位置确定装置和与该装置一起使用的旋转的激光装置的制作方法

专利名称：位置确定装置和与该装置一起使用的旋转的激光装置的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种位置确定装置，它往复移动或旋转发射激光束的激光源，以产生一与水平参考平面成某一倾角的斜面，以及与该装置一起使用的旋转的激光装置。根据本发明的位置确定装置用于产生一参考点，一条参考线以及一测量参考平面。
背景技术：
为了产生覆盖较宽范围的水平参考水准面(a horizontal referencelevel)，已经越来越多地用旋转的激光装置来取代光学水准装置。
近年来，使用旋转的激光装置来确定与某些方向相关的高度，特别是在参考高度的基础上产生直线、平面等。该旋转的激光装置发射水平激光束，同时使该激光束进行圆或往复扫描，然后中断，以便产生一旋转参考平面，一局部参考线，一参考平面，一参考线，一参考点等。
该旋转的激光装置适用于产生参考水平线，在该参考水平线的基础上设计一留作在建建筑物的窗框的区域，并且用于构造一个小丘(mount)并产生一参考水平面，在此基础上分割该丘，产生暴露的土壤表面。在另一种应用中，利用旋转的激光装置预先确定建筑诸如楼梯的倾斜结构的参考点，在另外的应用中，旋转的激光装置能产生沿一个方向或者甚至沿两个方向倾斜的参考平面。
日本专利公开No.H06-26861中公开了能产生倾斜参考平面的现有技术旋转的激光装置的一个例子。下面将概括描述该现有技术旋转的激光装置的结构和特征。
参见图44，一旋转的激光装置951具有一外壳901和一激光投影器903。该外壳901在其上部中心部位提供一平截头锥形凹进部分902。激光投影器903通过该凹进部分902的中心垂直延伸。被凹进部分902支撑的激光投影器903可以在其中间形成的球形支架904上围绕它倾斜。具有五棱镜909的旋转机构905安装在激光投影器903的上部。通过由扫描马达906提供动力的驱动齿轮907和扫描齿轮908旋转该旋转机构905。
围绕激光投影器903设置有两对倾斜机构(仅表示出其中一个)。任一个倾斜机构910包括一马达911，一螺杆912和一螺套913，所有这些元件协同作用产生倾斜。该马达911能够通过驱动齿轮914和倾斜齿轮915来转动螺杆912。激光投影器903与螺套913通过插入其间的臂916相连。螺杆912的转动使螺套913上下运动，使激光投影器903倾斜。
两个固定探测器918和919设置在激光投影器903中间与旋转机构905的旋转轴正交的同一平面内。其中一个固定探测器，探测器918，平行于倾斜臂916设置，而另一个，即探测器919垂直于倾斜臂916取向。一具有一枢轴销921的凸缘920被固定在激光投影器903的下端。枢轴销921的上端在其一点上枢轴支撑一L-形倾斜板922，L-形倾斜板922中包含角度确定探测器929和角度确定探测器930。该角度确定探测器929被设置成与固定探测器918同一方向，该角度确定探测器930被设置成与固定探测器919同一方向。倾斜板922与两个倾斜机构相连(仅表示出一个)。
每组倾斜机构925包括一马达926，一通过马达926旋转的螺杆927，和一锁紧螺帽928，倾斜螺杆927通过锁紧螺帽而拧紧，所有这些元件协同作用使基准点倾斜。倾斜板922的一端固定在锁紧螺帽928上。致动马达926来旋转螺杆927并垂直移动锁紧螺帽928，从而，可以倾斜该倾斜板922。
激光投影器903中设置有一激光照射器(未示出)和一包括诸如将来自激光照射器的入射光线折射成平行光线的准直透镜的光学元件的投影器光学系统(未示出)。由该投影器光学系统发射的激光束被五棱镜909沿水平方向偏转，并投射出投影器窗口931。
现在将描述该旋转的激光装置的功能特征。通过倾斜机构925实现倾角的确定。首先，致动倾斜机构910来调节固定探测器918和919的姿态，使两个探测器均表现为水平。然后致动马达926，以旋转螺杆927并升高锁紧螺帽928，从而，倾斜板920沿与所需预定角度θ相反的角方向相对凸缘920倾斜角度θ。通过诸如与马达926相连的编码器(未示出)来探测该倾角θ。
然后，致动倾斜机构910以倾斜激光投影器903，使所探测出倾斜板922是水平的。在此状态下，来自激光投影器903的光的发射方向以相对水平面的预定角度θ倾斜。在确定了激光发射方向的倾角之后，在五棱镜909处沿垂直于旋转机构905的旋转轴的方向偏转的激光束通过激光投影器903被投射出去，同时旋转该旋转机构905，或者旋转机构905在等于该预定角度的范围内往复扫描，从而产生一倾斜的参考平面。
日本专利公开No.H11-94544公开了一种建筑后(post-construction)高度显示装置和一种建筑后高度确定装置，这两者均包括一在照射激光束的同时旋转激光束的激光装置以及一完成高度显示器。建筑后高度确定装置能通过使用建筑后高度显示器接收激光装置发射出的激光束，以便探测从该激光装置到显示装置的距离，以及显示装置与参考水平面之间的偏离，来确定所需的建筑后高度，激光束靠近该参考平面射出。
此外，日本专利公开No.H11-118487公开了一种具有一倾角探测器的参考照射光束探测机构，与激光装置结合使用。
另外，日本专利公开No.H7-208990公开了一种三维坐标确定装置，包括一旋转并照射多个平面光束的照射装置以及多个反射装置。该3D坐标确定装置使用多个反射装置以对照射装置发射的光进行反射，并使用照射装置接收所反射的光束，以确定相对该反射装置的三维坐标。
如上所述现有技术的旋转的激光装置必须具有两对倾斜机构，以这样一种方式支撑激光投影器903，能通过两种方法使激光投影器完全自由地倾斜，从而产生倾斜的参考平面。这种现有技术例子的缺点在于，需要两个固定探测器918和919，以及两个倾斜探测器929和930，并且它需要一种复杂的结构，即需要一个控制电路来控制两对倾斜机构的致动，使制造成本增大。而且，现有技术的旋转的激光装置仅产生一个参考平面，而永远不能同时产生水平和倾斜参考平面，这妨碍确定水平与倾斜参考平面之间的相对关系，或者妨碍确定倾角彼此不同的两个倾斜参考平面之间的相对关系。
应该通过精确调节反射装置的角位置，使反射装置反射的光束确定无疑地返回照射装置，来进一步改进日本专利公开No.H7-208990所公开的三维坐标确定装置的现有技术实施例。另外，必须移动反射装置，产生预定参考平面，并且还必须在照射装置处监测确定值，导致需要不止一个操作员来操作该装置，这是不利的。
发明概述为了克服上述缺点，本发明提出了旋转的激光装置的一种改进，允许同时确定一倾斜面和一处于任何高度的水平参考平面，无需倾斜激光投影器，并且无需精确设置光接收部分。
因此，本发明的一个目的在于提供一种结构简单的位置确定装置，能同时产生一水平参考平面和一个倾斜平面。
本发明的另一个目的在于提供一种操作简化的位置确定系统，使单个操作员足以能工作。
本发明的又一个目的在于提供一种旋转的激光装置，它能发射在非水平面的平面内发散的扇形激光束。
按照本发明的一个方面，一种位置确定装置包括一旋转的激光装置，它发射两或更多个扇形激光束，同时围绕一给定轴旋转该激光束；和一光探测器，其具有一或多个用于接收该扇形激光束的光接收部分，其中该两或更多个扇形激光束在并非水平面的平面中发散。至少扇形激光束之一的倾角与其余激光束不同，并且该光探测器根据光接收部分所接收的扇形激光束的状态确定它自身与该旋转的激光装置的相对位置。最好，至少两个扇形激光束在该水平面中彼此相交。最好，该光探测器根据光接收部分处两个扇形激光束的探测之间的时间延迟来确定它自身与该旋转的激光装置的相对位置，并且最好该光探测器包括两或多个接收该扇形激光束的光接收部分。
按照本发明的另一个方面，该位置确定装置具有一发射两个偏振彼此不同的扇形激光束的旋转的激光装置。最好，两个扇形激光束被调制成彼此不同频率，并且最好两个扇形激光束为波长彼此不同。使用如此构成的旋转的激光装置，能区别两个扇形激光束，并且即使激光束的探测之间的时间延迟较短，也能获得精确测量。
按照本发明的又一个方面，该位置确定装置中的旋转的激光装置包括一用于探测该扇形激光束发射方向的探测器装置，和一用于将该探测器装置探测的角度数据传送给该光探测器的发射器，另外，该光探测器可以包括一接收该角度数据的信号的接收器单元。
而且，在根据本发明的位置确定装置中，该光探测器可以具有一位置探测器，探测该旋转的激光装置与该光探测器的相对位置。最好，该位置探测器为GPS。使用如此构成的位置确定装置，可以确定在该水平面中光探测器与旋转的激光装置的相对位置。
