[0002] 本申请要求2012年1月30日提交的美国临时
专利申请No.61/592,049以及2011年4月15日提交的美国临时申请No.61/475,703的优先权，因此通过参考将这两个申请的全部内容合并。
背景技术
[0003] 本公开涉及坐标测量装置。一套坐标测量装置属于通过向点发送
激光束来测量该点的三维（3D）坐标的一类仪器。激光束可以直接撞击点，也可以撞击与点
接触的回射器目标。在任何情况下，仪器通过测量到目标的距离和两个
角度来确定点的坐标。距离通过诸如绝对距离计量仪或干涉仪这样的测距装置来测量。角度通过诸如角度
编码器这样的测角装置来测量。仪器中的万向束控机构将激光束引导到感兴趣的点。
[0004] 激光
跟踪仪是通过它发射的一个或多个激光束来跟踪回射器目标的特定类型的坐标测量装置。与激光跟踪仪密切相关的坐标测量装置是激光
扫描仪和全站仪。激光扫描仪向表面上的点逐步发射一个或多个激光束。它拾取从表面散射的光线并根据该光线确定到目标的距离和两个角度。全站仪在测量应用中最常使用，可用于测量扩散散射或回射目标的坐标。下面在广义地使用包括激光扫描仪和全站仪的术语激光跟踪仪。
[0005] 通常激光跟踪仪向回射器目标发射激光束。普通类型的回射器目标是球面安装的回射器（SMR），它包括嵌入金属球中的立方隅角回射器。立方隅角回射器包括三面相互垂直的镜子。
顶点是三面镜子的公共交点，设置在球心。因为球中立方隅角的这种布置，所以从顶点到SMR所在任何表面的垂直距离都保持恒定，即使在SMR旋转时。因此，当SMR在表面上移动时，激光跟踪仪可以通过跟随SMR的
位置，测量表面的3D坐标。换言之，激光跟踪仪只需要测量三个
自由度（一个径向距离和两个角度），就能完全表现表面的3D坐标的特征。
[0006] 一种类型的激光跟踪仪只包含干涉仪（IFM），没有绝对距离计量仪（ADM）。如果物体阻挡了来自这些跟踪仪其中之一的激光束的路径，IFM就会失去它的距离参考。然后操作者必须跟踪回射器到已知位置，以在继续测量之前复位到参考距离。解决这种限制的方法是将ADM置于跟踪仪中。ADM可以以点和射击方式来测量距离，如下更详细所述。某些激光跟踪仪只包含ADM，没有干涉仪。授予Bridges等人的美国专利No.7,352,446（‘446）（其内容通过参考合并于此）描述了只有ADM（并且没有IFM）的激光跟踪仪，其能够准确地扫描移动目标。在‘446专利之前，绝对距离计量仪太慢，不能准确地找到移动目标的位置。
[0007] 激光跟踪仪中的万向机构可用于将来自跟踪仪的激光束引导到SMR。被SMR回射的一部分光线进入激光跟踪仪并传递到位置检测器上。激光跟踪仪中的控制系统可以利用位置检测器上光线的位置来调节激光跟踪仪的机械轴的旋转角度，以保持激光束以SMR为中心。通过这种方式，跟踪仪能够跟随（跟踪）在感兴趣的物体的表面上移动的SMR。
[0008] 诸如角度编码器的角度测量装置被附接于跟踪仪的机械轴。通过激光跟踪仪进行的一个距离测量和两个角度测量足以完全
指定SMR的三维位置。
[0009] 若干激光跟踪仪可应用于或者被提议用于测量6个自由度而不是通常的3个自由度。授予Bridges等人的美国专利No.7,800,758（‘758）（其内容通过参考合并于此的）以及授予Bridges等人的美国公开专利申请No.2010/0128259（其内容通过参考合并于此的）描述了示例性的6自由度（6DOF）系统。
[0010] 当今使用的ADM的一种类型通过在光束从测量装置传播到目标并返回时测量正弦调制的光线光束的
相位移动，来确定到目标的距离。为了测量光线相位的移动，利用一个或多个
混频器将被检测的光线下变换，然后发送到模数变换器（ADC），以获得测量样本，测量样本经过处理，以确定相位。在此方案中，混频器增加了ADM设计的复杂性和成本，因此如果将其取消会更好。在下变换阶段使用混频器的另一个问题是混频器会由于进入混频器的RF
信号的功率等级的变化而经历相位的移动，从而在计算的到测量目标的距离中产生误差。
[0011] Poujouly等人的论文“Digital laser range finder:phase-shift estimation by undersampling technique”描述了在基于相位的距离计量仪中用于提取相位的两种方法，该论文通过参考合并于此。在第一方法中，结合数字
滤波器和自动增益控制（AGC）来使用
正交（I/Q）解调方案。通过所公开的方法获得的
精度大约是6mm，这相比于这里考虑的应用所期望的差大约1000倍。在第二方法中，使用第一
频率来调制激光。将被调制的激
光信号发送到目标，并且以ADC中的另一个频率将检测信号采用，以获得可用于计算被调制光线的相位移动的采样值。但是，单个频率不足以在较大的范围中操作，因为需要多个调制频率来确定被测量目标所在的“明确区域”。所公开的构造不允许消除这种不明确。
[0012] 授予Mori等人的美国专利No.7,177,014（‘014）公开了一种使用基于欠采样方法的绝对距离计量仪测量到物体的距离的方法。该专利中的方法采用第一调制信号或第二调制信号来调制激光的光功率。被检测的光线被提供给第一ADC，而相同频率的
电信号被提供给第二ADC。使用两个ADC信号之间的
相位差来计算到物体的距离。但是，所公开的方法未提供对来自激光
二极管和光学检测器的噪声的良好抑制，因为第二ADC信号只是电信号。因为Mori专利未公开通过回射器使用的距离计量仪，而是公开通过诸如“
铝板、卡片板、PC板、柔软布、黑色纸张、木材以及着色板”（来自‘014专利）的物体使用的距离计量仪，其距离精度远远低于通过回射器可能得到的距离精度。对于其中使用回射器的维度测量系统，通常需要更高的精度，并且在这些情况下重要的是提供光学参考信号来消除与
