DE10209895A1 - Zielobjekt für automatisierte Messinstrumente - Google Patents

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Zielobjekt (100) werden acht Tripelprismen (1, 2, 5, 6) in Form zweier Pyramiden angeordnet, welche mit ihren Grundflächen zueinander gerichtet sind. Die Tripelprismen (1, 2, 5, 6) werden so ausgerichtet, dass in Gebrauchsstellung optische Strahlen aus einem vorgegebenen Bereich von vertikalen Richtungen (v) ober- bzw. unterhalb einer Horizontalebene (h), in beliebiger azimutaler Ausrichtung (a) des Zielobjekts (100), einerseits mit hoher Intensität stetig tripelreflektiert und andererseits sprunghafte Störreflexionen möglichst vermieden werden. Dies geschieht durch eine erfindungsgemäße Ausrichtung der Reflexionsflächen der acht Tripelprismen (1, 2, 5, 6) des Zielobjekts parallel oder senkrecht zur Horizontalebene (h). Dadurch können die Störreflexionen im relevanten Richtungsarbeitsbereich der Zielobjekte minimiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zielobjekt zur optoelektronischen Durchführung automatischer Zielverfolgungen, Zielerfassungen und/oder von Distanzmessungen aus einem vorgegebenen Bereich von vertikalen Richtungen ober- bzw. unterhalb einer vorgegebenen Horizontalebene in beliebiger, azimutaler Ausrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im geodätischen Vermessungswesen, in der Bauvermessung und der industriellen Messtechnik werden gesuchte Koordinaten zu vermessender Punkte vielfach mittelbar über Zielobjekte indirekt bestimmt. Dabei nehmen die Zielobjekte vorgegebene Positionen zu den zu vermessenden Punkten ein. Mit Messinstrumenten werden dann die Positionen der Zielobjekte relativ zu den Positionen der Messinstrumente gemessen. Neben dem azimutalen bzw. dem vertikalen Richtungswert zum Zielobjekt kann über retroreflektierende Zielobjekte zusätzlich der Distanzwert zwischen dem Zielobjekt und dem Messinstrument von diesem optoelektronisch bestimmt werden. Dadurch kann die Positionsbestimmung über retroreflektierende Zielobjekte in der Praxis einfach durchgeführt werden. In der Regel weisen retroreflektierende Zielobjekte Tripelprismen, Reflexfolien oder Kugelreflektoren auf.

In der industriellen Vermessung werden häufig verchromte Stahlkugeln als Kugelreflektoren eingesetzt. Da sie aus beliebigen vertikalen Richtungen und unabhängig von ihrer azimutalen Ausrichtung angezielt werden können und dabei stets eine kreisrunde Kontur mit einem eindeutigen Zentrum liefern, sind sie für reine Richtungsbestimmungen ideale Zielobjekte. Da der an einer Kugeloberfläche retroreflektierte Teil optischer Strahlen relativ klein ist und zudem mit der 4. Potenz der Distanz zwischen dem Messinstrument und dem Kugelreflektor abnimmt, eignen sich Kugelreflektoren nur für optoelektronische Distanzmessungen von einigen wenigen Metern.

In der bautechnischen und geodätischen Vermessung werden daher im allgemeinen retroreflektierende Reflexfolien bzw. Tripelprismen verwendet. Deren wesentlich höhere Retroreflexionsgrade ermöglichen Distanzmessungen über Hunderte bzw. Tausende von Metern. Im Gegensatz zu den Kugelreflektoren retroreflektieren sie aber optische Strahlen nur in einem beschränkten vertikalen Richtungsbereich innerhalb eines beschränkten azimutalen Ausrichtungsbereiches der Tripelprismen bzw. der Reflexfolien. Typischerweise werden optische Strahlen in Bereichen von 90° horizontal und vertikal mit hoher Intensität retroreflektiert. Tripelprismen bzw. Reflexfolien sind daher grob auf die jeweiligen Messinstrumente auszurichten, bevor über sie Distanzmessungen durchgeführt werden können.

Aus der US 5 301 435 ist ein Rundumreflektor bekannt, der unabhängig von dessen azimutaler Ausrichtung optische Strahlen mit hoher Intensität retroreflektiert. Der Rundumreflektor weist sechs Tripelprismen mit je einer kreisrunden Durchtrittsfläche für optische Strahlen auf, die auf einer Zylinderoberfläche regelmässig verteilt angeordnet sind. Jeweils drei Tripelprismen sind räumlich separiert, 120° zueinander versetzt, in je einer Ebene angeordnet. Die beiden Ebenen sind ihrerseits um 60° gegeneinander verdreht und übereinander angeordnet. Da jedes Prisma für sich einen retroreflektierenden Richtungsbereich abdeckt, eignet sich dieser Rundumreflektor für Distanzmessungen aus einem vorgegebenen Bereich vor vertikalen Richtungen in beliebiger, azimutaler Ausrichtung. Die einzelnen Schwerpunkte der Reflexionsbereiche der räumlich voneinander getrennten Tripelprismen sind ebenfalls auf einer Zylinderfläche voneinander getrennt verteilt. Messinstrumente mit optoelektronischen Distanzmessern bzw. automatischen Zielerfassungen ordnen jedoch einem solchen Rundumreflektor, abhängig von dessen azimutaler Ausrichtung, unterschiedliche Positionen zu. Die Koordinaten dieser Positionen können um mehrere Zentimeter differieren. Daher sind solche Rundumreflektoren erst oberhalb einer best ünmten Mindestdistanz von etwa 1000 m sinnvoll als Zielobjekte für Vermessungen mit reduzierten Genauigkeitsanforderungen einsetzbar.

