DE102019111531B3

DE102019111531B3 - Vermessungsinstrument und Spiegelanordnung

Info

Publication number: DE102019111531B3
Application number: DE102019111531.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Kötzing; Matthias Nowak
Original assignee: Trimble Jena GmbH
Current assignee: Trimble Jena GmbH
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2039-05-04

Abstract

Ein Vermessungsinstrument umfasst eine Basis, eine Alhidade, die an der Basis angebracht ist, um um eine erste Achse 9 drehbar zu sein, ein optisches Messinstrument 11, das an der Alhidade angebracht ist, um um eine zweite Achse 13 drehbar zu sein, und ein Kalibrierungssystem 41, das eine Lichtquelle umfasst; einen an dem optischen Messinstrument montierten Spiegel 34 und einen Detektor. Der Detektor empfängt einen Lichtstrahl, der von der Lichtquelle emittiert und von dem Spiegel reflektiert wird, wenn sich das optische Messinstrument in einer bestimmten Ausrichtung um die zweite Achse befindet. Der Spiegel ist an einem Rahmen montiert, der relativ zu dem optischen Messinstrument um eine dritte Achse drehbar ist, wobei ein Winkel zwischen einer Flächennormalen 37 einer Spiegelfläche und der dritten Achse größer als 0,01° ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vermessungsinstrumente und Spiegelanordnungen, die in Vermessungsinstrumenten verwendet werden können.
Ein Vermessungsinstrument umfasst typischerweise eine Basis, eine Alhidade, die um eine erste Achse relativ zu der Basis drehbar ist, und ein optisches Messinstrument mit einer Messachse, die um eine zweite Achse relativ zu der Alhidade drehbar ist. Die Basis wird zur Montage des Instruments auf dem Boden, einem Fußboden, einer Wand oder einem anderen Gegenstand verwendet und kann beispielsweise ein Stativ umfassen. Die Basis definiert die erste Achse, um die die Alhidade relativ zu der Basis drehbar ist. Typischerweise ist die Basis so montiert, dass die erste Achse in vertikaler Richtung ausgerichtet ist. Die Alhidade definiert die zweite Achse, um die das optische Messinstrument relativ zu der Alhidade drehbar ist. Typischerweise sind die erste und die zweite Achse orthogonal zueinander. Das optische Vermessungsinstrument definiert die Messachse, die eine Achse des Messinstruments ist, entlang der eine Messung mit dem optischen Messinstrument durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann das optische Messinstrument von einem Typ sein, der einen Laserstrahl entlang der Messachse emittiert und Licht des von einem Objekt zurückreflektierten Laserstrahls erfasst, um den Abstand zwischen dem Objekt und dem optischen Messinstrument zu bestimmen. Die Messachse und die zweite Achse sind typischerweise orthogonal zueinander ausgerichtet.
Das Messinstrument kann Drehgeber umfassen, die die Drehpositionen der Alhidade um die erste Achse relativ zu der Basis und des optischen Messinstruments um die zweite Achse relativ zu der Alhidade messen. Es ist dann möglich, die Ausrichtung der Messachse in einem Koordinatensystem, das relativ zu der Basis definiert ist, zu bestimmen, so dass die entlang der Messachse durchgeführte Messung diesem Koordinatensystem zugeordnet werden kann.
Die Ausrichtung der Messachse im Koordinatensystem kann durch Berechnung unter Verwendung der Ausrichtung der ersten Achse im Koordinatensystem, der gemessenen Ausrichtung der Alhidade um die erste Achse relativ zu der Basis und der gemessenen Ausrichtung des Messinstruments um die zweite Achse relativ zu der Alhidade als Eingaben bestimmt werden. Die Berechnung hängt ferner von dem Winkel zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse und dem Winkel zwischen der zweiten Achse und der Messachse ab. Diese Winkel werden durch die mechanische Struktur des Messinstruments definiert, und Messinstrumente sind typischerweise so ausgelegt, dass diese Winkel 90° betragen. Diese Winkel weichen jedoch von den Winkeln ab, die aufgrund mechanischer Mängel gemäß der Konstruktion des Instruments erwartet werden, und diese Winkel können sich im Laufe der Zeit aufgrund von Einflüssen aus der Umgebung, wie z. B. sich ändernden Temperaturen, ändern.
Es sind Verfahren zum Kalibrieren eines Vermessungsinstruments bekannt, bei denen die oben genannten Winkel oder die Abweichungen dieser Winkel von den Winkeln, die aufgrund des Entwurfs des Messinstruments erwartet werden, unter Verwendung eines speziellen Messaufbaus außerhalb des Messinstruments gemessen werden können.
Beispielhaft wird hierzu auf die US 2006/0236746 A1 verwiesen.
Als firmeninterner Stand der Technik (europäische Patentanmeldung EP 19 157 547.1 ) ist ein Vermessungsinstrument bekannt, das ohne Verwendung externer Messaufbauten kalibriert werden kann.
