DE4021911A1 - Vorrichtung zur erfassung einer lichtempfangsposition - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung einer lichtempfangsposition

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DE4021911A1
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Eiichi Kitajima
Akihiko Morishita
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    • G01C15/002Active optical surveying means
    • G01C15/004Reference lines, planes or sectors
    • G01C15/006Detectors therefor

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangsposition, wie sie in einem Nivellierinstrument und dergleichen Verwendung findet.
Im Stand der Technik ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangsposition vorgeschlagen worden, die in Nivellierinstrumenten Verwendung findet und deren Aufbau in Fig. 1 gezeigt ist. In Fig. 1 sind die einen Enden von sechzehn Lichtleitfasern 51 bis 66 längs einer geraden Linie angeordnet und bilden eine Lichtempfangsebene. Die anderen Enden der sechzehn Licht­ leitfasern 51 bis 66 sind jeweils mit sechzehn Lichttei­ ler- oder Lichtverzweigungselementen 51A bis 66A verbun­ den, so daß jeweils zwei Lichtleitfaserwege von jedem der Lichtverzweigungselemente 51A bis 66A ausgehen, derart, daß jeweils eine Lichtleitfaser 51b bis 54b der Licht­ leitfaserpaare 51a und 51b bis 54a und 54b, die durch die entsprechenden Lichtverzweigungselemente 51A, 52A, 53A und 54A verzweigt worden sind, mit einem Lichtempfangs­ element A verbunden sind, daß jeweils eine Lichtleitfaser 55b bis 58b der Lichtleitfaserpaare 55a und 55b bis 58a und 58b, die durch die entsprechenden Lichtverzweigungs­ elemente 55A, 56A, 57A und 58A verzweigt worden sind, mit einem Lichtempfangselement B verbunden sind, daß jeweils eine Lichtleitfaser 59b bis 62b der Lichtleitfaserpaare 59a und 59b bis 62a und 62b, die durch die entsprechenden Lichtverzweigungselemente 59A, 60A, 61A und 62A verzweigt worden sind, mit einem Lichtempfangselement C verbunden sind, daß jeweils eine Lichtleitfaser 63b bis 66b der Lichtleitfaserpaare 63a und 63b bis 66a und 66b, die durch die entsprechenden Lichtverzweigungselemente 63A, 64A, 65A und 66A verzweigt worden sind, mit einem Licht­ empfangselement D verbunden sind und daß ferner die ande­ ren Lichtleitfasern 51a, 55a, 59a und 63a, die durch die Lichtverzweigungselemente 51A, 55A, 59A bzw. 63A ver­ zweigt worden sind, mit einem Lichtempfangselement E ver­ bunden werden, daß die anderen Lichtleitfasern 52a, 56a, 60a und 64a, die durch die Lichtverzweigungselemente 52A, 56A, 60A bzw. 64A verzweigt worden sind, mit einem Licht­ empfangselement F verbunden sind, daß die anderen Licht­ leitfasern 53a, 57a, 61a und 65a, die durch die Lichtver­ zweigungselemente 53A, 57A, 61A beziehungsweise 65A ver­ zweigt worden sind, mit einem Lichtempfangselement G ver­ bunden sind und daß die anderen Lichtleitfasern 54a, 58a, 62a und 66a, die durch die Lichtverzweigungselemente 54A, 58A, 62A bzw. 66A verzweigt worden sind, mit einem Licht­ empfangselement H verbunden sind. Die Lichtempfangsele­ mente A bis H sind mit einer Detektorschaltung 70 verbun­ den, die wiederum mit einer CPU 71 verbunden ist, an die eine Anzeigeeinheit 72 angeschlossen ist. Die Abweichung einer gemessenen Position (einer zu messenden Position) kann gemessen werden, indem die Vorrichtung zur Erfassung der Lichtempfangsposition an der gemessenen Position an­ geordnet wird, indem die Erfassungsvorrichtung mit einem von einer Bezugsposition ausgehenden Lichtstrahl be­ strahlt wird und indem die Position des Lichtstrahls auf der Erfassungsvorrichtung gemessen wird. Wenn der Licht­ strahl, der in die Lichtempfangsebene an den einen Enden der Lichtleitfasern 51 bis 66 eintritt und entlang der letzteren verläuft, an einer Position angeordnet wird, die irgend einer der Lichtleitfasern 51 bis 66 ent­ spricht, ist es möglich, festzustellen, welche Lichtleit­ faser (der Lichtleitfasern 51 bis 66) von dem Lichtstrahl betroffen ist, und das Ergebnis auf der Anzeigeeinheit 72 anzuzeigen, indem die Position des Lichtstrahls mittels zweier Lichtempfangselemente auf der Grundlage der digi­ talen Information von den zwei Sätzen von Lichtempfangs­ elementen A bis D bzw. E bis H erfaßt wird.
