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Einrichtung, insbesondere zur elektro-optischen Entfernungsmessung
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung insbesondere zur elektro-optischen
Entfernungsmessung, bestehend aus einem Lichtsender zur Emission eines modulierten
Lichtstromes und einem im Abstand vom Lichtsender angeordneten Lichtempfänger, dessen
optische Achse parallel zur optischen Achse des Lichtsenders angeordnet ist, bei
der der Lichtempfänger ein optisches abbildendes System aufweist, das den vom Sender
emittierten Lichtstrom in einer Bildebene, in der eine Gesichtsfeldblende angeordnet
ist, zu einem Zwischenbild vereinigt.
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Einrichtungen dieser Art werden beispielsweise in elektro-optischen
Entfernungsmeßeinrichtungen notwendig, bei denen ein moduliertes Lichtsignal über
eine Strecke unbekannter Länge läuft und am Ort des Lichtsenders nach Reflexion
am Ort der unbekannten Entfernung wieder empfangen wird, wobei zur Entfernungsbestimmung
ein Vergleich des Lichtstrommodulationszustandes beim Aussenden des Lichtsignals
und beim Wiederempfang vorgenommen wird.
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Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art tritt der Nachteil auf,
daß mit Geräten dieses Typs keine einwandfreien Messungen unter dem Einfluß des
Tageslichts vorgenommen werden können; denn die in Einrichtungen dieser Art zur
Demodulation der Lichtströme vorgesehenen lichtempfindlichen Elemente sprechen selbstverständlich
nicht nur auf die Meßlichtströme an, sondern sie wandeln auch Lichtströme, die in
Richtung der optischen Achse der Empfangs anordnung verlaufen und als Störlichtströme
angesehen werden müssen, in entsprechende elektrische Spannungen um, so daß ein
ungünstiges Rausch-Signal-Verhältnis am lichtempfindlichen Element eintritt. Es
war deshalb bisher erforderlich, Entfernungsmessungen mit elektro-optischen Entfernungsmeßinstrumenten
nachts oder in der Dämmerung vorzunehmen, wodurch die Anwendbarkeit dieser Geräte
in ungünstiger Weise beeinflußt wird.
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Bei elektro-optischen Entfernungsmeßgeräten, bei denen der von einer
Lichtquelle emittierte Lichtstrom durch Polarisation und nachfolgende Beeinflussung
seines Polarisationszustandes moduliert wird, sind bereits Maßnahmen zur Beseitigung
solcher Störlichtströme bekannt. Diese Maßnahmen bestehen darin, daß über die Meßstrecke
ein polarisiertes Lichtstrahlenbündel läuft, dessen Polarisationsebene synchron
mit einem in der Empfängerrichtung angeordneten Analysator verdreht werden kann,
so daß die Durchlaßrichtung des Analysators derart wählbar ist, daß das ebenfalls
teilweise polarisierte Störlicht zum größten Teil nicht von dem Analysator durchgelassen
wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese bekannte Anordnung hinsichtlich des
mit ihr erzielbaren Rausch-Signal-Verhältnisses am lichtempfindlichen Element noch
verbesserungsbedürftig ist. Es war deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine optische
Anordnung zur Demodulation eines von einer Lichtquelle herrührenden modulierten
Lichtsignals anzugeben, bei der der Einfluß störender Fremdlichtanteile so weit
vermindert ist, daß Messungen unabhängig von der Art der Lichtstrommodulation auch
unter dem Einfluß des Tageslichts vorgenommen werden können.
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Es ist eine aus einem lichtempfindlichen Element mit zwei hintereinandergeschalteten,
vor dem lichtempfindlichen Element angeordneten optischen abbildenden Systemen bestehende
Einrichtung zum Empfang eines von einer relativ zu dieser Einrichtung bewegten Lichtquelle
ausgehenden Lichtsignals bekanntgeworden, wobei das erste optische abbildende System
ein Bild der Lichtquelle auf dem zweiten und das zweite optische abbildende System
ein Bild der Öffnung des ersten Systems auf dem lichtempfindlichen Element erzeugt.
