專(zhuān)利名稱(chēng)：窗口遮蓋的后向反射器的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及例如可用于坐標(biāo)測(cè)量的后向反射器目標(biāo)。
背景技術(shù)：
有一類(lèi)儀器通過(guò)向與點(diǎn)接觸的后向反射器目標(biāo)發(fā)射激光束測(cè)量該點(diǎn)的坐標(biāo)。該儀器通過(guò)測(cè)量到后向反射器目標(biāo)的距離和兩個(gè)角確定點(diǎn)的坐標(biāo)。普通型的后向反射器目標(biāo)包括嵌在金屬球體內(nèi)的立方角錐后向反射器，立方角錐的頂點(diǎn)在球體的中心。這類(lèi)后向反射器目標(biāo)通常稱(chēng)作球形安裝后向反射器(SMR)。立方角錐后向反射器由三個(gè)相互垂直的面形成。這些面可以由三個(gè)垂直的鏡面(無(wú)遮蓋立方角錐)或玻璃棱鏡的三個(gè)垂直表面(實(shí)心立方角錐)構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
實(shí)施方式包括調(diào)整激光后向反射器以補(bǔ)償穿過(guò)后向反射器窗口的激光的方法，該方法包括確定調(diào)整因數(shù)以補(bǔ)償由于激光穿過(guò)后向反射器窗口導(dǎo)致的傳播誤差；根據(jù)調(diào)整因數(shù)調(diào)整后向反射器反射點(diǎn)的位置以最小化傳播誤差。
實(shí)施方式包括激光后向反射器裝置，該裝置包括使激光穿過(guò)照射到后向反射器的窗口，位于后向反射器上用于在激光穿過(guò)窗口后反射激光的反射點(diǎn)，其中反射點(diǎn)位于所選位置以最小化由于激光穿過(guò)窗口引起的激光傳播誤差。
實(shí)施方式包括調(diào)整激光后向反射器以補(bǔ)償穿過(guò)后向反射器窗口的激光的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括確定調(diào)整因數(shù)以補(bǔ)償由于激光穿過(guò)后向反射器窗口導(dǎo)致的傳播誤差的裝置；根據(jù)調(diào)整因數(shù)調(diào)整后向反射器反射點(diǎn)的位置以最小化傳播誤差的裝置。
實(shí)施方式包括一個(gè)或多個(gè)其中具有計(jì)算機(jī)可讀指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令時(shí)，指令使計(jì)算機(jī)確定調(diào)整因數(shù)以補(bǔ)償由于激光穿過(guò)后向反射器窗口導(dǎo)致的傳播誤差，并根據(jù)調(diào)整因數(shù)確定后向反射器反射點(diǎn)的位置以最小化傳播誤差。


參考示例性而非限定性的附圖，實(shí)施方式將僅通過(guò)實(shí)例的方式描述，圖中相同的元件以相同的數(shù)字表示，其中圖1(a)是現(xiàn)有技術(shù)的后向反射器。
圖1(b)是后向反射器實(shí)施例的透視圖。
圖1(c)是圖1(b)的后向反射器的剖視圖。
圖2(a)是后向反射器的原理圖。
圖2(b)是具有窗口的后向反射器的原理圖。
圖3是相對(duì)于角A1的徑向誤差曲線(xiàn)圖。
圖4是相對(duì)于角A1的橫向誤差曲線(xiàn)圖。
圖5是相對(duì)于角A1的徑向誤差曲線(xiàn)圖。
圖6是相對(duì)于角A1的橫向誤差曲線(xiàn)圖。
具體實(shí)施例方式
示例性實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)為任何類(lèi)型的無(wú)遮蓋立方角錐后向反射器，球形安裝后向反射器(SMR)即是其實(shí)例之一。在許多進(jìn)行計(jì)量測(cè)量的工廠環(huán)境中，由于加工或其他工作活動(dòng)使大量顆粒物質(zhì)混入空氣。該物質(zhì)覆蓋立方角錐玻璃的表面或集中在玻璃表面之間的邊緣處。當(dāng)累積了足夠的物質(zhì)，入射到后向反射器的激光束可能反射時(shí)功率減弱或波陣面變形。立方角錐的玻璃表面應(yīng)該清理干凈。但是，如果清潔不當(dāng)，玻璃表面可能被劃傷。在一些情況下，難于清理積聚在相鄰玻璃平面結(jié)合的頂點(diǎn)的物質(zhì)。本發(fā)明通過(guò)在后向反射器上放置平面玻璃窗口克服了這些難點(diǎn)。平面窗口可以用最少的勞動(dòng)快速清潔并且如果被破壞容易替換。這增大了后向反射器保持清潔的可能性，并因此降低了由于后向反射器變臟引起測(cè)量誤差的可能性。
在立方角錐后向反射器上放置玻璃窗會(huì)導(dǎo)致一些潛在的問(wèn)題。但是通過(guò)合理設(shè)計(jì)后向反射器組件，誤差可以最小化。以下討論這些設(shè)計(jì)技術(shù)。