此外，每个扇形激光束的强度可以从一个部分到另一部分改变。最好，该旋转的激光装置发射三或更多个与该水平面彼此等间距相交的扇形激光束。使用如此构成的位置确定装置，可以使旋转的激光装置的旋转误差导致的对测量的影响最小。
最好，该三或更多个扇形激光束在它们被光探测的范围内彼此不相交。按照这种方式，以彼此间一定的时间延迟探测该扇形激光束，从而，能避免扇形激光束之间的干扰。因此，可以在不使激光束不同偏振，或者不将它们调制成彼此不同频率的条件下实现精确测量。
附图的简要说明

图1为示意性透视图，表示根据本发明的位置确定装置；图2为三重分解图，表示旋转的激光装置发射的扇形光束的发散度；图3为剖面图，表示旋转的激光装置；图4描绘旋转的激光装置的另一个实施例；图5描绘旋转的激光装置的又一个实施例；图6表示在旋转的激光装置中使激光束透过并扩展成发散的扇形光束的衍射光栅；图7为示意性透视图，表示根据本发明的位置确定装置，其中发射两个不同偏振的扇形光束；图8为剖面图，表示发射不同偏振的扇形光束的旋转的激光装置；图9为激光投影器、激光照射器和旋转机构的分解图；图10为表示根据本发明的旋转的激光装置的一实施例图，具有利用不同波长激光的角度信号投影器；图11表示发射两个扇形光束的旋转的激光装置的另一实施例；图12A，12B表示发射两个扇形光束的旋转的激光装置的又一实施例；图13A到13C表示在旋转的激光装置中产生两个扇形光束的柱面透镜的一个实施例；图14为正视图，表示根据本发明的位置确定装置中所包含的光探测器；图15为根据本发明的位置确定装置中所包含的光探测器的剖面模拟图；图16A，16B为根据本发明的位置确定装置中光探测器所探测的信号的曲线；图17为透视图，说明发射两个在水平面内彼此相交的扇形激光束的旋转的激光装置；图18为表示在根据本发明的位置确定装置中，两个光接收部分与两个扇形光束的位置关系图；
图19为处于图18的位置关系时探测到的信号的曲线图；图20说明在根据本发明的位置确定装置中，在倾斜光探测器时两个光接收部分与两个扇形光束的位置关系；图21说明在根据本发明的位置确定装置中，在光接收部分保持水平时两个光接收部分与两个扇形光束的位置关系；图22为处于图21中的位置关系条件时探测到的信号的曲线；图23A到23C为在旋转的激光装置中，以较短的延迟分别依次接收两个扇形激光束时，在光接收部分上探测的信号的曲线；图24A，24B表示在根据本发明的位置确定装置中接收两个不同偏振的扇形激光束的光探测器的结构；图25表示载有角位置数据的被传输信号的一个例子；图26A到26F说明在该位置确定装置中采用的全向光探测器的一个实施例；图27为方块图，表示根据本发明测量位置的逐步过程；图28为方块图，表示根据本发明测量位置的另一逐步过程；图29为透视示意图，表示根据本发明的位置确定装置的第二最佳实施例；图30为剖面图，表示本发明第二最佳实施例中的旋转的激光装置；图31为本发明第二最佳实施例中发射两个不同波长激光束的旋转的激光装置的分解图；图32A，32B表示当该旋转的激光装置用在本发明第二最佳实施例中时，光接收装置中光接收部分的结构；图33为透视示意图，表示根据本发明的位置确定装置的第三最佳实施例；图34为本发明第三最佳实施例中旋转的激光装置的剖面图；图35为本发明第三最佳实施例中发射两个被调制成不同频率的激光束的旋转的激光装置的分解图；图36A，36B描绘当本发明第三最佳实施例中使用该旋转的激光装置时，光接收装置中光接收部分的结构；图37描绘两个被调制成不同频率的激光束的例子；图38描绘光接收部分上探测的被调制成不同调制频率的两个扇形激光束的例子；图39描绘被调制成交替发生的两个激光束的例子；图40描绘光接收部分上接收被调制成交替照射的两个激光束时所产生的信号的例子；图41描绘被调制成交替发生，并且被调制成不同频率的两个激光束的例子；图42A到42J举例说明扇形激光束的发射图案；图43为分解透视图，表示结合在一起的可旋转发射三个扇形激光束的激光投影器和旋转机构；图44为旋转发射三个扇形激光束的激光投影器与旋转机构另一实施例的分解透视图；图45为旋转发射三个扇形激光束的激光投影器与旋转机构又一实施例的分解透视图；图46为侧视图，表示五棱镜中的光路；以及图47为示意图，表示现有技术的位置确定装置。
最佳实施例的详细描述将参照附图详细描述根据本发明的位置确定装置。
(1)实施例1(1.1)位置确定装置的整体结构首先将描述本发明的位置确定装置的结构外形。如图1所示，本发明的位置确定装置100具有一旋转的激光装置151和一光探测器154。该旋转的激光装置151发射两个扇形光束152和153，即，激光束发散成扇状平面，同时围绕点C旋转该光束。如图2所示，与水平面成角度α发射扇形光束152，与水平面成角度β发射扇形光束153。扇形光束152与水平面的交线和扇形光束153与水平面的交线相交成δ角。分别旋转保持这种相互关系的两个扇形光束152和153，然后以某一时间延迟分别扫过光探测器154。本发明的位置确定装置被设计成，利用该延迟来确定从该水平面到光探测器154的仰角(an elevationangle)。
(1.2)旋转的激光装置(1.2.1)发射两个扇形激光束的旋转的激光装置现在将讨论发射两个与水平面倾斜成一定角度的扇形激光束，同时围绕垂直轴旋转该激光束的旋转的激光装置。
如图3所示，根据本发明的旋转的激光装置151包括一外壳101和一激光投影器103。在外壳101顶部的中心形成一限定为截锥形的凹状面102。激光投影器103通过凹状面102的中心垂直延伸。激光投影器103具有一安置并悬挂在凹状面102上的球形支架104，使投影器103能自己倾斜。该激光投影器103包括一能够旋转并安装一五棱镜109的旋转机构105。通过由马达106致动的驱动齿轮107和扫描齿轮108旋转该旋转机构105。
旋转的激光装置151具有围绕该激光投影器103设置的两对倾斜机构(仅表示出一对)。每个倾斜机构110包括一马达111，一螺杆112和一螺套113，所有这些元件协同作用以实现倾斜。通过均由马达111提供动力的驱动齿轮114和倾斜齿轮115来转动螺杆112。螺杆112的转动使得螺套113能上下运动。螺套113与激光投影器103通过插入其间的倾斜臂116相连。螺套113的垂直运动又使激光投影器103倾斜。图中未示出的另一对倾斜机构使用与上述倾斜机构110相同的方法，并使投影器103沿与上述倾斜机构110的倾斜方向垂直的方向倾斜。
平行于倾斜臂116的固定探测器118和垂直于倾斜臂116的固定探测器119，处于激光投影器103的中间。其中一个倾斜机构110控制臂116的倾斜，使固定探测器118总处于水平方向。同样，与此同时另一个倾斜机构110能控制固定探测器119，使其总处于水平方向。
现在将描述激光投影器103和旋转机构105。如图4所示，激光投影器103中固定有一激光照射器132和一投影器光学系统，该投影器光学系统包括诸如将来自激光照射器132的入射光线折射成平行光线的准直透镜133的光学元件。通过旋转机构105中的衍射光栅(BOE)134，将投影器的光学系统发射的激光束分束成两个发散或扇形光束152和153。该扇形光束152和153分别被五棱镜109沿水平方向偏转，然后射出投影器窗口131。
如图5所示，衍射光栅(BOE)134a可以处于激光束被五棱镜109偏转之后透射出去的位置上。除了衍射光栅134a的位置以外，图5所示的结构与图4相同。
如从图6可以看出，激光束在透过衍射光栅(BOE)134之后被分束成两个扇形光束152和153。
如已经描述的，激光投影器103发射最初由激光照射器132发射，然后被衍射光栅(BOE)134分束成两个扇形光束152和153的激光束。该激光束分别被五棱镜109沿水平方向偏转，同时旋转旋转机构105，从而产生一参考平面。
(1.2.2)发射偏振彼此不同的两个发散激光束的旋转的激光装置。
下面将描述发射两个不同偏振的扇形激光束的旋转的激光装置。
如后面所述，为了实现高精度测量，使用发射两个不同偏振的扇形激光束的旋转的激光装置是有利的。如从图7中可以看出，旋转的激光装置151a发射两个发散或扇形激光束152a和153a。由于两个光束152a和153a被彼此不同地偏振，故光探测器154a的光接收部分能区别两个扇形光束152a和153a。
如图8所示，除了设置在旋转的激光装置151a中的激光束投影器103和与之相连的旋转机构105a以外，使激光投影器倾斜的装置与图4中的几乎相同。因此，在下面的讨论中，仅说明激光投影器103a和旋转机构105a。
如从图9中可以看出，发射不同偏振的扇形激光束152a和153a的旋转的激光装置151a，包括激光投影器103a和旋转机构105a。用箭头和实线表示透过光学装置的激光束的轨迹，而用箭头和虚线表示激光束的偏振方向。
