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Die Erfindung betrifft ein tragbares
System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen mit handlichem Entwurf
und insbesondere ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen,
mit dem ein Abstand im Nahbereich durch Empfangen von zurückreflektiertem
Streulicht von einem üblicherweise
verwendeten Material wie etwa einer Wand gemessen werden kann.
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In den letzten Jahren sind tragbare
Abstandsmeßsysteme
hergestellt und vermarktet worden, die mit einer Abstandsmeßfunktion
mittels Lichtwellen des prismenlosen Typs, der kein Reflexionsprisma
verwendet, versehen sind.
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Beispielsweise ist aus
JP 2000 187076-A ein tragbares
Abstandsmeßsystem
bekannt. In diesem System wird im Gegensatz zu einem Überwachungsinstrument
des vollkommen stationären
Typs keine Kollimation ausgeführt.
Durch Verwendung von sichtbarem Licht zur Abstandsmessung als einen
Zeiger wird ein beliebiger Meßpunkt
bestimmt und wird der Abstand gemessen. Dieses System umfaßt ein optisches
Projektionssystem zum Projizieren von Abstandsmeßlicht und ein optisches Photodetektorsystem
zum Empfangen von auftreffendem, reflektiertem Meßlicht,
wobei die beiden optischen Systeme parallel angeordnet sind.
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Wenn ein zu messendes Objekt sich
mindestens in einem Abstand von mehreren Metern befindet, ist der
Abstand zwischen der optischen Achse des optischen Projektionssystems
und der optischen Achse des optischen Photodetektorsystems vergleichsweise
gering. Daher tritt das reflektierte Meßlicht, das von dem zu messenden
Objekt gestreut und reflektiert wird, in das optische Photodetektorsystem
in Form von Lichtstrahlenbündeln,
die im wesentlichen zueinander parallel verlaufen, ein, um darin
empfangen und verarbeitet zu werden. Es sind ferner Abstandsmeßsysteme
mit unterschiedlicher Anordnung der optischen Systeme als Abstandsmeßsysteme
eines ähnlichen
Typs bekannt. In diesem System sind das optische Projektionssystem und
das Photodetektorsystem koaxial angeordnet, wobei die optischen
Systeme teilweise für
den gleichen Zweck verwendet werden. Hierbei wird Meßlicht zu
einem Reflexionsspiegel geführt,
der auf einer optischen Achse angeordnet ist, und durch den Reflexionsspiegel
projiziert. Das Abstandsmeßlicht
wird von dem zu messenden Objekt reflektiert und tritt durch einen
Abschnitt des optischen Systems, in dem der Reflexionsspiegel nicht
blockiert, ein, um empfangen zu werden.
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Wenn durch das Abstandsmeßsystem,
in dem die optische Achse eines optischen Projektionssystems zu
einer optischen Achse eines optischen Photodetektorsystems parallel
angeordnet ist, ein geringer Abstand gemessen werden soll, weicht
die Bilderzeugungsposition in Rückwärtsrichtung
ab, weil der Meßabstand
zu einem zu messenden Objekt gering ist, außerdem weicht die Bilderzeugungsposition
von der optischen Achse des Photodetektorsystems ab. Wenn der Meßabstand
gering ist, ist das Reflexionslicht stark, so daß die Messung selbst dann ausgeführt werden
kann, wenn der Brennpunkt in Rückwärtsrichtung
abweicht. Das Licht kann jedoch nicht empfangen werden, wenn die
Bilderzeugungsposition von der optischen Achse abweicht, so daß eine Messung
nicht ausgeführt
werden kann.
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Aus
JP 2000-187076-A ist ein System bekannt, daß so angeordnet
ist, daß eine
Photodetektoreinheit an eine Position bewegt werden kann, an der
Licht empfangen werden kann, ferner ist daraus ein System bekannt,
das mit einem optischen Hilfselement versehen ist, das das reflektierte
Meßlicht, das
aus einer Messung in geringem Abstand herrührt, zu der Photodetektoreinheit
führt.
