• 专利附录
  • 专利说明
  • 权利要求
  • 类似技术
  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft ein Laser-Goniometer mit einem Laser (3), der an eine Steuereinrichtung und Energiequelle (4) angeschlossen ist, sowie mit einer Detektoreinheit (7). DOLLAR A Die Aufgabe besteht darin, dass eine gemeinsame Messung beider Winkel achsunabhängig gewährleistet werden kann. DOLLAR A Die Lösung besteht darin, dass sich zwischen dem Laser (3) und der Detektoreinheit (7) eine optische, von einer Kardanaufhängung (12) unterstützte Ablenkeinheit (5) befindet, wobei das vom Laser (3) ausgehende parallele Laserstrahlenbündel (9) mittels der Ablenkeinheit (5) parallel versetzt zur Detektoreinheit (7) geführt ist, wobei die Detektoreinheit (7) mit der empfangenden Fläche der Ablenkeinheit (5) zugewandt ist.
    公开号:DE102004014095A1
    申请号:DE200410014095
    申请日:2004-03-13
    公开日:2005-09-29
    发明作者:Lukas Eng；Matthias Fuhrland；Michael Möser
    申请人:Technische Universitaet Dresden；
    IPC主号:G01B9-10
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Laser-Goniometer mit einem Laser, der aneine Steuereinrichtung und eine Energiequelle angeschlossen ist,sowie mit einer Detektoreinheit.
    [0002] DerartigeGoniometer fürdie zweiachsige Winkelmessung gibt es in der Geodäsie, derPhotophysik und in der industriellen Messtechnik in Form diverserinstrumenteller Realisierungen.
    [0003] Präzisions-Inklinometerauf der Basis von Elektrolyt-Libellen, Kompensatoren mit Flüssigkeitshorizont,Systeme mit Piezo- oder VoiceCoil-Stellgliedern etc. liefern hochgenaueMessergebnisse.
    [0004] EinProblem besteht darin, dass sie nur für kleine oder sehr kleine Winkelmessbereicheeinsetzbar sind.
    [0005] Für die Nutzungeines größeren bzw.des gesamten Winkelmessbereiches von 360° auf beiden Drehachsen habensich Präzisionsteilkreisedurchgesetzt, wie sie auch in elektronischen Theodoliten zum Einsatzkommen. Hierbei erfolgt ein direkter Achsabgriff auf der Basis einerLichtschranke, die den mit der jeweiligen Achse verbundenen Teilkreis abtastet.
    [0006] Einweiteres Verfahren fürden direkten Achsabgriff ist das Rund-InductoSyn-Verfahren, welchesbei Drehung der Achse die Änderungeines Induktionsstromes misst.
    [0007] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Goniometer anzugeben,dass derart geeignet ausgebildet ist, dass eine gemeinsame Messung beiderWinkel achsunabhängiggewährleistetwerden kann.
    [0008] DieAufgabe wird durch die Merkmale gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. DasLaser-Goniometer ist nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einemLaser, der an eine Steuereinrichtung und eine Energiequelle angeschlossenist, sowie mit einer Detektoreinheit versehen.
    [0009] Erfindungsgemäß befindetsich zwischen dem Laser und der Detektoreinheit eine optische, von einerKardanaufhängungunterstützteAblenkeinheit, wobei das vom Laser ausgehende Laserstrahlenbündel mittelsder Ablenkeinheit parallel versetzt zur Detektoreinheit geführt ist,wobei die Detektoreinheit mit der empfangenden Fläche derAblenkeinheit zugewandt ist.
    [0010] Wegenseiner Unabhängigkeitvon der Schwerkraft ist das erfindungsgemäße Laser-Goniometer universelleinsetzbar, z.B. zur Neigungswinkelmessung, zur Kalibrierung geodätischerInstrumente oder in der Photophysik. Dabei ist nicht entscheidend,ob die Außenseitendes Etalons verspiegelt oder parallel zu den Innenflächen sind.
    [0011] Weiterbildungenund vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiterenUnteransprüchendargestellt.
    [0012] DieErfindung wird anhand eines Ausführungsbeispielsmittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
    [0013] Eszeigen:
    [0014] 1 eineschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laser-Goniometers mit einem Laser,einer von einer KardanaufhängungunterstütztenAblenkeinheit und einer Detektoreinheit sowie einen weiteren Lasermit einem von der Ablenkeinheit weitgehend vertikal abgelenktenLaserstrahlenbündelund
    [0015] 2 eineschematische Darstellung eines optischen Ablenkelements in Formeines optischen Etalons mit dem Laser und der Detektoreinheit miteiner CCD-Kamerafläche.
    [0016] Dasin der 1 in einer schematischen Darstellung gezeigteLaser-Goniometer 1 ist mit einem Laser 3 mit angeschlossenerSteuereinrichtung und Energiequelle 4 sowie mit einer Detektoreinheit 7 versehen.
    [0017] Erfindungsgemäß befindetsich zwischen dem Laser 3 und der Detektoreinheit 7 eineoptische, von einer Kardanaufhängung 12 unterstützte Ablenkeinheit 5,wobei das vom Laser 3 ausgehende Laserstrahlenbündel 9 mittelsder Ablenkeinheit 5 parallel versetzt zur Detektoreinheit 7 geführt ist,wobei die Detektoreinheit 7 mit der empfangenden Fläche der Ablenkeinheit 5 zugewandtist.
    [0018] Wahlweisekann ein weiterer, zweiter Laser 2 mit einem zugehörigen Laserstrahlenbündel 8 parallelzum ersten Laser 3 angeordnet sein, wobei das Laserstrahlenbündel 8 ineine zum ersten Laserstrahlenbündel 9 geneigte,von einer Spiegelfläche 24 ausweitgehend senkrecht nach oben gerichtete Ablenkung verläuft undauf einer weiteren Detektoreinheit 6 einen zugehörigen Laserfleck 34 für andere vorgeseheneAuswertungen erzeugt.
    [0019] DieAblenkeinheit 5 besteht im Wesentlichen aus einer befestigbarenGrundplatte 10, aus einem Ablenkelement 11, ausder kardanischen Aufhängung 12,in der sich etwa mittig das Ablenkelement 11 befindet,sowie aus zwei die kardanische Aufhängung 12 tragendenHalteteile 13, 14, die fest mit der Grundplatte 10 verbundensind. Die kardanische Aufhängung 12 befindetsich innerhalb der beiden Halteteile, einem Eingangshalteteil 13 undeinem Ausgangsteil 14, und ist in Richtung zweier Achsen 15, 16 verschwenkbargelagert, wobei das Eingangshalteteil 13 und das Ausgangshalteteil 14 aufder Grundplatte 10 in Flucht in Z- Richtung eines XYZ-Koordinatensystems 27 angebrachtist. Das Eingangshalteteil 13 ist nahe dem Laser 3 angeordnet,währenddas Ausgangshalteteil 14 der zweiten Detektoreinheit 7 näher zugeordnetist.
    [0020] DasEingangshalteteil 13 weist eine vorzugsweise runde Eingangsöffnung 17 auf,das Ausgangshalteteil 14 besitzt eine vorzugsweise rundeAusgangsöffnung 18.Die der kardanischen Aufhängung 12 zugeordnetenAchsen, die verschwenkbaren Achsen 15, 16 sindzum einen eine Schwenkachse 15 und zum anderen eine Kippachse 16.Die Schwenkachse 15 verläuft vorzugsweise jeweils durchdie Mitten der Eingangsöffnung 17 undder Ausgangsöffnung 20.
    [0021] Anden zugekehrten Innenseiten der befestigten Halteteile 13, 14 istjeweils ein Schwenklager 19, 19' vorhanden, an denen ein vorzugsweiserechteckiger Rahmen 20 befestigt ist, der um die Schwenkachse 15 drehbargelagert ist. Vorzugsweise mittig am Rahmen 20 und querzur Schwenkachse 15 sowie mit der Kippachse 16 übereinstimmend trägt eineWelle 21, die mit zwei an dem Rahmen 20 befindlichen,sich gegenüberliegendenKipplagern 36, 36' inVerbindung steht, das an ihr befestigte kippbare Ablenkelement 11.
