gemessene Daten benutzen, um eine Beziehung zwischen einem Werkstück und einem Lasertracker festzulegen.
Wenn ein Bediener Montagevorgänge mit der Unterstützung eines 6-DOF-Projektors durchführt, besteht ein nützliches Verfahren darin, den 6-DOF-Projektor auf einem feststehenden Ständer oder einer feststehenden Halterung anzubringen, wodurch dem Bediener die Möglichkeit gegeben wird, Montagevorgänge mit beiden freien Händen durchzuführen. Ein nützliche Betriebsart des Lasertrackers und des 6-DOF-Projektors besteht darin, dass der 6-DOF-Projektor sogar dann damit fortfährt, ein Lichtmuster zu projizieren, nachdem der Lasertracker die Verfolgung des Retroreflektors auf dem 6-DOF-Scanner beendet hat. Auf diese Weise kann der Bediener den Lasertracker zur Durchführung von Messungen beispielsweise mit einem SMR, einer 6-DOF-Sonde oder einem 6-DOF-Scanner verwenden, während der Projektor weiter das Lichtmuster anzeigt, das die durchzuführenden Montagevorgänge anzeigt. In ähnlicher Weise kann der Tracker zum Einstellen von zwei oder mehr Scannerprojektoren verwendet werden, die mit dem Projizieren von Mustern fortfahren, nachdem der Tracker die Verfolgung des Retroreflektors auf jedem Scannerprojektor beendet hat. Somit können hohe Detailniveaus auf relativ große Bereiche projiziert werden, wobei gleichzeitig die Unterstützung mehrerer Bediener gestattet wird. Es ist bei einer Betriebsart auch möglich, dem 6-DOF-Scanner das Projizieren eines beliebigen von mehreren alternativen Mustern zu erlauben, wodurch dem Bediener die Möglichkeit geboten wird, Montagevorgänge in einer vorgeschriebenen Abfolge durchzuführen.
Der Projektorscanner kann außer der Unterstützung bei Montagevorgängen auch bei der Durchführung von Inspektionsverfahren behilflich sein. In einigen Fällen verlangt ein Inspektionsverfahren eventuell nach einem Bediener, um eine Abfolge von Messungen in einer bestimmten Reihenfolge durchzuführen. Der 6-DOF-Scanner kann auf die Positionen zeigen, an denen der Bediener eine Messung bei jedem Schritt durchführen muss. Der 6-DOF-Scanner kann einen Bereich markieren, über welchem eine Messung durchzuführen ist. Der 6-DOF-Scanner kann beispielsweise durch Zeichnen eines Kastens anzeigen, dass der Bediener eine Abtastmessung über dem Bereich innerhalb des Kastens durchzuführen hat, um vielleicht die Ebenheit der Bereiche oder dies vielleicht als Teil einer längeren Messfolge zu ermitteln. Da der Projektor die Abfolge von Schritten mit dem durch den Lasertracker verfolgten 6-DOF-Retroreflektor fortsetzen kann, kann der Bediener eine Inspektionsfolge mit dem Tracker oder unter Einsatz anderer Werkzeuge fortsetzen. Wenn der Tracker die Messungen durchführt, weiß er, wann Messungen erfolgreich beendet wurden, und kann er zum nächsten Schritt übergehen. Der Projektorscanner kann dem Bediener auch Informationen in Form schriftlicher oder hörbarer Meldungen zur Verfügung stellen. Der Bediener kann dem Lasertracker Befehle signalisieren, indem er Gesten benutzt, die von den Trackerkameras oder durch andere Mittel aufgenommen werden können.
Der 6-DOF-Projektor kann Lichtmuster verwenden, die vielleicht dynamisch angewandt werden, um Informationen zu übermitteln. Beispielsweise kann der 6-DOF-Projektor eine Vor- und Rückwärtsbewegung einsetzen, um eine Richtung anzuzeigen, in welche ein SMR zu bewegen ist. Der 6-DOF-Projektor kann andere Muster zeichnen, um Meldungen abzugeben, die von einem Bediener nach einem Regelsatz interpretiert werden können, wobei die Regeln dem Benutzer in schriftlicher oder angezeigter Form zur Verfügung stehen können.
Der 6-DOF-Projektor kann auch zur Übermittlung von Informationen über die Beschaffenheit eines Prüfobjekts an den Benutzer benutzt werden. Wenn beispielsweise Dimensionsmessungen durchgeführt wurden, könnte der 6-DOF-Projektor ein farbkodiertes Muster projizieren, das Fehlerbereiche anzeigt, die Oberflächenkoodinaten des Prüfobjekts zugeordnet sind. Er kann alternativ dazu nur Bereiche oder Werte anzeigen, die außerhalb der Toleranz liegen. Er kann beispielsweise einen Bereich hervorheben, bei dem das Oberflächenprofil außerhalb der Toleranz liegt. Er kann alternativ dazu eine Linie ziehen, um eine zwischen zwei Punkten gemessene Länge anzuzeigen und dann eine Meldung auf das Teil schreiben, die das Ausmaß des Fehlers angibt, der diesem Abstand zugeordnet ist.
Der 6-DOF-Projektor kann ferner Informationen über gemessene Kennwerte zusätzlich zu den Dimensionskennwerten anzeigen, wobei die Kennwerte an Koordinatenpositionen auf dem Objekt gebunden sind. Solche Kennwerte eines Prüfobjekts können Temperaturwerte, Ultraschallwerte, Mikrowellenwerte, Millimeterwellenwerte, Röntgenwerte, radiologische Werte, chemische Erfassungswerte und viele andere Arten von Werten umfassen. Solche Objektkennwerte können, wie nachfolgend besprochen wird, mit einem 6-DOF-Scanner auf einem Objekt gemessen und an dreidimensionale Koordinaten angepasst werden. Alternativ dazu können Kennwerte eines Objekts mittels eines separaten Messgeräts auf dem Objekt gemessen werden, wobei die Daten in einer Weise mit Dimensionskoordinaten der Objektoberfläche mit einem Objektbezugssystem in Beziehung gesetzt werden. Anschließend können durch Anpassen des Bezugssystems des Objekts an das Bezugssystem des Lasertrackers oder des 6-DOF-Projektors Informationen über die Objektkennwerte auf dem Objekt angezeigt werden, also beispielsweise in grafischer Form. Temperaturwerte einer Objektoberfläche können beispielsweise mit einem Thermo-Array gemessen werden. Jede der Temperaturen kann durch einen Farbcode dargestellt werden, der auf die Objektoberfläche projiziert wird.
Ein 6-DOF-Scanner kann ferner modellierte Daten auf eine Objektoberfläche projizieren. Er könnte zum Beispiel die Ergebnisse einer thermischen Finite-Elemente-Methode (FEM) auf die Objektoberfläche projizieren und dem Bediener dann die Auswahl gestatten, welche der zwei Anzeigen – FEM oder gemessene Wärmedaten – jeweils angezeigt wird. Da beide Datensätze an den aktuellen Positionen, wo der Kennwert ermittelt wird, auf das Objekt projiziert werden (beispielsweise die Positionen, an welchen bestimmte Temperaturen gemessen wurden oder als vorhanden vorhergesagt wurden), wird dem Benutzer ein klares und unmittelbares Verständnis der physikalischen Auswirkungen zur Verfügung gestellt, die das Objekt beeinflussen. Der 6-DOF-Projektor kann auch an einen beweglichen Träger wie beispielsweise einem Roboter oder einer Werkzeugmaschine befestigt werden.
Wenn eine Messung eines kleinen Bereichs mit aufgelösten Merkmalen durchgeführt wurde, die zu klein für das menschliche Auge sind, kann der 6-DOF-Projektor eine vergrößerte Darstellung dieser Kennwerte, die vorher über einen Teil der Objektoberfläche gemessen wurden, auf die Objektoberfläche projizieren, wodurch der Benutzer Merkmale sehen kann, die ohne Vergrößerung zu klein zu erkennen wären. Bei einer Ausgestaltung erfolgt die hoch auflösende Messung mit einem 6-DOF-Scanner wie beispielweise dem Scanner 2500 von 15 und werden die Ergebnisse mit einem Projektor projiziert, der der Projektor in dem 6-DOF-Scanner oder in einem 6-DOF-Projektor sein könnte.
