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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur optischen Vermessung, insbesondere zur optischen Vermessung verwinkelter Umgebungen.
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Bei der optischen Vermessung wird mittels elektromagnetischer Strahlung eine Entfernung gemessen. Dabei können elektromagnetische Wellen nahezu beliebiger Wellenlänge verwendet werden, wobei oftmals jedoch sichtbares Licht Verwendung findet.
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Im Folgenden wird die zum Messen verwandte Strahlung als 'Messstrahl' bezeichnet.
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Bei einer optischen Vermessung werden in der Regel Messverfahren verwendet, die mit der Laufzeit des Messstrahls und/oder mit Interferenz des Messstrahls mit einem Referenzstrahl oder mit dem reflektierten Messstrahl arbeiten.
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Bei interferometrischen Verfahren wird oftmals mit einer elektromagnetischen Strahlung gearbeitet, auf die ein hochfrequentes zweites Signal aufgeprägt wurde, welches jedoch eine geringere Frequenz aufweist als das Trägersignal.
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Optische Vermessungsverfahren haben gegenüber anderen Verfahren den Vorteil, dass sie bei einer vergleichsweise sehr hohen Messgenauigkeit große Strecken vermessen können. Im Gegensatz zu z. B. Messarmen können Strecken von theoretisch einigen Millimetern (bei interferometrischen Verfahren) bis hin zu mehreren tausend Kilometern (bei Laufzeitmessungen) vermessen werden, wobei die Vorteile beider Verfahren auch kombiniert werden können.
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Zum Beispiel werden in der Industrievermessung mittels Lasermessgeräten (Lasertracker) Maschinenbauteile mit sehr hoher Genauigkeit vermessen. Das Prinzip des Lasertrackers beruht auf einem Laser-Interferometer, das auf einen Messpunkt ausgerichtet wird. Interferometer und Ausrichtungselement sind in einem Gerät verbaut und als Messpunkt wird ein Reflektor verwendet. Der Vorteil dieser Methode liegt in der großen Reichweite des Systems, welche je nach Modell bis zu 80 Meter und mehr betragen kann.
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Ein Nachteil der bisher verwendeten optischen Verfahren ist, dass Messpunkte direkt auf einer Sichtlinie mit dem Messgerät liegen müssen. Es muss also eine direkte Sichtverbindung zwischen Messgerät und Messpunkt bestehen. Ist diese nicht mehr gegeben bzw. wird der Messstrahl durch einen Gegenstand unterbrochen, dann ist diese Methode nicht mehr anwendbar. Es müsste dann der Gerätestandpunkt geändert werden, was einen erheblichen Aufwand bedeutet. Somit ist eine Messung um Ecken herum, wie z. B. bei dem oben genannten Messarm, mit optischen Verfahren zurzeit nicht möglich.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die oben aufgeführten Nachteile überwinden.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Ansprüchen gelöst, bei denen mittels mindestens eines im Raum angebrachten Strahlablenkungselements der Messstrahl eines optischen Messgerätes auf den Messpunkt abgelenkt wird.
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Das Strahlablenkungselement befindet sich dabei nicht im Gehäuse des Messgerätes, ist also nicht Teil des Messgerätes und ist vorzugsweise nicht mit dem Messgerät, insbesondere nicht mittels Träger- oder Befestigungsstrukturen, verbunden.
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Das Strahlablenkungselement unterscheidet sich von zum Messgerät gehörenden Spiegeln oder Prismen insbesondere dadurch, dass der Messstrahl erst eine gewisse Wegstrecke außerhalb des Messgerätes. zurückgelegt hat, bis er auf das Strahlablenkungselement fällt, das den Messstrahl dann um Hindernisse auf dessen Weg herumlenkt oder zu Messpunkten lenkt, die nicht auf direktem Wege vom Messgerät aus erreichbar wären.
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Insbesondere ist mindestens ein Strahlablenkungselement mindestens fünfzig Zentimeter, bevorzugt jedoch mehr als zwei Meter, insbesondere mehr als fünf Meter, von dem optischen Messgerät entfernt angeordnet.
