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Die Erfindung betrifft ein Vermessungsinstrument
mit Autokollimationsfunktion und Distanzmessfunktion.
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Herkömmliche Vermessungsinstrumente
im oberen Leistungsbereich wie Gesamtstationen haben neben ihrer
eigentlichen Funktion, die Distanz von dem Vermessungsinstrument
zu einem Vermessungspunkt sowie Horizontal- und Vertikalwinkel zu messen,
eine Autokollimationsfunktion, um das Vermessungsinstrument automatisch
auf den Vermessungspunkt (Tripelspiegel) auszurichten. In dieser Autokollimationsfunktion
werden Autokollimationsstrahlen durch eine Fernrohroptik des Vermessungsinstrumentes
auf einen Vermessungspunkt (Tripelspiegel) gesendet und an dem Vermessungspunkt
zu dem Vermessungsinstrument zurückreflektiert.
Das Vermessungsinstrument empfängt
die reflektierten Autokollimationsstrahlen, um sich auf den Vermessungspunkt
auszurichten.
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In der Distanzmessfunktion beispielsweise eines
elektronischen Distanzmessers, kurz EDM, werden Distanzmessstrahlen
durch ein und dieselbe Fernrohroptik auf einen Vermessungspunkt
gesendet und an diesem zurück
auf das Vermessungs instrument reflektiert, das die Distanzmessstrahlen
empfängt,
um die Distanz von dem Vermessungsinstrument zu dem Vermessungspunkt
zu messen.
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Üblicherweise
werden die Autokollimationsstrahlen und die Distanzmessstrahlen
so auf einen Vermessungspunkt gesendet, dass sie auf einer optischen
Achse der Fernrohroptik laufen. Um die Autokollimationsstrahlen
und die Distanzmessstrahlen auf der gleichen optischen Achse auf
den Vermessungspunkt aussenden zu können, müssen die in unterschiedlichen
Richtungen ausgesendeten Lichtstrahlen mit einem Strahlteiler (halbdurchlässiger Spiegel)
kombiniert werden. Dieser Strahlteiler verursacht zwangsläufig einen
beträchtlichen
Lichtmengenverlust für
die unterschiedlichen Lichtstrahlen. So wird die jeweilige Lichtmenge
auf weniger als die Hälfte
reduziert. Mit zunehmender Entfernung des Vermessungspunktes von
dem Vermessungsinstrument werden dadurch die Autokollimationsoperation und
die Distanzmessoperation erschwert und zudem nimmt die Genauigkeit
der Distanzmessung ab. Dieses Problem kann überwunden werden, indem die verschiedenen
Lichtstrahlen unterschiedliche Wellenlängen haben und ein wellenlängenselektiver Strahlteiler
verwendet wird. Die Erzeugung verschiedener Lichtstrahlen mit unterschiedlichen
Wellenlängen
ist jedoch vergleichsweise kostspielig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Vermessungsinstrument mit Autokollimationsfunktion und Distanzmessfunktion
anzugeben, bei dem Autokollimationsstrahlen und Distanzmessstrahlen
durch ein und dieselbe Fernrohroptik auf einen Vermessungspunkt
ausgesendet werden und bei dem der Verlust an Lichtmenge für die beiden
funktionsunterschiedlichen Arten von Lichtstrahlen reduziert ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Vermessungsinstrument
nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass
das Problem des Lichtmengenverlustes der beiden funktionsunterschiedlichen
Arten von Lichtstrahlen überwunden
werden kann, indem die Autokollimationsstrahlen und die Distanzmessstrahlen
auf verschiedenen, zueinander versetzten Lichtwegen auf den Vermessungspunkt ausgesendet
werden. Diese Versetzung der Lichtwege führt zu keiner nachteiligen
Beeinflussung der Autokollimationsoperation oder der Distanzmessoperation.
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Die Erfindung wird im Folgenden an
Hand der 1 erläutert, die
eine Seitenansicht eines Vermessungsinstrumentes nach der Erfindung
zeigt.
