DE102014116121B3

DE102014116121B3 - Kompakter Laser-Entfernungsmesser mit erhöhter Reichweite

Info

Publication number: DE102014116121B3
Application number: DE102014116121.1A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schaller; Otto Jünemann
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-11-06

Abstract

Laser-Entfernungsmesser, umfassend einen Sendekanal (1) und einen Empfangskanal (2), wobei wenigstens die Ersatzbrennweite des Sendekanals (1) länger der Baulänge des Laser-Entfernungsmessers ist, was über eine Sendeoptik erreicht wird, die von einer ersten Sammellinse (1.2) und einer ersten Zerstreuungslinse (1.4) gebildet wird, wobei die erste Zerstreuungslinse (1.4) mit dem Lasersender (1.1) des Sendekanals (1) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser-Entfernungsmesser, wie er gattungsgemäß aus der EP 2 363 726 A1 bekannt ist.
Optische Entfernungsmesser arbeiten bevorzugt nach dem Prinzip der Impulslaufzeitmessung. Sie senden einen Laserimpuls in Richtung eines anzumessenden Zieles aus, empfangen einen am Ziel reflektierten Strahlungsenergieanteil des Laserimpulses und ermitteln aus der Laufdauer des Laserimpulses und der Lichtgeschwindigkeit die Entfernung des angemessenen Zieles vom Laser-Entfernungsmesser.
Derartige optische Entfernungsmesser bestehen im Wesentlichen aus einem Sendekanal mit einer Sendeachse und einem Empfangskanal mit einer Empfangsachse, wobei die Sende- und Empfangsachse zueinander parallel ausgerichtet sind.
Der Sendekanal umfasst als Komponenten einen Lasersender, z. B. eine Laserdiode und eine Sendeoptik, in deren Brennebene der Lasersender angeordnet ist. Durch die Position und die Ausrichtung des Lasersenders und der Sendeoptik wird die Lage der Sendeachse, die durch den Hauptpunkt der Sendeoptik und den Mittelpunkt des Lasersenders verläuft, bestimmt.
Der Empfangskanal umfasst als Komponenten einen Empfänger, z. B. eine Photodiode und eine Empfangsoptik, in deren Brennebene der Empfänger angeordnet ist. Durch die Position und die Ausrichtung des Empfängers und der Empfangsoptik wird die Lage der Empfangsachse, die durch den Hauptpunkt der Empfangsoptik und den Mittelpunkt des Empfängers verläuft, bestimmt.
Zur Strahlumlenkung können in den Kanälen strahlumlenkende Elemente, z. B. Spiegel, angeordnet sein.
Unter der Sendeoptik bzw. der Empfangsoptik werden alle an der Strahlformung beteiligten optischen Elemente des Sende- bzw. des Empfangskanals verstanden. In der Regel handelt es sich hierbei lediglich um Einzellinsen oder um Baugruppen aus mehreren Linsen, insbesondere sogenannte Kittgruppen.
Für die Reichweite und die Genauigkeit der Entfernungsmessung ist es erforderlich, dass die Sende- und die Empfangsachse zueinander exakt ausgerichtet sind und diese Ausrichtung dauerhaft, unabhängig von mechanischen und thermischen Einflüssen, stabil bleibt. Je größer die zu messenden Entfernungen sind, desto höher sind die Genauigkeitsanforderungen hierfür.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Laser-Entfernungsmessern bekannt, auf die die vorangehende Beschreibung zutrifft und die deshalb als gattungsgemäß gleich zu einem erfindungsgemäßen Laser-Entfernungsmesser zu betrachten sind. Die Offenbarungen zu solchen Laser-Entfernungsmessern beschränkt sich jedoch häufig nur auf Prinzipanordnungen und nicht auf die konkrete konstruktive Ausführung, mit der letztendlich die Ausrichtung und Stabilisierung der beiden Achsen realisiert wird.
Die US 5,812,893 A offenbart einen optischen Entfernungsmesser mit einem Sender, z. B. einer IR-LED, und einem Empfänger, die gegenüberliegend auf entgegengesetzten Seiten einer flexiblen Leiterplatte unmittelbar auf dieser montiert angeordnet sind. Die Leiterplatte ist in einem Gehäuse gefasst, das als Träger einer Sendelinse und einer Empfangslinse sowie zweier Umlenkspiegel dient.
Indem der Sender und der Empfänger auf jeweils einer anderen Seite der lichtundurchlässigen Leiterplatte angeordnet sind, können sie räumlich nah beieinander montiert werden, ohne dass auf den Empfänger direkte Strahlung oder Streustrahlung vom Sender fallen kann. Damit kann auf Mittel zur Abschirmung des Empfängers verzichtet werden und der Entfernungsmesser kann kleiner und kompakter ausgeführt werden. LEDs sind häufig, wie in den Zeichnungen der vorgenannten US 5,812,893 A angedeutet, mit einem Kunststoff- oder auch Glaskörper verkapselt, der als Feldlinse wirkt. Damit wird die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren Raumwinkel gebündelt.
Aus der DE 10 2005 041 998 A1 ist ein optischer Entfernungsmesser, genauer ein Laser-Entfernungsmesser, bekannt, mit einem Optikträger, an dem eine Aufnahme für eine Empfangsoptik (hier Empfangslinse) sowie Führungsmittel und Befestigungsmittel zum Verschieben und Fixieren einer Leiterplatte vorhanden sind, auf der eine Laserdiode (hier Sender), eine Sendeoptik (hier Kollimationsoptik) und ein Empfänger vormontiert sind. Über ein Verschieben der Leiterplatte in z-Richtung und der Empfangslinse in x- und y-Richtung werden die Sendeachse und die Empfangsachse zueinander parallel ausgerichtet.
