DE9421267U1 - Zielhilfe - Google Patents
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Description
B 3158 DE-Leica AG ,. „ „ . „ .„.
Zielhilfe
Die Erfindung betrifft eine Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbünde!
ein Objekt antastende Geräte.
Zu den Geräten der vorgenannten Art gehören insbesondere Laser-Entfernungsmesser.
Ein kollimiertes Laserstrahlenbündei wird auf das Objekt gerichtet, dessen Entfernung gemessen werden soll. Die Geräte arbeiten üblicherweise mit einer
sichtbaren Laserwellenlänge. Sie haben den Vorteil, daß sich der Laser-Lichtfleck
auf dem Objekt abzeichnet, so daß der Antastort am Objekt beobachtbar ist. Neben der Distanzmessung werden die Geräte daher auch zur Richtungs- und
Höhenübertragung vom Standort des Gerätes zu dem Objekt eingesetzt. Optische Hilfsmittel zur Beobachtung des Lichtflecks sind am Gerät nicht vorgesehen, insbesondere
nicht bei handgehaltenen Geräten.
Im Baugewerbe werden solche Geräte z.B. zur Vermessung von Innenräumen eingesetzt,
in denen der Lichtfleck selbst über Distanzen von 50 m noch mit dem bloßen Auge wahrgenommen werden kann.
Sowie man jedoch beim Außeneinsatz auf Objekte mit hoher Umfeldleuchtdichte
zielt, wie z.B. eine sonnenbeschienene Wand, ist der Laserfleck auf dem Objekt nicht mehr zu sehen.
Zur Verbesserung der Sichtbarkeitsbedingungen wäre eine wirkungsvolle Erhöhung
der Laserausgangsleistung denkbar. Diese ist jedoch, abgesehen von dem technischen Aufwand, aus Sicherheitsgründen nicht zulässig.
Eine gewisse Verbesserung der Sichtbarkeit des Laserflecks gelingt durch Verwendung
eines an die Laserwellenlänge angepaßten Farbfilters, durch das man auf das Objekt blickt, indem man das Farbfilter vor das Auge hält oder eine entsprechende
Brille benutzt. Doch auch mit diesen Mitteln ist ein Laserfleck von Lasern mit Ausgangsleistungen in der Größenordnung von 1 bis 5 mW auf
sonnenbeschienenen Objekten nur bis zu wenigen Metern Distanz erkennbar.
Das Problem, den Antastort für eine Distanzmessung und eine Richtungs- oder
Höhenübertragung für einen äußeren Beobachter sichtbar zu machen, ist in der Vermessungstechnik an sich bekannt. Theodolite besitzen ein Fernrohr, mit dem
das Objekt anvisiert wird, in dem Fernrohrstrahiengang ist in einer Zwischenbildebene
eine Strichkreuzplatte angeordnet. Die Fernrohrachse kann mit Hilfe des Strichkreuzes auf das anzumessende Objekt ausgerichtet werden. Mit einem in
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den Fernrohrstrahlengang eingekoppelten sichtbaren Laserstrahlenbündel kann
der anvisierte Objektpunkt äußerlich sichtbar markiert werden, wie das z.B. bei der
Navigation von Tunnelbohrmaschinen oder bei der Vermessung von unzugänglichen Objekten üblich ist. Dabei muß jedoch sichergestellt sein, daß das Laserstrahlenbündel
auch tatsächlich auf den Punkt zielt, auf den das Fernrohr des Theodoliten ausgerichtet ist und wo ihn der Beobachter im Gesichtsfeld der mit
dem Femrohr betrachteten Umgebung sieht. (Kontrolle von Tunnelvortriebsmaschinen
mit dem Lasertheodolit; H. Ehbets, H.R. Schwendener; Vermessung,
Photogrammetrie, Kuiturtechnik, Fachblatt 3-74 (Sept. 1974) Seiten 82-84).
