DE60030631T2

DE60030631T2 - Vermessungssystem

Info

Publication number: DE60030631T2
Application number: DE60030631T
Authority: DE
Inventors: Fumio Ohtomo; Akio Kimura; Ryo-Uji Musashi; Ikuo Ishinabe
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-07-01
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2020-07-02
Also published as: EP1067363A3; US6437859B1; DE60030631D1; JP2001021354A; EP1067363A2; EP1067363B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen einer optischen Position zum Erfassen einer Richtung einer optischen Achse in einem System mit einem optischen System, wie z. B. einem automatischen Überwachungsinstrument zum automatischen Verfolgen eines Ziels. Ein solches System ist beispielsweise im US-Patent 3 954 340 offenbart.
Ein Überwachungssystem umfasst ein automatisches Überwachungsinstrument, das an einem bekannten Punkt angeordnet ist, und ein Kollimationsziel, das auf einer Zielseite angeordnet ist und mit einem Reflexionsprisma versehen ist. Das automatische Überwachungsinstrument wird zum automatischen Kollimieren oder Verfolgen des Kollimationsziels am Zielpunkt verwendet. Für den Zweck der Verfolgung ist das automatische Überwachungsinstrument mit einer Vorrichtung zum Erfassen der optischen Position zum Erfassen einer Abweichung des Kollimationsziels und einer Kollimationsrichtung versehen.
5 zeigt einen wesentlichen Abschnitt eines automatischen Überwachungsinstruments. Das automatische Überwachungsinstrument umfasst eine Nivellierungseinheit 1, die an einem Stativ (nicht dargestellt) montiert ist, eine Basiseinheit 2, die an der Nivellierungseinheit 1 montiert ist, einen Basisständer 3, der drehbar um eine vertikale Achse der Basiseinheit 2 montiert ist, und eine Teleskopeinheit 4, die drehbar um eine horizontale Achse des Basisständers 3 montiert ist.
Die Teleskopeinheit 4 projiziert einen Messlichtstrahl mit Lichtkomponenten zum Verfolgen und Lichtkomponenten für die Abstandsmessung mit verschiedenen Wellenlängenbereichen und umfasst einen Winkeldetektor zum Messen einer Kollimationsrichtung des Teleskops, eine Abstandsmesseinheit zum Messen des Abstandes zu einem Reflexionsprisma und eine Verfolgungseinheit zum Erfassen eines Kollimationsziels und zum Durchführen einer Kollimation.
Die Verfolgungseinheit wird zum Projizieren eines unsichtbaren Lichtstrahls und eines sichtbaren Lichtstrahls in der Kollimationsrichtung verwendet und umfasst eine Lichtemissionseinheit, eine Photoerfassungseinheit, eine Steuereinheit und ein optisches System zum Projizieren und Empfangen des Verfolgungslichtstrahls, einen vertikalen Drehmotor zum Drehen der Teleskopeinheit 4 um die horizontale Achse und einen horizontalen Drehmotor zum Drehen des Basisständers 3 zusammen mit der Teleskopeinheit 4 um die vertikale Achse.
In dem automatischen Überwachungsinstrument zum automatischen Verfolgen eines Ziels, wie vorstehend beschrieben, enthält der projizierte Messlichtstrahl Lichtkomponenten in verschiedenen Wellenlängenbereichen zum Verfolgen und zur Abstandsmessung. Ein Reflexionslichtstrahl, der durch das Ziel reflektiert und empfangen wird, wird in Lichtkomponenten mit verschiedenen Wellenlängen zur Verfolgung, zur Abstandsmessung und für einen visuellen Zweck aufgeteilt. Dann werden die Abstandsmessung und die automatische Verfolgung unter Verwendung des so aufgeteilten Abstandsmesslichtstrahls und Verfolgungslichtstrahls durchgeführt.