Der Optikträger wird anschließend in ein Gehäuse eines Messgerätes eingeschoben.
Da sowohl der Empfänger als auch der Sender mit der Kollimationsoptik auf der Leiterplatte vormontiert sind und keine zusätzlichen Umlenkspiegel verwendet werden, kann ein kompaktes Messgerät mit einer nur geringen Baugröße realisiert werden.
Der Sender und die Kollimationsoptik sind als eine Baueinheit ausgeführt, wobei der Sender optisch bedingt zwingend im Brennpunkt der Kollimationsoptik angeordnet sein muss, womit die Brennweite der Kollimationsoptik der Baulänge dieser Baueinheit entspricht und kürzer ist als das Gehäuse in Richtung der Sendeachse.
Aus der DE 103 31 074 A1 ist eine Sensoranordnung zur Abstandsmessung bekannt, die im Innenraum eines Fahrzeuges hinter einer Fensterscheibe angeordnet ist. Aus deren Verwendung ergibt sich, dass sie für nur kurze zu messende Entfernungen konzipiert ist. Die Sensoranordnung ist in einem Gehäuse untergebracht, welches mit der Befestigung an der Fensterscheibe durch diese verschlossen wird. Die Sendeanordnung umfasst einen Sendekanal und einen Empfangskanal, die jeweils auf einer anderen Seite einer für die Strahlung des Senders undurchlässigen Leiterplatte angeordnet sind. Betreffs der Befestigung der einzelnen Komponenten der beiden Kanäle lässt sich lediglich aus den Zeichnungen entnehmen, dass der Sender, beispielsweise eine Laserdiode, direkt auf der Leiterplatte montiert ist und die Linsenanordnung der Empfangseinheit in das Gehäuse eingepasst ist. Das Gehäuse dient als das Bauteil, das der Sendeanordnung seine mechanische Stabilität gibt.
Aus der vorgenannten EP 2 363 726 A1 ist ein Laser-Entfernungsmesser bekannt, der sich im Wesentlichen von den vorgenannten Entfernungsmessern dadurch unterscheidet, dass eine Leiterplatte nicht nur als Montagebasis für elektronische und elektrooptische Komponenten, die untereinander über integrierte Leiterzüge miteinander verbunden werden können, sondern auch als mechanischer Grundkörper dient, der dem Laser-Entfernungsmesser seine Stabilität gibt und auf dem alle Komponenten des Laser-Entfernungsmessers, auch die optischen Komponenten wie die Sende- und die Empfangsoptik, montiert sind.
Der Lasersender und der Empfänger sind jeweils auf einer Aufsatz-Leiterplatte montiert, welche über ausgedehnte Lötpunkte senkrecht auf der Basisplatte befestigt sind.
Damit die Sendeachse und die Empfangsachse zueinander parallel verlaufen, werden die Sendeoptik und die Empfangsoptik bevorzugt über eine Klebeverbindung auf der Basis-Leiterplatte befestigt und die Aufsatz-Leiterplatten, auf denen der Lasersender bzw. der Empfänger befestigt sind, werden hierzu so positioniert und ausgerichtet, dass deren Mittelpunkte in der Brennebene der Sende- bzw. der Empfangsoptik jeweils gemeinsam mit den Hauptpunkten der Sende- bzw. der Empfangoptik zwei zueinander parallel verlaufende Geraden beschreiben, welche die Sendeachse und die Empfangsachse definieren.
Zur Positionierung und Ausrichtung des Lasersenders und des Empfängers werden die Aufsatz-Leiterplatten, bestückt mit dem Lasersender bzw. dem Empfänger, innerhalb eines vorgegebenen Justierbereiches zur Sendeoptik bzw. Empfangsoptik in bzw. um die Richtungen aller drei Raumachsen x, y und z verschoben bzw. verkippt und in einer Justierlage fixiert.
Damit die einjustierten Aufsatz-Leiterplatten und damit der einjustierte Lasersender bzw. der einjustierte Empfänger in ihrer Justierlage fixiert werden können, sind auf der Basis-Leiterplatte Lötpunkte vorgesehen, die eine solche flächenmäßige Ausdehnung in x- und y-Richtung auf der Oberfläche der Basis-Leiterplatte aufweisen, dass sich die beiden Aufsatz-Leiterplatten in der Justierlage direkt oberhalb der Lötpunkte befinden.
Die Aufsatz-Leiterplatten können dann in der Justierlage fixiert werden, indem die Aufsatz-Leiterplatten mit den Lötpunkten mittels Lot verbunden werden, wobei mit einer entsprechend großen Menge von Lot die Aufsatz-Leiterplatten auch mit einem Abstand von den Lötpunkten in z-Richtung mechanisch fest verlötet werden können. Indem der Lasersender und der Empfänger nicht unmittelbar auf die Basis-Leiterplatte aufgelötet werden, werden sie weniger thermisch belastet. Der Platzbedarf des Lasersenders und des Empfängers auf der Basis-Leiterplatte beschränkt sich nur auf den Platz für die Lötpunkte.
