DE10121288A1 - Vermessungsinstrument mit optischem Entfernungsmesser - Google Patents
Vermessungsinstrument mit optischem EntfernungsmesserInfo
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Abstract
Ein Vermessungsinstrument enthält einen optischen Entfernungsmesser mit einer Transmissionsoptik und einer Empfangsoptik. Die Empfangsoptik hat ein Lichtempfangselement. Das Vermessungsinstrument enthält weiterhin ein erstes und ein zweites wellenlängenselektives Filter, die nur Licht in einem ersten Wellenlängenbereich durchlassen und anschließend auf das Lichtempfangselement treffen lassen. Das erste wellenlängenselektive Filter lässt Licht einer Wellenlänge durch, die gleich oder größer als eine erste bestimmte Wellenlänge ist. Das zweite wellenlängenselektive Filter lässt Licht einer Wellenlänge durch, die gleich oder kürzer als eine die erste Wellenlänge übersteigende zweite Wellenlänge ist. Weiterhin ist eine Winkeleinstellvorrichtung vorgesehen, um den Neigungswinkel des ersten und des zweiten wellenlängenabhängigen Filters gegenüber einem Strahlengang einzustellen, in dem sich die beiden wellenlängenselektiven Filter befinden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Vermessungsinstrument mit optischem Entfernungsmes
ser.
Ein herkömmliches Vermessungsinstrument wie eine Gesamtstation hat eine
Funktion zum Messen der Entfernung zwischen zwei Punkten und des Horizontal-
und des Vertikalwinkels. Ein solches Vermessungsinstrument misst die Entfer
nung zwischen zwei Punkten für gewöhnlich mit einem Entfernungsmesser, übli
cherweise einem elektronischen Entfernungsmesser, kurz EDM, der in dem
Vermessungsinstrument eingebaut oder an diesem angebracht ist.
Der elektronische Entfernungsmesser beinhaltet einen optischen Entfernungs
messer, der die Entfernung aus der Phasendifferenz oder der Zeitdifferenz zwi
schen externem Messlicht, das auf ein Ziel gerichtet ist, und internem Referenz
licht berechnet. Der optische Entfernungsmesser enthält eine Lichttransmission
soptik, die das Messlicht über ein Objektiv eines Zielfernrohrs, das eine Kompo
nente des elektronischen Entfernungsmessers bildet, auf das Ziel überträgt, und
eine Lichtempfangsoptik, die das an dem Ziel reflektierte Licht empfängt. Die
Lichtempfangsoptik enthält ein wellenlängenselektives Filter, um das an dem Ziel
reflektierte Messlicht durch das Objektiv des Zielfernrohrs auf ein Lichtempfangs
element zu reflektieren. Während des Betriebs des optischen Entfernungsmes
sers treffen abwechselnd das Messlicht und das interne Referenzlicht auf das
Lichtempfangselement.
Um die Genauigkeit des optischen Entfernungsmessers durch Steigerung des
Signal/Rausch-Verhältnisses (SIN) eines empfangenen Lichtsignals zu verbes
sern, ist es von Vorteil, wenn das Lichtempfangselement nur das Messlicht und
das interne Referenzlicht empfängt. Zu diesem Zweck wurden große Anstrengun
gen unternommen, um den Wellenlängenbereich des Lichtes einzuschränken, das
von dem wellenlängenselektiven Filter reflektiert werden darf. Technisch ist es
jedoch schwierig, ein solches wellenlängenselektives Filter herzustellen, das
lediglich das Licht einer bestimmten der Wellenlänge des Messlichtes entspre
chenden Wellenlänge reflektiert. Infolge von Fertigungsfehlern ist es im Grunde
unumgänglich, dass ein solches wellenlängenselektives Filter eine vergleichswei
se breite Variation im Wellenlängenbereich aufweist. Wird ein solchen wellenlän
genselektives Filter in Massenproduktion gefertigt, steigen deshalb die Ferti
gungskosten. Außerdem gibt es Fertigungstoleranzen in der Fertigung von Laser
dioden, kurz LD, die als zum Aussenden des Messlichtes bestimmte Lichtquelle
eingesetzt werden. Überdies ändert sich die Wellenlänge des von der Laserdiode
ausgesendeten Messlichtes mit Änderung der Temperatur. Ist der Wellenlängen
bereich des Lichtes, der durch das wellenlängenselektive Filter treten darf, sehr
schmal, so wird die Laserdiode den damit einhergehenden Anforderungen mit
Temperaturänderung nicht gerecht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vermessungsinstrument mit optischem Entfer
nungsmesser anzugeben, bei dem der Wellenlängenbereich des Lichtes, das auf
ein in dem optischen Entfernungsmesser vorgesehenes Lichtempfangselement
trifft, schmäler als bisher gehalten werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vermessungsinstrument mit opti
schem Entfernungsmesser anzugeben, bei dem die das Messlicht abstrahlende
Laserdiode von Temperaturänderung unbeeinflusst ist.
Die Erfindung löst diese Aufgaben durch das Vermessungsinstrument mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Die Weiterbildung nach Anspruch 5 ermöglicht es, dass das erste und das zweite
wellenlängenselektive Filter in Abhängigkeit der Wellenlängenänderung des von
der Laserdiode ausgesendeten Lichtes, die durch eine Temperaturänderung
verursacht wird, automatisch auf vorbestimmte Neigungswinkel einzustellen.
