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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Distanzmesssystem, welches geeignet ist, einen Abstand eines Ziels von dem System zu messen, und insbesondere einen kompakten, leichtgewichtigen und kostengünstigen Aufbau eines solchen Systems.
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Kurze Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
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Zum Bestimmen des Abstandes eines Ziels von dem Distanzmesssystem sind eine Mehrzahl von Technologien verfügbar.
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Diese Technologien beinhalten üblicherweise das Emittieren von Strahlung (z. B. optische Strahlung, Ultraschall und Radar) in Richtung des Ziels und ein Empfangen eines Teils der von dem Ziel zurück reflektierten Strahlung. Der Abstand von dem System zu dem Ziel wird mittels eines von mehreren Ansätzen, welche dem Fachmann vertraut sind, bestimmt; auf eine detaillierte Beschreibung wird daher verzichtet. Einige Beispiele werden in den Dokumenten
US 4,113,381 ,
US 5,241,360 ,
US 6,765,653 oder
US 2004/0246461 beschrieben. Beispielsweise berechnen einige Systeme den Abstand von dem System zu dem Ziel durch Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen zu dem Ziel emittierter Strahlung und von dem Ziel empfangener reflektierter Strahlung, wohingegen andere Systeme eine Zeitdifferenz zwischen der Emission der Strahlung zu dem Ziel und dem Empfang der reflektierten Strahlung an dem System messen. Beispielsweise kann die Messung des Abstandes durch Emittieren eines modulierten Mikrowellenträgersignals oder modulierten optischen Trägersignals zu dem Ziel hin erfolgen, welches durch das Ziel reflektiert wird. Der Abstand kann dann beispielsweise durch Emittieren und Empfangen multipler Frequenzen, und durch Bestimmen der integeren Anzahl an Wellenlängen bis zu dem Ziel für jede Frequenz, bestimmt werden.
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Das Ziel kann ein sogenanntes nicht-kooperatives Ziel, welches eine vergleichsweise niedrige Reflektivität für die jeweilige Strahlung aufweist (beispielsweise eine Wand eines Gebäudes, ein Stein, ein Baum, oder ein anderes Objekt der Umgebung) sein. Ein derartiges nicht-kooperatives Ziel wird auch als DR (direct reflex) Ziel bezeichnet. Alternativ kann das Ziel ein sogenanntes kooperatives Ziel sein, welches eine vergleichsweise hohe Reflektivität für die jeweilige Strahlung aufweist (beispielsweise ein Prisma oder ein Reflektor). Ein derartiges kooperatives Ziel wird auch als PR (prism reflex) Ziel bezeichnet.
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Distanzmesssysteme, welche optische Strahlung verwenden, umfassen üblicherweise eine Strahlungsquelle, einen Strahlungsdetektor und Messoptik, um durch die Strahlungsquelle emittierte optische Strahlung zu dem Ziel zu projizieren, und um von dem Ziel reflektierte optische Strahlung zurück zu dem Strahlungsdetektor zu führen. Um den Strahlungsdetektor an sich ändernde Intensitäten der optischen Strahlung anzupassen, welche von den unterschiedlichen Zielen reflektiert und von dem Strahlungsdetektor empfangen wird, umfassen die Systeme weiter oft einen variablen Dämpfer, um die Intensität der auf den Strahlungsdetektor einfallenden optischen Strahlung anzupassen. Da Strahlungsdetektoren mit innerer Verstärkung für optische Strahlung zudem einer gewissen Temperaturdrift unterliegen, umfassen die Systeme weiter oft eine Referenzoptik und einen optischen Umschalter, um dem Strahlungsdetektor direkt von der Strahlungsquelle erzeugte und über eine vorbekannte Referenzstrecke geführte optische Strahlung zuzuführen und so eine Normierung des Strahlungsdetektors bezüglich Verstärkung und Drift zu ermöglichen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung sind auf ein Distanzmesssystem gerichtet, welches einen besonders kompakten und leichtgewichtigen Aufbau aufweist, welches kostengünstig hergestellt werden kann.
