DE1915891C - Vorrichtung zur Bestimmung der Lage koordinaten eines Punktes mittels eines Laserstrahles - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Be- Damit ist es möglich, die Messung zu automati-

stimmung der Lagekoordinaten eines Punktes relativ sieren und die Meßergebnisse fortlaufend zu regi-

zu einem Bezugspunkt mit einem von einem Punkt strieren- Die Verwendung eines Laserstrahles macht

ausgehenden Laserstrahl, der am anderen Punkt ■ es möglich, unabhängig von den gegebenen Beleuch-

mittels einer Linse auf einen photoelektrischen 5 tungsverhältnissen und also auch nachts zu messen.

Empfänger fokussiert wird, dem eine Anzeige- Zudem können, verglichen mit der visuellen Beob-

einrichtung nachgeschaltet ist. achtung, größere Zielweiten überbrückt werden.

Die Messung von Höhendifferenzen zwischen Die neue Vorrichtung kann so ausgebildet sein, verschiedenen Punkten im Gelände erfolgt üblicher- daß sie die Lagekoordinaten direkt anzeigt. Eine weise durch das sogenannte geometrische Nivelle- xo solche Anzeige ist jedoch nur für eine kleine Strahlment. Dieses Meßverfahren setzt einen das Nivellier- verschiebung (etwa ¹Ao des Strahldurchmessers) möggerät bedienenden Beobachter voraus und kann lieh und ist von der Strahlform und der Strahldemzufolge nicht automatisiert werden. leistung abhängig. Diese Abhängigkeiten werden ver-

Es ist auch bekannt, einen Laserstrahl zur Über- mieden, wenn man die Nullmethode anwendet. Dazu tragüng der Lagekoordinaten eines Punktes auf einen 15 wird dem Empfänger eine Nachführeinrichtung nachanderen Punkt zu verwenden. Zu diesem Zweck geschaltet, welche das fest mit der Linse und dem wird an einem Punkt ein Laser angeordnet, dessen Empfänger verbundene Polarisationsfilter so lange Strahl auf einen am anderen Punkt angeordneten verschiebt, bis der Wechselanteil des Empfängerphotoelektrischen Empfänger trifft. Bei Abweichung signals sein Minimum erreicht. Dies ist dann der der Ist-Lage des Empfängers von der durch den auf- ao Fall, wenn die Achse des Laserstrahles mit der Rotatreffenden Laserstrahl vorgegebenen Soll-Lage wird tionsachse des Polarisationsfilters zusammenfällt,
ein Signal erzeugt, das beispielsweise zur Nachfüh- Da der Laserstrahl rotationssymmetrisch ist, verrung des Empfängers dienen kann. schwindet die Wichselkomponente des Empfänger-

Diese bekannte Vorrichtung ist jedoch relativ signals vollständig, wenn die Rotationsachse des störanfällig und arbeitet, da die Ist-Lage des Emp- 35 Polarisationsfilters die Achse des Laserstrahles in der fängers nicht hinreichend definiert ist, nicht mit der Filterebene schneidet. Wird der Laserstrahl beifür die Messu! 3 erforderlichen Genauigkeit. Ihr spielsweise durch Turbulenz der zwischen den Meß-Vorteil gegenüber dem geometrischen Nivellement punkten liegenden Luft gestört, so daß er unsymmeliegt darin, daß die Messung unabhängig von den trisch wird, so läßt sich selbst dann mit der neuen gegebenen Beleuchtungsverhältnirien und insbeson- 30 Vorrichtung eine Strahlachse definieren, und zwar dere auch nachts durchgeführt werden kann. durch Verschieben des Polarisationsfilters, der Linse

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine und des photoelektrischen Empfängers in der zur

Vorrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten Strahlausbreitungsrichtung senkrechten Ebene bis

eines Punktes relativ zu einem Bezugspunkt zu zum Erreichen des Minimums des Wechselstrom-

schaffen, die zwar den Vorteil der bekannten Vor- 35 anteils.

richtung aufweist, jedoch bei einem relativ einfachen Die neue Vorrichtung ist weitgehend unempfindlich Aufbau unempfindlich gegen Störlicht ist und damit gegenüber Störiicht. So sind beispielsweise Tageseine genaue und schnell durchzuführende Messuug und Kunstlicht nicht polarisiert, werden also im ermöglicht. Polarisationsfilter nicht moduliert und ergeben des-

