激光束水平精度測試裝置和對應(yīng)方法
【專利說明】激光束水平精度測試裝置和對應(yīng)方法
[0001]本發(fā)明涉及用于激光束投射裝置的激光束水平精度(trueness)測試裝置，該激光束投射裝置用于建筑和/或內(nèi)部裝修工作，其中，該激光束投射裝置配備有射束自校平功能。該激光束投射裝置具體被設(shè)計為旋轉(zhuǎn)激光器或者線或點激光器。該激光束水平精度測試裝置包括望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡具有衰減過濾器、具有放大效果的物鏡、以及用于從投射在物鏡中的激光束拍攝圖像的平面圖像傳感器。該激光束水平精度測試裝置的組件部分另外包括固有傾斜補償器和估算單元，該估算單元被設(shè)計用于基于圖像處理來自動確定在該圖像中拍攝的激光束的圖像位置。
[0002]激光束投射裝置(舉例來說，如點激光器、線激光器或者具體地，旋轉(zhuǎn)激光器)具體地被用于建筑或內(nèi)部裝修，例如，用于垂直標(biāo)記墻壁。旋轉(zhuǎn)激光器借助于其旋轉(zhuǎn)激光束來標(biāo)記基準(zhǔn)平面。在這種情況下，激光束本身例如可以按點狀、線狀或扇狀方式發(fā)射。激光可以作為連續(xù)光或者按脈沖方式生成。在此重要的是，激光束以平面精度(具體為水平精度)發(fā)射，也就是說，其精確地保持在設(shè)想平面中，以便能夠排除不正確的標(biāo)記。為了確保此，該類型的常規(guī)激光器通常配備有射束自校平功能。為了實現(xiàn)這種射束自校平功能，已知各種技術(shù)解決方案，其可以具有機械型，還有光學(xué)型。通過示例的方式，激光器核心模塊可以按鐘擺方式懸掛，以使水平精度可以利用重力生成。激光器還可以配備有傾斜傳感器，例如，在最簡單情況下為氣泡傳感器，其顯示或信號可以被讀取并且被用作用于主動調(diào)節(jié)激光器的初始變量。初次調(diào)節(jié)水平精度和校準(zhǔn)射束自校平功能通常在交付激光器之前由制造方執(zhí)行。
[0003]然而，作為各種外部影響的結(jié)果(舉例來說，如溫度和濕度波動、諸如振動的機械沖擊等)，調(diào)節(jié)的激光器可以變化。因此，按規(guī)定間隔或者在需要時，必需測試和重新校準(zhǔn)激光器的平面精度和/或水平精度及其射束自校平功能，而且在合適時，重新調(diào)節(jié)激光器。
[0004]為實現(xiàn)該任務(wù)，在現(xiàn)有技術(shù)方面，已知激光束水平精度測試裝置并加以描述。作為基本組件，這些已知裝置通常包括望遠(yuǎn)鏡和固有傾斜補償器，其旨在確保望遠(yuǎn)鏡的光軸總是水平對準(zhǔn)。當(dāng)然，這是必需的，以便測試裝置本身可以完美地水平對準(zhǔn)，以使其可以實際上被用于監(jiān)視另一裝置的水平精度。在一種已知激光束水平精度測試裝置中，下面將參照圖1a對其進行更加詳細(xì)描述，望遠(yuǎn)鏡具有入口物鏡，該物鏡具有遠(yuǎn)程定位(S卩，處于無限遠(yuǎn)距離)的物體被成像的像平面。沿物鏡的光軸的連續(xù)方向，在像平面的下游，設(shè)置用于觀察者的目鏡，在用于測試激光束投射裝置的激光束水平精度的目鏡之后，設(shè)置了平面圖像傳感器(典型為相機)，在該平面圖像傳感器上成像投射激光束。通常來說，該圖像傳感器的中心設(shè)置在物鏡的光軸上。在物鏡前方，將具有中心透光開口的光圈裝配在物鏡的光軸上，例如螺旋到望遠(yuǎn)鏡上。這種商業(yè)可獲測試裝置例如配備有裝配在物鏡前方的濾光器，所述濾光器可按兩個位置設(shè)置，由此，望遠(yuǎn)鏡中入射的強度可以按兩個階段縮減。
[0005]這種商業(yè)可獲測試裝置具有一系列缺點。首先，在測試激光束投影裝置的激光束水平精度時可隨其實現(xiàn)的準(zhǔn)確度極大地受限，如下更詳細(xì)證實。其次，執(zhí)行這種測試還很復(fù)雜。第一組缺點是基于經(jīng)由目鏡成像激光束。目鏡通常僅具有較小直徑和較短焦距，就是說，極大曲率的鏡頭表面。結(jié)果，在視野范圍上不可避免地產(chǎn)生顯著的光學(xué)畸變，該干擾在目鏡中心最小。而且，目鏡通常沿軸向在特定距離上以可移位方式設(shè)置，以便使得能夠適應(yīng)觀察者眼睛的具體特性。結(jié)果，不可避免的是，僅可以近似但很難高度準(zhǔn)確定位目鏡。