当激光投影器103a中包含的激光照射器132a为激光二极管时，所产生的激光束呈线偏振。在下文中，假设该激光束沿X-方向偏转，该激光束沿Z-方向发射，并且与X-Z平面垂直的方向为Y-方向。由激光照射器132a发射的激光束被准直透镜133a准直，入射在四分之一(1/4)波片140上。该四分之一波片140的取向为，使来自激光照射器132a的激光束在沿X-方向被线偏振之后，变成圆偏振光。在通过该四分之一波片140以后，该激光束又通过另一个四分之一波片139，然后，沿与X-方向的轴成45°角的方向被线偏振，如图9所示。由于旋转机构105a被旋转支撑，故可改变四分之一波片140与四分之一波片139的相对位置。不过，激光束在通过四分之一波片140之后呈现圆偏振，从而，在穿过四分之一波片139之后，线偏振光的偏转方向不受波片相对位置改变的影响，而由四分之一波片139决定。该激光束通过偏振分束器141。该偏振分束器141反射Y-方向的偏振分量，同时透过X-方向的偏振分量。因此，被四分之一波片139沿与X-方向的轴成45°角方向线偏振的激光束的Y-方向分量被偏振分束器141反射，并偏转90°。该激光束的X-方向分量则通过偏振分束器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，转变成圆偏振光，然后被柱面反射镜136反射。该柱面反射镜136被取向为，使激光束从旋转机构105a射出时与水平面成α角前进。由于被柱面反射镜136反射的激光束再次透过四分之一波片138，从而被沿Z-方向线偏振，然后该激光束可透过偏振分束器141，尔后从旋转机构105a出射。
另一方面，透过偏振分束器141的激光束入射在四分之一波片137上转变成圆偏振光，然后被柱面反射镜135反射。该柱面反射镜135被取向为，使得激光束从旋转机构105a射出时与水平面成β角。由于被柱面反射镜135反射的激光束再次通过四分之一波片137，故被沿Y-方向线偏振，从而该激光束被前一阶段透过它的偏振分束器141反射，并从旋转机构105a出射。
除了柱面反射镜135和136以外，可以用任何具有相同效果的衍射光栅来取代它们。当用衍射光栅来替代时，可以按照需要改变扇形光束的强度分布。水平面附近的扇形光束的光，即使在传播相当远以后，也必然有被光探测器154a接收的足够高的光能。偏离水平面非常远的光，当传播较远时，与地面相接触，或者扩展到一不再能被光探测器154a接收的高度。因此，发散太远的光不必具有高发光能量，因为它处于光探测器154a的灵敏度覆盖的近似范围之外。
该光学系统的特征如下。由于旋转机构105a相对激光投影器103a旋转，故不可避免的会在它们之间发生失配。当激光束在一次反射之后被偏转时，这种失配引起该激光偏转方向的误差。在本实施例中，任一个扇形激光束，在从激光投影器103a发射之后，被旋转机构105a中的偏振分束器141和柱面反射镜135或136两次反射。因此，出射激光束的偏转角仅取决于透过旋转机构105a的偏转角度，而与失配引起的旋转机构105a的不对准无关。因此，没有引起旋转机构105的失配导致的出射光束偏转方向的误差。这就获得与将典型的五棱镜用于该光学系统的情形同样的效果。
(1.2.3)用于确定光探测器相对旋转的激光装置的角位置的装置现在，将在下面描述角位置确定装置，其用于确定光探测器154a相对旋转的激光装置151a的角度位置，或者确定在旋转的激光装置151a射出激光的圆轨迹中光探测器154a处于哪个角位置。此处所述的角位置确定装置还以同样的方式与上述旋转的激光装置151a相结合。
旋转的激光装置151a包括，如图8所示，一发射方向探测机构，或即，一探测所发射激光束的角度的编码器117，和一将所探测的发射角传送给光探测器154a的角度信号发射器123。编码器117探测从旋转机构105a发射的光束的角度。通过角度信号发射器123将所探测的发射角数据连续发送给光接收和探测机构154a。
对于激光投影器103(参见图5)，结合图3中所示的旋转的激光装置151，图10中所示的实施例能确定光探测器的角位置。在该实施例中，利用发射载有角度数据的光的光束投射器172调制发光二极管(LED)或激光二极管，并且根据发散光束152和153改变波长(颜色)，以将提供角度数据的光投射到光探测器154上。
参见图10，由激光投射器172发射的激光束在二向色棱镜(dieclock prism)171处反射，然后被折射成发散光束。发散度取决于准直透镜133与激光投射器172的相对关系。透过准直透镜133的光束，在透过五棱镜109之后于反射镜148上反射，沿与旋转机构的旋转轴垂直的方向投射出旋转机构105。光探测器上接收所投射的光束，确定出角位置。
由激光束投射器132发射的光束透过二向色棱镜171，且被准直透镜133折射成准直光束。该准直光束被二向色反射镜149反射，并被五棱镜109偏转。所偏转的光通过衍射光栅134，且被分束成两个扇形光束152和153。
图11到13表示产生两个发散或扇形光束的其它方法。
图11表示旋转机构105的另一个实施例。如从图11可以看出，入射在四分之一波片139上的圆偏振激光束透过偏振分束器141。透过偏振分束器141的光透过四分之一波片138。所透过激光束的一部分被柱面半反射镜147反射，之后再次透过四分之一波片138。然后该透过四分之一波片138的激光束被分束器141反射，从而，发射出所产生的光束或扇形光束152。柱面半反射镜147被取向为，使扇形光束152以倾角α传播。
透过半反射镜147的光束透过偏振分束器141a，然后入射在四分之一波片137上。在透过四分之一波片137之后，该光束被射到柱面反射镜135上。入射在柱面反射镜135上的光束被反射镜135反射，然后再次透过该四分之一波片。尔后，该光束被分束器141a反射，从而，发射出所产生的光束或扇形光束153。反射镜135被取向为，使扇形光束153以倾角β传播。
图12A，12B表示旋转机构105的又一实施例。如从图12A，12B中可以看出，被导入旋转机构105的光束入射在五棱镜109上。入射在五棱镜109上的光束的一部分被五棱镜109上侧的半反射镜146反射，然后被五棱镜109偏转。柱面透镜145a将所偏转的光束整形成发散光束，从而发射出扇形光束152。柱面透镜145a被取向为，使扇形光束152以倾角α传播。
透过五棱镜109中半反射镜146的光束入射在五棱镜109a上，并且被偏转。柱面透镜145b将五棱镜109a中所偏转的光束整形成发散光束，从而发射出扇形光束153。柱面透镜145b被取向为，使扇形光束153以倾角β传播。
图13A到13C表示产生两个扇形光束152和153的再一实施例。如图13A所示，一柱面棒形透镜144被切成片，将片144a和144b再次组合在一起(参见图13B)。当光入射到该柱面透镜上时，出射光被扩展成两个发散光束或扇形光束152和153(参见图13C)。
(1.3)光探测器(1.3.1)发射两个发散激光束的旋转的激光装置用的光探测器现在将描述用来接收从旋转的激光装置151分别发射的两个发散或扇形光束152和153的光探测器154。如图14和15所示，将用来探测扇形光束152和153的光接收部分155和156安装到光探测器154的外壳164上。外壳164包括一显示器157，一报警器161如蜂鸣器，输入键162，一指针163和一水准尺159。另外，该外壳164包含一存储器165，一用来确定所接收光的状态的算术运算单元166，和一刻度读出器167，以及一角度信号接收单元170。该显示器157给出从水平参考平面到光探测器154的高度，旋转的激光装置151与光探测器154之间的距离，以及光探测器154相对旋转的激光装置151的角位置。
(1.3.1.1)利用光探测器测量角度的原理如上所述，旋转的激光装置151发射发散或扇形光束152和153，同时围绕中心C旋转。如图3所示，与水平面成角度β发射出扇形光束152。扇形光束152与水平面的交线，和扇形光束153与水平面的交线成角度δ。在这样一种条件下旋转这两个扇形光束152和153，从而这些发散光束以某一时间延迟相继扫过光探测器154的光接收部分。
