DE10039694A1 - Signal to noise ratio improvement method in laser range finder, involves using reception lens system whose focus is larger than that of collimator system - Google Patents
Signal to noise ratio improvement method in laser range finder, involves using reception lens system whose focus is larger than that of collimator systemInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein eine Technik zur Vergrößerung des optischen Signal/Rausch-Verhältnisses, und betrifft insbesondere eine Technik, die bei einer (Laser-)abstandsmeßvorrichtung eingesetzt wird, um den optischen Rauschabstand für empfangene Signale zu erhöhen.The present invention relates generally to a technique for increasing the optical signal-to-noise ratio, and particularly relates to a technique that is used in a (laser) distance measuring device to the optical Increase the signal-to-noise ratio for received signals.
Herkömmliche Abstandsmeßgeräte und insbesondere Laserabstandsmeßvorrichtun
gen werden häufig benutzt, um den Abstand eines entfernten Objektes oder Ziels zu
messen. Bei einer Laserabstandsmeßvorrichtung zum Beispiel ist das zu Grunde
liegende Meßverfahren derart, daß ein gepulster Laserstrahl in Richtung auf ein Ziel
geleitet wird und daß praktisch gleichzeitig ein Photosensor den reflektierten (gepul
sten) Laserstrahl empfängt und ein Signal erzeugt. Anschließend werden der Zeit
punkt des Absendens des Laserstrahls und der Zeitpunkt des Empfangs des reflek
tierten Laserstrahls miteinander verglichen, um den Zeitunterschied zu berechnen.
Dieser Zeitunterschied (Δt) wird dann mit der Lichtgeschwindigkeit (c) multipliziert und
durch 2 geteilt, um so den Abstand (Ad) zu ermitteln, der zwischen der Laserab
standsmeßvorrichtung und dem Ziel vorliegt:
Conventional distance measuring devices, and in particular laser distance measuring devices, are frequently used to measure the distance of a distant object or target. In a laser distance measuring device, for example, the underlying measuring method is such that a pulsed laser beam is directed towards a target and that practically at the same time a photosensor receives the reflected (pulsed) laser beam and generates a signal. Then the time of sending the laser beam and the time of receiving the reflected laser beam are compared with each other to calculate the time difference. This time difference (Δt) is then multiplied by the speed of light (c) and divided by 2 in order to determine the distance (Ad) between the laser distance measuring device and the target:
Ad = Δt.c/2Ad = Δt.c / 2
Ganz allgemein ausgedrückt, umfaßt die Laserabstandsmeßvorrichtung einen Laser sender, der den gepulsten Laserstrahl abgibt, und einen Photosensor, der den re flektierten gepulsten Laserstrahl aufnimmt. Die Laserabstandsmeßvorrichtung umfaßt darüber hinaus eine Kollimatorlinseneinheit, die die gepulsten Laserstrahlen von dem Lasersender konzentriert und die die gepulsten Laserstrahlen parallel nach außer halb weiter leitet. Bei diesem Verfahren wird der Lasersender im Fokus der Kollima torlinseneinheit angeordnet, so daß die Laserstrahlen parallel weiter geleitet werden, wodurch ein genaueres Zielen erreicht wird und weniger Streuung auftritt. Die Laser abstandsmeßvorrichtung umfaßt darüber hinaus eine Empfangslinseneinheit, um den reflektierten Laserstrahl im Fokus davon zu konzentrieren. Der oben erwähnte Pho tosensor ist im Fokus der Empfangslinseneinheit positioniert, um den reflektierten Laserstrahl auf zu nehmen. Dementsprechend ist ein Sender/Empfänger-System verwirklicht.Generally speaking, the laser distance measuring device comprises a laser transmitter which emits the pulsed laser beam and a photosensor which emits the right reflected pulsed laser beam. The laser distance measuring device comprises a collimator lens unit that detects the pulsed laser beams from the Laser transmitter concentrated and the pulsed laser beams parallel to the outside half forward. With this method, the laser transmitter becomes the focus of the collima Tor lens unit arranged so that the laser beams are passed on in parallel, which achieves more precise aiming and less dispersion. The lasers distance measuring device further comprises a receiving lens unit around which focus reflected laser beam in focus of it. The Pho mentioned above toensor is positioned in the focus of the receiving lens unit, around the reflected To take laser beam on. Accordingly, a transmitter / receiver system realized.
