DE10043177B4

DE10043177B4 - Laser-Vermessungsinstrument

Info

Publication number: DE10043177B4
Application number: DE10043177A
Authority: DE
Inventors: Nobuaki Kawatani; Sadao Murano; Mitsuhiro Matsumoto
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2020-09-02
Also published as: DE10043177A1; JP2001074457A; US6782015B1

Abstract

Ein Laser-Vermessungsinstrument (11) enthält eine Laserquelle (23), eine Optik mit einer beweglichen Linsengruppe, durch die ein von der Laserquelle (23) ausgesendeter Laserstrahl tritt, so daß die Bewegung dieser Linsengruppe in Richtung der optischen Achse eine Veränderung der Position der engsten Strahleinschnürung des Laserstrahls verursacht, einen Drehkopf (15), aus dem der durch die Optik getretene Lichtstrahl ausgesendet wird, eine Einstellvorrichtung (82), die für den Drehkopf (15) einen Abtastwinkel in Abhängigkeit von Positionsdaten in der beweglichen Linsengruppe einstellt, und eine Drehkopfsteuerung (105), die den Drehkopf (15) in einem durch den Abtastwinkel festgelegten Winkelbereich hin- und herbewegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Vermessungsinstrument, das einen sichtbaren Laserstrahl aussendet.

In einem Vermessungsinstrument (Lasergerät zur Festlegung einer Bezugsebene), bei dem ein Abtastlaserstrahl rotiert und so in vertikaler oder horizontaler Richtung einen Planstrahl erzeugt, kann der Strahl bei kurzer Entfernung leicht, bei großer Entfernung nur schwer beobachtet werden, da die Lichtmenge je Einheitslänge verringert ist. Eine Lösung zur Erhöhung der Sichtbarkeit besteht darin, den Kopf innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs hin und her zu drehen, ohne ihn dabei über einen Winkelbereich von 360 Grad zu drehen, um so die Lichtmenge je Einheitslänge zu erhöhen. Beispielsweise beschreibt das Japanische Patent 2 829 912 ein mit sichtbarem Laserlicht arbeitendes Vermessungsinstrument, in dem ein Abtastmotor so in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gedreht wird, daß der auf die hin- und hergehende Abtastung bezogene Winkel, der von einer hierfür bestimmten Schaltung eingestellt wird und im folgenden als Abtastwinkel bezeichnet wird, identisch mit dem Abtastwinkel ist, der von einer hierfür bestimmten Schaltung erfaßt worden ist.

Ist bei diesem bekannten Laser-Vermessungsinstrument der Abtastwinkel zu klein, so kann bei einem kurzen Abstand kein linearer Strahl ausreichender Länge erhalten werden. Ist dagegen der Abtastwinkel zu groß, so ist die Lichtmenge bei einer großen Entfernung verringert, so daß es für den Benutzer unmöglich wird, den Strahl zu sehen. Um eine optimale Lichtmenge und eine optimale Strahllänge zu erhalten, muß deshalb der Benutzer den Abtastwinkel entsprechend der Entfernung von Hand variieren.

Aus der Druckschrift US 5 825 555 A ist ein Laser-Vermessungsinstrument nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dieses Laser-Vermessungsinstrument umfasst eine Laserquelle, eine Strahlaufweitvorrichtung mit einer beweglichen Linsengruppe negativer Brechkraft und einer ortsfesten Linsengruppe positiver Brechkraft sowie einen Drehkopf, der den durch die Linsengruppen tretenden Laserstrahl aussendet.

In der Druckschrift DE 197 16 710 A1 ist ein Laser-Vermessungsinstrument beschrieben, dass mit einem hin- und herbewegten Laserstrahl arbeitet. Dieses Vermessungsinstrument wirkt mit einem Hilfsmittel zusammen, das den von dem Vermessungsinstrument ausgesendeten Laserstrahl empfängt und ein Steuersignal zurück an das Vermessungsinstrument sendet. Dieses Steuersignal dient in erster Linie dazu, von einer Betriebsart, in der der Laserstrahl kontinuierlich um 360 ° rotiert, auf eine so genannte Scanning-Betriebsart umzuschalten. In dieser Scanning-Betriebsart wird der Laserstrahl in einem begrenzten Winkelbereich hin- und herbewegt. Zur Einstellung dieses Winkelbereichs sind als Möglichkeiten genannt, den Winkelbereich fest vorzugeben oder ihn durch Betätigen von Eingabetasten zu vergrößern oder zu verkleinern. Auch kann der Winkelbereich eingestellt werden, indem das Hilfsmittel an zwei verschiedenen Positionen angeordnet und die in diesen Positionen von dem Hilfsmittel ausgesendeten Signale als Anfangs- und Endpunkt des Winkelbereichs festgelegt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Laser-Vermessungsinstrument anzugeben, in dem ein optimaler Abtastwinkel des Laserstrahls automatisch entsprechend der Entfernung des Laserstrahls erhalten wird, bei der von dem Laser-Vermessungsinstrument eine Ebene gezogen wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Laser-Vermessungsinstrument mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Im Allgemeinen ist ein herkömmliches Laser-Vermessungsinstrument mit einer Einstellvorrichtung versehen, welche die Position der engsten Strahleinschnürung, d.h. des geringsten Strahldurchmessers so einstellt, daß sich diese in Koinzidenz mit dem Objekt, d.h. dem Ziel befindet. Die Grundidee der Erfindung sieht vor, den Abtastwinkel entsprechend der Position der engsten Strahleinschnürung zu variieren, so daß die Sichtbarkeit des Strahls unabhängig von der auf die hin- und hergehende Abtastung bezogenen Abtastlänge erhöht werden kann.