Auf die Aufsatz-Leiterplatten sind vorteilhaft auch die zum Betreiben des Lasersenders bzw. des Empfängers unmittelbar notwendigen Bauelemente aufgebracht, wie Ansteuerelemente oder eine Verstärkerstufe. Vorteilhaft sind der Lasersender und der Empfänger, die Sendeoptik und die Empfangsoptik und gegebenenfalls weitere Komponenten in einer spiegelsymmetrischen Lage zur Basis-Leiterplatte angeordnet, um die Basis-Leiterplatte beidseitig gleichmäßig mechanisch und thermisch zu belasten. Es wird so vermieden, dass sich die Basis-Leiterplatte infolge der örtlichen Erwärmung durch die Verlustleistung elektrischer oder elektrooptischer Komponenten und der Erwärmung der optischen Komponenten durch die Beaufschlagung mit Wärmestrahlung auf seinen beiden Seiten unterschiedlich erwärmt und infolgedessen verzieht.
Insbesondere im Interesse einer Gewichtsreduzierung bestehen die Sendeoptik und die Empfangsoptik vorteilhaft aus transparentem Polymer, z. B. Acryl. Sie weisen an der Umfangsfläche eine ebenflächige Phase auf, mit der sie jeweils auf die Basis-Leiterplatte aufgeklebt sind. Der Abstand zwischen Sende- und Empfangsachse kann auf diese Weise im Vergleich zu einer üblicherweise gefassten Optik verringert werden.
Der Vorteil eines Laser-Entfernungsmessers gemäß der vorbenannten EP 2 363 726 A1 im Vergleich zu gattungsgleichen Entfernungsmessern des Standes der Technik besteht insbesondere darin, dass die Basisplatte den mechanischen Träger des Entfernungsmessers bildet, alle seine Komponenten hierauf befestigt sind und eine Justierung des Sende- und des Empfangskanals allein über die Justierung der Aufsatz-Leiterplatten erfolgen kann. Ebenso wie in gattungsgleichen Entfernungsmessern sind die Sende- und die Empfangsoptik so gerechnet, dass im Abstand ihrer Brennweiten der Lasersender und der Empfänger mittelbar über die Aufsatz-Leiterplatten auf der Basis-Leiterplatte angeordnet werden können.
Ausgehend von einer Laserdiode mit einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik wird in Abhängigkeit von der Brennweite der Sendeoptik die Sendeoptik über den Strahlquerschnitt eines abgestrahlten Laserstrahles am Ort der Sendeoptik ausgeleuchtet. Eine Erhöhung der Reichweite, bei unverändertem Sendekanal, gebildet durch den Lasersender und die Sendeoptik, ist über das Aussenden einer höheren Laserleistung möglich. Dem sind allerdings durch die Forderung nach Einhaltung einer bestimmten Laserklasse Grenzen gesetzt.
Alle vorgenannten Lösungen des Standes der Technik haben gemeinsam, dass der Sendekanal aus einem Sender und einer Sendeoptik gebildet wird, wobei die Sendeoptik entweder eine die vom Sender ausgehende Strahlung sammelnde Einzellinse oder eine nicht näher erläuterte kollimierende und damit ebenso sammelnde Optik ist, die als eine mechanische Einheit zu verstehen ist. Das heißt, zur Justage des Sendekanals stehen grundsätzlich zwei Einheiten, der Sender und die Sendeoptik, zur Verfügung.
Maßnahmen zur Verbesserung der Augensicherheit werden in der Patentschrift US 7 583 364 B1 beschrieben. Bei einem dort offenbarten Laserentfernungsmessgerät ist im Strahlengang des Lasersenders nach einem Umlenkspiegel ein Strahlaufweiter angeordnet. Der Strahlaufweiter ist in Form eines Galileo-Teleskops ausgelegt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2011 000 978 A1 ist ein Laserscanner zum Abtasten einer Überwachungsebene bekannt. Zur Verbesserung der Augensicherheit wird der Sendestrahl mit einem Zylinderlinsenteleskop aufgeweitet. Zwischen dem Zylinderlinsenteleskop und dem Lasersender ist eine zusätzliche Kollimationslinse angeordnet.
Bei einem in der Offenlegungsschrift DE 21 01 772 A beschriebenen optischen Entfernungsmesser wird der Sendestrahl mit einem aus einer sammelnden und einer zerstreuenden Linse bestehenden Galileo-Teleskop aufgeweitet, wobei die zerstreuende Linse verschiebbar in einer Fassung angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen kleinen und kompakten Laser-Entfernungsmesser, wie er aus der vorgenannten EP 2 363 726 A1 bekannt ist, so zu verbessern, dass seine Reichweite bei Beibehaltung einer geforderten Laserklasse erhöht wird, ohne dass dessen Abmaße verändert werden müssen oder der Justageaufwand erhöht wird.
Diese Aufgabe wird für einen Laser-Entfernungsmesser mit einem Sendekanal, umfassend einen Lasersender und eine erste Sammellinse, eine objektseitige Brennweite aufweisend, die gemeinsam eine Sendeachse definieren, und einem Empfangskanal, umfassend einen Empfänger und eine zweite Sammellinse, eine bildseitige Brennweite aufweisend, die gemeinsam eine Empfangsachse definieren, die zur Sendeachse parallel ausgerichtet ist, sowie einer für die Strahlung des Lasersenders undurchlässigen, formstabilen Leiterplatte, auf der der Lasersender und der Empfänger jeweils innerhalb eines ausgedehnten Lötpunkts mittelbar auf einer Aufsatz-Leiterplatte montiert befestigt sind, wobei der Sendekanal auf einer Seite der Leiterplatte und der Empfangskanal auf der anderen Seite der Leiterplatte angeordnet sind, gelöst. Es ist wesentlich, dass zwischen der ersten Sammellinse und dem Lasersender eine erste Zerstreuungslinse angeordnet ist und diese mit dem Lasersender verbunden ist. Die Brennweiten der ersten Zerstreuungslinse sind kürzer als die Brennweiten der ersten Sammellinse und die Hauptebenen der ersten Zerstreuungslinse liegen innerhalb der objektseitigen Brennweite der ersten Sammellinse. Es ergibt sich eine objektseitige Ersatzbrennebene des Sendekanals, die außerhalb der objektseitigen Brennweite der ersten Sammellinse liegt, in welcher der Lasersender angeordnet ist.
