DE60108029T2

DE60108029T2 - Vorrichtung zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE60108029T2
Application number: DE60108029T
Authority: DE
Inventors: Fumio Ohtomo; Kunihiro Hayashi; Jun-Ichi Kodaira; Kazuki Osaragi
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: US20020060788A1; EP1195615B1; DE60108029D1; EP1195615A3; EP1195615A2; JP2002116025A; JP4601798B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Positionsbestimmung, und insbesondere bezieht sie sich auf ein System zur Positionsbestimmung, welches wenigstens zwei sich drehende Laservorrichtungen, die Laserstrahlen emittieren, und einen Lichtsensor aufweist, der die Laserstrahlen, die von den Rotationslaservorrichtungen emittiert werden, empfängt, und das den Ausgang des Lichtsensors benutzt, um eine Position zu messen und eine Oberfläche zu bestimmen.
Stand der Technik
Die Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H7-208990 zeigt eine dreidimensionale Koordinatenbestimmungsvorrichtung, die eine Lichtquelle, die sich dreht und eine Vielzahl ebenflächige Strahlen emittiert, und eine Vielzahl von Rückführungsmitteln hat. Die dreidimensionale Koordinatenbestimmungsvorrichtung, wie sie in 28 gezeigt ist, verwendet zwei Rückführungsmittel 905 und 906, die an einer Messlatte 904 befestigt sind, um divergierende Laserstrahlen 902 und 903, die von der Lichtquelle 901 emittiert werden, zu reflektieren und die Strahlen auf die Lichtquelle 901 zu richten, um eine dreidimensionale Koordinate der Lichtrückführungsmittel zu messen. Die dreidimensionale Koordinate kann aus einem Rotationswinkel der Lichtquelle am Empfang des einfallenden Lichtes, das von dem Lichtrückführungsmittel reflektiert wurde, und aus einer Zeitverzögerung zwischen den Empfangszeiten der Strahlen berechnet werden, die von den Lichtrückführungsmitteln 905 bzw. 906 reflektiert wurden.
Die Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. S63-300905 zeigt eine Vorrichtung, die zur Bestimmung einer Position eines sich bewegenden Objekts verwendet wird und die erste und zweite Lichtemissionsmittel, die sich drehen und sich geradlinig fortpflanzende Strahlen in einer horizontalen Richtung emittieren, und ein Lichtempfangsmittel umfasst, welches Lichtempfangselemente hat, um Strahlen von den beiden Lichtemissionsmitteln zu empfangen. Das erste Lichtemissionsmittel ist mit einem Lichtempfangselement versehen. Die Vorrichtung zur Positionsbestimmung bestimmt eine Orientierung, unter der das Lichtempfangsmittel angeordnet ist, in Abhängigkeit von einem Verhältnis einer Zeitdauer von einem Zeitpunkt, wenn das an dem ersten Lichtemissionsmittel befestigte Lichtempfangselement von dem zweiten Lichtemissionsmittel emittiertes Licht empfängt, bis zu einem Zeitpunkt, wenn das an dem Lichtempfangsmittel befestigte Empfangselement von dem zweiten Lichtemissionsmittel emittiertes Licht empfängt, zu einem Rotationszyklus des Laserprojektors. Auf ähnliche Weise werden die Richtungswinkel der beiden Laserprojektoren jeweils erhalten, und eine Dreiwinkeltheorie ist anwendbar, um eine Position in der horizontalen Ebene zu bestimmen, wo die Lichtempfangsmittel liegen.
Die dreidimensionale Koordinatenbestimmungsvorrichtung in der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. H7-208990 offenbart eine dreidimensionale Koordinatenbestimmungsvorrichtung und trifft auf ein Problem, dass die Orientierungen der Lichtrückführungsmittel 905 und 906 so eingestellt werden müssen, dass die von den Lichtrückführungsmitteln 905 und 906 reflektierten Strahlen mit Sicherheit auf die Lichtquelle 901 zurück gerichtet werden. Ein Bedienungsmann muss die Messlatte 904 bewegen, um die erforderliche Messprozedur auszuführen, und auch ein weiterer Bedienungsmann muss teilnehmen, um die Lichtquelle 901 zu manipulieren, weil die Ablesung der Messungen auf der Lichtquelle 901 ausgeführt wird. Dies gibt daher Anlass zu einer Unbequemlichkeit, dass eine einzige Person nicht ausreichend ist, um die Manipulation der dreidimensionalen Koordinatenbestimmungsvorrichtung durchzuführen.
Die Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines beweglichen Objekts, wie sie in der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. S63-300905 offenbart ist, muss ebenfalls den Nachteil überwinden, dass Messfehler aufgrund von unebenen Rotationen der Laserprojektoren verursacht werden, weil die Positionsbestimmungsvorrichtung eine Orientierung, unter der die Lichtempfangsmittel angeordnet sind, in Abhängigkeit von einem Verhältnis des Rotationszyklus des Laserprojektors zu einer Zeitdauer erhält, von einem Zeitpunkt, wenn das an dem ersten Lichtemissionsmittel befestigte Lichtempfangselement das von dem zweiten Lichtemissionsmittel emittierte Licht empfängt, bis zu einem Zeitpunkt, wenn das an dem Lichtempfangsmittel befestigte Lichtempfangselement das von dem zweiten Lichtemissionsmittel emittierte Licht empfängt. Folglich muss ein kostspieliger Motor, beispielsweise ein Hydraulik-Spindelmotor, mit reduzierten ungleichmäßigen Rotationen als Rotationsantriebsmechanismus in dem Laserprojektor verwendet werden, und die Gesamtkosten der Vorrichtung werden erhöht.
DE 44 15 419 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung, in der eine Vielzahl von Laserscannern vorgesehen ist, wobei jeder Laserscanner einen Lichtstrahl entlang einer bestimmten Achse emittiert. Ein Photoempfänger, der an einem Objekt befestigt ist, dessen Position gemessen werden soll, empfängt die Strahlen, während er die Zeitabhängigkeit davon aufzeichnet, und eine Bestimmungseinrichtung bestimmt den Ort des Objekts in Abhängigkeit von den bestimmten Positionen der Laserscanner.
WO 00/22380 bezieht sich auf einen optischen Transmitter mit rotierenden Kopf über ein System zur Positionsmessung. Der optische Transmitter umfasst u.a. eine Anordnung, die zwei optische Quellen umfasst, die zwei divergierende optische Strahlen erzeugen. Ein verbesserter Transmitter kann sogar zwei solcher Paare von optischen Quellen umfassen. Die gesamte Anordnung ist mit Hilfe einer Stromquelle und einem Motor drehbar. Das Positionsmesssystem, bei dem zwei dieser optischen Transmitter verwendet werden, umfasst eine tragbare Detektoreinheit, die die Strahlen detektiert, und ein Synchronisationssignal.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Positionsbestimmung mit reduzierten Fehlern in den Messwerten bereitzustellen und um Oberflächen zu bestimmen, selbst wenn die sich drehende Lichtquelle, die den Laserstrahl emittiert, sich etwas ungleichmäßig dreht.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Positionsbestimmung bereitzustellen, welches es gestattet, dass ein einziger Bedienungsmann die Positionen leicht messen und die Flächen bestimmen kann.
Um die oben genannten Aufgaben umzusetzen, stellt ein Erfindung ein System zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1 bereit.
Bei solch einer Anordnung emittieren zwei sich drehende Laservorrichtungen, die separat voneinander angeordnet sind, die Laserstrahlen und lassen sie rotieren. Die Richtungen, in denen die Laserstrahlen emittiert werden, nämlich die Rotationspositionen, können durch einen Codierer detektiert werden. Die Rotationspositionen, die von dem Codierer detektiert werden, werden mit Hilfe von Übertragungsmitteln, die Licht, elektrische Wellen usw. umfassen, als Signale übertragen. Der Lichtsensor empfängt die sich drehenden Laserstrahlen an seiner Lichtempfangseinheit, während er eine Information über die Rotationsposition empfängt, die durch die Übertragungsmittel übertragen werden. Der Lichtsensor berechnet eine Position, wo der Lichtsensor liegt, in Abhängigkeit von der Information über die Rotationsposition und das Zeitintervall, das in 1 erwähnt ist, um eine Position zu messen oder eine Phantomfläche zu bestimmen.
Die Lichtempfangseinheit (oder -einheiten) können sowohl für eine Verwendung für die Laserstrahlen bei der Bestimmung des Höhen- oder Absenkungswinkels des Lichtsensors und einer Verwendung für die optische Kommunikation im Schering-Verfahren eingesetzt werden.
Die Lichtempfangseinheit des Lichtsensors hat vorzugsweise ein Lichtkonvergenzmittel.
Das Übertragungsmittel für die optische Kommunikation sind durch Modulation der Rotationslaservorrichtungen so eingerichtet, dass ihre jeweiligen Reflexionsmittel, die von der sich drehenden Lichtquelle emittierten Laserstrahlen reflektieren und dass die Lichtempfangsmittel, die von den Reflexionsmitteln reflektierten Strahlen empfangen, und sie bestimmt eine Rotationsreferenzposition der sich drehenden Lichtquelle von dem Zeitablauf, der von den Lichtempfangsmitteln detektiert wird.