Der Verfolgungslichtstrahl für den Zweck der Verfolgung wird in Richtung des Reflexionsprismas projiziert, welches ein Ziel für die Verfolgung ist. Nachdem es durch das Reflexionsprisma reflektiert wurde, tritt das Verfolgungslicht wieder vom Teleskop ein und erzeugt ein Bild auf der Photoerfassungseinheit. Die Mitte der Photoerfassungseinheit ist auf eine Kollimationsachse des Teleskops ausgerichtet. Wenn das Bild des Reflexionsprismas in die Mitte der Photoerfassungseinheit gelangt, wird sie als Mitte der Kollimation identifiziert. Ein genauer Überwachungsvorgang muss in der Mitte der Kollimation durchgeführt werden.
Ein Flächensensor kann als Photoerfassungseinheit zum Erfassen der Mitte der Kollimation verwendet werden. Der Flächensensor selbst ist kostspielig und er erfordert auch eine teure arithmetische Operationseinheit, da der Abstand der Photoerfassungsposition von der Mitte der Kollimation durch Berechnung erhalten wird. In dieser Hinsicht wird ein viergeteiltes Element verwendet, das einfach ist und für den Zweck ausreicht.
Mit Bezug auf 6 wird eine kurze Beschreibung über einen Photodetektor 5 mit viergeteiltem Element gegeben.
In dem Photodetektor 5 mit viergeteiltem oder 4-Unterteilungs-Element ist ein Photoerfassungsbereich in 4 Teile unterteilt und jeder Teil von Photoerfassungselementen 5a, 5b, 5c und 5d ist in einem der unterteilten Photoerfassungsbereiche angeordnet und die vier Photoerfassungselemente arbeiten jeweils unabhängig voneinander. Wenn der Photodetektor 5 mit viergeteiltem Element den vom Reflexionsprisma reflektierten Verfolgungslichtstrahl empfängt, werden die Photoerfassungsausgänge aus den Teilen des Photoerfassungselements 5a, 5b, 5c und 5d miteinander verglichen. Wenn eine Ausgangsdifferenz zwischen den Photoerfassungselementen besteht, wird beurteilt, dass das Reflexionsprisma nicht auf die Kollimationsrichtung ausgerichtet ist. Wenn keine Ausgangsdifferenz zwischen den Photoerfassungselementen besteht, wird beurteilt, dass das Reflexionsprisma auf die Kollimationsrichtung ausgerichtet ist. Der Photodetektor mit viergeteiltem Element kann in einer solchen Weise konstruiert sein, dass ein Photodetektor mit viergeteiltem Element im mittleren Abschnitt des Photodetektors vorgesehen ist, so dass er eine höhere Genauigkeit besitzt.
Die Gleichungen (1a) und (1b), wie nachstehend gegeben, stellen jeweils eine Gleichung zum Erhalten einer Photoerfassungsposition auf der Basis der Ausgabe aus dem Photodetektor 5 mit viergeteiltem Element dar. Die Photoerfassungsposition ist auf die Mitte des Photodetektors 5 mit viergeteiltem Element in einer Position ausgerichtet, in der die Werte der zwei Gleichungen auf 0 gebracht werden. Position in der seitlichen Richtung = [(A + C) – (B + D)]/(A + B + C + D) (1a) Position in der Längsrichtung = [(A + B) – (C + D)]/(A + B + C + D) (1b)
Wenn die Position eines Schiffs für eine spezielle Aufgabe oder Operation oder dergleichen durch automatische Verfolgung erfasst werden soll, besteht üblicherweise kein beträchtliches Problem, selbst wenn die Genauigkeit relativ gering sein kann. Bei einem Überwachungsvorgang von einem Mann unter Verwendung der automatischen Verfolgungsfunktion ist es jedoch ein normaler Überwachungsvorgang und erfordert eine hohe Genauigkeit.
Für den Verfolgungslichtstrahl, der eine hohe Genauigkeit erfordert, wird in den meisten Fällen ein Laserstrahl mit einer hohen Richtfähigkeit verwendet. Vom Gesichtspunkt der Antriebsleistung wird im Allgemeinen ein Halbleiterlaserelement verwendet.
