Title:
Vorrichtung und Verfahren zum Messen von sechs Freiheitsgraden
Document Type and Number:
Kind Code:
B3

Abstract:

Lasernachführung (100), die zum Lokalisieren eines Retroreflektorziels (400) konfiguriert ist, wobei die Lasernachführung (100) umfasst:
eine Nutzlastanordnung (170), die dazu konfiguriert ist, einen ersten Laserstrahl (550) entlang einer optischen Hauptachse auszusenden, ausgehend von der Lasernachführung (100);
einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die dazu konfiguriert sind, gemeinsam den ersten Laserstrahl (550) entlang der optischen Hauptachse in einer ersten Richtung auszurichten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse (510) und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse (520) bestimmt ist, wobei die zweite Achse (520) im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse (510) ist, der erste Rotationswinkel durch den ersten Motor erzeugt und der zweite Rotationswinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird, wobei die Nutzlastanordnung (170) dazu konfiguriert ist, um die erste Achse (510) und die zweite Achse (520) zu rotieren:
eine erste Winkelmessvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, den ersten Rotationswinkel zu messen und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, den zweiten Rotationswinkel zu messen;
einen Entfernungsmesser, der dazu konfiguriert ist, eine erste Entfernung von der Lasernachführung zum Retroreflektorziel zu messen;
eine erste Kameraanordnung (350), umfassend eine erste Kamera (352) und eine erste Lichtquelle (354), wobei die erste Kameraanordnung (350) starr an der Nutzlastanordnung (170) befestigt ist, die erste Kamera (352) eine erste optische Kameraachse hat, die von der Nutzlastanordnung (170) ausgeht, wobei die erste optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und zur optischen Hauptachse versetzt verläuft, wobei die erste Lichtquelle (354) sich in der Nähe der ersten Kamera (352) befindet, wobei die erste Lichtquelle (354) konfiguriert ist, um das Retroreflektorziel (400) zu beleuchten, um ein erstes retroreflektiertes Licht zu erzeugen, wobei die erste Kamera (352) dazu konfiguriert ist, das ...





Inventors:
Hoffer, John M. (Strasburg, US)
Ackley, Kevin R. (Boyertowm, US)
Bridges, Robert E., Pa. (Kennett Square, US)
Brown, Lawrence B. (Cochranville, US)
Application Number:
DE112009005524T
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
11/17/2009
Assignee:
Faro Technologies, Inc. (Fla., Lake Mary, US)
International Classes:
G01S5/16; G01B11/03; G01C15/00; G01S1/70; G01S17/66
Foreign References:
7230689
7312862
7352446
4790651
5267014
5973788
4714339
6166809
EP1710602
EP2275775
EP1659417
Attorney, Agent or Firm:
OFFICE FREYLINGER S.A., Strassen, LU
Claims:
1. Lasernachführung (100), die zum Lokalisieren eines Retroreflektorziels (400) konfiguriert ist, wobei die Lasernachführung (100) umfasst:
eine Nutzlastanordnung (170), die dazu konfiguriert ist, einen ersten Laserstrahl (550) entlang einer optischen Hauptachse auszusenden, ausgehend von der Lasernachführung (100);
einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die dazu konfiguriert sind, gemeinsam den ersten Laserstrahl (550) entlang der optischen Hauptachse in einer ersten Richtung auszurichten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse (510) und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse (520) bestimmt ist, wobei die zweite Achse (520) im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse (510) ist, der erste Rotationswinkel durch den ersten Motor erzeugt und der zweite Rotationswinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird, wobei die Nutzlastanordnung (170) dazu konfiguriert ist, um die erste Achse (510) und die zweite Achse (520) zu rotieren:
eine erste Winkelmessvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, den ersten Rotationswinkel zu messen und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, den zweiten Rotationswinkel zu messen;
einen Entfernungsmesser, der dazu konfiguriert ist, eine erste Entfernung von der Lasernachführung zum Retroreflektorziel zu messen;
eine erste Kameraanordnung (350), umfassend eine erste Kamera (352) und eine erste Lichtquelle (354), wobei die erste Kameraanordnung (350) starr an der Nutzlastanordnung (170) befestigt ist, die erste Kamera (352) eine erste optische Kameraachse hat, die von der Nutzlastanordnung (170) ausgeht, wobei die erste optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und zur optischen Hauptachse versetzt verläuft, wobei die erste Lichtquelle (354) sich in der Nähe der ersten Kamera (352) befindet, wobei die erste Lichtquelle (354) konfiguriert ist, um das Retroreflektorziel (400) zu beleuchten, um ein erstes retroreflektiertes Licht zu erzeugen, wobei die erste Kamera (352) dazu konfiguriert ist, das erste retroreflektierte Licht zu empfangen und ein erstes Bild zu erzeugen; und
eine zweite Kameraanordnung (350), umfassend eine zweite Kamera (352) und eine zweite Lichtquelle (354), wobei die zweite Kameraanordnung (350) starr an der Nutzlastanordnung (170) befestigt ist, die zweite Kamera (352) eine zweite optische Kameraachse hat, die von der Nutzlastanordnung (170) ausgeht, wobei die zweite optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und versetzt zur optischen Hauptachse und zur ersten optischen Kameraachse verläuft, wobei die zweite Lichtquelle (354) sich in der Nähe der zweiten Kamera (352) befindet, wobei die zweite Lichtquelle (354) konfiguriert ist, um das Retroreflektorziel (400) zu beleuchten, um ein zweites retroreflektiertes Licht zu erzeugen, wobei die zweite Kamera (352) dazu konfiguriert ist, das zweite retroreflektierte Licht zu empfangen und ein zweites Bild zu erzeugen.

2. Lasernachführung nach Anspruch 1, wobei die erste optische Kameraachse und die zweite optische Kameraachse symmetrisch bezüglich der optischen Hauptachse angeordnet sind.

3. Verfahren zum Lokalisieren eines Retroreflektorziels (400) mit einer Lasernachführung (100), wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen einer Nutzlastanordnung (170), die dazu konfiguriert ist, einen ersten Laserstrahl (550) entlang einer optischen Hauptachse auszusenden, ausgehend von der Lasernachführung (100);
Bereitstellen eines ersten Motors, der dazu konfiguriert ist, die Nutzlast (170) um einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse (510) zu drehen;
Bereitstellen eines zweiten Motors, der dazu konfiguriert ist, die Nutzlast (170) um einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse (520) zu drehen, wobei die zweite Achse (520) im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse (510) ist;
Bereitstellen einer ersten Kameraanordnung (350), umfassend eine erste Kamera (352) und eine erste Lichtquelle (354), wobei die erste Kameraanordnung (350) starr an der Nutzlastanordnung (170) befestigt ist, die erste Kamera (352) eine erste optische Kameraachse hat, die von der Nutzlast (170) ausgeht, wobei die erste optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und zur optischen Hauptachse versetzt verläuft, wobei die erste Lichtquelle (354) sich in der Nähe der ersten Kamera (352) befindet;
Bereitstellen einer zweiten Kameraanordnung (350), umfassend eine zweite Kamera (352) und eine zweite Lichtquelle (354), wobei die zweite Kameraanordnung (350) starr an der Nutzlastanordnung (170) befestigt ist, die zweite Kamera (352) eine zweite optische Kameraachse hat, die von der Nutzlast (170) ausgeht, wobei die zweite optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und versetzt zur optischen Hauptachse und zur ersten optischen Kameraachse verläuft, wobei die erste Lichtquelle (354) sich in der Nähe der ersten Kamera (352) befindet; Aussenden des ersten Laserstrahls (550);
Beleuchten des Retroreflektorziels (400) mit einem dritten Licht von der ersten Lichtquelle (354), um ein erstes retroreflektiertes Licht vom Retroreflektorziel (400) zu erzeugen;
Beleuchten des Retroreflektorziels (400) mit einem vierten Licht von der zweiten Lichtquelle (354), um ein zweites retroreflektiertes Licht vom Retroreflektorziel (400) zu erzeugen;
Empfangen des ersten retroreflektierten Lichts durch die erste Kamera (352) und daraufhin Erzeugen eines ersten Kamerabilds;
Empfangen des zweiten retroreflektierten Lichts durch die zweite Kamera (352) und daraufhin Erzeugen eines zweiten Kamerabilds;
Bestimmen eines ersten errechneten Rotationswinkels und eines zweiten errechneten Rotationswinkels, um die optische Hauptachse zum Retroreflektorziel (400) hin zu steuern, wobei der erste errechnete Rotationswinkel und der zweite errechnete Rotationswinkel wenigstens teilweise auf dem ersten Kamerabild und dem zweiten Kamerabild basieren; und
Drehen der Nutzlast (170) um den ersten errechneten Winkel um die erste Achse (510) und um den zweiten errechneten Winkel um die zweite Achse (520).

4. Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend:
Bereitstellen eines Positionsdetektors (230);
Empfangen des ersten Laserstrahls (550) am Retroreflektorziel (400) und daraufhin Zurücksenden eines dritten retroreflektierten Laserstrahls; Empfangen eines Teils des dritten retroreflektierten Laserstrahls (550) am Positionsdetektor (230); und
Drehen der Nutzlast (170) mittels des ersten Motors und des zweiten Motors, um den dritten retroreflektierten Laserstrahl in einer bevorzugten Position am Positionsdetektor (230) anzuordnen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend:
Bereitstellen einer ersten Winkelmessvorrichtung, einer zweiten Winkelmessvorrichtung und eines Entfernungsmessers;
Messen eines dritten Winkels mit der ersten Winkelmessvorrichtung;
Messen eines vierten Winkels mit der zweiten Winkelmessvorrichtung;
Messen einer ersten Entfernung von der Lasernachführung zum Retroreflektorziel (400), wenigstens teilweise basierend auf einer Zeit, die der erste Laserstrahl (550) von der Nutzlast (170) zum Retroreflektorziel (400) benötigt; und
Bereitstellen einer dreidimensionalen Koordinate des Retroreflektorziels (400) wenigstens teilweise basierend auf dem dritten Winkel, dem vierten Winkel und der ersten Entfernung.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei:
beim Schritt des Beleuchtens des Retroreflektorziels (400) mit einem dritten Licht, das dritte Licht wiederholt aufblitzt; und
beim Schritt des Beleuchtens des Retroreflektorziels (400) mit dem vierten Licht, das vierte Licht wiederholt aufblitzt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei:
beim Schritt des Bereitstellens einer ersten Kameraanordnung (350), die erste Lichtquelle eine erste LED (354) umfasst; und
beim Schritt des Bereitstellens einer zweiten Kameraanordnung (350), die zweite Lichtquelle eine zweite LED (354) umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei: bei den Schritten des Bereitstellens der ersten Kameraanordnung (350) und der zweiten Kameraanordnung (350), die erste optische Kameraachse und die zweite optische Kameraachse im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der optischen Hauptachse angeordnet werden.

Description:
REFERENZ ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Anmeldung Nr. 61/115,136, die am 11. November 2008 angemeldet wurde und deren gesamter Inhalt hier per Referenz eingefügt wird.

