作為雷射追蹤器中的幹涉儀雷射束源的雷射二極體的製作方法

2023-10-24 04:29:12

作為雷射追蹤器中的幹涉儀雷射束源的雷射二極體的製作方法
【專利摘要】一種雷射追蹤器(70)用於連續地追蹤反射目標並且用於確定相對於目標的距離，所述雷射追蹤器具有限定直立軸的基部、用於發射測量輻射並且用於接收由目標反射的測量輻射的至少一部分的束轉向單元，其中，束轉向單元被馬達地驅動以能夠相對於基部繞直立軸和基本上與直立軸正交地延伸的傾斜軸樞轉。此外，追蹤器具有距離測量單元(10)，其被構造為用於藉助於幹涉測量法確定相對於目標的距離的變化的幹涉儀(10)、用於生成用於幹涉儀(10)的測量輻射的幹涉儀雷射束源(20)以及用於確定束轉向單元相對於基部的對準的角度測量功能。幹涉儀雷射束源(20)被構造為雷射二極體(20)，並且雷射二極體(20)進一步被構造為能夠在縱向方向上單模地生成測量輻射，並且測量輻射具有定義的發射波長和至少10m的相干長度。
【專利說明】作為雷射追蹤器中的幹涉儀雷射束源的雷射二極體
[0001]本發明涉及一種測量裝置，特別地涉及根據權利要求1的前序的一種雷射追蹤器，其包括具有雷射二極體的用於確定相對於目標的距離的改變的幹涉儀；根據權利要求13的一種對應的幹涉儀中具有長的相干長度的雷射二極體的使用以及根據權利要求14的確定相對於目標的相對距離的方法。
[0002]為連續追蹤目標點並且協調地確定所述點的位置的測量設備能夠通常組合為雷射追蹤器(術語)。在該情況下，目標點能夠由反向反射單元(例如，立方稜鏡)表示，該反向反射單元作為測量設備的光學測量束(特別地，雷射束)的目標。雷射束被以平行的方式反射回測量設備，該反射束由設備的檢測單元檢測。在該情況下，束的發射方向以及接收方向例如藉助於用於分配給系統的偏轉鏡或確定目標單元的用於角度測量的傳感器來確定。另外，利用束的檢測，例如藉助於飛行時間或相位差測量或藉助於菲佐原理來確定，並且在現代系統中越來越多地以標準化方式在傳感器上確定接收的束相對於零位置的偏移。藉助於可以該方式測量的該偏移，能夠確定反向反射器的中心與反射器上的雷射束的撞擊點之間的位置差，並且能夠根據該偏差以減少傳感器上的偏移(特別地，為「零」)的方式來校正或重調整雷射束的對準，並且因此將束在反射器中心的方向上對準。作為及i光束對準的重調整的結果，能夠執行目標點的連續目標追蹤並且能夠相對於測量儀器連續地確定目標點的距離和位置。能夠藉助於用於偏轉雷射束的偏轉鏡的對準的改變來在該情況下實現重調整，所述偏轉鏡能夠以馬達驅動的方式移動，和/或通過具有束引導雷射光學單元的目標確定單元的樞轉來移動。
[0003]根據現有技術的雷射追蹤器能夠額外地實施為具有二維光感陣列(例如，CCD或CID相機或基於CMOS陣列的相機)或像素陣列傳感器的光學圖像檢測單元以及圖像處理單元。在該情況下，雷射追蹤器和相機能夠一個安裝在另一個之上，特別地使得它們的位置不能夠相對於彼此改變。相機被布置為例如可與雷射追蹤器一起繞其基本上垂直的軸旋轉，但是獨立於雷射追蹤器而上下樞轉，並且因此，特別地，與雷射束的光學單元分離。特別地，相機能夠具有魚眼光學單元並且因此由於相機的非常大的圖像檢測範圍而能夠避免相機的樞轉，或者能夠至少減少其需求。此外，相機(例如，取決於各應用)能夠實施為僅可繞一個軸樞轉。在替選實施方式中，相機能夠與雷射光學單元一起以集成的方式安裝在公共殼體中。
[0004]利用藉助於具有其相對於彼此的相對位置已知的標記的所謂的輔助測量儀器的圖像檢測和圖像處理單元的圖像的檢測和評估，因此能夠獲得空間中布置在輔助測量儀器上的對象(例如，探針)的取向。與確定的目標點的空間位置一起，進一步能夠準確地確定對象在空間中的絕對位置和取向和/或相對於雷射追蹤器的位置和取向。
[0005]例如，藉助於上述測量儀器測量其位置和取向的對象不需要是測量探針本身，而是能夠為輔助測量儀器。後者作為用於測量的測量系統的一部分被放置在相對於目標對象機械地限定的位置或者能夠在測量期間確定的位置，其中，藉助於所述儀器的測量位置和取向，能夠獲得位置，並且如果適合的話，能夠例如獲得測量探針的取向。
[0006]這樣的輔助測量儀器能夠利用被放置為其接觸點位於目標對象的點上的所謂的接觸感測工具來實施。接觸感測工具具有標記(例如，光點)以及反射器，其表示接觸感測工具上的目標點並且能夠由追蹤器的雷射束來瞄準，標記和反射器相對於接觸感測工具的接觸點的位置被準確地了解。輔助測量儀器還能夠以本領域技術人員已知的方式為例如手持的掃描器，其用於進行無接觸表面測量的距離測量，準確地了解用於相對於光點和布置在掃描器上的反射器的距離測量的掃描測量束的方向和位置。例如,在EP0553266中描述了這種掃描器。
[0007]對於距離測量，現有技術的雷射追蹤器具有至少一個距離測量裝置，其中，後者能夠實施為例如幹涉儀。由於這樣的距離測量單元能夠僅測量距離的相對變化，因此，除了幹涉儀之外，所謂的絕對距離測量裝置安裝在當前的雷射追蹤器上。例如，從萊卡地球系統公開股份有限公司的產品LTD500已知這樣的用於測量距離的測量裝置的組合。
