DE9421267U1

DE9421267U1 - Zielhilfe

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Publication number: DE9421267U1
Application number: DE9421267U
Authority: DE
Original assignee: Leica AG Switzerland
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1994-07-31
Filing date: 1994-07-31
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2004-08-01

Description

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Zielhilfe

Die Erfindung betrifft eine Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbünde! ein Objekt antastende Geräte.

Zu den Geräten der vorgenannten Art gehören insbesondere Laser-Entfernungsmesser. Ein kollimiertes Laserstrahlenbündei wird auf das Objekt gerichtet, dessen Entfernung gemessen werden soll. Die Geräte arbeiten üblicherweise mit einer sichtbaren Laserwellenlänge. Sie haben den Vorteil, daß sich der Laser-Lichtfleck auf dem Objekt abzeichnet, so daß der Antastort am Objekt beobachtbar ist. Neben der Distanzmessung werden die Geräte daher auch zur Richtungs- und Höhenübertragung vom Standort des Gerätes zu dem Objekt eingesetzt. Optische Hilfsmittel zur Beobachtung des Lichtflecks sind am Gerät nicht vorgesehen, insbesondere nicht bei handgehaltenen Geräten.

Im Baugewerbe werden solche Geräte z.B. zur Vermessung von Innenräumen eingesetzt, in denen der Lichtfleck selbst über Distanzen von 50 m noch mit dem bloßen Auge wahrgenommen werden kann.

Sowie man jedoch beim Außeneinsatz auf Objekte mit hoher Umfeldleuchtdichte zielt, wie z.B. eine sonnenbeschienene Wand, ist der Laserfleck auf dem Objekt nicht mehr zu sehen.

Zur Verbesserung der Sichtbarkeitsbedingungen wäre eine wirkungsvolle Erhöhung der Laserausgangsleistung denkbar. Diese ist jedoch, abgesehen von dem technischen Aufwand, aus Sicherheitsgründen nicht zulässig.

Eine gewisse Verbesserung der Sichtbarkeit des Laserflecks gelingt durch Verwendung eines an die Laserwellenlänge angepaßten Farbfilters, durch das man auf das Objekt blickt, indem man das Farbfilter vor das Auge hält oder eine entsprechende Brille benutzt. Doch auch mit diesen Mitteln ist ein Laserfleck von Lasern mit Ausgangsleistungen in der Größenordnung von 1 bis 5 mW auf sonnenbeschienenen Objekten nur bis zu wenigen Metern Distanz erkennbar.

Das Problem, den Antastort für eine Distanzmessung und eine Richtungs- oder Höhenübertragung für einen äußeren Beobachter sichtbar zu machen, ist in der Vermessungstechnik an sich bekannt. Theodolite besitzen ein Fernrohr, mit dem das Objekt anvisiert wird, in dem Fernrohrstrahiengang ist in einer Zwischenbildebene eine Strichkreuzplatte angeordnet. Die Fernrohrachse kann mit Hilfe des Strichkreuzes auf das anzumessende Objekt ausgerichtet werden. Mit einem in

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den Fernrohrstrahlengang eingekoppelten sichtbaren Laserstrahlenbündel kann der anvisierte Objektpunkt äußerlich sichtbar markiert werden, wie das z.B. bei der Navigation von Tunnelbohrmaschinen oder bei der Vermessung von unzugänglichen Objekten üblich ist. Dabei muß jedoch sichergestellt sein, daß das Laserstrahlenbündel auch tatsächlich auf den Punkt zielt, auf den das Fernrohr des Theodoliten ausgerichtet ist und wo ihn der Beobachter im Gesichtsfeld der mit dem Femrohr betrachteten Umgebung sieht. (Kontrolle von Tunnelvortriebsmaschinen mit dem Lasertheodolit; H. Ehbets, H.R. Schwendener; Vermessung, Photogrammetrie, Kuiturtechnik, Fachblatt 3-74 (Sept. 1974) Seiten 82-84).

