專利名稱：位置確定裝置和與該裝置一起使用的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種位置確定裝置，它往復(fù)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)發(fā)射激光束的激光源，以產(chǎn)生一與水平參考平面成某一傾角的斜面，以及與該裝置一起使用的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置用于產(chǎn)生一參考點(diǎn)，一條參考線以及一測量參考平面。
背景技術(shù)：
為了產(chǎn)生覆蓋較寬范圍的水平參考水準(zhǔn)面(a horizontal referencelevel)，已經(jīng)越來越多地用旋轉(zhuǎn)的激光裝置來取代光學(xué)水準(zhǔn)裝置。
近年來，使用旋轉(zhuǎn)的激光裝置來確定與某些方向相關(guān)的高度，特別是在參考高度的基礎(chǔ)上產(chǎn)生直線、平面等。該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射水平激光束，同時(shí)使該激光束進(jìn)行圓或往復(fù)掃描，然后中斷，以便產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)參考平面，一局部參考線，一參考平面，一參考線，一參考點(diǎn)等。
該旋轉(zhuǎn)的激光裝置適用于產(chǎn)生參考水平線，在該參考水平線的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一留作在建建筑物的窗框的區(qū)域，并且用于構(gòu)造一個(gè)小丘(mount)并產(chǎn)生一參考水平面，在此基礎(chǔ)上分割該丘，產(chǎn)生暴露的土壤表面。在另一種應(yīng)用中，利用旋轉(zhuǎn)的激光裝置預(yù)先確定建筑諸如樓梯的傾斜結(jié)構(gòu)的參考點(diǎn)，在另外的應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)的激光裝置能產(chǎn)生沿一個(gè)方向或者甚至沿兩個(gè)方向傾斜的參考平面。
日本專利公開No.H06-26861中公開了能產(chǎn)生傾斜參考平面的現(xiàn)有技術(shù)旋轉(zhuǎn)的激光裝置的一個(gè)例子。下面將概括描述該現(xiàn)有技術(shù)旋轉(zhuǎn)的激光裝置的結(jié)構(gòu)和特征。
參見圖44，一旋轉(zhuǎn)的激光裝置951具有一外殼901和一激光投影器903。該外殼901在其上部中心部位提供一平截頭錐形凹進(jìn)部分902。激光投影器903通過該凹進(jìn)部分902的中心垂直延伸。被凹進(jìn)部分902支撐的激光投影器903可以在其中間形成的球形支架904上圍繞它傾斜。具有五棱鏡909的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)905安裝在激光投影器903的上部。通過由掃描馬達(dá)906提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)齒輪907和掃描齒輪908旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)905。
圍繞激光投影器903設(shè)置有兩對傾斜機(jī)構(gòu)(僅表示出其中一個(gè))。任一個(gè)傾斜機(jī)構(gòu)910包括一馬達(dá)911，一螺桿912和一螺套913，所有這些元件協(xié)同作用產(chǎn)生傾斜。該馬達(dá)911能夠通過驅(qū)動(dòng)齒輪914和傾斜齒輪915來轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿912。激光投影器903與螺套913通過插入其間的臂916相連。螺桿912的轉(zhuǎn)動(dòng)使螺套913上下運(yùn)動(dòng)，使激光投影器903傾斜。
兩個(gè)固定探測器918和919設(shè)置在激光投影器903中間與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)905的旋轉(zhuǎn)軸正交的同一平面內(nèi)。其中一個(gè)固定探測器，探測器918，平行于傾斜臂916設(shè)置，而另一個(gè)，即探測器919垂直于傾斜臂916取向。一具有一樞軸銷921的凸緣920被固定在激光投影器903的下端。樞軸銷921的上端在其一點(diǎn)上樞軸支撐一L-形傾斜板922，L-形傾斜板922中包含角度確定探測器929和角度確定探測器930。該角度確定探測器929被設(shè)置成與固定探測器918同一方向，該角度確定探測器930被設(shè)置成與固定探測器919同一方向。傾斜板922與兩個(gè)傾斜機(jī)構(gòu)相連(僅表示出一個(gè))。
每組傾斜機(jī)構(gòu)925包括一馬達(dá)926，一通過馬達(dá)926旋轉(zhuǎn)的螺桿927，和一鎖緊螺帽928，傾斜螺桿927通過鎖緊螺帽而擰緊，所有這些元件協(xié)同作用使基準(zhǔn)點(diǎn)傾斜。傾斜板922的一端固定在鎖緊螺帽928上。致動(dòng)馬達(dá)926來旋轉(zhuǎn)螺桿927并垂直移動(dòng)鎖緊螺帽928，從而，可以傾斜該傾斜板922。
激光投影器903中設(shè)置有一激光照射器(未示出)和一包括諸如將來自激光照射器的入射光線折射成平行光線的準(zhǔn)直透鏡的光學(xué)元件的投影器光學(xué)系統(tǒng)(未示出)。由該投影器光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的激光束被五棱鏡909沿水平方向偏轉(zhuǎn)，并投射出投影器窗口931。
現(xiàn)在將描述該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的功能特征。通過傾斜機(jī)構(gòu)925實(shí)現(xiàn)傾角的確定。首先，致動(dòng)傾斜機(jī)構(gòu)910來調(diào)節(jié)固定探測器918和919的姿態(tài)，使兩個(gè)探測器均表現(xiàn)為水平。然后致動(dòng)馬達(dá)926，以旋轉(zhuǎn)螺桿927并升高鎖緊螺帽928，從而，傾斜板920沿與所需預(yù)定角度θ相反的角方向相對凸緣920傾斜角度θ。通過諸如與馬達(dá)926相連的編碼器(未示出)來探測該傾角θ。
然后，致動(dòng)傾斜機(jī)構(gòu)910以傾斜激光投影器903，使所探測出傾斜板922是水平的。在此狀態(tài)下，來自激光投影器903的光的發(fā)射方向以相對水平面的預(yù)定角度θ傾斜。在確定了激光發(fā)射方向的傾角之后，在五棱鏡909處沿垂直于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)905的旋轉(zhuǎn)軸的方向偏轉(zhuǎn)的激光束通過激光投影器903被投射出去，同時(shí)旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)905，或者旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)905在等于該預(yù)定角度的范圍內(nèi)往復(fù)掃描，從而產(chǎn)生一傾斜的參考平面。
日本專利公開No.H11-94544公開了一種建筑后(post-construction)高度顯示裝置和一種建筑后高度確定裝置，這兩者均包括一在照射激光束的同時(shí)旋轉(zhuǎn)激光束的激光裝置以及一完成高度顯示器。建筑后高度確定裝置能通過使用建筑后高度顯示器接收激光裝置發(fā)射出的激光束，以便探測從該激光裝置到顯示裝置的距離，以及顯示裝置與參考水平面之間的偏離，來確定所需的建筑后高度，激光束靠近該參考平面射出。
此外，日本專利公開No.H11-118487公開了一種具有一傾角探測器的參考照射光束探測機(jī)構(gòu)，與激光裝置結(jié)合使用。
另外，日本專利公開No.H7-208990公開了一種三維坐標(biāo)確定裝置，包括一旋轉(zhuǎn)并照射多個(gè)平面光束的照射裝置以及多個(gè)反射裝置。該3D坐標(biāo)確定裝置使用多個(gè)反射裝置以對照射裝置發(fā)射的光進(jìn)行反射，并使用照射裝置接收所反射的光束，以確定相對該反射裝置的三維坐標(biāo)。
如上所述現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)的激光裝置必須具有兩對傾斜機(jī)構(gòu)，以這樣一種方式支撐激光投影器903，能通過兩種方法使激光投影器完全自由地傾斜，從而產(chǎn)生傾斜的參考平面。這種現(xiàn)有技術(shù)例子的缺點(diǎn)在于，需要兩個(gè)固定探測器918和919，以及兩個(gè)傾斜探測器929和930，并且它需要一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，即需要一個(gè)控制電路來控制兩對傾斜機(jī)構(gòu)的致動(dòng)，使制造成本增大。而且，現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)的激光裝置僅產(chǎn)生一個(gè)參考平面，而永遠(yuǎn)不能同時(shí)產(chǎn)生水平和傾斜參考平面，這妨礙確定水平與傾斜參考平面之間的相對關(guān)系，或者妨礙確定傾角彼此不同的兩個(gè)傾斜參考平面之間的相對關(guān)系。
應(yīng)該通過精確調(diào)節(jié)反射裝置的角位置，使反射裝置反射的光束確定無疑地返回照射裝置，來進(jìn)一步改進(jìn)日本專利公開No.H7-208990所公開的三維坐標(biāo)確定裝置的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例。另外，必須移動(dòng)反射裝置，產(chǎn)生預(yù)定參考平面，并且還必須在照射裝置處監(jiān)測確定值，導(dǎo)致需要不止一個(gè)操作員來操作該裝置，這是不利的。
發(fā)明概述為了克服上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了旋轉(zhuǎn)的激光裝置的一種改進(jìn)，允許同時(shí)確定一傾斜面和一處于任何高度的水平參考平面，無需傾斜激光投影器，并且無需精確設(shè)置光接收部分。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單的位置確定裝置，能同時(shí)產(chǎn)生一水平參考平面和一個(gè)傾斜平面。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種操作簡化的位置確定系統(tǒng)，使單個(gè)操作員足以能工作。
本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)的激光裝置，它能發(fā)射在非水平面的平面內(nèi)發(fā)散的扇形激光束。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，一種位置確定裝置包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置，它發(fā)射兩或更多個(gè)扇形激光束，同時(shí)圍繞一給定軸旋轉(zhuǎn)該激光束；和一光探測器，其具有一或多個(gè)用于接收該扇形激光束的光接收部分，其中該兩或更多個(gè)扇形激光束在并非水平面的平面中發(fā)散。至少扇形激光束之一的傾角與其余激光束不同，并且該光探測器根據(jù)光接收部分所接收的扇形激光束的狀態(tài)確定它自身與該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置。最好，至少兩個(gè)扇形激光束在該水平面中彼此相交。最好，該光探測器根據(jù)光接收部分處兩個(gè)扇形激光束的探測之間的時(shí)間延遲來確定它自身與該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置，并且最好該光探測器包括兩或多個(gè)接收該扇形激光束的光接收部分。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，該位置確定裝置具有一發(fā)射兩個(gè)偏振彼此不同的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。最好，兩個(gè)扇形激光束被調(diào)制成彼此不同頻率，并且最好兩個(gè)扇形激光束為波長彼此不同。使用如此構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，能區(qū)別兩個(gè)扇形激光束，并且即使激光束的探測之間的時(shí)間延遲較短，也能獲得精確測量。