Wenn die Photodetektoreinheit beweglich entworfen sein soll, ist
ein Aufbau mit hoher mechanischer Genauigkeit erforderlich, was
zu erhöhten
Herstellungskosten des Systems führt.
Wenn das optische Hilfselement vorgesehen ist, reicht die empfangene
Lichtmenge oftmals nicht aus, ferner ist ein Meßbereich auf einen festen Bereich
begrenzt.
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Wenn das optische Projektionssystem
koaxial zu dem optischen Photodetektorsystem angeordnet ist, weicht
das Reflexionslicht selbst bei einer Messung in geringem Abstand
nicht von der optischen Einfallsachse ab. Das Reflexionslicht jenes Teils,
der mit der optischen Achse zusammenfällt, wird jedoch durch den
Reflexionsspiegel blockiert. Da die Bilderzeugungsposition in Rückwärtsrichtung abweicht,
besteht das Problem, daß das
Licht bei der Photodetektoreinheit nicht empfangen und daher eine
Messung nicht ausgeführt
werden kann. Bei einer koaxialen Anordnung können die gleichen Mittel wie
im Fall der parallelen Anordnung verwendet werden, der Meßbereich
ist jedoch ebenfalls auf einen festen Bereich begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen zu
schaffen, bei dem die optische Achse von austretendem Licht mit
der optischen Achse von zurückkehrendem
Licht zusammenfällt,
eine ausreichende empfangene Lichtmenge sowohl für die Messung in geringem Abstand
als auch für
die Messung in großem
Abstand erhalten werden kann und der Abstand stabil gemessen werden
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen nach Anspruch
1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
gemäß der Erfindung
umfaßt
ein optisches Projektionssystem, das eine optische Achse für ausgehendes
Licht besitzt und Meßlicht
projiziert, und ein optisches Photodetektorsystem, das eine optische
Achse für
zurückkehrendes
Licht besitzt und reflektiertes Licht empfängt, wobei das optische Photodetektorsystem
eine Lichtempfangslinse zum Empfangen und Umsetzen des reflektierten
Lichts, eine Lichtempfangsoberfläche,
in die das reflektierte Licht eintritt, und ein ringförmiges,
durchlochtes optisches Mehrfachbrennpunktelement, das zwischen der Lichtempfangsoberfläche und
der Lichtempfangslinse angeordnet ist und das Licht auf der Lichtempfangsoberfläche zur
Konvergenz bringt, umfaßt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal schafft
die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
wie oben beschrieben, bei dem die Lichtempfangslinse eine durchlochte
Linse ist und auf einer optischen Achse des ausgehenden Lichts eine Blende
positioniert ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft
die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement
eine torische Linse mit wenigstens zwei Brennpunkten ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft
die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement
eine asphärische
Linse ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft
die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement
einen Querschnitt in Form eines konischen Prismas besitzt.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft
die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement
ein konisches Prisma mit wenigstens zwei Typen vertikaler Winkel
ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft
die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
wie oben beschrieben, bei dem das konische Prisma einen sich kontinuierlich ändernden
vertikalen Winkel besitzt.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft
die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
wie oben beschrieben, bei dem die optische Achse des ausgehenden
Lichts in Bezug auf das Zentrum der Lichtempfangslinse exzentrisch
ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen,
die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Systems gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Funktionsweise des Systems nach 1;
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3 einen
teilweise blockartigen Schaltplan einer beispielhaften Schaltungsanordnung
einer Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen, die in
der Erfindung Anwendung findet;
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4 eine
Darstellung zur Erläuterung
des durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements, das in einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird, wobei 4(A) eine
Vorderansicht ist, 4(B) eine
Seitenschnittansicht ist und 4(C) eine
Draufsicht im Schnitt ist.