Vorteilhaft ist zwischen der zweiten Sammellinse und dem Empfänger eine zweite Zerstreuungslinse angeordnet, die mit dem Empfänger verbunden ist. Auch sie weist Brennweiten auf, die kürzer als die Brennweiten der zweiten Sammellinse sind, und ihre Hauptebenen liegen innerhalb der bildseitigen Brennweite der zweiten Sammellinse. Es ergibt sich eine bildseitige Ersatzbrennebene des Empfangskanals, die außerhalb der bildseitigen Brennweite der zweiten Sammellinse liegt, in welcher der Empfänger angeordnet ist.
Für die Ausführung des Sendekanals ist es von Vorteil, wenn die objektseitige Brennebene der ersten Sammellinse und die objektseitige Ersatzbrennebene des Sendekanals zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Ausdehnung einer der ausgedehnten Lötpunkte ist.
Für die Ausführung des Empfangskanals ist es von Vorteil, wenn die bildseitige Brennebene der zweiten Sammellinse und die bildseitige Ersatzbrennebene des Empfangskanals zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als die Ausdehnung einer der ausgedehnten Lötpunkte ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Hierzu zeigen:
1a einen Prinzipaufbau eines Laser-Entfernungsmessers gemäß dem Stand der Technik,
1b ein paraxiales Optikschema für einen Laser-Entfernungsmesser gemäß 1a,
1c Darstellung des Strahlquerschnittes in der Ebene der Austrittspupille eines Sendekanals gemäß 1b,
2a einen Prinzipaufbau eines erfindungsgemäßen Laser-Entfernungsmessers,
2b ein paraxiales Optikschema für einen Laser-Entfernungsmesser gemäß 2a und
2c Darstellung des Strahlquerschnittes in der Ebene der Austrittspupille eines Sendekanals gemäß 2b.
Nachfolgend wird zuerst ein gemäß dem vorgenannten Stand der Technik bekannter Laser-Entfernungsmesser beschrieben, dessen Reichweite verbessert werden soll. Vorteilhafterweise sollen durch dafür notwendige Veränderungen dessen äußere Abmessungen nicht verändert werden oder der Herstellungs-, Montage- und Justageaufwand wesentlich erhöht werden. Hieran anschließend wird ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laser-Entfernungsmessers beschrieben und die sich durch die unterschiedlichen Merkmale ergebenden Wirkungen und einhergehenden Verbesserungen aufgezeigt.
Ein in der 1a mit seinen wesentlichen Merkmalen dargestellter und aus dem Stand der Technik bekannter Laser-Entfernungsmesser umfasst eine Basis-Leiterplatte 3, die als mechanischer Grundkörper, als optische und elektrische Abschirmung, als Träger elektrischer Verbindungen und als Wärmeleiter dient. Durch diese multifunktionale Auslegung der Basis-Leiterplatte 3 kann vergleichsweise ein kleiner, leichter, kompakter und stabiler Laser-Entfernungsmesser kostengünstig hergestellt werden. Die beiden Seiten der Basis-Leiterplatte 3 sind, soweit das mit den für den Laser-Entfernungsmesser notwendigen Komponenten möglich ist, zur Basis-Leiterplatte 3 symmetrisch bestückt. Wesentliche Komponenten hierfür sind ein Lasersender 1.1, z. B. ein Diodenlaser, und eine erste Sammellinse 1.2 als Sendeoptik, die gemeinsam auf einer Seite der Basis-Leiterplatte 3 angeordnet sind und den Sendekanal 1 mit einer Sendeachse 1.3 bilden, sowie ein Empfänger 2.1, z. B. eine Photodiode, und eine zweite Sammellinse 2.2 als Empfangsoptik, die gemeinsam auf der anderen Seite der Basis-Leiterplatte 3 angeordnet sind und den Empfangskanal 2 mit einer Empfangsachse 2.3 bilden. Die erste Sammellinse 1.2 und die zweite Sammellinse 2.2 sind senkrecht zur Basis-Leiterplatte 3 ausgerichtet auf dieser aufgeklebt. Der Lasersender 1.1 und der Empfänger 2.1 sind jeweils auf einer sogenannten Aufsatz-Leiterplatte 5 aufgebracht, die jeweils auf der Basis-Leiterplatte 3 auf dafür vorgesehenen Lötpunkten 4 mit Lot aufgelötet sind, womit neben der Befestigung auch ein elektrischer Kontakt hergestellt wird.
Vor dem Auflöten wurden die Aufsatz-Leiterplatten 5 durch Verschiebung oberhalb der Lötpunkte 4 zur ersten Sammellinse 1.2 bzw. zur zweiten Sammellinse 2.2 so justiert, dass der Lasersender 1.1 in der Brennebene der ersten Sammellinse 1.2 und der Empfänger 2.1 in der Brennebene der zweiten Sammellinse 2.2 liegt und die Sendeachse 1.3 und die Empfangsachse 2.3 zueinander parallel ausgerichtet sind.