[0008]該情況下用於距離測量的幹涉儀由於長的相干長度和測量範圍而主要使用HeNe氣體雷射作為光源。在該情況下，HeNe雷射的相干長度能夠是幾百米，從而能夠以相對簡單的幹涉儀構造來獲得工業計量中要求的範圍。例如，從W02007/079600已知絕對距離測量裝置和利用HeNe雷射確定距離的幹涉儀。
[0009]然而使用HeNe雷射源在雷射追蹤器的整體小型化方面的不利之處在於確定雷射功率的尺寸。在該情況下，光源的功率顯著地依賴於雷射管的長度，即，管越長，可實現的發射功率越大。此外，這樣的雷射源通常展示出相對大的功率損耗。操作所要求的高電壓供應構成了另一缺陷。例如，需要提供大約7000V的電壓用於雷射的點火併且在操作中需要提供大約1500V的電壓，因此，當使用這樣的光源時，需要使用特殊的組件(例如，高電壓電源單元和屏蔽)並且需要實施安全措施。對於磁場(例如，由內部馬達或外部焊接變壓器產生的)的敏感度以及管的有限壽命(通常大約為15000工作小時)也使得使用HeNe雷射是不利的，例如，這是因為光源常常需要以昂貴的方式在系統中進行更換。
[0010]本發明的目的在於提供一種改進的雷射追蹤器，其中，用於生成用於測量距離的雷射輻射的裝置實施為整體更加緊湊並且在該情況下能夠將為確定距離而發射的雷射輻射生成為至少實現了工業測量中要求的大測量範圍(特別地，最小範圍為IOm)相關的用於距離確定的精度。
[0011]本發明的一個具體目的在於提供一種改進了空間要求的具有距離測量單元的雷射追蹤器，其中，至少保持了與同時要求至少IOm用於距離測量的測量範圍相關的要求精度。
[0012]本發明的進一步的具體目的在於提供一種雷射追蹤器，其包括幹涉儀作為距離測量裝置，其中，光學組件，特別是為其提供的束源以及供電單元，與現有技術相比，具有顯著更小的空間要求和更低的能耗。
[0013]通過實現獨立權利要求的特徵部分的實現來實現這些目的。能夠從從屬權利要求獲得替選的或以有利的方式改進本發明的特徵。
[0014]本發明涉及一種雷射追蹤器，其用於連續地追蹤反射目標並且用於確定相對於目標的距離，其包括限定豎直軸的基部以及束定向單元，用於發射測量輻射並且用於接收在目標處反射的測量輻射的至少一部分，其中，束定向單元能夠以馬達驅動的方式相對於基部繞豎直軸和基本上與豎直軸正交的傾斜軸樞轉。在該情況下，豎直軸和傾斜軸彼此定位為在軸之間存在90°或大約90° (例如，88.5° )的角度，其中，能夠準確地定義相對軸位置並且能夠將對應的位置值存儲在雷射追蹤器中，特別地用於補償測量值。此外，雷射追蹤器具有實施為幹涉儀的距離測量單元，特別地，幹涉儀具有例如50MHz的定義檢測器帶寬，並且用於利用幹涉儀確定相對於目標的距離的變化；幹涉儀雷射束源，其用於生成用於幹涉儀的測量輻射；以及角度測量功能，其用於確定束定向單元相對於基部的取向。在該情況下，幹涉儀雷射束源實施為雷射二極體，其中，雷射二極體實施為能夠以定義的發射波長和至少IOm的相干長度以縱向單模方式生成測量輻射，特別地，其中，能夠藉助於幹涉儀確定至少IOm的相干長度。特別地，雷射二極體能夠在該情況下實施為能夠以至少20m，特別地至少50m的相干長度生成測量福射。
[0015]雷射二極體具有波長選擇組件，其被布置為能夠以定義的發射波長和至少IOm的相干長度以縱向單模方式生成測量福射。
[0016]利用雷射追蹤器的幹涉儀的特定雷射二極體的根據本發明的使用提供了相關的空間要求方面的優點，這與HeNe氣體雷射器相比，是特別小的，然而，與長相干長度相關。此外，與這樣的能夠確實類似地提供具有適合的相干長度的測量輻射的氣體雷射源相反地，不要求高電壓供應來用於二極體的操作。此外，該種的雷射二極體具有較低的能耗。
[0017]根據雷射追蹤器的根據本發明的一個特定實施方式，雷射二極體具有第一諧振器單元，其定義能夠由雷射二極體生成的共同地出現的多個雷射模式，其中，藉助於每個雷射模式，定義分別不同的模式波長，並且能夠生成具有不同模式波長的二極體輻射。在該情況下，波長選擇組件實施為其用作第二諧振器單元並且能夠藉助于波長選擇組件與雷射二極體的相互作用來從多個雷射模式中提取主雷射模式。結果，二極體輻射能夠被發射為僅具有主雷射模式的縱向單模測量輻射並且限定了測量輻射的相干長度，特別地，其中，波長選擇組件實施為光學光柵。
[0018]利用幹涉儀的本發明的使用要求幾十米的能夠由二極體發射的雷射輻射的長相干長度。為了提供這樣的相干，根據本發明使用的雷射二極體或二極體雷射器能夠具有波長選擇設備，例如，
[0019]分布式反饋雷射器(DFB)(具有周期性結構活動介質，例如，光柵)，
[0020]分布式布拉格反射器雷射器(DBR)(具有位於活動介質之外但是布置在公共晶片上的光學光柵)，
[0021]光纖布拉格光柵雷射器(FBG)(基本上根據DFB雷射器，但是具有位於外部光纖中的光柵)，
[0022]外部腔二極體雷射器(ECDL)(藉助於外部高度穩定的腔(例如，具有全息光柵)穩定雷射二極體)，
[0023]二極體泵浦固態雷射器(DPSS)，
[0024]離散模式雷射器(DMD)和/或
[0025]微晶片雷射器
[0026]能夠用作束源。在該情況下，束源實施為所發射的雷射束在波長方面為具有多個IOm的大小的相干長度(或< IMHz的線寬)的單模。因此，在本發明的情況下，波長選擇組件，特別地，光學光柵能夠用於生成單模測量輻射。