Dieses herkömmliche Vermessungsinstrument umfasst ein Kalibrierungssystem, das eine an der Basis montierte Lichtquelle, einen am optischen Messinstrument montierten Spiegel und einen an der Basis montierten Detektor umfasst. Es gibt zwei Drehpositionen des optischen Messinstruments um die zweite Achse, so dass ein von der Lichtquelle des Kalibrierungssystems emittierter Lichtstrahl von dem Spiegel des Kalibrierungssystems reflektiert wird und danach auf den Detektor fällt. Es ist dann möglich, verschiedene Arten von Messungen durchzuführen, während der Lichtstrahl auf den Detektor fällt. Insbesondere umfassen die Messungen Variationen der Rotationsposition der Alhidade relativ zu der Basis um die erste Achse und Variationen der Rotationsposition des optischen Messinstruments relativ zu der Alhidade um die zweite Achse und das Bestimmen der entsprechenden Positionen der Einfallsorte des Lichtstrahls auf den Detektor. Basierend auf diesen Messungen ist es möglich, verschiedene Eigenschaften des Vermessungsinstruments zu bestimmen.
Der Spiegel des Kalibriersystems muss so am Messinstrument angebracht werden, dass der von der Lichtquelle emittierte Lichtstrahl auf den Detektor fällt. Dies erfordert, dass die Ausrichtung des Spiegels relativ zu dem optischen Messinstrument mit einer ausreichend hohen Genauigkeit mit dem Design des Vermessungsinstruments übereinstimmt. Diese erforderliche Genauigkeit steigt mit der Messgenauigkeit des Kalibriersystems zur Kalibrierung des Messinstruments.
Spiegelanordnungen, mit denen die Ausrichtung eines montierten Spiegels genau eingestellt werden kann, können komplex sein und zu dem Gesamtgewicht und zu den Kosten des Messinstruments beitragen.
Bekannte Strukturen zur Montage von Spiegeln, Fenstern und dergleichen in optischen Systemen können der WO 2014/145525 A1 entnommen werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Spiegelanordnungen bereitzustellen, die in Messinstrumenten verwendbar sind. Solche Spiegelanordnungen sollten vorzugsweise eine einfache, stabile und zuverlässige Konfiguration aufweisen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Vermessungsinstrument bereit, das eine Basis, eine Alhidade, die an der Basis angebracht ist, um um eine erste Achse drehbar zu sein, ein optisches Messinstrument, das an der Alhidade angebracht ist, um um eine zweite Achse drehbar zu sein, und ein Kalibrierungssystem, welches eine Lichtquelle, die an der Basis oder der Alhidade angebracht ist, einen Spiegel, der an dem optischen Messinstrument angebracht ist, und einen Detektor, der an der Basis oder der Alhidade angebracht ist, umfasst. Das Vermessungssystem ist so konfiguriert, dass der Detektor des Kalibrierungssystems einen Lichtstrahl empfängt, der von der Lichtquelle des Kalibrierungssystems emittiert und von dem Spiegel des Kalibrierungssystems reflektiert wird, wenn sich das optische Messinstrument in einer gegebenen ersten Ausrichtung um die zweite Achse relativ zu der Alhidade befindet.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Spiegel an einem Rahmen angebracht, der relativ zu dem optischen Messinstrument um eine dritte Achse drehbar ist, wobei ein Winkel zwischen einer Flächennormalen einer Spiegelfläche des Spiegels und der dritten Achse größer als 0,01° ist.
Gemäß weiteren beispielhaften Ausführungsformen beträgt der Winkel zwischen der Flächennormalen der Spiegelfläche und der dritten Achse weniger als 10°.
Herkömmliche Montagestrukturen für Spiegel ermöglichen die Einstellung der Ausrichtung des Spiegels mit zwei Freiheitsgraden. Solche herkömmliche Montagestrukturen sind mechanisch komplexe Anordnungen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, dass es für die Montagestruktur des Spiegels ausreichend ist, nur einen Freiheitsgrad bereitzustellen, da ein weiterer Freiheitsgrad bereits durch die Drehung des optischen Messinstruments relativ zu der Alhidade um die zweite Achse bereitgestellt wird. Der Freiheitsgrad, der durch die Montagestruktur des Spiegels bereitgestellt wird, plus der Freiheitsgrad, der durch die Drehung des optischen Messinstruments um die Alhidade bereitgestellt wird, reichen aus, um das Vermessungsinstrument so einzustellen, dass der von der Lichtquelle des Kalibrierungssystems emittierte Lichtstrahl nach seiner Reflexion von dem Spiegel auf den Detektor fallen kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen stellt die Drehung des Rahmens relativ zu dem optischen Messinstrument um die dritte Achse den einzigen Freiheitsgrad bereit, der eine Bewegung des Spiegels relativ zu dem optischen Messinstrument ermöglicht. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Drehung des Rahmens relativ zu dem optischen Messinstrument blockiert werden. Dies bedeutet, dass die Ausrichtung des Spiegels relativ zu dem Messinstrument nach der Einstellung der Ausrichtung des Spiegels relativ zu dem Messinstrument festgelegt werden kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen stellt der Rahmen einen oder mehrere äußere Flächenabschnitte mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form bereit, und das optische Messinstrument umfasst einen Flansch, der einen oder mehrere innere Flächenabschnitte mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form bereitstellt, die den einen oder die mehreren äußeren Flächenabschnitte des Rahmens berühren. Hierbei können die äußere zylindrische Form, die durch den einen oder die mehreren äußeren Flächenabschnitte erzeugt wird, und die im Wesentlichen zylindrische Form, die durch den einen oder die mehreren inneren Flächenabschnitte erzeugt wird, ein genaues Drehlager des Rahmens relativ zu dem Messinstrument bereitstellen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen hierin umfasst der Flansch einen Schlitz und einen Gewindebolzen, der konfiguriert ist, um die inneren Flächenabschnitte des Flansches gegen die äußeren Flächenabschnitte des Rahmens zu drücken. Die Drehung des Rahmens relativ zu dem optischen Messinstrument kann durch Drehen des Gewindebolzens blockiert werden, so dass die inneren Flächenabschnitte des Flansches ausreichend gegen die äußeren Flächenabschnitte des Rahmens gedrückt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist das Vermessungsinstrument so konfiguriert, dass der Detektor des Kalibrierungssystems den Lichtstrahl, der von der Lichtquelle des Kalibrierungssystems emittiert und von dem Spiegel reflektiert wird, empfängt, auch wenn sich das optische Messinstrument in einer gegebenen zweiten Ausrichtung um die zweite Achse relativ zu der Alhidade befindet, wobei sich das optische Messinstrument in der zweiten Ausrichtung befindet, wenn es ausgehend von der ersten Ausrichtung um etwa 180° um die zweite Achse gedreht wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst der Spiegel eine Glasplatte mit zwei Hauptflächen, wobei die Spiegelfläche durch eine reflektierende Schicht bereitgestellt wird, die auf einer Hauptfläche der beiden Hauptflächen der Glasplatte vorgesehen ist. Die reflektierende Schicht stellt zwei gegenüberliegende Spiegelflächen bereit, die genau parallel zueinander sind, wenn die Schichtdicke der reflektierenden Schicht über die Spiegelfläche konstant ist.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst das optische Messinstrument ein Teleskop.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Vermessungsinstrument eine Totalstation, ein Scanner und ein Theodolit oder eine andere Art von Messinstrument sein.
Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst eine Spiegelanordnung eine Glasplatte mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, einen Rahmen und einen O-Ring aus einem elastischen Material. Der Rahmen bietet eine flache Aufnahmefläche und eine zylindrische Innenwand mit einer Nut. Der O-Ring wird in der Nut so aufgenommen, dass er an der zylindrischen Innenwand vorsteht. Die Glasplatte berührt die flache Aufnahmefläche zumindest mit einem Umfangsabschnitt ihrer ersten Hauptfläche. Der O-Ring steht an einem Außenumfang seiner zweiten Hauptfläche in Kontakt mit der Glasplatte, so dass die Glasplatte durch die von dem O-Ring erzeugte elastische Kraft gegen die flache Aufnahmefläche gedrückt wird.
Diese Spiegelanordnung bietet eine einfache und robuste Halterung für einen Spiegel, der auch thermisch stabil ist.
Die Glasplatte kann eine Schutzfase am Außenumfang der zweiten Hauptfläche und/oder am Außenumfang der ersten Hauptfläche aufweisen. Der O-Ring ist elastisch verformt und drückt die Glasplatte in axialer Richtung gegen die flache Aufnahmefläche. Darüber hinaus drückt der O-Ring die Glasplatte an ihrem Umfang in radialer Richtung, so dass die Glasplatte relativ zu der zylindrischen Wand zentriert ist und ein radialer Spalt zwischen einem Außenumfang der Glasplatte und der zylindrischen Innenwand aufrechterhalten werden kann. Ein solcher Spalt kann vorteilhaft sein, um eine mechanische Belastung der Glasplatte zu vermeiden, wenn sich der Rahmen und die Glasplatte unterschiedlich ausdehnen, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert.
Die vorstehenden sowie andere vorteilhafte Merkmale dieser Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher, in denen:

1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines Messinstruments ist;
2 eine perspektivische Schnittübersicht eines optischen Messinstruments, das in einem Vermessungsinstrument verwendet werden kann, ist, wie in 1 gezeigt;
3 eine schematische Darstellung eines Kalibrierungssystems des Vermessungsinstruments ist, wenn sich das optische Messinstrument in einer ersten Ausrichtung relativ zu einer Alhidade befindet;
4 eine schematische Darstellung eines Kalibrierungssystems des Vermessungsinstruments ist, wenn sich das optische Messinstrument in einer zweiten Ausrichtung relativ zu einer Alhidade befindet;
5 eine Schnittansicht eines Details des in 2 gezeigten optischen Messinstruments ist;
6 eine perspektivische Darstellung des in 5 gezeigten Details ist; und
7 eine vergrößerte Schnittansicht des in den 5 und 6 gezeigten Details ist.

Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
In den nachstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen werden Komponenten, die in Funktion und Struktur gleich sind, soweit wie möglich durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Um die Merkmale der einzelnen Komponenten einer spezifischen Ausführungsform zu verstehen, sollte daher auf die Beschreibungen anderer Ausführungsformen und der Zusammenfassung der Erfindung Bezug genommen werden.