激光器以及光学检测器相关联的普通模式噪声。此外，‘014专利提供用于解决范围不明确的方法是限制性的。在需要较高精度的多数实际系统中，必须提供使用三种或更多种调制频率来消除不明确的方法。
[0013] 所需要的是用于获得较高精度的绝对距离测量结果的较廉价的方法。
发明内容
[0014] 一种包括维度测量装置和目标的维度测量系统，包括：频率标准发生器，产生具有标准频率的标准电信号；以及信号发生器，被配置为在第一模式中产生具有第一频率的第一电信号以及具有第二频率的第二电信号，第一频率和第二频率得自标准电信号，其中第一频率除以第二频率小于2，并且第一频率不同于第二频率。此外系统包括：产生第一光线的第一
光源；光学系统，被配置为发送第一光线的第一部分离开测量装置作为第一光束的光线，以及发送第一光线的第二部分到参考光学检测器，第一光束和第二部分具有在第一频率下调制的第一光学特性；目标被配置为回射器，以接收第一光束，以及返回第二光束至光学系统；光学系统还被配置为发送第二光束的第三部分到测量光学检测器，测量光学检测器被配置为将第三部分变换为第一测量电信号，参考光学检测器被配置为将第二部分变换为第一参考电信号。此外系统包括：具有第一样本端口、第一信号端口以及第一数据端口的第一模数变换器信道，第一模数变换器信道被配置为在第一模式中在第一样本端口接收第二电信号，在第一信号端口接收第一测量电信号，在第一数据端口提供表示第一测量电信号的多个第一数字测量值；以及具有第二样本端口、第二信号端口以及第二数据端口的第二模数变换器信道，第二模数变换器信道被配置为在第一模式中在第二样本端口接收第二电信号，在第二信号端口接收第一参考电信号，在不同的时间在第二数据端口提供表示第一参考电信号的多个第一数字参考值；以及处理器，被配置为在第一模式中计算从维度测量装置到目标的第一距离，所计算的第一距离至少部分地基于第一频率、第二频率、多个第一数字测量值、多个第一数字参考值以及空气中的光速。
附图说明
[0015] 下面参照附图，所示的示例性
实施例不应解释为对本公开的全部范围的限制，并且其中，在若干附图中对元件同样地编号：
[0016] 图1是根据本发明实施例的具有回射器目标的激光跟踪仪系统的立体图；
[0017] 图2是根据本发明实施例的具有6-DOF目标的激光跟踪仪系统的立体图；
[0018] 图3是描述根据本发明实施例的激光跟踪仪光学器件和
电子器件的元件的方
框图；
[0019] 图4包括图4A和图4B，示出两种类型的
现有技术无焦点光束扩大器；
[0020] 图5示出现有技术光纤光学光束发射器；
[0021] 图6A-D是示出4种类型的现有技术位置检测器组件的示意图;
[0022] 图6E和图6F是示出根据本发明实施例的位置检测器组件的示意图；
[0023] 图7A是现有技术ADM中的电学和电光元件的方框图；
[0024] 图7B是根据本发明实施例的ADM中的电学和电光元件的方框图；
[0025] 图7C是根据本发明实施例的第一
波形和第二波形的示意图，示出在模数变换器中怎样使用第一波形来产生第二波形的欠采样复制品；
[0026] 图7D是示出在超尼奎斯特模式中怎样使用直接
数字合成器（DDS）来增加DDS频率的示意图；
[0027] 图8A和图8B是示出现有技术光纤光学网络中的光纤光学元件的示意图；
[0028] 图8C是示出根据本发明实施例的光纤光学网络中的光纤光学元件的示意图；
[0029] 图9是现有技术激光跟踪仪的分解图；
[0030] 图10是现有技术激光跟踪仪的剖视图；以及
[0031] 图11是根据本发明实施例的激光跟踪仪的计算和通信元件的方框图。
具体实施方式
[0032] 图1示出的示例性激光跟踪仪系统5包括激光跟踪仪10、回射器目标26、可选辅助单元处理器50和可选辅助计算机60。激光跟踪仪10的示例性万向束控机构12包括天顶架14，天顶架14安装在方位底座16上并绕方位轴20旋转。
载荷15安装在天顶架14上并绕天顶轴18旋转。在跟踪仪10内部，天顶轴18与方位轴20在万向点22垂直相交，万向点22通常是距离测量的原点。激光束46虚拟通过万向点22并被指向为垂直于天顶轴18。换言之，激光束46近似垂直于与天顶轴18以及方位轴20两者平行的任何平面。出射激光束46通过载荷15绕天顶轴18的旋转以及天顶架14绕方位轴20的旋转，指向期望的方向。在跟踪仪10内部，天顶角度编码器附接于与天顶轴20对准的天顶机械轴。在跟踪仪10内部，方位角度编码器附接于与方位轴20对准的方位机械轴。天顶和方位角度编码器以较高的精度测量旋转的天顶和方位角度。出射激光束46传播到回射器目标26，回射器目标26例如可以是上述球面安装的回射器（SMR）。通过测量万向点22与回射器26之间的径向距离、关于天顶轴18的旋转角度以及关于方位轴20的旋转角度，在跟踪仪的球面
坐标系中找到回射器26的位置。
[0033] 出射激光束46可包括一个或多个激光
波长，如下所述。为了清楚和简明起见，在下面的讨论中假定图1所示类型的控制机构。但是，其他类型的控制机构也可以。例如，可以将激光束反射离开绕着方位轴和天顶轴旋转的镜子。这里所述的技术不管控制机构的类型如何都是可行的。
[0034] 可将磁巢17包括在激光跟踪仪中，用于针对不同尺寸的SMR，例如1.5、7/8和1/2英寸的SMR，将激光跟踪仪复位到“原本”位置。跟踪仪上的回射器19可用于将跟踪仪复位到参考距离。此外，从图1的视图看不见的跟踪仪上的镜子可用于与跟踪仪上的回射器组合，实现自补偿性能，如美国专利No.7,327,446所述，该专利的内容通过参考被合并。
