CN1039159C - 目标反射器探测装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于识别目标反射器的目标反射器探测装置，从偏振光源向目标反射器发射一束光，然后探测由目标反射器所反射的光，其特征在于：所说的偏振光源发射的光是偏振光，其偏振方向是特定的，上述反射光的偏振方向和发射光的偏振方向是不同的，所说的目标反射器探测装置仅用于探测由上述目标反射器反射的偏振方向的分量。

Description

目标反射器探测装置
本发明涉及一种目标反射器探测装置，它通过发射一束来自偏振光源的光束，然后探测一个特定的反射器以确定标记物和设备的位置。
在土木工程或建筑土地，此目标反射器探测装置被用于测定高度。
近来，半导体可见光激光器被投入实际应用，因此一种采用了这种半导体可见光激光器的目标反射器探测装置已经被开发出来。然而这种半导体可见光激光器的输出由于考虑到工作人员安全而受限制，因此，用肉眼进行观察确定的测量只能局限在一个比较短的工作距离之内。
1992年10月27日递交的日本专利申请289042/1992公开了一种旋转激光照射装置，该装置利用一束激光往复扫描一个设置在预定位置的特定反射器的位置，从而扩展工作距离。
在日本专利申请289042/1992所公开的旋转激光照射装置中，为了确保能够探测到目标反射器，在反射器上形成有特定的图案。
然而，由于该目标反射器探测装置应用于各种各样的场合，因此无法区分被反射的信号图形是来自目标反射器还是来自非目标反射物，因此难于精确地识别目标反射器和非目标的反射物，因此有时扫描操作会在一个错误位置上进行。
特别是当此旋转激光照射装置发出的激光束垂直地落在一个具有象闪光件之类的反射表面的非目示反射物上时，入射光轴与反射光轴相互重合，因而一束强反射光(下面称为″常规反射光″)进入该装置的探测部分。因此，当常规及射光所采取的结构与预定图形信号的结构相类似时，那么即使该装置和非目标反射物之间的距离很长，也会引起扫描误差。
此外，当工作点附近存在任何闪光的平面形状物体侧如玻璃板时，有时会在该装置和特定反射器之间形成另一条光路。在这种情况下，会产生下述问题，由于是对所说的另一条光路的反射光(下面称为″多重反射光″)进行探测，使得错误的扫描操作引起发光体的虚像。
因此本发明的目的是提供一种目标反射器探测装置，它通过有效地排除掉来自除预定目标反射器之外的其它物体的反射光，可靠地识别出预定的目标反射器。
根据本发明的目标反射器探测装置，通过向目标反射器发射一束来自偏振光源的光束，然后接收来自目标反射器的反射光以进行目标反射器的识别，其特征在于：从上述偏振光源发出的偏振光的偏振方向是特定的，所说的反射光和所说的发射光的偏振方向是不同的，而且所说的目标反射器探测装置仅仅探测来自上述目标反射器的一个偏振方向的分量。
本发明的原理
1.消除常规反射光的方法基于这样一个事实，常规反射光保持在目标反射器探测装置的偏振光源发射光的偏振方向上。
这就是说，通过将偏振光源发射的光限定在一个预定的偏振方向上，通过目标反射器在对该发射光反射时改变其偏振方向，然后只对具有预定偏振方向的光进行探测，就有可能只对来自目标反射器的光进行探测，以而消除常规反射光。在这种情况下，目标反射器包括一个双折射件，用于改变偏振方向。
本发明所采用的偏振光既包括园偏振光也包括线偏振光。圆偏振光的偏振方向指右手旋转方向和左手旋转方向，线偏振光的偏振方向指在两个相互正交的方向。
用于使目标反射器上的光反射并产生偏振方向改变的装置，可由一个能够在两个正交轴方向上产生1/4波长相位差的双折射件构成，该双折射件安装在反射器的整个表面上。光的偏振方向可以通过往复地通过此双折射件得到改变。
图1至图4表示出双折射件改变光偏振方向的情形。图1表示目标反射器以及非目标反射器上的圆偏振光的反射。图2表示圆偏振光进入目标反射器的情形。图3和图4分别表示线偏振光与图1和图2相应的情形。
