WO2013167262A1 - Device and method for optical measurement - Google Patents

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WO2013167262A1
WO2013167262A1 PCT/EP2013/001347 EP2013001347W WO2013167262A1 WO 2013167262 A1 WO2013167262 A1 WO 2013167262A1 EP 2013001347 W EP2013001347 W EP 2013001347W WO 2013167262 A1 WO2013167262 A1 WO 2013167262A1
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WO
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measuring
optical
measuring device
deflecting element
beam deflecting
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PCT/EP2013/001347
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German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Wurm
Oskar Wurm
Original Assignee
GEOs3D Geodetic and Industrial Surveying GmbH
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C1/00—Measuring angles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for optical measurement, in particular for the optical measurement of angular environments.
  • a distance is measured by means of electromagnetic radiation.
  • electromagnetic waves of almost any wavelength can be used, but often visible light is used.
  • the radiation used for measuring is referred to as 'measuring beam'.
  • measuring methods are generally used which work with the transit time of the measuring beam and / or with interference of the measuring beam with a reference beam or with the reflected measuring beam.
  • Optical surveying methods have the advantage over other methods that they can measure large distances with comparatively very high measuring accuracy. Unlike e.g. Measuring arms can be measured from theoretically a few millimeters (in interferometric methods) up to several thousand kilometers (in running time measurements), whereby the advantages of both methods can also be combined.
  • CONFIRMATION COPY For example, in industrial surveying by means of laser measuring devices (laser trackers) machine components are measured with very high accuracy.
  • the principle of the laser tracker is based on a laser interferometer, which is aligned to a measuring point.
  • the interferometer and alignment element are installed in one device and a reflector is used as the measuring point.
  • the advantage of this method lies in the long range of the system, which can be up to 80 meters and more, depending on the model.
  • measuring points must lie directly on a line of sight with the measuring device. There must therefore be a direct line of sight between the measuring device and the measuring point. If this is no longer the case or if the measuring beam is interrupted by an object, then this method is no longer applicable. It would then have the device point of view to be changed, which means a considerable effort. Thus, a measurement around corners, e.g. in the above-mentioned measuring arm, with optical methods currently not possible.
  • the measuring beam of an optical measuring device is deflected onto the measuring point by means of at least one beam deflecting element mounted in the space.
  • the beam deflecting element is not located in the housing of the meter, so it is not part of the meter and is preferably not connected to the meter, in particular not by means of support or mounting structures.
  • the beam deflecting element differs from mirrors or prisms belonging to the measuring device in particular in that the measuring beam has traveled a certain distance outside of the measuring device until it falls onto the beam deflecting element, which then deflects the measuring beam around obstacles on its path or directs it to measuring points could not be reached directly from the meter.
  • at least one beam deflecting element is arranged at least fifty centimeters, but preferably more than two meters, in particular more than five meters away from the optical measuring device.
  • a beam deflector is fixed to the ground or other stable element during the measurement, the distance to the instrument and the position in space can still be selected because the meter and beam deflectors are independent elements.
  • Suitable optical measuring devices are all optical measuring devices which emit and preferably also receive a measuring beam, preferably microwaves, visible light, UV or infrared radiation.
  • Preferred measuring devices are time-of-flight measuring devices or interferometry-based measuring devices, which in particular measure other variables, such as laser trackers.
  • a deflection of the beam means that the further path of the beam is no longer in the direction of the original emission.
  • the deflection is achieved by diffraction and / or refraction effects.
  • Each beam deflecting element is able to deflect an incoming beam to such an extent that the outgoing beam is deflected
  • Beam is deflected relative to the beam axis of the incoming beam by a deflection angle A> 0.
  • Preferred beam deflecting elements contain optical elements for deflecting the beam, in particular from the group of mirrors, prisms, and waveguides, in particular light guides.
  • the beam deflecting elements additionally contain moving elements with which a tilting and / or displacement of the beam deflecting element or at least one of its optical elements can be achieved, in particular moving elements from the group of hinges, joints, screws, motors, piezo elements and gears, and in particular additional elements where this shift or tilt can be measured.
  • the beam deflecting elements contain at least one sensor element, with which the position of the incident and / or outgoing measuring beam relative to the beam deflecting element and / or optical element can be determined, which can thus provide a location information.
  • Preferred sensor elements are photosensitive semiconductors, in particular the group photodiodes, phototransistors and CCDs. If mirrors are used as optical elements, these sensors are preferably arranged on their mirror layer and / or, in particular in the case of a partially transparent mirror layer, behind this layer.
  • Beam deflecting element also referred to as 'mirror'. This term is in this case representative of all other possible Strahlablenkungseiemente.
  • a preferred measuring method with an optical measuring device and at least one beam deflecting element is carried out as follows: a) Determining the distance between each Strahlablenkungs- elernent and the optical measuring device on the axis of the measuring beam and alignment of the Strahlablenkungsiatas and / or the measuring beam to such an extent that the measuring beam on the measuring point or the following Strahlablenkungselement falls, the latter is repeated until the beam falls to the measuring point.
  • the beam deflecting element is arranged relative to the measuring beam so that an angular change of the beam deflecting element does not result in a change in the position of the impinging measuring beam on the beam deflecting element.
  • this is achieved when the fulcrum of the mirror / prism corresponds to the point of impact of the measuring beam.
  • the point of impact of the measuring beam are determined on the respective beam deflecting element.
  • the deflection angle of the relevant beam deflecting element can be determined simply by an angular scale or the deflection of the adjusting elements of the mirror when the originating position (position at which the outgoing beam is on) the axis of the incoming beam is reflected) is known. c) Measurement of the A level of the measuring point relative to the optical measuring device.
  • Measuring points usually contain an optical element, which sends back an incoming beam on the beam axis or parallel to it. If the optical measuring device operates with a reception of the measuring beam, it must preferably fall back onto the beam deflecting elements and in this way be directed back to the optical measuring device. This can be easily achieved by adjusting the optical measuring device, the measuring point and the beam deflecting elements. Preferably, the beam deflecting elements of their size so that the returned beam is automatically directed back to the optical measuring device.
  • the position of the beam deflecting element and the angle of the beam deflection, in particular relative to the incoming measuring beam it is possible to determine the position of a measuring point in space.
  • the optical measuring method the total distance from the measuring apparatus to the measuring point is determined. Since the point of impact of the measuring beam on the mirror and the deflection of the measuring beam are known, it is now possible to reconstruct the position of the measuring point in space.
  • At least one of the beam deflecting elements contains at least one of the above-described sensor elements. If such a sensor element is arranged at the position of the optimum impact point of the measuring beam on the beam deflecting element, an adjustment of the measuring beam can be made easily. This can be further improved if a matrix of several sensor elements or at least one spatially resolving sensor element, eg a CCD, is included. the location information that provides such a matrix is an accurate one Positioning of the beam possible. This is especially the case when several elements of the matrix detect energy of the incoming beam. With a known beam profile, by weighting the energy input of the individual matrix elements, even a more precise position determination of the impact position of the measurement beam on the beam deflection element is possible, as determined by the matrix itself.
  • the same sensors can also be used to determine the point of impact of a measuring beam returning from the measuring point on the beam deflecting element. By this information, the error of the measurement can be reduced.
  • the beam deflection element or the optical element of the beam deflection element contains a surface portion which is able to deflect an incident beam parallel to its beam axis. This is achieved in particular by 'cat's eyes', or prisms, preferably based on holographic elements.
  • this surface portion can be moved with adjusted beam deflecting element in the beam, without changing the orientation of this element. If this surface portion at the impact position of the measuring beam is located on the deflecting surface portion, this is directed back to the optical measuring device and the distance of the impact position of the measuring beam on the beam deflecting element can be determined directly very accurately.
  • the beam deflection element is created such that, depending on the point of impact of the measuring beam, the deflected beam has a different deflection angle.
  • the beam deflecting element has at least one optical element with a, in particular convexly curved surface, which in turn preferably has a mirroring or partial mirroring on the surface.
  • the deflection angle of the measurement beam changes in dependence on the point at which the measurement beam impinges on the surface of the beam deflection element, or its optical element.
  • the beam deflecting element is arranged relative to the measuring device such that there is at least one point on the surface of the beam deflecting element at which the measuring beam would be reflected back to the measuring device and at least one further point at which the beam would be deflected to a measuring point, wherein only the measuring beam but not the beam deflecting element would be moved.
