多模式光學測量設備和操作方法
【技術領域】
[0001]本文所公開的主題涉及測量空間坐標的光學測量設備，并且更特別地涉及用于測量對象的具有多個光學設備的非接觸式光學測量設備。
【背景技術】
[0002]非接觸式光學測量設備可以用于確定對象上的點的坐標。一種類型的光學測量設備通過將激光光束發送至點來測量該點的三維(3D)坐標。激光光束可以直接射到所述點上或者直接射到與所述點接觸的回射器目標上。在上述任何一種情況下，儀器通過測量到目標的距離和與目標的兩個角度來確定所述點的坐標。距離是用測距設備例如絕對測距儀或干涉儀來測量的。角度是用角度測量設備例如角度編碼器來測量的。在儀器內的萬向節式光束操縱機制將激光光束引導至所關注的點。
[0003]激光跟蹤儀是用其發射的一束或更多束激光光束跟蹤回射器目標的特定類型的坐標測量設備。與激光跟蹤儀密切相關的光學測量設備是激光掃描儀和全站儀。激光掃描儀逐步將一束或更多束激光光束發射到表面上的點。激光掃描儀拾取從所述表面散射的光并且根據所述光來確定到每個點的距離和與每個點的兩個角度。在測量應用中最經常使用的全站儀可以用于測量漫散射(非協作的)目標或回反射(協作的)目標的坐標。
[0004]激光跟蹤儀通過將激光光束發送至用于測量特定點的坐標的回射器目標來進行操作。通用類型的回射器目標為球狀安裝的回射器(SMR)，其包括嵌入金屬球中的角錐回射器。角錐回射器包括三個相互垂直的反射鏡。作為三個反射鏡的公共交點的頂點位于球的中心。由于球內的角錐的放置與所測量的點具有已知機械關系(即，即使當SMR被旋轉時，從頂點到SMR所擱置的任意表面的垂直距離也保持恒定)，所以可以確定所測量的點的位置。因此，激光跟蹤儀可以通過當SMR在表面上移動時跟隨SMR的位置來測量表面的3D坐標。換句話說，激光跟蹤儀僅需要測量三個自由度(一個徑向距離和兩個角度)來完全表征表面的3D坐標。
[0005]一種類型的激光跟蹤儀僅包括干涉儀(IFM)而不包括絕對測距儀(ADM)。如果對象阻擋來自這些跟蹤儀中的一個跟蹤儀的激光光束的路徑，則IFM丟失其距離基準。然后，操作員必須在繼續測量之前跟蹤已知位置的回射器以重新設置基準距離。回避該限制的一種方式是在跟蹤儀中包括ADM。ADM可以以指向并發射(point-and-shoot)的方式來測量距離。
[0006]因為跟蹤儀停留在一點上，所以理想的是對激光功率進行約束以維持IEC60825-1標準內的期望分類。因此，期望的是跟蹤儀在低激光功率下工作。除了清楚地限定測量點以外，SMR返回激光功率的一大部分。相反，激光掃描儀可以被布置成連續地移動，由于在位于操作區中的人體部分上沉積的總能量很小，所以這允許了理想的IEC 60825-1分類。因此，雖然激光掃描儀一般以比激光跟蹤儀更低的精度和更短的距離進行操作，但是激光掃描儀可以以較高激光功率水平進行操作并且通過非協作目標進行操作。
[0007]激光掃描儀還朝向對象發出激光光束。因為激光跟蹤儀與操作員交互(經由回射器目標)，所以理想的是激光是可見的。然而，由于操作員不需要肉眼看見光束，所以激光掃描儀可以以其他波長(例如紅外波長或可見光波長)進行操作。激光掃描儀接收從對象反射回來的光束并且部分地基于光束照射到對象并且返回掃描儀的飛行時間來確定到對象上的點的距離。一些激光掃描儀繞天頂軸連續地旋轉并且同時繞方位軸旋轉激光光束，可以確定在該區域中點相對于激光掃描儀的坐標。其他激光掃描儀將光束引導至單個點或以預定圖案(例如光柵圖案)引導光束。