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Ausführungsformen eines Distanzmesssystems umfassen eine Strahlungsquelle, einen Strahlungsdetektor, eine Messoptik, einen ersten Dämpfungsfilter, einen zweiten Dämpfungsfilter und einen Aktuator. Die Strahlungsquelle ist zum Emittieren von optischer Strahlung ausgebildet. Dabei wird in diesem Dokument unter optischer Strahlung elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 300 nm bis 1.600 nm verstanden. Der Begriff "optische Strahlung" umfasst in diesem Dokument somit neben dem sichtbaren Licht von etwa 380 nm bis 780 nm auch einen Teilbereich der nahen Ultraviolettstrahlung von 300 nm bis 380 nm sowie nahe Infrarotstrahlung von 780 nm bis 1.600 nm. Der Strahlungsdetektor ist zum Detektieren von optischer Strahlung ausgebildet. Die Messoptik ist zum Projizieren von durch die Strahlungsquelle emittierter optischer Strahlung hin zu einem Ziel und zum Führen von durch das Ziel reflektierter optischer Strahlung hin zu dem Strahlungsdetektor als Messstrahlung ausgebildet. Die Messoptik kann beispielsweise mehrere optische Linsen, ablenkende Elemente, Filter und Lichtleiter umfassen. Der erste Dämpfungsfilter weist eine konstante Dämpfung auf und ist in einem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der Messoptik anordenbar. Der erste Dämpfungsfilter dient somit zum Anpassen der Intensität der über die Messoptik zum Ziel projizierten Strahlung. Beispielsweise erlaubt der erste Dämpfungsfilter eine Anpassung der Strahlungsintensität an die Art eines verwendete Ziels (kooperatives Ziel oder nicht-kooperatives Ziel). Der zweite Dämpfungsfilter weist eine einstellbare Dämpfung auf und ist in einem Strahlengang zwischen der Messoptik und dem Strahlungsdetektor anordenbar. Der zweite Dämpfungsfilter dient zum Anpassen der Intensität der auf den Strahlungsdetektor einfallenden optischen Strahlung. Dabei bedeutet "einstellbare Dämpfung", dass die Dämpfung des zweiten Dämpfungsfilters entweder elektrisch verändert werden kann (beispielsweise durch Verwendung eines Flüssigkristallfilters oder eines kippbaren Hologrammfilters) oder das Dämpfungsfilter entlang einer Erstreckungsrichtung des Filters Bereiche unterschiedlicher Transmissivität aufweist (beispielsweise durch Verwendung eines Verlaufsfilters mit einer über die Filterfläche kontinuierlich oder stufenweise veränderliche Filterwirkung wie beispielsweise einem Graukeil). Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem zweiten Dämpfungsfilter um einen durch Drucken oder durch optische Belichtung eines Fotofilms hergestellten Graukeil.
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Hierdurch werden die Komplexität des Aufbaus des Distanzmesssystems, das Gewicht und die Herstellungskosten reduziert.
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Der Aktuator ist mechanisch sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Dämpfungsfilter gekoppelt, um den ersten und zweiten Dämpfungsfilter gemeinsam zu bewegen.
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Da sowohl das vor der Strahlungsquelle anordenbare erste Dämpfungsfilter als auch das vor dem Strahlungsdetektor anordenbare zweite Dämpfungsfilter mit dem Aktuator gekoppelt sind, ist es mittels eines einzigen Aktuators möglich, beide Dämpfungsfilter gemeinsam zu betätigen. Es ist somit nicht nötig, für jeden Dämpfungsfilter einen eigenen Aktuator vorzusehen. Hierdurch werden die Komplexität des Aufbaus des Distanzmesssystems, das Gewicht und die Herstellungskosten reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Strahlungsquelle um eine Licht emittierende Diode (LED), einen Laser und insbesondere um eine Laserdiode. Die optische Strahlung kann beispielsweise moduliert sein, und insbesondere ein Trägersignal aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Strahlungsquelle justierbar ausgeführt.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Strahlungsdetektor um einen Fotomultiplier oder eine Fotodiode und insbesondere eine Avalanche-Fotodiode.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Strahlungsdetektor ein integriertes Detektorfilter auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Aktuator ein Motor und insbesondere ein Rotationsmotor oder Linearmotor.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem Aktuator und dem Träger ein Getriebe und/oder ein Zahnstangenantrieb vorgesehen.
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Gemäß einer Ausführungsform werden der erste und zweite Dämpfungsfilter von einem gemeinsamen Träger getragen, welcher Träger mit dem Aktuator gekoppelt ist. Somit erfolgt die Kopplung der Dämpfungsfilter mit dem Aktuator nicht unmittelbar, sondern mittelbar über den gemeinsamen Träger. Die Verwendung des Trägers erlaubt eine flexiblere Anordnung des Aktuators im Distanzmesssystem.
