DE60109113T2

DE60109113T2 - Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen, Rotierendes Lasergerät, und Positionbestimmungssystem mit Vorrichtung zum Erfassen / Korrigieren von Abweichungen

Info

Publication number: DE60109113T2
Application number: DE60109113T
Authority: DE
Inventors: Fumio Ohtomo; Jun-Ichi Kodaira
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: EP1211484A2; US20020092978A1; EP1211484B1; JP4531965B2; EP1211484A3; JP2002168625A; DE60109113D1; US6756581B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen, ein Rotationslasergerät mit derselben und ein Positionsbestimmungssystem mit einer Abweichungserfassungs/Korrektur-Vorrichtung, und insbesondere bezieht sie sich auf eine Abweichungserfassungsvorrichtung, die einen Abweichungswinkel einer Rotationseinheit eines Laserlichtprojektors, der sich dreht und Laserlicht emittier, erfasst, eine Rotationslaservorrichtung, die solche eine Abweichungserfassungsvorrichtung umfasst, und ein Positionsbestimmungssystem.
Stand der Technik
Eine optische Niveauregulierungsvorrichtung wurde in einem weiten Bereich von Messungen durch eine Rotationslaservorrichtung ersetzt, um ein horizontales Bezugsniveau zu erzeugen.
In den letzten Jahren wurde die Rotationslaservorrichtung in zunehmendem Maße zum Zwecke der Messung von Höhen- und Abfallwinkeln verwendet, insbesondere um Linien und Ebenen auf Referenzhöhen- und Abfallwinkeln zu erzeugen. Die Rotationslaservorrichtung dreht sich, geht abtastend hin und her und/oder hält an, während ein Laserstrahl in horizontaler Richtung emittiert wird, um eine Rotationsreferenzebene, ein Referenzsegment, eine Referenzebene, eine Referenzlinie und/oder Referenzpunkte zu erzeugen. Ein Positionsbestimmungssystem wurde ebenfalls damit verwendet, welches den Laserstrahl empfängt, der von der Rotationslaservorrichtung emittier wird, um eine Position zu bestimmen.
Ein Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik solcher einer Rotationslaservorrichtung, die in der Lage ist, eine Neigungsreferenzebene zu erzeugen, ist in der japanischen Patentoffenlegungsschriff Nr. H6-26861 beschrieben. Die Anordnung und die Merkmale der Rotationslaservorrichtung nach dem Stand der Technik wird im Folgenden beschrieben.
Bezugnehmend auf 32 umfasst eine Rotationslaservorrichtung 951 ein Gehäuse 901 und einen Laserstrahlprojektor 903. Eine Vertiefung 902, die kegelstumpfförmig geformt ist, ist in einem oberen Teil des Gehäuses 901 mittig angeordnet. Der Laserstrahlprojektor 903 erstreckt sich senkrecht durch die Mitte der Ausnehmung 902. Der Laserstrahlprojektor 903 wird an der Ausnehmung 902 gelagert, wo eine kugelförmige Halterung 904, die in der Mitte des Laserlichtprojektors 903 vorgesehen ist, ihm gestattet, zu kippen. Der Laserstrahlprojektor 903 hat einen Projektorkörper 920 mit einer Projektoroptik, die darin ausgebildet ist, und eine Rotationseinheit 905 mit einem Pentaprisma 909, die drehbar an dem Projektorkörper 920 befestigt ist. Die Rotationseinheit 905 wird durch ein Antriebsritzel 907 und ein Schwenkzahnrad 908 gedreht, welches durch einen Motor 906 betätigt wird.
Zwei Sätze von Neigungsmechanismen 910 (von denen nur einer gezeigt ist) sind um den Laserlichtprojektor 903 herum angeordnet. Der Neigungsmechanismus 910, der von einem Motor 911 betätigt wird, ermöglicht es, dass der Laserlichtprojektor 903 je nach Bedarf in einer Richtung gekippt wird.
Der Projektorkörper 920 hat einen Laserlichtprojektor (nicht gezeigt) und eine Projektoroptik (nicht gezeigt), die darin ausgebildet ist, und die Projektoroptik umfasst eine Kollimatorlinse, die einen von dem Laserlichtprojektor einfallenden Laserstrahl kollimiert. Der Laserstrahl von der Projektoroptik wird in horizontalen Richtungen durch das Pentaprisma 909 abgelenkt und aus dem Projektorfenster 931 projiziert.
Im Betrieb stellt der Neigungsmechanismus 910 einen Neigungswinkel ein, unter dem der Laserstrahl emittiert werden soll. Nach seiner Ablenkung durch das Pentaprisma 909 in einer Richtung senkrecht zu einer Rotationsachse der Rotationseinheit 905 wird der Laserstrahl von dem Laserprojektor 903 emittiert, während die Rotationseinheit 905 gedreht oder in einem vorgegebenen Winkelbereich hin und hergehend geschwenkt wird, um eine geneigte Referenzebene zu erzeugen.
Da die Rotationseinheit 905 des Laserprojektors 903, die das Pentaprisma 909 umgibt, drehbar mit dem Projektorkörper 920 verbunden ist, ist es unvermeidlich, dass eine gewisse mechanische Fehlausrichtung zwischen dem Projektorkörper 920 und der Rotationseinheit 905 verursacht wird. Folglich ist die Rotationseinheit 905 in Fehlausrichtung mit dem Projektorkörper 920 oder mit der Projektoroptik. Solch eine Fehlausrichtung oder ein Abweichungswinkel führt in nachteiliger Weise zu einer Änderung in der Richtung, in der der Laserstrahl emittiert wird, oder sie bewirkt Fehler in einer Ebene, die erzeugt wird, und einer Position, die festgestellt wird.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abweichungsertassungsvorrichtung bereitzustellen, die einen Abweichungswinkel einer Rotationseinheit eines Laserlichtprojektors relativ zu einem Projektorkörper erfasst, und auch, eine Rotationslaservorrichtung bereitzustellen, die in der Abweichungsbestimmungsvorrichtung enthalten ist, und ein Positionsbestimmungssystem.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotationslaservorrichtung und ein Positionsbestimmungssystem bereitzustellen, die in Zusammenwirkung funktionieren, um einen Abweichungswinkel auszunutzen, der von der Abweichungserfassungsvorrichtung erfasst wird, und um eine bestimmte Position oder eine definierte Ebene auf dem erfassten Abweichungswinkel zu korrigieren.
Von der DE 2 445 635 ist die Kollimation des Projektorkörpers und der Rotationseinheit durch eine Koinzidenz des Lichtstrahles, der die Lichtquelle verlässt, und eine Reflexion dieses Lichtstrahles durch die Rotationseinheit sichergestellt.
Zusammenfassung der Erfindung
Um die oben genannten Aufgaben zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung eine Abweichungserfassungsvorrichtung bereit, die einen Lichtemitter umfasst, der an einem Projektorkörper eines einen Laserstrahl emittierenden Laserlichtprojektors befestigt ist, einen Reflektor, der an dem Projektorkörper des Laserlichtprojektors befestigt ist, um von dem Emitter emittiertes Licht zu reflektieren, und ein Lichtempfangselement, welches an dem Projektorkörper des Laserlichtprojektors befestigt ist, um von dem Reflektor reflektiertes Licht zu empfangen, und wobei die Abweichungsbestimmungsvorrichtung einen Abweichungswinkel der Rotationseinheit relativ zu dem Projektorkörper aus einer Position eines Lichtes detektiert, welches von dem Reflektor reflektiert wird und auf das Lichtempfangselement auf trifft.
In solch einer Anordnung fällt das von dem Lichtemissionselement emittierte Licht nach seiner Reflexion durch den Reflektor, der an der Rotationseinheit des Laserlichtprojektors befestigt ist, auf das Lichtempfangselement auf, das an dem Projektorkörper des Laserlichtprojektors befestigt ist. Da die Rotationseinheit des Laserlichtprojektors sich bezüglich einer relativen Position zu dem Projektkörper ändert, wird das auf den Reflektor einfallende Licht in einer abweichenden Richtung reflektiert, was darin resultiert, dass das reflektierte Licht auf das Lichtempfangselement unter einer abweichenden Position auf trifft. Die sequenzielle Abtastung der veränderten Position ermöglicht eine Detektion der Abweichung der Rotationseinheit des Laserlichtprojektors.
Vorzugsweise weist die Abweichungserfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine erste Kollimationslinse auf, die dazu verwendet wird, das von dem Laseremitter emittierte Licht zu kollimieren und den kollimierten Strahl auf den Reflektor zu richten, und eine zweite Kollimatorlinse, die verwendet wird, um das von dem Reflektor reflektierte Licht konvergent zu machen, so dass es auf das Lichtempfangselement auftrifft.
Mit dieser Anordnung wird das von dem Laseremitter emittierte Licht an dem Reflektor in einen kollimierten Strahl umgerichtet und folglich würde eine vertikale Abweichung des Reflektors den davon reflektierten, resultierenden Strahl nicht verändern. Dies gestattet es der Abweichungsbestimmungsvorrichtung nur eine Neigung des Reflektors zu detektieren.
Das Lichtempfangselement kann ein Quadrant, ein Halbleiterposifionsdetektor oder ein CCD sein.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Rotationslaservorrichtung in Kombination mit der Abweichungserfassungsvorrichtung bereit, die einen Lichtprojektor, der einen Projektorkörper und eine Rotationseinheit hat, und ein den Projektor umgebendes Gehäuse aufweist, um einen Laserstrahl, der seinen Ursprung von dem Projektor hat, zu emittieren, während der Laserstrahl gedreht wird, und der Projektor hat vorteilhafterweise die Abweichungsertassungsvorrichtung.
Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung auch ein Positionsbestimmungssystem in Kombination mit der Abweichungsbestimmungs/Korrekturvorrichtung bereit, die eine Rotationslaservorrichtung und einen Lichtsensor aufweist, der von der Rotationslaservorrichtung emittiertes Laserlicht empfängt, um eine Position des Laserlichts zu detektieren, das auf den Lichtsensor einfällt, und um einen resultierenden Wert der bestimmten Position zu erhalten oder um den resultierenden Wert zur Definition einer Ebene zu benutzen, und die Rotationslaservorrichtung ist eine Rotationslaservorrichtung in Kombination mit einer Abweichungsbestimmungsvorrichtung, während der Lichtsensor eine arithmetische Operation durchführende Einheit umfasst, die den Abweichungswinkel, der von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung detektiert worden ist, benutzt, um den Wert der bestimmten Position zu korrigieren.
