激光束水平精度测试装置和对应方法
【专利说明】激光束水平精度测试装置和对应方法
[0001]本发明涉及用于激光束投射装置的激光束水平精度(trueness)测试装置，该激光束投射装置用于建筑和/或内部装修工作，其中，该激光束投射装置配备有射束自校平功能。该激光束投射装置具体被设计为旋转激光器或者线或点激光器。该激光束水平精度测试装置包括望远镜，该望远镜具有衰减过滤器、具有放大效果的物镜、以及用于从投射在物镜中的激光束拍摄图像的平面图像传感器。该激光束水平精度测试装置的组件部分另外包括固有倾斜补偿器和估算单元，该估算单元被设计用于基于图像处理来自动确定在该图像中拍摄的激光束的图像位置。
[0002]激光束投射装置(举例来说，如点激光器、线激光器或者具体地，旋转激光器)具体地被用于建筑或内部装修，例如，用于垂直标记墙壁。旋转激光器借助于其旋转激光束来标记基准平面。在这种情况下，激光束本身例如可以按点状、线状或扇状方式发射。激光可以作为连续光或者按脉冲方式生成。在此重要的是，激光束以平面精度(具体为水平精度)发射，也就是说，其精确地保持在设想平面中，以便能够排除不正确的标记。为了确保此，该类型的常规激光器通常配备有射束自校平功能。为了实现这种射束自校平功能，已知各种技术解决方案，其可以具有机械型，还有光学型。通过示例的方式，激光器核心模块可以按钟摆方式悬挂，以使水平精度可以利用重力生成。激光器还可以配备有倾斜传感器，例如，在最简单情况下为气泡传感器，其显示或信号可以被读取并且被用作用于主动调节激光器的初始变量。初次调节水平精度和校准射束自校平功能通常在交付激光器之前由制造方执行。
[0003]然而，作为各种外部影响的结果(举例来说，如温度和湿度波动、诸如振动的机械冲击等)，调节的激光器可以变化。因此，按规定间隔或者在需要时，必需测试和重新校准激光器的平面精度和/或水平精度及其射束自校平功能，而且在合适时，重新调节激光器。
[0004]为实现该任务，在现有技术方面，已知激光束水平精度测试装置并加以描述。作为基本组件，这些已知装置通常包括望远镜和固有倾斜补偿器，其旨在确保望远镜的光轴总是水平对准。当然，这是必需的，以便测试装置本身可以完美地水平对准，以使其可以实际上被用于监视另一装置的水平精度。在一种已知激光束水平精度测试装置中，下面将参照图1a对其进行更加详细描述，望远镜具有入口物镜，该物镜具有远程定位(S卩，处于无限远距离)的物体被成像的像平面。沿物镜的光轴的连续方向，在像平面的下游，设置用于观察者的目镜，在用于测试激光束投射装置的激光束水平精度的目镜之后，设置了平面图像传感器(典型为相机)，在该平面图像传感器上成像投射激光束。通常来说，该图像传感器的中心设置在物镜的光轴上。在物镜前方，将具有中心透光开口的光圈装配在物镜的光轴上，例如螺旋到望远镜上。这种商业可获测试装置例如配备有装配在物镜前方的滤光器，所述滤光器可按两个位置设置，由此，望远镜中入射的强度可以按两个阶段缩减。
[0005]这种商业可获测试装置具有一系列缺点。首先，在测试激光束投影装置的激光束水平精度时可随其实现的准确度极大地受限，如下更详细证实。其次，执行这种测试还很复杂。第一组缺点是基于经由目镜成像激光束。目镜通常仅具有较小直径和较短焦距，就是说，极大曲率的镜头表面。结果，在视野范围上不可避免地产生显著的光学畸变，该干扰在目镜中心最小。而且，目镜通常沿轴向在特定距离上以可移位方式设置，以便使得能够适应观察者眼睛的具体特性。结果，不可避免的是，仅可以近似但很难高度准确定位目镜。特别不利于测量结果的是，目镜相对于物镜的光轴的无意识倾斜，所述倾斜相对容易出现。这产生了投射激光束的偏移，其通过物镜水平地进入望远镜，并且实际上在图像传感器上的、光轴与平面图像传感器之间的交点上成像，其接着不正确地指示激光束相对于水平路线的偏差，该偏差实际上根本不存在。目镜的轴移动或不正确定位另外削弱了激光束在图像传感器上的瞄准。另外，该装置显著易受振动影响，具体到很多大程度，进一步远离像平面设置图像传感器。该装置仅允许有关是否存在相对于激光束的水平路线的偏差的基本检查，即，“是-否”。对这种偏差的任何种类的量化，更不用说用于确定这种偏差的原因的更准确分析，该装置都不可能有。因此，当建立被检查激光束投射装置的发射激光的相对于水平线的偏差时，这种已知激光束水平精度测试装置也不能被用于在重新调节激光束投射装置方面提供帮助，除非后者通常仍然必须呈报制造方维修。
[0006]而且，这种测试装置本身必须定期重新校准(特别是因为执行成像到图像传感器上的目镜的易受干扰的定位)，而且在合适时，重新调节，其对于这种已知装置的情况来说，使制造方维修成为必需。