Das Messlicht kann Licht sein, das eine bestimmte Wellenlänge im Bereich des
sichtbaren Lichtes oder außerhalb davon hat.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen elektronischen Entfernungsmessers,
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung grundlegender Elemente eines in dem
elektronischen Entfernungsmesser nach Fig. 1 enthaltenen opti
schen Entfernungsmessers mit einem Mechanismus zum Einstellen
des Neigungswinkels einer Hochpass-Filterplatte und einer Tiefpass-
Filterplatte,
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung grundlegender Elemente des optischen
Entfernungsmessers in Blickrichtung des in Fig. 2 dargestellten
Pfeils II,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer in den Fig. 2 und 3 gezeigten
Filterplatte,
Fig. 5 eine bruchstückhafte Darstellung des elektronischen Entfernungs
messers nach Fig. 1 bei Änderung des Neigungswinkels der Hoch
pass-Filterplatte,
Fig. 6 eine Darstellung einer Fokuserfassungsvorrichtung und eines Porro
prismas in Blickrichtung des in Fig. 1 dargestellten Pfeils VI,
Fig. 7 den Zusammenhang zwischen dem Eintrittswinkel des auf eines der
Filter treffenden Lichtes und dessen Wellenlängenverschiebung bei
Durchtritt durch dieses Filter an Hand eines Graphen,
Fig. 8 den Zusammenhang zwischen dem Transmissionsvermögen der
Hochpass-Filterplatte und der Tiefpass-Filterplatte und der Wellen
länge λ des durch die jeweilige Filterplatte tretenden Lichtes an
Hand eines Graphen,
Fig. 9 den Zusammenhang zwischen dem Reflexionsvermögen eines
wellenlängenselektiven Hauptfilters und der Wellenlänge λ des auf
dieses Filter treffenden Lichtes,
Fig. 10 eine bruchstückhafte Darstellung eines zweiten Ausführungsbei
spiels des erfindungsgemäßen elektronischen Entfernungsmessers
mit einer ein Element des optischen Entfernungsmessers bildenden
Filterplatte und optischen Peripherieelementen,
Fig. 11 den Zusammenhang zwischen dem Transmissionsvermögen der in
Fig. 10 gezeigten Filterplatte und der Wellenlänge λ des durch die
Filterplatte tretenden Lichtes,
Fig. 12 eine Darstellung ähnlich der nach Fig. 1 mit einem dritten Ausfüh
rungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Entfernungs
messers,
Fig. 13 ein Blockdiagramm eines Steuersystems zum Steuern des in Fig. 12
gezeigten elektronischen Entfernungsmessers, und
Fig. 14 ein Flussdiagramm einer Operation zum Einstellen des Filterwinkels.
Die Fig. 1 bis 9 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
elektronischen Entfernungsmessers, kurz EDM. Der elektronische Entfernungs
messer enthält ein Autofokus-Entfernungsmesssystem und kann in einem Ver
messungsinstrument wie einer Gesamtstation untergebracht oder an diesem
angebracht werden. Im Folgenden wird zunächst der Gesamtaufbau des elektro
nischen Entfernungsmessers erläutert.
Der elektronische Entfernungsmesser hat ein Zielfernrohr 10 und einen optischen
Entfernungsmesser 20. Wie in Fig. 1 gezeigt, hat das Zielfernrohr 10 ein Objektiv
11, eine Fokussierlinse 18, ein Porroprisma 12 als Aufrichtoptik, eine Bildebenen
platte (Strich- oder Fadenkreuzplatte) 13 und eine Okularlinse 14, die in der
genannten Reihenfolge von der Objektseite her betrachtet, d. h. in Fig. 1 von links
nach rechts, angeordnet sind. Auf der Bildebenenplatte 13 ist ein Fadenkreuz 15
vorgesehen. Die Fokussierlinse 18 wird in Richtung ihrer optischen Achse geführt.
Das Bild eines Zielobjektes 16, das durch das Objektiv 11 erzeugt wird, kann
genau auf die Vorderfläche, d. h. die dem Objektiv 11 zugewandte Fläche der
Bildebenenplatte 13 fokussiert werden, indem die axiale Position der Fokussierlin
se 18 in Abhängigkeit des Abstandes des Zielobjektes 16 bezüglich des Zielfern
rohrs 10 eingestellt wird. Der Benutzer des elektronischen Entfernungsmessers
visiert über das Okular 14 ein vergrößertes Bild des Zielobjektes 16 an, das auf
die Bildebenenplatte 13 fokussiert ist.
Der elektronische Entfernungsmesser hat hinter dem Objektiv 11 des Sichtfern
rohrs 10 einen Lichttransmissions/Empfangsspiegel (Reflexionselement) 21 und
ein wellenlängenselektives Filter (Hauptfilter) 22, die in der genannten Reihenfol
ge vom Objekt her betrachtet angeordnet sind. Der Transmissi
ons/Empfangsspiegel 21 und das wellenlängenselektive Filter 22 sind optische
Komponenten einer Lichtempfangsoptik des optischen Entfernungsmessers 20.
Der Transmissions/Empfangsspiegel 21 besteht aus einem Parallelplattenspiegel,
dessen vordere und hierzu parallele hintere Fläche auf der optischen Achse des
Objektivs 11 angeordnet sind. Die dem Objektiv 11 zugewandte Vorderfläche des
Parallelplattenspiegels ist als Lichttransmissionsspiegel 21a ausgebildet, während
die dem wellenlängenselektiven Filter 22 zugewandte hintere Fläche des Parallel
plattenspiegels als Lichtempfangsspiegel 21b ausgebildet ist.
Der optische Entfernungsmesser 20 ist mit einem Lichtaussendeelement 23
versehen, der Licht (Messlicht) einer bestimmten Wellenlänge aussendet. Das von
dem Lichtaussendeelement 23 ausgesendete Messlicht trifft über eine Kollimator
linse 24 und einen festen Spiegel 25 auf die Lichttransmissionsfläche 21a. Das
Messlicht wird dann an dem Lichttransmissionsspiegel 21a längs der optischen
Achse des Objektivs 11 auf das Zielobjekt 16 reflektiert. Die Kollimatorlinse 24,
der feste Spiegel 25 und der Lichttransmissionsspiegel 21a (Lichttransmissi
ons/Empfangsspiegel 21) sind optische Elemente einer Lichttransmissionsoptik
des optischen Entfernungsmessers 20.