Mit dieser Anordnung detektiert die Abweichungsbestimmungsvorrichtung, die an der Rotationslaservorrichtung befestigt ist, einen Abweichungswinkel der Rotationseinheit des Laserlichtprojektors, der in der Rotationslaservorrichtung eingebaut ist. Der detektierte Abweichungswinkel wird an den Lichtsensor übertragen. Die eine arithmetische Operation ausführende Einheit in dem Lichtsensor benutzt den Abweichungswinkel, um den Wert der festgestellten Position zu korrigieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung, die die gesamte Anordnung eines Ausführungsbeispiels eines Positionsbestimmungssystems nach der vorliegenden Erfindung einschließlich einer Abweichungsbestimmungsvorrichtung zeigt;
2 ist eine perspektivische Darstellung, die die Anordnung von drei divergenten Laserstrahlen zeigt;
3 zeigt drei Phasen, die drei Anordnungen der divergenten Laserstrahlen darstellen;
4 ist eine Seiten-Schnittansicht, die einen Neigungsmechanismus einer Rotationslaservorrichtung zeigt;
5 ist eine Seiten-Schnittansicht, die einen Projektor zeigt, der in der Rotationslaservorrichtung enthalten ist;
6 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Art und Weise zeigt, in der ein einziger Laserstrahl in drei divergente Laserstrahlen durch ein Brechungsgitter aufgeteilt wird;
7 ist eine perspektivische Darstellung, die eine wechselseitige Positionsbeziehung unter den drei divergenten Laserstrahlen mit einem Laserstrahl, der ein Winkelsignal führt, zeigt;
8 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Ausführungsbeispieöl einer Abweichungsbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Frontansicht, die einen Lichtsensor zeigt;
10 zeigt einen Front-Querschnitt, der den Lichtsensor zeigt;
11 ist ein Schnitt entlang der Linie X-X von 9;
12 ist eine graphische Darstellung, die Signale für die divergenten Laserstrahlen zeigt, die auf den Lichtsensor auftreffen;
13 ist eine graphische Darstellung, die Signale zeigt, die ein Rotationswinkelpositionen führen;
14 ist ein Diagramm, welches ein Prinzip einer Bestimmung von Positionen in einer Positionsbestimmungsvorrichtung zeigt;
15 ist ein Diagramm, das die Beziehung von Licht, das auf ein Pentaprisma einfällt, mit dem Licht, das dasselbe verläßt, zeigt;
16 zeigt drei Phasen von Licht, das unter einem gewissen Neigungswinkel auf das Pentaprisma einfällt, wobei Fehler dargestellt sind, die in resultierenden Werten der Bestimmung eines Höhen- oder Abfallswinkels verursacht werden;
17 zeigt Fehler, die bei Zeitverzögerungen unter den Detektionen von divergenten Laserstrahlen verursacht werden, wobei drei divergente Laserstrahlen mit einer gewissen Neigung als ganzes emittiert werden;
18 zeigt ein Flussdiagramm, welches einen Arbeitsablauf zeigt, um eine Phantomfläche mit Hilfe des Positionsbestimmungssystems zu erzeugen;
19 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Positionsbeziehung der erwünschten Phantomfläche und der horizontalen Ebene zeigt;
20 ist eine teilweise vergrößerte Darstellung, die ein Lichtempfangsmittel und ein Lichtreflexionsmittel zeigt, die beide in der Rotationslaservorrichtung enthalten sind;
21 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Intensität des Lichts, welches auf das Lichtempfangsmittel der Rotationslaservorrichtung auftrifft, und der Rotationswinkelposition zeigt, bei der Laserstrahl emittiert wird;
22 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine andere Anordnung eines Lichtprojektors zeigt, der in der Rotationslaservorrichtung enthalten ist;
23 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Anordnung eines Lichtprojektors zeigt, der die divergenten Laserstrahlen bei veränderlichen Ablenkung von einander emittiert;
24 ist eine graphische Darstellung, die die divergenten Laserstrahlen zeigt, der auf den Lichtsensor auftreffen;
25 ist eine perspektivische Darstellung, die die Rotationslaservorrichtung zeigt, die drei divergente Laserstrahlen und einen Laserstrahl, der ein Winkelsignal trägt, in unterschiedlichen Richtungen voneinander emittiert;
26 ist eine perspektivische Darstellung, die die Rotationslaservorrichtung zeigt, die zwei divergente Laserstrahlen emittiert;
27 zeigt drei Phasen einer Anordnung der zwei divergenten Laserstrahlen;
28 ist eine graphische Darstellung, die die divergenten Laserstrahlen darstellt, die auf den Lichtsensor auftreffen;
29 ist ein Diagramm, welches andere verschiedene kombinierte Formen der divergenten Laserstrahlen zeigt;
30 ist eine Frontansicht und eine teilweise Schnittansicht eines Lichtsensors, der Licht aus allen Richtungen empfangen kann;
31 ist eine Frontansicht und eine Schnittdarstellung, die einen Lichtsensor-Controller zeigt, der in dem Lichtsensor enthalten ist, der Licht aus allen Richtungen empfangen kann; und
32 ist eine Schnittdarstellung, die eine zwei Rotationsllaservorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
(1) Ausführungsbeispiel 1
Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Positionsbestimmungssystems in Kombination mit einer Abweichungsbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
(1.1) Konfiguration des Positionsbestimmungssystems
1 zeigt die Gesamtanordnung des ersten Ausführungsbeispiels des Positionsbestimmungssystems in Kombination mit der Abweichungsbestimmungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Positionsbestimmungssystem 100 besteht aus zwei Rotationslaservorrichtungen 151, 152 respektive, die Mittel zum Emittieren von drei divergenten Laserstrahlen b1, b2, b3 haben, während sie in Drehung versetzt werden, und einen Lichtsensor 154, der die Laserstrahlen b1, b2, b3 empfängt, die von den Rotationslaservorrichtungen 151 bzw. 152 emittiert werden. Die Rotationslaservorrichtungen 151 bzw. 152 haben die Abweichungsbestimmungsvorrichtungen (nicht gezeigt) des ersten Ausführungsbeispiels eingebaut. Die Rotationslaservorrichtungen 151, 152 emittieren auch Laserstrahlen S, respektive, um Information über die Richtungen zu senden, in die die divergenten Laserstrahlen emittiert worden sind.
(1.1.1) Rotationslaservorrichtungen
Wie in 2 gezeigt ist, emittiert die Rotationslaservorrichtung 151 drei divergente Laserstrahlen b1, b2, b3, während sie sie um einen Punkt C rotieren lassen. Wie aus 3 zu ersehen ist, richten sich die divergenten Strahlen b1, b3 senkrecht zu der horizontalen Ebene aus, während der divergente Strahl b2 sich so ausbreitet, dass er die horizontale Ebene unter einem Winkel θ trifft. Eine Kreuzungslinie des divergenten Strahls 2 mit der horizontalen Ebene halbiert einen Winkel, unter dem der diver gente Strahl b1 den divergenten Strahl b3 trifft. In anderen Worten trifft die Kreuzungslinie die divergenten Strahlen b1 bzw. b3 unter dem gleichen Winkel θ. Die drei divergenten Strahlen b1, b2, b3 drehen sich unter diesem Verhältnis zueinander und daher die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 den Lichtsensor 542 unter einigen Zeitverzögerungen, einer nach dem anderen. In diesem Ausführungsbeispiel wird, da die zwei Rotationslaservorrichtungen 151, 152 so ausgeführt sind, dass sie die gleiche Konfiguration und Anordnung haben, nur eine von ihnen, die Rotationslaservorrichtung 151, im folgenden beschrieben.
Sodann wird ein Rotationsmechanismus, der bewirkt, dass die drei divergenten Laserstrahlen rotieren, beschrieben.
Wie in 4 gezeigt ist, umfasst die Rotationslaservorrichtung 151 ein Gehäuse 101, das mit einem Lichtprojektionsfenster 131 ausgestattet ist, einen Laserlichtprojektor 103, der als Rotationsstrahlungsmittel dient, eine Abweichungsbestimmungsvorrichtung (nicht gezeigt) nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einen Sender 123, der einen Abweichungswinkel, der von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung detektiert wird, an einen Lichtsensor 154 als Signal überträgt. Eine Vertiefung 102, die in Form eines Kegelstumpfs ausgebildet ist, ist in dem Zentrum der Oberseite eines Gehäuses 101 vorgesehen. Der Laserlichtprojektor 103 erstreckt sich senkrecht durch die Mitte der Ausnehmung 102. Der Laserlichtprojektor 103 ist mit einem kugelförmigen Montagemittel 104 ausgestattet, welches in der Vertiefung 102 sitzt und aufgehängt ist, so dass der Projektor kippen kann. Der Laserlichtprojektor 103 umfasst eine Rotationseinheit 105, die in der Lage ist, sich zu drehen, und die ein Pentaprisma 109 hat. Die Rotationseinheit 105 wird durch ein Antriebsritzel 107 und ein Schwenkritzel 108 gedreht, das durch einen Motor 106 betätigt wird. Ein Rotationswinkel der Rotationseinheit 105 wird von einem Codierer 117 detektiert, der an dem Laserlichtprojektor 103 befestigt ist. Während sie sich dreht, wird der Abweichungswinkel der Rotationseinheit 105 von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung (nicht gezeigt) detektiert. Die Daten über den Rotationswinkel und den Abweichungswinkel, die auf diese Weise erfasst werden, werden an den Lichtsensor 154 übertragen.
Die Rotationslaservorrichtung 151 hat zwei Sätze von Neigungsmechanismen, die um den Laserprojektor 103 herum angeordnet sind (nur einer des Satzes ist gezeigt). Einer der Sätze des Neigungsmechanismen 110 hat einen Motor 111, eine Schraube 112 und eine Mutter 113, die alle zusammen als Neigungsmerkmal verwendet werden. Der Motor 111 ist in der Lage, die Schraube 112 über ein An triebsritzel 114 und ein Kippzahnrad 115 zu drehen. Umdrehungen der Schraube 112 bewirken, dass sich die Mutter 113 aufwärts und abwärts bewegt. Diese vertikale Bewegung der Mutter 113 erzeugt eine Neigung des Laserlichtprojektors 103. Der andere des Satzes der Neigungsmechanismen verwendet ähnliche mechanische Komponenten, um den Projektor 103 in einer Richtung senkrecht zu der zu neigen, in der der Neigungsmechanismus 110 eine Neigung verursacht.
Ein fixierter Sensor 118, der parallel mit einem Arm 116 positioniert ist, und ein fixierter Sensor 119, der senkrecht zu dem Arm 116 positioniert ist, sind in der Mitte des Laserlichtprojektors 103 angeordnet. Die Neigung des Armes 116 wird durch den Neigungsmechanismus 10 eingestellt, so dass der fixierte Sensor 118 immer eine horizontale Position einnehmen kann. Gleichzeitig wird der andere des Satzes der Neigungsmechanismen für eine Einstellung verwendet, um es dem fixierten Sensor 118 zu gestatten, immer eine horizontale Position anzunehmen.
Der Laserlichtprojektor 103 wird nun im einzelnen beschrieben. Wie in 5 gezeigt ist, umfasst der Laserlichtprojektor 103 einen Projektorkörper 120 und die Rotationseinheit 105. Der Projektorkörper 120 hat eine Projektoroptik, die einen Strahlprojektor 132 für einen divergenten Strahl, ein Strahlteilerprisma 171 und eine Kollimatorlinse 133 umfasst, die von dem Laserstrahlprojektor 132 einfallenden Laserstrahl kollimiert. Der Projektorkörper 120 ist ferner mit einer Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 ausgestattet. Die Rotationseinheit 105 umfasst ein Pentaprisma 109, das einen aus der Projektoroptik austretenden Laserstrahl um 90° ablenkt, ein Brechungsgitter (BOE) 134, welches den von dem Pentaprisma 109 abgelenkten Strahl in drei divergente Strahlen b1, b2, b3 aufteilt, und eine Winkelmesserscheibe 195, die Licht reflektiert, das von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 emittiert wird.
Der Laserlichtprojektor 103 umfasst ferner einen ein Winkelsignal übertragenden Laserlichtprojektor 172, der dazu dient, die Information über Winkel zu übertragen, ein Strahlteilerprisma 149, das an dem Pentaprisma 109 befestigt ist, und einen Spiegel 148, der den durch das Strahlteilerprisma 149 übertragenen Laserstrahl S ablenkt. Der Winkelsignal-Laserlichtprojektor 172 emittiert den Laserstrahl S, der dazu verwendet wird, eine Information über Rotationswinkel, die von dem Codierer 117 detektiert wird, und eine Information über die Abweichungswinkel, die von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 detektier werden, zu tragen und sie an den Lichtsensor 154 zu senden. Das Laserlicht, das zum Tragen der Information über die Rotationswinkel verwendet wird, kann jedoch durch eine an dere Lichtquelle, beispielsweise eine LED ersetzt werden.
Das Laserlicht, das von dem Divergenzlaserstrahlprojektor 132 emittiert wird, wird durch das Strahlteilerprisma 171 überfragen und dann von der Kollimatorlinse 133 kollimiert und des weiteren von dem Pentaprisma 109 um 90° abgelenkt. Wie in 6 gezeigt ist, wird das Laserlicht, das um 90° von dem Pentaprisma 109 abgelenkt worden ist, von dem Laserlichtprojektor 103 emittiert, nachdem es in drei divergente Strahlen b1, b2, b3 durch das Brechungsgitter 134 aufgeteilt worden ist. Andererseits wird der Laserstrahl S, der von dem Winkelsignallichtprojektor 172 emittiert wird, von dem Strahlteilerprisma 171 reflektiert und zu der Kollimatorlinse 133 gerichtet. Da eine Position, wo der Winkelsignallichtprojektor 172 befestigt ist, nicht in dem Brennpunktbereich der Kollimatorlinse 133 liegt, wird der Laserstrahl S, der von dem Winkelsignallichtprojektor 172 emittiert wird, nachdem er durch die Kollimatorlinse 133 hindurchgetreten ist, nicht kollimiert, sondern bis zu einem gewissen Maß aufgespreizt. Der Laserstrahl S, der durch die Kollimatorlinse 133 übertragen wird, wird des weiteren durch das Pentaprisma 104 und das Strahlteilerprisma 149 übertragen und danach wird er von dem Spiegel 148 reflektiert und aus dem Projektor 103 abgestrahlt.
Wie in 7 gezeigt ist, emittiert der Laserstrahlprojektor 103 den Laserstrahl S, der Winkelsignale trägt, und die divergenten Strahlen b1, b2, b3 in die gleiche Richtung. Der Divergenzlaserlichtprojektor 132 und der Winkelsignallichtprojektor 172 sind beispielsweise so ausgelegt, dass sie einen Laserstrahl mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, so dass der Lichtsensor 154, der die Strahlen empfängt, der Laserstrahl S von den divergenten Strahlen b1, b2, b3 respektive unterscheiden kann. Ferner spreizt sich der Laserstrahl S, der Winkelsignale überträgt, sich um einen Winkel aus, der ausreicht, um den gesamten Bereich abzudecken, wo die divergenten Strahlen b1, b2, b3 verwendet werden können, um Positionen zu bestimmen. Die Laserstrahlen S, die respektive von den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 emittiert werden, werden unterschiedlich voneinander moduliert (z.B. so konfiguriert, dass sie zu zueinander unterschiedlichen Frequenzen aufleuchten), um den einen von dem anderen zu unterscheiden. Stattdessen können die Laserstrahlen S, die respektive von den zwei Rotationslaservorrichtungen emittiert werden, in ihrer Wellenlänge (Farbe) variiert werden.
(1.1.2) Abweichungsbestimmungsvorrichtung
Bezugnehmend auf 8 wird eine Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190, die an dem Laserlicht projektor 103 befestigt ist, nun beschrieben. Die Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 besteht aus einem Lichtemitter 193, der den Laserstrahl H emittiert, um Abweichungswinkel zu detektieren, eine Kondensatorlinse 196, die den Laserstrahl H, der von dem Lichtemitter 193 emittiert wird, zu kollimieren, eine Winkelmesserscheibe 195, die an der Rotationseinheit 105 befestigt ist, um als Reflektor zu dienen, eine lichtempfangende Kondensatorlinse 197, die den von der Winkelmesserscheibe 195 reflektierten Laserstrahl H konvergent macht, und eine Lichtempfangseinheit 194, die den von der Kondensatorlinse 197 konvergent gemachten Laserstrahl H empfängt. Die Lichtempfangseinheit 194 kann ein Positionierungssensor, beispielsweise ein Quadrant, ein Halbleiter-Positionsdetektor (PSD) oder ein CCD sein.