Die Rotationslaservorrichtungen haben ihre jeweiligen Lichtempfangsmittel und Lichtemissionsmittel, und vorzugsweise kann sie ein Signal von den Lichtemissionsmitteln an den Lichtsensor überfragen, wenn die divergenten Laserstrahlen, die von den Rotationslaservorrichtungen emittiert werden, auf die Lichtempfangsmittel auftreffen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung, die den gesamten Modul eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt;
2 ist eine perspektivische Darstellung, die die Anordnung der drei divergenten Laserstrahlen zeigt;
3 zeigt drei Seiten der Anordnung der drei divergenten Laserstrahlen;
4 ist eine Seiten-Schnittansicht, die einen Neigungsmechanismus einer sich drehenden Laservorrichtung zeigt;
5 ist eine Seiten-Schnittansicht, die einen Laserprojektor zeigt, der in der sich drehenden Laservorrichtung enthalten ist;
6 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Art und Weise zeigt, in der ein einziger Laserstrahl in drei divergierende Laserstrahlen durch ein Brechungsgitter aufgeteilt wird;
7 ist eine perspektivische Darstellung, die eine wechselseitige Positionsbeziehung unter den drei divergenten Laserstrahlen und einem Laserstrahl, der ein Winkelsignal führt, zeigt;
8 ist eine Frontansicht, die einen Lichtsensor zeigt;
9 zeigt einen vertikalen Gesamtquerschnitt des Lichtsensors;
10 ist ein Schnitt entlang der Linie X-X von 8;
11 ist eine graphische Darstellung, die Signale zeigt, die den divergenten Laserstrahlen, die auf den Lichtsensor auftreffen, entsprechen;
12 ist eine graphische Darstellung, die Signale zeigt, die ein Rotationswinkelsignal führen;
13 ist ein Diagramm, welches ein Prinzip einer Positionsmessung in Bezug mit dem ersten bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ist ein Flussdiagramm, welches einen Arbeitsablauf zeigt, um eine Phantomfläche mit Hilfe des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu erzeugen;
15 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Positionsbeziehung der Phantomfläche, die erzeugt werden soll, mit der horizontalen Ebene zeigt;
16 ist eine teilweise vergrößerte Darstellung, die ein Lichtempfangsmittel und ein Reflexionsmittel zeigt, die in der sich drehenden Laservorrichtung enthalten sind;
17 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Intensität des Lichts, welches auf das Lichtempfangsmittel der sich drehenden Laservorrichtung auftrifft, und der Rotationswinkelposition zeigt, bei der Laserstrahl emittiert wird;
18 ist eine Querschnittsdarstellung, die ein anderes Ausführungsbeispiel des Laserprojek tors zeigt, der in der sich drehenden Laservorrichtung enthalten ist;
19 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Ausführungsbeispiel des Laserprojektors zeigt, der die divergenten Laserstrahlen bei veränderlichen Polarisationen von einander emittiert;
20 ist eine graphische Darstellung, die den divergenten Laserstrahl zeigt, der auf den Lichtsensor auftrifft;
21 ist eine perspektivische Darstellung, die die sich drehende Laservorrichtung zeigt, die drei divergierende Laserstrahlen und einen Laserstrahl, der ein Winkelsignal trägt, in unterschiedlichen Richtungen voneinander emittiert;
22 ist eine perspektivische Darstellung, die die sich drehende Laservorrichtung zeigt, die zwei divergierende Laserstrahlen emittiert;
23 zeigt drei Seiten der Anordnung der zwei divergenten Laserstrahlen;
24 ist eine graphische Darstellung, die Signale zeigt, die den divergenten Laserstrahlen entsprechen, die auf den Lichtsensor auftreffen;
25 ist ein Diagramm, welches ein anderes Beispiel der divergenten Laserstrahlen zeigt;
26 ist eine Frontansicht und eine teilweise Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel des Lichtsensors zeigt, der Licht aus allen Richtungen empfangen kann;
27 ist eine Frontansicht und eine Schnittdarstellung, die einen Lichtsensor-Controller zeigt, der in dem Lichtsensor enthalten ist, der Licht aus allen Richtungen empfangen kann; und
28 ist eine perspektivische Darstellung, die den gesamten Modul der dreidimensionalen Koordinatenbestimmungsvorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
(1) Ausführungsbeispiel 1
(1.1) Anordnung des Systems zur Positionsbestimmung
1 zeigt eine gesamte Anordnung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das erste Ausführungsbeispiel eines Positionsbestimmungssystems 100 hat zwei sich drehende Laservorrichtungen 151 und 152, die eine sich drehende Lichtquelle, die drei divergierende Laserstrahlen b1, b2 und b3 rotieren lässt, und eine Lichtempfangsvorrichtung 154 umfassen, die die Laserstrahlen b1, b2 und b3 empfängt, die von den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 emittiert werden. Neben den drei Laserstrahlen emittieren die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 auch jeweils Laserstrahlen S, die eine Information über die Richtungen tragen, in denen die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 die divergenten Laserstrahlen emittieren.
(1.1.1) Rotationslaservorrichtungen
Wie in 2 gezeigt ist, emittiert die Rotationslaservorrichtung 151 die divergenten Strahlen b1, b2 und b3, während sie sie um einen Punkt C rotieren lassen. Wie in 3 zu ersehen ist, werden die divergenten Laserstrahlen b1 und b3 jeweils in Richtungen senkrecht zu einer horizontalen Ebene abgestrahlt, während der divergierende Laserstrahl b2 so abgestrahlt wird, dass er die horizontale Ebene und einen Winkel θ trifft. Eine Kreuzungslinie des divergenten Laserstrahls b2 mit der horizontalen Ebene halbiert einen Winkel, unter der divergente Strahl b1 sich mit dem divergenten Strahl b3 trifft. Insbesondere ist ein Winkel, der zwischen der Kreuzungslinie und dem divergenten Strahl 1 aufgespannt wird, äquivalent zu dem, der zwischen der Kreuzungslinie und dem divergenten Strahl 3 aufgespannt wird, und mit δ bezeichnet ist. Da die drei divergenten Strahlen b1, b2 und b3 unter den oben erwähnten Bedingungen rotieren, passieren die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 an dem Lichtsensor 154 an variierenden Zeitpunkten vorbei. Die Ausführungsbeispiele der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152, die hier verwendet werden, haben die identische Konfiguration und daher wird die Rotationslaservorrichtung 151 weiter unten alleine beschrieben.
Sodann wird ein Rotationsmechanismus, der bewirkt, dass die drei divergenten Laserstrahlen rotieren, nun beschrieben. Wie in 4 gezeigt ist, hat eine Rotationslaservorrichtung 151 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 101, das mit einem Lichtprojektionsfenster 131 ausgestattet ist, und einen Laserprojektor 103, der als Rotationsstrahlungsmittel dient. Eine Vertiefung 102, die in Form eines Kegelstumpfs ausgebildet ist, ist in einer oberen, zentralen Fläche des Gehäuses 101 vorgesehen. Der Laserprojektor 103 erstreckt sich vertikal durch die Mitte der Vertiefung 102. Ein Kugelkontakt 104 sitzt in der Vertiefung 102, so dass der Laserprojektor 103 kippen kann. Der Laserprojektor 103 hat eine Rotationseinheit 105, die rotieren kann und ein Pentaprisma 109 umfasst. Ein Schwenkmotor 106 betätigt die Rotationseinheit 105 über eine Leistungsübertragung durch ein Antriebsritzel 107 und ein Schwenkritzel 108 zum Rotieren. Ein Rotationswinkel der Rotationseinheit 105 wird durch einen Codierer 107 detektiert, der in dem Laserprojektor 103 montiert ist, und Daten über den detektierten Rotationswinkel werden an den Lichtsensor 154 signalisiert.
Die Rotationslaservorrichtung 151 hat zwei Paare von Neigungsmechanismen, die um den Laserprojektor 103 herum angeordnet sind (nur einer des Paares ist gezeigt). Einer des Paares der Neigungsmechanismen, der durch eine Bezugszahl 110 bezeichnet ist, umfasst einen Kippmotor 111, eine Kippschraube 112 und eine Kippmutter 113. Durch Drehung der Kippschraube 112 kann die Kippmutter 111 sich vertikal aufwärts und abwärts bewegen. Die Kippmutter 113 ist mit dem Laserprojektor 103 gekuppelt, wobei der Kipparm 116 zwischen ihnen angeordnet ist. Eine vertikale Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Kippmutter 113 bewirkt, dass der Laserprojektor 103 kippt. Der andere des Paares der Neigungsmechanismen, der nicht gezeigt ist, nutzt die gleichen Komponenten und die gleiche Anordnung wie der Neigungsmechanismus 110, um den Laserprojektor 103 in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung zu kippen, in der der Neigungsmechanismus 110 eine Neigung hervorruft.
Ein fixierter Neigungssensor 118 parallel zu dem Kipparm 116 und ein fixierter Neigungssensor 119 senkrecht zu dem Kipparm 116 sind in der Mitte des Laserprojektors 103 vorgesehen. Der Neigungsmechanismus 110 bewirkt, dass der Kipparm 116 sich neigt zum Zwecke einer Einstellung, so dass der fixierte Neigungssensor 118 kontinuierlich in einer horizontalen Lage gehalten wird. Gleichzeitig bewirkt der andere der Neigungsmechanismen, dass der fixierte Neigungssensor 119 so eingestellt wird, dass er kontinuierlich in einer horizontalen Lage gehalten wird.
Als nächstes wird der Laserprojektor 103 nun beschrieben. Wie in 5 gezeigt ist, umfasst ein einen divergenten Strahl abgebender Laserstrahlprojektor 132 ein Strahlteilerprisma 171, eine Projektionsoptik für einen divergenten Strahl, die eine Kollimatorlinse 133 umfasst, die einen Laserstrahl von dem Laserstrahlprojektor 132 kollimiert, und weist eine Rotationseinheit 105 auf, die in Bezug auf die Strahlprojektionsoptik drehbar gelagert ist. Die Rotationseinheit 105 besteht aus einem Pentaprisma 109, welches das Laserlicht von der Strahlprojektionsoptik um 90° ablenkt, und einem Brechungsgitter (BOE) 134, welches das abgelenkte Licht von dem Pentaprisma 109 in die drei divergenten Strahlen b1, b2 und b3 formt.
Der Laserprojektor 103 umfasst ferner einen ein Winkelsignal erzeugenden Laserstrahlprojektor 172, der ein Winkelsignal erzeugt, welche eine Information über einen Rotationswinkel trägt, oder der den Laserstrahl S emittiert, der die Information über einen Rotationswinkel an einen Lichtsensor 154 überträgt, ein Strahlteilerprisma 149, welches in dem Pentaprisma 109 vorgesehen ist, und einen Spiegel 148, der den Laserstrahl S ablenkt, der durch das Strahlteilerprima 149 übertragen wird. Das Licht, welches zur Übertragung der Information über einen Rotationswinkel verwendet wird, ist jedoch nicht auf einen Laserstrahl begrenzt, sondern eine LED oder Laserdiode kann mit dem Laserstrahlprojektor 172 ersetzt werden.
Das Laserlicht, das von dem Divergenzlaserstrahlprojektor 132 emittiert wird, wird durch das Strahlteilerprisma 171 übertragen, auf die Kollimatorlinse 133 gerichtet, um kollimiert zu werden, und danach von dem Pentaprisma 109 um 90° abgelenkt. Wie in 6 gezeigt ist, tritt das Laserlicht, das von dem Pentaprisma 109 um 90° abgelenkt ist, aus dem Laserprojektor 103 aus, nachdem es durch das Brechungsgitter 134 in die drei divergenten Strahlen b1, b2 und b3 aufgeteilt worden ist. Andererseits wird der Laserstrahl S, der von dem das Winkelsignal erzeugenden Laserstrahlprojektor 172 emit tiert wird, von dem Strahlteilerprisma 171 reflektiert, so dass er auf die Kollimatorlinse 133 auftritt. Der Projektor 172 ist in einer Position fixiert, die von einem Brennpunkt der Kollimatorlinse 133 abweicht, und daher wird der Laserstrahl S von dem Projektor 172 nach dem Austritt aus der Kollimatorlinse 133 divergent gemacht statt kollimiert. Der durch die Kollimatorlinse 133 übertragene Laserstrahl S wird weiterhin durch das Pentaprisma 109 und das Strahlteilerprisma 149 geschickt und dann von dem Spiegel 148 refektiert, und er tritt schließlich aus dem Projektor 103 aus.
