DE1623512B1 - Laser entfernungsmesseinrichtung - Google Patents
Laser entfernungsmesseinrichtungInfo
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- DE1623512B1 DE1623512B1 DE1967N0029895 DEN0029895A DE1623512B1 DE 1623512 B1 DE1623512 B1 DE 1623512B1 DE 1967N0029895 DE1967N0029895 DE 1967N0029895 DE N0029895 A DEN0029895 A DE N0029895A DE 1623512 B1 DE1623512 B1 DE 1623512B1
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Description
3 4
raturen wurden wegen der Beschränkungen durch die F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Laser-
Ansprechzeit noch keine Detektoren entwickelt, die Entfernungsmeßeinrichtung nach der Erfindung,
auf die Impulslänge von g-geschalteten Laserimpulsen Fig. la eine Darstellung einer typischen Wellenfür
Wellenlängen im Infrarot-Band oberhalb 5 Mikron form des Ausgangs des Sägezahnwellengeneratprs
ansprechen. (Bei g-geschalteten Laserimpulsen steigt .5 nach der.Fig. 1,
das Q des die Laser-Komponenten enthaltenden F i g. 2 eine Darstellung einer Ausführungsform
Resonanzkreises im Resonanzfall um 106 Größen- eines optischen Systems und des Prismas mit veränderordnungen
gegenüber dem Fall, daß sich dieselbe licher Ablenkung zum Messen des Winkels der Ab-Schaltung
nicht in Resonanz befindet.) weichung von der optischen Achse,
Für den Bereich von 1,2 bis 5 Mikron stehen Detek- io F i g. 3 eine Darstellung einer zweiten Ausführungstoren mit einer Ansprechzeit von weniger als 1 Mikro- form einer Einrichtung mit einem sich drehenden
Sekunde zur Verfügung, sind jedoch für Laserimpulse Reflektor und die
zum Messen der Entfernung ungeeignet. Aufgabe der F i g. 4 ;eine schaubildliche Darstellung der bei der
Erfindung ist die Schaffung einer Laser-Entfernungs- Einrichtung nach der Erfindung benutzten Detektormeßeinrichtung,
mit der unter Verwendung herkömmli- 15 anordnung.
eher Detektoren eine hohe Entfernungsauflösung er- Die F i g. 1 zeigt die Laser-Entfernungsmeßein-
reicht wird. richtung nach der Erfindung mit einem Laser-Sender 1
Dieses Ziel wird mit einer Laser-Entfernungsmeß- und einem Laser-Detektor 2. Bei der dargestellten
einrichtung erreicht, die gekennzeichnet ist durch eine Ausführungsform weist der Sender 1 auf: einen
Einrichtung zum Synchronisieren der Erzeugung der 20 Laserstab 3 mit einem teilweise versilberten Spiegel 3 a,
LaserenergiemitderEmpfangseinrichtungunddadurch, eine Ö-Schalteinrichtung 4, vorzugsweise mit einem
daß die Empfangseinrichtung eine Ablenkeinrichtung drehbaren dachförmigen Reflektor Aa, der eine veraufweist,
die eine Ablenkung der zurückkehrenden spiegelte Außenseite hat, eine optische Einrichtung 5,
Energieimpulse um einen Winkel bewirkt, der der die die Laserstrahlung auf ein Ziel richtet, und eine
Zeit zwischen der Erzeugung und der Rückkehr der 25 Blitzlichteinrichtung 6 zum Erregen des Laserstabes 3.
Impulse proportional ist. Der Laserstab kann aus irgendeinem Lasermaterial
Die empfangenen Impulse werden über einen vor- hergestellt werden, z. B. aus Rubin oder aus mit
gewählten Winkel hinweg auf eine Detektoreinrichtung Neodynium dotierten Materialien, die an sich bekannt
abgelenkt, z. B. auf eine Anordnung von Photo- sind. Die Blitzlichteinrichtung 6 besteht aus einem
Spannungszellen oder auf eine Matrize von Detektoren. 30 Auslöser 7 und einer Blitzlichtlampe 8. Im Betrieb
Die Anordnung bei der Detektoreinrichtung kann so wird das Licht aus der Lichtquelle 28 von der auf der
gewählt werden, daß eine Reihe von auf Abstand Schalteinrichtung 4 angeordneten sich drehenden Spiestehenden
Detektoren einer weiteren Reihe von auf gelfläche 4 a auf eine Photodiode im Auslöser 7
Abstand stehenden Detektoren gegenübersteht, die reflektiert. Der Auslöser 7 zündet die Blitzlichtlampe 8,
jedoch in bezug auf dieerste Reihe seitlich so verschoben 35 z.B. eine Wolfram-Blitzlichtlampe, die weißes Licht
ist, daß die Abstände von den Detektoren der zweiten ausstrahlt.