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5 eine
Darstellung zur Erläuterung
eines durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements ist, das in
einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems
verwendet wird, wobei 5(A) eine
Vorderansicht ist und 5(B) eine
Seitenschnittansicht ist;
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6 eine
Darstellung zur Erläuterung
eines durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements in einer Abwandlung
der dritten Ausführungsform
ist, wobei 6(A) eine
Vorderansicht ist, 6(B) eine Seitenschnittansicht
ist und 6(C) eine Draufsicht im
Schnitt ist; und
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7 eine
schematische Darstellung des Systems gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung ist.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems.
In 1 bezeichnet das
Bezugszeichen 1 einen Objektreflektor, der ein gewöhnlich verwendetes
Material wie etwa eine Wand repräsentiert
und der ein Objekt für
die Messung darstellt, während
das Bezugszeichen 2 ein System zur Abstandsmessung mittels
Lichtwellen repräsentiert.
Nun wird das System 2 zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen
im einzelnen beschrieben.
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In dem System 2 sind auf
einer optischen Achse 3 eines ausgehenden Lichtstrahlenbündels eine
Lichtquelle 4 zum Aussenden eines sichtbaren Laserstrahlenbündels, eine
Kondensorlinse 5 und ein erster Spiegel 6 angeordnet.
An einer Position gegenüber
dem ersten Spiegel 6 ist ein zweiter Spiegel 7 angeordnet.
Das von der Lichtquelle 4 ausgesendete Laserstrahlenbündel wird
durch die Kondensorlinse 5 zu einem parallelen Strahlenbündel geformt. Nachdem
dieses Laserstrahlenbündel
von dem ersten Spiegel 6 und dem zweiten Spiegel 7 reflektiert worden
ist, verläuft
es durch eine Blende 15 einer Lichtempfangslinse 9 und
wird auf den Objektreflektor 1 projiziert. Die Kondensorlinse 5,
der erste Spiegel 6, der zweite Spiegel 7 usw.
bilden zusammen ein optisches Projektionssystem.
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In dem System sind ferner auf einer
optischen Achse 8 für
zurückkehrendes
Licht eine Lichtempfangslinse 9, eine durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 und
eine Lichtempfangsstirnfläche 12 einer Lichtleitfaser 13 angeordnet.
Die Lichtempfangsstirnfläche 12 befindet
sich in einem Brennpunkt der Lichtempfangslinse 9. Ein
Photodetektorelement 14 ist an einer Position angeordnet,
die einer Austrittsstirnfläche
der Lichtleitfaser 13 zugewandt ist. Die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 7 ist
zwischen der Lichtempfangslinse 9 und der Lichtempfangsstirnfläche 12 angeordnet.
Die Lichtempfangslinse 9, die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11,
die Lichtleittaser 13 usw. bilden zusammen ein optisches
Photodetektorsystem.
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Die optische Achse 3 des
ausgehenden Lichts, die von dem System 2 zur Abstandsmessung mittels
Lichtwellen zu dem Objektreflektor 1 gerichtet ist, ist
auch auf die optische Achse 8 des zurückkehrenden Lichts ausgerichtet,
die vom Reflektor 1 zum System 2 zur Abstandsmessung
mittels Lichtwellen gerichtet ist.
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Zunächst wird der Fall beschrieben,
in dem sich der Objektreflektor 1 in einem großen Abstand befindet.
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Das von der Lichtquelle 4 ausgesendete
Laserstrahlenbündel
wird durch den ersten Spiegel 6 und den zweiten Spiegel 7 abgelenkt.
