Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahlsteuerung bzw.
-regelung für eine Vermessungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1, welche eine Steuerung bzw. Regelung der auf ein Target
projizierten Laserstrahlenmenge erlaubt. Eine solche Steuerung bzw. Regelung
ist zum Beispiel aus US-A-4 443 696 bekannt.
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Eine bekannte Vermessungsvorrichtung (vgl. Fig. 5), die einen Laserstrahl
benutzt, umfaßt allgemein ein Laserstrahl-Oszillations- Medium 1, um einen
Laserstrahl zu emittieren, wobei der emittierte Laserstrahl auf ein
Messungstarget T geführt wird und der Laserstrahl auf das Target T angewendet bzw.
gestrahlt wird, ein optisches Strahlungssystem 10 mit einem Spiegel 2 und
einer Objektivlinse 3, und ein optisches Beobachtungssystem 20 mit der
Objektivlinse 3, einer Focussierlinse 4, einem Okular 5 usw., um den von dem
Target T reflektierten Laserstrahl zu einem Beobachter zu führen. Solch eine
Anordnung erlaubt dem Beobachter die vorbestimmte Vermessungsarbeit
durchzuführen, während sie gleichzeitig den reflektierten Laserstrahlfleck und
einen kreuzförmigen Index einer Targetfadenkreuzplatte 6 beobachtet.
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In solch einer Vermessungsvorrichtung nimmt, wenn eine große Menge an
Laserstrahlen in die Augen des Beobachters projiziert wird, der Beobachter
dies wahr und kann den Einfall des beeinträchtigenden Laserstrahles auf seine
Augen für eine lange Zeit vermeiden, wobei gewährleistet ist, daß seine
Augen vor jeder Verletzung bewahrt werden. Zusätzlich ist, um den zufälligen
Einfall des Laserstrahles auf die Augen oder Haut einer anderen Person als
dem Beobachter zu vermeiden, eine Blende 7 auf dem Strahlenweg des
Laserstrahles vorgesehen, um den Beobachter zu erlauben, die Blende 7 zu
betätigen, um den Laserstrahl abzuschneiden bzw. auszublenden, falls eine
Gefahr wahrgenommen wird.
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Bei der tatsächlichen Vermessungsarbeit mit der oben beschriebenen
Vermessungsvorrichtung ist die Sicherheit der Augen des Beobachters
gewährleistet, im Fall daß eine relativ geringe Menge an Laserstrahlen und eine kurze
Beobachtungszeit vorkommen. Wie vorangehend beschrieben, ist es jedoch
notwendig, den reflektierten Laserstrahlfleck über eine relativ lange Zeit zu
beobachten, da der Beobachter die Vermessungsvorrichtung bedient,
während er gleichzeitig den reflektierten Laserstrahlfleck und den kreuzförmigen
Index der Targetfadenkreuzplatte 6 beobachtet. Wenn der Beobachter den
reflektierten Laserstrahlfleck beobachtet, der nicht blendet, jedoch eine relativ
große Menge bzw. Lichtmenge aufweist, sind die Augen des Beobachters
über eine lange Zeit dem beeinträchtigenden Laserstrahl ausgesetzt. Daher
werden die Augen des Beobachters verletzt oder stark beansprucht.
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Die reflektierte Laserstrahlenmenge ist andererseits allgemein invers
proportional der zweiten Potenz des Abstandes zwischen der benutzten
Vermessungsvorrichtung und dem Target und direkt proportional dem Reflektionsgrad
des Targets, wenn die Laserstrahlenmenge konstant ist. Die reflektierte
Laserstrahlenmenge ändert sich daher innerhalb eines breiten Bereiches bei
der tatsächlichen Vermessungsarbeit, bei der der Abstand und der
Reflektionsgrad des Targets sich in einem großen Bereich verändern in Abhängigkeit
der Bedingungen für den Gebrauch der Vermessungsvorrichtung.