Reihe überdeckt werden. Auf diese Weise werden alle Das Licht aus der Lampe 8 in der Blitzlichteinrich-
Stellen im Raum besetzt, und wenn ein Impuls tung 6 versorgt den Laserstab 3 mit Pumpenenergie,
zwischen die Detektoren der ersten Reihe fällt, so stößt Wird die Blitzlichteinrichtung 6 mit Energie versorgt,
er auf die zweite Reihe von Detektoren. 40 so erfolgt im Laserstab 3 eine Umschichtung der
Die mit der Sendeeinrichtung synchronisierte Ab- Ladungsträger, die verstärkt wird, wenn die innere
lenkeinrichtung kann aus einem sich drehenden oder reflektierende Fläche des Reflektors 4 auf den Laserhin
und her schwingenden Reflektor oder aus einem stab 3 optisch ausgerichtet ist. Das ausgestrahlte
Prisma bestehen, der bzw. das auf der optischen Licht wird von der optischen Einrichtung 5 auf das
Rückkehrbahn des reflektierten Laserstrahls angeord- 45 Zielobjekt gerichtet. Die verschiedenen Elemente des
net wird. Um ein Hin-und Herschwingen des Reflektors Senders !„sind so synchronisiert, daß der Auslöser 7
oder des Prismas zu bewirken, kann der piezoelektrische die. Blitzlichteinrichtung 8 zündet, kurz bevor der
Effekt benutzt werden, oder es kann für den Antrieb Reflektor der Schalteinrichtung 4 optisch ausgerichtet
des Reflektors oder des Prismas ein Motor oder eine ist. Der Reflektor der Schalteinrichtung 4 kann z. B.
andere Einrichtung vorgesehen werden, so daß der 50 von einem luftbetriebenen Motor mit einer Drehzahl
reflektierte Strahl innerhalb eines vorherbestimmten von 20 000 U/min in Umdrehung versetzt werden.
Winkels abgelenkt wird. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann
Es ist eine Einrichtung vorhanden, die eine Kompen- ferner auch eine andere ^-Schalteinrichtung 4 ver:
sation einer Abweichung oder'eines Fehlers bewirkt, wendet werden, z. B. ein sich drehendes Prisma, ein
die bzw. der von dem Signal verursacht wird, das unter 55 sich drehender Reflektor, eine Kerrzelle oder andere
einem Winkel in bezug auf eine bestimmte primäre bekannte Vorrichtungen. Die optische Einrichtung 5,
optische Achse im optischen System des Empfängers die die Laserenergie auf ein Zielobjekt richtet, ist an
zurückkehrt. Der Laserimpuls kann auf der optischen sich bekannt und braucht daher nicht weiter beschrie-Achse
des optischen Systems oder unter einem Winkel ben zu werden.
in bezug auf die optische Achse reflektiert werden. Im 60 ; Dem Sender 1 ist eine Kopplungseinrichtung 9
letztgenannten Fall muß eine Kompensation erfolgen, zugeordnet, die den Lasersender überwacht und die
wenn kein Fehler bei der Entfernung eingeführt werden die Sende- und Detektorfunktionen der Laser-Entsoll.
Bei der Einrichtung nach der Erfindung hängt fernungsmeßeinrichtung synchronisiert. Im besonderen
weiterhin die Kompensation von dem Winkel in bezug wird von einem Prisma oder einer anderen reflek*
auf die optische Achse ab, amter dem die Laserenergie 65 tierenden Vorrichtung 27 ein kleiner Teil des von der
zurückkehrt. optischen Einrichtung 5 auf das Zielobjekt gerichteten
Die Erfindung wird nunmehr an Hand von Aus- Lichtes zu einem Photodiodenkreis 9 abgelenkt Bei
führungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen ist einer Erregung durch das Licht aus dem Prisma 27
synchronisiert die Kopplungseinrichtung 9 die Laser- vorherbestimmten Wert in einer vorherbestimmten
Empfangseinrichtung 2, wie später noch beschrieben Richtung, z. B. im Uhrzeigersinne, abgelenkt wird,
wird. Das Prisma 11 ist so ausgerichtet, daß bei Zuführung
Die Laser-Empfangseinrichtung 2 weist auf die eines Impulses aus dem Verstärker 23 das aus der
veränderlichen Prismen 10 und 11 sowie die Detektor- 5 optischen Einrichtung 21 empfangene Licht in der
einrichtungen 12 und 13. Die auf das nicht dargestellte entgegengesetzten Richtung abgelenkt wird, d. h.