Wie in 7 gezeigt ist, emittiert der Laserprojektor 103 den Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, und die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 alle in der gleichen Richtung. Der Divergenzlaserstrahlprojektor 132 und der ein Winkelsignal erzeugende Laserstrahlprojektor 172 sind konfiguriert, um Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu emittieren, so dass der Lichtsensor 154 nach dem Empfang des Laserstrahls S und der divergenten Laserstrahlen b1, b2 und b3 den einen von dem anderen unterscheiden kann. Der Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, ist divergent, so dass er den gesamten Bereich abdeckt, in dem Positionsmessungen unter Verwendung der divergenten Strahlen b1, b2 und b3 ausgeführt werden können. Der Laserstrahl S ist variabel moduliert (so dass bewirkt wird, dass das Licht in variierenden Zyklen vorkommt und austritt), so dass der Laserstrahl S, der von der Rotationslaservorrichtung 151 abgeleitet ist, von dem Laserstrahl S unterschieden werden kann, der von der Rotationslaservorrichtung 152 emittiert wird. Alternativ kann der Laserstrahl S in seiner Wellenlänge von einer Rotationslaservorrichtung zu der anderen variiert werden, von der er emittiert wird.
(1.1.2) Lichtsensor
Der Lichtsensor 154, der die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 empfängt, die von den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 emittiert werden, wird nun beschrieben. 8 ist eine Frontansicht, die den Lichtsensor zeigt, 9 ist eine Schnittdarstellung davon und 10 ist eine Schnittdarstellung entlang der Achse X-X in 8. Verschiedene Komponenten, beispielsweise eine Lichtempfangseinheit 156, die die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 detektiert, und eine Lichtempfangseinheit 155, die den Laserstrahl S empfängt, der Rotationswinkeldaten von jeder der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 trägt, sind in einer kastenförmigen Tafel 164 in den Lichtsensor 154 eingebaut. Die kastenförmige Tafel 164 hat ferner eine Anzeige 156, einen Alarm 161, beispielsweise einen Summer, Eingabetasten 162, einen Zeiger 163, eine Stange 159 mit einer Skala 160 und einen Fixierungsknopf 158. Zusätzlich ist die kastenförmige Tafel 164 mit einem Speicher 165, einer Operationseinheit 166, einem Skalenleser 167 und einem Winkelsignalempfänger 170 ausgestattet.
Die Lichtempfangseinheit 156 ist mit einem physikalischen oder elektrischen Filter 156a, der gegenüber dem Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, opak ist, und einem Laserempfangselement 156b versehen, welches durch den Filter 156a übertragenes Licht detektiert. In ähnlicher Weise ist die Lichtempfangseinheit 155 mit einem physikalischen oder elektrischen Filter 155a, der nur den Laserstrahl S überträgt, und einem Lichtempfangselement 155b versehen, welches durch den Filter 155a übertragenes Licht detektiert.
(1.2) Theorie der Messung von Positionen
(1.2.1) Prinzip der Messung der Höhen- und Absenkungs-Winkel
Als erstes wird im Folgenden ein Prinzip der Messung eines Höhen- oder Absenkungswinkels, nämlich eines Winkels beschrieben, unter dem eine gerade Linie, die durch ein Zentrum C der Drehbewegung der divergenten Strahlen passieren und ferner die Lichtempfangseinheit 156 des Lichtsensors 154 durchlaufen, eine horizontale Ebene trifft.
Wie oben erwähnt wurde, emittiert die Rotationslaservorrichtung 151 die divergenten Strahlen b1, b2 und b3, die um das Zentrum C rotieren. Wie in 3 gezeigt ist, wird der divergente Strahl b2 emittiert, so dass er die horizontale Ebene unter einem Winkel θ trifft. Eine Kreuzungslinie des divergenten Strahls 1 mit der horizontalen Ebene trifft eine Kreuzungslinie des divergenten Strahls b3 mit der horizontalen Ebene unter einem Winkel 2δ. Die drei divergenten Strahlen b1, b2 und b3 drehen sich unter diesen Bedingungen, und folglich treten diese divergenten Strahlen sequenziell durch die Lichtempfangseinheit 156 in dem Lichtsensor 154 an variierenden Zeitpunkten hindurch in der Reihenfolge von b3, b2 und dann b1.
Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in der Lichtempfangsvorrichtung 154 in einer Position A in einer horizontalen Ebene ist, kann das von dem Lichtsensor 154 detektierte Licht so dargestellt werden, wie in 11(a). Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in einer Position ist, die vertikal nach oben von der Position A verschoben ist, können die als Resultat detektierten, divergenten Strahlen wie in 11(b) erfasst werden. Wie in 11(a) gezeigt ist, werden zwei der divergenten Strahlen b1 und b3 nacheinander mit einer Zeitverzögerung von t₀ nach einem der beiden detektiert worden ist, der als erster gekommen ist. Der divergente Strahl b2 wird mit einer Zeitverzögerung von t detektiert, nachdem der divergente Strahl b3 detektiert worden ist. Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in der Position A in der horizontalen Ebene ist, ist die Dauer der Zeitverzögerung t die Hälfte der Zeitverzögerung t₀. Folglich kann eine Beziehung wie in der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden: t0=2t (1)
Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in der Position B oberhalb der horizontalen Ebene ist, ist die Zeitverzögerung t von einer Detektion zu einer anderen kürzer als die Hälfte von t₀, wie in 11(b) zu erkennen ist. Da die Lichtempfangseinheit 156 weiter oberhalb der horizontalen Ebene angeordnet ist, wird die Zeitverzögerung t zwischen den Detektionen kürzer, und die folgende Gleichung (2) kann zusammen mit der Zeitverzögerung angewendet werden, um einen Winkel ⦟BCA=γ zu erhalten, welches der Winkel ist, unter dem eine gerade Linie, die durch die Position B der Lichtempfangseinheit 156 und den Punkt C, an dem der divergierende Laserstrahl emittiert wird, hindurchtritt, die horizontale Ebene trifft:
Wenn die Lichtempfangseinheit 156 unterhalb der horizontalen Ebene angeordnet ist, ist die Zeitverzögerung t länger als die Zeitverzögerung t₀ in ihrer Dauer. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob die Lichtempfangseinheit 156 oberhalb oder unterhalb der horizontalen Ebene positioniert ist. Die Gleichung (2) kann auf einen Fall angewendet werden, bei dem die Lichtempfangseinheit 156 unterhalb der horizontalen Ebene liegt.
Alternativ können nach einem anderen Messprinzip, das später beschrieben wird, nachdem die Winkelpositionen an Zeitpunkten, wenn die divergenten Laserstrahlen respektive empfangen werden, um Winkel zu berechnen, die den Zeitverzögerungen t und t₀ zwischen Detektionen entsprechen, genutzt werden, die resultierenden Winkel für t und t₀ in der Gleichung (2) substituiert werden, um γ zu erhalten.
Die Messung des Höhen- oder Absenkungswinkels γ kann auf ähnliche Weise durchgeführt werden, wenn der Lichtsensor 154 die divergenten Laserstrahlen b1, b2 und b3 empfängt, die von der Rotationslaservorrichtung 152 emittiert werden, Der Höhen- oder Absenkungswinkel γ, der in Beziehung auf den divergenten Laserstrahl von der Rotationslaservorrichtung 151 erhalten wird, und der, der in Beziehung mit dem Strahl von der Rotationslaservorrichtung 152 erhalten wird, werden gemittelt, um eine Präzision in der Messung des Höhen- oder Absenkungswinkels zu verbessern. Altemativ kann die vorliegende Erfindung in einer modifizierten Anordnung ausgeführt sein, bei der nur eine der Rotaionslaservorrichtungen die divergenten Laserstrahlen emittieren kann.
(1.2.2) Prinzip der Messung der Rotationswinkelpositionen
Dann wird nun ein Prinzip der Messung der Rotationswinkelpositionen oder der Winkelpositionen in der horizontalen Ebene beschrieben, in der der Lasersensor 154 relativ zu der Rotationslaser vorrichtung 151 angeordnet ist.
Ein Codierer 117 der Rotationslaservorrichtung 151 führt kontinuierlich in Realzeit eine Detektion der Rotationswinkel durch, unter denen die Rotationslaservorrichtung 151 die divergenten Strahlen b1, b2 bzw. b3 emittiert. Daten über die detektierten Rotationswinkel werden in optische Signale in einer Weise, wie unten beschrieben wird, umgesetzt und dann von dem Laserstrahlprojektor als Signale übertragen, die von dem Laserstrahl S getragen werden. Die die Signale tragende Laserstrahl S tritt durch die Optik in dem Projektor 103 hindurch und tritt aus der Rotationslaservorrichtung zusammen mit den divergenten Strahlen aus. Die Lichtempfangseinheiten 155 und 156 in dem Lasersensor 154 empfangen respektive die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 und den Laserstrahl S. An einem Zeitpunkt, wenn die Lichtempfangseinheit 156 den divergenten Strahl b2 empfängt, kann eine Rotationswinkelposition des Lichtsensors 154 aus den Daten über die Rotationswinkel bestimmt werden, die von dem Laserstrahl S mitgeführt werden, der an der Lichtempfangseinheit 155 empfangen wird.
Dann wird ein Verfahren zur Umsetzung der Rotationswinkeldaten in ein optisches Signal beschrieben. Der das Winkelsignal erzeugende Laserstrahlprojektor 172 emittiert den Laserstrahl S, der in seiner Farbe (Wellenlänge) unterschiedlich gegenüber den divergenten Strahlen b1, b2 bzw. b3 ist. Der Laserstrahl S, der in einem Muster, wie es in 12(a) gezeigt ist, auftritt und abgegeben wird, überträgt Daten über einen Rotationswinkel oder eine Rotationswinkelposition. Ein Signal, wie es in 12(a) gezeigt ist, ist aus einem Referenzsignal S1 und einem digitalisierten Signal S2 aufgebaut, welches durch Digitalisieren der Rotationswinkelposition in ein Muster des Strahles erzeugt wird, der auftritt und abgegeben wird. Das Referenzsignal S1 wird unter konstanten Intervallen emittiert, während das digitalisierte Signal S2 zwischen je zwei der Referenzsignale vortritt und abgegeben wird, in einem Muster, um einen digitalisierten Code zu repräsentieren. Der digitalisierte Code ist eine Rotationswinkelposition, die von dem Codierer 117 (5) detektiert und dann digitalisiert wurde.
Der Lichtsensor 154 analysiert das digitale Signal, um eine Rotationswinkelposition zu erhalten, wenn er ein Signal empfängt, welches die Rotationswinkelposition repräsentiert. Da das digitalisierte Signal S2 intermittierend unter einigen Intervallen übertragen wird, stellt die Rotationswinkelposition jedoch lediglich jedoch einen Näherungswert dar. Folglich wird, wie in 12(b) gezeigt, die Information über die Rotationswinkelposition intermittierend zwischen einem Zeitpunkt, wenn der divergente Strahl b2 empfangen wird, und einem Zeitpunkt, wenn interpoliert und benutzt, um einen Winkel mit größerer Genauigkeit zu bestimmen.
