DE2449259A1

DE2449259A1 - Vorrichtung zum sichtbaren anzeigen einer ebene im raum

Info

Publication number: DE2449259A1
Application number: DE19742449259
Authority: DE
Inventors: Klas Rudolf Wiklund
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Pharos AB
Priority date: 1973-10-16
Filing date: 1974-10-16
Publication date: 1975-04-24
Also published as: JPS5068158A; SE7314028L; SE377185B; FR2247702A1; CH584882A5; DE2449259B2; FR2247702B1

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK 8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (08 90 881608

16.10.1974-31/(4)

AGA Aktiebolag_A_Lidingö_(_iSchweden_)

Vorrichtung zum sichtbaren Anzeigen einer Ebene im rüaum

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum sichtbaren Anzeigen einer ISbene im iiaum mit einem Lichtsender zum Erzeugen von im wesentlichen parallelem Licht und mit einem rotierenden optischen umlenkorgan, das aus dem ihm zugeführten parallelen Licht ein erstes und ein zweites Lichtbündel gewinnt und diesen beiden Lichtbündeln eine umlenkung und eine Abtastbewegung aufprägt.

In der ü'd-PS 3 6ü>6 628 ist eine /orrichtung zum Erzeugen einer Bezugsebene im Kaum beschrieben. Diese bekannte -/orrichtung enthält einen Laser, der einen Lichtstrahl emittiert und auf einen rotierenden Abtastkopf richtet, /on diesem Abtastkopf gehen zwei Laserstrahlen aus, von denen der eine unter einem kleinen V/inkel oberhalb der gewünschten Bezugsebene verläuft, während der andere unter einem kleinen ',/inkel nach unten gegen diese 13ezugsebene gerichtet ist. Im Ergebnis bilden diese beiden _t Laserstrahlen bei ihrer xiotation zwei Kegelflächen. I*un nimmt jedoch bei dieser bekannten Einrichtung die Genauigkeit für die Bestimmung der Bezugsebene im itaum mit zunehmendem Abstand von der Vorrichtung selbst ab, da die beiden Laserstrahlen einen bestimmten Winkel mit der anzuzeigenden Bezugsebene einschliessen und dementsprechend divergieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden, dass der oben erwähnte, mit der Divergenz der abgestrahlten Lichtbündel

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verbundene Nachteil vermieden bleibt und ein Gerät entsteht, das sich über einen grösseren Entfernungsbereich als die bekannte Einrichtung hinweg durch eine hohe G-enauigkeit bei der uarkierung einer Ebene im Raum auszeichnet.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Umlenkorgan die beiden Lichtbündel um jeweils 90 umlenkt und ihre intensitätsstärksten i'eile in einer ersten bzw» in einer zweiten Ebene umlaufen lässt, die beide parallel, symmetrisch und nahebei zu beiden Seiten der anzuzeigendenEbe-. ne im Kaum liegen.

■ΈΛ

Bei der erfindungsgemäss ausgebildeten Vorrichtung wird ein Lichtbündel emittiert, das durch seine Rotation auf einem Volllere is rund um die Vorrichtung selbst eine Bezugsebene im Raum festlegt ο Mit Hilfe der erfindungsgemäss ausgebildeten Vorrichtung lassen sich beispielsweise die üblichen Hiveilierarbeiten in ihrem Umfang vermindern, und das sogenannte Fluchten wird vereinfacht» Dabei eignet sich eine erfindungsgemäss ausgebildete Vorrichtung insbesondere zum .festlegen der Höhe von Gebäudastandorten»

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind im einzelnen in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Figo 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel in zwei verschiedenen Ansichten,

Pig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Intensitäts- . verteilung über die von der Vorrichtung nach Fig. 3 emittierten Lichtbündel„

Die Darstellungen in Fig. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäss ausgebildete Vorrichtung von der Seite, wobei die An—

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sieht in Fig. 2 durch eine Drehung um 90 aus der in Figo 1 dargestellten Ansicht hervorgeht. Bei dem dargestellten Beispiel emittiert ein Laser 1 Licht in Richtung auf einen ein rotierendes Umlenkorgan für dieses Licht darstellenden Kopf 2. Dieser Kopf 2 rotiert um eine in der Zeichnung vertikale Achse unter Antrieb durch einen Motor 3· Die mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung zu markierende Bezugsebene ist mit dem Bezugsymbol 4 "bezeichnet und in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Diese Bezugsebene 4 kann horizontal oder um einen gewünschten Kippwinkel für die- gesamte Vorrichtung gegen die Horizontale geneigt verlaufen.

