DE10020986B4

DE10020986B4 - Fernrohr für geodätische Geräte, insbesondere für Videotachymeter

Info

Publication number: DE10020986B4
Application number: DE10020986A
Authority: DE
Inventors: Ludwin-Heinz Dr.rer.nat. Monz; Bernd Dr. Donath
Original assignee: Trimble Jena GmbH
Current assignee: Trimble Jena GmbH
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: EP1150096A2; DE10020986A1; EP1150096A3; US6487011B2; US20020005984A1; EP1150096B1

Abstract

Fernrohr für geodätische Geräte, umfassend
– ein Objektiv (1),
– Mittel zur Erzeugung gesonderter Strahlengänge für die Zielsuche oder Bilderfassung und für die Streckenmessung, wobei für die Zielsuche eine CCD-Kamera mit CCD-Matrix (4) oder eine positionsabhängige, fotoelektrische Empfängeranordnung, wie ein Quadrantenfotoempfänger, in einer ersten Bildebene des Objektivs (1) und in einer zweiten Bildebene (6) des Objektivs (1) ein Empfänger (8) für die Streckenmessung angeordnet sind
– und eine Auswerteeinrichtung (9), welche mit der CCD-Kamera oder Empfängereinrichtung zur Signal- und/oder Bildauswertung verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
– daß im Fernrohr mit dem Objektiv (1) zusammenwirkende Mittel (2) in Form eines Zusatzobjektivs zur Erzeugung eines Weitwinkelstrahlenganges und ein optisches Mittel (10) zur Abbildung des Weitwinkelstrahlenganges und des Strahlenganges für die Zielsuche in einer gemeinsamen Bildebene (5) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fernrohr für geodätische Geräte, insbesondere für Videotachymeter oder Videotheodolite, mit unterschiedlichen Zwecken dienenden Strahlengängen.
Herkömmliche Fernrohre geodätischer Geräte umfassen meist ein Objektiv, eine Fokussierlinse, welche in der Regel so ausgebildet ist, daß eine kurze Baulänge des Fernrohres erreicht wird. Ferner umfassen diese Fernrohre eine Strichkreuzplatte und ein Okular zur visuellen Beobachtung des Objektes. In der Regel besitzen diese Fernrohre eine feste Brennweite und Vergrößerung, die entsprechend den Anforderungen des Gerätes ausgelegt sind.
In der DE 40 32 657 A1 wird ein Meßgerät mit einem Meßkopf mit einem Laser-Entfernungsmeßgerät mit Optiken für den Ein- und Austritt des Laserstrahls beschrieben, deren getrennte Zielachsen parallel zueinander ausgerichtet sind. Auf dem Meßkopf sind zwei Kameras aufgesetzt, deren getrennte Zielachsen zur Zielachse des Laser-Entfernungsmeßgeräts ausgerichtet sind und von denen eine eine Weitwinkelkamera ist. Insgesamt werden also vier Objektive verwendet.
In der DE 295 18 708 U1 wird eine geodätische Laserstation mit einem visuellen Fernrohr beschrieben, in welches ein Entfernungsmesser mit Sender und Empfänger eingekoppelt ist. Licht eines Lasers wird in den zentralen Teil der Austrittspupille des Fernrohrs eingespiegelt. Auf das Objektiv des Fernrohrs ist ein optisches Element aufgesetzt, welches der Kollimation des divergierenden Laserstrahls dient, der auf einen anzuzielenden Geländepunkt gerichtet ist.
Moderne elektrooptische Tachymeter besitzen zusätzlich für die Streckenmessung und für sogenannte Zielsuchfunktionen jeweils gesonderte Strahlengänge, die aus dem visuellen Fernrohrstrahlengang ausgekoppelt bzw. beim Sender eingekoppelt werden. Hinsichtlich der Feinzielsuche erfolgt in der Regel eine Abbildung auf die CCD-Matrix oder auf den CCD-Chip einer CCD-Kamera oder auf eine Quadrantendiode, mit denen dann eine entsprechende Bild- und/oder Signalauswertung vorgenommen wird.
So ist in dem DE-GM 90 07 731 beschrieben, daß, um unterschiedliche Bildfelder realisieren zu können, eine Weitwinkel- und eine Telekamera auf ein Tachymeterfernrohr aufgesetzt sind, um das Tachymeter mittels eines Joysticks von einem Bediengerät aus fernbedienen zu können.
Bei einer Anordnung nach dem EP 0 281 518 erfolgt die Abbildung einer Referenzmarke in Form einer Blende außerhalb des visuellen Sehfeldes auf die Kamera zur Sicherstellung der Zuordnung der Zielachsen. Dabei ist die Kamera auf dem Fernrohr angeordnet, wobei das Bild durch ein Prisma und eine Zusatzoptik in die Kamera eingespiegelt wird.
Eine Weiterentwicklung dieser Anordnung ist von Gruhn und Kahmen in einer Veröffentlichung der Konferenz über ”Optische 3-D-Meßtechniken III, Wien 2. Bis 4. Oktober 1995, Seite 256, beschrieben. Hierbei hat die auf dem Fernrohr angeordnete CCD-Kamera einen zweiten Strahlengang mit einer zusätzlichen Weitwinkeloptik, die jedoch von der eigentlichen Fernrohroptik getrennt ist.
Will man nun das visuelle Bild des Geländes mit einer CCD-Kamera aufnehmen und es auf einem Bildschirm darstellen, ohne für die Anziel- und Meßfunktion ein Okular zu verwenden, so treten folgende nachteilige Probleme auf:

