CH401506A - Verfahren und Einrichtung zur Entfernungsmessung - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Einrichtung zur Entfernungsmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Position eines Lichtreflektors durch Erzeugung eines periodisch modulierten, elliptisch polarisierten Lichtstrahls an einem bekannten Ort, Werfen dieses Lichtstrahls auf den Reflektor, Verändern der periodischen Modulation des am Reflektor reflektierten Lichts und Untersuchen des reflektierten Lichts an einem ebenfalls bekannten Ort zwecks Ableitung des Abstandes Lichterzeugungsort-Reflektor in einem auf die Wellenlänge der periodischen Modulation bezogenen Mass.



   Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.



   Der Ausdruck  Reflektor  umfasst in dieser Beschreibung im weiten Sinn nicht nur Planspiegel, sondern auch beispielsweise Innenrückstrahlprismen des als    Katzenaugen     bekannten Typs, die aus einem im Brennpunkt einer konvexen Linse angeordneten flachen oder konkaven Spiegel bestehen.



   Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des periodisch modulierten, elliptisch polarisierten Lichts ein doppelt brechender Kristall verwendet wird, der einen Strahl von elliptisch polarisiertem Licht mit periodisch wechselndem Rotationssinn erzeugt, und dass der reflektierte Lichtstrahl durch eben diesen doppelt brechenden Kristall geschickt wird, um die periodische Modulation dieses reflektierten Lichtstrahls zu verändern.



   Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichterzeuger einen doppelt brechenden Kristall umfasst, der einen Strahl von elliptisch polarisiertem Licht mit periodisch veränderlichem Rotationssinn liefert, und dass die räumliche Zuordnung von diesem Kristall und dem Reflektor derart gewählt ist, dass der reflektierte Lichtstrahl durch den doppelt brechenden Kristall noch einmal hindurchgeht, wobei das reflektierte Licht eine Veränderung seiner periodischen Modulation erfährt.



   Nachfolgend wird   anhand, der    beiliegenden schematischen Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung erläutert.



   Die Zeichnung stellt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer reflektierenden Oberfläche dar und umfasst einen doppeltbrechenden Kristall 10, z. B. aus Ammoniumdihydrophosphat oder Kaliumdihydrophosphat. Der Kristall 10 ist im Resonanzhohlraum 11 eines Gehäuses 12 untergebracht, welches Schlitze 13, 14 besitzt.



   Ein vom Magnetron 17 gesteuerter Hochspannungs-Impulsgenerator 15 regelt den synchronisierten   Pulsbetrieb    einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer Xenonblitzröhre 16 und eines Pulsmagnetrons 17, wobei die Mikrowellenfrequenz während jedes Impulses durch einen Frequenzmesser 18 messen wird. Das Magnetron 17, welches zum Betrieb bei 9300MHz ausgelegt sein kann, kann beispielsweise Mikrosekundenimpulse mit einer Leistung von etwa 7 kW bei einer Wiederholungsfrequenz von 50 Hz liefern. Das Magnetron 17 ist mit dem Gehäuse 11 durch einen Wellenleiter 20 verbunden.



   Das Licht der Blitzröhre 16 wird durch eine Linse 21 gesammelt und geht durch die Öffnung 22 einer Membran 23, um ein Strahlenbündel 24 kleinen Querschnitts zu bilden, das dann einen Polarisator 25 durchsetzt, welcher beispielsweise aus einem Blatt des unter dem Handelsnamen  Polaroid  bekannten Materials bestehen kann.



   Der Polarisator 25 ist so angeordnet, dass er das Licht des Strahls 24 in einer zur   oder    y-Achse des Kristalls 10 parallelen Ebene polarisiert, und  dieses so polarisierte Lichtbündel durchläuft den Schlitz 13 und den Kristall 10 parallel zu dessen z-Achse.



   Das Magnetron 17 erzeugt im Hohlraum 11 ein elektrisches Mikrowellen-Wechselfeld, dessen   Rich-    tung ebenfalls parallel zur z-Achse des Kristalls 10 liegt, und das Strahlenbündel 24 geht durch einen Wellenbauch 26 (d. h. eine Zone maximaler Feldintensität) des elektrischen Mikrowellenfelds hindurch.



