DE2821170C2 - Einrichtung zum objektivierten Zieleinfang - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum objektivierten Zieleinfang mit einem zu einer Meßstruktur gehörenden Radialraster und fotoelektrischer Auswertung von Moire-Figuren, welfbe aus der Überlagerung eines Bildes einer ein weiteres Raster aufweisenden Zielstruktur mit dem Radialraster der Meßstruktur entstehen und deren sich bei gleichmäßiger Relativbewegung zwischen dem Bild des weiteren Rasters und des Radialrasters verändernder Modulationsgrad der Relativlage zwischen Ziel- und Meßstruktur proportionale Signale liefert, die von einer im Strahlengang hinter dem weiteren Raster angeordneten fotoelektrischen Empfangseinrichtung ausgehen, die eine elektronische Auswerteschaltung nachgeschaltet ist.

Einrichtungen dieser Art sind für geodätische Instrumente, wie z. B. Theodolite, Nivelliere oder Tachymeter sowie Fluchtungsfernrohre, erforderlich, mit welchem eine mit einem Objekt verbundene Zielmarke anvisiert wird, um die Ablage des Objektes von einer vorgegebenen Sollage mit Hilfe einer Winkelmessung zu ermitteln.

Dazu ist es bisher bekannt, Zielstrukturen in Form von Meßlatten zu verwenden und diese mittels einer im Meßgerät, z. B. einem Theodoliten, befindlichen speziellen Meßstruktur (Meßmarke) zwecks Ermittlung der Winkelablage des Objektes zu einer Sollage anzuvisieren.

Der Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß lediglich Messungen in einer Koordinatenrichtung vorgenommen werden können und daß keine automatische Ausgabe der Meßwerte erfolgt. Ferner ist bei Ermittlung der Ablage die Vergrößerung der Zielstruktur in die Berechnung mit einzubeziehen.

Ferner ist durch die US-PS 32 20 298 eine Einrichtung zur Bestimmung von Azimut- und Elevationswinkeln

bekannt, deren Ausgangsdaten durch digitalisierte elektrische Impulse dargestellt werden. Zur Erzeugung dieser Impulse ist in dieser Einrichtung ein rotierendes, in unterschiedlichen Radialbereichen mit verschiedenartigen Teilungen ausgestattetes Radialgitter vorgesehen, mit welchem die Zielstruktur abgetastet wird.

Allerdings kann die Zielstruktur nur punktförmig abgetastet werden. Damit ist jedoch nur eine geringe, durch Störungen leicht beeinflußbare und schlecht auswertbare Energieausbeute zu erreichen.

Durch die GB-PS 12 70 124 ist es ferner bekannt, zur Ausrichtung zweier Objekte zueinander, das Ziel- und das Meßobjekt je mit einem Gilter zu verbinden, welche mit gleichabständigen, konzentrisch angeordneten, abwechselnd opaken und transparenten Ringen als Marken versehen sind. Der bei Versatz dieser Gitter gegeneinander auftretende Modulationsgrad der Moire-Figuren wird fotoelektrisch detektiert Die so entstehenden elektrischen Signale werden für die Ausrichtung der Objekte zueinander verwendet.

Ausgewertet wird bei dieser Einrichtung die Symmetriedeckung der entstehenden Moire-Figuren. Das erfordert jedoch eine Abbildung im Maßstab 1 : * der Gitter aufeinander, was nur in wenigen Praxisfällen erreichbar ist.

Der letztgenannte Nachteil wird durch ein in der DE-OS 24 31 932 offenbarten Verfahren sowie eine Einrichtung zu dessen Durchführung abgestellt Zum Anzeigen einer Richtung werden hier Moire-Figuren ve·wendet, die durch Oberlagerung eines parallele Linien aufweisenden Gitters mit einer Radialgitterscheibe erzeugt werden, die abwechselnd helle und dunkle, radial verlaufende Strahlen oder Linien besitzt Bei Ausrichtung des mit einem zu vermessenden Objekt verbundenen Gitters wird ein Bild des Gitters an einem außermittigen Teil der Scheibe erzeugt Bei gleichmäßiger Drehung der Scheibe um ihre Achse entsteht eine Modulation der mittleren Lichtintensität des resultierenden Bildes des Gitters und der Scheibe. Diese Modulation wird dedektiert. Das Gitterbild wird ausgehend von einer gegebenen Anfangsstellung, um eine Achse parallel zur Achse der Scheibe solange gedreht, bis eine Modulation maximaler Amplitude erhalten wird.