Wenn sich jedoch beispielsweise ein Lichtstrahl an einer einem Ende der Lichtleitfaser 53 entsprechenden Position befindet, ist es unmöglich, festzustellen, welche Licht­ leitfaser von dem Lichtstrahl betroffen ist, da, obwohl das Lichtempfangselement A ein Signal aussendet, das an­ gibt, daß es den Lichtstrahl empfangen hat, dieses Licht­ empfangselement A im Beispiel mit insgesamt vier Licht­ leitfasern 51 bis 51 verbunden ist. Eine solche Bestim­ mung wird daher mit Hilfe eines Ausgangssignals des wei­ teren Satzes von Lichtempfangselementen E bis H vollen­ det. Das heißt, daß eine Kenntnis davon, daß der Licht­ strahl mit einem Ende der Lichtleitfaser 53 in Beziehung steht, auf der Grundlage der Ausgangssignale der Licht­ empfangselemente A und G erlangt werden kann.
In der oben erwähnten herkömmlichen Vorrichtung zur Er­ fassung einer Lichtempfangsposition besteht jedoch das Problem, daß eine Position, die kleiner als die Schritt­ weite zwischen zwei benachbarten Lichtleitfasern ist, nicht erfaßt werden kann. Ferner entsteht das weitere Problem, daß die Anordnung und die Verbindung der Licht­ leitfasern komplex wird und der Betrieb der Anordnung störanfällig ist, weil der Lichtstrahl von einer Mehrzahl von Lichtleitfasern empfangen wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangsposition zu schaffen, in der keinerlei Lichtleitfasern verwendet wer­ den und die ein hohes Auflösungsvermögen besitzt.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsge­ mäßen Art gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, mit dem das Prinzip einer herkömmlichen Vorrichtung zur Er­ fassung einer Lichtempfangsposition er­ läutert wird;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtemp­ fangsposition; und
Fig. 3, 4 erläuternde Darstellungen der Beziehung zwischen dem Lichtstrahl und dem Licht­ empfangselementen.
In Fig. 2 ist das konstruktive Prinzip einer Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangsposition gemäß einer be­ vorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In die­ ser Vorrichtung sind flache Lichtempfangselemente 1 bis 12, die alle die gleiche rechtwinklige Lichtempfangsober­ fläche besitzen, ohne Abstand entlang einer geraden Linie angeordnet und bilden einen Lichtempfangsbereich. Die Ausgänge der Lichtempfangselemente 1 bis 4 sind mit einer Digitalschaltung 13A verbunden, die Ausgänge der Licht­ empfangselemente 5 bis 8 sind mit einer Digitalschaltung 13B verbunden und die Ausgänge der Lichtempfangselemente 9 bis 12 sind mit einer Digitalschaltung 13C verbunden. Die Lichtempfangselemente 1, 5 und 9 sind außerdem mit einer Analogschaltung 14A verbunden. Genauso sind die Lichtempfangselemente 2, 6 und 10 mit einer Analogschal­ tung 14B, die Lichtempfangselemente 3, 7 und 11 mit einer Analogschaltung 14C und die Lichtempfangselemente 4, 8 und 12 mit einer Analogschaltung 14D verbunden. Die an beiden Enden des Lichtempfangsbereichs angeordneten Lichtempfangselemente 1A und 12A sind mit einer Digital­ schaltung 15 verbunden.