18 zeigt eine Ausgestaltung eines 6-DOF-Projektors 2700, der in Verbindung mit einem optoelektronischen System 2790 verwendet wird. Das optoelektronische System 2790 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die sechs Freiheitsgrade eines 6-DOF-Projektors 2700 zu messen. Das optoelektronische System 2790 enthält bei einer Ausgestaltung eine oder mehrere Kameras, die beleuchtete Lichtquellen von Retroreflektoren auf dem 6-DOF-Projektor 2700 sehen. Die drei Orientierungsfreiheitsgrade werden durch Feststellen der relativen Positionen der Lichtquellenbilder in der einen oder den mehreren Kameras ermittelt. Drei weitere Freiheitsgrade werden ermittelt, indem man beispielsweise einen Distanzmesser und zwei Winkelkodierer benutzt, um die dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektors 2710 zu ermitteln. Bei einer anderen Ausgestaltung werden die drei Orientierungsfreiheitsgrade gefunden, indem ein Lichtstrahl durch einen Scheitelpunkt eines Würfelecken-Retroreflektors 2710 zu einem Positionsdetektor gesendet wird, der eine photosensitive Anordnung sein könnte, um zwei Freiheitsgrade zu ermitteln, und indem ein polarisierter Lichtstrahl, der derselbe Lichtstrahl sein kann, durch mindestens einen polarisierenden Strahlteiler gesendet wird, um einen dritten Freiheitsgrad zu ermitteln. Die optoelektronische Baugruppe 2790 sendet bei einer dritten Ausgestaltung ein Lichtmuster auf den 6-DOF-Projektor 2700. Bei dieser Ausgestaltung umfasst das Schnittstellenbauteil 2712 eine Vielzahl linearer Positionsdetektoren, die lineare photosensitive Anordnungen sein können, um das Muster zu erfassen und aus diesem die drei Orientierungsfreiheitsgrade des 6-DOF-Projektors 2700 zu ermitteln. Es sind zahlreiche andere optoelektronische Systeme 2790 für die Ermittlung der sechs Freiheitsgrade des 6-DOF-Projektors 2700 möglich, die dem durchschnittlichen Fachmann bekannt sind. Der 6-DOF-Projektor 2700 umfasst einen Körper 2714, einen oder mehrere Retroreflektoren 2710, 2711, einen Projektor 2720, ein optionales elektrisches Kabel 2736, eine optionale Batterie 2734, ein Schnittstellenbauteil 2712, ein Identifizierelement 2739, Betätigungsknöpfe 2716, eine Antenne 2738 und eine Elektronikleiterplatte 2732. Das optionale elektrische Kabel 2736, die optionale Batterie 2734, das Schnittstellenbauteil 2712, das Identifizierelement 2739, die Betätigungsknöpfe 2716, die Antenne 2738 und die Elektronikleiterplatte 2732 von 18 entsprechen dem Retroreflektor 2010, dem optionalen elektrischen Kabel 2046, der optionalen Batterie 2044, dem Schnittstellenbauteil 2012, dem Identifizierelement 2049, den Betätigungsknöpfen 2016, der Antenne 2048 bzw. der Elektronikleiterplatte 2042 in 14. Die Beschreibungen dieser entsprechenden Elemente sind die gleichen wie vorstehend besprochen und werden nicht wiederholt. Dem ersten Retroreflektor 2710 können zusätzliche Retroreflektoren wie z. B. der Retroreflektor 2711 hinzugefügt werden, um dem Lasertracker die Verfolgung des 6-DOF-Scanners von verschiedenen Richtungen aus zu ermöglichen, wodurch sich eine größere Flexibilität bei den Richtungen ergibt, in die der 6-DOF-Projektor 2700 Licht projizieren kann.
Wieder Bezug nehmend auf 15, ist anzumerken, dass in dem Fall, in dem die Scannerlichtquelle 2520 zusätzlich zu der Bereitstellung einer Lichtquelle zur Verwendung in Kombination mit der Scannerkamera 2530 (zur Ermittlung der dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks) als Projektor zum Anzeigen eines Musters dient, andere Verfahren zur Ermittlung der sechs Freiheitsgrade des Ziels 2500 eingesetzt werden können. Solche Verfahren umfassen die Verfahren, die anhand von 18 besprochen wurden, obwohl sie in 15 nicht explizit dargestellt sind.
17 und 18 sind sich ähnlich, außer dass der 6-DOF-Projektor von 18 einen weiteren Bereich von 6-DOF-Messverfahren nutzen kann als der 6-DOF-Projektor von 17. Alle über die Anwendungen des 6-DOF-Projektors 2600 gemachten Anmerkungen gelten auch für den 6-DOF-Projektor 2700.
19 zeigt eine Ausgestaltung eines 6-DOF-Sensors 4900, der in Verbindung mit einem optoelektronischen System 2790 verwendet wird. Das optoelektronische System 2790 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die in der Lage ist, die sechs Freiheitsgrade eines 6-DOF-Sensors 4900 zu messen. Das optoelektronische System 2790 enthält bei einer Ausgestaltung eine oder mehrere Kameras, die beleuchtete Lichtquellen von Retroreflektoren auf dem 6-DOF-Projektor 4900 sehen. Die drei Orientierungsfreiheitsgrade werden durch Feststellen der relativen Positionen der Lichtquellenbilder in der einen oder den mehreren Kameras ermittelt. Drei weitere Freiheitsgrade werden ermittelt, indem man beispielsweise einen Distanzmesser und zwei Winkelkodierer benutzt, um die dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektors 4910 zu ermitteln. Bei einer anderen Ausgestaltung werden die drei Orientierungsfreiheitsgrade gefunden, indem ein Lichtstrahl durch einen Scheitelpunkt eines Würfelecken-Retroreflektors 4910 zu einem Positionsdetektor gesendet wird, der eine photosensitive Anordnung sein könnte, um zwei Freiheitsgrade zu ermitteln, und indem ein polarisierter Lichtstrahl, der derselbe Lichtstrahl sein kann, durch mindestens einen polarisierenden Strahlteiler gesendet wird, um einen dritten Freiheitsgrad zu ermitteln. Die optoelektronische Baugruppe 2790 sendet bei einer dritten Ausgestaltung ein Lichtmuster auf den 6-DOF-Sensor 4900. Bei dieser Ausgestaltung umfasst das Schnittstellenbauteil 4912 eine Vielzahl linearer Positionsdetektoren, die lineare photosensitive Anordnungen sein können, um das Muster zu erfassen und aus diesem die drei Orientierungsfreiheitsgrade des 6-DOF-Projektors 2700 zu ermitteln. Es sind zahlreiche andere optoelektronische Systeme 2790 für die Ermittlung der sechs Freiheitsgrade des 6-DOF-Projektors 2700 möglich, die dem durchschnittlichen Fachmann bekannt sind. Der 6-DOF-Sensor 4900 umfasst einen Körper 4914, einen oder mehrere Retroreflektoren 4910, 4911, einen Sensor 4920, eine optionale Quelle 4950, ein optionales elektrisches Kabel 4936, eine optionale Batterie 4934, ein Schnittstellenbauteil 4912, ein Identifizierelement 4939, Betätigungsknöpfe 4916, eine Antenne 4938 und eine Elektronikleiterplatte 4932. Das optionale elektrische Kabel 4936, die optionale Batterie 4934, das Schnittstellenbauteil 4912, das Identifizierelement 4939, die Betätigungsknöpfe 4916, die Antenne 4938 und die Elektronikleiterplatte 4932 von 18 entsprechen dem Retroreflektor 2010, dem optionalen elektrischen Kabel 2046, der optionalen Batterie 2044, dem Schnittstellenbauteil 2012, dem Identifizierelement 2049, den Betätigungsknöpfen 2016, der Antenne 2048 bzw. der Elektronikleiterplatte 2042 in 14. Die Beschreibungen dieser entsprechenden Elemente sind die gleichen wie vorstehend besprochen und werden nicht wiederholt. Dem ersten Retroreflektor 4910 können zusätzliche Retroreflektoren wie z. B. der Retroreflektor 4911 hinzugefügt werden, um dem Lasertracker die Verfolgung des 6-DOF-Scanners von verschiedenen Richtungen aus zu ermöglichen, wodurch sich eine größere Flexibilität bei den Richtungen ergibt, in welchen ein Objekt von einem 6-DOF-Sensor 4900 erfasst werden kann.
Der Sensor 4920 kann verschiedenen Typs sein. Er kann beispielsweise auf die optische Energie im Infrarotbereich des Spektrums ansprechen, wobei das Licht Wellenlängen von 0,7 bis 20 Mikrometern aufweist, wodurch die Ermittlung einer Temperatur einer Objektoberfläche an einem Punkt 4924 ermöglicht wird. Der Sensor 4920 ist dafür konfiguriert, die von dem Objekt 4960 emittierte Infrarotenergie über ein Sichtfeld 4940, das im Allgemeinen um eine Achse 4922 zentriert ist, zu erfassen. Die der gemessenen Oberflächentemperatur entsprechenden dreidimensionalen Koordinaten des Punkts auf der Objektoberfläche können ermittelt werden, indem die Achse 4922 auf das Objekt 4960 projiziert wird und der Schnittpunkt 4924 ermittelt wird. Für die Ermittlung des Schnittpunkts muss die Beziehung zwischen dem Objektbezugssystem und dem Bezugssystem der Vorrichtung (des Trackers) bekannt sein. Alternativ dazu kann die Beziehung zwischen dem Objektbezugssystem und dem Bezugssystem des 6-DOF-Sensors bekannt sein, weil die Beziehung zwischen dem Trackerbezugssystem und dem Sensorbezugssystem bereits bekannt ist. Alternativ dazu kann die Beziehung zwischen dem Objektbezugssystem und dem Bezugssystem des 6-DOF-Sensors bekannt sein, weil die Beziehung zwischen dem Trackerbezugssystem und dem Bezugssystem des 6-DOF-Sensors bereits aus Messungen bekannt ist, die mit dem Tracker auf dem 6-DOF-Sensor durchgeführt wurden. Ein Weg zur Ermittlung der Beziehung zwischen dem Objektbezugssystem und dem Trackerbezugssystem besteht darin, die dreidimensionalen Koordinaten von drei Punkten auf der Oberfläche des Objekts zu messen. Wenn Informationen über das Objekt in Bezug auf die drei gemessen Punkte vorhanden sind, sind alle Punkte auf der Objektoberfläche bekannt. Informationen über das Objekt in Bezug auf die drei gemessenen Punkte können beispielsweise aus CAD-Zeichnungen oder aus vorherigen Messungen, die mit einem beliebigen Typ eines Koordinatenmessgeräts durchgeführt wurden, erhalten werden.