(1.1.3) Lichtsensor
Der Lichtsensor 154, der verwendet wird, um drei divergente Strahlen b1, b2, b3 zu empfangen, die respektive von den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 emittiert werden, wird nun beschrieben. 9 ist eine Frontansicht, die den Lichtsensor zeigt, 10 ist eine Schnittdarstellung desselben, und 11 ist eine Schnittansicht desselben entlang der Linie X-X von 9. Ein Kasten 164 des Lichtsensors 154 hat eine Lichtempfangseinheit 156, die die divergenten Strahlen b1, b2, b3 erfasst, und ein Lichtempfangselement 155, das die Laserstrahlen S, die die Information über die Rotationswinkel von den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 empfängt. Der Kasten 164 umfasst ferner eine Anzeige 157, einen Alarm 161, beispielsweise einen Summer, Eingabetasten 162, einen Zeiger 163, eine Stange 159 mit einer Skala 160 und einen Fixierungsknopf 158. Zusätzlich ist der Kasten 164 mit einem Speicher 165, einer Operationseinheit 166, einem Skalenleser 167 und einem Signalempfänger 170 ausgestattet, der Signale empfängt, die die Information über die Abweichungswinkel tragen.
Die Lichtempfangseinheit 156 ist mit einem Filter 156a, der gegenüber den divergenten Strahlen b1, b2, b3 transparent, jedoch gegenüber dem Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, opak ist, und mit einem Lichtempfangselement 156b versehen, welches Licht detektiert, das durch den Filter 156a übertragen wird. Auf ähnliche Weise ist die Lichtempfangseinheit 155 mit einem Filter 155a, der nur den ein Winkelsignal tragenden Laserstrahl S überfragt, und einem Lichtempfangselement 155b versehen, das Licht erfasst, das durch den Filter 155a übertragen wird.
(1.2) Theorie der Messung von Positionen
(1.2.1) Prinzip der Messung der Höhen- und Absenkungs-Winkel
Als erstes wird im Folgenden ein Prinzip der Messung eines Höhen- oder Absenkungswinkels, nämlich eines Winkels beschrieben, unter dem eine gerade Linie, die durch ein Zentrum C der Drehbewegung der divergenten Strahlen passieren und ferner die Lichtempfangseinheit 156 des Lichtsensors 154 durchlaufen, eine horizontale Ebene trifft.
Wie oben erwähnt wurde, emittiert die Rotationslaservorrichtung 151 die divergenten Strahlen b1, b2 und b3, die um das Zentrum C rotieren. Wie in 3 gezeigt ist, wird der divergente Strahl b2 emittiert, so dass er die horizontale Ebene unter einem Winkel q trifft. Eine Kreuzungslinie des divergenten Strahls 1 mit der horizontalen Ebene trifft eine Kreuzungslinie des divergenten Strahls b3 mit der horizontalen Ebene unter einem Winkel 2δ. Die drei divergenten Strahlen b1, b2 und b3 drehen sich unter diesen Bedingungen, und folglich treten diese divergenten Strahlen sequenziell durch die Lichtempfangseinheit 156 in dem Lichtsensor 154 an variierenden Zeitpunkten hindurch in der Reihenfolge von b3, b2 und dann b1.
Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in der Lichtempfangsvorrichtung 154 in einer Position A in einer horizontalen Ebene ist, kann das von dem Lichtsensor 154 detektierte Licht so dargestellt werden, wie in 12(a). Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in einer Position ist, die vertikal nach oben von der Position A verschoben ist, können die als Resultat detektierten, divergenten Strahlen wie in 12(b) erfasst werden. Wie in 12(a) gezeigt ist, werden zwei der divergenten Strahlen b1 und b3 nacheinander mit einer Zeitverzögerung von t0 nach einem der beiden detektiert worden ist, der als erster gekommen ist. Der divergente Strahl b2 wird mit einer Zeitverzögerung von t detektiert, nachdem der divergente Strahl b3 detektiert worden ist. Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in der Position A in der horizontalen Ebene ist, ist die Dauer der Zeitverzögerung t die Hälfte der Zeitverzögerung t0. Folglich kann eine Beziehung wie in der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden: t0 = 2t (1)
Wenn die Lichtempfangseinheit 156 in der Position B oberhalb der horizontalen Ebene ist, ist die Zeitverzögerung t von einer Detektion zu einer anderen kürzer als die Hälfte von t0, wie in 12(b) zu erkennen ist. Da die Lichtempfangseinheit 156 weiter oberhalb der horizontalen Ebene angeordnet ist, wird die Zeitverzögerung t zwischen den Detektionen kürzer, und die folgende Gleichung (2) kann zusammen mit der Zeitverzögerung angewendet werden, um einen Winkel ∠BCA = γ zu erhalten, welches der Winkel ist, unter dem eine gerade Linie, die durch die Position B der Lichtempfangseinheit 156 und den Punkt C, an dem der divergente Laserstrahl emittiert wird, hindurchtritt, die horizontale Ebene trifft:
Wenn die Lichtempfangseinheit 156 unterhalb der horizontalen Ebene angeordnet ist, ist die Zeitverzögerung t länger als die Zeitverzögerung t₀ in ihrer Dauer. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob die Lichtempfangseinheit 156 oberhalb oder unterhalb der horizontalen Ebene positioniert ist. Die Gleichung (2) kann auf einen Fall angewendet werden, bei dem die Lichtempfangseinheit 156 unterhalb der horizontalen Ebene liegt.
Alternativ können nach einem anderen Messprinzip, das später beschrieben wird, nachdem die Winkelpositionen an Zeitpunkten, wenn die divergenten Laserstrahlen respektive empfangen werden, um Winkel zu berechnen, die den Zeitverzögerungen t und t₀ zwischen Detektionen entsprechen, genutzt werden, die resultierenden Winkel für t und t₀ in der Gleichung (2) substituiert werden, um γ zu erhalten.
Die Messung des Höhen- oder Absenkungswinkels γ kann auf ähnliche Weise durchgeführt werden, wenn der Lichtsensor 154 die divergenten Laserstrahlen b1, b2 und b3 empfängt, die von der Rotationslaservorrichtung 152 emittiert werden. Der Höhen- oder Absenkungswinkel γ, der in Beziehung auf den divergenten Laserstrahl von der Rotationslaservorrichtung 151 erhalten wird, und der, der in Beziehung mit dem Strahl von der Rotationslaservorrichtung 152 erhalten wird, werden gemittelt, um eine Präzision in der Messung des Höhen- oder Absenkungswinkels zu verbessern. Alternativ kann die vorliegende Erfindung in einer modifizierten Anordnung ausgeführt sein, bei der nur eine der Rotaionslaservorrichtungen die divergenten Laserstrahlen emittieren kann.
(1.2.2) Prinzip der Messung der Rotationswinkelpositionen
Dann wird nun ein Prinzip der Messung der Rotationswinkelpositionen oder der Winkelpositionen in der horizontalen Ebene beschrieben, in der der Lasersensor 154 relativ zu der Rotationslaservorrichtung 151 angeordnet ist.
Ein Codierer 117 der Rotationslaservorrichtung 151 führt kontinuierlich in Realzeit eine Detektion der Rotationswinkel durch, unter denen die Rotationslaservorrichtung 151 die divergenten Strahlen b1, b2 bzw. b3 emittiert. Daten über die detektierten Rotationswinkel werden in optische Signale in einer Weise, wie unten beschrieben wird, umgesetzt und dann von dem Laserstrahlprojektor als Signale übertragen, die von dem Laserstrahl S getragen werden. Die die Signale tragende Laserstrahl S tritt durch die Optik in dem Projektor 103 hindurch und tritt aus der Rotationslaservorrichtung zusammen mit den divergenten Strahlen aus. Die Lichtempfangseinheiten 155 und 156 in dem Lasersensor 154 empfangen respektive die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 und den Laserstrahl S. An einem Zeitpunkt, wenn die Lichtempfangseinheit 156 den divergenten Strahl b2 empfängt, kann eine Rotationswinkelposition des Lichtsensors 154 aus den Daten über die Rotationswinkel bestimmt werden, die von dem Laserstrahl S mitgeführt werden, der an der Lichtempfangseinheit 155 empfangen wird.
Dann wird ein Verfahren zur Umsetzung der Rotationswinkeldaten in ein optisches Signal beschrieben. Der das Winkelsignal erzeugende Laserstrahlprojektor 172 emittiert den Laserstrahl S, der in seiner Farbe (Wellenlänge) unterschiedlich gegenüber den divergenten Strahlen b1, b2 bzw. b3 ist. Der Laserstrahl S, der in einem Muster, wie es in 13(a) gezeigt ist, auftritt und abgegeben wird, überträgt Daten über einen Rotationswinkel oder eine Rotationswinkelposition. Ein Signal, wie es in 13(a) gezeigt ist, ist aus einem Referenzsignal S1 und einem digitalisierten Signal S2 aufgebaut, welches durch Digitalisieren der Rotationswinkelposition in ein Muster des Strahles erzeugt wird, der auftritt und abgegeben wird. Das Referenzsignal S1 wird unter konstanten Intervallen emittiert, während das digitalisierte Signal S2 zwischen je zwei der Referenzsignale vortritt und abgegeben wird, in einem Muster, um einen digitalisierten Code zu repräsentieren. Der digitalisierte Code ist eine Rotationswinkelposition, die von dem Codierer 117 (3) detektiert und dann digitalisiert wurde.
Der Lichtsensor 154 analysiert das digitale Signal, um eine Rotationswinkelposition zu erhalten, wenn er ein Signal empfängt, welches die Rotationswinkelposition repräsentiert. Da das digitalisierte Signal S2 intermittierend unter einigen Intervallen übertragen wird, stellt die Rotationswinkelposition jedoch lediglich jedoch einen Näherungswert dar. Folglich wird, wie in 13(b) gezeigt, die Information über die Rotationswinkelposition intermittierend zwischen einem Zeitpunkt, wenn der divergente Strahl b2 empfangen wird, und einem Zeitpunkt, wenn interpoliert und benutzt, um einen Winkel mit größerer Genauigkeit zu bestimmen.
(1.2.3) Prinzip der Bestimmung dreidimensionaler Positionen
Ein Prinzip zur Bestimmung der dreidimensionalen Position, wo der Lichtsensor 154 liegt, wird nun beschrieben. Wie in 14 gezeigt ist, sind beide Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 unter einem bekannten Abstand L zueinander angeordnet. Das oben erwähnte Messprinzip kann angewendet werden, um die Rotationswinkelpositionen ζ und ξ des Lichtsensors 154 relativ zu den Rotationslaservorrichtungen 151, 152 zu bestimmen. Unter der Annahme, dass m einen Abstand zwischen der Rotationslaservorrichtung 151 und dem Lichtsensor 154 bezeichnet, während n einen Abstand zwischen der Rotationslaservorrichtung 152 und dem Lichtsensor 154 bezeichnet, wird eine Beziehung unter den Rotationswinkelpositionen ζ und ξ und den Abständen L, m und n in der folgenden Gleichung (3) aufgestellt:
Somit können die Abstände m und n auf der Basis der folgenden Gleichung (4) erhalten werden:
Es sei nun angenommen, dass der ursprüngliche Punkt der Punkt C des Rotationszentrums der Rotationslaservorrichtung 151 ist, dass die X-Achse auf einer Verlängerung des Abstandes L liegt und dass die Y-Achse auf einer Verlängerung senkrecht zu der X-Achse in einer horizontalen Ebene liegt, können die X-Koordinate x und Y-Koordinate y in Relation zu dem Lichtsensor 154 auf der Basis einer Gleichung (5) wie folgt erhalten werden: x = mcosϛ y = msinϛ (5)
Die Z-Koordinate z oder eine Höhe z vertikal zu der horizontalen Ebene kann durch Anwendung der folgenden Gleichung (6) zusammen mit einem Höhen- oder Absenkungswinkel γ, der durch die Gleichung (2) berechnet wurde, erhalten werden: z = mtanγ (6)
Wenn der Ursprungspunkt durch einen anderen Punkt ersetzt wird oder wenn X- und/oder Y-Achsen in andere Richtungen gelegt werden, können die Koordinaten durch eine beliebige, bekannte geeignete Methode transformiert werden, um eine erforderliche dreidimensionale Position zu erhalten.
(1.2.4) Prinzip der Erfassung von Abweichungswinkeln
Wie in 5 gezeigt ist, wird die Rotationseinheit 105 des Lichtprojektors 103 von dem Projektorkörper 120 gehalten, und folglich ist eine kleine mechanische Fehlausrichtung unvermeidlich. Solch eine Fehlausrichtung bewirkt eine Fehlausrichtung der optischen Achse der Lichtemissionsoptik in dem Projektor 103 mit der Achse der Rotationseinheit 105. Wenn die Rotationseinheit 105 in einer Ebene geneigt ist, wo die optische Achse der Lichtemissionsoptik und die Emissionsachsen der divergenten Laserstrahlen definiert sind (jegliche Ebene parallel zu der Zeichenebene in 5), tritt kein Fehler in den Emissionsrichtungen der divergenten Laserstrahlen auf. Insbesondere bewirkt, solange die Rotationseinheit 105 parallel mit dieser Ebene geneigt ist, das Pentaprisma 109, das in der Rotationseinheit 105 vorgesehen ist, dass der einfallende Strahl präzise um 90° abgelenkt wird, selbst wenn eine optische Achse des einfallenden Strahls etwas abweicht, und folglich wird kein Fehler in den Emissionsrichtungen der divergenten Laserstrahlen bewirkt.