[0035] 图2示出示例性激光跟踪仪系统7，除了用6DOF探针1000代替回射器目标26之外，激光跟踪仪系统7与图1的激光跟踪仪系统5相似。在图1中，可使用其他类型的回射器目标。例如，有时候使用猫眼回射器，猫眼回射器是玻璃回射器，其中光线聚焦在玻璃结构的反射性后表面上的小光点。
[0036] 图3是示出激光跟踪仪实施例中的光学和电学元件的方框图。它示出发射两种波长的光线的激光跟踪仪的元件——第一波长用于ADM，第二波长用于可见指示器并用于跟踪。可见指示器使得用户能够看见跟踪仪发射的激光光点的位置。利用自由空间光束分离器，将两种不同的波长组合。电光（EO）系统100包括可见光源110、隔离器115、可选第一光纤发射器170、可选干涉仪（IFM）120、扩束器140、第一光束分离器145、位置检测器组件150、第二光束分离器155、ADM160以及第二光纤发射器170。
[0037] 可见光源110可以是激光器、超级
发光二极管或者其他光发射装置。隔离器115可以是法拉第隔离器、
衰减器或者能够减少反射回到光源的光线的其他装置。可选IFM可以以多种方式配置。作为可能实施方式的特定示例，IFM可包括光束分离器122、回射器126、四分之一波片124、130以及相位分析器128。可见光源110可以向自由空间发射光线，然后光线通过隔离器115以及可选IFM120在自由空间中传播。或者，通过光纤线缆可将隔离器115连接到可见光源110。在这种情况下，可将来自隔离器的光线通过第一光纤光学发射器
170发射到自由空间，如下参照图5所述。
[0038] 扩束器140可以利用多种透镜配置来设置，两种常用的现有技术配置在图4A和图4B中示出。图4A示出基于使用负透镜141A和正透镜142A的配置140A。入射到负透镜
141A的
准直光束220A从正透镜142A显现为更大的准直光束230A。图4B示出基于使用两个正透镜141B、142B的配置140B。入射到第一正透镜141B的准直光束220B从第二正透镜142B显现为更大的准直光束230B。在离开扩束器140的光线中，少量在脱离跟踪仪的路径上反射离开光束分离器145、155并损失。传递通过光束分离器155的那部分光线与来自ADM160的光线组合，形成复合光束188，复合光束188离开激光跟踪仪并传播到回射器90。
[0039] 在实施例中，ADM160包括光源162、ADM电子器件164、光纤网络166、互连
电缆165以及互连光纤168、169、184、186。ADM电子器件向光源162发送电调制和偏置
电压，光源162例如可以是以大约1550nm的波长操作的分布式反馈激光器。在实施例中，光纤网络166可以是图8A所示的光纤光学网络420A。在该实施例中，来自图3中的光源162的光线在光纤184上传播，光纤184等价于图8A中的光纤432。
[0040] 图8A的光纤网络包括第一光纤
耦合器430、第二光纤耦合器436以及低传输
反射器435、440。光线传播通过第一光纤耦合器430并在两条路径之间分离，第一路径通过光纤433到第二光纤耦合器436，而第二路径通过光纤422和光纤长度均衡器423。光纤长度均衡器423连接到图3中的光纤长度168，光纤长度168传播到ADM电子器件164的参考信道。光纤长度均衡器423的目的是将参考信道中光线穿过的光纤的长度与测量信道中光线穿过的光纤的长度匹配。通过这种方式匹配光纤长度减少了由于环境
温度变化所致的ADM误差。这些误差会因为光纤的有效光路长度等于光纤的平均折射系数乘以光纤长度而出现。因为光纤的折射系数取决于光纤的温度，所以光纤温度的变化引起测量信道和参考信道的有效光路长度的变化。如果测量信道中光纤的有效光路长度相对于参考信道中光纤的有效光路长度而变化，那么即使将回射器目标90保持静止，结果也将是回射器目标90位置的明显移动。为了避免这个问题，采取两个步骤。首先，尽可能将参考信道的光纤长度与测量信道的光纤长度匹配。其次，将测量光纤和参考光纤布置为并排到可以保证两个信道中的光纤经历几乎相同的温度变化的程度。
[0041] 光线传播通过第二光纤光学耦合器436并分离为两条路径，第一路径到低反射光纤终止器440，第二路径到光纤438，光线从其传播到图3中的光纤186。光纤186上的光线传播到第二光纤发射器170。
[0042] 在实施例中，在现有技术图5中示出光纤发射器170。来自图3的光纤186的光线进入图5中的光纤172。光纤发射器170包括光纤172、套环174以及透镜176。光纤172附接于套环174，套环174稳定地附接于激光跟踪仪10中的结构。如果需要的话，光纤终端可以以一个角度
抛光，以减少背射。光线在光纤中心显现，光纤可以是直径在4微米与12微米之间的单模式光纤，取决于所使用光线的波长以及光纤的特定类型。光线250以一个角度发散并与透镜176相交（intercept），透镜176校准光线250。在专利‘758中参照图3描述通过ADM系统中的单个光纤发射和接收光信号的方法。
[0043] 参照图3，光束分离器155可以是二色性光束分离器，其透射的波长与其反射的波长不同。在实施例中，来自ADM160的光线反射离开二色性光束分离器155，并与来自可见激光器110的光线组合，来自可见激光器110的光线传输通过二色性光束分离器155。合成光束的光线188传播离开激光跟踪仪到回射器90作为第一光束，第一光束返回一部分光线作为第二光束。第二光束处于ADM波长的那一部分反射离开二色性光束分离器155，并返回第二光纤发射器170，第二光纤发射170将光线耦合回到光纤186。