  • the point at which the measuring beam would be reflected back to the measuring device is preferably at least one planar optical element, for example a mirror. If this planar optical element, or one of these planar optical elements, is aligned in such a way that a measuring beam directed thereon would be reflected back to the measuring device (adjustment position), it is possible to determine the distance of the relevant beam deflecting element from the measuring device. If, in addition, the point of impingement of the measuring beam on the relevant planar optical element is known, the position and relative position of the curved optical element relative to the measuring device can be very much determined determine exactly and a deflection angle on the curved optical element can be determined solely by the angle at which the measuring beam hits the measuring device relative to the Justageposi- tion. A precise determination of the impact point on the relevant planar optical element can be achieved by a particularly small dimensioning of the relevant optical element or by means of location-sensitive sensors.
  • the beam deflection element does not have to be moved after the adjustment, since the deflection angle is changed by the curved optical element alone by an angle change of the measuring beam.
  • the optical element is displaced laterally parallel to the surface of the plane optical element by means of at least one movement element, so that the measurement beam falls onto the curved optical element and is directed in this way to the measurement point.
  • planar optical elements arranged at different angles allow operation of the beam deflecting element in multiple angular ranges for the deflected beam since the curved optical element has a different tilt relative to the measuring beam depending on the planar optical element used for adjustment.
  • the surface of the optical element of the beam deflecting element is a part of a cylinder jacket or a part of a spherical surface, wherein 'part' does not exclude that the optical element is a complete cylinder shell or a complete ball.
  • optical units or collimators for compensating the beam expansion can be introduced into the beam path before or after the impact of the measuring beam on the relevant beam deflection element.
  • Another way to minimize beam expansion is to increase the radius of curvature of the curved optical element, thus counteracting concomitant penalties for the angular range of deflection of the measuring beam on the curved optical element in a simple manner with the above-described multi-planar optical element design can be. Otherwise, it would also be possible to use a separate beam deflection element for each angle range.
  • the measuring method can be performed in this way without an adjustment of the beam deflecting element solely by the movement of the measuring beam, e.g. by means of a laser tracker.
  • the measuring beam is at that point on the
  • Beam deflection element moves, where it is reflected to the meter.
  • the angle that the measuring beam occupies relative to an original direction in space is 'angle 1'.
  • the measuring beam is moved in such a way that it is reflected by the beam deflecting element and falls onto the measuring point.
  • the angle that the measuring beam now occupies in space relative to the original direction is 'angle 2'
  • the geometry of the beam deflecting element or of the optical element of the beam deflecting element is known, it is possible to determine from the measured distance of the beam deflecting element alone. ments and the difference between angle 1 and angle 2 of the measuring beam, the position of the measuring point in space relative to the measuring device are determined.
  • the beam deflecting element contains a location-sensitive matrix of sensor elements, e.g. a CCD, so that the positions of the measuring beams incident on the beam deflecting element can be detected by the sensor elements, and the above-mentioned angles 1 and 2 can be determined in this way.
  • a location-sensitive matrix of sensor elements e.g. a CCD
  • the sensor elements can be arranged behind the mirroring, before the mirroring or even in the mirror layer itself.
  • an optical measuring instrument which is capable of detecting a plurality of measuring beams independently of one another.
  • the above-mentioned surface portion is constantly in the beam, being such that a part of the measuring beam is directed back to the optical measuring device and another part leaves the beam deflecting element in the direction of the measuring point or the following beam deflecting element.
  • the moving elements of at least one beam deflecting element can be controlled by a computer unit and at least one beam deflecting element is able to transmit data about its displacement / tilting and / or data of the, in particular location-sensitive, sensors. This can be done by radio or via a data line, e.g. USB, done.
  • a, in particular by motors, movable, Strahlablenkungselement between the measuring device and measuring point is positioned.
  • the movable beam deflecting element acts as a stand-alone device connected to a controller (e.g., a computer) and measuring and outputting the two angles of the movable beam deflecting element (horizontally and vertically) at the time of measurement.
  • a controller e.g., a computer
  • Figure 1 shows schematically the structure of a surveying system according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows the construction of a further embodiment of the surveying system according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates the measuring method with a surveying system according to the invention.
  • FIG. 4 shows schematically the construction of a further embodiment of the surveying system according to the invention.
  • FIG. 5 shows schematically the construction of a beam deflection unit according to the invention.
  • a beam deflecting element (3) in this case a mirror, deflects a measuring beam (2) from an optical measuring device (1) to a measuring point (4) which is equipped with a reflector.
  • the measuring beam is reflected from the measuring point parallel to the incident axis and passes in the same way via the beam deflecting element (3) back into the measuring device, which in this way, for example. determined from the term or interferometric effects the entire distance of the path of the measuring beam.
  • a beam deflecting element (3) in this case a partially transmissive mirror, deflects a measuring beam (2) from an optical measuring device (1) to a measuring point (4) which is equipped with a reflector.
  • a part of the incoming measuring beam is reflected by the mirror, and another part hits at the point (6) on a spatially resolving, photosensitive sensor element (5), which is here behind the mirror. Also, the measurement beam reflected from the target point splits into a part that is reflected back to the light source and a part that hits the sensor element at point (7).
  • FIG. 3 illustrates the determination of the coordinates of a measuring point concealed by an object (8) in space, which a measuring device (1) can not detect directly (dashed line).
  • the unit vector of the measuring beam A emitted by the measuring device results from the measured angle 'alpha', and the unit vector of the measuring beam B deflected by the deflecting element (3) determined by the position of the mirror results from the angle 'beta'.
  • Figure 4 shows schematically a beam deflecting element (3) comprising a planar optical element and a circularly curved optical element. It's natural, too possible to combine several of these forms. In this example, the optical elements are mirrored.
  • Beam deflection element are known, alone from the angle at which the measuring beam leaves the meter, the deflection angle can be determined at the beam deflecting element. An accurate determination is possible if the point of impact on the planar optical element for distance measurement is known exactly. This is e.g. possible if the plane optical element is very small. However, the plane optical is preferred
  • a location-sensitive sensor e.g. a CCD
  • a beam expansion of the measuring beam can by the
  • Radius of curvature of the curved optical element to be influenced.
  • the size of the radius of curvature has a decreasing effect on the angular range in which the
  • Measuring point may be, if the beam deflecting element is not moved, it is advantageous, depending on the
  • the beam deflecting element preferably contains several Plan optical elements at different angles
  • FIG. 5 shows a beam deflecting element consisting of an optical element (10), which here comprises a position-sensitive sensor (12), e.g. a CCD.
  • the optical element can be rotated or tilted relative to its vertical axis in the direction of the arrow or in the opposite direction by means of the moving element (11). Further movement elements may be used for tilting in further spatial axes, e.g. the horizontal axis. An incident measuring beam would be deflected according to its impact angle influenced by the tilting.
  • the optical element (10) here comprises a position-sensitive sensor (12), e.g. a CCD.
  • the optical element can be rotated or tilted relative to its vertical axis in the direction of the arrow or in the opposite direction by means of the moving element (11). Further movement elements may be used for tilting in further spatial axes, e.g. the horizontal axis.
  • An incident measuring beam would be deflected according to its impact angle influenced by the tilting.
  • the beam deflecting element may be fixed to one of the moving elements in the measuring space, e.g. be mounted on the ground or there objects.

Abstract

The invention relates to a device and a method for optical measurement, particularly for optically measuring angular environments using beam-deflection elements that are arranged between said measurement device and the measurement point in order to direct the measurement beam towards said measurement point.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur optischen Vermessung  Apparatus and method for optical measurement
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur optischen Vermessung, insbesondere zur optischen Vermessung verwinkelter Umgebungen. The present invention relates to a device and a method for optical measurement, in particular for the optical measurement of angular environments.
Bei der optischen Vermessung wird mittels elektromagnetischer Strahlung eine Entfernung gemessen. Dabei können elektromagnetische Wellen nahezu beliebiger Wellenlänge verwendet werden, wobei oftmals jedoch sichtbares Licht Verwendung findet. Im Folgenden wird die zum Messen verwandte Strahlung als ' Messstrahl ' bezeichnet. In the optical measurement, a distance is measured by means of electromagnetic radiation. In this case, electromagnetic waves of almost any wavelength can be used, but often visible light is used. In the following, the radiation used for measuring is referred to as 'measuring beam'.
Bei einer optischen Vermessung werden in der Regel Messverfahren verwendet, die mit der Laufzeit des Messstrahls und/oder mit Interferenz des Messstrahls mit einem Referenzstrahl oder mit dem reflektierten Messstrahl arbeiten.  In the case of an optical measurement, measuring methods are generally used which work with the transit time of the measuring beam and / or with interference of the measuring beam with a reference beam or with the reflected measuring beam.
Bei interferometrischen Verfahren wird oftmals mit einer elektromagnetischen Strahlung gearbeitet, auf die ein In interferometric methods is often worked with an electromagnetic radiation on the one
hochfrequentes zweites Signal aufgeprägt wurde, welches jedoch eine geringere Frequenz aufweist als das Trägersignal. high-frequency second signal was impressed, but which has a lower frequency than the carrier signal.