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Vermessungsinstruments. Das Vermessungsinstrument 1 kann beispielsweise ein Theodolit sein. Das Vermessungsinstrument 1 umfasst eine Basis 3, die ein Stativ 5 aufweist, und eine Alhidade 7, die relativ zu der Basis 3 um eine erste Achse 9 drehbar ist. In den meisten Vermessungsszenarien ist das Stativ so eingestellt, dass die erste Achse 9 in der vertikalen Richtung ausgerichtet ist. Das Vermessungsinstrument umfasst ferner ein optisches Messinstrument 11, das an der Alhidade 7 so angebracht ist, dass es relativ zu der Alhidade 7 um eine zweite Achse 13 drehbar ist. Vermessungsinstrumente sind typischerweise so ausgelegt, dass die zweite Achse 13 orthogonal zu der ersten Achse 9 ausgerichtet ist. Das Messinstrument 11 umfasst eine Optik 15, wie beispielsweise ein Teleskop, das eine Messachse 17 definiert, entlang derer eine Messung unter Verwendung des optischen Messinstruments durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Messachse 17 durch ein Fadenkreuz im Gesichtsfeld eines Teleskops des optischen Messinstruments angezeigt werden, und der Benutzer kann die Messachse 17 auf ein interessierendes Objekt im Gesichtsfeld des Teleskops richten, indem er das Messinstrument 11 um die zweite Achse 13 und die Alhidade 7 um die erste Achse 9 dreht. Der Benutzer kann dann die Ausrichtungen um die erste und zweite Achse 9, 13 bestimmen, indem er auf dem Vermessungsinstrument bereitgestellte Skalen oder elektronische Signale liest, die von Codierern, die der ersten und zweiten Achse 9, 13 zugeordnet sind, erzeugt werden. Basierend auf diesen Messwerten kann eine Winkelposition des interessierenden Objekts relativ zu einem Koordinatensystem, das der Basis 3 zugeordnet ist, bestimmt werden. Die Berechnung dieser Ausrichtung hängt von den Messwerten der Drehpositionen um die erste und zweite Achse 9, 13 als Eingaben ab. Die Berechnung hängt ferner von der Geometrie des Messinstruments ab. Insbesondere hängt die Berechnung von dem Winkel zwischen der ersten Achse 9 und der zweiten Achse 13 und dem Winkel zwischen der zweiten Achse 13 und der Messachse 17 ab. Wenn die wahren Werte dieser Winkel von den bei der Berechnung verwendeten erwarteten Werten abweichen, tritt ein Messfehler auf.
Um Abweichungen der Orientierungen dieser Achsen relativ zueinander von entsprechenden erwarteten Orientierungen, die durch den Entwurf des Vermessungsinstruments 1 definiert sind, zu bestimmen, umfasst das Vermessungsinstrument 1 ein Kalibrierungssystem 41, das nachstehend dargestellt wird.
2 zeigt eine perspektivische Schnittübersicht des optischen Messinstruments 11. Das Messinstrument 11 umfasst eine Optik 15, die in einem im Wesentlichen rohrförmigen Gehäuse 23 angebracht ist. Die Optik 15 umfasst eine Objektivlinse 25, die ein oder mehrere Linsenelemente 26 und einen CCD-Sensor 27 als optischen Detektor umfasst. Die Objektivlinse 26 ist so ausgelegt, dass sie Bilder von entfernten Objekten auf der empfindlichen Oberfläche des CCD-Sensors 27 erzeugen kann.
Darüber hinaus kann das optische Messinstrument ferner eine Fokussierlinsenanordnung 29 mit einer oder mehreren Linsen 30 umfassen, wobei die Fokussierlinsenanordnung 29 in einer Richtung der Achse 17 innerhalb des Gehäuses 23 verschoben sein kann, bis ein scharfes Bild eines Objekts bei einem gegebenen Abstand von dem optischen Messinstrument 11 auf dem CCD-Sensor 27 erzeugt wird. Darüber hinaus kann das optische Messinstrument 11 eine Zoomoptikanordnung 31 mit einer oder mehreren Linsen 32 umfassen, wobei die Zoomoptikanordnung 31 innerhalb des Gehäuses 23 entlang der Achse 17 zum Ändern einer Vergrößerung des Bildes des entfernten Objekts auf dem CCD-Sensor 27 verschiebbar ist.
Die Komponenten 25, 29, 31 der Optik 15 definieren die Messachse 17 des optischen Messinstruments 11.
Das optische Messinstrument 11 umfasst ferner eine Spiegelanordnung 33 mit einem Spiegel 34, der an dem Gehäuse 23 angebracht ist. Der Spiegel 34 hat eine Spiegelfläche 35, die so ausgerichtet ist, dass eine Flächennormale 37 der Spiegelfläche 35 im Wesentlichen orthogonal zu der zweiten Achse 13 ausgerichtet ist und einen Bereich 38 schneidet, in dem sich die erste Achse 9, die zweite Achse 13 und die Messachse 17 schneiden oder einander am nächsten kommen.
Der Spiegel 34 ist eine Komponente des Kalibrierungssystems 41, die unter Bezugnahme auf die 3 und 4 dargestellt wird.
Die 3 und 4 sind schematische Darstellungen des Kalibrierungssystems 41 des Vermessungsinstruments 1, wobei das optische Messinstrument 11 in einer ersten Ausrichtung um die zweite Achse 13 in 3 und in einer zweiten Ausrichtung um die zweite Achse 13 in 4 positioniert ist.
