• 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:

    公开号:WO1989011630A1
    申请号:PCT/EP1989/000598
    申请日:1989-05-26
    公开日:1989-11-30
    发明作者:Heinz Bernhard；Hartmut Ehbets；André HUISER
    申请人:Wild Leitz Ag；
    IPC主号:G01B11-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Oberflächen
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Genauigkeitsstei¬ gerung bei der Vermessung von Oberflächen mit Hilfe von mindestens zwei Theodoliten, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
    [0003] Es sind Verfahren und Vorrichtung dieser Art seit langem bekannt, bei denen von einem Theodoliten ein Lichtfleck auf die Oberfläche projiziert wird und mit Hilfe des oder der anderen Theodolite der Lichtfleck angezielt und dessen Posi¬ tion in Bezug auf die bekannten Positionen der Theodolite trigonometrisch bestimmt wird. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art werden seit Jahren angewendet bei der Vermessung von beispielsweise Antennen, Karosserieteilen, Verkleidungen von Flugzeugen und ähnlichen Objekten. Derartige Systeme arbeiten heute häufig automatisch und rechnergesteuert. Um in möglichst kurzer Zeit und mit aus¬ reichender Detektionsgenauigkeit die Positionsmessungen mit Hilfe der Detektionsvorrichtungen an den Empfängertheodo¬ liten ausführen zu können, wird eine möglichst hohe sekun¬ däre Strahldichte des durch diffuse Reflexion auf der Ober¬ fläche sichtbaren Lichtflecks gefordert.
    [0004] Hohe Strahldichte im projizierten Lichtfleck bei gleichzei¬ tig erträglichem Aufwand an eingestrahlter Strahlungslei¬ stung lässt sich nur mit kleinen Lichtfleckgrössen erreichen.
    [0005] Kleine Lichtflecke, insbesondere beugungsbegrenzt projizier- te Lichtflecke, haben andererseits den Nachteil, dass das Verfahren empfindlich wird gegenüber Inhomogenitäten auf der Oberfläche, wie z.B. Kratzer, Löcher, rauhen Strukturen mit in kleinen Bereichen änderndem Reflexionsvermögen.
    [0006] Solche Inhomogenitäten können zu systematischen Fehlern in der Positionsbestimmung des betreffenden Flächenelementes auf der zu vermessenden Oberfläche führen.
    [0007] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen einerseits die Messgenauig¬ keit gesteigert werden kann und andererseits ein Qualitäts- mass für jede der individuellen Positionsbestimmungen ermit¬ telt werden kann, mit dessen Hilfe untypische Oberflächen¬ strukturen bzw. störende Inhomogenitäten erkannt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den An¬ sprüchen 1 und 3 definierten Merkmale gelöst.
    [0008] Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Lösung liegt darin, dass auch bei sehr homogenen rauhen Oberflächen die durch durch Speckle-Effekt bedingten systematischen Posi¬ tionsmessfehler verkleinert werden. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung.
    [0009] Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung sowie Ausfüh¬ rungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben.
    [0010] Es zeigen:
    [0011] Fig.l die Prinzipdarstellung einer Messeinrichtung mit zwei
    [0012] Theodoliten, Fig.2 den Strahlengang nach Fig.l, in übertriebener
    [0013] Vergrösserung, Fig.3 das Beispiel einer Bestrahlungsstärkeverteilung in der Ebene einer Bildverarbeitungskamera, Fig.4 das optische Funktionsschema eines als Beispiel gewählten Projektionsfernrohrs, Fig.5 das Beispiel einer Strichplattenfigur, und
    [0014] Fig.6 in schematischer Darstellung die Wirkung einer Kegellinse in Verbindung mit einem Fernrohr. Bei dem beschriebenen Verfahren bzw. der Vorrichtung wird davon ausgegangen, dass die zu vermessenden Flächen in sehr kleinen Bereichen immer als eben angesehen werden können. Es wird nun die Positionsmessung eines solchen Flächenelementes nicht nur durch eine einzige Positionsbestimmung an einem Punkt auf diesem Flächenelement realisiert, sondern durch N Positionsmessungen an benachbarten Punkten auf dem Flächen¬ element. Sind die Abstände der Punkte grösser als der Licht¬ fleckdurchmesser, so handelt es sich um voneinander unab¬ hängige Positionsmessungen, und die Positionsmessgenauig¬ keit wird um den Faktor ,/N gesteigert. Voraussetzung ist hierbei, dass die Sollpositionen der Lichtflecke relativ zueinander bei jeder einzelnen Lichtfleckdetektion bekannt sind. Beschreibt jedoch die Achse des projizierenden Bündels einen Kreiskegel, ergibt sich eine wesentlich einfachere Lösung, bei welcher weder die Sollpositionen der Lichtflecke bekannt sein müssen, noch eine Synchronisation zwischen Pro¬ jektor und Empfänger erforderlich ist.
