作为激光追踪器中的干涉仪激光束源的激光二极管的制作方法

作为激光追踪器中的干涉仪激光束源的激光二极管的制作方法
【专利摘要】一种激光追踪器(70)用于连续地追踪反射目标并且用于确定相对于目标的距离，所述激光追踪器具有限定直立轴的基部、用于发射测量辐射并且用于接收由目标反射的测量辐射的至少一部分的束转向单元，其中，束转向单元被马达地驱动以能够相对于基部绕直立轴和基本上与直立轴正交地延伸的倾斜轴枢转。此外，追踪器具有距离测量单元(10)，其被构造为用于借助于干涉测量法确定相对于目标的距离的变化的干涉仪(10)、用于生成用于干涉仪(10)的测量辐射的干涉仪激光束源(20)以及用于确定束转向单元相对于基部的对准的角度测量功能。干涉仪激光束源(20)被构造为激光二极管(20)，并且激光二极管(20)进一步被构造为能够在纵向方向上单模地生成测量辐射，并且测量辐射具有定义的发射波长和至少10m的相干长度。
【专利说明】作为激光追踪器中的干涉仪激光束源的激光二极管
[0001]本发明涉及一种测量装置，特别地涉及根据权利要求1的前序的一种激光追踪器，其包括具有激光二极管的用于确定相对于目标的距离的改变的干涉仪；根据权利要求13的一种对应的干涉仪中具有长的相干长度的激光二极管的使用以及根据权利要求14的确定相对于目标的相对距离的方法。
[0002]为连续追踪目标点并且协调地确定所述点的位置的测量设备能够通常组合为激光追踪器(术语)。在该情况下，目标点能够由反向反射单元(例如，立方棱镜)表示，该反向反射单元作为测量设备的光学测量束(特别地，激光束)的目标。激光束被以平行的方式反射回测量设备，该反射束由设备的检测单元检测。在该情况下，束的发射方向以及接收方向例如借助于用于分配给系统的偏转镜或确定目标单元的用于角度测量的传感器来确定。另外，利用束的检测，例如借助于飞行时间或相位差测量或借助于菲佐原理来确定，并且在现代系统中越来越多地以标准化方式在传感器上确定接收的束相对于零位置的偏移。借助于可以该方式测量的该偏移，能够确定反向反射器的中心与反射器上的激光束的撞击点之间的位置差，并且能够根据该偏差以减少传感器上的偏移(特别地，为“零”)的方式来校正或重调整激光束的对准，并且因此将束在反射器中心的方向上对准。作为及i光束对准的重调整的结果，能够执行目标点的连续目标追踪并且能够相对于测量仪器连续地确定目标点的距离和位置。能够借助于用于偏转激光束的偏转镜的对准的改变来在该情况下实现重调整，所述偏转镜能够以马达驱动的方式移动，和/或通过具有束引导激光光学单元的目标确定单元的枢转来移动。
[0003]根据现有技术的激光追踪器能够额外地实施为具有二维光感阵列(例如，CCD或CID相机或基于CMOS阵列的相机)或像素阵列传感器的光学图像检测单元以及图像处理单元。在该情况下，激光追踪器和相机能够一个安装在另一个之上，特别地使得它们的位置不能够相对于彼此改变。相机被布置为例如可与激光追踪器一起绕其基本上垂直的轴旋转，但是独立于激光追踪器而上下枢转，并且因此，特别地，与激光束的光学单元分离。特别地，相机能够具有鱼眼光学单元并且因此由于相机的非常大的图像检测范围而能够避免相机的枢转，或者能够至少减少其需求。此外，相机(例如，取决于各应用)能够实施为仅可绕一个轴枢转。在替选实施方式中，相机能够与激光光学单元一起以集成的方式安装在公共壳体中。
[0004]利用借助于具有其相对于彼此的相对位置已知的标记的所谓的辅助测量仪器的图像检测和图像处理单元的图像的检测和评估，因此能够获得空间中布置在辅助测量仪器上的对象(例如，探针)的取向。与确定的目标点的空间位置一起，进一步能够准确地确定对象在空间中的绝对位置和取向和/或相对于激光追踪器的位置和取向。
[0005]例如，借助于上述测量仪器测量其位置和取向的对象不需要是测量探针本身，而是能够为辅助测量仪器。后者作为用于测量的测量系统的一部分被放置在相对于目标对象机械地限定的位置或者能够在测量期间确定的位置，其中，借助于所述仪器的测量位置和取向，能够获得位置，并且如果适合的话，能够例如获得测量探针的取向。
[0006]这样的辅助测量仪器能够利用被放置为其接触点位于目标对象的点上的所谓的接触感测工具来实施。接触感测工具具有标记(例如，光点)以及反射器，其表示接触感测工具上的目标点并且能够由追踪器的激光束来瞄准，标记和反射器相对于接触感测工具的接触点的位置被准确地了解。辅助测量仪器还能够以本领域技术人员已知的方式为例如手持的扫描器，其用于进行无接触表面测量的距离测量，准确地了解用于相对于光点和布置在扫描器上的反射器的距离测量的扫描测量束的方向和位置。例如,在EP0553266中描述了这种扫描器。
[0007]对于距离测量，现有技术的激光追踪器具有至少一个距离测量装置，其中，后者能够实施为例如干涉仪。由于这样的距离测量单元能够仅测量距离的相对变化，因此，除了干涉仪之外，所谓的绝对距离测量装置安装在当前的激光追踪器上。例如，从莱卡地球系统公开股份有限公司的产品LTD500已知这样的用于测量距离的测量装置的组合。
[0008]该情况下用于距离测量的干涉仪由于长的相干长度和测量范围而主要使用HeNe气体激光作为光源。在该情况下，HeNe激光的相干长度能够是几百米，从而能够以相对简单的干涉仪构造来获得工业计量中要求的范围。例如，从W02007/079600已知绝对距离测量装置和利用HeNe激光确定距离的干涉仪。