Letztendlich sind durch die DE-AS 17 98 368 sowie durch den Aufsatz von F. Hock in MASCHINENMARKT, 7. Juni 1963, MOIRETECHNIK.. STAND UND ENTWICKLUNGSTENDENZEN (pp.23-25} Einrichtungen zur Winkelmessung bekannt, die zwei gegeneinander bewegte Radialgitter verwenden.

Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die Richtungsermittlung nur in einer Koordinatenrichtung erfolgen kann.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, mit welcher ein von der Entfernung zwischen Ziel- und Meßstruktur, d. h. auch von der Vergrößerung der Zielstruktur, unabhängiger Zieleinfang in zwei Koordinatenrichtungen (Höhe und Seite) vornehmbar ist und welche die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik überwindet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für eins Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das weitere Raster ebenfalls als Radialraster ausgebildet ist und eine gleiche Teilung wie das Radialraster der internen Meßstruktur aufweist; daß die in Lichteinfallsrichtung hinter arm Radialraster der Meßstruktur angeordnete fotoelektrische Empfangseinrichtung mehrere fotoelektrische Empfänger enthält und daß die elektronische Auswerteschaltung zur Erzeugung von elektrischen Signalen ausgelegt ist die der Größe und Richtung der Mittenablage zwischen beiden Strukturen proportional sind.

Es erweist sich als besonderer Vorteil, wenn die fotoelektrischen Empfänger bestimmten Radialbereichen der Strukturen zugeordnet sind.

Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, daß die Auswerteschaltung eine Vergleichsstufe umfaßt, in welcher die Phasenlagen der von den fotoelektrischen

ίο Empfängern erzeugten einzelnen Signale gegenüber einer zusätzlichen Referenzsignalphase verglichen werden.

Die Auswerteschaltung kann aber auch eine Vergleichsstufe umfassen, in welcher die Phasenlagen der von den fotoelektrischen Empfängern erzeugten Signal gegenüber dem Mittelwert aller Signalphasen verglichen werden.

Es ist aber auch ferner möglich, daß die Auswerteschaltung einen Drehfeldaddierer umfaßt welcher aus diametralen Radialbereichen der St: .-«.türen erzeugten elektrischen Signalen ein Signal formt, de ,sen Phasenlage der Differenz der Phasenlagen der aus den diametralen Radialbereichen der Strukturen erzeugten Eingangssignalen entspricht.

Es ist vorgesehen, daß die Zielstruktur ein als Amplitudengitter wirkendes Auflicht-Radialraster und die Meßstruktur ein als Amplitudenraster wirkendes Durchlicht-Radialraster ist.
Es ist für die Erfindung ein besonderer Vorteil, wenn die zur Verwendung kommenden Radialraster abwechselnd lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Sektoren aufweisen.

Gemäß der Erfindung sind Radialraster vorgesehen, bei denen die Spitzen der Sektoren außerhalb der Mitte der Sektoren sind.

Es ist also möglich, daß die Spitzen der Sektoren auf einem die Mitte der Radialraster umgebenden Umkreis enden. Für die Herstellung solcher Radialraster uat es sich als Vorteil erwiesen, wenn die Spitzen der Sektoren an einem die Mitte der Radialraster umgebenden Umkreis einseitig tangential anliegen.

Die Erfindung schlägt ferner vor, daß Mitte! zur Erzeugung eine« gleichmäßig rotierenden Relativbewegung zwischen dem Bild d"r Zielstruktur und der Meßstruktur vorgesehen sind.

Es kann vorgesehen sein, daß dieses Mittel ein die Meßstruktur antreibender Motor ist. Es ist aber auch denkbar, daß als Mittel zur Erzeugung einer gleichmäßig rotierenden Relativbewegung zwischen dem Bild der Zielstruktur undrier Meßstruktur ein kontinuierlich angetriebenes, rotierendes optisches Bauteil vorgesehen und der Meßstruktur vorgeschaltet ist.

