DE19523740A1

DE19523740A1 - Verfahren zur Messung von Entfernungen unter Verwendung einer Lasereinrichtung und Vorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE19523740A1
Application number: DE1995123740
Authority: DE
Inventors: Chaochi Huang
Original assignee: Quarton Inc
Current assignee: Quarton Inc
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1997-01-02

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Entfernungsmesser und ins besondere einen Laser-Entfernungsmesser zur Messung der Ent fernung eines Zieles durch die Anwendung eines leicht zu be dienenden und bei Verwendung genau arbeitenden Laser-Moduls.

Eine Vielzahl von Laser-Erzeugungsvorrichtungen wurde für die Verwendung bei der Messung der Entfernung eines Zieles ent wickelt. Wie in Fig. 16A dargestellt ist, wird der von der Laser-Erzeugungsvorrichtung (1) kommende Laserstrahl, wenn er auf das Ziel (2) projiziert wird, zu der Laser-Erzeugungsvor richtung zurückgeworfen, und die Entfernung zwischen der Laser-Erzeugungsvorrichtung und dem Ziel wird gemessen durch:

D = (T × C)/2

wobei: D = die Entfernung
T = die Reflexionszeit, und
C = die Geschwindigkeit des Laserstrahls ist.

Dieses Meßverfahren ist einfach, weist aber noch Nachteile auf. Wenn eine große Entfernung zu messen ist, muß die Leis tungsfähigkeit der Laser-Erzeugungsvorrichtung relativ dazu erhöht werden. Wenn eine kurze Entfernung zu messen ist, ist es schwierig, ein genaues Ergebnis zu erhalten, da die Refle xionszeit zu kurz ist. Falls das Ziel kein reflektierendes Objekt ist oder falls das Ziel eine unebene Oberfläche auf weist, beeinträchtigt der schlechte Effekt der Reflexion des Laserstrahls die Meßgenauigkeit. Bei dem in Fig. 16B darge stellten Fall hat das Ziel (21) eine gekrümmte Oberfläche, die den Laserstrahl nicht präzise auf die Laser-Erzeugungs vorrichtung (1) zurückwerfen kann. Um dieses Problem zu be seitigen, muß ein Reflektor (3) verwendet und im Ziel (2) bzw. (21) angebracht werden (s. Fig. 16C und 16D). Die An bringung des Reflektors (3) auf der unebenen Oberfläche des Zieles (21) ist jedoch schwierig. Falls der Reflektor (3) am Ziel (2) oder (21) nicht im richtigen Winkel befestigt ist, wird der reflektierte Laserstrahl von seinem Kurs abgelenkt.

Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um einen Laser- Entfernungsmesser zur Verfügung zu stellen, welcher die oben genannten Nachteile beseitigt. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laser-Entfernungsmesser zur Verfügung zu stellen, der bei Verwendung genau arbeitet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laser-Entfernungsmesser zur Verfügung zu stellen, der vom An wender ohne Unterstützung durch weitere Personen leicht zu bedienen ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laser-Entfernungsmesser zur Verfügung zu stel len, der einfach aufgebaut und kostengünstig herzustellen ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laser-Entfernungsmesser zur Verfügung zu stellen, der einfach zu warten ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Laser-Entfernungsmesser einen Laser-Generator auf, der so gesteuert ist, daß er einen Laserstrahl emittiert, einen ersten Reflektor mit einem Reflexionsvermögen von 50%, der in einem Elevationswinkel von 45° angeordnet ist, so daß er 50% des vom Laser-Generator kommenden Laserstrahls auf das Ziel reflektiert und 50% des vom Laser-Generator kommenden Laser strahls durchläßt, ein parallel zum Laserstrahl des Laser- Generators angeordnetes Lineal, einen zweiten Reflektor mit einem Reflexionsvermögen von 100%, der auf dem Lineal ange bracht und in einem Elevationswinkel von weniger als 45° an geordnet ist und relativ zum Laser-Generator in der Richtung des vom Laser-Generator kommenden Laserstrahls verschiebbar ist, so daß er den durch den ersten Reflektor hindurchgehen den Laserstrahl reflektiert und es ermöglicht, daß der vom zweiten Reflektor kommende reflektierte Laserstrahl den vom ersten Reflektor kommenden reflektierten Laserstrahl am Ziel schneidet.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Laser-Entfernungsmesser ge mäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1A eine Darstellung ähnlich derjenigen von Fig. 1, wobei aber das Gehäuse-Oberteil des Laser-Generators abge nommen ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 1;

Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 3;

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 von Fig. 1;

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 von Fig. 1;

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie 7-7 von Fig. 1;

Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 von Fig. 3;

Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 von Fig. 1;

Fig. 10 eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 von Fig. 9;

Fig. 11 den von der Halbleiterlaser-Strahlungsquelle kommenden Laserstrahl, der vom Reflektor auf dem Laser-Generator und dem Reflektor auf dem Lineal reflektiert wird, und die beiden sich schneidenden reflektierten Laserstrah len;

Fig. 12 eine Darstellung ähnlich derjenigen von Fig. 11, wobei aber der Reflektor auf dem Lineal eingestellt ist;

Fig. 13 die Anordnung des Reflektors auf dem Lineal in einem Elevationswinkel von mehr als 45° und die Reflexions richtung des Reflektors auf dem Lineal;

Fig. 14 die Anordnung des Reflektors auf dem Lineal in einem Elevationswinkel von weniger als 22,5° und die Refle xionsrichtung des Reflektors auf dem Lineal;

Fig. 15 eine andere Draufsicht auf den Laser-Entfernungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 16A-16D den Laserstrahl eines Laser-Entfernungsmesser des Standes der Technik bei Reflexion durch verschiedene Ziele.

Wie in Fig. 1 bis 10 dargestellt ist, besteht ein Laser-Ent fernungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentli chen aus einem Lineal 10 und einem Laser-Generator 20 an einem Ende des Lineals 10. Das Lineal 10 besteht aus einem flachen, länglichen Basisteil 12 aus Metall und einer das Basisteil 12 aus Metall bedeckenden Abdeckschicht 11 aus Pla stik. Der Laser-Generator 20 weist ein Gehäuse-Unterteil 22, ein auf das Gehäuse-Unterteil 22 aufgesetztes Gehäuse-Ober teil 21, eine Halbleiterlaser-Strahlungsquelle 30, einen ersten Reflektor 31, einen Batteriesatz 32, einen Schalter 33, eine Anzeigelampe 34 und zwischen die elektrischen Ele mente geschaltete Leiter 35 auf. Der Batteriesatz 32 wird vom Schalter 33 so gesteuert, daß er der Halbleiterlaser-Strah lungsquelle 30 die erforderliche Arbeitsspannung zuführt und sie dadurch veranlaßt, einen Laserstrahl abzugeben. Die An zeigelampe 34 ist in einer (hier nicht dargestellten) Ausspa rung am Gehäuse-Oberteil 21 angeordnet. Wenn der Schalter 33 eingeschaltet ist, ist die Anzeigelampe 34 eingeschaltet, so daß sie Licht für Anzeigezwecke abgibt. Das Gehäuse-Unterteil 22 weist eine (hier nicht dargestellte) Öffnung auf, die mit einem Batteriedeckel 23 abgedeckt ist. Wenn der Batterie deckel 23 geöffnet ist, kann der Batteriesatz 32 ausgewech selt werden. Das Gehäuse-Unterteil 22 und das Gehäuse-Ober teil 21 haben jeweils einen Kupplungsflansch 221 bzw. 211 für die Anbringung des Batteriedeckels 23 (s. Fig. 7). Der erste Reflektor 31 ist mit dem Laserstrahl-Ausgabeende der Halblei terlaser-Strahlungsquelle 30 fluchtend angeordnet, hat eine reflektierende Oberfläche mit einem Reflexionsvermögen von 50% und ist in einem Elevationswinkel von 45° angeordnet. Ein Schlitten 40 ist auf dem Lineal 10 verschiebbar und von einer Feder 41 festgehalten (s. Fig. 3). Die Feder 41 weist eine in Berührungskontakt mit dem Lineal 10 angeordnete konvexe Kon taktoberfläche auf, um es zu ermöglichen, daß der Schlitten 40 am Lineal 10 entlang verschiebbar ist und beim Auslassen in der jeweiligen Stellung festgehalten wird. Eine Hülse 50 ist um einen Drehpunkt 56 auf dem Schlitten 40 drehbar (s. Fig. 1A und 3) und mit einer Kappe 55 abgedeckt, um eine Re flektorhalterung 54 und einen zweiten Reflektor 51 in der Re flektorhalterung 54 zu halten (s. auch Fig. 8, 9 und 10). Die Reflektorhalterung 54 wird von einer Feder 53 abgestützt. Eine Einstellschraube 52 ist in eine (hier nicht darge stellte) Gewindeöffnung an der Hülse 50 eingeschraubt und liegt über die Reflektorhalterung 54 an der Feder 53 an. Der zweite Reflektor 51 ist mit dem Laserstrahl-Ausgabeende der Halbleiterlaser-Strahlungsquelle 30 fluchtend angeordnet, und seine reflektierende Oberfläche mit einem Reflexionsvermögen von 100% ist in einem Elevationswinkel von weniger als 45° Winkel angeordnet. Durch Drehen der Einstellschraube 52 wird der Elevationswinkel des zweiten Reflektors 51 eingestellt.