    [0022] Dasim Zentrum der Kardanaufhängung 12 aufgehängte Ablenkelement 11 istin Form eines Etalons ausgebildet.
    [0023] Die 1 zeigtdas optische Etalon 11 mit seiner kardanischen Aufhängung 12 imLaser-Goniometer 1. Die 2 zeigtin schematischer Darstellung das Etalon 11 in einer Teil-Funktion.Das Etalon 11 besteht im Wesentlichen aus zwei planparallelen Platten 22, 23 mitjeweils innenseitig vollverspiegelten Oberflächen 25, 26,die durch planparallele Distanzstücke 28, 28' an den Seitenrändern verbunden sind.Die Distanzstücke 28, 28' und die In nenflächen 25, 26 derPlanplatten 22, 23 bilden einen Hohlraum 29,durch den das Laserstrahlenbündel 9 hindurchgeleitetwird.
    [0024] Dasparallele, d.h. auf unendlich fokussierte Laserstrahlenbündel 9 ist,wie in 1 gezeigt ist, achsparallel zur Schwenkachse 15 angeordnet, senkrechtdazu verläuftdie Kippachse 16. Das Laserstrahlenbündel 9 erzeugt aufder Aufnahmeflächeder Detektoreinheit 7 einen Laserfleck 31.
    [0025] DieGrundplatte 10 weist vorzugsweise Befestigungslöcher 35 zurArretierung bzw. Verschraubung an einer vorgesehenen Lage-/Stand-Vorrichtung(nicht eingezeichnet) auf.
    [0026] EinecomputergestützteAuswerteeinrichtung 30 steht mit der Detektoreinheit 7 insignaltechnischer Verbindung.
    [0027] Imfolgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Laser-Goniometers 1 erläutert: DieWinkel ϑ, φ derSchiefstellung der Flächennormalen 37 derSpiegelflächen 25, 26 desEtalons 11 gegenüberder vertikalen X-Achsewerden mit Hilfe des Laserstrahlenbündels 9 auf der Detektoreinheit 7 gemessen.Das Laserstrahlenbündel 9 wirddurch eine Reflexion an den beiden innenliegenden Spiegelflächen 26, 25 desEtalons 11 parallel versetzt. Eine Drehung der Welle 21 umdie Kippachse 16 um dφ bewirktbei ϑ = 0 eine Änderungdes vertikalen Versatzes. Bei einer Drehung des Rahmens 20 um dieSchwenkachse 15 um dϑ wird das ausgelenkte Laserstrahlenbündel 9 verschwenkt,wobei sich der horizontale und der vertikale Versatz ändern. DieBeträgedes Versatzes des Laserstrahlenbündels 9 werdendurch die Detektoreinheit 7, die eine CCD-Kamerafläche, einCMOS-Sensor, eine 4-Quadrantendiode oder eine Lateraleffektdiodesein kann, detektiert und könnendurch die feste Geometrie zwischen dem Laser 3 und derAblenkeinheit 5 und der Detektoreinheit 7 in dieWinkel ϑ und φ derSchiefstellung der Flächennormalen 37 derSpiegelflächen 25, 26 desEtalons 11 in der Auswerteeinrichtung 30 umgerechnet werden.