Optische Vermessungsverfahren haben gegenüber anderen Verfahren den Vorteil, dass sie bei einer vergleichsweise sehr hohen Messgenauigkeit große Strecken vermessen können. Im Gegensatz zu z.B. Messarmen können Strecken von theoretisch einigen Millimetern (bei interferometrischen Verfahren) bis hin zu mehreren tausend Kilometern (bei LaufZeitmessungen) vermessen werden, wobei die Vorteile beider Verfahren auch kombiniert werden können. Optical surveying methods have the advantage over other methods that they can measure large distances with comparatively very high measuring accuracy. Unlike e.g. Measuring arms can be measured from theoretically a few millimeters (in interferometric methods) up to several thousand kilometers (in running time measurements), whereby the advantages of both methods can also be combined.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Zum Beispiel werden in der Industrievermessung mittels Lasermessgeräten (Lasertracker) Maschinenbauteile mit sehr hoher Genauigkeit vermessen. Das Prinzip des Lasertrackers beruht auf einem Laser-Interferometer, das auf einen Messpunkt ausgerichtet wird. Interferometer und Ausrichtungselement sind in einem Gerät verbaut und als Messpunkt wird ein Reflektor verwendet. Der Vorteil dieser Methode liegt in der großen Reichweite des Systems, welche je nach Modell bis zu 80 Meter und mehr betragen kann. CONFIRMATION COPY For example, in industrial surveying by means of laser measuring devices (laser trackers) machine components are measured with very high accuracy. The principle of the laser tracker is based on a laser interferometer, which is aligned to a measuring point. The interferometer and alignment element are installed in one device and a reflector is used as the measuring point. The advantage of this method lies in the long range of the system, which can be up to 80 meters and more, depending on the model.
Ein Nachteil der bisher verwendeten optischen Verfahren ist, dass Messpunkte direkt auf einer Sichtlinie mit dem Messgerät liegen müssen. Es muss also eine direkte Sichtverbindung zwischen Messgerät und Messpunkt bestehen. Ist diese nicht mehr gegeben bzw. wird der Messstrahl durch einen Gegenstand unterbrochen, dann ist diese Methode nicht mehr anwendbar. Es müsste dann der Gerätestandpunkt geändert werden, was einen erheblichen Aufwand bedeutet. Somit ist eine Messung um Ecken herum, wie z.B. bei dem oben genannten Messarm, mit optischen Verfahren zurzeit nicht möglich. A disadvantage of the optical methods used so far is that measuring points must lie directly on a line of sight with the measuring device. There must therefore be a direct line of sight between the measuring device and the measuring point. If this is no longer the case or if the measuring beam is interrupted by an object, then this method is no longer applicable. It would then have the device point of view to be changed, which means a considerable effort. Thus, a measurement around corners, e.g. in the above-mentioned measuring arm, with optical methods currently not possible.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die oben aufgeführten Nachteile überwinden. It is an object of the present invention to provide a device and a method which overcome the disadvantages listed above.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Ansprüchen gelöst, bei denen mittels mindestens eines im Raum angebrachten Strahlablenkungselements der Mess- strahl eines optischen Messgerätes auf den Messpunkt abgelenkt wird. Das Strahlablenkungselement befindet sich dabei nicht im Gehäuse des Messgerätes, ist also nicht Teil des Messgerätes und ist vorzugsweise nicht mit dem Messgerät, insbesondere nicht mittels Träger- oder Befestigungsstrukturen, verbunden. Das Strahlablenkungselement unterscheidet sich von zum Messgerät gehörenden Spiegeln oder Prismen insbesondere dadurch, dass der Messstrahl erst eine gewisse Wegstrecke außerhalb des Messgerätes zurückgelegt hat, bis er auf das Strahlablenkungselement fällt, das den Messstrahl dann um Hindernisse auf dessen Weg herumlenkt oder zu Messpunkten lenkt, die nicht auf direktem Wege vom Messgerät aus erreichbar wären. Insbesondere ist mindestens ein Strahlablenkungselement mindestens fünfzig Zentimeter, bevorzugt jedoch mehr als zwei Meter, insbesondere mehr als fünf Meter, von dem optischen Messgerät entfernt angeordnet . The object is achieved by a device and a method according to the claims, in which the measuring beam of an optical measuring device is deflected onto the measuring point by means of at least one beam deflecting element mounted in the space. The beam deflecting element is not located in the housing of the meter, so it is not part of the meter and is preferably not connected to the meter, in particular not by means of support or mounting structures. The beam deflecting element differs from mirrors or prisms belonging to the measuring device in particular in that the measuring beam has traveled a certain distance outside of the measuring device until it falls onto the beam deflecting element, which then deflects the measuring beam around obstacles on its path or directs it to measuring points could not be reached directly from the meter. In particular, at least one beam deflecting element is arranged at least fifty centimeters, but preferably more than two meters, in particular more than five meters away from the optical measuring device.
Obwohl ein Strahlablenkungselement während der Messung fest auf dem Boden oder einem sonstigen stabilen Element angebracht ist, ist dennoch der Abstand zum Messgerät und die Position im Raum frei wählbar, weil es sich bei dem Messgerät und den Strahlablenkungselementen um voneinander unabhängige Elemente handelt.  Although a beam deflector is fixed to the ground or other stable element during the measurement, the distance to the instrument and the position in space can still be selected because the meter and beam deflectors are independent elements.
Geeignete optische Messgeräte sind alle optischen Messgeräte, welche einen Messstrahl, vorzugsweise Mikrowellen, sichtbares Licht, UV- oder Infrarotstrahlung, aussenden und vorzugsweise auch wieder empfangen. Suitable optical measuring devices are all optical measuring devices which emit and preferably also receive a measuring beam, preferably microwaves, visible light, UV or infrared radiation.
Bevorzugte Messgeräte sind Laufzeitmessgeräte oder auf Inter- ferometrie basierende Messgeräte, die insbesondere noch weitere Größen messen, wie z.B. Lasertracker . Eine Ablenkung des Strahles bedeutet, dass der weitere Weg des Strahles nicht mehr in der Richtung der ursprünglichen Emission erfolgt. Bevorzugt wird die Ablenkung durch Beu- gungs- und/oder Brechungseffekte erreicht. Preferred measuring devices are time-of-flight measuring devices or interferometry-based measuring devices, which in particular measure other variables, such as laser trackers. A deflection of the beam means that the further path of the beam is no longer in the direction of the original emission. Preferably, the deflection is achieved by diffraction and / or refraction effects.
Jedes Strahlablenkungselement ist in der Lage, einen eintreffenden Strahl dermaßen abzulenken, dass der auslaufende Each beam deflecting element is able to deflect an incoming beam to such an extent that the outgoing beam is deflected
Strahl relativ zur Strahlachse des einlaufenden Strahles um einen Ablenkungswinkel A>0 abgelenkt ist. Beam is deflected relative to the beam axis of the incoming beam by a deflection angle A> 0.
Bevorzugte Strahlablenkungselemente enthalten optische Elemente zur Ablenkung des Strahles, insbesondere aus der Gruppe Spiegel, Prismen, und Wellenleiter, insbesondere Lichtleiter.  Preferred beam deflecting elements contain optical elements for deflecting the beam, in particular from the group of mirrors, prisms, and waveguides, in particular light guides.
Bevorzugt enthalten die Strahlablenkungselemente zusätzlich Bewegungselemente, mit denen eine Verkippung und/oder Verschiebung des Strahlablenkungselements oder mindestens eines ihrer optischen Elemente erreicht werden kann, insbesondere Bewegungselemente aus der Gruppe Scharniere, Gelenke, Schrauben, Motoren, Piezoelemente und Getriebe, und insbesondere zusätzlich Elemente, mit denen diese Verschiebung oder Verkippung gemessen werden kann. Preferably, the beam deflecting elements additionally contain moving elements with which a tilting and / or displacement of the beam deflecting element or at least one of its optical elements can be achieved, in particular moving elements from the group of hinges, joints, screws, motors, piezo elements and gears, and in particular additional elements where this shift or tilt can be measured.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthalten die Strahlablenkungselemente mindestens ein Sensorelement, mit dem die Position des auftreffenden und/oder auslaufenden Messstrahles relativ zum Strahlablenkungselement und/oder optischen Element ermittelt werden kann, welches also eine OrtsInformation liefern kann. Bevorzugte Sensorelemente sind photoempfindliche Halbleiter, insbesondere der Gruppe Photodioden, Phototransistoren und CCDs. Werden Spiegel als optische Elemente verwendet, sind diese Sensoren vorzugsweise auf deren SpiegelSchicht und/oder, insbesondere bei einer teildurchlässigen SpiegelSchicht, hinter dieser Schicht angeordnet. In a further preferred embodiment, the beam deflecting elements contain at least one sensor element, with which the position of the incident and / or outgoing measuring beam relative to the beam deflecting element and / or optical element can be determined, which can thus provide a location information. Preferred sensor elements are photosensitive semiconductors, in particular the group photodiodes, phototransistors and CCDs. If mirrors are used as optical elements, these sensors are preferably arranged on their mirror layer and / or, in particular in the case of a partially transparent mirror layer, behind this layer.
Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit das In the following, for the sake of clarity, the
Strahlablenkungselement auch als 'Spiegel' bezeichnet. Dieser Begriff steht in diesem Falle stellvertretend für alle anderen möglichen Strahlablenkungseiemente . Beam deflecting element also referred to as 'mirror'. This term is in this case representative of all other possible Strahlablenkungseiemente.
Ein bevorzugtes Messverfahren mit einem optischen Messgerät und mindestens einem Strahlablenkungselement wird wie folgt ausgeführt : a) Ermittlung des AbStandes zwischen jedem Strahlablenkungs- elernent und dem optischen Messgerät auf der Achse des Messstrahles und Ausrichtung des Strahlablenkungselementes und/oder des Messstrahls dermaßen, dass der Messstrahl auf den Messpunkt oder das folgende Strahlablenkungselement fällt, wobei letzteres so lange wiederholt wird, bis der Strahl auf den Messpunkt fällt. A preferred measuring method with an optical measuring device and at least one beam deflecting element is carried out as follows: a) Determining the distance between each Strahlablenkungs- elernent and the optical measuring device on the axis of the measuring beam and alignment of the Strahlablenkungselementes and / or the measuring beam to such an extent that the measuring beam on the measuring point or the following Strahlablenkungselement falls, the latter is repeated until the beam falls to the measuring point.
Bevorzugt wird das Strahlablenkungselement relativ zum Messstrahl dermaßen angeordnet, dass eine Winkelveränderung des Strahlablenkungselements keine Änderung in der Position des auftreffenden Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement zur Folge hat. Im Falle eines Spiegels oder Prismas ist dies dann erreicht, wenn der Drehpunkt des Spiegels/Prismas dem Auftreffpunkt des Messstrahles entspricht. Jedoch kann auch nach erfolgter Ausrichtung des Messstrahles auf den Messpunkt der Auftreffpunkt des Messstrahles auf dem jeweiligen Strahlablenkungselement ermittelt werden. b) Ermittlung der Ablenkung des Messstrahles relativ zu seinem unabgelenkten Verlauf, was dem Ablenkungswinkel entspricht, mit dem der auslaufende Strahl relativ zum einlaufenden abgelenkt wird. Preferably, the beam deflecting element is arranged relative to the measuring beam so that an angular change of the beam deflecting element does not result in a change in the position of the impinging measuring beam on the beam deflecting element. In the case of a mirror or prism this is achieved when the fulcrum of the mirror / prism corresponds to the point of impact of the measuring beam. However, even after alignment of the measuring beam to the measuring point the point of impact of the measuring beam are determined on the respective beam deflecting element. b) Determining the deflection of the measuring beam relative to its undeflected course, which corresponds to the deflection angle, with which the outgoing beam is deflected relative to the incoming.
Dies würde bei einem Spiegel beispielsweise dem Doppelten der Verkippung des Lotes relativ zur Achse des auftreffenden Strahles entsprechen. In dem bevorzugten Fall, in dem der Messstrahl im Drehpunkt des Spiegels auf die Spiegelfläche auftrifft, kann der Ablenkungswinkel des betreffenden Strahlablenkungselements einfach durch eine Winkelskala oder die Auslenkung der Verstellelemente des Spiegels ermittelt werden, wenn die Ursprungsposition (Position, bei der der ausgehende Strahl auf die Achse des einlaufenden Strahls reflektiert wird) bekannt ist. c) Messung des A Standes des Messpunktes relativ zum optischen Messgerät. For example, for a mirror this would be twice the tilt of the solder relative to the axis of the incident beam. In the preferred case in which the measuring beam impinges on the mirror surface at the fulcrum of the mirror, the deflection angle of the relevant beam deflecting element can be determined simply by an angular scale or the deflection of the adjusting elements of the mirror when the originating position (position at which the outgoing beam is on) the axis of the incoming beam is reflected) is known. c) Measurement of the A level of the measuring point relative to the optical measuring device.
Messpunkte enthalten in der Regel ein optisches Element, welches einen einlaufenden Strahl auf der Strahlachse oder parallel zu dieser zurücksendet. Arbeitet das optische Messgerät mit einem Empfang des Messstrahles, muss dieser vorzugsweise wieder auf die strahlablenkenden Elemente fallen und auf diese Weise zurück zum optischen Messgerät gelenkt werden. Dies kann durch Justage des optischen Messgerätes, des Messpunktes und der Strahlablenkungselemente einfach erreicht werden. Vorzugsweise sind die Strahlablenkungselemente von ihrer Größe so bemessen, dass der rückgesandte Strahl automatisch wieder zurück zum optischen Messgerät gelenkt wird. Measuring points usually contain an optical element, which sends back an incoming beam on the beam axis or parallel to it. If the optical measuring device operates with a reception of the measuring beam, it must preferably fall back onto the beam deflecting elements and in this way be directed back to the optical measuring device. This can be easily achieved by adjusting the optical measuring device, the measuring point and the beam deflecting elements. Preferably, the beam deflecting elements of their size so that the returned beam is automatically directed back to the optical measuring device.
Durch die Ermittlung der Position des Strahlablenkungselements und des Winkels der Strahlablenkung, insbesondere relativ zu dem einlaufenden Messstrahl, ist es möglich, die Position eines Messpunktes im Raum zu bestimmen. Durch das optische Messverfahren wird die Gesamtstrecke von der Messapparatur zum Messpunkt ermittelt. Da der Auftreffpunkt des Messstrahles auf dem Spiegel und die Ablenkung des Messstrahles bekannt sind, ist es nun möglich, die Lage des Messpunktes im Raum zu rekonstruieren. By determining the position of the beam deflecting element and the angle of the beam deflection, in particular relative to the incoming measuring beam, it is possible to determine the position of a measuring point in space. By the optical measuring method, the total distance from the measuring apparatus to the measuring point is determined. Since the point of impact of the measuring beam on the mirror and the deflection of the measuring beam are known, it is now possible to reconstruct the position of the measuring point in space.
Auf diese Weise ist die Vermessung von verwinkelten oder mit Objekten gefüllten Räumen möglich. Bei einer geschickten Anordnung eines oder mehrerer Strahlablenkungselemente ist es noch nicht einmal erforderlich, das optische Messgerät zu bewegen. Somit können Vermessungen vorgenommen werden, die nur auf einen einzigen Punkt, nämlich die Position des Messgerätes, justiert werden müssen. In this way, the measurement of winding or filled with objects spaces is possible. With a clever arrangement of one or more beam deflecting elements, it is not even necessary to move the optical measuring device. Thus, surveys can be made that need only be adjusted to a single point, namely the position of the meter.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält mindestens eines der Strahlablenkungselemente mindestens eines der vorangehend beschriebenen Sensorelemente. Ist ein solches Sensorelement an der Position des optimalen Auftreffpunktes des Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement angeordnet, kann eine Justage des Messstrahles einfach vorgenommen werden. Dies kann noch verbessert werden, wenn eine Matrix aus mehreren Sensorelementen oder mindestens ein ortsauflösendes Sensorelement, z.B. ein CCD, enthalten ist. durch die Ortsinformation, welche eine solche Matrix liefert, ist eine genaue Positionierung des Strahles möglich. Dies ist insbesondere der Fall, wenn mehrere Elemente der Matrix Energie des einlaufenden Strahles detektieren. Bei bekanntem Strahlprofil ist durch Wichtung des Energieeintrages der einzelnen Matrixelemente sogar eine genauere Ortsbestimmung der Auftreffposi- tion des Messstrahls auf dem Strahlablenkungselement möglich, als durch die Matrix selber vorgegeben wird. In a preferred embodiment, at least one of the beam deflecting elements contains at least one of the above-described sensor elements. If such a sensor element is arranged at the position of the optimum impact point of the measuring beam on the beam deflecting element, an adjustment of the measuring beam can be made easily. This can be further improved if a matrix of several sensor elements or at least one spatially resolving sensor element, eg a CCD, is included. the location information that provides such a matrix is an accurate one Positioning of the beam possible. This is especially the case when several elements of the matrix detect energy of the incoming beam. With a known beam profile, by weighting the energy input of the individual matrix elements, even a more precise position determination of the impact position of the measurement beam on the beam deflection element is possible, as determined by the matrix itself.