圖1(a)是傳統(tǒng)SMR10的透視圖，其包括無(wú)遮蓋立方角錐后向反射器11、球體12和凸緣13。三個(gè)垂直鏡面的表面相交的點(diǎn)稱(chēng)為立方角錐的頂點(diǎn)33。在傳統(tǒng)的SMR10中，頂點(diǎn)33盡可能靠近球體12的中心放置。凸緣13提供對(duì)立方角錐后向反射器11的保護(hù)，其還提供方便操作員的手柄。
受保護(hù)的SMR的透視圖如圖1(b)所示，剖視圖如圖1(c)所示，其包括經(jīng)修改的SMR主體25和保護(hù)外殼30。如傳統(tǒng)SMR10一樣，經(jīng)修改的SMR主體25包括無(wú)遮蓋立方角錐后向反射器11、球體12和凸緣13。但是，在經(jīng)修改的SMR主體中立方角錐的頂點(diǎn)33從球的中心移開(kāi)，其原因?qū)⒃谙旅娼忉?。保護(hù)外殼30包括窗口31和窗口支架32。
圖2(a)是表示傳統(tǒng)SMR10的一部分即無(wú)遮蓋立方角錐后向反射器11的原理圖。射入激光束40以相對(duì)于對(duì)稱(chēng)軸41的角A1進(jìn)入無(wú)遮蓋立方角錐后向反射器，其照射到立方角錐的頂點(diǎn)，在立方角錐的三個(gè)垂直鏡面上反射，并向后回掃光束路徑離開(kāi)后向反射器。
圖2(b)是表示無(wú)遮蓋立方角錐后向反射器11和受保護(hù)SMR20的一部分窗口31的原理圖。在圖中夸大了窗口的厚度T以更清晰地表示玻璃內(nèi)光線(xiàn)的彎曲。激光束40以相對(duì)于對(duì)稱(chēng)軸41的角A1進(jìn)入窗口31。當(dāng)激光束40進(jìn)入窗口31時(shí)，其向內(nèi)彎向窗口表面的法線(xiàn)。當(dāng)其穿過(guò)窗口到達(dá)空氣時(shí)，其遠(yuǎn)離窗口表面的法線(xiàn)向外彎曲，恢復(fù)到原始角度A1。如果沒(méi)有窗口，激光通過(guò)的路徑42如虛線(xiàn)所示。當(dāng)有窗口31時(shí)，有窗口的激光束路徑40與沒(méi)有窗口的激光束路徑42不重合。
對(duì)稱(chēng)軸41與路徑42的交叉點(diǎn)43以“X”標(biāo)記。該點(diǎn)應(yīng)該保持靠近球體的中心。這確保了無(wú)論SMR的方位(即角A1)如何變化跟蹤器始終測(cè)量空間中的同一點(diǎn)。為了獲得最佳的性能，立方角錐的頂點(diǎn)33應(yīng)調(diào)整為偏離球體的中心，如圖2(b)所示。如果角A1很小，則近似值至少為d＝T(1-1/n)，其中T是窗口厚度，n是窗口折射率。
通過(guò)調(diào)整球體12內(nèi)的立方角錐11而最小化測(cè)量徑向和橫向距離的誤差從而實(shí)現(xiàn)受保護(hù)SMR20的最佳設(shè)計(jì)。徑向距離沿徑向測(cè)量，徑向是從測(cè)量?jī)x器到SMR的方向。橫向距離沿位于SMR且垂直于徑向的平面測(cè)量。受保護(hù)SMR徑向誤差ΔR為ΔR＝2[nT/cos(A2)+H/cos(A1)-(nT+H+L)] (1)距離L如圖2(b)所示。為了求出L，從點(diǎn)43到激光束40與窗口31相交的點(diǎn)G畫(huà)弧線(xiàn)，找到弧線(xiàn)與法線(xiàn)41相交的點(diǎn)F。從點(diǎn)F到窗口的距離是L＝(T+H-d)/cos(A1)-(T+H-d) (2)從頂點(diǎn)33到點(diǎn)F的光學(xué)距離是nT+H+L，其是式(1)中的最后一項(xiàng)。往返光學(xué)路徑是該值的兩倍，其說(shuō)明了式(1)前的系數(shù)2。從頂點(diǎn)33到點(diǎn)G的光學(xué)距離是nT/cos(A2)+H/cos(A1)。這些項(xiàng)也可以在式(1)中找到。如果窗口31不引起徑向測(cè)量中的誤差，則從點(diǎn)33到G的光學(xué)距離應(yīng)當(dāng)?shù)扔趶狞c(diǎn)33到F的光學(xué)距離，且式(1)中的徑向誤差ΔR應(yīng)當(dāng)為零。通過(guò)選擇與球體中心相關(guān)的頂點(diǎn)33的深度d，能夠變化距離L和式(1)中對(duì)應(yīng)的誤差ΔR。通過(guò)合理選擇距離d，誤差ΔR能夠最小化。
受保護(hù)SMR的橫向誤差ΔD是ΔD＝Tsin(A1-A2)/cos(A2)-d sin(A1)。(3)式(3)中的第一項(xiàng)代表玻璃窗口31引起的激光束40遠(yuǎn)離對(duì)稱(chēng)軸41的彎曲。第二項(xiàng)代表由于激光束越過(guò)點(diǎn)43而向?qū)ΨQ(chēng)軸41的方向傳播并到達(dá)點(diǎn)33。式(3)中的第二項(xiàng)可以抵消第一項(xiàng)。通過(guò)合理選擇距離d，第二項(xiàng)的大小可以調(diào)整以最小化誤差ΔD。