Die Erfindung stellt ein Laser-Vermessungsinstrument bereit, in dem der Abtastwinkel des Laserstrahls in Abhängigkeit der Laserstrahlentfernung (Position der engsten Strahleinschnürung) automatisch verändert werden kann, um einen optimalen Abtastwinkel zu erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 den Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Laser-Vermessungsinstrument,
2 die vergrößerte Seitenansicht des Laser-Vermessungsinstruments nach 1,
3 die Draufsicht auf die Hauptkomponenten des Laser-Vermessungsinstruments nach 1,
4 die Beziehung zwischen der Länge einer Abtastlinie und eines Entfernungsmessbereichs an Hand eines Graphen,
5 die Beziehung zwischen der Position der engsten Strahleinschnürung, der Winkelauslenkung eines Linsenantriebsmotors und dem Abtastwinkel, und
6 das Blockdiagramm einer Steuerschaltung des Laser-Vermessungsinstruments.
1 zeigt den Längsschnitt eines Laser-Vermessungsinstruments (Lasergerät zur Festlegung einer Bezugsebene), auf das die Erfindung angewendet wird. Das Laser-Vermessungsinstrument 11 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 und einen in dem Gehäuse 12 vorgesehenen Lichtsender 13. Ein transparentes Zylinderelement 16, das einen oberen, einen rotierenden Strahl ausgebenden Teil 15 des Lichtsenders 13, im folgenden als Drehkopf bezeichnet, umgibt, ist an dem oberen Ende des Gehäuses 12 befestigt. An dem unteren Ende des Gehäuses 12 ist ein Batteriefach 17 befestigt, in dem nicht dargestellte Batterien untergebracht sind, die das Laser-Vermessungsinstrument 11 mit Energie versorgen.
Das Gehäuse 12 hat an seinem oberen, mittigen Teil eine im wesentlichen zylindrische Gleitführung 19 und an seinem unteren, mittigen Teil eine kreisförmige Bohrung 12a. Die kreisförmige Bohrung 12a befindet sich in fluchtender Anordnung mit kreisförmigen Bohrungen 17a, die an dem mittigen Teil des Batteriefachs 17 ausgebildet sind, so daß der von oben kommende Laserstrahl aus dem unteren Ende des Laser-Vermessungsinstruments 11 nach außen gesendet werden kann. Die Gleitführung 19 hat in der Mitte ihres Bodens eine Gleitbohrung 19a.
Der Lichtsender 13 hat einen Hohlschaft 20, mit einer vertikal verlaufenden Axialbohrung (Laserstrahlengang) 20a und dem drehbaren, den rotierenden Strahl aussendenden Kopfteil, d.h. dem Drehkopf 15, der über ein Lager 15a drehbar an dem Hohlschaft 20 gehalten ist. Der Hohlschaft 20 hat an seiner Außenfläche eine Ausbuchtung 21, die einen Teil einer Kugelfläche bildet. Die Ausbuchtung 21 ermöglicht die Verkippung der Achse 20X des Hohlschaftes 20 und damit des Kopfteils 15 in eine gewünschte Richtung, während der Kugelflächenabschnitt in Kontakt mit der Gleitbohrung 19a des Gehäuses 20 bleibt.
Der Hohlschaft 20 hat an seinem unteren Ende einen Laserstrahlengang 20b, der senkrecht zu dem Laserstrahlengang 20a angeordnet ist. In dem Laserstrahlengang 20b befinden sich ein Halbleiterlaser 23 als Laserquelle, der längs des Strahlengangs 20b einen sichtbaren Laserstrahl aussendet, und eine Kollimatorlinse 24, die den von dem Halbleiterlaser 23 ausgesendeten Laserstrahl in einen Parallelstrahl mit elliptischem Querschnitt kollimiert. Ein Polarisationsstrahlteiler 27 empfängt den von der Kollimatorlinse 24 ausgesendeten Laserstrahl an dem Schnittpunkt der beiden Strahlengänge 20a und 20b.