按照本發(fā)明的又一個(gè)方面，該位置確定裝置中的旋轉(zhuǎn)的激光裝置包括一用于探測該扇形激光束發(fā)射方向的探測器裝置，和一用于將該探測器裝置探測的角度數(shù)據(jù)傳送給該光探測器的發(fā)射器，另外，該光探測器可以包括一接收該角度數(shù)據(jù)的信號的接收器單元。
而且，在根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中，該光探測器可以具有一位置探測器，探測該旋轉(zhuǎn)的激光裝置與該光探測器的相對位置。最好，該位置探測器為GPS。使用如此構(gòu)成的位置確定裝置，可以確定在該水平面中光探測器與旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置。
此外，每個(gè)扇形激光束的強(qiáng)度可以從一個(gè)部分到另一部分改變。最好，該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射三或更多個(gè)與該水平面彼此等間距相交的扇形激光束。使用如此構(gòu)成的位置確定裝置，可以使旋轉(zhuǎn)的激光裝置的旋轉(zhuǎn)誤差導(dǎo)致的對測量的影響最小。
最好，該三或更多個(gè)扇形激光束在它們被光探測的范圍內(nèi)彼此不相交。按照這種方式，以彼此間一定的時(shí)間延遲探測該扇形激光束，從而，能避免扇形激光束之間的干擾。因此，可以在不使激光束不同偏振，或者不將它們調(diào)制成彼此不同頻率的條件下實(shí)現(xiàn)精確測量。
附圖的簡要說明

圖1為示意性透視圖，表示根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置；圖2為三重分解圖，表示旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射的扇形光束的發(fā)散度；圖3為剖面圖，表示旋轉(zhuǎn)的激光裝置；圖4描繪旋轉(zhuǎn)的激光裝置的另一個(gè)實(shí)施例；圖5描繪旋轉(zhuǎn)的激光裝置的又一個(gè)實(shí)施例；圖6表示在旋轉(zhuǎn)的激光裝置中使激光束透過并擴(kuò)展成發(fā)散的扇形光束的衍射光柵；圖7為示意性透視圖，表示根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置，其中發(fā)射兩個(gè)不同偏振的扇形光束；圖8為剖面圖，表示發(fā)射不同偏振的扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置；圖9為激光投影器、激光照射器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分解圖；圖10為表示根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的一實(shí)施例圖，具有利用不同波長激光的角度信號投影器；圖11表示發(fā)射兩個(gè)扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的另一實(shí)施例；圖12A，12B表示發(fā)射兩個(gè)扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的又一實(shí)施例；圖13A到13C表示在旋轉(zhuǎn)的激光裝置中產(chǎn)生兩個(gè)扇形光束的柱面透鏡的一個(gè)實(shí)施例；圖14為正視圖，表示根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中所包含的光探測器；圖15為根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中所包含的光探測器的剖面模擬圖；圖16A，16B為根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中光探測器所探測的信號的曲線；圖17為透視圖，說明發(fā)射兩個(gè)在水平面內(nèi)彼此相交的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置；圖18為表示在根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中，兩個(gè)光接收部分與兩個(gè)扇形光束的位置關(guān)系圖；
圖19為處于圖18的位置關(guān)系時(shí)探測到的信號的曲線圖；圖20說明在根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中，在傾斜光探測器時(shí)兩個(gè)光接收部分與兩個(gè)扇形光束的位置關(guān)系；圖21說明在根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中，在光接收部分保持水平時(shí)兩個(gè)光接收部分與兩個(gè)扇形光束的位置關(guān)系；圖22為處于圖21中的位置關(guān)系條件時(shí)探測到的信號的曲線；圖23A到23C為在旋轉(zhuǎn)的激光裝置中，以較短的延遲分別依次接收兩個(gè)扇形激光束時(shí)，在光接收部分上探測的信號的曲線；圖24A，24B表示在根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中接收兩個(gè)不同偏振的扇形激光束的光探測器的結(jié)構(gòu)；圖25表示載有角位置數(shù)據(jù)的被傳輸信號的一個(gè)例子；圖26A到26F說明在該位置確定裝置中采用的全向光探測器的一個(gè)實(shí)施例；圖27為方塊圖，表示根據(jù)本發(fā)明測量位置的逐步過程；圖28為方塊圖，表示根據(jù)本發(fā)明測量位置的另一逐步過程；圖29為透視示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置的第二最佳實(shí)施例；圖30為剖面圖，表示本發(fā)明第二最佳實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)的激光裝置；圖31為本發(fā)明第二最佳實(shí)施例中發(fā)射兩個(gè)不同波長激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的分解圖；圖32A，32B表示當(dāng)該旋轉(zhuǎn)的激光裝置用在本發(fā)明第二最佳實(shí)施例中時(shí)，光接收裝置中光接收部分的結(jié)構(gòu)；圖33為透視示意圖，表示根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置的第三最佳實(shí)施例；圖34為本發(fā)明第三最佳實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)的激光裝置的剖面圖；圖35為本發(fā)明第三最佳實(shí)施例中發(fā)射兩個(gè)被調(diào)制成不同頻率的激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的分解圖；圖36A，36B描繪當(dāng)本發(fā)明第三最佳實(shí)施例中使用該旋轉(zhuǎn)的激光裝置時(shí)，光接收裝置中光接收部分的結(jié)構(gòu)；圖37描繪兩個(gè)被調(diào)制成不同頻率的激光束的例子；圖38描繪光接收部分上探測的被調(diào)制成不同調(diào)制頻率的兩個(gè)扇形激光束的例子；圖39描繪被調(diào)制成交替發(fā)生的兩個(gè)激光束的例子；圖40描繪光接收部分上接收被調(diào)制成交替照射的兩個(gè)激光束時(shí)所產(chǎn)生的信號的例子；圖41描繪被調(diào)制成交替發(fā)生，并且被調(diào)制成不同頻率的兩個(gè)激光束的例子；圖42A到42J舉例說明扇形激光束的發(fā)射圖案；圖43為分解透視圖，表示結(jié)合在一起的可旋轉(zhuǎn)發(fā)射三個(gè)扇形激光束的激光投影器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；圖44為旋轉(zhuǎn)發(fā)射三個(gè)扇形激光束的激光投影器與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)另一實(shí)施例的分解透視圖；圖45為旋轉(zhuǎn)發(fā)射三個(gè)扇形激光束的激光投影器與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)又一實(shí)施例的分解透視圖；圖46為側(cè)視圖，表示五棱鏡中的光路；以及圖47為示意圖，表示現(xiàn)有技術(shù)的位置確定裝置。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置。
(1)實(shí)施例1(1.1)位置確定裝置的整體結(jié)構(gòu)首先將描述本發(fā)明的位置確定裝置的結(jié)構(gòu)外形。如圖1所示，本發(fā)明的位置確定裝置100具有一旋轉(zhuǎn)的激光裝置151和一光探測器154。該旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射兩個(gè)扇形光束152和153，即，激光束發(fā)散成扇狀平面，同時(shí)圍繞點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)該光束。如圖2所示，與水平面成角度α發(fā)射扇形光束152，與水平面成角度β發(fā)射扇形光束153。扇形光束152與水平面的交線和扇形光束153與水平面的交線相交成δ角。分別旋轉(zhuǎn)保持這種相互關(guān)系的兩個(gè)扇形光束152和153，然后以某一時(shí)間延遲分別掃過光探測器154。本發(fā)明的位置確定裝置被設(shè)計(jì)成，利用該延遲來確定從該水平面到光探測器154的仰角(an elevationangle)。
(1.2)旋轉(zhuǎn)的激光裝置(1.2.1)發(fā)射兩個(gè)扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置現(xiàn)在將討論發(fā)射兩個(gè)與水平面傾斜成一定角度的扇形激光束，同時(shí)圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)該激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。
如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)的激光裝置151包括一外殼101和一激光投影器103。在外殼101頂部的中心形成一限定為截錐形的凹狀面102。激光投影器103通過凹狀面102的中心垂直延伸。激光投影器103具有一安置并懸掛在凹狀面102上的球形支架104，使投影器103能自己傾斜。該激光投影器103包括一能夠旋轉(zhuǎn)并安裝一五棱鏡109的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。通過由馬達(dá)106致動(dòng)的驅(qū)動(dòng)齒輪107和掃描齒輪108旋轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。
旋轉(zhuǎn)的激光裝置151具有圍繞該激光投影器103設(shè)置的兩對傾斜機(jī)構(gòu)(僅表示出一對)。每個(gè)傾斜機(jī)構(gòu)110包括一馬達(dá)111，一螺桿112和一螺套113，所有這些元件協(xié)同作用以實(shí)現(xiàn)傾斜。通過均由馬達(dá)111提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)齒輪114和傾斜齒輪115來轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿112。螺桿112的轉(zhuǎn)動(dòng)使得螺套113能上下運(yùn)動(dòng)。螺套113與激光投影器103通過插入其間的傾斜臂116相連。螺套113的垂直運(yùn)動(dòng)又使激光投影器103傾斜。圖中未示出的另一對傾斜機(jī)構(gòu)使用與上述傾斜機(jī)構(gòu)110相同的方法，并使投影器103沿與上述傾斜機(jī)構(gòu)110的傾斜方向垂直的方向傾斜。
平行于傾斜臂116的固定探測器118和垂直于傾斜臂116的固定探測器119，處于激光投影器103的中間。其中一個(gè)傾斜機(jī)構(gòu)110控制臂116的傾斜，使固定探測器118總處于水平方向。同樣，與此同時(shí)另一個(gè)傾斜機(jī)構(gòu)110能控制固定探測器119，使其總處于水平方向。