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Obwohl ein Strahlablenkungselement während der Messung fest auf dem Boden oder einem sonstigen stabilen Element angebracht ist, ist dennoch der Abstand zum Messgerät und die Position im Raum frei wählbar, weil es sich bei dem Messgerät und den Strahlablenkungselementen um voneinander unabhängige Elemente handelt.
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Geeignete optische Messgeräte sind alle optischen Messgeräte, welche einen Messstrahl, vorzugsweise Mikrowellen, sichtbares Licht, UV- oder Infrarotstrahlung, aussenden und vorzugsweise auch wieder empfangen.
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Bevorzugte Messgeräte sind Laufzeitmessgeräte oder auf Interferometrie basierende Messgeräte, die insbesondere noch weitere Größen messen, wie z. B. Lasertracker.
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Eine Ablenkung des Strahles bedeutet, dass der weitere Weg des Strahles nicht mehr in der Richtung der ursprünglichen Emission erfolgt. Bevorzugt wird die Ablenkung durch Beugungs- und/oder Brechungseffekte erreicht.
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Jedes Strahlablenkungselement ist in der Lage, einen eintreffenden Strahl dermaßen abzulenken, dass der auslaufende Strahl relativ zur Strahlachse des einlaufenden Strahles um einen Ablenkungswinkel A > 0 abgelenkt ist.
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Bevorzugte Strahlablenkungselemente enthalten optische Elemente zur Ablenkung des Strahles, insbesondere aus der Gruppe Spiegel, Prismen, und Wellenleiter, insbesondere Lichtleiter.
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Bevorzugt enthalten die Strahlablenkungselemente zusätzlich Bewegungselemente, mit denen eine Verkippung und/oder Verschiebung des Strahlablenkungselements oder mindestens eines ihrer optischen Elemente erreicht werden kann, insbesondere Bewegungselemente aus der Gruppe Scharniere, Gelenke, Schrauben, Motoren, Piezoelemente und Getriebe, und insbesondere zusätzlich Elemente, mit denen diese Verschiebung oder Verkippung gemessen werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthalten die Strahlablenkungselemente mindestens ein Sensorelement, mit dem die Position des auftreffenden und/oder auslaufenden Messstrahles relativ zum Strahlablenkungselement und/oder optischen Element ermittelt werden kann, welches also eine Ortsinformation liefern kann. Bevorzugte Sensorelemente sind photoempfindliche Halbleiter, insbesondere der Gruppe Photodioden, Phototransistoren und CCDs.
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Werden Spiegel als optische Elemente verwendet, sind diese Sensoren vorzugsweise auf deren Spiegelschicht und/oder, insbesondere bei einer teildurchlässigen Spiegelschicht, hinter dieser Schicht angeordnet.
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Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit das Strahlablenkungselement auch als 'Spiegel' bezeichnet. Dieser Begriff steht in diesem Falle stellvertretend für alle anderen möglichen Strahlablenkungselemente.
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Ein bevorzugtes Messverfahren mit einem optischen Messgerät und mindestens einem Strahlablenkungselement wird wie folgt ausgeführt:
- a) Ermittlung des Abstandes zwischen jedem Strahlablenkungselement und dem optischen Messgerät auf der Achse des Messstrahles und Ausrichtung des Strahlablenkungselementes und/oder des Messstrahls dermaßen, dass der Messstrahl auf den Messpunkt oder das folgende Strahlablenkungselement fällt, wobei letzteres so lange wiederholt wird, bis der Strahl auf den Messpunkt fällt.
Bevorzugt wird das Strahlablenkungselement relativ zum Messstrahl dermaßen angeordnet, dass eine Winkelveränderung des Strahlablenkungselements keine Änderung in der Position des auftreffenden Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement zur Folge hat. Im Falle eines Spiegels oder Prismas ist dies dann erreicht, wenn der Drehpunkt des Spiegels/Prismas dem Auftreffpunkt des Messstrahles entspricht. Jedoch kann auch nach erfolgter Ausrichtung des Messstrahles auf den Messpunkt der Auftreffpunkt des Messstrahles auf dem jeweiligen Strahlablenkungselement ermittelt werden.