Insbesondere bei Tunnelarbeiten, bei denen ein Grundstein bzw. Basisstein bzw.
Referenzstein ein Target ist, ändert sich die Menge an reflekierten Laserstrahlen
auch, da der Reflektionsgrad des Grundsteines sich stündlich verändert. Diese
Änderung der Laserstrahlenmenge kann durch den Beobachter nicht einfach
bemerkt werden, der die Vermessungsvorrichtung bedient, während er
gleichzeitig den reflektierten Laserstrahlfleck und den kreuzförmigen Index der
Target-Fadenkreuzplatte 6 beobachtet. Es besteht daher eine Gefahr für die
Augen des Beobachters verletzt oder schwer beansprucht zu werden.
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Auch im Falle, daß die oben beschriebene Blende 7 für den Schutz der Augen
des Beobachters vorgesehen ist, ist es schwer, die Sicherheit der Augen
endgültig zu sichern, da die Blende 7 auf der Basis der durch den Beobachter
durchgeführten Entscheidungen betrieben wird.
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Andererseits erfordert es die Vermessungsarbeit, die die
Vermessungsvorrichtung benutzt, welche den Laserstrahl projiziert, eine ausreichende Menge
an reflektierten Laserstrahlen aufrecht zu erhalten, um den Laserstrahlfleck zu
beobachten. Die Ursache dafür ist, daß die Vermessungsarbeit nicht
durchgeführt werden kann, wenn die gesamte Laserstrahlenmenge, die von dem
Laserstrahl-Oszillations-Medium 1 emittiert wird, auf eine Menge reduziert
wird, die für die Beobachtung nicht ausreicht, wenn der Reflektionsgrad des
Targets auf einen kleinen Wert verringert wird, oder wenn der Abstand zu
dem Target vergrößert wird.
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Bei der Vermessungsvorrichtung, welche Laserstrahlen projiziert, ist die
Vermessungsgenauigkeit im allgemeinen vergrößert, wenn die Größe des
beobachteten Laserstrahlfleckes verringert ist. Wenn die
Vermessungsvorrichtung zum Beispiel als Pointer bzw. als Zeiger benutzt wird, wie in Figur 6
dargestellt, kann eine Justierung genauer durchgeführt werden, da die
Abweichung d zwischen beiden optischen Achsen bei einer Verringerung der
Größe des beobachteten Laserstrahlfleckes verringert wird. Im Falle einer
Beobachtung mit dem nackten Auge kann eine Abweichung von 1/8 bis 1/10
der Laserstrahlfleckgröße beobachtet werden. Dies ist der Fall, wenn auf das
vorliegende Target gezielt, eine Abweichung von dem vorliegenden Target
gemessen oder ein neues Target eingestellt wird.
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Die Größe des Laserstrahlfleckes auf dem Target T hängt von der
Ausleuchtung bzw. Beleuchtung vom das Target T herum ab, auch falls die Intensität
und der Streuwinkel des Laserstrahles konstant sind. ln Fig. 7 sind die
reflektierte Laserstrahlenmenge und die Ausleuchtung um das Target herum auf der
Ordinate dargestellt und der Abstand von der Mitte des Laserstrahlfleckes auf
auf der Abszisse dargestellt. Die Laserstrahlgröße ist in der Darstellung als
eine Kurve 100 dargestellt. Der Durchmesser des beobachteten
Laserstrahlfleckes ist AR, BR, CR jeweils bei den Höhen bzw. Niveaus bzw. Pegel AL,
BL, CL der Ausleuchtung um das Target herum. Bei der bekannten
Vermessungsvorrichtung kann der Beobachter jedoch nicht die Intensität des auf das
Target T prolektierten Laserstrahles einstellen und kann daher den
Laserstrahlfleck nicht auf eine gewünschte Größe einstellen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Laserstrahlsteuerung bzw.