Auf diese Weise wird ein Wandern des Lichtfleckes auf dem lichtempfindlichen Element
vermieden. Diese bekannte Einrichtung vermag jedoch nicht die gestellte Aufgabe
zu lösen.
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Ferner ist ein Verfahren zur Bestimmung der Lage von Körpern unter
Verwendung der von ihnen ausgehenden Wärmestrahlung bekannt, bei dem ein geeigneter
Empfänger diese Strahlung empfängt und bei dem zur Vermeidung von Störungen durch
andere
im Beobachtungsfeld liegende Strahlungsquellen Schablonen vorgesehen sind, die der
Form dieser Strahlungsquellen angepaßt und vor dem Empfänger angeordnet sind. Dieses
Verfahren ist umständlich und nur bei definierten Störstrahlungsquellen anwendbar.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der genannten Aufgabe eine Einrichtung
der eingangs näher bezeichneten Art vorgeschlagen, welche sich erfindungsgemäß dadurch
kennzeichnet, daß die Gesichtsfeldblende in ihrer Lage justierbar ausgebildet ist,
und dadurch, daß optische Mittel zur visuellen Betrachtung der Lage des Zwischenbildes
und der Gesichtsfeldblende vorgesehen sind.
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Selbstverständlich ist der Erfindungsvorschlag nicht nur bei elektro-optischen
Entfernungsmeßgeräten beispielsweise der eingangs erwähnten Art anwendbar, vielmehr
ist es sinnvoll auch in Einrichtungen zur Geschwindigkeitsmessung bewegter Objekte,
zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit oder in Einrichtungen zur optischen Nachrichten«
übermittlung unter Verwendung modulierter Lichtströme anwendbar. Die Erfindung soll
an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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In der Fig. 1 ist eine Einrichtung zur elektrooptischen Entfernungsmessung
schematisch- dargestellt. Die Einrichtung.. besteht aus einem Lichtsender und einem
Lichtempfänger, die gemeinsam in einem Gehäuse 1 untergebracht sind.. Der Sender
enthält eine geeignete, im Brennpunkt der Linse 3 stehende Lichtquelle 2, deren
unmodulierter Lichtstrom über die Optik 3, den. Polarisator 4 und eine Kerrzelle
5 in das Sendeobjektiv 6 der Einrichtung gelangt. Der Polarisator 4 und die Kerrzelle
5 stehen im telezentrischen Strahlengang. Das Sendeobjektiv 6 ist ein Spiegellinsenobjektiv
Cassegrainscher Bauart. Hinter der Öffnung 6" des Senderhauptspiegels 6' steht ein
optisches Negatívsystem 3', das mit dem Spiegelobjektiv 6 zusammen em galileisches
Fernrohr bildet.
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Das Negativsystem ermöglicht eine Abbildung des Leuchtflecks der Lichtquelle
in eine in großer Entfernung liegende Bildebene.
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Der Lichtstrom verläßt das Gehäuse 1 über die Objektivöffnung 7 und
durchläuft die zu ermittelnde Entfernung. Am Ort der Entfernung ist ein geeigneter
Reflektor aufgestellt, der diesen Lichtstrom reflektiert und über die Öffnung 8
in das Empfangsobjektiv 9 der elektro-optischen Entfernungsmeßeinrichtung befördert.
Nach Bildung eines reellen Zwischenbildes des Leuchtfiecks der Lichtquelle 2 gelangt
der Meßlichtstrom über das Objektiv 10 und den Analysator 11 auf die lichtempfindliche
Kathode eines Fotosekundärelektronenvervielfachers 12. Der in seiner Intensität
modulierte Lichtstrom wird dort demoduliert, wobei der Foto sekundärelektronenvervielfacher
an seinem Arbeitswiderstand eine elektrische Spannung liefert, die der Modulation
des Meßlichtstromes entspricht. Diese elektrische Spannung wird über die Leitungen
13 und das Kabel 14 der Phasenvergleichseinrichtung 15 zugeführt.
