DE10051302A1

DE10051302A1 - Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche mit speziellem Empfänger

Info

Publication number: DE10051302A1
Application number: DE10051302A
Authority: DE
Inventors: Helmut Seifert; Gero Schusser; Ullrich Krueger; Martin Penzold
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2020-10-14
Also published as: US20020093638A1; DE10051302C5; US6603534B2; JP2002181933A; DE10051302C2; CH695633A5

Abstract

Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche mit einem zueinander parallel angeordneten Sende- und Empfangskanal und einer Photodioden-Chip-Anordnung (4) mit mindestens zwei Photodiodenflächen, die auf einer Geraden angeordnet sind, deren Ausrichtung durch den Abstand a bstimmt ist und sich die zur Laserlichtquelle (2) nächste Photodiodenfläche im Abstand a zu dieser befindet.

Description

Laserentfernungsmessgeräte basieren auf dem Prinzip der Impulslaufzeitmessung oder der Phasenlaufzeitmessung.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Laserentfernungsmessvorrichtungen auf der Basis der Impulslaufzeitmessung und Phasenlaufzeitmessung können durch die grundsätzliche Anordnung von Sende- und Empfangskanal unterschieden werden, in Vorrichtungen, bei denen der Sendekanal neben dem Empfangskanal angeordnet ist, d. h. die optischen Achsen verlaufen in einem bestimmten Abstand zueinander parallel und in Vorrichtungen, bei denen der Sende- und der Empfangskanal zueinander koaxial angeordnet sind, d. h. die optischen Achsen fallen zusammen.

Das optische Übersprechen des Empfängers beim Anmessen von Objekten, z. B. durch Rückstreuung von Staubpartikeln aus dem Nahbereich, ist optisch nur durch zwei Maßnahmen reduzierbar, eine Verkleinerung der Empfängerfläche und eine Vergrößerung des Achsenabstands zwischen Sende- und Empfangskanal.

Beide Maßnahmen bewirken jedoch bei der Verringerung der Objektentfernung ein schnelleres Wegwandern des vom Objekt reflektierten Messstrahlenbündels vom Empfänger.

Für Entfernungsmessgeräte, die ausschließlich für Objektentfernungen im Nahbereich konzipiert werden, werden grundsätzlich Anordnungen mit koaxialem Sende- und Empfangskanal verwendet, d. h., das Sendeobjektiv, was auch eine Einzellinse sein kann, stellt auch das Empfangsobjektiv dar. Innerhalb der Brennweite dieses Objektives befindet sich ein Strahlteiler, wodurch die Brennebene des Objektives in zwei zueinander konjugierten Ebenen entsteht. In diesen Brennebenen befindet sich zum einen der Sender und zum anderen der Empfänger, so dass die vom Sender ausgehende Messstrahlung, durch das Objektiv kollimiert, vom Objekt reflektiert und unabhängig von der Objektentfernung immer auf dem Empfänger abgebildet wird.

Diese Anordnung ist für den Nahbereich geeignet, da aufgrund der relativ hohen Intensität der vom Objekt auf den Empfänger zurückreflektierten Messstrahlung

- der Öffnungswinkel des Objektives, optimiert für die Aussendung des Messstrahlenbündels, für den Empfang der reflektierten Messstrahlung ausreichend ist,
- der Dynamikbereich des Empfängers so eingestellt ist, dass eine Reflexion der Messstrahlung an Staubpartikeln nicht detektiert wird und
- ein Intensitätsverlust durch den Strahlteiler unproblematisch ist.

Eine solche Anordnung ist für Entfernungsmessgeräte, die für Objektentfernungen im Fernbereich konzipiert werden, aufgrund der geringen Intensität der reflektierten Messstrahlung und der relativ hohen Intensität reflektierter Strahlung aus dem Nahbereich, verursacht durch Reflexion an optischen Bauelementen (Strahlteiler, Objektiv) und Staubpartikeln, ungeeignet.

Bei der Konzipierung von Entfernungsmessgeräten für den Fernbereich, d. h. das anzumessende Objekt befindet sich in einer für das Empfangsobjektiv, was auch eine Einzellinse sein kann, unendlichen Entfernung, wählt man daher eine Parallelanordnung von Sende- und Empfangskanal. Da der auf dem anzumessenden Objekt erzeugte Messfleck immer aus dem Unendlichen kommend im Fokus des Empfangsobjektives abgebildet wird, kann man darauf verzichten, Sender und Empfänger in zueinander konjugierten Ebenen anzuordnen, was die Trennung von Sende- und Empfangskanal erlaubt.