現(xiàn)在將描述激光投影器103和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。如圖4所示，激光投影器103中固定有一激光照射器132和一投影器光學(xué)系統(tǒng)，該投影器光學(xué)系統(tǒng)包括諸如將來自激光照射器132的入射光線折射成平行光線的準(zhǔn)直透鏡133的光學(xué)元件。通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105中的衍射光柵(BOE)134，將投影器的光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的激光束分束成兩個(gè)發(fā)散或扇形光束152和153。該扇形光束152和153分別被五棱鏡109沿水平方向偏轉(zhuǎn)，然后射出投影器窗口131。
如圖5所示，衍射光柵(BOE)134a可以處于激光束被五棱鏡109偏轉(zhuǎn)之后透射出去的位置上。除了衍射光柵134a的位置以外，圖5所示的結(jié)構(gòu)與圖4相同。
如從圖6可以看出，激光束在透過衍射光柵(BOE)134之后被分束成兩個(gè)扇形光束152和153。
如已經(jīng)描述的，激光投影器103發(fā)射最初由激光照射器132發(fā)射，然后被衍射光柵(BOE)134分束成兩個(gè)扇形光束152和153的激光束。該激光束分別被五棱鏡109沿水平方向偏轉(zhuǎn)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105，從而產(chǎn)生一參考平面。
(1.2.2)發(fā)射偏振彼此不同的兩個(gè)發(fā)散激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。
下面將描述發(fā)射兩個(gè)不同偏振的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置。
如后面所述，為了實(shí)現(xiàn)高精度測量，使用發(fā)射兩個(gè)不同偏振的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置是有利的。如從圖7中可以看出，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a發(fā)射兩個(gè)發(fā)散或扇形激光束152a和153a。由于兩個(gè)光束152a和153a被彼此不同地偏振，故光探測器154a的光接收部分能區(qū)別兩個(gè)扇形光束152a和153a。
如圖8所示，除了設(shè)置在旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a中的激光束投影器103和與之相連的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a以外，使激光投影器傾斜的裝置與圖4中的幾乎相同。因此，在下面的討論中，僅說明激光投影器103a和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a。
如從圖9中可以看出，發(fā)射不同偏振的扇形激光束152a和153a的旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a，包括激光投影器103a和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a。用箭頭和實(shí)線表示透過光學(xué)裝置的激光束的軌跡，而用箭頭和虛線表示激光束的偏振方向。
當(dāng)激光投影器103a中包含的激光照射器132a為激光二極管時(shí)，所產(chǎn)生的激光束呈線偏振。在下文中，假設(shè)該激光束沿X-方向偏轉(zhuǎn)，該激光束沿Z-方向發(fā)射，并且與X-Z平面垂直的方向?yàn)閅-方向。由激光照射器132a發(fā)射的激光束被準(zhǔn)直透鏡133a準(zhǔn)直，入射在四分之一(1/4)波片140上。該四分之一波片140的取向?yàn)?，使來自激光照射?32a的激光束在沿X-方向被線偏振之后，變成圓偏振光。在通過該四分之一波片140以后，該激光束又通過另一個(gè)四分之一波片139，然后，沿與X-方向的軸成45°角的方向被線偏振，如圖9所示。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a被旋轉(zhuǎn)支撐，故可改變四分之一波片140與四分之一波片139的相對位置。不過，激光束在通過四分之一波片140之后呈現(xiàn)圓偏振，從而，在穿過四分之一波片139之后，線偏振光的偏轉(zhuǎn)方向不受波片相對位置改變的影響，而由四分之一波片139決定。該激光束通過偏振分束器141。該偏振分束器141反射Y-方向的偏振分量，同時(shí)透過X-方向的偏振分量。因此，被四分之一波片139沿與X-方向的軸成45°角方向線偏振的激光束的Y-方向分量被偏振分束器141反射，并偏轉(zhuǎn)90°。該激光束的X-方向分量則通過偏振分束器141。
被偏振分束器141反射的激光束入射在另一四分之一波片138上，轉(zhuǎn)變成圓偏振光，然后被柱面反射鏡136反射。該柱面反射鏡136被取向?yàn)?，使激光束從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a射出時(shí)與水平面成α角前進(jìn)。由于被柱面反射鏡136反射的激光束再次透過四分之一波片138，從而被沿Z-方向線偏振，然后該激光束可透過偏振分束器141，爾后從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a出射。
另一方面，透過偏振分束器141的激光束入射在四分之一波片137上轉(zhuǎn)變成圓偏振光，然后被柱面反射鏡135反射。該柱面反射鏡135被取向?yàn)?，使得激光束從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a射出時(shí)與水平面成β角。由于被柱面反射鏡135反射的激光束再次通過四分之一波片137，故被沿Y-方向線偏振，從而該激光束被前一階段透過它的偏振分束器141反射，并從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a出射。
除了柱面反射鏡135和136以外，可以用任何具有相同效果的衍射光柵來取代它們。當(dāng)用衍射光柵來替代時(shí)，可以按照需要改變扇形光束的強(qiáng)度分布。水平面附近的扇形光束的光，即使在傳播相當(dāng)遠(yuǎn)以后，也必然有被光探測器154a接收的足夠高的光能。偏離水平面非常遠(yuǎn)的光，當(dāng)傳播較遠(yuǎn)時(shí)，與地面相接觸，或者擴(kuò)展到一不再能被光探測器154a接收的高度。因此，發(fā)散太遠(yuǎn)的光不必具有高發(fā)光能量，因?yàn)樗幱诠馓綔y器154a的靈敏度覆蓋的近似范圍之外。
該光學(xué)系統(tǒng)的特征如下。由于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a相對激光投影器103a旋轉(zhuǎn)，故不可避免的會在它們之間發(fā)生失配。當(dāng)激光束在一次反射之后被偏轉(zhuǎn)時(shí)，這種失配引起該激光偏轉(zhuǎn)方向的誤差。在本實(shí)施例中，任一個(gè)扇形激光束，在從激光投影器103a發(fā)射之后，被旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a中的偏振分束器141和柱面反射鏡135或136兩次反射。因此，出射激光束的偏轉(zhuǎn)角僅取決于透過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a的偏轉(zhuǎn)角度，而與失配引起的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a的不對準(zhǔn)無關(guān)。因此，沒有引起旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的失配導(dǎo)致的出射光束偏轉(zhuǎn)方向的誤差。這就獲得與將典型的五棱鏡用于該光學(xué)系統(tǒng)的情形同樣的效果。
(1.2.3)用于確定光探測器相對旋轉(zhuǎn)的激光裝置的角位置的裝置現(xiàn)在，將在下面描述角位置確定裝置，其用于確定光探測器154a相對旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a的角度位置，或者確定在旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a射出激光的圓軌跡中光探測器154a處于哪個(gè)角位置。此處所述的角位置確定裝置還以同樣的方式與上述旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a相結(jié)合。
旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a包括，如圖8所示，一發(fā)射方向探測機(jī)構(gòu)，或即，一探測所發(fā)射激光束的角度的編碼器117，和一將所探測的發(fā)射角傳送給光探測器154a的角度信號發(fā)射器123。編碼器117探測從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105a發(fā)射的光束的角度。通過角度信號發(fā)射器123將所探測的發(fā)射角數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送給光接收和探測機(jī)構(gòu)154a。
對于激光投影器103(參見圖5)，結(jié)合圖3中所示的旋轉(zhuǎn)的激光裝置151，圖10中所示的實(shí)施例能確定光探測器的角位置。在該實(shí)施例中，利用發(fā)射載有角度數(shù)據(jù)的光的光束投射器172調(diào)制發(fā)光二極管(LED)或激光二極管，并且根據(jù)發(fā)散光束152和153改變波長(顏色)，以將提供角度數(shù)據(jù)的光投射到光探測器154上。
參見圖10，由激光投射器172發(fā)射的激光束在二向色棱鏡(dieclock prism)171處反射，然后被折射成發(fā)散光束。發(fā)散度取決于準(zhǔn)直透鏡133與激光投射器172的相對關(guān)系。透過準(zhǔn)直透鏡133的光束，在透過五棱鏡109之后于反射鏡148上反射，沿與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸垂直的方向投射出旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105。光探測器上接收所投射的光束，確定出角位置。
由激光束投射器132發(fā)射的光束透過二向色棱鏡171，且被準(zhǔn)直透鏡133折射成準(zhǔn)直光束。該準(zhǔn)直光束被二向色反射鏡149反射，并被五棱鏡109偏轉(zhuǎn)。所偏轉(zhuǎn)的光通過衍射光柵134，且被分束成兩個(gè)扇形光束152和153。
圖11到13表示產(chǎn)生兩個(gè)發(fā)散或扇形光束的其它方法。
圖11表示旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的另一個(gè)實(shí)施例。如從圖11可以看出，入射在四分之一波片139上的圓偏振激光束透過偏振分束器141。透過偏振分束器141的光透過四分之一波片138。所透過激光束的一部分被柱面半反射鏡147反射，之后再次透過四分之一波片138。然后該透過四分之一波片138的激光束被分束器141反射，從而，發(fā)射出所產(chǎn)生的光束或扇形光束152。柱面半反射鏡147被取向?yàn)?，使扇形光?52以傾角α傳播。
透過半反射鏡147的光束透過偏振分束器141a，然后入射在四分之一波片137上。在透過四分之一波片137之后，該光束被射到柱面反射鏡135上。入射在柱面反射鏡135上的光束被反射鏡135反射，然后再次透過該四分之一波片。爾后，該光束被分束器141a反射，從而，發(fā)射出所產(chǎn)生的光束或扇形光束153。反射鏡135被取向?yàn)?，使扇形光?53以傾角β傳播。
圖12A，12B表示旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的又一實(shí)施例。如從圖12A，12B中可以看出，被導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)105的光束入射在五棱鏡109上。入射在五棱鏡109上的光束的一部分被五棱鏡109上側(cè)的半反射鏡146反射，然后被五棱鏡109偏轉(zhuǎn)。柱面透鏡145a將所偏轉(zhuǎn)的光束整形成發(fā)散光束，從而發(fā)射出扇形光束152。柱面透鏡145a被取向?yàn)?，使扇形光?52以傾角α傳播。