- b) Ermittlung der Ablenkung des Messstrahles relativ zu seinem unabgelenkten Verlauf, was dem Ablenkungswinkel entspricht, mit dem der auslaufende Strahl relativ zum einlaufenden abgelenkt wird.
Dies würde bei einem Spiegel beispielsweise dem Doppelten der Verkippung des Lotes relativ zur Achse des auftreffenden Strahles entsprechen. in dem bevorzugten Fall, in dem der Messstrahl im Drehpunkt des Spiegels auf die Spiegelfläche auftrifft, kann der Ablenkungswinkel des betreffenden Strahlablenkungselements einfach durch eine Winkelskala oder die Auslenkung der Verstellelemente des Spiegels ermittelt werden, wenn die Ursprungsposition (Position, bei der der ausgehende Strahl auf die Achse des einlaufenden Strahls reflektiert wird) bekannt ist.
- c) Messung des Abstandes des Messpunktes relativ zum optischen Messgerät.
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Messpunkte enthalten in der Regel ein optisches Element, welches einen einlaufenden Strahl auf der Strahlachse oder parallel zu dieser zurücksendet. Arbeitet das optische Messgerät mit einem Empfang des Messstrahles, muss dieser vorzugsweise wieder auf die strahlablenkenden Elemente fallen und auf diese Weise zurück zum optischen Messgerät gelenkt werden. Dies kann durch Justage des optischen Messgerätes, des Messpunktes und der Strahlablenkungselemente einfach erreicht werden. Vorzugsweise sind die Strahlablenkungselemente von ihrer Größe so bemessen, dass der rückgesandte Strahl automatisch wieder zurück zum optischen Messgerät gelenkt wird.
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Durch die Ermittlung der Position des Strahlablenkungselements und des Winkels der Strahlablenkung, insbesondere relativ zu dem einlaufenden Messstrahl, ist es möglich, die Position eines Messpunktes im Raum zu bestimmen. Durch das optische Messverfahren wird die Gesamtstrecke von der Messapparatur zum Messpunkt ermittelt. Da der Auftreffpunkt des Messstrahles auf dem Spiegel und die Ablenkung des Messstrahles bekannt sind, ist es nun möglich, die Lage des Messpunktes im Raum zu rekonstruieren.
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Auf diese Weise ist die Vermessung von verwinkelten oder mit Objekten gefüllten Räumen möglich. Bei einer geschickten Anordnung eines oder mehrerer Strahlablenkungselemente ist es noch nicht einmal erforderlich, das optische Messgerät zu bewegen. Somit können Vermessungen vorgenommen werden, die nur auf einen einzigen Punkt, nämlich die Position des Messgerätes, justiert werden müssen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält mindestens eines der Strahlablenkungselemente mindestens eines der vorangehend. beschriebenen Sensorelemente. Ist ein solches Sensorelement an der Position des optimalen Auftreffpunktes des Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement angeordnet, kann eine Justage des Messstrahles einfach vorgenommen werden.
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Dies kann noch verbessert werden, wenn eine Matrix aus mehreren Sensorelementen oder mindestens ein ortsauflösendes Sensorelement, z. B. ein CCD, enthalten ist. durch die Ortsinformation, welche eine solche Matrix liefert, ist eine genaue Positionierung des Strahles möglich. Dies ist insbesondere der Fall, wenn mehrere Elemente der Matrix Energie des einlaufenden Strahles detektieren. Bei bekanntem Strahlprofil ist durch Wichtung des Energieeintrages der einzelnen Matrixelemente sogar eine genauere Ortsbestimmung der Auftreffposition des Messstrahls auf dem Strahlablenkungselement möglich, als durch die Matrix selber vorgegeben wird.