Eine solche Anordnung ist für Objektentfernungen im Fernbereich geeignet, da notwendigerweise aufgrund der relativ geringen Intensität der vom Objekt auf den Empfänger reflektierten Messstrahlung

- der Öffnungswinkel des Empfangsobjektives größer gewählt werden kann, als der Öffnungswinkel des Sendeobjektives,
- der Dynamikbereich des Empfängers so eingestellt werden kann, dass eine Reflexion der Messstrahlung an Staubpartikeln detektiert werden würde, wenn diese Strahlungsanteile auf den Empfänger treffen würden. Dies wird vermieden durch den Abstand der optischen Achsen von Sende- und Empfangskanal und durch eine kleine Empfängerfläche und
- kein zusätzlicher Intensitätsverlust durch einen Strahlteiler entsteht.

Eine solche Anordnung ist zum Anmessen von Objekten für den Nahbereich aufgrund der entstehenden Parallaxe ungeeignet, die dazu führt, dass die Abbildung des Messfleckes mit kürzer werdender Entfernung zunehmend von dem auf der optischen Achse des Empfangsobjektives angeordneten Empfänger wegwandert.

Obige Ausführungen zusammengefasst lassen es schwierig erscheinen, ein Laserentfernungsmessgerät zu konzipieren, welches für einen großen Entfernungsmessbereich, d. h. für anzumessende Objekte sowohl im Nahbereich als auch im Fernbereich geeignet ist.

Der Bedarf nach solchen Entfernungsmessgeräten besteht z. B. in der Baubranche, wo ein Entfernungsmessbereich von 0,3 bis 30 m von Interesse ist.

Für Entfernungsmessgeräte mit großem Entfernungsmessbereich kann aufgrund der Intensitätsminderung und des optischen Übersprechens bei der koaxialen Anordnung nur eine Anordnung mit parallelem Sende- und Empfangskanal zum Ansatz kommen.

Derartige Anordnungen sind in der EP 0 701 702 und in der DE 198 60 464 offenbart.

Bei dem im EP 0 701 702 beschriebenen Laserentfernungsmessgerät werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Lösungen angeboten, damit die Abbildung des Messfleckes auch im Nahbereich stets auf dem Empfänger, hier der Eintrittsfläche eines Lichtleiters erfolgt.

Dies kann einerseits durch die Nachführung der Lichtleitereintrittsfläche entsprechend der Verlagerung der Abbildungsposition des Messfleckes quer zur optischen Achse erfolgen. Wie angegeben, erfolgt bewusst keine vollständige Nachführung längs der optischen Achse, da sich herausgestellt hat, dass eine Nachführung in die konkrete Abbildungsposition zu einer Übersteuerung der Auswerteelektronik führt, d. h. der Dynamikbereich des Empfängers, für den die Steuerelektronik konzipiert ist, wird überschritten.

Andererseits wird vorgeschlagen, die Lichtleitereintrittsfläche feststehend anzuordnen und durch außerhalb der optischen Achse angeordnete optische Umlenkmittel dafür zu sorgen, dass die bei kurzen Objektentfernungen zunehmend schräger in das Empfangsobjektiv einfallenden Messstrahlen zur Lichtleitereintrittsfläche gelenkt werden. Man geht auch hier davon aus, dass es auf eine abbildungsoptisch korrekte Umlenkung nicht ankommt, da Intensitätsprobleme bei nahen Objektentfernungen nicht bestehen. Die zweitgenannte Variante hat den Vorteil, dass sie ohne mechanisch bewegliche Elemente im Empfangskanal auskommt.

Sie hat jedoch den Nachteil, dass eine Anpassung des Signalpegels (Intensität der vom Objekt reflektierten und auf den Empfänger auftreffenden Messstrahlung) an den Dynamikbereich des Empfängers kaum möglich ist.

Sofern durch geeignete Maßnahmen gesichert ist, dass ein Teil der am Objekt reflektierten Messstrahlung auf die Empfängerfläche trifft, ist der Entfernungsmessbereich begrenzt durch den Empfindlichkeitsbereich (Dynamik) des Empfängers.

