-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung, die in der
Vermessung und auf dem Bau Verwendung findet, und insbesondere
eine Meßvorrichtung für eine derartige Anwendung, mit der die
Position oder das Niveau einer Referenzebene feststellbar ist,
die durch einen rotierenden Laserstrahl oder durch eine
stationäre Ebene von Laserlicht bestimmt wird.
-
In der Vermessung und im Bau sind Lasersysteme zum Einsatz
gekommen, bei denen ein Laserstrahl entweder in einer
horizontalen oder geneigten Ebene rotiert. In dem US-Patent Nr.
4,062,634, das am 13. Dezember 1977 an Rando erteilt wurde, ist
eine Laserprojektionsvorrichtung dargestellt, die einen
rotierenden Referenzstrahl erzeugt. Der rotierende Strahl bestimmt
eine Ebene, wobei verschiedene Messungen durchgeführt werden
können, bei denen die Ebene als Referenz dient. Beispielsweise
kann die Höhe eines von der Laserprojektionsvorrichtung
entfernten Punktes mittels eines Stabes gemessen werden, an dem
ein Laserstrahldetektor befestigt ist. Das untere Ende des
Stabes liegt am Boden an dem Punkt auf, wo die Messung
durchgeführt werden soll, und die Bedienperson bewegt den Detektor
längs des Stabes in eine Position, in der der Laserstrahl
aufgefangen wird, die durch ein Metermaß oder eine andere an der
Detektorvorrichtung vorgesehene Anzeige angezeigt wird. Eine
derartige Detektorvorrichtung ist in dem am 30. Juni 1987 an
Petersen erteilten US-Patent Nr. 4,240,208 gezeigt.
Ein ähnliches Vermessungssystem ist in dem US-Patent Nr.
4,732,471 gezeigt, das am 22. März 1988 an Cain et al. erteilt
wurde. Bei dem System gemäß Cain et al. wird kein rotierender
Strahl verwendet. Vielmehr erzeugt ein Lasersender durch
Ab-Strahlung von Laserenergie in einem nicht ebenen, stationären
Referenzkegel ein Justierfeld. Wenn der Sender ausgerichtet
ist, steigt der Referenzkegel bezüglich der Horizontalen in
ausreichender Weise an, so daß Lagefehler, die infolge der
Krümmung der Erde auftreten, ausgeglichen werden. Das Patent
von Cain et al. beschreibt eine kleine, handgerechte
Vorrichtung, die eine Anzeige und ein Fotodetektormodul umfaßt.
-
Beide Detektorvorrichtungen, die in den Patenten von Cain et
al. und Petersen gezeigt sind, weisen ein Paar von
benachbarten, dreieckig geformten Fotodetektorelementen auf. Die
Orientierung der Fotodetektorelemente ist derart, daß Änderungen der
Signalausgänge der Elemente, die aufgrund der Bewegung des
Lichtes auftreten, in umgekehrter Beziehung stehen. Wenn sich
das Referenzlicht nach oben bewegt, steigt der Signalausgang
von einem der Elemente an, während der Signalausgang von dem
anderen der Elemente abnimmt. Entgegengesetzte Signaländerungen
treten auf, wenn sich die Lage des Referenzlichtes nach unten
bewegt. Natürlich werden die Signalpegel ebenfalls von der
Intensität der Lichtquelle und der Entfernung der
Fotodetektorelemente von der Lichtquelle beeinflußt. Durch Vergleich der
relativen Signalausgangspegel der beiden Fotodetektorelemente ist
es jedoch möglich, eine Anzeige der Lage des Referenzlichtes
unabhängig von der absoluten Lichtintensität zu erhalten.