[0009]然而使用HeNe激光源在激光追踪器的整体小型化方面的不利之处在于确定激光功率的尺寸。在该情况下，光源的功率显著地依赖于激光管的长度，即，管越长，可实现的发射功率越大。此外，这样的激光源通常展示出相对大的功率损耗。操作所要求的高电压供应构成了另一缺陷。例如，需要提供大约7000V的电压用于激光的点火并且在操作中需要提供大约1500V的电压，因此，当使用这样的光源时，需要使用特殊的组件(例如，高电压电源单元和屏蔽)并且需要实施安全措施。对于磁场(例如，由内部马达或外部焊接变压器产生的)的敏感度以及管的有限寿命(通常大约为15000工作小时)也使得使用HeNe激光是不利的，例如，这是因为光源常常需要以昂贵的方式在系统中进行更换。
[0010]本发明的目的在于提供一种改进的激光追踪器，其中，用于生成用于测量距离的激光辐射的装置实施为整体更加紧凑并且在该情况下能够将为确定距离而发射的激光辐射生成为至少实现了工业测量中要求的大测量范围(特别地，最小范围为IOm)相关的用于距离确定的精度。
[0011]本发明的一个具体目的在于提供一种改进了空间要求的具有距离测量单元的激光追踪器，其中，至少保持了与同时要求至少IOm用于距离测量的测量范围相关的要求精度。
[0012]本发明的进一步的具体目的在于提供一种激光追踪器，其包括干涉仪作为距离测量装置，其中，光学组件，特别是为其提供的束源以及供电单元，与现有技术相比，具有显著更小的空间要求和更低的能耗。
[0013]通过实现独立权利要求的特征部分的实现来实现这些目的。能够从从属权利要求获得替选的或以有利的方式改进本发明的特征。
[0014]本发明涉及一种激光追踪器，其用于连续地追踪反射目标并且用于确定相对于目标的距离，其包括限定竖直轴的基部以及束定向单元，用于发射测量辐射并且用于接收在目标处反射的测量辐射的至少一部分，其中，束定向单元能够以马达驱动的方式相对于基部绕竖直轴和基本上与竖直轴正交的倾斜轴枢转。在该情况下，竖直轴和倾斜轴彼此定位为在轴之间存在90°或大约90° (例如，88.5° )的角度，其中，能够准确地定义相对轴位置并且能够将对应的位置值存储在激光追踪器中，特别地用于补偿测量值。此外，激光追踪器具有实施为干涉仪的距离测量单元，特别地，干涉仪具有例如50MHz的定义检测器带宽，并且用于利用干涉仪确定相对于目标的距离的变化；干涉仪激光束源，其用于生成用于干涉仪的测量辐射；以及角度测量功能，其用于确定束定向单元相对于基部的取向。在该情况下，干涉仪激光束源实施为激光二极管，其中，激光二极管实施为能够以定义的发射波长和至少IOm的相干长度以纵向单模方式生成测量辐射，特别地，其中，能够借助于干涉仪确定至少IOm的相干长度。特别地，激光二极管能够在该情况下实施为能够以至少20m，特别地至少50m的相干长度生成测量福射。
[0015]激光二极管具有波长选择组件，其被布置为能够以定义的发射波长和至少IOm的相干长度以纵向单模方式生成测量福射。
[0016]利用激光追踪器的干涉仪的特定激光二极管的根据本发明的使用提供了相关的空间要求方面的优点，这与HeNe气体激光器相比，是特别小的，然而，与长相干长度相关。此外，与这样的能够确实类似地提供具有适合的相干长度的测量辐射的气体激光源相反地，不要求高电压供应来用于二极管的操作。此外，该种的激光二极管具有较低的能耗。
[0017]根据激光追踪器的根据本发明的一个特定实施方式，激光二极管具有第一谐振器单元，其定义能够由激光二极管生成的共同地出现的多个激光模式，其中，借助于每个激光模式，定义分别不同的模式波长，并且能够生成具有不同模式波长的二极管辐射。在该情况下，波长选择组件实施为其用作第二谐振器单元并且能够借助于波长选择组件与激光二极管的相互作用来从多个激光模式中提取主激光模式。结果，二极管辐射能够被发射为仅具有主激光模式的纵向单模测量辐射并且限定了测量辐射的相干长度，特别地，其中，波长选择组件实施为光学光栅。
[0018]利用干涉仪的本发明的使用要求几十米的能够由二极管发射的激光辐射的长相干长度。为了提供这样的相干，根据本发明使用的激光二极管或二极管激光器能够具有波长选择设备，例如，
[0019]分布式反馈激光器(DFB)(具有周期性结构活动介质，例如，光栅)，
[0020]分布式布拉格反射器激光器(DBR)(具有位于活动介质之外但是布置在公共芯片上的光学光栅)，
[0021]光纤布拉格光栅激光器(FBG)(基本上根据DFB激光器，但是具有位于外部光纤中的光栅)，
[0022]外部腔二极管激光器(ECDL)(借助于外部高度稳定的腔(例如，具有全息光栅)稳定激光二极管)，
[0023]二极管泵浦固态激光器(DPSS)，
[0024]离散模式激光器(DMD)和/或
[0025]微芯片激光器
[0026]能够用作束源。在该情况下，束源实施为所发射的激光束在波长方面为具有多个IOm的大小的相干长度(或< IMHz的线宽)的单模。因此，在本发明的情况下，波长选择组件，特别地，光学光栅能够用于生成单模测量辐射。
