DE102016216372B3

DE102016216372B3 - Laserentfernungsmessgerät mit einer Empfangsoptik

Info

Publication number: DE102016216372B3
Application number: DE102016216372.8A
Authority: DE
Inventors: Stefanie Mayer; Annette Frederiksen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2036-09-01

Abstract

Bei einem Laserentfernungsmessgerät mit zumindest einer Sendevorrichtung zum Aussenden von Laserstrahlung, einer Empfangsoptik (56) zum Empfangen von von einem entfernten Objekt rücklaufender Laserstrahlung (30') sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung (22) zum Detektieren der rücklaufenden Laserstrahlung (30'), wobei die Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung einen vordefinierten Winkelbereich überstreichend, insbesondere periodisch überstreichend, ausgesendet wird, sodass eine projizierte Laserlinie auf dem entfernten Objekt darstellbar ist, und die Empfangsoptik (56) eine Facettenoptik (62) mit einer Vielzahl von Facetten (64a–e) in Form von optischen Linsen aufweist, weist die Empfangsoptik (56) mindestens einen holografischen Wellenlängenfilter (200) zur Unterdrückung elektromagnetischer Umgebungsstörstrahlung auf.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserentfernungsmessgerät mit zumindest einer Sendevorrichtung zum Aussenden von Laserstrahlung, einer Empfangsoptik zum Empfangen von von einem entfernten Objekt rücklaufender Laserstrahlung sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung zum Detektieren der rücklaufenden Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung einen vordefinierten Winkelbereich überstreichend, insbesondere periodisch überstreichend, ausgesendet wird, sodass eine projizierte Laserlinie auf dem entfernten Objekt darstellbar ist.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten handgehaltenen Laserentfernungsmessgeräten befindet sich gebräuchlicherweise im optischen Pfad ein schmalbandiger Wellenlängenfilter. Die Aufgabe des Filters besteht darin, Umgebungsstörlicht zu unterdrücken und nur Wellenlängenbereiche von Nutzlicht zum Detektor durchzulassen und somit ein zugrundeliegendes Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Eine spektrale Bandbreite von 40 nm ist hierbei notwendig, um herstellungsbedingte Variationen von als Nutzlichtquellen üblicherweise Verwendung findenden Laserdioden und ein Verschieben der Wellenlänge bei einer Änderung der Umgebungstemperatur zu kompensieren. Bekannte Wellenlängenfilter bestehen in der Regel aus einem Stapel von übereinander angeordneten dielektrischen Schichten, die auf einem Trägersubstrat aufgebracht sind, und sind stets nur für einen bestimmten Einfallswinkel der Laserstrahlung ausgelegt.
Daneben sind handgehaltene Laserentfernungsmessgeräte bekannt, die um die Funktion eines s. g. ”Laserlineals” erweitert sind. Ein derartiges ”Laserlineal” sendet einen Laserstrahl aus, der im Allgemeinen mittels eines mit hoher Geschwindigkeit verschwenkbaren, insbesondere periodisch verschwenkbaren, Mikrospiegels auf ein entferntes Objekt, wie z. B. eine Wand, projiziert wird und dort für das Auge eines Benutzers eine ”stehende” Linie erzeugt. Ein Bild der durch den solchermaßen aufgefächerten Laserstrahl erzeugten Linie wird über eine Empfangslinse auf einen Detektor abgebildet. Aus jeweils gemessenen Entfernungen zwischen den beiden Linienendpunkten und dem Detektor kann in Verbindung mit dem bekannten Auffächerungswinkel des Laserstrahls eine Länge der auf das entfernte Objekt projizierten Linie mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Ein derartiges System ist aus DE 10 2011 005 277 A1 bekannt. Zur Minimierung der Detektorfläche kommt als Empfangslinse in dieser Konstellation bevorzugt eine Facettenoptik zum Einsatz, wie beispielsweise in EP2910970 A1 . Aufgrund der Facettenoptik trifft die Laserstrahlung jedoch in einem vergrößerten Winkelbereich auf den Wellenlängenfilter auf, was zu einer Totalabsorption des vom entfernten Objekt zurück geworfenen Nutzlichts und damit einhergehend zu einer Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses und damit zu Messungenauigkeiten führen kann. Zur Unterdrückung elektromagnetischer Streustrahlung sind holografische Wellenlängenfilter bekannt, beispielsweise aus US2002/0196486 A1 .
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserentfernungsmessgerät mit zumindest einer Sendevorrichtung zum Aussenden von Laserstrahlung, einer Empfangsoptik zum Empfangen von von einem entfernten Objekt rücklaufender Laserstrahlung sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung zum Detektieren der rücklaufenden Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung einen vordefinierten Winkelbereich überstreichend, insbesondere periodisch überstreichend, ausgesendet wird, sodass eine projizierte Laserlinie auf dem entfernten Objekt darstellbar ist, und die Empfangsoptik eine Facettenoptik mit einer Vielzahl von Facetten in Form von optischen Linsen, insbesondere fokussierenden optischen Linsen, aufweist. Die Empfangsoptik weist mindestens einen holografischen Wellenlängenfilter zur Unterdrückung elektromagnetischer Umgebungsstörstrahlung auf.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines Laserentfernungsmessgeräts, bei dem eine zuverlässige Unterdrückung des Umgebungsstörlichts mittels eines Wellenlängenfilters gegeben ist. Hierbei ist in einem Winkelbereich von 30° bis zu 90° der rücklaufenden Laserstrahlung eine weitgehend unabhängige Filterwirkung des holografischen Wellenlängenfilters erreichbar. Der Begriff des ”Wellenlängenfilters” bzw. des spektralen Bandpassfilters bedeutet im Kontext des vorliegenden Beschreibungstextes, dass lediglich elektromagnetische Strahlung mit einer vorgegebenen Wellenlänge den Wellenlängenfilter ungehindert passiert bzw. nicht absorbiert wird. Die Wellenlänge der ausgesendeten und rücklaufenden Laserstrahlung liegt dabei bevorzugt in dem für das menschliche Auge ohne Hilfsmittel sichtbaren Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 780 nm, kann ggfls. aber auch im Infrarot- oder Ultraviolettbereich angesiedelt sein. Besonders bevorzugt liegt die Wellenlänge im Bereich des roten Lichts mit einer Wellenlänge von etwa 650 nm. Das handgehaltene Laserentfernungsmessgerät ist vorzugsweise mit einem ”Laserlineal”-Modus ausgestattet, der das Erzeugen einer Laserlinie mit einer benutzerseitig vorgebbaren Länge auf dem entfernten Objekt unabhängig von dem Abstand zwischen dem entfernten Objekt und dem Laserentfernungsmessgerät erlaubt.
Der holografische Wellenlängenfilter erlaubt im Gegensatz zu herkömmlichen spektralen Filtern eine winkelunabhängige Filterung der im Betrieb des Laserentfernungsmessgeräts rücklaufenden Laserstrahlung in einem Winkelbereich von z. B. 30° bis 90°. Darüber hinaus kann die optische Funktion von mit den Facetten realisierten optischen Linsen ggfls. in den holografischen Wellenlängenfilter mit integriert werden. Der holografische Wellenlängenfilter lässt sich kostengünstig herstellen, ist gewichts- sowie platzsparend und lässt sich auf einfache Art und Weise an eine vorhandene Empfangsoptik des Laserentfernungsmessgeräts anpassen. Der holografische Wellenlängenfilter lässt sich beispielsweise als dünne Folie oder als ein gesprühtes holografisch-optisches Element (s. g. ”HOE” = holografisch-optisches Element) realisieren, die sich vergleichsweise leicht an fast jede Oberflächengeometrie anpassen lassen. Der Begriff des ”HOE” bezeichnet eine als Volumenhologramm realisierte holografische Optik bzw. eine optische Funktion. Die optische Funktion eines Volumenhologramms wird bei einer Aufnahme mit Laserlicht in einem geeigneten holografischen Material als optisches Beugungsgitter gespeichert. Bei einem Einzelhologramm handelt es sich um eine optische Funktion bzw. um ein in einem Volumenhologramm gespeichertes optisches Gitter. ”Multiplexing” definiert die Integration mehrerer holografisch-optischer Funktionen, wie z. B. einen Wellenlängenfilter und die Funktionalität einer Facettenoptik, in nur einem Volumenhologramm. Ein Volumenhologramm besteht aus dem holografischen Material mit einer Schichtdicke von bis zu 100 μm, das auf einem geeigneten Trägermaterial aufgebracht ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung finden ausschließlich Volumenhologramme Verwendung.