    [0015] Auf dem Flächenelement, dessen Position zu bestimmen ist, und in der Kameraebene des Empfängertheodoliten entstehen dann Ellipsen. Die ellipsenförmige Bestrahlungsstärkever¬ teilung in der Kameraebene wird von der Bildverarbeitung durch eine Ellipse angenähert, deren Mittelpunkt als reprä¬ sentativer Zielpunkt angesehen wird. Da bei diesem Messver¬ fahren nur die Radialkomponente ausgewertet wird, ergibt sich bei N unabhängigen Messungen auf der Ellipse eine Ge¬ nauigkeitssteigerung um den Faktor VN/2. Der Mittelpunkt der vom Beobachtungstheodoliten detektierten elliptischen Bestrahlungsstärkeverteilung stimmt in den meisten üblichen Aufstellungen genügend genau überein mit dem Bild des Schnittpunktes der zu vermessenden Oberfläche und der Achse des Kreiskegels, der durch die Bündelachsen des Projektors gebildet wird. Bei extrem ungünstigen Auf¬ stellungen (z.B. nahezu streifender Lichteinfall, Ellipsen mit grosser Exzentrizität) kann der Fehler, der sich als trigonometrische Beziehung darstellen lässt, leicht berück¬ sichtigt werden, da alle dazu notwendigen Grossen bekannt sind (Winkel zwischen den Ziellinien der Theodolite, Grosse und Lage der Ellipsenachsen).
    [0016] Mit der Ausgleichung der Bestrahlungsstärkeverteilung durch eine Ellipse, ergibt sich zwangsläufig eine Standardabwei¬ chung für die Messunsicherheit der individuellen Positions¬ bestimmung, die als Qualitätsmass für die Messung der Lage des betreffenden Flächenelementes auf der zu vermessenden Fläche im Raum dient. Bei zu grosser Standardabweichung, bedingt durch Inhomogenitäten der Oberfläche, kann bei¬ spielsweise ein benachbartes Flächenelement zur Messung herangezogen werden.
    [0017] Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach Fig.l projiziert ein Theodolit 21 einen Lichtfleck 22 auf die Oberfläche 23. Dieser Lichtfleck wird von einem zweiten Theodoliten 24 an¬ gezielt. Mit Hilfe der gemessenen Winkel α und ß werden die Koordinaten des Lichtflecks auf der Oberfläche berechnet. Von jedem Theodoliten sind die Koordinaten der Schnittpunkte der Theodolitachsen bekannt. In der Praxis werden auch meh¬ rere Empfängertheodoliten verwendet, wobei dann der Ort und die Richtung des Theodoliten mit der Projektionseinrichtung nicht genau bekannt sein müssen.
    [0018] In Fig.2 ist der Strahlengang in übertriebener Vergrosserung dargesellt. Die Achsen der Abbildungsbündel des Projektions¬ fernrohrs 25 beschreiben einen Kreiskegel, so dass auf der Objektoberfläche 23 ein ellipsenförmiger Lichtfleck 22 ent¬ steht. Das von der rauhen Oberfläche 23 diffus reflektierte Licht gelangt in das Empfängerfernrohr 26, wo es von einer Bildverarbeitungskamera detektiert wird. In Fig.3 ist eine beispielhafte Bestrahlungsstärkeverteilung in der Ebene einer Bildverarbeitungskamera dargestellt.