Jede der Digitalschaltungen 13A, 13B, 13C und 15 umfaßt einen Addierer zum Addieren der Eingangssignale, einen Komparator und dergleichen und ist so ausgebildet, daß ihre Ausgabe invertiert wird, wenn der Summen- oder Addi­ tionswert aller Eingangssignale einen vorgegebenen Pegel übersteigt. Die Ausgaben der Digitalschaltungen 13A, 13B, 13C und 15 werden in eine CPU (Zentraleinheit) 16 einge­ geben. Weiterhin umfaßt jede der Analogschaltungen 14A bis 14D einen Addierer, eine Spitzenwerthalteschaltung und dergleichen und ist so ausgebildet, daß sie den Sum­ men- oder Additionswert aller Eingangssignale auf einem Meßpunkt hält. Die Ausgaben der Analogschaltungen 14A bis 14D werden ebenfalls in die CPU 16 eingegeben. Die in der CPU 16 verarbeiteten Daten werden über eine Schnittstelle 17 als Kommunikationsdaten an ein externes Gerät gegeben. Weiterhin werden die in der CPU 16 verarbeiteten Daten in eine Anzeigeeinheit 18 eingegeben.
Nun wird der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung beschrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Beziehung zwischen dem Durchmesser R eines auf den Lichtempfangsbe­ reich auftreffenden Lichtstrahls und den Lichtempfangs­ elementen so festgesetzt, daß der Durchmesser des einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Lichtstrahls län­ ger ist als die Länge L des Lichtempfangselementes (die gleich der Schrittweite ist) und kleiner als 2L ist. (Genauer gesagt ist der Durchmesser des Lichtstrahls dann maximal, wenn die Umfangslinie des Lichtstrahls mit den äußeren Enden zweier benachbarter Lichtempfangsel­ mente in Berührung kommt.) Wenn der einen solchen Durch­ messer aufweisende Lichtstrahl die beiden Lichtempfangs­ elemente 1 und 2 bestrahlt, werden die Ausgaben der Lichtempfangselemente 1 und 2 in die Digitalschaltung 13A eingegeben, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Digitalschal­ tung 13A stellt fest, daß die Summe der Ausgangssignale der Lichtempfangselemente 1 bis 4 einen vorgegebenen Wert übersteigt, so daß sie eine Ausgabe, beispielsweise mit HOHEM Pegel, erzeugt. Der vorgegebene Wert wird so fest­ gesetzt, daß er die Beurteilung erlaubt, ob der Licht­ strahl irgend einen Satz der Lichtempfangselemente 1 bis 4, 5 bis 8 oder 9 bis 12 betrifft; er wird auf einen Pe­ gel eingestellt, der so niedrig ist, daß er einerseits vom Rauschen nicht gestört wird und andererseits das Vor­ liegen eines Lichtstrahls vom Nichtvorliegen des Licht­ strahls unterscheiden kann, wobei berücksichtigt wird, daß eine Unterscheidung auch dann möglich sein muß, wenn sich der Lichtstrahl an einer Grenze zwischen zwei Sätzen von Lichtempfangselementen befindet. Da die CPU 16 grob beurteilen kann, welcher Satz von Lichtempfangselementen vom Lichtstrahl betroffen ist, stellt sie in dem in Fig. 3 gezeigten Fall fest, daß der Lichtstrahl den Satz der Lichtempfangselemente 1 bis 4 betrifft. Die anderen Aus­ gaben der Lichtempfangselemente 1 und 2 werden in die Analogschaltungen 14A bzw. 14B eingegeben. In den Analog­ schaltungen 14A und 14B werden die von den Lichtempfangs­ elementen 1 bzw. 2 empfangenen Lichtmengen des Licht­ strahls in elektrische Analogwerte umgewandelt, die in die CPU 16 eingegeben werden. Daher kann die CPU 16 be­ stimmen, welches der Lichtempfangselemente 1, 2, 3 oder 4 vom Lichtstrahl betroffen ist, indem sie die maximale Ausgabe der Analogschaltungen 14A bis 14D ermittelt. Im Ergebnis wird in dem in Fig. 3 gezeigten Fall geurteilt, daß der Lichtstrahl das Lichtempfangselement 2 betrifft.
Um eine Position zu lesen oder festzustellen, die kleiner als die Länge eines Lichtempfangselementes (das heißt kleiner als die Schrittweite) ist, vergleicht die CPU 16 den Analogwert der Analogschaltung mit der maximalen Aus­ gabe mit dem Analogwert der Analogschaltung mit der zweitgrößten Ausgabe.
