反射器装置及其校准方法和用图
反射器装置及其校准方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于确定位置和/或用于标记目标点，特别是用于建筑或大地测量的反射器装置，涉及校准方法，并涉及计算机程序产品。
【背景技术】
[0002]为了测量目标点，历来有众多测量系统。这里记录的空间标准数据是方向或角度，通常还有测量系统到待测量目标点的距离，特别是，除了现有的基准点以外还捕获测量系统的绝对位置。
[0003]大地测量系统的公知实例为经玮仪、视距仪和全站仪，全站仪也称为电子视距仪或计算机视距仪。例如，在公开文献EP 1686350中描述了现有技术的大地测量装置。这样的系统具有电感角和可能距离测量功能，这允许确定到选定目标的方向和距离。角度或距离变量在这里是在该系统的内部参考系内被确定，并且在适当的情况下仍然必须被链接到外部参考系，用于绝对位置确定。
[0004]对于这种测量系统的构造，已知众多不同的实施方式。例如，现代的全站仪具有微处理器，用来进行进一步的数字处理并存储所采集的测量数据。该系统通常具有紧凑和集成的结构，其中，通常在系统中存在同轴测距元件以及计算、控制和存储单元。取决于全站仪的扩展程度，还可能实现目标确定和瞄准装置以及在回射器(例如，360°棱镜)被用作目标对象的情况下要集成的用于自动目标查找和跟踪的装置的机动化。作为人/机接口，全站仪可以具有带有显示器和输入装置(如键盘)的电子显示控制单元，其通常是具有电子数据存储装置的微处理器计算单元。显示控制单元设置有电感采集的测量数据，使得经由显示控制单元能够确定、能够光学地显示并能够存储目标点的位置。现有技术已知的全站仪还可具有用于建立到外部外围部件(例如到便携式数据采集系统)的无线电链路的无线数据接口，便携式数据采集系统尤其可构造为数据记录器或现场计算机。
[0005]为瞄准或目标确定待测量的目标点，一般的大地测量系统具有望远式瞄准器，如光学望远镜，作为瞄准装置。望远式瞄准器通常可绕竖直站立轴和水平倾斜轴相对于测量系统的底座进行转动，使得该望远镜可通过转动和倾斜与待测量点对准。除了光学观看通道，现代系统还可以有照相机，它被集成在望远式瞄准器中且被例如同轴或平行对准以便捕获图像，其中，所捕获的图像可以在显示控制单元的显示器和/或用于远程控制的外围系统(如数据记录器)的显示器上被显示为实时图像。瞄准装置的光学单元在这里可以具有手动聚焦或自动聚焦，手动聚焦例如有调节螺旋，用于调节聚焦光学单元的位置，其中，聚焦位置例如借助于伺服马达而改变。例如EP 2 219 011中描述了这样一种大地测量系统的瞄准装置。例如，从DE 197 107 22、DE 199 267 06或DE 199 495 80中已知用于大地测量系统的望远式瞄准器的自动聚焦装置。公开文献EP I 081 459或EP I 662 278中说明了大地测量系统的一般望远式瞄准器的结构。
[0006]常用的大地测量系统同时默认具有针对用作目标反射器的棱镜的自动目标跟踪功能(ATR:“自动目标识别”)。为此目的，例如另一个单独的ATR光源和对该波长敏感的特定ATR检测器(例如CCD区域传感器)，被额外集成在望远镜中。
[0007]还已知的是为目标点的连续跟踪和所述点的坐标位置确定而专门配置的测量系统。特别是在工业勘测的技术领域中，这些一般都可以整合在术语“激光跟踪器”下。目标点可以在这里表示为回射单元(例如立方体棱镜)，其使用测量装置的光学测量光束(特别是激光束)被进行目标确定。激光束以平行的方式反射回测量系统，其中，使用该设备的捕获单元捕获反射光束。这里，例如使用用于角度测量的传感器确定光束的发射或接收方向，用于角度测量的传感器与系统的偏转镜(deflect1n mirror)或目标确定单元相关联。此外，通过例如使用飞行时间或相位差测量捕获光束来确定该测量系统和目标点之间的距离。
[0008]针对作为测量系统的激光跟踪仪的结构，现代跟踪仪系统具有用于确定所接收的测量光束相对于所谓的伺服控制点的偏移的传感器，这日益成为标准。这种可测量的偏移可以被用于确定回射器的中心与激光束在反射器上的入射点之间的位置差异，以及用于独立于所述偏差来纠正或调整激光束的对准，使得传感器上的偏移被降低，特别是降为“零”，并且由此该光束在反射器中心的方向对准。通过调整激光束对准，可以进行目标点的连续目标跟踪，并且可以连续地确定目标点相对于测量系统的距离和位置。该调节在这种情况下可以使用偏转镜的受控对准改变和/或通过枢转包括光束引导激光光学单元的目标确定单元来实现，偏转镜借助于电机是可移动的并被设置用于偏转激光束。
[0009]为了测距，现有技术的激光跟踪器具有至少一个测距仪，其中测距仪例如可被配置为干涉仪。由于这样的测距单元只能测量相对距离的变化，所以现代激光跟踪仪中，除了干涉仪以外还包含所谓的绝对测距仪。例如，从莱卡地球公司的产品AT901能获知用于确定距离的这种测量装置的组合。在用于距离测量(为了大的相干长度，从而使得测量范围变得可能)的这样的背景下使用的干涉仪主要使用气体激光器作为光源，尤其是氦氖气体激光器。氦氖激光器的相干长度在这种情况下可以是几百米，使得利用相对简单的干涉仪结构，可以实现在工业计量中所要求的范围。例如从W02007/079600 Al中能获知绝对测距仪和使用氦氖激光器用于距离确定的干涉仪的组合。
[0010]在许多大地测量应用中，通过将具体实施的目标对象(例如测量杆)放置在目标点对点进行测量。所述目标对象通常包括带有反射器(例如，360°棱镜)的铅垂杆，反射器用于限定测量段或测量点。在这样的测量任务的情况下，通常在目标对象(特别是目标对象处的便携式数据采集系统)和用于控制测量动作和用于固定或登记测量参数的中央测量系统之间传送数据、指令、语言和其他信息。这样的数据的例子是目标对象的识别信息(例如所用棱镜的类型)、铅锤杆的倾斜、反射器高于地面的高度、反射器常数或测量值，例如温度或空气压力。所述信息或情况相关参数是必要的，以便允许对由带有棱镜的垂直杆所限定的测量点进行非常精确的目标确定和测量。
[0011]即使是在工业测量中，也使用了具体实施的目标对象或用于对测量点(尤其是多个测量点)进行测量的辅助测量仪器。这些目标对象包括非接触测量传感器(例如移动光学扫描单元)，还有所谓的探测工具，探测工具通过其触点定位在物体上的测量点上，从而允许测量所述目标点。
[0012]通过上述测量系统与在各种情况下使用的反射器单元的相互作用，能够可靠精确地确定所述反射镜(在辅助测量仪器上)的位置。然而，为了测量一个或多个特定目标点，单单反射器的位置通常是不够的，因为反射器不直接指示待确定的目标点，而是所述目标点是使用目标对象或辅助仪器(例如在大地测量中的铅垂杆)来测量的。
[0013]因此，为了获得要使用仪器被确定的目标点的位置，以及设置在辅助仪器上的反射器的所确定的位置，还必须相对于相应辅助仪器的各种情况的相关空间方向确定空间方位或倾斜。这样的方位例如可通过倾斜传感器或IMU(惯性测量单元)来确定，倾斜传感器或IMU被设置在限定位置和相对于所述反射器的定位，或借助于布置在辅助仪器上的标记(这通常用于激光跟踪仪)，接触探针仪器上的标记的位置是精确已知的，并且方位通过对图像的图像处理来确定，在所述图像中所述标记以位置基准被捕获。该图像可以由上述测量系统的一部分上图像捕获单元捕获。
[0014]根据现有技术的这些方案的缺点不仅是由于通常实现为液体传感器的倾斜传感器或由于IMU造成的有限精度，特别是因为所设置的传感器的漂移，特别是针对倾斜或方位确定在相对长的一段时间内。此外，用于方位确定而提供的标记包括额外的误差源，这是说，例如，如果一个或多个标记被部分覆盖，则相应的方位确定可能仍然是可能的，但该方位只能以有限的精度被确定。
[0015]甚至根据EP I 200 853的方案针对由于未定义的光束引导和成形带来的可实现的精度具有类似的缺点，在该方案中，棱镜针对测量光束具有穿透通道表面，且测量光束一部分直接入射在传感器上。对传感器上辐射的位置的精确确定仅达到一个非常有限的程度，因为该判定精度在很大程度上取决于测量距离和光束质量。此外，结构构造被配置得非常复杂，在空间上要求很高(棱镜在传感器前方或传感器集成在反射器中)。由于与结构相关的反射器内反射，即使在针对该单元的距离确定的过程中，也有可能在对该点的距离确定过程中发生显著测量误差。
【发明内容】
[0016]因此，本发明的一个目的是提供一种改进的，结构更不复杂的装置，其允许更可靠和更准确的位置和方向确定，特别是利用高达六个自由度(三个平移和三个转动自由度)用于测量目的。
[0017]这个目的是通过独立权利要求中的特色化特征的实现来实现的。进一步以替代或有利的方式展现了本发明的一些特征可从从属权利要求中得到。
[0018]本发明在第一实施方式中涉及一种反射器装置，用于位置确定和/或目标点标记，特别是用于工业或大地测量，该反射器装置具有:回射器，该回射器利用平行的、特别是同轴的光束反射对反射器装置进行位置确定；以及传感器装置，其中所述传感器装置具有带码图案的码元件。该传感器装置附加地具有传感器，其对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于其检测表面，其中，所述码元件和传感器刚性连接，限定有间隔，以使得能够使用该传感器来确定码图案在检测表面上的投影的位置，该位置相对于接收方向具有角度相关性。
[0019]在该上下文中，也就是在本发明的上下文中，码元件和传感器之间的间隔被理解为是指两个元件(码元件和传感器)之间的几何间隔。结果，这被理解为是指和被定义为在这些元件之间的实际结构间隔，即，这些元件的最短连接。该间隔例如可以由从码元件的边界表面到传感器的相对边界表面的直线距离来表示，或由两个元件的各自质心的距离来
[0020]此外，光学间隔由码元件相对于传感器的这种布置所定义，其中为此目的要额外考虑位于所述码元件(或码图案)和所述传感器之间的介质(例如，空气或玻璃)的折射率η。光学间隔在这种情况下是几何距离L (几何间隔)除以插入的介质的折射率n (L/n)。因此光学间隔作为插入的介质或多个插入的介质(例如空气和玻璃)的当前折射率η的函数而不同于几何间隔。
[0021]可依赖于用于各测量要求的各实施方式的永久设置的间隔在这里的作用就像投影码的位移上的杠杆，由此，传感器装置的灵敏度可以被调整。
[0022]根据一个特定实施方式，并针对本发明的这一方面，传感器接收方向和码元件的延伸方向被对准为相互正交，所定义的间隔为至少1mm，且最多10mm，特别是其中，传感器的延伸方向被对准为与码元件的延伸方向相同。
[0023]根据一个特定实施方式，并针对本发明的第一方面，传感器装置具有主体，它对于线传感器的波长范围至少部分透明，主体特别为玻璃主体或塑性主体，其中主体具有码元件，特别是其中，码图案设置在主体上或主体中，和/或所述主体被实施为码元件。
[0024]在主体具有码元件的情况下，至少为Imm并最多为1mm的间隔d尤其由主体的空间尺寸预先限定，其中，码元件(具有码图案)设置在主体的第一端侧，线传感器布置在主体的第二端侧，主体的第二端侧特别与第一端侧相对，特别是其中，所述第二端侧与线传感器的检测表面形成共用接触面。主体可以实现为长方体，例如，其中该码图案与线传感器被布置在主体的分别相对的(平行)的表面(=第一端侧和第二端侧)上。
[0025]在本发明的另一个实施方式中，根据本发明，码元件至少针对具有来自所述至少一个波长范围的波长(λΒ)的光辐射具有不同透射率的区域，其中，码图案由这些不同透射率的区域表示，特别是其中，所述不同透射率的区域限定了具有不同线间隔和/或线宽度的线图案。
[0026]根据本发明一个更特别的实施方式，不同透射率的区域被实施，使得码图案限定了直线状延伸的能透过辐射的透射区域，特别是充当间隙，间隙宽度为b的能透过辐射的区域。作为码图案的投影的结果，获得至少一个相应的光条纹。
[0027]特别是，根据具有间隙宽度b的本发明提供透射区域，码元件的被布置为相对于线传感器有间隔d，从而满足衍射条件d多b2/ λ Β，特别是夫琅和费衍射条件d?b2/ λ Β，特别是当码元件被使用波长λB的光辐射进行照射时对码图案进行投影。
[0028]此外，至少一个透射区域可以根据本发明来配置，以及可以将码元件布置为相对于线传感器有间隔d，使得对于在传感器装置处的光辐射的衍射，基本上出现远场衍射条件。
[0029]根据本发明另一优选实施方式，不同透射率的区域被构造成，使得沿着码元件的延伸轴的码图案具有多个能透过辐射的透射区域，这多个能透过辐射的透射区域具有各自(可能不同)的间隙宽度b，其中能透射辐射的透射区域被布置成基本上彼此平行，并且在每一种情况下，间隙间隔s被限定在每两个相邻透射区域之间。间隙间隔s可以在每两个相邻透射区域之间大小不同。因此，码图案定义了充当间隙并且可以是针对间隙宽度b和间隙间隔S不同的一系列光透射区域。
[0030]另外，根据本发明，间隙间隔s在各种情况下都可以设置，并且码元件可以被设置成相对于线传感器有间隔d，使得条件d # 2.η.S2/ λ^导到满足，其中η是自然数集合中的任意数，特别是对于当码元件被使用波长λB的光辐射进行照射时码图案的投影。
[0031]根据本发明的另一个实施方式，针对码元件的延伸轴的间隙宽度b至少为0.05毫米，还特别地为最多0.2毫米，并且至少两个相邻的透射区域之间的间隙间隔S(同样针对码元件的延伸轴)为至少0.5毫米，并且还特别地至多为5_。为此目的相应地配置了不同透射率的区域。
[0032]对于码元件或码图案的构造，根据本发明，码由此由特别是薄的、能透过辐射的、具有较大(与此有关)中间间隔的间隙形成。码的间隙宽度b与间隙间隔s之比是基于优选的夫琅和费衍射和限定构造(对于第η级)的塔尔博特(Talbot)长度而选择的。
[0033]这些条件得到特别是这样的码，例如，透射间隙为0.05毫米宽，交替周期(=间隙之间的间隔)为0.6毫米至0.9毫米。因此，大约12个周期可以被成像在8毫米长的线阵列(线传感器)上。码和传感器之间的间隔d在这种情况下可以是Imm至10mm，其中如果光不足，则较短的间隔是优选的，但较大的间隔增加分辨率。在间隔d = 2毫米的情况下，实现了在40gon的测量范围上的30cc的倾斜角度精度；在d = 5毫米的情况下，实现了至少1cc的精确度。
[0034]当间隙宽度b为0.05毫米，码和传感器之间的间隔为5毫米(在垂直的入射光的情况下)，传感器长度为8毫米，并且传感器装置的测量范围为±45°倾斜时，对于分布在8毫米的传感器长度上的0.6毫米、0.85毫米、1.1毫米的间隙间隔的角度确定而言，标准偏差是最低的。
[0035]具体而言，根据本发明配置了不同透射率的区域，使得可以根据在线传感器上的并使用该线传感器检测的区域的位置，在线传感器上进行对成像到线传感器上的码图案的明确位置确定。为了这个目的，例如，码图案的非周期结构是有利的(例如，特别是不同的间隙间隔b)。
[0036]关于传感器装置的测量范围，根据本发明，传感器装置优选地被配置为，使得可以根据码图案在线传感器上的投影的位置(该位置可以经由线传感器来确定)得到传感器装置相对于至少一个轴的倾斜，其中码图案在线传感器上的投影相对于所述轴在高达±45°的倾斜角范围内。