Der Polarisationsstrahlenteiler 27 hat eine Polarisationsteilerfläche 27a, die in einem Winkel von 45° bezüglich der beiden Strahlengänge 20a und 20b angeordnet ist, wie aus den 1 und 2 hervorgeht. An der oberen Fläche des Polarisationsstrahlteilers 27 haftet ein λ-Viertel-Plättchen 28. Das λ-Viertel-Plättchen 28, das die Polarisationsrichtung des auftreffenden Strahls um 90° dreht, hat an seiner oberen Fläche einen halbtransparenten Film 28a, dessen Reflektivität im Bereich von 10 bis 20 % liegt und der einen vorbestimmten Anteil des Laserstrahls in Richtung eines Pentaprismas 35 durchläßt und den verbleibenden Teil des Laserstrahls auf den Polarisationsstrahlteiler 27 reflektiert. Unterhalb des Polarisationsstrahlteilers 27 befinden sich keilförmige Prismen 29a und 29b.
Der den rotierenden Strahl aussendende Drehkopf 15 hat eine Prismenaufnahme 15b, die koaxial zu dem Hohlschaft 20 angeordnet ist, wie 1 zeigt. Das Pentaprisma 35 ist so in der Prismenaufnahme 15b befestigt, daß es gemeinsam mit dem Kopfteil 15 rotiert. Wie aus 2 hervorgeht, hat das Pentaprisma 35 eine senkrecht zum Strahlengang 20a angeordnete Eintrittsfläche 35c, auf die der Laserstrahl trifft, eine erste Reflexionsfläche 35a, die gegenüber der Eintrittsfläche 35c um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist, eine zweite Reflexionsfläche 35b, die den an der ersten Reflexionsfläche 35a reflektierten Laserstrahl in eine Richtung senkrecht zur Rotationsachse 20X reflektiert, sowie eine Austrittsfläche 35d, aus der der an der zweiten Reflexionsfläche 35b reflektierte Laserstrahl austritt und die bezüglich der Eintrittsfläche 35c in einem rechten Winkel (90°) angeordnet ist. An der ersten Reflexionsfläche 35a ist ein halbtransparenter Film 14 ausgebildet, der eine vorgegebene Reflektivität hat und an dem ein keilförmiges Prisma 34 haftet. Auf die zweite Reflexionsfläche 35b ist ein Filmüberzug erhöhter Reflektivität aus Aluminium oder dergleichen aufgebracht. Das keilförmige Prisma 34 ist so angeordnet, daß die Austrittsfläche 34a parallel zur Eintrittsfläche 35c des Pentaprismas 35 angeordnet ist, wobei der aus der oberen Austrittsfläche 34a austretende Laserstrahl in dieselbe Richtung orientiert ist, wie die Rotationsachse 20X des Strahlengangs 20a.
Die Prismenaufnahme 15 hat an seiner Seitenwand ein Lichtaustrittsfenster 33, aus dem der an dem Pentaprisma 35 reflektierte, umgelenkte und aus der Austrittsfläche 35d austretende Laserstrahl nach außen austritt. Die Prismenaufnahme 15b ist an ihrem oberen Ende offen. In der kreisförmigen Bohrung 16a des transparenten Zylinderelementes 16 ist ein transparentes Element 36 untergebracht.
Der Hohlschaft 20 hat einstückig mit diesem ausgebildete orthogonale Antriebsarme 37 und 39, die sich senkrecht zur Achse 20X des Hohlschaftes 20 erstrecken, wie in 3 dargestellt ist. Die Antriebsarme 37 und 39 verlaufen vom oberen Ende der Ausbuchtung schräg nach unten und haben an ihrem jeweiligen vorderen Ende einen Antriebsbolzen 40 bzw. 41, der sich bezüglich des Mittelpunktes der Ausbuchung 21, d.h. bezüglich des Kugelmittelpunktes in radialer Richtung erstreckt.
Das Gehäuse 12 hat an seiner Innenwand ein Winkelstück 42, das eine dem Antriebsarm 37 zugeordnete obere Platte 42a und eine dem Antriebsbolzen 40 zugeordnete untere Platte 42b hat. Die obere Platte 42a hat eine Haltebohrung 43a, und die untere Platte 42b ist mit einer der Haltebohrung 43a gegenüberliegenden Haltebohrung 43b versehen. In den Haltebohrungen 43a und 43b sind die einander abgewandten Schaftenden einer Niveaueinstellschraube 45 drehbar untergebracht. Ein erster Niveaueinstellmotor 44 ist an der unteren Platte 42b des Winkelstücks 42 befestigt. An der Antriebswelle des ersten Niveaueinstellmotors 44 ist ein Ritzel 49 befestigt, das sich in Eingriff mit einem an dem unteren Ende der Niveaueinstellschraube 45 befestigten Transmissionszahnrad 50 befindet. Die Niveaueinstellschraube 45 greift in eine Einstellmutter 46 ein, deren Drehung relativ zu dem Gehäuse 12 eingeschränkt ist. Die Niveaueinstellschraube 45 und die Mutter 46 bilden einen Vorschub-Schraubmechanismus. Ein an der Außenfläche der Mutter 46 befestigter Betätigungsstift 47 stößt von oben an den Antriebsbolzen 40 an.