In der EP 0 846 278 B1 ist ein Rundumreflektor mit speziellen Tripelprismen, welche dreieckige Durchtrittsflächen für optische Strahlen aufweisen, offenbart. Durch diese spezielle Form grenzen die Durchtrittsflächen der Tripelprismen aneinander, wenn die Tripelprismen mit ihren Reflexionsflächen direkt aneinander gefügt werden. Der Abstand zwischen den Schwerpunkten der jeweiligen Reflexionsbereiche der Tripelprismen kann so minimiert werden. Die sechs Tripelprismen sind in Form eines regelmässigen Oktaeders zusammengefügt. In Gebrauchsstellung sind zwei Seitenflächen dieses Oktaeders horizontal ausgerichtet. Ausser diesen zwei Seitenflächen wird jede andere Seitenfläche durch die Durchtrittsfläche eines der sechs Tripelprismen gebildet. Die Mängel des in der US 5 301 435 geoffenbarten Rundumreflektors können durch diese Anordnung der Tripelprismen soweit reduziert werden, dass auch Distanzmessungen im Nahbereich, bis auf wenige Meter, möglich sind. Bei Vermessungsanwendungen, welche mittleren, geodätischen Genauigkeitsanforderungen genügen, haben sich derartige, in der EP 0 846 278 B1 beschriebene Rundumreflektoren auch als Zielobjekte für Messinstrumente mit automatischer Zielerfassung vielfach bewährt. Oberhalb einer gewissen Mindestdistanz von ca. 50 m können solche Rundumreflektoren auch als Zielobjekte für Messinstrumente mit automatischer Zielverfolgung eingesetzt werden. Unterhalb dieser Distanz treten jedoch je nach azimutaler Ausrichtung des in der EP 0 846 278 B1 beschriebenen Rundumreflektors sprunghaft Störreflexionen auf, welche die automatische Zielverfolgung irreleiten und ausser Funktion setzen können. Dieses Problem tritt vor allem bei Rundumreflektoren auf, welche auf Lotstöcken angebracht von Personen gehalten werden. Beim Transport des Rundumreflektors zwischen den einzelnen Messpunkten erfolgen unweigerlich Änderungen dessen azimutaler Ausrichtung. Auch beim manuellen Ausrichten und Positionieren des Lotstocks sind kleine Änderungen der azimutalen Ausrichtung möglich. Die dadurch gegebenenfalls hervorgerufenen Störreflexionen des Rundumreflektors können nicht nur die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen, sondern auch die automatische Zielverfolgung bei der Bestimmung der erwarteten Trajektorie des Rundumreflektors irreführen. Dies kann zu einem Abschwenken des Erfassungsbereiches des Messinstrumentes weg vom Rundumreflektor führen. Eine erneute Erfassung des Rundumreflektors durch das Messinstrument ist dann erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Mängel des Standes der Technik zu beheben. Zudem sollen auch Zielobjekte für automatisch zielverfolgende, automatisch zielerfassende und/oder distanzmessende Messinstrumente vorgeschlagen werden, die aus einem vorgegebenen Bereich vcn vertikalen Richtungen ober- bzw. unterhalb einer vorgegebenen Horizontalebene auch bei ändernder azimutaler Ausrichtung im wesentlichen stetig und im Raum stabilisiert Strahlen retroreflektieren - eine Voraussetzung für eine robuste, automatische Zielverfolgung - oder über ein solches Zielobjekt Vermessungen mit Genauigkeiten von einigen wenigen Millimetern unabhängig von dessen azimutaler Ausrichtung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Zielobjekt gelöst, bei dem die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs verwirklicht sind.

Vorteilhafte bzw. alternative Ausbildungsvarianten der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angeführt.

Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von Tripelprismen die Rede ist, so sollen im weitesten Sinne verschiedenartig ausgebildete Körper zur Retroreflexion optischer Strahlen aus transparentem Material verstanden werden, welche eine im Prinzip beliebig, beispielsweise trapez-, dreieck- oder sechseckförmig, ausgebildete, ebene Durchtrittsfläche für einen Ein- bzw. Austritt der Strahlen in den bzw. aus dem Körper sowie drei jeweils zueinander rechtwinklig ausgerichtete, ebene Reflexionsflächen zu deren Tripelreflexion aufweisen.

Entgegen der Verwendung von sechs Tripelprismen bei einem herkömmlichen Rundumreflektor, welche beispielsweise in Form eines auf einer Seitenfläche liegenden Oktaeders angeordnet sind, werden beim erfindungsgemässen Zielobjekt acht Tripelprismen in Form zweier Pyramiden angeordnet, die mit ihren Grundflächen zueinander gerichtet sind. Im Prinzip können Pyramiden beliebig gegeneinander verdreht sein. Die Tripelprismen werden bei einem erfindungsgemässen Zielobjekt so ausgerichtet, dass in Gebrauchsstellung ausgesandte, optische Strahlen aus einem vorgegebenen Bereich von vertikalen Richtungen ober- bzw. unterhalb einer Horizontalebene, in beliebiger azimutaler Ausrichtung des Zielobjekts, einerseits mit hoher Intensität tripelreflektiert und andererseits sprunghafte Störreflexionen möglichst vermieden werden. Dies geschieht durch eine Ausrichtung der Reflexionsflächen der acht Tripelprismen des erfindungsgemässen Zielobjekts parallel oder senkrecht zur Horizontalebene. Die neben den allein gewünschten Tripelreflexionen auftretenden Störreflexionen werden vor allem durch Doppelreflexionen und zu einem geringen Teil durch Siebenfachreflexionen an den Tripelprismen verursacht. Durch die erfindungsgemässe Ausrichtung treten die Störreflexionen vor allem in vertikalen Richtungen ausserhalb des vorgegebenen Bereichs vertikaler Richtungen unter- bzw. oberhalb der Horizontalebene auf. Dadurch können die Störreflexionen im relevanten Richtungsarbeitsbereich der Zielobjekte minimiert werden.

