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Die
Erfindung betrifft ein Autokollimationsfernrohr, wie es gattungsgemäß aus der
DE 10 2005 018 983
B4 bekannt ist.
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Ein
Autokollimationsfernrohr (AKF) besteht aus einem Kollimator und
einem Fernrohr, wobei das Fernrohrobjektiv gleichzeitig als Kollimatorobjektiv dient
und diesem gemeinsamen Objektiv über
einen Strahlteiler eine Kollimatorbrennebene, oder auch objektseitige
Brennebene genannt, und eine Fernrohrbrennebene, oder auch bildseitige
Brennebene genannt, zugehörig
ist.
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Eine
in der Kollimatorbrennebene stehende, über einen Kondensor homogen
beleuchtete Platte mit einer Messstruktur, wird über das Objektiv ins Unendliche
abgebildet und von einem gegebenenfalls hinter dem Objektiv angeordneten,
senkrecht zur Objektivachse stehenden, Planspiegel in die Fernrohrbrennebene,
die eine konjugierte Ebene zur Kollimatorbrennebene darstellt, projiziert.
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Bei
einem einfachen Fadenkreuz als Messstruktur, dessen Kreuzungsmittelpunkt
auf der optischen Achse des Objektivs liegt, entsteht die Abbildung
des Kreuzmittelpunktes in der Fernrohbrennebene ebenfalls auf der
optischen Achse.
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Wird
der Planspiegel verkippt, so wird der Verkippungswinkel als eine
Verschiebung des Abbildes des Fadenkreuzes wirksam, d. h. dessen
Mittelpunkt wandert mit zunehmender Verkippung aus. Ein AKF ist
damit zur Winkelmessung und Justierung optischer Flächen (Messflächen) in
einem optischen System einsetzbar.
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Zur
visuellen Auswertung ist in der Fernrohrbrennebene üblicherweise
ein Strichmaßstab
vorhanden, der überlagert
von der Abbildung der Messstruktur, über ein Okular im Auge des
Betrachtes abgebildet wird. Diese Art der Bewertung unterliegt allerdings
subjektiven Einflüssen
und hat daher auch für
viele Anwendungsfälle
nicht die ausreichende Genauigkeit.
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Höhere Genauigkeiten
und die Möglichkeit der
Automatisierung sind gegeben, wenn anstelle eines Strichmaßstabes
ein opto-elektronischer Empfänger
in der Fernrohrbrennebene angeordnet ist. Die Lage des Mittelpunktes
des Abbildes der Messstruktur wird dabei durch den Schwerpunkt der
auf den Empfänger
abgebildeten Beleuchtungsintensität repräsentiert.
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Grundsätzlich reicht
hierfür
bereits ein Empfänger
mit einer einzelnen Empfängerfläche, z.
B. eine einzelne Fotodiode aus. Der Planspiegel müsste dann
solange zur optischen Achse empirisch verkippt werden, bis die Fotodiode
einen maximalen Fotostrom liefert.
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Praktisch
sinnvoller, für
einfache Messzwecke, ist die Verwendung von Empfängern mit vier gleichen Einzelempfängerflächen, wie
sie z. B. bei einer Vier-Quadranten-Photodiode vorhanden sind. Um
die Flächennormale
des Planspiegels in Richtung der optischen Achse auszurichten, kann
der Planspiegel gezielt verkippt werden, bis alle Quadranten einen
gleichen Fotostrom liefern.
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Um
eine noch höhere
Genauigkeit der Lagebestimmung der Abbildung einer Messstruktur
und damit eine höhere
Auflösung
des Verkippungswinkels zu erreichen, ist es bekannt, als Empfänger eine CCD-Zeile
oder eine Empfängermatrix
zu verwenden. Alle von der Abbildung der Messstruktur betroffenen
Pixel liefern dann ein von der jeweils beaufschlagten Beleuchtungsintensität abhängiges Signal. Aus
den einzelnen Signalen wird dann der Mittelpunkt der Abbildung der
Messstruktur ermittelt. Durch Subpixelinterpolation kann die Auflösung weiter
erhöht
werden.
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Bereits
vor einigen Jahrzehnten wurde mit der
DE 742 220 C ein Verfahren beschrieben, mit dem
unter Verwendung eines AKF Abweichungen zwischen Bildern von Testobjekten
gemessen werden konnten. Das von einer Strahlungsquelle entlang einer
optischen Achse ausgesendete Licht beleuchtet eine mit einer Messstruktur
versehene und in der Kollimatorbrennebene befindliche und eine Apertur aufweisende
Platte. Das erzeugte Bild der Messstrukturen wird in ein Linsensystem
gerichtet, auf einem reflektierenden Element abgebildet und in eine Empfängerebene
zurück
reflektiert. Vor der Empfängerebene
kann eine zweite Platte mit einer Messstruktur angeordnet sein,
die flächen-
und abbildungsgleich mit der Messstruktur der ersten Platte ist.
