SE520543C2 - Geodetiskt instrument med laseranordning - Google Patents

Description

25 30 520 545 2 geodetiska instrumentet liggande markpunkten. Här föreslås dock att laserstrållcnippet dessutom skall utnyttjas för mätning av höjden mellan markpunkten och målaxeln.

Beskrivningen ger blott att laserstrålknippet moduleras, att det från markpunkten reflekterade ljuset tillförs en mottagningsanordning och att i en efterordnad bearbetningsanordning bestäms avståndet mellan markpunkten och målaxeln, varvid från mottagningssignalen bestäms avståndet mellan markpunkten och målaxeln. Det är en olägenhet att avståndsmätanordningar av detta slag är tekniskt komplicerade och därför kostnadskrävande.

Utgående från denna kända teknik har uppfinningen uppgiften att vidareutforma ett geodetiskt instrument av det ovan beskrivna slaget, som med låg instrumentteknisk uppbyggnad garanterar hög noggrannhet och på ekonomiskt gynnsamt sätt garanterar såväl centreringen av instrumentet såsom även bestämningen av höjden av skämingsmittpunkten från målaxeln, svängningsaxeln och vridningsaxeln över markpunkten.

Enligt uppfinningen är en i vridningsaxeln DA förlöpande första, företrädesvis kollimerad laserstråle anordnad och åtminstone en ytterligare, mot den forsta laserstrålen divergerande laserstråle, vilka båda innesluter en vinkel y; dessutom finns anordnade en mätanordning för bestämning av avståndet a mellan de båda laserstrålgångama vid höjden för markpunkten samt en bearbetningsanordning för beräkning av höjden h hos skämingsmittpunkten S över markpunkten från förhållandet h~a vid känd vinkel y. Avståndet a uppmäts därvid i vågrät resp i rät vinkel mot vridningsaxeln DA.

Med denna anordning är bestämningen av avståndet mellan markpunkten och skärningsmittpunkten S möjlig på basis av en mättriangel som är bildad av den första kollirrïerade laserstrålen, åtminstone en ytterligare laserstrålgång, som med den första laserstrålen innesluter en företrädesvis konstant vinkel y och avståndet a. Förhållandet h~a motsvarar en trigometrisk grundfunktion.

Den väsentliga fördelen med uppfinningen består i möjligheten med en uppbyggnad med förhållandevis ringa teknisk uppbyggnad, eftersom färre element krävs såsom vid ett instrument som är utformat med en optoelektiisk avståndsmätanordning enligt teknikens ståndpunkt.

En fördelaktig utföringsform av laseranordningen anger ett hus, vilket är anordnat med sin längdaxel radiellt mot vridningsaxeln DA, en i huset anordnad laser, ett likaså i huset huset anordnat anordnat objektiv för samling av laserstrålen och ett likaså i omvändningselement som är anordnat efter objektivet för inkoppling av laserstrålen i T:\PATENT\I 1-\0O4 l 900se\svensktext.doc 10 15 20 25 30 520 543 3 vridningsaxeln DA; dessutom förfogar laseranordningen enligt uppfinningen över optiska medel för alstring av den divergerande laserstrålgången.

För att utforma den sistnämnda är optiska medel av olika varianter tänkbara. Dessa kan exempelvis vara så utformade att ett diffraktivt element med en optisk verksam struktur är anordnad i den första laserstrålen, varigenom en del av denna strålning transforrneras till en cirkelformig, koncentriskt mot vridningsaxeln DA riktad böjningsbild och denna är riktad divergerande på markpunkten resp dess omgivning.

Det diffraktiva elementet är anordnat före eller efter omvändningselementet i strålgången och består av en transparent platta som är försedd med ett strukturhologram.

Strukturhologrammet är bildat av geometriska figurer, företrädesvis av cirkel-, linjeformiga och/eller ytfonniga vid varandra uppradade punkter. Dessa figurer är anordnade centralt till laserstrålen och uppvisar i sitt centrum ett ljusmaximum.