(1.2.3) Prinzip der Bestimmung dreidimensionaler Positionen
Ein Prinzip zur Bestimmung der dreidimensionalen Position, wo der Lichtsensor 154 liegt, wird nun beschrieben. Wie in 13 gezeigt ist, sind beide Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 unter einem bekannten Abstand L zueinander angeordnet. Das oben erwähnte Messprinzip kann angewendet werden, um die Rotationswinkelpositionen ζ und ξ des Lichtsensors 154 relativ zu den Rotationslaservorrichtungen 151, 152 zu bestimmen. Unter der Annahme, dass m einen Abstand zwischen der Rotationslaservorrichtung 151 und dem Lichtsensor 154 bezeichnet, während n einen Abstand zwischen der Rotationslaservorrichtung 152 und dem Lichtsensor 154 bezeichnet, wird eine Beziehung unter den Rotationswinkelpositionen ζ und ξ und den Abständen L, m und n in der folgenden Gleichung (3) aufgestellt:
Somit können die Abstände m und n auf der Basis der folgenden Gleichung (4) erhalten werden:
Es sei nun angenommen, dass der ursprüngliche Punkt der Punkt C des Rotationszentrums der Rotationslaservorrichtung 151 ist, dass die X-Achse auf einer Verlängerung des Abstandes L liegt und dass die Y-Achse auf einer Verlängerung senkrecht zu der X-Achse in einer horizontalen Ebene liegt, können die X-Koordinate x und Y-Koordinate y in Relation zu dem Lichtsensor 154 auf der Basis einer Gleichung (5) wie folgt erhalten werden:
Die Z-Koordinate z oder eine Höhe z vertikal zu der horizontalen Ebene kann durch Anwendung der folgenden Gleichung (6) zusammen mit einem Höhen- oder Absenkungswinkel γ, der durch die Gleichung (2) berechnet wurde, erhalten werden: r = m tan γ (6)
Wenn der Ursprungspunkt durch einen anderen Punkt ersetzt wird oder wenn X- und/oder Y- Achsen in andere Richtungen gelegt werden, können die Koordinaten durch eine beliebige, bekannte geeignete Methode transformiert werden, um eine erforderliche dreidimensionale Position zu erhalten.
(1.3) Arbeitsweise des Systems zur Positionsbestimmung
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung kann für die Messung einer Position des Lichtsensors 154 relativ zu den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 und zum Erzeugen einer Ebene oder einer kurvenförmigen Fläche benutzt werden, die vorher festgelegt und in den Lichtsensor 154 eingegeben wird.
(1.3.1) Setzen der Ebene durch das System zur Positionsbestimmung
14 ist ein Flussdiagramm, welches eine schrittweise Bedienungsprozedur zur Erzeugung einer Phantomebene, beispielsweise eine geeignete Ebene, mit Hilfe des Systems zur Positionsbestimmung zeigt. 15 ist ein Diagramm, das die Positionsrelation zwischen der horizontalen Ebene, der erwünschten geneigten Ebene und den Koordinatenachsen zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Fall erläutert, wo eine geneigte Ebene (doppelachsig geneigte Ebene) erzeugt wird, die den Referenzpunkt oder den Punkt C kreuzt, die X-Achse unter einem Winkel α trifft und die Y-Achse unter einem Winkel β trifft. Die geneigte Ebene ist, wenn sie in Relation zu einem beliebigen Punkt entlang einem Schnitt CD gemessen wird, in ihrer Neigung (Kippung) maximiert, und ein Neigungswinkel ist mit γ bezeichnet.
In dem Schritt F1 wird zuerst die Rotationslaservorrichtung 151 so positioniert, dass die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 um eine vertikale Achse rotieren, die durch den Punkt C verläuft. Sodann wird die Rotationslaservorrichtung 152 auf der X-Achse unter einem Abstand L von dem Punkt C weg angeordnet. Vorzugsweise ist eine Toleranz des Abstandes L kleiner als 1 mm. Eine Richtung der X-Achse wird beliebig festgelegt, so dass sie mit einer Referenzorientierung einer gewünschten Ebene zusammenfällt, die erzeugt werden soll.
Sodann werden in dem Schritt F2 die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 so angeordnet, dass ihre jeweiligen Referenzorientierungen mit einer Referenzorientierung der gewünschten, geneigten Ebene (d.h. der Richtung der X-Achse in diesem Fall) zusammenfallen. Die Referenzorientierungen der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 sind Richtungen, in denen der Codierer 117, der in jeder der Rotationslaservorrichtungen eingebaut ist, einen divergenten Strahl unter einem Winkel 0° emittiert. Solch eine Positionierung kann mit Hilfe von jedem an sich bekannten, geeigneten Gerät, einschließlich einem Kollimatorteleskop, ausgeführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt der Codierer 117, der an der Rotationslaservorrichtung 151 befestigt ist, während er den divergenten Laserstrahl b2 zu der Rotationslaservorrichtung 152 hin emittiert, eine Leistung von Null und misst einen Winkel mit einer Normierung, bei der die Gegenuhrzeigerrichtung eine positive Richtung ist; inzwischen erzeugt der Codierer 117, der an der Rotationslaservorrichtung 152 befestigt ist, während er den divergenten Laserstrahl b2 zu der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert, eine Leistung von Null und misst einen Winkel mit einer Normierung, bei der eine Uhrzeigerrichtung eine positive Richtung ist.
In dem Schritt F3 werden auf den Eingabetasten 162 des Lichtsensors 154 der gewünschte Neigungswinkel α bei einer Referenzorientierung der gewünschten, geneigten Ebene (d.h. in der Richtung der X-Achse) und der gewünschte Neigungswinkel β senkrecht zu der Referenzorientierung (d.h. in der Richtung der Y-Achse) eingegeben. Die eingegebenen Werte werden in einem Speicher 165 in dem Lichtsensor 154 gespeichert. Der Lichtsensor 154 kann so konfiguriert sein, dass die Neigungswinkel α und β in wahlweisen Einheiten, beispielsweise Radian (Rad), Grad (Grad), Gradienten (%) und dergleichen, eingegeben werden können. Der Referenzpunkt C und die Eingabewerte der zwei Neigungswinkel α und β sind ausreichend, um die geneigte Ebene vollständig zu definieren, die erzeugt werden soll. Im allgemeinen variiert der Neigungswinkel der geneigten Ebene in Abhängigkeit davon, in welcher Richtung von dem Bezugspunkt C aus eine Messung des Neigungswinkels durchgeführt wird. Wenn der Neigungswinkel in einer beliebigen Richtung (d.h. in einer Richtung, die durch die X-Achse und einen Winkel ϕ definiert ist), gemessen wird, kann ein Neigungswinkel γ₀ (Höhenwinkel oder Absenkungswinkel) aus einer Gleichung (7) wie folgt erhalten werden: γ0 = tan–1(tan λ cos(ϕ–ε)) (7)wobei
befriedigt ist, und
wobei α > 0 und β ≥ 0, ε = tan^–1(β/α);
wobei α = 0 und β > 0, ε = π/2;
wobei α < 0 und β ≥ 0, ε = tan^–1(β/α)+π;
wobei α < 0 und β ≤ 0, ε = –tan^–1(β/α)–π;
wobei α = 0 und β < 0, ε = –π/2, und
wobei α > 0 und β ≤ 0, ε = tan^–1(β/α).
Der Abstand L zwischen den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152, der festgestellt worden ist, wird an den Eingabetasten 162 eingegeben und in dem Speicher 165 gespeichert.
Bei dem Schritt F4 empfängt die Lichtempfangseinheit 155 des Lichtsensors 154 den Laserstrahl S, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird. Die Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 154 benutzt ein optisches Signal, das in dem empfangenen Laserstrahl enthalten ist, um die Rotationswinkelposition ζ zu berechnen, wo der Lichtsensor 154 gegenwärtig relativ zu dem Bezugspunkt C angeordnet ist. Ferner führt die Operationseinheit 166 die ähnliche arithmetische Operation mit dem Laserstrahl S durch, der von der Rotationslaservorrichtung 152 emittiert wird, um die Rotationswinkelposition ξ zu erhalten. Die zwei Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 sind miteinander synchronisiert, so dass der Laserstrahl S von ihnen mit der identischen Drehzahl miteinander rotieren kann und der Laserstrahl S von ihnen parallel miteinander verlaufen kann. Folglich würden die Laserstrahlen S, die respektive von den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 emittiert werden, nicht gleichzeitig auf den Lichtsensor 154 auftreffen. Wie oben erwähnt wurde, kann der Lichtsensor 154 leicht die zwei Laserstrahlen S voneinander unterscheiden, da die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 die Laserstrahlen S mit den Modulationen unterschiedlich voneinander emittiert.
Die Operationseinheit 166 benutzt die als Resultat erhaltenen Rotationswinkelpositionen ζ und ξ und den Abstand L zwischen zwei der Rotationslaservorrichtungen und wendet die Gleichung (4) an, um den Abstand m zwischen der Rotationslaservorrichtung 151 und dem Lichtsensor 154 und den Abstand n zwischen der Rotationslaservorrichtung 152 und dem Lichtsensor 154 zu erhalten. Danach benutzt die Operationseinheit 166 die Gleichung (5), um die X- und Y-Koordinaten des Lichtsensors 154 in Bezug auf den Ursprung des Punktes C zu erhalten.
Die Operationseinheit 166 des Lichtsensors 154 berechnet arithmetisch den Neigungswinkel γ₀ der geneigten Ebene, der in einer Richtung gemessen wird, die mit der gemessenen Rotationswinkelposition zusammenfällt. Wenn der Lichtsensor 154 in einem Punkt A angeordnet ist, der in einer Rotationswinkelposition liegt, die entlang einer Verlängerung von dem Referenzpunkt C unter einem Winkel ϕ definiert ist (d.h. der Punkt A liegt in der horizontalen Ebene), ist der Neigungswinkel γ₀ der geneigten Ebene, der in der durch den Winkel ϕ definierten Richtung gemessen wird, gleich einem Winkel ⦟BCA, unter dem eine gerade Linie, die sowohl einen Punkt B in der geneigten Ebene vertikal oberhalb des Punktes A und den Punkt C schneidet, die horizontale Ebene trifft, und der Neigungswinkel γ₀ kann arithmetisch aus der Gleichung (3) berechnet werden. Die Operationseinheit 166 benutzt den Neigungswinkel γ₀ und den Abstand m und wendet ferner die Gleichung (6) an, um einen Abstand zwischen dem Punkt A und dem Punkt B, nämlich die Z-Koordinate z₀, zu erhalten.
Bei dem Schritt F5 nutzt die Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 154 die Verzögerungen t und t₀ zwischen den Detektionen von zwei aus den drei divergenten Strahlen b1, b2 und b3, die von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert werden, und wendet ferner die Gleichung (2) an, um arith metisch den Höhenwinkel oder Absenkungswinkel γ in der Position zu berechnen, wo der Lichtsensor 154 augenblicklich liegt und um den resultierenden Wert in der Anzeige 157 anzuzeigen. Ferner wird die Z-Koordinate z des Lichtsensors 154 auf der Basis der Gleichung (6) mit dem Höhenwinkel oder Absenkungswinkel γ und dem Abstand m berechnet, um den resultierenden Wert in der Anzeige 157 anzuzeigen. Die Rotationswinkelposition ζ des Lichtsensors 154 wird ebenfalls in der Anzeige 157 angezeigt. Sodann werden der Höhenwinkel oder der Absenkungswinkel, der durch zu bezeichnet ist, und der Neigungswinkel, der durch z₀ bezeichnet ist, miteinander verglichen, um eine Differenz Δz zwischen ihnen zu erhalten.