2.避免出现多重反射的方法基于下述事实，一个闪光表面例如玻璃板表面上的光反射具有偏振光的特性。这种偏振光特性利用了线偏振光仅反射具有某一特定方向上的分量的光的反射特性。
更确切地说，它利用了这样一种性质，即当来自光源的光为圆偏振光时，那么被反射的光由于此偏振光特性而成为线偏振光。这就是说，通过将置于目标反射器整个表面上的四分之一波长双折射件的光轴设置在与偏振光源的扫描方向(即旋转方向)成45°角的位置，那末从反射表面朝着目标反射器传播的线偏振光的方向，变成与线偏振光受目标反射器反射时从双折附件的另一相对表面出射的偏振特性的方向成正交情形。因此，当这束光重又返回反射面时将难以被反射，从而不能返回此目标反射器探测装置的偏振光源。图5表示出这种情形。
此外，当目标反射器探测装置的光源发出的光为线偏振光时，那么通过将这束光的偏振方向安排在与光源的扫描方向相一致，从而使其偏振方向与该反射面的偏振特性的方向相一致或相互正交，则能达到相同的效果。当目标反射器探测装置发出的线偏振光与该反射面的偏振特性的方向成正交时，则光强将由于该反射面的偏振特性而减弱。另一方面，当目标反射器探测装置发出的线偏振光与该反射面的偏振特性的方向相一致时，则此光能够穿过该反射面。但是，与圆振光相类似，由于光的偏振方向被目标反射器改变成正交方向，所以在光的回路上在反射面上光强被减弱。图7表示出当目标反射器探测装置发出的线偏振光与该反射面的偏振特性的方向相一致时的情形。
3.在目标反射器探测装置中，转动照射光方向的通常作法是，出于转动轴稳定性的考虑使半导体激光器光源保持静态，同时转动光学元件如五角棱镜等等。在这种情况下，虽然半导体激光器是线偏振的，但偏振方向也将随着照射方向的转动而转动。
限定偏振方向的方法基于下述事实：圆偏振光的旋转方向即使在该装置围绕光轴旋转的情况下也不发生改变。即，如图7所示，通过采用一个能产生了1/4波长相位差的双折射件，半导体激光器将线偏振光改变为圆偏振光。当使圆偏振光通过一个旋转的光学元件如五角棱镜时，从光学元件中出射的光不受旋转此光学元件的影响，因此这个圆偏振光的旋转方向将终始保持不变。
上述方法是将该装置发出光限定为圆偏振光的一种情形。另一方向，当将该装置发出的光限定为线偏振光时，可以通过这种方式达到：使得圆偏振光再次通过放置在旋转轴上的、能够产生1/4波长相位差的双折射件，如图8所示，通过转动双折射件的光轴方向，可以自由选取线偏振光的方向。
探测部分仅仅探测由目标反射器反射的光，其方法是利用偏振器，通过选择出经过能够产生四分之一波长相位差的双折射件并且从通过五角棱镜的被反射的圆偏振光改变成的线偏振光。
图1为表示由目标反射器引起的圆偏振光的反射的示意图。
图2为表示由目标反射器引起的圆偏振光的反射的解释性详图。
图3为表示由目标反射器引起的线偏振光的反射的示意图。
图4为表示由目标反射器引起的线偏振光的反射的解释性详图。
图5是一个解释性示意图，表示除目标反射器之外的任何其它物体反射的扫描圆偏振光都不能返回控测装置。
图6是一个解释性示图，表示除目标反射器之外的任何其它物体反射的扫描线偏振光都不能返回该目标反射器探测装置。
图7是一个解释性示图，表示用于使扫描圆偏振光能量旋转的本发明目标反射器探测装置的光学系统。
图8是一个解释性示图，表示用于使扫描线偏振光的光通量旋转的本发明目标反射器探测装置的光学系统。
图9为表示目标反射器和本发明的目标反射器探测装置的光学系统。
图10为表示本发明的目标反射器的前视图。
图11为表示本发明的目标反射器的侧视图。
下面将结合附图介绍本发明的目标反射器探测装置的最佳实施例。
一种具有本发明的目标反射器探测装置的可旋转激光照射装置实施例，将在下文中说明。如图9所示，半导体可见光激光器3由脉冲驱动电路2驱动，沿着它发射的激光光通量的光轴0上，设置了可旋转激光照射装置的一系列光学元件，包括：准直透镜4，倾斜补偿部件6，反射镜8，光束扩展器9，一个有孔的反射镜7，光轴0通过其孔7A，一个能够产生四分之一波长相位差的双折射件11和一个光束旋转部件10。脉冲驱动电路2则包括一个激光振荡器2A和一个LD驱动电路2B。这种可旋转激光发射装置的结构中也可以省略掉倾斜补偿部件6。