透過五棱鏡109中半反射鏡146的光束入射在五棱鏡109a上，并且被偏轉(zhuǎn)。柱面透鏡145b將五棱鏡109a中所偏轉(zhuǎn)的光束整形成發(fā)散光束，從而發(fā)射出扇形光束153。柱面透鏡145b被取向?yàn)椋股刃喂馐?53以傾角β傳播。
圖13A到13C表示產(chǎn)生兩個(gè)扇形光束152和153的再一實(shí)施例。如圖13A所示，一柱面棒形透鏡144被切成片，將片144a和144b再次組合在一起(參見圖13B)。當(dāng)光入射到該柱面透鏡上時(shí)，出射光被擴(kuò)展成兩個(gè)發(fā)散光束或扇形光束152和153(參見圖13C)。
(1.3)光探測器(1.3.1)發(fā)射兩個(gè)發(fā)散激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置用的光探測器現(xiàn)在將描述用來接收從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151分別發(fā)射的兩個(gè)發(fā)散或扇形光束152和153的光探測器154。如圖14和15所示，將用來探測扇形光束152和153的光接收部分155和156安裝到光探測器154的外殼164上。外殼164包括一顯示器157，一報(bào)警器161如蜂鳴器，輸入鍵162，一指針163和一水準(zhǔn)尺159。另外，該外殼164包含一存儲器165，一用來確定所接收光的狀態(tài)的算術(shù)運(yùn)算單元166，和一刻度讀出器167，以及一角度信號接收單元170。該顯示器157給出從水平參考平面到光探測器154的高度，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151與光探測器154之間的距離，以及光探測器154相對旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的角位置。
(1.3.1.1)利用光探測器測量角度的原理如上所述，旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射發(fā)散或扇形光束152和153，同時(shí)圍繞中心C旋轉(zhuǎn)。如圖3所示，與水平面成角度β發(fā)射出扇形光束152。扇形光束152與水平面的交線，和扇形光束153與水平面的交線成角度δ。在這樣一種條件下旋轉(zhuǎn)這兩個(gè)扇形光束152和153，從而這些發(fā)散光束以某一時(shí)間延遲相繼掃過光探測器154的光接收部分。
當(dāng)光探測器154中的光接收部分處于水平面中的位置A時(shí)，可以將光探測器154所探測的光表示如圖16A中所示。另外，當(dāng)光接收部分156處于從位置A垂直向上平移的位置B時(shí)，結(jié)果可以如圖16B所示探測扇形光束。如圖16A所示，現(xiàn)在假設(shè)當(dāng)光接收部分處于點(diǎn)A，并且旋轉(zhuǎn)的激光裝置151以周期T旋轉(zhuǎn)時(shí)，以延遲時(shí)間t0相繼探測扇形光束，則下式(1)給出兩個(gè)光束的探測之間的時(shí)間延遲t0=Tδ2π----(1)]]>當(dāng)光接收部分156處于任意高度的位置B時(shí)，從一個(gè)探測到另一個(gè)探測的時(shí)間延遲t正比于∠BCA＝γ，γ是通過光接收單元156的位置B和激光束發(fā)射點(diǎn)C的直線與水平面所成的角度，從而，當(dāng)γ取較大的值時(shí)，時(shí)間延遲t較大。因此，確定位置B處的時(shí)間延遲t，可以由下面的公式(2)和(3)表示由通過位置B和點(diǎn)C的直線與水平面限定的角度γγ=t-t0T(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(α)]]>γ=(t-t0)πtan(α)T]]>(其中，特殊條件下，π-β＝α)(3)可以由算術(shù)運(yùn)算單元166計(jì)算γ的值，其中從兩個(gè)扇形光束152與153依次掃過光接收部分時(shí)兩時(shí)間之間的延遲和旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)周期T通過算術(shù)運(yùn)算得到角度γ，并且由顯示器157顯示出計(jì)算結(jié)果。
下面將討論旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射兩個(gè)在水平面內(nèi)彼此相交的扇形光束的情形，或者圖3中的角度δ等于0°條件下的情形。在圖17中進(jìn)行說明。
當(dāng)光探測器的光接收部分處于水平面中的位置A時(shí)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)扇形光束152和153同時(shí)掃過光探測器154，表示成t0＝0。因此，∠BCA＝γ，γ是通過任意高度的位置B和點(diǎn)C或旋轉(zhuǎn)的激光裝置中心的直線與水平面所成的角度，可通過將t0＝0代入公式(2)和(3)中而得到，如下面的公式(4)和(5)所示γ=tT(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(4)]]>γ=tπtan(α)T]]>(其中，特殊條件下，π-β＝α)(5)如從公式(4)和(5)看出，α和β為常數(shù)，從而，角度γ被表示成旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)周期T和兩個(gè)扇形激光束的探測之間的時(shí)間延遲的函數(shù)。如果旋轉(zhuǎn)激光器151的旋轉(zhuǎn)有些不規(guī)律，這導(dǎo)致預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期T的誤差，或者如果在單次旋轉(zhuǎn)中發(fā)生某種不規(guī)律性，而不存在預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期T的誤差，則探測之間的時(shí)間延遲t也具有誤差，這導(dǎo)致計(jì)算出具有誤差的γ。在兩個(gè)扇形光束152和153在水平面中彼此相交的水平面的測量中，如圖17所示，對于給定的γ＝0，滿足t＝0，并且不規(guī)律旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的誤差將不影響測量。
在實(shí)際的建筑工地中，常常將水平面用作參考平面，圖17中與水平參考平面中測量有關(guān)的誤差被最小化的結(jié)構(gòu)，比圖1中扇形光束152和153在水平面中彼此不相交的結(jié)構(gòu)更好。
可以將上述通過光探測器154測量角度的原理應(yīng)用于被設(shè)計(jì)來接收不同偏振扇形光束152a和153a的光探測器154a中。
(1.3.1.2)利用光探測器中的兩個(gè)光接收部分測量角度的原理下面將討論通過光探測器154的兩個(gè)光接收部分測量角度的原理。用兩個(gè)光接收部分，可得到光探測器154與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度，以及它們之間的距離。如圖18所示，在光探測器154中垂直地順序設(shè)置光接收部分。
發(fā)射兩個(gè)發(fā)散或扇形光束152和153，使它們在水平面中彼此相交，并且光束152與水平面成角度α進(jìn)行圓掃描，光束153以與水平面成角度β進(jìn)行圓掃描。光接收部分155和156以垂直間隔D相互間隔。在上述條件下旋轉(zhuǎn)兩個(gè)扇形光束152和153，因此，光探測器154中的光接收部分155和156探測扇形光束152和153分別掃過光探測器154時(shí)時(shí)間之間的延遲，如圖19中所示。
根據(jù)用這種方法探測出的時(shí)間延遲t1，t2，t3和T，以及常數(shù)α，β和D，由下面的公式(6)給出光接收部分155距離水平參考平面的高度d1，而由下面的公式(7)得到光接收部分156的高度d2d1=D(t2-t1)(t3-t2+t1)----(6)]]>d2=D(t2-t1)(t3-t2+t1)+D----(7)]]>現(xiàn)在假設(shè)，γ2為通過光接收部分155和扇形激光束的發(fā)射點(diǎn)C的直線與水平面所成的角度，而γ1為通過光接收部分156和點(diǎn)C的直線與水平面所成的角度，從公式(4)得出γ2和γ1，如下面的公式(8)γ1=t2-t1T(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(8)]]>γ2=t3T(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(9)]]>另一方面，如下面的公式(10)和(11)所示，利用項(xiàng)γ2，γ1，d1和d2表示從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151到光探測器154的距離LL=d1tan(γ1)----(10)]]>L=d2tan(γ2)----(11)]]>將公式(6)到(9)代入公式(10)和(11)，得到下面的公式(12)和(13) 雖然公式(12)或者公式(13)均能給出從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151到光探測器154的距離，不過對于給定的t2-t1＝0，在公式(12)中存在除以零的運(yùn)算，對于給定的t3＝0，在公式(13)中存在另一個(gè)除以零的運(yùn)算，在任一種情況下，可以使用不包括這種運(yùn)算的公式。
然后，參見圖20，將模擬光探測器154僅傾斜ε角的情形。在這種情形中，利用時(shí)間延遲t1，t2和t3以及旋轉(zhuǎn)周期T來校正傾斜，由此，可以得到光探測器154與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度，以及它們之間的距離。
在α+ε＜90°的條件下，按照與圖19中所示相同的過程，在光探測器154的光接收部分155和156處探測扇形光束。根據(jù)給定的時(shí)間延遲t1，t2和t3，旋轉(zhuǎn)周期T，常數(shù)α和β，以及兩個(gè)光接收部分155和156之間的距離D，通過下面的公式(14)和(15)可以得到從水平參考平面到光接收部分155和156的垂直距離d1和d2d1=cos(ϵ)·D(t2-t1)(t3-t2+t1)----(14)]]>d2=cos(ϵ)·D(t2-t1)(t3-t2+t1)+D----(15)]]>通過下面的公式(16)得到光探測器154的傾角εϵ=tan-1((t3-t2)tan(π-β)-t1tan(α)(t3+t1-t2)tan(α)tan(π-β))----(16)]]>通過將公式(14)，(15)，(8)和(9)中給出的d1，d2，γ1和γ2代入公式(10)和(11)，得到距離L。
參照圖21和22，下面將討論光接收部分155和156被相繼水平設(shè)置，以探測扇形光束的情形。
發(fā)射兩個(gè)扇形光束152和153，使得它們在水平面內(nèi)彼此相交，并且光束152以與水平面成角度α進(jìn)行圓掃描，光束153以與水平面成角度β進(jìn)行圓掃描。光探測器154包括兩個(gè)以間隔D彼此水平間隔設(shè)置的光接收部分155和156，以探測扇形光束。
在上述條件下旋轉(zhuǎn)的扇形光束，當(dāng)它們掃過光探測器154中的光接收部分155和156時(shí)被探測，如圖22所示。根據(jù)用這種方法探測到的時(shí)間延遲t1，t2，t3和T，和常數(shù)α，β和D，可由下面的公式(17)給出從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)中心C到光探測器154的光接收部分155和156的水平距離L=DTπ(t3-t2-t1)----(17)]]>其中，t1＝t3-t2。
通過將公式(10)和(11)變形成下面的公式(18)和(19)，分別給出從水平參考平面到光接收部分155和156的距離d1和d2d1＝Ltan(γ1) (18)d2＝Ltan(γ2) (19)將公式(8)，(9)和(17)代入公式(18)和(19)，得出下面的公式(20)和(21)d1=DTπ(t3-t2-t1)tan(t2-t1T(12πtan(π-β)+12πtan(α)))----(20)]]>d2=DTπ(t3-t2-t1)tan(t3T(12πtan(π-β)+12πtan(α)))----(21)]]>對于給定的γ20和γ10，滿足tan(γ)γ，從而，下面的公式(22)和(23)正確d1=2D(t2-t1)tan(α)tan(π-β)(t3-t2-t1){tan(α)+tan(π-β)}----(22)]]>d2=2Dt3tan(α)tan(π-β)(t3-t2-t1){tan(α)+tan(π-β)}----(23)]]>在獲得d1，d2和ε的公式(14)，(15)，(16)，(22)和(23)中，沒有一個(gè)項(xiàng)的運(yùn)算元素包含旋轉(zhuǎn)周期T。這表明即使旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的旋轉(zhuǎn)是不規(guī)律的，并且預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期T包括誤差，測量結(jié)果也不受這種誤差的影響。從而，當(dāng)在兩個(gè)扇形光束152和153掃過光探測器154中的光接收部分155和156的短時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生可能影響時(shí)間延遲t1，t2和t3的旋轉(zhuǎn)不規(guī)律性時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無誤差測量。