[0044] 在实施例中，光纤186对应于图8A中的光纤438。返回光线从光纤438传播通过第二光纤耦合器436并分离为两条路径。第一路径导向光纤424，在实施例中，光纤424对应于光纤169，光纤169导向图3中ADM电子器件164的测量信道。第二路径导向光纤433，然后导向第一光纤耦合器430。离开第一光纤耦合器430的光线在两条路径之间分离，第一路径到光纤432，而第二路径到低反射率终端435。在实施例中，光纤432对应于光纤184，光纤184导向图3中的光源162。在多数情况下，光源162包括内建的法拉第隔离器，法拉第隔离器将从光纤432进入光源的光量最小化。在相反方向上馈入激光器的额外光线可以使激光器不稳定。
[0045] 来自光纤网络166的光线通过光纤168、169进入ADM电子器件164。现有技术ADM电子器件的实施例在图7中示出。图3中的光纤168对应于图7中的光纤3232，而图3中的光纤169对应于图7中的光纤3230。下面参照图7，ADM电子器件3300包括频率基准3302、合成器3304、测量检测器3306、参考检测器3308、测量混合器3310、参考混合器3312、调节电子器件3314、3316、3318、3320、N倍预
分频器3324以及
模数转换器（ADC）3322。频率基准向合成器发送基准频率fREF（例如可以是10MHz），频率基准例如可以是恒温控制
晶体振荡器（OCXO），合成器生成两个电信号，一个信号处于频率fRF，两个信号处于频率fLO。
信号fRF进入光源3102，光源3102对应于图3中的光源162。处于频率fLO的两个信号进入测量混合器3310和参考混合器3312。来自图3中光纤168、169的光线分别出现在图7中的光纤3232、3230上，并分别进入参考信道和测量信道。参考检测器3308和测量检测器
3306将光信号转换为电信号。这些信号分别通过电学构件3316、3314调节，并分别被发送至混合器3312、3310。混合器产生频率fIF，其等于fLO–fRF的绝对值。信号fRF可以是较高的频率，例如2GHz，而信号fIF可以是较低的频率，例如10kHz。
[0046] 基准频率fREF被发送至预分频器3324，预分频器3324将频率除以整数值。例如，可将10MHz的频率除以40，获得250kHz的输出频率。在本示例中，可以以250kHz的速率对进入ADC3322的10kHz信号采样，从而每周期产生25个样本。来自ADC3322的信号被发送到
数据处理器3400，数据处理器3400例如可以是位于图3的ADM电子器件164中的一个或多个
数字信号处理器（DSP）单元。
[0047] 提取距离的方法是基于用于参考信道和测量信道的ADC信号的相位的计算。授予Bridges等人的美国专利No.7,701,559（‘559）中详细描述了该方法，该专利的内容通过参考合并于此。计算包括专利‘559的等式（1）-（8）的使用。此外，当ADM首先开始测量回射器时，通过合成器生成的频率被改变若干倍数（例如3倍），并且在每种情况下计算可能的ADM距离。通过对于每个选择的频率比较可能的ADM距离，消除了ADM测量中的不明确。结合参照专利‘559的图5所述的同步方法以及专利‘559中所述的Kalman滤光器方法，专利‘559的方程式（1）-（8）使得ADM能够测量移动目标。在其他实施例中，可以使用获得绝对距离测量结果的其他方法，例如通过使用脉冲飞行时间而不是相位差。
[0048] 返回光束190通过光束分离器155的部分到达光束分离器145，光束分离器145将一部分光线发送到扩束器140，将另一部分光线发送到位置检测器组件150。从激光跟踪仪10或EO系统100显现的光线可以被认为是第一光束，而反射离开回射器90或26的一部分光线可以被认为是第二光束。一部分反射光束被发送到EO系统100的不同功能元件。例如，可将第一部分发送到距离计量仪，例如图3中的ADM160。可将第二部分发送到位置检测器组件150。在某些情况下，可将第三部分发送到其他功能元件，例如可选干涉计（120）。
重要的是理解，虽然在图3的示例中，第二光束的第一部分和第二部分在反射离开光束分离器之后分别被发送到距离计量仪和位置检测器，但是有可能将光线传输而不是反射到距离计量仪或位置检测器。
[0049] 图6A-D中示出现有技术检测器组件150A-150D的四个示例。图6A描述最简单的实施方式，其中位置检测器组件包括安装在
电路板152上的位置
传感器151，
电路板152从电子器件盒350获得电
力并向其返回信号，电子器件盒350可以代表激光跟踪仪10、辅助单元50或者外部计算机60中任何位置的电子处理能力。图6B包括滤光器154，滤光器154阻挡不需要的光学波长到达
位置传感器151。例如也可以通过用适当的
薄膜覆盖光束分离器145或者位置传感器151的表面来阻挡不需要的光学波长。图6C包括缩小光束尺寸的透镜153。图6D包括滤光器154和透镜153。
[0050] 图6E示出根据本发明实施例的位置检测器组件，包括光学调节器149E。光学调节器包含透镜153，也可以包含波长滤波器（wavelength filter）154。此外，它至少包括扩散器156和空间滤波器157的其中之一。如上所述，普通类型的回射器是立方隅角回射器。立方隅角回射器的一种类型由三面镜子制成，每面镜子与其余两面镜子成直角相交。这三面镜子相交的交叉线可以有有限的厚度，其中光线并未完全反射回到跟踪仪。有限厚度的线当它们传播时被衍射，因此在到达位置检测器时，它们不一定出现为正好与位置检测器相同。但是，衍射光图案通常背离完全对称。结果，撞击位置检测器151的光线在衍射线附近例如可以有光学功率（热光点）的下降或上升。因为来自回射器的光线的一致性可能随回射器而变化，此外因为位置检测器上光线的分布可能在回射器旋转或倾斜时变化，所以有利的是包括扩散器156，以改善撞击位置检测器151的光线的平滑度。可以表明，因为理想的位置检测器应当对应于形心并且理想的扩散器应当对称地散布光点，所以对于位置检测器给出的结果位置应当无效果。但是，实际上观察到扩散器改善了位置检测器组件的性能，可能是因为位置检测器151和透镜153中的非线性效果（缺点）。玻璃制成的立方隅角回射器也可以在位置检测器151产生不一致的光点。由于从6-DOF目标中的立方隅角反射的光线，位置检测器处光点的变化可以特别显著，如同可以从普通转让的美国专利申请No.13/370,339（2012年2月10日提交）以及No.13/407,983（2012年2月29日提交）更清楚地理解，这两个专利的内容通过参考被合并。在实施例中，扩散器156是全息扩散器。