Dieselben Sensoren können auch verwendet werden, um den Auf- treffpunkt eines vom Messpunkt rücklaufenden Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement zu ermitteln. Durch diese Information kann der Fehler der Vermessung verringert werden.  The same sensors can also be used to determine the point of impact of a measuring beam returning from the measuring point on the beam deflecting element. By this information, the error of the measurement can be reduced.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform enthält das Strahlablenkungselement oder das optische Element des Strahl- ablenkungselementes einen Oberflächenanteil, der in der Lage ist, einen auftreffenden Strahl parallel zu seiner Strahlachse zurückzulenken. Dies wird insbesondere durch 'Katzenaugen', oder Prismen, vorzugsweise basierend auf holographischen Elementen erreicht. In a further particular embodiment, the beam deflection element or the optical element of the beam deflection element contains a surface portion which is able to deflect an incident beam parallel to its beam axis. This is achieved in particular by 'cat's eyes', or prisms, preferably based on holographic elements.
Durch eine laterale Verschiebung oder eine Drehung des  By a lateral displacement or rotation of the
Strahlablenkungselements oder des optischen Elements des Strahlablenkungselements kann dieser Oberflächenanteil bei justiertem Strahlablenkungselement in den Strahl bewegt werden, ohne die Ausrichtung dieses Elements zu verändern. Befindet sich dieser Oberflächenanteil an der Auftreffposition des Messstrahles auf dem rücklenkenden Oberflächenanteil, wird dieser wieder zurück auf das optische Messgerät gelenkt und der Abstand der Auftreffposition des Messstrahles auf dem Strahlablenkungselement kann direkt sehr genau bestimmt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Strahl- ablenkungselement so geschaffen, dass je nach Auftreffpunkt des Messstrahles der abgelenkte Strahl einen unterschiedlichen Ablenkungswinkel hat. Bevorzugt weist das Strahlablenkungselement mindestens ein optisches Element mit einer, insbesondere konvex gekrümmten Oberfläche auf, die vorzugsweise wiederum an der Oberfläche eine Verspiegelung oder Teilverspiegelung aufweist. Beam deflecting element or the optical element of the beam deflecting element, this surface portion can be moved with adjusted beam deflecting element in the beam, without changing the orientation of this element. If this surface portion at the impact position of the measuring beam is located on the deflecting surface portion, this is directed back to the optical measuring device and the distance of the impact position of the measuring beam on the beam deflecting element can be determined directly very accurately. In a further preferred embodiment, the beam deflection element is created such that, depending on the point of impact of the measuring beam, the deflected beam has a different deflection angle. Preferably, the beam deflecting element has at least one optical element with a, in particular convexly curved surface, which in turn preferably has a mirroring or partial mirroring on the surface.
Auf diese Weise ändert sich der Ablenkwinkel des Messstrahles in Abhängigkeit von dem Punkt, an dem der Messstrahl auf die Oberfläche des Strahlablenkungselements, bzw. dessen optischen Elements auftrifft. Vorzugsweise wird das Strahlablenkungselement dermaßen relativ zum Messgerät angeordnet, dass es mindestens einen Punkt auf der Oberfläche des Strahlablenkungselements gibt, an dem der Messstrahl zum Messgerät zurückreflektiert würde und mindestens einen weiteren Punkt, an dem der Strahl auf einen Messpunkt abgelenkt würde, wobei lediglich der Messstrahl, jedoch nicht das Strahlablenkungselement bewegt würde.  In this way, the deflection angle of the measurement beam changes in dependence on the point at which the measurement beam impinges on the surface of the beam deflection element, or its optical element. Preferably, the beam deflecting element is arranged relative to the measuring device such that there is at least one point on the surface of the beam deflecting element at which the measuring beam would be reflected back to the measuring device and at least one further point at which the beam would be deflected to a measuring point, wherein only the measuring beam but not the beam deflecting element would be moved.
Der Punkt, an dem der Messstrahl zurück zum Messgerät reflektiert würde, ist bevorzugt mindestens ein planes optisches Element, z.B. ein Spiegel. Wird dieses plane optische Element, oder eines dieser planen optischen Elemente, dermaßen ausgerichtet, dass ein darauf gerichteter Messstrahl wieder zurück zum Messgerät reflektiert würde (Justageposition) , ist eine Abstandsbestimmung des betreffenden Strahlablenkungselements vom Messgerät möglich. Ist dazu noch der Auftreffpunkt des Messstrahles auf dem betreffenden planen optischen Element bekannt, so lässt sich die Lage und relative Position des gekrümmten optischen Elements relativ zum Messgerät sehr genau bestimmen und ein Ablenkwinkel auf dem gekrümmten optischen Element kann alleine durch den Winkel bestimmt werden, mit dem der Messstrahl das Messgerät relativ zur Justageposi- tion trifft . Eine genaue Bestimmung des Auftreffpunktes auf dem betreffenden planen optischen Element kann durch eine besonders kleine Dimensionierung des betreffenden optischen Elements oder mittels ortssensitiver Sensoren erreicht werden. The point at which the measuring beam would be reflected back to the measuring device is preferably at least one planar optical element, for example a mirror. If this planar optical element, or one of these planar optical elements, is aligned in such a way that a measuring beam directed thereon would be reflected back to the measuring device (adjustment position), it is possible to determine the distance of the relevant beam deflecting element from the measuring device. If, in addition, the point of impingement of the measuring beam on the relevant planar optical element is known, the position and relative position of the curved optical element relative to the measuring device can be very much determined determine exactly and a deflection angle on the curved optical element can be determined solely by the angle at which the measuring beam hits the measuring device relative to the Justageposi- tion. A precise determination of the impact point on the relevant planar optical element can be achieved by a particularly small dimensioning of the relevant optical element or by means of location-sensitive sensors.
Das Strahlablenkungselement muss nach der Justage nicht mehr bewegt werden, da alleine durch eine Winkeländerung des Messstrahles der Ablenkwinkel durch das gekrümmte optische Element verändert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch das optische Element mittels mindestens eines Bewegungselements lateral parallel zu der Oberfläche des planen optischen Elements verschoben, so dass der Messstrahl auf das gekrümmte optische Element fällt und auf diese Weise auf den Messpunkt gelenkt wird.  The beam deflection element does not have to be moved after the adjustment, since the deflection angle is changed by the curved optical element alone by an angle change of the measuring beam. In a preferred embodiment, however, the optical element is displaced laterally parallel to the surface of the plane optical element by means of at least one movement element, so that the measurement beam falls onto the curved optical element and is directed in this way to the measurement point.
Mehrere plane optische Elemente, die in verschiedenen Winkeln angeordnet sind, ermöglichen einen Betrieb des Strahlablenkungselements in mehreren Winkelbereichen für den abgelenkten Strahl, da das gekrümmte optische Element je nach dem zur Justage verwendeten planen optischen Element eine andere Verkippung relativ zum Messstrahl aufweist.  Multiple planar optical elements arranged at different angles allow operation of the beam deflecting element in multiple angular ranges for the deflected beam since the curved optical element has a different tilt relative to the measuring beam depending on the planar optical element used for adjustment.
Vorzugsweise ist die Oberfläche des optischen Elements des Strahlablenkungselements ein Teil eines Zylindermantels oder ein Teil einer Kugeloberfläche, wobei 'Teil' nicht ausschließt, dass es sich bei dem optischen Element um einen vollständigen Zylindermantel oder eine vollständige Kugel handelt . Um die Strahlaufvreitung zu kompensieren, können vor oder nach dem Auftreffen des Messstrahles auf das betreffende Strahlablenkungselement optische Einheiten oder Kollimatoren zur Kompensation der Strahlaufweitung, z.B. zur Bündelung oder Kol- limierung, in den Strahlengang eingebracht werden. Preferably, the surface of the optical element of the beam deflecting element is a part of a cylinder jacket or a part of a spherical surface, wherein 'part' does not exclude that the optical element is a complete cylinder shell or a complete ball. In order to compensate for the beam propagation, optical units or collimators for compensating the beam expansion, for example for focusing or collimation, can be introduced into the beam path before or after the impact of the measuring beam on the relevant beam deflection element.