[0037]另一个方面还涉及一种用于位置确定和/或标记目标点，特别是用于工业或大地测量的反射器装置，该反射器装置具有回射器和传感器装置，所述回射器用于通过并行的、特别是同轴的光束反射对反射器装置进行位置确定。传感器装置在这里具有透镜和传感器，该传感器对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于该传感器的检测表面，其中，所述透镜和所述传感器刚性地连接，使得能够使用该传感器确定由透镜所定义的照射截面在检测表面上的位置，该位置相对于接收方向具有入射角相关性。
[0038]由此，传感器装置被构造为，使得通过入射角相关的光束检测，可以确定反射器装置的相对于至少一个轴的倾斜。
[0039]根据本发明这个可替代方面的特定实施方式，传感器在这里被配置为，使得可以使用传感器确定照射截面的形式，即，照射截面的形式可被确定为，使得当用带有照射发散的照射辐射照射传感器装置，其中照射发散相对于光束方向不旋转对称，特别是不对称时，则可以根据照射截面在检测表面上的可确定位置得到相对于所述至少一个轴的倾斜，并且可以根据在过程中形成在检测表面上的照射横截面的形式，特别是照射点或被照射区域的形式来得到相对于另一轴的倾斜。
[0040]在这个另一方面的上下文中，透镜和传感器被布置为使得所述透镜的光轴平行对准所述传感器的接收方向，特别是其中，所述光轴与检测表面的几何质心相交。
[0041]另选地或另外地，所述透镜被构造为柱面透镜。
[0042]根据特定实施方式(因此是指既具有透镜的传感器装置，并且根据本发明，还指具有码元件的这种装置)，所述传感器被配置为线传感器或面传感器，特别是被配置为CCD或 CMOS。
[0043]对于反射器装置的结构构成，根据本发明的另一实施方式，反射器装置具有载体结构，使用该载体结构可以对目标点进行位置确定和/或标记，其中，所述回射器和所述传感器装置由所述载体结构承载并且相对于彼此以已知的位置关系被布置。具体地，载体结构这里被配置为辅助测量仪，特别是被配置为测量杆或探测工具，或者被配置为移动便携式现场控制器，该移动便携式现场控制器具有用于目标点的(坐标式)位置确定和/或标记的光学目标确定或标记单元，或具有用于稳固在辅助测量仪或现场控制器上的附加设备。
[0044]根据本发明，倾斜确定的可能性并不限于相对于一个轴，也可以相对于多个轴进行。为了这个目的，根据本发明进一步的实施方式，反射器装置具有至少一个另外的传感器装置，特别是由载体结构承载的至少一个另外的传感器装置，其中所述至少一个另外的传感器装置相对于所述第一传感器装置以限定的对准和限定的位置被布置，以确定相对于另外的轴的倾斜。根据另一个传感器装置的结构，反射器装置可以具有多个这样的附加的传感器装置，以便提供相对于多个轴的倾斜确定和/或相对于一个轴的更精确确定(例如通过对多个倾斜值取平均)。
[0045]至于多个轴的倾斜确定或反射器装置的方位确定，在根据本发明的一个具体的实施方式中，反射器装置具有相对于彼此呈指定的和已知的空间分布的多个辅助点标记，多个辅助点标记特别是通过发光二极管或反射器实现，其中所述辅助点标记通过对至少部分地捕获到所述多个辅助点标记的图像进行图像处理提供所述反射器装置的相对于至少一个另外的轴的倾斜确定，特别是其中，所述辅助点标记提供了空间方位确定。
[0046]根据进一步的具体特定实施方式的反射器装置还具有惯性测量单元(MU)，该惯性测量单元用于连续确定反射器装置的方位和/或倾斜，特别是用于确定位置、方位和/或倾斜的改变，特别是其中，所述惯性测量单元具有加速度计、旋转速度传感器、倾斜传感器和/或磁罗盘。这里，能够以高测量速率调整来自IMU的倾斜数据，而码元件的较低测量速率用作支持位置，从而补偿IMU的可能的时间漂移。
[0047]为了发送数据(例如，为了倾斜确定必须进一步处理的测量值或已经得到的倾斜值)，根据本发明的特定实施方式，该反射器装置具有用于数据发送的发送单元，特别是其中，发送单元被配置为使得可以通过发射电磁辐射，特别是调制光，来进行所述数据发送。例如，这也可以通过用于测距(EDM)的测量光束进行。接收单元和发送单元之间的同步也可以通过从两个单元接收的GPS信号的进行。相关的测量数据被优选在传感器装置中计算，以便保持数据传送量小。
[0048]本发明还涉及一种反射器装置的校准方法，反射器装置被配置为至少用于目标点的位置确定和/或标记，反射器装置具有实现了基准传感器装置的传感器装置和第一传感器单元，其中所述基准传感器装置和第一传感器单元以已知的位置关系被布置。在该校准方法的上下文中，由所述基准传感器装置生成相对于第一轴的基准倾斜数据，基于所述基准倾斜数据相对于所述第一轴校准所述第一传感器单元。[0049]根据本发明，基准倾斜数据的生成是这样进行的:接收入射角为α的照射辐射，特别是准直的照射辐射；根据所述入射角，确定在基准传感器装置的传感器上的照射辐射入射区域；并且根据照射辐射入射区域的位置和照射辐射的先前已知的入射方向得到基准倾斜数据。
[0050]根据本发明的特定实施方式，基准传感器装置由根据本发明的反射器装置的传感器装置实现，即，基准传感器装置具有带码图案的码元件以及传感器，传感器至少对于一个波长范围敏感，接收方向垂直于该传感器的检测表面，其中，所述码元件和所述传感器以限定的间隔刚性连接，使得能够利用传感器将码图案的投影的位置确定为传感器的检测表面上的照射辐射入射区域，码图案的投影的位置相对于所述接收方向具有角度相关性。
[0051]第一传感器单元的校准特别是以限定的时间间隔进行，特别是连续地进行。
[0052]根据本发明的特定实施方式，第一传感器单元是由用于连续地确定反射器装置的倾斜、方位和/或位置(特别是用于确定倾角、方位和/或位置的改变)的惯性测量单元(IMU)来实现的，特别是其中，所述惯性测量单元(IMU)具有加速度计、旋转速度传感器、倾斜传感器和/或磁罗盘。另选地，所述第一传感器单元被配置为倾斜传感器，尤其是多轴倾斜传感器，用于确定所述反射器装置相对于多个轴的倾斜，特别是气体倾斜传感器。
[0053]根据本发明的特定实施方式，第一传感器单元被用于生成表示相对于所述第一轴的倾斜的第一传感器数据，并且确定第一传感器数据和基准倾斜度数据的匹配程度。另外，第一传感器单元的校准是根据匹配程度来进行的，尤其是自动地进行。
[0054]根据本发明进一步的实施方式，使用第一传感器单元的倾斜确定涉及变化的测量误差，特别是随时间推进而增大的测量误差，通过校准所述第一传感器单元来对测量误差进行补偿，特别是其中，第一传感器单元被配置为惯性测量单元(MU)，或者特别被配置为多轴倾斜传感器。
[0055]在本发明的上下文中，产生基准倾斜数据，尤其使得该基准倾斜数据(还)代表相对于第二和/或第三轴的倾斜，所述第一传感器单元被配置为测量相对于至少第二和/或第三轴的倾斜，并且(还)进行第一传感器单元的校准，用于基于该基准倾斜数据相对于所述第二和/或第三轴的倾斜确定。
[0056]此外，根据本发明一个特定实施方式，生成基准倾斜数据，使得该基准倾斜度数据代表反射器装置的空间方位，确定反射器装置的位置，所述第一传感器单元被配置为用于所述反射器装置的方位和位置确定，特别是用于位置确定，并且基于基准倾斜数据和所确定的位置针对它们用于方位和位置确定(特别是位置确定)的功能进行第一传感器单元的校准。
[0057]结果，传感器单元的校准可以确保高达6个自由度(6DOF)，以使得例如可针对这些参数重新校准IMU0
[0058]根据本发明进一步的实施方式，反射器装置具有至少一个另外的基准倾斜传感器单元和/或回射器。在反射器装置的限定的对准和限定的位置的情况下，所述至少一个另外的基准倾斜传感器单元和/或回射器在这里与反射器装置相关联，以确定相对于另外的轴或位置的倾斜。
[0059]本发明附加地涉及使用根据本发明(根据上述实施方式)的反射器装置，用于通过以下步骤来进行位置和倾斜确定:用测量辐射照射所述回射器并通过由所述回射器反射的测量辐射对所述反射器装置进行位置确定，以及照射所述传感器装置，特别是以准直方式照射所述传感器装置，其中，入射角由照射轴相对于传感器装置的传感器的捕获方向的对准来限定。
[0060]此外，反射器装置的这种用途涉及对照射过程中在传感器上产生的光束入射图案的位置进行敏感捕获(特别是对照射横截面或码图案在传感器上的投影的位置进行敏感捕获)，和根据检测表面上的光束入射图案的、可以通过的位置敏感捕捉确定的位置得到相对于至少照射轴的倾斜，其中该光束入射图案的位置取决于入射角。
[0061]为了抑制周围光，测量辐射可以针对根据本发明的一个特定实施方式被调制。结果，能够进行暗图像(无测量辐射)和亮图像(有测量辐射)的求和及相减，其结果是能够实现改进的信噪比。
[0062]此外，本发明还涉及一种计算机程序产品，其存储在机器可读载体上，用于控制或执行上述校准方法，特别是在所述计算机程序产品在测量系统的控制和处理单元上执行的情况下，其中所述系统特别是全站仪、经玮仪或激光跟踪仪。
【附图说明】
[0063]下面基于在附图中示出的具体示例性实施方式，仅仅作为例子来更详细地描述根据本发明的装置和根据本发明的方法，附图中还将讨论本发明的进一步的优点。具体来讲:
[0064]图1a至图1b示出了在各种情况下根据本发明的反射器装置的实施方式；
[0065]图1c以截面图示出了根据本发明的设置在根据图1a的反射器装置上的多个传感器装置的实施方式；
[0066]图2示出了根据本发明的反射器装置的另一个实施方式，其具有中心设置的回射器和用于确定反射器装置相对于至少两个轴的倾斜的四个传感器装置；
[0067]图3a至图3b示出了在各种情况下具有透镜和传感器的传感器装置的实施方式；
[0068]图4a至图4b示出了在各种情况下根据本发明的具有码元件和传感器的传感器装置的另一实施方式的侧视图；
[0069]图5a至图5b示出了根据本发明的具有带码图案的码元件和线传感器的反射器装置的传感器装置的另一实施方式；以及
[0070]图6示出了根据本发明的具有回射器的反射器装置另一实施方式，其中回射器被配置为部分透射棱镜。
【具体实施方式】
[0071]图1a至图1b示出了在各种情况下根据本发明的反射器装置I的实施方式。
[0072]反射器装置I在各种情况下都具有一个回射器5 ο如这里示出的，所述回射器可以例如被配置为“360°棱镜”，因此可以从不同的方向被定位，其中，朝向棱镜5的测量辐射以平行或同轴的方式发生反射。另选地，尽管这里未示出，回射器可以由回射膜实现。反射器通常以大地测量或工业测量系统(例如，全站仪、视距仪或激光跟踪器)为目标，用于确定反射器5相对于测量系统的距离和位置。此外，这里可以确定针对所述反射器5或整个反射器装置I的当前位置的绝对坐标。
[0073]此外，根据本发明，反射器装置I具有多个传感器装置10a-10b，利用多个传感器装置，除了反射器装置I的位置确定外，还提供了相对于至少一个轴的倾斜确定。通过照射各传感器装置1a-1Ob并通过使用与相应传感器装置1a-1Ob相关联的传感器检测光束入射图案的位置确定照射辐射的入射角，来进行这种倾斜确定。这样的传感器被配置用于确定入射到传感器的检测表面上的辐射的入射位置，例如被配置为CCD或CMOS。根据各传感器装置1a-1Ob的(和照射辐射的)构造，可以在一个、两个或三个轴上确定入射角，因而可以确定倾斜。
[0074]用来照射并确定倾斜的照射辐射特别是准直辐射，特别是具有限定波长的激光辐射。以举例的方式，可以由大地测量系统(用于距离确定)发射的测量辐射也可以被用于照明目的，和/或可以提供附加的辐射源(和可能的光学单元)用于适当的照明。
[0075]知道了照射辐射的传播方向和可确定的入射角，就有可能得到传感器装置1a-1Ob的方位，并由此得到整个反射器装置I相对于至少一个轴的方位。
[0076]图1a至图1b在各种情况下示出了多个传感器装置10a-10b，这些传感器装置在各种情况下被定位成例如具有绕反射器轴的60°的角度偏移。因此，在相应传感器装置1a-1Ob的相应测量范围约为60°的情况下，有可能确定从任何水平方向的倾斜(在由传感器装置1a-1Ob给出的垂直测量范围内，例如，相对各自传感器的捕获方向的同样地60°的可接受入射角度)。换句话说，基本上360°的水平测量范围被传感器装置1a-1Ob的该配置所涵盖。根据其他实施方式，传感器装置1a-1Ob间的角度偏移另选地可以是例如30°或40°，或者至少小于或等于90°，使得从任何大致水平的方向的可靠的倾斜确定保持可能，其中，可能由于所选择的结构配置而在两个传感器装置1a-1Ob之间出现(虽然可以忽略不计)检测间隙。
[0077]结合图lc、图4a_4b和图5a_4b来详细描述根据本发明的传感器装置1a-1Ob的实施方式。
[0078]图1c以截面图示出了根据本发明的设置在根据图1a的反射器装置I处的多个传感器装置1a的实施方式。所述传感器装置1a中单个传感器装置1a具有透镜13和与相应透镜13关联的传感器11，其中，它们相对于彼此被布置在特定的和固定的位置。根据本发明，可以在各种情况下设置具有特定码图案的码元件(在此未示出；参见图4a_4b和图5a-5b)，来代替透镜13。当照射这种传感器装置1a时，入射辐射经由码元件或透镜13而受影响和/或成形(例如聚焦)，使得在传感器上产生照射图案或点，尤其是具有由码元件或透镜13所限定的形状和尺寸及码元件/透镜13与传感器11之间的间隔的照射图案或点。可以这样产生的该光束入射区域的位置在此取决于照射辐射相对于传感器的捕获方向(尤其相对于透镜13的光轴)的入射角，并且可以由传感器11来确定，传感器的捕获方向垂直于传感器光敏表面或传感器的延伸方向。
[0079]可以从可如此确定的、由码元件或透镜13成形(特别是因针对发散的折射而改变)并入射在传感器11上的辐射的位置，得到各传感器装置1a或者多个传感器装置1a和反射器5的整个系统的倾斜。图3a和3b中指定了对透镜-传感器装置和可以执行的倾斜确定的详细描述。
[0080]图1c还示出了与反射器装置I处的传感器装置1a—起设置的惯性测量单元7 (IMU) ο所述MU 7还针对反射器装置I提供了倾斜和方位确定功能，特别是其中，可以连续确定并可用頂U 7来连续确定MU 7的位置和对准的改变。以举例的方式，IMU 7为此还具有用于确定北的磁罗盘，用于确定相对于地球引力场的矢量的倾斜的倾斜传感器，以及用于捕获IMU7的相对运动并由此还捕获反射器装置I的相对运动的加速度计。
[0081]根据本 发明，这样的IMU 7可基于基准数据进行校准，基准数据可以经由反射器装置I的传感器装置产生。IMU通常被配置为，使得它可以被用来实现快速的相对位置和方位确定。但是，使用IMU的测量中的误差在时间测量进程中累积，其结果是相对方位确定的准确度降低。然而，通过带有码元件和传感器的传感器装置，可以基于外部基准(照射辐射的已知传播方向)非常精确地确定倾斜或方位确定。根据这样的确定，可以得到相对于反射器装置的倾斜或方位的对应基准值，基于此可以进行IMU的校准(重新校准)。为此，反射装置特别具有处理单元和通信装置，用于处理和用于调整测量数据并用于与发射照射辐射的测量系统交换信息。