Der Großteil des sichtbaren Lichtes kann durch das wellenlängenselektive Filter
22 hindurch treten, und das Messlicht, das an dem Zielobjekt 16 durch das Objek
tiv 11 reflektiert wird, wird an dem wellenlängenselektiven Filter 22 zurück auf den
Lichtempfangsspiegel 21b reflektiert. Der Lichtempfangsspiegel 21b reflektiert
dann das eingetretene Messlicht über eine Eintrittsfläche 26a auf einen dem
Lichtempfang dienenden Lichtleiter 26, der im Folgenden als Lichtempfangsleiter
bezeichnet wird. Eine Lichtleiterhalterung 27 hält das Eintrittsende des Lichtemp
fangsleiters 26, das mit der Eintrittsfläche 26a versehen ist. Die Lichtleiterhalte
rung 27 ist zusammen mit dem Lichttransmissions/Empfangsspiegel 21 unbeweg
lich an einer nicht dargestellten Befestigungsvorrichtung gehalten, die in einem
Raum hinter dem Objektiv 11 angeordnet ist. Fig. 9 stellt einen Graphen dar, der
den Zusammenhang zwischen dem Reflexionsvermögen des wellenlängenselekti
ven Filters 22 und der Wellenlänge λ0 des auf das wellenlängenselektive Filter 22
treffenden Lichtes beispielhaft angibt. Wie dieser Graph zeigt, reflektiert das
wellenlängenselektive Filter 22 Licht mit Wellenlängen in der Umgebung der
Wellenlänge λ0, wie mit der durchgezogenen Linie angedeutet ist. In dem erläu
terten Ausführungsbeispiel ist das Lichtaussendeelement 23 eine Laserdiode,
kurz LD, die so ausgebildet ist, dass sie Licht der bestimmten Wellenlänge λ0 als
Messlicht im Bereich sichtbaren Lichtes abstrahlt.
Der elektronische Entfernungsmesser hat in einem Entfernungsmessstrahlengang
zwischen dem Lichtaussendeelement 23 und dem festen Spiegel 25 einen Um
schaltspiegel 28 und ein erstes ND-Filter (Durchlassfilter) 29. Das von dem Licht
aussendeelement 23 ausgesendete Messlicht trifft auf den festen Spiegel 25,
wenn der Umschaltspiegel 28 aus dem Strahlengang zwischen der Kollimatorlinse
24 und dem festen Spiegel 25 zurückgezogen ist. Dagegen wird das von dem
Lichtaussendeelement 23 abgestrahlte Messlicht (internes Referenzlicht) an dem
Umschaltspiegel 28 direkt auf die Eintrittsfläche 26a des Lichtempfangsleiters 26
reflektiert, wenn sich der Umschaltspiegel 28 in dem Strahlengang zwischen der
Kollimatorlinse 24 und dem festen Spiegel 25 befindet. Das erste ND-Filter 29
dient dazu, die Menge des auf das Zielobjekt 16 treffenden Messlichtes einzu
stellen.
Der elektronische Entfernungsmesser hat zwischen einer Austrittsfläche 26b des
Lichtempfangsleiters 26 und einem Lichtempfangselement 31 ein zweites ND-
Filter (Empfangsfilter) 32, eine Kollimatorlinse 33, eine Hochpass-Filterplatte
(erstes wellenlängenselektives Filter/erstes wellenlängenselektives Unterfilter) 34,
eine Tiefpass-Filterplatte (zweites wellenlängenselektives Filter/zweites wellenlän
genselektives Unterfilter) 35 und eine Kondensorlinse 36, die in der genannten
Reihenfolge von der Austrittsfläche 26b des Lichtempfangselementes 31 aus
betrachtet angeordnet sind. Das aus der Austrittsfläche 26b des Lichtempfangs
leiters 26 austretende Messlicht wird durch die Kollimatorlinse 33 so kollimiert,
dass das von der Austrittsfläche der Kollimatorlinse 33 zur Eintrittsfläche der
Kondensorlinse 36 laufende Messlicht kollimiert ist. Wie in den Fig. 2 und 3 ge
zeigt, sind die Kollimatorlinse 33, die Hochpass-Filterplatte 34, die Tiefpass-
Filterplatte 35, die Kondensorlinse 36 und das Lichtempfangselement 31 an einer
Halterung (Halteelement) 38 gehalten. Das Lichtempfangselement 31 ist an eine
arithmetische Steuerschaltung (Steuerung) 40 angeschlossen. Die arithmetische
Steuerschaltung 40 ist mit einem Stellglied 41, das den Umschaltspiegel 28 betä
tigt, und einer Anzeigevorrichtung, z. B. einem LCD-Feld, 42 verbunden, das die
berechnete Entfernung anzeigt.
Wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt, ist eine Drehachse 34a, die senkrecht zu einer von
der Kollimatorlinse 33 zu der Kondensorlinse 36 führenden optischen Achse 33X
verläuft, einstückig mit der Hochpass-Filterplatte 34 ausgebildet. Die Hochpass-
Filterplatte 34 ist so in der Halterung 38 gehalten, dass sie um die Drehachse 34a
drehbar ist, d. h. durch Drehen der Drehachse 34a gegenüber der optischen Achse
33X verkippt werden kann. Entsprechend ist eine Drehachse 35a, die senkrecht
zu der optischen Achse 33X verläuft, einstückig mit der Tiefpass-Filterplatte 35
ausgebildet. Die Tiefpass-Filterplatte 35 ist in der Halterung 38 so gehalten, dass
sie um die Drehachse 35a drehbar und damit durch Drehen der Drehachse 35a
gegenüber der optischen Achse 33X verkippbar ist. Die Halterung 38 ist mit Setz
schrauben 61 und 62 versehen, die auf die Drehachse 34a und 35a gerichtet
senkrecht zu diesen in die Halterung 38 geschraubt sind. Die nach innen gerich
teten Spitzen der Setzschrauben 61 und 62 kommen in Presskontakt mit den
Drehachsen 34a und 35a, wenn die Setzschrauben 61 und 62 angezogen wer
den, so dass die Drehachsen 34a und 35a über die angezogenen Setzschrauben
61 und 62 bezüglich der Halterung 38 festgesetzt werden. Die Hochpass-
Filterplatte 34 und die Tiefpass-Filterplatte 35 sind jeweils so an der Halterung 38
befestigt, dass sie in einem Anfangszustand um 45° relativ zur optischen Achse
33 verkippt sind. Die Neigungswinkel der beiden Filterplatten 34 und 35 können
jedoch, falls dies erforderlich ist, eingestellt werden, indem die entsprechende
Drehachse 34a bzw. 35a bei gelöster Setzschraube 61 bzw. 62 gedreht wird. Die
Drehachse 34a bzw. 35a und die zugehörige Setzschraube 61 bzw. 62 bilden so
eine Winkeleinstellvorrichtung. In Fig. 5 ist ein Zustand dargestellt, in dem die
Hochpass-Filterplatte 34 verglichen mit Fig. 1 entgegengesetzt verkippt ist.