可以將這種測量角度的原理應(yīng)用于光探測器154a接收的不同偏振的扇形光束152a和153a。
(1.3.1.3)測量光探測器位置的原理當(dāng)光探測器154具有單個(gè)光接收部分或者兩個(gè)彼此水平間隔設(shè)置的光接收部分，并且兩個(gè)扇形光束在水平參考平面中彼此相交時(shí)，時(shí)間延遲的探測不足以識別兩個(gè)垂直對準(zhǔn)且與水平參考平面等間距的位置。在這種情況下，為了獲悉光探測器154位于水平參考平面上面或下面哪一側(cè)，必須上下移動(dòng)光探測器154以檢查接收光的狀態(tài)。具體來說，如果向上移動(dòng)光探測器引起時(shí)間延遲增大，則光探測器154在水平參考平面之上，而如果向下移動(dòng)光探測器引起時(shí)間延遲減小，則光探測器154在水平參考平面之下。當(dāng)有兩個(gè)或多個(gè)分別在不同高度彼此間隔設(shè)置的光接收部分時(shí)，有可能不通過上述過程而判斷出該光探測器處于水平參考平面的上面還是下面。當(dāng)使用諸如偏振方向和頻率的特征來識別兩個(gè)扇形光束152和153時(shí)，取決于哪個(gè)扇形光束首先被探測，單個(gè)光接收部分或兩個(gè)水平間隔設(shè)置的光接收部分均能識別光探測器處于水平參考平面上面還是下面。
(1.3.1.4)發(fā)散光束的探測之間為短延遲時(shí)的測量原理如上所述，根據(jù)測量結(jié)果和對兩個(gè)扇形光束掃過光探測器154時(shí)的時(shí)間之間的延遲t的算術(shù)運(yùn)算，可計(jì)算出光探測器與旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的相對高度、其間的距離和光探測器的傾角。當(dāng)光接收部分用較長時(shí)間延遲接收兩個(gè)扇形光束152和153時(shí)，如圖23A所示，延遲t的測量結(jié)果更加精確。相反，當(dāng)兩個(gè)扇形光束152和153的探測之間的時(shí)間延遲很短時(shí)，并且另外，當(dāng)接收光所產(chǎn)生的信號彼此干擾時(shí)，不可能精確地確定延遲。從而，根據(jù)各自的偏振來區(qū)別兩個(gè)扇形光束所產(chǎn)生的信號，并且分別識別信號，如果時(shí)間延遲較短的話有可能獲得精確的時(shí)間延遲。
(1.3.2)發(fā)射兩個(gè)不同偏振的發(fā)散激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置用的光探測器現(xiàn)在將討論用于接收兩個(gè)不同偏振的發(fā)散或扇形激光束152a和153a的光探測器154a。將詳述根據(jù)其各自不同的偏振來識別激光束的裝置的結(jié)構(gòu)。其他元件，以及確定光探測器與旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對高度和確定它們之間的距離的原理，與上述光探測器154相同。
圖24A為光探測器154a的正視圖，而圖24B為沿圖24A中線A-A所取該光探測器的剖面圖。如圖24A，24B所示，光探測器154a的光接收部分155a包括光接收元件155b和155c，和一設(shè)置在它們前面的偏振分束器168，而光接收部分156a包括光接收元件156b和156c，以及一設(shè)置在它們前面的偏振分束器169。取決于入射光的偏振方向，偏振分束器168和169透過或反射激光束。光接收元件155b和156b用于所反射的光，而光接收元件155c和156c用于所透過的光，從而，可以確定該入射光的偏振方向。這樣，如果兩個(gè)扇形激光束152a和153a以較短的時(shí)間延遲相繼入射在光接收元件155a和156a上，則光接收元件155b和156b探測扇形光束152a，光接收元件155c和156c探測扇形光束153a，從而，可以精確地確定時(shí)間延遲。
另外，可以將一四分之一(1/4)波片(未示出)加到旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a光路軌跡的端部，以發(fā)射圓偏振激光束，同時(shí)可以將另一個(gè)四分之一波片(未示出)設(shè)置在光接收部分155和156中偏振分束器168和169前面，使得如果傾斜光探測器154，則分束器168和169能精確地分束兩個(gè)扇形光束。
(1.3.3)光探測器相對旋轉(zhuǎn)的激光裝置的角位置的測量光探測器154具有角度信號接收單元170(參見圖15)，其連續(xù)地接受設(shè)置在旋轉(zhuǎn)的激光裝置151中的角度信號發(fā)射器123(參見圖3)發(fā)送的有關(guān)發(fā)射角的數(shù)據(jù)。利用光探測器154接收到扇形光束152和153時(shí)非常場合接收的發(fā)射角度數(shù)據(jù)，確定光探測器154相對旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的角位置?？梢詫⑦@種通過角度信號接收單元170確定角位置的方法完全相同地應(yīng)用于接收兩個(gè)偏振彼此不同的扇形光束的光探測器154a(參見圖24A，24B)。
并且，為了確定光探測器154相對旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的角位置，可以設(shè)置另一位置探測器，由它給出表示旋轉(zhuǎn)的激光裝置151與光探測器154的相對位置的方向。例如，該位置探測器可以是GPS(全球定位系統(tǒng))接收器，且此GPS尋找在該水平面中光探測器154相對旋轉(zhuǎn)的激光裝置151的角位置。至于相對高度，根據(jù)本發(fā)明的上述方法應(yīng)該是有利的，因?yàn)镚PS所保證的精度相當(dāng)差?？梢砸酝耆嗤姆绞綄⑼ㄟ^位置探測器進(jìn)行的角位置測量應(yīng)用于發(fā)射兩個(gè)不同偏振扇形激光束的光探測器154a。
將描述圖10中所示的另一實(shí)施例，它發(fā)射代表一旋轉(zhuǎn)角度信號的激光。激光投射器172以激光出現(xiàn)的圖案發(fā)射激光，從而發(fā)射載有有關(guān)角位置數(shù)據(jù)的信號。例如，圖25中所示的信號為一系列參考信號S1和數(shù)字信號S2，后者根據(jù)角位置的數(shù)字編碼而閃爍。以同樣的間隔間歇發(fā)射參考信號S1，同時(shí)數(shù)字信號S2以代表數(shù)字編碼的圖案閃爍。數(shù)字編碼是編碼器117(參見圖3)探測并數(shù)字化編碼的角位置。
在本實(shí)施例中，光探測器154a具有一接收載有角度信息的光的光探測機(jī)構(gòu)。該光探測機(jī)構(gòu)包括一彩色濾波器，僅接收代表某個(gè)角度信息的激光束，從不受扇形激光束152a和153a的影響。接收代表角位置的信號的光探測器154a，使用數(shù)字信號獲得角位置。不過，僅給出角位置的粗略值，因?yàn)橐阅骋婚g隔間隙發(fā)送數(shù)字信號。從而，利用兩個(gè)扇形光束152a與153a和參考信號S1的探測時(shí)的時(shí)間延遲，對位置信息進(jìn)行內(nèi)插，以便確定更加精確的角度。
不必在激光投射器172發(fā)射激光束的同時(shí)探測扇形光束152a和153a。例如，旋轉(zhuǎn)的激光裝置和激光投射器172可以沿不同方向發(fā)射其各自的激光束，即扇形光束152a和153a以及載有角度信號的光束。在這種情形中，利用扇形光束152a和153a與參考信號S1的探測之間的時(shí)間延遲來計(jì)算角度。在這種情況下，扇形光束152a和153a與激光投射器172的激光束波長(顏色)可以相同，并且扇形激光束152a和153a與載有角度信息的激光可以共享光接收部分。
此外，用于發(fā)送角度信息的激光必須具有足夠大的覆蓋扇形光束152a和153a可以被探測的整個(gè)范圍的發(fā)散角，來確定位置。
(1.3.4)具有單個(gè)光接收部分的光探測器可以省略光探測器154或154a中任一個(gè)。在這種情形中，在用具有單個(gè)光接收部分的光探測器進(jìn)行一次測量之后，將光探測器移動(dòng)距離D，然后進(jìn)行第二次測量。將進(jìn)行兩次測量的兩個(gè)數(shù)據(jù)當(dāng)作光探測器中兩個(gè)光接收部分得到的探測結(jié)果，并在同樣測量原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行隨后的過程。從水準(zhǔn)尺159上的刻度160和外殼164上標(biāo)志的指針163顯然可以得出光探測器154已經(jīng)移動(dòng)的距離D。在距離D被外殼164中所包含的刻度讀出器167讀出之后，傳送給算術(shù)運(yùn)算單元166，確定所接收的光的狀態(tài)，然后與其他測量結(jié)果一起用于算術(shù)運(yùn)算。除了光探測器具有單個(gè)光接收部分以外，該光探測器的其余元件和特征均相同。
(1.3.5)具有三或更多個(gè)光接收部分的光探測器裝置或者，在光探測器154或154a中具有三或更多個(gè)光接收部分。除了光接收部分的數(shù)量以外，該實(shí)施例被構(gòu)造成與上述光探測器相同。在這種情況下，如果如結(jié)合圖23A到23C所說明的，在一個(gè)光接收部分中發(fā)生從兩個(gè)扇形光束得出的信號的干擾，那么在其余的兩或更多個(gè)光接收部分中不會同時(shí)發(fā)生信號干擾。因此，放棄在引起干擾的光接收部分處進(jìn)行的測量，如果不能根據(jù)其各自的偏振來識別兩個(gè)扇形光束，則改為使用其余光接收部分處的測量來實(shí)現(xiàn)精確的確定。
圖26A到26F表示全方向光探測器154b的一個(gè)實(shí)施例。如從圖26A可以看出，全方向光探測器154b包括一個(gè)桿180，三個(gè)光接收部分155d、155e和155f，以及一光探測控制器177。三個(gè)光接收部分155d、155e和155f彼此等距離的分別固定到桿180上，并且光探測控制器177固定到桿的下部。如圖26B到26D所示，每個(gè)光接收部分155d、155e和155f具有一環(huán)形菲涅耳透鏡176，一環(huán)形光纖板(an annularfiber sheet)175，和一環(huán)形鏈接的光接收元件173，并且這些元件均同心設(shè)置。在環(huán)形鏈接的光接收元件173內(nèi)，為一光接收元件控制器174。如圖26E和26F所示，該光探測器控制器177具有一顯示器157，一諸如蜂鳴器的報(bào)警器161，輸入鍵162，一存儲器165，一用來確定所接收的光的狀態(tài)的算術(shù)運(yùn)算單元166，一角度信號接收單元170，和一用于外部通信的發(fā)射器178。該光探測器控制器177可以通過發(fā)射器178與一外部計(jì)算機(jī)相連。在外部計(jì)算機(jī)179上可以執(zhí)行多種任務(wù)，如數(shù)據(jù)輸入、測量結(jié)果的顯示、測量結(jié)果的后續(xù)處理等。
當(dāng)扇形激光束掃過任一光接收部分時(shí)，圓柱形菲涅耳透鏡通過光纖板175將入射光聚焦在光接收元件173上。一接收到光，光接收元件173就將光產(chǎn)生的信號發(fā)送給光接收元件控制器174。安裝在光接收部分155d、155e和155f任一個(gè)中的光接收元件控制器174將該信號傳送給光探測器控制器177。當(dāng)光探測器154工作時(shí)，光探測器控制器177處理該信號。
(1.4)位置確定裝置的操作(1.4.1)利用旋轉(zhuǎn)的激光裝置和光探測器測量位置的過程(1.4.1.1)利用具有兩個(gè)光接收部分的光探測器的測量將描述利用旋轉(zhuǎn)的激光裝置151和光探測器154確定三維位置的過程。
利用圖27所示的信號處理過程，進(jìn)行三維位置測量。首先，光接收部分155和156接收旋轉(zhuǎn)的激光裝置151發(fā)射的扇形光束152和153。光接收部分155和156在探測光束時(shí)，產(chǎn)生如19所示的信號。該信號被傳送給光探測器154中的算術(shù)運(yùn)算單元166，分別計(jì)算出時(shí)間延遲t1，t2和t3。在向確定所接收光狀態(tài)的算術(shù)運(yùn)算單元166發(fā)送信號時(shí)，將代表被探測光束的信號發(fā)送給角度信號接收單元170。從角度信號接收單元170接收該信號，保存此時(shí)從旋轉(zhuǎn)的激光裝置151接收的角度信號。該角度信號代表該水平面中旋轉(zhuǎn)的激光裝置151與光探測器154的相對角度Ψ。