Durch diese Ausrichtung der Tripelprismen eines Zielobjekts werden die Strahlen einer Strahlenkeule eines Messinstrumentes aus dem vorgegebenen Bereich vertikaler Richtungen nicht nur, wie bei einem herkömmlichen Rundumreflektor, an ein, zwei oder drei Tripelprismen, sondern an zwei oder vier Tripelprismen reflektiert. Dies bewirkt neben einer Nivellierung auch eine Niveauerhöhung des Intensitätsverlaufs der reflektierten Strahlen über die azimutale Ausrichtung des Zielobjekts. Ersteres steigert gemeinsam mit der kompakten und zusammenhängenden Form des Gesamtreflexionsbereichs eines erfindungsgemässen Zielobjekts die Eignung als Zielobjekt für automatische Zielverfolgungen gegenüber einem herkömmlichen Rundumreflektor. Letzteres steigert die Einsatzreichweite dieser Zielobjekte.

Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von Messinstrumenten mit automatischer Zielerfassung die Rede ist, so sind darunter Messinstrumente zu verstehen, welche eine Strahlenkeule optischer Strahlen auf stationäre Retroreflektoren aussenden und mit Hilfe eines beispielsweise in Form eines CCD-Array ausgebildeten Flächensensors die Richtung des gemeinsamen Schwerpunktes der Reflexionsbereiche der Retroreflektoren bestimmen.

Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von Messinstrumenten mit automatischer Zielverfolgung die Rede ist, so sind darunter Messinstrumente zu verstehen, mit denen fortlaufend automatische Zielerfassungen auf bewegte Retroreflektoren durchgeführt werden. Dabei wird aufgrund der jeweils gemessenen Positionen des gemeinsamen Schwerpunktes der Reflexionsbereiche des Retroreflektors fortlaufend die Strahlenkeule jeweils auf die nächste zu erwartende Position des sich bewegenden Retroreflektors ausgerichtet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung von acht Tripelprismen in Form eines in Gebrauchsstellung auf einer Ecke vertikal stehenden Oktaeders. Hierbei befinden sich die einzelnen Reflexionsbereiche der Tripelprismen paarweise vertikal übereinander mit jeweils einem Reflexionsbereich unter- bzw. oberhalb der Horizontalebene. Damit können die Änderungen der vertikalen Koordinate der Position des Schwerpunktes der Reflexionsflächen unabhängig von der azimutalen Ausrichtung des Zielobjekts minimiert werden. Auch ist dadurch ein Zusammenhang zwischen der vertikalen Richtung, mit der das Zielobjekt angemessen wird, und der Abweichung des gemessenen horizontalen Koordinatenwerts gegeben. Dieser Zusammenhang könnte gegebenenfalls für Korrekturen der gemessenen Werte herangezogen werden.

Durch die erfindungsgemässe Anordnung und Ausrichtung der Tripelprismen können Störreflexionen und damit verbundene, sprunghafte Änderungen der Position des gemeinsamen Schwerpunktes der Reflexionsbereiche der Tripelprismen minimiert werden. Diese sprunghaften Änderungen täuschen bei der Zielverfolgung scheinbare Bewegungen des Zielobjekts vor, die wiederum ein Abschwenken der Strahlenkeule vom Zielobjekt weg zur Folge haben kann. Die Minimierung der Störreflexionen des Zielobjekts bewirkt eine entscheidende Steigerung der Robustheit automatischer Zielverfolgungen sowie gegebenenfalls eine Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messwerte.

Die erfindungsgemässe Anordnung und Ausrichtung der Tripelprismen bringen auch einen kompakten gemeinsamen Reflexionsbereich des Zielobjekts mit sich. Zum einen treten bei erfindungsgemäss angeordneten und ausgerichteten Tripelprismen wesentliche Störreflexionen nur gemeinsam mit gewünschten Tripelreflexionen auf. Dies führt im allgemeinen zu einem zusammenhängenden Reflexionsbereich. Zum anderen grenzen die Reflexbereiche benachbarter Tripelprismen aneinander. Dadurch weist auch das ganze Zielobjekt einen zusammenhängenden, kompakten, gemeinsamen Reflexionsbereich auf. Das Auftreten von Störreflexionen verliert dadurch an Sprunghaftigkeit.

Zur bequemen Handhabung, einfachen Aufbewahrung und zum Transport des Zielobjekts, ebenso wie zur wahlweise horizontal ausgerichteten Anordnung des Zielobjekts, beispielsweise an Wandflächen, wird ein Aufnahmeteil an dem Zielobjekt angeordnet, insbesondere an der Pyramidenspitze. In bzw. auf dieses Aufnahmeteil kann ein Gegenstück gesteckt, eingeschnappt oder eingeschraubt werden, das zum Beispiel an einem Lotstock-Ende vorgesehen ist. Soll das Zielobjekt beispielsweise in eher bodennahen Bereichen zum Einsatz kommen, so ist es von Vorteil, zwei einander gegenüber liegende Aufnahmeteile vorzusehen, wobei eines für die Aufnahme eines Lotstockes und das andere zur Aufnahme eines Halteteils vorgesehen sein kann.

Zum Schutz vor Beschädigungen der Tripelprismen können wenigstens einseitig Schutzvorrichtungen angebracht sein, die - ähnlich den aus der DE-A1-195 30 809 geoffenbarten Fassungen - als Pyramiden- oder Kegelstumpf-förmige Kappen ausgebildet sind.