Der Laserstrahl ist kohärentes Licht, das die hohe Richtfähigkeit besitzt und leicht zu stören ist. Wie in 7 gezeigt, wird ein Verfolgungslichtstrahl 7, der von einem Halbleiterlaserelement 6 emittiert wird, durch ein optisches System 8 in einen parallelen Strahl umgewandelt und dieser Strahl wird projiziert. Eine Beugung tritt im Verfolgungslichtstrahl 7 auf, wenn er durch das optische System 8 hindurchtritt. Das Halbleiterlaserelement 6 besitzt eine Lichtemissionseinheit mit einem Querschnitt mit einer länglichen elliptischen Form. In dieser Hinsicht erscheinen am Querschnitt des projizierten Verfolgungslichtstrahls 7 ringartige Interferenzstreifen auf Grund der Beugung, wie in 8 gezeigt. Ferner sind die Streifen mit der ringartigen Form in der seitlichen Richtung verbreitert.
Der Photodetektor 5 mit viergeteiltem Element ist das Element zum Erfassen der Richtungsabweichung durch Vergleichen des Ausgangs von jedem Element der vier unabhängigen Photoerfassungselemente. Wenn die Photoerfassungsausgänge einander gleich sind, z. B. wenn die Werte der Gleichungen (1a) und (1b) 0 sind, wird sie als Mitte identifiziert. Im Fall, dass der Verfolgungslichtstrahl 7 ein Bild ist, so dass eine Lichtmengenverteilung des Bildes eine kontinuierliche normale Verteilung ist, kann die Abweichung von der mittleren Position des Photoerfassungselements leicht durch die obigen Gleichungen (1a) und (1b) erfasst werden. Im Fall eines Bildes mit den ringartigen Interferenzstreifen kann jedoch die Mitte in einigen Fällen nicht aus der Ausgangsdifferenz der Photoerfassungselemente 5a, 5b, 5c und 5d des Photodetektors 5 mit viergeteiltem Element erfasst werden.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Photoerfassungsposition und einem Photoerfassungssignal am Photodetektor 5 mit viergeteiltem Element in Bezug auf die vertikale oder horizontale Richtung zeigt. Der Wert der Gleichungen (1a) oder (1b), der aus dem Pegel des Photoerfassungssignals erhalten wird, ist auf der Ordinatenachse angegeben und der Ablenkungswinkel der Kollimationsachse in Bezug auf die Mitte des Prismas ist auf der Abszissenachse dargestellt. Eine durchgezogene Linie zeigt den Fall, in dem der Querschnitt des Lichtflusses des Laserstrahls eine Laserintensität mit normaler Verteilung aufweist, und eine gestrichelte Linie stell den Fall dar, in dem eine Beugung am Laserstrahl aufgetreten ist.
In 9 wird im Fall, dass der Laserstrahl eine normale Verteilung aufweist, der Ablenkungswinkel der Kollimationsachse auf 0 gebracht, wenn der Photoerfassungssignalpegel 0 ist. Im Fall des Laserstrahls mit Beugung wird, selbst wenn der Photoerfassungspegel 0 ist, der Ablenkungswinkel der Kollimationsachse nicht auf 0 gebracht, und es ist schwierig, die Position genau zu erfassen.
10 zeigt einen Zustand, in dem der Verfolgungslichtstrahl mit den ringartigen Interferenzstreifen am Photodetektor 5 mit viergeteiltem Element empfangen wird. An den Photoerfassungselementen 5a und 5c wird ein ringartiger Streifen 7b um den Lichtfluss des Verfolgungslichtstrahls 7 empfangen, wie er gleichermaßen in obere und untere Abschnitte aufgeteilt ist. An den Photoerfassungselementen 5b und 5d wird der zentrale Fleck 7a empfangen, wie er gleichermaßen in obere und untere Abschnitte aufgeteilt ist. Wenn angenommen wird, dass die Photoerfassungsmenge für den ringartigen Streifen 7b und den mittleren Fleck 7a unter diesem Photoerfassungszustand gleich ist, wird das Ergebnis der Berechnung durch die Gleichungen (1a) und (1b) auf 0 gebracht, und es wird beurteilt, dass der Lichtstrahl in der Mitte des Photodetektors 5 mit viergeteiltem Element empfangen wird. In diesem Fall besteht insofern ein Problem, als die Ausgabe aus dem Photodetektor 5 mit viergeteiltem Element irrtümlich als Mitte betrachtet werden kann.