Ausgehend von der eingangs genannten bekannten 40 halb keinen Wechselstromanteil des Empfänger-Vorrichtung zeichnet sich die Erfindung dadurch signals. Ferner ist der Empfänger unempfindlich aus. daß der Laserstrahl linear polarisiert ist, daß gegen geringes Verkippen, d. h., eine winkelmäßig dem photoelektrischen Empfänger und der Linse ein genaue Ausrichtung des Empfängers braucht nicht relativ zur Polarisationsebene des Laserstrahles um zu erfolgen, solange der Laserstrahl auf den photoseinen Mittelpunkt rotierendes kreisrundes Polari- 45 elektrischen Empfänger fokussiert werden kann,
sationsfilter vorgeordnet ist, das einen größeren Der empfangene Laserstrahl braucht nicht exakt Durchmesser als der Laserstrahl aufweist und das ünear polarisiert zu sein. Eine elliptische Polarisation ans zwei halbkreisförmigen Teilfiltern besteht, deren dieses Strahles ergibt keinen direkten Meßfehlsr, Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen, sondern nur einen Empfindlichkeitsverlust,
und daß dem F.mpfänger ein phasenselektiver Gleich- 50 Der bei der neuen Vorrichtung verwendete photorichter rrachgeschaltet ist. elektrische Empfänger mißt nur Intensitäten. Es kann

Die Polarisationsebene des Laserstrahles kann deshalb im Prinzip ein Empfänger beliebiger Art

feststehen, während das Polarisationsfilter rotiert. In Verwendung finden, vorteilhaft wird jedoch ein

manchen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, das Polari- Phototransistor verwendet. Der Empfänger kann bei-

sationshlter feststehen zu lassen und die Polari* 35 spielsweise durch Alterung seine Empfindlichkeit

sationsrichtung des Laserstrahles zu drehen. Dies lindern, ohne daß ein Meßfehler entsteht Es ist je-

kann mittels eines rotierenden Polarisationsfilters doch grundsätzliche Voraussetzung, daß seine Emp-

geschehen, das vor dem aus Teilfiltern zusammen- findlichkeit über die aktive Fläche konstant sein muß.

gesetzten Filter angeordnet isi! und dem ein Λ/4-Pla'tt- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

chcn vorgeschaltet ist. 60 Fig. 1 bis 5 der Zeichnung näher erläutert. Dabei

Die neue Vorrichtung verwendet also zur Über- zeigt

tragung von Höhendifferenzen, aber auch von Win- Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorkcln, von einem Punkt auf einen anderen einen Laser* richtung in prinzipieller Darstellung, strahl, vorzugsweise einen horizontierten Laserstrahl. Fig. 2 eine Draufsicht auf das Polarisationsfilter Der Abstand der Symmetrieachse dieses Laser- 65 mit einem auftreffenden Laserstrahl, dessen Strahlslrahles von einem genau festgelegten Bezugspunkt achse mit der Rotationsachse des Filters zusammenwird dabei elektronisch gemessen und angezeigt, fällt, sowie eine Draufsicht auf die aktive Fläche des at\,\c daß ein Beobachter erforderlich ist. photoelektrischen Empfängers,

F i g. 3 eine der F t g. 2 entsprechende Darstellung, wobei jedoch die Achse des Laserstrahles gegenüber der Rotationsachse des Polarisationsfilters in einer Koordinatenrichtung verschoben ist,

F i g. 4 eine der F i g. 2 entsprechende Darstellung, wobei die Achse des Laserstrahles gegenüber der Rotationsachse des Polarisationsfilters in der anderen Koordinatenrichtung verschoben ist,

Fi g. 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 I enthält ein Polarisationsfilter 2, das aus zwei halbkreist'ürmigen .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 Polarisationstillers. Das Filter 2 rotiert um seine Achse 6. Um ein teilweises Abschatten des Strahles 5 zu vermeiden, ist eins Filter 2 an seinem Umfang gelagert. Die zur Lagerung dienenden Rollen sind mit 15 bezeichnet. Sie werden über den Motor 7 angetrieben.

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

An Stelle der Anzeigeeinrichtung 12 kann auch eine Nachführeinrichtung 13, 14 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 senkrcjht zueinander angeordneten Skalen abgelesen werden.

Wenn der Laserstrahl 5, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. so einfällt, daß seine ,Schse 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 du Fig. 2 ohne weiteres erkennt, bleibt nämlich während einer Drehung des Polarisationsfilters 2 dir Gesami intensität des auf den Empfänger 9 auf treffenden Lichtes konstant.

Ist der auf das Polarisationsfilter 2 auftreffcnde Strahl 5 nicht rotationssymmetrisch, so enthält oas vom Eimpfänger 9 gelieferte Signal neben einem Gleiclianteil Wechselkomponenten mit einem ungeradzahlig Vielfachen der Filtcumlauffrequenz. Der phasenselektive Gleichrichter 11 siebt aus diesem Signal nur die Wechseikomponente mit der Umlauffrequenz des Filters 2 aus und verwandelt diese in einen Gleichstrom. Alle anderen Frequenzkomponenten und der Gleichstromanteil des am Empfänger auftretenden Signals tragen zu dem hinter dem Gleichrichter 11 vorliegenden Gleichstrom nichts bei. Fig. 3 zeigt den Fall, daß der Laserstrahl 5 relativ zum Polarisationsfilter 2 in Richtung der Koordinate ν versetzt ist. Der Empfänger 9 liefert in diesem Fall neben dem Gldchstromsignal ein Wechselsignal. Dieses kann beispielsweise dazu dienen, über die Einrichtung 13 das QchUuse 1 so lange in .v-Richtuiig 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 entsteht.