倾斜补偿部件6是一个光学系统，即一个液体补偿器，其作用是不论偏振光源如何倾斜(未示出)始终保持半导体可见光激光器3的出射激光束相对于竖直线的以一个固定角度反射；它包括一块密封玻璃20，一个带有液体背层的反射面22的油槽24，密封玻璃26，以及一个双轴倾斜补偿平衡调节器，即一个光轴调节部分34，它包括一对棱镜件30和32，用以使光轴0起偏振。光束扩展器9包括一对焦距互不相同的透镜36和38其作用是扩展激光通量的宽度。
光束旋转部件10是一个光学系统，其作用是在一个水平面上对垂直进入的激光光束进行旋转扫描，它包括一个安装在在旋转支架40上的五角棱镜42。安装在旋转支架40底部的齿轮46与电机48的输出齿轮50相啮合，该电机通过一个减速齿轮组(未表示)驱动旋转支架40。电机48受控制部分100的控制。
如图10所示，用于反射五角棱镜42出射的激光通量的目标反射器60，是由两个竖直延伸并相距一定间距的反射区域62及64构成的，它包括一个基板60A，一个反射体60B和一个能产生四分之一波长相位差的双折射件60C，而且反射体60B和双折射件60C是粘接到基板60A上的。反射体60B可以由许多后向反射体例如隅角棱镜或球面反射镜构成。双折射件60C被设置在与五角棱镜42出射的激光光通量的圆偏振光的扫描方向(旋转方向)成45°角。
激光光通量探测部件80，包括一个聚光透镜82，一个偏振器83，一个带针孔的平板84和一个光电转换元件86，这些元件设置在反射光的光轴00上，相互间相距适当的距离。
构成可旋转激光发射装置的电路系统的脉冲驱动电路2的输出，被输入半导体可见光激光器3中。该电路系统进一步还包括光电转换元件86，用于接收目标反射器60反射的激光光通量，以及电机48和控制部分100。控制部分100所进行的控制其目的是简化对激光光通量的观察，例如，仅仅在两个目标反射器60形成的某个角度范围之内对激光光通量进行往复扫描。
下面将介绍此可旋转激光发射装置的光学操作。由半导体可见光激光器3出射的线偏振激光光通量在其方向上得到补偿以便它对准预定的方向，并且随后通过有孔反射镜7上的孔7A进入双折射件11。双折射件11将线偏振激光光通量转换为圆偏振光，然后被五角棱镜42在水平面内旋转。
当圆偏振激光光通量进入目标反射器60时，它被目标反射器60中的双折射件60C转换为线偏振光，经反射体60B反射，重又进入双折射件60C，并且又成为圆偏振光，然后进入五角棱镜42。从五角棱镜42向下出射的圆偏振光由双折射件1转换线偏振光，经过有孔反射镜7的小孔7A之外的部分反射，然后进入起偏振器83。某预定方向的线偏振激光光通量经过起偏振器83的选择，进入光电转换元件83，并在那里被探测。
对上面介绍的实施例所作的改进将在下面介绍。虽然在上述实施例中目标反射器60是由两个反射区域62和64构成，但是当外来光的影响不很大时，目标反射器也可以只由一个反射区域构成。
此外，虽然在该实施例中光源即半导体可见光激光器和探测部分安装在一个静止的基体上，激光光通量的旋转扫描仅仅通过旋转五角棱镜来获得激光光通量的旋转，然而也可以通过旋转半导体可见光激光器和探测部分来进行激光光通量的旋转扫描。在这种情况下，旋转扫描的激光光通量的偏振光的方向是不旋转的。
虽然人们认为由半导体可见光激光器发出的激光光通量是线偏振光，但实际上它不是纯线偏振光，因此含有一定噪声成分。当此噪声成份超过允许量以后，可以在半导体可见光激光器的光轴上设置一个额外的偏振器，以消除噪声成分。
根据本发明的目标反射器探测装置，可以可靠地识别目标反射器，有效地排除除预定的目标反射器之外的物体反射的噪声成份。而且根据本发明的可旋转发射装置，可以可靠地照射预定的角度范围。

Claims (13)

1.偏振光探测设备，包括：
