CN1071898C - 测量球－反射器 - Google Patents

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Abstract

用于方向和/或距离测量的测量球-反射器，其特征是，在测量球(10)内安置了一个后向反射的角棱镜(17)，它的基面(18)切除测量球-表面(11)的一部分，并且其高度约为测量球(10)的半径，测量球(10)的中心(16)在角棱镜(17)的等高线(19)上。

Description

测量球-反射器
本发明涉及一种用于方向和/或距离测量的测量球-反射器。
为了实现用于大地测量和工业坐标测量的目标点的立体化，经常使用测量球。它一般是用金属制作的具有镜面反射面的球体，固定在一个杆上。这个杆固定于野外的被测坐标点或者被测物体上。
这个球可以例如用经纬仪上的目标瞄准器来瞄准，并且通过聚焦调整使它清晰地成象在象面上。通过对准测量球体上的目标标志或十字线，可以坐标方式确定经纬仪的目标方向。为了提高显示精度，经常在经纬仪上加一个特殊的照明装置，并且将反射到镜面的球体表面的反射光作为目标点。
采用例如另一个经纬仪在另一个目标方向上瞄准测量球时，可借助于已知的两个经纬仪的距离来计算测量球的球心距离。因为球心点至固定杆地面底点之间的距离是已知的，所以用这种方法可以确定测量点的坐标。对于标准测量来说，在目标空间同时测量校准距离时，测量经纬仪间距是多余的。为了简化所使用的计算程序，必须使测量球-反射器的尺寸和固定杆的长度标准化。按此要求测量球的直径为12.7mm。
除了关于两个独立方向测量和基准距离(三角测量)的坐标测量外，还可能进行极坐标测量，也就是说，方向测量与距离测量相结合即，一个经纬仪与一个测距仪相结合。光学绝对测距仪测量光脉冲或经调制的光束的传播时间，这些光束由被测物体所反射。为了精确地测量一个测量点的坐标，要求目标点必须是立体的。因为在测量距离时，经常是用一束平行的已校准光进行工作，所以经常选用角棱镜作为目标反射器。它的特点是，进入其基面的平行光仍然以与其本身平行的方式反射回来，它与光束方向对基面的倾角无关。
在垂直入射到玻璃球体时，距离随一个固定的附加常数而改变。用于距离测量的目标点就是角棱镜的尖端。因为在较长距离时用光学方法无法进行瞄准，所以在经纬线的角度测量时，将角棱镜与一个目标靶结合运用，这个靶是用经纬仪来瞄准的。从角棱镜和目标靶之间的几何布置及其对于对测量点的固定位置，测量点的坐标可由某一个地点来确定。
正如前述，角棱镜有一个很重要的特性，即反射光束平行于入射光束，而与角棱镜的基面与光束间的倾角无关。但是，光路长短与基面的倾角是相关的。在棱镜尖端有倾角时，光路以非线性比例随倾角而增大。围绕角棱镜高线的基点的倾角同样是相关的，其中，由于角棱镜尖端的位置的变化，使整个光路会变小。这个光路的变化当然影响距离测量的精度。我们知道，如果角棱镜的倾角围绕在角棱镜的高线上的点，并且离尖端为其高度的1/3时，其倾角相关性在一定的角度范围内为最小。
除了将目测方向测量与绝对距离测量进行相结合之外，还有一种公知的仪器，这种仪器从一个起始位置出发可进行自动目标跟踪，并且进行距离变化的自动测量。处于表面上的目标点的立体化是一个由三块相互成直角布置的平面反射镜组成的三棱镜，这个三棱镜这样地装在一个球体内，使得反射镜的尖端处于球的中心点。与角棱镜不同的是，三棱镜没有与光束方向有关的对准误差和距离误差。
在此，采用经过准直的激光束作为测量光束，它经一个在三个轴上可控的扫描反射镜射在三棱镜上。经扫描反射镜的反射光束返回到位于方向和距离已知的起始位置的仪器中，在此，可由一个对位置灵敏的检测器进行测量，同时，光束也进入一个干涉仪。在从起始位置的球的距离上只须注意，测量光束必须进入三棱镜的孔内。因为测量光束的直径在光强分布降到l/e2的边缘上约为4mm，而三棱镜的入射孔径约为20mm，所以这里不可能出现问题。于是对位置敏感的检测器控制扫描反射镜对准运动的三棱镜，直到所希望的测量点固定在被测物体上为止。采用干涉仪可以测量光束的行程。于是，从相对于起始点所测量的方向和距离的变化就可以确定测量点的坐标。
由工作空间中自由运动的机器人的定位已知，在工作空间的固定点处的后向反射镜可用作基准点。从一个起始位置出发，机器人的观测范围可用一激光束经过一个三轴可控的扫描反射镜进行扫描，直至激光束落在后向反射镜上为止。采用一个绝对值测距仪可以测量至后向反射镜间的距离。当机器人运动时，扫描反射镜被引向后向反射镜的方向，因此，机器人的方向变化就能够确定下来。如果失去了对后向反射镜的目标时，则必须启动一个新的瞄准方向的捕捉，并且开始进行新的对另外一个后向反射镜的距离测量。
从DE44 10 267 A1得知一种用于校正三坐标轴测量的测量机。在测量台上，有一个带有局部球面的基准表面的角立方体反射器，它是固定在一个支架上的。该支架位于一个导轨中，沿测量机的坐标轴之一可以移动。
校正的方法是，一方面利用一个探针确定角立方体反射器的基准表面的位置；另一方面，利用一台干涉仪测量后向反射的角立方体的纵向移动。后向反射镜具有一个结点，这个点位于干涉仪的测量轴上，绕这个结点后向反射镜可以倾斜一定的角度，它不会显著地影响距离测量。这个基准表面相对于结点有精确的定位。对于球面基准表面来说，它是以结点为中心的。
该结点可用作干涉仪测量中的基准测量点，球面基准表面与干涉仪测试轴的交点可用作探针的基准测量点。所以，两个基准测量点在测量方向是一前一后的。另外，支架的导轨相对于干涉仪的测量轴是平行的。导轨的不精确度可导致结点的横向位移，并可导致后向反射镜相对于支架支点的倾斜，因此，同样可以引起结点的位移。