-
Während eine derartige Detektoranordnung unter verschiedenen
Bedingungen eine genaue Betriebsweise ermöglicht, wurde
festgestellt, daß in Fällen, wo die Detektorvorrichtung fehlerhaft
orientiert ist, Fehler auftreten können. Die
Fotodetektorelemente sind hinter einer in dem Gehäuse der Detektorvorrichtung
vorgesehenen Öffnung angeordnet. Wenn die Detektorvorrichtung
durch Drehung um die Vertikalachse derart fehlausgerichtet ist,
daß das Licht nicht unter normalem Einfallswinkel auf die
Elemente auftritt, kann durch das Gehäuse an dem Rand der
Öffnung eine Beschattung der Elemente auftreten. Wenn der
Einfallswinkel groß ist, können die Photodetektorelemente
vollständig beschattet sein, wodurch die Einrichtung nicht
funktionsfähig ist. Für die Bedienperson stellt dies eine
Unannehmlichkeit dar, die jedoch einfach durch Rückausrichtung der
Einrichtung behoben werden kann. Schwerwiegender ist jedoch die
Situation, bei der die Fotodetektorelemente nur teilweise
beschattet sind. In diesem Fall sind die beiden Elemente nicht
gleichmäßig beschattet, was zu einer Verschiebung der relativen
Signalpegel der beiden Elemente führt und einen entsprechenden
Fehler in der festgestellten Position des Referenzlichtes zur
Folge hat. Da die Vorrichtung eine Lichtposition anzeigt, kann
die Bedienperson die Fehlausrichtung der Vorrichtung und den
resultierenden Fehler bei deren Betrieb nicht bemerken.
-
Andere vorbekannte Einrichtungen umfassen die DE-C-3512708, die
eine optoelektrische Meßlatte mit einer einheitlichen Matrix
von optoelektronischen Elementen offenbart. Beim Einfall des
Laserstrahls wird ein Signal erzeugt das die durch den Strahl
beleuchtete Reihe und Spalte anzeigt und zur Anzeige der Höhe
des Strahles verwendet wird. Zur Verbindung von allen diskreten
optoelektronischen Elementen ist eine Vielzahl von
Signalmeßleitungen erforderlich.
-
Die US-A-3,887,012 beschreibt ein Nivelliersystem für
Erdbohrvorrichtungen, die einen optischen Empfänger zur Justierung der
Erdbohrvorrichtung bezüglich einer Referenzlichtstrahlquelle
verwendet. Der optische Empfänger ist aus isolierten, vertikal
beabstandeten Solarzellen aufgebaut. Die Solarzellen sind
derart angeordnet, daß jedes der vertikalen Segmente aus drei
Solarzellen besteht, die auf einer Seite eines gleichseitigen,
dreiecksförmigen Prismas befestigt sind, das den optischen
Empfänger trägt. Der Empfänger ist auf jeder Stufe mit drei
Solarzellen ausgelegt so daß ein im wesentlichen konstantes
Antwortsignal durch die der bestimmten vertikalen Stufe
zugeordnete Schaltung unabhängig von dem Winkel, mit dem der
Lichtstrahl auf die Solarzellen auftrifft, erzeugt wird. Der
Empfänger arbeitet unter Erzeugung eines Fehlersignales, um das
Niveau der Erdbohrvorrichtung zu justieren. Ein Signal wird
erzeugt wenn der Empfänger nicht mit dem Lichtstrahl justiert
ist, und kein Signal wird erzeugt, wenn er justiert ist.
-
Demgemäß ist ersichtlich, daß eine Notwendigkeit für eine
verbesserte Vorrichtung zur Feststellung der Relativposition von
Referenzlicht besteht, die weniger empfindlich hinsichtlich der
Fehlausrichtung der Vorrichtung ist.