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Weiter wird betont, dass der Träger und die ersten und zweiten Dämpfungsfilter beispielsweise entweder jeweils getrennte Elemente sein können oder einstückig hergestellt sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Träger ein beweglich gelagerter plattenförmiger Festkörper.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Distanzmesssystem weiter eine Referenzoptik zum Führen von durch die Strahlungsquelle emittierter optischer Strahlung innerhalb des Distanzmesssystems hin zu dem Strahlungsdetektor als interne Referenzstrahlung. Somit läuft die durch die Referenzoptik geführte Referenzstrahlung von der Strahlungsquelle zu dem Strahlungsdetektor über eine vorgegebene Distanz, ohne das Distanzmesssystem zu verlassen. Dabei ist die Referenzoptik mechanisch mit dem Aktuator gekoppelt. Somit wird die Referenzoptik durch den Aktuator gemeinsam mit dem ersten und zweiten Dämpfungsfilter bewegt. Da die Länge des Strahlenganges der Referenzoptik konstant und vorbekannt ist, ist es mittels der Referenzoptik möglich, Temperaturdriften der im Distanzmesssystem verwendeten Komponenten wie beispielsweise des Strahlungsdetektors zu erfassen und zu kompensieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Strahlengang zwischen Referenzoptik und Strahlungsdetektor frei von optischen Linsen. Hierdurch werden die Komplexität des Aufbaus des Distanzmesssystems, das Gewicht und die Herstellungskosten weiter reduziert.
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Gemäß einer Ausführungsform ist im Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Referenzoptik und/oder im Strahlengang der Referenzoptik und/oder im Strahlengang zwischen Referenzoptik und Strahlungsdetektor ein Referenzfilter mit konstanter Dämpfung angeordnet. Dieses Referenzfilter kann erforderlich sein, um die Intensität der durch die Referenzoptik von der Strahlungsquelle zum Strahlungsdetektor geführten internen Referenzstrahlung an einen Messbereich des verwendeten Strahlungsdetektors anzupassen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Referenzoptik wenigstens ein Paar von Spiegelflächen auf, welche paarweise entlang eines von den Spiegelflächen gefalteten Strahlenganges gegenüberliegend angeordnet sind. Die Spiegelflächen schließen einen Winkel von zwischen 70° und 110° und insbesondere von zwischen 80° und 100° und weiter insbesondere 90° ein. Eine erste Spiegelfläche eines jeden Paars von Spiegelflächen ist in einem durch die Strahlungsquelle festgelegten Strahlengang und eine zweite Spiegelfläche eines jeden Paars von Spiegelflächen ist gleichzeitig in einem durch den Strahlungsdetektor festgelegten Strahlengang anordenbar. Im einfachsten Fall kann die Referenzoptik somit aus lediglich zwei Spiegelflächen sowie fakultativ einem Referenzfilter bestehen. Das Referenzfilter kann zwischen diesen Spiegelflächen oder vor einer dieser Spiegelflächen angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Distanzmesssystem weiter ein von dem Aktuator mechanisch entkoppeltes Rhomboidprisma auf, dessen Eintrittsfläche dauerhaft teilweise in einem durch die Strahlungsquelle festgelegten Strahlengang angeordnet ist. Weiter weist die Referenzoptik wenigstens ein Paar von Spiegelflächen auf, welche paarweise entlang eines von den Spiegelflächen gefalteten Strahlenganges gegenüberliegend angeordnet sind und welche einen Winkel von zwischen 70° und 110° und insbesondere von zwischen 80° und 100° und weiter insbesondere 90° einschließen, wobei eine erste Spiegelfläche eines jeden Paars von Spiegelflächen in einem durch die Austrittsfläche des Rhomboidprismas festgelegten Strahlengang und eine zweite Spiegelfläche eines jeden Paars von Spiegelflächen gleichzeitig in einem durch den Strahlungsdetektor festgelegten Strahlengang anordenbar ist. Das Rhomboidprisma bewirkt einen parallelen Versatz von eintretenden und austretenden Strahlen.
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Gemäß einer Ausführungsform ragt die Eintrittsfläche des Rhomboidprismas nur zu einem solchen Teil in den durch die Strahlungsquelle festgelegten Strahlengang hinein, dass weniger als 15 % und insbesondere weniger als 10 % und weiter insbesondere weniger als 5 % der von der Strahlungsquelle emittierten optischen Strahlung durch das Rhomboidprisma herausgegriffen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Spiegelflächen Teile eines einstückigen Lichtleiterstabs. Derartige Lichtleiterstäbe können beispielsweise im Spritzgussverfahren kostengünstig hergestellt werden. Die Spiegelflächen können bei entsprechender Material- und Formwahl des Lichtleiterstabs durch Totalreflexion an einer Grenzfläche des Lichtleiterstabs bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht der wenigstens eine Lichtleiterstab aus Polycarbonat.