Die Hochpass-Filterplatte 34 und die Tiefpass-Filterplatte 35 dienen dazu, den
Wellenlängenbereich des Lichtes, das an dem wellenlängenselektiven Filter 22
auf das Lichtempfangselement 31 reflektiert wird, so stark einzuschränken, dass
sich dieser Wellenlängenbereich lediglich in die unmittelbaren Umgebung der
Wellenlänge λ0 erstreckt. In Fig. 8 ist ein Graph dargestellt, der den Zusammen
hang zwischen dem Transmissionsvermögen der Hochpass-Filterplatte 34 bzw.
der Tiefpass-Filterplatte 35 und der Wellenlänge λ des durch das entsprechende
Filter tretenden Lichtes beispielhaft angibt. Wie durch die gebrochene Linie in dem
Graphen nach Fig. 8 angedeutet, hat die Hochpass-Filterplatte 34 eine Durchlas
scharakteristik derart, dass Licht langer Wellenlänge durchgelassen wird, wobei
mit langer Wellenlänge eine Wellenlänge gemeint ist, die gleich oder länger als
eine erste bestimmte Wellenlänge ist, die um eine Wellenlänge a kürzer als die
Wellenlänge λ0 ist, wobei die Wellenlänge λ0 unter den Wellenlängen des an
dem wellenlängenselektiven Filter 22 reflektierten Lichtes die zentrale Wellenlän
ge ist. Wie dagegen in dem Graphen nach Fig. 8 die durchgezogene Linie angibt,
hat die Tiefpass-Filterplatte 35 eine Durchlasscharakteristik derart, dass Licht mit
einer kurzen Wellenlänge durchgelassen wird, wobei mit kurzer Wellenlänge eine
Wellenlänge gemeint ist, die gleich oder kürzer als eine zweite bestimmte Wel
lenlänge ist, die um eine Wellenlänge b länger als die vorstehend genannte zen
trale Wellenlänge λ0 ist. Der Wellenlängenbereich zwischen der ersten bestimm
ten Wellenlänge und der zweiten bestimmten Wellenlänge, der der Summe der in
den Fig. 8 gezeigten Wellenlängen a und b entspricht, ist schmäler als der Wel
lenlängenbereich des an dem wellenlängenselektiven Filter 22 reflektierten Lich
tes. Der Wellenlängenbereich zwischen der ersten bestimmten Wellenlänge und
der zweiten bestimmten Wellenlänge ist in Fig. 8 schraffiert dargestellt, während
er in Fig. 9 als Bereich zwischen den beiden gestrichelten Linien angedeutet ist.
Der Wellenlängenbereich zwischen der ersten bestimmten Wellenlänge und der
zweiten bestimmten Wellenlänge wird im Folgenden als "Durchlasswellenlängen
bereich" bezeichnet.
Der durch die Hochpass-Filterplatte 34 und die Tiefpass-Filterplatte 35 festgelegte
Durchlasswellenlängenbereich variiert mit Änderung des Eintrittswinkels des auf
die Filterplatten 34 und 35 treffenden Lichtes, da sich dadurch die optische
Weglänge ändert. Außerdem wird die Wellenlängenverschiebung des durch ein
Filter (34 oder 35) tretenden Lichtes pro Einheitsänderung des Eintrittswinkels
größer, da der Eintrittswinkel des auf das Filter (34 oder 35) auftreffenden Lichtes
größer wird. In Fig. 7 ist ein Graph dargestellt, der den Zusammenhang zwischen
dem Eintrittswinkel des auf ein Filter (34 oder 35) treffenden Lichtes und der
Wellenlängenverschiebung des durch das entsprechende Filter tretenden Lichtes
angibt. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, verschiebt sich der Durchlasswellenlängenbe
reich nur um ± 5 nm, wenn sich der Eintrittswinkel ausgehend von einem Zustand,
in dem der Eintrittswinkel 0° beträgt, d. h. sich das entsprechende Filter 34 oder 35
senkrecht zur optischen Achse 33X erstreckt, um ± 15° ändert. Dagegen ver
schiebt sich der Durchlasswellenlängenbereich um ± 30 nm, wenn sich der Ein
trittswinkel ausgehend von einem Zustand, in dem letzterer 45° beträgt, d. h. das
entsprechende Filter 34 oder 35 um 45° zur optischen Achse geneigt ist, um ± 15°
ändert.
In dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Filterplatten 34 und 35 aufgrund der
Anwendung ihrer oben erläuterten Charakteristiken so angeordnet, dass sie im
Normalzustand um 45° zur optischen Achse 33X geneigt sind. Um die Filterplatten
34 und 35 der Wellenlängenänderung des von dem Lichtaussendeelement 23
ausgesendeten Lichtes anzupassen, kann in oben erläuterter Weise der Winkel
jeder Filterplatte 34 und 35 eingestellt werden. Durch Änderung des Winkels der
entsprechenden Filterplatte 34 bzw. 35 wird ihre zugehörige kritische Wellenlän
ge, d. h. die erste bzw. die zweite bestimmte Wellenlänge verändert, wie in Fig. 8
durch die Pfeile angedeutet ist.