-
Zu diesem Zweck besteht die vorliegende Erfindung in einer
Vorrichtung zur Feststellung der Relativposition einer im
wesentlichen horizontalen Lichtreferenzebene, wobei die Vorrichtung
eine Photodetektoreinrichtung und eine auf die
Photodetektoreinrichtung ansprechende Schaltungseinrichtung zur Bestimmung
der Position der Lichtreferenzebene bzgl. der Vorrichtung
aufweist, wobei die Photodetektoreinrichtung erste und zweite
parallel geschaltete Photodetektorelemente aufweist, die an der
Vorrichtung zueinander benachbart angeordnet sind, wobei die
Photodetektorelemente jeweils erste und zweite Detektorsignale
erzeugen, und wobei die Schaltungseinrichtung ausgebildet ist,
die Relativpegel der ersten und zweiten Detektorsignale derart
zu bestimmen, daß die Position der Lichtreferenzebene auch dann
bestimmt werden kann, wenn eine Teilbeschattung der Vorrichtung
auftritt, wobei das Photodetektorelement eine Vielzahl von in
Reihe angeordneten Bereichen aufweist, die in der Lage ist,
eine im wesentlichen senkrecht hierzu angeordnete
Lichtreferenzebene zu messen; wobei das zweite Photodetektorelement eine
weitere Vielzahl von Bereichen aufweist, wobei die Bereiche des
zweiten Photodetektorelementes zwischen benachbarten Bereichen
des ersten Photodetektorelementes angeordnet sind und wobei die
Abmessungen in Parallelrichtung zu einer Bereichsreihe des
ersten Photodetektorelementes von einem ersten Ende zu einem
zweiten Ende der Reihe zunehmen, während die Abmessungen in
Richtung der Bereiche des zweiten Photodetektorelementes von
einem ersten Ende zu einem zweiten Ende der Reihe abnehmen.
-
Die Vorrichtung kann eine Anzeigeeinrichtung aufweisen, die mit
der Schaltungseinrichtung zusammenwirkt und die eine Anzeige
für die Position der Lichtreferenzebene bezüglich der
Detektorvorrichtung liefert.
-
Die Summe der Abmessung in Parallelrichtung zur Bereichsreihe
des ersten Photodetektorelementes und die Abmessung in
Parallelrichtung zur Bereichsreihe des direkt benachbarten zweiten
Photodetektorelementes kann längs der Reihe konstant bleiben.
Die Summe der Abmessung in Parallelrichtung zur Bereichsreihe
des ersten Photodetektorelementes und die Abmessung in
Parallelrichtung
zur Bereichsreihe des zweiten unmittelbar
benachbarten zweiten Photodetektorelementes ist vorzugsweise nicht
größer als etwa die Hälfte der Stärke der Lichtreferenzebene,
deren Relativposition durch die Vorrichtung festgestellt werden
kann.
-
Somit schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte
Vorrichtung, die eine Lichtebene messen und anzeigen kann, und bei
der die Teilbeschattung der Vorrichtung sich nicht ungünstig
auf die zu messende und anzuzeigende Position auswirkt und bei
der die Photodetektoreinrichtung ein Paar von parallel
geschalteten Photodetektorelementen enthält.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, der anliegenden Zeichnungen und
den beigefügten Ansprüchen.
-
Zum leichteren Verständnis wird auf das in den beigefügten
Zeichnungen darstellte Beispiel verwiesen, in denen:
-
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer
erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung ist;
-
Fig. 2 zeigt eine Anordnung der Detektorelemente gemäß
dem Stand der Technik;
-
Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung mit
unterbrochenen Bereichen, die die parallel geschalteten
Photodetektorelemente gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
-
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des Schaltkreises der
erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung.
-
Es wird Bezug genommen auf die Figuren 1 und 4, die im
allgemeinen eine Detektor-und Anzeigevorrichtung 10 gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigen. Die Vorrichtung stellt
Referenzlicht fest und zeigt des Ort des Referenzlichtes bezüglich der
Vorrichtung an. Es sei darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung
10 mit Sendern verwendet werden kann, die entweder eine
stationäre Ebene oder Feld von Licht oder einen rotierenden
Lichtstrahl liefern.
-
Weiterhin kann das Licht in einer echten Ebene oder in einer
konischen Form oder anderen Form projiziert werden, um als
Referenz zu dienen. Das Referenzlicht kann beispielsweise mit
einer Vorrichtung, wie sie in dem US-Patent Nr. 4062634, das am
13. Dezember 1977 an Rando et al. erteilt wurde oder mit einer
Vorrichtung, wie sie in dem US-Patent 4,732,471, das am 22.
März 1988 an Cain et al. erteilt wurde, erzeugt werden, die
beide voranstehend erläutert wurden.