Ein solches Problem tritt auch im Fall des Flächensensors auf. Folglich ist die Verringerung der Messgenauigkeit unvermeidlich, falls eine Beugung im Laserstrahl auftritt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen einer optischen Position zu schaffen, durch die es möglich ist, eine Positionserfassung mit hoher Genauigkeit durchzuführen, selbst wenn eine Beugung im Erfassungslichtstrahl auftritt, der für die Positionserfassung verwendet wird, und eine Menge des Erfassungslichts gesprenkelt ist.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, ist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Anspruch 1 definiert. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Die Vorrichtung zum Erfassen der optischen Position der vorliegenden Erfindung umfasst ein Phasenmodulationsgitter und dies macht es möglich, die Lichtmengenverteilung eines empfangenen Lichtstrahls auszugleichen und eine Verringerung der Genauigkeit der Positionserfassung auf Grund einer Lichtmengensprenkelung zu verhindern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Zeichnung zum schematischen Darstellen einer optischen Anordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht auf ein Phasenmodulationsgitter, das in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3 ist ein Pfeildiagramm entlang der Linie A-A in 2;
4 ist ein Diagramm zum Erläutern eines Beugungseffekts durch das Phasenmodulationsgitter;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die einen wesentlichen Abschnitt eines automatischen Überwachungsinstruments zeigt;
6 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Photodetektors mit viergeteiltem Element;
7 ist eine schematische Zeichnung eines Projektionssystems zum Projizieren eines Laserstrahls;
8 ist eine Zeichnung zum Erläutern eines Zustandes eines Lichtflusses im Projektionssystem;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Photoerfassungsposition und einem Photoerfassungssignal in dem Photodetektor mit viergeteiltem Element zeigt; und
10 ist eine Zeichnung zum Erläutern der Beziehung zwischen dem Photodetektor mit viergeteiltem Element und einem Verfolgungslichtstrahl.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachstehend wird eine Beschreibung über eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen gegeben.
In 1 sind eine Objektivlinse 11, eine Fokussierlinse 12, ein Aufrichtungsprisma 13, ein Fokussierspiegel 14 und eine Okularlinse 15 nacheinander entlang einer optischen Achse O angeordnet. Zwischen der Objektivlinse 11 und der Fokussierlinse 12 ist ein optisches Mittel, vorzugsweise ein dichroitisches Prisma 20, vorgesehen. Das dichroitische Prisma 20 umfasst ein Pentagonprisma 21 mit Prismen 22 und 23 vom Keiltyp, die an gegenüberliegenden Oberflächen davon befestigt sind, um eine erste Oberfläche 24 eines dichroitischen Spiegels bzw. eine zweite Oberfläche 25 eines dichroitischen Spiegels zu bilden.
Von einem Reflexionslichtstrahl, der in die Oberfläche des dichroitischen Spiegels eintritt, lässt die erste Oberfläche 24 des dichroitischen Spiegels die sichtbare Lichtkomponente durch und reflektiert Infrarotlicht. Die zweite Oberfläche 25 des dichroitischen Spiegels lässt einen Abstandsmesslichtstrahl durch und reflektiert einen Verfolgungslichtstrahl. Auf der optischen Achse des von der ersten Oberfläche 24 des dichroitischen Spiegels reflektierten Reflexionslichtstrahls ist ein optisches Abstandsmesssystem (nicht dargestellt) angeordnet. Ein optisches Verfolgungssystem 31 ist auf einer optischen Verfolgungsachse 30 des durch die zweite Oberfläche 25 des dichroitischen Spiegels reflektierten Verfolgungslichtstrahls angeordnet.
In 1 ist die Bezugsziffer 26 ein Empfangs/Emissions-Lichtteilungsspiegel und er ist in einer seitlichen Richtung angeordnet, so dass der Lichtstrahl in einer zur Papieroberfläche senkrechten Richtung geteilt werden kann. Die Bezugsziffer 27 ist ein Zielobjekt. In dieser Ausführungsform handelt es sich um einen Eckenwürfel.