Wie in 3 gezeigt, hat das Gehäuse 12 an seiner Innenwand ein Winkelstück 78, das dem Antriebsarm 39 und dem Antriebsbolzen 41 zugeordnet ist. Das Winkelstück 78 entspricht dem Winkelstück 42. Die entgegengesetzten Schaftenden einer Niveaueinstellschraube 79 sind drehbar in dem Winkelstück 78 angebracht. Ein Ritzel 76, das an einer Antriebswelle eines an dem Winkelstück 78 angebrachten zweiten Niveaueinstellmotors 75 befestigt ist, greift in ein Transmissionszahnrad 77 ein, das an dem unteren Ende der Niveaueinstellschraube 79 befestigt ist. Die Niveaueinstellschraube 79 greift in eine Einstellmutter 80 ein, deren Drehung relativ zu dem Gehäuse eingeschränkt ist. Die Niveaueinstellschraube 79 und die Mutter 80 bilden einen Vorschub-Schraubmechanismus. Ein an der Außenfläche der Mutter 80 angebrachter Betätigungsstift 81 stößt von oben an den Antriebsbolzen 41 an.
Das Gehäuse 12 hat an seiner Innenwand eine vorspringende Halterung 51, die auf der Winkelhalbierenden des von den orthogonalen Antriebsarmen 37 und 39 festgelegten Winkels angeordnet ist. Der Hohlschaft 20 drückt die Antriebsbolzen 40 und 41, die von einer zwischen der Halterung 51 und dem Hohlschaft 20 vorgesehenen Zugfeder 52 mit identischer Kraft nach oben vorgespannt sind, elastisch von unten gegen die Betätigungsstifte 47 und 81. Da nämlich der Hohlschaft 20 auf die Halterung 51 so vorgespannt und die an dem unteren Teil des Hohlschaftes 20 ausgebildete Ausbuchtung 21 in der Gleitbohrung 19a gehalten ist, kann die Drehachse 20X des Hohlschaftes 20 über die Betätigungsstifte 47 und 81, die mit den Antriebsmotoren 44 und 75 entsprechend den Signalen eines Mikrocomputers (Hauptsteuerung) 82 nach oben und nach unten bewegt werden, optional eingestellt werden. Der Hohlschaft 20 hat an seinem unteren Ende ein Winkelstück 70, das sich in die dem Arm 37 entgegengesetzte Richtung erstreckt, und ein Winkelstück 71, das sich in die dem Arm 39 entgegengesetzte Richtung erstreckt, wie in 3 gezeigt ist. Die Winkelstücke 70 und 71 haben jeweils einen Niveauerfassungssensor 72 bzw. 73. Die Erfassungssignale der Sensoren 72 und 73 werden an den Mikrocomputer 82 gesendet.
Der Hohlschaft 20 hat an seinem oberen Teil ein sich auswärts erstreckendes Winkelstück 65, wie in 1 gezeigt ist. An dem Winkelstück 65 ist ein Drehmotor 66 angebracht. Ein Ritzel 67 ist an der Antriebswelle des Drehmotors 66 befestigt und greift in ein Transmissionszahnrad 69 ein, das an der Außenfläche des Drehkopfes 15 angebracht ist. Wird der Drehmotor 66 entsprechend dem Signal des Mikrocomputers 82 angetrieben, so wird der Drehkopf 15 über das Ritzel 67 und das Transmissionszahnrad 69 auf dem Hohlschaft 20 gedreht. Auf der dem oberen Winkelstück 65 abgewandten Seite des Hohlschaftes 20 befindet sich ein nach oben orientierter Dreherfassungssensor 83. Der Dreherfassungssensor 83 gibt einen Lichtstrahl auf ein vorgegebenes, nicht dargestelltes Muster aus, das an der unteren Fläche des Transmissionszahnrades 69 ausgebildet ist, und empfängt den dort reflektierten Lichtstrahl. Das Strahlerfassungssignal des Sensors 83 wird dem Mikrocomputer 82 zugeführt. Der Mikrocomputer 82 berechnet die Winkelauslenkung des Drehkopfes 15 in Abhängigkeit des Strahlerfassungssignals.
Eine bewegbare erste Linsengruppe 31 mit negativer Brechkraft und eine zweite Linsengruppe 32 mit positiver Brechkraft befinden sich oberhalb des Polarisationsstrahlteilers 27 in dem Strahlengang 20a des Hohlschaftes 20, und zwar in der genannten Reihenfolge von der Seite des Polarisationsstrahlteilers 27 aus betrachtet. Die erste Linsengruppe 31 ist an einem Zylinderelement 30 gehalten. Das Zylinderelement 30 ist in dem Strahlengang 20a in Richtung der optischen Achse relativ zu der zweiten Linsengruppe 32 bewegbar. Die erste und die zweite Linsengruppe 31, 32 bilden eine Strahlaufweitvorrichtung B, bei der eine Bewegung der ersten Linsengruppe 31 in Richtung der optischen Achse zu einer Veränderung des Durchmessers des Laserstrahls führt, der von dem Halbleiterlaser 23 ausgesendet und durch die Kollimatorlinse 24 kollimiert wird. Die Strahlaufweitvorrichtung B ist also eine Optik, welche die Position der engsten Strahleinschnürung verändert.