Das Kalibrierungssystem 41 umfasst eine Lichtquelle 43, die einen Lichtstrahl emittiert, der eine Lochblende 45 durchläuft, einschließlich einer Platte mit einer kleinen Öffnung, so dass ein divergierender Lichtstrahl stromabwärts der Lochblende 45 gebildet wird. Dieser Strahl wird nach einer Reflexion von einem Strahlteiler 49 durch eine Linse 47 kollimiert. Der kollimierte Strahl wird von einem weiteren Strahlteiler 51 so reflektiert, dass er sich entlang der ersten Achse 9 in Richtung des an dem optischen Messinstrument 11 angebrachten Spiegels 34 bewegt. Der Spiegel 34 umfasst eine Glasplatte 53 mit einer ersten flachen Hauptfläche 54 und einer zweiten flachen Hauptfläche 55, die im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die erste Hauptfläche 54 eine Schicht eines reflektierenden Materials trägt, um eine Spiegelfläche bereitzustellen, von der aus der von der Lichtquelle 43 erzeugte Strahl reflektiert wird, um zurück zu dem Prisma 51, von dem er reflektiert wird, zu wandern. Dieser reflektierte Strahl wird von der Linse 47 fokussiert, durchquert den Strahlteiler 49 und trifft auf einen positionsempfindlichen Detektor 57, der beispielsweise ein CCD-Sensor sein kann.
Das Kalibrierungssystem 41 umfasst ferner einen Aktuator 59, der von einer Steuerung 61 gesteuert wird und konfiguriert ist, um die Kollimationslinse 47 in einer Richtung ihrer optischen Achse zu verschieben, wie durch einen Pfeil 60 in 3 gezeigt ist. Der Aktuator 59 kann gesteuert werden, um einen Fokus des auf dem Detektor 57 erzeugten Lichtstrahls einzustellen. Die Position dieses Fokus auf dem Detektor 57 wird von der Steuerung 61 analysiert. Die Steuerung 61 steuert ferner Motoren zum Drehen der Alhidade 7 um die erste Achse 9 und zum Drehen des optischen Messinstruments 11 um die zweite Achse 13. Beide von der Steuerung 61 gesteuerten Drehungen ändern die Position des Fokus des Lichtstrahls auf dem Detektor 57. Die Steuerung kann die Position des Fokus auf dem Detektor 57 in Abhängigkeit von der Drehposition um die Achse 9 und der Drehposition des optischen Messinstruments 11 um die zweite Achse 13 analysieren. Diese Analyse kann wichtige Informationen bezüglich der Ausrichtung der zweiten Achse 13 relativ zu der ersten Achse 9 liefern. Insbesondere können der Kollimationsfehler und der Zapfenachsenfehler des Vermessungsinstruments unter Verwendung einer solchen Analyse bestimmt werden. Detaillierte Informationen zu dieser Analyse sind in der von dem Anmelder am 15. Februar 2019 eingereichten europäischen Patentanmeldung EP 19 157 547.1 beschrieben.
In dem Beispiel, das unter Bezugnahme auf 4 oben dargestellt ist, sind die Lichtquelle 43 und der Detektor 57 und andere Komponenten des Kalibrierungssystems 41 auf der Basis 3 montiert. In anderen Beispielen können einige oder alle dieser Komponenten an der Alhidade 7 montiert werden.
4 ist eine schematische Darstellung des Kalibrierungssystems 41 ähnlich zu 3, wobei das optische Messinstrument 11 ausgehend von der in 3 gezeigten Position um 180° um die zweite Achse 13 gedreht wurde. Wenn das optische Messinstrument 11, wie in 4 gezeigt ausgerichtet ist, wird der von der Lichtquelle 43 erzeugte Lichtstrahl auch von dem Spiegel 34 reflektiert. In dieser Situation durchquert der Strahl jedoch die Glasplatte 53 des Spiegels 34, bevor er an der reflektierenden Schicht, die auf seiner ersten Hauptfläche 54 vorgesehen ist, reflektiert wird.
Wiederum kann die Steuerung 61 die Motoren steuern, um die Ausrichtung der Alhidade 7 um die erste Achse 9 und die Ausrichtung des optischen Messinstruments 11 um die zweite Achse 13 zu ändern und die Position des Fokus des Lichtstrahls auf dem Detektor 57 in Abhängigkeit von diesen Orientierungsänderungen zu analysieren.
In den in den 3 und 4 gezeigten Konfigurationen wird der von der Lichtquelle 43 des Kalibrierungssystems 41 erzeugte Lichtstrahl von dem Spiegel 34 so reflektiert, dass er einen Fokus auf den Detektor 57 erzeugt. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, dass der Spiegel 34 in Bezug auf das Gehäuse 23 des optischen Messinstruments 11 angemessen ausgerichtet ist. Die Spiegelanordnung, die eine geeignete Einstellung der Ausrichtung des Spiegels relativ zu dem Gehäuse 23 ermöglicht, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 dargestellt.