Bestimmend für die auf die Empfängerfläche auftreffende Strahlungsintensität ist im Wesentlichen:

- die Sendeleistung,
- der Intensitätsverlust über die Länge des Strahlungsweges, gleich der doppelten Entfernung zum Objekt und
- der jeweils wirksame Aperturbereich, d. h. der Flächenanteil des Empfangsobjektives, welcher zur Abbildung der reflektierten Messstrahlung jeweils auf dem Empfänger wirksam wird.

In der DE 198 60 464 wird ein unterschiedlicher Aperturbereich in Abhängigkeit von der Objektentfernung wirksam, um eine Übersteuerung des Empfängers zu vermeiden. Dies wird durch eine spezielle Gestaltung des Empfangsobjektives erreicht.

Das Empfangsobjektiv ist eine modifizierte Empfangslinse mit zwei bildseitigen Brennpunkten. Diese zwei Brennpunkte entstehen dadurch, dass die Empfangslinse aus einem primären Linsenbereich und einem sekundären Linsenbereich besteht, wobei der sekundäre Linsenbereich über den gesamten Durchmesser der Empfangslinse gestreckt in senkrechter Richtung zur Sendeachse verläuft und eine trapezförmige Form aufweist, die zur Sendeachse hin schmaler wird.

Die beiden Linsenbereiche sind so dimensioniert, dass über den gesamten gewünschten Entfernungsbereich vom Empfänger ein innerhalb seines Empfindlichkeitsbereiches liegendes Reflexsignal empfangen wird.

Allerdings ist die Herstellung einer solchen Empfangslinse schwierig und aufwendig. Die Lösungen des Standes der Technik haben gemeinsam, dass sie die Abbildung der Messstrahlung in einer für den Empfänger geeigneten Intensität auf dem Empfänger durch Maßnahmen bewirken, die die Strahlführung beeinflussen und entweder aufwendige optische oder zusätzliche mechanische Baugruppen erfordern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche zu schaffen, bei welchem die Abbildung der Messstrahlung in einer für den Empfänger geeigneten Intensität auf dem Empfänger durch eine spezielle Ausführung des Empfängers selbst bewirkt wird.

Damit soll der Aufwand für die Optikfertigung, die Montage, die Justierung und die Prüfung reduziert werden.

Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche mit einer höheren Messgenauigkeit und Messgeschwindigkeit zu schaffen.

Des weiteren soll das Laserentfernungsmessgerät gegenüber derartigen Geräten aus dem Stand der Technik kleiner ausführbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Empfänger eine Photodioden-Chip-Anordnung zur Anwendung kommt, die mindestens zwei aktive Photodiodenflächen aufweist, die auf einer Geraden angeordnet sind, deren Ausrichtung durch den Abstand der Achsen des Sende- und Empfangsobjektiv a bestimmt ist und die sich die zur Laserlichtquelle nächste aktive Photodiodenfläche im Abstand a zu dieser befindet.

Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Da keine optischen Umlenkmittel erforderlich sind, kann das Empfangsobjektiv sehr kurzbrennweitig (zirka 15 bis 25 mm) als Einzellinse oder Einzelsphäre ausgeführt sein. Dies wiederum ermöglicht es mit sehr kleinen Photodiodenempfängerflächen zu arbeiten, was zur Reduzierung des Dunkelstromes und zu einer Verringerung der Kapazitäten der Photodioden führt. Eine Reduzierung des Dunkelstromes erhöht die Empfindlichkeit des Laserentfernungsmessgerätes insgesamt. Eine Verringerung der Photodiodenkapazität ermöglicht eine proportionale Erhöhung der Modulationsfrequenz und damit eine Erhöhung der Messgenauigkeit und Reduzierung der Messzeit.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen in den Zeichnungen:

Fig. 1.1 eine optische Prinzipskizze für ein Laserentfernungsmessgerät mit einer Photodioden-Chip-Anordnung bestimmt durch eine Zweilochblende,

Fig. 1.2 die Darstellung einer Photodioden-Chip-Anordnung mit Zweilochblende,

Fig. 1.3 den Empfangsstrom I_E der Photodioden-Chip-Anordnung nach Fig. 1.2 in Abhängigkeit von der Entfernung E,