[0027]关于由二极管发射的波长，能够位于可见光学范围(特别地位于“红波长范围”)内或位于近红外范围内的发射光谱范围是有利的。因此，根据本发明的测量辐射的发射波长能够处于600nm与700nm之间，特别地处于630nm与635nm之间，或者处于850nm与900nm之间，特别地处于850nm与855nm之间，或者处于892nm与896nm之间。在发射波长处于可见波长范围内(例如，处于630与635nm之间)的一个实施方式中，从二极管发射的红激光能够不仅用于干涉仪测量而且用作标记光。借助于在目标对象上生成红点，能够视觉地为激光追踪器的用户做出视觉可见的瞄准点。
[0028]激光二极管的指导形成了本发明的另一方面。在该方面，根据本发明，激光追踪器能够具有控制单元，并且激光二极管能够实施为测量辐射的发射波长在特定发射波长范围内以纵向单模方式变化。在该情况下，发射波长能够根据激光二极管的温度的变化和/或激光二极管处存在的电流的变化而以由控制单元控制的方式变化。此外，激光二极管能够由控制单元驱动从而测量辐射的发射功率是可变的。
[0029]借助于在特定范围内改变波长的可能性，发射的波长以单模方式存在，即，基本上具有特定的较锐地定义的波长(小的线宽)，能够为发射波长提供可调整的特别是没有跳模的波长范围。借助于该特定范围，辐射能够被额外地调整到由波长稳定单元限定的吸收线。
[0030]根据本发明，为此，激光追踪器具有波长稳定单元，用于稳定由激光二极管生成的测量辐射，使得发射波长在定义的波长范围内连续地存在，特别地，其中，波长稳定单元被实施为吸收单元。这样的稳定化对于激光二极管用作用于干涉仪的光源的使用来说是有利的，或者能够根据源的束量而需要。例如，波长稳定单元能够实施为具有定义的吸收线的外部气体单元(吸收单元)(例如，用于633nm的碘单元)。
[0031]此外，根据本发明，激光追踪器能够具有用于将波长稳定单元连接到干涉仪激光束源的光学连接光纤。在该方面，借助于激光束源生成的辐射能够由连接光纤引导到波长稳定单元并且耦合到所述波长稳定单元。
[0032]关于从生成束源向束定向单元行进的测量辐射的引导以及接下来的发射，根据本发明，激光追踪器能够通常具有至少一个光纤，其中，能够由光纤引导测量辐射，特别地能够引导到干涉仪，特别地，其中，能够由激光二极管生成的测量辐射耦合到光纤。另外，因此可能的是，测量辐射能够借助于光纤耦合到束定向单元。
[0033]借助于由光纤引导的束，例如，诸如波长稳定单元或束源的光学组件能够被布置在激光追踪器的不同部分中。在该方面，束源能够例如集成到基部中或者追踪器的支撑部中并且稳定单元能够集成在目标确定单元中(或反之亦然)。关于追踪器的结构构造的灵活性能够因此增加。
[0034]此外，关于追踪器的构造，根据本发明，激光追踪器能够具有相对于基部绕竖直轴枢转的支撑部，并且束定向单元实施为可相对于支撑部绕倾斜轴枢转的目标确定单元。在这样的实施方式中，能够借助于支撑部相对于基部的基本上水平(方位角)枢转和目标确定单元相对于支撑部的基本上垂直(elevative)枢转来对齐激光束。此外,能够借助于由伺服马达提供的这样的枢转根据反射目标(例如，接触感测工具上的反向反射器)的位置的变化来引导测量束。
[0035]根据本发明，在该情况下，激光二极管能够布置在目标确定单元中，其中相关的空间节省(与之前使用的气体激光束源相比)能够构成关于激光追踪器的构造设计的显著优势。[0036]本发明的另一方面涉及一种关于目标的准确距离的确定。为此，激光追踪器能够额外地具有绝对距离测量单元，用于确定相对于目标的距离，特别地，根据飞行时间测量原理和/或根据相位测量原理和/或根据菲佐原理。此外，能够以根据借助于绝对距离测量单元确定的距离和由距离测量单元确定的距离的变化来确定关于目标的准确距离。通过考虑干涉仪的和距离测量装置(绝对距离测量装置)的测量，能够确定并连续地更新关于目标的准确距离。在该情况下，干涉仪提供了高度准确的距离测量值。两个距离测量设备能够均具有束源，特别地具有不同的发射波长(例如，根据分别安装的检测器)。
[0037]此外，本发明涉及为生成具有定义的发射波长和至少10m，特别地至少20m或50m的相干长度的纵向单模测量辐射而设计的激光二极管的使用，该激光二极管在用于利用干涉仪借助于能够由激光二极管产生的测量辐射确定相对于目标的距离的变化的激光追踪器的实施为干涉仪的距离测量单元中使用。
[0038]激光二极管或干涉仪束源以及束影响组件(例如，波长稳定单元)能够在本发明中在不同实施方式中示出。在该方面，例如，能够生成可视红(例如，633nm附近)的波长稳定激光辐射，其中，能够实现与已经可用的系统组件(例如，反向反射器)的高兼容性，并且此外，不需要额外的可视指示器。光源和吸收单元(用于稳定波长)能够在空间上分离(例如，追踪器的望远镜中的光源)，并且经由光纤连接到支撑部中的吸收单元。
[0039]在另外的实施方式中，激光二极管能够被设计用于发射可见的非波长稳定的辐射。这样的非稳定的激光辐射能够例如用于基准干涉仪中的辐射供应(与绝对距离测量装置一起)。特别地，在该情况下，不要求当前波长的准确了解(这能够在测量中足够准确地确定)。由于这需要仅对于若干毫秒的绝对距离测量保持恒定，因此波长的长期漂移不构成问题，并且借助于电流的纯波长稳定和光源的温度稳定是足够的。