Ein kollimiertes Laserstrahlenbündel wird über einen Strahlenteiler in den Abbildungsstrahlengang des Fernrohres gelenkt. Der Strahlenteiler darf die visuelle Beobachtung des Objekts nicht stören und muß daher für den Wellenlängenbereich des vom Objekt ausgehenden Umgebungslichtes möglichst transparent, für die Wellenlänge des Lasers aber möglichst stark reflektierend sein. Die Ausrichtung des Laserstrahlenbündels zur Femrohrachse wird dadurch erreicht, daß der Strahlenteiler derart ausgerichtet wird, daß die optische Achse des Laserstrahlenbündels mit der Fernrohrachse zusammenfällt. Die visuelle Beobachtbarkeit des Laserflecks im Fernrohr erfolgt dadurch, daß das koüimierte Laserstrahlenbündel zunächst auf die Strichkreuzplatte oder eine dazu konjugierte Reflexplatte fokussiert wird. Damit wird auch sichergestellt, daß der Laserlichtfleck mit Hilfe des Fernrohres genau in die Ebene im Außenraum fokussiert wird, auf die das Fernrohr scharf gestellt wird. Die reflektierenden Platten dürfen für die Wellenlänge des Lasers nur schwach reflektierend sein.

Im Okular des Fernrohres ist die Position des Laserstrahlenbündels als von der Strichkreuzpiatte reflektierter Lichtfleck erkennbar. Nur bei exakter Fokussierung des Laserstrahienbündels in die Strichkreuzebene und Reflexion der Laserstrahlung in die Strichkreuzebene oder eine dazu konjugierte Reflexebene erscheint der reale Laserlichtfleck auf dem Objekt auch an der Stelle, an der der Beobachter den Laserlichtfleck im Instrument beobachtet.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, auch für Laser-Geräte ohne optische Zielbeobachtung eine Zielhilfe zu schaffen, die einfach und ohne jeglichen Justieraufwand in den Laserstrahl gebracht werden kann und die dem Beobachter über einen vorzugsweise seitlichen Einblick gestattet, das Objekt mit Laserfleck zu betrachten.

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Diese Aufgabe wird bei einer Zielhilfe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmaien der Ansprüche 4 bis 13.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zur Beobachtung der Position eines durch ein kollimiertes Laserstrahlenbündel auf einem entfernten Objekt reai erzeugten Lichtflecks eine Hilfsdarsteliung des Lichtflecks zu erzeugen, die durch einfache optische Bauelemente zuverlässig und ohne Justieraufwand sicherstellt, daß die Hilfsdarsteliung exakt mit der realen Lage im beobachteten Umfeld des Objekts übereinstimmt. Als Bauelemente werden lediglich ein Strahlenteiler und ein retroreflektives Element benötigt. Der Strahlenteiler wird für den messenden Laserstrahl in Transmission benutzt und für die Hilfsdarsteliung des Laserflecks in Reflexion. Die Neigung der Strahlenteilerfläche beeinflußt die Richtung des Meßstrahls also nicht. Sie wirkt sich lediglich auf die Einblickrichtung zur Beobachtung des Objektumfeldes und der Hilfsdarsteüung des Laserflecks aus.

Für die retroreflektiven Elemente sind verschiedene an sich bekannte Bauformen möglich. Ein retroreflektives Element hat die Eigenschaft, daß es unabhängig von der Orientierung seiner Zentralachse ein paralleles Strahlenbündel in sich zurückreflektiert. Das an der Strahlenteilerfläche zur Erzeugung der Hilfsdarsteliung des Laserflecks reflektierte Strahlenbündel wird daher unabhängig von der Neigung der Strahlenteilerfläche zur Meßstrahlenrichtung in sich reflektiert. Dieses vom Retroreflektor kommende Strahlenbündel geht danach durch den Strahlenteiler hindurch. Seine optische Achse stimmt mit der Achse des am Strahlenteiler reflektierten Laserlichtanteils überein. Die von der Neigung der Strahlenteilerfläche abhängige Einblickrichtung bleibt also erhalten.