Die erste Oberfläche 24 des dichroitischen Spiegels lässt beispielsweise sichtbares Licht von 400–650 nm durch und reflektiert Infrarotlicht von 650–850 nm. Die zweite Oberfläche 25 des dichroitischen Spiegels reflektiert Infrarotlicht von 650–720 nm und lässt Infrarotlicht von 720–850 nm durch.
Nun wird eine Beschreibung über das optische Verfolgungssystem 31 gegeben.
Ein Blendenspiegel 33 ist auf der optischen Verfolgungsachse 30 angeordnet und eine Verfolgungslichtquelle 36, die einen Laserstrahl zur Verfolgung über eine Übertragungslinse 35 emittiert, ist auf einer optischen Durchlassachse 34 des Blendenspiegels 33 angeordnet. Ein Halbleiterlaser zum Emittieren eines linear polarisierten Laserstrahls wird als Verfolgungslichtquelle 36 verwendet.
Eine Übertragungslinse 38, ein Bandpassfilter 39 und eine Photoerfassungseinheit 40 sind auf einer optischen Reflexionsachse 37, d. h. einer optischen Photoerfassungsachse der Photoerfassungseinheit 40, des Blendenspiegels 33 angeordnet. Zwischen der Übertragungslinse 38 und der Photoerfassungseinheit 40 ist ein Phasenmodulationsgitter 42 angeordnet. Das Bandpassfilter 39 lässt eine Lichtkomponente mit einem Wellenlängenbereich des Verfolgungslichtstrahls durch. Die Photoerfassungseinheit 40 ist beispielsweise das viergeteilte Photoerfassungselement, wie vorstehend beschrieben, und sie kann die Photoerfassungsposition an der Photoerfassungseinheit 40 mit einem Photoerfassungsverhältnis von geteilten Photoerfassungselementen erfassen. Das Phasenmodulationsgitter 42 wird verwendet, um eine Lichtmengensprenkelung, die durch Beugung verursacht wird, zu beseitigen.
Eine Übertragungslinse 41 ist zwischen dem Pentagonprisma 21 und dem Blendenspiegel 33 angeordnet und stellt den Durchmesser des Lichtflusses des durch die Blende des Blendenspiegels 33 hindurchtretenden Laserstrahls ein. Eine andere Art von Reflexionselement wie z. B. ein Halbspiegel kann als Blendenspiegel 33 verwendet werden.
Das Phasenmodulationsgitter 42 wird nun mit Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
2 und 3 stellen jeweils ein Phasenmodulationsgitter 42 des allgemeinen Typs dar und es umfasst eine parallele flache Glasplatte und "Vorsprünge und Aussparungen" sind in einer gitterartigen Anordnung mit einem Abstand "d" an diesem ausgebildet. Die Tiefe zwischen der Oberseite der Vorsprünge und dem Boden der Aussparungen ist "t". Im Phasenmodulationsgitter 42 ist eine Seite von jedem rechteckigen Vorsprung oder jeder rechteckigen Aussparung, die an der Platte definiert sind, d/2 in der Länge. Die Vorsprünge sind durch Schattierung gezeigt und die Aussparungen sind durch einen leeren Raum gezeigt und diese sind zufällig ohne irgendeine feste Regel angeordnet. Hier ist eine Phasendifferenz zwischen dem Vorsprung und der Aussparung π/2. Wenn ein Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ in das Phasenmodulationsgitter 42 eintritt, tritt eine Beugung auf. In diesem Fall sind der Beugungswinkel θ m-ter Ordnung bzw. die Intensität ηm des Beugungswinkels m-ter Ordnung durch die folgenden Gleichungen gegeben: θm = m × (λ/d) (2) ηm = 4 × (S/d)2 × [sin(π × M) × sin(π × m × S/d)/(π × m × S/d)]2 (3)wobei M = t × (n1 – n0) × (2 × λ) (4)
In den obigen Gleichungen ist S die Breite des Vorsprungs, n1 ist ein Brechungsindex des Gitters und n0 ist ein Brechungsindex der Luft.