[0040]另外，通过基准干涉仪，在绝对距离测量装置(例如，测量速率为50Hz)的两次测量之间的时间中，能够以更高测量速率(例如，1000Hz)执行测量，其中，在每次绝对距离测量时连续地确定当前干涉仪波长，并且在之间执行插值。
[0041]该实施方式在能够在该情况下使用的非常紧凑的干涉仪光源的空间要求方面是非常有利的。此外，作为变形，能够因此使用非可见光波长，提供额外的可见光指示器。
[0042]另外的实施方式涉及关于测量辐射的激光追踪器的构造，所述辐射具有为最小吸收单元而优化的波长(例如，Rb、Cs:780nm、795nm、852nm、894nm)并且是波长稳定的。因此能够实现光学组件的显著更小的空间要求(与红波长范围相比)。
[0043]此外，在另外的实施方式中，辐射能够具有望远镜范围中的波长或者具有几米的相干长度的任意波长，并且能够是波长稳定的。该实施方式与在红波长范围中发射的可与其使用的波束和稳定单元相比在特定空间要求方面提供了优点。
[0044]此外，本发明涉及一种用于借助于具有激光追踪器的干涉仪确定相对于目标的距离的变化的方法。在该情况下，激光追踪器包括定义竖直轴的基部和用于发射测量辐射并且用于接收在目标处反射的测量辐射的至少一部分的束定向单元，其中，束定向单元能够以马达驱动的方式相对于基部绕竖直轴和基本上与竖直轴正交的倾斜轴枢转。此外，距离测量单元被实施为干涉仪并且用于借助于干涉仪确定相对于目标的距离的变化，并且干涉仪激光束源用于生成用于干涉仪的测量辐射。此外，该方法包括发射测量辐射，接收在目标处反射的测量辐射的至少一部分并且确定相对距离。在该情况下，干涉仪激光束源被实施为激光二极管，并且此外，激光二极管被实施为以定义的发射波长和至少IOm的相干长度以纵向单模方式生成测量辐射。特别地，激光二极管能够实施为以至少20m，特别地至少50m的相干长度生成测量福射。
[0045]根据本发明的方法能够包括由激光二极管生成的测量辐射被以发射波长在定义的波长范围内连续地存在的方式稳定。
[0046]在下面基于在附图中示意性地示出的具体示例性实施方式借助于示例更详细地描述根据本发明的设备和根据本发明的方法，还讨论本发明的进一步的优点。在附图中，具体地:
[0047]图1示出了根据现有技术的激光追踪器中的相机和用于确定距离的光学组件的布置；
[0048]图2示出了根据本发明的包括干涉仪和用于生成用于干涉仪的测量辐射的激光二极管的激光追踪器；
[0049]图3示出了激光二极管作为激光追踪器中的用于干涉仪的束源的光学组件的根据本发明的布置的第一实施方式；
[0050]图4示出了包括激光二极管作为用于干涉仪的束源和光学波导的激光追踪器的根据本发明的测量光学单兀的又一实施方式；
[0051]图5示出了具有用于激光追踪器的激光二极管的干涉仪布置的根据本发明的构造;
[0052]图6示出了包括用于生成用于干涉仪的测量辐射的具有波长稳定单元的激光二极管的激光追踪器的根据本发明的测量光学单元的又一实施方式；
[0053]图7示出了包括激光二极管、波长稳定单元和光学波导的根据本发明的测量光学单元的又一实施方式；以及
[0054]图8示出了用于利用根据本发明的激光追踪器中设置的激光二极管生成测量辐射并且具有波长选择组件的示意图。
[0055]图1示出了根据现有技术的包括利用激光追踪器中的相机150确定距离的组件和单独的HeNe激光源110的光学系统100。
[0056]具有激光二极管131的绝对距离测量装置130和干涉仪120与相机150 (特别地，变焦相机)一起放置为在系统100的移动期间(例如，在承载系统100的整个构造171的枢转期间)同时移动，并且它们的取向因此一起改变。在该情况下，相机150具有专用光学单元，其具有基本上平行于对于绝对距离测量装置130和干涉仪布置120来说公共的光学轴161的光学轴162。
[0057]相反地，HeNe激光器110单独地安装在基部单元172 (例如，支撑部或固定基部)上，并且没有伴随着构造171而移动，而是使得借助于光学波导109生成的测量辐射对于系统100 (特别地，对于干涉仪120)来说是可用的。
[0058]能够借助于绝对距离测量装置130确定相对于目标的距离，其中，能够借助于考虑的干涉仪120的测量连续地确定相对于目标的准确距离和距离变化。
[0059]图2示出了包括图像检测单元75和辅助测量装置80 (例如，接触感测工具)的根据本发明的激光追踪器70。为了确定传感器上或检测图像中传感器露出的位置，图像检测单元75具有CMOS或者实施为CCD或像素传感器阵列相机。这样的传感器允许检测到的暴露的位置敏感检测。此外，辅助测量装置80具有传感器，其接触点83能够被使得与待测量的目标对象接触。在存在接触感测工具80与目标对象之间的该接触时，能够准确地确定空间中的接触点的位置并且因此目标对象上的点的坐标。借助于定义的接触点83相对于反射器81并且相对于布置在辅助测量装置80上的标记82 (其标记能够实施为例如发光二极管)的相对定位来影响该确定。替选地，标记82也能够实施为使得在例如利用具有定义的波长的辐射的照射时，所述标记反射入射的辐射(实施为反向反射器的辅助点标记82)，特别地展示出特定发光特性，或者所述标记具有定义的图案或颜色编码。能够从借助于图像检测单元75的传感器检测到的图像中标记82的位置或分布来确定接触感测工具80的取向。