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Dieselben Sensoren können auch verwendet werden, um den Auftreffpunkt eines vom Messpunkt rücklaufenden Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement zu ermitteln. Durch diese Information kann der Fehler der Vermessung verringert werden.
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform enthält das Strahlablenkungselement oder das optische Element des Strahlablenkungselementes einen Oberflächenanteil, der in der Lage ist, einen auftreffenden Strahl parallel zu seiner Strahlachse zurückzulenken. Dies wird insbesondere durch 'Katzenaugen', oder Prismen, vorzugsweise basierend auf holographischen Elementen erreicht.
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Durch eine laterale Verschiebung oder eine Drehung des Strahlablenkungselements oder des optischen Elements des Strahlablenkungselements kann dieser Oberflächenanteil bei justiertem Strahlablenkungselement in den Strahl bewegt werden, ohne die Ausrichtung dieses Elements zu verändern. Befindet sich dieser Oberflächenanteil an der Auftreffposition des Messstrahles auf dem rücklenkenden Oberflächenanteil, wird dieser wieder zurück auf das optische Messgerät gelenkt und der Abstand der Auftreffposition des Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement kann direkt sehr genau bestimmt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Strahlablenkungselement so geschaffen, dass je nach Auftreffpunkt des Messstrahles der abgelenkte Strahl einen unterschiedlichen Ablenkungswinkel hat. Bevorzugt weist das Strahlablenkungselement mindestens ein optisches Element mit einer, insbesondere konvex gekrümmten Oberfläche auf, die vorzugsweise wiederum an der Oberfläche eine Verspiegelung oder Teilverspiegelung aufweist.
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Auf diese Weise ändert sich der Ablenkwinkel des Messstrahles in Abhängigkeit von dem Punkt, an dem der Messstrahl auf die Oberfläche des Strahlablenkungselements, bzw. dessen optischen Elements auftrifft. vorzugsweise wird das Strahlablenkungselement dermaßen relativ zum Messgerät angeordnet, dass es mindestens einen Punkt auf der Oberfläche des Strahlablenkungselements gibt, an dem der Messstrahl zum Messgerät zurückreflektiert würde und mindestens einen weiteren Punkt, an dem der Strahl auf einen Messpunkt abgelenkt würde, wobei lediglich der Messstrahl, jedoch nicht das Strahlablenkungselement bewegt würde.
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Der Punkt, an dem der Messstrahl zurück zum Messgerät reflektiert würde, ist bevorzugt mindestens ein planes optisches Element, z. B. ein Spiegel. Wird dieses plane optische Element, oder eines dieser planen optischen Elemente, dermaßen ausgerichtet, dass ein darauf gerichteter Messstrahl wieder zurück zum Messgerät reflektiert würde (Justageposition), ist eine Abstandsbestimmung des betreffenden Strahlablenkungselements vom Messgerät möglich. Ist dazu noch der Auftreffpunkt des Messstrahles auf dem betreffenden planen optischen Element bekannt, so lässt sich die Lage und relative Position des gekrümmten optischen Elements relativ zum Messgerät sehr genau bestimmen und ein Ablenkwinkel auf dem gekrümmten optischen Element kann alleine durch den Winkel bestimmt werden, mit dem der Messstrahl das Messgerät relativ zur Justageposition trifft. Eine genaue Bestimmung des Auftreffpunktes auf dem betreffenden planen optischen Element kann durch eine besonders kleine Dimensionierung des betreffenden optischen Elements oder mittels ortssensitiver Sensoren erreicht werden.
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Das Strahlablenkungselement muss nach der Justage nicht mehr bewegt werden, da alleine durch eine Winkeländerung des Messstrahles der Ablenkwinkel durch das gekrümmte optische Element verändert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch das optische Element mittels mindestens eines Bewegungselements lateral parallel zu der Oberfläche des planen optischen Elements verschoben, so dass der Messstrahl auf das gekrümmte optische Element fällt und auf diese Weise auf den Messpunkt gelenkt wird.