Dann verläuft das
Laserstrahlenbündel
durch die Blende 15, die im Zentrum der Lichtempfangslinse 9 ausgebildet
ist, und wird auf den Objektreflektor 1 projiziert. Das
Laserstrahlenbündel
wird durch den Objektreflektor in diffus reflektiert. Reflexionslicht
tritt mit Hilfe der Reflexionsoberfläche des Objektreflektors 1,
die als sekundäre
Lichtquelle dient, aus dem Unendlichen in das System 2 zur
Abstandsmessung mittels Lichtwellen ein. Das Reflexionslicht tritt
in die Lichtempfangslinse 9 als gespreizter Lichtstrom
aus parallelen Strahlenbündeln
ein, wobei das Reflexionslicht durch die Lichtempfangslinse 9 auf
der Lichtempfangsstirnfläche 12 zur
Konvergenz gebracht wird. Die Blende 15 kann mit einem
lichtdurchlässigen
Werkstoff ohne Lichtbrechungsleistung gefüllt sein.
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Nachdem nahezu alle Lichtkomponenten des
reflektierten Lichts in die Lichtempfangslinse 9 eingetreten
sind, bewegen sie sich durch eine Blende 16, die im Zentrum
der durchlochten Lichtkonvergenzlinse 11 ausgebildet ist,
ohne durch diese blockiert zu werden, woraufhin das Licht auf der
Lichtempfangsstirnfläche 12 zur
Konvergenz gebracht wird. Eine ausreichende Lichtmenge, die für die Abstandsmessung
notwendig ist, wird zu der Lichtleitfaser 13 der Photodetektoreinheit
geführt
und tritt durch die Lichtleitfaser 13 in das Photodetektorelement 14 ein.
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Nun wird der Fall beschrieben, in
dem sich der Objektreflektor 1 in geringem Abstand befindet, wobei
auf 2 Bezug genommen
wird.
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Wenn sich der Objektreflektor 1 in
geringem Abstand befindet (d. h. wenn der Objektreflektor 1 nicht
im Unendlichen liegt), weicht eine Lichtkonvergenzposition 12' des
Reflexionslichts durch die Lichtempfangslinse 9 von einer
Position ab, die sich weiter hinten als die Lichtempfangsstirnfläche 12 befindet. Aus
diesem Grund wird von den Reflexionslichtkomponenten der Lichtstrom
des Reflexionslichts, der durch die Blende 15 eintritt,
durch die Lichtempfangslinse 9 nicht zur Konvergenz gebracht,
sondern durch den zweiten Spiegel 7 blockiert. Wenn hingegen
der Lichtstrom des Reflexionslichts betrachtet wird, wenn keine
durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 vorgesehen wäre, befände sich
die Lichtempfangsstirnfläche 12 an
einem Punkt, an dem das Licht durch die Blende 15 und den
zweiten Spiegel 7 blockiert würde. Daher träte das durch
die Lichtempfangslinse 9 zur Konvergenz gebrachte Reflexionslicht
nicht in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein.
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Nun wird die Funktionsweise der durchlochten
Lichtkonvergenzlinse 11 beschrieben. Unter der Bedingung,
daß die
durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 eingebaut ist, tritt
ein Lichtstrom in einem Umfangsbereich des Reflexionslichts, das
durch die Lichtempfangslinse 9 zur Konvergenz gebracht
wird, in die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 ein, wobei der
Lichtstrom durch die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 auf
der Lichtempfangsstirnfläche 12 zur Konvergenz
gebracht wird. Daher tritt der in 2 schraffiert
gezeichnete Abschnitt des Lichtstroms über die Lichtleitfaser 13 in
das Photodetektorelement 14 ein. Der Photodetektor 1 befindet
sich in geringem Abstand, ferner ist die Lichtintensität des reflektierten
Lichtstrahlenbündels
hoch. Selbst im Umfangsabschnitt kann eine für die Abstandsmessung ausreichende
Lichtmenge erhalten werden. In einem von den in 1 und 2 gezeigten
Zuständen
verschiedenen Zwischenzustand treten ein Teil des durch die Lichtkonvergenzlinse 9 zur
Konvergenz gebrachten Lichtstroms und ein Teil des durch die durchlochte
Lichtkonvergenzlinse 11 zur Konvergenz gebrachten Lichtstroms
in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein,
wobei eine für
die Abstandsmessung erforderliche ausreichende Lichtmenge erhalten
werden kann. Die Lichtleitfaser 13 braucht nicht verwendet
zu werden, wenn das Photodetektorelement 14 so angeordnet
ist, daß sich
die Photodetektoroberfläche
des Photodetektorelements 14 an der Position der Lichtempfangsstirnfläche 12 befindet.