– Das Fernrohr des Gerätes hat aufgrund seiner notwendigen großen Brennweite ein begrenztes und enges Fernrohrsehfeld, welches für eine Ortung eines Zieles im Gelände ungeeignet ist bzw. diese erheblich erschwert.
– Eine Registrierung eines größeren Bildausschnitts vom Gelände ist in diesem Falle nur mittels einer Aneinanderreihung von mehreren Einzelbildern mit einem entsprechenden Zeitaufwand möglich.
– Auch eine elektronische Zoomfunktion der CCD-Kamera würde hier keine wesentliche Verbesserung bringen.

So ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Fernrohr für ein geodätisches Gerät zu schaffen, daß durch Realisierung mehrerer Strahlengänge diese Nachteile beseitigt und den Aufbau eines Tachymeters wesentlich vereinfacht.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den im ersten Patentanspruch dargelegten Mittel gelöst. In den weiteren Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung beschrieben.
Zur Erzeugung des Weitwinkelstrahlenganges ist ein mit dem Objektiv zusammenwirkendes Zusatzobjektiv vorgesehen. Dabei kann auch als Zusatzobjektiv eine geeignete einzelne Linse mit dem Objektiv verbunden sein. Außerdem sind Mittel zur Abbildung des Weitwinkelstrahlenganges und des Strahlenganges für die Zielsuche in einer gemeinsamen Bildebene vorgesehen. In dieser gemeinsamen Bildebene befindet sich eine CCD-Matrix einer CCD-Kamera und/oder eine fotoelektrische Empfängeranordnung.
Um eine einfache Umschaltung zwischen dem Weitwinkelstrahlengang und dem Strahlengang für die Zielsuche zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn eine schaltbare Blende dieser gemeinsamen Bildebene vorgeordnet ist. Diese schaltbare Blende bewirkt durch Verschieben in einer zur gemeinsamen Bildebene parallelen Ebene ein wechselseitiges Abblenden dieser Strahlengänge.
So ist es auch vorteilhaft, wenn zur Erzeugung des Strahlenganges für die Zielsuche zwischen dem Objektiv und der zweiten Bildebene des Objektivs ein als Selektivspiegel wirkendes optisches Element angeordnet ist, welches einen Teil des das Objektiv passierenden Lichtes reflektiert.
Eine einfache Ausführung ergibt sich, wenn ein den Weitwinkelstrahlengang und, nach Reflexion am Selektivspiegel, den Strahlengang für die Zielsuche zur ersten Bildebene umlenkendes Element zwischen dem Objektiv und dem Selektivspiegel angeordnet ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwecks Durchführung der Fokussierung die CCD-Matrix und/oder die Empfängeranordnung in Richtung der optischen Achse des Weitwinkelstrahlenganges oder des Strahlenganges für die Zielsuche einstellbar angeordnet sind.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen
1 den optischen Aufbau des Fernrohres,
2 eine Draufsicht auf die CCD-Matrix der CCD-Kamera und
3 eine Draufsicht auf die in der zweiten Bildebene angeordnete Streckenmeßeinrichtung.
Das in 1 in seinem optischen Aufbau dargestellte Fernrohr für geodätische Geräte umfaßt ein Objektiv 1 und ein mit diesem zusammenwirkendes Zusatzobjektiv 2, welches vorteilhaft in unmittelbarer Nähe hinter dem Objektiv 1 angeordnet oder mit diesem, wie in 1 veranschaulicht, verbunden ist. Dieses Zusatzobjektiv 2 kann in einfacher Weise auf dem Objektiv 1 aufgekittet werden. Objektiv 1 und Zusatzobjektiv 2 stellen in der Verbindung ihrer optischen Wirkung ein Weitwinkelobjektiv dar. Mit dem Bezugszeichen 3 ist die optische Achse des Objektivs 1 bezeichnet. Dieses Fernrohr umfaßt ferner Mittel zur Erzeugung gesonderter Strahlengänge für die Streckenmessung und für die Zielsuche, wobei im Strahlengang für die Zielsuche eine CCD-Matrix 4 einer CCD-Kamera oder eine positionsabhängige, fotoelektrische Empfängeranordnung (Quadrantenfotoempfänger) in einer ersten Bildebene 5 des Objektivs 1 vorgesehen sind.