Bevorzugt liegt eine Bandbreite des holografischen Wellenlängenfilters in einem Intervall von 20 nm bis 60 nm.
Durch den solchermaßen ausgebildeten Wellenlängenfilter führen fertigungstechnisch bedingte Wellenlängenabweichungen der Sendevorrichtung, insbesondere in Form einer hierfür bevorzugt zum Einsatz kommenden Laserdiode, sowie deren temperaturbedingter Wellenlängendrift nicht zu einer vollständigen Ausfilterung der rücklaufenden Laserstrahlung durch den holografischen Wellenlängenfilter. Die Bandbreite Δλ des holografischen Wellenlängenfilters beträgt bevorzugt 40 nm.
Bevorzugt transmittiert der mindestens eine holografische Wellenlängenfilter die rücklaufende Laserstrahlung in einem vorgegebenen Winkelbereich zwischen 30° und 90° im Wesentlichen ungehindert.
Hierdurch ergibt sich eine von dem jeweiligen Einfallswinkel bzw. Raumwinkel der rücklaufenden Laserstrahlung weitestgehend unabhängige Filterwirkung. Der bevorzugte Winkelbereich γ der rücklaufenden Laserstrahlung liegt bei 60°.
Vorzugsweise ist der mindestens eine holografische Wellenlängenfilter zur zumindest im Wesentlichen ungehinderten Transmission der in dem vorgegebenen Winkelbereich rücklaufenden Laserstrahlung mit einer Vielzahl von Einzelhologrammen gebildet.
Durch das Multiplexing mit Hilfe einer Vielzahl von Einzelhologrammen erreicht der holografische Wellenlängenfilter des Laserentfernungsmessgeräts einen für die Anwendung als Laserlineal hinreichend großen Winkelbereich γ bzw. FOV (= ”Field of View”) bei einem gleichzeitig vertretbaren Fertigungs- bzw. Kostenaufwand. Die natürliche Zahl n ist gleich dem abzudeckenden Winkelbereich γ in Grad geteilt durch einen konstanten Winkelwert von vorzugsweise zwei Grad (2°).
Vorzugsweise ist die Vielzahl von Einzelhologrammen des holografischen Wellenlängenfilters schichtweise angeordnet.
Infolgedessen erhöht sich die Beugungseffizienz der Gesamtstruktur bei einer gleichzeitigen Minimierung der optischen Durchgangsverluste.
Bei einer vorteilhaften Weiterbidlung ist der holografische Wellenlängenfilter unmittelbar an einer in Richtung des entfernten Objekts weisenden Außenseite oder einer hiervon abgewandten Innenseite der Facettenoptik angeordnet.
Hierdurch ist der holografische Wellenlängenfilter kostengünstiger realisierbar, da einzelne, jeweils vor oder hinter einer Linse der Facettenoptik liegende Segmentabschnitte des holografischen Wellenlängenfilters jeweils nur für einen im Vergleich zum Winkelbereich γ deutlich kleineren Winkelbereich β der rückfallenden Laserstrahlung von beispielsweise 6° auszulegen sind.
Im Fall einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist der holografische Wellenlängenfilter zwischen der Facettenoptik und der Detektorvorrichtung angeordnet.
Infolge dieser speziellen Positionierung sind keine mechanisch-konstruktiven Änderungen hinsichtlich der Anordnung des Wellenlängenfilters im Laserentfernungsmessgerät im Vergleich zu vorbekannten Ausführungsformen erforderlich.
Im Fall einer bevorzugten Weiterbildung ist der holografische Wellenlängenfilter transmittierend oder reflektierend ausgebildet.
Durch einen reflektierend ausgelegten holografischen Wellenlängenfilter kann die Detektorvorrichtung räumlich flexibler innerhalb des Laserentfernungsmessgeräts angeordnet werden.
Darüber stellt die vorliegende Erfindung ein Laserentfernungsmessgerät mit zumindest einer Sendevorrichtung zum Aussenden von Laserstrahlung, einer Empfangsoptik zum Empfangen von von einem entfernten Objekt rücklaufender Laserstrahlung sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung zum Detektieren der rücklaufenden Laserstrahlung bereit, wobei die Laserstrahlung mittels einer Projektionsvorrichtung der Sendevorrichtung einen vordefinierten Winkelbereich überstreichend, insbesondere periodisch überstreichend, ausgesendet wird, sodass eine projizierte Laserlinie auf dem entfernten Objekt darstellbar ist. Die Empfangsoptik weist zur Realisierung eines holografischen Wellenlängenfilters zur Unterdrückung elektromagnetischer Umgebungsstörstrahlung sowie der Funktionalität einer Facettenoptik für die rücklaufende Laserstrahlung mindestens ein transmittierendes holografisch-optisches Element auf.
Aufgrund der hierdurch realisierbaren optischen Doppelfunktionalität in der Form einer holografischen Facettenoptik mit integriertem Wellenlängenfilter ergibt sich ein konstruktiv weiter vereinfachter Aufbau der Empfangsoptik des Laserentfernungsmessgeräts. Die Winkelselektivität innerhalb des holografisch-optischen Elements erlaubt dabei eine einwandfreie Trennung der unterschiedlichen Funktionalitäten.
Bevorzugt weist das mindestens eine holografisch-optische Element eine Vielzahl von Einzelhologrammen zur Realisierung des holografischen Wellenlängenfilters auf, der die in einem vorgegebenen Winkelbereich rücklaufende Laserstrahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich im Wesentlichen ungehindert transmittiert.
Hierdurch ist wiederum eine weitestgehend winkelunabhängige Filterwirkung des holografischen Wellenlängenfilters von Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich λ ± Δλ gewährleistet. Bevorzugt sind n Einzelhologramme vorgesehen, wobei die Zahl n gleich dem für die ordnungsgemäße Funktion des Laserentfernungsmessgeräts vorzusehenden Winkelbereich γ geteilt durch die Halbwertsbreite der winkelabhängigen Beugungscharakteristik der Einzelhologramme (z. B. 2°) ist.
Bevorzugt sind zur holografischen Realisierung der Facettenoptik mindestens drei örtlich voneinander separierte holografisch-optische Elemente vorgesehen, mit deren Hilfe die im vorgegebenen Winkelbereich rücklaufende Laserstrahlung der Detektorvorrichtung zuführbar ist.
Hierdurch lässt sich die ansonsten zusätzlich vorzusehende, mehrere Linsenabschnitte aufweisende Facettenoptik auf einfache Art und Weise vollständig ersetzen.
Vorzugsweise sind zur holografischen Realisierung einer Facettenoptik mindestens drei örtlich miteinander überlagerte holografisch-optische Elemente vorgesehen, mit deren Hilfe die im vorgegebenen Winkelbereich rücklaufende Laserstrahlung der Detektorvorrichtung zuführbar ist.
Hierdurch ergibt sich ein räumlich besonders kompaktes holografisches Substrat.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines als handgehaltenes 1D-Linien-Laserentfernungsmessgerät ausgebildeten Laserentfernungsmessgeräts,
2 eine schematische Schnittansicht des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts von 1,
3 ein schematisches Diagramm einer spektralen Transmission eines herkömmlichen Wellenlängenfilters in Abhängigkeit vom jeweiligen Einfallswinkel θ,
4 eine schematische Darstellung der Empfangsoptik des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts von 1 und 2 mit einem transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter,
5 eine schematische Darstellung der Empfangsoptik des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts von 1 und 2 mit einem reflektierenden holografischen Wellenlängenfilter,
6 eine prinzipielle Darstellung der Empfangsoptik des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts von 1 und 2 mit einem unmittelbar hinter einer Facettenoptik platzierten, gekrümmten sowie transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter,
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Empfangsoptik des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts von 1 und 2, und
8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Empfangsoptik des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts von 1 und 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Laserentfernungsmessgerät 10, das bevorzugt als ein handgehaltenes, insbesondere von einem Benutzer vorzugsweise einhändig handhabbares, s. g. 1D-Linien-Laserentfernungsmessgerät 10' ausgebildet, wie es beispielsweise bei Tätigkeiten im handwerklichen Bereich, insbesondere bei der Vermessung von Gegenständen oder Innenräumen, Verwendung findet. Die im Folgenden anhand der Figuren beschriebenen Grundsätze des handgehaltenen 1D-Linien-Laserentfernungsmessgeräts 10' im Rahmen anderer Ausführungsbeispiele sind auch auf andere Ausführungen eines erfindungsgemäßen Laserentfernungsmessgeräts 10 übertragbar, die ähnliche oder andere Aufgaben erfüllen können. Insbesondere sind die Grundsätze auch auf stationäre und integrierbare Laserentfernungsmessgeräte 10 übertragbar, beispielsweise auf in Kraftfahrzeuge integrierte Laserentfernungsmessgeräte 10, die zur Vermessung von Abständen während einer Navigation des Kraftfahrzeugs und/oder im Zusammenhang mit einer Sicherheitseinrichtung des Kraftfahrzeugs dienen.