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In der Einrichtung dieses Ausführungsbeispiels dient zur Modulation
des Meßlichtes eine Kerrzelle 5.
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Zur Modulation wird an die Elektroden 16 und 17 der Kerrzelle eine
hochfrequente Modulationsspannung angelegt, die einem Generator 18 entnommen ist
und deren Frequenz variabel ist und die der Kerrzelle über das Kabel 19 und die
Zuleitungen 20 zugeführt wird. Das zum Vergleich des Phasenwinkel
der durch das lichtempfindliche
Element erzeugten Meßspannung mit dem Phasenwinkel des den Sender verlassenden Meßlichtstromes
notwendige elektrische Vergleichssignal wird über die Zuleitung 21, einen gittergesteuerten
Sekundärelektronenvervielfacher 22, die Zuleitungen 13 und das Kabel 14 der Vergleichsvorrichtung
15 zugeführt. Der Sekundärelektronenvervielfacher 22 dient hier einem bereits vorgeschlagenen
Zweck, nämlich der Kompensation von Laufzeiteinflüssen, die durch Versorgungsspannungsschwankungen
am lichtempfindlichen Element 12 verursacht werden können. Die beiden Elektronenvervielfacher
12 und 22 werden deshalb aus der gleichen Spannungsquelle 23 über das Kabel 24 und
die Zuleitungen 25 versorgt.
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Zur Verminderung des Einflusses störenden Hintergrundlichtes auf
das Rausch-Signal-Verhältnis am lichtempfindlichen Element 12 sind in bekannter
Weise sowohl der Polarisator 4 als auch der Analysator 11 in den Lagern 30 bzw.
31 um die optischen Achsen der Vorrichtung drehbar angeordnet. Hierzu sind beide
Elemente an den Zahnrädern 32 bzw. 33 befestigt, die jeweils eine zentrale öffnung,
durch die die Lichtströme hindurchtreten können, aufweisen.
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Die Zahnräder 32 bzw. 33 stehen mit dem Gegenrad 34 in Verbindung,
das über die Welle 35 von Hand durch Verdrehen des Knopfes 36 um gewisse Winkel
stetig verdreht werden kann. Hierdurch ist es möglich, unter Beibehaltung der gegenseitigen
Orientierung von Polarisator und Analysator diese um solche Winkel um die optischen
Achsen zu verdrehen, daß das durch die Öffnung 8 eintretende polarisierte Fremdlicht
nur zu einem geringen Anteil auf das Element 12 einwirken kann.
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Die Kerrzelle 5 ist ihrerseits mit dem Zahnrad 32 so verbunden, daß
sie bei Drehungen des Polarisators 4 bzw. des Zahnrades 32 um die optische Achse
des Sendeteiles mitverdreht wird. Diese Anordnung ist erforderlich, um einen konstanten
Lichtstrommodulationsgrad zu erzielen, der sich bei Drehung der Polarisationsebene
gegen die Kerrzelle ändern würde.
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Um den Einfluß des störenden Hintergrundlichts auf das Rausch-Signal-Verhältnis
am lichtempfindlichen Element 12 zu reduzieren, ist der Erfindung entsprechend in
der Ebene 40 des durch das Objektiv 9 entworfenen Zwischenbildes (bzw. in dessen
näherer Umgebung) das in F i g. 1 mit 41 bezeichnete Blendenelement justierbar angeordnet.