Der Spiegel 34, der die Glasplatte 53 mit den zwei parallelen flachen Hauptflächen 54, 55 mit der auf der ersten Hauptfläche 54 vorgesehenen Reflexionsschicht umfasst, ist an einem Rahmen 65 angebracht. Der Rahmen 65 umfasst eine flache Aufnahmefläche 67, wobei der Außenumfang der ersten Hauptfläche 54 der Glasplatte 53 mit der flachen Aufnahmefläche 67 in Kontakt steht. Der Rahmen 65 umfasst ferner eine zylindrische Innenwand 69 mit einer Nut 71. In der Nut 71 ist ein O-Ring 73 aus einem elastischen Material aufgenommen, wobei der O-Ring an der zylindrischen Innenwand 69 vorsteht. Die Dicke der Glasplatte 53 und die Abmessungen der zylindrischen Innenwand 69 sind so ausgewählt, dass das elastische Material des O-Rings 73 zusammengedrückt wird und eine Kraft erzeugt, die die Glasplatte 53 gegen die flache Aufnahmefläche 67 drückt. Hierbei weist der Außenumfang der ersten Hauptfläche 54 eine abgeschrägte Kante auf, die eine Schutzfase 75 für die Glasplatte 53 bereitstellt. Der O-Ring 73 steht in Kontakt mit der Glasplatte an der Schutzfase 75. Eine weitere abgeschrägte Kante, die eine Schutzfase bereitstellt, kann auch am Außenumfang der zweiten Hauptfläche 55 der Glasplatte 53 vorgesehen sein.
Die Glasplatte 53 kann an dem Rahmen 65 angebracht werden, indem die Glasplatte 53 an der Aufnahmefläche 67 angebracht und dann der O-Ring 73 unter Verwendung eines geeigneten Werkzeugs in die Nut 71 eingeführt wird. Danach ist der Spiegel sicher und unbeweglich an dem Rahmen 65 befestigt.
Der O-Ring 73 hat die Form eines Torus mit einer Hauptsymmetrieachse, die im Wesentlichen mit der Achse 81 zusammenfällt. Wie im Querschnitt des in 7 gezeigten Abschnitts zu sehen ist, befinden sich die Zentren des O-Rings 73 an Positionen, die von einer Hauptsymmetrieachse des O-Rings beabstandet sind. Darüber hinaus ist der Außenumfang der zweiten Hauptfläche 55 der Glasplatte 53 auch im Wesentlichen symmetrisch um die Achse 81. Es gibt einen radialen Unterschied A zwischen dem Außenumfang der zweiten Hauptfläche 55 der Glasplatte 53 und den Mittelpunkten der Abschnitte des O-Rings, der sicherstellt, dass die Glasplatte in einer Position gehalten wird, die relativ zu der Achse 81 zentriert ist. Wie in 7 zu sehen ist, ist ein radialer Spalt 97 zwischen einem Außenumfang der Glasplatte 53 und der zylindrischen Innenwand 69 des Rahmens 65 vorgesehen, der ein gewisses Spiel ermöglicht, so dass die seitliche Position der Glasplatte 53 durch den elastischen O-Ring eingestellt werden kann. Ferner gibt es einen axialen Unterschied B zwischen der flachen Aufnahmefläche 67 des Rahmens 65 und den Mittelpunkten der Abschnitte des O-Rings, was sicherstellt, dass die Glasplatte 53 gegen die flache Aufnahmefläche 67 gedrückt wird.
Der Rahmen 65 umfasst ferner einen äußeren Flächenabschnitt 76 mit einer zylindrischen Form. Dieser äußere Flächenabschnitt 76 berührt einen inneren Flächenabschnitt 77, der durch einen Flansch 79, der an dem Gehäuse 23 ausgebildet ist, vorgesehen ist.
Der Rahmen 65 ist relativ zu dem Gehäuse 23 um eine dritte Achse 81, die mit der Symmetrieachse des äußeren Flächenabschnitts 76 des Rahmens 65 zusammenfällt, drehbar. Der Rahmen 65 ist so konstruiert und hergestellt, dass diese Symmetrieachse 81 nicht genau orthogonal zu der flachen Aufnahmefläche 67 ist. Dies hat zur Folge, dass die Symmetrieachse 81 nicht mit der Flächennormalen 37 der ersten und zweiten Hauptfläche 54, 55 der Glasplatte 53 zusammenfällt. In der dargestellten Ausführungsform beträgt ein Winkel α zwischen der Symmetrieachse 81 des zylindrischen äußeren Flächenabschnitts 76 und der Flächennormalen 37 der ersten und zweiten Hauptfläche 54, 55 der Glasplatte 53 0,5°. Andere geeignete Werte des Winkels α können in Abhängigkeit von den Besonderheiten einer Anwendung ausgewählt werden. Diese Werte können beispielsweise in einem Bereich von 0,01° bis 10° ausgewählt werden.
Es ist ersichtlich, dass die Ausrichtung des Spiegels 34 relativ zu dem Gehäuse 23 des optischen Messinstruments 11 durch Drehen des Rahmens 65 relativ zu dem Gehäuse 23 geändert werden kann. Daher kann ein Bediener die Drehposition des Rahmens 65 relativ zu dem Gehäuse 23 so einstellen, dass der von dem Kalibrierungssystem 41 erzeugte Lichtstrahl von dem Spiegel 34 reflektiert wird, so dass ein Strahlfleck auf dem Detektor 57 des Kalibrierungssystems 41 gebildet wird, wenn sich das Messinstrument 11 in einer geeigneten Drehposition um die zweite Achse 13 relativ zu der Alhidade 7 befindet.