Das Laserentfernungsmessgerät 10 weist exemplarisch unter anderem ein Gehäuse 12, ein Display 14 und eine Vielzahl von Betätigungselementen – von denen lediglich zwei Betätigungselemente 16, 16' repräsentativ für die Übrigen bezeichnet sind – zum Ein- und Ausschalten des Laserentfernungsmessgeräts 10 und zum Starten bzw. Konfigurieren eines Messvorgangs auf. Im Bereich einer Vorderseite 17 des Gehäuses 12 sind vorzugsweise eine Sendeoptik 36 mit einem Austrittsfenster 36a, sowie eine Empfangsoptik 56 angeordnet, die hier lediglich exemplarisch mit einer Facettenoptik 62 realisiert ist. Ferner weist das Laserentfernungsmessgerät 10 zu dessen Energieversorgung bevorzugt eine nicht näher dargestellte Energieversorgungsvorrichtung, insbesondere eine Batterie oder einen Akkumulator, bevorzugt einen Lithium-Ionen-Akkumulator, auf.
2 zeigt das Laserentfernungsmessgerät 10, 10' von 1, das bevorzugt unter Verwendung einer Steuervorrichtung 18 zur Kontrolle der funktionalen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10 betrieben wird. Die Steuervorrichtung 18 ist zu diesem Zweck mit diesen Komponenten signaltechnisch verbunden. Unter der Steuervorrichtung 18 soll insbesondere eine Vorrichtung mit zumindest einer Steuerelektronik verstanden werden, die Mittel zur Kommunikation mit den anderen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10, beispielsweise Mittel zur Steuerung und/oder Regelung einer Projektionsvorrichtung 20 und/oder Mittel zur Datenverarbeitung und/oder weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Mittel, aufweist. Die Steuervorrichtung 18 stellt bevorzugt Betriebsfunktionsparameter des Laserentfernungsmessgeräts 10 in Abhängigkeit von zumindest einer Benutzereingabe und/oder einem Auswerteergebnis einer Messung ein. Unter dem Begriff ”Steuerelektronik” der Steuervorrichtung 18 ist beispielsweise eine elektronische Prozessoreinheit in Verbindung mit einer Speichereinheit sowie mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm zu verstehen, das während des Steuervorgangs ausgeführt wird. Insbesondere sind die elektronischen Bauteile der Steuervorrichtung 18 vorzugsweise auf einer Platine bzw. einer elektrischen Leiterplatte angeordnet und bevorzugt in Form eines Mikrokontrollers ausgeführt. Die Steuervorrichtung 18 erlaubt, das Laserentfernungsmessgerät 10 zu steuern und dessen Betrieb zu ermöglichen.
Die Steuervorrichtung 18 kommuniziert dazu bevorzugt mit den anderen funktionalen Komponenten des Laserentfernungsmessgeräts 10, insbesondere der zumindest einen Projektionsvorrichtung 20, einer Detektorvorrichtung 22, einer Datenschnittstelle 24, insbesondere dem Display und den Betätigungselementen, sowie einer Shutter-Steuerung 26' und einem von diesem kontrollierten Shutter 26 und weiteren, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Komponenten.
Das handgehaltene Laserentfernungsmessgerät 10 ist bevorzugt dazu vorgesehen, lediglich mit den Händen, bevorzugt mit einer Hand, von einem Benutzer geführt zu werden. Dazu beträgt dessen Gesamtmasse vorzugsweise weniger als 500 g und die Abmessung dessen längster Gehäuseseite beträgt vorzugsweise weniger als 15 cm.
Das Laserentfernungsmessgerät 10 weist bevorzugt eine in 2 detailliert dargestellte Sendevorrichtung 28 zur Erzeugung und Aussendung zeitlich modulierter Laserstrahlung 30 auf. Die Sendevorrichtung 28 umfasst dabei vorzugsweise eine Laserdiode 32 zur Erzeugung zeitlich modulierter, insbesondere kontinuierlich und/oder periodisch modulierter, Laserstrahlung 30 im sichtbaren Spektralbereich (beispielsweise 630 nm). Zur Messung des Abstands des Laserentfernungsmessgeräts 10 zu einem entfernten Objekt 34 bzw. einem Zielobjekt wird im Betrieb des Laserentfernungsmessgeräts 10 bevorzugt im Wesentlichen kollimierte Laserstrahlung 30 über eine Sendeoptik 36 der Sendevorrichtung 28 in Richtung des entfernten Objekts 34 gesendet. Die Sendeoptik 36 besteht vorzugsweise aus zwei Linsen 36b, 36c, einem Strahlkollimator 36d sowie einem in das Gehäuse 12 des Laserentfernungsmessgeräts 10 integrierten Austrittsfenster 36a. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Sendeoptik 36 auch anderweitige strahlformende und/oder strahllenkende und/oder die Eigenschaften der Laserstrahlung 30 beeinflussende optische Elemente, beispielsweise Linsen, Filter, diffraktive Elemente, Spiegel, Reflektoren, optisch transparente Scheiben oder dergleichen, aufweisen.
Die Sendevorrichtung 28 des Laserentfernungsmessgeräts 10 weist bevorzugt eine Projektionsvorrichtung 20 auf, mittels der die Laserstrahlung 30 unter Verwendung eines Laserstrahllenkmittels 38 in unterschiedliche Richtungen mit verschiedenen Aussendewinkeln 40 bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät 10, oder eine Referenzrichtung 42 bzw. eine Längsachse des Laserentfernungsmessgeräts 10, emittiert werden kann. Das Laserstrahllenkmittel 38 ist hier beispielhaft mit einem Mikrospiegel 38' realisiert. Der Mikrospiegel 38' weist bevorzugt eine Spiegelfläche von ca. 1 mm² auf und ist in eindimensionaler Richtung auslenkbar gelagert, wie durch einen Doppelpfeil oberhalb des Mikrospiegels 38' angedeutet ist.
Der Mikrospiegel 38' ist bevorzugt mit einem Aktor 44 verbunden, hier einem elektrostatischen Aktor, der vorzugsweise unter Verwendung einer Steuereinheit 20' der Projektionsvorrichtung 20 angesteuert wird, sodass der Mikrospiegel 38' in eindimensionaler Richtung definiert und insbesondere kontinuierlich über einen Winkelbereich von mindestens 30° verschwenkt bzw. ausgelenkt werden kann. Unter kontinuierlich verschwenken ist insbesondere ein Schwenken mit Schritten von weniger als 0.005 Grad zu verstehen. Derart kann mittels der Steuereinheit 20' der Projektionsvorrichtung 20 der Aussendewinkel 40, unter dem die Laserstrahlung 30 aus dem Gehäuse 12 des Laserentfernungsmessgeräts 10 emittiert wird, in insbesondere eindimensionaler Richtung vorgegeben und eingestellt, insbesondere gesteuert und/oder geregelt werden. Da der Mikrospiegel 38' in eindimensionaler Richtung verschwenkbar ist, spannt die emittierte Laserstrahlung 30 eine Projektionsebene bzw. einen s. g. ”Laser-Fächer” auf.
Die Steuereinheit 20' der Projektionsvorrichtung 20 erlaubt bevorzugt den Winkel, unter dem die Laserstrahlung 30 bezogen auf das Laserentfernungsmessgerät 10 oder eine Referenzrichtung 42 bzw. in Relation zu einer Längsmittelachse des Gehäuses 12 des Laserentfernungsmessgeräts 10 emittiert wird, einzustellen. Dazu weist die Steuereinheit 20' vorzugsweise einen Informationseingang, eine Informationsverarbeitung, eine Informationsausgabe, einen Prozessor sowie in einem Speicher der Steuereinheit 20' gespeicherte Betriebsprogramme und/oder Regelroutinen und/oder Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen auf. Insbesondere soll unter dem Begriff ”einstellen” verstanden werden, dass die Steuereinheit 20' zumindest eine Kenngröße ausgibt, die dazu vorgesehen ist, den Aktor 44 des Laserstrahllenkmittels 38 zur Verstellung der Relativrichtung 84a, 84b, 84c zu steuern und/oder zu regeln.
Mittels der dargestellten Projektionsvorrichtung 20 wird bevorzugt in zumindest einem Betriebsmodus des Laserentfernungsmessgeräts 10 mittels geeigneter Ansteuerung des Aktors 44 durch die Steuereinheit 20' der Mikrospiegel 38' derart kontinuierlich, insbesondere periodisch geschwenkt, dass die Laserstrahlung 30 zwischen zwei Relativrichtungen 84a, 84b, 84c, die einen Winkelbereich α (46) definieren und begrenzen, kontinuierlich hin- und hergeschwenkt wird. Durch kontinuierliches, periodisches Schwenken des Mikrospiegels 38' in einem Auslenkungsbereich des Spiegels 38' bis zu ±15 Grad kann die emittierte Laserstrahlung 30 – ebenfalls kontinuierlich – über den Winkelbereich α (46) von bis zu 60 Grad geschwenkt werden, insbesondere periodisch geschwenkt werden. Die emittierte Laserstrahlung 30 liegt dabei in der sogenannten Projektionsebene. Insbesondere wird die Projektionsebene durch diejenigen beiden äußeren Laserstrahlen in den Relativrichtungen 84a, 84b der Laserstrahlung 30 definiert und seitlich begrenzt, die unter positiver und negativer Vollauslenkung des Mikrospiegels 38' emittiert werden.
Wird die Laserstrahlung 30 auf das entfernte Objekt 34 projiziert, wandert in Folge des kontinuierlichen Schwenkens des Mikrospiegels 38' ein mittels der Laserstrahlung 30 auf das Objekt 34 projizierter Laserpunkt 48 kontinuierlich über die Oberfläche des Objekts 34, wie mit einem Doppelpfeil 50 angedeutet, der das periodische Hin- und Herschwenken des Laserpunktes 48 symbolisiert. Somit überstreicht die emittierte Laserstrahlung 30 den Winkelbereich α (46) periodisch, insbesondere in einer periodischen und/oder zyklischen Hin- und Herbewegung. Die periodische Überstreichung des Winkelbereichs α (46) erfolgt mit einer Frequenz, die bevorzugt größer als 20 Hz ist. Dabei wird der mittels Laserstrahlung 30 auf das entfernte Objekt 34 projizierte Laserpunkt 48 vorzugsweise mit einer so hohen Geschwindigkeit über das Objekt 34 bewegt, dass ein Betrachter auf dem entfernten Objekt 34 eine projizierte, durchgehende und kontinuierlich leuchtende bzw. ”stehende” Projektionslinie oder Laserlinie 52 wahrnimmt. Mit anderen Worten wird die Laserstrahlung 30 in zumindest einem Betriebsmodus ”Laserlineal” des Laserentfernungsmessgeräts 10 zeitlich scannend auf das entfernte Objekt 34 abgestrahlt. Hierdurch wird auf einem planen Objekt eine eindimensionale, dem Betrachter gerade erscheinende Laserlinie 52 projiziert, die somit für einen Bediener des Laserentfernungsmessgeräts 10 wahrnehmbar ist. Das Laserentfernungsmessgerät 10 wird deshalb nachfolgend auch kurz mit dem Begriff ”Laserlineal” bezeichnet.
Ferner ist die Steuereinheit 20' der Projektionsvorrichtung 20 bevorzugt dazu vorgesehen, das Laserstrahllenkmittel 38, insbesondere den Aktor 44, in einem Betriebsmodus des Laserentfernungsmessgeräts 10 derart zu regeln, dass die projizierte Laserlinie 52 eine vorgegebene Länge einnimmt. Auf diese Weise kann ein Bediener bzw. Benutzer des Laserentfernungsmessgeräts 10 besonders komfortabel Strecken auf dem entfernten Objekt 34 darstellen und überprüfen. Beispielsweise kann der Bediener sehr schnell überprüfen, ob ein Schrank mit einer gegebenen Breite in eine vorhandene Nische passt. Insbesondere sind ein Aufspannwinkel und/oder eine Länge der Laserlinie 52 mittels der Betätigungselemente (vgl. 1 Bezugsziffern 16, 16'), insbesondere mittels einer für die Eingabe von Winkelwerten vorgesehenen, nicht dargestellten Eingabeeinheit durch den Benutzer vorgebbar.
Unter einem Betriebsmodus soll ein von einem Bediener beeinflussbarer Betriebszustand, zumindest ein Betriebszustand der Steuervorrichtung 18, verstanden werden, in dem die Steuervorrichtung 18 von einem Benutzer wählbare Regelroutinen, Steuerroutinen und/oder Berechnungsroutinen ausführt. Die Steuervorrichtung 18 ist dazu vorgesehen, verschiedene Betriebsmodi auszuführen.
Unter Regeln soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Steuervorrichtung 18 eine Entfernung der beiden Endpunkte 54a, 54b der Laserlinie 52 zueinander bestimmt, die ermittelte Entfernung mit einer von dem Benutzer vorgegebenen Entfernung vergleicht und dann den Winkel zwischen den die Endpunkte 54a, 54b der Laserlinie 52 definierenden Relativrichtungen 84a, 84b derart verändert, dass die Endpunkte 54a, 54b in der vorgegebenen Entfernung voneinander beabstandet angeordnet sind. Eine Bestimmung der Entfernung der beiden Endpunkte 54a, 54b der Laserlinie 52, und damit der Länge der Laserlinie 52, wird bevorzugt indirekt unter Anwendung trigonometrischer Funktionen aus mehreren Entfernungsmessungen in verschiedenen Relativrichtungen 84a, 84b, 84c zwischen dem Laserentfernungsmessgerät 10 und dem entfernten Objekt 34 sowie den zwischen den Relativrichtungen 84a, 84b, 84c eingeschlossenen Winkeln ermittelt.
Die von einer Oberfläche des entfernten Objekts 34 reflektierte und/oder zurückgestreute Laserstrahlung 30' wird bevorzugt über eine Empfangsoptik 56 des Laserentfernungsmessgeräts 10 auf ein Detektorelement 22' einer Detektorvorrichtung 22 abgebildet und dort detektiert. Die Detektorvorrichtung 22 umfasst vorzugsweise ein SPAD-Array 58 als Detektorelement 22'. Das SPAD-Array 58 (= ”Single Photon Avalanche Diode”) weist bevorzugt eine in Richtung der Projektionsebene längliche (elongierte) Gestalt auf. Beispielsweise betragen die Maße des SPAD-Arrays 58 in der Projektionsebene 10 mm und senkrecht zu dieser 1 mm. Das SPAD-Array 58 liefert bevorzugt abhängig von einer auftreffenden Lichtintensität, insbesondere Laserstrahlungsintensität, ein ortsaufgelöstes Detektionssignal. Dazu besteht das SPAD-Array 58 vorzugsweise aus einer Vielzahl ungekoppelter oder gekoppelter, insbesondere koppelbarer, SPADs 58'. Das SPAD-Array 58 kann zum Beispiel 500 × 50 lichtempfindliche SPADs 58' aufweisen. Die Detektorvorrichtung 22 ist signaltechnisch mit der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10 zur Weiterleitung von Detektionssignalen verbunden.
Aus einem zwischen der ausgesendeten Laserstrahlung 30 und der von der Oberfläche des entfernten Objekts 34 rücklaufenden, d. h. reflektierten und/oder zurückgestreuten Laserstrahlung 30' durchgeführten Phasenvergleich kann bevorzugt mittels der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10, insbesondere einer Auswerteeinheit der Steuervorrichtung 18, eine Lichtlaufzeit ermittelt werden und über die in Luft bekannte Lichtgeschwindigkeit der Abstand zwischen dem Laserentfernungsmessgerät 10 und dem jeweiligen Auftreffpunkt auf dem entfernten Objekt 34, zum Beispiel einer Wand oder dergleichen, bestimmt werden. Der bestimmte Abstand entspricht dabei dem Abstand des Laserentfernungsmessgeräts 10 vom entfernten Objekt 34 in Richtung der zu diesem Zeitpunkt auf das entfernte Objekt 34 emittierten Laserstrahlung 30. Aus den Detektionssignalen von der Steuervorrichtung 18 ermittelte Entfernungsmesswerte in Richtung der emittierten Laserstrahlung 30 werden bevorzugt anschließend von der Steuervorrichtung 18 des Laserentfernungsmessgeräts 10 weiterverarbeitet und/oder mittels der Datenschnittstelle 24 des Laserentfernungsmessgeräts 10 an einen Benutzerdes Laserentfernungsmessgeräts 10 ausgegeben. Insbesondere kann eine Ausgabe unter Verwendung des Displays erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann der Entfernungsmesswert auch zur weiteren Verarbeitung unter Verwendung der Datenschnittstelle 24 an ein weiteres Gerät, beispielsweise ein mobiles Datenverarbeitungsgerät wie ein Smartphone, ein Tablet, einen PC, einen Computer oder dergleichen, übermittelt werden.
Das Laserentfernungsmessgerät 10 verfügt ferner bevorzugt über die linsenbasierte Empfangsoptik 56, die die Laserstrahlung 30' aus einem Winkelbereich γ (60) zur Detektion auf die Detektorvorrichtung 22 projizierende Facettenoptik 62 umfasst. Dabei umfasst der Winkelbereich γ (60) der Empfangsoptik 56 bevorzugt den Winkelbereich α (46), in den Laserstrahlung 30 mittels der Projektionsvorrichtung 20 emittiert wird oder emittiert werden kann. Mit anderen Worten, der Winkelbereich γ (60) umfasst einen Winkelbereich α_max, der den technisch maximal mit Laserstrahlung 30 überstreichbaren Winkelbereich α (46) von hier beispielhaft 60 Grad darstellt. Die Facettenoptik 62 weist hier beispielhaft einen Winkelbereich γ (60) von 60 Grad auf, aus dem rücklaufende Laserstrahlung 30' auf die Detektorvorrichtung 22 projiziert werden kann. Die Facettenoptik 62 besteht dazu bevorzugt aus fünf Facetten 64a, 64b, 64c, 64d, 64e (im Folgenden auch: 64a–e), vorzugsweise in Form von fokussierenden, insbesondere sphärischen oder asphärischen, optischen Linsen 66a–e. Jede Facette 64a–e bildet hierbei bevorzugt einen der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht bezeichneten Winkelteilbereich von 12° auf die Detektorvorrichtung 22 ab. Die Facettenoptik 62 ist wirtschaftlich einfach und kostengünstig mit einem einstückigen Spritzgussbauteil in einem Spritzgießverfahren hergestellt. Als Material der Facettenoptik 62 wird bevorzugt ein transparentes Glas oder ein thermoplastisches Kunststoffmaterial, beispielsweise Polymethylmethacrylat, verwendet. Die Facettenoptik 62 stellt ein kompaktes integrales Bauteil dar, dessen linsenbildende Facetten 64a–e nicht voneinander gelöst werden können, ohne die Facettenoptik 62 zu zerstören.
Es sei angemerkt, dass die genannten Zahlenwerte betreffend die Facettenoptik 62 wie 60 Grad, 12 Grad und dergleichen in diesem Ausführungsbeispiel lediglich exemplarisch gewählte, bevorzugte Werte dieses Ausführungsbeispiels darstellen. Abweichende, einem Fachmann sinnvoll erscheinende Werte für den Winkelbereich γ (60) und den maximal überstreichbaren Winkelbereich α_max sind denkbar. Ferner sei angemerkt, dass die Sende- und die Empfangsoptik des hier dargestellten Ausführungsbeispiels des Laserentfernungsmessgeräts 10 in der Projektionsebene nebeneinanderliegen.
Die Facettenoptik 62 weist bevorzugt zwischen jeweils benachbarten Facetten 64a–e jeweils nicht durchgehend bezeichnete erste Mittel 68 in Form eines Absorbers 68' und/oder Filters 68'' auf, die einem optischen Übersprechen von Licht zwischen den Facetten 64a–e entgegenwirken. Die Absorber 68' und/oder Filter 68'' sind vorzugsweise jeweils als eine sich vollständig zwischen je benachbarten Facetten 64a–e der Empfangsoptik 56 erstreckende Trennschicht ausgeführt. Ferner weist die Facettenoptik 62 hier exemplarisch auf ihrer Oberfläche nicht näher dargestellte dritte Mittel 70 in Form eines konventionellen Spektralfarbfilters 70' auf, die erlauben, aus dem Winkelbereich γ (60) einfallende elektromagnetische Strahlung hinsichtlich ihrer Wellenlänge λ zumindest teilweise zu filtern. Unter Verwendung der ersten und dritten Mittel wird störende Hintergrundstrahlung, die nachteilige Auswirkung auf die Genauigkeit von Messergebnissen hat, vorteilhaft reduziert.
Die Empfangsoptik 56 weist hier beispielhaft zweite Mittel 82 in Form des Shutters 26 auf, der ein lichtdichtes, mechanisch bewegliches Element bildet und sich in einem nicht bezeichneten Empfangspfad des Laserentfernungsmessgeräts 10 zwischen der Facettenoptik 62 und der Detektorvorrichtung 22 befindet. Der Shutter 26 kann z. B. als ein mittels der Shutter-Steuerung 26' elektrisch stellbarer Schlitzverschluss realisiert sein und ist bevorzugt dazu vorgesehen, jeweils eine einzelne, wählbare Facette 64a–e nicht abzudecken, während alle weiteren Facetten 64a–e der Facettenoptik 62 lichtdicht abgedeckt werden.
Die detaillierte Funktionsweise sowie der weitere konstruktive Aufbau eines derartigen Laserentfernungsmessgeräts 10 sind dem auf dem Gebiet der optischen Messtechnik tätigen Fachmann aus dem einschlägigen Stand der Technik hinlänglich geläufig und werden daher hier zwecks Knappheit der Beschreibung nicht eingehender erläutert.
3 zeigt ein schematisches Diagramm 100 einer spektralen Transmission eines herkömmlichen Wellenlängenfilters in Abhängigkeit vom jeweiligen Einfallswinkel θ. Auf der Abszisse des Diagramms 100 ist eine Wellenlänge λ der einfallenden Laserstrahlung abgetragen, während auf der Ordinate bzw. der Hochachse eine jeweils hiervon abhängige Transmission T des konventionellen Wellenlängenfilters von 2 angegeben ist, die im Idealfall einen dimensionslosen Wert zwischen 0 und 1 erreichen kann.
Eine erste Trapezkurve 102 illustriert die Transmission T des hergebrachten Wellenlängenfilters von 2 bei einer Wellenlänge λ(ϑ₀) der Laserstrahlung, bei einer Temperatur ϑ₀ der zur Erzeugung der Laserstrahlung bevorzugt zur Anwendung kommenden Laserdiode, sowie bei einem Einfallswinkel der Laserstrahlung auf den Wellenfilter von θ₁. Die Bandbreite Δλ des Wellenlängenfilters liegt hier lediglich exemplarisch bei ungefähr 42 nm, wobei eine horizontale Breite B_1,2 eines näherungsweise konstanten Maximalwerts 104 der ersten Trapezkurve 102 zu beiden Seiten der Wellenlänge λ(ϑ₀) jeweils etwa ±21 nm beträgt. Die Bandbreite Δλ des Wellenlängenfilters ist im Wesentlichen unabhängig von dem jeweiligen Einfallswinkel θ_1,2,3 der zu filternden Laserstrahlung.
Eine zweite Trapezkurve 106 veranschaulicht entsprechend den Verlauf der Transmission T des Wellenlängenfilters bei einem im Vergleich zum ersten Einfallswinkel θ₁ größeren zweiten Einfallswinkel θ₂. Hierdurch verschiebt sich ein Maximalwert 108 der zweiten Trapezkurve 106 horizontal um etwa 10 nm in Richtung kleinerer Wellenlängen λ.