Zielobjekt gerichteten optischen Einrichtungen 20 im Uhrzeigergegensinne, wobei der Wert der Ablen-
und 21 sind parallel zu einander angeordnet und kung in beiden Fällen vorzugsweise der gleiche ist.
zur primären Achse, die den Empfänger 2 mit dem Beide Prismen 10 und 11 sprechen auf denselben
Zielobjekt verbindet, welche optischen Einrichtungen io Impuls an.
20 und 21 das reflektierte Licht auf die veränderlichen Jede Detektoreinrichtung 12 und 13 enthält eine
Prismen 10 und 11 richten. Wenn erforderlich, können Anzahl von Detektoreinheiten, die mit Abstand vonzwischen
den Prismen 10 und 11 und den Detektoren einander angeordnet sind. Wie aus der F i g. 4 zu
weitere Linsen vorgesehen werden, die den Lichtstrahl ersehen ist, weist jede Einheit eine Anzahl einzelner
auf die Detektoren fokussieren. 15 Zellen 17 auf, die mit Abstand voneinander in den
Bei der Ausführungsform nach der F i g. 1 weist der Höhenlagen 31 und 32 angeordnet sind. Auf diese
Empfänger 2 einen Sägezahnwellengenerator 22 auf, Weise kann das Licht entweder auf Höhenstufe 31
der auf den Impulsausgang aus der Kopplungs- oder durch die transparente Schicht 46 hindurch auf
einrichtung 9 anspricht, sowie einen Verstärker 23, der die versetzten Zellen der Höhenstufe 32 gerichtet
das Signal aus dem Generator 22 auf die gewünschte 20 werden. Die Fig. 4a zeigt den Detektor 13 in dessen
Amplitude verstärkt. Einzelteile zerlegt.
Die Fig. la zeigt die prismatische Verformung In jeder Höhenstufe31 oder 32 ist eine Vielzahl
in Abhängigkeit von dem vom Generator 22 erzeugten einzelner Zelleneinheiten 35 in einer zur optischen
Signal. Für die Zwecke der Beschreibungen werden Achse senkrechten Richtung mit Abstand voneingewisse
Annahmen aufgestellt. Es wird z. B. ange- 25 ander angeordnet. Die beiden Höhenstufen 31 und 32
nommen, daß die Detektoreinrichtungen 12 und 13 sind so angeordnet, daß die Bezirke zwischen den
aus je 20 Detektoren (A bis T) bestehen und daß jeder Zellen 35 in der Höhenstufe 31 mit den Bezirken der
Detektor eine Ansprechzeit von 0,75 Mikrosekunden Zellen 35 in der Höhenstufe 32 zusammenfallen. Auf
benötigt. Die Detektoren sind in einer Zwillings- diese Weise wird die Gefahr vermieden, daß ein reflekbeziehung
zur prismatischen Verformung dargestellt. 3° tierter Lichtimpuls auf einen Bezirk zwischen zwei
Es wird ferner bei den Laserimpulsen eine Länge von Detektorzellen fallen kann. Bei der in der Fig. 4
50 Nanosekunden bei 3 Dezibel angenommen. Ferner dargestellten Zellenanordnung, bei der die Reihe 32
wird angenommen, daß die Kurve 29 vom Prisma 10 ungefähr um eine halbe Zellenbreite hinter der Reihe 31
und die Kurve 30 vom Prisma 11 abgeleitet worden liegt, werden alle Stellen im Raum abgedeckt. Die
sind. ■ 35 Reihen 31 und 32 können aus Detektoreinrichtungen
Wie aus der Fig. la zu ersehen ist, verformt sich wie photoelektrischen Zellen oder aus einer Matrize
das Prisma 10 bei der Drehung im Uhrzeigersinne von von Detektoren bestehen, die in der geeigneten Weise
einem angenommenen Ursprung R aus von einem miteinander verbunden sind.
angenommenen Mindestwert zu einem angenommenen Im Betrieb wird von der Sendeeinrichtung 1 ein
Höchstwert bei R + 1. Zugleich verformt sich das 4° Energieimpuls in Richtung zu einem Zielobjekt ausPrisma
11 bei seiner Drehung im Uhrzeigersinne. gesendet, von diesem reflektiert und von der Emp-Wird
ein Laserimpuls 14 empfangen, so wird dieser fangseinrichtung 2 empfangen. Das durch die optische ·
im Uhrzeigersinne durch das Prisma 10 auf die Einrichtung 20 eintretende Signal wird auf das Prisma
Detektoren G und F der Detektoreinrichtung 12 10 fokussiert. Je nach dem Betriebszustand des
abgelenkt. Ebenso wird der Impuls 15 durch das 45 Verstärkers 23 lenkt das Prisma 10 das Signal in
Prisma 11 im Uhrzeigergegensinne auf die Detektoren einer vorherbestimmten Richtung auf eine Stelle der
N und O der Detektoreinrichtung 13 abgelenkt. Die Detektoreinrichtung 12 ab.