Außer der Messung der emittierten Infrarotenergie kann das elektromagnetische Spektrum über einen weiten Bereich von Wellenlängen oder äquivalent dazu Frequenzen gemessen (erfasst) werden. Die elektromagnetische Energie kann beispielsweise im optischen Bereich liegen und sichtbare, ultraviolette, infrarote und Terahertz-Bereiche umfassen. Einige Kennwerte wie beispielsweise die vom Objekt gemäß dessen Temperatur emittierte Wärmeenergie sind den Eigenschaften des Objekts eigen und benötigen keine externe Beleuchtung. Andere Kennwerte wie beispielsweise die Farbe eines Objekts hängen von der Hintergrundbeleuchtung ab und die erfassten Ergebnisse können sich gemäß den Kennwerten der Beleuchtung zum Beispiel bei der Menge der optischen Energie ändern, die bei jeder der Wellenlängen der Beleuchtung zur Verfügung steht. Gemessene optische Kennwerte umfassen die von einem optischen Detektor aufgefangene optische Energie und können die Energie verschiedener Wellenlängen einbeziehen, um eine elektrische Reaktion gemäß der Ansprechempfindlichkeit des optischen Detektors bei jeder Wellenlänge zu erzeugen.
Die Beleuchtung kann in einigen Fällen durch eine Quelle 4950 zweckbestimmt auf das Objekt angewandt werden. Wenn ein Experiment durchgeführt wird, bei dem die angewandte Beleuchtung von der Hintergrundbeleuchtung unterschieden werden soll, kann das angewandte Licht zum Beispiel durch eine Sinuswelle oder eine Rechteckwelle moduliert werden. Anschließend kann ein Lock-in-Verstärker oder ein ähnliches Verfahren in Verbindung mit dem optischen Detektor im Sensor 4920 benutzt werden, um nur das angewandte Licht zu extrahieren.
Andere Beispiele für die Erfassung von elektromagnetischer Strahlung durch den Sensor 4940 umfassen die Erfassung von Röntgenstrahlen bei Wellenlängen, die kürzer als die im ultravioletten Licht vorhandenen sind, und die Erfassung von Millimeterwellen, Mikrowellen, Radiofrequenzwellen usw., die Beispiele für Wellenlängen sind, die länger als die bei den Terahertzwellen und anderen optischen Wellen vorhandenen sind. Man kann Röntgenstrahlen verwenden, um in Materialien einzudringen und um Informationen über die inneren Kennwerte eines Objekts, also beispielsweise das Vorhandensein von Defekten oder mehr als einem Materialtyp, zu erhalten. Die Quelle 4950 kann zum Emittieren von Röntgenstrahlen zur Beleuchtung des Objekts 4960 verwendet werden. Durch Bewegen des 6-DOF-Sensors 4900 und Beobachten des Vorhandenseins eines Defekts oder einer Materialgrenzfläche aus einer Vielzahl von Ansichten ist es möglich, die dreidimensionalen Koordinaten des Defekts oder der Materialgrenzfläche im Material zu ermitteln. Wenn der Sensor 4940 mit einem Projektor wie beispielsweise dem Projektor 2720 von 17 und 18 kombiniert ist, kann darüber hinaus ein Muster auf eine Objektoberfläche projiziert werden, das anzeigt, wo Reparaturarbeiten zur Reparatur des Defekts durchzuführen sind.
Die Quelle 4950 stellt bei einer Ausgestaltung elektromagnetische Energie im elektrischen Bereich des Spektrums – Millimeterwellen, Mikrowellen oder Radiofrequenzwellen – zur Verfügung. Die Wellen der Quelle beleuchten das Objekt 4960 und die reflektierten oder gestreuten Wellen werden vom Sensor 4920 aufgenommen. Die elektrischen Wellen dienen bei einer Ausgestaltung dazu, hinter Wände oder andere Objekte einzudringen. Eine solche Vorrichtung könnte beispielsweise verwendet werden, um vorhandene RFID-Etikette zu erfassen. Auf diese Weise kann der 6-DOF-Sensor 4900 zur Ermittlung der Position von RFID-Etiketten verwendet werden, die überall in einer Produktionsstätte angeordnet sind. Es können außer RFID-Etiketten auch andere Objekte lokalisiert werden. Beispielsweise kann mit einem 6-DOF-Scanner eine Quelle von RF-Wellen oder Mikrowellen lokalisiert werden, also zum Beispiel ein Schweißgerät, das hohe Pegel breitbandiger elektromagnetischer Energie emittiert, die Computer oder andere elektrische Vorrichtungen stört.
Die Quelle 4950 stellt bei einer Ausgestaltung Ultraschallwellen bereit und der Sensor 4920 ist ein Ultraschallsensor. Ultraschallsensoren haben eventuell einen Vorteil gegenüber optischen Sensoren, wenn sie klare Objekte, Flüssigkeitsstände oder stark reflektierende oder metallische Oberflächen erfassen. Im medizinischen Rahmen können Ultraschallsensoren zur Lokalisierung der Position von gesehenen Merkmalen in Bezug auf den Körper eines Patienten benutzt werden. Der Sensor 4920 kann ein chemischer Sensor sein, der dafür konfiguriert ist, chemische Spurenbestandteile nachzuweisen und eine chemische Signatur der nachgewiesenen chemischen Bestandteile bereitzustellen. Der Sensor 4920 kann dafür konfiguriert werden, einen vorhandenen radioaktiven Zerfall zu erfassen, wodurch angezeigt wird, ob ein Objekt ein Risiko für die Exposition von Menschen darstellt. Der Sensor 4920 kann dafür konfiguriert werden, die Oberflächentextur wie beispielsweise die Oberflächenrauheit, Welligkeit und Schicht zu messen. Der Sensor kann ein Profilometer, ein Interferometer, ein konfokales Mikroskop, ein Kapazitätsmesser oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Ein 6-DOF-Scanner kann ferner zum Messen einer Oberflächentextur verwendet werden. Andere Objektkennwerte können mit anderen Typen von Sensoren gemessen werden, die vorstehend nicht genannt wurden.
19A zeigt eine Ausgestaltung eines 6-DOF-Sensors 4990, der wie der 6-DOF-Sensor 4900 von 19 beschaffen ist, außer dass der Sensor 4922 des 6-DOF-Sensors 4990 eine Linse 4923 und eine photosensitive Anordnung 4924 umfasst. Ein emittierter oder reflektierter Energiestrahl 4925 von innerhalb des Sichtfelds 4940 des 6-DOF-Sensors entsteht an einem Punkt 4926 auf der Objektoberfläche 4960, geht durch ein perspektivisches Zentrum 4927 der Sensorlinse 4923 und kommt an einem Punkt 4928 auf der photosensitiven Anordnung 4924 an. Eine Quelle 4950 kann einen Bereich der Objektoberfläche 4960 beleuchten, wodurch eine Reaktion auf der photosensitiven Anordnung erzeugt wird. Jeder Punkt ist dreidimensionalen Koordinaten des erfassten Kennwerts auf der Objektoberfläche zugeordnet, wobei jeder dreidimensionale Punkt durch die drei Orientierungsfreiheitsgrade, die drei Translationsfreiheitsgrade, die Geometrie der Kamera und des Projektors in der Sensorbaugruppe sowie die Position auf der photosensitiven Anordnung, die dem Punkt auf der Objektoberfläche entspricht, ermittelt wird. Ein Beispiel für einen Sensor 4922 ist ein Thermo-Array-Sensor, der durch Bereitstellen einer Temperatur an verschiedenen Pixeln reagiert, wobei jeder charakteristische Sensorwert einer dreidimensionalen Oberflächenkoordinate zugeordnet ist.
Es wird nun ein anderer Ansatz zum Messen eines Ziels mit einer Sonde, einem Scanner oder einem Sensor beschrieben. Das hierin beschriebene Verfahren ist besonders nützlich, wenn die durchzuführende Messung in einem relativ großen Abstand vom Lasertracker erfolgt.