Beim Einblick in die Zielhilfe sieht der Beobachter auf die Strahlenteilerfiäche. Diese reflektiert in Richtung auf den Beobachter ein Bild des Objekts. Die Einblickrichtungen zur Beobachtung des Objekts und des Hilfslichtflecks stimmen also exakt überein. Sie werden ausschließlich durch die Neigung der Strahlenteilerfläche bestimmt. Diese ist wegen der Kombination mit einem retroreflektiven Element in weiten Grenzen frei wählbar. Vorzugsweise wird die Neigung der Strahlenteilerfläche zu angenähert 45° gewählt, um einen für viele Anwendungen vorteilhaften seitlichen Einblick zu erreichen.

Besonderheiten, die sich aus der Wahl des retroreflektiven Elements ergeben, werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ange-

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geben. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zielhilfe schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Zielhilfe als Vorsatzadapter mit einem Tripelprisma ais retroreflektivem Element,

Fig. 2 eine in das Laser-Gerät integrierte Zielhilfe mit einem optisch abbildenden Element als Retroreflektor,

Fig. 3 eine Tripelstreifen-Anordnung und

Fig. 4 eine Ausführungsform mit in den Meßstrahl eingefügtem Retroreflektor.

In Fig. 1 ist ein Laser-Gerät 10 dargestellt, das ein kollimiertes Laserstrahlenbündel 11 auf ein Objekt 12 richtet. Um die Austrittsöffnung für das Laserstrahlenbündel 11 ist an dem Gerät 10 ein Ansatz 13 vorgesehen, der mit einer entsprechenden Aufnahme 14 in dem Vorsatzadapter 15 zusammenwirkt. Ansatz 13 und Aufnahme 14 sind beispielsweise als Schnappverbindung mit Federspangen 16 ausgestaltet.

In dem Vorsatzadapter 15 ist ein Strahlenteiler 17 angeordnet, der vorzugsweise unter 45° zur optischen Achse des Laserstrahlenbündels 11 geneigt ist. Die strahlenteilende Beschichtung ist so ausgewählt, daß sie für die Wellenlänge des Lasers durchlässig und teilweise reflektierend ist, für den Wellenlängenbereich des vom Objekt ausgehenden Umgebungslichts 18 jedoch stark reflektierend ist.

Der aus dem Laserstrahlenbündel 11 herausreflektierte Lichtanteil wird auf ein retroreflektierendes Element gelenkt, das in diesem Fall als Tripelprisma 19 ausgebildet ist. Das in das Tripelprisma 19 eintretende Strahlenbündel wird in sich reflektiert, durchdringt den Strahlenteiler 17 und kann vom Beobachterauge 20 als heller, nahezu punktförmiger Lichtfleck wahrgenommen werden. Der Durchmesser des Lichtfiecks ist beugungsbegrenzt klein. Er wird entweder durch den Durchmesser des Laserstrahlenbündels 11 oder durch den Durchmesser der Augenpupille bestimmt, je nachdem welcher Durchmesser kleiner ist. In die Einblicköffnung des Vorsatzadapters 15 kann eine transparente Scheibe 21 eingesetzt sein, die mit einer Schutzschicht versehen sein kann, die die austretende Laserstrahlleistung auf etwa 10 Nanowatt begrenzt, um eine Blendung des Beobachterauges auszuschließen. Außerdem kann auf der Scheibe 21 eine Markierung 22 angebracht sein, die dem Beobachter das Auffinden des Lichtflecks erleichtert. An dem Vorsatzadapter kann außerdem ein schwenkbarer Umlenkspiegel 23 angeordnet sein, durch den die Einblickrichtung in die Zielhilfe individuellen Bedürfnissen angepaßt werden kann.

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Beim Einblick in die Zielhilfe sieht der Beobachter nicht nur durch den Strahlenteiler 17 hindurch auf das Laserstrahlenbündel 11, sondern auch auf die Oberfläche des Strahlenteilers 17, an der das vom Umgebungslicht 18 beleuchtete Objekt 12 reflektiert wird. Das beobachtbare Objektfeld ist wesentlich größer als der Durchmesser des Lichtflecks, so daß der Beobachter durch Schwenken des Gerätes 10 in der Lage ist, das Laserstrahlenbündel 11 auf eine gewünschte Objektstelle zu richten.