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3 zeigt
ein Beispiel einer Schaltung der Vorrichtung zur Abstandsmessung
mittels Lichtwellen, die in der Erfindung verwendet werden kann. Diese
Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen ist als prismenloser
Abstandsmeßtyp
entworfen. Der prismenlose Abstandsmeßtyp kann in den Impulstyp
und in den Typ mit kontinuierlicher Lichtphasendifferenz und dergleichen
unterteilt werden. Der letztere wird im allgemeinen für sichtbares Licht
verwendet. Im folgenden wird die Beschreibung für den Phasendifferenztyp gegeben.
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Die Vorrichtung zur Abstandsmessung
mittels Lichtwellen umfaßt
eine analoge Lichtsendeschaltung 40, eine analoge Lichtempfangsschaltung 41 und
eine digitale Schaltung 42. Die analoge Lichtsendeschaltung 40 umfaßt einen
Referenzoszillator 43, einen ersten Teiler 44,
in den Signale vom Referenzoszillator 43 eingegeben werden
und von dem Signale an das Lichtsendeelement 39 (das der
Lichtquelle 4 in 1 entspricht)
ausgegeben werden, einen zweiten Teiler 45, in den Signale
vom ersten Teiler 44 eingegeben werden, und einen ersten
Mischer 46, in den Signale vom ersten Teiler 44 und
vom zweiten Teiler 45 eingegeben werden. Die analoge Lichtempfangsschaltung 41 umfaßt einen
Vorverstärker 47,
in den Signale vom Photodetektorelement 38 (das dem Photodetektorelement 14 in 1 entspricht) eingegeben
werden, einen zweiten Mischer 48, in den Signale vom Vorverstärker 47 und
vom ersten Mischer 46 eingegeben werden, und einen Signalformer 49,
in den Signale vom zweiten Mischer 48 eingegeben werden
und von dem Signale zur digitalen Schaltung 42 ausgegeben
werden.
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Die digitale Schaltung 42 umfaßt einen
digitalen Phasendifferenzmesser 50, in den Signale vom Referenzoszillator 43,
vom zweiten Teiler 45 und vom Signalformer 49 eingegeben
werden, einen Speicher 52, in den Signale vom digitalen
Phasendifferenzmesser 50 eingegeben werden, und eine Arithmetikeinheit 54,
in die Signale von dem digitalen Phasendifferenzmesser 50 und
vom Speicher 52 eingegeben werden und von der Signale an
eine Anzeigeeinheit 53 ausgegeben werden. Die digitale
Schaltung 42 umfaßt
ferner eine Steuerschaltung 51. In der obigen Systemkonfiguration
ist es wünschenswert,
daß die
analoge Lichtempfangsschaltung 41 und die analoge Lichtsendeschaltung 40 unabhängig vonein ander
abgeschirmt sind. Falls eine höhere
Genauigkeit erforderlich ist, ist es wünschenswert, daß sämtliche in 3 gezeigten Blöcke abgeschirmt
sind. In den obenerwähnten
elektrischen Schaltungen wird vom Referenzoszillator 43 eine
Referenzfrequenz (f0 = 30 MHz) durch den ersten Teiler 44 auf
1/20 geteilt, wodurch ein Signal f1 = 1,5 MHz erzeugt wird. Dieses Signal
wird an das Lichtsendeelement 39 geschickt, welches mit
1,5 MHz moduliertes Infrarotlicht aussendet. Das modulierte Licht
vom Lichtsendeelement 39 wird über eine Objektivlinse 34 und
dergleichen an den Objektreflektor 1 geschickt, der als
ein Zielpunkt ausgebildet ist. Dann wird das modulierte Licht vom Objektreflektor 1 reflektiert,
um über
die Objektivlinse 34 und dergleichen das Photodetektorelement 38 zu erreichen.
