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WO1989011630A1 - Process and device for measuring surfaces - Google Patents

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Publication number
WO1989011630A1
WO1989011630A1 PCT/EP1989/000598 EP8900598W WO8911630A1 WO 1989011630 A1 WO1989011630 A1 WO 1989011630A1 EP 8900598 W EP8900598 W EP 8900598W WO 8911630 A1 WO8911630 A1 WO 8911630A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light spot
theodolite
projector
beam path
theodolites
Prior art date
Application number
PCT/EP1989/000598
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heinz Bernhard
Hartmut Ehbets
André HUISER
Original Assignee
Wild Leitz Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wild Leitz Ag filed Critical Wild Leitz Ag
Publication of WO1989011630A1 publication Critical patent/WO1989011630A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures

Definitions

  • the invention relates to a method for increasing accuracy when measuring surfaces with the aid of at least two theodolites, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to an apparatus for carrying out the method.
  • Methods and devices of this type have long been known in which a light spot is projected onto the surface by a theodolite and the light spot is aimed with the aid of the other theodolite and the position thereof is determined trigonometrically in relation to the known positions of the theodolites .
  • Methods and devices of this type have been used for years in the measurement of, for example, antennas, body parts, linings of aircraft and similar objects. Such systems often work automatically and computer-controlled. In order to be able to carry out the position measurements with the aid of the detection devices on the receiver theodolites in the shortest possible time and with sufficient detection accuracy, the highest possible radiant density of the light spot visible by diffuse reflection on the surface is required.
  • a high radiance in the projected light spot with a simultaneously tolerable expenditure of radiated radiation power can only be achieved with small light spot sizes.
  • Small light spots in particular light spots projected with diffraction, on the other hand have the disadvantage that the method is sensitive to inhomogeneities on the surface, such as e.g. Scratches, holes, rough structures with changing reflectivity in small areas.
  • a major advantage of the solution according to the invention is that even with very homogeneous rough surfaces, the systematic position measurement errors caused by the speckle effect are reduced. Further advantages result from the detailed description below.
  • Fig.l the basic representation of a measuring device with two
  • FIG. 3 the example of an irradiance distribution in the plane of an image processing camera
  • FIG. 4 the optical functional diagram of a projection telescope chosen as an example
  • FIG. 5 the example of a reticule figure
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the effect of a conical lens in connection with a telescope.
  • the areas to be measured can always be regarded as flat in very small areas.
  • the position measurement of such a surface element is now realized not only by a single position determination at a point on this surface element, but by N position measurements at adjacent points on the surface element. If the distances between the points are larger than the diameter of the light spot, the measurements are independent of one another and the position measurement accuracy is increased by the factor / N.
  • the prerequisite here is that the target positions of the light spots relative to one another are known for each individual light spot detection. However, if the axis of the projecting bundle describes a circular cone, a much simpler solution results, in which neither the target positions of the light spots need to be known, nor is synchronization between the projector and receiver necessary.
  • Ellipses then arise on the surface element whose position is to be determined and in the camera plane of the receiver theodolite.
  • the elliptical irradiance distribution in the camera plane is approximated by the image processing using an ellipse, the center of which is regarded as a representative target point. Since only the radial component is evaluated in this measurement method, there is an increase in accuracy by the factor VN / 2 in the case of N independent measurements on the ellipse.
  • the center of the elliptical irradiance distribution detected by the observation theodolite corresponds in most of the usual positions with the image of the intersection of the surface to be measured and the axis of the circular cone, which is formed by the beam axes of the projector.
  • a theodolite 21 projects a light spot 22 onto the surface 23.
  • This light spot is targeted by a second theodolite 24.
  • the Coordinates of the light spot on the surface are calculated.
  • the coordinates of the intersections of the theodolite axes are known for each theodolite.
  • several receiver theodolites are used, in which case the location and the direction of the theodolite need not be known exactly with the projection device.
  • the beam path is shown in an exaggerated magnification in FIG.
  • the axes of the imaging bundles of the projection telescope 25 describe a circular cone, so that an elliptical light spot 22 is formed on the object surface 23.
  • the light diffusely reflected by the rough surface 23 reaches the receiver telescope 26, where it is detected by an image processing camera.
  • 3 shows an exemplary irradiance distribution in the plane of an image processing camera.
  • the optical functional diagram of a projection telescope is shown in an exemplary embodiment in FIG.