Wenn die Halbleiterlaser-Strahlungsquelle 30 eingeschaltet ist, so daß er einen Laserstrahl D2 auf den ersten Reflektor 31 emittiert, werden 50% des Laserstrahls D2 vom ersten Re flektor 31 im rechten Winkel reflektiert, und 50% des Laser strahls D2 gehen durch den ersten Reflektor 31 hindurch und werden vom zweiten Reflektor 51 auf dem Lineal 10 reflektiert (s. Fig. 11 und 12). Da der zweite Reflektor 51 in einem Ele vationswinkel von weniger als 45° angeordnet ist, und der er ste Reflektor 31 in einem Elevationswinkel von 45° angeordnet ist, schneidet der vom zweiten Reflektor 51 reflektierte Laserstrahl den vom ersten Reflektor 31 reflektierten Laser strahl D1 in dem Punkt P1. Durch Verändern der Stellung des zweiten Reflektors 51 mittels Verschieben der Hülse 50 ent lang des Lineals 10 wird der Schnittpunkt P1 verstellt. Durch Ausrichten des reflektierten Laserstrahls D1 auf das Ziel 2 und Einstellen der Stellung des zweiten Reflektors 51, um es zu ermöglichen, daß der Schnittpunkt P1 auf das Ziel 2 bewegt wird, kann die Entfernung zwischen dem Laser-Entfernungsmes ser und dem Ziel 2 aufgrund der Daten über die Entfernung D2, die durch das Lineal 10 bekannt sind, und die Werte der drei Winkel des rechtwinkligen Dreiecks, das durch die Spiegel 31 und 51 sowie das Ziel 2 begrenzt ist, gemessen werden.

Wie in Fig. 13 dargestellt ist, kann der zweite Reflektor 51 den Laserstrahl nicht auf den vom ersten Reflektor 31 reflek tierten Laserstrahl reflektieren, wenn der Elevationswinkel des zweiten Reflektors 51 größer als 45° ist.