[0027]關於由二極體發射的波長，能夠位於可見光學範圍(特別地位於「紅波長範圍」)內或位於近紅外範圍內的發射光譜範圍是有利的。因此，根據本發明的測量輻射的發射波長能夠處於600nm與700nm之間，特別地處於630nm與635nm之間，或者處於850nm與900nm之間，特別地處於850nm與855nm之間，或者處於892nm與896nm之間。在發射波長處於可見波長範圍內(例如，處於630與635nm之間)的一個實施方式中，從二極體發射的紅雷射能夠不僅用於幹涉儀測量而且用作標記光。藉助於在目標對象上生成紅點，能夠視覺地為雷射追蹤器的用戶做出視覺可見的瞄準點。
[0028]雷射二極體的指導形成了本發明的另一方面。在該方面，根據本發明，雷射追蹤器能夠具有控制單元，並且雷射二極體能夠實施為測量輻射的發射波長在特定發射波長範圍內以縱向單模方式變化。在該情況下，發射波長能夠根據雷射二極體的溫度的變化和/或雷射二極體處存在的電流的變化而以由控制單元控制的方式變化。此外，雷射二極體能夠由控制單元驅動從而測量輻射的發射功率是可變的。
[0029]藉助於在特定範圍內改變波長的可能性，發射的波長以單模方式存在，即，基本上具有特定的較銳地定義的波長(小的線寬)，能夠為發射波長提供可調整的特別是沒有跳模的波長範圍。藉助於該特定範圍，輻射能夠被額外地調整到由波長穩定單元限定的吸收線。
[0030]根據本發明，為此，雷射追蹤器具有波長穩定單元，用於穩定由雷射二極體生成的測量輻射，使得發射波長在定義的波長範圍內連續地存在，特別地，其中，波長穩定單元被實施為吸收單元。這樣的穩定化對於雷射二極體用作用於幹涉儀的光源的使用來說是有利的，或者能夠根據源的束量而需要。例如，波長穩定單元能夠實施為具有定義的吸收線的外部氣體單元(吸收單元)(例如，用於633nm的碘單元)。
[0031]此外，根據本發明，雷射追蹤器能夠具有用於將波長穩定單元連接到幹涉儀雷射束源的光學連接光纖。在該方面，藉助於雷射束源生成的輻射能夠由連接光纖引導到波長穩定單元並且耦合到所述波長穩定單元。
[0032]關於從生成束源向束定向單元行進的測量輻射的引導以及接下來的發射，根據本發明，雷射追蹤器能夠通常具有至少一個光纖，其中，能夠由光纖引導測量輻射，特別地能夠引導到幹涉儀，特別地，其中，能夠由雷射二極體生成的測量輻射耦合到光纖。另外，因此可能的是，測量輻射能夠藉助於光纖耦合到束定向單元。
[0033]藉助於由光纖引導的束，例如，諸如波長穩定單元或束源的光學組件能夠被布置在雷射追蹤器的不同部分中。在該方面，束源能夠例如集成到基部中或者追蹤器的支撐部中並且穩定單元能夠集成在目標確定單元中(或反之亦然)。關於追蹤器的結構構造的靈活性能夠因此增加。
[0034]此外，關於追蹤器的構造，根據本發明，雷射追蹤器能夠具有相對於基部繞豎直軸樞轉的支撐部，並且束定向單元實施為可相對於支撐部繞傾斜軸樞轉的目標確定單元。在這樣的實施方式中，能夠藉助於支撐部相對於基部的基本上水平(方位角)樞轉和目標確定單元相對於支撐部的基本上垂直(elevative)樞轉來對齊雷射束。此外,能夠藉助於由伺服馬達提供的這樣的樞轉根據反射目標(例如，接觸感測工具上的反向反射器)的位置的變化來引導測量束。
[0035]根據本發明，在該情況下，雷射二極體能夠布置在目標確定單元中，其中相關的空間節省(與之前使用的氣體雷射束源相比)能夠構成關於雷射追蹤器的構造設計的顯著優勢。[0036]本發明的另一方面涉及一種關於目標的準確距離的確定。為此，雷射追蹤器能夠額外地具有絕對距離測量單元，用於確定相對於目標的距離，特別地，根據飛行時間測量原理和/或根據相位測量原理和/或根據菲佐原理。此外，能夠以根據藉助於絕對距離測量單元確定的距離和由距離測量單元確定的距離的變化來確定關於目標的準確距離。通過考慮幹涉儀的和距離測量裝置(絕對距離測量裝置)的測量，能夠確定並連續地更新關於目標的準確距離。在該情況下，幹涉儀提供了高度準確的距離測量值。兩個距離測量設備能夠均具有束源，特別地具有不同的發射波長(例如，根據分別安裝的檢測器)。
[0037]此外，本發明涉及為生成具有定義的發射波長和至少10m，特別地至少20m或50m的相干長度的縱向單模測量輻射而設計的雷射二極體的使用，該雷射二極體在用於利用幹涉儀藉助於能夠由雷射二極體產生的測量輻射確定相對於目標的距離的變化的雷射追蹤器的實施為幹涉儀的距離測量單元中使用。
[0038]雷射二極體或幹涉儀束源以及束影響組件(例如，波長穩定單元)能夠在本發明中在不同實施方式中示出。在該方面，例如，能夠生成可視紅(例如，633nm附近)的波長穩定雷射輻射，其中，能夠實現與已經可用的系統組件(例如，反向反射器)的高兼容性，並且此外，不需要額外的可視指示器。光源和吸收單元(用於穩定波長)能夠在空間上分離(例如，追蹤器的望遠鏡中的光源)，並且經由光纖連接到支撐部中的吸收單元。
[0039]在另外的實施方式中，雷射二極體能夠被設計用於發射可見的非波長穩定的輻射。這樣的非穩定的雷射輻射能夠例如用於基準幹涉儀中的輻射供應(與絕對距離測量裝置一起)。特別地，在該情況下，不要求當前波長的準確了解(這能夠在測量中足夠準確地確定)。由於這需要僅對於若干毫秒的絕對距離測量保持恆定，因此波長的長期漂移不構成問題，並且藉助於電流的純波長穩定和光源的溫度穩定是足夠的。