全息扩散器在指定的扩散角度上提供受控的、均匀的光线。在其他实施例中，使用其他类型的扩散器，例如毛玻璃或“乳玻璃”扩散器。
[0051] 位置检测器组件150E的空间滤光器157的目的是阻挡鬼光束（ghost beam），鬼光束例如可以是由于撞击位置检测器151，离开光学表面的不需要的反射的结果。空间滤光器包括有孔隙的板157。通过将空间滤光器157放置为一个离开透镜大约等于透镜焦距的距离，当返回光线243E在近它最窄的-光束腰部接时候，通过空间滤光器。例如作为光学元件的反射的结果的以不同角度传播的光束撞击空间滤光器，离开孔隙，并且被阻止到达位置检测器151。图6E示出一个示例，其中不需要的鬼光束反射离开光束分离器145并传播到空间滤光器157，在空间滤光器157被阻挡。如果没有空间滤光器，鬼光束244E将与位置检测器151相交，从而导致位置检测器151上的光束243E的位置被错误地确定。如果鬼光束被置于与主要光点相距较大的距离，那么即使鬼的幽灵光束也可以显著改变位置检测器151上形心的位置。
[0052] 这里所讨论类型的回射器、立方隅角或猫眼回射器例如具有将以平行于入射射线的方向进入回射器的光射线反射的性质。此外，入射和反射的射线关于回射器的对称点对称地设置。例如，在露天立方隅角回射器中，回射器的对称点是立方隅角的顶点。在玻璃立方隅角回射器中，对称点也是顶点，但是在这种情况下必须考虑光线在玻璃-空气界面的弯曲。在折射系数为2.0的猫眼回射器中，对称点是球的中心。在由对称地放置在公共平面上的两个玻璃半球制成的猫眼回射器中，对称点是位于平面上并且在每个半球的球心的点。要点是，对于一般由激光跟踪仪使用的回射器类型，被回射器返回到跟踪仪的光线相对于入射的激光束移动到顶点的另一侧。
[0053] 图3中回射器90的这种行为是通过激光跟踪仪跟踪回射器的
基础。位置传感器在其表面上具有理想的折返点（retrace point）。理想的折返点是发送到回射器的对称点（例如，SMR中立方隅角回射器的顶点）的激光束返回的点。通常，折返点靠近位置传感器的中心。如果将激光束发送到回射器的一侧，则它反射回到另一侧并出现在位置传感器上的折返点。通过指出位置传感器上返回光束的位置，激光跟踪仪10的控制系统可以使得
电机将光束向回射器的对称点移动。
[0054] 如果回射器以恒定速度向跟踪仪横向移动，回射器上的光束将在离回射器的对称点固定的偏移距离处撞击回射器（在解决了瞬变现象之后）。激光跟踪仪进行校正，以基于从受控测量获得的缩放系数并基于从位置传感器上的光束到理想的折返点的距离，解释回射器的这种偏移距离。
[0055] 如上所述，位置检测器执行两种重要的功能——实现跟踪并校正测量结果，以解释回射器的移动。位置检测器中的位置传感器可以是能够测量位置的任何类型的装置。例如，位置传感器可以是位敏检测器或感光阵列。位敏检测器例如可以是横向效应检测器或四分仪检测器。感光阵列例如可以是CMOS或CCD阵列。
[0056] 在实施例中，未反射离开光束分离器145的返回光线通过扩束器140，因此变得更小。在另一个实施例中，位置检测器与距离计量仪的位置反转，因此通过光束分离器145反射的光线传播到距离计量仪，而通过光束分离器传输的光线传播到位置检测器。
[0057] 光线继续通过可选IFM，通过隔离器并进入可见光源110。在此阶段，光功率应当足够小，因此它不会使得可见光源110不稳定。
[0058] 在实施例中，通过图5的光束发射器170发射来自可见光源110的光线。光纤发射器可以附接于光源110的输出端或者隔离器115的光纤光学输出端。
[0059] 在实施例中，图3的光纤网络是图8B的现有技术光纤网络420B。这里，图3的光纤184、186、168、169对应于图8B的光纤443、444、424、422。图8B的光纤网络类似于图8A的光纤网络，除了图8B的光纤网络具有单个光纤耦合器而不是两个光纤耦合器之外。图8B相对于图8A的优点是简单；但是，图8B更可能有不需要的光学回射进入光纤422和424。
[0060] 在实施例中，图3的光纤网络166是图8C的光纤网络420C。这里，图3的光纤184、186、168、169对应于图8C的光纤447、455、423、424。光纤网络420C包括第一光纤耦合器
445和第二光纤耦合器451。第一光纤耦合器445是2X2耦合器，有两个输入端口和两个输出端口。这种类型的耦合器一般通过将两个光纤芯放置为非常接近，然后在加热时拖动光纤而制成。通过这种方式，光纤之间的消逝耦合（evanescent coupling）可将光线的期望部分分离到相邻的光纤。第二光纤耦合器451是称为循环器的类型。它有三个端口，每个端口具有传输或接收光线的能力，但是仅在指定的方向。例如，光纤448上的光线进入端口
453并向端口454传输，如箭头所示。在端口454，光线可以传输到光纤455。类似地，在端口455上传播的光线可以进入端口454，并沿着箭头方向传播到端口456，在端口456，一部分光线可以传输到光纤424。如果仅需要三个端口，那么循环器451可能比2X2耦合器承受更少的光功率损失。另一方面，循环器451可能比2X2耦合器更贵，并且它可能经历极化模式的散布，这在某些情况下会有问题。