[0060]为了确定位置，由激光追踪器70在布置在辅助测量装置80上的反射器81的方向上发射此类昂激光束76从其以平行方式反射回追踪器70并且由追踪器70上的接收单元接收。激光追踪器70具有距离测量装置，用于确定追踪器70与反射器81之间的距离，和测角器，其使得能够确定束定向单元的位置，借助于该测角器，能够以定义的方式取向和引导激光束76，并且因此，确定激光束76的传播方向。激光束76能够借助于束定向单元(特别地，目标确定单元)或镜的枢转来取向激光束76，在束定向单元中安装有束引导光学单元并且特别地至少一个束源。
[0061]为了确定从激光追踪器70到反射器81的距离，绝对距离测量装置，特别地用于确定追踪器70与反射器81之间的距离变化、干涉仪集成到追踪器70中。绝对距离测量装置具有用于生成测量辐射的第一激光二极管，并且因此使得能够例如借助于飞行时间测量，根据相位测量原理或者菲佐原理来确定相对于目标或反射器81的距离。根据本发明，通过第二激光二极管来向干涉仪提供另外的测量辐射。在该情况下，能够在激光二极管处发射所述测量辐射使得所述辐射直接进入干涉仪或者能够借助于光学波导引导到干涉仪并且耦合到所述干涉仪。在该情况下，第二激光二极管被构造为能够生成的测量辐射是单模的并且具有长的相干长度，特别地为至少10m，优选地为50m。为了准确距离确定，能够一起使用和组合两个距离测量装置的测量。
[0062]用于激光追踪器70中的干涉仪的具有长相干长度的激光二极管的这样的使用的优点在于例如，在激光二极管的空间要求方面(其显著小于构成替代束源的HeNe气体激光器)，在相对低功耗方面，在系统启动之后快速产生二极管的测量束发射，以及在免除高电压供应(例如，HeNe气体激光器所要求的)的可能性。
[0063]图3示出了激光二极管20作为激光追踪器中的光学系统I的干涉仪10的束源的光学组件的根据本发明的布置。此外，系统I具有绝对距离测量装置30 (ADM)，其具有另外的束源31，例如，激光二极管或SLED (超亮LED)和相机50。
[0064]从绝对距离测量装置30的束源31发出的光束通过用于屏蔽返回光的隔离器32弓丨导到偏振分束器33并且从其通过光电调制器34到达波长相关分束器41。具有波长相关分束的这样的分束器41特别地在两个光源20、31的不同发射波长的情况下使用。返回光被引导通过偏振分束器33到达绝对距离测量装置30中的ADM检测器35。特别地，在该情况下，还能够使用其中测量光束能够通过例如波长相关分束器41耦入和耦出的其它ADM布置和方法。在W003/062744A1中公开了这样的距离测量装置的一个示例。原则上，这里和本发明的其它实施方式中也能够使用诸如例如相位测量装置的其它类型的ADM。[0065]根据本发明，干涉仪10使用由激光二极管20生成的光。在所示的实施方式中，所述二极管20被直接布置在系统I处，所述二极管生成具有长相干长度(单频)的纵向单模激光辐射。因此生成的测量辐射由分束器11分为参考光路径12和测量光路径。测量光路径导向声光调制器13并且与参考光路径一起入射在偏振分束器14上。偏振分束器14将测量辐射进一步引导到波长相关分束器41并且将返回的测量光与参考光经由偏振滤波器15导向干涉仪检测器16。这样的干涉仪10的操作的方法基本上是已知的并且基于波干涉原理。特别地，还能够使用其它的干涉仪布置和方法，其中，测量辐射能够通过例如波长相关分束器41耦入和耦出。在W003/062744A1中公开了这样的干涉仪的一个示例。原则上，在本发明的其它实施方式中也能够使用其它类型的干涉仪(例如，具有正交检测的迈克尔孙)。
[0066]此外，光学系统I具有λ /3板43和组件42，其将从外部沿着由绝对距离测量装置30和干涉其10使用的公共光学轴61入射在系统I中的光并且耦出所述光的第一部分到总览相机并且将第二部分耦出到位置换能器。总览相机能够具有专用光学单元和图像转换器。在该情况下，总览相机通常具有例如大约10°的孔径角度和30-50mm的焦距，并且用于测量目标的粗略定位。
[0067]为了检测反射目标，系统能够额外地优选地具有反射器照明，其具有特定照射波长以照射优选地至少等于总览相机的孔径角度的角度范围。
[0068]总览相机的评估电子单元和/或评估软件然后例如检测在每个情况下对应于反射目标的总览相机的视野中的一个或更多个亮光点。能够从其确定总览相机的图像中的位置并且从其确定辅助测量装置(例如，接触感测单元或扫描器)的目标的取向的变化，从而激光追踪器或系统I和距离测量装置或装置10、30的光束能够与目标对准。因此，能够因此实现自动目标检测和距离测量装置10、30对于目标的“锁定”，即连续追踪。
[0069]用于位置换能器的光部分通常是由距离测量装置10、30中的一个(优选地由干涉仪布置10)发射的返回光束。位置换能器能够具有专用光学单元，并且例如，位置敏感二极管。后者提供表示位置敏感二极管的区域上二维的光的位置。特别地，为此，还能够使用具有分配的数字信号处理的传感器阵列或图像转换器(例如，CCD或CMOS)用于位置确定。控制单元能够根据确定的位置控制激光追踪器的对准，从而测量束跟随反射目标的移动。