Eine andere Möglichkeit, die Strahlaufweitung zu minimieren, ist es, den Krümmungsradius des gekrümmten optischen Elements zu vergrößern, damit einhergehenden Einbußen für den Winkelbereich der Ablenkung des Messstrahls auf dem gekrümmten optischen Element auf einfache Weise mit der oben beschriebenen Ausführung mit mehreren planen optischen Elementen entgegengewirkt werden kann. Ansonsten wäre es auch einfach möglich, für jeden Winkelbereich ein eigenes Strahlablenkungselement zu verwenden. Another way to minimize beam expansion is to increase the radius of curvature of the curved optical element, thus counteracting concomitant penalties for the angular range of deflection of the measuring beam on the curved optical element in a simple manner with the above-described multi-planar optical element design can be. Otherwise, it would also be possible to use a separate beam deflection element for each angle range.
Das Messverfahren kann auf diese Weise ohne eine Verstellung des Strahlablenkungselements alleine durch die Bewegung des Messstrahls, z.B. mittels eines Lasertrackers, durchgeführt werden. Zur Ermittlung des AbStandes des Strahlablenkungselements wird der Messstrahl auf denjenigen Punkt auf dem The measuring method can be performed in this way without an adjustment of the beam deflecting element solely by the movement of the measuring beam, e.g. by means of a laser tracker. To determine the distance of the beam deflecting element, the measuring beam is at that point on the
Strahlablenkungselement bewegt, an dem er zum Messgerät reflektiert wird. Der Winkel, den der Messstrahl relativ zu einer Ursprungsrichtung im Raum dazu einnimmt sei 'Winkel 1'. Zum Messen des Abstandes eines Messpunktes wird der Mess- strahl so bewegt, dass er von dem Strahlablenkungselement reflektiert auf den Messpunkt fällt. Der Winkel, den der Messstrahl nun relativ zu der Ursprungsrichtung im Raum einnimmt sei 'Winkel 2' Beam deflection element moves, where it is reflected to the meter. The angle that the measuring beam occupies relative to an original direction in space is 'angle 1'. For measuring the distance of a measuring point, the measuring beam is moved in such a way that it is reflected by the beam deflecting element and falls onto the measuring point. The angle that the measuring beam now occupies in space relative to the original direction is 'angle 2'
Da die Geometrie des Strahlablenkungselements, bzw. des optischen Elements des Strahlablenkungselements bekannt ist, kann alleine aus dem gemessenen Abstand des Strahlablenkungsele- ments und dem Unterschied zwischen Winkel 1 und Winkel 2 des Messstrahles die Position des Messpunktes im Raum relativ zum Messgerät bestimmt werden. Since the geometry of the beam deflecting element or of the optical element of the beam deflecting element is known, it is possible to determine from the measured distance of the beam deflecting element alone. ments and the difference between angle 1 and angle 2 of the measuring beam, the position of the measuring point in space relative to the measuring device are determined.
In einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere wenn die Vorspiegelung teildurchlässig für den Messstrahl ist, enthält das Strahlablenkungselement eine ortssensitive Matrix aus Sensorelementen, wie z.B. ein CCD, so dass die Positionen der auf das Strahlablenkungselement auftreffenden Messstrahlen durch die Sensorelemente ermittelt werden können und die oben genannten Winkel 1 und 2 auf diese Weise bestimmt werden können. In a preferred embodiment, especially if the pre-reflection is partially transmissive to the measuring beam, the beam deflecting element contains a location-sensitive matrix of sensor elements, e.g. a CCD, so that the positions of the measuring beams incident on the beam deflecting element can be detected by the sensor elements, and the above-mentioned angles 1 and 2 can be determined in this way.
Die Sensorelemente können hinter der VerSpiegelung, vor der Verspiegelung oder auch in der SpiegelSchicht selber angeordnet sein.  The sensor elements can be arranged behind the mirroring, before the mirroring or even in the mirror layer itself.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein optisches Messinstrument verwendet, das in der Lage ist, mehrere Messstrahlen unabhängig voneinander zu detektieren. Dadurch ist es möglich, dass der oben genannte Oberflächenanteil sich ständig im Strahl befindet, wobei er so beschaffen ist, dass ein Teil des Messstrahles zurück zum optischen Messgerät gelenkt wird und ein anderer Teil das Strahlablenkungselement in Richtung des Messpunktes oder des folgenden Strahlablenkungselementes verlässt. In a further preferred embodiment, an optical measuring instrument is used which is capable of detecting a plurality of measuring beams independently of one another. Thereby, it is possible that the above-mentioned surface portion is constantly in the beam, being such that a part of the measuring beam is directed back to the optical measuring device and another part leaves the beam deflecting element in the direction of the measuring point or the following beam deflecting element.
Auf diese Weise ist eine gleichzeitige Messung des Abstandes des optischen Messgerätes sowohl zu dem Strahlablenkungselement aus auch zum Messpunkt möglich.  In this way, a simultaneous measurement of the distance of the optical measuring device both to the beam deflecting element and also to the measuring point is possible.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, von einem einzigen Punkt aus komplexe Vermessungen durchzuführen und sogar die Rückseite von ausgedehnten Objekten wie z.B. Turbinen, Schiffen, Beschleunigerringen oder Planeten zu vermessen. With the method according to the invention and the device according to the invention it is possible to carry out complex measurements from a single point and even the back side of large objects such as turbines, ships, accelerator rings or planets to measure.
Eine Bewegung des optischen Messgerätes und die damit verbundenen Kalibrierungen sind nicht mehr nötig. Alleine die Position und Ausrichtung der Strahlablenkungselemente muss bestimmt werden, was mit den oben genannten Möglichkeiten für den Fachmann sehr einfach durchzuführen ist.  A movement of the optical measuring device and the associated calibrations are no longer necessary. Only the position and orientation of the beam deflecting elements must be determined, which is very easy to perform with the above-mentioned possibilities for the skilled person.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bewegungselemente mindestens eines Strahlablenkungselements durch eine Computereinheit steuerbar und mindestens ein Strahlablenkungselement ist in der Lage, Daten über seine Verschiebung/Verkippung und/oder Daten der, insbesondere ortssensitiven, Sensoren zu senden. Dies kann per Funk oder über eine Datenleitung, z.B. USB, geschehen. In a preferred embodiment, the moving elements of at least one beam deflecting element can be controlled by a computer unit and at least one beam deflecting element is able to transmit data about its displacement / tilting and / or data of the, in particular location-sensitive, sensors. This can be done by radio or via a data line, e.g. USB, done.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein, insbesondere durch Motoren, bewegliches, Strahlablenkungselement zwischen Messgerät und Messpunkt positioniert. Das bewegliche Strahlablenkungselement agiert dabei als selbstständiges Gerät, das mit einem Kontroller (z.B. einem Computer) verbunden ist und das zum Messzeitpunkt die beiden Winkel des beweglichen Strahlablenkungselements (horizontal und vertikal) misst und ausgibt. Mittels der Messungen des Messgerätes (Entfernung und Winkel des ausgesendeten Messstrahls) und der beiden Winkel des beweglichen Strahlablenkungselements kann die Position des Messpunktes in 3D eindeutig bestimmt werden. In a further preferred embodiment, a, in particular by motors, movable, Strahlablenkungselement between the measuring device and measuring point is positioned. The movable beam deflecting element acts as a stand-alone device connected to a controller (e.g., a computer) and measuring and outputting the two angles of the movable beam deflecting element (horizontally and vertically) at the time of measurement. By means of the measurements of the measuring device (distance and angle of the emitted measuring beam) and the two angles of the movable beam deflecting element, the position of the measuring point in 3D can be uniquely determined.
Beispiele für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt . Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen VermessungsSystems . Examples of the device according to the invention are shown in the figures. Figure 1 shows schematically the structure of a surveying system according to the invention.
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren Ausfüh- rungsform des erfindungsgemäßen Vermessungssystems.  FIG. 2 schematically shows the construction of a further embodiment of the surveying system according to the invention.
Figur 3 veranschaulicht das Messverfahren mit einem erfindungsgemäßen VermessungsSystem. FIG. 3 illustrates the measuring method with a surveying system according to the invention.
Figur 4 zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren Ausfüh- rungsform des erfindungsgemäßen VermessungsSystems.  FIG. 4 shows schematically the construction of a further embodiment of the surveying system according to the invention.
Figur 5 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Strahlablenkungseinheit . FIG. 5 shows schematically the construction of a beam deflection unit according to the invention.
In der in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform lenkt ein Strahlablenkungselement (3), hier ein Spiegel, einen Messstrahl (2) aus einem optischen Messgerät (1) zu einem Messpunkt (4), der mit einem Reflektor ausgestattet ist. In the embodiment according to the invention shown in FIG. 1, a beam deflecting element (3), in this case a mirror, deflects a measuring beam (2) from an optical measuring device (1) to a measuring point (4) which is equipped with a reflector.