Der Hohlschaft 20 hat ein oberes und ein unteres Winkelstück 55 und 53, die sich radial nach außen erstrecken. Die Winkelstücke 53 und 55 haben einander gegenüberliegende Zahnradhaltebohrungen 53a, 55a, in denen die entgegengesetzten Schaftenden einer Linsenverstellschraube 56 drehbar untergebracht sind. Das Ritzel 60, das an der Antriebswelle des an dem Winkelstück 53 befestigten Linsenantriebsmotors 59 angebracht ist, befindet sich in Eingriff mit einem Transmissionszahnrad 61, das an dem unteren Ende der Linsenverstellschraube 56 angebracht ist. Die Linsenverstellschraube 56 greift in eine Linsenverstellmut ter 57 ein, die zusammen mit der Linsenverstellschraube 56 einen Vorschub-Schraubmechanismus bildet. Der Hohlschaft 20 hat ein Einführfenster 63, das dem Zylinderelement 30 derart zugeordnet ist, daß sich ein Verbindungsglied, an dessen entgegengesetzten Enden das Zylinderelement 30 und die Linsenverstellmutter 57 befestigt sind, durch das Einführfenster 63 erstreckt. Auf diese Weise kann das Zylinderelement 30 durch Antreiben des Linsenantriebsmotors 59 gemäß dem Signal des Mikrocomputers 82 über den Vorschub-Schraubmechanismus nach oben und unten bewegt werden, um so die erste Linsengruppe 31 relativ zur zweiten Linsengruppe 32 zu bewegen und dabei den Abstand der beiden Linsengruppen 31 und 32 zueinander zu verändern. So können der Durchmesser des Laserstrahls und die Position der engsten Strahleinschnürung verändert werden.
4 zeigt für die jeweiligen Abtastwinkel den Zusammenhang zwischen der Länge des Laserstrahls von einem Ende zum anderen Ende, im folgenden als Abtaststrahllänge bezeichnet, und der Meßentfernung, wenn der Abtastlaserstrahl, der bei der Abtastung hin- und hergedreht wird, auf eine Wand oder dergleichen trifft. In 4 stellt die schattierte Fläche einen Bereich guter visueller Sichtbarkeit dar, in dem der Laserstrahl deutlich beobachtet werden kann, während die übrige Fläche einen Bereich geringer Sichtbarkeit angibt. Wie die Graphen in 4 zeigen, ist mit ansteigender Abtaststrahllänge die Helligkeit bei großer Entfernung nicht ausreichend und die Sichtbarkeit verringert. Bei einer großen Entfernung kann deshalb die Sichtbarkeit dadurch erhöht werden, daß der Abtastwinkel verringert und damit die Abtaststrahllänge verkürzt wird. Bei geringer Entfernung erhält man unabhängig vom Abtastwinkel eine gute Sichtbarkeit. Bei einer Verringerung des Abtastwinkels wird jedoch die Fläche der Meßreferenzebene unpraktisch klein. Vorteilhaft sollte deshalb der Abtastwinkel bei einer großen Entfernung klein und bei einer kleinen Entfernung groß sein.
Wie oben erläutert, kann die Stelle der engsten Strahleinschnürung durch Bewegen der ersten Linsengruppe 31 verändert werden. Die Position der ersten Linsengruppe 31 ist mit der Position der engsten Strahleinschnürung korreliert, so daß mit Bestimmung der Position der ersten Linsengruppe 31 auch die Position der engsten Strahleinschnürung ermittelt werden kann. Die Position der ersten Linsengruppe 31 entspricht nämlich der Position der engsten Strahleinschnürung. Wird der Zusammenhang zwischen der Position der ersten Linsengruppe und der Position der engsten Strahleinschnürung im Vorteld numerisch ausgedrückt, so kann die Position der engsten Strahleinschnürung des Laserstrahls durch Erfassen der Position der ersten Linsengruppe 31 bestimmt werden. So kann die Objektentfernung dadurch erhalten werden, daß die Position der ersten Linsengruppe 31 erfaßt wird, die so bewegt wird, daß das Objekt in Koinzidenz mit der Position der engsten Strahleinschnürung kommt. Um die Position der engsten Strahleinschnürung in Koinzidenz mit dem Objekt zu bringen, wird die erste Linsengruppe 31 bewegt und so eingestellt, daß der Strahldurchmesser minimiert wird.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel kann der Abtastwinkel des Laserstrahls gemäß der Position der engsten Strahleinschnürung bestimmt werden. Der Abtastwinkel wird nämlich auf Grundlage der Position der ersten Linsengruppe 31 bestimmt, wenn die Position der engsten Strahleinschnürung mit dem Objekt korrespondiert.