Das in das Photodetektorelement 38 eintretende Lichtstrahlenbündel enthält eine
Lichtkomponente mit 1,5 MHz und eine Phasendifferenzkomponente,
die dem zu messenden Abstand entspricht.
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Andererseits wird das Signal mit
der Frequenz f1 vom ersten Teiler 44 auch an den zweiten Teiler 45 geliefert.
Es wird dann auf 1/500 geteilt, so daß ein Signal f2 = 3 kHz erzeugt
wird. Dieses Signal wird an den ersten Mischer 46 geliefert,
der ein Signal mit der Frequenz f3 = f1 – f2 = 1497 kHz erzeugt, das
die Differenz zwischen dem Signal mit der Frequenz f1, das vom ersten
Teiler 44 geliefert wird, und dem Signal mit der Frequenz
f2, das von dem zweiten Teiler 45 geliefert wird, darstellt.
Das Signal mit der Frequenz f3 wird an den zweiten Mischer 48 der analogen
Lichtempfangsschaltung 41 geliefert. Der zweite Mischer 48 erzeugt
aus der Differenz zwischen den Signalen mit der Frequenz f1 bzw.
f3, die vom Vorverstärker 47 bzw.
vom ersten Mischer 46 geliefert werden, ein Schwebungssignal.
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Das Signal von dem Photodetektorelement 38 besitzt
die Phasendifferenzkomponente, die dem zu messenden Abstand entspricht.
Daher enthält
das Ausgangssignal des zweiten Mischers 48 eine Phasendifferenz,
die dem Signal mit der Frequenz f2 = 3 kHz und dem Abstand entspricht.
Nachdem der Signalformer 49 die Signalform dieses Signals
geschaffen hat, wird das Signal an den digitalen Phasendifferenzmesser 50 der
digitalen Schaltung 42 geliefert. Das Signal mit Frequenz
f2 vom zweiten Teiler 45 wird zu dem digitalen Phasendifferenzmesser 50 als ein
Referenzsignal gesendet. Die Phasendifferenz, die dem zu messenden
Abstand entspricht, wird erfaßt.
Die erfaßte
Phasendifferenz wird durch ein Signal mit Frequenz f0 vom Referenzoszillator 43 digital gemessen,
wobei dieser Wert an die Arithmetikeinheit 54 als Abstandsmeßdaten geliefert
wird. Auf der Grundlage dieser Abstandsmeßdaten führt die Arithmetikeinheit 54 die
erforderliche Berech nung aus, indem sie den Abstand zum Objektreflektor 1 auf
der Grundlage der Abstandsmeßdaten
und ferner den Abstand zwischen zwei Punkten und eine Fläche eines
angegebenen Bereichs anhand der Abstandsmeßdaten an zwei Punkten berechnet.
In 3 bezeichnet das
Bezugszeichen 30 ein Lichtstrahlenbündel auf einem abgehenden Weg,
während
das Bezugszeichen 56 zirkuläres Referenzlicht bezeichnet.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. In dieser zweiten Ausführungsform wird statt der durchlochten
Lichtkonvergenzlinse 11 eine ringförmige torische Linse 17 verwendet.
Die torische Linse 17 besitzt veränderliche Krümmungen,
wobei die Krümmung
auf einer Auftrefffläche
des Querschnitts senkrecht zu einer X-Achse von einer Krümmung einer
Auftrefffläche
des Querschnitts senkrecht zu einer Y-Achse verschieden ist.