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Gemäß einer Ausführungsform wird wenigstens ein Element der Referenzoptik gemeinsam mit dem ersten und zweiten Dämpfungsfilter von einem gemeinsamen Träger getragen, welcher Träger mit dem Aktuator gekoppelt ist. Somit erfolgt die Kopplung der Referenzoptik mit dem Aktuator nicht unmittelbar, sondern mittelbar über den gemeinsamen Träger. Die Verwendung des Trägers erlaubt eine flexiblere Anordnung des Aktuators im Distanzmesssystem.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Distanzmesssystem weiter einen Fotounterbrecher, welcher die Anwesenheit eines an dem Träger vorgesehen Positionsstifts detektiert, wobei der Positionsstift angibt, ob die Referenzoptik in dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch bei Verwendung eines Aktuators mit geringer Genauigkeit zuverlässig sichergestellt werden, dass die Referenzoptik in dem Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor positioniert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Träger eine Kreisscheibe, welche im Zentrum einen Drehschaft aufweist, welcher Drehschaft mit dem Aktuator gekoppelt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich das erste Dämpfungsfilter über 180° des Umfangs des Trägers und erstreckt sich das zweite Dämpfungsfilter über 360° des Umfangs des Trägers. Dabei kann das zweite Dämpfungsfilter radial innerhalb oder außerhalb des ersten Dämpfungsfilters angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Distanzmesssystem genau einen mit dem ersten und zweiten Dämpfungsfilter gekoppelten Aktuator auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Distanzmesssystem genau eine Strahlungsquelle auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das zweite Dämpfungsfilter entlang der gleichen durch den Aktuator hervorgerufenen Bewegungsrichtung des Dämpfungsfilters erste und zweite Abschnitte von sich ändernder Transmissivität auf. In einem ersten Abschnitt ändert sich die Transmissivität entlang der Bewegungsrichtung von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz. In einem zweiten Abschnitt ändert sich die Transmissivität entlang der gleichen Bewegungsrichtung von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz. Bei einem derartigen zweiten Dämpfungsfilter ist ein Bereich minimaler Transparenz einem Bereich maximaler Transparenz benachbart angeordnet (wobei zwischen diesen Bereichen die Referenzoptik vorgesehen sein kann). Wenn die Messung an einer Position des zweiten Dämpfungsfilters gestartet wird, an welcher der Bereich zwischen den beiden Abschnitten des Dämpfungsfilters im Strahlengang zwischen der Messoptik und dem Lichtdetektor angeordnet ist, können sowohl der Maximalwert der Transparenz (der für den Beginn einer Messung von nicht-kooperativen Zielen vorteilhaft ist) als auch der Minimalwert der Transparenz (der für den Beginn einer Messung von kooperativen Zielen vorteilhaft ist) sehr schnell durch Bewegen des zweiten Dämpfungsfilters um nur ein geringes Maß erreicht werden. In der Folge kann die zum Durchführen einer Messung erforderliche Zeit signifikant herabgesetzt werden. Weiter ist die Verwendung eines langsamen Aktuators zum Bewegen des zweiten Dämpfungsfilters möglich, wodurch die Herstellkosten gering gehalten werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das zweite Dämpfungsfilter entlang der gleichen durch den Aktuator hervorgerufenen Bewegungsrichtung des Dämpfungsfilters erste und zweite Abschnitte von sich ändernder Transmissivität auf, einen ersten Abschnitt, in dem sich die Transmissivität entlang der Bewegungsrichtung von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz ändert und einen zweiten Abschnitt, in dem sich die Transmissivität entlang der Bewegungsrichtung von einer niedrigen Transparenz hin zu einer hohen Transparenz ändert. Bei einem derartigen zweiten Dämpfungsfilter ist ein Bereich minimaler Transparenz einem Bereich minimaler Transparenz und/oder ein Bereich maximaler Transparenz einem Bereich maximaler Transparenz benachbart angeordnet (wobei zwischen diesen Bereichen die Referenzoptik vorgesehen sein kann).
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Die Verwendung des zweiten Dämpfungsfilters mit wenigstens zwei Abschnitten sich ändernder Transmissivität weist weiter den Vorteil auf, dass einer dieser Abschnitte für die Messung von nicht-kooperativen Zielen und der andere Abschnitt für die Messung von kooperativen Zielen verwendet werden kann.