Die Position der ersten Linsengruppe 31 kann direkt oder indirekt erfaßt werden. In dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird anstelle der direkten Erfassung der Position der ersten Linsengruppe 31 die Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 erfaßt, so daß der Abtastwinkel des Laserstrahls auf Grundlage der erfaßten Winkelauslenkung bestimmt werden kann. Wenn sich die erste Linsengruppe 31 an einer Referenzposition, z.B. an einer der Bewegungsendpositionen, befindet, wird nämlich die Position des Linsenantriebsmotors 59 als Referenzwinkelposition eingestellt, so daß die Winkelauslenkung gegenüber der Referenzwinkelposition erfaßt wird, um den damit korrespondierenden Abtastwinkel zu bestimmen. Genauer gesagt wird, wie in 5 gezeigt, die der Position der engsten Strahleinschnürung, d.h. der Objektentfernung entsprechende Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 aus der Referenzwinkelposition im Vorfeld in Korrelation mit dem Abtastwinkel des Drehkopfes 15 gesetzt, so daß der Drehkopf 15 zum Zwecke der mit dem Laserstrahl erfolgenden Abtastung des Objektes um den Abtastwinkel bewegt wird. Mit diesem Steuerablauf erhält man automatisch den optimalen Abtastwinkel des Laserstrahls, so daß der sich hin- und herbewegende Laserstrahl unabhängig von der Entfernung beobachtet werden kann.
6 zeigt ein Blockdiagramm der internen Steuerschaltung und deren Umgebung in dem Laser-Vermessungsinstrument 11. An den Mikrocomputer 82 sind angeschlossen eine Steuerschaltung 101, die den Linsenantriebsmotor 59 steuert, eine auch mit der Steuerschaltung 101 verbundene Antriebswert- oder Auslenkmeßschaltung 102, eine Lasersteuerschaltung 103, die den Halbleiterlaser 23 steuert, eine Schaltung 104 zur automatischen Nivellierung, welche die Niveaueinstellmotoren 44 und 75 ansteuert, sowie eine Drehkopfsteuerschaltung 105, die den Drehmotor 66 ansteuert. Weiterhin ist an den Mikrocomputer 82 ein Speicher 106 angeschlossen, in dem eine Tabelle gespeichert ist, die den Zusammenhang zwischen der Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 und dem Abtastwinkel des Drehkopfes 15 angibt.
Im folgenden wird der gesamte Steuerablauf des Laser-Vermessungsinstruments 1 erläutert. Das Laser-Vermessungsinstrument 11 wird mit einem Dreibein an einer gewünschten Position aufgestellt. Im allgemeinen ist vor der Justierung die Rotationsachse 20X des Drehkopfes 15 nicht identisch mit der vertikalen Achse, so daß die Niveauerfassungssensoren 72 und 73 einen nichthorizontalen Zustand erfassen. Wird ein nicht dargestellter Steuerschalter eingestellt, so treibt der Mikrocomputer 82 über die zur automatischen Nivellierung bestimmte Schaltung 104 entsprechend einer berechneten Winkelabweichung den ersten und den zweiten Niveaueinstellmotor 44 und 75 an, so daß diese drehen. Dreht beispielsweise der Niveaueinstellmotor 44, so wird die Niveaueinstellschraube 45 so gedreht, daß die Niveaueinstellmutter 46 auf und ab bewegt wird. Bei Auftreten dieser Bewegung dreht sich der Hohlschaft 20 über den Antriebsbolzen 40, der durch die Zugfeder 52 vorgespannt und elastisch gegen den Betätigungsstift 47 der Mutter 46 gedrückt wird, um den Mittelpunkt einer Kugel, die durch die Ausbuchtung 21 festgelegt ist. Infolgedessen neigt sich der Drehkopf 15 bezüglich der vertikalen Achse. Dreht der Niveaueinstellmotor 75, so wird diese Drehung auf die Niveaueinstellschraube 79 übertragen, so daß die Niveaueinstellmutter 46 auf und ab bewegt wird. Infolgedessen neigt sich der Drehkopf 15 bezüglich der vertikalen Achse, da der durch die Zugfeder 52 vorgespannte Antriebsbolzen 41 elastisch gegen den Betätigungsstift 81 der Mutter 80 gedrückt wird.
Erfolgt die weitere Nivellieroperation entsprechend der Neigung des Lichtsenders 13, so nähern sich die Erfassungswerte aus den Niveauerfassungssensoren 72 und 73 der Referenz-Horizontalachse an, so daß die Winkelabweichung eventuell Null wird. Folglich wird die horizontale Position des Lichtsenders 13, d.h. des Drehkopfes 15, durch Einstellung der Neigung festgelegt, wodurch die Nivellieroperation vollendet wird.