Fig. 2.1 eine optische Prinzipskizze für ein Laserentfernungsmessgerät mit einer Photodioden-Chip-Anordnung bestimmt durch eine Dreilochblende,

Fig. 2.2 die Darstellung einer Photodioden-Chip-Anordnung mit Dreilochblende,

Fig. 2.3 den Empfangsstrom I_E der Photodioden-Chip-Anordnung nach Fig. 2.2 in Abhängigkeit von der Entfernung E,

Fig. 3.1 eine optische Prinzipskizze für ein Laserentfernungsmessgerät mit einer Photodioden-Chip-Anordnung bestimmt durch eine Anordnung von zwei Photodioden,

Fig. 3.2 die Darstellung einer Photodioden-Chip-Anordnung mit einer Anordnung von zwei Photodioden,

Fig. 3.3 den Empfangsstrom I_E der Photodioden-Chip-Anordnung nach Fig. 3.2 in Abhängigkeit von der Entfernung E,

Fig. 4.1 eine optische Prinzipskizze für ein Laserentfernungsmessgerät mit einer Photodioden-Chip-Anordnung bestimmt durch eine Anordnung von drei Photodioden,

Fig. 4.2 die Darstellung einer Photodioden-Chip-Anordnung mit einer Anordnung von drei Photodioden,

Fig. 4.3 den Empfangsstrom I_E der Photodioden-Chip-Anordnung nach Fig. 4.2 in Abhängigkeit von der Entfernung E.

Allen nachfolgend zu erläuternden Ausführungsbeispielen gemeinsam ist der Prinzipaufbau des Entfernungsmessgerätes, welches an Hand von Fig. 1.1 beschrieben werden soll.

Das Entfernungsmessgerät besteht aus einem Sendekanal mit einem Sendeobjektiv 1 und einer Laserlichtquelle 2, welche im Brennpunkt des Sendeobjektivs 1 angeordnet ist. Parallel zum Sendekanal ist im Abstand a (gleich Abstand zwischen den optischen Achsen des Sende- und Empfangsobjektives) ein Empfangskanal mit einem Empfangsobjektiv 3 und einer in dessen Brennebene angeordneten Photodioden-Chip-Anordnung vorhanden.

Das von der Laserlichtquelle 2 emittierte Strahlenbündel wird über das Sendeobjektiv 1 kollimiert, trifft auf das anzumessenden Objekt und wird von diesem zurückreflektiert. Die dabei auf das Empfangsobjektiv 3 auftreffende Strahlung bewirkt in Abhängigkeit von der Entfernung des Objektes und der jeweils konkreten Ausführung der Photodioden-Chip-Anordnung ein Empfangsstrom I_E (Empfangssignal).

Im ersten Ausführungsbeispiel, erläutert an Hand der Fig. 1.1 bis 1.3, ist eine Photodioden-Chip-Anordnung 4.1 durch eine Zweilochblende 5.1 mit einer ersten Blendenöffnung 6.1 und einer zweiten Blendenöffnung 6.2, sowie einer in Strahlungsrichtung dahinter angeordneten Photodiode, mit einer Photodiodenfläche 7 gebildet. Die Photodiodenfläche 7 wird bis auf zwei Teilflächen, bestimmt durch die beiden Blendenöffnungen 6.1 und 6.2, abgedeckt. Diese beiden Teilflächen bilden eine erste und zweite aktive Photodiodenfläche.

In Abhängigkeit von der Entfernung des anzumessenden Objektes wird die vom Objekt reflektierte Strahlung auf der Photodioden-Chip-Anordnung 4.1 mit einem Abbildungskreis unterschiedlicher Lage und Durchmesser abgebildet. Bei einem Objekt im Unendlichen wird die Strahlung in den Brennpunkt des Empfangsobjektives 3 fokussiert und führt so zu einem nahezu punktförmigen Abbildungskreis 8.∞ im Abstand a zur Laserlichtquelle 2. Die erste Blendenöffnung 6.1 befindet sich entsprechend um diesen Abbildungskreis 8.∞. Die gesamte reflektierte Strahlung trifft in diesem Fall auf die erste aktive Photodiodenfläche 7.1. Bei Verkürzung der Entfernung wird der Abbildungskreis zunehmend größer, da sich die eigentliche Bildebene aus der Brennebene vom Empfangsobjektiv 3 weg bewegt. Außerdem wandert der Mittelpunkt des Abbildungskreises von der Laserlichtquelle 2 weg, da sich das anzumessende Objekt auf der optischen Achse des Sendeobjektivs 1 und damit im Abstand a zur optischen Achse des Empfangsobjektives 3 befindet.