Detta ljusmaximum kan vara bildat genom ett centralt lagt ytavsnitt med högsta möjliga transparens eller också genom en central öppning i den transparenta plattan.

Altemativt till de nämnda utföringsvarianterna kan för alstrandet av det divergerande laserstrålförloppet vara anordnad åtminstone en ytterligare, under en vinkel owfi0° i objektivet instrålande laserkälla, som avbildas genom objektivet på markpunkten resp dess omgivning, varvid den på markpunkten riktade strålgången innesluter med den första laserstrålen divergensvinkeln y, som är proportionell mot instrålningsvinkeln ot.

Beträffande detta består en speciellt föredragen utföringsfonn av uppfinningen i att en första laserdiod är så anordnad att den från denna utgående strålningen instrålar i riktning för den optiska axeln, dvs under en vinkel ot=O° i objektivet, varvid det från detta avgivna ljuset [tjänar för alstrandet av den första laserstrålen och dänned primärt för centreringen av det geodetiska instrumentet.

J ämte denna första laserdiod finns tvâ ytterligare laserdioder anordnade, av vilka var och en strålar in i objektivet under en vinkel a=fiO°, företrädesvis oc=l0°,.

De båda under vinkeln oti0° i obj ektivet instrålande laserdiodema alstrar därvid två laserstrålar, vilka med den första laserstrålen vardera innesluter en divergensvinkel y. Därmed uppnås att var och en av de tre laserljuskällorna avbildas på markpunkten resp i dess nära omgivning, varvid de tre laserdioderna är så anordnade beträffande objektivet att deras tre avbildningar ligger på en rad. Då tjänar mittavbildningen för centrering, och avstånden a från de båda yttre avbildningama till mittavbildningen är vid känd vinkel y ett mått för höjden h hos skämingsmitpunkten S över markpunkten.

T:\PATENT\l l-\004 l 900se\svensktext.doc 10 15 20 25 30 520 545 4 Vid bestämningen av denna höjd h kan självklart även additionskonstanter inbegripas, vilka exempelvis ges genom den apparattekniskt betingade höjddifferensen mellan toppunkten hos de divergerande strålgångama och skämingsmittpunkten S.

Såsom mätanordning kan altemativt en för visuella avläsning av avståndet a resp summan 2a utformad, med i en längdenhet justerad streckmarkering försedd måttstock eller en positionsmottaglig optoelektrisk detektor med efierordnad bearbetnings- och visningsanordning vara anordnad.

Med måttstocken verkställs fastställandet av avståndet a på ett enkelt sätt genom att detta läggs på markpunkten, nämligen så att den första laserstrålen resp avbildningen av den första strålningskällan riktas på streckmarkeringen och sedan avläses med -hjälp av streckmarkeringen diametem d=2a hos den ringformiga böjningsbilden resp avståndet a hos avbildningen hos den andra och tredje strålningskällan från avbildningen av den första strålningskällan.

En speciellt tördelaktig utföringsform av uppfinningen ges genom att (vid konstant vinkel y) streckmarkeringen korrigeras avvikande från den metriska enheten så att ett belopp för höjden h omedelbart kan avläsas.

Såsom positionsmottagliga detektorer kan exempelvis CCD-rader eller CCD- uppsättningar vara anordnade. Därvid är det maximala avståndet mellan två av strålningskälloma som bildar uppsättningen resp CCD-raden en ekvivalent för höjden h, varvid här likaså förutsättes att de tre avbildningama ligger på en rad.

Från det maximala avståndet 2a hos de båda yttre avbildningama på detektom kan i sig känd signalbearbetning utvinnas ett värde för höjden h, som visas på en display. Med fördel-kan en CCD-rad och en visningsdisplay sättas på en kompakt enhet, exempelvis i form av ett platt mätinstrument.

För att ge höjden h är det då blott nödvändigt att sätta detta platta mätinstrument på markpunkten och därvid beakta att den första laserstrålen träffar på CCD-raden och även de båda yttre strålningsförloppen avbildas på CCD-raden, varvid sedan på displayen omedelbart ett värde för höjden h kan utläsas.