算術(shù)運(yùn)算單元166利用公式(16)，根據(jù)扇形光束152和153的傾角α和β，以及時(shí)間延遲t1，t2和t3，計(jì)算光探測器154的傾角ε，并且利用公式(8)和(9)計(jì)算通過扇形光束的發(fā)射點(diǎn)C和光接收部分155的直線與水平參考平面所成的角度γ1，以及通過點(diǎn)C和光接收部分156的直線與水平參考平面所成的角度γ2。該算術(shù)運(yùn)算單元166還使用公式(14)和(15)，根據(jù)保存在存儲器165中的光接收部分155與156之間的距離D、時(shí)間延遲t1，t2和t3，以及預(yù)先計(jì)算出的傾角ε，計(jì)算從水平參考平面分別到光接收部分155和156的距離d1和d2。最后，使用公式(10)和(11)，根據(jù)預(yù)先計(jì)算出的角度γ1和γ2以及垂直距離d1和d2計(jì)算從中點(diǎn)C到光探測器154的距離L。
將用這種方法獲得的計(jì)算結(jié)果Ψ，d1，d2和L傳送并顯示在顯示器157上，從而，可以確定旋轉(zhuǎn)的激光裝置151與光探測器154的三維相對位置。
(1.4.1.2)利用具有單個(gè)光接收部分的光探測器的測量在利用單個(gè)光接收部分的實(shí)施例中，在進(jìn)行第一次測量之后，光探測器154在水準(zhǔn)尺159上從初始位置滑動(dòng)距離D，進(jìn)行第二次測量。
如圖14所示，光探測器154的外殼164通過使用固定旋扭158而可滑動(dòng)地固定到水準(zhǔn)尺159上。印刷或者標(biāo)志在外殼164中的指針163和水準(zhǔn)尺159幫助了解水準(zhǔn)尺159與外殼164的位置關(guān)系。通過設(shè)置在光探測器154的外殼164內(nèi)的刻度讀出器167，算術(shù)運(yùn)算單元166可以得出水準(zhǔn)尺159與光探測器154的位置關(guān)系。
距離D或者兩次測量過程中光探測器的位移可以由刻度讀出器167讀出，并傳送給算術(shù)運(yùn)算單元166。根據(jù)所接收光的數(shù)據(jù)和第一和第二次測量過程中所確定的距離D，利用上述過程計(jì)算光探測器154的位置。
(1.4.1.3)利用具有三或更多個(gè)光接收部分的光探測器的測量在具有三或更多個(gè)光接收部分的另一實(shí)施例中，它們中的三個(gè)同時(shí)接收扇形光束。然后，在所接收的數(shù)據(jù)中，選擇兩組特征在于沒有由于所探測扇形光束之間足夠長的延遲所導(dǎo)致的信號干擾的數(shù)據(jù)。在選擇兩組接收光的數(shù)據(jù)之后，用與圖27所示完全相同的過程進(jìn)行計(jì)算。不過在這種情形中，將兩個(gè)所選擇的光接收部分之間的距離D用于計(jì)算。
另一個(gè)旋轉(zhuǎn)的激光裝置151a發(fā)射兩個(gè)不同偏振的激光束，且另一個(gè)光探測器154a能區(qū)別彼此不同偏振的扇形激光束。從而，如果激光束的探測之間的時(shí)間延遲較短，則可以實(shí)現(xiàn)高精度的測量。在這種情形中，測量過程與上述實(shí)施例相同。
(1.4.2)其它測量過程將參照圖28描述位置確定裝置的其他實(shí)施例。位置確定裝置的操作員在輸入鍵162上輸入想要的或所需的參考平面或參考錐形面(conical surface)。根據(jù)參考平面的輸入數(shù)據(jù)，在算術(shù)運(yùn)算單元166中計(jì)算所需參考平面中的二維坐標(biāo)，并將結(jié)果保存在存儲器165中。然后，致動(dòng)旋轉(zhuǎn)的激光裝置151，使扇形激光束152和153掃過光探測器154。光探測器154中的算術(shù)運(yùn)算單元166，使用有關(guān)扇形光束探測之間的時(shí)間延遲的數(shù)據(jù)，通過上述過程計(jì)算三維位置坐標(biāo)分量，Ψ，d1，d2和L。該計(jì)算結(jié)果被傳送給比較器，將它們與預(yù)先計(jì)算并保存在存儲器165中的所需參考平面的坐標(biāo)進(jìn)行比較。如果那些坐標(biāo)相同，諸如蜂鳴器的報(bào)警裝置161發(fā)出信號，使操作員知道比較結(jié)果。由此，該操作員獲悉光探測器154是否處于所需的參考平面中。發(fā)出指令，令顯示器顯示所需參考平面與光探測器154當(dāng)前位置的差，便于尋找任何預(yù)置平面。從而，可以通過處于感興趣地形區(qū)域中心的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，產(chǎn)生任意梯度的圓錐形參考面，任何斜度的參考平面以及任何高度的水平面。
如上所述的測量過程在其他其中光探測器發(fā)射兩個(gè)不同偏振的扇形激光束并且光探測器具有三或更多個(gè)光接收部分的應(yīng)用中同樣有效。
(1.5)本發(fā)明位置確定裝置的其他優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)有技術(shù)旋轉(zhuǎn)的激光裝置中，僅確定光接收部分是位于激光束指向的水平面中或者處于給定的斜面中，因而，單個(gè)激光投影器不足以同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)或更多不同平面。相反，根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中所使用的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，能夠確定與扇形激光束相關(guān)的高度，從而，同時(shí)使用不止一個(gè)光探測器154，能夠在激光束的一次圓掃描中，按照需要探測幾個(gè)任意高度的參考位置。因此，在建筑工地的應(yīng)用中，單個(gè)旋轉(zhuǎn)的激光裝置允許在同一工作區(qū)域內(nèi)幾個(gè)位置中執(zhí)行任務(wù)；也就是，能使不止一個(gè)建筑機(jī)械同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，找平地面。另外，由于同一旋轉(zhuǎn)的激光裝置能控制不止一個(gè)建筑機(jī)械，故可以避免由于其他激光裝置的干擾導(dǎo)致的建筑機(jī)械所不需要的操作或故障，這是有利的。
在采用現(xiàn)有技術(shù)的旋轉(zhuǎn)的激光裝置的位置確定裝置中，僅確定光接收部分是位于激光束指向的水平面中或者處于給定斜面中，因而，單個(gè)激光投影器不足以同時(shí)找平兩或更多個(gè)不同平面區(qū)域。相反，根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置中所使用的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，能夠確定與扇形激光束相關(guān)的高度，因此，能夠在激光束的一次圓掃描中，使均具有光探測器154的不止一個(gè)建筑機(jī)械同時(shí)在多個(gè)位置將地面找平成所需的任何高度。
而且，使用根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置，不僅水平表面的地面，而且可以很容易并且可靠的找平斜面或等高線，無需工人的專門技能。另外，由于同一旋轉(zhuǎn)的激光裝置控制不止一個(gè)建筑機(jī)械，故可以避免由于其他激光裝置的干擾導(dǎo)致的建筑機(jī)械的所不需要的操作或者故障，這是有利的。
(2)實(shí)施例2在下面的討論中，將強(qiáng)調(diào)本發(fā)明第二最佳實(shí)施例相對第一實(shí)施例的改變或更改點(diǎn)。因此，此處所省略的任何特征和細(xì)節(jié)均已在第一實(shí)施例中進(jìn)行了討論。
(2.1)位置確定裝置的整體結(jié)構(gòu)在根據(jù)本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例中，如圖29所示，該位置確定裝置200具有一旋轉(zhuǎn)的激光裝置251和一光探測器254。該旋轉(zhuǎn)的激光裝置251發(fā)射扇形光束252和253，同時(shí)圍繞中心點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)，該光探測器254探測扇形激光束252和253。扇形光束的發(fā)射角以及其他要素均與第一實(shí)施例相同。
(2.2)圖30表示發(fā)射不同波長的扇形激光束的本發(fā)明第二最佳實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)的激光裝置251。在本發(fā)明的第二最佳實(shí)施例中，除激光投影器203和其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205以外的元件與第一實(shí)施例中的相同。用在后兩個(gè)數(shù)字前面加上前綴2而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的圖30中所示的所有其余元件。
雖然在第一實(shí)施例中使用兩個(gè)不同偏振的扇形光束，但在第二實(shí)施例中使用不同波長的兩個(gè)扇形光束。
在第二實(shí)施例中，在從該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射之前，將兩個(gè)扇形光束252和253被調(diào)制成波長彼此不同，使得它們可以相互區(qū)別。通過這種方法，可以獲得與使用兩個(gè)不同偏振的扇形激光束所得到的相同的效果。
圖31表示根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)的激光裝置251中的激光投影器203和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205。如圖31所示，激光投影器203采用兩個(gè)激光照射器232和243，發(fā)射不同波長的光。當(dāng)激光照射器232和243為激光二極管時(shí)，所發(fā)射的激光束是線偏振的。在圖31中，用虛線表示激光照射器232發(fā)出的激光束的偏振方向，用點(diǎn)劃線表示激光照射器243發(fā)出的激光束的偏振方向。兩激光束被引導(dǎo)到偏振分束器242中。偏振分束器242透過激光照射器232發(fā)出的沿X-方向偏振的激光，并反射激光照射器243發(fā)出的沿垂直于X-方向的Y-方向偏振的激光。從偏振分束器242透過或反射的激光束，在由共享的準(zhǔn)直透鏡233準(zhǔn)直之后，入射在四分之一(1/4)波片240上。該四分之一波片240被取向?yàn)?，使來自激光投影?03的激光束為彼此反向的圓偏振。透過該四分之一波片240的激光束，在入射在四分之一波片239上之后被線偏振。
雖然旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205被旋轉(zhuǎn)支撐，不過這不影響從中發(fā)射的激光束，因?yàn)樗鼈兪菆A偏振的，并且透過另一四分之一波片239的光束呈線偏振，其方向由四分之一波片239決定。透過四分之一波片239的激光束入射在偏振分束器241上。偏振分束器241反射來自激光照射器232的激光束，并透過來自激光照射器243的激光束。
被反射的激光入射在四分之一波片238上，被圓偏振，然后被柱面反射鏡236反射。該柱面反射鏡236被取向?yàn)?，使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205發(fā)出的激光束與水平面成角度α。從柱面反射鏡236反射的激光束再次通過四分之一波片238，射出時(shí)，所產(chǎn)生的光沿與入射在該波片上的光旋轉(zhuǎn)90°的方向偏振。因此，在透過四分之一波片238以后，該激光透過偏振分束器241，然后被從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205投射出去。
透過偏振分束器241的激光，在入射在四分之一波片237上之后被圓偏振，然后從柱面反射鏡235反射。該柱面反射鏡235被取向?yàn)椋箯男D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205投射出的激光束與水平面成角度β。從柱面反射鏡235反射的激光束，再次通過四分之一波片237，射出時(shí)，所產(chǎn)生的光沿與入射在該波片上的激光旋轉(zhuǎn)90°的方向偏振。這樣，該激光在透過四分之一波片237之后，被偏振分束器241反射，然后被從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)205投射出去。
該偏振分束器242可以是二向色反射鏡(die clock mirror)。