   Der Kristall 10 ist so gewählt, dass er bei der oben beschriebenen Anordnung ein elliptisch polarisiertes Lichtstrahlenbündel 27 erzeugt, das durch den Schlitz 14 auf einen entfernten Planspiegel 28 geleitet wird.



  Die elliptische Polarisation des Lichtstrahls 27 erfolgt nach Massgabe der augenblicklichen Stärke des durch das Magnetron 17 auf den Kristall 10 einwirkenden elektrischen Wechselfelds. Der Wechsel dieses elektrischen Felds bewirkt die zyklische Modulation der Polarisation der Lichtstrahlen des Bündels 27, die sukzessiverweise planpolarisiert, in einer Richtung elliptisch polarisiert, wieder planpolarisiert, und dann in der andern Richtung elliptisch polarisiert werden, usw. Es ist zu bemerken, dass die Frequenz dieser zyklischen Modulation dieselbe ist wie die Mikrowellenfrequenz während jedes Impulses und daher durch den Frequenzmesser 18 angezeigt wird.



   Der Lichtstrahl 27 wird von der reflektierenden Fläche 30 des Spiegels 28 als Lichtstrahl 31 zurückgestrahlt. Der Lichtstrahl 31 geht durch den Schlitz 14 und von hier durch den Kristall 10, parallel zu dessen z-Achse, und tritt durch den Schlitz 13 als Lichtstrahl 32 aus. Beim Durchgang durch den Kristall 10 geht der Lichtstrahl 31 durch einen Wellenbauch 33 des elektrischen Mikrowellenfelds, wobei die Wellenbäuche 26, 33 unmittelbar nebeneinander liegen. Es ist zu bemerken, dass infolge des Durchgangs durch den Kristall 10 die elliptische Polarisation des Lichts durch das elektrische Wechselfeld entweder vergrössert oder aufgehoben wird.



   Der Lichtstrahl 32 wird durch einen Spiegel 34 reflektiert und geht über einen Analysator 35 zu einem Detektor 36, welcher aus einer Photozelle oder aus dem Auge bestehen kann. Der Analysator 35, der ebenfalls ein  Polaroid -Blatt oder ein Nicolsches Prisma sein kann, ist gegenüber der Polarisationsebene des Polarisators 25 gekreuzt.



   Beim Betrieb ist der Kristall 10 in einer bekannten Stellung aufgestellt. Die Entfernung zwischen dem Kristall 10 und der reflektierenden Fläche 30 wird dann durch ein geeignetes Verfahren und mit einer Genauigkeit innerhalb einer Viertelwellenlänge der Modulationsfrequenz (z. B., weniger als   8mm)    bestimmt. Der Spiegel 28 wird nun langsam gegen oder vom Kristall 10 bewegt, wobei das Licht des Strahls 32 zwischen dem elliptisch polarisierten und dem planpolarisierten Zustand zyklisch schwanken wird, und sich diese Schwankung wiederholt, wenn der Spiegel um einen der Halbwellenlänge der Modulation gleichenden Betrag verschoben wird. Das planpolarisierte Licht wird jedoch nicht durch den Analysator 35 übertragen, so dass der Detektor 36 nur die Komponente des elliptisch polarisierten Lichts empfängt, welche in der Polarisierungsebene des Analysators liegt.

   Die Intensität dieser Komponente des elliptisch polarisierten Lichts schwankt daher zyklisch mit der Bewegung des Spiegels 28.



   Wenn daher der Spiegel 28 bewegt wird, bis die Intensität des den Detektor 36 erreichenden Lichts ein Minimum erreicht, welches scharf begrenzt ist, ist die Stellung des Spiegels 28 genau bekannt, da er um eine ganze Zahl von Halbwellenlängen vom Kristall 10 entfernt ist. Die Grösse dieser Wellenlänge lässt sich natürlich durch Division der Lichtgeschwindigkeit durch die vom Frequenzmesser 18 gemessene Modulationsfrequenz berechnen. Wenn daher ein Mikrometer oder dergleichen benützt wird, um die Entfernung zu messen, durch welche der Spiegel 28 bewegt wurde, um dieses Minimum zu erhalten, kann eine genaue Messung der Entfernung zwischen dem Spiegel 28 und dem Kristall 10 vorgenommen werden.



   Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zur Messung von Entfernungen im Bereich von 10 m bis zu 300 m, lässt sich jedoch für Entfernungen ausserhalb dieses Bereichs anwenden, wenn geeignete Modulationsfrequenzen gewählt werden.



   Wenn beispielsweise zwei oder mehr Modulationsfrequenzen abwechselnd benützt werden, die voneinander nur um einige wenige Prozent abweichen, muss die ursprüngliche Entfernung des Kristalls 10 vom Spiegel nur ganz ungefähr bekannt sein.



  Dies ist darauf zurückzuführen, dass nur in sehr wenigen Stellungen der ganze Aufbau der gemessenen Spiegelstellungen (entsprechend jeder Modulationsfrequenz) zur beispielsweise nächsten Stellung für ein Detektorminimum wiederholt wird.



   Wenn die Spiegelstellung nicht geändert werden soll, kann die Laufstrecke des Strahls 27 vom Kristall 10 zum Spiegel 28 geändert werden, indem in den Weg des Strahls eine Anordnung, z. B. ein Prisma oder dergleichen, eingeschaltet wird, welches bewegt werden kann, um die Länge zu ändern.



  Alternativ kann diese Anordnung auch in den reflektierten Strahl 31 eingeschaltet werden.



   Eine alternative Methode zur Bestimmung der Stellung des Spiegels 28 ist durch gestrichelte Linien in der Zeichnung dargestellt. In diesem Verfahren wird ein Teil des vom Spiegel 28 rückgestrahlten Lichts als Strahl 37 reflektiert, welcher zum Strahl 31 parallel liegt und durch einen Wellenbauch 38 des elektrischen Mikrowellenfelds durchgeht, der unmittelbar neben dem Wellenbauch 33 liegt. Der Strahl 37 wird dann durch einen Spiegel 40 und einen Analysator 41 auf einen photoelektrischen Detektor 42 gelenkt.



   Da die Richtung des elektrischen Mikrowellenfelds zwischen benachbarten Wellenbäuchen umgekehrt ist, wird die zyklische Schwankung der die De  tektoren    36, 42 erreichenden Lichtintensität in Ge  genphase sein. Das bedeutet, dass bei der Bewegung des Spiegels 28 die Intensität des auf den Detektor 36 auffallenden Lichts steigen wird, wenn die des dem Detektor 42 zugeleiteten Lichts fällt, und umgekehrt.



   Wenn daher der Detektor 36 bzw. 42 ein photoelektrischer Detektor ist und die Ausgänge von den Detektoren 36, 42 einem Differentialverstärker 43 zugeführt werden, welcher mit einem Anzeiger 44 verbunden ist, wird dieser Anzeiger 44 anzeigen, wenn die Ausgänge im Gleichgewicht sind. Diese Gleichgewichtspunkte haben Intervalle von einem Viertel der Modulationswellenlänge, wobei vorzugsweise jedoch nur jeder zweite solche Gleichgewichtspunkt zu Messungen herangezogen wird.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Untersuchung der Position eines Lichtreflektors durch Erzeugung eines periodisch modulierten, elliptisch polarisierten Lichtstrahls an einem bekannten Ort, Werfen dieses Lichtstrahls auf den Reflektor, Verändern der periodischen Modulation des am Reflektor reflektierten Lichts und Untersuchen des reflektierten Lichts an einem ebenfalls bekannten Ort zwecks Ableitung des Abstandes Licht erzeugungsort - Reflektor in einem auf die Wellenlänge der periodischen Modulation bezogenen Mass, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des periodisch modulierten, elliptisch polarisierten Lichts ein doppelt brechender Kristall (10) verwendet wird, der einen Strahl von elliptisch polarisiertem Licht mit periodisch wechselndem Rotationssinn erzeugt, und dass der reflektierte Lichtstrahl durch eben diesen doppeltbrechenden Kristall (10)

   geschickt wird, um die periodische Modulation dieses reflektierten Lichtstrahles zu verändern.