[0008]應當理解，激光掃描儀與激光跟蹤儀相比可以更快獲得多個點的坐標。然而，激光跟蹤儀測量距離的精度較高。此外，由于激光跟蹤儀駐留在特定點上，所以測量通常在零點幾秒內求積分以降低電子裝置和大氣擾動中的噪聲。由于激光掃描儀通常以每秒百萬個點的量級來進行測量，所以通常以微秒或零點幾微秒的量級來進行測量。因此，在掃描儀中，由電子裝置和大氣擾動引起的噪聲會大得多。
[0009]因此，雖然現有的非接觸式光學測量設備適用于其預定的目的，但是仍然需要改進，特別地提供了使操作員能夠在多個操作模式之間進行選擇的光學測量設備。

【發明內容】

[0010]根據本發明的一個方面，提供了一種坐標測量設備。該坐標測量設備包括光學傳遞系統。提供了第一絕對測距儀，第一絕對測距儀包括第一光源、第一光學檢測器以及第一電路，第一光源被配置成通過光學傳遞系統將第一光發送至回射器目標，第一光學檢測器還被配置成響應于所回射的第一光而生成第一電信號并且將第一電信號傳輸到第一電路，第一電路被配置成至少部分地基于第一電信號來確定從坐標測量設備到回射器目標的第一距離。提供了第二絕對測距儀，第二絕對測距儀包括第二光源、第二光學檢測器以及第二電路，第二光源被配置成通過光學傳遞系統將第二光發送至對象表面，第二光學檢測器被配置成對被對象表面反射的并且通過光學傳遞系統的第二光進行接收，第二光學檢測器還被配置成響應于所反射的第二光而生成第二電信號并且將第二電信號發送至第二電路，第二電路被配置成至少部分地基于第二電信號來確定從坐標測量設備到對象表面的第二距離。結構能夠操作地耦接至光學傳遞系統、第一絕對測距儀和第二絕對測距儀。第一電機被配置成繞第一軸旋轉結構。第一角度傳感器能夠操作地耦接至結構，第一角度傳感器被配置成對繞第一軸的第一旋轉角度進行測量。第二電機被配置成繞第二軸旋轉結構，第二軸與第一軸基本上垂直。第二角度傳感器能夠操作地耦接至結構，第二角度傳感器被配置成對繞第二軸的第二旋轉角度進行測量。提供了位置檢測器，位置檢測器被配置成對由坐標測量設備發射的并且由回射器反射的輻射的一部分進行接收，位置檢測器被配置成至少部分地基于輻射的一部分照射位置檢測器處的位置來生成第三電信號。提供了處理器，處理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下進行操作的計算機可讀介質，第一模式包括:至少部分地基于第三電信號來跟蹤回射器目標，至少部分地基于回射器目標在第一位置處的第一角度、回射器目標在第一位置處的第二角度以及回射器目標在第一位置處的第一距離來確定回射器目標的第一三維坐標，第二模式包括在連續地并且單調地改變第一角度和第二角度的同時將光束引導至對象表面，第二模式還包括至少部分地基于對象表面上的點的第一角度、對象表面上的點的第二角度以及對象表面上的點的第二距離來確定對象表面上的點的第二三維坐標。