In dem in Fig. 3 gezeigten Fall bestimmt die CPU 16 auf der Grundlage der folgenden Gleichung einen Vergleichs­ wert y:
y = (A-B)/(A+B).
Hierbei ist A der Analogwert des Lichtempfangselementes 1 und B der Analogwert des Lichtempfangselementes 2. Das heißt, daß eine Mittelposition Y des Lichtstrahls erhal­ ten werden kann, da der Vergleichswert y einen Verhält­ niswert zwischen den Flächen der vom Lichtstrahl be­ strahlten Lichtempfangselemente darstellt und die Infor­ mation über die Position aus einem Wert erhalten werden kann, der in einer im voraus erstellten Wiedergewinnungs­ tabelle abgelegt ist. In dem in Fig. 4 gezeigten Fall, in dem ein Lichtstrahl drei Lichtempfangselemente 1, 2 und 3 bestrahlt, kann die wahre Mittenposition Y des Licht­ strahls erhalten werden, indem zunächst eine "falsche" Mittenposition Y1 des die Lichtempfangselemente 1 und 2 bestrahlenden Lichtstrahls und eine "falsche" Mittenposi­ tion Y2 des die Lichtempfangselemente 2 und 3 bestrahlen­ den Lichtstrahls in der im voraus erstellten Wiedergewin­ nungstabelle gesucht werden, wobei die Gleichungen y1 = (A-B)/(A+B) beziehungsweise y2 = (C-B)/(C+B) verwendet werden (A, B und C sind die Analogwerte der Lichtemp­ fangselemente 1, 2 bzw. 3; B ist in diesem Fall der Maxi­ malwert) und indem dann die Mittenposition zwischen Y1 und Y2 berechnet wird. Wenn diese Werte zu der Gruppe oder dem Satz von Informationen, die von der Digital­ schaltung 13A benötigt wird, addiert werden, kann die ab­ solute Position H des Lichtstrahls erhalten werden. Die Absolutposition H des Lichtstrahls wird von der Anzeige­ einheit 18 digital angezeigt. Weiterhin können die die Absolutposition H des Lichtstrahls betreffenden Daten an ein externes Verarbeitungsgerät wie etwa einen Personal­ computer über die Schnittstelle 17 übertragen werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, dienen die Lichtempfangselemente 1A und 12A dazu, zu ermitteln, daß der Lichtstrahl die äuße­ ren Grenzen des meßbaren Bereichs zwischen den Lichtemp­ fangselementen 1 und 12 überschreitet, und um über die Digitalschaltung 15 eine Ausgabe in die CPU 16 einzuge­ ben. Da in diesem Fall die Position des die Lichtemp­ fangselemente 1 oder 12 überschreitenden Lichtstrahls un­ bestimmt wird, veranlaßt die CPU 16 ein (nicht gezeigtes) geeignetes Alarmelement zur Erzeugung eines hörbaren Alarmsignals, um eine fehlerhafte Erfassung zu verhin­ dern.
Folglich kann eine Bedienungsperson die Position des Lichtstrahls lediglich durch die Beobachtung der Anzeige auf der Anzeigeeinheit 18 erkennen. Da die Anzeige der Anzeigeeinheit 18 kein Wert mit minimalem Auflösungsver­ mögen, welches der Länge eines jeden der Lichtempfangs­ elemente 1 bis 12 entspricht, ist, sondern ein interpo­ lierter Wert, bei dem auch kürzere Längen als die Länge eines jeden der Lichtempfangselemente 1 bis 12 berück­ sichtigt werden, kann die Position des Lichtstrahls mit hohem Auflösungsvermögen erhalten werden.
Obwohl in der erläuterten Ausführungsform der Lichtemp­ fangsbereich so aufgebaut ist, daß die flachen Lichtemp­ fangselemente mit jeweils gleichem rechtwinkligen Licht­ empfangsflächen entlang einer geraden Linie ohne Unter­ brechung angeordnet sind, kann jedes Lichtempfangselement auch eine kreisförmige Lichtempfangsfläche besitzen und können die Lichtempfangselemente in einem Abstand vonein­ ander mit einer vorgegebenen Schrittweite (also in einer unterbrochenen Anordnung) angeordnet werden. Jedoch ist es auch in diesem Fall erforderlich, daß die Beziehung P R 2P zwischen der Schrittweite P (zwischen den Licht­ empfangselementen) und dem Durchmesser R des Lichtstrahls beibehalten wird.