HINTERGRUND

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Koordinatenmessvorrichtung. Ein Satz von Koordinatenmessvorrichtungen gehört zu einer Instrumentenklasse, die dreidimensionale (3D)-Koordinaten eines Punktes durch Senden eines Laserstrahls zu dem Punkt misst. Der Laserstrahl kann direkt auf dem Punkt auftreffen oder kann auf einem Retroreflektorziel auftreffen, welches in Kontakt mit dem Punkt steht. In jedem Fall bestimmt das Instrument die Koordinaten des Punktes durch Messen der Entfernung und der zwei Winkel zu dem Ziel. Die Entfernung wird mit einer Entfernungsmessvorrichtung gemessen, wie einem Absolutentfernungsmesser oder einem Interferometer. Die Winkel werden mit einer Winkelmessvorrichtung wie einem Winkel-Encoder gemessen. Ein kardanischer Steuermechanismus innerhalb des Instruments richtet den Laserstrahl auf den Punkt von Interesse. Exemplarische Systeme zur Bestimmung von Koordinaten eines Punktes sind in dem US-Patent Nr. 4,790,651 von Brown et al. und dem US-Patent Nr. 4,714,339 von Lau et al. beschrieben.

Die Lasernachführung ist eine bestimmte Art von Koordinatenmessvorrichtung, die das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren ausgesendeten Laserstrahlen nachverfolgt. Eine Koordinatenmessvorrichtung, die mit der Lasernachführung eng verwandt ist, ist der Laserscanner. Der Laserscanner richtet einen oder mehrere Laserstrahlen auf Punkte auf einer diffusen Oberfläche.

Normalerweise sendet die Lasernachführung einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel. Ein gängiger Typ eines Retroreflektorziels ist der sphärisch befestigte Retroreflektor (SMR), welcher einen Würfelecken-Retroreflektor umfasst, der innerhalb einer metallischen Kugel eingebettet ist. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei wechselseitig rechtwinklige Spiegel. Der Scheitelpunkt, welcher der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich im Zentrum der Kugel. Aufgrund dieser Anordnung der Würfelecke innerhalb der Kugel bleibt die senkrechte Entfernung von dem Scheitelpunkt zu jeder Oberfläche konstant, auf welcher der SMR ruht, sogar dann, wenn der SMR gedreht wird. Folglich kann die Lasernachverfolgung die 3D-Koordinaten einer Oberfläche durch Verfolgen der Position eines SMR messen, wenn dieser über die Oberfläche bewegt wird. In anderen Worten, benötigt die Lasernachverfolgung zum Messen nur drei Freiheitsgrade (eine radiale Entfernung und zwei Winkel), um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.

Dennoch gibt es Messungen, in denen sechs, anstatt nur drei, Freiheitsgrade benötigt werden. Hier folgen Beispiele von vier solcher Messungen: (1) ein Sechs-Freiheitsgrade(6-DOF)-Nachverfolger misst den Ort einer Fühlerspitze, die sich außerhalb der Sicht des Nachverfolgers durch ein dazwischenliegendes Objekt befindet; (2) ein 6-DOF-Nachverfolger folgt der Bewegung einer Scanvorrichtung, die 3D-Koordinaten unter Verwendung eines Lichtmusters misst; (3) ein 6-DOF-Nachverfolger findet die Orientierung, ebenso wie die Position eines Roboterendeffektors oder eines ähnlichen starren Körpers; und (4) ein 6-DOF-Nachverfolger misst Fein-Objekt-Merkmale unter Verwendung einer feinen Fühlerspitze anstatt einer großen Kugeloberfläche eines SMR.

Einige Systeme auf Basis von Lasernachverfolgern sind verfügbar oder wurden zum Messen von sechs Freiheitsgraden vorgeschlagen. In einem System werden eine Kamera und ein Lasernachverfolger mit einem Ziel mit einem Retroreflektor und mehreren Lichtpunkten verwendet. Exemplarische Beispiele sind in dem US-Patent 5973788 von Pettersen et al. und dem US-Patent 6166809 von Pettersen et al. beschrieben.

In einem zweiten System wird das Ziel nahezu senkrecht zu dem Nachverfolgerlaserstrahl mittels einer motorisierten oder einer Handjustierung gehalten. Ein Strahlteiler in dem Ziel sendet einiges des einfallenden Laserlichts zu einem Positionsdetektor, welcher Neigungs- und Gierwinkel des Ziels bestimmt. Der Rest des Lichts geht zu einem Retroreflektor. Von dem reflektierten Licht verläuft einiges zu einem Jocharisierenden Strahlteiler, zu Detektoren und zu Elektronik, welche den Zielrollwinkel bestimmt. Das verbleibende Licht kehrt zu dem Nachverfolger zurück. Ein beispielhaftes System ist durch das US-Patent 7230689 von Lau beschrieben.

Ein drittes System ist das gleiche wie das zweite System, außer dass der Rollsensor durch einen Levelsensor ersetzt wird, der die Schräglage des Ziels relativ zur Schwerkraft misst. Ein beispielhaftes System ist in dem US-Patent 7230689 von Lau beschrieben.

In einem vierten System misst die Nachverfolgervorrichtung die Position eines Würfelecken-Retroreflektors auch während des Abteilens von einigem des zurückkehrenden Lichts und des Sendens zu einem photoempfindlichen Feld zu einer Analyse. Das photoempfindliche Feld liest Markierungen, die absichtlich auf dem Retroreflektor hinterlassen wurden. Diese Markierungen können z.B. Schnittlinien der drei Würfelecken-Reflektionsebenen sein. Die Neigungs-, Gier- und Rollwinkel des Retroreflektors können durch Analysieren des auf dem Feld dargestellten Musters herausgefunden werden. Ein beispielhaftes System ist in dem US-Patent 5267014 von Prenninger beschrieben.

In einem fünften System ist eine Öffnung in den Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors geschnitten. Licht, welches durch die Öffnung verläuft, trifft auf einen Positionsdetektor, wodurch es die Neigungs- und Gierwinkel des Ziels bereitstellt. Der Rollwinkel wird durch eines der drei Mittel herausgefunden. In dem ersten Mittel misst eine Kamera, die auf dem Nachverfolger befestigt ist, beleuchtete Lichtpunkte in der Nähe des Retroreflektors. In dem zweiten Mittel sendet eine Lichtquelle, die auf dem Nachverfolger befestigt ist, Licht über einen relativ breiten Winkel aus, welches durch einen Positionsdetektor aufgenommen wird. In dem dritten Mittel sendet eine Lichtquelle, die auf dem Nachverfolger befestigt ist, einen Laserstreifen auf das Ziel. Der Streifen wird durch eines oder mehrere lineare Felder aufgenommen. Eine exemplarische Ausführungsform ist im US-Patent 7312862 von Zumbrunn et al. beschrieben.

Jedes dieser Systeme zum Erhalten von 6 Freiheitsgraden (DOF) mit einem Lasernachverfolger hat Nachteile. Das erste System verwendet eine Kamera, um mehrere LEDs in der Nähe eines Retroreflektorziels zu sehen. Ein kommerzielles System dieser Art, welches zur Zeit verfügbar ist, weist eine Kamera auf, die oben auf einem Nachverfolger befestigt ist. Eine motorisierte Zenitachse schwenkt die Kamera und eine motorisierte Zoom-Linse fokussiert die Lichtpunkte. Diese motorisierten Eigenschaften sind kompliziert und teuer.

In einigen Ausführungsformen des zweiten Systems hält ein mechanischer Zwei-Achsen-Servomechanismus das Ziel in Richtung zurück zu dem Nachverfolger. In anderen Ausführungsformen richtet der Benutzer das Ziel manuell in Richtung auf den Nachverfolger. In einem ersten Beispiel ist diese Ausführungsform kompliziert und teuer, und in einem zweiten Beispiel ist diese Ausführungsform unpraktisch für den Benutzer. Zusätzlich verwendet das zweite System einen Jocharisierenden Strahlteiler, welcher für einen hohen Jocharisierungskontrast senkrecht zu dem Laserstrahl stehen muss. Aus diesem Grund neigt die Leistung in einem handgehaltenen System zu einer Verschlechterung.

In dem dritten System antworten Level-Sensoren auf Neigung (ein Schwerkrafteffekt) und Beschleunigung auf dieselbe Weise. Wenn also ein Neigungssensor in einem handgehaltenen Fühler angeordnet ist, können die resultierenden Beschleunigungen durch eine Handbewegung als eine Sensorneigung fehlinterpretiert werden. Um dieses Problem zu überwinden, fügen die Hersteller von Level-Sensoren manchmal Dämpfungsmechanismen ein (wie eine Dämpfungsflüssigkeit), um die Antwort zu verlangsamen. Solch ein gedämpfter Neigungssensor antwortet schleppend auf Veränderungen des Rollwinkels, was unerwünscht ist.

Das vierte System, welches Licht direkt von einem Strahlteiler zu einem photoempfindlichen Feld reflektiert, um Linien auf einer Würfelecke zu sehen, ist in seiner Feldtiefe beschränkt, bevor die Linienbilder auf dem Feld verschmiert und verdreht werden.

Das fünfte System verlangt, dass eine Öffnung in den Retroreflektor geschnitten ist, wobei die Leistung des Retrorflektors etwas verschlechtert wird. Es ordnet einen Positionsdetektor hinter der Öffnung an, welcher ein photoempfindliches Feld oder ein positionsempfindlicher Detektor (PSD) sein kann. Diese Öffnung ist nur mäßig präzise in dem Fall des PSD, und relativ langsam in dem Fall des photoempfindlichen Feldes. Zusätzlich befestigt das System eines von drei zusätzlichen Mitteln auf dem Nachführer. Alle drei Mittel, wie sie oben beschrieben sind, sind kompliziert und teuer.

Im Hinblick auf diese Beschränkungen besteht heutzutage eine Notwendigkeit für ein lasernachverfolgungsbasiertes 6-DOF-Meßsystem, welches einfach, kostengünstig und präzise ist.

Die EP 1 710 602 B1 offenbart ein Messsystem zur Bestimmung von sechs Freiheitsgraden eines Reflektors. Dieses weist ein mit einem Laserstrahl als Messstrahl arbeitendes Winkel- und Distanzmessgerät auf, sowie den Reflektor, der für eine Parallelreflexion des Messstrahles ausgerüstet ist und eine apikale Öffnung aufweist, so dass ein Teil des auf den Reflektor gerichteten Messstrahles auf eine hinter dem Reflektorapex angeordnete, lichtempfindliche Fläche trifft. Aus vom Winkel- und Distanzmessgerät und von der lichtempfindlichen Fläche erzeugten Messdaten werden fünf Freiheitsgrade des Reflektors berechnet. Das Messsystem weist zudem ein optisch detektierbares Zusatzelement auf, das relativ zum Reflektor stationär und vom Winkel- und Distanzmessgerät aus detektierbar ist. Das Zusatzelement definiert eine Richtung und für die Berechnung des sechsten Freiheitsgrades des Reflektors werden durch die Detektion des Zusatzelementes gewonnene Messdaten verwendet.