20 ist eine perspektivische Darstellung eines dreidimensionalen Tastsondensystems 5100, das einen Lasertracker 10, einen Kamerastab 5110, und eine Sondenbaugruppe 5140 umfasst. Der Lasertracker 10 wurde vorstehend anhand von 1 beschrieben. Der Kamerastab umfasst eine Montagestruktur 5112, mindestens drei Retroreflektoren 5114, 5116, 5118, mindestens zwei Triangulationskameras 5120, 5124 und eine optionale Kamera 5122. Die mindestens drei Retroreflektoren müssen nicht-kollinear sein. Es kann ein Montagestift 5113 zur Bereitstellung eines Mittels einbezogen werden, um die Retroreflektoren nicht-kollinear zu machen. Die Kameras umfassen jeweils eine Linse und eine photosensitive Anordnung. In vielen vorstehenden Figuren wurden repräsentative Kameras wie beispielsweise die Kamera 2530 von 15C dargestellt, so dass die inneren Komponenten der Kameras 5120, 5124 nicht wieder gezeigt werden. Die optionale Kamera 5122 kann den Kameras 5120, 5124 ähnlich sein oder sie kann eine Farbkamera sein. Die Sondenbaugruppe 5140 umfasst ein Gehäuse 5142, eine Sammlung von Leuchten 5144, optionale Stützfüße 5146, einen Schaft 5148, einen Stift 5150 und eine Sondenspitze 5152. Die Position der Leuchten 5144 relativ zur Sondenspitze 5152 ist bekannt. Die Leuchten können Lichtquellen wie beispielsweise Leuchtdioden sein oder sie könnten reflektierende Punkte sein, die von einer externen Lichtquelle beleuchtet werden. Man kann Kompensationsverfahren in der Produktionsstätte bzw. vor Ort anwenden, um diese Positionen zu finden. Der Schaft kann zur Bereitstellung eines Griffs für den Bediener benutzt werden oder es kann ein alternativer Griff zur Verfügung gestellt werden.
Die Triangulation der von den Kameras des Kamerastabs 5110 erfassten Bilddaten wird eingesetzt, um die dreidimensionalen Koordinaten jedes Lichtpunkts 5144 im Bezugssystem des Kamerastabs zu ermitteln. In diesem ganzen Dokument sowie in den Ansprüchen wird der Begriff „Bezugssystem“ als Synonym für den Begriff „Koordinatensystem“ verstanden. Es werden mathematische Berechnungen, die in der Technik weithin bekannt sind, angewandt, um die Position der Sondenspitze im Bezugssystem des Kamerastabs zu ermitteln. Durch das Inkontaktbringen der Sondenspitze 5152 mit einem Objekt 5160 können Oberflächenpunkte auf dem Objekt gemessen werden.
Um dreidimensionale Koordinaten des Objekts 5160 im Bezugssystem des Lasertrackers zu ermitteln, misst der Tracker die dreidimensionalen Koordinaten der nicht-kollinearen Retroreflektoren 5114, 5116, 5118. Der Kamerastab 5112 wird feststehend gehalten, während der Tracker die dreidimensionalen Koordinaten der drei Retroreflektoren 5114, 5116 und 5118 misst. Da der Kamerastab festgehalten wird, wäre es für den Tracker möglich, eine Anzahl von Kamerastäben 5110 und Sondenbaugruppen 5140 in einer Produktionsstätte zu messen.
Im Anschluss an dieses Verfahren werden die sechs Freiheitsgrade (Position und Orientierung) des Kamerastabs 5110 erhalten. Eine Transformationsberechnung, bei der Verfahren eingesetzt werden, die in der Technik weithin bekannt sind, kann dann durchgeführt werden, um die dreidimensionalen Koordinaten der Sondenspitze 5152 im Trackerbezugssystem zu erhalten. Da die Trennungen zwischen den Retroreflektorstellen relativ groß sind und da Lasertracker Abstände mit hoher Genauigkeit messen können, können die Vorrichtung und das Verfahren von 20 eine relativ sehr genaue Messung der Orientierungswinkel des Montagekamerastabs 5110 bereitstellen. Da der Kamerastab in relativ enger Nähe der Sondenbaugruppe 5140 angeordnet werden kann, lässt sich darüber hinaus die Genauigkeit beim Messen der Orientierungswinkel der Sondenbaugruppe 5140 ebenso mit relativ hoher Genauigkeit ermitteln. Das Ergebnis besteht darin, dass die Kombination aus dem Kamerastab 5110 und der Sonde 5140 eine relativ sehr hohe Genauigkeit bei gemessenen Objektpunkten für große Trennungen zwischen dem Lasertracker 10 und dem Objekt 5160 bereitstellen kann.
Die Retroreflektoren sind bei einer Ausgestaltung Würfelecken-Retroreflektoren, die starr an der Montagestruktur 5112 befestigt sind. Die Würfelecken umfassen drei senkrechte reflektierende Oberflächen. In einem Fall sind die drei reflektierenden Oberflächen Spiegel und wird die Würfelecke als „luftoffener Retroreflektor“ bezeichnet. In einem anderen Fall sind die drei reflektierenden Oberflächen die reflektierenden Seiten eines Glasprismas und wird die Würfelecke als „Vollglas-Würfelecke“ bezeichnet.
Bei einer anderen besprochenen Ausgestaltung sind die Retroreflektoren sphärisch montierte Retroreflektoren, die dem Element 26 von 1 ähnlich sind. Die sphärisch montierten Retroreflektoren können auf magnetischen Aufnahmen angeordnet werden, die an der Montagestruktur 5112 oder dem Montagestift 5113 befestigt sind. Da die SMRs entfernt werden können, wenn sie nicht gebraucht werden, können sie für weitere Zwecke benutzt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung entfernbarer SMRs die Senkung der Kosten für den Kamerastab 5110. Die Retroreflektoren sind bei einer anderen Ausgestaltung von einem anderen Typ wie beispielsweise Katzenaugen-Retroreflektoren. Diese Ausgestaltung wird nachfolgend anhand von 24 und 25 weiter besprochen.
Ein elektrisches System wie beispielsweise das in 11 dargestellte, das drahtgebundene oder drahtlose Teile umfassen kann, die sich in den oder außerhalb der Komponenten von 20 befinden, kann zur Durchführung der Messungen und Berechnungen verwendet werden, die erforderlich sind, um die dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf der Oberfläche zu erhalten. Das elektrische System umfasst im Allgemeinen einen oder mehrere Prozessoren, die beispielsweise Computer, Mikroprozessoren, feldprogrammierbare Anordnungen von Logik-Gattern (FPGAs; field programmable gate arrays) oder digitale Signalprozessoreinheiten (DSPs) sein können.
Die eine bzw. die mehreren Kameras 52 und Lichtquellen 54 werden bei einer Ausgestaltung dazu verwendet, schnell eine Anzeige der Positionen der Retroreflektoren 5114, 5116 und 5118 zur Verfügung zu stellen. Der Lasertracker 10 kann dann schnell die dreidimensionalen Koordinaten der Retroreflektoren finden und messen.
21 ist eine perspektivische Darstellung eines dreidimensionalen Flächenabtastsystems 5200, das einen Lasertracker 10, einen Kamerastab 5110 und eine Scannerbaugruppe 5240 umfasst. Der Lasertracker 10 wurde vorstehend anhand von 1 beschrieben. Der Kamerastab wurde vorstehend anhand von 20 beschrieben. Die Scannerbaugruppe 5240 umfasst ein Gehäuse 5142, eine Sammlung von Leuchten 5144, optionale Stützfüße 5146, einen Schaft 5148, einen Projektor 5252 und eine Kamera 5254. Die Kennwerte des Gehäuses 5142, der Leuchten 5144, der optionalen Stützfüße 5146 und des Schafts 5148 wurden vorstehend anhand von 20 beschrieben. Der Projektor 5252 projiziert Licht auf das Objekt 5160. Der Projektor 5252 kann verschiedenen Typs sein, also beispielsweise eine LED, ein Laser oder eine andere Lichtquelle, die von einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung (DMD; digital micro-mirror device) wie beispielsweise einem von der Firma Texas Instruments Corporation hergestellten digitalen Lichtprojektor (DLP), einer Flüssigkristallvorrichtung (LCD; liquid crystal device) oder einer Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung (LCOS; liquid crystal on silicon) reflektiert wird. Das projizierte Licht kann von Licht stammen, das durch ein Fotomaskenmuster wie beispielsweise eine Chrommaske gesendet wird, die ein einziges Muster oder mehrere Muster aufweisen kann, wobei die Fotomasken je nach Bedarf in ihre oder aus ihrer Position bewegt werden. Die gleichen Projektortypen können wie vorstehend anhand von 15, 15A, 15B und 15C beschrieben verwendet werden. Der Projektor 5252 projiziert das Licht 5262 in einen Bereich 5266 au dem Objekt 5160. Ein Teil des beleuchteten Bereichs 5266 wird von der Kamera 5254 bildlich erfasst, um digitale Daten zu erhalten. Die digitalen Daten können teilweise mittels einer elektrischen Schaltung in der Scannerbaugruppe 5240 verarbeitet werden. Sie können zu einer elektrischen Rechenschaltung in dem Lasertracker oder einer externen Rechenhardware, die in 11 dargestellt ist, übertragen werden, um die Berechnungen der dreidimensionalen Koordinaten von Punkten auf dem Objekt 5160 zu vollenden. Die digitalen Daten können über drahtgebundene oder drahtlose Mittel zu der in 11 dargestellten Rechenhardware übertragen werden. Das Ergebnis der Berechnungen ist ein Koordinatensatz im Trackerbezugssystem, das gegebenenfalls wiederum in eine anderes Bezugssystem umgewandelt werden kann.