Fi g. 3 zeigt die Fläche des Empfängers 9 bei einer Verdrehung des Filters 2 um ⁽J() aus der in Fig. 2 dargestellten Ruhelage. Wie man erkennt, ist das vom Empfänger 9 gelieferte Signal in seiner Amplitude proportional der Koordinaten des Laserstrahles 5. Diese Koordinate kann deshalb im Anzeigegerät 12 zur Anzeige gebracht werden.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Darstellung, bei welcher der Laserstrahl S in Richtung der Koordinate χ seitlich versetzt ist. Der phasenseiektive Gleichrichter 11 erfaßt hier die Signale, welcher der Drehung um 0 und um 360 der Filtccheibe 2 entsprechen. Diese Signale sind direkt der.t-Koordinatc proportional. Sie können angezeigt oder dazu verwendet werden, das Gehäuse 1 in x-Richtung so lange zu verschieben, bis die Wechselkomponente verschwindet.

Wandert der Laserstrahl 5 in Richtung der .0- und dery-Koordinate aus, so werden mit Hilfe des phasenselektiven Gleichrichters 11 jeweils nach einer Drehung der Scheibe 2 um QO Signale ausgewählt, gleichgerichtet und angezeigt In diesem Fall erfoigi also eine gleichzeitige Anzeige der Koordinaten in einer Ebene.

An Stelle der beschriebenen Messung und Weiterverarbeitung der impulsförmigen Augenblickswerte des Signals isi es auch möglich, das gesamte Empfängersignal auszunutzen. Der phasenseiektive Gleichrichter 11 besteht in diesem Fall beispielsweise aus einem durch zwei Um;.chalte- gebildeten Folwender. Wird dieser jeweils dann von einer Lage in die andere geschaltet, wenn die Filterscheibe die Stellungen ü und 180 erreicht, dann ist der Gleichstromanteil des am Gleichrichterausgang auftretenden Signals proportional einer y-Verschiebung. Wird jeweils ^!>ei 90 und 270 umgeschaltet, so ist der Gleichstromanteil proportional einer x-Verschiebung.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Polarisationsfilter 2 fest angeordnet. Ein im ^M'"g des Laserstrahles 5 angeordnetes / 4-PSättchcn 16 wandelt das linear polarisierte Laserlkbt in zirkularpolarisiertes Lichi um. Ein einfaches Polarisationsfilter 17, das mittels des Motors? gedreht wird. macht daraus linear polarisiertes Licht, dessen Polarisationsrichtung sich mit dem Filter 17 dreht. Der übrige Aufbau und die Wirkungsweise diese.- Vorrichtung entspricht genau der Vorrichtung :. 'iS Fig. 1.

F.ine gemäß Fig. 5 aufgebaute Vorrichtung is! Hrsonde-, s vorteilhaft, wenn das Gehäuse 1 kein bewegliches Element enthalten soll oder wenn mit el··-, ν Laser nacheinander mehrere Empfänger vermessen werden sollen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten eines Punktes relativ zu einem Bezugspunkt mit einem von einem Punkt ausgehenden Laserstrahl, der am anderen Punkt mittels einer Linse auf einen photoclektrischen Empfänger fokussiert wird, dem eine Anzeigeeinrichtung

nacligcschaitcl ist, dadurch gekennzeichnet, daß dei Laserstrahl linear polarisiert ist, daß dem photoclektrischen Empfänger (9) und der Linse (8) ein relativ zur Polarisationsebene des Laserstrahles um seinen Mittelpunkt rotic- s rendcs kreisrundes Polarisationsfilter vorgeordnet ist, das einen größeren Durchmesser als der Laserstrahl aufweist und das aus zwei halbkreisförmigen Teilfiltern (3, 4) besteht, deren Polarisationsrichtungcn aufeinander senkrecht stehen, ίο' und daß dem Empfänger (9) ein phasenselektiver Gleichrichter (11) nachgeschaltct ist .

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsfilter (2) fest- steht und daß sich die Polarisationsrichtung des Laserstrahles (S) dreht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des linear polarisierter Laserstrahles (S), jedoch vor dem feststehender Polarisationsfilter (2) ein ;/4-P1äl(chen (16) angeordnet ist, dem ein einfaches rotierendes Polarisationsfilter (17) nachgeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 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 Polarisationsfilter (2) se 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

700