Die EP 1 659 417 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Ausrichtung eines Ausrichtungsindikators. Dabei werden von einem Abstandsmessensor und einem Bildsensor in einem Messgerät ein Abstand von wenigstens einem und ein Bild von wenigstens drei reflektiven Bereichen auf dem Ausrichtungsindikator erfasst. Die Abstandsmessung und Bilderfassung erfolgt vermittels einer gerichteten Emission eines kollimierten ersten Strahlenbündels und eines divergenten zweiten Strahlenbündels mit unterschiedlicher Wellenlänge und/oder Polarisation in Richtung des Ausrichtungsindikators und einer gleichzeitigen Erfassung des reflektierten und/oder gestreuten ersten und zweiten Strahlenbündels. Die reflektiven Bereiche auf dem Ausrichtungsindikator sind so ausgebildet und angeordnet, dass sie an einem Zielpunkt positionierbar sind, sowie in detektierbarer geometrischer Beziehung zueinander stehen und vermittels der Bilderfassung gleichzeitig aufgelöst werden können. Anhand der Ausrichtungsbestimmung können unter anderem Abstände zu – auch nicht direkt einsehbaren – Zielpunkten genau bestimmt werden.

Die EP 2 275 775 B1 offenbart eine laserbasierte Koordinatenmessvorrichtung die einen Entfernungsmesser, eine um zwei Achsen drehbare Anordnung, welche einen Strahl vom Entfernungsmesser aus ausstrahlt, und ein Retroreflektorziel umfasst. Weiterhin ist an der Anordnung eine Positionierungskamera vorgesehen, die ein optisches System, ein lichtempfindliches Array und mehrere Lichtquellen umfasst. Licht wird von einer Lichtquelle ausgestrahlt, durch das Retroreflektorziel reflektiert und durch das optische System wird ein Lichtmuster auf dem lichtempfindlichen Array erzeugt. Ein Elektroniksystem analysiert das Lichtmuster auf dem lichtempfindlichen Array, um die ungefähre Winkelrichtung zum Retroreflektorziel zu bestimmen und ein Aktuatorsystem orientiert die drehbare Anordnung gemäß der durch die Positionierungskamera bestimmten Richtung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Lasernachführung, die zum Lokalisieren eines Retroreflektorziels konfiguriert ist, wobei die Lasernachführung umfasst:
eine Nutzlastanordnung, die dazu konfiguriert ist, einen ersten Laserstrahl entlang einer optischen Hauptachse auszusenden, ausgehend von der Lasernachführung;
einen ersten Motor und einen zweiten Motor, die dazu konfiguriert sind, gemeinsam den ersten Laserstrahl entlang der optischen Hauptachse in einer ersten Richtung auszurichten, wobei die erste Richtung durch einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse und einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse bestimmt ist, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse ist, der erste Rotationswinkel durch den ersten Motor erzeugt und der zweite Rotationswinkel durch den zweiten Motor erzeugt wird, wobei die Nutzlastanordnung dazu konfiguriert ist, um die erste Achse und die zweite Achse zu rotieren:
eine erste Winkelmessvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, den ersten Rotationswinkel zu messen und eine zweite Winkelmessvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, den zweiten Rotationswinkel zu messen;
einen Entfernungsmesser, der dazu konfiguriert ist, eine erste Entfernung von der Lasernachführung zum Retroreflektorziel zu messen;
eine erste Kameraanordnung, umfassend eine erste Kamera und eine erste Lichtquelle, wobei die erste Kameraanordnung starr an der Nutzlastanordnung befestigt ist, die erste Kamera eine erste optische Kameraachse hat, die von der Nutzlastanordnung ausgeht, wobei die erste optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und zur optischen Hauptachse versetzt verläuft, wobei die erste Lichtquelle sich in der Nähe der ersten Kamera befindet, wobei die erste Lichtquelle konfiguriert ist, um das Retroreflektorziel zu beleuchten, um ein erstes retroreflektiertes Licht zu erzeugen, wobei die erste Kamera dazu konfiguriert ist, das erste retroreflektierte Licht zu empfangen und ein erstes Bild zu erzeugen; und
eine zweite Kameraanordnung, umfassend eine zweite Kamera und eine zweite Lichtquelle, wobei die zweite Kameraanordnung starr an der Nutzlastanordnung befestigt ist, die zweite Kamera eine zweite optische Kameraachse hat, die von der Nutzlastanordnung ausgeht, wobei die zweite optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und versetzt zur optischen Hauptachse und zur ersten optischen Kameraachse verläuft, wobei die zweite Lichtquelle sich in der Nähe der zweiten Kamera befindet, wobei die zweite Lichtquelle konfiguriert ist, um das Retroreflektorziel zu beleuchten, um ein zweites retroreflektiertes Licht zu erzeugen, wobei die zweite Kamera dazu konfiguriert ist, das zweite retroreflektierte Licht zu empfangen und ein zweites Bild zu erzeugen.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Lokalisieren eines Retroreflektorziels mit einer Lasernachführung, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen einer Nutzlastanordnung, die dazu konfiguriert ist, einen ersten Laserstrahl entlang einer optischen Hauptachse auszusenden, ausgehend von der Lasernachführung;
Bereitstellen eines ersten Motors, der dazu konfiguriert ist, die Nutzlast um einen ersten Rotationswinkel um eine erste Achse zu drehen;
Bereitstellen eines zweiten Motors, der dazu konfiguriert ist, die Nutzlast um einen zweiten Rotationswinkel um eine zweite Achse zu drehen, wobei die zweite Achse im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse ist;
Bereitstellen einer ersten Kameraanordnung, umfassend eine erste Kamera und eine erste Lichtquelle, wobei die erste Kameraanordnung starr an der Nutzlastanordnung befestigt ist, die erste Kamera eine erste optische Kameraachse hat, die von der Nutzlast ausgeht, wobei die erste optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und zur optischen Hauptachse versetzt verläuft, wobei die erste Lichtquelle sich in der Nähe der ersten Kamera befindet;
Bereitstellen einer zweiten Kameraanordnung, umfassend eine zweite Kamera und eine zweite Lichtquelle, wobei die zweite Kameraanordnung starr an der Nutzlastanordnung befestigt ist, die zweite Kamera eine zweite optische Kameraachse hat, die von der Nutzlast ausgeht, wobei die zweite optische Kameraachse im Wesentlichen in derselben Richtung wie die optische Hauptachse und versetzt zur optischen Hauptachse und zur ersten optischen Kameraachse verläuft, wobei die erste Lichtquelle sich in der Nähe der ersten Kamera befindet;
Aussenden des ersten Laserstrahls;
Beleuchten des Retroreflektorziels mit einem dritten Licht von der ersten Lichtquelle, um ein erstes retroreflektiertes Licht vom Retroreflektorziel zu erzeugen;
Beleuchten des Retroreflektorziels mit einem vierten Licht von der zweiten Lichtquelle, um ein zweites retroreflektiertes Licht vom Retroreflektorziel zu erzeugen;
Empfangen des ersten retroreflektierten Lichts durch die erste Kamera und daraufhin Erzeugen eines ersten Kamerabilds;
Empfangen des zweiten retroreflektierten Lichts durch die zweite Kamera und daraufhin Erzeugen eines zweiten Kamerabilds;
Bestimmen eines ersten errechneten Rotationswinkels und eines zweiten errechneten Rotationswinkels, um die optische Hauptachse zum Retroreflektorziel hin zu steuern, wobei der erste errechnete Rotationswinkel und der zweite errechnete Rotationswinkel wenigstens teilweise auf dem ersten Kamerabild und dem zweiten Kamerabild basieren; und
Drehen der Nutzlast um den ersten errechneten Winkel um die erste Achse und um den zweiten errechneten Winkel um die zweite Achse.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Beispielhafte Ausführungen sind mit Bezug auf die Zeichnungen gezeigt, welche nicht als beschränkend in Bezug auf den gesamten Bereich der Offenbarung gedacht sind und worin die Elemente in einigen FIGUREN gleich benannt sind.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen Sechs-Freiheitsgrade-Nachführsystems; und

2 ist eine Explosionsansicht einer exemplarischen Nachführeinheit;

3 ist eine Querschnittsansicht einer exemplarischen Nachführeinheit; und

4 ist ein Blockdiagramm einer exemplarischen Nutzlastanordnung; und

5 ist eine perspektivische Ansicht einer exemplarischen Nutzlastanordnung und eines exemplarischen Ziels; und

6 ist eine Draufsicht eines exemplarischen Musterprojektors; und

7 ist eine Seitenansicht eines exemplarischen Musterprojektors; und

8 ist ein exemplarisches Übertragungsmuster eines exemplarischen Apodisers; und

9 ist ein dreidimensionales Schema, welches ein exemplarisches Strahlenmuster eines sich ausbreitenden Laserstrahls, einem Apodiser folgend, zeigt; und

10 ist ein dreidimensionales Schema, welches ein exemplarisches Strahlenmuster eines sich ausbreitenden Laserstrahls nach 30 m Strahlengang zeigt; und

11A und 11B sind schematische Drauf- und Seitenansichten von Komponenten eines exemplarischen Ziels für Einfallswinkel von jeweils 0 und 45 Grad; und

12A und 12B sind schematische Drauf- und Seitenansichten von Komponenten eines exemplarischen Ziels für Einfallswinkel von jeweils 0 und 45 Grad; und

13A13K sind schematische Drauf- und Seitenansichten von Komponenten eines exemplarischen Ziels für Einfallswinkel von 45 Grad mit Neigungsrichtungen, die in 10-Grad-Schritten vom gesamten Gierwinkel zum gesamten Neigungswinkel variieren.

14 ist ein Graph, der eine Fehlercharakteristik einer möglichen Ausführungsform zeigt.

15 zeigt ein exemplarisches Verfahren zur Berechnung der Signatur eines Lasermusters auf Positionsdetektoren.

16 zeigt ein exemplarisches iteratives Verfahren zum Berechnen einer Position auf einer Fühlerspitze.

17 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Lasernachführsystems mit zumindest zwei Kameraanordnungen

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie in 1 gezeigt, kann ein beispielhaftes Sechs-Freiheitsgrade(6 DOF)-Nachführsystem 1000 eine Nachführeinheit 100, ein Ziel 400, eine Energiezufuhr/Steuereinheit 10 und einen Computer 20 umfassen. Sechs Freiheitsgrade können z.B. die x-, y-, z-Koordinaten und die Neigungs-, Roll- und Gierwinkel eines Ziels 400 sein.

Die Nachführeinheit 100 kann eine Azimutanordnung 110, eine Zenitanordnung 140 und eine Nutzlastanordnung 170 umfassen. Die Azimutanordnung 110 ist stationär mit Bezug zu dem Ständer, auf welchem sie befestigt ist. Die Zenitanordnung 140 rotiert um die Azimutachse 510, und die Nutzlastanordnung 170 rotiert um die Zenitachse 520. Zusätzlich, da die Nutzlastanordnung 170 an der Zenitanordnung 140 befestigt ist, dreht sie sich um die Azimutachse 510 ebenso wie um die Zenitachse 520.

Die Energiezufuhr/Steuereinheit 10 stellt Energie für die Nachführeinheit 100 zur Verfügung und kann ebenso Steuerungs- und Berechnungsfunktionen bereitstellen. Der Computer 20 kann eine Vielfalt von Software-Paketen zum Analysieren und Anzeigen von Daten benutzen.

Das Ziel 400 umfasst einen Retroreflektor 410, eine Positionssensoranordnung 430, einen Fühlerkörper 450, einen Fühlerstift 460, eine Fühlerspitze 470, einen Positionsgeberfleck 480, Elektronik (nicht gezeigt), und eine Batterie (nicht gezeigt). Der Positionsgeberfleck 480 ist in 5 gezeigt. Die Positionssensoranordnung 430 umfasst Positionsdetektoren 432 und optische Filter 434. Elemente des Ziels 400 sind starr aneinander befestigt. Ein Laserstrahl 550 wird durch die Nachführeinheit 100 ausgesendet und schneidet den Retroreflektor 410 und die Positionsdetektoren 432.