對(duì)于給定的角A1，d的特定值使徑向誤差最小，而不同的值使橫向誤差最小。且最優(yōu)的深度d隨著角A1變化。圖形方式有助于在整個(gè)角度范圍內(nèi)選擇最優(yōu)的深度d。例如，假設(shè)受保護(hù)SMR具有下列特性T＝1mm，H＝21mm，n＝1.5。窗口支架32的清晰孔徑確定了可能的角A1的范圍。在本例中，假設(shè)A1可以從0度變化到25度(即周角是50度)。使用公式(1)、(2)和(3)及斯涅耳(Snell)定律，sin(A1)＝n sin(A2)，對(duì)不同深度d，徑向和橫向誤差是角A1的函數(shù)。根據(jù)調(diào)整因數(shù)k可以方便地給出深度dd＝T(1-1/n)k (4)最優(yōu)的調(diào)整因數(shù)k對(duì)小角度接近于1，對(duì)較大的角度更大一些。
圖3和4分別表示徑向和橫向誤差的結(jié)果。從圖中可以看出k＝1.09給出了小于5微米的最大徑向和橫向誤差。這接近于最優(yōu)值，因?yàn)槠浣o出了比k＝1.07或k＝1.11小的最大誤差。從公式(4)中可以得出對(duì)應(yīng)的深度d＝0.363毫米。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，T＝1mm，n＝1.51509，k＝1.0908及d＝0.3708mm。
圖5和6示出了徑向和橫向精確度的提高。這些圖中，如傳統(tǒng)SMR10一樣，頂點(diǎn)33位于球體12的中心，這是k＝0的情況。圖5和6分別表示最大徑向和橫向誤差分別是約80和155微米?？梢?jiàn)，通過(guò)優(yōu)化頂點(diǎn)33的深度d，最大誤差已經(jīng)縮小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明的功能可以在軟件、固件、硬件或其某種結(jié)合中實(shí)現(xiàn)。作為示例，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面可以包含在一件具有例如計(jì)算機(jī)可用介質(zhì)的產(chǎn)品(如一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)中。該介質(zhì)中具有用于例如提供和簡(jiǎn)化本發(fā)明功能的計(jì)算機(jī)可讀程序代碼裝置。一件產(chǎn)品可以作為一部分包含在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中或單獨(dú)售出。
此外，還提供了至少一個(gè)機(jī)器可讀計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)裝置，其明確包含至少一個(gè)機(jī)器可執(zhí)行指令組成的程序以完成本發(fā)明的功能。
在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)窗口遮蓋的立方角錐后向反射器作出各種修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.調(diào)整激光后向反射器以補(bǔ)償穿過(guò)后向反射器窗口的激光的方法，包括確定調(diào)整因數(shù)以補(bǔ)償由于激光穿過(guò)后向反射器窗口導(dǎo)致的傳播誤差；及根據(jù)調(diào)整因數(shù)調(diào)整后向反射器反射點(diǎn)的位置以使傳播誤差最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中調(diào)整反射點(diǎn)的位置包括根據(jù)調(diào)整因數(shù)優(yōu)化后向反射器的反射點(diǎn)的深度位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中優(yōu)化包括根據(jù)下式確定深度位置d＝T(1-1/n)k其中T是窗口厚度，n是窗口折射率，以及k是調(diào)整因數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中優(yōu)化進(jìn)一步包括確定調(diào)整因數(shù)k，其中選擇k以產(chǎn)生與反射點(diǎn)有關(guān)的激光的最小橫向誤差和最小徑向誤差。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中T＝1mm，n＝1.51509，k＝1.0908及d＝0.3708mm。
6.激光后向反射器裝置，包括用于使激光傳到后向反射器的窗口；位于后向反射器上的反射點(diǎn)，其在激光穿過(guò)窗口后反射激光；其中反射點(diǎn)位于所選擇的位置以使由于激光穿過(guò)窗口造成的激光傳播誤差最小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光后向反射器裝置，其中所選擇的位置是基于調(diào)整因數(shù)的后向反射器反射點(diǎn)的最優(yōu)深度位置以減小傳播誤差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光后向反射器裝置，其中所選擇的位置結(jié)構(gòu)上根據(jù)下式定位d＝T(1-1/n)k其中，T是窗口厚度，n是窗口折射率，以及k是調(diào)整因數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光后向反射器裝置，其中選擇k以在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生與反射點(diǎn)有關(guān)的激光的最小橫向誤差和最小徑向誤差。