Der rotierende Kopf 2 enthält als eigentliche Umlenkelemente zwei Pentaprismen 5. Diese beiden Pentaprismen 5 sind so ausgebildet und angeordnet, dass von ihnen zwei parallele Lichtbündel 6 bzw. 7 ausgehen, die beide parallel zur Bezugsebene 4 verlaufen und von denen das eine, das Lichtbündel 6, unmittelbar oberhalb der Bezugsebene 4 und das andere, das Lichtbündel 7> unmittelbar unterhalb der Bezugsebene 4 liegt. Durch Einfügung von optischen Gliedern, die als Strahldehner wirken und ein ihnen zugeführtes Lichtbündel ohne Erhöhung von dessen Divergenz in seinem Querschnitt erweitern, in den Strahlengang des Lichtes nach den Pentaprismen 5 lässt sich eine grössere Reichweite für die Vorrichtung erhalten, ohne dass dies auf Kosten der erzielbaren Genauigkeit ginge. Als solche strahldehnende optische Elemente sind in Fig. 1 für jedes der Lichtbündel 6 und 7 je eine Zerstreuungslinse 9 und eine Sammellinse 8 vorgesehen. Zur Erzielung einer einfachen und zuverlässigen Aufteilung des vom Laser 1 abgestrahlten parallelen Lichtes in zwei ΐeillichtbündel für die beiden Pentaprismen 5 ist bei dem dargestellten Beispiel im rotierenden Kopf 2 zwischen dem Laser 1 und den Pentaprismen 5 ein Strahlt eiler 10 ange-

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ordnet, der beispielsweise in "bekannter V/eise aus einem Satz von voll reflektierenden und teilweise reflektierenden Spiegeln oder, bei einer einfacherer Ausführungsform, aus einer Platte aus einem doppelbrechenden Material, wie beispielsweise einem Kalkspatkristall, bestehen kann. Licht, das auf eine solche Kristallplatte fällt, wird in einen ordentlichen und in einen außerordentlichen Lichtstrahl aufgespalten, von den ender erste gerade durch den Kristall hindurchgeht, während der zweite bei seinem eintritt und seinem Austritt aus dem Kristall umgelenkt wird. Das Ergebnis dieser zweifachen Umlenkung ist eine seitliche Verschiebung dieses einen ϊeilst rahls gegenüber dem anderen. Beide ϊeilstrahlen werden bei ihrem Durchgang durch den Kalkspatkristall gleichzeitig nach zwei zueinander senkrechten Richtungen polarisiert, und sie weisen die gleiche Intensität auf, wenn das einfallende Licht entweder überhaupt nicht polarisiert oder zirkulär polarisiert ist. Eine Zirkularpolarisation für das einfallende Licht lässt sich bei dem dargestellten Beispiel durch ijJinfügLing eines in der Zeichnung nicht eigens dargestellten Polarisators zwischen dem Laser 1 und dem Strahlteiler 10 erreichen.

Die Feststellung der mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung markierten Bezugsebene 4 im Raum lässt sich mit dem unbewaffneten Auge vornehmen. Bei für das Auge des Beobachters nicht unmittelbar erreichbarer Höhenlage dieser Bezugsebene 4 kann mit einem fotoempfindlichen Detektor gearbeitet werden, der sich an eine mit einer ϊeilung versehenen Stange nach aufwärts oder abwärts verschieben lässt. Wenn die Feststellung der Bezugsebene 4 mit dem blossen Auge geschehen soll, ist es zweckmässig,. die Vorrichtung so auszulegen, dass die beiden Lichtbündel 6 und 7 in zueinander entgegengesetzter Richtung abgestrahlt werden. Y/enn die beiden als Umlenkelemente dienenden Pentaprismen 5 der Vorrichtung so angeordnet werden, dass sie