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Mehrere plane optische Elemente, die in verschiedenen Winkeln angeordnet sind, ermöglichen einen Betrieb des Strahlablenkungselements in mehreren Winkelbereichen für den abgelenkten Strahl, da das gekrümmte optische Element je nach dem zur Justage verwendeten planen optischen Element eine andere Verkippung relativ zum Messstrahl aufweist.
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Vorzugsweise ist die Oberfläche des optischen. Elements des Strahlablenkungselements ein Teil eines Zylindermantels oder ein Teil einer Kugeloberfläche, wobei 'Teil' nicht ausschließt, dass es sich bei dem optischen Element um einen vollständigen Zylindermantel oder eine vollständige Kugel handelt.
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Um die Strahlaufweitung zu kompensieren, können vor oder nach dem Auftreffen des Messstrahles auf das betreffende Strahlablenkungselement optische Einheiten oder Kollimatoren zur Kompensation der Strahlaufweitung, z. B. zur Bündelung oder Kollimierung, in den Strahlengang eingebracht werden.
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Eine andere Möglichkeit, die Strahlaufweitung zu minimieren, ist es, den Krümmungsradius des gekrümmten optischen Elements zu vergrößern, damit einhergehenden Einbußen für den Winkelbereich der Ablenkung des Messstrahls auf dem gekrümmten optischen Element auf einfache Weise mit der oben beschriebenen Ausführung mit mehreren planen optischen Elementen entgegengewirkt werden kann. Ansonsten wäre es auch einfach möglich, für jeden Winkelbereich ein eigenes Strahlablenkungselement zu verwenden.
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Das Messverfahren kann auf diese Weise ohne eine Verstellung des Strahlablenkungselements alleine durch die Bewegung des Messstrahls, z. B. mittels eines Lasertrackers, durchgeführt werden. Zur Ermittlung des Abstandes des Strahlablenkungselements wird der Messstrahl auf denjenigen Punkt auf dem Strahlablenkungselement bewegt, an dem er zum Messgerät reflektiert wird. Der Winkel, den der Messstrahl relativ zu einer Ursprungsrichtung im Raum dazu einnimmt sei 'Winkel 1'.
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Zum Messen des Abstandes eines Messpunktes wird der Messstrahl so bewegt, dass er von dem Strahlablenkungselement reflektiert auf den Messpunkt fällt. Der Winkel, den der Messstrahl nun relativ zu der Ursprungsrichtung im Raum einnimmt sei 'Winkel 2'
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Da die Geometrie des Strahlablenkungselements, bzw. des optischen Elements des Strahlablenkungselements bekannt ist, kann alleine aus dem gemessenen Abstand des Strahlablenkungselements und dem Unterschied zwischen Winkel 1 und Winkel 2 des Messstrahles die Position des Messpunktes im Raum relativ zum Messgerät bestimmt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere wenn die Verspiegelung teildurchlässig für den Messstrahl ist, enthält das Strahlablenkungselement eine ortssensitive Matrix aus Sensorelementen, wie z. B. ein CCD, so dass die Positionen der auf das Strahlablenkungselement auftreffenden Messstrahlen durch die Sensorelemente ermittelt werden können und die oben genannten Winkel 1 und 2 auf diese Weise bestimmt werden können.
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Die Sensorelemente können hinter der Verspiegelung, vor der Verspiegelung oder auch in der Spiegelschicht selber angeordnet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein optisches Messinstrument verwendet, das in der Lage ist, mehrere Messstrahlen unabhängig voneinander zu detektieren. Dadurch ist es möglich, dass der oben genannte Oberflächenanteil sich ständig im Strahl befindet, wobei er so beschaffen ist, dass ein Teil des Messstrahles zurück zum optischen Messgerät gelenkt wird und ein anderer Teil das Strahlablenkungselement in Richtung des Messpunktes oder des folgenden Strahlablenkungselementes verlässt.