由于结点对于干涉仪距离测量来说是用作基准测量点的，所以每个横向的移动都意味着相对于测量机的要校正的坐标方向的测量方向的变化。为了保持由此产生的误差能很小，必须具备非常精确的导轨。此外还须通过对球面基准表面的接触在三个不同的位置测量横向的移动，并且在进行校正计算时予以考虑。
对于三棱镜来说，由于机械方面的原因，它的结构尺寸应保持在一定的范围内，因为为了反射镜的稳定性，它必须有一定的厚度。另一个缺点是，露在外面的反射镜的尖端容易弄脏，例如，落在上面的尘土很不容易去掉，同时，在清洁时，还存在损伤金属的反射镜表面的危险。反射镜尖端的光束反射对于测量精度是至关重要的。另外还须注意三棱镜的内边质量，因为在三个平面反射镜元件粘接时也会出现问题。
本发明的任务是，提供一种测量球-反射器，它既适用于目测的、也适用于自动的方向测定，同时，既能用于绝对的也能用于相对的距离测量。此外，它还应当有符合标准规定的测量球-反射器的外形尺寸。
这个任务，在前面已说明类型的测量球-反射器的基础上用下述方法得以解决，在测量球内装入了一个后向反射的角棱镜，它的基面切除测量球表面的一部分，它的高度大约等于测量球的半径，测量球的中心在角棱镜的高线上。
本设计的其它优良结构包括，角棱镜的尖端至测量球的中心的距离约为角棱镜的高度的三分之一；基面设计成圆型的，角棱镜在与其相接的基部区内，以与高线旋转对称的圆柱体形状的方式而简化。
相对于由反射镜组成的三棱镜，角棱镜有以下优点，它可以作得任意地小，特别能够理想地合适于测量球标准化的直径12.7mm，同样重要的是，它的基面尺寸与干涉仪激光束的直径、角度测量和绝对距离测量器也有良好的配合，而且对于光束还有足够的倾角余量。
对于角棱镜来说，它不会产生由于反射镜尖端沾污而出现的问题。另外，也可将角棱镜的棱加工的很精细。
通过根据本发明所设计的角棱镜的高度就有可能将所给的角棱镜中的旋转点设置得通过球的中心点。因此，有可能将角棱镜中与倾角有关的光程差减到最小。
由于在自动坐标测量中角棱镜的尖端不仅是距离测量的目标点，而且还确定着目标方向，因此须要分析，究竟角棱镜向位于尖端下方的点倾斜时对方向测量的误差有多大影响。使人惊奇的是旋转点本身，其光程差在倾斜范围内是均匀地减少的，通过角棱镜尖端的偏移，角度偏差也得以减小。
由于角棱镜的基面只是测量球表面很小的一部分，所以其余的部分都可以保留反射性能，所以仍可以进行目测对准。如果测量球用磁性材料制造，则可以用磁力的方法固定在一般的杆上，支架可以是三点接触球轴承，因此，测量球可在任意方向转动。在测量点中固紧的杆既可以简单地对准测量光束，又可以最佳地调整反射面对准两个不同测量仪器的瞄准方向。另外，在应用于相对距离测量的目标跟踪系统时，测量球可从一个测量点移到另一个测量点。
通过将角棱镜的三角形的基面简化并简化为一个与棱镜区相连接的与等高线旋转对称的圆柱体，将使棱镜很容易安装到测量球中去。在测量球中唯一的需要是给予一个定中心的孔，在这个孔中放置角棱镜。在此，圆形的基面可与孔边相联接，或者放置在孔边稍下一点的地方，这样就可避免在一个平面支架上由于测量球放置不当而损伤角棱镜，并可起到保护它的作用。
根据本发明的测量球-反射器将由下面借助于附图示出的实施例而作详细说明。
图1．测量球-反射器的剖面图
图2．测量球-反射器的顶视图
图3．整个角反射镜的顶视图
图4．角棱镜沿顶部棱的剖面图。
在图1中示出测量球10的剖面图。它是由磁性金属材料制成的。它的表面11是镜面抛光的。在球体中开一个中心孔12。球体中心用16表示。螺孔13指向孔12，该螺孔对准将要描述的角棱镜的尖端。另外一个螺孔14与螺孔13成垂直布置。在此螺孔的对面有一个用于填粘料的填充孔15。另外的螺孔14和孔15是一对沿着测量球体的周长的一(部分)圆周互为600角地布置。
在孔12中安放一个角棱镜17，它由光学玻璃制成，棱面镀了一层金属膜，并且用保护漆保护，基面18是圆形的。为了在将测量球放在一个平面上时保护角棱镜不受损伤，放置此基面比孔12的边稍深一些。角棱镜17的高线用19来表示。球体中心16位于尖端下约为角棱镜高度的1/3处。
为了使角棱镜17的基面18垂直于孔12的轴12’，在螺孔13/14中旋入螺钉。这样就能校正角棱镜高度的工艺误差，这种误差在棱镜中导致不同的光路径，通过以下方法，即，将旋转点尖端的位置调整一个用于玻璃路径的统一的附加的常数。经过校正，通过孔15用相应的粘合剂添入孔12中，以固定住角棱镜17，并且应防热张力和振动。因此，实验证明用硅胶粘合剂是最好的。
由上述测量球-反射器接收的测量光束的直径为20。测量球-反射器及其角棱镜17的基面18可相对于此光束在所有方向上有一个角度21的倾斜，但它毫不影响由反射光束得到的测量信号的质量，另外，它也不影响方向和距离测量的精度，并在相应的误差范围之内。
从一个实际实施例可知，在测量球中，它的标准直径为12.7mm(0.5英寸)；有一个角棱镜安装在它里边，测量光束的直径约为4.5mm在±15°的倾角内可靠地反射。此时的距离误差约为1.5μm。方向角误差相应于目标点的错位误差约为±10μm。
图2是测量球-反射器的顶视图，角棱镜17的基面18是圆形的光束入射面。在顶视图中可以看到向尖端收缩的棱22以及其在对面的棱面的反射23。
图3表示整个角棱镜17的顶视图，以及一个位于中心棱镜尖下方对高线底点同心的内圆24，该圆构成圆柱的剖面，角棱镜的基面简化成此圆柱体。
图4表示角棱镜的剖面图，即沿图3切线25的剖面图。由基面区简化成的一个圆柱体导致不同高度的侧面26/27，也如图1所示。调节螺钉应放在较高的侧面26上比较合适。