^cer: er wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Referenzsignalphase durch die Drehbewegung der Meßstruktur bzw. dts optischen Bauteiles gegeben ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß nach einer Grobausrichtung der Einrichtung auf die Zielstruktur der Einfangvorgang automatisch abläuft und gleichzeitig eine Ausgabe der Meßwerte und/oder die Lagekorrektur der Einrichtung erfolgt. Mit der vorgeschlagenen Strukturierung der Ziel- und Meßstruktur ist eine so günstige Energiebilanz zu erreichen, daß Störungen, wie z. B. Rauschen, praktisch die jeweiligen Meßresult."te nicht mehr beeinflussen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
• F i g. I eine schematischc Darstellung der erfindunes-

gemäßen Einrichtung mit rotierender Meßstruktur;

Fig. 2 die gleiche Einrichtung mit ortsfester Meßstruktur und Bildbewegung durch ein rotierendes optisches Mittel, und

Fig. 3a—3c Beispiele für Ausfiihrungsformen der Meßstruktur.

Die in F i g. I dargestellte Einrichtung enthält eine aus einem Auflicht-Radialraster, als Amplitudengitter wirkende Zielstruktur 1, welche mit einem nicht weiter dargsstellten, zu vermessenden Objekt verbunden ist. Diese Zielstruktur 1 wird über ein Objektiv 2 und einen Teilerspiegel 3 auf eine Meßstruktur 4 abgebildet, die aus einem als Amplituden-Gitter wirkenden Durchlicht-Radialraster besteht.

Das Objektiv 2 ist in einem tubusförmigen Gehäuse 6 beweglich gelagert und zwecks Objektscharfeinstellung mittels eines nicht mitdargestellten Triebes im Richtung des Doppelpfeiles 7 verschiebbar.

Die MeUstruktur 4 ist als Kreisscheibe ausgebildet und rotiert, von einem Motor 8 angetrieben mit gleichmäßiger Geschwindigkeit um die optische Achse 9 der Hinrichtung.

In Lichtrichtung hinter der Meßstruktur 4 sind fotoelektrische Empfänger 10 bis 13 angeordnet, die die Meßstruktur 4 verlassenden Lichtflüsse detektieren und dabei elektrische Wechselsignale erzeugen, deren Frequenzen sich aus der Umdrehungsgeschwindigkeit der Meßstruktur 4 und deren Teilung ergeben. Diese Frequenzen bleiben konstant, wenn die Mitten von Zielmnd Meßstruktur keinen Versatz gegeneinander aufweisen, d. h. keine Gitterscherung vorhanden ist.

Liegen die Mitten der beiden Strukturen 1 und 4 nicht übereinander, so ändern sich je nach auftretender Modulation der Lichtintensität die Frequenzen der von den Empfängern 10 bis 13 erzeugten elektrischen Signale. Gleichzeitig eilen beim Auswandern der Strukturenzentifcn, z. B. die Phasen der von den Empfängern 10 und J1 erzeugten Signale vor bzw. nach, und die Phasen der von den Empfängern 12 und 13 erzeugten Signale haben dann die entgegengesetzte Phasenverschiebung.

Den Empfängern 10 bis 13 ist eine Auswerteschaltung 14 nachgeschaltet. Diese enthält u. a. eine Vergleichsstufe, welche zur Ermittlung der Phasenverschiebung eingesetzt wird und in der dabei jede einzelne Signalphase mit einer zusätzlichen, z. B. aus der Umdrehung des Motors 8 gewonnenen Referenzsignalphase oder mit der Summe aller Signalphasen verglichen wird. Bereits ein ,geringfügiger Versatz der Mitten von Ziel- und Meßisitruktur gegeneinander genügt, um aus den daraus resultierenden Phasenverschiebungen der einzelnen Signale ein Elektrisches Drehfeld zu erzeugen, aus dem Größe und Richtung der Mittenablage ermittelbar sind. Dieses elektrische Drehfeld wird in der Auswertschaltung 14 in digitale Signale umgewandelt, welche eine nachgeschaltete Anzeigevorrichtung 14 speisen.