[0011]根據本發明的另一方面，提供了另一坐標測量設備。該坐標測量設備包括結構和第一電機，第一電機被配置成繞第一軸旋轉結構。第一角度傳感器能夠操作地耦接至結構，第一角度傳感器被配置成對繞第一軸的第一旋轉角度進行測量。第二電機被配置成繞第二軸旋轉結構，第二軸與第一軸基本上垂直，第二軸的投射與第一軸的投射相交于萬向節點。第二角度傳感器能夠操作地耦接至結構，第二角度傳感器被配置成對繞第二軸的第二旋轉角度進行測量。光學傳遞系統能夠操作地耦接至結構。第一絕對測距儀能夠操作地耦接至結構，第一絕對測距儀包括第一光源、第一光學檢測器以及第一電路，第一光源被配置成通過光學傳遞系統將第一光沿著從萬向節點延伸的第一線的一部分發送至回射器目標，第一線與第一軸垂直，第一光學檢測器被配置成對被回射器目標反射的并且通過光學傳遞系統的第一光進行接收，第一光學檢測器還被配置成響應于所回射的第一光而生成第一電信號并且將第一電信號傳輸到第一電路，第一電路被配置成至少部分地基于第一電信號來確定從坐標測量設備到回射器目標的第一距離。第二絕對測距儀能夠操作地耦接至結構，第二絕對測距儀包括第二光源、第二光學檢測器以及第二電路，第二光源被配置成通過光學傳遞系統將第二光沿著從萬向節點延伸的第二線的一部分發送至對象表面，第二線與第一軸垂直，第二線與第一線不同，第二光學檢測器被配置成對被對象表面反射的并且通過光學傳遞系統的第二光進行接收，第二光學檢測器還被配置成響應于所反射的第二光而生成第二電信號并且將第二電信號發送至第二電路，第二電路被配置成至少部分地基于第二電信號來確定從坐標測量設備到對象表面的第二距離。提供了位置檢測器，位置檢測器被配置成對由坐標測量設備發射的并且由回射器反射的輻射的一部分進行接收，位置檢測器被配置成至少部分地基于輻射的一部分照射位置檢測器處的位置來生成第三電信號。提供了處理器，處理器具有被配置成在第一模式下和第二模式下進行操作的計算機可讀介質，第一模式包括:至少部分地基于第三電信號來跟蹤回射器目標，至少部分地基于回射器目標在第一位置處的第一角度、回射器目標在第一位置處的第二角度以及回射器目標在第一位置處的第一距離來確定回射器目標的第一三維坐標，第二模式包括繞第一軸旋轉結構并且至少部分地基于對象表面上的點的第一角度、對象表面上的點的第二角度以及對象表面上的點的第二距離來確定對象表面上的點的第二三維坐標。
[0012]根據本發明的又一方面，提供了另一坐標測量設備。該坐標測量設備包括光學傳遞系統。第一絕對測距儀包括第一光源、第一光學檢測器以及第一電路，第一光源被配置成通過光學傳遞系統將第一光發送至回射器目標，第一光學檢測器被配置成對由回射器目標反射的并且通過光學傳遞系統的第一光進行接收，第一光學檢測器還被配置成響應于所回射的第一光而生成第一電信號并且將第一電信號傳輸到第一電路，第一電路被配置成至少部分地基于第一電信號來確定從坐標測量設備到回射器目標的第一距離。第二絕對測距儀包括第二光源、第二光學檢測器以及第二電路，第二光源被配置成通過光學傳遞系統將第二光發送至對象表面，第二光學檢測器被配置成對被對象表面反射的并且通過光學傳遞系統的第二光進行接收，第二光學檢測器還被配置成響應于所反射的第二光而生成第二電信號并且將第二電信號發送至第二電路，第二電路被配置成至少部分地基于第二電信號來確定從坐標測量設備到對象表面的第二距離。結構能夠操作地耦接至光學傳遞系統、第一絕對測距儀和第二絕對測距儀，結構包括被安裝成便于旋轉的反射鏡，反射鏡被布置在第一光和第二光的光學路徑內。第一電機被配置成繞第一軸旋轉結構。第一角度傳感器能夠操作地耦接至結構，第一角度傳感器被配置成對繞第一軸的第一旋轉角度進行測量。第二電機被配置成繞第二軸旋轉反射鏡，第二軸與第一