[0040]另外，通過基準幹涉儀，在絕對距離測量裝置(例如，測量速率為50Hz)的兩次測量之間的時間中，能夠以更高測量速率(例如，1000Hz)執行測量，其中，在每次絕對距離測量時連續地確定當前幹涉儀波長，並且在之間執行插值。
[0041]該實施方式在能夠在該情況下使用的非常緊湊的幹涉儀光源的空間要求方面是非常有利的。此外，作為變形，能夠因此使用非可見光波長，提供額外的可見光指示器。
[0042]另外的實施方式涉及關於測量輻射的雷射追蹤器的構造，所述輻射具有為最小吸收單元而優化的波長(例如，Rb、Cs:780nm、795nm、852nm、894nm)並且是波長穩定的。因此能夠實現光學組件的顯著更小的空間要求(與紅波長範圍相比)。
[0043]此外，在另外的實施方式中，輻射能夠具有望遠鏡範圍中的波長或者具有幾米的相干長度的任意波長，並且能夠是波長穩定的。該實施方式與在紅波長範圍中發射的可與其使用的波束和穩定單元相比在特定空間要求方面提供了優點。
[0044]此外，本發明涉及一種用於藉助於具有雷射追蹤器的幹涉儀確定相對於目標的距離的變化的方法。在該情況下，雷射追蹤器包括定義豎直軸的基部和用於發射測量輻射並且用於接收在目標處反射的測量輻射的至少一部分的束定向單元，其中，束定向單元能夠以馬達驅動的方式相對於基部繞豎直軸和基本上與豎直軸正交的傾斜軸樞轉。此外，距離測量單元被實施為幹涉儀並且用於藉助於幹涉儀確定相對於目標的距離的變化，並且幹涉儀雷射束源用於生成用於幹涉儀的測量輻射。此外，該方法包括發射測量輻射，接收在目標處反射的測量輻射的至少一部分並且確定相對距離。在該情況下，幹涉儀雷射束源被實施為雷射二極體，並且此外，雷射二極體被實施為以定義的發射波長和至少IOm的相干長度以縱向單模方式生成測量輻射。特別地，雷射二極體能夠實施為以至少20m，特別地至少50m的相干長度生成測量福射。
[0045]根據本發明的方法能夠包括由雷射二極體生成的測量輻射被以發射波長在定義的波長範圍內連續地存在的方式穩定。
[0046]在下面基於在附圖中示意性地示出的具體示例性實施方式藉助於示例更詳細地描述根據本發明的設備和根據本發明的方法，還討論本發明的進一步的優點。在附圖中，具體地:
[0047]圖1示出了根據現有技術的雷射追蹤器中的相機和用於確定距離的光學組件的布置；
[0048]圖2示出了根據本發明的包括幹涉儀和用於生成用於幹涉儀的測量輻射的雷射二極體的雷射追蹤器；
[0049]圖3示出了雷射二極體作為雷射追蹤器中的用於幹涉儀的束源的光學組件的根據本發明的布置的第一實施方式；
[0050]圖4示出了包括雷射二極體作為用於幹涉儀的束源和光學波導的雷射追蹤器的根據本發明的測量光學單兀的又一實施方式；
[0051]圖5示出了具有用於雷射追蹤器的雷射二極體的幹涉儀布置的根據本發明的構造;
[0052]圖6示出了包括用於生成用於幹涉儀的測量輻射的具有波長穩定單元的雷射二極體的雷射追蹤器的根據本發明的測量光學單元的又一實施方式；
[0053]圖7示出了包括雷射二極體、波長穩定單元和光學波導的根據本發明的測量光學單元的又一實施方式；以及
[0054]圖8示出了用於利用根據本發明的雷射追蹤器中設置的雷射二極體生成測量輻射並且具有波長選擇組件的示意圖。
[0055]圖1示出了根據現有技術的包括利用雷射追蹤器中的相機150確定距離的組件和單獨的HeNe雷射源110的光學系統100。
[0056]具有雷射二極體131的絕對距離測量裝置130和幹涉儀120與相機150 (特別地，變焦相機)一起放置為在系統100的移動期間(例如，在承載系統100的整個構造171的樞轉期間)同時移動，並且它們的取向因此一起改變。在該情況下，相機150具有專用光學單元，其具有基本上平行於對於絕對距離測量裝置130和幹涉儀布置120來說公共的光學軸161的光學軸162。
[0057]相反地，HeNe雷射器110單獨地安裝在基部單元172 (例如，支撐部或固定基部)上，並且沒有伴隨著構造171而移動，而是使得藉助於光學波導109生成的測量輻射對於系統100 (特別地，對於幹涉儀120)來說是可用的。
[0058]能夠藉助於絕對距離測量裝置130確定相對於目標的距離，其中，能夠藉助於考慮的幹涉儀120的測量連續地確定相對於目標的準確距離和距離變化。
[0059]圖2示出了包括圖像檢測單元75和輔助測量裝置80 (例如，接觸感測工具)的根據本發明的雷射追蹤器70。為了確定傳感器上或檢測圖像中傳感器露出的位置，圖像檢測單元75具有CMOS或者實施為CCD或像素傳感器陣列相機。這樣的傳感器允許檢測到的暴露的位置敏感檢測。此外，輔助測量裝置80具有傳感器，其接觸點83能夠被使得與待測量的目標對象接觸。在存在接觸感測工具80與目標對象之間的該接觸時，能夠準確地確定空間中的接觸點的位置並且因此目標對象上的點的坐標。藉助於定義的接觸點83相對於反射器81並且相對於布置在輔助測量裝置80上的標記82 (其標記能夠實施為例如發光二極體)的相對定位來影響該確定。替選地，標記82也能夠實施為使得在例如利用具有定義的波長的輻射的照射時，所述標記反射入射的輻射(實施為反向反射器的輔助點標記82)，特別地展示出特定發光特性，或者所述標記具有定義的圖案或顏色編碼。能夠從藉助於圖像檢測單元75的傳感器檢測到的圖像中標記82的位置或分布來確定接觸感測工具80的取向。