Beispielhaft sind in Fig. 1.2 ein Abbildungskreis 8.30 für eine Objektentfernung von 30 m und ein Abbildungskreis 8.3 für eine Objektentfernung von nur 3 m dargestellt.

Die erste Blendenöffnung 6.1 ist so dimensioniert, dass sie den größer werdenden Abbildungskreis erst dann teilweise abschattet, wenn die auf die aktive Photodiodenfläche 7.1 auftreffende Strahlungsintensität an die obere Grenze des Dynamikbereiches der Photodioden-Chip-Anordnung kommt. Bei einer weiteren Vergrößerung des Abbildungskreises, was entsprechend dem Abstandsgesetz stets zu einer höheren Strahlungsintensität führt, werden bestimmt durch die Größe der ersten Blendenöffnung ein zunehmend geringerer Anteil des Abbildungskreises auf der ersten aktiven Photodiodenfläche 7.1 und damit der Photodiodenfläche 7 abgebildet, so dass das Empfangssignal nahezu konstant bleibt. Erst wenn der Abbildungskreis so groß wird, dass der durch die erste Blendenöffnung 6.1 hindurchtretende Strahlungsanteil an die untere Grenze des Dynamikbereiches der Photodioden-Chip-Anordnung kommt, kommt die zweite Blendenöffnung 6.2 zur Wirkung, d. h. es treffen Strahlungsanteile auf die durch die zweite Blendenöffnung 6.2 begrenzte zweite aktive Photodiodenflächen 7.2. In Summation bewirken die auf die aktiven Photodioden 7.1 und 7.2 auftreffenden Strahlungsanteile ein annähernd gleichbleibendes Empfangssignal.

Fig. 1.3 zeigt den idealisierten Verlauf des Empfangsstromes 9.1, ermöglicht durch die erste Blendenöffnung 6.1 und den Empfangsstrom 9.2, ermöglicht durch die zweite Blendenöffnung 6.2. Für Entfernungen größer 12 m fällt in diesem Ausführungsbeispiel das Signal entsprechend dem Entfernungsgesetz ab.

Die Wahl von Größe, Form und Abstand der Blendenöffnungen ist eine Frage der Optimierung und insbesondere abhängig von den Parametern der Photodiode 7 und der Brennweite des Empfangsobjektives 3. Einerseits sollen die Blendenöffnungen so klein wie möglich sein, um das Auftreffen von Streulicht bestmöglichst zu vermeiden, andererseits muss die erste Blendenöffnung 6.1 größer sein, als die Abbildungskreise entstehend bei Objektentfernungen größer 12 m.

Die Form der Blendenöffnung insbesondere in Richtung des Abstandes a hat Auswirkung auf die Größe der durch die Zweilochblende 5.1 abgeschatteten Bereiche der Abbildungskreise. So bewirkt eine langgestreckte Ausführung der ersten Blendenöffnungen 6.1, z. B. als Oval ausgebildet wie in Fig. 1.2 gezeigt, gegenüber einer kreisrunden Ausführung, dass das Zentrum eines Abbildungskreises erst mit geringerer Entfernung abgeschattet wird. Denkbar sind auch Optimierungsformen, bei denen die Blendenöffnungen keilförmig verlaufen.

Bei Kombination einer Photodiode mit einer empfindlicheren Photodiodenfläche 7 mit einer Dreilochblende 5.2 und Verwendung eines Empfangsobjektives mit größerer Öffnung lässt sich das Empfangssignal auch für größere Entfernung, z. B. bis zu 30 m nahezu konstant halten, was insbesondere für die Baubranche von großem Interesse ist.

In den Fig. 2.1 bis 2.3 ist eine derartige Photodioden-Chip-Anordnung 4.2 mit einer Dreilochblende 5.2, und die darauf erzeugten Abbildungskreise 8.∞ bei einer unendlichen Objektentfernung, 8.40 für eine Objektentfernung von 40 m, 8.5 für eine Objektentfernung von 5 m und 8.2 für eine Objektentfernung von 2 m dargestellt.