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mit zehn Umdrehungen je Sekunde um die Drehachse rotieren, nimmt das Auge des Beobachters die Lichtbündel 6 und 7 als Lichtblitze wahr, wenn sich dieses Auge oberhalb oder unterhalb der Bezugsebene 4 befindet. Dies liegt daran, dass dieses Beobachterauge dann nur eines der beiden Lichtbündel 6 oder 7 wahrnimmt, das mit einer Umlauffrequenz von 10Hz wiederkehrt. Wird dieses Beobachterauge nun so bewegt, dass es in die markierte Bezugsebene 4 selbst au liegen kommt, so nimmt es die von beiden Lichtbündeln 6 und 7 ausgehenden Lichtblitze wahr, so dass sich insgesamt eine Lichtblitzfrequenz von 20Hz ergibt, was dank der x'rägheit des menschlichen Auges als konstante Beleuchtung empfunden wird. Das Beobachterauge erhält also den Eindruck der konstanten Beleuchtung nur dann, wenn es sich in der anzuzeigenden Bezugsebene 4 selbst befindet, während es bei einer Bewegung nach oben oder nach unten in einen Bereich oberhalb bzw. unterhalb dieser Bezugsebene das ihm zxigeführte Licht als Lichtblitze empfindet, wie bereits oben erwähnt lassen sich natürlich auch fotoempfindliche Detektoren an Stelle des menschlichen Auges für die Feststellung der Lage der markierten Bezugsebene 4 im itaum verwenden. Ein solcher Detektor kann dann beispielsweise aus einer einzelnen Fotozelle bestehen, und dieser Detektor kann dann die Entscheidung treffen, ob er sich innerhalb der Bezugsebene 4 befindet oder nicht. Allerdings kann mit Hilfe eines solchen Detektors im vorliegenden Fall nicht entschieden werden, auf welcher Seite der Bezugsebene 4 er sich befindet. Weiterhin lassen sich auch Detektoren verwenden, die mit zwei Fotozellen ausgestattet sind, die auf Licht mit unterschiedlicher Polarisation ansprechen. Wie bereits oben erwähnt kann es der Strahlteiler 10 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und ermöglichen, dass die beiden abgestrahlten Lichtbündel 6 und sich in-ihrem Polarisationszustand voneinander unterscheiden. Wenn ein Strahlteiler 10 ohne polarisierende Wirkung für das durch ihn hindurchgehende Licht verwendet wird, lassen sich

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die gleichen Eigenschaften für die abgestrahlten Lichtbündel 6 und 7 selbstverständlich auch mit Hilfe von x^Jolarisationsfiltern erreichen. Auf diese Weise kann dann mit Hilfe eines auf unterschiedlich polarisiertes Licht in unterschiedlicher Weise ansprechenden Detektors entschieden werden, ob sich dieser Detektor oberhalb, unterhalb oder in der anzuzeigenden Bezugsebene 4 selbst befindet.

Bei einer Abtastung der Bezugsebene 4 mit Hilfe von fotoempfindlichen Detektoren ist es nicht erforderlich, dass die Abstrahlungsrichtungen für die beiden emittierten Lichtbündel 6 und 7 entgegengesetzt zueinander liegen, sondern es genügt, wenn diese beiden Lichtbündel 6 und 7 so abgestrahlt werden, dass sie nicht gleichzeitig in genau die gleiche Richtung fallen.

In manchen Fällen kann es sogar ein Vorteil sein, wenn die beiden Lichtbündel 6 und 7 nicht nach einander entgegengesetzten Richtungen abgestrahlt werden, da ein elektronischer Detektor in der Lage ist, die beiden Lichtbündel voneinander zu trennen, wenn der zeitliche Abstand zwischen ihnen unterschiedlich ist und ausserdem bekannt ist, ob das in der zeitlichen Reihenfolge "erste" Lichtbündel oberhalb oder unterhalb der zu markierenden Bezugsebene 4 liegt. In diesem Fall kann dann mit Hilfe des Detektors entschieden werden, ob dieser zu hoch oder zu tief eingestellt ist, ohne dass daau eine Polarisation des abgestrahlten Lichtes in der oben erwähnten Weise erforderlich wäre. Die vorstehenden Bemerkungen gelten dann, wenn sich die beiden Lichtbündel in solcher Weise überlappen und/oder der Detektor nicht weiter von der anzuzeigenden Bezugsebene 4 entfernt angeordnet ist, dass beide Lichtbündel vom Detektor empfangen werden können, ohne dass dieser bewegt werden muss.