当光探测器154中的光接收部分处于水平面中的位置A时，可以将光探测器154所探测的光表示如图16A中所示。另外，当光接收部分156处于从位置A垂直向上平移的位置B时，结果可以如图16B所示探测扇形光束。如图16A所示，现在假设当光接收部分处于点A，并且旋转的激光装置151以周期T旋转时，以延迟时间t0相继探测扇形光束，则下式(1)给出两个光束的探测之间的时间延迟t0=Tδ2π----(1)]]>当光接收部分156处于任意高度的位置B时，从一个探测到另一个探测的时间延迟t正比于∠BCA＝γ，γ是通过光接收单元156的位置B和激光束发射点C的直线与水平面所成的角度，从而，当γ取较大的值时，时间延迟t较大。因此，确定位置B处的时间延迟t，可以由下面的公式(2)和(3)表示由通过位置B和点C的直线与水平面限定的角度γγ=t-t0T(12πtan(π-β)+12πtan(α))----(α)]]>γ=(t-t0)πtan(α)T]]>(其中，特殊条件下，π-β＝α)(3)可以由算术运算单元166计算γ的值，其中从两个扇形光束152与153依次扫过光接收部分时两时间之间的延迟和旋转的激光装置151的旋转周期T通过算术运算得到角度γ，并且由显示器157显示出计算结果。
下面将讨论旋转的激光装置151发射两个在水平面内彼此相交的扇形光束的情形，或者图3中的角度δ等于0°条件下的情形。在图17中进行说明。
当光探测器的光接收部分处于水平面中的位置A时，两个旋转扇形光束152和153同时扫过光探测器154，表示成t0＝0。因此，∠BCA＝γ，γ是通过任意高度的位置B和点C或旋转的激光装置中心的直线与水平面所成的角度，可通过将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，特殊条件下，π-β＝α)(5)如从公式(4)和(5)看出，α和β为常数，从而，角度γ被表示成旋转的激光装置151的旋转周期T和两个扇形激光束的探测之间的时间延迟的函数。如果旋转激光器151的旋转有些不规律，这导致预定旋转周期T的误差，或者如果在单次旋转中发生某种不规律性，而不存在预定旋转周期T的误差，则探测之间的时间延迟t也具有误差，这导致计算出具有误差的γ。在两个扇形光束152和153在水平面中彼此相交的水平面的测量中，如图17所示，对于给定的γ＝0，满足t＝0，并且不规律旋转所导致的误差将不影响测量。
在实际的建筑工地中，常常将水平面用作参考平面，图17中与水平参考平面中测量有关的误差被最小化的结构，比图1中扇形光束152和153在水平面中彼此不相交的结构更好。
可以将上述通过光探测器154测量角度的原理应用于被设计来接收不同偏振扇形光束152a和153a的光探测器154a中。
(1.3.1.2)利用光探测器中的两个光接收部分测量角度的原理下面将讨论通过光探测器154的两个光接收部分测量角度的原理。用两个光接收部分，可得到光探测器154与旋转的激光装置151的相对高度，以及它们之间的距离。如图18所示，在光探测器154中垂直地顺序设置光接收部分。
发射两个发散或扇形光束152和153，使它们在水平面中彼此相交，并且光束152与水平面成角度α进行圆扫描，光束153以与水平面成角度β进行圆扫描。光接收部分155和156以垂直间隔D相互间隔。在上述条件下旋转两个扇形光束152和153，因此，光探测器154中的光接收部分155和156探测扇形光束152和153分别扫过光探测器154时时间之间的延迟，如图19中所示。
根据用这种方法探测出的时间延迟t1，t2，t3和T，以及常数α，β和D，由下面的公式(6)给出光接收部分155距离水平参考平面的高度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)]]>现在假设，γ2为通过光接收部分155和扇形激光束的发射点C的直线与水平面所成的角度，而γ1为通过光接收部分156和点C的直线与水平面所成的角度，从公式(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，利用项γ2，γ1，d1和d2表示从旋转的激光装置151到光探测器154的距离LL=d1tan(γ1)----(10)]]>L=d2tan(γ2)----(11)]]>将公式(6)到(9)代入公式(10)和(11)，得到下面的公式(12)和(13) 虽然公式(12)或者公式(13)均能给出从旋转的激光装置151到光探测器154的距离，不过对于给定的t2-t1＝0，在公式(12)中存在除以零的运算，对于给定的t3＝0，在公式(13)中存在另一个除以零的运算，在任一种情况下，可以使用不包括这种运算的公式。
然后，参见图20，将模拟光探测器154仅倾斜ε角的情形。在这种情形中，利用时间延迟t1，t2和t3以及旋转周期T来校正倾斜，由此，可以得到光探测器154与旋转的激光装置151的相对高度，以及它们之间的距离。
在α+ε＜90°的条件下，按照与图19中所示相同的过程，在光探测器154的光接收部分155和156处探测扇形光束。根据给定的时间延迟t1，t2和t3，旋转周期T，常数α和β，以及两个光接收部分155和156之间的距离D，通过下面的公式(14)和(15)可以得到从水平参考平面到光接收部分155和156的垂直距离d1和d2d1=cos(ϵ)·D(t2-t1)(t3-t2+t1)----(14)]]>d2=cos(ϵ)·D(t2-t1)(t3-t2+t1)+D----(15)]]>通过下面的公式(16)得到光探测器154的倾角εϵ=tan-1((t3-t2)tan(π-β)-t1tan(α)(t3+t1-t2)tan(α)tan(π-β))----(16)]]>通过将公式(14)，(15)，(8)和(9)中给出的d1，d2，γ1和γ2代入公式(10)和(11)，得到距离L。
参照图21和22，下面将讨论光接收部分155和156被相继水平设置，以探测扇形光束的情形。
发射两个扇形光束152和153，使得它们在水平面内彼此相交，并且光束152以与水平面成角度α进行圆扫描，光束153以与水平面成角度β进行圆扫描。光探测器154包括两个以间隔D彼此水平间隔设置的光接收部分155和156，以探测扇形光束。
在上述条件下旋转的扇形光束，当它们扫过光探测器154中的光接收部分155和156时被探测，如图22所示。根据用这种方法探测到的时间延迟t1，t2，t3和T，和常数α，β和D，可由下面的公式(17)给出从旋转的激光装置151的旋转中心C到光探测器154的光接收部分155和156的水平距离L=DTπ(t3-t2-t1)----(17)]]>其中，t1＝t3-t2。
通过将公式(10)和(11)变形成下面的公式(18)和(19)，分别给出从水平参考平面到光接收部分155和156的距离d1和d2d1＝Ltan(γ1) (18)d2＝Ltan(γ2) (19)将公式(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)]]>对于给定的γ20和γ10，满足tan(γ)γ，从而，下面的公式(22)和(23)正确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)]]>在获得d1，d2和ε的公式(14)，(15)，(16)，(22)和(23)中，没有一个项的运算元素包含旋转周期T。这表明即使旋转的激光装置151的旋转是不规律的，并且预定旋转周期T包括误差，测量结果也不受这种误差的影响。从而，当在两个扇形光束152和153扫过光探测器154中的光接收部分155和156的短时间内不产生可能影响时间延迟t1，t2和t3的旋转不规律性时，可以实现无误差测量。
可以将这种测量角度的原理应用于光探测器154a接收的不同偏振的扇形光束152a和153a。
(1.3.1.3)测量光探测器位置的原理当光探测器154具有单个光接收部分或者两个彼此水平间隔设置的光接收部分，并且两个扇形光束在水平参考平面中彼此相交时，时间延迟的探测不足以识别两个垂直对准且与水平参考平面等间距的位置。在这种情况下，为了获悉光探测器154位于水平参考平面上面或下面哪一侧，必须上下移动光探测器154以检查接收光的状态。具体来说，如果向上移动光探测器引起时间延迟增大，则光探测器154在水平参考平面之上，而如果向下移动光探测器引起时间延迟减小，则光探测器154在水平参考平面之下。当有两个或多个分别在不同高度彼此间隔设置的光接收部分时，有可能不通过上述过程而判断出该光探测器处于水平参考平面的上面还是下面。当使用诸如偏振方向和频率的特征来识别两个扇形光束152和153时，取决于哪个扇形光束首先被探测，单个光接收部分或两个水平间隔设置的光接收部分均能识别光探测器处于水平参考平面上面还是下面。
(1.3.1.4)发散光束的探测之间为短延迟时的测量原理如上所述，根据测量结果和对两个扇形光束扫过光探测器154时的时间之间的延迟t的算术运算，可计算出光探测器与旋转的激光装置151的相对高度、其间的距离和光探测器的倾角。当光接收部分用较长时间延迟接收两个扇形光束152和153时，如图23A所示，延迟t的测量结果更加精确。相反，当两个扇形光束152和153的探测之间的时间延迟很短时，并且另外，当接收光所产生的信号彼此干扰时，不可能精确地确定延迟。从而，根据各自的偏振来区别两个扇形光束所产生的信号，并且分别识别信号，如果时间延迟较短的话有可能获得精确的时间延迟。