Wie in Fig. 14 dargestellt ist, ist die Entfernung vom ersten Reflektor 31 zum zweiten Reflektor 51 größer als zum Schnitt punkt zwischen dem vom ersten Reflektor 31 reflektierten Laserstrahl und dem vom zweiten Reflektor 51 reflektierten Laserstrahl, wenn der Elevationswinkel des zweiten Reflektors 51 weniger als 22,5° beträgt. Diese Anordnung ist für die Messung einer großen Entfernung nicht geeignet. Die horizon tale Verschiebung des zweiten Reflektors 51 kann durch Drehen der Hülse 50 um den Drehpunkt 56 eingestellt werden. Die ver tikale Verschiebung des zweiten Reflektors 51 kann durch Dre hen der Einstellschraube 52 eingestellt werden.

Wie in Fig. 15 dargestellt ist, weist das Lineal 10 eine in Längsrichtung angeordnete Reihe von gleichmäßig beabstandeten Kalibrieröffnungen 13 für die Kalibrierung bei der Messung von festgelegten Entfernungen auf.

Wie in Fig. 4 wiederum dargestellt ist, weist das Lineal 10 des weiteren eine Montageöffnung 14 auf der Unterseite des Laser-Generators 20 für die Anbringung auf einem (hier nicht dargestellten) Stativ auf, damit der Laser-Generator 20 auf dem Stativ aufgestellt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Entfernung eines Zieles, wel ches die Schritte aufweist:

i) Vorbereiten einer Laser-Erzeugungseinrichtung zum Abgeben eines Laserstrahls;
ii) Vorbereiten eines ersten Reflektors zum Reflek tieren einer Hälfte des Laserstrahls in einem rechten Winkel auf das Ziel hin und zum Durchlas sen einer Hälfte des Laserstrahls;
iii) Vorbereiten eines zweiten Reflektors zum voll ständigen Reflektieren des durch den ersten Re flektor hindurchgehenden Laserstrahls, der es er möglicht, daß der vom zweiten Reflektor kommende reflektierte Laserstrahl den vom ersten Reflektor kommenden reflektierten Laserstrahl am Ziel schneidet;
iv) Messen der Entfernung zwischen dem ersten Reflek tor und dem zweiten Reflektor;
v) Messen des Winkels des zweiten Reflektors relativ zum ersten Reflektor; und
vi) Messen der Entfernung des Zieles mittels der tri gonometrischen Funktionen der drei Winkel des rechtwinkligen Dreiecks, das vom Laserstrahl zwi schen dem ersten Reflektor und dem zweiten Re flektor, dem reflektierten Laserstrahl zwischen dem ersten Reflektor und dem Ziel und dem reflek tierten Laserstrahl zwischen dem zweiten Reflek tor und dem Ziel begrenzt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalkulationstabelle der trigonometrischen Winkel funktionen für schnelles Nachschlagen angefertigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, welches des weiteren auf weist: einen Schritt des Aufstellens des zweiten Re flektors in einem vorgegebenen Winkel relativ zum er sten Reflektor, so daß er den durch den ersten Reflek tor hindurchgehenden Laserstrahl reflektiert und es er möglicht, daß der reflektierte Laserstrahl den vom er sten Reflektor kommenden reflektierten Laserstrahl für eine Berechnung der trigonometrischen Funktionen von vorgegebenen Winkeln schneidet, und danach Verschieben des zweiten Reflektors relativ zum ersten Reflektor entlang des durch den ersten Reflektor hindurchgehenden Laserstrahls, um es zu ermöglichen, daß der vom zweiten Reflektor kommende reflektierte Laserstrahl für die Messung der Entfernung des Zieles auf das Ziel reflek tiert wird.

4. Laser-Entfernungsmesser zur Verwendung in dem Verfahren von Anspruch 1, welcher aufweist:
einen Laser-Generator, der so gesteuert ist, daß er einen Laserstrahl abgibt;
einen ersten Reflektor zum Reflektieren eines Teils des vom Laser-Generator kommenden Laserstrahls auf das Ziel und Durchlassen eines Teils des vom Laser-Generator kommenden Laserstrahls;
ein parallel zum Laserstrahl des Laser-Generators ange ordnetes Lineal;
einen zweiten Reflektor, der auf dem Lineal angebracht ist und relativ zum Laser-Generator in der Richtung des vom Laser-Generator kommenden Laserstrahls verschiebbar ist, so daß er den durch den ersten Reflektor hindurch gehenden Laserstrahl reflektiert und es ermöglicht, daß der vom zweiten Reflektor kommende reflektierte Laser strahl den vom ersten Reflektor kommenden reflektierten Laserstrahl am Ziel schneidet.

5. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der erste Reflektor eine reflektie rende Oberfläche mit einem Reflexionsvermögen von 50% aufweist, die in einem Elevationswinkel von 45° ange ordnet ist, so daß sie den vom Laser-Generator kommen den Laserstrahl in einem rechten Winkel reflektiert.

6. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Reflektor eine reflektie rende Oberfläche mit einem Reflexionsvermögen von 100% aufweist, die in einem Elevationswinkel von weniger als 45° angeordnet ist, so daß sie den durch den ersten Re flektor hindurchgehenden Laserstrahl auf das Ziel hin reflektiert.

7. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Laser-Generator ein Gehäuse, eine im Inneren des Gehäuses angebrachte Halbleiterlaser- Strahlungsquelle und eine im Inneren des Gehäuses ange brachte Batterie-Stromversorgungseinrichtung aufweist, welche die Laser-Strahlungsquelle mit elektrischem Strom versorgt, wobei das Gehäuse ein Laserstrahl-Aus gabeende aufweist, in welchem der erste Reflektor ein gebaut ist.

8. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Laser-Generator des weiteren einen auf dem Gehäuse angebrachten und elektrisch zwi schen der Halbleiterlaser-Strahlungsquelle und der Bat terie-Stromversorgungseinrichtung angeschlossenen Schalter, sowie eine über den Schalter an die Batterie- Stromversorgungseinrichtung angeschlosse Anzeigelampe aufweist.

9. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Gehäuse-Unter teil und einem auf das Gehäuse-Unterteil aufgesetzten Gehäuse-Oberteil besteht, wobei das Gehäuse-Unterteil eine Öffnung, durch welche die Batterie-Stromversor gungseinrichtung in den Laser-Generator eingebaut ist, und einen auf die Öffnung aufgesetzten Batteriedeckel aufweist.

10. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Batteriedeckel an einem Kupp lungsflansch am Gehäuse-Unterteil und einem Kupplungs flansch am Gehäuse-Oberteil befestigt ist.

11. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Lineal aus einem länglichen fla chen Basisteil aus Metall und einer das Basisteil aus Metall abdeckenden Deckschicht besteht.

12. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Lineal eine in Längsrichtung an geordnete Reihe von gleichmäßig beabstandeten Kali brieröffnungen aufweist.

13. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Lineal in der Nähe eines seiner Enden eine Montageöffnung für die Anbringung auf einem Stativ aufweist.

14. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Reflektor an einem Schlit ten angebracht ist, der am Lineal entlang verschiebbar ist.

15. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Reflektor an einer Halte rungseinheit angebracht ist, die um einen Drehpunkt am Schlitten drehbar ist.

16. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halterungseinheit eine um den Drehpunkt am Schlitten drehbare Hülse, eine an der Hülse der Halterungseinheit durch eine Feder getragene Reflektorhalterung zum Halten des zweiten Reflektors, und eine in ein Gewindeloch an der Hülse der Reflektor halterung eingeschraubte und an der Reflektorhalterung gegen die Feder anliegende Einstellschraube aufweist.

17. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halterungseinheit des weiteren eine Kappe aufweist, die auf die Hülse der Halterungs einheit aufgesetzt ist, um die Reflektorhalterung und den zweiten Reflektor im Inneren zu halten.

18. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß der Schlitten durch eine Federein richtung am Lineal festgehalten ist, wobei die Feder einrichtung eine konvexe Kontaktfläche aufweist, die in Berührungskontakt mit dem Lineal angeordnet ist.

19. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Reflektor in einem Eleva tionswinkel von mehr als 22,5° angeordnet ist.