In Abhängigkeit von der Abstrahlcharakteristik des Lasersenders 1.1 und der Brennweite der ersten Sammellinse 1.2 weist der Laserstrahl in der Ebene der Austrittspupille 7 der ersten Sammellinse 1.2 einen bestimmten Strahlquerschnitt q_S auf, siehe 1c.
In 1b ist ein paraxiales Optikschema für den Sendekanal 1 und den Empfangskanal 2 des in 1a dargestellten Laser-Entfernungsmessers dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung in den Zeichnungen sind die beiden Hauptebenen aller dargestellten Linsen sowie der gebildeten Sende- und der gebildeten Empfangsoptik jeweils zusammenfallend gezeichnet. Bei der Benennung der im Optikschema dargestellten Brennebenen, Brennweiten und Brennpunkte wurde für den Sendekanal 1 der Lasersender 1.1 als objektseitig angeordnet und für den Empfangskanal 2 der Empfänger 2.1 als bildseitig angeordnet betrachtet.
1c zeigt den Strahlquerschnitt q_S in der Ebene der Austrittspupille 7 der ersten Sammellinse 1.2 für einen Laserstrahl mit einer typischen Abstrahlcharakteristik eines Diodenlasers als Lasersender 1.1.
Damit eine einen Laserstrahl aussendende Vorrichtung, wie ein Laser-Entfernungsmesser, einer bestimmten Laserklasse zugeordnet werden kann, z. B. der Laserklasse 1, darf, bei gegebener Emissionswellenlänge des ausgesendeten Laserstrahls und gegebener Abstrahlcharakteristik des Lasersenders 1.1 sowie einer gegebenen objektseitigen Brennweite f_1.2 der Sendeoptik, welche hier nur durch die erste Sammellinse 1.2 gebildet ist und kürzer der Länge der Basis-Leiterplatte 3 sein muss, die Pulsenergie, mit welcher der Lasersender 1.1 einen Laserstrahl aussendet, einen bestimmten maximalen Wert nicht überschreiten.
Dieser maximale Wert darf nur so groß sein, dass über einen Anteil des Strahlquerschnittes q_S, der innerhalb eines jeden beliebigen Kreisausschnittes mit einem Durchmesser von 7 mm (gedachte Messpupille) in der Austrittspupille 7 der Sendeoptik liegt, eine Pulsenergie übertragen wird, welche den Grenzwert für die vorgegebene Laserklasse nicht überschreitet.
Nach der Norm „Sicherheit von Lasereinrichtungen – Teil 1: Klassifizierung von Anlagen und Anforderungen“, deutsche Fassung EN 60825-1, wird die Laserklasse eines Gerätes unter anderem bestimmt, indem unmittelbar an dessen Strahlaustritt, innerhalb der Ebene der Austrittspupille des Gerätes, die Pulsenergie detektiert wird, die über eine Messpupille, deren Durchmesser dem einer weit geöffneten Pupille entspricht, übertragen wird. Bei einer üblichen Energieverteilung, bei der die Energiedichte um die optische Achse am höchsten ist, wird die Messpupille koaxial zur Sendeoptik angeordnet.
Die Laserklasse ist wellenlängen- und energieabhängig, weshalb es für die einzelnen Laserklassen wellenlängenabhängige Grenzwerte für die Pulsenergie, die über die Messpupille übertragen wird, gibt. Sie liegt z. B. für die Laserklasse 1 für einen Wellenlängenbereich von 400 nm < λ < 700 nm bei < 0,39 mW und für eine Wellenlänge von 905 nm bei 0,9 mW.
Bei einer üblichen Abstrahlcharakteristik eines Lasersenders 1.1, z. B. von 75 µm–300 µm (slow axis SA) × 1 µm (fast axis FA) und einer Abstrahlcharakteristik von z. B. 10°–12° in Richtung der slow axis SA und 25°–35° in Richtung der fast axis FA sowie einer objektseitigen Brennweite f_1.2 der ersten Sammellinse 1.2 kürzer als die Baulänge eines Laser-Entfernungsmessers, wird, wie in 1c gezeigt, ein Strahlquerschnitt q_S in der Ebene der Austrittspupille 7 erzeugt, der in Richtung der slow axis SA die Austrittspupille 7, mit einem übertragbaren Anteil q_Ü der Gesamtpulsenergie des Strahlquerschnittes q_S, als auch die gedachte Messpupille, mit einem messbaren Anteil q_M der Gesamtenergie des Strahlquerschnittes q_S, nur anteilig ausleuchtet. In Richtung der fast axis FA wird die Austrittspupille 7 vollständig ausgeleuchtet und zwar nur mit einem mittleren Bereich des Strahlquerschnittes q_S, sodass die Energieverteilung im übertragbaren Anteil q_Ü einer Top-Hat-Verteilung entspricht.
Um eine möglichst hohe Reichweite zu erzielen, wird der Lasersender 1.1 mit einer so hohen Pulsenergie betrieben, dass der messbare Anteil q_M der Pulsenergie dem Grenzwert für die geforderte Laserklasse entspricht. Der übertragbare Anteil q_Ü der Pulsenergie, welcher für die Reichweite bestimmend ist, ist ungefähr um das Verhältnis des Durchmessers der Austrittspupille 7 zum Durchmesser der gedachten Messpupille größer.
Um bei Beibehaltung der Laserklasse von einem beschriebenen Laser-Entfernungsmesser ausgehend die Reichweite des Laser-Entfernungsmessers zu erhöhen, wird für einen erfindungsgemäßen Laser-Entfernungsmesser die Brennweite des Sendekanals 1 und vorteilhaft auch die Brennweite des Empfangskanals 2 vergrößert, ohne dass hierfür die mechanischen Maße des Entfernungsmessers, insbesondere die Länge der Basis-Leiterplatte 3 und damit die Baulänge des Laser-Entfernungsmessers, vergrößert werden müssen.