(1.3.2)发射两个不同偏振的发散激光束的旋转的激光装置用的光探测器现在将讨论用于接收两个不同偏振的发散或扇形激光束152a和153a的光探测器154a。将详述根据其各自不同的偏振来识别激光束的装置的结构。其他元件，以及确定光探测器与旋转的激光装置的相对高度和确定它们之间的距离的原理，与上述光探测器154相同。
图24A为光探测器154a的正视图，而图24B为沿图24A中线A-A所取该光探测器的剖面图。如图24A，24B所示，光探测器154a的光接收部分155a包括光接收元件155b和155c，和一设置在它们前面的偏振分束器168，而光接收部分156a包括光接收元件156b和156c，以及一设置在它们前面的偏振分束器169。取决于入射光的偏振方向，偏振分束器168和169透过或反射激光束。光接收元件155b和156b用于所反射的光，而光接收元件155c和156c用于所透过的光，从而，可以确定该入射光的偏振方向。这样，如果两个扇形激光束152a和153a以较短的时间延迟相继入射在光接收元件155a和156a上，则光接收元件155b和156b探测扇形光束152a，光接收元件155c和156c探测扇形光束153a，从而，可以精确地确定时间延迟。
另外，可以将一四分之一(1/4)波片(未示出)加到旋转的激光装置151a光路轨迹的端部，以发射圆偏振激光束，同时可以将另一个四分之一波片(未示出)设置在光接收部分155和156中偏振分束器168和169前面，使得如果倾斜光探测器154，则分束器168和169能精确地分束两个扇形光束。
(1.3.3)光探测器相对旋转的激光装置的角位置的测量光探测器154具有角度信号接收单元170(参见图15)，其连续地接受设置在旋转的激光装置151中的角度信号发射器123(参见图3)发送的有关发射角的数据。利用光探测器154接收到扇形光束152和153时非常场合接收的发射角度数据，确定光探测器154相对旋转的激光装置151的角位置。可以将这种通过角度信号接收单元170确定角位置的方法完全相同地应用于接收两个偏振彼此不同的扇形光束的光探测器154a(参见图24A，24B)。
并且，为了确定光探测器154相对旋转的激光装置151的角位置，可以设置另一位置探测器，由它给出表示旋转的激光装置151与光探测器154的相对位置的方向。例如，该位置探测器可以是GPS(全球定位系统)接收器，且此GPS寻找在该水平面中光探测器154相对旋转的激光装置151的角位置。至于相对高度，根据本发明的上述方法应该是有利的，因为GPS所保证的精度相当差。可以以完全相同的方式将通过位置探测器进行的角位置测量应用于发射两个不同偏振扇形激光束的光探测器154a。
将描述图10中所示的另一实施例，它发射代表一旋转角度信号的激光。激光投射器172以激光出现的图案发射激光，从而发射载有有关角位置数据的信号。例如，图25中所示的信号为一系列参考信号S1和数字信号S2，后者根据角位置的数字编码而闪烁。以同样的间隔间歇发射参考信号S1，同时数字信号S2以代表数字编码的图案闪烁。数字编码是编码器117(参见图3)探测并数字化编码的角位置。
在本实施例中，光探测器154a具有一接收载有角度信息的光的光探测机构。该光探测机构包括一彩色滤波器，仅接收代表某个角度信息的激光束，从不受扇形激光束152a和153a的影响。接收代表角位置的信号的光探测器154a，使用数字信号获得角位置。不过，仅给出角位置的粗略值，因为以某一间隔间隙发送数字信号。从而，利用两个扇形光束152a与153a和参考信号S1的探测时的时间延迟，对位置信息进行内插，以便确定更加精确的角度。
不必在激光投射器172发射激光束的同时探测扇形光束152a和153a。例如，旋转的激光装置和激光投射器172可以沿不同方向发射其各自的激光束，即扇形光束152a和153a以及载有角度信号的光束。在这种情形中，利用扇形光束152a和153a与参考信号S1的探测之间的时间延迟来计算角度。在这种情况下，扇形光束152a和153a与激光投射器172的激光束波长(颜色)可以相同，并且扇形激光束152a和153a与载有角度信息的激光可以共享光接收部分。
此外，用于发送角度信息的激光必须具有足够大的覆盖扇形光束152a和153a可以被探测的整个范围的发散角，来确定位置。
(1.3.4)具有单个光接收部分的光探测器可以省略光探测器154或154a中任一个。在这种情形中，在用具有单个光接收部分的光探测器进行一次测量之后，将光探测器移动距离D，然后进行第二次测量。将进行两次测量的两个数据当作光探测器中两个光接收部分得到的探测结果，并在同样测量原理的基础上进行随后的过程。从水准尺159上的刻度160和外壳164上标志的指针163显然可以得出光探测器154已经移动的距离D。在距离D被外壳164中所包含的刻度读出器167读出之后，传送给算术运算单元166，确定所接收的光的状态，然后与其他测量结果一起用于算术运算。除了光探测器具有单个光接收部分以外，该光探测器的其余元件和特征均相同。
(1.3.5)具有三或更多个光接收部分的光探测器装置或者，在光探测器154或154a中具有三或更多个光接收部分。除了光接收部分的数量以外，该实施例被构造成与上述光探测器相同。在这种情况下，如果如结合图23A到23C所说明的，在一个光接收部分中发生从两个扇形光束得出的信号的干扰，那么在其余的两或更多个光接收部分中不会同时发生信号干扰。因此，放弃在引起干扰的光接收部分处进行的测量，如果不能根据其各自的偏振来识别两个扇形光束，则改为使用其余光接收部分处的测量来实现精确的确定。
图26A到26F表示全方向光探测器154b的一个实施例。如从图26A可以看出，全方向光探测器154b包括一个杆180，三个光接收部分155d、155e和155f，以及一光探测控制器177。三个光接收部分155d、155e和155f彼此等距离的分别固定到杆180上，并且光探测控制器177固定到杆的下部。如图26B到26D所示，每个光接收部分155d、155e和155f具有一环形菲涅耳透镜176，一环形光纤板(an annularfiber sheet)175，和一环形链接的光接收元件173，并且这些元件均同心设置。在环形链接的光接收元件173内，为一光接收元件控制器174。如图26E和26F所示，该光探测器控制器177具有一显示器157，一诸如蜂鸣器的报警器161，输入键162，一存储器165，一用来确定所接收的光的状态的算术运算单元166，一角度信号接收单元170，和一用于外部通信的发射器178。该光探测器控制器177可以通过发射器178与一外部计算机相连。在外部计算机179上可以执行多种任务，如数据输入、测量结果的显示、测量结果的后续处理等。
当扇形激光束扫过任一光接收部分时，圆柱形菲涅耳透镜通过光纤板175将入射光聚焦在光接收元件173上。一接收到光，光接收元件173就将光产生的信号发送给光接收元件控制器174。安装在光接收部分155d、155e和155f任一个中的光接收元件控制器174将该信号传送给光探测器控制器177。当光探测器154工作时，光探测器控制器177处理该信号。
(1.4)位置确定装置的操作(1.4.1)利用旋转的激光装置和光探测器测量位置的过程(1.4.1.1)利用具有两个光接收部分的光探测器的测量将描述利用旋转的激光装置151和光探测器154确定三维位置的过程。
利用图27所示的信号处理过程，进行三维位置测量。首先，光接收部分155和156接收旋转的激光装置151发射的扇形光束152和153。光接收部分155和156在探测光束时，产生如19所示的信号。该信号被传送给光探测器154中的算术运算单元166，分别计算出时间延迟t1，t2和t3。在向确定所接收光状态的算术运算单元166发送信号时，将代表被探测光束的信号发送给角度信号接收单元170。从角度信号接收单元170接收该信号，保存此时从旋转的激光装置151接收的角度信号。该角度信号代表该水平面中旋转的激光装置151与光探测器154的相对角度Ψ。
算术运算单元166利用公式(16)，根据扇形光束152和153的倾角α和β，以及时间延迟t1，t2和t3，计算光探测器154的倾角ε，并且利用公式(8)和(9)计算通过扇形光束的发射点C和光接收部分155的直线与水平参考平面所成的角度γ1，以及通过点C和光接收部分156的直线与水平参考平面所成的角度γ2。该算术运算单元166还使用公式(14)和(15)，根据保存在存储器165中的光接收部分155与156之间的距离D、时间延迟t1，t2和t3，以及预先计算出的倾角ε，计算从水平参考平面分别到光接收部分155和156的距离d1和d2。最后，使用公式(10)和(11)，根据预先计算出的角度γ1和γ2以及垂直距离d1和d2计算从中点C到光探测器154的距离L。