Nachstehend soll die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren rein beispielhaft näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Messanordnung mit einem erfindungsgemässen Zielobjekt und einem Messinstrument;

Fig. 2 eine diagrammatische Gegenüberstellung gemessener, horizontaler Koordinatenwerte eines erfindungsgemässen Zielobjekts bzw. eines dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektor abhängig von deren azimutaler Ausrichtung;

Fig. 3 eine diagrammatische Gegenüberstellung gemessener, vertikaler Koordinatenwerte eines Zielobjekts bzw. eines dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektors abhängig von deren azimutaler Ausrichtung;

Fig. 4 eine diagrammatische Gegenüberstellung gemessener Intensitätswerte der reflektierten Strahlen eines erfindungsgemässen Zielobjekts bzw. eines dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektors abhängig von deren azimutaler Ausrichtung;

Fig. 5 eine Schrägansicht eines erfindungsgemässen Zielobjekts mit Richtungspfeilen einfallender Strahlenbündel;

Fig. 6a eine Seitenansicht eines an einer Wand angebrachten, erfindungsgemässen Zielobjekts mit Richtungspfeilen einfallender Strahlenbündel;

Fig. 6b eine Seitenansicht eines Zielobjekts mit Richtungspfeilen aus einem reduzierten vertikalen Richtungsbereich einfallender Strahlenbündel;

Fig. 7a eine Abbildung der Verteilung an einem dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektor retroreflektierter Strahlen und

Fig. 7b eine Abbildung der Verteilung an einem erfindungsgemässen Zielobjekt retroreflektierter Strahlen.

Fig. 1 zeigt eine Messanordnung zur dreidimensionalen Positionsbestimmung eines erfindungsgemässen, oktaederförmigen Zielobjekts 100 durch ein Messinstrument, z. B. ein Tachymeter 200 mit automatischer Zielerfassung und Zielverfolgung. Das Tachymeter 200 ist auf einem Stativ ortsfest aufgestellt. Es weist eine vertikale Stehachse 201 und eine um eine vertikale Achse kippbare Zielachse 210 auf. Das Tachymeter 200 strahlt eine Strahlenkeule 220 aus, welche in etwa der Querschnitt des Erfassungsraums der automatischen Zielerfassung bzw. Zielverfolgung festlegt.

Die Zielachse 210 bildet im wesentlichen das Zentrum der Strahlenkeule 220. Bei jeder Positionsbestimmung bestimmt die Zielerfassung den gemeinsamen Schwerpunkt von Reflexionsbereichen 12, 52, 42, 82 (42 und 82 in Fig. 1. nicht sichtbar) des Zielobjekts 100, in dem die Strahlen der Strahlenkeule 220 zurück zum Tachymeter 200 reflektiert werden. Die Zielachse 210 wird auf den gemeinsamen Schwerpunkt ausgerichtet und dessen drei Koordinaten im Raum werden vom Tachymeter 200 bestimmt.

In der vorliegenden Ausführungsform weist das oktaederförmige Zielobjekt 100 acht baugleiche, drehsymmetrische, tetraederförmige Tripelprismen 1, 2, 5 und 6 (3, 4, 7 und 8 sind in Fig. 1 nicht sichtbar) auf. Jedes der Tripelprismen 1 bis 8 weist jeweils drei zueinander senkrecht ausgerichtete, ebene Reflexionsflächen für eine Tripelreflexion optischer Strahlen sowie eine gegen diese verkippte Durchtrittsfläche für ein Hindurchtreten optischer Strählen auf. Die acht Tripelprismen 1 bis 8 sind so zusammengefügt, dass alle Reflexionsflächen im wesentlichen in drei gemeinsamen Ebenen liegen. Durch den Schnittpunkt dieser drei Ebenen verläuft eine Horizontalebene h, welche von der Zielachse 210 in einem vertikalen Anzielrichtungswinkel v durchstossen wird. Durch den Schnittpunkt der drei Ebenen und parallel oder senkrecht zu den jeweiligen Reflexionsflächen verläuft eine Ausrichtachse 101 des Zielobjekts 100. Das Zielobjekt 100 ist ortsfest um die Ausrichtachse 101 drehbar gelagert. Die Ausrichtachse 101 weist einen Abstand d zur Stehachse 201 auf. Eine azimutale Ausrichtung des Zielobjekts 100 beispielsweise relativ zur Richtung der Verbindungsstrecke zwischen der Stehachse 201 und der Ausrichtachse 101 definiert einen azimutalen Ausrichtwinkel a.

Fig. 2 zeigt eine diagrammatische Gegenüberstellung der Änderungen des horizontalen Koordinatenwerts der gemessenen Position einerseits eines dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektors und andererseits des erfindungsgemässen Zielobjekts 100 aus Fig. 1 in Abhängigkeit von deren azimutaler Ausrichtung. Ein dem Stand der Technik entsprechender Rundumreflektor ist in der EP 0 846 278 B1 offenbart und voranstehend beschrieben. Die Messwerte für die Gegenüberstellungen der Fig. 2, Fig. 3, und der Fig. 4 wurden jeweils mit Messanordnungen bestimmt, welche der Messanordnung aus der Fig. 1 entsprechen sowie folgende Gemeinsamkeiten aufweisen. Das Tachymeter 200 ist ein Instrument der Baureihe TCA1102 der Firma Leica Geosystems AG. Der Abstand d weist einen Wert von 3 m und der vertikale Anzielrichtungswinkel v einen Wert von -3° auf.

Das in der Messanordnung aus Fig. 1 dargestellte Zielobjekt 100 weist beispielsweise einen azimutalen Ausrichtwinkel a mit einem Wert von 0° auf. Solche Gegenüberstellungen in Abständen d von 1,5 m bis etwa 50 m, sowie mit Anzielrichtungswinkeln v zwischen -10° und +10° weisen im wesentlichen vergleichbare Verläufe der Messwerte auf.