22 ist eine perspektivische Darstellung eines dreidimensionalen Linienabtastsystems 5300, das einen Lasertracker 10, einen Kamerastab 5110 und eine Scannerbaugruppe 5340 umfasst. Der Lasertracker 10 wurde vorstehend anhand von 1 beschrieben. Der Kamerastab wurde vorstehend anhand von 20 beschrieben. Die Scannerbaugruppe 5340 umfasst ein Gehäuse 5142, eine Sammlung von Leuchten 5144, optionale Stützfüße 5146, einen Schaft 5148, einen Projektor 5352 und eine Kamera 5354. Die Kennwerte des Gehäuses 5142, der Leuchten 5144, der optionalen Stützfüße 5146 und des Schafts 5148 wurden vorstehend anhand von 20 beschrieben. Der Projektor 5352 projiziert Licht auf das Objekt 5160. Der Projektor 5352 kann eine Lichtquelle sein, die einen Lichtstreifen wie beispielsweise einen Laserstrahl erzeugt, der durch eine Zylinderlinse oder Powell-Linse gesendet wird, oder sie kann ein DLP oder eine ähnliche Vorrichtung sein, die auch in der Lage ist, 2D-Muster zu projizieren, wie es vorstehend anhand von 21 besprochen wurde. Der Projektor 5352 projiziert Licht 5362 in einem Streifen 5366 auf das Objekt 5160. Ein Teil des Streifenmusters auf dem Objekt wird von der Kamera 5354 bildlich erfasst, um digitale Daten zu erhalten. Die digitalen Daten können in einer Weise verarbeitet werden, die der anhand von 21 beschriebenen ähnlich ist. Das Ergebnis der Berechnungen ist ein Satz dreidimensionaler Koordinaten der Objektoberfläche im Trackerbezugssystem.
Es wurde vorstehend bei den Besprechungen, die sich auf 15F bezogen, erläutert, dass einige Projektortypen eine breite Vielfalt an Mustern projizieren können. Beispielsweise können Flächenmuster nacheinander projiziert werden, um eine relativ hohe Genauigkeit zu erzielen. Alternativ dazu können Flächenmuster kodierte Muster sein, die eine schnelle Messung von relativ großen Oberflächengrößen ermöglichen. Ferner können Projektoren, die in der Lage sind, Flächenmuster flexibel zu projizieren, auch Linien- oder Punktmuster projizieren und solche Muster können hin- und herbewegt werden. Wie vorstehend erläutert wurde, können solche Verfahren bei der Eliminierung von Problemen nützlich sein, die durch eine schlechte Reflexion, eine unangemessene Auflösung oder eine Mehrwegestörung verursacht werden. Ein alternatives Verfahren zur Eliminierung eines dieser Probleme bei der Verwendung einer Scannerbaugruppe 5240 von 21 oder 5340 von 22 besteht darin, eine Tastsonde zu benutzen. In diesem Fall kann der Projektor einen Bereich beleuchten, der mit der Tastsonde zu messen ist, die eine separate Sonde oder eine an der Scannerbaugruppe befestigte Sonde sein kann. Eine Scannerbaugruppe, die mit einem 6-DOF-Tracker verwendet wird und eine integrierte Sonde aufweist, ist in 15C dargestellt. Der Scanner von 20 oder 21 kann ebenso derart modifiziert werden, dass er eine Tastsonde umfasst. Der Projektor 5240 oder 5340 kann kontinuierlich die Position eines beleuchteten Bereichs einstellen, während der Bediener die Tastsonde zu dem zu messenden Bereich bewegt. Es könnte zum Beispiel passieren, dass die Abtastauflösung eines Lochs im Objekt nicht gut genug ist. Der Projektor könnte in diesem Fall einen Bereich beleuchten, der mit einer Tastsonde zu messen ist.
23 ist eine perspektivische Darstellung eines dreidimensionalen Erfassungssystems 5400, das einen Lasertracker 10, einen Kamerastab 5110 und eine Sensorbaugruppe 5440 umfasst. Der Lasertracker 10 wurde vorstehend anhand von 1 beschrieben. Der Kamerastab wurde vorstehend anhand von 20 beschrieben. Die Sensorbaugruppe 5440 umfasst ein Gehäuse 5142, eine Sammlung von Leuchten 5144, optionale Stützfüße 5146, einen Schaft 5148, einen Sensor 5454 und eine optionale Quelle 5452. Die Kennwerte des Gehäuses 5142, der Leuchten 5144, der optionalen Stützfüße 5146 und des Schafts 5148 wurden vorstehend anhand von 20 beschrieben.
Der Sensor 5454 kann verschiedenen Typs sein. Er kann beispielsweise auf die optische Energie im Infrarotbereich des Spektrums ansprechen, wobei das Licht Wellenlängen von 0,7 bis 20 Mikrometern aufweist, wodurch die Ermittlung einer Temperatur einer Objektoberfläche an einem Punkt 5465 ermöglicht wird. Der Sensor 5454 ist dafür konfiguriert, die von dem Objekt 5160 emittierte Infrarotenergie über ein Sichtfeld 5464, das im Allgemeinen um eine Achse 5463 zentriert ist, zu erfassen. Die der gemessenen Oberflächentemperatur entsprechenden dreidimensionalen Koordinaten des Punkts auf der Objektoberfläche können ermittelt werden, indem die Achse 5463 auf das Objekt 5160 projiziert wird und der Schnittpunkt 5465 ermittelt wird.
Außer der Messung der emittierten Infrarotenergie kann das elektromagnetische Spektrum über einen weiten Bereich von Wellenlängen oder äquivalent dazu Frequenzen gemessen (erfasst) werden. Die elektromagnetische Energie kann beispielsweise im optischen Bereich liegen und sichtbare, ultraviolette, infrarote und Terahertz-Bereiche umfassen. Einige Kennwerte wie beispielsweise die vom Objekt gemäß dessen Temperatur emittierte Wärmeenergie sind den Eigenschaften des Objekts eigen und benötigen keine externe Beleuchtung. Andere Kennwerte wie beispielsweise die Farbe eines Objekts hängen von der Hintergrundbeleuchtung ab und die erfassten Ergebnisse können sich gemäß den Kennwerten der Beleuchtung zum Beispiel bei der Menge der optischen Energie ändern, die bei jeder der Wellenlängen der Beleuchtung zur Verfügung steht. Gemessene optische Kennwerte können die von einem optischen Detektor aufgefangene optische Energie umfassen und können die Energie verschiedener Wellenlängen einbeziehen, um eine elektrische Reaktion gemäß der Ansprechempfindlichkeit des optischen Detektors bei jeder Wellenlänge zu erzeugen.
Die Beleuchtung kann in einigen Fällen durch eine Quelle 5452 zweckbestimmt auf das Objekt angewandt werden. Wenn ein Experiment durchgeführt wird, bei dem die angewandte Beleuchtung von der Hintergrundbeleuchtung unterschieden werden soll, kann das angewandte Licht zum Beispiel durch eine Sinuswelle oder eine Rechteckwelle moduliert werden. Anschließend kann ein Lock-in-Verstärker oder ein ähnliches Verfahren in Verbindung mit dem optischen Detektor im Sensor 5454 benutzt werden, um nur das angewandte Licht zu extrahieren.
Andere Beispiele für die Erfassung von elektromagnetischer Strahlung durch den Sensor 5454 umfassen die Erfassung von Röntgenstrahlen bei Wellenlängen, die kürzer als die im ultravioletten Licht vorhandenen sind, und die Erfassung von Millimeterwellen, Mikrowellen, Radiofrequenzwellen usw., die Beispiele für Wellenlängen sind, die länger als die bei den Terahertzwellen und anderen optischen Wellen vorhandenen sind. Man kann Röntgenstrahlen verwenden, um in Materialien einzudringen und um Informationen über die inneren Kennwerte eines Objekts, also beispielsweise das Vorhandensein von Defekten oder mehr als einem Materialtyp, zu erhalten. Die Quelle 5452 kann zum Emittieren von Röntgenstrahlen zur Beleuchtung des Objekts 5160 verwendet werden. Durch Bewegen der Sensorbaugruppe 5440 und Beobachten des Vorhandenseins eines Defekts oder einer Materialgrenzfläche aus einer Vielzahl von Ansichten ist es möglich, die dreidimensionalen Koordinaten des Defekts oder der Materialgrenzfläche im Material zu ermitteln. Wenn eine Sensorbaugruppe 5440 mit einem Projektor wie beispielsweise dem Projektor 2620 von 17 oder 2720 von 18 kombiniert ist, kann darüber hinaus ein Muster auf eine Objektoberfläche projiziert werden, das anzeigt, wo Reparaturarbeiten zur Reparatur des Defekts durchzuführen sind.
