DE2000828B2 - Justiereinrichtung fuer ein elektrooptisches nivellier instrument - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Justiereinrichtung für ein elektrooptisches Nivellierinstrument, in dem ein Laserstrahl auf mindestens eine Fotozelle oder eine Gruppe von Fotozellen in einem Detektor gerichtet wird, der die Lage des Laserstrahls anzeigt und in dem ein Richtstrahler den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen teilt.

Es ist bereits ein geodätisches Instrument beschrieben worden, bei welchem der Strahl eines optischen Masers mittels einer Strahlteilvorrichtung in zwei divergierende Teilstrahlen geteilt wird. Der Winkel, unter dem die Teilstrahlen divergieren, ist eingestellt und somit bekannt. Wenn eine Meßlatte in einer Entfernung vom Maser so quer zu den Bahnen der beiden Teüstrahlen angeordnet wird, daß beide Teilsirahlen auf Jie Meßlatte an zwei voneinander beabstandeten Punkten auftreffen, dann kann aus der Messung des Abstands der Auftreffpunkte der beiden Lichtstrahlen bei Kenntnis des Divergenzweges der beiden Lichtstrahler, die Entfernung der Meßlatte von dem Maser auf einfache Weise trigonometrisch berechnet werden. Aus der Beschreibung dieses Maser-Entfernungsmeßgeräts geht nicht hervor, wie die Strahlteihorrichtung zur Erzeugung zweier divergierender Teilstrahlen ausgebildet ist. Es geht auch nicht hervor, wie ein konstanter Divcrgenzwinkel eingehalten und eine Richtungsstabilität der Teilstrahlen erzeugt werdet, soll, sobald bei diesem Maser-Entfernungsmesser Riihfungs'nstabilitätcn der Tcilstrahlen auftreten oder Richtungsschwankungen des Maserstrahls auftreten, können sich hieraus große Meßungcnauigkeiten ergeben.

Es ist bereits bekannt, zum Nivellieren einen Laserstrahl zu verwenden, der auf eine lageanzeigende Fotozelle, einen sogenannten Lagedetcktor, gerichtet wird. Der in einem derartigen Instrument verwendete Detektor kann entweder von zwei nebeneinander ungeordneten Fotozellen oder von einer einzigen Gleichrichter-Fotozelle gebildet werden, die in zwei voneinander getrennte Teile unterteilt ist, weiche mit je einem Zeigerinstrument verbunden sind, z. B. einer Meßbrücke. Wenn der Laserstrahl genau auf der Linie in der Mitte zwischen den beiden Teilen vorhandenen Trcnnungslinie auftrifTt, beeinflußt er das Instrument nicht. Wenn jedoch die eine oder andere J^eIIc eine größere Lichtmenge erhält, schlägt das i^eigerinstrumcnt aus, so daß die Lage des Strahls luif der Trcnnungslinie bestimmt werden kann. Das Instrument kann auch mit Fotozellen versehen sein, die in vier Quadranten unterteilt und so geschaltet lind, daß das Instrument die .v- und y-Koordinatcn ilirckt anzeigen kann. An Stelle \on Glcichrichtert'otozellcn kann man natürlich auch zwei oder vier !•"otodiodcn verwenden. Als Lichtquelle für Nivellierinstrumente dient im allgemeinen ein Gaslaser.

Eine derartige Einrichtung hat jedoch verschiedene Nachteile, welche die Meßgenauigkeit stark beeinträchtigen. Besonders einfache und billige Laser erzeugen Laserstrahlen, die nur eine geringe Richtungsstabiütät besitzen, d. h., daß sie hin- und herschwanken. Selbst bei einem richtungsstabilen Strahl wird jedoch das Schutzrohr des Lasers thermisch verformt, da eine gewisse Erwärmung der Vorrichtung im Gebrauch unvermeidlich ist. Das Schutzrohr muß genau gefluchtet und festgelegt sein. Diese Forderung ist unter Umständen sehr schwer erfüllbar, da v!;r Laser eine Länge von 500 mm oder mehr haben kann.

Der Erfindung liegt die /i/fgabe zugrunde, eine Justiereinrichtung der eingangs erläuterten Art für ein elektrooptisches Nivellierinstrument zu schaffen, in welchem ein Laser als Lichtquelle verwendet wird, das richtungsstabil ist und das gegenüber Pichtungsschwankunaen des Laserstrahls unempfindlich ist und eine von Richtungsschwankungen des Laserstrahls unabhängige hohe Meßgenauigkeit gewährleistet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, "daß das optische System des Richtstrahlers, das mindestens eine Reflexionsfläche eines Prismas aufweist, so ausgebildet ist, daß der eine Teilstrahl einmal mehr reflektiert wird als der andere Teilstrahl und daß bei einer Veränderung des Einfallswinkels des Laserstrahls auf dem Richtstrahler die beiden auf dem Lagedetektor auftreffenden Teilstrahlen um gegengleiche Winkel ausgelenkt werden.

Der erfindungsgemäße Richtstrahler sendet daher zwei Laserstrahfen aus, so daß auf die optische Achse des Systems bezogen das Instrument nicht beeinflußt wird.