Auf der Abszisse der diagrammatischen Gegenüberstellung sind die jeweiligen azimutalen Ausrichtwinkel des Rundumreflektors bzw. des Zielobjekts 100 aufgetragen. Auf der Ordinate sind jeweils die gemessenen Abweichungen der horizontalen Koordinatenwerte von deren Mittelwert aufgetragen.

Die Abweichungen der horizontalen Koordinatenwerte ah des gemessenen, gemeinsamen Schwerpunktes der Reflexionsbereiche des Rundumreflektors sind durch kleine Rauten dargestellt, welche durch Linien r verbunden sind. Periodisch alle 60° azimutaler Ausrichtungen weist der gemessene Schwerpunkt innerhalb eines relativ kleinen Bereichs von azimutalen Ausrichtungen relativ grosse und sprunghafte Änderungen auf. Kleine Änderungen der azimutalen Ausrichtung treten regelmässig beim Bewegen von auf Lotstöcken angebrachten Rundumreflektoren durch Personen auf. Diese sprunghaften Änderungen werden vor allem durch Doppelreflexionen verursacht. Diese treten an den nach hinten fluchtenden Reflexionsflächen der zum jeweiligen, frontal angestrahlten Tripelprisma benachbarten Tripelprismen auf. Die Reflexionsbereiche der Doppelreflexionen sind vom Reflexionsbereich der Tripelreflexion des frontal angestrahlten Tripelprismas beabstandet. Dies führt zu sprunghaften Änderungen der gemessenen Position, welche der automatischen Zielverfolgung des Tachymeters 200 aus Fig. 1 eine scheinbare Bewegung vortäuscht. Basierend auf der letzten Änderung der gemessenen Positionen berechnet nun die Zielverfolgung eine nächste zu erwartete Position e und richtet die Strahlenkeule 220 aus Fig. 1 des Tachymeters 200 darauf aus. Im Nahbereich, unterhalb von ca. 50 m, können daher relativ grosse, sprunghafte Änderungen der Positionen zu einem unbeabsichtigten Abschwenken der Strahlenkeule 220 vom Rundumreflektor weg führen. Die automatische Zielverfolgung hat den Rundumreflektor verloren und der Messvorgang ist unterbrochen. Der Rundumreflektor muss nun neuerlich durch das Tachymeter 200 gesucht und erfasst werden, und anschliessend kann die Zielverfolgung wieder aufgenommen werden.

Die Abweichungen der horizontalen Koordinatenwerte ah des gemessenen, gemeinsamen Schwerpunktes der Reflexionsbereiche des erfindungsgemässen Zielobjekts 100 sind hingegen durch kleine Quadrate dargestellt, welche ihrerseits durch Linien z miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zum Rundumreflektor weist beim Zielobjekt 100 der Verlauf der horizontalen Koordinate im wesentlichen konstante, gemässigte positive oder negative Steigungen ohne Sprünge zwischen den einzelnen Messwerten auf. Auch ist die Anzahl der lokalen Extrema von zwölf auf acht und deren Beträge um ein Vielfaches reduziert. Durch den im wesentlichen eine harmonische Schwingung mit einer relativ kleinen Amplitude darstellenden Koordinatenverlauf z ist ein durch Störreflexionen verursachter Zielverlust der automatischen Zielverfolgung nicht mehr sehr wahrscheinlich.

Fig. 3 zeigt eine mit der diagrammatischen Gegenüberstellung aus der Fig. 2 korrespondierende Gegenüberstellung der Abweichungen der vertikalen Koordinatenwerte av der gemessenen Positionen des dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektors und des Zielobjekts 100 in Abhängigkeit von deren azimutaler Ausrichtung.

Die Abweichungen vom Mittelwert der vertikalen Koordinaten av des Rundumreflektors (durch Rauten dargestellt und durch Linien r verbunden) weisen bei der gleichen azimutalen Ausrichtung wieder sprunghafte Ausschläge auf. Diese weisen zwar nicht einmal die halben Beträge der horizontalen Ausschläge auf, dafür finden aber innerhalb eines relativ kleinen Bereichs von azimutalen Ausrichtungen gleich vier sprunghafte Änderungen zwischen vier lokalen Extremwerten statt. Die Phasengleichheit der sprunghaften Änderungen der horizontalen und vertikalen Koordinatenwerte des Rundumreflektors erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Abschwenkens der Strahlenkeule 220 weg vom Rundumreflektor.

Die Abweichungen der vertikalen Koordinaten av des Zielobjekts 100 (durch Quadrate dargestellt und durch Linien z verbunden) weisen immer einen Betrag von deutlich unter einem Millimeter auf. Dadurch ist ein erfindungsgemässes Zielobjekt besonders für automatisierte Messanwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen in vertikaler Richtung, wie z. B. für Maschinensteuerungen von Asphaltiermaschinen, Strassenhobeln, Planierraupen, usw., geeignet.

Fig. 4 zeigt eine mit der diagrammatischen Gegenüberstellung aus der Fig. 2 korrespondierende Gegenüberstellung der gemessenen Intensität der Strahlen, welche an dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektor bzw. an dem erfindungsgemässen Zielobjekt 100 in Abhängigkeit von deren azimutaler Ausrichtung zurück zum Tachymeter 200 aus Fig. 1 reflektiert werden. Die azimutale Ausrichtung ist jeweils durch den Wert des Ausrichtwinkels a und die Intensität durch den jeweiligen Wert des in Least Signifikant Bits (LSB) digitalisierten Signals ds des Flächensensors dargestellt.