    [0019] In Fig.4 ist das optische Funktionsschema eines Projektions¬ fernrohrs in einer beispielhaften Ausführung dargestellt. Die Strahlung eines HeNe-Lasers 1 wird nach Durchgang durch einen optischen Abschwächer 2 mittels der Optik 3 in die Einmodenfaser 4 eingekoppelt. Die Austrittsöffnung der Ein¬ modenfaser am Projektor wird über eine Optik 5, eine dreh¬ bare, geneigte Planplatte 6, einen Teilerwürfel 7, eine Optik 8, ein Fenster 9 -und einen Teilerwürfel 10 auf eine Fernrohrstrichplatte 11 abgebildet und mit einem Fernrohr 16 auf das Objekt projiziert. Ein kleiner Teil von der an der Strichplatte 11 reflektierten Strahlung gelangt durch den Teiler 10 und ein Okular 12 in das Auge des Beobachters. Der Beobachter kann visuell die Justierung des ringförmigen Lichtflecks zur Strichkreuzmitte überprüfen und gegebenen¬ falls nachjustieren.
    [0020] Der grösste Anteil der von der Strichplatte 11 reflektierten Strahlung gelangt über den Teiler 10, das Fenster 9, die Optik 8 zum Teiler 7 zurück. Ein geringer Anteil der Strahlung geht durch den Teiler 7 hindurch. Mit Hilfe der in Fig.4 eingezeichneten Umlenk- und Justierprismen und einer Optik 17 wird die Strichplatte in die Ebene 13 der Bildver¬ arbeitungskamera abgebildet. Die ringförmige Bestrahlungs¬ stärkeverteilung in der Ebene 13 der Bildverarbeitungskamera erscheint dort von den Flächenelementen mit unterschied¬ lichem Reflexionsvermögen der Strichplatte 11 intensitäts- moduliert.
    [0021] Mit Hilfe der Bildverarbeitung werden aus der intensitäts- modulierten, ringförmigen Bestrahlungsstärkeverteilung sowohl Strichkreuzmitte als auch Ringmitte entnommen. Selbst geringfügige Justierungsänderungen der Projektionsfigur zum Fernrohrstrichkreuz, wie sie unter Umständen bei extrem unterschiedlichen Fernrohrneigungen auftreten können, werden auf diese Weise erkannt und rechnerisch kompensiert.
    [0022] Eine Strichplatte mit einer Strichplattenfigur nach dem Bei¬ spiel der Fig. 5 hat sich für die vorliegende Anwendung als besonders zweσkmässig erwiesen. Die Strichplatte enthält einen kreuzförmigen Teil 28 zum visuellen Anzielen eines Objekts und einen kreisförmigen Teil 29 zum visuellen Zen¬ trieren der kreisförmigen Reflexfigur der projizierten Strahlung. Diese Teile sind undurchsichtig.
    [0023] Weiterhin befinden sich im Zentrum der Figur auf der Strich¬ platte radialrasterförmig angeordnete Bereiche 30, 31,..,33 usw. mit alternierend unterschiedlichem Reflexionsvermögen. Bereiche mit höherem Reflexionsvermögen z.B. 30, 32 wechseln sich mit Bereichen niedrigerem Reflexionsvermögen z.B. 31, 33 ab. Die von dieser Strichplatte reflektierte, kreis¬ förmige Projektionsfigur 34 erscheint daher auf der Bild¬ verarbeitungskamera räumlich intensitätsmoduliert, wie das durch die entsprechenden hellen und dunklen Teile dieses Ringes veranschaulicht ist.
    [0024] Figur 6 zeigt schematisch die Wirkung einer Kegellinse im Strahlengang des Projektors. Ohne Kegellinse erzeugt das Fernrohr 40 mit Hilfe der nicht dargestellten Strahlungs¬ quelle und der ebenfalls nicht dargestellten optischen Ein- kopplungselemente einen Lichtfleck 42 auf der Oberfläche 23. Dieser Lichtfleck wird von der Kegellinse in einen Licht¬ fleck 22 mit kreisringförmiger Bestrahlungsstärkeverteilung überführt, wobei die Kreisringform in einer Ebene durch die Oberfläche 23 senkrecht zur Fernrohrachse auftritt. Bei zur Fernrohrachse geneigter Oberflächennormalen entsteht auf der Oberfläche eine annähernd ellipsenförmige Bestrahlungs- stärkeverteilung. Die Kegellinse besteht im einfachsten Fall aus einem Material mit der Brechzahl n, und sie besitzt eine ebene Begrenzungsfläche. Es können jedoch auch beide Seiten kegelförmig sein. Die ringförmige Bestrahlungsstärkevertei¬ lung kann sowohl mit Vollkegeln, wie in Abb. 6 dargestellt, als auch mit Hohlkegeln erzeugt werden.