特別不利于測量結(jié)果的是，目鏡相對于物鏡的光軸的無意識傾斜，所述傾斜相對容易出現(xiàn)。這產(chǎn)生了投射激光束的偏移，其通過物鏡水平地進入望遠(yuǎn)鏡，并且實際上在圖像傳感器上的、光軸與平面圖像傳感器之間的交點上成像，其接著不正確地指示激光束相對于水平路線的偏差，該偏差實際上根本不存在。目鏡的軸移動或不正確定位另外削弱了激光束在圖像傳感器上的瞄準(zhǔn)。另外，該裝置顯著易受振動影響，具體到很多大程度，進一步遠(yuǎn)離像平面設(shè)置圖像傳感器。該裝置僅允許有關(guān)是否存在相對于激光束的水平路線的偏差的基本檢查，即，“是-否”。對這種偏差的任何種類的量化，更不用說用于確定這種偏差的原因的更準(zhǔn)確分析，該裝置都不可能有。因此，當(dāng)建立被檢查激光束投射裝置的發(fā)射激光的相對于水平線的偏差時，這種已知激光束水平精度測試裝置也不能被用于在重新調(diào)節(jié)激光束投射裝置方面提供幫助，除非后者通常仍然必須呈報制造方維修。
[0006]而且，這種測試裝置本身必須定期重新校準(zhǔn)(特別是因為執(zhí)行成像到圖像傳感器上的目鏡的易受干擾的定位)，而且在合適時，重新調(diào)節(jié)，其對于這種已知裝置的情況來說，使制造方維修成為必需。
[0007]除了針對可實現(xiàn)的光學(xué)測量準(zhǔn)確度所描述的大量缺點以外，用于測試激光束投射裝置的激光束水平精度的所述裝置此外僅操作員可以極大努力使用。裝配在望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)入口前方的具有其中心開口的光圈絕對必需用于該裝置，以便使其可以區(qū)分從設(shè)想的水平線偏離的激光束入射，并且根據(jù)實際上水平抵達(就是說，平行于光軸行進)但按相對于其垂直偏移的方式行進的激光束進行校正。在所述裝置的情況下的這種持續(xù)同樣導(dǎo)致激光束在圖像傳感器上的碰撞點的偏移。在這種情況下，其實際上甚至適于使光圈開口形成的尺寸盡可能小，以便改進可區(qū)別性并由此改進該裝置的測量準(zhǔn)確度。然而，為了使用該裝置，這意味著，要針對其激光束水平精度測試的激光器就其用于激光束的光學(xué)出口開口而言，必須非常準(zhǔn)確地對準(zhǔn)光圈開口，即，在希望的水平激光束路徑的情況下，必須定位在物鏡的光軸的水平面處。這意味著用戶針對準(zhǔn)確定位要測試激光束投射裝置所制成的迫切需求。當(dāng)測試不可見激光束(例如，紅外光束)時，相互水平設(shè)置和對準(zhǔn)的這種所描述問題變得更加困難，因為在該情況下，在將要測試裝置安裝在望遠(yuǎn)鏡前方時，缺少用戶的視覺監(jiān)視或可見基準(zhǔn)。
[0008]該已知激光束水平精度測試裝置由此不僅具有不適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)測量準(zhǔn)確度和僅非常有限的可用性、并由此僅很少的、利用這種裝置獲取的測量結(jié)果的有用性，而且僅可以靠用戶的極大努力來操作。
[0009]本發(fā)明的一個目的是，克服這些缺點。具體地，本發(fā)明的一目的是，提供一種容易操作的、用于配備有射束自校平功能的激光束投射裝置的激光束水平精度測試裝置。
[0010]一特定目的是，提供這樣一種激光束水平精度測試裝置，即，其還使得能夠量化測量激光發(fā)射的平面精度或水平精度，而且該測試裝置可以更優(yōu)選用于檢查激光束投射裝置的任何可能要求的重新調(diào)節(jié)。
[0011]這些目的通過實現(xiàn)獨立權(quán)利要求書的特征化特征來實現(xiàn)。按另選或有利方式開發(fā)本發(fā)明的特征可以根據(jù)從屬的專利權(quán)利要求來收集。
