DE102011107451B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Position und Orientierung eines Körpers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers unter Verwendung eines mit dem Körper in Verbindung stehenden Retroreflektors (2) sowie eines mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messmesseinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertrackers, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (10) zum Retroreflektor (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (10) als Rückstrahl (12) zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl (10) durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors (2) dem Retroreflektor (2) nachführbar ist. Zur Ermittlung des Rollwinkels ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Einfallstrahl (10) um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz (d) versetzt zum Rückstrahl (12) in den Retroreflektor (2) einstrahlt und als Messstrahlen (15, 19), in einer Messebene (17, 20) detektierbar sind. Zur Ermittlung von Nick- und Gierwinkel wird einer der Messstrahlen (15, 19) fokussiert oder deren Strahlengang in versetzt zueinander angeordneten Messebenen detektiert und wobei aus der detektierten Position des Einfallmessstrahls (15) und der detektierten Position des Rückmessstrahls (19) der Nick-, Gier- und Rollwinkel berechnet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers unter Verwendung eines mit dem Körper in Verbindung stehenden Retroreflektors sowie eines mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messeinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertrackers, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl zum Retroreflektor aussendet, von welchem der Einfallstrahl als Rückstrahl zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors dem Retroreflektor nachführbar ist.
  • Zur Messung der Raumposition eines Objektes werden insbesondere sog. Lasertracker eingesetzt, mittels welcher es möglich ist, die räumliche Position und/oder räumliche Bewegung eines Körpers unter Zuhilfenahme von Retroreflektoren zu bestimmen. Ein solcher Lasertracker kann hierzu mit Winkelmesssystemen sowie einem Entfernungsmesssystem ausgestattet sein, so dass der räumliche Ort eines Retroreflektors eindeutig bestimmbar ist. Auch bekannt sind Multilateralsysteme, die durch Distanzmessung die 3D-Position eines Retroreflektors im Raum berechnen können. Da ein solcher Körper jedoch auch seine Orientierung im Raum, je nach Anwendung, wechselt, sind Systeme bekannt geworden, mit welchen auch die bezüglich der Orientierung sich ändernden Rotationswinkel (Nick-, Gier- und Rollwinkel) erfassbar sind.
  • In der EP 1 710 602 A1 sind verschiedene Verfahren beschrieben, mittels welchen es möglich ist, die räumliche Position oder räumliche Bewegung eines Körpers unter Zuhilfenahme von Retroreflektoren zu bestimmen. Zur Bestimmung aller sechs Freiheitsgrade, nämlich der drei Positionskoordinaten eines Bezugspunktes auf dem Gegenstand (Retroreflektor) und der drei Rotationswinkel sind Verfahren bekannt, in denen ein mit Distanzmessern ausgerüsteter Lasertracker zur Anwendung kommt. Mit diesem werden sowohl Richtung als auch die Distanz zu einer Mehrzahl von mit Retroreflektoren markierten Punkten in bekannten Positionen auf dem Gegenstand gemessen. Aus den gemessenen Koordinaten dieser Punkte kann dann auf die sechs Freiheitsgrade des Gegenstandes relativ zu einem vorgegebenen Koordinatensystem, beispielsweise relativ zu einem messgeräteigenen Koordinatensystem, geschlossen werden. Weil die markierten Punkte nacheinander anvisiert und vermessen werden müssen, eignet sich dieses Verfahren insbesondere für unbewegte oder äußerst langsam bewegte Gegenstände.
  • Weiter wird in der EP 1 710 602 A1 angegeben, dass für die Bestimmung aller sechs Freiheitsgrade auch fotogrammetrische Methoden eingesetzt werden. Bei diesen Methoden werden mehrere Kameras eingesetzt, mittels welcher aus verschiedenen Positionen eine Anordnung von auf dem Gegenstand in bekannten Positionen angeordneten Lichtpunkten abgebildet werden. Aus den Positionen dieser Lichtpunkte auf den verschiedenen Kamerabildern können die Richtungen zu den Lichtpunkten relativ zur optischen Achse der jeweiligen Kamera und aus der Gesamtmenge der Daten die Position und Orientierung der Lichtpunktanordnung in einem vorgegebenen Koordinatensystem bestimmt werden. Da solche fotogrammetrischen Bestimmungen der sechs Freiheitsgrade sich nur für bewegte Gegenstände eignen, wenn eine Mehrzahl von simultan arbeitenden, stationär angeordneten kalibrierten Kameras vorgesehen werden, ist dieses Verfahren relativ aufwendig, insbesondere bezüglich der zu verarbeitenden Datenmengen.
  • Diesbezüglich ist aus der EP 0 607 303 B1 ein verfahren bekannt, bei welchem lediglich eine Kamera Verwendung findet. Durch die Anordnung von wenigstens drei Lichtpunkten auf einem zu vermessenden Gegenstand reichen beim Einsatz einer kalibrierten Kamera die aus einem einzigen Kamerabild erhaltenen Daten aus, um diese Freiheitsgrade der Lichtpunktanordnung relativ zur Kamera zu bestimmen. Allerdings kann bezüglich der Distanz zwischen Kamera und Lichtpunktanordnung keine hohe Genauigkeit erzielt werden.
  • Zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Distanzmessung ist es aus der EP 0 880 674 B1 bekannt, eine Kamera mit einem Distanzmessgerät zu kombinieren, wobei als Distanzmessgerät ein sog. Laserrangefinder eingesetzt wird. Ein solcher Laserrangefinder ist also ein mit einem Laserstrahl als Messstrahl arbeitendes Gerät, wobei hierzu auf dem Gegenstand zusätzlich zu den mit der Kamera zu detektierenden Lichtpunkten ein Reflektor zur Reflexion des Messstrahles zurück an das Distanzmessgerät vorgesehen ist. Der Reflektor, der gleichzeitig auch einer der durch die Kamera zu detektierender Lichtpunkt sein kann, hat dabei in der Lichtpunktanordnung ebenfalls eine bekannte Position.
  • Des Weiteren ist aus der Druckschrift EP 1 200 853 B1 ein Messsystem bekannt geworden, mit dem fünf Freiheitsgrade relativ zu einem vorgegebenen Koordinatensystem, insbesondere eines bewegten Reflektors oder eines bewegten Gegenstandes, auf dem dieser Reflektor angeordnet ist, bestimmbar sind. Dieses Messsystem weist einen Lasertracker auf, der mit einem Distanzmessgerät ausgerüstet ist. Dabei richtet dieser Lasertracker bekannterweise einen Laserstrahl auf den Reflektor und verfolgt diesen, wenn er sich bewegt, wobei die Richtung des Messstrahles relativ zum Lasertracker detektiert wird. Der als Retroreflektor ausgebildete Reflektor (Triple-Spiegel oder Triple-Prisma) weist an seiner apikalen Spitze eine apikale Öffnung oder eine apikale Fläche auf. Diese Fläche ist parallel zur Eintrittsfläche des Retroreflektors ausgerichtet und in ihrem Querschnitt kleiner als der Querschnitt des Laserstrahls. Ein Teil des Messstrahls (Laserstrahl) kann somit durch diese apikale Öffnung oder apikale Fläche hindurch treten, so dass eine Veränderung des Einstrahlwinkels in den Retroreflektor durch eine entsprechende Detektion hinter dem Retroreflektor gemessen werden kann. Da der Querschnitt dieser apikalen Öffnung oder apikalen Fläche kleiner ist als der Querschnitt des Laserstrahls, wird ein Teil dieses Laserstrahls zum Lasertracker zurück reflektiert. Durch eine Analyse des zugeführten und reflektierten Laserstrahls lässt sich somit die räumliche Position des Retroreflektors und damit auch eines Gegenstandes, auf welchem dieser Retroreflektor appliziert ist, bestimmen. Durch den sich hinter dem Retroreflektor befindenden, eine lichtempfindliche Fläche aufweisenden Detektor, beispielsweise ein CCD-Sensor, der vorzugsweise senkrecht zur Reflektorachse und mit seinem Mittelpunkt auf der Reflektorachse liegend angeordnet ist, lässt sich wiederum zumindest bezüglich der x- und y-Koordinaten der Nick- und Gierwinkel des Retroreflektors bestimmen. D. h. zusammenfassend, dass aus den Messdaten des Lasertrackers (zwei Raumwinkel des Messstrahles relativ zu einer vorgegebenen Null-Richtung des Lasertrackers und Distanz vom Lasertracker zum Reflektor) und aus den Messdaten der lichtempfindlichen Fläche hinter dem Retroreflektor (Nick- und Gierwinkel der Reflektorachse relativ zum Messstrahl) fünf Freiheitsgrade des Retroreflektors bzw. des Gegenstandes relativ zu einem trackereigenen Koordinatensystem berechnet werden können.
  • Der Gegenstand der EP 1 710 602 A1 geht nunmehr von diesem System nach der Druckschrift EP 1 200 853 B1 aus und setzt sich zum Ziel, ein Messsystem zu schaffen, mit dem sechs Freiheitsgrade eines ”Gegenstandes” bestimmbar sind.
  • Beim Gegenstand der EP 1 710 502 A1 wird ein Messsystem vorgeschlagen, welches ein auf einem Lasertracker basierendes Winkel- und Distanzmessgerät und einen Retroreflektor aufweist, wobei der Retroreflektor der Gegenstand ist, dessen sechs Freiheitsgrade zu bestimmen sind. Andererseits kann ein solcher Retroreflektor auch auf diesem Gegenstand angeordnet sein, so dass sowohl die räumliche Position als auch die räumliche Orientierung des Gegenstandes ermittelbar ist. Der Retroreflektor weist eine apikale Öffnung oder apikale Fläche auf, hinter welcher die lichtempfindliche Fläche angeordnet ist. Des Weiteren ist dieses Messsystem mit einem Rechner (elektronische Auswerteeinheit) ausgestattet, welcher in der Lage ist, aus den Messdaten die sechs Freiheitsgrade des Retroreflektors oder Gegenstandes zu berechnen. Für die Datenerfassung ist ein optisch detektierbares Zusatzelement vorgesehen, welches zumindest während der Messung relativ zum Retroreflektor stationär ist und vom Winkel- und Distanzmessgerät aus detektiert oder relativ zum Winkel- und Distanzmessgerät stationär ist und vom Gegenstand aus detektiert wird. Das optisch detektierbare Zusatzelement ist derart ausgestaltet und angeordnet, dass es in einer Ebene, die nicht parallel zur Reflektorachse und zum Messstrahl ausgerichtet ist, eine Richtung oder eine Gerade definiert, die eruierbar ist aus Messdaten, die durch die optische Detektion des Zusatzelementes gewonnen werden. Ein Winkel zwischen der genannten Richtung oder Geraden und einer entsprechenden vorgegebenen Referenzrichtung oder -geraden stellt ein Maß für einen absoluten Rollwinkel (sechster Freiheitsgrad) dar, einen Winkel zwischen zwei nacheinander detektierten solcher Richtungen oder Geraden ein Maß für eine Rollwinkeländerung.
  • Wie aus der EP 1 710 602 A1 zu entnehmen ist, ist das optisch detektierbare Zusatzelement in Bezug auf Drehachsen, die möglichst alle möglichen Messstrahlrichtungen beinhalten, nicht rotationssymmetrisch oder hat eine Rotationssymmetrie mit einem Symmetriewinkel von 180°. D. h., die durch das Zusatzelement definierte Richtung oder Gerade ist nicht parallel zu solchen Drehachsen und sein auf einer Bildebene detektiertes Abbild kommt mit sich zur Deckung bei einer Drehung um 360° oder ggf. um 180°. Als Zusatzelement werden bei diesem Gegenstand zwei zusätzliche Lichtpunkte verwendet, welche über ein zusätzliches Detektionsmittel detektierbar sind. Die detaillierte Ausgestaltung dieser Vorrichtung bzw. dieses Messsystems ist der EP 1 710 602 A1 entnehmbar. Nachteilig an diesem System ist, dass hier entweder eine zusätzliche Lichtquelle oder ein zusätzliches Detektionssystem eingesetzt werden muss, um den ”sechsten” Freiheitsgrad ermitteln zu können.