[0082]因此，这样的反射器装置的用户可以与MU(或另选的倾斜计)相结合，例如，主要使用在测量任务过程中的由IMU(或倾斜计)所产生的测量数据，并以有规律的间隔(时间或者针对所进行的测量次数)重新校准此IMU (或倾斜计)，从而在整个测量进程上提供了极大的剩余测量精度。为此，反射器装置仅需要例如由全站仪利用已知传播方向的辐射(准直辐射)来照射，在过程中投射的码图案的位置需要在传感器上和由传感器确定，反射器装置的方位或倾角需要根据该图案的投影位置和传播方向(其是可预先指明的并且可由全站仪确定)来确定。将该确定的倾斜与IMU的相应输出值进行比较，并且在与所确定的方向或倾斜相对应的特定偏差(例如限定的容差范围以外)的情况下对IMU进行校准(重新校准)。这些步骤尤其在开始针对此目的而提供的校准功能之后自动发生，然而，其中例如对于最后的步骤或另外的步骤，可以由系统请求额外的用户侧确认输入。
[0083]除了反射器装置的上述校准能力以外，反射器装置当然还可以用于通过用对应的照射在传感器上(特别是用在地形中的目标点打粧或用于确定在工业测量中测量点的位置(在这种情况下，铅垂杆通常被合适的探测工具替换))产生码图案的投影来确定垂直杆相对于至少一个轴的倾斜。
[0084]图2示出了根据本发明的反射器装置2的另一个实施方式，反射器装置2具有在中心设置的回射器6，用于针对反射器装置2进行位置确定，具有四个传感器装置20a-20d，用于确定反射器装置2相对于至少两个轴(俯仰轴(pitch axis) N和偏航轴(yaw axis)G)的倾斜，并且多个标记22排列在已知位置基准，用于提供相对于至少第三轴(绕滚动轴的滚动R)的方位确定。利用此反射器装置2，可以实现对反射器装置2的6DOF位置确定(针对6个自由度的位置确定，由目标确定单元(经玮仪或激光跟踪仪)决定的三个平移自由度，和三个转动自由度(由传感器装置决定)。
[0085]根据本发明，传感器装置20a_20d在各种情况下都允许相对于至少一个轴的倾斜确定。两个传感器装置20a和20b是在此在各种情况下都配备了码元件和线传感器，其中，在照射这些传感器装置20a-20b的情况下，码元件的相应码被投影到相关联的线传感器上，通过确定码在线传感器上的投影位置，可以得到反射器装置2的倾斜。从而沿着偏航轴G对准的传感器装置20a能够相对于偏航轴G (绕俯仰轴N)进行倾斜确定，而传感器装置20b能够相对于俯仰轴N(绕偏航轴G)进行倾斜确定。与图4a-4b和图5a_4B —起描述这些码传感器装置20a_b的详细结构和功能。
[0086]两个另外的传感器装置20c和20d在每一种情况下都具有透镜和传感器，该传感器用于检测在装置20c-20d的照射过程中由相应的透镜限定并且入射在相应传感器上的辐射。由于由此可确定照射截面在各传感器上的位置，所以能够确定反射器装置2相对于至少一个轴的倾斜。由于面传感器的存在，传感器装置20c允许确定相对于偏航轴G (绕俯仰轴N)和相对于俯仰轴N (绕偏航轴G)的倾斜，而传感器装置20d能够确定相对于俯仰轴N (绕偏航轴G)的倾斜。
[0087]传感器装置20c具有面传感器，用于检测入射的照射辐射，其结果是，可以利用该传感器装置20c确定入射的照射辐射从传感器零点(例如，在照射辐射垂直入射在传感器装置的情况下被照射，并且对应于例如传感器的检测表面的中心)沿两个方向(传感器的检测面的X方向和y方向)的相对偏移，因而也能够确定相对于两个轴(N和G)的倾斜。因此，检测表面在X方向和y方向上的相应偏移量代表倾斜的相应幅度。此外，传感器装置20c被配置为使得通过该传感器不仅能够确定位置，也能够确定产生在检测表面上的照射截面的形式。如果用相对于光束方向(即相对于传播轴)不旋转对称的具有照射发散的光来照射传感器装置20c，还能够通过所确定的入射辐射的所得光斑(以及位置)的形式，进行相对于第三轴，即滚动轴的粗略的倾斜确定。结合图3a-3b来说明关于具有透镜的传感器装置20c-20d的结构和功能的进一步的实施方式。
[0088]如图2中所示，根据本发明的反射器装置2可根据另选实施方式(这里未示出)选择性地配备有更少或仅一个在图2中示出的具有码元件20a-20b的传感器装置，或者具有例如用于提高倾角确定精度的这种额外的传感器。
[0089]但是应该理解的是，设置在反射器装置2处的传感器装置20a_20d提供了相对于两个轴N和G的倾斜的多次确定。在本发明的上下文中，传感器装置20a-20b中的仅一个就足以确定相对于至少一个轴的倾斜。如此处例示的，通过提供多个这样的传感器元件，可以实现针对倾斜产生的测量值的鲁棒性(例如，通过对测量值求平均)。可替代地，可以想象出根据本发明的具有传感器装置20a-20b中的仅一个或至少一个的以此类推或类似的实施方式。
[0090]标记22例如被构造为图形图案(例如相对于背景具有很大的对比度)、发光二极管(LED)或者反射器。所述标记22可以用照相机捕获到，并且可以在可由照相机产生的图像中捕获到。从图像中相对于彼此的各个标记22的几何位置，可以推断出反射器装置2的空间方位(在多达三个轴上)。为此目的，特别是使用由图像提供的图像信息执行图像处理步骤，例如边缘提取或亮度和/或对比度分析，其结果例如是确定了用于各标记的各个图像质心，因此确定各标记在图像中的位置。
[0091]根据图1a至图1c或图2的反射器装置1、2还可以有一个稳固装置，装置1、2可使用该稳固装置稳固到例如铅垂杆或建筑机械上。带有根据本发明的反射器装置1、2的这种铅垂杆的用户可以因为这样的事实，即总是可以通过对反射器装置1，2的照射由测量系统准确地确定铅垂杆的空间方位，而由此例如结合大地测量系统(如全站仪)的进行对要打粧的测量点的精确位置确定。这个确定是通过传感器装置(传感器上的码图案的成像)和全站仪(或反射器装置)的相应评估单元提供的。在这种情况下，可以使用用于到所提供的回射器的距离测量的通常已知的方法进行位置确定。因此，如果铅垂杆不垂直或处于另选的但已知的方位，则用户也可以例如准确地确定测量点。
[0092]图3a示出了具有透镜13和传感器11的反射器装置的传感器装置10的实施方式。照射辐射25以入射角α入射在透镜13上并经所述透镜成形(折射)，使得因此产生所限定的照射截面并照射在传感器11上。该照射截面在检测表面上的位置15可由传感器11确定。所述确定例如可以使用针对照射的质心确定(检测表面上的强度分布)来进行。
[0093]基于图3a所示的截面，通过传感器装置10，因入射在传感器11上的辐射的特定入射角α得到的在X方向上的偏移X被示出。入射角α的幅度越大，入射照射截面相对于传感器表面上的基准位置O在X方向上的偏移也就越大，其中在这种情况下，所述基准位置O对应于透镜13的光轴与传感器11的在传感器11的检测面上的中心的交点。由此可确定的X取决于相应入射角α，其结果是仅通过确定偏移X就可以推断对应的入射角α，并且结果是可以确定传感器装置10的相对于照射辐射25的传播轴的倾斜，因而还可以确定与该传感器装置10相关联的反射器装置的倾斜。使用被配置为面传感器11的传感器11，还可以确定传感器11上在第二方向(y方向)的偏移，从而还可以确定相对于传播轴在第二方向的倾斜。
[0094]图3b示出了传感器装置10的另一实施方式。传感器装置10具有柱面透镜13a和线传感器11a。通过柱面透镜13a，入射辐射25聚焦在透镜13a后面的平面12上，所聚焦的辐射25由于柱面透镜13a而在所述平面12上呈线15a的形式。线传感器Ila被布置在平面12上，使得其检测表面的延伸方向基本上与所得的光线15a正交地对准(对于图3b这意味着传感器Ila沿着与图的平面正交的轴对准；y方向)。
[0095]结果，通过照射光25的聚焦在传感器Ila上产生了照射区域，进而可以确定该照射区域在传感器Ila上的相对位置。此照射区域相对于传感器Ila的检测表面的中心的相对偏移(该中心由光轴或透镜13a的光学平面交切)正比于关于y方向的相应入射角，即，正比于传感器装置10相对于照射辐射的传播轴的关于y方向的倾斜。结合这样的解释，即其中经透镜成形的照射辐射不完全或几乎完全地入射在传感器上，传感器Ila上的此照射区域应被理解为传感器Ila上的照射横截面(光束入射区域)。
[0096]图4a示出了根据本发明的反射器装置中的根据本发明的传感器装置30a的另一实施方式的侧视图，根据本发明的反射器装置具有传感器11，用于捕获入射在传感器11上的电磁辐射25，特别是具有限定的波长范围的辐射。传感器装置30a还具有码元件31，该码元件31具有基板33和施加到基板33上的码图案32。
[0097]基板33在这种情况下被配置为，使得用来照射传感器装置30a并且例如由测量系统(例如全站仪，经玮仪或激光跟踪器)的测量辐射(例如激光辐射)实现的照射辐射25可以辐射透过基板33，S卩，基板33被配置成至少对于照射辐射25的波长是能透射的或对于照射波长范围是能透射的。例如，基板33可以在相应透射型塑料上制备或由符合这些要求的玻璃制成。
[0098]照射辐射通常由基本准直的相干辐射来表示。
[0099]码元件31具有不同的区域34a，34b，其中，各个暗区域34a对于照射辐射25是不透明的，而区域34b被配置为对于照射辐射是能透过的。通过特定排列方式或如这里所指示的区域34a和区域 34b的按行排列序列(line-wise sequence)(针对x方向)，通过码元件31提供了码图案，该码图案在对传感器11上照射的情况下是可投影的(以线的形式)。
[0100]因此，在照射的情况下传感器11上产生了与码图案32相对应的投影。换句话说，根据由码元件31提供的码图案32在传感器11上形成了投影，其中由暗区域33a造成的各个阴影35a在传感器11上的位置取决于照射辐射25的入射角α (参见图4b)。在用照射辐射25以90°入射α角照射传感器装置30a的情况下，如这里所示的，码图案32被完全(至少对于X方向的范围内)且无偏移地成像到传感器11上。
[0101]传感器11上的各个照射区和暗区35a，35b (由对码图案32的投影产生)可使用传感器11进行检测，它们在传感器11上的相对位置上可以确定。进而可以从各亮条纹35b和/或阴影35a和/或亮区域35b和暗区域35a的整体的具体位置得到当前入射角α，并可以推断出传感器装置30a针对照射辐射25的相对倾斜。为此目的，对传感器装置30a进行初始校准，其中，针对限定的入射角α下的至少一个照射状态来确定码图案32在传感器上的投影位置。
[0102]码图案32实施为线码并由于透射区域34b而具有不同宽度的线(间隙)，相邻线之间具有(可由不透明区域34a的尺寸定义)可变化的线间隔，码图案32的线被布置成基本上平行于传感器11的检测表面，因此，码图案32在照射的情况下在传感器11上产生了线，线在传感器11上的位置可以由传感器Ila确定，传感器Ila以位置敏感的方式至少针对X轴进行检测。如果传感器装置30a的倾斜在倾斜方向36或在XZ平面上变化，则投射到传感器11上的单条线或全部线的位置发生改变，由此可以得到倾斜方向36的倾斜值(参见图4b)。该确定可以基于例如通过处理已知的位置和对准值进行和实现的校准，已知的位置和对准值指示码元件31相对于传感器11的相对位置和对准。
[0103]为了根据码图案32在传感器11上的投影位置可靠地得到入射角α，设置了间隔部件37，间隔件部件37将码载体33保持在相对于传感器11的安全和固定的位置。这确保了码图案总是存在，使得码图案在特定的和确定的位置和对准并在相对于传感器11的限定间隔下是刚性的，依赖于装置30a的倾斜，码图案32以限定的偏移投影到传感器11上。由此，通过传感器装置30a在XZ平面或相对于倾斜方向36的倾斜由间隔件部件37来确定图案在传感器11上的投影位置。
[0104]根据本发明，传感器11和码元件31之间的间隔在I毫米至10毫米之间，并且通过间隔件部件37给出。
[0105]图4b示出了根据本发明的反射器装置的传感器装置30b的另一实施方式的侧视图。传感器装置30b具有线传感器Ila(例如配置为CXD传感器)和码元件41，码元件41提供了具有可变宽度(间隙宽度)的透光间隙并具有各种间隙间隔的码图案。
[0106]码元件41被布置在主体42上，主体42能够透射照射辐射25。主体42的第一端面42a上布置有传感器11a，主体42的第二端面42b上设置有码元件41。主体42这里还被配置成使得码元件41相对于传感器Ila的固定和刚性的定位得到保证，其中利用这种布置，提供了例如针对外部影响(例如冲击或热变形)的良好鲁棒性。在所示的实施方式中，码元件41或码图案直接布置在主体42上(码元件41和主体42被构造为一件)，也就是说，提供码图案的间隙或线被施加到(例如印在或刻在)主体42上。
[0107]根据一个另选实施方式(在这里没有示出)，码元件41可被施加到作为箔的主体上，箔上印刷了码图案，特别是通过粘合剂粘结了码图案。
[0108]作为主体42的具体构造的结果，码元件41以特定的间隔d (从Imm到1mm)刚性地连接到传感器11a。这个间隔d可以通过在各种情况下适应于所希望的要求的主体42来设置。根据此间隔d，可以在投影到传感器Ila上的投射图像上叠加近场衍射图案(菲涅尔衍射)。
[0109]为了可靠和准确地估计码图案在传感器Ila上的投影，传感器Ila和码图案之间的间隔d尤其被选择为使得，对于码元件41处的或者在由码图案的线所生产的各个间隙处的衍射，远场条件适用。代替纯菲涅尔衍射，于是发生夫琅和费衍射，即，传感器上的衍射辐射所得的在无限范围内的强度分布。
[0110]在间隔d的另选优选选择的情况下，可以提供同样合适的衍射图案，作为菲涅耳和夫琅和费衍射之间的衍射过渡，其中这被称为在相对于码图案41的过渡范围中提供线传感器11a。
[0111]此外，在设计传感器装置30b的情况下，特别是针于所希望的衍射图案的产生的情况下，除了合适的间隔d，特别考虑码图案的匹配设计，即在线码的情况下，透射间隙的布置和尺寸被相应地设置(例如，相对于间隙宽度的间隙间隔)。
[0112]在根据图4b所示的情况下，照射辐射25以入射角α >90°入射在传感器装置30b上，从而使码图案的线以特定的偏移43(针对入射角α =90°的照射的入射)投射到传感器Ila上。
[0113]线传感器Ila至少针对X方向实现以进行电磁辐射的位置敏感检测。在这种情况下，入射在传感器Ila上的辐射的检测精度至少取决于传感器的分辨能力和所得的衍射图案，其中，相比具有更平坦侧面(flatter flank)的强度图案的定位(在夫朗和费衍射或所述衍射过渡的情况下存在)，具有陡的侧面的强度图案的精确定位(在菲涅耳衍射的情况下存在)更加困难，更不准确地实现。因此，入射在传感器Ila上的辐射的位置确定的精度在离开近衍射距离并到达过渡范围时增加。
[0114]因此，传感器Ila上所投射的码图案的偏移43可以根据可检测到的照射辐射25来确定，并且相应的传感器信号可以产生。进而，根据所确定的偏移43或借助于所产生的传感器信号，可得到与照射辐射25的光束入射方向有关的传感器装置30b (针对倾斜方向36)的倾斜，即，可以确定入射角α。