[0060]為了確定位置，由雷射追蹤器70在布置在輔助測量裝置80上的反射器81的方向上發射此類昂雷射束76從其以平行方式反射回追蹤器70並且由追蹤器70上的接收單元接收。雷射追蹤器70具有距離測量裝置，用於確定追蹤器70與反射器81之間的距離，和測角器，其使得能夠確定束定向單元的位置，藉助於該測角器，能夠以定義的方式取向和引導雷射束76，並且因此，確定雷射束76的傳播方向。雷射束76能夠藉助於束定向單元(特別地，目標確定單元)或鏡的樞轉來取向雷射束76，在束定向單元中安裝有束引導光學單元並且特別地至少一個束源。
[0061]為了確定從雷射追蹤器70到反射器81的距離，絕對距離測量裝置，特別地用於確定追蹤器70與反射器81之間的距離變化、幹涉儀集成到追蹤器70中。絕對距離測量裝置具有用於生成測量輻射的第一雷射二極體，並且因此使得能夠例如藉助於飛行時間測量，根據相位測量原理或者菲佐原理來確定相對於目標或反射器81的距離。根據本發明，通過第二雷射二極體來向幹涉儀提供另外的測量輻射。在該情況下，能夠在雷射二極體處發射所述測量輻射使得所述輻射直接進入幹涉儀或者能夠藉助於光學波導引導到幹涉儀並且耦合到所述幹涉儀。在該情況下，第二雷射二極體被構造為能夠生成的測量輻射是單模的並且具有長的相干長度，特別地為至少10m，優選地為50m。為了準確距離確定，能夠一起使用和組合兩個距離測量裝置的測量。
[0062]用於雷射追蹤器70中的幹涉儀的具有長相干長度的雷射二極體的這樣的使用的優點在於例如，在雷射二極體的空間要求方面(其顯著小於構成替代束源的HeNe氣體雷射器)，在相對低功耗方面，在系統啟動之後快速產生二極體的測量束髮射，以及在免除高電壓供應(例如，HeNe氣體雷射器所要求的)的可能性。
[0063]圖3示出了雷射二極體20作為雷射追蹤器中的光學系統I的幹涉儀10的束源的光學組件的根據本發明的布置。此外，系統I具有絕對距離測量裝置30 (ADM)，其具有另外的束源31，例如，雷射二極體或SLED (超亮LED)和相機50。
[0064]從絕對距離測量裝置30的束源31發出的光束通過用於屏蔽返回光的隔離器32弓丨導到偏振分束器33並且從其通過光電調製器34到達波長相關分束器41。具有波長相關分束的這樣的分束器41特別地在兩個光源20、31的不同發射波長的情況下使用。返回光被引導通過偏振分束器33到達絕對距離測量裝置30中的ADM檢測器35。特別地，在該情況下，還能夠使用其中測量光束能夠通過例如波長相關分束器41耦入和耦出的其它ADM布置和方法。在W003/062744A1中公開了這樣的距離測量裝置的一個示例。原則上，這裡和本發明的其它實施方式中也能夠使用諸如例如相位測量裝置的其它類型的ADM。[0065]根據本發明，幹涉儀10使用由雷射二極體20生成的光。在所示的實施方式中，所述二極體20被直接布置在系統I處，所述二極體生成具有長相干長度(單頻)的縱向單模雷射輻射。因此生成的測量輻射由分束器11分為參考光路徑12和測量光路徑。測量光路徑導向聲光調製器13並且與參考光路徑一起入射在偏振分束器14上。偏振分束器14將測量輻射進一步引導到波長相關分束器41並且將返回的測量光與參考光經由偏振濾波器15導向幹涉儀檢測器16。這樣的幹涉儀10的操作的方法基本上是已知的並且基于波幹涉原理。特別地，還能夠使用其它的幹涉儀布置和方法，其中，測量輻射能夠通過例如波長相關分束器41耦入和耦出。在W003/062744A1中公開了這樣的幹涉儀的一個示例。原則上，在本發明的其它實施方式中也能夠使用其它類型的幹涉儀(例如，具有正交檢測的麥可孫)。
[0066]此外，光學系統I具有λ /3板43和組件42，其將從外部沿著由絕對距離測量裝置30和幹涉其10使用的公共光學軸61入射在系統I中的光並且耦出所述光的第一部分到總覽相機並且將第二部分耦出到位置換能器。總覽相機能夠具有專用光學單元和圖像轉換器。在該情況下，總覽相機通常具有例如大約10°的孔徑角度和30-50mm的焦距，並且用於測量目標的粗略定位。
[0067]為了檢測反射目標，系統能夠額外地優選地具有反射器照明，其具有特定照射波長以照射優選地至少等於總覽相機的孔徑角度的角度範圍。
[0068]總覽相機的評估電子單元和/或評估軟體然後例如檢測在每個情況下對應於反射目標的總覽相機的視野中的一個或更多個亮光點。能夠從其確定總覽相機的圖像中的位置並且從其確定輔助測量裝置(例如，接觸感測單元或掃描器)的目標的取向的變化，從而雷射追蹤器或系統I和距離測量裝置或裝置10、30的光束能夠與目標對準。因此，能夠因此實現自動目標檢測和距離測量裝置10、30對於目標的「鎖定」，即連續追蹤。
[0069]用於位置換能器的光部分通常是由距離測量裝置10、30中的一個(優選地由幹涉儀布置10)發射的返回光束。位置換能器能夠具有專用光學單元，並且例如，位置敏感二極體。後者提供表示位置敏感二極體的區域上二維的光的位置。特別地，為此，還能夠使用具有分配的數位訊號處理的傳感器陣列或圖像轉換器(例如，CCD或CMOS)用於位置確定。控制單元能夠根據確定的位置控制雷射追蹤器的對準，從而測量束跟隨反射目標的移動。