  • Des Weiteren ist aus der US 2003/0043362 A1 ein weiteres Messsystem bekannt, mittels welchem ebenfalls alle sechs Freiheitsgrade eines Gegenstandes bzw. auch eines Retroreflektors bestimmbar sind. Bei diesem Gegenstand wird ein horizontal und vertikal polarisierter Laserstrahl eingesetzt, welcher einem zusätzlichen Messsystem zugeführt wird. Dieser polarisierte Laserstrahl wird zunächst einem polarisierenden Strahlteiler zugeführt. Dieser Strahlteiler teilt den ankommenden Strahl in zwei Anteile auf. Der ausgekoppelte erste Anteil des Laserstrahls wird einem ersten Fotodetektor zugeführt, während der zweite Anteil des Laserstrahls einem zweiten Detektor zugeführt wird. Durch diesen Strahlteiler wird der polarisierte Laserstrahl in eine horizontal polarisierte und eine vertikal polarisierte Komponente aufgeteilt. Der horizontal polarisierte Anteil des Laserstrahls durchtritt den polarisierenden Strahlteiler zum ersten Fotodetektor, so dass dieser aus der Intensität dieses horizontal polarisierenden Anteils ein Ausgangssignal generiert. Die vertikale Komponente des Laserstrahls wird vom Strahlteiler zum zweiten Fotodetektor abgelenkt (reflektiert), so dass dieser ebenfalls aus der Intensität dieses vertikal polarisierten Laserstrahls ein entsprechendes Signal generiert. Diese beiden Signale werden einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt, beispielsweise einem Differenzverstärker, welcher aus den beiden Eingangssignalen wiederum ein Ausgangssignal generiert, welches dem Rollwinkel zwischen der Laserquelle und einem entsprechend aktiven Ziel entspricht. Dieses System basiert darauf, dass bei Ausführung eines Rollwinkels die Intensität der durch den Strahlteiler hindurch tretenden bzw. von diesem abgelenkten Komponenten der den Detektoren zugeführten ”Teilstrahlen” verändert wird. Aus dieser Veränderung kann somit der Rollwinkel bestimmt werden.
  • Nachteilig an diesem System ist, dass hier nur eine spezielle Art von Lasertracker verwendet werden kann, welcher einen horizontal und vertikal polarisierten Laserstrahl emittiert. Zur Ermittlung des Nick- und Gierwinkels wird der vom Lasertracker emittierte Laserstrahl in einem ersten Strahlteiler teilweise ausgekoppelt und in eine zweite Projektionsebene projiziert, in welcher ein zweiter Detektor beispielsweise ebenfalls ein Fotodetektor angeordnet ist. Bei entsprechender Ausführung eines Nick- und/Gierwinkels ändert sich die Strahlrichtung in dieser Projektionsebene, so dass aus dieser Veränderung der Nick- und/oder Gierwinkel Weise bestimmbar ist bzw. sind. Ein ”Reststrahl” tritt durch diesen Strahlteiler hindurch und wird rückseitig durch einen Retroreflektor wiederum zum Strahlteiler zurück reflektiert. Dieser koppelt wiederum einen Anteil dieses polarisierten Laserstrahls aus und führt diesen der oben beschriebenen zusätzlichen Auswerteeinrichtung mit ihrem polarisierenden Strahlteiler zu. Somit lassen sich aufgrund der Eigenschaften des Lasertrackers an sich sowohl Entfernung als auch die Richtung zum entsprechenden Ziel bzw. zu vermessenden Objekt bestimmen und durch die spezielle Auskopplung bzw. Teilauskopplung aus dem Laserstrahl sowohl Nick- als auch Gierwinkel und durch die polarisierende Auswertung der weiteren Teilstrahlen durch den polarisierenden Strahlteiler auch der Rollwinkel bestimmen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen es möglich ist, mit einem beliebigen, die Raumkoordinaten bestimmenden Lasertracker auch den Nick-, Gier- und Rollwinkel zu bestimmen, ohne seine Funktion negativ zu beeinflussen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß einerseits durch die Merkmalskombinationen der Verfahrensansprüche 1, 12, 13 und 16 sowie andererseits durch die Merkmalskombination des Vorrichtungsanspruches 4 gelöst.
  • Einer der Grundgedanken der Erfindung liegt darin, einen Laserstrahl durch einen Strahlteiler sowohl bezüglich des einfallenden Einfallstrahl als auch bezüglich des reflektierten Rückstrahls teilweise auszukoppeln. Aus dem Einfallstrahl wird somit ein Einfallmessstrahl und aus dem Rückstrahl ein Rückmessstrahl ausgekoppelt. Der im Wesentlichen parallel zum Einfallstrahl zum Lasertracker zurück reflektierte Rückstrahl weist einen vorbestimmten und/oder durch den Lasertracker detektierbaren Abstand zum Einfallstrahl auf. Bei einer Ausführungsvariante werden beide Messstrahlen jeweils in eine (eigene) Messebene projiziert und die jeweilige Position des jeweiligen Auftreffpunktes in der zugehörigen Messebene durch jeweils einen Detektor erfasst. Aus diesen ”unterschiedlichen” Messdaten (Koordinaten) der Detektoren für den Einfallmessstrahl und den Rückmessstrahl sind die Nick-, Gier- und Rollwinkel ableitbar.
  • In einer speziellen Ausgestaltung kann einer der beiden ausgekoppelten Messstrahlen, vorzugsweise der Einfallmessstrahl, in einen vorbestimmten Brennpunkt projiziert werden. Die räumliche Lage des Brennpunktes ist aus den optischen Gegebenheiten, insbesondere der Brennweite einer entsprechend eingesetzten Sammellinse berechenbar, wobei ein virtueller Zentrumsstrahl stets durch diesen Brennpunkt hindurch verläuft. Durch den in einer Messebene angeordneten Detektor ist die Position (Koordinaten) des Auftreffpunktes in der Messebene detektierbar. Befindet sich die Messebene mit dem Detektor hinter oder vor dem Brennpunkt, so weist der Auftreffpunkt des Messstrahls in der Messebene einen Abstand zum Auftreffpunkt des virtuellen Zentrumsstrahls auf. Ändern sich nun Nick- und/oder Gierwinkel so verändern sich auch die Koordinaten der Position des Messpunktes in der Messebene, welche wiederum vom zugehörigen Detektor erfassbar sind. Aus den Koordinaten der detektierten ”neuen” Position ist eine Positionsveränderung des sich hinter oder vor der Messebene befindlichen ”virtuellen” Brennpunktes berechenbar. Aus den berechneten Koordinaten dieser Positionsveränderung des Brennpunktes sind wiederum, bei bekannten geometrischen Verhältnissen, der Nick- und Gierwinkel ableitbar. Für den zweiten Messstrahl wird lediglich der konkrete Auftreffpunkt in der zweiten Messebene durch den zweiten Detektor erfasst. Führt der Retroreflektor einen Rollwinkel aus, so bewegt sich auf Grund des parallelen Versatzes des Einfallstrahl und des Rückstrahls die Position des Auftreffpunktes des ausgekoppelten Rückmessstrahls in der zweiten Messebene auf einer um den Auftreffpunkt eines virtuellen Zentrumsstrahls umlaufenden Bahn. Durch die Detektion der Veränderung der Koordinaten des Auftreffpunktes in der zweiten Messebene durch den zweiten Detektor ist der Rollwinkel bestimmbar.
  • Wird die Messebene für den fokussierten Messstrahl, beispielsweise für den Einfallmessstrahl, in den Brennpunkt gelegt, so erübrigt sich eine Berechnung des ”virtuellen” Brennpunktes bzw. dessen ”Verlagerung” in einer virtuellen ”Brennebene”. Aufgrund der fokussierenden Eigenschaft des ausgekoppelten Einfallmessstrahls erscheint der parallele Versatz vom Einfallstrahl zum Rückstrahl und damit ein Versatz des Einfallmessstrahls zu einem virtuellen Zentrumsstrahls nicht in dieser Brennebene. Damit kann bei Änderung des Nick- und/oder Gierwinkels aufgrund des sich dann verschiebenden Auftreffpunktes des Brennpunktes in der Messebene der Nick- und Gierwinkel berechnet werden. Da sich der Brennpunkt allerdings bei Ausführung eines Nick- und/oder Gierwinkels nicht in einer ebenen Messebene sondern auf einer Art Kugelschale bewegt, ergeben sich insbesondere bei größeren Winkeln Messfehler, welche rechnerisch zu erfassen und zu korrigieren sind. Wird der Detektor in der Messebene in einem Kalibrierverfahren, welches vorab durchgeführt wird, kalibriert, beispielsweise durch Aufzeichnung und Abspeicherung einer Look-up-Tabelle, so können diese ”Messfehler” ebenfalls kompensiert werden.
  • Der vom Retroreflektor kommende Rückstrahl kann parallel, vorzugsweise jedoch divergierend zu einem virtuellen Zentrumsstrahl als Rückmessstrahl in eine Rückmessebene projiziert werden, so dass der Rückmessstrahl zu einem virtuellen Zentrumsstrahl einen definierten Abstand aufweist. Wird nun der Retroreflektor relativ zu einer parallel zum Einfallstrahl verlaufende Achse oder seiner optischen Achse gedreht und führt dieser dementsprechend eine Rollwinkel aus, so beschreibt der in der Rückmessebene auftreffende Punkt in der Rückmessebene eine um den Auftreffpunkt eines virtuellen Zentrumsstrahls umlaufende Bahn. Durch entsprechende Auswertung der Koordinaten dieser – im Idealfall kreisförmigen – Bahn kann somit der Rollwinkel ermittelt werden. Überlagern sich Nick-, Gier- und Rollwinkel, so ändert sich auch die Position des Zentrums dieser ”Kreisbahn” in der Rückmessebene. Das Zentrum dieser ”Kreisbahn” für den Rollwinkel verschiebt sich jedoch entsprechend des ”Brennpunktes” in der ersten Einfallmessebene. Aus diesen beiden ”Koordinaten” des Auftreffpunktes im Brennpunkt in der Einfallmessebene sowie des Auftreffpunktes in der Rückmessebene lassen sich der Nick-, Gier- und Rollwinkel geometrisch berechnen. Vorab ist das System zu kalibrieren, um aus den geometrischen Verhältnissen eine entsprechende Berechnung der Nick-, Gier- und Rollwinkel zu ermöglichen. Hierzu ist es zweckmäßig, das Messsystem vorab zu kalibrieren und beispielsweise eine Look-up-Tabelle in einem solchen Kalibriervorgang zu erstellen, welche in einem zugehörigen elektronischen Auswertesystem hinterlegt ist und mit deren Werten die gemessenen ”Koordinaten” zur Berechnung der entsprechenden Rotationswinkel verglichen und/oder korrigiert werden.
  • Vorteilhaft an der Ausgestaltung dieses Verfahrens bzw. der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist, dass ein ”herkömmlicher” Lasertracker beliebiger Art verwendet werden kann, solange dieser Lasertracker selbst in der Lage ist, die räumliche Position des Ziels, insbesondere eines Retroreflektors oder eines Körpers, auf welchem dieser Retroreflektor appliziert ist, zu erfassen. Der Lasertracker muss also lediglich mit einem die Raumkoordinaten des Retroreflektors erfassenden Messsystem ausgestattet sein, wie dies mittlerweile bei den meisten Lasertrackersystemen der Fall ist. Der Versatz des Einfallstrahls zum Rückstrahl kann dabei durch den Lasertracker vorgegeben sein und kann bei Bedarf auch angepasst werden. Bei den bekannten Lasertracker-Messsystemen ist dieser Versatz im Idealfall gleich ”Null”, was aber wiederum dazu führt, dass der Rollwinkel nicht bestimmbar ist.
  • Zusammenfassend wird die Aufgabe erfindungsgemäß nach dem Verfahrensanspruch 1 dadurch gelöst, dass der Einfallstrahl um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl in den Retroreflektor einstrahlt und, dass aus dem Einfallstrahl ein Einfallmessstrahl ausgekoppelt, in eine Einfallmessebene projiziert und dort durch einen ersten Detektor detektiert wird und, dass der restliche Einfallstrahl durch den Retroreflektor in einen Rückstrahl reflektiert wird und, dass aus dem Rückstrahl ein Rückmessstrahl ausgekoppelt und in eine Rückmessebene projiziert und dort durch einen zweiten Detektor detektiert wird und, dass der Einfallmessstrahl oder der Rückmessstrahl in einen Brennpunkt fokussiert wird und, dass aus der detektierten Position des Einfallmessstrahls und der detektierten Position des Rückmessstrahls der Nick-, Gier- und Rollwinkel berechnet werden.
  • Durch diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Merkmalskombination des Anspruches 1 ist es in einfacher Weise möglich, sowohl die Raumposition eines Retroreflektors bzw. eines Gegenstandes, auf welchem der Retroreflektor appliziert ist, zu bestimmen. Der Lasertracker muss lediglich die Eigenschaft haben, über ein entsprechendes Messsystem die Raumkoordinaten der Position des Retroreflektors bestimmen zu können und auch, bei einer Veränderung dieser Raumposition, dem Retroreflektor mit dem Einfallstrahl folgen zu können. Solche Lasertracker sind mittlerweile gemeinhin aus dem Stand der Technik bekannt. Durch die bei dieser Verfahrensvariante vorgesehene Auskopplung sowohl des Einfallmessstrahls aus dem Einfallstrahl als auch des Rückmessstrahls aus dem Rückstrahl kann des Weiteren durch das erfindungsgemäße Verfahren sowohl der Nick- und Gierwinkel als auch der Rollwinkel in einfacher Weise bestimmt werden. Hierzu wird beispielsweise der Einfallstrahl teilweise, etwa zu 20%, quer zum Zentrumsstrahl verlaufend ausgekoppelt und in eine erste Messebene, die Einfallmessebene projiziert. Diese Projektion erfolgt dabei ”fokussierend”. Dabei kann vorgesehen sein, dass in dieser Einfallmessebene der ausgekoppelte Einfallmessstrahl mit einem ausgekoppelten ”virtuellen” Zentrumsstrahl in einem Brennpunkt zusammenfällt. Durch den parallelen Versatz des Einfallstrahls zu einem virtuellen Zentrumsstrahl ergibt sich somit in der Einfallmessebene eine Abbildung trotz alledem im Zentrum.
