DE1915891A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten eines Punktes relativ zu einem Bezugspunkt - Google Patents

Description

191589

CARL ZEISS IN HEIDENHEIM AN DER BRENZ

Vorrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten eines Punktes relativ zu einem Bezugspunkt

Die Messung von Höhendifferenzen zwischen verschiedenen Punkten im Gelände erfolgt üblicherweise durch das sogenannte geometrische Nivellement. Dieses Meßverfahren setzt einen das Nivelliergerät bedienenden Beobachter voraus und kann demzufolge nicht automatisiert werden.

■)

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, welche es gestattet, die Lagekoordinaten eines Punktes relativ zu einem Bezugspunkt mit hinreichender Genauigkeit zu messen, wobei diese Messung automatisierbar ist und unabhängig von den gegebenen Beleuchtungsverhältnissen durchgeführt werden kann.

Die Vorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein von einem Punkt ausgehender linear polarisierter Laserstrahl auf ein am anderen Punkt angeordnetes, relativ zur Polarisationsebene des Laserstrahles um seinen Mittelpunkt rotierendes kreisrundes Polarisationsfilter gerichtet wird, dessen Durchmesser größer als der des Laserstrahles ist und das aus zwei halbkreisförmigen Teilfiltern besteht, deren Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen und daß eine zur Fokussierung des durch das Filter tretenden Lichtes auf einen photoelektrischen Empfänger dienende Linse vorgesehen ist. Dem Empfänger ist ein phasenselektiver Gleichrichter und eine Anzeigeeinrichtung nachgeschaltet.

Die Polarisationsebene des Laserstrahles kann feststehen während das Polarisationsfilter rotiert. In manchen Fällen ist es jedoch vorteilhaft das Polarisationsfilter feststehen zu lassen und die Polarisationsrichtung des Laserstrahles zu drehen. Dies kann mittels eines rotierenden Polarisationsfilters geschehen, das vor dem aus Teilfiltern zu-

1 P 629x 1 G 003341/075$

.191589?

sammengesetzten Filter angeordnet ist und dem ein/^/^- Plättchen vorgeschaltet ist.

Die neue Vorrichtung verwendet also zur Übertragung von Höhendifferenzen aber auch von Winkeln von einem Punkt auf einen anderen einen Laserstrahl, vorzugsweise einen horizontierten Laserstrahl. Der Abstand der Symmetrieachse dieses Laserstrahles von einem festgelegten Bezugspunkt wird dabei elektronisch gemessen und angezeigt ohne daß ein Beobachter erforderlich ist.

Damit ist es möglich, die Kessung zu automatisieren und die Meßergebnisse fortlaufend zu registrieren. Die Verwendung eines Laserstrahles macht es möglich, unabhängig von den w gegebenen Beleuchtungsverhältnissen und also auch nachts zu messen. Zudem können, verglichen mit der visuellen Beobachtung größere Zielweiten überbrückt werden.

Die neue Vorrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie die . Lagekoordinaten direkt anzeigt. Eine solche Anzeige ist jedoch nur für eine kleine Strahlverschiebung (ca, 1/10 des Strahldurchmessers) möglich und ist von der Strahlform und der Strahlleistung abhängig. Diese Abhängigkeiten werden vermieden, wenn man die Kulimethode anwendet. Dazu wird dem Empfänger eine Nachführeinrichtung nachgeschaltet, welche das fest mit der Linse und dem Empfänger t verbundene Polarisationsfilter so lange verschiebt, bis der Wechselanteil des Empfängersignals sein Minimum erreicht. Dies ist dann der Fall, wenn die Achse des Laserstrahles mit der Rotationsachse des Polarisationsfilters zusammenfällt.

Da der Laserstrahl rotationssymmetrisch ist, verschwindet ^f die Wechselkomponente des Empfängersignales vollständig wenn die Rotationsachse des Polarisationsfilters die Ach-• se des Laserstrahles in der Filterebene schneidet. Wird der Laserstrahl beispielsweise durch Turbuleas &e^ ^wi«*

- 3 '009841/0755

ORIGINAL INSPECTED

"³" 19T5891)

schon don Moßpunkten liegenden Luft gestört, go daß er unsymmetrisch wird, so läßt sich selbst dann mit der neuen Vorrichtung eine Strahlachse definieren und zwar durch Verschieben .des Polarisationsfilters, der Linse und des photoelektrischen Empfängers in der zur Strahlausbreitungsrichtung senkrechten Ebene bis zum Erreichen des Minimums des Wechselstromanteils.

Die neue Vorrichtung ist weitgehend unempfindlich gegenüber Störlicht. 'Jh sind beispielsweise Tages- und Kunstlicht nicht polarisiert, werden also im Polarisationsfilter nicht moduliert und ergeben deshalb keinen Viechseistromanteil des Empfängersignals. Ferner ist der Empfänger unempfindlich gegen geringes Verkippen, d.h. eine winkelmäßig genaue Ausrichtung des Empfängers braucht nicht zu erfolgen, solange der Laserstrahl auf den photoelektrischen Empfänger fokussiert werden kann.