Die Erfindung wkd in der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 schematisch im Querschnitt ein erfindungsgemäßes Nivellierinstrument mit Lichtquelle, Richtstrahler und Lagedetektor,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform eines Lagedetektors.

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Lagedetektors,

Fie. 4 eine andere Ausführungsform eines Richtstrahlers,

F i g. 5 eine weitere Ausführunvsrorm eines Richtstrahlers und

Fig. Γι ein Schema eines vollständigen Systems einer weiteren Ausführungsform eines Instrument= mit Lichtquelle, Richtstrahler und Lagedetektor.

Das Instrument nach Fig. I besitzt eine Lichtquelle 1, die einen Laserstrahl aussendet, einen Richtstrahler 7 und einen Lagedetektor 6 mit Z" ί Fotozellen 4 und 5. Der von der Lichtquelle 1 ausgesendete Laserstrahl wird von zwei Flächen eines in dem Richtstrahler 7 angeordneten Hilfsprismas 2 reflektiert und trifft dann auf ein Teillingsprisma 3 auf. welches den Strahl in zwei Teilstrahlen teilt, die auf den Fotozellen 4, 5 des Lagcdetcktors 6 anftrcffcn. Wie aus der Fig. I hervorgeht, wird der auf der Fotozelle 4 auftretende Teilstralil einmal mehr reflektiert als der Teilstralil, der auf der unteren Fotozelle 5 auftrifTt. Wenn der Einfallswinkel des Lascr-Hauptstrahls infolge von thermischen, mechanischen oder elektrischen Einflüssen, z. B. um einen Betrag α verändert wird, führt dies zu einer Auslenkung des oberen Teilstrahls um den Betrag α nach oben und zu einer Auslenkung des unteren Teilstrahls um denselben Betrage nach unten. Infolgedessen erhält der obere Teil der oberen Fotozelle 4 eine größere Lichtmengc. Dasselbe gilt für den unteren Teil der unteren Fotozelle 5. In einer nachgcschaltetcn Meßbrücke erfolgt keine Veränderung, so daß ζ Β. ein Zeigerinstrument keine Auslenkung erfährt. Erst bei einer Verschiebung des Lagedetektors 6 nach oben oder unten wird die Brücke verstimmt, weil das Instrument eine dieser Lageveränderung entsprechende Auslenkung erfährt. Diese kann direkt in Millimetern abgelesen werden. Der Richtstrahler 7 bestimmt die Richtungen der beiden ausgesendeten

Teilsirahlen. Diese Richtung kann mit Schrauben la od. dgl. eingestellt werden. Der Einfallswinke! und Veränderungen dieses Winkels sind innerhalb bestimmter Grenzen ohne Bedeutung.

Man braucht jedorh nicht wie in Fin. I zwei Fotozellen oder Gruppen von Fotozellen^ zu verwenden. Mindern kann ohne weiteres die beiden Teilstrahlen mit Hilfe von optischen Elementen dera.-t vereinigen, daß sie auf einer einzigen Fotozelle aufhellen, wie dies in F i g. 2 und 3 gezeigt ist. Der jn Fig. 2 dargestellte Lagedetektor besitzt'eine laueanzeigende Fotozelle 10 und vor dieser ein Doppel-Jteilglas 8 Mit Hilfe des weiteren Keilglases 9 kann dann tier Lagedetektor auf Null eingestellt werden. JUan kann das Doppelkeilglas 8 natürlich durch eine Linse oder ein Prisma 11 (Fig. 3) ersetzen.

An Stelle der in Fi g. 1 gezeigten Anordnung kann man auch andere Prismen verwenden, in denen der Laserstrahl in der vorstehend beschriebenen Weise derart geteilt wird, daß bei einer Veränderung des Einfallswinkels des Hauptstrahls um den tfetraü a die beiden Teilstrahlen gegenüber der Symmetrieachse um die Winkel —a bzw. —a ausgelenkt werden. Diese beiden Teilstrahlen brauchen nicht wie in Fig. 1 in der Höhe voneinander getrennt zu sein. D,ι■■ ist in Fig. 4 dargestellt. Der Hauptstrahl 1 des L;:v:s trifft auf dem optischen System 12 des Richtstrahlers auf, der ein geteiltes Pentagonprisma besitzt. Die Teilstrahlen werden von der unter einem Winkel v:i 45 angeordneten, teildnrchlässigen, metalli-■■: -ten Hypotenuse des Prisma« gegen die Außenli.^hen des Pentagonprismas reflektiert. Wenn die [■■'.ifaH-richtung des Hauptstrahls von der Normalen .;-: die Eintrittsfläche abweicht, werden die reflekü.rien Teilstrahlcn gegenüber der Normalen auf die riiiiriUsflächc um denselben Betrag in cnt»eecn- ^c-.i/ten Richtungen ausgclenkt.

l-'ig. 5 zeigt eine Anordnung, in welcher der I !"-erstiahl nicht wie bisher beschrieben physikalisch, suidem geometrisch geteilt wird, z.B. auf einer teilreilektiorendcn Fläche eines teildurchlässigen Spic-[.Is. Da der Laserstrahl einen Durchmesser von nur etwa 1 mm hat, muß der Strahl in an sich bekannter W.re mit Hilfe eines Fernrohres gespreizt werden, ehe er geteilt werten kann. Der von dem Laser 1 kommende Strahl tritt erst durch das Fernrohr 14. I-in Teil des in dem Fernrohr gespreizten Strahls trilit auf einem Prisma 13 auf, in dem er einmal reflektiert wird.