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Wie in 1 gezeigt,
hat ein Vermessungsinstrument 100, das ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt, einen Instrumentenkörper 1, in dem eine
Fernrohroptik 10 angeordnet ist. Die Fernrohroptik 10 besteht
aus einer Objektivlinse 11, einem multifunktionellen zusammengesetzten
Spiegel 12, einem Strahlteiler (Strahlteilerprisma) 13,
einer Fokussierlinse 14, einem Porroprisma (Aufrichtesystem) 15,
einer Zielmarke 16 und einem Okular 17, die in
dieser Reihenfolge vom Objekt her, d.h. in 1 von links, angeordnet sind. Der Instrumentenkörper 1 kann
um eine vertikale Achse 10V in entgegengesetzte Richtungen
und um eine horizontale Achse 10H, welche die vertikale
Achse 10V schneidet, in entgegengesetzte Richtungen gedreht
werden, so dass ein Vermesser mit der Fernrohroptik 10 durch das
Okular 17 ein Bild eines Reflektors 18, z.B. eines Tripelspiegels,
anvisieren kann, indem er den Instrumentenkörper 1 geeignet um
die vertikale Achse 10V und die horizontale Achse 10H dreht.
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Der multifunktionelle zusammengesetzte Spiegel 12 umfasst
drei rechtwinklige Spiegelkörper, nämlich einen
ersten Spiegelkörper 12X,
einen zweiten Spiegelkörper 12Y und
einen dritten Spiegelkörper 12Z,
die miteinander zu einer einstükkigen
Konstruktion verkittet sind. Diese Konstrunktion bildet den multifunktionellen
Spiegel 12. Der erste rechtwinklige Spiegelkörper 12X hat
eine erste Reflexionsfläche 12a,
die auf einer optischen Achse 10X der Fernrohroptik 10 liegt
und gegenüber
dieser in einem Winkel von etwa 45° angeordnet ist. Entsprechend hat
der zweite rechtwinklige Spiegelkörper 12Y eine zweite
Reflexionsfläche 12b,
die auf der optischen Achse 10X der Fernrohroptik 10 liegt
und gegenüber dieser
in einem Winkel von etwa 45° angeordnet
ist. Die zweite Reflexionsfläche 12b ist
im Wesentlichen parallel zu der ersten Reflexionsfläche 12a angeordnet.
Der zweite rechtwinklige Spiegelkörper 12Y ist auf die
dem Strahlteiler 13 zugewandte Fläche des ersten rechtwinkligen
Spiegelkörpers 12X gekittet. Der
dritte rechtwinklige Spiegelkörper 12Z hat
eine dritte Reflexionsfläche 12c,
die in einer aus der optischen Achse 10X versetzten Position
und gegenüber der
ersten Reflexionsfläche 12a in
einem Winkel von etwa 90° angeordnet
ist. Der dritte rechtwinklige Spiegelkörper 12Z ist auf die
Deckfläche
des ersten rechtwinkligen Spiegelkörpers 12X gekittet.
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Der erste Spiegelkörper 12X des
multifunktionellen zusammengesetzten Spiegels 12 bildet
ein optisches Element einer Distanzmessoptik eines elektronischen
Distanzmessers, der Distanzmessstrahlen auf den Tripelspiegel 18 aussendet.
Die Distanzmessstrahlen bilden einen strahlungsmodulierten Laserstrahl,
der eine Wellenlänge
von z.B. 780 nm hat. Das Vermessungsinstrument 100 hat
eine Lichtquelle 21 für
die Distanzmessung und einen Reflexionsspiegel 22, der
mit der ersten Reflexionsfläche 12a zusammenwirkt.
Die von der Lichtquelle 21 ausgesendeten Distanzmessstrahlen
werden an dem Reflexionsspiegel 22 im Wesentlichen senkrecht
zur optischen Achse 10X auf die erste Reflexionsfläche 12a reflektiert.