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Ausführungsformen eines Vermessungsinstruments umfassen ein Gehäuse, wobei das Gehäuse das vorstehend beschriebene Distanzmesssystem umfasst. Das Vermessungsinstrument kann beispielsweise ein elektronischer Abstandsmesser sein.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen sind, und in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. In den Figuren werden gleiche bzw. ähnliche Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Distanzmesssystems und eines optischen Ziels gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2A, 2B zeigen schematisch eine perspektivische Ansicht und eine Aufsicht auf einen Träger mit einem ersten und zweiten Dämpfungsfilter, wie er in dem Distanzmesssystem aus 1 verwendet werden kann;
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3A, 3B zeigen schematisch eine perspektivische Ansicht und eine Aufsicht auf einen alternativen Träger mit einem ersten und zweiten Dämpfungsfilter, wie er in dem Distanzmesssystem aus 5 verwendet werden kann;
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4A, 4B zeigen schematisch eine perspektivische Ansicht und eine Aufsicht auf einen alternativen Träger mit einem ersten und zweiten Dämpfungsfilter, wie er in dem Distanzmesssystem aus 6 verwendet werden kann;
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5 zeigt eine schematische Ansicht eines Distanzmesssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
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6 zeigt eine schematische Ansicht eines Distanzmesssystems gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
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In den nachfolgend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sind Elemente, die in Funktion und Aufbau ähnlich sind, soweit möglich durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet. Daher sollten die Beschreibung von anderen Ausführungsformen und die Zusammenfassung der Erfindung berücksichtigt werden, um die Merkmale der einzelnen Komponenten einer spezifischen Ausführungsform zu verstehen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1 der generelle Aufbau und die generelle Arbeitsweise eines Distanzmesssystems 1 am Beispiel einer ersten Ausführungsform beschrieben.
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Das in 1 im Querschnitt gezeigte Distanzmesssystem 1 umfasst eine Strahlungsquelle in Form einer Laserdiode 2, einen Strahlungsdetektor in Form einer Avalanche-Fotodiode 3, eine symbolisch durch eine Objektivlinse 4a und zwei Spiegel 4c und 4d dargestellte Messoptik, einen ersten Dämpfungsfilter in Form eines Neutraldichtefilters 5, einen zweiten Dämpfungsfilter 6 in Form von zwei nebeneinander angeordneten Graukeilfiltern 6a, 6b und einen Aktuator in Form eines Linearmotors 7.
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Die Laserdiode 2 emittiert optische Strahlung, welche das Neutraldichtefilter 5 durchläuft, von einer ersten Spiegelfläche 4c der Messoptik gefaltet und über die Objektivlinse 4a der Messoptik zu einem optischen Ziel 200 projiziert wird.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das optische Ziel 200 ein Reflektor und somit ein kooperatives optisches Ziel, welches eine hohe Reflektivität für einfallende optische Strahlung S1 aufweist.
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Die Verwendung eines kooperativen optischen Ziels 200 ist jedoch nicht vorgeschrieben. Bei Verwendung eines nicht-kooperativen Ziels mit geringer Reflektivität für optische Strahlung durchläuft die von der Laserdiode 2 emittierte optische Strahlung vor der Faltung durch die erste Spiegelfläche 4c das Neutraldichtefilter 5 jedoch nicht. Hierzu wird das Neutraldichtefilter 5 aus dem durch die Laserdiode 2 festgelegten Strahlengang herausbewegt, wie noch gezeigt werden wird.
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Die von dem optischen Ziel 200 reflektierte optische Strahlung S2 wird von der Objektivlinse 4a gebündelt, von einer zweiten Siegelfläche 4 der Messoptik gefaltet und über das zweite Dämpfungsfilter 6 der Avalanche-Fotodiode 3 zugeführt, welche zur Detektion der optischen Strahlung ausgebildet ist.
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In der Ausführungsform aus 1 werden das Neutraldichtefilter 5 und die beiden Graukeilfilter 6a und 6b des zweiten Dämpfungsfilters 6 von einem gemeinsamen Träger 7a aus strahlungsundurchlässigem Kunststoff getragen.
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Die Anordnung der Filter 5, 6a, 6b an dem Träger 7a ist besonders gut aus den 2A und 2B ersichtlich.
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Der Träger 7a weist eine rechteckige Form auf. Entlang einer Längsseite des Trägers 7a ist das Neutraldichtefilter 5 angeordnet. Das Neutraldichtefilter 5 erstreckt sich dabei über die halbe Länge der Längsseite und weist über seine ganze Erstreckung eine konstante Dämpfung auf. Entlang der gegenüberliegenden anderen Längsseite sind nebeneinander zwei Graukeilfilter 6a und 6b angeordnet. Die einzelnen Graukeilfilter 6a, 6b erstrecken sich jeweils über die halbe Länge der Längsseite. Die Graukeilfilter 6a, 6b sind so an dem Träger 7a befestigt, dass sich die Transmissivität des einen Graukeilfilters 6a entlang der Längsseite des Trägers 7a von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz ändert, und sich die Transmissivität des benachbarten anderen Graukeilfilters 6b entlang der Längsseite des Trägers 7a von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz ändert. Somit sind die beiden Graukeilfilter 6a, 6b so an dem Träger 7a angeordnet, dass der Bereich niedriger Transparenz des einen Graukeilfilters 6a an den Bereich hoher Transparenz des anderen Graukeilfilters 6b angrenzt.