Wie im ersten Ausführungsbeispiel sind auch hier die Blendenöffnungen auf einer Geraden, ausgerichtet in einer Richtung bestimmt durch den Abstand a, angeordnet. Die Photodiodenfläche 7 wird hier bis auf die drei Blendenöffnungen 6.1, 6.2 und 6.3, welche aktive Photodiodenflächen 7.1 bis 7.3 definieren, abgedeckt.

Fig. 2.3 zeigt den idealisierten Verlauf des Empfangsstromes 9.1, bewirkt durch die erste Blendenöffnung 6.1, den Empfangsstrom 9.2, bewirkt durch die zweite Blendenöffnung 6.2 und den Empfangsstrom 9.3, bewirkt durch eine dritte Blendenöffnung 6.3.

Der Erfindungsgedanke ist nicht beschränkt auf die dargestellten Ausführungen der Lochblenden als Zweilochblende 5.1 oder Dreilochblende 5.2. Die Anzahl, Anordnung, Form und Größe der Blendenöffnungen sind vielmehr in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit und dem Entfernungsbereich des Laserentfernungsmessgerätes im Zusammenspiel mit den Parametern der Photodiodenfläche 7 und des Empfangsobjektives 3 eine Frage der Optimierung.

Jedoch werden mit einer Zweilochblende 5.1 oder einer Dreilochblende 5.2 bereits hervorragende Ergebnisse erzielt. Für ein erstes Ausführungsbeispiel einer Photodioden-Chip-Anordnung mit einer Zweilochblende 5.1 kann vorteilhafterweise ein Empfangsobjektiv 3 mit einer Brennweite von 25 mm und einem Öffnungsdurchmesser von 20 mm mit einer Photodiodenfläche 7 eines Durchmessers von 230 µm und Blendenöffnungen von einem Durchmesser ca. 32 µm kombiniert werden. Noch kleinere Blendenöffnungen mit einem Durchmesser von ca. 20 µm können bei einer Photodioden-Chip-Anordnung mit einer Dreilochblende, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Empfangsobjektiv erreicht werden, dessen Brennweite 15 mm und dessen Öffnungsdurchmesser 10 mm ist.

Hier wird deutlich, wie klein und kompakt ein erfindungsgemäßer Laserentfernungsmesser bei Erreichung hoher Leistungsfähigkeit ausgeführt werden kann.

Der Aufwand und die Kosten für die Herstellung und Aufbringung der Lochblenden auf die Photodiodenfläche 7 sind äußerst gering. Diese können nachträglich auf fertige handelsübliche Photodiodenchips oder Avalanch-Photodiodenchips aufgebracht werden oder bereits mit dem Anbringen des Frontkontaktes auf die Chips aufgebracht werden.

Weitere günstige Eigenschaften werden durch die sehr klein ausbildbaren Blendenöffnungen der aufgesetzten Lochblenden erreicht. Mit einer solchen Lösung, wo nur kleine Flächenanteile der Photodiodenfläche bzw. der Avalanch- Photodiodenfläche wirken, können gezielt Laufzeitfehler vermieden werden. Das erlaubt Genauigkeiten in der Entfernungsmessung bis zu 1 mm, wozu Laufzeitunterschiede von kleiner 6 ps erfasst werden müssen.

Im Gegensatz zum Stand der Technik kann insbesondere die gesamte Strahlungsintensität bei Objekten im Unendlichen genutzt werden, da es keine Verluste durch eine Strahlaufteilung oder -lenkung gibt.

In einem dritten Ausführungsbeispiel, erläutert an Hand der Fig. 3.1 bis 3.3 wird eine Photodioden-Chip-Anordnung 4.3 durch zwei gemeinsam auf einem Chip angeordnete und anoden- oder kathodenseitig miteinander verbundene Photodioden mit je einer Photodiodenfläche 7, welche die aktiven Photodiodenflächen 7.1 und 7.2 darstellen, realisiert.