Detektoren erzeugen ungefähr 0,75 Mikrosekunden Diese Ablenkung ist aus der F i g. 2 zu ersehen, die
nach Empfang der Laserimpulse die durch die Kurven die optischen Einrichtungen 20 und 21, die Detektor-14
und 15 dargestellten Signale. Die Signale werden 50 einrichtungen 12 und 13 und die Prismen 10 und 11
zur Zählersteuerung 16 geleitet, um die Position der aus der F i g. 1 zeigt. Wenn erforderlich, können
Impulse zu registrieren. Sind die Zeitkonstanten der weitere Linsen vorgesehen werden, die den ankommen-Detektoren
in Ausdrucken der Ansprechzeit bekannt, den Strahl nach der Ablenkung durch die Prismen
so können die an sich bekannten Ausgangskreise so nochmals fokussieren. Die Bahn, die der ankommende
eingerichtet werden, daß sie die Entfernung des 55 Strahl verfolgen würde, wenn das Zielobjekt auf der
Zielobjektes anzeigen, das den Impuls reflektiert hat. Hauptachse der Empfangseinrichtung 2 liegen würde,
Die beiden Prismen dienen zum Kompensieren von ist in der F i g. 2 mit den unterbrochenen Linien 35,
Fehlern oder Abweichungen, die eingeführt werden, 36 und 37 dargestellt. Bildet die zum Zielobjekt lauwenn
die Laserimpulse unter einem von der Haupt- fende Linie mit der Hauptachse der optischen Einachse
der optischen Einrichtung abweichenden Winkel 60 richtung des Empfängers einen Winkel Φ, so wird das
empfangen werden. als Volume 40 dargestellte zurückkehrende Lasersignal
Die Prismen 10 und 11 werden aus einem piezo- von einem der Prismen 10 oder 11 um einen weiteren
elektrischen Material hergestellt, daß sich auf Grund Winkel abgelenkt, der dem Winkel zwischen der
eines Signals aus dem Verstärker 23 um einen vorher- Ziellinie und der optischen Achse proportional ist.
bestimmten Wert verformt. 65 Die gemessene Entfernung des Raumdetektors weist
Das Prisma 10 ist so ausgerichtet, daß bei Zuführung einen Fehler in einem Bereich auf, der dem Winkel
eines Impulses aus dem Verstärker 23 das aus der proportional ist, den die Ziellinie mit der Hauptachse
optischen Einrichtung 20 empfangene Licht um einen der Empfangseinrichtung bildet.
Wie bereits gesagt, werden die Prismen 10 und 11 auf Grund eines elektrischen Signals aus einem Generator
(F i g. 1) während der Periode verformt, in der ein Energieimpuls ausgesendet und empfangen wird.
Diese Verformung bewirkt, daß der zurückkehrende Impuls über einen bekannten Winkel abgelenkt wird,
der der Verformung des Prismas proportional ist. Für die Zwecke der Beschreibung wurden die Detektoreinrichtung
und der Ablenkwinkel des Prismas so groß bemessen, um die gesamte Entfernung des Zielobjektes
anzeigen zu können. Liegt das Zielobjekt auf der Hauptachse der Einrichtung, so folgt ein
zurückkehrender Impuls der Bahn 35, 36 und 37 und wird von den Prismen 10 und 11 auf die entsprechenden
Detektoreinrichtungen 12 und 13 und auf die Stellen 38 und 38 a abgelenkt. In jedem Falle
erfolgt in den Prismen 10 und 11 eine Brechung des Lichtes über einen bekannten Winkel, da die Brechzahlen
der Prismenmaterialien bekannt sind und da der Winkel vorgewählt werden kann, unter dem der
Strahl auf das Prisma fällt, z. B. senkrecht. Bei entfernten Zielobjekten werden jedoch die zurückkehrenden
Impulse während der Verformung der Prismen 10 und 11 empfangen und von diesen auf die
Detektoren 12 und 13 an den Stellen 39 und 39 a geworfen. Die Entfernungen zwischen den Hauptpunkten
38, 38 α und den entsprechenden Punkten 39, 39 a sind jedoch nicht gleich groß, da bei der Verformung
der Prismen sich deren Brechungswinkel ändert und deren entgegengesetzte Ausrichtung, so
daß die Ablenkung über verschiedene Strecken erfolgt.
