利用用于扩展测量范围的混合成像方法的激光跟踪器的制造方法
【专利说明】利用用于扩展测量范围的混合成像方法的激光跟踪器
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的序言的用于确定对象的位置和/或对准的激光跟踪器、一种用于针对且利用激光跟踪器的对象的限定聚焦图像获取的如权利要求11所述的对象获取方法以及一种根据权利要求15的计算机程序产品。
[0002]被具体实现用于目标点的连续跟踪和用于按坐标确定该点的位置的测量仪器一般而言能够尤其在工业测量背景下由术语激光跟踪器包含。这里，目标点能够由回复反射单元(例如立方棱镜)表示，该回复反射单元通过测量设备的光学测量光束具体地通过激光光束来瞄准。激光光束被平行反射回到测量仪器，其中，反射光束由设备的获取单元获取。在该过程中，例如借助于用于测量角度的传感器建立了光束的发射方向和接收方向，所述角度被指派给系统的偏转镜或瞄准单元。而且，从测量仪器到目标点的距离利用光束的获取例如借助于飞行时间或相位差测量或借助于斐索(Fizeau)原理来建立。
[0003]而且，在相对现代的跟踪器系统中，所接收到的测量激光光束与传感器上所谓的伺服控制点的偏移逐渐地以标准化方式建立。借助于这个可测量的偏移，能够确定回复反射器的中心与激光光束在反射器上的入射点之间的位置差，并且能够以传感器上的偏移减小具体地成为“零”并且因此光束在反射器中心的方向上对准的这样一种方式根据这个偏差来校正或更新激光光束的对准。通过更新激光发射方向，可以存在目标点的连续目标跟踪，并且能够相对于测量仪器连续地确定目标点的位置。这里，能够借助于可以电机驱动方式移动并且被提供用于使激光光束偏转的偏转镜的对准的改变、和/或通过使包括光束引导激光光学器件的瞄准单元回转来实现更新。
[0004]激光光束到反射器的耦合必须先于以上所述的目标跟踪。为此，具有位置感应传感器和相对较大视场的获取单元另外能够被布置在跟踪器上。而且，照明装置被另外集成到通用仪器中，借助于该照明装置目标或反射器具体地借助于与距离测量设备的波长不同的限定波长被照射。在这个上下文中，传感器能够被具体实现为对在该特定波长附近的范围感应，以便例如减小或完全避免杂散光影响。照明装置能够用来照射目标并且相机能够用来利用被照射反射器来获取目标的图像。通过在传感器处对特定(波长特定)反射进行成像，能够以解析的方式确定图像中的反射位置，并且因此能够确定相对于相机的获取方向的角度和到目标或反射器的方向。具有这样的目标探寻单元的激光跟踪器的实施方式是从例如WO 2010/148525 Al获知的。根据如此可得到的方向信息，能够以激光光束与该激光光束旨在耦合至的反射器之间的距离减小的这样一种方式修改测量激光光束的对准。
[0005]出于测量距离的目的，来自现有技术的激光跟踪器包括至少一个距离测量设备，其中，距离测量设备例如能够被具体实现为干涉仪。因为这样的距离测量单元仅能够测量距离的相对改变，所以除干涉仪之外，所谓的绝对距离测量设备也被安装在当前的激光跟踪器中。通过示例，用于确定距离的测量装置的这种组合是从来自Leica Geosystems AG的产品AT901获知的。此外，用于借助于HeNe (氦氖)-激光器来确定距离的绝对距离测量设备和干涉仪的组合是例如从WO 2007/079600 Al获知的。
[0006]根据现有技术的激光跟踪器另外能够配置有具有二维光敏阵列(例如CXD或CID相机或基于CMOS阵列的相机)或具有像素阵列传感器并且具有图像处理单元的光学图像获取单元。这里，具体地，激光跟踪器和相机能够以它们相对于彼此的位置不能改变的这样一种方式被组装在彼此上。通过示例，相机可连同激光跟踪器一起绕激光跟踪器的基本上垂直的轴旋转，但是能够独立于激光跟踪器上下回转并且因此与特别地激光光束的光学器件分开地布置。此外，相机能够被具体实现为可仅绕一个轴回转-例如根据相应的应用。在另选的实施方式中，相机能够连同激光光学器件一起被集成地安装在公共外壳中。
[0007]通过获取和评估带标记的所谓的辅助测量仪器或辅助测量对象的图像-借助于图像获取和图像处理单元，其相对于彼此的相对位置是已知的，能够推导出仪器的和布置在辅助测量仪器上的对象(例如探针)的空间中的定向。此外，连同所确定的目标点的空间位置一起，能够精确地确定对象在空间中绝对地和/或相对于激光跟踪器的位置和定向(6DoF确定:确定六个自由度)。
[0008]这样的辅助测量仪器能够被具体实现为所谓的接触感测工具，其利用其接触点而被定位于目标对象的一点上。接触感测工具包括标记(例如光点)和反射器，标记表示接触感测工具上的目标点并且其能够被跟踪器的激光束瞄准，其中，标记和反射器相对于接触感测工具的接触点的位置被精确地获知。通过示例，以本身为本领域技术人员所知的方式，辅助测量仪器还可以是针对距离测量装配以用于无接触表面勘测的手持扫描器，其中，用于测量相对于布置在扫描器上的光点和反射器的距离的扫描器测量光束的方向和位置被精确地获知。通过示例，在EP O 553 266中描述了这样的扫描器。