Herkömmlicherweise werden, um die Kosten für die Fertigung zu reduzieren, von dem Hersteller für gewöhnlich die gleichen Linsen benutzt, um die Kollimatorlinse neinheit und die Empfangslinseneinheit aufzubauen. Deshalb ist die Abbildung, die auf dem Photosensor erzeugt wird, in der Abmessung gleich dem Bild des Lasersen ders. Die Fläche des Photosensors ist für gewöhnlich größer als die des Lasersen ders, so daß die Lasersenderabbildung, die auf den Photosensor projiziert wird, häu fig nur einen kleinen Teil der Fläche des gesamten Photosensors beansprucht. Wie es in der Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt der Bereich 11 des Photosensors einen Emp fangsbereich 12, auf dem die Lasersenderabbildung (durch die schattierten Bereiche dargestellt) ausgebildet ist. Die verbleibende Teile sind die Bereiche 13, die nichts empfangen bzw. aufnehmen. Mit Bezug zu einer Laserabstandsmeßvorrichtung be nötigt die Auswertung der Signalanalyse lediglich das Laserstrahlsignal, so daß alle anderen Signale, die auf den Nicht-Empfangsbereich 13 entfallen als Rauschen zu bewerten sind. Nach dem herkömmlichen Verfahren ist die Fläche des Photosensors größer als die des Lasersenders. Dies führt zu einer Reduzierung des Verhältnisses des Empfangsbereichs 12 zu dem Nicht-Empfangsbereich 13. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist der Rauschabstand (optisches Signal-/Rausch-Verhältnis) relativ klein. Daraus resultiert die Schwierigkeit aufeinanderfolgende Signale zu verarbeiten und die Leistung der Laserabstandsmeßvorrichtung wird beeinträchtigt.Conventionally, in order to reduce manufacturing costs, the manufacturer usually uses the same lenses to construct the collimator lens unit and the receiving lens unit. Therefore, the image produced on the photosensor is dimensionally equal to the image of the laser transmitter. The area of the photosensor is usually larger than that of the laser transmitter, so that the laser transmitter image that is projected onto the photosensor is common occupies only a small part of the area of the entire photosensor. As shown in FIG. 1, the area 11 of the photosensor includes a receiving area 12 on which the laser transmitter image (represented by the shaded areas) is formed. The remaining parts are the areas 13 that do not receive or receive anything. With reference to a laser distance measuring device, the evaluation of the signal analysis only requires the laser beam signal, so that all other signals which are attributable to the non-reception area 13 are to be assessed as noise. According to the conventional method, the area of the photosensor is larger than that of the laser transmitter. This leads to a reduction in the ratio of the reception area 12 to the non-reception area 13 . In other words, the signal-to-noise ratio is relatively small. This results in the difficulty of processing successive signals and the performance of the laser distance measuring device is impaired.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur Verbesse rung des optischen Rauschabstandes bei einer Entfernungsmeßvorrichtung zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to provide a technique for improvement tion of the optical signal-to-noise ratio in a distance measuring device create.
Es ist dabei ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Technik zu schaffen, die mittels eines Teleobjektivs den optischen Rauschabstand der Entfernungsmeßvorrichtung vergrößert.It is an object of the present invention to provide a technique that of a telephoto lens the optical signal-to-noise ratio of the distance measuring device enlarged.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Patentanspruch 1 oder 4 an gegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.To achieve this object, the invention provides that in claim 1 or 4 given characteristics. Advantageous refinements of this are in the others Claims specified.