  • Bei Verwendung eines Retroreflektors wird der ”restliche” Einfallstrahl nach Durchlaufen der Auskopplungsebene im Retroreflektor reflektiert und entsprechend seines Einfallswinkels in einen Rückstrahl reflektiert. Dieser Rückstrahl weis zum Einfallstrahl einen entsprechend vorbestimmten und/oder messbaren Abstand auf und gelangt wiederum in die Auskopplungsebene, wo er beispielsweise quer zum Rückstrahl verlaufend als Rückmessstrahl teilweise ausgekoppelt wird. Dieser Rückmessstrahl wird in eine Rückmessebene projiziert. In dieser Rückmessebene kann wiederum der Auftreffpunkt des ausgekoppelten Rückmessstrahls durch einen zweiten Detektor detektiert werden.
  • Wird der Retroreflektor beispielsweise nach dem Prinzip eines Katzenaugen-Reflektors aufgebaut und die Auskopplungsebene in diesen Katzenaugen-Reflektor integriert, zeigt der ausgekoppelte Rückmessstrahl einen divergierenden Verlauf zu einem ausgekoppelten virtuellen Zentrumsstrahl. Dies bedeutet, dass der ausgekoppelte Rückmessstrahl stets bei unverändertem Nick- und Gierwinkel in der Rückmessebene in einem Abstand zum Auftreffpunkt des virtuellen Zentrumsstrahls auftrifft. Dreht sich nunmehr der Retroreflektor bzw. der Gegenstand, auf welchem der Retroreflektor appliziert ist, um eine parallel zum Einfallstrahl verlaufende Achse oder die optische Achse des Katzenaugen-Reflektors, welche durch das optische Zentrum des Katzenaugen-Reflektors hindurchgeht, so beschreibt einerseits der versetzt zu dieser Achse eingeleitete Einfallstrahl auf der Eingangsoptik des Retroreflektors eine umlaufende Bahn, welche im Idealfall die Form einer Kreisbahn aufweist. Da der Rückmessstrahl ebenfalls versetzt zum virtuellen Zentrumsstrahl in der Rückmessebene auftrifft, beschreibt andererseits auch dieser eine umlaufende – im Idealfall kreisförmige – Bahn um das theoretische Zentrum der Rückmessebene. Da der ausgekoppelte Einfallmessstrahl fokussierend mit dem virtuellen Zentrumsstrahl in der Einfallmessebene zusammenfällt, ergibt sich dort bei der Abbildung im Prinzip keine Änderung bei nicht verändertem Nick- und/oder Gierwinkel. D. h., dass aufgrund des Auftreffpunktes des ausgekoppelten Rückmessstrahls aus diesen Koordinaten in der zweiten Rückmessebene der ausgeführte Rollwinkel ermittelbar ist. Dazu wird vorab das System mit dem Retroreflektor und seinen Messebenen in einer entsprechenden Messstation kalibriert, indem beispielsweise eine ”Look-up-Tabelle” mit entsprechenden ”Referenz-Koordinaten” erstellt und in einer Auswerteeinrichtung hinterlegt wird. Durch die Auswerteeinrichtung kann somit aus den tatsächlich gemessenen Daten (Koordinaten) und den in der Look-up-Tabelle hinterlegten Daten (Referenz-Koordinaten) der ausgeführte Rollwinkel abgeleitet werden.
  • Zur Ermittlung des Nick- und/oder Gierwinkels dient die Positionsveränderung des ausgekoppelten fokussierten Eingangsmessstrahls. Da dieser bei einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung stets mit einem virtuellen Zentrumsstrahl in der Einfallmessebene zusammenfällt und bei Ausführung eines Rollwinkels dieser Auftreffpunkt nicht beeinflusst wird, kann bei Veränderung des Nick- und/oder Gierwinkels eine Verlagerung dieses Auftreffpunktes eindeutig bewirkt und bestimmt werden. Somit verändert sich die Position des Auftreffpunktes in der Einfallmessebene des ausgekoppelten Einfallmessstrahls bei Veränderung des Nick- und/oder Gierwinkels, so dass nach der Kalibrierung des Systems, z. B. dem Erstellen einer weiteren Look-up-Tabelle, auch die Koordinaten des Auftreffpunktes rechnerisch durch eine entsprechende Auswerteeinrichtung ermittelbar sind. Durch die Fokussierung des Einfallmessstrahls in einen berechenbaren oder konkret in der Einfallmessebene liegenden Brennpunkt ist letztendlich ein Richtungsvektor für den Einfallstrahl bzw. Rückstrahl bestimmbar, aus welchem wiederum der ausgeführte Nick- und Gierwinkel ableitbar ist. D. h. letztendlich, dass durch den ausgekoppelten, fokussierten Einfallmessstrahl der Nick- und/oder Gierwinkel durch entsprechende Positionsveränderung des Auftreffpunktes in der Einfallmessebene ermittelbar ist, während der Rollwinkel aus dem sich auf einer ”Kreisbahn” in der Rückmessebene bewegenden Auftreffpunkt des ausgekoppelten Rückmessstrahls ermittelbar ist. Aus dem Auftreffpunkt des ausgekoppelten Einfallmessstrahls ist insbesondere der Mittelpunkt der Kreisbahn des ausgekoppelten Rückmessstrahls berechenbar, so dass die Differenz aus dem theoretischen Auftreffpunkt des virtuellen Zentrumsstrahls des ausgekoppelten Rückmessstrahls und des tatsächlichen Auftreffpunktes des tatsächlich ausgekoppelten Rückmessstrahls der Rollwinkel berechenbar ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie den Vorrichtungsansprüchen zu entnehmen.
  • So kann gemäß Anspruch 2 vorgesehen sein, dass der Einfallmessstrahl auf die Einfallmessebene derart fokussiert wird, dass der Einfallmessstrahl unabhängig vom Versatz des Einfallstrahls zum Rückstrahl bei gleichbleibender Orientierung des Retroreflektors, d. h. bei unverändertem Nick-, Gier- und Rollwinkel stets im selben Auftreffpunkt auf dem ersten Detektor auftrifft und, dass sich der Ort des fokussierten Auftreffpunktes des Einfallmessstrahls bei Änderung des Nick- und/oder Gierwinkels unabhängig von einem sich ändernden oder ausgeführten Rollwinkel in der Einfallmessebene ändert und dass diese Änderung des Ortes des Auftreffpunktes durch den ersten Detektor detektiert und zur Berechnung des ausgeführten Nick- und/oder Gierwinkels verwendet wird.
  • Gemäß Anspruch 3 kann weiter vorgesehen sein, dass sich der Rückmessstrahl bei Ausführung einer Drehbewegung um eine parallel zum Einfallstrahl verlaufende Achse oder die optische Achse des Retroreflektors, d. h. bei Ausführung eines Rollwinkels, in der Rückmessebene auf einer umlaufenden Bahn bewegt, welche durch den zweiten Detektor detektierbar ist und, dass die Koordinaten des jeweils nach Ausführung eines Rollwinkels detektierten Auftreffpunktes des Rückmessstrahls durch Vergleich mit vorab in einer Auswerteeinrichtung hinterlegten Vergleichsdaten zur Bestimmung des Rollwinkels verwendet werden.
  • Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Einfallstrahls und im Strahlengang des Rückstrahls eine Strahlteilerschicht vorgesehen ist, welche geneigt zum jeweiligen Strahlengang verläuft und, dass die Strahlteilerschicht einen Teil des Einfallstrahls als Einfallmessstrahl ausgekoppelt und in die Einfallmessebene projiziert, in welcher der erste Detektor angeordnet ist und, dass die Strahlteilerschicht einen Teil des Rückstrahls als Rückmessstrahl ausgekoppelt und in die Rückmessebene projiziert, in welcher der zweite Detektor angeordnet ist. Die Strahlteilerschicht für den Einfallstrahl und für den Rückstrahl kann in einer durchlaufenden Ebene angeordnet sein und beiden Strahlen gemeinsam zugeordnet sein. Es können aber auch für den Einfallstrahl und den Rückstrahl separate Strahlteilerschichten bzw. Strahlteiler vorgesehen sein, welche nicht in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Vorzugsweise verlaufen die beiden ebenen Strahlteilschichten unter 45° zum Einfallstrahl, so dass die ausgekoppelten Messstrahlen (Eingangsmessstrahl und Rückmessstrahl) unter einem Winkel von 90° zum Einfallstrahl ausgekoppelt werden. Bei einer möglichen Ausführungsvariante des Verfahrens werden der Eingangsmessstrahl und der Rückmessstrahl in entgegengesetzter Richtung ausgekoppelt, so dass die zugehörigen Messebenen sich bezüglich des Retroreflektors gegenüberliegen.
  • Weiter kann der Retroreflektor gemäß Anspruch 5 als Katzenaugen-Reflektor ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung weist der Katzenaugen-Reflektor wenigstens eine integrierte, zur optischen Achse geneigt verlaufende, ebene Strahlteilerschicht auf, welche im Bereich sowohl des den Katzenaugen-Reflektor durchlaufenden Einfallstrahls als auch im Bereich des den Katzenaugen-Reflektor durchlaufenden Rückstrahls angeordnet ist. Diese Strahlteilerschicht kann für den Einfallsstrahl und für den Rückstrahl in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein. Es ist auch vorstellbar, dass die Strahlteilerschicht für den Einfallstrahl und für den Rückstrahl in unterschiedlichen Ebenen als separate Teilerschichten ausgebildet sind. Dementsprechend kann gemäß Anspruch 5 weiter vorgesehen sein, dass durch die Strahlteilerschicht ein Teil des Einfallstrahls als Einfallmessstrahl ausgekoppelt und in die Einfallmessebene projiziert wird, in welcher der erste Detektor angeordnet ist und, dass durch die Strahlteilerschicht ein Teil des Rückstrahls als Rückmessstrahl ausgekoppelt und in die Rückmessebene projiziert wird, in welcher der zweite Detektor angeordnet ist.
  • Gemäß Anspruch 6 kann vorgesehen sein, dass der Katzenaugen-Reflektor jeweils sich bezüglich der optischen Achse diametral gegenüber liegende Auskopplungsebenen aufweist, von welchen die eine der Einfallmessebene und die andere der Rückmessebene zugeordnet ist. Die beiden Auskopplungsebenen können dabei parallel zueinander verlaufen und auch parallel zur jeweils zugeordneten Einfallmessebene bzw. Rückmessebene angeordnet sein.
  • Gemäß Anspruch 7 kann vorgesehen sein, dass der Katzenaugen-Reflektor in einem Gehäuse eines Messkopfs angeordnet ist und, dass das Gehäuse mit einer Stellvorrichtung versehen ist, durch welche der Abstand zwischen der Eingangsoptik mit ihrer Sammellinse und der Reflexionsfläche des Reflexionselementes präzise einstellbar ist.
  • Gemäß Anspruch 8 kann die Stellvorrichtung ein keilförmiges, quer zur optischen Achse verlaufendes Stellelement aufweisen, an dessen schräg verlaufender Keilfläche das Reflexionselement mit einer schrägen Stellfläche federbelastet anliegt, wobei durch eine Querverstellung des Stellelements zur optischen Achse eine Verstellung des Reflexionselementes in Richtung der optischen Achse des Katzenaugen-Reflektor bewirkbar ist.
  • Die Strahlteilerschicht kann gemäß Anspruch 9 durch zwei aneinander liegende Glasköper gebildet sein, welche eine Trennebene bilden. Diese Strahlteilerschicht verläuft in dieser Trennebene der beiden Glaskörper schräg geneigt zur optischen Achse. Der ”Neigungswinkel” relativ zur optischen Achse kann dabei vorzugsweise 45° betragen.
  • Gemäß Anspruch 10 kann vorgesehen sein, dass zwischen den Glaskörpern zur Abstandsüberbrückung zum Reflexionselement ein Lichtleitelement vorgesehen ist.
  • Das Reflexionselement kann gemäß Anspruch 11 durch eine Axialdruckfeder, deren Federkräfte über eine Druckplatte und einen Montagering auf das Reflexionselement einwirken, mit dem Stellelement der Stellvorrichtung in permanentem Kontakt gehalten sein.