Die Quelle 5452 stellt bei einer Ausgestaltung elektromagnetische Energie im elektrischen Bereich des Spektrums – Millimeterwellen, Mikrowellen oder Radiofrequenzwellen – zur Verfügung. Die Wellen der Quelle beleuchten das Objekt 5160 und die reflektierten oder gestreuten Wellen werden vom Sensor 5454 aufgenommen. Die elektrischen Wellen dienen bei einer Ausgestaltung dazu, hinter Wände oder andere Objekte einzudringen. Eine solche Vorrichtung könnte beispielsweise verwendet werden, um vorhandene RFID-Etikette zu erfassen. Auf diese Weise kann der 6-DOF-Sensor 4900 zur Ermittlung der Position von RFID-Etiketten verwendet werden, die überall in einer Produktionsstätte angeordnet sind. Es können außer RFID-Etiketten auch andere Objekte lokalisiert werden. Beispielsweise kann mit einem 6-DOF-Scanner eine Quelle von RF-Wellen oder Mikrowellen lokalisiert werden, also zum Beispiel ein Schweißgerät, das hohe Pegel breitbandiger elektromagnetischer Energie emittiert, die Computer oder andere elektrische Vorrichtungen stört.
Die Quelle 4950 stellt bei einer Ausgestaltung Ultraschallwellen bereit und der Sensor 4920 ist ein Ultraschallsensor. Ultraschallsensoren haben eventuell einen Vorteil gegenüber optischen Sensoren, wenn sie klare Objekte, Flüssigkeitsstände oder stark reflektierende oder metallische Oberflächen erfassen. Im medizinischen Rahmen können Ultraschallsensoren zur Lokalisierung der Position von gesehenen Merkmalen in Bezug auf den Körper eines Patienten benutzt werden. Der Sensor 4920 kann ein chemischer Sensor sein, der dafür konfiguriert ist, chemische Spurenbestandteile nachzuweisen und eine chemische Signatur der nachgewiesenen chemischen Bestandteile bereitzustellen. Der Sensor 4920 kann dafür konfiguriert werden, einen vorhandenen radioaktiven Zerfall zu erfassen, wodurch angezeigt wird, ob ein Objekt ein Risiko für die Exposition von Menschen darstellt. Der Sensor 4920 kann dafür konfiguriert werden, die Oberflächentextur wie beispielsweise die Oberflächenrauheit, Welligkeit und Schicht zu messen. Der Sensor kann ein Profilometer, ein Interferometer, ein konfokales Mikroskop, ein Kapazitätsmesser oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Ein 6-DOF-Scanner kann ferner zum Messen einer Oberflächentextur verwendet werden. Andere Objektkennwerte können mit anderen Typen von Sensoren gemessen werden, die vorstehend nicht genannt wurden.
Der Sensor 5454 umfasst bei einer Ausgestaltung eine Linse und eine photosensitive Anordnung. Ein Sensor mit einer Linse und einer photosensitiven Anordnung ist in 19A dargestellt. Wenn die relative Position des Sensors 5454 und der Quelle 5452 bekannt ist, können die 3D-Koordinaten, die verschiedenen Pixeln auf der photosensitiven Anordnung entsprechen, und die Oberflächenkennwerte des Objekts 5160 an diesen 3D-Koordinaten ermittelt werden. Ein Beispiel für einen Sensor 5454 ist ein Thermo-Array-Sensor, der durch Bereitstellen einer Temperatur an verschiedenen Pixeln reagiert, wobei jeder charakteristische Sensorwert einer dreidimensionalen Oberflächenkoordinate zugeordnet ist. Weitere Details für die vorliegende Ausgestaltung zu den Anwendungen des Sensors wie beispielsweise den in 23 dargestellten können in der vorstehenden mit Bezug auf 19, 19A dargelegten Besprechung entnommen werden.
Bei den Ausgestaltungen von 20–23 hat der Lasertracker die sechs Freiheitsgrade (Position und Orientierung) des Kamerastabs 5112 mittels der Verwendung von drei nicht-kollinearen Retroreflektoren 5114, 5116 und 5118 lokalisiert. Die nicht-kollinearen Retroreflektoren sind bei alternativen Ausgestaltungen durch ein 6-DOF-Ziel wie beispielsweise dasjenige ersetzt, bei dem die zusätzlichen Sonden, Scanner und Sensoren von 13–15, 15C, g, 19 oder 19A verwendet wurden. Ein Vorteil des am Kamerastab befestigten 6-DOF-Retroreflektors besteht darin, dass Korrekturen durchgeführt werden könnten, wenn der Kamerastab entweder absichtlich oder versehentlich bewegt worden wäre.
Der Scanner von 21 könnte zusätzlich dazu nur mit einem Projektor (5262) und ohne eine Kamera (5254) verwendet werden, um eine Projektorvorrichtung mit der Fähigkeit der Vorrichtungen von 17, 18 bereitzustellen, aber mit der Fähigkeit, eine genaue Messung über lange Abstände durch den kombinierten Einsatz eines Lasertrackers und eines Kamerastabs bereitzustellen. Die Anwendungen eines Projektors gemäß der vorliegenden Ausgestaltung von 21 werden anhand des vorstehend mit Bezug auf 17, 18 dargelegten Texts detaillierter verständlich.
Bei einer beliebigen der anhand von 20–23 beschriebenen Ausgestaltungen können die feststehenden Retroreflektoren wie beispielsweise 5114, 5116, 5118 in 20 durch auf magnetischen Aufnahmen befestigte SMRs ersetzt werden, die in 24, 25 dargestellt sind. Ein Vorteil eines solchen Austauschs besteht darin, dass er eine einfache Möglichkeit zur Messung sowohl der Vorder- als auch der Rückseite eines Objekts 5160 ermöglicht. 24 zeigt eine Sonde 5140 mit einer Sondenspitze 5152, die mit der Oberfläche 5160 in Kontakt gebracht ist. Ein Lasertracker misst drei SMR-Positionen, um die Position und die Orientierung des Kamerastabs 5510 im Trackerbezugssystem zu ermitteln. Die SMR-Positionen sind die SMR-Mittelpunkte 5530A, 5530B, 5530C, welche drei verschiedenen SMRs oder ein einziger SMR, der zu jeder der drei verschiedenen magnetischen Aufnahmen 5513, 5517 bzw. 5519 bewegt wird, sein können. Die magnetische Aufnahme 5513 umfasst einen verlängerten Montagestift 5513, um die drei SMR-Mittelpunkte nicht-kollinear zu machen. Die magnetischen Aufnahmen sind kinematisch, was bedeutet, dass ein SMR mit einem geeigneten Durchmesser derart in der Aufnahme positioniert werden kann, dass sein Mittelpunkt wiederholbar positioniert wird. Es lässt sich eine typische Wiederholbarkeit von 1 bis 2 Mikrometern in der mittleren Position erzielen. Die SMRs werden in einigen Fällen in der magnetischen Aufnahme gedreht, um den SMR in die Richtung des Lichtstrahls der Trackers 10 zu richten. Die Kameras 5520, 5522, 5524 erfüllen die gleiche Funktion wie die Kameras 5120, 5122 und 5124 von 20. In 24 ist der Kamerastab zwischen dem Tracker 10 und dem Objekt 5160 angeordnet.
Im Gegensatz dazu wurde der Kamerastab 5510 in 25 zur abgewandten Seite des Objekts 5160 bewegt. Der Kamerastab 5512 wird um ungefähr 180 Grad um seine Achse gedreht, so dass SMRs, die auf den Aufnahmen 5514, 5516, 5518 angebracht sind, über die Spitze des Objekts 5160 sehen können, um einen Lichtstrahl des Trackers 10 aufzufangen. Die Messung der Vorder- und Rückseite eines Objekts mittels des in 24, 25 dargestellten Verfahrens kann ebenso gut mit einer Flächenabtastbaugruppe 5240, einen Linienabtastbaugruppe 5250 oder einer Sensorbaugruppe 5340 statt mit der Sondenbaugruppe 5140 durchgeführt werden.
Obwohl die Erfindung anhand von Beispielausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Merkmalen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Merkmals von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein“, „eine“ usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.