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Auch bei dem in Pig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dient als Lichtquelle ein Laser 1. Der als Umlenkorgan dienende rotierende Kopf ist in diesem Pall in einem Gehäuse 12 untergebracht, das unter Antrieb durch einen Motor 3 um eine in der Zeichnung vertikale Achse rotiert und in seinen Seitenflächen zwei Penster 11 für den Austritt der beiden Lichtbündel 6 und 7 und in seiner Unterseite ein Penster 13 für den Eintritt des vom Laser 1 abgestrahlten Lichtes enthält. Im Inneren des Gehäuses 12 sind ein Strahlteiler 10 und zwei Pentaprismen 5 untergebracht, deren gegenseitige Anordnung der vorstehenden Beschreibung für das Ausführungsbeispiel nach Pig. 1 und 2 entspricht. Die anzuzeigende Bezugsebene 4 im Raum ist auch in Pig» 4 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, und die Darstellung lässt erkennen, dass sich die beiden Lichtbündel 6 und 7, die von dem rotierenden Kopf abgestrahlt werden,in dieser Bezugsebene 4 ein wenig überlappen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind keine strahldehnenden optischen Elemente vorgesehen, die Lichtbündel 6 und 7 fallen also etwas schmaler aus als die entsprechenden Lichtbündel 6 und 7 bei dem Ausführungsbeispiel nach PIg₀ 1.

Die praktische Erprobung hat gezeigt, dass es zweckmässig ist, mit Lichtbündeln zu arbeiten, die keine gleichförmige Intensitätsverteilung zeigen. Die Intensität solcher Lichtbündel ist in ihren einander abgewandten Teilen grosser und in ihrem gegenseitigen Überlappungsbereich geringer, was in der Darstellung in Pig. 3 durch unterschiedliche Abstände zwischen den einzelnen eingezeichneten Lichtstrahlen innerhalb der Lichtbündel 6 und 7 schematisch angedeutet ist. Eine solche Intensitätsverteilung lässt sich mit Hilfe eines Graukeiles erreichen, der bei dem in Pig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise in den Penstern 11 im Gehäuse 12 angeordnet werden kann. Indem man die mit Hilfe eines solchen Graukeiles erhaltene Dämpfung im we-• sentlichen linear über den Querschnitt der abgestrahlten

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Lichtbündel 6 -und 7 macht und diese beiden Lichtbündel 6 und 7 einander teilweise überlappen lässt, kann man einen geteilten Bereich erhalten, wo ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Intensität der beiden Lichtbündel 6 und 7 ein unmittelbares Haß für die Abweichung von der Bezugsebene 4 ist. Dies bedeutet, dass ein elektronischer Detektor ohne weiteres mit einer Skala ausgerüstet v/erden kann, an der die Anzahl der Längeneinheiten, beispielsweise in inillimetern, ablesbar ist, um welche die Lage des Detektors von der Bezugsebene 4 abweicht ο Ein solcher Detektor kann von speziellem Interesse sein, wenn es darum geht, einen vorschub der einen oder anderen Art zu steuern, wenn also der Detektor beispielsweise auf einem Bulldozer montiert und in eine Servoschleife für die Steuerung der Bulldozerschaufel eingefügt ist.

Die Intensitätsverteilung über die Lichtbündel 6 und 7 der Vorrichtung nach Fig. 3 ist in Pig. 4 schematisch wiedergegeben. Diese Darstellung zeigt, dass die Intensität in beiden Lichtbündeln 6 und 7 nach beiden üichtungen von der .beζugsebene 4 aus gesehen steil ansteigt. Dank dieser Intensitätsverteilung in den Lichtbündeln 6 und 7 wird es für das Beobachterauge oder auch für einen elektronischen Detektor sehr einfach, das Intensitätsminimum festzustellen, also die Lage der anzuzeigenden Bezugsebene 4 zu. erkennen»

lüine oben noch nicht erwähnte Methode, die es sowohl einem Beobachterauge als auch einem elektronischen Detektor erlaubt, zu entscheiden, ob eine Bewegung nach oben oder nach unten erforderlich ist, um in die markierte Bezugsebene 4 zu gelangen, besteht darin, dass in die Vorrichtung noch ein drittes Lichtbündel eingeführt wird. Dieses dritte Lichtbündel sollte dann in der gleichen Ebene wie eines der beiden anderen Lichtbündel, jedoch mit zeitlicher Versetzung abgestrahlt werden. l'u\r eine Beobachtung