Ein kollimiertes Laserstrahlenbündel wird über einen Strahlenteiler in den Abbildungsstrahlengang
des Fernrohres gelenkt. Der Strahlenteiler darf die visuelle Beobachtung des Objekts nicht stören und muß daher für den Wellenlängenbereich
des vom Objekt ausgehenden Umgebungslichtes möglichst transparent, für die Wellenlänge des Lasers aber möglichst stark reflektierend sein. Die Ausrichtung
des Laserstrahlenbündels zur Femrohrachse wird dadurch erreicht, daß der Strahlenteiler derart ausgerichtet wird, daß die optische Achse des Laserstrahlenbündels
mit der Fernrohrachse zusammenfällt. Die visuelle Beobachtbarkeit des Laserflecks im Fernrohr erfolgt dadurch, daß das koüimierte Laserstrahlenbündel
zunächst auf die Strichkreuzplatte oder eine dazu konjugierte Reflexplatte fokussiert
wird. Damit wird auch sichergestellt, daß der Laserlichtfleck mit Hilfe des Fernrohres
genau in die Ebene im Außenraum fokussiert wird, auf die das Fernrohr scharf gestellt wird. Die reflektierenden Platten dürfen für die Wellenlänge des
Lasers nur schwach reflektierend sein.
Im Okular des Fernrohres ist die Position des Laserstrahlenbündels als von der
Strichkreuzpiatte reflektierter Lichtfleck erkennbar. Nur bei exakter Fokussierung
des Laserstrahienbündels in die Strichkreuzebene und Reflexion der Laserstrahlung
in die Strichkreuzebene oder eine dazu konjugierte Reflexebene erscheint der reale Laserlichtfleck auf dem Objekt auch an der Stelle, an der der Beobachter den
Laserlichtfleck im Instrument beobachtet.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, auch für Laser-Geräte ohne optische
Zielbeobachtung eine Zielhilfe zu schaffen, die einfach und ohne jeglichen Justieraufwand
in den Laserstrahl gebracht werden kann und die dem Beobachter über einen vorzugsweise seitlichen Einblick gestattet, das Objekt mit Laserfleck zu betrachten.
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Diese Aufgabe wird bei einer Zielhilfe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmaien der Ansprüche 4 bis
13.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zur Beobachtung der Position eines durch
ein kollimiertes Laserstrahlenbündel auf einem entfernten Objekt reai erzeugten Lichtflecks eine Hilfsdarsteliung des Lichtflecks zu erzeugen, die durch einfache
optische Bauelemente zuverlässig und ohne Justieraufwand sicherstellt, daß die Hilfsdarsteliung exakt mit der realen Lage im beobachteten Umfeld des Objekts
übereinstimmt. Als Bauelemente werden lediglich ein Strahlenteiler und ein retroreflektives
Element benötigt. Der Strahlenteiler wird für den messenden Laserstrahl in Transmission benutzt und für die Hilfsdarsteliung des Laserflecks in Reflexion.
Die Neigung der Strahlenteilerfläche beeinflußt die Richtung des Meßstrahls also
nicht. Sie wirkt sich lediglich auf die Einblickrichtung zur Beobachtung des Objektumfeldes und der Hilfsdarsteüung des Laserflecks aus.
Für die retroreflektiven Elemente sind verschiedene an sich bekannte Bauformen
möglich. Ein retroreflektives Element hat die Eigenschaft, daß es unabhängig von
der Orientierung seiner Zentralachse ein paralleles Strahlenbündel in sich zurückreflektiert.
Das an der Strahlenteilerfläche zur Erzeugung der Hilfsdarsteliung des Laserflecks reflektierte Strahlenbündel wird daher unabhängig von der Neigung der
Strahlenteilerfläche zur Meßstrahlenrichtung in sich reflektiert. Dieses vom Retroreflektor
kommende Strahlenbündel geht danach durch den Strahlenteiler hindurch. Seine optische Achse stimmt mit der Achse des am Strahlenteiler reflektierten
Laserlichtanteils überein. Die von der Neigung der Strahlenteilerfläche abhängige
Einblickrichtung bleibt also erhalten.
Beim Einblick in die Zielhilfe sieht der Beobachter auf die Strahlenteilerfiäche.