[0070]此外，相机50能够利用集成的图像转换器检测对象的标记。基于标记的成像，例如借助于图像处理来确定对象的取向，其中，相机50的变焦因数能够额外地控制为使得目标在图像转换器上的成像基本上始终具有相同大小。为此，相机50能够例如具有焦距50至500mm倍率的10倍变焦。
[0071]图4示出了包括激光二极管20作为用于干涉仪10和光学波导9的束源的激光二极管20的激光追踪器的根据本发明的测量光学单元I的另一实施方式。在该情况下，激光二极管20被再次提供用于生成用于激光追踪器的干涉仪10的测量辐射。额外地提供变焦相机50。
[0072]在该情况下，激光二极管20实施为使得能够利用其生成具有高相干长度(特别地至少IOm的相干长度)和小于IMHz的线宽的测量辐射。为此，激光二极管具有波长选择装置，例如，活动激光介质的周期性结构(光学光栅)、活动介质之外的安装在同一芯片上的光栅，或者具有发射的激光辐射以纵向单模方式存在并且因此具有特定的窄线宽(单模激光)的效果的外部光纤9中的光栅结构。此外，能够借助于高度稳定的外部腔或者借助于与二极管20结合的全息光栅来生成适合的束特性。
[0073]根据上述构造的激光二极管20有利地具有线性偏振的633nm(可见红光谱范围)的发射波长，为单模并且具有至少IOm的相干长度。在该情况下，辐射的发射功率超过
0.5mW，并且在二极管20的整个寿命(< 0.3ppm)具有较大的波长稳定性。
[0074]特别地，基于能够因此生成的具有633nm的波长的辐射，测量束能够同时用作定位束(因为其能够免除用于视觉的标记点的额外的束源)。
[0075]由激光二极管20生成的辐射借助于光学波导9耦入到干涉仪10。为此，提供了用于将光纤9连接到干涉仪10的准直器8。干涉仪10的构造与根据图3的根据本发明的上述实施方式类似，但是参考路径12由钢分束器17引导到检测器16并且测量路径18由钢分束器11引导。此外，声光调制器13用于频率变化并且作为光学隔离器。此外，激光追踪器具有绝对距离测量装置30，其具有一般典型的光学组件(束源、检测器、隔离器等等)。
[0076]激光追踪器具有两个分离的单元71、72。相机50、绝对距离测量装置30和干涉仪10被与特别地束引导组件一起布置在束定向单元71上。该束定向单元71能够根据激光追踪器的实施方式不同地实施为例如结构上集成的目标确定单元或者作为束引导单元(例如，可旋转的镜)，其具有测量单元，该测量单元具有绝对距离测量装置30和干涉仪10。此夕卜，束定向单元71能够实施为独立于基部单元72的取向或对准能够绕两个轴移动，特别地枢转。作为这样的分离的结果，如所示的实施方式中实现的，实施为干涉仪束源的激光二极管20能够存在于基部单元72中，生成的辐射能够借助于光纤9耦入到束定向单元71，并且相对于基部72的束定向单元71的对准或者相机50的光学轴61、62的对准以及距离测量装置10、30的对准能够改变。
[0077]特别地，作为该结构分离的结果，能够减少束定向单元71中的组件所需要的空间要求并且能够将用于所获苏激光二极管的控制组件和可能的电源能够从束定向单元71转移到基部72。
[0078]图5示出了具有用于激光追踪器的激光二极管20的干涉仪布置的根据本发明的基本构造。借助于激光二极管，生成了具有至少10m(优选地50m)的相干长度的(纵向)单模测量辐射，该辐射首先在参考路径12上并且然后在返回路径19上由分束器引导。辐射被导向反射目标25并且在其处反射。此外，声光调制器13被布置在返回路径19中。在该情况下，目标25构成了可移动目标26，其中，可以借助于干涉仪检测器16确定和测量的相对于干涉仪的距离的变化。为此，基准辐射和测量辐射交叠在干涉仪检测器16上，作为哪些束干扰和允许读出测量值的结果。
[0079]图6示出了包括作为用于生成用于具有波长稳定单元21的干涉仪10的测量辐射的干涉仪束源的激光二极管20的激光追踪器的根据本发明的测量光学单元I的又一实施方式。此外，还提供具有另外的光源31 (优选地实施为激光二极管或SLED)的绝对距离测量装置30和相机50。
[0080]波长稳定单元21用于实现测量辐射到波长标准(例如，大约633nm的吸收线(例如，使用碘单元))的稳定。一般来说，波长稳定单元21能够具有用于稳定的气体单元。特别地，能够使用不同的稳定方法用于稳定，因此，例如同步检测(中央吸收线附近的光学频率的调制)、“线侧”方法或借助于恒定光学频率(利用磁性调制)的塞曼效应的稳定。在该情况下，“线侧”方法基于借助于具有对应于气体单元的对应的吸收线的最大梯度的吸手指的吸收的稳定(例如，具有大约40%吸收的稳定)。
[0081]对于这样的稳定，激光二极管20提供了具有可以无跳模的方式调整的波长范围的光，从而能够在波长方面有效地调整到想要的吸收线。生成的激光额外地具有长相干长度(至少10m，特别地，50m)。