Bekanntlich arbeitet ein Entfernungsmesser wie der optische Entfernungsmesser
20 in zwei verschiedenen Zuständen: im ersten Zustand wird das von dem Licht
aussendeelement 23 ausgesendete Messlicht dem festen Spiegel 25 zugeführt.
Im anderen Zustand wird dasselbe Licht als internes Referenzlicht direkt der
Eintrittsfläche 26a des Lichtempfangsleiters 26 zugeführt. Die beiden eben ge
nannten Zustände werden entsprechend dem Umschaltzustand des Um
schaltspiegels 28 eingestellt, den die arithmetische Steuerschaltung 40 über das
Stellglied 41 ansteuert. Wie oben erläutert, wird das dem festen Spiegel 25 zuge
führte Messlicht über den Transmissionsspiegel 21a und das Objektiv 11 auf das
Zielobjekt 16 geführt, während das an dem Zielobjekt 16 reflektierte Messlicht
über das Objektiv 11, das wellenlängenselektive Filter 22 und den Lichtempfangs
spiegel 21b auf die Eintrittsfläche 26a trifft. Daraufhin werden sowohl das Mess
licht, das an dem Zielobjekt 16 reflektiert wird, um letztlich auf die Eintrittsfläche
26a zu treffen, als auch das interne Referenzlicht, das über den Umschaltspiegel
28 direkt auf die Eintrittsfläche 26a geführt wird, von dem Lichtempfangselement
31 empfangen. Die arithmetische Steuerschaltung 40 erfasst die Phasendifferenz
zwischen dem projizierten, d. h. ausgesendeten Licht und dem reflektierten Licht
und berechnet so die Entfernung des elektronischen Entfernungsmessers von
dem Zielobjekt. Diese berechnete Entfernung zeigt dann die Anzeigevorrichtung
42 an. Die Entfernungsberechnung aus der Phasendifferenz oder der Zeitdifferenz
ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Das Porroprisma 12 hat eine Strahlteilerfläche, welche das auftreffende Licht in
zwei Lichtbündel teilt, von denen eines auf eine AF-Sensoreinheit 50 zur Phasen
differenzerfassung (Fokuserfassungsvorrichtung) zu läuft, während das andere
auf das Okular 14 zu läuft. Die AF-Sensoreinheit zur Phasendifferenzerfassung
wird im Folgenden kurz als AF-Einheit bezeichnet. Zwischen dem Porroprisma 12
und der AF-Einheit 50 befindet sich eine Referenzbildebene 51, die an einer Stelle
angeordnet ist, die optisch äquivalent zu der Stelle ist, an der sich das Faden
kreuz 15 der Bildebenenplatte 13 befindet. Die AF-Einheit 50 erfasst den Fokus
sierzustand, d. h. den Defokussierwert und die Richtung der Fokusverschiebung,
auf der Referenzbildebene 51. In Fig. 6 sind die AF-Einheit 50 und das Porropris
ma 12 schematisch dargestellt. Die AF-Einheit 50 enthält eine Kondensorlinse 52,
ein Paar Separatorlinsen 53, ein Paar Separatormasken 55, die enger räumlicher
Nähe der Separatorlinsen 53 angeordnet sind, sowie ein Paar Zeilensensoren 54,
z. B. Mehrsegment-CCD-Sensoren, die sich hinter den Separatorlinsen 53 befin
den. Die beiden Separatorlinsen 53 sind um eine Basislänge voneinander beab
standet. Das in der Referenzbildebene 51 erzeugte Bild des Zielobjektes 11 wird
von den beiden Separatorlinsen 53 in zwei Bilder geteilt, die jeweils auf einem der
beiden Zeilensensoren 54 erzeugt werden. Die Zeilensensoren 54 enthalten
jeweils eine Anordnung fotoelektrischer Wandlerelemente. Jedes dieser fotoelek
trischen Wandlerelemente wandelt das empfangene Licht eines Bildes in elektri
sche Ladungen, die dann integriert, d. h. angesammelt werden, und gibt die inte
grierte elektrische Ladung als AF-Sensordaten an die arithmetische Steuerschal
tung 40 aus. Die arithmetische Steuerschaltung 40 berechnet in Abhängigkeit
eines Datenpaars von AF-Sensordaten, die von den beiden Zeilensensoren 54
zugeführt werden, in einer vorbestimmten Defokusoperation einen Defokussier
wert. In einer Autofokusoperation steuert die arithmetische Steuerschaltung 40 die
Fokussierlinse 18 in Abhängigkeit des berechneten Defokuswertes über einen in
Fig. 1 dargestellten Linsenantrieb 43 so an, dass auf das Zielobjekt scharfgestellt
wird. Die Defokusoperation ist aus dem Stand der Technik bekannt. Der AF-
Schalter 44 zum Starten der AF-Operation und ein Entfernungsmessschalter 45
zum Starten der Entfernungsmessoperation sind an die arithmetische Steuer
schaltung 40 angeschlossen.
Der elektronische Entfernungsmesser mit dem oben angegebenen Aufbau führt
eine Entfernungsmessung in nachfolgend erläuterter Weise durch.
Im ersten Schritt richtet der Benutzer das Zielfernrohr 10 so auf das Zielobjekt 16,
dass sich die optische Achse des Zielfernrohrs 10 im Wesentlichen in einer Linie
mit dem Zielobjekt 16 befindet, während er über einen nicht dargestellten Kolli
mator, der an dem Zielfernrohr 10 angebracht ist, das Zielobjekt 16 betrachtet. Im
zweiten Schritt drückt der Benutzer den AF-Schalter 44, um die oben genannte
Autofokusoperation durchzuführen und so die Fokussierlinse 18 in ihre Scharf
stellposition relativ zu dem Zielobjekt 16 zu bringen. Im dritten Schritt stellt der
Benutzer bei Scharfstellung des Zielfernrohrs 10 auf das Zielobjekt 16 die Rich
tung des Zielfernrohrs 10 so ein, dass das durch das Okular 14 betrachtete Fa
denkreuz 15 genau auf das Zielobjekt 16 zentriert ist. Dabei blickt er in das Okular
14. Im vierten Schritt drückt der Benutzer den Entfernungsmessschalter, um die
oben erläuterte Entfernungsmessoperation durchzuführen. Dabei wird die berech
nete Entfernung an der Anzeigevorrichtung 42 angezeigt.