[0012]本發(fā)明提供了用于激光束投射裝置的激光束水平精度測試裝置，該激光束投射裝置用于建筑和/或內(nèi)部裝修工作，其中，該激光束投射裝置配備有射束自校平功能。該激光束投射裝置具體被設(shè)計為旋轉(zhuǎn)激光器或者線或點激光器。該激光束水平精度測試裝置包括望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡具有衰減過濾器、具有放大效果的物鏡，以及用于從投射在物鏡中的激光束拍攝圖像的平面圖像傳感器。該激光束水平精度測試裝置的組件部分另外包括固有傾斜補償器和估算單元，該估算單元被設(shè)計用于基于圖像處理來自動確定在該圖像中拍攝的激光束的圖像位置。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，所述平面圖像傳感器例如被設(shè)置為CMOS或CXD芯片，并且優(yōu)選地不僅在可見光譜范圍下而且在紅外光譜范圍下具有感光性，由此，使得與諸如全站儀的紅外光發(fā)射裝置一起使用的所述裝置能夠設(shè)置在所述物鏡的像平面中，并且所述估算單元另外被設(shè)計用于執(zhí)行:基于與根據(jù)所述望遠(yuǎn)鏡中的所述圖像傳感器的位置的校準(zhǔn)參數(shù)有關(guān)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，通過將確定的所述圖像位置轉(zhuǎn)換成激光束傾斜值，來量化所述激光束水平精度。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明，所述圖像傳感器被設(shè)置在所述望遠(yuǎn)鏡物鏡的像平面中。結(jié)果，假定水平對準(zhǔn)激光束水平精度測試裝置本身，即使任何水平抵達激光束平行于物鏡的光軸但以垂直于其的偏差抵達，其也被映射到光軸上的圖像傳感器上，假設(shè)在光圈內(nèi)并且通過望遠(yuǎn)鏡的物鏡檢測。因此，具有其物鏡的望遠(yuǎn)鏡按無光圈方式設(shè)計，以使該物鏡的截面積的全部或至少一較大區(qū)域可用作光圈。
[0015]由此，只不過仍然必需的是，對準(zhǔn)激光束與物鏡的光圈，但不再必需沖制通過螺旋預(yù)先接合的光圈的更大或更小開口，其顯著縮減了用于定位要測試的激光束投射裝置的所需努力。
[0016]該激光束直接經(jīng)由物鏡映射到像平面中的圖像傳感器上，而不需要任何介于中間的像平面和目鏡。這克服了與必需用于令人滿意的測量準(zhǔn)確度的目鏡的準(zhǔn)確定位相關(guān)聯(lián)的所有問題，而且同樣克服了對于振動的干擾敏感性。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的具體特征使得能夠基于與根據(jù)所述望遠(yuǎn)鏡中的所述圖像傳感器的位置的校準(zhǔn)參數(shù)有關(guān)的轉(zhuǎn)換規(guī)則，通過將確定的所述圖像位置轉(zhuǎn)換成激光束傾斜值，來量化所述激光束水平精度。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述估算單元的最后提出的附加特征有利地使其可以量化激光束相對于水平精度的偏差的范圍，而且甚至具體基于所確定的偏差數(shù)據(jù)的量化類型，從其獲取用于診斷和標(biāo)識這種偏差的原因的指示，并且在合適時，使得能夠測試通過用戶本身(他/她)重新調(diào)節(jié)該激光器。
[0019]按照根據(jù)本發(fā)明的激光束水平精度測試裝置的一個實施方式，所述衰減過濾器按提供多種不同衰減度的這種方式設(shè)計，根據(jù)其，能夠由用戶選擇并設(shè)置相應(yīng)的衰減度，或者通過估算從入射在所述物鏡中的所述激光束拍攝的測試圖像而自動選擇并設(shè)置衰減度。優(yōu)選的是，所述衰減過濾器按可在寬衰減度范圍下連續(xù)可變地選擇并設(shè)置相應(yīng)衰減度的這種方式設(shè)計，在這種情況下，如果所述衰減過濾器具有至少一個旋轉(zhuǎn)設(shè)置線性偏光器，具體為彼此相對旋轉(zhuǎn)設(shè)置的兩個或更多個線性偏光器，則其特別有利。對于要檢測線性偏光激光輻射的情況來說，正好單一線性偏光器足夠設(shè)置最寬的可能衰減范圍，0% (平行偏振)與100% (交叉偏振)之間。而且，對于所述衰減過濾器來說，優(yōu)選的是，在作為光圈的整個物鏡截面積上大致均勻地延伸。
[0020]有利的是，望遠(yuǎn)鏡按無光圈方式設(shè)計，并且所述圖像傳感器和所述物鏡按這樣的方式在所述望遠(yuǎn)鏡中以協(xié)作方式設(shè)置，即，可在作為光圈的所述物鏡截面積的至少一個寬部分上，具體為大致所述整個物鏡截面積上，通過所述圖像傳感器檢測入射激光束。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的激光束水平精度測試裝