AZIMUT- UND ZENITANORDNUNGEN

Details der Nachführeinheit 100 sind in der Explosionsanordnung in 2 und im Querschnitt in 3 gezeigt. Die Azimutanordnung 110 umfasst ein Arbeitsgehäuse 112, eine Azimut-Encoder-Anordnung 120, untere und obere Azimutlager 114A, 114B, eine Azimut-Motoranordnung 125, eine Azimut-Schleifring-Anordnung 130 und Azimut-Leiterplatten 135.

Der Zweck der Azimut-Encoder-Anordnung 120 ist die präzise Messung des Rotationswinkels des Jochgehäuses 142 in Bezug auf das Betriebsgehäuse 112. Die Azimut-Encoder-Anordnung 120 umfasst eine Encoder-Scheibe 121 und eine Lesekopf-Anordnung 122. Die Encoder-Scheibe 121 ist am Schaft des Jochgehäuses 142 befestigt, und die Lesekopf-Anordnung 122 ist an der stationären Betriebsanordnung 110 befestigt. Die Lesekopf-Anordnung 122 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe befestigt sind. Laserlicht wird von den Leseköpfen gesendet und an feinen Gratlinien auf der Encoder-Scheibe 121 reflektiert. Das reflektierte Licht wird durch Decoder auf dem Encoder-Lesekopf oder den Encoder-Leseköpfen aufgenommen und verarbeitet, um den Rotationswinkel der Encoder-Scheibe in Bezug auf die starren Leseköpfe herauszufinden.

Die Azimut-Motoranordnung 125 umfasst einen Azimutmotor-Rotor 126 und einen Azimutmotor-Stator 127. Der Azimutmotor-Rotor umfasst Permanent-Magnete, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 142 befestigt sind. Der Azimutmotor-Stator 127 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgegebenes magnetisches Feld erzeugen. Dieses magnetische Feld wirkt mit den Magneten des Azimutmotor-Rotors 126 zusammen, um die gewünschte Rotationsbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotor-Stator 127 ist an dem Betriebsrahmen 112 befestigt.

Die Azimut-Leiterplatten 135 sind eine oder mehrere Leiterplatten, die elektrische Funktionen bereitstellen, die von den Azimutkomponenten wie Encoder oder Motor benötigt werden. Die Azimut-Schleifring-Anordnung 130 umfasst einen äußeren Teil 131 und einen inneren Teil 132. Ein Drahtbündel 138 tritt von der Energiezufuhr/Steuereinheit 10 aus und kann Energie zu dem Nachführer oder Signale zu oder von dem Nachführer leiten. Einige der Drähte des Drahtbündels 138 können zu Anschlüssen auf den Leiterplatten gerichtet sein. In dem in 3 gezeigten Beispiel werden Drähte zu den Azimut-Leiterplatten 135, der Encoder-Lesekopfanordnung 122 und der Azimut-Motoranordnung 125 gerichtet. Andere Drähte werden zu dem inneren Teil 132 der Schleifring-Anordnung 130 gerichtet. Der innere Teil 132 ist an der Betriebsanordnung 110 befestigt und bleibt folglich stationär. Der äußere Teil 131 ist an der Jochanordnung 140 befestigt und dreht sich folglich relativ zu dem inneren Teil 132. Die Schleifring-Anordnung 130 ist gestaltet, um einen elektrischen Kontakt mit einer niedrigen Impedanz zu ermöglichen, wenn der äußere Teil 131 mit Bezug zu dem inneren Teil 132 rotiert.

Die Zenitanordnung 140 umfasst ein Jochgehäuse 142, eine Zenit-Encoder-Anordnung 150, linke und rechte Zenitlager 144A, 144B, eine Zenit-Motoranordnung 155, eine Zenit-Schleifring-Anordnung 160 und eine Zenit-Leiterplatte 165.

Der Zweck der Zenit-Encoder-Anordnung 150 ist die präzise Messung des Rotationswinkels des Nutzlastrahmens 172 in Bezug auf das Jochgehäuse 142. Die Zenit-Encoder-Anordnung 150 umfasst eine Zenit-Encoder-Scheibe 151 und eine Zenit-Lesekopf-Anordnung 152. Die Encoder-Scheibe 151 ist an dem Nutzlastgehäuse 142 befestigt, und die Lesekopf-Anordnung 152 ist an dem Jochgehäuse 142 befestigt. Die Zenit-Lesekopf-Anordnung 152 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere der Leseköpfe befestigt sind. Laserlicht wird von den Leseköpfen gesendet und von feinen Gratlinien auf der Encoder-Scheibe 151 reflektiert. Reflektiertes Licht wird durch die Detektoren auf dem oder den Encoder-Leseköpfen aufgenommen und weiterverarbeitet, um den Winkel der rotierenden Encoder-Scheibe in Relation zu den starren Leseköpfen herauszufinden.

Die Zenitmotor-Anordnung 155 umfasst einen Zenitmotor-Rotor 156 und einen Zenitmotor-Stator 157. Der Zenitmotor-Rotor 156 umfasst Permanent-Magnete, die direkt an der Welle des Nutzlastrahmens 172 befestigt sind. Der Zenitmotor-Stator 157 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgegebenes magnetisches Feld erzeugen. Dieses magnetische Feld wirkt mit den Rotormagneten zusammen, um die gewünschte Rotationsbewegung zu erzeugen. Der Zenitmotor-Stator 157 ist an dem Jochrahmen 142 befestigt.

Die Zenit-Schalterplatte 165 weist eine oder mehrere Schalterplatten auf, die elektrische Funktionen bereitstellen, die durch die Zenitkomponenten benötigt werden, wie der Encoder und der Motor. Die Zenit-Schleifring-Anordnung 160 umfasst einen äußeren Teil 161 und einen inneren Teil 162. Das Drahtbündel 168 tritt von dem äußeren Azimut-Schleifring 131 aus und kann Energie oder Signale übertragen. Einige der Drähte des Drahtbündels 168 können auf Anschlüsse auf der Leiterplatte gerichtet sein. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die Drähte auf die Zenit-Leiterplatte 165, auf die Zenit-Motoranordnung 150 und auf die Encoder-Lesekopf-Anordnung 152 gerichtet. Andere Drähte sind zu dem inneren Teil 162 der Schleifring-Anordnung 160 gerichtet. Der innere Teil 162 ist an dem Jochrahmen 142 befestigt und rotiert folglich nur in dem Azimut-Winkel und nicht in dem Zenit-Winkel. Der äußere Teil 161 ist an dem Nutzlastrahmen 172 befestigt und dreht sich folglich sowohl in dem Zenit- als auch dem Azimut-Winkel. Die Schleifring-Anordnung 160 ist gestaltet, um einen elektrischen Kontakt mit einer niedrigen Impedanz zu ermöglichen, wenn der äußere Teil 161 mit Bezug zu dem inneren Teil 162 rotiert.

HAUPTOPTIK-ANORDNUNG

Die Nutzlastanordnung 170 umfasst eine Hauptoptik-Anordnung 200 und eine Musterprojektor-Anordnung 300, wie in 4 gezeigt. Die Hauptoptik-Anordnung 200 umfasst einen elektrischen Modulator 210, einen Laser 215, Entfernungsbearbeitungselektronik 220, einen Positionsdetektor 230, Strahlenteiler 240, 242; einen zweifarbigen Strahlenteiler 244 und ein Ausgabefenster 246. Laserlicht, welches durch den Laser 215 ausgesendet wird, verläuft durch den Strahlenteiler 240. Dieser Strahlenteiler kann aus Glas sein, wie in 4 gezeigt, oder es kann ein Faser-optischer Strahlenteiler sein. Der Strahlenteiler 240 überträgt einen Teil des Laserlichts 250 und reflektiert den Rest. Der Strahlenteiler 240 wird benötigt, um den Teil des zurückkehrenden (retroreflektierten) Laserlichts zu der Entfernungsverarbeitungselektronik 220 zu übertragen. Der Typ des Entfernungsmeßsystems, der in 4 gezeigt ist, ist ein Absolutentfernungsmesser (ADM) auf Basis einer Intensitätsmodulation und Phasenmessverfahren. Ein beispielhafter ADM dieser Art ist in dem US-Patent 7352446 von Bridges und Hoffer beschrieben. Alternativ könnte eine andere Art von ADM verwendet werden, oder der Entfernungsmesser in der Hauptoptik-Anordnung 200 könnte ein Interferometer (IFM) anstatt ein ADM sein. Im letzteren Fall würde der elektrische Modulator 210 nicht benötigt werden, und die Verarbeitungselektronik würde von einer anderen Art sein. Auch die Laser würden anders sein. Für ein IFM müsste der Laser bei einer bekannten Wellenlänge frequenzstabilisiert sein, und er müsste eine lange Kohärenzlänge aufweisen. Für ein ADM würde der Laser vorzugsweise zur Modulation bei Frequenzen von zumindest einigen GHz in der Lage sein. Es ist ebenso möglich, IFM und ADM in der Hauptoptik-Anordnung 200 zu kombinieren. In diesem Fall würde ein geeigneter Strahlenteiler verwendet werden, um die IFM- und ADM-Laserstrahlen auf dem Weg nach draußen zu kombinieren und die Laserstrahlen auf dem Weg zurück nach innen zu trennen.

Nach dem Durchgang durch den Strahlenteiler 240 verläuft der Laserstrahl 250 weiter zu dem Strahlenteiler 242. Dieser Strahlenteiler überträgt den Großteil des Laserlichts (z.B. 85 %) und reflektiert den Rest (z.B. 15 %). Der Zweck des Strahlenteilers 242 liegt darin, einen Teil des zurückkehrenden (retroreflektierten) Laserlichts zu dem Positionsdetektor 230 zu senden, wie im Folgenden erklärt. Der Laserstrahl 250 verläuft durch den zweifarbigen Strahlenteiler 244 und verläuft zu dem Ausgabefenster 246, durch welches er die Nachführeinheit 100 verlässt. Der Zweck des zweifarbigen Strahlenteilers 244 ist es, dem Laserstrahl 250 zu ermöglichen, mit dem Laserstrahl 370 kombiniert zu werden, der in einer Streifenprojektionsanordnung 300 auf dem Weg aus der Nachführeinheit 100 erzeugt wurde. Der zweifarbige Strahlenteiler 244 besteht aus Glas und ist beschichtet, vorzugsweise mit mehreren Schichten eines dünnen dielektrischen Folienmaterials, um die Übertragung einiger Wellenlängen und die Reflektion anderer Wellenlängen zu ermöglichen. Wenn z.B. der Laser 215 ein verteilter Feedback(DFB)-Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm ist und der Laser 315 ein Diodenlaser mit der Wellenlänge von 635 nm ist, dann würde der zweifarbige Strahlenteiler 244 beschichtet sein, um das 1550 nm-Laserlicht zu übertragen und um das 635 nm-Laserlicht zu reflektieren.