Mit Vollenden der Nivellieroperation wird das Treibersignal aus dem Mikrocomputer 82 durch die Lasersteuerschaltung 103 ausgegeben, so daß der Halbleiterlaser 23 mit dem Aussenden eines Laserstrahls beginnt. Der von dem Halbleiterlaser 23 ausgesendete Laserstrahl wird durch die Kollimatorlinse 24 so kollimiert, daß der Laserstrahl einen elliptischen Querschnitt hat, und daraufhin durch den Polarisationsstrahlteiler 27 in einen nach oben laufenden Strahl L1 und einen nach unten laufenden Strahl L2 geteilt. Nimmt man an, daß der auf den Polarisationsstrahlteiler 27 treffende Laserstrahl L0 aus einem linear polarisierten Strahl besteht, der lediglich eine S-polarisierte Lichtkomponente, deren Schwingungsrichtung senkrecht zur Eintrittsfläche der Polarisationsstrahlteilerfläche 27a verläuft, und keine P-polarisierte Lichtkomponente hat, so wird der Laserstrahl L0 an der Polarisationsstrahlteilerfläche 27a totalreflektiert und um 90° in die in 2 gezeigte Richtung abgelenkt. Da das an dem Polarisationsstrahlteiler 27 haftende λ-Viertel-Plättchen 28 die Schwingungsrichtung des Strahls um 90° dreht, wird der durch das λ-Viertel-Plättchen 28 tretende Laserstrahl L0 in den zirkularpolarisierten Strahl L1 gewandelt und läuft auf das Pentaprisma 35 zu. Der an dem halbtransparenten Film 28a reflektierte Laserstrahl L1 tritt erneut durch das λ- Viertel-Plättchen 28, so daß seine Schwingungsrichtung um 90° verändert wird. Infolgedessen erhält man den linear polarisierten Strahl L2, der eine P-polarisierte Lichtkomponente hat, die in einer Richtung senkrecht zur der des eintretenden Strahls schwingt. Der linear polarisierte Strahl L2 tritt durch die Polarisationsstrahlteilerfläche 27a, läuft in 1 nach unten, tritt durch die keilförmigen Prismen 29a und 29b und wird schließlich nach unten auswärts ausgesendet.
Der nach oben laufende Laserstrahl L1 tritt durch die erste und die zweite Linsengruppe 31 und 32, tritt durch die Eintrittsfläche 35c des Pentaprismas 35, wird nacheinander an der ersten und der zweiten Reflexionsfläche 35a und 35b reflektiert, so daß sich die Richtung des Laserstrahls um 90° ändert, und wird von der Austrittsfläche 35d in im wesentlichen horizontaler Richtung nach außen abgestrahlt. Die durch die erste Reflexionsfläche 35a tretende Komponente des Laserstrahls L1 tritt durch die halbdurchlässigen Spiegelflächen, die durch die erste Reflexionsfläche 35a und das keilförmige Prisma 34 festgelegt sind, ohne die Richtung zu ändern und wird als Laserstrahl L4 ausgesendet, der koaxial zu dem Laserstrahl L1 ist.
Um den Durchmesser des Strahls auf dem Objekt zu minimieren, wird ein Betätigungshebel oder eine Betätigungstaste (nicht dargestellt) oder dergleichen betätigt, um den Linsenmotor 59 zu drehen und so die Position der ersten Linsengruppe 31 einzustellen. Die Position der engsten Strahleinschnürung wird nämlich in Koinzidenz mit dem Objekt gebracht. Ob die Position der engsten Strahleinschnürung mit dem Objekt korrespondiert oder nicht, wird von dem Benutzer visuell überprüft. Ist die Objektentfernung klein, so kann der Benutzer selbst abschätzen, ob die Position der engsten Strahleinschnürung mit dem Objekt korrespondiert oder nicht. Befindet sich dagegen das Objekt in großer Entfernung, so kann eine andere Person, die sich in der Nähe des Objektes befindet, die visuelle Überprüfung vornehmen. Nach Abschluß der Einstellung arbeitet der Mikrocomputer 82 als Winkelpositionsdetektor, indem er über die Auslenkmeßschaltung 102 die Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 erfaßt. Auf diese Weise kann der Mikrocomputer 82 den Auslenkungsbereich (Abtastwinkel) des Drehmotors 66 auf Grundlage des Erfassungsergebnisses mittels der in dem Speicher gehaltenen Tabelle einstellen, die die Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 und den Abtastwinkel des Drehkopfes 15 angibt. Infolgedessen dreht der Drehmotor 66 innerhalb des eingestellten Auslenkungsbereichs hin und her. Da der Drehkopf 15 beginnt, sich um die vertikale Drehachse 20X vorwärts und rückwärts zu drehen, überstreicht der von dem Pentaprisma 35 ausgegebene Laserstrahl L3 innerhalb einer vorbestimmten Winkelbereichs eine horizontale Referenzebene.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel ist die zweite Linsengruppe 32 unbeweglich, während die erste Linsengruppe 31 relativ zu der zweiten Linsengruppe 32 bewegbar ist. Zur Ausbildung der Strahlaufweitvorrichtung kann alternativ die erste Linsengruppe 31 unbeweglich und die zweite Linsengruppe 32 relativ zur unbeweglichen ersten Linsengruppe 31 beweglich gehalten sein.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird die Position der ersten Linsengruppe 31 entsprechend der Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 aus der Referenzposition erfaßt, so daß der Abtastwinkel auf Grundlage dieser Winkelauslenkung eingestellt werden kann. Es ist jedoch ebenso möglich, die Position der ersten Linsengruppe auf Grundlage der Winkelauslenkung des Transmissionszahnrades (rotierendes Element) 61 oder der Auslenkung des Verbindungsgliedes (linear bewegtes Element) 62 etc. zu erfassen, wobei die entsprechende Auslenkung in Korrelation zu dem Abtastwinkel des Drehkopfes 15 gesetzt ist.