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Der Träger 7a ist mit einem Linearmotor 7 gekoppelt, welcher den Träger 7a mit den daran befestigten Filtern 5, 6a, 6b linear entlang einer Richtung M hin- und herbewegen kann. In 1 führt die Bewegung des Trägers 7a aus der Bildebene hinaus bzw. in die Bildebene hinein.
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Da die Laserdiode 2 und die Avalanche-Fotodiode 3 ortsfest sind, ist so mittels des Linearmotors 7 im Strahlengang der Laserdiode 2 wahlweise der Abschnitt entlang der Längsseite des Trägers 7a anordenbar, in welchem der Neutraldichtefilter 5 angeordnet ist, oder der Abschnitt des Trägers 7a, welcher frei von dem Neutraldichtefilter 5 ist. Gleichzeitig ist die Transmissivität der zugehörigen Graukeilfilter 6a, 6b einstellbar. Da sich das Neutraldichtefilter 5 über die gleiche Länge der Längsseite des Trägers 7a wie das gegenüberliegend angeordnete Graukeilfilter 6a erstreckt, kann durch Verfahren des Trägers 7a der volle Stellbereich des Graukeilfilters 6a bei gleichzeitiger Verwendung des Neutraldichtefilters 5 eingestellt werden.
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In der gezeigten Ausführungsform trägt der Träger 7a weiter einen Lichtleiterstab 8 aus Polycarbonat mit insgesamt rechteckigem Querschnitt auf. Der Lichtleiterstab 8 ist quer zu den Längsseiten des Trägers 7a in der Mitte der Längsseiten angeordnet, und erstreckt sich somit von einem Endabschnitt des Neutraldichtefilters 5 zu einem Bereich zwischen den benachbarten Graukeilfiltern 6a, 6b.
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Der Lichtleiterstab 8 weist zwei sich gegenüberliegend angeordnete Spiegelflächen 8d, 8e auf, welche miteinander einen Winkel von 90° einschließen. Im Bereich der Spiegelflächen 8d, 8e weist der Lichtleiterstab 8 Eintrittsflächen für optische Strahlung auf. Vor diesen Eintrittsflächen ist ein Referenz-Neutraldichtefilter 8c mit konstanter Dämpfung angeordnet. Über das Referenz-Neutraldichtefilter 8c in den Lichtleiterstab 8 eintretende Strahlung wird durch die in der Figur linke (erste) Spiegelfläche 8d des Lichtleiterstabs 8 eingekoppelt und als optische Referenzstrahlung S3 zur gegenüberliegenden in der Figur rechten (zweiten) Spiegelfläche 8e geführt. Anschließend wird die Referenzstrahlung S3 durch die zweite Spiegelfläche 8e so gefaltet, dass sie den Lichtleiterstab 8 parallel zu der Richtung verlässt, in welcher die Strahlung in den Lichtleiterstab 8 eingetreten ist.
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Mittels des Linearmotors 7 ist es nun durch Verschieben des Trägers 7a möglich, die erste Spiegelfläche 8d der beiden Spiegelflächen 8d, 8e des Lichtleiterstabs 8 in dem durch die Laserdiode 2 festgelegten Strahlengang und die zweite Spiegelfläche 8e der beiden Spiegelflächen 8d, 8e gleichzeitig in dem durch die Avalanche-Fotodiode 3 festgelegten Strahlengang anzuordnen. Auf diese Weise wird durch die Laserdiode 2 erzeugte optische Strahlung über das Referenz-Neutraldichtefilter 8c und den Lichtleiterstab 8 unmittelbar der Avalanche-Fotodiode 3 als optische Referenzstrahlung S3 zugeführt. Da die Länge des Strahlengangs von der Geometrie der Komponenten des Distanzmesssystems 1 abhängt und damit konstant und bestimmbar ist, ist es mittels dieser optischen Referenzstrahlung S3 möglich, Temperaturdriften der verwendeten Bauteile zu kompensieren.
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Damit die optische Referenzstrahlung S3 nicht von über die Objektivlinse 4a einfallender Störstrahlung beeinträchtigt wird, ist unterhalb des Lichtleiterträgers 8 eine von dem Träger 7a getragene Blende 7f aus lichtundurchlässigem Kunststoff angeordnet.