An dem Schritt F6 bestimmt der Lichtsensor 154 aus Δz, das im Schritt F5 erhalten wurde, wie der Lichtsensor 154 nach oben oder nach unten verschoben werden muss, so dass er nahe an die gewünschte, geneigte Ebene herankommen kann, und das Bestimmungsresultat wird in der Anzeige 157 angezeigt. Ein Bedienungsmann verändert die Lage des Lichtsensors 154 nach oben oder nach unten in Abhängigkeit von der Aussage in der Anzeige 157. Die Lageänderung des Lichtsensors 154 kann an dem Zeiger 163 und der Skalastange 159 abgelesen werden, die in dem Lichtsensor vorgesehen sind. Die Lageänderung kann stattdessen von dem Skalenleser 137 ausgelesen werden, und der ausgelesene Wert kann an die Operationseinheit 166 gesendet werden.
Die schrittweise Prozedur von dem Schritt F4 zu dem Schritt F6 wird automatisch wiederholt, bis der Lichtsensor 154 in der gewünschten, geneigten Ebene, die erzeugt werden soll, angeordnet ist. Vorzugsweise kann der Lichtsensor 154 seinen Summer 161 summen lassen, wenn er sich in der gewünschten, geneigten Ebene befindet.
Wenn erwünscht, kann es auch bevorzugt sein, dass die geneigte Ebene automatisch so bestimmt werden, dass eine gerade Linie, die den Referenzpunkt C und den Lichtsensor 154 schneidet, der an einer beliebigen Stelle liegt und in einem maximierten Gradienten geneigt ist. Speziell wird die Rotationslaservorrichtung 151 wie in 15 in dem Referenzpunkt C angeordnet, während die Rotationslaservorrichtung 152 unter einem Abstand L von der Rotationslaservorrichtung 151 weg positioniert ist. Sodann wird der Lichtsensor 154 in einem beliebigen Punkt D angeordnet. Danach werden die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 betätigt, um die X-Y-Z-Koordinaten an dem Punkt D zu bestimmen. Die Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 154 berechnet den Neigungswinkel α in einer Richtung (d.h. der X-Achsenrichtung), entlang der beide Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 in einer geraden Linie liegen, die eine Neigungsebene mit einem maximierten Neigungswinkel, die durch einen Schnitt CD definiert ist, definiert, und sie berechnet auch den Neigungswinkel γ in einer Richtung der Y-Achse senkrecht zu der X-Achse. Die resultierenden Neigungswinkel α und β werden auf der Anzeige 157 des Lichtsensors 154 angezeigt, und auf diese Weise ist die Neigungsebene, die durch die Neigungswinkel α und β definiert ist, bestimmt. In dieser Weise kann die auf diese Weise bestimmte, geneigte Ebene in einer beliebigen Position erzeugt werden. Alternativ kann es auch bevorzugt sein, dass der Summer summt, wenn der Lichtsensor 154 in der geneigten Ebene angeordnet ist.
Weiterhin können alternativ drei beliebige Punkte, wenn erwünscht, spezifiziert werden, so dass eine geneigte Ebene bestimmt werden kann, die alle drei Punkte zu einem Zeitpunkt zusammen mit dem Lichtsensor 154 schneidet.
Obwohl ein Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der Bestimmung einer geneigten Ebene beschrieben worden ist, kann das System zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung so angepasst werden, dass eine Fläche einer beliebigen Form, beispielsweise eine Kurvenfläche, bestimmt wird. In solch einem Fall kann der Lichtsensor so konfiguriert sein, dass die Z-Koordinate darauf in Relation zu der X-Y-Koordinate der Fläche durch Tasten eingegeben wird, die erzeugt werden soll. Eine Differenz wird arithmetisch zwischen einer Höhe der gewünschten Fläche und einer Höhe, an der der Lichtsensor liegt, berechnet, um eine Anzeige zu ergeben, um den Bedienungsmann so zu führen, dass er den Lichtsensor in die gewünschte Fläche einstellt, die erzeugt werden soll, ähnlich wie bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel.
(1.3.2) Positionsmessung durch das System für die Positionsbestimmung
Die oben erwähnte Arbeitsweise nutzt eine Art und Weise aus, bei der der Bedienungsmann eine geneigte Fläche nach Wunsch bestimmt und dann das System zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung benutzt, um die geneigte Fläche zu erzeugen. Im Gegensatz dazu benutzt eine alternative Vorgehensweise, die im folgenden beschrieben wird, eine Art und Weise, bei der das System zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Koordinaten an einem beliebigen Punkt zu bestimmen, an dem der Lichtsensor 154 angeordnet ist. So wird die Rotationslaservorrichtung 151 in dem Referenzpunkt C angeordnet, die Rotationslaservorrichtung 152 wird unter einem Abstand L von der Rotationslaservorrichtung 151 weg angeordnet, und der Lichtsensor 154 wird in einem Punkt angeordnet, dessen Koordinaten ermittelt werden sollen. Danach werden die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 betätigt, um die divergenten Laserstrahlen b1, b2 und b3 zu emittieren. Auf der Basis der divergenten Strahlen, die auf den Lichtsensor 154 auftreffen, bestimmt der Lichtsensor 154 die dreidimensionalen Koordinaten an einem Punkt, wo er liegt, um die Koordinaten daraufhin anzuzeigen. Die Prozeduren, beispielsweise die Berechnung der dreidimensionalen Koordinaten der Position, wo der Lichtsensor 154 liegt, sind völlig die gleichen wie die bei dem oben erwähnten Fall der Positionsbestimmung. Obwohl das oben erwähnte Ausführungsbeispiel den Ursprung der dreidimensionalen Koordinaten als Rotationszentrum der Rotationslaservorrichtung 151 oder den Punkt C definiert, kann es ebenfalls bevorzugt sein, dass ein beliebiger Punkt der Ursprung sein kann, um die Koordinaten an der Position zu finden, wo der Lichtsensor 154 ist. Beispielsweise wird zu Beginn der Messung der Lichtsensor 154 in einer gewünschten Position angeordnet, um die dreidimensionalen Koordinaten davon zu bestimmen. Bei einer nachfolgenden Messung kann der Lichtsensor 154 konfiguriert sein, um die Koordinaten mit der Position anzuzeigen, wo der Lichtsensor 154 als erstes positioniert worden ist und die als Ursprung definiert ist.
In dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel kann eine Vielzahl von Lichtsensoren 154 mit jeder der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 kombiniert werden, um jeden der Lichtsensoren 154 unabhängig zu benutzen. Wenn die Beispiele aus dem Stand der Technik verwendet werden, sind ferner zwei der Systeme zur Bestimmung der geneigten Ebene erforderlich, um zwei geneigte Ebenen zu erzeugen, die sich voneinander unterscheiden, und die Laserstrahlen, die von den Rotationslaservorrichtungen in jedem System emittiert werden, interferieren miteinander, so dass ein Fehlfunktionsproblem verursacht wird. Andererseits kann in den Ausführungsbeispielen des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig eine Vielzahl von Lichtquellen 154 in Relation zu jedem einzigen Paar von Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 verwendet werden, und zusätzlich können unterschiedliche, geneigte Ebenen von einem Lichtsensor zu dem anderen erzeugt werden und/oder variierende, dreidimensionale Koordinaten können von einem Lichtsensor 154 zu dem anderen gemessen werden.
Auf diese Weise kann beispielsweise, wenn der Lichtsensor 154 an einem Baugerät zum Zwecke der Landgestaltung befestigt ist, eine Vielzahl von Baumaschinen gleichzeitig in Benutzung sein, in Relation mit einem einzigen Paar von Rotationslaservorrichtungen 151 und 152, und Landparteien mit unterschiedlichen Neigungsebenen können entsprechend durch verschiedene Baumaschinen ausnivelliert werden. Wenn die gewünschte Neigungsebene von einem zu dem anderen variiert wird, können die Einstellungen zu den Neigungsebenen in jedem der Lichtsensoren geändert werden, und folglich müssen die Rotationslaservorrichtungen in Relation mit dem Sensor nicht unterbrochen werden, was andererseits die Notwendigkeit eliminiert, die aktivierten Lichtsensoren zu unterbrechen, an denen keine Änderungen der Einstellungen durchgeführt werden müssen.
(1.3.3) Alternative Betriebsweise des Systems zur Positionsbestimmung
Eine alternative Betriebsweise des Systems zur Positionsbestimmung wird nun beschrieben. Im folgenden wird eine zur Verfügung stehende, ersatzweise Prozedur zu dem Schritt F2 in 14 angegeben, nämlich eine Prozedur, um die Referenzorientierungen der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 auf die Referenzorientierung der geneigten Ebene miteinander in Übereinstimmung zu brin gen.
Wie in 16 gezeigt ist, sind ein Laserempfangsmittel 153a und ein Reflexionsmittel 153b in jeder der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 enthalten. Der divergente Laserstrahl, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird, wird von dem Reflexionsmittel 153b in der Rotationslaservorrichtung 152 reflektiert, und der Codierer 117 misst eine Rotationswinkelposition der Rotationslaservorrichtung 151 zu einem Zeitpunkt, wenn der reflektierte Strahl von dem Reflexionsmittel auf das Lichtempfangsmittel 153a in der Rotationslaservorrichtung 151 auftrifft. Durch Umsetzung der Daten über die Rotationswinkelposition, die auf diese Weise erhalten wurden, so dass die Rotationswinkelposition ζ=0 befriedigt, kann die Rotationswinkelposition unter einer Bedingung erhalten werden, wobei die Referenzorientierung der geneigten Ebene gleich Null ist. Eine ähnliche Prozedur wird wie bei der Rotationslaservorrichtung 152 durchgeführt, und folglich kann die gewünschte Rotationswinkelposition unter einer Bedingung gefunden werden, wobei die Referenzorientierung gleich Null ist.
Vorzugsweise ist das Reflexionsmittel 153b, das in jeder der Rotationslaservorrichtungen enthalten ist, so konfiguriert wie in einem Modul von 16, wo ein Band, das aus Mikroprismen besteht, die in Form von Würfelecken in einer Linie angeordnet sind, entlang einem Umfang konzentrisch mit der Rotationslaservorrichtung befestigt ist. Der divergente Laserstrahl, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird, wird von dem Reflexionsmittel 153b, das an der Rotationslaservorrichtung 152 befestigt ist, reflektiert, und der reflektierte Strahl wird von dem Laserempfangsmittel 153a empfangen, das in der Rotationslaservorrichtung 151 enthalten ist. Zu diesem Zeitpunkt variiert die Intensität des Lichts, das auf das Lichtempfangsmittel 153a auftrifft, in Abhängigkeit von der Rotationswinkelposition, unter der der divergente Strahl emittiert wird, wie in 17 zu sehen ist. Es wird angenommen, dass die Rotationslaservorrichtung 152 in einer Rotationswinkelposition angeordnet ist, wo die Intensität des Lichts, das auf das Lichtempfangsmittel 153a in der Rotationslaservorrichtung 151 auftrifft, maximiert ist. Die Rotationslaservorrichtung 151 ist geeignet, ein Signal zu erzeugen, das die Rotationswinkelposition, die ζ=0 befriedigt, trägt, bei der die Intensität des auf das Lichtempfangsmittel 153a auftreffende Licht maximiert ist. Alternativ kann ein Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) anderweitig in der Rotationslaservorrichtung 151 enthalten sein, und, wenn die Intensität des auf das Lichtempfangsmittel 153a auftreffenden Lichts den maximalen Wert erreicht, emittiert das Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) einen Strahl. Der Strahl, der von dem Lichtemissionsmittel emittiert wird, wird an dem Lichtsensor empfangen, und der Lichtsensor detektier die Rotationswinkelposition, die ζ=0 befriedigt. Eine ähnliche Prozedur wird wie bei der Rotationslaservorrichtung 152 durchgeführt, um die Rotationswinkelposition zu bestimmen, die ξ=0 befriedigt.