Wenn die Rotationseinheit 105 jedoch senkrecht zu der Ebene geneigt ist, wo die optische Achse der Lichtemissionsoptik und die Emissionsachse der divergenten Laserstrahlen definiert sind (jegliche Ebene senkrecht zu der Zeichenebene von 5), treten Fehler in den Emissionsrichtungen der divergenten Strahlen auf. Die Abweichungsbestimmungsvorrichtung in dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung detektiert solch eine Neigung, nämlich einen Abweichungswinkel.
Unter Bezugnahme auf 8 wird das Prinzip der Erfassung von Abweichungswinkeln beschrieben. Der einen Abweichungswinkel detektierende Lichtemitter 193 der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 emittiert den Laserstrahl H. Der Laserstrahl H wird durch die Kondensatorlinse 196 in dem Lichtemitter kollimiert. Der Laserstrahl H, der von der Kondensatorlinse 196 kollimiert ist, wird von der Winkelmesserscheibe 195 reflektiert, die an der Rotationseinheit 105 befestigt ist. Der von der Winkelmesserscheibe 195 reflektierte Laserstrahl H wird nach seinem Einfall auf die Kondensatorlinse 197 konvergent gemacht. Der Laserstrahl fällt auf die einen Abweichungswinkel detektierende Laserlichteinheit 194 auf, nachdem er von der Kondensatorlinse 197 konvergent gemacht worden ist.
Aufgrund der Neigung der Rotationseinheit 105 ist die Winkelmesserscheibe 195, die daran befestigt ist, ebenfalls geneigt, und dies hat zur Folge, dass der Laserstrahl H in einer abweichenden Richtung reflektiert wird. Da die Richtung des reflektierten Laserstrahls H variiert wird, wird auch eine Position, an der der Laserstrahl H, der von der Kondensatorlinse 197 konvergent gemacht worden ist, auf die Lichtempfangseinheit 194 auftrifft, ebenfalls variiert. Solch eine Variation in der Einfallsposition des Laserstrahls H wird von der Lichtempfangseinheit 194, die aus einem Positionssensor besteht, detektiert, um einen Abweichungswinkel zu bestimmen.
Da der Laserstrahl H zuerst kollimiert und dann von der Winkelmesserscheibe 195 reflektiert wird, wird die Einfallsposition des Laserstrahls H auf das Lichtempfangselement 194 nicht variiert, wenn die Winkelmesserscheibe 195 nach oben oder nach unten verschoben wird, ohne einen Neigungswinkel zu haben. Somit kann die Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 nur die Neigung der Rotationseinheit 109 detektieren.
(1.2.5) Prinzip der Korrektur von Fehlern, die durch Abweichungswinkel verursacht werden.
Die Emissionsrichtungen der Laserstrahlen werden aufgrund der Neigung der Rotationseinheit 105 variiert, und dies verursacht Fehler in den Rotationswinkelpositionen ζ und ξ, dem Höhen- oder Abfallwinkel γ und den Zeitverzögerungen t und t₀ zwischen den Detektionen der divergenten Laserstrahlen. Das Prinzip der Korrektur von Fehlern, die in diesen Werten verursacht werden, wird im folgenden beschrieben.
(1.2.5.1) Korrektur von Fehlern, die in den Rotationswinkelpositionen verursacht werden.
Bezugnehmend auf 15 werden Fehler, die in den Rotationswinkelpositionen ζ und ξ verursacht werden, beschreiben. 15(a) ist eine perspektivische Darstellung des Pentaprismas 109, 15(b) ist eine Draufsicht auf dasselbe, und 15(c) ist eine Frontansicht desselben. X-, Y- und Z-Achsen sind so definiert, dass eine XY-Ebene parallel zu einer Eintrittsfläche 109a des Pentaprismas 109 wird, während eine XZ-Ebene parallel zu einer Austrittsfläche 109b wird.
Wie in 15(a) gezeigt ist, fällt, wenn das Pentaprisma 109 nicht geneigt ist, das Licht auf die Eintrittsfläche 109a in einer Richtung der Z-Achse oder unter einem rechten Winkel ein und tritt aus der Austrittsfläche 109b unter einem rechten Winkel aus. im Gegensatz dazu tritt, wie in 15(c) gezeigt ist, wenn der Lichtstrahl auf die Eintrittsfläche 109a unter einem Winkel μ in einer XZ-Ebene einfällt, der Lichtstrahl unter einem Winkel μ in der XY-Ebene aus, wie in 15(b) gezeigt ist. Dies verursacht Fehler in den resultierenden Werten der Bestimmungen der Rotationswinkelpositionen ζ und ξ. Eine Emissionsrichtung mit einer Neigung unter einem Winkel μ in der XY-Ebene verursacht Fehler in den Rotationswinkelpositionen ζ und ξ, die in einer horizontalen Ebene bestimmt werden, wie in der folgenden Gleichung dargestellt ist: μh = tan–1(tanμcosμ) (7)
Der Winkel μ ist jedoch klein und folglich gilt die Beziehung μ_h ÷ μ
So wird die Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet, um ein Maß der Neigung, des Abweichungswinkels, nämlich des Einfallswinkels, zu detektieren, um die Rotationswinkelpositionen ζ und ξ zu korrigieren. Insbesondere ermöglicht die Subtraktion eines Wertes von Winkels μ_h von den Rotationswinkelpositionen ζ und ξ, dass die Werte der Rotationswinkelpositionen korrigiert werden können. Bei der Korrektur der Werte führt die Rotationslaservorrichtung 151 eine arithmetische Operation durch, bei der der Winkel μ_h, der von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 erhalten wird, von der Rotationswinkelpositionen ζ, die von dem Codierer 117 der Rotationslaservorrichtung 151 bestimmt wird, subtrahiert wird, und ein korrigierter Wert der Rotationswinkelposition ζ wird an den Lichtsensor 154 übertragen. Alternativ kann der μ_h, der von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 erhalten wird, als erstes an den Lichtsensor 154 übertragen werden, so dass der Lichtsensor 154 die arithmetische Operation zur Korrektur der Rotationswinkelposition ζ durchführen kann.
(1.2.5.2) Korrektur von Fehlern, die in den Höhen- und Abfallwinkeln verursacht werden.
Bezugnehmend auf 16 wird nun die Korrektur von Fehlern beschrieben, die in dem Höhen- oder Abfallwinkel verursacht werden. Hier sind die Neigung μ der optischen Achse relativ zu der Eintrittsfläche 109a und die Richtungen der X-, Y- und Z-Achsen alle die gleiche wie in 15. 16 zeigt drei Phasen des Pentaprismas 109. Wie oben gesagt wurde, tritt, wenn das einfallende Licht unter einem Winkel μ in der XZ-Achse geneigt ist, das Licht unter einem Abweichungswinkel μ in der XY-Ebene aus. Gleichzeitig tritt das Licht aus dem Prisma in der YZ-Ebene unter einem Abweichungswinkel κ aus, der durch die Gleichung (8) wie folgt gegeben ist:
Durch Subtraktion des Abweichungswinkels κ von dem Höhen- oder Abfallwinkel γ kann der Wert von γ korrigiert werden. Die Korrektur des Höhen- oder Abfallwinkels γ kann dadurch ausgeführt werden, dass ein Wert des Abweichungswinkels κ von der Rotationslaservorrichtung 151 an den Lichtsensor 154 übertragen wird und dass dann der Lichtsensor 154 benutzt wird, um den Abweichungswinkel κ von dem vorher bestimmten Höhen- oder Abfallwinkel γ zu subtrahieren. Alternativ kann der Wert von κ als erstes von dem Lichtsensor 154 überfragen werden, und danach kann die arithmetische Operation nach der Gleichung (8) von der arithmetischen Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 155 ausgeführt werden, um den Höhen- oder Abfallwinkel γ zu korrigieren.
(1.2.5.3) Korrektur von Fehlern, die durch Zeitverzögerungen bei den Detektionen verursacht werden.
Wenn die Rotationseinheit 105 geneigt ist, sind die divergenten Laserstrahlen b1, b2, b3 ebenfalls als Ganzes geneigt, wobei sie ihre relativen Positionsbeziehungen untereinander aufrechterhalten. Solch eine Neigung verursacht ebenfalls Fehler in den Zeitverzögerungen unter den Detektionen der divergenten Laserstrahlen b1, b2, b3. Unter Bezugnahme auf 17 werden die Fehler in den Zeitverzögerungen unter den Detektionen der einfallenden Strahlen erläutert. Die dicke ausgezogene Linie in 17 zeigt die divergenten Laserstrahlen b1, b2, b3, wenn die Rotationseinheit 105 nicht geneigt ist, während eine dicke, unterbrochene Linie die divergenten Laserstrahlen b1, b2, b3 darstellt, wenn die Rotationseinheit 105 unter einem Winkel μ um den Strahlemissionspunkt C geneigt ist. Wie in 17 zu erkennen ist, ist ohne eine geneigte Lage der divergenten Laserstrahlen, wenn der Lichtsensor 154 unter einem Abstand H_A vertikal direkt unterhalb des Strahlemissionspunkts C angeordnet ist, die Zeitverzögerung zwischen den Detektionen der divergenten Laserstrahlen b3 und b2 gleich t, während die zwischen den Detektionen der divergenten Laserstrahlen b3 und b1 gleich t₀ ist. Im Gegensatz dazu ist bei einer Neigung der divergenten Strahlen unter einem Winkel μ selbst dann, wenn der Lichtsensor 154 in demselben Niveau wie der Punkt C liegt, die Zeitverzögerung zwischen den Detektionen der divergenten Laserstrahlen b3 und b4 gleich t_S, während die Zeitverzögerung zwischen den Detektionen der Strahlen b3 und b1 gleich t_0S ist. Eine Veränderung der Zeitverzögerung zwischen den Detektionen der Strahlen verursacht einen Fehler in einem resultierenden Wert des ermittelten Höhen- oder Abfallwinkels γ.
Die wahre Zeitverzögerung t zwischen den Detektionen der divergenten Laserstrahlen b3 und b2 kann aus dem Neigungswinkel μ und der Zeitverzögerung t_S erhalten werden, wobei die Rotationseinheit 105 unter dem Winkel μ geneigt ist, indem die Gleichung (9) wie folgt angewendet wird:
wobei L_b = CG ist. Auch die tatsächliche Zeitverzögerung t0 zwischen den Detektionen der divergenten Laserstrahlen b3 und b1 kann aus dem Neigungswinkel μ und der Zeitverzögerung t_0S erhalten werden, wobei die Rotationseinheit unter einem Winkel μ geneigt ist, indem die Gleichung (10) wie folgt angewendet wird:
Der Abweichungswinkel oder der Neigungswinkel μ, der von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 bestimmt wird, wird von der Rotationslaservorrichtung 151 an den Lichtsensor 154 übertragen, und die arithmetischen Operationen, basierend auf den Gleichungen (9) und (10), durch die Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 154 ermöglichen es, die Zeitverzögerung t_S und t_0S zwischen den Detektionen der divergenten Laserstrahlen zu korrigieren.
(1.3) Arbeitsweise des Positionsbestimmungssystems
Ein erstes Ausführungsbeispiel des Positionsbestimmungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das mit der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 109 ausgerüstet ist, kann für die Bestimmung einer Position des Lichtsensors 154 relativ zu den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 und zum Erzeu gen einer Ebene oder einer kurvenförmigen Ebene in dem Lichtsensor 154 vorgegeben oder eingegeben wird.
(1.3.1) Setzen der Ebene durch das System zur Positionsbestimmung
18 ist ein Flussdiagramm, welches eine schrittweise Bedienungsprozedur zur Erzeugung einer Phantomebene, beispielsweise eine geeignete Ebene, mit Hilfe des Systems zur Positionsbestimmung zeigt. 19 ist ein Diagramm, das die Positionsrelation zwischen der horizontalen Ebene, der erwünschten geneigten Ebene und den Koordinatenachsen zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Fall erläutert, wo eine geneigte Ebene (doppelachsig geneigte Ebene) erzeugt wird, die den Referenzpunkt oder den Punkt C kreuzt, die X-Achse unter einem Winkel α trifft und die Y-Achse unter einem Winkel β trifft. Die geneigte Ebene ist, wenn sie in Relation zu einem beliebigen Punkt entlang einem Schnitt CD gemessen wird, in ihrer Neigung (Kippung) maximiert, und ein Neigungswinkel ist mit γ bezeichnet.
In dem Schritt F1 wird zuerst die Rotationslaservorrichtung 151 so positioniert, dass die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 um eine vertikale Achse rotieren, die durch den Punkt C verläuft. Sodann wird die Rotationslaservorrichtung 152 auf der X-Achse unter einem Abstand L von dem Punkt C weg angeordnet. Vorzugsweise ist eine Toleranz des Abstandes L kleiner als 1 mm. Eine Richtung der X-Achse wird beliebig festgelegt, so dass sie mit einer Referenzorientierung einer gewünschten Ebene zusammenfällt, die erzeugt werden soll.