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Durch die Verwendung der torischen
Linse 17 kann das Reflexionslicht auf der Lichtempfangsstirnfläche 12 zur
Konvergenz gebracht werden, wenn sich der Objektreflektor 1 in
geringem Abstand befindet. Da die Lichtkonvergenzpositionen des
Reflexionslichts in Richtung der X-Achse und in Richtung der Y-Achse
verschieden sind, kann das Reflexionslicht auf der Lichtempfangsstirnfläche 12 innerhalb
eines großen
Bereichs effektiv zur Konvergenz gebracht werden, wenn sich der
Objektreflektor 1 in einem geringen Abstand befindet. In
einer Abwandlung kann für
die torische Linse 17, die unterschiedliche Brennweiten
in X-Achsenrichtung
und in Y-Achsenrichtung besitzt, eine Linse verwendet werden, die
eine Brennweite besitzt, die sich von der X-Achse zur Y-Achse kontinuierlich ändert, oder
die eine Brennweite besitzt, die sich über 360° kontinuierlich ändert.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung. In dieser dritten Ausführungsform wird als optisches
Lichtkonvergenzelement ein konisches Prisma 18 in Form
eines Torus verwendet, das angenähert
die gleiche Funktion wie die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 besitzt.
Wenn das konische Prisma 18 verwendet wird, kann das Reflexionslicht
in der gleichen Wiese wie oben zur Konvergenz gebracht werden. Das
konische Prisma 18 besitzt einen keilförmigen Querschnitt und hat
die Form eines Torus, der kontinuierlich in einer Kreisform angeordnet ist.
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6 zeigt
eine Abwandlung der dritten Ausführungsform,
in der ein durchlochtes optisches Lichtkonvergenzelement 19 vorgesehen
ist, das zwei Typen von Keilprismen 19a und 19b mit
unterschiedlichen vertikalen Winkeln enthält. In diesem optischen Lichtkonvergenzelement 19 ist
der Gesamtumfang in vier gleiche Abschnitte unterteilt, wobei gegenüberliegende
Paare als Keilprismen 19a, 19a bzw. 19b, 19b entworfen
sind. In dieser Abwandlung der dritten Ausführungsform besitzen das Keilprisma 19a und
das Keilprisma 19b unterschiedliche Lichtkonvergenzpositionen.
Im Ergebnis erweitert die Verwendung des durchlochten optischen
Lichtkonvergenzelements 19 den Bereich der Abstände zum
Objektreflektor 1, indem das Reflexionslicht in die Lichtempfangsstirnfläche 12 eintreten
kann. Das durchlochte Lichtkonvergenzelement 19 wie oben
beschrieben ist kreisförmig,
während
die Keilprismen mit Trapezform miteinander kombiniert werden können, um
eine Polygonform zu ergeben. Alternativ kann der Entwurf derart
sein, daß sich
der vertikale Winkel längs
des Umfangs des durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements 19 kontinuierlich ändert.
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7 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der Erfindung. Diese vierte Ausführungsform
unterscheidet sich von der in 1 gezeigten
ersten Ausführungsform
nur dadurch, daß an
einer Position außerhalb
des Zentrums der Lichtempfangslinse 9 eine Blende 15 ausgebildet
ist, so daß das
Laserstrahlenbündel
von der Lichtquelle 4 durch die exzentrische Blende 15 projiziert
wird und die optische Achse des ausgehenden Lichts von der optischen
Achse 8 des zurückkehrenden
Lichts getrennt ist.