  • Weiter ist mit Anspruch 12 ein alternatives Verfahren zum Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 beansprucht. Dieses Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass lediglich eine Messebene mit einem Detektor vorgesehen ist. Nach dem Oberbegriff geht es nach Anspruch 12 ebenfalls um Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers unter Verwendung eines Retroreflektors sowie eines mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messeinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertrackers, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl zum Retroreflektor aussendet, von welchem der Einfallstrahl als Rückstrahl zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors dem Retroreflektor nachführbar ist. Gekennzeichnet ist dieses Verfahren ebenfalls dadurch, dass der Einfallstrahl um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl in den Retroreflektor einstrahlt. Weiter ist gemäß Anspruch 12 vorgesehen, dass aus dem Einfallstrahl oder dem Rückstrahl ein in einen Brennpunkt fokussierter Messstrahl ausgekoppelt wird und, dass vor oder hinter dem Brennpunkt eine Messebene vorgesehen ist, in welche der Messstrahl projiziert und durch einen Detektor detektiert wird und, dass aus den vom Detektor detektierten Koordinaten der Position des Messstrahls der Nick-, Gier- und Rollwinkel berechnet werden. Aus den durch den Detektor ermittelten Koordinaten des Auftreffpunktes des Messstrahls in der Messebene ist einerseits der Brennpunkt auf Grund der gegebenen optischen Geometrie des Systems berechenbar und somit auch eine Veränderung der Koordinaten dieses Brennpunktes bei Ausführung eines Nick- und/oder Gierwinkels des Retroreflektors. Der Nick- und Gierwinkel kann somit auch hier durch die ”Brennpunktverschiebung” durch Vergleich mit vorab in einem Kalibriervorgang bestimmten Referenzkoordinaten bestimmt werden. Da die Messebene mit ihrem Detektor hinter oder vor dem Brennpunkt liegt, weist der in der Messebene auftreffende Messstrahl einen Abstand zu einem virtuellen durch den Brennpunkt gehenden Zentrumsstrahl der Messebene auf. Der Auftreffpunkt des Messstrahls in der Messebene läuft bei Ausführung eines Rollwinkels um den Auftreffpunkt des virtuellen Zentrumsstrahls auf einer im Idealfall kreisförmigen Bahn um. Aus den Koordinaten dieser ”Kreisbahn” ist wiederum, wie oben bereits erläutert, der Rollwinkel durch Vergleich mit vorab bestimmten Referenzkoordinaten bestimmbar.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann gemäß Anspruch 13 auch nur eine einzige Messebene mit einem einzigen Detektor vorgesehen sein, mit welchem es möglich ist, die Koordinaten der Auftreffpunkte sowohl des ausgekoppelten Eingangsmessstrahls als auch des ausgekoppelten Rückmessstrahls in der Messebene zu erfassen und auszuwerten. Auch in diesem Fall ist vorgesehen, dass der Einfallstrahl um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl in den Retroreflektor einstrahlt. Weiter wird auch bei diesem Verfahren aus dem Einfallstrahl ein Einfallmessstrahl und aus dem Rückstrahl ein Rückmessstrahl ausgekoppelt, wobei einer dieser Messstrahlen in einen Brennpunkt fokussiert wird. Der Einfallmessstrahl und der Rückmessstrahl werden in eine gemeinsame Messebene projiziert, in welcher zur Detektion der Auftreffpunkte beider Messstrahlen ein Detektor vorgesehen ist. Als Detektor kommen z. B. CMOS-Sensoren oder auch CCD-Sensoren in Frage, da diese Art Detektoren in der Lage sind, gleichzeitig mehrere Auftreffpunkte mehrerer Messstrahlen zu detektieren. Nach einer Kalibrierung eines entsprechend ausgebildeten Messsystems zur Durchführung dieses Verfahrens sind aus den detektierten Positionen der Auftreffpunkte des Einfallmessstrahls und des Rückmessstrahls in der Messebene der Nick-, Gier- und Rollwinkel durch eine entsprechende Auswerteinrichtung ermittelbar.
  • Gemäß Anspruch 14 kann dabei vorgesehen sein, dass der ausgekoppelte Rückmessstrahl direkt in die Messebene mit dem Detektor projiziert und der ausgekoppelte Einfallmessstrahl in eine der Messebene bezüglich des Retroreflektors gegenüberliegende Reflexionsebene projiziert wird und, dass der Einfallmessstrahl mittels eines in der Reflexionsebene angeordneten reflektierenden Elements in die Messebene reflektiert und dessen Auftreffpunkt in der Messebene durch den Detektor detektiert wird. Da der ausgekoppelte Einfallmessstahl in die entgegengesetzte Richtung zum ausgekoppelten Rückmessstrahl ausgekoppelt wird, durchläuft der reflektierte Einfallmessstrahl eine zur Auskopplung der Messstrahlen vorgesehene Strahlteileschicht eines Strahlteilers. Da der Rückstrahl als ”Rest” des Einfallstrahls bereits die Strahlteilerschicht durchlaufen hat, gelangen der Einfallmessstrahl und der Rückmessstrahl mit derselben Intensität in die Messebene und können gleichzeitig vom Detektor detektiert werden. Es wäre jedoch auch denkbar, den Einfallmessstrahl direkt in die Messebene zu projizieren und den Rückmessstrahl in die Messebene zu reflektieren. Der nochmalige Durchlauf des Rückmessstrahls durch die Strahlteilerschicht des Strahlteilers würde allerdings eine zusätzliche ”Intensitätsverringerung” des Rückmessstrahls bewirken, was zur Folge hätte, dass der vom Lasertracker emittierte Einfallstrahl mit einer höheren Gesamtleistung ausgestrahlt werden muss.
  • Um eine möglichst einfache Auswertung der detektierten Positionen der Auftreffpunkte des Einfallmessstrahls und des Rückmessstrahl zu ermöglichen, kann gemäß Anspruch 15 vorgesehen sein, dass der Einfallmessstrahl in einen Brennpunkt fokussiert wird und sich mit einem virtuellen Zentrumsstrahl im Brennpunkt schneidet und, dass der Brennpunkt nach der Reflexion des Einfallmessstahls in der Messebene liegt. Führt der Retroreflektor einen Nick- und/oder Gierwinkel aus, so bewirkt dies eine Positionsveränderung des Brennpunktes in der Messebene, welche erfasst wird und direkt zur Bestimmung des Nick- und/oder Gierwinkels herangezogen werden kann. Führt der Retroreflektor einen Rollwinkel aus, so läuft der Auftreffpunkt des Rückmessstahls in der Messebene auf einer Bahn um einen virtuellen Zentrumsstrahl um, wobei sich keine Veränderung des Auftreffpunktes des virtuellen Zentrumsstrahls in der Messebene ergibt. Somit lässt sich aus den ”umlaufenden” Koordinaten des Auftreffpunktes des Rückmessstrahls der ausgeführte Rollwinkel ableiten.
  • Das Verfahren nach Anspruch 16 hat mit den vorangegangen beanspruchten Verfahren gemeinsam, dass der Einfallstrahl um ein vorbestimmtes Maß oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl in den Retroreflektor einstrahlt. Um nun bei Ausführen eines Rollwinkels und/oder eines Nickwinkels und/oder eine Gierwinkels ebenfalls entsprechende Messwerte erhalten zu können, ist gemäß Anspruch 16 weiter vorgesehen, dass die Positionen des Einfallstrahls und/oder des Rückstrahls oder eines aus dem Einfallstrahl und/oder Rückstrahl ausgekoppelten Einfallmessstrahls bzw. Rückmessstrahls in versetzt zueinander liegenden Messebenen detektiert wird und, dass aus den in den Messebenen detektierten Koordinaten der Messpunkte ein Richtungsvektor abgeleitet wird, aus welchem die ausgeführten Nick- und Gierwinkel berechenbar sind und, dass aus den detektierten Koordinaten der Messpunkte der Rollwinkel berechnet wird. Bezüglich der Anzahl der Messebenen sind mindestens zwei solcher Messebene vorzusehen, so dass sich je ”Messstrahl” auch wenigstens zwei Messpunkte ergeben.
  • In einer weiteren Variante kann gemäß Anspruch 16 auch ein aus dem Einfallstrahl ausgekoppelter Einfallmessstrahl bzw. ein aus dem Rückstrahl ausgekoppelter Rückmessstrahl verwendet werden, in deren Strahlengänge die entsprechenden Detektoren versetzt angeordnet sind.
  • Auch vorstellbar ist, dass aus dem Eingangsmessstrahl zwei Einfallmessstrahlen ausgekoppelt werden, welche beispielsweise parallel zueinander verlaufen. Bei einer solchen Variante wird jedem ausgekoppelten Einfallmessstrahl ein ”eigener” Detektor zugeordnet, wobei die Messstrahlen bis zum Auftreffen in der zugehörigen Messebene unterschiedliche ”Längen” aufweisen bzw. ”Wegstrecken” zurücklegen. Durch diese unterschiedlichen Längen der Einfallsmessstrahlen werden bei Ausführung eines Nick- und/oder Gierwinkels ebenfalls unterschiedliche Positionsveränderungen relativ zum zugeordneten Detektor bewirkt. Aus den unterschiedlichen Änderungen der detektierten Koordinaten der Auftreffpunkte der Messstrahlen in den jeweiligen Messebenen lassen sich somit wieder der ausgeführte Nick- und/oder Gierwinkel bestimmen.
  • In gleicher Weise können auch aus dem Rückstrahl zwei Rückmessstrahlen ausgekoppelt und jeweils eine Messebene projiziert und dort durch einen ”eigenen” Detektor detektiert werden.
  • Die Detektion von Einfallstrahl und Rückstrahl bzw. Einfallmessstrahl und Rückmessstrahl hat den Vorteil, dass auch dann eine Bestimmung insbesondere des Rollwinkels möglich ist, wenn der Retroreflektor einen Rollwinkel um den Einfallstrahl oder den Rückstrahl ausführt. Führt der Retroreflektor beispielsweise einen Rollwinkel um den Einfallstrahl aus, so würde sich bei unverändertem Nick- und Gierwinkel in der Messebene des Einfallstrahls bzw. Einfallmessstrahls keinerlei Positionsveränderung ergeben. Damit wäre der Rollwinkel aber nicht bestimmbar. Da aber bei einer solchen Ausführung eines Rollwinkels der Rückstrahl bzw. der Rückmessstrahl eine ”Drehung” um den Einfallstrahl bzw. den Einfallmessstrahl ausführt, kann über den zweiten Detektor des Rückstrahls bzw. des Rückmessstrahl der Rollwinkel abgeleitet werden.
  • Nachfolgend werden die erfindungsgemäßen Verfahren sowie eine der zugehörigen Vorrichtungen anhand von Prinzipdarstellungen in der Zeichnung näher erläutert. Hierbei ist eine der Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahrens detaillierter dargestellt. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines nach Art eines Katzenaugen-Reflektors ausgebildeten Retroreflektors mit einem ersten Detektor sowie einem zweiten Detektor, wobei der erste Detektor zur Erfassung eines aus dem Einfallstrahl teilausgekoppelten Einfallmessstrahls dient, während der zweite Detektor zur Erfassung eines aus dem Rückstrahl ausgekoppelten Rückmessstrahls dient;
  • 2 zeigt schematisch die beiden Detektoren D1 und D2 aus 1 zusammen mit den beiden Auftreffpunkten der ausgekoppelten Messstrahlen;
  • 3 zeigt den Katzenaugen-Reflektor aus 1 in einer um dessen optische Achse um 180° gedrehten Position, so dass die sich mitbewegenden Detektoren D1 und D2 sich jeweils auf der gegenüberliegenden Seite befinden;
  • 4 zeigt die beiden Detektoren D1 und D2 mit einer Abbildung der jeweils zweiten Auftreffpunkte nach einer Drehung des Katzenaugen-Reflektors aus 3 und 1 um 180°;
  • 5 den Katzenaugen-Reflektor aus den 1 und 3 mit dem konkreten Verlauf des aus dem Einfallstrahl ausgekoppelten Verlaufs des ersten Einfallmessstrahls und dessen Projektion in die Einfallmessebene des ersten Detektors D1;
  • 6 den Katzenaugen-Reflektor aus 5 in einer um 180° um die optische Achse gedrehten Position mit ausgekoppeltem ersten Einfallmessstrahl;
  • 7 den Katzenaugen-Reflektor aus den 5 und 6 mit einem aus dem Rückstrahl ausgekoppelten Rückmessstrahl, welcher in eine Rückmessebene eines zweiten Detektors D2 projiziert wird;
  • 8 eine Darstellung des Katzenaugen-Reflektors aus 7 in einer um dessen optische Achse um 180° gedrehten Position mit dem aus dem Rückstrahl ausgekoppelten Rückmessstrahl;
  • 9 eine mögliche Ausgestaltung eines Messkopfes zur Durchführung des zu den 1 bis 8 beschriebenen Verfahrens;
  • 10 einen Schnitt X-X des Messkopfes aus 9;
  • 11 einen Schnitt XI-XI des Messkopfes aus 9.