[0115]图5a和图5b示出了根据本发明的反射器装置的传感器装置的具有码图案53的码元件55以及码元件55连同线传感器52的布置的特定实施方式，其中，在码元件55的对应照射时，会发生码图案53在线传感器52上的投影。码图案53在这里被配置为对于照射辐射不透明，然而，码图案53的光学性质以及包围或限定码图案53的表面也可以是反过来的情况。
[0116]所提供的码图案53相对于码元件55的延伸方向E具有斜线图案，具有各个图案部分(条纹)的不同倾斜方向。图案的第一部分具有相对于延伸方向E呈第一角度的图案对准，而第二部分具有呈第二角度的图案对准，第二角度与第一角度不同。
[0117]使用这样的码图案53，不仅可以通过照射来确定传感器装置绕第一轴A的偏斜(tile)，而且还可以确定绕第二轴B的转动。因此可以执行明确的针对两个轴的倾角确定。
[0118]在关于轴A倾斜的情况下，投射到线传感器52上的码图案53在延伸方向E的方向上被移位。相应改变的投影可以经由传感器52检测到，并且可以据此确定投影的偏移和绕轴A偏斜的幅度(和方向)。
[0119]在装置绕轴B转动的情况下，投射到线传感器52上的码图案53在垂直于延伸方向E的方向上移位。可以类似地借助传感器52检测到因此相应改变的投影，并且可以据此确定投影的偏移和绕轴B转动的幅度(和方向)。
[0120]投影的相应偏移可以从线传感器52的分别被照射或掩蔽的段的组合得到。
[0121]由于码图案的不同对准，两个轴的共同判定是明确的。因此排除了在针对投影同时偏斜和转动的情况下(这将在该布置的另选的方位的情况下出现)投影的码图案的一致性。
[0122]此外，这样的码图案53还特别提供了关于精度的优点，如同图1至图3之一的图案。
[0123]根据本发明，相对于线传感器52刚性地布置码元件55，使得该码元件55的延伸方向E朝向与线传感器的延伸方向52相同的方向，特别是平行于线传感器的延伸方向52。
[0124]图6示出了具有回射器4的反射器布置的另一实施方式，回射器4被配置为部分透射(针对福射25)棱镜，并且将福射25的一部分回射，即根据在棱镜处的入射位置平行或同轴地进行反射，并将辐射25的其余部分透射到传感器装置10。通过反射的辐射，可以进行反射器装置的距离和位置确定。例如，这是利用全站仪或激光跟踪仪根据已知方法来实现的，其中辐射25由全站仪或激光跟踪器发射作为测量辐射，例如作为准直激光辐射。
[0125]传感器装置10的实施方式并不限于这里示出的具有透镜13的变型，而可以根据本发明根据图2至图5b的任何期望的对应配置进行配置，特别是根据图4a至图5b之一进行配置。此外，回射器4(棱镜)可以根据针对回射元件的替代实施方式进行配置(例如，配置为回射膜)。
[0126]辐射25的透射过棱镜4的部分照射传感器装置10，使得辐射25被引导到传感器11上，从而可确定产生在传感器上的光斑(照射图案或光束入射区域)的位置。可确定的位置同时表示反射器装置相对于辐射25的传播轴(参见图3a至图5b)的相应倾斜。利用传感器11产生了表示投影(在使用码元件而不是透镜的情况下)或在检测表面上的辐射的位置的信号，在此基础上可以进行倾斜确定。为此，反射器装置可以具有用于倾斜确定的相应的处理装置，和/或信号发送装置，通过信号发送装置可以将入射辐射的位置信息(或信号)，或已经确定的倾斜发送至光束发射测量系统(如全站仪)。例如用于用户引导或测量点确定的所确定的方位或那儿要确定的方位(以及位置信息)可以使用测量系统相应地进一步进行处理。
[0127]辐射25在这里既充当用于位置确定的测量辐射又充当用于方位或倾斜确定的照射辐射。
[0128]根据本发明的具有上述根据图1-图6的传感器装置的反射器装置特别是与勘测系统(特别是经玮仪、全站仪或激光跟踪器)一起使用。勘测系统这里通常具有:限定了竖轴的基部；可移动地连接到基部并可相对于基部围绕竖轴转动的结构，其中该结构限定了偏斜轴；以及目标确定单元(特别是望远镜)，其可移动 地连接到所述结构，能够相对于所述结构围绕偏斜轴枢转，特别是转动，并且被设置成发射测量辐射。偏斜轴基本上垂直于竖轴。
[0129]还提供了光束源，用于产生照射辐射，尤其是测量辐射，和角度及距离测量功能。
[0130]该测量系统具有控制和处理单元，用于控制传感器装置的目标确定和用于确定传感器装置的位置和倾斜。在传感器装置目标确定的过程中，可以从照射辐射(尤其是测量辐射)与传感器装置的相互作用得出传感器装置相对于照射辐射(特别是测量辐射)的照射方向(光照射轴)针对至少一个倾斜方向的倾斜。
[0131]借以确定到反射目标的距离的激光辐射，可以因此被用作传感器装置的照射辐射。另选地或附加地，还可以额外提供用于照射辐射的发射的辐射源。
[0132]很明显，所例示的这些图中仅示意性地示出了可能的示例性实施方式。也可以根据本发明对各种方法进行彼此组合，以及可以将各种方法与现有技术的用于物体的倾斜或位置确定的方法以及测量系统进行组合。根据本发明的这些方面因此可以尤其与大地测量系统(如全站仪和视距仪)或工业测量系统(例如，激光跟踪器)相结合使用。
【主权项】
1.一种反射器装置(1，2)，用于目标点的位置确定和/或标记，特别是用于工业或大地测量，该反射器装置(1，2)具有: ?回射器(4，5，6)，该回射器(4，5，6)用于利用平行的、特别是同轴的光束反射对所述反射器装置(1，2)进行位置确定，以及 ?传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)， 其特征在于， 所述传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)具有: ?具有码图案(32，53)的码元件(31，41，55)，以及 ?传感器(11，11a，52)，该传感器对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于所述传感器的检测表面， 其中，所述码元件(31，41，55)和所述传感器(ll，lla，52)以限定的间隔(d)刚性连接，使得能够利用所述传感器(ll，lla，52)来确定所述码图案(32，52)投影到所述检测表面上的位置，该位置相对于所述接收方向具有角度相关性。2.根据权利要求1所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述传感器(11，11a，52)的接收方向和所述码元件(31，41，55)的延伸方向被对准为相互正交，并且所述限定的间隔为至少I毫米并至多10毫米，特别是其中，所述传感器(11，11a，52)的延伸方向被对准为与所述码元件(31，41，55)的延伸方向相同。3.根据权利要求1或2所述的反射器装置(1，2)，其特征在于， 所述码元件(31，41，55)至少针对具有来自所述至少一个波长范围的波长(λΒ)的光辐射(25)具有不同透射率的区域(34a-34b)，其中，所述码图案(32，53)由这些不同透射率的区域(34a-34b)表示，特别是其中，所述不同透射率的区域限定了具有不同线间隔和/或线宽度的线图案。4.根据权利要求1至3中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述传感器(11，11a，52)被配置为线传感器(11a，52)或面传感器，特别是被配置为CCD 或 CMOS。5.根据权利要求1至4中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有载体结构，使用所述载体结构能够对所述目标点进行位置确定和/或标记，其中，所述回射器(4，5，6)和所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)由所述载体结构承载，并且相对于彼此以已知的位置关系被布置。6.根据权利要求5所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述载体结构 ?被配置为辅助测量仪，特别是被配置为测量杆或探测工具，或?被配置为移动便携式现场控制器，所述现场控制器具有光学目标确定或标记单元，用于对所述目标点进行位置确定和/或标记，或 ?具有用于将所述载体结构稳固在所述辅助测量仪或所述现场控制器上的附加设备。7.根据权利要求1至6中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有至少一个另外的传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)，特别是由所述载体结构承载的传感器装置，其中，所述至少一个另外的传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)相对于所述第一传感器装置(10，10a-10b，20a_20d，30a-30b)以限定的对准和限定的位置被布置，以确定相对于另外的轴(N，G，B)的倾斜。8.根据权利要求1至7中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有相对于彼此呈指定的和已知的空间分布的多个辅助点标记(22)，特别是由发光二极管或反射器实现的多个辅助点标记，其中，所述多个辅助点标记(22)通过对至少部分地捕获到所述多个辅助点标记(22)的图像进行图像处理提供所述反射器装置(1，2)的相对于至少一个另外的轴(N，G)的倾斜确定，特别是其中，所述多个辅助点标记(22)提供了空间方位确定。9.根据权利要求1至8中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有惯性测量单元(7)，所述惯性测量单元(7)用于连续确定所述反射器装置(1，2)的方位和/或倾斜，特别是用于确定位置、方位和/或倾斜的改变，特别是其中，所述惯性测量单元(7)具有加速度计、旋转速度传感器、倾斜传感器和/或磁罗盘。10.根据权利要求1至9中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有用于数据发送的发送单元，特别是其中，所述发送单元被配置为使得可以通过发射电磁辐射，特别是发射调制光，来进行数据发送。11.一种具有反射器装置(1，2)的校准方法，所述反射器装置(1，2)被配置至少用于对目标点进行位置确定和/或标记，所述反射器装置(1，2)具有: ?传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)，所述传感器装置(10b，20a_20b，30a_30b)实现了基准传感器装置，以及?第一传感器单元， 其中，所述基准传感器装置和所述第一传感器单元以已知的位置关系被布置，其中?由所述基准传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)生成相对于第一轴的基准倾斜数据，并且 ?基于所述基准倾斜数据相对于所述第一轴校准所述第一传感器单元， 其特征在于， 所述基准倾斜数据的生成是以如下方式进行的: ?接收一入射角U)下的照射辐射，特别是准直的照射辐射， ?根据所述入射角，确定所述基准传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)的传感器(11，Ila,52)上的照射辐射入射区域，以及 ?根据所述照射辐射入射区域的位置和所述照射辐射的先前已知的入射方向得到所述基准倾斜数据， 特别是其中，所述第一传感器单元的校准以限定的时间间隔进行，特别是连续地进行。12.根据权利要求11所述的校准方法， 其特征在于， ?使用所述第一传感器单元来生成第一传感器数据，所述第一传感器数据代表相对于所述第一轴的倾斜， ?确定所述第一传感器数据与所述基准倾斜数据匹配的程度，并且?根据所述匹配的程度，执行所述第一传感器单元的校准，特别是自动地执行所述第一传感器单元的校准。13.根据权利要求11或12所述的校准方法， 其特征在于， ?使用所述第一传感器单元进行的倾斜确定涉及变化的测量误差，特别是随时间推进而增大的测量误差，并且 ?通过校准所述第一传感器单元对所述测量误差进行补偿， 特别是其中，所述第一传感器单元被配置为惯性测量单元IMU，或者特别被配置为多轴倾斜传感器。14.根据权利要求1至10中任一项所述的反射器装置(1，2)在位置和倾角确定方面的用途，该用途包括 ?用测量辐射(25)照射所述回射器(4，5，6)，并通过由所述回射器(4，5，6)反射的测量辐射(25)对所述反射器装置(1，2)进行位置确定， ?照射所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)，特别是以准直的方式照射所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)，其中，入射角(α)由照射轴相对于所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)的传感器的捕获方向的对准来限定， ?针对在所述传感器(11，11a，52)的检测表面上的位置，对照射过程中在所述传感器(11，11a，52)上产生的光束入射图案，特别是对所述码图案在所述传感器(11，11a，52)上的照射横截面或投影，进行位置敏感捕获，以及 ?根据所述检测表面上的所述光束入射图案的、能够通过所述位置敏感捕获确定的位置得到所述反射器装置(1，2)相对于至少所述照射轴的倾斜，其中，所述光束入射图案的位置取决于所述入射角(α)015.一种存储在机器可读载体上的计算机程序产品，用于控制或执行根据权利要求11至13中任一项所述的校准方法，特别是在所述计算机程序产品在测量系统的控制和处理单元上执行的情况下，其中所述系统特别是全站仪、经玮仪或激光跟踪仪。
【专利摘要】本发明涉及反射器装置及其校准方法和用途。一种反射器装置(1，2)，用于对目标点进行位置确定和/或标记，特别是用于工业或大地测量，该反射器装置(1，2)具有：回射器(6)和传感器装置(20a-20d)，该回射器(6)用于利用平行的、特别是同轴的光束反射对所述反射器装置(2)进行位置确定。根据本发明，传感器装置(20c-20d)具有透镜和传感器，传感器对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于该传感器的检测表面，其中，所述透镜和所述传感器刚性连接，使得能够利用所述传感器来确定由检测表面上的透镜限定的照射横截面的位置，该位置相对于接收方向具有入射角相关性。
【IPC分类】G01C15/00
【公开号】CN104897140
【申请号】CN201510102252
【发明人】托马斯·延森, 克努特·西尔克斯
【申请人】赫克斯冈技术中心
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月9日