[0061] 在实施例中，图3的ADM160包括图7B的ADM元件2900。ADM元件2900包括频率标准发生器2910、信号发生器2920、光源2930、参考检测器2940、测量检测器2950、模数变换器（ADC）的第一信道2960、ADC的第二信道2961、处理器2970、到互连元件的电导体以及光纤2982、2984、2986。频率标准发生器2910向信号发生器2920发送标准频率信号。频率标准发生器2910例如可以是发射10MHz正弦信号的恒温控制
晶体振荡器（OCXO）。信号发生器2920产生频率为fRF的射频（RF）信号以及频率为fS的采样信号。信号发生器将RF信号用于调制光源2930。光源可以是多种类型的光源。例如，它可以是在1550nm下工作的分布式反馈（DFB）激光器、在635nm（红光）下工作的
激光二极管、在830nm下工作的超
辐射发光二极管或者其他光源。或者，可将未调制光线发送到单独的
调制器，并将频率为fRF的信号发送到单独的调制器。在实施例中，图7B中的光纤2982、2984和2986对应于图3中的光纤186、168、169。图7B中的光源2930对应于图3中的光源162。参考检测器2940和测量检测器2950将光线转换为频率为fRF的电信号。来自参考检测器和测量检测器的RF信号在电导体上分别传播到ADC2960、2961的第一信道和第二信道的信号端口。在样本端口，信号发生器2920将
采样频率为fS的采样信号提供给ADC的第一信道和第二信道。来自ADC的第一信道和第二信道的
输出信号离开数据端口。如图7C所示，欠采样信号的频率fD正好等于fRF与fLO之间差的绝对值。这个结果类似于将两个频率发送给混频器然后通过
带通滤波器所获得的结果。例如，当频率是fRF和fLO的信号分别输入混频器的RF端口和LO端口时，离开混频器的IF端口的信号将具有频率fRF+fLO以及|ffRF–fLO|。在通常的实施方式中，在通过带通滤波器之后，只保留频率fIF=|ffRF–fLO|。通过在欠采样模式中使用ADC，因此可以取消对混频器以及测量检测器和参考检测器后面的关联电子器件的需要。这样显著简化了电子器件，并且可以通过减少相位移动来改善性能，该相位移动作为进入混频器的RF端口的电功率变化的结果而出现，这些变化是由于到达测量检测器的光功率的变化所致。在图7A的ADM电子器件3300中，使用两种频率fRF和fLO来获得中间频率，然后通过具有另一种频率fREF/N的信号在ADC3322的样本端口对其采样。因此，通过使用图7B和图7C的欠采样模式中的ADC，只需要两种频率而不是三种频率。
[0062] 图7C示出下变换处理。频率为fRF的信号由实的正弦线3510表示。频率为fS的采样信号由虚的正弦线3520表示。任何时候采样信号越过
阈值3540同时增加其值，就在点3530采样RF信号的振幅。离散样本3530的频率是数据频率fD，正好是fD=|fRF–fS|。来自参考信道和测量信道的数据信号被发送到处理器。下面参照现有技术图7A说明基于这些信号计算到目标的距离的方法。图7B的ADM元件2900相比于图7A的ADM3300的优点是取消了混频器，从而简化了设计，并使得ADM单元更紧凑、更便宜。虽然图7C的示意图示出在采样信号越过阈值3540的时候提取样本，但是也可以使用在ADC中提取样本的其他标准。
[0063] 图7B中一种类型的信号发生器2920包括两个
直接数字合成器（DDS）。直接数字合成器是可编程装置，其能在期望的频率下产生信号，并且在很多情况下，能以多种波形形状产生信号。通过实验我们已经发现，在图7B中使用的特别有利的信号发生器2920包括双信道DDS，其中两个信道都被集成在单个集成电路中。因为每个装置中电构件的紧密接近，并且因为两个DDS信道中对应
半导体元件的相似性，所以每个信道中的噪声高度相关，并且大部分消除。当通过这样的DDS产生的两种信号（频率为fRF和fS）送入ADC时，普通模式（相关）噪声消除，留下正弦曲线的较低噪声数据样本，正弦曲线的频率为fD。因此，可以构造具有低噪声并且因此具有高精度的简单和低成本的ADM。
[0064] 在某些情况下，双信道DDS装置不一定可用于具有高达期望的频率。解决这个问题的方法是使用DDS产生的图像信号。通常，DDS具有得自提供给DDS的参考信号的采样频率FSAMP。例如，频率标准发生器2910可以是提供给双信道DDS的输入端口的信号。在某些情况下，DDS可具有可应用的某个最小频率（例如，25MHz）。根据用户输入的可编程倍增器值，DDS可将输入的参考信号增加到期望的采样频率。DDS采样频率FSAMP确定DDS在基频带中可产生信号的
频率范围。根据尼奎斯特标准，基频带从0Hz扩展到采样频率的一半。但是，除了基频带中的频率之外，DDS还产生其他频率。通过图7C中所示的混淆原理，可以在尼奎斯特区2,3,4…中产生图像信号，如图7D所示。通过在DDS之后提供带通滤波器（滤波器具有适当的带通滤波器限制），可将DDS用于产生更高的频率。因此，通过在所谓的超尼奎斯特模式中使用DDS芯片，可以从DDS获得相比其他可能的情况更高的频率。在Analog Devices Application Note AN-939，“Super-Nyquist operation of the AD9912yields a high RF output signal，”中讨论了超尼奎斯特模式中DDS的使用，其内容通过参考合并。通过在超尼奎斯特模式中使用DDS芯片，可以获得在较高频率下、具有较低噪声等级的两种紧密分隔的频率。因此，在超尼奎斯特模式中使用的DDS芯片是图7B的信号发生器2920的良好选择。