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Ausgehend von einer Stellung, in welcher die Spiegelflächen 8d, 8e des Lichtleiterstabs 8 im Strahlengang der Laserdiode 2 bzw. der Avalanche-Fotodiode 3 angeordnet sind, ist es durch Verschieben des Trägers 7a mittels des Linearmotors 7 möglich, wahlweise unmittelbar in einen Betriebszustand zur Vermessung kooperativer Ziele (Neutraldichtefilter 5 wird im Strahlengang der Laserdiode 2 angeordnet) oder in einen Betriebszustand zur Vermessung nicht-kooperativer Ziele (Neutraldichtefilter 5 wird nicht im Strahlengang der Laserdiode 2 angeordnet) einzutreten.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 3A, 3B der Aufbau und die Arbeitsweise eines Distanzmesssystems 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Dabei wird insbesondere auf die Unterschiede zur vorstehenden ersten Ausführungsform eingegangen und ansonsten auf die vorstehende erste Ausführungsform verwiesen.
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Wie aus den 3A und 3B ersichtlich, ist der Neutraldichtefilter 5 und die beiden Graukeilfilter 6a und 6b tragende Träger 7b in dieser Ausführungsform nicht rechteckig, sondern als kreisförmige Scheibe ausgebildet.
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Das Neutraldichtefilter 5 erstreckt sich dabei über 180° des Umfangs des Trägers 7b und die beiden Graukeilfilter 6a und 6b sind radial innerhalb des Neutraldichtefilters 5 angeordnet und erstrecken sich gemeinsam über 360° des Umfangs des Trägers 7b. Ersichtlich weisen das Neutraldichtefilter 5 und die Graukeilfilter 6a und 6b jeweils die Form eines Kreisbogens auf.
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Wie in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sind die Graukeilfilter 6a und 6b so an dem Träger 7b angeordnet, dass ein Bereich niedriger Transparenz des einen Graukeilfilters 6a an einen Bereich hoher Transparenz des anderen Graukeilfilters 6b angrenzt. Weiter grenzt ein Bereich hoher Transparenz des einen Graukeilfilters 6a an einen Bereich niedriger Transparenz des anderen Graukeilfilters 6b an. In Umfangsrichtung des Trägers 7b ändert sich die Transmissivität der Graukeilfilter 6a, 6b somit in einem ersten Abschnitt von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz und in einem angrenzenden zweiten Abschnitt ebenfalls von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz.
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In einem Bereich, in welchem die beiden Graukeilfilter 6a und 6b aneinandergrenzen, sind an dem Träger 7b zwei sich überkreuzend angeordnete Lichtleiterstäbe 8a, 8b befestigt.
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Die in dieser zweiten Ausführungsform beschriebenen Lichtleiterstäbe 8a, 8b unterscheiden sich von dem in der ersten Ausführungsform beschriebenen Lichtleiterstab 8 insbesondere dadurch, dass das Referenz-Neutraldichtefilter 8c nicht im Bereich der Lichteintrittsfläche sondern im Bereich der Lichtaustrittsfläche der Lichtleiterstäbe 8a, 8b angeordnet ist. Die Lichtaustrittsflächen der Lichtleiterstäbe 8a, 8b sind wie in der vorstehenden ersten Ausführungsform im Bereich der Graukeilfilter 6a, 6b und die Lichteintrittsflächen im Bereich des Neutraldichtefilters 5 angeordnet.
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Durch Rotation des Trägers 7b um sein geometrisches Zentrum ist es somit möglich, das Neutraldichtefilter 5 wahlweise im Strahlengang der Laserdiode 2 anzuordnen. Weiter kann wahlweise auch die Lichteintrittsfläche des Lichtwellenleiters 8a im Strahlengang der Laserdiode 2 und gleichzeitig die Lichtaustrittsfläche mit dem Referenz-Neutraldichtefilter 8c im Strahlengang der Avalanche-Fotodiode 3 angeordnet werden. Weiter kann durch Rotation des Trägers 7b die Dämpfung der vor der Avalanche-Fotodiode 3 anordenbaren Graukeilfilter 6a, 6b eingestellt werden.
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Der in den 3A und 3B gezeigte Aufbau ist beispielsweise in dem in 5 gezeigten Distanzmesssystem 1' gemäß einer dritten Ausführungsform verwendbar.
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Das in 6 gezeigte Distanzmesssystem 1' unterscheidet sich von dem in den 3A und 3B gezeigten Aufbau lediglich dadurch, dass das Referenz-Neutraldichtefilter 8c nicht an der Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters 8 sondern im Inneren des Lichtwellenleiters 8 angeordnet ist.
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Weiter trägt der Träger 7c in der Ausführungsform der 5 eine unterhalb der Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters 8 angeordnete Blende 7f.
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Wie aus 5 ersichtlich, weist der Träger 7c in seinem geometrischen Zentrum zudem einen Drehschaft 7e auf, welcher mit einem Rotationsmotor 7 gekoppelt ist. Der Rotationsmotor 7 ersetzt somit den Linearmotor der ersten Ausführungsform.