【公告号】EP2916104A1, US20150253137
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于确定位置和/或用于标记目标点，特别是用于建筑或大地测量的反射器装置，涉及校准方法，并涉及计算机程序产品。
【背景技术】
[0002]为了测量目标点，历来有众多测量系统。这里记录的空间标准数据是方向或角度，通常还有测量系统到待测量目标点的距离，特别是，除了现有的基准点以外还捕获测量系统的绝对位置。
[0003]大地测量系统的公知实例为经玮仪、视距仪和全站仪，全站仪也称为电子视距仪或计算机视距仪。例如，在公开文献EP 1686350中描述了现有技术的大地测量装置。这样的系统具有电感角和可能距离测量功能，这允许确定到选定目标的方向和距离。角度或距离变量在这里是在该系统的内部参考系内被确定，并且在适当的情况下仍然必须被链接到外部参考系，用于绝对位置确定。
[0004]对于这种测量系统的构造，已知众多不同的实施方式。例如，现代的全站仪具有微处理器，用来进行进一步的数字处理并存储所采集的测量数据。该系统通常具有紧凑和集成的结构，其中，通常在系统中存在同轴测距元件以及计算、控制和存储单元。取决于全站仪的扩展程度，还可能实现目标确定和瞄准装置以及在回射器(例如，360°棱镜)被用作目标对象的情况下要集成的用于自动目标查找和跟踪的装置的机动化。作为人/机接口，全站仪可以具有带有显示器和输入装置(如键盘)的电子显示控制单元，其通常是具有电子数据存储装置的微处理器计算单元。显示控制单元设置有电感采集的测量数据，使得经由显示控制单元能够确定、能够光学地显示并能够存储目标点的位置。现有技术已知的全站仪还可具有用于建立到外部外围部件(例如到便携式数据采集系统)的无线电链路的无线数据接口，便携式数据采集系统尤其可构造为数据记录器或现场计算机。
[0005]为瞄准或目标确定待测量的目标点，一般的大地测量系统具有望远式瞄准器，如光学望远镜，作为瞄准装置。望远式瞄准器通常可绕竖直站立轴和水平倾斜轴相对于测量系统的底座进行转动，使得该望远镜可通过转动和倾斜与待测量点对准。除了光学观看通道，现代系统还可以有照相机，它被集成在望远式瞄准器中且被例如同轴或平行对准以便捕获图像，其中，所捕获的图像可以在显示控制单元的显示器和/或用于远程控制的外围系统(如数据记录器)的显示器上被显示为实时图像。瞄准装置的光学单元在这里可以具有手动聚焦或自动聚焦，手动聚焦例如有调节螺旋，用于调节聚焦光学单元的位置，其中，聚焦位置例如借助于伺服马达而改变。例如EP 2 219 011中描述了这样一种大地测量系统的瞄准装置。例如，从DE 197 107 22、DE 199 267 06或DE 199 495 80中已知用于大地测量系统的望远式瞄准器的自动聚焦装置。公开文献EP I 081 459或EP I 662 278中说明了大地测量系统的一般望远式瞄准器的结构。
[0006]常用的大地测量系统同时默认具有针对用作目标反射器的棱镜的自动目标跟踪功能(ATR:“自动目标识别”)。为此目的，例如另一个单独的ATR光源和对该波长敏感的特定ATR检测器(例如CCD区域传感器)，被额外集成在望远镜中。
[0007]还已知的是为目标点的连续跟踪和所述点的坐标位置确定而专门配置的测量系统。特别是在工业勘测的技术领域中，这些一般都可以整合在术语“激光跟踪器”下。目标点可以在这里表示为回射单元(例如立方体棱镜)，其使用测量装置的光学测量光束(特别是激光束)被进行目标确定。激光束以平行的方式反射回测量系统，其中，使用该设备的捕获单元捕获反射光束。这里，例如使用用于角度测量的传感器确定光束的发射或接收方向，用于角度测量的传感器与系统的偏转镜(deflect1n mirror)或目标确定单元相关联。此外，通过例如使用飞行时间或相位差测量捕获光束来确定该测量系统和目标点之间的距离。
[0008]针对作为测量系统的激光跟踪仪的结构，现代跟踪仪系统具有用于确定所接收的测量光束相对于所谓的伺服控制点的偏移的传感器，这日益成为标准。这种可测量的偏移可以被用于确定回射器的中心与激光束在反射器上的入射点之间的位置差异，以及用于独立于所述偏差来纠正或调整激光束的对准，使得传感器上的偏移被降低，特别是降为“零”，并且由此该光束在反射器中心的方向对准。通过调整激光束对准，可以进行目标点的连续目标跟踪，并且可以连续地确定目标点相对于测量系统的距离和位置。该调节在这种情况下可以使用偏转镜的受控对准改变和/或通过枢转包括光束引导激光光学单元的目标确定单元来实现，偏转镜借助于电机是可移动的并被设置用于偏转激光束。
[0009]为了测距，现有技术的激光跟踪器具有至少一个测距仪，其中测距仪例如可被配置为干涉仪。由于这样的测距单元只能测量相对距离的变化，所以现代激光跟踪仪中，除了干涉仪以外还包含所谓的绝对测距仪。例如，从莱卡地球公司的产品AT901能获知用于确定距离的这种测量装置的组合。在用于距离测量(为了大的相干长度，从而使得测量范围变得可能)的这样的背景下使用的干涉仪主要使用气体激光器作为光源，尤其是氦氖气体激光器。氦氖激光器的相干长度在这种情况下可以是几百米，使得利用相对简单的干涉仪结构，可以实现在工业计量中所要求的范围。例如从W02007/079600 Al中能获知绝对测距仪和使用氦氖激光器用于距离确定的干涉仪的组合。
[0010]在许多大地测量应用中，通过将具体实施的目标对象(例如测量杆)放置在目标点对点进行测量。所述目标对象通常包括带有反射器(例如，360°棱镜)的铅垂杆，反射器用于限定测量段或测量点。在这样的测量任务的情况下，通常在目标对象(特别是目标对象处的便携式数据采集系统)和用于控制测量动作和用于固定或登记测量参数的中央测量系统之间传送数据、指令、语言和其他信息。这样的数据的例子是目标对象的识别信息(例如所用棱镜的类型)、铅锤杆的倾斜、反射器高于地面的高度、反射器常数或测量值，例如温度或空气压力。所述信息或情况相关参数是必要的，以便允许对由带有棱镜的垂直杆所限定的测量点进行非常精确的目标确定和测量。
[0011]即使是在工业测量中，也使用了具体实施的目标对象或用于对测量点(尤其是多个测量点)进行测量的辅助测量仪器。这些目标对象包括非接触测量传感器(例如移动光学扫描单元)，还有所谓的探测工具，探测工具通过其触点定位在物体上的测量点上，从而允许测量所述目标点。
[0012]通过上述测量系统与在各种情况下使用的反射器单元的相互作用，能够可靠精确地确定所述反射镜(在辅助测量仪器上)的位置。然而，为了测量一个或多个特定目标点，单单反射器的位置通常是不够的，因为反射器不直接指示待确定的目标点，而是所述目标点是使用目标对象或辅助仪器(例如在大地测量中的铅垂杆)来测量的。
[0013]因此，为了获得要使用仪器被确定的目标点的位置，以及设置在辅助仪器上的反射器的所确定的位置，还必须相对于相应辅助仪器的各种情况的相关空间方向确定空间方位或倾斜。这样的方位例如可通过倾斜传感器或IMU(惯性测量单元)来确定，倾斜传感器或IMU被设置在限定位置和相对于所述反射器的定位，或借助于布置在辅助仪器上的标记(这通常用于激光跟踪仪)，接触探针仪器上的标记的位置是精确已知的，并且方位通过对图像的图像处理来确定，在所述图像中所述标记以位置基准被捕获。该图像可以由上述测量系统的一部分上图像捕获单元捕获。
[0014]根据现有技术的这些方案的缺点不仅是由于通常实现为液体传感器的倾斜传感器或由于IMU造成的有限精度，特别是因为所设置的传感器的漂移，特别是针对倾斜或方位确定在相对长的一段时间内。此外，用于方位确定而提供的标记包括额外的误差源，这是说，例如，如果一个或多个标记被部分覆盖，则相应的方位确定可能仍然是可能的，但该方位只能以有限的精度被确定。
[0015]甚至根据EP I 200 853的方案针对由于未定义的光束引导和成形带来的可实现的精度具有类似的缺点，在该方案中，棱镜针对测量光束具有穿透通道表面，且测量光束一部分直接入射在传感器上。对传感器上辐射的位置的精确确定仅达到一个非常有限的程度，因为该判定精度在很大程度上取决于测量距离和光束质量。此外，结构构造被配置得非常复杂，在空间上要求很高(棱镜在传感器前方或传感器集成在反射器中)。由于与结构相关的反射器内反射，即使在针对该单元的距离确定的过程中，也有可能在对该点的距离确定过程中发生显著测量误差。
【发明内容】
[0016]因此，本发明的一个目的是提供一种改进的，结构更不复杂的装置，其允许更可靠和更准确的位置和方向确定，特别是利用高达六个自由度(三个平移和三个转动自由度)用于测量目的。
[0017]这个目的是通过独立权利要求中的特色化特征的实现来实现的。进一步以替代或有利的方式展现了本发明的一些特征可从从属权利要求中得到。
[0018]本发明在第一实施方式中涉及一种反射器装置，用于位置确定和/或目标点标记，特别是用于工业或大地测量，该反射器装置具有:回射器，该回射器利用平行的、特别是同轴的光束反射对反射器装置进行位置确定；以及传感器装置，其中所述传感器装置具有带码图案的码元件。该传感器装置附加地具有传感器，其对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于其检测表面，其中，所述码元件和传感器刚性连接，限定有间隔，以使得能够使用该传感器来确定码图案在检测表面上的投影的位置，该位置相对于接收方向具有角度相关性。
[0019]在该上下文中，也就是在本发明的上下文中，码元件和传感器之间的间隔被理解为是指两个元件(码元件和传感器)之间的几何间隔。结果，这被理解为是指和被定义为在这些元件之间的实际结构间隔，即，这些元件的最短连接。该间隔例如可以由从码元件的边界表面到传感器的相对边界表面的直线距离来表示，或由两个元件的各自质心的距离来
[0020]此外，光学间隔由码元件相对于传感器的这种布置所定义，其中为此目的要额外考虑位于所述码元件(或码图案)和所述传感器之间的介质(例如，空气或玻璃)的折射率η。光学间隔在这种情况下是几何距离L (几何间隔)除以插入的介质的折射率n (L/n)。因此光学间隔作为插入的介质或多个插入的介质(例如空气和玻璃)的当前折射率η的函数而不同于几何间隔。
[0021]可依赖于用于各测量要求的各实施方式的永久设置的间隔在这里的作用就像投影码的位移上的杠杆，由此，传感器装置的灵敏度可以被调整。
[0022]根据一个特定实施方式，并针对本发明的这一方面，传感器接收方向和码元件的延伸方向被对准为相互正交，所定义的间隔为至少1mm，且最多10mm，特别是其中，传感器的延伸方向被对准为与码元件的延伸方向相同。
[0023]根据一个特定实施方式，并针对本发明的第一方面，传感器装置具有主体，它对于线传感器的波长范围至少部分透明，主体特别为玻璃主体或塑性主体，其中主体具有码元件，特别是其中，码图案设置在主体上或主体中，和/或所述主体被实施为码元件。
[0024]在主体具有码元件的情况下，至少为Imm并最多为1mm的间隔d尤其由主体的空间尺寸预先限定，其中，码元件(具有码图案)设置在主体的第一端侧，线传感器布置在主体的第二端侧，主体的第二端侧特别与第一端侧相对，特别是其中，所述第二端侧与线传感器的检测表面形成共用接触面。主体可以实现为长方体，例如，其中该码图案与线传感器被布置在主体的分别相对的(平行)的表面(=第一端侧和第二端侧)上。
[0025]在本发明的另一个实施方式中，根据本发明，码元件至少针对具有来自所述至少一个波长范围的波长(λΒ)的光辐射具有不同透射率的区域，其中，码图案由这些不同透射率的区域表示，特别是其中，所述不同透射率的区域限定了具有不同线间隔和/或线宽度的线图案。
[0026]根据本发明一个更特别的实施方式，不同透射率的区域被实施，使得码图案限定了直线状延伸的能透过辐射的透射区域，特别是充当间隙，间隙宽度为b的能透过辐射的区域。作为码图案的投影的结果，获得至少一个相应的光条纹。
[0027]特别是，根据具有间隙宽度b的本发明提供透射区域，码元件的被布置为相对于线传感器有间隔d，从而满足衍射条件d多b2/ λ Β，特别是夫琅和费衍射条件d?b2/ λ Β，特别是当码元件被使用波长λB的光辐射进行照射时对码图案进行投影。
[0028]此外，至少一个透射区域可以根据本发明来配置，以及可以将码元件布置为相对于线传感器有间隔d，使得对于在传感器装置处的光辐射的衍射，基本上出现远场衍射条件。
[0029]根据本发明另一优选实施方式，不同透射率的区域被构造成，使得沿着码元件的延伸轴的码图案具有多个能透过辐射的透射区域，这多个能透过辐射的透射区域具有各自(可能不同)的间隙宽度b，其中能透射辐射的透射区域被布置成基本上彼此平行，并且在每一种情况下，间隙间隔s被限定在每两个相邻透射区域之间。间隙间隔s可以在每两个相邻透射区域之间大小不同。因此，码图案定义了充当间隙并且可以是针对间隙宽度b和间隙间隔S不同的一系列光透射区域。
[0030]另外，根据本发明，间隙间隔s在各种情况下都可以设置，并且码元件可以被设置成相对于线传感器有间隔d，使得条件d # 2.η.S2/ λ^导到满足，其中η是自然数集合中的任意数，特别是对于当码元件被使用波长λB的光辐射进行照射时码图案的投影。
[0031]根据本发明的另一个实施方式，针对码元件的延伸轴的间隙宽度b至少为0.05毫米，还特别地为最多0.2毫米，并且至少两个相邻的透射区域之间的间隙间隔S(同样针对码元件的延伸轴)为至少0.5毫米，并且还特别地至多为5_。为此目的相应地配置了不同透射率的区域。
[0032]对于码元件或码图案的构造，根据本发明，码由此由特别是薄的、能透过辐射的、具有较大(与此有关)中间间隔的间隙形成。码的间隙宽度b与间隙间隔s之比是基于优选的夫琅和费衍射和限定构造(对于第η级)的塔尔博特(Talbot)长度而选择的。
[0033]这些条件得到特别是这样的码，例如，透射间隙为0.05毫米宽，交替周期(=间隙之间的间隔)为0.6毫米至0.9毫米。因此，大约12个周期可以被成像在8毫米长的线阵列(线传感器)上。码和传感器之间的间隔d在这种情况下可以是Imm至10mm，其中如果光不足，则较短的间隔是优选的，但较大的间隔增加分辨率。在间隔d = 2毫米的情况下，实现了在40gon的测量范围上的30cc的倾斜角度精度；在d = 5毫米的情况下，实现了至少1cc的精确度。
[0034]当间隙宽度b为0.05毫米，码和传感器之间的间隔为5毫米(在垂直的入射光的情况下)，传感器长度为8毫米，并且传感器装置的测量范围为±45°倾斜时，对于分布在8毫米的传感器长度上的0.6毫米、0.85毫米、1.1毫米的间隙间隔的角度确定而言，标准偏差是最低的。
[0035]具体而言，根据本发明配置了不同透射率的区域，使得可以根据在线传感器上的并使用该线传感器检测的区域的位置，在线传感器上进行对成像到线传感器上的码图案的明确位置确定。为了这个目的，例如，码图案的非周期结构是有利的(例如，特别是不同的间隙间隔b)。