Die Fig. 2 zeigt diese Anordnung ausführlicher in der Schnittebene A-A. Es bezeichnen
in der Fig. 2 wieder 1 das Gehäuse der Vorrichtung, 9 das Empfangsobjektiv, 11 den
drehbar gelagerten Analysator, 31 das Lager des Analysators, 33 das entsprechende
Zahnrad der Fig. 1, 40 die Ebene des vom Objektiv 9 entworfenen reellen Zwischenbildes
und 41 die justierbare Blendenanordnung. In der Ebene 40 ist der in Fig. 3 gesondert
dargestellte prismatische Glaskörper 50 angeordnet. Dieser setzt sich aus den beiden
Glasprismen 51 und 52 zusammen, deren aneinanderliegende Begrenzungsflächen 53 verspiegell
sind. Die Verspiegelung 53 dieser Flächen weist in ihrer Mitte eine zentrale elliptische
Öffnung 54 (vgl.
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Fig. 4) auf. Der Durchmesser der Blende ist der ausgenutzten Größe
des Leuchtfleckes der Lichtquelle 2 angepaßt.
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Die Spiegelfläche 53 ist unter 450 gegen die Ebene 40 des vom Objektiv
9 entworfenen Zwischenbildes
geneigt, so daß das von diesem entworfene
Bild der Lichtquelle 2 bei einer Dejustierung der Blende 54 (oder der Lichtquelle)
an dem spiegelnden Belag 53 in das optische Beobachtungssystem 55 (beispielsweise
eine Lupe) reflektiert wird und über das Okular 56 dieser Einrichtung beobachtet
werden kann.
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Das Empfangsobjektiv 9 bildet mit dem Beobachtungssystem 55 ein Fernrohr.
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Der prismatische Körper 50 ist fest am Beobachtungssystem 55 angeordnet
und kann mit dieser Einrichtung sowohl in Richtung des Pfeiles 57 als auch um die
Achse 58 gedreht werden. Ferner läßt sich der spiegelnde Belag 53 um die optische
Achse von 55 des Beobachtungssystems verdrehen. Das elliptische Blendenloch 54 erscheint
als kleiner schwarzer Kreis im Beobachtungsfernrohr. Da die Blende 54 beweglich
angeordnet ist, kann stets das Blendenloch in die engste Einschnürung des von am
Ort der zu messenden Entfernung angeordneten Gegenspiegel über das Empfangsobjektiv
kommenden Lichtkörpers gestellt werden. Durch Beobachtung des Zwischenbildes in
der Ebene 40 über die Lupe 56 läßt sich somit die Öffnung 54 der Gesichtsfeldblende
an die engste Stelle des Abbildungsstrahlenbüschels stellen, so daß das Zwischenglied
der Lichtquelle 2 zumindest weitgehend mit den Begrenzungslinien der Öffnung 54
zusammenfällt.
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Die seitliche Verschiebung der Gesichtfeldblende ist deshalb von
besonderer Bedeutung, weil infolge des Abstandes der optischen Achsen des Sender-
und des Empfängerobjektivs das in der Blendenebene 40 erzeugte Zwischenbild der
Lichtquelle bei kurzen Meßentfernungen schon einige Millimeter von der Objektivachse
des Empfängers entfernt liegt.
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Die beschriebene Blendenanordnung gewährleistet in Verbindung mit
der großen Brennweite des Empfängerobjektivs eine größtmögliche Ausblendung des
störenden Hintergrundlichtes, wobei zwangläufig der größtmögliche Meßlichtstrom
auf das hinter dem Blendenloch angeordnete lichtempfindliche Element fällt.
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Der Erfindungsvorschlag ist auch bei Einrichtungen, die mit nicht
sichtbarer optischer Strahlung arbeiten, sinnvoll. Auch läßt sich der Erfindungs-
vorschlag
bei solchen Einrichtungen anwenden, bei denen der Sendeteil und der Empfangsteil
der Einrichtung räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Bei Einrichtungen,
die der optischen Nachrichtenübermittlung dienen, wird der Empfangsteil der Einrichtung
am Ort des Empfängers der Nachricht angeordnet sein.