Fs v.^:b{ zwar zahlreiche verschiedene technische 1 ösimgcn für die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, doch haben alle Lösungen die Tatsache femeinsam, daß einer der geteilter. Laser-TciKtrah'cn einmal öfter reflektiert wird als de andere TeiKirahl. Natürlich kann eine unbeabsichtigte Auslenkung des Laserstrahls in allen Richtungen crfoleen, nicht nur in der Zcichcnebcne, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Eine derartige Auslenkung kann in derselben Weise angezeigt werden. Beispielsweise kann man den Lagcdctcktor mit einer lageanzeigenden Foto-/eile versehen, die in vier Quadranten geteilt ist. Dic^e Quadranten können mit zwei Zeigerinstrumenten verbunden sein, weicht· die Auslenkung in je einer Koordinatcnriclitung der Ebene anzeigen. Das optische System des Richtstrahlers kann mit einem Prisma versehen sein, das eine sogenannte Dachkantfläche besitzt, so dai3 der durch die Dachkantflächc hindurchtrelendc Teil des Laserstrahls in zwei Teilstrahlen in einer zur Zeichenebene senkrechten Hbene und der andere Teil des Laserstrahls in zwei Teilstrahlen in der Zeichenebene geteilt wird.

Die Stellung des Detektors kann beispielsweise mit Hilfe von kalibrierten Zeigerinstrumenten gemessen werden. Die Messung kann aber auch mechanisch oder optisch direkt auf dem Detektor selbst erfolgen. In diesem Fail kann der Lagedetektor in einem Kreuztisch angeordnet sein, der mit Hilfe von zwei Mikrometerschrauben derart betätigt wird, daß das Zeigerinstrument Null anzeigt. An Stelle einer Einstellung des Lagedetektcrs kann man in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines optischen Mikrometers eine Bewegung des Laserstrahls vornehmen. Eine derartige Einrichtung besitzt ein oder zwei drehbare KeiUlüser, eine oder zwei drehbare, planparallele Platten oder eventuell zwo: schwache Linsen, von denen eine verstellbar ist.

Das vorstehend beschriebene, elektrooptisch^ Nivellierinstrument dient zur Festlegung eines Punktes, der auf der Achse des Richtstrahlers liegt. Man kann dieses Instrument aber sehr gut auch zur Autokollimation verwenden, z. B. zur Festlegung einer Ebene. Fig. 6 zeigt ein für diesen Zweck bestimmtes Instrument gemäß der Erfindung. Dabei ist der Detektor 14 als kombinierter Lage- und Ebenendetektor ausgebildet. Er besitzt eine lageanzeigende Fotozelle 15 und ein Prisma 19, das den darauf auftreffenden Strahl in derselben Richtung zurückwirft. Der reflektierte Strahl trifft auf einer weiteren lagcempfindlichen Fotozelle 16 auf, die in einem Träger montiert ist, der ferner einen Laser 1 und ein erfindungsgemäßes optisches System 12 trägt. Der Träger ruht auf einer Bezugsebene 17. W'enn sich der Lagedetektor 14 auf dem richtigen Niveau befindet und die Ebene 18 zu der Ebene 17 parallel ist, gibt weder die Fotozelle 15 noch die Fotozelle 16 ein Signal ab.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Justiereinrichtung für ein elektrooptischen Nivellierinstrument, in dem ein Laserstrahl auf mindestens eine Fotozelle oder eine Gruppe von Fotozellen in einem Detektor gerichtet wird, der die Lage des Laserstrahls anzeigt und in dem ein Richtstrahler den Laserstrahl in zwei Teilstrahlcn teilt, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System des Richtstrahlers (7), das mindestens eine Reflexionsfläche eines Prismas aufweist, s" ausgebildet ist, daß der eine Teilstrahl einmal mehr reflektiert wird als der andere Tcilstrahl und daß bei einer Veränderung des Einfallswinkels des Laserstrahls auf dem Richtstrahler (7) die beiden auf dem Lagcdetcktor (6) auftrcffcndcn Teilstrahlcn um gcgengleichc Winkel abgelenkt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Reflexionsfläche des optischen Systems (2, 3: 12) von einer tcildurdilässigcn, metallisierten Fläche eines Prisnicnsatzes (3, 13) gebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Richtstrahler (7) ein I iriscnsystcm (14) zum Spreizen des darauf aufvrcficndcn Laserstrahls besitzt und ein Prisma

(13) zur einmaligen Reflexion eines Teiles des gespreizten Laserstrahls vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtstrahler (7) in bezug auf den darauf auftreffenden Laserstrahl verstellbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen