专利名称：测量球－反射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于方向和/或距离测量的测量球-反射器。
为了实现大地测量和工业座标测量的目标点的立体化，经常使用测量球。它一般是用金属制作的具有镜面反射的球体，它固定在一个杆上。这个杆固定在野外被测的座标点上或者固定在被测物上。
这个球可以用一个经纬仪上的望远镜瞄准器来瞄准，并且通过调聚焦使它清晰地成象在象面上。通过对准测量球体上的目标照准标志或十字线，就可确定经纬仪座标的目标方向。为了提高显示精度，经常在经纬仪上加一个特殊的照明装置，并且将反射到球体表面上的反射光作为目标点。
对于这个测量球本身用别的照准方向来照准时，例如，用另外一个经纬仪时，可借助于已知两个经纬仪的距离来计算测量球的球心距离。因为球心点至固定杆地面底点之间的距离是已知的，所以用这种方法可以确定测量点的座标。对于标准测量来说，在目标空间同时测量校准距离时，测量经纬仪间距是多余的。为了简化使用的计算程序，必须使测量球-反射器的尺寸和固定杆的长度标准化。按此要求测量球的直径为12.7mm。
除了关于两个独立方向测量和基准距离(三角测量)的座标测量外，还可能进行极座标测量，也就是说，方向测量与距离测量进行组合，即，一个经纬仪与一个测距仪相结合。光学绝对测距仪是用脉冲或调制的光经被测物反射后测量其传播时间进行的。为了精确地测量一个测量点的座标，要求目标点必须是立体的。因为在测量距离时，经常是用一束平行光进行工作，所以经常选用适用的角棱镜作为目标反射器。它的特点是，进入其基面的平行光仍然以平行光的方式反射回来，它与光束方向对基面的倾角无关。
在垂直入射到玻璃体时，距离以一个固定加常数而变化。对于距离测量的目标点就是角棱镜的尖端。因为在较长距离时用光学方法不能对它进行照准，所以在经纬线的角度测量时，角棱镜与一个目标靶结合在一起，这个靶用经纬仪来瞄准。从角棱镜和目标靶之间的几何布置以及其对测量点的固定方法来考虑，测量点的座标可由某一个地点来确定。
正如前述，角棱镜有一个很重要的特性，反射光束平行于入射光束，而与角棱镜的基面与光束间的倾角无关。但是，光路长短与基面的倾斜是相关的。在棱镜尖端有倾角时，光路则与倾角不是线性的比例关系增大。同样，如果围绕角棱镜高线的基点有一倾角时，由于角棱镜尖端的位置有了变化，而使整个光路变小了。这个光路的变化当然影响距离测量的精度。我们知道，如果角棱镜的倾角围绕在角棱镜的高线上的点，并且离它们尖端为其高度的1/3时，在一定的角度范围内，对倾斜的依赖可以减小。
除了目测方向测量与绝对距离测量进行组合测量外，还有一种公知的仪器，这种仪器从一个起始位置出发可进行自动目标跟踪，和距离变化的自动测量。目标点前表面的立体化是一个由三块相互成直角布置的平面反射镜组成的三棱镜，这个三棱镜装在一个球体内，使反射镜的尖端在球的中心。与角棱镜不同的是，三棱镜没有与光束方向有关的对准误差和距离误差。
在此，采用经过准直的激光束作为测量光束，它经一个在三个轴上可控的扫描反射镜射在三棱镜上。在方向和距离已知的起始位置，被反射的光束经扫描反射镜重新回到仪器中，在此，可由一个对位置灵敏的检测器进行测量，同时，光束也进入一个干涉仪。在从起始位置的球的距离上只须注意，测量光束必须进入三棱镜的孔内。因为测量光束的直径在光强分布降到1/e2的边缘上约为4mm，而三棱镜的入射孔径约为20mm，所以这里不可能出现问题。于是位置敏感的检测器控制扫描反射镜对准运动的三棱镜，直到所希望的测量点固定在被测物体上为止。用干涉仪可以测量光束的行程。于是，从相对于起始点测量的方向和距离的变化就可以确定测量点的座标。
由工作空间中自由运动的机器人的定位已知，在工作空间的固定点处的后向反射镜可用作基准点。从一个起始位置出发，机器人的观测范围可用一激光束经过一个三轴可控扫描反射镜进行扫描，直至激光束落在后向反射镜上为止。用一个绝对值测距仪可以测量至后向反射镜间的距离。当机器人运动时，扫描反射镜被引向后向反射镜的方向，因此，机器人的方向变化就能够确定下来。如果失去了对后向反射镜的目标时，则必须启动一个新的照准方向的捕捉，并且启动新的对另外一个后向反射镜的距离测量。