Da für die Reflexion des Objektlichtes in das Auge des Beobachters die gleiche Teilerschicht benutzt wird, wie für die Ablenkung des Laserstrahlenbündels 11 in Richtung auf das Tripelprisma 19, ist der dargestellte Aufbau tatsächlich justierunempfindlich. Anstelle des als Platte dargestellten Strahlenteilers 17 kann selbstverständlich auch ein Teilerwürfel bekannter Bauart verwendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Zielhilfe in das Laser-Gerät 10 integriert. Dem Strahlenteiler 17 ist als Retroreflektor hier eine Linse 24 mit einem in ihrer Brennebene angeordneten Reflektor 25 zugeordnet. Die Funktionsweise der Zielhilfe ist erkennbar nicht von der speziellen Ausgestaltung des retroreflektiven Elementes abhängig, so daß auf alle bekannten Formen zurückgegriffen werden kann. Bei Verwendung holographischer Retroreflektoren lassen sich besonders kompakte und leichte Aufbauten herstellen.

Die Integration der Zielhilfe in das Laser-Gerät bietet den Vorteil, daß die Laserleistung in Abhängigkeit von dem Teilerverhältnis des Strahlenteilers 17 geregelt werden kann. Entscheidend für die Augensicherheit ist die das Gerät verlassende Laserintensität. Beim Einsatz eines Vorsatzadapters muß die Laserleistung also so gewählt werden, daß das Gerät auch ohne den Vorsatzadapter den Sicherheitsbestimmungen genügt. Die durch die Zielhilfe abgezweigten Strahlenanteile schwächen daher den Meßstrahlengang. Bei einem integrierten Strahlenteiler können diese Verluste durch eine höhere Laserieistung kompensiert werden. Eine als Blendschutz für die Zielhilfe vorzusehende Schutzschicht kann sowohl beim Vorsatzadapter als auch bei integrierter Anordnung der Zielhilfe auch dem retroreflektivem Element zugeordnet sein.

Auf dem Gehäuse des Laser-Gerätes 10 ist ein schwenkbarer Umienkspiege! 23 angeordnet, über den auch andere, nicht dargestellte Anzeigen auf der Oberseite des Gerätes, wie z.B. Niveliier-Libellen, Kompaß-Richtungen, Neigungswinkel oder Entfernungsangaben, dem Beobachterauge zugeführt werden können.

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In Fig. 3 ist eine besonders kompakte Anordnung dargestellt, bei der die Funktionen des Strahlenteilers und des Retroreflektors miteinander kombiniert sind. Die Strahlenteilerfläche 17 ist gleichzeitig eine der Flächen des Tripelprismas. Die beiden anderen Flächen werden durch ein Dachkantprisma 26 gebildet, dessen Dachkante 27 senkrecht auf der Ebene des Strahlenteilers 17 steht. Die Anordnung bildet einen Tripelstreifen, mit dem die Einblicköffnung in einfacher Weise über die Geräte-Oberseite geführt werden kann, wie der Vergleich mit der nebenstehenden Figur 2 zeigt. Die Einblickrichtung ist fluchtend mit der Zielrichtung des Gerätes, d.h. die Zielhilfe wirkt ähnlich wie ein Diopter, indem sie ein virtuelles Bild &iacgr;&ogr; des Laserflecks in den Beobachtungsraum projiziert, allerdings mit einer geringen Parallaxe, die der Länge des Tripelstreifens entspricht. Durch Kombination mit teildurchlässigen Spiegeln im Einblickstrahlengang lassen sich weitere Anzeigen auf der Oberseite des Gerätes in dem Gesichtsfeld des Beobachters überlagern.

in Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der das retroreflektive Element ähnlich wie in Fig. 2 aufgebaut ist. Da es dem Strahlenteiler 17 nachfolgend im Laserstrahlenbündel 11 angeordnet ist, wird zur Strahlkollimation eine weitere, identische Linse 24' vorgesehen. Das vollständige System bildet daher ein 1:1-Femrohr 29, das bekanntermaßen gegen Kippungen unempfindlich ist.