[0009]对于对象的定向借助于激光跟踪器的可靠确定，在焦点上的(聚焦的)图像以及优选地用于对象例如在相机上的图像的已知标度(scale)是有利的。作为其结果，能够在针对评估而优化的已知比例的情况下借助于图像处理迅速地评估可由此获取的图像。
[0010]通常具有固定焦距物镜的图像处理系统构成与其相关的现有技术。在坐标测量机(CMM)的领域中，用途有时由用于受限制对象距离的变焦物镜组成。出于工业测量(使用激光跟踪器)的目的，Leica Geosystems AG提供“Τ-Cam”产品，其能够借助于基于渐变透镜/变焦物镜的解决方案在从1.5m到15m的测量范围内使用。通过组合可调节放大率和同样地可调节聚焦，这总是能够用来以固定图像标度对该测量范围内的目标对象进行成像(以比较大的方式)，其中，同时，生成了标记的聚焦图像。相对于其它解决方案由此提供的优点是，基于能够由此生成的图像，能够可靠地确定(作为经成像的对象或标记的已知且理想大小的结果)要配准的对象(例如具有标记的已知定位的辅助测量对象)的非常精确地三个旋转自由度。结果，与这种类型的另选的测量系统相比，该系统提供增加的测量准确性。
[0011]然而，这个渐变透镜光学器件的缺点包括有限的测量范围，其至少部分地包括聚焦单元的和放大单元的可调节性的基于结构上的限制。特别鉴于一般而言测量仪器的以及具体地跟踪系统的日益需要的微型化，根据现有技术的安装的渐变透镜光学器件的与此关联的测量范围的限制继续存在或者能够随着愈来愈小的测量系统而进一步增加，这同时可能导致日益不利的测量状况。
[0012]因此本发明的目的是提供一种包括光学成像系统的改进的激光跟踪器，其中，能够在增加的测量范围上更可靠地且更精确地确定测量对象的定向。
[0013]本发明的特定目的是以对象(其定向及具体地位置旨在被精确地确定)或用于确定在该对象处的定向的标记能够以分别优化的图像标度在增加的测量范围上被成像和获取、具体地在图像获取传感器上在最大可能的空间范围情况下整体上成像的这样一种方式提供一种包括光学系统的改进的激光跟踪器。
[0014]这些目的由独立权利要求的表征特征的实施方式来实现。能够从从属专利权利要求收集以另选的或有利的方式发展本发明的特征。
[0015]本发明涉及一种用于确定包括以限定空间关系附着的基准特征的辅助测量对象的位置和/或定向、并且具体地用于连续地跟踪辅助测量对象的激光跟踪器，包括:基部，该基部定义垂直轴；支架，该支架可以电机驱动方式绕垂直轴相对于基部回转；以及回转单元，该回转单元可以电机驱动方式绕倾斜轴相对于支架旋转，包括至少两个光学组件和图像获取单元，其中，光学组件可沿着回转单元的光轴移动并且用于借助于图像获取单元获取图像的放大因子由光学组件的相应的当前定位来限定。而且，激光跟踪器包括:光束源，该光束源用于发射激光光束；距离测量单元，该距离测量单元用于借助于激光光束来测量到辅助测量对象的距离；角度测量功能性，该角度测量功能性用于确定激光光束相对于基部的发射方向；以及包括对象成像功能性的控制和处理单元，其中，当执行了所述对象成像功能性时，存在光学组件以对于由经触发的测量所确定的到辅助测量对象的距离在图像获取单元上提供具有特定图像标度的辅助测量对象的图像的这样一种方式根据对辅助测量对象的当前触发的测量的具体地连续受控定位。此外，提供了用于评估经成像的基准特征的图像使得辅助测量对象的空间定向是可确定的图像处理单元。
[0016]对象成像功能性为到辅助测量对象的距离至少定义正常距离范围和远距离范围，并且，当执行对象成像功能性时，以由控制和处理单元控制的方式，以对于在正常距离范围内的距离为图像提供基本上恒定的正常图像标度并且对于在远距离范围内的各个距离为图像提供依赖于相应距离的可变远图像标度的这样一种方式根据由经触发的测量所确定的到辅助测量对象的距离来设定放大因子，其中，远图像标度随着与辅助测量对象相距的距离增大而减小。而且，如果远距离范围内的特定距离存在，则在执行图像评估时考虑针对特定距离分别提供的远图像标度。
[0017]应当理解，图像处理单元可以与控制和处理单元形成公共逻辑单元，并且图像处理单元的功能性(具体地图像在基准特征方面的评估)能够由控制和处理单元执行。
[0018]本发明在激光跟踪器中为渐变透镜/变焦物镜(其根据本发明被具体实现为回转单元)提供对测量范围的扩展。基于不同的功能(曲线)相应地定位单独地可定位且可控制的这样的渐变透镜/变焦物镜中的可移动光学元件(光学组件)。这里，以即对于正常距离范围且对于远距离范围以限定方式提供定位并且由此生成特定放大因子的这样一种方式指定功能。从而，例如对于短至中等距离(正常距离范围)、具有大视场的观察相机或用于长距离(远距离范围)的再聚焦测量相机可以恒定图像标度生成的非常不同的光学系统的生成是可能的，其中，具体地，混合类型是可能的。通过示例，这名义上允许渐变透镜/变焦物镜(T-Cam)的测量范围翻倍。
[0019]附着至辅助测量对象的基准特征像在开始所描述的那样例如可以是LED和/或能够通过例如特定尺寸化和/或形式或通过辅助测量对象的边缘来具体实现。
[0020]在本发明的范围内，基本上恒定的