[0070]此外，相機50能夠利用集成的圖像轉換器檢測對象的標記。基於標記的成像，例如藉助於圖像處理來確定對象的取向，其中，相機50的變焦因數能夠額外地控制為使得目標在圖像轉換器上的成像基本上始終具有相同大小。為此，相機50能夠例如具有焦距50至500mm倍率的10倍變焦。
[0071]圖4示出了包括雷射二極體20作為用於幹涉儀10和光學波導9的束源的雷射二極體20的雷射追蹤器的根據本發明的測量光學單元I的另一實施方式。在該情況下，雷射二極體20被再次提供用於生成用於雷射追蹤器的幹涉儀10的測量輻射。額外地提供變焦相機50。
[0072]在該情況下，雷射二極體20實施為使得能夠利用其生成具有高相干長度(特別地至少IOm的相干長度)和小於IMHz的線寬的測量輻射。為此，雷射二極體具有波長選擇裝置，例如，活動雷射介質的周期性結構(光學光柵)、活動介質之外的安裝在同一晶片上的光柵，或者具有發射的雷射輻射以縱向單模方式存在並且因此具有特定的窄線寬(單模雷射)的效果的外部光纖9中的光柵結構。此外，能夠藉助於高度穩定的外部腔或者藉助於與二極體20結合的全息光柵來生成適合的束特性。
[0073]根據上述構造的雷射二極體20有利地具有線性偏振的633nm(可見紅光譜範圍)的發射波長，為單模並且具有至少IOm的相干長度。在該情況下，輻射的發射功率超過
0.5mW，並且在二極體20的整個壽命(< 0.3ppm)具有較大的波長穩定性。
[0074]特別地，基於能夠因此生成的具有633nm的波長的輻射，測量束能夠同時用作定位束(因為其能夠免除用於視覺的標記點的額外的束源)。
[0075]由雷射二極體20生成的輻射藉助於光學波導9耦入到幹涉儀10。為此，提供了用於將光纖9連接到幹涉儀10的準直器8。幹涉儀10的構造與根據圖3的根據本發明的上述實施方式類似，但是參考路徑12由鋼分束器17引導到檢測器16並且測量路徑18由鋼分束器11引導。此外，聲光調製器13用於頻率變化並且作為光學隔離器。此外，雷射追蹤器具有絕對距離測量裝置30，其具有一般典型的光學組件(束源、檢測器、隔離器等等)。
[0076]雷射追蹤器具有兩個分離的單元71、72。相機50、絕對距離測量裝置30和幹涉儀10被與特別地束引導組件一起布置在束定向單元71上。該束定向單元71能夠根據雷射追蹤器的實施方式不同地實施為例如結構上集成的目標確定單元或者作為束引導單元(例如，可旋轉的鏡)，其具有測量單元，該測量單元具有絕對距離測量裝置30和幹涉儀10。此夕卜，束定向單元71能夠實施為獨立於基部單元72的取向或對準能夠繞兩個軸移動，特別地樞轉。作為這樣的分離的結果，如所示的實施方式中實現的，實施為幹涉儀束源的雷射二極體20能夠存在於基部單元72中，生成的輻射能夠藉助於光纖9耦入到束定向單元71，並且相對於基部72的束定向單元71的對準或者相機50的光學軸61、62的對準以及距離測量裝置10、30的對準能夠改變。
[0077]特別地，作為該結構分離的結果，能夠減少束定向單元71中的組件所需要的空間要求並且能夠將用於所獲蘇雷射二極體的控制組件和可能的電源能夠從束定向單元71轉移到基部72。
[0078]圖5示出了具有用於雷射追蹤器的雷射二極體20的幹涉儀布置的根據本發明的基本構造。藉助於雷射二極體，生成了具有至少10m(優選地50m)的相干長度的(縱向)單模測量輻射，該輻射首先在參考路徑12上並且然後在返迴路徑19上由分束器引導。輻射被導向反射目標25並且在其處反射。此外，聲光調製器13被布置在返迴路徑19中。在該情況下，目標25構成了可移動目標26，其中，可以藉助於幹涉儀檢測器16確定和測量的相對於幹涉儀的距離的變化。為此，基準輻射和測量輻射交疊在幹涉儀檢測器16上，作為哪些束幹擾和允許讀出測量值的結果。
[0079]圖6示出了包括作為用於生成用於具有波長穩定單元21的幹涉儀10的測量輻射的幹涉儀束源的雷射二極體20的雷射追蹤器的根據本發明的測量光學單元I的又一實施方式。此外，還提供具有另外的光源31 (優選地實施為雷射二極體或SLED)的絕對距離測量裝置30和相機50。
[0080]波長穩定單元21用於實現測量輻射到波長標準(例如，大約633nm的吸收線(例如，使用碘單元))的穩定。一般來說，波長穩定單元21能夠具有用於穩定的氣體單元。特別地，能夠使用不同的穩定方法用於穩定，因此，例如同步檢測(中央吸收線附近的光學頻率的調製)、「線側」方法或藉助於恆定光學頻率(利用磁性調製)的塞曼效應的穩定。在該情況下，「線側」方法基於藉助於具有對應於氣體單元的對應的吸收線的最大梯度的吸手指的吸收的穩定(例如，具有大約40%吸收的穩定)。
[0081]對於這樣的穩定，雷射二極體20提供了具有可以無跳模的方式調整的波長範圍的光，從而能夠在波長方面有效地調整到想要的吸收線。生成的雷射額外地具有長相干長度(至少10m，特別地，50m)。
[0082]圖7示出了包括用於生成用於幹涉儀10的測量輻射的雷射二極體20、波長穩定單元21和用於引導雷射輻射的光學波導9a、9b的雷射追蹤器的根據本發明的測量光學單元I的另外的實施方式。由二極體20生成的單模雷射輻射由光學光纖9a引導到波長穩定單元21。所述穩定單元21具有將雷射輻射的波長較大地保持恆定的效果。以該方式穩定的輻射由另外的光學光纖％從波長穩定單元21向幹涉儀10引導。基於因此以高相干長度和波長穩定性生成的測量輻射，能夠由幹涉儀10以高精度執行距離變化的測量。