Im Vergleich zu anderen herkömmlichen Spiegelbefestigungsanordnungen ist die oben dargestellte Anordnung besonders einfach und weist eine geringe Anzahl beweglicher Komponenten auf. Insbesondere erlaubt die Spiegelanordnung nur einen Freiheitsgrad zum Ändern der Ausrichtung des Spiegels relativ zu dem Gehäuse 23. Dieser Freiheitsgrad wird durch die Drehung des Rahmens 65 relativ zu dem Flansch 79 des Gehäuses 23 bereitgestellt. Dennoch kann die Ausrichtung des Spiegels relativ zu der Lichtquelle 43 und zu dem Detektor 57 des Kalibriersystems 41 unter Verwendung von zwei Freiheitsgraden eingestellt werden, wobei der zweite Freiheitsgrad durch die Drehung des Gehäuses 23 relativ zur Alhidade 7 um die zweite Achse 13 bereitgestellt wird.
Der Flansch 79 umfasst einen Schlitz 85, der den Flansch 79 trennt, und ein Durchgangsloch 87, das die getrennten Abschnitte des Flansches 79 durchquert. Ein Gewindebolzen 89 ist in das Durchgangsloch 87 eingeführt und kann festgezogen werden, um die Drehposition des Rahmens 65 relativ zu dem Flansch 79 durch Drücken des inneren Flächenabschnitts 77 des Flansches 79 gegen den äußeren Flächenabschnitt 76 des Rahmens 65 zu blockieren.
Der Rahmen 65 umfasst mehrere Löcher 91, die um die Achse 81 verteilt sind und Werkzeugeingriffsflächen bereitstellen. Der Bediener kann ein geeignetes Werkzeug in eines der Löcher 91 einführen, um den Rahmen 65 relativ zu dem Gehäuse 23 zu drehen, bis eine zufriedenstellende Ausrichtung des Spiegels relativ zu dem Gehäuse 23 erreicht ist. Danach kann der Bediener die Gewindeschraube 89 festziehen, um den Spiegel 34 in seiner eingestellten Position relativ zu dem Gehäuse 23 zu fixieren.
Darüber hinaus umfasst der Rahmen 65 eine zentrale Öffnung, die durch eine Umfangswand 95 begrenzt ist, wobei die zentrale Öffnung von dem von der Lichtquelle 43 emittierten Lichtstrahl durchquert wird, um auf die Spiegelfläche 35 zu fallen, wenn sich das Messinstrument 11 in der zweiten Ausrichtung um die zweite Achse 13 befindet, wie in 4 gezeigt. Die zentrale Öffnung definiert auch die flache Aufnahmefläche 67 so, dass sie ringförmig ist. Insbesondere begrenzt die zentrale Öffnung den Innenumfang der ringförmigen flachen Aufnahmefläche 67.
Während hier veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben wurden, weist der Umfang jeglicher und aller Ausführungsformen äquivalente Elemente, Modifikationen, Auslassungen, Kombinationen (z. B. von Aspekten über verschiedene Ausführungsformen hinweg), Anpassungen und/oder Änderungen, wie sie von dem Fachmann auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung geschätzt würden. Die Beschränkungen in den Ansprüchen sind weitgehend auf der Grundlage der in den Ansprüchen verwendeten Sprache auszulegen und nicht auf die in der vorliegenden Beschreibung oder während der Verfolgung der Anmeldung beschriebenen Beispiele zu beschränken, wobei diese Beispiele als nicht ausschließlich auszulegen sind. Ferner können die Betriebe der offenbarten Prozesse und Verfahren auf irgendeine Weise modifiziert werden, einschließlich durch Umordnen von Betrieben und/oder Einfügen zusätzlicher Betriebe und/oder Löschen von Betrieben. Es ist daher beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur zur Veranschaulichung betrachtet werden, wobei ein wahrer Umfang und Geist durch die Ansprüche und ihren vollen Umfang von Äquivalenten angegeben wird.

Claims

Vermessungsinstrument, umfassend: - eine Basis (3); - eine Alhidade (7), die an der Basis (3) angebracht ist, um um eine erste Achse (9) drehbar zu sein; - ein optisches Messinstrument (11), das an der Alhidade (7) angebracht ist, um um eine zweite Achse (13) drehbar zu sein; und - ein Kalibrierungssystem (41), welches eine Lichtquelle (43), die an der Basis (3) oder der Alhidade (7) angebracht ist, einen Spiegel (34), der an dem optischen Messinstrument (11) angebracht ist, und einen Detektor (57), der an der Basis (3) oder der Alhidade (7) angebracht ist, umfasst; wobei das Vermessungsinstrument (1) so konfiguriert ist, dass der Detektor (57) des Kalibrierungssystems (41) einen Lichtstrahl empfängt, der von der Lichtquelle (43) des Kalibrierungssystems (41) emittiert und von dem Spiegel (34) des Kalibrierungssystems (41) reflektiert wird, wenn sich das optische Messinstrument (11) in einer gegebenen ersten Ausrichtung um die zweite Achse (13) relativ zu der Alhidade (7) befindet; wobei der Spiegel (34) an einem Rahmen (65) angebracht ist, der relativ zu dem optischen Messinstrument (11) um eine dritte Achse (81) drehbar ist, wobei ein Winkel zwischen einer Flächennormalen (37) einer Spiegelfläche (35) des Spiegels (34) und der dritten Achse (81) größer als 0,01° ist.