  • 12 eine schematische Darstellung der sich aus den erfassten Koordinaten der Auftreffpunkte des Einfallmessstrahl und des Rückmessstrahls ergebenden ”Vektoren”;
  • 13 eine schematische Darstellung einer nach Art eines Tripelspiegels ausgebildeten Retroreflektors mit einem ersten Detektor sowie einem zweiten Detektor, wobei der erste Detektor zur Erfassung eines aus dem Einfallstrahl teilausgekoppelten Einfallmessstrahls dient, während der zweite Detektor zur Erfassung eines aus dem Rückstrahl ausgekoppelten Rückmessstrahls dient;
  • 14 den Retroreflektor aus 13 in einer um dessen optische Achse um 180° gedrehten Position, so dass die sich mitbewegenden Detektoren D1 und D2 jeweils auf der gegenüberliegenden Seite befinden;
  • 15 eine schematische Darstellung eines nach Art eines Katzenaugen-Reflektors ausgebildeten Retroreflektors mit nur einem Detektor sowie einem reflektierenden Element, wobei der Detektor sowohl zur Erfassung eines aus dem Einfallstrahl teilausgekoppelten Einfallmessstrahls als auch zur Erfassung eines aus dem Rückstrahl ausgekoppelten Rückmessstrahls dient.
  • 16 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsvariante eines Messkopfes zur Durchführung einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem im Strahlengang des Einfallstrahls und im Strahlengang des Rückstrahl jeweils in zwei versetzt angeordneten Messebenen ein Detektor vorgesehen ist;
  • 17 eine schematische Draufsicht auf die Detektoren aus 16;
  • 18 den Messkopf aus 16 nach Ausführung einer ”Kippbewegung”;
  • 19 eine Draufsicht auf die Detektoren nach Ausführen der Kippbewegung des Messkopfes aus 18.
  • 1 zeigt schematisch den Grundaufbau einer ersten Ausführungsvariante eines Messkopfes 1, welcher als zentrales Element einen nach dem Prinzip eines Katzenaugen-Reflektors aufgebauten Retroreflektor 2 aufweist. Dieser Retroreflektor bzw. Katzenaugen-Reflektor 2 weist eingangsseitig eine als ”Sammellinse” ausgebildete Eingangsoptik 3 auf, welche eine zentrale optische Achse 4 definiert. Dieser Eingangsoptik 3 ist in einem vorbestimmten Abstand gegenüber liegend ein Reflexionselement 5 zugeordnet, durch welches ein durch die Eingangsoptik 3 eintretender Laserstrahl in einen Rückstrahl reflektiert wird.
  • Bei einem Katzenaugen-Reflektor besteht die Eingangsoptik 3 aus einer halbkugelförmig ausgebildeten Sammellinse und das Reflexionselement 5 aus einem verspiegelten halbkugelförmigen Reflektor mit größerem ”Durchmesser”. Die besondere Ausgestaltung nach 1 ist nun, dass diese Halbkugeln zumindest seitlich abgeschnitten sind und zwei seitliche, im Idealfall parallel zueinander verlaufende Auskopplungsebenen 6 und 7 bilden. Der Abstand von der oberen Lichteintrittsfläche 8 zur unteren Reflexionsfläche 9 entspricht der Brennweite der Sammellinse der Eingangsoptik 3. Die beiden Radien R1 und R2 der Eingangsoptik 3 und des Reflexionselementes 5 sind dabei derart gewählt, dass ein von einem Lasertracker (in der Zeichnung nicht dargestellt) kommender, versetzt zur optischen Achse 4 des Retroreflektors 2 in die Sammellinse 3 einstrahlender Einfallstrahl 10 durch die Sammellinse 3 in den Brennpunkt 11 der Sammellinse 3 projiziert wird, welcher auf der verspiegelten Reflexionsfläche 9 liegt und somit mit der zentralen optischen Achse 4 zusammenfällt. D. h., dass sich die Mittelpunkte der Eingangsoptik 3 und des Reflexionselements 5 überlagern. Der Einfallstrahl 10 wird somit spiegelsymmetrisch zur optischen Achse 4 in einen Rückstrahl 12 reflektiert, welcher nach Austritt aus der Sammellinse 3 parallel zum Einfallstrahl 10 zum Lasertracker (nicht dargestellt) zurück reflektiert wird.
  • Dadurch ergibt sich ein Strahlenversatz d, welcher durch den Lasertracker detektierbar ist. Dieser Strahlenversatz d wird durch die Nachführeinheit bzw. den ”Nullpunkt” des Messsystems des Lasertrackers festgelegt.
  • Dieser Versatz d bzw. der Versatz des Einfallstrahls 10 zum Rückstrahl 12 und somit zur optischen Achse 4 soll jedoch erfindungsgemäß stets vorhanden sein und einen bestimmten Minimalwert bzw. Maximalwert nicht unterschreiten bzw. überschreiten. Somit wird der Lasertracker eine Nachführung einer Positionsveränderung des Retroreflektors 2 stets nur in dem Maße ausführen, dass stets ein vorbestimmter oder messbarer Versatz d erhalten bleibt.
  • Des Weiteren weist der Retroreflektor 2 ein optisches Zentrum 13 auf sowie eine Strahlteilerschicht 14, welche beim dargestellten Ausführungsbeispiel direkt durch das optische Zentrum 13 des Retroreflektors 2 verläuft. Diese Strahlteilerschicht 14 ist eben ausgebildet und verläuft beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwa unter 45° zur zentralen optischen Achse 4 des Retroreflektors 2.
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, wird der Einfallstrahl 10 durch die Sammellinse 3 zum Brennpunkt 11 hin fokussierend abgelenkt und trifft in einem bestimmten Abstand auf die Strahlteilerschicht 14. Dort werden beispielsweise 20% der Leistung des einfallenden Laserstrahls (Einfallstrahl) reflektiert bzw. ”ausgekoppelt”, während der ”restliche” Laserstrahl zu 80% im Brennpunkt 11 auf die Reflexionsfläche 9 auftrifft. Durch diese Teilreflexion ergibt sich somit ein Einfallmessstrahl 15, welcher konvergierend zu einem virtuellen ersten Zentrumsstrahl 16 aus dem Retroreflektor 2 ausgekoppelt wird und aus der Auskopplungsebene 6 austritt. Dieser Einfallmessstrahl 15 trifft somit in einer Einfallmessebene 17 in einem Auftreffpunkt P1 auf einen ersten Detektor D1 auf, so dass dessen Position detektierbar ist.
  • Der im Brennpunkt 11 des Reflektionselementes 5 reflektierte Rückstrahl 18 trifft rückseitig auf die Strahlteilerschicht 14 und wird dort ebenfalls beispielsweise zu 20% ausgekoppelt. Dadurch ergibt sich ein Rückmessstrahl 19, welcher aus der zweiten Auskopplungsebene 7 austritt und in einer Rückmessebene 20 auf einen zweiten Detektor D2 auftrifft. Auch dieser Auftreffpunkt P2 in dieser zweiten Rückmessebene 20 weist einen vorbestimmten Abstand zu einem zweiten virtuellen Zentrumsstrahl 21 auf.
  • Hierzu zeigt 2 beispielhaft die beiden Detektoren D1 und D2 in Draufsicht, wobei die jeweiligen Auftreffpunkte P1 und P2 durch eine Kreismarkierung erkennbar sind (siehe auch 1).
  • Wird der Retroreflektor 2 beispielsweise um seine zentrale optische Achse 4 (oder eine parallel zum Einfallstrahl 10 verlaufende Achse) in Richtung des Pfeiles 22 gedreht und führt er dementsprechend einen Rollwinkel aus, so beschreibt der Einfallstrahl 10 auf der Lichteintrittsfläche 8 der Eingangsoptik im Idealfall eine Kreisbahn. Diese Kreisbahn wird durch die Auskopplung der beiden Messstrahlen 15 und 19 in der in 1 dargestellten Art mit unterschiedlichem Radius ebenfalls in die beiden Messebenen 17 bzw. 20 projiziert. Da der Einfallmessstrahl 15 relativ zum ersten virtuellen Zentrumsstrahl 16 konvergiert und der zweite Rückmessstrahl 19 relativ zum zweiten virtuellen Zentrumsstrahl 21 divergiert, ergeben sich hier auf den beiden Detektoren D1 und D2 Kreisbahnen mit unterschiedlichem Radius (siehe 4).
  • 3 zeigt hierzu den Messkopf 1 mit seinem Retroreflektor 2 in einer um 180° in Richtung des Pfeiles 22 um seine zentrale optische Achse 4 gedrehten Position.
  • In dieser um 180° gedrehten Position des Retroreflektors 2 wird nunmehr der Einfallstrahl 10 unterhalb des optischen Zentrums 13 nach rechts in die sich nunmehr rechts befindliche Einfallmessebene 17 reflektiert und trifft dort im Punkt P1' auf den ersten Detektor D1 auf, wie dies durch diesen Einfallmessstrahl 15 dargestellt ist. Dabei ist erkennbar, dass dieser Einfallmessstrahl 15 in dieser um 180° gedrehten Position um dessen optische Achse 4 nunmehr oberhalb des ersten virtuellen Zentrumsstrahls 16 im Punkt P1' auf dem Detektor D1 auftrifft. Der im Brennpunkt 11 reflektierte Rückstrahl 18 wird nunmehr unterhalb des optischen Zentrums 13 an der Strahlteilerschicht 14 reflektiert und trifft in der zweiten Rückmessebene 20 unterhalb des zweiten virtuellen Zentrumsstrahls 21 im Punkt P2' auf den zweiten Detektor D2 auf. Da sich der Einfallstrahl 10 sowie der Rückstrahl 12 auf der Lichteintrittsfläche 8 der Eingangsoptik 3 auf einer Kreisbahn bewegen, während sich der Retroreflektor 2 in Richtung des Pfeiles 22 um die optische Achse 4 dreht und eine Kreisbahn beschreiben, wird somit bei optimaler Ausgestaltung des Systems diese Kreisbahn entsprechend der Auskopplung der beiden Messstrahlen 15 und 19 auch auf den beiden Detektoren D1 und D2 abgebildet.
  • Diese Kreisbahnen 23, 24 auf den Detektoren D1 und D2 zeigt beispielhaft 4 in einer Draufsicht in gestrichelten Linien. Es ist erkennbar, dass der Auftreffpunkt auf dem Detektor D1 auf der Kreisbahn 23 vom Punkt P1 zum Punkt P1' (siehe auch 3) wandert. Dabei ist der Abstand d1 detektierbar.
  • Der zweite Messstrahl 19 wandert hingegen auf dem zweiten Detektor D2 vom Punkt P2 auf der Kreisbahn 24 zum Punkt P2' (siehe auch 3), wobei auch hier der Abstand d2 zwischen diesen beiden Auftreffpunkten detektierbar ist. Somit lässt sich durch dieses System der bei Drehung in Richtung des Pfeiles 22 zurückgelegte Rollwinkel in einfacher Weise bestimmen. Da die Radien der Kreisbahnen auf dem Detektor D1 und dem Detektor D2 unterschiedlich sind und für beide Detektoren D1 und D2 eine Look-up-Tabelle vorab bestimmbar ist, kann somit aufgrund der Lage der Auftreffpunkte P1, P1', P2, P2' der konkrete Rollwinkel bestimmt werden.
  • Überlagern sich hierzu noch Nick- und Gierwinkel, so verschiebt sich der Mittelpunkt der beiden Kreisbahnen 23 und 24, woraus wiederum der Nick- und Gierwinkel ableitbar ist.
  • Bei bekannten geometrischen Verhältnissen ist der theoretische Brennpunkt B, welcher sich in einer virtuellen Messebene 26 befindet berechenbar, wie dies in 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Damit kann auch unter Verwendung nur des ersten Detektors D1 der Nick-, Gier- und Rollwinkel bestimmt werden.
  • Zur Vereinfachung einer solchen Ableitung der Nick-, Gier- und Rollwinkel ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der aus dem Einfallstrahl 10 ausgekoppelte Einfallmessstrahl 15 in der Einfallmessebene 17 mit dem Schnittpunkt des ersten virtuellen Zentrumsstrahls 16 zusammenfällt, wie es beispielhaft und schematisch der 5 entnehmbar ist. Wird nun der Retroreflektor 2 um die optische Achse 4 um 180° gedreht, so gelangt die Einfallmessebene 17 zusammen mit dem ersten Detektor D1, wie bereits zu den 1 und 3 beschrieben, auf die rechte Seite, wie dies aus 6 ersichtlich ist. Da der ausgekoppelte Einfallmessstrahl 15 mit dem ersten virtuellen Zentrumsstrahl 16 in der Einfallmessebene 17 auf dem Detektor D1 auftrifft, findet hier folglich keinerlei Bewegung des Auftreffpunktes auf einer Kreisbahn statt. D. h. letztendlich, dass die Einfallmessebene 17 bezüglich der fokussierenden Ausrichtung des Einfallmessstrahls 15 derart angeordnet ist, dass der Kreisradius bzw. der Durchmesser d1 der Kreisbahn 23, wie zu 4 dargestellt, zu Null reduziert wird. Damit ist es in äußerst einfacher Art und Weise möglich, parallel zur Messung eines Rollwinkels auch die Nick- und Gierwinkel zu bestimmen.