Bildet die Ziellinie zum Zielobjekt mit der Hauptachse der Einrichtung einen Winkel Φ, so werden die
zurückkehrenden Signale über einen größeren Winkel abgelenkt, da sich der Auffallwinkel an den Prismen 10
und 11 geändert hat. Für einen Winkel Φ wird daher das Signal am Detektor 12 weiter abgelenkt bis zu den
Punkten 40 und 40 a, wobei die Ablenkung am Detektor 13 um einen kleineren Winkel erfolgt. Wegen der
unterschiedlichen Brechung sind daher die Entfernungen zwischen den Hauptpunkten 38, 38 a und den
Punkten 40 und 40a nicht gleich groß. Dadurch, daß die zurückkehrenden Strahlen durch Prismen geleitet
werden, die die Strahlen in bezug aufeinander gegensinnig ablenken, kann die richtige Entfernung und der
Abweichungswinkel aus den nachstehenden Gleichungen bestimmt werden:
R
=
φ
=
(R
(R
+
τΦ)
+
(-R
+
Bei den obenstehenden Gleichungen sind die in Klammern stehenden Ausdrücke die relativen Signalpositionen
63 auf den beiden Detektoreinrichtungen. Der Winkel Φ stellt entweder die Höhe oder den
Azimuth in bezug auf die Hauptachse dar, je nach der Ausrichtung der veränderlichen Prismen. In der
Praxis soll die Ablenkung γΦ in der Größenordnung
der Ablenkungskomponente R liegen. Wenn das veränderliche Prisma den rückkehrenden Strahl für
je 300 m Entfernung um 2,5° ablenkt, so muß die Einrichtung imstande sein, Abweichungswinkel von
der Achse in der Größenordnung von 2,5° behandeln zu können.
Wenn außerordentlich große Entfernungen gemes
sen werden sollen, so wird eine Zählersteuerung 26a verwendet. Die Zählersteuerung setzt den Zähler 26
auf Grund des auf die Detektoreinrichtungen 12 und 13 fallenden reflektierten Strahls außer Betrieb.
Die Anzahl der Zählungen, d. h. der vom Zähler 26 gezählten Sägezahnwellen, würde dann den ungefähren
Wert der Entfernung anzeigen, während die Feinmessung des genauen Wertes mit Hilfe der räumlichen
Ablenkung erfolgen würde. Angesichts der
ίο Ansprechgeschwindigkeit einer solchen Anordnung
würde diese nur für sehr große Enfernungen benutzt werden.
Im Betrieb wird die Entfernung eines Zielobjektes bestimmt durch Umwandlung der zwischen dem
Aussenden und dem Empfang eines Energieimpulses verstrichenen Zeit in eine Ablenkung. Wird z. B.
als Ablenkmittel während der genannten Zeit ein sich drehender Reflektor benutzt, so dreht sich dieser über
den Winkel Θ. In diesem Falle wird der empfangene Energieimpuls über eine entsprechende Strecke zu
einer seitlichen Stelle auf den Detektoreinrichtungen abgelenkt. Diese Stelle zeigt die Entfernung des Zielobjektes
an.
Die nachstehenden Ableitungen zeigen an, in welcher Weise die Entfernung eines Zielobjektes durch die Einrichtung nach der Erfindung bestimmt wird und welche Elemente für den Empfänger 2 zu wählen sind. Für die Zwecke einer Analysis werden die folgenden Definitionen gegeben:
Die nachstehenden Ableitungen zeigen an, in welcher Weise die Entfernung eines Zielobjektes durch die Einrichtung nach der Erfindung bestimmt wird und welche Elemente für den Empfänger 2 zu wählen sind. Für die Zwecke einer Analysis werden die folgenden Definitionen gegeben:
35
Te — Zeit zwischen Aussendung und Empfang eines Impulses,
r = Radius zwischen dem veränderlichen Prisma oder dem sich drehenden Reflektor und der
Ebene, in der die Detektoreinrichtungen angeordnet sind,
W = Drehgeschwindigkeit des Reflektors oder Schwenkgeschwindigkeit des veränderlichen
Prismas in rad/sec,
Θ = winkelmäßige Versetzung des Reflektors oder des Prismas während der Zeit T,
R = Entfernung des Zielobjektes,
c = Lichtgeschwindigkeit.
c = Lichtgeschwindigkeit.