    [0028] Die 2 zeigtdie Durchführungder Messung der Winkel ϑ und φ des Etalons, basierend auf derDetektion des von Laser 3 ausgehenden Laserstrahlenbündels 9 durcheine als CCD-Flächeausgebildete Aufnahmeflächeder Detektoreinheit 7. Hierbei wird die Peakposition dessehr feinen Laserstrahlenbündels 9 (Durchmesser= Pixelgröße) zunächst aufdas ganze Pixel 31 genau gemessen (= Peakpixel). Anschließend wirddie CCD-Fläche 7 mitHilfe elektromechanischer Piezostellglieder 32, 33 transversalzum Laserstrahlenbündel 9 miteiner Schrittweite gerastert, die deutlich kleiner ist als die Pixelgröße auf derCCD-Fläche 7.Hierzu wird in jeder um die Schrittweite verschobenen Rasterpositionein digitales Bild des Laserflecks 31 in der computergestützten Auswerteeinrichtung 30,die in 1 gezeigt ist, gespeichert. Durch Vergleich desGrauwertes des zu Anfang ermittelten Peakpixels mit den Grauwerten desselbenPixels 31 in allen Rasterpositionen lässt sich die Rasterpositionfinden, bei der das Peakpixel den höchsten Grauwert hat. Die XYZ-Koordinaten des Peakpixelswerden in der Auswerteeinrichtung 30 zu den Rasterpositionendes höchstenGrauwertes addiert und somit wird für die Positionsbestimmung desLaserflecks 31 eine Genauigkeit im Subpixelbereich erreicht.
    [0029] Dadurch,dass die CCD-Kamerafläche 7 mit Hilfeder Piezostellglieder 32, 33 transversal zum Laser 3 gerastertwird, wird die absolute Genauigkeit der Positionsbestimmung desLaserflecks 31 erhöht.
    [0030] DieVoraussetzungen hierzu sind hohe Strahlstabilität sowie Fixierung und mechanische Dämpfung desAufbaus.
    [0031] DieErfindung ermöglichtes, die resultierenden technischen Schwierigkeiten bei Verwendung vonTeilkreisen zu umgehen und eine Zweiachs-Winkelmessung ohne direktenAbgriff der mechanischen Achsen mit sehr hoher Genauigkeit vorzunehmen.
    1 Laser-Goniometer 2 zweiterLaser 3 ersterLaser 4 Steuereinheitmit Energiequelle 5 Ablenkeinheit 6 zweiteDetektoreinheit 7 ersteDetektoreinheit 8 zweitesLaserstrahlenbündel 9 erstesLaserstrahlenbündel,parallel 10 Grundplatte 11 Etalon 12 kardanischeAufhängung 13 Eingangshalteteil 14 Ausgangshalteteil 15 Schwenkachse 16 Kippachse 17 Eingangsöffnung 18 Ausgangsöffnung 19 erstesSchwenklager 19' zweitesSchwenklager 20 Rahmen 21 Welle 22 erstePlatte 23 zweitePlatte 24 ersteSpiegelfläche 25 zweiteSpiegelfläche 26 dritteSpiegelfläche 27 XYZ-Koordinatensystem 28 erstesDistanzstück 28' zweitesDistanzstück 29 Hohlraum 30 Auswerteeinrichtung 31 ersterLaserfleck 32 erstesPiezostellglied 33 zweitesPiezostellglied 34 zweiterLaserfleck 35 Befestigungslöcher 36 erstesKipplager 36' zweitesKipplager 37 Flächennormaleder Spiegelflächen 25, 26 ϑ Schwenkwinkelder Flächennormale 37 inder XY-Ebene φ Kippwinkelder Flächennormale 37 inder XZ-Ebene
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] Laser-Goniometer mit einem Laser (3),der an eine Steuereinrichtung und Energiequelle (4) angeschlossenist, sowie mit einer Detektoreinheit (7), dadurch gekennzeichnet,dass sich zwischen dem Laser (3) und der Detektoreinheit(7) eine optische, von einer Kardanaufhängung (12) unterstützte Ablenkeinheit(5) befindet, wobei das vom Laser (3) ausgehendeparallele Laserstrahlenbündel(9) mittels der Ablenkeinheit (5) parallel versetztzur Detektoreinheit (7) geführt ist, wobei die Detektoreinheit(7) mit der empfangenden Fläche der Ablenkeinheit (5)zugewandt ist.