Zu diesem Zweck wird für alle Ausführungen eines erfindungsgemäßen Laser-Entfernungsmessers die Sendeoptik, bestehend aus einer ersten Sammellinse 1.2, durch eine erste Zerstreuungslinse 1.4 ergänzt, welche Brennweiten f_1.4, f`_1.4 aufweist, die kürzer sind als die Brennweiten der ersten Sammellinse f_1.2, f`_1.2. Gemäß dem nachfolgend beschriebenen, besonders vorteilhaften ersten Ausführungsbeispiel wird auch die Empfangsoptik, bestehend aus einer zweiten Sammellinse 2.2, durch eine zweite Zerstreuungslinse 2.4 ergänzt.
In 2b ist ein paraxiales Optikschema für das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Laser-Entfernungsmessers gezeigt.
Die Zerstreuungslinsen 1.4, 2.4 sind bei Verwendung der jeweils gleichen Sammellinsen 1.2, 2.2, wie bei einem Laser-Entfernungsmesser gemäß dem vorgenannten Stand der Technik, vorteilhaft so gerechnet, dass die objektseitige Ersatzbrennebene BE₁ des Sendekanals 1 bzw. die bildseitige Ersatzbrennebene BE’₂ des Empfangskanals 2 annähernd in der objektseitigen Brennebene BE_1.2 der ersten Sammellinse 1.2 bzw. der bildseitigen Brennebene BE’_2.2 der zweiten Sammellinse 2.2 liegen. Annähernd heißt hier, dass die auf der Basis-Leiterplatte 3 aufgebrachten beiden Lötpunkte 4 verwendet werden können, um darauf eine Aufsatzleiter zu löten, die sowohl gemäß dem vorgenannten Stand der Technik als auch erfindungsgemäß bestückt sein kann, sodass der Lasersender 1.1 und der Empfänger 2.1 alternativ gemäß dem Stand der Technik jeweils in der Brennebene einer der Sammellinsen oder erfindungsgemäß jeweils in einer Ersatzbrennebene für eine der Sammellinsen und eine der Zerstreuungslinsen stehen können. Damit kann eine weitgehende Vorfertigung des Laser-Entfernungsmessers erfolgen, bevor dieser letztendlich gemäß dem vorgenannten Stand der Technik oder erfindungsgemäß fertiggestellt wird.
Die objektseitige Ersatzbrennebene BE₁ des Sendekanals 1 liegt außerhalb der objektseitigen Brennweite f_1,2 der ersten Sammellinse 1.2 und die bildseitige Ersatzbrennebene BE’₂ des Empfangskanals 2 liegt außerhalb der bildseitigen Brennweite f’_2,2 der zweiten Sammellinse 2.2.
Die erste Zerstreuungslinse 1.4 ist mit dem Lasersender 1.1 und die zweite Zerstreuungslinse 2.4. ist mit dem Empfänger 2.1 verbunden.
Für die Herstellung ergibt sich damit lediglich ein Mehraufwand für die Herstellung und Montage der Zerstreuungslinsen 1.4, 2.4. Mit nur geringfügigen Änderungen beim Ablauf der Herstellung und Montage kann alternativ ein Laser-Entfernungsmesser gemäß dem vorgenannten Stand der Technik oder gemäß der Erfindung hergestellt werden und als Modul alternativ in ein Gerät mit gleichen Schnittstellen zu diesem eingesetzt werden.
Wie erwähnt fallen die Ersatzbrennebenen BE₁, BE’₂ vorteilhaft jeweils annähernd mit den Brennebenen BE_1.2, BE’_2.2 der Sammellinsen 1.2, 2.2 zusammen. Im dargestellten Optikschema wurde deren Abstand übertrieben groß dargestellt, um den Strahlenverlauf besser sichtbar darstellen zu können.
Die Brennweiten f_1.4, f`_1.4 / f_2.4, f`_2.4 der beiden Zerstreuungslinsen 1.4, 2.4 sind jeweils kürzer als die Brennweiten f_1.2, f’_1.2 / f_2.2, f’_2.2 der beiden Sammellinsen 1.2, 2.2.
Darüber hinaus liegt der bildseitige Brennpunkt F’_1.4 der ersten Zerstreuungslinse 1.4, die zwischen der ersten Sammellinse 1.2 und dem Lasersender 1.1 angeordnet ist, außerhalb der objektseitigen Brennweite f_1.2 der ersten Sammellinse 1.2, so wie der objektseitige Brennpunkt F_2.4 der zweiten Zerstreuungslinse 2.4, die zwischen der zweiten Sammellinse 2.2 und dem Empfänger 2.1 angeordnet ist, außerhalb der bildseitigen Brennweite f’_2.2 der zweiten Sammellinse 2.2. Die Brennpunkte der Sammellinsen und der Zerstreuungslinsen fallen keinesfalls zusammen, sondern haben einen Abstand zueinander.
Die Ersatzhauptebenen HH’₁, HH’₂ liegen damit aus Sicht des Lasersenders 1.1 bzw. des Empfängers 2.1 vor den Hauptebenen HH’_1.2, HH’_2.2 der Sammellinsen 1.2, 2.2 außerhalb des Laser-Entfernungsmessers, womit die Ersatzbrennweiten f_1, f₂ des Sendekanals 1 und des Empfangskanals 2 länger als die Baulänge des Laser-Entfernungsmesser sind. Sie liegen um so weiter weg, je geringer jeweils der Abstand der Brennpunkte ist. Je geringer der Abstand, desto länger sind die Ersatzbrennweiten.