Der Laserstrahl 550, der aus der Nachführeinheit 100 heraus verläuft, ist eine Kombination der Laserstrahlen 250 und 370. Der Laserstrahl 250 trifft den Retroreflektor 410. Es ist wünschenswert, die Größe des Laserstrahls 250 über den Messbereich des Nachführers zu minimieren, um eine Begrenzung des Laserstrahls 250 durch den Retroreflektor 410 zu reduzieren, welcher ein Würfelecken-Retrorflektor sein kann. Um die Größe des Laserstrahls 250 über den Messbereich zu minimieren, ist das Profil des Laserstrahls so nahe wie möglich zu einer Gauss-Funktion geformt. Dies führt zu dem kleinstmöglichen Divergenzwinkel für den sich ausbreitenden Laserstrahl.

Wenn der Laserstrahl 250 auf das Zentrum des Retroreflektors 410 trifft, wird der Laserstrahl auf seinem Ausgangsweg zu der Nachführeinheit 100 zurückgeführt. Wenn der Laserstrahl 250 nicht das Zentrum des Retroreflektors 410 trifft, wird der Laserstrahl zu der anderen Seite des Retroreflektors 410 reflektiert und kehrt parallel, aber nicht zusammenfallend mit dem herauskommenden Laserstrahl 250 zurück.

Wenn das Laserlicht 250 wieder in die Nachführeinheit 100 durch das Ausgabefenster 246 eintritt, verläuft es durch den zweifarbigen Strahlenteiler 244 und wandert zum Strahlenteiler 242, der einiges des zurückgekehrten Lichts zu dem Positionsdetektor 230 reflektiert. Wenn der Laserstrahler 250 das Zentrum des Retroreflektors 410 trifft, trifft der zurückkehrende Laserstrahl das Zentrum des Positionsdetektors 230. Wenn der zurückkehrende Laserstrahl nicht das Zentrum des Positionsdetektors 230 trifft, dann trifft der zurückkehrende Laserstrahl nicht das Zentrum des Positionsdetektors 230 und ein Fehlersignal wird erzeugt. Dieses Fehlersignal aktiviert die Azimut-Motoranordnung 125 und die Zenit-Motoranordnung 155, um den Laserstrahl 250 zu dem Zentrum des Retroreflektors 410 zu steuern. Dadurch ist der Laserstrahl 550 von der Nachführeinheit 100 in der Lage, den Bewegungen des Retroreflektors 410 zu folgen. Mit anderen Worten: der Laserstrahl 550 wird dem Retroreflektor 410 nachgeführt.

Der Positionsdetektor 230 kann ein positionsempfindlicher Detektor (PSD) sein. Positionsempfindliche Detektoren können von der Art mit einem lateralen Effekt oder von der Quadrant-Art sein. Beides kann verwendet werden, aber der laterale Effekt-Typ erzeugt eine Spannungsausgabe, die linearer mit Bezug auf die Position des Laserstrahls ist, der sie trifft. Aus diesem Grund wird die laterale Effekt-Art des PSD bevorzugt. Alternativ kann anstelle eines PSD ein photoempfindliches Feld verwendet werden. Das photoempfindliche Feld kann z.B. ein CCD- oder CMOS-Feld sein. Diese Felder sind hochgradig linear und bieten eine sehr präzise Anzeige der Position des zurückkehrenden Strahls.

STREIFENGENERATOR-ANORDNUNG

Die Nachführeinheit 100 und die Energiezufuhr/Steuereinheit 10 sind in der Lage, drei Freiheitsgrade (DOF) des Retroreflektors 410 ohne eine Streifenprojektions-Anordnung 300 zu messen. Die drei Freiheitsgrade sind Entfernung, Azimut-Winkel und Zenit-Winkel zu dem Ziel, welche in andere Koordinaten als x, y und z überführt werden können. Drei Freiheitsgrade sind genug, um eine Messung eines Gegenstandes mit einem symmetrischen Nachführziel, wie einem SMR, zu ermöglichen, aber sie sind nicht genug, um die Koordinaten einer Fühlerspitze 470 zu finden. Dafür muss das System 6 DOF messen.

Die Messung von 6 DOF wird ermöglicht durch den kombinierten Betrieb einer Streifengenerator-Anordnung 300, einer Hauptoptik-Anordnung 200 und eines Ziels 400. Wie in 47 gezeigt, umfasst eine mögliche Ausführungsform der Streifengenerator-Anordnung 300 einen Laser 315, eine Strahlenexpander-Anordnung 320, einen Apodiser 330, einen Spezialspiegel 340 und eine Kamera-Anordnung 350. Die Strahlenexpander-Anordnung 320 umfasst eine negative Linse 322 und eine positive Linse 324. Die Kamera-Anordnung 350 umfasst eine Kamera 352 und zumindest eine lichtemittierende Diode (LED) 354. Ein Loch ist in den Spezialspiegel 340 geschnitten, um die Sichtbarkeit des Ziels 400 für die Kamera 352 und zumindest eine LED 354 zu ermöglichen. Der Laser 315 kann vorzugsweise ein sichtbarer Laser mit einer Leistung sein, die in dem Augensicherheitsbereich liegt, aber gesehen werden kann, wenn sie gegen einen Gegenstand scheint. In einer Ausführungsform ist dieser Laser z.B. ein roter Diodenlaser mit einer Ausgabeleistung von 39 mW. Der Laser ist ausgewählt, um eine Single-Mode-Transverse-Mode-Ausgabe mit einem Gauss-Profil und einem guten Strahlenqualitätsfaktor (z.B. M2 < 1,1) zu haben. Der Laserstrahl 370 wird durch die negative Linse 322 und die positive Linse 324 des Strahlenexpanders 320 gesendet. Die Entfernung zwischen der negativen Linse 322 und der positiven Linse 324 ist eingestellt, um das Laserlicht 370 parallel auszurichten, das aus der positiven Linse 324 austritt. Der Laserstrahl kann optional durch Faltspiegel 360, 362 gebogen werden, um den Lasermusterprojektor 300 kompakter zu machen.

Alternativ ist es möglich, eine oder mehrere Kameras in einer unterschiedlichen Anordnung zu der in 4 zu verwenden. Wie z.B. in 17 gezeigt, könnten zwei kleine Anordnungen 352 symmetrisch oder asymmetrisch an dem oder nahe bei dem Ausgabefenster 246 auf der Vorderseite der Nutzlastanordnung angeordnet sein, wobei jede mit zumindest einer LED versehen ist. Solch eine Anordnung würde eine stereoskopische Betrachtung ermöglichen, um eine Einschätzung der Entfernung und der Winkel zum Ziel 400 zu ermöglichen. In einer alternativen Ausführungsform können die Kameras auf dem Jochgehäuse 142 befestigt sein.

Parallel ausgerichtetes Laserlicht 370 verläuft durch den Apodiser 330 oder ein anderes geeignetes Formelement, welches das Licht in ein zweidimensionales Muster formt. Z.B. kann, in zumindest einer Ausführungsform, das zweidimensionale Muster ein Streifenmuster oder ein anderes geeignetes Muster sein. Der Apodiser kann eine kontinuierliche Tonfilmtransparenz sein, der mit einem optischen Element zwischen zwei Glasplatten befestigt ist. Das Laserlicht, welches den Apodiser 330 erreicht, hat eine Gauss-Form, welche in einer Ausführungsform einen Durchmesser von 44 mm aufweist. Die Übertragungseigenschaften des Apodisers werden ausgewählt, um eine optische Beleuchtung (optische Leistung pro Flächeneinheit) an der Ausgabe des Apodisers zu erzeugen, die besondere Eigenschaften aufweisen, die nur für eine Ausführungsform beschrieben werden. Die Ausgabeübertragung einer Ausführungsform des Apodisers ist in 8 gezeigt. In der in 8 gezeigten Ausführungsform ist der Apodiser 38 mm auf einer Seite, und es existieren 8 Streifen, von denen jeder eine Länge von 15 mm aufweist. Im Zentrum des Apodisers ist ein dunkler Bereich mit 8 mm Durchmesser. Die Form jedes der 8 Streifen auf dem Apodiser ist mehr oder weniger die eines zweidimensionalen Gauss-Musters mit der Breite des Streifens, welche in einer Dimension größer als in der anderen ist. Die Form ist nicht exakt Gauss-förmig entlang der Längsdimension des Streifens, da ein Glättungsfilter verwendet wurde, um einen glatten Übergang zu fast Null an den Kanten zu erhalten, ohne die Breite der Gauss-Form zu sehr zu verringern. Es ist auch möglich, andere Apodiser-Muster zu verwenden und gute Ergebnisse zu erhalten.

Die Beleuchtung des Laserstrahls, der aus dem Apodiser austritt, ist in 9 gezeigt. Wenn sich der Laserstrahl ausbreitet, ändert er seine Form aufgrund der Brechungseffekte. Die Form des Laserstrahls bei 30 ist in 10 gezeigt.

Es ist ebenso möglich, das Streifenmuster unter Verwendung anderer Verfahren zu erzeugen. Ein Weg zur Erzeugung eines solchen Musters ist die Verwendung eines Beugungselements. Solche Elemente werden routinemäßig verwendet, um eine Vielzahl von Mustern zu erzeugen, einschließlich Linien, Kästchen, Kreisen, usw. Das Muster kann entlang der kurzen Achse Gauss-förmig und entlang der längeren Achse nahezu Gauss-förmig sein. Dies minimiert die Divergenz der projizierten Streifen und minimiert das Auftreten von Fresnel-Beugungswellen, die die berechneten Schwerpunkts- oder Spitzenwerte beeinflussen können.

Ein anderer Weg zur Erzeugung eines Musters ist die Verwendung einer Sammlung geeigneter Linsen. Z.B. kann ein Streifenmuster mit einem Gauss-förmigen Querschnittsprofil unter Verwendung von vier zylindrischen Linsen erzeugt werden, deren Strahlen erzeugt und kombiniert werden unter Verwendung einer Reihe von Strahlenteilern und rechtwinkligen Prismen. Das resultierende Muster unterscheidet sich von dem in den 9 und 10 gezeigten Muster dadurch, dass der Strahl nicht sanft auf ein Minimum im Zentrum des Musters abnimmt. Die Qualität dieses Musters kann grundsätzlich fast so gut gemacht werden wie jene, die mit dem Apodiser 300 erreicht wird.

ZIEL

Innerhalb eines Ziels 400 kann ein Retroreflektor 410 ein Würfeleckenprisma aus Glas sein. Solch ein Würfeleckenprisma weist drei senkrechte Flächen auf, die sich einen gemeinsamen Schnittpunkt teilen, Scheitelpunkt genannt. Die obere Oberfläche des Würfeleckenprismas ist mit einer Antireflektionsschicht beschichtet, und die drei senkrechten Glasseiten sind mit einer reflektieren Beschichtung beschichtet, vorzugsweise mit einer mehrschichtigen dünnen dielektrischen Folienbeschichtung. Es ist möglich, ein Würfeleckenprisma zu verwenden, welches nicht aus massivem Glas hergestellt ist, sondern aus drei Spiegeln im rechten Winkel zueinander. Diese Art von Retroreflektor wird häufig als „Open-Air-Würfelecke“ bezeichnet. Der Vorteil des Glasprismas gegenüber dem Open-Air-Würfeleckenprisma liegt darin, dass das Glas das Laserlicht einwärts in Übereinstimmung mit dem Snell-Gesetz beugt. Als Ergebnis weist ein Würfeleckenprisma einen größeren Aufnahmewinkel auf als eine Open-Air-Würfelecke. Ein anderer Vorteil der Glaswürfelecke ist, dass kein zusätzlicher Raum für die Spiegeldicke benötigt wird, was den Positionsdetektoren 432 ermöglicht, näher an dem Retroreflektor 410 zu sein.