从DE4410267 A1得知，一种用于校正三座标轴测量的测量机。在测量台上，有一个局部为球体的基准表面的角立立体反射器，它是固定在一个支架上的。该支架在一个导轨中，沿测量机的座标轴之一可以移动。
校正的方法是，一方面用一个探针确定角立方体反射器的基准表面的位置；另一方面，用一台干涉仪测量后向反射的角立方体的纵向移动。后向反射镜具有一个结点，这个点位于干涉仪的测量轴上，绕这个结点后向反射镜可以倾斜一定的角度，它不会明显地影响距离测量。这个基准表面相对于结点有精确的定位。对于一个球面的基准表面是以结点为中心的。
该结点可用于干涉测量中的基准测量点，球形基准表面与干涉仪测试轴的交点可用于探针的基准测量点。所以，两个基准测量点在测量方向是一前一后的。另外，支架的导轨相对于干涉仪的测量轴是平行的。导轨的不精确度可导致结点的横向位移，并可导致后向反射镜相对于支架支点的倾斜，因此，同样可以引起结点的位移。
由于结点是作为干涉仪距离测量的基准测量点用的，所以每个横向的移动都意味着相对于测量机要校正的座标方向的测量方向的变化。为了保持由此产生的误差能很小，必须具备非常精确的导轨。此外还须通过对球形基准表面的接触在三个不同的位置测量横向的移动，并且在进行校正计算时予以考虑。
对于三棱镜由于机械方面的原因，它的结构尺寸应保持在一定的范围内，因为为了反射镜的稳定性，它必须有一定的厚度。另一个缺点是，露在外面的反射镜的尖端容易弄脏，例如，落在上面的尘土很不容易去掉，同时，在清洁时，还存在损伤金属的反射镜表面的危险。反射镜尖端的光束反射对于测量精度是至关重要的。另外还须注意三棱镜的内边质量，因为在三个平面反射镜元件粘接时也会出现问题。
本发明的任务是，给出一种测量球-反射器，它既适用于目测的、也适用于自动的方向测定，同时，既能用于绝对的也能用于相对的距离测量。此外，它还应当有符合标准规定的测量球-反射器的外形尺寸。
这个任务，在前面已说明类型的测量球-反射器的基础上用下述方法得以解决，在测量球内装入了一个后向反射的角棱镜，它的基面切除测量球表面的一部分，它的高度大约等于测量球的半径，测量球的中心在角棱镜的等高线上。
本设计的其它优良结构由从属权利要求给出。
相对于由反射镜组成的三棱镜，角棱镜有以下优点，它可以作得任意地小，特别合适于测量球标准化的直径12.7mm，在此，同时它还有一个好的基面尺寸的配合，这个面对干涉仪的激光束的直径的配合也很重要，对于角度测量和绝对距离测量器，还有足够的倾角相对于光束方面，它也有足够的余量。
对于角棱镜来说，它不会产生象反射镜尖端沾污时出现的问题。另外，也可将角棱镜的棱加工的很精细。
通过本发明所设计的角棱镜的高度就有可能，通过球心给出设置在角棱镜中的旋转点。因此，可将角棱镜中与倾角有关的光程差降到最小。
由于在自动座标测量中角棱镜的尖端不仅是距离测量的目标点，而且还确定着目标方向，因此须要分析，究竟角棱镜向位于尖端下方的点倾斜时对方向测量的误差有多大影响。使人惊奇的是，旋转点本身；其光程差在倾斜范围内是均匀地减少的，角度偏差也是如此，通过角棱镜尖端的偏移，角度偏差也在减小。
由于角棱镜的基面只是测量球表面很小的一部分，所以其余的部分都可以保留反射性能，所以仍可以进行目测对准。如果测量球用磁性材料制造，则可以用磁力的方法固定在一般的杆上，在固定的地方的支架可以是三点接触球轴承，因此，测量球可在任意方向转动。这样就可以在测量点中固紧的杆既能简单地对准测量光束，又能最佳地调整反射面对准两个不同测量仪器的瞄准方向。另外，在应用于有相对距离测量的目标跟踪系统时，测量球可从一个测量点移到另一个测量点。
通过减小在一个与等高线施转对称的圆柱体上的角棱镜三角形的基面和与此相连的棱镜区，将使棱镜很容易安装到测量球中去。在测量球中唯一的需要是给予一个定中心的孔，在这个孔中放置角棱镜。在此，图形的基面可与孔边相联接，或者放置在孔边稍下一点的地方，这样就可避免在一个平面支架上由于测量球放置不当而损伤角棱镜，并可起到保护它的作用。
本发明涉及的测量球-反射器下面将借助附图示出的实施例作详细说明。
图1.测量球-反射器的剖面2.测量球-反射器的顶视3.整个角反射镜的顶视4.角棱镜沿屋脊的剖面图。