[0065] 当通过回射器（例如图1的SMR26）使用ADM时，为了在较大的范围中测量，通常必须以测量在三种或四种频率调制的光线的相对相位开始，调制频率的数量取决于测量的要求范围，并取决于系统的精度。完成初始测量之后，通过回射器可以使用单个调制频率，只要测量装置与回射器之间的光束没有中断。需要多种调制频率的原因最初是在测量距离不出现不明确的情况下仅覆盖小范围。必须有多种频率来区别对应于从零到360度的相位的每个明确区域。明确区域的尺寸是c/（2fn），其中f是调制的频率，c是光速，n是折射系数。例如，对于3GHz的调制频率，不明确区域大约是50毫米，在大多数情况下这是期望的测量区域的一小部分。为了提供多种调制频率来消除初始测量中的范围不明确，可编程信号发生器2920可以提供期望的多种调制频率。例如，这些频率容易从可编程DDS芯片或者从可编程合成器芯片获得。通过利用可编程频率，可以获得频率为期望的RF和采样频率的多种频率。频率fRF和fS的一种可能组合满足fRF除以fRF与fS之差的绝对值为整数值的条件。例如，在图7C中，有25个RF信号周期用于24个采样信号周期。因此，如果RF信号的频率为25MHz，则采样信号的频率为24MHz。频率之间的差为1MHz，并且RF频率除以频率差为25。对图7C的检查显示，每个周期收集点的数量为24，它比RF频率除以频率差小1。因此这里所述的条件也就是说循环图案周期性地重复——在图7C中，周期以每25个RF周期或者每24个样本周期重复。不一定要使用这里所述的ADM方法来获得这样的条件。这里的讨论简单地示出一种可能性。
[0066] 图9和图10分别示出现有技术激光跟踪仪2100的分解图和剖视图，激光跟踪仪2100在Bridges等人的美国公开专利申请No.2010/0128259的图2和图3中示出，该专利通过参考而合并。方位组件2110包括立柱
外壳2112、方位编码器组件2120、上下方位支承
2114A、2114B、方位电机组件2125、方位滑环组件2130以及方位电路板2135。
[0067] 方位编码器组件2120的目的是准确地测量架座（yoke）2142关于立柱外壳2112的旋转角度。方位编码器组件2120包括编码器盘2121和阅读头组件2122。编码器盘2121附接于架座外壳2142的轴，而阅读头组件2122附接于立柱组件2110。阅读头组件2122包括上面紧固了一个或多个阅读头的电路板。从阅读头发出的激光反射离开编码器盘2121上的精细栅格线。被编码器阅读头上的检测器拾取的反射光线被处理，以找到旋转的编码器盘相对于固定的阅读头的旋转角度。
[0068] 方位电机组件2125包括方位电机
转子2126和方位电机
定子2127。方位电机转子包括直接附接于架座外壳2142的轴的
永磁体。方位电机定子2127包括产生预定
磁场的场绕组。该磁场与方位电机转子2126的磁体相互作用，产生期望的旋转运动。方位电机定子2127附接于立柱
框架2112。
[0069] 方位电路板2135表示提供方位构件（例如编码器和电机）所需电功能的一个或多个电路板。方位滑环组件2130包括外部部件2131和内部部件2132。在实施例中，导
线束2138从辅助单元处理器50显现。
导线束2138可以向跟踪仪传输功率，或者与跟踪仪往来信号。可将导线束2138的一部分导线引导到电路板上的连接器。在图10所示的示例中，导线被引导到方位电路板2135、编码器阅读头组件2122以及方位电机组件2125。其他导线被引导到滑环组件2130的内部部件2132。内部部件2132附接于立柱组件2110并因此保持固定。外部部件2131附接于架座组件2140并因此关于内部部件2132旋转。滑环组件2140被设计为允许在外部部件2131关于内部部件2132旋转时的低阻抗电接触。
[0070] 天顶组件2140包括架座外壳2142、天顶编码器组件2150、左右天顶支承2144A、2144B、天顶电机组件2155、天顶滑环组件2160以及天顶电路板2165。
[0071] 天顶编码器组件2150的目的是准确地测量载荷框架2172关于架座外壳2142的旋转角度。天顶编码器组件2150包括天顶编码器盘2151和天顶阅读头组件2152。编码器盘2151附接于载荷外壳2142，而阅读头组件2152附接于架座外壳2142。天顶阅读头组件2152包括上面紧固了一个或多个阅读头的电路板。从阅读头发出的激光反射离开编码器盘2151上的精细栅格线。被编码器阅读头上的检测器拾取的反射光线被处理，以找到旋转的编码器盘相对于固定的阅读头的旋转角度。
[0072] 天顶电机组件2155包括天顶电机转子2156和天顶电机定子2157。天顶电机转子2156包括直接附接于载荷框架2172的轴的永磁体。天顶电机定子2157包括产生预定磁场的场绕组。该磁场与转子磁体相互作用，产生期望的旋转运动。天顶电机定子2157附接于架座框架2142。
[0073] 天顶电路板2165表示提供天顶构件（例如编码器和电机）所需电功能的一个或多个电路板。天顶滑环组件2160包括外部部件2161和内部部件2162。导线束2168从方位外部滑环2131显现，并且可传输功率和信号。可将导线束2168的一部分导线引导到电路板上的连接器。在图10所示的示例中，导线被引导到天顶电路板2165、天顶电机组件2150以及编码器阅读头组件2152。其他导线被引导到滑环组件2160的内部部件2162。内部部件2162附接于架座框架2142并因此只在方位角度中旋转，而不是在天顶角度。外部部件2161附接于载荷框架2172并因此在天顶角度和方位角度两者中旋转。滑环组件2160被设计为允许在外部部件2161关于内部部件2162旋转时的低阻抗电接触。载荷组件2170包括主要光学组件2180和次要光学组件2190。