Demnach vergrößert zum Erreichen der oben genannten Aufgabe die Technik nach der vorliegenden Erfindung die Abbildung des Lasersenders auf dem Photosensor, um das Verhältnis zwischen dem Empfangsbereich und dem Nicht-Empfangsbereich zu erhöhen, um so den optischen Rauschabstand zu erhöhen.Accordingly, the technology increases to achieve the above-mentioned object the present invention the imaging of the laser transmitter on the photosensor, the relationship between the reception area and the non-reception area to increase so as to increase the optical signal-to-noise ratio.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2, und zwar für den Fall, daß die Abbildung des La sersenders auf dem Photosensor vergrößert ist, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist, nimmt der vergrößerte Empfangsbereich 22 in dem photoempfindlichen Bereich 11 des Photosensors eine größere Fläche ein als der Empfangsbereich 12 nach dem Stand der Technik. Umgekehrt, wird der Nicht-Empfangsbereich 13 (Stand der Tech nik) zu einem verkleinerten Nicht-Empfangsbereich 23 (Erfindung). Deshalb wird durch diese Änderung, wie sie in der Fig. 2 gezeigt ist, das Verhältnis zwischen dem Empfangsbereich und dem Nicht-Empfangsbereich vergrößert. Mit anderen Worten ausgedrückt, es wird der optische Rauschabstand erhöht. Referring to FIG. 2, in the case where the image of the laser transmitter on the photosensor is enlarged as shown in FIG. 2, the enlarged receiving area 22 in the photosensitive area 11 of the photosensor takes a larger size Area as the reception area 12 according to the prior art. Conversely, the non-reception area 13 (prior art) becomes a reduced non-reception area 23 (invention). Therefore, this change, as shown in Fig. 2, increases the ratio between the reception area and the non-reception area. In other words, the optical signal-to-noise ratio is increased.
Es ist anzunehmen, daß der Fokus der Kollimatorlinseneinheit bei F1 liegt, das die
Abmessung des Lasersenders D1 ist, das der Fokus der Empfangslinseneinheit bei
F2 liegt, und das die Abmessung der empfangenen Abbildung D2 ist, so daß das
Verhältnis zwischen diesen Werten durch die folgende Formel ausgedrückt werden
kann:
It is assumed that the focus of the collimator lens unit is at F1, which is the dimension of the laser transmitter D1, which is the focus of the receiving lens unit at F2, and that is the dimension of the received image D2, so that the relationship between these values is given by the following Formula can be expressed:
F1/F2 = D1/D2 → D2 = F2/F1 + D1F1 / F2 = D1 / D2 → D2 = F2 / F1 + D1
Für den Fall, daß der Fokus der Empfangslinseneinheit vergrößert wird, kann die Ab bildung des Lasersenders vergrößert werden, um den optischen Rauschabstand zu vergrößern, wie oben bereits erläutert.In the event that the focus of the receiving lens unit is enlarged, the Ab Formation of the laser transmitter can be enlarged to the optical signal-to-noise ratio enlarge as already explained above.
Ganz allgemein ausgedrückt, muß, nachdem der Fokus vergrößert worden ist, die Laserabstandsmeßvorrichtung verlängert werden, um die Linseneinheit unterbringen zu können. Um das Volumen der Laserabstandsmeßvorrichtung zu verkleinern, setzt die vorliegende Erfindung zudem eine Baueinheit aus einer konkaven Linse und aus einer konvexen Linse ein, um das erforderliche Bauvolumen zu reduzieren.Generally speaking, after the focus is increased, the Laser distance measuring device can be extended to accommodate the lens unit to be able to. In order to reduce the volume of the laser distance measuring device, sets the present invention also a unit of a concave lens and out a convex lens to reduce the required volume.