Diese reflektiert in Richtung auf den Beobachter ein Bild des Objekts. Die Einblickrichtungen
zur Beobachtung des Objekts und des Hilfslichtflecks stimmen also exakt überein. Sie werden ausschließlich durch die Neigung der Strahlenteilerfläche
bestimmt. Diese ist wegen der Kombination mit einem retroreflektiven Element in weiten Grenzen frei wählbar. Vorzugsweise wird die Neigung der
Strahlenteilerfläche zu angenähert 45° gewählt, um einen für viele Anwendungen vorteilhaften seitlichen Einblick zu erreichen.
Besonderheiten, die sich aus der Wahl des retroreflektiven Elements ergeben,
werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ange-
B 3158 DE-Leica AG
geben. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Zielhilfe schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Zielhilfe als Vorsatzadapter mit einem Tripelprisma ais
retroreflektivem Element,
Fig. 2 eine in das Laser-Gerät integrierte Zielhilfe mit einem optisch abbildenden
Element als Retroreflektor,
Fig. 3 eine Tripelstreifen-Anordnung und
Fig. 4 eine Ausführungsform mit in den Meßstrahl eingefügtem Retroreflektor.
In Fig. 1 ist ein Laser-Gerät 10 dargestellt, das ein kollimiertes Laserstrahlenbündel
11 auf ein Objekt 12 richtet. Um die Austrittsöffnung für das Laserstrahlenbündel
11 ist an dem Gerät 10 ein Ansatz 13 vorgesehen, der mit einer entsprechenden
Aufnahme 14 in dem Vorsatzadapter 15 zusammenwirkt. Ansatz 13 und Aufnahme 14 sind beispielsweise als Schnappverbindung mit Federspangen 16 ausgestaltet.
In dem Vorsatzadapter 15 ist ein Strahlenteiler 17 angeordnet, der vorzugsweise
unter 45° zur optischen Achse des Laserstrahlenbündels 11 geneigt ist. Die
strahlenteilende Beschichtung ist so ausgewählt, daß sie für die Wellenlänge des
Lasers durchlässig und teilweise reflektierend ist, für den Wellenlängenbereich des
vom Objekt ausgehenden Umgebungslichts 18 jedoch stark reflektierend ist.
Der aus dem Laserstrahlenbündel 11 herausreflektierte Lichtanteil wird auf ein
retroreflektierendes Element gelenkt, das in diesem Fall als Tripelprisma 19 ausgebildet
ist. Das in das Tripelprisma 19 eintretende Strahlenbündel wird in sich reflektiert, durchdringt den Strahlenteiler 17 und kann vom Beobachterauge 20 als
heller, nahezu punktförmiger Lichtfleck wahrgenommen werden. Der Durchmesser
des Lichtfiecks ist beugungsbegrenzt klein. Er wird entweder durch den Durchmesser
des Laserstrahlenbündels 11 oder durch den Durchmesser der Augenpupille
bestimmt, je nachdem welcher Durchmesser kleiner ist. In die Einblicköffnung
des Vorsatzadapters 15 kann eine transparente Scheibe 21 eingesetzt sein, die mit
einer Schutzschicht versehen sein kann, die die austretende Laserstrahlleistung auf etwa 10 Nanowatt begrenzt, um eine Blendung des Beobachterauges auszuschließen.
Außerdem kann auf der Scheibe 21 eine Markierung 22 angebracht sein, die dem Beobachter das Auffinden des Lichtflecks erleichtert. An dem Vorsatzadapter
kann außerdem ein schwenkbarer Umlenkspiegel 23 angeordnet sein, durch den die Einblickrichtung in die Zielhilfe individuellen Bedürfnissen angepaßt
werden kann.
&bgr; 3158 DE - Leica AG
Beim Einblick in die Zielhilfe sieht der Beobachter nicht nur durch den Strahlenteiler
17 hindurch auf das Laserstrahlenbündel 11, sondern auch auf die Oberfläche des Strahlenteilers 17, an der das vom Umgebungslicht 18 beleuchtete Objekt 12
reflektiert wird. Das beobachtbare Objektfeld ist wesentlich größer als der Durchmesser des Lichtflecks, so daß der Beobachter durch Schwenken des
Gerätes 10 in der Lage ist, das Laserstrahlenbündel 11 auf eine gewünschte
Objektstelle zu richten.