Dem Einblick auf den Strahlenteiler 17 ist in diesem Beispiel ein 2:1 vergrößerndes Fernrohr 30 vorgeschaltet, dessen optische Achse zur Achse des vom Strahlenteiler 17 kommenden Strahlenbündels justiert ist. Die Auffindung des Lichtflecks und die Beobachtung des Objektumfeldes werden damit wesentlich erleichtert. Ein solches Beobachtungsfernrohr kann selbstverständlich auch bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen mit Vorteil eingesetzt werden.

Claims

S 3158 DE-Leica AG Schutzansprüche

1) Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbündel ein Objekt antastende Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß in das Laserstrahlenbündel (11) ein Strahlenteiler (17) eingefügt ist, der für die Laserwellenlänge durchlässig und reflektierend und für den Weilenlängenbereich des vom Objekt (12) ausgehenden Umgebungslichts (18) möglichst nur reflektierend ist, daß der das Laserstrahlenbündel (11) reflektierenden Fläche des Strahlteilers (17) ein retroreflektives Element (19; 24,25) zugeordnet ist und daß eine Einblickmöglichkeit in die von dem retroreflektivem Element (19; 24,25) über den Strahlenteiler (17) zurückkehrenden Strahlen vorgesehen ist.

2) Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbündei ein Objekt antastende Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß in das Laserstrahlenbündel (11) ein Strahlenteiler (17) eingefügt ist, der für die Laserwellenlänge durchlässig und reflektierend und für den Wellenlängenbereich des vom Objekt (12) ausgehenden Umgebungsiichts (18) möglichst nur reflektierend ist, daß dem Strahlenteiler (17) innerhalb des Laserstrahlenbündels (11) ein retroreflektieves Element (24, 25) nachgeordnet ist, das Teil eines 1:1-abbildenden Fernrohrsystems (29) ist, in dessen endlicher Brennebene eine Reflexionsfläche (25) angeordnet ist, die für die Laserwellenlänge und den Wellenlängenbereich des vom Objekt (12) ausgehenden Umgebungslichts (18) schwach reflektierend ist und daß eine Einblickmögiichkeit in die vom retroreflektivem Element über den Strahlenteiler (17) zurückkehrenden Strahlen vorgesehen ist.

3) Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbündel ein Objekt antastende Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß in das Laserstrahlenbündel (11) ein Strahlenteiler (17) eingefügt ist, der für die Laserwellenlänge durchlässig und reflektierend ist, daß der Strahlenteilerfläche ein Dachkantprisma (26) zugeordnet ist, dessen Dachkante (27) unter 90° zur Strahlenteilerfläche steht und daß eine Einblickmöglichkeit in die aus dem Dachkantprisma (26) austretenden Strahlen vorgesehen ist.

4) Zielhilfe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (17) zumindest nahezu unter 45° zur optischen Achse des Laserstrahlenbündels (11) angeordnet ist.

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5) Zielhüfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektive Element ein Tripelprisma (19) ist.

6) Zielhüfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektive Element ein optisch abbildendes Element (24) mit in seiner Brennebene angeordneter Reflexionsfläche (25) ist.

7) Zielhüfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektive Element ein holographischer Retroreflektor ist.

8) Zielhüfe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (17) und das Dachkantprisma (26) eine gemeinsame Prismenbaueinheit (Tripelstreifen) bilden.

9) Zielhüfe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblickmöglichkeit einen Umlenkspiegel (23) enthält.

10) Zielhüfe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (23) schwenkbar ist.

11) Zielhüfe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (23) teildurchlässig ist.

12) Zielhüfe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Beobachtungsstrahiengang eine Einblickmarkierung (22) vorgesehen ist.

13) Zielhüfe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblickmöglichkeit ein Fernrohrsystem (30) enthält

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