Eine dritte Trapezkurve 110 illustriert die Transmission bei einem dritten, in Relation zum zweiten Einfallswinkel θ₂ weiter erhöhten Einfallswinkel θ₃. Infolgedessen verschiebt sich ein Maximalwert 112 der dritten Trapezkurve 110 noch ein Stück weiter in Richtung kürzerer Wellenlängen λ, so dass hier eine rechtsseitige, abfallende Flanke 114 der dritten Trapezkurve 110 im Bereich der Wellenlänge λ(ϑ₀) liegt und die Laserstrahlung nicht mehr transmittiert sondern absorbiert wird. Hierdurch ist eine ordnungsgemäße Funktion des Laserentfernungsmessgeräts – insbesondere beim Betrieb des Laserentfernungsmessgeräts als Laserlineal – bei der Wellenlänge λ(ϑ₀) nicht mehr oder nicht mehr zuverlässig gewährleistet.
Erhöht sich nun zum Beispiel die (Betriebs-)Temperatur der Laserdiode von ϑ₀ auf ϑ₁, oder aber es ergeben sich fertigungsbedingte Wellenlängenstreuungen innerhalb einer Laserdiodencharge, so strahlt diese Laserstrahlung mit einer z. B. größeren Wellenlänge λ(ϑ₁) ab, wodurch die unerwünschte Absorption der von einem Objekt rücklaufenden Laserstrahlung bei noch kleineren Veränderungen des Einfallswinkels θ auftritt.
4 zeigt die Empfangsoptik 56 des Laserentfernungsmessgeräts 10 von 1 und 2, die anstelle des der Facettenoptik 62 vorgelagerten konventionellen, linsenbasierten Wellenlängenfilters (vgl. 2, Bezugsziffer 70') einen transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 200 aufweist, der bevorzugt senkrecht zu einer zentralen optischen Achse 202 ausgerichtet ist und der vorzugsweise axial zwischen der Facettenoptik 62 mit ihren fünf Facetten 64a–e und der Detektorvorrichtung 22 angeordnet ist. Die zentrale optische Achse 202 verläuft hierbei vorzugsweise mittig und senkrecht zur mittleren Facette 64c der Facettenoptik 62 sowie der Detektorvorrichtung 22, so dass sich eine im Wesentlichen serielle Positionierung von der Facettenoptik 62, dem holgrafischen Wellenlängenfilter 200 und der Detektorvorrichtung 22 ergibt.
Der transmittierende holografische Wellenlängenfilter 200 verfügt bevorzugt über eine im Wesentlichen plattenförmige bzw. quaderförmige Geometrie. Beispielhaft sind drei Laserstrahlen 204a–c der rücklaufenden Laserstrahlung 30' dargestellt, die jeweils unter den Winkeln θ_h1,2,3 auf die Detektorvorrichtung 22 auftreffen. Zwischen der Detektorvorrichtung 22 und dem mindestens einen, transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 200 befindet sich der elektronisch gesteuerte Shutter bzw. der Verschluss (vgl. 2, Bezugsziffer 26), der hier der besseren Übersicht halber nicht eingezeichnet ist.
Eine Bandbreite Δλ_h des holografischen Wellenlängenfilters 200 liegt dabei bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 nm und 60 nm. Bevorzugt beträgt die Bandbreite Δλ_h etwa 40 nm. Der holografische Wellenlängenfilter 200 lässt in dem zu realisierenden Winkelbereich γ zwischen 30° und 90° die rücklaufende Laserstrahlung 30' vorzugsweise praktisch ungehindert passieren, filtert jedoch etwaig eingestreute elektromagnetische Umgebungsstörstrahlung aus. Hierdurch wird verhindert, dass die elektromagnetische Umgebungsstörstrahlung bis zur Detektorvorrichtung 22 gelangt und Messergebnisse des Laserentfernungsmessgeräts verfälscht. Der mindestens eine holografische Wellenlängenfilter 200 wird bevorzugt ausschließlich als s. g. ”Volumenhologramm” realisiert, dessen optisch wirksame Dicke größer als die Wellenlänge λ der rücklaufenden Laserstrahlung 30' ist und das eine hohe Beugungseffizienz aufweist. Dasselbe gilt für alle weiteren noch zu beschreibenden holografischen Wellenlängenfilter im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung.
Die Detektorvorrichtung 22 ist hier illustrativ außerhalb der optischen Achse 202 positioniert. Durch diese s. g. ”Off-Axis-Geometrie” ergibt sich eine hohe konstruktive Freiheit hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Detektorvorrichtung 22.
Durch die Berücksichtigung aller möglichen Einfallswinkel θ_h1,2,3 bzw. des gesamten Winkelbereichs γ_h der rücklaufenden Laserstrahlung 30' bei der Fertigung des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters 200, lässt sich der komplette Winkelbereich γ bzw. der gesamte ”FOV” vollständig abdecken, wodurch sich innerhalb des Winkelbereichs γ_h eine vom jeweiligen Einfallswinkel θ_h1,2,3 unabhängige Filterwirkung ergibt. Der mindestens eine holografische Wellenlängenfilter 200 ist zur zumindest ungehinderten Transmission der in dem vorgegebenen Winkelbereich γ_h rücklaufenden Laserstrahlung 30' bevorzugt mit mindestens einem, nicht bezeichneten holografisch-optischen Element aufgebaut, in dem in der Regel eine Vielzahl von hier gleichfalls nicht dargestellten Einzelhologrammen gespeichert ist. Die Einzelhologramme können zur raumsparenden Realisierung des holografischen Wellenlängenfilters 200 schichtweise übereinander oder miteinander überlagert bzw. verschränkt sein.
Der vergleichsweise große Winkelbereich γ_h des holografischen Wellenlängenfilters 200 wird dabei durch die Vielzahl der nicht dargestellten Einzelhologramme und durch Multiplexing mittels einer, gleichfalls zeichnerisch nicht dargestellten holografischen Schicht erreicht. Um ein Überkoppeln bzw. Übersprechen der einzelnen multigeplexten Hologrammfunktionen und/oder aber Lücken innerhalb des vorgegebenen Winkelbereichs γ_h zu vermeiden, sollte der Abstand zwischen Einfallswinkeln der zur Erzeugung der Einzelhologramme beim Fertigungsvorgang des holografischen Wellenlängenfilters dienenden, ebenfalls nicht eingezeichneten Objektwellen bei zum Beispiel 2° liegen. Vergrößert man den Winkelabstand zwischen den Einzelhologrammen, so kommt es im Übergangsbereich zu stärkeren Effizienzeinbrüchen, verkleinert man den Abstand hingegen, so erhöht sich die Anzahl der im Volumenhologramm zu speichernden Einzelhologramme. Bei einem vorgegebenen Winkelbereich γ_h bzw. eines ”FOV” von z. B. 60° ergibt sich hieraus eine Anzahl von dreißig Einzelhologrammen, die in dem den holografischen Wellenlängenfilter 200 ausbildenden Volumenhologramm zu speichern sind. Bei einem Winkelbereich γ_h von z. B. 60° ergibt sich hieraus eine vergleichsweise hohe Anzahl von dreißig Einzelhologrammen, die in dem Volumenhologramm des holografischen Wellenlängenfilters 200 untergebracht sind.
In diesem Zusammenhang kann es zu einer reduzierten Beugungseffizienz des solchermaßen aufgebauten holografischen Wellenlängenfilters 200 kommen. Durch pixelweise Drucken der optischen Funktionen und gezieltes räumliches Aufteilen der multigeplexten Einzelhologramme kann dieser Effekt weitgehend vermieden werden. So können die dreißig Einzelhologramme z. B. auf drei Pixel verteilt werden, wobei innerhalb der Empfangsoptik 56 bis zu 30% der rücklaufenden Laserstrahlung 30' verloren gehen können.
Speichert man die dreißig Einzelhologramme jedoch nicht nur in einem Volumenhologramm, sondern in z. B. drei, schichtweise übereinander angeordneten Volumenhologrammen (s. g. ”Stack”), erreicht der holografische Wellenlängenfilter 200 eine hohe Beugungseffizienz bei zugleich unveränderter optischer Funktion. Der holografische Wellenlängenfilter 200 ist hierbei bevorzugt so ausgelegt, dass von der rücklaufenden Strahlung 30' möglichst kein transmittierter Strahl der s. g. ”0. Ordnung” auf die Detektorvorrichtung 22 trifft, um das Übersteuern und/oder eine Beschädigung derselben aufgrund einer zu hohen Strahlungsintensität zu verhindern.