Es kann gezeigt werden, daß
2R = cT dR = c dT/2
2R = cT dR = c dT/2
ist, wobei dR die kleinste Einheit der Änderung der
Entfernung des Zielobjektes ist, die von den Detektorzellen ermittelt werden kann. άΤ entspricht der Impulsbreite
des zurückkehrenden Lasersignals.
Aus der räumlichen Anordnung der Elemente der zusammengesetzten Einrichtung ist ferner zu ersehen,
daß
d0=WdT (3)
und
d<9 =
WdB
2c
ist. Da die Ablenkung in der Fokalebene während der Impulsbreite dT gleich rd© ist, so ist die Auflösung
209 512/191
der Entfernung des Zielobjektes durch die Detektor- Im Betrieb leitet das sich drehende Prisma die
einrichtung gleich Aussendung eines Impulses aus dem zuvor aufge
pumpten Laserstab 3 ein und ist daher mit dem emp-
dR = c (r ^®) (5) fangenen Signal synchronisiert. Das Prisma dreht sich
2 Wr 5 m der Zeit, in der der Impuls ausgesendet, empfangen
und auf die Detektoreinrichtung 45 reflektiert wird über
Aus der Auflösung der Detektoreinrichtung kann einen bestimmten Winkel. Offensichtlich brauchen die
der Radius r nach der folgenden Gleichung berechnet Reflektoren 42 und 43 nicht an dem sich drehenden
werden· Prisma angebracht zu sein, wenn zusätzliche Mittel
ίο vorgesehen werden, die eine Synchronisation des sich
(r d(9) drehenden Prismas mit den sich drehenden Reflektoren
r = ~— (6) sichern.
w Bei der Beschreibung der Ausführung nach der
F i g. 3 wurde angenommen, daß das Zielobjekt sich
wobei (τάΘ) der Abstand der lichtempfindlichen 15 auf der Hauptachse der Fokussierungs- oder Emp-Elemente
der Detektoreinrichtung von Mitte zu Mitte fängeroptiken 20, 21 und 44 bei den Ausführungsgemessen
und eine Einheit bildend ist. Für die Zwecke formen nach den Fig. 1 und 3 befindet. Diese Ander
Beschreibung sei angenommen, daß W = 400 Hz nähme trifft nicht immer zu, da das Zielobjekt sich
und άΤ = 20 · 1O-9 Sekunden ist. Unter diesen auch nicht auf der Hauptachse befinden kann, infolge-Bedingungen
beträgt der erforderliche Wert für r ao dessen in der Einrichtung Mittel zum Kompensieren
ungefähr 50,8 cm. Wird dieser Wert für r eingesetzt, der Abweichung vorgesehen werden,
so beträgt die Auflösung der Entfernung der Zelle Zum Kompensieren des Abweichungswinkels in
so beträgt die Auflösung der Entfernung der Zelle Zum Kompensieren des Abweichungswinkels in
ungefähr 3 m. Mit anderen Worten, der Detektor kann bezug auf die Achse sind in der Einrichtung zusätzliche
Entfernungsänderungen von ungefähr 3 m ermitteln. Elemente vorgesehen. Zum Beispiel kann zusätzlich
Bei dem obenstehenden Beispiel mußte ferner ange- 25 die Optik 47 und der Reflektor 49 zum Reflektieren
nommen werden, daß der gegenseitige Abstand der der zurückkehrenden Impulse auf die Detektorlichtempfindlichen Elemente (F i g. 4), von Mitte zu einrichtung 48 vorgesehen werden.