[0082]图7示出了包括用于生成用于干涉仪10的测量辐射的激光二极管20、波长稳定单元21和用于引导激光辐射的光学波导9a、9b的激光追踪器的根据本发明的测量光学单元I的另外的实施方式。由二极管20生成的单模激光辐射由光学光纤9a引导到波长稳定单元21。所述稳定单元21具有将激光辐射的波长较大地保持恒定的效果。以该方式稳定的辐射由另外的光学光纤％从波长稳定单元21向干涉仪10引导。基于因此以高相干长度和波长稳定性生成的测量辐射，能够由干涉仪10以高精度执行距离变化的测量。
[0083]与绝对距离测量装置30的距离测量一起，利用以该方式实施的激光追踪器似的能够进行相对于目标的距离变化的检测和非常准确的距离确定。与根据图4的实施方式类似地，利用借助于光学光纤％连接的两个单元71、72来实现激光追踪器的距离激光二极管20和波长稳定单元21与距离测量装置10、30和相机50的空间(特别地结构上)的分离。
[0084]图8示出了根据本发明的具有波长选择组件的激光追踪器提供的激光二极管生成测量辐射的示意图。
[0085]激光二极管通常具有具有若干纳米的带宽的增益介质(激光介质)和激光谐振器。基于谐振器长度(由于这样的二极管的空间尺寸，使得其通常为最大几毫米的大小的量级)，在亚纳米范围中由二极管生成的谐振器模式91的间隔因此被限定。这似的能够同时发出多个模式91，也就是说，生成了具有多个模式91 (多模)的激光辐射。
[0086]在本发明的情况下，激光二极管与额外的波长敏感装置一起使用。结果。能够生成波长相关光学反馈，其结果似的所述装置用作具有其它模式92a_c的额外的谐振器。
[0087]借助于这样的布置了 “发出激光”，即，仅下述频率处生成激光辐射，在所述频率处受限影响基于激光的光放大(例如，这样的激光二极管的增益分布93)并且同时(在同一频率)存在激光谐振器的模91和额外的光学反馈装置(波长选择装置)的模92a-c。因此选择激光谐振器的单模91。示出了具有比二极管的谐振器长度长的更多的谐振器长度的波长选择装置的效果。因此出现仅在增益范围内由装置限定的模92b。
[0088]还能够想到替选方案(这里未示出)，其中，使用更短的外部谐振器，从而其模间隔可与激光二极管相比。利用因此定义的模的锐度足够好并且模在两个谐振器中没有完全相同的条件，在该情况下，还能够仅实现增益范围中的公共模并且因此用于单模操作。
[0089]不用说的是，这些示出的附图仅示意性地示出了可能的示例性实施方式。根据本发明，现有技术中的各种方法能够类似地彼此组合并且还与用于测量距离变化的干涉方案组合，与用于确定距离的方法组合，并且与通用的测量装置(特别地，激光追踪器)组合。根据本发明的各方面也能够在诸如总站和视距仪的大地测量装置中使用。
【权利要求】
1.一种激光追踪器(70)，所述激光追踪器用于连续地追踪反射目标(25，81)并且用于确定相对于所述目标(25，81)的距离，所述激光追踪器包括: 基部(72)，所述基部限定竖直轴， 束定向单元(71)，所述束定向单元用于发射测量辐射并且用于接收在所述目标(25，81)处反射的测量辐射的至少一部分，其中，所述束定向单元(71)能够以马达驱动的方式相对于所述基部(72)绕所述竖直轴和与所述竖直轴基本上正交的倾斜轴枢转， 距离测量单元(10)，所述距离测量单元实施为干涉仪(10)并且用于利用干涉测量法确定相对于所述目标(25，81)的距离的变化， 干涉仪激光束源(20)，所述干涉仪激光束源用于生成用于所述干涉仪(10)的测量辐射(76)，以及 角度测量功能，所述角度测量功能用于确定所述束定向单元(71)相对于所述基部(72)的取向， 其特征在于 所述干涉仪激光束源(20)实施为激光二极管(20)，并且所述激光二极管(20)具有波长选择组件，所述波长选择组件被布置为能够以定义的发射波长和至少IOm的相干长度以纵向单模方式生成测量辐射(76)，特别地，其中，能够借助于所述干涉仪(10)确定至少IOm的所述相干长度。
2.根据权利要求1所述的激光追踪器(70)， 其特征在于， 所述激光二极管具有第一谐振器单元，所述第一谐振器单元定义能够由所述激光二极管生成的共同地出现的多个激光模式，其中，借助于每个激光模式，定义分别不同的模式波长，并且能够生成具有不同模式波长的二极管辐射， 所述波长选择组件实施为其用作第二谐振器单元并且能够借助于所述波长选择组件与所述激光二极管的相互作用来从所述多个激光模式中提取主激光模式，并且 所述二极管辐射能够被发射为仅具有所述主激光模式的纵向单模测量辐射(76)从而限定了所述测量辐射(76)的相干长度和发射波长， 特别地，其中，所述波长选择组件实施为光学光栅。
3.根据权利要求1或2所述的激光追踪器(70)， 其特征在于， 所述激光二极管(20)实施为 分布式反馈激光器， 分布式布拉格反射器激光器， 光纤布拉格光栅激光器， 外腔二极管激光器， 二极管泵浦固态激光器， 离散模式激光器或 微芯片激光器。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的激光追踪器(70)， 其特征在于所述测量辐射(76)的所述发射波长处于600nm与700nm之间，特别地处于630nm与635nm之间，或者处于850nm与900nm之间，特别地处于850nm与855nm之间，或者处于892nm 与 896nm 之间。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光追踪器(70)， 其特征在于 所述激光追踪器(70)具有控制单元，并且所述激光二极管(20)实施为所述测量辐射(76)的所述发射波长在特定发射波长范围内以纵向单模方式变化，特别地，其中，所述发射波长能够根据所述激光二极管(20)的温度的变化和/或所述激光二极管(20)处存在的电流的变化而以由所述控制单元控制的方式变化。