Das Würfeleckenprisma kann aus Glas mit einem hohen Index sein, z.B. einem Brechungsindex von 1,80 bei einer Wellenlänge von 1550 nm. Ein mögliches Beispiel eines solchen Glases ist Ohara S-TIH53. Glas mit hohem Index hat den Vorteil, Licht, welches von der Luft in das Glas verläuft, näher an die Normalebene zu krümmen. Folglich schneidet das Laserlicht 250 die vordere Oberfläche des Retroreflektors 410 näher an dem Zentrum. Dies reduziert die Begrenzung des Laserstrahls durch die Kanten der Würfelecke.

Es ist weiterhin möglich, andere Arten von Retroreflektoren zu verwenden, wie z.B. einen Katzenaugen-Retroreflektor. Der Katzenaugen-Retroreflektor besteht aus Glaskomponenten mit entweder sphärischer oder hemisphärischer Form. Er ist so gestaltet, dass Laserlicht, welches seine vordere (gekrümmte) Oberfläche betritt, so durch Glasschichten verläuft, dass das Licht zu einem kleinen Fleck nahe der hinteren Oberfläche gebracht wird. Die hintere Oberfläche kann beschichtet sein, um sehr gut zu reflektieren, um das Licht auf sich selbst zurückzusenden. Nach dem Zurückverfolgen des Lichtes durch das Glas tritt das Licht aus dem Katzenauge nahezu parallel ausgerichtet und parallel zu dem eingehenden Lichtstrahl aus.

Die Positionsdetektor-Anordnung 430 umfasst die Positionsdetektoren 432 und optische Filter 434. Die Positionsdetektoren 432 können lineare photoempfindliche Felder sein. Solche photoempfindlichen Felder können CCD- oder CMOS-Felder sein, aber CCD-Felder sind einfacher verfügbar. In einer Ausführungsform sind die Positionsdetektoren 432 das e2v-Modell TH7815A. In einer möglichen Ausführungsform beinhalten diese Felder 4096 Pixel, welche jeweils 10 Mikrometer auf einer Seite aufweisen. Die Länge des aktiven Detektorbereichs beträgt 40,96 mm. Die Höhe und die Breite der Chip-Packung beträgt einschließlich der Durchgangsdrähte jeweils 50 mm und 10,47 mm.

Es ist möglich, andere Arten von Positionsdetektoren anstatt linearer photoempfindlicher Felder zu verwenden. Z.B. könnte man ein lineares Feld in der Form eines Kreises bilden. Es wäre auch möglich, ein Bereichsfeld zu verwenden.

Der optische Filter 434 besteht aus einem optischen Bandpass-Filter und einem optionalen neutralen Dichtefilter. Der optische Bandpass-Filter führt nur durch ein enges Band von Wellenlängen (z.B. 10–20 nm), die um die Wellenlänge des Laserlichts 370 zentriert sind. Andere Wellenlängen werden reflektiert oder absorbiert. Der Zweck des Bandpass-Filters ist es, zu verhindern, dass unerwünschtes Hintergrundlicht den Positionsdetektor 432 beleuchtet und dabei den Messungen eine Verzerrung und Geräusch hinzufügt. Ein Bandpass-Filter kann durch Beschichten von Glas mit einem mehrschichtigen Stapel von dünnem dielektrischen Folienmaterial hergestellt sein. Die Reflektionseigenschaften solcher Filter ändern sich mit dem Einfallswinkel des einfallenden Lichtes. Der Filter kann gestaltet sein, um die geeigneten Wellenlängen über den gesamten Bereich der Einfallswinkel zu führen. Z.B. ist in einer Ausführungsform das Ziel in der Lage, über +/–45 Grad zu arbeiten.

Der optische Filter 434 kann weiterhin einen neutralen Dichtefilter beinhalten. Wie oben erwähnt, ist in zumindest einer Ausführungsform das Streifenmuster hell genug, um durch das Auge gesehen zu werden, wenn es auf einen Hintergrundgegenstand trifft. Das helle Streifenmuster kann einem Benutzer helfen, den Laserstrahl schnell zu finden, wenn die Nachführeinheit 100 das Ziel 400 nicht nachführt. Die Positionsdetektoren 30 benötigen wiederum eine relativ kleine Menge an Laserenergie; diese Vorrichtungen sind gesättigt, wenn die Laserenergie zu hoch ist. Es gibt zwei Wege, um diese widersprüchlichen Anforderungen zu umgehen. Der erste Weg ist die Erhöhung der Energie des Laserstrahls 370, wenn der Laserstrahl 250 nicht auf den Retroreflektor 410 nachgeführt wird, und dann eine nachfolgende Reduzierung der Energie des Laserstrahls 370, wenn das Nachführen beginnt. Der zweite Weg ist die Anordnung von neutralen Dichtefiltern über die Positionsdetektoren 432, um die Strahlungsintensität des Laserstrahls 370 auf ein geeignetes Niveau zu reduzieren. Dieses zweite Verfahren hat den zusätzlichen Vorteil, die Hintergrundstrahlung relativ zu der Sättigungsleistung der Positionsdetektoren 30 zu reduzieren. Ein möglicher Weg, die Bandpass- und die neutrale Dichte-Funktionalität in einem einzigen Filter zu kombinieren, ist die Beschichtung von neutralem Dichteglas mit dielektrischen Folienschichten, um die gewünschten Bandpass-Eigenschaften zu erhalten.

Ein anderer möglicher Weg, die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Hintergrundlicht zu reduzieren, ist es, den Laserstrahl (durch Modulieren der Laserenergie „an“ und „aus“ bei der gewünschten Rate) zu zerhacken und das Laserlicht mit derselben Rate zu detektieren. Dieses Verfahren kann zu einer sehr hohen Rückstrahlung von Hintergrundlicht führen.

Es gibt mehrere mögliche Wege, den optischen Filter 434 zu befestigen. Z.B. kann er direkt auf die Oberseite jedes Positionsdetektors 432 geklebt werden, oder er kann von jedem photoempfindlichen Feld durch mechanische Mittel getrennt werden. Im letzteren Fall wird ein Luftspalt zwischen den optischen Filtern 434 und den Positionsdetektoren 432 bestehen. Es ist ebenso möglich, die Positionsdetektoren 432 direkt zu beschichten, um eine optische Filterung zu erhalten.

Der Retroreflektor 410, die Positionsdetektor-Anordnung 430 und der Stift 460 sind alle starr an dem Fühlerkörper 450 montiert. Der Retroreflektor 410 und die Positionsdetektoren 432 können starr durch eine gemeinsame strukturelle Komponente gehalten werden, die einen geeigneten thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) aufweist. Der Fühlerkörper 450 kann auch an dieser gemeinsamen strukturellen Komponente befestigt sein. Die gemeinsame strukturelle Befestigung hilft dabei, die mechanische Bewegung beim Biegen zu verringern oder die thermale Ausdehnung des Leiterplattenmaterials zu reduzieren.

Der Positionsgeberfleck 480, welcher in 5 gezeigt ist, kann ein photogrammetrisches Ziel sein, welches durch zumindest eine LED 354 beleuchtet wird, oder er kann eine punktförmige Lichtquelle wie eine LED sein. Der Zweck des Positionsgeberflecks 480 ist die Bereitstellung einer Kommunikation zwischen jedem der Streifen des Laserstrahls 370 und den Schnittbereichen der Streifen auf den Positionssensoren 432A, 432B. Wenn die Nachführeinheit 100 in einem Nachführmodus arbeitet, wird der Laserstrahl 550 zentriert auf der Kamera 352 gehalten. Der Positionsgeberfleck 480 wird auf der Kamera in einer Position gefunden, die der Zielorientierung entspricht; z.B. befindet sie sich unterhalb des Zentrums der Kamera 352, wenn das Ziel 400 in der aufrechten Position ist.

Einige Vorrichtungen können als Alternativen zu dem Positionsgeberfleck 480 verwendet werden, um die Streifen zu identifizieren, die die Positionsdetektoren 432A, 432B schneiden. Eine alternative Vorrichtung ist ein mechanischer Strahlenblocker, der selektiv Licht am Erreichen der verschiedenen Streifen innerhalb der Musterprojektor-Anordnung 300 hindert. Eine andere Alternative ist ein Neigungssensor, der sich innerhalb des Ziels 400 und der Nachführeinheit 100 befindet. Die relative Neigung des Ziels 400 zu der Nachführeinheit 100 identifiziert jeden Streifen.

Licht, welches die Positionsdetektoren 432A, 432B schneidet, wird durch die Detektoren in ein elektrisches Signal umgewandelt und muss elektrisch verarbeitet werden, um die Spitze oder den Schwerpunkt der sich schneidenden Streifen zu finden. Es muss weiter verarbeitet werden, um die Gier-, Neigungs- und Rollwinkel des Ziels 400 und die Koordinaten der Fühlerspitze 470 zu finden. Diese Verarbeitung kann durch eine Elektronik auf dem Ziel 400 durchgeführt werden, oder sie können durch Mittel mit oder ohne Drähte zu der Nachführeinheit 100 der Energiezufuhr/Steuereinheit 10 oder dem Computer 20 zur Verarbeitung zurückgeführt werden.

MESSKONZEPT

11A zeigt Front- und Seitenansichten des Laserstrahls 250, der den Würfelecken-Retroreflektor 410 bei einem senkrechten Einfall trifft, und den Laserstrahl 370, der die Positionssensoren 432A, 432B bei senkrechtem Einfall trifft. Der Laserstrahl 250 trifft einen Scheitel 414 und ebenso einen Mittelpunkt 412 auf der oberen Seite des Würfelecken-Retroreflektors 410. Der Laserstrahl 250 wird an dem Scheitelpunkt 414 durch die kombinierte Betätigung des Positionsdetektors 230 und der Motoranordnungen 125, 155 zentriert gehalten. Der Laserstrahl 370 fällt immer mit dem Laserstrahl 250 zusammen. In dem speziellen Fall, der in 11A gezeigt ist, schneiden die Streifen des Laserstrahls 370 ein aktives Gebiet 433A des Positionsdetektors 432A in drei Bereichen, und ein aktives Gebiet 433B des am weitesten rechts befindlichen Detektors 432B in drei Bereichen. Die Anzahl von Schnittpunkten hängt von dem Rollwinkel des Ziels 400 relativ zu der Nachführeinheit 100 ab, wie es unten genauer erklärt wird.

11B zeigt die Frontansicht und Seitenansichten des Laserstrahls 250, der den Würfelecken-Retroreflektor 410 bei 45 Grad von dem normalen Einfall trifft, und den Laserstrahl 370, der die Positionssensoren 432A, 432B bei 45 Grad von dem normalen Einfall trifft. Der Laserstrahl 250 wird einwärts in Richtung der Normalebene gekrümmt, wenn er von der Luft in das Glas verläuft. In diesem Fall ist der Brechungsindex des Glases 1,8, so dass durch das Snellsche Gesetz der Winkel des Laserstrahls mit Bezug zu der Normalebene arcsin(sin(45°)/1,8) = 23,1° ist. Da der Laserstrahl 370 die Positionsdetektoren 432A, 432B in einem Winkel von 45° trifft, ist das Muster der Laserstreifen, wenn es von oben betrachtet wird, eher eine Ellipse als ein Kreis. Wenn die Streifen innerhalb des Laserstrahls 370 entlang gerader Linien verlängert werden, schneiden sie die obere Oberfläche des Retroreflektors 410 an einem Punkt 416. Da die Laserstrahlen 250 und 370 weiter von der Normalebene geneigt sind, bewegt sich der Schnittpunkt 416 weiter von dem Mittelpunkt 412 der oberen Oberfläche des Retroreflektors 410 weg.