In einer zweiten Bildebene 6 des Objektivs 1 sind vorteilhaft ein Strahler 7 als Lichtquelle und ein Empfänger 8 einer Streckenmeßeinrichtung vorgesehen. Um eine gegenseitige Beeinflussung des von der Lichtquelle 7 ausgesandten Lichtstrahlung und der auf dem Empfänger 8 auftreffenden Empfängerstrahlung weitestgehend auszuschließen, ist ein Sheet 12 gegen ein Übersprechen der Strahlungen vorgesehen. Diese Streckenmeßeinrichtung und die CCD-Matrix 4 der CCD-Kamera oder die Empfängeranordnung in der ersten Bildebene 5 sind mit einer Auswerteeinheit 9 verbunden, welche die Signal- und/oder Bildauswertung vornimmt.
Zur Erzeugung einer Weitwinkelstrahlenganges, mit dem ein größerer Bildausschnitt des Geländes erzielt wird, um eine bessere Ortung eines zu vermessenden Gelände- oder Zielpunktes zu erreichen, und um zu realisieren, daß der Strahlengang für die Zielsuche und der Weitwinkelstrahlengang in der ersten Bildebene 5, also auf der CCD-Matrix fokussiert sind, sind zwischen dem Objektiv 1 und der zweiten Bildebene 6 in der Reihenfolge ein optisches Mittel 10, beispielsweise in Form eines Licht aus zwei entgegengesetzten Richtungen umlenkenden Umlenkelementes, und ein weiteres optischen Element 11, z. B. ein Selektivspiegel, längs der optischen Achse angeordnet. In der 1 ist das Mittel 10 als ein rechtwinkliges Prisma dargestellt, dessen Kathetenflächen 10.1 und 10.2 die strahlenumlenkenden Flächen sind.
Mit dieser Anordnung der optischen Bauelemente sind in diesem Fernrohr drei, unterschiedlichen Zwecken dienende Strahlengänge realisiert. Es sind dieses der Strahlengang für die Zielsuche oder Bilderfassung, der Strahlengang für Streckenmessung und der Weitwinkelstrahlengang.
Der Strahlengang für die Zielsuche oder Bilderfassung wird wie folgt realisiert: Das über das Objektiv 1 einfallende Licht wird am optischen Element 11 (Selektivspiegel) reflektiert, an der strahlenumlenkenden Fläche 10.2 des optischen Elementes 10 umgelenkt und auf der CCD-Matrix 4 der CCD-Kamera abgebildet.
Bei dem Strahlengang für die Streckenmessung wird der von der Lichtquelle 7 in einem Sendestrahlengang 13 ausgesendete Strahl in Form einer Halbpupille durch das optische Element 11 und das Objektiv 1 hindurch zum zu vermessenden Zielpunkt (nicht dargestellt), welcher auch ein Tripelprisma sein kann, gesendet. Der dort reflektierte Strahl wird im Empfängerstrahlengang 14 über das Objektiv 1 und das optische Element 11 auf den Empfänger 8 geleitet. Dabei werden Empfängerstrahlengang 14 und Sendestrahlengang 13 durch den Sheet 12 gegen ein Übersprechen der Strahlung getrennt. Aus den von dem Empfänger 8 gelieferten Signalen werden in der Auswerteeinheit 9 zu Streckenmeßwerten weiterverarbeitet.
Der dritte Strahlengang, der Weitwinkelstrahlengang ist wie folgt realisiert:
In diesem Strahlengang kann ein größerer Gebiet um den Zielpunkt herum ausgenommen werden und somit u. a. ein Auffinden eines zu vermessenden Zielpunktes wesentlich erleichtert werden. Mit diesem Strahlengang wird das Zielgebiet durch das Objektiv 1, das Zusatzobjektiv 2 und über die strahlenumlenkende Fläche 10.1 des als rechtwinkliges Prisma ausgebildeten optischen Mittels 10 auf die in der ersten Bildebene 5 angeordnete CCD-Matrix 4 abgebildet.
Um in der Bildebene 5 eine Umschaltung zwischen dem Weitwinkelstrahlengang und dem Strahlengang für die Zielsuche vornehmen zu können, ist dieser Bildebene 5 eine verschiebbare Blende 15 vorgeordnet. Durch den Pfeil 16 ist die Verschieberichtung angezeigt.
Pfeil 17 kennzeichnet die Verschiebung der CCD-Matrix 4 zwecks Durchführung der Fokussierung.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Verhältnis der Brennweiten des Weitwinkelstrahlenganges und der Brennweite des Strahlenganges für die Zielsuche von 1:3 vorgesehen wird. Es ist auch ein anderes Verhältnis möglich. Bei dem obigen Verhältnis von 1:3 ist das Sehfeld des Weitwinkelstrahlenganges ungefähr dreimal so groß wie das Sehfeld des Strahlenganges für die Zielsuche.
In 2 ist die CCD-Matrix 4 in Draufsicht dargestellt, wobei mit gestrichelten Kreisen die durch die abgebildeten Strahlengänge überdeckten Felder gekennzeichnet sind.
3 zeigt die Draufsicht auf Lichtquelle 7 und Empfänger 8 und Sende- und Empfangsstrahlengang 13; 14, zwischen denen der Sheet 12 zur Trennung angeordnet ist.