Der empfangene Laserstrahl braucht nicht exakt linear polarisiert zu sein. Eine elliptische Polarisation dieses Strahles ergibt keinen direkten Meßfehler sondern nur einen Empfindlichkeitsverlust .

Der bei der neuen Vorrichtung verwendete photoelektrische Empfänger mißt nur Intensitäten. Es kann deshalb ir. Prinzip ein Empfänger beliebiger Art Verwendung finden, vorteilhaft wird jedoch ein Phototransistor verwendet. Der Empfänger kann beispielsweise durch Alterung seine Empfindlichkeit ändern, ohne daß ein Meßfehler entsteht. Es ist jedoch grundsät si iche Voraussetzung, daß seine Empfindlichkeit über die aktive Fläche konstant sein muß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 5 der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in prinzipieller Darstellung;

09841^755

191589

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Polarisationsfilter mit einem auftreffenden Laserstrahl, dessen Strahlachse mit der Rotationsachse des Filters zusammenfällt, sowie eine Draufsicht auf die aktive Fläche des photoelektrischen Empfängers;

Fig. 5 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung, wobei jedoch die Achse des Laserstrahles gegenüber der Rotationsachse des Polarisationsfilter in einer Koqrdinatenrichtung verschoben ist;

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, wobei die Achse des Laserstrahles gegenüber der Rotationsachse des Polarisationsfilters in der anderen Koordinatenrichtung vorschoben ist.

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Gehäuse bezeichnet, welches an dem Punkt aufgestellt ist, dessen Lagekoordinaten zu bestimmen sind. Das Gehäuse 1 enthält ein Polarisationsfilter 2, das aus zwei halbkreisförmigen Teilfiltern 3 und 4 besteht, deren Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen. Auf das Polarisationsfilter 2 trifft ein vom Bezugspunkt ausgehender linear'polarisierter Laserstrahl 5» dessen Durchmesser kleiner ist als der 'des Polarisationsfilters. Das Filter 2 rotiert um seine Achse 6. Um ein teilweises Abschatten des Strahles 5 zu vermeiden ist das Filter 2 an seinem Umfang gelagert. Sie zur Lagerung dienenden Rollen sind mit 15 bezeichnet. Sie werden über den Motor 7 angetrieben.

009841/0755

BAD ORIGINAL

Hinter dem Polarisationsfilter 2 ist eine Linse 8 angeordnet, welche dazu dient, den Laserstrahl 5 auf den photoelektrischen Empfänger 9 zu fokussieren. Das von Empfänger 9 erzeugte Signal wird im Verstärker 10 verstärkt und einem phasenselektiven Gleichrichter 11 zugeführt, der synchron mit dem rotierenden Polarisationsfilter 2 arbeitet. Eine dem Gleichrichter 11 nachgeschaltete Anzeigeeinrichtung 12 dient dazu, die x- und y-Koordinate des Gehäuses 1 anzuzeigen.

Anstelle der Anzeigeeinrichtung 12 kann auch eine Nachführeinrichtung 13» Ή vorgesehen sein, welche das Gehäuse 1 so lange verschiebt, bis"der Wechselanteil des Empfängersignals sein Minimum erreicht. In diesem Fall können die Koordinaten des Gehäuses 1 beispielsweise an zwei senkrecht zueinander angeordneten Skalen abgelesen werden.

Wenn der Laserstrahl 5» wie dies in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, so einfällt, daß seine Ach.se mit der Rotationsachse 6 des Polarisationsfilters 2 zusammenfällt, so liefert der Empfänger.9, dessen aktive Fläche eine konstante Empfindlichkeit aufweist, nur einen Gleichstrom. Wie man aus einer Betrachtung der Fig. 2 ohne weiteres erkennt, bleibt nämlich während einer Drehung des Polarisationsfilters 2 die Gesamtintensität des auf den Empfänger 9 auftreffenden Lichtes konstant.

Ist der auf das Polarisationsfilter 2 auftreffende Strahl 5 nicht rotationssymmetrisch., so enthält das vom Empfänger 9 gelieferte Signal neben einem Gleichanteil Wechselkomponen-. ten mit einem ungeradzahlig Vielfachen der Filterumlauffrequenz. Der phasenselektive Gleichrichter 11 siebt aus diesem Signal nur die Webhselkomponente mit der Umlauffrequenz des Filters 2 aus und verwandelt diese in einen Gleichstrom. Alle anderen Frequenzkomponenten und der Gleichstromanteil des am Empfänger 9 auftretenden Signals tragen zu dem hinter dem Gleichrichter 11 vorliegenden Gleichstrom nichts bei.

— 6■ ·»
003841/0755

BAD ORIGINAL

Fig. 3 zeigt den Fall, daß der Laserstrahl 5 relativ zum, Polarisationsfilter 2 in Richtung der Koordinate y versetzt ist. Der Empfänger 9 liefert in diesem Fall neben dem Gleichstrom-Signal ein Wechselsignal. Dieses kann beispielsweise dazu dienen, über die Einrichtung 13 das Gehäuse 1 so lange in y-Hichtung zu verschieben, bis die Wechselkomponente im Signal verschwindet. Es ist auch möglich mit Hilfe des phasenselektiven Gleichrichters 11 jeweils das Signal auszusondern, das bei einer Drehung der Polarisationsfolie 2 um 90 und 270 Grad entsteht.