10.調(diào)整激光后向反射器以補(bǔ)償穿過(guò)后向反射器窗口的激光的系統(tǒng)，包括用于確定調(diào)整因數(shù)以補(bǔ)償由于激光穿過(guò)后向反射器窗口導(dǎo)致的傳播誤差的裝置；及用于根據(jù)調(diào)整因數(shù)調(diào)整后向反射器反射點(diǎn)的位置以使傳播誤差最小的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中調(diào)整反射點(diǎn)位置的裝置包括用于根據(jù)調(diào)整因數(shù)優(yōu)化后向反射器反射點(diǎn)的深度位置的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中優(yōu)化裝置包括根據(jù)下式確定深度位置的裝置d＝T(1-1/n)k其中T是窗口厚度，n是窗口折射率，以及k是調(diào)整因數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中優(yōu)化裝置進(jìn)一步包括用于確定調(diào)整因數(shù)k的裝置，其中選擇k以產(chǎn)生與反射點(diǎn)有關(guān)的激光的最小橫向誤差和最小徑向誤差。
14.其上具有計(jì)算機(jī)可讀指令的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令時(shí)，指令使計(jì)算機(jī)確定調(diào)整因數(shù)以補(bǔ)償由于激光穿過(guò)后向反射器的窗口導(dǎo)致的傳播誤差；及根據(jù)調(diào)整因數(shù)確定后向反射器反射點(diǎn)的位置以最小化傳播誤差。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的具有計(jì)算機(jī)可讀指令的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令時(shí)，指令使計(jì)算機(jī)根據(jù)調(diào)整因數(shù)優(yōu)化后向反射器的反射點(diǎn)的深度位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有計(jì)算機(jī)可讀指令的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令時(shí)，指令使計(jì)算機(jī)根據(jù)下式確定深度位置d＝T(1-1/n)k其中T是窗口厚度，n是窗口折射率，以及k是調(diào)整因數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光后向反射器裝置，其中后向反射器包括由三個(gè)相互垂直的反射面構(gòu)成的立方角錐后向反射器。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中后向反射器包括由三個(gè)相互垂直的反射面構(gòu)成的立方角錐后向反射器。
全文摘要
示例性實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)為任何類(lèi)型的無(wú)遮蓋立方角錐后向反射器，球形安裝后向反射器(SMR)即是其中一個(gè)實(shí)例。在許多進(jìn)行計(jì)量測(cè)試的要素環(huán)境中，由于加工或其他工作活動(dòng)，空氣中混入了大量的顆粒物質(zhì)。該物質(zhì)能夠覆蓋立方角錐的玻璃表面(11)或聚集在玻璃表面之間的邊緣處。當(dāng)積聚了足夠的物質(zhì)時(shí)，入射到后向反射器的激光束可能反射時(shí)功率減弱或波陣面變形。立方角錐的玻璃表面應(yīng)該清理干凈。但是，如果清潔不當(dāng)，玻璃表面可能被劃傷。在一些情況下，難于清理積聚在相鄰玻璃平面結(jié)合的頂點(diǎn)的物質(zhì)。本發(fā)明(b)和(c)通過(guò)在后向反射器(33)上放置平面玻璃窗口(31)解決了這些難題。平面窗口可以用最少的勞動(dòng)快速清潔并且如果被破壞容易替換。這增大了后向反射器保持清潔的可能性。
文檔編號(hào)G01S17/00GK1922511SQ200580005994
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月24日
發(fā)明者西蒙·拉布, 勞倫斯·B.·布朗, 羅伯特·E.·布里奇斯 申請(qǐng)人:Faro科技有限公司