Zwischen der Lichtquelle 21 und dem Reflexionsspiegel 22 befindet
sich ein beweglicher Reflektor 24, der zwischen einer zurückgezogenen
Stellung und einer Reflexionsstellung bewegbar ist. In der zurückgezogenen
Stellung ist der Reflektor 24 außerhalb des Strahlenganges
zwischen der Lichtquelle 21 und dem Reflexionsspiegel 22 angeordnet,
so dass die von der Lichtquelle 21 ausgesendeten Distanzmessstrahlen
auf den Reflexionsspiegel 22 und nicht auf den Reflektor 24 fallen und
auf den Tripelspiegel 18 ausgesendet werden. In der Reflexionsstellung
ist der Reflektor 24, wie in 1 gezeigt,
zwischen der Lichtquelle 21 und dem Reflexionsspiegel 22 angeordnet,
so dass die von der Lichtquelle 21 ausgesendeten Distanzmessstrahlen
an dem Reflektor 24 reflektiert werden und direkt auf ein
für die
Distanzmessung vorgesehenes Lichtempfangselement 23 fallen.
Der Reflektor 24 wird so angetrieben, dass er sich zwischen
der zurückgezogenen
Stellung und der Reflexionsstellung hin und her bewegt. Neben dem
ersten rechtwinkligen Spiegelkörper 12X,
der die erste Reflexionsfläche 12a umfasst,
bilden die Lichtquelle 21, der Reflexionsspiegel 22,
das Lichtempfangselement 23 und der bewegbare Reflektor 24 Elemente
der in dem Instrumentenkörper 1 angeordneten
Distanzmessoptik.
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Befindet sich der bewegbare Reflektor 24 in der
zurückgezogenen
Stellung, so werden die von der Lichtquelle 21 abgegebenen
Distanzmessstrahlen in der Weise auf den Tripelspiegel 18 ausgesendet,
dass die über
den Reflexionsspiegel 22, die erste Reflexionsfläche 12a und
die Objektivlinse 11 auf der optischen Achse 10X der
Fernrohroptik 10 laufen und schließlich auf den Tripelspiegel 18 fallen.
Anschließend
werden die auf den Tripelspiegel 18 fallenden Lichtstrahlen
zurück
auf das Vermessungsinstrument 100 reflektiert und fallen
durch die Objektivlinse 11 auf eine halbdurchlässige Spiegelfläche 13a des Strahlteilers 13.
Die halbdurchlässige
Spiegelfläche 13a lässt einen
Teil der zurückgekehrten
Distanzmessstrahlen (Wellenlänge
780 nm) durch und reflektiert gleichzeitig den übrigen Teil der Distanzmessstrahlen
auf die zweite Reflexionsfläche 12b. Da
die von der Lichtquelle 21 abgegebenen Distanzmessstrahlen
an der auf der optischen Achse 10X der Fernrohroptik 10 angeordneten
ersten Reflexionsfläche 12a so
reflektiert werden, dass sie auf der optischen Achse 10X auf
den Tripelspiegel 18 zu laufen, wird deutlich, dass die
optische Achse der Distanzmessoptik des Vermessungsinstrumentes 100, auf
der die Distanzmessstrahlen auf den Tripelspiegel 18 zu
laufen, mit der optischen Achse 10X der Fernrohroptik 10 zusammenfällt.
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Die an der halbdurchlässigen Spiegelfläche 13a reflektierten
Distanzmessstrahlen werden an der zweiten Reflexionsfläche 12b auf
das für
die Distanzmessung vorgesehene Lichtempfangselement 23 reflektiert.
Befindet sich dagegen der bewegbare Reflektor 24 in der
in 1 gezeigten Reflexionsstellung,
so reflektiert er die von der Lichtquelle 21 abgegebenen
Lichtstrahlen direkt auf das Lichtempfangselement 23. Auf
das Lichtempfangselement 23 fallen demnach abwechselnd
die Distanzmessstrahlen (ausgesendete modulierte Lichtstrahlen),
die von der Lichtquelle 21 abgegeben werden, um an dem
Tripelspiegel 18 auf die Fernrohroptik 10 zurück reflektiert zu
werden, und die Distanzmessstrahlen (interne modulierte Lichtstrahlen),
die von der Lichtquelle 21 abgegeben werden, um an dem
beweglichen Reflektor 24 reflektiert zu werden. Das Vermessungsinstrument 100 hat
eine arithmetische Distanzmessschaltung (Distanzmessvorrichtung) 25,
die mit dem Lichtempfangselement 23 elektrisch verbunden
ist. Die Distanzmessschaltung 25 berechnet die Entfernung des
Tripelspiegels 18 von dem Vermes sungsinstrument 100 aus
der Phasendifferenz zwischen den vorstehend genannten ausgesendeten
modulierten Lichtstrahlen und den vorstehend genannten internen
modulierten Lichtstrahlen. Dieses Prinzip eines elektronischen Distanzmessers
ist an sich bekannt.