Sodann werden in dem Schritt F2 die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 so angeordnet, dass ihre jeweiligen Referenzorientierungen mit einer Referenzorientierung der gewünschten, geneigten Ebene (d.h. der Richtung der X-Achse in diesem Fall) zusammenfallen. Die Referenzorientierungen der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 sind Richtungen, in denen der Codierer 117, der in jeder der Rotationslaservorrichtungen eingebaut ist, einen divergenten Strahl unter einem Winkel 0° emittiert. Solch eine Positionierung kann mit Hilfe von jedem an sich bekannten, geeigneten Gerät, einschließlich einem Kollimatorteleskop, ausgeführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel erzeugt der Codierer 117, der an der Rotationslaservorrichtung 151 befestigt ist, während er den divergenten Laserstrahl b2 zu der Rotationslaservorrichtung 152 hin emittiert, eine Leistung von Null und misst einen Winkel mit einer Normierung, bei der die Gegenuhrzeigerrichtung eine positive Richtung ist; inzwischen erzeugt der Codierer 117, der an der Rotationslaservorrichtung 152 befestigt ist, während er den divergenten Laserstrahl b2 zu der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert, eine Leistung von Null und misst einen Winkel mit einer Normierung, bei der eine Uhrzeigerrichtung eine positive Richtung ist.
In dem Schritt F3 werden auf den Eingabetasten 162 des Lichtsensors 154 der gewünschte Neigungswinkel α bei einer Referenzorientierung der gewünschten, geneigten Ebene (d.h. in der Richtung der X-Achse) und der gewünschte Neigungswinkel β senkrecht zu der Referenzorientierung (d.h. in der Richtung der Y-Achse) eingegeben. Die eingegebenen Werte werden in einem Speicher 165 in dem Lichtsensor 154 gespeichert. Der Lichtsensor 154 kann so konfiguriert sein, dass die Neigungswinkel α und β in wahlweisen Einheiten, beispielsweise Radian (Rad), Grad (Grad), Gradienten (%) und dergleichen, eingegeben werden können. Der Referenzpunkt C und die Eingabewerte der zwei Neigungswinkel α und β sind ausreichend, um die geneigte Ebene vollständig zu definieren, die erzeugt werden soll. Im allgemeinen variiert der Neigungswinkel der geneigten Ebene in Abhängigkeit davon, in welcher Richtung von dem Bezugspunkt C aus eine Messung des Neigungswinkels durchgeführt wird. Wenn der Neigungswinkel in einer beliebigen Richtung (d.h. in einer Richtung, die durch die X-Achse und einen Winkel ϕ definiert ist), gemessen wird, kann ein Neigungswinkel γ₀ (Höhenwinkel oder Absenkungswinkel) aus einer Gleichung (7) wie folgt erhalten werden: γ0 = tan–1(tanλcos(ϕ – ε)) (11)wobei
befriedigt ist, und
wobei α > 0 und β ≥ 0, ε = tan^–1(β/α);
wobei α = 0 und β > 0, ε = π/2;
wobei α < 0 und β ≥ 0, ε = tan^–1(β/α) + π;
wobei α < 0 und β ≤ 0, ε = –tan^–1(β/α) – π;
wobei α = 0 und β < 0, ε = –π/2, und
wobei α > 0 und β ≤ 0, ε = tan^–1(β/α).
Der Abstand L zwischen den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152, der festgestellt worden ist, wird an den Eingabetasten 162 eingegeben und in dem Speicher 165 gespeichert.
Bei dem Schritt F4 empfängt die Lichtempfangseinheit 155 des Lichtsensors 154 den Laserstrahl S, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird. Die Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 154 benutzt ein optisches Signal, das in dem empfangenen Laserstrahl enthalten ist, um die Rotationswinkelposition ζ zu berechnen, die darstellt, wo der Lichtsensor 154 gegenwärtig relativ zu dem Bezugspunkt C angeordnet ist. Ferner empfängt der Abweichungssignalempfänger 170 des Lichtsensors 154 ein Sognal, das einen Abweichungswinkel trägt, der von Sender 123 der Rotationslaservorrichtung 151 übertragen wird, und danach wird die Rotationswinkelposition ζ durch Anwendung der Gleichung (7) korrigiert. Ferner wird eine ähnliche arithmetische Operation mit dem Laserstrahl S durchgeführt, der von der Rotationslaservorrichtung 152 emittiert wird, um die Rotationswinkelposition ξ zu erhalten. Die zwei Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 sind miteinander synchronisiert, so dass die Laserstrahlen S jeweils mit der identischen Drehzahl rotieren können, und sie können die Laserstrahlen S respektive in Richtungen parallel zueinander emittieren können. Auf diese Weise Trefffen die Laserstrahlen S, die respektive von den Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 emittiert werden, gleichzeitig auf den Lichtsensor 154 auf. Wie oben erwähnt wurde, emittieren die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 die Laserstrahlen S der Lichtsensor 154 mit voneinander unterschiedlichen Modulationen und dies ermöglicht es dem Lichtsensor 154, die zwei Laserstrahlen S leicht voneinander zu unterscheiden.
Die Operationseinheit 166 benutzt die als Resultat erhaltenen Rotationswinkelpositionen ζ und ξ und den Abstand L zwischen zwei der Rotationslaservorrichtungen und wendet die Gleichung (4) an, um den Abstand m zwischen der Rotationslaservorrichtung 151 und dem Lichtsensor 154 und den Abstand n zwischen der Rotationslaservorrichtung 152 und dem Lichtsensor 154 zu erhalten. Danach benutzt die Operationseinheit 166 die Gleichung (4), um die X- und Y-Koordinaten des Lichtsensors 154 in Bezug auf den Ursprung des Punktes C zu erhalten.
Die Operationseinheit 166 des Lichtsensors 154 berechnet arithmetisch den Neigungswinkel γ₀ der geneigten Ebene, der in einer Richtung gemessen wird, die mit der gemessenen Rotationswinkelposition zusammenfällt. Wenn der Lichtsensor 154 in einem Punkt A angeordnet ist, der in einer Rotationswinkelposition liegt, die entlang einer Verlängerung von dem Referenzpunkt C unter einem Winkel ϕ definiert ist (d.h. der Punkt A liegt in der horizontalen Ebene), ist der Neigungswinkel γ₀ der geneigten Ebene, der in der durch den Winkel ϕ definierten Richtung gemessen wird, gleich einem Winkel ∠BCA, unter dem eine gerade Linie, die sowohl einen Punkt B in der geneigten Ebene vertikal oberhalb des Punktes A und den Punkt C schneidet, die horizontale Ebene trifft, und der Neigungswinkel γ₀ kann arithmetisch aus der Gleichung (3) berechnet werden. Die Operationseinheit 166 benutzt den Neigungswinkel γ₀ und den Abstand m und wendet ferner die Gleichung (6) an, um einen Abstand zwischen dem Punkt A und dem Punkt B, nämlich die Z-Koordinate z₀, zu erhalten.
Bei dem Schritt F5 nutzt die Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 154 die Verzögerungen t und t₀ zwischen den Detektionen von zwei aus den drei divergenten Strahlen b1, b2 und b3, die von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert werden, und wendet ferner die Gleichung (2) an, um arithmetisch den Höhenwinkel oder Absenkungswinkel γ in der Position zu berechnen, wo der Lichtsensor 154 augenblicklich liegt und um den resultierenden Wert in der Anzeige 157 anzuzeigen. Ferner wird die Z-Koordinate z des Lichtsensors 154 auf der Basis der Gleichung (6) mit dem Höhenwinkel oder Absenkungswinkel γ und dem Abstand m berechnet, um den resultierenden Wert in der Anzeige 157 anzuzeigen. Die Rotationswinkelposition ζ des Lichtsensors 154 wird ebenfalls in der Anzeige 157 angezeigt. Sodann werden der Höhenwinkel oder der Absenkungswinkel, der durch zu bezeichnet ist, und der Neigungswinkel, der durch z₀ bezeichnet ist, miteinander verglichen, um eine Differenz Δz zwischen ihnen zu erhalten.
An dem Schritt F6 bestimmt der Lichtsensor 154 aus Δz, das im Schritt F5 erhalten wurde, wie der Lichtsensor 154 nach oben oder nach unten verschoben werden muss, so dass er nahe an die gewünschte, geneigte Ebene herankommen kann, und das Bestimmungsresultat wird in der Anzeige 157 angezeigt. Ein Bedienungsmann verändert die Lage des Lichtsensors 154 nach oben oder nach unten in Abhängigkeit von der Aussage in der Anzeige 157. Die Lageänderung des Lichtsensors 154 kann an dem Zeiger 163 und der Skalastange 159 abgelesen werden, die in dem Lichtsensor vorgesehen sind. Die Lageänderung kann stattdessen von dem Skalenleser 137 ausgelesen werden, und der ausgelesene Wert kann an die Operationseinheit 166 gesendet werden.
Die schrittweise Prozedur von dem Schritt F4 zu dem Schritt F6 wird automatisch wiederholt, bis der Lichtsensor 154 in der gewünschten, geneigten Ebene, die erzeugt werden soll, angeordnet ist. Vorzugsweise kann der Lichtsensor 154 seinen Summer 161 summen lassen, wenn er sich in der gewünschten, geneigten Ebene befindet.
Wenn erwünscht, kann es auch bevorzugt sein, dass die geneigte Ebene automatisch so bestimmt werden, dass eine gerade Linie, die den Referenzpunkt C und den Lichtsensor 154 schneidet, der an einer beliebigen Stelle liegt und in einem maximierten Gradienten geneigt ist. Speziell wird die Rotationslaservorrichtung 151 wie in 19 in dem Referenzpunkt C angeordnet, während die Rotationslaservorrichtung 152 unter einem Abstand L von der Rotationslaservorrichtung 151 weg positioniert ist. Sodann wird der Lichtsensor 154 in einem beliebigen Punkt D angeordnet. Danach werden die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 betätigt, um die X-Y-Z-Koordinaten an dem Punkt D zu bestimmen. Die Operationseinheit 166 in dem Lichtsensor 154 berechnet den Neigungswinkel α in einer Richtung (d.h. der X-Achsenrichtung), entlang der beide Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 in einer geraden Linie liegen, die eine Neigungsebene mit einem maximierten Neigungswinkel, die durch einen Schnitt CD definiert ist, definiert, und sie berechnet auch den Neigungswinkel γ in einer Richtung der Y-Achse senkrecht zu der X-Achse. Die resultierenden Neigungswinkel α und β werden auf der Anzeige 157 des Lichtsensors 154 angezeigt, und auf diese Weise ist die Neigungsebene, die durch die Neigungswinkel α und β definiert ist, bestimmt. In dieser Weise kann die auf diese Weise bestimmte, geneigte Ebene in einer beliebigen Position erzeugt werden. Alternativ kann es auch bevorzugt sein, dass der Summer summt, wenn der Lichtsensor 154 in der geneigten Ebene angeordnet ist.
Weiterhin können alternativ drei beliebige Punkte, wenn erwünscht, spezifiziert werden, so dass eine geneigte Ebene bestimmt werden kann, die alle drei Punkte zu einem Zeitpunkt zusammen mit dem Lichtsensor 154 schneidet.
Obwohl ein Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der Bestimmung einer geneigten Ebene beschrieben worden ist, kann das System zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung so angepasst werden, dass eine Fläche einer beliebigen Form, beispielsweise eine Kurvenfläche, bestimmt wird. In solch einem Fall kann der Lichtsensor so konfiguriert sein, dass die Z-Koordinate darauf in Relation zu der X-Y-Koordinate der Fläche durch Tasten eingegeben wird, die erzeugt werden soll. Eine Differenz wird arithmetisch zwischen einer Höhe der gewünschten Fläche und einer Höhe, an der der Lichtsensor liegt, berechnet, um eine Anzeige zu ergeben, um den Bedienungsmann so zu führen, dass er den Lichtsensor in die gewünschte Fläche einstellt, die erzeugt werden soll, ähnlich wie bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel.
(1.3.2) Positionsmessung durch das System für die Positionsbestimmung
Die oben erwähnte Arbeitsweise nutzt eine Art und Weise aus, bei der der Bedienungsmann eine geneigte Fläche nach Wunsch bestimmt und dann das System zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung benutzt, um die geneigte Fläche zu erzeugen. Im Gegensatz dazu benutzt eine alternative Vorgehensweise, die im folgenden beschrieben wird, eine Art und Weise, bei der das System zur Positionsbestimmung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Koordinaten an einem beliebigen Punkt zu bestimmen, an dem der Lichtsensor 154 angeordnet ist. So wird die Rotationslaservorrichtung 151 in dem Referenzpunkt C angeordnet, die Rotationslaservorrichtung 152 wird unter einem Abstand L von der Rotationslaservorrichtung 151 weg angeordnet, und der Lichtsensor 154 wird in einem Punkt angeordnet, dessen Koordinaten ermittelt werden sollen. Danach werden die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 betätigt, um die divergenten Laserstrahlen b1, b2 und b3 zu emittieren. Auf der Basis der divergenten Strahlen, die auf den Lichtsensor 154 auftreffen, bestimmt der Lichtsensor 154 die dreidimensionalen Koordinaten an einem Punkt, wo er liegt, um die Koordinaten daraufhin anzuzeigen. Die Prozeduren, beispielsweise die Berechnung der dreidimensionalen Koordinaten der Position, wo der Lichtsensor 154 liegt, sind völlig die gleichen wie die bei dem oben erwähnten Fall der Positionsbestimmung. Obwohl das oben erwähnte Ausführungsbeispiel den Ursprung der dreidimensionalen Koordinaten als Rotationszentrum der Rotationslaservorrichtung 151 oder den Punkt C definiert, kann es ebenfalls bevorzugt sein, dass ein beliebiger Punkt der Ursprung sein kann, um die Koordinaten an der Position zu finden, wo der Lichtsensor 154 ist. Beispielsweise wird zu Beginn der Messung der Lichtsensor 154 in einer gewünschten Position angeordnet, um die dreidimensionalen Koordinaten davon zu bestimmen. Bei einer nachfolgenden Messung kann der Lichtsensor 154 konfiguriert sein, um die Koordinaten mit der Position anzuzeigen, wo der Lichtsensor 154 als erstes positioniert worden ist und die als Ursprung definiert ist.
In dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel kann eine Vielzahl von Lichtsensoren 154 mit jeder der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 kombiniert werden, um jeden der Lichtsensoren 154 unabhängig zu benutzen. Wenn die Beispiele aus dem Stand der Technik verwendet werden, sind ferner zwei der Systeme zur Bestimmung der geneigten Ebene erforderlich, um zwei geneigte Ebenen zu erzeugen, die sich voneinander unterscheiden, und die Laserstrahlen, die von den Rotationslaservorrichtungen in jedem System emittiert werden, interferieren miteinander, so dass ein Fehlfunktionsproblem verursacht wird. Andererseits kann in den Ausführungsbeispielen des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig eine Vielzahl von Lichtquellen 154 in Relation zu jedem einzigen Paar von Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 verwendet werden, und zusätz lich können unterschiedliche, geneigte Ebenen von einem Lichtsensor zu dem anderen erzeugt werden und/oder variierende, dreidimensionale Koordinaten können von einem Lichtsensor 154 zu dem anderen gemessen werden.
Auf diese Weise kann beispielsweise, wenn der Lichtsensor 154 an einem Baugerät zum Zwecke der Landgestaltung befestigt ist, eine Vielzahl von Baumaschinen gleichzeitig in Benutzung sein, in Relation mit einem einzigen Paar von Rotationslaservorrichtungen 151 und 152, und Landparteien mit unterschiedlichen Neigungsebenen können entsprechend durch verschiedene Baumaschinen ausnivelliert werden. Wenn die gewünschte Neigungsebene von einem zu dem anderen variiert wird, können die Einstellungen zu den Neigungsebenen in jedem der Lichtsensoren geändert werden, und folglich müssen die Rotationslaservorrichtungen in Relation mit dem Sensor nicht unterbrochen werden, was andererseits die Notwendigkeit eliminiert, die aktivierten Lichtsensoren zu unterbrechen, an denen keine Änderungen der Einstellungen durchgeführt werden müssen.
(1.3.3) Alternative Betriebsweise des Systems zur Positionsbestimmung
Eine alternative Betriebsweise des Systems zur Positionsbestimmung wird nun beschrieben. Im folgenden wird eine zur Verfügung stehende, ersatzweise Prozedur zu dem Schritt F2 in 18 angegeben, nämlich eine Prozedur, um die Referenzorientierungen der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 auf die Referenzorientierung der geneigten Ebene miteinander in Übereinstimmung zu bringen.
Wie in 20 gezeigt ist, sind ein Laserempfangsmittel 153a und ein Reflexionsmittel 153b in jeder der Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 enthalten. Der divergente Laserstrahl, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird, wird von dem Refexionsmittel 153b in der Rotationslaservorrichtung 152 reflektiert, und der Codierer 117 misst eine Rotationswinkelposition der Rotationslaservorrichtung 151 zu einem Zeitpunkt, wenn der reflektierte Strahl von dem Reflexionsmittel auf das Lichtempfangsmittel 153a in der Rotationslaservorrichtung 151 auftrifft. Durch Umsetzung der Daten über die Rotationswinkelposition, die auf diese Weise erhalten wurden, so dass die Rotationswinkelposition ζ = 0 befriedigt, kann die Rotationswinkelposition unter einer Bedingung erhalten werden, wobei die Referenzorientierung der geneigten Ebene gleich Null ist. Eine ähnliche Prozedur wird wie bei der Rotationslaservorrichtung 152 durchgeführt, und folglich kann die gewünschte Rotationswinkelposition unter einer Bedingung gefunden werden, wobei die Referenzorientierung gleich Null ist.
Vorzugsweise ist das Reflexionsmittel 153b, das in jeder der Rotationslaservorrichtungen enthalten ist, so konfiguriert wie in einem Modul von 20, wo ein Band, das aus Mikroprismen besteht, die in Form von Würfelecken in einer Linie angeordnet sind, entlang einem Umfang konzentrisch mit der Rotationslaservorrichtung befestigt ist. Der divergente Laserstrahl, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird, wird von dem Reflexionsmittel 153b, das an der Rotationslaservorrichtung 152 befestigt ist, reflektiert, und der reflektierte Strahl wird von dem Laserempfangsmittel 153a empfangen, das in der Rotationslaservorrichtung 151 enthalten ist. Zu diesem Zeitpunkt variiert die Intensität des Lichts, das auf das Lichtempfangsmittel 153a auftrifft, in Abhängigkeit von der Rotationswinkelposition, unter der der divergente Strahl emittiert wird, wie in 21 zu sehen ist. Es wird angenommen, dass die Rotationslaservorrichtung 152 in einer Rotationswinkelposition angeordnet ist, wo die Intensität des Lichts, das auf das Lichtempfangsmittel 153a in der Rotationslaservorrichtung 151 auftrifft, maximiert ist. Die Rotationslaservorrichtung 151 ist geeignet, ein Signal zu erzeugen, das die Rotationswinkelposition, die ζ = 0 befriedigt, trägt, bei der die Intensität des auf das Lichtempfangsmittel 153a auftreffende Licht maximiert ist. Alternativ kann ein Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) anderweitig in der Rotationslaservorrichtung 151 enthalten sein, und, wenn die Intensität des auf das Lichtempfangsmittel 153a auftreffenden Lichts den maximalen Wert erreicht, emittiert das Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) einen Strahl. Der Strahl, der von dem Lichtemissionsmittel emittiert wird, wird an dem Lichtsensor empfangen, und der Lichtsensor detektier die Rotationswinkelposition, die ζ = 0 befriedigt. Eine ähnliche Prozedur wird wie bei der Rotationslaservorrichtung 152 durchgeführt, um die Rotationswinkelposition zu bestimmen, die ξ = 0 befriedigt.
In einer anderen Ausführungsform des Schritts F2 werden die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 mit einem Entfernungsintervall L zwischen ihnen beliebig orientiert. Dann wird der Lichtsensor 154 in derselben Position wie die Rotationslaservorrichtung 152 angeordnet, und der Lichtsensor 154 empfängt den Laserstrahl S von der Rotationslaservorrichtung 151. Die Rotationswinkelposition, die von der Lichterfassung bestimmt wird, kann als Versatzmittel benutzt und von der gemessenen Rotationswinkelposition subtrahiert werden, um die Rotationswinkelposition zu finden, bei der eine Richtung einer Referenzlinie, die die Rotationslaservorrichtungen 151 und 152 verbindet, durch ζ = 0 definiert ist. Auf ähnliche Weise wird der Lichtsensor 154 in einer Position angeordnet, wo die Rotationslaservorrichtung 151 liegt, um den Laserstrahl S von der Rotationslaservorrichtung 152 zu empfangen, und auf diese Weise wird ein Versatzwinkel bestimmt. Der Versatzwinkel wird von der bestimmten Rotationswinkelpo sition subtrahiert, um die Rotationswinkelposition zu finden, bei der die Richtung der Referenzlinie durch ξ = 0 definiert ist.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist jede Rotationslaservorrichtung 151 und 152 mit einem Lichtempfangsmittel und einem Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) versehen. Wenn das Lichtempfangsmittel in der Rotationslaservorrichtung 152 den divergenten Laserstrahl empfängt, der von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird, emittiert das Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) in der Rotationslaservorrichtung 152 nicht von seinem gesamten Umfang aus. Der Lichtsensor 154 speichert Daten über die Rotationswinkelposition, die von der Rotationslaservorrichtung 151 zu dem Zeitpunkt des Empfangs eines Strahls übertragen werden. Sodann speichert der Lichtsensor 154 Daten über die Rotationswinkelposition, die von der Rotationslaservorrichtung 151 zum Zeitpunkt des Empfangs des divergenten Laserstrahls von der Rotationslaservorrichtung 151 übertragen wird. Durch Subtraktion der Daten über das Rotationswinkelsignal beim Empfang des Lichts von dem Lichtemissionsmittel (nicht gezeigt) in der Rotationslaservorrichtung 152 von den Daten über die Rotationswinkelposition beim Empfang des divergenten Laserstrahls kann die Rotationswinkelposition erhalten werden, an der die Richtung der Referenzlinie durch ζ = 0 definiert ist. Auf ähnliche Weise kann durch funktionelles Ersetzen der Rotationslaservorrichtung 151 durch die Vorrichtung 152 und umgekehrt die Rotationswinkelposition erhalten werden, an der die Richtung der Referenzlinie durch ξ = 0 definiert ist.
(2) Andere Ausführungsbeispiele
Obwohl das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, können die Rotationslaservorrichtungen und der Lichtsensor, die in dem System zur Positionsbestimmung enthalten sind, auch so implementiert werden, wie im folgenden beschrieben ist. Entsprechende Komponenten zu denen des ersten Ausführungsbeispiels sind durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet, bei denen nur zwei Ziffernordnungen verändert sind, und Details von ähnlichen Komponenten zu denen des ersten Ausführungsbeispiels werden weggelassen.
(2.1) Alternative Ausführungsbeispiele der Rotationslaservorrichtung
(2.1.1) Rotationslaservorrichtung mit einem Brechungsgitter, das unter dem Pentaprisma positioniert ist
Wie in 22 gezeigt ist, kann ein Brechungsgitter 234 eines Laserprojektors 203, der in der Rotationslaservorrichtung enthalten ist, in einem unteren Teil eines Pentaprismas 209 positioniert werden. Zur Vereinfachung der Darstellung in der Zeichnung wird die Optik, die den Laserstrahl S emittiert, der die Rotationswinkelposition trägt, in 22 weggelassen.
(2.1.2) Rotationslaservorrichtung, die divergente Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Polarisationen emittiert
Unter Bezugnahme auf 23 wird der Laserprojektor, der divergente Laserstrahlen mit voneinander variierenden Polarisationen emittiert, nun beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel des Systems zur Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung ist geeignet, einen Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ durch Anwendung der Gleichung (2) in Relation mit der Zeitverzögerung t zwischen Empfangsereignissen der divergenten Laserstrahlen zu finden, die auf den Lichtsensor einfallen. Wie in 24(a) zu sehen ist, ist es, wenn die Zeitverzögerung zwischen Empfangsereignissen der divergenten Laserstrahlen, die auf den Lichtsensor einfallen, relativ lang ist, möglich, die Zeitverzögerung t genau zu erhalten. Wenn die Zeitverzögerung t kleiner wird, wie in den 24(b) und 24(c) gezeigt ist, ist es jedoch schwierig, zwei der einfallenden divergenten Laserstrahlen voneinander zu unterscheiden, und entsprechend wird es schwierig, die Zeitverzögerung t zwischen Empfangsereignissen der beiden divergenten Laserstrahlen zu bestimmen. Somit werden die divergenten Laserstrahlen in unterschiedliche Bahnen voneinander abgelenkt, so dass die divergenten Laserstrahlen leicht voneinander unterschieden werden können.
23 zeigt eine Optik eines Laserprojektors 303, der drei divergente Laserstrahlen b31, b32 und b33 mit zueinander variierenden Polarisationen emittiert. Typischerweise sind die Richtungen der Laserstrahlen, die optische Komponenten in der Zeichnung durchlaufen, durch ausgezogene Pfeile bezeichnet, während Ablenkungsrichtungen der Laserstrahlen durch unterbrochene Pfeile bezeichnet sind.
Wenn eine Laserdiode für den Laserstrahlprojektor 332 verwendet wird, der in dem Laserprojektor 303 enthalten ist, nimmt der resultierende Laserstrahl eine lineare Polarisation an. Im folgenden wird angenommen, dass der Laserstrahl in einer X-Richtung abgelenkt wird, dass der Laserstrahl in einer Z-Richtung emittiert wird, und dass eine Richtung senkrecht zu der X-Z-Ebene einer Y-Richtung ist. Der von dem Laserstrahlprojektor 332 emittierte Strahl wird durch eine Kollimatorlinse 333 kollimiert und trifft auf eine vierte Wellenplatte 340 auf. Die vierte Wellenplatte 340 ist so orientiert, dass der Laserstrahl, der von dem Laserstrahlprojektor 332 und dann in X-Richtung linear polarisiert wird, in eine zirkulare Polarisation übergeht. Nach Durchtritt durch die Viertel (1/4)-Wellenplatte 340 wird der Laserstrahl durch eine weitere ¼-Wellenplatte 339 erneut übertragen, und dann ist er in einer Richtung linear polarisiert, die eine Achse in der X-Richtung unter einem Winkel von 45°C trifft, wie in 23 gezeigt ist. Da eine Rotationseinheit 305 drehbar gelagert ist, wird eine Relativposition der ¼-Wellenplatte 340 zu der ¼-Wellenplatte 339 variiert. Der Laserstrahl nimmt jedoch nach Durchtritt durch die ¼-Wellenplatte eine zirkulare Polarisation an, und folglich wird eine Ablenkungsrichtung der linearen Polarisation nach erneutem Durchtritt durch die ¼-Wellenplatte 339 nicht durch eine Veränderung in der relativen Position der Wellenplatte beeinflusst, sondern wird die ¼-Wellenplatte 339 bestimmt. Der Laserstrahl tritt durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl hindurch. Der Strahlteiler 341 reflektiert Polarisationskomponenten in der Y-Richtung, während er Polarisationskomponenten in der X-Richtung durchlässt. So werden die Y-Richtungskomponenten des Laserstrahls, die durch die ¼-Wellenplatte 339 in eine Richtung linear polarisiert sind, die eine Achse in der X-Richtung unter einem Winkel von 45° trifft, von dem Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl reflektiert und um 90° abgelenkt. Die X-Richtungskomponenten des Laserstrahls werden durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl durchgelassen.