    [0025] Von Vorteil insbesondere bei Verwendung eines Radialrasters z.B. gemäss Fig.5 ist es, eine derartige Kegellinse im Pro- jektionsstrahlengang vor der Fernrohrstrichplatte anzu¬ ordnen, beispielsweise an der Stelle der Planplatte 6 gemäss Fig.4.
    [0026] Die gleiche optische Wirkung wie mit Kegellinse kann man auch durch Anordnung eines holographisch-optischen Elementes im Strahlengang des Projektors erzielen.
    [0027] Eine praktisch erprobte Ausführungsform mit zwei elektro¬ nischen Präzisionstheodoliten THEOMAT WILD T3000 und einem HeNe Laser als Strahlungsquelle hatte folgende technische Daten: Freier Objektivdurchmesser von Sender- und Empfänger¬ theodolit bei Fokussierung auf eine Oberfläche in 5 m Distanz: 44 mm; Kegelwinkel des Kreiskegels, den die Achsen der den Lichtfleck projizierenden Bündel beschreiben: 8.6 mgon; Durchmesser des kreisförmigen Lichtflecks in 5 m Entfernung: 0.7 mm; Messunsicherheit (Standardabweichung) der Position des Mittelpunkts der vom Empfängertheodoliten detektierten ellipsenringförmigen Strahlungsverteilung auf dem Objekt bei gleichmässiger Oberflächenstruktur: 0.06 mgon.
    权利要求:
    Claims
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Genauigkeitssteigerung bei der Vermessung einerOberfläche im Raum mit Hilfe von mindestens zwei Theodoliten, wobei von einem Theodoliten ein Lichtfleck auf die Oberfläche projiziert wird und mit Hilfe des oder der anderen Theodoliten der Lichtfleck angezielt und dessen Position im Raum trigonometrisch bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des den Lichtfleck projizierenden Bündes einen Kreiskegel beschreibt und dass jeweils der Mittelpunkt der von dem oder den Beobachtungstheodoliten detektierten Ellipsen als repräsentativer Zielpunkt zur trigonometrischen Bestimmung der Position des betreffenden Flächenelementes auf der zu vermessenden Fläche verwendet wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem bzw. den Empfängertheodoliten detektierte ringförmige Bestrahlungsstärkeverteilung durch eine ausgleichende Ellipse angenähert wird und dass als Ergebnis dieser Ausgleichung eine Standardabweichung für die Messunsicherheit der individuellen Positionsbestimmung abgeleitet wird, die als Qualitätsmass für die Messung der Lage des betreffenden Flächenelementes auf der zu vermessenden Fläche im Raum dient.
    3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens zwei Theodoliten, von denen einer zur Projektion eines Lichtflecks auf die zu vermessende Oberfläche eingerichtet ist und mindestens ein anderer Theodo lit fiirdie Anzichnung des Lichtflecks eingerichtet ist, dadurch gekciinzeichnet,dass im Strahlengang des Projektors ein optisches Element (6) zur Erzeugung einer kreisringförmigen Bestrahlungsstärkeverteilung um die Projektorachseangeordnet ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors eine rotierende, geneigte Planparallelplatte (6) angeordnet ist.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors ein rotierender Keil (6) angeordnet ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors ein rotierender Spiegel angeordnet ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors eine Kegellinse angeordnet ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors ein holographisch-optisches Element angeordnet ist.
    9.Vorrichtung nach Anspruch 3, mit einem Theodolitfernrohr zur Projektion eines Lichtflecks und zur gleichzeitigen visuellen Zielung mit einer Strichplatte (11) und/oder einer Beobachtung dieser Strichplatte mit einer Bildverarbeitungskamera, dadurch gekennzeichnet, dass die Strichplatte (11) in der Ebene der Strichfigur Flächenelemente mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen (30, 32, 34; 31, 33) besitzt, deren geometrische Anordnung eine Zuordnung zur Strichplattenmitte aufweist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelemente mit unterschiedlicher Reflexion (30-34) die Form eines Radialrasters mit dem Mittelpunkt in der Strichplattenmitte, ähnlich einem "Siemensstern" aufweisen.
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    公开号 | 公开日
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    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1989-11-30| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
    1989-11-30| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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