För fullständighetens skull nämns att strålningskälloma resp laserdiodema utsänder en strålning i det synliga våglängdsområdet för ljuset med en intensitet som kan ses bra även vid dagsljusöverlagring.

Uppfinningen skall förklaras närmare nedan med ledning av ett utföringsexempel. I den tillhörande ritningen visar Fig. l en totalvy av det geodetiska instrumentet i en principframställning, T:\PATENT\I l -\O04l 900se\svensktext.doc 10 15 20 25 30 520 545 íïíífF*@f 5 Fig. 2 en första variant av mätprincipen för att ge höjden h Fi g. 3 en andra variant av mätprincipen för att ge höjden h Fig. 4 ett exempel på en avläsningsmåttstock Fig. 5 ett exempel på ett mät- och visningsinstrument med CCD-rad.

I Fig. 1 är ett geodetiskt instrument 1 med en trefot 2 satt på ett stativ 3 och centrerad över en markpunkt 4.

Det geodetiska instrumentet 1, exempelvis en teodolit, vars kikare F är svängbar omkring en vippaxel KA och omkring en vridningsaxel DA. Vippaxeln KA och vridningsaxeln DA skärs gemensamt med målaxeln ZA hos kikaren F, som i Fig. 1 står vinkelrätt mot ritningsplanet och av detta skäl endast ses som punkt,_i en skämingsfnittpunkt S.

Förutsättningar för noggranna, över målaxeln ZA företagna mätningar är den exakta justeringen av instrumentet 1 över markpunkten 4. Instrumentet 1 justeras då om vippaxeln KA är riktad horisontellt och vridningsaxeln DA lodrätt på markpunkten 4.

Såsom justeringshjälp tjänar exempelvis ett vid instrumentet 1 anordnat vattenpass (icke visat på ritningen) samt en laseranordning som väsentligen består av ett hus 5, som är anordnat med sin längdaxel 6 radiellt mot vridningsaxeln DA, åtminstone en laserstrålningskälla, exempelvis en i det synliga våglängdsornrådet strålande laserdiod 7.1, ett objektiv 8, genom vilket laserstrålningen blir ett knippe och riktas på ett omvändningselement 9, som vänder laserstrålen 10 från längdaxeln 6 till vridningsaxeln DA.

Nu är det vanligen nödvändigt, att vid mätningen att ta hänsyn även till höjden h hos skärningsmittpunkten S över markpunkten 4. Det vill säga efter det utförda riktandet av instrumentet 1 över markpunkten 4 måste denna höjd h ges med så liten uppbyggnad som möjligt.

Enligt uppfinningen finns för detta anordnad en under en vinkel y divergerande till laserstrålen 10 íörlöpande ytterligare strålgång 11. Divergensvinkeln y är konstant så att laserstrålen 10, strålgången 11 och avståndet a mellan båda strålgângarna 10, 11 bildar en mättriangel vid höjden för markpunkten 4, från vilken triangel höjden h lätt kan bestämmas såsom visas.

I en första variant på utföringsform, som visas i Fig. 2, alstras strålgången 11 med hjälp av ett diffraktivt element 12. Det diffraktiva elementet 12 uppvisar en optisk verksam struktur genom vilken en del av laserstrålen 10 transforrneras till en ringformig koncentriskt mot vridningsaxeln DA riktad böjningsbild 13, som är riktad divergerande på markpunkten 4 resp på dess omgivning.

T:\PATENT\1 l -\004 1 900se\svenskte xtdoc 10 15 20 25 30 520 543 i iï;”ff«ë*rïV 6 Denna verkan av det diffraktiva elementet 12 uppnås exempelvis om det diffraktiva elementet framställs av en transparent platta, företrädesvis av en glasplatta, och förses med böjningsfigurer som exempelvis består av ett flertal punkter som är anordnade på koncentriska ringar. I sitt centrum uppvisar dessa figurer ett område med högsta transparens så att laserstrålen 10 kan passera så obehindrat som möjligt. För detta ändamål kan det diffraktiva elementet 12 i sitt centrum uppvisa en öppning genom vilken laserstrålen 10 obehindrat kan gå igenom.