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Auf diese Weise ist eine gleichzeitige Messung des Abstandes des optischen Messgerätes sowohl zu dem Strahlablenkungselement aus auch zum Messpunkt möglich.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, von einem einzigen Punkt aus komplexe Vermessungen durchzuführen und sogar die Rückseite von ausgedehnten Objekten wie z. B. Turbinen, Schiffen, Beschleunigerringen oder Planeten zu vermessen.
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Eine Bewegung des optischen Messgerätes und die damit verbundenen Kalibrierungen sind nicht mehr nötig. Alleine die Position und Ausrichtung der Strahlablenkungselemente muss bestimmt werden, was mit den oben genannten Möglichkeiten für den Fachmann sehr einfach durchzuführen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bewegungselemente mindestens eines Strahlablenkungselements durch eine Computereinheit steuerbar und mindestens ein Strahlablenkungselement ist in der Lage, Daten über seine Verschiebung/Verkippung und/oder Daten der, insbesondere ortssensitiven, Sensoren zu senden. Dies kann per Funk oder über eine Datenleitung, z. B. USB, geschehen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein, insbesondere durch Motoren, bewegliches, Strahlablenkungselement zwischen Messgerät und Messpunkt positioniert. Das bewegliche Strahlablenkungselement agiert dabei als selbstständiges Gerät, das mit einem Kontroller (z. B. einem Computer) verbunden ist und das zum Messzeitpunkt die beiden Winkel des beweglichen Strahlablenkungselements (horizontal und vertikal) misst und ausgibt. Mittels der Messungen des Messgerätes (Entfernung und Winkel des ausgesendeten Messstrahls) und der beiden Winkel des beweglichen Strahlablenkungselements kann die Position des Messpunktes in 3D eindeutig bestimmt werden.
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Beispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Vermessungssystems.
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2 zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vermessungssystems.
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3 veranschaulicht das Messverfahren mit einem erfindungsgemäßen Vermessungssystem.
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4 zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vermessungssystems.
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5 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Strahlablenkungseinheit.
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In der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform lenkt ein Strahlablenkungselement (3), hier ein Spiegel, einen Messstrahl (2) aus einem optischen Messgerät (1) zu einem Messpunkt (4), der mit einem Reflektor ausgestattet ist.
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Der Messstrahl wird vom Messpunkt parallel der eintreffenden Achse reflektiert und gelangt auf dem selben Wege über das Strahlablenkungselement (3) wieder in das Messgerät, welches auf diese Weise z. B. aus der Laufzeit oder interferometrischen Effekten die gesamte Strecke des Laufweges des Messstrahles ermittelt.
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In 2 lenkt wie in 1 ein Strahlablenkungselement (3), hier ein teildurchlässiger Spiegel, einen Messstrahl (2) aus einem optischen Messgerät (1) zu einem Messpunkt (4), der mit einem Reflektor ausgestattet ist.
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Ein Teil des eintreffenden Messstrahles wird durch den Spiegel reflektiert, und ein anderer Teil trifft am Punkt (6) auf ein ortsauflösendes, lichtempfindliches Sensorelement (5), das sich hier hinter dem Spiegel befindet.
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Auch der vom Zielpunkt reflektierte Messstrahl spaltet sich in einen Teil, der zur Lichtquelle zurück reflektiert wird, und in einen Teil, der an Punkt (7) auf das Sensorelement trifft, auf.
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Mittels dieser beiden Punkte (6) und (7) kann bestimmt werden, ob die Verdrehung des Spiegels optimal erfolgt ist, um den Strahlensätzen der Optik zu genügen.
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Es ist auch möglich, eine Bewegung des Messpunktes während der Messung festzustellen, da in diesem Falle eine Verschiebung des Punktes (7) erfolgen würde, was durch das Sensorelement auf der Stelle bemerkt werden würde.
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In 3 wird die Ermittlung der Koordinaten eines durch ein Objekt (8) verdeckten Messpunktes im Raum verdeutlicht, den ein Messgerät (1) nicht auf direktem Wege erkennen kann (gestrichelte Linie).