(2.3)光探測器圖32A為正視圖，表示本發(fā)明第二實(shí)施例中的光探測器254，圖32B為沿圖32A中線A-A所取的剖面圖。除了根據(jù)不同波長識別光的光接收部分以外，所有元件與第一實(shí)施例中的相同。用在后兩個(gè)數(shù)字前面加上前綴2而不是1的附圖標(biāo)記來表示相當(dāng)于第一實(shí)施例中對應(yīng)物的圖32A，32B中所示的所有其余元件。
如圖32A，32B所示，第二實(shí)施例中的光探測器254根據(jù)各自的波長來識別和區(qū)分入射在光接收部分255和256上的扇形光束252和253。光接收部分255和256分別具有時(shí)鐘衰減反射鏡268和269，它們?nèi)Q于入射激光束的波長而透射或反射激光。光接收部分255c和256c用于透過時(shí)鐘衰減反射鏡268和269的光，而光接收部分255b和256b用于從該反射鏡反射的光，從而區(qū)別入射激光的波長。
(2.4)位置確定裝置第二實(shí)施例的操作可以不加改變和變型地將根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例中所解釋的測量過程應(yīng)用于本發(fā)明第二實(shí)施例，也就是位置確定裝置200中。
(3)實(shí)施例3在下面的討論中，將強(qiáng)調(diào)本發(fā)明第三最佳實(shí)施例相對第一實(shí)施例的改變或變更點(diǎn)。因此，此處所省略的任何特征和細(xì)節(jié)已經(jīng)在第一實(shí)施例中進(jìn)行了討論。
(3.1)位置確定裝置的整體結(jié)構(gòu)將概述根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置的第三實(shí)施例。如圖33所示，第三最佳實(shí)施例，即位置確定裝置300，包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置351和一光探測器354。該旋轉(zhuǎn)的激光裝置351圍繞點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)射發(fā)散或扇形光束352和353，該光探測器354接收扇形光束352和353。諸如扇形光束的發(fā)射角的細(xì)節(jié)均與第一實(shí)施例相同。
(3.2)發(fā)射兩個(gè)被調(diào)制成不同頻率的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置圖34中表示出第三最佳實(shí)施例，即旋轉(zhuǎn)的激光裝置351。除了激光投影器303和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)305以外，其他所有元件均與第一實(shí)施例中的相同。在第三實(shí)施例中，用在后兩個(gè)數(shù)字前面加上前綴3而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的圖33中所示的所有其余元件。
雖然在第一實(shí)施例中使用不同偏振的兩個(gè)扇形光束，不過在第三實(shí)施例中使用被調(diào)制成不同頻率的兩個(gè)扇形光束。
在第三實(shí)施例中，從旋轉(zhuǎn)的激光裝置351發(fā)射的兩個(gè)扇形光束352和353被調(diào)制成頻率不同，使得可以彼此區(qū)別兩個(gè)光束。照這樣進(jìn)行改變，可以獲得與使用兩個(gè)不同偏振的扇形光束所得到的相同的結(jié)果。
圖35中表示出該旋轉(zhuǎn)的激光裝置351的激光投影器303和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)305。如從圖35中可以看出，激光投影器303具有可發(fā)射調(diào)制成不同頻率的光束的兩個(gè)激光照射器332和343。當(dāng)激光照射器332和343為激光二極管時(shí)，它們發(fā)出的激光束是線偏振的。在圖35中，用虛線表示激光照射器332發(fā)射的激光的偏振方向，用點(diǎn)劃線表示激光照射器343發(fā)射的激光的偏振方向。對來自激光照射器332和343的激光進(jìn)行投影的光學(xué)系統(tǒng)與第二實(shí)施例相同。
(3.3)光探測器圖36A為正視圖，表示本發(fā)明第三實(shí)施例中的光探測器354，圖36B為沿圖36A中線A-A所取的剖面圖。除了根據(jù)不同頻率來識別光的光接收部分以外，所有元件與第一實(shí)施例中的相同。用在后兩個(gè)數(shù)字前面加上前綴3而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的圖36A，36B中所示的所有其余元件。
如圖36A，36B所示，第三實(shí)施例中的光探測器354具有一算術(shù)運(yùn)算單元366，其判斷所接收的光的狀態(tài)，并且用于根據(jù)其各自的頻率，識別和區(qū)分入射在光接收部分355和356上的扇形光束352和353。光接收部分355和356分別具有根據(jù)入射激光束的頻率而透過或反射激光的分束器368和369。光接收部分355c和356c用于透過分束器368和369的光，而光接收部分355b和356b用于從分束器反射的光，從而區(qū)別入射激光的頻率。
(3.4)位置確定裝置第三實(shí)施例的操作可以不加改變和變型地將本發(fā)明第一實(shí)施例中所解釋的測量過程應(yīng)用于本發(fā)明第三實(shí)施例，也就是位置確定裝置300中。
(3.4.1)發(fā)散光束的調(diào)制和被調(diào)制光束的探測將描述兩個(gè)發(fā)散或扇形光束352和353的調(diào)制方式。如圖37所示，兩扇形光束被調(diào)制成以彼此不同的頻率出現(xiàn)。圖38表示光接收部分上分別探測的扇形光束352和353的例子。扇形光束的閃爍周期必須彼此具有足夠的不同，以便相互區(qū)別該扇形光束。與扇形光束352和353掃描光探測器354中光接收部分355和356所需的時(shí)間周期t0相比，閃爍周期必須足夠短。光接收部分上接收的扇形光束352和353的探測信號被處理成圖38中虛線所表示的擴(kuò)展波，以便獲得扇形光束352和353的探測之間的時(shí)間延遲t0。
該光探測器具有一調(diào)制頻率確定電路，并且可分別地探測扇形光束352和353。調(diào)制頻率確定電路計(jì)算在預(yù)定時(shí)間周期內(nèi)探測到的每個(gè)激光束的脈沖數(shù)，以確定用來識別兩個(gè)扇形光束的調(diào)制頻率。根據(jù)探測來區(qū)別兩個(gè)扇形光束352和353，使得即使光探測器僅具有一個(gè)光接收部分，也能夠通過單次測量來判斷光探測器處于水平參考平面上面還是下面。
或者，如圖39所示，可以將扇形光束352和353調(diào)制成交替照射。用這種方式調(diào)制，如果以較短時(shí)間延遲依次探測兩個(gè)扇形光束，能如圖40所示進(jìn)行區(qū)別，可以精確地確定該時(shí)間延遲t0。
又或，可以應(yīng)用圖37和39中組合調(diào)制特征的調(diào)制。具體來說，如圖41所示，首先將扇形光束352和353調(diào)制成交替照射，然后在扇形光束繼續(xù)照射的部分周期中進(jìn)一步調(diào)制成閃爍。與閃爍范圍周期的一部分重疊的交替照射的周期，在兩個(gè)扇形光束352和353之間交替。用這種方式調(diào)制，兩個(gè)扇形光束352和353可彼此區(qū)別，能夠確定光探測器處于水平參考平面上面還是下面。而且，如果時(shí)間延遲t0較短的話，可以精確確定兩扇形光束探測之間的時(shí)間延遲t0。
(4)其它實(shí)施例(4.1)扇形光束的改變雖然在所有上述實(shí)施例中，詳細(xì)描述了發(fā)射兩個(gè)扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，不過可以用同時(shí)發(fā)射三或更多個(gè)扇形激光束的另一旋轉(zhuǎn)的激光裝置來實(shí)現(xiàn)位置確定裝置。在這種情況下，適當(dāng)?shù)剡x擇兩個(gè)扇形光束用與上述實(shí)施例完全相同的方式進(jìn)行測量。
圖42A到42J舉例表示扇形光束的發(fā)射圖案。圖42A到42J表示從光探測器一側(cè)觀看的扇形光束的橫截面，其中點(diǎn)劃線表示水平參考平面。根據(jù)上述實(shí)施例，圖42C到42J表示三或更多個(gè)扇形光束的多種發(fā)射圖案。扇形光束與水平參考平面的交線最好彼此等間距隔開。對于圖42A到42C中的發(fā)射圖案，當(dāng)光探測器處于水平面中時(shí)，扇形光束不相重疊，從而，可以精確地確定探測中的時(shí)間延遲，不用將扇形光束調(diào)制成彼此不同的偏振。
并且，當(dāng)按圖42C到42G和圖42I以及圖42J的圖案進(jìn)行發(fā)射時(shí)，如果考慮在水平面中的話，用彼此相等的時(shí)間延遲依次連續(xù)地探測三個(gè)扇形光束，這就是尋找水平參考平面很便利的原因。并且，如上所述，可以在所有光束之中適當(dāng)選擇兩個(gè)扇形激光束，用與上述實(shí)施例完全相同的方式進(jìn)行測量；也就是，由于兩個(gè)時(shí)間延遲的比值可能僅與光探測器相對水平面的角位置的一種組合相關(guān)，故找出一個(gè)時(shí)間延遲與另一個(gè)的比值，能立即得出光探測器相對水平面的角度。當(dāng)僅考慮兩個(gè)扇形激光束時(shí)，需要旋轉(zhuǎn)周期T來獲得角度，不過在使用三個(gè)或更多扇形光束時(shí)不再需要。這證明，上述實(shí)施例可以獲得精確的測量，不受旋轉(zhuǎn)的激光裝置旋轉(zhuǎn)誤差的影響。
如圖42H所示的圖案，連續(xù)探測四個(gè)扇形光束，產(chǎn)生從一次探測到另一次探測的三個(gè)時(shí)間延遲，并對它們求平均，結(jié)果提高了測量精度。如圖42I和42J所示將光束圖案化，光探測器的靈敏度從探測水平面附近的光到探測其他區(qū)域的光發(fā)生變化。例如，雖然光探測器與水平面的較小偏離導(dǎo)致在水平面附近的探測之間時(shí)間延遲的較大改變，但在遠(yuǎn)離水平面的高度上光探測器的垂直位移對延遲的影響不大。這樣，可以根據(jù)光探測器上的探測之間的時(shí)間延遲精確地探測水平參考平面。在本說明書中，將擴(kuò)展成彎曲或皺褶平面的激光束(如圖42I和42J中間的激光束)稱作扇形光束。對于彎曲或皺褶的扇形光束，該扇形激光束的傾角是通過該彎曲或皺褶面上任意一點(diǎn)的切線的傾角。
通過重復(fù)上述根據(jù)用于圖42C到42H中發(fā)射圖案的任意兩個(gè)扇形光束的計(jì)算過程，在所接收的扇形光束的基礎(chǔ)上執(zhí)行找出距離水平參考平面的高程的計(jì)算。對于圖42I和42J中的發(fā)射圖案，適當(dāng)改變該計(jì)算過程，可獲得距離水平參考平面的高程。
如圖6所示，通過在發(fā)射扇形光束的光學(xué)系統(tǒng)中的光路上設(shè)置一適當(dāng)?shù)难苌涔鈻艁韺?shí)現(xiàn)所有這些發(fā)射圖案。沒有衍射光柵，也可以產(chǎn)生上述發(fā)射圖案。圖43表示產(chǎn)生如圖42C所示圖案化的扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置其激光投影器403和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)405的實(shí)施例。在圖43中，用在后兩個(gè)數(shù)字前面加上前綴4而不是1的附圖標(biāo)記來表示與第一實(shí)施例中對應(yīng)物相應(yīng)的所有其余元件。激光束在從激光照射器發(fā)射之后，通過準(zhǔn)直透鏡433和四分之一(1/4)波片440和439，然后入射在偏振分束器441上。入射在偏振分束器441上的激光束，其一部分透過它，且透過四分之一波片437并被柱面反射鏡435反射，之后，再次透過四分之一波片437入射在偏振分束器441上。此入射的激光束被分束器441反射，從而，與水平參考平面成β傾角投射出扇形光束453。
另一方面，從四分之一波片439射出并入射在偏振分束器441上的激光束，被分束器441部分反射，然后入射在四分之一波片438上。此入射在四分之一波片438上的激光束，在經(jīng)過它之后透過偏轉(zhuǎn)棱鏡460，然后被柱面反射鏡436反射。該柱面反射鏡436被取向?yàn)?，使它投射出垂直發(fā)散的扇形光束。被柱面反射鏡436反射的激光束再次進(jìn)入偏轉(zhuǎn)棱鏡，并形成兩個(gè)垂直發(fā)散的扇形光束。該扇形光束透過四分之一波片438和分束器441，從而投射出扇形光束452a和452b。