In Abhängigkeit von der Entfernung des anzumessenden Objektes wird die vom Objekt reflektierte Strahlung auf der Photodioden-Chip-Anordnung 4.3 mit einem Abbildungskreis unterschiedlicher Lage und Durchmesser abgebildet. Bei einem Objekt im Unendlichen wird die Strahlung in den Brennpunkt des Empfangsobjektives 3 fokussiert und führt so zu einem nahezu punktförmigen Abbildungskreis 8.∞ im Abstand a zur Laserlichtquelle 2. Eine erste aktive Photodiodenfläche 7.1 befindet sich entsprechend um diesen Abbildungskreis 8.∞ und empfängt somit die gesamte reflektierte Strahlung. Bei Verkürzung der Entfernung wird der Abbildungskreis zunehmend größer und verlagert sich.

Beispielhaft sind in Fig. 3.2 ein Abbildungskreis 8.30 für eine Objektentfernung von 30 m und ein Abbildungskreis 8.3 für eine Objektentfernung von nur 3 m dargestellt.

Die erste aktive Photodiodenfläche 7.1 ist so dimensioniert, dass der größer werdende Abbildungskreis erst dann nicht mehr vollständig zur Abbildung kommt, wenn die auf die erste aktive Photodiodenfläche 7.1 auftreffende Strahlungsintensität an die obere Grenze des Dynamikbereiches der Photodioden- Chip-Anordnung kommt. Bei einer weiteren Vergrößerung des Abbildungskreises, was entsprechend dem Abstandsgesetz stets zu einer höheren Strahlungsintensität führt, kommt, bestimmt durch die Größe der ersten aktiven Photodiodenfläche 7.1, ein zunehmend geringerer Anteil des Abbildungskreises zur Wirkung, so dass das Empfangssignal nahezu konstant bleibt.

Erst wenn der Abbildungskreis so groß wird, dass der auf die erste aktive Photodiodenfläche 7.1 auftreffende Strahlungsanteil an die untere Grenze des Dynamikbereiches der Photodioden-Chip-Anordnung kommt, kommt die zweite Photodiode 7.2 zur Wirkung und sorgt mit dem Empfang weiterer Strahlungsanteile für ein annähernd gleichbleibendes Empfangssignal.

Fig. 3.3 zeigt den idealisierten Verlauf des Empfangsstromes 10.1, bewirkt durch die erste aktive Photodiodenfläche 7.1 und den Empfangsstrom 10.2, bewirkt durch die zweite aktive Photodiodenfläche 7.2. Für Entfernungen größer 12 m fällt in diesem Ausführungsbeispiel das Signal entsprechend dem Entfernungsgesetz ab.

Die Wahl von Größe, Form und Abstand der aktiven Photodiodenflächen 7.1 und 7.2 ist eine Frage der Optimierung und insbesondere abhängig von deren sonstigen Parametern und der Brennweite des Empfangsobjektives 3. Einerseits sollen diese so klein wie möglich sein, um das Auftreffen von Streulicht bestmöglichst zu vermeiden, andererseits muss die erste aktive Photodiodenfläche 7.1 größer sein, als die Abbildungskreise entstehend bei Objektentfernungen größer 12 m.

Die Form der Flächen der Photodioden, insbesondere in Richtung des Abstandes a, hat Auswirkung auf die Größe der auf die aktiven Photodiodenflächen überlappenden Bereiche der Abbildungskreise. So bewirkt eine langgestreckte Ausführung, z. B. als Oval ausgebildet wie in Fig. 3.2 gezeigt, gegenüber einer kreisrunden Ausführung, dass das Zentrum eines Abbildungskreises erst mit geringerer Entfernung die Photodiode 7.1 nicht mehr überlappt. Denkbar sind auch Optimierungsformen, bei denen die Photodiodenflächen keilförmig verlaufen.

Wichtig ist, dass auch Photodiodenflächen mit unterschiedlichen Flächenformen gleichzeitig und identisch hergestellt werden, damit sie in all ihren Ausgangsparametern identisch sind. Unterschiedliche Flächenformen werden mittels aufgesetzter Blenden realisiert.

In einem vierten Ausführungsbeispiel, in dem drei Photodioden mit je einer Photodiodenfläche 7, welche die aktiven Photodiodenflächen 7.1 bis 7.3 bilden, auf einem Chip, miteinander verbunden, angeordnet sind und Verwendung eines Empfangsobjektives mit größerer Öffnung, lassen sich die einzelnen aktiven Photodiodenflächen 7.1 bis 7.3 noch mehr verkleinern und das Empfangssignal auch für größere Entfernung, z. B. bis zu 30 m nahezu konstant halten, was insbesondere für die Baubranche von großem Interesse ist.