Vermessungsinstrument nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen der Flächennormalen (37) der Spiegelfläche (35) und der dritten Achse (81) weniger als 10° ist.
Vermessungsinstrument nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rahmen (65) und das optische Messinstrument (11) derart konfiguriert sind, dass die Drehung des Rahmens (65) relativ zu dem optischen Messinstrument (11) blockiert werden kann.
Vermessungsinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rahmen (65) einen oder mehrere äußere Flächenabschnitte (76) mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form bereitstellt; und wobei das optische Messinstrument (11) einen Flansch (79) aufweist, der einen oder mehrere innere Flächenabschnitte (77) einer im Wesentlichen zylindrischen Fläche bereitstellt, die den einen oder die mehreren äußeren Flächenabschnitte (76) des Rahmens (65) berühren.
Vermessungsinstrument nach Anspruch 4, wobei der Flansch (79) einen Schlitz (85) und einen Gewindebolzen (89) umfasst, der dazu konfiguriert ist, den einen oder die mehreren inneren Flächenabschnitte (77) des Flansches (79) gegen den einen oder die mehreren äußeren Flächenabschnitte (76) des Rahmens (65) zu drücken.
Vermessungsinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Rahmen (65) mehrere Werkzeugangriffsflächen (91) aufweist, die an einem Außenumfang desselben vorgesehen sind.
Vermessungsinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Vermessungsinstrument (1) so konfiguriert ist, dass der Detektor (57) des Kalibrierungssystems (41) den von der Lichtquelle (43) des Kalibrierungssystems (41) emittierten und von dem Spiegel (34) reflektierten Lichtstrahl empfängt, wenn sich das optische Messinstrument (11) in einer gegebenen zweiten Ausrichtung um die zweite Achse (13) relativ zu der Alhidade (7) befindet; wobei sich das optische Messinstrument (11) in der zweiten Ausrichtung befindet, wenn es ausgehend von der ersten Ausrichtung um etwa 180° um die zweite Achse (13) gedreht wird.
Vermessungsinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Spiegel (34) eine Glasplatte (53) mit zwei Hauptflächen (54, 55) aufweist und wobei die Spiegelfläche (35) durch eine reflektierende Schicht bereitgestellt wird, die auf einer Hauptfläche der beiden Hauptflächen (54, 55) der Glasplatte (53) vorgesehen ist.
Vermessungsinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das optische Messinstrument (11) ein Teleskop umfasst.
Vermessungsinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Vermessungsinstrument (1) eine Totalstation, ein Scanner und ein Theodolit ist.
Spiegelanordnung, umfassend: eine Glasplatte (53) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche (54, 55), einen Rahmen (65) und einen O-Ring (73) aus einem elastischen Material; wobei der Rahmen (65) eine flache Aufnahmefläche (67) und eine zylindrische Innenwand (69) mit einer Nut (71) aufweist; wobei der O-Ring (73) in der Nut (71) so aufgenommen ist, dass er an der zylindrischen Innenwand (69) vorsteht; wobei der O-Ring (73) an einem Außenumfang der zweiten Hauptfläche (55) mit der Glasplatte (53) in Kontakt steht; wobei die Glasplatte (53) mit der flachen Aufnahmefläche (67) mit einem Umfangsabschnitt ihrer ersten Hauptfläche (54) in Kontakt steht; und wobei die Glasplatte (53) durch den O-Ring (73) gegen die flache Aufnahmefläche (67) gedrückt wird.
Spiegelanordnung nach Anspruch 11, wobei die Glasplatte (53) eine Schutzfase (75) am Außenumfang der zweiten Hauptfläche (55) und/oder am Außenumfang der ersten Hauptfläche (54) aufweist.
Spiegelanordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Rahmen (65) eine zentrale Öffnung (95) aufweist, wobei die flache Aufnahmefläche (67) eine Ringform aufweist und wobei ein innerer Umfang der Ringform durch die zentrale Öffnung (95) begrenzt ist.
Spiegelanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein radialer Spalt (97) zwischen einem Außenumfang der Glasplatte (53) und der zylindrischen Innenwand (69) des Rahmens (65) vorgesehen ist.
Spiegelanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der O-Ring (73) die Form eines Torus hat, wobei, wenn er in einem Querschnitt entlang einer Hauptachse des Torus betrachtet wird, die Zentren der beiden Abschnitte des Torus an Positionen angeordnet sind, die einen größeren Abstand von der Hauptachse als der Außenumfang der zweiten Hauptfläche (55) der Glasplatte (53) aufweisen und einen größeren Abstand von der flachen Aufnahmefläche (67) als die zweite Hauptfläche (55) der Glasplatte (53) haben.