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mit dem menschlichen Auge ist es in diesem i'all am zweckmässigsten, wenn die seitliche verschiebung zwischen der Abstrahlung dieser drei Lichtbündel einer gleichen i! ei lung durch das rotierende ümlenkorgan entspricht, diese drei Lichtbündel also
trennt sind.

bündel also jeweils durch Winkel von 120 voneinander geWenn zwei der drei abgestrahlten Lichtbündel in einer oberhalb der anzuzeigenden JJezugsebene 4 liegenden Ebene abgestrahlt werden und nur das dritte Lichtbündel in einer unterhalb dieserBezugsebene 4 liegenden Ebene umläuft, nehmen ein Beobachterauge oder ein Detektor, die sich oberhalb der Bezugsebene 4 befinden, das abgestrahlte Licht in ^•oriii doppelter Lichtblitze wahr. -,Venn sich dagegen dieses Beobachterauge oder dieser Detektor unterhalb der anzuzeigenden Bezugsebene 4 befinden, nehmen sie das abgestrahlte Licht als einfache Lichtblitze wahr, ,ίβηη dann bekannt ist, ob oberhalb oder unterhalb der anzuzeigenden Bezugsebene 4 zwei Lichtbündel emittiert werden, wird es sehr einfach, zu entscheiden, in welcher itichtung das Beobachterauge oder der Detektor bewegt werden müssen, um in die Bezugsebene 4 selbst zu liegen zu kommen.

Bei verwendung des menschlichen Auges als Strahlungsdetektor ist es zweckmässig, die Drehgeschwindigkeit des rotierenden ümlenkorgans so zu wählen, dass dann, wenn sich das Beobachterauge in der anzuzeigenden Bezugsebene 4 befindet, die drei Lichtblitze, die dann je Umdrehung des ümlenkorgans auf das Beobachterauge treffen, von diesem als kontinuierliches Licht wahrgenommen werden.

Das dritte Lichtbündel kann im übrigen in ähnlicher Weise wie oben für die beiden anderen Lichtbündel beschrieben erzeugt werden.

Pat entansp_rüche: 5098 17/0841

Claims

Pat ent ansj) rü ehe

1 J Vorrichtung zum sichtbaren Anzeigen einer Ebene im üauin mit einem Lichtsender zum Erzeugen von im wesentlichen parallelem Licht'und mit einem rotierenden optischen Umlenkorgan, das aus dem ihm zugeführten parallelen Licht ein erstes und ein zweites Lichtbündel gewinnt und diesen beiden Lichtbündeln eine Umlenkung und eine Abtastbewegung aufprägt, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkorgan (2) die beiden Lichtbündel (6 und 7) um jeweils 90° umlenkt und ihre intensitätsstärksten i'eile in einer ersten bzw. in einer zweiten Ebene umlaufen lässt, die beide parallel, symmetrisch und nahebei zu beiden Seiten der anzuzeigenden Ebene (4) im liaum liegen.
2. vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische ünilenkorgan (2) zusätzlich ein drittes Lichtbündel erzeugt und diesem Lichtbündel eine Abtastbewegung aufprägt, bei welcher der int ens it äts stärkste Seil dieses dritten Lichtbündels in der ersten oder in der zweiten Parallelebene zur zu markierenden Ebene (4) im Hautn umläuft.
3ο Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbündelteile mit relativ schwacher Intensität in der anzuzeigenden Ebene (4) im Raum mit gegenseitiger Überlappung umlaufen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkorgan (2) Pentaprismen (5) für die Umlenkung der beiden Lichtbündel (6 und 7) enthält.
5. vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkorgan (2) ausserdem einen mit ihm rotierenden Strahlteiler (10) für die Aufspaltung des vom Lichtsender (1) abgestrahlten parallelen Lichts in zwei Lichtbündel (6 und 7) ent-

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hält, von denen jedem ein Pentaprisma (5) zugeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender ein laser (1) ist und das Ümlenkorgan (2) Strahldehner (8, 9) für die Ausdehnung des Querschnitts der beiden aus dem JmIenkorgan austretenden Lichtbündel (6 und 7) enthält„

7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit für die Rotation des ümlenkorgans (2) so gewählt ist, dass ein in der anzuzeigenden Ebene (4) im Raum befindliches Beobachterauge das abgestrahlte Licht als kontinuierlich empfindet, während ein ausserhalb dieser Ebene befindliches Beobachterauge dieses Licht als Lichtblitze wahrnimmt.

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