DE1623512B1

DE1623512B1 - Laser entfernungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE1623512B1
Application number: DE1967N0029895
Authority: DE
Inventors: Tom Taketo Kumagai
Original assignee: North American Aviation Corp
Current assignee: North American Aviation Corp
Priority date: 1966-01-26
Filing date: 1967-01-25
Publication date: 1972-03-16
Also published as: NL6701233A; FR1508049A; US3498717A; GB1112150A

Description

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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:

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.

Es kann gezeigt werden, daß
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

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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

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

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

1 2 Detektoren reflektiert werden zwecks Kompen- Patentansprüche: sation von Abweichungen, die von Laser-Impulsen verursacht werden, wenn diese auf die Ablenk-

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

um einen Winkel bewirkt, der der Zeit zwischen 15

der Erzeugung und der Rückkehr der Impulse
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-