4 zeigt die Beziehung zwischen M und ηm, wenn S/d = 0,5. Beugungslicht weist die höchste Intensität auf, wenn M = 1 (eine Differenz der optischen Weglänge zwischen dem durch die Aussparung hindurchtretenden Licht und dem durch den Vorsprung hindurchtretenden Licht ist λ/2). Eine Summe von (Licht +1. Ordnung und Licht –1. Ordnung) beläuft sich auf 81 % der gesamten Lichtmenge.
Im Folgenden wird eine Beschreibung über die Funktionsweise gegeben.
Ein Messlichtstrahl wird durch das optische Abstandsmesssystem (nicht dargestellt) projiziert und ein Verfolgungslichtstrahl wird von der Verfolgungslichtquelle 36 emittiert. Die Streubreite des Verfolgungslaserstrahls wird durch die Übertragungslinse 35 variabel eingestellt und der Lichtstrahl tritt durch die Blende des Blendenspiegels 33 hindurch. Nach dem Durchtritt durch die Übertragungslinse 41 wird der Verfolgungslaserstrahl durch das Pentagonprisma 21 reflektiert und wird über die Objektivlinse 11 auf den Eckenwürfel projiziert.
Wenn der Reflexionsmesslichtstrahl mit dem Verfolgungsreflexionslichtstrahl, der vom Eckenwürfel 27 reflektiert wird, über die Objektivlinse 11 eintritt, werden Infrarotlichtkomponenten, d. h. der Verfolgungsreflexionslichtstrahl und der Abstandsmess-Reflexionslichtstrahl, durch die erste Oberfläche 24 des dichroitischen Spiegels reflektiert, während die sichtbare Lichtkomponente durchgelassen wird. Nach dem Durchtritt durch die Oberfläche des dichroitischen Spiegels erzeugt das sichtbare Licht ein Bild auf dem Fokussierspiegel 14 durch die Fokussierlinse 12. Das so erzeugte Bild wird ferner zu einem Bild auf einer Netzhaut einer Überwachungsbedienperson zusammen mit einem Maßstab des Fokussierspiegels 14 erzeugt und eine Kollimation wird durchgeführt.
Die erste Oberfläche 24 des dichroitischen Spiegels und die zweite Oberfläche 25 des dichroitischen Spiegels sind jeweils derart ausgelegt, dass sichtbares Licht und Infrarotlicht in zwei Teile mit vorbestimmten Wellenlängen aufgeteilt werden.
Von dem Infrarotlicht, das durch die erste Oberfläche 24 des dichroitischen Spiegels reflektiert wird, wird der Verfolgungslichtstrahl durch die zweite Oberfläche 25 des dichroitischen Spiegels reflektiert und der Abstandsmesslichtstrahl wird durch diese hindurchgelassen. Nach dem Durchtritt durch die zweite Oberfläche 25 des dichroitischen Spiegels wird der Abstandsmess-Reflexionslichtstrahl durch das optische Abstandsmesssystem (nicht dargestellt) empfangen und der Abstand wird gemessen. Nachdem der Verfolgungsreflexionslichtstrahl durch die Objektivlinse 11 eintritt, wird er durch die zweite Oberfläche 25 des dichroitischen Spiegels des Pentagonprismas 21 in einer Richtung, die die optische Achse O senkrecht kreuzt, reflektiert. Ferner wird der Verfolgungsreflexionslichtstrahl durch den Blendenspiegel 33 reflektiert. Nach dem Durchtritt durch das Phasenmodulationsgitter 42 wird er dann durch die Übertragungslinse 38 auf die Photoerfassungseinheit 40 gebündelt.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt der Verfolgungslichtstrahl, nachdem er durch den Blendenspiegel 33 reflektiert wurde, ringartige Bänder oder Streifen, wie in 8 gezeigt. Wenn der reflektierte Verfolgungslichtstrahl durch das Phasenmodulationsgitter 42 hindurchtritt, wird jeder der Gitterstreifen des Verfolgungslichtstrahls einem Beugungseffekt unterzogen und wird gestreut und der Lichtfluss von jedem der Gitterstreifen wird gestreut und verbreitert. Daher werden die Lichtflüsse eines ringartigen Streifens 7b und eines Flecks 7a, wie in 10 gezeigt, gestreut bzw. verbreitert. Die Lichtflüsse des ringartigen Streifens 7b und des Flecks 7a überlappen einander und die Lichtmengensprenkelung wird beseitigt. Die Beziehung zwischen der Photoerfassungsposition und dem Photoerfassungssignal wird in einen Zustand, wie durch die durchgezogene Linie in 9 gezeigt, umgewandelt. Folglich kann die optische Achse des Verfolgungslichtstrahls auf der Basis des Photoerfassungssignals des Photoerfassungselements der Photoerfassungseinheit 40 genau auf die Mitte der Photoerfassungseinheit 40 ausgerichtet werden. Das heißt, die Richtung der Kollimation kann auf den Eckenwürfel 27 ausgerichtet werden.