   II. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichterzeuger (16, 25, 10, 17) einen doppeltbrechenden Kristall (10) umfasst, der einen Strahl von elliptisch polarisiertem Licht mit periodisch ver änderlichem Rotationssinn liefert, und dass die räumliche Zuordnung von diesem Kristall und dem Re flektor derart gewählt ist, dass der reflektierte Lichtstrahl durch den doppeltbrechenden Kristall noch einmal hindurchgeht, wobei das reflektierte Licht eine Veränderung seiner periodischen Modulation erfährt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kristall ein elektrisches Wechselfeld in dessen z-Achse angelegt und eine stehende Welle zur Ausbildung gebracht wird, die sich senkrecht zur z-Achse des Kristalls erstreckt, dass in der x- oder y-Achse des Kristalls planpolarisiertes Licht durch einen ersten Bauch der stehenden Welle und parallel zur z-Achse des Kristalls durch diesen hindurchgeschickt wird und dass das resultierende periodisch modulierte, elliptisch polarisierte Licht nach der Reflexion an dem Reflektor durch einen zweiten Bauch der stehenden Welle hindurchgeschickt wird, der von dem ersten Bauch um eine ungerade Zahl von Halbwellenlängen der stehenden Welle entfernt ist.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand Lichterzeugungsort-Reflektor bestimmt wird, indem die Länge des Lichtstrahlwegs geändert wird, bis die Polarisation des reflektierten Lichtstrahls am Beobachtungsort einen vorbestimmten Modulationsgrad hat (z. B. Null) und gemessen wird, um welchen Betrag der Lichtweg geändert wurde.

   3. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Lichtstrahlwegs durch Änderung der relativen Bewegung zwischen dem Lichterzeuger und dem Reflektor geändert wird.

   4. Verfahren nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung des Lichterzeugers und des Reflektors unverändert bleibt und die zur progressiven Änderung des Lichtstrahlwegs zwischen dem Lichterzeuger und dem Reflektor oder zwischen dem Reflektor und dem Beobachtungspunkt vorgesehenen Mittel verstellt werden, bis die Polarisation des reflektierten Lichtstrahls am Beobachtungspunkt den vorbestimmten Modulationswert erreicht.

   5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des reflektierten Lichtstrahls durch die Mittel durchgeht, welche die Modulationsphase um 1800 drehen, wobei bestimmt wird, ob am Beobachtungsort an beiden Teilen und am Rest des reflektierten Lichtstrahls Nullmodulation vorhanden ist.

   6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Lichterzeuger ausgesendete Lichtstrahl in zwei oder mehr verschiedenen, aber nahe beieinander liegenden Frequenzen zyklisch moduliert wird.

   7. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichterzeuger neben dem doppelt brechenden Kristall (10) eine Lichtquelle (16), einen Polarisator (25) für die Planpolarisierung des von der Lichtquelle (16) ausgehenden Lichts in einer zur oder y-Achse des Kristalls (10) parallelen Ebene und eine elektrische Schaltung umfasst, welche ein in der z-Achse des Kristalls gerichtetes elektrisches Feld am Kristall anlegt und eine stehende, sich senkrecht zur z-Achse des Kristalls erstreckende Welle zur Ausbildung bringt.

   8. Einrichtung nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung ein pulsierendes Magnetron (17) umfasst, wobei ein Impulsgenerator (15) den synchronisierten Pulsbetrieb des Magnetrons und der Lichtquelle (16) bewirkt.

   9. Einrichtung nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysierungsmittel (35, 36, 41, 42) zum Teil den doppeltbrechenden Kristall (10) umfassen und teilweise die Planpolarisationsmittel, welche gegenüber dem Polarisator (25) gekreuzt sind.

   10. Einrichtung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysierungsmittel zwei photoelektrische Detektoren (36, 42) umfassen, wobei der von dem Reflektor (28) reflektierte Lichtstrahl (31, 37) durch zwei benachbarte Wellenbäuche (33, 38) des Kristalls (10) durchgeht, um die beiden photoelektrischen Detektoren (36, 42) zu bestrahlen, und Mittel (43, 44) vorgesehen sind, um zu bestimmen, wenn die Ausgänge dieser photoelektrischen Detektoren im Gleichgewicht sind.