[0036]关于传感器装置的测量范围，根据本发明，传感器装置优选地被配置为，使得可以根据码图案在线传感器上的投影的位置(该位置可以经由线传感器来确定)得到传感器装置相对于至少一个轴的倾斜，其中码图案在线传感器上的投影相对于所述轴在高达±45°的倾斜角范围内。
[0037]另一个方面还涉及一种用于位置确定和/或标记目标点，特别是用于工业或大地测量的反射器装置，该反射器装置具有回射器和传感器装置，所述回射器用于通过并行的、特别是同轴的光束反射对反射器装置进行位置确定。传感器装置在这里具有透镜和传感器，该传感器对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于该传感器的检测表面，其中，所述透镜和所述传感器刚性地连接，使得能够使用该传感器确定由透镜所定义的照射截面在检测表面上的位置，该位置相对于接收方向具有入射角相关性。
[0038]由此，传感器装置被构造为，使得通过入射角相关的光束检测，可以确定反射器装置的相对于至少一个轴的倾斜。
[0039]根据本发明这个可替代方面的特定实施方式，传感器在这里被配置为，使得可以使用传感器确定照射截面的形式，即，照射截面的形式可被确定为，使得当用带有照射发散的照射辐射照射传感器装置，其中照射发散相对于光束方向不旋转对称，特别是不对称时，则可以根据照射截面在检测表面上的可确定位置得到相对于所述至少一个轴的倾斜，并且可以根据在过程中形成在检测表面上的照射横截面的形式，特别是照射点或被照射区域的形式来得到相对于另一轴的倾斜。
[0040]在这个另一方面的上下文中，透镜和传感器被布置为使得所述透镜的光轴平行对准所述传感器的接收方向，特别是其中，所述光轴与检测表面的几何质心相交。
[0041]另选地或另外地，所述透镜被构造为柱面透镜。
[0042]根据特定实施方式(因此是指既具有透镜的传感器装置，并且根据本发明，还指具有码元件的这种装置)，所述传感器被配置为线传感器或面传感器，特别是被配置为CCD或 CMOS。
[0043]对于反射器装置的结构构成，根据本发明的另一实施方式，反射器装置具有载体结构，使用该载体结构可以对目标点进行位置确定和/或标记，其中，所述回射器和所述传感器装置由所述载体结构承载并且相对于彼此以已知的位置关系被布置。具体地，载体结构这里被配置为辅助测量仪，特别是被配置为测量杆或探测工具，或者被配置为移动便携式现场控制器，该移动便携式现场控制器具有用于目标点的(坐标式)位置确定和/或标记的光学目标确定或标记单元，或具有用于稳固在辅助测量仪或现场控制器上的附加设备。
[0044]根据本发明，倾斜确定的可能性并不限于相对于一个轴，也可以相对于多个轴进行。为了这个目的，根据本发明进一步的实施方式，反射器装置具有至少一个另外的传感器装置，特别是由载体结构承载的至少一个另外的传感器装置，其中所述至少一个另外的传感器装置相对于所述第一传感器装置以限定的对准和限定的位置被布置，以确定相对于另外的轴的倾斜。根据另一个传感器装置的结构，反射器装置可以具有多个这样的附加的传感器装置，以便提供相对于多个轴的倾斜确定和/或相对于一个轴的更精确确定(例如通过对多个倾斜值取平均)。
[0045]至于多个轴的倾斜确定或反射器装置的方位确定，在根据本发明的一个具体的实施方式中，反射器装置具有相对于彼此呈指定的和已知的空间分布的多个辅助点标记，多个辅助点标记特别是通过发光二极管或反射器实现，其中所述辅助点标记通过对至少部分地捕获到所述多个辅助点标记的图像进行图像处理提供所述反射器装置的相对于至少一个另外的轴的倾斜确定，特别是其中，所述辅助点标记提供了空间方位确定。
[0046]根据进一步的具体特定实施方式的反射器装置还具有惯性测量单元(MU)，该惯性测量单元用于连续确定反射器装置的方位和/或倾斜，特别是用于确定位置、方位和/或倾斜的改变，特别是其中，所述惯性测量单元具有加速度计、旋转速度传感器、倾斜传感器和/或磁罗盘。这里，能够以高测量速率调整来自IMU的倾斜数据，而码元件的较低测量速率用作支持位置，从而补偿IMU的可能的时间漂移。
[0047]为了发送数据(例如，为了倾斜确定必须进一步处理的测量值或已经得到的倾斜值)，根据本发明的特定实施方式，该反射器装置具有用于数据发送的发送单元，特别是其中，发送单元被配置为使得可以通过发射电磁辐射，特别是调制光，来进行所述数据发送。例如，这也可以通过用于测距(EDM)的测量光束进行。接收单元和发送单元之间的同步也可以通过从两个单元接收的GPS信号的进行。相关的测量数据被优选在传感器装置中计算，以便保持数据传送量小。
[0048]本发明还涉及一种反射器装置的校准方法，反射器装置被配置为至少用于目标点的位置确定和/或标记，反射器装置具有实现了基准传感器装置的传感器装置和第一传感器单元，其中所述基准传感器装置和第一传感器单元以已知的位置关系被布置。在该校准方法的上下文中，由所述基准传感器装置生成相对于第一轴的基准倾斜数据，基于所述基准倾斜数据相对于所述第一轴校准所述第一传感器单元。[0049]根据本发明，基准倾斜数据的生成是这样进行的:接收入射角为α的照射辐射，特别是准直的照射辐射；根据所述入射角，确定在基准传感器装置的传感器上的照射辐射入射区域；并且根据照射辐射入射区域的位置和照射辐射的先前已知的入射方向得到基准倾斜数据。
[0050]根据本发明的特定实施方式，基准传感器装置由根据本发明的反射器装置的传感器装置实现，即，基准传感器装置具有带码图案的码元件以及传感器，传感器至少对于一个波长范围敏感，接收方向垂直于该传感器的检测表面，其中，所述码元件和所述传感器以限定的间隔刚性连接，使得能够利用传感器将码图案的投影的位置确定为传感器的检测表面上的照射辐射入射区域，码图案的投影的位置相对于所述接收方向具有角度相关性。
[0051]第一传感器单元的校准特别是以限定的时间间隔进行，特别是连续地进行。
[0052]根据本发明的特定实施方式，第一传感器单元是由用于连续地确定反射器装置的倾斜、方位和/或位置(特别是用于确定倾角、方位和/或位置的改变)的惯性测量单元(IMU)来实现的，特别是其中，所述惯性测量单元(IMU)具有加速度计、旋转速度传感器、倾斜传感器和/或磁罗盘。另选地，所述第一传感器单元被配置为倾斜传感器，尤其是多轴倾斜传感器，用于确定所述反射器装置相对于多个轴的倾斜，特别是气体倾斜传感器。
[0053]根据本发明的特定实施方式，第一传感器单元被用于生成表示相对于所述第一轴的倾斜的第一传感器数据，并且确定第一传感器数据和基准倾斜度数据的匹配程度。另外，第一传感器单元的校准是根据匹配程度来进行的，尤其是自动地进行。
[0054]根据本发明进一步的实施方式，使用第一传感器单元的倾斜确定涉及变化的测量误差，特别是随时间推进而增大的测量误差，通过校准所述第一传感器单元来对测量误差进行补偿，特别是其中，第一传感器单元被配置为惯性测量单元(MU)，或者特别被配置为多轴倾斜传感器。
[0055]在本发明的上下文中，产生基准倾斜数据，尤其使得该基准倾斜数据(还)代表相对于第二和/或第三轴的倾斜，所述第一传感器单元被配置为测量相对于至少第二和/或第三轴的倾斜，并且(还)进行第一传感器单元的校准，用于基于该基准倾斜数据相对于所述第二和/或第三轴的倾斜确定。
[0056]此外，根据本发明一个特定实施方式，生成基准倾斜数据，使得该基准倾斜度数据代表反射器装置的空间方位，确定反射器装置的位置，所述第一传感器单元被配置为用于所述反射器装置的方位和位置确定，特别是用于位置确定，并且基于基准倾斜数据和所确定的位置针对它们用于方位和位置确定(特别是位置确定)的功能进行第一传感器单元的校准。
[0057]结果，传感器单元的校准可以确保高达6个自由度(6DOF)，以使得例如可针对这些参数重新校准IMU0
[0058]根据本发明进一步的实施方式，反射器装置具有至少一个另外的基准倾斜传感器单元和/或回射器。在反射器装置的限定的对准和限定的位置的情况下，所述至少一个另外的基准倾斜传感器单元和/或回射器在这里与反射器装置相关联，以确定相对于另外的轴或位置的倾斜。
[0059]本发明附加地涉及使用根据本发明(根据上述实施方式)的反射器装置，用于通过以下步骤来进行位置和倾斜确定:用测量辐射照射所述回射器并通过由所述回射器反射的测量辐射对所述反射器装置进行位置确定，以及照射所述传感器装置，特别是以准直方式照射所述传感器装置，其中，入射角由照射轴相对于传感器装置的传感器的捕获方向的对准来限定。
[0060]此外，反射器装置的这种用途涉及对照射过程中在传感器上产生的光束入射图案的位置进行敏感捕获(特别是对照射横截面或码图案在传感器上的投影的位置进行敏感捕获)，和根据检测表面上的光束入射图案的、可以通过的位置敏感捕捉确定的位置得到相对于至少照射轴的倾斜，其中该光束入射图案的位置取决于入射角。
[0061]为了抑制周围光，测量辐射可以针对根据本发明的一个特定实施方式被调制。结果，能够进行暗图像(无测量辐射)和亮图像(有测量辐射)的求和及相减，其结果是能够实现改进的信噪比。
[0062]此外，本发明还涉及一种计算机程序产品，其存储在机器可读载体上，用于控制或执行上述校准方法，特别是在所述计算机程序产品在测量系统的控制和处理单元上执行的情况下，其中所述系统特别是全站仪、经玮仪或激光跟踪仪。
【附图说明】
[0063]下面基于在附图中示出的具体示例性实施方式，仅仅作为例子来更详细地描述根据本发明的装置和根据本发明的方法，附图中还将讨论本发明的进一步的优点。具体来讲:
[0064]图1a至图1b示出了在各种情况下根据本发明的反射器装置的实施方式；
[0065]图1c以截面图示出了根据本发明的设置在根据图1a的反射器装置上的多个传感器装置的实施方式；
[0066]图2示出了根据本发明的反射器装置的另一个实施方式，其具有中心设置的回射器和用于确定反射器装置相对于至少两个轴的倾斜的四个传感器装置；
[0067]图3a至图3b示出了在各种情况下具有透镜和传感器的传感器装置的实施方式；
[0068]图4a至图4b示出了在各种情况下根据本发明的具有码元件和传感器的传感器装置的另一实施方式的侧视图；
[0069]图5a至图5b示出了根据本发明的具有带码图案的码元件和线传感器的反射器装置的传感器装置的另一实施方式；以及
[0070]图6示出了根据本发明的具有回射器的反射器装置另一实施方式，其中回射器被配置为部分透射棱镜。
【具体实施方式】
[0071]图1a至图1b示出了在各种情况下根据本发明的反射器装置I的实施方式。
[0072]反射器装置I在各种情况下都具有一个回射器5 ο如这里示出的，所述回射器可以例如被配置为“360°棱镜”，因此可以从不同的方向被定位，其中，朝向棱镜5的测量辐射以平行或同轴的方式发生反射。另选地，尽管这里未示出，回射器可以由回射膜实现。反射器通常以大地测量或工业测量系统(例如，全站仪、视距仪或激光跟踪器)为目标，用于确定反射器5相对于测量系统的距离和位置。此外，这里可以确定针对所述反射器5或整个反射器装置I的当前位置的绝对坐标。
[0073]此外，根据本发明，反射器装置I具有多个传感器装置10a-10b，利用多个传感器装置，除了反射器装置I的位置确定外，还提供了相对于至少一个轴的倾斜确定。通过照射各传感器装置1a-1Ob并通过使用与相应传感器装置1a-1Ob相关联的传感器检测光束入射图案的位置确定照射辐射的入射角，来进行这种倾斜确定。这样的传感器被配置用于确定入射到传感器的检测表面上的辐射的入射位置，例如被配置为CCD或CMOS。根据各传感器装置1a-1Ob的(和照射辐射的)构造，可以在一个、两个或三个轴上确定入射角，因而可以确定倾斜。
[0074]用来照射并确定倾斜的照射辐射特别是准直辐射，特别是具有限定波长的激光辐射。以举例的方式，可以由大地测量系统(用于距离确定)发射的测量辐射也可以被用于照明目的，和/或可以提供附加的辐射源(和可能的光学单元)用于适当的照明。
[0075]知道了照射辐射的传播方向和可确定的入射角，就有可能得到传感器装置1a-1Ob的方位，并由此得到整个反射器装置I相对于至少一个轴的方位。
[0076]图1a至图1b在各种情况下示出了多个传感器装置10a-10b，这些传感器装置在各种情况下被定位成例如具有绕反射器轴的60°的角度偏移。因此，在相应传感器装置1a-1Ob的相应测量范围约为60°的情况下，有可能确定从任何水平方向的倾斜(在由传感器装置1a-1Ob给出的垂直测量范围内，例如，相对各自传感器的捕获方向的同样地60°的可接受入射角度)。换句话说，基本上360°的水平测量范围被传感器装置1a-1Ob的该配置所涵盖。根据其他实施方式，传感器装置1a-1Ob间的角度偏移另选地可以是例如30°或40°，或者至少小于或等于90°，使得从任何大致水平的方向的可靠的倾斜确定保持可能，其中，可能由于所选择的结构配置而在两个传感器装置1a-1Ob之间出现(虽然可以忽略不计)检测间隙。
[0077]结合图lc、图4a_4b和图5a_4b来详细描述根据本发明的传感器装置1a-1Ob的实施方式。
[0078]图1c以截面图示出了根据本发明的设置在根据图1a的反射器装置I处的多个传感器装置1a的实施方式。所述传感器装置1a中单个传感器装置1a具有透镜13和与相应透镜13关联的传感器11，其中，它们相对于彼此被布置在特定的和固定的位置。根据本发明，可以在各种情况下设置具有特定码图案的码元件(在此未示出；参见图4a_4b和图5a-5b)，来代替透镜13。当照射这种传感器装置1a时，入射辐射经由码元件或透镜13而受影响和/或成形(例如聚焦)，使得在传感器上产生照射图案或点，尤其是具有由码元件或透镜13所限定的形状和尺寸及码元件/透镜13与传感器11之间的间隔的照射图案或点。可以这样产生的该光束入射区域的位置在此取决于照射辐射相对于传感器的捕获方向(尤其相对于透镜13的光轴)的入射角，并且可以由传感器11来确定，传感器的捕获方向垂直于传感器光敏表面或传感器的延伸方向。
[0079]可以从可如此确定的、由码元件或透镜13成形(特别是因针对发散的折射而改变)并入射在传感器11上的辐射的位置，得到各传感器装置1a或者多个传感器装置1a和反射器5的整个系统的倾斜。图3a和3b中指定了对透镜-传感器装置和可以执行的倾斜确定的详细描述。
[0080]图1c还示出了与反射器装置I处的传感器装置1a—起设置的惯性测量单元7 (IMU) ο所述MU 7还针对反射器装置I提供了倾斜和方位确定功能，特别是其中，可以连续确定并可用頂U 7来连续确定MU 7的位置和对准的改变。以举例的方式，IMU 7为此还具有用于确定北的磁罗盘，用于确定相对于地球引力场的矢量的倾斜的倾斜传感器，以及用于捕获IMU7的相对运动并由此还捕获反射器装置I的相对运动的加速度计。
[0081]根据本 发明，这样的IMU 7可基于基准数据进行校准，基准数据可以经由反射器装置I的传感器装置产生。IMU通常被配置为，使得它可以被用来实现快速的相对位置和方位确定。但是，使用IMU的测量中的误差在时间测量进程中累积，其结果是相对方位确定的准确度降低。然而，通过带有码元件和传感器的传感器装置，可以基于外部基准(照射辐射的已知传播方向)非常精确地确定倾斜或方位确定。根据这样的确定，可以得到相对于反射器装置的倾斜或方位的对应基准值，基于此可以进行IMU的校准(重新校准)。为此，反射装置特别具有处理单元和通信装置，用于处理和用于调整测量数据并用于与发射照射辐射的测量系统交换信息。