Mitte gemessen, 0,025 mm beträgt und daß (rd(9) den Die verspiegelten Flächen 42 und 43 werden im
Mitte gemessen, 0,025 mm beträgt und daß (rd(9) den Die verspiegelten Flächen 42 und 43 werden im
Abstand in der Gleichung, von Mitte zu Mitte ge- Zeitpunkt des Aussendens eines Laserimpulses in
messen darstellt. 30 bezug auf die Hauptachse der Empfangsoptik ausge-
Die Anzahl der lichtempfindlichen Elemente in der richtet. In der Zeit Τχ zwischen Aussendung und
Fokalebene der Detektoreinrichtung wird von den Empfang dreht sich das Prisma 4 über einen bestimmten
Entfernungsbereichen bestimmt, in denen die Einrieb.- Winkel. Läge das Zielobjekt in einer Entfernung Null
tung arbeiten soll. auf der Hauptachse, wie in Verbindung mit der
Die F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfin- 35 F i g. 2 beschrieben, so würde ein Impuls an den
dung mit einem sich drehenden Reflektor an Stelle Stellen 38 und 38 α auf den Detektorflächen empfangen
der zuvor beschriebenen veränderlichen Prismen. werden, d. h., die vom Prisma reflektierten Strahlen
Es wird nur ein Satz Elemente beschrieben, obwohl würden parallel zur Hauptachse verlaufen. Bei einem
im Empfangsteil beide Sätze von Elementen dargestellt auf der Hauptachse in einer Entfernung J? liegenden
sind, die zum Bestimmen des Abweichungswinkels in 40 Zielobjekt würden die zurückkehrenden Signale bei
bezug auf die Achse benutzt werden, wie in bezug auf R oder bei —R ermittelt werden, je nachdem der
die F i g, 1 bereits beschrieben wurde. Spiegel sich im Uhrzeigersinne oder im Gegensinne
In der Fig. 3 ist der Sendeteil 1 dargestellt sowie dreht. Liegt jedoch das Zielobjekt nicht auf der Haupteine
optische Einrichtung 44 zum Fokussieren des achse, so können die bei der Beschreibung der F i g. 2
zurückkehrenden Impulses auf die reflektierende 45 aufgestellten Gleichungen gleichfalls angewendet wer-Fläche
41. Bei der dargestellten Ausführungsform be- den. Die räumlichen Ablenkungen auf den Detektorsteht
der sich drehende Reflektor aus einem sich einrichtungen 45 und 48 wären gleich den Ablenkungen
drehenden Prisma 4 mit den reflektierenden Flächen 40 und 40 α nach der Fig. 3, und es könnten bei einem
42 und 43 an der Rückseite. Die Detektoreinrichtungen nicht auf der Hauptachse liegenden Zielobjekt die
45 und 48 sind nur schematisch dargestellt. 50 entsprechenden Korrekturen durchgeführt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Laser-Entfernungsmeßeinrichtung mit einer einrichtung unter einem Winkel einfallen, der
Laser-Einrichtung zum Erzeugen und Aussenden 5 gegen die Hauptachse der Ablenkeinrichtung
von Lichtimpulsen und mit einer Empfangsein- versetzt ist.
richtung zum Empfangen der von einem entfernten 8. Laser-Entfernungsmeßeinrichtung nach An-
Zielobjekt reflektierten ausgesendeten Impulse, spruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
gekennzeichnet durch eine Einrich- Detektoreinrichtung mindestens zwei Pegel von
tang zum Synchronisieren der Erzeugung der io Detektoreinheiten (31, 32) aufweist, die parallel
Laserenergie mit der Empfangseinrichtung und zueinander angeordnet sind und die zurück-
dadurch, daß die Empfangseinrichtung eine Ab- kehrenden Energieimpulse empfangen,
lenkeinrichtung (10,11; 4, 42,43) aufweist, die eine
Ablenkung der zurückkehrenden Energieimpulse
lenkeinrichtung (10,11; 4, 42,43) aufweist, die eine
Ablenkung der zurückkehrenden Energieimpulse
um einen Winkel bewirkt, der der Zeit zwischen 15
der Erzeugung und der Rückkehr der Impulse
proportional ist.
proportional ist.
2. Laser-Entfernungsmeßeinrichtung nach An- Die Erfindung betrifft eine Laser-Entfernungsmeßspruch
1, gekennzeichnet durch eine optische einrichtung mit einer Laser-Einrichtung zum Erzeugen
Einrichtung (20, 21, 44, 47), die die zurückkehren- 20 und Aussenden von Lichtimpulsen und mit einer
den Impulse auf die Ablenkeinrichtung (10, 11; Empfangseinrichtung zum Empfangen der von einem
4, 43) fokussiert und eine primäre optische Achse entfernten Zielobjekt reflektierten ausgesendeten Imaufweist,
und dadurch, daß die Ablenkeinrichtung pulse.