-
Die Detektorvorrichtung 10 umfaßt eine Anzeige 12 und eine
Photodetektoreinrichtung 14, die in einem Fenster oder einer
Öffnung angeordnet ist, die durch das Gehäuse 18 begrenzt ist. Die
Detektorvorrichtung 10 wird durch einen Steuerknopf 20
eingeschaltet und dann in der ungefähren Höhe des Referenzlichtes
positioniert. Das Licht trifft auf die Photodetektoreinrichtung
14 auf und eine Schaltkreiseinrichtung, die einen
Detektorschaltkreis 22 aufweist, zeigt an einer Anzeige 12 die Position
der Referenzebene des Lichtes bezüglich der Detektorvorrichtung
an. Speziell zeigt die Anzeige 12 an, ob das Licht oberhalb,
unterhalb oder innerhalb des Referenzbandes liegt, das zwischen
dem oberen und dem unteren Ende der Photodetektoreinrichtung 14
liegt (obwohl bei dieser Darlegung auf das obere Ende oder das
untere Ende der Einrichtung oder einer Komponente oder auf eine
horizontale oder vertikale Ausrichtung Bezug genommen wird, ist
zu verstehen, daß diese Ausdrücke als relativ zueinander
dargestellt sind, um die Erklärung und das Verständnis zu
erleichtern und daß mit diesen nicht beabsichtigt ist, eine
Beschränkung hinsichtlich der absoluten Ausrichtungen vorzunehmen).
-
Der Detektorschaltkreis 22 spricht auf die
Photodetektoreinrichtung 14 zur Bestimmung des Relativpegels der ersten und
zweiten Detektorsignale an den jeweiligen Leitungen 23 und 24
an, so daß die Position des Referenzlichtes bestimmt wird. Die
Anzeige 12, die beispielsweise eine LCD-Anzeige sein kann,
weist ein paar von Pfeilen 25 und 26 und einen Balken 28 auf.
-
Der Pfeil 25 und der Pfeil 26 werden angezeigt, wenn der Strahl
über oder unter dem Referenzband liegt. Der Balken 28 wird
angezeigt, wenn der Strahl innerhalb des Bandes liegt. Weiterhin
kann die Anzeige anzeigen, ob das Licht oberhalb, unterhalb
oder innerhalb eines zweiten, größeren Referenzbandes liegt,
das mit dem ersten Referenzband ausgerichtet ist. Die Details
des Detektorschaltkreises 22, mit denen dieses erreicht wird,
werden in dem oben erwähnten Patent von Cain et al.
beschrieben.
-
Wie oben erwähnt, kommt bei den im Stand der Technik bekannten
Detektorvorrichtungen ein Paar von Detektorelementen zum
Einsatz, von denen jedes in dreieckiger Form ausgebildet ist und
derart positioniert ist, daß die Bewegung des Referenzlichtes
in Vertikalrichtung ein Anwachsen des Ausgangssignales von
einem der Detektorelemente bewirkt, während gleichzeitig ein
Anwachsen des Ausgangssignales von den anderen der
Detektorelementen bewirkt wird. Diese Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt.
-
Die Elemente 30 und 32 sind zum Empfang einer Lichtebene 34
angeordnet. Es sei verstanden, daß der Pegel des Ausgangssignals
von einem Element direkt von dem Gebiet jenes Elementes
abhängt, das beleuchtet wird. Folglich führt die Bewegung des
Lichtes 34 nach oben zu einer Erhöhung des Ausgangssignals des
Elementes 30 an der Leitung 23' und zu einem Abnehmen des
Ausgangssignals des Elementes 32 an der Leitung 24', während eine
Bewegung des Lichtes 34 nach unten eine Abnahme des
Ausgangssignales des Elementes 30 und eine Zunahme des Ausgangssignales
des Elementes 32 bewirkt.
-
Wenn die Detektorvorrichtung durch Drehung um ihre
Vertikalachse fehl ausgerichtet ist, kann ein Bereich der
Photodetektorelemente durch das Gehäuse 18 im Seitenbereich der Öffnung
16 von dem Licht 34 beschattet werden. Das führt dazu, daß
Licht von dem schraffierten Gebiet 36 abgehalten wird. Es ist
ersichtlich, daß das Element 30 in dieser Situation ein
Ausgangssignal mit höherem Pegel liefert als das Element 32, da
ein größeres Gebiet des Elementes 30 beleuchtet bleibt. Dies
führt dazu, daß das Licht 34 als höher angezeigt wird, als dies
tatsächlich der Fall ist. Da die Einrichtung ein Ausgangssignal
liefert, bemerkt die Bedienperson jedoch diesen Fehler nicht.