參照圖44，現(xiàn)在將討論發(fā)射如圖42C所示圖案化的發(fā)散或扇形光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置其激光照射器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的改變或變型實(shí)施例。本實(shí)施例的激光投影器503包括一激光照射器532和一準(zhǔn)直透鏡533。本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505具有三個(gè)等放大率的擴(kuò)束器562a、562b和562c，三個(gè)柱面透鏡564a、564b和564c，和三個(gè)反射鏡566a、566b和566c。
由激光照射器532發(fā)射的激光被準(zhǔn)直透鏡533準(zhǔn)直。透過準(zhǔn)直透鏡533的激光入射在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505的三個(gè)等放大率的擴(kuò)束器562a、562b和562c上。入射在等放大率擴(kuò)束器562上的激光束以預(yù)定比率傾斜。透過等放大率擴(kuò)束器562a、562b和562c的激光束，分別被柱面透鏡564a、564b和564c分束和擴(kuò)展成扇形光束553、552b和552a。從柱面透鏡564a、564b和564c射出的扇形激光束分別被反射鏡566a、566b和566c反射，并且分別沿與旋轉(zhuǎn)的激光裝置的旋轉(zhuǎn)軸正交的方向投射出去。
在這種情況下，由于激光在透過等放大率擴(kuò)束器562之后被反射鏡566反射一次，則該激光束的偏轉(zhuǎn)角僅依賴于透過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505的偏轉(zhuǎn)角。從而，扇形光束553，552b和552a的發(fā)射方向不受激光照射器503與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)505之間失配的影響。在某些應(yīng)用中，為了屏蔽并非激光投影器503發(fā)射的激光束進(jìn)入等放大率擴(kuò)束器562，可以在等放大率擴(kuò)束器562下設(shè)置一遮光框(未示出)。或者，為了屏蔽并非激光照射器532發(fā)出的激光束進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡533，可以在激光照射器532與準(zhǔn)直透鏡533之間設(shè)置一遮光框(未示出)。
參照圖45和46，下面將描述發(fā)射如圖42C所示圖案化的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置其激光照射器和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的另一改變或變型實(shí)施例。本實(shí)施例的激光投影器603包括一激光照射器632和一準(zhǔn)直透鏡633。本實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)605具有一有三個(gè)孔徑672a、672b和672c的遮光框672，一對通過遮光框672的激光進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的五棱鏡674，固定到五棱鏡674上以將光束擴(kuò)展成發(fā)散扇形形狀的柱面透鏡675和676，以及對來自五棱鏡674的激光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和準(zhǔn)直的楔形棱鏡678。
由激光照射器632發(fā)射的激光被準(zhǔn)直透鏡633準(zhǔn)直。透過準(zhǔn)直透鏡633的激光入射在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)605中的遮光框672上。該激光束在通過遮光框672中的孔徑672a以后，入射在五棱鏡674上，并且在其中被偏轉(zhuǎn)。在圖46中，來自孔徑672a的激光束直接入射在五棱鏡674的底部，且由該五棱鏡將光束偏轉(zhuǎn)90°，以從其豎直面射出。激光入射在與五棱鏡674的豎直面相連的柱面透鏡676上，其被擴(kuò)展成與水平面成預(yù)定傾角的扇形光束653。另一方面，穿過孔徑672b和672c的激光，入射在與五棱鏡674的底部相連的柱面透鏡675上，所產(chǎn)生的分離激光束被擴(kuò)展成發(fā)散扇形形狀，然后在五棱鏡674中被偏轉(zhuǎn)90°。激光束被引導(dǎo)到與固定在五棱鏡674豎直面上的柱面透鏡676的下部相連的楔形棱鏡678上，然后被水平偏轉(zhuǎn)，從而，投射出扇形光束652a和652b。
在這種情況下，激光束在五棱鏡674中分別反射兩次，激光束被偏轉(zhuǎn)的角度僅取決于透過該五棱鏡674時(shí)的偏轉(zhuǎn)角。從而，扇形光束653、652b和652a的發(fā)射方向不受激光投影器603與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)605之間失配的影響。在某些應(yīng)用中，為了阻擋并非激光照射器632所發(fā)射的激光束進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡633，可以在激光照射器632與準(zhǔn)直透鏡633之間設(shè)置一遮光框(未示出)。
(4.2)位置確定裝置的其它改變和變型已經(jīng)描述了位置確定裝置的多個(gè)實(shí)施例，強(qiáng)調(diào)一些特殊的例子，如包括分別發(fā)射在水平參考平面內(nèi)和外彼此相交的兩個(gè)扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射三或更多個(gè)扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射兩個(gè)不同偏振的扇形激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射分別被調(diào)制成具有不同頻率或波長的激光束的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，具有單個(gè)光接收部分的光探測器，具有不止一個(gè)垂直或水平設(shè)置的光接收部分的光探測器，能夠區(qū)別不同偏振的扇形光束的光探測器，和能夠區(qū)別被分別調(diào)制成具有不同頻率或波長的扇形光束的光探測器的位置確定裝置。任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都應(yīng)該想到，在不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的真實(shí)范圍的條件下，可以對上述實(shí)施例的位置確定裝置進(jìn)行適當(dāng)組合修改。
根據(jù)本發(fā)明，單個(gè)旋轉(zhuǎn)的激光裝置可以與位置確定裝置中包含的一個(gè)光探測器進(jìn)行組合，或者，可以獨(dú)立使用，或可以與現(xiàn)有技術(shù)光探測器相結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種確定位置的裝置，包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置，它發(fā)射兩或更多個(gè)發(fā)散的扇形激光束，同時(shí)圍繞一給定軸旋轉(zhuǎn)該激光束，這兩或更多個(gè)扇形激光束在并非水平面的平面中發(fā)散，其中扇形激光束之一的傾斜角度不同于其余的扇形激光束，以及一光探測器，具有一或多個(gè)用于接收該扇形激光束的光接收部分，和用于在該光接收部分所接收的激光束的狀態(tài)的基礎(chǔ)上確定其自身與該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置的確定裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中這兩或更多個(gè)扇形激光束在該水平面內(nèi)彼此相交。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該確定裝置根據(jù)該光接收部分處兩個(gè)或更多扇形激光束的探測之間的時(shí)間延遲確定其自身與該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射兩個(gè)或更多不同偏振的扇形激光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射兩或更多個(gè)被調(diào)制成不同頻率的扇形激光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置發(fā)射兩或更多個(gè)不同波長的扇形激光束。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該光探測器具有兩個(gè)接收該扇形激光束的光接收部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該光探測器具有三或更多個(gè)接收該扇形激光束的光接收部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該旋轉(zhuǎn)的激光裝置包括一用于探測該扇形激光束發(fā)射方向的探測器裝置，和一將該探測器裝置所探測的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給該光探測器的發(fā)射器，且該光探測器還包括一接收該角度數(shù)據(jù)的信號的接收器單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中該光探測器還包括一位置探測器，探測該光探測器與該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中該位置探測器為全球定位系統(tǒng)(GPS)。
12.一種旋轉(zhuǎn)的激光裝置，發(fā)射兩或更多個(gè)在并非水平面的平面中發(fā)散的扇形激光束，同時(shí)圍繞一給定軸旋轉(zhuǎn)該扇形光束，其中該扇形激光束之一的傾角不同于其余的扇形激光束。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，其中這兩或更多個(gè)扇形激光束在水平面中彼此相交。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，其中這兩或更多個(gè)扇形激光束為不同偏振。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，其中這兩或更多個(gè)扇形激光束被調(diào)制成不同頻率。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，其中這兩或更多個(gè)扇形光束為不同波長。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，包括一用于探測該扇形激光束發(fā)射方向的探測器裝置，和一將該探測器裝置所探測的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給該光探測器的發(fā)射器。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，其中每個(gè)扇形激光束具有從一個(gè)部分到另一部分改變的強(qiáng)度。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，其中發(fā)射三或更多個(gè)扇形激光束，并且該扇形激光束彼此等間距地與該水平面相交。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的旋轉(zhuǎn)的激光裝置，其中這三或更多個(gè)扇形激光束在它們被光接收的范圍內(nèi)彼此不相交。
全文摘要
本發(fā)明提供一種位置確定裝置，它具有一種簡單的結(jié)構(gòu)，適用于同時(shí)產(chǎn)生一水平參考平面和一傾斜參考平面。根據(jù)本發(fā)明的位置確定裝置(100)包括一旋轉(zhuǎn)的激光裝置(151)，它發(fā)射至少兩個(gè)在并非水平面的平面內(nèi)發(fā)散的扇形激光束，同時(shí)圍繞一給定的光軸旋轉(zhuǎn)該激光束；和一光探測器(154)，其具有至少一個(gè)接收該扇形激光束的光接收部分。該扇形激光束之一的傾角不同于其余的扇形激光束，根據(jù)光接收部分上所接收的激光束的狀態(tài)，可以確定該光探測器與該旋轉(zhuǎn)的激光裝置的相對位置。
文檔編號G01S3/789GK1434269SQ0310175
公開日2003年8月6日 申請日期2003年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月21日
發(fā)明者大有文夫, 林邦広 申請人:拓普康株式會社