In einem weniger vorteilhaften Ausführungsbeispiel entspricht der Empfangskanal dem eines Laser-Entfernungsmessers gemäß dem vorgenannten Stand der Technik.
2c zeigt den Strahlquerschnitt q_S eines von dem Lasersender 1.1 ausgesendeten Laserstrahls in der Ebene der Austrittspupille 7 des Sendekanals 1, der durch die erste Sammellinse 1.2 und die erste Zerstreuungslinse 1.4 gebildeten Sendeoptik für einen Laserstrahl mit einer typischen Abstrahlcharakteristik eines Diodenlasers als Lasersender 1.1.
Durch die vergleichsweise längere Brennweite, hier der objektseitigen Ersatzbrennweite f₁ des Sendekanals 1 zur objektseitigen Brennweite f_1.2 der ersten Sammellinse 1.2 eines vorgenannten bekannten Laser-Entfernungsmessers, wird der Strahlquerschnitt q_S in der Ebene der Austrittspupille 7 der Sendeoptik, die als körperliche Blende vom Lasersender 1.1 aus betrachtet unmittelbar hinter der ersten Sammellinse 1.2 liegt, entsprechend dem Strahlensatz vergrößert.
2c zeigt schematisch die sich ändernden Verhältnisse, insbesondere das Verhältnis des übertragbaren Anteils q_Ü der Pulsenergie zum messbaren Anteil q_M der Pulsenergie, welches sich mit Vergrößerung der objektseitigen Ersatzbrennweite f₁ des Sendekanals 1 und damit der Vergrößerung des Stahlquerschnittes q_S in der Ebene der Austrittspupille 7 der Sendeoptik zunehmend zugunsten des übertragbaren Anteils q_Ü deutlich verändert.
In 1c ist dieses Verhältnis ca. 1:3.
Bei einer Vergrößerung der objektseitigen Ersatzbrennweite f₁ des Sendekanals 1 und damit des Strahlquerschnitts q_S bleibt es anfänglich nahezu konstant, bis der messbare Anteil q_M die gedachte Messpupille vollständig abdeckt. Bei einer weiteren Vergrößerung des Strahlquerschnittes q_S nimmt nur noch der übertragbare Anteil q_Ü zu und der messbare Anteil q_M bleibt konstant. Idealerweise wird die Sendeoptik und vorteilhaft auch die Empfangsoptik so gerechnet, dass der übertragbare Anteil q_Ü die Austrittspupille 7 in Richtung der slow axis SA vollständig abdeckt, aber auch nicht wesentlich darüber hinausgeht.
Die Reichweite des Laser-Entfernungsmessers kann so aufgrund der Übertragung von mehr Strahlungsenergie bei Beibehaltung der Laserklasse erheblich vergrößert werden.
Aufgrund der größeren Brennweite ergibt sich auch zwangsläufig eine Verringerung der Strahldivergenz des ausgesendeten Laserstrahls, was ebenfalls zur Erhöhung der Reichweite führt. Nicht in jedem Fall ist jedoch eine Verringerung der Strahldivergenz gewünscht, wenn z. B. in bekannten Entfernungen mit einem bekannten Reflexionsvermögen nur Objekte ab einer bestimmten Größe detektiert werden sollen. Um unterschiedliche Kundenbedürfnisse zu erfüllen, kann es für einen Hersteller daher von Interesse sein, alternativ einen Laser-Entfernungsmesser des vorgenannten Standes der Technik und einen Laser-Entfernungsmesser gemäß der Erfindung anzubieten. Es ist daher für die Montage und Prüfung vorteilhaft, dass allein durch den Austausch der Aufsatz-Leiterplatten (mal mit und mal ohne zusätzliche Zerstreuungslinse) der eine oder andere Laser-Entfernungsmesser montiert werden kann.
Wenn auch der Empfangskanal 2 wie erläutert vorteilhaft mit einer zweiten Zerstreuungslinse 2.4 ausgestattet wird, wird die Reichweite zusätzlich noch dadurch verbessert, dass die Empfangsdivergenz geringer wird. Dies führt zu einem verringerten Fremdlichteinfall und damit Gleichlichtrauschen, was ein verbessertes Signal-Rauschverhältnis bewirkt.
Das Optikschema ist eine Darstellung im paraxialen Gebiet, welche es erlaubt, die prinzipielle Strahlführung im Sendekanal 1 und Empfangskanal 2 zu zeigen. Für eine Erklärung der sich mit den Brennweiten ändernden Sende- bzw. Empfangsdivergenz muss die Ausdehnung des Lasersenders 1.1, genauer dessen Sendefläche und die Ausdehnung des Empfängers 2.1, genauer der Empfangsfläche, beachtet werden. Es versteht sich für den Fachmann, dass diese generell unterschiedliche Ausdehnungen haben, weshalb das Optikschema, bei dem der von einem Punkt ausgehende Laserstrahl und in einem Punkt empfangene Laserstrahl dargestellt sind, für den Sendekanal 1 und den Empfangskanal 2 zwar prinzipiell gleich ist, jedoch die Werte für die Brennweiten und Standorte der Brennebenen unterschiedlich sind.
Idealerweise werden der Sendekanal 1 und der Empfangskanal 2 so gerechnet, dass die Sendedivergenz und die Empfangsdivergenz aneinander angepasst sind.