In den Fig. 4.1 bis 4.3 ist eine derartige Photodioden-Chip-Anordnung 4.4 mit drei gemeinsam auf einem Chip angeordneten und anodenseitig miteinander verbundenen Photodioden realisiert und die darauf erzeugten Abbildungskreise 8.∞ bei einer unendliche Objektentfernung, 8.40 für eine Objektentfernung von 40 m, 8.5 für eine Objektentfernung von 5 m und 8.2 für eine Objektentfernung von 2 m dargestellt.

Wie im dritten Ausführungsbeispiel sind auch hier die Photodioden auf einer Geraden, ausgerichtet in einer Richtung bestimmt durch den Abstand a, angeordnet.

Fig. 2.3 zeigt den idealisierten Verlauf des Empfangsstromes 10.1, bewirkt durch die erste aktive Photodiodenfläche 7.1, den Empfangsstrom 10.2, bewirkt durch die zweite aktive Photodiodenfläche 7.2 und den Empfangsstrom 10.3, bewirkt durch eine dritte aktive Photodiodenfläche 7.3.

Mit den dritten und vierten Ausführungsbeispielen lassen sich noch kleinere und kompaktere Entfernungsmessgeräte realisieren.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

I_E

Empfangsstrom
E Entfernung
a Abstand der optischen Achsen von Sende- und Empfangskanal

1

Sendeobjektiv

2

Laserlichtquelle

3

Empfangsobjektiv

4.1-4.4

Photodioden-Chip-Anordnung

5.1

Zweilochblende

5.2

Dreilochblende

6.1

erste Blendenöffnung

6.2

zweite Blendenöffnung

6.3

dritte Blendenöffnung

7

Photodiodenfläche

7.1

erste aktive Photodiodenfläche

7.2

zweite aktive Photodiodenfläche

7.3

dritte aktive Photodiodenfläche

8.40

Abbildung für einer Objektentfernung

40

m

8.30

Abbildung für einer Objektentfernung

30

m

8.5

Abbildung für einer Objektentfernung

5

m

8.3

Abbildung für einer Objektentfernung

3

m

8.2

Abbildung für einer Objektentfernung

2

m
a. Empfängerstrom verursacht durch die erste Blendenöffnung

6.1

b. Empfängerstrom verursacht durch die zweite Blendenöffnung

6.2

9.3

Empfängerstrom verursacht durch die dritte Blendenöffnung

6.3

10.1

Empfängerstrom verursacht durch die erste Photodiode

7.1

10.2

Empfängerstrom verursacht durch die zweite Photodiode

7.2

10.3

Empfängerstrom verursacht durch die dritte Photodiode

7.3

Claims

1. Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche mit einem zueinander in einem Abstand a parallel angeordneten Sende- und Empfangskanal, wobei der Sendekanal aus einem Sendeobjektiv (1), in dessen Brennpunkt eine Laserlichtquelle (2) angeordnet ist und der Empfangskanal aus einem Empfangsobjektiv (3) besteht, in dessen Brennebene sich eine Empfängeranordnung (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeranordnung (4) eine Photodioden-Chip-Anordnung mit mindestens zwei aktiven Photodiodenflächen (7.1, 7.2) ist, die auf einer Geraden angeordnet sind, deren Ausrichtung durch den Abstand a bestimmt ist und sich die zur Laserlichtquelle (2) nächste aktive Photodiodenfläche im Abstand a zu dieser befindet.

2. Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Photodiodenflächen gebildet werden von einer Photodiode mit einer Photodiodenfläche (7) mit einer vorgeordneten Lochblende mit mindestens zwei Blendenöffnungen (6.1, 6.2).

3. Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende eine Zweilochblende 5.1 ist.

4. Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnungen kreisrund, oder in Richtung der Geraden stärker ausgedehnte ovale oder keilförmige Gebilde sind.

5. Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode eine Avalanch-Photodiode ist.

6. Laserentfernungsmessgerät für große Messbereiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Photodiodenflächen jeweils von einer Photodiode mit einer Photodiodenfläche (7) gebildet werden die gemeinsam auf einem Chip erzeugt und anoden- oder kathodenseitig miteinander verbunden sind.