Fig. 3 zeigt die Fläche des Empfängers 9 ^ei einer Verdrehung des Filters 2 um 90 Grad aus der in Fig. 2 dargestellten Ruhe lage. Wie man erkennt, ist das vom Empfänger 9 gelieferte Signal in seiner Amplitude proportional der Koordinate y des Laserstrahles 5. Diese Koordinate kann deshalb im Anzeigegerät 12 zur Anzeige gebracht werden.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Darstellung, bei welcher der Laser strahl 5 in Richtung der Koordinate χ seitlich versetzt ist* Der phasenselektive Gleichrichter 11 erfaßt hier die Signale, welcher der Drehung um 0 und um 360 Grad der Filterscheibe 2 entsprechen. Diese Signale sind direkt der x-Koordinate proportional. Sie können angezeigt oder dazu verwendet; werden, das Gehäuse 1 in x-Richtung solange zu verschieben, bis die Wechselkomponente verschwindet.

Wandert der Laserstrahl 5 i& Richtung der x- und der y-Koor* dinate aus, so werden mit Hilfe des phasenselektiven Gleichrichters 11 jeweils nach einer Drehung der Scheibe 2 um 90 Grad Signale ausgewählt, gleichgerichtet und angezeigt. In diesem Fall erfolgt also eine gleichzeitige Anzeige der Koordinaten in einer Ebene.

Anstelle der beschriebenen Kessung und WeiterverErbeituisg der impulsförmigen Augenblickswerte des Signals ist es auch möglich, das gesamte Empfängersignal auszunützen* Der phasenselektive Gleichrichter 11 besteht In diesem IsUL "beispiels*

- 7 -009841/Ö75S

o_RIG/NAL

weise aus eines: durch zwei Umschalter gebildeten Polwender. Wird dieser jeweils dann von einer Lage in die andere geschaltet, wenn die Filterscheibe die Stellungen 0° und 180° erreicht, dann ist der GleichstroEanteil des am Gleichrichterausgang auftretenden Signais proportional einer y-Verschiebung. Wird Jeweils bei 90° und 270° umgeschaltet, so ist der Gleichstromanteii proportional einer x-Verschiebung.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Polarisationsfilter 2 fest angeordnet. Ein im Weg des Laserstrahles 5 angeordnetes λ /^--Plättchen. 16 wandelt das linear polarisierte Laserlicht in zirlcularpolarisiertes Licht um. Ein einfaches Polarisationsfilter 17, das mittels des Kotors 7 gedreht wird, macht daraus linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsrichtung sich cit dem Filter 17 dreht. Der übrige Aufbau und die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht genau der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Eine gemäß Fig. 5 aufgebaute Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn das Gehäuse 1 kein bewegliches Element enthalten soll oder wenn mit einen Laser nacheinander mehrere Empfänger vermessen werden sollen.

- 8 ■ -

009841/0755

BAD ORIGINAL

Claims (6)

- 8 Patentansprüche

1. Vorrichtung· zur Bestimmung der Lagekoordinaten eines Punktes relativ zu einem Bezugspunkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Punkt ausgehender linear polarisierter Laserstrahl (5) auf ein am anderen Punkt angeordnetes, relativ zur Polarisationsebene der Laserstrahles um seinen Mittelpunkt rotierendes kreisrundes Polarisationsfilter (2) gerichtet wird, dessen Durchmesser größer als der des Laserstrahles ist und das aus zwei halbkreisförmigen Teilfiltern (3»4) besteht, deren Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen, daß eine zur Fokussierung des durch das Filter tretenden Lichtes auf einen photoelektrischen Empfänger (9) " dienende Linse (8) vorgesehen ist und daß dem Empfänger ein phasenselektiver Gleichrichter (11) und eine An- . Zeigeeinrichtung (12) nachgeschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsebene des Laserstrahles (5) feststeht und das Polarisationsfilter (2) rotiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsfilter (2) feststeht und daß eich die Polarisationsrichtung des Laserstrahles (5) dreht.

t 4·. Vorrichtung nach Anspruch 3« dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des linear polarisierten Laserstrahles (5), jedoch vor dem -feststehenden Polarisationsfilter (2)_v> ein λ/4·-Plättchen (16) angeordnet ist, dem ein einfaches rotierendes Polarisationsfilter (17) nachgeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfänger (9) eine Nachführeinrichtung (13,14-) nachgeschaltet ist, welche das fest mit der Linse (8) und dem Empfänger (9) verbundene Polexi-

- 9 -009341/0755

ORIGINAL INSPECTED

~⁹~ 191589

sationsfilter (2) so lange verschiebt, bis der Wechselanteil' des Empfängersignals .sein Minimum erreicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß als photoelektrischer Empfänger (9) ein Phototransistor verwendet ist.

WJb/God
250369

ORIGINAL INSPECTED

wae*i/ö7S5 original in ^