Die Messwerte des erfindungsgemässen Zielobjekts 200 aus Fig. 1 (in Fig. 4 durch kleine Quadrate dargestellt und durch Linien z verbunden) zeigen einen gleichmässigeren Verlauf sowie im Durchschnitt zwischen 10 bis 20% höhere Intensitätswerte.

Fig. 5 zeigt das erfindungsgemässe Zielobjekt 100 aus Fig. 1 in einer Schrägansicht. Von den acht Tripelprismen 1 bis 8 sind nur die vier Tripelprismen 1, 2, 5, 6 sichtbar. Die Tripelprismen 1 bis 5 sind in dieser Ausführungsform aus Glas gefertigt. Zudem ist die Horizontalebene h aus Fig. 1 sowie eine dazu rechtwinklig ausgerichtete Reflexionsflächenebene g dargestellt. Sowohl in der Horizontalebene h als auch in der Reflexionsflächenebene g liegt je eine Reflexionsfläche der Tripelprismen 1 bis 8.

Die fünf Pfeile 0, 26, 35, 55 stellen vier unterschiedliche vertikale Richtungen dar, mit denen das Zielobjekt 100 beispielsweise über die Strahlenkeule 220 des Tachymeters 200 aus der Fig. 1 jeweils angeleuchtet werden kann. Der azimutale Ausrichtwinkel a, ein Mass für die azimutale Ausrichtung des Zielobjekts 100, kann beispielsweise durch den Winkel zwischen der Reflexionsflächenebene g und der vertikalen Ebene, welche durch die vier einfallenden Pfeile aufgespannt wird, definiert werden.

Wird das Zielobjekt 100 über die Strahlenkeule 220 in Richtung des Pfeiles 0 mit einem vertikalen Anzielrichtungswinkel v (siehe Fig. 1) von 0° frontal angeleuchtet, so treten die optischen Strahlen der Strahlenkeule 220 durch die Durchtrittsflächen 11, 51 der Tripelprismen 1, 5 hindurch. Die Strahlen, welche durch die Reflexionsbereiche 12, 52 hindurch treten, verlassen das Tripelprisma durch diese auch wieder. Erfindungsgemäss liegt bei der horizontalen Anzielrichtung der gemeinsame Schwerpunkt der Reflexionsbereiche 12, 52 in der Horizontalebene h.

Wird die azimutale Ausrichtung des Zielobjekts 100 durch eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn um die Ausrichtachse 101 geändert, so werden auch die Durchtrittsflächen 21, 61 der benachbarten Tripelprismen 2, 6 durch die Strahlenkeule 220 angeleuchtet. Relevante Störreflexionen treten jedoch nicht auf, da erstens ein Grossteil der Strahlen durch den grossen Winkel zwischen der Flächennormalen der Durchtrittsflächen 21, 61 und der Strahlenkeule 220 durch Fresnelreflexionen an den Durchtrittsflächen 21, 61 reflektiert werden. Zweitens weisen die Durchtrittsflächen 21, 61 nur kleine Reflexionsbereiche auf, da Reflexionsflächenkanten 23, 63 (in Fig. 5. ist nur das virtuelle Bild der Reflexionsflächenkante 23 sichtbar), welche durch die für die störenden Doppelreflexionen verantwortlichen Reflexionsflächen der Tripelprismen 2, 6 gebildet werden, in einem relativ spitzen Winkel zu den einfallenden Strahlen ausgerichtet sind. Drittens treten die störender Doppelreflexionen gemeinsam mit den gewünschten Tripelreflexionen an den jeweiligen beiden Tripelprismen 2, 6 auf, wodurch die Doppelreflexionen relativiert und stabilisiert werden.

Wird das Zielobjekt 100 hingegen in Richtung des Pfeiles 26 mit einem bestimmten, vertikalen Anzielrichtungswinkel frontal angeleuchtet, so tritt eine Störreflexion am Tripelprisma 5 auf. Weist das Glas der Tripelprismen 1 bis 8 einen Brechungsindex von 1,52 auf, so liegt der berechnete Wert für den bestimmten, vertikalen Anzielrichtungswinkel bei 26,08°. Diese Störreflexion wird durch eine Doppelreflexion der Strahlen an den zwei Reflexionsflächen verursacht, welche die Reflexionsflächenkante 53 (in Fig. 5 ist nur deren virtuelles Bild sichtbar) bilden. Da diese Störreflexion aber gemeinsam mit einer gewünschten Tripelreflexion am Tripelprisma 5 und einer noch stärkeren, gewünschten Tripelreflexion am Tripelprisma 1 auftritt, die Störreflexion stark relativiert und stabilisiert. Zudem befindet sich diese Störreflexion in einer Vertikalebene mit den zwei Tripelreflexionen, so dass die gemessenen, horizontalen Koordinaten durch diesen Störreflex überhaupt nicht beeinflusst werden. In der Praxis treten aber Anzielrichtungswinkel in der unmittelbaren Nähe des bestimmten, vertikalen Anzielrichtungswinkels bei automatisch zielverfolgenden Vermessungen sehr selten auf, und sie sind daher im Arbeitsbereich von Zielobjekten eigentlich nicht mehr vorgesehen. Bei Änderungen der azimutalen Ausrichtung des Zielobjekts verkleinert sich der diesen Störreflex auslösende bestimmte, vertikale Anzielrichtungswinkel nur geringfügig.

