[发明专利]多模式光学测量设备和操作方法

说明书

技术领域

本文所公开的主题涉及测量空间坐标的光学测量设备，并且更特别地涉及用于测量对象的具有多个光学设备的非接触式光学测量设备。

背景技术

非接触式光学测量设备可以用于确定对象上的点的坐标。一种类型的光学测量设备通过将激光光束发送至点来测量该点的三维(3D)坐标。激光光束可以直接射到所述点上或者直接射到与所述点接触的回射器目标上。在上述任何一种情况下，仪器通过测量到目标的距离和与目标的两个角度来确定所述点的坐标。距离是用测距设备例如绝对测距仪或干涉仪来测量的。角度是用角度测量设备例如角度编码器来测量的。在仪器内的万向节式光束操纵机制将激光光束引导至所关注的点。

激光跟踪仪是用其发射的一束或更多束激光光束跟踪回射器目标的特定类型的坐标测量设备。与激光跟踪仪密切相关的光学测量设备是激光扫描仪和全站仪。激光扫描仪逐步将一束或更多束激光光束发射到表面上的点。激光扫描仪拾取从所述表面散射的光并且根据所述光来确定到每个点的距离和与每个点的两个角度。在测量应用中最经常使用的全站仪可以用于测量漫散射(非协作的)目标或回反射(协作的)目标的坐标。

激光跟踪仪通过将激光光束发送至用于测量特定点的坐标的回射器目标来进行操作。通用类型的回射器目标为球状安装的回射器(SMR)，其包括嵌入金属球中的角锥回射器。角锥回射器包括三个相互垂直的反射镜。作为三个反射镜的公共交点的顶点位于球的中心。由于球内的角锥的放置与所测量的点具有已知机械关系(即，即使当SMR被旋转时，从顶点到SMR所搁置的任意表面的垂直距离也保持恒定)，所以可以确定所测量的点的位置。因此，激光跟踪仪可以通过当SMR在表面上移动时跟随SMR的位置来测量表面的3D坐标。换句话说，激光跟踪仪仅需要测量三个自由度(一个径向距离和两个角度)来完全表征表面的3D坐标。

一种类型的激光跟踪仪仅包括干涉仪(IFM)而不包括绝对测距仪(ADM)。如果对象阻挡来自这些跟踪仪中的一个跟踪仪的激光光束的路径，则IFM丢失其距离基准。然后，操作员必须在继续测量之前跟踪已知位置的回射器以重新设置基准距离。回避该限制的一种方式是在跟踪仪中包括ADM。ADM可以以指向并发射(point-and-shoot)的方式来测量距离。

因为跟踪仪停留在一点上，所以理想的是对激光功率进行约束以维持IEC 60825-1标准内的期望分类。因此，期望的是跟踪仪在低激光功率下工作。除了清楚地限定测量点以外，SMR返回激光功率的一大部分。相反，激光扫描仪可以被布置成连续地移动，由于在位于操作区中的人体部分上沉积的总能量很小，所以这允许了理想的IEC 60825-1分类。因此，虽然激光扫描仪一般以比激光跟踪仪更低的精度和更短的距离进行操作，但是激光扫描仪可以以较高激光功率水平进行操作并且通过非协作目标进行操作。

激光扫描仪还朝向对象发出激光光束。因为激光跟踪仪与操作员交互(经由回射器目标)，所以理想的是激光是可见的。然而，由于操作员不需要肉眼看见光束，所以激光扫描仪可以以其他波长(例如红外波长或可见光波长)进行操作。激光扫描仪接收从对象反射回来的光束并且部分地基于光束照射到对象并且返回扫描仪的飞行时间来确定到对象上的点的距离。一些激光扫描仪绕天顶轴连续地旋转并且同时绕方位轴旋转激光光束，可以确定在该区域中点相对于激光扫描仪的坐标。其他激光扫描仪将光束引导至单个点或以预定图案(例如光栅图案)引导光束。

应当理解，激光扫描仪与激光跟踪仪相比可以更快获得多个点的坐标。然而，激光跟踪仪测量距离的精度较高。此外，由于激光跟踪仪驻留在特定点上，所以测量通常在零点几秒内求积分以降低电子装置和大气扰动中的噪声。由于激光扫描仪通常以每秒百万个点的量级来进行测量，所以通常以微秒或零点几微秒的量级来进行测量。因此，在扫描仪中，由电子装置和大气扰动引起的噪声会大得多。

因此，虽然现有的非接触式光学测量设备适用于其预定的目的，但是仍然需要改进，特别地提供了使操作员能够在多个操作模式之间进行选择的光学测量设备。

发明内容