Als optisches Element zum Verringern der Verteilung der Lichtmenge wird eine Streuplatte verwendet. Da die Lichtstrahlen nahe der Photoerfassungseinheit 40 gebündelt werden, ist der Streueffekt gering und die Lichtstrahlen werden nicht sehr stark gestreut. Wenn die Streuplatte vom Photoerfassungselement entfernt und nahe der Kondensatorlinse angeordnet wird, um den Streueffekt zu vergrößern, werden die Lichtstrahlen zu sehr gestreut, da der Abstand von der Photoerfassungseinheit 40 lang ist. Folglich kann die Position des Bildes nicht identifiziert werden. Aus diesem Grund wird die Genauigkeit der Positionserfassung verringert. Da das Modulationsgitter Beugung verwendet, ist es bevorzugt, dass das Bild angemessen verteilt wird, ohne eine Streuung und Dämpfung des Lichts zu verursachen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erfassen einer optischen Position zum Erfassen einer Position eines Lichtstrahls, der auf eine Photoerfassungseinheit projiziert wird, durch ein Photoerfassungssignal auf der Basis von Photoerfassung, und ein Modulationsgitter ist auf der optischen Photoerfassungsachse angeordnet. Folglich ist es möglich, die Verteilung der Lichtmenge des durch das Modulationsgitter empfangenen Lichtstrahls auszugleichen und die Verringerung der Genauigkeit der Positionserfassung auf Grund der Lichtmengensprenkelung zu verhindern.

Claims

Automatisches Überwachungsinstrument zum Verfolgen eines Ziels durch Projizieren eines Verfolgungslichtstrahls auf ein Ziel und durch Erfassen des reflektierten Verfolgungslichtstrahls, mit einer Photoerfassungseinheit (40), die mehrere Photoerfassungselemente umfasst und ein Photoerfassungssignal ausgibt, das einer Lichtempfangsposition eines projizierten Verfolgungslichtstrahls entspricht, einem optischen System zum Führen des reflektierten Verfolgungslichtstrahls von dem Ziel zu der Photoerfassungseinheit (40) und einem Phasenmodulationsgitter (42), das zwischen der Photoerfassungseinheit (40) und dem optischen System angeordnet ist und die Verteilung der Lichtmenge des reflektierten Verfolgungslichtstrahls ausgleicht, wobei das Instrument so beschaffen ist, dass die Photoerfassungseinheit (40) den durch das Phasenmodulationsgitter (42) verlaufenden reflektierten Verfolgungslichtstrahl empfängt, jedes der Photoerfassungselemente das der Photoerfassungsmenge entsprechende Photoerfassungssignal ausgibt und eine Position des reflektierten Verfolgungslichtstrahls, die auf die Photoerfassungseinheit projiziert wird, anhand eines Unterschiedes zwischen den Photoerfassungssignalen erfasst wird.
Automatisches Überwachungsinstrument nach Anspruch 1, bei dem das Phasenmodulationsgitter (42) ein zufällig angeordnetes Gitterformmuster besitzt.
Automatisches Überwachungsinstrument nach Anspruch 3, bei dem das zufällig angeordnete Muster des Phasenmodulationsgitters (42) eine Phasendifferenz von π/2 hat.