5 zeigt die Empfangsoptik 56 des Laserentfernungsmessgeräts 10 von 1 und 2, die unter anderem die Facettenoptik 62 mit den fünf Facetten 64a–e umfasst. Die rücklaufende Laserstrahlung 30' durchläuft die Facettenoptik 62 und trifft auf einen im Unterschied zu der Ausführungsform von 4 vorzugsweise reflektierenden holografischen Wellenlängenfilter 300 zum Herausfiltern der elektromagnetischen Umgebungsstörstrahlung aus der im Winkelbereich γ eintreffenden rücklaufenden Laserstrahlung 30'.
Zwei exemplarisch dargestellte Laserstrahlen 302a, 302b aus der gesamten Laserstrahlung 30' treffen bevorzugt in Bezug zu ihnen zugeordneten Einfallssenkrechten 306, 308 jeweils unter den Einfallswinkeln θ_h1,2 auf den reflektierenden holografischen Wellenlängenfilter 300 auf. Die vom holografischen Wellenlängenfilter 300 im Idealfall verlustfrei zurückgeworfene Laserstrahlung 30' trifft abschließend die Detektorvorrichtung 22 zur weiteren elektronischen Auswertung. Die Einfallssenkrechten 306, 308 verlaufen vorzugsweise senkrecht zum holografischen Wellenlängenfilter 300, der im Gegensatz zur optischen Anordnung von 5 jedoch um einen Winkel δ von hier etwa 40° gegenüber der Horizontalen 310 verkippt ist.
Der reflektierende Wellenlängenfilter 300 erlaubt eine räumlich besonders flexible Positionierung der Detektorvorrichtung 22, wie z. B. in der hier beispielhaft dargestellten seitlichen Anordnung der Detektorvorrichtung 22 in Relation zum Wellenlängenfilter 300. Hinsichtlich der weiteren konstruktiven Details und der optischen Funktionsweise des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters 300 sei zur Vermeidung inhaltlicher Wiederholungen an dieser Stelle auf die Beschreibung des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters von 4 verwiesen.
6 zeigt die Empfangsoptik 56 des Laserentfernungsmessgeräts 10 von 1 und 2, die unter anderem erneut die linsenbasierte Facettenoptik 62 mit den fünf Facetten 64a–e umfasst. Als wesentlicher Unterschied zu den beiden Ausführungsformen gemäß 4 und 5 liegt hier jedoch bevorzugt ein transmittierender holografischer Wellenlängenfilter 400 vorzugsweise vollflächig an einer von dem entfernten Objekt 34 abgewandten, gekrümmten Innenseite 402 der Facettenoptik 62 an. Zu diesem Zweck verfügt der transmittierende holgrafische Wellenlängenfilter 400 bevorzugt über eine zumindest eindimensional gekrümmte Geometrie, die korrespondierend zu der Oberflächengeometrie der Innenseite 402 der Facettenoptik 62 ausgestaltet ist. Alternativ oder ggfls. auch zusätzlich kann der transmittierende holografische Wellenlängenfilter 400 auch an einer dem entfernten Objekt 34 zugewandten Außenseite 404 bevorzugt vollflächig anliegen.
Die hier nicht dargestellte, vom entfernten Objekt 34 rücklaufende Laserstrahlung wird vorzugsweise von den Facetten 64a–e der Facettenoptik 62 aufgefangen, fokussiert und zum transmittierenden Wellenlängenfilter 400 geleitet, in dem das Herausfiltern von etwaig eingestreuter, unerwünschter elektromagnetischer Umgebungsstörstrahlung erfolgt. Nach dem Passieren des transmittierenden Wellenlängenfilters 400 trifft die rücklaufende Laserstrahlung bevorzugt auf die Detektorvorrichtung 22. Mittig sowie senkrecht zu der wiederum platten- bzw. quaderförmigen Detektorvorrichtung 22 verläuft eine zentrale optische Achse 406 der optischen Anordnung.
Der transmittierende holografische Wellenlängenfilter 400 wird vorzugsweise derart auf den Winkelbereich γ der auf die Facettenoptik 62 auftreffenden rücklaufenden Laserstrahlung abgestimmt, dass eine ordnungsgemäße Filterfunktion durch die in einem holografischen Material 408 bzw. einem holografisch-optischen Element gespeicherten fünf Einzelhologramme 410a–e für sämtliche im praktischen Betrieb des Laserentfernungsmessgeräts auftretenden Einfallswinkel der rücklaufenden Laserstrahlung gewährleistet ist. Die fünf Einzelhologramme 410a–e müssen dann bevorzugt nur jeweils ein kleineres ”FOV” mit einem Winkel β von hier exemplarisch jeweils 6° abdecken und sind im Vergleich zu den holografischen Wellenlängenfiltern nach Maßgabe der 4 und 5 kostengünstiger zu fertigen.
Der transmittierende holgrafische Wellenlängenfilter 400 kann mit einer in den Zeichnungen nicht dargestellten, biegsamen Folie realisiert sein. Da sich eine derartige Folie unter Umständen nicht optimal an die zumindest bereichsweise kantige Oberflächengeometrie der Facettenoptik 62 anpassen lässt, besteht die Option, den transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 400 mit einer ebenfalls nicht dargestellten Sprühschicht zu realisieren, die auf die Innenseite 402 oder die Außenseite 404 der Facettenoptik 62 aufgesprüht ist. Im Anschluss können die holografischen Funktionen erzeugt werden. Im Zuge des Belichtungsprozesses wird kohärente Laserstrahlung 414 jeweils aus verschiedenen Raumrichtungen durch die einzelnen Facetten 64a–e der Facettenoptik 62 bis zur Detektorvorrichtung 22 gelenkt. Das holografische Material 408 wird im Zuge dieses Prozesses aufgrund von Interferenzerscheinungen zwischen den auftretenden Wellen der Laserstrahlung 414 auf geeignete Art und Weise belichtet, wodurch in dem holografischen Material 408 fünf Einzelhologramme 410a–e bzw. holografische Funktionen bzw. holografische (Beugungs-)Gitter erzeugt werden.
Demzufolge sind schon im Zuge des Belichtungsprozesses die optischen Eigenheiten und/oder Fehler innerhalb der Facettenoptik 62 berücksichtigbar. Hierdurch lassen sich etwaige Fehler der Facettenoptik 62 durch individuelles Belichten des holografischen Materials 408 zum Erzeugen jeweils speziell an die Eigenheiten der Facettenoptik 62 angepasster Einzelhologramme 410a–e auf einfache Art und Weise ausgleichen. Infolgedessen erübrigt sich eine ansonsten in der Regel vorzunehmende, aufwändige optische Justage bzw. Ausrichtung der Facettenoptik 62, dem transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 400 und der Detektorvorrichtung 22 des Laserentfernungsmessgeräts.
7 zeigt eine Empfangsoptik 500 für das Laserentfernungsmessgerät 10 von 1 und 2, die anstelle der Empfangsoptik 56 Anwendung finden kann und bevorzugt unter anderem einen transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 502 mit einer erneut plattenförmigen bzw. quaderförmigen Geometrie aufweist. Abweichend hiervon kann der holografische Wellenlängenfilter 502 eine nahezu beliebige Geometrie aufweisen und zum Beispiel in mindestens einer Raumrichtung gekrümmt ausgebildet sein.
Der holografische Wellenlängenfilter 502 ist hier beispielhaft mit drei nebeneinander angeordneten transmittierenden und damit örtlich voneinander separierten, holografisch-optischen Elementen 504, 506, 508 (”HOEs”) aufgebaut, die in einer horizontalen Filterebene 516 liegen. In jedem der hier lediglich exemplarisch dargestellten drei holografisch-optischen Elemente 504, 506, 508 ist bevorzugt jeweils mindestens ein Einzelhologramm 510, 512, 514 gespeichert.