[0083]與絕對距離測量裝置30的距離測量一起，利用以該方式實施的雷射追蹤器似的能夠進行相對於目標的距離變化的檢測和非常準確的距離確定。與根據圖4的實施方式類似地，利用藉助於光學光纖％連接的兩個單元71、72來實現雷射追蹤器的距離雷射二極體20和波長穩定單元21與距離測量裝置10、30和相機50的空間(特別地結構上)的分離。
[0084]圖8示出了根據本發明的具有波長選擇組件的雷射追蹤器提供的雷射二極體生成測量輻射的示意圖。
[0085]雷射二極體通常具有具有若干納米的帶寬的增益介質(雷射介質)和雷射諧振器。基於諧振器長度(由於這樣的二極體的空間尺寸，使得其通常為最大幾毫米的大小的量級)，在亞納米範圍中由二極體生成的諧振器模式91的間隔因此被限定。這似的能夠同時發出多個模式91，也就是說，生成了具有多個模式91 (多模)的雷射輻射。
[0086]在本發明的情況下，雷射二極體與額外的波長敏感裝置一起使用。結果。能夠生成波長相關光學反饋，其結果似的所述裝置用作具有其它模式92a_c的額外的諧振器。
[0087]藉助於這樣的布置了 「發出雷射」，即，僅下述頻率處生成雷射輻射，在所述頻率處受限影響基於雷射的光放大(例如，這樣的雷射二極體的增益分布93)並且同時(在同一頻率)存在雷射諧振器的模91和額外的光學反饋裝置(波長選擇裝置)的模92a-c。因此選擇雷射諧振器的單模91。示出了具有比二極體的諧振器長度長的更多的諧振器長度的波長選擇裝置的效果。因此出現僅在增益範圍內由裝置限定的模92b。
[0088]還能夠想到替選方案(這裡未示出)，其中，使用更短的外部諧振器，從而其模間隔可與雷射二極體相比。利用因此定義的模的銳度足夠好並且模在兩個諧振器中沒有完全相同的條件，在該情況下，還能夠僅實現增益範圍中的公共模並且因此用於單模操作。
[0089]不用說的是，這些示出的附圖僅示意性地示出了可能的示例性實施方式。根據本發明，現有技術中的各種方法能夠類似地彼此組合併且還與用於測量距離變化的幹涉方案組合，與用於確定距離的方法組合，並且與通用的測量裝置(特別地，雷射追蹤器)組合。根據本發明的各方面也能夠在諸如總站和視距儀的大地測量裝置中使用。
【權利要求】
1.一種雷射追蹤器(70)，所述雷射追蹤器用於連續地追蹤反射目標(25，81)並且用於確定相對於所述目標(25，81)的距離，所述雷射追蹤器包括: 基部(72)，所述基部限定豎直軸， 束定向單元(71)，所述束定向單元用於發射測量輻射並且用於接收在所述目標(25，81)處反射的測量輻射的至少一部分，其中，所述束定向單元(71)能夠以馬達驅動的方式相對於所述基部(72)繞所述豎直軸和與所述豎直軸基本上正交的傾斜軸樞轉， 距離測量單元(10)，所述距離測量單元實施為幹涉儀(10)並且用於利用幹涉測量法確定相對於所述目標(25，81)的距離的變化， 幹涉儀雷射束源(20)，所述幹涉儀雷射束源用於生成用於所述幹涉儀(10)的測量輻射(76)，以及 角度測量功能，所述角度測量功能用於確定所述束定向單元(71)相對於所述基部(72)的取向， 其特徵在於 所述幹涉儀雷射束源(20)實施為雷射二極體(20)，並且所述雷射二極體(20)具有波長選擇組件，所述波長選擇組件被布置為能夠以定義的發射波長和至少IOm的相干長度以縱向單模方式生成測量輻射(76)，特別地，其中，能夠藉助於所述幹涉儀(10)確定至少IOm的所述相干長度。
2.根據權利要求1所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於， 所述雷射二極體具有第一諧振器單元，所述第一諧振器單元定義能夠由所述雷射二極體生成的共同地出現的多個雷射模式，其中，藉助於每個雷射模式，定義分別不同的模式波長，並且能夠生成具有不同模式波長的二極體輻射， 所述波長選擇組件實施為其用作第二諧振器單元並且能夠藉助於所述波長選擇組件與所述雷射二極體的相互作用來從所述多個雷射模式中提取主雷射模式，並且 所述二極體輻射能夠被發射為僅具有所述主雷射模式的縱向單模測量輻射(76)從而限定了所述測量輻射(76)的相干長度和發射波長， 特別地，其中，所述波長選擇組件實施為光學光柵。
3.根據權利要求1或2所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於， 所述雷射二極體(20)實施為 分布式反饋雷射器， 分布式布拉格反射器雷射器， 光纖布拉格光柵雷射器， 外腔二極體雷射器， 二極體泵浦固態雷射器， 離散模式雷射器或 微晶片雷射器。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於所述測量輻射(76)的所述發射波長處於600nm與700nm之間，特別地處於630nm與635nm之間，或者處於850nm與900nm之間，特別地處於850nm與855nm之間，或者處於892nm 與 896nm 之間。