In einer anderen Ausführungsform des Schritts F2 werden die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 mit einem Entfernungsintervall L zwischen ihnen beliebig orientiert. Dann wird der Lichtsensor 154 in derselben Position wie die Rotationslaservorrichtung 152 angeordnet, und der Lichtsensor 154 empfängt den Laserstrahl S von der Rotationslaservorrichtung 151. Die Rotationswinkelposition, die von der Lichterfassung bestimmt wird, kann als Versatzmittel benutzt und von der gemessenen Rotationswinkelposition subtrahiert werden, um die Rotationswinkelposition zu finden, bei der eine Richtung einer Referenzlinie, die die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 verbindet, durch ζ=0 definiert ist. Auf ähnliche Weise wird der Lichtsensor 154 in einer Position angeordnet, wo die Rotationslaservorrichtung 151 liegt, um den Laserstrahl S von der Rotationslaservorrichtung 152 zu empfangen, und auf diese Weise wird ein Versatzwinkel bestimmt. Der Versatzwinkel wird von der bestimmten Rotationswinkelposition subtrahiert, um die Rotationswinkelposition zu finden, bei der die Richtung der Referenzlinie durch ξ=0 definiert ist.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist jede Rotationslaservorrichtung 151 und 152 mit einem Lichtempfangsmittel und einem Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) versehen. Wenn das Lichtempfangsmittel in der Rotationslaservorrichtung 152 den divergenten Laserstrahl empfängt, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird, emittiert das Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) in der Rotationslaservorrichtung 152 nicht von seinem gesamten Umfang aus. Der Lichtsensor 154 speichert Daten über die Rotationswinkelposition, die von der Rotationslaservorrichtung 151 zu dem Zeitpunkt des Empfangs eines Strahls übertragen werden. Sodann speichert der Lichtsensor 154 Daten über die Rotationswinkelposition, die von der Rotationslaservorrichtung 151 zum Zeitpunkt des Empfangs des divergenten Laserstrahls von der Rotationslaservorrichtung 151 übertragen wird. Durch Subtraktion der Daten über das Rotationswinkelsignal beim Empfang des Lichts von dem Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) in der Rotationslaservorrichtung 152 von den Daten über die Rotationswinkelposition beim Empfang des divergenten Laserstrahls kann die Rotationswinkelposition erhalten werden, an der die Richtung der Referenzlinie durch ζ=0 definiert ist. Auf ähnliche Weise kann durch funktionelles Ersetzen der Rotationslaservorrichtung 151 durch die Vorrichtung 152 und umgekehrt die Rotationswinkelposition erhalten werden, an der die Richtung der Referenzlinie durch ξ=0 definiert ist.
(2) Andere Ausführungsbeispiele
Obwohl das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, können die Rotationslaservorrichtungen und der Lichtsensor, die in dem System zur Positionsbestimmung enthalten sind, auch so implementiert werden, wie im folgenden beschrieben ist. Entsprechende Komponenten zu denen des ersten Ausführungsbeispiels sind durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet, bei denen nur zwei Ziffernordnungen verändert sind, und Details von ähnlichen Komponenten zu denen des ersten Ausführungsbeispiels werden weggelassen.
(2.1) Alternative Ausführungsbeispiele der Rotationslaservorrichtung
(2.1.1) Rotationslaservorrichtung mit einem Brechungsgitter, das an einem unteren Abschnitt des Pentaprismas positioniert ist
Wie in 18 gezeigt ist, kann ein Brechungsgitter 234 eines Laserprojektors 203, der in der Rotationslaservorrichtung enthalten ist, in einem unteren Teil eines Pentaprismas 209 positioniert werden. Zur Vereinfachung der Darstellung in der Zeichnung wird die Optik, die den Laserstrahl S emittiert, der die Rotationswinkelposition trägt, in 18 weggelassen.
(2.1.2) Rotationslaservorrichtung, die divergente Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Polarisationen emittiert
Unter Bezugnahme auf 19 wird der Laserprojektor, der divergente Laserstrahlen mit voneinander variierenden Polarisationen emittiert, nun beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung ist geeignet, einen Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ durch Anwendung der Gleichung (2) in Relation mit der Zeitverzögerung t zwischen Empfangsereignissen der divergenten Laserstrahlen zu finden, die auf den Lichtsensor einfallen. Wie in 20(a) zu sehen ist, ist es, wenn die Zeitverzögerung zwischen Empfangsereignissen der divergenten Laserstrahlen, die auf den Lichtsensor einfallen, relativ lang ist, möglich, die Zeitverzögerung t genau zu erhalten. Wenn die Zeitverzögerung t kleiner wird, wie in den 20(b) und 20(c) gezeigt ist, ist es jedoch schwierig, zwei der einfallenden divergenten Laserstrahlen voneinander zu unterscheiden, und entsprechend wird es schwierig, die Zeitverzögerung t zwischen Empfangsereignissen der beiden divergenten Laserstrahlen zu bestimmen. Somit werden die divergenten Laserstrahlen in unterschiedliche Bahnen voneinander abgelenkt, so dass die divergenten Laserstrahlen leicht voneinander unterschieden werden können.
19 zeigt eine Optik eines Laserprojektors 303, der drei divergente Laserstrahlen b31, b32 und b33 mit zueinander variierenden Polarisationen emittiert. Typischerweise sind die Richtungen der Laserstrahlen, die optische Komponenten in der Zeichnung durchlaufen, durch ausgezogene Pfeile bezeichnet, während Ablenkungsrichtungen der Laserstrahlen durch unterbrochene Pfeile bezeichnet sind.
Wenn eine Laserdiode für den Laserstrahlprojektor 332 verwendet wird, der in dem Laserprojektor 303 enthalten ist, nimmt der resultierende Laserstrahl eine lineare Polarisation an. Im folgenden wird angenommen, dass der Laserstrahl in einer X-Richtung abgelenkt wird, dass der Laserstrahl in einer Z-Richtung emittiert wird, und dass eine Richtung senkrecht zu der X-Z-Ebene einer Y-Richtung ist. Der von dem Laserstrahlprojektor 332 emittierte Strahl wird durch eine Kollimatorlinse 333 kollimiert und trifft auf eine vierte Wellenplatte 340 auf. Die vierte Wellenplatte 340 ist so orientiert, dass der Laserstrahl, der von dem Laserstrahlprojektor 332 und dann in X-Richtung linear polarisiert wird, in eine zirkulare Polarisation übergeht. Nach Durchtritt durch die Viertel (1/4)-Wellenplatte 340 wird der Laserstrahl durch eine weitere ¼-Wellenplatte 339 erneut übertragen, und dann ist er in einer Richtung linear polarisiert, die eine Achse in der X-Richtung unter einem Winkel von 45°C trifft, wie in 19 gezeigt ist. Da eine Rotationseinheit 305 drehbar gelagert ist, wird eine Relativposition der ¼-Wellenplatte 340 zu der ¼-Wellenplatte 339 variiert. Der Laserstrahl nimmt jedoch nach Durchtritt durch die ¼-Wellenplatte eine zirkulare Polarisation an, und folglich wird eine Ablenkungsrichtung der linearen Polarisation nach erneutem Durchtritt durch die ¼-Wellenplatte 339 nicht durch eine Veränderung in der relativen Position der Wellenplatte beeinflusst, sondern wird die ¼-Wellenplatte 339 bestimmt. Der Laserstrahl tritt durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl hindurch. Der Strahlteiler 341 reflektiert Polarisationskomponenten in der Y-Richtung, während er Polarisationskomponenten in der X-Richtung durchlässt. So werden die Y-Richtungskomponenten des Laserstrahls, die durch die ¼-Wellenplatte 339 in eine Richtung linear polarisiert sind, die eine Achse in der X-Richtung unter einem Winkel von 45° trifft, von dem Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl reflektiert und um 90° abgelenkt. Die X-Richtungskomponenten des Laserstrahls werden durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl durchgelassen.
Der Laserstrahl, der von dem Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl abgelenkt wird, trifft auf die ¼-Wellenplatte 338 erneut auf, um in eine zirkulare Polarisation überzugehen, und er wird dann von einem Zylinderspiegel 336 reflektiert. Der Zylinderspiegel 336 ist so orientiert, dass der Laserstrahl, wenn er von der Rotationseinheit 305 emittiert wird, direkt zu einer horizontalen Ebene wird. Ein Deklinationsprisma 336a ist zwischen der ¼-Wellenplatte 338 und dem Zylinderspiegel 336 angeordnet. Das Deklinationsprisma 336a ist in seiner Mitte zweigeteilt, und es nimmt eine Transmissionsdeklination an, durch die die divergenten Strahlen b31 und b32, wenn sie von der Rotationseinheit 305 emittiert werden, sich unter einem Winkel von 2δ treffen. Da der Laserstrahl, der von dem Zylinderspiegel 336 reflektiert wird, durch das Deklinationsprisma 336a und dann wiederum durch die ¼-Wellenplatte 338 überfragen und dann in der Z-Richtung linear polarisiert wird, kann der Laserstrahl dann durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl übertragen werden und tritt sodann aus der Rotationseinheit 305 aus.
Andererseits trifft der Laserstrahl, der durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl übertragen wird, auf die ¼-Wellenplatte 337 auf, um in eine zirkulare Polarisation überzugehen, und danach wird er von dem Zylinderspiegel 335 reflektiert. Der Zylinderspiegel 335 ist so orientiert, dass der divergente Laserstrahl b32, wenn er aus der Rotationseinheit 305 austritt, die horizontale Ebene unter einem Winkel θ trifft. Da der Laserstrahl, der von dem Zylinderspiegel 335 reflektiert wird, erneut durch die ¼-Wellenplatte 337 übertragen und dann in der Y-Richtung linear polarisiert wird, kann der Laserstrahl dann von dem Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl reflektiert werden, der ihn in dem früheren Stadium durchgelassen hat, und er tritt aus der Rotationseinheit 305 aus.