  • the radiation from a HeNe laser 1 is coupled into the single-mode fiber 4 by means of the optics 3.
  • the exit opening of the single-mode fiber on the projector is imaged on a telescope grating plate 11 via an optic 5, a rotatable, inclined plane plate 6, a divider cube 7, an optic 8, a window 9 and a divider cube 10 and with a telescope 16 projected the object.
  • a small part of the radiation reflected on the reticle 11 passes through the Divider 10 and an eyepiece 12 in the eye of the observer. The observer can visually check the adjustment of the ring-shaped light spot to the center of the cross line and readjust if necessary.
  • the reticle 11 is returned to the divider 7 via the divider 10, the window 9 and the optics 8. A small proportion of the radiation passes through the divider 7.
  • the reticle is imaged in the plane 13 of the image processing camera.
  • the ring-shaped radiation intensity distribution in the plane 13 of the image processing camera appears there intensity-modulated by the surface elements with different reflectivity of the reticle 11.
  • both the center of the crosshair and the center of the ring are taken from the intensity-modulated, circular irradiance distribution. Even minor changes in the projection figure's alignment to the telescope stroke cross, such as may occur with extremely different telescope inclinations, are recognized in this way and computationally compensated.
  • a graticule with a graticule figure according to the example in FIG. 5 has proven to be particularly suitable for the present application.
  • the reticle contains a cross-shaped part 28 for visually aiming an object and a circular part 29 for visually centering the circular reflex figure of the projected radiation. These parts are opaque.
  • Figure 6 shows schematically the effect of a cone lens in the beam path of the projector.
  • the telescope 40 Without a cone lens, the telescope 40 generates a light spot 42 on the surface 23 with the aid of the radiation source (not shown) and the optical coupling elements (also not shown).
  • This light spot is converted by the cone lens into a light spot 22 with an annular radiation intensity distribution, the Annular shape occurs in a plane through the surface 23 perpendicular to the telescope axis.
  • an approximately elliptical irradiance distribution is formed on the surface.
  • the cone lens exists made of a material with the refractive index n, and it has a flat boundary surface. However, both sides can also be conical.
  • the annular irradiance distribution can be generated both with full cones, as shown in Fig. 6, and with hollow cones.
  • the same optical effect as with a conical lens can also be achieved by arranging a holographic-optical element in the beam path of the projector.
  • a practically proven embodiment with two electronic precision theodolites THEOMAT WILD T3000 and a HeNe laser as radiation source had the following technical data: Free lens diameter of transmitter and receiver theodolite when focusing on a surface at a distance of 5 m: 44 mm; Cone angle of the circular cone that the axes of the bundles projecting the light spot describe: 8.6 mgon; Diameter of the circular light spot at a distance of 5 m: 0.7 mm; Uncertainty of measurement (standard deviation) of the position of the center of the elliptical ring-shaped radiation distribution detected by the receiver theodolite on the object with a uniform surface structure: 0.06 mgon.

Landscapes

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Abstract

To measure a surface in a space by means of at least two theodolites, a light spot is projected onto the surface by one of the theodolites and said light spot is sighted with the other theodolite or theodolites. Its position in space is thereby trigonometrically determined. In order to improve the accuracy of said process, the axis of the beam projecting the light spot describes a circular cone. The central point of the ellipse detected by the observation theodolite(s) is used as the representative target point for trigonometrically determining the position of the surface element on the surface to be measured. Preferably the annular irradiance distribution detected by the receiver theodolite(s) is approximated by a compensating ellipse. Even in the case of very homogeneously ragged surfaces, systematic errors in position measurements caused by the "Speckle effect" are reduced.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung von Oberflächen Method and device for measuring surfaces
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.The invention relates to a method for increasing accuracy when measuring surfaces with the aid of at least two theodolites, according to the preamble of claim 1. The invention further relates to an apparatus for carrying out the method.
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.Methods and devices of this type have long been known in which a light spot is projected onto the surface by a theodolite and the light spot is aimed with the aid of the other theodolite and the position thereof is determined trigonometrically in relation to the known positions of the theodolites . Methods and devices of this type have been used for years in the measurement of, for example, antennas, body parts, linings of aircraft and similar objects. Such systems often work automatically and computer-controlled. In order to be able to carry out the position measurements with the aid of the detection devices on the receiver theodolites in the shortest possible time and with sufficient detection accuracy, the highest possible radiant density of the light spot visible by diffuse reflection on the surface is required.