Wird das gegen den Uhrzeigersinn gedrehte Zielobjekt 100 aus einem Richtungsbereich zwischen den beiden Pfeilen 35, 55 mit vertikalen Anzielrichtungswinkeln v zwischen 35° und 55° angeleuchtet, so treten starke und instabile Störreflexionen am Tripelprisma 2 auf. Beim Messeinsatz von automatisch zielverfolgenden Messinstrumenten im Feld kommen jedoch derart steile Anzielrichtungswinkeln v in der Regel nicht vor. Diese Störreflexionen sind vergleichbar mit den Störreflexionen, welche die herkömmlichen Rundumreflektoren in Gebrauchsstellung im Arbeitsbereich bereits bei Anzielrichtungswinkeln zwischen +10° und -10° um die Horizontalebene auftreten können.

Fig. 6a zeigt eine weitere Ausbildungsform eines erfindungsgemässen, stationären Zielobjekts 110 beispielsweise für eine stationäre Befestigung an Wänden zur Festlegung eines Bezugssystems. Ein solches stationäres Zielobjekt 110 weist neben den acht oktaederförmig angeordneten Tripelprismen in einer Ecke einen Bolzen 190 auf, der mit der Wand in einer mechanischen Wirkverbindung steht. Werden Strahlenbündel auf das stationäre Zielobjekt 110 gerichtete, welche die Achse des Bolzens 190 in einem Winkel kleiner ca. 35° schneiden, so werden diese ohne relevante Störreflexionen retroreflektiert.

Fig. 6b zeigt eine weitere Ausbildungsform eines Pyramidenstumpf-förmigen Zielobjekts 120, welches für Anwendungen mit einem reduzierten vertikalen Bereich von vertikalen Anzielrichtungswinkeln unterhalb der Horizontalebene h geeignet ist. Das Zielobjekts 120 weist nur vier Tripelprismen auf, welche hier über ein Aufnahmeteil 180 auf einem Lotstock 170 angebracht sind. Das Zielobjekt 120 weist keine Pyramidenspitze auf, da diese bei dem durch die Pfeile angedeuteten Bereich an vertikalen Richtungen nicht nennenswert zu den Tripelreflexionen beiträgt. Ein solches Zielobjekt 120 retroreflektiert einen entsprechend kleineren Anteil der optischen Strahlen der Strahlenkeule. Durch die brechende Wirkung für optische Strahlen des transparenten Materials der Tripelprismen können auch optische Strahlen, welche aus Richtungen unterhalb der Horizontalebene h auf ein solches Zielobjekt 120 auftreffen, retroreflektiert werden.

Fig. 7a bzw. 7b zeigen eine Abbildung der Verteilung der an dem dem Stand der Technik entsprechenden Rundumreflektor bzw. an dem erfindungsgemässen Zielobjekt retroreflektierten optischen Strahlen der Strahlenkeule des bereits oben genannten Tachymeters TCA1102. Den Abbildungen liegen Messaufbauten zugrunde, die bis auf den Abstand d (siehe Fig. 1) mit dem Messaufbau der Fig. 2, 3 und 4 identisch sind. Der Messaufbau der Fig. 7a weist einen Abstand d von 3,5 m bzw. der der Fig. 7b von 5 m auf. Die vom Tachymeter ausgesendete Strahlenkeule wird zum Teil am Retroreflektor bzw. am Zielobjekt retroreflektiert und vom Tachymeter auf seinen als CCD-Array ausgebildeten Flächensensor abgebildet.

Fig. 7a zeigt eine Verteilung der am Rundumreflektor retroreflektierten Strahlen, bei welcher aufgrund der azimutalen Ausrichtung des Rundumreflektors der Einfluss der störenden Doppelreflexion besonders gross ist. Drei Tripelprismen, deren Kanten - der besseren Zuordbarkeit halber - zum Teil in die Abbildung eingefügt worden sind, werden von der Strahlenkeule angeleuchtet. Die Abbildung weist zwei dominante Reflexionsbereiche 90, 91 auf. Der dem mittleren Tripelprisma zugeordnete, erste, dominante Reflexionsbereich 90 ist im wesentlichen durch die gewünschte, über die drei Reflexionsflächenkanten in zwei Richtungen im Raum stabilisierte Tripelreflexion bestimmt. Hingegen ist der dem rechten Tripelprisma zugeordnete, zweite, ebenfalls dominante Reflexionsbereich 91 im wesentlichen durch eine störende, über nur eine Reflexionsflächenkante in nur einer Richtung im Raum stabilisierte Doppelreflexion bestimmt. Diese Doppelreflexion tritt je nach azimutaler Ausrichtung des Rundumreflektors völlig sprunghaft auf. Die zwei dominanten Reflexionsbereiche 90, 91 treten beabstandet zueinander im peripheren Bereich des Rundumreflektors auf und bilden keinen gemeinsamen Reflexionsbereich. Eine relativ kleine Änderung der azimutalen Ausrichtung des Rundumreflektors bewirkt eine bedeutende Veränderung des Grössenverhältnisses der zwei dominanten Reflexionsbereiche 90, 91. Da die zwei dominanten Reflexionsbereiche 90, 91 in Fig. 7a einen relativ grossen Abstand zueinander aufweisen, resultieren entsprechend grosse Änderungen der Koordinaten des Schwerpunktes des gemeinsamen Reflexionsbereiches des Rundumreflektors. Bei einer weiteren Änderung der azimutalen Ausrichtung kann die Doppelreflexion am rechten Tripelprisma sprunghaft verschwinden. Nun bestimmen im wesentlichen die allein gewünschten Tripelreflexionen den gemeinsamen Reflexionsbereiche der Tripelprismen des Rundumreflektors. Bei weiteren Änderungen der azimutalen Ausrichtung kann eine nächste dominante Doppelreflexion diesmal am linken Tripelprisma sprunghaft auftreten und wieder verschwinden. Solche Effekte sind für die periodisch auftretenden, sprunghaften Ausreisser der Koordinatenverläufe r aus den Fig. 2 und 3 sowie für die daraus resultierenden Irreleitungen von Instrumenten mit automatischer Zielverfolgung verantwortlich.