[0074] 图11是示出维度测量电子器件处理系统1500的方框图，维度测量电子器件处理系统1500包括激光跟踪仪电子器件处理系统1510、外部元件1582、1584、1586、计算机1590以及其他网络构件1600，这里用
云表示。示例性激光跟踪仪电子器件处理系统1510包括主处理器1520、载荷功能电子器件1530、方位编码器电子器件1540、天顶编码器电子器件1550、显示器和用户
接口（UI）电子器件1560、可移动
存储器硬件1565、
射频识别（RFID）电子器件以及天线1572。载荷功能电子器件1530包括多个子功能器件，包括6-DOF电子器件1531、相机电子器件1532、ADM电子器件1533、位置检测器（PSD）电子器件1534以及等级电子器件1535。大多数子功能器件有至少一个处理器单元，处理器单元例如可以是数字
信号处理器（DSP）或现场可编程
门阵列（FPGA）。电子器件单元1530、1540和1550因为它们在激光跟踪仪中的位置而分离，如图所示。在实施例中，载荷功能器件1530被设置在图
9和图10的载荷2170中，而方位编码器电子器件1540被设置在方位组件2110中，天顶编码器电子器件1550被设置在天顶组件2140中。
[0075] 多种类型的外部装置都可以，但是这里示出三个这样的装置：温度传感器1582、6-DOF探针1584以及
个人数字助理1586，个人数字助理1586例如可以是智能电话。通过诸如相机的视觉系统，以及通过激光跟踪仪到合作目标（例如6-DOF探针1584）的距离和角度读数，激光跟踪仪可以以各种手段与外部装置通信，包括通过天线1572的无线通信。
[0076] 在实施例中，独立的通信总线从主处理器1520延伸到每个电子器件单元1530、1540、1550、1560、1565和1570。每个通信线例如可以有三个串行线，包括数据线、时钟线和
帧线。帧线指示电子器件单元是否应当注意时钟线。如果它指示应当给予注意，则电子器件单元读取数据线在每个
时钟信号的当前值。时钟信号例如可以对应于时钟脉冲的上升沿。在实施例中，信息以数据分组的形式在数据线上传输。在实施例中，每个数据分组包括地址、数值、数据消息以及校验和。地址指示在电子器件单元中将数据消息引导到哪里。位置例如可以对应于电子器件单元中的处理器子程序。数值指示数据消息的长度。数据消息包含用于电子器件单元执行的指令或数据。校验和是用于将通信线上传输的错误的可能性最小化的数值。
[0077] 在实施例中，主处理器1520将信息的分组通过总线1610发送到载荷功能电子器件1530、通过总线1611发送到方位编码器电子器件1540、通过总线1612发送到天顶编码器电子器件1550、通过总线1613发送到显示器和UI电子器件1560、通过总线1614发送到可移动存储器硬件1565、以及通过总线1616发送到RFID和无线电子器件1570。
[0078] 在实施例中，主处理器1520也通过同步总线1630同时向每个电子器件单元发送synch（同步）脉冲。synch脉冲提供通过激光跟踪仪的测量功能收集同步值的方式。例如，方位编码器电子器件1540和天顶电子器件1550一接收synch脉冲就
锁存它们的编码器值。类似地，载荷功能电子器件1530锁存通过载荷中包含的电子器件收集的数据。当给出synch脉冲时，6-DOF、ADM以及位置检测器都锁存数据。大多数情况下，相机和倾角计以相比于synch脉冲速率更低的速率收集数据，但是可以以synch脉冲周期的若干倍锁存数据。
[0079] 方位编码器电子器件1540和天顶电子器件1550通过图9、图10所示的滑环2130、2160与载荷电子器件1530分离，并相互分离。这就是为什么在图11中将总线1610、1611和1612示出为分离的总线。
[0080] 激光跟踪仪电子器件处理系统1510可以与外部计算机1590通信，或者，它可以提供激光跟踪仪中的计算、显示和UI功能。激光跟踪仪通过通信链路1606与计算机1590通信，通信链路1606例如可以是以太网或无线连接。激光跟踪仪也可以通过通信链路1602与通过云表示的其他元件1600通信，通信链路1606可包括一个或多个电缆（例如以太网线缆）以及一个或多个无线连接。元件1600的示例是其他的三维测试仪器——例如可通过激光跟踪仪重置的铰接臂CMM。计算机1590与元件1600之间的通信链路1604可以是有线（例如以太网）或无线。位于远程计算机1590的操作者可通过以太网或无线线路与通过云1600表示的互联网进行连接，进而通过以太网或无线线路连接到主处理器1520。通过这种方式，用户可以控制远程激光跟踪仪的动作。
[0081] 虽然以上描述主要强调激光跟踪仪中绝对距离计量仪的使用，但是显然，可以单独使用绝对距离计量仪，仅测量距离，或者可以在不同类型的维度测量仪器中使用。
[0082] 虽然参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出各种改变，并且等同物可以代替其中的元件。此外，可以做出很多
修改，将特殊情况或材料适应本发明的教导，不脱离其本质范围。因此，希望本发明不限于作为构思为实现本发明的最佳实施方式公开的特殊实施例，但是本发明包括落入所附
权利要求书范围的所有实施例。此外，术语第一、第二等等的使用不表示任何顺序或重要性，但是术语第一、第二等等用于区别一个元件与另一个元件。此外，术语一、一个等等的使用不表示数量的限制，而是表示至少一个提及项目的出现。