Wenn die Anzahl der Lichtempfangselemente M × N ist (M bzw. N sind natürliche Zahlen), können die Lichtempfangs­ elemente in Gruppen von N Elementen angeordnet werden, so daß eine Mehrzahl von M Gruppen oder Sätzen von Lichtemp­ fangselementen mit M Digitalschaltungen und N Lichtemp­ fangselemente derselben Gruppe mit den entsprechenden Analogschaltungen verbunden werden können. In diesem Fall können die Digitalschaltungen und die Analogschaltungen zu den in Fig. 2 gezeigten Schaltungen äqivalent sein.
In dem in Fig. 2 gezeigten Fall, für den die obige Be­ schreibung gegeben worden ist, gilt M = 3 und N = 4.
Wenn der Lichtstrahl die beiden Lichtempfangselemente 4 und 5 bestrahlt, kann die CPU 16 diese Tatsache auf der Grundlage von HOHEN Signalpegeln bestimmen, da die Digi­ talschaltungen 13A und 13B beide Signale mit HOHEM Pegel ausgeben. In diesem Fall werden die Ausgaben der Analog­ schaltungen 14D und 14A dazu benutzt, die Position des Lichtstrahls zu berechnen.
Wie oben erwähnt, ist erfindungsgemäß der Aufbau des Lichtempfangsbereichs einfach, da keinerlei Lichtleitfa­ sern, die einen komplizierten Aufbau zur Folge hätten, verwendet werden. Ferner kann die Position des Licht­ strahls erfindungsgemäß mit hohem Auflösungsvermögen be­ stimmt werden, da für die Ermittlung dieser Position sowohl Analogwerte als auch Digitalwerte verwendet wer­ den.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangspo­ sition, gekennzeichnet durch
einen Lichtempfangsbereich, der aus M linear an­ geordneten Gruppen aufgebaut ist, die jeweils N linear und der Reihe nach angeordnete Lichtempfangselemente (1 bis 4; 5 bis 8; 9 bis 12) enthalten, wobei M und N je­ weils eine ganze Zahl ist;
M Digitalschaltungen (13A; 13B; 13C), die den je­ weiligen M Gruppen des Lichtempfangsbereichs entsprechen, wobei jede Digitalschaltung (13A; 13B; 13C) mit jedem Lichtempfangselement (1 bis 4; 5 bis 8; 9 bis 12) der entsprechenden Gruppe des Lichtempfangsbereichs verbunden ist und die Eingangssignale hiervon addiert, um eine Er­ fassungssignal-Information auszugeben, wenn der Summen­ wert einen vorgegebenen Pegel übersteigt;
N Analogschaltungen (14A, 14B, 14C, 14D), die je­ weils mit demjenigen Lichtempfangselement einer Gruppe des Lichtempfangsbereichs verbunden sind, dessen Position innerhalb der entsprechenden Gruppe der Position der be­ treffenden Analogschaltung entspricht, und die die Ein­ gangssignale der entsprechenden Lichtempfangselemente ad­ dieren, um eine Summenwert-Information auszugeben; und
Rechenmittel (16), die mit den M Digitalschaltun­ gen (13A, 13B, 13C) und den N Analogschaltungen (14A, 14B, 14C, 14D) verbunden sind, um die Lichtempfangsposi­ tion eines auf den Lichtempfangsbereich auftreffenden Lichtstrahls auf der Grundlage der Informationen von den M Digitalschaltungen und den N Analogschaltungen zu be­ rechnen.
2. Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangspo­ sition gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittweite P zwischen den Lichtempfangselementen (1 bis 12) mit dem Durchmesser R des Lichtstrahls in der folgen­ den Beziehung stehen:
P R 2P.
DE4021911A 1989-07-10 1990-07-10 Vorrichtung zur erfassung einer lichtempfangsposition Withdrawn DE4021911A1 (de)

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