Statt zweier Platten mit Messstrukturen kann auch eine einzelne
Platte mit Messstrukturen vorhanden sein, die dann zweimal und überlagernd
abgebildet werden kann. Die Messstrukturen bedecken die Platten
jeweils ganzflächig.
Jeder der Ausschnitte einiger der Messstrukturen ist zudem innerhalb
der Messstruktur einmalig.
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Als
Messgröße wird
der Grad der Deckung der Abbildungen beider Messstrukturen in der
Empfängerebene
erfasst, wodurch insbesondere die korrekte Einstellung von in dem
Strahlengang enthaltenen Objektiven auf unendlich ferne Gegenstände überprüft werden
kann.
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Ein
Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Winkeln und Winkelabweichungen
mittels eines AKF werden weiterhin durch die
US 7,298,468 B2 offenbart.
Dabei wird entlang einer optischen Achse ein in einer Kollimatorbrennebene
angeordneter strahlungsdurchlässiger
Schirm (fortan als Platte bezeichnet), der Messstrukturen in Form
von Aperturen aufweist, mit einem Strahlenbündel beleuchtet. Die Platte
weist eine einstellbare oder variierbare Öffnung (Apertur) auf, mit deren
Hilfe die Größe des auf der
Platte abgebildeten Bildes an einen Empfänger angepasst werden kann,
der in einer definierten Messentfernung in einer in der Fernrohrbrennebene
befindlichen Empfängerebene
angeordnet ist. Das Bild wird durch ein reflektierendes Element,
welches unter einem bestimmten Winkel zur optischen Achse angeordnet
ist und zudem der zu messenden Winkeländerung unterliegt, auf dem
Empfänger
abgebildet. Durch den Empfänger
wird das Bild erfasst und ausgewertet. Dabei wird die Abweichung
des erfassten Bildes durch Vergleich mit einem Referenzbild oder einem
Referenzpunkt bestimmt und eine Winkelabweichung ermittelt. Das
vorgeschlagene Verfahren soll sich für einen gegenüber bekannten
Verfahren erweiterten Messbereich auch über größere Distanzen zwischen Messobjekt
und Empfänger
eignen und automatisierbar sein.
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Abweichungen
zwischen den Positionen von Referenz- und Messpunkten können auch
für die Ortsbestimmung
einer Messeinrichtung relativ zu einer bestimmten Strahlungsquelle
verwendet werden. In der
US
4,123,164 A wird ein stellares Navigationssystem beschrieben,
bei dem Licht einer bestimmten Strahlungsquelle, nämlich eines
Sterns, entlang einer optischen Achse auf eine in einer Kollimatorbrennebene
befindliche Platte mit einer Apertur, und weiter in ein Linsensystem
eines Teleskops gerichtet und durch reflektierende Elemente auf
einen Empfänger fokussiert
wird. In der vorgeschlagenen Messeinrichtung sind zudem Spiegel
als reflektierende Elemente unter präzise definierten Abständen und
Winkeln derart angeordnet, dass im korrekt ausgerichteten Zustand
des Teleskops zur Strahlungsquelle das kollimierte Licht durch das
Linsensystem auf den Empfänger
zurück
reflektiert und dort als Bild in einer Nominalposition erfasst wird.
Abweichungen des Bildes von seiner Nominalposition werden durch
den Empfänger
erfasst und die der Abweichung zugrunde liegende Winkeländerung
berechnet. Anhand dieser Daten kann eine Ortsbestimmung relativ
zur Strahlungsquelle und eine neue Ausrichtung des Teleskops erfolgen.
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In
der
DE 10 2005
018 983 B4 wird ein AKF vorgeschlagen, dessen Auflösungsvermögen, auch bei
sich verkleinernder Apertur, unbeeinträchtigt hoch bleibt. Die Messstruktur
wird mit einem zur Interferenz geeignetem Licht bestrahlt und als
eine Phasenmaske ausgebildet, so dass in der Detektorbrennebene,
die für
ein auf unendlich eingestelltes AKF die Fernrohrbrennebene ist,
ein Interferenzbild entsteht. Die Messstruktur kann bevorzugt aus Längsschlitzen
bestehen, kann aber auch aus konzentrisch angeordneten Ringen gebildet
sein. Eine als Phasenmaske geeignete Messstruktur muss zwingend
eine binäre
Struktur aufweisen.