一个偏振光源，用于发出沿特别限定方向偏振的偏振光；
其特征在于还包括：
控制装置，用于在扫描方向的基准平面移动发出的偏振光；
目标反射器，设置在能反射从所述偏振光源发出的偏振光的位置，所述的目标反射器包括至少一个反光部件一个设置在所述至少一个反光部件前面的1/4波长双折射部件，所述的至少一个反光部件和所述的双折射部件被设置成使得射在所述的目标反射器上的光与从所述的目标反射器上反射的光具有不同的偏振方向；以及
探测器装置，用于只探测从所述的目标反射器反射的偏振光的方向偏振的光。
2.权利要求1的设备，其特征在于所述的偏振光源是静止的，而所述的设备进一步包括一个用于沿着转轴将从所述偏振光源发出的偏振光进行圆偏振的圆偏振装置，所述的圆偏振装置处于所述的偏振光源和所述的移动装置之间。
3.权利要求2的设备，其特征在于所述的圆偏振装置包括一个双折射部件。
4.权利要求1的设备，其特征在于进一步包括一个用于沿着转轴将从所述偏振光源发出的偏振光进行圆偏振的圆偏振装置，所述的圆偏振装置处于所述的偏振光源和所述的移动装置之间。
5.权利要求1的设备，其特征在于所述的偏振光源发出线性偏振光，并且所述的目标反射器的双折射部件改变从所述的目标反射器反射的偏振方向，与射在所述的目标反射器上的光的偏振方向垂直。
6.权利要求5的设备，其特征在于所述的双折射部件具有一个与所述的偏振光源发出的线性偏振光的偏振方向呈45度角倾斜的光轴。
7.权利要求5的设备，其特征在于进一步包括：
一个用于沿着转轴将从所述偏振光源发出的偏振光进行圆偏振的圆偏振装置，所述的圆偏振装置处于所述的偏振光源和所述的移动装置之间；以及
线性偏振装置，用于线性偏振从所述圆偏振装置发出的圆偏振光，所述的线性偏振装置处于所述移动装置和所述目标反射器之间。
8.权利要求6的设备，其特征在于进一步包括：
一个用于沿着转轴将从所述偏振光源发出的偏振光进行圆偏振的圆偏振装置，所述的圆偏振装置处于所述的偏振光源和所述的移动装置之间；
线性偏振装置，用于线性偏振从所述圆偏振装置发出的圆偏振光，所述的线性偏振装置处于所述移动装置和所述目标反射器之间。
9.权利要求5的设备，其特征在于从所述偏振光源发出的线性偏振光的偏振方向与由所述偏振光源发出的线性偏振光的扫描方向一致。
10.权利要求11的设备，其特征在于所述的双折射部件具有一个与所述的偏振光源发出的线性偏振光的偏振方向呈45度角倾斜的光轴。
11.一种偏振光探测设备，包括：
一个偏振光源，用于发出沿特别限定方向偏振的偏振光；
其特征在于还包括：
控制装置，用于在一个基准平面转动地扫描来自所述的偏振光源的偏振光；
目标反射器，设置在能反射从所述偏振光源发出的偏振光的位置，所述的目标反射器包括至少一个反光部件一个设置在所述至少一个反光部件前面的1/4波长双折射部件，所述的至少一个反光部件和所述的双折射部件被设置成使得射在所述的目标反射器上的光与从所述的目标反射器上反射的光具有不同的偏振方向；以及
探测器装置，用于只探测从所述的目标反射器反射的偏振光的方向偏振的光。
12.一种偏振光探测设备，包括：
一个偏振光源，用于发出沿特别限定方向偏振的偏振光；
其特征在于还包括：
控制装置，用于在一个基准平面往复地扫描来自所述的偏振光源的偏振光；
目标反射器，设置在能反射从所述偏振光源发出的偏振光的位置，所述的目标反射器包括至少一个反光部件一个设置在所述至少一个反光部件前面的1/4波长双折射部件，所述的至少一个反光部件和所述的双折射部件被设置成使得射在所述的目标反射器上的光与从所述的目标反射器上反射的光具有不同的偏振方向；以及
探测1装置，用于只探测从所述的目标反射器反射的偏振光的方向偏振的光。
13.权利要求12的设备，其特征在于所述的目标反射器包括至少一个第一和第二隔开的反光部件，所述的控制装置用于在所述的至少第一和第二隔开的反光部件之间往复地扫描偏振光。
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