将用这种方法获得的计算结果Ψ，d1，d2和L传送并显示在显示器157上，从而，可以确定旋转的激光装置151与光探测器154的三维相对位置。
(1.4.1.2)利用具有单个光接收部分的光探测器的测量在利用单个光接收部分的实施例中，在进行第一次测量之后，光探测器154在水准尺159上从初始位置滑动距离D，进行第二次测量。
如图14所示，光探测器154的外壳164通过使用固定旋扭158而可滑动地固定到水准尺159上。印刷或者标志在外壳164中的指针163和水准尺159帮助了解水准尺159与外壳164的位置关系。通过设置在光探测器154的外壳164内的刻度读出器167，算术运算单元166可以得出水准尺159与光探测器154的位置关系。
距离D或者两次测量过程中光探测器的位移可以由刻度读出器167读出，并传送给算术运算单元166。根据所接收光的数据和第一和第二次测量过程中所确定的距离D，利用上述过程计算光探测器154的位置。
(1.4.1.3)利用具有三或更多个光接收部分的光探测器的测量在具有三或更多个光接收部分的另一实施例中，它们中的三个同时接收扇形光束。然后，在所接收的数据中，选择两组特征在于没有由于所探测扇形光束之间足够长的延迟所导致的信号干扰的数据。在选择两组接收光的数据之后，用与图27所示完全相同的过程进行计算。不过在这种情形中，将两个所选择的光接收部分之间的距离D用于计算。
另一个旋转的激光装置151a发射两个不同偏振的激光束，且另一个光探测器154a能区别彼此不同偏振的扇形激光束。从而，如果激光束的探测之间的时间延迟较短，则可以实现高精度的测量。在这种情形中，测量过程与上述实施例相同。
(1.4.2)其它测量过程将参照图28描述位置确定装置的其他实施例。位置确定装置的操作员在输入键162上输入想要的或所需的参考平面或参考锥形面(conical surface)。根据参考平面的输入数据，在算术运算单元166中计算所需参考平面中的二维坐标，并将结果保存在存储器165中。然后，致动旋转的激光装置151，使扇形激光束152和153扫过光探测器154。光探测器154中的算术运算单元166，使用有关扇形光束探测之间的时间延迟的数据，通过上述过程计算三维位置坐标分量，Ψ，d1，d2和L。该计算结果被传送给比较器，将它们与预先计算并保存在存储器165中的所需参考平面的坐标进行比较。如果那些坐标相同，诸如蜂鸣器的报警装置161发出信号，使操作员知道比较结果。由此，该操作员获悉光探测器154是否处于所需的参考平面中。发出指令，令显示器显示所需参考平面与光探测器154当前位置的差，便于寻找任何预置平面。从而，可以通过处于感兴趣地形区域中心的旋转的激光装置，产生任意梯度的圆锥形参考面，任何斜度的参考平面以及任何高度的水平面。
如上所述的测量过程在其他其中光探测器发射两个不同偏振的扇形激光束并且光探测器具有三或更多个光接收部分的应用中同样有效。
(1.5)本发明位置确定装置的其他优点在现有技术旋转的激光装置中，仅确定光接收部分是位于激光束指向的水平面中或者处于给定的斜面中，因而，单个激光投影器不足以同时产生两个或更多不同平面。相反，根据本发明的位置确定装置中所使用的旋转的激光装置，能够确定与扇形激光束相关的高度，从而，同时使用不止一个光探测器154，能够在激光束的一次圆扫描中，按照需要探测几个任意高度的参考位置。因此，在建筑工地的应用中，单个旋转的激光装置允许在同一工作区域内几个位置中执行任务；也就是，能使不止一个建筑机械同时执行多个任务，找平地面。另外，由于同一旋转的激光装置能控制不止一个建筑机械，故可以避免由于其他激光装置的干扰导致的建筑机械所不需要的操作或故障，这是有利的。
在采用现有技术的旋转的激光装置的位置确定装置中，仅确定光接收部分是位于激光束指向的水平面中或者处于给定斜面中，因而，单个激光投影器不足以同时找平两或更多个不同平面区域。相反，根据本发明的位置确定装置中所使用的旋转的激光装置，能够确定与扇形激光束相关的高度，因此，能够在激光束的一次圆扫描中，使均具有光探测器154的不止一个建筑机械同时在多个位置将地面找平成所需的任何高度。
而且，使用根据本发明的位置确定装置，不仅水平表面的地面，而且可以很容易并且可靠的找平斜面或等高线，无需工人的专门技能。另外，由于同一旋转的激光装置控制不止一个建筑机械，故可以避免由于其他激光装置的干扰导致的建筑机械的所不需要的操作或者故障，这是有利的。
(2)实施例2在下面的讨论中，将强调本发明第二最佳实施例相对第一实施例的改变或更改点。因此，此处所省略的任何特征和细节均已在第一实施例中进行了讨论。
(2.1)位置确定装置的整体结构在根据本发明的第二最佳实施例中，如图29所示，该位置确定装置200具有一旋转的激光装置251和一光探测器254。该旋转的激光装置251发射扇形光束252和253，同时围绕中心点C旋转，该光探测器254探测扇形激光束252和253。扇形光束的发射角以及其他要素均与第一实施例相同。
(2.2)图30表示发射不同波长的扇形激光束的本发明第二最佳实施例中的旋转的激光装置251。在本发明的第二最佳实施例中，除激光投影器203和其旋转机构205以外的元件与第一实施例中的相同。用在后两个数字前面加上前缀2而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的图30中所示的所有其余元件。
虽然在第一实施例中使用两个不同偏振的扇形光束，但在第二实施例中使用不同波长的两个扇形光束。
在第二实施例中，在从该旋转的激光装置发射之前，将两个扇形光束252和253被调制成波长彼此不同，使得它们可以相互区别。通过这种方法，可以获得与使用两个不同偏振的扇形激光束所得到的相同的效果。
图31表示根据本发明的旋转的激光装置251中的激光投影器203和旋转机构205。如图31所示，激光投影器203采用两个激光照射器232和243，发射不同波长的光。当激光照射器232和243为激光二极管时，所发射的激光束是线偏振的。在图31中，用虚线表示激光照射器232发出的激光束的偏振方向，用点划线表示激光照射器243发出的激光束的偏振方向。两激光束被引导到偏振分束器242中。偏振分束器242透过激光照射器232发出的沿X-方向偏振的激光，并反射激光照射器243发出的沿垂直于X-方向的Y-方向偏振的激光。从偏振分束器242透过或反射的激光束，在由共享的准直透镜233准直之后，入射在四分之一(1/4)波片240上。该四分之一波片240被取向为，使来自激光投影器203的激光束为彼此反向的圆偏振。透过该四分之一波片240的激光束，在入射在四分之一波片239上之后被线偏振。
虽然旋转机构205被旋转支撑，不过这不影响从中发射的激光束，因为它们是圆偏振的，并且透过另一四分之一波片239的光束呈线偏振，其方向由四分之一波片239决定。透过四分之一波片239的激光束入射在偏振分束器241上。偏振分束器241反射来自激光照射器232的激光束，并透过来自激光照射器243的激光束。
被反射的激光入射在四分之一波片238上，被圆偏振，然后被柱面反射镜236反射。该柱面反射镜236被取向为，使旋转机构205发出的激光束与水平面成角度α。从柱面反射镜236反射的激光束再次通过四分之一波片238，射出时，所产生的光沿与入射在该波片上的光旋转90°的方向偏振。因此，在透过四分之一波片238以后，该激光透过偏振分束器241，然后被从旋转机构205投射出去。
透过偏振分束器241的激光，在入射在四分之一波片237上之后被圆偏振，然后从柱面反射镜235反射。该柱面反射镜235被取向为，使从旋转机构205投射出的激光束与水平面成角度β。从柱面反射镜235反射的激光束，再次通过四分之一波片237，射出时，所产生的光沿与入射在该波片上的激光旋转90°的方向偏振。这样，该激光在透过四分之一波片237之后，被偏振分束器241反射，然后被从旋转机构205投射出去。
该偏振分束器242可以是二向色反射镜(die clock mirror)。
(2.3)光探测器图32A为正视图，表示本发明第二实施例中的光探测器254，图32B为沿图32A中线A-A所取的剖面图。除了根据不同波长识别光的光接收部分以外，所有元件与第一实施例中的相同。用在后两个数字前面加上前缀2而不是1的附图标记来表示相当于第一实施例中对应物的图32A，32B中所示的所有其余元件。