Claims (7)

1．用于无接触的方向和/或距离测量的测量球-反射器，其中，测量球在一个支架上可以自由转动，其特征在于，该测量球(10)有一个孔(12)，在此孔内安置了一个后向反射的角棱镜(17)，该棱镜的基面(18)是以如此方式切除测量球-表面(11)的一部分的，使角棱镜(17)的基面(18)的边线特别地位于测量球(10)表面(11)之下，角棱镜(17)的高度约和测量球(10)的半径相等，测量球(10)的中心(16)位于角棱镜(17)的由其顶点至底面(18)的垂线所确定的高线(19)上。
2．根据权利要求1的测量球-反射器，其特征在于，角棱镜(17)的尖端至测量球(10)的中心(16)的距离约为角棱镜(17)的高度的三分之一。
3．根据上述权利要求的其中之一的测量球-反射器，其特征在于，基面(18)设计成圆型的，角棱镜(17)在与其相接的基部区内，以与高线(19)旋转对称的圆柱体形状的方式而简化。
4．根据权利要求1的测量球-反射器，其特征在于，作为用于对角棱镜(17)进行调整的调整元件的螺钉设置在于孔(12)内的伸展的螺孔(13,14)中，角棱镜(17)安置在这些调整元件的上面。
5．根据权利要求4的测量球-反射器，其特征在于，角棱镜(17)在孔(12)内调整好后，用一种-特别是通过孔(15)-添入孔(12)的粘结剂固定好，并且防止热张力和振动。
6．根据权利要求1的测量球-反射器，其特征在于，测量球(10)的表面(11)是镜面反射的。
7．根据权利要求1的测量球-反射器，其特征在于，测量球(10)是用磁性材料制成的。
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