[0007]除了针对可实现的光学测量准确度所描述的大量缺点以外，用于测试激光束投射装置的激光束水平精度的所述装置此外仅操作员可以极大努力使用。装配在望远镜的光学入口前方的具有其中心开口的光圈绝对必需用于该装置，以便使其可以区分从设想的水平线偏离的激光束入射，并且根据实际上水平抵达(就是说，平行于光轴行进)但按相对于其垂直偏移的方式行进的激光束进行校正。在所述装置的情况下的这种持续同样导致激光束在图像传感器上的碰撞点的偏移。在这种情况下，其实际上甚至适于使光圈开口形成的尺寸尽可能小，以便改进可区别性并由此改进该装置的测量准确度。然而，为了使用该装置，这意味着，要针对其激光束水平精度测试的激光器就其用于激光束的光学出口开口而言，必须非常准确地对准光圈开口，即，在希望的水平激光束路径的情况下，必须定位在物镜的光轴的水平面处。这意味着用户针对准确定位要测试激光束投射装置所制成的迫切需求。当测试不可见激光束(例如，红外光束)时，相互水平设置和对准的这种所描述问题变得更加困难，因为在该情况下，在将要测试装置安装在望远镜前方时，缺少用户的视觉监视或可见基准。
[0008]该已知激光束水平精度测试装置由此不仅具有不适当的光学测量准确度和仅非常有限的可用性、并由此仅很少的、利用这种装置获取的测量结果的有用性，而且仅可以靠用户的极大努力来操作。
[0009]本发明的一个目的是，克服这些缺点。具体地，本发明的一目的是，提供一种容易操作的、用于配备有射束自校平功能的激光束投射装置的激光束水平精度测试装置。
[0010]一特定目的是，提供这样一种激光束水平精度测试装置，即，其还使得能够量化测量激光发射的平面精度或水平精度，而且该测试装置可以更优选用于检查激光束投射装置的任何可能要求的重新调节。
[0011]这些目的通过实现独立权利要求书的特征化特征来实现。按另选或有利方式开发本发明的特征可以根据从属的专利权利要求来收集。
[0012]本发明提供了用于激光束投射装置的激光束水平精度测试装置，该激光束投射装置用于建筑和/或内部装修工作，其中，该激光束投射装置配备有射束自校平功能。该激光束投射装置具体被设计为旋转激光器或者线或点激光器。该激光束水平精度测试装置包括望远镜，该望远镜具有衰减过滤器、具有放大效果的物镜，以及用于从投射在物镜中的激光束拍摄图像的平面图像传感器。该激光束水平精度测试装置的组件部分另外包括固有倾斜补偿器和估算单元，该估算单元被设计用于基于图像处理来自动确定在该图像中拍摄的激光束的图像位置。
[0013]根据本发明，所述平面图像传感器例如被设置为CMOS或CXD芯片，并且优选地不仅在可见光谱范围下而且在红外光谱范围下具有感光性，由此，使得与诸如全站仪的红外光发射装置一起使用的所述装置能够设置在所述物镜的像平面中，并且所述估算单元另外被设计用于执行:基于与根据所述望远镜中的所述图像传感器的位置的校准参数有关的转换规则，通过将确定的所述图像位置转换成激光束倾斜值，来量化所述激光束水平精度。
[0014]与现有技术相比，根据本发明，所述图像传感器被设置在所述望远镜物镜的像平面中。结果，假定水平对准激光束水平精度测试装置本身，即使任何水平抵达激光束平行于物镜的光轴但以垂直于其的偏差抵达，其也被映射到光轴上的图像传感器上，假设在光圈内并且通过望远镜的物镜检测。因此，具有其物镜的望远镜按无光圈方式设计，以使该物镜的截面积的全部或至少一较大区域可用作光圈。
[0015]由此，只不过仍然必需的是，对准激光束与物镜的光圈，但不再必需冲制通过螺旋预先接合的光圈的更大或更小开口，其显著缩减了用于定位要测试的激光束投射装置的所需努力。
[0016]该激光束直接经由物镜映射到像平面中的图像传感器上，而不需要任何介于中间的像平面和目镜。这克服了与必需用于令人满意的测量准确度的目镜的准确定位相关联的所有问题，而且同样克服了对于振动的干扰敏感性。
[0017]根据本发明的具体特征使得能够基于与根据所述望远镜中的所述图像传感器的位置的校准参数有关的转换规则，通过将确定的所述图像位置转换成激光束倾斜值，来量化所述激光束水平精度。
[0018]与现有技术相比，所述估算单元的最后提出的附加特征有利地使其可以量化激光束相对于水平精度的偏差的范围，而且甚至具体基于所确定的偏差数据的量化类型，从其获取用于诊断和标识这种偏差的原因的指示，并且在合适时，使得能够测试通过用户本身(他/她)重新调节该激光器。
[0019]按照根据本发明的激光束水平精度测试装置的一个实施方式，所述衰减过滤器按提供多种不同衰减度的这种方式设计，根据其，能够由用户选择并设置相应的衰减度，或者通过估算从入射在所述物镜中的所述激光束拍摄的测试图像而自动选择并设置衰减度。优选的是，所述衰减过滤器按可在宽衰减度范围下连续可变地选择并设置相应衰减度的这种方式设计，在这种情况下，如果所述衰减过滤器具有至少一个旋转设置线性偏光器，具体为彼此相对旋转设置的两个或更多个线性偏光器，则其特别有利。对于要检测线性偏光激光辐射的情况来说，正好单一线性偏光器足够设置最宽的可能衰减范围，0% (平行偏振)与100% (交叉偏振)之间。而且，对于所述衰减过滤器来说，优选的是，在作为光圈的整个物镜截面积上大致均匀地延伸。
[0020]有利的是，望远镜按无光圈方式设计，并且所述图像传感器和所述物镜按这样的方式在所述望远镜中以协作方式设置，即，可在作为光圈的所述物镜截面积的至少一个宽部分上，具体为大致所述整个物镜截面积上，通过所述图像传感器检测入射激光束。
[0021]根据本发明的激光束水平精度测试装