Wenn die Rotationslaservorrichtung, die die divergenten Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationen voneinander emittiert, verwendet wird, wird eine Optik zu dem Lichtsensor hinzugefügt, um die divergenten Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationen zu trennen. Insbesondere ist der Lichtsensor 154 mit einem Strahlteiler (nicht gezeigt) versehen, der verwendet wird, um die Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationen aufzuteilen. Ein Lichtempfangselement (nicht gezeigt), das den durch den Strahlteiler (nicht gezeigt) übertragenen Laserstrahl empfängt, und ein Lichtempfangselement (nicht gezeigt), das den von dem Strahlteiler (nicht gezeigt) reflektierten Laserstrahl empfängt, sind separat vorgesehen. In solch einer Anordnung werden zwei divergente Laserstrahlen mit voneinander unterschiedlichen Polarisationen selbst dann, wenn sie auf das Lichtempfangselements (nicht gezeigt) einer nach dem anderen unter kurzen Zeitintervallen auftreffen, an separaten Lichtempfangselementen empfangen, und folglich kann die Zeitverzögerung t zwischen Empfangsereignissen der Strahlen genau bestimmt werden.
(2.1.3) Rotationslaservorrichtung, die divergente Laserstrahlen und einen ein Winkelsignal tragenden Laserstrahl in unterschiedlichen Richtungen zueinander emittiert
Die drei divergenten Strahlen und der Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, müssen nicht notwendigerweise in der gleichen Richtung emittiert werden. Insbesondere kann, wie in 21 gezeigt ist, die Rotationslaservorrichtung 451 so angepasst sein, dass sie die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 und den Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, in unterschiedlichen Richtungen voneinander emittiert, so dass diese Strahlen nicht miteinander interferieren. In solche einem Fall wird die Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt, wenn der divergente Strahl b2 empfangen wird, und dem Zeitpunkt, wenn der Laserstrahl S empfangen wird, verwendet, um einen Winkel zu berechnen. In dieser Anordnung kann das Laserlicht, das von den divergenten Strahlen b1, b2 und b3 und das von dem Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, erzeugt wird, identisch in der Farbe (Wellenlänge) sein, und eine einzige Lichtempfangseinheit, die in dem Lichtsensor vorgesehen ist, kann zwischen der Verwendung für die divergenten Strahlen und der Verwendung zum Empfang eines Winkelsignals im Schering-Verfahren benutzt werden. Zusätzlich ist es erforderlich, dass der ein Winkelsignal tragende Laserstrahl eine winkelmäßige Divergenz hat, die den gesamten Bereich abdecken kann, wo eine Positionsbestimmung unter Verwendung der divergenten Strahlen b1, b2 und b3 durchgeführt werden kann.
(2.1.4) Rotationslaservorrichtung, die zwei divergente Laserstrahlen emittiert
Bezugnahme auf 22 wird nun eine Rotationslaservorrichtung 551 beschrieben, die zwei divergente Laserstrahlen b51 und b52 emittiert. Wie in 22 gezeigt ist, rotiert die Rotationslaservorrichtung 551 um den Punkt C, während sie die divergenten Laserstrahlen b51 und b52 emittiert.
Wie in 23 gezeigt ist, wird der divergente Laserstrahl b51 emittiert, wobei er die horizontale Ebene unter einem Winkel ρ trifft, während der divergente Laserstrahl 5b2 emittiert wird, wobei er die horizontale Ebene unter einem Winkel σ trifft. Es wird zusätzlich angenommen , dass eine Kreuzungslinie des divergenten Laserstrahls b51 mit der horizontalen Ebene eine Kreuzungslinie des divergenten Laserstrahls b52 mit der horizontalen Ebene unter einem Winkel ν trifft. Da beide divergenten Laserstrahlen b51 und b52 rotieren, wobei die oben genannten Bedingungen respektive beibehalten werden, laufen die divergenten Laserstrahlen b51 und b52 an dem Lichtsensor einer nach dem anderen mit einer Zeitdifferenz vorbei. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Zeitdifferenz genutzt, um die Höhe zu bestimmen, um die der Lichtsensor von der horizontalen Ebene nach oben oder nach unten versetzt ist.
Bezugnehmend nun auf die 24 wird ein Prinzip der Messung der eines Höhenwinkels oder Abfallwinkels γ in Relation zu diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie oben erwähnt wurde, treten die divergenten Laserstrahlen b51 und b52 durch eine Lichtempfangseinheit in dem Lichtsensor 154 einer nach dem anderen mit einer Zeitverzögerung hindurch. Wenn die Lichtempfangseinheit des Lichtsensors 154 in einer Position A in der horizontalen Ebene liegt, detektiert der Lichtsensor 154 den Laserstrahl, wie in 24(a) gezeigt ist. Wenn die Lichtempfangseinheit in einer Position B vertikal oberhalb der Position A liegt, ist der detektierte, divergente Strahl so wie in 24(b) gezeigt ist. Wie in 24(a) zu erkennen ist, kann unter der Annahme, dass die Zeitverzögerung zwischen den Detektionen von zwei der divergenten Strahlen t_a ist, wenn die Lichtempfangseinheit in der Position A liegt, und dass ein Rotationszyklus der Rotationslaservorrichtung 551 gleich T ist, die Zeitverzögerung zwischen den Detektionen von zwei der Laserstrahlen wie in der folgenden Gleichung (8) ausgedrückt werden:
Eine Zeitverzögerung t_b zwischen den Detektionen des Strahls, wenn die Lichtempfangseinheit an einem beliebigen Niveau B liegt, ist mit der Proportion des Winkels, der beide die Position B der Lichtempfangseinheit und den Emissionspunkt C des divergenten Laserlichts kreuzt und eine horizontalen Ebene bildet, nämlich mit einem Höhenwinkel oder Abfallwinkel ⦟BCA=γ, und folglich wird die Zeitverzögerung t_b zwischen Detektionen der Strahlen größer, da ein Wert von γ größer ist. Folglich können zur Bestimmung der Zeitverzögerung t_b in Relation zu der Position B, die folgenden Gleichungen (9) und (10) Anwendung finden, um den Winkel γ zu finden, unter dem die gerade Linie, die den Emis-sionspunkt C des Rotationslasers und die Position B der Lichtempfangseinheit verbindet, die horizontale Ebene trifft:
Eine arithmetische Operation, bei der die Zeitverzögerung t_b zwischen Durchgängen der beiden divergenten Laserstrahlen b51 und b52 durch die Lichtempfangseinheit des Lasersensors 154 und der Rotationszyklus T der Rotationslaservorrichtung 551 verwendet werden, um den Winkel γ zu erhalten, wird durch eine Lichtempfangs-Bestimmungseinheit 166 durchgeführt, die in den Lichtsensor 154 eingebaut ist, und der Winkel γ kann in solch einer Weise erhalten werden, wie in der Anzeige 157 angezeigt wird. Der resultierende Winkel γ wird für einen Term in der Gleichung (6) substituiert, um die Z-Koordinate des Lichtsensors 154 zu erhalten. Die Bestimmungen der X-Koordinate und der Y-Koordinate sind die gleichen wie in dem Messprinzip, das im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel, das oben erwähnt wurde, beschrieben wurde. Ein gewünschter Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ₀ wird in den Lichtsensor vorher eingegeben, und eine Zeitverzögerung t_b-t_a zwischen den Empfangsereignissen der Strahlen, die dem Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ₀ entspricht, wird erhalten. Der Lichtsensor ist so konfiguriert, dass er die Empfangsereignisse des Lichts anzeigt, wenn die divergenten Laserstrahlen einer nach dem anderen mit einer Zeitverzögerung t_b – t_a auftreffen, und er ermöglicht die Ausbildung einer konischen Referenzfläche. Wenn der Lichtsensor geeignet ist, die Emp fangsereignisse der Strahlen mit einer Zeitverzögerung t_a anzuzeigen, ist es auch möglich, eine horizontale Fläche zu erzeugen.
Da die Gleichungen (8) bis (10) den Term für den Rotationszyklus T der Rotationslaservorrichtung enthalten, kann jegliche Unregelmäßigkeit in der Rotation der divergenten Laserstrahlen eine Messgenauigkeit für den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ beeinflussen. Normalerweise wird in diesen Ausführungsbeispielen ein Motor mit hoher Rotationsgenauigkeit verwendet, um die divergenten Laserstrahlen in Rotation zu versetzen, wobei jedoch, da die Gleichung (2) den Term für den Rotationszyklus T nicht enthält, die Messgenauigkeit nicht verschlechtert würde, außer wenn die Rotationen der divergenten Laserstrahlen während einer kurzen Zeitdauer von dem Empfang des divergenten Strahls b1 bis zu dem Empfang des divergenten Strahls b3 ungleichmäßig wären. Daher ist ein Beispielmodell, wo die divergenten Strahlen dreimal während einer einzigen Umdrehung der Rotationslaservorrichtung detektiert werden, weniger durch einen durch ungleichmäßige Rotationen verursachten Fehler beeinflusst als bei einem anderen Beispielmodell, wo der divergente Strahl zweimal während derselben Zeitdauer detektiert wird.
(2.1.5) Rotationslaservorrichtung, die divergente Laserstrahlen unterschiedlicher Formate emittieren
Die oben erwähnten Ausführungsbeispiele umfassen einen Typ von Rotationslaservorrichtung, der drei divergente Laserstrahlen b1, b2 und b3 emittiert, die im allgemeinen in einer N-Form wie in 2 angeordnet sind, und einen anderen Typ von Rotationslaservorrichtungen, die zwei divergente Laserstrahlen b51 und b52 emittiert, die im allgemeinen in einer V-Form angeordnet sind, wie in 23 gezeigt ist, und bei der die Anordnung der Laserstrahlen und die Anzahl von ihnen nach Wunsch verändert werden kann. Andere Beispiele der Anordnung der divergenten Laserstrahlen sind in den 25(a) bis 25(r) gezeigt. Alle divergenten Laserstrahlen können leicht implementiert werden, indem das Brechungsgitter 134 in 5 geeigneterweise verändert wird.
Wie bei den divergenten Laserstrahlen, wie sie in den 25(a) bis 25(f) gezeigt sind, wird der divergente Laserstrahl zweimal während einer Zeitdauer detektiert, während der die Rotationslaservorrichtung eine einzige Umdrehung macht. Somit können für die Gleichungen (8) bis (10) andere modifizierte Formeln verwendet werden, um den Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ zu erhalten.
Wie bei den divergenten Laserstrahlen, die in den 25(g) bis 25(p) gezeigt sind, detektiert die Lichtempfangseinheit 156 in dem Lichtsensor 154 den divergenten Laserstrahl dreimal während einer Zeitdauer, während der die Rotationslaservorrichtung eine einzige Umdrehung macht. Somit kann das Messprinzip, das im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ver wendet werden, um den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ zu berechnen.
Bei den divergenten Laserstrahlen, die in den 25(q) und 25(r) gezeigt sind, wird der divergente Laserstrahl viermal während einer Zeitdauer detektiert, während die Rotationslaservorrichtung 151 eine einzige Umdrehung macht. Folglich können durch Auswahl von drei aus vier Detektionsresultaten der divergenten Strahlen und Ausführen einer Berechnung in Relation mit dem ausgewählten Strahlen vier Arten arithmetischer Operationen für den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ ausgeführt werden. Diese Resultate für den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ können gemittelt werden, um die Messgenauigkeit für den Winkel γ zu verbessern. Zusätzlich ist die Zahl der divergenten Laserstrahlen erhöht, um eine erhöhte Anzahl von Datensätzen zu erhalten, die einer Mittelwertbildung zum Zwecke der Verbesserung der Messgenauigkeit unterworfen werden.