  • Bei einer Rotation des Retroreflektors 2 um eine der senkrecht zur optischen Achse 4 verlaufenden Achsen, bewegt sich der Schnittpunkt des Einfallmessstrahles 15 und des ersten virtuellen Zentrumsstrahls 16 (Brennpunkt) in Richtung des Doppelpfeils 25 in vertikaler Richtung bzw. rechtwinklig dazu in horizontaler Richtung. Damit kann in einfacher Weise durch Vorab-Erstellung einer Look-up-Tabelle auch der Nick- und Gierwinkel durch die Veränderung des Auftreffpunktes in der Einfallmessebene 17 auf den ersten Detektor D1 ermittelt werden.
  • Der Rollwinkel hingegen wird durch die Auskopplung des Rückstrahls 18 in der angegebenen Art und Weise, wie zu den 1 und 3 beschrieben, ermittelt. Hierzu zeigt 7 einen entsprechenden Strahlenverlauf im Retroreflektor 2 des Messkopfes 1. Dabei ist die Auskopplung des ersten Einfallmessstrahles in 7 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Desgleichen gilt umgekehrt für die 5 und 6, in welchen der Strahlenverlauf des ausgekoppelten Rückmessstrahls nicht dargestellt ist.
  • Aus 7 ist erkennbar, dass der Einfallstrahl 10 im unteren Brennpunkt 11 in den Rückstrahl 18 reflektiert wird. Im Bereich der Strahlteilerschicht 14 wird der Rückmessstrahl 19 in die Rückmessebene 20 auf den zweiten Detektor D2 projiziert. Es ist erkennbar, dass auch hier der Auftreffpunkt oberhalb des zweiten virtuellen Zentrumsstrahls 21 liegt. Wird nun der Retroreflektor 2 um die optische Achse 4 in Richtung des Pfeiles 22 beispielsweise um 180° gedreht, so verläuft der Strahlengang wie in 8 dargestellt. Der Einfallstrahl 10 wird wiederum im Brennpunkt 11 in den Rückstrahl 18 reflektiert, welcher durch die Strahlteilerschicht 14 in den Rückmessstrahl 19, in diesem Falle nach links, ausgekoppelt wird. Dabei liegt nunmehr, wie bereits zu 3 beschrieben, dieser zweite Rückmessstrahl 19 unterhalb des zweiten virtuellen Zentrumsstrahls 21 und trifft in der Rückmessebene 20 auf den Detektor D2 auf.
  • Somit ist durch diese spezielle Ausgestaltung, bei welcher der Einfallmessstrahl 15 fokussierend in einem Brennpunkt in der ersten Einfallmessebene 17 auftrifft, in einfacher Weise der Nick- und Gierwinkel bestimmbar, während durch die zweite Auskopplung des Rückmessstrahls 19 in die Rückmessebene 20 des zweiten Detektors 2 der Rollwinkel gleichzeitig bestimmbar ist.
  • 9 zeigt beispielhaft eine konkrete Realisierung eines Messkopfes 1, bei welchem in einem Gehäuse 30 der Retroreflektor in Form eines speziell ausgestalteten Katzenaugen-Reflektors 2 integriert ist. Dabei ist in 9 eingangsseitig die Eingangsoptik 3 mit ihrer Sammellinse erkennbar. Der komplette Katzenaugen-Reflektor 2 ist zwischen mehreren Seitenwänden 31, 32, 33 und 34 eingebettet und darin feststehend aufgenommen.
  • Wie 10 zu entnehmen ist, ist dabei eine spezielle Stellvorrichtung 35 vorgesehen, über welche der korrekte Abstand zwischen der Eingangsoptik 3 und dem Reflexionselement 5 präzise einstellbar ist, um zu erreichen, dass die von der Eingangsoptik 3 durch den Retroreflektor 2 hindurch gehenden Laserstrahlen sich tatsächlich in einem gemeinsamen Brennpunkt 11 der hinteren Reflexionsfläche 9 schneiden. Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein keilartiges, lichtdurchlässiges Stellelement 36 auf, welches mittels einer Stellschraube 37 quer in Richtung des Doppelpfeils 38 zur optischen Achse 4 verstellbar ist. Durch diese Verstellung wird eine Axialbewegung des Reflektorelementes 5 in Richtung des Doppelpfeils 39 bewirkt, wodurch der Abstand zwischen dem Reflexionselement 5 und der Eingangsoptik 3 bzw. Sammellinse 3 präzise einstellbar ist. Um das Reflexionselement 5 in seiner mit dem Stellelement 36 anliegenden Position zu halten, ist eine Axialdruckfeder 40 vorgesehen, über welche durch einen zugehörigen Montagering 41 und eine zugehörige Druckplatte 42 das Reflexionselement 5 gegen das Stellelement 36 gedrückt wird. Dabei ist erkennbar, dass das Reflexionselement 5 zum Stellelement 36 eine schräg geneigte Stellfläche 43 aufweist, mit welcher das Reflexionselement 5 flächig auf dem Stellelement 36 bzw. dessen Keilfläche 44 aufliegt.
  • 11 zeigt einen weiteren Schnitt XI – XI durch den Messkopf 1 aus 9. Hierbei ist erkennbar, dass der Retroreflektor bzw. der Katzenaugen-Reflektor 2 mehrteilig ausgebildet ist. So ist einerseits im oberen Endbereich das Reflexionselement 5 erkennbar, welches, wie oben beschrieben, verstellbar im Gehäuse 30 aufgenommen ist. An dieses Reflexionselement 5 schließen sich bei der dargestellten Ausführungsvariante ein abgesetztes Lichtleitelement 45 an. Die oben beschriebene Strahlteilerschicht 14 befindet sich zwischen zwei separaten Glaskörpern 46 und 47, welche zwischen sich bei optimaler Ausgestaltung eine im Idealfall unter 45° verlaufende Trennebene 48 definieren. Durch entsprechende Beschichtung der beiden Glaskörper 46 und 47 in dieser Trennebene 48 mit einer entsprechenden Strahlteilerschicht 14 sind somit die zu den 1 bis 8 beschriebenen Auskopplungen der beiden Messstrahlen 15 und 19 möglich.
  • 12 zeigt eine schematische Darstellung der sich aus den erfassten Koordinaten der Auftreffpunkte des Einfallmessstrahl und des Rückmessstrahls ergebenden ”Vektoren”. Der ”Mittelpunkt” M entspricht dem Auftreffpunkt eines virtuellen Zentrumsstrahls, welcher identisch ist mit dem ”berechneten” oder dem tatsächlich in der Messebene auftreffenden Brennpunkt des Einfallmessstrahls, welcher vom Detektor D1 detektiert wird. Die ”Verschiebung” des Mittelpunktes M in die angegebene X-Richtung ist ein Maß zu einem ausgeführten Nickwinkel und die ”Verschiebung” in die angegebene Y-Richtung ist ein Maß zu einem ausgeführten Gierwinkel. Die Länge des Vektors d ausgehend vom Mittelpunkt M entspricht dem Versatz zwischen dem Einfallstrahl 10 und dem Rückstrahl 12 aus 1. Führt der Retroreflektor 2 aus den 1 bis 8 einen Rollwinkel aus, so entspricht dieser dem Winkel α zwischen einer Parallelen X2 (gestrichelt dargestellt) zur X-Achse und dem Vektor d.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch unter Verwendung eines Retroreflektors in Form eines Tripelspiegels oder eines Tripelprismas anwendbar, wie dies schematisch den 13 und 14 zu entnehmen ist. Auch hier ist es möglich, den Einfallstrahl 10 vor Erreichen des Retroreflektors 2 als Einfallmessstrahl 15 und den Rückstrahl 12 nach Reflexion durch den Retroreflektor 2 als Rückmessstrahl 19 teilweise auszukoppeln. Einer der beiden Messstrahlen kann nach der Auskopplung durch eine Sammellinse S in einen Brennpunkt B fokussiert werden, wie dies in 13 und 14 für den Einfallmessstrahl 15 beispielhaft dargestellt ist. Durch die Detektion der Veränderung des Auftreffpunktes des Einfallmessstrahls 15 in der den ersten Detektor D1 aufweisenden Messebene 17 sind der Nick- und Gierwinkel berechenbar.
  • Auf Grund des Versatzes d von Einfallstrahl 10 und Rückstrahl 12 ist der Rollwinkel aus dem nicht fokussierten Rückmessstrahl 19 ermittelbar, da sich der Auftreffpunkt P2 dieses Rückmessstrahls 19 ebenfalls bei Ausführung eines Rollwinkels in der zugehörigen, den zweiten Detektor D2 aufweisenden Messebene 20 auf einer um den virtuellen Zentrumsstrahl 21 umlaufenden Bahn bewegt. Bei den Darstellungen der 13 und 14 wird der Einfallmessstrahl 10 in den Brennpunkt B fokussiert, während der Rückmessstrahl 19 durch die Strahlteilerschicht 14 lediglich ”umgelenkt” und in die zweite Messebene 20 mit dem zweiten Detektor D2 projiziert wird.
  • 15 zeigt schematisch eine weitere mögliche Variante eines ”Messkopfes” 1 mit einem als Katzenaugen-Reflektor ausgebildeten Retroreflektor 2 zur Ermittlung des Nick-, Gier- und Rollwinkels unter Verwendung nur eines einzigen Detektors D1, welcher in einer einzigen Messebene 17 angeordnet ist. Mit diesem Detektor D1 ist es möglich, die Koordinaten der Auftreffpunkte P1 und P2 sowohl des ausgekoppelten Eingangsmessstrahls 15 als auch des ausgekoppelten Rückmessstrahls 19 in der Messebene 17 zu erfassen und auszuwerten. Auch in diesem Fall ist vorgesehen, dass der Einfallstrahl 10 um ein vorbestimmtes Maß d und/oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl 12 in den Retroreflektor 2 einstrahlt. Weiter wird auch hier aus dem Einfallstrahl 10 ein Einfallmessstrahl 15 und aus dem Rückstrahl 12 ein Rückmessstrahl 19 ausgekoppelt, wobei hier beispielhaft der Eingangsmessstrahl 15 in einen Brennpunkt B fokussiert wird. Der Einfallmessstrahl 15 und der Rückmessstrahl 19 werden in eine gemeinsame Messebene 17 projiziert, in welcher zur Detektion der Auftreffpunkte P1 und P2 beider Messstrahlen 17 und 19 der Detektor D1 vorgesehen ist. Als Detektor kommen beispielsweise CMOS-Sensoren oder auch CCD-Sensoren in Frage, da diese Art Detektoren in der Lage sind, gleichzeitig mehrere Auftreffpunkte mehrerer Messstrahlen zu detektieren. Nach einer Kalibrierung eines entsprechend ausgebildeten Messsystems sind aus den detektierten Positionen der Auftreffpunkte P1 und P2 des Einfallmessstrahls 15 und des Rückmessstrahls 19 in der Messebene 17 der Nick-, Gier- und Rollwinkel durch eine entsprechende elektronische Auswerteinrichtung ermittelbar.
  • Wie aus 15 erkennbar ist, wird der ausgekoppelte Rückmessstrahl 19 direkt in die Messebene 17 mit dem Detektor D1 projiziert, während der ausgekoppelte Einfallmessstrahl 15 in eine der Messebene 17 bezüglich des Retroreflektors 2 gegenüberliegende Reflexionsebene 55 projiziert wird. Der Einfallmessstrahl 15 wird mittels eines in der Reflexionsebene 55 angeordneten reflektierenden Elements 56 in die Messebene 17 reflektiert, wobei dessen Auftreffpunkt P1 in der Messebene 17 durch den Detektor D1 ebenfalls detektiert wird. Da der ausgekoppelte Einfallmessstahl 15 in die entgegengesetzte Richtung zum ausgekoppelten Rückmessstrahl 19 ausgekoppelt wird, durch läuft der reflektierte Einfallmessstrahl 15 die zur Auskopplung der Messstrahlen 15 und 19 vorgesehene Strahlteileschicht 14 eines Strahlteilers. Da der Rückstrahl 12 als ”Rest” des Einfallstrahls 10 bereits die Strahlteilerschicht 14 durchlaufen hat, gelangen der Einfallmessstrahl 15 und der Rückmessstrahl 19 mit derselben Intensität in die Messebene 17 und können gleichzeitig vom Detektor D1 detektiert werden.