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Ein
AKF gemäß der
DE 10 2005 018 983
B4 soll insbesondere für
hochgenaue Messungen geeignet sein, in denen sich die Apertur des
AKF's aufgrund unterschiedlich
kleiner Messflächen ändert.
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Gegenüber AKF's mit einem herkömmlichen Fadenkreuz
als Messmarke, wie eingangs beschrieben, bleibt der Messwinkelbereich
für einen
möglichen
Verkippungswinkel der Flächennormalen
der Messfläche,
gegenüber
der optischen Achse des AKF, d. h. der maximale Feldwinkel der gerade
noch auf dem Empfänger
abgebildet wird, unverändert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein AKF dahingehend weiterzubilden,
dass der Messwinkelbereich vergrößert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein AKF mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Anhand
der Zeichnung wird die Vorrichtung im Folgenden beispielhaft näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze für
ein AKF mit vorgeordneter Messfläche
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2a eine
erste Ausführung
einer Messstruktur
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2b eine
zweite Ausführung
einer Messstruktur
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2c eine
dritte Ausführung
einer Messstruktur
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Das
in 1 im Prinzip gezeigte AKF weißt, gleich allen bekannten
AKF's, ein Objektiv 1 auf,
das sowohl als Kollimatorobjektiv, als auch als Fernrohrobjektiv
wirkt. Innerhalb der Bennweite des Objektives 1 ist ein
Strahlteiler 2 angeordnet, hier ein Teilerwürfel. Dieser
teilt den Strahlengang in den Kollimatorstrahlengang und den Fernrohrstrahlengang,
mit einer Kollimatorbrennebene und einer hierzu konjugierten Fernrohrbrennebene.
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In
der Kollimatorbrennebene ist eine Platte 7 mit einer Messstruktur 3 angeordnet,
die durch den Beleuchtungsstrahl einer Lichtquelle 8, über einen Kondensor 9,
homogen beleuchtet wird.
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Die
Messstruktur 3 wird über
das Objektiv 1 ins Unendliche projiziert, an einer dem
AKF vorgeordneten Messfläche 4 reflektiert
und zurück
durch das Objektiv 1 in die Fernrohbrennebene abgebildet.
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Sofern
die Messfläche 4 gegenüber der
optischen Achse 5 des AKF nicht verkippt ist, d. h. ihre Flächennormale
in Achsrichtung verläuft,
wird die Messstruktur 3 mit einem Abbildungsmaßstab 1:1 quasi
in sich selbst auf einer Empfängermatrix 6 abgebildet.
In Abhängigkeit
vom Verkippungswinkel wandert die Abbildung der Messstruktur 3 auf
der Empfängermatrix 6 aus.
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Bei
einer aus dem Stand der Technik bekannten einfachen Messstruktur
gleich einem Fadenkreuz, kann ein Verkippungswinkel nur dann eindeutig
erfasst werden, wenn der Mittelpunkt der Messstruktur 3 auf
der Empfängermatrix 6 abgebildet
wird.
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Eine
erfindungsgemäße Messstruktur 3 eines
AKFs unterscheidet sich zu den aus dem Stand der Technik bekannten
Messstrukturen für
AKFs, sowohl in ihrer relativen Dimension zur Größe der Empfängermatrix, als auch durch
die Gestalt der Struktur. Im Unterschied zu einer Messstruktur,
gebildet durch ein Fadenkreuz, bei dem die Platte 7 im
Bereich des Fadenkreuzes einen maximalen Transmissionsgrad aufweist
und im umliegenden Bereich einen minimalen Transmissionsgrad hat,
hat eine erfindungsgemäße Messstruktur
eine Vielzahl von benachbarten Bereichen unterschiedlichen Transmissionsgrades.
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Es
ist erfindungswesentlich, dass die Messmarke 3 größer als
die Empfängermatrix 6 ist,
sodass unabhängig
vom Verkippungswinkel der Messfläche 4 höchstens
ein Ausschnitt der Messstruktur auf der Empfängermatrix 6 abgebildet
wird.
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Da
die Messstruktur 3 in einem Abbildungsmaßstab von
1:1 auf der Empfängermatrix 6 abgebildet
wird, ist dieser Ausschnitt in seiner Größe und Form gleich der Größe und Form
der Empfängermatrix 6.
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Die
Messstruktur 3 bedeckt die Platte 7 ganzflächig, womit
die Kantenlängen
der Platte 7 die Ausdehnung der Messstruktur 3 bestimmen.