Da für die Reflexion des Objektlichtes in das Auge des Beobachters die gleiche
Teilerschicht benutzt wird, wie für die Ablenkung des Laserstrahlenbündels 11 in
Richtung auf das Tripelprisma 19, ist der dargestellte Aufbau tatsächlich
justierunempfindlich. Anstelle des als Platte dargestellten Strahlenteilers 17 kann
selbstverständlich auch ein Teilerwürfel bekannter Bauart verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Zielhilfe in das Laser-Gerät 10
integriert. Dem Strahlenteiler 17 ist als Retroreflektor hier eine Linse 24 mit einem
in ihrer Brennebene angeordneten Reflektor 25 zugeordnet. Die Funktionsweise der Zielhilfe ist erkennbar nicht von der speziellen Ausgestaltung des retroreflektiven
Elementes abhängig, so daß auf alle bekannten Formen zurückgegriffen werden kann. Bei Verwendung holographischer Retroreflektoren lassen sich besonders
kompakte und leichte Aufbauten herstellen.
Die Integration der Zielhilfe in das Laser-Gerät bietet den Vorteil, daß die Laserleistung
in Abhängigkeit von dem Teilerverhältnis des Strahlenteilers 17 geregelt
werden kann. Entscheidend für die Augensicherheit ist die das Gerät verlassende Laserintensität. Beim Einsatz eines Vorsatzadapters muß die Laserleistung also so
gewählt werden, daß das Gerät auch ohne den Vorsatzadapter den Sicherheitsbestimmungen
genügt. Die durch die Zielhilfe abgezweigten Strahlenanteile schwächen daher den Meßstrahlengang. Bei einem integrierten Strahlenteiler
können diese Verluste durch eine höhere Laserieistung kompensiert werden. Eine als Blendschutz für die Zielhilfe vorzusehende Schutzschicht kann sowohl beim
Vorsatzadapter als auch bei integrierter Anordnung der Zielhilfe auch dem retroreflektivem
Element zugeordnet sein.
Auf dem Gehäuse des Laser-Gerätes 10 ist ein schwenkbarer Umienkspiege! 23
angeordnet, über den auch andere, nicht dargestellte Anzeigen auf der Oberseite des Gerätes, wie z.B. Niveliier-Libellen, Kompaß-Richtungen, Neigungswinkel oder
Entfernungsangaben, dem Beobachterauge zugeführt werden können.
S 3158 DE-Leica AG
In Fig. 3 ist eine besonders kompakte Anordnung dargestellt, bei der die Funktionen
des Strahlenteilers und des Retroreflektors miteinander kombiniert sind. Die Strahlenteilerfläche 17 ist gleichzeitig eine der Flächen des Tripelprismas. Die
beiden anderen Flächen werden durch ein Dachkantprisma 26 gebildet, dessen Dachkante 27 senkrecht auf der Ebene des Strahlenteilers 17 steht. Die Anordnung
bildet einen Tripelstreifen, mit dem die Einblicköffnung in einfacher Weise
über die Geräte-Oberseite geführt werden kann, wie der Vergleich mit der nebenstehenden
Figur 2 zeigt. Die Einblickrichtung ist fluchtend mit der Zielrichtung des Gerätes, d.h. die Zielhilfe wirkt ähnlich wie ein Diopter, indem sie ein virtuelles Bild
&iacgr;&ogr; des Laserflecks in den Beobachtungsraum projiziert, allerdings mit einer geringen
Parallaxe, die der Länge des Tripelstreifens entspricht. Durch Kombination mit teildurchlässigen
Spiegeln im Einblickstrahlengang lassen sich weitere Anzeigen auf der Oberseite des Gerätes in dem Gesichtsfeld des Beobachters überlagern.
in Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der das retroreflektive Element ähnlich
wie in Fig. 2 aufgebaut ist. Da es dem Strahlenteiler 17 nachfolgend im Laserstrahlenbündel
11 angeordnet ist, wird zur Strahlkollimation eine weitere, identische
Linse 24' vorgesehen. Das vollständige System bildet daher ein 1:1-Femrohr 29, das bekanntermaßen gegen Kippungen unempfindlich ist.