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Der dritte rechtwinklige Spiegelkörper 12Z des
multifunktionellen zusammengesetzten Spiegels 12 bildet
ein wesentliches optisches Element einer in dem Instrumentenkörper 1 angeordneten
Kollimationsoptik, die Autokollimationsstrahlen auf den Tripelspiegel 18 aussendet.
Die Autokollimationsstrahlen bilden einen strahlungsmodulierten
Laserstrahl, der die gleiche Wellenlänge wie er für die Distanzmessung
vorgesehene interne modulierte Laserstrahl hat, also z.B. 780 nm.
Das Vermessungsinstrument 100 hat eine für die Autokollimation
vorgesehene Lichtquelle 31 und eine Projektionslinse 32,
die mit der dritten Reflexionsfläche 12c zusammenwirkt.
Die Lichtquelle 31 und die Projektionslinse 32 bilden
neben dem dritten Spiegelkörper 12Z,
der die dritte Reflexionsfläche 12c umfasst,
optische Elemente der in dem Instrumentenkörper 1 vorgesehenen
Kollimationsoptik. Die von der Lichtquelle 31 abgegebenen Autokollimationsstrahlen
fallen über
die Projektionslinse 32 im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 10X auf
die dritte Reflexionsfläche 12c,
die aus der optischen Achse 10X versetzt ist. Demnach werden
die von der Lichtquelle 31 abgegebenen Autokollimationsstrahlen
so ausgesendet, dass sie in einem aus der optischen Achse 10X versetzten
Strahlengang, d.h. nicht auf der optischen Achse 10X, laufen.
Die auf den Tripelspiegel 18 ausgesendeten Autokollimationsstrahlen
werden in ähnlicher
Weise wie die auf den Tripelspiegel 18 ausgesendeten Distanzmessstrahlen
an letzterem zurück
auf die Fernrohroptik 10 reflektiert. Nach dem Durchtritt
durch die halbdurchlässige
Spiegelfläche 13a werden
die Autokollimationsstrahlen an einer dichroitischen Spiegelfläche 13b des
Strahlteilers 13 auf eine CCD 33 reflektiert.
Die dichroitische Spiegelfläche 13b hat
die Eigenschaft, einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von
780 nm total zu reflektieren. Das Vermessungsinstrument 100 hat
einen Koordinatendetektor 34, einen Horizontalachsenantrieb 35 und
einen Vertikalachsenantrieb 36. Die CCD 33 ist
mit dem Koordinatendetektor 34 elektrisch verbunden, so
dass letzterer Treibersignale an den Horizontalachsenantrieb 35 und
den Vertikalachsenantrieb 36 ausgibt, um die beiden Antriebe 35 und
36 so
anzusteuern, dass der Instrumentenkörper 1 um die Horizontalachse 10H bzw.
die Vertikalachse 10V derart gedreht wird, dass der Tripelspiegel 18 geeignet
auf der optischen Achse 10X der Fernrohroptik 10 angeordnet
wird. Diese Operationen werden entsprechend einer herkömmlichen
Autokollimationsfunktion durchgeführt. Die CCD 33, der
Koordinatendetektor 34, der Horizontalachsenantrieb 35 und
der Vertikalachsenantrieb 36 bilden ein Autokollimationssystem.
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Die Distanzmess- oder EDM-Funktion
und die Autokollimationsfunktion, die oben beschrieben wurden, sind
bekannte Funktionen herkömmlicher Vermessungsinstrumente.
Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Vermessungsinstrumentes 100 besteht
darin, dass die von der Lichtquelle 21 abgegebenen Distanzmessstrahlen über den
ersten rechtwinkligen Spiegelkörper 12X des
multifunktionellen Spiegels 12 so auf den Tripelspiegel 8 ausgesendet werden,
dass sie auf der optischen Achse 10X der Fernrohroptik 10 laufen,
während
die von der Lichtquelle 31 abgegebenen Autokollimationsstrahlen über den
dritten rechtwinkligen Spiegelkörper 12Z des
multifunktionellen Spiegels 12 so auf den Tripelspiegel 18 ausgesendet
werden, dass sie in einem aus der optischen Achse 10X der
Fernrohroptik 10 versetzten Strahlengang laufen, wobei
dieser Strahlengang die optische Achse 10X nicht schneidet.
Das erfindungsgemäße Vermessungsinstrument 100 zeichnet
sich demnach dadurch aus, dass die optische Achse 10X der
Fernrohroptik 10, auf der die Distanzmessstrahlen auf den
Tripelspiegel 18 zu laufen, und die optische Achse des
Strahlengangs, in dem die Autokollimationsstrahlen auf den Tripelspiegel 18 zulaufen,
in dem Instrumentenkörper 1 zueinander
versetzt sind. Deshalb treten weder die von der Lichtquelle 21 abgegebenen
Distanzmessstrahlen noch die von der Lichtquelle 31 abgegebenen
Autokollimationsstrahlen durch einen Strahlteiler oder einen halbdurchlässigen Spiegel,
dessen Zweck darin besteht, zwei funktionsunterschiedliche Arten
von Lichtstrahlen auf der optischen Achse 10X zusammenzuführen. Dadurch
wird die Lichtmenge für
jede der beiden funktionsunterschiedlichen Arten von Lichtstrahlen
nicht reduziert. Dies bedeutet, dass der Lichtmengenverlust für die beiden
funktionsunterschiedlichen Arten von Lichtstrahlen, nämlich die Distanzmessstrahlen
und die Autokollimationsstrahlen, durch eine Anordnung verringert
werden kann, bei der der Strahlengang der Autokollimationsstrahlen
und der Strahlengang der Distanzmessstrahlen vonein ander versetzt
sind. Dadurch ist es möglich, eine
Distanzmessung für
einen weiter entfernten Vermessungspunkt und mit einem höheren Grad
an Genauigkeit durchzuführen.
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Dabei werden zwar die Lichtstrahlen,
die durch die Objektivlinse 11 getreten sind und zu dem Strahlteiler 13 voranschreiten,
durch den multifunktionellen zusammengesetzten Spiegel 12 teilweise
gesperrt. Solange jedoch die Autokollimationsstrahlen auf die Zielmarkierung 16 (bzw.
die CCD 33) fokussiert werden, kann man durch das Okular 17 ein
deutliches Bild betrachten.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
des Vermessungsinstrumentes werden die von der Lichtquelle 21 abgegebenen
Distanzmessstrahlen so ausgesendet, dass sie auf der optischen Achse 10X der
Fernrohroptik 10 laufen, während die von der Lichtquelle 31 abgegebenen
Autokollimationsstrahlen so ausgesendet werden, dass sie in einem
aus der optischen Achse 10X versetzten Strahlengang laufen.
Es ist jedoch ebenso möglich,
dass die Autokollimationsstrahlen auf der optischen Achse 10X der
Fernrohroptik 10 laufen, während die Distanzmessstrahlen
in einem aus der optischen Achse 10X versetzten Strahlengang
laufen.
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In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
des Vermessungsinstrumentes sind die drei Reflexionsflächen 12a, 12b und 12c an
den drei rechtwinkligen Spiegelkörpern 12X, 12Y bzw. 12Z ausgebildet,
die den multifunktionellen, zusammengesetzten Spiegel 12 bilden.
Es ist jedoch ebenso möglich,
dass den drei Reflexionsflächen 12a, 12b und 12c entsprechende
Reflexionsflächen
jeweils an einem einzelnen Element ausgebildet sind.
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Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, wird
durch die Erfindung der Lichtmengenverlust für die Distanzmessstrahlen und
die Autokollimationsstrahlen verringert. Außerdem ist es möglich, auch für einen
weit entfernten Vermessungspunkt eine feine Distanzmessung und eine
feine Autokollimation durchzuführen.