[0082]因此，这样的反射器装置的用户可以与MU(或另选的倾斜计)相结合，例如，主要使用在测量任务过程中的由IMU(或倾斜计)所产生的测量数据，并以有规律的间隔(时间或者针对所进行的测量次数)重新校准此IMU (或倾斜计)，从而在整个测量进程上提供了极大的剩余测量精度。为此，反射器装置仅需要例如由全站仪利用已知传播方向的辐射(准直辐射)来照射，在过程中投射的码图案的位置需要在传感器上和由传感器确定，反射器装置的方位或倾角需要根据该图案的投影位置和传播方向(其是可预先指明的并且可由全站仪确定)来确定。将该确定的倾斜与IMU的相应输出值进行比较，并且在与所确定的方向或倾斜相对应的特定偏差(例如限定的容差范围以外)的情况下对IMU进行校准(重新校准)。这些步骤尤其在开始针对此目的而提供的校准功能之后自动发生，然而，其中例如对于最后的步骤或另外的步骤，可以由系统请求额外的用户侧确认输入。
[0083]除了反射器装置的上述校准能力以外，反射器装置当然还可以用于通过用对应的照射在传感器上(特别是用在地形中的目标点打粧或用于确定在工业测量中测量点的位置(在这种情况下，铅垂杆通常被合适的探测工具替换))产生码图案的投影来确定垂直杆相对于至少一个轴的倾斜。
[0084]图2示出了根据本发明的反射器装置2的另一个实施方式，反射器装置2具有在中心设置的回射器6，用于针对反射器装置2进行位置确定，具有四个传感器装置20a-20d，用于确定反射器装置2相对于至少两个轴(俯仰轴(pitch axis) N和偏航轴(yaw axis)G)的倾斜，并且多个标记22排列在已知位置基准，用于提供相对于至少第三轴(绕滚动轴的滚动R)的方位确定。利用此反射器装置2，可以实现对反射器装置2的6DOF位置确定(针对6个自由度的位置确定，由目标确定单元(经玮仪或激光跟踪仪)决定的三个平移自由度，和三个转动自由度(由传感器装置决定)。
[0085]根据本发明，传感器装置20a_20d在各种情况下都允许相对于至少一个轴的倾斜确定。两个传感器装置20a和20b是在此在各种情况下都配备了码元件和线传感器，其中，在照射这些传感器装置20a-20b的情况下，码元件的相应码被投影到相关联的线传感器上，通过确定码在线传感器上的投影位置，可以得到反射器装置2的倾斜。从而沿着偏航轴G对准的传感器装置20a能够相对于偏航轴G (绕俯仰轴N)进行倾斜确定，而传感器装置20b能够相对于俯仰轴N(绕偏航轴G)进行倾斜确定。与图4a-4b和图5a_4B —起描述这些码传感器装置20a_b的详细结构和功能。
[0086]两个另外的传感器装置20c和20d在每一种情况下都具有透镜和传感器，该传感器用于检测在装置20c-20d的照射过程中由相应的透镜限定并且入射在相应传感器上的辐射。由于由此可确定照射截面在各传感器上的位置，所以能够确定反射器装置2相对于至少一个轴的倾斜。由于面传感器的存在，传感器装置20c允许确定相对于偏航轴G (绕俯仰轴N)和相对于俯仰轴N (绕偏航轴G)的倾斜，而传感器装置20d能够确定相对于俯仰轴N (绕偏航轴G)的倾斜。
[0087]传感器装置20c具有面传感器，用于检测入射的照射辐射，其结果是，可以利用该传感器装置20c确定入射的照射辐射从传感器零点(例如，在照射辐射垂直入射在传感器装置的情况下被照射，并且对应于例如传感器的检测表面的中心)沿两个方向(传感器的检测面的X方向和y方向)的相对偏移，因而也能够确定相对于两个轴(N和G)的倾斜。因此，检测表面在X方向和y方向上的相应偏移量代表倾斜的相应幅度。此外，传感器装置20c被配置为使得通过该传感器不仅能够确定位置，也能够确定产生在检测表面上的照射截面的形式。如果用相对于光束方向(即相对于传播轴)不旋转对称的具有照射发散的光来照射传感器装置20c，还能够通过所确定的入射辐射的所得光斑(以及位置)的形式，进行相对于第三轴，即滚动轴的粗略的倾斜确定。结合图3a-3b来说明关于具有透镜的传感器装置20c-20d的结构和功能的进一步的实施方式。
[0088]如图2中所示，根据本发明的反射器装置2可根据另选实施方式(这里未示出)选择性地配备有更少或仅一个在图2中示出的具有码元件20a-20b的传感器装置，或者具有例如用于提高倾角确定精度的这种额外的传感器。
[0089]但是应该理解的是，设置在反射器装置2处的传感器装置20a_20d提供了相对于两个轴N和G的倾斜的多次确定。在本发明的上下文中，传感器装置20a-20b中的仅一个就足以确定相对于至少一个轴的倾斜。如此处例示的，通过提供多个这样的传感器元件，可以实现针对倾斜产生的测量值的鲁棒性(例如，通过对测量值求平均)。可替代地，可以想象出根据本发明的具有传感器装置20a-20b中的仅一个或至少一个的以此类推或类似的实施方式。
[0090]标记22例如被构造为图形图案(例如相对于背景具有很大的对比度)、发光二极管(LED)或者反射器。所述标记22可以用照相机捕获到，并且可以在可由照相机产生的图像中捕获到。从图像中相对于彼此的各个标记22的几何位置，可以推断出反射器装置2的空间方位(在多达三个轴上)。为此目的，特别是使用由图像提供的图像信息执行图像处理步骤，例如边缘提取或亮度和/或对比度分析，其结果例如是确定了用于各标记的各个图像质心，因此确定各标记在图像中的位置。
[0091]根据图1a至图1c或图2的反射器装置1、2还可以有一个稳固装置，装置1、2可使用该稳固装置稳固到例如铅垂杆或建筑机械上。带有根据本发明的反射器装置1、2的这种铅垂杆的用户可以因为这样的事实，即总是可以通过对反射器装置1，2的照射由测量系统准确地确定铅垂杆的空间方位，而由此例如结合大地测量系统(如全站仪)的进行对要打粧的测量点的精确位置确定。这个确定是通过传感器装置(传感器上的码图案的成像)和全站仪(或反射器装置)的相应评估单元提供的。在这种情况下，可以使用用于到所提供的回射器的距离测量的通常已知的方法进行位置确定。因此，如果铅垂杆不垂直或处于另选的但已知的方位，则用户也可以例如准确地确定测量点。
[0092]图3a示出了具有透镜13和传感器11的反射器装置的传感器装置10的实施方式。照射辐射25以入射角α入射在透镜13上并经所述透镜成形(折射)，使得因此产生所限定的照射截面并照射在传感器11上。该照射截面在检测表面上的位置15可由传感器11确定。所述确定例如可以使用针对照射的质心确定(检测表面上的强度分布)来进行。
[0093]基于图3a所示的截面，通过传感器装置10，因入射在传感器11上的辐射的特定入射角α得到的在X方向上的偏移X被示出。入射角α的幅度越大，入射照射截面相对于传感器表面上的基准位置O在X方向上的偏移也就越大，其中在这种情况下，所述基准位置O对应于透镜13的光轴与传感器11的在传感器11的检测面上的中心的交点。由此可确定的X取决于相应入射角α，其结果是仅通过确定偏移X就可以推断对应的入射角α，并且结果是可以确定传感器装置10的相对于照射辐射25的传播轴的倾斜，因而还可以确定与该传感器装置10相关联的反射器装置的倾斜。使用被配置为面传感器11的传感器11，还可以确定传感器11上在第二方向(y方向)的偏移，从而还可以确定相对于传播轴在第二方向的倾斜。
[0094]图3b示出了传感器装置10的另一实施方式。传感器装置10具有柱面透镜13a和线传感器11a。通过柱面透镜13a，入射辐射25聚焦在透镜13a后面的平面12上，所聚焦的辐射25由于柱面透镜13a而在所述平面12上呈线15a的形式。线传感器Ila被布置在平面12上，使得其检测表面的延伸方向基本上与所得的光线15a正交地对准(对于图3b这意味着传感器Ila沿着与图的平面正交的轴对准；y方向)。
[0095]结果，通过照射光25的聚焦在传感器Ila上产生了照射区域，进而可以确定该照射区域在传感器Ila上的相对位置。此照射区域相对于传感器Ila的检测表面的中心的相对偏移(该中心由光轴或透镜13a的光学平面交切)正比于关于y方向的相应入射角，即，正比于传感器装置10相对于照射辐射的传播轴的关于y方向的倾斜。结合这样的解释，即其中经透镜成形的照射辐射不完全或几乎完全地入射在传感器上，传感器Ila上的此照射区域应被理解为传感器Ila上的照射横截面(光束入射区域)。
[0096]图4a示出了根据本发明的反射器装置中的根据本发明的传感器装置30a的另一实施方式的侧视图，根据本发明的反射器装置具有传感器11，用于捕获入射在传感器11上的电磁辐射25，特别是具有限定的波长范围的辐射。传感器装置30a还具有码元件31，该码元件31具有基板33和施加到基板33上的码图案32。
[0097]基板33在这种情况下被配置为，使得用来照射传感器装置30a并且例如由测量系统(例如全站仪，经玮仪或激光跟踪器)的测量辐射(例如激光辐射)实现的照射辐射25可以辐射透过基板33，S卩，基板33被配置成至少对于照射辐射25的波长是能透射的或对于照射波长范围是能透射的。例如，基板33可以在相应透射型塑料上制备或由符合这些要求的玻璃制成。
[0098]照射辐射通常由基本准直的相干辐射来表示。
[0099]码元件31具有不同的区域34a，34b，其中，各个暗区域34a对于照射辐射25是不透明的，而区域34b被配置为对于照射辐射是能透过的。通过特定排列方式或如这里所指示的区域34a和区域 34b的按行排列序列(line-wise sequence)(针对x方向)，通过码元件31提供了码图案，该码图案在对传感器11上照射的情况下是可投影的(以线的形式)。
[0100]因此，在照射的情况下传感器11上产生了与码图案32相对应的投影。换句话说，根据由码元件31提供的码图案32在传感器11上形成了投影，其中由暗区域33a造成的各个阴影35a在传感器11上的位置取决于照射辐射25的入射角α (参见图4b)。在用照射辐射25以90°入射α角照射传感器装置30a的情况下，如这里所示的，码图案32被完全(至少对于X方向的范围内)且无偏移地成像到传感器11上。
[0101]传感器11上的各个照射区和暗区35a，35b (由对码图案32的投影产生)可使用传感器11进行检测，它们在传感器11上的相对位置上可以确定。进而可以从各亮条纹35b和/或阴影35a和/或亮区域35b和暗区域35a的整体的具体位置得到当前入射角α，并可以推断出传感器装置30a针对照射辐射25的相对倾斜。为此目的，对传感器装置30a进行初始校准，其中，针对限定的入射角α下的至少一个照射状态来确定码图案32在传感器上的投影位置。
[0102]码图案32实施为线码并由于透射区域34b而具有不同宽度的线(间隙)，相邻线之间具有(可由不透明区域34a的尺寸定义)可变化的线间隔，码图案32的线被布置成基本上平行于传感器11的检测表面，因此，码图案32在照射的情况下在传感器11上产生了线，线在传感器11上的位置可以由传感器Ila确定，传感器Ila以位置敏感的方式至少针对X轴进行检测。如果传感器装置30a的倾斜在倾斜方向36或在XZ平面上变化，则投射到传感器11上的单条线或全部线的位置发生改变，由此可以得到倾斜方向36的倾斜值(参见图4b)。该确定可以基于例如通过处理已知的位置和对准值进行和实现的校准，已知的位置和对准值指示码元件31相对于传感器11的相对位置和对准。
[0103]为了根据码图案32在传感器11上的投影位置可靠地得到入射角α，设置了间隔部件37，间隔件部件37将码载体33保持在相对于传感器11的安全和固定的位置。这确保了码图案总是存在，使得码图案在特定的和确定的位置和对准并在相对于传感器11的限定间隔下是刚性的，依赖于装置30a的倾斜，码图案32以限定的偏移投影到传感器11上。由此，通过传感器装置30a在XZ平面或相对于倾斜方向36的倾斜由间隔件部件37来确定图案在传感器11上的投影位置。
[0104]根据本发明，传感器11和码元件31之间的间隔在I毫米至10毫米之间，并且通过间隔件部件37给出。
[0105]图4b示出了根据本发明的反射器装置的传感器装置30b的另一实施方式的侧视图。传感器装置30b具有线传感器Ila(例如配置为CXD传感器)和码元件41，码元件41提供了具有可变宽度(间隙宽度)的透光间隙并具有各种间隙间隔的码图案。
[0106]码元件41被布置在主体42上，主体42能够透射照射辐射25。主体42的第一端面42a上布置有传感器11a，主体42的第二端面42b上设置有码元件41。主体42这里还被配置成使得码元件41相对于传感器Ila的固定和刚性的定位得到保证，其中利用这种布置，提供了例如针对外部影响(例如冲击或热变形)的良好鲁棒性。在所示的实施方式中，码元件41或码图案直接布置在主体42上(码元件41和主体42被构造为一件)，也就是说，提供码图案的间隙或线被施加到(例如印在或刻在)主体42上。
[0107]根据一个另选实施方式(在这里没有示出)，码元件41可被施加到作为箔的主体上，箔上印刷了码图案，特别是通过粘合剂粘结了码图案。
[0108]作为主体42的具体构造的结果，码元件41以特定的间隔d (从Imm到1mm)刚性地连接到传感器11a。这个间隔d可以通过在各种情况下适应于所希望的要求的主体42来设置。根据此间隔d，可以在投影到传感器Ila上的投射图像上叠加近场衍射图案(菲涅尔衍射)。
[0109]为了可靠和准确地估计码图案在传感器Ila上的投影，传感器Ila和码图案之间的间隔d尤其被选择为使得，对于码元件41处的或者在由码图案的线所生产的各个间隙处的衍射，远场条件适用。代替纯菲涅尔衍射，于是发生夫琅和费衍射，即，传感器上的衍射辐射所得的在无限范围内的强度分布。
[0110]在间隔d的另选优选选择的情况下，可以提供同样合适的衍射图案，作为菲涅耳和夫琅和费衍射之间的衍射过渡，其中这被称为在相对于码图案41的过渡范围中提供线传感器11a。
[0111]此外，在设计传感器装置30b的情况下，特别是针于所希望的衍射图案的产生的情况下，除了合适的间隔d，特别考虑码图案的匹配设计，即在线码的情况下，透射间隙的布置和尺寸被相应地设置(例如，相对于间隙宽度的间隙间隔)。
[0112]在根据图4b所示的情况下，照射辐射25以入射角α >90°入射在传感器装置30b上，从而使码图案的线以特定的偏移43(针对入射角α =90°的照射的入射)投射到传感器Ila上。
[0113]线传感器Ila至少针对X方向实现以进行电磁辐射的位置敏感检测。在这种情况下，入射在传感器Ila上的辐射的检测精度至少取决于传感器的分辨能力和所得的衍射图案，其中，相比具有更平坦侧面(flatter flank)的强度图案的定位(在夫朗和费衍射或所述衍射过渡的情况下存在)，具有陡的侧面的强度图案的精确定位(在菲涅耳衍射的情况下存在)更加困难，更不准确地实现。因此，入射在传感器Ila上的辐射的位置确定的精度在离开近衍射距离并到达过渡范围时增加。