Claims

Fernrohr für geodätische Geräte, umfassend – ein Objektiv (1), – Mittel zur Erzeugung gesonderter Strahlengänge für die Zielsuche oder Bilderfassung und für die Streckenmessung, wobei für die Zielsuche eine CCD-Kamera mit CCD-Matrix (4) oder eine positionsabhängige, fotoelektrische Empfängeranordnung, wie ein Quadrantenfotoempfänger, in einer ersten Bildebene des Objektivs (1) und in einer zweiten Bildebene (6) des Objektivs (1) ein Empfänger (8) für die Streckenmessung angeordnet sind – und eine Auswerteeinrichtung (9), welche mit der CCD-Kamera oder Empfängereinrichtung zur Signal- und/oder Bildauswertung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, – daß im Fernrohr mit dem Objektiv (1) zusammenwirkende Mittel (2) in Form eines Zusatzobjektivs zur Erzeugung eines Weitwinkelstrahlenganges und ein optisches Mittel (10) zur Abbildung des Weitwinkelstrahlenganges und des Strahlenganges für die Zielsuche in einer gemeinsamen Bildebene (5) vorgesehen sind.
Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der gemeinsamen Bildebene (5) die CCD-Matrix (4) der CCD-Kamera oder die fotoelektrische Empfängeranordnung vorgesehen sind.
Fernrohr nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur wechselseitigen Abblendung des Weitwinkelstrahlenganges und des Strahlenganges für die Zielsuche eine schaltbare Blende (15) dieser gemeinsamen Bildebene (5) vorgeordnet ist.
Fernrohr nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Strahlenganges für die Zielsuche zwischen dem Objektiv (1) und der zweiten Bildebene (6) des Objektivs (1) ein als Selektivspiegel wirkendes optisches Element (11) angeordnet ist.
Fernrohr nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Weitwinkelstrahlengang und den Strahlengang für die Zielsuche zur ersten Bildebene umlenkendes Element zwischen dem Objektiv (1) und dem Selektivspiegel angeordnet ist.
Fernrohr nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fokussierung die CCD-Matrix (4) oder die Empfängeranordnung in Richtung der optischen Achse des Weitwinkelstrahlenganges oder des Strahlenganges für die Zielsuche einstellbar angeordnet sind.