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Weiter weist der Träger 7c einen Positionsstift 7d auf, welcher mit einem Fotounterbrecher 9 des Distanzmesssystems 1' zusammenwirkt um festzustellen, ob die Lichteintrittsflächen bzw. Lichtaustrittsflächen des Lichtleiterstabes 8 in dem Strahlengang zwischen der Laserdiode 2 und der Avalanche-Fotodiode 3 angeordnet sind.
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Bei dem in 5 gezeigten Distanzmesssystem 1' ist vor der Laserdiode 2 eine Linse 2a angeordnet. Die Messoptik weist neben der in 1 gezeigten Objektivlinse 4a eine weitere Objektivlinse 4b auf. Zudem ist ein Okular 12 vorgesehen, und ein Gehäuse 10 gezeigt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4A, 4B und 6 der Aufbau und die Arbeitsweise eines Distanzmesssystems 1 gemäß einer vierten Ausführungsform beschrieben. Dabei wird insbesondere auf die Unterschiede zur vorstehenden ersten, zweiten und dritten Ausführungsform eingegangen und ansonsten auf die vorstehenden Ausführungsformen verwiesen.
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Anders als in der zweiten Ausführungsform wird in der vierten Ausführungsform lediglich ein Lichtleiterstab 8 verwendet. Das Referenz-Neutraldichtefilter 8c ist im Bereich der Lichteintrittsfläche des Lichtleiterstabs 8 angeordnet. Unterhalb der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiterstabs 8 ist eine Blende 7f angeordnet. Die Lichtaustrittsfläche und Lichteintrittsfläche des Lichtleiterstabs 8 sind – anders als in den vorstehenden Ausführungsformen – beide im Bereich der Graukeilfilter 6a, 6b angeordnet. Weiter sind die Graukeilfilter 6a und 6b so an dem Träger 7b angeordnet, dass ein Bereich hoher Transparenz des einen Graukeilfilters 6a an einen Bereich hoher Transparenz des anderen Graukeilfilters 6b angrenzt und entsprechend ein Bereich niedriger Transparenz des einen Graukeilfilters 6a an einen Bereich niedriger Transparenz des anderen Graukeilfilters 6b angrenzt. Somit sind die Graukeilfilter 6a, 6b so an dem Träger 7b befestigt, dass sich die Transmissivität des einen Graukeilfilters 6a entlang der Umfangsrichtung des Trägers 7b von einer niedrigen Transparenz hin zu einer hohen Transparenz ändert, und sich die Transmissivität des benachbarten anderen Graukeilfilters 6b entlang der Umfangsrichtung des Trägers 7b von einer hohen Transparenz hin zu einer niedrigen Transparenz ändert.
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Gemäß dieser vierten Ausführungsform ist weiter ein ortsfestes, nicht mit dem Träger 7b gekoppeltes Rhomboidprisma 8f aus Polycarbonat vorgesehen, dessen Eintrittsfläche dauerhaft teilweise in dem durch die Laserdiode 2 festgelegten Strahlengang angeordnet ist und dessen Austrittsfläche einen parallelen Versatz eines Teils der von der Laserdiode 2 emittierten optischen Strahlung in Richtung der Avalanche-Fotodiode 2 bewirkt.
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Durch Rotation des Trägers 7b ist es so möglich, die Eintrittsfläche des Lichtleiterstabs 8 im durch die Austrittsfläche des Rhomboidprismas festgelegten Strahlengang und die Austrittsfläche des Lichtleiterstabs 8 gleichzeitig im durch die Avalanche-Fotodiode 3 festgelegten Strahlengang anzuordnen.
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Dabei ragt die Eintrittsfläche des Rhomboidprismas nur zu einem solchen Teil in den Strahlengang der Laserdiode 2 hinein, dass lediglich 5 % der von der Laserdiode emittierten optischen Strahlung durch das Rhomboidprisma herausgegriffen werden. Es ist daher in dieser Ausführungsform ebenso wie in den weiteren Ausführungsformen auch möglich, auf das Referenz-Neutraldichtefilter 8c zu verzichten. Es wird betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf ein Rhomboidprisma beschränkt ist, welches 5 % der von der Laserdiode emittierten optischen Strahlung herausgreift. Es können auch mehr oder weniger als 5 % der Strahlung herausgegriffen werden.
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In 6 wird zudem gezeigt, dass das Gehäuse 10, welches das Distanzmesssystem aufnimmt, von einem Stativ 11 getragen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4113381 [0003]
- US 5241360 [0003]
- US 6765653 [0003]
- US 2004/0246461 [0003]