Der Laserstrahl, der von dem Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl abgelenkt wird, trifft auf die ¼-Wellenplatte 338 erneut auf, um in eine zirkulare Polarisation überzugehen, und er wird dann von einem Zylinderspiegel 336 reflektiert. Der Zylinderspiegel 336 ist so orientiert, dass der Laserstrahl, wenn er von der Rotationseinheit 305 emittiert wird, direkt zu einer horizontalen Ebene wird. Ein Deklinationsprisma 336a ist zwischen der ¼-Wellenplatte 338 und dem Zylinderspiegel 336 angeordnet. Das Deklinationsprisma 336a ist in seiner Mitte zweigeteilt, und es nimmt eine Transmissionsdeklination an, durch die die divergenten Strahlen b31 und b32, wenn sie von der Rotationseinheit 305 emittiert werden, sich unter einem Winkel von 2δ treffen. Da der Laserstrahl, der von dem Zylinderspiegel 336 reflektiert wird, durch das Deklinationsprisma 336a und dann wiederum durch die ¼-Wellenplatte 338 übertragen und dann in der Z-Richtung linear polarisiert wird, kann der Laserstrahl dann durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl überfragen werden und tritt sodann aus der Rotationseinheit 305 aus.
Andererseits trifft der Laserstrahl, der durch den Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl übertragen wird, auf die ¼-Wellenplatte 337 auf, um in eine zirkulare Polarisation überzugehen, und danach wird er von dem Zylinderspiegel 335 reflektiert. Der Zylinderspiegel 335 ist so orientiert, dass der divergente Laserstrahl b32, wenn er aus der Rotationseinheit 305 austritt, die horizontale Ebene unter einem Winkel θ trifft. Da der Laserstrahl, der von dem Zylinderspiegel 335 reflektiert wird, erneut durch die ¼-Wellenplatte 337 übertragen und dann in der Y-Richtung linear polarisiert wird, kann der Laserstrahl dann von dem Strahlteiler 341 für den polarisierten Strahl reflektiert werden, der ihn in dem früheren Stadium durchgelassen hat, und er tritt aus der Rotationseinheit 305 aus.
Wenn die Rotationslaservorrichtung, die die divergenten Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationen voneinander emittiert, verwendet wird, wird eine Optik zu dem Lichtsensor hinzugefügt, um die divergenten Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationen zu trennen. Insbesondere ist der Lichtsensor 154 mit einem Strahlteiler (nicht gezeigt) versehen, der verwendet wird, um die Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationen aufzuteilen. Ein Lichtempfangselement (nicht gezeigt), das den durch den Strahlteiler (nicht gezeigt) übertragenen Laserstrahl empfängt, und ein Lichtempfangselement (nicht gezeigt), das den von dem Strahlteiler (nicht gezeigt) reflektierten Laserstrahl empfängt, sind separat vorgesehen. In solch einer Anordnung werden zwei divergente Laserstrahlen mit voneinander unterschiedlichen Polarisationen selbst dann, wenn sie auf das Lichtempfangselements (nicht gezeigt) einer nach dem anderen unter kurzen Zeitintervallen auftreffen, an separaten Lichtempfangselementen empfangen, und folglich kann die Zeitverzögerung t zwischen Empfangsereignissen der Strahlen genau bestimmt werden.
(2.1.3) Rotationslaservorrichtung, die divergente Laserstrahlen und einen ein Winkelsignal tragenden Laserstrahl in unterschiedlichen Richtungen zueinander emittiert
Die drei divergenten Strahlen und der Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, müssen nicht notwendigerweise in der gleichen Richtung emittiert werden. Insbesondere kann, wie in 25 gezeigt ist, die Rotationslaservorrichtung 451 so angepasst sein, dass sie die divergenten Strahlen b1, b2 und b3 und den Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, in unterschiedlichen Richtungen voneinander emittiert, so dass diese Strahlen nicht miteinander interferieren. In solche einem Fall wird die Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt, wenn der divergente Strahl b2 empfangen wird, und dem Zeitpunkt, wenn der Laserstrahl S empfangen wird, verwendet, um einen Winkel zu berechnen. In dieser Anordnung kann das Laserlicht, das von den divergenten Strahlen b1, b2 und b3 und das von dem Laserstrahl S, der ein Winkelsignal trägt, erzeugt wird, identisch in der Farbe (Wellenlänge) sein, und eine einzige Lichtempfangseinheit, die in dem Lichtsensor vorgesehen ist, kann zwischen der Verwendung für die divergenten Strahlen und der Verwendung zum Empfang eines Winkelsignals im Schering-Verfahren benutzt werden. Zusätzlich ist es erforderlich, dass der ein Winkelsignal tragende Laserstrahl eine winkelmäßige Divergenz hat, die den gesamten Bereich abdecken kann, wo eine Positionsbestimmung unter Verwendung der divergenten Strahlen b1, b2 und b3 durchgeführt werden kann.
(2.1.4) Rotationslaservorrichtung, die zwei divergente Laserstrahlen emittiert
Bezugnahme auf 26 wird nun eine Rotationslaservorrichtung 551 beschrieben, die zwei divergente Laserstrahlen b51 und b52 emittiert. Wie in 26 gezeigt ist, rotiert die Rotationslaservorrichtung 551 um den Punkt C, während sie die divergenten Laserstrahlen b51 und b52 emittiert.
Wie in 27 gezeigt ist, wird der divergente Laserstrahl b51 emittiert, wobei er die horizontale Ebene unter einem Winkel ρ trifft, während der divergente Laserstrahl 5b2 emittiert wird, wobei er die horizontale Ebene unter einem Winkel σ trifft. Es wird zusätzlich angenommen dass eine Kreuzungslinie des divergenten Laserstrahls b51 mit der horizontalen Ebene eine Kreuzungslinie des divergenten Laserstrahls b52 mit der horizontalen Ebene unter einem Winkel ν trifft. Da beide divergenten Laserstrahlen b51 und b52 rotieren, wobei die oben genannten Bedingungen respektive beibehalten werden, laufen die divergenten Laserstrahlen b51 und b52 an dem Lichtsensor einer nach dem anderen mit einer Zeitdifferenz vorbei. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Zeitdifferenz genutzt, um die Höhe zu bestimmen, um die der Lichtsensor von der horizontalen Ebene nach oben oder nach unten versetzt ist.
Bezugnehmend nun auf die 28 wird ein Prinzip der Messung der eines Höhenwinkels oder Abfallwinkels γ in Relation zu diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie oben erwähnt wurde, treten die divergenten Laserstrahlen b51 und b52 durch eine Lichtempfangseinheit in dem Lichtsensor 154 einer nach dem anderen mit einer Zeitverzögerung hindurch. Wenn die Lichtempfangseinheit des Lichtsensors 154 in einer Position A in der horizontalen Ebene liegt, detektiert der Lichtsensor 154 den Laserstrahl, wie in 28(a) gezeigt ist. Wenn die Lichtempfangseinheit in einer Position B vertikal oberhalb der Position A liegt, ist der detektierte, divergente Strahl so wie in 28(b) gezeigt ist. Wie in 28(a) zu erkennen ist, kann unter der Annahme, dass die Zeitverzögerung zwischen den Detektionen von zwei der divergenten Strahlen t_a ist, wenn die Lichtempfangseinheit in der Position A liegt, und dass ein Rotationszyklus der Rotationslaservorrichtung 551 gleich T ist, die Zeitverzögerung zwischen den Detektionen von zwei der Laserstrahlen wie in der folgenden Gleichung (12) ausgedrückt werden:
Eine Zeitverzögerung t_a zwischen den Detektionen des Strahls, wenn die Lichtempfangseinheit an einem beliebigen Niveau B liegt, ist mit der Proportion des Winkels, der beide die Position B der Lichtempfangseinheit und den Emissionspunkt C des divergenten Laserlichts kreuzt und eine horizontalen Ebene bildet, nämlich mit einem Höhenwinkel oder Abfallwinkel ∠BCA = γ, und folglich wird die Zeitverzögerung t_b zwischen Detektionen der Strahlen größer, da ein Wert von γ größer ist. Folglich können zur Bestimmung der Zeitverzögerung t_b in Relation zu der Position B, die folgenden Gleichungen (13) und (14) Anwendung finden, um den Winkel γ zu finden:
Eine arithmetische Operation, bei der die Zeitverzögerung t_b zwischen Durchgängen der beiden divergenten Laserstrahlen b51 und b52 durch die Lichtempfangseinheit des Lasersensors 154 und der Rotationszyklus T der Rotationslaservorrichtung 551 verwendet werden, um den Winkel γ zu erhalten, wird durch eine Lichtempfangs-Bestimmungseinheit 166 durchgeführt, die in den Lichtsensor 154 eingebaut ist, und der Winkel γ kann in solch einer Weise erhalten werden, wie in der Anzeige 157 angezeigt wird. Der resultierende Winkel γ wird für einen Term in der Gleichung (6) substituiert, um die Z-Koordinate des Lichtsensors 154 zu erhalten. Die Bestimmungen der X-Koordinate und der Y-Koordinate sind die gleichen wie in dem Messprinzip, das im Zusammenhang mit dem ersten Ausfüh rungsbeispiel, das oben erwähnt wurde, beschrieben wurde. Ein gewünschter Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ₀ wird in den Lichtsensor vorher eingegeben, und eine Zeitverzögerung t_b – t_a zwischen den Empfangsereignissen der Strahlen, die dem Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ₀ entspricht, wird erhalten. Der Lichtsensor ist so konfiguriert, dass er die Empfangsereignisse des Lichts anzeigt, wenn die divergenten Laserstrahlen einer nach dem anderen mit einer Zeitverzögerung t_b – t_a auftreffen, und er ermöglicht die Ausbildung einer konischen Referenzfläche. Wenn der Lichtsensor geeignet ist, die Empfangsereignisse der Strahlen mit einer Zeitverzögerung t_a anzuzeigen, ist es auch möglich, eine horizontale Fläche zu erzeugen.
Da die Gleichungen (12) bis (14) den Term für den Rotationszyklus T der Rotationslaservorrichtung enthalten, kann jegliche Unregelmäßigkeit in der Rotation der divergenten Laserstrahlen eine Messgenauigkeit für den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ beeinflussen. Normalerweise wird in diesen Ausführungsbeispielen ein Motor mit hoher Rotationsgenauigkeit verwendet, um die divergenten Laserstrahlen in Rotation zu versetzen, wobei jedoch, da die Gleichung (2) den Term für den Rotationszyklus T nicht enthält, die Messgenauigkeit nicht verschlechtert würde, außer wenn die Rotationen der divergenten Laserstrahlen während einer kurzen Zeitdauer von dem Empfang des divergenten Strahls b1 bis zu dem Empfang des divergenten Strahls b3 ungleichmäßig wären. Daher ist ein Beispielmodell, wo die divergenten Strahlen dreimal während einer einzigen Umdrehung der Rotationslaservorrichtung detektiert werden, weniger durch einen durch ungleichmäßige Rotationen verursachten Fehler beeinflusst als bei einem anderen Beispielmodell, wo der divergente Strahl zweimal während derselben Zeitdauer detektiert wird.
(2.1.5) Rotationslaservorrichtung, die divergente Laserstrahlen unterschiedlicher Formate emittieren
Die oben erwähnten Ausführungsbeispiele umfassen einen Typ von Rotationslaservorrichtung, der drei divergente Laserstrahlen b1, b2 und b3 emittiert, die im allgemeinen in einer N-Form wie in 3 angeordnet sind, und einen anderen Typ von Rotationslaservorrichtungen, die zwei divergente Laserstrahlen b51 und b52 emittiert, die im allgemeinen in einer V-Form angeordnet sind, wie in 27 gezeigt ist, und bei der die Anordnung der Laserstrahlen und die Anzahl von ihnen nach Wunsch verändert werden kann. Andere Beispiele der Anordnung der divergenten Laserstrahlen sind in den 29(a) bis 29(r) gezeigt. Alle divergenten Laserstrahlen können leicht implementiert werden, indem das Brechungsgitter 134 in 5 geeigneterweise verändert wird.
Wie bei den divergenten Laserstrahlen, wie sie in den 29(a) bis 29(f) gezeigt sind, wird der divergente Laserstrahl zweimal während einer Zeitdauer detektiert, während der die Rotationslaservorrichtung eine einzige Umdrehung macht. Somit können für die Gleichungen (12) bis (14) andere modifizierte Formeln verwendet werden, um den Höhenwinkel oder Abfallwinkel γ zu erhalten.