Bezugszeichenliste

1: Sendekanal
1.1: Lasersender
1.2: erste Sammellinse
1.3: Sendeachse
1.4: erste Zerstreuungslinse
2: Empfangskanal
2.1: Empfänger
2.2: zweite Sammellinse
2.3: Empfangsachse
2.4: zweite Zerstreuungslinse
3: Basis-Leiterplatte
4: Lötpunkt
5: Aufsatz-Leiterplatte
7: Austrittspupille
8: Eintrittspupille
SA: slow axis
FA: fast axis
q_S: Strahlquerschnitt (in der Ebene der Austrittspupille 7)
q_Ü: übertragbarer Anteil
q_M: messbarer Anteil
HH’_1.2: Hauptebenen (der ersten Sammellinse 1.2)
HH’_1.4: Hauptebenen (der ersten Zerstreuungslinse 1.4)
HH’₁: Ersatzhauptebenen (des Sendekanals 1)
HH’_2.2: Hauptebenen (der zweiten Sammellinse 2.2)
HH’_2.4: Hauptebenen (der zweiten Zerstreuungslinse 2.4)
HH’₂: Ersatzhauptebenen (des Empfangskanals 2)
F_1.2: objektseitiger Brennpunkt (der ersten Sammellinse 1.2)
F’_1.4: bildseitiger Brennpunkt (der ersten Zerstreuungslinse 1.4)
F₁: objektseitiger Ersatzbrennpunkt (des Sendekanals 1)
F’_2.2: bildseitiger Brennpunkt (der zweiten Sammellinse 2.2)
F_2.4: objektseitiger Brennpunkt (der zweiten Zerstreuungslinse 2.4)
F’₂: bildseitiger Ersatzbrennpunkt (des Empfangskanals 2)
f_1.2: objektseitige Brennweite (der ersten Sammellinse 1.2)
f₁: objektseitige Ersatzbrennweite (des Sendekanals 1)
f’_2.2: bildseitige Brennweite (der zweiten Sammellinse 2.2)
f’₂: bildseitige Ersatzbrennweite (des Empfangskanals 2)
BE_1.2: objektseitige Brennebene (der ersten Sammellinse 1.2)
BE₁: objektseitige Ersatzbrennebene (des Sendekanals 1)
BE’_2.2: bildseitige Brennebene (der zweiten Sammellinse 2.2)
BE’₂: bildseitige Ersatzbrennebene (des Empfangskanals 2)

Claims

Laser-Entfernungsmesser mit einem Sendekanal (1), umfassend einen Lasersender (1.1) und eine erste Sammellinse (1.2), eine objektseitige Brennweite (f_1.2) aufweisend, die gemeinsam eine Sendeachse (1.3) definieren, und einem Empfangskanal (2), umfassend einen Empfänger (2.1) und eine zweite Sammellinse (2.2), eine bildseitige Brennweite (f`_2.2) aufweisend, die gemeinsam eine Empfangsachse (2.3) definieren, die zur Sendeachse (1.3) parallel ausgerichtet ist, sowie einer für die Strahlung des Lasersenders (1.1) undurchlässige, formstabile Basis-Leiterplatte (3), auf der der Lasersender (1.1) und der Empfänger (2.1) jeweils innerhalb eines ausgedehnten Lötpunkts (4) mittelbar auf einer Aufsatz-Leiterplatte (5) montiert befestigt sind, wobei der Sendekanal (1) auf einer Seite der Basis-Leiterplatte (3) und der Empfangskanal (2) auf der anderen Seite der Basis-Leiterplatte (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Sammellinse (1.2) und dem Lasersender (1.1) eine erste Zerstreuungslinse (1.4) mit dem Lasersender (1.1) verbunden angeordnet ist, welche Brennweiten (f_1.4, f`_1.4) aufweist, die kürzer sind als die Brennweiten der ersten Sammellinse (f_1.2, f`_1.2), sowie Hauptebenen (HH´_1.4) aufweist, die innerhalb der objektseitigen Brennweite (f_1.2) der ersten Sammellinse (1.2) liegen, und eine sich ergebende objektseitige Ersatzbrennebene (BE₁) des Sendekanals (1) außerhalb der objektseitigen Brennweite (f_1.2) der ersten Sammellinse (1.2) liegt, in der der Lasersender (1.1) angeordnet ist.
Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Sammellinse (2.2) und dem Empfänger (2.1) eine zweite Zerstreuungslinse (2.4) mit dem Empfänger (2.1) verbunden angeordnet ist, welche Brennweiten (f_2.4, f`_2.4) aufweist, die kürzer sind als die Brennweiten der zweiten Sammellinse (f_2.2, f`_2.2), sowie Hauptebenen (HH´_2.4) aufweist, die innerhalb der bildseitigen Brennweite (f’_2.2) der zweiten Sammellinse (2.2) liegen, und eine sich ergebende bildseitige Ersatzbrennebene (BE’₂) des Empfangskanals (2) außerhalb der bildseitigen Brennweite (f’_2.2) der zweiten Sammellinse (2.2) liegt, in der der Empfänger (2.1) angeordnet ist.
Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine objektseitige Brennebene (BE_1.2) der ersten Sammellinse (1.2) und die objektseitige Ersatzbrennebene (BE₁) des Sendekanals (1) zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als eine Ausdehnung einer der ausgedehnten Lötpunkte (4).
Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine bildseitige Brennebene (BE’_2.2) der zweiten Sammellinse (2.2) und die bildseitige Ersatzbrennebene (BE’₂) des Empfangskanals (2) zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als eine Ausdehnung einer der ausgedehnten Lötpunkte (4).