Bei der Entfernungsmessoperation tritt das Messlicht, das zunächst an dem
Zielobjekt 16 und anschließend an dem wellenlängenselektiven Filter 22 reflektiert
wird, durch die Hochpass-Filterplatte 34 und die Tiefpass-Filterplatte 35. Der
Wellenlängenbereich des auf das Lichtempfangselement 31 treffenden Lichtes
erstreckt sich deshalb nur in die unmittelbare Umgebung der Wellenlänge λ0. Auf
diese Weise trifft kein Licht als Rauschen auf das Lichtempfangselement 31,
wodurch die Entfernung von dem elektronischen Entfernungsmesser zu dem
Zielobjekt 16 genau gemessen werden kann.
Ändert sich die Wellenlänge des von dem Lichtaussendeelement 23 ausgesen
deten Messlichtes infolge einer Temperaturänderung oder anderer Faktoren, so
wird der Winkel eines oder beider Filter 34 und 35 so eingestellt, dass nur der
verengte Wellenlängenbereich des Lichtes mit der geänderten Wellenlänge auf
das Lichtempfangselement 31 treffen kann. Der in Fig. 8 schraffiert dargestellte
Durchlasswellenlängenbereich kann nämlich durch Einstellen des Neigungswin
kels eines oder beider Filterplatten 34 und 35 verändert werden, indem eine oder
beide Drehachsen 34a und 35a mit gelöster Setzschraube 61 bzw. 62 gedreht
werden, so dass der verengte Wellenlängenbereich des Lichtes mit der geänder
ten Wellenlänge entsprechend der Wellenlängenvariation des von dem Lichtaus
sendeelement 23 ausgesendeten Messlichtes auf das Lichtempfangselement 31
auftreffen kann.
Die Fig. 10 und 11 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä
ßen elektronischen Entfernungsmessers. Das zweite Ausführungsbeispiel ist
identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel, abgesehen davon, dass in dem
ersten Ausführungsbeispiel zwischen der Kollimatorlinse 33 und der Kondensor
linse 36 zwei separate Filterplatten 34 und 35 vorgesehen sind, während in dem
zweiten Ausführungsbeispiel dort nur eine Filterplatte 37 angeordnet ist. Dement
sprechend sind in Fig. 10 nur die Filterplatte 37 und ihre optischen Peripherieele
mente gezeigt.
Das zweite Ausführungsbeispiel des elektronischen Entfernungsmessers hat
zwischen der Kollimatorlinse 33 und der Kondensorlinse 36 die Filterplatte 37
(wellenlängenselektives Unterfilter/gemeinsame Filterplatte), die im Normalzu
stand gegenüber der optischen Achse 33X in einem Winkel von 45° geneigt und
insoweit entsprechend den Filtern 34 und 35 des ersten Ausführungsbeispiels
angeordnet ist. Die Filterplatte 37 ist so aufgebaut und gehalten, dass ihr Nei
gungswinkel entsprechend dem der Filterplatten 34 und 35 des ersten Ausfüh
rungsbeispiels eingestellt werden kann. Die Filterplatte 37 hat an ihrer einen
Fläche ein Hochpassfilter 37a (erstes wellenlängenselektives Filtererstes wellen
längenselektives Unterfilter), das der Hochpass-Filterplatte 34 des ersten Ausfüh
rungsbeispiels entspricht, und an seiner anderen Fläche ein Tiefpassfilter 37b
(zweites wellenlängenselektives Filter/zweites wellenlängenselektives Unterfilter),
das der Tiefpass-Filterplatte 35 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Wie
in Fig. 11 gezeigt, kann der dort schraffiert dargestellte Durchlasswellenlängenbe
reich durch Einstellen des Neigungswinkels der Filterplatte 37 so verschoben
werden, dass nur der verengte Wellenlängenbereich des Lichtes mit der geän
derten Wellenlänge entsprechend der Wellenlängenänderung des von dem Licht
aussendeelement 23 abgestrahlten Messlichtes auf das Lichtempfangselement 31
treffen kann. In dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Lichtdurchlassbereich,
der in Fig. 11 mit W bezeichnet ist, konstant. Im übrigen ist das zweite Ausfüh
rungsbeispiel identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel.
In den Fig. 12 bis 14 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
elektronischen Entfernungsmessers dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel ist
unter vielen Gesichtspunkten identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel, so
dass Komponenten, die in dem ersten und dem dritten Ausführungsbeispiel
identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Entsprechend dem
zweiten Ausführungsbeispiel ist in dem dritten Ausführungsbeispiel zwischen der
Kollimatorlinse 33 und der Kondensorlinse 36 nur eine Filterplatte 37 angeordnet.
Diese Filterplatte 37 (wellenlängenselektives Unterfilter) hat an seiner einen
Fläche ein der Hochpass-Filterplatte 34 entsprechendes Hochpassfilter 37a und
an seiner anderen Fläche ein der Tiefpass-Filterplatte 35 entsprechendes Tief
passfilter 37b. Das dritte Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die
Temperatur des Lichtaussendeelementes 23 periodisch erfasst wird, während der
Neigungswinkel der Filterplatte 37 entsprechend der Wellenlängenänderung des
von dem Lichtaussendeelementes 23 ausgesendeten Messlichtes bei der erfass
ten Temperatur automatisch eingestellt wird.
Eine Drehachse 37c, die der Drehachse 34a bzw. 35a der Filterplatte 34 bzw. 35
entspricht, ist einstückig mit der Filterplatte 37 ausgebildet. Die Drehachse 37c ist
an eine Drehantriebswelle eines Motors 70 gekoppelt, die einen Drehwinkelsen
sor, z. B. einen Codierer, enthält, so dass die Filterplatte 37 durch Drehen des
Motors 70 um die Drehachse 37c gedreht werden kann. Der Motor 70 und die
Drehachse 37c bilden eine Winkeleinstellvorrichtung. Der Motor 70 ist an eine
Steuerschaltung (Steuerung) 71 angeschlossen. Das Lichtaussendeelement 23
enthält einen Temperatursensor 72, der an die Steuerschaltung 71 angeschlossen
ist.
Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines Steuersystems, das die Steuerschaltung
71, den Temperatursensor 72 und den Motor 70 beinhaltet. Die Steuerschaltung
71 steuert den Motor 70 und den Temperatursensor 72. Sie enthält einen Spei
cher (Speichervorrichtung) 71a, in dem im Vorfeld eine Datentabelle gespeichert
wird, in der die Werte verschiedener Temperaturen des Lichtaussendeelementes
23 und zugehörige Neigungswinkel der Filterplatte 37, auf die das Lichtaussende
element 23 die Wellenlänge des Messlichtes aussendet, bei den entsprechenden
Temperaturen aufgelistet sind.
Das dritte Ausführungsbeispiel arbeitet entsprechend dem in Fig. 14 gezeigten
Flussdiagramm. Die in Fig. 14 gezeigte Operation wird von der Steuerschaltung
70 durchgeführt. Zunächst wird in Schritt S101 die Temperatur des Lichtaussen
deelementes 23 mit dem Temperatursensor 72 erfasst. Dann wird in Schritt S102
der Neigungswinkel der Filterplatte 37 mit dem in dem Motor 70 vorgesehenen
Drehwinkelsensor erfasst. Anschließend wird in Schritt S103 bestimmt, ob der
erfasste Neigungswinkel der Filterplatte 37 von der Neigungswinkeleinstellung der
Filterplatte 37 in vorstehend genannter, in dem Speicher 71a gespeicherter Da
tentabelle abweicht, wobei die Neigungswinkeleinstellung der erfassten Tempe
ratur des Lichtaussendeelementes 23 zugeordnet ist. Wird in Schritt S103 festge
stellt, dass der erfasste Neigungswinkel der Filterplatte 37 von dieser Neigungs
winkeleinstellung abweicht, wird der Motor 70 so angesteuert, dass er die Filter
platte 37 dreht, bis ihr Neigungswinkel gleich der Neigungswinkeleinstellung ist
(S104). Wird in Schritt S103 jedoch ermittelt, dass der erfasste Neigungswinkel
der Filterplatte 37 nicht von der Neigungswinkeleinstellung abweicht, so kehrt der
Steuerablauf zu Schritt S101 zurück und wiederholt die Schritte S101 bis S104.
Ändert sich in dem dritten Ausführungsbeispiel die Wellenlänge des von dem
Lichtaussendeelement 23 ausgesendete Messlichtes infolge einer Temperaturva
riation, so wird die Neigung der Filterplatte 37 automatisch so eingestellt, dass nur
Licht mit der geänderten Wellenlänge auf das Lichtempfangselement 31 treffen
kann.
In dem dritten Ausführungsbeispiel wird der Neigungswinkel nur einer Filterplatte
(37) gesteuert. Es können jedoch auch die Neigungswinkel zweier Filterplatten
entsprechen den Filterplatten 34 und 35 des ersten Ausführungsbeispiels unab
hängig voneinander gesteuert werden. Außerdem können in dem dritten Ausfüh
rungsbeispiel auch die Steuerschaltung 40 und die Steuerschaltung 71 in einer
einzigen Steuerschaltung zusammengefasst sein.
In dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel nutzen der optische Entfernungs
messer 20 und das Zielfernrohr 10 einen gemeinsamen Strahlengang. Der opti
sche Entfernungsmesser kann jedoch auch getrennt von dem Zielfernrohr 10
ausgebildet sein. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt, und die Erfindung
kann auf einen solchen optischen Entfernungsmesser angewendet werden. Das
wellenlängenselektive Filter 22 ist nämlich kein grundlegendes Element für die
Erfindung.
In dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel sind eine (37) oder zwei Filterplatten
(34 und 35) unmittelbar vor dem Lichtempfangselement 31 angeordnet. Die
Filterplatte bzw. die Filterplatten können jedoch auch unmittelbar vor der Eintritts
fläche 26a des Lichtempfangsleiters 26 angeordnet sein.
In dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel wird der Neigungswinkel einer (37)
oder zweier Filterplatten (34 und 35) eingestellt, um so ein Schmalbandfilter
bereitzustellen. Es können jedoch auch optische Elemente wie der Lichtemp
fangsspiegel 21b und das wellenlängenselektive Filter 22 so modifiziert werden,
dass sie als Schmalbandfilter dienen, wobei der Lichtempfangsspiegel 21b mit
wellenlängenselektiven Filtereigenschaften versehen ist. In diesem Fall dient das
wellenlängenselektive Filter 22 als erstes wellenlängenselektives Filter und der
Lichtempfangsspiegel 21b als zweites wellenlängenselektives Filter.
Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, stellt die Erfindung ein Vermessungsin
strument mit optischem Entfernungsmesser bereit, in dem der Wellenlängenbe
reich des auf das Lichtempfangselement des optischen Entfernungsmessers
treffenden Lichtes schmaler gemacht werden kann.
Weiterhin stellt die Erfindung ein Vermessungsinstrument mit einem optischen
Entfernungsmesser bereit, bei dem die Entfernungsmessung unbeeinflusst ist von
der Wellenlängenänderung des von einem Lichtaussendeelement ausgesendeten
Messlichtes, die durch eine Temperaturänderung des Lichtaussendeelementes
verursacht wird.