Claims

System umfassend: einen Lasertracker mit einem Trackerkoordinatensystem; einen Kamerastab mit einem Kamerastab-Koordinatensystem, wobei der Kamerastab eine Montagestruktur, eine erste Kamera, eine zweite Kamera, einen ersten Reflektorpunkt, einen zweiten Reflektorpunkt und einen dritten Reflektorpunkt umfasst, wobei die erste Kamera und die zweite Kamera an die Montagestruktur gekoppelt sind, wobei der erste Retroreflektor einen ersten Reflektorpunkt mit einer ersten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der zweite Retroreflektor einen zweiten Reflektorpunkt mit einer zweiten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der dritte Retroreflektor einen dritten Reflektorpunkt mit einer dritten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der erste Reflektorpunkt, der zweite Reflektorpunkt und der dritte Reflektorpunkt nicht-kollinear sind, wobei die erste Kamera eine erste Position und eine erste Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei die zweite Kamera eine zweite Position und eine zweite Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist; ein Zusatzteil, das einen Montagerahmen mit einem Montagerahmen-Koordinatensystem und eine Vielzahl von Lichtmarkierungen, die an den Montagerahmen gekoppelt sind und 3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweisen, umfasst; und ein elektrisches System, das einen Prozessor umfasst, der einen computerausführbaren Programmcode ausführt, der, wenn er vom Prozessor ausgeführt wird, Rechenvorgänge durchführt, die Folgendes umfassen: Bewirken, dass der Tracker 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, des zweiten Reflektorpunkts und des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem misst, Bewirken, dass die erste Kamera ein erstes Bild eines Subsatzes der Vielzahl von Lichtmarkierungen aufnimmt und ein erstes digitales Signal als Reaktion erzeugt, Bewirken, dass die zweite Kamera ein zweites Bild des Subsatzes aufnimmt und ein zweites digitales Signal als Reaktion erzeugt, und Ermitteln einer Rahmenposition und einer Rahmenorientierung des Montagerahmens im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf den 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, den 3D-Koordinaten des zweiten Reflektorpunkts und den 3D-Koordinaten des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem, der ersten Reflektor-3D-Koordinate, der zweiten Reflektor-3D-Koordinate, der dritten Reflektor-3D-Koordinate, der ersten Position, der ersten Orientierung, der zweiten Position und der zweiten Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem, den 3D-Koordinaten des Subsatzes von Lichtmarkierungen im Montagerahmen-Koordinatensystem, dem ersten digitalen Signal und dem zweiten digitalen Signal.
System nach Anspruch 1, wobei der Kamerastab ferner einen ersten Retroreflektor, einen zweiten Retroreflektor und einen dritten Retroreflektor umfasst, wobei der erste Retroreflektor, der zweite Retroreflektor und der dritte Retroreflektor an die Montagestruktur gekoppelt sind, wobei der erste Retroreflektor am ersten Reflektorpunkt angebunden ist, der zweite Retroreflektor am zweiten Reflektorpunkt angebunden ist und der dritte Retroreflektor am dritten Reflektorpunkt angebunden ist.
System nach Anspruch 2, wobei der erste Retroreflektor, der zweite Retroreflektor und der dritte Retroreflektor im Kamerastab-Koordinatensystem feststehend sind.
System nach Anspruch 2, wobei der Kamerastab ferner eine erste Aufnahme, eine zweite Aufnahme und eine dritte Aufnahme umfasst, wobei die erste Aufnahme, die zweite Aufnahme und die dritte Aufnahme an die Montagestruktur gekoppelt sind.
System nach Anspruch 4, wobei der erste Retroreflektor ein erster sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) ist, der zweite Retroreflektor ein zweiter SMR ist und der dritte Retroreflektor ein dritter SMR ist, wobei der erste SMR für die Anordnung in der ersten Aufnahme derart konfiguriert ist, dass sich der erste Kugelmittelpunkt am ersten Reflektorpunkt befindet, wobei der zweite SMR für die Anordnung in der zweiten Aufnahme derart konfiguriert ist, dass sich der zweite Kugelmittelpunkt am zweiten Reflektorpunkt befindet, und wobei der dritte SMR für die Anordnung in der dritten Aufnahme derart konfiguriert ist, dass sich der dritte Kugelmittelpunkt am dritten Reflektorpunkt befindet.
System nach Anspruch 1, wobei: der Kamerastab ferner eine erste Aufnahme, eine zweite Aufnahme und eine dritte Aufnahme umfasst; das System ferner einen ersten sphärisch montierten Retroreflektor (SMR) mit einem ersten Kugelmittelpunkt umfasst, wobei der erste SMR für die Anordnung in der ersten Aufnahme derart konfiguriert ist, dass, wenn er in der ersten Aufnahme angeordnet ist, der erste Kugelmittelpunkt sich am ersten Reflektorpunkt befindet; der erste SMR ferner für die Anordnung in der zweiten Aufnahme derart konfiguriert ist, dass, wenn er in der zweiten Aufnahme angeordnet ist, der erste Kugelmittelpunkt sich am zweiten Reflektorpunkt befindet; und der SMR ferner für die Anordnung in der dritten Aufnahme derart konfiguriert ist, dass, wenn er in der dritten Aufnahme angeordnet ist, der erste Kugelmittelpunkt sich am dritten Reflektorpunkt befindet.
System nach Anspruch 1, wobei der Kamerastab ferner eine vierte Aufnahme, eine fünfte Aufnahme und eine sechste Aufnahme umfasst, wobei die vierte Aufnahme, die fünfte Aufnahme und die sechste Aufnahme an die Montagestruktur gekoppelt sind und für das Aufnehmen eines sphärisch montierten Retroreflektors konfiguriert sind.
System nach Anspruch 1, wobei die Lichtmarkierungen Leuchtdioden sind.
System nach Anspruch 1, wobei: die Lichtmarkierungen reflektierende Punkte sind; das System ferner eine externe Lichtquelle umfasst; und der computerausführbare Programmcode ferner einen Rechenvorgang durchführt, der das Bewirken, dass die externe Lichtquelle die reflektierenden Punkte beleuchtet, umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei: das Zusatzteil ferner eine an das Zusatzteil gekoppelte Tastsondenbaugruppe umfasst, wobei die Tastsondenbaugruppe eine Sondenspitze umfasst, wobei die Mitte der Sondenspitze Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweist, wobei die Sondenspitze einen Sondenspitzendurchmesser aufweist; und der computerausführbare Programmcode ferner einen Rechenvorgang durchführt, der das Ermitteln einer 3D-Koordinate der Mitte der Sondenspitze im Trackerkoordinatensystem ferner basierend zumindest teilweise auf den Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst.
System nach Anspruch 10, wobei der computerausführbare Programmcode ferner einen Rechenvorgang durchführt, der das Ermitteln von 3D-Koordinaten eines Punkts auf einer Oberfläche eines Objekts im Trackerkoordinatensystem ferner basierend zumindest teilweise auf dem Sondenspitzendurchmesser umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei: das Zusatzteil ferner eine Scannerbaugruppe umfasst, wobei die Scannerbaugruppe einen Projektor mit einer Projektorposition und einer Projektororientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem und eine Scannerkamera mit einer Scannerkameraposition und einer Scannerkameraorientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst; und der computerausführbare Programmcode Rechenvorgänge durchführt, die ferner Folgendes umfassen: Bewirken, dass der Projektor ein erstes Licht mit einem ersten Muster auf eine Oberfläche eines Objekts sendet, Bewirken, dass die Scannerkamera ein Bild der Oberfläche aufnimmt und ein digitales Scannersignal als Reaktion erzeugt, und Ermitteln von 3D-Koordinaten eines Punkts auf der Oberfläche im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf dem ersten Muster, der Projektorposition, der Projektororientierung, der Scannerkameraposition, der Scannerkameraorientierung und dem digitalen Scannersignal.
System nach Anspruch 12, wobei das erste Licht strukturiertes Licht ist und das erste Muster eine Beleuchtung über mindestens drei nicht-kollineare Bereiche umfasst.
System nach Anspruch 12, wobei das erste Muster in Form einer Linie vorliegt, wobei die Linie im Wesentlichen gerade ist.
System nach Anspruch 12, wobei: das Zusatzteil ferner eine an das Zusatzteil gekoppelte Tastsondenbaugruppe umfasst, wobei die Tastsondenbaugruppe eine Sondenspitze umfasst, wobei die Mitte der Sondenspitze Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweist, wobei die Sondenspitze einen Sondenspitzendurchmesser aufweist; und der computerausführbare Programmcode ferner einen Rechenvorgang durchführt, der das Ermitteln einer 3D-Koordinate der Mitte der Sondenspitze im Trackerkoordinatensystem ferner basierend zumindest teilweise auf den Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei: das Zusatzteil ferner eine Projektorbaugruppe umfasst, wobei die Projektorbaugruppe einen Projektor mit einer Projektorposition und einer Projektororientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst; und der computerausführbare Programmcode Rechenvorgänge durchführt, die ferner das Bewirken, dass der Projektor ein erstes Licht mit einem ersten Muster sendet, umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei: das Zusatzteil ferner eine Sensorbaugruppe umfasst, wobei die Sensorbaugruppe einen an den Montagerahmen gekoppelten Sensor umfasst, wobei der Sensor eine Sensorposition und eine zweite Orientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweist; und der computerausführbare Programmcode ferner einen Rechenvorgang durchführt, der das Bewirken, dass der Sensor ein Erfassungsmerkmal misst, umfasst, wobei das Erfassungsmerkmal ein Wert ist, der einer vom Sensor gemessenen Größe zugeordnet ist.
System nach Anspruch 13, wobei das Erfassungsmerkmal aus der Gruppe bestehend aus einer Temperatur, einem Ultraschallwert, einem Wert einer elektromagnetischen Welle, einem chemischen Kennwert, einem Oberflächentexturwert und Kombinationen davon ausgewählt ist.