eine Kompensationseinrichtung (4, 12, 13, 42, 43) Bei der Anwendung von Laser-Einrichtungen zum
aufweist, die Abweichungen kompensiert, welche 25 Bestimmen von Entfernungen wird die Entfernung
bei der Rückkehr der ausgesendeten Impulse unter eines Zielobjektes üblicherweise durch Messen der
einem Winkel zur genannten optischen Achse Differenz zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens und
auftreten. dem Zeitpunkt des Empfangs eines reflektierten Im-
3. Laser-Entfernungsmeßeinrichtang nach. An- pulses erhalten. Das zum Durchführen der Zeitmessung
spruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung 30 übliche Mittel besteht darin, daß ein Zeitzähler durch
(41, 44, 47, 49) zum Kompensieren von Abwei- ein vom ausgesendeten Impuls abgeleitetes Signal in
chungen, die auftreten, wenn der ausgesendete Gang gesetzt und angehalten wird, wenn der vom
Laser-Impuls unter einem gegen die Hauptachse Zielobjekt reflektierte Impuls von einem Detektor
der Empfangseinrichtung versetzten Winkel zu- empfangen wird. Dieses Verfahren bedeutet eine starke
rückkehrt, wobei die Kompensationseinrichtung 35 Einschränkung bei dem für die Einrichtung zu wählenoptische
Mittel enthält, die eine Ablenkung des den Detektor. Um zwischen zwei aufeinanderfolgenden
zurückkehrenden Impulses in entgegengesetzte reflektierten Impulsen unterscheiden und eine Ent-Richtungen
bewirken. fernüngsauflösung erzielen zu können, die der Impuls-
4. Laser-Entfernungsmeßeinrichtung nach An- länge des Signals entspricht, muß die Ansprechzeit
spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die opti- 40 des Detektors kleiner sein als die Länge des Impulses,
sehen Mittel mindestens zwei optische Pfade auf- Einrichtungen mit einem geringen-Rauschen, wie
weisen. Photovervielfacher, die mit hoher Geschwindigkeit
5. Laser-Entfernungsmeßeinrichtung nach einem ansprechen, stehen im allgemeinen als Detektor für
der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, Strahlungswellenlängen von mehr als 1,2 Mikron
daß die optischen Mittel eine Einrichtung (9, 16, 45 nicht zur Verfügung. Daher werden Photonen-22,
27) aufweisen, die eine Bezugszeit für die detektoren wie Pbs, InAs und Ge benutzt, die mit Cu,
Kompensationseinrichtung in Bezug auf den Au, Zn oder Cd oder mit Pb Te dotiert sind. Die
Zeitpunkt des Aussendens des Laser-Impulses Ansprechzeit dieser Detektoren liegt in der Größenfestsetzt.
Ordnung von einer Mikrosekunde. Damit ein mit einem
6. Laser-Entfernungsmeßeinrichtung nach einem 50 Detektor ausgestatteter Empfänger das geringste
der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, Rauschen aufweist, muß die Bandbreite des Empfängers
daß die Empfangseinrichtung eine von den ausge- gleich dem Kehrwert der Ansprechzeit des Detektors
sendeten Impulsen betätigte und sich drehende sein, so daß die günstigste Bandbreite ein Megahertz
Einrichtung (4, 10, 11, 42, 43) zum Drehen der. - beträgt für eine Ansprechzeit von einer Mikrosekunde
Ablenkeinrichtung (10,11, 42, 43) ist, um eine Ab- 55 bei dem Detektor. In der Praxis muß jedoch die Bandlenkung
der zurückkehrenden Energieimpulse zu breite des Empfängers gleich dem oder größer sein
bewirken, und daß eine zusätzliche Detektor- als der Kehrwert der Ansprechzeit des Detektors. Die
einrichtung (12, 13, 45, 48) vorgesehen ist, die den verscheidenen Arten des Rauschens sind sämtlich der
Winkel der Ablenkung der zurückkehrenden Im- Quadratwurzel der Bandbreite direkt proportional,
pulse anzeigt. 60 Damit ein Empfänger auf einen reflektierten Laser-
7. Laser-Entfernungsmeßeinrichtung nach An- impuls mit einer Impulslänge innerhalb von 10 Nanospruch
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detek- Sekunden ansprechen kann, muß die Bandbreite des
einrichtung zwei Sätze von Detektoren (12, 13, Empfängers mindestens größer sein als oder gleich
45, 48) enthält und daß die Ablenkeinrichtung 100 Megahertz. Infolgedessen werden alle Rauschzwei
reflektierende Mittel (10, 11, 42, 43) aufweist, 65 störungen um das Zehnfache vergrößert.
die sich synchron miteinander drehen, wobei zu- Lasermaterialien erzeugen Impulse mit einer hohen
rückkehrende Laser-Impulse von beiden reflek- Energie jenseits der 1,2-Mikron-Empfindlichkeit der
tierenden Mitteln zugleich auf entsprechende Photovervielfacher. Außer für kryogenische Tempe-
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