Der Messstrahl wird vom Messpunkt parallel der eintreffenden Achse reflektiert und gelangt auf dem selben Wege über das Strahlablenkungselement (3) wieder in das Messgerät, welches auf diese Weise z.B. aus der Laufzeit oder interferometrischen Effekten die gesamte Strecke des Laufweges des Messstrahles ermittelt .  The measuring beam is reflected from the measuring point parallel to the incident axis and passes in the same way via the beam deflecting element (3) back into the measuring device, which in this way, for example. determined from the term or interferometric effects the entire distance of the path of the measuring beam.
In Figur 2 lenkt wie in Figur 1 ein Strahlablenkungselement (3), hier ein teildurchlässiger Spiegel, einen Messstrahl (2) aus einem optischen Messgerät (1) zu einem Messpunkt (4), der mit einem Reflektor ausgestattet ist. In FIG. 2, as in FIG. 1, a beam deflecting element (3), in this case a partially transmissive mirror, deflects a measuring beam (2) from an optical measuring device (1) to a measuring point (4) which is equipped with a reflector.
Ein Teil des eintreffenden Messstrahles wird durch den Spiegel reflektiert, und ein anderer Teil trifft am Punkt (6) auf ein ortsauflösendes, lichtempfindliches Sensorelement (5), das sich hier hinter dem Spiegel befindet. Auch der vom Zielpunkt reflektierte Messstrahl spaltet sich in einen Teil, der zur Lichtquelle zurück reflektiert wird, und in einen Teil, der an Punkt (7) auf das Sensorelement trifft, auf. A part of the incoming measuring beam is reflected by the mirror, and another part hits at the point (6) on a spatially resolving, photosensitive sensor element (5), which is here behind the mirror. Also, the measurement beam reflected from the target point splits into a part that is reflected back to the light source and a part that hits the sensor element at point (7).
Mittels dieser beiden Punkte (6) und (7) kann bestimmt werden, ob die Verdrehung des Spiegels optimal erfolgt ist, um den Strahlensätzen der Optik zu genügen.  By means of these two points (6) and (7) it can be determined whether the rotation of the mirror has been carried out optimally in order to satisfy the ray sets of the optics.
Es ist auch möglich, eine Bewegung des Messpunktes während der Messung festzustellen, da in diesem Falle eine Verschiebung des Punktes (7) erfolgen würde, was durch das Sensorelement auf der Stelle bemerkt werden würde.  It is also possible to detect a movement of the measuring point during the measurement, since in this case a displacement of the point (7) would take place, which would be noticed by the sensor element on the spot.
In Figur 3 wird die Ermittlung der Koordinaten eines durch ein Objekt (8) verdeckten Messpunktes im Raum verdeutlicht, den ein Messgerät (1) nicht auf direktem Wege erkennen kann (gestrichelte Linie) . FIG. 3 illustrates the determination of the coordinates of a measuring point concealed by an object (8) in space, which a measuring device (1) can not detect directly (dashed line).
Der Einheitsvektor des vom Messgerät emittierten Messstrahles A ergibt sich aus dem gemessenen Winkel 'alpha', und der durch die Stellung des Spiegels ermittelte Einheitsvektor des vom Strahlablenkungselement (3) abgelenkten Messstrahls B ergibt sich aus dem Winkel 'beta'.  The unit vector of the measuring beam A emitted by the measuring device results from the measured angle 'alpha', and the unit vector of the measuring beam B deflected by the deflecting element (3) determined by the position of the mirror results from the angle 'beta'.
Sei die Länge der Gesamtstrecke des Messstrahles ' s ' und der gemessene Abstand zwischen Messgerät (2) und Strahlablenkungselement (3) 'χ', dann ergibt sich unter der Annahme, dass das Messgerät im Ursprung eines Koordinatensystems angeordnet wäre, die Position P des Messpunktes nach  If the length of the total distance of the measuring beam 's' and the measured distance between measuring device (2) and beam deflecting element (3) 'χ', then, assuming that the measuring device were located at the origin of a coordinate system, the position P of the measuring point results to
P = xA + (s - x) B . P = xA + (s - x) B.
Figur 4 zeigt schematisch ein Strahlablenkungselement (3), welches ein planes optisches Element und ein kreisförmig gebogenes optisches Element aufweist. Es ist natürlich auch möglich, mehrere dieser Formen zu kombinieren. In diesem Beispiel sind die optischen Elemente verspiegelt. Figure 4 shows schematically a beam deflecting element (3) comprising a planar optical element and a circularly curved optical element. It's natural, too possible to combine several of these forms. In this example, the optical elements are mirrored.
Ein Messstrahl (2, gestrichelt), der auf das plane optische Element auftrifft, wird bei korrekter Ausrichtung des planen optischen Elements zum Messgerät (1) reflektiert und kann zur Bestimmung des AbStandes des optischen Elements dienen. Wird nun der Winkel des Messstrahls am Messgerät verändert, kann der Messstrahl (2, durchgezogene oder zweite gestrichelte Linie) mittels des gekrümmten optischen Elements auf einen Messpunkt (4) gelenkt werden. A measuring beam (2, dashed lines), which impinges on the planar optical element, is reflected with the correct orientation of the planar optical element to the measuring device (1) and can serve to determine the distance of the optical element. If now the angle of the measuring beam on the measuring device is changed, the measuring beam (2, solid or second dashed line) can be directed to a measuring point (4) by means of the curved optical element.
Da die Abmessungen der optischen Elemente des  As the dimensions of the optical elements of the
Strahlablenkungselements bekannt sind, kann alleine aus dem Winkel, mit dem der Messstrahl das Messgerät verlässt, der Ablenkwinkel am Strahlablenkungselement bestimmt werden. Eine genaue Bestimmung ist möglich, wenn der Auftreffpunkt auf dem planen optischen Element zur Abstandsmessung genau bekannt ist. Dies ist z.B. möglich, wenn das plane optische Element sehr klein ist. Bevorzugt ist jedoch das plane optische Beam deflection element are known, alone from the angle at which the measuring beam leaves the meter, the deflection angle can be determined at the beam deflecting element. An accurate determination is possible if the point of impact on the planar optical element for distance measurement is known exactly. This is e.g. possible if the plane optical element is very small. However, the plane optical is preferred
Element nur teilverspiegelt und ein ortssensitiver Sensor, z.B. ein CCD, misst sehr genau den Auftreffpunkt des Element only partially mirrored and a location-sensitive sensor, e.g. a CCD, very accurately measures the point of impact of the
Messstrahls . Measuring beam.
Eine Strahlaufweitung des Messstrahls kann durch den  A beam expansion of the measuring beam can by the
Krümmungsradius des gekrümmten optischen Elements beeinflusst werden. Je größer der Krümmungsradius, desto kleiner ist die Strahlaufweitung. Da die Größe des Krümmungsradius jedoch verkleinernd auf den Winkelbereich wirkt, in dem der Radius of curvature of the curved optical element to be influenced. The larger the radius of curvature, the smaller the beam expansion. However, since the size of the radius of curvature has a decreasing effect on the angular range in which the
Messpunkt liegen kann, sofern das Strahlablenkungselement nicht bewegt wird, ist es von Vorteil, je nach dem Measuring point may be, if the beam deflecting element is not moved, it is advantageous, depending on the
gewünschten Ablenkungswinkel mehrere verschiedene desired deflection angle several different
Ausführungsformen des Strahlablenkungselements zu verwenden. Bevorzugt enthält das Strahlablenkungselement jedoch mehrere plane optische Elemente, die in verschiedenen Winkeln Embodiments of the beam deflecting element to use. However, the beam deflecting element preferably contains several Plan optical elements at different angles
zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird are arranged to each other. This way will
gewährleistet, dass das gekrümmte optische Element für verschiedene Winkelbereiche verwendet werden kann, je nachdem welches der planen optischen Elemente man zur ensures that the curved optical element can be used for different angular ranges, depending on which of the optical elements you plan to use
Abstandsjustierung mit dem Messgerät verwendet. Distance adjustment used with the meter.
Figur 5 zeigt ein Strahlablenkungelement bestehend aus einem optischen Element (10), welches hier einen ortssensitiven Sensor (12), z.B. ein CCD, aufweist. Das optische Element kann relativ zu seiner vertikalen Achse in Richtung des Pfeils oder in Gegenrichtung mittels des Bewegungselements (11) gedreht oder verkippt werden. Weitere Bewegungselemente können für eine Verkippung in weiteren Raumachsen, z.B. der horizontalen Achse, verwendet werden. Ein auftreffender Messstrahl würde entsprechend seines, durch die Verkippung beeinflussten, Auftreffwinkels abgelenkt werden. Das FIG. 5 shows a beam deflecting element consisting of an optical element (10), which here comprises a position-sensitive sensor (12), e.g. a CCD. The optical element can be rotated or tilted relative to its vertical axis in the direction of the arrow or in the opposite direction by means of the moving element (11). Further movement elements may be used for tilting in further spatial axes, e.g. the horizontal axis. An incident measuring beam would be deflected according to its impact angle influenced by the tilting. The
Strahlablenkungselement kann beispielsweise an einem der Bewegungselemente fest im Messraum, z.B. am Boden oder dort befindlichen Objekten, montiert werden. For example, the beam deflecting element may be fixed to one of the moving elements in the measuring space, e.g. be mounted on the ground or there objects.