Die im Winkelbereich γ von einem hier nicht dargestellten Objekt rücklaufende Laserstrahlung 30' durchläuft den transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 502, in dem die unerwünschte elektromagnetische Umgebungsstörstrahlung bevorzugt weitgehend unabhängig vom Einfallswinkel ausgefiltert wird. Anschließend wird die ungefilterte rücklaufende Laserstrahlung 30' vorzugsweise mittels des holografischen Wellenlängenfilters 502 derart fokussiert, dass diese bevorzugt verlustfrei auf die Detektorvorrichtung 22 zur elektronischen Weiterverarbeitung gelangt. Die rücklaufende Laserstrahlung 30' umfasst hierbei illustrativ drei nicht parallele Laserstrahlbündel 518, 520, 522 mit jeweils zwei randseitigen Laserstrahlen 518a, b und 520a, b sowie 522a, b. Die übrigen Laserstrahlen innerhalb der Laserstrahlbündel 518, 520, 522 sind der besseren zeichnerischen Übersicht wegen nicht mit Bezugsziffern versehen.
Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des holografischen Wellenlängenfilters ist der holografische Wellenlängenfilter 502 hier derart ausgebildet, dass dieser zugleich die technische Funktionalität der ansonsten zur Fokussierung der rücklaufenden Laserstrahlung 30' auf die Detektorvorrichtung 22 notwendigen, herkömmlichen linsenbasierten Facettenoptik mitübernimmt (vgl. 4 bis 6, Facettenoptik 62). Hierdurch kann eine konventionelle, linsenbasierte Facettenoptik – wie mit einer gestrichelten Linie angedeutet – vollständig ersetzt werden. Zugleich ermöglicht der transmittierende holografische Wellenlängenfilter 502 das präzise Herausfiltern der unerwünschten elektromagnetischen Störstrahlung unabhängig vom jeweiligen Einfallswinkel der rücklaufenden Laserstrahlung 30', was insbesondere für einwandfreie Messergebnisse des Laserentfernungsmessgeräts im Betriebsmodus des ”Laserlineals” von herausgehobener Bedeutung ist. So trifft der randseitige Laserstrahl 518a hier exemplarisch unter dem Einfallswinkel θ_th1 auf den transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 502, die beiden randseitigen Laserstrahlen 518b, 520a laufen unter dem Einfallswinkel θ_th2 ein, die beiden randseitigen Laserstrahlen 520b, 522a weisen den Einfallswinkel θ_th3 auf und der randseitige Laserstrahl 522b trifft unter dem Einfallswinkel θ_th4 auf den transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 502 auf. Die Einfallswinkel θ_th1,2,3,4 liegen hierbei jeweils zwischen den randseitigen Laserstrahlen 518a, b, 520a, b sowie 522a, b und vier, der besseren zeichnerischen Übersicht halber hier nicht bezeichneten Einfallssenkrechten.
Bei allen Einfallswinkeln θ_th1,2,3,4 der rücklaufenden Laserstrahlung 30' ist durch den transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 502 bevorzugt das ordnungsgemäße Herausfiltern der elektromagnetischen Störstrahlung gewährleistet, wobei der Wellenlängenfilter 502 hier zugleich die Funktionalität einer konventionellen Facettenoptik innehat, sodass alle Laserstrahlbündel 518, 520, 522 vollständig und verlustfrei zur elektronischen Weiterverarbeitung auf die Detektorvorrichtung 22 fokussiert werden.
8 zeigt eine Empfangsoptik 600 für das Laserentfernungsmessgerät 10 von 1 und 2, die anstelle der Empfangsoptik 56 Anwendung finden kann und bevorzugt wiederum einen transmittierenden holografischen Wellenlängenfilter 602 und die Detektorvorrichtung 22 aufweist. Mittels des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters 602 wird wiederum die von dem hier nicht dargestellten entfernten Objekt im gesamten Winkelbereich γ rücklaufende Laserstrahlung 30' der Detektorvorrichtung 22 zugeführt. Hierbei wird mittels des holografischen Wellenlängenfilters 602 vorzugsweise zum einen die unerwünschte elektromagnetische Umgebungsstörstrahlung in dem gesamten Winkelbereich γ zuverlässig ausgefiltert. Zum anderen ist mittels des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters 602 die Funktionalität einer hergebrachten, linsenbasierten Facettenoptik verwirklicht, sodass die aus dem gesamten Winkelbereich γ rücklaufende Laserstrahlung 30' zuverlässig und weitestgehend verlustfrei auf die Detektorvorrichtung 22 fokussiert wird.
Der transmittierende holografische Wellenlängenfilter 602 verfügt bevorzugt wiederum über eine plattenförmige bzw. quaderförmige Geometrie und verläuft vorzugsweise senkrecht sowie mittig (symmetrisch) zu einer optischen Achse 604 bzw. einer Einfallsenkrechten. Eine hiervon abweichende Geometrie, wie zum Beispiel eine einfach oder zweifach gekrümmte Raumform, des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters 602 ist ebenfalls möglich.
Der transmittierende holografische Wellenlängenfilter 602 weist bevorzugt wiederum drei holografisch-optische Elemente 606, 608, 610 auf, die im Unterschied zu der Ausführungsform von 7 jedoch örtlich miteinander überlagert bzw. verschränkt sind, was hier lediglich exemplarisch durch eine entlang der optischen Achse 604 übereinander bzw. axial zueinander versetzte Anordnung bzw. das Übereinanderstapeln der holografisch-optischen Elemente 606, 608, 610 verwirklicht ist, die im Ergebnis somit einen s. g. ”Stack” bilden. Hierdurch ergibt sich ein im Vergleich zu der Ausführungsform von 7 räumlich beträchtlich kompakterer Aufbau des ganzen transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters 602, der eine weitere Miniaturisierung des Laserentfernungsmessgeräts erlaubt. In jedem der holografisch-optischen Elemente 606, 608, 610 ist bevorzugt wiederum mindestens ein hier nicht dargestelltes Einzelhologramm 612, 614, 614 gespeichert bzw. hinterlegt.
Die Funktionsweise des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters 602 mit integrierter Facettenoptik-Funktionalität ist im Übrigen identisch mit der des transmittierenden holografischen Wellenlängenfilters nach Maßgabe von 7, sodass, um inhaltliche Wiederholungen zu vermeiden, an dieser Stelle insbesondere auf die Beschreibung von 7 verwiesen sei.

Claims

Laserentfernungsmessgerät mit zumindest einer Sendevorrichtung (28) zum Aussenden von Laserstrahlung (30), einer Empfangsoptik (500, 600) zum Empfangen von von einem entfernten Objekt (34) rücklaufender Laserstrahlung (30') sowie mit zumindest einer Detektorvorrichtung (22) zum Detektieren der rücklaufenden Laserstrahlung (30'), wobei die Laserstrahlung (30) mittels einer Projektionsvorrichtung (20) der Sendevorrichtung (28) einen vordefinierten Winkelbereich (α) überstreichend, insbesondere periodisch überstreichend, ausgesendet wird, sodass eine projizierte Laserlinie (52) auf dem entfernten Objekt (34) darstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (56) zur Realisierung eines holografischen Wellenlängenfilters (502, 602) zur Unterdrückung elektromagnetischer Umgebungsstörstrahlung sowie der Funktionalität einer Facettenoptik für die rücklaufende Laserstrahlung (30') mindestens ein transmittierendes holografisch-optisches Element (504, 506, 508, 606, 608, 610) aufweist.
Laserentfernungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine holografisch-optische Element (504, 506, 508, 606, 608, 610) eine Vielzahl von Einzelhologrammen (510, 512, 514, 612, 614, 616) zur Realisierung des holografischen Wellenlängenfilters (502, 602) aufweist, der die in einem vorgegebenen Winkelbereich (γ) rücklaufende Laserstrahlung (30') in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich im Wesentlichen ungehindert transmittiert.
Laserentfernungsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur holografischen Realisierung der Facettenoptik (62) mindestens drei örtlich voneinander separierte holografisch-optische Elemente (504, 506, 508) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die im vorgegebenen Winkelbereich (γ) rücklaufende Laserstrahlung (30') der Detektorvorrichtung (22) zuführbar ist.
Laserentfernungsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur holografischen Realisierung der Facettenoptik (62) mindestens drei örtlich miteinander überlagerte holografisch-optische Elemente (606, 608, 610) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die im vorgegebenen Winkelbereich (γ) rücklaufende Laserstrahlung (30') der Detektorvorrichtung (22) zuführbar ist.