In Übereinstimmung mit den obigen Erläuterungen, schafft die vorliegende Erfindung eine Technik, mit der, unter Vergrößerung der Abbildung des Lasersenders, der opti sche Rauschabstand vergrößert wird. Eine Empfangslinseneinheit ist vorgesehen. Diese Empfangslinseneinheit weist einen Fokus auf, der größer ist als der der Kolli matorlinseneinheit, um die Abbildung des Lasersenders zu vergrößern und um die Fläche, die die Abbildung in dem photoempfindlichen Bereich des Photosensors ein nimmt, optimal einzupassen, um so den optischen Rauschabstand zu vergrößern.In accordance with the above explanations, the present invention provides a technique with which, while enlarging the image of the laser transmitter, the opti cal signal-to-noise ratio is increased. A receiving lens unit is provided. This receiving lens unit has a focus that is larger than that of the package mator lens unit to enlarge the image of the laser transmitter and to Area showing the image in the photosensitive area of the photosensor takes optimal fit so as to increase the optical signal-to-noise ratio.
Die vorstehende Aufgabe, die Merkmale und Vorteile nach der vorliegenden Erfin dung können unter Berücksichtigung der folgenden, detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen besser verstanden werden.The above task, the features and advantages of the present invention can take into account the following detailed description of the preferred embodiments of the present invention and with reference be better understood on the accompanying drawings.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zei gen in:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. This time gen in:
Fig. 1 eine Empfangsabbildung bei einem herkömmlichen Abstandsmeßgerät; . Figure 1 is an illustration of a conventional distance measuring reception;
Fig. 2 eine Empfangsabbildung nach der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 is a receiving image according to the present invention;
Fig. 3 eine Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung; und Fig. 3 shows an embodiment according to the present invention; and
Fig. 4 eine Seitenansicht der Teleobjektivlinsen nach der vorliegenden Erfin dung. Fig. 4 is a side view of the telephoto lenses according to the present inven tion.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Die Laserabstandsmeßvorrichtung 30 nach der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Hauptkörper 31, einen Laserempfänger 32, einen Lasersender 33, ein Teleobjektiv 34, eine (transmission collimator lens unit) Kollimatorlinseneinheit 35 und eine Empfangslinseneinheit 36, die in dem Hauptkör per 31 untergebracht sind. Das Teleobjektiv 34 umfaßt eine Objektlinseneinheit 40, ein Okular 40 und eine Prismeneinheit 60, die zwischen der Objektlinseneinheit 40 und dem Okular 50 angeordnet ist. Die Kollimatorlinseneinheit 35 und das Teleobjek tiv 34 nutzen gemeinsam die Objektlinseneinheit 40 und die Prismeneinheit 60.A preferred embodiment according to the present invention will be explained with reference to FIG. 3. The laser distance measuring device 30 according to the present invention comprises a main body 31 , a laser receiver 32 , a laser transmitter 33 , a telephoto lens 34 , a (transmission collimator lens unit) collimator lens unit 35 and a receiving lens unit 36 , which are accommodated in the main body 31 . The telephoto lens 34 comprises an object lens unit 40 , an eyepiece 40 and a prism unit 60 which is arranged between the object lens unit 40 and the eyepiece 50 . The collimator lens unit 35 and the telephoto lens 34 share the object lens unit 40 and the prism unit 60 .
Der Laserstrahl kommt von dem Lasersender 33 und wird in der Prismeneinheit 60 gebrochen, in Richtung zu den Objektivlinsen 40 und parallel auf ein Ziel gerichtet (erster Ausbreitungsweg 71). Der reflektierte Laserstrahl wird fokussiert, und zwar durch die Empfangslinseneinheit 36, sowie auf den Laserempfänger 32 gerichtet. Die Empfangslinseneinheit 36 umfaßt eine asphärische konvexe Linse 361 und eine kon kave Linse 362.The laser beam comes from the laser transmitter 33 and is refracted in the prism unit 60 , in the direction of the objective lenses 40 and directed parallel to a target (first propagation path 71 ). The reflected laser beam is focused, specifically by the receiving lens unit 36 and directed to the laser receiver 32 . The receiving lens unit 36 includes an aspherical convex lens 361 and a concave lens 362 .