Hohe Strahldichte im projizierten Lichtfleck bei gleichzei¬ tig erträglichem Aufwand an eingestrahlter Strahlungslei¬ stung lässt sich nur mit kleinen Lichtfleckgrössen erreichen.A high radiance in the projected light spot with a simultaneously tolerable expenditure of radiated radiation power can only be achieved with small light spot sizes.
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.Small light spots, in particular light spots projected with diffraction, on the other hand have the disadvantage that the method is sensitive to inhomogeneities on the surface, such as e.g. Scratches, holes, rough structures with changing reflectivity in small areas.
Solche Inhomogenitäten können zu systematischen Fehlern in der Positionsbestimmung des betreffenden Flächenelementes auf der zu vermessenden Oberfläche führen.Such inhomogeneities can lead to systematic errors in determining the position of the surface element in question on the surface to be measured.
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.It is therefore the object of the invention to provide a method and a device with which, on the one hand, the measurement accuracy can be increased and, on the other hand, a quality measure for each of the individual position determinations can be determined, with the help of which atypical surface structures or disturbing inhomogeneities are recognized. According to the invention, this object is achieved by the features defined in claims 1 and 3.
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.A major advantage of the solution according to the invention is that even with very homogeneous rough surfaces, the systematic position measurement errors caused by the speckle effect are reduced. Further advantages result from the detailed description below.
Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung sowie Ausfüh¬ rungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher beschrieben.Details of the invention and exemplary embodiments are described in more detail below with the aid of the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig.l die Prinzipdarstellung einer Messeinrichtung mit zweiFig.l the basic representation of a measuring device with two
Theodoliten, Fig.2 den Strahlengang nach Fig.l, in übertriebenerTheodolites, Fig.2 the beam path according to Fig.l, in exaggerated
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, undEnlargement, FIG. 3 the example of an irradiance distribution in the plane of an image processing camera, FIG. 4 the optical functional diagram of a projection telescope chosen as an example, FIG. 5 the example of a reticule figure, and
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.6 shows a schematic representation of the effect of a conical lens in connection with a telescope. In the method and the device described, it is assumed that the areas to be measured can always be regarded as flat in very small areas. The position measurement of such a surface element is now realized not only by a single position determination at a point on this surface element, but by N position measurements at adjacent points on the surface element. If the distances between the points are larger than the diameter of the light spot, the measurements are independent of one another and the position measurement accuracy is increased by the factor / N. The prerequisite here is that the target positions of the light spots relative to one another are known for each individual light spot detection. However, if the axis of the projecting bundle describes a circular cone, a much simpler solution results, in which neither the target positions of the light spots need to be known, nor is synchronization between the projector and receiver necessary.
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).Ellipses then arise on the surface element whose position is to be determined and in the camera plane of the receiver theodolite. The elliptical irradiance distribution in the camera plane is approximated by the image processing using an ellipse, the center of which is regarded as a representative target point. Since only the radial component is evaluated in this measurement method, there is an increase in accuracy by the factor VN / 2 in the case of N independent measurements on the ellipse. The center of the elliptical irradiance distribution detected by the observation theodolite corresponds in most of the usual positions with the image of the intersection of the surface to be measured and the axis of the circular cone, which is formed by the beam axes of the projector. In the case of extremely unfavorable setups (eg almost grazing light incidence, ellipses with great eccentricity), the error, which can be represented as a trigonometric relationship, can easily be taken into account, since all the necessary sizes are known (angle between the target lines of the theodolites, Size and position of the ellipse axes).
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.With the equalization of the irradiance distribution by an ellipse, there is inevitably a standard deviation for the measurement uncertainty of the individual position determination, which serves as a quality measure for measuring the position of the surface element in question on the surface to be measured in space. If the standard deviation is too great, due to inhomogeneities in the surface, an adjacent surface element can be used for the measurement, for example.
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.According to the exemplary embodiment according to FIG. 1, a theodolite 21 projects a light spot 22 onto the surface 23. This light spot is targeted by a second theodolite 24. With the help of the measured angles α and ß the Coordinates of the light spot on the surface are calculated. The coordinates of the intersections of the theodolite axes are known for each theodolite. In practice, several receiver theodolites are used, in which case the location and the direction of the theodolite need not be known exactly with the projection device.