Ges såsom nedan ytterligare beskrivs avståndet a mellan laserstrålen 10 och laserstrålen 11 eller också diametern d=2a hos den största cirkeln hos böjningsbilden 13 i nivåhöjden för markpunkten 4 kan därav höjden hl bestämmas (jmf Fig. 2), 'vilken är proportionell mot avståndet a resp diametern d=2a. Adderas till höjden h; höjden h; som motsvarar avståndet mellan det diffraktiva elementet och skärningsmittpunkten S så erhåller man höj den h hos skämingsmíttpunkten S över markpunkten 4.

I en andra, i Fig. 3 exempelvis angiven utföringsvariant av uppfinningen anges att två ytterligare laserdioder 7.2 och 7.3 jämte laserdioden 7.1 finns anordnade nämligen så att dessa instrålar under en vinkel ot#0°, företrädesvis ot=l0°, i obj ektivet 8. Då avbildar obj ektivet 8 de tre laserdiodema 7.1, 7.2 och 7.3 över åtskilda kollimerade strålgångar 14 och 15 på markpunkten 4 resp dess omgivning.

Analogt med utföringsexemplet enligt Fig. 2 är avståndet a mellan laserstrålen 10 och en till strålgångarna 14, 15 i nivåhöjd med markpunkten 4 ett mått för höjden hg, som motsvarar avståndet mellan toppen av divergensvinkeln y och markpunkten 4. Adderar man till höjden h; höjden h4 vilken såsom avstånd mellan toppen hos divergensvinkeln y och skärningsmittpunkten S apparattekniskt är fast, så erhåller man med höjden h avståndet för skämingsmittpunkten S över markpunkten 4.

Såsom hjälpmedel för att fastställa avståndet a resp diametern d=2a kan en exempelvis i Fig. 4 visad måttstav 16 vara anordnad, vilken är försedd med streckmärken 17, vilka är korrigerade i en längdenhet. Denna längdenhet kan vara definierad metriskt så att en avläsning i mm är möjligt. I en ytterligare föredragen utföringsform kan korrigeringen även vara utförd så att ett höj den h motsvarande belopp kan avläsas.

Mycket fördelaktigt och därför tillrådligt är dock användningen av en positionsmottaglig optoelektronisk detektor med en eflerordnad bearbetnings- och visningsanordning. Den senare kan, såsom visas i Fig. 5, vara försedd med en CCD-rad 18 T :\PATENT\l l -\004l 900se\svensktext.doc 10 520 543 7 gemensamt i ett platt mätinstrument, som är så positionerat på markpunkten 4 att avbildningarna av alla tre laserdioder 7.1, 7.2 och 7.3 ligger på CCD-raden 18.

Bearbetningskopplingen ger av avstånden a under bearbetning av de ovan beskrivna sammanhangen höjden h och visar denna på en integrerad display 19. Höjden h kan avläsas omedelbart och dessutom tas hänsyn till vid mätningarna som skall genomföras.

En ytterligare utföringsform kan bestå i att det med det i Fig. 5 visade mätinstrumentet givna värdet (höjd h) lagras och tillförs för ytterligare användning till datorn, som bearbetar alla med instrumentet 1 givna mätvärdena till det önskade mätresultatet.

För det vågräta riktandet av mätstaven 16 resp mätanordningen enligt Figa 5, så att avståndet a mäts i rät vinkel mot vridningsaxeln DA, kan exempelvis finnas anordnad en doslibell 30 (jmf Fig. 4 och Fig. 5).