-regelung für eine Vermessungsvorrichtung bereitzustellen, die die
Laserstrahlenmenge, welche auf die Augen des Beobachters durch ein optisches
Beobachtungssystem projiziert wird, innerhalb eines sicheren Bereiches zu
steuern bzw. regeln, und zwar unter Berücksichtigung der
Laserstrahlenmenge, die für die Vermessung nötig ist.
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Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine
Laserstrahl-Vermessungsvorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, daß der Laserstrahlfleck auf
eine gewünschte Größe eingestellt werden kann, auch falls sich die
Ausleuchtung um das Target herum oder der Abstand zwischen der
Vermessungsvorrichtung, die den Laserstrahl projiziert, und dem Target verändert.
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Um die vorangegehenden Aufgaben zu erfüllen, stellt die vorliegende
Erfindung eine Laserstrahlsteuerung bzw. -regelung für eine
Vermessungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bereit.
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Die Laserstrahlsteuerung bzw. -regelung für eine Vermessungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt dem Beobachter die
Laserstrahlenmenge zu steuern bzw. regeln, die auf das Target projiziert wird, um die
Sicherheit der Augen zu gewährleisten und um die Größe des
Laserstrahlfleckes auf dem Target einzustellen, während die Intensität des Laserstrahles
auf dem durch das Beobachtungssystem zu beobachtende Target, die
Laserstrahlfleckgröße auf dem Target usw. beobachtet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren:
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Fig. 1 ist eine Darstellung der gesamten Anordnung einer
Laserstrahlsteuerung bzw. -regelung für eine Vermessungsvorrichtung
gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Darstellung eines Filters, um abgestrahlte Laserstrahlen
zu reduzieren;
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Fig. 3 ist eine Darstellung der Schaltung einer Regelung, um den in Fig.
2 dargestellten Filter zu steuern;
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Fig. 4 ist eine Darstellung der gesamten Anordnung einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 5 ist eine Darstellung der gesamten Anordnung einer bekannten
Laserstrahlsteuerung für eine Vermessungsvorrichtung;
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Fig. 6 ist eine erläuternde Ansicht der Koinzidenz-Genauigkeit zwischen
einer Fleckgröße des Laserstrahles und einem Index; und
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Fig. 7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Menge eines
reflektierten Laserstrahles und der Ausleuchtung bzw.
Beleuchtung um ein Target herum und der Größe eines
Laserstrahlflekkes.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden in
Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 stellt die gesamte Anordnung einer Laserstrahlsteuerung bzw. -regelung
für eine Vermessungsvorrichtung dar, auf welche eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angewendet ist. In der Zeichnung sind die gleichen
Abschnitte, wie die in Fig. 5 dargestellten, welche eine konventionelle
Vorrichtung zeigt, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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Nach Fig. 1 umfaßt ein optisches Strahlungssystem 10 ein
Laserstrahl-Oszillations-Medium 1, welches zum Beispiel einen He-Ne-Gaslaser zur Emission
eines Laserstrahles aufweist, einen ersten und zweiten Spiegel 2a, 2b, um
den emittierten Laserstrahl zu führen, und eine Objektivlinse 3, um den von
den Spiegeln 2a, 2b reflektierten Laserstrahl zu verdichten bzw. focussieren
bzw. bündeln und ihn auf ein zu vermessendes Target T anzuwenden bzw. zu
strahlen.
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Ein optisches Beobachtungssystem 20 umfaßt eine Objektivlinse 3, um den
von dem Target T reflekierten Laserstrahl zu bündeln, eine Focussierlinse 4,
um den Laserstrahl, welcher aus der Objektivlinse 3 austritt, zu focussieren,
eine Target-Fadenkreuzplatte bzw. -Strichkreuzplatte bzw. -graticule 6, auf
die der aus der Focussierlinse 4 heraustretende Laserstrahl projiziert ist, und
ein Okular 5.
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Ein lichtempfangender Sensor 21 ist in dem optischen Weg des optischen
Beobachtungssystemes 20 angeordnet. Der lichtempfangende Sensor 21 ist
elektrisch mit der nachfolgend beschriebenen Steuerung bzw. Regelung
verbunden, um die Laserstrahlenmenge nachzuweisen und das
Nachweissignal der Steuerung 22 zu liefern. Ein Strahlendämpfungsglied 11 ist auf dem
optischen Weg des optischen Strahlungssystemes 10 vorgesehen. Das
Strahlendämpfungsglied 11 umfaßt einen scheibenförmigen Filter 13 mit einer
Dichte, die sich in mehreren Schritten in der Umfangsrichtung verändert (in
dieser Ausführungsform 8 Schritte), wie in Fig. 2 dargestellt. Das
Strahlendämpfungsglied 11 ist mit der Welle eines Schrittmotors 12 verbunden, der
elektrisch mit der Steuerung 22 verbunden ist. Die Dichte des
Strahlendämpfungsgliedes 11, das heißt die Laserstrahlenmenge wird daher durch
Benutzung der Steuerung zur Steuerung des Drehwinkels des Schrittmotors 12
gesteuert.
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Fig. 3 stellt die Konfiguration einer Schaltung der Steuerung 22 dar. Die
Steuerung 22 umfaßt einen Strom/Spannungs-Wandler 221, um ein
Stromsignal,
das von dem lichtempfangenden Sensor 21 abgegeben wird, in ein
Spannungssignal zu konvertieren, einen Tiefpaßfilter 222, um das Rauschen
des Spannungssignalausganges des Strom/Spannung-Wandlers 221
abzuschneiden bzw. auszufiltern, einen Verstärker 223 zum Verstärken des
Signalausganges aus dem Tiefpaßfilter 222, ein A/D-Wandler 224, um einen
analogen Spannungssignalausgang von dem Verstärker 223 in ein digitales Signal
zu konvertieren, einen Referenzwertspeicher 225, um einen Referenzwert der
emittierten Laserstrahlenmenge zu speichern, einen Mikrocomputer 226, um
den Drehwinkel des Schrittmotors 12 ausgehend von dem Signalausgang des
A/D-Wandlers 224 und dem Referenzwert, der in dem Referenzwertspeicher
225 gespeichert ist, zu berechnen, und eine Antriebsschaltung 227, um den
Schrittmotor 12 gemäß dem Steuersignalausgang aus dem Mikrocomputer
226 anzutreiben.
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In der vorangehend beschriebenen Anordnung wird die von dem Target T
reflektierte und auf das optische Beobachtungssystem auftreffende
Laserstrahlenmenge von dem lichtempfangenden Sensor 21 konstant bzw.
andauernd nachgewiesen. Die nachgewiesene Menge wird mit dem
Referenzwert, der in dem Referenzwertspeicher 225 gespeichert ist, durch den
Mikrocomputer 226 verglichen, und der Schrittmotor 12 wird gemäß dem Resultat
dieses Vergleiches angetrieben. Die Dichte des Dämpfungsgliedes 11 wird
durch Drehen des Dämpfungsgliedes gesteuert, so daß die auf das optische
Beobachtungssystem 20 einfallende Laserstrahlenmenge einen optimalen
Wert einnimmt, wobei die emittierte Laserstrahlenmenge auf einen optimalen
Wert gesteuert werden kann. Die auf das optische Beobachtungssystem
einfallende Laserstrahlenmenge kann infolgedessen auf einen Wert konstant
gesteuert bzw. geregelt werden, der innerhalb eines geeigneten Bereiches
liegt, welcher die Beobachtung eines Laserstrahlfleckes bzw. -punktes zuläßt
und welcher keinen beeinträchtigenden Einfluß auf das Auge des Beobachters
hat, selbst wenn sich der Abstand zwischen der Vermessungsvorrichtung und
dem Target oder der Reflektionsgrad bzw. Reflektionsfaktor des Targets
verändert.