System nach Anspruch 17, wobei: die Sensorbaugruppe ferner eine Beleuchtungsquelle umfasst, wobei die Beleuchtungsquelle aus der Gruppe bestehend aus Ultraschall und elektromagnetischer Strahlung ausgewählt ist; und der computerausführbare Programmcode ferner Rechenvorgänge durchführt, die das Beleuchten einer Oberfläche eines Objekts mit der Beleuchtungsquelle umfassen, das bewirkt, dass der Sensor das Erfassungsmerkmal misst, das der Beleuchtungsquelle entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei das Zusatzteil ferner eine Tastsondenbaugruppe und eine Scannerbaugruppe umfasst.
Verfahren umfassend: Bereitstellen eines Lasertrackers mit einem Trackerkoordinatensystem; Bereitstellen eines Kamerastabs mit einem Kamerastab-Koordinatensystem, wobei der Kamerastab eine Montagestruktur, eine erste Kamera, eine zweite Kamera, einen ersten Retroreflektor, einen zweiten Retroreflektor und einen dritten Retroreflektor umfasst, wobei die erste Kamera, die zweite Kamera, der erste Retroreflektor, der zweite Retroreflektor und der dritte Retroreflektor an die Montagestruktur gekoppelt sind, wobei der erste Retroreflektor einen ersten Reflektorpunkt mit einer ersten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der zweite Retroreflektor einen zweiten Reflektorpunkt mit einer zweiten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der dritte Retroreflektor einen dritten Reflektorpunkt mit einer dritten Reflektor-3D-Koordinate im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei der erste Reflektorpunkt, der zweite Reflektorpunkt und der dritte Reflektorpunkt nicht-kollinear sind, wobei die erste Kamera eine erste Position und eine erste Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist, wobei die zweite Kamera eine zweite Position und eine zweite Orientierung im Kamerastab-Koordinatensystem aufweist; Bereitstellen eines Zusatzteils, das einen Montagerahmen mit einem Montagerahmen-Koordinatensystem und eine Vielzahl von Lichtmarkierungen, die an den Montagerahmen gekoppelt sind und 3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweisen, umfasst; und Bereitstellen eines elektrischen Systems, das einen Prozessor umfasst; Messen von 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, des zweiten Reflektorpunkts und des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem mit dem Lasertracker; Aufnehmen, mit der ersten Kamera, eines ersten Bilds eines Subsatzes der Vielzahl von Lichtmarkierungen und Erzeugen eines ersten digitalen Signals als Reaktion; Aufnehmen, mit der zweiten Kamera, eines zweiten Bilds des Subsatzes und Erzeugen eines zweiten digitalen Signals als Reaktion; Ermitteln einer Rahmenposition und einer Rahmenorientierung des Montagerahmens im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf den 3D-Koordinaten des ersten Reflektorpunkts, des zweiten Reflektorpunkts und des dritten Reflektorpunkts im Trackerkoordinatensystem, der ersten Reflektor-3D-Koordinate, der zweiten Reflektor-3D-Koordinate, der dritten Reflektor-3D-Koordinate, der ersten Position, der ersten Orientierung, der zweiten Position, der zweiten Orientierung, dem ersten digitalen Signal, dem zweiten digitalen Signal und den 3D-Koordinaten des Subsatzes von Lichtmarkierungen; und Speichern der Rahmenposition und der Rahmenorientierung.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt zum Bereitstellen eines Zusatzteils ferner das Bereitstellen einer an das Zusatzteil gekoppelten Tastsondenbaugruppe umfasst, wobei die Tastsondenbaugruppe eine Sondenspitze umfasst, wobei die Mitte der Sondenspitze Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweist, wobei die Sondenspitze einen Sondenspitzendurchmesser aufweist; und das Verfahren ferner das Ermitteln von 3D-Koordinaten der Mitte der Sondenspitze im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf der Rahmenposition, der Rahmenorientierung und den Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend einen Schritt zum Ermitteln von 3D-Koordinaten eines Punkts auf einer Oberfläche eines Objekts im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf den 3D-Koordinaten der Mitte der Sondenspitze im Trackerkoordinatensystem und dem Sondenspitzendurchmesser.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei: der Schritt zum Bereitstellen eines Zusatzteils ferner das Bereitstellen eines Projektors mit einer Projektorposition und einer Projektororientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem und einer Scannerkamera mit einer Scannerkameraposition und einer Scannerkameraorientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst, wobei der Projektor und die Scannerkamera an den Montagerahmen gekoppelt sind; das Verfahren ferner das Senden eines ersten Lichts mit einem ersten Muster aus dem Projektor auf eine Oberfläche eines Objekts umfasst; das Verfahren ferner das Aufnehmen eines Bilds der Oberfläche mit der Scannerkamera und das Erzeugen eines digitalen Scannersignals als Reaktion umfasst; und das Verfahren ferner das Ermitteln von ersten Punkt-3D-Koordinaten eines ersten Punkts auf der Oberfläche im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf dem ersten Muster, der Projektorposition, der Projektororientierung, der Scannerkameraposition, der Scannerkameraorientierung, dem digitalen Scannersignal, der Rahmenposition und der Rahmenorientierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei in dem Schritt zum Senden eines ersten Lichts aus dem Projektor das erste Licht strukturiertes Licht ist und das erste Muster eine Beleuchtung über mindestens drei nicht-kollineare Bereiche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei in dem Schritt zum Senden eines ersten Lichts mit einem ersten Muster aus dem Projektor das erste Licht in Form einer Linie vorliegt, wobei die Linie im Wesentlichen gerade ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Schritt zum Bereitstellen eines Zusatzteils ferner das Bereitstellen einer an das Zusatzteil gekoppelten Tastsondenbaugruppe umfasst, wobei die Tastsondenbaugruppe eine Sondenspitze umfasst, wobei die Mitte der Sondenspitze Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem aufweist, wobei die Sondenspitze einen Sondenspitzendurchmesser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend folgende Schritte: Anlegen der Sondenspitze an einen zweiten Punkt auf der Oberfläche mit der Sondenspitze; und Ermitteln von zweiten 3D-Koordinaten des zweiten Punkts im Trackerkoordinatensystem basierend zumindest teilweise auf der Rahmenposition, der Rahmenorientierung, der Mitte der Sondenspitze mit Spitzen-3D-Koordinaten im Montagerahmen-Koordinatensystem und dem Sondenspitzendurchmesser.
Verfahren nach Anspruch 28, ferner umfassend einen Schritt zum Durchführen einer Diagnosemethode zur Auswertung der Qualität des ersten Punkts.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend einen Schritt zum Beleuchten eines Bereichs der Oberfläche mit Licht aus dem Projektor; und Positionieren der Sondenspitze durch den Bediener basierend zumindest teilweise auf dem beleuchteten Bereich der Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei: der Schritt zum Bereitstellen eines Zusatzteils ferner einen Schritt zum Bereitstellen einer Projektorbaugruppe umfasst, wobei die Projektorbaugruppe einen Projektor mit einer Projektorposition und einer Projektororientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst, wobei der Projektor an den Montagerahmen gekoppelt ist; und das Verfahren ferner einen Schritt zum Senden eines ersten Lichts mit einem ersten Muster aus dem Projektor auf eine Oberfläche eines Objekts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend einen Schritt zum Modifizieren des Objekts in Entsprechung zum ersten Muster durch einen Benutzer.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei in dem Schritt zum Modifizieren durch den Benutzer das Modifizieren aus der Gruppe bestehend aus Spanen, Bohren, Nieten, Feilen, Schleifen, Lackieren, Etikettieren, Kleben, Verschrauben und Befestigen ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei: der Schritt zum Bereitstellen eines Zusatzteils ferner das Bereitstellen einer Sensorbaugruppe umfasst, wobei die Sensorbaugruppe einen Sensor mit einer Sensorposition und einer Sensororientierung im Montagerahmen-Koordinatensystem umfasst, wobei die Sensorbaugruppe an den Montagerahmen gekoppelt ist; und das Verfahren ferner einen Schritt zum Messen eines Erfassungsmerkmals umfasst, wobei das Erfassungsmerkmal ein Wert ist, der einer vom Sensor gemessenen Größe zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei in dem Schritt zum Messen eines Erfassungsmerkmals das Erfassungsmerkmal aus der Gruppe bestehend aus einer Temperatur, einem Ultraschallwert, einem Wert einer elektromagnetischen Welle, einem chemischen Kennwert, einem Oberflächentexturwert und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei: der Schritt zum Bereitstellen eines Zusatzteils ferner das Bereitstellen einer Beleuchtungsquelle umfasst, wobei die Beleuchtungsquelle aus der Gruppe bestehend aus Ultraschall und elektromagnetischer Strahlung ausgewählt ist, wobei die Beleuchtungsquelle an den Montagerahmen gekoppelt ist; das Verfahren ferner das Beleuchten einer Oberfläche eines Objekts mit der Beleuchtungsquelle umfasst; und das Verfahren ferner das Messen des Erfassungsmerkmals umfasst, das der Beleuchtung entspricht.