Es ist die Bewegung des Schnittpunkts 416 weg von dem Mittelpunkt 412, die es möglich macht, die Neigung und die Gier des Ziels 400 herauszufinden. Diese Bewegung kann auftreten, wenn das Symmetriezentrum des Retroreflektors 410 außerhalb der Ebene der Positionssensoren 432A, 432B angeordnet ist. Im Fall des Würfelecken-Retroreflektors befindet sich der Scheitelpunkt grundsätzlich unter der oberen Oberfläche des Retroreflektors, so dass diese Bedingung für die in 11A und 11B gezeigte Ausbildungsform eingehalten wird.

12A und 12B zeigen ein Ziel 1400, eine alternative Ausführungsform, die die gleiche ist, wie das Ziel 400, außer, dass sich der Retroreflektor 410 etwas erhöht oberhalb der Ebene der Positionsdetektoren 432A, 432B, befindet. Der Laserstrahl 250 trifft die obere Oberfläche des Würfelecken-Retroreflektors an derselben Stelle 416 relativ zum Zentrum 412, wie in dem Ziel 400. Wie jedoch in 12B gesehen werden kann, schneiden die Streifen des Laserstrahls 370 die aktiven Gebiete 433A, 433B in anderen Bereichen als in dem Ziel 400. Auch der effektive Schnittpunkt 416 wurde bewegt. Die Seitenansicht von 12B zeigt, dass der effektive Schnittpunkt 416 durch Verlängern des Laserstrahls 250 entlang seines ursprünglichen Luftweges in das Glas gefunden werden kann. Der Punkt, an welchem der Mittelpunkt des Laserstrahls 250 die Ebene der Positionsdetektoren 432A, 432B schneidet, ist der effektive Schnittpunkt 416, bei Betrachtung von oben.

Der Effekt des Anhebens des Retroreflektors 410 über die Ebene der Positionsdetektoren 432A, 432B besteht darin, den Schnittpunkt 416, bei Betrachtung von oben, näher zu dem Mittelpunkt 412 zu bewegen. Ein anderer Effekt ist die Reduzierung des Abschnitts der Streifen, die die Positionsdetektoren 432A, 432B schneiden. Der Retroreflektor 410 kann so hoch wie gewünscht angehoben werden, so lange die Streifen des Laserstrahls 370 nicht beim Erreichen der Positionsdetektoren 432A, 432B versperrt werden.

Durch Erhöhen des Retroreflektors 410 über die Ebene der Positionsdetektoren 432A, 432B ist es möglich, kommerziell verfügbare lineare CCD-Felder zu verwenden, um die Neigungs- und Gierwinkel über den Bereich von 0–45 Grad zu messen. Diese Fähigkeit ist in 13 gezeigt. Der kleine Einsatz rechts oben in 13 zeigt die Regeln, die für Neigungs-, Roll- und Gierwinkel verwendet werden. Die x-Achse hat dieselbe Richtung wie die Positionsdetektoren 432A, 432-B. Ein Gierwinkel entspricht einer Rotation um die x-Achse. Die Neigungs- und Rollwinkel entsprechen jeweils den Rotationen um die y- und z-Achsen.

Die 11B und 12B zeigen den Effekt einer Gier-Rotation von einem Neigungswinkel null. Wenn das Ziel 400 nach links giert, steigt die Streifentrennung auf dem Positionsdetektor 433A und nimmt ab auf dem Positionsdetektor 433B. Wenn das Ziel 400 im Neigungswinkel gedreht würde, würden die Streifen des Laserstrahls 370 auf den Positionsdetektoren 432A, 432B sich aufwärts oder abwärts bewegen. Wenn das Ziel 400 um den Rollwinkel gedreht würde, würden die Streifen des Laserstrahls 370 um den Schnittpunkt 416 rotieren. Die Kamera-Anordnung 350 und der Positionsgeberfleck 480 werden verwendet, um eine Kommunikation zwischen jedem Streifen, der durch den Streifengenerator 300 erzeugt wurde, und jedem Streifenschnittbereich auf den Positionsdetektoren 432A, 432B zu erzielen.

Die 13A–K zeigen den Allgemeinfall. Hier beträgt die allgemeine Neigung 45 Grad. Die Neigungsrichtung ist die Richtung von dem Mittelpunkt 412 zu dem Schnittpunkt 416. Die Streifen sind in einem elliptischen Muster mit einer Haupt(lang)achse entlang der Neigungsrichtung gestreckt. Ein Laserstreifen liegt nicht notwendigerweise auf der Langachse. Die Verkippung ist vollständig ein Gierwinkel, wenn die Verkippungsrichtung senkrecht zu den Positionsdetektoren 432A, 432B ist. Die Verkippung ist vollständig ein Neigungswinkel, wenn die Verkippungsrichtung parallel zu den Positionsdetektoren 432A, 432B ist. Die Verkippung ist eine Kombination aus Gier und Neigung für andere Fälle. Der Rollwinkel wird durch die Orientierung jedes Streifens in Bezug auf eine Referenz bezeichnet und basiert teilweise auf der Information, die durch den Positionsgeberfleck 480 bereitgestellt wird.

13A zeigt den Fall, in welchem das Ziel 400 einen Gierwinkel von 45 Grad und einen Neigungswinkel von null (relativ zu dem eingehenden Laserstrahl) aufweist. Der Laserstahl 370 nähert sich dem Ziel 400 in diesem Beispiel von rechts und dadurch ist die Hauptachse der Ellipse, welche die Streifen umgibt, entlang der y(Horizontal-)-Achse. Es ist zu beachten, dass die Streifen den Positionsdetektor 432A in drei Bereichen und den Positionsdetektor 432B in drei Bereichen schneiden. 13K zeigt den Fall, in welchem das Ziel 400 einen Neigungswinkel von 45 Grad und einen Gierwinkel von null hat. Der Laserstrahl 370 nähert sich dem Ziel 400 von oben, so dass die Hauptachse der Ellipse entlang der z-(Vertikal-)Achse liegt. Streifen schneiden immer noch jeden Positionsdetektor 432A, 432B in drei Bereichen, aber jetzt sind die Streifen kürzer und deshalb entstehen die Schnittbereiche näher bei den Enden der Streifen.

Geht man von 13A zu 13K, so ändert sich die Verkippungsrichtung schrittweise um 10 Grad. Diese Reihe von Figuren zeigt, dass es immer zumindest zwei Paare entgegengesetzter Streifen gibt, die unzweifelhaft auf einen einzelnen Fleck 416 zeigen. Dieser Zustand ist ausreichend, um die Neigungs- und Gierwinkel des Ziels 400 zu finden.

MESSVERFAHREN

Das bis hierher beschriebene Messkonzept erklärt das allgemeine Verfahren und die Vorrichtung, die Messungen von sechs Freiheitsgraden ermöglichen. Einige mögliche Computerverfahren, die verwendet werden können, werden beschrieben.

Definiert sind drei Winkel Phi, Theta und Roll, die vollständig die Position des Ziels relativ zu dem Laserstrahl beschränken, der von dem Lasernachführer kommt. Zuerst wird die z-Achse als die Achse definiert, die senkrecht zu der Ebene steht und die Positionsdetektoren 432A, 432B hält, und die x-Achse wird als entlang der Richtung der Positionsdetektoren 432A, 432B definiert. Die y-Achse ist senkrecht zu den x- und z-Achsen. Die Winkel Theta und Phi sind auf die übliche Weise in Bezug zu dem Laserstrahl in einem Kugelkoordinatensystem definiert. Theta ist der Winkel von der z-Achse zum Laserstrahl, und Phi ist der Winkel von der x-Achse zu der Projektion des Laserstrahls auf die xy-Ebene. Grundsätzlich wird angenommen, dass der Laserstrahl ein Phi von 0 Grad aufweist, wenn er von der Oberseite einer zweidimensionalen Figur wie 1113 ankommt. Ein Phi von +90, +180 und +270 Grad bezeichnet die Ankunft des Laserstrahls jeweils von rechts, von unten und von links. Der Rollwinkel wird mit Bezug zu einem bestimmten Referenz-Streifen genommen, der durch den Lasernachführer ausgesendet wird. Angenommen, dass z.B. der Fühler 400 und die Nachführeinheit 100 wie in 1 orientiert sind, wird ebenso angenommen, dass die Laserstreifen in der in 8 gezeigten Orientierung ausgesendet werden. Wenn der Apodiserstreifen in der oberen rechten Seite in 8 als der Referenzstreifen ausgewählt wird, dann kann ein Rollwinkel für jenen Streifen eingerichtet werden in Bezug zu dem Winkel Phi = 0 Grad. In diesem Fall könnte man, da der Referenzstreifen um 22,5 Grad mit Bezug zu Phi = 0 Grad gedreht wird, sagen, dass der Rollwinkel für das Licht, welches von dem Apodiser ausgeht, 22,5 Grad beträgt. Wenn der Fühler um 45 Grad mit Bezug auf diese Ausgangsposition gekippt wurde, würde der neue Rollwinkel 22,5 +45 Grad = 67,5 Grad betragen. Auf diese Weise kann der Rollwinkel jeden Wert zwischen 0 und 360 Grad annehmen.

Da sich die Form des Laserstrahls bei seiner Ausbreitung, wie in 9 und 10 gezeigt, entwickelt, ist es nötig, dies für die Veränderung des Schnittmusters der Streifen mit den Positionsdetektoren 432A, 432B zu beachten. Weiterhin sind die Streifen nicht vollständig gleichmäßig, und so hängt das exakte Schnittmuster des Laserstrahls mit den Streifen von der exakten Form der Streifen ab. In der Praxis kann man daher die Muster, die auf den Positionsdetektorn 432A, 432B, bei verschiedenen Entfernungen und verschiedenen Verkippungswinkeln (Phi, Theta und Roll) bemerkt wurden, abtasten.

Um die Präzision der Messung zu optimieren, kann die Fühlerspitze 470 direkt unterhalb des Retroreflektors 410 angeordnet werden. Eine numerische Analyse wurde aufgrund des Signal-zu-Geräusch-Verhältnisses der Positionsdetektoren 432A, 432B und der Veränderlichkeit des projizierten Lasermusters 370 durchgeführt. 14 zeigt die daraus resultierenden Fehler in Mikrometern für Winkel von Phi und Theta von 0 bis 45 Grad. Der maximale Fehler beträgt in diesem Fall 28 Mikrometer. Dieser kleine Fehler ist in diesem Bereich akzeptabel.

COMPUTERVERFAHREN

15 zeigt ein exemplarisches Verfahren zur Berechnung der Signatur des Lasermusters auf den Positionsdetektoren 432A, 432B. Die Signatur ist als die Position von bis zu sechs Bergen und Tälern auf den zwei Positionsdetektoren definiert. Jeder dieser Berge ist mit einem bestimmten Streifen verbunden, und jedes dieser Täler fällt zwischen zwei Berge. Die Signatur stellt ebenso einen Subpixel-Ort für den Schnittpunkt des Mittelpunkts jedes Berges oder jedes Tals auf dem Feld bereit.