    [2] Laser-Goniometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Ablenkeinheit (5) im Wesentlichen aus einer befestigbarenGrundplatte (10), aus einem Ablenkelement (11),aus der kardanischen Aufhängung(12), in der sich etwa mittig das Ablenkelement (11)aufgehängtbefindet, sowie aus zwei die kardanische Aufhängung (12) tragendenHalteteile (13, 14), die fest mit der Grundplatte(10) verbunden sind, besteht.
    [3] Laser-Goniometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurchgekennzeichnet, dass sich die kardanische Aufhängung (12) innerhalbder beiden Halteteile, einem Eingangshalteteil (13) undeinem Ausgangsteil (14), befindet und in Richtung zweierAchsen (15, 16) verschwenkbar gelagert ist, wobeidas Eingangshalteteil (13) und das Ausgangshalteteil (14)auf der Grundplatte (10) in Flucht in Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensystemsangebracht ist.
    [4] Laser-Goniometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass das Eingangshalteteil (13) nahe dem Laser (3)angeordnet ist, währenddas Ausgangshalteteil (14) der zweiten Detektoreinheit (7)näher zugeordnetist.
    [5] Laser-Goniometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass das Eingangshalteteil (13) eine Eingangsöffnung (17)aufweist, das Ausgangshalteteil (14) eine Ausgangsöffnung (18)besitzt.
    [6] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die der kardanischen Aufhängung (12)zugeordneten Achsen, die verschwenkbaren Achsen (15, 16) zumeinen eine Schwenkachse (15) und zum anderen eine Kippachse(16) sind, wobei die Schwenkachse (15) vorzugsweisejeweils durch die Mitten der Eingangsöffnung (17) und der Ausgangsöffnung (18)verläuft.
    [7] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass an den zugekehrten Innenseiten derbefestigten Halteteile (13, 14) jeweils ein Schwenklager (19, 19') vorhandenist, an denen ein vorzugsweise rechteckiger Rahmen (20)beweglich befestigt ist, der um die Schwenkachse (15) drehbargelagert ist.
    [8] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass mittig am Rahmen (20) undquer zur Schwenkachse (15) sowie mit der Kippachse (16) übereinstimmendeine Welle (21) angeordnet ist, die mit zwei an dem Rahmen(20) befindlichen, sich gegenüberliegenden Kipplagern (36, 36') in Verbindung steht,und das an ihr befestigte kippbare Ablenkelement (11) trägt.
    [9] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkelement (11) inForm eines Etalons ausgebildet ist.
    [10] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Etalon (11) im Wesentlichenaus zwei planparallelen Platten (22, 23) mit jeweilsinnenseitig vollverspiegelten Oberflächen (25, 26),die durch planparallele Distanzstücke (28, 28') an den Seitenrändern verbundensind, besteht, wobei die Distanzstücke (28, 28') und die Innenflächen (25, 26) derPlanplatten (22, 23) einen Hohlraum (29)bilden, durch den das Laserstrahlenbündel (9) geführt ist.
    [11] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Laserstrahlenbündel (9) achsparallelzur Schwenkachse (15) gerichtet ist, wobei senkrecht dazudie Kippachse (16) verläuft.
    [12] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass eine computergestützte Auswerteeinrichtung (30)vorhanden ist, die zumindest mit der Detektoreinheit (7)in signaltechnischer Verbindung steht.
    [13] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (7) wahlweiseeine CCD-Kamerafläche, einCMOS-Sensor, eine 4-Quadrantendiode oder eine Lateraleffektdiodeist.
    [14] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3) zur Durchführung einer zweiachsigenWinkelmessung mit Hilfe der beiden im Etalon (11) innenbefindlichen und sich gegenüberliegendenverspiegelten Flächen(26, 25) vorgesehen ist.
    [15] Laser-Goniometer nach mindestens einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Detektor-Fläche der Detektoreinheit (7)mit elektromechanischen X-/Y-Piezostellglieder (32, 33)zur transversalen Rasterung in Verbindung steht.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-09-29| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-06-14| 8364| No opposition during term of opposition|
    2013-01-24| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|Effective date: 20121002 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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