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7 zeigt
den Fall, in dem sich der Objektreflektor 1 in einem geringen
Abstand befindet. Wenn sich der Objektreflektor 1 in geringem
Abstand befindet, ist die Lichtkonvergenzposition 12' des
Reflexionslichts durch die Lichtempfangslinse 9 an eine
Position hinter der Lichtempfangsstirnfläche 12 wie in 2 gezeigt verschoben. Da
sich die Blende 15 an einer Position befindet, die bezüglich der
optischen Achse 8 des zurückkehrenden Lichts exzentrisch
ist, ist ein wegen des Vorhandenseins der Blende 15 ausgeblendeter
Teil des Reflexionslichts ebenfalls exzentrisch positioniert. Daher
tritt der Lichtstrom des Reflexionslichts, der sich durch den Mittelabschnitt der
Lichtempfangslinse 9 bewegt, in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein.
Der Lichtstrom am Umfangsabschnitt des Reflexionslichts, der in
die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 eintritt, tritt
ebenfalls in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein. In der
vierten Ausführungsform
ist die Menge des empfangenen Lichts stärker als in der ersten Ausführungsform
erhöht,
da der Lichtstrom im Mittelabschnitt des Reflexionslichts ebenfalls
empfangen wird.
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Der Lichtstrom, der sich durch den
Mittelabschnitt der Lichtempfangslinse 9 bewegt, tritt
stets in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein, so daß die Menge
des empfangenen Lichts sowohl für
einen großen Abstand
als auch für
einen geringen Abstand erhöht ist.
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Der Abstand zwischen der optischen
Achse 3 des ausgehenden Lichts und der optischen Achse 8 des
zurückkehrenden
Lichts ist sehr gering, so daß die
Symmetrie bezüglich
des Objektreflektors 1 nicht wesentlich beeinflußt wird.
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Jedes der in den 4 bis 6 gezeigten durchlochten
Lichtkonvergenzelemente 17, 18 bzw. 19,
das als durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 verwendet wird,
kann mit einer exzentrischen Blende 16 versehen sein.
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Das erfindungsgemäße System umfaßt ein optisches
Projektionssystem, das eine optische Achse des ausgehenden Lichts
besitzt und Meßlicht
projiziert, und ein optisches Photodetektorsystem, das eine optische
Achse des zurückkehrenden
Lichts besitzt und Reflexionslicht empfängt, wobei das optische Photodetektorsystem
eine Lichtempfangslinse, die das Reflexionslicht empfängt und
zur Konvergenz bringt, eine Lichtempfangsstirnfläche, in die das Reflexionslicht
eintritt, und ein ringförmiges
durchlochtes optisches Mehrfachbrennpunktelement, das zwischen der
Lichtempfangsfläche
und der Lichtempfangslinse angeordnet ist und das Licht auf der
Lichtempfangsstirnfläche
zur Konvergenz bringt, umfaßt. Wenn
sich daher der Objektreflektor in einem großen Abstand befindet, wird
das Reflexionslicht durch die Lichtempfangslinse zur Konvergenz
gebracht. Dann tritt das Licht in die Lichtempfangsstirnfläche ein, nachdem
es durch eine Blende in dem durchlochten optischen Lichtkonvergenzelement
gegangen ist. Wenn sich der Objektreflektor in geringem Abstand befindet,
wird das Reflexionslicht durch das durchlochte optische Lichtkonvergenzelement
zur Konvergenz gebracht, woraufhin es in die Lichtempfangsstirnfläche eintritt.
Somit kann sowohl in dem Fall, in dem sich der Objektreflektor in
einem großen
Abstand befindet, als auch in dem Fall, in dem sich der Objektreflektor
in einem geringen Abstand befindet, eine ausreichende Lichtmenge
empfangen werden, die für
eine Messung des Abstandes zum Objektreflektor erforderlich ist.
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In dem erfindungsgemäßen System
kann das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement eine torische
Linse mit wenigstens zwei Brennpunkten sein. Alternativ kann das
durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement ein koni sches Prisma
mit wenigstens zwei Arten vertikaler Winkel sein. Selbst wenn daher
die Position des Objektreflektors, der sich in einem geringen Abstand
befindet, geändert
wird, tritt das Reflexionslicht effektiv in die Lichtempfangsfläche ein.