-
Dieses Problem wird durch eine Photodetektoreinrichtung 14 der
vorliegenden Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist,
beseitigt. Die Photodetektoreinrichtung 14 enthält erste und zweite
parallel geschaltete Photodetektorelemente 38 und 40, die an
der Vorrichtung benachbart zueinander angeordnet sind. Die
ersten und zweiten parallel geschalteten Photodetektorelemente 38
und 40 liefern erste und zweite Detektorsignale an jeweiligen
Leitungen 23 und 24. Das erste Photodetektorelement 38 besteht
aus einer Vielzahl von getrennten Bereichen, die in einer im
allgemeinen vertikal orientierten Reihe angeordnet sind und
elektrisch mit der Leitung 23 verbunden sind. In gleicher Weise
besteht das Photodetektorelement 40 aus einer Vielzahl von
Bereichen, die elektrisch mit der Leitung 24 verbunden sind.
Jeder Bereich des zweiten Photodetektorelementes 40 ist zwischen
benachbarten Bereichen des ersten Photodetektorelementes 38
angeordnet.
-
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, nimmt die Höhe der Bereiche des
ersten Photodetektorelementes 38 vom unteren Ende zum oberen Ende
der Reihe zu, und die Höhe der Bereiche des zweiten
Photodetektorelementes 40 nimmt vom unteren Ende zum oberen Ende der
Reihe ab. Diese Anordnung ist derart ausgebildet, daß die Summe
h der Höhe eines Bereiches des ersten Photodetektorelementes 38
und die Höhe des Bereiches eines zweiten Photodetektorelementes
40, das direkt daneben liegt, längs der Reihe konstant bleibt.
-
Folglich ist es klar, daß die Relativpegel der Ausgangssignale
an den Leitungen 23 und 24 das Gebiet anzeigen, das längs der
Reihe der Elementbereiche beleuchtet wird. Wenn Licht nahe der
Mitte der Reihe auf die Photodetektorelemente auftrifft, werden
die Signalpegel an den Leitungen 23 und 24 etwa gleich sein.
Die Beleuchtung der Elemente in dem oberen Bereich der Reihe
erzeugt ein Signal mit höherem Pegel an der Leitung 23, während
die Beleuchtung der Elemente im unteren Bereich der Reihe ein
Signal mit höherem Pegel an der Leitung 24 erzeugt. Wenn die
Vorrichtung durch Rotation um die Vertikalachse im
ausreichenden
Umfang fehl ausgerichtet ist, um eine Beschattung der in
Fig. 2 dargestellten Art zu erzeugen, wird sowohl das erste als
auch das zweite Detektorsignal an den Leitungen 23 und 24 in
der Amplitude verringert. Die Beziehung zwischen zwischen
diesen Signalen bleibt jedoch gleich, da die Beziehung zwischen
den beleuchteten Gebieten der beiden parallel geschalteten
Photodetektorelemente unverändert bleibt.
-
Vorzugsweise ist die Summe h der Höhe eines Bereiches des
ersten Photodetektorelementes 38 und die Höhe eines Bereiches des
zweiten Photodetektorelementes 40, das direkt daneben liegt,
nicht größer als etwa die Hälfte der vertikalen Dicke der
Referenzebene des Lichtes. Es ist vorteilhaft, daß dies
sicherstellt, daß genug der Bereiche der beiden Elemente beleuchtet
sind, daß die gewünschte Beziehung zwischen den ersten und
zweiten Detektorsignalen erhalten wird.
-
Auch wenn die Erfindung im Detail und mit Bezug auf die
bevorzugte Ausführungsform hiervon beschrieben wurde, ist es
offensichtlich, daß andere Weiterbildungen und Abwandlungen möglich
sind, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzbereich
der Erfindung zu verlassen.