Weiterhin wird in dem erläuterten Ausführungsbeispiel der mit der Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 korrespondierende Abtastwinkel des Drehkopfes 15 im voraus berechnet und in dem Speicher 106 gespeichert. Es ist jedoch ebenso möglich, den Abtastwinkel des Drehkopfs 15 auf Grundlage der Winkelauslenkung des Linsenantriebsmotors 59 zu berechnen.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel wird eine Tabelle eingesetzt. Alternativ kann der Mikrocomputer 82 den Abtastwinkel des Drehkopfes 15 auf Grundlage der Positionsdaten der beweglichen Linsengruppe der zum Verändern der Strahleinschnürposition bestimmten Optik berechnen, und zwar gemäß einem vorgegebenen Zusammenhang zwischen der Position der beweglichen Linsengruppe und dem Abtastwinkel des Drehkopfs 15. Dieser Zusammenhang kann in dem Speicher 106 gespeichert sein.

Claims

Laser-Vermessungsinstrument (11) mit einer Laserquelle (23), einer Optik mit einer beweglichen Linsengruppe (31), durch die ein von der Laserquelle (23) ausgesendeter Laserstrahl tritt, wobei die Optik so ausgebildet ist, daß durch die Bewegung der Linsengruppe (31) in Richtung der optischen Achse die Position der engsten Strahleinschnürung verändert wird, und einem Drehkopf (15), der den durch die Optik tretenden Laserstrahl aussendet, gekennzeichnet durch eine Einstellvorrichtung (82), die für den Drehkopf (15) einen Abtastwinkel in Abhängigkeit von Positionsdaten der beweglichen Linsengruppe (31) einstellt, und eine Drehkopfsteuerung (105), die den Drehkopf (15) innerhalb eines durch den Abtastwinkel festgelegten Winkelbereichs hin- und herbewegt.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (82) eine in einem Speicher (106) gespeicherte Tabelle verwendet, in der ein Zusammenhang zwischen der Position der beweglichen Linsengruppe (31) der Optik und dem Abtastwinkel der Drehkopfsteuerung (105) gespeichert ist, so daß ein entsprechender Abtastwinkel auf Grundlage der Positionsdaten der beweglichen Linsengruppe (31) auswählbar ist.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (82) den Abtastwinkel des Drehkopfs (15) auf Grundlage der Positionsdaten der beweglichen Linsengruppe (31) der Optik entsprechend einem vorbestimmten Zusammenhang zwischen der Position der beweglichen Linsengruppe (31) und dem Abtastwinkel des Drehkopfes (15) berechnet, wobei der vorbestimmte Zusammenhang in einem Speicher (106) gespeichert ist.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik einen Motor (66) und einen Vorschub-Schraubmechanismus (45, 46, 79, 80) enthält, der zum Bewegen der beweglichen Linsengruppe (31) durch den Motor (66) angetrieben wird.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsdaten der beweglichen Linsengruppe (31) der Optik in Abhängigkeit der Drehwinkelauslenkung des Motors (66) oder der Drehwinkelauslenkung eines rotierenden Elementes (61) erfaßt wird, das von dem Motor (66) gedreht wird.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik in einem Hohlschaft (20) untergebracht ist und der Drehkopf (15) am oberen Ende des Hohlschaftes (20) angeordnet ist.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik eine unbewegliche, positive Linsengruppe (32) und eine negative Linsengruppe (31) als bewegliche Linsengruppe enthält.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik eine positive Linsengruppe als bewegliche Linsengruppe und eine unbewegliche, negative Linsengruppe enthält.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Hohlschaft (20) angeordneten Linsengruppen (31, 32) eine Strahlaufweitvorrichtung bilden, daß der Laserstrahl senkrecht zur Achse des Hohlschaftes (20) aus dem Drehkopf (15) austritt, und daß ein Positionsdetektor (102) vorgesehen ist, der die Position der in der Strahlaufweitvorrichtung (B) vorgesehenen beweglichen Linsengruppe (31) erfaßt.
Laser-Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetektor (102) einen Winkelpositionsdetektor enthält, der die Drehwinkelauslenkung des Motors (66) oder die Drehwinkelauslenkung eines rotierenden Elementes (61) erfaßt, das von dem Motor (66) gedreht wird.