Dem Einblick auf den Strahlenteiler 17 ist in diesem Beispiel ein 2:1 vergrößerndes
Fernrohr 30 vorgeschaltet, dessen optische Achse zur Achse des vom Strahlenteiler
17 kommenden Strahlenbündels justiert ist. Die Auffindung des Lichtflecks
und die Beobachtung des Objektumfeldes werden damit wesentlich erleichtert. Ein solches Beobachtungsfernrohr kann selbstverständlich auch bei den vorbeschriebenen
Ausführungsformen mit Vorteil eingesetzt werden.
Claims (13)
1) Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbündel ein Objekt antastende
Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß in das Laserstrahlenbündel (11) ein Strahlenteiler (17) eingefügt ist, der für die Laserwellenlänge
durchlässig und reflektierend und für den Weilenlängenbereich des vom Objekt (12) ausgehenden Umgebungslichts (18) möglichst nur reflektierend
ist, daß der das Laserstrahlenbündel (11) reflektierenden Fläche des
Strahlteilers (17) ein retroreflektives Element (19; 24,25) zugeordnet ist und daß eine Einblickmöglichkeit in die von dem retroreflektivem Element (19;
24,25) über den Strahlenteiler (17) zurückkehrenden Strahlen vorgesehen
ist.
2) Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbündei ein Objekt antastende
Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß in das Laserstrahlenbündel (11) ein Strahlenteiler (17) eingefügt ist, der für die Laserwellenlänge
durchlässig und reflektierend und für den Wellenlängenbereich des vom Objekt (12) ausgehenden Umgebungsiichts (18) möglichst nur reflektierend
ist, daß dem Strahlenteiler (17) innerhalb des Laserstrahlenbündels (11) ein
retroreflektieves Element (24, 25) nachgeordnet ist, das Teil eines 1:1-abbildenden
Fernrohrsystems (29) ist, in dessen endlicher Brennebene eine Reflexionsfläche (25) angeordnet ist, die für die Laserwellenlänge und den
Wellenlängenbereich des vom Objekt (12) ausgehenden Umgebungslichts (18) schwach reflektierend ist und daß eine Einblickmögiichkeit in die vom
retroreflektivem Element über den Strahlenteiler (17) zurückkehrenden Strahlen vorgesehen ist.
3) Zielhilfe für mit einem kollimierten Laserstrahlenbündel ein Objekt antastende
Geräte, dadurch gekennzeichnet, daß in das Laserstrahlenbündel (11) ein Strahlenteiler (17) eingefügt ist, der für die Laserwellenlänge
durchlässig und reflektierend ist, daß der Strahlenteilerfläche ein Dachkantprisma
(26) zugeordnet ist, dessen Dachkante (27) unter 90° zur Strahlenteilerfläche steht und daß eine Einblickmöglichkeit in die aus dem Dachkantprisma
(26) austretenden Strahlen vorgesehen ist.
4) Zielhilfe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlenteiler (17) zumindest nahezu unter 45° zur optischen Achse des Laserstrahlenbündels (11) angeordnet ist.
B 3158 DE - Leica AG
• · ■
5) Zielhüfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektive
Element ein Tripelprisma (19) ist.
6) Zielhüfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektive
Element ein optisch abbildendes Element (24) mit in seiner Brennebene angeordneter Reflexionsfläche (25) ist.
7) Zielhüfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektive
Element ein holographischer Retroreflektor ist.
8) Zielhüfe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler
(17) und das Dachkantprisma (26) eine gemeinsame Prismenbaueinheit (Tripelstreifen) bilden.
9) Zielhüfe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einblickmöglichkeit einen Umlenkspiegel (23) enthält.
10) Zielhüfe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel
(23) schwenkbar ist.
11) Zielhüfe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel
(23) teildurchlässig ist.
12) Zielhüfe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Beobachtungsstrahiengang
eine Einblickmarkierung (22) vorgesehen ist.
13) Zielhüfe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einblickmöglichkeit ein Fernrohrsystem (30) enthält
• · a «
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Publications (1)
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1994
- 1994-07-31 DE DE9421267U patent/DE9421267U1/de not_active Expired - Lifetime
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