6.根据权利要求5所述的激光追踪器(70)， 其特征在于，所述激光二极管(20)能够由所述控制单元驱动从而所述测量辐射(76)的所述发射功率是可变的。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的激光追踪器(70)， 其特征在于 所述激光追踪器(70)具有波长稳定单元(21)，所述波长稳定单元用于稳定由所述激光二极管(20)生成的测量辐射(76)，使得所述发射波长在定义的波长范围内连续地存在，特别地，其中，所述波长稳定单元(21)被实施为吸收单元，特别地，其中，所述激光追踪器(70)具有光学连接光纤(9a)，所述光学连接光纤用于将所述波长稳定单元连接到所述干涉仪激光束源(20)。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的激光追踪器(70)， 其特征在于 所述激光追踪器(70)具有至少一个光纤(9，9a，9b)，其中，能够由所述光纤(9，9a，9b)引导所述测量辐射(76)，特别地能够引导到所述干涉仪(10)，特别地，其中，能够由所述激光二极管(20)生成的所述测量辐射(76)耦合到所述光纤(9，9a，9b)。
9.根据权利要求8所述的激光追踪器(70)， 其特征在于 所述测量辐射(76)能够借助于所述光纤(9，9a，9b)耦合到所述束定向单元(71)。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的激光追踪器(70)， 其特征在于 所述激光追踪器(70)具有能够相对于所述基部(72)绕所述竖直轴枢转的支撑部，并且所述束定向单元(71)实施为能够相对于所述支撑部绕所述倾斜轴枢转的目标确定单元，特别地，其中，所述激光二极管(20)被布置在所述目标确定单元中。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的激光追踪器(70)， 其特征在于 所述激光追踪器(70)额外地具有绝对距离测量单元(30)，所述绝对距离测量单元用于确定相对于所述目标(25，81)的距离，特别地，根据飞行时间测量原理和/或根据相位测量原理和/或根据菲佐原理来确定相对于所述目标(25，81)的距离。
12.根据权利要求11所述的激光追踪器(70)， 其特征在于能够以根据借助于所述绝对距离测量单元(30)确定的距离和由所述距离测量单元(10)确定的距离的变化的方式来确定相对于所述目标(25，81)的准确距离。
13.—种在激光追踪器(70)的距离测量单元(10)中为生成纵向单模测量辐射(76)而设计的激光二极管(20)的使用，所述纵向单模测量辐射具有 定义的发射波长以及 至少IOm的相干长度， 所述距离测量单元实施为干涉仪(10)，所述激光追踪器用于借助于能够由所述激光二极管(20)生成的所述测量辐射(76)利用干涉测量法确定相对于目标(25，81)的距离的变化。
14.一种用于利用激光追踪器(70)利用干涉测量法确定相对于目标(25，81)的距离的变化的方法，所述激光追踪器包括 基部(72)，所述基部限定竖直轴， 束定向单元(71)，所述束定向单元用于发射测量辐射(76)并且用于接收在所述目标(25,81)处反射的测量辐射的至少一部分，其中，所述束定向单元(71)能够以马达驱动的方式相对于所述基部(72)绕所述竖直轴和基本上与所述竖直轴正交的倾斜轴枢转， 距离测量单元(10)，所述距离测量单元实施为干涉仪(10)并且用于利用干涉测量法确定相对于所述目标(25，81)的距离的变化， 干涉仪激光束源(20)，所述干涉仪激光束源用于生成用于所述干涉仪(10)的测量辐射(76)， 并且所述方法包括 发射所述测量辐射(76)， 接收在所述目标(25，81)处反射的所述测量辐射的至少一部分，以及 确定所述相对距离， 其特征在于，所述干涉仪激光束源(20)被实施为激光二极管(10)，并且，所述激光二极管(20)具有波长选择组件，所述波长选择组件被布置为以定义的发射波长和至少IOm的相干长度以纵向单模方式生成所述测量辐射(76)。
15.根据权利要求14所述的方法， 其特征在于 由 所述激光二极管(20)生成的所述测量辐射(76)被稳定为所述发射波长在定义的波长范围内连续地存在。
【文档编号】G01S17/66GK103930796SQ201280053691
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年11月2日 优先权日:2011年11月3日
【发明者】T·鲁斯, B·伯克姆 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司