Wie bei den divergenten Laserstrahlen, die in den 29(g) bis 29(p) gezeigt sind, detektiert die Lichtempfangseinheit 156 in dem Lichtsensor 154 den divergenten Laserstrahl dreimal während einer Zeitdauer, während der die Rotationslaservorrichtung eine einzige Umdrehung macht. Somit kann das Messprinzip, das im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, verwendet werden, um den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ zu berechnen.
Bei den divergenten Laserstrahlen, die in den 29(q) und 29(r) gezeigt sind, wird der divergente Laserstrahl viermal während einer Zeitdauer detektiert, während die Rotationslaservorrichtung 151 eine einzige Umdrehung macht. Folglich können durch Auswahl von drei aus vier Detektionsresultaten der divergenten Strahlen und Ausführen einer Berechnung in Relation mit dem ausgewählten Strahlen vier Arten arithmetischer Operationen für den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ ausgeführt werden. Diese Resultate für den Höhenwinkel oder den Abfallwinkel γ können gemittelt werden, um die Messgenauigkeit für den Winkel γ zu verbessern. Zusätzlich ist die Zahl der divergenten Laserstrahlen erhöht, um eine erhöhte Anzahl von Datensätzen zu erhalten, die einer Mittelwertbildung zum Zwecke der Verbesserung der Messgenauigkeit unterworfen werden.
Die divergenten Laserstrahlen, die in den 29(c), 29(d), 29(j) und 29(k) gezeigt sind, umfassen divergente Laserstrahlen, die eine moderate Neigung nahe bei der horizontalen Ebene und eine plötzliche, steile Neigung weg von der horizontalen Ebene haben, und folglich wird eine Rate, mit der sich der Höhenwinkel oder der Abfallwinkel γ in Bezug auf eine Änderung in der Zeitverzögerung zwischen den Empfangsereignissen der Strahlen ändert, von einer Zone nahe bei der horizontalen Ebene zu einer Zone abseits von der horizontalen Ebene verändert. Dies ermöglicht eine verbesserte Empfindlichkeit in der Messung des Höhenwinkels oder Abfallwinkels γ nahe bei der horizontalen Ebene.
Hier wird auf ein Vorgehensmuster, bei dem divergente Laserstrahl n mal während einer Zeitperiode detektiert wird, während der die Rotationslaservorrichtung eine einzige Umdrehung macht, Bezug ge nommen als "im wesentlichen n divergente Laserstrahlen".
(2.1.6) Rotationslaservorrichtung, die mit Radiowellen zur Übertragung der Rotationswinkelpositionen verwendet wird.
Ein anderes Ausführungsbeispiel des Prinzips zur Messung der Rotationswinkelpositionen ζ und ξ wird nun beschrieben. In dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl S verwendet, um die Information über die Rotationswinkelposition ζ von der Rotationslaservorrichtung 151 zu dem Lichtsensor 154 zu übertragen, und stattdessen kann der Laserstrahl dort durch Radiowellen ersetzt werden, die die Information über die Rotationswinkelposition ζ übertragen. In solch einem Fall kann die Optik, die in dem Projektor 103 der Rotationslaservorrichtung 11 enthalten ist, um den Laserstrahl S zu emittieren, weggelassen werden. Die Optik, die zum Emittieren des Laserstrahls S verwendet wird, wird durch einen Radiowellensender (nicht gezeigt) ersetzt, der in einem Gehäuse 101 der Rotationslaservorrichtung 151 enthalten ist, um die Information über die Rotationswinkelposition ζ an den Lichtsensor 154 zu übertragen. Entsprechend ist der Lichtsensor 154 mit einem Radiowellenempfänger (nicht gezeigt) ausgerüstet, um die Information über die Rotationswinkelposition ζ zu empfangen, die von der Rotationslaservorrichtung 151 übertragen wird. Die Beschreibung der Lichtempfangseinheit 155, die in dem Lichtsensor 154 enthalten ist, um den Laserstrahl S zu empfangen, wird weggelassen. Die Prozedur der Übertragung der Information über die Rotationswinkelposition ζ ist die gleiche wie bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass ein Übertragungsmedium von einem Laserstrahl zu Radiowellen gewechselt wird.
(2.1.7) Rotationslaservorrichtung, wo ein Laserstrahl zwischen der Verwendung als divergente Laserstrahlen und zur Verwendung als Laserstrahl, der die Rotationswinkelposition trägt, im Sharing-Verfahren verwendet wird.
Jeder der divergenten Laserstrahlen b1, b2 und b3 kann moduliert werden, um die Information über die Rotationswinkelposition darzustellen, so dass der Laserstrahl zwischen einer Verwendung als divergente Laserstrahlen und einer Verwendung als Laserstrahl S, der die Rotationswinkelposition trägt, im Sharing-Verfahren verwendet wird.
(2.1.8) Rotationslaservorrichtungen, die Abweichungswinkel mit Hilfe optischer Kommunikation übertragen
Ein Abweichungswinkel, der in der Abweichungsbestimmungsvorrichtung 190 erfasst wird, kann an den Lichtsensor 154 mit Hilfe optischer Kommunikation überfragen werden. Die Übertragung des Abweichungswinkels durch eine optische Kommunikation kann vollständig derselben Konfiguration implementiert werden, wie die, die zur Übertragung der Rotationswinkelpositionen mit Hilfe der optischen Kommunikation verwendet werden. Strahlen können gemeinsam entweder zum Zwecke der Übertragung eines Abweichungswinkels oder zur Übertragung einer Rotationswinkelposition verwendet werden. Alternativ können die divergenten Laserstrahlen b1, b2, b3 respektive moduliert werden, und folglich können diese divergenten Laserstrahlen auch verwendet werden, um den Abweichungswinkel zu übertragen.
(2.2) Alternatives Ausführungsbeispiel für den Lichtsensor
(2.2.1) Lichtsensor, der aus allen Richtungen Licht empfangen kann
Die 30(a) bis 30(d) zeigen ein Ausführungsbeispiel des Lichtsensors 254, der Licht aus allen Richtungen empfangen. Wie in 30(a) zu sehen ist, hat der Rundum-Lichtsensor 254 eine Tragestange 280, eine Lichtempfangseinheit 256 und einen Lichtsensor-Controller 277. Die Lichtempfangseinheit 256 ist an einem oberen Teil der Tragestange 280 befestigt, während der Lichtsensor-Controller 277 an einem unteren Teil der Tragestange befestigt ist. 30(b) zeigt eine Schnittdarstellung von oben, die die Lichtempfangseinheit 256 zeigt, 30(c) zeigt eine Darstellung von der Seite und 30(d) ist eine teilweise weggeschnittene Schnittdarstellung. Bezugnehmend auf die 30(b) bis 30(d) hat die Lichtempfangseinheit 256 eine ringförmige, zylindrische Fresnel-Linse, die als Konvergenzmittel dient, eine ringförmige Faserbahn 275 und eine Vielzahl von Lichtempfangselementen 273, die in einer ringförmigen Formation angeordnet sind, und diese Komponenten sind alle auf einem konzentrischen Kreis angeordnet. Zusätzlich ist ein Lichtempfangselement-Controller 274 innerhalb der Lichtempfangselemente 273 vorgesehen, die ringförmig angeordnet sind.
Wie in 31(a) und in ihrer Schnittdarstellung von 31(b) gezeigt ist, umfasst der Lichtsensor-Controller 277 eine Anzeige 257, einen Alarm 261, beispielsweise einen Summer, Eingabetasten 262, einen Speicher 265, eine Operationseinheit 266, einen elektrische Wellen empfangenden Empfänger 270, der eine Information über die Rotationswinkelposition empfängt, und eine Einheit 278 für externe Kommunikation. Ferner kann der Lichtsensor-Controller 277 mit einem externen Rechner 279 über die Einheit 278 für externe Kommunikation verbunden werden. Der externe Rechner 279 gestattet die Eingabe von Daten, die Anzeige von Messresultaten und das nachfolgende Verarbeiten der Messresultate.
Wenn der divergente Laserstrahl auf das Lichtempfangselement 256 auftrifft, wird der divergente Laserstrahl durch die Faserbahn 275 auf das Lichtempfangselement 273 durch die zylindrische Fresnel-Linse 276 konvergent gemacht, die eine Richtwirkung in Höhenrichtung oder Abfallrichtung hat. Da der divergente Strahl, der durch die zylindrische Fresnel-Linse 276 konvergent gemacht wird, in der horizontalen Richtung durch die Faserbahn 275 gestreut wird, fällt der einfallende divergente Strahl gleichförmig auf das Lichtempfangselement 273 ein. Bei solch einer Anordnung würde jegliches Störlicht, außer dass sie die Ausrichtung hat, die der zylindrischen Fresnel-Linse 276 inhärent ist, nicht auf das Lichtempfangselement 273 einfallen, und folglich kann das Signal-Rausch-Verhältnis eines Lichtsensorsignals verbessert werden, welches durch den Empfang des einfallenden, divergenten Strahls erzeugt wird. Die Lichtempfangselemente 273 sind mit dem Lichtempfangselement-Controller 274 parallel zueinander verbunden, um einen Zustand des auf die Lichtempfangselemente 273 einfallenden Lichts zu bestimmen, und dann wird die Schaltung von jeglichen Lichtempfangselementen 273, die einen einfallenden divergenten Strahl empfangen, unterbrochen, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Lichtsensorsignals weiter zu verbessern.
Wenn der einfallende divergente Laserstrahl auf das Lichtempfangselement 273 einfällt, wird das Lichtsensorsignal an den Lichtempfangselement-Controller 274 übertragen. Der Lichtempfangselement-Controller 274, der in die Lichtempfangseinheit 256 eingebaut ist, überträgt das Lichtsensorsignal an den Lichtsensor-Controller 277. Die Verarbeitung des Signals in dem Lichtsensor-Controller 277 ist die gleiche wie die Verarbeitung des Signals in dem Lichtsensor 254.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung beschrieben worden sind, können die hier gegebenen Beschreibungen in verschiedenen Bereichen modifiziert werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die angefügten Ansprüche definiert ist.
Folglich wird die vorliegende Erfindung eine Abweichungsbestimmungsvorrichtung, die einen Abweichungswinkel einer Rotationseinheit relativ zu einem Projektorkörper erfasst, und sie liefert auch eine Rotationslaservorrichtung, die mit der Abweichungsbestimmungsvorrichtung ausgerüstet ist, und ein Positionsbestimmungssystem.
Die vorliegende Erfindung liefert auch eine Rotationslaservorrichtung [TEXT UNLESBAR] Positionsbestimmungssystem, die in Zusammenarbeit funktionieren, um einen Abweichungswinkel auszunutzen, der von der Abweichungsbestimmungsvorrichtung erfasst wird, und um eine festgestellte Position oder eine definierte Ebene auf der Basis des erfassten Abweichungswinkels zu korrigieren.

Claims

Eine Vorrichtung (190) zum Erfassen von Abweichungen mit einem Lichtsender (193), welcher an einem Projektorkörper eines Laserlichtprojektors befestigt ist, um Laserlicht auszusenden, einem Reflektor (195), welcher an einer Rotationseinheit des Laserlichtprojektors befestigt ist, um vom Lichtsender ausgesandtes Licht zu reflektieren, und ein lichtempfangendes Element (194), welches an dem Projektorgehäuse des Laserlichtprojektors befestigt ist, um das durch den Reflektor reflektierte Licht zu empfangen, wobei die Vorrichtung so angeordnet ist, daß eine Lage, bei welcher das vom Reflektor reflektierte Licht auf die lichtempfangende Einheit einfällt, benützt wird, um einen Abweichungswinkel der Rotationseinheit bezüglich des Projektorkörpers zu bestimmen.
Eine Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen nach Anspruch 1, ferner umfassend eine erste Kondensorlinse, welche das von dem Licht aus Sender ausgesandte Licht kolimiert, um das Licht auf den Reflektor zu richten, und eine zweite Kondensorlinse, welche das durch den Reflektor reflektierte Licht zur Konvergenz bringt, um das Licht auf das lichtempfangende Element fallen zu lassen.
Eine Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher das lichtempfangende Element ein Quadrant, ein Halbleiterlagedetektor, oder eine CCD ist.
In einer Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3 enthaltenes rotatierendes Lasergerät mit einem Laserlichtprojektor, der einen Projektorkörper und eine Rotationseinheit aufweist, und mit einem Gehäuse, das den Laserlichtprojektor umgibt, wobei der Laserlichtprojektor einen Laserstrahl aussendet, während er gleichzeitig den Laserstrahl rotieren läßt, wobei der Laserlichtprojektor eine Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen enthält.
Positionsbestimmungssystem in Kombination mit einem rotierenden Lasergerät, welches in einer Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen nach Anspruch 4 enthalten ist, umfassend einen Lichtsensor, welcher von dem rotierenden Lasergerät ausgesandtes Laserlicht empfängt, wobei das von dem Lichtsensor empfangene Laserlicht verwendet wird, um eine Position zu bestimmen, um einen Wert einer festgelegten Position zu halten oder eine Ebene auf dem Wert der festgelegten Position zu erzeugen, wobei der Lichtsensor eine Einheit für arhythmetische Operationen enthält, welche einen Abweichungswinkel benützt, welcher von der Vorrichtung zum Erfassen von Abweichungen erfaßt wird, um den Wert der festgelegten Position zu korrigieren.