在图1中示出测量球10的剖面图。它是由磁性金属材料制成的。它的表示11是镜面抛光的。在球体中开一个中心孔12。球体中心用16表示。螺孔13指向孔12，该螺孔对准将要描述的角棱镜的尖端。另外一个螺孔14与螺孔13成垂直布置。在此螺孔的对面有一个用于填粘料的填充孔15。另一对孔14/15互成60°角布置在球体的外围。
在孔12中安放一个角棱镜17。由光学玻璃制成。它的屋脊面镀了一层金属膜，并且用保护漆保护着金属膜。它的基面18是圆形的。为了在把测量球放在一个平面上时保护角棱镜不受损伤，放置此基面比孔12的边稍深一些。角棱镜17的等高线用19来表示。球体中心16位于角棱镜尖端下约为角棱镜高度的1/3处。
为了使角棱镜17的基面18垂直于孔12的轴12’，在螺孔13/14中旋入销钉。这样就能校正角棱镜高度的工艺误差，这种误差在棱镜中导致不同的光路径，用此方法，即，校正棱镜尖端时旋转点为一个玻璃路程的统一附加的常数。经过校正，通过孔15用相应的粘合剂添入孔12中，以固定住角棱镜17，并且应防热张力和振动。因此，实验证明用硅胶粘合剂是最好的。
由上述测量球-反射器接收的测量光束的直径为20。角棱镜17的基面18可相对于此光束有一个角度为21且向所有方向倾斜，但它毫不影响由反射光束得到的测量信号的质量，另外，它也不影响方向和距离测量的精度，并在相应的误差范围之内。
从一个实际实施例可知，在测量球中，它的标准直径为12.7mm(0.5”)，有一个角棱镜安装在它里边，测量光束的直径约为4.5mm在±15°的倾角内可靠地反射。此时的距离误差约为1.5μm。方向角误差相应于目标点的错位误差约为±10μm。
图2是测量球-反射器的顶视图，基面18(角棱镜17的)是圆形的光束入射面。在顶视图中可以看到向尖端收缩的屋脊22以及其在对面的屋脊面的反射23。
图3表示整个角棱镜17的顶视图，以及一个位于中心棱镜尖下方对等高线底点同心的内圆24，该圆形成圆柱的剖面，角棱镜的基面简化成此圆柱体。
图4表示角棱镜的剖面图，即沿图3切线25的剖面图。基面区减小到一个圆柱体导致不同高度的侧面26/27，也如图1所示，调节螺钉应放在较高的侧面26上比较合适。
权利要求
1.用于无接触的方向和/或距离测量的测量球-反射器，在此，测量球在一个支架上可以自由转动，其特征在于，在测量球(10)中安置了一个后向反射的角棱镜(17)，该棱镜的基面(18)是以如此方式切除测量球-表面(11)的一部分的，使角棱镜(17)的基面(18)的边线在测量球(10)表面(11)之下，其高度约和测量球(10)的半径相等，测量球(10)的中心(16)在角棱镜(17)的等高线(19)上。
2.按权利要求1所述测量球-反射器，其特征在于，角棱镜(17)的尖端至测量球(10)的中心(16)的距离约为角棱镜(17)的高度的1/3。
3.按上述权利要求之一所述测量球-反射器，其特征在于，角棱镜(17)在其基部区内，简化为一个与等高线(19)旋转对称的圆柱体。
4.按上述权利要求之一所述测量球-反射器，其特征在于，测量球(10)有一个孔(12)在此孔内，安置了角棱镜(17)。
5.按权利要求4所述测量球-反射器，其特征在于，在孔(12)内可由外放入可接触的调节元件，角棱镜(17)安置在它们的上面。
6.按权利要求5所述测量球-反射器，其特征在于，角棱镜(17)在孔(12)内调整好后，用一具有长久弹性的粘结剂固定好。
7.按照上述权利要求之一所述测量球-反射器，其特征在于，测量球(10)的表面(11)是镜面反射的。
8.按上述权利要求之一所述测量球-反射器，其特征为，测量球(10)是用磁性材料制成的。
全文摘要
用于方向和/或距离测量的测量球—反射器,其特征是,在测量球(10)内安置了一个后向反射的角棱镜(17),它的基面(18)切除测量球—表面(11)的一部分,并且其高度约为测量球(10)的半径,测量球(10)的中心(16)在角棱镜(17)的等高线(19)上。
文档编号G01B11/00GK1178576SQ97190034
公开日1998年4月8日 申请日期1997年1月17日 优先权日1996年1月24日
发明者D·梅尔, W·谢尔滕莱 申请人:莱卡公开股份有限公司