[0114]因此，传感器Ila上所投射的码图案的偏移43可以根据可检测到的照射辐射25来确定，并且相应的传感器信号可以产生。进而，根据所确定的偏移43或借助于所产生的传感器信号，可得到与照射辐射25的光束入射方向有关的传感器装置30b (针对倾斜方向36)的倾斜，即，可以确定入射角α。
[0115]图5a和图5b示出了根据本发明的反射器装置的传感器装置的具有码图案53的码元件55以及码元件55连同线传感器52的布置的特定实施方式，其中，在码元件55的对应照射时，会发生码图案53在线传感器52上的投影。码图案53在这里被配置为对于照射辐射不透明，然而，码图案53的光学性质以及包围或限定码图案53的表面也可以是反过来的情况。
[0116]所提供的码图案53相对于码元件55的延伸方向E具有斜线图案，具有各个图案部分(条纹)的不同倾斜方向。图案的第一部分具有相对于延伸方向E呈第一角度的图案对准，而第二部分具有呈第二角度的图案对准，第二角度与第一角度不同。
[0117]使用这样的码图案53，不仅可以通过照射来确定传感器装置绕第一轴A的偏斜(tile)，而且还可以确定绕第二轴B的转动。因此可以执行明确的针对两个轴的倾角确定。
[0118]在关于轴A倾斜的情况下，投射到线传感器52上的码图案53在延伸方向E的方向上被移位。相应改变的投影可以经由传感器52检测到，并且可以据此确定投影的偏移和绕轴A偏斜的幅度(和方向)。
[0119]在装置绕轴B转动的情况下，投射到线传感器52上的码图案53在垂直于延伸方向E的方向上移位。可以类似地借助传感器52检测到因此相应改变的投影，并且可以据此确定投影的偏移和绕轴B转动的幅度(和方向)。
[0120]投影的相应偏移可以从线传感器52的分别被照射或掩蔽的段的组合得到。
[0121]由于码图案的不同对准，两个轴的共同判定是明确的。因此排除了在针对投影同时偏斜和转动的情况下(这将在该布置的另选的方位的情况下出现)投影的码图案的一致性。
[0122]此外，这样的码图案53还特别提供了关于精度的优点，如同图1至图3之一的图案。
[0123]根据本发明，相对于线传感器52刚性地布置码元件55，使得该码元件55的延伸方向E朝向与线传感器的延伸方向52相同的方向，特别是平行于线传感器的延伸方向52。
[0124]图6示出了具有回射器4的反射器布置的另一实施方式，回射器4被配置为部分透射(针对福射25)棱镜，并且将福射25的一部分回射，即根据在棱镜处的入射位置平行或同轴地进行反射，并将辐射25的其余部分透射到传感器装置10。通过反射的辐射，可以进行反射器装置的距离和位置确定。例如，这是利用全站仪或激光跟踪仪根据已知方法来实现的，其中辐射25由全站仪或激光跟踪器发射作为测量辐射，例如作为准直激光辐射。
[0125]传感器装置10的实施方式并不限于这里示出的具有透镜13的变型，而可以根据本发明根据图2至图5b的任何期望的对应配置进行配置，特别是根据图4a至图5b之一进行配置。此外，回射器4(棱镜)可以根据针对回射元件的替代实施方式进行配置(例如，配置为回射膜)。
[0126]辐射25的透射过棱镜4的部分照射传感器装置10，使得辐射25被引导到传感器11上，从而可确定产生在传感器上的光斑(照射图案或光束入射区域)的位置。可确定的位置同时表示反射器装置相对于辐射25的传播轴(参见图3a至图5b)的相应倾斜。利用传感器11产生了表示投影(在使用码元件而不是透镜的情况下)或在检测表面上的辐射的位置的信号，在此基础上可以进行倾斜确定。为此，反射器装置可以具有用于倾斜确定的相应的处理装置，和/或信号发送装置，通过信号发送装置可以将入射辐射的位置信息(或信号)，或已经确定的倾斜发送至光束发射测量系统(如全站仪)。例如用于用户引导或测量点确定的所确定的方位或那儿要确定的方位(以及位置信息)可以使用测量系统相应地进一步进行处理。
[0127]辐射25在这里既充当用于位置确定的测量辐射又充当用于方位或倾斜确定的照射辐射。
[0128]根据本发明的具有上述根据图1-图6的传感器装置的反射器装置特别是与勘测系统(特别是经玮仪、全站仪或激光跟踪器)一起使用。勘测系统这里通常具有:限定了竖轴的基部；可移动地连接到基部并可相对于基部围绕竖轴转动的结构，其中该结构限定了偏斜轴；以及目标确定单元(特别是望远镜)，其可移动 地连接到所述结构，能够相对于所述结构围绕偏斜轴枢转，特别是转动，并且被设置成发射测量辐射。偏斜轴基本上垂直于竖轴。
[0129]还提供了光束源，用于产生照射辐射，尤其是测量辐射，和角度及距离测量功能。
[0130]该测量系统具有控制和处理单元，用于控制传感器装置的目标确定和用于确定传感器装置的位置和倾斜。在传感器装置目标确定的过程中，可以从照射辐射(尤其是测量辐射)与传感器装置的相互作用得出传感器装置相对于照射辐射(特别是测量辐射)的照射方向(光照射轴)针对至少一个倾斜方向的倾斜。
[0131]借以确定到反射目标的距离的激光辐射，可以因此被用作传感器装置的照射辐射。另选地或附加地，还可以额外提供用于照射辐射的发射的辐射源。
[0132]很明显，所例示的这些图中仅示意性地示出了可能的示例性实施方式。也可以根据本发明对各种方法进行彼此组合，以及可以将各种方法与现有技术的用于物体的倾斜或位置确定的方法以及测量系统进行组合。根据本发明的这些方面因此可以尤其与大地测量系统(如全站仪和视距仪)或工业测量系统(例如，激光跟踪器)相结合使用。
【主权项】
1.一种反射器装置(1，2)，用于目标点的位置确定和/或标记，特别是用于工业或大地测量，该反射器装置(1，2)具有: ?回射器(4，5，6)，该回射器(4，5，6)用于利用平行的、特别是同轴的光束反射对所述反射器装置(1，2)进行位置确定，以及 ?传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)， 其特征在于， 所述传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)具有: ?具有码图案(32，53)的码元件(31，41，55)，以及 ?传感器(11，11a，52)，该传感器对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于所述传感器的检测表面， 其中，所述码元件(31，41，55)和所述传感器(ll，lla，52)以限定的间隔(d)刚性连接，使得能够利用所述传感器(ll，lla，52)来确定所述码图案(32，52)投影到所述检测表面上的位置，该位置相对于所述接收方向具有角度相关性。2.根据权利要求1所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述传感器(11，11a，52)的接收方向和所述码元件(31，41，55)的延伸方向被对准为相互正交，并且所述限定的间隔为至少I毫米并至多10毫米，特别是其中，所述传感器(11，11a，52)的延伸方向被对准为与所述码元件(31，41，55)的延伸方向相同。3.根据权利要求1或2所述的反射器装置(1，2)，其特征在于， 所述码元件(31，41，55)至少针对具有来自所述至少一个波长范围的波长(λΒ)的光辐射(25)具有不同透射率的区域(34a-34b)，其中，所述码图案(32，53)由这些不同透射率的区域(34a-34b)表示，特别是其中，所述不同透射率的区域限定了具有不同线间隔和/或线宽度的线图案。4.根据权利要求1至3中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述传感器(11，11a，52)被配置为线传感器(11a，52)或面传感器，特别是被配置为CCD 或 CMOS。5.根据权利要求1至4中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有载体结构，使用所述载体结构能够对所述目标点进行位置确定和/或标记，其中，所述回射器(4，5，6)和所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)由所述载体结构承载，并且相对于彼此以已知的位置关系被布置。6.根据权利要求5所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述载体结构 ?被配置为辅助测量仪，特别是被配置为测量杆或探测工具，或?被配置为移动便携式现场控制器，所述现场控制器具有光学目标确定或标记单元，用于对所述目标点进行位置确定和/或标记，或 ?具有用于将所述载体结构稳固在所述辅助测量仪或所述现场控制器上的附加设备。7.根据权利要求1至6中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有至少一个另外的传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)，特别是由所述载体结构承载的传感器装置，其中，所述至少一个另外的传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)相对于所述第一传感器装置(10，10a-10b，20a_20d，30a-30b)以限定的对准和限定的位置被布置，以确定相对于另外的轴(N，G，B)的倾斜。8.根据权利要求1至7中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有相对于彼此呈指定的和已知的空间分布的多个辅助点标记(22)，特别是由发光二极管或反射器实现的多个辅助点标记，其中，所述多个辅助点标记(22)通过对至少部分地捕获到所述多个辅助点标记(22)的图像进行图像处理提供所述反射器装置(1，2)的相对于至少一个另外的轴(N，G)的倾斜确定，特别是其中，所述多个辅助点标记(22)提供了空间方位确定。9.根据权利要求1至8中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有惯性测量单元(7)，所述惯性测量单元(7)用于连续确定所述反射器装置(1，2)的方位和/或倾斜，特别是用于确定位置、方位和/或倾斜的改变，特别是其中，所述惯性测量单元(7)具有加速度计、旋转速度传感器、倾斜传感器和/或磁罗盘。10.根据权利要求1至9中任一项所述的反射器装置(1，2)， 其特征在于， 所述反射器装置(1，2)具有用于数据发送的发送单元，特别是其中，所述发送单元被配置为使得可以通过发射电磁辐射，特别是发射调制光，来进行数据发送。11.一种具有反射器装置(1，2)的校准方法，所述反射器装置(1，2)被配置至少用于对目标点进行位置确定和/或标记，所述反射器装置(1，2)具有: ?传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)，所述传感器装置(10b，20a_20b，30a_30b)实现了基准传感器装置，以及?第一传感器单元， 其中，所述基准传感器装置和所述第一传感器单元以已知的位置关系被布置，其中?由所述基准传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)生成相对于第一轴的基准倾斜数据，并且 ?基于所述基准倾斜数据相对于所述第一轴校准所述第一传感器单元， 其特征在于， 所述基准倾斜数据的生成是以如下方式进行的: ?接收一入射角U)下的照射辐射，特别是准直的照射辐射， ?根据所述入射角，确定所述基准传感器装置(10b，20a-20b，30a-30b)的传感器(11，Ila,52)上的照射辐射入射区域，以及 ?根据所述照射辐射入射区域的位置和所述照射辐射的先前已知的入射方向得到所述基准倾斜数据， 特别是其中，所述第一传感器单元的校准以限定的时间间隔进行，特别是连续地进行。12.根据权利要求11所述的校准方法， 其特征在于， ?使用所述第一传感器单元来生成第一传感器数据，所述第一传感器数据代表相对于所述第一轴的倾斜， ?确定所述第一传感器数据与所述基准倾斜数据匹配的程度，并且?根据所述匹配的程度，执行所述第一传感器单元的校准，特别是自动地执行所述第一传感器单元的校准。13.根据权利要求11或12所述的校准方法， 其特征在于， ?使用所述第一传感器单元进行的倾斜确定涉及变化的测量误差，特别是随时间推进而增大的测量误差，并且 ?通过校准所述第一传感器单元对所述测量误差进行补偿， 特别是其中，所述第一传感器单元被配置为惯性测量单元IMU，或者特别被配置为多轴倾斜传感器。14.根据权利要求1至10中任一项所述的反射器装置(1，2)在位置和倾角确定方面的用途，该用途包括 ?用测量辐射(25)照射所述回射器(4，5，6)，并通过由所述回射器(4，5，6)反射的测量辐射(25)对所述反射器装置(1，2)进行位置确定， ?照射所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)，特别是以准直的方式照射所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)，其中，入射角(α)由照射轴相对于所述传感器装置(10，10a-10b，20a-20d，30a-30b)的传感器的捕获方向的对准来限定， ?针对在所述传感器(11，11a，52)的检测表面上的位置，对照射过程中在所述传感器(11，11a，52)上产生的光束入射图案，特别是对所述码图案在所述传感器(11，11a，52)上的照射横截面或投影，进行位置敏感捕获，以及 ?根据所述检测表面上的所述光束入射图案的、能够通过所述位置敏感捕获确定的位置得到所述反射器装置(1，2)相对于至少所述照射轴的倾斜，其中，所述光束入射图案的位置取决于所述入射角(α)015.一种存储在机器可读载体上的计算机程序产品，用于控制或执行根据权利要求11至13中任一项所述的校准方法，特别是在所述计算机程序产品在测量系统的控制和处理单元上执行的情况下，其中所述系统特别是全站仪、经玮仪或激光跟踪仪。
【专利摘要】本发明涉及反射器装置及其校准方法和用途。一种反射器装置(1，2)，用于对目标点进行位置确定和/或标记，特别是用于工业或大地测量，该反射器装置(1，2)具有：回射器(6)和传感器装置(20a-20d)，该回射器(6)用于利用平行的、特别是同轴的光束反射对所述反射器装置(2)进行位置确定。根据本发明，传感器装置(20c-20d)具有透镜和传感器，传感器对于至少一个波长范围敏感，接收方向垂直于该传感器的检测表面，其中，所述透镜和所述传感器刚性连接，使得能够利用所述传感器来确定由检测表面上的透镜限定的照射横截面的位置，该位置相对于接收方向具有入射角相关性。
【IPC分类】G01C15/00
【公开号】CN104897140
【申请号】CN201510102252
【发明人】托马斯·延森, 克努特·西尔克斯
【申请人】赫克斯冈技术中心
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月9日
【公告号】EP2916104A1, US20150253137
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