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Der Einheitsvektor des vom Messgerät emittierten Messstrahles A ergibt sich aus dem gemessenen Winkel 'alpha', und der durch die Stellung des Spiegels ermittelte Einheitsvektor des vom Strahlablenkungselement (3) abgelenkten Messstrahls B ergibt sich aus dem Winkel 'beta',
Sei die Länge der Gesamtstrecke des Messstrahles 's' und der gemessene Abstand zwischen Messgerät (2) und Strahlablenkungselement (3) 'x', dann ergibt sich unter der Annahme, dass das Messgerät im Ursprung eines Koordinatensystems angeordnet wäre, die Position P des Messpunktes nach P = xA + (s – x)B.
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4 zeigt schematisch ein Strahlablenkungselement (3), welches ein planes optisches Element und ein kreisförmig gebogenes optisches Element aufweist. Es ist natürlich auch möglich, mehrere dieser Formen zu kombinieren. In diesem Beispiel sind die optischen Elemente verspiegelt.
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Ein Messstrahl (2, gestrichelt), der auf das plane optische Element auftrifft, wird bei korrekter Ausrichtung des planen optischen Elements zum Messgerät (1) reflektiert und kann zur Bestimmung des Abstandes des optischen Elements dienen. Wird nun der Winkel des Messstrahls am Messgerät verändert, kann der Messstrahl (2, durchgezogene oder zweite gestrichelte Linie) mittels des gekrümmten optischen Elements auf einen Messpunkt (4) gelenkt werden.
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Da die Abmessungen der optischen Elemente des Strahlablenkungselements bekannt sind, kann alleine aus dem Winkel, mit dem der Messstrahl das Messgerät verlässt, der Ablenkwinkel am Strahlablenkungselement bestimmt werden. Eine genaue Bestimmung ist möglich, wenn der Auftreffpunkt auf dem planen optischen Element zur Abstandsmessung genau bekannt ist. Dies ist z. B. möglich, wenn das plane optische Element sehr klein ist. Bevorzugt ist jedoch das plane optische Element nur teilverspiegelt und ein ortssensitiver Sensor, z. B. ein CCD, misst sehr genau den Auftreffpunkt des Messstrahls.
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Eine Strahlaufweitung des Messstrahls kann durch den Krümmungsradius des gekrümmten optischen Elements beeinflusst werden. Je größer der Krümmungsradius, desto kleiner ist die Strahlaufweitung. Da die Größe des Krümmungsradius jedoch verkleinernd auf den Winkelbereich wirkt, in dem der Messpunkt liegen kann, sofern das Strahlablenkungselement nicht bewegt wird, ist es von Vorteil, je nach dem gewünschten Ablenkungswinkel mehrere verschiedene Ausführungsformen des Strahlablenkungselements zu verwenden.
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Bevorzugt enthält das Strahlablenkungselement jedoch mehrere plane optische Elemente, die in verschiedenen Winkeln zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das gekrümmte optische Element für verschiedene Winkelbereiche verwendet werden kann, je nachdem welches der planen optischen Elemente man zur Abstandsjustierung mit dem Messgerät verwendet.
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5 zeigt ein Strahlablenkungelement bestehend aus einem optischen Element (10), welches hier einen ortssensitiven Sensor (12), z. B. ein CCD, aufweist. Das optische Element kann relativ zu seiner vertikalen Achse in Richtung des Pfeils oder in Gegenrichtung mittels des Bewegungselements (11) gedreht oder verkippt werden. Weitere Bewegungselemente können für eine Verkippung in weiteren Raumachsen, z. B. der horizontalen Achse, verwendet werden. Ein auftreffender Messstrahl würde entsprechend seines, durch die Verkippung beeinflussten, Auftreffwinkels abgelenkt werden. Das Strahlablenkungselement kann beispielsweise an einem der Bewegungselemente fest im Messraum, z. B. am Boden oder dort befindlichen Objekten, montiert werden.