如图32A，32B所示，第二实施例中的光探测器254根据各自的波长来识别和区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分别具有时钟衰减反射镜268和269，它们取决于入射激光束的波长而透射或反射激光。光接收部分255c和256c用于透过时钟衰减反射镜268和269的光，而光接收部分255b和256b用于从该反射镜反射的光，从而区别入射激光的波长。
(2.4)位置确定装置第二实施例的操作可以不加改变和变型地将根据本发明第一实施例中所解释的测量过程应用于本发明第二实施例，也就是位置确定装置200中。
(3)实施例3在下面的讨论中，将强调本发明第三最佳实施例相对第一实施例的改变或变更点。因此，此处所省略的任何特征和细节已经在第一实施例中进行了讨论。
(3.1)位置确定装置的整体结构将概述根据本发明的位置确定装置的第三实施例。如图33所示，第三最佳实施例，即位置确定装置300，包括一旋转的激光装置351和一光探测器354。该旋转的激光装置351围绕点C旋转，同时发射发散或扇形光束352和353，该光探测器354接收扇形光束352和353。诸如扇形光束的发射角的细节均与第一实施例相同。
(3.2)发射两个被调制成不同频率的扇形激光束的旋转的激光装置图34中表示出第三最佳实施例，即旋转的激光装置351。除了激光投影器303和旋转机构305以外，其他所有元件均与第一实施例中的相同。在第三实施例中，用在后两个数字前面加上前缀3而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的图33中所示的所有其余元件。
虽然在第一实施例中使用不同偏振的两个扇形光束，不过在第三实施例中使用被调制成不同频率的两个扇形光束。
在第三实施例中，从旋转的激光装置351发射的两个扇形光束352和353被调制成频率不同，使得可以彼此区别两个光束。照这样进行改变，可以获得与使用两个不同偏振的扇形光束所得到的相同的结果。
图35中表示出该旋转的激光装置351的激光投影器303和旋转机构305。如从图35中可以看出，激光投影器303具有可发射调制成不同频率的光束的两个激光照射器332和343。当激光照射器332和343为激光二极管时，它们发出的激光束是线偏振的。在图35中，用虚线表示激光照射器332发射的激光的偏振方向，用点划线表示激光照射器343发射的激光的偏振方向。对来自激光照射器332和343的激光进行投影的光学系统与第二实施例相同。
(3.3)光探测器图36A为正视图，表示本发明第三实施例中的光探测器354，图36B为沿图36A中线A-A所取的剖面图。除了根据不同频率来识别光的光接收部分以外，所有元件与第一实施例中的相同。用在后两个数字前面加上前缀3而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的图36A，36B中所示的所有其余元件。
如图36A，36B所示，第三实施例中的光探测器354具有一算术运算单元366，其判断所接收的光的状态，并且用于根据其各自的频率，识别和区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分别具有根据入射激光束的频率而透过或反射激光的分束器368和369。光接收部分355c和356c用于透过分束器368和369的光，而光接收部分355b和356b用于从分束器反射的光，从而区别入射激光的频率。
(3.4)位置确定装置第三实施例的操作可以不加改变和变型地将本发明第一实施例中所解释的测量过程应用于本发明第三实施例，也就是位置确定装置300中。
(3.4.1)发散光束的调制和被调制光束的探测将描述两个发散或扇形光束352和353的调制方式。如图37所示，两扇形光束被调制成以彼此不同的频率出现。图38表示光接收部分上分别探测的扇形光束352和353的例子。扇形光束的闪烁周期必须彼此具有足够的不同，以便相互区别该扇形光束。与扇形光束352和353扫描光探测器354中光接收部分355和356所需的时间周期t0相比，闪烁周期必须足够短。光接收部分上接收的扇形光束352和353的探测信号被处理成图38中虚线所表示的扩展波，以便获得扇形光束352和353的探测之间的时间延迟t0。
该光探测器具有一调制频率确定电路，并且可分别地探测扇形光束352和353。调制频率确定电路计算在预定时间周期内探测到的每个激光束的脉冲数，以确定用来识别两个扇形光束的调制频率。根据探测来区别两个扇形光束352和353，使得即使光探测器仅具有一个光接收部分，也能够通过单次测量来判断光探测器处于水平参考平面上面还是下面。
或者，如图39所示，可以将扇形光束352和353调制成交替照射。用这种方式调制，如果以较短时间延迟依次探测两个扇形光束，能如图40所示进行区别，可以精确地确定该时间延迟t0。
又或，可以应用图37和39中组合调制特征的调制。具体来说，如图41所示，首先将扇形光束352和353调制成交替照射，然后在扇形光束继续照射的部分周期中进一步调制成闪烁。与闪烁范围周期的一部分重叠的交替照射的周期，在两个扇形光束352和353之间交替。用这种方式调制，两个扇形光束352和353可彼此区别，能够确定光探测器处于水平参考平面上面还是下面。而且，如果时间延迟t0较短的话，可以精确确定两扇形光束探测之间的时间延迟t0。
(4)其它实施例(4.1)扇形光束的改变虽然在所有上述实施例中，详细描述了发射两个扇形光束的旋转的激光装置，不过可以用同时发射三或更多个扇形激光束的另一旋转的激光装置来实现位置确定装置。在这种情况下，适当地选择两个扇形光束用与上述实施例完全相同的方式进行测量。
图42A到42J举例表示扇形光束的发射图案。图42A到42J表示从光探测器一侧观看的扇形光束的横截面，其中点划线表示水平参考平面。根据上述实施例，图42C到42J表示三或更多个扇形光束的多种发射图案。扇形光束与水平参考平面的交线最好彼此等间距隔开。对于图42A到42C中的发射图案，当光探测器处于水平面中时，扇形光束不相重叠，从而，可以精确地确定探测中的时间延迟，不用将扇形光束调制成彼此不同的偏振。
并且，当按图42C到42G和图42I以及图42J的图案进行发射时，如果考虑在水平面中的话，用彼此相等的时间延迟依次连续地探测三个扇形光束，这就是寻找水平参考平面很便利的原因。并且，如上所述，可以在所有光束之中适当选择两个扇形激光束，用与上述实施例完全相同的方式进行测量；也就是，由于两个时间延迟的比值可能仅与光探测器相对水平面的角位置的一种组合相关，故找出一个时间延迟与另一个的比值，能立即得出光探测器相对水平面的角度。当仅考虑两个扇形激光束时，需要旋转周期T来获得角度，不过在使用三个或更多扇形光束时不再需要。这证明，上述实施例可以获得精确的测量，不受旋转的激光装置旋转误差的影响。
如图42H所示的图案，连续探测四个扇形光束，产生从一次探测到另一次探测的三个时间延迟，并对它们求平均，结果提高了测量精度。如图42I和42J所示将光束图案化，光探测器的灵敏度从探测水平面附近的光到探测其他区域的光发生变化。例如，虽然光探测器与水平面的较小偏离导致在水平面附近的探测之间时间延迟的较大改变，但在远离水平面的高度上光探测器的垂直位移对延迟的影响不大。这样，可以根据光探测器上的探测之间的时间延迟精确地探测水平参考平面。在本说明书中，将扩展成弯曲或皱褶平面的激光束(如图42I和42J中间的激光束)称作扇形光束。对于弯曲或皱褶的扇形光束，该扇形激光束的倾角是通过该弯曲或皱褶面上任意一点的切线的倾角。
通过重复上述根据用于图42C到42H中发射图案的任意两个扇形光束的计算过程，在所接收的扇形光束的基础上执行找出距离水平参考平面的高程的计算。对于图42I和42J中的发射图案，适当改变该计算过程，可获得距离水平参考平面的高程。
如图6所示，通过在发射扇形光束的光学系统中的光路上设置一适当的衍射光栅来实现所有这些发射图案。没有衍射光栅，也可以产生上述发射图案。图43表示产生如图42C所示图案化的扇形光束的旋转的激光装置其激光投影器403和旋转机构405的实施例。在图43中，用在后两个数字前面加上前缀4而不是1的附图标记来表示与第一实施例中对应物相应的所有其余元件。激光束在从激光照射器发射之后，通过准直透镜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，其一部分透过它，且透过四分之一波片437并被柱面反射镜435反射，之后，再次透过四分之一波片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，从而，与水平参考平面成β倾角投射出扇形光束453。