Die divergenten Laserstrahlen, die in den 25(c), 25(d), 25(j) und 25(k) gezeigt sind, umfassen divergente Laserstrahlen, die eine moderate Neigung nahe bei der horizontalen Ebene und eine plötzliche, steile Neigung weg von der horizontalen Ebene haben, und folglich wird eine Rate, mit der sich der Höhenwinkel oder der Abfallwinkel γ in Bezug auf eine Änderung in der Zeitverzögerung zwischen den Empfangsereignissen der Strahlen ändert, von einer Zone nahe bei der horizontalen Ebene zu einer Zone abseits von der horizontalen Ebene verändert. Dies ermöglicht eine verbesserte Empfindlichkeit in der Messung des Höhenwinkels oder Abfallwinkels γ nahe bei der horizontalen Ebene.
Hier wird auf ein Vorgehensmuster, bei dem divergente Laserstrahl n mal während einer Zeitperiode detektiert wird, während der die Rotationslaservorrichtung eine einzige Umdrehung macht, Bezug genommen als "im wesentlichen n divergente Laserstrahlen".
(2.1.6) Rotationslaservorrichtung, die mit Batterien zum Übertragen einer Rotationswinkelposition verwendet werden
Ein anderes Ausführungsbeispiel des Prinzips zur Messung der Rotationswinkelpositionen ζ und ξ wird nun beschrieben. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl S verwendet, um die Information über die Rotationswinkelposition ζ von der Rotationslaservorrichtung 151 zu dem Lichtsensor 154 zu übertragen, stattdessen kann der Laserstrahl hier durch elektrische Wellen ersetzt werden, um die Information über die Rotationswinkelposition ξ zu übertragen. In solch einem Fall kann die Optik, die in dem Projektor 103 der Rotationslaservorrichtung 151 enthalten ist, um den Laserstrahl S zu emittieren, weggelassen werden. Die Optik, die zum Emittieren des Laserstrahls S verwendet wird, wird durch einen Sender (nicht gezeigt) für elektrische Wellen ersetzt, der in einem Gehäuse 101 der Rotationslaservorrichtung 151 untergebracht ist, um die Information über die Rotationswinkelposition ζ an den Lichtsensor 154 zu übertragen. Entsprechend ist der Lichtsensor 154 mit einem Empfänger (nicht gezeigt) für elektrische Wellen ausgestattet, um die Information über die Rotationswinkelposition zu empfangen, die von der Rotationslaservorrichtung 151 übertragen wird. Die Beschreibung der Lichtempfangseinheit 155, die in dem Lichtsensor 154 enthalten ist, um den Laserstrahl S zu empfangen, wird weggelassen. Die Prozedur zur Übertragung der Information über die Rotationswinkelposition ζ ist dieselbe wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass ein Übertragungsmedium von einem Laserstrahl in eine elektrische Welle umgeändert wird.
(2.1.7) Rotationslaservorrichtung, in der der Laserstrahl zwischen der Verwendung als divergente Laserstrahlen und einer Verwendung als eine Rotationswinkelposition tragende Laserstrahl im Schering-Verfahren verwendet wird.
Jeder der divergenten Laserstrahlen b1, b2 und b3 kann moduliert werden, um die Information über die Rotationswinkelposition darzustellen, so dass der Laserstrahl zwischen einer Verwendung als divergente Laserstrahlen und einer Verwendung als Laserstrahl S, der die Rotationswinkelposition trägt, im Schering-Verfahren verwendet wird.
(2.2) Alternatives Ausführungsbeispiel für den Lichtsensor
(2.2.1) Lichtsensor, der aus allen Richtungen Licht empfangen kann
Die 26(a) bis 26(d) zeigen ein Ausführungsbeispiel des Lichtsensors 254, der Licht aus allen Richtungen empfangen. Wie in 26(a) zu sehen ist, hat der Rundum-Lichtsensor 254 eine Tragestange 280, eine Lichtempfangseinheit 256 und einen Lichtsensor-Controller 277. Die Lichtempfangseinheit 256 ist an einem oberen Teil der Tragestange 280 befestigt, während der Lichtsensor-Controller 277 an einem unteren Teil der Tragestange befestigt ist. 26(b) zeigt eine Schnittdarstellung von oben, die die Lichtempfangseinheit 256 zeigt, 26(c) zeigt eine Darstellung von der Seite und 26(d) ist eine teilweise weggeschnittene Schnittdarstellung. Bezugnehmend auf die 26(b) bis 26(d) hat die Lichtempfangseinheit 256 eine ringförmige, zylindrische Fresnel-Linse, die als Konvergenzmittel dient, eine ringförmige Faserbahn 275 und eine Vielzahl von Lichtempfangselementen 273, die in einer ringförmigen Formation angeordnet sind, und diese Komponenten sind alle auf einem konzentrischen Kreis angeordnet. Zusätzlich ist ein Lichtempfangselement-Controller 274 innerhalb der Lichtempfangselemente 273 vorgesehen, die ringförmig angeordnet sind.
Wie in 27(a) und in ihrer Schnittdarstellung von 27(b) gezeigt ist, umfasst der Lichtsensor-Controller 277 eine Anzeige 257, einen Alarm 261, beispielsweise einen Summer, Eingabetasten 262, einen Speicher 265, eine Operationseinheit 266, einen elektrische Wellen empfangenden Empfänger 270, der eine Information über die Rotationswinkelposition empfängt, und eine Einheit 278 für externe Kommunikation. Ferner kann der Lichtsensor-Controller 277 mit einem externen Rechner 279 über die Einheit 278 für externe Kommunikation verbunden werden. Der externe Rechner 279 gestattet die Eingabe von Daten, die Anzeige von Messresultaten und das nachfolgende Verarbeiten der Messresultate.
Wenn der divergente Laserstrahl auf das Lichtempfangselement 256 auftrifft, wird der divergente Laserstrahl durch die Faserbahn 275 auf das Lichtempfangselement 273 durch die zylindrische Fresnel-Linse 276 konvergent gemacht, die eine Richtwirkung in Höhenrichtung oder Abfallrichtung hat. Da der divergente Strahl, der durch die zylindrische Fresnel-Linse 276 konvergent gemacht wird, in der horizontalen Richtung durch die Faserbahn 275 gestreut wird, fällt der einfallende divergente Strahl gleichförmig auf das Lichtempfangselement 273 ein. Bei solch einer Anordnung würde jegliches Störlicht, außer dass sie die Ausrichtung hat, die der zylindrischen Fresnel-Linse 276 inhärent ist, nicht auf das Lichtempfangselement 273 einfallen, und folglich kann das Signal-Rausch-Verhältnis eines Lichtsensorsignals verbessert werden, welches durch den Empfang des einfallenden, divergenten Strahls erzeugt wird. Die Lichtempfangselemente 273 sind mit dem Lichtempfangselement-Controller 274 parallel zueinander verbunden, um einen Zustand des auf die Lichtempfangselemente 273 einfallenden Lichts zu bestimmen, und dann wird die Schaltung von jeglichen Lichtempfangselementen 273, die einen einfallenden divergenten Strahl empfangen, unterbrochen, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Lichtsensorsignals weiter zu verbessern.
Wenn der einfallende divergente Laserstrahl auf das Lichtempfangselement 273 einfällt, wird das Lichtsensorsignal an den Lichtempfangselement-Controller 274 übertragen. Der Lichtempfangselement-Controller 274, der in die Lichtempfangseinheit 256 eingebaut ist, überträgt das Lichtsensorsignal an den Lichtsensor-Controller 277. Die Verarbeitung des Signals in dem Lichtsensor-Controller 277 ist die gleiche wie die Verarbeitung des Signals in dem Lichtsensor 254.

Claims

Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung umfassend: wenigstens zwei sich drehende Laservorrichtungen (151, 152), wobei die Rotationslaservorrichtungen getrennt voneinander angeordnet sind und jede ein sich drehendes Mittel (105) zum Emittieren von wenigstens drei divergenten Laserstrahlen enthält, einen Codierer (117) zum Detektieren einer Drehposition des sich drehenden Mittels (105), und Übertragungsmittel (172) zum Übertragen von Daten über die detektierte Drehposition, die von dem Codierer detektiert wird, über einen Informationslaserstrahl; und einen Lichtsensor (154), der Lichtempfangsmittel (155, 156), um die divergenten Laserstrahlen zu empfangen, die von den Drehmitteln (105) emittiert werden, und Betriebsmittel (166) enthält, um eine dreidimensionale Position des Lichtsensors (154) auf der Basis des Zeitintervalls zwischen dem Empfang der divergenten Laserstrahlen und der Daten berechnet, die von den Übertragungsmitteln (172) übertragen werden.
Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1, worin das Betriebsmittel (166) eine dreidimensionale Position des Lichtsensors (154) auf der Basis der vorbestimmten Abstände zwischen den Rotationslaservorrichtungen, der Drehposition des sich drehenden Mittels (105), die von den Übertragungsmitteln (172) übertragen wird, und aus Höhen- oder Abfallswinkeln berechnet, die von den divergenten Laserstrahlen abgeleitet werden.
Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1, worin die divergenten Laserstrahlen durch die Daten der Drehposition moduliert werden und die Daten an den Lichtsensor (154) mittels der divergenten Laserstrahlen übertragen werden.
Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1, worin die Lichtempfangsmittel (155, 156) gemeinsam für eine Benutzung der divergenten Laserstrahlen zum Detektieren des Höhen- oder Abfallswinkel des Lichtsensors (154) und für eine Benutzung des Laserstrahles zum Übertragen der Daten der Drehposition benutzt werden.
Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1, worin der Informationslaserstrahl, der von dem Übertragungsmittel (172) emittiert wird, mit den Daten der Drehposition moduliert ist.
Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1, worin jede der Rotationslaservorrichtungen (151, 152) ferner jeweils reflektierende Mittel (153b) zum Reflektieren der divergenten Laserstrahlen, die von einem anderen der Rotationslaservorrichtungen (151, 152) emittiert werden, Lichtempfangsmittel (153a) zum Empfangen der Strahlen, die von den reflektierenden Mitteln (153b) reflektiert werden, und Berechnungsmittel zum Bestimmen einer Drehreferenzposition von einem der Rotationslaservorrichtungen (151, 152) auf der Basis der reflektierten Strahlen, die von den Lichtempfangsmitteln (153a) empfangen werden, enthält.
Eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung nach Anspruch 1, worin jede der Rotationslaservorrichtungen (151, 152) ferner lichtreflektierende Mittel (153a) zum Empfangen der divergenten Laserstrahlen, die von einem anderen der Rotationslaservorrichtungen (151, 152) emittiert werden, und lichtemittierende Mittel zum Emittieren von Licht enthält, wenn das lichtempfangende Mittel (153a) die divergenten Laserstrahlen empfängt, und ferner der Lichtsensor (154) Bestimmungsmittel enthält, um eine Drehreferenzposition von einer der Rotationslaservorrichtungen (151, 152) auf der Basis des Lichts, das von den Lichtemissionsmitteln emittiert wird, und den Daten, die von den Übertragungsmitteln (172) übertragen werden, bestimmt.