In Fig. 7b weist hingegen die Abbildung der Verteilung der an einem erfindungsgemässen Zielobjekt retroreflektierten Strahlen nur einen dominierenden, im zentralen Bereich des Zielobjektes liegenden, kompakten Reflexionsbereich 92 und zwei kleinere Reflexionsbereiche 93 auf. Vier Tripelprismen, deren Kanten wiederum zum Teil in die Abbildung eingefügt worden sind, werden von der Strahlenkeule angeleuchtet. Der kompakte Reflexionsbereich 92 setzt sich aus vier unmittelbar benachbarten Reflexionsbereichen je eines Tripelprismas zusammen. Jeder der vier Reflexionsbereiche ist im wesentlichen durch eine in zwei Richtungen im Raum stabilisierte Tripelreflexion bestimmt. Im Vergleich zum kompakten Reflexionsbereich 92 retroreflektieren die zwei kleineren Reflexionsbereiche 93, die im wesentlichen durch nur in einer Richtung im Raum stabilisierten Doppelreflexionen bestimmt sind, nur einen Bruchteil der retroreflektierten Strahlen. Einer der kleineren Reflexionsbereiche 93 befindet sich zudem unmittelbar benachbart zum kompakten Reflexionsbereich 92. Der andere liegt etwas weiter davon beabstandet. Durch deren geringen Anteil an der Retroreflexion und deren relative Nähe zum kompakten Reflexionsbereich 92 haben diese kleineren Reflexionsbereiche 93 eine entsprechend geringe Bedeutung für den Schwerpunkt des gemeinsamen Reflexionsbereiches des erfindungsgemässen Zielobjekts.

Der Koordinatenverlauf z des Schwerpunktes des gemeinsamen Reflexionsbereichs in den Fig. 2 und 3 weist daher - verglichen mit dem Stand der Technik - vernachlässigbare Unstetigkeiten auf. Eine robuste, automatische Zielverfolgung - frei von lästigen Arbeitsunterbrechungen durch Zielverlust durch Störreflexionen - wird dadurch auch bei Abständen zwischen dem erfindungsgemässen Zielobjekt und dem Tachymeter von weniger als 50 m - im Extremfall bis zu 1,5 m - möglich.

Claims (7)

1. Zielobjekt (100, 110) zur optoelektronischen Durchführung automatischer Zielverfolgungen, Zielerfassungen und/oder von Distanzmessungen aus einem vorgegebenen Bereich von vertikalen Richtungen (v) ober- bzw. unterhalb einer vorgegebenen Horizontalebene (h) in beliebiger, azimutaler Ausrichtung (a), insbesondere für die geodätische, bautechnische und industrielle Vermessung, mit mehreren, optische Strahlen (220) retroreflektierenden Körpern (1, 2, 5, 6) aus transparentem Material, welche Körper (1, 2, 5, 6) jeweils drei jeweils zueinander senkrecht ausgerichtete, gegebenenfalls verspiegelte, ebene Reflexionsflächen für eine Reflexion der Strahlen (220) und eine gegen jede Reflexionsfläche verkippte, ebene Durchtrittsfläche (11, 21, 51, 61) für ein Hindurchtreten der Strahlen (220) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Zielobjekt (100, 110) acht und nur acht Körper (1, 2, 5, 6) aufweist, wobei wenigstens zwei Reflexionsflächen jeweils wenigstens vier der acht Körper (1, 2) jeweils zu einer der Reflexionsflächen eines jeweils anderen der wenigstens vier Körper (1, 2) pyramidenartig, benachbart angeordnet ist und - in der Gebrauchsstellung des Zielobjekts (100, 110) - jeweils eine Reflexionsfläche jedes der acht Körper (1, 2, 5, 6) zur Horizontalebene (h) im wesentlichen parallel ausgerichtet ist.

2. Zielobjekt (100, 110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten vier der acht Körper (1, 2) jeweils aus Materialien mit gleichem Brechungsindex gefertigt sind sowie je eine in einer ersten Ebene liegende Reflexionsfläche aufweisen, und dass die zweiten vier der acht Körper (5, 6) jeweils aus Materialien mit gleichem Brechungsindex gefertigt sind sowie je eine in einer zweiten zur ersten parallel ausgerichteten Ebene liegende Reflexionsfläche aufweisen.

3. Zielobjekt (100, 110) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die einzelnen Reflexionsflächen verschiedener Körper (1, 2, 5, 6) berühren, gegebenenfalls die Körper (1, 2, 5, 6) aus Materialien mit gleichem Brechungsindex gefertigt sind und gegebenenfalls im wesentlichen die gleichen Aussenabmessungen aufweisen.

4. Zielobjekt (100, 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die acht Körper (1, 2, 5, 6) oktaederförmig angeordnet sind.

5. Zielobjekt (100, 110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens ein Aufnahmeteil (180) zur Aufnahme eines Gegenstückes, das beispielsweise einem Lotstock (170) zugeordnet ist, aufweist, wodurch eine lösbare, gegebenenfalls verriegelbare, senkrecht auf eine Reflexionsfläche ausgerichtete Verbindung Zielobjekt-Gegenstück ermöglicht wird.

6. Zielobjekt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens zwei Aufnahmeteile aufweist, welche jeweils gegenüber liegenden Bereichen des Zielobjekts zugeordnet sind.

7. Zielobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine gegen unvorsichtige Handhabung wirksame Schutzvorrichtung aufweist, gegebenenfalls im Bereich der Aufnahmeteile (180), insbesondere in Form eines als quadratischer Pyramidenstumpf ausgebildeten Kragens.