Außerdem ist der Auswerteschaltung 14 eine Nachführeinrichtung 16 nachgeschaltet, die entsprechend den Ausgangssignajen der Auswerteschaltung 14 die Relativraumlage der Einrichtung nach zwei Koordinatenrichtungen solange verändert, bis die Mitten der .Zielstruktur 1 und Meßstruktur 4 zusammenfallen.

Zur visuellen Beobachtung des Zieleinfanges und zur Grobausrichtung der Einrichtung auf die Zielstruktur 1 äst ein Okular 21 vorgesehen, welchem in einer Zwi-Ächenbiidebene 23 eine Marke 22 vorgeschaltet ist Zwecks Scharfeinstellung auf die Zwischenbildebene 25 ist das Okular 215 in einem fest mit dem tubusförmigen Glehäuse 6 verbundenen Okularstutzen 23 verschiebbar gelagert und mittels eines nicht mitdargestellten Triebes in Richtung des Doppelpfeiles 24 verstellbar.

Das in F i g. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel, in welchem die gleiche Funktion wie in F i g. I ausübenden Bauteile die gleichen Bezugszeichen tragen, unterscheidet sich von dem in Fig. I gezeigten dadurch, daß die Meßstruktur 4 ortsfest montiert ist. Die Relativbewegung zwischen dem Bild der Zielstruktur 1 und der Meßstruktur 4 erfolgt dadurch, daß das Bild der Zielstruktur 1 rotierend über die Meßstruktur 4 geführt wird. Dazu ist im Strahlengang ein optisches Bauelement 26. z. B. ein Dove-Prisma, angeordnet, welches auf einem um die optische Achse 9 drehbaren Träger 27 befestigt ist. Ein Antriebsmotor 28 versetzt den Träger 27 über ein Triebrad 29 in eine gleichmäßige Rotationsbewegung um die optische Achse 9. So wird das vom Objektiv 2 entworfene Bild der Zielstruktur 1 über die Meßstruktur 4 geführt. Die Erzeugung der elektrischen Signale, deren Auswertung sowie die visuelle Beobachtung und Grobausrichtung der Strukturen zueinander erfolgt wie zu F i g. 1 b schrieben.

Zielstruktur 1 und Meßstruktur 4 können abwechselnd lichtdurchlässige 30 und lichtundurchlässige 31 Sektoren aufweisen, deren Spitzen 32 in den Strukturenmitten zusammenliegen. Die Verwendung zweier derartig gleicher Strukturen ist aber für die Signalerzeugung bei Symmetrielage von Nachteil, weil dann Strukturen derart zur Deckung kommen, daß entweder sich opake Sektoren decken oder transparente und opake Sektoren sich so komplementieren, daß eine vollständige Sperre im Lichtfiuß entsteht.

Es erweist sich daher von Vorteil, als Strukturen 1 und 4 Radialraster zu verwenden, bei denen, wie die F i g. 3a bis 3b zeigen, die Spitzen 32, 33 der Sektoren 30, 31 außerhalb der Mitte der Struktur liegen.

So zeigt F i g. 3a ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Spitzen der Sektoren auf einem die wiiue der Struktur umgebenden Umkreis 34 liegen. Gleiches gilt für die Darstellung der F i g. 3b mit dem Unterschied, daß die opaken Sektoren 31 über die Mitte der Struktur hinausragend angeordnet sind.

F i g. 3c schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Sektorenspitzen an die Mitte der Struktur umgebenden Umkreis 34 einseitig tangential anliegen.

Es bleibt zu erwähnen, daß die Marke 25 unterschiedlich gestaltet sein kann, je nach dem Zweck, für welchen die visuelle Beobachtung vorgesehen ist. Soll mit ihr die richtige Funktion der Einrichtung überwacht werden, so bieiet sirh als Marke 25 eine Kreuzmarke an. Soll dagegen die visuelle Beobachtung vornehmlich zur Gro¹" einstellung der Einrichtung dienen, so wird man als Marke 25 eine rahmenförmige Marke wählen, die auch als Leuchtrahmen ausgebildet sein kann.