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.The beam path is shown in an exaggerated magnification in FIG. The axes of the imaging bundles of the projection telescope 25 describe a circular cone, so that an elliptical light spot 22 is formed on the object surface 23. The light diffusely reflected by the rough surface 23 reaches the receiver telescope 26, where it is detected by an image processing camera. 3 shows an exemplary irradiance distribution in the plane of an image processing camera.
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.The optical functional diagram of a projection telescope is shown in an exemplary embodiment in FIG. After passing through an optical attenuator 2, the radiation from a HeNe laser 1 is coupled into the single-mode fiber 4 by means of the optics 3. The exit opening of the single-mode fiber on the projector is imaged on a telescope grating plate 11 via an optic 5, a rotatable, inclined plane plate 6, a divider cube 7, an optic 8, a window 9 and a divider cube 10 and with a telescope 16 projected the object. A small part of the radiation reflected on the reticle 11 passes through the Divider 10 and an eyepiece 12 in the eye of the observer. The observer can visually check the adjustment of the ring-shaped light spot to the center of the cross line and readjust if necessary.
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.Most of the radiation reflected by the reticle 11 is returned to the divider 7 via the divider 10, the window 9 and the optics 8. A small proportion of the radiation passes through the divider 7. With the help of the deflection and adjustment prisms shown in FIG. 4 and an optical system 17, the reticle is imaged in the plane 13 of the image processing camera. The ring-shaped radiation intensity distribution in the plane 13 of the image processing camera appears there intensity-modulated by the surface elements with different reflectivity of the reticle 11.
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.With the aid of image processing, both the center of the crosshair and the center of the ring are taken from the intensity-modulated, circular irradiance distribution. Even minor changes in the projection figure's alignment to the telescope stroke cross, such as may occur with extremely different telescope inclinations, are recognized in this way and computationally compensated.
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.A graticule with a graticule figure according to the example in FIG. 5 has proven to be particularly suitable for the present application. The reticle contains a cross-shaped part 28 for visually aiming an object and a circular part 29 for visually centering the circular reflex figure of the projected radiation. These parts are opaque.
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.Furthermore, in the center of the figure on the reticule plate there are regions 30, 31, .., 33 etc. arranged in a radial grid pattern with alternatingly different reflectivities. Areas with higher reflectivity e.g. 30, 32 alternate with areas of lower reflectivity e.g. 31, 33 from. The circular projection figure 34 reflected by this reticle therefore appears spatially intensity-modulated on the image processing camera, as is illustrated by the corresponding light and dark parts of this ring.
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.Figure 6 shows schematically the effect of a cone lens in the beam path of the projector. Without a cone lens, the telescope 40 generates a light spot 42 on the surface 23 with the aid of the radiation source (not shown) and the optical coupling elements (also not shown). This light spot is converted by the cone lens into a light spot 22 with an annular radiation intensity distribution, the Annular shape occurs in a plane through the surface 23 perpendicular to the telescope axis. With surface normals inclined to the telescope axis, an approximately elliptical irradiance distribution is formed on the surface. In the simplest case, the cone lens exists made of a material with the refractive index n, and it has a flat boundary surface. However, both sides can also be conical. The annular irradiance distribution can be generated both with full cones, as shown in Fig. 6, and with hollow cones.
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.Of particular advantage when using a radial grid e.g. 5 it is to arrange such a conical lens in the projection beam path in front of the telescope graticule, for example at the location of the plane plate 6 according to FIG.
Die gleiche optische Wirkung wie mit Kegellinse kann man auch durch Anordnung eines holographisch-optischen Elementes im Strahlengang des Projektors erzielen.The same optical effect as with a conical lens can also be achieved by arranging a holographic-optical element in the beam path of the projector.