Der Lasersender 33 dient dazu, einen Laserstrahl (oder einen anderen nutzbaren nicht-sichtbaren Lichtstrahl mit einer geeigneten Wellenlänge) in Richtung des Ziels zu schicken. Dieser Lichtstrahl erreicht die Oberfläche des Zielobjekts und wird zu rück geworfen. Der Laserempfänger 32 dient dazu, das zurück geworfene Laserlicht zu empfangen bzw. aufzunehmen, und ist mit einem bestimmten elektronischen Schaltkreis (nicht gezeigt) verbunden, um den Abstand zwischen dem Zielobjekt und der Laserabstandsmeßvorrichtung 30 zu berechnen. Durch das Teleskop 34 kann der Benutzer mit dem Auge das sichtbare Licht aufnehmen (d. h. das Licht, daß das menschliche Auge sehen kann), welches von dem Ziel kommt, um das Zielobjekt an zuvisieren und an dem Zielobjekt den Bereich zu bestimmen, an dem die Messung ausgeführt werden soll.The laser transmitter 33 serves to send a laser beam (or another usable invisible light beam with a suitable wavelength) towards the target. This light beam reaches the surface of the target object and is thrown back. The laser receiver 32 serves to receive the received laser light and is connected to a certain electronic circuit (not shown) in order to calculate the distance between the target object and the laser distance measuring device 30 . Through the telescope 34 , the user can pick up with the eye the visible light (ie, the light that the human eye can see) that comes from the target to aim at the target and to determine the area on the target where the Measurement to be performed.
Der optische Weg in der Empfangslinseneinheit 36 ist in der Fig. 4 gezeigt. Um Bauraum für diese Montageeinheit ein zu sparen, wird eine Telephotolinseneinheit eingesetzt. Bei dieser optischen Konstruktion wird der Lichtstrahl zuerst durch die konvexe Linse 81 konvergiert und dann durch die konkave Linse 82 wieder divergiert, und anschließend auf den Fokus 83 fokussiert. Diese optische Konstruktion bewirkt, daß der wirksame Fokus 84 größer ist als die tatsächliche Montagelänge 85, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. Dementsprechend ist sie äquivalent zu einer konvexen Lin se mit einem Fokus, der gleich dem effektiven Fokus 84 ist, wobei jedoch weniger Baulänge erforderlich ist. Deshalb ist der benötigte Bauraum insgesamt reduziert.The optical path in the receiving lens unit 36 is shown in FIG. 4. To save installation space for this assembly unit, a telephoto lens unit is used. In this optical construction, the light beam is first converged by the convex lens 81 and then diverged again by the concave lens 82 , and then focused on the focus 83 . This optical design causes the effective focus 84 to be larger than the actual mounting length 85 , as shown in FIG. 4. Accordingly, it is equivalent to a convex lens with a focus that is equal to the effective focus 84 , but less length is required. The overall installation space required is therefore reduced.
Aus der Berechnungsformel (1/f = 1/f1 + 11f2 - c1/f1f2) für komplexe Linsen ist es bekannt, daß je kleiner der Fokus der konvexen Linse 81 ist, desto besser die Wir kung ist. Deshalb wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine asphärische kon vexe Linse 361 (siehe Fig. 3) benutzt, um den Bauraum weiter zu reduzieren und um die Auflösung zu verbessern.It is known from the calculation formula (1 / f = 1 / f1 + 11f2 - c1 / f1f2) for complex lenses that the smaller the focus of the convex lens 81 , the better the effect. Therefore, in the present embodiment, an aspherical convex lens 361 (see Fig. 3) is used to further reduce the space and to improve the resolution.