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Fig. 4 stellt eine Laserstrahlsteuerung bzw. -regelung für eine
Vermessungsvorrichtung dar, auf die sich eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung bezieht. In Fig. 4 sind die gleichen Abschnitte wie die der in Fig. 1
gezeigten ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet
und werden nachfolgend nicht mehr beschrieben. Die zweite
Ausführungsform weist einen manuellen Knopf 30 auf, der anstelle des Schrittmotors 12
vorgesehen ist, um das Dämpfungsglied 11 in der ersten Ausführungsform zu
drehen. Der Beobachter bedient den Knopf 30, um das Dämpfungsglied 11 zu
drehen unter Berücksichtigung der höchsten Laserstrahl-Intensität, welche auf
die Augen des Beobachters fallen kann und der Größe des Laserstrahlfleckes
bzw. -punktes.
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Die vorliegende Erfindung kann nicht nur bei den oben beschriebenen,
sondern auch in verschiedenen anderen Ausführungsformen ausgeführt werden.
Zum Beispiel kann der Iichtempfangende Sensor zwischen der Objektivlinse 3
und dem Target T auf dem optischen Weg des optischen
Beobachtungssystemes oder direkt auf dem Target T vorgesehen werden.
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Der lichtempfangende Sensor muß nicht direkt auf dem optischen Weg des
optischen Beobachtungssystemes vorgesehen werden, und ein Teil des
Laserstrahles, der durch einen Strahlenteiler bzw. -splitter reflektiert wird,
zum Beispiel ein halbdurchlässiger Spiegel oder dergleichen, welcher auf dem
optischen Weg vorgesehen ist, kann zu dem lichtempfangenden Sensor
geführt werden, der außerhalb des optischen Weges des optischen
Beobachtungssystemes angeordnet ist. Alternativ kann der lichtempfangende Sensor
in einer Position angeordnet sein, welche in der Nähe des optischen Weges
des optischen Beobachtungssystemes liegt und es dem Sensor erlaubt, den
reflektierten Laserstrahl zu empfangen.
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Obwohl jede der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine
Einrichtung zum Dämpfen des emittierten Laserstrahles benutzt, wobei der Filter
eine Dichte aufweist, die sich in einer Mehrfachschrittform in der
Umfangsrichtung verändert, ist die Dämpfungseinrichtung nicht auf diese beschränkt.
Es kann ein Filter benutzt werden, dessen Dichte sich kontinuierlich verändert
oder andere Mittel, zum Beispiel eine veränderliche Öffnung bzw. Blende oder
eine Polarisationsplatte. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen
Ausführungsformen ausgeführt werden, welche verschiedene
Antriebseinrichtungen, Anordnungspositionen und dergleichen beinhalten.
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Darüberhinaus wird, da die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als
das Laserstrahl-Oszillations-Medium den He-Ne-Gaslaser benutzen, der nicht
in seiner Strahlungsmenge gesteuert werden kann, der von dem Medium
emittierte Laserstrahl später gedämpft. Wenn jedoch ein
Laserstrahl-Oszillations-Medium wie eine Halbleiter-Laserdiode oder dergleichen benutzt wird,
deren Strahlungsmenge gesteuert werden kann, kann die von dem Medium
emittierte Laserstrahlenmenge direkt in Abhängigkeit von dem
Nachweisausgang von dem lichtempfangenden Sensor gesteuert bzw. geregelt werden.
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Wie vorangehend beschrieben, kann die Laserstrahlregelung für eine
Vermessungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung die Laserstrahlenmenge, die
auf das optische Beobachtungssystem einfällt, konstant innerhalb eines
Bereiches regeln, was die Beobachtung eines Laserstrahlfleckes erlaubt und
keinen beeinträchtigenden Einfluß auf die Augen des Beobachters hat.