  • Zur möglichst einfachen Auswertung der detektierten Positionen der Auftreffpunkte P1 und P2 des Einfallmessstrahls 15 und des Rückmessstrahl 19 ist vorliegend vorgesehen, dass der Einfallmessstrahl 15 in einen Brennpunkt B fokussiert wird und sich mit einem virtuellen Zentrumsstrahl 16 in diesem Brennpunkt B schneidet. Der Brennpunkt B liegt nach der Reflexion des Einfallmessstahls 15 in der Messebene 17. Führt der Retroreflektor 2 eine Nick- und/oder Gierwinkel aus, so bewirkt dies eine Positionsveränderung des Brennpunktes B in der Messebene 17, welche erfasst und direkt zu Bestimmung des Nick- und/oder Gierwinkels herangezogen werden kann. Führt der Retroreflektor einen Rollwinkel (Pfeil 22) aus, so läuft der Auftreffpunkt P2 des Rückmessstahls 19 in der Messebene 17 auf einer Bahn um den virtuellen Zentrumsstrahl 16 um, wobei sich keine Veränderung des Auftreffpunktes P1 des virtuellen Zentrumsstrahls 16 in der Messebene 17 ergibt. Somit lässt sich aus den ”umlaufenden” Koordinaten des Auftreffpunktes P2 des Rückmessstrahls 19 der ausgeführte Rollwinkel ableiten.
  • Den voran beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, dass der Einfallstrahl ausgehend vom Lasertracker derart in den Retroreflektor einstrahlt, dass der vom Retroreflektor zurück reflektierte Rückstahl einen definierten bzw. messbaren Versatz zum Einfallstrahl aufweist. Grundsätzlich lässt sich somit durch diesen Versatz und entsprechende Detektion der Rollwinkel bestimmten, da der in der einen oder anderen Messebene auftreffende Messstrahl auf einer Bahn um einen virtuellen ”Mittepunkt” in der Messebene liegt. Zur Bestimmung von Nick- und Gierwinkel wird einer der Messstrahlen fokussiert, so dass hieraus eine Verschiebung eines realen oder virtuellen Brennpunktes berechenbar bzw. messbar ist. D. h. dass auf Grund der Fokussierung einer des Messstrahlen ein Richtungsvektor ableitbar ist, welcher zur Berechnung der ausgeführten Nick- und Gierwinkel verwendet werden kann.
  • Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Nick-, Gier- und Rollwinkel ist in den nachfolgenden Zeichnungen 16 bis 19 anhand einer schematischen Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante eines Messkopfes 1 dargestellt. Anhand dieser Darstellungen soll lediglich das Grundprinzip des Messverfahrens erläutert werden. Die konkrete Anordnung der einzelnen Baugruppen kann auch völlig anders gewählt sein.
  • Gemeinsam mit den vorangegangen beschriebenen Verfahrensweisen ist, dass auch hier der Einfallstrahl 10 vom Lasertracker aus derart in einen Retroreflektor 2 einstrahlt, dass der vom Retroreflektor 2 zurück reflektierte Rückstahl 12 einen definierten und/oder messbaren Versatz zum Einfallstrahl aufweist.
  • Mit diesem in den 16 bis 19 dargestellten ”Messverfahren” ist es möglich, Nick-, Gier- und Rollwinkel zu bestimmen, ohne dass es notwendig ist, einen Messstrahl zu fokussieren.
  • Zunächst ist hier abstrahiert ein Messkopf 1 schematisch dargestellt, an dessen ”unterem” Ende ein Retroreflektor 2 vorgesehen ist. Dieser Retroreflektor 2 am ”unteren Ende” kann z. B. als Tripelprisma oder auch als Tripelspiegel ausgebildet sein. Wie bereits beschrieben kann die Retroreflexion aber auch auf einem Aufbau nach Art eines Katzenaugen-Reflektors basieren, wobei sich Auskopplungsebenen integrieren lassen. Diese sind in der schematischen Darstellung der Vereinfachung wegen nicht abgebildet.
  • In den Messkopf 1 wird ein Einfallstrahl 10 von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Lasertracker eingestrahlt, welcher durch den Retroreflektor in einen Rückstrahl 12 reflektiert wird. Der Einfallstrahl 10 wird auch bei dieser Ausführungsvariante derart in den Messkopf 1 bzw. zum Retroreflektor 2 eingestrahlt, dass der Rückstrahl 12 einen vorbestimmten und/oder vom Lasertracker erfassbaren Versatz d zum Einfallstrahl 10 aufeist. Weiter ist aus 16 erkennbar, dass innerhalb des Strahlengangs für den Einfallstrahl 10 und den Rückstrahl 12, welche innerhalb des Messkopfes 1 den Einfallmessstrahl bzw. Rückmessstrahl bilden, bei der vorliegenden Ausführungsvariante insgesamt vier Messebenen 60, 61 und 62, 63 vorgesehen sind. Die beiden Messebenen 60 und 61 des Einfallstrahles 10 bzw. die beiden Messebenen 62 und 63 des Rückstrahls 12 sind mindestens notwendig, um für den Einfallstrahl 10 und den Rückstrahl 12 jeweils zwei ”Messpunkte” detektieren zu können. Es können allerdings je Messstrahl auch mehrere Messebenen vorgesehen sein. In jeder Messenebene 60, 61, 62 und 63 ist jeweils ein Detektor D1, D11, D2 bzw. D22 angeordnet. Die Messebene 60, 61 für den Einfallstrahl 10 und die Messebenen 62, 63 für den Rückstrahl 12 können, wie dargestellt, spiegelsymmetrisch zu einem Mittelpunkt M des Messkopfes 1 angeordnet sein, wobei der Abstand der Messebene 61 bzw. 63 zu Mittelpunkt M beim vorliegenden Ausführungsbeispiel halb so groß ist wie der Abstand der zugehörigen Messebene 60 bzw. 62 zu Mittelpunkt M.
  • Die beiden Detektoren D1 und D11 dienen zur Detektion des Einfallstrahls 10, während die beiden Detektoren D2 und D22 zur Detektion des Rückstahls 12 vorgesehen sind. Weiter sind in 16 die Messpunkte P1, P11 des Einfallstrahls 10 in den Messebenen 60 und 61 dargestellt, welche durch die beiden Detektoren D1 und D11 detektierbar sind. Ebenfalls erkennbar sind die beiden Messpunkte P2 und P22 des Rückstrahls 12 in den Messebenen 62 und 63 welche durch die beiden Detektoren D2 und D22 detektierbar sind.
  • Führt nun der Messkopf einen Rollwinkel beispielweise um die symmetrisch zwischen dem Einfallstrahl 10 und dem Rückstrahl 12 liegende, ”optische” Achse 4 des Messkopfs 1 in Richtung des Doppelpfeils 22 aus, so bewegen sich alle Messpunkte P1, P11 und P2, P22 – zumindest in erster Näherung – im Wesentlichen auf einer Kreisbahn. Diese Kreisbahnen sind in 17 in Draufsicht auf schematisch dargestellten Detektoren D1, D11, D2 und D22 in gestrichelten Linien erkennbar ist. Da der Einfallstahl 10 und der Rückstahl 12 (im Idealfall) parallel zur optischen Achse 4 bzw. zu einem in der optischen Achse 4 liegenden virtuellen Zentrumsstrahl verlaufen, sind die von den Detektoren D1 und D11 gelieferten Koordinaten der jeweils detektierten Messpunkte P1 und P11 für den Einfallstrahl 10 bzw. die von den Detektoren D2 und D22 gelieferten Koordinaten der jeweils detektierten Messpunkte P2 und P22 für den Rückstrahl 12 jeweils identisch, wie dies durch die gestrichelten Verbindungslinien zwischen den Messpunkt P1 und P11 bzw. P2 und P22 schematisch dargestellt ist. Aus diesen ”identischen” Koordinaten ist jeweils ein Richtungsvektor V1 für den Einfallstrahl bzw. V2 für den Rückstrahl 12 bestimmbar. Da die Koordinaten von P1 und P11 bzw. P2 und P22 identisch sind, verläuft dieser Richtungsvektor V1 bzw. V2 parallel zur optischen Achse 4 bzw. zu einem in der optischen Achse 4 liegenden virtuellen Zentrumsstrahl. Liegen die detektierten Messpunkte P1 und P11 bzw. P2 und P22 auf ”derselben” Kreisbahn, so ist aus den detektierten (identischen) Koordinaten der ausgeführte Rollwinkel eindeutig bestimmbar.
  • Führt der Messkopf 1 hingegen eine Nick- und/oder Gierwinkel aus, so ist es erforderlich die damit verbundenen Verlagerungen dieser Kreisbahnen zu bestimmen, um auch die Nick- und Gierwinkel aus den ermittelten Koordinaten rechnerisch ableiten zu können. Es ist also erforderlich die Richtung der beiden Richtungsvektoren V1 und V2 relativ zur optischen Achse 4 des Messkopfes 1 zu bestimmen. Diese ”Entkopplung” ist auf Grund der Anordnung der Detektoren D1, D11 und D2, D22 in jeweils in Richtung der optischen Achse 4 des Messkopfes 1 versetzt angeordneten Messebenen 60 und 61 bzw. 62 und 63 möglich.
  • Hierzu zeigt 18 den Messkopf 1 in einer um einen Mittelpunkt M in Richtung des Pfeils 64 gekippten Lage. In 19 sind zu dieser veränderten Lage des Messkopfes 1 die von den Detektoren D1, D11 und P2, D22 erfassten ”Koordinaten” der Messpunkte P1, P11 und P2, P22 dargestellt. Weiter sind in 19 die zugehörigen Bahnen für den Rollwinkel dargestellt, welche auf Grund der ”Schrägstellung” der Messebenen 60, 61 bzw. 62, 63 eine elliptische Form aufweisen.
  • Es ist erkennbar, dass die Verlagerungen der Messpunkte P1 und P11 bzw. der Messpunkte P2 und P22 nach Ausführung in diese gekippte Position der 18 nicht identisch sind, wie dies durch die gestrichelten, abgewinkelten Verbindungslinien zwischen P1 und P11 bzw. P2 und P22 in 19 erkennbar ist. Auf Grund dessen, dass der in der Messebene 60 liegende Detektor D1 vom Mittelpunkt M einen größeren Abstand aufweist als der in der Messebene 61 liegende Detektor D11 erfolgt in der Messebene 60 eine größere Verlagerung des Messpunktes P1 als die Verlagerung des Messpunktes P11 in der Messebene 61. Dies wird von den beiden Detektoren D1 und D11 entsprechend detektiert.
  • Bei der Ausführung der Kippbewegung um den Mittelpunkt M erfolgt eine Verschiebung der Messpunkte P1 und P11 in der Darstellung der 19 für die Detektoren D1 und D11 in ”horizontaler” Richtung, wobei diese Kippbewegung beispielsweise dem Nickwinkel entspricht. Aus den unterschiedlichen Verlagerungen der beiden Messpunkte P1 und P11 bzw. P2 und P22 ergeben sich folglich in den Messebenen 60 und 61 bzw. 62 und 63 unterschiedliche Koordinaten für die Messpunkte P1 und P11 bzw. P2 und P22, wie dies beispielhaft für die Detektoren D1 und D11 bzw. D2 und D22 in 19 schematisch dargestellt ist. Aus diesen detektierten Koordinaten der Messpunkte P1 und P11 des Einfallstrahls 10 ist der Richtungsvektor V1 bestimmbar. Aus den detektierten Koordinaten der Messpunkte P2 und P22 des Rückstrahls 12 ist der Richtungsvektor V2 bestimmbar. Diese beiden Richtungsvektoren V1 und V2 verlaufen entsprechend der ausgeführten Kippbewegung des Messkopfes 1 schräg geneigt zur optischen Achse 4 des Messkopfes. Der Neigungswinkel des schrägen Verlaufs des Richtungsvektoren V1 und V2 zur optischen Achse 4 des Messkopfes 1 entspricht somit dem ausgeführten Nickwinkel.
  • Wird der Messkopf 1 um die Mittellinie ML gekippt, ist in gleicher Weise der Gierwinkel ermittelbar. Bei einer solchen Kippbewegung des Messkopfes 1 bewegen sich die Messpunkte P1 und P11 bzw. P2 und P22 in der Draufsicht auf die Detektoren D1 und D11 bzw. P2 und P22 in 19 in vertikaler Richtung um ein unterschiedliches Maß. Aus dieser durch die Detektoren D1 und D11 bzw. D2 und P22 detektierte Verlagerungsdifferenz der Messpunkte P1 und P11 bzw. P2 und P22 sind wiederum die Richtungen der Richtungsvektoren V1 und V2 zur optischen Achse 4 des Messkopfes 1 ableitbar, was wiederum dem ausgeführten Gierwinkel entspricht.
  • Es ist erkennbar, dass auf Grund der versetzten Anordnung der Messebenen 60 und 61 bzw. 62 und 63 mit ihren Detektoren D1 und D11 bzw. D2 und D22 eine Entkopplung der Ausführung der Nick- und Gierwinkel vom Rollwinkel möglich wird, da die Detektoren D1, D11 bzw. D2, D22 ”nur” bei Ausführung von Nick- und/oder Gierwinkel unterschiedliche ”Verlagerungsparameter” erfassen. Aus diesen Verlagerungsparametern ist ein Richtungsvektor V1 für den Einfallstrahl bzw. V2 für den Rückstrahl ableitbar, welcher für die ”Entkopplung” der Bestimmung von Nick-/Gierwinkel und Rollwinkel benötigt wird.