Die ersten Computerschritte sind dieselben für den ersten Positionsdetektor 432A und den zweiten Positionsdetektor 432B. Diese Schritte sind Ansammeln, Lowpass, Dezimieren, Differentialquotienten-Nehmen, Null-Durchgang-Finden, kleine Berge–Täler-Fallenlassen, und Parabel-Einpassen. Diese Berechnungen können mit einem Feldprogrammierbaren Gate-Feld (FPGA field programmable gate array), einem digitalen Signalprozessor (DSP), einem Mikroprozessor oder einem Computer durchgeführt werden.

Jeder Positionssensor wird durch einen Laserstrahl beleuchtet, dessen Leistung und Betriebszyklus einstellbar sein können, wobei die Beleuchtung für eine bestimmte Integrationszeit durchgeführt wird, welche ebenso einstellbar sein kann. Die Einstellung der Laserleistung oder der Betriebszyklen findet innerhalb des Lasernachführers statt. Die Einstellung in der Integrationszeit findet innerhalb des linearen Feldes durch Einstellen der „elektronischen Schließzeit“ statt. In jedem Fall ist das Ziel die Bereitstellung von genug Licht für eine genügend lange Zeit, um ein gutes Signal zum Geräuschverhältnis ohne Sättigung der Detektoren zu erreichen.

Jeder Satz von Pixelproben wird bei hoher Geschwindigkeit gesammelt. Die Proben werden angesammelt, wie in 15 gezeigt, durch mehrfaches Sammeln und miteinander Mitteln der Pixelwertsätze. Als Beispiel können 4096 Pixelwerte von den Positionsdetektoren 432A, 432B bei 1600 Frames pro Sekunde gesammelt werden und in Gruppen von 8 Frames gemittelt werden, um eine effektive Datensammelrate für die 4096 Pixel von 200 Hz zu erhalten.

Die angesammelten Daten werden als nächstes gefiltert und dezimiert. Beide Verfahren können zusammen durch einen digitalen Filter durchgeführt werden. Die einfachste Art des Filterns mittelt einige benachbarte Kanäle, aber viele Filterverfahren sind verfügbar. Die Dezimierung entfernt einige Proben, um die Berechnung in den späteren Stufen zu vereinfachen. Als ein Beispiel können die Daten auf ein Achtel der ursprünglichen Anzahl von Datenpunkten dezimiert werden.

Um die Berge und Täler aus den Daten zu extrahieren, werden vier Schritte durchgeführt. Zuerst werden die Differenzen (Differentialquotienten) zwischen benachbarten Pixeln berechnet. Als zweites werden die Daten analysiert, um die Nulldurchgänge zu finden.

Diese Nulldurchgänge stellen die potentiellen Berge und Täler dar. Als drittes werden die zu kleinen Berge und Täler fallengelassen. Diese Berge und Täler können sehr verrauscht sein oder sie können einfach nur zu klein sein, um interessant zu sein. Als viertes wird eine Parabel in die Daten nahe dem Berg oder dem Tal eingepasst. Dies ermöglicht das Lokalisieren der Berge und Täler mit einer Subpixel-Auflösung.

Die Position des Positionsgeberflecks 480 wird verwendet, um einen ungefähren Rollwinkel als eine Startposition für die späteren Berechnungen zu bekommen. Die Position des Positionsgeberflecks 480 ist durch die Kamera 352 nicht genau genug bekannt, um den exakten Rollwinkel zu bekommen.

Die Parabelberge und –täler von den zwei Positionsdetektoren werden bereitgestellt zusammen mit dem ungefähren Rollwinkel von dem Positionsgeberfleck 480, und diese Information wird durch die Computervorrichtung verwendet, um jeden Berg auf den Positionsdetektoren 432A, 432B einem bestimmten Laserstrahl zuzuordnen.

Die resultierende Signatur umfasst das Zuordnen jedes Streifens und der Subpixel-Werte der Positionsdetektoren 432A, 432B. Wie in 16 gezeigt, wird die gemessene Signatur einer VERGLEICHEN-Computerfunktion zugeordnet. Die VERGLEICHEN-Computerfunktion vergleicht die gemessenen und theoretischen Signaturwerte entsprechend einem Verfahren, welches nun erklärt wird.

Die gesamte iterative Berechnung, die in 16 gezeigt wird, wird mit Phi-, Theta- und Roll-Werten gefüttert, welche aus einer vorherigen Berechnung bereitstehen. Diese vorherige Berechnung kann aus der letzten gemessenen Orientierung des Fühlers 400 stammen oder durch eine ursprüngliche ungefähre Berechnung bereitgestellt werden.

Ein in 16 gezeigter EINPASSEN-Ablauf führt nun iterative Einstellungen durch (typischerweise zwei oder drei Iterationen), um die Werte für Theta, Phi und Roll zu finden, die zum besten Zusammenpassen der gemessenen und theoretischen Signaturen führen. Das neue Phi, Theta und Roll werden zu der in 16 gezeigten Profiltabelle gesendet, zusammen mit der bekannten Entfernung zu dem Ziel, wie durch den Lasernachführer gemessen. Zusätzlich werden Kompensationsdaten, die die geometrischen Beziehungen der Detektoren und des Retroreflektors auf dem Ziel 400 bereitstellen, zu der Profiltabelle gesendet. Aus diesen Daten wird ein interJochierter Wert ersichtlich, der neuere, präzisere Schätzungen der Positionen der Berge und Täler erlaubt. Diese präzisere Schätzung wird als theoretische Signatur bezeichnet.

Das Verfahren wird fortgeführt, bis der Unterschied der gemessenen und der theoretischen Signaturen klein genug ist, um die Konvergenzkriterien des EINPASSEN-ABLAUFS zu erfüllen. An diesem Punkt werden die besten geschätzten Werte für Phi, Theta und Roll zum Berechnen der Position der Fühlerspitze verwendet. Diese Berechnung beachtet die Länge und die Geometrie des Stifts und den Fühler in Bezug auf den Rest des Ziels 400.

ZIELKAMERA

Die Kamera-Anordnung 350 umfasst die Kamera 352 und zumindest eine lichtemittierende Diode (LED) 354. Wie oben erklärt, kann die Kamera-Anordnung in Verbindung mit dem Positionsgeberfleck 480 verwendet werden, um jeden der Streifen zu identifizieren, der die Positionssensoren 432 schneidet. Zusätzlich kann die Kamera-Anordnung 350 verwendet werden, um den Betrieb des Vielzweck-Lasertrackers zu verbessern, egal, ob drei oder sechs Freiheitsgrade gemessen werden.

Für Mehrzweck-Lasernachführanwendungen blitzen die LEDs üblicherweise wiederholt auf. Licht von den LEDs prallt von den Retroreflektoren ab und kehrt zu einer nahen Kamera zurück. Das Kamerabild zeigt die normale Szene sowie jedes Blitzen der Retroreflektoren gemeinsam mit den LEDs. Auf Grundlage dieser Blitzmuster kann der Benutzer schnell die Anzahl und den Ort der Retroreflektoren erfahren.

Ein Vorteil der Kamera besteht darin, dass sie die Aufnahme von Zielen beschleunigen kann. Jedoch befindet sich die Kamera (wenn vorhanden) in heute erhältlichen Nachführern entfernt von der optischen Achse des Nachführers. Die resultierende Parallaxe macht es für den Nachführer unmöglich, sofort zu dem richtigen Winkel für den ausgewählten Retroreflektor zu fahren.

Die Kamera-Anordnung 350 überwindet dieses Problem durch Befestigen der Kamera 352 auf der optischen Achse des Nachführers oder der optischen Achse der Musterprojektoranordnung, was die Parallaxe eliminiert. Ein anderer Weg, dieses Problem zu überwinden, ist die Verwendung von zwei Kameras 352, die abstandsgleich oder symmetrisch auf jeder Seite oder um die optische Achse des Nachführers oder die optische Achse der Musterprojektoranordnung angeordnet sind, wie aus 17 ersichtlich. In 17 sind die Kameras 352 auf jeder Seite des Ausgabefensters 246 positioniert. LEDs 354 sind nahe den Kameras 352 bereitgestellt, um die Kamera-Anordnung zu vervollständigen. In diesem Fall kann eine Triangulation verwendet werden, um die Position des Ziels zu finden. In einer anderen Ausführungsform ist es nicht nötig, dass die Kameras symmetrisch zu der optischen Achse positioniert sind. Es ist möglich, die dreidimensionale Position eines Retroreflektors zu berechnen, so lange die Position der zwei Kameras in dem Nachführer-Referenzrahmen und die zwei Winkel bekannt sind, die durch jede der zwei Kameras gemessen wurden.

Die Kamera-Anordnung 350 kann jeden gewünschten Retroreflektor ansteuern. Der Benutzer kann dies durch Auswählen der gewünschten SMR auf einem Computerbildschirm tun. Alternativ kann der Computer eingestellt werden, um automatisch einen SMR zu erfassen, sobald dieser in das Sichtfeld gebracht wird. Dieses Merkmal ist am nützlichsten, wenn nur ein SMR vorhanden ist.

Eine gängige Verwendung von zielenden Kameras ist das Einsetzen einer Überwachungsmessung für eine Anzahl von Retroreflektorzielen. Mit üblichen Nachführern wird dies durch Auswählen eines SMR nach dem anderen auf dem Computerbildschirm ausgeführt und durch dann folgendes Suchen mit dem Nachführer, um jedes Ziel zu finden. Der Laserstrahl kann am Start der Messung nahe dem Ziel angeordnet sein. Mit einer In-Line-Kamera-Anordnung 350 ist es möglich, jeden Retroreflektor in der Umgebung automatisch und schnell zu lokalisieren und automatisch ein Überwachungsmuster zu erzeugen. Dies kann beträchtliche Zeit sparen, insbesondere, wenn die Ziele schwer zu erreichen sind. Ein gutes Beispiel für eine solche Zeitersparnis ist das Verbinden von zwei Rumpfabschnitten eines Flugzeugs. Ein Verfahren zum Durchführen dieser Verbindung ist das Befestigen einer Anzahl von kleinen Retroreflektorzielen auf den zwei Rumpfabschnitten, was in vielen Fällen Stellen sind, die nicht leicht zu erreichen sind. Eine vollständig automatisierte Überwachung vereinfacht dieses Verfahren beträchtlich.

Während sich die obige Beschreibung auf eine bestimmte Ausführungsform in der vorliegenden Erfindung bezieht, wird verstanden werden, dass viele Modifikationen gemacht werden können, ohne ihren Geist zu verlassen. Die beigefügten Ansprüche sind dafür gedacht, solche Modifikationen abzudecken, die innerhalb des wahren Geistes und Bereichs der vorliegenden Erfindung fallen würden.

Die vorliegend offenbarten Ausführungsformen sind daher in allen Aspekten als beschreibend und nicht beschränkend zu betrachten, wobei der Bereich der Erfindung durch die angefügten Ansprüche, anstatt durch die vorangegangne Beschreibung, bezeichnet wird, und alle Veränderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Bereichs der Äquivalenz dieser Ansprüche liegen, sind daher gedacht, davon umfasst zu sein.