Claims (9)
1. Vermessungsinstrument mit
einem optischen Entfernungsmesser mit einer Transmissionsoptik zum Transmittieren von Messlicht auf ein Objekt und einer mit einem Lichtemp fangselement versehenen Empfangsoptik zum Empfangen des an dem Ob jekt reflektierten Lichtes,
einem ersten und einem zweiten wellenlängenselektiven Filter, die vor dem Lichtempfangselement angeordnet sind und nur Licht in einem ersten Wel lenlängenbereich zwischen einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge durchtreten und anschließend auf das Lichtempfangselement treffen lassen, wobei das erste wellenlängenselektive Filter Licht mit einer Wellenlänge durchlässt, die gleich oder größer als die erste Wellenlänge ist,
und das zweite wellenlängenselektive Filter Licht mit einer Wellenlänge durchlässt, die gleich oder größer als die die erste Wellenlänge übersteigen de zweite Wellenlänge ist, und
einer Winkeleinstellvorrichtung zum Einstellen eines Neigungswinkels des ersten und des zweiten wellenlängenabhängigen Filters gegenüber einem Strahlengang, in dem das erste und das zweite wellenlängenabhängige Filter angeordnet sind.
einem optischen Entfernungsmesser mit einer Transmissionsoptik zum Transmittieren von Messlicht auf ein Objekt und einer mit einem Lichtemp fangselement versehenen Empfangsoptik zum Empfangen des an dem Ob jekt reflektierten Lichtes,
einem ersten und einem zweiten wellenlängenselektiven Filter, die vor dem Lichtempfangselement angeordnet sind und nur Licht in einem ersten Wel lenlängenbereich zwischen einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge durchtreten und anschließend auf das Lichtempfangselement treffen lassen, wobei das erste wellenlängenselektive Filter Licht mit einer Wellenlänge durchlässt, die gleich oder größer als die erste Wellenlänge ist,
und das zweite wellenlängenselektive Filter Licht mit einer Wellenlänge durchlässt, die gleich oder größer als die die erste Wellenlänge übersteigen de zweite Wellenlänge ist, und
einer Winkeleinstellvorrichtung zum Einstellen eines Neigungswinkels des ersten und des zweiten wellenlängenabhängigen Filters gegenüber einem Strahlengang, in dem das erste und das zweite wellenlängenabhängige Filter angeordnet sind.
2. Vermessungsinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zielfernrohr vorgesehen ist, über dessen Objektiv die Transmissionsoptik
das Messlicht transmittiert und die Empfangsoptik das an dem Objekt reflek
tierte Licht empfängt,
die Empfangsoptik weiterhin versehen ist mit einem Hauptfilter, das nur einen Teil des an dem Objekt reflektierten und durch das Objektiv tretenden Lichtes innerhalb eines zweiten Wellenlängenbereichs reflektiert, wobei der übrige Teil des an dem Objekt reflektierten und durch das Objektiv tretenden Lichtes durch das Hauptfilter tritt, und mit einem Reflexionselement, das den an dem Hauptfilter reflektierten Teil des Lichtes reflektiert, um es schließlich auf das Lichtempfangselement treffen zu lassen, und
der erste Wellenlängenbereich schmaler als der zweite Wellenlängenbereich ist.
die Empfangsoptik weiterhin versehen ist mit einem Hauptfilter, das nur einen Teil des an dem Objekt reflektierten und durch das Objektiv tretenden Lichtes innerhalb eines zweiten Wellenlängenbereichs reflektiert, wobei der übrige Teil des an dem Objekt reflektierten und durch das Objektiv tretenden Lichtes durch das Hauptfilter tritt, und mit einem Reflexionselement, das den an dem Hauptfilter reflektierten Teil des Lichtes reflektiert, um es schließlich auf das Lichtempfangselement treffen zu lassen, und
der erste Wellenlängenbereich schmaler als der zweite Wellenlängenbereich ist.
3. Vermessungsinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste wellenlängenselektive Filter an einer ersten Filterplatte und
das zweite wellenlängenselektive Filter an einer von der ersten Filterplatte
getrennten zweiten Filterplatte ausgebildet ist und die Winkeleinstellvorrich
tung für jede der beiden Filterplatten vorgesehen ist.
4. Vermessungsinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste wellenlängenabhängige Filter an der Vorderfläche und das
zweite wellenlängenabhängige Filter an der Rückfläche einer gemeinsamen
Filterplatte ausgebildet ist und die Winkeleinstellvorrichtung für die gemein
same Filterplatte vorgesehen ist.
5. Vermessungsinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass
die Transmissionsoptik eine das Messlicht aussendende Laserdiode enthält und
das Vermessungsinstrument weiterhin versehen ist mit einem Temperatur sensor zum Erfassen der Temperatur der Laserdiode und einer Steuerung zum Steuern der Winkeleinstellvorrichtung derart, dass der Neigungswinkel zumindest eines der beiden wellenlängenabhängigen Filter in Abhängigkeit der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur eingestellt wird.
die Transmissionsoptik eine das Messlicht aussendende Laserdiode enthält und
das Vermessungsinstrument weiterhin versehen ist mit einem Temperatur sensor zum Erfassen der Temperatur der Laserdiode und einer Steuerung zum Steuern der Winkeleinstellvorrichtung derart, dass der Neigungswinkel zumindest eines der beiden wellenlängenabhängigen Filter in Abhängigkeit der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur eingestellt wird.
6. Vermessungsinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass das Messlicht Licht enthält, das eine be
stimmte Wellenlänge im Bereich des sichtbaren Lichts hat.
7. Vermessungsinstrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass der optische Entfernungsmesser eine Kolli
matorlinse und eine Kondensorlinse enthält, zwischen denen die beiden
wellenlängenabhängigen Filter angeordnet sind.
8. Vermessungsinstrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der optische Entfernungsmesser ein vor der Kollimatorlinse angeordnetes
ND-Filter enthält.
9. Vermessungsinstrument nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, dass das Reflexionselement ein Parallelplattenspiegel ist, der
eine dem Objektiv zugewandte und als Lichttransmissionsspiegel ausgebil
dete Vorderfläche und eine dazu parallele, dem Hauptfilter zugewandte und
als Lichtempfangsspiegel ausgebildete Rückfläche hat.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: PENTAX CORP., TOKIO/TOKYO, JP |
|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8130 | Withdrawal |