Claims

Ansprüche claims
1. Vermessungsvorrichtung enthaltend mindestens ein optisches Messgerät zur Emission eines Messstrahls auf einen Messpunkt und mindestens ein Strahlablenkungselement zur Ablenkung des Messstrahls, wobei sich das Strahlablenkungs- element nicht im Gehäuse des Messgerätes befindet, 1. Measuring device comprising at least one optical measuring device for emitting a measuring beam to a measuring point and at least one beam deflecting element for deflecting the measuring beam, wherein the Strahlablenkungs- element is not in the housing of the measuring device,
und wobei das betreffende Strahlablenkungselement and wherein the respective beam deflecting element
mindestens ein Sensorelement enthält, mit dem die Position des auftreffenden und/oder auslaufenden Messstrahles relativ zum Strahlablenkungselement und/oder optischen Element ermittelt werden kann. contains at least one sensor element with which the position of the incident and / or outgoing measuring beam relative to the beam deflecting element and / or optical element can be determined.
2. Vermessungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strahlablenkungselement optische Elemente zur Ablenkung des Strahles aus der Gruppe Spiegel, Prismen, und Wellenleiter enthält, und/oder Bewegungselemente enthält, mit denen eine Verkippung und/oder Verschiebung des betreffenden Strahlablenkungselements oder mindestens eines seiner optischen Elemente erreicht werden kann. 2. Measuring device according to claim 1, characterized in that at least one beam deflecting element contains optical elements for deflecting the beam from the group of mirrors, prisms, and waveguides, and / or contains movement elements, with which a tilting and / or displacement of the respective beam deflecting element or at least one of its optical elements can be achieved.
3. Vermessungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strahlablenkungselement oder das optische Element des 3. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one beam deflecting element or the optical element of
Strahlablenkungselementes einen Oberflächenanteil aufweist, der in der Lage ist, einen auftreffenden Strahl parallel zu seiner Strahlachse zurückzulenken, und dass vorzugsweise durch eine laterale Verschiebung oder eine Drehung des Strahlablenkungselements oder des optischen Elements des Strahlablenkungselements dieser Oberflächenanteil bei jus- tiertem Strahlablenkungselement in den Strahl bewegt werden kann, ohne die Justage dieses Elements zu verändern. Beam deflection element has a surface portion which is able to deflect an incident beam parallel to its beam axis, and that preferably by a lateral displacement or rotation of the beam deflecting element or the optical element of the beam deflecting this surface portion in jus- The beam deflection element can be moved into the beam without changing the adjustment of this element.
4. Vermessungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein 4. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one
Strahlablenkungselement nicht mit dem Messgerät verbunden ist, und insbesondere weiter als 1 Meter vom Messgerät entfernt angeordnet ist, und/oder dermaßen relativ zum Messgerät angeordnet ist, dass, ohne Bewegung des Strahlablenkungselements oder dessen optischen Elements, es mindestens einen Punkt auf der Oberfläche des Strahlablenkungselements gibt, an dem der Messstrahl zum Messgerät zurückreflektiert würde und mindestens einen weiteren Punkt, an dem der Beam deflecting element is not connected to the measuring device, and in particular more than 1 meter away from the measuring device, and / or arranged so relative to the measuring device, that, without movement of the beam deflecting element or its optical element, there is at least one point on the surface of the Strahlablenkungselements at which the measuring beam would be reflected back to the measuring device and at least one further point at which the
Strahl auf einen Messpunkt abgelenkt würde. Beam would be deflected to a measuring point.
5. Vermessungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein 5. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one
Strahlablenkungselement dermaßen ausgestaltet ist, dass dessen Bewegungselemente durch eine Computereinheit steuerbar sind und/oder es in der Lage ist, Daten über seine Verschiebung/Verkippung und/oder Daten der (ortssensitiven) Sensoren zu senden. Beam deflection element is designed so that its movement elements are controlled by a computer unit and / or it is able to send data about its displacement / tilting and / or data of the (location-sensitive) sensors.
6. Strahlablenkungselement zum Einsatz in einer Vermessungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, enthaltend mindestens ein optisches Element zur Ablenkung eines Messstrahles, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Bewegungselement zur Kippung oder transversalen Bewegung und/oder mindestens ein optisches Element mit einer gekrümmten Oberfläche aufweist. 6. beam deflection element for use in a surveying device according to one of the preceding claims, comprising at least one optical element for deflecting a measuring beam, characterized in that it comprises at least one movement element for tilting or transverse movement and / or at least one optical element having a curved surface.
7. Strahlablenkungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es an der Oberfläche des optischen Elements eine Verspiegelung oder Teilverspiegelung aufweist und/oder die Oberfläche des optischen Elements des Strahlablenkungselements einen Teil eines Zylindermantels oder einen Teil einer Kugeloberfläche darstellt, und/oder eine ortssensitive Matrix aus Sensorelementen enthält, so dass die Position mindestens eines der auf das Strahlablenkungselement auftreffenden Messstrahlen durch die Sensorelemente ermittelt werden kann. 7. beam deflecting element according to claim 6, characterized in that it comprises on the surface of the optical element, a reflective or partial mirroring and / or the surface of the optical element of the beam deflecting element forms part of a cylinder jacket or part of a spherical surface, and / or a location-sensitive matrix contains sensor elements, so that the position of at least one of the incident on the beam deflecting measuring beams can be determined by the sensor elements.
8. Messverfahren mit einer Vermessungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend die Schritte: a) Ermittlung des A Standes zwischen jedem Strahlablenkungselement und dem optischen Messgerät auf der Achse des Messstrahles und Ausrichtung des Strahlablenkungselementes und/oder des Messstrahls dermaßen, dass der Messstrahl auf den Messpunkt oder das folgende Strahlablenkungselement fällt, wobei letzteres so lange wiederholt wird, bis der Strahl auf den Messpunkt fällt, 8. Measuring method with a measuring device according to one of the preceding claims, comprising the steps of: a) Determining the A stand between each beam deflecting element and the optical measuring device on the axis of the measuring beam and alignment of the Strahlablenkungselementes and / or the measuring beam to such an extent that the measuring beam on the Measuring point or the following beam deflection element, the latter being repeated until the beam falls onto the measuring point,
b) Ermittlung der Ablenkung des Messstrahles relativ zu seinem unabgelenkten Verlauf, was dem Ablenkungswinkel entspricht, mit dem der auslaufende Strahl relativ zum einlaufenden abgelenkt wird, und b) determining the deflection of the measuring beam relative to its undeflected course, which corresponds to the deflection angle, with which the outgoing beam is deflected relative to the incoming, and
c) Messung des Abständes des Messpunktes relativ zum optischen Messgerät. c) Measurement of the distance of the measuring point relative to the optical measuring device.
9. Messverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Strahlablenkungselemente relativ zum Messstrahl dermaßen angeordnet wird, dass eine Winkelveränderung des Strahlablenkungselements keine Änderung in der Position des auftreffenden Messstrahles auf dem Strahl- ablenkungselement zur Folge hat. 9. Measuring method according to claim 8, characterized in that at least one of the beam deflecting elements is arranged relative to the measuring beam in such a way that an angular change of the beam deflecting element no change in the position of the incident measuring beam on the beam deflection element result.
10. Messverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Abstandes zwischen jedem Strahlablenkungselement und dem optischen Messgerät vorzugsweise dermaßen durchgeführt wird, dass der Messstrahl von der Oberfläche des optischen Elements des Strahlablenkungselements zum Messgerät zurückgesandt wird, vorzugsweise durch entsprechende Ausrichtung des Strahlablenkungselements, durch dafür geeignete optische Einheiten oder durch Bewegung des Messstrahles auf einen dafür vorgesehenen Bereich des Strahlablenkungselements. 10. A measuring method according to claim 8 or 9, characterized in that the determination of the distance between each beam deflecting element and the optical measuring device is preferably carried out such that the measuring beam is returned from the surface of the optical element of the beam deflecting element to the measuring device, preferably by appropriate alignment of the Beam deflecting element, by suitable optical units or by movement of the measuring beam to a designated area of the beam deflecting element.
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