5.根據權利要求1至4中的任一項所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於 所述雷射追蹤器(70)具有控制單元，並且所述雷射二極體(20)實施為所述測量輻射(76)的所述發射波長在特定發射波長範圍內以縱向單模方式變化，特別地，其中，所述發射波長能夠根據所述雷射二極體(20)的溫度的變化和/或所述雷射二極體(20)處存在的電流的變化而以由所述控制單元控制的方式變化。
6.根據權利要求5所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於，所述雷射二極體(20)能夠由所述控制單元驅動從而所述測量輻射(76)的所述發射功率是可變的。
7.根據權利要求1至6中的任一項所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於 所述雷射追蹤器(70)具有波長穩定單元(21)，所述波長穩定單元用於穩定由所述雷射二極體(20)生成的測量輻射(76)，使得所述發射波長在定義的波長範圍內連續地存在，特別地，其中，所述波長穩定單元(21)被實施為吸收單元，特別地，其中，所述雷射追蹤器(70)具有光學連接光纖(9a)，所述光學連接光纖用於將所述波長穩定單元連接到所述幹涉儀雷射束源(20)。
8.根據權利要求1至7中的任一項所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於 所述雷射追蹤器(70)具有至少一個光纖(9，9a，9b)，其中，能夠由所述光纖(9，9a，9b)引導所述測量輻射(76)，特別地能夠引導到所述幹涉儀(10)，特別地，其中，能夠由所述雷射二極體(20)生成的所述測量輻射(76)耦合到所述光纖(9，9a，9b)。
9.根據權利要求8所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於 所述測量輻射(76)能夠藉助於所述光纖(9，9a，9b)耦合到所述束定向單元(71)。
10.根據權利要求1至9中的任一項所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於 所述雷射追蹤器(70)具有能夠相對於所述基部(72)繞所述豎直軸樞轉的支撐部，並且所述束定向單元(71)實施為能夠相對於所述支撐部繞所述傾斜軸樞轉的目標確定單元，特別地，其中，所述雷射二極體(20)被布置在所述目標確定單元中。
11.根據權利要求1至10中的任一項所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於 所述雷射追蹤器(70)額外地具有絕對距離測量單元(30)，所述絕對距離測量單元用於確定相對於所述目標(25，81)的距離，特別地，根據飛行時間測量原理和/或根據相位測量原理和/或根據菲佐原理來確定相對於所述目標(25，81)的距離。
12.根據權利要求11所述的雷射追蹤器(70)， 其特徵在於能夠以根據藉助於所述絕對距離測量單元(30)確定的距離和由所述距離測量單元(10)確定的距離的變化的方式來確定相對於所述目標(25，81)的準確距離。
13.—種在雷射追蹤器(70)的距離測量單元(10)中為生成縱向單模測量輻射(76)而設計的雷射二極體(20)的使用，所述縱向單模測量輻射具有 定義的發射波長以及 至少IOm的相干長度， 所述距離測量單元實施為幹涉儀(10)，所述雷射追蹤器用於藉助於能夠由所述雷射二極體(20)生成的所述測量輻射(76)利用幹涉測量法確定相對於目標(25，81)的距離的變化。
14.一種用於利用雷射追蹤器(70)利用幹涉測量法確定相對於目標(25，81)的距離的變化的方法，所述雷射追蹤器包括 基部(72)，所述基部限定豎直軸， 束定向單元(71)，所述束定向單元用於發射測量輻射(76)並且用於接收在所述目標(25,81)處反射的測量輻射的至少一部分，其中，所述束定向單元(71)能夠以馬達驅動的方式相對於所述基部(72)繞所述豎直軸和基本上與所述豎直軸正交的傾斜軸樞轉， 距離測量單元(10)，所述距離測量單元實施為幹涉儀(10)並且用於利用幹涉測量法確定相對於所述目標(25，81)的距離的變化， 幹涉儀雷射束源(20)，所述幹涉儀雷射束源用於生成用於所述幹涉儀(10)的測量輻射(76)， 並且所述方法包括 發射所述測量輻射(76)， 接收在所述目標(25，81)處反射的所述測量輻射的至少一部分，以及 確定所述相對距離， 其特徵在於，所述幹涉儀雷射束源(20)被實施為雷射二極體(10)，並且，所述雷射二極體(20)具有波長選擇組件，所述波長選擇組件被布置為以定義的發射波長和至少IOm的相干長度以縱向單模方式生成所述測量輻射(76)。
15.根據權利要求14所述的方法， 其特徵在於 由 所述雷射二極體(20)生成的所述測量輻射(76)被穩定為所述發射波長在定義的波長範圍內連續地存在。
【文檔編號】G01S17/66GK103930796SQ201280053691
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年11月2日 優先權日:2011年11月3日
【發明者】T·魯斯, B·伯克姆 申請人:萊卡地球系統公開股份有限公司