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Vorteilhaft
weist die Messstruktur 3 eine dreifache Kantenlänge von
der Empfängermatrix 6 auf, womit
sich der Messwinkelbereich verdreifachen lässt.
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Im
Zusammenhang mit der Vergrößerung der
Messstruktur ist es weiter erfindungswesentlich, dass die Messstruktur
so gestaltet ist, dass jeder Ausschnitt innerhalb der Messstruktur
einmalig und damit in seiner Lage innerhalb der Messstruktur eindeutig
identifizierbar ist.
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Z.
B. kann die Messstruktur ein Raster aus Bereichen, wie z. B. Rechtecke
sein, die zueinander nichtäquidistante
Abstände
aufweisen. Andere vorteilhafte Messstrukturen sind konzentrische
Ringe, eine Spirale, unregelmäßige Muster
oder Zufalls- bzw. Chaosmuster.
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Beispiele
solcher Messstrukturen sind in den 2a-2c jeweils
als analoge und als binäre
Messstruktur gezeigt. Die dargestellten Auszüge aus den Messstrukturen sind
mögliche
Ausschnitte, wie sie auf dem Empfänger abgebildet werden können.
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Da
jeder Ausschnitt einmalig ist und damit eindeutig identifizierbar
innerhalb der Messstruktur der Abbildung der Messmarke ist, lässt sich
seine Position innerhalb der Abbildung der Messstruktur exakt bestimmen.
Dazu ist eine Bildauswerte-Software vorhanden, die den von der Empfängermatrix 6 erfassten
Ausschnitt innerhalb des abgespeicherten Abbildes der Messstruktur 3 sucht
um rechnerisch den Mittelpunkt der Abbildung der Messstruktur 3 zu
ermitteln und dessen Ablage gegenüber der optischen Achse 5 festzustellen.
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Als
Empfängermatrix 6 wird üblicherweise eine
CCD-Matrix verwendet.
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In
dem die Messstruktur so ausgeführt
ist, dass sie die Platte 7 vollständig abdeckt, werden auch alle
Pixel der CCD-Matrix von der Abbildung der Messstruktur überdeckt.
Damit möglichst
viele, idealerweise alle Pixel der CCD-Matrix zur Ermittlung des Mittelpunktes
des abgebildeten Ausschnittes und damit zur Lagebestimmung der Abbildung
beitragen können,
ist es von Vorteil, dass benachbarte Pixel mit einer unterschiedlichen
Strahlungsintensität
beaufschlagt werden.
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Zu
diesem Zweck ist die Messstruktur vorteilhaft eine analoge Messstruktur,
deren benachbarte Bereiche sich durch einen gemittelten Transmissionsgrad
unterscheiden, wodurch die Abbildung der Messstruktur auf den Pixeln
Signale, theoretisch unendlich vieler, unterschiedlicher Grauwerte
bewirken kann.
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Vorteilhaft
sind diese Bereiche, in einem gedachten Raster der Pixelanordnung
der CCD-Matrix eine
Rasterfläche
bildend, nicht größer als
ein Pixel, wodurch gesichert jedes benachbarte Pixel mit einer anderen
Strahlungsintensität
beaufschlagt wird und zur Auswertung herangezogen werden kann.
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Einfacher
herstellen lassen sich binäre Messstrukturen.
Sie bewirken eine Abbildung mit nur zwei Grauwertstufen, getrennt
von scharfen Bereichsübergängen.
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Vorteilhaft
sind auch hier die Bereiche der beiden Grauwertstufen jeweils so
dimensioniert, das möglichst
wenige nebeneinander liegende Pixel von der Abbildung eines solchen
Bereiches überdeckt werden.
Je mehr Bereichsübergänge von
den Pixeln detektiert werden, desto genauer lässt sich die Lage der Abbildung
bestimmen. Im Unterschied zum Stand der Technik können für eine Subpixelinterpolation
alle Pixel bzw. der durch sie gebildeten Signale verwendet werden,
was eine hochgenaue Lagebestimmung erlaubt.
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Gemeinsam
führen
der vergrößerte Messwinkelbereich
und die höhere
Auflösung
der noch erkennbaren Verkippungswinkeländerung zu der Erhöhung des
Dynamikbereiches des AKF's.
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- 1
- Objektiv
- 2
- Strahlteiler
- 3
- Messstruktur
- 4
- Messfläche
- 5
- Optische
Achse
- 6
- Empfängermatrix
- 7
- Platte
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Kondensor