T:\PATENT\1 l-\004l900se\svensktext.doc 10 15 20 p-A E\OOO\IO\LII-PDJI\J y-a g-n r-fl IQ r-fl b) 14,15 16 17 18 19 520 545 Hänvisningsbeteckningar geodetiskt instrument trefot stativ markpunkt hus axel .1, 7.2, 7.3 laserdioder objektiv omvändningselement första laserstråle andra laserstrålgång diffraktivt element böjningsbild strålgångar mâttstock streckmarkering CCD-rad display TÅPATENUI 1 -\004 l 900se\svensktext.doc

Claims (8)

520 543 °7 Patentkrav

1. Geodetiskt instrument med en kikare F, vars målaxel ZA har en gemensam skärningsmittpunkt S med en vippaxel KA och en viidningsaxel DA, omkring vilken kikaren F är svängbar, och vid vilket dessutom finns anordnad en laseranordning, vilken tjänar för justering av vridningsaxeln DA över markpunkten samt för bestämning av höjden h av skärningsmittpunkten S över markpunkten, k ä n n e t e c k n at av att 10 15 20 25 30 - en i vridningsaxeln DA förlöpande första, företrädesvis kollimerad, läserstråle (10) är riktad på markpunkten (4) och minst en ytterligare laserstrålgång (11, 14, 15) finns anordnad, som förlöper divergerande mot den första laserstrålen (10) och innesluter med denna en vinkel y, samt dessutom - en mätanordning finns anordnad för bestämning av avståndet a, till den divergerande laserstrålgången vid höjden för markpunkten (4) från den första laserstrålen (10), och en bearbetningsanordning för beräkning av höjden h från förhållandet h~a vid känd vinkel y.

2. Geodetiskt instrument enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att laseranordningen omfattar - ett hus (5), vilket är anordnat med sin längdaxel (6) radiellt mot vridningsaxeln DA, en i huset (5) anordnad laserstrålkälla, ett likaså i huset (5) anordnat objektiv (8) för att bilda ett knippe av laserstrålningen och ett omvändningselement (9), som är anordnat efter objektivet (8), för inkopplande av laserstrålen (10) i vridningsaxeln DA, och - dessutom är utformad med optiska medel för alstring av den andra laserstrålgången (11, 14, 15) som förlöper divergerande.

3. Geodetiskt instrument enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att i laserstrålgången är anordnat ett diffraktivt element (12) med en optiskt verksam struktur, genom vilket en del av den i vridningsaxeln DA förlöpande laserstrålen (10) transformeras till en ringfonnig, koncentriskt med vridningsaxeln DA riktad böjningsbild (13) och riktas divergerande på markpunkten (4) resp. dess omgivning.

4. Geodetiskt instrument enligt krav 3, k ä n n e t e c k n at av att det diffraktiva elementet (12) är anordnat efter omvändningselementet (9). T:\PATEN"l\l l-\004l 900se\svenska krav .doc l0 15 20 520 543 /Û

5. Geodetiskt instrument enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t av att det diffraktiva elementet (12) består av en transparent platta med ett strukturhologram, som är bildat av geometriska figurer, företrädesvis av koncentriska punktcirklar, punktlinjer och/eller punktytor, varvid figurema är positionerade centriskt till laserstrålen och uppvisar ett ljusmaximum i sitt centrum.

6. Geodetiskt instrument enligt krav 2, k ä n n e t e c k n at av att åtminstone en ytterligare laserljuskälla finns anordnad som strålar in i objektivet (8) under vinkeln otafiO° och som avbildas på markpunkten (4) resp dess omgivning och vars laserstrålgång (14, 15) innesluter med den första laserstrålen (10) en divergensvinkel yzot. _ "

7. Geodetiskt instrument enligt ett av de ovan nämnda kraven, k ä n n e t e c k n at av att såsom mätanordning finns anordnad - en måttstock (16) som är utfonnad för den visuella avläsningen av avståndet a och som är försedd med streckmärken (17) som är justerade i en längdenhet och/eller - en positionsmottaglig optoelektronisk detektor med efierordnad bearbetnings- och visningsanordning.

8. Geodetiskt instrument enligt ett av de ovan nänmda kraven, k ä n n e t e c k n at av att såsom strålningskällor finns anordnade laserdioder (7.1, 7.2, 7.3) med en strålning i ljusets synliga våglängdsorriråde. T:\PATENT\l l-\0O4l900se\svenska krav.doc