Auch für die Anordnung der fotoelektrischen Empfänger 10 bis 13 relativ zur Querausdehnung der Meßstruktur 4 gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Diese Empfänger können entsprechend einem Radius der Struktur räumlich nebeneinanderliegend montiert sein. Es ist aber auch möglich, sie über die Räche der Meßstruktur 4 verteilt anzuordnen. Eine dazu bevorzugte Anordnung ist so, daß jedem Empfänger ein Kreissektor von 90° zugeordnet ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum objektivierten Zieleinfang mit einem zu einer Meßstruktur gehörenden Radialraster und fotoelektrischer Auswertung von Moire-Figuren, weiche aus der Oberlagerung eines Bildes einer ein weiteres Raster aufweisenden Zielstruktur mit dem Radialraster der Meßstruktur entstehen und deren sich bei gleichmäßiger Relativbewegung zwischen dem Bild des weiteren Rasters und des Radialrasters verändernde Modulation der Relativlage zwischen Ziel- und Meßstruktur proportionale Signale liefert, die von einer im Strahlengang hinter dem weiteren Raster angeordneten fotoelektrischen Empfangseinrichtung ausgehen, der eine elektronische Auswerteschaltung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Raster ebenfalls als Radialraster (4) ausgebildet ist und eine gleiche Teilung wie das Radialraster der internen Meßstruktur aufweist, daß die in Lichteinfallsrichtung hinter dem Radialraster (4) der Meßstruktur angeordnete fotoelektrische Empfangseinrichtung mehrere fotoelektrische Empfänger (10,11, 12, 13) enthält und daß die elektronische Ausweiteschaltung (14) zur Erzeugung von elektrischen Signalen ausgelegt ist, die der Größe und Richtung der Mittenablage zwischen beiden Strukturen (1,5) proportional sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Empfänger (10, 11,12,13) bestimmten Radialb-- /eichen der Strukturen (1,4) zugeordnet sind.

3. Einrichtung nach den Ansp jenen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (14) eine Vergleichsstufe umfaßt, in welcher die Phasenlagen der von den fotoelektrischen Empfängern (10, 11, 12, 13) erzeugten einzelnen Signale gegenüber einer zusätzlich erzeugten Referenzsignalphase verglichen werden.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (14) eine Vergleichsstufe umfaßt, in welcher die Phasenlagen der von den fotoelektrischen Empfängern (10, 11, 12, 13) erzeugten einzelnen Signale gegenüber dem Mittelwert aller Signalphasen verglichen werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielstruktur (1) ein als Amplitudenraster wirkendes Auflicht-Radialraster ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstruktur (4) ein als Amplitudenraster wirkendes Durchlicht-Radialraster ist.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialraster (1, 4) abwechselnd lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Sektoren (30,31) aufweisen.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Radialraster (1, 4) vorhanden ist, bei dem die Spitzen (32, 33) der Sektoren (30, 31) außerhalb der Mitte der Struktur (4) sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (32, 33) der Sektoren (30, 31) auf einem die Mitte des Radialrasters (1, 4) umgebenden Umkreis (34) enden.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (32, 33) der Sektoren (30,

31) an einem die Mitte des Radialrasters (1,4) umgebenden Umkreis (34) einseitig tangential anliegen.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8, 28, 29) zur Erzeugung einer gleichmäßig rotierenden Relativbewegung zwischen dem Bild der Zielstruktur (1) und der Meßstruktur (4) vorhanden sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erzeugung einer gleichmäßig rotierenden Relativbewegung ein die Meßstruktur (4) antreibender Motor (8) ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Erzeugung einer gleichmäßig rotierenden Relativbewegung zwischen dem Bild der Zielstruktur (1) und der Meßstruktur

(4) ein kontinuierlich angetriebenes, rotierendes optisches Bauteil (26) vorgesehen und der Meßstruktur

(5) vorgeschaltet ist.

14. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß die Referenzsignalphase durch die Drehbewegung der Meßstruktur (4) bzw. des optischen Bauteiles (26) gegeben ist

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Auswerteschaltung (14) einen Drehfeidaddierer umfaßt welcher aus diametralen Radialbereichen <der Strukturen (1, 4) erzeugten elektrischen Signalen ein Signal formt, dessen Phasenlage der Differenz der Phasenlagen der aus den diametralen Radialbereichen der Strukturen erzeugten Eingangssignalen entspricht