  • Es ist auch vorstellbar, nur für den Einfallstrahl 10 bzw. nur für den Rückstrahl 12 zwei versetzte Messebene vorzusehen, so dass sich aus den detektierten Koordinaten in diesen beiden Messebenen ein eindeutiger Richtungsvektor V1 oder V2 bestimmen lässt.
  • Auch besteht die Möglichkeit aus dem Einfallstahl und/oder dem Rückstrahl entsprechende Messstrahlen auszukoppeln, wie dies zu den 1 bis 15 beschrieben ist. Zur Bestimmung des Richtungsvektors V1 und/oder V2 muss lediglich sichergestellt sein, dass die generierten Messstrahlen bis zum Auftreffen in den Messebenen unterschiedliche Längen aufweisen, so dass sich bei Ausführung eines Nick- und/oder Gierwinkels in diesen Messebenen für den jeweils zugehörigen Messstrahl unterschiedliche Koordinaten ergeben, aus welchen der Richtungsvektor ableitbar ist.
  • So kann beispielsweise aus dem Einfallstrahl ein Einfallmessstrahl wie zu 1 beschrieben ausgekoppelt und in eine erste Messebene projiziert werden. Der ”restliche” Einfallstrahl kann in eine zweite Messebene projiziert werden, welche zum ”Auskopplungspunkt” einen anderen Abstand hat als die Messebene für den Einfallmessstrahl. Damit ergeben sich unterschiedliche Längen des Einfallsmessstrahl und des restlichen Einfallstrahls, so dass bei Ausführung eines Nick- und/oder Gierwinkels wiederum unterschiedliche Koordinaten detektierbar sind, aus welchen wiederum der Richtungsvektor ableitbar ist.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers unter Verwendung eines mit dem Körper in Verbindung stehenden Retroreflektors (2) sowie eines mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messeinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertrackers, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (10) zum Retroreflektor (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (10) als Rückstrahl (12) zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl (10) durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors (2) dem Retroreflektor (2) nachführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallstrahl (10) um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz (d) versetzt zum Rückstrahl (12) in den Retroreflektor (2) einstrahlt und, dass aus dem Einfallstrahl (10) ein Einfallmessstrahl (15) ausgekoppelt, in eine Einfallmessebene (17) projiziert und dort durch einen ersten Detektor (D1) detektiert wird und, dass der restliche Einfallstrahl durch den Retroreflektor (2) in einen Rückstrahl (12, 18) reflektiert wird und, dass aus dem Rückstrahl (12, 18) ein Rückmessstrahl (19) ausgekoppelt und in eine Rückmessebene (20) projiziert und dort durch einen zweiten Detektor (D2) detektiert wird und, dass der Einfallmessstrahl (15) oder der Rückmessstrahl (19) in einen Brennpunkt fokussiert wird und, dass aus der detektierten Position des Einfallmessstrahls (15) und der detektierten Position des Rückmessstrahls (19) der Nick-, Gier- und Rollwinkel berechnet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallmessstrahl (15) auf die Einfallmessebene (17) derart fokussiert wird, dass der Einfallmessstrahl (15) unabhängig vom Versatz des Einfallstrahls (10) zum Rückstrahl (12) bei gleichbleibender Orientierung des Retroreflektors (2), d. h. bei unverändertem Nick-, Gier- und Rollwinkel stets im selben Auftreffpunkt auf dem ersten Detektor (D1) auftrifft und, dass sich der Ort des fokussierten Auftreffpunktes des Einfallmessstrahls (15) bei Änderung des Nick- und/oder Gierwinkels unabhängig von einem sich ändernden oder ausgeführten Rollwinkel in der Einfallmessebene (17) ändert und dass diese Änderung des Ortes des Auftreffpunktes durch den ersten Detektor (D1) detektiert und zur Berechnung des ausgeführten Nick- und/oder Gierwinkels verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rückmessstrahl (19) bei Ausführung einer Drehbewegung (22) um eine parallel zum Einfallstrahl (10) verlaufende Achse oder die optische Achse (4) des Retroreflektors (2), d. h. bei Ausführung eines Rollwinkels, in der Rückmessebene (20) auf einer umlaufenden Bahn (24) bewegt, welche durch den zweiten Detektor (D2) detektierbar ist und, dass die Koordinaten des jeweils nach Ausführung eines Rollwinkels detektierten Auftreffpunktes des Rückmessstrahls (19) durch Vergleich mit vorab in einer Auswerteeinrichtung hinterlegten Vergleichsdaten zur Bestimmung des Rollwinkels verwendet werden.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers, bestehend aus einem mit dem Körper in Verbindung stehenden Retroreflektor (2) sowie einem mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messeinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertracker, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (10) zum Retroreflektor (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (10) als Rückstrahl (12) zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl (10) durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors (2) dem Retroreflektor (2) nachführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Einfallstrahls (10) und im Strahlengang des Rückstrahls (12) eine Strahlteilerschicht (14) vorgesehen ist, welche geneigt zum jeweiligen Strahlengang verläuft und, dass die Strahlteilerschicht (14) einen Teil des Einfallstrahls (10) als Einfallmessstrahl (15) auskoppelt und in eine Einfallmessebene (17) projiziert, in welcher ein erster Detektor (D1) angeordnet ist und, dass die Strahlteilerschicht (14) einen Teil des Rückstrahls (18) als Rückmessstrahl (19) ausgekoppelt und in eine Rückmessebene (17) projiziert, in welcher ein zweiter Detektor (D2) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Retroreflektor als Katzenaugen-Reflektor (2) mit einer Eingangsoptik (3) und einem eine Reflexionsfläche (9) aufweisenden Reflexionselement (5) ausgebildet ist und, dass der Katzenaugen-Reflektor (2) wenigstens eine integrierter zur optischen Achse (4) geneigt verlaufende, ebene Strahlteilerschicht (14) aufweist, welche im Bereich sowohl des den Katzenaugen-Reflektor (2) durchlaufenden Einfallstrahls (10) als auch im Bereich des den Katzenaugen-Reflektor (2) durchlaufenden Rückstrahls (18) angeordnet ist und, dass durch die Strahlteilerschicht (14) ein Teil des Einfallstrahls als Einfallmessstrahl (15) ausgekoppelt und in die Einfallmessebene (17) projiziert wird, in welcher der erste Detektor (D1) angeordnet ist und, dass durch die Strahlteilerschicht (14) ein Teil des Rückstrahls (18) als Rückmessstrahl (19) ausgekoppelt und in die Rückmessebene (17) projiziert wird, in welcher der zweite Detektor (D2) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katzenaugen-Reflektor (2) jeweils sich bezüglich der optischen Achse (4) diametral gegenüber liegende Auskopplungsebenen (6, 7) aufweist, von welchen die eine (6) der Einfallmessebene (17) und die andere (7) der Rückmessebene (20) zugeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Katzenaugen-Reflektor (2) in einem Gehäuse (30) eines Messkopfs (1) angeordnet ist und, dass das Gehäuse (30) mit einer Stellvorrichtung (35) versehen ist, durch welche der Abstand zwischen der Eingangsoptik (3) mit ihrer Sammellinse und der Reflexionsfläche (9) des Reflexionselementes (5) präzise einstellbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (35) ein keilförmiges, quer zur optischen Achse (4) verlaufendes Stellelement (36) aufweist, an dessen schräg verlaufender Keilfläche (44) das Reflexionselement (5) mit einer schrägen Stellfläche (43) federbelastet anliegt, und dass durch eine Querverstellung (38) des Stellelements (36) zur optischen Achse (4) eine Verstellung des Reflexionselementes (5) in Richtung der optischen Achse (4) des Katzenaugen-Reflektor (2) bewirkbar ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerschicht (14) durch zwei aneinander liegende, schräg geneigt zur optischen Achse (4) verlaufende Trennebene (48) bildenden Glasköper (46, 47) gebildet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Glaskörpern (46, 47) zur Abstandsüberbrückung zum Reflexionselement (5) ein Lichtleitelement (45) vorgesehen ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (5) durch eine Axialdruckfeder (40), deren Federkräfte über eine Druckplatte (42) und einen Montagering (41) auf das Reflexionselement (5) einwirken, mit dem Stellelement (6) der Stellvorrichtung (35) in permanentem Kontakt gehalten ist.
  12. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers unter Verwendung eines mit dem Körper in Verbindung stehenden Retroreflektors (2) sowie eines mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messeinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertrackers, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (10) zum Retroreflektor (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (10) als Rückstrahl (12) zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl (10) durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors (2) dem Retroreflektor (2) nachführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallstrahl (10) um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl (12) in den Retroreflektor (2) einstrahlt und, dass aus dem Einfallstrahl (10) oder dem Rückstrahl (12) ein in einen Brennpunkt (B) fokussierter Messstrahl (15) ausgekoppelt wird und, dass vor oder hinter dem Brennpunkt (B) eine Messebene (17) vorgesehen ist, in welche der Messstrahl (15) projiziert und durch einen Detektor (D1) detektiert wird und, dass aus den vom Detektor (D1) detektierten Koordinaten der Position des Messstrahls der Nick-, Gier- und Rollwinkel berechnet werden.
  13. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers unter Verwendung eines mit dem Körper in Verbindung stehenden Retroreflektors (2) sowie eines mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messeinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertrackers, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (10) zum Retroreflektor (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (10) als Rückstrahl (12) zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl (10) durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors (2) dem Retroreflektor (2) nachführbar ist, dadurch gekennnzeichnet, dass der Einfallstrahl (10) um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl (12) in den Retroreflektor (2) einstrahlt und, dass aus dem Einfallstrahl (10) ein Einfallmessstrahl (15) ausgekoppelt wird und, dass der restliche Einfallstrahl (10) durch den Retroreflektor (2) in einen Rückstrahl (12) reflektiert wird und, dass aus dem Rückstrahl (12) ein Rückmessstrahl (19) ausgekoppelt wird und, dass der Einfallmessstrahl (15) oder der Rückmessstrahl (19) in einen Brennpunkt (B) fokussiert wird und, dass der Einfallmessstrahl (15) und der Rückmessstrahl (19) in eine gemeinsame Messebene (17) projiziert werden und, dass in der Messebene (17) ein Detektor (D1) vorgesehen ist, durch welchen die Auftreffpunkte (P1, P2) des Einfallmessstrahls (15) und des Rückmessstrahls (19) detektiert werden und, dass aus den detektierten Koordinaten des Auftreffpunktes (P1) des Einfallmessstrahls (15) und den detektierten Koordinaten des Auftreffpunktes (P2) des Rückmessstrahls (19) der Nick-, Gier- und Rollwinkel berechnet werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgekoppelte Rückmessstrahl (19) direkt in die Messebene (17) mit dem Detektor (D1) projiziert und der ausgekoppelte Einfallmessstrahl (15) in eine der Messebene (17) bezüglich des Retroreflektors (2) gegenüber liegende Reflexionsebene (55) projiziert wird und, dass der Einfallmessstrahl (15) mittels eines in der Reflexionsebene (55) angeordneten reflektierenden Elements (56) in die Messebene (17) reflektiert und dessen Auftreffpunkt (P1) in der Messebene (17) durch den Detektor (D1) detektiert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallmessstrahl (15) in einen Brennpunkt (B) fokussiert wird und sich mit einem virtuellen Zentrumsstrahl (16) im Brennpunkt (B) schneidet und, dass der Brennpunkt (B) nach der Reflexion des Einfallmessstahls (15) durch das reflektierende Element (56) in der Messebene (17) liegt.
  16. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position und Orientierung eines Körpers unter Verwendung eines mit dem Körper in Verbindung stehenden Retroreflektors (2) sowie eines mit einer die Raumposition des Körpers bzw. Retroreflektors detektierenden Messeinrichtung und einem Nachführsystem ausgestatteten Lasertrackers, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (10) zum Retroreflektor (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (10) als Rückstrahl (12) zum Lasertracker zurück reflektiert wird, wobei der Einfallstrahl (10) durch den Lasertracker bei einer Positionsänderung des Retroreflektors (2) dem Retroreflektor (2) nachführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallstrahl (10) um ein vorbestimmtes Maß und/oder einen detektierbaren Versatz versetzt zum Rückstrahl (12) in den Retroreflektor (2) einstrahlt und, dass die Positionen (P1, P11, P2, P22) des Einfallstrahls (10) und/oder des Rückstrahls (12) oder eines aus dem Einfallstrahl (10) und/oder Rückstrahl (12) ausgekoppelten Einfallmessstrahls bzw. Rückmessstrahls in versetzt zueinander liegenden Messebenen (60, 61, 62, 63) detektiert werden und, dass aus den in den Messebenen (60, 61, 62, 63) detektierten Koordinaten der Messpunkte (P1, P11, P2, P22) ein Richtungsvektor (V1, V2) abgeleitet wird, aus welchem die ausgeführten Nick- und Gierwinkel berechenbar sind und, dass aus den detektierten Koordinaten der Messpunkte (P1, P11, P2, P22) der Rollwinkel berechnet wird.
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