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. A practically proven embodiment with two electronic precision theodolites THEOMAT WILD T3000 and a HeNe laser as radiation source had the following technical data: Free lens diameter of transmitter and receiver theodolite when focusing on a surface at a distance of 5 m: 44 mm; Cone angle of the circular cone that the axes of the bundles projecting the light spot describe: 8.6 mgon; Diameter of the circular light spot at a distance of 5 m: 0.7 mm; Uncertainty of measurement (standard deviation) of the position of the center of the elliptical ring-shaped radiation distribution detected by the receiver theodolite on the object with a uniform surface structure: 0.06 mgon.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Genauigkeitssteigerung bei der Vermessung einer Oberfläche im Raum mit Hilfe von mindestens zwei Theo¬ doliten, wobei von einem Theodoliten ein Lichtfleck auf die Oberfläche projiziert wird und mit Hilfe des oder der ande¬ ren Theodoliten der Lichtfleck angezielt und dessen Position im Raum trigonometrisch bestimmt wird, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Achse des den Lichtfleck projizierenden Bün¬ dels einen Kreiskegel beschreibt und dass jeweils der Mit¬ telpunkt der von dem oder den Beobachtungstheodoliten detek¬ tierten Ellipsen als repräsentativer Zielpunkt zur trigono¬ metrischen Bestimmung der Position des betreffenden Flächen¬ elementes auf der zu vermessenden Fläche verwendet wird.1. A method for increasing the accuracy when measuring a surface in space with the aid of at least two theodolites, a light spot being projected onto the surface by a theodolite and the light spot and its position in space being aimed with the help of the other theodolite (s) is determined trigonometrically, characterized in that the axis of the bundle projecting the light spot describes a circular cone and that in each case the center of the ellipses detected by the observation theodolite (s) as a representative target point for trigonometric determination of the position of the relevant surface element is used on the surface to be measured.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem bzw. den Empfängertheodoliten detektierte ring¬ förmige Bestrahlungsstärkeverteilung durch eine ausglei¬ chende Ellipse angenähert wird und dass als Ergebnis dieser Ausgleichung eine Standardabweichung für die Messunsicher¬ heit der individuellen Positionsbestimmung abgeleitet wird, die als ualitätsmass für die Messung der Lage des betref¬ fenden Flächenelementes auf der zu vermessenden Fläche im Raum dient. 2. The method according to claim 1, characterized in that the ring-shaped irradiance distribution detected by the receiver theodolite (s) is approximated by a compensating ellipse and that as a result of this adjustment a standard deviation for the measurement uncertainty of the individual position determination is derived. which serves as a measure of quality for measuring the position of the surface element in question on the surface to be measured in space.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens zwei Theodoliten, von denen einer zur Projektion eines Lichtflecks auf die zu vermessende Ober¬ fläche eingerichtet ist und mindestens ein anderer Theodo¬ lit für d.i.o Λn iclung dos Lichtflecks eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors ein optisches Element (6) zur Erzeugung einer kreisring¬ förmigen Bestrahlungsstärkeverteilung um die Projektorachse angeordnet ist.3. Device for performing the method according to claim 1, with at least two theodolites, one of which is set up for projecting a light spot onto the surface to be measured and at least one other theodo set for dio Λn iclung dos light spots is set up, characterized that an optical element (6) is arranged in the beam path of the projector in order to produce an annular irradiance distribution around the projector axis.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors eine rotierende, geneigte Planparallelplatte (6) angeordnet ist.4. The device according to claim 3, characterized in that a rotating, inclined plane-parallel plate (6) is arranged in the beam path of the projector.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors ein rotierender Keil (6) an¬ geordnet ist.5. The device according to claim 3, characterized in that a rotating wedge (6) is arranged in the beam path of the projector.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors ein rotierender Spiegel an¬ geordnet ist.6. The device according to claim 3, characterized in that a rotating mirror is arranged in the beam path of the projector.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors eine Kegellinse angeordnet ist. 7. The device according to claim 3, characterized in that a conical lens is arranged in the beam path of the projector.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Projektors ein holographisch-optisches Element angeordnet ist.8. The device according to claim 3, characterized in that a holographic-optical element is arranged in the beam path of the projector.
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 Bildverarbeitungs¬ kamera, dadurch gekennzeichnet, dass die Strichplatte (11) in der Ebene der Strichfigur Flächenelemente mit unter¬ schiedlichem Reflexions ermögen (30, 32, 34; 31, 33) be¬ sitzt, deren geometrische Anordnung eine Zuordnung zur Striσhplattenmitte aufweist.9. The device according to claim 3, with a theodolite telescope for projecting a light spot and for simultaneous visual aiming with a reticle (11) and / or an observation of this reticle with an image processing camera, characterized in that the reticle (11) in the plane the line figure has surface elements with different reflections (30, 32, 34; 31, 33), the geometric arrangement of which has an assignment to the center of the line plate.
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 "Siemensstern11 aufweisen. 10. The device according to claim 9, characterized in that the surface elements with different reflection (30-34) have the shape of a radial grid with the center in the reticle center, similar to a "Siemens star 11 ".
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