另一方面，从四分之一波片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，在经过它之后透过偏转棱镜460，然后被柱面反射镜436反射。该柱面反射镜436被取向为，使它投射出垂直发散的扇形光束。被柱面反射镜436反射的激光束再次进入偏转棱镜，并形成两个垂直发散的扇形光束。该扇形光束透过四分之一波片438和分束器441，从而投射出扇形光束452a和452b。
参照图44，现在将讨论发射如图42C所示图案化的发散或扇形光束的旋转的激光装置其激光照射器和旋转机构的改变或变型实施例。本实施例的激光投影器503包括一激光照射器532和一准直透镜533。本实施例的旋转机构505具有三个等放大率的扩束器562a、562b和562c，三个柱面透镜564a、564b和564c，和三个反射镜566a、566b和566c。
由激光照射器532发射的激光被准直透镜533准直。透过准直透镜533的激光入射在旋转机构505的三个等放大率的扩束器562a、562b和562c上。入射在等放大率扩束器562上的激光束以预定比率倾斜。透过等放大率扩束器562a、562b和562c的激光束，分别被柱面透镜564a、564b和564c分束和扩展成扇形光束553、552b和552a。从柱面透镜564a、564b和564c射出的扇形激光束分别被反射镜566a、566b和566c反射，并且分别沿与旋转的激光装置的旋转轴正交的方向投射出去。
在这种情况下，由于激光在透过等放大率扩束器562之后被反射镜566反射一次，则该激光束的偏转角仅依赖于透过旋转机构505的偏转角。从而，扇形光束553，552b和552a的发射方向不受激光照射器503与旋转机构505之间失配的影响。在某些应用中，为了屏蔽并非激光投影器503发射的激光束进入等放大率扩束器562，可以在等放大率扩束器562下设置一遮光框(未示出)。或者，为了屏蔽并非激光照射器532发出的激光束进入准直透镜533，可以在激光照射器532与准直透镜533之间设置一遮光框(未示出)。
参照图45和46，下面将描述发射如图42C所示图案化的扇形激光束的旋转的激光装置其激光照射器和旋转机构的另一改变或变型实施例。本实施例的激光投影器603包括一激光照射器632和一准直透镜633。本实施例的旋转机构605具有一有三个孔径672a、672b和672c的遮光框672，一对通过遮光框672的激光进行偏转的五棱镜674，固定到五棱镜674上以将光束扩展成发散扇形形状的柱面透镜675和676，以及对来自五棱镜674的激光束进行偏转和准直的楔形棱镜678。
由激光照射器632发射的激光被准直透镜633准直。透过准直透镜633的激光入射在旋转机构605中的遮光框672上。该激光束在通过遮光框672中的孔径672a以后，入射在五棱镜674上，并且在其中被偏转。在图46中，来自孔径672a的激光束直接入射在五棱镜674的底部，且由该五棱镜将光束偏转90°，以从其竖直面射出。激光入射在与五棱镜674的竖直面相连的柱面透镜676上，其被扩展成与水平面成预定倾角的扇形光束653。另一方面，穿过孔径672b和672c的激光，入射在与五棱镜674的底部相连的柱面透镜675上，所产生的分离激光束被扩展成发散扇形形状，然后在五棱镜674中被偏转90°。激光束被引导到与固定在五棱镜674竖直面上的柱面透镜676的下部相连的楔形棱镜678上，然后被水平偏转，从而，投射出扇形光束652a和652b。
在这种情况下，激光束在五棱镜674中分别反射两次，激光束被偏转的角度仅取决于透过该五棱镜674时的偏转角。从而，扇形光束653、652b和652a的发射方向不受激光投影器603与旋转机构605之间失配的影响。在某些应用中，为了阻挡并非激光照射器632所发射的激光束进入准直透镜633，可以在激光照射器632与准直透镜633之间设置一遮光框(未示出)。
(4.2)位置确定装置的其它改变和变型已经描述了位置确定装置的多个实施例，强调一些特殊的例子，如包括分别发射在水平参考平面内和外彼此相交的两个扇形激光束的旋转的激光装置，发射三或更多个扇形激光束的旋转的激光装置，发射两个不同偏振的扇形激光束的旋转的激光装置，发射分别被调制成具有不同频率或波长的激光束的旋转的激光装置，具有单个光接收部分的光探测器，具有不止一个垂直或水平设置的光接收部分的光探测器，能够区别不同偏振的扇形光束的光探测器，和能够区别被分别调制成具有不同频率或波长的扇形光束的光探测器的位置确定装置。任何本领域普通技术人员都应该想到，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的真实范围的条件下，可以对上述实施例的位置确定装置进行适当组合修改。
根据本发明，单个旋转的激光装置可以与位置确定装置中包含的一个光探测器进行组合，或者，可以独立使用，或可以与现有技术光探测器相结合。
权利要求
1.一种确定位置的装置，包括一旋转的激光装置，它发射两或更多个发散的扇形激光束，同时围绕一给定轴旋转该激光束，这两或更多个扇形激光束在并非水平面的平面中发散，其中扇形激光束之一的倾斜角度不同于其余的扇形激光束，以及一光探测器，具有一或多个用于接收该扇形激光束的光接收部分，和用于在该光接收部分所接收的激光束的状态的基础上确定其自身与该旋转的激光装置的相对位置的确定装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中这两或更多个扇形激光束在该水平面内彼此相交。
3.根据权利要求1所述的装置，其中该确定装置根据该光接收部分处两个或更多扇形激光束的探测之间的时间延迟确定其自身与该旋转的激光装置的相对位置。
4.根据权利要求1所述的装置，其中该旋转的激光装置发射两个或更多不同偏振的扇形激光束。
5.根据权利要求1所述的装置，其中该旋转的激光装置发射两或更多个被调制成不同频率的扇形激光束。
6.根据权利要求1所述的装置，其中该旋转的激光装置发射两或更多个不同波长的扇形激光束。
7.根据权利要求1所述的装置，其中该光探测器具有两个接收该扇形激光束的光接收部分。
8.根据权利要求1所述的装置，其中该光探测器具有三或更多个接收该扇形激光束的光接收部分。
9.根据权利要求1所述的装置，其中该旋转的激光装置包括一用于探测该扇形激光束发射方向的探测器装置，和一将该探测器装置所探测的角度数据发送给该光探测器的发射器，且该光探测器还包括一接收该角度数据的信号的接收器单元。
10.根据权利要求1所述的装置，其中该光探测器还包括一位置探测器，探测该光探测器与该旋转的激光装置的相对位置。
11.根据权利要求10所述的装置，其中该位置探测器为全球定位系统(GPS)。
12.一种旋转的激光装置，发射两或更多个在并非水平面的平面中发散的扇形激光束，同时围绕一给定轴旋转该扇形光束，其中该扇形激光束之一的倾角不同于其余的扇形激光束。
13.根据权利要求12所述的旋转的激光装置，其中这两或更多个扇形激光束在水平面中彼此相交。
14.根据权利要求12所述的旋转的激光装置，其中这两或更多个扇形激光束为不同偏振。
15.根据权利要求12所述的旋转的激光装置，其中这两或更多个扇形激光束被调制成不同频率。
16.根据权利要求12所述的旋转的激光装置，其中这两或更多个扇形光束为不同波长。
17.根据权利要求12所述的旋转的激光装置，包括一用于探测该扇形激光束发射方向的探测器装置，和一将该探测器装置所探测的角度数据发送给该光探测器的发射器。
18.根据权利要求12所述的旋转的激光装置，其中每个扇形激光束具有从一个部分到另一部分改变的强度。
19.根据权利要求12所述的旋转的激光装置，其中发射三或更多个扇形激光束，并且该扇形激光束彼此等间距地与该水平面相交。
20.根据权利要求19所述的旋转的激光装置，其中这三或更多个扇形激光束在它们被光接收的范围内彼此不相交。
全文摘要
本发明提供一种位置确定装置，它具有一种简单的结构，适用于同时产生一水平参考平面和一倾斜参考平面。根据本发明的位置确定装置(100)包括一旋转的激光装置(151)，它发射至少两个在并非水平面的平面内发散的扇形激光束，同时围绕一给定的光轴旋转该激光束；和一光探测器(154)，其具有至少一个接收该扇形激光束的光接收部分。该扇形激光束之一的倾角不同于其余的扇形激光束，根据光接收部分上所接收的激光束的状态，可以确定该光探测器与该旋转的激光装置的相对位置。
文档编号G01S3/789GK1434269SQ0310175
公开日2003年8月6日 申请日期2003年1月21日 优先权日2002年1月21日
发明者大有文夫, 林邦広 申请人:拓普康株式会社