Eine Technik ist beschrieben, die bei einem Entfernungsmeßgerät eingesetzt wird, um den Rauschabstand des empfangenen Signals zu verbessern bzw. zu erhöhen. Diese Technik ist derart, daß die Abbildung des Lasersenders, die auf den Photo sensor projiziert wird, vergrößert wird, um das Verhältnis zwischen dem Empfangsbe reich und dem Nicht-Empfangsbereich zu erhöhen, um so den optischen Rauschab stand zu vergrößern. In Übereinstimmung mit dieser Technik umfaßt das optische System eine Empfangslinseneinheit und eine Kollimatorlinseneinheit. Der Fokus der Empfangslinseneinheit ist größer als der Fokus der Kollimatorlinseneinheit. Durch die Vergrößerung der Abbildung des Lasersenders und dadurch, daß diese Abbildung den Bereich der photoempfindlichen Fläche praktisch ausfüllt, kann der optische Rauschabstand vergrößert werden. Diese Technik setzt darüber hinaus eine Tele photolinseneinheit ein, um Bauraum einzusparen und es wird eine asphärische kon vexe Linse benutzt, die diese Wirkung verstärkt.A technique is described which is used in a distance measuring device, to improve the signal-to-noise ratio of the received signal. This technique is such that the imaging of the laser transmitter on the photo sensor is projected is enlarged to the ratio between the receiving area rich and the non-reception area so as to reduce the optical noise stood to enlarge. In accordance with this technique, this includes optical System a receiving lens unit and a collimator lens unit. The focus of the The receiving lens unit is larger than the focus of the collimator lens unit. Through the Enlarging the image of the laser transmitter and the fact that this image practically fills the area of the photosensitive surface, the optical S / N ratio can be increased. This technique also uses telephoto a photo lens unit to save space and an aspherical con uses a vex lens that enhances this effect.
Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird in übrigen ausdrücklich auf die Patentansprüche und die Zeichnungen verwie sen.With regard to features of the invention not explained in detail above is otherwise expressly referred to the claims and the drawings sen.
Die oben beschriebene Ausführungsform ist zu rein beschreibenden Zwecken erläu tert und ist nicht vorgesehen, um den Schutzbereich zu beschränken. Es sind zahl reiche Änderungen an dieser Ausführungsform denkbar, ohne dabei den Kerngedan ken nach der vorliegenden Erfindung zu verfassen.The embodiment described above is for purely descriptive purposes tert and is not intended to limit the scope of protection. There are numbers rich changes to this embodiment are conceivable without losing the essence ken according to the present invention.
Claims (6)
- - einem Teleskop (34);
- - einem Lasersender (33);
- - einer Kollimatorlinseneinheit (35);
- - einer Empfangslinseneinheit (36); und
- - einem Laserempfänger (32), wobei die Empfangsfläche des Laserempfän gers (32) größer ist als die Fläche des Lasersenders, und wobei der Fokus (83) der Empfangslinseneinheit (36) größer ist als der Fokus der Kollimatorlinseneinheit (35), so daß die Abbildung des Lasersenders (33), die an dem Laserempfänger (32) aus gebildet ist, größer ist als die Fläche des Lasersenders (33), sowie die Fläche des Signalempfängsbereichs (22) des Laserempfängers (32) größer ist als der Fokus der Empfangslinseneinheit (36) und kleiner oder gleich ist wie der Fokus der Kollimator linseneinheit (35), um den optischen Rauschabstand zu vergrößern.
- - a telescope ( 34 );
- - a laser transmitter ( 33 );
- - a collimator lens unit ( 35 );
- - a receiving lens unit ( 36 ); and
- - A laser receiver ( 32 ), wherein the receiving area of the Laserempfän gers ( 32 ) is larger than the area of the laser transmitter, and wherein the focus ( 83 ) of the receiving lens unit ( 36 ) is larger than the focus of the collimator lens unit ( 35 ), so that the Image of the laser transmitter ( 33 ), which is formed on the laser receiver ( 32 ), is larger than the area of the laser transmitter ( 33 ), and the area of the signal receiving area ( 22 ) of the laser receiver ( 32 ) is larger than the focus of the receiving lens unit ( 36 ) and smaller or the same as the focus of the collimator lens unit ( 35 ) in order to increase the optical signal-to-noise ratio.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |